空気流量測定装置
【課題】センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置を提供するる。
【解決手段】半導体基板１１の一端にメンブレン１２が形成され、該メンブレン１２に空気流量を検出するための検出部ＲＫが構成されてなるセンサチップ１４と、主流路２１を流れる被測定空気流の一部を、内部に露出するように配置されたセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く管状の副流路２０とを備える空気流量測定装置であって、センサチップ１４からの検出信号を入力して、空気流の流量を計算するための流量演算器３０と、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０とを有してなり、流量演算器３０において、センサチップ１４からの検出信号と、弁体４０による副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算し、空気流の流量を測定する空気流量測定装置１００とする。
【解決手段】半導体基板１１の一端にメンブレン１２が形成され、該メンブレン１２に空気流量を検出するための検出部ＲＫが構成されてなるセンサチップ１４と、主流路２１を流れる被測定空気流の一部を、内部に露出するように配置されたセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く管状の副流路２０とを備える空気流量測定装置であって、センサチップ１４からの検出信号を入力して、空気流の流量を計算するための流量演算器３０と、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０とを有してなり、流量演算器３０において、センサチップ１４からの検出信号と、弁体４０による副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算し、空気流の流量を測定する空気流量測定装置１００とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の一端に形成されたメンブレン（薄肉部）に空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の一端に形成されたメンブレン（薄肉部）に空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置が、例えば、特開２００２−１３９３６０号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に開示された感熱式流量センサ（空気流量測定装置）を示す図で、図５（ａ）は、支持体１６に装着された流量検出素子１４の斜視図であり、図５（ｂ）は、被計測流体の主通路２１内への配置状態を模式的に示した断面図である。尚、図中に示した白抜きの矢印は、被計測流体の流れ方向を表している。
【０００４】
図５（ａ）に示す流量検出素子（センサチップ）１４においては、シリコンよりなる平板状基材（半導体基板）１１の裏面側に空洞部１３が形成されて、流量検出用のダイアフラム（メンブレン）１２が形成されている。また、ダイアフラム１２上には、白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体（ヒータ）と測温抵抗体が形成されて、被計測流体の流量の検出部ＲＫが構成されている。
【０００５】
図５（ａ）に示す支持体１６は、流量検出素子１４を支持すると共に、流量検出素子１４の周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能し、流量検出素子１４を収納する凹状の収納部１８を有している。検出部ＲＫを構成するダイアフラム１２上の発熱体や測温抵抗体は、支持体１６に連結するベース部材１５上に配置されたターミナル１７を介して、図５（ｂ）に示す検出回路基板１９と電気的な接続がなされる。
【０００６】
図５（ｂ）に示すように、被計測流体の主通路（主流路）２１内には、検出管路（副流路）２０が設置され、この検出管路２０内に、図５（ａ）に示す支持体１６に装着された流量検出素子１４が、検出部ＲＫを露出するようにして配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１３９３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来の感熱式流量センサの構造では、流量検出素子１４を支持体１６の収納部１８に装着する場合、小流量域では被計測流体は流量検出素子１４の表面だけを流通するが、大流量域では流量検出素子１４と支持体１６の収納部１８の隙間に被計測流体が流れ込み、流量検出精度の低下を招くという問題があった。
【０００９】
図６は、上記問題をより詳細に説明する図で、図６（ａ）は、空気の流量に対するセンサチップ１４の出力特性を示した図であり、図６（ｂ）〜（ｄ）は、センサチップ１４の周りの断面図で、異なる空気流量での流れ状態の違いを模式的に示した図である。尚、図６（ｂ）〜（ｄ）は、図５（ｂ）に示す一点鎖線Ａ−Ａでの断面を図示している。また、図６（ｂ）に示すセンサチップ周りの断面図において、図５（ａ）に示した流量検出素子（センサチップ）１４の各部と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００１０】
半導体基板１１のメンブレン１２に空気流量の検出部ＲＫが形成されてなる従来のセンサチップ１４においては、図６（ａ）に示すように、被測定空気流が大流量域にある時、センサチップ１４の出力が流量の増加と共に点線のように増大せず、実線で示したようにばらつきも大きくなって、出力特性が不安定となる。
【００１１】
この不安定域が生じてしまう原因は、メンブレン構造を作るため半導体基板１１の裏面側に空洞部１３が形成されていることと、実装による悪影響を防ぐためにセンサチップ１４を根元付近だけで接着する、所謂片持ち実装方式が採用されていることにある。すなわち、図６（ｂ）に示すように、メンブレン１２の周囲は、検出部ＲＫが形成されている上面側だけでなく、空洞部１３が形成されている裏面側も開放状態となっている。
【００１２】
被測定空気流が小流量域にある時は、図６（ｂ）に示すように、空気流が、センサチップ１４と支持体１６の収納部１８の隙間にほとんど流れ込まず、上記裏面側が開放状態となっている影響はでない。また、被測定空気流が中流量域にある時は、図６（ｃ）に示すように、センサチップ１４と支持体１６の収納部１８の隙間に流れ込んだ空気流が、半導体基板１１の空洞部１３の内壁に沿って流れる。この場合には、検出部ＲＫを構成しているメンブレン１２の中心にあるヒータの熱が下流側に移り、ヒータの上流と下流にある測温抵抗体に温度差が出来て、流速を正しく測定することができるようになっている。
【００１３】
ところが、被測定空気流が大流量域にある時は、図６（ｄ）に示すように、メンブレン１２の下に高速の空気流が流れ込み、空洞部１３の内壁に沿って流れるだけでなく、メンブレン１２の下で渦が発生する。このように渦が発生すると、一旦下流側へ移ったヒータの熱が渦により上流側へ戻されてしまう。このため、図６（ａ）に示したセンサチップ１４の出力が流量の増加と共に増大せず、逆に、流量の増加に伴って出力が低下する現象が現れる。また、上記渦の流れは安定していないため、出力のばらつきも大きくなって、出力特性が不安定となる。
【００１４】
上記問題を解決するために、従来から、空気流をセンサチップ１４と支持体１６の収納部１８の隙間に流れ込まないようにする方法や、隙間に流れ込む空気流を整流して渦を発生させないようにする方法が、幾つか提案されてきている。例えば、特許文献１に開示された感熱式流量センサでは、支持体１６の収納部１８の底面に、流量検出素子１４の裏面の空洞部を塞ぐように、隆起した突出面を設けるものである。
【００１５】
しかしながら、隙間に流れ込む空気流を整流する方法では、渦の発生を十分に防止することが困難であり、大流量域における出力特性の不安定域を完全に抑制することはできない。一方、特許文献１のように、空気流がセンサチップと支持体の隙間や空洞部に流れ込まないようにする方法では、メンブレンの内外で空気流に圧力差が発生するため、メンブレンに不要な応力が加わり、測手精度が低下すると共に、メンブレンの耐久性も劣化する。
【００１６】
そこで本発明は、メンブレンに空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置であって、センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、主流路を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、半導体基板の一端にメンブレンが形成され、該メンブレンに空気流量を検出するための検出部が構成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部を、内部に露出するように配置された前記センサチップの検出部へ導く管状の副流路とを備える空気流量測定装置であって、前記センサチップからの検出信号を入力して、前記空気流の流量を計算するための流量演算器と、前記副流路の開口度を変化させる弁体とを有してなり、前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体による前記副流路の開口度の情報とを合わせて計算し、前記空気流の流量を測定することを特徴としている。
【００１８】
上記空気流量測定装置は、空気流量を検出するための検出部が形成されたセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部を前記センサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置である。
【００１９】
上記空気流量測定装置のセンサチップにおいては、例えばシリコン等からなる半導体基板の一端の裏面側に空洞部が形成されて、メンブレン（薄肉部）が形成されている。また、該メンブレンには、例えば白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体（ヒータ）と測温抵抗体が形成されて、空気流量を検出するための検出部が構成されている。
【００２０】
上記センサチップは、従来と同様に、メンブレンと反対側の根元付近で、支持体に片持ち実装することができる。また、検出部が構成されているセンサチップのメンブレンの周りが支持体の凹状の収納部に所定の隙間を持って収容されて、支持体がセンサチップの周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能するように実装することができる。そして、このように支持体に実装されたセンサチップを、検出部が内部に露出するように管状の副流路へ配置して、主流路を流れる被測定空気流の一部がセンサチップの検出部へ導かれるようにする。
【００２１】
上記センサチップの支持体への実装方法によれば、検出部が構成されているメンブレンの上面側だけでなく、空洞部が形成されているメンブレンの裏面側も開放状態となっている。従って、メンブレンの内外で空気流に圧力差が発生しないため、メンブレンに不要な応力が加わることがなく、メンブレンの耐久性が劣化することもない。
【００２２】
一方、上記実装方法では、例えば前述したように被測定空気流が大流量域にある時、メンブレンの下に高速の空気流が流れ込み、メンブレンの下で渦が発生して出力特性が不安定となる可能性がある。しかしながら、上記空気流量測定装置は、副流路の開口度を変化させる弁体を有しており、該弁体で副流路の開口度を適宜制御し、副流路を流れる空気流の流速を、例えばメンブレンの下で渦が発生しないような所定の範囲に制御することができる。そして、センサチップからの検出信号を入力して空気流の流量を計算するための流量演算器において、上記範囲に制御されたセンサチップからの検出信号と弁体による副流路の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を高精度に測定することができる。
【００２３】
以上のようにして、上記空気流量測定装置は、メンブレンに空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置であって、センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、主流路を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置とすることができる。
【００２４】
上述したように、特に大流量域において高精度で安定した出力特性を得るため、上記空気流量測定装置は、請求項２に記載のように、前記弁体が、所定の基準空気流量より小さい場合に、前記副流路の開口度を一定とし、前記基準空気流量より大きい場合に、副流路の開口度を変化させるように設定されてなる構成とすることが好ましい。
【００２５】
上記空気流量測定装置は、例えば請求項３に記載のように、前記弁体が、前記副流路の開口度を２値で変化させるように構成することもできる。この場合には、弁体による副流路の開口度の状態が、小開口状態と大開口状態の２つに単純化できると共に、上記した副流路の開口度の情報も２値となるため、流量演算器におけるセンサチップからの検出信号との合算も単純化することができる。
【００２６】
上記空気流量測定装置は、請求項４に記載のように、前記弁体が、前記副流路に露出する前記センサチップの検出部の下流側に配置されてなる構成とすることが好ましい。これによれば、主流路から副流路のセンサチップの検出部へ導かれる空気流の弁体による乱れを、弁体を上流側に配置する場合に較べて抑制することができ、より正確な流量測定が可能となる。
【００２７】
上記空気流量測定装置は、例えば請求項５に記載のように、前記弁体が、バネ力により、前記空気流の流量に応じて前記開口度を自動的に変化させるように構成されると共に、前記開口度を検出するための開口度センサが、前記弁体に隣接して配置され、前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記開口度センサからの検出信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定する構成とすることができる。
【００２８】
また、この場合には、例えば請求項６に記載のように、前記副流路の端部において、前記弁体が副流路に沿った方向に移動すると共に、前記バネ力が副流路に沿った方向に印加されるように構成されてなり、前記開口度センサが、前記弁体の副流路に沿った方向の位置を検出する構成とすることができる。
【００２９】
さらに、この場合には、例えば請求項７に記載のように、前記弁体が、前記副流路の端面を塞ぐように構成されてなり、前記副流路の端面近くに、前記空気流のバイパス穴が設けられてなる構成とすることができる。
【００３０】
また、弁体を副流路に沿った方向に移動させる代わりに、請求項８に記載のように、前記副流路の端部において、前記弁体が副流路の断面方向に開閉すると共に、前記バネ力が副流路の断面方向に印加されるように構成されてなり、前記開口度センサが、前記弁体の副流路の断面方向における位置を検出する構成とすることもできる。
【００３１】
尚、上記空気流量測定装置は、請求項９に記載のように、前記弁体が、前記流量演算器からの弁体駆動信号により、前記開口度を変化させるように構成されると共に、前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体駆動信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定する構成としてもよい。
【００３２】
以上のようにして、上記空気流量測定装置は、メンブレンに空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置であって、センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、主流路を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置とすることができる。
【００３３】
従って、上記空気流量測定装置は、過酷な条件下で使用され、高い耐久性が要求されると共に、小流量域から大流量域まで広範囲において高精度の空気流量測定が必要な車載用の空気流量測定装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る空気流量測定装置の一例を示す図で、（ａ）は、空気流量測定装置１００の構成を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す空気流量測定装置１００の出力特性の一例を示した図である。
【図２】図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００において、弁体４０の周りのより具体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００の変形例で、それぞれ、空気流量測定装置１０１，１０２の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】別の空気流量測定装置の例を示す図で、（ａ）は、空気流量測定装置１０３の構成を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す空気流量測定装置１０３の出力特性を示した図である。
【図５】特許文献１に開示された感熱式流量センサ（空気流量測定装置）を示す図で、（ａ）は、支持体１６に装着された流量検出素子１４の斜視図であり、（ｂ）は、被計測流体の主通路２１内への配置状態を模式的に示した断面図である。
【図６】（ａ）は、空気の流量に対するセンサチップ１４の出力特性を示した図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、センサチップ１４の周りの断面図で、異なる空気流量での流れ状態の違いを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を実施するための形態を、図に基づいて説明する。
【００３６】
図１は、本発明に係る空気流量測定装置の一例を示す図で、図１（ａ）は、空気流量測定装置１００の構成を模式的に示した断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００の出力特性の一例を示した図である。尚、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００において、図５に示した空気流量測定装置と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００３７】
図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００は、センサチップ１４と管状の副流路２０とを備えている。空気流量測定装置１００のセンサチップ１４は、図５に示した空気流量測定装置の流量検出素子１４と同様で、半導体基板１１の一端にメンブレン（薄肉部）１２が形成され、該メンブレン１２に空気流量を検出するための検出部ＲＫが構成されている。すなわち、センサチップ１４においては、シリコンよりなる平板状の半導体基板１１の裏面側に空洞部１３が形成されて、流量検出用のメンブレン１２が形成されており、該メンブレン１２上には、白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体（ヒータ）が中央に、測温抵抗体が上流側と下流側に形成されて、被計測流体の流量の検出部ＲＫが構成されている。
【００３８】
図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００の支持体１６は、センサチップ１４を支持すると共に、センサチップ１４の周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能し、センサチップ１４を収納する凹状の収納部１８を有している。すなわち、センサチップ１４は、従来と同様に、メンブレン１２と反対側の根元付近で、支持体１６に片持ち実装されている。そして、検出部ＲＫが構成されているセンサチップ１４のメンブレン１２の周りが支持体１６の凹状の収納部１８に所定の隙間を持って収容されて、支持体１６がセンサチップ１４の周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能するように実装されている。
【００３９】
上記センサチップ１４の支持体１６への実装方法によれば、検出部ＲＫが構成されているメンブレン１２の上面側だけでなく、空洞部１３が形成されているメンブレン１２の裏面側も開放状態となっている。従って、メンブレン１２の内外で空気流に圧力差が発生しないため、メンブレン１２に不要な応力が加わることがなく、メンブレン１２の耐久性が劣化することもない。
【００４０】
また、空気流量測定装置１００の副流路２０は、主流路２１を流れる被測定空気流の一部を、図中に太線矢印で示したように、内部に露出するように配置されたセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く。検出部ＲＫを構成するメンブレン１２上の発熱体や測温抵抗体は、支持体１６に連結するベース部材上に配置されたターミナルを介して、流量演算器３０の中にある検出回路基板と電気的な接続がなされる。流量演算器３０は、センサチップ１４からの検出信号を入力して、空気流の流量を計算する。
【００４１】
一方、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００は、図５に示した空気流量測定装置と異なり、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０を有している。副流路２０に露出するセンサチップ１４の検出部ＲＫの下流側に配置された弁体４０は、後で詳述するように、特に被測定空気流が大流量域にある時に高精度で安定した出力特性を得るため、所定の基準空気流量より小さい場合に、副流路２０の開口度を一定とし、前記基準空気流量より大きい場合に、副流路２０の開口度を変化させるように設定されている。
【００４２】
図２は、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００において、弁体４０の周りのより具体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【００４３】
図２に示すように、空気流量測定装置１００における弁体４０は、バネ４１によるバネ力により、空気流の流量に応じて副流路２０の開口度を自動的に変化させるように構成されている。すなわち、副流路２０の下流側の端部において、弁体４０が図中に白抜きの両端矢印で示したように副流路２０に沿った方向に移動可能に配置されると共に、バネ４１によるバネ力が、副流路２０に沿った方向に印加されるように構成されている。弁体４０は、副流路２０の下流側の端面を塞ぐように配置されており、副流路２０の端面近くには、空気流のバイパス穴２０ａが設けられている。バイパス穴２０ａは、副流路２０の下流側の端面が弁体４０により蓋された状態にあっても、副流路２０を流れる空気流を外部に排出できるようにしている。そして、空気流が大流量域にある時に、副流路２０の下流側開口部を塞いでいる弁体４０の端面が図中に太線矢印で示した空気流により押されて、図中に点線で示したように弁体４０がバネ４１によるバネ力と釣り合う位置まで変位し、空気流の流量に応じて副流路２０の開口度を自動的に変化させるようになっている。
【００４４】
また、空気流量測定装置１００においては、副流路２０の開口度を検出するための開口度センサ４２が、弁体４０に隣接して配置されている。開口度センサ４２は、図中の間隔Ｌを検出して、弁体４０の副流路２０に沿った方向の位置を検出する。この位置から、副流路２０の開口度が算出される。
【００４５】
図１（ａ）に示すように、空気流量測定装置１００の流量演算器３０は、センサチップ１４からの検出信号と、弁体４０による副流路２０の開口度の情報が含まれる開口度センサ４２からの検出信号とを入力してこれらを合わせて計算し、空気流の流量を以下のように測定する。
【００４６】
図１（ｂ）に示すように、主流路２１を流れる空気流が小・中流量域にある時は、副流路２０に流れ込む空気流の流量（流速）も小さく、弁体４０は副流路２０の下流側の端面を塞いだ状態にあり、開口度センサ４２からの検出信号は０である。この時、流量演算器３０は、センサチップ１４からの検出信号だけで空気流量を演算し、一点鎖線で示したように、これを測定値とする。
【００４７】
一方、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時は、副流路２０に流れ込む空気流の流量も大きくなり、弁体４０が押されて副流路２０の下流側の開口度が上がるため、開口度センサ４２からの検出信号は次第に大きくなる。この時、センサチップ１４からの検出信号は、副流路２０の下流側の開口度が上がることによって、例えば検出部ＲＫを流れる空気流の流速が一定、もしくは図６（ｄ）に示した渦が発生する流速より低い流速に低下する。このため、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００では、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時も渦の発生がなく、図６（ａ）に示したようなセンサチップ１４の不安定な出力は現れず、センサチップ１４から図１（ｂ）に示すような一定の検出信号、もしくはより低い安定した検出信号が出力されることになる。そして、流量演算器３０において、予め設定した換算式を用い、センサチップ１４からの検出信号と開口度センサ４２からの検出信号を合わせて空気流量を演算し、一点鎖線で示した演算出力を測定値とする。
【００４８】
図５に示した空気流量測定装置では、前述したように、被測定空気流が大流量域にある時、図６（ｄ）に示したようにメンブレン１２の下に高速の空気流が流れ込み、メンブレン１２の下で渦が発生して出力特性が不安定となっていた。一方、上記したように、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００は、図５に示した空気流量測定装置と異なり、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０を有しており、該弁体４０で副流路２０の開口度を適宜制御し、副流路２０を流れる空気流の流速を、例えばメンブレン１２の下で渦が発生しないような所定の範囲に制御することができる。そして、センサチップ１４からの検出信号を入力して空気流の流量を計算するための流量演算器３０において、上記範囲に制御されたセンサチップ１４からの検出信号と弁体４０による副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を高精度に測定することができる。
【００４９】
以上のようにして、上記空気流量測定装置１００は、メンブレン１２に空気流量の検出部ＲＫが形成されてなるセンサチップ１４と、主流路２１を流れる被測定空気流の一部をセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く副流路２０とを備える空気流量測定装置であって、センサチップ１４のメンブレン１２の耐久性が劣化することなく、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置となっている。
【００５０】
図３（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００の変形例で、それぞれ、空気流量測定装置１０１，１０２の構成を模式的に示した断面図である。尚、図３（ａ），（ｂ）に示す空気流量測定装置１０１，１０２において、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００５１】
図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００の弁体４０は、副流路２０に沿った方向に移動可能に配置され、開口度センサ４２が、弁体４０の副流路２０に沿った方向の位置を検出するようにしていた。
【００５２】
これに対して、図３（ａ），（ｂ）に示す空気流量測定装置１０１，１０２においては、いずれも、副流路２０の端部において、弁体４０ａ，４０ｂが、図中に白抜きの両端矢印でしめしたように副流路２０の断面方向に開閉すると共に、バネ（図示省略）によるバネ力が同方向に印加されるように構成されている。そして、開口度センサ４２ａ，４２ｂが、弁体４０ａ，４０ｂの副流路２０の断面方向における位置を検出する構成となっている。尚、図３（ａ）に示す空気流量測定装置１０１においては、弁体４０ａが副流路２０に露出するセンサチップ１４の検出部ＲＫの下流側に配置されており、図３（ｂ）に示す空気流量測定装置１０２においては、弁体４０ｂが副流路２０に露出するセンサチップ１４の検出部ＲＫの上流側に配置されている。
【００５３】
図３（ａ），（ｂ）に示す空気流量測定装置１０１，１０２についても、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００と同様に、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０ａ，４０ｂを有しており、流量演算器３０においてセンサチップ１４からの検出信号と弁体４０ａ，４０ｂによる副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を正確に測定できることは言うまでもない。
【００５４】
図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００や図３（ａ）に示す空気流量測定装置１０１のように、弁体４０，４０ａを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の下流側に配置する場合には、主流路２１から副流路２０のセンサチップ１４（検出部ＲＫ）へ導かれる空気流の弁体４０，４０ａによる乱れを上流側に配置する場合に較べて抑制することができ、より正確な流量測定が可能となる。尚、弁体４０，４０ａを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の下流側に配置する場合には、空気流が大流量域にある時、検出部ＲＫでの流速を落とすため、副流路２０の開口度を大きくするように、弁体４０，４０ａを開ける。
【００５５】
逆に、図３（ｂ）に示す空気流量測定装置１０２のように、弁体４０ｂを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の上流側に配置する場合には、下流側に配置する場合に較べて流量測定の精度は劣るものの、空気流に乗って飛散してくる微粒子やダストのセンサチップ１４（検出部ＲＫ）への衝突を抑制することができる。尚、弁体４０ｂを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の上流側に配置する場合には、空気流が大流量域にある時、検出部ＲＫでの流速を落とすため、副流路２０の開口度を小さくするように、弁体４０ｂを閉じる。
【００５６】
図４は、別の空気流量測定装置の例を示す図で、図４（ａ）は、空気流量測定装置１０３の構成を模式的に示した断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す空気流量測定装置１０３の出力特性を示した図である。
【００５７】
図１〜図３に示した空気流量測定装置１００〜１０２では、いずれも、副流路２０の開口度を検出するための開口度センサ４２，４２ａ，４２ｂを有しており、流量演算器３０において該開口度センサ４２，４２ａ，４２ｂからの検出信号とセンサチップ１４からの検出信号とを合わせて計算し、空気流の流量を測定していた。
【００５８】
これに対して、図４（ａ）に示す空気流量測定装置１０３は、弁体４０ｃが、流量演算器３１からの弁体駆動信号により、ソレノイド等からなる弁駆動体４３で駆動され、副流路２０の開口度を変化させるようにしている。従って、空気流量測定装置１０３では、弁体４０ｃが図中に一点鎖線で示した２つの位置Ｐ１，Ｐ２をとり、副流路２０の開口度を２値で変化させる構成となっている。
【００５９】
流量演算器３１からの弁体駆動信号は、例えば図４（ｂ）に示すように、弁体４０ｃが位置Ｐ１にある状態において、センサチップ１４の検出信号が図中の基準値Ｋ１より大きくなった場合に弁体４０ｃを位置Ｐ２に移動する信号「１」とし、弁体４０ｃが位置Ｐ２にある状態において、センサチップ１４の検出信号が図中の基準値Ｋ２より小さくなった場合に弁体４０ｃを位置Ｐ１に移動する信号「０」とする。従って、図４（ａ）に示す空気流量測定装置１０３のセンサチップ１４は、大流量域にある時も、図４（ｂ）に両端矢印で示したＫ１−Ｋ２間の直線的な範囲で使用される。そして、流量演算器３１において、センサチップ１４からの検出信号と、弁体４０ｃによる副流路２０の開口度の情報をもたらす弁体駆動信号とを合わせて計算して、空気流の流量を測定する構成としている。
【００６０】
図４に示す空気流量測定装置１０３についても、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００と同様に、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０ｃを有しており、流量演算器３１においてセンサチップ１４からの検出信号と弁体４０ｃによる副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を正確に測定できる。
【００６１】
また、図４に示す空気流量測定装置１０３においては、弁体４０ｃによる副流路２０の開口度の状態が、位置Ｐ１での小開口状態と位置Ｐ２での大開口状態の２つに単純化できると共に、副流路２０の開口度の情報も２値となるため、流量演算器３１におけるセンサチップからの検出信号との合算も単純化することができる。尚、図１〜図３に示した空気流量測定装置１００〜１０２においても、弁体４０，４０ａ，４０ｂによる副流路２０の開口度の状態を小開口状態と大開口状態の２つに単純化して、副流路２０の開口度の情報も２値となるように構成してもよい。
【００６２】
以上のようにして、図１〜図４に例示した空気流量測定装置１００〜１０３は、いずれも、メンブレン１２に空気流量の検出部ＲＫが形成されてなるセンサチップ１４と、主流路２１を流れる被測定空気流の一部をセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く副流路２０とを備える空気流量測定装置であって、センサチップ１４のメンブレン１２の耐久性が劣化することなく、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置となっている。
【００６３】
従って、上記空気流量測定装置１００〜１０３は、過酷な条件下で使用され、高い耐久性が要求されると共に、小流量域から大流量域まで広範囲において高精度の空気流量測定が必要な車載用の空気流量測定装置として好適である。
【符号の説明】
【００６４】
１００〜１０３ 空気流量測定装置
１１ 半導体基板
１２ メンブレン（薄肉部）
ＲＫ 検出部
１４ センサチップ
２０ 副流路
２１ 主流路
３０，３１ 流量演算器
４０，４０ａ〜４０ｃ 弁体
４２，４２ａ，４２ｂ 開口度センサ
４３ 弁駆動体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の一端に形成されたメンブレン（薄肉部）に空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の一端に形成されたメンブレン（薄肉部）に空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置が、例えば、特開２００２−１３９３６０号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に開示された感熱式流量センサ（空気流量測定装置）を示す図で、図５（ａ）は、支持体１６に装着された流量検出素子１４の斜視図であり、図５（ｂ）は、被計測流体の主通路２１内への配置状態を模式的に示した断面図である。尚、図中に示した白抜きの矢印は、被計測流体の流れ方向を表している。
【０００４】
図５（ａ）に示す流量検出素子（センサチップ）１４においては、シリコンよりなる平板状基材（半導体基板）１１の裏面側に空洞部１３が形成されて、流量検出用のダイアフラム（メンブレン）１２が形成されている。また、ダイアフラム１２上には、白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体（ヒータ）と測温抵抗体が形成されて、被計測流体の流量の検出部ＲＫが構成されている。
【０００５】
図５（ａ）に示す支持体１６は、流量検出素子１４を支持すると共に、流量検出素子１４の周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能し、流量検出素子１４を収納する凹状の収納部１８を有している。検出部ＲＫを構成するダイアフラム１２上の発熱体や測温抵抗体は、支持体１６に連結するベース部材１５上に配置されたターミナル１７を介して、図５（ｂ）に示す検出回路基板１９と電気的な接続がなされる。
【０００６】
図５（ｂ）に示すように、被計測流体の主通路（主流路）２１内には、検出管路（副流路）２０が設置され、この検出管路２０内に、図５（ａ）に示す支持体１６に装着された流量検出素子１４が、検出部ＲＫを露出するようにして配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１３９３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来の感熱式流量センサの構造では、流量検出素子１４を支持体１６の収納部１８に装着する場合、小流量域では被計測流体は流量検出素子１４の表面だけを流通するが、大流量域では流量検出素子１４と支持体１６の収納部１８の隙間に被計測流体が流れ込み、流量検出精度の低下を招くという問題があった。
【０００９】
図６は、上記問題をより詳細に説明する図で、図６（ａ）は、空気の流量に対するセンサチップ１４の出力特性を示した図であり、図６（ｂ）〜（ｄ）は、センサチップ１４の周りの断面図で、異なる空気流量での流れ状態の違いを模式的に示した図である。尚、図６（ｂ）〜（ｄ）は、図５（ｂ）に示す一点鎖線Ａ−Ａでの断面を図示している。また、図６（ｂ）に示すセンサチップ周りの断面図において、図５（ａ）に示した流量検出素子（センサチップ）１４の各部と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００１０】
半導体基板１１のメンブレン１２に空気流量の検出部ＲＫが形成されてなる従来のセンサチップ１４においては、図６（ａ）に示すように、被測定空気流が大流量域にある時、センサチップ１４の出力が流量の増加と共に点線のように増大せず、実線で示したようにばらつきも大きくなって、出力特性が不安定となる。
【００１１】
この不安定域が生じてしまう原因は、メンブレン構造を作るため半導体基板１１の裏面側に空洞部１３が形成されていることと、実装による悪影響を防ぐためにセンサチップ１４を根元付近だけで接着する、所謂片持ち実装方式が採用されていることにある。すなわち、図６（ｂ）に示すように、メンブレン１２の周囲は、検出部ＲＫが形成されている上面側だけでなく、空洞部１３が形成されている裏面側も開放状態となっている。
【００１２】
被測定空気流が小流量域にある時は、図６（ｂ）に示すように、空気流が、センサチップ１４と支持体１６の収納部１８の隙間にほとんど流れ込まず、上記裏面側が開放状態となっている影響はでない。また、被測定空気流が中流量域にある時は、図６（ｃ）に示すように、センサチップ１４と支持体１６の収納部１８の隙間に流れ込んだ空気流が、半導体基板１１の空洞部１３の内壁に沿って流れる。この場合には、検出部ＲＫを構成しているメンブレン１２の中心にあるヒータの熱が下流側に移り、ヒータの上流と下流にある測温抵抗体に温度差が出来て、流速を正しく測定することができるようになっている。
【００１３】
ところが、被測定空気流が大流量域にある時は、図６（ｄ）に示すように、メンブレン１２の下に高速の空気流が流れ込み、空洞部１３の内壁に沿って流れるだけでなく、メンブレン１２の下で渦が発生する。このように渦が発生すると、一旦下流側へ移ったヒータの熱が渦により上流側へ戻されてしまう。このため、図６（ａ）に示したセンサチップ１４の出力が流量の増加と共に増大せず、逆に、流量の増加に伴って出力が低下する現象が現れる。また、上記渦の流れは安定していないため、出力のばらつきも大きくなって、出力特性が不安定となる。
【００１４】
上記問題を解決するために、従来から、空気流をセンサチップ１４と支持体１６の収納部１８の隙間に流れ込まないようにする方法や、隙間に流れ込む空気流を整流して渦を発生させないようにする方法が、幾つか提案されてきている。例えば、特許文献１に開示された感熱式流量センサでは、支持体１６の収納部１８の底面に、流量検出素子１４の裏面の空洞部を塞ぐように、隆起した突出面を設けるものである。
【００１５】
しかしながら、隙間に流れ込む空気流を整流する方法では、渦の発生を十分に防止することが困難であり、大流量域における出力特性の不安定域を完全に抑制することはできない。一方、特許文献１のように、空気流がセンサチップと支持体の隙間や空洞部に流れ込まないようにする方法では、メンブレンの内外で空気流に圧力差が発生するため、メンブレンに不要な応力が加わり、測手精度が低下すると共に、メンブレンの耐久性も劣化する。
【００１６】
そこで本発明は、メンブレンに空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置であって、センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、主流路を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、半導体基板の一端にメンブレンが形成され、該メンブレンに空気流量を検出するための検出部が構成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部を、内部に露出するように配置された前記センサチップの検出部へ導く管状の副流路とを備える空気流量測定装置であって、前記センサチップからの検出信号を入力して、前記空気流の流量を計算するための流量演算器と、前記副流路の開口度を変化させる弁体とを有してなり、前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体による前記副流路の開口度の情報とを合わせて計算し、前記空気流の流量を測定することを特徴としている。
【００１８】
上記空気流量測定装置は、空気流量を検出するための検出部が形成されたセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部を前記センサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置である。
【００１９】
上記空気流量測定装置のセンサチップにおいては、例えばシリコン等からなる半導体基板の一端の裏面側に空洞部が形成されて、メンブレン（薄肉部）が形成されている。また、該メンブレンには、例えば白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体（ヒータ）と測温抵抗体が形成されて、空気流量を検出するための検出部が構成されている。
【００２０】
上記センサチップは、従来と同様に、メンブレンと反対側の根元付近で、支持体に片持ち実装することができる。また、検出部が構成されているセンサチップのメンブレンの周りが支持体の凹状の収納部に所定の隙間を持って収容されて、支持体がセンサチップの周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能するように実装することができる。そして、このように支持体に実装されたセンサチップを、検出部が内部に露出するように管状の副流路へ配置して、主流路を流れる被測定空気流の一部がセンサチップの検出部へ導かれるようにする。
【００２１】
上記センサチップの支持体への実装方法によれば、検出部が構成されているメンブレンの上面側だけでなく、空洞部が形成されているメンブレンの裏面側も開放状態となっている。従って、メンブレンの内外で空気流に圧力差が発生しないため、メンブレンに不要な応力が加わることがなく、メンブレンの耐久性が劣化することもない。
【００２２】
一方、上記実装方法では、例えば前述したように被測定空気流が大流量域にある時、メンブレンの下に高速の空気流が流れ込み、メンブレンの下で渦が発生して出力特性が不安定となる可能性がある。しかしながら、上記空気流量測定装置は、副流路の開口度を変化させる弁体を有しており、該弁体で副流路の開口度を適宜制御し、副流路を流れる空気流の流速を、例えばメンブレンの下で渦が発生しないような所定の範囲に制御することができる。そして、センサチップからの検出信号を入力して空気流の流量を計算するための流量演算器において、上記範囲に制御されたセンサチップからの検出信号と弁体による副流路の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を高精度に測定することができる。
【００２３】
以上のようにして、上記空気流量測定装置は、メンブレンに空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置であって、センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、主流路を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置とすることができる。
【００２４】
上述したように、特に大流量域において高精度で安定した出力特性を得るため、上記空気流量測定装置は、請求項２に記載のように、前記弁体が、所定の基準空気流量より小さい場合に、前記副流路の開口度を一定とし、前記基準空気流量より大きい場合に、副流路の開口度を変化させるように設定されてなる構成とすることが好ましい。
【００２５】
上記空気流量測定装置は、例えば請求項３に記載のように、前記弁体が、前記副流路の開口度を２値で変化させるように構成することもできる。この場合には、弁体による副流路の開口度の状態が、小開口状態と大開口状態の２つに単純化できると共に、上記した副流路の開口度の情報も２値となるため、流量演算器におけるセンサチップからの検出信号との合算も単純化することができる。
【００２６】
上記空気流量測定装置は、請求項４に記載のように、前記弁体が、前記副流路に露出する前記センサチップの検出部の下流側に配置されてなる構成とすることが好ましい。これによれば、主流路から副流路のセンサチップの検出部へ導かれる空気流の弁体による乱れを、弁体を上流側に配置する場合に較べて抑制することができ、より正確な流量測定が可能となる。
【００２７】
上記空気流量測定装置は、例えば請求項５に記載のように、前記弁体が、バネ力により、前記空気流の流量に応じて前記開口度を自動的に変化させるように構成されると共に、前記開口度を検出するための開口度センサが、前記弁体に隣接して配置され、前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記開口度センサからの検出信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定する構成とすることができる。
【００２８】
また、この場合には、例えば請求項６に記載のように、前記副流路の端部において、前記弁体が副流路に沿った方向に移動すると共に、前記バネ力が副流路に沿った方向に印加されるように構成されてなり、前記開口度センサが、前記弁体の副流路に沿った方向の位置を検出する構成とすることができる。
【００２９】
さらに、この場合には、例えば請求項７に記載のように、前記弁体が、前記副流路の端面を塞ぐように構成されてなり、前記副流路の端面近くに、前記空気流のバイパス穴が設けられてなる構成とすることができる。
【００３０】
また、弁体を副流路に沿った方向に移動させる代わりに、請求項８に記載のように、前記副流路の端部において、前記弁体が副流路の断面方向に開閉すると共に、前記バネ力が副流路の断面方向に印加されるように構成されてなり、前記開口度センサが、前記弁体の副流路の断面方向における位置を検出する構成とすることもできる。
【００３１】
尚、上記空気流量測定装置は、請求項９に記載のように、前記弁体が、前記流量演算器からの弁体駆動信号により、前記開口度を変化させるように構成されると共に、前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体駆動信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定する構成としてもよい。
【００３２】
以上のようにして、上記空気流量測定装置は、メンブレンに空気流量の検出部が形成されてなるセンサチップと、主流路を流れる被測定空気流の一部をセンサチップの検出部へ導く副流路とを備える空気流量測定装置であって、センサチップのメンブレンの耐久性が劣化することなく、主流路を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置とすることができる。
【００３３】
従って、上記空気流量測定装置は、過酷な条件下で使用され、高い耐久性が要求されると共に、小流量域から大流量域まで広範囲において高精度の空気流量測定が必要な車載用の空気流量測定装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る空気流量測定装置の一例を示す図で、（ａ）は、空気流量測定装置１００の構成を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す空気流量測定装置１００の出力特性の一例を示した図である。
【図２】図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００において、弁体４０の周りのより具体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００の変形例で、それぞれ、空気流量測定装置１０１，１０２の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】別の空気流量測定装置の例を示す図で、（ａ）は、空気流量測定装置１０３の構成を模式的に示した断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す空気流量測定装置１０３の出力特性を示した図である。
【図５】特許文献１に開示された感熱式流量センサ（空気流量測定装置）を示す図で、（ａ）は、支持体１６に装着された流量検出素子１４の斜視図であり、（ｂ）は、被計測流体の主通路２１内への配置状態を模式的に示した断面図である。
【図６】（ａ）は、空気の流量に対するセンサチップ１４の出力特性を示した図であり、（ｂ）〜（ｄ）は、センサチップ１４の周りの断面図で、異なる空気流量での流れ状態の違いを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を実施するための形態を、図に基づいて説明する。
【００３６】
図１は、本発明に係る空気流量測定装置の一例を示す図で、図１（ａ）は、空気流量測定装置１００の構成を模式的に示した断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００の出力特性の一例を示した図である。尚、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００において、図５に示した空気流量測定装置と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００３７】
図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００は、センサチップ１４と管状の副流路２０とを備えている。空気流量測定装置１００のセンサチップ１４は、図５に示した空気流量測定装置の流量検出素子１４と同様で、半導体基板１１の一端にメンブレン（薄肉部）１２が形成され、該メンブレン１２に空気流量を検出するための検出部ＲＫが構成されている。すなわち、センサチップ１４においては、シリコンよりなる平板状の半導体基板１１の裏面側に空洞部１３が形成されて、流量検出用のメンブレン１２が形成されており、該メンブレン１２上には、白金等の感熱抵抗膜よりなる発熱体（ヒータ）が中央に、測温抵抗体が上流側と下流側に形成されて、被計測流体の流量の検出部ＲＫが構成されている。
【００３８】
図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００の支持体１６は、センサチップ１４を支持すると共に、センサチップ１４の周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能し、センサチップ１４を収納する凹状の収納部１８を有している。すなわち、センサチップ１４は、従来と同様に、メンブレン１２と反対側の根元付近で、支持体１６に片持ち実装されている。そして、検出部ＲＫが構成されているセンサチップ１４のメンブレン１２の周りが支持体１６の凹状の収納部１８に所定の隙間を持って収容されて、支持体１６がセンサチップ１４の周囲において流体の流れを安定化するための整流板として機能するように実装されている。
【００３９】
上記センサチップ１４の支持体１６への実装方法によれば、検出部ＲＫが構成されているメンブレン１２の上面側だけでなく、空洞部１３が形成されているメンブレン１２の裏面側も開放状態となっている。従って、メンブレン１２の内外で空気流に圧力差が発生しないため、メンブレン１２に不要な応力が加わることがなく、メンブレン１２の耐久性が劣化することもない。
【００４０】
また、空気流量測定装置１００の副流路２０は、主流路２１を流れる被測定空気流の一部を、図中に太線矢印で示したように、内部に露出するように配置されたセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く。検出部ＲＫを構成するメンブレン１２上の発熱体や測温抵抗体は、支持体１６に連結するベース部材上に配置されたターミナルを介して、流量演算器３０の中にある検出回路基板と電気的な接続がなされる。流量演算器３０は、センサチップ１４からの検出信号を入力して、空気流の流量を計算する。
【００４１】
一方、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００は、図５に示した空気流量測定装置と異なり、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０を有している。副流路２０に露出するセンサチップ１４の検出部ＲＫの下流側に配置された弁体４０は、後で詳述するように、特に被測定空気流が大流量域にある時に高精度で安定した出力特性を得るため、所定の基準空気流量より小さい場合に、副流路２０の開口度を一定とし、前記基準空気流量より大きい場合に、副流路２０の開口度を変化させるように設定されている。
【００４２】
図２は、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００において、弁体４０の周りのより具体的な構成例を模式的に示した断面図である。
【００４３】
図２に示すように、空気流量測定装置１００における弁体４０は、バネ４１によるバネ力により、空気流の流量に応じて副流路２０の開口度を自動的に変化させるように構成されている。すなわち、副流路２０の下流側の端部において、弁体４０が図中に白抜きの両端矢印で示したように副流路２０に沿った方向に移動可能に配置されると共に、バネ４１によるバネ力が、副流路２０に沿った方向に印加されるように構成されている。弁体４０は、副流路２０の下流側の端面を塞ぐように配置されており、副流路２０の端面近くには、空気流のバイパス穴２０ａが設けられている。バイパス穴２０ａは、副流路２０の下流側の端面が弁体４０により蓋された状態にあっても、副流路２０を流れる空気流を外部に排出できるようにしている。そして、空気流が大流量域にある時に、副流路２０の下流側開口部を塞いでいる弁体４０の端面が図中に太線矢印で示した空気流により押されて、図中に点線で示したように弁体４０がバネ４１によるバネ力と釣り合う位置まで変位し、空気流の流量に応じて副流路２０の開口度を自動的に変化させるようになっている。
【００４４】
また、空気流量測定装置１００においては、副流路２０の開口度を検出するための開口度センサ４２が、弁体４０に隣接して配置されている。開口度センサ４２は、図中の間隔Ｌを検出して、弁体４０の副流路２０に沿った方向の位置を検出する。この位置から、副流路２０の開口度が算出される。
【００４５】
図１（ａ）に示すように、空気流量測定装置１００の流量演算器３０は、センサチップ１４からの検出信号と、弁体４０による副流路２０の開口度の情報が含まれる開口度センサ４２からの検出信号とを入力してこれらを合わせて計算し、空気流の流量を以下のように測定する。
【００４６】
図１（ｂ）に示すように、主流路２１を流れる空気流が小・中流量域にある時は、副流路２０に流れ込む空気流の流量（流速）も小さく、弁体４０は副流路２０の下流側の端面を塞いだ状態にあり、開口度センサ４２からの検出信号は０である。この時、流量演算器３０は、センサチップ１４からの検出信号だけで空気流量を演算し、一点鎖線で示したように、これを測定値とする。
【００４７】
一方、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時は、副流路２０に流れ込む空気流の流量も大きくなり、弁体４０が押されて副流路２０の下流側の開口度が上がるため、開口度センサ４２からの検出信号は次第に大きくなる。この時、センサチップ１４からの検出信号は、副流路２０の下流側の開口度が上がることによって、例えば検出部ＲＫを流れる空気流の流速が一定、もしくは図６（ｄ）に示した渦が発生する流速より低い流速に低下する。このため、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００では、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時も渦の発生がなく、図６（ａ）に示したようなセンサチップ１４の不安定な出力は現れず、センサチップ１４から図１（ｂ）に示すような一定の検出信号、もしくはより低い安定した検出信号が出力されることになる。そして、流量演算器３０において、予め設定した換算式を用い、センサチップ１４からの検出信号と開口度センサ４２からの検出信号を合わせて空気流量を演算し、一点鎖線で示した演算出力を測定値とする。
【００４８】
図５に示した空気流量測定装置では、前述したように、被測定空気流が大流量域にある時、図６（ｄ）に示したようにメンブレン１２の下に高速の空気流が流れ込み、メンブレン１２の下で渦が発生して出力特性が不安定となっていた。一方、上記したように、図１（ａ）に示す空気流量測定装置１００は、図５に示した空気流量測定装置と異なり、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０を有しており、該弁体４０で副流路２０の開口度を適宜制御し、副流路２０を流れる空気流の流速を、例えばメンブレン１２の下で渦が発生しないような所定の範囲に制御することができる。そして、センサチップ１４からの検出信号を入力して空気流の流量を計算するための流量演算器３０において、上記範囲に制御されたセンサチップ１４からの検出信号と弁体４０による副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を高精度に測定することができる。
【００４９】
以上のようにして、上記空気流量測定装置１００は、メンブレン１２に空気流量の検出部ＲＫが形成されてなるセンサチップ１４と、主流路２１を流れる被測定空気流の一部をセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く副流路２０とを備える空気流量測定装置であって、センサチップ１４のメンブレン１２の耐久性が劣化することなく、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置となっている。
【００５０】
図３（ａ），（ｂ）は、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００の変形例で、それぞれ、空気流量測定装置１０１，１０２の構成を模式的に示した断面図である。尚、図３（ａ），（ｂ）に示す空気流量測定装置１０１，１０２において、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００と同様の部分については、同じ符号を付した。
【００５１】
図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００の弁体４０は、副流路２０に沿った方向に移動可能に配置され、開口度センサ４２が、弁体４０の副流路２０に沿った方向の位置を検出するようにしていた。
【００５２】
これに対して、図３（ａ），（ｂ）に示す空気流量測定装置１０１，１０２においては、いずれも、副流路２０の端部において、弁体４０ａ，４０ｂが、図中に白抜きの両端矢印でしめしたように副流路２０の断面方向に開閉すると共に、バネ（図示省略）によるバネ力が同方向に印加されるように構成されている。そして、開口度センサ４２ａ，４２ｂが、弁体４０ａ，４０ｂの副流路２０の断面方向における位置を検出する構成となっている。尚、図３（ａ）に示す空気流量測定装置１０１においては、弁体４０ａが副流路２０に露出するセンサチップ１４の検出部ＲＫの下流側に配置されており、図３（ｂ）に示す空気流量測定装置１０２においては、弁体４０ｂが副流路２０に露出するセンサチップ１４の検出部ＲＫの上流側に配置されている。
【００５３】
図３（ａ），（ｂ）に示す空気流量測定装置１０１，１０２についても、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００と同様に、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０ａ，４０ｂを有しており、流量演算器３０においてセンサチップ１４からの検出信号と弁体４０ａ，４０ｂによる副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を正確に測定できることは言うまでもない。
【００５４】
図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００や図３（ａ）に示す空気流量測定装置１０１のように、弁体４０，４０ａを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の下流側に配置する場合には、主流路２１から副流路２０のセンサチップ１４（検出部ＲＫ）へ導かれる空気流の弁体４０，４０ａによる乱れを上流側に配置する場合に較べて抑制することができ、より正確な流量測定が可能となる。尚、弁体４０，４０ａを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の下流側に配置する場合には、空気流が大流量域にある時、検出部ＲＫでの流速を落とすため、副流路２０の開口度を大きくするように、弁体４０，４０ａを開ける。
【００５５】
逆に、図３（ｂ）に示す空気流量測定装置１０２のように、弁体４０ｂを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の上流側に配置する場合には、下流側に配置する場合に較べて流量測定の精度は劣るものの、空気流に乗って飛散してくる微粒子やダストのセンサチップ１４（検出部ＲＫ）への衝突を抑制することができる。尚、弁体４０ｂを副流路２０に露出するセンサチップ１４（検出部ＲＫ）の上流側に配置する場合には、空気流が大流量域にある時、検出部ＲＫでの流速を落とすため、副流路２０の開口度を小さくするように、弁体４０ｂを閉じる。
【００５６】
図４は、別の空気流量測定装置の例を示す図で、図４（ａ）は、空気流量測定装置１０３の構成を模式的に示した断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す空気流量測定装置１０３の出力特性を示した図である。
【００５７】
図１〜図３に示した空気流量測定装置１００〜１０２では、いずれも、副流路２０の開口度を検出するための開口度センサ４２，４２ａ，４２ｂを有しており、流量演算器３０において該開口度センサ４２，４２ａ，４２ｂからの検出信号とセンサチップ１４からの検出信号とを合わせて計算し、空気流の流量を測定していた。
【００５８】
これに対して、図４（ａ）に示す空気流量測定装置１０３は、弁体４０ｃが、流量演算器３１からの弁体駆動信号により、ソレノイド等からなる弁駆動体４３で駆動され、副流路２０の開口度を変化させるようにしている。従って、空気流量測定装置１０３では、弁体４０ｃが図中に一点鎖線で示した２つの位置Ｐ１，Ｐ２をとり、副流路２０の開口度を２値で変化させる構成となっている。
【００５９】
流量演算器３１からの弁体駆動信号は、例えば図４（ｂ）に示すように、弁体４０ｃが位置Ｐ１にある状態において、センサチップ１４の検出信号が図中の基準値Ｋ１より大きくなった場合に弁体４０ｃを位置Ｐ２に移動する信号「１」とし、弁体４０ｃが位置Ｐ２にある状態において、センサチップ１４の検出信号が図中の基準値Ｋ２より小さくなった場合に弁体４０ｃを位置Ｐ１に移動する信号「０」とする。従って、図４（ａ）に示す空気流量測定装置１０３のセンサチップ１４は、大流量域にある時も、図４（ｂ）に両端矢印で示したＫ１−Ｋ２間の直線的な範囲で使用される。そして、流量演算器３１において、センサチップ１４からの検出信号と、弁体４０ｃによる副流路２０の開口度の情報をもたらす弁体駆動信号とを合わせて計算して、空気流の流量を測定する構成としている。
【００６０】
図４に示す空気流量測定装置１０３についても、図１（ａ）に示した空気流量測定装置１００と同様に、副流路２０の開口度を変化させる弁体４０ｃを有しており、流量演算器３１においてセンサチップ１４からの検出信号と弁体４０ｃによる副流路２０の開口度の情報とを合わせて計算することで、空気流の流量を正確に測定できる。
【００６１】
また、図４に示す空気流量測定装置１０３においては、弁体４０ｃによる副流路２０の開口度の状態が、位置Ｐ１での小開口状態と位置Ｐ２での大開口状態の２つに単純化できると共に、副流路２０の開口度の情報も２値となるため、流量演算器３１におけるセンサチップからの検出信号との合算も単純化することができる。尚、図１〜図３に示した空気流量測定装置１００〜１０２においても、弁体４０，４０ａ，４０ｂによる副流路２０の開口度の状態を小開口状態と大開口状態の２つに単純化して、副流路２０の開口度の情報も２値となるように構成してもよい。
【００６２】
以上のようにして、図１〜図４に例示した空気流量測定装置１００〜１０３は、いずれも、メンブレン１２に空気流量の検出部ＲＫが形成されてなるセンサチップ１４と、主流路２１を流れる被測定空気流の一部をセンサチップ１４の検出部ＲＫへ導く副流路２０とを備える空気流量測定装置であって、センサチップ１４のメンブレン１２の耐久性が劣化することなく、主流路２１を流れる空気流が大流量域にある時も高精度で流量測定が可能な空気流量測定装置となっている。
【００６３】
従って、上記空気流量測定装置１００〜１０３は、過酷な条件下で使用され、高い耐久性が要求されると共に、小流量域から大流量域まで広範囲において高精度の空気流量測定が必要な車載用の空気流量測定装置として好適である。
【符号の説明】
【００６４】
１００〜１０３ 空気流量測定装置
１１ 半導体基板
１２ メンブレン（薄肉部）
ＲＫ 検出部
１４ センサチップ
２０ 副流路
２１ 主流路
３０，３１ 流量演算器
４０，４０ａ〜４０ｃ 弁体
４２，４２ａ，４２ｂ 開口度センサ
４３ 弁駆動体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１１）の一端にメンブレン（１２）が形成され、該メンブレンに空気流量を検出するための検出部（ＲＫ）が構成されてなるセンサチップ（１４）と、
主流路（２１）を流れる被測定空気流の一部を、内部に露出するように配置された前記センサチップの検出部へ導く管状の副流路（２０）とを備える空気流量測定装置（１００〜１０３）であって、
前記センサチップからの検出信号を入力して、前記空気流の流量を計算するための流量演算器（３０，３１）と、
前記副流路の開口度を変化させる弁体（４０，４０ａ〜４０ｃ）とを有してなり、
前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体による前記副流路の開口度の情報とを合わせて計算し、前記空気流の流量を測定することを特徴とする空気流量測定装置。
【請求項２】
前記弁体が、
所定の基準空気流量より小さい場合に、前記副流路の開口度を一定とし、前記基準空気流量より大きい場合に、副流路の開口度を変化させるように設定されてなることを特徴とする請求項１に記載の空気流量測定装置。
【請求項３】
前記弁体が、前記副流路の開口度を２値で変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の空気流量測定装置。
【請求項４】
前記弁体が、前記副流路に露出する前記センサチップの検出部の下流側に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項５】
前記弁体が、バネ力により、前記空気流の流量に応じて前記開口度を自動的に変化させるように構成されると共に、
前記開口度を検出するための開口度センサ（４２，４２ａ，４２ｂ）が、前記弁体に隣接して配置され、
前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記開口度センサからの検出信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項６】
前記副流路の端部において、前記弁体が副流路に沿った方向に移動すると共に、前記バネ力が副流路に沿った方向に印加されるように構成されてなり、
前記開口度センサが、前記弁体の副流路に沿った方向の位置を検出することを特徴とする請求項５に記載の空気流量測定装置。
【請求項７】
前記弁体が、前記副流路の端面を塞ぐように構成されてなり、
前記副流路の端面近くに、前記空気流のバイパス穴（２０ａ）が設けられてなることを特徴とする請求項６に記載の空気流量測定装置。
【請求項８】
前記副流路の端部において、前記弁体が副流路の断面方向に開閉すると共に、前記バネ力が副流路の断面方向に印加されるように構成されてなり、
前記開口度センサが、前記弁体の副流路の断面方向における位置を検出することを特徴とする請求項５に記載の空気流量測定装置。
【請求項９】
前記弁体が、前記流量演算器からの弁体駆動信号により、前記開口度を変化させるように構成され、
前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体駆動信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項１０】
前記空気流量測定装置が、車載用であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項１】
半導体基板（１１）の一端にメンブレン（１２）が形成され、該メンブレンに空気流量を検出するための検出部（ＲＫ）が構成されてなるセンサチップ（１４）と、
主流路（２１）を流れる被測定空気流の一部を、内部に露出するように配置された前記センサチップの検出部へ導く管状の副流路（２０）とを備える空気流量測定装置（１００〜１０３）であって、
前記センサチップからの検出信号を入力して、前記空気流の流量を計算するための流量演算器（３０，３１）と、
前記副流路の開口度を変化させる弁体（４０，４０ａ〜４０ｃ）とを有してなり、
前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体による前記副流路の開口度の情報とを合わせて計算し、前記空気流の流量を測定することを特徴とする空気流量測定装置。
【請求項２】
前記弁体が、
所定の基準空気流量より小さい場合に、前記副流路の開口度を一定とし、前記基準空気流量より大きい場合に、副流路の開口度を変化させるように設定されてなることを特徴とする請求項１に記載の空気流量測定装置。
【請求項３】
前記弁体が、前記副流路の開口度を２値で変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の空気流量測定装置。
【請求項４】
前記弁体が、前記副流路に露出する前記センサチップの検出部の下流側に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項５】
前記弁体が、バネ力により、前記空気流の流量に応じて前記開口度を自動的に変化させるように構成されると共に、
前記開口度を検出するための開口度センサ（４２，４２ａ，４２ｂ）が、前記弁体に隣接して配置され、
前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記開口度センサからの検出信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項６】
前記副流路の端部において、前記弁体が副流路に沿った方向に移動すると共に、前記バネ力が副流路に沿った方向に印加されるように構成されてなり、
前記開口度センサが、前記弁体の副流路に沿った方向の位置を検出することを特徴とする請求項５に記載の空気流量測定装置。
【請求項７】
前記弁体が、前記副流路の端面を塞ぐように構成されてなり、
前記副流路の端面近くに、前記空気流のバイパス穴（２０ａ）が設けられてなることを特徴とする請求項６に記載の空気流量測定装置。
【請求項８】
前記副流路の端部において、前記弁体が副流路の断面方向に開閉すると共に、前記バネ力が副流路の断面方向に印加されるように構成されてなり、
前記開口度センサが、前記弁体の副流路の断面方向における位置を検出することを特徴とする請求項５に記載の空気流量測定装置。
【請求項９】
前記弁体が、前記流量演算器からの弁体駆動信号により、前記開口度を変化させるように構成され、
前記流量演算器において、前記センサチップからの検出信号と、前記弁体駆動信号とを合わせて計算して、前記空気流の流量を測定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【請求項１０】
前記空気流量測定装置が、車載用であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４５４９６（Ｐ２０１２−１４５４９６Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５０３９（Ｐ２０１１−５０３９）
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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