JP2010204005A - 熱式流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ基板９に発生する応力を低減して、抵抗体に対するダイヤフラム９ａの歪みの影響を減らすことにより、流量検出精度を向上できるエアフロメータを提供する。
【解決手段】吸気量を測定するセンサ部３は、センサチップ１０と回路部１１とが共通のセンサ母材１２に搭載されてセンササブアッセンブリとして一体に構成され、センサ母材１２を接着剤１４によりセンサハウジング２に接着して固定されている。センサ母材１２は、主に回路搭載部１２ｂの裏面が接着されているだけで、チップ搭載部１２ａの裏面は、一部を除いて接着されていない。つまり、チップ搭載部１２ａにおいてセンサ基板９のダイヤフラム９ａが投影される領域を含むセンサ母材１２の一端側は、センサハウジング２に接着されていない。これにより、センサ基板９に発生する応力（センサハウジング２とセンサ基板９との熱膨張差による応力、組立て時の実装応力等）を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ基板に設けられるダイヤフラム上に発熱抵抗体を配置し、この発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、気体の流量を計測する熱式流量計に関する。

従来、自動車用エンジンの吸入空気量を計測する熱式流量計が知られている。この熱式流量計には、例えば、図６（ｂ）に示す様に、センサ基板１００に設けられたダイヤフラム１１０の表面上に発熱抵抗体と流量検出抵抗体（図示せず）を形成したセンサチップ１２０と、発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布に応じて変化する流量検出抵抗体の抵抗値を基に、吸気量を検出する回路部１３０〔図６（ａ）参照〕とを備え、その回路部１３０とセンサチップ１２０とが共通のセンサ母材１４０に搭載されて、図６（ａ）に示す様に、センササブアッセンブリ１５０として構成されたものがある。このセンササブアッセンブリ１５０は、吸気の一部を取り込むためのバイパス通路１６０を形成するセンサハウジング１７０に内蔵され、図６（ｂ）に示す様に、センサ母材１４０の裏面全体が接着剤１８０によりセンサハウジング１７０に固定されている。

しかし、上記の構成では、通常、樹脂成形されるセンサハウジング１７０と、シリコン等の半導体であるセンサ基板１００との熱膨張差による応力や、組立て時の実装応力等がセンサ基板１００に発生し、その応力によってセンサ基板１００（特にダイヤフラム１１０）に歪みが生じるため、ダイヤフラム１１０上に形成される抵抗体の抵抗値が変化して、流量検出精度に影響を与えることが分かっている。
そこで、特許文献１では、センサ基板１００に応力緩和溝を形成することにより、センサ基板１００に発生する応力を緩和する構成が提案されている。

特開２００７−２４５８９号公報

ところが、特許文献１に記載された従来技術では、センサ基板１００に発生する応力自体を減らすことは出来ず、歪みの影響は残るため、流量検出精度の向上にも限界がある。 また、センサ基板１００に応力緩和溝を形成するため、センサ基板１００の製造工程が複雑になり、コストが増大する問題がある。また、応力緩和溝を形成することでセンサ基板の強度が低下し、空気とともに飛来するダスト等によりセンサチップ１２０が破壊する恐れがある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、センサ基板に発生する応力を低減して、抵抗体に対するダイヤフラムの歪みの影響を減らすことにより、流量検出精度を向上できる熱式流量計を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、気体の一部を取り込むバイパス通路を形成するセンサハウジングと、センサ基板に設けられるダイヤフラムの表面上に発熱抵抗体と流量検出抵抗体を配置したセンサチップと、発熱抵抗体の発熱温度を制御すると共に、発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布に応じて変化する流量検出抵抗体の抵抗値を基に、バイパス通路を流れる気体の流量を検出する回路部とを有し、センサチップと回路部とが共通のセンサ母材に搭載されてセンササブアッセンブリとして構成され、且つ、センサ母材が接着剤によってセンサハウジングに固定されている熱式流量計であって、センサ母材は、一端側にセンサチップを搭載するチップ搭載部と、このチップ搭載部より他端側に回路部を搭載する回路搭載部とを有し、且つ、接着剤によってセンサハウジングに固定されていない領域を有し、その領域を非接着部と呼ぶ時に、チップ搭載部においてダイヤフラムが投影される領域を含むセンサ母材の少なくとも一端側が非接着部に含まれていることを特徴とする。

上記の構成によれば、センサ母材の全面をセンサハウジングに接着固定する場合と比較して、接着面積が小さく、且つ、ダイヤフラムが投影される領域を含むセンサ母材の少なくとも一端側がセンサハウジングに接着されていないので、センサ基板に発生する応力（センサハウジングとセンサ基板との熱膨張差による応力、組立て時の実装応力等）を低減できる。その結果、センサ基板の歪みを抑制でき、センサ基板に設けられるダイヤフラム上の抵抗体（発熱抵抗体と流量検出抵抗体）への応力伝達を低減できるので、抵抗体の温度特性が大きく変化することはなく、流量検出精度を向上できる。
また、本発明によれば、特許文献１に開示された応力緩和溝をセンサ基板に加工する必要がないので、センサ基板の製造工程が複雑になることはなく、コストを低減でき、且つ、センサ基板の強度を低下させることもない。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した熱式流量計において、センサ母材は、少なくともチップ搭載部の全体が非接着部に含まれていることを特徴とする。
上記の構成によれば、センサ母材の少なくともチップ搭載部がセンサハウジングに接着固定されていないので、センサ基板に発生する応力をより小さくできる。その結果、センサ基板に設けられるダイヤフラムへの歪みの影響を減らすことができ、ダイヤフラム上に配置される抵抗体（発熱抵抗体と流量検出抵抗体）の抵抗値変動を抑制できるので、信頼性が向上する。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した熱式流量計において、センサ母材は、チップ搭載部の全体と、回路搭載部のうち回路部の搭載範囲を含む一端側とが非接着部に含まれていることを特徴とする。
上記の構成では、センサ母材を接着剤によってセンサハウジングに固定する接着部の面積をより小さくでき、且つ、その接着部をセンサチップから離れた場所に設定できるので、センサ基板に発生する応力を更に小さくでき、ダイヤフラムへの歪みの影響を抑制できる。

（請求項４の発明）
請求項３に記載した熱式流量計において、センサ母材は、非接着部より他端側である回路搭載部の端部が接着剤によってセンサハウジングに固定される接着部であり、且つ、その接着部は、センサ母材の少なくとも表面と裏面の両面がセンサハウジングに接着されていることを特徴とする。
例えば、センサ母材の裏面だけをセンサハウジングに接着する場合と比較すると、少なくともセンサ母材の裏面と表面の両面を接着した方が、発生する応力の偏りが小さくなるため、センサ基板に発生する応力をより低減できる。

また、請求項３に係る発明では、チップ搭載部の全体と、回路搭載部のうち回路部の搭載範囲を含む一端側とが非接着部に含まれているため、接着部の面積が限定されて小さくなり、センササブアッセンブリを確実に且つ強固に固定する上では不利である。これに対し、請求項４に係る発明では、少なくともセンサ母材の裏面と表面の両面を接着するため、センササブアッセンブリをより確実に固定できる。
なお、本発明では、センサ母材（回路搭載部の端部）の裏面と表面だけでなく、センサ母材（回路搭載部の端部）の全周をセンサハウジングに接着することもできる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの熱式流量計において、センサハウジングには、センサ母材の一端側を位置決めするためのガイド部が設けられていることを特徴とする。
本発明のセンササブアッセンブリは、センサ母材の裏面全体がセンサハウジングに接着されている訳ではなく、接着面積が従来より小さく、且つ、センサチップの搭載側に非接着部を有している。このため、チップ搭載部を有するセンサ母材の一端側を何らかの手段で位置決めすることが望ましい。これに対し、本発明では、センサハウジングに設けられたガイド部によりセンサ母材の一端側を位置決めできるので、そのセンサ母材に搭載されるセンサチップの位置ずれを防止でき、精度良く流量検出を行うことができる。
なお、本発明では、例えば、センサ母材の側面をセンサハウジングのガイド部に当接させて位置決めすることもできるが、センサ母材の側面を直接ガイド部に当接させることができない場合、例えば、センサハウジングにガイド部を設ける場所が限定される様な場合は、例えば、センサ母材の両側面に凸部を設けて、この凸部をガイド部により拘束する構成でも良い。

（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの熱式流量計において、回路部は、複数の回路素子を実装する回路基板を有し、この回路基板をセンサ母材として使用することを特徴とする。
本発明では、複数の回路素子が実装される回路基板をセンサ母材として使用することにより、回路基板とは異なる専用のセンサ母材を使用する必要がないので、部品点数を削減でき、且つ、構成の簡素化によるコストダウンも可能である。

（ａ）エアフロメータのセンサ部を示す平面図、（ｂ）センサチップの取り付け状態を示す断面図である（実施例１）。 エアフロメータを吸気ダクトに取り付けた状態を示す断面図である。 エアフロメータのセンサ部を示す平面図である（実施例２）。 （ａ）エアフロメータのセンサ部を示す平面図、（ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である（実施例３）。 （ａ）エアフロメータのセンサ部を示す平面図、（ｂ）同図（ａ）のＢ−Ｂ断面図である（実施例４）。 （ａ）エアフロメータのセンサ部を示す平面図、（ｂ）センサチップの取り付け状態を示す断面図である（従来技術）。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

この実施例１は、本発明の熱式流量計を、自動車用エンジンの吸入空気量を測定するエアフロメータに適用した一例を説明する。
図１（ａ）はエアフロメータ１のセンサ部３を示す平面図、図１（ｂ）はセンサ部３に使用されるセンサチップ１０の取り付け状態を示す断面図、図２はエアフロメータ１を吸気ダクト４に取り付けた状態を示す断面図である。
本実施例のエアフロメータ１は、センサハウジング２とセンサ部３とを備える。
センサハウジング２は、図２に示す様に、吸気ダクト４に開けられた取付け孔より吸気ダクト４の内部に着脱可能に挿入され、取付け孔との間がＯリング５によって気密にシールされている。なお、吸気ダクト４は、エンジンの吸気ポート（図示せず）に接続される吸気通路の一部を形成するもので、例えば、吸気通路の最上流に配置されるエアクリーナの出口パイプ、あるいは、この出口パイプの下流側に接続される吸気管等である。

センサハウジング２には、図２に示される吸気ダクト４の内部を図示右側（エアクリーナ側）から左側（エンジン側）に向かって流れる空気、つまり、エンジンに吸入される空気の一部を取り込むバイパス通路が形成されている。このバイパス通路は、入口６ａと出口６ｂとの間を略直線的に空気が流れるメイン通路６と、このメイン通路６を流れる空気の一部を取り込むサブ通路７とで形成される。このサブ通路７は、メイン通路６の途中から分岐してメイン通路６とは異なる出口７ａに通じると共に、メイン通路６より通路長が長く形成され、且つ、通路途中で流れ方向が大きく変化する曲がり部を有している。
また、センサハウジング２には、エンジンの運転状態を制御するＥＣＵ（電子制御装置）との電気的接続を行うコネクタ８が一体に設けられている。

センサ部３は、図１（ｂ）に示す様に、シリコン等のセンサ基板９に設けられるダイヤフラム９ａの表面上に発熱抵抗体と流量検出抵抗体（共に図示せず）を形成したセンサチップ１０と、発熱抵抗体の発熱温度を制御すると共に、発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布に応じて変化する流量検出抵抗体の抵抗値を基に、バイパス通路（サブ通路７）を流れる空気の流量を検出する回路部１１〔図１（ａ）参照〕とを有している。
センサチップ１０と回路部１１は、共通のセンサ母材１２に搭載されてセンササブアッセンブリとして一体に構成され、図１（ｂ）に示す様に、センサチップ１０の電極（図示せず）と、回路部１１のリードフレーム１１ａとがワイヤボンディングにより電気的に接続されている。なお、図１（ｂ）に記載したセンサチップ１０は、図１（ａ）に示されるセンサチップ１０の寸法を拡大して断面形状を示したものである。

センサ母材１２は、例えば、樹脂材により略板状に形成され、図１（ａ）に示す様に、一端側にセンサチップ１０を搭載するチップ搭載部１２ａと、このチップ搭載部１２ａより他端側に回路部１１を搭載する回路搭載部１２ｂを有している。なお、回路搭載部１２ｂの中央部には、周囲より高さを低く形成した（掘り下げた）低床面１２ｃが形成され、この低床面１２ｃに回路部１１が搭載される。
センサチップ１０は、図１（ｂ）に示す様に、センサ基板９の裏面がチップ搭載部１２ａの表面に接着剤１３によって固定されている。但し、センサ基板９の全面が接着されている訳ではなく、ダイヤフラム９ａが設けられる部位より電極側〔図１（ｂ）に示すセンサチップ１０の上部側〕だけが接着されている。
回路部１１は、例えば、複数の回路素子を回路基板に実装して構成され、回路搭載部１２ｂの低床面１２ｃに搭載されて樹脂モールドされている。

本実施例のセンサ部３（センササブアッセンブリ）は、センサ母材１２の裏面が接着剤１４によってセンサハウジング２に固定され、図２に示す様に、センサチップ１０がサブ通路７を流れる空気の流れに晒されている。但し、センサ母材１２は、チップ搭載部１２ａと回路搭載部１２ｂの裏全面が接着されている訳ではなく、接着剤１４によってセンサハウジング２に固定されていない領域を有している。
ここで、センサ母材１２が接着剤１４によってセンサハウジング２に固定される領域を接着部と呼び、接着されていない領域を非接着部と呼ぶ時に、センサ母材１２は、図１（ｂ）に示す様に、チップ搭載部１２ａにおいてセンサ基板９のダイヤフラム９ａが投影される領域を含むセンサ母材１２の少なくとも一端側が非接着部に含まれている。具体的には、図１（ａ）に示す様に、二点鎖線でハッチングを入れた範囲（回路搭載部１２ｂの全体とチップ搭載部１２ａの一部）が接着部であり、ハッチングを入れいていない範囲（接着部に含まれる一部を除いたチップ搭載部１２ａの略全体）が非接着部である。

（実施例１の作用および効果）
本実施例のセンサ部３は、センサチップ１０と回路部１１とが共通のセンサ母材１２に搭載されてセンササブアッセンブリとして一体に構成され、センサ母材１２を接着剤１４によりセンサハウジング２に接着して固定されている。ここで、センサ母材１２は、主に回路搭載部１２ｂの裏面が接着されているだけで、チップ搭載部１２ａの裏面は、一部を除いて接着されていない。つまり、チップ搭載部１２ａにおいてセンサ基板９のダイヤフラム９ａが投影される領域を含むセンサ母材１２の一端側は、センサハウジング２に接着されていない。

上記の構成によれば、図６に示した従来の構成、つまり、センサ母材１４０の裏全面をセンサハウジング１７０に接着した場合と比較すると、センサ基板９に発生する応力、例えば、センサハウジング２とセンサ基板９との熱膨張差による応力や、組立て時の実装応力等を低減できる。その結果、センサ基板９の歪みを抑制でき、ダイヤフラム９ａの表面上に形成される抵抗体（発熱抵抗体と流量検出抵抗体）への応力伝達を低減できるので、抵抗体の温度特性が大きく変化することはなく、流量検出精度を向上できる。
また、本実施例では、特許文献１に開示された応力緩和溝をセンサ基板９に加工する必要がないので、センサ基板９の製造工程が複雑になることはなく、コストを低減でき、且つ、センサ基板９の強度を低下させることもない。

図３は、実施例２に係るエアフロメータ１のセンサ部３を示す平面図である。
この実施例２は、センサ母材１２をセンサハウジング２に接着する範囲を回路搭載部１２ｂの一部に限定した一例である。つまり、センサ母材１２の非接着部を、チップ搭載部１２ａの全体と、回路搭載部１２ｂのうち回路部１１の搭載範囲（図中の破線で示す範囲）を含む一端側まで拡大している。言い換えると、センサチップ１０から最も離れた部分である回路搭載部１２ｂの端部（図中に二点鎖線でハッチングを入れた領域）だけを接着部とし、この接着部には、回路部１１の搭載範囲も含まれていない。これにより、実施例１の構成と比較して、センサ母材１２の接着部の面積を小さくでき、且つ、その接着部をセンサチップ１０から最も離れた場所に設定できるので、センサ基板９に発生する応力を更に小さくでき、ダイヤフラム９ａへの歪みの影響を抑制できる効果も大きくなる。

図４（ａ）は、実施例３に係るエアフロメータ１のセンサ部３を示す平面図である。
この実施例３は、実施例２と同様に、センサ母材１２の接着部をセンサチップ１０から最も離れた回路搭載部１２ｂの端部〔図４（ａ）に二点鎖線でハッチングを入れた領域〕に設定し、且つ、図４（ｂ）に示す様に、センサ母材１２の全周を接着剤１４によりセンサハウジング２に固定する一例である。
この実施例３では、センサ母材１２の全周をセンサハウジング２に接着固定するので、実施例２に記載したセンサ母材１２の裏面だけをセンサハウジング２に接着する構成と比較すると、発生する応力の偏りが小さくなるため、センサ基板９に発生する応力をより低減できる。

また、実施例２の構成では、センサ母材１２の接着部が、センサチップ１０から最も離れた回路搭載部１２ｂの端部に設定され、且つ、接着部の面積が小さいため、センサ部３を確実に且つ強固に固定する上では不利である。これに対し、この実施例３では、センサ母材１２の接着部がセンサチップ１０から最も離れた回路搭載部１２ｂの端部に設定されていても、センサ母材１２の全周をセンサハウジング２に接着するため、実施例２と比較して、センサ部３をより確実に固定できる。
なお、この実施例３では、センサ母材１２の全周ではなく、例えば、センサ母材１２の裏面と表面をセンサハウジング２に接着しても良い。

図５（ａ）は、実施例４に係るエアフロメータ１のセンサ部３を示す平面図である。
この実施例４は、図５に示す様に、センサハウジング２に一対のガイド部１５を設けて、このガイド部１５により、センサ母材１２の一端側を位置決めする一例である。
実施例１〜３に記載したセンサ部３は、センサ母材１２の裏全面がセンサハウジング２に接着されている訳ではなく、特に、センサチップ１０が搭載されるチップ搭載部１２ａの裏面は非接着部であり、センサハウジング２に接着されていないので、チップ搭載部１２ａを有するセンサ母材１２の一端側を何らかの手段で位置決めすることが望ましい。

そこで、この実施例４では、図５（ｂ）に示す様に、チップ搭載部１２ａを形成するセンサ母材１２の両側に位置決め用の凸部１６を設けて、センサハウジング２に設けたガイド部１５により凸部１６を拘束することでセンサ母材１２の一端側を位置決めしている。なお、センサハウジング２に設けられるガイド部１５の一例として、例えば、図５（ａ）に示す様に、センサ母材１２のチップ搭載部１２ａに対向して、そのチップ搭載部１２ａの図示左右両側に設けられると共に、図示上下方向に所定の長さを有し、且つ、スリット状の溝が図示上下方向に延びて形成されている。
一方、センサ母材１２に設けられる凸部１６は、チップ搭載部１２ａの両側にセンサ母材１２の板厚（図示上下方向の寸法）が次第に小さくなるテーパ部を形成し、このテーパ部の端面から図示左右両方向に突出して、ガイド部１５の溝に嵌合できる形状に設けられている。

上記の位置決め構造は、例えば、図５（ａ）の図示上方から下方へ向かって、センサ部３をセンサハウジング２の内部へ挿入（スロットイン）するタイプのエアフロメータ１に適している。すなわち、センサ部３をセンサハウジング２の内部へスロットインする際に、センサ母材１２に設けられた凸部１６がガイド部１５によって形成される溝に嵌まり込むことにより、センサ母材１２の板厚方向および左右方向の動きが拘束されて位置決めされる。これにより、センサ母材１２に搭載されるセンサチップ１０の位置ずれを防止できるので、精度良く流量検出を行うことができる。
なお、この実施例４では、センサ母材１２に凸部１６を設けて、この凸部１６をセンサハウジング２に設けられるガイド部１５によって拘束する一例を記載したが、例えば、センサ母材１２に凸部１６を設けることなく、センサ母材１２の側面（例えば、チップ搭載部１２ａの両側面）をセンサハウジング２のガイド部１５に当接させて位置決めする構成でも良い。

（変形例）
上記の実施例１〜４では、共通のセンサ母材１２にセンサチップ１０と回路部１１とを搭載する例を記載したが、回路部１１に使用される回路基板をセンサ母材１２の代わりに利用することも可能である。つまり、回路基板を延長してチップ搭載部１２ａを設け、このチップ搭載部１２ａにセンサチップ１０を搭載しても良い。この場合、回路基板をセンサ母材１２として使用することにより、回路基板とは別に専用のセンサ母材１２を使用する必要がないので、部品点数を削減でき、且つ、構成の簡素化によるコストダウンも可能である。

１ エアフロメータ
２ センサハウジング
３ センサ部（センササブアッセンブリ）
６ メイン通路（バイパス通路）
７ サブ通路（バイパス通路）
９ センサ基板
９ａ ダイヤフラム
１０ センサチップ
１１ 回路部
１２ａ チップ搭載部
１２ｂ 回路搭載部
１５ ガイド部

Claims (6)

1. 気体の一部を取り込むバイパス通路を形成するセンサハウジングと、
   センサ基板に設けられるダイヤフラムの表面上に発熱抵抗体と流量検出抵抗体を配置したセンサチップと、
   前記発熱抵抗体の発熱温度を制御すると共に、前記発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布に応じて変化する前記流量検出抵抗体の抵抗値を基に、前記バイパス通路を流れる気体の流量を検出する回路部とを有し、
   前記センサチップと前記回路部とが共通のセンサ母材に搭載されてセンササブアッセンブリとして構成され、且つ、前記センサ母材が接着剤によって前記センサハウジングに固定されている熱式流量計であって、
   前記センサ母材は、一端側に前記センサチップを搭載するチップ搭載部と、このチップ搭載部より他端側に前記回路部を搭載する回路搭載部とを有し、且つ、接着剤によって前記センサハウジングに固定されていない領域を有し、その領域を非接着部と呼ぶ時に、前記チップ搭載部において前記ダイヤフラムが投影される領域を含む前記センサ母材の少なくとも一端側が前記非接着部に含まれていることを特徴とする熱式流量計。
2. 請求項１に記載した熱式流量計において、
   前記センサ母材は、少なくとも前記チップ搭載部の全体が前記非接着部に含まれていることを特徴とする熱式流量計。
3. 請求項１または２に記載した熱式流量計において、
   前記センサ母材は、前記チップ搭載部の全体と、前記回路搭載部のうち前記回路部の搭載範囲を含む一端側とが前記非接着部に含まれていることを特徴とする熱式流量計。
4. 請求項３に記載した熱式流量計において、
   前記センサ母材は、前記非接着部より他端側である前記回路搭載部の端部が接着剤によって前記センサハウジングに固定される接着部であり、且つ、その接着部は、前記センサ母材の少なくとも表面と裏面の両面が前記センサハウジングに接着されていることを特徴とする熱式流量計。
5. 請求項１〜４に記載した何れかの熱式流量計において、
   前記センサハウジングには、前記センサ母材の一端側を位置決めするためのガイド部が設けられていることを特徴とする熱式流量計。
6. 請求項１〜５に記載した何れかの熱式流量計において、
   前記回路部は、複数の回路素子を実装する回路基板を有し、この回路基板を前記センサ母材として使用することを特徴とする熱式流量計。

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