(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流温度と一定の温度差に制御される発熱抵抗体と、
この発熱抵抗体の空気流上流側及び下流側の熱干渉域に設置され、ブリッジ回路を形成する１組以上の第１の感温抵抗体と、
上記ブリッジ回路の感温抵抗体間の電位を比較すべき２点に接続され、空気流温度に依存する第２の感温抵抗体と、
を備え、上記比較すべき２点の電位差により空気流量を計測することを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項２】
請求項１記載の熱式空気流量計において、上記第２の感温抵抗体は、上記ブリッジ回路の辺を構成する第１の感温抵抗体よりも大きな抵抗温度係数を有することを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項３】
空気流温度と一定の温度差に制御される発熱抵抗体と、
この発熱抵抗体の空気流上流側及び下流側の熱干渉域に設置され、ブリッジ回路を形成する１組以上の第１の感温抵抗体と、
上記ブリッジ回路の電圧供給点又は基準電位点に接続され、空気流温度に依存し負の抵抗温度係数を持つ第２の感温抵抗体と、
を備え、上記ブリッジ回路の感温抵抗体間の電位を比較すべき２点を比較することにより、空気流量を計測することを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項４】
空気流温度と一定の温度差に制御される発熱抵抗体と、
この発熱抵抗体の空気流上流側及び下流側の熱干渉域に設置され、ブリッジ回路を形成する１組以上の感温抵抗体と、
上記ブリッジ回路の電圧供給点又は基準電位点に接続され、空気流温度に依存し負の抵抗温度係数を持つ半導体素子と、
を備え、上記ブリッジ回路の感温抵抗体間の電位を比較すべき２点を比較することにより、空気流量を計測することを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項５】
請求項１、２、３、４のうちのいずれか一項記載の熱式空気流量計において、発熱抵抗体及び感温抵抗体は同一基板上に形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、自動車の内燃機関制御に必要とされるエンジンの吸入空気流量を計測する装置に係り、特に、吸気脈動により生じる逆流現象をも正確に計測する双方向の流量検出が可能な熱式空気流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の空気流量計測装置としては、例えば、特開平９−３１８４１２号公報に開示されたものがある。この公報に開示された技術は、吸気温度と一定の温度差に制御され、空気流中に設置された発熱抵抗体の上下流に、感温抵抗体を設置し、この上下流に設置された感温抵抗体の互いの温度差により、双方向の空気流量を計測する方法である。
【０００３】
上記開示技術によれば、発熱抵抗体と下流側感温抵抗体との間にスリットを設けたり、発熱抵抗体の加熱電流と感温抵抗体の温度差信号を組み合わせたりすることで、流量測定範囲の拡大や流量測定感度の適正化が行なえることとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては感温抵抗体の温度差を流量計測信号として用いる場合、周囲温度による計測誤差が発生するため、例えば、感温抵抗体等に印加する基準電圧を周囲温度に応じて変化させる手段等の、流量計測部とは独立した、複雑で大規模な温度補正手段が必要になる。
【０００５】
また、発熱抵抗体の加熱電流と感温抵抗体の温度差信号とを組み合わせた場合（発熱抵抗体と感温抵抗体とによりブリッジ回路を構成し、発熱抵抗体からの発熱ブリッジ信号と感温抵抗体による温度差ブリッジ信号とを加算した場合）、周囲温度に対する温度補償効果は期待できるが、温度差ブリッジ信号に比べ加熱電流の応答性が極めて速く、発熱ブリッジ信号がノイズ成分として温度差ブリッジに重畳するため、流量計測信号のノイズ成分が多くなり、流量計測精度の低下を招いてしまう。
【０００６】
本発明の目的は、温度差信号を得る部位に温度補償手段を設けることにより、簡単な構成で正確な双方向の流量計測を行なうことが可能な熱式空気流量計を実現することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）熱式空気流量計において、空気流温度と一定の温度差に制御される発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の空気流上流側及び下流側の熱干渉域に設置され、ブリッジ回路を形成する１組以上の第１の感温抵抗体と、上記ブリッジ回路の感温抵抗体間の電位を比較すべき２点に接続され、空気流温度に依存する第２の感温抵抗体とを備え、上記比較すべき２点の電位差により空気流量を計測する。
【０００８】
（２）好ましくは、上記（１）において、上記第２の感温抵抗体は、上記ブリッジ回路の辺を構成する第１の感温抵抗体よりも大きな抵抗温度係数を有する。
【０００９】
（３）熱式空気流量計において、空気流温度と一定の温度差に制御される発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の空気流上流側及び下流側の熱干渉域に設置され、ブリッジ回路を形成する１組以上の第１の感温抵抗体と、上記ブリッジ回路の電圧供給点又は基準電位点に接続され、空気流温度に依存し負の抵抗温度係数を持つ第２の感温抵抗体とを備え、上記ブリッジ回路の感温抵抗体間の電位を比較すべき２点を比較することにより、空気流量を計測する。
【００１０】
（４）熱式空気流量計において、空気流温度と一定の温度差に制御される発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の空気流上流側及び下流側の熱干渉域に設置され、ブリッジ回路を形成する１組以上の感温抵抗体と、上記ブリッジ回路の電圧供給点又は基準電位点に接続され、空気流温度に依存し負の抵抗温度係数を持つ半導体素子とを備え、上記ブリッジ回路の感温抵抗体間の電位を比較すべき２点を比較することにより、空気流量を計測する。
【００１１】
（５）好ましくは、上記（１）、（２）、（３）、（４）において、発熱抵抗体及び感温抵抗体は同一基板上に形成されている。
【００１２】
空気温度と一定の温度差に制御された発熱抵抗体の上流及び下流に感温抵抗体を配置し、それぞれの感温抵抗体を一辺とするブリッジ回路により温度差信号を得る。ブリッジ回路の比較電位差が吸気温度の上昇とともに拡大するように、ブリッジ回路の比較電位点を吸気温度に依存する抵抗で接続する、あるいはブリッジ回路の電圧供給点又は基準電位点に吸気温度に依存し負の温度係数を持つ素子を挿入することにより、温度差信号の温度補償が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である熱式空気流量計の回路図である。
【００１４】
図１において、感温抵抗体Ｒｆの一方端は、抵抗Ｒ３及びＲ２を介して接地されている。また、感温抵抗体Ｒｆの他方端は、発熱抵抗体Ｒｈ及び抵抗Ｒ１を介して接地されている。そして、抵抗Ｒ２とＲ３との接続点は、演算増幅器ＯＰの反転入力端子に接続され、発熱抵抗体Ｒｈと抵抗Ｒ１との接続点は、演算増幅器ＯＰの非反転入力端子に接続される。この演算増幅器ＯＰの出力端は、感温抵抗体Ｒｆと発熱抵抗体Ｒｈとの接続点に接続される。
【００１５】
また、抵抗Ｒ４の一方端は、感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｄ１、抵抗Ｒ５を介して接地されている。また、抵抗Ｒ４の他方端は、抵抗Ｒ６、感温抵抗体Ｒｄ２、Ｒｕ２、抵抗Ｒ７を介して接地されている。また、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ６との接続点には、基準電圧源から基準電圧Ｖｒｅｆが印加される。
【００１６】
感温抵抗体Ｒｕ１とＲｄ１との接続点は、感温抵抗体Ｒａを介して増幅器Ａのマイナス入力端子に接続される。また、感温抵抗体Ｒｕ１とＲｄ１との接続点は、増幅器Ａのプラス入力端子に接続される。また、感温抵抗体Ｒｄ２とＲｕ２との接続点は、感温抵抗体Ｒａと増幅器Ａのマイナス入力端子との間に接続される。
【００１７】
感温抵抗体Ｒｆは、空気流温度に依存し且つ発熱抵抗体Ｒhの熱干渉を受けない位置に配置され、抵抗Ｒ１〜Ｒ３及び発熱抵抗体Ｒhとともにブリッジ回路を形成している。
【００１８】
更に、上記ブリッジ回路の平衡を保つように演算増幅器ＯＰで帰還することにより発熱抵抗体Ｒｈは空気温度と一定の温度差を保持するように制御される。
【００１９】
以上はヒータ制御部として後述する他の実施形態についても共通の項目であり、機能・構成等は同一である。
【００２０】
感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｕ２は、発熱抵抗体Ｒｈの上流側熱干渉域に配置され、感温抵抗体Ｒｄ１、Ｒｄ２は、発熱抵抗体Ｒｈの下流側熱干渉域に配される。
【００２１】
感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１、Ｒｄ２は、それぞれ固定抵抗Ｒ４〜Ｒ７とブリッジ回路を形成している。このブリッジ回路の対辺はそれぞれ上下流に配された感温抵抗体で構成され、ブリッジ回路の対辺同士でその構成は上下逆転している。
【００２２】
この図１に示した回路構成によれば、空気流が順方向から流れた場合は、発熱抵抗体Ｒｈの上流側に配置された感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｕ２が、空気流量に応じて冷却されるために抵抗値は下がり、発熱抵抗体Ｒｈの下流側に配置された感温抵抗体Ｒｄ１、Ｒｄ２は、発熱抵抗体Ｒｈの熱流と空気流との合流を受けるために温度変化は少なく、よってその抵抗値の増減も少ない。
【００２３】
その結果、ブリッジ回路の比較点電位差は、空気流量に応じて増減する。空気流が逆方向から流れた場合は、上述と逆の現象が起こるためにブリッジ回路の比較点電位差の大小関係が逆転する。
【００２４】
故に、ブリッジ回路の比較点電位差により双方向の空気流量が計測できる。増幅器Ａは、上記比較点電位差を所定の出力特性に変換する調整部である。
【００２５】
本発明の第１の実施形態では、更に、ブリッジ回路の比較電位点を空気流温度に依存するように配置された感温抵抗体Ｒａで接続している。感温抵抗体Ｒａ、Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１、Ｒｄ２は、同程度の抵抗値及び抵抗温度係数であるが、ブリッジ回路の各辺を構成する感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１、Ｒｄ２には固定抵抗Ｒ４〜Ｒ７が直列接続されているために、ブリッジ回路の各辺の温度係数は見掛け上、感温抵抗体Ｒａよりも小さくなる。
【００２６】
このとき、ブリッジ回路の比較点電位差ｄｖは次式（１）となる。
dV ＝ Vref・（Rd／Ru − 1）／（2・Rd／Ra＋Rd／Ru＋1）  −−−（１）
ただし、Ｒｄ１＋Ｒ５＝Ｒｄ２＋Ｒ６＝Ｒｄ、Ｒｕ１＋Ｒ４＝Ｒｕ２＋Ｒ７＝Ｒｕとする。
【００２７】
ヒータである発熱抵抗体Ｒｈを空気流温度と一定の温度差に保持することで発熱抵抗体Ｒｈの熱干渉域の熱伝達特性における空気流温度依存性を補償しているが、感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１、Ｒｄ２も空気流温度に依存することにより感温抵抗体の基準抵抗値、すなわち温度差が発生していない時の抵抗値が空気流温度に依存する。
【００２８】
上記式（１）が示すように、感温抵抗体Ｒａが無限大すなわち接続されていない場合、Ｒｕ及びＲｄが空気流温度の増加とともに増大し、空気流の変化に伴うＲｄ／Ｒｕに狂いが生じ、比較点電位差ｄＶは減少方向の空気流温度依存性を持つ。
【００２９】
つまり、感温抵抗体Ｒａが無限大の場合、上記（１）式は、次式（２）となる。
dV ＝ Vref・（A − 1）／（A＋1）  −−−（２）
ただし、Ａ＝Ｒｄ／Ｒｕ、詳しくは、Ａ＝（Ｒｄ（Ｑ０）＋ｄＲｄ）／（Ｒｕ（Ｑ０）＋ｄＲｕ）＝（Ｒ（Ｑ０）＋ｄＲｄ）／（Ｒ（Ｑ０）＋ｄＲｕ）である。
【００３０】
なお、Ｒｄ（Ｑ０）＝Ｒｕ（Ｑ０）＝Ｒ（Ｑ０）＝流量Ｑが０における抵抗値であり、ｄＲｄ及びｄＲｕは、流量Ｑに応じて発生する温度変化による抵抗変化分である。
【００３１】
ここで、抵抗値Ｒ（Ｑ０）は、周囲温度に大きく影響され、周囲温度の増加に伴って値が大きくなる。一方、抵抗変化分ｄＲｄ及びｄＲｕは、周囲温度にあまり、影響を受けない。
【００３２】
従って、上記式において、例えば、室温２０℃のときの上記Ａの値Ａ（２０）と８０℃のときのＡの値Ａ（８０）とを比較すると、Ａ（２０）＞Ａ（８０）となり、比較点電位差ｄｖも２０℃の場合より８０℃の場合の方が小となる。
【００３３】
極端な場合を考えると、Ｒ（Ｑ０）＝∞になると、Ａ→１に収束するため、上記式から比較点電位差ｄｖ＝０となる。
【００３４】
このように、感温抵抗体Ｒａが接続されていない場合、比較点電位差ｄＶは、温度上昇に対して、その大きさは減少方向の空気流温度依存性を持つ。
【００３５】
これに対して、感温抵抗体Ｒａを接続し、感温抵抗体Ｒｕ、Ｒｄの温度係数がＲａの１／３程度となるように抵抗Ｒｕ、Ｒｄを設定することで比較点電位差ｄＶの空気流温度依存性を１／１０以下に補償することができる。
【００３６】
つまり、感温抵抗体Ｒａを接続した場合、上記式（２）は次式（３）となる。
dV ＝ Vref・（A − 1）／（2・B ＋A＋1）  −−−（３）
ただし、Ｂ＝Ｒｄ／Ｒａである。この場合、抵抗体Ｒａの温度係数は、抵抗体Ｒｄの温度係数の３倍程度であるので、上記Ｂは、温度上昇に従って、減少することとなる。このため、上記Ｂは、比較点電位ｄｖに対して、温度上昇に従って増加させる方向に作用し、抵抗体Ｒａが無い場合の温度依存性を相殺するように働く。
【００３７】
本願発明者等の実験によれば、基準電圧Ｖrefを５Ｖとして、他の抵抗体を適切な値に設定し、温度２０℃の場合と温度８０℃の場合の比較点電位ｄｖを算出した結果、両者に共に１３１．８ｍＶとなり、温度依存性はほぼ０となった。
【００３８】
したがって、感温抵抗体Ｒａを接続し、感温抵抗体Ｒｕ、Ｒｄの温度係数がＲａの１／３程度となるように抵抗Ｒｕ、Ｒｄを設定することで比較点電位差ｄＶの空気流温度依存性を１／１０以下に補償することができる。
【００３９】
これは、感温抵抗体Ｒａを付加するという簡単な回路素子の追加により、空気流温度によって基準電圧Ｖｒｅｆを変化させることと等価な効果を得ることができる。
【００４０】
つまり、本発明の第１の実施形態によれば、温度差信号を得る部位に温度補償手段を設けることにより、簡単な構成で正確な双方向の流量計測を行なうことが可能な熱式空気流量計を実現することができる。
【００４１】
また、発熱抵抗体Ｒｈと全ての感温抵抗体（Ｒａ、Ｒｆ、Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１、Ｒｄ２）が同一プロセスで作成することが可能であるため、例えば、同一の半導体基板に形成が可能であり、製造工程も簡略化でき、回路規模も小さくすることができる。
【００４２】
図２は、本発明の第２の実施形態である熱式空気流量計の回路図である。この図２の例と図１の例との相違点は、図２の例においては、図１の例の抵抗体Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８が省略され、抵抗体Ｒａに代えて抵抗体Ｒｂが接続されている点である。
【００４３】
感温抵抗体Ｒｂは空気流温度に依存するように配されており、ブリッジ回路の比較電位点に接続されている。感温抵抗体Ｒｂの温度係数は他の感温抵抗体よりも３倍程度高いものを使用することで上記実施形態と同様に温度補償される。
【００４４】
例えば、感温抵抗体Ｒｂは白金を材料とする温度センサを空気流中に設置し、他の感温抵抗体は半導体基板上に形成したポリシリコン抵抗体を利用する、又は感温抵抗体Ｒｂも同一基板上に形成するが、不純物拡散濃度を変えることにより温度係数を変えることが考えられる。
【００４５】
特に、同一基板上に形成する場合、感温抵抗体Ｒｂと他の感温抵抗体との比を管理しやすく量産性が良い。
【００４６】
更に、感温抵抗体Ｒｂと直列に固定抵抗を挿入することで、感温抵抗体Ｒｂの見掛け上の温度係数を操作でき、温度補償の度合いを調整することが容易である。
【００４７】
上述した本発明の第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００４８】
図３は本発明の第３の実施形態である熱式空気流量計の回路図である。この図３の例と図２の例との相違点は、図３の例においては、感温抵抗体Ｒｕ１とＲｄ２との接続点は感温抵抗体Ｒｃを介して基準電圧Ｖrefの電圧源に接続され、感温抵抗体Ｒｕ１とＲｄ１の接続点は、増幅器Ａのプラス入力端子にのみ接続され、感温抵抗体Ｒｄ２とＲｕ２との接続点は、増幅器Ａのマイナス入力端子にのみ接続される点である。
【００４９】
感温抵抗体Ｒｃは空気流温度に依存するように配置されており、ブリッジ回路の電圧供給点に接続されている。感温抵抗体Ｒｃは半導体材料等を用いて負の温度係数を持つように作成されている。
【００５０】
本発明の第３の実施形態によれば、空気流温度の上昇とともに感温抵抗体Ｒｃでの電圧降下が減少するため、ブリッジ回路に供給される電圧が増加する。結果として、ブリッジ回路の比較電位差の減少を補償するように作用する。
【００５１】
この第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００５２】
この第３の実施形態の効果は、図４に示すように感温抵抗体ＲｃをダイオードＤに置き換えても同様に得ることができる。特に、図４の例ではダイオードＤを直列に数個接続したり、固定抵抗を直列に挿入することで容易に温度係数の値を設定することができる。
【００５３】
図５は、図１に示した第１の実施形態における発熱抵抗体、感温抵抗体を同一の半導体基板Ｂ上に形成した時の構成図である。
【００５４】
上述の通り、発熱抵抗体Ｒｈの近傍上下流に感温抵抗体Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１、Ｒｄ２を配置している。特に、Ｃ部は半導体基板Ｂを薄肉化した部分であり、発熱抵抗体Ｒｈからの熱伝導を抑え熱伝達による熱干渉領域を形作っている。
【００５５】
感温抵抗体Ｒｆ、Ｒａは発熱抵抗体Ｒｈから十分離れた位置の半導体基板Ｂの厚肉部分で且つ、熱流の影響を受けない様に下流を避けて配置されている。
【００５６】
これにより、感温抵抗体Ｒｆ，Ｒａは空気流温度の検出が可能となる。
【００５７】
本発明の特徴は、いずれの実施形態においても回路的に単純且つ簡単である。また、空気流量計測の主たる温度差ブリッジ部に直接働きかけ、基準電圧源Ｖｒｅｆを操作する必要が無く、例えば基準電圧源Ｖｒｅｆに被測定対象である空気温度がモニタできない状況でも温度補償が行なえる。
【００５８】
更に、基準電圧源Ｖｒｅｆによる流量信号（比較点電位差）ｄＶのレシオメトリック性が維持されるので、本発明による熱式空気流量計の信号をＡ／Ｄ変換器で読み取る際に基準電圧を共通化することでインターフェースの誤差を低減することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、温度差信号を得る部位に温度補償手段を設けることにより、簡単な構成で正確な双方向の流量計測を行なうことが可能な熱式空気流量計を実現することができる。
【００６０】
また、自動車エンジン等に吸入され逆流を伴うような脈動流下における、双方向の空気流量測定での温度補償が簡単に行なえるため、空気流量計の全体回路構成を単純化・簡素化でき、コスト低減・誤差要因の低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である熱式空気流量計の回路図である。
【図２】本発明の第２の実施形態である熱式空気流量計の回路図である。
【図３】本発明の第３の実施形態である熱式空気流量計の回路図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の変形例の回路図である。
【図５】第１の実施形態における発熱抵抗体、感温抵抗体を同一の半導体基板Ｂ上に形成した時の構成図である。
【符号の説明】
Ａ                  増幅器
Ｂ                  半導体基板
Ｃ                  薄肉部
ＯＰ                演算増幅器
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３    抵抗体
Ｒ４、Ｒ５          抵抗体
Ｒ６、Ｒ７          抵抗体
Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ    感温抵抗体
Ｒｄ１、Ｒｄ２      感温抵抗体
Ｒｆ                感温抵抗体
Ｒｕ１、Ｒｕ２      感温抵抗体
Ｒｈ 発熱抵抗体
【図１】
0003675721.tif 000002
【図２】
0003675721.tif 000003
【図３】
0003675721.tif 000004
【図４】
0003675721.tif 000005
【図５】
0003675721.tif 000006