(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気の空気通路に設置された発熱抵抗体、感温抵抗体、前記発熱抵抗体に流れる電流を電圧信号に変換する基準抵抗体を含んでブリッジ回路を構成し、前記ブリッジ回路の電位差出力を第１差動増幅器を介して前記ブリッジ回路に帰還して前記発熱抵抗体が空気温度に対して常に所定温度になるように前記発熱抵抗体に供給する電流を制御する発熱抵抗式空気流量計において、前記空気通路に配置される入力用と帰還用の増幅抵抗体を有し前記基準抵抗体の電圧信号を増幅する第２の差動増幅器を設け、前記第２の差動増幅器を構成する入力抵抗と帰還抵抗の増幅用抵抗体のいずれか一方の増幅用抵抗体は他方の増幅用抵抗体より温度係数を大きくし、前記両増幅用抵抗体は前記吸入空気の温度変化による前記基準抵抗体の電圧信号の勾配の変化分を打ち消すように温度係数が異なる値に設定されていることを特徴とする発熱抵抗式空気流量計。
【請求項２】
請求項１において、前記増幅抵抗体を含む前記第２差動増幅器は基板に搭載し前記空気通路に配置されていることを特徴とする発熱抵抗式空気流量計。
【請求項３】
請求項１において、温度係数を大きく設定した前記増幅用抵抗体は,モノリシック抵抗としてＩＣチップ内に形成され,基板に搭載して前記空気通路に配置したことを特徴とする発熱抵抗式空気流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は空気流量計に係り、特に、自動車のエンジン制御に供する発熱抵抗式空気流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保護や省資源等から自動車のエンジンに対して、より高精度な燃焼制御が要求され、このために、吸入空気量を高精度に検出できる空気流量計が望まれている。これに応える従来技術の空気流量計として、特開昭６０−１００２１８号公報に開示されたものがある。この開示技術によれば、発熱抵抗式空気流量計の電源回路のツエナーダイオード電流を調整することにより、吸入空気温度変化に対する計測値の温度補正を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術では、計測される空気流量の如何に関わらず、流量信号に対し、吸入空気温度に応じた一定の電圧を変化させる補正だけであった。したがって、任意の１流量点における流量信号の温度補正は為されるが、実際には発熱抵抗体に流れる空気の温度によって空気流量に対応する流量信号が変化するので、すなわち、流量の吸入空気温度による依存性があるため、全流量域における流量信号の温度補正は為されず、温度変化に対する精度は不十分であった。換言すれば、吸入空気温度変化に対する計測値の温度補正は、任意の１流量点のみであって、全流量域に亘って為されておらず、計測精度上に問題があった。
【０００４】
従って、本発明の目的は、計測する空気流の温度変化に対する温度補正を全流量域に亘って行い、流量を高精度に計測できる発熱抵抗式空気流量計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、空気通路に設置された発熱抵抗体と感温抵抗体、及び該発熱抵抗体に流れた電流を電圧信号に変換する基準抵抗体からなるブリッジ回路を有し空気流を検出する定温度制御回路と、
増幅率を決める複数の増幅用抵抗体を有し前記電圧信号を流量信号として増幅する出力増幅回路とを含み、空気流量を計測する発熱抵抗式空気流量計において、
前記出力増幅回路は、複数の前記増幅用抵抗体のうち少なくとも１つの前記増幅用抵抗体が、他の前記増幅用抵抗体の温度係数とは異なり、前記空気流の温度変化による前記増幅率の変化を打ち消す関係にある温度係数を有する異種抵抗体から選定され、前記空気流の温度変化に対し温度補正する補正手段を備えることにより達成される。
【０００６】
そして、補正手段を出力増幅回路の入力段の基準抵抗体の端子電圧側とアース間に接続する、または出力増幅回路の入力段の基準抵抗体の端子電圧側と足切り電圧側間に接続する、あるいは出力増幅回路の差動増幅器のフィードバック部位に接続することが望ましい。
【０００７】
【作用】
上記手段とすることにより、計測する空気流の温度変化に対する温度補正を全流量域に亘って行うことができる。すなわち、定温度制御回路の発熱抵抗体に流れた電流が、基準抵抗体により電圧信号に変換され、該電圧信号は流量信号として増幅するための出力増幅回路に送られる。この出力増幅回路の増幅率を決める複数の増幅用抵抗体のうち、少なくとも１つの増幅用抵抗体を、他の増幅用抵抗体の温度係数とは異なる温度係数を有する異種抵抗体で構成することによって、空気温度による増幅率の変化を打ち消す、即ち、温度変化による発熱抵抗体の熱伝達係数の変化を打ち消すことにより、流量の吸入空気温度による依存性を無くすことができる。これにより、全流量域において計測値の温度補正ができる。
【０００８】
【実施例】
本発明による実施例について、図面を参照し説明する。
【０００９】
図１は、本発明による一実施例の発熱抵抗式空気流量計を示す回路構成図である。図２は、図１の発熱抵抗式空気流量計を実装した場合の流量計測部の断面を示す図である。図１と図２から、構成と動作について説明する。
【００１０】
図１に示した発熱抵抗式の空気流量計は、空気通路３０内に設置され空気流量を計測するための発熱抵抗体１及び感温抵抗体２と、発熱抵抗体１及び感温抵抗体２に結線された定温度制御回路１０２と、出力増幅回路１０３と、電源回路１０１とを含み構成される。そして、定温度制御回路１０２において、発熱抵抗体１に流れた電流を電圧信号に変換するための基準抵抗体４が、発熱抵抗体１及び感温抵抗体２と組み合わされて、発熱抵抗体１が空気温度に対して常に所定温度になるようにブリッジ回路を構成し、所謂熱線式流量計が構成されている。尚、このような熱線式流量計については広く知られているので、構成と動作の説明は省略する。
【００１１】
図２に示した実装例は、例えば内燃機関の吸気管である空気通路３０に、発熱抵抗体１や感温抵抗体２などが配設された発熱抵抗式空気流量計の断面図である。そして、流量計測部１００は、発熱抵抗体１や感温抵抗体２などからなる検出部、定温度制御回路１０２などが組み込まれた基板７０等を備える発熱抵抗式空気流量計の本体部分である。
【００１２】
上記構成の動作について説明する。発熱抵抗体１が一定温度に制御されているとき、基準抵抗体４に流れる電流Ｉｈは、（数１）式に示されるように、空気通路３０内を流れる空気流量Ｑに対応して変化する。
【００１３】
Ｉｈ２・Ｒｈ＝（Ａ＋Ｂ√Ｑ）・（Ｔｈ−Ｔａ）                      （数１）
Ｒｈ：発熱抵抗体１の発熱時の抵抗値
Ａ，Ｂ：発熱抵抗体１の定数
Ｔｈ：発熱抵抗体１の発熱温度
Ｔａ：吸入空気温度
そして、基準抵抗体４の電流から変換した電圧信号としての端子電圧Ｖｏは、（数２）式に示されるように、空気流量Ｑに対応して変化する。
【００１４】
Ｖｏ＝Ｒ４・√｛（Ａ＋Ｂ√Ｑ）・（Ｔｈ−Ｔａ）／Ｒｈ｝                （数２）
Ｒ４：基準抵抗体４の抵抗値
次に、基準抵抗体４の端子電圧Ｖｏは、出力増幅回路１０３を構成している、増幅用抵抗体としての抵抗体５０と抵抗体５１とにより分圧される。そしてさらに、差動増幅器１１と複数の増幅用抵抗体としての抵抗体１３，１４，１５，１６とからなる出力増幅回路１０３によって、電源回路１０１で作られた基準電圧Ｖｒｅｆが用いられて、（数３）式のように増幅されて出力される。尚、電源回路１０１は、特開６０−１００２１８号公報に示された回路であり温度補正機能を持っている。したがって、基準抵抗体４の電流から変換した電圧信号の、流量信号として増幅された出力電圧Ｖｏｕｔは、次式で表わせる。
【００１５】
0003609148.tif 000002
ただし、
Ｖｏｕｔ：出力電圧              Ｖｒｅｆ：基準電圧
Ｒ１３：抵抗体１３の抵抗値      Ｒ１４：抵抗体１４の抵抗値
Ｒ１５：抵抗体１５の抵抗値      Ｒ１６：抵抗体１６の抵抗値
Ｒ５１：抵抗体５１の抵抗値      Ｒｓ  ：異種抵抗体５０の抵抗値
ここで、（数１）式などにある  （Ａ＋Ｂ√Ｑ）は、熱伝達率ｈに相当するものである。そして、一般に、発熱抵抗体の熱伝達率ｈは、図３に示すように吸入空気温度Ｔａに依存することが知られている。ここに、流量の吸入空気温度による依存性の因がある。
【００１６】
図３は、空気流量√Ｑと熱伝達率ｈとの関係を表す図である。熱伝達率ｈは、空気流量√Ｑと、切片Ａと、勾配Ｂとの一次関数となり、  切片Ａ（Ｔａ）と勾配Ｂ  （Ｔａ）は、その時の吸入空気温度Ｔａをパラメータとしている。
【００１７】
したがって、従来技術のように、電源回路１０１に温度補正機能を持たせて任意の流量Ｑａにおいて温度変化に対する出力変化を０（零）にしても、即ち、温度補正機能を有する電源回路１０１のみで任意の１流量点である流量Ｑａにおいて、温度変化に対する流量の誤差（出力変化）を零にしても、次の図４に示すように、他の流量点において検出の誤差（ｄＱ／Ｑ）を生じ、補正し切れないことが判る。
【００１８】
図４は、空気流量と誤差との関係を表す図である。図の場合は、吸入空気温度Ｔａ＝２０℃を基準とし温度補正している。従って、Ｔａ＝２０℃の場合は、全流量域において問題ないが、基準から外れて、Ｔａ＝−２０℃  や  ８０℃となった場合、    １つの流量点である流量Ｑａにおいてのみ誤差は零となるが、他の流量点において誤差を生じることを示している。
【００１９】
以上の図３と図４が、前述した流量の吸入空気温度に対する依存性についての説明である。そこで、吸入空気温度によらず、全流量域において誤差を生じないようにすることが本発明である。これについて説明する。
【００２０】
出力増幅回路１０３において、差動増幅器１１の傾き（増幅率）を決める複数の増幅用抵抗体のうち、１つの増幅用抵抗体としての抵抗体５０を異種抵抗体Ｒｓとしての異種抵抗体５０とし、該異種抵抗体５０の温度係数を残りの増幅用抵抗体の温度係数と異なる値にする。すなわち、出力増幅回路１０３を構成する複数の増幅用抵抗体のうち、例えば、出力増幅回路１０３の入力段の基準抵抗体４の端子電圧側とアース間に接続された抵抗体５０を、他の複数の増幅用抵抗体の温度係数とは異なる、温度係数α値を有する異種抵抗体５０とする。そして、出力増幅回路１０３を構成する残りの抵抗体を、温度係数β値を有する一般の抵抗体とする。以下の説明で抵抗体５０は、異種抵抗体５０または異種抵抗体Ｒｓと呼称する。
【００２１】
これによって、（数３）式の出力電圧Ｖｏｕｔは、（数４）式のように変換することができる。
【００２２】
0003609148.tif 000003
Ｒ５１ｏ：０℃におけるＲ５１の抵抗値
Ｒｓｏ  ：０℃におけるＲ５０の抵抗値
α  ：Ｒｓ（Ｒ５０）の温度係数
β  ：Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６，Ｒ５１の温度係数
ａ  ：抵抗比率    ａ＝１＋（（Ｒ１５＋Ｒ１６）・Ｒ１３）／（Ｒ１４Ｒ１５＋Ｒ１５Ｒ１６＋Ｒ１６Ｒ１４）
ｂ  ：抵抗比率    ｂ＝（Ｒ１６Ｒ１３）／（Ｒ１４Ｒ１５＋Ｒ１５Ｒ１６＋Ｒ１６Ｒ１４）
（ａ，ｂは温度に関係なく一定になる。）
そして、適切なる温度係数α，βおよび抵抗比率  ａ，ｂを選定することにより、熱伝達率ｈの吸入空気温度Ｔａによる依存性を無くし、空気流の温度変化に対し流量信号として出力される出力電圧Ｖｏｕｔを温度補正する補正手段を備えることができる。
【００２４】
尚、出力増幅回路の増幅率を決める複数の抵抗体のうち、少なくとも１つの抵抗体５０を、他の複数の抵抗体の温度係数とは異なる温度係数を有する異種抵抗体Ｒｓで構成し、基準抵抗体４の電流の、すなわち該電流から変換した電圧信号（即ち、流量信号）の吸入空気温度Ｔａによる増幅率の変化を打ち消すよう構成した補正手段において、１つの抵抗体５０を選択したが、（数４）式から吸入空気温度Ｔａの影響を無くすことができるならば、１つの抵抗体に拘泥する必要は無い。
【００２５】
図５は、本発明による他の実施例の発熱抵抗式空気流量計を示す回路構成図である。図５は、温度係数の異なる異種抵抗体Ｒｓを基準抵抗体４の端子電圧と足切り電圧部に接続した実施例である。すなわち、補正手段が出力増幅回路の入力段の基準抵抗体の端子電圧側と足切り電圧側間に接続されたものである。
【００２６】
本実施例の出力電圧Ｖｏｕｔは（数５）式になる。
【００２７】
Ｖｏｕｔ＝（Ｒｓ／（Ｒ５１＋Ｒｓ））・（１＋（Ｒ１３／Ｒ１４））・（Ｖｏ−Ｖｓｎ）＋Ｖｓｎ      （数５）
ただし、Ｒ５１＞＞Ｒ１６，  Ｒｓ＞＞Ｒ１６
Ｖｓｎ＝（Ｒ１６／（Ｒ１５＋Ｒ１６））・Ｖｒｅｆ    とする。
【００２８】
出力増幅回路１０３の増幅率は、複数の抵抗体１３，１４，１５，１６などによって決定されるが、図５の実施例によれば、Ｒ５１及びＲｓにのみから決定されるようになり、Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１６の抵抗体自体のバラツキや温度変化による抵抗値の影響を受けないものとする、または少なくすることができる。
【００２９】
図６は、本発明によるもう一つ別の実施例の発熱抵抗式空気流量計を示す回路構成図である。図６は、温度係数の異なる異種抵抗体５０を差動増幅器１１のフィードバック部位に接続した実施例である。すなわち、補正手段が出力増幅回路の増幅率を決定する差動増幅器のフィードバック部位に結線されたものである。
【００３０】
この実施例によると出力Ｖｏｕｔは、（数６）式のようになる。
【００３１】
0003609148.tif 000004
ただし、  Ｒ３２ｏ：０℃におけるＲ３２の抵抗値  Ｒ３３ｏ：０℃におけるＲ３３の抵抗値
Ｒ１９ｏ：０℃におけるＲ１９の抵抗値  Ｒ２０ｏ：０℃におけるＲ２０の抵抗値
Ｒｓｏ  ：０℃におけるＲ５０の抵抗値
なお、抵抗体１９，２０，３２，３３，３４，３５，３６，３７は、増幅用抵抗体である。そして、Ｒ３４＝Ｒ３５＝Ｒ３６＝Ｒ３７は、同じの抵抗値を有する。
【００３２】
この場合も、適切に温度係数αとβを選定することにより、Ｖｏの熱伝達率の吸気温度による依存性を補正することができる。
なお、図中のプルダウン抵抗５２は、異種抵抗体Ｒｓの降下電圧を小さくできる場合はなくても良い。
【００３３】
図７は、異種抵抗体Ｒｓの他の実施例を示す図である。図１から図６までの異種抵抗体Ｒｓは、一般に用いられる炭素皮膜抵抗、金属皮膜抵抗、印刷用抵抗ペーストなどから作られたものであって、温度係数の異なる抵抗体であった。
【００３４】
これに対し、図７の実施例の異種抵抗体Ｒsは、感温抵抗体２と構造が同じである抵抗体素子510を使用したものである。すなわち、抵抗体素子510は、絶縁体としてのボビン502に白金線501が巻かれ、さらに絶縁体としてのガラス503が覆われ、該白金線501が導電体としてのリード505と、支持体504とを介して、差動増幅器１１に接続されているものである。白金線等からなる抵抗体素子510の温度係数αは、3870ｐｐｍ／℃である。炭素皮膜抵抗や金属皮膜抵抗などからなる抵抗体１３，１４等の温度係数βの100ｐｐｍ
／℃位とは、大きく異なり、０℃における白金線の抵抗値を適度に設定することにより、Ｖoの温度依存性を補正できる。すなわち、熱伝達率ｈの吸入空気温度Ｔaによる依存性を無くすことができる。
【００３５】
図８は、異種抵抗体Ｒｓの別の実施例を示す図である。異種抵抗体５０は、サーミスタ５２０である。図において、サーミスタ５２０が発熱抵抗体１や感温抵抗体２などと一緒に内燃機関の吸気管である空気通路３０に配設された、流量計測部１００が示されている。
【００３６】
サーミスタ５２０の抵抗値Ｒｔは一般的に（数７）式で表わされる。
【００３７】
Ｒｓ＝Ｒｔ＝Ｒｔｏ・ＥＸＰ｛Ｂ・（（１／Ｔａ）−（１／Ｔｏ））｝                    （数７）
Ｒｔｏ：０℃におけるサーミスタの抵抗値
Ｂ  ：サーミスタの温度定数
Ｔｏ  ：２７３Ｋ
従って、前述の実施例と同様に、適度な値のＢを有するサーミスタを選定することにより、Ｖｏの温度依存性を補正することができる。
【００３８】
図９は、異種抵抗体Ｒｓのもう１つ別の実施例を示す図である。異種抵抗体５０は、ＩＣチップ６０に内蔵されたモノリシック抵抗５３０である。ＩＣチップ６０のモノリシック抵抗５３０の温度係数は、通常１０００ｐｐｍ／℃以上あるため、他の増幅用抵抗体と異なった温度係数を有するものとなる。従って、モノリシック抵抗５３０の温度係数を適切に選定することによって、Ｖｏの温度依存性を補正することができる。
【００３９】
この場合、モノリシック抵抗５３０だけに吸入空気を当てることが難しいので、実装する場合に工夫を加え、補正精度の低下を防ぐ必要がある。そこで、モノリシック抵抗５３０を含むＩＣチップを、出力増幅回路１０３の基板７０と一体に形成し、該基板全体を吸入空気中に設置する例を図１０に示す。
【００４０】
図１０は、図９の発熱抵抗式空気流量計を実装した場合の流量計測部の断面を示す図である。図のように、該ＩＣチップ６０を搭載した基板７０全体を、例えば内燃機関の吸気管である空気通路３０内に配設し、ＩＣチップ６０やモノリシック抵抗５３０に吸入空気を直接当てる流量計測部１００の例である。これにより、ＩＣチップ６０及びモノリシック抵抗５３０は、常に吸入空気温度と同じ温度になり、補正精度は悪化しないものとなる。
【００４１】
また、基板７０を吸入空気に曝す場合、図１１に示すように温度係数の異なる抵抗体、例えば、異種抵抗体５０、抵抗体素子５１０またはサーミスタ５２０は、出力増幅回路１０３の基板７０と一体に形成されたものが望ましいと言える。
図１１は、他の実施例の発熱抵抗式空気流量計を実装した場合の流量計測部の断面を示す図である。図１０とは異なる基板７０全体を空気通路３０内に配設した例である。図のように、基板７０上に搭載された異種抵抗体Ｒｓとしての抵抗体素子  ５１０またはサーミスタ５２０を、該基板７０と一緒に内燃機関の吸気管である空気通路３０内に配設し、抵抗体素子５１０等に吸入空気を当てる流量計測部１００の例である。図１１に示した実施例でも本発明による温度補正が高精度に行える。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、吸入空気温度変化に対する温度補正が全流量域に亘って行われるので、吸入空気量を高精度に計測できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施例の発熱抵抗式空気流量計を示す回路構成図である。
【図２】図１の発熱抵抗式空気流量計を実装した場合の流量計測部の断面を示す図である。
【図３】空気流量と熱伝達率との関係を表す図である。
【図４】空気流量と誤差との関係を表す図である。
【図５】本発明による他の実施例の発熱抵抗式空気流量計を示す回路構成図である。
【図６】本発明によるもう一つ別の実施例の発熱抵抗式空気流量計を示す回路構成図である。
【図７】異種抵抗体Ｒｓの他の実施例を示す図である。
【図８】異種抵抗体Ｒｓの別の実施例を示す図である。
【図９】異種抵抗体Ｒｓのもう１つ別の実施例を示す図である。
【図１０】図９の発熱抵抗式空気流量計を実装した場合の流量計測部の断面を示す図である。
【図１１】他の実施例の発熱抵抗式空気流量計を実装した場合の流量計測部の断面を示す図である。
【符号の説明】
１…発熱抵抗体、２…感温抵抗体、３…トランジスタ、４…基準抵抗体、
５，６，７，１０，１３，１４，１５，１６，１９，２０，２３，２４，２６，３２，３３，３４，３５，３６，３７，５１…抵抗体、８，９，１１，１８，  ２１，２２…差動増幅器、２５…ツェナーダイオード、２７…ダイオード、
３０…空気通路、５０…異種抵抗体（Ｒｓ）、５２…プルダウン抵抗、
６０…ＩＣチップ、７０…基板、１００…流量計測部、
１０１…電源回路、１０２…定温度制御回路、１０３…出力増幅回路、
５０１…白金線、５０２…ボビン、５０３…ガラス、５０４…支持体、５０５…リード、
５１０…抵抗体素子、５２０…サーミスタ、５３０…モノリシック抵抗
【図１】
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【図２】
0003609148.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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