(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気通路中に設置された流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗とを並列に設けたブリッジ回路と、このブリッジ回路が平衡状態となるように該ブリッジ回路に流す電流値を制御する電流制御手段とを備え、前記ブリッジ回路が平衡状態になっている時の該ブリッジ回路の前記流量測定用感温抵抗側の中間点の電位（以下「ブリッジ回路の出力電圧」という）に基づいて空気流量を測定する熱式空気流量計において、
前記ブリッジ回路の前記流量測定用感温抵抗側の中間点と前記温度補償用感温抵抗側の中間点との間の電位差を監視し、該ブリッジ回路の前記流量測定用感温抵抗と前記温度補償用感温抵抗のいずれが断線した場合でも、該ブリッジ回路の出力電圧を該ブリッジ回路の正常動作電圧範囲外の電圧に変化させて出力する出力手段を備えていることを特徴とする熱式空気流量計。
【請求項２】
前記出力手段は、前記ブリッジ回路の出力電圧を増幅して出力するオペアンプと、前記ブリッジ回路の２つの中間点間の電位差を駆動電圧とするトランジスタとを備え、前記ブリッジ回路の前記温度補償用感温抵抗側の中間点を前記トランジスタを介して前記オペアンプの入力端子に接続したことを特徴とする請求項１に記載の熱式空気流量計。
【請求項３】
前記出力手段の出力電圧を前記ブリッジ回路の正常動作電圧範囲に対応して設定された異常判定値と比較して該ブリッジ回路の異常の有無を判定する異常判定手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱式空気流量計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブリッジ回路に設けられた流量測定用感温抵抗によって空気流量を測定する熱式空気流量計に関し、特にブリッジ回路の断線検出機能を備えた熱式空気流量計に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、熱式空気流量計は、特開昭６３−３００９１５号公報に示すように空気通路中に設置された流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗とを並列に設けてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の流量測定用感温抵抗側の中間点の電位（以下「ブリッジ回路の出力電圧」という）によって空気流量を測定するようにしている。このものでは、ブリッジ回路が平衡状態（ブリッジ回路の２つの中間点の電位が等しくなる状態）となるように、ブリッジ回路に流す電流値を制御することで、空気温度の変動による流量測定用感温抵抗の抵抗値の変動（ブリッジ回路の出力電圧の変動）を温度補償用感温抵抗によって補償し、空気流量の測定値が空気温度の変動の影響を受けないようにしている。従って、ブリッジ回路の断線検出は、流量測定用感温抵抗のみならず、温度補償用感温抵抗についても行う必要がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報のものでは、流量測定用感温抵抗が断線すると、ブリッジ回路の出力電圧（流量測定用感温抵抗側の中間点の電位）が０Ｖになる点に着目し、ブリッジ回路の出力電圧を比較器で基準電圧と比較して流量測定用感温抵抗の断線の有無を検出を行うようにしている。しかし、この断線検出法では、温度補償用感温抵抗の断線を検出することができない。つまり、温度補償用感温抵抗が断線すると、流量測定用感温抵抗に最大電流が供給されるが、それによって流量測定用感温抵抗の発熱量が増加して抵抗値が上昇するため、特にバッテリ電圧低下時、始動時では、よりブリッジ回路の出力電圧が正常動作電圧範囲内となる。このため、上記公報のように、ブリッジ回路の出力電圧を基にして断線検出を行ったのでは、温度補償用感温抵抗の断線を検出することができない。
【０００４】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗のいずれの断線も検出することができ、信頼性を向上することができる熱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】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の熱式空気流量計によれば、ブリッジ回路の出力電圧を出力する出力手段は、ブリッジ回路の流量測定用感温抵抗側の中間点と温度補償用感温抵抗側の中間点との間の電位差を監視し、該ブリッジ回路の流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗のいずれが断線した場合でも、該ブリッジ回路の出力電圧を該ブリッジ回路の正常動作電圧範囲外の電圧に変化させて出力する。この場合、流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗のいずれが断線した場合でも、ブリッジ回路の２つの中間点間の電位差が異常になるため、ブリッジ回路の２つの中間点間の電位差を監視することで、流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗のいずれが断線した場合でも、それを検出して出力手段の出力電圧をブリッジ回路の正常動作電圧範囲外の電圧に変化させることができる。従って、この出力手段の出力電圧から、流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗のいずれの断線も検出することができ、信頼性を向上することができる。
【０００６】
この場合、請求項２のように、前記出力手段は、前記ブリッジ回路の出力電圧を増幅して出力するオペアンプと、前記ブリッジ回路の２つの中間点間の電位差を駆動電圧とするトランジスタとを備え、前記ブリッジ回路の前記温度補償用感温抵抗側の中間点を前記トランジスタを介して前記オペアンプの入力端子に接続した構成とすることが好ましい。
【０００７】
この構成では、正常時には、ブリッジ回路が平衡状態に保たれて、ブリッジ回路の中間点間の電位差がほぼ０Ｖに維持され、トランジスタがオフ状態に維持されると共に、ブリッジ回路の出力電圧がオペアンプで増幅される。これに対し、温度補償用感温抵抗が断線すると、ブリッジ回路の中間点間の電位差が大きくなって、トランジスタがオンし、それによってオペアンプの入力電圧が変化して、該オペアンプの出力電圧（＝出力手段の出力電圧）がブリッジ回路の正常動作電圧範囲外の電圧に変化する。この回路構成では、従来の出力回路に１個のトランジスタを追加するだけで良いため、回路構成が極めて簡単であり、小型化・低コスト化の要求を満たすことができる。
【０００８】
また、請求項３では、出力手段の出力電圧を異常判定手段に入力し、該出力手段の出力電圧をブリッジ回路の正常動作電圧範囲に対応して設定された異常判定値と比較して該ブリッジ回路の異常の有無を判定する。ここで、異常判定手段は、マイクロコンピュータによるソフトウエアで構成したり、比較器を用いたハードウエアで構成しても良く、いずれの場合でも構成は極めて簡単である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図１乃至図４に基づいて説明する。まず、図１に基づいて熱式空気流量計１０の回路構成を説明する。流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２は、エンジンの吸気管等の空気通路（図示せず）内に設置され、空気の流れに晒されている。これら流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２は、いずれも正の温度係数を有し、温度が上昇するほど、抵抗値が増加するようになっている。
【００１０】
流量測定用感温抵抗１１と基準抵抗１３との直列回路に対して、温度補償用感温抵抗１２と基準抵抗１４，１５との直列回路が並列に接続されてブリッジ回路１６が構成され、流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶＢ  （これがブリッジ回路１６の出力電圧となる）によって空気流量が測定される。このブリッジ回路１６の電源側端子Ａには、バッテリ１７の電圧がダイオード１８とパワートランジスタ１９を介して印加され、流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２を流れる電流がそれぞれ基準抵抗１３または１４，１５を介してグランド端子に流れる。
【００１１】
このブリッジ回路１６へ電圧供給するパワートランジスタ１９は、オペアンプ２０によってブリッジ回路１６の中間点Ｂ，Ｃ間の電位差を０Ｖ（平衡状態）とするように制御される。具体的には、オペアンプ２０の非反転入力端子（＋）と流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂとが接続され、オペアンプ２０の反転入力端子（−）と温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃとが接続され、該オペアンプ２０の出力端子が固定抵抗２１を介してパワートランジスタ１９のベースに接続されている。オペアンプ２０には、電源としてバッテリ１７の電圧が固定抵抗２２を介して供給される。
【００１２】
この場合、空気流量が増加すると、流量測定用感温抵抗１１の冷却が促進されて、流量測定用感温抵抗１１の温度が低下し、その抵抗値が減少する。これにより、流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶＢ  が上昇して温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃの電位ＶＣ  よりも高くなる（ＶＢ  ＞ＶＣ  ）。これに伴って、中間点Ｂ，Ｃの電位差を増幅するオペアンプ２０の出力電圧が増大して、パワートランジスタ１９をオンさせ、ブリッジ回路１６に流す電流値を増加させる。この結果、流量測定用感温抵抗１１の発熱量が増加して流量測定用感温抵抗１１の温度が上昇し、その抵抗値が増加して中間点Ｂの電位ＶＢ  が低下し、ブリッジ回路１６の平衡状態（ＶＢ  ＝ＶＣ  ）が回復される。このようにして、オペアンプ２０とパワートランジスタ１９は、ブリッジ回路１６が平衡状態となるようにブリッジ回路１６に流す電流値を制御し、特許請求の範囲でいう電流制御手段として機能する。
【００１３】
また、空気温度が低下すると、流量測定用感温抵抗１１が冷却されてその抵抗値が減少するが、同じ雰囲気中にある温度補償用感温抵抗１２も冷却されてその抵抗値が減少する。これにより、空気温度の変動による流量測定用感温抵抗１１の抵抗値の変動（流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶＢ  の変動）が温度補償用感温抵抗１２によって補償され、流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶＢ  から測定する空気流量の測定値が空気温度の変動の影響を受けないようになっている。
【００１４】
次に、流量測定用感温抵抗１１または温度補償用感温抵抗１２の断線時に異常電圧を出力する機能を備えた出力回路３０（出力手段）の構成を説明する。断線検出用のＮＰＮ型トランジスタ２３のベースに流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂが接続され、該トランジスタ２３のエミッタに温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃが接続されている。正常時は、両中間点Ｂ，Ｃの電位ＶＢ  ，ＶＣ  がほぼ等しいので、トランジスタ２３はオフ状態に維持される。一方、温度補償用感温抵抗１２が断線すると、中間点Ｃの電位ＶＣ  が０Ｖになり、トランジスタ２３がオンする。
【００１５】
このトランジスタ２３のコレクタは、ブリッジ回路１６の出力電圧ＶＢ  を増幅するオペアンプ２４の反転入力端子（−）に保護抵抗２５を介して接続されている。このオペアンプ２４の非反転入力端子（＋）には、保護抵抗２６を介して流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂが接続されている。このオペアンプ２４は、直流電源電圧Ｖｓ  （例えば７．６Ｖ）を電源とし、基準電圧発生回路２７で発生した基準電圧Ｖｏ  （例えば０．７Ｖ）が抵抗Ｒ１を介してオペアンプ２４の反転入力端子（−）に印加される。抵抗Ｒ１はオペアンプ２４の負帰還抵抗Ｒ２と接続されている。この回路構成において、オペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  は、次の（１）式で表される。
ＶＧ  ＝Ｒ２／Ｒ１・（ＶＢ  −Ｖｏ  ）＋ＶＤ      ……（１）
（ＶＤ  ：抵抗Ｒ１，Ｒ２間の接続点Ｄの電位）
【００１６】
このオペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  は、図３に示すように、正常時には例えば０．３Ｖ〜４．７Ｖの範囲内で変化し、流量測定用感温抵抗１１または温度補償用感温抵抗１２が断線したときには、後述するようにオペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  が上記正常動作電圧範囲外に変更されるようになっている。
【００１７】
このオペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  は図２に示すようにエンジン制御回路３１内のＡ／Ｄ変換器３２でディジタル値に変換されて読み込まれる。エンジン制御回路３１は、マイクロコンピュータを主体として構成され、読み込んだ出力電圧ＶＧ  を予め設定された空気流量変換テーブル（図３参照）により空気流量に変換することで空気流量を測定すると共に、後述する図４に示す断線検出プログラムを実行することで、流量測定用感温抵抗１１または温度補償用感温抵抗１２の断線の有無を判定する。従って、エンジン制御回路３１は、特許請求の範囲でいう異常判定手段としての役割も果たす。
【００１８】
図４の断線検出プログラムでは、まずステップ１００で、熱式空気流量計１０の出力電圧ＶＧ  を読み込み、次のステップ１０１で、熱式空気流量計１０の出力電圧ＶＧ  を異常判定値と比較して正常動作電圧範囲（０．３Ｖ〜４．７Ｖ）内であるか否かを判定する。この場合、正常動作電圧範囲（０．３Ｖ〜４．７Ｖ）の上下限値と誤差を考慮して、異常判定値は０．２Ｖと４．９Ｖに設定されている。そして、０．２Ｖ＜ＶＧ  ＜４．９Ｖの状態が一定時間継続すれば、正常（断線無し）と判断し（ステップ１０２）、ステップ１００に戻って、上述した処理を繰り返す。
【００１９】
一方、ブリッジ回路１６の断線が発生したときには、後述するように、熱式空気流量計１０の出力電圧ＶＧ  が４．９Ｖ以上または０．１Ｖ以下となる。この場合には、ステップ１０１で「Ｎｏ」と判定され、断線有りと判断し（ステップ１０３）、警告ランプ（図示せず）の点灯等、フェールセーフ処理を行う（ステップ１０４）。
【００２０】
次に、熱式空気流量計１０のブリッジ回路１６が断線した時の出力電圧ＶＧ  の挙動を説明する。
【００２１】
〔正常時〕
正常時には、ブリッジ回路１６が平衡状態になるように制御されるため、ブリッジ回路１６の両中間点Ｂ，Ｃ間の電位差がほぼ０Ｖに維持される。このため、両中間点Ｂ，Ｃの電位差をベース・エミッタ間電圧とするトランジスタ２３は、オフ状態に維持される。この状態では、ブリッジ回路１６の出力電圧ＶＢ  （流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位）をオペアンプ２４で差動増幅し、前述した（１）式で表される出力電圧ＶＧ  をエンジン制御回路３１へ出力する。この時の出力電圧ＶＧ  は、例えば０．３Ｖ〜４．７Ｖの範囲内で変化する。
【００２２】
〔流量測定用感温抵抗１１の断線時〕
流量測定用感温抵抗１１が断線した時には、ブリッジ回路１６の出力電圧ＶＢ  （流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位）が０Ｖになる。この場合には、トランジスタ２３のベース電圧が０Ｖになるため、トランジスタ２３はオフ状態に維持されるが、オペアンプ２４の非反転入力端子（＋）の入力電圧が０Ｖになるため、オペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  が０．１Ｖ以下となり、図４のステップ１０１，１０３で断線有りと判定される。
【００２３】
〔温度補償用感温抵抗１２の断線時〕
温度補償用感温抵抗１２が断線したときには、温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃの電位ＶＣ  が０Ｖになるが、流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶＢ  は、電源電圧を流量測定用感温抵抗１１と基準抵抗１３とで分圧した電圧となるため、両中間点Ｂ，Ｃの電位差をベース・エミッタ間電圧とするトランジスタ２３がオンする。これにより、オペアンプ２４の反転入力端子（−）がトランジスタ２３を介して温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃ（＝０Ｖ）と導通した状態となり、オペアンプ２４の反転入力端子（−）の入力電圧が非反転入力端子（＋）の入力電圧よりほぼトランジスタ２３のベース・エミッタ間電圧分だけ低下する。これにより、オペアンプ２４の両端子の入力電圧の差が大きくなって、オペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  が４．９Ｖ以上となり、図４のステップ１０１，１０３で断線有りと判定される。
【００２４】
以上説明した実施形態では、ブリッジ回路１６の両中間点Ｂ，Ｃにトランジスタ２３のベースとエミッタを接続し、このトランジスタ２３のコレクタをオペアンプ２４の反転入力端子（−）に接続することで、流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２のいずれが断線した場合でも、オペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  を正常動作電圧範囲外の電圧に変化させることができて、流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２のいずれの断線も検出することができ、信頼性を向上することができる。しかも、従来の出力回路（オペアンプ２４のみの回路）に１個のトランジスタ２３を追加するだけで良いため、回路構成が極めて簡単であり、小型化・低コスト化の要求を満たすことができる。
【００２５】
尚、上記実施形態では、トランジスタ２３のコレクタをオペアンプ２４の反転入力端子（−）に接続したが、図５に示す他の実施形態のように、トランジスタ２３のコレクタをオペアンプ２４の非反転入力端子（＋）に接続しても良い。この場合には、温度補償用感温抵抗１２が断線して温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃの電位ＶＣ  が０Ｖになると、トランジスタ２３がオンして、オペアンプ２４の非反転入力端子（＋）がトランジスタ２３を介して温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃ（＝０Ｖ）と導通した状態となり、オペアンプ２４の非反転入力端子（＋）の入力電圧が低下する。これにより、オペアンプ２４の出力電圧ＶＧ  が０．１Ｖ以下となり、図４のステップ１０１，１０３で断線有りと判定される。
【００２６】
このように、上記各実施形態では、流量測定用感温抵抗を含む抵抗分圧回路と温度補償用感温抵抗を含む抵抗分圧回路とを電源に対して並列に位置させてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路をオペアンプ２０とパワ−トランジスタ１９とを含むフィ−ドバック制御回路によって、それらの分圧電圧の差、すなわちブリッジ回路の電位差が平衡状態となるようにフィ−ドバック制御して、流量に対応した出力信号を得るよう構成されている。
【００２７】
すなわち、流量測定用感温抵抗値に基づき得られる電圧と温度補償用感温抵抗の抵抗値に基づき得られる電圧とが所定の関係（ここでは平衡状態と呼ぶ）になるように両感温抵抗への通電電流をフィ−ドバック制御し、流量に応じた信号を発生する平衡回路を構成している。そして、トランジスタ２３よりなる出力固定回路によってブリッジ回路の電位差が平衡状態から逸脱したことを検出してフィ−ドバック制御回路を含むブリッジ回路の異常を検出し、出力用増幅回路としてのオペアンプ２４の基準電圧を強制的に変化させて出力信号を正常時の信号とは異なる異常時信号レベルに強制的に切り換えている。
【００２８】
このような実施形態の技術的手段に代えて、以下の技術的手段を採用しても良い。例えば、両感温抵抗の抵抗分圧回路の中間点の電位は、直接的に検出する他に、その電位と対応する電位を用いることができ、オペアンプなど増幅回路を介して検出するよう構成しても良い。
【００２９】
また、上記実施形態では、ブリッジ回路の電位差は平衡状態で零になるようにブリッジ回路とフィ−ドバック制御回路とを含む平衡回路を構成したが、平衡状態では所定の電位差を生じるように構成しても良い。また、ランジスタ２３よりなる出力固定回路の応答性にコンデンサなどの遅延回路によって所定の応答遅れを持たせて、フィ−ドバック制御回路の応答遅れによって、流量急変時や温度急変時に誤った異常検出をしないように構成しても良い。
【００３０】
また、出力固定回路としてのランジスタ２３によりオペアンプ２４の出力側に直接的に異常時信号レベルを与えても良い。また、ブリッジ回路は、実施形態のように単純な抵抗のみの回路とする他に、温度補償性能の安定性などを向上するためにオペアンプなどの付加的回路を含む回路としても良く、一見しただけではいわゆるブリッジを構成していないかのような複雑な回路として構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における熱式空気流量計の電気回路図
【図２】システム全体のブロック図
【図３】熱式空気流量計の出力電圧ＶＧ  と空気流量との関係を示す図
【図４】断線検出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図５】本発明の他の実施形態における熱式空気流量計の電気回路図
【符号の説明】
１１…流量測定用感温抵抗、１２…温度補償用感温抵抗、１３〜１４…基準抵抗、１６…ブリッジ回路、１９…パワートランジスタ、２０…オペアンプ（電流制御手段）、２３…トランジスタ、２４…オペアンプ、２７…基準電圧発生回路、３０…出力回路（出力手段）、３１…エンジン制御回路（異常判定手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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