(57)【要約】【課題】  内燃機関の流量計において、流体温度センサの汚損による計量精度の低下を防止する。【解決手段】  第１発熱抵抗体と、第１発熱抵抗体から筐体への伝熱を断つための第２の発熱抵抗体と、前記２つの発熱抵抗体の間に設けた測温抵抗体と、これら抵抗体の温度と、発熱抵抗体に供給する電流から流体温度に無関係な流量を算出する手段を設ける。センサが小型化でき、設置スペースの確保が容易になる、圧力損失が低減する、製作コストが低減するといった利点がある。【選択図】図２０
2008292330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通路内に設置された第１の発熱抵抗体と、
前記第１の発熱抵抗体に電気的に接続された電子回路と、
前記電子回路に接続された出力端子と、
前記第１の発熱抵抗体を支持する支持部と、
前記第１の発熱抵抗体と前記支持部との間に設けられた第２の発熱抵抗体と、
前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体との間に設けられた温度検出手段と、
前記温度検出手段の検出する温度が、第１の発熱抵抗体の温度を含む所定の温度範囲になるように、前記第２の発熱抵抗体の発熱を制御する制御手段とを備えた発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
周囲温度を検出する感温抵抗体と、
前記第１の発熱抵抗体の発熱温度が、前記感温抵抗体の検出する周囲温度と所定の温度差になるように前記第１の発熱抵抗体の発熱を制御する第２の制御手段とを備えたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１の発熱抵抗体は前記支持部に片持ち支持されたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記所定の温度差が３５０度以上であり、
前記第１の発熱抵抗体，前記第２の発熱抵抗体および前記温度検出手段がエンジンの排気系の管内に位置するように設置されることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記温度検出手段は測温抵抗体であり、
前記第１の発熱抵抗体は複数のリード材によって前記支持部に片持ち支持され、
前記第１の発熱抵抗体と前記支持部との間の前記リード材に、前記第２の発熱抵抗体と前記測温抵抗体とが支持されたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記温度検出手段は測温抵抗体であり、
前記第１の発熱抵抗体，前記第２の発熱抵抗体及び前記測温抵抗体が積層基板に形成され、
前記積層基板の片端が前記支持部に支持されたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記通路には曲がり部が形成されたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記温度検出手段は測温抵抗体であり、
前記第１の発熱抵抗体は第１のリード材によって前記測温抵抗体に片持ち支持され、
前記測温抵抗体は第２リード材によって前記第２の発熱抵抗体に片持ち支持され、
記憶された初期値と、前記第１の発熱抵抗体の抵抗値と、前記第２の発熱抵抗体の抵抗値と、前記測温抵抗体の抵抗値とに基づいて、演算により流量を推定する第１の演算手段とを備えたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記第１の発熱抵抗体の温度と流れる電流と、前記第２の発熱抵抗体の温度と流れる電流とに基づいて、演算により流量を推定する第２の演算手段と、
前記第１の演算手段と前記第２の演算手段の推定流量を切り替えて出力する切り替え手段とを備えたことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
【請求項１０】
エンジンのＥＧＲ管の断面積を絞る絞り手段と、
前記ＥＧＲ管に設置された請求項１から９のいずれか記載の発熱抵抗式流量測定装置と、
前記発熱抵抗式流量測定装置の流量信号に基づいて、前記絞り手段の絞り量を制御する制御手段と、
を備えたエンジン制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジンの吸気，排気ガスの流量を検出する熱式流量計とその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱式計量方式は図１に示すように、流体中に少なくとも２つの抵抗体を配置し、一つは流体の温度を検出する測温抵抗体として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体として用い、それぞれの温度差（ΔＴh ）を常に一定に保持することで流体の質量流量の計量を実現している。
【０００３】
このように流れの中に、発熱抵抗体と測温抵抗体をそれぞれ設ける必要があることから、設置スペースの増大，圧力損失の増加，製作コストがかかることが課題である。
【０００４】
また測温抵抗体は流体温度を検出するために、通常通電加熱は行われず、発熱抵抗体は流体温度に対して充分高い温度（例えばΔＴ＝２００℃）に設定されるのが一般的である。このような構成の流量センサが排気雰囲気で使用される場合においては、排気中に含まれるオイル分などがセンサ表面に付着する。抵抗体の温度が充分高ければセンサ表面に付着したオイル分は蒸発し、センサの汚損は回避できる。しかし抵抗体の温度が比較的低い測温抵抗体では、その表面に付着したオイル成分を蒸発させることができず、測温抵抗体の表面に汚損物質が蓄積する。汚損物質が蓄積すると流体温度を正確に検出することができなくなり、流量の計測誤差が発生する虞がある。
【０００５】
通電加熱を行わない測温抵抗体を用いず、２つの発熱抵抗体を流体中に配置して、それぞれの発熱抵抗体から流体に供給される熱量の関係から、流体温度に無関係な流量を検出する手段が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されている技術では流体流量ρＵは（１９）式で求められる。
【０００６】
【数１】
2008292330.tif 000003
【０００７】
（１９）式から明らかなように、流体流量は２つの発熱抵抗体の温度差の２乗に反比例するため、２つの発熱抵抗体の温度差が小さい場合には（１９）式から得られる流量に誤差が生じやすくなる。発熱抵抗体からその支持体への放熱を防ぐために複数の発熱抵抗体を近接配置することが考えられているが、この場合には前記複数の発熱抵抗体の温度は同じか、極めて近い温度に設定される。そのため特許文献１に記載されている技術を使うには、前記複数の発熱抵抗体とは温度設定が明確に異なる別の発熱抵抗体が必要となり、センサの構成が複雑になる課題がある。
【０００８】
また、特許文献１に記載されている技術では発熱抵抗体からその支持体への放熱が考慮されていないため、発熱抵抗体の温度が高く、その支持体への放熱が、流体への放熱に対して無視できないときには流量検出誤差が大きくなる課題もある。
【０００９】
また、１つの発熱抵抗体を用いて流体温度に関係しない流量を検出する技術が特許文献２に記載されている。本技術ではブリッジ回路に接続された固定抵抗をバイパスするスイッチを設けて、このスイッチをＯＮ，ＯＦＦした時の発熱抵抗体の放熱量の変化から、流体の温度に無関係な流量を検出するものである。本手法では、スイッチのＯＮ，ＯＦＦ周期に対して流体温度，流体流量の変化周期が早い場合には流量検出精度が悪くなるという課題がある。エンジンの吸気，排気では高周波の脈動が発生することが知られており、このような脈動場での計測では誤差が大きくなる虞がある。
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−１３６６２０号公報
【特許文献２】特許２８０５１７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、汚損などに対して精度劣化の少ない発熱抵抗式の流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、通路内に設置された第１の発熱抵抗体と、前記第１の発熱抵抗体に電気的に接続された電子回路と、前記電子回路に接続された出力端子と、前記第１の発熱抵抗体を支持する支持部と、前記第１の発熱抵抗体と前記支持部との間に設けられた第２の発熱抵抗体と、前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体との間に設けられた温度検出手段と、前記温度検出手段の検出する温度が、第１の発熱抵抗体の温度を含む所定の温度範囲になるように、前記第２の発熱抵抗体の発熱を制御する制御手段とを備えた発熱抵抗式流量測定装置により達成される。
【発明の効果】
【００１３】
センサが小型化でき、設置スペースの確保が容易になる、圧力損失が低減する、製作コストが低減するといった利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず図１と図２を用いて吸気用流量計の主流である熱式流量計の原理について簡単に説明する。図１には熱式流量計の構成を示す。熱式計量方式は、流体中に少なくとも２つの抵抗体が配置され、一つは流体の温度を検出する測温抵抗体として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体として用いられ、それぞれの温度差（ΔＴh ）を常に一定に保持することで流体の質量流量の計量を実現している。また、吸気用流量計のΔＴh は、計量精度・応答性・埃等による汚損防止・使用材料の耐久性あるいは耐熱性など総合的な判断により、一般的にはΔＴh を２００℃程度に設定している。
【００１５】
図２はブリッジ制御回路の構成を示す。発熱抵抗体と測温抵抗体はブリッジ回路抵抗として配置されている。発熱抵抗体の抵抗をＲh、発熱抵抗体を流れる電流をＩhとすると、発熱抵抗体の全発熱量Ｐhと発熱抵抗体に流れる流体の質量流量ρＵ及びΔＴhは（２０）式で表される。
【００１６】
【数２】
2008292330.tif 000004
【００１７】
Ａは発熱抵抗体から支持体への熱伝導分（熱漏れ）であり、またＢは流体に奪われる熱伝達分で、熱的定数としてまとめられる。この（２０）式から、発熱抵抗体Ｒh と固定抵抗Ｒ1の中点の電圧Ｖsは（２１）式で表され、流体の質量流量に依存する電圧であることが分かる。センサ出力Ｖoutは、このＶsを増幅しアナログ電圧値として出力される。
【００１８】
【数３】
2008292330.tif 000005
【００１９】
ところで、排気環境で用いられるデバイスにおいて、汚損は重大な課題である。デバイスの使用目的や原理によってその大小は異なるが、熱式の流量計においては、センサ素子への汚損は計量精度を維持するには致命的な影響を及ぼす。
【００２０】
内燃機関の排気環境においては、機関から排出された煤（Dry Soot）や灰分（Ａｓｈ）など微粒子状物質（ＰＭ）に含まれる不揮発成分が汚損の対象となる。煤は機関の燃焼室内に吸入された空気と燃焼室内に噴射された燃料の混合不足、すなわち酸化不足により発生する。汚損は、ＰＭ中に含まれるＳＯＦ（可溶性有機成分）やＨＣ（炭化水素）などの揮発成分の持つ粘着力に起因して発生する一方で、この揮発成分の含有は内燃機関の燃焼によって決定されるものであるため、対象物の温度に依存して汚損の発生を左右することができる。
【００２１】
図３には発熱抵抗体の発熱温度とエンジンオイルの蒸発速度の関係を示す。加熱温度が高いほど蒸発速度は速くなる。また実機検証から流量検出用発熱抵抗体への汚損については、発熱温度に依存して、具体的には発熱抵抗体の温度を約３５０℃以上にすることで汚損を回避できることが結果として得られている。これら実機検証や基礎検討の結果から、汚損の有無は次のような現象によって発生するものと考えられる。
【００２２】
図４に示したとおり、まず高温に加熱されている発熱抵抗体１にＰＭ２−１が衝突すると、発熱抵抗体からの伝熱によって瞬時に揮発成分の蒸発が行われＰＭ２−１の持つ粘着力が低下する。汚損物質である煤を主体とした不揮発成分は、粘着力の低下と周囲を流れる流体流れ３によって、次のＰＭが衝突するまでの間に発熱抵抗体表面から脱離する。一方、温度の低い支持体４は、ＰＭ２−１の付着後における揮発成分は緩慢な蒸発、すなわち脱離に繋がる粘着力低下に達するまでの時間が遅延することで、先に衝突し付着したＰＭ２−１の上にその後に衝突するＰＭ２−２が重なることで堆積が進行するものと考えられる。
【００２３】
保護ヒータを有しない従来（吸気用）のセンサ素子を用いた場合は、時間の経過と共に短時間に流体流量に対するセンサの出力変化が大きく変化する。図５には、その程度を表す実測結果を示す。結果はアイドリング運転状態で保持し続けた場合の誤差を示すが、低流量域では負の誤差を招き、高流量域では正の誤差を招く傾向がみられる。特に試験開始から７５ｈｒ後においては、試験範囲の最大流量付近では５０％に近い大きな誤差を招くことが分かる。そこで、つぎにこの問題を克服するための考え方について述べる。
【００２４】
図６には、その基本構成を示す。図１と対比すると一目瞭然であるが、図１でいう流量検出用の発熱抵抗体（図６では第１発熱抵抗体）と筐体を結ぶ支持体との間に、第２発熱抵抗体（保護ヒータ）を配置した構成である。このように第１発熱抵抗体から支持体への伝熱を、その間に介在する第２の発熱抵抗体で断熱する構造が基本構成となる。以下のところで、具体的なセンサ素子の構造について説明するが、本発明で示すセンサ素子構造はその一例であり、前記の断熱を満足する構造であれば、特に制約ない。
【００２５】
ここで第２発熱抵抗体を配置することにより効果が期待できる理由について述べる。発熱抵抗体の全発熱量Ｐhと発熱抵抗体に流れる流体の質量流量Ｑ及びΔＴhの関係を示した（２０）式において、発熱抵抗体から支持体へ通した熱伝導分（熱漏れ）を意味する熱的定数Ａが汚損前後で変化が生じることによって誤差は発生する。第２発熱抵抗体を配置することで、第１発熱抵抗体で必要になる発熱量と支持体への伝熱分を切り離すことができる。すなわち、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体間の伝熱量を任意に制御できる構成とすることで、流体流量の検出を支持体の汚損とは無関係にすることが可能になる。
【００２６】
図７に第２発熱抵抗体を配置したセンサ素子を用いた場合の実測結果を示す。試験開始から１００ｈｒ経過後においても初期特性に対する出力特性の誤算を約５％以内に抑えられることが分かる。ここで図５の結果と比較して分かるとおり、従来のセンサ素子を用いた場合に比べて、大幅な改善効果が得られることは明確である。
【００２７】
次に、現行の吸気用流量計のセンサ素子構造をベースに第２発熱抵抗体を配置することを考えたセンサ素子の構造例を図８と図９に示す。センサ素子発熱抵抗体を形成する絶縁体にはアルミナパイプ５を用い、耐熱性の高いガラス等により、アルミナパイプ５とそれを支える支持体４とが接合されている。アルミナパイプ５の中央部には流量検出用の第１発熱抵抗体となるＰｔ線（巻線）１が螺旋上に巻き付けられている。さらにその両端部にはアルミナパイプ７が形成され、第１発熱抵抗体と同様にＰｔ線（第２発熱抵抗体）６を螺旋状に巻き付け、センサ素子全体を包括するように絶縁保護膜（ガラス）８でコーティングされた構造からなる。図８はアルミナパイプが別体の場合、図９は一体の場合の例として示した。
【００２８】
次にこのような構造の場合における課題について図１０を用いて説明する。図１０には、図８，図９に示したセンサ素子に通電し、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体を高温に保持した状態に流体を流した場合の各部位の温度分布変化を示す。特に各発熱抵抗体の設定温度は第１発熱抵抗体１を４００℃、第２発熱抵抗体８を４００℃より高い温度に設定した場合を想定している。このように、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の設置温度の関係については、第１発熱抵抗体＜第２発熱抵抗体の関係が好ましい。その理由は、先にも述べたが煤の堆積によって生じる流体への熱伝達の変化を全て第２発熱抵抗体からの伝熱で補えるため、汚損による流量の計量への悪影響を抑えることができるためである。ところで、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の接続部の温度は、センサ素子を流れる流体の流量（流速）によって変化する。特に流れが停止状態や低流量時に各発熱抵抗体が目標温度を保持できる状態に調整すると高流量域で接続部の温度が低下してしまい、万が一汚損回避温度（約３５０℃）を下回る状況が連続的に続くと、接続部に汚損が発生する恐れがある。原理から察するに接続部に汚損が発生すると、第２発熱抵抗体を配置した意味がなくなる。したがって、接続部の温度の著しい低下を避けるための対策が必要になる。また、流量に依存して図中ａに相当する第１発熱抵抗体端部における熱の授受の状態が変化する。理想の状態とは、第１発熱抵抗体端部における温度勾配がゼロの状態である。この状態であれば、第１発熱抵抗体への第２発熱抵抗体からの熱の流れ込みや、逆に接続部への熱逃げがないため、伝熱によって発生する本課題を確実に克服できる。
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１１に本発明の一実施形態について示す。第１発熱抵抗体に近接した位置に温度検出手段を配置することを基本とする構成をとる。前記温度検出手段としては、単純には発熱抵抗体と同様にＰｔ線の巻線などが考えられるが、その他、温度を検出できる手段であれば何であってもよい。設定温度を第１発熱抵抗体＜第２発熱抵抗体と想定し、温度検出手段によって検出された温度によって第２発熱抵抗体の発熱温度を制御する方法である。図１２にその具体的な制御フローを示す。まず、第１発熱抵抗体と温度検出手段（以下、測温抵抗体）の抵抗値ＲmainとＲsen を読み込み（Ｓ１０１）、それぞれ温度ＴmainとＴsen を算出する（Ｓ１０２）。次にＳ１０３において、算出したＴmainとＴsenの温度の関係がＴmain≦Ｔsenであるかを判定し関係が異なる場合は、Ｓ１０４に進み、第２発熱抵抗体へ流す電流Ｉsub を大きくした後Ｓ１０１に戻る。これにより第２発熱抵抗体の温度が上昇し、それに吊られてＴsen が上昇することになる。これを繰り返す。一方、関係が正しくＳ１０５へ進むと、Ｓ１０５では、Ｔsenと予め設けたＴsenの上限目標温度Ｔhtagの関係が、Ｔsen＜Ｔhtagであるかを判定する。次に関係が異なる場合は、Ｓ１０６に進みＩsabを減少し、Ｔsenを低下させた後Ｓ１０１に戻る。Ｓ１０５で関係が正しいと判定されると制御ループは終了となる。短時間の間にこのループを繰り返し行うことで、常時、Ｔmain≦Ｔsen＜Ｔhtagの関係を保つことができ、第１発熱抵抗体端部の温度勾配を所定の範囲内に制御することが可能になる。
【００３０】
第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の設定温度の関係が第１発熱抵抗体＜第２発熱抵抗体を前提とした場合の上記以外の制御方法としては、図１３，図１４に示したようにＴsenの下限目標温度Ｔltagを設けて、Ｔltag＜Ｔsen≦Ｔmainの関係を保持する、あるいはＴsenに対する上下限目標を設けてＴltag＜Ｔsen＜Ｔhtagで制御することも考えられる。これら全ての場合においてＴhtagおよびＴltagは、第１発熱抵抗体端部の温度勾配が許容の範囲となる温度レベルに設定する必要がある。
【００３１】
センサモジュールの基本的な構成について図１５を用いて概略を説明する。大きくはセンサ素子を有するセンサプローブ部と制御回路部の２つから構成される。このようにプローブ部と制御回路部を切り離した構成とすることで、内燃機関の排気のような高温の流体を計量する場合においても耐熱性を確保することができる。対象の流体温度が低い場合は、１つにまとめても問題はない。センサ素子としては、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体および流体温度検出用の測温抵抗体等が、制御回路部と接続される。制御回路部には、第１発熱抵抗体のアナログ制御回路を始めとした各センサ素子のアナログ制御回路が配置されており、各アナログの制御回路からの出力値がデジタル部へ入力される。デジタル部では入力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、各種信号を基に処理した後に、再度Ｄ／Ａ変換した信号がセンサモジュールから出力される。Ｔh方式の場合は、特に流体の温度変化を補正する必要がある。例として示した図１３の構成においては、流体温度検出回路からの信号をもとに、デジタル信号処理装置内で流体温度変化を補正する。これが制御方式の基本構成である。
【００３２】
次に本発明の実施形態を実現するためのセンサ素子の具体的構造について説明する。図２０に流量検出用のセンサ素子の概略構成を示す。流量検出用のセンサ素子は、各抵抗体を支える支持体（導体）が第２発熱抵抗体から一方向に集中して突出あるいは配置された形で構成される。すなわち第１発熱抵抗体を支える支持体は測温抵抗体や第２発熱抵抗体の内部あるいは表面を経由し筐体に接続される。このように、センサ素子を片側で支持する構成にすることで測温抵抗体と第２発熱抵抗体を１つに集約することが可能になり、生産性が向上する。
【００３３】
図１７には、吸気用流量計に使用されている巻線式の素子を基本とした片支持構造のセンサ素子構成を示す。素子の先端から第１発熱抵抗体１，測温抵抗体９，第２発熱抵抗体６の順に配置されており、アルミナパイプ５に導線が複数回巻きつけて配置され、さらにその表層に導体を絶縁保護するガラス８でコーティングされている。好適なアルミナパイプ５形状の例を図１８に示す。アルミナパイプ５の外周には支持体４を配置する溝１１が複数形成されている。図１８では、６溝の例を示すが、この場合は一つの抵抗体に対して２溝を利用する格好を取る。各溝１１に対して支持体４を側面から挿入した後、各抵抗体となる導体を巻きつける。したがって、支持体挿入溝の深さＸは支持体の外形より十分に大きくとる必要がある。図１７の●は各抵抗体と支持体の接続部１０を示すが溶接等により接続固定する。また測温抵抗体の配置の仕方であるが、生産性を考慮すると、第１発熱抵抗体１と測温抵抗体９を近接させガラス８で一塊にした構成が有効と考えるが、汚損が発生しない程度に距離を保ちそれぞれをガラスでコートしてもよい。
【００３４】
別の技術としては、積層基板技術の応用も考えられる。図１９に積層基板式センサ素子の構造例を示す。積層された絶縁基板１２の間に、複数の抵抗体（導体）を形成した構造である。図１９には４層の例を示すが、各抵抗体で必要となる抵抗値に応じて、積層数を増減してもよい。積層間を跨いで抵抗体を形成する場合は、基板１２に形成されたビアホール１３を利用して電気的な接続を行う。特に注意点としては、高温に加熱された発熱部（第２発熱抵抗体６）からの伝熱により筐体との接続点となるパッド部１４が劣化する可能性がある。発熱部６とパッド部１４の距離は十分に確保などの工夫が必要である。
【００３５】
上記センサモジュールを内燃機関の排気の流量計測に用いた場合、高温に通電加熱されている発熱抵抗体１，発熱抵抗体２は前述の理由により汚損物質の堆積を防止できる。また２つの発熱抵抗体に挟まれて配置された測温抵抗体も、発熱抵抗体からの熱を受け、発熱抵抗体とほぼ同じ温度に維持されるため、汚損物質の堆積を防止できる。しかし流体温度を検出するための測温抵抗体（ＣＷ）は通電加熱されず、かつ、発熱抵抗体から分離して設置されることから、その温度はほぼ流体温度に等しく、汚損物質の堆積が進行しやすい。ＣＷの表面に汚損物質が堆積すると、ＣＷの温度と流体温度との乖離が大きくなり、センサで検出する流量に大きな誤差が生じる虞がある。
【００３６】
またＣＷと発熱抵抗体の両方を流体中に配置するのは、設置スペースや圧力損失が大きくなるなどの課題がある。
【００３７】
上記課題に対しては、ＣＷを用いずに流体流量を検出する事が有利である。ＣＷを用いず流量を検出する方法を以下で説明する。
【００３８】
図２０は図１６に示す本発明におけるセンサエレメントの熱計算モデルを示す図である。図の左より第１発熱抵抗体，測温抵抗体，第２発熱抵抗体が直列に配置されており、第１発熱抵抗体と測温抵抗体がリード線１によって接続され、測温抵抗体と第２発熱抵抗体がリード線２によって接続されている。また、第２発熱抵抗体と筐体がリード線３によって接続されている。
【００３９】
図２０の●は熱モデルの温度定義点を表しており、Ｔmainが第１発熱抵抗体の温度、Ｔsensが測温抵抗体の温度、Ｔsubが第２発熱抵抗体の温度、ＴL1がリード線１の温度、ＴL2がリード線２の温度、Ｔgasが流体温度を示している。
【００４０】
またリード線１から測温抵抗体へ流入する熱量をＱms、リード線２から測温抵抗体に流入する熱量をＱss、測温抵抗体から流体への放熱量をＱsgとすると、熱量バランスより（５）式が成立する。
【００４１】
【数４】
2008292330.tif 000006
【００４２】
測温抵抗体から流体への放熱量をＱsgは熱伝達率をｈs、測温抵抗の表面積をＳsとすると（６）式で表される。
【００４３】
【数５】
2008292330.tif 000007
【００４４】
また、リード線１から測温抵抗体への熱量Ｑmsは、リード線１の中心と測温抵抗体との距離をＬ1、リード線の熱伝導率をλ、リード線１の断面積をＳ1とすると（７）式で表される。
【００４５】
【数６】
2008292330.tif 000008
【００４６】
同様にリード線２から測温抵抗体への熱量Ｑssは（８）式で表される。
【００４７】
【数７】
2008292330.tif 000009
【００４８】
リード線の温度ＴL1，ＴL2はリード線に対する熱バランス式から（９），（１０）式で表される。
【００４９】
【数８】
2008292330.tif 000010
【００５０】
【数９】
2008292330.tif 000011
【００５１】
【数１０】
2008292330.tif 000012
【００５２】
【数１１】
2008292330.tif 000013
【００５３】
ここにｈL1，ｈL2はそれぞれリード線１，リード線２の表面の熱伝達率であり、ＳL1，ＳL2それぞれリード線１，リード線２の表面積である。
【００５４】
熱式流量計における質量流量ρＵは（１３）式で表される。
【００５５】
【数１２】
2008292330.tif 000014
ここにρは流体密度、Ｕは流体流速、Ｉmainは第１発熱抵抗体へ供給される電流、ｃはセンサ寸法や物性によって決まる係数である。
【００５６】
また（６）式，（１０）式，（１２）式における熱伝達率、ｈs，ｈL1，ｈL2は、流体流量ρＵ、流体温度Ｔgの関数として表される。
【００５７】
【数１３】
2008292330.tif 000015
抵抗体の抵抗値と温度には一般に（１５）式に示す関係がある。
【００５８】
【数１４】
2008292330.tif 000016
ここにＲ0は基準温度Ｔ0での抵抗値、ＴCRは抵抗温度係数である。従って発熱抵抗体、測温抵抗体の抵抗値から（１５）式を用いて、発熱抵抗体，測温抵抗体の温度Ｔmain，Ｔsub，Ｔsensを求めることができる。
【００５９】
以上（５）〜（１４）式を連立して解くことで流体温度Ｔg，流体流量ρＵを求めることができる。なお、（５）〜（１４）式は非線形の連立方程式となるが、例えばニュートン・ラプソン法など、公知の各種繰り返し計算の手法を用いることで解を求めることが可能である。
【００６０】
以上の手順を図２１に示すフローチャート図を用いて説明する。まず、流体温度Ｔg，流体流量ρＵに初期値を設定する（Ｓ１０１）。初期値としては流体温度Ｔgに対しては、例えば室温２０℃、流体流量ρＵに関しては例えば０を設定する。次に（１４）式を用いて測温抵抗体表面の熱伝達率ｈs と、リード線１の表面の熱伝達率ｈL1、リード線１の表面の熱伝達率ｈL2をそれぞれ算出する（Ｓ１０２）。次に（９）式〜（１２）式を用いてリード線１の温度ＴL1とリード線２の温度ＴL2を算出する（Ｓ１０３）。次に、第１発熱抵抗体の抵抗値Ｒmain，第２発熱抵抗体の抵抗値Ｒsub，測温抵抗体の抵抗値Ｒsenを読み込み、それぞれの抵抗値から（１５）式を用いて第１発熱抵抗体の温度Ｔmain、第２発熱抵抗体の温度Ｔsub，測温抵抗体の温度Ｔsens を求める（Ｓ１０４）。次に第１発熱抵抗体の温度Ｔmainが予め定めた所定の温度になるように、第１発熱抵抗体への供給電流Ｉmainをフィードバック制御する（Ｓ１０５）。なお発熱抵抗体はジュール発熱によって加熱されるため、発熱抵抗体へ供給する電流を増やすと発熱抵抗体の温度は上がり、発熱抵抗体へ供給する電流を減らすと発熱抵抗体の温度は下がる。発熱抵抗体へ供給する電流を、目標温度と現在温度との差分に応じてフィードバック制御により調整することで、発熱抵抗体の温度を目標温度に設定できる。第１発熱抵抗体の目標温度は流体温度Ｔg に対して一定温度差ΔＴh だけ高い温度に設定される。内燃機関の吸気ガス，排気ガスを計測する場合にはΔＴh は例えば２００℃である。また、第２発熱抵抗体は例えば前述の図１２、または図１４に示した手順により設定される。次に（５）式〜（８）式を用いて流体温度の更新値Ｔｇn+1を求め（Ｓ１０６）、（１３）式にＴｇn+1を代入して流体流量の更新値ρＵn+1 を求める（Ｓ１０７）。処理Ｓ１０８において、流体流量ρＵの収束判定を行い、ρＵの変化幅が所定の小さな値εより大きい場合は、流体温度の更新値Ｔｇn+1 を流体温度の初期値Ｔg 、流体流量の更新値ρＵn+1を流体流量の初期値ρＵに変更して（Ｓ１０９）、処理Ｓ１０２へ戻る。以上の処理をρＵの変化幅が所定の小さな値εより小さくなるまで（収束するまで）繰り返して、流体流量ρＵを求める。なお本実施例においては、流体流量ρＵを求めるために単純繰り返し計算を用いたが、ニュートン・ラプソン法など他の繰り返し計算法を用いることで繰り返し計算の回数を少なくして流体流量ρＵを求めるための計算時間を短くすることが可能である。
【００６１】
なお、上記では第１発熱抵抗体の温度Ｔmainと流体温度Ｔgに対して一定温度差ΔＴhだけ高くなるようにフィードバック制御した例を示した。流体温度Ｔg が大きく変動する流れ場においては、流体温度が高くなった場合に第１発熱抵抗体の設定温度が耐熱限界を超えて発熱抵抗体が破損する虞がある。また、流体温度が低くなった場合に第１発熱抵抗体の温度が下がりすぎて、発熱抵抗体が汚損する虞がある。そこで流体温度に応じて、発熱抵抗体の温度制御を変更する方法が考えられる。図２７に示すように、発熱抵抗体の温度が汚損限界温度以下、もしくは、耐熱限界温度以上となる流体温度の場合は、発熱抵抗体の温度を一定に保つようにして、それ以外の場合にはΔＴh が一定になるように発熱抵抗体温度を制御する。このように発熱抵抗体の設定温度を流体温度に応じて変更することで汚損や熱に対して信頼性の高い流量計が実現できる。
【００６２】
流体温度に無関係な流量を求める別の方法について説明する。（１３）式より、第２発熱抵抗体，第１発熱抵抗体それぞれについて、流量ρＵと発熱抵抗体の電流値Ｉとの関係式を求めると（１６）式，（１７）式となる。
【００６３】
【数１５】
2008292330.tif 000017
【００６４】
【数１６】
2008292330.tif 000018
【００６５】
（１６）式と（１７）式の差を取り、流量ρＵについて整理すると（１８）式が得られる。
【００６６】
【数１７】
2008292330.tif 000019
【００６７】
（１８）式より、第１発熱抵抗体の温度Ｔmain，電流Ｉmain，第２発熱抵抗体の温度Ｔsub，電流Ｉsubから温度に無関係な流体流量ρＵを求めることができる。一般的に流体の速度分布は不均一であるため、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体は同じ速度の流体を計測するように、近接に配置することが望ましい。図１７または図１９に示すように、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体が一体に配置されたセンサプローブを用いることで、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体での流体の速度差が小さくなり、流速分布による流量検出誤差を小さくできる。また、例えば第１発熱抵抗体で加熱された流体が第２発熱抵抗体の表面を流れると、流体温度の変化のために流量検出誤差が発生する。そこで図２６に示すように、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体は流体の流れ方向に対して垂直方向に配置されるのが望ましい。
【００６８】
ところで（１８）式では第１発熱抵抗体の温度Ｔsubと第２発熱抵抗体の温度Ｔmainの差が分母にあるため、Ｔsub とＴmainの温度差が小さい場合は、僅かな温度検出誤差によって大きな流量検出誤差が発生する。これを防止するため、Ｔsub とＴmainの温度差によって、流量検出方法を前述した図２１に示す手順による方式（方式１）と（１８）式を用いる方式（方式２）を切り替えるとよい。即ち、Ｔsub−Ｔmain が予め定めた閾値より大きい場合には、方式２により流量を求め、Ｔsub−Ｔmain が予め定めた閾値より小さい場合には方式１により流量を求める。方式２による流量検出は方式１に比べて演算量が少ないため、ＴsubとＴmainの温度差によって方式１，方式２を切り替えることによって、方式１のみを使う場合に比べ流量検出の演算負荷を小さくできる。
【００６９】
以上に示した実施例においては、流体温度は、２つの発熱抵抗体とその間に配置された１つの測温抵抗体の温度から算出されるため、流体温度を検出するための測温抵抗体（コールドワイヤ）を発熱抵抗体の外部に設ける必要が無い。そのため本実施例における熱式流量計は図２２に示すように、２つの発熱抵抗体と１つの測温抵抗体が一体となったセンサプローブと、センサプローブの制御とセンサプローブの検出値から流体流量を求める流量計制御回路及びセンサプローブと制御回路をつなぐ支持体から構成される。また、本流量計をエンジンの吸気ガス，排気ガス、または外部再循環（ＥＧＲ）ガスの流量計として用いる場合には、流量計制御回路からエンジン制御回路（ＥＣＵ）に対して、検出した流体流量値に関係した信号が出力される。エンジン制御回路は、流量計によって検出された流量値に基づき、例えばエンジンに供給する燃料量や吸気流量やＥＧＲ流体流量を制限する絞り弁の開度、点火タイミングの制御をする。また、流体温度の情報がこれらの制御値を決めるために必要な場合がある。例えば、エンジンの始動時においては、吸気ガス温度によって始動のしやすさが変化するため、吸気温度に応じて燃料噴射量を変化させることが広く行われている。また高負荷時には吸気温度によってノッキングの起こりやすさが変わるため、吸気温度によって点火タイミングを変化させることが広く行われている。そこで流量計制御回路の内部で求めた流体温度に関係した信号をＥＣＵに対して出力してもよい。これによって流体温度を検出するための温度センサを別途設ける必要が無くなるため、圧損低減，センサ汚損による信頼性低下の回避，コスト低減が可能である。
【００７０】
エンジン制御回路の演算負荷を抑えるため、流量計制御回路とエンジン制御回路は別体構成とするのが望ましいが、エンジン制御回路の内部に流量計制御回路の機能を設けてもよい。
【００７１】
なお本発明を用いて、測温抵抗体（コールドワイヤ）を発熱抵抗体の外部に設けた熱式流量計において、コールドワイヤの特性変化を補正する事も考えられる。
【００７２】
図２３において、センサプローブの構成は前述した図１７もしくは図１９に示すように、２つの発熱抵抗体の間に１つの測温抵抗体を配置した構成となっている。またセンサプローブと独立に測温抵抗体（コールドワイヤ）が被測定流体中に配置されている。センサプローブとコールドワイヤはそれぞれ流量計制御回路に接続されている。センサプローブ内の第１発熱抵抗体の温度とコールドワイヤで検出した流体温度との温度差ΔＴh が一定になるように流量計制御回路でセンサプローブ内の発熱抵抗体温度が制御されている。
【００７３】
図２４は図２３で示した熱式流量計において、真の流体温度とコールドワイヤ（ＣＷ）で検出された温度の関係を示した図である。コールドワイヤ（ＣＷ）が汚損していないときは、コールドワイヤの検出温度は、ほぼ真の流体温度であるため、図２４においてグラフの傾きは４５度となる。これに対し、コールドワイヤが汚損すると、コールドワイヤ表面の汚損物質が熱抵抗となり流体の熱がコールドワイヤに伝わりにくくなるためコールドワイヤで検出した温度は真の流体温度に対して低くなる。このようにコールドワイヤの検出温度と真の流体温度との差が大きくなると、発熱抵抗体で検出する流体流量の誤差が増大する。
【００７４】
そこで前述の図２１で示した手順により、センサプローブ内の第１発熱抵抗体，第２発熱抵抗体，測温抵抗体の温度から予測流体温度Ｔpreを算出し、流体温度の補正係数ＫをＫ＝Ｔpre／Ｔcwにより求める。ここにＴcw はコールドワイヤで検出した流体温度である。この補正係数Ｋを用いて、補正後の流体温度ＴgをＴg＝Ｋ×Ｔcwにより求め、この補正後温度を使って流体流量を求めることでコールドワイヤの特性変化による流量検出誤差の増大を防止できる（図２９）。一般にコールドワイヤの汚損等による特性変化は、比較的長い時間をかけて発生すると考えられるため、補正係数Ｋの算出は常時行う必要は無く、比較的長い時間間隔で行えばよい（例えば、エンジンの流量検出においては数時間毎）。これによって、通常の流量計測にはコールドワイヤの検出温度がそのまま使えるため、センサプローブ内の第１発熱抵抗体，第２発熱抵抗体，測温抵抗体の温度から流体温度を算出する場合に比べて流量計制御回路内での演算負荷が少なくてすむ。これによってコールドワイヤの特性変化による流量検出誤差の増大を回避しつつ、より応答性の高い流量計測が可能となる。
【００７５】
図２８に本発明による流量検出精度の検証結果を示す。図２８には前述の図２１に示す本発明の手順によって流体温度、流体流量を求めた数値シミュレーション結果を示している。本シミュレーションでは空気の流速を５０ｍ／ｓ一定として、ガス温度を５０℃から１５０℃の幅で周期３３ｍｓ（周波数３０Ｈｚ）で変動させた場合の結果である。本発明によって、流体温度が速い周期で変動した場合でも流体温度及び流体流量が高い精度で検出できる。
【００７６】
本発明により、流体温度を検出するための測温抵抗体を設置する必要が無くなる為、耐汚損，耐熱の厳しい排気環境で使用される流体流量計において、測温抵抗体への汚損による流量検出誤差の増加を防止できる。また、本発明の実施においては、リード線の汚損によるセンサ特性変化を防止するための第２発熱抵抗体（サブヒータ）とリード線温度を検出する測温抵抗体を流用するため、本発明の実施のために新たな発熱抵抗体や測温抵抗体を増設する必要が無い。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】吸気流量計の概略構成図。
【図２】吸気流量計のブリッジ制御回路構成。
【図３】発熱体温度とエンジンオイルの蒸発速度の関係。
【図４】発熱体加熱時における汚損発生の原因説明図。
【図５】吸気流量計用センサ素子適用時の実測結果。
【図６】第２発熱抵抗体を有する熱式流量計の概略構成図。
【図７】第２発熱抵抗体を有するセンサ素子適用時の実測結果。
【図８】吸気用巻線式センサ素子をベースとした第２発熱抵抗体を有するセンサ素子構造例。
【図９】吸気用巻線式センサ素子をベースとした第２発熱抵抗体を有するセンサ素子構造例。
【図１０】第２発熱抵抗体有するセンサ素子適用時の課題。
【図１１】本発明の実施形態を示す構成例１。
【図１２】本発明の実施形態を示す制御フロー１。
【図１３】本発明の実施形態を示す構成例２。
【図１４】本発明の実施形態を示す制御フロー２。
【図１５】本発明のセンサモジュール概略構成。
【図１６】本発明の実施形態を実現するセンサ素子の概略構成。
【図１７】本発明の実施形態を実現するための具体的なセンサ素子構造１。
【図１８】本発明のセンサ素子形成に用いるアルミナパイプ外観形状例。
【図１９】本発明の実施形態を実現するための具体的なセンサ素子構造２。
【図２０】本発明のセンサ素子の熱モデル図。
【図２１】本発明の流体流量算出フロー。
【図２２】本発明の流量計の概略構成図１。
【図２３】本発明の流量計の概略構成図２。
【図２４】コールドワイヤ汚損時の検出温度の変化例を示すグラフ。
【図２５】本発明の流体温度補正の概念図。
【図２６】本発明のセンサ素子の流体への配置方向を示す概略図。
【図２７】本発明の発熱抵抗体の温度制御方法例を示す図。
【図２８】本発明の効果を検証したシミュレーション結果の例。
【符号の説明】
【００７８】
１  流量検出用発熱抵抗体（第１発熱抵抗体）
２  微粒子状物質
３  流体流れ
４  支持体
５，７  アルミナパイプ
６  第２発熱抵抗体
８  絶縁用保護膜（ガラス）
９  測温抵抗体
１０  接続部
１１  支持体挿入溝
１２  絶縁（アルミナ）基板
１３  ビアホール
１４  パッド部
【図１】
2008292330.tif 000020
【図２】
2008292330.tif 000021
【図３】
2008292330.tif 000022
【図４】
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【図５】
2008292330.tif 000024
【図６】
2008292330.tif 000025
【図７】
2008292330.tif 000026
【図８】
2008292330.tif 000027
【図９】
2008292330.tif 000028
【図１０】
2008292330.tif 000029
【図１１】
2008292330.tif 000030
【図１２】
2008292330.tif 000031
【図１３】
2008292330.tif 000032
【図１４】
2008292330.tif 000033
【図１５】
2008292330.tif 000034
【図１６】
2008292330.tif 000035
【図１７】
2008292330.tif 000036
【図１８】
2008292330.tif 000037
【図１９】
2008292330.tif 000038
【図２０】
2008292330.tif 000039
【図２１】
2008292330.tif 000040
【図２２】
2008292330.tif 000041
【図２３】
2008292330.tif 000042
【図２４】
2008292330.tif 000043
【図２５】
2008292330.tif 000044
【図２６】
2008292330.tif 000045
【図２７】
2008292330.tif 000046
【図２８】
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