(57)【要約】  本発明は、質量流量センサ素子を備えている質量流量センサと、温度センサ素子を備えている温度センサと、給電用インタフェースとを有しており、且つ、質量流量センサ素子及び温度センサ素子によってアナログ形式で検出された測定値をディジタル出力信号に変換する、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサに関する。流体流の質量流量及び温度を検出するための、可能な限り簡単且つ廉価なセンサを提供するために、センサ内には、質量流量センサ素子のアナログ測定値及び／又は温度センサ素子のアナログ測定値をディジタル出力信号に変換し、そのディジタル出力信号を唯一つのディジタルインタフェースに供給する少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器が配置されている。
2015506029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）であって、
前記センサ（１）は、質量流量センサ素子（５）を備えている質量流量センサ（２）と、温度センサ素子（６）を備えている温度センサ（３）と、給電用インタフェース（１３）とを有しており、且つ、前記質量流量センサ素子（５）及び前記温度センサ素子（６）によってアナログ形式で検出された測定値をディジタル出力信号に変換する、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）において、
前記質量流量センサ素子（５）のアナログ測定値、及び／又は、前記温度センサ素子（６）のアナログ測定値をディジタル出力信号に変換し、該ディジタル出力信号を唯一つのディジタルインタフェース（１２）に供給する少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器（７）が前記センサ（１）内に配置されていることを特徴とする、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項２】
前記質量流量センサ（２）及び前記温度センサ（３）に付加的に、湿度センサ素子を備えている湿度センサ及び／又は圧力センサ素子を備えている圧力センサが前記センサ（１）内に配置されている、請求項１に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項３】
前記少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器（７）は前記質量流量センサ（５）内に配置されている、請求項１又は２に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項４】
前記少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器（７）は前記温度センサ（３）内に配置されている、請求項１又は２に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項５】
前記少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器（７）は前記湿度センサ（１６）内に配置されている、請求項２に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項６】
前記少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器（７）は前記圧力センサ（１７）内に配置されている、請求項２に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項７】
前記センサ（１）は、給電用インタフェース（１３）を一つだけ有している、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項８】
前記アナログ／ディジタル変換器（７）及び、前記質量流量センサ（５）及び前記温度センサ（３）及び／又は前記湿度センサ及び／又は前記圧力センサは単一の基板上に配置されており、且つ該基板は前記唯一つのディジタルインタフェース（１２）を有している、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【請求項９】
前記質量流量センサ素子（５）及び／又は、前記温度センサ素子（６）及び／又は、前記湿度センサ素子（２０）及び／又は前記圧力センサ素子（２１）のディジタル化された測定値は電流インタフェース（２２）を介して前記給電線（９）に伝送され、且つ、前記給電用インタフェース（１３）を介して機関制御部（４）に伝送される、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量流量センサ素子を備えている質量流量センサと、温度センサ素子を備えている温度センサと、給電用インタフェースとを有しており、且つ、質量流量センサ素子及び温度センサ素子によってアナログ形式で検出された測定値をディジタル出力信号に変換する、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体流の質量流量及び温度の検出は、特に自動車産業において非常に重要である。何故ならば、それらの特性量は自動車における内燃機関を最適に制御するために必要とされるからである。従来では、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサによって求められた値は、自動車における機関制御装置にアナログ形式で供給されていた。しかしながら、アナログ信号は外乱に弱く、また例えば妨害的な電磁界によって著しく劣化する恐れがあるという欠点を有している。従って、センサ素子によって求められたアナログ測定値のディジタル化を更にセンサ自体において行うことが有利である。そのようなディジタル化は、センサ自体に配置することができるアナログ／ディジタル変換器によって行われる。質量流量及び温度を検出するためのセンサは複数の物理的な特性量を検出するので、複数のアナログ／ディジタル変換器が必要になる。更には、個々のセンサ素子の駆動及び読み出しのためには、流体流の質量流量及び温度を検出するための一つのセンサにおいて複数のインタフェース及び給電部が必要とされる。これによって、流体流における質量流量及び温度に関する測定値の検出が比較的複雑になり、またコストが高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従って本発明の課題は、流体流の質量流量及び温度を検出するための、可能な限り簡単で廉価なセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によれば、この課題は、独立請求項の特徴部に記載されている構成によって解決される。質量流量センサ素子のアナログ測定値及び／又は温度センサ素子のアナログ測定値をディジタル出力信号に変換し、そのディジタル出力信号を唯一つのディジタルインタフェースに供給する少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器がセンサ内に配置されていることによって、センサを後段の機関制御装置に接続する少なくとも一つの線路が省略される。つまり、質量流量センサ素子の測定値及び温度センサ素子の測定値を機関制御部に伝送するためには、線路は一つだけしか必要とされない。現代のセンサでは、配線コストがセンサの総コストの内の大部分を占めているので、本発明によるセンサは非常に廉価に製造することができる。更に、本発明によるセンサは特にエラー無く製造することができ、また外乱に対して鈍感である。何故ならば、温度及び質量流量を測定するための重要な全ての機能がセンサ自体に統合されており、また質量流量センサ素子及び温度センサ素子の完全にディジタル化された測定結果が唯一つのディジタルインタフェース及び唯一つの線路を介して機関制御装置へと伝送されるからである。
【０００５】
本発明の一つの実施の形態においては、質量流量センサ及び温度センサの他に、湿度センサ素子を備えている湿度センサ及び／又は圧力センサ素子を備えている圧力センサがセンサ内に配置されている。湿度センサも圧力センサも、質量流量及び温度を検出するセンサの信号を、吸入空気における可変の特性量について補償することに適している。質量流量信号は燃料を燃焼させるために使用される酸素量に関する情報を機関制御装置に供給する。そのような酸素量は勿論、何よりも吸入空気の質量流量に依存している。しかしながら、質量流量が同じ場合には、生じた圧力、吸入空気の湿度及び吸入空気の温度によって、内燃機関の燃焼室への酸素供給が種々異なるものになる可能性がある。従って、物理的な特性量である温度、空気の湿度及び圧力は、質量流量信号のエラー補償を達成し、燃焼室に供給される燃料の高精度の調量を実現することに適している。これは資源及び環境の保護にとって有用である。
【０００６】
質量流量センサ素子のアナログ測定値及び温度センサ素子のアナログ測定値をディジタル出力信号に変換し、そのディジタル出力信号を唯一つのディジタルインタフェースに供給する少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器がセンサ内に配置されているので、そのセンサは余り複雑にならず、また廉価に製造することができる。センサと制御装置との間の少なくとも一つの線路が省略されることによって、本発明によるセンサが組み込まれる車両の総重量は低減される。
【０００７】
一つの有利な実施の形態においては、少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器が質量流量センサ内に配置されている。更に、少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器が温度センサ内及び／又は湿度センサ内及び／又は圧力センサ内に配置されていることも考えられる。少なくとも一つのアナログ／ディジタル変換器は、質量流量センサ素子、温度センサ素子、湿度センサ及び／又は圧力センサのアナログ測定値をディジタル出力信号に変換することができる。これによって流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサはより廉価になる。電子スイッチを用いて、質量流量センサ素子のアナログ測定値、温度センサ素子のアナログ測定値、湿度センサ素子のアナログ測定値及び／又は圧力センサ素子のアナログ測定値を、ディジタル化のためにアナログ／ディジタル変換器に供給することができる。
【０００８】
本発明の別の実施の形態においては、センサは給電用インタフェースを一つだけ有している。これによって、例えば、制御装置とセンサとの間の給電線を節約することができる。従って、センサはより廉価になり、また車両の重量は軽くなる。
【０００９】
質量流量センサ素子、温度センサ素子、湿度センサ素子及び／又は圧力センサ素子のディジタル化された測定値を、電流インタフェースを介して給電線に伝送し、また給電用インタフェースを介して機関制御部に伝送することもできる。これによって、質量流量及び温度を検出するためのセンサにおいては、信号伝送用のディジタルインタフェースとしても、また給電用インタフェースとしても使用されるインタフェースは一つだけしか必要とされない。質量流量及び温度を検出するためのセンサと機関制御装置との間には、給電線としてもディジタル信号線としても使用される線路が一つだけしか必要とされない。
【００１０】
本発明は多数の実施の形態を実現する。更なる説明のために、本発明を図面に詳細に示し、また下記において説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】流体流の質量流量及び温度を検出するための第１のセンサを示す。
【図２】流体流の質量流量及び温度を検出するための第２のセンサを示す。
【図３】流体流の質量流量及び温度を検出するための第３のセンサを示す。
【図４】流体流の質量流量及び温度を検出するための第４のセンサを示す。
【図５】湿度センサ及び圧力センサが付加的に設けられている、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１には、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１が示されている。ここで流体流は例えば、管路内を流れる気体流である。この気体流によって自動車の吸気系内の空気が内燃機関に搬送される。内燃機関において燃料を最適に燃焼させるためには、燃焼に使用するために吸気された空気又はターボチャージャを介して供給される空気の正確な質量流量を検出することが必要である。更には、内燃機関における燃焼プロセスを最適に制御できるようにするために、この吸気空気の温度を検出することも必要になる。燃焼プロセスの制御は機関制御装置４によって行われる。機関制御装置４には質量流量センサ２及び温度センサ３の測定値が供給される。質量流量センサ２及び温度センサ３は、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１の構成要素である。質量流量センサ２及び温度センサ３は、全ての実施例において、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１の単一のケーシング１１内に配置されている。質量流量センサ２内に質量流量センサ素子５が設けられていることが見て取れる。従来技術からは、複数の質量流量センサ素子５、例えばホットフィルム式エアマスフローセンサ素子、又は現代のマイクロメカニカル技術により製造された、質量流量を検出するためのセンサ素子が公知である。質量流量センサ素子５からは、流体流の質量流量についての測定値がアナログ形式で供給される。アナログ信号は通常の場合、外乱に非常に弱いので、質量流量センサ素子５の後段においてはアナログ信号からディジタル信号への変換が直ちに行われる。この変換は、いわゆるアナログ／ディジタル変換器７によって行われる。このアナログ／ディジタル変換器７は、流体の質量流量に比例するディジタル信号を、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１のディジタルインタフェース１２に送信する。ディジタルインタフェース１２からは、質量流量センサ素子５のディジタル化された信号が信号線８を介して機関制御装置４に伝送される。また機関制御装置４は、質量流量センサ２のための給電電流を、給電線９及び給電用インタフェースを介して、質量流量センサ２に供給することもできる。
【００１３】
更に図１からは、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１のケーシング１１内に温度センサ３が設けられていることが見て取れる。温度センサ３は温度センサ素子６を含んでいる。この温度センサ素子６もアナログ形式の信号を供給し、この信号は第２のインタフェース１５及び第２の信号線１８を用いて機関制御装置４に転送される。ここでもまた機関制御装置４は、温度センサ３のための給電電流を、第２の給電線１９及び給電用インタフェース１３を介して、温度センサ３に供給することができる。図１においては、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１が、信号用の二つのインタフェース１２，１５と、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１の二つの給電用インタフェース１３と、二つの信号線８，１８と、二つの給電線９，１９とを有していることがはっきりと見て取れる。
【００１４】
図２には、質量流量センサ素子５を備えている質量流量センサ２と、温度センサ素子６を備えている温度センサ３とを有しており、且つ、給電用インタフェース１３が一つだけ設けられているセンサ１が示されている。センサ１は質量流量センサ素子５及び温度センサ素子６によってアナログ形式で形成された測定値を検出し、そのアナログ形式の測定値をディジタル出力信号に変換する。ディジタル出力信号は唯一つのディジタルインタフェース１２に供給される。この実施例において、センサはアナログ／ディジタル変換器７を一つだけしか有していない。従って、このアナログ／ディジタル変換器７は質量流量センサ素子５のアナログ測定値も、温度センサ素子６のアナログ測定値もディジタル出力信号に変換し、唯一つのディジタルインタフェース１２に供給する。ディジタル出力信号は続いて、唯一つの信号線８を介して機関制御部４に伝送される。
【００１５】
この図２においては、アナログ／ディジタル変換器７が質量流量センサ２内に配置されている。温度センサ３の信号は温度センサ素子６からスイッチ１４に伝送される。ここでは、スイッチ１４が例示的に質量流量センサ２内に配置されており、またこのスイッチ１４は、温度センサ素子６の信号又は質量流量センサ素子５の信号のいずれかをアナログ／ディジタル変換器７に転送する。通常の場合、スイッチ１４は電子スイッチとしてセンサ１のＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）上に一緒に形成される。流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１の唯一つのディジタルインタフェース１２を介して、ディジタル温度信号及びディジタル質量流量信号が信号線４に沿って機関制御装置４へと伝送される。機関制御装置４は、唯一つの給電線９を介して、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１の唯一つの給電用インタフェース１３に給電電流を供給し、この給電用インタフェース１３は質量流量センサ２にも温度センサ３にも電気エネルギを供給する。流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１内では給電線９が更に延びており、それにより温度センサ３にも給電電流が供給される。この配置構成は図１の配置構成とは異なり、温度センサの信号用の第２のインタフェース１５も、給電用インタフェース１３も省略されているので、これによって、第２の信号線１８も第２の給電線１９も省略することができる。更に、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１内には、アナログ／ディジタル変換器７が一つだけしか設けられておらず、従って、このアナログ／ディジタル変換器７が質量流量センサ素子５のアナログ信号及び測定値も、温度センサ素子６のアナログ信号及び測定値もディジタル出力値に変換し、それらのディジタル出力値を唯一つのディジタルインタフェース１２に供給する。
【００１６】
図３においても、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１が同様に示されている。センサ１内に、質量流量センサ２及び温度センサ３が設けられていることが見て取れる。質量流量センサ２内には質量流量センサ素子５が設けられており、この質量流量センサ素子５は形成されたアナログ測定値を、線路を介して電子スイッチ１４に供給する。この電子スイッチ１４は温度センサ素子６の測定値又は質量流量センサ素子５の測定値のいずれかの測定値をアナログ／ディジタル変換器７に転送する。ここではアナログ／ディジタル変換器７が温度センサ３内に配置されている。ここでもまた、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサ１には、アナログ／ディジタル変換器が一つだけしか設けられておらず、従って、このアナログ／ディジタル変換器が質量流量センサ素子５のアナログ信号も、温度センサ素子６のアナログ信号も、ディジタル信号の形態で、唯一つのディジタルインタフェース１２に供給する。ここでもまた給電線９は機関制御装置４から唯一つの給電用インタフェース１３へと延びており、このインタフェース１３が温度センサ３にも質量流量センサ２にも駆動電流を、従って電気エネルギを供給する。同様に、図１に示した実施例とは異なり、少なくとも一つのディジタルインタフェース及び、センサ１の少なくとも一つの給電用インタフェース１３が省略されていることが見て取れる。従って、流体流の質量流量及び温度を検出するための図１に示したセンサ１に比べて、図２及び図３によるセンサはより簡単に且つより廉価に製造することができる。
【００１７】
図４には、流体流の質量流量及び温度を検出するための第４のセンサが示されている。ここでもまたセンサ１内に、質量流量センサ２及び温度センサ３が設けられていることが見て取れる。質量流量センサ２は質量流量センサ素子５を有しており、そのアナログ測定値はアナログ／ディジタル変換器７によってディジタル化される。アナログ／ディジタル変換器７からは、質量流量センサ素子５のディジタル化された測定値が、センサ１の唯一つのディジタルインタフェース１２に送信される。この唯一つのディジタルインタフェース１２からは、質量流量センサ素子５のディジタル化された信号が唯一つの信号線８を介して機関制御装置４に伝送される。更には、質量流量及び温度を検出するためのセンサは、温度センサ素子６を備えている温度センサ３を有している。温度センサ３内には、温度センサ素子６のアナログ測定値をディジタル測定値に変換するアナログ／ディジタル変換器７が設けられている。通常の場合は電子スイッチとして形成されるスイッチ１４を用いて、複数のディジタル化された測定値の内のどの測定値が唯一つのディジタルインタフェース１２に供給されるかを決定することができる。例えば、主として質量流量センサ素子５がディジタル化された測定値を唯一つのディジタルインタフェース１２に送信し、且つ、例えば毎秒この送信が中断され、その中断時に、温度センサ素子６によって記録されディジタル化された測定値を唯一つのディジタルインタフェース１２に伝送できるように、スイッチ１４を制御することができる。温度センサ素子６の測定値の伝送を非常に短い時間窓において行うことができ、それにより、質量流量センサ素子５による質量流量のほぼ連続的な測定は極僅かにしか妨害されない。更には、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサは給電用インタフェース１３を一つだけしか有していないので、それによって給電線９も一つだけしか必要とされない。
【００１８】
図５には、付加的な圧力センサ１７及び付加的な湿度センサ１６が設けられている、質量流量及び温度を検出するためのセンサ１が示されている。内燃機関の吸気系における質量流量を検出する際には、質量流量自体の測定の他に、質量流量に生じている温度、質量流量における空気の湿度及び／又は質量流量の圧力に関する情報も得ることは更に有用である。内燃機関を制御するために最終的に重要になる特性量は、燃焼室に供給される酸素量である。勿論、この酸素量は実質的には質量流量に依存しているが、しかしながら質量流量における温度、質量流量が搬送される圧力並びに質量流量における空気の湿度によっても影響を受ける。従って、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサにおいては、有利には、質量流量センサ２、温度センサ３、湿度センサ１６及び圧力センサ１７が単一のケーシング１１内に統合されている。質量流量センサ２は質量流量センサ素子５を有しており、その測定信号はアナログ／ディジタル変換器７によってディジタル化される。温度センサ３は温度センサ素子６を有しており、その測定値はアナログ／ディジタル変換器７によってディジタル化される。湿度センサ１６は湿度センサ素子２０を有しており、その測定結果はアナログ／ディジタル変換器７によってディジタル化される。圧力センサ１７は圧力センサ素子２１を有しており、その測定値はアナログ／ディジタル変換器７によってディジタル化される。質量流量センサ素子５、温度センサ素子６、湿度センサ素子２０及び圧力センサ素子２１のディジタル化された測定値はスイッチ１４に送信される。このスイッチによって、ディジタル化された信号の内のどの信号が各時点において機関制御装置４に送信されるかが決定される。更に、スイッチはいわゆる電流インタフェース２２として形成されており、この電流インタフェース２２を用いることにより、質量流量センサ素子５、温度センサ素子６、湿度センサ素子２０及び／又は圧力センサ素子２１のディジタル化された信号を、給電用インタフェース１３（このインタフェースはそれと同時にディジタルインタフェース１２として使用される）を介して、給電線９（この線路はそれと同時に信号線として使用される）に沿って機関制御装置４に送信することができる。従って、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサはインタフェースを一つだけしか有しておらず、このインタフェースは唯一つのディジタルインタフェース１２としても、唯一つの給電用インタフェース１３としても使用される。機関制御装置４と、流体流の質量流量及び温度を検出するためのセンサとの間においては線路が一つだけしか必要とされず、その線路がディジタル信号線８としても給電線９としても使用される。その場合、質量流量及び温度を検出するためのセンサは、質量流量の測定値、温度の測定値、質量流量における空気の湿度の測定値、及び／又は、質量流量に生じている圧力の測定値を機関制御装置４に伝送することができる。
【図１】
2015506029.tif 000003
【図２】
2015506029.tif 000004
【図３】
2015506029.tif 000005
【図４】
2015506029.tif 000006
【図５】
2015506029.tif 000007
【国際調査報告】
2015506029.tif 000008
2015506029.tif 000009
2015506029.tif 000010
2015506029.tif 000011