(57)【要約】    【課題】  内燃機関等の吸気流量計の出力について、脈動誤差を低減することができ、かつ応答遅れ補正（応答遅れの回復）時の補正ばらつきを低減する。    【解決手段】  流量測定信号を入力する制御ユニットの前処理用デジタル装置４０として、流量センサの出力電圧をデジタル値に変換する手段４１、このデジタル値を流量に変換する変換手段（リニアライズ）４２、流量値を平滑化する手段（例えばローパスフィルタ：応答遅れを付加する要素）４３、平滑化した流量値を電圧値に変換する手段４４等を備える。また、選択信号Ｑsetにより、前処理後の出力信号Ｖｏｕｔと装置のクロック信号ｆｃｔを切り替えて出力する選択手段４９を設ける。制御ユニットは、クロック信号のばらつきから応答遅れの程度を検出して、応答遅れ回復とそのばらつきを低減するための補正を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流量に応じて非線形な信号を出力する流量検出素子を有する熱式流量計において、
前記流量検出素子の出力信号を加工処理する過程で応答遅れを付加する応答遅れ要素と、
この応答遅れに関する情報を応答遅れ回復機能を有する制御ユニットに伝達する手段と、を有することを特徴とする熱式流量計。
【請求項２】
前記応答遅れ要素により付加する応答遅れは、前記流量検出素子自身の応答遅れよりも大きい時定数である請求項１記載の熱式流量計。
【請求項３】
前記応答遅れに関する情報は、応答遅れのばらつきを示すパラメータである請求項１記載の熱式流量計。
【請求項４】
流量に応じて非線形な信号を出力する熱式流量計と、前記流量計の出力を線形処理および平滑化した後に非線形出力に戻す前処理を行う前処理手段と、前処理された前記流量計の出力に基づき被制御機器の制御量を算出する制御ユニットと、を備えた制御システムにおいて、
前記前処理手段は、前記流量計の出力を平滑化することにより生じる応答遅れの程度を示すパラメータを、前記制御ユニットへ出力する機能を有し、
前記制御ユニットは、前記応答遅れを補正する機能と前記パラメータに基づき応答遅れ補正のばらつきを低減する機能を有している、ことを特徴とする熱式流量計。
【請求項５】
流量に応じて非線形な信号を出力する熱式流量計と、前記流量計の出力に基づき被制御機器の制御量を算出する制御ユニットと、を備えた制御システムにおいて、
前記流量計の出力信号を前記制御ユニットに入力する際の前処理過程で、該出力信号に応答遅れを付加する応答遅れ要素を有し、
前記制御ユニットは、この応答遅れに関する情報を用いて前記応答遅れを補正する機能を有する、ことを特徴とする制御システム。
【請求項６】
前記応答遅れに関する情報は、応答遅れのばらつきを示すパラメータである請求項５記載の制御システム。
【請求項７】
前記流量計の出力信号を前記制御ユニットに入力する際の前処理過程で、前記出力信号を前記応答遅れ要素に通すか否か前記制御ユニット或いはその他の外部ユニットからの指令に応じて選択可能にした請求項５記載の制御システム。
【請求項８】
前記流量計の出力信号は、前記制御ユニットに入力される前にデジタル的に加工処理され、前記応答遅れに関する情報がデジタル加工処理に用いるクロック信号である請求項５記載の制御システム。
【請求項９】
前記流量計の出力信号が周波数出力であり、前記制御ユニットに入力される前にデジタル的に加工処理され、前記応答遅れに関する情報は、デジタル加工処理に用いるクロック信号であり、このクロック信号が前記流量計の出力信号である周波数に重畳されて出力される請求項５記載の制御システム。
【請求項１０】
前記流量計の出力信号が周波数の基準信号により同期した周波数出力であり、前記制御ユニットに入力される前にデジタル的に加工処理され、前記応答遅れに関する情報は、デジタル加工処理に用いるクロック信号であり、このクロック信号が前記基準信号により計数される請求項５記載の制御システム。
【請求項１１】
前記制御ユニットからの要求に応じて、前記流量計の出力信号の応答速度の程度を選択可能にした請求項５記載の制御システム。
【請求項１２】
前記制御ユニットからの要求に応じて、前記流量計の出力信号の形態を選択可能にした請求項５記載の制御システム。
【請求項１３】
前記流量検出素子と前記応答遅れ要素とがシリコン基板上に一体に形成されている請求項１記載の熱式流量計。
【請求項１４】
流量に応じて非線形な信号を出力する熱式流量計と、前記流量計の出力信号を加工して前記流量計に関連する装置に伝達する複数の伝達要素とを備え、
前記関連装置は、少なくとも前記伝達要素の応答遅れもしくは応答遅れのばらつきを検出する機能と、この応答遅れに関する検出信号を用いて前記流量計の応答遅れを補正する機能と、を有することを特徴とする流量測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気等の流体の流量を検出するための熱式流量計及びこれを利用した流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度特性を有する発熱抵抗体，温度補償抵抗体等の感温抵抗体を用いた熱式空気流量計は、質量空気量を直接検知できることから、自動車などの内燃機関の吸入空気流量を測定するために広く使用されている。検出された空気流量信号は、電子制御燃料噴射装置の燃料噴射量の演算などに利用される。
【０００３】
発熱抵抗体などの感温抵抗体は、白金線をボビンに巻きつけてガラスでコーティングする熱線式タイプのものが広く実用化され、さらに近年では、薄膜抵抗体をセラミック基板上やシリコン基板上に形成する薄膜タイプ、ポリシリコンなどの半導体タイプが提案されている。
【０００４】
流量の検出方式は、流路に設置される発熱抵抗体に温度補償抵抗体との温度差が所定差になるように加熱制御し、その発熱抵抗体に流れる電流を直接検出する方式と、発熱抵抗体の両側に温度検出抵抗体を配置し、温度検出抵抗体の温度差により流量を検出する方式等がある。いずれも、基本的には、感温抵抗体が流体と熱交換するときに変化する抵抗温度特性を利用している。
【０００５】
出力の応答遅れが比較的大きな流量検出素子を使用する場合には、応答遅れの時定数を逆変換して応答遅れを補正する必要がある。このような応答遅れの補正は、制御装置（例えばエンジン制御ユニット）に流量検出信号が入力される前の段階（前処理）でセンサ側で行ったり（特開平８−６２０１２号公報、特開平１１−１４４１８号公報等）、エンジン制御ユニット側で行ったりしている（例えば特開平６−１０７５２号公報、特開２００３−１３７８９号公報等）。
【０００６】
前者が、デジタル的な補正による流量計（センサ）の特性補正の一例で、後者がセンサの応答遅れによる計測誤差を改善するためにエンジン制御ユニット側で用いる方式の一例である。いずれも応答遅れの大きなセンサを活用する場合に、その応答遅れを改善するために用いている。
【０００７】
また、熱式流量センサは、非線形な出力特性を有し、かつエンジンなどの吹き返しにより脈動を伴うこともある。これらは、出力信号の誤差要因であるために、出力信号をデジタル的にセンサの回路側でデジタル補正して、エンジン制御ユニット側に出力する一例が特開平１１−９４６２０等に記載されている。
【０００８】
特開昭６２−８２１号では、４気筒以下のエンジンの低回転数領域や、重負荷運転領域において、吸入空気量の脈動振幅が大きく一部逆流を伴う脈動流の場合、従来の空気流量装置では精度が低下するため、脈動を補正する技術が記載されている。
【０００９】
また、脈動を伴う流量出力信号の誤差を低減する方法として、特開平１１−３１６１４５公報、特開平１１−３３７３８２公報等には、エンジン制御ユニットやセンサ制御用のマイコンを用いて、次のような誤差補正を行うことを提案している。すなわち、非線形なセンサの出力信号を、空気流量に変換するマップ等を用いて線形な信号（流量）に変換し、フィルタにより脈動振幅を低減させた後、再度非線形化することによって、最終的な出力信号の振幅を低減し誤差を低減している。
【００１０】
【特許文献１】特開平８−６２０１２号公報
【００１１】
【特許文献２】特開平１１−１４４１８号公報
【特許文献３】特開平６−１０７５２号公報
【特許文献４】特開２００３−１３７８９号公報
【特許文献５】特開平１１−９４６２０号公報
【特許文献６】特開昭６２−８２１号公報
【特許文献７】特開平１１−３１６１４５号公報
【特許文献８】特開平１１−３３７３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
一般に発熱抵抗体を用いた熱式流量計の出力と空気流量との関係は、キングの式と呼ばれる次式によって表される。
【００１３】
Ih２・Rh＝C1+C2√Q)(Th−Ta)・・・・・・（１）
ここでIhは発熱抵抗体に流れる加熱電流、Rhは発熱抵抗体の抵抗値、Thは発熱抵抗体の表面温度、Taは空気の温度、Qは空気流量、C1、C2は発熱抵抗体で決まる定数である。
【００１４】
空気流量計の出力は、加熱電流Ihを検出抵抗を用いて電圧値として検出するのが一般的である。内燃機関の制御に用いるエンジン制御ユニットでは、（１）式の関係からセンサの出力電圧値を流量値に変換して内燃機関の空気と燃料の割合などを制御している。
【００１５】
熱式流量計の出力信号と実際の流量との関係は、（１）式に示されるように、非線形な関係（流量の４乗根が電圧値）であるため、流量を検出するためには、何らかの線形化手段が必要となる。
【００１６】
また、流体の流れに脈動等の動的流れの変動要素が含まれている場合、その検出誤差を低減する方法として、流量検出信号をデジタル変換した後、空気流量に変換して線形化（リニアライズ）し、線形な領域でローパスフィルタ等を用いて脈動振幅の低減や、平均化処理をする。その後、必要に応じて再度本来の信号形態である非線形な信号に戻し、最終的に脈動影響の受けにくい信号とする手段が既に提案されている。
【００１７】
ここで、ローパスフィルタ等を用いて脈動振幅の低減した信号は、応答性が遅れるため、制御ユニット（例えばエンジン制御ユニット）では、応答性の回復処理などが必要となる。
【００１８】
その際、ローパスフィルタをデジタル的な手段で構成すると、ローパスフィルタの駆動に用いるクロック信号のばらつきによって、脈動低減後の信号の応答遅れにもばらつき（変動）が生じる。
【００１９】
したがって、この応答遅れのばらつきに対して充分な配慮がなされないと、エンジン制御ユニット側で応答性の回復処理を行ったとしても、回復処理による効果も大きくばらつくことになる。デジタル手段においては、クリスタル等の精度の良いクロック信号を用いれば回復後の応答ばらつきは低減されるが、センサ装置のコストが増加することになる。
【００２０】
本発明の目的は、内燃機関等の脈動や逆流の大きな環境下に於いて、流量計の脈動誤差を低減することができ、かつ応答遅れ補正（応答遅れの回復）時の補正ばらつきを低減した流量計を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明は、基本的には次ような手段を提案する。
【００２２】
流量に応じて非線形な信号を出力する流量検出素子を有する熱式流量計において、前記流量検出素子の出力信号を加工処理する過程（前処理過程）で応答遅れを付加する応答遅れ要素と、この応答遅れに関する情報を応答遅れ回復機能を有する制御ユニットに伝達する手段と、を有する。応答遅れに関する情報としては、応答遅れの程度やばらつきを示すパラメータがある。
【００２３】
前記制御ユニットは、前記応答遅れを補正する機能と前記パラメータに基づき応答遅れ補正のばらつきを低減する機能を有している。
【００２４】
例えば、流量の脈動時の測定誤差を低減するために、制御ユニットの前処理用デジタル装置として、流量を検出したセンサの出力電圧をデジタル値に変換する手段、このデジタル値を流量に変換する変換手段（リニアライズ処理手段）、流量値を平滑化する手段（例えばローパスフィルタであり、これは応答遅れを付加する要素になる）、平滑化した流量値を電圧値に変換する手段等を備える。また、デジタル前処理装置に、選択信号により、前処理後の出力信号と装置のクロック信号を切り替えて出力する選択手段を設ける。
【００２５】
そして、制御ユニット（流量計の出力信号を受け取る側の装置）では、このクロック信号のばらつきから応答遅れの程度（応答遅ればらつき）を検出して、応答遅れ回復とそのばらつきを低減するための補正を行う。
【００２６】
以上の手段により流量の脈動時や過渡応答時において、センサの本来の信号の特性を失わずに脈動や応答時の流量の測定精度を高めることができる。
【００２７】
なお、上記応答遅れを付加する要素としては、出力信号を平滑処理するローパスフィルタがそれに該当するが、この応答遅れを付加する要素は、例えば次のような場合にも使用される。すなわち、流量検出素子として高速応答性を有するもの（例えば半導体素子タイプ）を使用するのに対し、それを受け取る制御ユニットを、比較的安価な応答性のさほど速くないタイプのものを使用する場合である。このような場合に、両者を適合させるために、前処理用として応答遅れ要素を付加することも考えられるが、そのときに生じる応答遅れのばらつき（例えばクロック信号のばらつきに起因する）を補正するにも有効である。
【発明の効果】
【００２８】
熱式流量計のセンサ出力の基本的な特性をそこなうことなく非線形性による誤差を低減でき、かつ本流量計を使用する制限条件を緩和できる。また、応答遅れ補正（応答遅れの回復）時の補正ばらつきを低減した流量計を実現することが可能となり、自動車の運転性の向上、生産性の向上などが図れる。また、脈動、過渡時の計測誤差を低減することで、エンジン制御に用いた場合はより精度の良い制御が可能となり、排ガスの低減や燃費の向上といった効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の好ましい実施例を図面に基づき説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１実施例に係る流量測定装置のブロック回路を示し、図２に第１実施例の流量計１の出力を前処理して制御ユニット（信号処理ユニット）５に送るデジタル回路（前処理回路）２を示す。
【００３１】
熱式流量計１の駆動回路（センサ回路）１は、電源１０に接続され、発熱抵抗体１１に流れる電流を、発熱抵抗体１１と温度補償抵抗体１２との温度差が所定温度差を保つように加熱制御する。発熱抵抗体１１は、流量測定対象の通路に配置され、流体との間で流量に応じた熱交換をする。そして、流量が増大するほど、発熱抵抗体の奪われる熱量が増加するので、温度補償抵抗体との温度差を一定に保つための加熱電流が大きくなる。
【００３２】
熱式流量計の流量信号は、発熱抵抗体１１に流れる電流を電圧に変換した出力信号を用いるか、或いは発熱抵抗体１１の上流、下流に温度検出抵抗体を設け、これらの温度検出抵抗体の出力差を利用する。後者の方式は、流体の流れを基準にして、発熱抵抗体の上流に位置する温度検出抵抗の温度が下流に位置する温度検出抵抗よりも流量が増大するほど低下することに着目して、両温度検出抵抗体の出力信号の差から空気流量を求めるものであり、流体の方向性も検出できる利点がある。
【００３３】
熱式流量検出素子（熱式流量計）の出力は、非線形出力であり、脈動成分を含み、それらは出力信号の流量誤差要因となる。デジタル処理装置２は、このような誤差を補正するデジタル誤差調整装置を構成するものであり、その後段の制御ユニット（信号処理ユニット）の前処理回路となる。デジタル処理装置２は、マイクロコンピュータや専用ロジックなどのデジタル手段で構成される。
【００３４】
デジタル手段２で実行される出力信号の誤差調整の内容は、例えば特開平１１−３１６１４５号公報において詳述されている。
【００３５】
本実施例では、このデジタル処理回路２に、さらに、意図的な応答遅れ手段と、その応答遅れを情報を後段の制御ユニット５に伝える手段（図１のＩ／Ｏ２６、選択スイッチ２７、図２の出力選択処理４６、選択スイッチ４９）と、制御ユニット５の指令に基づき応答遅れ処理を実行するか否かを選択する手段（図１のＩ／Ｏ２６、図２の出力選択処理４６、選択スイッチ４８）とを付加してなる。
【００３６】
誤差調整は、センサ回路１の出力信号Ｖｉｎをアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２１によりデジタル値に変換し、このデジタル信号に対して、演算回路２２は、書き換えメモリ２３に用意された補正データを用いて誤差補正（リニアライズ、平滑化処理）を施し、デジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）２４によりセンサ回路１の出力と同等の電圧値（誤差調整を施した信号）を、出力信号選択手段（ＳＷ）２７を介してエンジン制御ユニット５に出力する。
【００３７】
ここで、デジタル処理回路２の演算回路２２が実行する誤差調整演算処理４０の流れを図２により説明する。
【００３８】
演算処理４０では、センサ回路１の出力Ｖｉｎを入力し、アナログ・デジタル変換処理４１を実行して出力Ｖｉｎをデジタル値Ｖａｄとする。
【００３９】
次いで、デジタル値ＶａｄにＶ−Ｑ変換処理（電圧―流量変換）４２を施す。Ｖ−Ｑ変換処理４２は、書換メモリ２３（図１）にマップ化されているＶＱマップを用いて、流量に対して非直線特性を示しているデジタル値Ｖａｄを流量Ｑａに変換する。この処理は、出力信号をリニアライズすることになる。なお、Ｖ−Ｑ変換に先立って、必要に応じて、センサ出力の応答を電圧値で回復処理してもよい。この場合には、より正確な流量値Ｑａを得ることができる。
【００４０】
次いで、流量値Ｑａに例えばローパスフィルタにより平滑処理４３（応答遅れ付加処理）を施す。
【００４１】
この応答遅れ処理４３を実行するか否かは、出力時にソフトスイッチ４８により選択可能である。ソフトスイッチ４８の動作は、制御ユニット５からの指令に基づいて出力選択処理４６により行われる。
【００４２】
流量値Ｑａは、応答遅れ処理４３が選択されれば、それを経た後、それが選択されなければ直接、デジタルＱ−Ｖ変換（流量―電圧変換）処理４４が行われ、それにより、入力された電圧信号Ｖｉｎと同様の非線形な信号が形成され、デジタル・アナログ変換器４５によりアナログ信号を出力するものである。なお、これらの一連の処理は、調整パラメータを用いて行なわれる。
【００４３】
デジタル処理４０は、エンジン制御ユニット等からの制御信号Ｑｓｅｔにより出力選択処理４６を動作させることが可能である。それにより図２のスイッチ４９（図１のスイッチ２７）を介して、流量出力信号と、基準クロック信号ｆｃｋとを切り替えて出力することや、スイッチ４８を介して応答遅れの有無を選択することが可能である。
【００４４】
ここで応答遅れ処理は４３、センサの電圧信号を流量に変換して平滑を施す際に、調整パラメータによって脈動時の平均値を可変とする処理等を施しても構わない。
【００４５】
本実施例では、センサ（流量計）からは、外部（又は、内部の一定条件を満たす場合のデジタル誤差調整装置２自身の繰り返し処理等）からの選択信号等により、スイッチ４９を介して通常の電圧出力Ｖｏｕｔと、基準クロックｆｃｋなどの異なる信号を一本の信号線で出力することが可能である。
【００４６】
出力信号選択手段（ＳＷ）２７は、発振器（ＯＳＣ）２５の基準クロック出力信号ｆｃｋとデジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）２４の出力Ｖｏｕｔを、Ｉ／Ｏ（インターフェイス）装置２６を介した外部からの選択信号Ｑｓｅｔにより切り替える。
【００４７】
次にエンジン制御ユニット５の演算処理の流れを図３により説明する。センサの出力信号Ｖｏｕｔを受けアナログフィルタ６１を介し、アナログ・デジタル変換処理６２によりデジタル値とし、Ｖ−Ｑ変換（電圧―流量変換）６３により流量値に変換する。その後、流量Ｑｓｐ（応答遅れのあるセンサの出力信号Ｖｏｕｔを流量に変換したもの）に対し、応答回復処理６４を施して、応答性を回復した信号Ｑａｉを得る。この際、応答回復処理６４は応答回復のための調整用パラメータＴ１により応答性が調整される。ここでは、代表的に一つの時定数としてＴ１のみで説明するがパラメータは複数あっても構わない。
【００４８】
制御ユニット５には、センサの選択スイッチ２７を介して、流量出力信号Ｖｏｕｔに代わって、起動時や、エンジン制御ユニット等からの制御信号Ｑｓｅｔにより、基準クロック信号ｆｃｋが入力される場合がある。その場合には、応答パラメータ検出処理６５により、基準クロックの周波数又は、一定時間内のパルスのカウント数を検出することで、基準クロックのｆｃｋのばらつきを知ることができる。基準クロックのばらつきが解れば、応答回復処理６４に用いる調整用のパラメータを自動的に生成することなども可能となる。
【００４９】
本発明の効果を、図４のステップ応答を参照して説明する。
【００５０】
まず図４（ａ）に示すように、エンジン制御ユニットで扱うセンサの出力信号は、センサ側で応答遅れ処理がなされることでゆっくりとした立ち上がりになる。ここで、センサ側の基準クロックがばらつきにより変動しているとすると、応答性も変化し、応答のばらついた破線の様な信号となる。この信号に応答回復処理６４を施すことで応答性が回復する。
【００５１】
図４（ｂ）に示す様に本来の中央値の特性に合わせて補正すると、クロック変動やばらつきにより応答補償後の流量が大きくばらつくことになる。これは、クロックのばらつきが大きいほど大きくなる。
【００５２】
これに対し図４（ｃ）に示す様に、本発明ではクロックのばらつきに応じて調整パラメータを変更することで、応答補償後のばらつきを大きく押さえることが可能となる。
【００５３】
特に本発明の応答遅れ回復処理６４は、高速応答性を有する流量センサ、例えばシリコンダイヤフラム上に構成された半導体センサと組み合わせて使用した場合でも有効に発揮する。すなわち、高速応答性を有する流量センサは、センサ自身は、応答遅れもなくばらつきも少ないが、平滑処理などの応答遅れ要素を通すと、応答遅れが生じ、しかもクロック信号のばらつきの影響で応答遅れにばらつきが生じてしまう。このような場合であっても、応答遅れに対する回復をばらつきを低減して実行することができる。したがって、ユーザに使い勝手の良いセンサを提供することが可能となる。
【００５４】
具体的なハードウェア構成を図５により説明する。
【００５５】
図５の制御システムは、発熱抵抗体１１の熱的影響を受ける位置（発熱抵抗体１１の上流、下流位置）に温度検出抵抗体２１１ｄ〜２１１ｇを配置する。このような構造は、抵抗体の温度差に応じた電圧信号より方向性を伴った流量を得ることができ、いわゆる温度差式タイプの流量計と称せられる。この方式は、流れの向きを検知することで逆流量の検出を可能とする等、大きな脈動を含む流量の検出に適したものである。
【００５６】
熱線駆動回路１は電源１０１に接続される。熱線駆動回路１は発熱抵抗体２１１ａ、温度補償抵抗２１１ｃ、抵抗１３、１４、１７を有するホイーストンブリッジ回路により構成される。また、ブリッジ中点の電位差がゼロになるように、差動増幅器１５、トランジスタ１６によって発熱抵抗体２１１ａに流れる電流を調整するように構成されている。
【００５７】
発熱抵抗体２１１ａの加熱温度が低いと、差動増幅器１５の出力が大きくなり、更に加熱するように動作する。この構成により流速（流量）によらず発熱抵抗体２１１ａの抵抗値は一定に、すなわち温度補償抵抗体２１１ｃに対して温度差が一定値になるように、発熱抵抗体２１１ａに流れる電流が制御される。
【００５８】
発熱抵抗体２１１ａの上流、下流に配置した温度検出抵抗体２１１d、２１１e、２１１f、２１１gは、ブリッジを構成し、中点の電位Ｖｂ１、Ｖｂ２の差より抵抗体の温度差を検出する。この方式は、流れの方向に応じた出力が得られる。
【００５９】
ここで温度検出抵抗体２１１d、２１１e、２１１f、２１１gは、電源電圧Ｖｒｅｆ１により一定電圧で駆動される。この抵抗体の温度差を検出する方式は、差動で検出するため低流量側の感度が良く、逆流といった双方向の流れの検出に適している。
【００６０】
本例では、発熱抵抗体２１１ａは、シリコン半導体基板上２１１に薄膜で形成され、そのパターンの一例を図６に示す。
【００６１】
発熱抵抗体２１１aは、縦長で抵抗が折り返したパターンで、この両側に温度検出用の抵抗体２１１d、２１１e、２１１f、２１１gが配置された構造となっている。この、発熱抵抗体２１１aと、温度検出用の抵抗体２１１d、２１１e、２１１f、２１１gは、例えばシリコン基板２１１の裏面からエッチングされ熱容量が小さなダイヤフラム構造部に配置されている。
【００６２】
空気温度を補償する温度補償抵抗体２１１cは、発熱抵抗体２１１aの加熱による温度影響が受けにくい場所に配置されている。断面構造を図７に示す。抵抗パターンのある場所が最も厚みがある構造となっている。
【００６３】
温度検出抵抗体２１１d、２１１e、２１１f、２１１gのブリッジ中点の電位Ｖｂ１、Ｖｂ２は、デジタル誤差調整装置２２０に入力する。デジタル誤差調整装置２２０は、入力電位Ｖｂ１，Ｖｂ２に対応して２つのアナログ・デジタル変換器２２１ａ、２２１ｂを有し、流量に応じた電圧値をデジタル値に変換して読み取る。
【００６４】
マイクロコンピュータ２２２のＣＰＵ２２２ａは、既述した図２に前処理を実行するためのデジタル演算を行い、デジタル・アナログ変換器２２４は、その前処理された出力電圧Voutをアナログに変換してエンジン制御ユニット等に送る。
【００６５】
ここでデジタル誤差調整装置２２０は、先の実施例と同様の構成である。外部から供給される電圧Ｖｃｃは、電源として装置内部の電源・保護回路２２８に入力される。電源・保護回路２２８は、外部電圧Ｖｃｃに依存した電源電圧Ｖｒｅｆ１を、スイッチ２２５ａを介し、アナログ・デジタル変換器２２１ａ、２２１ｂ、デジタル・アナログ変換器２２４に基準電圧として供給する。
【００６６】
スイッチ２２５ａは、デジタル誤差調整装置２内部の基準電圧回路２２９で発生した電圧Ｖｒｅｆ２と、先の外部電圧Ｖｃｃに依存した電源電圧Ｖｒｅｆ１とを切り替えるものである。ここでアナログ・デジタル変換器２２１ａ、２２１ｂは、ブリッジ回路の出力Ｖｂ１、Ｖｂ２等を直接入力しているため精度が必要となる。精度を確保し、かつ回路規模を小さくするには、例えばΔΣ型のアナログ・デジタル変換器を用いればよい。
【００６７】
デジタル・アナログ変換器２２４も同様に、スイッチ２２５により基準電圧を変えることができる。これは、アナログ値でインターフェイスする場合の基準を、自由に選択するためである。誤差調整装置（前処理装置）２と接続される制御ユニット側のアナログ・デジタル変換器の基準電圧と、外部から供給される電圧Ｖｃｃが同様もしくは、同期して変動する場合は、電源電圧Ｖｒｅｆ１を基準とし、制御ユニット側とは関連性が無い場合は独立した基準電圧Ｖｒｅｆ２を選択する。それによって、前処理装置とこれに対応する制御ユニットとの対応が容易で、アナログインターフェイスのアンマッチングによる誤差を少なくできる。
【００６８】
発熱抵抗体２１１は、ポリシリコン抵抗体（半導体タイプ）のほかに、熱線式のものでもよい。熱線式は、例えばセラミックなどの熱伝導性の良い絶縁材料で作られた円筒状または円柱状のボビンの表面に、発熱体として白金やタングステンの熱線が巻かれており、被覆材としてガラスやセラミックスがコーティングされたものである。また、板型のガラスやセラミック、シリコンなどの基板上に、発熱体として白金やタングステンの薄膜や厚膜、等が形成されたものであっても良い。
【００６９】
発熱抵抗体２１１及び温度検出抵抗体２１１ｄ〜２１１ｇ、温度補償抵抗体２１１ｃは、例えば自動車等の内燃機関の吸気通路内に設けられ、吸気通路に流れる空気流量に対応した温度検出抵抗体の電圧出力（発熱抵抗体の電圧出力であってもよい）が出力として得られる。
【００７０】
この出力電圧を、マイクロコンピュータや専用ロジックなどのデジタル手段で構成されたデジタル誤差調整装置２２０に内蔵するアナログ・デジタル変換器２２１ａ，２２１ｂに入力してデジタル変換される。
【００７１】
デジタル誤差調整装置２内のＣＰＵ２２２ａは、変換されたデジタル値に対し、必要に応じて応答回復処理を施し、その後センサ特性の個別ばらつきを吸収するための出力調整処理をする。その後センサの電圧信号を任意の第１の変換式ｆｘ１で流量に変換して平滑を、第２の変換式ｆｘ２で感度を調整する等の不均等線形化処理を施す。不均等線形化後の出力は、必要に応じて再度線形化処理を施し、エンジン制御ユニット等にデジタル・アナログ変換器２２４用いて非線形な電圧値を出力する。
【００７２】
デジタル誤差調整装置２２０は、各種流量変換式等の基準となる流量変換マップやプログラムを内蔵した不揮発性メモリ（ＲＯＭ）２２２ｃ、発熱抵抗体１１の抵抗値ばらつき等の個体差情報、平滑処理の平滑の度合い（周波数特性等）、及び不均等線形化を施すための各種関数を変更するための調整パラメータ、応答回復処理の度合い等を記録した書き換え可能なメモリ（ＰＲＯＭ）２２３、ＣＰＵ２２２ａの演算作業領域に用いるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２２２ｂ、内部クロックを発生する発振器（ＯＳＣ）２２６等により構成される。書き換え可能なＰＲＯＭ２２３は、デジタル誤差調整装置２２０に内蔵されなくてもかまわないが、一回以上の書き込みが出来るものであれば、ヒューズ型のＲＯＭや電気的消去可能なＥＥＰＲＯＭ、一括消去するフラッシュＲＯＭ、強誘電体膜の分極現象を利用した高速な不揮発性メモリなどであっても良い。
【００７３】
以上のような第１の実施例によれば、熱式流量計のセンサ出力の基本的な特性をそこなうことなく非線形性による誤差を低減でき、かつ本センサを使用するユーザにとっての使用制限が少なくなるという効果がある。また、応答遅れ補正（応答遅れの回復）時の補正ばらつきを低減した流量計を実現することが可能となり、自動車の運転性の向上、生産性の向上などが図れる。
【００７４】
次に、本発明の第２の実施例を図８により説明する。これは、周波数信号をＩ／Ｆ（インターフェイス）信号に用いた一例である。
【００７５】
先の実施例と異なるのは、デジタル・周波数変換器（Ｄ／ｆ変換器）２８を用いて信号を出力することであり、パルス上の信号を扱うことで、信号の重畳などがやりやすくなるという利点がある。
【００７６】
エンジン制御ユニット５は、周波数をカウントするためのタイマー５３を準備し、エンジンのクランク角などの基準信号Ｔｒｅｆなども入力可能な構成となっている。先の実施例と同様にセンサからの出力信号ｆｏｕｔの、応答性の選択や、基準クロック信号ｆｃｋ等との切り替えが可能な構成となっている。
【００７７】
詳細な演算処理の流れを図９により説明する。演算処理４０では、センサ回路１の出力Ｖｉｎを入力として、アナログ・デジタル変換処理４１によりデジタル値とし、必要に応じて応答回復処理を施したのちＶ−Ｑ変換（電圧―流量変換）４２し、応答遅れ処理４３をする。応答遅れ処理４３の適用の有無は出力時にソフトスイッチにより選択可能である。
【００７８】
応答遅れ処理４３の後、Ｑ−Ｖ変換（流量―電圧変換）４４により入力された電圧信号Ｖｉｎと同様の非線形な信号とし、デジタル・周波数変換器４８により非線形に圧縮周波数信号を出力するものである。また、エンジン制御ユニット等からの制御信号Ｑｓｅｔにより動作する出力選択処理４６により、センサ出力信号と基準クロック信号ｆｃｋと切り替えて出力することや、応答遅れの有無を選択することが可能である。この際周波数の場合はダイナミックレンジを比較的大きく取れる場合があるので、必ずしもＱ−Ｖ変換（流量―電圧変換）４４により入力された電圧信号Ｖｉｎと同様の非線形な信号とすることは必要ではない。
【００７９】
センサからは、外部（又は、内部の一定条件を満たす場合のデジタル誤差調整装置２自身の繰り返し処理等）からの選択信号等により、通常の周波数出力ｆｏｕｔと、基準クロックｆｃｋなどの異なる信号を一本の信号線で出力することが可能である。
【００８０】
次にエンジン制御ユニット５の演算処理の流れを図１０により説明する。制御ユニット５は、流量センサの周波数出力ｆｏｕｔを入力し、同期サンプリング処理６６により周波数信号をデジタル値とし、ｆ−Ｑ変換（周波数―流量変換）６７により流量値に変換し、その後応答回復処理６４により、応答遅れのある流量値Ｑｓｐ（センサの周波数出力ｆｑａｆを流量に変換したもの）に対し、応答性回復処理を施して、応答性の回復した信号Ｑａｉが得られる。この際、応答回復処理６４は応答回復のための調整用パラメータＴ１により応答性が調整される。
【００８１】
周波数信号ｆｏｕｔに対し、基準クロック信号ｆｃｋは、図１１（ａ）に示す様に、基準信号を用いたクロックをＴｒｅｆ間でカウントすることによりクロックのばらつき情報を求める。この場合、図１１（ｂ）に示す様に、基準クロック信号ｆｃｋを周波数出力信号ｆｏｕｔに信号を重畳して出力しても構わない。応答パラメータ検出処理６５により、基準クロックの周波数や、一定時間内のパルスのカウント数を検出することで、基準クロックのｆｃｋのばらつきを知ることができる。基準クロックのばらつきが解れば、応答回復処理６４に用いる調整用のパラメータを自動的に生成することなども可能となる。流量と出力周波数の関係、流量とクロックカウント数との関係を図１５に示す。
【００８２】
流量に対して非線形な出力となる出力周波数に対し、クロックのカウント数は逆数である。一定の基準の特性ｆｃｎｔ０に対し、流量ゼロの点と、ある流量点とでのクロックパルスのカウント数を２点計測すれば、全体のクロックによるばらつきが推定できる。したがって、予めクロックカウント数の代表特性をメモリ等の記録し、これに対して、推定されたばらつきに基づき補正することで、高精度に流量に対する応答遅れのばらつき（クロックのばらつきに起因するもの）を補正することができる。
【００８３】
本実施例では、周波数を信号に用いることで、アナログ信号特有のグランド側の信号浮きによる精度劣化を防ぎつつ、応答性の精度向上を図ることができる。
【００８４】
次に、本発明の第３の実施例を説明する。Ｉ／Ｆ信号の応答遅れ（速い、遅い）、信号伝達の種類（電圧出力、周波数出力）を、エンジン制御ユニットなどの外部コントローラの信号ＳＣＩ（シリアル・コミュニケーション・インターフェイス）や、先に述べた選択信号Ｑｓｅｔ等によって随時調整をリアルタイムに調整可能とするものである。このように応答性のリアルタイム調整が可能になれば、エンジンや吸気系が変わったような場合でもマッチング動作を容易に実施することができる。
【００８５】
具体的な外部のコントローラによる動作を図１２により説明する。これは出力が電圧の場合であるが、周波数の場合でも同様なことが言える。
【００８６】
まず電源投入時のバッテリ電圧ＶＢの立ち上がりに着目し、例えばバッテリ電圧ＶＢ直後の一定時間Ｔｖｂ１間を、ＶＢ起動直後としてデジタル誤差調整装置２自身の動作から判別する。この状態で出力選択信号Ｑｓｅｔが一定時間Ｈｉとなると（Ｔｓｅｔ１）、その際は出力選択処理４６（図９）で、投入後の出力動作と判定して、出力信号としてクロック信号ｆｃｋと選択する。その場合は、センサの出力信号として、クロック信号相当の高周波数なデジタル信号が出力される。出力選択信号ＱｓｅｔがＬｏとなるとクロック動作は終了し、通常の出力動作（この場合は応答遅れのある動作）となる。
【００８７】
これに対し、バッテリ電圧ＶＢ直後の一定時間Ｔｖｂ１過ぎてから出力選択信号Ｑｓｅｔが一定時間Ｈｉとなると（Ｔｓｅｔ２）、応答遅れ処理が省略されて出力し、応答遅れの少ない（または応答遅れのほとんど無い）出力信号Ｖｏｕｔが得られることになる。この様に、外部から応答の基準となるクロック信号、応答遅れの有無を出力することで、コントローラ側では応答遅れの影響を低減した制御が可能となる。
【００８８】
具体的なアルゴリズムを図１３，１４に示す。図１３はデジタル誤差調整装置２で動作するアルゴリズムを、図１４は外部のコントローラ５側で動作するアルゴリズムを示す。これは、相互に密接に関係した動作となる。
【００８９】
まず図１３は、外部のコントローラ５によって設定された信号に対し、入力状態を判別する出力選択設定３０１により、選択値Ｑｓｅｔを読みとる。
【００９０】
次に判定処理３０２で、１か０（ＨｉかＬｏ）を判定し、０（Ｌｏ）であれば初期動作の遅れありモードとして出力選択処理を終了する。
【００９１】
これに対し、選択値Ｑｓｅｔが、１（Ｈｉ）の場合は、バッテリ電圧ＶＢ起動直後であるかを判定処理３０３で判定し、起動直後であると判定すればクロックモードとして動作し、出力スイッチ４９をｆｃｋ取り込み側に切り替え、センサ出力端子からクロック相当信号ｆｃｋを出力する。このモードが終了すると、また、選択値Ｑｓｅｔの判定処理３０２にジャンプし、出力選択値Ｑｓｅｔが０（Ｌｏ）なると終了する。
【００９２】
バッテリ電圧ＶＢ起動直後でないと判定処理３０３で判定した場合は、出力スイッチ４８を応答遅れ処理無し側に切り替える処理をする（３０５）。その結果、出力信号Ｖｏｕｔは応答遅れのない（少ない信号）信号を出力する動作モードとなり、出力設定処理が終了する。この実施例では、出力設定が再度なされない限り、出力の動作モードは持続するとしている。
【００９３】
次に、外部のコントローラ５でのアルゴリズムを図１４により説明する。クロックモードに対応した外部コントローラ５のアルゴリズムは、図１４の（a）に示される。この場合、電源ＶＢ起動直後に出力選択値Ｑｓｅｔを、１（Ｈｉ）にセットしてクロックモードとする（４０１）。その後クロック信号を読みとる（４０２）。読みとったクロックから、ばらつきによる補正係数を算出する（４０３）。その結果、クロックのずれによる応答を補正する補正係数を設定し終了する（４０４）。
【００９４】
これに対し、ＶＢ起動直後以外の遅れ判別モードは、図１４の（b）に示される。この場合、出力選択値Ｑｓｅｔを、１（Ｈｉ）か０（Ｌｏ）のいずれかに設定する（５０１）ことで、応答遅れモードを自分自身で判別し（５０２）、出力選択値Ｑｓｅｔが１（Ｈｉ）の場合は応答遅れがないとして、各種の処理を施す。ここでは、例えば応答遅れがない場合の内燃機関の排気の補正量を学習するものとする（５０５）。これに対し、出力選択値Ｑｓｅｔが０（Ｌｏ）の場合は応答遅れ回復処理（５０３）を施すことなどをしたのち、応答遅れ時の排気の補正量を学習するものとする（５０４）。応答遅れ回復処理（５０３）はあっても無くても構わない。その結果応答遅れ有りなしの差を学習の補正値とすることで、応答遅れの有無による補正の誤差、応答遅れ補正（５０３）の有り無しなど精度による排気の学習の効果を得ることが出来、各種の条件による排気の適合が容易になるなどの効果が得られる。これらの動作は、排気のテストなどの調整時にのみ動作するものであっても構わない。
【００９５】
以上の実施例によれば、エンジンや吸気系の変更により脈動誤差が変わるような場合でも、吸気系やセンサそのものの特性を大きく変えることなく、脈動誤差の低減を容易に実施することができる。その結果、エンジン吸気系の計測システムなどの開発期間を大幅に短縮できるといった効果がある。
【００９６】
これまで説明したいずれの実施例においても、脈動時や過渡応答の計測誤差を低減することで、エンジン制御に用いた場合はより精度の良い制御が可能となり、排ガスの低減や燃費の向上といった効果がある。
【００９７】
また、これまでの実施例を用いた流量計を、燃料電池等の水素ガスのガス流検知等に用いても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施例に係る流量計及びそれを用いたシステム構成図。
【図２】第１実施例の流量出力信号のデジタル処理を示すブロック図。
【図３】流量出力信号を入力するエンジン制御ユニットのデジタル処理を示すブロック図。
【図４】本発明の実施例による応答遅れの説明図。
【図５】上記実施例に用いる熱式空気流量計のブロック図。
【図６】シリコン基板上に形成された抵抗体のパターン図。
【図７】シリコン基板上に形成された抵抗体の断面図。
【図８】本発明の第２の実施例による流量計及び制御システムの構成図。
【図９】第２実施例の熱式流量計のデジタル処理を示すブロック図。
【図１０】第２実施例のエンジン制御ユニットのデジタル処理を示すブロック図。
【図１１】第２実施例の周波数信号伝達の説明図。
【図１２】電源投入時の出力設定の動作説明図。
【図１３】上記実施例に用いるセンサ側の出力選択動作のアルゴリズム。
【図１４】上記実施例に用いる制御ユニット側の出力選択動作のアルゴリズム。
【図１５】流量と周波数とクロックカウント数との関係図。
【符号の説明】
【００９９】
１…センサ回路、２…デジタル誤差調整装置（前処理回路）、３…電源回路、４…流量の測定装置、５…エンジン制御ユニット、１１，２１１a…発熱抵抗体、１２，２１１ｃ…温度補償抵抗体、４５…応答遅れ処理（平滑処理）、４６…出力選択処理、４８…応答遅れ選択スイッチ、４９…流量出力・クロック信号切換スイッチ。
【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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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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