(57)【要約】  【課題】  回路規模の増大を抑えながら或る程度の電源電圧降下に際しても計測精度の低下の虞れの無い発熱抵抗体式流量計を提供すること。  【解決手段】  発熱抵抗体式流量計で使用される演算増幅器８Ａにおいて、その電流出力部ＰＡの出力端子Ｕ１と電源電圧Ｖcc の間にバイアス電流供給用のトランジスタ１６を設け、出力端子Ｕ１の電圧を電源電圧ＶCC まで上昇させることができるようにし、且つこのときトランジスタ１６から供給されるバイアス電流値が定常時と始動時で切換えられ、始動時にはバイアス電流値が多くされるようにしたもの。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱抵抗体を含む抵抗ブリッジ回路の電圧を演算増幅器で検出し、前記抵抗ブリッジ回路に供給すべき電流を前記演算増幅器の出力で制御する方式の発熱抵抗体式流量計において、
前記演算増幅器の出力にバイアス電流を供給するトランジスタを設け、
該トランジスタから供給されるバイアス電流の大きさが、前記発熱抵抗体の温度に応じて切換えられるように構成したことを特徴とする発熱抵抗体式流量計。
【請求項２】
請求項１に記載の発熱抵抗体式流量計において、
前記演算増幅器が差動増幅部と電流出力部を備え、
前記トランジスタは、前記電流出力部の出力に前記バイアス電流を供給することを特徴とする発熱抵抗体式流量計。
【請求項３】
請求項１に記載の発熱抵抗体式流量計において、
前記演算増幅器が差動増幅部だけを備え、
前記トランジスタは、前記差動増幅部の出力に前記バイアス電流を供給することを特徴とする発熱抵抗体式流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱抵抗体式の流量測定装置に係り、特に、自動車用エンジンの吸入空気流量の計測に好適な発熱抵抗体式流量計に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用エンジンの制御に吸入空気流量計を使用し、吸入空気流量の計測値により燃料供給量を制御するのが通例となっている。そして、このとき使用される流量計の一種に発熱抵抗体式の流量計がある。
【０００３】
ここで、この発熱抵抗体式流量計は、周知のように、計測対象となる流体の流路、例えば自動車用エンジン(内燃機関)の吸入空気流路に、高温に保持した発熱抵抗体を設け、この発熱抵抗体が流体により冷却されるときの冷却の度合いにより流量を計測するものである。
【０００４】
このため、発熱抵抗体の温度が、計測対象となる流体の温度より高い所定の温度に常時保たれるように、当該発熱抵抗体に通電される電流を制御し、このときの電流値から流量を検出するようになっているものであり、従って、その発熱抵抗体に通電される電流が常時所定値に保持させることが、精度の良い流量計測の条件となる。
【０００５】
そこで、図３により、このような発熱抵抗式流量計の一例について説明すると、ここに示した発熱抵抗式流量計は、図示のように、流量検出回路１０と出力特性調整回路２０で構成されている。
【０００６】
そして、まず、流量検出回路１０は、計測対象となる流体の流路、例えば例えばエンジンの吸入空気流路に設置されている発熱抵抗体１を備えている。そして、この発熱抵抗体１に、電圧ＶＢの電源、例えばバッテリから、パワートランジスタ６を介して電流を供給し、発熱抵抗体１が自己発熱して温度が上昇するようにしてやる。
【０００７】
こうして発熱抵抗体１の温度が上昇すると、これにつれて発熱抵抗体１の抵抗値も増加する。一方、この発熱抵抗体１は流路内の空気に曝されているので、空気の流速に応じて放熱され、温度が低下する。
【０００８】
そこで、発熱抵抗体１の抵抗値が所定値に保たれるように供給電流を制御してやると、このときの加熱電流の大きさが空気流量を表わすことになり、流量検出信号Ｖ２を得ることができる。
【０００９】
このため、まず、発熱抵抗体１に電流検出抵抗２を直列に接続し、同じく吸入空気通路に配設された空気温度検出抵抗体３と調整抵抗４の直列回路、それに調整抵抗５により抵抗ブリッジ回路を構成し、発熱抵抗体１に供給されている電流が電流検出抵抗２の電圧降下により検出されるようにする。
【００１０】
そうすると、この電流検出抵抗２の電圧降下は抵抗ブリッジ回路の差電圧として現われるので、これを演算増幅器８により検出し、この演算増幅器８の出力によりパワートランジスタ６を制御し、発熱抵抗体１に供給される電流を制御してやれは、流量検出信号Ｖ２が得られることになる。
【００１１】
このとき出力特性調整回路２０は、流量検出信号Ｖ２のゼロ点と増幅率を調整する働きをし、この結果、出力特性調整回路２０から流量特性信号Ｖout が得られ、例えばエンジンの吸入空気流量が計測されることになる。
【００１２】
ここで、発熱抵抗体１に電流を供給するためには、上記した抵抗ブリッジ回路に所定の電圧Ｖ１を印加しなければならないことを意味し、この電圧Ｖ１は電源電圧、つまりバッテリ電圧ＶＢに依存する。
【００１３】
従って、バッテリ電圧ＶＢが低下した場合にも流量計を正しく動作させるためには、少なくともパワートランジスタ６の電圧降下を最小限に抑える必要がある。
【００１４】
ところで、自動車用のエンジンの場合、その始動はバッテリの電力に依存しているのが通例であり、このため、始動時には、多くの場合、バッテリ電圧の低下と過電圧の重畳が避けられない。
【００１５】
一方、エンジンは、その始動時にも燃料供給量の制御が不可欠で、このため、始動時にも精度の良い吸入空気流量の計測を要するが、このとき、流量計の動作電源がバッテリに依存しているため、発熱抵抗体の電流が必要値から低下し、精度が保持できなくなってしまう上、流量計の半導体集積回路が過電圧に曝されてしまう。
【００１６】
そこで、従来技術では、電源電圧が或る程度低下しても発熱抵抗体式空気流量計が正常に動作できるようにし、且つ自動車の電源に重畳する過電圧から半導体集積回路を保護するために、発熱抵抗体式空気流量計に半導体部品を追加するなどの対策を施こしている(例えば特許文献１参照。)。
【特許文献１】特開平３−８１６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記従来技術は、発熱抵抗体式空気流量計に半導体部品の追加を要する点に配慮がされておらず、回路規模が増大してしまうという問題があった。
【００１８】
ここで、以下、この従来技術の問題について、更に詳細に説明すると、従来技術では、上述の通り、電流検出抵抗２を含む抵抗ブリッジ回路の差電圧を検出してパワートランジスタ６を制御し、これにより発熱抵抗体１に供給される電流を制御して流量検出信号Ｖ２を得るため、演算増幅器８を用いている。
【００１９】
そして、従来技術では、この演算増幅器８として一般的な演算増幅器、すなわち周知のオペアンプの一種を用いている。
【００２０】
そこで、図４により、一般的な演算増幅器について説明すると、これは、図示のように、差動入力端子Ｐ１、Ｎ１を備えた差動増幅部Ｄと、この差動増幅部Ｄの出力Ｕ１２を電流増幅して出力端子Ｕ１に供給する電流出力部Ｐとで構成されている。
【００２１】
そして、まず、差動増幅部Ｄは、入力端子Ｐ１、Ｎ１の電圧の差を増幅し、増幅した電圧を端子Ｕ１２に出力する働きをする。
【００２２】
次に、電流出力部Ｐは、ダーリントン接続されたｎｐｎトランジスタ１１、１２と、同じくダーリントン接続されたｐｎｐトランジスタ１３、１４を備え、差動増幅部Ｄの出力電流が＋(正)のときはｎｐｎトランジスタ１１、１２を用いて電流増幅し、出力電流が−(負)のときはｐｎｐトランジスタ１３、１４を用いて電流増幅し、それぞれ出力端子Ｕ１の電圧を得る働きをする。
【００２３】
このとき、トランジスタ１１、１２のベース・エミッタ間電圧ＶBE の分だけ動作可能な電圧範囲が狭められてしまう。
【００２４】
すなわち、この従来の演算増幅器８では、出力電流が＋のとき、パワートランジスタ６(図３)にベース電流を供給するために必要な電圧の最大値が、トランジスタ１１、１２のベース・エミッタ間電圧ＶBE×２だけ電圧Ｕ１２から低下してしまう。
【００２５】
ところで、これも上述した通り、発熱抵抗体１に電流を供給するためには、上記した抵抗ブリッジ回路に所定の電圧Ｖ１を印加しなければならない。従って、バッテリ電圧ＶＢが低下した場合にも流量計を正しく動作させるためには、少なくともパワートランジスタ６の電圧降下を最小限に抑える必要がある。
【００２６】
また、このパワートランジスタ６としては、自動車などにおける電源電圧変動に対して、発熱抵抗体１を保護するため、バイポーラｎｐｎトランジスタ若しくはＮ型ＭＯＳトランジスタを用いたボルテージホロワを用いる必要がある。
【００２７】
この場合、パワートランジスタ６から発熱抵抗体１に供給される電圧Ｖ１を高くし、電源電圧ＶＢに近づけるためには、演算増幅器８からパワートランジスタ６に供給される電圧Ｕ１を高くする必要がある。
【００２８】
ところで、この演算増幅器８から得られる出力電圧Ｕ１の最大値は、当該演算増幅器８に供給されている電圧Ｖcc から、演算増幅器８を形成している内部のトランジスタ回路が動作するのに必要な電圧降下分だけ、つまり上述した通り、トランジスタ１１、１２のベース・エミッタ間電圧ＶBE×２だけ低下した値になる。
【００２９】
また、この演算増幅器８は半導体集積回路で構成されている。そこで、自動車などで電源電圧ＶＢが変動したとき、この変動から半導体集積回路を保護するために、電圧Ｖcc の供給経路に保護抵抗７を設ける必要があり、このため、半導体集積回路が消費する電流が多くなると、保護抵抗７の電圧降下も大きくなり、その分、出力電圧Ｕ１の最大値も低下してしまう。
【００３０】
更に、このような発熱抵抗体式流量計は、電源投入時、発熱抵抗体１を常温から所定の温度まで加熱しなければならないので、電源投入時には定常時より大きい加熱電流を供給する必要があり、他方、発熱抵抗体１が所定の温度に到達した後は、電源電圧の変動に際しても常に正常な流量測定動作か保てるようにする必要があるが、従来技術の演算増幅器８によっては、このような要求は満たされない。
【００３１】
この点を改善するため、図５に示すように、バイアストランジスタ１５を設け、演算増幅器８から電流出力回路Ｐを除き、差動増幅部Ｄだけとする方法が考えられる。そして、この図５の場合、図４におけるトランジスタ１１、１２のベース・エミッタ間電圧降下ＶBE が無いので、半導体集積回路に供給される電圧Ｖcc とほぼ同じ電圧をＵ１端子から出力できる。
【００３２】
しかし、反面、演算増幅器が必要としている最大電流を常時、バイアストランジスタ１５に通電しておく必要があるので、保護抵抗７による電圧降下が大きくなり、回路に供給される電源電圧Ｖcc が低下し、演算増幅器の電流出力能力を大きく設定すると、最大出力電圧が低下してしまうという別の問題が派生してしまう。
【００３３】
本発明は、演算増幅器８の電流出力回路を改善したり、演算増幅器８の最大出力電圧を改善したりして、流量計がより低い電源電圧まで動作できるように改善するものであり、従って、本発明の目的は、回路規模の増大を抑えながら或る程度の電源電圧降下に際しても計測精度の低下の虞れの無い発熱抵抗体式流量計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記目的は、発熱抵抗体を含む抵抗ブリッジ回路の電圧を演算増幅器で検出し、前記抵抗ブリッジ回路に供給すべき電流を前記演算増幅器の出力で制御する方式の発熱抵抗体式流量計において、前記演算増幅器の出力にバイアス電流を供給するトランジスタを設け、  該トランジスタから供給されるバイアス電流の大きさが、前記発熱抵抗体の温度に応じて切換えられるようにして達成される。
【００３５】
このとき、前記演算増幅器が差動増幅部と電流出力部を備え、前記トランジスタは、前記電流出力部の出力に前記バイアス電流を供給するものであってもよく、前記演算増幅器が差動増幅部だけを備え、前記トランジスタは、前記差動増幅部の出力に前記バイアス電流を供給するものであってもよい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、より低い電源電圧で流量測定が可能な発熱抵抗体式空気流量計を安価に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明による発熱抵抗式流量計について、図示の実施形態により詳細に説明すると、ここで、まず、本発明においても、全体の構成は、図３で説明した発熱抵抗式流量計と同じで、やはり演算増幅器８を用いているが、この演算増幅器８の構成が、本発明の実施形態では、図４で説明した演算増幅器８とは異なっているものである。
【００３８】
そこで、本発明の第１の実施形態における演算増幅器については、演算増幅器８Ａとし、この演算増幅器８Ａとして、図１に示すものを使用しているものである。
【００３９】
ここで、この図１に示した演算増幅器８Ａは本発明の第１の実施形態で、図４で説明した演算増幅器８における電流出力回路Ｐを、電流出力回路ＰＡに変えたものであり、その他の構成は演算増幅器８と同じである。
【００４０】
そして、この電流出力回路ＰＡでは、まず、電流出力回路Ｐにおけるダーリントン接続されたｎｐｎトランジスタ１１、１２と並列にｐｎｐトランジスタ１６を接続し、次に、同じく電流出力回路Ｐにおけるｐｎｐトランジスタ１４に代えて、ｎｐｎトランジスタ１７、１８、１９、２１を設けたものである。
【００４１】
ここで、まず、トランジスタ１６は、図示のように、そのベースが定電流源に接続され、これにより定電流バイアス回路として機能し、電圧Ｖcc の回路の電源から出力端子Ｕ１に電流を供給する働きをする。
【００４２】
次に、トランジスタ１８は、ボルテージホロワ回路として機能するｎｐｎトランジスタ１７により制御され、トランジスタ１１のエミッタ電流を引き抜く働きをする。
【００４３】
また、トランジスタ１９とトランジスタ２０は、各々ボルテージホロワ回路として機能し、トランジスタ１３のエミッタ電位とトランジスタ１８のコレクタ電位を出力端子Ｕ１の電圧に追従させる働きをする。
【００４４】
次に、この図１の実施形態の動作について説明する。
【００４５】
まず、この演算増幅器８Ａの場合、定常時は、(1)式に示すように、トランジスタ１６から供給されるバイアス電流Ｉ16 から、トランジスタ１８の電流Ｉ18 とトランジスタ１１の電流Ｉ11 の差の電流を差し引いた電流ＩU1 が出力端子Ｕ１に供給されている。
【００４６】
ＩU1 ＝Ｉ16−(Ｉ18−Ｉ11) …… (1)
この場合、トランジスタ１１のエミッタは、トランジスタ１９とトランジスタ２１の電圧降下分だけ出力端子Ｕ１の電圧より低い電圧で出力電流を制御することができるので、出力端子Ｕ１の電圧を電源電圧ＶCC まで上昇させることができる。
【００４７】
一方、このとき、トランジスタ１２はベース・エミッタ間が逆バイアスされるので、導通していない。
【００４８】
従って、この実施形態に係る演算増幅器８Ａによれば、パワートランジスタ６(図３)に供給される電圧Ｕ１を電源電圧ＶCC まで上昇させることができ、この結果、バッテリ電圧ＶＢが低下した場合にも流量計を正しく動作させることができる。
【００４９】
次に、起動時、演算増幅器８Ａの出力電流が、トランジスタ１６のバイアス電流Ｉ16 以上に必要となった場合について説明する。
【００５０】
ここで、図３の抵抗ブリッジ回路から入力端子Ｐ１、Ｎ１に検出される電圧は、発熱抵抗体１が低温で抵抗値が低いとき、つまり起動時には入力端子Ｐ１の方が高くなるので、端子Ｕ１２の出力電圧、ひいてはトランジスタ１１のエミッタ電圧も高くなり、この結果、今度はトランジスタ１２もＯＮになる。
【００５１】
そこで、このときは、トランジスタ１１のエミッタ電流がトランジスタ１２のベースに流れ、この結果、トランジスタ１１、１２による電流増幅回路を経て電流増幅された十分な電流が出力端子Ｕ１から出力されることになる。
【００５２】
従って、この実施形態に係る演算増幅器８Ａによれば、電源投入時には、定常時より大きい加熱電流を発熱抵抗体１に供給することができ、流量計測動作の立ち上げに迅速に対応することができる。
【００５３】
一方、出力端子Ｕ１の出力電流を−にする必要が生じた場合には、トランジスタ２１とトランジスタ１３を介して出力端子Ｕ１から電流が引き込まれることになり、従って、出力電流を−にすることができる。
【００５４】
ここで、このような半導体集積回路に固有の問題として、ｐｎｐトランジスタはシリコン基板上に配置を要する大きさに対する電流出力能力が低く、周波数特性も低いという問題があるが、この実施形態に係る演算増幅器８Ａによれば、定常時の動作がｎｐｎトランジスタを用いて行なわれるようにしてあるので、半導体集積回路を小型にでき、演算増幅器の動作が安定する。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態について、図２により説明する。ここで、この実施形態は、図５で説明した演算増幅器に本発明を適用した場合の一実施形態で、ここでは演算増幅器８Ｂとする。
【００５６】
上述した通り、図５の演算増幅器８の場合、トランジスタ１５によるバイアス電流を大きくすると、保護抵抗７(図３)の電圧降下が大きくなり、流量計を動作させるために必要な電源電圧ＶＢを高くする必要がある。
【００５７】
そこで、この図２の実施形態に係る演算増幅器８Ｂでは、図５の演算増幅器８に比較器３０とバイアス電流切換回路４０を設け、トランジスタ１５によるバイアス電流の値を発熱抵抗体１の抵抗値が低いときと定常時で切換えるようにしたものである。
【００５８】
そして、まず、比較器３０は、トランジスタ３１とトランジスタ３２のサイズを、差動増幅部ＤのトランジスタＴｒ１とトランジスタＴｒ２のサイズと異なったものとし、これにより、演算増幅部Ｄの入力端子Ｐ１の電位が入力端子Ｎ１より高くなったときトランジスタ３３がＯＮ(導通)され、そうでないときは、入力端子Ｐ１、Ｎ１の電位差が０のときも含めて、トランジスタ３３はＯＦＦ(非導通)を保つように構成してある。
【００５９】
次に、バイアス電流切換回路４０は、電流増幅回路として機能するトランジスタ４１、４２と、トランジスタ１５のバイアス電流値を決める抵抗４３、４４で構成されている。
【００６０】
そして、まず、トランジスタ３３がＯＦＦのとき、トランジスタ１５のバイアス電流は、トランジスタ４１のベース・エミッタ間電圧ＢＥ41 を抵抗３４の抵抗値と抵抗３５の抵抗値の和で除した値になる。
【００６１】
次に、トランジスタ３３がＯＮしたときは、トランジスタ１５のバイアス電流は、トランジスタ４１のベース・エミッタ間の電圧ＢＥ41 を抵抗３４の抵抗値で除した値になり、従って、トランジスタ１５のバイアス電流値は、トランジスタ３３がＯＮしたときの方が多くなる。
【００６２】
ここで、図３の抵抗ブリッジ回路から入力端子Ｐ１、Ｎ１に検出される電圧は、発熱抵抗体１が低温で抵抗値が低いとき、つまり起動時には入力端子Ｐ１の方が高くなるので、このときはトランジスタ１５のバイアス電流値が多くされることになる。
【００６３】
従って、この図２に示した演算増幅器８Ｂによれば、起動時には、トランジスタ１５から大きなバイアス電流が供給されて発熱抵抗体１の加熱が促進され、その温度が定常値に到達した後は、抵抗７(図３)を介して半導体集積回路に供給される電流を少なく抑えながら、電流出力回路Ｐを除いたことによる利点、すなわち図５の演算増幅器８による利点を享受することができる。
【００６４】
ところで、トランジスタの電流増幅率には温度依存性があり、温度の低下に伴って電流増幅率が低下するので、低温時にはパワートランジスタ６のベース電流を多くする必要がある。
【００６５】
ここで、この図２の実施形態では、トランジスタ１５のバイアス電流値が、トランジスタ４１のベース・エミッタ間電圧を基準にして決められるようにしてあり、この場合、トランジスタのベース・エミッタ間電圧は低温時に高くなる特性を有するので、低温になるにつれ自動的にトランジスタ１５のバイアス電流値が多くされるので、好都合である。
【００６６】
このとき、抵抗４３、４４の温度係数を正とすることにより、更に、バイアス電流の温度変化を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明による発熱抵抗体式流量計の第１の実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明による発熱抵抗体式流量計の第２の実施形態を示す回路図である。
【図３】本発明発が適用対象とする発熱抵抗体式流量計の一例を示す回路図である。
【図４】従来技術による発熱抵抗体式流量計で使用されている演算増幅器の一例を示す回路図である。
【図５】従来技術による発熱抵抗体式流量計で使用されている演算増幅器の他の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００６８】
１：発熱抵抗体
２：電流検出抵抗
３：空気温度検出抵抗
４、５：調整抵抗
６：パワートランジスタ
７：保護抵抗
８：演算増幅器
８Ａ：第１の実施形態に係る演算増幅器
８Ｂ：第２の実施形態に係る演算増幅器
１０：流量検出回路
２０：出力特性調整回路
１５、１６：バイアス電流供給用のトランジスタ
３０：比較器
４０：バイアス電流切換回路
Ｄ：差動増幅部
Ｐ：電流出力部
ＰＡ：第１の実施形態に係る電流出力部
Ｐ１、Ｎ１：演算増幅器の入力端子
Ｕ１：演算増幅器の出力端子
Ｕ１２：差動増幅部の出力端子(出力電圧)
Ｖ１：抵抗ブリッジ回路の印加電圧
Ｖ２：流量検出信号
ＶＢ：流量計の電源電圧(バッテリ電圧)
Ｖcc：回路の電源電圧
Ｖout：流量計の出力信号
【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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