(57)【要約】空気流量を測定する熱式空気流量センサ装置において、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる２つの発熱抵抗体を備え、定電圧源は、上記２つの発熱抵抗体に接続され、上記２つの発熱抵抗体に加熱電流を供給する。制御回路は、上記２つの発熱抵抗体の接続点の電位が所定の基準電位となるように、上記２つの発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御し、演算増幅器は、上記２つの発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する。ここで、例えば、上記２つの発熱抵抗体と、別の２つの抵抗とによりブリッジ回路を構成し、上記電源手段と上記別の２つの抵抗とにより上記基準電位を発生する。
2004040245.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる２つの発熱抵抗体と、
上記２つの発熱抵抗体に接続され、上記２つの発熱抵抗体に加熱電流を供給する電源手段と、
上記２つの発熱抵抗体の接続点の電位が所定の基準電位となるように、上記２つの発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する制御手段と、
上記２つの発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備えたことを特徴とする熱式空気流量センサ装置。
【請求項２】
上記２つの発熱抵抗体と、別の２つの抵抗とによりブリッジ回路を構成し、上記電源手段からの電源電圧を上記別の２つの抵抗により分圧することにより上記基準電位を発生したことを特徴とする請求項１記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項３】
上記演算手段は、上記演算される各加熱電流の差が増大するにつれて、上記基準電位を高くするように制御する手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項４】
上記演算手段は上記空気流量を示すセンサ出力電圧を出力し、
上記空気の流れ中であるが、上記２つの発熱抵抗体とは離間して設けられ、空気温度を検出する測温抵抗体を有し、検出した空気温度が高くなるにつれて、上記加熱電流の差に基づくセンサ出力電圧を大きくするように制御することにより、空気温度に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項５】
上記演算手段は上記空気流量を示すセンサ出力電圧を出力し、
上記空気の流れ中であって、上記２つの発熱抵抗体の近傍に設けられ、空気温度及び上記２つの発熱抵抗体の温度に関係する温度を検出する測温抵抗体を有し、検出した温度が高くなるにつれて、上記加熱電流の差に基づくセンサ出力電圧を大きくするように制御することにより、空気温度及び空気流量に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項６】
上記空気の流れ中であるが、上記２つの発熱抵抗体とは離間して設けられ、空気温度を検出する測温抵抗体を有し、検出した空気温度が高くなるにつれて、上記基準電位を高くするように制御することにより、空気温度に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項７】
上記空気の流れ中であって、上記２つの発熱抵抗体の近傍に設けられ、空気温度及び上記２つの発熱抵抗体の温度に関係する温度を検出する測温抵抗体を有し、検出した温度が高くなるにつれて、上記基準電位を高くするように制御することにより、空気温度及び空気流量に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１つに記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項８】
上記演算手段によって演算される各加熱電流の差に基づいて、上記電源手段から上記２つの発熱抵抗体に供給される加熱電流を制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項９】
上記演算手段は、上記２つの発熱抵抗体の接続点の電位が上記基準電位未満であるとき第１のレベルの出力信号を出力する一方、上記２つの発熱抵抗体の接続点の電位が上記基準電位以上であるとき第２のレベル出力信号を出力するコンパレータであり、
上記熱式空気流量センサ装置は、
上記２つの発熱抵抗体のうちの第１の発熱抵抗体に電気的に並列に、第１の固定抵抗を介して接続された第１のスイッチ手段と、
上記２つの発熱抵抗体のうちの第２の発熱抵抗体に電気的に並列に、第２の固定抵抗を介して接続された第２のスイッチ手段と、
上記コンパレータからの第１のレベルの出力信号に応答して、上記第１のスイッチ手段をオンしかつ上記第２のスイッチ手段をオフする一方、上記コンパレータからの第２のレベルの出力信号に応答して、上記第１のスイッチ手段をオフしかつ上記第２のスイッチ手段をオンするように上記第１と第２のスイッチ手段を制御する手段をさらに備え、
上記コンパレータから出力される第１と第２のレベルの出力信号に基づいて空気流量を測定することを特徴とする請求項１又は２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１０】
空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第１と第２の発熱抵抗体と、
上記第１の発熱抵抗体に、第１の固定抵抗を介して加熱電流を供給するとともに、上記第２の発熱抵抗体に、第２の固定抵抗を介して加熱電流を供給する電源手段と、
上記第１の発熱抵抗体と上記第１の固定抵抗の接続点の電位である第１の電位と、上記第２の発熱抵抗体と上記第２の固定抵抗の接続点の電位である第２の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第１の電位を制御する第１の制御手段とを備え、
上記２つの発熱抵抗体に流れる加熱電流の差を空気流量として測定することを特徴とする熱式空気流量センサ装置。
【請求項１１】
上記第１と第２の発熱抵抗体と、上記第１と第２の固定抵抗とによりブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１０記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１２】
上記第１の電位と、上記第２の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第２の電位を制御する第２の制御手段と、
上記第１の発熱抵抗体に流れる電流と上記第１の固定抵抗に流れる電流との差に基づいて出力される第１の電圧と、上記第２の発熱抵抗に流れる電流と上記第２の固定抵抗に流れる電流との差に基づいて出力される第２の電圧との差電圧を演算して出力する差動増幅手段とをさらに備え、
上記演算された差電圧を空気流量として測定することを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１３】
上記２つの発熱抵抗体に流れる２つの加熱電流の和を検出する手段と、
上記検出された加熱電流の和により、上記加熱電流の差を除算し、除算結果を出力する除算手段とをさらに備え、
上記除算結果の値を空気流量として測定することを特徴とする請求項１２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１４】
上記２つの発熱抵抗体に流れる２つの加熱電流の和を検出する手段と、
上記検出された２つの加熱電流の和に基づいて、上記２つの加熱電流の和が実質的に一定となるように、上記電源手段から上記２つの発熱抵抗体に供給される加熱電流の和を制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１５】
空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ、第１、第２、第３及び第４の発熱抵抗体の順序で互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第１、第２、第３及び第４の発熱抵抗体と、
上記第１の発熱抵抗体に、第２の発熱抵抗体を介して加熱電流を供給するとともに、上記第４の発熱抵抗体に、第３の固定抵抗を介して加熱電流を供給する電源手段と、
上記第１の発熱抵抗体と上記第２の発熱抵抗体の接続点の電位である第１の電位と、上記第３の発熱抵抗体と上記第４の発熱抵抗体の接続点の電位である第２の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第１の電位を制御する第１の制御手段とを備え、
上記第１と第２の発熱抵抗体に流れる加熱電流の差を空気流量として測定することを特徴とする熱式空気流量センサ装置。
【請求項１６】
第１、第２、第３及び第４の発熱抵抗体とによりブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１５記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１７】
上記第１の電位と、上記第２の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第２の電位を制御する第２の制御手段と、
上記第１の発熱抵抗体に流れる加熱電流と上記第２の発熱抵抗体に流れる加熱電流との差に基づいて出力される第１の電圧と、上記第３の発熱抵抗体に流れる加熱電流と上記第４の発熱抵抗体に流れる加熱電流との差に基づいて出力される第２の電圧との差電圧を演算して出力する差動増幅手段とをさらに備え、
上記演算された差電圧を空気流量として測定することを特徴とする請求項１５又は１６記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１８】
上記空気の流れ中であって、上記２つの発熱抵抗体の近傍に設けられた感温抵抗体にてなる別の発熱抵抗体と、
上記演算手段から出力される各加熱電流の差に対応する電圧を上記別の発熱抵抗体に印加する手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項１９】
上記空気の流れ中であるが、上記２つの発熱抵抗体とは離間して設けられ、空気温度を検出する測温抵抗体と、
上記空気の流れ中であって、上記２つの発熱抵抗体の近傍に設けられ、空気温度及び上記２つの発熱抵抗体の温度に関係する温度を検出する感温抵抗体にてなる別の発熱抵抗体とをさらに備え、
上記電源手段は、互いに電気的に直列に接続された第１の固定抵抗と上記測温抵抗体に動作電流を供給するとともに、互いに電気的に直列に接続された第２の固定抵抗と上記別の発熱抵抗体に加熱電流を供給し、
上記熱式空気流量センサ装置は、
上記別の発熱抵抗体の温度が上記測温抵抗体により検出される空気温度に依存して一定となるように上記動作電流と上記加熱電流の和を制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱式空気流量センサ装置。
【請求項２０】
上記第１の固定抵抗と、上記測温抵抗体と、上記別の発熱抵抗体と、上記第２の固定抵抗とは、電気的に直列に接続されて別のブリッジ回路を構成したことを特徴とする請求項１９記載の熱式空気流量センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、熱式空気流量センサ装置に関し、特に、それぞれ感温抵抗体にてなる少なくとも２つの発熱抵抗体を備えて空気流量を測定する熱式空気流量センサ装置に関する。
【背景技術】  図４３は、先行技術に係る熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この熱式空気流量センサ装置は、日本国特許出願公開昭和６２年第８１２号公報の第７図において開示されているものであり、良好な応答性で逆流を検出するため、図４３に示すように、以下の２つのブリッジ回路１１０１，１１０２を構成している。
（ａ）抵抗値Ｒｈを有する発熱抵抗体１００２と、抵抗値Ｒａを有する温度プローブ１０１１ａと、抵抗値Ｒ１を有する抵抗１００１ａと、抵抗値Ｒｘを有する可変抵抗１０１５と、抵抗値Ｒｍを有する可変抵抗１０１４とにより第１のブリッジ回路１１０１が構成される。
（ｂ）抵抗値Ｒｈを有する発熱抵抗体１００３と、抵抗値Ｒａを有する温度プローブ１０１１ｂと、抵抗値Ｒ１を有する抵抗１００１ｂと、抵抗値Ｒｘを有する可変抵抗１０１９と、抵抗値Ｒｍを有する抵抗１０１８とにより第２のブリッジ回路１１０１が構成される。
上記各ブリッジ回路１１０１，１１０２において、発熱抵抗体１００２，１００３の温度が温度プローブ１０１１ａ，１０１１ｂの温度より常に一定温度高くなるように可変抵抗１０１５，１０１９の調整がなされている。すなわち、各ブリッジ回路１１０１，１１０２が平衡状態にあるとき、次式が成立する。
Ｒｈ＝Ｒｍ（Ｒａ＋Ｒ１）／Ｒｘ      ・・・（１）
ここで、空気温度が一定の場合は発熱抵抗体１００２，１００３の抵抗値Ｒｈ及び温度も実質的に常に一定に保たれる。空気温度が変化した場合、温度プローブ１０１１ａ，１０１１ｂの抵抗値Ｒａが変化するが、各ブリッジ回路１１０１，１１０２の働きにより上式の関係は保たれるので、抵抗値Ｒｈも同程度に変化し、温度プローブ１０１１ａと発熱抵抗体１００２間、及び、温度プローブ１０１１ｂと発熱抵抗体１００３間の温度差はやはり実質的に一定に保たれる。なお、抵抗４７，４８は、熱式空気流量センサ装置の温度特性を調整するために、抵抗値Ｒａと抵抗値Ｒｈの温度による変化率を故意にずらすための調整抵抗である。
上記２つの発熱抵抗体１００２，１００３を、空気の流れに沿って上流側と下流側に配置し、各発熱抵抗体１００２，１００３に流れる各加熱電流の値を出力抵抗１０１４，１０１８の両端電圧より検出し、検出された両端電圧の差分値を、演算増幅器１０２２を備えた差動増幅器１０２２Ａにより算出し、これを当該センサ装置の出力電圧Ｖｏｕｔとしている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、上流側に位置する発熱抵抗体１００２の方が流れにより冷却されやすいので、上流側加熱電流の空気流量依存性の方が大きく、上流側から下流側への流れである順流の場合には、単調増加の出力電圧Ｖｏｕｔが得られる。また、下流側から上流側への流れである逆流の場合には、反転した単調減少の出力電圧Ｖｏｕｔが得られる。ここで、上流側発熱抵抗体１００２に流れる加熱電流をＩｈｕとし、下流側発熱抵抗体１００３に流れる加熱電流をＩｈｄとすると、オフセット電圧を考慮しなければ、出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｒｍ（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）      ・・・（２）
上述の先行技術に係る熱式空気流量センサ装置では、発熱抵抗体１００２，１００３を定温度差で駆動するための２つのブリッジ回路１１０１，１１０２が必要であり、それを構成するための２つの温度プローブ１０１１ａ，１０１１ｂが必要であり、その他の抵抗、トランジスタ、演算増幅器なども２セット必要となる。これにより、回路規模が非常に大きくなり、小型・軽量化できず、製造コストも軽減できないという問題点があった。
また、温度差と温度特性を調整するために、２つのブリッジ回路１１０１，１１０２の調整のために、調整工程が大幅に増加する。さらに、発熱抵抗体１００２，１００３及び温度プローブ１０１１ａ，１０１１ｂから最低でも６本の配線が必要であり、配線接続工程も大幅に増加する。このように、先行技術では製作工程が増加して製造コストが増大するという問題点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して、回路規模を大幅に減少させることができ、これにより、小型・軽量化でき大幅に製造コストを軽減できる熱式空気流量センサ装置を提供することにある。
【発明の開示】
第１の発明に係る熱式空気流量センサ装置は、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる２つの発熱抵抗体と、
上記２つの発熱抵抗体に接続され、上記２つの発熱抵抗体に加熱電流を供給する電源手段と、
上記２つの発熱抵抗体の接統点の電位が所定の基準電位となるように、上記２つの発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する制御手段と、
上記２つの発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
また、第２の発明に係る熱式空気流量センサ装置は、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第１と第２の発熱抵抗体と、
上記第１の発熱抵抗体に、第１の固定抵抗を介して加熱電流を供給するとともに、上記第２の発熱抵抗体に、第２の固定抵抗を介して加熱電流を供給する電源手段と、
上記第１の発熱抵抗体と上記第１の固定抵抗の接続点の電位である第１の電位と、上記第２の発熱抵抗体と上記第２の固定抵抗の接続点の電位である第２の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第１の電位を制御する第１の制御手段とを備え、
上記２つの発熱抵抗体に流れる加熱電流の差を空気流量として測定することを特徴とする。
さらに、第３の発明に係る熱式空気流量センサ装置は、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ、第１、第２、第３及び第４の発熱抵抗体の順序で互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第１、第２、第３及び第４の発熱抵抗体と、
上記第１の発熱抵抗体に、第２の発熱抵抗体を介して加熱電流を供給するとともに、上記第４の発熱抵抗体に、第３の固定抵抗を介して加熱電流を供給する電源手段と、
上記第１の発熱抵抗体と上記第２の発熱抵抗体の接続点の電位である第１の電位と、上記第３の発熱抵抗体と上記第４の発熱抵抗体の接続点の電位である第２の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第１の電位を制御する第１の制御手段とを備え、
上記第１と第２の発熱抵抗体に流れる加熱電流の差を空気流量として測定することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る第１の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図２は、図１において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図１のＡ−Ａ’線についての縦断面図である。
図３は、図１及び図２の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図４は，図３の空気流量データ変換回路２００の構成を示すブロック図である。
図５は、図３の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。
図６は、本発明に係る第２の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図７は、本発明に係る第３の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図８は、図７の熱式空気流量センサ装置において帰還の有無をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。
図９は、本発明に係る第４の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図１０は、図９において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図９のＢ−Ｂ’線についての縦断面図である。
図１１は、図９及び図１０の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図１２は、図１１の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体１９の有無をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。
図１３は、本発明に係る第４の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図１４は、本発明に係る第５の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図１５は、図１４において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図１４のＣ−Ｃ’線についての縦断面図である。
図１６は、図１４及び図１５の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図１７は、図１６の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体１６の有無及び空気流量の大小をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。
図１８は、本発明に係る第５の好ましい実施形態の第１の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図１９は、本発明に係る第５の好ましい実施形態の第２の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２０は、本発明に係る第５の好ましい実施形態の第３の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２１は、本発明に係る第６の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２２は、本発明に係る第６の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２３は、本発明に係る第７の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２４は、本発明に係る第８の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２５は、本発明に係る第９の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２６は、図２５の熱式空気流量センサ装置において可変電源と固定電源をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。
図２７は、本発明に係る第９の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の一部の回路構成を示す回路図である。
図２８は、本発明に係る第１０の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図２９は、図２８のコンパレータ３１の出力端子３２からの出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示すタイミングチャートである。
図３０は、本発明に係る第１１の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３１は、本発明に係る第１２の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３２は、本発明に係る第１３の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３３は、本発明に係る第１４の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３４は、本発明に係る第１５の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図３５は、図３４において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図３４のＤ−Ｄ’線についての縦断面図である。
図３６は、図３４及び図３５の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３７は、本発明に係る第１６の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３８は、本発明に係る第１７の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図３９は、図３８の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する発熱抵抗体３，４の各温度及びそれらの間の温度差を示すグラフである。
図４０は、本発明に係る第１８の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図４１は、図４０において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図４０のＥ−Ｅ’線についての縦断面図である。
図４２は、図４０及び図４１の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図４３は、先行技術に係る熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明に係る好ましい実施形態について、添付の図面を参照して以下に詳細説明する。なお、以下の図面において同様の構成要素については同一の符号を付している。
第１の好ましい実施形態
図１は、本発明に係る第１の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図２は、図１において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図１のＡ−Ａ’線についての縦断面図である。なお、図１及び図２において、矢印１００は当該熱式空気流量センサ装置により測定すべき空気の流れを示している。
図１及び図２において、シリコンチップ１上に、絶縁膜２からなるダイヤフラム１７を形成し、当該ダイヤフラム１７上に、例えば白金、ニッケル又はパーマロイなどのように、その抵抗値が温度により変化する感温抵抗材料からなる感温抵抗体であって、かつ、図３を参照して詳細後述するように定電圧源８により比較的大きな電流が流れて熱エネルギーを放出し、その抵抗値がＲｈｕ，Ｒｈｄである発熱抵抗体３，４を、矢印１００により示された測定すべき空気の流れの中であってその流れに沿って、かつ各発熱抵抗体３，４の長手方向が互いに平行となり空気の流れに対して概略直交するように形成している。なお、感温抵抗体とは、温度を感知して当該抵抗値が変化する抵抗体をいう。さらに、発熱抵抗体３，４が形成された絶縁膜２上に絶縁保護膜５が形成され、これにより、発熱抵抗体３，４の表面が保護されている。
図３は、上記発熱抵抗体３，４を備えた図１及び図２の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図３において、発熱抵抗体３，４と、固定抵抗７，６とをこれらの順序で電気的に直列に接続することによりブリッジ回路１０１を形成し、発熱抵抗体４と固定抵抗７との接続点は所定の電源電圧Ｖｃｃを有する定電圧源８に接続される一方、発熱抵抗体３と固定抵抗６との接続点は接地される。これにより、発熱抵抗体３，４にそれぞれ比較的大きな加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄが流れ、発熱抵抗体３，４はそれぞれ加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄに応じた熱エネルギーを放出する。また、定電圧源８の電源電圧Ｖｃｃは固定抵抗６，７により分圧されて、その分圧比に応じた固定の基準電圧Ｖｓが固定抵抗６，７の接続点６に発生する。
また、発熱抵抗体３，４の接続点９は開ループ利得Ａ０を有する演算増幅器１１の反転入力端子に接続され、固定抵抗６，７の接続点１０は演算増幅器１１の非反転入力端子に接続される。さらに、演算増幅器１１の出力端子１２は、図４の流量データ変換回路２００に接続されるとともに、抵抗値Ｒｍを有する帰還抵抗１３を介して発熱抵抗体３，４の接続点９に帰還し、ここで、演算増幅器１１の出力端子１２から詳細後述するように、空気流量に応じた出力電圧Ｖｏｕｔが出力され、流量データ変換回路２００は、入力される出力電圧Ｖｏｕｔを流量データに変換してディジタル形式の流量データとして出力する。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、図１及び図２の矢印１００に示すように、空気の流れが発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って生じると、発熱抵抗体４よりも発熱抵抗体３の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体３の抵抗値Ｒｈｕが発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈｄよりも小さくなり、接続点９の電位Ｖｍは、電源電圧Ｖｃｃと固定抵抗６，７の分圧比で決定される接続点１０の基準電位Ｖｓよりも小さくなる。当該回路において、ブリッジ回路１０１と、比較的大きな開ループ利得Ａ０を有する演算増幅器１１と、帰還抵抗１３とにより形成される制御系では、演算増幅器１１への２つの入力電圧の差の絶対値が最小となるように、すなわち、実質的に０となるように演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが発生されるので、上述のように、Ｖｍ＜Ｖｓのとき、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが高くなり、演算増幅器１１から接続点９への供給電流は増加し、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが増加する。ここで、接続点９の電位Ｖｍは次式で表される。
Ｖｍ＝Ｒｈｕ×Ｉｈｕ    ・・・（３）
従って、加熱電流Ｉｈｕが増加すると電位Ｖｍが上昇する。また、加熱電流Ｉｈｕが増加すると発熱抵抗体３による発熱量が増大し、発熱抵抗体３の温度が上昇してその抵抗値Ｒｈｕも増大する。これによっても電位Ｖｍは上昇する。そして、加熱電流Ｉｈｕの増加は、上述のように、電位Ｖｍが基準電位Ｖｓと等しくなった時点で停止する。このとき、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄと、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕの差電流（＝Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）が演算増幅器１１から帰還抵抗１３を介して接続点９に供給されており、出力端子１２に現れる出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ａ０（Ｖｓ−Ｖｍ）
＝Ｖｓ＋Ｒｍ（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）      ・・・（４）
ここで、固定抵抗６，７の各抵抗値を等しくなるように選択した場合、Ｖｓ＝Ｖｃｃ／２であるから、次式を得る。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｃｃ／２＋Ｒｍ（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）      ・・・（５）
また、Ｖｍ＝Ｖｓとなるように制御されるので、
Ｒｈｕ・Ｉｈｕ＝Ｒｈｄ・Ｉｈｄ＝Ｖｃｃ／２  ・・・（６）
となる。
すなわち、この好ましい実施形態においては、抵抗値Ｒｈｕ，Ｒｈｄ及び加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄの４つの値が全て変化し、（６）式を満たす値に収束する。従って、抵抗値Ｒｈｕ、Ｒｈｄをそれぞれ一定値に保つよう制御が働く先行技術の定温度差駆動とは駆動方式が全く異なる。
以上説明したように、当該熱式空気流量センサ装置においては、順流のときは、Ｉｈｕ＞Ｉｈｄとなるため、出力電圧Ｖｏｕｔは空気流量の増加に従って単調増加する一方、逆流のときは、Ｉｈｕ＜Ｉｈｄとなり、出力電圧Ｖｏｕｔは空気流量の増加に従って単調減少する。また、空気の流れのない状態では、発熱抵抗体３と発熱抵抗体４の温度は等しくなり、Ｒｈｕ＝Ｒｈｄとなるので、Ｉｈｕ＝Ｉｈｄとなり、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓとなる。
図５は、図３の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図５から明らかなように、空気流量が増大するにつれて出力電圧Ｖｏｕｔが単調増加していることがわかる。
図４は，図３の空気流量データ変換回路２００の構成を示すブロック図である。図４において、空気流量データ変換回路２００は、
（ａ）空気流量データ変換回路２００の回路全体を制御するＣＰＵ２０１と、
（ｂ）ＣＰＵ２０１の制御動作のために必要なプログラムや、図５に図示された出力電圧Ｖｏｕｔと空気流量との関係を含み出力電圧Ｖｏｕｔから空気流量への変換処理を行うための変換テーブル２０２ａなどのデータを格納するＲＯＭ２０２と、
（ｃ）ＣＰＵ２０１のワーキングメモリとして動作するＲＡＭ２０３と、
（ｄ）演算増幅器１１のアナログ出力電圧ＶｏｕｔをディジタルデータにＡ／Ｄ変換してＣＰＵ２０１に出力するＡ／Ｄ変換器２０４と、
（ｅ）ＣＰＵ２０１により出力電圧Ｖｏｕｔから変換された流量データを所定の電気信号に変換して出力する出力インターフェース２０５とを備えて構成され、これらの回路構成要素２０１乃至２０５はバス２０６を介して接続される。
ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０２内の変換テーブル２０１ａを参照して、Ａ／Ｄ変換器２０４によりＡ／Ｄ変換された出力電圧Ｖｏｕｔのディジタルデータを、流量データに変換した後、出力インターフェース２０５を介して外部装置に出力する。
なお、第２の好ましい実施形態以降の好ましい実施形態において、空気流量データ変換回路２００の接続について説明していないが、空気流量データを得るために当該空気流量データ変換回路２００が出力電圧Ｖｏｕｔの出力端子に接続されている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、図３に示すように１個のブリッジ回路１０１と演算増幅器１１などを用いて構成することができ、複雑な回路を有する差動増幅器１０２２Ａなどは必要ない。また、２つの発熱抵抗体３，４により測温される温度に対応する加熱電流Ｉｈｄ，Ｉｈｕ間の相対的な関係を制御する方式なので空気温度を直接に検出するための測温抵抗体を設ける必要はない。なお、測温抵抗体とは、温度を測定する抵抗体である。さらに、図３の回路構成によれば、発熱抵抗体３，４からの配線数を３本に減らすことが可能であり、当該回路の回路構成を先行技術に比較してきわめて簡単にすることができる。
またさらに、発熱抵抗体３，４の温度を調整するには定電圧源８の電源電圧Ｖｃｃを調整するのみで可能であり、調整がきわめて簡単である。
以上説明したように、本発明に係る第１の好ましい実施形態によれば、当該熱式空気流量センサ装置を小型・軽量化でき、調整工程を含む製造工程を簡略化でき、これにより製造コストを大幅に軽減することができる。
以上の第１の好ましい実施形態において、ブリッジ回路１０１を用いているが、本発明はこれに限らず、定電圧源８と２つの固定抵抗６，７によって基準電圧Ｖｓを発生する回路は、ブリッジ回路１０１の一部の回路を用いず構成してもよく、例えば、固定の定電圧源であってもよいし、所定の定電圧源からの電源電圧を分圧した電圧を基準電圧Ｖｓとして供給してもよい。
第２の好ましい実施形態
図６は、本発明に係る第２の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図６に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器１１の出力段にＮＰＮトランジスタ１４を接続し、このトランジスタ１４から帰還抵抗１３を介して接続点９へ電流を供給するように構成したことを特徴としている。
図６において、演算増幅器１１の出力端子１２はＮＰＮトランジスタ１４のベースに接続され、そのトランジスタ１４のコレクタは抵抗６１を介して定電圧源８に接続される。また、トランジスタ１４のエミッタは、抵抗６２を介して接地されるとともに、帰還抵抗１３を介して接続点９に接続され、当該トランジスタ１４のエミッタと抵抗６２との接続点が出力電圧Ｖｏｕｔの出力端子となる。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、演算増幅器１１の出力端子１２の出力電圧によりＮＰＮトランジスタ１４のコレクタ・エミッタ電流を制御し、当該電流に比例する電圧を抵抗６２により取り出すことにより、当該センサ装置の出力電圧Ｖｏｕｔを得る。また、当該出力電圧Ｖｏｕｔは帰還抵抗１３を介して接続点９に帰還される。従って、第２の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態の作用効果に加えて、出力段に増設したＮＰＮトランジスタ１４により出力電流容量を増大させることができる。言いかえれば、電流容量の小さい演算増幅器１１でも所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得ることが可能となる。
第３の好ましい実施形態
図７は、本発明に係る第３の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図７に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器１１の出力端子１２とその非反転入力端子との間に、抵抗値Ｒｆを有する帰還抵抗１５を挿入することにより、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔを、帰還抵抗１５を介して固定抵抗６，７の接続点１０に帰還したことを特徴としている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、空気流量が増大して出力電圧Ｖｏｕｔが増加すると、接続点１０の基準電位Ｖｓが上昇し、この基準電位Ｖｓと接続点９の電位Ｖｍとが等しくなるように制御されるので、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが更に増大し、出力電圧Ｖｏｕｔが更に増大する。従って、特に大空気流量域での流量測定の感度を向上させることができる。
図８は、図７の熱式空気流量センサ装置において帰還の有無をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図８から明らかなように、帰還が有る場合、帰還が無い場合に比較して、特に大空気流量域での流量測定の感度を向上させることができることがわかる。このことは、測定可能な空気流量範囲がより広く必要な場合において有効である。
第４の好ましい実施形態
図９は、本発明に係る第４の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図１０は、図９において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図９のＢ−Ｂ’線についての縦断面図である。また、図１１は、図９及び図１０の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図１１に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、帰還抵抗１３と電気的に直列に空気温度を検出するための測温抵抗体１６を挿入したことを特徴としている。この測温抵抗体１６は、図９及び図１０に示すように、例えばセンサチップ１の先端において、空気の流れ中に形成されているが、発熱抵抗体３，４から放出される熱エネルギーの影響を受けないように発熱抵抗体３，４とは所定の距離だけ離間して形成されたダイヤフラム１８上に、発熱抵抗体３，４と同じ材料の測温抵抗体により形成されている。ここで、発熱抵抗体３，４には大きな電流が流れて熱エネルギーを放出するが、測温抵抗体１６には帰還抵抗１３に流れる微小動作電流しか流れないので、実質的に熱エネルギーを放出しないが、発熱抵抗体３，４の熱エネルギーの影響を受けずに、空気温度を検出して、検出した空気温度に応じて、演算増幅器１１から帰還抵抗１３を介して接続点９に流れる帰還電流を制御する。
図１２は、図１１の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体１６の有無をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図１２から明らかなように、測温抵抗体１６を設けない第１の好ましい実施形態においては、空気温度が増大するにつれて、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔは相対的に低下する場合があるが、測温抵抗体１６を設けることにより、空気温度が変化しても出力電圧Ｖｏｕｔの変化が最小となるように温度特性を補償し、測定誤差を最小化する。これは（４）式における帰還抵抗１３に空気温度依存性を持たせたことに相当する。
以上のように構成された第４の好ましい実施形態によれば、帰還抵抗１３の抵抗値を調整するだけで補償量の調整が可能なので、調整工程が簡単になる。また、発熱抵抗体３，４及び測温抵抗体１６からの配線数は４本となるが、その本数は先行技術に比較して少なく、回路構成を簡単化できる。
図１３は、本発明に係る第４の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図１３に示すように、測温抵抗体１６を帰還抵抗１３に電気的に並列に接続してもよい。これにより、当該変形例は、第４の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第４の好ましい実施形態とその変形例については、図３の第１の好ましい実施形態に対して適用しているが、本発明はこれに限らず、第２及び第３の好ましい実施形態に適用してもよい。
第５の好ましい実施形態
図１４は、本発明に係る第５の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図１５は、図１４において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図１４のＣ−Ｃ’線についての縦断面図である。また、図１６は、図１４及び図１５の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図１４及び図１５に示すように、図１及び図２の第１の好ましい実施形態に比較して、ダイヤフラム１７上に、発熱抵抗体３，４とは別であって、発熱抵抗体３，４の間に位置するように、抵抗値Ｒｔを有する測温抵抗体１９を形成し、当該測温抵抗体１９は、図１６に示すように、帰還抵抗１３と電気的に直列に接続したことを特徴としている。なお、発熱抵抗体３，４及び測温抵抗体１９はそれらの各長手方向が互いに平行となり、空気の流れに対して概略直交するように形成されている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、測温抵抗体１９は発熱抵抗体３，４の近傍に形成されているので、発熱抵抗体３，４より放出される熱エネルギーの影響を受け、発熱抵抗体３，４の温度及び空気温度に関係した温度を検出することができる。すなわち、ダイヤフラム１７上の温度は空気温度が高いと上昇し、低いと低下するので、測温抵抗体１９の抵抗値Ｒｔも空気温度が高いと上昇し、低いと低下する。また、発熱抵抗体３，４の温度は空気流量の影響を受けてそれらの温度が変化し、すなわち、空気流量が大きくなれば、発熱抵抗体３，４の温度は低下する一方、空気流量が小さくなれば、発熱抵抗体３，４の温度は上昇する。従って、当該測温抵抗体１９を帰還抵抗１３と電気的に直列に接続することにより、第４の好ましい実施形態と同様に温度特性を補償するとともに、空気流量に依存した温度特性の補償を行うことができる。
図１７は、図１６の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体１６の有無及び空気流量の大小をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図１７から明らかなように、測温抵抗体１６を設けない場合においては、空気温度が増大するにつれて、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔは相対的に低下し、空気流量がより大きくなるとその低下量は増大する。これを補償するために、測温抵抗体１９を設けることにより、空気温度が変化しても出力電圧Ｖｏｕｔの変化が最小となるように温度特性を補償し、さらに、この補償量は流量が大きいほど大きくできるので、全流量域に亘って測定誤差を最小化できる。すなわち、測温抵抗体１９の抵抗値Ｒｔは空気温度ばかりでなく、空気流量によっても変化するので、空気流量依存性を持った温度特性の補償も可能となり、第４の好ましい実施形態よりもさらに高精度な温度特性の補償が可能となる。
以上のように構成された第５の好ましい実施形態によれば、帰還抵抗１３の抵抗値を調整するだけで補償量の調整が可能なので、調整工程が簡単になる。また、発熱抵抗体３，４及び測温抵抗体１９からの配線数は４本となるが、その本数は先行技術に比較して少なく、回路構成を簡単化できる。
図１８は、本発明に係る第５の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図１８に示すように、測温抵抗体１９を帰還抵抗１３に電気的に並列に接続してもよい。これにより、当該変形例は、第５の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
図１９は、本発明に係る第５の好ましい実施形態の第２の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図１９に示すように、図１６の第５の好ましい実施形態に比較して、図７の第３の好ましい実施形態と同様に、演算増幅器１１の出力端子１２とその非反転出力端子との間に、抵抗値Ｒｆを有する帰還抵抗１５を挿入することにより、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔを、帰還抵抗１５を介して固定抵抗６，７の接続点１０に帰還したことを特徴としている。以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、第５の好ましい実施形態の作用効果に加えて、第３の好ましい実施形態の作用効果を有する。
図２０は、本発明に係る第５の好ましい実施形態の第３の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この変形例においては、図１９の変形例に比較して、測温抵抗体１９を帰還抵抗１３と電気的に並列に接続したことを特徴としている。以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においても、第５の好ましい実施形態の作用効果に加えて、第３の好ましい実施形態の作用効果を有する。
第６の好ましい実施形態
図２１は、本発明に係る第６の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図２１に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に係るブリッジ回路１０１の固定抵抗６に代えて、ブリッジ回路１０１ａにおいて固定抵抗６と測温抵抗体１６との直列回路を設けたことを特徴としている。ここで、測温抵抗体１６は、図９及び図１０に示すように、空気温度を検出するものであり、空気温度が高温であるときに接続点１０の基準電位Ｖｓを高くする一方、空気温度が低温であるときに基準電位Ｖｓを低くすることができるので、この好ましい実施形態は、第４の好ましい実施形態と同様の温度特性の補償を行うことができる。すなわち、以上のように構成された好ましい実施形態は、第４の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
図２２は、本発明に係る第６の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この変形例によれば、図２２に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に係るブリッジ回路１０１の固定抵抗６に代えて、ブリッジ回路１０１ｂにおいて固定抵抗６と測温抵抗体１６との並列回路を設けたことを特徴としている。以上のように構成された好ましい実施形態は、第４及び第６の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
第７の好ましい実施形態
図２３は、本発明に係る第７の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図２３に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、接続点１０への帰還電圧を、空気温度によって抵抗値Ｒ２０が変化する測温抵抗体２０に依存して増幅する非反転増幅器３０１を設けたことを特徴としている。ここで、測温抵抗体２０は、図９及び図１０に図示された、空気温度を検出するための測温抵抗体１６であるが、本発明はこれに限らず、図１４及び図１５に図示された、発熱抵抗体３，４からの放出される熱エネルギーの影響を受けかつ空気温度を検出する測温抵抗体１９であってもよい（以下、第７の好ましい実施形態の変形例という。）。
図２３において、演算増幅器１１の出力端子１２は、帰還抵抗１３を介して接続点９に接続される。また、出力端子１２の電圧Ｖｏｕｔは固定抵抗６５，６６により分圧され、その分圧点は非反転増幅器３０１を介して接続点１０に接続される。ここで、非反転増幅器３０１は、演算増幅器６３と、抵抗値Ｒ２１を有する入力負荷抵抗２１と、抵抗値Ｒ２０を有する帰還抵抗２０と、出力抵抗６４とを備えて構成される。具体的には、固定抵抗６５，６６の接続点は演算増幅器６３の非反転入力端子に接続され、演算増幅器６３の反転入力端子は入力負荷抵抗２１を介して接地されるとともに、帰還抵抗２０を介して演算増幅器６３の出力端子に接続される。また、演算増幅器６３の出力端子は出力抵抗６４を介して接続点１０に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、非反転増幅器３０１内の演算増幅器６３の出力端子における電圧である帰還電圧Ｖｆは次式で表される。
2004040245.tif 000003
上記（８）式からわかるように、空気温度が高くなって、測温抵抗体２０の抵抗値Ｒ２０が大きくなると、帰還電圧Ｖｆが高くなり、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが更に増加して出力電圧Ｖｏｕｔも高くなる。従って、第７の好ましい実施形態又はその変形例によればそれぞれ、図１２又は図１７と同様に、出力電圧Ｖｏｕｔを温度補償することができ、測定誤差を最小化することができる。従って、第７の好ましい実施形態又はその変形例はそれぞれ、第４又は第５の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第７の好ましい実施形態においては、測温抵抗体２０がダイヤフラム１８上に形成され、空気温度のみを検出するので、空気温度に依存して出力電圧Ｖｏｕｔを変化させるが、第７の好ましい実施形態の変形例においては、測温抵抗体２０がダイヤフラム１７上に形成され、空気温度及び発熱抵抗体３，４の温度に関係した温度を検出するので、空気温度及び空気流量に依存して出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることができる。
第８の好ましい実施形態
図２４は、本発明に係る第８の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図２４に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔを、空気温度によって抵抗値Ｒ２０ａが変化する測温抵抗体２０ａと、抵抗値Ｒ２２を有する固定抵抗２２により分圧し、この分圧された電圧に基づいて接続点１０への帰還量を制御するための緩衝増幅器３０２を設けたことを特徴としている。ここで、測温抵抗体２０ａは、図９及び図１０に図示された、空気温度を検出するための測温抵抗体１６であるが、本発明はこれに限らず、図１４及び図１５に図示された、発熱抵抗体３，４からの放出される熱エネルギーの影響を受けかつ空気温度を検出する測温抵抗体１９であってもよい（以下、第８の好ましい実施形態の変形例という。）。
図２４において、演算増幅器１１の出力端子１２は固定抵抗２２と測温抵抗体２０ａを介して接地され、固定抵抗２２と測温抵抗体２０ａの接続点は演算増幅器６３の非反転入力端子に接続される。緩衝増幅器３０２は、演算増幅器６３と、出力抵抗６４とを備えて構成され、演算増幅器６３の反転入力端子はその出力端子に接続され、当該出力端子は出力抵抗６４を介して接続点１０に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、緩衝増幅器３０２内の演算増幅器６３の出力端子における帰還電圧Ｖｆは次式で表される。
2004040245.tif 000004
上記（１０）式からわかるように、空気温度が高くなって抵抗値Ｒ２０が大きくなると、帰還電圧Ｖｆが高くなり、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが更に増加して出力電圧Ｖｏｕｔも高くなる。従って、第８の好ましい実施形態又はその変形例によればそれぞれ、図１２又は図１７と同様に、出力電圧Ｖｏｕｔを温度補償することができ、測定誤差を最小化することができる。従って、第８の好ましい実施形態又はその変形例はそれぞれ、第４又は第５の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第８の好ましい実施形態においては、測温抵抗体２０がダイヤフラム１８上に形成され、空気温度のみを検出するので、空気温度に依存して出力電圧Ｖｏｕｔを変化させるが、第８の好ましい実施形態の変形例においては、測温抵抗体２０がダイヤフラム１７上に形成され、空気温度及び発熱抵抗体３，４の温度に関係した温度を検出するので、空気温度及び空気流量に依存して出力電圧Ｖｏｕｔを変化させることができる。
第９の好ましい実施形態
図２５は、本発明に係る第９の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図２５に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、発熱抵抗体４と固定抵抗７の接続点８ａにおける電圧Ｖｃｃ１０を制御するための制御回路３０３をさらに設けたことを特徴としている。
図２５において、差動増幅器３０４は、演算増幅器３７と、２つの入力抵抗７１，７３と、入力負荷抵抗７２と、帰還抵抗７４とを備えて構成される。発熱抵抗体４と固定抵抗７の接続点８ａは、入力抵抗７１を介して演算増幅器３７の非反転入力端子に接続され、当該非反転入力端子は入力負荷抵抗７２を介して接地される。また、演算増幅器１１の出力端子１２は入力抵抗７３を介して演算増幅器３７の反転入力端子に接続され、演算増幅器３７の反転入力端子は帰還抵抗７４を介してその出力端子４０に接続される。さらに、演算増幅器３７の出力端子４０は開ループ利得Ａ０を有する演算増幅器４１の反転入力端子に接続され、演算増幅器４１の非反転入力端子には、例えばＶｃｃ／２以下の固定の電源電圧Ｖｃｃ１を有する定電圧源３８に接続される。演算増幅器４１の出力端子は電源電圧Ｖｃｃを制御するＮＰＮトランジスタ６７のベースに接続される。定電圧源８はＮＰＮトランジスタ６７のコレクタ及びエミッタを介して接続点８ａに接続される。
以上のように構成された制御回路３０３においては、差動増幅器３０４により制御後電圧Ｖｃｃ１０と出力電圧Ｖｏｕｔとの間の差電圧Ｖｄを発生させ、当該差電圧Ｖｄと、固定の電源電圧Ｖｃｃ１とを演算増幅器４１に入力し、その出力電圧によってトランジスタ４２を駆動してブリッジ回路１０１への電源電圧Ｖｃｃ１０を制御している。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って空気が流れてくると、接続点９の電位Ｖｍが接続点１０の基準電位Ｖｓより小さくなるため、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが増大し、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔは上昇する。このとき、制御回路３０３により制御後電圧Ｖｃｃ１０が上昇し、これにより、接続点１０の基準電位Ｖｓが上昇するため、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕをさらに増大して、電位Ｖｍを上昇させる。この場合、演算増幅器１１からの出力電圧Ｖｏｕｔが高くなり、これに伴い、制御後電圧Ｖｃｃ１０が上昇して、接続点１０の基準電位Ｖｓが上昇する。この繰り返しにより、制御回路３０３が無く定電圧源８のみにより電源電圧Ｖｃｃを供給する場合（第１の好ましい実施形態）に比較して、空気流量の増大による加熱電流Ｉｈｕの増大分が拡大され、空気流量測定の感度が上昇することになる。
図２６は、図２５の熱式空気流量センサ装置において可変電源と固定電源をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの特性を示すグラフである。図２６において、可変電源とは、当該第９の好ましい実施形態の場合であり、固定電源とは、トランジスタ６７が接続されるが、当該トランジスタ６７のベースに対して固定の電源電圧が印加される場合である。図２６から明らかなように、可変電源の方が固定電源に比較して、空気流量に対する出力電圧Ｖｏｕｔの傾斜が急峻であり、明らかに、空気流量測定の感度を向上させることがわかる。
図２５においては、出力電圧Ｖｏｕｔと、制御後電圧Ｖｃｃ１０とを差動増幅器３０４に入力して、その差電圧に従って制御後電圧Ｖｃｃ１０を制御するようにしたが、本発明はこれに限らず、出力電圧Ｖｏｕｔと固定電圧Ｖｃｃ１を加算回路に入力し、その加算結果の電圧に従って制御後電圧Ｖｃｃ１０を制御するようにしてもよい。
図２７は、本発明に係る第９の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の一部の回路構成を示す回路図である。図２５においては、定電圧源３８から電源電圧Ｖｃｃ１を演算増幅器４１の非反転入力端子に印加しているが、本発明はこれに限らず、図２７に示すように、定電圧源８からの電源電圧Ｖｃｃを固定抵抗６８，６９により分圧した固定電圧を演算増幅器４１の非反転入力端子に印加してもよい。この場合、定電圧源８を流用して、定電圧源３８を設ける必要がないので、回路構成がさらに簡単になる。
第１０の好ましい実施形態
図２８は、本発明に係る第１０の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図２８に示すように、上述のブリッジ回路１０１の接続点９の電位Ｖｍと、接続点１０の基準電位Ｖｓをコンパレータ３１に入力し、コンパレータ３１の出力端子３２からの出力信号に基づいて、発熱抵抗体４と固定抵抗３５を介して電気的に並列に接続されたトランジスタスイッチ３３と、発熱抵抗体３と固定抵抗３６を介して電気的に並列に接続されたトランジスタスイッチ３４とをオン・オフしたときのコンパレータ３１の出力端子３２からの出力信号を低域通過フィルタ７０によりろ波した出力信号をセンサ出力信号として用いることを特徴としている。
図２８において、ブリッジ回路１０１の接続点９はコンパレータ３１の反転入力端子に接続され、ブリッジ回路１０１の接続点１０はコンパレータ３１の非反転入力端子に接続される。ブリッジ回路１０１の発熱抵抗体４に対して電気的に並列に、固定抵抗３５とトランジスタスイッチ３３との直列回路が接続され、ブリッジ回路１０１の発熱抵抗体３に対して電気的に並列に、固定抵抗３６とトランジスタスイッチ３４との直列回路が接続される。
コンパレータ３１は、非反転入力端子に入力される基準電位Ｖｓが反転入力端子に入力される電位Ｖｍ以上であるとき、ハイレベルの出力信号を出力する一方、非反転入力端子に入力される基準電位Ｖｓが反転入力端子に入力される電位Ｖｍ未満であるとき、ローレベルの出力信号を出力する。コンパレータ３１の出力端子３２は低域通過フィルタ７０に接続されるとともに、バッファアンプ７５を介してトランジスタスイッチ３３の制御入力端子に接続され、また、インバータ７６を介してトランジスタスイッチ７６を介してトランジスタスイッチ３４の制御入力端子に接続される。ここで、各トランジスタスイッチ３３，３４は、制御入力端子に入力されるハイレベルの信号に応答してオンとなる一方、制御入力端子に入力されるローレベルの信号に応答してオフとなる。従って、トランジスタスイッチ３３がオンとなるときは、トランジスタスイッチ３４がオフとなる一方、トランジスタスイッチ３３がオフとなるときは、トランジスタスイッチ３４がオンとなる。
図２９は、図２８のコンパレータ３１の出力端子３２からの出力電圧Ｖｏｕｔの電圧波形を示すタイミングチャートである。図２９を参照して図２８の熱式空気流量センサ装置の動作について以下に説明する。
発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体４よりも発熱抵抗体３の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体３，４の接続点９の電位Ｖｍが固定抵抗６，７の接続点１０の基準電位Ｖｓよりも小さくなり、コンパレータ３１の出力端子３２からの出力信号がハイレベルとなる。このとき、トランジスタスイッチ３３がオンし、発熱抵抗体４と電気的に並列に固定抵抗３５が接続される一方、トランジスタスイッチ３４はオフとなり、発熱抵抗体３に固定抵抗３６は接続されない。固定抵抗３５に流れる電流は接続点９で発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄに加算され、発熱抵抗体３に流れる。これにより、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが加熱電流Ｉｈｄに比較して相対的に増大し、発熱抵抗体３の発熱量が増加してその抵抗値Ｒｈｕも増大する。このとき、接続点９の電位Ｖｍが上昇し、当該電位Ｖｍが接続点１０の基準電位Ｖｓを超えた時点で、コンパレータ３１からの出力信号が反転してローレベルとなる。以上のハイレベルの期間の時間をＴ１とする。
このように、コンパレータ３１からの出力信号がローレベルになったとき、トランジスタスイッチ３４がオンし、発熱抵抗体３と電気的に並列に固定抵抗３６が接続される一方、トランジスタスイッチ３３はオフし、発熱抵抗体４から固定抵抗３５の接続が解除される。固定抵抗３６に流れる電流は接続点９で発熱抵抗体４に流れる電流から減算され、減算結果の電流が発熱抵抗体３に流れることになる。従って、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが加熱電流Ｉｈｄに比較して相対的に減少し、発熱抵抗体３の発熱量が減少してその抵抗値Ｒｈｕも減少する。このとき、接続点９の電位Ｖｍが低下し、当該電位Ｖｍが接続点１０の基準電位Ｖｓを下回った時点で、コンパレータ３１からの出力信号が反転してハイレベルとなる。以上のローレベルの期間の時間をＴ２とする。その後、上記の動作を繰り返す。
以上の動作のときに、コンパレータ３１からの出力電圧Ｖｏｕｔは、図２９に示すようにパルス波形となり、当該パルス波形のデューティー比ＤＲは次式で表される。
ＤＲ＝Ｔ１／Ｔ０＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）      ・・・（１１）
上記デューティー比ＤＲは、パルス波形の電圧信号の時間積分値についての比であるので、発熱抵抗体３に供給する電力と、発熱抵抗体４に供給する電力との間の差に比例し、言いかえれば、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕの二乗と、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄに二乗との間の差に比例している。従って、上記デューティー比ＤＲは空気流量に対応した値を表していることになる。さらに、上記コンパレータ３１からのパルス波形の電圧信号を低域通過フィルタ７０により低域通過ろ波することによりアナログ信号に変換し、変換されたアナログ信号の信号レベルは空気流量に対応した値を有する。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、測定されるデューティー比ＤＲは、上述のように、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕの二乗と、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄに二乗との間の差に比例しているので、第１乃至第９の好ましい実施形態のごとく発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕと、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄの間の差に比例した値を測定する場合に比較して、空気流量測定の感度を大幅に向上できる。
以上の第１０の好ましい実施形態においては、コンパレータ３１からの出力信号を低域通過ろ波してアナログ信号に変換して流量に対応した値を示す信号を得ているが、本発明はこれに限らず、コンパレータ３１からの出力信号を所定の高周波のサンプリング周波数でサンプリングしてパルス列信号を得て、当該パルス列信号における所定の時間期間におけるパルス数を計測することにより、空気流量を測定するようにしてもよい。
第１１の好ましい実施形態
図３０は、本発明に係る第１１の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図３０に示すように、図３の第１の好ましい実施形態に比較して、発熱抵抗体３と、固定抵抗６と、発熱抵抗体４と、固定抵抗７とをこれらの順序で電気的に直列に接続することによりブリッジ回路１０２を形成し、演算増幅器１２は帰還抵抗１３を有することを特徴としている。
図３０のブリッジ回路１０２において、固定抵抗６と固定抵抗７の接続点は電源電圧Ｖｃｃの定電圧源８に接続され、発熱抵抗体３と発熱抵抗体４の接続点は接地される。また、発熱抵抗体３と固定抵抗６の接続点９ａは演算増幅器１１の反転入力端子に接続され、発熱抵抗体４と固定抵抗７の接続点１０ａは演算増幅器１１の非反転入力端子に接続される。さらに、演算増幅器１１の出力端子１２は抵抗値Ｒｍを有する帰還抵抗１３を介して演算増幅器１１の反転入力端子に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体３の方が発熱抵抗体４よりも冷却されやすいため、接続点９ａの電位Ｖｍ１が接続点１０ａの電位Ｖｍ２よりも低下する。電位Ｖｍ１が電位Ｖｍ２よりも小さくなるため、演算増幅器１１の出力端子１２から出力される出力電圧Ｖｏｕｔは高くなり、接続点９ａへの供給電流は増加し、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが増加する。ここで、接続点９ａの電位Ｖｍ１と、接続点１０ａの電位Ｖｍ２は次式で表される。
Ｖｍ１＝Ｒｈｕ×Ｉｈｕ      ・・・（１２）
Ｖｍ２＝Ｒｈｄ×Ｉｈｄ      ・・・（１３）
上記の式から明かなように、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが増加すると、電位Ｖｍ１が上昇する。また、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが増加すると発熱抵抗体３による発熱量が増大し、発熱抵抗体３の温度が上昇して、その抵抗値Ｒｈｕ１も増大する。これによっても、電位Ｖｍ１は上昇する。加熱電流Ｉｈｕの増加は、ブリッジ回路１０２と演算増幅器１１とからなる制御系により、電位Ｖｍ１が電位Ｖｍ２と等しくなった時点で停止する。固定抵抗６に流れる電流をＩｃとすると、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕと、電流Ｉｃとの差電流（＝Ｉｈｕ−Ｉｃ）が演算増幅器１１から帰還抵抗１３を介して接続点９ａに供給されており、演算増幅器１１の出力端子１２に現れる出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｍ１＋Ｒｍ１（Ｉｈｕ−Ｉｃ）      ・・・（１４）
このとき、固定抵抗６，７の各抵抗値を同じ値に設定しておくと、固定抵抗７にも電流Ｉｃが流れることになり、固定抵抗７と電気的に直列に接続されている発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄは電流Ｉｃと等しくなる。従って、出力電圧Ｖｏｕｔは次式のように表され、この好ましい実施形態によっても１つのブリッジ回路１０２により、空気流量に対応する加熱電流の差出力を得ることができる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｍ１＋Ｒｍ１（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）      ・・・（１５）
当該熱式空気流量センサ装置においては、２つの発熱抵抗体３，４の相対的な関係を制御する方式なので、空気温度を検出するための測温抵抗体を設ける必要がない。また、発熱抵抗体３，４の温度を調整するには定電圧源８の電源電圧Ｖｃｃを調整するのみで可能である。さらに、図３０の回路構成によれば、発熱抵抗体３，４からの配線数を３本に減らすことが可能である。
以上説明したように、この好ましい実施形態によれば、当該センサ装置を大幅に小型・軽量化することができ、調整工程を含む製造工程を簡略化でき、製造コストを先行技術に比較して大幅に軽減することができる。
第１２の好ましい実施形態
図３１は、本発明に係る第１２の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図３１に示すように、図３０の第１１の好ましい実施形態に比較して、帰還抵抗２７及び差動増幅器３０５をさらに備えたことを特徴としている。
図３１において、接続点９ａは開ループＡ０を有する演算増幅器２５の非反転入力端子に接続され、接続点１０ａは演算増幅器２５の反転入力端子に接続され、演算増幅器２５の出力端子２６は帰還抵抗２７を介して演算増幅器２５の反転入力端子に接続される。また、差動増幅器３０５は、演算増幅器２８と、入力抵抗７７，７８，７９と、帰還抵抗８０とを備えて構成される。演算増幅器１１の出力端子１２は入力抵抗７７を介して演算増幅器２８の非反転入力端子に接続され、当該非反転入力端子は入力抵抗７９を介して、例えばＶｃｃ／５である所定のオフセット電圧Ｖｏｆｆを有するオフセット電圧源３９に接続される。ここで、オフセット電圧Ｖｏｆｆは、差動増幅器３０５からの出力電圧Ｖｏｕｔにおいて空気流量の測定範囲で正の電圧が出力されるように設定するために印加されている。また、演算増幅器２５の出力端子２６は入力抵抗７８を介して演算増幅器２８の反転入力端子に接続され、演算増幅器２５の出力端子２９は帰還抵抗８０を介して反転入力端子に接続される。ここで、差動増幅器３０５の出力端子である、演算増幅器２８の出力端子２９からの出力電圧Ｖｏｕｔが当該センサ装置により測定される空気流量を表す。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体３の方が発熱抵抗体４よりも冷却されやすいため、接続点９ａの電位Ｖｍ１が接続点１０ａの電位Ｖｍ２よりも低下する。電位Ｖｍ１が電位Ｖｍ２よりも小さくなるため、演算増幅器１１の出力端子１２の出力電圧Ｖｏ１は上昇し、接続点９ａへの供給電流は増加し、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕが増加する。逆に、演算増幅器２５の出力端子２６の出力電圧Ｖｏ２は低下し、接続点１０ａへの供給電流は減少し、発熱抵抗体２４に流れる加熱電流Ｉｈｄは減少する。ここで、接続点９ａの電位Ｖｍ１と、接続点１０ａの電位Ｖｍ２はそれぞれ次式で表される。
Ｖｍ１＝Ｒｈｕ×Ｉｈｕ      ・・・（１６）
Ｖｍ２＝Ｒｈｄ×Ｉｈｄ      ・・・（１７）
上記の式から明かなように、加熱電流Ｉｈｕが増加すると電位Ｖｍ１が上昇し、加熱電流Ｉｈｄが減少すると電位Ｖｍ２が低下する。また、加熱電流Ｉｈｕが増加すると発熱抵抗体３による発熱量が増大し、発熱抵抗体３の温度が上昇して、その抵抗値Ｒｈｕ１も増大する。これによっても、電位Ｖｍ１は上昇する。逆に、加熱電流Ｉｈｄが減少すると発熱抵抗体４による発熱量が減少し、発熱抵抗体４の温度が低下して、その抵抗値Ｒｈｄも減少し、これによっても電位Ｖｍ２は低下する。加熱電流Ｉｈｕの増加及び加熱電流Ｉｈｄの減少は、ブリッジ回路１０２と２つの演算増幅器１２，２５とにより制御系により、電位Ｖｍ１が電位Ｖｍ２と等しくなった時点で停止する。このとき、固定抵抗６の抵抗値と、固定抵抗７の抵抗値とを同じ値に設定しておくと、両者に流れる電流Ｉｃは等しくなる。従って、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕと電流Ｉｃとの差電流（＝Ｉｈｕ−Ｉｃ）が演算増幅器１１から抵抗値Ｒｍ１を有する帰還抵抗１３を介して接続点９ａに供給されており、演算増幅器１１の出力端子１２に現れる電圧Ｖｏ１は次式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｍ１＋Ｒｍ１（Ｉｈｕ−Ｉｃ）      ・・・（１８）
また、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄと電流Ｉｃとの差電流（＝Ｉｈｄ−Ｉｃ）が演算増幅器２５から抵抗値Ｒｍ２を有する帰還抵抗２７を介して接続点１０ａに供給されており、演算増幅器２５の出力端子２６に現れる電圧Ｖｏ２は次式で表される。
Ｖｏ２＝Ｖｍ２＋Ｒｍ２（Ｉｈｄ−Ｉｃ）      ・・・（１９）
ここで、Ｖｍ１＝Ｖｍ２、Ｒｍ１＝Ｒｍ２＝Ｒｍとすると、差動増幅器３０５からの出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏ１−Ｖｏ２＝Ｒｍ（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）  ・・・（２０）
この好ましい実施形態によれば、第１１の好ましい実施形態と同様の作用効果を有するとともに、２つの演算増幅器１１，２５を用いて１個のブリッジ回路１０２を反対の電圧関係で制御するとともに、これら２つの演算増幅器１１，２５からの２つの出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２を差動増幅した電圧を当該センサ装置の出力電圧Ｖｏｕｔとしているので、第１１の好ましい実施形態に比較して、空気流量の測定感度を実質的に倍増することができる。
第１３の好ましい実施形態
図３２は、本発明に係る第１３の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図３２に示すように、図３１の第１２の好ましい実施形態に比較して、ブリッジ回路１０２の発熱抵抗体３，４の接続点と接地との間に抵抗値Ｒ３０を有する固定抵抗３０を挿入するとともに、差動増幅器３０５の出力電圧Ｖｎを、固定抵抗３０の両端電圧Ｖｐにより除算する除算器６１をさらに設けたことを特徴としている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、固定抵抗３０には各発熱抵抗体３，４に流れる２つの加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄを加算した和電流が流れる。従って、この固定抵抗３０の両端に現れる電位差をＶｐとすると、当該電位差Ｖｐは次式で表される。
Ｖｐ＝Ｒ３０（Ｉｈｕ＋Ｉｈｄ）      ・・・（２１）
また、差動増幅器３０５の出力電圧は（２０）式で表されるから、除算器６１により（２０）式を（２１）式で除算したときの、除算器３１の出力端子６２の出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｒｍ／Ｒ３０×（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）／（Ｉｈｕ＋Ｉｈｄ）
・・・（２２）
上記（２２）式で表されるように、出力電圧Ｖｏｕｔは加熱電流Ｉｈｕ、Ｉｈｄの和と差の比の値になる。これにより、加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄの同程度のばらつきや、発熱抵抗体３，４の温度係数及び応答時定数などは互いに相殺され、出力電圧Ｖｏｕｔに影響を与えないので高精度なセンサ装置を得ることができる。
以上説明したように、第１３の好ましい実施形態によれば、第１２の好ましい実施形態の作用効果を有するとともに、第１２の好ましい実施形態に比較して、空気流量の測定精度を大幅に向上させることができる。
第１４の好ましい実施形態
図３３は、本発明に係る第１４の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図３３に示すように、図３２の第１３の好ましい実施形態における除算器６１に代えて、定電圧源４３と、演算増幅器４４と、ＮＰＮトランジスタ４５とを備えたことを特徴としている。
図３３において、固定抵抗３０の両端電圧Ｖｐは開ループ利得Ａ０を有する演算増幅器４４の反転入力端子に印加され、例えばＶｃｃ以下の所定の電源電圧Ｖｃｃ２を有する定電圧源４３は演算増幅器４４の非反転入力端子に接続され、演算増幅器４４の出力端子はＮＰＮトランジスタ４５のベースに接続される。電源電圧Ｖｃｃの定電圧源８はＮＰＮトランジスタ４５のコレクタ及びエミッタを介して、発熱抵抗体６，７の接続点８ｂに接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、第１３の好ましい実施形態と同様に、固定抵抗３０には発熱抵抗体３，４に流れている電流の和電流が流れる。固定抵抗３０の両端に現れる電位差をＶｐとすると次式で表される。
Ｖｐ＝Ｒ３０（Ｉｈｕ＋Ｉｈｄ）      ・・・（２３）
ブリッジ回路１０２と演算増幅器４４とＮＰＮトランジスタ４５とからなる制御系においては、上記電位差Ｖｐが常に定電圧源４３の電源電圧Ｖｃｃ２と等しくなるように、演算増幅器４４とトランジスタ４５によりブリッジ回路１０２に流れる和電流（Ｉｈｕ＋Ｉｈｄ）を制御している。このような制御を行うことにより、（２３）式から和電流（Ｉｈｕ＋Ｉｈｄ）が常に一定の電流Ｉｈｃに保持される。差動増幅器３０５の出力電圧Ｖｏｕｔは（２０）式で表されるから、（２０）式の両辺をＩｈｃで除算すると次式を得る。
Ｖｏｕｔ／Ｉｈｃ＝Ｒｍ（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）／Ｉｈｃ
＝Ｒｍ（Ｉｈｕ−Ｉｈｄ）／（Ｉｈｕ＋Ｉｈｄ）・・・（２４）
ここで、電流Ｉｈｃは固定であるから出力電圧Ｖｏｕｔは加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄの和と差の比に比例することになる。従って、第１２の好ましい実施形態と同様に、加熱電流Ｉｈｕ，Ｉｈｄの同程度のばらつきや、発熱抵抗体３，４の温度係数及び応答時定数などは互いに相殺され、出力電圧Ｖｏｕｔに影響を与えないので高精度なセンサ装置を得ることができる。
第１５の好ましい実施形態
図３４は、本発明に係る第１５の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図３５は、図３４において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図３４のＤ−Ｄ’線についての縦断面図である。また、図３６は、図３４及び図３５の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図３４及び図３５に示すように、ダイヤフラム１７上に、それぞれ抵抗値Ｒｈｕ２，Ｒｈｕ１，Ｒｈｄ１，Ｒｈｄ２を有する４つの発熱抵抗体２３，３，４，２４を空気の流れ中であってその流れに沿って、これらの順序で、各長手方向が互いに平行となり、空気の流れに対して概略直交するように形成したことを特徴としている。
図３６において、４つの発熱抵抗体３，４，２３，２４をこれらの順序で電気的に直列に接続することによりブリッジ回路１０３を形成し、発熱抵抗体４，２３の接続点は電源電圧Ｖｃｃの定電圧源８に接続され、発熱抵抗体３，２４の接続点は接地される。また、発熱抵抗体３，４の接続点９は演算増幅器１１の反転入力端子に接続され、発熱抵抗体２３，２４の接続点１０は演算増幅器１１の非反転入力端子に接続される。演算増幅器１１の出力端子は抵抗値Ｒｍを有する帰還抵抗１３を介して接続点９に接続される。ここで、演算増幅器１１の出力端子１２から出力される出力電圧Ｖｏｕｔが当該センサ装置の出力電圧となる。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体４よりも発熱抵抗体３の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体３の抵抗値Ｒｈｕ１が発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈｄ１よりも小さくなり、接続点９の電位Ｖｍは低下する。また、発熱抵抗体２４よりも発熱抵抗体２３の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体２３の抵抗値Ｒｈｕ２が発熱抵抗体２４の抵抗値Ｒｈｄ２よりも小さくなり、接続点１０の基準電位Ｖｓは上昇する。電位Ｖｍが基準電位Ｖｓよりも小さくなるため、演算増幅器１１の出力端子１２の出力電圧Ｖｏｕｔが高くなり、接続点９への供給電流は増加し、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕ１が増加する。このとき、接続点９の電位Ｖｍは次式で表される。
Ｖｍ＝Ｒｈｕ１×Ｉｈｕ１      ・・・（２５）
従って、加熱電流Ｉｈｕ１が増加すると電位Ｖｍが上昇する。また、加熱電流Ｉｈｕ１が増加すると発熱抵抗体３による発熱量が増大し、発熱抵抗体３の温度が上昇して、その抵抗値Ｒｈｕ１も増大する。これによっても電位Ｖｍは上昇する。ブリッジ回路１０３と演算増幅器１１とからなる制御系により、加熱電流Ｉｈｕ１の増加は電位Ｖｍが基準電位Ｖｓと等しくなった時点で停止する。このとき、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄ１，Ｉｈｕ１の差電流（＝Ｉｈｕ１−Ｉｈｄ１）が演算増幅器１１の出力端子１２から帰還抵抗１３を介して接続点９に供給されており、出力端子１２に現れる出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ＋Ｒｍ（Ｉｈｕ１−Ｉｈｄ１）          ・・・（２６）
また、接続点１０の基準電位Ｖｓは次式で表される。
Ｖｓ＝Ｖｃｃ×Ｒｈｄ２／（Ｒｈｕ２＋Ｒｈｄ２）      ・・・（２７）
＝Ｖｃｃ／（１＋Ｒｈｕ２／Ｒｈｄ２）            ・・・（２８）
従って、空気流量が大きいほど、Ｒｈｕ２＜Ｒｈｄ２となるため、空気流量の増大とともに基準電位Ｖｓは上昇する。これにより、（２６）式の右辺第１項及び第２項はともに、空気流量とともに増大するため、第３の好ましい実施形態のような正帰還をかけなくても、流量測定の感度を、第１の好ましい実施形態に比較して向上させることができる。
以上説明したように、第１５の好ましい実施形態によれば、第１の好ましい実施形態の効果に加えて、流量測定の感度を大幅に向上させることができる。
以上の第１５の好ましい実施形態においては、４つの発熱抵抗体２３，３，４，２４を互いに近傍に並置しているが、本発明はこれに限らず、２つの発熱抵抗体３，２３を互いに近傍に並置する一方、これらの発熱抵抗体３，２３から離間して、２つの発熱抵抗体４，２４を互いに近傍に並置してもよい。
第１６の好ましい実施形態
図３７は、本発明に係る第１６の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図３７に示すように、
（ａ）図３６に図示されたブリッジ回路１０３と、
（ｂ）図３１に図示された、それぞれ帰還抵抗１３，２７を有する２つの演算増幅器１１，２５と、
（ｃ）図３１に図示された差動増幅器３０５とを
組み合わせて、熱式空気流量センサ装置を構成したことを特徴としている。
なお、発熱抵抗体３，４の接続点９は演算増幅器１１の反転入力端子に接続されるとともに、演算増幅器２５の非反転入力端子に接続される。また、発熱抵抗体２３，２４の接続点１０は演算増幅器１１の非反転入力端子に接続されるとともに、演算増幅器２５の反転入力端子に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体３側から発熱抵抗体４に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体４よりも発熱抵抗体３の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体３の抵抗値Ｒｈｕ１が発熱抵抗体４の抵抗値Ｒｈｄ１よりも小さくなり、接続点９の電位Ｖｍ１は低下する。また、発熱抵抗体２４よりも発熱抵抗体２３の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体２３の抵抗値Ｒｈｕ２が発熱抵抗体２４の抵抗値Ｒｈｄ２よりも小さくなり、接続点１０の電位Ｖｍ２は上昇する。電位Ｖｍ１が電位Ｖｍ２よりも小さくなるため、演算増幅器１１の出力端子１２の出力電圧Ｖｏ１は高くなり、接続点９への供給電流は増加し、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕ１が増加する。逆に、演算増幅器２５の出力端子２６の出力電圧Ｖｏ２は低くなり、接続点１０への供給電流は減少し、発熱抵抗体２４に流れる加熱電流Ｉｈｄ２は減少する。ここで、接続点９電位Ｖｍ１と、接続点１０の電位Ｖｍ２はそれぞれ次式で表される。
Ｖｍ１＝Ｒｈｕ１×Ｉｈｕ１      ・・・（２９）
Ｖｍ２＝Ｒｈｄ２×Ｉｈｄ２      ・・・（３０）
従って、加熱電流Ｉｈｕ１が増加すると電位Ｖｍ１が上昇し、加熱電流Ｉｈｄ２が減少すると電位Ｖｍ２が低下する。また、加熱電流Ｉｈｕ１が増加すると発熱抵抗体３による発熱量が増大し、発熱抵抗体３の温度が上昇して、その抵抗値Ｒｈｕ１も増大する。これによっても電位Ｖｍ１は上昇する。逆に、加熱電流Ｉｈｄ２が減少すると発熱抵抗体２４による発熱量が減少し、発熱抵抗体２４の温度が低下して、その抵抗値Ｒｈｄ２も減少し、これによっても電位Ｖｍ２は低下する。ブリッジ回路１０３及び２つの演算増幅器１１，２５からなる制御系により、加熱電流Ｉｈｕ１の増加及び加熱電流Ｉｈｄ２の減少は電位Ｖｍ１が電位Ｖｍ２と等しくなった時点で停止する。このとき、発熱抵抗体４に流れる加熱電流Ｉｈｄ１と、発熱抵抗体３に流れる加熱電流Ｉｈｕ１の差電流（＝Ｉｈｕ１−Ｉｈｄ１）が演算増幅器１１から出力抵抗１３を介して接続点９に供給されており、演算増幅器１１の出力端子１２に現れる電圧Ｖｏ１は次式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｍ１＋Ｒｍ１（Ｉｈｕ１−Ｉｈｄ１）      ・・・（３１）
また、発熱抵抗体２３に流れる加熱電流Ｉｈｕ２と、発熱抵抗体２４に流れる加熱電流Ｉｈｄ２の差電流（＝Ｉｈｄ２−Ｉｈｕ２）が演算増幅器２５から出力抵抗２７を介して接続点１０に供給されており、演算増幅器２５の出力端子２６に現れる電圧Ｖｏ２は次式で表される。
Ｖｏ２＝Ｖｍ２＋Ｒｍ２（Ｉｈｄ２−Ｉｈｕ２）      ・・・（３２）
ここで、Ｖｍ１＝Ｖｍ２、Ｒｍ１＝Ｒｍ２＝Ｒｍとすると、差動増幅器３０５からの出力電圧Ｖｏｕｔは次式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｏ１−Ｖｏ２
＝Ｒｍ｛（Ｉｈｕ１＋Ｉｈｕ２）
−（Ｉｈｄ１＋Ｉｈｄ２）｝      ・・・（３３）
ここで、空気流量が大きいほど、加熱電流Ｉｈｕ１，Ｉｈｕ２は増大する一方、加熱電流Ｉｈｄ１，Ｉｈｄ２は減少するため、（３３）式の右辺第１項は空気流量とともに増大し、第２項は空気流量とともに減少する。従って、第３の好ましい実施形態のような正帰還をかけなくても、空気流量測定の感度を向上できる。
以上説明したように、第１６の好ましい実施形態によれば、第１５の好ましい実施形態の効果に加えて、空気流量測定の感度を、第１５の好ましい実施形態に比較して向上できる。
第１７の好ましい実施形態
図３８は、本発明に係る第１７の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、ブリッジ回路１０１を備えた第５の好ましい実施形態に比較して、図１４及び図１５に示す測温抵抗体１９を第３の発熱抵抗体４３として用いたことを特徴としている。すなわち、発熱抵抗体４３に比較的大きな電流を供給して比較的大きな熱エネルギーを放出させて、発熱抵抗体３，４に対して影響を与える。
図３８において、ブリッジ回路１０１が接続された演算増幅器１１の出力端子１２の後段に、演算増幅器８１にてなる緩衝増幅器３０６及び発熱抵抗体４３を設けている。ここで、演算増幅器１１の出力端子１２は演算増幅器８１の非反転入力端子に接続され、演算増幅器８１の出力端子はその反転入力端子に接続されるとともに、発熱抵抗体４３を介して接地される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、演算増幅器１１の出力端子１２からの出力電圧Ｖｏｕｔを緩衝増幅器３０６により緩衝増幅し、その緩衝増幅した電圧を発熱抵抗体４３に印加して発熱させる。ここで、出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるにつれて、発熱抵抗体４３から放出される熱エネルギーは増大する。
図３９は、図３８の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する発熱抵抗体３，４の各温度及びそれらの間の温度差を示すグラフである。図３９から明かなように、発熱抵抗体３，４の温度（又はその抵抗値）は空気流量の増大とともに低下する。両者の温度差も空気流量の増大とともに飽和していく。この温度差の変化量が小さいとセンサ装置の感度も小さくなる。この発熱抵抗体３，４の温度差は発熱抵抗体３，４自身の温度が高いほど大きくなる。従って、広い空気流量範囲での測定が必要な用途では大空気流量でも発熱抵抗体３，４の温度を高く保つ必要がある。図３８のように、第３の発熱抵抗体４３に出力電圧Ｖｏｕｔを印加すると、大空気流量ほど印加電圧が高くなり、発熱量が増すので発熱抵抗体３，４の温度低下を防ぐことができる。これにより、広い範囲で高感度な測定が可能なセンサ装置が実現できる。
第１８の好ましい実施形態
図４０は、本発明に係る第１８の好ましい実施形態である、絶縁保護膜５を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図４１は、図４０において絶縁保護膜５が形成されたときにおける、図４０のＥ−Ｅ’線についての縦断面図である。また、図４２は、図４０及び図４１の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図４０及び図４１に示すように、発熱抵抗体３，４の間に、大電流を供給して熱エネルギーを放出する第３の発熱抵抗体１９を設け、例えばシリコンチップ１の先端のダイヤフラム１８上に、微小動作電流を供給して空気温度を検出するための測温抵抗体１６を形成し、図４２に示すように、流量測定を行うためのブリッジ回路１０１及び演算増幅器１１からなる第１の装置回路（図３に図示された第１の好ましい実施形態に係る回路である。）４０１と、発熱抵抗体１９と測温抵抗体１６と可変抵抗８２と固定抵抗８３とからなる第２のブリッジ回路１０４を備えた、発熱抵抗体１９の温度保持のための第２の装置回路４０２とを備えたことを特徴としている。
図４２において、可変抵抗８２と、測温抵抗体１６と、発熱抵抗体１９と、固定抵抗８３とをこれらの順序で電気的に直列に接続することにより、ブリッジ回路１０４を構成する。電源電圧Ｖｃｃの定電圧源８はＮＰＮトランジスタ８５のコレクタ及びエミッタを介して、測温抵抗体１６と発熱抵抗体１９の接続点に接続され、可変抵抗８２と固定抵抗８３の接続点は接地される。可変抵抗８２と測温抵抗体１６の接続点は開ループ利得Ａ０を有する演算増幅器８４の非反転入力端子に接続され、固定抵抗８３と発熱抵抗体１９の接続点は反転入力端子に接続される。さらに、演算増幅器８４の出力端子はＮＰＮトランジスタ８５のベースに接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、流量測定のためのブリッジ回路１０１を備えた第１の装置回路４０１とは別に、ブリッジ回路１０４、演算増幅器８４及びＮＰＮトランジスタ８５とにより、定温度差制御系の第２の装置回路４０２を備えている。後者の定温度差制御系の第２の装置回路４０２においては、測温抵抗体１６に空気温度の検出するための微小動作電流を供給するように可変抵抗８２を調整し、第３の発熱抵抗体１９の温度を、上記検出した空気温度には依存するが、空気流量に依存せず実質的に一定に保持するように制御できる。
以上説明したように、第１８の好ましい実施形態によれば、第１７の好ましい実施形態と同様に、発熱抵抗体３，４の温度低下を防止することができ、より広い範囲で高感度な測定が可能なセンサ装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】  以上詳述したように本発明に係る熱式空気流量センサ装置によれば、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる２つの発熱抵抗体と、上記２つの発熱抵抗体に接続され、上記２つの発熱抵抗体に加熱電流を供給する電源手段と、上記２つの発熱抵抗体の接続点の電位が所定の基準電位となるように、上記２つの発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する制御手段と、上記２つの発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備える。ここで、例えば、上記２つの発熱抵抗体と、別の２つの抵抗とによりブリッジ回路を構成し、上記電源手段と上記別の２つの抵抗とにより上記基準電位を発生する。従って、１つのブリッジ回路を用いて、２つの発熱抵抗体の加熱電流の差により空気流量を測定することができるので、当該熱式空気流量センサ装置を大幅に小型・軽量化でき、調整工程を含む製造工程を簡略化でき、これにより製造コストを大幅に軽減することができる。
【図１】
2004040245.tif 000005
【図２】
2004040245.tif 000006
【図３】
2004040245.tif 000007
【図４】
2004040245.tif 000008
【図５】
2004040245.tif 000009
【図６】
2004040245.tif 000010
【図７】
2004040245.tif 000011
【図８】
2004040245.tif 000012
【図９】
2004040245.tif 000013
【図１０】
2004040245.tif 000014
【図１１】
2004040245.tif 000015
【図１２】
2004040245.tif 000016
【図１３】
2004040245.tif 000017
【図１４】
2004040245.tif 000018
【図１５】
2004040245.tif 000019
【図１６】
2004040245.tif 000020
【図１７】
2004040245.tif 000021
【図１８】
2004040245.tif 000022
【図１９】
2004040245.tif 000023
【図２０】
2004040245.tif 000024
【図２１】
2004040245.tif 000025
【図２２】
2004040245.tif 000026
【図２３】
2004040245.tif 000027
【図２４】
2004040245.tif 000028
【図２５】
2004040245.tif 000029
【図２６】
2004040245.tif 000030
【図２７】
2004040245.tif 000031
【図２８】
2004040245.tif 000032
【図２９】
2004040245.tif 000033
【図３０】
2004040245.tif 000034
【図３１】
2004040245.tif 000035
【図３２】
2004040245.tif 000036
【図３３】
2004040245.tif 000037
【図３４】
2004040245.tif 000038
【図３５】
2004040245.tif 000039
【図３６】
2004040245.tif 000040
【図３７】
2004040245.tif 000041
【図３８】
2004040245.tif 000042
【図３９】
2004040245.tif 000043
【図４０】
2004040245.tif 000044
【図４１】
2004040245.tif 000045
【図４２】
2004040245.tif 000046
【図４３】
2004040245.tif 000047
【国際調査報告】
2004040245.tif 000048
2004040245.tif 000049