(57)【要約】      （修正有）【課題】発熱抵抗体の温度をオイル蒸発温度より高い温度に制御することで、センサ素子表面へのオイル等汚損物質付着による測定精度の悪化を抑制、また、環境温度による流量検出信号の誤差を補正することで測定精度を向上した測定気体流量測定装置を提供する。【解決手段】気体流路中に配置される吸気温度を計測する温度計測素子を有し、ダイアフラム上に設けられた発熱抵抗体と、発熱抵抗体の温度を検出するための発熱抵抗体温度監視抵抗体により形成される発熱抵抗体駆動回路部を有し、発熱抵抗体の上流側と下流側の温度差情報から検出信号を得る流量検出回路部を有し、発熱抵抗体駆動回路部の温度検出信号と温度計測素子の温度計測信号と流量検出回路部の検出信号から補正量を算出し、補正量をもとに流量信号の特性補正を行う。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラムを有するセンサ素子と、
該ダイアフラムには、発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の温度を検出する発熱抵抗体温度監視抵抗体と、該発熱抵抗体の上流と下流に設けられる検出抵抗体と、が設けられ、
吸気温度を計測する温度計測素子と、
前記センサ素子と前記温度計測素子と前記発熱抵抗体温度監視抵抗体と前記検出抵抗体からの複数の情報を処理する回路素子と、を有し、
前記発熱抵抗体温度監視抵抗体を備え、前記発熱抵抗体の温度を制御する発熱抵抗体駆動回路と、
前記検出抵抗体を備える流量検出回路と、を有する気体流量測定装置において、
前記回路素子は、
前記発熱抵抗体駆動回路部の温度検出信号と前記温度計測素子の温度計測信号と前記流量検出回路部の検出信号から補正量を算出し、該補正量をもとに該流量信号の補正を行う補正部を有することを特徴とする気体流量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の気体流量測定装置において、
吸気温度毎の前記流量検出回路部の検出信号に対して、前記発熱抵抗体駆動回路部の温度検出信号と前記温度計測素子の温度計測信号の差分から差分温度信号を算出し、
前記流量検出回路部の検出信号に対して、流量と前記差分温度信号に応じた補正量を算出し、
前記流量検出回路部の検出信号に前記補正量を加算して、前記流量検出回路部の検出信号を補正出力信号とすることを特徴とする気体流量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の気体流量測定装置において、
前記発熱抵抗体駆動回路部の前記発熱抵抗体の温度を例えば250度以上の高温に制御することを特徴とする気体流量測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の気体流量測定装置において、
前記発熱抵抗体温度監視抵抗体から検出させる温度信号と前記回路素子内のメモリに書き込まれている例えば250度以上の温度信号とを、前記回路素子内の制御部で比較し、前記温度信号と前記温度信号とが等しくなるよう前記発熱抵抗体駆動回路部を制御することを特徴とする気体流量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気の流量を計測する発熱抵抗体式気体流量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、自動車などの内燃機関の吸入空気量を計測する気体流量計測装置として、特許文献1に記載されるような熱式抵抗体を加熱制御し発熱抵抗体の放熱量によって流量を計測するものが実用されてきた。
【０００３】
環境規制に対応するエンジン開発に伴い、流量測定の高速応答化、高精度化が求められており、特許文献2に記載されるような半導体技術を用いて、シリコン(Si)基板上に熱式流量計のセンサ素子を形成した高速応答で高精度な計測が可能な気体流量計測装置の実用が知られている。
【０００４】
前記センサ素子は、発熱抵抗体と前記発熱抵抗体の加熱温度を検出する加熱温度センサと、前記加熱温度センサで検出された温度により前記発熱抵抗体の加熱温度を制御する駆動回路を備え、前記加熱温度センサは、吸気温度に依存して抵抗値が変化する感温抵抗体であり、前記発熱抵抗体に対して気体の流れの上流側および下流側に配置し、かつ気体の流れの垂直方向の上部側と下部側に配置することで、発熱抵抗体の周辺及び内部で、加熱温度センサの自己発熱により温度が上昇し、発熱抵抗体周辺で均等な温度分布となるため、吸気温度に依存して流量検出感度の変化は発生しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平11-83584号公報
【特許文献２】特開2012-32247号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図1に示すように発熱抵抗体温度が上昇すると、センサ素子表面へのオイル付着量は減少し、また、発熱抵抗体温度が低下すると、センサ素子表面へのオイル付着量は増加する。そのため、オイル等汚損物質がセンサ素子表面に付着することで測定精度の悪化が発生する。
【０００７】
特に、発熱抵抗体温度がオイル蒸発温度例えば250度より低い場合、オイルやオイルを含んだ汚損物質等がエレメント表面へ付着し、流量検出感度が低下し、測定精度の悪化によりマイナス誤差が発生してしまうといった課題がある。
【０００８】
本発明の目的は、吸気温度によらず発熱抵抗体の温度をオイル蒸発温度例えば250度より高い温度になるよう制御することで、センサ素子表面へのオイル等汚損物質付着による測定精度の悪化を抑制、また、環境温度による流量検出信号の誤差を補正、補正後流量信号を出力とすることで測定精度を向上した測定気体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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の気体流量測定装置は、気体流路中に配置される半導体基板に構成されるダイアフラムを有するセンサ素子と、前記気体流路中に配置される吸気温度を計測する温度計測素子を有し、かつ、前記ダイアフラム上に設けられた発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の温度を検出するための発熱抵抗体温度監視抵抗体により形成される発熱抵抗体駆動回路部を有し、かつ、前記発熱抵抗体の上流側と下流側に温度を検出するための検出抵抗体を有し、前記検出抵抗体の上流と下流の温度差情報から前記センサ素子の検出信号を得る流量検出回路部を有し、かつ、前記センサ素子と前記温度計測素子と前記発熱抵抗体温度監視抵抗体と前記検出抵抗体からの複数の情報を処理する回路素子を有する気体流量測定装置において、吸気温度毎の前記流量検出回路部の検出信号に対して、前記発熱抵抗体駆動回路部の温度検出信号と前記温度計測素子の温度計測信号の差分から差分温度信号を算出し、前記流量検出回路部の検出信号に対して、流量と前記差分温度信号に応じた補正量を算出し、前記流量検出回路部の検出信号に前記補正量を加算して、前記流量検出回路部の検出信号を補正出力信号とし、かつ、前記発熱抵抗体駆動回路部の前記発熱抵抗体の温度を例えばオイルが蒸発可能な温度250度以上の高温に制御し、かつ、前記発熱抵抗体温度監視抵抗体から検出させるデジタル温度信号と前記回路素子内のメモリに書き込まれているオイル蒸発温度相当の例えば250度以上の温度信号とを、前記回路素子内の制御部にて比較し、前記デジタル温度信号と前記温度信号とが等しくなるよう前記発熱抵抗体駆動回路部を制御するように構成した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、吸気温度によらず発熱抵抗体の温度をオイル蒸発温度例えば250度より高い温度になるよう制御することで、センサ素子表面へのオイル等汚損物質付着による測定精度の悪化を抑制、また、環境温度による流量検出信号の誤差を補正、補正後流量信号を出力とすることで測定精度を向上した測定気体流量測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】発熱抵抗体温度とオイル付着領域の変化の説明図
【図２】実施例における気体流量測定装置の構造
【図３】実施例における気体流量測定装置のセンサ素子１００の断面図
【図４】実施例における気体流量測定装置の計測回路
【図５】発熱抵抗体１０３の駆動情報生成のブロック図
【図６】吸気温度による流量Qと流量誤差の関係
【図７】吸気温度によるセンサ素子１００表面上の温度分布
【図８】実施例における気体流量測定装置の補正部５００のブロック図
【図９】吸気温度による流量Qと補正量の関係
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１３】
本発明の実施例をなす気体流量測定装置の構造を図2に示す。配管１により形成した主通路２の中は主流体３が流れており、この主流体３の流量を測定するため主通路２には気体流量測定装置４を挿入する。気体流量測定装置４の下側部分には副空気通路５が形成されており、副空気通路５の内部を通過する主流体３の一部である支流体６の流量計測を行うセンサ素子１００を配置する。センサ素子１００は支持体７により支持され、支持体７には回路素子２００を搭載する。回路素子２００はセンサ素子１００の出力信号を流量情報に変換して外部に出力する。
【００１４】
次に、センサ素子１００の構造を図３に示す。センサ素子１００は、シリコン基板１０１の一面に絶縁膜１０２を形成し、シリコン基板１０１の他面側からエッチング処理を行い、シリコン基板の一部を除去してダイアフラム１０９を形成する。ダイアフラム１０９には発熱抵抗体１０３と、流量を検出するため支流体６の主な流動方向に対して発熱抵抗体１０３の上流側に検出抵抗体１０５を下流側に検出抵抗体１０６を配置し、そして発熱抵抗体１０３の温度をモニタするため発熱対抗体１０３の近傍に発熱抵抗体温度監視抵抗体１０４を形成する。さらに、上記抵抗体の上部に、絶縁性の保護膜１０８を形成することで、支流体６に含まれる汚損物質等がセンサ素子１００に付着することによる各抵抗間のショートや抵抗材料の腐食から保護している。尚、１０３〜１０６には、抵抗温度係数の大きな材料である、例えばシリコン、白金、タングステン、モリブデン、タンタル、チタンなど材料を適用することが望ましい。
【００１５】
次に、気体流量測定装置の計測回路を図４に示す。計測回路は、流量検出回路３００と発熱抵抗体駆動回路４００とを備える。流量検出回路３００は、流量を検出する回路であり、検出抵抗体１０５と検出抵抗体１０６とを交互に接続したブリッジ回路(以下、検出ブリッジ回路と呼称する))と、AD変換器３０１と、補正部５００とを備える。検出ブリッジ回路の中間電位Va、VbはAD変換器３０１に入力しデジタル変換(以下デジタル変換後の信号を、デジタル流量情報Qと呼称する。) され、補正部５００にてVa, Vbのデジタル値に応じた流量信号を出力する。
【００１６】
発熱抵抗体駆動回路４００は、発熱抵抗体１０３を所定温度例えば２５０度以上の高温に制御する回路であり、支流体６の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗体１０７と発熱抵抗体温度監視抵抗体１０４とからなる回路で（以下、発熱抵抗体駆動回路と呼称する）と、AD変換器４０１と、制御部４０２とDA変換器４０３とメモリ４０４と、駆動トランジスタ４０５と、発熱抵抗体１０３とを備える。感温抵抗体１０７と発熱抵抗体温度監視抵抗体１０４の中間電位VcはAD変換器４０１に入力しデジタル変換され(以下デジタル変換後の信号を、発熱抵抗体温度信号THEATと呼称する。) 、制御部４０２内に設けられている比較器４０６にてメモリ４０４に書き込まれているデジタル温度信号Tbと比較し、THEATとTbのデジタル温度信号が等しくなるように発熱抵抗体１０３の駆動情報を生成する。駆動情報は、DA変換器４０３および駆動トランジスタ４０５により駆動信号に変換され、発熱抵抗体に印加する。(図４、図５参照。)
ここで、流量検出回路部にて得られる検出信号の吸気温度による流量誤差について図６、図７を用いて説明する。
【００１７】
吸気温度が高温の場合、熱伝導率κが常温時に比べ高くなるため、図7に示すようにセンサ素子１００表面上の温度分布は実線で示す常温時の温度分布に対し、破線で示す温度分布のように低下するため、図6に示すように流量誤差はマイナス誤差となる。
【００１８】
また、吸気温度が低温の場合、熱伝導率κが常温時に比べ低くなるため、図7に示すようにセンサ素子１００表面上の温度分布は実線で示す常温時の温度分布に対し、点線で示す温度分布のように高上するため、図6に示すように流量誤差はプラス誤差となる。
【００１９】
これを受け、本発明による気体流量測定装置は、吸気温度信号Taおよび流量検出回路にて得られるデジタル流量情報Qと発熱抵抗体駆動回路にて得られる発熱抵抗体温度信号THEATを、補正部５００に取り込み、発熱抵抗体温度信号-吸気温度信号の差(THEAT-Ta)およびデジタル流量情報Qに基づいてAD変換器３０１の出力を補正できるようにした。
【００２０】
吸気温度信号Taは、支持部材９を用いて気体流量測定装置４の外部に主流体３にさらすように配置した温度計測素子１０、固定抵抗１１からなる温度センサにより検出し、温度センサの出力はAD変換器３０２を介して５００に入力する。
【００２１】
次に、補正部５００の構成について図８を用いて説明する。補正部５００は吸気温度による流量誤差を補正するため補正量を導出する補正量導出部５０１と、補正量導出部に温度信号T2を伝えるためのマルチプレクサ５０２と、補正量導出部５０１により導出した補正量を反映するための演算器５０３と、DA変換器５０４とを備える。
【００２２】
次に、補正部５００の動作について図８を用いて説明する。まず、AD変換器３０１の出力したデジタル流量信号QとAD変換器３０２の出力した吸気温度の温度信号TaとAD変換器４０１の出力したデジタル発熱抵抗体温度信号THEATを補正部５００に入力する。次に、デジタル流量信号Qを補正量導出部５０１に入力し、補正量導出部５０１はデジタル発熱抵抗体温度信号THEATと吸気温度のデジタル温度信号Taとの温度差の信号T2に応じた流量誤差を補正するための補正量を導出する。補正量導出部５０１が補正量を導出するため、発熱抵抗体温度信号THEATと吸気温度の温度信号Taの差分(THEAT-Ta)をマルチプレクサ５０２を介した温度差信号T2として補正量導出部５０１に入力する。補正量導出部５０１は、入力したQ、T2に基いて補正量Y2を導入し、演算器５０３により信号Qに加算して補正後信号Qrを生成する。
【００２３】
尚、補正量Y2について図９を用いて説明する。補正量Y2は流量Q、吸気温度Taに対して異なる大きさとなる。特に、吸気温度Taの上昇と共に補正量は大きくなる。
【００２４】
また、補正後信号QrはDA変換器５０４を用いて、アナログ信号に変換し外部装置へ流量信号QOUTを出力する。
【００２５】
実施例をなす気体流量測定装置の利点は、吸気温度によらず発熱抵抗体の温度をオイル蒸発温度例えば250度より高い温度になるよう制御することで、センサ素子表面へのオイル等汚損物質付着による測定精度の悪化を抑制し、また、補正部５００の動作により、環境温度による流量検出信号の誤差を補正、補正後流量信号を出力することで流量測定精度を確保した測定気体流量測定装置を提供できる点である。
【符号の説明】
【００２６】
１…配管
２…主通路
３…主流体
４…気体流量測定装置
５…通路
６…支流体
７…支持体
８…回路室
９…支持部材
１０…温度計測素子
１１…固定抵抗体
１２…コネクタ
１００…センサ素子
１０１…シリコンキバン
１０２…絶縁膜
１０３…発熱抵抗体
１０４…発熱抵抗体温度監視抵抗体
１０５…検出抵抗体
１０６…検出抵抗体
１０７…感温抵抗体
１０８…保護膜
１０９…ダイアフラム
２００…回路素子
３００…流量検出回路
３０１…AD変換器
３０２…AD変換器
４００…発熱制御回路
４０１…DA変換器
４０２…制御部
４０３…DA変換器
４０４…メモリ
４０５…駆動トランジスタ
５００…補正部
５０１…補正量導出部
５０２…マルチプレクサ
５０３…演算器
５０４…DA変換器
【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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