(57)【要約】温度特性に優れ、計測精度が向上された熱式空気流量計が実現される。熱式空気流量計は、空気流量計のケーシング（２３）内に設置した温度センサ（１６）と、この温度センサ（１６）を用いて測定素子（１）からの流量検出電圧を補正する演算器（１７）と、発熱抵抗体（５）の温度制御を行う温度制御回路に空気温度によって発熱抵抗体（５）の空気温度に対する上昇温度が変化する加熱温度制御手段（６ｂ）とを備える。全体温度変化と吸気通路壁面温度変化とによって発生する熱式空気流量計の流量検出誤差を同時に補正することができ、測定精度に優れた熱式空気流量計を実現することができる。
2005050143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路内に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体（５）と、流体温度を検出するための温度補償抵抗体（６ａ）と、上記発熱抵抗体（５）の上流の温度を測定する第１測温抵抗体（９）と、下流の温度を測定する第２測温抵抗体（１０）とを同一基板上に形成した流量測定素子（１）と、
上記発熱抵抗体（５）の温度を制御する温度制御回路（１２、１３）と、
上記流体通路を形成する吸気管の壁面に支持され、上記流量測定素子（１）を支持するケーシング（２３）と、
上記ケーシング（２３）内の温度を測定する温度センサ（１６）と、
上記第１及び第２側温抵抗体（９、１０）から流体流量に応じた信号を入力し、上記温度センサ（１６）を用いて温度補正を行い出力する演算器（１７、１８）と、
流体の温度と上記発熱抵抗体（５）の温度との差が流体温度に応じて変化する加熱温度制御手段（６ｂ、２９）と、
を備えることを特徴とする熱式流体流量計。
【請求項２】
請求項１記載の熱式流体流量計において、上記加熱温度制御手段（６ｂ、２９）は、上記発熱抵抗体と、上記温度補償抵抗体と、第１抵抗体と、第２抵抗体と、ブリッジ回路を形成し、上記温度補償抵抗体は、上記発熱抵抗体、第１抵抗体及び第２抵抗体とは異なる抵抗温度係数を有し、空気温度が上昇すると加熱温度を下がることを特徴とする熱式流体流量計。
【請求項３】
請求項１または２記載の熱式流体流量計において、同一の抵抗体材料で形成された上記発熱抵抗体、上記温度補償抵抗体、上記第１抵抗体及び上記第２抵抗体は、ブリッジ回路を形成し、上記抵抗体材料とは異なる抵抗温度係数を有する固定抵抗（６ｂ）が、上記温度補償抵抗体に並列に接続されていることを特徴とする熱式流体流量計。
【請求項４】
流体通路内に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体（５）と、この発熱抵抗体の上下流の温度を測定する第１及び第２の側温抵抗体（９、１０）とを同一基板上に有する流量検出素子（１）と、
上記発熱抵抗体（５）の温度を制御する温度制御回路（１２、１３）と、
上記第１及び第２の側温抵抗体（９、１０）から流体流量に応じた信号を取り出す流量検出回路（１７、１８）と、
上記流体通路を形成する吸気管の壁面に支持され、上記流量測定素子（１）を支持するケーシング（２３）と、
上記ケーシング（２３）内の温度を測定する温度センサ（１６）と、
上記第１及び第２側温抵抗体（９、１０）から流体流量に応じた信号を入力し、上記温度センサ（１６）を用いて温度補正を行い出力する演算器（１７、１８）と、
上記流量検出回路（１７、１８）の、流量ゼロにおける出力電圧であるオフセット電圧が周囲温度に応じて変化する流量検出手段（９、１０、３０、３１）と、
を備えたことを特徴とする熱式流体流量計。
【請求項５】
請求項４記載の熱式流体流量計において、上記流量検出手段は、前記第１測温抵抗体（９）と、第２測温抵抗体（１０）との直列回路を有し、上記第１測温抵抗体（９）と、第２測温抵抗体（１０）とは、異なる抵抗温度係数を有することを特徴とする熱式流体流量計。
【請求項６】
請求項４又は５記載の熱式流体流量計において、上記流量検出手段は、同一の抵抗温度係数を有する第１測温抵抗体と、第２測温抵抗体との直列回路を備え、上記第１及び第２測温抵抗体とは異なる抵抗温度係数の固定抵抗が、上記第２測温抵抗体に並列に接続されることを特徴とする熱式流体流量計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、熱式流体流量計に係り、特に、内燃機関の吸入空気量を測定するのに好適な熱式流体流量計に関する。
【背景技術】  流体流量計の一例として、自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量計がある。この空気流量計は、熱式のものが質量流量を直接検知できることから主流となってきている。
熱式の空気流量計の中でも、特に、半導体マイクロマシニング技術により製造された測定素子を搭載した熱式空気流量計が、コストを低減でき、且つ、低電力で駆動することができることから注目されてきた。
このような半導体基板を用いた従来の熱式空気流量計として、特開２００２−３１０７６２号公報に記載された技術がある。この公報に記載された技術は、製造バラツキの低減と経年変化に対する信頼性に充填重点を置いているものである。
この公報記載の発明によれば、ブリッジ回路に用いる発熱抵抗体、温度補償抵抗体及び抵抗体を同一の半導体基板上に同一の抵抗体材料で集積化した構成になっている。
これにより、高精度なヒータ制御が可能となり、これらの抵抗の抵抗値、抵抗率が時間経過にともない変化したとしても、同一の抵抗体材料で形成することにより、その変化の程度は同一視することができるので、ブリッジ回路の平衡状態は維持できる。よって長期にわたり安定した特性が得られる。
【発明の開示】
上記従来技術では、空気流の温度変化に対しては最適な加熱制御を行うことができるが、自動車用などの内燃機関に用いる場合、内燃機関の発熱による熱式空気流量計の外部からの熱影響が、空気流量の計測精度を低下させる原因となっている。
つまり、自動車等の過酷な温度条件下で使用される熱式空気流量計は、内燃機関の温度上昇により、熱式空気流量計の支持部を通して測定素子に熱が伝わり、測定素子近傍の被検出空気温度を上昇させるため、計測される流量は実際の流量より少ない量として計測され、計測精度の低下原因となっている。
この計測精度低下原因については、従来技術では認識されておらず、何ら対策は講じられていない。
本発明の目的は、外部の熱影響による流体流量計測精度の誤差を低減し、流量計測精度を向上した熱式流体流量計を実現することである。
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）熱式流体流量計は、流体通路内に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、流体温度を検出するための温度補償抵抗体と、上記発熱抵抗体の上流の温度を測定する第１測温抵抗体と、下流の温度を測定する第２測温抵抗体とを同一基板上に形成した流量測定素子を備える。
さらに、熱式流体流量計においては、上記流体通路を形成する吸気管の壁面に支持され、上記流量測定素子を支持するケーシング内の温度を温度センサにより測定される。そして、流体の温度と上記発熱抵抗体の温度との差が流体温度に応じて変化する加熱温度制御手段が備えられ、演算器により、上記第１及び第２側温抵抗体から流体流量に応じた信号と、上記温度センサとを用いて温度補正を行う。
（２）好ましくは、上記（１）において、上記加熱温度制御手段は、上記発熱抵抗体と、上記温度補償抵抗体と、第１抵抗体と、第２抵抗体と、ブリッジ回路を形成する。そして、上記温度補償抵抗体は、上記発熱抵抗体、第１抵抗体及び第２抵抗体とは異なる抵抗温度係数を有し、空気温度が上昇すると加熱温度を下がる。
（３）また、好ましくは、上記（１）または（２）において、同一の抵抗体材料で形成された上記発熱抵抗体、上記温度補償抵抗体、上記第１抵抗体及び上記第２抵抗体は、ブリッジ回路を形成し、上記抵抗体材料とは異なる抵抗温度係数を有する固定抵抗が、上記温度補償抵抗体に並列に接続される。
（４）本発明の熱式流体流量計は、流体通路内に配置され、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の上下流の温度を測定する第１及び第２の側温抵抗体とを同一基板上に有する流量検出素子を備える。
さらに、熱式流体流量計は、上記発熱抵抗体の温度を制御する温度制御回路と、上記第１及び第２の側温抵抗体から流体流量に応じた信号を取り出す流量検出回路と、上記流体通路を形成する吸気管の壁面に支持され、上記流量測定素子を支持するケーシングと、このケーシング内の温度を測定する温度センサと、上記第１及び第２側温抵抗体から流体流量に応じた信号を入力し、上記温度センサを用いて温度補正を行い出力する演算器と、上記流量検出回路の、流量ゼロにおける出力電圧であるオフセット電圧が周囲温度に応じて変化する流量検出手段とを備える。
（５）好ましくは、上記（４）において、上記流量検出手段は、前記第１測温抵抗体と、第２測温抵抗体との直列回路を有し、上記第１測温抵抗体と、第２測温抵抗体とは、異なる抵抗温度係数を有する。
（６）また、好ましくは、上記（４）又は（５）において、上記流量検出手段は、同一の抵抗温度係数を有する第１測温抵抗体と、第２測温抵抗体との直列回路を備え、上記第１及び第２測温抵抗体とは異なる抵抗温度係数の固定抵抗が、上記第２測温抵抗体に並列に接続される。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の第１の実施形態における熱式空気流量計の測定素子を示す平面図である。
図２は、図１の測定素子のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
図３は、測定素子上の発熱抵抗体に電流を流し加熱温度制御を行うための駆動回路を示す図である。
図４は、本発明における駆動回路を動作させたときの空気温度に対する発熱抵抗体の温度を従来技術と比較したグラフである。
図５は、本発明による流量を検出すための回路図である。
図６は、熱式空気流量計が内燃機関の吸気通路に実装された状態の概略断面図である。
図７は、補正を行う前の検出流量電圧の全体温度特性によって発生する検出流量誤差を示すグラフである。
図８は、測定素子と温度センサとの、空気流量の変化に対する温度変化を示す図である。
図９は、補正後の全体温度特性を示すグラフである。
図１０は、従来技術における演算器の補正マップを示す図である。
図１１は、本発明における演算器の補正マップを示す図である。
図１２は、熱式空気流量計の壁面温度特性による流量検出誤差を示す図である。
図１３は、熱式空気流量計の壁面温度特性による温度センサと測定素子の温度変化を示す図である。
図１４は、熱式空気流量計の補正後の壁面温度特性を示す図である。
図１５は、本発明の第２の実施形態における、発熱抵抗体の駆動回路を示す図である。
図１６は、本発明の第３の実施形態における流量検出回路を示す図である。
図１７は、本発明における第３の実施形態の流量検出回路の流量０ｋｇ／ｈにおける出力電圧の空気温度依存を示すグラフである。
図１８は、本発明における第３の実施形態の全体温度特性による流量検出誤差を示す図である。
図１９は、本発明の第４の実施形態における流量検出回路を示す図である。
図２０は、本発明の第５の実施形態における加熱温度制御を行うための駆動回路を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、以下の例は、本発明を熱式空気流量計に適用した場合の例である。
図１は、本発明の第１の実施形態における熱式空気流量計の測定素子を示す平面図である。図２は、図１の測定素子のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
図１、図２において、測定素子１は、下面より異方性エッチングにより電気絶縁膜３ａの境界まで穿孔形成した空洞４を有するシリコン等の半導体基板２と、空洞４を覆おう電気絶縁膜３ａ上に形成した発熱抵抗体５とを備えている。また、測定素子１は、発熱抵抗体５の温度補償を行うための温度補償抵抗体６ａと、発熱抵抗体５及び温度補償抵抗体６ａと共にブリッジ回路を形成するための第１抵抗体７と、第２抵抗体とを備えている。
また、測定素子１には、発熱抵抗体５近傍の上下流の温度を検出し、空気流量に応じた信号を得るための第１測温抵抗体９と、第２測温抵抗体１０とが形成されている。そして、測定素子１は、この測定素子１を駆動回路と接続し、検出流量電圧を出力するための、アルミニウムなどで形成される端子電極１１（１１ａ〜１１ｌ）と、各抵抗体を保護するための電気絶縁膜３ｂを備えている。
ここで、測定素子１上に形成するこれらの抵抗体に使用する材料として、ポリシリコン、白金、金、銅、アルミニウム等の材料を用いてもよい。この第１の実施形態では、測定素子１上の抵抗体は低コストであるポリシリコンで形成している。
図３は、測定素子１上の発熱抵抗体５に電流を流し加熱温度制御を行うための駆動回路を示す図である。図３において、駆動回路は、測定素子１上に形成した発熱抵抗体５と、この発熱抵抗体５に直列接続された第１抵抗体７と、温度補償抵抗体６ａと、この温度補償抵抗体６ａに直列接続された第２抵抗体８と、回路基板上２６に設置され、温度補償抵抗体６ａに並列接続された固定抵抗６ｂとを備え、抵抗５及び７と、抵抗６ａ及び８とは、並列に接続されてブリッジ回路を構成している。
また、この駆動回路は、ブリッジ回路の差電圧を増幅するため、抵抗５と７との接続点と、抵抗６７ａと８との接続点とに接続される差動増幅器１２と、この差動増幅器１２からの出力電圧が、そのベースに供給され、ブリッジ回路に通流する電流を制御するため、そのエミッタが抵抗６ａと抵抗５との接続点に接続されるトランジスタ１３と、このトランジスタ１３のコレクタと接地との間に接続される電源１４とを備える。
発熱抵抗体５の抵抗値をＲｈ、温度補償抵抗体６ａの抵抗値をＲｃ、固定抵抗６ｂの抵抗値をＲｆ、第１抵抗体７の抵抗値をＲａ、第２抵抗体８の抵抗値をＲｂとすると、上記駆動回路は以下の式（１）を満たすように動作する。
Ｒｈ×Ｒｂ＝（Ｒｃ／／Ｒｆ）×Ｒａ      −−−（１）
また、発熱抵抗体５は熱絶縁されているため、電流を流すと発熱する。したがって、ポリシリコンの抵抗温度係数をαｓ（ｐｐｍ／℃）、発熱抵抗体５の温度をＴｈ（℃）、測定素子１の基板温度をＴｃとすると、発熱抵抗体の温度Ｔｈは、次式（２）、（３）のように求められる。
Ｒｈ（１＋αｓ  Ｔｈ）×Ｒｂ（１＋αｓ  Ｔｃ）＝（Ｒｃ（１＋αｓ  Ｔｃ））／／Ｒｆ×Ｒａ（１＋αｓ  Ｔｃ）      −−−（２）
Ｔｈ＝（（Ｒｃ（１＋αｓＴｃ））／／Ｒｆ×Ｒａ×Ｒｈ／（Ｒｂ  Ｒｈ）−１）／αｓ      −−−（３）
上記駆動回路において、温度補償抵抗体６ａに並列に接続されている固定抵抗６ｂは、本発明の第１の実施形態において、付加される加熱温度制御手段である。
従来技術では、駆動回路は、発熱抵抗体５、温度補償抵抗体６ａ、第１抵抗体７及び第２抵抗体８で構成し、これら抵抗体は、同一の抵抗体材料で形成することにより同一の抵抗温度係数（１２００ｐｐｍ／℃）としているが、本発明の第１の実施形態における駆動回路は、これらの抵抗５、６ａ、７、８に加え、抵抗温度係数がほぼ０ｐｐｍ／℃である固定抵抗６ｂを温度補償抵抗体６ａに並列に接続している。
固定抵抗６ｂの抵抗値は、温度補償抵抗体６ａの２０倍程度であればよい。本発明における駆動回路を動作させたときの空気温度に対する発熱抵抗体５の温度を従来技術と比較したグラフを図４に示す。
図４において、従来技術では、破線で示す空気温度に対し、発熱抵抗体５の温度は常に一定温度高くなるように制御される。つまり、従来技術では、空気温度が２０℃の場合、発熱抵抗体５の温度は１７０℃であり、空気温度に対して１５０℃上昇する（ΔＴｈ＝１５０℃）。また、従来技術においては、空気温度が８０℃になってもΔＴｈ＝１５０℃である。
一方、本発明の第１の実施形態による駆動回路では、空気温度が２０℃のときは、従来技術と同様に、１７０℃でΔＴｈ＝１５０℃であるが、空気温度が８０℃に上昇すると、固定抵抗６ｂの効果により発熱抵抗体５のΔＴｈが下がり、ΔＴｈ＝１４５℃となり加熱温度が下がる。
すなわち、空気温度が２０℃から８０℃に変化すると、ΔＴｈが５℃低下するため、流量検出における感度が下がることになる。このように、本発明における駆動回路は、空気温度に応じて発熱抵抗体５の温度を調整するとともに、流量検出における感度を調整することができる。この感度調整の効果については後述する。
実際には、測定素子１上に形成したポリシリコンによる抵抗体の抵抗値には、製造バラツキが±２０％程度あるため、より高精度な制御を行う場合、接続する固定抵抗６ｂは、印刷抵抗などを用いて、レーザトリミングなどにより抵抗値を調整できる構成としたほうがよい。
また、接続する固定抵抗６ｂは、温度補償抵抗６ａに直列に接続したり、第１抵抗体７に接続する構成でもよく、同様な効果が得られる。
図５は、発熱抵抗体５の上下流の温度を検出するための第１測温抵抗体９及び第２測温抵抗体１０による空気流量を検出するための流量検出回路と、熱式空気流量計内部に設置した温度センサからの情報をもとに検出流量電圧を補正し出力する演算器を示す図である。
図５において、流量検出回路は、第１測温抵抗体９と第２測温抵抗体１０との直列回路に基準電圧源１５が接続されて構成されている。第１測温抵抗体９及び第２測温抵抗体１０は、発熱抵抗体５と同様に、ポリシリコンで形成されている。
測定素子１上を空気が流れることによって発熱抵抗体５上流の第１測温抵抗体９が冷却され、その抵抗値が下がる。そして、発熱抵抗体５の下流の第２測温抵抗体１０は、発熱抵抗体５により温められた空気が流れるため、加熱されて、その抵抗値が大きくなる。
したがって、これらの抵抗体９、１０の直列回路の電圧変化を取り出すことによって空気流量に応じた信号（検出流量電圧）が得られる。
抵抗体９、１０の電圧変化である検出流量電圧は、演算器１７に供給される。また、演算器１７には、駆動回路等の温度特性を補正するために熱式空気流量計内部に設置され、熱式空気流量計の代表温度を計測する温度センサ１６からの温度検出信号が供給される。演算器１７は、温度センサ１６からの温度情報に基づいて、検出流量電圧を補正する。また、演算器１７は、検出流量電圧と温度センサ１６からの温度の関係などの補正情報が記憶されたメモリ１８が接続され、このメモリ１８に記憶された情報に基づいて、高精度な空気流量を算出し、算出した空気流量信号を出力する。
図６は、内燃機関への吸入空気の流量を計測する熱式空気流量計が自動車等の内燃機関の吸気通路に実装された状態の概略断面図である。図６において、測定素子１は、吸入空気１９が流れる主通路２０内に配置された副通路２１内に設置される。そして、副通路２２を形成する部材２２はケーシング２３によって支持される。
また、測定素子１は、ケーシング２３内の回路基板２６に支持されるとともに、金線ボンディング２８などにより、電気的に駆動回路に接続される。さらに、ケーシング２３は、取り付け支持部２４によって、吸気通路壁面２５に設置される。
また、ケーシング２３内部には、測定素子１を駆動し流量信号を取り出すための駆動回路及び流量検出回路と、熱式空気流量計の代表温度を検出する温度センサ１６と、検出流量電圧を補正するための演算器１７及びメモリ１８が搭載された回路基板２６とが設置される。
また、固定抵抗６ｂも、回路基板２６上に設置される。そして、熱式空気流量計で計測した空気流量信号は、コネクタ２７を介してエンジン制御を行うコンピュータ（ＥＣＵ）に送られる。
この第１の実施形態の場合は、回路基板２６上の温度を熱式空気流量計の代表温度としたが、より吸気通路壁面２５に近い取り付け支持部２４など回路基板２６の外部に温度センサ１６を設置してもよい。
しかし、その場合、回路基板２６の外部となるため、配線の設置が必要になり温度センサ１６の実装が複雑になる。したがって、温度センサ１６は、回路基板２６と一体にした方が簡単で安価である。
ところで、自動車に用いられる内燃機関において、内燃機関に吸入される空気の温度は、内燃機関の発熱により−４０℃から＋８０℃の範囲において精度を確保することが要求される。
さらに、この温度条件において、吸入空気の温度と熱式空気流量計の温度とが同じであるという条件で、−４０℃から＋８０℃の範囲で変化する温度特性（以下、この温度条件を全体温度と呼び、この温度特性により発生する熱式空気流量計の流量検出誤差を全体温度特性と呼ぶ）という第１の条件がある。また、空気温度は２０℃で、吸気通路壁面２５の温度が８０℃になり、吸気通路壁面２５から熱式空気流量計に熱が伝わる状態になる温度特性（以下、この温度条件を壁面温度と呼び、この温度特性により発生する熱式空気流量計の流量検出誤差を壁面温度特性と呼ぶ）という第２の条件がある。上記第１の条件及び第２の条件のどちらの条件においても熱式空気流量計の流量検出精度を確保しなければならない。
上記の温度条件において、従来技術の場合は、全体温度特性であれば、温度センサ１６からの情報で補正し、流量検出精度は確保できるが、壁面温度特性による誤差は補正できない。これは、上述したように、内燃機関の発熱による壁面温度上昇が、空気流量検出精度に影響を与えているという事態が認識されていないからである。
本発明では、上記のような二つの温度条件においても、空気流量計の温度センサ１６と、発熱抵抗体５の温度制御を行う加熱温度制御手段（この第１の実施形態では、固定抵抗６ｂを追加した図３の駆動回路）によって流量検出誤差を補正でき、より高精度な流量測定が可能である。
本発明が、高精度な流量測定可能であることを以下に従来技術との比較において、説明する。
まず、従来技術の熱式空気流量計における全体温度特性を説明する。
図７は、演算器１７による補正を行う前の検出流量電圧の全体温度特性によって発生する検出流量誤差を示すグラフである。この検出流量誤差とは、全体温度が２０℃から８０℃に変化したときに起こる検出流量電圧の変動を流量誤差に換算したものである。
図７に示すように、全体温度特性により発生する流量検出誤差は、空気流量によって変化し、従来技術においては、低流量の５ｋｇ／ｈでは、−７％程度の誤差で最大になる。
図８は、上記温度条件における、測定素子１と温度センサ１６との、空気流量の変化に対する温度変化を示す図である。図８において、全体温度特性では吸入空気温度と、吸気通路壁面２５の温度とは同一温度になるため、全体温度８０℃の場合であっても、２０℃の場合であっても、温度センサ１６と、測定素子１とは、共に全体温度と同じ温度になる。
一方、本発明における全体温度特性は、固定抵抗６ｂの効果により、空気温度が上昇すると、発熱抵抗体５の温度上昇分は、従来技術より小さく、流量検出における感度を小さくするように調整している（図４参照）。
したがって、本発明においては、流量検出の感度が下がれば、全体温度特性で全体温度を２０℃から８０℃に変化させたときに発生する流量検出誤差は、従来技術に比べマイナス側に大きくなる。
このように、本発明では、全体温度特性による流量検出誤差を調整でき、このときの測定素子１と温度センサ１６との温度は、図８に示すように、同じである。
そして、この全体温度特性は、従来技術、本発明ともに、温度センサ１６からの情報と演算器１７とによって補正することが可能である。演算器１７は図７に示す全体温度特性による流量検出誤差が０％になるように、検出流量電圧に補正量を加え流量検出誤差を低減する。図９は、補正後の全体温度特性を示すグラフである。
なお、検出流量電圧に加える補正量とは、演算器１７が温度センサ１６からの温度情報に基づいた補正量であり、温度センサ１６の温度と空気流量との関係を示したマップ（補正マップ）を用いる。この補正マップはメモリ１８内に記憶されている。
図１１に示す表１は、従来技術における補正マップであり、図１２に示す表２は、本発明における補正マップである。図１１と図１２とを比較すると、本発明における補正マップは、従来技術における補正マップにより補正量が大きくなっている。これは、上述したように、内燃機関の発熱により温度が上昇した場合や、外部温度の影響により温度が低下した場合には、検出流量誤差が大きくなるため、これを考慮して、補正量を従来技術に比較して大としている。
なお、本発明の第１の実施形態では、マップを用いる方法を使ったが、補正マップをモデル化した関数を使って補正するものであっても、同様な効果を得ることができる。
次に、壁面温度特性について、従来技術と本発明とを比較して説明する。
図１２は、演算器１７により補正される前の流量検出電圧の壁面温度特性によって発生する流量検出誤差を示す図である。そして、この図１２においては、吸入空気温度を２０℃に保ち、吸気通路壁面２５の温度を２０℃から８０℃に上昇したときに発生する検出流量電圧の変動を流量誤差に換算したものである。
図１３は、壁面温度が２０℃の場合及び８０℃の場合における空気流量の変化に対する温度センサ１６と、測定素子１との温度状態を示すグラフである。
壁面温度特性では、壁面温度が８０℃のときは、壁面に近いほど温度が高くなるため、温度センサ１６の温度は測定素子１の温度よりも高温になる。また、空気流量が増加すると、放熱効果により徐々に温度が下がり空気温度に近づく。
図１２において、従来技術では、壁面温度特性による流量誤差は低流量５ｋｇ／ｈで最も大きい−１０％となり、空気流量が増加するに従い徐々に小さくなる。これは、空気流量が増加すると吸気通路壁面２５から熱式空気流量計に伝わる熱を放熱する効果が大きくなり、測定素子１の温度が下がってくるためである。
一方、本発明における壁面温度特性は、壁面温度特性による流量誤差は低流量５ｋｇ／ｈで最も大きい−１２．５％となり、空気流量が増加するに従い徐々に小さくなる。
本発明における補正前の壁面温度特性は、従来技術に比べて、最大で−２．５％悪化している。これは壁面温度特性においても測定素子１の温度が上昇すると、固定抵抗６ｂによる発熱抵抗体５の温度上昇分を減少する効果が現れるためである。
上記の壁面温度特性は演算器１７に入力される検出流量電圧の特性であり、全体温度特性と同様に、温度センサ１６の情報とメモリ１８に格納された補正マップにより図１４に示すグラフのように補正される。
図１４において、従来技術では補正後の壁面温度特性は、完全には０％にはならず、流量５ｋｇ／ｈで−５％程度残ることがわかる。これは、図１０に示した補正マップを用いても壁温特性では十分な補正量が得られないためである。つまり、図１３において、壁面温度が８０℃の場合、流量５ｋｇ／ｈでの温度センサ１の温度は６０℃程度であり、この温度での補正量は、図１０から、およそ４．７％である（（６０℃−２０℃）×７％／（８０℃−２０℃））。
したがって、従来技術においては、補正前の壁面温度特性による流量検出誤差が、−１０％（図１２、５ｋｇ／ｈ時）であるため補正後は、−１０％＋４．７％＝−５．３％である。このように、従来技術における温度センサ１による補正は、全体温度特性を補正することはできるが、壁面温度特性では演算器１７による補正量が少なく、大きな誤差が残る。
一方、本発明による熱式空気流量計の補正後の壁面温度特性は、従来技術に比べ１％程度改善していることが分かる。つまり、図１３において、壁面温度が８０℃の場合、流量５ｋｇ／ｈでの温度センサ１の温度は６０℃程度であり、この温度での補正量は、図１０から、８．０％である（（６０℃−２０℃）×１２％／（８０℃−２０℃））。
したがって、本発明においては、補正前の壁面温度特性による流量検出誤差が、−１２．５％（図１２、５ｋｇ／ｈ時）であるため補正後は、−１２．５％＋８．０％＝−４．５％である。従来技術では、−５．３％の誤差であったものが、本発明では−４．５％と、約１％改善されている。
この改善された理由は、本発明における演算器１７による誤差補正量は、図１１の表２に示すように、従来技術における補正量に比べて大きくなっているためである。つまり、固定抵抗６ｂにより全体温度特性を大きくして、演算器１７による誤差補正量を変更し、流量検出誤差を従来技術に比較して改善している。
本発明の第１の実施形態によれば、外部の熱影響による流体流量計測精度の誤差を低減し、流量計測精度を向上した熱式流体流量計を実現することができる。
本発明の第１の実施形態における効果は、温度センサ１６を用いた誤差補正と固定抵抗６ｂを用いて温度特性を変化させることの２つを併用することにより、得られる。
したがって、温度センサ１６を用いた誤差補正だけ、若しくは固定抵抗６ｂを抵抗６ａに接続して温度特性を変更するだけというようにどちらか一方を用いる構成では、全体温度特性と壁面温度特性との両方を同時に補正できず、これらの両方を併用することによって、はじめて得られる効果である。
本発明の第１の実施形態は、演算器１７によって誤差補正される前の全体温度特性を調整する機能を設けたことが特徴であり、このような機能を実現するその他の実施形態を以下に説明する。
図１５は、本発明の第２の実施形態における、発熱抵抗体５の駆動回路を示す図である。この駆動回路は測定素子１上の発熱抵抗体５に電流を流し加熱温度制御を行うための駆動回路である。
この図１５に示した駆動回路と、図３に示した駆動回路との異なるところは、図３の例は、抵抗６ａに並列に抵抗６ｂを接続しているが、図１５の例においては、抵抗６ａには、抵抗６ｂは接続せず、抵抗７に並列に抵抗２９を接続するところである。他の構成は、図１５の例と図３の例とは同様となっている。
図１５において、測定素子１上に形成した発熱抵抗体５、温度補償抵抗体６ａ、第１抵抗体７及び第２抵抗体８は、同一の抵抗体材料であるが、固定抵抗２９は、これらの抵抗５、６ａ、８及び７とは異なる抵抗体材料が用いられてブリッジ回路が形成されている。
なお、この駆動回路は、第１の実施形態における駆動回路と同様な機能を備えている。また、図１５における固定抵抗２９は抵抗体７と並列に接続しているが、抵抗７と抵抗２９とを直列接続しても得られる効果は同じである。
他の構成は、第１の実施形態と同様であり、温度センサ１６からの温度検出信号と、メモリ１８に記憶された補正量情報とから、演算器１７が空気流量信号を算出する。
この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
図１６は、本発明の第３の実施形態における流量検出回路を示す図である。
図１６において、流量検出回路は、同一の抵抗体材料（ポリシリコン抵抗体）で形成した、流量検出のための第１測温抵抗体９と、この第１測温抵抗体９に直列接続された第２測温抵抗体１０と、この抵抗体１０に並列に接続され、抵抗体９及び１０の抵抗体材料とは異なる材料の固定抵抗３０（抵抗温度係数＝約０ｐｐｍ／℃）とを備えている。なお、固定抵抗３０は、第２測温抵抗体１０に直列に接続してもよい。
図１７は、流量０ｋｇ／ｈにおける検出流量電圧の空気温度依存を示すグラフである。
図１７において、従来技術における流量検出回路では、同一の抵抗温度係数をもった抵抗体からなる直列回路であるため、空気温度が変化しても一定電圧となるが、本発明の第３の実施形態では、測温抵抗体１０に固定抵抗３０が接続されているため、空気温度が上昇すると検出流量電圧が小さくなる。
このように、空気流量０ｋｇ／ｈにおける検出流量電圧（オフセット電圧）の空気温度依存を固定抵抗３０により調整すると、図１８に示すように、特に、低流量における全体温度特性を調整することが可能である。
図１８に示すような全体温度特性を有する流量検出回路と、図５に示したと同様な温度センサ１６と、図１１に示すように、補正量が大とされた補正マップを有するメモリ１８とを用いて、演算器１７により、空気流量が演算される。
この第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
なお、第１の実施形態及び第２の実施形態における駆動回路と、第３の実施形態における流量検出回路との両方も用いることによって、高流量は固定抵抗６ｂまたは６ｃで調整し、低流量は固定抵抗３０で調整すると、さらに全流量域で量検出誤差を低減することができる。
図１９は、本発明の第４の実施形態における流量検出回路を示す図である。
図１９において、流量検出回路は、流量検出のための第１測温抵抗体９と、この第１測温抵抗体９に直列接続された第２測温抵抗体１０と、第１の測温抵抗体９に直列に並列に接続された固定抵抗３１とを備えている。
この固定抵抗３１は、第１測温抵抗体９及び第２測温抵抗体１０よりも抵抗温度係数の大きな材料を用いており、例えば、アルミニウムなどで形成される。また、アルミニウムの抵抗温度係数は、３０００〜４０００ｐｐｍ／℃であり、第１測温抵抗体９及び測温抵抗体１０を形成するポリシリコン抵抗体に比較し、抵抗温度係数が大きくなるため、固定抵抗３１は測温抵抗体９に接続する。
アルミニウムは、特に、測定素子１の端子電極１１（図１参照）等に用いられる。したがって、第１測温抵抗体９の端子電極１１ｉ又は１１ｊの配線抵抗が大きくなるようにパターンを形成することによって固定抵抗３１を形成することも可能である。これにより、流量０ｋｇ／ｈにおける検出流量電圧の空気温度依存を調整し、第３の実施形態と同様に全体温度特性を調整することが可能である。
図２０は、本発明の第５の実施形態における加熱温度制御を行うための駆動回路を示す図である。
この第５の実施形態は、第１の実施形態と似ているが、抵抗６ａに並列に接続される固定抵抗６ｂの抵抗値を、スイッチング素子３２と、その制御回路３３とによって選択できる構成となっている。
また、スイッチング素子３２は、トランジスタなどの半導体スイッチを用いると、演算器１７等と一緒に製造することができる。また、制御回路３３も同様に演算器１７と併せて製造すると製造が容易となる。
さらに、スイッチング素子３２を制御するための制御回路３３は、熱式空気流量計の外部と通信できるような機構を搭載することにより、抵抗６ｂの抵抗値を容易に調整することができる。
この第５の実施形態においては、例えば、第１の実施形態のように、ブリッジ回路を構成する抵抗体の材料にポリシリコンを用いると、その抵抗値に対しておよそ±２０％の製造バラツキを有することになり、このような抵抗値ばらつきに対応できるように、固定抵抗６ｂの抵抗値もポリシリコンの抵抗値バラツキに合わせて、容易に調整できるようにしたものである。
第５の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態と同様となるので、詳細な説明は省略する。
また、この第５の実施形態は、先に述べた第２〜４の実施形態と組み合わせることも可能である。
また、図３に示した例において、固定抵抗６ｂは回路基板２６に印刷された抵抗となっているが、必ずしも印刷抵抗である必要はない。また、抵抗６ｂを回路基板２６とは別個の場所に配置することもできる。
また、第１の実施形態においては、温度補償用抵抗６ａに並列に固定抵抗６ｂを接続したが、温度補償用抵抗６ａの温度係数を図４に示すように、高温になるにつれ、空気温度との差が減少するような特性とすることができれば、固定抵抗６ｂを接続する必要は無い。
また、第３の実施形態においては、測温抵抗体１０に並列に固定抵抗３０を接続したが、測温抵抗体１０の温度係数を図１８に示すように、高温になるにつれ、空気流量０ｋｇ／ｈにおける検出流量電圧のオフセット量をマイナスに変化するような特性とすることができれば、固定抵抗３０を接続する必要は無い。
【産業上の利用可能性】  本発明によれば、熱式空気流量計は、空気流量計のケーシング２３内に設置した温度センサ１６と、この温度センサ１６を用いて測定素子１からの流量検出電圧を補正する演算器１７と、発熱抵抗体５の温度制御を行う温度制御回路に空気温度によって発熱抵抗体５の空気温度に対する上昇温度が変化する加熱温度制御手段とを備える。
したがって、全体温度変化と吸気通路壁面温度変化とによって発生する熱式空気流量計の流量検出誤差を同時に補正することができ、測定精度に優れた熱式空気流量計を実現することができる。
本発明は、熱式空気流量計に限らず、他のガス等の流体を計測する熱式流体流量計に適用することができる。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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