JP5120289B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気通路に配置される発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、空気通路を流れる空気の流量および流れ方向を測定できる空気流量測定装置に関する。

従来、自動車等に搭載される内燃機関の吸気量に関わる情報をアナログ電圧として検出し、そのアナログ電圧を周波数値に変換して出力する周波数出力（時間出力）方式のエアフロメータが公知である（特許文献１参照）。
この周波数出力方式のエアフロメータは、例えば、空気量が０〜１０ｇ／ｓ程度の低流量側を１ＫＨｚ（１ｍｓ）、高流量側を１０ＫＨｚ（０．１ｍｓ）というように、低流量側の出力値に低周波数（長い周期）を割り付けている。この理由は、エアフロメータの出力値をＥＣＵ（エンジン制御を行う電子制御装置）でデジタル値に変換して処理する場合に、例えば、１ｍｓを１２ビットでＡＤ変換すると、分解能１ＬＳＢは、１ｍｓ／２¹²＝０．２４μｓとなる。ここで、１ＬＳＢ誤差が発生した場合、１ＫＨｚ（１ｍｓ）で０．２４μｓずれた場合と、１０ＫＨｚ（０．１ｍｓ）で０．２４μｓずれた場合とでは、前者の方が１ＬＳＢ誤差による影響度は小さい。特に、自動車用のエアフロメータは、低流量側の精度誤差を小さくする必要があるため、１ＬＳＢ誤差の影響度が小さくなる低周波数（長い周期）を低流量側に割り付けている。

特開平０１−０３５２１８号公報

ところが、特許文献１に記載された従来技術は、吸気通路を順流方向（エンジンに空気が吸入される方向）に流れる空気流量を計測するだけであるため、例えば、流量０ｇ／ｓ時を１ＫＨｚに割り当てることができたが、吸気通路を逆流する空気量も測定できるエアフロメータの場合には、例えば、流量−５０ｇ／ｓ時に１ＫＨｚを割り当てると、流量−５０ｇ／ｓ〜０ｇ／ｓ間の周波数分だけ出力特性がオフセットされる。その結果、低流量側（０〜１０ｇ／ｓ）に割り当てる出力周波数値が比較的高周波になってしまうため、１ＬＳＢ誤差の影響が従来に比べて大きくなるという問題が発生する。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、空気通路を流れる空気の流量と流れ方向とを測定でき、且つ、順流方向における低流量域（例えば０〜１０ｇ／ｓ）の精度誤差を小さくできる空気流量測定装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、空気通路に配置され、且つ、通電により発熱する発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、空気通路を流れる空気の流量と流れ方向とに応じたアナログ電圧を出力するセンサ部と、このセンサ部より出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器を内蔵し、このＡ／Ｄ変換器でデジタル変換された電圧値を周波数値に変換して出力する信号処理回路部とを有する空気流量測定装置において、空気通路を一方から他方に向かって空気が流れる方向を順流方向と呼び、空気通路を他方向から一方に向かって空気が流れる方向を逆流方向と呼ぶ時に、信号処理回路部は、Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換されたデジタル値を周波数値に直線変換する際の傾きが、順流方向に空気が流れる時よりも、逆流方向に空気が流れる時のほうが小さく設定されていることを特徴とする。

本発明では、デジタル変換されたデジタル値（センサ電圧と呼ぶ）を周波数値に直線変換する際に、言い換えると、流量０ｇ／ｓ相当時（空気通路に空気の流れが生じていない時）のセンサ電圧を境に、逆流方向に空気が流れる時は、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが小さく、順流方向に空気が流れる時は、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが大きく設定される。
これにより、流量０ｇ／ｓ相当時のセンサ電圧を境に順流方向と逆流方向とでセンサ電圧を周波数値に一律に直線変換する場合、つまり、順流方向と逆流方向とでセンサ電圧を周波数値に直線変換する時の傾きが同じ場合と比較して、流量０ｇ／ｓ時の周波数値を下げることができる。その結果、順流方向における低流量側（例えば０〜１０ｇ／ｓ）の出力値に低周波数（長い周期）を割り付けることができるので、順流方向における低流量域の精度誤差（１ＬＳＢ誤差による影響度）を小さくできる。

また、流量０ｇ／ｓ相当時のセンサ電圧に対する周波数値を下げることにより、順流方向の周波数ダイナミックレンジを広く取れるため、逆流方向より相対的に高精度を要する順流方向の分解能を向上させることができる。
さらに、本発明では、センサ部より出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換しているので、温度補正を行う際に、デジタル多点補正が可能であり、簡易な回路構成で温度特性のばらつきを精度良く補正することが可能である。

（請求項２の発明）
本発明は、空気通路に配置され、且つ、通電により発熱する発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、空気通路を流れる空気の流量と流れ方向とに応じたアナログ電圧を出力するセンサ部と、このセンサ部より出力されるアナログ電圧を周波数値に変換して出力する信号処理回路部とを有する空気流量測定装置において、空気通路を一方から他方に向かって空気が流れる方向を順流方向と呼び、空気通路を他方向から一方に向かって空気が流れる方向を逆流方向と呼ぶ時に、信号処理回路部は、センサ部より出力されるアナログ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが、順流方向に空気が流れる時よりも、逆流方向に空気が流れる時のほうが小さく設定されていることを特徴とする。

本発明では、センサ部より出力されるアナログ電圧（センサ電圧と呼ぶ）を周波数値に直線変換する際に、言い換えると、流量０ｇ／ｓ相当時（空気通路に空気の流れが生じていない時）のセンサ電圧を境に、逆流方向に空気が流れる時は、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが小さく、順流方向に空気が流れる時は、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが大きく設定される。
これにより、流量０ｇ／ｓ相当時のセンサ電圧を境に順流方向と逆流方向とでセンサ電圧を周波数値に一律に直線変換する場合、つまり、順流方向と逆流方向とでセンサ電圧を周波数値に直線変換する時の傾きが同じ場合と比較して、流量０ｇ／ｓ時の周波数値を下げることができる。その結果、順流方向における低流量側（例えば０〜１０ｇ／ｓ）の出力値に低周波数（長い周期）を割り付けることができるので、順流方向における低流量域の精度誤差（１ＬＳＢ誤差による影響度）を小さくできる。
また、流量０ｇ／ｓ時の周波数値を下げることにより、順流方向の周波数ダイナミックレンジを広く取れるため、逆流方向より相対的に高精度を要する順流方向の分解能を向上させることができる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した空気流量測定装置において、空気通路は、内燃機関の吸気ポートに接続される吸気通路であり、この吸気通路を内燃機関に向かって空気が流れる方向を順流方向と呼び、吸気通路を内燃機関と反対方向へ空気が流れる方向を逆流方向と呼ぶことを特徴とする。
本発明の空気流量測定装置は、内燃機関の吸入空気量を測定するエアフロメータに用いることができる。内燃機関では、例えば、低回転且つ高負荷の時に吸気脈動が大きくなり、吸気弁と排気弁との開弁期間が重なると、ピストン上昇時に吸気弁から吸気が逆流する、つまり、空気通路を逆流方向に空気が流れることがある。これに対し、本発明の空気流量測定装置は、発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、空気の流量だけでなく、流れ方向も検出できるので、順流方向に流れる空気（内燃機関に吸入される吸入空気量）を精度良く検出できる。

実施例１に係るエアフロメータの回路構成図である。 （ａ）センサ部により空気の流量と流れ方向とを測定するための原理を説明する温度分布図、（ｂ）センサ部の構造を簡略的に示す断面図である。 エアフロメータを吸気ダクトに取り付けた状態を示す断面図である。 （ａ）センサ電圧と周波数との相関を示す特性グラフ、（ｂ）周波数と流量との相関を示す特性グラフである。 実施例２に係るエアフロメータの回路構成図である。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

この実施例１は、例えば、自動車用エンジンの吸入空気量を測定するエアフロメータに本発明の空気流量測定装置を適用した一例を説明する。
図１は実施例１に係るエアフロメータ１の回路構成図、図２（ａ）はエアフロメータ１のセンサ部２により空気の流量と流れ方向とを測定するための原理を説明する温度分布図、同図（ｂ）はセンサ部２の構造を簡略的に示す断面図、図３はエアフロメータ１を吸気ダクト３に取り付けた状態を示す断面図である。
本実施例のエアフロメータ１は、以下に説明するセンサボディ４、センサ部２、回路モジュール５等により構成される。

センサボディ４は、図３に示す様に、吸気ダクト３に開けられた取付け孔より吸気ダクト３の内部に着脱可能に挿入され、取付け孔との間がＯリング６によって気密にシールされている。なお、吸気ダクト３は、エンジンの吸気ポート（図示せず）に接続される吸気通路の一部を形成するもので、例えば、吸気通路の最上流に配置されるエアクリーナの出口パイプ、あるいは、この出口パイプの下流側に接続される吸気管等である。
センサボディ４には、図３に示される吸気ダクト３の内部を図示左側（エアクリーナ側）から右側（エンジン側）に向かって流れる空気、つまり、エンジンに吸入される空気の一部を取り込むバイパス通路（図示せず）が形成され、このバイパス通路の途中にセンサ部２が配置される。

センサ部２は、図１に示す様に、通電により発熱する発熱抵抗体７を有し、この発熱抵抗体７の温度を所定の基準温度に制御する発熱温度制御部２ａと、発熱抵抗体７の発熱により生じる温度分布を基に、空気の流量と流れ方向に応じたアナログ電圧を出力するセンサ電圧出力部２ｂとを有する。
発熱温度制御部２ａは、図１に示す様に、上記の発熱抵抗体７と、この発熱抵抗体７の傍らに近接設置され、発熱抵抗体７の温度を受熱する傍熱抵抗体８と、バイパス通路を流れる空気の温度（吸気温度と呼ぶ）を検出する吸気温度検出抵抗体９と、抵抗値が固定された第１抵抗体１０および第２抵抗体１１とを有し、傍熱抵抗体８と、吸気温度検出抵抗体９、第１抵抗体１０、および第２抵抗体１１とでブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路は、二つの中点がオペアンプ１２の入力端子に接続され、オペアンプ１２の出力端子がトランジスタ１３に接続されている。

この発熱温度制御部２ａは、傍熱抵抗体８で検出される温度（発熱抵抗体７の温度）が基準温度より低くなると、傍熱抵抗体８の抵抗値が低下して、ブリッジ回路の中点間に電位差が生じるため、オペアンプ１２の出力によりトランジスタ１３がオンになり、発熱抵抗体７に電流が流れて、発熱抵抗体７の温度が上昇する。この発熱抵抗体７の温度上昇により、傍熱抵抗体８で検出される温度が基準温度に達して傍熱抵抗体８の抵抗値が上昇すると、オペアンプ１２の出力によりトランジスタ１３がオフになり、発熱抵抗体７への電流供給が遮断される。この作動により、傍熱抵抗体８が検出する発熱抵抗体７の温度は、吸気温度検出抵抗体９が検出する吸気温度よりも一定温度高い基準温度に制御される。

センサ電圧出力部２ｂは、空気の流れ方向において、発熱抵抗体７の上流側に近接して配置される２個の側温抵抗体ＲＵ１、ＲＵ２と、発熱抵抗体７の下流側に近接して配置される２個の側温抵抗体ＲＤ１、ＲＤ２とで構成され、この４個の側温抵抗体ＲＵ１、ＲＵ２、ＲＤ１、ＲＤ２でブリッジ回路を構成している。
この４個の側温抵抗体ＲＵ１、ＲＵ２、ＲＤ１、ＲＤ２は、発熱抵抗体７と共に、例えば、図２（ｂ）に示す様に、シリコン基板１４に設けられるダイヤフラム１５の表面上に形成されている。ダイヤフラム１５は、シリコン基板１４の表面にスパッタ法あるいはＣＶＤ法等により形成される絶縁膜であり、シリコン基板１４の裏側から絶縁膜との境界面までシリコン基板１４の一部を除去してシリコン基板１４に空洞部を形成することにより設けられる。
なお、図２（ｂ）には示されていないが、上記の傍熱抵抗体８、および、吸気温度検出抵抗体９も絶縁膜上に形成されている。但し、吸気温度検出抵抗体９は、発熱抵抗体７の熱が温度検出に影響を及ぼさないように、発熱抵抗体７から離れた位置に配置される。

上記のセンサ電圧出力部２ｂの働きについて図２を基に説明する。
発熱抵抗体７が基準温度に通電制御されると、発熱抵抗体７の発熱による温度分布が生じる。バイパス通路に空気の流れが発生していない時は、図２（ａ）に実線グラフで示す様に、発熱抵抗体７の位置を中心として上流側と下流側とで温度分布が左右対称となるため、発熱抵抗体７より上流側に配置される側温抵抗体ＲＵ１、ＲＵ２の検出温度と、発熱抵抗体７より下流側に配置される側温抵抗体ＲＤ１、ＲＤ２の検出温度とが等しくなる。 バイパス通路に順流方向の流れが生じると、図２（ａ）に破線グラフで示す様に、温度分布の中心点（最高温度を示す位置）が下流側（図示右側）へ片寄るため、発熱抵抗体７より上流側に配置される側温抵抗体ＲＵ１、ＲＵ２で検出される温度と、発熱抵抗体７より下流側に配置される側温抵抗体ＲＤ１、ＲＤ２で検出される温度との間に温度差ΔＴが生じる。

この温度差ΔＴにより、上流側の側温抵抗体ＲＵ１、ＲＵ２と下流側の側温抵抗体ＲＤ１、ＲＤ２とで、それぞれ抵抗値が変化して、ブリッジ回路の二つの中点間に電位差が生じる。この電位差が増幅アンプ１６により増幅されて、回路モジュール５に内蔵されるデジタル部５Ａ（図１参照）へ出力される。
一方、バイパス通路を逆流方向に空気の流れが生じる場合は、温度分布の中心点が上流側へ片寄る、つまり、順流方向に空気が流れる場合と温度分布の変化が反転するため、ブリッジ回路の二つの中点間に生じる電位差が逆転して、逆流方向の空気流量を検出できる。これにより、エンジンに吸入される吸入空気量だけでなく、吸気脈動等によって生じる逆流方向の空気流量も検出できる。

回路モジュール５は、本発明の請求項１に記載した信号処理回路部を構成するデジタル部５Ａを備えている。このデジタル部５Ａは、図１に示す様に、増幅アンプ１６によって増幅されたアナログ電圧をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器１７と、温度補正に関するデータを組み込んだ補正マップを記憶するＥＥＰＲＯＭ１８と、このＥＥＰＲＯＭ１８に記憶された補正マップを基に、デジタル変換された電圧値（以下、センサ電圧と呼ぶ）に対する温度特性のずれを補正する演算部１９と、温度補正されたセンサ電圧を周波数値に変換してＥＣＵ（図示せず）へ出力するＦ／Ｖ出力変換部２０などを備える。

ここで、Ｆ／Ｖ出力変換部２０は、デジタル値に変換されたセンサ電圧と周波数値との相関を示す周波数変換テーブルを有し、この周波数変換テーブルを基に、センサ電圧を周波数値に変換する。但し、周波数変換テーブルは、図４（ａ）に示す様に、センサ電圧の変化に対する周波数値の変動率を、逆流方向に空気が流れる時は小さく、順流方向に空気が流れる時は大きく設定している。つまり、センサ電圧を周波数値に直線変換する際に、図４（ａ）に実線で示す特性グラフの様に、流量０ｇ／ｓ相当時（バイパス通路に空気の流れが生じていない時）のセンサ電圧を境に、逆流方向に空気が流れる逆流側では、直線変換を示す特性グラフの傾きが小さく、順流方向に空気が流れる順流側では、直線変換を示す特性グラフの傾きが大きく設定されている。

（実施例１の効果）
実施例１に記載したエアフロメータ１は、上述の様に、発熱抵抗体７の発熱により生じる温度分布を基に、バイパス通路を流れる流量の測定だけでなく、空気の流れ方向も検出できる。また、回路モジュール５に内蔵されたＦ／Ｖ出力変換部２０では、センサ電圧を周波数値に変換する際に、逆流側と順流側とでセンサ電圧の変化に対する周波数値の変動率を変えている。具体的には、逆流側では、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが小さく、順流側では、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが大きく設定される。これにより、逆流側と順流側とでセンサ電圧の変化に対する周波数値の変動率を一定にする場合、つまり、図４（ａ）に破線で示す特性グラフの様に、逆流側と順流側とでセンサ電圧を周波数値に一律に直線変換する場合と比較すると、図４（ｂ）に示す様に、流量０ｇ／ｓ時の周波数値を図示矢印で示す様に下げることができる。

上記の結果、順流方向における低流量側の出力値に低周波数（長い周期）を割り付けることができるので、特に、０〜１０ｇ／ｓの低流量域の精度誤差（１ＬＳＢ誤差による影響度）を小さくできる。
また、逆流側と順流側とでセンサ電圧を周波数値に一律に直線変換する場合と比較して、流量０ｇ／ｓ時の周波数値を下げることにより、逆流側に比べ、順流側の周波数ダイナミックレンジを広く取れるため、逆流側より相対的に高精度を要する順流側の分解能を向上させることができる。
さらに、本実施例のエアフロメータ１は、センサ部２より出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換しているので、演算部１９で温度補正を行う際に、デジタル多点補正が可能であり、簡易な回路構成で温度特性のばらつきを精度良く補正することが可能である。

図５は実施例２に係るエアフロメータ１の回路構成図である。
実施例１では、センサ部２より出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換してから周波数値に変換する一例を説明したが、この実施例２に記載するエアフロメータ１は、図５に示す様に、センサ部２より出力されるアナログ電圧を周波数値に変換する構成である。つまり、増幅アンプ１６で増幅されたアナログ電圧がデジタル変換されることなく、そのままＦ／Ｖ出力変換部２０で周波数値に変換されてＥＣＵへ出力される。なお、センサ部２の構成は、実施例１と同じである。

但し、Ｆ／Ｖ出力変換部２０は、実施例１と同様に、センサ電圧（アナログ電圧）を周波数値に変換する際に、逆流側では、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが小さく、順流側では、センサ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが大きく設定される。 これにより、実施例１の場合と同じく、順流方向における低流量側の出力値に低周波数（長い周期）を割り付けることができるので、特に、０〜１０ｇ／ｓの低流量域の精度誤差（１ＬＳＢ誤差による影響度）を小さくできる。また、逆流側に比べ、順流側の周波数ダイナミックレンジを広く取れるため、逆流側より相対的に高精度を要する順流側の分解能を向上させることができる。

なお、実施例１および２において、センサ電圧を周波数値に直線変換する際に、流量０ｇ／ｓ相当時（バイパス通路に空気の流れが生じていない時）のセンサ電圧を境に、逆流方向に空気が流れる逆流側では、直線変換を示す特性グラフの傾きが小さく、順流方向に空気が流れる順流側では、直線変換を示す特性グラフの傾きが大きく設定されると述べたが、特性グラフの傾きの境界点は、電圧−流量特性の製品毎の固体ばらつきを考慮して、必ずしも流量０ｇ／ｓ点ではなく、流量０ｇ／ｓ点付近の順流側、逆流側どちらかの流量点に設定しても良い。

１ エアフロメータ（空気流量測定装置）
２ センサ部
５Ａ デジタル部（実施例１に係る信号処理回路部）
７ 発熱抵抗体
１７ Ａ／Ｄ変換器（実施例１に係る信号処理回路部）
２０ Ｆ／Ｖ出力変換部（実施例１および実施例２に係る信号処理回路部）

Claims (3)

1. 空気通路に配置され、且つ、通電により発熱する発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、前記空気通路を流れる空気の流量と流れ方向とに応じたアナログ電圧を出力するセンサ部と、
   このセンサ部より出力されるアナログ電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器を内蔵し、このＡ／Ｄ変換器でデジタル変換された電圧値を周波数値に変換して出力する信号処理回路部とを有する空気流量測定装置において、
   前記空気通路を一方から他方に向かって空気が流れる方向を順流方向と呼び、前記空気通路を他方向から一方に向かって空気が流れる方向を逆流方向と呼ぶ時に、
   前記信号処理回路部は、前記Ａ／Ｄ変換器でデジタル変換されたデジタル値を周波数値に直線変換する際の傾きが、前記順流方向に空気が流れる時よりも、前記逆流方向に空気が流れる時のほうが小さく設定されていることを特徴とする空気流量測定装置。
2. 空気通路に配置され、且つ、通電により発熱する発熱抵抗体を有し、この発熱抵抗体の発熱により生じる温度分布を基に、前記空気通路を流れる空気の流量と流れ方向とに応じたアナログ電圧を出力するセンサ部と、
   このセンサ部より出力されるアナログ電圧を周波数値に変換して出力する信号処理回路部とを有する空気流量測定装置において、
   前記空気通路を一方から他方に向かって空気が流れる方向を順流方向と呼び、前記空気通路を他方向から一方に向かって空気が流れる方向を逆流方向と呼ぶ時に、
   前記信号処理回路部は、前記センサ部より出力されるアナログ電圧を周波数値に直線変換する際の傾きが、前記順流方向に空気が流れる時よりも、前記逆流方向に空気が流れる時のほうが小さく設定されていることを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項１または２に記載した空気流量測定装置において、
   前記空気通路は、内燃機関の吸気ポートに接続される吸気通路であり、この吸気通路を前記内燃機関に向かって空気が流れる方向を前記順流方向と呼び、前記吸気通路を前記内燃機関と反対方向へ空気が流れる方向を前記逆流方向と呼ぶことを特徴とする空気流量測定装置。
   

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