JP2004347589A - 2つのヒータ抵抗を備えた流量センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】空気質量の、より正確で迅速な測定を実施できるようにする。
【解決手段】各ヒータ抵抗(RH1,RH2)に、さらに1つの温度センサ(RF,H1,RF,H2)が、ヒータ抵抗の温度を検出するために対応配置されており、かつ該別の温度センサ(RF,H1,RF,H2)がヒータ抵抗の直接的な近傍に配置されているようにした。
【選択図】図1
【解決手段】各ヒータ抵抗(RH1,RH2)に、さらに1つの温度センサ(RF,H1,RF,H2)が、ヒータ抵抗の温度を検出するために対応配置されており、かつ該別の温度センサ(RF,H1,RF,H2)がヒータ抵抗の直接的な近傍に配置されているようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は、2つのヒータ抵抗と、周囲温度を検出するための少なくとも1つの基準温度センサとを備えた流量センサに関する。
このような形式の流量センサは欧州特許出願公開第0955524号明細書から公知である。この流量センサは内燃機関により吸入される空気質量(エアマス)を検出するために使用される。上記欧州特許出願公開第0955524号明細書に記載された流量センサは2つのヒータ抵抗ならびに2つの基準温度センサを有している。基準温度センサの助けを借りて、周囲温度、もしくは流量センサに沿って擦過流動する空気の温度が検出され、厳密に言えば、ヒータ抵抗による影響なしに検出される。両ヒータ抵抗は流量センサに沿って流動する空気質量を測定するために使用される。その際、流動方向で見て第1のヒータ抵抗が、これに沿って流動する空気を温め、その結果として、流動方向で見て第2のヒータ抵抗が、所定の温度に達するために比較的僅かな加熱エネルギを必要とするという効果を利用している。流動方向で見て第1のヒータ抵抗および第2のヒータ抵抗の、異なる冷却はヒータ抵抗の電気的な抵抗の差につながる。この異なる抵抗は、流量センサに沿って擦過流動する空気質量流量に関する指標である。
ヒータ抵抗の、測定したい温度に依存した抵抗R(T)は公式
R(T)=R0(1+a・T)
に従って得られる(R0:室温時の抵抗値、a:ヒータ抵抗の温度係数、T:温度)。
R(T)=R0(1+a・T)
に従って得られる(R0:室温時の抵抗値、a:ヒータ抵抗の温度係数、T:温度)。
この方程式から明らかであることは、温度依存性の抵抗R(T)は抵抗R0に強く依存していることである。十分な電気的な加熱出力を達成するためには、ヒータ抵抗の抵抗を小さく維持することが必要である。しかしながら、この必要性は流量センサの可能な限り高い感度および測定精度を獲得するという希望とは矛盾している。それというのも、室温時の小さな抵抗値は、温度により誘導される小さな抵抗変化を導くに過ぎないからである。
さらに、ヒータ抵抗が比較的に大きな電流により通流される場合、その高められた温度に基づいて、構造効果(Struktureffekt)およびエレクトロマイグレーション効果および/または再結晶効果が出現する。両者は抵抗値の不可逆な変化、ひいては空気質量流量の検出時の測定誤差を生ぜしめる。
欧州特許出願公開第0955524号明細書
したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の流量センサを改良して、空気質量の、より正確で迅速な測定を実施できるようにすることである。
上記課題を解決した本発明の構成によれば、各ヒータ抵抗に、さらに1つの温度センサが、ヒータ抵抗の温度を検出するために対応配置されており、かつ該温度センサがヒータ抵抗の直接的な近傍に配置されているようにした。
本発明のように構成したことにより、機能分割が行われる。ヒータ抵抗は、所定の温度を達成するという課題だけを有しており、その一方で、ヒータ抵抗を取り巻く温度センサがヒータ抵抗の温度を測定する。それにより、温度測定を、高い電気的な抵抗を有した温度センサにより実施することが可能であって、このことは流量センサの測定精度を向上させる。さらに、前述の、電流によって誘導される構造効果および再結晶効果が温度センサにおいて出現することがないので、流量センサの測定精度は流量センサの寿命にわたってほぼ同じままである。
その際、温度センサおよびヒータ抵抗が入れ子状にほぼ環状に延在していると、有利であることが判っている。その結果、温度センサにより検出される温度がヒータ抵抗の温度にほぼ等しく、かつヒータ抵抗の温度変化と、その結果として生じる、温度センサの温度変化との間の遅延時間は可能な限り僅かになる。
本発明による流量センサの有利な構成では、各ヒータ抵抗を通る電流が別個に調整され、かつ温度センサを通る電流または電圧の差が、流量測定および流動方向の検出のために援用される。これにより、流量の迅速かつより正確な測定が可能である。それというのも、ヒータ抵抗の電流調整もしくは電圧調整が極めて迅速に実施され、かつ温度センサを通って流れる電流の差もしくは温度センサにかかっている電圧の差が大きいからである。それにより、本発明による流量センサの出力信号は大きく、かつ良好に内燃機関のエンジン制御部で評価されてさらに処理されることができる。
ヒータ抵抗を通る電流が周囲温度もしくは通流センサに沿って流動する空気の温度に関連にして調整されると有利である。その際、ヒータ抵抗の温度が一定値ΔTの分だけ周囲温度を超えていると特に有利である。
本発明による流量センサの測定精度はさらに、温度センサがヒータ抵抗よりも遙かに大きな抵抗を有しているとさらに向上する。
本発明による流量センサの特に有利な構成では、通流センサの測定エレメントが基板を有しており、該基板によりダイヤフラムが保持され、かつ基板およびダイヤフラム上に抵抗層が存在しており、該抵抗層から、ヒータ抵抗、温度センサ、および少なくとも1つの基準温度センサが構造化されている。その際、基準温度センサが基板を横断して配置されており、かつヒータ抵抗と温度センサとが実質的にダイヤフラムを超えてまたはダイヤフラム内に配置されていると有利である。
測定エレメントのこの構成により、本発明による流量センサの製作は、流量センサの運転特性に対する不都合な影響なしに、簡単化されかつ安価に構成されることができる。
もちろん、ヒータ抵抗および温度センサならびに単数または複数の基準温度センサのコンタクト形成のための線路が抵抗層から構造化されてもよい。可能な限り均等かつ安価な熱放出を達成するために、ヒータ抵抗を形成する導体路の幅は異なっていることができる。
温度センサの評価は4点測定(Vierpunktmessung)またはホイートストンブリッジにより評価されることができる。
さらに、第2の基準温度センサが設けられており、かつヒータ抵抗および/または温度センサに、それぞれ1つの共通の導体路を通して電流が供給されると有利であることができる。最後に挙げた手段により、測定エレメントの所要スペースは減じられて、製作コストは節減されることができる。
本発明の別の利点および有利な構成は「図面」、「発明を実施するための最良の形態」および「特許請求の範囲」に見て取ることができる。
以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。
図1には、本発明による流量センサの測定エレメントの第1の実施例が上方から見た平面図および線A−Aに沿った断面図で概略的に示されている。流量センサの測定エレメントは基板1から成っており、基板1は例えばシリコンから製作されることができる。基板1には基準温度センサRFambが配置されている。
基板1は切欠き3を有しており、切欠き3は熱を伝導しにくい薄膜のダイヤフラム5によって覆い張られる。ダイヤフラム5を横断して、U字形に形成された2つのヒータ抵抗RH1およびRH2が基板1上にまで延びている。ヒータ抵抗RH1およびRH2は調整もしくは閉ループ制御される電圧源もしくは電流源(図示せず)に電気的に接続されている。
U字形のヒータ抵抗RH1,RH2の内側には、温度センサRF,H1およびRF,H2が配置されている。温度センサRF,H1およびRF,H2は、ヒータ抵抗RH1,RH2の温度を検出するために役立つ。ヒータ抵抗RH1,RH2の温度を可能な限り最良にかつ僅かな時間的遅延でもって検出することができるようにするために、温度センサRF,H1,RF,H2はヒータ抵抗RH1,RH2の直接的な近傍に配置されている。温度センサRF,H1,RF,H2の電気的な抵抗はヒータ抵抗RH1,RH2の電気的な抵抗より遙かに大きい。温度センサRF,H1,RF,H2は電気的に評価回路(図示せず)に接続されている。
第1の実施例では、ヒータ抵抗RH1,RH2ならびに温度センサRF,H1,RF,H2はダイヤフラム5を超えて延びている。温度センサRF,H1,RF,H2がダイヤフラム5を超えて突出している箇所で、温度センサの幅が、少なくともクロスバー7の領域で、ダイヤフラム5の領域に比べて遙かに広く構成されているので、ヒータ抵抗RH1,RH2ならびに温度センサRF,H1,RF,H2は区分7において極めて僅かな抵抗を有しているに過ぎず、それにより測定結果が受ける、温度センサRF,H1,RF,H2の、ダイヤフラム5の外側に位置する部分による影響は極めて僅かである。
温度センサRF,H1,RF,H2およびヒータ抵抗RH1,RH2の接続部には符号9が付与されている。
矢印11により、測定エレメントを横切って流動する空気の流動方向が暗示されている。このことは、基準温度センサRFambが、流れ来る空気の温度を、ヒータ抵抗RH1,RH2による影響を受けることなしに測定することを意味する。空気の流動方向で見て第1のヒータ抵抗RH1は空気に吹き曝されて冷却される。同時に、空気は第1のヒータ抵抗RH1の熱を受容し、その結果として、第2のヒータ抵抗RH2を温める。
図示されていない調整部もしくは閉ループ制御部により、第1のヒータRH1の温度は設定された値に調整される。この目標値は一般に、基準温度センサRFambによって検出される周囲温度Tambよりも一定の温度差ΔT分だけ高い。第2のヒータ抵抗RH2は第1のヒータ抵抗と同じ温度、すなわちTamb+ΔTに調整される。ただし、第2のヒータ抵抗RH2は温められた空気により擦過されるので、第2のヒータ抵抗RH2において必要な加熱出力は、第1のヒータ抵抗RH1において必要な加熱出力よりも僅かである。温度センサにおいて電圧差または電流差の形でまたは両者の組み合わせの形で表現し得る、加熱出力のこの差は、測定エレメントに沿って流動する空気の質量流量のための指標である。同時に、この差の符号から空気の流動方向を検出することもできる。
基準温度センサRFamb、ヒータ抵抗RH1,RH2ならびに温度センサRF,H1,RF,H2は、基板1およびダイヤフラム5に被着された抵抗層からエッチングにより作り出されている。これにより、簡単かつ自体公知の形式で、必要な電気的な構成部分を基板1およびダイヤフラム5上に製作することが可能である。
流量センサの本発明による測定エレメントの、図1から図9に示した実施形態の原理的な構造は実質的に同一であるので、以下にその相違についてのみ言及するが、その際、同一の符号を使用した。
図2に示した択一的な実施形態の場合、図1に示した実施例とは異なって、温度センサRF,H1およびRF,H2がヒータ抵抗RH1およびRH2の外側に配置されている。
図3に示した実施例の場合、ヒータ抵抗RH1,RH2ならびに温度センサRF,H1,RF,H2が、その接続部9を除いて、ダイヤフラム5上に限られている。その結果として、温度センサRF,H1,RF,H2の幅もその全長にわたって一定である。図3に示した実施例の場合、温度センサRF,H1,RF,H2はヒータ抵抗RH1,RH2の内側に配置されている。
図4に示した別の実施例の場合、温度センサRF,H1,RF,H2はヒータ抵抗RH1,RH2の外側に配置されている。
図5に示した実施例の場合、ヒータ抵抗RH1,RH2はそのアースに関して1つにまとめられているので、接続部が1つ不要になる。この場合、共通のアース点は必ずしもダイヤフラム領域に位置している必要はなく、選択的にダイヤフラム5の外側にあってもよい。
図6では、温度センサRF,H1,RF,H2が中央で統合されているので、この場合も1つの接続部が節減され得る。この場合も、共通のアース点がダイヤフラム5の領域に位置している必要はない。
図7に示した実施例の場合、U字形のヒータ抵抗RH1,RH2の両脚片は異なる幅を有している。第1のヒータ抵抗RH1では、上流側に置かれた脚片の幅が、第2のヒータ抵抗RH2側の脚片よりも広い。第2のヒータ抵抗RH2では、第1のヒータ抵抗RH1側の脚片の幅が、第2のヒータ抵抗RH2の、下流側に置かれた第2の脚片よりも狭い。この手段により、ダイヤフラム5における温度分布の、改善されたシンメトリが達成されることができる。
ヒータ抵抗RH1,RH2の幅および形状、やはり同様に温度センサRF,H1,RF,H2の幅および形状が、例えば均等な発熱等の種々異なる要求に適合され得ることは明白である。
図8に示した実施例の場合、温度センサRF,H1,RF,H2はダイヤフラム5の領域で確かに分離されているものの、接続部9aおよび9bには同じ電流が供給される。この実施変化形は、温度センサRF,H1,RF,H2の抵抗を接続部9c,9dもしくは9d,9eの間の4点測定により求めるために特に適している。
図9に示した実施例の場合、温度センサRF,H1,RF,H2の抵抗の評価はホイートストンブリッジ(図示せず)により実施され得る。この目的のために、温度センサRF,H1,RF,H2に対して付加的にさらに別の抵抗13,15が設けられており、これらの抵抗13,15には1つの共通の接続部9bを介して電圧が供給される。
図10には、図1〜図9に示した測定エレメントの評価のための回路の回路図が示されている。第1のヒータ抵抗RH1にかかっている電圧UH1ならびに第2のヒータ抵抗にかかっている電圧UH2は調整もしくは閉ループ制御される。このことは第1のブリッジ回路17および第1の差動増幅器19を介して行われる。この回路により、第1のヒータ抵抗RH1にかかっている電圧UH1は、ヒータ抵抗RH1が所望の温度T=Tamb+ΔTを有するように調整される。同様な形で、第2のブリッジ回路21および第2の差動増幅器23を介して、第2のヒータ抵抗RH2にかかっている電圧UH2は調整される。電圧UH1,UH2は減算素子25に供給され、減算素子25はそこから出力電圧UAを発生する。この出力電圧UAは、測定エレメントに沿って流動する空気質量流量のための指標であると共に、流量センサの出力信号であり、評価回路内で、または内燃機関のエンジン制御部(図示せず)により処理されることができる。
「発明を実施するための最良の形態」、「図面」および「特許請求の範囲」で挙げた全ての特徴が、個別的にも相互の組み合わせでも、本発明の本質を成すものであることができることは自明である。
1 基板、 3 切欠き、 5 ダイヤフラム、 7 クロスバー、 9 接続部、 11 流動方向、 13 抵抗、 15 抵抗、 17 第1のブリッジ回路、 19 第1の差動増幅器、 21 第2のブリッジ回路、 23 第2の差動増幅器、 25 減算素子、 RFamb 基準温度センサ、 RH1 ヒータ抵抗、 RH2 ヒータ抵抗、 RF,H1 温度センサ、 RF,H2 温度センサ、 UH1 電圧、 UH2 電圧
Claims (14)
- 2つのヒータ抵抗(RH1,RH2)と、周囲温度を検出するための少なくとも1つの基準温度センサ(RFamb)とを備えた流量センサにおいて、各ヒータ抵抗(RH1,RH2)に、さらに1つの温度センサ(RF,H1,RF,H2)が、ヒータ抵抗(RH1,RH2)の温度を検出するために対応配置されており、かつ該別の温度センサ(RF,H1,RF,H2)がヒータ抵抗(RH1,RH2)の直接的な近傍に配置されていることを特徴とする、2つのヒータ抵抗を備えた流量センサ。
- 温度センサ(RF,H1,RF,H2)とヒータ抵抗(RH1,RH2)とが入れ子状にほぼ周回している、請求項1記載の流量センサ。
- 各ヒータ抵抗(RH1,RH2)を通る電流が別個に調整され、かつ温度センサ(RF,H1,RF,H2)を通る電流の差または温度センサ(RF,H1,RF,H2)にかかっている電圧の差が、流量測定および流動方向の検出のために援用される、請求項1または2記載の流量センサ。
- ヒータ抵抗(RH1,RH2)を通る電流が周囲温度(Tamb)に関連して調整される、請求項2記載の流量センサ。
- ヒータ抵抗(RH1,RH2)が、予め決められた値(ΔT)の分だけ周囲温度(Tamb)を超えている温度に調整される、請求項3記載の流量センサ。
- 温度センサ(RF,H1,RF,H2)がヒータ抵抗(RH1,RH2)よりも大きな抵抗を有している、請求項1から5までのいずれか1項記載の流量センサ。
- 測定エレメントが基板を有しており、該基板(1)によりダイヤフラム(5)が保持され、かつ基板(1)およびダイヤフラム(5)上に抵抗層が存在しており、該抵抗層から、ヒータ抵抗(RH1,RH2)、温度センサ(RF,H1,RF,H2)、および少なくとも1つの基準温度センサ(RFamb)が構造化されている、請求項1から6までのいずれか1項記載の流量センサ。
- 基準温度センサ(RFamb)が基板(1)を横断して配置されており、かつヒータ抵抗(RH1,RH2)と温度センサ(RF,H1,RF,H2)とが実質的にダイヤフラム(5)を横断して配置されている、請求項7記載の流量センサ。
- ヒータ抵抗(RH1,RH2)および温度センサ(RF,H1,RF,H2)のコンタクト形成のための線路が設けられており、該線路が抵抗層から構造化されている、請求項7または8記載の流量センサ。
- ヒータ抵抗(RH1,RH2)を形成する導体路の幅が部分的に異なって選択される、請求項7から9までのいずれか1項記載の流量センサ。
- 温度センサ(RF,H1,RF,H2)が4点測定またはホイートストンブリッジにより評価される、請求項1から10までのいずれか1項記載の流量センサ。
- 流量センサが空気質量流量の検出のために使用される、請求項1から11までのいずれか1項記載の流量センサ。
- 第2の基準温度センサ(RFamb,2)が設けられている、請求項1から12までのいずれか1項記載の流量センサ。
- ヒータ抵抗(RH1,RH2)および/または温度センサ(RF,H1,RF,H2)に、それぞれ1つの共通の導体路を通して電流が供給される、請求項1から13までのいずれか1項記載の流量センサ。
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