JP3758081B2

JP3758081B2 - 熱式流量検出装置

Info

Publication number: JP3758081B2
Application number: JP2001169447A
Authority: JP
Inventors: 考司谷本; 真司谷口; 隆二遠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-06-05
Also published as: US20020178807A1; US6729183B2; KR20020092784A; DE10161574B4; JP2002365114A; KR100486141B1; DE10161574A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱式流量検出装置に関し、より具体的には、例えば自動車用エンジン等の吸入空気量を検出するのに用いられ、特にエンジン脈動流に対する検出精度の向上を図った熱式流量検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジンへの吸入空気量を計測する流量検出装置としては熱式が利用されており、その検出回路は、図４に示すような回路構成になっている。図４は特開平１１−３５１９３６号公報に開示された従来の熱式流量検出回路の構成を示す回路図である。以下に図４の構成について説明する。
図において、３は吸気温度検出用の第１の温度検出用抵抗体、４は発熱抵抗体、５は発熱抵抗体４の近傍に形成した発熱温度検出用の第２の温度検出用抵抗体、８は電源、９は固定抵抗、１２ａ，１２ｂはトランジスタ、１３はブリッジ回路に印加される一定電源電圧、１４は流量検出端子、１５は流量出力信号、１６ａは差動増幅器である。
ここで、吸気温度検出用の第１の温度検出用抵抗体３と発熱抵抗体４の近傍に形成した発熱温度検出用の第２の温度検出用抵抗体５及び固定抵抗９でブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路には一定電源電圧１３が印加され、ブリッジ回路の出力端子は差動増幅器１６ａの入力端子に接続されている。差動増幅器１６ａの出力はトランジスタ１７ａ、１７ｂを介して発熱抵抗体４に接続されている。
【０００３】
また、ブリッジ回路は、第２の温度検出用抵抗体５が第１の温度検出用抵抗体３よりも一定温度高い条件下でバランスするように各回路定数が設定されている。したがって、前記差動増幅器１６ａの入力電圧差がほぼゼロになるように発熱抵抗体４に加熱電流が供給され、第２の温度検出用抵抗体５及び発熱抵抗体４は、吸気温度よりも一定温度高い温度に保持される定温度差回路となっている。
【０００４】
上述したように定温度差回路は、フィードバック回路を構成しているため流量変動に対して応答性良く追従する特徴を有している。例えば、流量が増大した場合、第２の温度検出用抵抗体５及び発熱抵抗体４が冷却され、抵抗値が僅かに下がると差動増幅器１６ａの非反転入力端子の電圧が上がるために差動増幅器の出力電圧が上昇し、トランジスタ１２ａ，１２ｂのエミッタ電流が増大し、さらに発熱抵抗体４の加熱電流が増大して発熱抵抗体の温度が上昇する。
この発熱抵抗体４の温度変化は伝熱により第２の温度検出用抵抗体５へ伝達され、第２の温度検出用抵抗体５の温度(抵抗値)も元の温度(抵抗値)まで上昇してブリッジ回路がバランスする。
【０００５】
なお、発熱抵抗体４の加熱電流が増大してから第２の温度検出用抵抗体５の温度が復帰する期間においては、発熱抵抗体４から第２の温度検出用抵抗体５への伝熱現象だけで、発熱抵抗体４と第温度検出用抵抗体間５には電気的な作用は働かない。したがって、流量変動周波数が高くなると、流れにより冷却されて第２の温度検出用抵抗体５の温度が下がってから発熱抵抗体４への加熱により温度が復帰するまでの応答遅れが問題になる。また、定温度差回路の交流特性はトランジスタ１２ａ，１２ｂの電流増幅率にも依存するため、電流増幅率が温度によって変動すると応答性が変化するといった課題を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように従来技術では、流量変動周波数が高くなると応答遅れが問題になる。一般にエンジンの吸入空気の場合、エンジン回転数が高いほど流量が大きくなるため、低流量、低回転数領域で追従性良い応答性を示しても大流量、高回転数領域ではエンジンの脈動流に対して応答遅れが発生し、検出流量誤差が生じるという問題があった。また、周波数応答特性に温度依存性を有しており、高温ほどトランジスタの電流増幅率が高くなるために高温では応答性が速く共振的になるのに対して、低温時には減衰的になり条件によっては応答遅れが発生し、上記と同様に検出誤差が生じていた。
【０００７】
また、電源変動が生じた場合、加熱電流供給用のトランジスタ１２ａを介して電源変動が出力信号に重畳して現れやすく、電源変動が大きくなると検出流量誤差が生じるといった問題があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、流量変動周波数が高くなっても応答遅れを生じず、また、電源変動が生じた場合にも、検出流量に誤差の生じることのない熱式流量検出装置を実現することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る熱式流量検出装置は、被測定流体内に設けられ、該被測定流体の流量に応じた消費電力によって発熱する発熱抵抗体と、上記流量により変化する被測定流体の温度を検出する第１の温度検出用抵抗体と、上記発熱抵抗体の温度を検出する第２の温度検出用抵抗体とを備え、上記第１の温度検出用抵抗体と上記第２の温度検出用抵抗体を備えるブリッジ回路を有し、上記第１の温度検出用抵抗体と上記第２の温度検出用抵抗体との温度差が一定となるように上記発熱抵抗体の加熱電流を制御し、該加熱電流を用いて被測定流体内の流量検出を行なう熱式流量検出装置において、上記発熱抵抗体の加熱電流に比例した電圧を上記ブリッジ回路に印加するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係わる熱式流量検出装置における流量検出用素子の平面図である。
図１において、１は流量検出素子、２はダイアフラム、３は第１の温度検出抵抗体、４は発熱抵抗体、５は第２の温度検出用抵抗体、６は配線である。
図に示すように発熱抵抗体４と吸気温度を検出するための第１の温度検出用抵抗体３、及び発熱温度を検出するための第２の温度検出用抵抗体５がシリコン基板の表面側絶縁膜上に形成されている。
発熱抵抗体４の熱容量を下げるために、当該発熱抵抗体４と第２の温度検出用抵抗体５を形成した位置の裏面側シリコン基板の一部をエッチングにより除去して厚み数μｍのダイアフラム２ｂを形成している。
【００１１】
ここで、発熱抵抗体４、第１の温度検出用抵抗体３、及び第２の温度検出用抵抗体５はいずれも抵抗値が温度によって変化する。例えば白金薄膜からなり、蒸着、スパッタリングで絶縁膜を表面に有するシリコン基板上に例えば０．２μｍ程度の膜厚で着膜させ、その後パターニングして形成される。パターニング後、絶縁膜からなる保護膜をスパッタリングで形成した後、電極部７の保護膜を除去、開口して上記白金薄膜との電気的接続が可能になる。
【００１２】
次に、図２は、本実施の形態１に係る熱式流量検出回路の構成を示す回路図である。図２において、１２ａ及び発熱抵抗体４に加熱電流を供給するトランジスタ１２ａ，１２ｂ、発熱抵抗体４と固定抵抗９ｅからなる回路構成は従来技術による流量検出装置の検出回路と同じである。新たな符号として、１１ａはブリッジ回路の出力を差動増幅するオペアンプである。また、１０ａ、１０ｂは分圧抵抗、１１ｂは差動増幅器であり、発熱抵抗体４における電圧を分圧抵抗１０ａ，１０ｂにより分圧し、差動増幅器１１ｂを介して前記ブリッジ回路に電源電圧を供給する構成としている。固定抵抗９ｅにおける電位は、前記発熱抵抗体４の加熱電流に比例した電圧でこの電圧が流量信号１５となる。
【００１３】
上述した構成による定温度差回路の動作について説明する。例えば、流量が増大した場合、第２の温度検出用抵抗体５及び発熱抵抗体４が冷却され、第２の温度検出用抵抗体５の抵抗値が僅かに下がると差動増幅器１６ａの非反転入力端子の電圧が上がるために差動増幅器１６ａの出力電圧が上昇し、トランジスタ１２ａ，１２ｂのエミッタ電流が増大し、さらに発熱抵抗体４の加熱電流が増大して発熱抵抗体４の温度が上昇する。この発熱抵抗体４の温度変化は伝熱により第２の温度検出用抵抗体５へ伝達されるとともに差動増幅器１１ｂを介してブリッジ電圧も上昇する。第２の温度検出用抵抗体５の温度(抵抗値)も元の温度(抵抗値)まで上昇してブリッジ回路がバランスする。
【００１４】
以上の回路動作により第２の温度検出用抵抗体５は第１の温度検出用抵抗体３よりも一定温度高い温度に常に保持され、発熱抵抗体４も前記第２の温度検出用抵抗体５とほぼ同じ温度になる。この時、発熱抵抗体４における消費電力が流量の関数となるために発熱抵抗体４の加熱電流または当該加熱電流に比例した電圧１５を検出することで流量検出が実現できる。
【００１５】
本実施の形態１の定温度差回路では、ブリッジ回路に流量増大とともに増大する発熱抵抗体における電圧を分圧した電位を印加し帰還利得を従来技術による定温度差回路よりも増大させている。したがって、トランジスタ１２の電流増幅率の依存性が小さく、また流量が大きくなるほど応答性が速くなりエンジン脈動に遅れることなく追従することが可能になる。さらに電源８の電圧変動の加熱電流への影響も小さくなる。
【００１６】
また、第２の温度検出用抵抗体５と固定抵抗９ａの抵抗比及び分圧抵抗１０ｂと分圧抵抗１０ａの抵抗比はいずれも大きくするほど帰還利得が上がり、応答性は速くなるとともに、第２の温度検出用抵抗体５における自己発熱温度も上昇する。自己発熱温度は発熱抵抗体４の温度上昇に比べて０．１％程度になるように、且つ最大流量、最大脈動周波数で応答性を損なうことのないようにこれらの抵抗比率を設定する。
【００１７】
以上のように、本実施の形態１に係る熱式流量検出装置は、定温度差回路の帰還利得が増大し、加熱電流供給用のトランジスタの電流増幅率の変化に依存しない周波数応答となる。さらに流量が大きくなるほど高速応答性が得られるため脈動流に対しても検出精度の高い流量検出が可能になる。
【００１８】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る熱式流量検出回路の構成を示す回路図である。図３においては、分圧抵抗１０ｂの接続方法を除いて上述した本実施の形態１と同一である。本実施の形態２では、分圧抵抗１０ｂの一方の端子を接地させることで抵抗１０ａ，１０ｂを流れる電流が固体抵抗９ｅに流れない回路構成となっている。
【００１９】
本実施の形態２おいても、実施の形態１と同様に加熱電流に比例した電源電圧がブリッジ回路に印加されるため同様な効果を奏する。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ブリッジ回路の帰還利得を増大させたことにより、流量変動周波数が高くなった場合にも、第２の温度検出用抵抗体は追従性良く動作し、大流量、例えば高回転数領域でのエンジンの脈動流に対しても応答遅れを生じることなく検出流量誤差を抑えられる。さらに、この構成によれば、周波数応答特性に温度依存性を有さないため、高温時、低温時に拘わらず応答遅れを生じることなく、また、電源電圧変動時にも高精度な流量検出が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る熱式流量検出装置における流量検出用素子の平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る熱式流量検出装置の構成を示す回路図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る熱式流量検出装置の構成を示す回路図である。
【図４】従来の流量検出装置の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１流量検出素子、２ダイアフラム、３第１の温度検出抵抗体、４発熱抵抗体、５第２の温度検出用抵抗体、６配線、７電極、８電源、９固定抵抗、１０分圧抵抗、１１差動増幅器、１２トランジスタ、１３ブリッジ回路の電源、１４流量検出端子、１５流量出力信号、１６差動増幅器、１７トランジスタ。

Claims

被測定流体内に設けられ、該被測定流体の流量に応じた消費電力によって発熱する発熱抵抗体と、
上記流量により変化する被測定流体の温度を検出する第１の温度検出用抵抗体と、
上記発熱抵抗体の温度を検出する第２の温度検出用抵抗体とを備え、
上記第１の温度検出用抵抗体と上記第２の温度検出用抵抗体を備えるブリッジ回路を有し、上記第１の温度検出用抵抗体と上記第２の温度検出用抵抗体との温度差が一定となるように上記発熱抵抗体の加熱電流を制御し、該加熱電流を用いて被測定流体内の流量検出を行なう熱式流量検出装置において、
上記発熱抵抗体の加熱電流に比例した電圧を上記ブリッジ回路に印加することを特徴とする熱式流量検出装置。