JP5971199B2 - 空気流量調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜型のセンサチップを用いたエアフロメータ（空気流量調整装置）の出力調整を行う空気流量調整装置に関する。

薄膜型のセンサチップを用いたエアフロメータは、薄膜箇所にセンサ部が設けられるセンサチップと、このセンサチップを支持する支持基板とを備える。センサチップは、支持基板に形成された凹部の内側に組み付けられるものであり、センサチップと凹部の間に空気が通過可能な隙間が形成される（例えば、特許文献１参照）。

このため、支持基板に対してセンサチップに少量の組付誤差（センサチップと凹部の隙間誤差や、センサチップの傾き誤差など）が生じると、センサ部が設けられる薄膜箇所の裏面を通過する空気量が変化したり、空気流が乱れることになり、流量特性に対する出力特性が、目標特性に対して乱れる不具合が生じる。

エアフロメータの出力特性を目標特性に調整する手段として、デジタル多点（８点や１６点など）調整技術が知られている。
従来技術における多点調整技術を説明する。
（ｉ）「高精度で空気流量を切替可能な装置」に調整対象（未調整）のエアフロメータを組付ける。
（ｉｉ）「調整点に対応した種類の空気流量」を調整対象のエアフロメータによって実測する。
（ｉｉｉ）各流量毎（調整点毎）の実出力値を直線で結んで「直線近似により調整前特性」を求める。
（ｉｖ）「直線近似で求めた調整前特性」を「目標特性（調整後理想特性）」に補正するための調整データ（エアフロメータの出力を目標特性に調整するデータ）を求め、求めた調整データをエアフロメータが搭載する内部メモリに書き込む。

ここで、エアフロメータのセンサ回路（コントロールサーキット）には、「エアフロメータの出力」を内部メモリに記憶した調整データによって補正する調整手段が設けられている。このため、上記（ｉ）〜（ｉｖ）の操作を行うことで、エアフロメータの出力を目標特性に調整することができる。

しかし、従来技術は、調整点毎に空気流量の実出力値を求めている。即ち、例えば、「８点調整する場合」は８種類の空気流量をエアフロメータに与えて実測する作業が必要になり、「１６点調整する場合」は１６種類の空気流量をエアフロメータに与えて実測する作業が必要になる。
このため、１つのエアフロメータを調整するのに、極めて長い調整時間を必要とするになり、エアフロメータの生産性の悪化を招いてしまう。

特開２０１０−２８１８０９号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、エアフロメータの出力を目標特性に調整する調整時間を短縮し、エアフロメータの生産性を向上でき、測定流量の数を減らすことで生産設備コストの低減に寄与できる空気流量調整装置の提供にある。

本発明の空気流量調整装置は、センサチップの裏面と支持基板との間の隙間寸法（組付誤差）に基づいてエアフロメータの出力を調整する。即ち、隙間寸法（組付誤差）から目標特性に対する流量誤差を推定して、エアフロメータの出力を調整する。
このため、多点調整する際に、「全ての調整点」において「空気流量に応じた実出力値」を求める必要がない。その結果、エアフロメータの調整時間を短縮することができ、エアフロメータの生産性を向上できる。

エアフロメータの断面図である。 センサ回路の概略図である。 支持基板に対するセンサチップの組付図である。 調整手順の説明図である。 隙間寸法と流量誤差の関係を示すグラフである。 調整手順の一例を示すフローチャートである。

以下、発明を実施するための形態を、図面を用いて詳細に説明する。

以下で開示する実施例は、本発明の具体的な一例であって、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

［実施例１］
実施例１を図１〜図６を参照して説明する。
先ず、空気流量調整装置によって調整を行うエアフロメータ１の一例を説明する。
エアフロメータ１は、車両走行用のエンジン（内燃機関）に吸気を導く吸気ダクト（例えば、エアクリーナ出口ダクト、エアクリーナの下流の吸気管等）に組み付けられるものである。

エアフロメータ１は、エンジンに吸い込まれる吸気流量と吸気温度を検出する複合センサであり、
・吸気ダクトに組付けられる樹脂ハウジング２（通路形成部材）と、
・樹脂ハウジング２の内部に組み付けられる吸気流量測定用のセンサアッシーと、
・樹脂ハウジング２の外部に組み付けられる吸気温度測定用のサーミスタと、
を備えて構成される。
なお、エアフロメータ１は、サーミスタを搭載するものに限定しない。

樹脂ハウジング２は、成形樹脂であり、樹脂ハウジング２の内部には、吸気ダクトの内部を流れる吸気の一部が通過するバイパス通路２ａ、このバイパス通路２ａを流れる吸気の一部を迂回して流すサブバイパス通路２ｂが形成されている。

センサアッシーは、流量計測を行うセンサ部３ａが薄膜箇所に設けられる熱式のセンサチップ３と、このセンサチップ３を支持する支持基板４とによって構成されるセンササブアッシーを備え、支持基板４に支持されたセンサチップ３がサブバイパス通路２ｂ内に挿入配置されている。
センサチップ３は、支持基板４に形成された凹部４ａの内側に配置されるものであり、図３に示すように、センサチップ３と凹部４ａの間には空気が通過可能な隙間が形成される。

具体的に、センサチップ３は、平板状の半導体基板の裏面を部分的に除去した空洞部（窪み部）を有するセンサ素子であり、空洞部の上部の薄膜部に流量計測用の感温抵抗等を有するセンサ部３ａが設けられる。
平板状を呈するセンサチップ３の長手方向の一端が、支持基板４に固定されている。そして、センサチップ３が支持基板４に組み付けられた状態で、「センサチップ３の上面」が「支持基板４の上面」と面一に設けられ、「センサチップ３の裏面と凹部４ａの底面の間」等に、空気流（具体的には、薄膜部の裏面に触れる空気流）が通過する隙間が形成される。

また、センサアッシーは、センサ部３ａを用いて検出した吸気流量を補正した後に周波数変調して出力するセンサ回路５を搭載しており、このセンサ回路５は１次成形樹脂によってモールドされる。

センサ回路５は、樹脂ハウジング２に形成されたコネクタ６を介して、エアフロメータ１とは異なる車両部位に搭載されたＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニットの略）と電気的に接続される。
具体的に、コネクタ６は、樹脂製のカプラ６ａと、このカプラ６ａ内に配置された複数のターミナル端子６ｂによって構成される。

コネクタ６の構成は限定するものではないが、具体的な一例を図１を用いて説明する。図１に示すコネクタ６は、所謂オスコネクタ６であり、メス型に成形されたカプラ６ａと、このカプラ６ａの底面からカプラ６ａ内に突出した複数のターミナル端子６ｂ（この実施例では、電源端子、アース端子、流量出力端子、温度出力端子）で構成される。

また、カプラ６ａの内側の奥部には、出力調整用の調整端子６ｃが露出して設けられている。

センサ回路５は、センサ部３ａの出力をデジタル信号化し、補正した後、周波数変調してＥＣＵへ出力するものである。
具体的にセンサ回路５は、図２に示すように、
・センサ部３ａの電圧信号（アナログ信号）をデジタル化するＡ／Ｄコンバータ７と、
・デジタル信号化されたセンサ部３ａの検出値（デジタル化された調整前出力）を調整するデジタル調整手段８と、
・このデジタル調整手段８で調整された「調整後出力」を周波数変調する周波数変調手段９と、
・各種データ等を保存する内部メモリ（ＥＥＰＲＯＭ等）１０と、
を備えて構成される。

次に、エアフロメータ１の調整技術を説明する。
エアフロメータ１は、空気流量調整装置によって出力調整される。
この空気流量調整装置は、エアフロメータ１の出力を目標特性αに調整するための調整データをエアフロメータ１の内部メモリ１０に書き込むものであり、空気流量調整装置が作成した調整データは調整端子６ｃを介して内部メモリ１０に書き込まれる。

空気流量調整装置は、デジタル多点調整技術を用いてエアフロメータ１の出力を目標特性αに調整するものであり、「センサチップ３の裏面」と「凹部４ａの底面」との間の隙間寸法Ｘｉに基づいてエアフロメータ１の出力を調整する技術を採用している。

この隙間寸法Ｘｉの計測方法は限定するものではないが、具体的な一例としてレーザ光線を用いたレーザ計測装置を用いる。センサチップ３の厚みと凹部４ａの深さは予め分かっている。このため、レーザ計測装置によって「支持基板４の表面」と「センサチップ３の表面」との差から「隙間寸法Ｘｉ」を求めるものである。
そして、計測した「隙間寸法Ｘｉ」は、内部メモリ１０に保存される。

なお、図３に示すように、「支持基板４に対するセンサチップ３の吸気流れ方向の横傾き角度θ１」、「支持基板４に対するセンサチップ３の長手方向の縦傾き角度θ２」、「センサチップ３と凹部４ａの側面との間における第１横隙間Ｌ１と第２横隙間Ｌ２」、「センサチップ３の先端面と凹部４ａとの間の先端隙間Ｌ３」などを用いてエアフロメータ１の出力を調整しても良い。

空気流量調整装置による調整手順を、図４を参照し、「第１手順〜第４手順」の順で説明する。なお、以下では、理解補助の一例として２点の推定点Ｇｉを求める例に示すが、「推定点Ｇｉの数」を限定するものではなく、適宜変更可能なものである。

〔第１手順〕
先ず、「隙間寸法Ｘｉ」から「各推定点Ｇｉにおける流量誤差Ｅ」を推定する。
具体的には、「隙間寸法Ｘｉ」から「流量Ｇ１における流量誤差Ｅ（Ｇ１）」と「流量Ｇ２における流量誤差Ｅ（Ｇ２）」を求める。

ここで、この実施例の空気流量調整装置は、「隙間寸法Ｘｉ」から「流量誤差Ｅ」を求める技術として推定式を用いる。
推定式は、各推定点Ｇｉ毎に独立して設定される。
各推定点Ｇｉ毎の推定式は、図５に示すように、「実誤差（図中、丸印）」から求めた「誤差推定線γ（相関近似線）」であり、「最小二乗法」や「単／重回帰分析」などによって求める。

１つの推定式で「隙間寸法Ｘｉ」から「流量誤差Ｅ」を推定すると推定誤差が大きくなる。そこでこの実施例では、「隙間寸法Ｘｉ」の大小に応じて「流量誤差Ｅ」を求める推定式の切り替えを行う。
具体的な一例として、図５に示すように、「隙間寸法Ｘｉ」が所定値Ｘｉｓより低い場合は「多変数多項式による推定式（線形推定式）」を用い、「隙間寸法Ｘｉ」が所定値Ｘｉｓより大きい場合は「単（多）変数累乗式による推定式（非線形推定式）」を用いるものである。

〔第２手順〕
次に、上記「手順１」で求めた各推定点Ｇｉ毎の「流量誤差Ｅ」に基づいて、「目標特性α」に対する推定出力ＦＧ（Ｇｉ）２を求める。
具体的には、上記「手順１」で求めた「流量誤差Ｅ（Ｇ１）」から「流量Ｇ１における推定出力ＦＧ（Ｇ１）２」を求めるとともに、「流量誤差Ｅ（Ｇ２）」から「流量Ｇ２における推定出力ＦＧ（Ｇ２）２」を求める。

〔第３手順〕
この「手順３」では、調整対象のエアフロメータ１によって２点以上（２種類以上）の「基準空気流量」を実計測し、計測した実出力値と目標出力からエアフロメータ１における計測していない流量点の調整前出力｛各推定点Ｇｉ毎の調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１｝を推定（逆変換調整）する。
具体的には、「低流量Ｇａにおける実出力値ＦＧ（Ｇａ）１」と「高流量Ｇｂにおける実出力値ＦＧ（Ｇｂ）１」を計測する。そして、計測した実出力値ＦＧ（Ｇａ）１、ＦＧ（Ｇｂ）１を起点として、上記「手順２」で求めた「推定出力ＦＧ（Ｇ１）２」から「流量Ｇ１における調整前出力ＦＧ（Ｇ１）１」を求めるとともに、上記「手順２」で求めた「推定出力ＦＧ（Ｇ２）２」から「流量Ｇ２における調整前出力ＦＧ（Ｇ２）１」を求める。
このように、「手順３」によって４箇所の「流量Ｇａ、Ｇ１、Ｇ２、Ｇｂ」に対応した「調整前出力ＦＧ（Ｇａ）１、ＦＧ（Ｇ１）１、ＦＧ（Ｇ２）１、ＦＧ（Ｇｂ）１」が求められる。即ち、それぞれの推定点Ｇｉに対応した調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１が求められる。

〔第４手順〕
上記「手順３」よって求めた「各調整点（４つ）毎の調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１」から「調整前特性β」を求め、求めた「調整前特性β」を「目標特性α（調整後理想特性）」に調整する調整データを作成する。
具体的には、「調整前出力ＦＧ（Ｇａ）１、ＦＧ（Ｇ１）１、ＦＧ（Ｇ２）１、ＦＧ（Ｇｂ）１」を直線で結んで「直線近似による調整前特性β」を求め、例えば「調整前出力ＦＧ（Ｇａ）１、ＦＧ（Ｇ１）１、ＦＧ（Ｇ２）１、ＦＧ（Ｇｂ）１」を「目標出力ＦＧ（Ｇａ）２ａｉｍ、ＦＧ（Ｇ１）２ａｉｍ、ＦＧ（Ｇ２）２ａｉｍ、ＦＧ（Ｇｂ）２ａｉｍ」に調整する調整データを作成する。
そして、「調整前特性β」を「目標特性α」に調整する調整データを、エアフロメータ１が搭載する内部メモリ１０に書き込む。

以上によって、エアフロメータ１の調整が完了する。なお、エアフロメータ１の出力調整は、エアフロメータ１の単品状態で行っても良いし、エアフロメータ１を組付対象物（例えば、エアクリーナ等）に取り付けた状態で実施しても良い。

上記の調整手順の具体例を、図６のフローチャートを参照して説明する。
ステップＳ１：調整前測定を実施する。具体的には、「低流量Ｇａにおける実出力値ＦＧ（Ｇａ）１」と「高流量Ｇｂにおける実出力値ＦＧ（Ｇｂ）１」を計測する。
ステップＳ２：調整対象のエアフロメータ１の内部メモリ１０から、内部メモリ１０に書き込まれたデータを読み込む。
ステップＳ３：流量誤差Ｅを推定するためのパラメータ（隙間寸法Ｘｉ等）を取得する。

ステップＳ４：上記ステップＳ３で取得した隙間寸法Ｘｉが「推定式を切り替える所定値Ｘｉｓ」より小さいか否かの判断を行う。
ステップＳ５：上記ステップＳ４の判断結果がＹＥＳの場合は、線形推定式を用いて「隙間寸法Ｘｉ」から「所定推定点Ｇｉにおける流量誤差Ｅ」を推定する。

ステップＳ６：上記ステップＳ４の判断結果がＮＯの場合は、取得した隙間寸法Ｘｉが「予め設定した所定寸法Ｘｉｓ２」より小さいか否かの判断を行う。
ステップＳ７：上記ステップＳ６の判断結果がＹＥＳの場合は、非線形推定式を用いて「隙間寸法Ｘｉ」から「所定推定点Ｇｉにおける流量誤差Ｅ」を推定する。
ステップＳ８：上記ステップＳ６の判断結果がＮＯの場合は、隙間寸法Ｘｉが規定より大きいため、調整対象のエアフロメータ１が不良品と判断し、エアフロメータ１を排除する。

ステップＳ９：上記ステップＳ５またはステップＳ７で求めた流量誤差Ｅに基づき、「目標特性α」に対する推定出力ＦＧ（Ｇｉ）２を求める。
ステップＳ１０：前後２点（Ｇａ、Ｇｂ）から推定点Ｇｉにおける調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１を推定（逆変換）するためのゲインとオフセット値を求める。
ステップＳ１１：上記ステップＳ１０で求めたゲインとオフセット値を用いて推定点Ｇｉにおける調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１を求める。

ステップＳ１２：全ての推定点Ｇｉにおいて調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１を求めたか否かの判断を行う。このステップＳ１２の判断結果がＮＯの場合は、まだ求めていない調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１を算出するべくステップＳ４へ戻る。
ステップＳ１３：上記ステップＳ１２の判断結果がＹＥＳの場合は、「各調整点毎の調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１」から「調整前特性β」を求め、求めた「調整前特性β」を「目標特性α（調整後理想特性）」に調整する調整データを作成する。そして、作成した調整データをエアフロメータ１が搭載する内部メモリ１０に書き込む。
ステップＳ１４：最後に調整を終えたエアフロメータ１の検査を行う。具体的には、調整後のエアフロメータ１に規定流量を流して出力値をチェックし、規定出力が得られていることを確認する。

（実施例の効果１）
この実施例の空気流量調整装置は、隙間寸法Ｘｉに基づいてエアフロメータ１の出力を調整する。
このため、多点調整する際に、「全ての推定点Ｇｉ」において「空気流量に応じた実出力値」を求める必要がない。具体的に、この実施例では、実出力値を２点で計測するのみであり、複数の推定点Ｇｉは隙間寸法Ｘｉを用いて算出する。その結果、エアフロメータ１の出力特性を多点調整する調整時間を短縮することができ、エアフロメータ１の生産性を向上することができる。また、測定流量の数（実出力値の計測数）を減らすことができるため、生産設備コストの低減にも寄与できる。

（実施例の効果２）
この実施例の空気流量調整装置は、隙間寸法Ｘｉを用いる。
隙間寸法Ｘｉは、特に高流量域で特性バラツキや特性うねりに大きな影響を与える。このため、隙間寸法Ｘｉを用いることで、低流量域や中流量域はもちろん、高流量域に至る広い範囲においてエアフロメータ１を高いの精度で調整できる。

（実施例の効果３）
一方、各組付け寸法を複数用いてエアフロメータ１の出力を調整する場合は、低流量から高流量の広い範囲の推定点Ｇｉの推定誤差Ｅのバラツキ量を小さくすることが可能になる。その結果、エアフロメータ１の測定精度を高めることができる。

（実施例の効果４）
この実施例の空気流量調整装置は、隙間寸法Ｘｉに応じて流量誤差Ｅを求める推定式の切り替えを行う。
このように、複数の推定式を用いることで、隙間寸法Ｘｉに対して流量誤差Ｅの算出誤差を小さくすることができ、エアフロメータ１の測定精度を高めることができる。

（実施例の効果５）
この実施例の空気流量調整装置は、上述したように、調整対象のエアフロメータ１を用いて２点以上の基準空気流量（この実施例では、低流量Ｇａと高流量Ｇｂ）を実計測し、計測した実出力値と目標出力から、計測していない流量点（各推定点Ｇｉ）における調整前出力を推定する。
計測によって得られた実出力値を用いて各推定点Ｇｉに対応した調整前出力ＦＧ（Ｇｉ）１を求めるため、「調整後の出力特性」を「目標特性α」に極めて近づけることができる。即ち、エアフロメータ１の測定精度を高めることができる。

（実施例の効果６）
この実施例の空気流量調整装置は、調整に用いる隙間寸法Ｘｉがエアフロメータ１の内部メモリ１０に保存される。
これにより、「調整に用いる隙間寸法Ｘ」と「調整されるエアフロメータ１」との関係を間違う不具合がない。

（実施例の効果７）
この実施例の空気流量調整装置は、隙間寸法Ｘｉが所定寸法Ｘｉｓ２より大きい、または小さい場合、測定対象のエアフロメータ１が不良品であると判断する。
これにより、出力の特性偏差が大きく、調整不可となるエアフロメータ１を調整の早い段階で排除することができる。

上記の実施例では、流量誤差Ｅを求める手段として「推定式」を用いる例を示したが、「推定式」に代えて「マップ」を用いても良い。

１ エアフロメータ
３ センサチップ
３ａ センサ部
４ 支持基板
４ａ 凹部
Ｘｉ 隙間寸法（組付寸法）

Claims (5)

1. 空気流量の計測を行うエアフロメータ（１）の出力調整を実施する空気流量調整装置において、
   前記エアフロメータ（１）は、流量計測を行うセンサ部（３ａ）が薄膜箇所に設けられるセンサチップ（３）と、このセンサチップ（３）を支持する支持基板（４）とを備え、前記支持基板（４）に前記センサチップ（３）が配置され、前記センサチップ（３）と前記支持基板（４）の間に空気が通過可能な隙間が形成されるものであり、
   当該空気流量調整装置は、前記センサチップ（３）の裏面と前記支持基板（４）との間の隙間寸法（Ｘｉ）に基づいて前記エアフロメータ（１）の出力を調整することを特徴とする空気流量調整装置。
2. 請求項１に記載の空気流量調整装置において、
   前記隙間寸法（Ｘｉ）に応じて流量誤差を求める推定式の切り替えを行うことを特徴とする空気流量調整装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空気流量調整装置において、
   前記エアフロメータ（１）によって２点以上の基準空気流量で調整前出力を実計測し、計測した実出力値と目標出力から前記エアフロメータ（１）における計測していない流量点における調整前出力を推定することを特徴とする空気流量調整装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の空気流量調整装置において、
   調整に用いる前記隙間寸法（Ｘｉ）は、前記エアフロメータ（１）が搭載する内部メモリ（１０）に保存されることを特徴とする空気流量調整装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の空気流量調整装置において、
   この空気流量調整装置は、前記隙間寸法（Ｘｉ）が所定寸法（Ｘｉｓ２）より大きい、または小さい時に、不良品であることを判定することを特徴とする空気流量調整装置。

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