JP4914226B2 - 気体流量計 - Google Patents

Description

本発明は、気体の流量を計測する流量計、特に自動車のエンジンに吸入される空気流量を検出するに適した流量計に関するものである。

自動車のエンジン吸入空気流量計の従来例として、特許文献１に記載されているような発熱抵抗体の加熱制御電流値を検出し、空気流量に変換する方式のもの、また、発熱抵抗体の上下流に配置された感温抵抗への熱影響を温度差信号として検出し、それをブリッジ回路の電圧として捕らえる方式のものが知られている。

ここで、自動車のエンジンの吸入空気流量を検出する場合、下記のような条件や環境を考慮し、どのような使用条件下でも安定して検出できる特性を有する流量計が求められる。
（１）水蒸気、オイル、ガソリン等による汚損物質影響の考慮。
（２）周囲温度変化が過酷（氷点下から１００℃以上までの環境）であることの考慮。

上記の課題に対する従来技術として、例えば特許文献２に記載されているものがある。特許文献２では、第２の発熱抵抗体を設け、その第２の発熱抵抗体の抵抗値から汚損度を判断し、第１の発熱抵抗体から得られる出力値を補正する手段を備えた気体流量測定装置を開示している。

また、上記のような汚損物は沸点以上の温度環境下に置くことで、焼き飛ばすことも可能であることが知られている。

特開２００３−１８５４８１号公報 特表２００５−１８１０９６号公報

特許文献２に開示された従来技術では、別体の第２の発熱抵抗体を新たに設けると共に、温度検出素子と加熱温度算出手段、及び補正手段を設ける必要があり、コスト的に課題があった。

また、発熱抵抗体に付着した汚損物質について、沸点以上の温度に加熱することで、これを焼ききることができるが、発熱抵抗体を支持するターミナル部分は空気温度に近いため、完全に焼ききることは困難である。さらに、発熱抵抗体の表面から気体へ放出される熱伝達は、発熱抵抗体の放熱全体の中で支配的ではあるが、発熱抵抗体を支持するターミナルへ熱伝導により伝わった熱が、気体へ放出される経路もあり、この部分の温度が低下するので汚損が進行し、長期間にわたり測定精度を維持するには、発熱抵抗体の温度を上げるだけでは不十分な点があった。

本発明は、発熱抵抗体へ加熱電流を流し、気体への放熱量に基づいて気体流量を測定する気体流量計において、加熱電流に基づいて気体流量を測定するための第１の発熱抵抗体と、上記第１の発熱抵抗体の近傍に設置された第２の発熱抵抗体、及び空気温度を検出する感温抵抗体を有し、前記第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体がそれぞれ感温抵抗体で検出される気体温度との温度差が概ね一定値となるように制御されるように構成したことを特徴とするものである。

２つめに一つの制御ブリッジ回路によって前記第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体がそれぞれ感温抵抗体で検出される気体温度との温度差が概ね一定値となるように制御されることを特徴としたものである。

３つめに発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体が少なくとも一つの感温抵抗体で検出される気体温度との温度差が概ね一定値となるように制御されることを特徴としたものである。

４つめに発熱抵抗体と少なくとも一つの感温抵抗体とで構成され、感温抵抗体との温度差が概ね一定になるように第１の発熱抵抗体の加熱電流を制御する加熱制御回路の電流供給端に第２の発熱抵抗体が接続され、第２の発熱抵抗体の温度が感温抵抗体で検出される気体温度との温度差が概ね一定値となるように制御されることを特徴としたものである。

５つめに発熱抵抗体と並列に接続される固定抵抗を有することを特徴としたものである。

６つめに発熱抵抗体の加熱電流を制御する制御回路の出力に応じて第２の発熱抵抗体の加熱電流が変化するように構成したことを特徴としたものである。

７つめに発熱抵抗体へ加熱電流を流し、気体への放熱量に基づいて気体流量を測定する気体流量計において、基板を加工したダイヤフラム上に加熱電流に基づいて気体流量を測定するための第１の発熱抵抗体と、上記第１の発熱抵抗体の近傍に設置された第２の発熱抵抗体、及び空気温度を検出する感温抵抗体を有し、前記第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体がそれぞれ感温抵抗体で検出される気体温度との温度差が概ね一定値となるように制御されるように構成したことを特徴としたものである。

本発明の気体流量計は、一つのブリッジ回路と一つの空気温度を検出する感温抵抗体によって２つの発熱抵抗を空気温度との差がそれぞれ一定値に加熱制御されるため、非常に簡単な構成となり、汚損による特性劣化防止を低コストで実現できるという効果がある。また、第１の発熱素子と第２の発熱素子の放熱特性が異なっていても、流量値による加熱温度をほぼ一定値に制御できるため、高精度化できるという利点がある。

簡単な制御回路により汚損の影響を低減するという本発明のいくつかの実施例について、以下、説明する。

本発明の実施例１を、図１から図４を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例１の気体流量計の検出回路を示す。第１の発熱抵抗体（以下「ヒーター」という。）１、気体温度検出素子（以下「温度センサ」という。）２、固定抵抗４，５、オペアンプ７、及びトランジスタ８よりなるブリッジ回路によって、気体の流量検知回路１６が構成される。ヒーター１と温度センサ２は共に温度によって抵抗値が変化する材料、例えば白金線によって構成される。ヒーター１は温度センサ２よりも一定値以上温度が高くなるところでブリッジバランスが保たれるようにオペアンプ７とトランジスタ８により、電源９から加熱電流が供給される。気体の流量が変化し、ヒーター１から熱伝達によって奪われる量が変化した場合、このブリッジバランスが保たれるように加熱電流が変化する。この気体流量をQ、加熱電流をIh、ヒーターの抵抗値をRh、ヒーターと温度センサの温度差をΔThとした時、気体流量Qとヒーターの加熱電流Ihとの間には下記のような関係が成り立つ。

ここで、Ａ，Ｂは定数である。加熱電流Ihは固定抵抗４によって電圧信号に変換され出力調整回路１７に入力される。出力調整回路１７では、基準電圧源１１と固定抵抗１２，１３によって構成されるオフセット調整回路と、オペアンプ１０と固定抵抗１４，１５によって構成される感度調整回路によって所定の特性に調整され、出力される。以上のような構成によって気体流量を検出することが可能となる。

ここで、流量検知回路１６内の加熱電流供給端とグランド間に、第２の発熱抵抗体３（以下「サブヒーター」という。）と固定抵抗６からなる回路が付加される。ヒーター１とサブヒーター３は一体なって気体流量検知素子１８を構成する。ここでヒーター１及びサブヒーター３の加熱動作時には下記（２）式の関係が成り立つように固定抵抗６の値を設定する。

ここで、Rshはサブヒーターの動作時の抵抗値、Rhはヒーターの動作時の抵抗値、R4とR6はそれぞれ固定抵抗４，６の抵抗値を示す。

以上の構成とすることにより、一つの気体検知素子と一つのブリッジ回路によって、ヒーター１及びサブヒーター３を温度センサ２に対し、一定温度に加熱制御できる。

図２は、本発明の実施例１の気体流量計が内燃機関に取り付けられた状態を示す。気体流量計の構成部品としては、駆動回路を構成する回路基板２４を内蔵するハウジング部材２５及び非導電性部材により形成される副空気通路構成部材２８等があり、副空気通路構成部材２８の中には空気流量検出のためのヒーター１とサブヒーター３が一体化された気体流量検知素子１８と、気体温度検出素子２とが導電性部材により構成されたターミナル２０，２１，２２を介して回路基板２４と電気的に接続されるように配置される。

また、ハウジング２５、回路基板２４、副空気通路２３Ｂ、気体流量検知素子１８、温度センサ２等は、気体流量計の一体モジュールとして構成されている。吸気管路を構成する主空気通路構成部材２７の壁面には穴２６Ａが形成されており、この穴２６Ａより気体流量計の副空気通路２３Ｂを外部より挿入して副空気通路構成部材２８の壁面とハウジング部材２５とをネジや接着剤等で固定されている。副空気通路構成部材２８と主空気通路構成部材２７との間にはシール材２６Ｂを取り付けて、吸気管内外の気密性を保っている。

測定される気体流量は矢印２９の方向から主空気通路２３Ａを通って流入し、副空気通路２３Ｂに分流した流れを検出することで、主空気通路２３Ａ全体を流れる量を検出している。

図３は、本発明の実施例１の気体流量計の検出素子を示す。ヒーター１の両端にサブヒーター３Ａ，３Ｂが導電性部材で構成されるリード３０，３１を介して接続されている。リード３０，３１はそれぞれ導電性部材で構成されるターミナル２０Ａ，２０Ｂ，２１Ａ，２１Ｂに接続されることで、電気的に取り出されると共に気体流路中に保持される。

ここで、サブヒーター３Ａ，３Ｂとターミナル間のリードは温度が低くなるため、リード部分から気体へ奪われる熱伝達量は、このリード部分の汚損量によって変化する。しかし、ヒーター１の両端につながるリード部分はサブヒーター３Ａ，３Ｂによって挟まれているため、温度は高く保持されることから汚損はしない。このため、気体流量を検出するヒーター１から気体へ奪われる熱伝達量は、汚損の有無によって変化しない。

図４は、本発明の実施例１の気体流量計を自動車のエンジンに適用した際のシステム構成を示す。エアクリーナ４３から吸入された吸入空気５７は、気体流量計のボディ４４、吸気ダクト４５、スロットルボディ４８及び燃料が供給されるインジェクタ５０を備えた吸気マニホールド４９を経て、エンジンシリンダ５２に吸入される。一方、エンジンシリンダ５２で発生した排気ガス５３は排気マニホールド５４を経て排出される。

吸気温度センサ４１からの吸気温度信号、気体流量計の回路モジュール４２から出力される空気流量信号、温度センサからの吸入空気温度信号、アイドルエアコントロールバルブ４６のスロットル角度センサ４７から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド５４に設けられた酸素濃度計５５から出力される酸素濃度信号及び、エンジン回転速度計５１から出力されるエンジン回転速度信号等がエンジンコントロールユニット５６に供給される。

コントロールユニット５６は、これらの信号を逐次演算して最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度を求め、その値を使ってインジェクタ５０及びアイドルコントロールバルブ４６の動作を制御する。

本発明の気体流量計は、上記のようなエンジン制御システムに適用されるものであり、エンジン動作中や長期間使用した後でも、常時正確な空気流量を測定することを可能とすることにより、高精度なエンジン制御の実現に寄与するものである。

図５は、本発明の実施例２の検出回路を示す。
実施例２では、特にサブヒーター３と並列に固定抵抗１９を接続している。この構成とすることによって、メインのヒーター１とサブヒーター３の抵抗値の温度依存性が異なる場合にも、サブヒーター側の抵抗温度特性を固定抵抗の値によって調整できる。このため、構造の異なるヒーターとサブヒーターの組み合わせでも、サブヒーター３の加熱温度のコントロールを可能とするものである。

図６は、本発明の実施例３の検出回路を示す。
実施例３では、サブヒーター３を加熱制御する回路がオペアンプ６０、電圧源９、トランジスタ６１、及び固定抵抗６，１９によって構成され、気体流量検出ブリッジ回路の検出信号がオペアンプ６０の非反転入力端子に接続されている。この回路構成とすることで、気体流量の検出信号に応じてサブヒーターの加熱電流を可変とすることが可能となる。このためメインのヒーター１とサブヒーター３の気体流量への熱伝達による放熱特性が異なる場合にも、サブヒーター側の放熱特性を固定抵抗の値によって調整できるようになり、より精度良くサブヒーター３の加熱温度をコントロール可能とするものである。

図７は、本発明の実施例４の気体流量計の検出素子の平面構造を示し、図８は、そのA-A部における断面図を示す。

検出素子７１はシリコン基板等からなり、裏面からアルカリ溶剤等によるエッチング処理で加工された空気流量検出用のダイヤフラム８０が形成されており、ヒーター７２、上流側感温抵抗体７６、７７、下流側感温抵抗体７８、７９が配置される。ダイヤフラム８０の周囲の基板上には、固定抵抗７３、７４、測温抵抗体７５が形成されている。更に、ダイヤフラム８０上には、感温抵抗体７６，７７，７８，７９をヒーター７２とで挟むようにサブヒーター９５（９５Ａ，９５Ｂ）を形成する。これらの抵抗体は、温度により抵抗値が変化する白金膜やポリシリコン膜でつくられる。また、これらの素子の外部への接続は、端子８２から９４、９６Ａ，９６Ｂ，９７Ａ，９７Ｂ，９８Ａ，９８Ｂによってなされる。

図９は、本発明の実施例４の気体流量計の回路構成を示すものであり、図９（ａ）は、そのヒーター制御回路（電源の記載は省略した。）を、図９（ｂ）は、その温度差検出回路を示す。

図９（ａ）に示すヒーター制御回路では、ヒーター７２と側温抵抗体７５、固定抵抗７３，７４によってブリッジ回路が構成されており、端子８８と９３の電位が同一になるようにオペアンプ１０５によりヒーター７２へ供給される加熱電流がフィードバック制御される。このため、測温抵抗体７５で検出される気体温度とヒーター７２の温度差が概ね一定値となるように動作する。

図９（ｂ）に示す温度差検出回路では、ヒーター７２の上流側に配置されてヒーター７２からの熱影響によって抵抗値が変化する感温抵抗体７６，７７と、下流側に配置されている感温抵抗体７８、７９によって形成されたブリッジ回路に電源１０６から電圧が供給されており、空気流量に応じた差動信号が端子８４（又は９０）と端子９２（又は８５）から検出される。この差動信号が空気流量信号調整部１０７によって所定の特性に調整され空気流量信号として出力される。

この構成の気体流量計において、加熱電流供給端である８７（又は８２）とグランド間に、サブヒーター９５と固定抵抗９９からなる回路が付加される。

図１０は、本発明の気体流量計が実際に使われる状態の実装断面模式図を示す。
気体流量計１１９は、空気通路管１２０内に挿入される形で実装され、そのフランジ１１８によって空気通路管と固定される。また、ハウジング１１７には、検出素子１１１や回路素子１１６を実装した回路基板１１５が実装される。吸気管内を流れる空気流１２１は、その一部が空気取入口１１２によって空気流量計内に分流され、バイパス通路１１３を通って検出素子１１１上を迂回し、バイパス出口１１４からメイン通路管内に戻される。

以上の構成とすることで、気体の流量方向を検知できると共に、ヒーター７２及びサブヒーター９５を測温抵抗体７５に対し、一定温度に加熱制御できるため、簡単な構成で、汚損影響の少ない流量方向検知型の気体流量計を構成することができる。

本発明の気体流量計は、上記した内燃機関の吸入空気量を検出するだけでなく、内燃機関の排気ガス流量の検出にも適用可能あり、更に内燃機関以外においても、特に技術分野を限定することなく、各種の気体の流量を計測するための気体流量計として広く使用することができる。

空気流量と空気温度を検出する装置、例えば飛行機や船舶、また空気以外の媒体、例えば排気ガスや水素等の流量検出装置で、高い信頼性を要求されるものに利用可能である。

本発明の実施例１の気体流量計の検出回路を示した図である。 本発明の実施例１の気体流量計が内燃機関に取り付けられた状態を示す説明図である。 本発明の実施例１の気体流量計の検出素子を示す説明図である。 本発明の実施例１の気体流量計を自動車のエンジンに適用した際のシステム構成を示す説明図である。 本発明の実施例２の気体流量計の検出回路を示す説明図である。 本発明の実施例３の気体流量計の検出回路を示す説明図である。 本発明の実施例４の気体流量計の検出素子を示す説明図である。 本発明の実施例４の気体流量計の断面構造を示す説明図である。 本発明の実施例４の気体流量計の検出回路を示す説明図である。 本発明の実施例４の気体流量計の取付け構造を示す実装断面模式図である。

符号の説明

１ ヒーター、 ２ 気体温度検出素子（温度センサ）、 ３，３Ａ，３Ｂ サブヒーター、 ４，５，６ 固定抵抗、 ７ オペアンプ、 ８ トランジスタ、 ９ 電源、 １０ オペアンプ、 １１ 基準電圧源、 １２，１３，１４，１５，１９ 固定抵抗、 １６ 流量検知回路、 １７ 出力調整回路、 １８ 気体流量検知素子、 ２０，２０Ａ，２０Ｂ，２１，２１Ａ，２１Ｂ，２２ ターミナル、 ２３Ａ 主空気通路、 ２３Ｂ 副空気通路、 ２４ 回路基板、 ２５ ハウジング部材、 ２６Ａ 副空気通路挿入穴、 ２６Ｂ シール材、 ２７ 主空気通路構成部材、 ２８ 副空気通路構成部材、 ２９ 空気流、 ３０，３１ リード、 ４１ 吸気温度センサ、 ４２ 回路モジュール、 ４３ エアクリーナ、 ４４ ボディ、 ４５ 吸気ダクト、 ４６ アイドルエアコントロールバルブ、 ４７ スロットル角度センサ、 ４８ スロットルボディ、 ４９ 吸気マニホールド、 ５０ インジェクタ、 ５１ 回転速度計、 ５２ エンジンシリンダ、 ５３ 排気、 ５４ 排気マニホールド、 ５５ 酸素濃度計、 ５６ コントロールユニット、 ５７ 吸入空気流、 ６０ オペアンプ、 ６１ トランジスタ、 ７１ 検出素子、 ７２ ヒーター、 ７３，７４ 固定抵抗、 ７５ 測温抵抗体、 ７６，７７ 上流側感温抵抗体、 ７８，７９ 下流側感温抵抗体、 ８０ ダイヤフラム、 ８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４ 端子、 ９５Ａ，９５Ｂ サブヒーター、 ９６，９６Ａ，９６Ｂ，９７，９７Ａ，９７Ｂ，９８，９８Ａ，９８Ｂ 端子、 ９９，９９Ａ，９９Ｂ 固定抵抗、 １０５ オペアンプ、 １０６ 基準電圧源、 １０７ 空気流量信号調整部、 １１１ 検出素子、 １１２ 空気取り入れ口、 １１３ バイパス通路、 １１４ バイパス出口、 １１５ 回路基板、 １１６ 回路素子、 １１７ ハウジング、 １１８ フランジ、 １１９ 気体流量計、 １２０ 空気通路管、 １２１ 空気流

Claims (6)

1. 発熱抵抗体へ加熱電流を流し、気体への放熱量に基づいて気体流量を測定する気体流量計において、
   リード材に固定支持され、加熱電流に基づいて気体流量を測定するための第１の発熱抵抗体と、
   前記第１の発熱抵抗体の両側に設置された第２の発熱抵抗体と、
   気体温度を検出する感温抵抗体と、を有し、
   前記第１の発熱抵抗体の温度と前記感温抵抗体で検出される気体温度との第１の温度差と前記第２の発熱抵抗体の温度と前記感温抵抗体で検出される気体温度との第２の温度差とが、それぞれ概ね一定値となるように制御されることを特徴とする気体流量計。
2. 請求項１に記載の気体流量計において、
   一つの制御ブリッジ回路によって前記第１の温度差と前記第２の温度差とがそれぞれ概ね一定値となるように制御されることを特徴とする気体流量計。
3. 請求項１に記載の気体流量計において、
   前記第１の温度差が概ね一定になるように前記第１の発熱抵抗体の加熱電流を制御する加熱制御回路の電流供給端に前記第２の発熱抵抗体が接続され、前記第２の温度差が概ね一定値となるように制御されることを特徴とする気体流量計。
4. 請求項１に記載の気体流量計において、
   前記第２の発熱抵抗体と並列に接続される固定抵抗を有することを特徴とする気体流量計。
5. 請求項１に記載の気体流量計において、
   前記第１の発熱抵抗体の加熱電流を制御する制御回路の出力に応じて第２の発熱抵抗体の加熱電流が変化するように構成したことを特徴とする気体流量計。
6. 発熱抵抗体へ加熱電流を流し、気体への放熱量に基づいて気体流量を測定する気体流量計において、
   基板を加工したダイヤフラム上に設けられ、加熱電流に基づいて気体流量を測定するための第１の発熱抵抗体と、
   前記第１の発熱抵抗体に対して気体の流れの上流側と下流側に設置された第２の発熱抵抗体と、
   気体温度を検出する感温抵抗体と、を有し、
   前記第１の発熱抵抗体の温度と前記感温抵抗体で検出される気体温度との第１の温度差と前記第２の発熱抵抗体の温度と前記感温抵抗体で検出される気体温度との第２の温度差とが、それぞれ概ね一定値となるように制御されることを特徴とする気体流量計。

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