JP5391754B2

JP5391754B2 - エアフローメータ

Info

Publication number: JP5391754B2
Application number: JP2009063858A
Authority: JP
Inventors: 彰利水谷; 隆央伴
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2010216978A

Description

本発明は、所定の空気流路を通過する空気流の流量を検出するエアフローメータに関する。

従来から、例えば、車両の内燃機関に吸入される空気の流量の検出には、空気流との伝熱を利用する熱線式のエアフローメータが用いられている。すなわち、熱線式のエアフローメータは、空気流路に配されて通電により発熱する発熱抵抗体を備えており、この発熱抵抗体の発熱により空気の流れ方向に温度分布を形成し、この温度分布に基づいて空気流量を示す信号を出力する。

そして、エアフローメータから出力される信号は、内燃機関を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）に入力され、ＥＣＵは、この信号に基づいて内燃機関に吸入される空気流の流量を把握するとともに、この流量に基づく燃料噴射制御等の各種の制御処理を実行する（例えば、特許文献１参照）。

また、エアフローメータは、発熱抵抗体を有するとともに温度分布に基づき空気流量に応じた信号を出力するセンサ部と、センサ部から出力される信号に各種の処理を施して出力する信号処理回路部とを備える。ここで、センサ部は、温度分布に応じて変化する電圧値（つまり、空気流量に応じて変化する電圧値）を出力するセンサ電圧検出ブリッジ回路を有し、センサ電圧検出ブリッジ回路から出力される電圧値を、空気流量に応じた信号として出力する。

すなわち、センサ電圧検出ブリッジ回路は、発熱抵抗体の上流側および下流側に抵抗体を有し、これらの上、下流側の抵抗体は、空気流量に応じて抵抗値が変化する。そして、センサ電圧検出ブリッジ回路は、上、下流側の抵抗体の抵抗値変化を電圧値として出力する。なお、発熱抵抗体の温度は、センサ電圧検出ブリッジ回路とは別のブリッジ回路により、所定の基準温度に制御されている。

ところで、センサ電圧検出ブリッジ回路の電圧値は、空気流量のみではなく、様々な要素に応じて変化する。そこで、今後のさらなる燃費向上や排ガスの浄化推進のために、空気流量の真値に対して高精度な信号を出力する必要性から、エアフローメータに関して、センサ電圧検出ブリッジ回路の電圧値に影響を与える要素を明らかにするとともに、このような要素による影響を除去する手段を構成することが望まれている。

特開平１１−１８３２２０号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、空気流量の真値に対して高精度な信号を出力できるエアフローメータを提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載のエアフローメータは、所定の空気流路を通過する空気流との伝熱を利用して、空気流の流量を検出するものである。
そして、エアフローメータは、通電により発熱する発熱抵抗体と、発熱抵抗体の上流側および下流側に抵抗体を有し、空気流の流量変化に伴う抵抗体の抵抗値変化を電圧値として出力するブリッジ回路と、ブリッジ回路に電力を供給する電源の電圧を一定時間ごとに監視する監視手段と、監視手段を介して把握する電源の電圧に応じて電圧値を補正する補正演算部とを備え、監視手段は、ブリッジ回路の中点の電位を差動増幅して電圧値として出力する増幅器と、増幅器の出力をデジタル化して補正演算部に出力するＡ／Ｄ変換器と、増幅器の出力と電源の電圧とを一定時間ごとに切り換えてＡ／Ｄ変換器に入力するスイッチとを有することを特徴とする。

ブリッジ回路に電力を供給する電源の電圧は経時変化するため、空気流の流量等の他の要素が同一であっても、ブリッジ回路から出力される電圧値（以下、単に電圧値と呼ぶ）は、電源の電圧の変動の影響を受けて経時変化する。

そこで、エアフローメータに、電源の電圧を監視する機能、および、電源の電圧に応じて電圧値を補正する機能を追加する。
これにより、電圧値は電源の電圧の変動の影響がない数値になるので、エアフローメータは空気流の流量の真値に対して高精度な信号を出力できる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載のエアフローメータによれば、補正演算部は、電圧値を電源の電圧の基準値における数値に補正する。
この手段は、電源の電圧についての補正機能の一態様を示すものである。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載のエアフローメータによれば、補正演算部は、電源の電圧に応じて補正された電圧値を、さらに空気流の温度の基準値における数値に補正する。
空気流の温度も電圧値に影響を与える要素の１つである。そこで、補正演算部に、空気流の温度に応じて電圧値を補正する機能を追加し、さらに、電源の電圧についての補正を、空気流の温度についての補正に先行させる。

これにより、電圧値は、電源の電圧の変動および空気流の温度の変動の影響がない数値になるので、エアフローメータは、空気流の流量の真値に対して、さらに高精度な信号を出力できる。

エアフローメータの吸気管への装着状態を示す配置図である。エアフローメータの構成を示す構成図である。（ａ）はエアフローメータ内に形成される温度分布を示す特性図であり、（ｂ）はセンサ電圧検出ブリッジ回路を構成する抵抗体の配置を示す断面図である。吸気量とセンサ電圧検出ブリッジ回路の電圧値との相関を、電源電圧の数値ごとに示す特性図である。電源電圧についての補正を行う場合の吸気温に関する補正係数と、電源電圧についての補正を行わない場合の吸気温に関する補正係数との差を示す説明図である。

実施形態のエアフローメータは、所定の空気流路を通過する空気流との伝熱を利用して、空気流の流量を検出するものである。
そして、エアフローメータは、通電により発熱する発熱抵抗体と、発熱抵抗体の上流側および下流側に抵抗体を有し、空気流の流量変化に伴う抵抗体の抵抗値変化を電圧値として出力するブリッジ回路と、ブリッジ回路に電力を供給する電源の電圧を一定時間ごとに監視する監視手段と、監視手段を介して把握する電源の電圧に応じて電圧値を補正する補正演算部とを備え、監視手段は、ブリッジ回路の中点の電位を差動増幅して電圧値として出力する増幅器と、増幅器の出力をデジタル化して補正演算部に出力するＡ／Ｄ変換器と、増幅器の出力と電源の電圧とを一定時間ごとに切り換えてＡ／Ｄ変換器に入力するスイッチとを有する。
また、補正演算部は、電圧値を電源の電圧の基準値における数値に補正し、電源の電圧に応じて補正された電圧値を、さらに空気流の温度の基準値における数値に補正する。

〔実施例の構成〕
実施例のエアフローメータ１の構成を、図面を用いて説明する。
エアフローメータ１は、所定の空気流路を通過する空気流との伝熱を利用して、空気流の流量を検出するものであり、例えば、図１に示すように、車両の内燃機関（図示せず）に吸入される空気流（以下、吸気流と呼ぶ）の流量（以下、吸気量と呼ぶ）を検出するために吸気管２内に突出するように配される。

また、エアフローメータ１は、吸気量検出のために吸気流の一部を取り込んで通過させるための検出流路（図示せず）を自身の内部に形成するとともに、この検出流路に配されて通電により発熱する発熱抵抗体３を備えており、発熱抵抗体３の発熱により検出流路における吸気流の流れ方向に温度分布を形成し、この温度分布に基づいて吸気量を示す信号を出力する（図３参照）。

なお、以下の説明では、エアフローメータ１が検出流路に取り込んだ吸気流のことを、「吸気流」と略して呼び、検出流路における吸気流の流れ方向のことを、「吸気流の流れ方向」と略して呼ぶ。

そして、エアフローメータ１から出力される信号は、内燃機関を制御するための電子制御装置（ＥＣＵ）に入力され、ＥＣＵは、この信号に基づいて吸気量を把握するとともに、吸気量に基づく燃料噴射制御等の各種の制御処理を実行する。
また、エアフローメータ１は、図２に示すように、発熱抵抗体３を有するとともに温度分布に基づき吸気量に応じた信号を出力するセンサ部５と、センサ部５から出力される信号に各種の処理を施して出力する信号処理回路部６とを備える。

センサ部５は、発熱抵抗体３と、発熱抵抗体３を所定の基準温度に制御する発熱温度制御ブリッジ回路７と、温度分布に応じて変化する電圧値（つまり、吸気量に応じて変化する電圧値）を出力するセンサ電圧検出ブリッジ回路８とを有する。

発熱温度制御ブリッジ回路７は、吸気流の温度（以下、吸気温と呼ぶ）に応じて抵抗値が変化する吸気温検出抵抗体１０、発熱抵抗体３の温度に応じて抵抗値が変化する発熱温度検出抵抗体１１、および固定抵抗１２、１３を有する。また、吸気温検出抵抗体１０と固定抵抗１２との接続点の電位を示す端子１４、および発熱温度検出抵抗体１１と固定抵抗１３との接続点の電位を示す端子１５は、比較器１６の入力端に接続され、比較器１６は、これらの端子１４、１５間の電位差に応じて信号を出力する。

また、比較器１６から出力される信号は、発熱抵抗体３への通電をオンオフするスイッチング素子１７に入力され、発熱抵抗体３は、比較器１６から出力される信号によりスイッチング素子１７が作動することで通電を受ける。
以上の構成により、発熱温度制御ブリッジ回路７は、発熱抵抗体３の温度を吸気流の温度よりも一定の温度だけ高い基準温度に制御する。

すなわち、発熱抵抗体３の温度が基準温度よりも下がると、発熱温度検出抵抗体１１の温度も下がって発熱温度検出抵抗体１１の抵抗値が低下し、端子１４、１５間の電位差の正負が逆転して比較器１６から信号の出力が始まる。これにより、スイッチング素子１７が作動して発熱抵抗体３への通電が行われ、発熱抵抗体３の温度とともに発熱温度検出抵抗体１１の温度も上がって発熱温度検出抵抗体１１の抵抗値が上昇する。

この結果、端子１４、１５間の電位差の正負が再度逆転して比較器１６から信号の出力が止まり、スイッチング素子１７が作動を停止して発熱抵抗体３への通電が止まる。そして、発熱抵抗体３の温度が、再度、基準温度よりも低下すると、同様の動作が繰り返される。

センサ電圧検出ブリッジ回路８は、それぞれ、発熱抵抗体３の上、下流側に配されて吸気量に応じて抵抗値が変化する上流側流量検出抵抗体２１、２２、および下流側流量検出抵抗体２３、２４を有し、電源２５から電力の供給を受けて通電状態になっている。また、発熱抵抗体３、上流側流量検出抵抗体２１、２２、および下流側流量検出抵抗体２３、２４は、所定のシリコン基板２６のメンブレン２７上に設けられ、上流側から下流側に向かって、上流側流量検出抵抗体２２、２１、発熱抵抗体３、下流側流量検出抵抗体２３、２４の順に設けられている（図３参照）。

なお、発熱温度制御ブリッジ回路７を構成する吸気温検出抵抗体１０、発熱温度検出抵抗体１１、および固定抵抗１２、１３はシリコン基板２６上に設けられている。

また、上流側流量検出抵抗体２１と下流側流量検出抵抗体２３との接続点（中点）の電位を示す端子２８、および上流側流量検出抵抗体２２と下流側流量検出抵抗体２４との接続点（中点）の電位を示す端子２９は、増幅器３０の入力端に接続され、増幅器３０は、これらの端子２８、２９間の電位差に応じた信号を出力する。
以上の構成により、センサ電圧検出ブリッジ回路８は、吸気量に応じた電圧値を出力する。

すなわち、発熱温度制御ブリッジ回路７により基準温度に制御されている発熱抵抗体３によって、図３に示すように、メンブレン２７上には、吸気量に応じた温度分布が吸気流の流れ方向に形成される。そして、上流側流量検出抵抗体２１、２２および下流側流量検出抵抗体２３、２４の抵抗値は、温度分布に応じた数値（つまり、吸気量に応じた数値）となっている。

このため、例えば、吸気量が増加して温度分布が下流側に偏ると、発熱抵抗体３の上流側では温度が下がって上流側流量検出抵抗体２１、２２の抵抗値が低下し、発熱抵抗体３の下流側では温度が上がって下流側流量検出抵抗体２３、２４の抵抗値が上昇する。

この結果、端子２８、２９間の電位差が変化するので、センサ電圧検出ブリッジ回路８は、端子２８、２９間の電位差を、吸気量に応じた電圧値として出力することができる。すなわち、センサ電圧検出ブリッジ回路８は、吸気量の変化に伴う上流側流量検出抵抗体２１、２２および下流側流量検出抵抗体２３、２４の抵抗値変化を、センサ電圧検出ブリッジ回路８の電圧値として出力することができる（以下の説明では、センサ電圧検出ブリッジ回路８の電圧値を、センサ電圧検出ブリッジ回路８の出力電圧値と呼んだり、単に、電圧値と略して呼んだりすることがある）。

信号処理回路部６は、センサ電圧検出ブリッジ回路８から出力される信号（つまり、センサ電圧検出ブリッジ回路８の電圧値を示す信号）をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３４、デジタル化された電圧値に各種の演算処理を施すＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサの略）３５、ＤＳＰ３５から出力されるデジタル値をパルス信号の周波数に変換して出力するＦ／Ｖ変換器３６、ＤＳＰ３５による演算処理に必要な各種の数値等を記憶するＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（以下、単にメモリと呼ぶ）３７等を有する。

そして、ＥＣＵは、信号処理回路部６から出力されるパルス信号の周波数に基づいて吸気量を把握する。
なお、比較器１６、増幅器３０、Ａ／Ｄ変換器３４、ＤＳＰ３５、Ｆ／Ｖ変換器３６等は、発熱温度制御ブリッジ回路７やセンサ電圧検出ブリッジ回路８を構成する各種の抵抗体が設けられるシリコン基板２６とは別のシリコン基板（図示せず）に搭載され、発熱温度制御ブリッジ回路７やセンサ電圧検出ブリッジ回路８を構成する各種の抵抗体とボンディングワイヤ（図示せず）により電気的に接続されている。

〔実施例の特徴〕
実施例のエアフローメータ１によれば、信号処理回路部６のＤＳＰ３５は、センサ電圧検出ブリッジ回路８の電圧値を、各種のパラメータに応じて補正する補正演算部として機能する。そして、ＥＣＵは、補正後の電圧値に基づいて吸気量を把握する。

まず、ＤＳＰ３５は、電源２５の電圧を監視し、電源２５の電圧に応じてセンサ電圧検出ブリッジ回路８の出力電圧値を補正する（以下、電源２５の電圧を電源電圧と呼ぶことがある）。
具体的には、このＤＳＰ３５は、一定時間ごとにスイッチ３９に制御信号を出力して、増幅器３０とＡ／Ｄ変換器３４との電気的接続を断ち、電源２５の出力側とＡ／Ｄ変換器３４とを電気的に接続する。これにより、ＤＳＰ３５は、一定時間ごとに電源電圧を監視することができる。

そして、ＤＳＰ３５は、監視により把握した電源電圧の現在値を利用して、デジタル化された電圧値を補正する。ここで、吸気量に対する電圧値の感度は、例えば、図４に示すように、電源電圧に応じて変化する。つまり、電源２５の使用劣化により、電源電圧が初期値から現在値に低下した場合、吸気量に対する電圧値の感度は低下する。そこで、ＤＳＰ３５は、例えば、電源電圧の初期値と現在値との比率（初期値／現在値）を算出するとともに、この比率を利用して、電圧値を、電源電圧が初期値であるとした場合の数値に補正する。

例えば、電源電圧の初期値をＶＣＣ１、電源電圧の現在値をＶＣＣ２、補正前の電圧値をＶＤ´、補正後の電圧値をＶＤで表記すると、補正後の電圧値ＶＤは以下の数式により算出できる。
〔数式〕ＶＤ＝ＶＤ´×ＶＣＣ１／ＶＣＣ２
なお、電源電圧の初期値ＶＣＣ１は、例えば、メモリ３７に記憶されており、メモリ３７からＤＳＰ３５に読み出されて補正演算に利用される。

また、電圧値ＶＤ´の電源電圧による補正方法は、このような態様に限定されず、例えば、メモリ３７に吸気量と電圧値との相関を電源電圧の数値ごとにマップデータとして記憶しておき、このマップデータに基づいて電圧値ＶＤ´を補正してもよい。

次に、ＤＳＰ３５は、電源電圧についての補正後の電圧値ＶＤを、吸気温の基準値における電圧値ＶＤｒに補正する。
ここで、メモリ３７は、電圧値ＶＤを、吸気温の基準値における電圧値ＶＤｒに補正するための補正係数を、例えば、電圧値ＶＤと吸気温とをパラメータとするマップデータとして記憶している。

そして、ＤＳＰ３５は、このマップデータに電圧値ＶＤの数値、および、吸気温センサ（図示せず）から得られる吸気温の数値を当てはめて補正係数を算出する。この結果、例えば、補正係数の数値がＫ１として算出された場合、Ｋ１を電圧値ＶＤに乗じることで、吸気温の基準値における電圧値ＶＤｒを得ることができる。

〔実施例の効果〕
実施例のエアフローメータ１によれば、信号処理回路部６のＤＳＰ３５は、センサ電圧検出ブリッジ回路８に電力を供給する電源２５の電圧を監視し、電源電圧に応じて、センサ電圧検出ブリッジ回路８の電圧値ＶＤ´を補正する。
電源電圧は経時変化するため、吸気量等の他の要素が同一であっても、電圧値ＶＤ´は、電源電圧の変動の影響を受けて経時変化する。

そこで、ＤＳＰ３５に、電源電圧を監視する機能、および、電源電圧に応じて電圧値ＶＤ´を補正する機能を追加する。
これにより、電源電圧についての補正後の電圧値ＶＤは、電源電圧の変動の影響がない値になるので、エアフローメータ１は高精度な信号を出力できる。

また、ＤＳＰ３５は、電源電圧についての補正後の電圧値ＶＤを、吸気温の基準値における電圧値ＶＤｒに補正する。
これにより、電圧値ＶＤｒは、電源電圧の変動、および吸気温の変動の影響がない値になるので、エアフローメータ１は、吸気量の真値に対して高精度な信号を出力できる。

なお、吸気温についての補正を行うための補正係数は、電圧値ＶＤ、吸気温および吸気量に応じて変化する。このため、例えば、電源電圧についての補正を行わずに、電圧値ＶＤ´の数値を電圧値ＶＤに用いて補正係数を算出すると、図５に示すように、吸気量がＧｉではなくＧｉ´であるときの数値（Ｋ２）として算出されてしまう（なお、Ｇｉは吸気量の真値であり、Ｇｉ´は、電源電圧についての補正を行わずに算出した吸気量の値である）。

この結果、吸気温の基準値における電圧値ＶＤｒは、誤差の大きな数値となってＥＣＵに出力されてしまう。これに対し、電源電圧についての補正後の電圧値ＶＤを用いて補正係数を算出することで、エアフローメータ１は、吸気量の真値Ｇｉに対して高精度な信号を出力できる。

〔変形例〕
実施例のエアフローメータ１によれば、メモリ３７は、吸気温についての補正をするための補正係数を、電圧値ＶＤと吸気温とをパラメータとするマップデータとして記憶していたが、補正係数を算出するためのマップデータは、このような態様に限定されない。例えば、電圧値ＶＤと吸気温とをパラメータとする吸気量に関するマップデータ、および吸気温と吸気量とをパラメータとする補正係数に関するマップデータをメモリ３７に記憶しておき、電圧値ＶＤと吸気温とに基づいて吸気量を求め、さらに、求めた吸気量と吸気温とに基づいて補正係数を算出してもよい。

さらに、実施例のエアフローメータ１は、車両の内燃機関に吸入される吸気量を検出するために用いられていたが、エアフローメータ１の使用用途は、このような吸気量の検出に限定されず、様々な空気流路を通過する空気流の流量検出に用いることができる。

１エアフローメータ
３発熱抵抗体
８センサ電圧検出ブリッジ回路（ブリッジ回路）
２１上流側流量検出抵抗体（抵抗体）
２２上流側流量検出抵抗体（抵抗体）
２３下流側流量検出抵抗体（抵抗体）
２４下流側流量検出抵抗体（抵抗体）
２５電源
３５ＤＳＰ（補正演算部）
ＶＤ´ 電圧値
ＶＤ電圧値（電源の電圧の基準値における数値）
ＶＤｒ電圧値（空気流の温度の基準値における数値）
ＶＣＣ１電源電圧の初期値（電源の電圧の基準値）

Claims

所定の空気流路を通過する空気流との伝熱を利用して、前記空気流の流量を検出するエアフローメータにおいて、
通電により発熱する発熱抵抗体と、
この発熱抵抗体の上流側および下流側に抵抗体を有し、前記空気流の流量変化に伴う前記抵抗体の抵抗値変化を電圧値として出力するブリッジ回路と、
このブリッジ回路に電力を供給する電源の電圧を一定時間ごとに監視する監視手段と、
この監視手段を介して把握する前記電源の電圧に応じて前記電圧値を補正する補正演算部とを備え、
前記監視手段は、前記ブリッジ回路の中点の電位を差動増幅して前記電圧値として出力する増幅器と、この増幅器の出力をデジタル化して前記補正演算部に出力するＡ／Ｄ変換器と、前記増幅器の出力と前記電源の電圧とを一定時間ごとに切り換えて前記Ａ／Ｄ変換器に入力するスイッチとを有することを特徴とするエアフローメータ。
請求項１に記載のエアフローメータにおいて、
前記補正演算部は、前記電圧値を、前記電源の電圧の基準値における数値に補正することを特徴とするエアフローメータ。
請求項１または請求項２に記載のエアフローメータにおいて、
前記補正演算部は、前記電源の電圧に応じて補正された前記電圧値を、さらに前記空気流の温度の基準値における数値に補正することを特徴とするエアフローメータ。