JP5073949B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気などの流体の流量を計測する装置に関する。

流量に応じた非線形な信号を出力する検出素子を有する代表的な流量測定装置として、熱式流量計が知られている。熱式流量計は、例えば、自動車などの内燃機関の吸入空気の質量流量を直接検知でき、その流量計測値は、電子制御式の燃料噴射制御の演算データに使用されている。

熱式空気流量計の検出素子に用いる発熱抵抗体は、温度依存性を有し、例えば、白金線をボビンに巻きつけてガラスでコーティングする熱線タイプ、薄膜抵抗体をセラミック基板上やシリコン基板上に形成する薄膜タイプのものがある。

流量の計測方法としては、次のようなものがある。一つは、空気流量に応じて熱が奪われる発熱抵抗体を空気温度に対して一定の温度差となるように加熱制御し、その発熱抵抗体に流れる電流を電圧に変換して空気流量を直接検出する方式である。もう一つは、発熱抵抗体の空気流方向の両側に温度検出抵抗体（感温抵抗体）を配置し、その温度検出抵抗体の温度差により空気流量を検出する方式がある。

エンジンの吸気管を流れる空気は、エンジンの吸気バルブの開閉動作に伴って脈動するため、検出されるセンサ（流量計）出力信号も脈動を伴う。一方、熱式流量計の出力電圧は、低流量域では急激に変化し（感度大）、高流量域になるに従って緩やかに変化する（感度小）、いわゆる非線形出力特性を有する。

この非線形出力特性は、流量の４乗根がセンサ出力電圧として表すことができる（キングの式）。図２０にこの出力特性Qrefを示す。縦軸がセンサ出力電圧（V）であり、横軸が空気流量である。図２０では、一例として、脈動の比較的大きい流量Qaに対するセンサ出力電圧Vinと、脈動の比較的小さい流量Qafに対するセンサ出力電圧Vinfを示している。実際にはSin波のようなカーブを描く脈動流量であっても、センサ出力電圧は、プラス側が圧縮しマイナス側が伸びたような少し歪んだ波形になる。このような脈動成分を含む出力電圧をそのまま平均値化すると、見かけ上、流量の平均値が減少（誤差）する。この誤差は、脈動が大きくなるほど大きくなる。例えば、図２０において、センサ出力電圧Vinの本来の平均値はVave1であるべきであるのに、見かけ上の平均値がVave2となり、誤差Vave1−Vave2が生じる。ただし、脈動が著しく逆流を含むようになると、流量の平均値がみかけ上増加する。特に４気筒以下のエンジンの低回転数運転域や重負荷時には、吸入空気量の脈動振幅が大きく一部逆流を伴う脈動流が生じる場合がある。この場合には、流量検出信号にみかけ上、プラス方向の脈動誤差が生じる。脈動誤差は、計測精度の低下原因となる。なお、脈動の度合（脈動率）とセンサ出力の誤差との関係については、図８、図１０において後述されている。

このような脈動誤差を低減するために、可変フィルタを用いる方式が特開２０００−１６１１２２号公報に記載されている。

また、従来の脈動誤差の低減技術として、センサ出力電圧を線形化処理することが知られている。線形化処理は、通常、流量に対するセンサの電圧信号を実際に計測し、基準となる特性曲線（マスター特性Ｑｒｅｆと呼ばれる）をエンジンコントロールユニットなどに格納し、この特性曲線を利用して線形化処理（Ｖ−Ｑ変換処理）される。

センサ出力電圧の脈動成分は、ノイズなどの誤差成分も含む。この誤差成分を少なくするために、前記線形化処理に先立ちハードフィルタを用いて信号を平滑処理し、その後に線形処理化する方法が知られている。

この手法は、図２１に示すように、出力電圧値（発熱抵抗体の検出信号）の平均値自体を変えずに、振幅が小さくなるように（例えばＶ１振幅をＶ２振幅になるよう）平滑化する。このように、検出信号をフィルタリング（平滑処理）した後に線形化（Ｖ−Ｑ変換処理）すると、図２１に示すように換算空気量の平均値も誤差が生じる。

このような誤差を小さくするために、特開平１１−３１６１４５号公報および特開平１１−３３７３８２号公報においては、センサ出力電圧を線形処理化（Ｖ−Ｑ変換）した後にフィルタにより平滑化処理する方式を提案している。なお、フィルタにより脈動振幅を低減した流量信号は、再度非線形化処理され（Ｑ−Ｖ変換）、Ｄ−Ａ変換されて、エンジンコントロールユニットに入力される。

特開２００４−２０４５４号公報では、検出素子の非線形な出力信号を調整用パラメータにより出力調整後に、平均値を調整する不均等線形化処理を行う方式を提案している。この方式は、脈動の大きさに応じて平均値を適宜調整可能であり、より精度の高い空気流量信号を得ることができる。

特開２０００−１６１１２２号公報 特開平１１−３１６１４５号公報 特開平１１−３３７３８２号公報 特開２００４−２０４５４号公報

内燃機関等の脈動や逆流の大きな環境下において、脈動の大きさや周波数に応じて流量計の脈動誤差が大きくなる状況に鑑みて、これを上記したような不均等線形化処理に代わる方式により改善することを意図する。

本発明の方式と、従来の流量検出（計測信号）の脈動誤差低減の基本的な相違点は、次のとおりである。従来方式は、非線形の流量検出信号（源信号）を線形化処理、或いは平滑処理−線形処理、或いは線形処理−平滑処理し、このようにして加工された信号そのものを流量検出信号として用いる。一方、本発明は、流量検出信号を加工して、脈動誤差補正量を求めるものである。そして、この脈動誤差補正量を源の流量検出信号に加減算して流量検出信号を補正するものである。このような補正手段として、次のようなものを提案する。
（１）本発明の脈動誤差補正量は、例えば、次に述べる第１の信号処理系、第２の信号処理系を介して得られる。

第１の信号処理系は、流量検出素子の非線形の出力信号（出力電圧）を積分した後、その出力信号の感度を調整して第１の信号を得る。この非線形出力の積分は、例えばフィルタを用いた平滑処理（フィルタリング処理）により実行され、脈動する（換言すれば交流成分を含む）非線形出力信号に平均値誤差（非線形誤差）を発生させる。出力感度の調整は、例えば線形処理により実行される。

第２の信号処理系は、流量検出素子の出力信号（源信号）を線形化した後に積分（平滑処理）し、その後再度非線形化して第２の信号を得る。この第２の信号処理系において、流量検出素子の出力信号は、最初に線形化され信号感度が調整され、平均値誤差がほとんど発生しない第２の信号となる。また、この線形処理後の積分処理（平滑処理）により第２の信号と第１の信号との位相差が整合される（位相差整合手段）。

この第１の信号と第２の信号の差信号が増幅され脈動誤差補正量となる。この脈動誤差補正量を流量検出素子の出力信号（源信号）に加減算されることで、脈動誤差を含む非線形な源信号が補正される。例えば、図３参照。
（２）もう一つは、次のようにして、脈動誤差補正量を得る。

例えば、検出素子の非線形な源信号をフィルタ処理する。このフィルタ処理された信号と前記源信号との差信号の絶対値を求める。前記差信号の絶対値をフィルタ処理する。フィルタ処理された前記差信号を増幅する。増幅された差信号を前記源信号の補正に用いる。

本発明によれば、流量測定装置はセンサ出力の基本的な特性をそこなうことなく脈動による計測誤差を低減することができる。

本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１は、本発明に係る流量測定装置の構成図、図２はその装置における流量補正のためのディジタル処理ブロックを示している。流量測定装置は、一例として、自動車用内燃機関の吸気管に流れる空気流量を測定する熱式空気流量計が例示されている。

流量測定装置４は、流量信号を出力するセンサ回路部１と、流量信号の出力補正部（ディジタル処理部：信号処理装置）２からなり、車両用内燃機関のエンジンコントロールユニット５と電気的に接続されている。

センサ回路部１は、流量検出素子として発熱抵抗体１１および空気温度補償抵抗体１２を備える。センサ回路部１は、例えば発熱抵抗体１１および空気温度補償抵抗体１２を組み込んだ周知のブリッジ回路（図示省略）、ブリッジ回路の中点電位差を増幅する作動増幅器（図示省略）、それに基づき発熱抵抗体１１に流れる発熱電流を制御するトランジスタ（図示省略）を備える。発熱抵抗体１１と空気温度補償抵抗体１２は、温度依存性を有する感温抵抗体であり、エンジンの吸入空気流路中に配置される。

センサ回路部１は、電源１０に接続され、発熱抵抗体１１の発熱温度が空気温度に対して所定温度差を保つように発熱電流を制御する。すなわち、発熱抵抗体１１は、空気流量応じて熱が奪われ、抵抗値が変化するが、上記ブリッジ回路の中点電位差が零になるように発熱抵抗体１１に流れる発熱電流を制御する。それにより、発熱抵抗体１１の発熱温度が空気温度に対して所定温度差を保つように、発熱電流が制御される。この電流を直接電圧変換すること、流量検出信号が形成され、流量が測定される。なお、発熱抵抗体の空気流方向の両側に温度検出抵抗体を配置して、その温度差より流量を計測してもよい。

電源回路３は、センサ回路部１および出力補正部２を駆動するための基準電圧を形成する。

出力補正部２は、マイクロコンピュータや専用ロジックなどのディジタル回路により構成され、アナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２１、演算回路２２、書換メモリ２３、ディジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）２４、駆動用発振器２５、シリアル通信処理部２６を備え、次のような処理を行う。

センサ回路部１からの出力信号（流量検出信号：非線形アナログ信号）Ｖｉｎは、アナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２１によりディジタル値に変換される。演算回路２２は、書き換えメモリ２３に格納された補正データを用いて、ディジタル化された流量検出信号の脈動誤差を補正する。補正後の流量検出信号は、ディジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）２４により再度アナログ信号に変換される。このアナログ信号は、センサ回路部１同様の非線形の電圧値であり、エンジンコントロールユニット５に出力される。
このように補正後の流量検出信号を再度アナログ変換する理由は、既存のエンジンコントロールユニット５がアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）２１を有するためである。

出力補正部２は、シリアル通信処理２６を介して外部とのデータ通信が可能である。

エンジンコントロールユニット５では、流量測定装置４の出力信号Ｖｏｕｔ、アナログ・ディジタル変換器５１によりディジタル値に変換してエンジン制御に用いる。エンジンコントロールユニット５は、シリアル通信処理５２によって誤差補正用のパラメータを流量測定装置４に送信可能である。

次に、図２を用いて、流量補正部２で実行される演算処理４０の流れを説明する。

Ａ／Ｄ変換器２１は、センサ回路１の出力信号（流量検出信号）Ｖｉｎを入力して、アナログ・ディジタル変換処理４１を実行し、流量信号Ｖｉｎをアナログ値からディジタル値に変換する。出力信号Ｖｉｎは、脈動成分を含み、また、非線形による誤差を含む非線形信号である。

演算回路２２は、ディジタル化された流量信号に対して必要に応じて出力調整処理４２を施し、出力調整処理後のディジタル流量信号Ｖｘに対して脈動誤差の補正量Ｖｙを算出する処理（脈動誤差補正量算出処理）４４を施し、及びこの補正量を用いて非線形出力信号（センサ出力信号Ｖｘに加算あるいは減算処理４３を施す。ディジタル流量信号Ｖｘは、流量検出素子の源信号（非線形出力信号）に相当する。加減算処理４３の補正量の符号を特性に応じて変更して（センサ出力信号Ｖｘに対する補正量Ｖｙの加算、減算の場合分け）用いることでプラス方向にも、マイナス方向にも脈動誤差の改善を図ることが可能となる。本実施例では、一例として、以下、脈動誤差がプラス方向であるとして、減算処理を例示する。なお、補正量Ｖｙの符号の変換は、後述する補正量算出用の加減算処理６７の符号をセンサ出力特性に応じて変更することで可能になる。

脈動誤差補正量算出処理４４では、流量信号Ｖｘ中に含まれる脈動成分の非線形誤差の補正量を算出し、その補正量は、補正信号Ｖｙとして加減算処理４３に供される。加減算処理４３において、流量信号（源信号）Ｖｘに補正信号Ｖｙが減算（Ｖｘ−Ｖｙ）され、補正後の流量信号Ｖｚを得る。補正後の流量信号Ｖｚは、Ｄ／Ａ変換器２４によりディジタル・アナログ変換処理４５が施され、アナログ信号をエンジンコントロールユニット５に出力する。脈動補正量算出処理４４では、エンジンコントロールユニット等からの調整パラメータのデータに基づき脈動誤差の補正量を調整することが可能である。

ここで、脈動誤差補正量算出処理４４の具体例を図３により説明する。

一般に、発熱抵抗体を用いた熱式流量計のセンサ出力と空気流量との関係はキングの式と呼ばれる次式によって表される。

Ih・Ih・Rh=(C1+C2√Q)(Th-Ta) …（１）
ここで、Ihは発熱抵抗体に流れる発熱電流、Rhは発熱抵抗体の抵抗値、Thは発熱抵抗体の表面温度、Taは空気の温度、Qは空気流量、C1、C2は発熱抵抗体で決まる定数である。センサの出力は、発熱電流値Ihを、検出抵抗を介して電圧値として検出するのが一般的である。内燃機関の制御に用いるエンジンコントロールユニット５では、（１）式の関係からセンサの出力電圧値（本実施例では、脈動誤差補正処理された出力電圧）を流量値に変換して、内燃機関の空気と燃料の割合などを制御する。熱式流量計のセンサ出力信号と実際の流量との関係は（１）式の非線形な関係（流量の４乗根が電圧値）であるため、流量として信号を用いるには何らかの線形化手段が必要となる。

センサ回路部１の出力信号Ｖｉｎは、発熱抵抗体１１に流れる発熱電流を電圧変換した出力で、非線形な出力信号である。出力信号Ｖｉｎは、エンジンの吸気バルブの開閉動作による空気脈動を含む。その出力信号は、非線形の状態（源信号：ここではディジタル変換後の出力Ｖｘ）では、そのままフィルタ処理をすれば、そのフィルタ処理後の信号は、誤差を含み、最終的に流量に変換した際に、何らかの流量誤差（プラス方向或いはマイナス方向の誤差）が発生する。具体的には、非線形信号Ｖｘを、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）を介してフィルタリング処理した場合には、マイナスの平均値誤差が発生する。また、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を介してフィルタリング処理した場合には、プラスの平均値誤差が発生する。これは、フィルタの時定数を調整すれば一定量の脈動信号の補正に利用することができる。

非線形性に因る脈動誤差の補正量は、元々応答性の遅いセンサの場合はフィルタリングする源信号の振幅が小さいためその効果が小さくなる。本実施例では、このフィルタリングされた信号の微少な振幅を、基準となる信号との差信号として求め、差信号を増幅する。この増幅率を最適化することで、脈動誤差の補正量を最適に算出することができる。ここで、脈動誤差補正処理４４の信号処理の詳細を、図３、図４、および図５に基づき説明する。

出力調整処理後の信号Ｖｘ（非線形な出力信号）を、第１の信号系と、第２の信号系に分けて加工を施し、第１の信号と第２の信号との差信号ｄＶｘを得る。得られた差信号ｄＶｘを増幅して脈動補正信号Ｖｙを得、加減算処理４３で補正後の信号Ｖｚを得ている。

第１の信号系は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ１）、Ｖ−Ｑ変換処理部（ｆ１関数による線形化処理部）６２、Ｑ−Ｖ変換処理部（ｆ２関数による非線形化処理部）６３により構成される。この第１の信号系では、非線形な出力信号Vｘの脈動の大きさに応じて、意図的にマイナス誤差を発生させる。すなわち、流量検出素子の非線形出力信号Ｖｘをローパスフィルタ（ＬＰＦ１）６１により平滑処理する。この平滑化された信号Ｖｘｆは、図４（ａ）に示す関数ｆ１（２次元マップ（テーブルでも良い））を用いてＶ−Ｑ変換処理部（ｆ１）６２により線形化され、第１の信号である流量信号（ｑｖｘｆ）が得られる。平滑化された信号Ｖｘｆは、図２１でいえば、発熱体の検出信号のうち、脈動振幅の小さい方V２に相当し、脈動振幅の大きい方Ｖ１は、平滑前の源信号Ｖｘに相当する。線形化された流量信号（ｑｖｘｆ）は、図２１でいえば流量信号Q２に相当し、Ｑ１は、源信号Ｖｘ（Ｖ１）を流量変換したものに相当する。そして、平滑化後に線形化された流量信号（ｑｖｘｆ）の平均値は、図２１のＱ２とＱ１の関係からも明らかなように、平均値誤差（減少方向の誤差）が生じる。流量信号（ｑｖｘｆ）は、Ｑ−Ｖ変換処理部（ｆ２）６３により、図４（ｂ）に示す関数ｆ２（または２次元マップ（テーブルでも良い））を用いて電圧に変換され、図５（ａ）に示すような非線形処理された第１の信号（Ｖｖｘｆ１）が得られる。

一方、第２の信号系は、Ｖ−Ｑ変換処理部（ｆ１関数による線形化処理部）６４、ローパスフィルタ（ＬＰＦ２）、Ｑ−Ｖ変換処理部（ｆ２関数による非線形化処理部）６６により構成される。Ｖ−Ｑ変換処理部（ｆ１）６４により、前記処理部６２と同じ関数ｆ１（または２次元マップ（テーブルでも良い））を用いて、最初に非線形の源信号Ｖｘに線形化する。この線形化処理により、源信号は流量信号（ｑｘ）に変換される。

この流量信号（ｑｘ）は、ｆ１関数の感度調整により脈動誤差をほとんど含まない信号としてみなすことができる。流量信号（ｑｘ）は、前記ＬＰＦ１同様のローパスフィルタ（ＬＰＦ２）６５により平滑処理され、信号（ｑｘｆ）が得られる。この平滑処理により、信号（ｑｘｆ）は、第１の信号系の信号（ｑｖｘｆ）と位相が同期化される。信号（ｑｖｘｆ）の平均値は、信号（ｑｖｘｆ）よりも大きい。この信号（ｑｖｘｆ）は、Ｑ−Ｖ変換処理部（ｆ２）６６により、関数ｆ２（または２次元マップ（テーブルでも良い））を用いて非線形の電圧に変換され、これにより、図５（ａ）に示すように、第２の信号（Ｖｖｘｆ２）が得られる。

既述したように、第１の信号（Ｖｖｘｆ１）は、非線形な信号をフィルタ処理した後に線形化するので、マイナス誤差が発生するのに対し、第２の信号（Ｖｖｘｆ２）は非線形な信号を線形化した後にフィルタ処理するために誤差は発生しない。この２つの信号（Ｖｖｘｆ１，Ｖｖｘｆ２）は、既述したように感度調整され及び位相が同期化されており、加減算処理部６７により演算（Ｖｘｆ２−Ｖｖｘｆ１）される。これにより、図５（ａ）に示すように、差信号（ｄＶｘ）が得られる。

この差信号（ｄＶｘ）は源信号の波形形状によっては変動する場合もあるので、再度ローパスフィルタ（ＬＰＦ３）６８により平滑処理され、信号（ｄＶｘｆ）が得られる。信号（ｄＶｘｆ）は、増幅処理６９で最適化したゲイン（増幅率Ｋ）により増幅され、脈動補正量Ｖｙが得られる。

ローパスフィルタ（ＬＰＦ３）６８は必ずしも必要ではないが、補正量の変動を抑制する場合は望ましい処理といえる。同様に第１の信号経路のＶ−Ｑ変換処理（ｆ１）６２、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）６３は完全な逆関数の関係で無くても構わない。但し、次に述べる理由であった方が望ましい。

図４のＶ−Ｑ変換処理（ｆ１）と、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）は逆関数の関係であるのが望ましい。関数の近似精度によって補正量の誤差を減らすために、第１の信号処理系と第２の信号処理系のそれぞれの信号の感度と、位相の整合を図る。このように設定することで、より小さな差信号ｄＶｘを得る場合でも、種々の補正誤差影響の原因を極力省くことができる。

加減算処理部４３は、図５（ｂ）に示すように、検出素子の源信号Ｖｘに対して補正量Ｖｙを減算することで補正後の信号Ｖｚが得られる。

本実施例によれば、流量検出信号を加工して脈動誤差補正量を求め、この脈動誤差補正量を源の流量検出信号に加減算して流量検出信号の脈動低減を図ることができる。補正後の信号Ｖｚは、フィルタ処理されていない源信号に補正量Ｖｙを加味することで得られるので、平均値誤差がなく、しかも、脈動成分中のノイズを除去し、検出信号（源信号）の脈動の振幅の大きさ、周波数に反映した精度のよい平均値を得ることができる。

したがって、本実施例によれば、流量測定装置はセンサ出力の基本的な特性をそこなうことなく脈動による計測誤差を低減することができる。

特に、元々微少な加工信号を増幅することで、脈動誤差を効果的に補正することが可能にしている。

本発明では、脈動の大きさに応じて非線形誤差が増加する（ローパスフィルタ（ＬＰＦ）の場合はマイナス誤差が増加）といった特徴を利用し、位相と感度を整合した基準の信号との差を実システム上の脈動誤差の程度に応じて、増幅処理６９で最適化したゲイン（増幅率Ｋ）と、加減算処理６７の符号を特性に応じて変更して（２つの信号の加算、減算の場合の場合分け）用いることでプラス方向にも、マイナス方向にも脈動誤差の改善を図ることが可能となる。センサ出力Ｖｉｎ（Ｖｘ）が、プラス誤差の特性の場合には、加減算処理部６７は（Ｖｖｘｆ１−Ｖｘｆ２）となり、マイナス誤差の特性の場合には、図３の加減算処理部６７の符号が逆（Ｖｖｘｆ１−Ｖｘｆ２）になる。

これまでのフィルタ処理はローパスフィルタ（ＬＰＦ）で説明したが、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）でも効果の程度は変わるが原理的に同様な効果を得ることができる。但し、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いた場合はノイズも上昇するため、通常であればローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いて実現するのが望ましい。

図１８にハイパスフィルタを用いた脈動誤差補正量算出部４４を示す。図３の脈動誤差補正量算出部４４との相違点は、第１の信号処理系と第２の信号処理系にローパスフィルタに代えてハイパスフィルタ（ＨＰＦ１）６１´とハイパスフィルタ（ＨＰＦ２）６５´を用いた点であり、その他の構成は、図３のものと同様である。図１９に図１８の脈動誤差補正量算出の加工信号状態と誤差補正後のセンサ出力信号を示す。
（実施例２）
第２の実施例を説明する。先の図４のＶ−Ｑ変換処理（ｆ１）と、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）は非対称な関数であっても、実現可能である。図６に非対称な関数の一例として、Ｖ−Ｑ変換処理（ｆ１）相当の処理として電圧の３乗（Ｖ＊Ｖ＊Ｖ）関数を、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）の代わりにルート関数（√）等を用いた関数を示すが、この様な場合でも本発明の構成であれば可能である。この様に関数を簡素化すれば、関数を作る際のディジタル処理が簡素化するという効果がある。
（実施例３）
図７及び図８に第３の実施例を示す。本実施例は、上記した第１、第２の実施例の空気流量測定装置に用いる検出素子（発熱抵抗体１１、温度補償抵抗体１２）を、曲がり通路形状のバイパス空気通路４０１に配置した場合である。流量測定装置の回路構成は、図１から図３のものと同様である。図７は、吸気通路４０２内に配置されたバイパス通路４０１を含む流量計４の断面図である。このようなバイパス通路４０１に検出素子を配置した場合には、エンジン側からの逆流による流れ影響を低減でき、かつバイパスによる流れの慣性効果により、検出素子からの出力信号Ｖｉｎ（Ｖｘ）に脈動状態で全体的にプラス誤差を含む。

一方、バイパス通路４０１無しで、検出素子を吸気通路に配置した場合には、脈動の大きさを示す指標の脈動率（（最大値−最小値）／平均値）が大きくなるにつれて、検出信号の出力特性がマイナス誤差となる。ただし、逆流が発生して逆流が大きくなると検出信号の出力特性がプラス誤差を示す。

バイパス通路４０１は、モールド成形体（樹脂成形体）である。バイパス通路４０１を用いることで、検出素子の出力特性は、全体的にプラス誤差とすることができるが、試験条件や、外部の流れの組み合わせによっては低脈動率からプラス誤差が過剰に発生する。これは、特にエアクリーナ等の形状によって想定以上の誤差の発生が生じる場合があり、システム適合の段階になってバイパス通路の変更が生じ、型改造などの開発費の上昇、構造の違いにより汎用性が失われ製造コストの上昇を招く、開発期間が増大するなどの課題がある。

以上のようなプラス誤差のセンサ出力特性が生じても、本発明の流量測定装置によって、補正パラメータの最適化を図り、それに基づきマイナスの脈動補正量Ｖｙを形成すれば、一定量の脈動率までの誤差を低減することができる。このように、本発明によれば、既存のバイパス形状であっても、対象となるエアクリーナなどの外部条件に応じて出力調整（脈動誤差補正）が可能である。したがって、汎用性が高く、コスト低減に貢献し得る流量測定装置を提供することができる。
（実施例４）
図９及び図１０に第４実施例を示す。本実施例は、本実施例は、上記した第１、第２の実施例の空気流量測定装置に用いる検出素子（発熱抵抗体１１、温度補償抵抗体１２）を、曲がりの無いストレートの通路形状のバイパス空気通路４０２に配置した場合である。バイパス通路に曲がりの無い場合は、先の実施例と逆でバイパス通路による慣性効果が期待できない。そのため、定常的に逆流が大きくなるまで、センサ出力は、マイナス誤差を発生した特性となる。この場合には、既述したように、図３の加減算処理部６７の符号を逆（Ｖｖｘｆ１−Ｖｘｆ２）とし、脈動発生時にプラスの補正量を発生させるにする。このようにして脈動時の出力信号のマイナス誤差特性を改善することができる。ここでは、加減算処理６７の符号を変えることで、誤差の少ない特性を得たが、符号がそのままでフィルタ処理にハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いても実現可能である。

また、曲がりのないストレート構造のバイパス通路４０３では、逆流時の脈動誤差の傾向がつかみやすいため、本発明の流量測定装置と、従来からの脈動誤差の特徴抽出による脈動誤差の補正手段を組み合わせることで、全体的な誤差の低減も図れる。

以上のように、本実施例の流量測定装置によれば、バイパス通路の特徴に応じて、脈動特性の最適化が図れると行ったシステム構成時の自由度が向上するといった効果がある。
（実施例５）
図１１及び図１２に第５の実施例を示す。本実施例は、図３に記述している第１の信号処理系と第２の信号処理系を、時分割により切り換え可能にした構成である。また、Ｖ−Ｑ変換処理部（ｆ１関数による線形化処理部）６２およびＱ−Ｖ変換処理部（ｆ２関数による非線形化処理部）６３は、第１の信号処理系と第２の信号処理系に兼用させており、それにより、図３に用いたＶ−Ｑ変換処理部（ｆ１関数による線形化処理部）６４およびＱ−Ｖ変換処理部（ｆ２関数による非線形化処理部）６５は、省略している。本実施例は、処理部（処理ブロック）の一部を兼用して処理部の数を低減することを意図する。

すなわち、各処理の中で、比較的演算負荷が大きいＶ−Ｑ変換処理（ｆ１）６２、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）６３を、スイッチ７１，７２，７３，７４により時分割で切り替えて、第１、第２の信号処理系に使用可能にしている。また、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）６３と加減算処理部６７の間にサンプルホールド処理部７５，７６を、スイッチ７４を介して切り替え可能に設けている。サンプルホールド処理部７５は、第１の信号処理系に属し、サンプルホールド処理部７６は、第２の信号処理系に属する。

図１１は第１の信号処理系の動作を示し、最初のシステムクロックでスイッチ７１，７２，７３，７４は第１の信号処理系に切り替えられる。これにより図３の第１の信号処理系と同様の処理系が構成され、第１の信号（Ｖｖｘｆ１）がサンプルホールド処理部７５によりサンプルホールドされる。このサンプルホールドされた第１の信号は、（Ｖｖｘｆｓ１）として示される。次のシステムクロックでは、スイッチ７１，７２，７３，７４は第２の信号処理系に切り替えられる。これにより、図３の第２の信号処理系と同様の処理系が構成され、第２の信号（Ｖｘｆ２）がサンプルホールド処理部７６によりサンプルホールドされる。このサンプルホールドされた信号は、（Ｖｖｘｆｓ２）として示される。２つの信号の差をサンプルホールド後に加減算処理部６７で加減或いは減算することで、今までに述べた実施例と同様の作用、効果を得ることができる。本方式では、結果の反映が１クロック分だけ遅れることになるが、十分に速いシステムクロックで動作すれば、遅れの影響はほとんど受けることはない。この様に、時分割で処理を実現すれば少ないプログラム領域で、本発明が実現でき、部品のコストが低減するといった効果がある。
（実施例６）
図１３、図１４、図１５に第６の実施例を示す。図１３に示す脈動誤差補正処理部４４は、基本的には図３に示すものと同じであり、相違点は、脈動特徴量算出処理８０を加えた点である。脈動特徴量の算出結果とし、増幅処理部６９はゲインＫｍを可変設定し、可変ゲインＫｍを反映させた増幅率により、既述の差信号ｄＶｘｆを増幅し脈動補正量Ｖｙを得る。

ここで、図１４を用いて、脈動特徴量算出処理部４４の動作を説明する。

センサの出力信号Ｖｘが脈動時にサイン波形に近い繰り返し波形となるので、その最大値（Ｖｍａｘ）と最小値（Ｖｍｉｎ）を、例えばディジタル的な手法により一定時間バッファリングし、そのデータを検索等することで求める。

その結果得られた最大値（Ｖｍａｘ）と最小値（Ｖｍｉｎ）との差を振幅値（Ｖａｍｐ）として求める。振幅値（Ｖａｍｐ）に応じてゲインＫｍを変えることで、脈動の大きさに応じて脈動補正量Ｖｙを増大することも可能となる。このようにすれば、逆流後に発生する大きなプラス誤差も、逆流量に応じて補正量を増大することでより、効果的に低減することができる。図１４の例では、振幅値（Ｖａｍｐ）を脈動特徴量とし、可変ゲインＫｍが徐々に増加する関数でより大きな効果を得る様にしている。但し、差信号ｄＶｘｆも脈動の大きさにより反映された信号であるので、可変ゲインＫｍが大きくなり過補正を防ぐために、一定値以上の振幅値（Ｖａｍｐ）で可変ゲインＫｍを一定にするリミッタを設けている。

脈動特徴量の算出は先の振幅値（Ｖａｍｐ）を平均値（Ｖａｖｅ＝（Ｖｍｉｎ＋Ｖａｍｐ／２））で割り（Ｒｔ＝Ｖａｍｐ／Ｖａｖｅ）、脈動の大きさが平均値（Ｖａｖｅ）で規格化された信号（Ｒｔ）を用いても構わない。この場合はより流量に依存した誤差特性を改善できるので望ましいが、演算負荷も増える。したがって、流量範囲が余り広くないような用途などでは、必ずしも用いなくても十分に有効である。

本実施例を、バイパス通路との組み合わせで用いる場合で、特に脈動特徴量の算出を振幅値（Ｖａｍｐ）と最小値（Ｖｍｉｎ）を用いた演算で最適化した場合の一例を図１５により説明する。

図１５（ａ）に検出素子の出力信号の脈動誤差発生時の条件分けを示す。図１５のグラフにおいて、横軸が脈動率、縦軸が脈度誤差である。

脈動率に対する脈動誤差特性（バイパスを用いて補正された誤差特性）を考えると、逆流の無い領域で脈動により小さなプラス誤差が発生する領域１，バイパス通路による逆流閉じ込め効果で脈動誤差が中程度に抑えられた領域２、逆流により誤差が増大する領域３に分けられる。このような領域を有する誤差特性は、逆流検知機能のない単方向のプローブでバイパス通路を用いた場合の代表的な特性である。

ここで、図１５（ｂ）に示す脈動誤差発生時の特徴を考察すると、振幅値（Ｖａｍｐ）は、逆流が発生するまでの領域１で最も大きな勾配で増加する。逆流が発生する領域２では閉じ込め効果がある状態では勾配が減少する。バイパス通路の閉じ込め効果が無くなる領域３ではほぼ変化のない飽和した特性となる。

このような特徴は、次のような理由により説明できる。

センサ出力信号の脈動に応じて、最大値（Ｖｍａｘ）は、脈動率の上昇に伴い一定の割合で上昇する。一方、最小値（Ｖｍｉｎ）は、逆流無しの領域１では、脈動率の上昇に伴い一定の割合で減少する。最小値（Ｖｉｍ）は、逆流が発生する領域２では、逆流検知できない単方向のプローブを使用する場合には、信号が飽和する。これは特に、逆流が発生するにもかかわらず、バイパス通路の閉じ込めで逆流時の信号が入力しないため、最小値が飽和するものである。これに対し、バイパス通路の閉じ込め効果の無い領域３では、逆流の入力によって脈動の最小値が飽和から増加するといった特徴を示す。このような結果、先に示した振幅値（Ｖａｍｐ）を平均値（Ｖａｖｅ＝（Ｖｍｉｎ＋Ｖａｍｐ／２））で割り（Ｒｔ＝Ｖａｍｐ／Ｖａｖｅ）、脈動の大きさが平均値（Ｖａｖｅ）で規格化された信号（Ｒｔ）を用いてもバイパス通路の閉じ込め効果の無い領域３での補正効果が減少する。

本実施例では、最小値（Ｖｍｉｎ）をｎ倍（例えばｎ＝２）し、振幅値（Ｖａｍｐ）と乗算して図１５（ｃ）に示す可変ゲインＫｍ（Ｋｍ＝Ｖａｍｐ＊（Ｖｍｉｎ＊ｎ））を得る。その結果、脈動誤差の大きな領域３で最も大きな可変ゲインＫｍを得ることになる（本例でも先と同じに可変ゲインKmにリミッタを設けて過補正を防ぐのが望ましい）。実際の補正量は、破線で示すスケール無しの差分ｄＶｘの傾向の様に、逆流無しでは可変ゲインＫｍが大きくても本来の差分ｄＶｘが小さいため補正量は小さい。その結果図１５（ｄ）に示す、脈動率が小さい領域から大きな領域まで逆流誤差を低減することが可能となる。本発明では、広範囲な脈動率で逆流誤差を低減でき、エンジン制御に用いた場合広範囲な条件で排ガスを低減できるという効果がある。
（実施例７）
図１６及び図１７に本発明の第７の実施例を示す。本実施例は、既述した実施例よりも脈動誤差補正処理部４４の構成を簡略化している。

脈動誤差補正処理部４４の構成及び動作の詳細を、図１６を用いて説明する。なお、本実施例の流量測定装置においては、脈動誤差補正処理部４４以外の構成は、既述した各実施例と共通であるので、説明を省略する。

既述した実施例の脈動誤差補正処理部４４では、図４に示す様なＶ−Ｑ変換処理（ｆ１）と、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）、フィルタ処理の組み合わせで脈動時のセンサ出力信号の補正量を求めていた。これに対して、本本実施例の脈動誤差補正処理部４４では、Ｖ−Ｑ変換処理（ｆ１）と、Ｑ−Ｖ変換処理（ｆ２）を用いず、次のような系により信号処理を行う。ディジタル変換後のセンサ出力信号Ｖｘは、フィルタ処理６１（ローパスフィルタ：LPF1）に通してフィルタ処理され、加減算処理部６７は、フィルタ処理後の信号（Vxf）と本来の信号Vxとの差信号ｄVxを求める。図１７に、この差信号を求める場合の波形図を示す。本来の出力信号Vxとフィルタ処理後の信号（Vxf）は、これまでの第１、第２の信号と異なり位相差があるために、差信号ｄVxは、プラスとマイナスに動作する波形信号となる。この平均値はゼロになるため、このままでは増幅しても脈動補正量Vyを得ることができない。そこで、差信号ｄVxは、絶対値処理部７７により絶対値に変換され、すなわちプラス符号のみの信号（ｄVxabs）に変換される。この信号（dVxabs）をフィルタ処理６８（ローパスフィルタ：LPF3）で平滑化した後、増幅処理部６９で増幅する。この増幅は、外部から調整可能なゲインKuを用いて行われ、結果として補正量Vyが求められる。このような構成でも、これまでの実施例と同じように脈動誤差の低減ができる。差信号ｄVxは、これまでの実施例よりもフィルタ処理６８（ローパスフィルタ：LPF3）のカットオフ周波数（ｆｃ）の影響を受けやすい。したがって、カットオフ周波数を、エンジン回転数等に応じて可変にすればより広範囲で誤差の少ない補正が可能となる。本実施例の様な簡単な方式でも、脈動率の特に大きな領域を除けば（脈動の大きな領域では波形の傾向で補正量が減少する）活用でき、有効である。先の脈動特徴量等を用いれば、誤差がより低減できるのはいうまでもない。特に、本実施例はエンジンコントロールユニット５内部で実現するのに有効な方式であるといえる。

さらに、本実施例では、エンジンコントロールユニット５からの調整データを受けてフィルタ（LPF1）のカットオフ周波数（ｆｃ）や、増幅率（Ku）を変えている。この様な構成は、これまでの説明の様に流量計４内部の信号処理として実現できるが、処理が簡素化されればエンジンコントロールユニット５内のソフトとして実現するのも容易となる。本実施例では流量計４内部処理と説明するが、エンジンコントロールユニット５内部で実現すれば調整データを流量計４に転送する必要が無くなり配線が減る等のメリットがある。

本発明は、空気およびガス流量計の出力信号の信号処理方法に関し、自動車用流量計としてエアクリーナと組み合わせて用いる用途にも適用できる。その結果、エンジン制御に用いた場合はより精度の良い制御が可能となり、排ガスの低減や燃費の向上といった効果がある。

本発明の第１実施例の流量測定装置のシステム構成図。 第１実施例に用いる脈動誤差補正のディジタル処理ブロック図。 第１実施例の脈動補正量算出処理の信号処理ブロック図。 （ａ）は、第１実施例に用いるＶ−Ｑ変換関数の特性を示す図、（ｂ）は、Ｑ−Ｖ変換関数の特性を示す図。 第１実施例の脈動誤差補正処理における波形の動作を示す図。 （ａ）は本発明の第２実施例に用いるＶ−Ｑ変換関数の特性を示す図、（ｂ）は、Ｑ−Ｖ変換関数の特性を示す図。 本発明の第３実施例に用いる吸気通路に配置されたバイパス通路及び流量検出素子を示す断面図。 第３実施例の脈動誤差補正の効果を示す図である。 本発明の第４実施例に用いる吸気通路に配置されたバイパス通路及び流量検出素子を示す断面図。 第４実施例による効果を示す図である。（実施例４） 本発明の第５実施例の脈動誤差補正量算出処理の信号処理ブロック図。 第５実施例の脈動誤差補正量算出処理の信号処理ブロック図。 本発明の第６実施例の脈動誤差補正量算出処理の信号処理ブロック図。 第６実施例に用いる脈動特徴量算出処理の動作を示す説明図。 第６実施例に用いる脈動特徴量算出処理の動作を示す説明図。 本発明の第７実施例の脈動誤差補正量算出処理の信号処理ブロック図である。 第７実施例による脈度誤差補正の波形動作を示す説明図。 第１実施例の変形例を示す脈動誤差補正処理のブロック図。 図１９の実施例の脈動誤差補正処理を示す波形動作図。 熱式空気流量計の出力特性を示す図。 センサ出力と空気流量と流量平均値の関係を示す説明図。

符号の説明

１…センサ回路、２…出力補正部、３…電源回路、４…流量測定装置、５…エンジンコントロールユニット、１１…発熱抵抗体（検出素子）、１２…温度補償抵抗体、４０…脈動誤差補正処理部（演算処理部）、４４…脈動誤差補正量算出部、４６…調整用パラメータ、４０１…曲がりバイパス通路、４０２…吸気管、４０３…バイパス通路

Claims (13)

1. 流量に応じた非線形な信号を出力する検出素子を有する流量測定装置において、
   ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、及び入力信号の大きさに応じて帯域が可変する可変フィルタのいずれか１つからなるフィルタと、線形処理を行う電圧−流量変換部と、非線形処理を行う流量−出力電圧変換部とが、上記列記順に接続され、前記検出素子の非線形な源信号をフィルタ処理した後、前記線形処理により感度調整して第１の信号を得る第１の信号処理系と、
   線形処理を行う電圧−流量変換部と、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、及び入力信号の大きさに応じて帯域が可変する可変フィルタのいずれか１つからなるフィルタと、非線形処理を行う流量−出力電圧変換部とが、上記列記順に接続され、前記源信号を線形化して感度調整した後にフィルタ処理し、再度非線形化して第２の信号を得る第２の信号処理系と、
   前記第１の信号と第２の信号との差信号を増幅する増幅部と、
   増幅された差信号を前記源信号の補正に用いる補正部と、を備えることを特徴とする流量測定装置。
2. 流量に応じた非線形な信号を出力する検出素子を有する流量測定装置において、
   前記検出素子の非線形な源信号をフィルタ処理する第１のフィルタと、
   前記フィルタ処理された信号と前記源信号との差信号の絶対値を求める信号処理部と、 前記差信号の絶対値をフィルタ処理する第２のフィルタと、
   フィルタ処理された前記差信号を増幅する増幅部と、
   増幅された差信号を前記源信号の補正に用いる補正部と、を備えることを特徴とする流量測定装置。
3. 請求項２において、
   前記第１、第２のフィルタは、高周波域をカットし、信号の位相遅れを形成するローパスフィルタよりなる流量測定装置。
4. 請求項２において、
   前記第１、第２のフィルタは、低周波域をカットし、信号の位相進みを形成するハイパスフィルタよりなる流量測定装置。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項において、
   前記フィルタ処理は、入力信号の大きさに応じて帯域が可変する可変フィルタにより行われる流量測定装置。
6. 流量に応じた非線形な信号を出力する検出素子を有する流量測定装置において、
   前記検出素子から出力される非線形かつ交流成分を含む源信号を補正する信号処理装置を備え、この信号処理装置は、
   前記源信号を非線形積分することにより平均値誤差を有する第１の信号を形成する第１の信号処理系と、
   前記源信号を線形積分することにより位相差が前記第１の信号と整合された第２の信号を形成する第２の信号処理系と、
   前記第１の信号と前記第２の信号との差信号を増幅する増幅部と、
   増幅された差信号と源信号との加減算を行う加減算処理部と、を備えることを特徴とする流量測定装置。
7. 請求項１において、
   前記第１の信号処理系と前記第２の信号処理系とは、時分割により実行され、
   それらの信号処理系で実行される感度調整の処理部は、第１、第２の信号処理系で兼用であり、切替スイッチを介して第１、第２の信号処理系のいずれかに選択的に接続されるよう構成されている流量測定装置。
8. 請求項１において、
   前記第１の信号処理系と前記第２の信号処理系とは、時分割により実行され、
   それらの信号処理系における線形処理を行う電圧−流量変換部は、第１、第２の信号処理系で兼用であり、切替スイッチを介して第１、第２の信号処理系のいずれかに選択的に接続されるよう構成されている流量測定装置。
9. 流量に応じた非線形な信号を出力する検出素子を有する流量測定装置において、
   前記検出素子から出力される非線形な源信号を処理して補正する信号処理装置を備え、 前記信号処理装置は、
   前記源信号に時分割により第１時間帯と第２の時間帯による複数の加工処理を行い、前記第１の時間帯おける加工処理として、前記源信号に対して、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、及び入力信号の大きさに応じて帯域が可変する可変フィルタのいずれか１つを用いたフィルタリング処理と、このフィルタリング処理後に電圧−流量変換による線形処理と、この線形処理後に流量−電圧変換による非線形処理とを行い、前記第２の時間帯における加工処理として、前記源信号に対して、電圧−流量変換による線形処理と、前記ローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、及び可変フィルタのいずれか１つを用いたフィルタリング処理と、このフィルタリング処理後に流量−電圧変換による非線形処理とを行うディジタル信号処理部と、
   時分割された前記第１の時間帯の加工処理により得られる前記第１の信号と、時分割された前記第２の時間帯の加工処理により得られる前記第２の信号をそれぞれ保持するサンプルホールド部と、
   サンプルホールド部に保持された前記第１の信号と前記第２の信号との差信号を増幅する増幅部と、
   増幅された差信号を用いて前記源信号を誤差補正する補正部と、を備えることを特徴とする流量測定装置。
10. 請求項１、２、６、及び９のいずれか１項において、
    差信号を増幅する前記信号増幅部における増幅率を、流量信号の脈動による交流信号成分の大きさ、もしくは時間当たりの変化分の大きさに依存するよう可変設定し、その増幅率は、関数或いはマップにより可変設定される流量測定装置。
11. 請求項１又は２において、
    前記フィルタ処理は、入力信号の大きさに応じて帯域が可変する可変フィルタにより行われ、
    差信号を増幅する前記増幅部における増幅率を、前記可変フィルタの帯域に応じて可変とする流量測定装置。
12. 請求項１ないし１１のいずれか１項において、
    前記検出素子は、流体通路に設けたバイパス通路に配置されている流量測定装置。
13. 請求項１、２、６、及び９のいずれか１項において、差信号を増幅する前記増幅部の増幅率を、外部のエンジンコントローラからの信号もしくは外部の調整装置によって変更可能にした流量測定装置。

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