JP2004257870A

JP2004257870A - 流量センサ

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Publication number: JP2004257870A
Application number: JP2003049181A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Nakada; 圭一中田; Junichi Horie; 潤一堀江; Izumi Watanabe; 渡辺　　泉
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-02-26
Filing date: 2003-02-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-26
Also published as: JP3718198B2; US6889545B2; US20040163464A1; EP1452838A3; EP1452838B1; EP1452838A2

Abstract

【課題】大きな逆流を含む、脈動状態での流量を精度よく検出する。
【解決手段】ヒーター４を挟んで上流温度センサ６，７と下流温度センサ８，９を形成すると共に、薄膜部（空洞２６）の外に並列抵抗１０，１１を形成し、接点４３，４５で下流温度センサ８，９と接続する。ブリッジ回路４辺に同一素子が隣り合わないよう上流温度センサと下流温度センサをそれぞれ配置し、流れのない時に電極４２、４４間はバランスする。順流２０時、上流温度センサが冷却され、下流温度センサはヒーターの影響を受けるが、見かけの変化は小さく、電極４２，４４間の電位差は大きくなる。逆流２１時、下流温度センサは冷却されるが見かけの変化は小さく、上流温度センサはヒーターの影響を受けて温度上昇する。この結果、順流の流量特性に対して逆流の流量特性を圧縮した流量特性が得られるため、従来技術よりも狭い電圧範囲で逆流検出を行うことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒーターを用いて流量を計測する流量センサに係り、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するのに好適な流量センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設置され、吸入空気流量を計測する流量センサとしては、熱式のものが質量流量を直接検知できることから主流となってきている。熱式の計測装置はシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上に、半導体微細加工技術を用いて製造される。比較的容易に、しかも大量生産方式で生産できることから経済性があり、また、小型で低電力で駆動できることから近年注目されている。
【０００３】
このような流量計測装置としては、特許文献１に記載の流量センサが公知で、基板上に薄膜部を形成し、その薄膜部に配置した温度センサにより流量計測を行う。薄膜部は熱容量が小さいため、流量変化に対して高速な熱応答が得られる。
【０００４】
このように、高速に応答する流量計測素子を用いた流量センサを自動車制御に適用すると、流量が急激に変化する場合、または吸気管内に脈動が発生した場合でも、その流量変化に応答することが可能である。従って、上記の運転状態においても、熱容量が大きく応答速度の遅い流量センサよりも正確に空気流量を計測することが可能となる。
【０００５】
特許文献１に記載の流量センサは流れ方向に対して、ヒーターの上流及び下流に温度センサを配置してヒーターにより加熱する。空気流がない場合には、上流および下流の温度センサは何れも、ほぼ等しい温度となり、両者の温度差はほぼゼロとなる。空気流があると、ヒーター上流の温度センサは冷却され、下流の温度センサは上流からの熱を受けて、さらに加熱される。従って、上流温度センサと下流温度センサの両者に温度差が発生する。この温度差は、空気流量に応じているため、温度差量により空気流量を検出できる。温度センサは温度に応じて抵抗値が変化するため、この抵抗値変化を利用して流量に応じた電圧信号を得ることができる。
【０００６】
また、この種の温度センサは逆の方向に空気が流れる場合、前述とは逆にヒーター下流の温度センサが冷却され、ヒーター上流の温度センサが加熱されるので逆方向の流量も検出でき、空気の流れ方向の検出が可能である。したがって、エンジンからエアクリーナーの方向に向かう空気流（逆流）が発生する運転状態において、方向検知手段を有していない流量センサよりも正確に空気流量を計測することが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特表平１０−５００４９０号（図１、明細書５頁３−１８行）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来、４気筒エンジンの低回転数において吸気脈動が大きくなり、スロットル全開付近において逆流を発生する場合が多い。近年の排出ガス規制、低燃費化等に対応したバルブの開閉時間を変化させるなどの複雑な制御を行うエンジンでは、高い回転数において、脈動、逆流が発生し、逆流量も拡大する傾向にある。
【０００９】
ところで、自動車用流量センサの電圧出力型はコントロールユニットで使用される０〜５ｖの電圧範囲をエンジンで所望の流量範囲に割当てる。逆流も検出する場合、この電圧範囲で順逆、両方向の流量範囲を割当てる必要がある。従来の流量検出素子は順流、逆流共に全く同じ原理で流量を検出するため、順流特性と逆流特性は流量ゼロの点に対してほぼ対称な特性となる。例えば、順流０〜５００ｋｇ／ｈで４ｖの電圧領域が必要な場合には、逆流も０〜５００ｋｇ／ｈで４ｖの電圧範囲が必要となる。
【００１０】
従来の自動車エンジンでは、逆流量が５０ｋｇ／ｈ程度以下と小さかったので、例えば、逆流領域を０〜１ｖ、順流領域を１〜５ｖとすることにより、エンジンに必要な流量範囲を網羅することが可能であった。
【００１１】
しかし、最近は逆流量が拡大する傾向にあるため、逆流領域に割当てる電圧範囲を大きくする必要があり、これにより順流に割当てる流量範囲が相対的に小さくなる。この場合、コントロールユニットでのマイコンの性能から、５ｍＶ刻みでしか電圧信号を読み込めない場合には、低流量域では流量が１〜３％変化しても電圧変化量は５ｍＶ以下となる。従って、コントロールユニットは低流量域においては約３％程度の精度でしか流量信号を認識できない。
【００１２】
また、エンジンでの脈動が大きくなり逆流が発生する状態では、吸気管の形状等により逆流発生時の波形が不均一となる。逆流波形が不均一になる要因は、▲１▼流量センサを吸気管に挿入することにより、脈動時の流量センサ周囲の流れが乱れる、▲２▼逆流の発生量が気筒ごとに一定ではない、などである。従って、脈動波形の１周期ごとの短時間で得る平均流量と、数周期ごとの長時間で得る平均流量の間には流量誤差が発生する。
【００１３】
コントロールユニットでは、例えば２ｍｓ間隔の流量センサの出力を基にインジェクタでの燃料噴射量を決定する。上述のように、流量センサ出力が変動している場合には、回転数が高くなるに従って、上述の変動による制御上の誤差は大きくなる。
【００１４】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を克服し、順流での感度低下を抑えながら、狭い電圧範囲で逆流の検出領域を拡大した流量センサを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明は、ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、前記上流温度センサと前記下流温度センサの熱的特性を異ならせ、前記上流温度センサから前記下流温度センサに向かう順流時と、前記順流と等しい流量が前記下流温度センサから前記上流温度センサに向かう逆流時との熱特性が非対称となるように構成することを特徴とする。
【００１６】
または、前記上流温度センサから前記下流温度センサに向かう順流時に、前記上流温度センサと前記下流温度センサの間に発生する電位ＶＦと、前記順流と等しい流量が前記下流温度センサから前記上流温度センサに向かう逆流時に、前記上流温度センサと前記下流温度センサの間に発生する電位ＶＲとの関係が、ＶＦ＞ＶＲとなるように構成することを特徴とする。
【００１７】
あるいは、前記ヒーターと、前記上流温度センサと、前記下流温度センサとを薄膜部に有し、前記ヒーターに対し、前記下流温度センサよりも熱的に離隔された位置に置かれた抵抗体を、前記下流温度センサに並列に接続することを特徴とする。
【００１８】
すなわち、上流温度センサと下流温度センサの感度が非対称になるように構成されている。非対称にする場合、通常使用する順流の感度を逆流の感度よりも相対的に大きくすることができる。
【００１９】
非対称にする一例として、図１に示すようにヒーター下流の温度センサに並列に下流抵抗体を接続する。ここで、接続する下流抵抗体は下流温度センサよりもヒーターからの熱影響をうけない位置、例えば薄膜部外部に形成する。逆流が発生した場合、下流抵抗体は流体からもヒーターからも熱影響を受け難いため抵抗値が変化しない。従って、この下流抵抗体と下流温度センサの合成抵抗変化は、下流温度センサだけの場合の抵抗値変化よりも小さくなり、この結果逆流領域の電圧範囲が小さくなる。下流抵抗体の値を所望の逆流量範囲に合わせて設計することにより、逆流量の電圧範囲は任意に設定できる。
【００２０】
また、上記の合成抵抗の変化は逆流発生時の逆流変動に対して、下流抵抗体により逆流時の出力を鈍す（なます）ため、下流抵抗体がない場合に比較して変動量は抑制され、流量変化に対する電圧変化は小さくなる。
【００２１】
また、図１に示すように、並列に接続する下流抵抗体を薄膜部外部に形成し、下流温度センサとの接続点を薄膜部外部とすることで、万一薄膜部が破損した場合の故障診断を流量センサ単体で自己診断できる効果がある。
【００２２】
また、本発明は、上流温度センサの抵抗温度係数ＴＣＲｕと下流温度センサの抵抗温度係数ＴＣＲｄにおいて、上流温度センサの抵抗温度係数ＴＣＲｕを下流温度センサの抵抗温度係数ＴＣＲｄより大きくする。
【００２３】
例えば、図７に示すように、上流温度センサＲｕ１，Ｒｕ２と下流温度センサＲｄ１，Ｒｄ２はブリッジを構成している。上流温度センサと下流温度センサに発生する温度差が順流の場合と逆流の場合で同じであっても、順流の場合に発生する電位が大きくなり、非対称特性が得られる。
【００２４】
ここで、副通路における入口から流量計測素子までの形状と、出口から計測素子までの形状を非対称にすることによっても、順流と逆流の特性を非対称にすることは可能である。しかし、副通路は脈動特性、流量ノイズ特性、対バックファイア特性、対ダスト特性などを考慮した形状とする必要があり、これらを考慮した上で順流、逆流の特性を所望の非対称にすることには困難がある。従って、本発明による順流と逆流の感度を変化させる流量センサは有効である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の流量センサの一実施例を示す流量計測素子の構成図である。流量計測素子１は半導体製造技術により作製される。単結晶シリコン基板２上に、電気絶縁層３として二酸化シリコン層を熱酸化あるいはＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法で形成、窒化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。次に、多結晶シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成し、所望の抵抗値とするために不純物としてリン（Ｐ）を熱拡散またはイオン注入によりドーピングする。その後、多結晶シリコン層をパターニングすることによりヒーター４、吸気温度検出抵抗体５、上流温度センサ６、７、下流温度センサ８、９、下流抵抗体１０、１１等を形成する。抵抗体としては、若干コストは高くなるが白金等を採用することにより温度係数の高い抵抗体を形成することも可能である。
【００２６】
次に、保護層２５として窒化シリコン層、二酸化シリコン層をＣＶＤ等の方法で形成する。その後、保護層２５をパターニングして、電極１３を形成する部分の保護層を取り除く。次に、アルミニウム層を形成し、エッチングによりパターンニングを行う。最後に、空洞部２６を形成するために、単結晶シリコン基板２のヒーター４を形成していない面にＣＶＤ等の方法によりマスクとなる窒化シリコン層を形成してパターニングを行う。その後、異方性エッチングにより空洞部２６を形成する。このように空洞化することにより、ヒーター４、上流温度センサ６、７、下流温度センサ８、９が配置されている領域は熱的に絶縁された薄膜構造体となる。最後にダイシングによりチップに分割する。分割された流量計測素子１は、例えば長辺が５ｍｍ、短辺が２．５ｍｍ程度である。
【００２７】
図３に流量計測素子を内燃機関に実装する構成を示す。流量計測素子１の支持体１２はガラスセラミック製積層基板により形成される。支持体１２としては、他には高温焼成セラミック、金属板等を採用することも可能である。しかし、流量計測素子１は熱的に周囲の部材から熱絶縁されることが必要なため、熱伝導率の小さいガラスセラミック製積層基板を採用することが望ましい。また、積層基板を採用することによって、流量計測素子１への電力供給および、流量計測素子１からの信号処理を行うための回路を支持体１２に一体化して形成することが可能となる。
【００２８】
このように支持体と駆動回路を一体化することにより部品点数削減、接着個所の削減ができることからコスト、信頼性の面で有利である。また、積層基板の内層導体を使用して流量計測素子１を制御するための回路を構成することにより回路の小型化を図ることができるため、流量センサの小型化を図ることができる。
【００２９】
流量計測素子１は支持体１２にエポキシまたはシリコーン系接着剤で接着され、流量計測素子１の電極１３と支持体１２の電極は例えば金線等の接続線により電気的に接続される。この流量計測素子１が実装された支持体１２はシリコーン系の接着剤によりハウジングケース１５に実装される。さらにハウジングケース１５は吸気通路１６に挿入される。図３において、吸気通路１６でエアクリーナーからエンジンの方向に流れる空気（順流２０）は副通路１８の入口３１から出口３２に向かう。
【００３０】
図２は流量計測素子の動作原理を説明する回路図である。（ｂ）のように、ヒーター４は吸気温度検出抵抗体５に対して、例えば１５０℃程度高くなるようにフィードバック制御される。従って、吸気温度検出抵抗体５が２０℃の場合に、ヒーターは平均温度が１７０℃程度になる。
【００３１】
（ａ）は流量計測素子のブリッジ回路で、上流温度センサＲｕ１，Ｒｕ２及び下流温度センサＲｄ１，Ｒｄ２はそれぞれ四辺に対称的に配置され、下流温度センサＲｄ１，Ｒｄ２にはそれぞれ抵抗Ｒｄｄが並列に接続されている。ブリッジの接続点４３、４５に電源Ｖｒｅｆが印加され、接続点４２の電位Ｖ３、４４の電位Ｖ４の電位差が検出される。
【００３２】
ヒーター４の熱により、薄膜上に形成されている上流温度センサ６、７及び下流温度センサ８、９が加熱されて所定の温度になる。上流温度センサ６、７、下流温度センサ８、９及び抵抗Ｒｄｄの抵抗温度係数はほぼ同等に形成されている。流量ゼロの状態では、上流温度センサ６、７と下流温度センサ８、９はヒーター４から等しく熱を受けるため、何れも平均温度が約１４０℃程度となる。下流抵抗体１０、１１は薄膜部外部にあるため、吸気温度検出抵抗体５とほぼ同じ温度にしかならない。
【００３３】
上流温度センサ６、７と下流温度センサ８、９及び下流抵抗体１０、１１は流量がゼロの場合に、図２の接点４０と接点４１が等しい電位となるように抵抗値を設定することにより、Ｖｒｅｆ変動等の外乱影響を受け難くなる。本例においては、下流温度センサ８の抵抗値Ｒｄ１と下流抵抗体１０の抵抗値Ｒｄｄの合成抵抗値Ｒｄ１／／Ｒｄｄと、上流温度センサ６の抵抗値Ｒｕ１に（１）式の関係が成立する。
Ｒｕ１＝Ｒｄ１／／Ｒｄｄ …（１）
同様に、下流温度センサ９の抵抗値Ｒｄ２と下流抵抗体１１の抵抗値Ｒｄｄの合成抵抗Ｒｄ２／／Ｒｄｄと、上流温度センサ７の抵抗値Ｒｕ２に（２）式の関係が成立する。Ｒｕ２＝Ｒｄ２／／Ｒｄｄ …（２）
なお、下流温度センサ８、９を上流温度センサ６、７よりもパターン幅を狭くすることにより、容易に抵抗値を大きくすることも可能である。
【００３４】
ここで、順流２０が生じると図９の模式図に示すように、無風時の温度センサ平均温度３０よりも、上流温度センサ６、７は冷却されて、順流時上流温度センサ平均温度３１となる。一方、下流温度センサ８、９は無風時よりも熱を受けるため、順流時下流温度センサ平均温度３２と僅かに上昇する。従って、上流温度センサ６、７と下流温度センサ８、９に温度差３３が発生する。この温度変化に応じて上流温度センサ６、７と下流温度センサ８、９の抵抗値が変化するため、これに応じた電位差が発生する。従って、この電位差は流量に応じた値であり流量信号となる。
【００３５】
図９から分かるように、流れの上流側の温度変化の方が下流側の温度変化よりも大きい。このため、順流２０が生じたときの上流温度センサ６、７と下流温度センサ８、９の温度の関係は図４のようになる。すなわち、流れの方向に対して、上流にある温度センサが、流量検出信号に対する寄与が高いといえる。
【００３６】
図２より、接点４０の電位Ｖ３は（３）式、接点４１の電位Ｖ４は（４）式となる。
Ｖ３＝Ｖｒｅｆ×Ｒｕ２／（Ｒｕ２＋Ｒｄ１／／Ｒｄｄ） …（３）
Ｖ４＝Ｖｒｅｆ×（Ｒｄ２／／Ｒｄｄ）／（Ｒｕ１＋Ｒｄ２／／Ｒｄｄ） …（４）
ここで、（Ｒｕ２＋Ｒｄ１／／Ｒｄｄ）＝（Ｒｕ１＋Ｒｄ２／／Ｒｄｄ）＝Ａとすると、発生する順流時の電位差ｄＶｆは（５）式となる。
ｄＶｆ＝Ｖ４−Ｖ３＝Ｖｒｅｆ／Ａ×（Ｒｄ２／／Ｒｄｄ−Ｒｕ２） …（５）
一方、逆流２１の場合には、上述とは反対に下流温度センサ８、９が冷却され、上流温度センサ６、７が熱を受けることにより温度差が発生して流量が検出される。このとき、接点４０の電位Ｖ３は（３）式、接点４１の電位Ｖ４は（４）式となる。
【００３７】
ここで、（Ｒｕ２＋Ｒｄ１／／Ｒｄｄ）＝（Ｒｕ１＋Ｒｄ２／／Ｒｄｄ）＝Ａ’とすると、発生する逆流時の電位差ｄＶｒは（６）式となる。
ｄＶｒ＝Ｖ３−Ｖ４＝Ｖｒｅｆ／Ａ’×（Ｒｕ２−Ｒｄ２／／Ｒｄｄ） …（６）
ここで、Ｒｕ１、Ｒｕ２、Ｒｄ１／／Ｒｄｄ、Ｒｄ２／／Ｒｄｄの順流及び逆流時の値は図４の温度特性に基いて、図１０のように表わされる。従って、Ａ＜Ａ’であるから、（７）式の関係となる。
Ｒｄ２／／Ｒｄｄ−Ｒｕ２）＞（Ｒｕ２−Ｒｄ２／／Ｒｄｄ）
ｄＶｆ＞ｄＶｒ …（７）
本実施例では、例えば流量５００ｋｇ／ｈでは、ｄＶｆ＝２００ｍＶ、−５００ｋｇ／ｈでは、ｄＶｒ＝１００ｍＶ程度となる。
【００３８】
図５はスパン調整を行った流量−電圧特性を示す。従来の順流領域Ｖａ、逆流領域Ｖｂに対し、本実施例では順流領域Ｖｃ、逆流領域Ｖｄと、非対称の特性となる。この非対称特性は、必要な逆流量に応じて下流温度センサ８、９と下流抵抗体１０、１１の抵抗値を適切に設定することにより、順流と逆流の特性を自由に変化させることが可能である。また、下流抵抗体を流量計測素子上に形成することにより、半導体プロセスにより上・下流温度センサと同時に抵抗体が作られることから、上・下流温度センサとの相対精度が良くなり、製品ばらつきを小さくすることができる。
【００３９】
図１に示すように、下流抵抗体１０、１１と下流温度センサ８、９の接点４２、４３、４４、４５は薄膜部外部に形成されている。これにより、万一、薄膜部が破壊した場合に、流量センサの信号だけでセンサの自己診断を行うことができる。
【００４０】
上・下流温度センサが破壊した場合には、下流抵抗体１０、１１により、接点４０はＶｒｅｆ、接点４１はＧＮＤと接続される。これにより、接点４０と接点４１の電位差は非常に大きな値となるため、出力は０ｖ付近に貼りつく。ここで、例えば０〜０．５ｖを故障診断領域としておくことにより、流量センサの出力信号のみで故障診断が可能となる。
【００４１】
このように診断領域を設ける場合、０〜５ｖの電圧範囲で、▲１▼順流領域、▲２▼逆流領域、▲３▼診断領域を設ける必要があるため、通常使用する順流領域は従来に比較して縮小する方向となる。よって、脈動時のみ使用される逆流領域を圧縮し、相対的に順流領域を拡大する本実施例の手法は有効である。
【００４２】
上記した第１の実施例では、下流抵抗体１０、１１は流量計測素子１上の薄膜外部に形成している。しかし、薄膜部内であっても、下流温度センサ８、９よりもヒーター４の熱影響を受難い場所に配置することにより、流量計測素子１の応答性能を非対称に維持させることは可能である。
【００４３】
例えば、図６に示すように、上流温度センサ６、７と発熱抵抗体４の距離Ｌ１と、下流温度センサ８、９と発熱抵抗体４の距離Ｌ２において、Ｌ１＜Ｌ２とすることによっても、下流温度センサのヒーターによる熱影響を下げて非対称特性を得ることも可能である。
【００４４】
また、流量計測素子を小型化するために、流量計測素子上に下流抵抗体１０、１１を形成できない場合には、抵抗１０、１１を前述の駆動回路部に形成することも可能である。
【００４５】
次に、本発明の第２の実施例を説明する。流量計測素子１に形成する抵抗体を多結晶シリコンで形成する場合には、上述した不純物のドーピング濃度を変えることにより抵抗温度係数を変化させることが可能である。
【００４６】
図６は第２の実施例による流量計測素子の構成を示す。上流温度センサ６、７の抵抗温度係数ＴＣＲｕと下流温度センサ８、９の抵抗温度係数ＴＣＲｄを、ＴＣＲｕ＞ＴＣＲｄの関係に形成している。
【００４７】
図７は第２の実施例の動作原理を示す回路図で、（ａ）は温度センサのブリッジ回路、（ｂ）はヒーターの制御回路である。ブリッジ回路は第１の実施例に比べ並列抵抗がない以外は同じである。ヒータ制御回路は第１の実施例と同じである。これにより、図５に示す場合と同様の逆流領域を圧縮した流量特性を得ることができる。また、ＴＣＲｕ＞ＴＣＲｄを満足するように、上流温度センサ６、７と下流温度センサ８、９の材料を変えることによっても上述の効果を得ることができる。上述の手法により、逆流に対して順流の感度を相対的に大きくすることにより、逆流発生時の出力変動を低減する効果がある。
【００４８】
しかし、第２の実施例では、薄膜部が破壊した場合に上流温度センサ６、７、下流温度センサ８、９が無くなるため、図７の回路において接点４０と接点４７の電位が等しくなり、流量ゼロの場合と区別ができなくなる。従って、下流抵抗体１０、１１がない流量センサを自動車で使用する場合、流量センサの故障状態を認識するためには、流量センサ以外の情報も必要となる。
【００４９】
ところで、エンジンの脈動が大きくなり逆流が発生する状態では、吸気管の形状等により逆流発生時の波形は図１１に示すように不均一となる。この要因の１つは、流量センサが吸気管内に挿入されているため、脈動時の流量センサ付近の流れが乱されてしまうことにある。その乱れた流れがバイパス内を流れて流量計測素子上に到達するため、流量計測素子が乱れた状態を検出する。
【００５０】
しかし、本発明においては逆流時の感度を抑制しているので、順流に比べて相対的に変動量が小さくなる。また、逆流検知は行なわれているため、逆流発生時の流量誤差も、ほぼ従来の逆流検知可能な流量センサと同レベルとなる。
【００５１】
図８はガソリンエンジン等、内燃機関の制御システムの概略図を示す。エンジンへの吸入空気はエアクリーナー１０２、吸気通路１６、スロットル角度センサ１０３、アイドルスピードコントロールバルブ１０４、スロットルボディ１０５が吸気マニホールド１０６と一体で構成する吸気通路１６を流れる。この途中に、本発明を施した流量センサ１００で流量及び流れ方向が検出され、検出された信号は電圧または周波数により車両コントロールユニット１０７に取込まれる。流量信号はインジェクタ１０８、回転速度計１０９、エンジンシリンダ１１０、排気マニホールド１１１、酸素濃度計１１２から構成される燃焼部構造およびサブシステムの制御に用いられる。
【００５２】
なお、図示はしないが、ディーゼルエンジンシステムの場合も基本構成はガソリンシステムとほぼ同じであり、本発明の流量計測装置を適用することが可能である。
【００５３】
また、燃料電池を用いたシステムにおいて、空気あるいは水素などの流体を計測する流量計測装置にも本技術を適用できる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、順流の流量特性に対して逆流の流量特性を圧縮した流量特性が得られるため、従来よりも狭い電圧範囲で逆流検出を行うことができると共に、順流の感度低下を回避することができる。
【００５５】
また、下流温度センサに抵抗体を並列接続することで、逆流時の波形が見かけ上なまされるため、相対的に変動量も小さくなる。また、逆流検知を行っているため、逆流発生時の流量誤差も、ほぼ従来の逆流検知可能な流量センサと同レベルとなる。
【００５６】
また、下流抵抗体と下流温度センサの接続点を薄膜部外部に設けることにより、流量センサの出力信号から流量センサの自己診断が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す流量計測素子のパターン図。
【図２】第１の実施例の動作原理を説明する回路図。
【図３】本発明の流量センサの適用を示す部分断面図。
【図４】本発明の温度センサの流量−温度特性図。
【図５】順流領域及び逆流領域と電圧信号の関係を示す特性図。
【図６】本発明の第２の実施例を示す流量計測素子のパターン図。
【図７】第２の実施例の動作原理を説明する回路図。
【図８】本発明の流量センサを適用した内燃機関を示す模式図。
【図９】本発明の薄膜部の温度分布を示す模式図。
【図１０】温度センサの抵抗値−流量特性図。
【図１１】エンジン脈動時の波形図。
【符号の説明】
１…流量計測素子、２…単結晶シリコン基板、３…絶縁層、４…ヒーター、５…吸気温度検出抵抗体、６，７…上流温度センサ、８，９…下流温度センサ、１０，１１…下流抵抗体、１２…支持体、１３…電極、１５…ハウジングケース、２０…順流、２１…逆流、２５…保護層、２６…空洞部、４０−４５…接点、１００…流量センサ。

Claims

ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、
前記上流温度センサと前記下流温度センサの熱的特性を異ならせ、前記上流温度センサから前記下流温度センサに向かう順流時と、前記順流と等しい流量が前記下流温度センサから前記上流温度センサに向かう逆流時との熱特性が非対称となるように構成されていることを特徴とする流量センサ。
ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、
前記上流温度センサから前記下流温度センサに向かう順流時に、前記上流温度センサと前記下流温度センサの間に発生する電位ＶＦと、前記順流と等しい流量が前記下流温度センサから前記上流温度センサに向かう逆流時に、前記上流温度センサと前記下流温度センサの間に発生する電位ＶＲとの関係が、ＶＦ＞ＶＲとなるように構成されていることを特徴とする流量センサ。
ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを薄膜部に有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、
前記ヒーターに対し、前記下流温度センサよりも熱的に離れた位置に置かれた抵抗体を、前記下流温度センサに並列に接続することを特徴とする流量センサ。
請求項３において、
前記抵抗体は前記薄膜部の外部に形成することを特徴とする流量センサ。
請求項３において、
前記上流温度センサ、前記下流温度センサ及び前記下流温度センサに並列に接続される抵抗体はほぼ同一の抵抗温度係数を有する材料で構成されることを特徴とする流量センサ。
ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを薄膜部に有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、
前記上流温度センサの抵抗温度係数ＴＣＲｕと前記下流温度センサの抵抗温度係数ＴＣＲｄの関係がＴＣＲｕ＞ＴＣＲｄとなるように前記上流温度センサと前記下流温度センサを有することを特徴とする流量センサ。
ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを薄膜部に有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、
前記ヒーターに対し、前記下流温度センサは前記上流温度センサよりも熱的に離隔された位置に置かれ、順流による電位差と順流と等量の逆流による温度差が非対称となるように構成したことを特徴とする流量センサ。
ヒーターと、前記ヒーターの順流側に配置される上流温度センサと、前記ヒーターの逆流側に配置される下流温度センサとを薄膜部に有し、前記上流温度センサと前記下流温度センサに電圧を印加して、前記上流温度センサと前記下流温度センサにより発生する電位差を用いて流量を検出する流量センサにおいて、
前記下流温度センサと並列に接続する抵抗体とその接続点を前記薄膜部の外部に有していることを特徴とする流量センサ。
請求項８において、
前記薄膜部に形成した前記上流温度センサ及び前記下流温度センサの断線時に、前記抵抗体に発生する電位差に基づいて前記流量センサの故障診断を行うことを特徴とする流量センサ。
請求項８において、
前記上流温度センサと前記下流温度センサはそれぞれ２つを有してブリッジを構成し、前記ブリッジの４辺に対し同一温度センサ同士が接続されないように前記上流温度センサと前記下流温度センサを配置していることを特徴とする流量センサ。
流量センサで検出した流量信号を用いて内燃機関の制御を行う制御システムにおいて、
前記流量センサは、請求項８−１０のいずれか１項に記載の流量センサであって、検出した吸入空気流量の流量信号を用いて内燃機関の制御を行うことを特徴とする制御システム。