JP2005283381A - 発熱抵抗式流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な保護回路やレギュレータを必要とすることなく、自動車のＥＣＵ電源を電源とすることが可能な発熱抵抗流量測定装置を実現する。
【解決手段】温度検出抵抗体３、４、７、８自身が発熱することで風上風下の温度に変化が生じるが、温度変化は温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量に依存する。温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量は温度検出抵抗体３、４、７、８に印加するＥＣＵ電源の電圧値に依存し、ＥＣＵ電源の電圧値のばらつきに応じてセンサ出力に誤差が生じる。電源の出力電圧のばらつきによるセンサ出力誤差を防ぐためには、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量を抑制すればよいことが明らかとされ、この温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量抑制手段を講じることとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は発熱抵抗式流量測定装置に係わり、特に、発熱抵抗体の両側に配置された温度検出抵抗体の検出温度差により流体流量を測定する発熱抵抗式流量測定装置に関する。

発熱抵抗式流量測定装置には、発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の流体が流れる上下流の両側に配置される温度検出抵抗体とを備え、温度検出抵抗体の上下流の温度差を測定して流体流量を測定するタイプのものがある。

上記タイプの発熱抵抗式流量測定装置の一例としては、特許文献１に記載された熱式空気流量センサがある。

特開２００２−４８６１６号公報

ところで、上記従来技術における、発熱抵抗体と上記発熱抵抗体の両側に温度検出抵抗体を有する発熱抵抗式流量測定装置は、その電源として、例えば自動車にあっては、バッテリが採用されている。

これに対して、自動車で使用される圧力センサなどでは、バッテリから電源を供給するのではなく、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）が供給するＥＣＵ電源から電源を供給することが一般的になっている。

ＥＣＵ電源から電源供給を受ける場合、ＥＣＵ電源の電圧が約５Ｖであることから電気ノイズ、過電圧などの仕様が低電圧になる為、これらの保護回路は低耐圧な部品を使用でき、これにより低コスト化が図れるからである。

また、ＥＣＵ電源ではなく、バッテリから電源を供給される場合、電気ノイズ、過電圧などの仕様が厳しく、これらの保護のために高耐圧な部品を必要とするからである。

しかし、発熱抵抗式流量測定装置の場合は、消費電力が大きいため、ＥＣＵ電源ではなく、バッテリから電源供給を受けている。

発熱抵抗式流量測定装置の電源をバッテリではなく、ＥＣＵ電源とするためには、消費電力を低減すれば可能なように考えられる。しかしながら、ＥＵ電源から電源供給を受ける場合には、電源電圧４．５〜５．５Ｖの範囲で動作させる必要があり、電流も十数ｍＡに制限され、流量測定装置の出力電圧はＥＣＵ電源の電圧値に比例するようにしなくてはならない。

このため、高価な保護回路やレギュレータが必要となり、装置全体が高価格となってしまう。

本発明の目的は、高価な保護回路やレギュレータを必要とすることなく、自動車のＥＣＵ電源を電源とすることが可能な発熱抵抗流量測定装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の流体が流れる上流側と下流側との両側に配置される温度検出抵抗体とを有する発熱抵抗式流量測定装置において、上記温度検出抵抗体の発熱を抑制する発熱抑制手段を備える。
温度検出抵抗が電源に直接接続されていると、電源の電圧値の変化によって温度検出抵抗体の発熱量が変化し、温度検出抵抗体自身の温度が変化させる。これによって、発熱抵抗式流量測定装置の出力電圧は、電源電圧値に比例しなくなる。
そこで、温度検出抵抗体の発熱を抑制する発熱抑制手段を備えれば、発熱抵抗式流量測定装置の出力電圧を、電源電圧値にほぼ比例させることができる。

温度検出抵抗体の発熱抑制手段としては、温度検出抵抗体の抵抗値を５ｋΩ〜５００ｋΩとし、高抵抗とすることの他、冷却素子であるペルチェ素子がある。また、温度検出抵抗体に電流を間欠的に供給する手段もある。

また、発熱抵抗体の抵抗温度係数が大きくなるほど発熱抵抗体の抵抗変動が大きくなる。一方、発熱抵抗体の抵抗温度係数を、あまり小さくすると、温度検出は困難となる。また、発熱抵抗体の発熱温度をある一定温度以上として、汚損物質の除去機能も確保する必要がある。このため、発熱抵抗体の抵抗温度係数を１０００ｐｐｍ／℃〜２０００ｐｐｍ／℃とした。

本発明によれば、高価な保護回路やレギュレータを必要とすることなく、自動車のＥＣＵ電源を電源とすることが可能な発熱抵抗流量測定装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

まず、本発明の第１の実施例である発熱抵抗式流量測定装置を図１〜１２により説明する。なお、図１は本発明の第１の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置のセンサエレメント１の平面図、図２は図１のＡ−Ａ‘線に沿った断面図、図３は第１の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図、図４はＥＣＵ電源の電圧値とセンサ出力の関係を示す図である。

また、図５は、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量と発熱抵抗体６の発熱量の比とレシオ誤差の関係を示す図、図６は温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値とレシオ誤差の関係を示す図、図７は発熱抵抗体６の抵抗値と発熱抵抗体６に４５ｍＷ発熱させる為に必要な電流と電圧の関係を示す図である。

また、図８は発熱抵抗体６の抵抗値と発熱抵抗体６に４０ｍＷ発熱させる為に必要な電流と電圧の関係を示す図、図９は発熱抵抗体６の発熱量と発熱抵抗体６の抵抗変動の許容値の関係を示す図、図１０は発熱抵抗体６の抵抗温度係数と発熱抵抗体６の発熱量の関係を示す図、図１１は発熱抵抗体６及び温度検出抵抗体３、４、７、８の拡大図、図１２は発熱抵抗体６の抵抗値及び温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値の測定回路である。なお、図１７は、本発明と異なり、バッテリを電源とする従来の発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図であり、本発明と比較するための図である。

まず、本発明による発熱抵抗式流量測定装置のセンサエレメント１の構成を図１、図２により説明する。
図１、図２において、センサエレメント１の平板基板２３は、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、平板基板２３に絶縁膜２２を形成し、平板基板２３を裏面からエッチングすることで絶縁膜２２の下部に空間を形成し、平板基板２３に薄肉部（ダイアフラム）２を形成する。

薄肉部２の表面には測定空気流の温度と一定の温度差に加熱される発熱抵抗体６と、発熱抵抗体６の両側に温度検出抵抗体３、４、７、８を形成している。なお、発熱抵抗体６はポリシリコン薄膜、白金薄膜、ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で電流を流すことで発熱すると共に発熱抵抗体６の温度に応じて抵抗値が変化する。

また、温度検出抵抗体３、４、７、８もポリシリコン薄膜、白金薄膜、ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で温度が変化することで抵抗値が変化する。

つまり、発熱抵抗式流量測定装置は、発熱抵抗体６を測定する空気流の空気の温度と一定温度差に成るように加熱しておき、発熱抵抗式流量測定装置に空気が流れることで発熱抵抗体６の風上の温度が下がり、風下の温度が上昇することを利用し、この温度変化を温度検出抵抗体３、４、７、８により検出することで空気流量を計測する。

また、周囲温度に応じて平板基板２３の温度が変化することを利用して、平板基板２３上に設けた測温抵抗体１０により周囲温度を検出できるようにしている。

また、測温抵抗体１０から得られた情報で周囲温度を検出することで発熱抵抗体６の温度を周囲温度に対して一定の温度差になるように制御している。なお、測温抵抗体１０はポリシリコン薄膜、白金薄膜、ニッケル合金薄膜などで作られた抵抗体で温度が変化することで抵抗値が変化することを利用して周囲温度を測定する。

また、発熱抵抗体６、温度検出抵抗体３、４、７、８、測温抵抗体１０にはパッド１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１に接続され、外部に配線を取り出せるようにしている。

なお、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０は平板基板上の配線パターン９により直列に接続され、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０の接続点は配線パターン９を介してパッド１７に接続される。また、発熱抵抗体６は配線パターン５を介してパッド１５に接続される。

次に、本発明とは異なり、バッテリを電源とする発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成について、図１７を参照して説明する。

図１７において、バッテリを電源とする駆動回路２４は、バッテリから電源を供給される電源端子２６と、バッテリから供給される電源の電気ノイズや過電圧から本駆動回路を保護する保護回路２５とを備える。また、駆動回路２４は、センサエレメント１に配置された発熱抵抗体６と、測温抵抗体１０と、発熱抵抗体６を駆動する駆動トランジスタ２７と、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０により構成される直列接続回路に並列に接続される抵抗３０、３１と、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０と抵抗３０、３１により構成されるブリッジ回路の誤差電圧を増幅し駆動トランジスタ２７を駆動する増幅器２９とを備える。

さらに、駆動回路２４は、保護回路２５の出力から一定電圧を発生し温度検出抵抗体３、４、７、８へ一定電圧を供給するレギュレータ２８と、温度検出抵抗体３、４、７、８により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅してセンサ出力を発生させる増幅器３２と、センサ出力を外部に出力するためのセンサ出力端子３３とを備える。

この駆動回路２４では、バッテリから電源を供給されるため、電力の制限は殆ど無く、数アンペアの電流を消費しても特に問題は無い。また、駆動回路２４内部にレギュレータ２８を有するために温度検出抵抗体３、４、７、８に印加する電圧の変動もほとんど無い。

次に、本発明の一実施形態における発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成について図３を参照して説明する。
図３において、本発明による駆動回路３４は、ＥＣＵ４２からＥＣＵ電源を供給される電源端子３５と、センサエレメント１に配置された発熱抵抗体６と、測温抵抗体１０と、発熱抵抗体６を駆動する駆動トランジスタ３６と、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０により構成される直列接続回路に並列に接続される抵抗３８、３９と、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０と抵抗３８、３９により構成されるブリッジ回路の誤差電圧を増幅し駆動トランジスタ３６を駆動する増幅器３７とを備える。

また、駆動回路３４は、温度検出抵抗体３、４、７、８により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅してセンサ出力を発生させる増幅器４０と、センサ出力を外部に出力するためのセンサ出力端子４１により構成される。

この駆動回路３４では、ＥＣＵ４２から供給されるＥＣＵ電源から電源を供給されるため、電源には種々の制限がある。

まず、電圧値は約５Ｖで最低動作保証電圧は４．５Ｖを要求され、電流は１０ｍＡ程度に制限される。また、使用するＥＣＵ毎に、ＥＣＵ電源の電圧値がばらつくため、図４に基準線として示すように、ＥＣＵ電源の電圧値に比例したセンサ出力が要求される。

しかし、ＥＣＵ電源の電圧値は約５Ｖと低圧であるために、図１７に示したバッテリから電源供給を受けるときのような高圧な保護回路２５を必要とせず、レギュレータ２８も不要なので、発熱抵抗式流量測定装置の低コスト化には非常に有利である。

この為、上述したように、自動車で使用される圧力センサや温度センサではＥＣＵの供給するＥＣＵ電源を使用することが一般化しているが、発熱抵抗式流量測定装置においては、消費電流が大きいことからＥＣＵ電源を使用することは困難であった。

特に、熱線式流量計は発熱抵抗体の低消費電力化が困難でＥＣＵ電源の使用は控えられてきた。

ところで、上述した特許文献１に示された発熱抵抗式流量測定装置のように、半導体基板であるシリコン基板にダイアフラムを形成し、このダイアフラム上に発熱抵抗体を形成するタイプの発熱抵抗式流量測定装置では発熱抵抗体を小型にすることが可能である。

発熱抵抗体の小型化により、発熱抵抗体の熱容量の低減、つまり、低消費電力化が実現できるようになっている。このことから、発熱抵抗式流量測定装置においても、供給電力がバッテリよりも低いＥＣＵ電源を使用することが可能と考えられる。

しかし、発熱抵抗式流量測定装置でＥＣＵ電源を使用するには消費電力以外にも種々の課題がある。以下、これらの課題と対策について説明する。

ＥＣＵ電源を発熱抵抗式流量測定装置の電源として使用する場合、図４に示すように、ＥＣＵ電源の電圧値に対してセンサ出力が比例するような特性が要求される（ここでは、この特性をレシオメトリック特性と定義する）。

このため、図３に示した駆動回路３４では、温度検出抵抗体３、４、７、８を有するブリッジ回路の電源にＥＣＵ電源を接続して、温度検出抵抗体３、４、７、８を有するブリッジ回路の出力電圧がＥＣＵ電源の電圧値に比例するように構成している。

しかし、実際の回路は、図４の濃い実線ｒのように、ＥＣＵ電源の電圧にセンサ出力が比例せず、ＥＣＵ電源電圧値に比例した出力電圧（破線で示す基準線）との間に電圧誤差を生じる。この誤差を、ここではレシオ誤差と定義する。このレシオ誤差は、本願発明者の実験の結果から、図５に示すように、温度検出抵抗３、４、７、８の発熱量と発熱抵抗体６の発熱量との比に比例することが分かった。

これは、発熱抵抗体６の、上下流両側に配置された温度検出抵抗３、４、７、８がＥＣＵ電源に直接接続されるために、ＥＣＵ電源の電圧値の変化によって温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量が変化し、温度検出抵抗体３、４、７、８自身の温度を変化させることに起因していることが、本願発明者により認識された。

発熱抵抗式流量測定装置は、発熱抵抗体６を周囲温度と一定温度差になるように加熱しておき、この発熱抵抗式流量測定装置に風（流体としての空気の流れ）が生じることで、風上の温度が低下し、風下の温度が上昇することを利用し、この温度変化を温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗変化を利用して計測するものである。

これら温度検出抵抗体３、４、７、８自身が発熱することで風上風下の温度に変化が生じるが、この温度変化は、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量に依存する。そして、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量は温度検出抵抗体３、４、７、８に印加する電圧、つまりＥＣＵ電源の電圧値に依存する。

このため、ＥＣＵ電源の電圧値のばらつきに応じて、センサ出力に誤差が生じ、レシオ誤差を発生させるものと考えられる。

電源の出力電圧のばらつきによるセンサ出力誤差を防ぐために、従来の発熱抵抗式流量測定装置では、図１７に示したように、レギュレータ２８を配置している。

しかし、ＥＣＵ電源から電源を供給される本発明の一実施形態では、レシオメトリック特性を得るために、温度検出抵抗体３、４、７、８で構成されるブリッジ回路に直接ＥＣＵ電源を接続する必要がある。

そこで、本発明においては、ブリッジ回路に直接ＥＣＵ電源を接続し、かつ、大幅なコストアップを伴うことなく、ＥＣＵ電源の出力電圧のばらつきによるセンサ出力誤差を防ぐために、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量を抑制することとした。

温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量を抑制する手段としては、温度検出抵抗体３、４、７、８の発生熱量そのものを低減することや、抵抗体３、４、７、８を冷却することが考えられる。

温度検出抵抗体３、４、７、８の発生熱量そのものを低減する手段としては、一実施形態として温度検出抵抗体３、４、７、８を高抵抗化することがある。

以下に、温度検出抵抗体３、４、７、８を高抵抗化する例について説明する。
図６は、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値とレシオ誤差との関係についての実験結果を示すグラフである。

図６から明らかなように、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値を５ｋΩ以上にすることでレシオ誤差を許容範囲に抑える事ができた。これは温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値を大きくすることで、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量を減らすことができ、レシオ誤差を低減できたと考えられる。

図５に示したように、レシオ誤差は温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量と発熱抵抗体６の発熱量との比に依存する。そして、本発明のように、駆動回路３４がＥＣＵ電源から電源供給を受ける場合、ＥＣＵ電源の電圧と電流は制限されることから発熱抵抗体６の発熱量は４０ｍＷ程度に制限される。また、ＥＣＵ電源の電圧は約５Ｖと固定されているため、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量は温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値に依存する。

このことからＥＣＵ電源を使用する場合には、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値は一意的に５ｋΩ以上必要になると考えられる。なお、上限は増幅器４０の入力インピーダンスの影響を考えると５００ｋΩ以上が望ましい。実際には、５ｋΩ〜５００ｋΩの抵抗値であっても、レシオ誤差を許容範囲内とすることができるので、十分効果はあると考えられる。

また、発熱抵抗体６の発熱量を低減するためには発熱抵抗体面積を微小にする必要がある。例えば、発熱抵抗体６の発熱量を４０ｍＷにするためには発熱抵抗体６の面積を少なくとも０．１平方ミリメータ以下にしなければならない。

つまり、発熱抵抗体６の長さを５００μｍ、幅を２００μｍ以下にする必要がある。発熱抵抗体６が微小になると、温度検出抵抗体３、４、７、８を配置する面積も小さくなり（空気流によって温度の変化する領域は発熱抵抗体６の周辺のごく限られた領域であり、ここに温度検出抵抗体３、４、７、８を配置する必要がある）、従来と同じ膜圧・線幅で温度検出抵抗体３、４、７、８を配置したのでは温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値は小さくなってしまう。

そこで、本発明の一実施形態では、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値を５ｋΩ以上にするため、温度検出抵抗体３、４、７、８を白金やニッケル合金で構成する場合には０．１ミクロン以下の薄膜を使用し、線幅を１ミクロン以下にした。また、温度検出抵抗体３、４、７、８をポリシリコン薄膜の場合には、０．５ミクロン以下の薄膜を使用し、線幅を４ミクロン以下にした。なお、加工性及びバラツキを考えるとポリシコン薄膜の方が有利である。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値を大（５ｋΩ〜５００ｋΩ）とすることで、温度検出抵抗体３、４、７、８の発熱量を抑制するように構成したので、電源電圧に応じて出力値が大きく変動することがなく、ＥＣＵ電源を電源としても、安定した出力値を得ることができる。

したがって、高価な保護回路やレギュレータを必要とすることなく、自動車のＥＣＵ電源を電源とすることが可能な発熱抵抗流量測定装置を実現することができる。

次に、発熱抵抗式流量測定装置の電源としてＥＣＵ電源を用いた場合に、発熱抵抗体の抵抗温度係数が問題となることを本願発明者が明らかにしたので、それについて説明する。

従来、発熱抵抗体６の抵抗温度係数は、発熱抵抗体６の温度を発熱抵抗体６の抵抗値の変化から計測する意味から大きい方が良いとされてきた。この為、白金やニッケル合金のように抵抗温度係数が、４０００ｐｐｍ／℃と大きいものが使用されてきた。

しかし、駆動回路３４がＥＣＵ電源から電源供給される場合、発熱抵抗体６の抵抗温度係数は、約２０００ｐｐｍ／℃以下にしなければならないことが明らかになった。

図７は、発熱抵抗体６の抵抗値と、発熱抵抗体６に４５ｍＷ発熱をさせるために必要な電流と、電圧との関係を示したグラフである。ここで、ＥＣＵ電源から供給される電流が１０ｍＡ、電圧が５Ｖに制限されるとすると発熱抵抗体６の抵抗値の許容変動範囲は４５０Ω〜５５０Ωになる。

しかし、白金やニッケル合金のように抵抗温度係数が４０００ｐｐｍ／℃もあった場合には周囲温度が１００℃変化すると発熱抵抗体６の抵抗値の変化は周囲温度の変化だけで４０％も変化してしまう。

仮に、２５℃での発熱抵抗体６の抵抗値が５００Ωと仮定すると、１２５℃では発熱抵抗体６の抵抗値は７００Ωになってしまう。この場合、電圧が５Ｖに制限されているので、発熱抵抗体６には３６ｍＷしか電力を供給できず、発熱抵抗体６の温度が低下し、発熱抵抗式流量測定装置の特性が大きく変化することになる。

抵抗変動の許容値を大きくする為には、発熱抵抗体６を更に小型化して発熱抵抗体６の必要な電力を低下させる必要がある。

図８は、発熱抵抗体６の抵抗値と、発熱抵抗体６に４０ｍＷの発熱をさせるために必要な電流と、電圧との関係を示したグラフである。この図８から、発熱抵抗体６の発熱量を４０ｍＷとすることで抵抗変動の許容範囲は４００〜６２０Ωになり、発熱抵抗体６の抵抗変動の許容範囲は大きくなる。

この関係を図９に示す。図９は、発熱抵抗体６の発熱量と、発熱抵抗体６の抵抗変動の許容値（％）との関係を示すグラフである。この図９からも分かるように、発熱抵抗体６の発熱量を小さくすることで抵抗変動の許容値を大きくすることができる。

しかし、発熱抵抗体６の発熱量を小さくすると、汚染に弱くなることが一般に知られている。これは水や油などが発熱抵抗体６に付着しても発熱抵抗体６の発熱量が大きければ、付着しようとする水や油を蒸発させることができるからである。したがって、発熱抵抗体６の発熱量が小さいと、付着物を蒸発させることができなくなり、汚染に弱くなってしまう。
このことから、発熱抵抗体６の発熱量はできる限り大きくすることが望ましくなる。

図１０は、発熱抵抗体６の抵抗温度係数と、発熱抵抗体６の抵抗温度の変化から生じる発熱抵抗体６の抵抗変動幅から考慮した発熱抵抗体６の発熱量との関係を示すグラフである。図１０から明らかなように、発熱抵抗体６の抵抗温度係数が大きくなるほど発熱抵抗体６の抵抗変動が大きくなり、発熱抵抗体６の発熱量が小さくなる関係がある。

そして、発熱抵抗体６の発熱量を汚染から考えた許容範囲に抑制するためには発熱抵抗体６の抵抗温度係数を、少なくとも２０００ｐｐｍ／℃以下に制限する必要がある。

そこで、本発明の第１の実施形態では、発熱抵抗体６の温度係数が小さくなるように、発熱抵抗体６の材質である白金合金やニッケル合金の組成を変更した。また、発熱抵抗体６の材質をポリシリコン薄膜とする場合は、高濃度にドープを行い抵抗温度係数を２０００ｐｐｍ／℃にした。

なお、発熱抵抗体６の抵抗温度係数を小さくしすぎると、温度検出が困難になるので抵抗温度係数は少なくとも１０００ｐｐｍ／℃以上は必要である。

次に、図１１を参照して、発熱抵抗体６及び温度検出抵抗体３、４、７、８の構成を説明する。
図１１において、発熱抵抗体６は、少ない発熱量で高温度に加熱できるように、発熱抵抗体６の面積は微小化されている。具体的には、発熱抵抗体６の面積は、０．１平方ミリメートル以下が必要で、本発明の一実施形態では、５００μｍ×２００μｍの面積で設計している。

また、ＥＣＵ電源から電源供給を受けるために最も効率の良い抵抗値になるように、発熱抵抗体６にはスリット４３、４４、４５、４６、４７、４８を形成し、発熱抵抗体６が複数の帯状の抵抗体で構成されるようにして抵抗値を調整している。

また、発熱抵抗体６を複数の帯状の抵抗体で構成することにより、発熱抵抗体６の温度ムラを無くすようにした。発熱抵抗体６が単一の帯状の場合、発熱抵抗体６の温度は、中心部が高く周辺部は低くなってしまう。

そこで、図１１に示したように、発熱抵抗体６を複数の帯状の抵抗体で構成すれば、発熱抵抗体６の中心部の温度が高くなろうとすると、中心部の帯状の抵抗体の抵抗値が上昇して発熱が低下し、周辺部の温度が低くなろうとすると周辺部の帯状の抵抗体の抵抗値は低下して発熱が上昇する。これにより、発熱抵抗体６の温度を均一化することができる。

駆動回路３４が、ＥＣＵ電源からの電源供給を受けるために最も効率の良い発熱抵抗体６の抵抗値は、発熱抵抗式流量測定装置へ供給する電源の最低動作保証電圧を発熱抵抗式流量測定装置へ供給する電源の最大許容電流で割った値である。ＥＣＵ電源から電源供給を受ける場合には、最低動作保証電圧は４．５Ｖ、最大許容電流値を１０ｍＡとすると、抵抗値は、４５０Ωになる。

したがって、発熱抵抗体６自体の抵抗値と、発熱抵抗体６の配線抵抗の抵抗値との合計の抵抗値は、プロセスバラツキを考慮して４５０Ω±２０％程度の範囲で設定することが望ましい。なお、この値は発熱抵抗体６が加熱状態での値である。

以上のような抵抗温度係数と抵抗値とに、発熱抵抗体６、温度検出抵抗体３、４、７、８を設定することとなるが、各抵抗値が駆動回路３４に配置された後に、抵抗温度係数と抵抗値とが設定値を満足するか否かを確認することが望ましい。

このため、発熱抵抗体６の抵抗温度係数と、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値との測定方法について、図１２を参照して説明する。
図１２は、発熱抵抗式流量測定装置を回路図表記した図であり、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０とが互いに直列接続され、これら抵抗体６及び１０は、パッド１５、１６、１７を介して配線が引き出されている。また、温度検出抵抗体３、４、７、８は、パッド１１、１２、１３、１４、１８、１９、２０を介して配線が引き出されている。

まず、発熱抵抗体６の抵抗温度係数の測定方法を説明する。
回路接続は、抵抗体６の一端に接続されたパッド１５と、抵抗体６の他端に接続されたパッド１７との間に、直列接続された電圧源５０と電流計４９とを接続する。

そして、電圧源５０によって発熱抵抗体６に電流を流して発熱抵抗体６を所定の温度に加熱し、周囲温度２５℃と８５℃にて電流計４９の値を計測する。

これにより、周囲温度２５℃と８５℃における発熱抵抗体６と発熱抵抗体６の引き出し配線部の合計抵抗を計測し、この値から抵抗温度係数を計算する。

次に、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗測定方法を説明する。
回路接続は、抵抗体３の一方端に接続されたパッド１１と抵抗体７の一方端に接続されたパッド１８とを接続し、抵抗体３の他方端に接続されたパッド１４と抵抗体８の一方端に接続されたパッド１９とを接続し、抵抗体７の他方端に接続されたパッド２１と抵抗体４の一方端に接続されたパッド１２とを接続し、抵抗体８の他方端に接続されたパッド２０と抵抗体４の他方端に接続されたパッド１３とを接続する。そして、温度検出抵抗体３、４、７、８によりブリッジ回路を構成する。

パッド１１、１８の接続点と、パッド１３、２０の接続点との間に、直列接続された電圧源５２と電流計５１とを接続する。電圧源５２を５Ｖに設定して、周囲温度２５℃における電流計５１の値を読み取り、電流計５１の値から温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値を計算する。

次に、本発明の第２の実施形態における発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成について図１３を参照して説明する。

図１３において、この第２の実施形態における駆動回路は、ＥＣＵ電源からの電源の供給を受け、センサエレメント１に配置された発熱抵抗体６と、測温抵抗体１０と、発熱抵抗体６を駆動する駆動トランジスタ５５と、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０により構成される直列接続回路に並列に接続される抵抗５６、５７と、発熱抵抗体６と測温抵抗体１０と抵抗５６、５７により構成されるブリッジ回路の誤差電圧を増幅する増幅器５３と、増幅器５３の出力からパルス変調信号を発生し駆動トランジスタ５５を駆動するＰＷＭ回路５４とを備える。

また、第２の実施形態における駆動回路は、温度検出抵抗体３、４、７、８により構成されるブリッジ回路の出力電圧を増幅してセンサ出力を発生させる増幅器５８を備えている。

第２の実施形態における駆動回路は、第１の実施形態における駆動回路と、共通する構成を有し、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗値は、５ｋΩ〜５００ｋΩであるが、発熱抵抗体６の駆動方法が異なっている。

つまり、本発明の第２の実施形態においては、駆動トランジスタ５５を、ＰＷＭ回路５４からのパルス信号により、オンオフ制御することで、発熱抵抗体６の発熱温度を制御する。

このため、図１３に示す駆動回路では、駆動トランジスタ５５のオンオフ制御により発熱抵抗体６と測温抵抗体１０の発熱量に、差が出るようにする為に測温抵抗体１０の抵抗値を発熱抵抗体６の抵抗値よりも大きくした。

この第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

次に、本発明の第３の実施形態について、図１４を参照して説明する。
上述した本発明の第１の実施形態は、温度検出抵抗体３、４、７、８の抵抗体を高抵抗（５ｋΩ以上）として、これら温度検抵抗出体の発熱量を抑制することとしたが、第３の実施形態における温度検出抵抗体７０、７１、７２、７３の抵抗値は、高抵抗ではなく、５ｋΩ未満の低抵抗値とし、これら抵抗体７０〜７３の温度上昇を抑制する手段として、ペルチェ素子７４、７５、７６、７７を各温度検出抵抗体７０〜７３の近辺に配置している。また、これらペルチェ素子７４、７５、７６、７７は、ペルチェ素子駆動回路７８により、温度検出抵抗体７０〜７３が適切な温度を保持するように駆動される。

その他の構成は、第１の実施形態と第３の実施形態とは同様となっている。
ペルチェ素子及びその駆動回路は、図１７に示した保護回路２５、レギュレータ２８に比較して、安価であり、本発明の第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。

次に、本発明の第４の実施形態について、図１５を参照して説明する。
この第４の実施形態においても、第３の実施形態と同様に、温度検出抵抗体７０、７１、７２、７３の抵抗値は、高抵抗ではなく、５ｋΩ未満の低抵抗値とし、これら抵抗体７０〜７３の温度上昇を抑制する手段として、通加電流値を制御する手段を用いている。つまり、温度検出抵抗体７０〜７３からなるブリッジ回路にトレンジスタ等のオンオフ制御される駆動回路７９を配置し、この駆動回路７９の駆動をパルス発生器８０からのパルス信号で制御する。

そして、増幅器４０の出力信号をサンプルホールド回路８１を介してセンサ出力端子４１に供給する。このサンプルホールド回路８１は、パルス発生器８０からのパルス信号に応じて、供給された信号をサンプリングホールドし、出力する。

その他の構成は、第１の実施形態と第４の実施形態とは同様となっている。
駆動回路７９、パルス発生器８０、サンプルホールド回路８１は、図１７に示した保護回路２５、レギュレータ２８に比較して、安価であり、本発明の第４の実施形態においても、第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、駆動回路７９、パルス発生器８０、サンプルホールド回路８１により、温度検出抵抗体への電流間欠供給手段が構成される。

次に、上述した本発明の第１〜第４の実施形態である発熱抵抗式流量測定装置を使用した、例えば、自動車の動作制御装置の要部概略構成について、図１６を参照して説明する。

図１６において、制御装置６２は、発熱抵抗式流量測定装置５９と、圧力センサ６０と、温度センサ６１と、この温度センサ６１へ基準電源を供給するレギュレータ６３と、発熱抵抗式流量測定装置５９と、圧力センサ６０と温度センサ６１のセンサ出力を切り替えるマルチプレクサ６４と、マルチプレクサ６４で切り替えられた信号をアナログデジタル変換するＡＤ変換器６５とを備える。

制御回路６２ではＡＤ変換器６５の基準電圧もレギュレータ６３から与えられる。従って、制御回路６２では発熱抵抗式流量測定装置５９と圧力センサ６０と温度センサ６１のセンサ出力とがレギュレータ６３の出力電圧に比例して変化するようにしておけば、ＡＤ変換器６５の変換出力もレギュレータ６３の出力電圧に比例して変化する。

したがって、レギュレータ６３の出力電圧が変動しても発熱抵抗式流量測定装置５９、圧力センサ６０、温度センサ６１のセンサ出力を正確に計測することができるようになる。

本発明の第１の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置のセンサエレメントの平面図である。 図１のＡ−Ａ‘線に沿った断面図である。 第１の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図である。 ＥＣＵ電源の電圧値とセンサ出力の関係を示す図である。 温度検出抵抗体の発熱量と発熱抵抗体の発熱量の比とレシオ誤差の関係を示す図である。 温度検出抵抗体の抵抗値とレシオ誤差の関係を示す図である。 発熱抵抗体の抵抗値と発熱抵抗体に４５ｍＷ発熱させる為に必要な電流と電圧の関係を示す図である。 発熱抵抗体の抵抗値と発熱抵抗体に４０ｍＷ発熱させる為に必要な電流と電圧の関係を示す図である。 発熱抵抗体の発熱量と発熱抵抗体の抵抗変動の許容値の関係を示す図である。 発熱抵抗体の抵抗温度係数と発熱抵抗体の発熱量の関係を示す図である。 発熱抵抗体及び温度検出抵抗体の拡大図である。 発熱抵抗体の抵抗値及び温度検出抵抗体の抵抗値の測定回路図である。 本発明の第２の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図である。 本発明の第３の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図である。 本発明の第４の実施形態の発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図である。 本発明の実施形態である発熱抵抗式流量測定装置を使用した動作制御装置の要部概略構成図である。 本発明と異なり、バッテリを電源とする発熱抵抗式流量測定装置の駆動回路の構成図である。

符号の説明

１ センサエレメント
２ 薄肉部
３、４ 温度検出抵抗体、
５、９ 配線パターン
６ 発熱抵抗体
７、８ 温度検出抵抗体
１０ 測温抵抗体
１１〜２１ パッド
２２ 絶縁膜
２３ 平板基板
３４ 駆動回路
３５ 電源端子
３６ 駆動トランジスタ
３７、４０ 増幅器、
３８、３９ 抵抗
４１ センサ出力端子
４２ ＥＣＵ
４３〜４８ スリット
４９、５１ 電流計
５０、５２ 電圧源
５３、５８ 増幅器
５４ ＰＷＭ回路
５５ 駆動トランジスタ
５６、５７ 抵抗
５９ 発熱抵抗式流量測定装置（ガス流量センサ）
６０ 圧力センサ
６１ 温度センサ
６２ 制御装置
６３ レギュレータ
６４ マルチプレクサ
６５ ＡＤ変換器
７０〜７３ 温度検出抵抗体
７４〜７７ ペルチェ素子
７８ ペルチェ素子駆動回路
７９ 駆動回路
８０ パルス発生器
８１ サンプルホールド回路

Claims (13)

1. 電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の流体が流れる上流側と下流側との両側に配置される温度検出抵抗体とを有する発熱抵抗式流量測定装置において、
   上記温度検出抵抗体の発熱を抑制する発熱抑制手段を備え、発熱抵抗式流量測定装置の出力電圧が、この発熱抵抗式流量測定装置の電源電圧値にほぼ比例することを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
2. 電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の流体が流れる上流側と下流側との両側に配置される温度検出抵抗体とを有する発熱抵抗式流量測定装置であり、この発熱抵抗式流量測定装置の出力信号に基づいて、制御対象物を制御する制御手段から、電源供給を受ける発熱抵抗式流量測定装置において、
   上記温度検出抵抗体の発熱を抑制する発熱抑制手段を備え、発熱抵抗式流量測定装置の出力電圧が、上記制御手段から供給される電源電圧値にほぼ比例することを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
3. 電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体と、この発熱抵抗体の流体が流れる上流側と下流側との両側に配置される温度検出抵抗体とを有する発熱抵抗式流量測定装置であり、この発熱抵抗式流量測定装置へ供給される電源電圧と電流とが制限される発熱抵抗式流量測定装置において、
   上記温度検出抵抗体の発熱を抑制する発熱抑制手段を備え、発熱抵抗式流量測定装置の出力電圧が、この発熱抵抗式流量測定装置の電源電圧値にほぼ比例することを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抑制手段は上記温度検出抵抗体の抵抗値が５ｋΩ〜５００ｋΩであることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
5. 請求項４記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抵抗体の抵抗温度係数が２０００ｐｐｍ／℃〜１０００ｐｐｍ／℃であることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
6. 請求項４、５のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、発熱抵抗式流量測定装置へ供給する電源の最低動作保証電圧を発熱抵抗式流量測定装置へ供給する電源の最大許容電流で割った値に対して±２０％の範囲に上記発熱抵抗体の抵抗値と上記発熱抵抗体の配線抵抗の抵抗値の合計が設定されていることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
7. 請求項４〜６のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抵抗体がポリシリコンで形成されていることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
8. 請求項４〜７のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記温度検出抵抗体がポリシリコンで形成されていることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
9. 請求項４〜８のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抵抗体の面積は約０．１平方ミリメートルであることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
10. 請求項４〜９のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抵抗体は複数の帯状の抵抗体で構成されていることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
11. 請求項４〜１０のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抵抗体に直列に接続する抵抗があり、この抵抗の抵抗値が上記発熱抵抗体の抵抗値よりも大きいことを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
12. 請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抑制手段は、上記温度検出抵抗体の近辺に配置され、温度冷却機能を有するペルチェ素子であることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
13. 請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の発熱抵抗式流量測定装置において、上記発熱抑制手段は、上記温度検出抵抗体に供給される電流を間欠的に供給する手段であることを特徴とする発熱抵抗式流量測定装置。
    

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