JP2008032501A - 熱式ガス流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の排気用熱式ガス流量計において、排気中に含まれる煤を主体とした汚損物質の堆積により、計量精度の劣化を短時間で招く。
【解決手段】第１発熱抵抗体を少なからずとも１つ以上有し、流体中に少なくとも２つ以上の抵抗体を配置し、前記第１発熱抵抗体を有するセンサ素子には、第１発熱抵抗体とセンサ素子を支持する筐体間に第１発熱抵抗体とは電気的には別系統の第２発熱抵抗体を配置したセンサ素子を有するガス流量計において、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体との間に温度検出手段を設け、前記温度検出手段によって計測した温度に基づいて、第１発熱抵抗体もしくは第２発熱抵抗体の温度を制御する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、抵抗体を発熱させてガスの流量を測定する流量計に関し、特には自動車用エンジンシステムの中を流れる排気の流量を計量するガス流量計に関するものである。

従来例を示す公知例として、特許文献１には、流体中に配置される少なくとも２つの温度依存性抵抗体とそれらを接続する２つのブリッジ回路を設け、前記温度依存性抵抗体をそれぞれ所定の異なる温度に発熱させ、内燃機関に必要な空気量を計量する手段が開示されている。特に流量検出用の抵抗素子は、流量検出用発熱抵抗体の両端に保護ヒータを配置された構造例が示されており、双方の抵抗体の温度は同じ温度に設定して用いられる。これにより、流量検出用の発熱抵抗体から基板への熱の移動が防止されるため、抵抗素子の質量が大きいにも拘らず測定用抵抗の応答性を早くすることができる。

特開昭５９−１３６６２０号公報

従来例は、各課題，目的に応じた最適な手段と考えられる。本発明は、適用範囲が従来例の内燃機関の吸気環境だけではなく、さらに厳しい排気環境への適用を目指した場合に起こり得る課題を克服するための最適な手段について提案するものである。

特に排気雰囲気で使用される場合においては、排気中に含まれる煤を主体とする不揮発成分がガス流量計の発熱抵抗体を支える支持体へ堆積する。支持体は、発熱抵抗体からの伝熱によって少なからずとも流体温度よりは高い温度にあるため、支持体と流体間の熱伝達が堆積前に比べて変化すると出力に悪影響を及ぼす。この課題を防止するためのセンサ素子の構造としては、課題の根源が発熱抵抗体から支持体への熱の移動よって発生するものであるため、目的は異なるが、従来例に示されたような流量検出用の発熱抵抗体の両端に伝熱を抑制するための保護ヒータを配置した構造とすることで対処可能である。課題の本質はそこにはない。煤の堆積は、支持体の物理的な体積，表面積を増加させる。煤の堆積による悪影響を完全に防止するには、常に保護ヒータの温度を流量検出用発熱抵抗体の温度より高く設定するのが望ましい。その理由は、煤の堆積によって生じる流体への熱伝達の変化を全て保護ヒータからの伝熱で吸収するためである。言い換えると、流量検出用の発熱抵抗体と保護ヒータが同じ温度、あるいは流量検出用発熱体の温度が保護ヒータの温度より高いと、必然と煤の堆積によって生じる流体への熱伝達変化の一部を流量検出用ヒータからの伝熱で補う格好となる。この熱の移動は出力誤差となる。但し、設定温度に拘らず保護ヒータを追加した構造は、保護ヒータのない構造のものに比べて汚損による悪影響を低減する一定の効果が得られる。従来例では、流量検出用の発熱抵抗体と保護ヒータの温度は常に同じ温度になるように制御されるため、この出力誤差を防止することはできない。

また、この理想の温度関係を保つためには構造上に新たな制約が生じる。従来例を用いて説明する。特許文献１第５図に示されているセンサ素子構造においては、１つの絶縁基板上に流量検出用の発熱抵抗体と保護ヒータが配置されている。このように１つの基板上に流量検出用発熱抵抗体と保護ヒータが同時に配置されている構造で、かつ流量検出用発熱体が保護ヒータに両端で挟まれている構造のセンサ素子の場合は、流量検出用発熱体温度＜保護ヒータ温度の関係を保つのは困難である。センサモジュールを駆動するために供給可能な電源電圧の制約等の観点からもセンサ素子の熱的容量を最小限に抑える必要があり、そのために両端に配置された保護ヒータを近接して配置せざるを得ない。そうすると、設定温度の高い保護ヒータからの伝熱によって設定温度の低い流量検出用発熱抵抗体が自動的に加熱され、特に流体の流量が少ない状態においては、流量検出用発熱抵抗体には全く電流が流れないといった状態に陥る。したがって、流体の小流量域では、計量が不可能になるといった問題が生じる。そもそも１つのセンサ素子に複数の抵抗体を配置する場合は必然とセンサ構造が複雑となるため生産が困難になるといった問題も抱えている。

本発明は、耐汚損，耐熱の厳しい排気環境においても、初期の検出精度を長時間確保を実現することができるセンサ素子構造を含めた熱式ガス流量計の構成やその制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、流体の流量を検出する発熱抵抗体（第１発熱抵抗体）を少なからずとも１つ以上有し、かつ流体中に少なくとも２つ以上の抵抗体を配置し、前記第１発熱抵抗体を有するセンサ素子には、第１発熱抵抗体とセンサ素子を支持する筐体間に、第１発熱抵抗体から筐体への伝熱を断つための第２発熱抵抗体を配置したセンサ素子を有するガス流量計において、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体との間に温度検出手段を配置する。

具体的な実施の形態としては、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体との間に設けた温度検出手段によって計測した温度に基づいて、第１発熱抵抗体もしくは第２発熱抵抗体の温度を制御する。

好ましくは、第１発熱抵抗体または第２発熱抵抗体の発熱温度に対して、固定あるいは可変の目標値を設け、目標値となるよう制御する。

好ましくは、第２抵抗体の発熱温度が第１発熱抵抗体の発熱温度より高くなるよう制御する。

好ましくは、計測期間もしくは未計測期間において、第１発熱抵抗体もしくは第２発熱抵抗体の温度の低い方の温度が３５０℃以上となるように制御する。

好ましくは、第１と第２発熱抵抗体の両方、もしくはどちらか一方の過加熱防止手段を有し、第１と第２のどちらの発熱抵抗体であっても、実測値あるいは計算によって求められた推定の発熱温度が予め設定した目標上限温度に到達し、かつその目標上限温度以下となるまでの間、実温度を目標上限温度一定となるよう制御するか、もしくはそれ以下の温度に抑制する。

本発明を実現するために好適なセンサ素子構造としては、１つのセンサ素子に第１発熱抵抗体と測温抵抗体と第２発熱抵抗体とを有し、かつそれぞれの抵抗体を支持する導体が発熱部から一方向に向って突出する、あるいは一箇所に集中して配置した構成であり、基体となる円柱状の絶縁体上に導線が複数回巻きつけて配置され、さらにその表層に導体を絶縁保護する絶縁層を形成した構造や積層された絶縁層間に、複数の抵抗体を形成した構造が望ましい。

また本発明においては、第１あるいは第２発熱抵抗体の故障判定手段を有し、前記判定手段によって故障と判断された場合に警告を示す機能を持たせることや内燃機関の失火検出手段を有し、失火が発生した場合は発熱抵抗体への通電を遮断するか、もしくは目標設定温度を低い温度に変更するなど、防爆を未然に防ぐ機能を持たせる。

本発明により、耐汚損，耐熱の厳しい排気環境で使用されるガス流量計において、初期の検出精度を長時間確保することができる。

まず図１と図２を用いて吸気用流量計の主流である熱式流量計の原理について簡単に説明する。図１には熱式流量計の構成を示す。熱式計量方式は、流体中に少なくとも２つの抵抗体を配置され、一つは流体の温度を検出する測温抵抗体として、もう一方は流量を検出する発熱抵抗体として用いられ、それぞれの温度差（ΔＴｈ）を常に一定に保持することで流体の質量流量の計量を実現している。また、吸気用流量計のΔＴｈは、計量精度・応答性・埃等による汚損防止・使用材料の耐久性あるいは耐熱性など総合的な判断により、一般的にはΔＴｈを２００℃程度に設定している。

図２はブリッジ制御回路の構成を示す。発熱抵抗体と測温抵抗体はブリッジ回路抵抗として配置されている。発熱抵抗体の抵抗をＲｈ、発熱抵抗体を流れる電流をＩｈとすると、発熱抵抗体の全発熱量Ｐｈと発熱抵抗体に流れる流体の質量流量Ｑ及びΔＴｈは（１）式で表される。

（数１）
Ｐｈ＝Ｉｈ²Ｒｈ＝（Ａ＋Ｂ√Ｑ）ΔＴｈ …（１）

Ａは発熱抵抗体から支持体への熱伝導分（熱漏れ）であり、またＢは流体に奪われる熱伝達分で、熱的定数としてまとめられる。この（１）式から、発熱抵抗体Ｒｈと固定抵抗Ｒ１の中点の電圧Ｖｓは（２）で表され、流体の質量流量に依存する電圧であることが分かる。センサ出力Ｖout は、このＶｓを増幅しアナログ電圧値として出力される。

ところで、排気環境で用いられるデバイスにおいて、汚損は重大な課題である。デバイスの使用目的や原理によってその大小は異なるが、熱式の流量計においては、センサ素子への汚損は計量精度を維持するには致命的な影響を及ぼす。

内燃機関の排気環境においては、機関から排出された煤（Dry Soot）や灰分（Ａｓｈ）など微粒子状物質（ＰＭ）に含まれる不揮発成分が汚損の対象となる。煤は機関の燃焼室内に吸入された空気と燃焼室内に噴射された燃料の混合不足、すなわち酸化不足により発生する。汚損は、ＰＭ中に含まれるＳＯＦ（可溶性有機成分）やＨＣ（炭化水素）などの揮発成分の持つ粘着力に起因して発生する一方で、この揮発成分の含有は内燃機関の燃焼によって決定されるものであるため、対象物の温度に依存して汚損の発生を左右することができる。

図３には発熱抵抗体の発熱温度とエンジンオイルの蒸発速度の関係を示す。加熱温度が高いほど蒸発速度は速くなる。また実機検証から流量検出用発熱抵抗体への汚損については、発熱温度に依存して、具体的には発熱抵抗体の温度を約３５０℃以上にすることで汚損を回避できることが結果として得られている。これら実機検証や基礎検討の結果から、汚損の有無は次のような現象によって発生するものと考えられる。

図４に示したとおり、まず高温に加熱されている発熱抵抗体１にＰＭ２−１が衝突すると、発熱抵抗体からの伝熱によって瞬時に揮発成分の蒸発が行われＰＭ２−１の持つ粘着力が低下する。汚損物質である煤を主体とした不揮発成分は、粘着力の低下と周囲を流れるガス流れ３によって、次のＰＭが衝突するまでの間に発熱抵抗体表面から脱離する。一方、温度の低い支持体４は、ＰＭ２−１の付着後における揮発成分は緩慢な蒸発、すなわち脱離に繋がる粘着力低下に達するまでの時間が遅延することで、先に衝突し付着した
ＰＭ２−１の上にその後に衝突するＰＭ２−２が重なることで堆積が進行するものと考えられる。

保護ヒータを有しない従来（吸気用）のセンサ素子を用いた場合は、時間の経過と共に短時間にガス流量に対するセンサの出力変化が大きく変化する。図５には、その程度を表す実測結果を示す。結果はアイドリング運転状態で保持し続けた場合の誤差を示すが、低流量域では負の誤差を招き、高流量域では正の誤差を招く傾向がみられる。特に試験開始から７５ｈｒ後においては、試験範囲の最大流量付近では５０％に近い大きな誤差を招くことが分かる。そこで、つぎにこの問題を克服するための考え方について述べる。

図６には、その基本構成を示す。図１と対比すると一目瞭然であるが、図１でいう流量検出用の発熱抵抗体（図６では第１発熱抵抗体）と筐体を結ぶ支持体との間に、第２発熱抵抗体（保護ヒータ）を配置した構成である。このように第１発熱抵抗体から支持体への伝熱を、その間に介在する第２の発熱抵抗体で断熱する構造が基本構成となる。以下のところで、具体的なセンサ素子の構造について説明するが、本発明で示すセンサ素子構造はその一例であり、前記の断熱を満足する構造であれば、特に制約ない。

ここで第２発熱抵抗体を配置することにより効果が期待できる理由について述べる。発熱抵抗体の全発熱量Ｐｈと発熱抵抗体に流れる流体の質量流量Ｑ及びΔＴｈの関係を示した（１）式において、発熱抵抗体から支持体へ通した熱伝導分（熱漏れ）を意味する熱的定数Ａが汚損前後で変化が生じることによって誤差は発生する。第２発熱抵抗体を配置することで、第１発熱抵抗体で必要になる発熱量と支持体への伝熱分を切り離すことができる。すなわち、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体間の伝熱量を任意に制御できる構成とすることで、ガス流量の検出を支持体の汚損とは無関係にすることが可能になる。

図７に第２発熱抵抗体を配置したセンサ素子を用いた場合の実測結果を示す。試験開始から１００ｈｒ経過後においても初期特性に対する出力特性の誤算を約５％以内に抑えられることが分かる。ここで図５の結果と比較して分かるとおり、従来のセンサ素子を用いた場合に比べて、大幅な改善効果が得られることは明確である。

次に、現行の吸気用流量計のセンサ素子構造をベースに第２発熱抵抗体を配置することを考えたセンサ素子の構造例を図８と図９に示す。センサ素子発熱抵抗体を形成する絶縁体にはアルミナパイプ５を用い、耐熱性の高いガラス等により、アルミナパイプ５とそれを支える支持体４とが接合されている。アルミナパイプ５の中央部には流量検出用の第１発熱抵抗体となるＰｔ線（巻線）１が螺旋上に巻き付けられている。さらにその両端部にはアルミナパイプ７が形成され、第１発熱抵抗体と同様にＰｔ線（第２発熱抵抗体）６を螺旋状に巻き付け、センサ素子全体を包括するように絶縁保護膜（ガラス）８でコーティングされた構造からなる。図８はアルミナパイプが別体の場合、図９は一体の場合の例として示した。

次にこのような構造の場合における課題について図１０を用いて説明する。図１０には、図８，図９に示したセンサ素子に通電し、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体を高温に保持した状態に流体を流した場合の各部位の温度分布変化を示す。特に各発熱抵抗体の設定温度は第１発熱抵抗体１を４００℃、第２発熱抵抗体８を４００℃より高い温度に設定した場合を想定している。このように、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の設置温度の関係については、第１発熱抵抗体＜第２発熱抵抗体の関係が好ましい。その理由は、先にも述べたが煤の堆積によって生じる流体への熱伝達の変化を全て第２発熱抵抗体からの伝熱で補えるため、汚損による流量の計量への悪影響を抑えることができるためである。ところで、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の接続部の温度は、センサ素子を流れる流体の流量（流速）によって変化する。特に流れが停止状態や低流量時に各発熱抵抗体が目標温度を保持できる状態に調整すると高流量域で接続部の温度が低下してしまい、万が一汚損回避温度（約３５０℃）を下回る状況が連続的に続くと、接続部に汚損が発生する恐れがある。原理から察するに接続部に汚損が発生すると、第２発熱抵抗体を配置した意味がなくなる。したがって、接続部の温度の著しい低下を避けるための対策が必要になる。また、流量に依存して図中ａに相当する第１発熱抵抗体端部における熱の授受の状態が変化する。理想の状態とは、第１発熱抵抗体端部における温度勾配がゼロの状態である。この状態であれば、第１発熱抵抗体への第２発熱抵抗体からの熱の流れ込みや、逆に接続部への熱逃げがないため、伝熱によって発生する本課題を確実に克服できる。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１１に本発明の一実施形態について示す。第１発熱抵抗体に近接した位置に温度検出手段を配置することを基本とする構成をとる。前記温度検出手段としては、単純には発熱抵抗体と同様にＰｔ線の巻線などが考えられるが、その他、温度を検出できる手段であれば何であってもよい。設定温度を第１発熱抵抗体＜第２発熱抵抗体と想定し、温度検出手段によって検出された温度によって第２発熱抵抗体の発熱温度を制御する方法である。図１２にその具体的な制御フローを示す。まず、第１発熱抵抗体と温度検出手段（以下、測温抵抗体）の抵抗値ＲmainとＲsenを読み込み（Ｓ１０１）、それぞれ温度Ｔmain とＴsenを算出する（Ｓ１０２）。次にＳ１０３において、算出したＴmainとＴsenの温度の関係がＴmain≦Ｔsenであるかを判定し関係が異なる場合は、Ｓ１０４に進み、第２発熱抵抗体へ流す電流Ｉsub を大きくした後Ｓ１０１に戻る。これにより第２発熱抵抗体の温度が上昇し、それに吊られてＴsen が上昇することになる。これを繰り返す。一方、関係が正しくＳ１０５へ進むと、Ｓ１０５では、
Ｔsenと予め設けたＴsenの上限目標温度Ｔhtag の関係が、Ｔsen＜Ｔhtagであるかを判定する。次に関係が異なる場合は、Ｓ１０６に進みＩsabを減少し、Ｔsenを低下させた後
Ｓ１０１に戻る。Ｓ１０５で関係が正しいと判定されると制御ループは終了となる。短時間の間にこのループを繰り返し行うことで、常時、Ｔmain≦Ｔsen＜Ｔhtag の関係を保つことができ、第１発熱抵抗体端部の温度勾配を所定の範囲内に制御することが可能になる。

第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の設定温度の関係が第１発熱抵抗体＜第２発熱抵抗体を前提とした場合の上記以外の制御方法としては、図１３に示したようにＴsen の下限目標温度Ｔltagを設けて、Ｔltag＜Ｔsen≦Ｔmain の関係を保持する方法が考えられる。図１４を用いて、図１３との対比のよってその制御フローについて説明する。この制御方式の場合においても、図１３のＳ１０１とＳ１０２と同様に、まず始めには、第１発熱抵抗体と温度抵抗体の抵抗値ＲmainとＲsenの読み込みを行い、それぞれ温度ＴmainとＴsenの算出を行う。次にＳ１０９において、算出したＴmainとＴsenの温度の関係がＴmain≧
Ｔsen であるかを判定し関係が異なる場合は、Ｓ１１０に進み、第２発熱抵抗体へ流す電流Ｉsub を小さくした後Ｓ１０１に戻る。これにより第２発熱抵抗体の温度が低下し、それに吊られてＴsen が低下することになる。一方、関係が正しくＳ１１１へ進むと、
Ｓ１１１では、Ｔsenと予め設けたＴsenの下限目標温度Ｔltag の関係が、Ｔsen＞Ｔltagであるかを判定する。関係が異なる場合は、Ｓ１１２に進みＩsabを増加し、Ｔsenを上昇させた後Ｓ１０１に戻る。Ｓ１１２で関係が正しいと判定されると制御ループは終了となる。その他にも、Ｔsenに対する上下限目標を設けてＴltag＜Ｔsen＜Ｔhtagで制御することも考えられる。これら全ての場合においてＴhtagおよびＴltagは、第１発熱抵抗体端部の温度勾配が許容の範囲となる温度レベルに設定する必要がある。

ところで、図１１〜図１４で説明した第２発熱抵抗体の温度の上げ下げにより第１発熱抵抗体端部の温度を制御する方式においては、高流量域で第２発熱抵抗体の温度が上昇しすぎて、第２発熱抵抗体を破損させる恐れがある。

そこで、第２発熱抵抗体の温度に上限を設けることも有効である。例えば、図１５の制御フローを基に説明すると、Ｓ１０１とＳ１０２に追加して、第２発熱抵抗体の抵抗値の読み取りと温度の算出をする。さらにＳ１０２とＳ１０３の間にＳ１０７を追加し、第２発熱抵抗体の温度Ｔsubと予め設けた第２発熱抵抗体の目標上限温度Ｔhsub を比較する。このとき、Ｔsub＞Ｔhsubであれば、直ちにＴsubを一定に温度にするため、Ｓ１０８で第２発熱抵抗体に流す電流を一定に保持する。このほかにも、例えば第２発熱抵抗体の温度がＴhsubとなる電流値を予め記憶しておき、Ｔsub＞Ｔhsub と判断されると、その記憶された値の電流を第２発熱抵抗体に流す、あるいは、所定の温度まで降下させるよう指令を出してもよい。いずれにしても、これらの制御を追加することで、第２発熱抵抗体の破損は未然に防げる。

また本発明のその他の実施形態としては、図１６に示した通り、温度検出手段によって検出された温度によって第１発熱抵抗体の発熱温度を制御する方法も考えられる。但し、この場合は、流量検出用の第１発熱抵抗体の温度が流量に依存して変化するため、制御ロジックが複雑になることが懸念される。また、高流量域で第１発熱抵抗体の温度が下がりすぎて、汚損が発生する温度レベルに達する恐れもある。最大流量を基準にして第２発熱抵抗体の設定温度を決定するのが望ましい。

以上、全ての実施形態が第１発熱抵抗体端部における温度勾配が極力ゼロに近い状態を保持するための制御方法であり、第１と第２発熱抵抗体の目標設定温度の大小関係や、第１発熱抵抗体端部の温度検出によって温度制御の対象となる発熱体は第１と第２のどちらでもよい。

ここで、センサ素子表面に形成した絶縁保護用のガラスの耐熱性について述べる。図
１７に吸気用流量計で用いられるセンサ素子表面に形成された絶縁保護ガラスの耐熱温度と使用温度の関係を示す。一般的には、取り扱い易さと必要になる耐熱温度の関係から
Ｐｂ系ガラスが用いられている。流量検出用の発熱抵抗体と流体の温度を検出する測温抵抗体の温度の差ΔＴｈが２００℃の場合、吸入空気の温度変化範囲が１００℃とすると発熱抵抗体の温度は最大でも３００℃にしか到達しない。Ｐｂ系ガラスのＴｇ点、すなわちガラスの性質が変化し始める温度は４５０℃程度あれば特に問題はない。しかしながら、本発明の対象となる主には排気環境で使用される場合は、これまで述べてきたとおり、汚損の観点から、発熱抵抗体の温度を最低でも３５０℃以上に設定する必要がある。特に
ΔＴｈ方式を前提とした場合は、図１８のように流体温度が１００℃の時に第１発熱抵抗体の温度が３５０℃となる（ａ点の）ように設定したとしても、ガラスのＴｇ点(ａ′点)で判断しても、流体温度が約２００℃までの範囲しか保証することができない。また、第２発熱抵抗体の保護ガラスに同じＰｂ系のガラスを適用する場合は、第２発熱抵抗体の温度が第１発熱抵抗体の温度より高い場合を考えると、実質的には、ますます低い温度での使用範囲に制限されてしまう。特に内燃機関から排出される排ガスを計量する場合には、５００℃〜６００℃といった非常に温度の高い流体の計量が必要になる。また、仮に耐熱の高いＳｉ系のガラスを用いた場合においても、絶縁体のアルミナとの熱膨張の観点から、Ｔｇ点が約７００℃のものを使用することができない。したがって、Ｓｉ系ガラスを用いても使用温度の高い第２発熱抵抗体の温度から、精々４００℃弱までしかもたない。

このことから、本発明の対象となる流量計の制御方式としては、流体温度に関係なく発熱抵抗体の温度を常に一定に保つ方式（以下、Ｔｈ方式）、あるいは流体温度に基づいて所定温度でΔＴｈ方式とＴｈ方式へ切り変える方式などが望ましい。特に切換え方式は低温度範囲をΔＴｈ方式、高温度範囲をＴｈ方式で制御する。次に、これらの制御方式を実現するためのセンサモジュールの基本的な構成について図１９を用いて概略を説明する。大きくはセンサ素子を有するセンサプローブ部と制御回路部の２つから構成される。このようにプローブ部と制御回路部を切り離した構成とすることで、内燃機関の排気のような高温のガスを計量する場合においても耐熱性を確保することができる。対象の流体温度が低い場合は、１つにまとめても問題はない。センサ素子としては、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体および流体温度検出用の測温抵抗体等が、制御回路部と接続される。制御回路部には、第１発熱抵抗体のアナログ制御回路を始めとした各センサ素子のアナログ制御回路が配置されており、各アナログの制御回路からの出力値がデジタル部へ入力される。デジタル部では入力されたアナログ信号をＡ／Ｄ変換し、各種信号を基に処理した後に、再度Ｄ／Ａ変換した信号がセンサモジュールから出力される。Ｔｈ方式の場合は、特に流体の温度変化を補正する必要がある。例として示した図１７の構成においては、流体温度検出回路からの信号をもとに、デジタル信号処理装置内で流体温度変化を補正する。これが制御方式の基本構成である。

ところで、第１の発熱抵抗体を中心に両端で支持する構造の場合は、最低でも２つの発熱抵抗体が必要になる。さらに第１発熱抵抗体端部に測温抵抗体を配置する場合には、一段と構造が複雑となり、生産が困難となる。

そこで、次に本発明の実施形態を実現するためのセンサ素子の具体的構造について説明する。図２０に流量検出用のセンサ素子の概略構成を示す。流量検出用のセンサ素子は、各抵抗体を支える支持体（導体）が第２発熱抵抗体から一方向に集中して突出あるいは配置された形で構成される。すなわち第１発熱抵抗体を支える支持体は測温抵抗体や第２発熱抵抗体の内部あるいは表面を経由し筐体に接続される。このように、センサ素子を片側で支持する構成にすることで測温抵抗体と第２発熱抵抗体を１つに集約することが可能になり、生産性が向上する。

図２１には、吸気用流量計に使用されている巻線式の素子を基本とした片支持構造のセンサ素子構成を示す。素子の先端から第１発熱抵抗体１，測温抵抗体９，第２発熱抵抗体６の順に配置されており、アルミナパイプ５に導線が複数回巻きつけて配置され、さらにその表層に導体を絶縁保護するガラス８でコーティングされている。好適なアルミナパイプ５形状の例を図２２に示す。アルミナパイプ５の外周には支持体４を配置する溝１１が複数形成されている。図２２では、６溝の例を示すが、この場合は一つの抵抗体に対して２溝を利用する格好を取る。各溝１１に対して支持体４を側面から挿入した後、各抵抗体となる導体を巻きつける。したがって、支持体挿入溝の深さＸは支持体の外形より十分に大きくとる必要がある。図２１の●は各抵抗体と支持体の接続点１０を示すが溶接等により接続固定する。また測温抵抗体の配置の仕方であるが、生産性を考慮すると、第１発熱抵抗体１と測温抵抗体９を近接させガラス８で一塊にした構成が有効と考えるが、汚損が発生しない程度に距離を保ちそれぞれをガラスでコートしてもよい。

別の技術としては、積層基板技術の応用も考えられる。図２２に積層基板式センサ素子の構造例を示す。積層された絶縁基板１２の間に、複数の抵抗体（導体）を形成した構造である。図２２には４層の例を示すが、各抵抗体で必要となる抵抗値に応じて、積層数を増減してもよい。積層間を跨いで抵抗体を形成する場合は、基板１２に形成されたビアホール１３を利用して電気的な接続を行う。特に注意点としては、高温に加熱された発熱部（第２発熱抵抗体６）からの伝熱により筐体との接続点となるパッド部１４が劣化する可能性がある。発熱部６とパッド部１４の距離は十分に確保などの工夫が必要である。

また、発熱抵抗体を含む複数の抵抗体を有する本発明の熱式ガス流量計においては、一部の抵抗体が破損するだけでも出力特性が大きく変化してしまうといったリスクを抱えている。そこで、これらの故障に対して次のような機能を具備するのが最適である。先に記載したとおり熱式流量計は発熱体が流体へ熱を奪われる、いわゆる放熱特性を利用したものであるため、発熱する第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体の故障を判断する故障判定手段を持たせ、前記判定手段によって故障を迅速に読み取る。また同時に故障であることを警告ランプ等、外部に示す機能を備える。さらには、内燃機関の失火時など未燃燃料が排気管へ大量に排出される場合を想定すると、計量時に最低でも３５０℃以上に加熱された発熱部を有する本発明の流量計の使用は発火の原因となる恐れがあり非常に危険性を伴う。そこで、センサモジュール内部に、あるいは内燃機関全体を制御する電子制御装置内に、内燃機関の失火を検出する手段を設け、失火が発生した場合は発熱抵抗体への通電を遮断するか、もしくは目標設定温度を低い温度に変更するなど、二次災害を未然に防ぐ機能を具備した流量計である。

吸気流量計の概略構成図。 吸気流量計のブリッジ制御回路構成。 発熱体温度とエンジンオイルの蒸発速度の関係。 発熱体加熱時における汚損発生の原因説明図。 吸気流量計用センサ素子適用時の実測結果。 第２発熱抵抗体を有する熱式流量計の概略構成図。 第２発熱抵抗体を有するセンサ素子適用時の実測結果。 吸気用巻線式センサ素子をベースとした第２発熱抵抗体を有するセンサ素子構造例。 吸気用巻線式センサ素子をベースとした第２発熱抵抗体を有するセンサ素子構造例。 第２発熱抵抗体を有するセンサ素子適用時の課題。 本発明の実施形態を示す構成例１。 本発明の実施形態を示す制御フロー１。 本発明の実施形態を示す構成例２。 本発明の実施形態を示す制御フロー２。 第２発熱抵抗体の破損防止の制御フロー。 本発明の実施形態を示す構成例３。 吸気流量計の発熱体使用温度と保護ガラスの耐熱温度の関係。 排気計量時の発熱体使用温度と保護ガラスの耐熱温度の関係。 本発明のセンサモジュール概略構成。 本発明の実施形態を実現するためのセンサ素子の概略構成。 本発明の実施形態を実現するための具体的なセンサ素子構造１。 本発明のセンサ素子形成に用いるアルミナパイプ外観形状例。 本発明の実施形態を実現するための具体的なセンサ素子構造２。

符号の説明

１…流量検出用発熱抵抗体（第１発熱抵抗体）、２…微粒子状物質、３…ガス流れ、４…支持体、５，７…アルミナパイプ、６…第２発熱抵抗体、８…絶縁用保護膜（ガラス）、９…測温抵抗体、１０…接続部、１１…支持体挿入溝、１２…絶縁（アルミナ）基板、１３…ビアホール、１４…パッド部。

Claims (15)

1. 測定ガスが流れる環境に設置された第１の発熱抵抗体と、
   前記第１の発熱抵抗体が電気的に接続された電子回路とを備え、
   前記第１の発熱抵抗体を通電により発熱させて前記ガスの流量を測定する熱式ガス流量計において、
   前記第１の発熱抵抗体を支持する支持部と、
   前記第１の発熱抵抗体と前記第１の発熱抵抗体の支持部との間に設けられ、通電により発熱するため第２の発熱抵抗体と、
   前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体との間の部分の温度を検出する温度検出手段とを備え、
   前記間の部分の温度が前記１の発熱抵抗体の温度に近づくように前記第２の発熱抵抗体への通電を制御する熱式ガス流量計。
2. 請求項１において、
   前記ガスはエンジンのＥＧＲガスであって、
   前記第１の発熱抵抗体の温度および前記第２の発熱抵抗体の温度が所定の温度以上になるように、前記第１の発熱抵抗体への通電または前記第２の発熱抵抗体への通電を制御することを特徴とする熱式ガス流量計。
3. 請求項２において、
   前記温度は３５０℃より高い温度であることを特徴とする熱式ガス流量計。
4. 請求項１において、
   前記第１の発熱抵抗体の温度および前記第２の発熱抵抗体の温度が所定の温度以下になるように、前記第１の発熱抵抗体への通電または前記第２の発熱抵抗体への通電を制御することを特徴とする熱式ガス流量計。
5. 流体の流量を検出する発熱抵抗体（第１発熱抵抗体）を少なからずとも１つ以上有し、かつ流体中に少なくとも２つ以上の抵抗体を配置し、前記第１発熱抵抗体を有するセンサ素子には、第１発熱抵抗体とセンサ素子を支持する筐体間に、第１発熱抵抗体から筐体への伝熱を断つための第２発熱抵抗体を配置したセンサ素子を有するガス流量計において、第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体との間に温度検出手段を設けたことを特徴とする熱式ガス流量計。
6. 第１発熱抵抗体と第２発熱抵抗体との間に設けた温度検出手段によって計測した温度に基づいて、第１発熱抵抗体もしくは第２発熱抵抗体の温度を制御することを特徴とする請求項５の熱式ガス流量計の制御方法。
7. 第１発熱抵抗体または第２発熱抵抗体の発熱温度に対して、固定あるいは可変の目標値を設け、目標値となるよう制御することを特徴とする請求項５もしくは請求項６の熱式ガス流量計の制御方法。
8. 第２抵抗体の発熱温度が第１発熱抵抗体の発熱温度より高くなるよう制御することを特徴とする請求項５もしくは請求項６の熱式ガス流量計の制御方法。
9. 計測期間もしくは未計測期間において、第１発熱抵抗体もしくは第２発熱抵抗体の温度の低い方の温度が３５０℃以上となるように制御することを特徴とする請求項５もしくは請求項６の熱式ガス流量計の制御方法。
10. 第１と第２発熱抵抗体の両方、もしくはどちらか一方の過加熱防止手段を有し、第１と第２のどちらの発熱抵抗体であっても、実測値あるいは計算によって求められた推定の発熱温度が予め設定した目標上限温度に到達し、かつその目標上限温度以下となるまでの間、実温度を目標上限温度一定となるよう制御するか、もしくはそれ以下の温度に抑制することを特徴とする請求項９の熱式ガス流量計。
11. １つのセンサ素子に第１発熱抵抗体と測温抵抗体と第２発熱抵抗体とを有し、かつそれぞれの抵抗体を支持する導体が発熱部から一方向に向って突出する、あるいは一箇所に集中して配置した構成であることを特徴とする請求項５もしくは請求項６の熱式ガス流量計。
12. 基体となる円柱状の絶縁体上に導線が複数回巻きつけて配置され、さらにその表層に導体を絶縁保護する絶縁層を形成した構造からなる請求項１１の熱式ガス流量計。
13. 積層された絶縁層間に、複数の抵抗体を形成した構造からなる請求項１１の熱式ガス流量計
14. 第１あるいは第２発熱抵抗体の故障判定手段を有し、前記判定手段によって故障と判断された場合に警告を示すことを特徴とする請求項５から請求項１３のいずれかの熱式ガス流量計。
15. 内燃機関の失火検出手段を有し、失火が発生した場合は発熱抵抗体への通電を遮断するか、もしくは目標設定温度を低い温度に変更することを特徴とする請求項５から請求項
    １３のいずれかの熱式ガス流量計。
    

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