JP2013064624A - 車両用熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱抵抗体を有するブリッジ回路部にとっては必要な電力が容易に確保でき、集積回路部にとっては、バッテリラインの過電圧や重畳するサージから保護することができる車両用熱式流量センサを得る。
【解決手段】温度によりその抵抗値が変化する発熱抵抗体と温度によりその抵抗値が変化し流体の温度を検出する測温抵抗体を有するブリッジ回路部５０、及び前記ブリッジ回路部を制御し、検出した流体の流量の信号を出力する集積回路部６を備え、前記ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリ３０から供給され、前記集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置１で安定化された定電圧源から供給される。
【選択図】図１

Description

この発明は車両用熱式流量センサに関し、ブリッジ回路部と、ブリッジ回路部を制御し、検出した流体の流量の信号を出力する集積回路（ＩＣ）部と、を駆動する電源に係わるものである。

車両用熱式流量センサは、発熱抵抗体の温度が、流体の温度を検出する測温抵抗体によって検出された温度に対し、所定の温度だけ高くなるように加熱されている。熱式流量センサは、測温抵抗体によって検出した流体温度よりも常に所定の温度だけ高くなるよう発熱抵抗体に電流を流すことにより加熱されている。発熱抵抗体の表面を流れる流体の流量に応じて発熱抵抗体表面から流体に伝達される熱量が異なるので、発熱抵抗体へ供給される電流は流量に依存する。この電流を電圧に変換し、所望の出力特性公差となるように調整し、出力することで、流体の流量を検出することができる。このような方式の熱式流量センサの具体例としては、特許文献１がある。他の方式の熱式流量センサとしては特許文献２がある。

特開２０００−３１４６４５号公報 特開２００５−２８３３８１号公報

従来技術では、熱式流量センサの電源は、自動車の場合、電源端子を介しバッテリから供給される方式が広く使用されている。

供給された電源（電力）は、熱式流量センサ内において、ブリッジ回路部と集積回路部に分岐されて供給されるが、バッテリラインの過電圧や重畳するサージにより、集積回路部が破壊しないようにする必要がある。そのため、集積回路部の前段に保護回路やレギュレータを設ける方策や、集積回路部を高耐圧化する方策が広く使用されており、熱式流量センサの低コスト化及び小型化の妨げとなっている。

また、特許文献２で示される従来技術では、熱式流量センサの電源として、自動車の場合、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源（ＥＣＵ電源）を用いることができる。しかし、燃料噴射制御装置において安定化された定電圧は約５Ｖであることから、発熱抵抗体を所定の温度に発熱させるのに必要な電力を確保するため、発熱抵抗体の抵抗温度係数を１０００ｐｐｍ／℃〜２０００ｐｐｍ／℃とする必要があり、発熱抵抗体の材料が限定されるという制約があった。

この発明の目的は、制約された抵抗温度係数の発熱抵抗体に限定されることなく、バッテリラインの過電圧や重畳するサージから集積回路（ＩＣ）部を保護する車両用熱式流量センサを実現しようとするものである。

この発明に係わる車両用熱式流量センサは、温度によりその抵抗値が変化する発熱抵抗体と温度によりその抵抗値が変化し流体の温度を検出する測温抵抗体を有するブリッジ回路部、及び前記ブリッジ回路部を制御し、検出した流体の流量の信号を出力する集積回路
部を備える車両用熱式流量センサにおいて、前記ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給され、前記集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給されるものである。

また、この発明に係わる車両用熱式流量センサは、温度によりその抵抗値が変化する発熱抵抗体と温度によりその抵抗値が変化し流体の温度を検出する測温抵抗体を有し、前記発熱抵抗体が前記測温抵抗体より所定温度高く制御されるブリッジ回路部、前記ブリッジ回路部を制御し、前記ブリッジ回路部の前記発熱抵抗体に流体が流れることによる前記発熱抵抗体の抵抗変化に基づく前記ブリッジ回路部の出力から流体の流量を検出し、検出した流量の信号を出力する集積回路部を備える車両用熱式流量センサにおいて、前記ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給され、前記集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給されるものである。

この発明の車両用熱式流量センサによれば、ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給され、集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給されるので、ブリッジ回路部の発熱抵抗体にとっては必要な電力が容易に確保でき、集積回路部にとっては、車両用熱式流量センサ本体に保護回路とレギュレータを付与することなく、又は高耐圧化することなく、バッテリラインの過電圧や重畳するサージから保護することができる。

この発明の実施の形態１による車両用熱式流量センサを示す回路構成図である。 実施の形態２による車両用熱式流量センサの主要部を示す回路構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による車両用熱式流量センサを示す回路構成図である。実施の形態１は、バッテリと、燃料噴射制御装置で制御される内燃機関とを搭載した、例えば、自動車に使用される車両用熱式流量センサに係るものである。車両用熱式流量センサは、エンジンの燃焼用空気導入管に配置され導入空気の流量が測定される。燃料噴射制御装置１は、レギュレータ１ａを有し、レギュレータ１ａは、バッテリ３０から供給された電圧を、常に所定の電圧となるよう制御して定電圧を出力する。バッテリ３０とレギュレータ１ａにより、所定の電圧が出力される定電圧源が得られる。レギュレータ１ａから出力された電圧（定電圧源の電圧）は、燃料噴射制御装置１内に配置されたＡ／Ｄ変換器１ｂの基準電圧端子１ｃと、熱式流量センサ２のＩＣ駆動用電源端子４に印加される。レギュレータ１ａから出力された電圧（定電圧源の電圧）は、Ａ／Ｄ変換器１ｂの基準電圧となり、熱式流量センサ２の集積回路部６の電源となる。なお、前記定電圧源はＥＣＵ（Engine Control Unit）電源とも称され、燃料噴射量を制御する電源である。

Ａ／Ｄ変換器１ｂは基準電圧端子１ｃに入力された基準電圧に基づいて、入力端子１ｄに入力された電圧をＡ／Ｄ変換する。車両用熱式流量センサ２より検出される流量に依存した信号の出力は、Ａ／Ｄ変換器１ｂを経てＣＰＵ（Central Processing Unit）１ｅに
入力される。ＣＰＵ１ｅは、他のセンサ（図示せず）の出力信号と合わせて、内燃機関６０の燃料噴射を制御する。熱式流量センサ２のＩＣ駆動用電源端子４に供給された電圧（燃料噴射制御装置１で安定化された定電圧源の電圧）は、集積回路部６の電源端子６ｄに印加され、レシオメトリック（ratiometric）変換回路６ｃの基準電圧として使用される。燃料噴射制御装置１で安定化された定電圧源は集積回路部の駆動用電源として使用される。熱式流量センサ２内に配置された発熱抵抗体１１と、発熱抵抗体１１からの熱の影響を受けない位置に形成され流体の温度を検出する測温抵抗体１２と、測温抵抗体１２に比べ、温度による抵抗値変動が小さい抵抗体１３，１４とによりブリッジ回路５０が構成される。

実施の形態１では、発熱抵抗体１１と抵抗体１４の直列体は、抵抗体１４側端が接地され、発熱抵抗体１１側端が電源側端に接続されている。測温抵抗体１２と抵抗体１３の直列体は、抵抗体１３側端が接地され、測温抵抗体１２側端が電源側端に接続されている。両電源側端は接続されている。ブリッジ回路５０は他の形態であっても構わない。発熱抵抗体１１と測温抵抗体１２は、例えば白金やニッケルのように温度によって抵抗値が変化する感温抵抗体材料により形成されている。発熱抵抗体１１と測温抵抗体１２は、ほぼ同一の材質と（例えば正の）抵抗温度係数のものが使用されるが、必ずしも同一である必要はない。

ブリッジ回路５０は、トランジスタ７，抵抗体８，トランジスタ９，抵抗体１０によって構成されたブリッジ駆動回路４０により駆動される。ブリッジ回路５０とブリッジ駆動回路４０でブリッジ回路部が構成される。ブリッジ駆動回路４０の電源、及び、ブリッジ駆動回路４０を介したブリッジ回路５０の電源、即ち、ブリッジ回路部の電源は、ブリッジ回路部用電源端子３を介し、バッテリ３０から供給される。ＰＮＰ型トランジスタ７はエミッタ端子がブリッジ回路部用電源端子３に接続され、コレクタ端子がブリッジ回路５０の電源側端に接続され、ベースは、抵抗８とトランジスタ９と抵抗１０の直列体を経て接地されている。なお、ブリッジ回路５０とブリッジ駆動回路４０で構成されるブリッジ回路部は、トランジスタ７，９が高耐圧のものを容易に用いることができるので、電源がバッテリから直接供給されても問題はない。

集積回路部６内のオペアンプ６ａは、差動増幅器であり、発熱抵抗体１１と抵抗体１４との接続点が反転入力端子（−）に接続され、測温抵抗体１２と抵抗体１３との接続点が非反転入力端子（＋）に接続されている。オペアンプ６ａの出力端子とＮＰＮ型トランジスタ９のベースが接続されている。

オペアンプ６ａは、例えば、特許文献１で知られているように、入力端子（反転入力端子と非反転入力端子）間の誤差（電位差）を増幅し、負帰還をかけることで、発熱抵抗体１１が測温抵抗体１２より所定の温度だけ高くなるよう制御し、ブリッジ駆動回路４０によりブリッジ回路５０に電流が供給され、発熱抵抗体１１が加熱されている。ここで、測温抵抗体１２と発熱抵抗体１１は正の抵抗温度係数を有するものとする。次に、流体の流量が増加すると、発熱抵抗体１１から流体に伝達される熱量が増加するため、発熱抵抗体１１の抵抗は下がろうとするが、発熱抵抗体１１と抵抗体１４の接続点の電位と、測温抵抗体１２と抵抗１３の接続点の電位が等しくなるようオペアンプ６ａの出力は＋側に振れ、トランジスタ９とトランジスタ７の電流が増え、ブリッジ回路５０の発熱抵抗体１１に流れる電流が増える。流体の流量が減少すると、前記と逆の動作となる。つまり、発熱抵抗体１１に流れる電流は流体の流量に依存する。

発熱抵抗体１１に流れる、流体の流量に依存する電流を抵抗体１４の両端に発生する電圧により検出する。検出した電圧は、集積回路部６内の調整回路６ｂで所望の出力特性公差内となるよう調整された電圧となる。つまり、抵抗体の抵抗値，抵抗温度係数バラツキや組付けバラツキ等によって発生する出力特性（検出流量―出力信号）のバラツキをセンサを使用する上で必要な精度（検出流量―出力信号）に出力を合わせるように調整する。調整された電圧は、レシオメトリック変換回路６ｃにより、燃料噴射制御装置１のレギュレータ１ａの定電圧源の電圧に比例した電圧に変換し、出力端子５を介してＡ／Ｄ変換器１ｂに出力される。

以上のように構成することで、ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給されるので、発熱抵抗体にとっては必要な電力が容易に確保でき、制約された抵抗温度係数の発熱抵抗体に限定されることがない。さらに、集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給されるので、車両用熱式流量センサ本体に保護回路やレギュレータを付与することなく、バッテリラインの過電圧や重畳するサージから集積回路部を保護でき、集積回路（ＩＣ）部の高耐圧化も必要がなく、安価かつ小型に、車両用熱式流量センサを実現することができる。

また、燃料噴射制御装置１のＡ／Ｄ変換器１ｂに使用される定電圧源の電圧を、熱式流量センサ２内の集積回路部６に入力し、その定電圧源の電圧値に比例したセンサ電圧あるいは電流を出力する、いわゆるレシオメトリック（ratiometric）性出力を発生させる熱
式流量センサにおいては、集積回路部６を駆動するためのＩＣ駆動用電源端子４を、基準電圧入力用端子として兼用することで、熱式流量センサ２と燃料噴射制御装置１を接続するコネクタ端子及びハーネスを増やすことなく、実施の形態１を実現することができる。その上、集積回路部６を駆動する数ｍＡ〜十数ｍＡの電流がＩＣ駆動用電源端子４に流れることにより、駆動用電源端子４の酸化防止を目的とした金めっきや端子電流を１ｍＡ以上確保するためのプルダウン抵抗を無くすことも可能となる。

実施の形態２．
車両用熱式流量センサは、温度により抵抗値が変化する抵抗体を発熱させるが、発熱抵抗体を有するブリッジ回路部と集積回路部を利用する車両用熱式流量センサは複数の方式がある。この発明は、そのいずれにも適用できるものである。図２は実施の形態２による車両用熱式流量センサの主要部を示す回路構成図である。図中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示し、説明を一部省略する。１１は発熱抵抗体Ｒｈ、１２は(流体温度検出
用)測温抵抗体Ｒａである。１５は(発熱抵抗体の上流側)測温抵抗体Ｒｓｕ、１７は(発熱抵抗体の下流側)測温抵抗体Ｒｓｄであり、測温抵抗体１５，１７は温度により抵抗値が
変化する。測温抵抗体１５，１７は同一の（例えば正の）抵抗温度係数を有するものが望ましい。１６，１８は測温抵抗体１５，１７に比べ温度による抵抗値変動が小さい固定抵抗体である。測温抵抗体１５，１７の電源端は定電圧源（実施の形態１の定電圧源）に接続されているが、測温抵抗体１５，１７の必要とする電力は、ブリッジ回路部５０，４０の電力に比較してより小さい。また、測温抵抗体１５，１７に印加される定電圧源の電圧と、Ａ／Ｄ変換器１ｂ（図１）に使用される定電圧源の電圧を、同じにすることにより、その定電圧源の電圧に比例したセンサ電圧あるいは電流を出力する、いわゆるレシオメトリック（ratiometric）性出力を発生させることができる。

集積回路部６内のオペアンプ６ｅは、差動増幅器であり、測温抵抗体１５と抵抗体１６との接続点が反転入力端子（−）に抵抗体１９を介して接続され、オペアンプ６ｅの出力端子は抵抗２１を介し、反転入力端子（−）に接続されている。測温抵抗体１７と抵抗体１８との接続点は抵抗２０と抵抗２２によって分圧され、抵抗２０と抵抗２２の接続点は非反転入力端子（＋）に接続されている。オペアンプ６ｅの出力端子は調整回路６ｂ（図１）に接続されている。図１のブリッジ回路５０とブリッジ駆動回路４０に加え、発熱抵抗体１１の上流側に測温抵抗体１５が、下流側に測温抵抗体１７が配置されるように形成されている。ブリッジ駆動回路４０とブリッジ回路５０で、ブリッジ回路部を構成している。オペアンプ６ａは、実施の形態１と同様に、入力端子（反転入力端子と非反転入力端子）間の誤差（電位差）を増幅し、負帰還をかけることで、発熱抵抗体１１が測温抵抗体１２より所定の温度だけ高くなるように制御して、ブリッジ駆動回路４０によりブリッジ回路５０に電流が供給され、発熱抵抗体１１が加熱されている。

流体の流れが順方向流の場合、下流側に位置する測温抵抗体１７（Ｒｓｄ）に比べ、上
流側に位置する測温抵抗体１５（Ｒｓｕ）の方が冷却されやすいので、流体の流量により測温抵抗体１５（Ｒｓｕ）の温度は、測温抵抗体１７（Ｒｓｄ）の温度よりも低くなる。測温抵抗体１５（Ｒｓｕ）と測温抵抗体１７（Ｒｓｄ）の温度の差を変化した抵抗値Ｒｓｕ，Ｒｓｄを基に検出することにより、オペアンプ６ｅの出力端子に流量信号が出力される。このようにして、車両用熱式流量センサの流量信号を出力することができる。

実施の形態２の車両用熱式流量センサにおいても、ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給され、集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給される。そのため、ブリッジ回路部の発熱抵抗体にとっては必要な電力が容易に確保でき、集積回路部にとっては、車両用熱式流量センサ本体に保護回路とレギュレータを付与することなく、又は高耐圧化することなく、バッテリラインの過電圧や重畳するサージから保護することができる。

その他の車両用熱式流量センサとしては、発熱抵抗体と測温抵抗体をそれぞれ２セット配置し、それぞれの加熱電流の差を検出する方式が知られている。
また、その他の車両用熱式流量センサとしては、発熱抵抗体温度検出用測温抵抗体と流体温度検出用測温抵抗体と発熱抵抗体を配置し、流体温度検出用測温抵抗体の温度に対して所定の温度だけ高くなるよう発熱抵抗体に流れる電流を制御するブリッジ回路を用いる方式が知られている。

１ 燃料噴射制御装置 １ａ レギュレータ
１ｂ Ａ／Ｄ変換器 １ｃ 基準電圧端子
１ｄ Ａ／Ｄ変換器 入力端子 １ｅ ＣＰＵ
２ 熱式流量センサ ３ ブリッジ回路部用電源端子
４ ＩＣ駆動用電源端子 ５ 出力端子
６ 集積回路部 ６ａ オペアンプ
６ｂ 調整回路 ６ｃ レシオメトリック変換回路
６ｄ 電源端子 ６ｅ オペアンプ
７ トランジスタ ８ 抵抗体
９ トランジスタ １０ 抵抗体
１１ 発熱抵抗体 １２ 測温抵抗体
１３ 抵抗体 １４ 抵抗体
１５ 測温抵抗体 １６ 抵抗体
１７ 測温抵抗体 １８ 抵抗体
１９ 抵抗体 ２０ 抵抗体
２１ 抵抗体 ２２ 抵抗体
３０ バッテリ ４０ ブリッジ駆動回路
５０ ブリッジ回路 ６０ 内燃機関

Claims (4)

1. 温度によりその抵抗値が変化する発熱抵抗体と温度によりその抵抗値が変化し流体の温度を検出する測温抵抗体を有するブリッジ回路部、
   及び前記ブリッジ回路部を制御し、検出した流体の流量の信号を出力する集積回路部を備える車両用熱式流量センサにおいて、
   前記ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給され、
   前記集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給されることを特徴とする車両用熱式流量センサ。
2. 温度によりその抵抗値が変化する発熱抵抗体と温度によりその抵抗値が変化し流体の温度を検出する測温抵抗体を有し、前記発熱抵抗体が前記測温抵抗体より所定温度高く制御されるブリッジ回路部、
   前記ブリッジ回路部を制御し、前記ブリッジ回路部の前記発熱抵抗体に流体が流れることによる前記発熱抵抗体の抵抗変化に基づく前記ブリッジ回路部の出力から流体の流量を検出し、検出した流量の信号を出力する集積回路部を備える車両用熱式流量センサにおいて、前記ブリッジ回路部の駆動用電源は、バッテリから供給され、
   前記集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給されることを特徴とする車両用熱式流量センサ。
3. 前記集積回路部の駆動用電源は、燃料噴射制御装置で安定化された定電圧源から供給され、前記定電圧源の電圧は、前記燃料噴射制御装置が有するＡ／Ｄ変換器に供給される基準電圧に比例した電圧であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用熱式流量センサ。
4. 前記集積回路部の駆動用電源の電圧は、前記集積回路部の基準電圧とされ、前記集積回路部で所望の出力特性公差内に調整された流量の出力は、前記集積回路部の基準電圧に比例したレシオメトリック性を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車両用熱式流量センサ。

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