JP2795724B2 - 感熱式流量計の検出部 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は感熱式流量計の検出部の改良に関するもので
あり、温度による影響を受け難い検出部を実現しようと
するものである。この検出部を用いることにより、例え
ばエンジンの吸気管に流れる空気量を、吸気管の温度な
いし吸気温が変動しても正確に検出できるようにするも
のである。

〔感熱式流量計の簡単な説明〕

第７図は感熱式流量計の基本回路を示すものであり、
第１感熱抵抗体R_Tと、第２感熱抵抗体R_Sと、固定抵抗R₁
とR₂とによってブリッジ10が構成されている。第２感熱
抵抗体R_Sの抵抗値は第１感熱抵抗体R_Tの抵抗値に比して
1/100程度の小さな値のものが用いられており、ブリッ
ジ10に通電されるとその大部分が第２感熱抵抗体R_Sに流
れ第２感熱抵抗体R_Sに抵抗発熱が生じるように構成され
ている。

第２感熱抵抗体R_Sの温度が上昇すると、その抵抗値が
上昇し、次記（１）式の関係 R₁R_S＝R₂R_T ……（１） が成立すると、オペアンプ16の両入力電圧が等しくな
り、ブリッジ10は平衡する。

ここで第２感熱抵抗体の基準温における抵抗値を
R_SO、温度係数をα、第１感熱抵抗体の基準温における
抵抗値をR_TO、温度係数をα、吸気温すなわち第１感熱
抵抗体の温度をT_T、このとき平衡する第２感熱抵抗体の
温度をT_Sとすると、 （１）式から R₁・R_SO（１＋αT_S） ＝R₂・R_TO（１＋αT_T） ……（２） となることから となり、結局ΔＴ＝T_S−T_Tは となる。

ここで第２感熱抵抗体の周囲を流体が流れると第２感
熱抵抗体が冷却される。この結果第２感熱抵抗体の抵抗
値が下がって平衡がくずれ、トランジスタ17の内部抵抗
が減少してブリッジ10に流れる電流が増大し、第２感熱
抵抗体の発熱量が増大する。そして再度平衡に復帰す
る。

この作動を繰り返すことにより、結局第２感熱抵抗体
R_Sは第１感熱抵抗体R_Tよりも、前記（４）式のΔＴだけ
高い状態に維持される。すなわち第２感熱抵抗体R_Sは流
体による冷却に抗してΔＴだけ高い温度を維持するため
に必要な発熱量が得られるようにその通電電流が維持さ
れるのである。

この状態における第２感熱抵抗体R_Sの放熱量をＱとす
ると、 となる。ここでＡ・Ｂは定数、ρは流体の密度、ｕは流
体の流速、Ｓは放熱面積である。

前記したように第２感熱抵抗体R_Sに流れる電流ｉは、
それによる抵抗発熱量i²R_Sが前記放熱量Ｑに等しくなる
ように制御されることから、 となり、端子18に生じる出力電圧V_Mは となる。

ここで（７）式の分母に（２）式を代入すると さらに（８）式に（４）式を代入すると となる。

（９）式から明らかなように、V_MはT_Tと無関係とな
る。そしてA,B,S,R₁，R₂，R_TO，R_SO，αは予め定められ
ている量であるから となる（ここでＣは定数）。

このようにして出力V_Mからρｕが求められるのであ
る。

〔従来の技術〕

第６図は前記原理に基づいて流速に関する信号を出力
する感熱式流量計で用いられる従来の検出部100を示し
ている。

検出部100は絶縁性基板110を有し、基板表面に第１感
熱抵抗体R_Tと、第１感熱抵抗体R_Tを検出部100の取付部1
00aに接続する１対の第１接続体R_Tlと、第２感熱抵抗体
R_Sと、第２感熱抵抗体R_Sを検出部100の取付部100aに接
続する１対の第２接続体R_Slが形成されている。

この型式の検出部100をエンジンの吸気マニホールド
内壁に固定し、接続体R_Tl，R_Slの取付部側端部A,B,C,D
に図示しないリード線を接続して第７図に示す回路を構
成してエンジンへの吸入空気量を検出するために用いる
と、エンジン温が吸気マニホールドに伝導し、さらに基
板110を介して検出部100の温度を上昇させる。

この結果検出部100の熱的環境は吸気温と流速と抵抗
発熱の他にさらに基板110からの熱伝導をも受けるよう
になり、これが前記出力V_Mを変化させることになる。こ
の問題に対処するために、実開昭60−100617号公報に記
載の技術が提案されている。

この技術は検出部100の温度が上昇して第１感熱抵抗
体R_Tの温度が吸気温以上になったときにも、平衡状態に
おける第２感熱抵抗体R_Sの抵抗値が一定に保たれるよう
に、第２感熱抵抗体R_Sと直列に第３の感熱抵抗を加える
技術を示している。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながらこの方式は、第１感熱抵抗体の温度上昇
に抗して第２感熱抵抗体の平衡温度を一定に維持するも
のではあっても、第１、第２感熱抵抗体の温度差を一定
に保つものではない。前記したように感熱式流量計は放
熱量に基づいて流速を検出するものであって、第１、第
２感熱抵抗体の温度差が出力に直接影響する。これは前
記（８）式からも明らかであって、ΔT/R_Tが基板110の
温度によらず一定値に保たれることが重要であって、単
にR_Sを一定値に保つだけでは出力V_Mの温度によるズレを
補償することはできない。

また本発明者が種々の実験をしたところ、第1,第２感
熱抵抗体をそれぞれブリッジ回路を構成するように検出
部取付部に接続する第1,第２接続体に金等の低抵抗導体
を用いても、その抵抗値による影響を無視できないこと
を見出した。この抵抗値を小さくするために接続体の断
面積を大きくすると、熱伝導も活発となってしまうこと
から、むやみと抵抗値を小さくすることはできない。

特に、第1,第２感熱抵抗体はその取付け方法を改良す
ることによって吸気管からの熱的影響を受け難くできる
が、接続体を吸気管壁から有効に断熱することは困難で
あって、接続体の抵抗値の温度変化を防止することは非
常に難しい。前記実開昭60−100617号の技術を用いて
も、接続体の温度変化に起因するズレは対策されず、こ
の点でも従来の技術は問題を有している。

そこで本発明は感熱式流量計の検出部が吸気管等に取
付けられ、その温度がエンジン温等によって変動して
も、検出部からの出力V_Mに変動の生じない検出部を提供
しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、第１感熱抵抗体R_Tと、その第１感熱抵抗
体R_Tを検出部取付部1aに接続する第１接続体R_Tlと、第
２感熱抵抗体R_Sと、その第２感熱抵抗体R_Sを検出部取付
部1aに接続する第２接続体R_Slを有し、前記第1,第２感
熱抵抗体の抵抗温度係数がほぼ等しく、前記第1,第２接
続体の抵抗温度係数がほぼ等しく、かつ基準温における
前記第１感熱抵抗体と第１接続体の抵抗値の比（R_Tl／R
_T；ここでR_Tは第１感熱抵抗体の抵抗値、R_Tlは第１接続
体の抵抗値）と、第２感熱抵抗体と第２接続体の抵抗値
の比（R_Sl／R_S；ここでR_Sは第２感熱抵抗体の抵抗値、R
_Slは第２接続体の抵抗値）とがほぼ等しく設定されてい
る検出部によって解決される。

特に、この検出部は基板上に第１感熱抵抗体R_T、第１
接続体R_Tl、第２感熱抵抗体R_S、第２接続体R_Slが膜状に
形成され、かつ第１接続体R_Tlの膜パターンが一直線で
ない形状、例えばジグザグ状に形成されてその長さの増
大が図られているものが好適である。

〔作用〕

さて上述の構成を有する検出部によると、ブリッジの
平衡条件から R₁｛R_SO（１＋αT_S）＋R_SlO（１＋α_lT_B）｝ ＝R₂｛R_TO（１＋αT_T）＋R_TlO（１＋α_lT_B）｝ ……（11） が成立する。

ここでR_SOは基準温における第２感熱抵抗体の抵抗値 R_SlOは基準温における第２接続体の抵抗値 R_TOは基準温における第１の感熱抵抗体の抵抗値 R_TlOは基準温における第１接続体の抵抗値 αは第1,第２感熱抵抗体の温度係数 α_lは第1,第２接続体の温度係数 T_Sは平衡状態での第２感熱抵抗体の温度 T_Bは基板110を介して伝えられる熱によって第1,第２接
続体が平衡している時の温度であり、ほぼ吸気管の温度
に等しい T_Tは第１感熱抵抗体の温度で吸気温に等しい。

さて（11）式から が求められる。また発熱量と吸気量の関係から が成立する。そこで（13）式からｉを求め、ここに（1
1）（12）式の関係を代入すると、 式が得られる。

ここで（14）式に の関係を代入すると （14）式からT_T．T_Bが消去されて となる。

すなわち、請求項に記載されている（15）式の関係が
満たされていれば、吸気温T_Tや吸気管の温度T_Bが変動し
ても、（16）式から明らかなように出力V_Mには影響が生
じないのである。

また前記したようにR_T ≫_Sであり、（15）式を満
足するためにはR_TlO ≫R_SlOであることがわかる。請求
項（２）の検出部によると、第１接続部R_Tlは意図的に
その長さの増大が図られていることからR_TlO≫R_SlOの関
係が得易くなるのである。

〔実施例〕

以下、本発明の検出部の一実施例を図面を参照して説
明する。この実施例の検出部１はエンジン吸気管に取付
けられて用いられ、吸気温と吸気管の温度が必ずしも一
致しない環境で使用されるものである。

第１図は検出部１の正面図で、第１図中白抜矢印は吸
入空気の流れ方向を示す。

検出部１は、第１図に示すように、基板11の板面に第
１感熱抵抗体R_T及び第２感熱抵抗体R_S並びに第１接続体
R_Tl及び第２接続体R_Slが付着されている。基板11は矩形
平板状のジルコニア基板であり、基板11の長手方向には
スリット11aが形成されている。

第１感熱抵抗体R_Tは、蒸着、焼成、エッチング等によ
りニッケルあるいは白金等の薄膜抵抗体が基板11の先端
部（第１図右端部）の板面に付着されてなる。この第１
感熱抵抗体R_Tは、連続した略Ｓ字状に屈曲し一対の開放
端部R_Ta，R_Tbが並置するように形成された抵抗体が板面
に付着されてなる。そして、第１感熱抵抗体R_Tの一対の
開放端部R_Ta，R_Tbに一対の第１接続体R_Tlがそれぞれ電
気的に接続され、基板11の長手方向に延出し基板11の取
付部1a（基端部）に至っている。この第１接続体R_Tlは
例えば金で形成され、蒸着、焼成、エッチング等により
基板11に付着される。

第２感熱抵抗体R_Sは基板11の先端部に設けられ、平面
視コ字状に屈曲した白金等の薄膜抵抗体で、例えば温度
分布に応じて膜厚を変化させ、薄膜抵抗体全体から吸入
空気に対し均一に熱伝達が行われるように形成されてい
る。そして、第２感熱抵抗体R_Sの開放端部R_Sa，R_Sbには
一対の第２接続体R_Slがそれぞれ電気的に接続され、こ
の第２接続体R_Slは基板11の長手方向に延出し基板11の
取付部1a（基端部）に至っている。第２接続体R_Slも蒸
着、焼成、エッチング等により金等が基板11に付着され
てなる。

なお、第1,第２感熱抵抗体は温度に対する抵抗値変化
即ち温度係数が大きく、かつ直線性を示す同一材質のも
のが用いられる。第２感熱抵抗体R_Sの抵抗値R_Spは数オ
ームで第１感熱抵抗体R_Tの抵抗値R_Tpは数百オームとい
うように、R_Sp≪R_Tpとなるように設定されている。上記
第１感熱抵抗体及び第２感熱抵抗体の表面には図示しな
いガラス保護膜が形成される。また第1,第２接続体は同
一材質のものが用いられ、その抵抗値の温度に対する変
化係数すなわち抵抗温度係数は等しい。上記スリット11
aは基板11の先端から第２感熱抵抗体R_Sにより加熱され
た基板11の温度が周囲の吸入空気の温度と略等しくなる
位置まで延在している。なお、スリット11aに替えて、
複数の孔を穿設しあるいは溝を形成することとしてもよ
い。これにより、第１感熱抵抗体R_T及び第２感熱抵抗体
R_S間の熱量の移動を小さくすることができる。

以上のように構成された検出部１は、第２図及び第３
図に示すようにホルダ２に支承され、内燃機関の吸気管
３に固着される。この場合において、検出部１はその板
面が吸気の流れに平行になるように配置されており、従
って第１感熱抵抗体R_T及び第２感熱抵抗体R_Sはいずれも
吸気の流れに平行な板面上に配設される。なお第１感熱
抵抗体R_Tは第２感熱抵抗体R_Sの上流に位置し、R_Sの発熱
の影響が受け難い位置関係におかれている。また、検出
部１は第１及び第２の接続体R_Tl，R_Slの取付部側端部A,
B,C,Dにそれぞれ電気的に接続された複数のリード線４
を介して、ケース５内に収容された検出回路50に接続さ
れている。ここでリード線４は大口径のものが用いら
れ、その抵抗値は第1,第２接続体に比しても著しく小さ
く、実際上無視することができる。

検出回路50は第４図に示したように構成されており、
ブリッジ回路10を構成する。ブリッジ回路10において
は、第２感熱抵抗体R_S（抵抗値R_Sp）と第２接続体R
_Sl（抵抗値R_Sl）が直列に接続されたものが固定抵抗R₂
を介して接地GNDされ、第１感熱抵抗体R_T（抵抗値R_Tp）
と第１接続体R_Tl（抵抗値R_Tl）が直列接続されたものが
固定抵抗R₁を介して接地GNDされ、これらの抵抗値R_Sp，
R_Sl，R_Tp，R_Tl，R₁，R₂によりホイートストンブリッジ1
0が形成されている。抵抗R_Slと抵抗R₂の接続点はオペア
ンプ16の非反転入力端子及び出力端子18に、抵抗R_Tlと
抵抗R₁の接続点は反転入力端子に接続されており、オペ
アンプ16の出力側は電源電流を制御するトランジスタ17
のベースに接続されている。トランジスタ17のコレクタ
側は電源＋V_Bに接続され、エミッタ側は抵抗R_Tp，R_Sp、
即ちホイートストンブリッジ10の入力側に接続されてい
る。

そして、上記各抵抗の抵抗値は下記（20）式に示す関
係に設定されている。

上記抵抗R_Spは数オームであるのに対し、抵抗値R_Tpは
数百オームの抵抗値であることから、第１図に示すよう
に第１接続体R_Tlは連続するコ字状に形成され、第２接
続体R_Slに対し抵抗値が大となるように形成されてい
る。

この検出部によると、（14）式ないし（16）式で説明
したところから明らかなように、第１接続体R_Tl，第２
接続体R_Slの温度、あるいは吸気温に影響されることな
く、その出力V_Mが流体密度ρと流速ｕにのみ依存する関
係を得ることができる。

第５図（ａ）は本実施例における吸入空気量の検出精
度を確認すべく従来装置と対比して行った実験結果を示
すもので、横軸に吸入空気の流量を示し、縦軸に検出流
量の誤差を示している。図面は吸入空気を24℃とし、ホ
ルダ２の基板11取付部（第２図のＶ−Ｖ線部）の温度を
24℃から120℃に変化させたとき、基板11取付部の温度
が10℃変化したときの検出流量の変化パーセントを測定
した結果を示しており、破線が従来の検出部によると
き、実線が第１図の検出部１を用いたときの特性を示し
ている。この第５図（ａ）から明らかなように、本実施
例によれば、吸気管の温度変化に対し流量の検出誤差が
小さく抑えられている。

また、第５図（ｂ）の横軸及び縦軸は第５図（ａ）と
同様で、吸入空気の温度が24℃から60℃に変化したと
き、吸気温が10℃の変化する毎に測定した検出流量の誤
差を示している。なおこのときの吸気管の温度は自然変
化にまかせてある。この実験結果においても、本実施例
によれば実線で示すように吸気温度の10℃の変化に対し
流量の検出誤差が±１％以下に抑えられている。

なお、以上の測定はα及びαｌのばらつきを±１％の
範囲内に規制した場合の測定結果である。

なお、第２感熱抵抗体R_Sは吸気温度より所定温度差Δ
Ｔだけ高い温度に制御されているので、第２感熱抵抗体
R_Sから第１感熱抵抗体R_Tに熱量が移動する可能性が生ず
るが、スリット11aの存在により熱量の移動は極めて少
なく、測定に悪影響が生じていないことが理解される。

〔発明の効果〕

本発明は上述のように構成したので、以下の効果を奏
する。

即ち、本発明の検出部においては、第１接続体の第１
感熱抵抗体に対する抵抗値の比が第２接続体の第２感熱
抵抗体に対する抵抗値の比と等しくなるように形成され
ているので、例えば吸気管と検出部との間の熱伝導によ
ってブリッジ回路の出力が変動するということはなく、
良好な応答性をもって流量を検出することができ、安定
した検出精度を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の検出部の正面図、第２図は本発明の検
出部を吸気管に組み込んだ状態の平面図、第３図は同縦
断面図、第４図は本発明の一実施例における検出回路の
回路図、第５図（ａ）及び第５図（ｂ）は本発明の一実
施例の特性を示すグラフ、第６図は従来の検出部の正面
図、第７図は感熱式流量計の基本回路図である。 １……検出部 ２……ホルダ ３……吸気管 ４……リード線 ５……ケース 10……ブリッジ回路 11……基板 R_T……第１感熱抵抗体 R_S……第２感熱抵抗体 R_Tl……第１接続体 R_Sl……第２接続体

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の温度によって抵抗値が変化する第１
   感熱抵抗体と該流体の温度と流速に依存して放熱量が変
   化する第２感熱抵抗体とを含み、前記第２感熱抵抗体が
   前記第１感熱抵抗体よりも所定温度高いときに平衡する
   ブリッジ回路が構成され、前記第２感熱抵抗体の放熱に
   抗して前記第２感熱抵抗体に抵抗発熱を生じさせて前記
   ブリッジ回路の平衡が維持されるように前記第２感熱抵
   抗体への通電電流が制御され、その通電電流値から前記
   流体の流速に関する信号を出力する感熱式流量計のため
   の検出部であって、 前記第１感熱抵抗体と、 前記第１感熱抵抗体を前記検出部の取付部に接続する第
   １接続体と、 前記第２感熱抵抗体と、 前記第２感熱抵抗体を前記検出部の取付部に接続する第
   ２接続体と、 を有し、 ・前記第1,第２感熱抵抗体の抵抗温度係数がほぼ等し
   く、 ・前記第1,第２接続体の抵抗温度係数がほぼ等しく、か
   つ ・基準温における前記第１感熱抵抗体と第１接続体の抵
   抗値の比と、前記第２感熱抵抗体と第２接続体の抵抗値
   の比とがほぼ等しく設定されていることを特徴とする感
   熱式流量計の検出部。
2. 【請求項２】請求項（１）に記載の検出部であって、 該検出部はさらに絶縁基板を有し、 該基板上に前記第１感熱抵抗体、第１接続体、第２感熱
   抵抗体、第２接続体のそれぞれが膜状に形成されるとと
   もに、 前記第１接続体の膜パターンが一直線でなくその長さが
   増大するパターンに形成されていることを特徴とする感
   熱式流量計の検出部。