JP3384538B2 - センサ駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、流量測定装置に関
し、特に、マイクロヒータにヒートパルスを印加して発
熱させ、マイクロヒータによって加熱された検出ガスの
温度を検出ガスの流れる方向に対して下流側で検知する
温度検出素子と上流側で検知する温度検出素子を用いて
検出ガスの流量を算出するセンサ駆動装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来この種のセンサ駆動装置としては、
例えば、特開平５−２０３４７４号公報に開示されたよ
うなものがある。 【０００３】すなわち、発熱手段であるマイクロヒータ
と、マイクロヒータによって加熱された検出ガスの温度
を検出ガスの流れる方向に対して下流側で検知する温度
検出素子及び上流側で検知する温度検出素子を用いて構
成したブリッジ回路（マイクロブリッジ）と、マイクロ
ブリッジから出力されるアナログ信号をディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換回路と、Ａ／Ｄ変換回路からのデ
ィジタル信号に基づいて検出ガスの流量を算出するＣＰ
Ｕを中心にして構成されていた。 【０００４】この様な構成のセンサ駆動装置では、マイ
クロブリッジを用いて下流側温度検出素子の温度検知出
力と上流側温度検出素子の温度検知出力との差信号を求
め、この差信号をＡ／Ｄ変換回路でディジタル信号に変
換し、変換されたディジタル信号に基づいてＣＰＵが検
出ガスの流量を算出していた。 【０００５】しかしながら、この様なセンサ駆動装置で
は、マイクロブリッジを用いて直接的に下流側温度検出
素子の温度検知出力と上流側温度検出素子の温度検知出
力との差信号を求めていたため、信号レベルが低く、信
号のＳ／Ｎ比が十分とれない可能性があり、又外乱ノイ
ズの影響を受けやすいといった技術的課題があった。 【０００６】この様な技術的課題を解決するために、図
４に示すようなセンサ駆動装置が開示されている。図４
に示すセンサ駆動装置は、マイクロヒータ１Ｂによって
加熱された下流側の検出ガスの温度を検出する下流側温
度検出素子（熱電対）１Ａの出力を信号増幅する増幅回
路２Ａと、増幅回路２Ａの出力のピーク値を検出するピ
ークホールド回路３Ａと、ピークホールド回路の出力を
ディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路４Ａとを有し
ていた。又マイクロヒータ１Ｂによって加熱された上流
側の検出ガスの温度を検出する上流側温度検出素子（熱
電対）１Ｃの出力を信号増幅する増幅回路２Ｂと、増幅
回路２Ｂの出力のピーク値を検出するピークホールド回
路３Ｂと、ピークホールド回路の出力をディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換回路４Ｂとを有して行いた。更
に、マイクロヒータ１Ｂにヒートパルスを印加すると同
時に、Ａ／Ｄ変換回路４Ａからのディジタル信号とＡ／
Ｄ変換回路４Ｂからのディジタル信号との差信号に基づ
いて検出ガスの流量を算出するマイクロコンピュータ５
を有していた。 【０００７】この様な構成のセンサ駆動装置は、信号レ
ベルの低い下流側温度検出素子（熱電対）１Ａ及び上流
側温度検出素子（熱電対）１Ｃの出力を予め信号増幅し
ているので、信号のＳ／Ｎ比が十分とれ、又外乱ノイズ
の影響を受け難い回路構成となっていた。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示すような従来のセンサ駆動装置では、下流側温度検出
素子１Ａと上流側温度検出素子１Ｃとに各々別個に増幅
回路とピークホールド回路とＡ／Ｄ変換回路を設ける必
要がある結果、回路規模が大きくなると同時に消費電力
が大きくなってしまうという技術的課題があった。 【０００９】本発明は、このような従来の問題点を解決
することを課題としており、特に、マイクロヒータにヒ
ートパルス信号を印加して発熱させ、マイクロヒータに
よって加熱された検出ガスの温度を検出ガスの流れる方
向に対して下流側で検知する温度検出素子と上流側で検
知する温度検出素子を用いて検出ガスの流量を算出する
センサ駆動装置において、マイクロヒータによって加熱
された検出ガスの温度を下流側で検知して下流側温度検
出素子が生成する下流側検出温度信号と上流側で検知し
て上流側温度検出素子が生成する上流側検出温度信号と
を信号増幅すると同時に、下流側検出温度信号と上流側
検出温度信号との差を求めて差動増幅信号を生成する差
動増幅手段と、ヒートパルス信号に同期して生成された
差動増幅信号のピーク値を検出し保持してサンプルホー
ルド信号を生成するサンプルホールド手段と、マイクロ
ヒータにヒートパルス信号を印加すると共に、サンプル
ホールド信号に基づいて検出ガスの流量を算出する演算
手段を設けることに依り、信号のＳ／Ｎ比が十分とれ、
外乱ノイズの影響を受け難く、且つ回路規模及び消費電
力を低減できるセンサ駆動装置を提供することを目的と
している。 【００１０】 【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、マイクロヒータ２６にヒートパルス信号１４6aを印
加して発熱させ、マイクロヒータ２６によって加熱され
た検出ガス３０の温度を検出ガス３０の流れる方向に対
して下流側で検知する熱電対を用いた温度検出素子と上
流側で検知する熱電対を用いた温度検出素子とを用いて
検出ガス３０の流量を算出するセンサ駆動装置におい
て、前記マイクロヒータ２６によって加熱された検出ガ
ス３０の温度を下流側で検知して前記下流側温度検出素
子２２が生成する下流側検出温度信号２２aと上流側で
検知して前記上流側温度検出素子２４が生成する上流側
検出温度信号２４aとを信号増幅すると同時に、当該下
流側検出温度信号２２aと当該上流側検出温度信号２４a
との差を求めて差動増幅信号１２ａを生成する差動増幅
手段１２と、前記ヒートパルス信号１４6aに同期して生
成された前記差動増幅信号１２ａのピーク値を検出し保
持してサンプルホールド信号１４2aを生成するサンプル
ホールド手段１４2と、前記マイクロヒータ２６にヒー
トパルス信号１４6aを印加すると共に、前記サンプルホ
ールド信号１４2aに基づいて検出ガス３０の流量を算出
する流量演算手段１４を有する、ことを特徴とするセン
サ駆動装置１０である。 【００１１】請求項１に記載の発明に依れば、下流側温
度検出素子２２と上流側温度検出素子２４が生成する数
μＶレベルの微弱信号を信号処理するセンサ駆動装置１
０のフロントエンドにこの様な差動増幅手段１２を設け
ることに依り、マイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換回路
等のディジタル回路で直接処理可能な５Ｖ程度の信号レ
ベルに下流側温度検出素子２２や上流側温度検出素子２
４の数μＶレベルの微弱信号を十分なＳ／Ｎ比を保持し
た状態で増幅することができるようになるといった効果
を奏する。 【００１２】又、この様な信号増幅をセンサ駆動装置１
０のフロントエンドで実行することに依り、センサ駆動
装置１０内での信号処理中において外乱ノイズの影響を
受け難くできるようになるといった効果を奏する。 【００１３】更に、増幅回路を共通化できるので、セン
サ駆動装置１０の回路規模及び消費電力を低減できるよ
うになるといった効果を奏する。 【００１４】 【００１５】 【００１６】 【００１７】この様な演算手段１４6を設けることに依
り、差動増幅信号１２ａのピーク値を用いた検出ガス３
０の流量算出が十分なＳ／Ｎ比を以て可能になるといっ
た効果を奏する。 【００１８】 【発明の実施の形態】図１は、本発明のセンサ駆動装置
１０の一実施形態を説明するための回路図である。図２
は、図１のセンサ駆動装置１０の各構成要素が生成する
出力波形間の時間関係を説明するためのタイミングチャ
ートであって、図２（ａ）は、ヒートパルス信号１４6a
の波形であり、図２（ｂ）は、下流側検出温度信号２２
aの波形であり、図２（ｃ）は、上流側検出温度信号２
４aの波形であり、図２（ｄ）は、下流側検出温度信号
２２aと上流側検出温度信号２４aとの差である差分信号
の波形（２つのピークＰU，ＰLを有する波形）である。 【００１９】図１に示すセンサ駆動装置１０は、図２
（ａ）に示すヒートパルス信号１４６ａをマイクロヒー
タ２６に印加して発熱させ、マイクロヒータ２６によっ
て加熱された検出ガス３０の温度を検出ガス３０の流れ
る方向に対して下流側で検知する温度検出素子２２と上
流側で検知する温度検出素子２４を用いて検出ガス３０
の流量を算出する機能を有し、差動増幅手段１２、流量
演算手段１４を中心にして構成されている。 【００２０】微少流量センサ２０は、シリコン基板上に
形成されたマイクロヒータ２６、マイクロヒータ２６の
両側にマイクロヒータ２６と並列に形成された下流側温
度検出素子２２及び上流側温度検出素子２４を中心にし
て構成されている。 【００２１】マイクロヒータ２６は、加熱エネルギを印
加するために後述する流量演算手段１４から与えられる
ヒートパルス信号１４6aに応じて発熱する熱源であっ
て、具体的には、マイクロヒータ２６と同じマイクロプ
ロセスに依ってシリコン基板上にモノリシックに形成さ
れ白金薄膜抵抗体が用いられている。 【００２２】下流側温度検出素子２２は、マイクロヒー
タ２６によって加熱された検出ガス３０の温度を検出ガ
ス３０の下流側で検知して下流側検出温度信号２２aを
生成する素子である。 【００２３】下流側検出温度信号２２aは、図２（ｂ）
に示すように、上流側検出温度信号２４aに先だって上
流側検出温度信号２４aよりもピーク値の高い信号波形
が得られることが一般的である。 【００２４】この様な下流側温度検出素子２２として
は、マイクロヒータ２６と同じマイクロプロセスに依っ
てシリコン基板上にモノリシックに形成された熱電対が
一般に用いられている。この様な熱電対を用いる場合、
下流側温度検出素子２２の信号レベルは数μＶレベルの
微弱信号となる。 【００２５】同様の主旨で、上流側温度検出素子２４
は、検出ガス３０の温度を検出ガス３０の上流側で検知
して図２（ｃ）に示す様な上流側検出温度信号２４aを
生成する素子である。 【００２６】上流側検出温度信号２４aは、図２（ｂ）
に示すように、下流側検出温度信号２２aに遅れて下流
側検出温度信号２２aよりもピーク値の低い信号波形が
得られることが一般的である。 【００２７】下流側温度検出素子２２やマイクロヒータ
２６と同じマイクロプロセスに依ってシリコン基板上に
モノリシックに形成された熱電対が一般に用いられてい
る。この様な熱電対を用いる場合、上流側検出温度信号
２４aの信号レベルは数μＶレベルの微弱信号となる。 【００２８】差動増幅手段１２は、マイクロヒータ２６
によって加熱された検出ガス３０の温度を下流側で検知
して下流側温度検出素子２２が生成する下流側検出温度
信号２２aと上流側で検知して上流側温度検出素子２４
が生成する上流側検出温度信号２４aとを信号増幅する
と同時に、下流側検出温度信号２２aと上流側検出温度
信号２４aとの差を求めて図２（ｄ）に示す様な差動増
幅信号１２ａを生成する機能を有し、本実施形態では、
微弱信号検出用のローノイズオペアンプを用いることが
望ましい。以降、差動増幅手段１２をローノイズオペア
ンプで代表することにする。 【００２９】ローノイズオペアンプを用いる場合、下流
側検出温度信号２２aと上流側検出温度信号２４aは、ロ
ーノイズオペアンプの反転入力端子と非反転入力端子と
に入力されて差信号（差動増幅信号１２ａ）に変換され
る。なお、数μＶレベルの差動増幅信号１２ａを数Ｖレ
ベルに信号増幅（１２０ｄｂ程度の信号増幅）するため
に、ローノイズオペアンプには、外付け抵抗素子が設け
られることは言うまでもない。又、この様な高い増幅率
を実現するために、ローノイズオペアンプが複数段接続
された増幅回路を用いることも可能である。 【００３０】即ち、下流側温度検出素子２２と上流側温
度検出素子２４が生成する数μＶレベルの微弱信号を信
号処理するセンサ駆動装置１０のフロントエンドにこの
様なローノイズオペアンプ１２を設けることに依り、マ
イクロコンピュータやＡ／Ｄ変換回路等のディジタル回
路で直接処理可能な５Ｖ程度の信号レベルに下流側温度
検出素子２２や上流側温度検出素子２４の数μＶレベル
の微弱信号を十分なＳ／Ｎ比を保持した状態で増幅する
ことができるようになるといった効果を奏する。 【００３１】又、この様な信号増幅をセンサ駆動装置１
０のフロントエンドで実行することに依り、センサ駆動
装置１０内での信号処理中において外乱ノイズの影響を
受け難くできるようになるといった効果を奏する。 【００３２】更に、増幅回路を共通化できるので、セン
サ駆動装置１０の回路規模及び消費電力を低減できるよ
うになるといった効果を奏する。 【００３３】サンプルホールド手段１４2は、ヒートパ
ルス信号１４6aに同期して生成された差動増幅信号１２
ａのピーク値（図２に示すＰLとＰU参照）を検出し保持
してサンプルホールド信号１４2aを生成する機能を有
し、本実施形態では、後述するＡ／Ｄ変換手段１４4の
前段に一般的に用いられているサンプルホールド回路を
用いている。 【００３４】この様なサンプルホールド手段１４2を設
けることに依り、差動増幅信号１２ａのピーク値を用い
た検出ガス３０の流量算出が十分なＳ／Ｎ比を以て可能
になるといった効果を奏する。更に、サンプルホールド
回路を共通化できるので、センサ駆動装置１０の回路規
模及び消費電力を低減できるようになるといった効果を
奏する。 【００３５】Ａ／Ｄ変換手段１４4は、サンプルホール
ド手段１４2（ピークホールド回路）の出力（サンプル
ホールド信号１４2a）を所定ビット数のディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換回路である。 【００３６】図３は、図１のセンサ駆動装置の下流側検
出温度信号２２a、上流側検出温度信号２４a及び差動増
幅信号１２ａと流量との関係を説明するための流量−出
力特性図である。 【００３７】演算手段１４6は、マイクロヒータ２６に
図２に示すヒートパルス信号１４6aを印加すると同時
に、Ａ／Ｄ変換回路１４4からのＡ／Ｄ変換信号１４4a
に基づいて、図３に示すように、検出ガス３０の流量を
算出する機能を有し、本実施形態では、マイクロコンピ
ュータを用いることが望ましい。以降、演算手段１４6
をマイクロコンピュータで代表することにする。 【００３８】具体的には、マイクロコンピュータ１４
は、サンプルホールド信号１４2aのＡ／Ｄ変換信号１４
4aに基づいて、差動増幅信号１２ａの２つのピーク値
（図２に示すＰLとＰU）を検出し、差動増幅信号１２ａ
の２つのピーク値（図３の縦軸、単位は［Ｖ］）を図３
の流量−出力特性図に当てはめて、そのときの検出ガス
３０の流量（単位は［ｌ／ｓｅｃ］）を求めている。な
お、図３の流量−出力特性図において、ＶLは、下流側
検出温度信号２２aのピーク値とそのときの流量との関
係を示す曲線であり、ＶUは、上流側検出温度信号２４a
のピーク値とそのときの流量との関係を示す曲線であ
り、ＶL-UはＶLとＶUとの差をとったもので、その大き
さが流量に略比例して大きくなる。 【００３９】この様なマイクロコンピュータ１４6を設
けることに依り、差動増幅信号１２ａのピーク値を用い
た検出ガス３０の流量算出が十分なＳ／Ｎ比を以て可能
になるといった効果を奏する。 【００４０】 【発明の効果】請求項１に記載の発明に依れば、下流側
温度検出素子と上流側温度検出素子が生成する数μＶレ
ベルの微弱信号を信号処理するセンサ駆動装置のフロン
トエンドにこの様な差動増幅手段を設けることに依り、
マイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換回路等のディジタル
回路で直接処理可能な５Ｖ程度の信号レベルに下流側温
度検出素子や上流側温度検出素子の数μＶレベルの微弱
信号を十分なＳ／Ｎ比を保持した状態で増幅することが
できるようになるといった効果を奏する。 【００４１】又、この様な信号増幅をセンサ駆動装置の
フロントエンドで実行することに依り、センサ駆動装置
内での信号処理中において外乱ノイズの影響を受け難く
できるようになるといった効果を奏する。 【００４２】更に、増幅回路を共通化できるので、セン
サ駆動装置の回路規模及び消費電力を低減できるように
なるといった効果を奏する。 【００４３】 【００４４】演算手段を設けることに依り、差動増幅信
号のピーク値を用いた検出ガスの流量算出が十分なＳ／
Ｎ比を以て可能になるといった効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明のセンサ駆動装置の一実施形態を説明す
るための回路図である。 【図２】図１のセンサ駆動装置の各構成要素が生成する
出力波形間の時間関係を説明するためのタイミングチャ
ートであって、図２（ａ）は、ヒートパルス信号の波形
であり、図２（ｂ）は、下流側検出温度信号の波形であ
り、図２（ｃ）は、上流側検出温度信号の波形であり、
図２（ｄ）は、下流側検出温度信号と上流側検出温度信
号との差である差分信号の波形である。 【図３】図１のセンサ駆動装置の下流側検出温度信号、
上流側検出温度信号及び差動増幅信号と流量との関係を
説明するための流量−出力特性図である。 【図４】従来のセンサ駆動装置を説明するための回路図
である。 【符号の説明】 １０ センサ駆動装置 １２ 差動増幅手段 １２ａ 差動増幅信号 １４ 流量演算手段 １４2 サンプルホールド手段 １４2a サンプルホールド信号 １４4 Ａ／Ｄ変換手段 １４4a Ａ／Ｄ変換信号 １４6 演算手段 １４6a ヒートパルス信号 ２０ 微少流量センサ ２２ 下流側温度検出素子（熱電対） ２２a 下流側検出温度信号 ２４ 上流側温度検出素子（熱電対） ２４a 上流側検出温度信号 ２６ マイクロヒータ ３０ 検出ガス

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 マイクロヒータにヒートパルス信号を印
   加して発熱させ、マイクロヒータによって加熱された検
   出ガスの温度を検出ガスの流れる方向に対して下流側で
   検知する熱電対を用いた温度検出素子と上流側で検知す
   る熱電対を用いた温度検出素子とを用いて検出ガスの流
   量を算出するセンサ駆動装置において、 前記マイクロヒータによって加熱された検出ガスの温度
   を下流側で検知して前記下流側温度検出素子の熱電対が
   生成する下流側検出温度信号と上流側で検知して前記上
   流側温度検出素子の熱電対が生成する上流側検出温度信
   号とを信号増幅すると同時に、当該下流側検出温度信号
   と当該上流側検出温度信号との差である差動増幅信号を
   生成する差動増幅手段と、 前記ヒートパルス信号に同期して生成された前記差動増
   幅信号のピーク値を検出し保持して２つのサンプルホー
   ルド信号を生成するサンプルホールド手段と、 前記マイクロヒータにヒートパルス信号を印加すると共
   に、前記サンプルホールド信号に基づいて検出ガスの流
   量を算出する流量演算手段を有する、 ことを特徴とするセンサ駆動装置。