JP3752962B2 - 熱式空気流量測定装置及びそれを用いた内燃機関並びに熱式空気流量測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な熱式空気流量測定装置及びそれを用いた内燃機関並びにその吸気量検出に好適な熱式空気流量測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より自動車などの内燃機関の電子制御燃料噴射装置に設けられ吸入空気量を測定する空気流量装置として、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから多数使われている。この際、発熱抵抗体は白金線をボビンに巻きつけてガラスでコーティングする、薄膜抵抗体をセラミック基板上やシリコン基板上に形成する等により構成されている。
【0003】
流量の検出方法としては発熱抵抗体を一定温度に加熱し、流れが生じた際に流れる電流を直接検出する方式と、発熱抵抗体の両側に温度検出抵抗体を配置し、温度検出抵抗体の温度差により検出する方式等が上げられる。
【0004】
特に、自動車において、4気筒以下のエンジンの低回転数、重負荷時のように、吸入空気量の脈動振幅が大きく一部逆流を伴う脈動流の場合、従来の空気流量装置では精度が低下するため流れの方向に応じた出力が要求される。発熱抵抗体の両側に温度検出抵抗体を配置し、温度検出抵抗体の温度差により検出する方式は、流れの方向に応じた出力が得られるため、逆流等の出力の検出に適している。
【0005】
いずれの方式も用途に応じて一長一短があるため、アナログ回路で組み合わせて使う方式が特開平9-318412、特開平11-51954等に記載されている。これは、比較的感度の良い温度検出抵抗体の温度差出力が、高流量側では感度が飽和して劣化するため、低流量側で感度が悪く高流量側で感度の良い直接検出する方式の出力と差動増幅器で加算して出力するものである。
【0006】
このように、比較的感度の良い温度検出抵抗体の温度差出力を補償するやり方としては、先の感度を補償するやり方以外に、ヒータの上昇温度により割り算して出力を補償するやり方が特公平6-63801に、温度補償するやり方が特公平6-64080等に記載されている。
【0007】
他に、特に自動車用に温度検出抵抗体の温度差出力を補償するやり方として媒体温度を検出して補償するやり方が特開平6-160142等に記載されている。
【0008】
一方、AD変換を用いたデジタル的なやり方として、測温抵抗体の出力によりゼロ点を補正するやり方が、特開平6-230021に記載されている。また、デジタル的に温度を補正するやり方が、特開平11-94620に記載されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、特に温度検出抵抗体の温度差出力の精度を補償するやり方として、主にアナログ回路を用いた方式がこれまで色々と提案されている。アナログ回路においては、色々な用途に応じて流量の測定範囲の異なる装置を得、かつ精度を向上させるには回路や調整が複雑となり、コストアップ要因となっていた。デジタル的にゼロ点を補償する方式や、温度補償する方式も検討されていたが、センサ全体の感度の調整に関してはあまり考慮されていなかった。
【0010】
本発明の目的は、出力特性の異なる特性のセンサを用いデジタル化された信号を用いた演算手段により感度向上が図られ、また流体の流れの向きに応じて出力でき、感度及び温度補正の容易な測定精度の高い熱式空気流量測定装置及びそれを用いた内燃機関とその熱式空気流量測定方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、気体の流体中に配置される少なくとも1つの発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部に形成された測温抵抗体と、前記発熱抵抗体と測温抵抗体とから前記流体の流量に関係する少なくとも2つの信号を出力する出力手段と、前記流体の流量に関係する少なくとも2つの信号を検出する手段及び該検出された値を量子化(デジタル変換)する量子化手段(デジタル化手段)と、前記2つ以上の量子化された信号に基づいて前記流量を演算する演算手段と、前記量子化手段によって量子化された前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加され、前記量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された複数の信号を各々乗算して出力すること、又は、前記量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された前記複数の信号の大小を判定して、前記信号の大きな方を出力することを特徴とする熱式空気流量測定装置にある。
【0012】
更に、本発明は、前述の熱式空気流量測定装置において、前記発熱抵抗体の近傍に設けられた温度補償抵抗体により前記発熱抵抗体を定温度駆動し前記流体の流量に関係する信号と前記発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部の各々に形成された測温抵抗体間の温度差により前記流量に関する信号とを出力する前記出力手段と、前記演算された値を補正する補正手段とを備えていることを特徴とする。
【0013】
又、本発明は、前述の熱式空気流量測定装置において、前記流量に関係した少なくとも2つの信号は前記発熱抵抗体の発熱量及び前記上流部及び下流部に形成された測温抵抗体間の温度差とに関する信号であること、又、前記測温抵抗体は前記上流部及び下流部の各々に前記発熱抵抗体の長手方向に沿って複数段に配置されていることを特徴とする。
【0014】
本発明は、気体の流体中に配置される少なくとも1つの発熱抵抗体による発熱量に関する信号と、前記発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部の各々に前記発熱抵抗体の長手方向に沿って形成された測温抵抗体の前記上流部及び下流部での温度差に関する信号と、前記温度差以外の前記流体の流れの差に応じた信号とに基づいて前記流体の流量及び方向を検出し、前記発熱抵抗体からの前記信号と前記温度差による前記信号とを量子化(デジタル変換)して、前記2つ以上の量子化された信号に基づいて前記流量と方向とを演算すると共に、前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加されて前記量子化され、該量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された複数の信号を各々乗算して出力すること、又、前記量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された前記複数の信号を各々集算して出力する特徴とする空気流量の熱式測定方法にある。
【0015】
即ち、本発明は、発熱抵抗体と、温度補償抵抗により発熱抵抗体を定温度駆動し流量を検出する手段と、発熱抵抗体の両側に温度検出抵抗体を配置し温度検出抵抗体の温度差により流量を検出する手段と、発熱抵抗体の流量に応じた信号と温度差の流量に応じた信号を量子化手段(ディジタル化手段)と、双方の信号入力により量子化演算(デジタル演算)して補正及び調整を施す手段とを有し、前記量子化手段によって量子化された前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加されて前記量子化され、前記量子化手段によって量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された複数の信号を各々乗算して出力すること、又は、前記量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された前記複数の信号の大小を判定して、前記信号の大きな方を出力するものである。
【0016】
本発明により、測定範囲の異なる用途においても、2つの異なる検出原理を用いた流量信号を用い、ディジタル的な最適化演算により、容易に出力感度を調整し、精度を向上することが可能となる。
【0017】
本発明における前述の一次式以上の関数は、(q1=a1×f1+b1、q2=f2、…)、(q1=f1、q2=a2×f2+b2、…)及び(q1=a1×f1+b1、q2=a2×f2+b2、…)のいずれかで表されるものであり、温度に対する関数は、(a1=c1×Ta+d1、b1=c2×Ta+d2、…)、及び前記量子化された信号に対する関数は、(a1=g1×f1+h1、b1=g2×f1+h2、…)である。前述の関数は二次式又は三次式の関数を用いる事が出来る。
【0018】
本発明により、測定範囲の異なる用途においても、2つの異なる検出原理を用いた流量信号を用い、ディジタル的な最適化演算により、容易に出力感度を調整し、精度を向上することが可能となる。
【0019】
自動車などの内燃機関の吸入空気量を測定する熱線式空気流量計において、色々な用途に応じて流量の測定範囲の異なる装置を提供し、かつセンサ全体の感度を調整して精度を向上させると共に回路や調整を単純にしたものである。
【0020】
以上の様なデジタル的な補正により感度が良好で精度の良い空気流量計を得ることで、自動車のエンジン制御における最適化が図られエンジンからの排ガスを低減できるといった効果がある。
【0021】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は本発明の熱式空気流量計の駆動回路図である。熱線駆動回路1は電源101に接続され空気流量に応じた出力する。熱線駆動回路1は発熱抵抗体211a、温度補償抵抗211c、抵抗13、14、17からなるホイーストンブリッジ回路により、ブリッジ中点の電位差がゼロになるように差動増幅器15、トランジスタ16によって発熱抵抗体211aに流れる電流を調整するように構成されている。発熱抵抗体211aの加熱温度が低いと、差動増幅器15の出力が大きくなり、更に加熱するように動作する。この構成により空気流速によらず発熱抵抗体211aの抵抗値は一定に、すなわち温度が一定値になるように発熱抵抗体211aに流れる電流が制御される。このとき、発熱抵抗体211aによる空気流速に対応する信号は、発熱抵抗体211aを流れる電流を抵抗13で電圧に変換することで電圧信号V2を得、デジタル補正回路220に入力する。
【0022】
ここで発熱抵抗体211aは、例えば板型のガラスやセラミック基板上に、発熱体として白金やタングステンの薄膜や厚膜が形成されたものである。
【0023】
特に、発熱抵抗体211aはシリコンなどの半導体基板上に、発熱体として白金やタングステンの薄膜や厚膜、ポリシリコン抵抗体や、単結晶シリコンの抵抗体が形成されたものである。
【0024】
発熱抵抗体211aは自動車等の内燃機関の吸気通路内に設けられ、吸気通路に流れる空気流量に対応した電圧出力V2が得られる。この電圧を差動増幅器で増幅して使うのが通常の直接検出するタイプの熱式空気流量計の構成である。
【0025】
一方、発熱抵抗体211aの両側に温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gを配置し、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gでブリッジを構成し中点の電位Vb1、Vb2の差より抵抗体の温度差を検出する方式は、流れの方向に応じた出力が得られる。ここで温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gは電源電圧Vref1により一定電圧で駆動されるものである。この抵抗体の温度差を検出する方式は、差動で検出するため低流量側の感度が良く、逆流といった双方向の流れの検出に適しているが、定電圧で駆動されるため高流量側の感度が制限されやすい。
【0026】
図2は発熱抵抗体211aをシリコン半導体基板上211に薄膜で構成したパターン図の一例である。発熱抵抗体211aは縦長で抵抗が折り返したパターンで、この両側に温度検出用の抵抗体211d、211e、211f、211gが配置された構造となっている。この、発熱抵抗体211aと、温度検出用の抵抗体211d、211e、211f、211gは、例えばシリコン基板211の裏面からエッチングされ熱容量が小さなダイヤフラム構造部に抵抗体が配置されたものである。温度補償抵抗211cは、発熱抵抗体211aの加熱による温度影響が受けにくい場所に配置されている。
【0027】
具体的な温度差の流量検出の原理を説明する。ここで通常空気の流れは、AからBに対して流れる。流れの無い場合でも、発熱抵抗体211aにより加熱されヒータに温度分布が生じる。温度検出用の抵抗体211d、211e、211f、211gは流れの無い状態では、理想的には抵抗値がすべて同じでありブリッジ回路を構成しても出力は発生しない。ここで空気の流れが生じると、発熱抵抗体211aの両側の温度分布が変わり、流量に応じた出力が得られる。具体的には、発熱抵抗体211aの上流側の温度検出用の抵抗体211d、211eの抵抗値が温度が下がることにより下がり、下流側の温度検出用の抵抗体211f、211gの抵抗値が、発熱抵抗体211aの熱を受けて温度が上がることにより上がり、上下流で生じた温度差を抵抗値の変化として得ることができる。
【0028】
以上の様に、温度検出用の抵抗体を、発熱抵抗体211あの長手方向に複数用いてブリッジを構成すれば特に温度差の検出感度を向上させることができる。原理的には、上流側、下流側に2つの温度検出用の抵抗体を配置し、特に温度検知しない2つの抵抗体と組み合わせてブリッジを構成しても同様の検知が可能である。ただし、温度検出用の抵抗体の変化に対する出力電圧の感度が、先の発熱抵抗体211aの長手方向に温度検出用の抵抗体を複数用いた場合よりも低下することになる。温度検出用の抵抗体の温度依存性が高いような場合では、上流側、下流側に各1つの合計2つの温度検出用の抵抗体を設けただけでも構わないが、温度検出用の抵抗体の温度依存性が低く出力感度が得にくい場合は、温度検出用の抵抗体を上流側と下流側とに各々複数、特に2個づつ設けるのが望ましい。
【0029】
図3はシリコン基板上に形成した抵抗体の断面図である。抵抗パターンのある場所が最も厚みがある構造となっている。本実施例においては、この温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gのブリッジ中点の電位Vb1、Vb2も、デジタル補正回路220に入力する。デジタル補正回路220は、2つのアナログ・ディジタル変換器221a、221bを有し、流量に応じた電圧値をデジタル値に変換して読み取り、ディジタル量として演算により調整し、ディジタル・アナログ変換器224の出力電圧Voutとしてエンジンコントロールユニット等に信号を送るものである。ここでデジタル補正回路220は、CPU222a、RAM222b、ROM222cからなる演算回路222と、発振器226、PROM223等により構成される。ここでPROM223は、個別センサの出力感度のばらつき等を調整値として一回以上記録することができるものであればよく、電気的な書き換え可能なEEPROMやフラッシュROM等にのみ限定されるものではない。
【0030】
また、外部から供給される電圧Vccを電源として内部の電源・保護回路228に入力し、外部電圧Vccに依存した電源電圧Vref1としてスイッチ225a、225bを介し、アナログ・ディジタル変換器221a、221b、ディジタル・アナログ変換器224に接続され基準として用いられている。ここでスイッチ225a、225bは、デジタル補正回路220の内部の基準電圧回路229で発生した電圧Vref2と、先の外部電圧Vccに依存した電源電圧Vref1を切り替えるものである。ここでアナログ・ディジタル変換器221a、221bは、ブリッジ回路の出力Vb1、Vb2、V2等を直接入力しているため精度が必要となるが、精度を確保し、かつ回路規模を小さくするには例えばΔΣ型のアナログ・ディジタル変換器を用いればよい。
【0031】
本実施例では、先の発熱抵抗体211aを流れる電流を抵抗13で電圧に変換することにより得た電圧信号V2と、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gの流量に応じた温度差を示すブリッジ中点の電位Vb1、Vb2のデジタル化のアナログ・ディジタル変換器を分離して設けている。これは、双方の流量検出の原理によるものからで、それぞれに最適化し易い構成としたものである。
【0032】
電圧信号V2は、フィードバックにより熱線駆動回路1のブリッジの電圧を変えているものであり、出力はデジタル補正回路220の電源Vcc等には依存しない。そのため、アナログ・ディジタル変換の際には独立した基準電圧が必要となり、基準電圧Vref2を設けてアナログ・ディジタル変換器221bに基準として印可するものである。
【0033】
これに対し、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gは電源電圧Vref1により一定電圧で駆動されるものであるが、電源電圧Vref1の変動によりブリッジ中点の電位Vb1、Vb2が増減する。これを取り除くための一つの方法が、アナログ・ディジタル変換器221aの基準電圧を電源電圧Vref1として、電源電圧Vref1と同様にデジタル変換の際の読み値を変化させるものである。本実施例では、特にスイッチ225aを設けてアナログ・ディジタル変換器221aの基準電圧を切り替えられる構成としている。電源電圧Vref1の変動が非常に少ない場合は、基準電圧回路229の基準電圧Vref2でも構わない。
【0034】
また、ディジタル・アナログ変換器224も同様に、スイッチ225bにより基準電圧を変えることが出来るようになっている。これは、アナログ値でインターフェイスする場合の基準を自由に選択するためであり、接続されるコントロールユニット側のアナログ・ディジタル変換器の基準電圧と、外部から供給される電圧Vccが同様もしくは、同期して変動する場合は電源電圧Vref1を基準とし、コントロールユニット側とは関連性が無い場合は独立した基準電圧Vref2を選択し、対応するコントロールユニットによって対応が容易でアナログインターフェイスのアンマッチングによる誤差の少ない構成としたものである。
【0035】
デジタル補正回路220を、以上の様な構成とすることで出力の感度が向上し、調整の容易な空気流量計を得ることができる。詳細な動作を図4により説明する。先に説明した、発熱抵抗体211aを流れる電流を抵抗13で電圧に変換することにより得た電圧信号V2の流量に対する出力特性をf1とし、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gの流量に応じた温度差を示すブリッジ中点の電位Vb1、Vb2の差電圧dVの、流量に対する出力特性をf2としている。
【0036】
出力特性をf1は、流量がゼロの状態でも発熱抵抗体211aの加熱電流が流れるため、原点を通らないオフセットした出力電圧特性となる。出力特性は、流量がゼロの状態では自己加熱時の自然対流等によるゼロ点変動が生じ易いが、高流量においては電源電圧が許す範囲で出力が飽和しない特性となる。このため、熱容量の小さな発熱抵抗体211aを用いた場合には特に、低流量側の感度が悪化することになるが高流量側に関しては感度が良好な特性となる。
【0037】
これに対して、出力特性f2はブリッジの差の出力をとるため、理想的には流量ゼロで原点を通る特性となる。特に、流量ゼロからの低流量側の感度が良好となるが、高流量側においては抵抗の温度差が付きにくくなり、変化が小さく出力が飽和する様な特性となりやすい。
【0038】
以上の特性を実際に用いるには通常、差動増幅器等で増幅しゼロ点を調整するゼロスパン調整をアナログ的に施す。それによって見かけ上の感度特性は比較的良くなるが、出力特性f1、f2の基本的な感度の傾向は変わらない。すなわち、出力特性f1は、低流量の感度が悪く高流量側の感度が良いのに対し、出力特性f2は、低流量の感度が良く高流量側の感度が悪いと相反する特性となる。これらの特性を改善するために、差動増幅器等で構成するアナログ的な演算回路により特性を変化させることが考えられる。しかしながら感度補償のためのアナログ的に複雑な演算と、センサの個体差を補償するための調整等を全てアナログ的にすることは調整回路を複雑にし、調整方式も複雑となりコスト増の要因となる。
【0039】
以上の点を改善すべく、先に述べたデジタル補正回路220を用いてデジタル的な演算を施すことにより目的を達成できる。具体的には、出力特性f1、f2を一次以上の関数式によりそれぞれの感度を補正する。
【0040】
【0041】
次に感度を補正した結果どうしを乗算する。
【0042】
【0043】
その結果、出力特性f1、f2の基本的な感度の傾向に対し、低流量側から高流量側まで感度の良好な特性を得ることが出来るようになる。図5に示すように、
【式3】の演算結果を実際に用いるには、さらにインターフェイスの際に出力レベルの調整が必要となる。
【0044】
但し、A=ga・a1・a2,B=ga・a1・b2,C=ga・a2・b1,D=ga・b1・b2+offとする。
【0045】
以上の様に、デジタル的な補正手段を設けることで、基本的なセンサの感度補正と出力補正が同時にかつ容易に可能となる。以上の様な
【式1】から
【式4】までを、順番に計算してもよいし、
【式5】のように、一括して計算しても良い。
【式5】の場合は、事前にパラメータを計算し、その結果を記録することで、個別に補正パラメータを持つよりも変数の数が少なくてすむという利点がある。
【0046】
本実施例によれば、特に出力特性f1、f2の異なる特性のセンサを用いた場合にデジタル的な演算手段により感度向上が図られ、また感度補正のための変数が少なくなり調整が簡素化されるといった効果がある。
【0047】
図6は、本発明の実施例によるセンサ出力電圧特性補正の一例を示す線図である。空気流量の流れの向きを考慮してデジタル的な補正手段を用いた場合の実施例である。先に述べた、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gの流量に応じた温度差を示すブリッジ中点の電位Vb1、Vb2の差電圧dVの流量に対する出力特性をf2は、流れの方向に応じて出力が符号付きで得られる。図6には出力特性f1、f2を一次以上の関数式により感度を補正した出力、q1、q2を示す。
【0048】
温度差式の出力q2は流量がプラスの場合はプラスの出力で、流量がマイナスの場合はマイナスの出力となる。これは、例えば先のデジタル補正回路220のアナログ・ディジタル変換器221aが差動入力可能な構成であり、プラスマイナスのアナログ差動入力に対して符号付きのデジタル信号に変換するような構成の場合に達成される。特に、流れの向きにより感度が異なる場合は、
【式2】においてパラメータa2、b2を流れの向きに応じてa2u、b2u、a2d、b2dと複数用意し、感度を変えることで最適化を図ることも可能である。
【0049】
これに対し、直熱式の出力q1は流量がプラスの場合でも、マイナスの場合でもプラスの出力で流れの方向に対して符号が付かない。これは、例えば先のデジタル補正回路220のアナログ・ディジタル変換器221bがグランド基準に入力可能な構成であり、プラスのアナログ入力に対して符号無しのデジタル信号に変換するような構成の場合に達成される。この場合特に
【式1】において、パラメータa1、b1によりq2のゼロ点と、q1のゼロ点を一致させるように感度を調整する。
【0050】
以上の様な符号付きの温度差式の出力q2と、符号無しの直熱式の出力q1を用いた場合にでも、先の実施例に述べたように
【式3】により感度補正の演算をすればよいが、乗算結果q3も符号付きとする必要がある。
【0051】
本実施例によれば、特に出力特性f1、f2が異なり、かつ符号無しの出力と符号付きの出力といった符号の異なる特性であっても、ディジタル的に補正することで容易に符号付きの演算を実現でき、流量の流れの向きによらず感度補正ができ、性能が向上するといった効果がある。
【0052】
図7は、空気流量の流れの向きを考慮してデジタル的な補正手段を用いた場合のセンサ出力電圧と流量との関係を示す線図である。先に述べた、温度差式の出力q2は流れの方向に応じて出力が符号付きで得られる。これに対し、直熱式の出力q1は流れの方向に対して符号が付かない。しかしながら、この場合特に
【式1】においてパラメータa1、b1により、高流量側で温度差式の出力q2を超え、q2のゼロ点と、q1のゼロ点を一致させるように感度を調整する。また、温度差式の出力q2の符号を判定することで、流量がマイナスの場合に直熱式の出力q1に符号を付けた出力−q1を準備する。
【0053】
低流量側の感度と高流量側の感度を両立するために、温度差式の出力q2と直熱式の出力q1とを大小判定する。これは、例えば流量がプラスの場合は大きい方を、流量がマイナスの場合は小さい方を選択するといった条件判定により実現される。この場合は、次の様になる。
【0054】
【0055】
ここで、マイナスは符号付きを現している。パラメータを最適化することにより、流量に応じて選択した流量出力q3は、切り替え時の段差の少ない滑らかな曲線を得ることも出来る。また、判定演算により先の
【式3】に示すような乗算処理を省くことができる。
【0056】
本実施例によれば、特に出力特性f1、f2が異なり、かつ符号無しの出力と符号付きの出力といった符号の異なる特性であっても、ディジタル的な補正及び判定手段により感度補正ができ、簡単に性能が向上するといった効果がある。
【0057】
図8は、吸気温度による誤差と特性補正の一例を示す線図である。特に出力特性f1、f2が異なる特性を組み合わせて用いた場合の温度特性の改善を図るものである。常温時に対して吸気温度が変化した場合の出力誤差を考えると、直熱式の出力ft1は吸気温度に応じて加熱温度も上昇するため吸気温度に対してプラスの温度特性を持ちやすい傾向がある。これに対し、温度差式の出力ft2は定電圧で駆動した場合マイナスの温度特性を持ちやすい傾向がある。これらの温度特性の中で直熱式の出力ft1は、ブリッジ内の温度補償抵抗17の変更により特性を変えることができる。しかしその場合では、必ずしも温度特性が一様でないため調整が複雑となる。これに対し、デジタル的に演算補正をすることで、各特性の温度に対する誤差の割合を変えることで温度特性を改善が容易に可能となる。
【0058】
これは、先に述べた
【式1】
【式2】において吸気温度に対する変化の割合に応じて、各パラメータを設定することで可能となる。例えば、直熱式の出力ft1が温度差式の出力ft2よりも極性が逆で2倍大きいとすると、
【式1】
【式2】のパラメータを調整し、温度特性が逆となる特性qt1、qt2を得る。これを
【式3】を用いて演算することで、吸気温度特性の良好な特性qt3を得ることが出来る。
【式1】のパラメータは例えば次のように吸気温度Taに対して補正される。
【0059】
【0060】
本実施例によれば、特に出力特性f1、f2が異なり、かつ温度特性が異なる特性であっても、ディジタル的な補正手段を用いることで温度特性性能が向上するといった効果がある。
【0061】
図9は、流量による誤差と特性補正の一例を示す線図である。特に出力特性f1、f2が異なる特性を組み合わせて用いた場合の流量依存特性の改善を図るものである。これは、流量に応じた出力の基本特性に対して周囲温度や、素子のバラツキ等による変動の具合を示す。一般に、直熱式の出力fe1、温度差式の出力fe2共に低流量側での誤差が大きくなる。これは、相対的な誤差であるため流量が小さくなるほど変動に対する許容量が減り、見かけ上の変動が同じでも誤差の割合が増加するためである。この様な場合でも、先の吸気温度の補正と同様にパラメータを調整することで、流量依存性が改善される。例えば、直熱式の出力fe1が温度差式の出力fe2の誤差がに対して、流量依存性が最小となる特性qe1、qe2を得る。これを
【式3】を用いて演算することで、流量依存性の良好な特性qe3を得ることが出来る。
【式1】のパラメータは例えば次のように直熱式の出力f1に対して補正される。
【0062】
【0063】
これまで述べた、各特性に対して最適なパラメータを予め計算し各センサに最適なパラメータを用いてディジタル的な補正を施すことで、感度が最適で吸気温度特性、流量依存性が良好な空気流量計を得ることが可能となる。
【0064】
本実施例によれば、特に出力特性f1、f2が異なるセンサを用いて、各使用条件に対してディジタル的な補正手段を用いて最適化を図ることで、感度が最適で吸気温度特性、流量依存性が良好な空気流量計を低コストで得ることができるといった効果がある。
【0065】
特に出力特性f1、f2の異なる特性のセンサを用いた場合にデジタル的な演算手段によりより感度向上が図られ、また感度補正のための変数が少なくなり調整が簡素化されるといった顕著な効果がある。同時に、流量の流れの向きに応じて感度補正、温度補正が容易となり性能が向上するといった効果がある。更に、空気流量測定精度が向上するので、自動車のエンジン制御に用いる際にはエンジンの排ガスを低減できる効果がある。
【0066】
(実施例2)
図10は本発明の熱式空気流量計の駆動回路図である。これは、先の図1に対してデジタル補正回路220内の基準電圧を外部に設けた場合の構成の一例である。熱線駆動回路1は電源101に接続され空気流量に応じた出力する。電源回路5も同様に、電源101に接続され基準電圧回路51により電圧Vref3を発生する。この電圧Vref3はデジタル補正回路220、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gによるブリッジ回路の電源として供給される。
【0067】
本実施例においては、この温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gのブリッジ中点の電位Vb1、Vb2は、抵抗32、33、34、35、36、37と、差動増幅器31によりオフセット電圧Voffを基準として増幅された温度差電圧Vb3として、デジタル補正回路220のアナログ・ディジタル変換器221cに入力する。
【0068】
また、先の発熱抵抗体211aを流れる電流を抵抗13で電圧に変換することにより得た電圧信号V2と、熱線駆動回路1のブリッジ回路の印可電圧V1を抵抗212、213で分圧した電圧Vr1を、同様にデジタル補正回路220のアナログ・ディジタル変換器221cに入力する。アナログ・ディジタル変換器221cは、基準電圧回路51により発生した電圧Vref3を基準とし、流量に応じた電圧値をデジタル値に変換して読み取りディジタル量として演算により調整し、ディジタル・アナログ変換器224の出力電圧Voutとしてエンジンコントロールユニット等に信号を送るものである。
【0069】
ここでディジタル・アナログ変換器224は、基準電圧回路51により発生した電圧Vref3と、外部電圧Vccをスイッチ225bにより切り替え可能な構成としている。これは、アナログ値でインターフェイスする場合の基準を自由に選択するためであり、接続されるコントロールユニット側のアナログ・ディジタル変換器の基準電圧と、外部から供給される電圧Vccが同様もしくは、同期して変動する場合はを電圧Vcc基準とし、コントロールユニット側とは関連性が無い場合は独立した基準電圧Vref3を選択し、対応するコントロールユニットによって対応が容易でアナログインターフェイスのアンマッチングによる誤差の少ない構成としたものである。
【0070】
ここでアナログ・ディジタル変換器221a、221bは、入力が多数となるため一つのアナログ・ディジタル変換器をスイッチで切り替えて使う様な構成とすることが望ましい。変換スピードを確保し、かつ回路規模を小さくするには例えば逐次比較型のアナログ・ディジタル変換器を用いればよい。その場合、アナログ・ディジタル変換器221cはグランド基準に入力可能な構成であり、プラスのアナログ入力に対して符号無しのデジタル信号に変換するような構成となる。
【0071】
図11は双方向の空気流量に対するセンサ出力電圧特性演算補正の一例を示す線図である。デジタル補正回路220を、以上の様な構成とすることでも先の実施例と同様に出力の感度が向上し、調整の容易な空気流量計をより小さな回路規模で得ることができる。先に説明した、発熱抵抗体211aを流れる電流を抵抗13で電圧に変換することにより得た電圧信号V2の流量に対する出力特性をf1とし、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gのブリッジ中点の電位Vb1、Vb2をオフセット電圧Voffを基準として増幅した温度差電圧Vb3の流量に対する出力特性をf2としている。
【0072】
ここで、出力特性をf1には電圧信号V2の代わりにブリッジ回路の印可電圧V1を抵抗212、213で分圧した電圧Vr1を用いても構わない。V2、V1の違いは温度特性の違いであり、抵抗17により温度特性が調整されるがV2よりもV1の方が温度依存性を小さくし易いという特徴がある。また、発熱抵抗体211aの両端の電圧を測定することで、発熱抵抗体211aの加熱温度Thを計算でき、温度依存性を低減するために加熱温度Thを用いた温度補償を施すこともできる。この場合の各パラメータの演算は例えば次のようになる。
【0073】
【0074】
流量に対する出力特性をf2は、流れの方向に応じて出力が増減して得られる。温度差式の出力q2は、オフセットした流量q0に対して流量がプラスの場合はプラスの出力で、流量がマイナスの場合はマイナスの出力となる。特に符号が付かないためオフセットした流量q0を考慮した補正演算が必要となる。直熱式の出力q1は流量がプラスの場合でも、マイナスの場合でもプラスの出力のみで、流れの方向を考慮する必要が無い。
【0075】
以上の様な符号無しのオフセットされた温度差式の出力q2と、符号無しの直熱式の出力q1を用いた場合には、流れの向きを考慮した補正演算とする必要がある。
【0076】
一例として、先の
【式1】
【式2】により出力特性f1、f2より、感度補正されたq1、q2を得る。ここで流量がプラスの範囲を領域aとし、その場合の温度差式の出力をq2a、直熱式の出力をq1aとし、流量がマイナスの範囲を領域bとし、その場合の温度差式の出力をq2b、直熱式の出力をq1bとする。これらを、乗算して得られる補正出力は流量により条件を分離して行う。
【0077】
【0078】
図12は双方向の空気流量に対するセンサ出力電圧特性判定補正の一例を示す線図である。図12に示すように、これはオフセットした流量及び、流れの向きによる領域判定を用いて大小判定により感度補正を施すものである。いずれも先の実施例と同様の効果が得られる。
【0079】
本実施例によれば、特に出力特性f1、f2が異なり、かつ符号無しの出力特性であっても、ディジタル的に補正することで容易に符号付きの相当の演算を実現でき、流量の流れの向きによらず感度補正ができ、性能が向上するといった効果がある。また、これを実現するためのデジタル補正回路220の構成が簡単になるため、汎用性のあるマイクロコンピュータを用いても達成が容易であるといった効果がある。
【0080】
(実施例3)
図13は本発明の熱式空気流量計の駆動回路図である。図13に示すように外部電圧Vccをアナログ・ディジタル変換器221cに直接入力して、外部電圧に対する依存性の演算をデジタル補正回路220の中で演算しても、これまでと同様の効果が容易に得られる。また、温度補償抵抗211cの両端電圧を入力することで吸気温度が計算でき、吸気温度の補正及び吸気温度の出力に用いることができる。本実施例ではディジタル・アナログ変換器224bを設け吸気温度のアナログ出力を実現している。本実施例によれば、チャンネル数の多いアナログ・ディジタル変換器を用いることで、より高精度にかつ高機能な空気流量計を得ることができる。
【0081】
(実施例4)
図14は本発明の熱式空気流量計の駆動回路図である。図14に示すようにブリッジ電圧V1を分圧して検出する際、分圧抵抗の片方を、温度補償抵抗211cと同様の温度係数を持つ抵抗体211hや、サーミスタ等を用いることで、V1出力の温度特性を別途改善することも可能となる。この様にすることで、温度検出抵抗体211d、211e、211f、211gの温度特性に対し、より汲め細かく温度依存性をあらかじめ所望の特性に改善できる。分圧抵抗の配置を変えれば、温度特性の方向性(プラス温度特性か、マイナス温度特性か)も変えることができる。また、吸気通路内に配置された温度補償抵抗体211hに対し、分圧抵抗213をディジタル補正回路220内部、もしくはディジタル補正回路220が実装された基板内に配置され、基板温度を検出するために所望の温度係数を持つ抵抗体とすることで、基板温度の影響も低減することが可能となる。
【0082】
図15は吸気温度に対する各抵抗体の温度依存性を示す線図である。図に示すように、本来の直熱式の温度特性vt1に対し、温度補償抵抗体211hにより特性を改善したvtaを得る。これに対し、基板温度を補償したvtmにより吸気温度、基板温度を補償した出力vt3を得ることができる。
【0083】
以上の結果をデジタル補正回路220の中で演算することで、温度特性の良好な出力をえることができる。本実施例では吸気温度に依存した抵抗体211hを設け吸気温度の補償をあらかじめ施すことで、チャンネル数の少ないアナログ・ディジタル変換器を用いても、温度特性の良好な空気流量計を得ることができる。
【0084】
(実施例5)
図16は、演算補正と出力切り替え出力の一例を示す回路図である。本発明の入出力のソフトウェア処理を説明する。図16は、アナログディジタル変換処理311a、311bにより得た信号f2、f1を、先の実施例で説明したようにディジタル演算補正処理312によりパラメータa1,a2,b1,b2等を用いて特性を改善した信号q3を得る。この信号q3を空気流量変換処理313aにより空気流量に変換した信号qv3を得る。ここで、例えばこの空気流量は電圧―流量変換マップと呼ぶテーブルにより電圧を流量に変換したものである。この、電圧―流量変換マップと呼ぶテーブルはセンサ毎に個別に用意するものであってもよいし、代表特性を用いてセンサ毎に個別に補正テーブルを別途用意するものであってもよい。これらは、一度以上の書き込みが可能で電源がなくても記録が保持されるPROMと呼ぶ記憶素子等にに記録される。
【0085】
本実施例において、信号に関しては演算後の信号q3、空気流量に変換された信号qv3を外部からの信号により切り替え可能なソフトスイッチ316aで切り替え、出力に関してはパルス変換処理314により周波数に変換された出力fout、ディジタル・アナログ変換処理315された電圧値Voutをソフトスイッチ316b,316cにより切り替えることで図17に示すような出力を任意に得ることが可能となる。これは、ディジタル化することにより容易に実現できるものであり、複数の出力インターフェイスを一つのディジタル補正回路220により実現することで部品の共通化が図られ低コスト化が可能となる効果がある。
【0086】
(実施例6)
図18は、演算補正と出力切り替え出力の一例を示す回路図である。別の入出力のソフトウェア処理を説明する。図18は、アナログディジタル変換処理311a、311bにより得た信号f2、f1を、個別に図19に示すような電圧―流量変換マップと呼ぶテーブルにより電圧を流量に変換する。これは、二つの信号の特徴が異なるため、別々にテーブルを用意するものである。個別に空気流量変換処理313b,313cにより変換された信号qv2,qv1は、演算処理312により先の実施例のように出力の感度を補償した信号qv3を得、パルス変換処理314によりディジタル信号をパルス信号のデューティに変換する。これを、外部からの信号により切り替え可能なソフトスイッチ316dで複数の異なる特性をもったフィルタ317a,317b、フィルタなし等を切り替え、パルス出力もしくは平滑されたアナログ信号を得ることが可能となる。特に、フィルタの特性を用途に応じて変えることで高精度なアナログ出力を得ることも可能となる。一般的に、このようなパルスをフィルタ変換した場合は、精度と応答性の関係がトレードオフとなるため、応答性を要求する場合や、制度を要求する場合でもディジタル化により容易に対応が可能となる。図20に出力特性の一例を示すが、流量に対しての出力信号をディユーティα、出力電圧ともに同様な直線化した出力を得ることができる。以上の結果により、低コストで高精度の出力を得ることができるという効果がある。
【0087】
(実施例7)
図21は、演算補正と空気流量変換後の切り替え出力の一例を示す回路図である。他別の入出力のソフトウェア処理を説明する。図21は、アナログディジタル変換処理311a、311bにより得た信号f2、f1を、個別に図19に示すような電圧―流量変換マップと呼ぶテーブルにより電圧を流量に変換する。これは、二つの信号の特徴が異なるため、別々にテーブルを用意するものである。個別に空気流量変換処理313b,313cにより変換された信号qv2,qv1は、演算処理312により先の実施例のように出力の感度を補償した信号qv3を得る。これを、外部からの信号により切り替え可能なソフトスイッチ316eで3つの異なる空気流量を、ディジタル・アナログ変換処理315された電圧値Voutとして得ることが可能となる。出力特性を図22に示す。また、演算処理312においては複数の補正パラメータをk1,k2,k3,k4....を用意することで、2つの流量信号qv2,qv1と演算後の出力qv3の相互関係を調整できる。これは、出力の調整等において特に有効であり、容易にかつ精度よい調整が可能となる。一例を示すが、初期特性において異なる特性、異なる温度特性を持つ信号qv2,qv1を先にソフトスイッチ316eによりアナログ値として読み取り、補正パラメータa1,a2,b1,b2,k1,k2,k3,k4....を用いて補正後の信号qv3を得る。信号qv2,qv1がばらついたりした場合に特に、パラメータの抽出が容易になり、感度、温度に対してより精度のよい信号を得ることができる。
【0088】
これは特に、汚れ等により特性が変化するような場合に信号qv2,qv1、qv3を個別に得ることで、誤差の補正、再調整が容易になり長期的な特性を補償することができるようになる。本実施例においては、より高度な調整により高精度なセンサを低コストで提供することが可能となる。
【0089】
以上の様なデジタル的な補正により感度が良好で精度の良い空気流量計を得ることで、自動車のエンジン制御における最適化が図られエンジンからの排ガスを低減できるといった効果がある。
【0090】
【発明の効果】
本発明によれば、出力特性の異なる特性のセンサを用いデジタル化された信号を用いた演算手段により感度向上が図られ、また流体の流れの向きに応じた出力が得られ、それによる感度及び温度補正が容易な測定精度の高い熱式空気流量測定装置とその測定方法及び熱式空気流量計が得られる。更に、以上のデジタル的な補正により感度が良好で精度の良い空気流量計を得ることで、自動車のエンジン制御の最適化が図られるので、エンジンからの排ガスを低減できる効果がえられる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱式空気流量測定装置の駆動回路図。
【図2】シリコン基板上に形成された発熱抵抗体を有する熱式空気流量計のパターン図。
【図3】図2のA−Bの断面図。
【図4】本発明の熱式空気流量計の出力電圧特性補正の一例を示す線図。
【図5】空気流量に対する熱式空気流量計の出力電圧特性の出力調整の有無。
【図6】双方向の空気流量に対する熱式空気流量計の出力電圧特性の演算補正の一例を示す線図。
【図7】双方向の空気流量に対する熱式空気流量計の出力電圧特性の判定補正の一例を示す線図。
【図8】吸気温度による誤差と特性補正の一例を示す線図。
【図9】流量による誤差と特性補正の一例を示す線図。
【図10】本発明の熱式空気流量測定装置の駆動回路図。
【図11】双方向の空気流量に対する熱式空気流量計の出力電圧特性の演算補正の一例を示す線図。
【図12】双方向の空気流量に対する熱式空気流量計の出力電圧特性の判定補正の一例を示す線図。
【図13】本発明の熱式空気流量測定装置の駆動回路図。
【図14】本発明の熱式空気流量測定装置の駆動回路図。
【図15】吸気温度、基板温度による誤差と特性補正の一例を示す線図。
【図16】演算補正と出力切り替え出力の一例を示す線図。
【図17】空気流量に対するセンサ出力特性の一例を示す線図。
【図18】演算補正と出力切り替え出力の一例を示す線図。
【図19】アナログディジタル変換入力値に対する空気流量への変換特性を示す線図。
【図20】空気流量に対するセンサ出力特性の一例を示す線図。
【図21】演算補正と空気流量変換後の切り替え出力の一例を示す線図。
【図22】空気流量に対するセンサ出力特性の一例を示す線図。
【符号の説明】
1・・熱線駆動回路,5・・電源回路,101・・電源,211・・シリコン基板,211a・・抵抗発熱体,211c・・温度補償抵抗,211d、211e、211f、211g・・温度検出抵抗体,13,14,17, 32,33,35,36,37,212,213・・抵抗,15,31・・差動増幅器,16・・トランジスタ,51・・基準電圧, 220・・デジタル補正回路,221a,221b,221c・・アナログ・ディジタル変換器,222・・演算回路,222a・・CPU,222b・・RAM,222c・・ROM ,223・・PROM,224,224b・・ディジタル・アナログ変換器,225a,225b・・スイッチ,226・・発振器,227・・シリアルコミュニケーションインターフェイス,228・・電源・保護回路、311a,311b・・アナログディジタル変換処理,312・・演算処理,313a,313b,313c・・空気流量変換処理,314・・パルス変換処理,315・・ディジタルアナログ変換処理,316a,316b,316c,316d,316e・・ソフトスイッチ,317a,317b・・フィルタ。
Claims (18)
- 気体の流体中に配置される少なくとも1つの発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部に形成された測温抵抗体と、前記発熱抵抗体と測温抵抗体とから前記流体の流量に関係する少なくとも2つの信号を出力する出力手段と、該出力された値を量子化する量子化手段と、前記2つ以上の量子化された信号に基づいて前記流量を演算する演算手段とを備え、前記量子化手段によって量子化された前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加され、前記量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された複数の信号を各々乗算して出力することを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 気体の流体中に配置される少なくとも1つの発熱抵抗体と、該発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部に形成された測温抵抗体と、前記発熱抵抗体と測温抵抗体とから前記流体の流量に関係する少なくとも2つの信号を出力する出力手段と、該出力された値を量子化する量子化手段と、前記2つ以上の量子化された信号に基づいて前記流量を演算する演算手段とを備え、前記量子化手段によって量子化された前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加され、前記量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された前記複数の信号の大小を判定して、前記信号の大きな方を出力することを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1又は2において、前記発熱抵抗体の近傍に設けられた温度補償抵抗体により前記発熱抵抗体を定温度駆動し前記流体の流量に関係する信号と前記発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部の各々に形成された測温抵抗体間の温度差により前記流量に関する信号とを出力する前記出力手段と、前記演算された値を補正する補正手段とを備えていることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1又は2において、前記流量に関係した少なくとも2つの信号は前記発熱抵抗体の発熱量と前記上流部及び下流部に形成された測温抵抗体間の温度差とに関する信号であることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1又は2において、前記測温抵抗体は前記上流部及び下流部の各々に前記発熱抵抗体の長手方向に沿って複数段に配置されていることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1又は2において、前記符号の種類によって前記関数を選択し、前記信号に符号を付加して調整された信号により前記流体の複数の流れ方向を検知可能としたことを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1又は2において、前記量子化される信号の少なくとも1つが、オフセット電圧であり、該オフセット電圧に対する信号の大小によって前記関数を選択し、前記信号に符号を付加して調整された前記信号により前記流体の複数の流れ方向を検知可能としたことを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1〜7のいずれかにおいて、前記複数のパラメータの少なくとも1つが、温度に対する関数であることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1〜8のいずれかにおいて、前記量子化される前記2つ以上の信号を前記複数のパラメータと外部信号とにより調整可能としたことを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1〜9のいずれかにおいて、前記量子化手段は、量子化の基準となる基準電圧を独立して設定できる複数の量子化手段から構成されることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項10において、前記複数の量子化手段の少なくとも一つが差動入力を有する符号付きの量子化手段であることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項3〜11のいずれかにおいて、前記複数の信号の少なくとも一つが、前記温度補償抵抗体により予め温度特性が付加されていることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1〜12のいずれかにおいて、前記測温抵抗体は前記上流部及び下流部の各々に前記発熱抵抗体の長手方向に沿って複数段に配置されていることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項3〜13のいずれかにおいて、前記温度補償抵抗体は前記測温抵抗体の上流側に配置されていることを特徴とする熱式空気流量測定装置。
- 請求項1〜14のいずれかに記載の熱式空気流量測定装置を搭載したことを特徴とする内燃機関。
- 気体の流体中に配置される少なくとも1つの発熱抵抗体による発熱量に関する信号と、前記発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部の各々に前記発熱抵抗体の長手方向に沿って形成された測温抵抗体の前記上流部及び下流部での温度差に関する信号と、前記温度差以外の前記流体の流れの差に応じた信号とに基づいて前記流体の流量及び方向を検出し、前記発熱抵抗体からの前記信号と前記温度差による前記信号とを量子化すると共に、前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加されて前記量子化され、該量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された複数の信号を各々乗算して出力することを特徴とする熱式空気流量測定方法。
- 気体の流体中に配置される少なくとも1つの発熱抵抗体による発熱量に関する信号と、前記発熱抵抗体の前記流体の上流部及び下流部の各々に前記発熱抵抗体の長手方向に沿って形成された測温抵抗体の前記上流部及び下流部での温度差に関する信号と、前記温度差以外の前記流体の流れの差に応じた信号とに基づいて前記流体の流量及び方向を検出し、前記発熱抵抗体からの前記信号と前記温度差による前記信号とを量子化すると共に、前記信号の少なくとも1つが前記流体の流れの向きに関する符号が付加されて前記量子化され、該量子化された信号の少なくとも1つが、一次式以上の関数で表される複数のパラメータで調整され、該調整された前記複数の信号の大小を判定して、前記信号の大きな方を出力することを特徴とする熱式空気流量測定方法。
- 請求項16又は17に記載の熱式空気流量測定方法により空気流量を測定することを特徴とする内燃機関の空気流量測定方法。
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