JP4130877B2

JP4130877B2 - 流量計及び流量計システム

Info

Publication number: JP4130877B2
Application number: JP2002177870A
Authority: JP
Inventors: 厚菅家; 昌大松本; 信弥五十嵐; 恵二半沢; 圭上山
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: US20060217901A1; US6839643B2; US20050109121A1; US20040002821A1; US7457711B2; DE10245655A1; JP2004020454A; DE10245655B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気およびガス流量を測定する流量計及び該流量計を用いた流量計システムに関するものである。
【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計として、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。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。
【０００３】
ここで、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、特開昭６２−８２１号公報に記載の流量計が知られている。
【０００４】
また、この逆流を含む動的な脈動特性を補正するために、逆流識別をするセンサを用い、エンジンコントロールユニット等において逆流領域の特性曲線を変更するなどのやり方が、特表平８−５１１６２７号，特開平９−１５０１３号公報等に記載されている。
【０００５】
また、脈動下の誤差の低減方法として、エンジンコントロールユニットやセンサ制御用のマイコンにおいて、非線形なセンサの出力信号を空気流量に変換するマップ等を用いて線形な信号（流量）に変換し、フィルタにより脈動振幅を低減した後再度非線形化することで、最終的な出力信号の振幅を低減して誤差を低減する方法が、特開平１１−３１６１４５号，特開平１１−３３７３８２号公報等に記載されている。
【０００６】
一方、計測器として用いられる流速計のセンサ出力をアナログ・ディジタル変換器でディジタル値に変換し、所定の係数を記録したメモリの関数式により特性を調整し、表示器に表示する、またはディジタル・アナログ変換器でアナログ値に変換し電圧で出力する構成が特開平６−２６５５６５号等に記載されている。同様の構成で、圧力変動等による流速変動の影響の低減方法が特開平８−94406号に記載され、センサの出力をアナログ・ディジタル変換器でディジタル値に変換し、リニアライズした後、平均値を演算し、誤差のない流量値を表示するとしている。これらは流量計測装置としてクローズしたシステム構成に用いるものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に発熱抵抗体を用いた熱式流量計のセンサ出力と空気流量との関係はキングの式と呼ばれる次式によって表される。
【０００８】
【式１】
Ｉｈ・Ｉｈ・Ｒｈ＝（Ｃ１＋Ｃ２√Ｑ）（Ｔｈ−Ｔａ） …（式１）
ここでＩｈは熱線電流、Ｒｈは熱線抵抗、Ｔｈは熱線の表面温度、Ｔａは空気の温度、Ｑは空気流量、Ｃ１，Ｃ２は熱線で決まる定数である。センサの出力は、熱線電流値Ｉｈを抵抗で電圧値として検出するのが一般的であり、内燃機関の制御に用いるエンジンコントロールユニットでは、（式１）の関係からセンサの出力電圧値を流量値に変換して内燃機関の空気と燃料の割合などを制御している。このように、熱式流量計のセンサ出力信号と実際の流量との関係は（式１）の非線形な関係（流量の４乗根が電圧値）であるため、流量として信号を用いるには何らかの線形化手段が必要となる。
【０００９】
前記従来技術においては、脈動等の動的な流れの変動に対して検出誤差を低減する方法として、一つは先のセンサの電圧信号を空気流量に変換して線形化（リニアライズとも呼ぶ）し、線形な領域でローパスフィルタ等を用いて脈動振幅の低減や、平均化処理をする。その結果を、必要に応じて再度本来の信号形態である非線形な信号に戻し、最終的に脈動影響の受けにくい信号とする手段があげられる。
【００１０】
もう一つは脈動が大きな領域で、逆流と呼ばれる吸気弁がオーバーラップしているときは、ピストン上昇に伴って排気弁側から正圧で吸気弁側に戻る空気の吹き返し現象をとらえるために、逆流を検知可能なセンサを用いて脈動流の計測をする場合である。この場合、センサの応答性や逆流の感度の違いによる影響を無くすために、先の（式１）において逆流側の特性式を変更し、逆流を含む脈動流の誤差を少なくするものである。
【００１１】
しかしながら、近年の吸排気バルブを可変とした弁機構を伴う様な新しい内燃機関の場合等においては、圧力変動や流れの波形に乱れが起きやすい傾向にあり、また脈動や逆流そのものの大きさが大きく、かつ内燃機関の回転数などの外的な条件で変動しやすい等の課題があり、大きな逆流を含む脈動域での誤差の低減が望まれていた。上記従来例では、このような大きな脈動誤差を低減するための調整方法等に関してはあまり検討がされていなかった。
【００１２】
本発明の目的は、内燃機関等の脈動や逆流の大きな環境下に於いて、センサの出力電圧波形がひずむことによって流量の平均値に生じる誤差を低減することができる調整手段を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の流量計は、流量に応じた非線形な信号を出力するセンサ回路と、前記センサ回路の出力信号を制御用に調整する調整手段とを備えた流量計において、前記調整手段にて、前記出力信号における前記センサ回路のバラツキを調整する出力調整処理と、前記出力信号を流量信号に変換する基準特性曲線と前記基準特性曲線に対して異なる特性曲線を設定する調整用パラメータとを有し、前記調整用パラメータにより前記基準特性曲線に対して異なる特性曲線を設定し、設定した前記特性曲線を用いて前記出力調整処理で処理した後の出力信号を流量信号に変換することによって前記流量信号の平均値を直流成分の誤差を伴いかつ前記出力信号の脈動振幅の大小によって異なるように変化させる流量変換を行い、変換した前記流量信号の脈動振幅を低減させる平滑処理を行い、平滑処理した流量信号に対して前記基準特性曲線と前記流量変換で設定した特性曲線との差分より求めた出力特性を用いて前記流量変換において生じた前記直流成分の誤差を補償する流量感度変換を行うことによって、出力調整処理後の前記出力信号の平均値を調整する不均等線形化処理とを行うものである。
【００１４】
出力信号を流量信号に変換する基準特性曲線に対して異なる特性曲線を設定し、設定した特性曲線を用いて出力信号を流量信号に変換することによって流量信号の平均値を出力信号の脈動振幅の大小によって異なるように変化させることができる。
【００１５】
基準特性曲線に対して異なる特性曲線を用いて出力信号を流量信号に変換する際に、直流成分の誤差を伴う。この直流成分の誤差に対しては、平滑処理後に行う流量感度変換において、基準特性曲線と流量変換で設定した特性曲線との差分より求めた出力特性を用いて補償する。
【００１６】
これにより、出力信号の直流成分はそのままに、脈動時の平均値を調整することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を図１により説明する。センサ回路１は、電源１０に接続され、発熱抵抗体１１を一定温度で加熱し、流速に応じて生じる熱のやり取りにより、発熱抵抗体１１に流れる流量を測定する、熱式流量計のセンシング部分を構成している。マイクロコンピュータや専用ロジックなどのディジタル手段で構成されたディジタル誤差調整装置２では、センサ回路１の出力信号Ｖｉｎを受けてアナログ・ディジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器）２１によりディジタル値に変換し、書き換えメモリ２３上に用意された補正データにより演算回路２２で誤差補正を施し、ディジタル・アナログ変換器（Ｄ／Ａ変換器）２４によりセンサ回路１の出力と同等の電圧値でエンジンコントロールユニット５に出力している。センサ回路１，ディジタル誤差調整装置２は、基準電圧を発生する電源回路３と含めて流量測定装置４を構成している。エンジンコントロールユニット５は、流量測定装置４の出力信号Ｖｏｕｔの信号を、アナログ・ディジタル変換器５１によりディジタル値に変換してエンジン制御に用いるものである。
【００２３】
次に、マイクロコンピュータや専用ロジックなどのディジタル手段で構成されたディジタル誤差調整装置２における演算処理の流れを図２により説明する。演算処理４０では、センサ回路１の出力Ｖｉｎを入力して、アナログ・ディジタル変換処理４１によりディジタル値とし、必要に応じて応答回復処理４２を施し、その後センサ特性の個別ばらつきを吸収するための出力調整処理４３をする。その後センサの電圧信号を流量に変換して平滑を施す際に、調整パラメータによって脈動時の平均値を可変とする不均等線形化処理４４を施す。不均等線形化後の出力は、必要に応じて再度非線形化処理４５を施し、ディジタル・アナログ変換処理４６によって、誤差の低減した電圧信号Ｖｏｕｔを流量測定装置４の出力としてエンジンコントロールユニット５に伝達させるものである。
【００２４】
ここで不均等線形化処理４４の前に、先に（式１）に示した流量とセンサの電圧との関係を図３により説明する。横軸に流量をとると、センサの出力電圧は、低流量での感度は大きく、高流量になるに従い感度が少なくなるような非線形なカーブを描く。このような関係の出力特性を持つセンサにおいて、sin 波のようにきれいに脈動した流量が入力しても、それを電圧で検出すると非線形なカーブの影響で、電圧信号はプラス側が圧縮しマイナス側が伸びたような少しひずんだ波形となる。この電圧信号をそのまま平均化して流量の平均値と比較すると、非線形な曲がりの影響で見かけ上流量の平均値が減少するようになる。これは脈動が大きいほど、非線形な流量と電圧のカーブの曲がりが大きいほど大きくなるので、通常はセンサの電圧値で得られた信号を、カーブの特性を使って流量に変換（リニアライズ）してから平均化などの処理を施すものである。この関係を求めるには、通常流量に対するセンサの電圧信号を実際に計測し、基準となる特性曲線（マスター特性Ｑｒｅｆと呼ぶ）としてエンジンコントローラ５内などに登録し、流量を用いた各種の制御に用いられている。
【００２５】
次に不均等線形化処理４４による、脈動誤差の低減方法について図４により説明する。まず不均等線形化処理ではない、脈動影響やノイズの低減に用いられる処理を図４（ａ）に示す。これは平均流量Ｑａｖｅ１が同じで、大きな振幅の信号Ｑａ１と小さな振幅のＱａ２に応じた流量に対応したセンサ電圧信号が入力した場合である。電圧−流量変換４４１では基準特性曲線Ｑｒｅｆと同等な特性曲線ｆｘ１により流量に変換される。平滑処理４４２ではディジタル的なローパスフィルタ（平滑処理）等により脈動振幅が低減した出力信号Ｑａｆ１，Ｑａｆ２を得る。この平滑化された信号の平均値Ｑａｖｅｆ１，Ｑａｖｅｆ２は等しい値になる。つまり、正確に基準特性曲線Ｑｒｅｆと同等な特性曲線ｆｘ１で流量に変換することで、脈動の大きさや脈動の周波数によらない流量の平均値を得ることができる。しかしながら、例えば脈動の大小において流量や計測した電圧波形がひずんで脈動時の平均値に誤差があるような場合に対して、脈動の大きさに対する平均値の調整手段がない。
【００２６】
これに対し、不均等線形化処理を施した場合の処理を図４（ｂ）に示すが、これは脈動の大小に応じて、流量の平均値に対する調整手段を提供するものである。具体的に説明すると、先と同様な入力に対し、電圧−流量変換４４１の基準特性曲線Ｑｒｅｆに対して異なる特性曲線ｆｘ１を調整パラメータにより設定して流量に変更する。平滑処理４４２ではディジタル的なローパスフィルタ（平滑処理）等により脈動振幅が低減した信号を得、その後、先の電圧−流量変換４４１の基準特性曲線Ｑｒｅｆと異なる特性曲線ｆｘ１との差によって生じる静特性の誤差（直流感度特性）を補償するための出力特性ｆｘ２を有する流量感度変換４４３を設ける。この出力特性ｆｘ２を介し、出力信号Ｑａｆ１′，Ｑａｆ２′を得る。この平滑化された信号の平均値Ｑａｖｅｆ１′，Ｑａｖｅｆ２′は例えば振幅の大小によって異なり、先の電圧−流量変換４４１の特性曲線ｆｘ１の特性に応じて平均値の増減が可能となる（この例では増加）。この特性曲線ｆｘ１を調整パラメータで変更し、変更後の特性曲線ｆｘ１と基準特性曲線Ｑｒｅｆとの差より流量感度変換４４３の出力特性ｆｘ２を変更することで、自由に平均値を増減することが可能となる。また調整パラメータで、平滑処理４４２内のローパスフィルタの周波数特性等を変更すれば、脈動振幅の大小だけでなく、脈動周波数の差異によっても平均値を増減することが可能となる。
【００２７】
図５に電圧−流量変換４４１の特性曲線の詳細を示す。これは、図３の流量とセンサ電圧との関係によって、流量の大きな流量信号Ｑａ１に対してはセンサ回路１の出力である電圧信号Ｖｉｎ１が、流量の小さい流量信号Ｑａ２に対しては電圧信号Ｖｉｎ２が生成されている。図５では、このセンサ電圧を横軸として電圧信号Ｖｉｎ１，Ｖｉｎ２を入力している。そのため基準特性曲線Ｑｒｅｆを用いて流量に変換すれば図３の流量信号Ｑａ１，Ｑａ２と等価な信号に戻すことができる。これに対し、例えば基準特性曲線Ｑｒｅｆよりも曲がりの緩やかな特性曲線ｆｘ１を用いて流量（もしくは流量に相当する信号Ｑ′としている）に変換すると、変換後の流量信号Ｑａ１′，Ｑａ２′はその平均値が大きく増加し直流的な信号（静特性）としてみると誤差を生じることになる。この直流誤差を無くするためには、図６に示す感度変換を用いればよい。
【００２８】
流量感度変換４４３の出力特性ｆｘ２の詳細を説明する。横軸を先の図５流量相当信号の縦軸Ｑ′とすると、縦軸を感度変更後の正しい流量信号Ｑとする。流量の感度が一定である流量信号が等しい関係Ｑ＝Ｑ′であれば、縦軸横軸共に等しい流量信号Ｑａ′，Ｑａｆ′となる。これに対し、直流感度を補償するため、基準特性曲線Ｑｒｅｆと特性曲線ｆｘ１との差分より求めた出力特性ｆｘ２を用いることで、直流感度を先の基準特性曲線Ｑｒｅｆを用いた場合の平均値Ｑave1と等しくすることができる。しかしながら、例えば平滑後の流量信号Ｑａｆ′が入力した場合の最終的な脈動時の平均値Ｑａｖｅ２′は、本来の平均値Ｑave1とは異なる。つまり、先の第１の変換手段による特性曲線ｆｘ１と、第２の変換手段による出力特性ｆｘ２により信号の直流成分をそのままに、脈動時の平均値を調整できることがわかる。この調整パラメータは、先の書き換えメモリ２３に記憶し、第１第２の特性を多項式による関数や、直線補間で近似するマップ変換やテーブル変換等にて定義することで実現が可能となる。
【００２９】
以上のように不均等線形化処理４４をした後の流量信号を再度、図３に示す様な流量とセンサ電圧の基準となる特性曲線Ｑｒｅｆで電圧にする非線形化処理４５を施せば、見かけ上脈動による誤差が低減した信号を電圧で得ることも可能となる。非線形化処理をするのが前提であれば、不均等線形化処理４４内の流量感度変換４４３と非線形化処理４５を一つの式や直線補間で近似するマップ変換等で実現することも可能である。その際は、変換処理による演算負荷やメモリが低減することになる。
【００３０】
エンジンコントロールユニット５から見た場合は、空気流量の測定装置４は従来からのセンサ回路１と同様の出力を電圧で出力し、かつ脈動時の誤差を調整しつつ脈動振幅変動が低減されており、誤差低減と同時にエンジンコントロールユニット５のアナログ・ディジタル変換器５１のサンプリング周波数を遅く出来るなどのシステムメリットも享受できる。
【００３１】
具体的なハードウェア構成を図７により説明する。これは直接、発熱抵抗体１１への加熱電流を基にした電圧信号より流量を得るタイプの流量計の代表的な構成例である。センサ回路１は、電源１０に接続され空気流量に応じた信号を出力する。センサ回路１は、発熱抵抗体１１，温度補償抵抗１２，抵抗１３，１４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１１に流れる電流を調整するように構成されている。この構成により、流速によらず発熱抵抗体１１の抵抗値は一定に、すなわち温度が一定値になるように制御される。このとき、発熱抵抗体１１による流速に対応する信号をゼロスパン回路に入力する。ゼロスパン回路は差動増幅器１２１，抵抗１２２，１２３，１２４,１２５,１２６，１２７から構成される。
【００３２】
ここで発熱抵抗体１１は、例えばセラミックなどの熱伝導性の良い絶縁材料で作られた円筒状または円柱状のボビンの表面に、発熱体として白金やタングステンの熱線が巻かれており、被覆材としてガラスやセラミックスがコーティングされたものである。発熱抵抗体１１は板型のガラスやセラミック，シリコンなどの基盤上に、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等が形成されたものであっても良い。
【００３３】
発熱抵抗体１１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が差動増幅器１２１の出力として得られる。この出力電圧を、マイクロコンピュータや専用ロジックなどのディジタル手段で構成されたディジタル誤差調整装置２に内蔵するアナログ・ディジタル変換器２１に入力してディジタル量とし、ディジタル誤差調整装置２内のＣＰＵ２２１で必要に応じて応答回復処理を施し、その後センサ特性の個別ばらつきを吸収するための出力調整処理をする。その後センサの電圧信号を任意の第１の変換式ｆｘ１で流量に変換して平滑を、第２の変換式ｆｘ２で感度を調整する等の不均等線形化処理を施す。不均等線形化後の出力は、必要に応じて再度線形化処理を施し、エンジンコントロールユニット等にディジタル・アナログ変換器２４用いて非線形な電圧値を出力する。
【００３４】
ディジタル誤差調整装置２は、他に各種流量変換式等の基準となる流量変換マップやプログラムを内蔵した記憶手段である不揮発性メモリ（ＲＯＭ）２２３，発熱抵抗体１１の抵抗値ばらつき等の個体差情報や、平滑処理の平滑の度合い（周波数特性等），不均等線形化を施すための各種関数の変更するための調整パラメータ，応答回復処理の度合い等を記録した書き換え可能なメモリ(ＰＲＯＭ)２３，ＣＰＵ２２１の演算作業領域に用いるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２２２，内部クロックを発生する発振器（ＯＳＣ）２５等により構成される。書き換え可能なＰＲＯＭ２３は、ディジタル誤差調整装置２に内蔵されなくてもかまわないが、一回以上の書き込みが出来る物であれば、ヒューズ型のＲＯＭや電気的消去可能なＥＥＰＲＯＭ，一括消去するフラッシュＲＯＭ，強誘電体膜の分極現象を利用した高速な不揮発性メモリなどであっても良い。
【００３５】
以上のような第１の実施例によれば、熱式流量計のセンサ出力の基本的な特性をそこなうことなく非線形性による誤差を低減でき、かつ本センサを使用するユーザにとっての使用制限が少なくなるという効果がある。また、脈動の大小において流量や計測した電圧波形がひずんで脈動時の平均値に誤差があるような場合に対して、脈動の大きさに対する平均値の調整手段を提供することができ、吸気系の外的な影響等によらず流量計の適用範囲を広げることなども可能となる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施例を図８により説明する。これは、発熱抵抗体によって加熱される温度の、流れの向きと大きさに応じた温度差に応じた電圧信号より流量を得る温度差式とよぶタイプの流量計の代表的な構成例である。流れの向きを検知することで逆流量の検出を可能とする等、大きな脈動を含む流量の検出に適したものである。
【００３７】
先の実施例と同様に熱線駆動回路１は電源１０に接続され、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１１ａ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。
【００３８】
ここで、用いられる発熱抵抗体２１１ａをシリコン半導体基板上２１１に薄膜で構成された場合のパターンの一例を図９に示す。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。シリコン半導体基板２１１の線分Ａ−Ｂによる断面構造を図１０に示す。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。
【００３９】
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、ディジタル誤差調整装置２に入力する。ディジタル誤差調整装置２は、２つのアナログ・ディジタル変換器２１ａ，２１ｂを有し、流量に応じた電圧値をディ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２４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。ここでディジタル誤差調整装置２は、先の実施例と同様の構成であるが、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２２５を介し、アナログ・ディジタル変換器２１ａ，２１ｂ，ディジタル・アナログ変換器２４に接続され基準として用いられている。ここでスイッチ２２５は、ディジタル誤差調整装置２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２１ａ，２１ｂは、ブリッジ回路の出力Ｖｂ１，Ｖｂ２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。
【００４０】
また、ディジタル・アナログ変換器２４も同様に、スイッチ２２５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を基準とする。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を選択する。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。
【００４１】
ディジタル誤差調整装置２を前記構成とすることで、順流から逆流までの脈動の大きな広い条件で調整の容易な流量計を提供することができる。詳細な動作を図１１により説明する。これは、温度差式といった流れの方向を検知可能な流量計の基準出力特性Ｑｒｅｆｕ，Ｑｒｅｆｄを示す。横軸の順逆（正負で現す）流量に対してセンサ電圧もプラスマイナスと符号のついた出力信号となる。ここで逆流領域を含む脈動した流量があると、入力流量信号Ｑａに対して大きな出力電圧Ｖｉｎが得られる。これは、基準出力特性Ｑｒｅｆｕ，Ｑｒｅｆｄがゼロ点付近で感度が高いため、ゼロ点をクロスする信号の出力振幅が大きくなるためである。例えばこのままのセンサ電圧信号で平均化すると、大きく平均値が減少することになる。入力流量信号Ｑａを平滑化したＱａｆの場合と比較すると、逆流側の領域の小さな変動が大きな電圧の変動となる。このため、順逆の特性と脈動時の平均値の関係を考えると、順逆の基準出力特性Ｑｒｅｆｕ，Ｑｒｅｆｄに対して設定する本実施例における不均等線形化処理の際の電圧−流量変換と流量感度変換との関係が、いくつか考えられる。
【００４２】
代表的な実施例として、２通りについて考える。一つは順流側の基準特性Ｑｒｅｆｕと電圧−流量変換の特性曲線ｆｘ１ｕが同じ特性で、逆流側の基準特性Ｑｒｅｆｄと電圧−流量変換の特性曲線ｆｘ１ｄが違う場合。もう一つは順流側の基準特性Ｑｒｅｆｕと電圧−流量変換の特性曲線ｆｘ１ｕと逆流側の基準特性Ｑｒｅｆｄと電圧−流量変換の特性曲線ｆｘ１ｄがいずれも違う場合である。
【００４３】
ここで順流側の基準特性Ｑｒｅｆｕと特性曲線ｆｘ１ｕが一致し、逆流側の基準特性Ｑｒｅｆｄと特性曲線ｆｘ１ｄが異なる場合の不均等線形化処理の動作を図１２により説明する。先の図１１に示した順逆の流量によって生じる大きな電圧の振幅を横軸に入力し、流量に変換する動作を模擬している。ここで、逆流側が基準特性Ｑｒｅｆｄの場合は、図１１の入力である流量が再現される。しかし、異なる特性曲線ｆｘ１ｄを用いれば、逆流側の特性を増減できる。ここで、流量で振幅を平滑処理により減衰させ、平均値Ｑａｖｅ２をとると基準の平均値Ｑａｖｅ１に対して減少する。この減少した流量信号を流量の感度変換を施す。図１３に流量感度変換の特性を示すが、この場合は流量の感度を示す特性ｆx2u，ｆｘ２ｄを、流量と一致させている。その結果、感度変換による特性の変換はなく、最終的に脈動時の平均値が減少する信号Ｑａｖｅ２′が得られる。ここで、逆流側の感度補正を施さないのは、通常逆流側は脈動時にのみ動作するものとし、直流を含む静特性は順流側のみを保証するような使い方をする場合を考えているからである。例えば、自動車の内燃機関の制御に用いる場合は、シリンダに吸い込む空気流量を計測したいため脈動時に逆流はあるが、低負荷運転時の吸気脈動のない状態では逆流がない場合が考えられる。このような場合は、逆流側の特性が必ずしも真値でなくても、制御上不具合は無くなる。知りたいのは、あくまでもシリンダ当たりに吸い込まれる空気流量であるので、平均化した値が正しければよい。この実施例の場合は、感度変換を無くすことができるのでより簡単に脈動の調整が可能と考えられるが、逆流のない状態での脈動の調整が難しい。
【００４４】
また、図１４に示すような順逆の流れの向きに対して非対称な構造を持つバイパス通路４０１内にセンサ素子２１１を配置したような構造を用いた場合では、順流逆流の流速が対称では無くなる。このような場合は、本来のセンサの特性に対して元々逆流側の特性がアンバランスになる等が考えられる。以上の点などから、順逆両側いずれも違う特性曲線で補正するやり方が適応する範囲が広く効果が大きい。
【００４５】
順流側逆流側いずれも違う特性で不均等線形化処理する場合の動作を図１５に示す。これは、順流側の特性曲線ｆｘ１ｕ，逆流側の特性曲線ｆｘ１ｄのいずれもが基準特性Ｑｒｅｆｕ，Ｑｒｅｆｄに対して低流量側で感度が高く高流量側で低い（曲がりがきつい）場合を示している。このような場合に、先の図１１に示した順逆の流量によって生じる大きな電圧の振幅を横軸に入力し、流量に変換する動作を模擬している。
【００４６】
ここで、いずれも基準特性Ｑｒｅｆｕ，Ｑｒｅｆｄの場合は、図１１の入力である流量が再現される。しかし、異なる特性曲線ｆｘ１ｕ，ｆｘ１ｄを用いれば、順逆両側の特性を増減できる。ここで、流量で振幅を平滑処理により減衰させ平均値Ｑａｖｅ２をとると基準の平均値Ｑａｖｅ１に対して減少する。この減少した流量信号を流量の感度変換を施す。図１６に流量感度変換の特性を示すが、逆流側の流量の感度を示す特性ｆｘ２ｄを流量と一致させ、順流側の特性のみを特性ｆｘ２ｕで感度変換する。これは、静特性における順流側の精度を確保しつつ、脈動影響を調整するためである。その結果、最終的な平滑後の流量信号Qaf2の平均値Ｑａｖｅ２′は、本来の平均値Ｑａｖｅ１よりも小さく、流量感度変換のない場合の平均値Ｑａｖｅ２よりも少しだけ大きな値となる。
【００４７】
本実施例によれば、逆流がありかつ大きな脈動があり、バイパス通路等により順流逆流の元々の感度が違うような場合でも容易に脈動誤差の調整が可能となるという効果がある。また、脈動に対する誤差の調整をセンサ側のみで実施するため、エンジンコントロールユニット等の外部のコントローラでは、順流逆流といった特性についてそれぞれの感度が異なる場合でも、特性に合わせて最終的な流量変換特性を変更するなどの作業が発生せず使い勝手が良くなるという効果もある。
【００４８】
次に、本発明の第３の実施例を図１７により説明する。これは、流量センサの脈動周波数に対する周波数応答特性を入出力の脈動振幅の比をゲイン特性（ボード線図）で示したものである。流量の振幅条件を一定とすると、センサの基本特性ｆ１は一次の応答遅れを示すような特性で減衰し、周波数が高い領域では二次の遅れとなり大きく振幅が減衰する。このような場合、脈動周波数が大きな領域で脈動や逆流が発生したりすると計測誤差が大きくなる。例えばシリコンダイヤフラム上に発熱抵抗体を設けるなど、熱容量を小さくすれば応答性は改善する。しかしながら、一般的にシリコンダイヤフラムにある一定の強度を持たせるような構造とする場合は熱容量を小さくするにも限界があり、応答性の点でも限界が生じる場合がある。このような場合は、応答性を回復させる手段によりある一定の特性ｆ２を持たせる回路や、ディジタル的な処理を加えればある程度の応答性を回復した特性ｆ３を得ることができる様にすることができる。
【００４９】
図１８には応答性を回復する手段を用いた場合の効果のイメージを示す。これは横軸に脈動率をとり、縦軸に脈動時の誤差を取っている。ここで脈動率は、
sin 波のような理想的な脈動が発生した場合において、逆流の大きさが解るように流量の平均値に対する振幅の大きさを次の式で定義したものである。
【００５０】
【式２】
脈動率＝（脈動時の最大値−脈動時の最小値）／平均値 …（式２）
脈動時の最大値と最小値との差が、脈動の振幅値を現し、脈動率が大きいほど、流量の平均値に占める逆流の割合が大きいといえる。例えば自動車のエンジンなどにおいてエンジン回転数が高くなると脈動周波数も高く、低回転では脈動周波数も低くなるといった傾向にある。このような場合、高回転では応答性の影響で流量を検出した電圧の振幅が小さくなり、流量平均値でみるとマイナス誤差になりやすい特性を持っている。これらの特性を改善するには、先の応答性を回復する手段を用いることで誤差を低減することが可能となる。しかしながら、このような場合において低回転側で脈動率が大きくなり、例えばプラス誤差を生じているとしても応答性の回復による影響は小さいため（元々の応答遅れが少ないため）、誤差の特性は余り変化しない。この場合は、これまで述べた不均等線形化手段を用いれば脈動率が大きな領域での脈動誤差の調整が可能となる。このため、応答性を回復する手段と、脈動誤差を調整する手段を併用してパラメータの最適化を図ることで、応答遅れなどのセンサの周波数特性によって生じる脈動誤差も同時に低減することが可能となる。
【００５１】
応答性を回復する手段にアナログ的な回路手段を用いて実現した場合の実施例を図１９に示す。ここではアナログ回路で実現しているが、ディジタル処理として応答性を回復する手段を用いても構わない。いずれの場合でも、応答性には流量依存性があるため、これを考慮するとセンサ電圧信号の直接応答性を回復する手段で補償するのが望ましい。図１９は基本的には先の図８と同様の回路構成で、温度差ブリッジの基準電圧を外部から取り、差動増幅器５１と抵抗５２，５３，５４，５５とコンデンサ６２，６３，６４，６５からなる応答補償回路５０を追加して設けたものである。抵抗，コンデンサの定数を調整することで応答性を回復する手段の特性を変更できる。ディジタル的な手段であれば、調整パラメータを変更することで容易に変更が可能となる。また、平滑手段の平滑特性を変えることも周波数を選択的に増加減するには有効である。
【００５２】
以上の実施例によれば、脈動周波数によって脈動時の誤差特性が変わるような場合であっても、脈動誤差の総合的な調整手段を有するため、脈動誤差の調整範囲を広げることができる。その結果、流量を計測する対象を例えばエンジンの場合では可変バルブエンジンや、気筒数の多いエンジン等への適用が可能になるなど汎用性が高くなるといった効果がある。
【００５３】
次に、本発明の第４の実施例を図２０により説明する。これは、不均等線形化処理を含む調整を、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）などの外部コントローラの信号ＳＣＩ（シリアル・コミュニケーション・インターフェイス）等によって、リアルタイムに調整する場合の演算処理４０の内容を示す。
【００５４】
演算処理４０では、センサ回路１の出力Ｖｉｎを入力として、アナログ・ディジタル変換処理４１によりディジタル値とし、センサ特性の個別ばらつきを吸収するための出力調整処理４３をし、これを原信号Ｓ０とする。その後不均等線形化処理４４を施し、脈動誤差を低減した後、流量値で積分処理４８をし、補正信号Ｓ１を得る。その後、出力信号選択４９によって入力する信号Ｓ０，Ｓ１や出力形態を選択し、周波数ｆｏｕｔや電圧信号Ｖｏｕｔで出力するものである。この際、エンジンコントロールユニットからの信号、例えばＳＣＩ信号を受信する通信処理２５によって出力する不均等線形化処理の有無の選択や、調整パラメータ４７内のパラメータの設定及び変更を実施する。調整パラメータが変更されることで、出力結果変更され脈動影響を変えることができる。この結果をエンジンコントローラで再度評価し、最適な結果が得られるようにフィードバック動作することも可能になる。このように脈動誤差のリアルタイム調整が可能になれば、エンジンや吸気系が変わったような場合でも、マッチング動作を容易に実施することができる。また、本実施例では非線形処理による信号の圧縮等は実施していない。この場合、積分処理４８で脈動信号をより小さくすることで信号の圧縮等を不要にしている。また、これらのディジタル誤差調整装置２内の処理は、スロットルをコントロール用のコントローラ等別のディジタル処理手段によって実現しても構わない。エンジンコントロールユニットには、図１に示すアナログ・ディジタル変換器５１の他に図示しないＲＯＭやハードディスクなどの記憶手段を有し、ディジタル誤差調整装置での変換式を記憶して制御する構成としても、同様の効果が得られる。
【００５５】
以上の実施例によれば、エンジンや吸気系の変更により脈動誤差が変わるような場合でも、吸気系やセンサそのものの特性を大きく変えることなく、脈動誤差の低減を容易に実施することができる。その結果、エンジン吸気系の計測システムなどの開発期間を大幅に短縮できるといった効果がある。
【００５６】
次に、本発明の第５の実施例を図２１により説明する。これは、入力信号をディジタル信号処理により、直流成分と交流成分を分離して補正する（不均等線形化処理をする）場合の一例である。
【００５７】
演算処理４０では、センサ回路１の出力Ｖｉｎを入力として、アナログ・ディジタル変換処理４１によりディジタル値とし、必要に応じて応答回復処理４２を施し、その後センサ特性の個別ばらつきを吸収するための出力調整処理４３をする。その後不均等線形化処理４４として、まずセンサの電圧信号を流量に変換する電圧−流量変換処理４４１をして流量値を得、流量値を直流（ＤＣ）分と、交流（ＡＣ）分に分離する直流−交流分離処理４４４を施す。その後、交流分は平滑処理４４２により交流成分の脈動特性を変更し、直流分は流量感度変換４４３により補正し、再度双方の成分を合成して非線形化処理４５に入力する。
【００５８】
調整パラメータによって脈動時の平均値を可変するには、第１の実施例と同様に電圧−流量変換処理４４１の特性と交流（ＡＣ）分の平滑処理を変えることで実現する。ここで、直流−交流分離処理４４４の方法としては、デジタルシグナルプロセッシング（ＤＳＰ）による信号処理や、一定時間サンプリングしたデジタルデータをメモリに蓄え（バッファリング）、波形の特徴を抽出すること等によって実現できる。本発明によれば、演算処理は増加するが脈動周波数に対して誤差の調整がより選択的に出来るので、脈動誤差の調整精度を向上できるなどの効果がある。
【００５９】
次に、本発明の第６の実施例を図２２により示す。これは、先の実施例と同様に、入力信号の直流成分と交流成分を分離して補正する（不均等線形化処理をする）場合の一例であるが、先に信号成分を分離した後、応答回復処理や、電圧−流量変換処理を施す点が異なる。直流分はそのままで、交流分を応答回復処理４２した後、電圧−流量変換処理４４１で流量値に変換し、その後必要に応じて流量感度変換４４３を施す。脈動振幅が特に小さい場合でも予め、交流分を分離することで感度良く交流分の調整ができ、全体の精度が向上できるという効果がある。また、脈動が少ない場合などに直流分に関しては感度補正がされないため計算誤差を少なくできるなどの効果もある。直流成分と交流成分を分離して補正する方式のいずれも演算による負荷は増加するが、信号特性の特徴に応じて不均等線形化処理方式の中身を選択すれば良い。
【００６０】
これまで説明したいずれの実施例においても、脈動時の計測誤差を低減することで、エンジン制御に用いた場合はより精度の良い制御が可能となり、排ガスの低減や燃費の向上といった効果がある。
【００６１】
また、これまでの実施例を用いた流量計を、燃料電池等の水素ガスのガス流検知等に用いても同様の効果を得ることができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、出力信号の直流成分はそのままに、脈動時の平均値を調整することができるので、熱式流量計のセンサ出力の基本的な特性をそこなうことなく脈動誤差を容易に低減でき、かつ本センサを使用するユーザにとって脈動誤差の調整が容易になるといった効果がある。また、脈動時の計測誤差を低減することで、エンジン制御に用いた場合はより精度の良い制御が可能となり、排ガスの低減や燃費の向上といった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による流量計のシステム構成図である。
【図２】ディジタル処理のブロック図である。
【図３】流量に対するセンサ出力電圧特性の一例を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例によるディジタル処理の説明図である。
【図５】センサ出力電圧−流量変換特性の一例を示すグラフである。
【図６】流量感度変換特性の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例による回路図である。
【図８】本発明の第２の実施例による回路図である。
【図９】シリコン基板上に形成された抵抗体のパターン図である。
【図１０】シリコン基板上に形成された抵抗体の断面図である。
【図１１】双方向の流量センサにおける流量に対するセンサ出力電圧特性の一例を示すグラフである。
【図１２】双方向の流量センサにおけるセンサ出力電圧−流量変換特性の一例を示すグラフである。
【図１３】双方向の流量センサにおける流量感度変換特性の一例を示すグラフである。
【図１４】吸気管に配置されたバイパス通路の断面図である。
【図１５】双方向の流量センサにおける流量に対するセンサ出力電圧特性の一例を示すグラフである。
【図１６】双方向の流量センサにおけるセンサ出力電圧−流量変換特性の一例を示すグラフである。
【図１７】流量センサの脈動周波数特性の一例を示すグラフである。
【図１８】脈動時の誤差特性の一例を示すグラフである。
【図１９】本発明の第３の実施例による回路図である。
【図２０】本発明の第４の実施例によるディジタル処理のブロック図である。
【図２１】本発明の第５の実施例によるディジタル処理のブロック図である。
【図２２】本発明の第６の実施例によるディジタル処理のブロック図である。
【符号の説明】
１…センサ回路、２…ディジタル誤差調整装置、３…電源回路、４…流量の測定装置、５…エンジンコントロールユニット、１０…電源、１１…抵抗発熱体、１２…温度補償抵抗、４０…演算処理、４１…アナログ・ディジタル変換処理、４２…応答回復処理、４３…出力調整処理、４４…不均等線形化処理、４５…非線形化処理、４６…ディジタル・アナログ変換処理、４７…調整用パラメータ、２１１…シリコン基板、２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆ，２１１ｇ…温度検出抵抗体、４０１…バイパス通路、４０２…吸気管通路、４４１…電圧−流量変換処理、４４２…平滑処理、４４３…流量感度変換処理、４９１…通信処理。

Claims

流量に応じた非線形な信号を出力するセンサ回路と、前記センサ回路の出力信号を制御用に調整する調整手段とを備えた流量計において、
前記調整手段にて、
前記出力信号における前記センサ回路のバラツキを調整する出力調整処理と、
前記出力信号を流量信号に変換する基準特性曲線と前記基準特性曲線に対して異なる特性曲線を設定する調整用パラメータとを有し、前記調整用パラメータにより前記基準特性曲線に対して異なる特性曲線を設定し、設定した前記特性曲線を用いて前記出力調整処理で処理した後の出力信号を流量信号に変換することによって前記流量信号の平均値を直流成分の誤差を伴いかつ前記出力信号の脈動振幅の大小によって異なるように変化させる流量変換を行い、変換した前記流量信号の脈動振幅を低減させる平滑処理を行い、平滑処理した流量信号に対して前記基準特性曲線と前記流量変換で設定した特性曲線との差分より求めた出力特性を用いて前記流量変換において生じた前記直流成分の誤差を補償する流量感度変換を行うことによって、出力調整処理後の前記出力信号の平均値を調整する不均等線形化処理とを行うことを特徴とする流量計。
請求項１に記載の流量計において、
前記流量計は逆流を含む双方向の流量を検出する流量計であって、
前記流量変換は、前記基準特性曲線に対して異なる特性曲線として第１の変換式を設定し、前記第１の変換式を用いて前記出力信号を流量信号に変換し、
前記第１の変換式は、出力信号を流量信号に変換する双方向の特性曲線のうち少なくとも一方向が、前記基準特性曲線の特性とは異なる特性に設定されることを特徴とする流量計。
請求項１又は２に記載の流量計において、
前記調整手段による調整前の出力信号の応答性を回復する回復手段を設けたことを特徴とする流量計。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流量計と、該流量計からの信号によってエンジン制御を行うコントローラとを備えたことを特徴とする流量計システム。
請求項４に記載の流量計システムにおいて、前記コントローラからの信号によって前記調整パラメータを変更することを特徴とする流量計システム。