JP4470743B2

JP4470743B2 - 流量センサ

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Inventors: 博海有吉
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Description

本発明は、例えば、自動車用エンジンの吸入空気量を検出するのに用いられる流量センサに関する。

一般的に、自動車は、エンジン燃焼室にて空気と燃料との混合気を爆発させることにより動力を得ている。ここで、この混合気の空気と燃料との比率（以下、空燃比という）を制御することは、自動車を状況に応じて適切に走行させるために、重要な要素となっている。逆に言えば、この空燃比制御が適切に行われない場合は、燃費が悪くなったり、排気ガスも多くなる。また、混合気の異常燃焼によるノッキングが発生する可能性もある。このため、通常、自動車には、エンジンの吸気管内に、空気の流量を検出する流量センサが設けられており、吸入空気量に応じて燃料の噴射量を決定している。つまり、エンジン燃焼室に注入する混合気の空燃比を制御している。

ところで、この吸気管内に流れる空気は、本来的には一方向に流れるべきである。しかし、エンジンの回転数が低速域から中速域等に達して吸気、排気量が増大してくると、吸気弁と排気弁の開閉がオーバーラップし、排気の一部が吸気管内に吹き返すことがある。その結果、吸気管内の空気が逆流することが起こり得る。このとき、流れる方向を識別できない流量センサを用いると、順方向に空気が流れていると判定せざるをえず、混合気の空燃比を正確に制御することができない。このため、近年では、特に自動車のエンジン制御に用いられる流量センサは、空気の流量とともに、その流れが順方向か逆方向かも検出できるようになっている。

ここで、空気の逆流も検出可能な流量センサに関する技術としては、特許文献１の感熱式の流量センサがある。図４は、特許文献１に記載の技術に基づいて構成された流量センサの回路構成を示す回路図（同図（ａ））及び、基板１ｃに形成された発熱抵抗体（Ｒｈ５、Ｒｈ６）と測温抵抗体（Ｒｔ２、Ｒｔ３）とを示す図（同図（ｂ））である。図４（ｂ）に示すように、この流量センサは、基板１ｃに２つの発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６が対向するように形成されており、また、各発熱抵抗体の温度を調整する測温抵抗体Ｒｔ２、Ｒｔ３がそれぞれ同一基板１ｃに形成されている。これらの抵抗は図４（ａ）のように接続されている。ここで、駆動回路１００は、発熱抵抗体Ｒｈ５の温度を周辺温度に対して所定の温度高くなるように制御する回路であり、駆動回路２００は、発熱抵抗体Ｒｈ６の温度を周辺温度に対して所定の温度高くなるように制御する回路である。なお、発熱抵抗体Ｒｈ５と発熱抵抗体Ｒｈ６の温度を同じ温度に制御するために、駆動回路１００と駆動回路２００は、同じ特性の素子を用いて構成している。

発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６及び測温抵抗体Ｒｔ２、Ｒｔ３は、温度特性を持った抵抗、すなわち周辺温度によって自身の抵抗値が変化する抵抗であり、例えば、白金膜やポリシリコン膜等からなっている。また、発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６は、自身に流れる電流によって高温に制御されるので、電流が流れやすくするために測温抵抗体Ｒｔ２、Ｒｔ３よりも抵抗値が小さくなっている。

このような構成の流量センサを用いて、空気の流量とその方向（順流か逆流か）を検出する方法について以下簡単に説明する。

発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６及び測温抵抗体Ｒｔ２、Ｒｔ３が形成された基板１ｃは、空気流体中に、各抵抗体がその空気の流れに対して垂直となるように設置される。このとき、発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６のうち、一方は空気の流れに対して上流側に位置し、他方は下流側に位置することになる。

また、各発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６は、それぞれ、駆動回路１００、２００によって、周辺温度よりも所定の温度（例えば１５０℃）高くなるように制御されている。

このような状態で、空気が順方向から流れてきた場合、この空気によって上流側に位置している発熱抵抗体Ｒｈ５は、冷やされ、その結果、自身の抵抗値が減少する。また、このときの抵抗値の減少量は、空気流量に比例して大きくなる。一方、発熱抵抗体Ｒｈ５よりも下流側に位置している発熱抵抗体Ｒｈ６は、発熱抵抗体Ｒｈ５によって暖められた空気が通過することになるので、それほど冷やされない。すなわち、発熱抵抗体Ｒｈ６は、発熱抵抗体Ｒｈ５に比べてそれほど抵抗値は減少しない。その結果、発熱抵抗体Ｒｈ５の一端が接続されている端子７０の電位Ｖ１０は、空気が流れる前に比べて増加し、一方、発熱抵抗体Ｒｈ６の一端が接続されている端子７１の電位Ｖ２０は、空気が流れる前後でそれほど変化しない。

これに対し、空気が逆方向から流れてきた場合は、反対に、発熱抵抗体Ｒｈ６の抵抗値が減少し、発熱抵抗体Ｒｈ５の抵抗値はそれほど変化しない。すなわち、端子７１の電位Ｖ２０は、空気が流れる前に比べて増加し、端子７０の電位Ｖ１０は、空気が流れる前後でそれほど変化しない。

したがって、端子７０の電位Ｖ１０と端子７１の電位Ｖ２０との差をモニターして、その差（Ｖ１０―Ｖ２０）がプラスのときは、空気の流れは順流であると判定でき、マイナスのときは、空気の流れは逆流であると判定できる。また、その差（Ｖ１０―Ｖ２０）の大きさによって、どのくらいの流速で空気が流れているのかも算出することができる。
特開平８−４３１６２号公報

上述したように、特許文献１に基づいて構成された流量センサは、各発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６を所定の温度に制御するために、それぞれ別個に駆動回路１００、２００を構成している。各発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６の温度を同じように制御するために、各駆動回路１００、２００は、できる限り同じ特性の素子を用いるのが望ましい。特に各ブリッジ回路の中点電位差をモニターする差動増幅器３０、３１については、これらの出力によって発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６に流れる電流が決まってくることから、ともにオフセット電圧がゼロの理想的な差動増幅器を用いるのが望ましい。

しかしながら、各差動増幅器にはそれぞればらつきがあり、厳密に特性を揃えることは困難である。したがって、差動増幅器３０、３１について、現実にはオフセット電圧が生じてしまい、さらに差動増幅器３０と差動増幅器３１とでは、オフセット電圧の大きさも異なっている。したがって、このような差動増幅器３０と差動増幅器３１の特性の違いによって、発熱抵抗体Ｒｈ５と発熱抵抗体Ｒｈ６との温度制御に誤差が生じ、結果的に、空気の流れに対する感度が発熱抵抗体Ｒｈ５と発熱抵抗体Ｒｈ６とではそれぞれ異なってきてしまう。すなわち、より高精度に空気流量の算出しようとしたときに、駆動回路１００と駆動回路２００との整合性が弊害となってしまう。特に、近年、自動車の排ガス規制の強化により、高精度な内燃機関の流量センサが要求されており、従来の方式では要求精度を満足できないという問題が生じている。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、自動車エンジンの混合気の空燃比制御等に用いられる、空気の逆流も検出可能な流量センサにおいて、従来よりも精度よく空気流量を検出できる流量センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の流量センサは、気体流体中に設置され、別個に設けられた第１及び第２のメンブレンを有する基板と、前記基板上に形成され、同一特性の４つの、自身の温度変化にともなって自身の抵抗値が変化する第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体とからなり、前記第１の発熱抵抗体と前記第３の発熱抵抗体は前記気体の流れに対して上流側に形成され、前記第２の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体は前記気体の流れに対して下流側に形成され、かつ前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体、及び前記第３の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体とが、それぞれ前記気体の流れ方向において対向するように形成されている発熱抵抗部と、前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体が直列に接続され、前記第３の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体が直列に接続され、かつ、前記第１の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体が電源側及び前記第２の発熱抵抗体と前記第３の発熱抵抗体がアース側にくるように、前記発熱抵抗体の２つの直列回路を並列に接続した、当該第１〜第４の発熱抵抗体で構成される第１のブリッジ回路と、周辺温度によって自身の抵抗値が変化する測温抵抗体と、所定の抵抗値を有する第１の抵抗体及び第２の抵抗体とを備え、前記第１のブリッジ回路と前記測温抵抗体と前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体とから構成される第２のブリッジ回路であって、平衡したときに前記第１〜第４の発熱抵抗体の温度が前記気体流体中の温度よりも所定温度だけ高くなるように、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の抵抗値が調整されている第２のブリッジ回路と、前記第２のブリッジ回路の中点端子間の電位差をモニターし、当該電位差に基づいて当該第２のブリッジ回路が平衡するように当該第２のブリッジ回路に流す電流を調整する電流調整部と、前記第１のブリッジ回路の２つの中点端子に接続されており、当該２つの中点端子間の電位差に基づいて、前記気体の流量と流れ方向とを算出する算出部とを備え、前記発熱抵抗部の前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体とが前記第１のメンブレンに形成され、前記第３の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体とが前記第２のメンブレンに形成されることを特徴とする。

これにより、例えば、気体が順方向から流れてきた場合、基板の上流側に形成されている第１の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体は、この気体に接することにより冷やされ、それにともない自身の抵抗値が減少する。これに対し、下流側に形成されている第２の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体は、第１の発熱抵抗体又は第３の発熱抵抗体によって暖められた気体が通過することになり、それほど冷やされない。すなわち、第１の発熱抵抗体、第３の発熱抵抗体に比べて、第２の発熱抵抗体、第４の発熱抵抗体の抵抗値はそれほど変化しない。このため、これら４つの発熱抵抗体で構成されている第１のブリッジ回路の中点端子のうち、第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体とが接続されている端子は、気体が流れる前に比べて電位が増加し、反対に第３の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体とが接続されている端子は、気体が流れる前に比べて電位が減少する。したがって、この中点端子間の電位差をモニターすることにより、従来に比べて感度よく、気体流量を算出することができる。

一方、気体が逆方向から流れてきた場合も、同様に、第１のブリッジ回路の２つの中点端子のうち、一方は気体が流れる前に比べて電位が増加し、他方は反対に減少することになるが、その電位が増加する端子、減少する端子は、気体が順方向から流れてきたときと逆になる。したがって、中点端子間の電位差は、気体が順方向から流れてきたときと、符号が逆になるので、逆方向からの気体の流れも識別することができる。

また、４つの発熱抵抗体の温度は、第１のブリッジ回路に流れる電流によって決まる。この第１のブリッジ回路に流れる電流は、当該第１のブリッジ回路と測温抵抗体などから構成される第２のブリッジ回路に流す電流を制御する電流制御部によって制御される。この電流制御部は、例えば、第２のブリッジ回路の中点端子間の電位差をモニターする差動増幅器、及びこの差動増幅器の出力に基づいて第２のブリッジ回路に流す電流を増減させる電流調整用トランジスタなどから構成される。したがって、各発熱抵抗体それぞれに温度を制御する駆動回路を設けていないので、各発熱抵抗体の温度を同等に制御することができる。これにより、従来のような複数の駆動回路間の整合性を考える必要がないので、気体の流量の精度を向上させることができる。また、回路素子も低減することができるので、コストダウンを図ることができる。

請求項２の流量センサは、前記測温抵抗体は、前記基板上に形成されていることを特徴とする。発熱抵抗体の温度を気体流体中の温度よりも所定の温度だけ高くしようとするときに、この気体流体中の温度は測温抵抗体の抵抗値に基づいて決定される。したがって、この測温抵抗体は、できるだけ発熱抵抗体の近くに設置したほうがよい。請求項２の流量センサのように、測温抵抗体を発熱抵抗体と同一の基板上に設置することにより、より正確に発熱抵抗体の温度を制御することができる。また、同一基板上に発熱抵抗体と測温抵抗体とを形成することにより、当該流量センサをコンパクトに構成することができる。

請求項３の流量センサは、前記４つの発熱抵抗体は、前記基板上に同一の発熱抵抗材料を同一形状に堆積して形成されたものであることを特徴とする。これにより、精度よく同一特性の発熱抵抗体を形成することができる。

以下、本発明における流量センサを、自動車のエンジン吸気管内の空気流量の検出に用いた実施例について説明する。

図１は、本実施形態における流量センサの回路構成図を示している。また、図２（ａ）は、基板１ａ上に形成された４つの発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２、Ｒｈ３、Ｒｈ４及び測温抵抗体Ｒｔ１を示す平面図、図２（ｂ）は、基板１ａを図２（ａ）のＡ−Ａで切断したときの断面図、及び図２（ｃ）は、基板１ａを図２（ａ）のＢ−Ｂで切断したときの断面図である。以下、これらの図面に基づいて、本実施形態における流量センサを説明する。

基板１ａは、エンジン吸気管内に設置され、例えばシリコン（Ｓｉ）からなるものである。図２（ａ）に示すように、基板１ａには、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４、及び一つの測温抵抗体Ｒｔ１が形成されている。この４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４のうち、２つ（発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３）は空気の流れに対して上流側に形成されており、他の２つ（発熱抵抗体Ｒｈ２、Ｒｈ４）は、下流側に形成されている。いずれの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４も、空気に接する面積が大きくなるように、空気の流れ方向に対して垂直になるように、基板１ａ上に形成されている。さらに、発熱抵抗体Ｒｈ１と発熱抵抗体Ｒｈ２及び発熱抵抗体Ｒｈ３と発熱抵抗体Ｒｈ４はそれぞれ対向するように形成されている。これら対向形成されている２つの発熱抵抗体（発熱抵抗体Ｒｈ１と発熱抵抗体Ｒｈ２、又は発熱抵抗体Ｒｈ３と発熱抵抗体Ｒｈ４）は、後述するように、空気が流れてきたときに、一方の発熱抵抗体に接した際に暖められた気体が、冷やされる前に他方の発熱抵抗体を通過するように、できるだけ接近した位置に形成される。

これら発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４は、互いに同一形状、同一特性の自身に流れる電流によって高温に発熱する膜状の抵抗体である。例えば、白金（Ｐｔ）やポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）を真空蒸着やスパッタリングすることによって基板１ａに形成される。また、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４は、基板１ａを裏面からエッチングすることによって形成されるメンブレン１０ａ、１０ｂに形成されている。これにより、周囲との断熱性が保たれ、効率的に発熱させることができる。

測温抵抗体Ｒｔ１は、周囲の温度によって自身の抵抗値が変化する抵抗体であり、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４と同様に、真空蒸着やスパッタリングによって形成された白金膜（Ｐｔ）やポリシリコン膜（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）である。この測温抵抗体Ｒｔ１は、吸気管内の温度を検出するためのものであり、後述するように、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４は、この測温抵抗体Ｒｔ１の抵抗値に基づいて、常に吸気管内の温度よりも所定温度（例えば１５０℃）高温に制御される。なお、測温抵抗体Ｒｔ１は、上述したように発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４と同質の材料で形成されたものであるが、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４のように高温に発熱させる必要はないので、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４よりも抵抗値が大きくなるように形成されている。また、本実施形態では測温抵抗体Ｒｔ１は、基板１ａの図２に示す位置に形成されているが、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４近傍の温度が検出できる位置であるならば、この測温抵抗体Ｒｔ１を基板１ａのどの位置に形成してもよい。ただし、あまりに発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の近くに測温抵抗体Ｒｔ１を形成すると、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４から放射される熱の影響を受け、それによって自身の抵抗値が変化してしまう。したがって、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４と適度に離れた位置に測温抵抗体Ｒｔ１を形成するようにする。

また、上述した、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４及び測温抵抗体Ｒｔ１は、それぞれ基板１ａに形成された電極（図示せず）と電気的に接続されている。そして、この電極を介して、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４及び測温抵抗体Ｒｔ１は、基板１ａの外部で図１に示すように電気的に接続されている。同図に示すように、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４は、発熱抵抗体Ｒｈ１と発熱抵抗体Ｒｈ２とが直列に接続され、発熱抵抗体Ｒｈ４と発熱抵抗体Ｒｈ３とが直列に接続され、さらに、これら直列に接続されたもの同士が並列に接続されたブリッジ回路２を構成している。このブリッジ回路２の両端は、一方はトランジスタ４を介して電源電圧Ｖｂに接続されており、他方は、抵抗Ｒ２を介してグランドに接続されている。また、測温抵抗体Ｒｔ１は、一端は抵抗Ｒ１を介してグランドに接続されており、他端は、ブリッジ回路２と同様にトランジスタ４を介して電源電圧Ｖｂに接続されている。すなわち、ブリッジ回路２、測温抵抗体Ｒｔ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２とでブリッジ回路９を構成している。後述するように、このブリッジ回路９が平衡するように、すなわち中点端子５ａ、５ｂ間の電位差がゼロになるように、当該ブリッジ回路９に流れる電流が制御される。そして、ブリッジ回路９が平衡した際に、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の温度が所定温度（例えば、吸気管内の温度よりも１５０℃高い温度）となるように抵抗Ｒ１、Ｒ２の値が設定されている。

差動増幅器３は、非反転入力端子及び反転入力端子を有し、これら２つの入力端子に入力された信号の差に比例した信号を出力端子に出力する。図１に示すように、差動増幅器３の非反転入力端子には、ブリッジ回路２と抵抗Ｒ２との接続端子６ａが接続されており、反転入力端子には、測温抵抗体Ｒｔ１と抵抗Ｒ１との接続端子６ｂが接続されている。また、差動増幅器３の出力端子は、トランジスタ４のベース端子に接続されている。

トランジスタ４は、上述したように、ベース端子には差動増幅器３の出力端子が接続され、コレクタ端子には電源電圧Ｖｂが接続され、エミッタ端子にはブリッジ回路２及び測温抵抗体Ｒｔ１が接続されており、ブリッジ回路２、測温抵抗体Ｒｔ１及び抵抗Ｒ１、Ｒ２とからなるブリッジ回路９に流す電流を増減させるものである。つまり、差動増幅器３からの信号に基づいて、トランジスタ４は、電源電圧Ｖｂからブリッジ回路９に供給する電流を制御する。

また、ブリッジ回路２の２つの中点端子５ａ、５ｂには演算器７が接続されている。この演算器７は、中点端子５ａ、５ｂ間の電位差を検出し、この電位差に基づいて、空気の流量及び流れ方向とを算出する。

次に、上述のように構成される流量センサにおける、空気の流量を検出する動作について説明する。

先ず、発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４及び測温抵抗体Ｒｔ１が形成されている基板１ａを、各抵抗体と空気の流れ方向とが垂直となるように吸気管内に設置する。このとき、測温抵抗体Ｒｔ１は、吸気管内の温度に対応する抵抗値となっている。また、ブリッジ回路９に流れる電流は、端子６ａと端子６ｂとの間の電位差がゼロとなるように、差動増幅器３及びトランジスタ４によって制御されている。これにより、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の温度は、吸気管内の温度よりも所定温度（例えば、１５０℃）高くなっている。また、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の特性は同じなので、各発熱抵抗体の両端電圧は全て等しい。つまり、ブリッジ回路２は平衡状態となっている。

このような状態において、空気が順方向から流れてきた場合、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４のうち、先ず上流側に形成されている発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３が、この空気と接することになる（図２（ａ）参照）。このため、発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３はこの空気によって熱が奪われ、抵抗値が減少する。このとき、空気流量が大きいほど発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３から奪う熱が大きくなるので、この抵抗値の減少量は、空気流量に比例して大きくなる。一方、発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３よりも下流側に形成されている発熱抵抗体Ｒｈ２、Ｒｈ４は、発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３によって暖められた空気が接することになるので、空気が流れる前後でほとんど抵抗値の変化はない。その結果、各発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の両端電圧に差が生じることになる。すなわち、直列に接続されている発熱抵抗体Ｒｈ１と発熱抵抗体Ｒｈ２の両端電圧を比べると、発熱抵抗体Ｒｈ１の両端電圧のほうが小さくなる。同様に、発熱抵抗体Ｒｈ３と発熱抵抗体Ｒｈ４については、発熱抵抗体Ｒｈ３の両端電圧のほうが小さくなる。このため、ブリッジ回路２の２つの中点端子５ａ、５ｂの電位Ｖ１、Ｖ２を比べると、端子５ａの電位Ｖ１のほうが端子５ｂの電位Ｖ２よりも大きくなる。つまり、ブリッジ回路２の２つの中点端子５ａ、５ｂ間には、ある大きさの電位差Ｖｏ（Ｖ１−Ｖ２）が生じ、この電位差Ｖｏの大きさに基づいて演算器７は空気流量を算出する。

一方、空気が逆方向から流れてきた場合、今度は下流側に形成されている発熱抵抗体Ｒｈ２、Ｒｈ４が先に空気に接することになるので、この発熱抵抗体Ｒｈ２、Ｒｈ４の抵抗値が減少する。そして、上流側に形成されている発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３は、発熱抵抗体Ｒｈ２、Ｒｈ４によって暖められた空気に接することになるので、空気が流れる前後でほとんど抵抗値の変化はない。このため、ブリッジ回路２の２つの中点端子５ａ、５ｂの電位Ｖ１、Ｖ２を比べると、順流のときとは反対に、端子５ａの電位Ｖ１のほうが端子５ａの電位Ｖ２よりも小さくなる。したがって、ブリッジ回路２の２つの中点端子５ａ、５ａ間には、順流のときと符号が反対の電位差Ｖｏ（Ｖ１−Ｖ２）が生じる。順流のときと同様に、演算器７は、この電位差Ｖｏの大きさに基づいて、空気の流量を算出するとともに、この電位差Ｖｏの符号に基づいて、空気が逆方向から流れてきたということも識別することができる。

以上、本実施形態の流量センサは、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４でブリッジ回路２を構成する（図１参照）。空気の流れがないときは、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の抵抗値は同じなので、そのブリッジ回路２は平衡に保たれている。一方、空気が流れてきたときは、上流側に形成されている発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ３と下流側に形成されている発熱抵抗体Ｒｈ２、Ｒｈ４の抵抗値に違いが生じ、その結果ブリッジ回路２が非平衡状態となる。つまり、ブリッジ回路２の中点端子５ａ、５ｂ間に、電位差Ｖｏ（Ｖ１−Ｖ２）が生じる。この電位差Ｖｏ（Ｖ１−Ｖ２）に基づいて、空気流量及び流れ方向とを算出できる。これにより、従来の流量センサよりも感度よく空気流量を算出できる。

また、各発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の温度は、測温抵抗体Ｒｔ１の抵抗値を基準として、差動増幅器３及びトランジスタ４によって、吸気管内温度よりも所定温度（例えば１５０℃）高い温度に制御される。このように、各発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の温度を単独の制御回路で制御しているので、各発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４の温度を同等に制御することができる。これにより、従来の複数の駆動回路間の整合性といった問題を解消することができるので、空気流量の検出精度が向上できる。さらに、差動増幅器などの回路素子を低減することができるので、コストダウンを図ることもできる。

なお、本実施形態では、対向配置する２つの発熱抵抗体（発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２又は発熱抵抗体Ｒｈ３、Ｒｈ４）に対して一つのメンブレンを形成している（図２参照）。しかし、本発明の趣旨を逸脱しないかぎり、一つのメンブレン内にいくつの発熱抵抗体を形成してもよく、例えば、図３に示すように、４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４を一つのメンブレン１０ｃ内に形成してもよい。ここで、図３（ａ）は、基板１ｂ上に形成された４つの発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２、Ｒｈ３、Ｒｈ４及び測温抵抗体Ｒｔ１を示す平面図、図３（ｂ）は、基板１ｂを図３（ａ）のＡ−Ａで切断したときの断面図、及び図３（ｃ）は、基板１ｂを図３（ａ）のＢ−Ｂで切断したときの断面図である。

本実施形態に係る、流量センサの回路構成を示した図である。本実施形態に係る、基板１ａ上に形成された４つの発熱抵抗体Ｒｈ１、Ｒｈ２、Ｒｈ３、Ｒｈ４及び測温抵抗体Ｒｔ１を示す平面図（同図（ａ））、基板１ａをＡ−Ａで切断したときの断面図（同図（ｂ））、基板１ａをＢ−Ｂで切断したときの断面図（同図（ｃ））である。４つの発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４が一つのメンブレン１０ｃ内に形成されていることを説明するための図である。従来の流量センサの回路構成を示す図（同図（ａ））及び基板１ｃに形成されている２つの発熱抵抗体Ｒｈ５、Ｒｈ６と２つの測温抵抗体Ｒｔ２、Ｒｔ３を示す平面図（同図（ｂ））である。

符号の説明

Ｒｈ１〜Ｒｈ６発熱抵抗体
Ｒｔ１〜Ｒｔ３測温抵抗体
Ｖｂ電源電圧
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ２０、Ｒ２１抵抗
２発熱抵抗体Ｒｈ１〜Ｒｈ４からなるブリッジ回路
３、３０、３１差動増幅器
４、４０、４１トランジスタ
５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７０、７１、８０、８１端子
７演算器
９ブリッジ回路２、測温抵抗体Ｒｔ１及び抵抗Ｒ１、Ｒ２からなるブリッジ回路
１ａ、１ｂ、１ｃ基板
１０ａ、１０ｂ、１０ｃメンブレン

Claims

気体流体中に設置され、別個に設けられた第１及び第２のメンブレンを有する基板と、
前記基板上に形成され、同一特性の４つの、自身の温度変化にともなって自身の抵抗値が変化する第１の発熱抵抗体と第２の発熱抵抗体と第３の発熱抵抗体と第４の発熱抵抗体とからなり、前記第１の発熱抵抗体と前記第３の発熱抵抗体は前記気体の流れに対して上流側に形成され、前記第２の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体は前記気体の流れに対して下流側に形成され、かつ前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体、及び前記第３の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体とが、それぞれ前記気体の流れ方向において対向するように形成されている発熱抵抗部と、
前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体が直列に接続され、前記第３の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体が直列に接続され、かつ、前記第１の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体が電源側及び前記第２の発熱抵抗体と前記第３の発熱抵抗体がアース側にくるように、前記発熱抵抗体の２つの直列回路を並列に接続した、当該第１〜第４の発熱抵抗体で構成される第１のブリッジ回路と、
周辺温度によって自身の抵抗値が変化する測温抵抗体と、所定の抵抗値を有する第１の抵抗体及び第２の抵抗体とを備え、前記第１のブリッジ回路と前記測温抵抗体と前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体とから構成される第２のブリッジ回路であって、平衡したときに前記第１〜第４の発熱抵抗体の温度が前記気体流体中の温度よりも所定温度だけ高くなるように、前記第１の抵抗体と前記第２の抵抗体の抵抗値が調整されている第２のブリッジ回路と、
前記第２のブリッジ回路の中点端子間の電位差をモニターし、当該電位差に基づいて当該第２のブリッジ回路が平衡するように当該第２のブリッジ回路に流す電流を調整する電流調整部と、
前記第１のブリッジ回路の２つの中点端子に接続されており、当該２つの中点端子間の電位差に基づいて、前記気体の流量と流れ方向とを算出する算出部とを備え、
前記発熱抵抗部の前記第１の発熱抵抗体と前記第２の発熱抵抗体とが前記第１のメンブレンに形成され、前記第３の発熱抵抗体と前記第４の発熱抵抗体とが前記第２のメンブレンに形成されることを特徴とする流量センサ。
前記測温抵抗体は、前記基板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流量センサ。
前記４つの発熱抵抗体は、前記基板上に同一の発熱抵抗材料を同一形状に堆積して形成されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流量センサ。