JP4934137B2 - 周波数変調された信号を検出するホットフィルムエアマスフローセンサ - Google Patents

Description

本発明は、周波数変調された信号を検出して主流方向に流れる空気流を測定するホットフィルムエアマスフローセンサ、および、こうしたホットフィルムエアマスフローセンサを駆動する方法に関する。こうしたホットフィルムエアマスフローセンサは特に内燃機関の吸気管内で使用される。

従来技術
方法技術、化学または機械などの分野の多くのプロセスでは、ガス量、とりわけ空気量を定められたとおりに供給しなければならない。これには制御された条件のもとで行われる燃焼プロセスも含まれる。その重要な例として、燃料を自動車の内燃機関で燃焼させ、続いて触媒により排ガスを浄化することが挙げられる。ここでは空気流量を測定するための種々のタイプのセンサが使用される。

従来技術から公知のセンサはいわゆるホットフィルムエアマスフローセンサHFMであり、例えば独国公開第１９６０１７８１号明細書の実施例に記載されている。この種のホットフィルムエアマスフローセンサでは、通常、薄いセンサメンブレインを有するセンサチップ、例えばシリコンセンサチップが使用される。センサメンブレインには典型的には少なくとも1つの加熱抵抗が配置されており、この加熱抵抗は２つ以上の温度測定抵抗（温度センサ）により包囲されている。センサメンブレイン上を通過する空気流において温度分布が変化すると、これが温度測定抵抗により検出され、制御評価回路によって評価される。例えば複数の温度測定抵抗の抵抗差から空気流量を求めることができる。このタイプのセンサの種々のバリエーションも従来技術から公知である。

例えば独国特許第１０１１１８４０号明細書から公知の当該のタイプのセンサの問題点は、油その他の流体または他の不純物などによるセンサの汚染が頻繁に発生することである。センサチップは、通常、内燃機関の吸気管または内燃機関の吸気管へのバイパス管路に直接に配置されて使用される。この場合、内燃機関の動作中に油がセンサチップ、特にセンサメンブレインに沈着することがある。油の沈着はセンサチップの測定信号に望ましくない影響を与えることがある。特にセンサチップの表面に油膜が生じると表面の熱伝導性に作用し、測定信号に誤差が生じる。また、油の汚染は内燃機関、例えばディーゼル機関の遮断時または遮断直後にも発生する。これは特に、内燃機関の遮断後にクランクケーシングに存在する過圧がクランクケーシングの換気により内燃機関の吸気管ひいてはホットフィルムエアマスフローセンサのバイパス管路へ排出されて低下するケースである。このとき油蒸気ないし油霧がともにセンサへ達することが多い。したがって独国特許第１０１１１８４０号明細書では付加的なヒータを用いてセンサチップの汚染を回避する方法を提案している。この発明のセンサチップはセンサ領域とセンサ領域外に配置された付加的なヒータとを有する。付加的なヒータは電気的に加熱され、これによりヒータの領域に熱勾配渦が発生する。熱勾配渦により、通流媒体における汚染物質はセンサ領域から離れてヒータの領域で沈着するようになる。

しかし当該の独国特許第１０１１１８４０号明細書に開示された装置および方法には、実際の内燃機関の種々の動作形式を考慮に入れると欠点がある。例えば独国特許第１０１１８４０号明細書に開示された装置が目的とする熱勾配渦の位置を決めることは実際にはほとんど不可能である。また、シリコンの熱伝導性が高いため、付加的なヒータにより発生された熱は容易にチップ全体に広がっていわば"均一な"温度分布を生じ、ひいてはチップ全体が加熱されることとなる。

センサメンブレインないしセンサ表面の汚染問題は熱力学的作用によって先鋭化する。例えば、表面張力に勾配を有する流体滴は表面張力の高い方向に力を受けることが知られている。このためふつう滴は表面張力の低い方から高い方へ移動する。特にこの表面張力の勾配は流体滴の塗布される表面の温度勾配によって引き起こされる。滴は温度勾配およびそこから生じる表面張力の勾配によって、通常、表面のうち温かい領域から冷えた領域へ移動する。この効果は例えばV.G.Levicch, "Physicochemical Hydrodynamics", Prentice-Hall, N.J., 1962の第373頁および第380頁に記載されている。

上述したように、典型的なホットフィルムエアマスフローセンサは、熱伝導性の小さいセンサメンブレイン（例えばシリコンメンブレイン）と周囲のチップランドとを有するように構成されている。したがって、ホットフィルムエアマスフローセンサの動作時には、センサメンブレインの縁部すなわちこれを包囲しているチップランドとの境界部に温度勾配が形成され、相応に流体壁が生じる。さらに空気流によって流体壁の全体または一部が引き込まれ、その結果、油滴がセンサメンブレインに達し、測定に影響することがある。また流体壁はセンサメンブレインの縁部での熱伝導性を高める。このことも測定信号の誤差およびドリフトを引き起こす。

本発明の利点
こうした従来技術から公知の方法および装置の欠点を回避するため、特に内燃機関の吸気管内で主流方向に流れる空気流を測定するホットフィルムエアマスフローセンサ、および、こうしたホットフィルムエアマスフローセンサを駆動する方法が提案される。

ホットフィルムエアマスフローセンサはセンサチップを有しており、このセンサチップのチップ表面の上方を空気流が通過する。ここで、"主流方向"とは、ホットフィルムエアマスフローセンサの所定の位置、例えばセンサチップの位置での媒体の主な輸送方向であると理解されたい。局所的な渦流はたいていの場合に無視できる。ホットフィルムエアマスフローセンサは汎用可能であるが、特に流速０ｍ／ｓ〜６０ｍ／ｓの空気流の測定に最適である。センサチップは例えば上述したシリコンチップとすることができる。チップ表面は測定面とランド面とを有する。チップ表面は、測定面の領域でランド表面の領域よりも少なくとも一桁小さい横方向熱伝導性を有するように分割されている。横方向熱伝導性の低減は種々の手法で達成することができる。例えば従来技術から公知のように数μmの厚さを有するセンサメンブレインを備えたセンサチップを使用することもその１つである。ここではセンサメンブレインを取り囲む空気の熱伝導性が小さく約０．０２Ｗ／ｍＫであることが利用される。これに代えて、空気流に近い側に測定面を有する測定領域として１つまたは複数の多孔性領域をセンサチップに形成することができる。これは例えばシリコンチップを多孔化することにより行われる。このようにすれば閉鎖された空洞により横方向熱伝導性０．１Ｗ／ｍＫ〜２Ｗ／ｍＫの測定領域を形成することができる。これに比べてシリコン基板の熱伝導性は１５６Ｗ／ｍＫである。

ホットフィルムエアマスフローセンサの測定面には中央測定回路（ホットフィルムエアマスフローセンサ回路）が被着されている。"被着されている"とは、測定面に直接に続いて配置されているか、または、空気流の通過する表面の下方に配置されており、付加的な層によって中央測定回路が完全にまたは部分的に覆われていることであると理解されたい。この中央測定回路は少なくとも1つの中央加熱素子と少なくとも２つの温度センサとを有する。例えば少なくとも１つの中央加熱素子および少なくとも２つの温度センサは導体路または導体条片として形成される。当分野の技術者に知られたその他の構成も可能である。中央測定回路の導体路の外部寸法により測定面のセンサ領域が規定される。これにより測定面はセンサ領域とセンサ領域外の領域とに分割される。

本発明では、ホットフィルムエアマスフローセンサは後述する方法にしたがって駆動される。したがって、ホットフィルムエアマスフローセンサは本発明の方法の実行に必要な装置を付加的に有する。後述する方法のステップは必ずしも説明した順に実行されなくてもよい。また図示しない付加的なステップを実行することもできる。各ステップは時間的に反復してまたは時間的に並行して実行することができる。

本発明の基本となるアイデアは、上述した熱排出効果を利用して、空気流の本来の測定に用いられる時間的にほぼ一定の測定面の加熱により汚染物を空間的に分離するところにある。空気流の測定の際には中央加熱素子による周期的な加熱が行われる。しかしこのとき、測定面の熱慣性のために、空間的な加熱は汚染物の領域まで広がらず、測定面の中央領域にとどまってしまう。測定評価の際に周波数変調法、例えば、前述した汚染物による障害などの付加的な周囲影響を信号検出に対して最小化する"修正ロックイン法"が用いられる。汚染物を排出するには、汚染物が測定面の縁部へ排出されるように測定面を時間的に一定に加熱する。このようにして、汚染物を排出するための時間的にほぼ一定な熱的ＤＣ成分、および、空気流を測定するための周期的な熱的ＡＣ成分が利用される。

変調法の基本となるアイデアは、少なくとも１つの中央加熱素子によって熱刺激を周期的に形成し、続く測定信号検出の際に周波数スペクトルのうち周期的な刺激の周波数範囲にある成分のみを考慮することである。このようにすれば雑音または熱ドリフトなどの障害信号を"フェードアウト"すなわち消去することができる。このために少なくとも１つの中央加熱素子による加熱は周波数ωで周期的に行われる。これは例えば中央加熱素子に対して少なくとも１つの加熱抵抗を設け、この加熱抵抗へ周波数ω／２で電圧を印加することにより行われる。加熱電力は電圧の２乗に比例するので、周期的な加熱は周波数ωで行われることになる。

ここで、中央加熱素子による周期的な加熱を中央加熱素子の周囲領域のみに限定し、加熱の周波数を１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ、特に有利には１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲に選定すると有利であることが判明している。センサチップに使用される材料（例えばケイ素）、および、典型的な測定面の寸法（中央加熱素子がほぼ中央に配置されているとして、例えば主流方向に対して垂直な幅３００μｍ〜８００μｍ、有利には約４５０μｍ）において、周波数は周期的な加熱による温度上昇が測定面の縁領域まで広がらないように選定される。当該の周波数範囲での温度信号は当該の周波数範囲ではチップ材料に全く拡散しないか、著しく減衰された状態でわずかしか拡散しない。したがって、こうした周期的加熱の空間的温度特性は、減衰のために例えば温度励起部（すなわち少なくとも１つの中央加熱素子）からの距離に対して指数的に低下する。温度低下の正確な特性は使用されるチップ構造に大きく依存しており、チップ構造は一般には複雑な層構造を呈する。

周期的加熱による温度上昇が測定面の縁領域までほとんど広がらないことにより、次のような重要な利点が得られる。１）まず、空気流の測定に用いられる周期的加熱の温度特性が測定面の縁領域に集まった汚染物によって生じる渦流に重畳されなくなるということが挙げられる。渦流は典型的には主流方向に対して平行に、つまり測定面の領域内へ約１００ｍの広がりを有する。したがって本来の測定は主として空気流の主流方向で行われ、その際に汚染物に起因する渦流の影響を考慮しなくて済む。２）次に、空気流の測定に用いられる周期的加熱の温度特性が測定面の縁領域の汚染物に起因する熱伝導性の変化にほとんど影響を受けなくなるということが挙げられる。機械的にも熱的にも少なくとも１つの中央加熱素子による加熱は測定面の縁領域に発生する汚染物に起因する流れからは分離される。

これは、従来技術から公知の、測定面の中央の空気流を均等に、例えば０Ｈｚで加熱して測定する方法および装置とは異なっている。こうした低周波数または時間的にほぼ一定の加熱を行うと、温度特性は測定面の縁領域まで広がって、その熱伝導性を変化させ、渦流を生じさせてしまう。周波数０Ｈｚでは双方の効果が測定面全体にわたって重なってしまう。

少なくとも２つの温度センサを介して少なくとも２つの測定信号が検出される。上述したように、少なくとも２つの温度センサは例えば少なくとも２つの温度測定抵抗である。有利には、少なくとも２つの温度センサのうち少なくとも１つの第１のものが空気流の主流方向で見て少なくとも１つの中央加熱素子の前方に配置され、少なくとも１つの第２のものが空気流の主流方向で見て少なくとも１つの中央加熱素子の後方に配置される。一般に、障害、例えば温度ドリフトや雑音の重畳された測定信号は"生の信号"と称される。こうした少なくとも２つの測定信号を例えば差形成により直接に評価すると、ふつう、誤差が付随する。したがって、本発明の基本となるアイデアに相応に、少なくとも２つの測定信号は少なくとも１つの中央加熱素子の周期的な加熱に用いられる周波数と同じ周波数ωで復調される。少なくとも２つの測定信号に代えてまたはこれに加えて、少なくとも２つの測定信号の少なくとも１つの差信号を復調してもよい。これは、測定信号が直接に復調されるか、または、まず測定信号から少なくとも１つの差が形成され、続いてこの差が復調されることを意味する。ここで、"信号"とは必ずしも得られた信号そのものでなく、増幅、係数乗算、平滑化その他の処理を経た信号であってもよい。例えば差信号に代えて差信号に比例する信号を用いることができる。

"復調"とは、少なくとも１つの中央加熱素子の周期的加熱すなわち"励起"の周波数領域内の信号を検出し評価することを意味する。ここで、周波数ωとは必ずしも範囲０の所定の周波数でなく、有限の所定幅の範囲の周波数であってもよいと理解されたい。周波数範囲の幅は実験により得られる。また加熱の周波数に相応する周波数での復調のほか、その高調波を用いた同様の復調を行うこともできる。こうした手法は高周波数技術分野の技術者には良く知られている。復調は例えば復調すべき信号と復調周波数を有する周期的信号と数学的に乗算することにより行われる。この"乗算"は実際には１つまたは複数の周波数混合器を用いて行われる。この乗算では周期的な測定信号から時間的に一定の非周期的成分および高周波数成分が形成される。これに対して、当該の乗算では、非周期的な障害信号または他の周波数領域の障害信号は専ら高周波数成分に変換され、非周期的成分には変換されない。したがって本来の測定信号はローパスフィルタを介してフィルタリングされ、高周波数成分が除去される。

このようにして復調された複数の測定信号および／または復調された少なくとも１つの差信号が評価に利用され、例えば空気量が計算される。前述した方法および装置の有利な実施形態が本発明により得られる。例えば、付加的に、復調された少なくとも２つの測定信号の和および／または少なくとも２つの測定信号の少なくとも１つの和を復調したものから付加的に少なくとも１つの和信号が形成される。この場合にも、選択的に、少なくとも１つの和を形成し続いて復調するか、または、先に復調を行い続いて和を形成することができる。特に有利には、少なくとも１つの和信号が少なくとも１つの中央加熱素子を制御するために用いられる。例えば、少なくとも１つの和信号が時間的にほぼ一定となるように少なくとも１つの中央加熱素子の加熱が閉ループ制御される。これは例えば、周期的な加熱のための電圧の振幅を制御することによって行われる。ここで"時間的にほぼ一定"とは、時間的な制御偏差が１０％より小さく、有利には７％より小さく、特に有利には１％より小さいことであると理解されたい。

前述した復調プロセスはそもそも障害影響に対して高い不感性を有している。前述したプロセスを利用して、測定面の温度を中央測定回路の領域で付加的に制御する復調プロセスをさらに支援すると有利である。このために、ホットフィルムエアマスフローセンサは付加的に少なくとも１つの温度調節素子を有しており、本発明によれば、この温度調節素子はセンサチップの中央測定回路の領域が時間的にほぼ一定の基本温度特性で維持されるように駆動される。前述したように、時間的にほぼ一定の基本温度特性は測定面の加熱の"ＤＣ"成分を形成し、これは測定面の縁領域の汚染物を排除するために用いられる。"時間的にほぼ一定"とは基本温度特性に低い頻度の変動しか発生しないという意味である。ホットフィルムエアマスフローセンサの駆動時間にわたる基本温度特性の偏差は例えば２０％より小さく、有利には１０％より小さい。当該の"基本温度特性"とは有利には専ら少なくとも１つの温度調節素子によって生じるものであり、少なくとも１つの中央加熱素子による周期的な温度変動はこの基本温度特性にはほとんど影響しない。

例えば付加的な少なくとも１つの温度調節素子はペルチエ素子であるかまたは有利には少なくとも１つの付加的な加熱抵抗である。少なくとも１つの温度調節素子は相応の制御回路により制御され、ほぼ一定の基本温度特性が維持される。ここで、前述したように、少なくとも１つの中央加熱素子の周期的加熱に起因する周期的な温度変動は基本温度特性を制御する際に主として考慮されないままとされる。これは例えば、少なくとも２つの温度センサの１つまたは複数の測定信号および／または少なくとも１つの制御温度センサの少なくとも１つの付加的な測定信号を用いて基本温度特性を制御する（すなわち少なくとも１つの温度調節素子を制御する）ことにより行われる。測定信号は少なくとも１つの中央加熱素子の周期的加熱の影響を"フェードアウト"すなわち消去させるために、例えばローパスフィルタを介してフィルタリングされる。ローパスフィルタの限界周波数は少なくとも１つの中央加熱素子の加熱周波数ωおよび／または加熱周波数の１／２（すなわちω／２）より低い。少なくとも１つの温度調節素子により、汚染物、例えば油膜の被着による障害影響が中央測定回路の領域で付加的に低減される。特に"温度のベース"すなわち基本温度特性は時間的に一定であり、前述した復調プロセスの周波数領域に僅かな変動しか有さない。

基本的にはほぼ一定の基本温度特性の任意の位置の特性を用いることができる。前述した差信号の形成を簡単化するために、すなわち、特に差信号の形成に必要な電子回路を簡単化するために、例えば、中央測定回路の領域の基本温度特性はほぼ一定の温度特性を有する。"ほぼ一定"とは、復調プロセスに用いられる少なくとも２つの温度センサ間の温度特性がほとんど変化せず、偏差が２０％より小さいことであると理解されたい。したがって少なくとも２つの温度センサ間に所定の"温度平坦領域"が生じる。少なくとも２つの温度センサの測定信号は当該の"温度平坦領域"に基づいて共通の"オフセット量"を有しているが、このオフセット量は差形成により消去される。

しかし、正確に平坦な"平坦領域"には、発生した汚染物が温度勾配の力を受けず、当該の領域から排出されなくなるという欠点がある。したがって、"平坦領域"にも小さな温度勾配、例えば１０Ｋ／１００μｍ程度の温度勾配を設け、汚染物を測定面の縁領域へ排出すると有利であると判明している。平坦領域では測定面の縁領域に強い温度勾配が生じ、汚染物は効率的に平坦領域から遠ざけられる。

有利には、基本温度特性は、中央測定回路の外側の縁領域を考慮せずに、領域内の温度が周囲温度を上回るように調整される。前述したチップ寸法について、典型的には、基本温度特性の領域の温度が周囲温度に比べて少なくとも４０Ｋ，有利には８０Ｋ，特に有利には少なくとも１２０Ｋ高い場合、測定領域の幅約４５０μｍとすると有利であると判明している。典型的な縁領域を汚染物に起因する渦流および熱伝導性の変化の発生する領域として、その幅が約１５０μｍであるとき、有利な平均温度勾配は少なくとも約０．２Ｋ／μｍ〜０．３Ｋ／μｍ、有利には少なくとも約０．５Ｋ／μｍ、特に有利には少なくとも約０．８Ｋ／μｍである。周囲温度とは例えば室温であるが、有利にはホットフィルムエアマスフローセンサの適用分野に応じて室温に対して大きく差を有する動作温度のことであると理解されたい。

基本温度を周囲温度に対する"過温"へ選定することには多数の利点がある。まず、周囲温度の変動による障害影響が最小化される。また、主たる利点として、前述した"バリア効果"が達成される。中央測定回路の周囲に"温度壁"が形成され、温度勾配の効果によって、汚染物、特に油が中央測定回路の領域に達することが阻止される。中央測定回路はホットフィルムエアマスフローセンサの前述の構成および前述のプロセスにより障害影響から有効に保護される。

前述したホットフィルムエアマスフローセンサおよび前述した方法は従来の装置および方法に比べて前述した利点のほかにも多数の利点を有する。特に、温度特性の絶対値が検出されるのではなく、制御された温度平坦領域内の相対的変化が検出される点が有利である。当該の領域の外側に堆積した汚染物は測定信号に影響を及ぼさない。また、本発明のホットフィルムエアマスフローセンサは出力信号を入力電圧の和すなわち和信号に対して正規化することにより導体路の抵抗ドリフトに不感に構成することができる。さらに、本発明のホットフィルムエアマスフローセンサのセンサチップは小さく、スペースが節約できるということも利点の１つである。測定に必要な最小領域すなわち測定面またはセンサ領域は従来技術に比べて大幅に低減される。特に、前述したように、ほぼ一定の基本温度特性が測定面またはセンサ領域の周囲に"温度壁"を形成し、これにより中央測定回路の導体路に密接する汚染物を有効に中央測定回路から遠ざけることができる。

図面
以下に図に則して本発明を詳細に説明する。図１にはホットフィルムエアマスフローセンサの第１の実施例が示されている。図２のＡには図１のＡ−Ａ線における流速０のときの温度特性が示されており、Ｂには図１のＡ−Ａ線における流速＞０のときの温度特性が示されている。

実施例の説明
図１には本発明のホットフィルムエアマスフローセンサ１１０の有利な実施例の概略図が示されている。ホットフィルムエアマスフローセンサ１１０はセンサチップ１１２と制御評価回路１１４とを有するが、これらは部分的にしか示されていない。センサチップ１１２は例えば内燃機関の吸気管または内燃機関の吸気管へのバイパス管路において使用される。この種の装置は例えば独国公開第１９６０１７９１号明細書から公知である。図１の実施例のセンサチップは、ランド面１１６を備えるチップランドを図平面に有する（これについては一部しか示されていない）。この実施例では、センサチップ１１２はシリコンセンサチップである。また、センサチップ１１２は測定面1１８を備える測定領域を図平面に有する。この実施例では測定面１１８は矩形に構成されており、その長辺が空気流の主流方向１２０に対して垂直となるように配置されている。センサチップ１１２は測定面１１８の領域に０．５Ｗ／ｍＫ〜２Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有し、これと比較して周囲のランドの伝熱性は１５６Ｗ／ｍＫである。

測定面１１８の領域には中央測定回路１２２の導体路が配置されている。この実施例では、中央測定回路１２２は1つの中央加熱素子１２４と２つの温度センサ１２６，１２８とから構成されている。ここで中央加熱素子１２４は屈曲部を有する導体路として構成され、Ｒ_ｈ３と称される。これに代えて、中央加熱素子１２４をリニア加熱素子として構成してもよい。温度センサ１２６，１２８はリニア素子として構成され、Ｒ_ｈｆ１，Ｒ_ｈｆ２と称される。主流方向１２０で見て、温度センサ１２６は上流側に、温度センサ１２８は下流側に配置されている。温度センサ１２６，１２８は中央加熱素子１２４の導体路に密接して配置されている。中央測定回路１２２は測定面１１８のセンサ領域１３０をカバーしている。図からわかるように、センサ領域１３０は上流側でも下流側でも測定面１１８を完全には覆っていない。

センサ領域１３０の外側では、中央測定回路１２２の導体路に対して平行にかつ主流方向１２０に対して垂直に、２つの付加的な加熱素子１３２，１３４が配置されている。当該の付加的な加熱素子１３２，１３４は測定面１１８のセンサ領域１３０においてほぼ一定の基本温度特性を生じさせるための温度調節素子である。付加的な加熱素子１３２，１３４は図１ではＲ_ｈ１，Ｒ_ｈ２と称される。さらに、ホットフィルムエアマスフローセンサ１１０は周囲温度センサ１３６を有しており、これは図１ではＲ_ｌｆと称される。周囲温度センサ１３６は有利にはセンサチップ１１２上に構成されるか、または、制御評価回路１１４の近傍に構成される。

ホットフィルムエアマスフローセンサ１１０の動作中、付加的な加熱素子１３２，１３４は制御回路１３８，１４０により周囲温度Ｔ_Ｕに対する過温Ｔ^＊まで加熱される。制御回路１３８，１４０には温度センサ１２６，１２８の測定信号１４２，１４４が制御量として供給される。例えば制御回路１３８，１４０は帯域素子部を有するＰＩ制御回路である。また、電流源および／または増幅器などの付加的な電子部品を設けてもよい。図１の温度制御の作用は図２のＡ，Ｂに示されている。図２のＡ，Ｂには図１のＡ−Ａ線に沿った温度特性が示されている。図２のＡにはセンサチップ１１２を介して測定された流速０のときの空気量が示されており、図２のＢには流速＞０のときの空気量が示されている。図２の主流方向１２０はシンボリックに表されている。

図２からわかるように、加熱温度すなわち過温Ｔ^＊は流速０のとき付加的な加熱素子１３２，１３４の位置で生じている。流速を有限とすると、付加的な加熱素子１３２，１３４は異なって加熱され、空気流により熱輸送が補償され、温度センサ１２６，１２８の一での温度は値Ｔ_Ｐで一定に保持される。周囲温度Ｔ_Ｕが約２０℃のとき、付加的な加熱素子１３２，１３４により温度Ｔ_Ｐは約１５０℃の一定値へ加熱される。温度センサ１２６，１２８のあいだに基本温度特性１４６が生じる。これは簡単な実施例では近似的に平坦、つまりほぼ一定である。センサ領域１３０内の基本温度特性１２６は温度センサ１２６，１２８の外側エッジによって近似的に制限され、一定の値Ｔ_Ｐを有する。しかし、実際には絶対的に平坦な基本温度特性１２６を実現することは、この領域に温度勾配を与えることができないため、技術的にきわめて困難である。相応に温度センサ１２６，１２８間の領域では、例えば測定面の中央へ向かって軽度の温度上昇があれば、排出効果を達成することができる。

中央加熱素子１２４には交流電圧Ｕ_ｅｉｎ＝Ａ・ｓｉｎ（ωｔ／２）が印加される。中央加熱素子１２４の加熱電力は印加電圧Ｕ_ｅｉｎの２乗に比例するので、中央加熱素子１２４はｓｉｎ（ωｔ）に比例する加熱電力で加熱されることになる。周波数ｓｉｎ（ωｔ）での周期的な加熱は図１では番号１４８によってシンボリックに表されている。交流電圧Ｕ_ｅｉｎの印加に必要な回路は図１では番号１５０によってシンボリックに表されている。図２のＡに番号１５２，１５４で示されているように、中央加熱素子１２４の周期的な加熱１４８は局所的な温度上昇を生じさせる。周波数ωで周期的に基本温度特性１４６から局所的な温度上昇が生じ、中央加熱素子１２４の導体路の位置に最大値が存在する。中央加熱素子１２４の導体路の直接外側に配置される温度センサ１２６，１２８により、当該の局所的な温度上昇１５２，１５４が検出される。中央加熱素子１２４を加熱する加熱回路１５０は、当該の局所的な温度上昇１５２，１５４による温度特性の変化が付加的な加熱素子１３２，１３４の定める温度平坦領域内におさまるように、入力電圧の振幅および周波数を選定する。温度センサ１２６，１２８の測定信号１４２，１４４は局所的な温度上昇１５２，１５４の測定と制御回路１３８，１４０を介した付加的な加熱素子１３２，１３４の加熱力の制御との双方に用いられるので、制御回路１３８，１４０へ供給される前にローパスフィルタ１５６，１５８を通してフィルタリングされる。これにより周波数ωのうち局所的な温度上昇１５２，１５４に起因する高周波数成分が除去される。

局所的な温度上昇１５２，１５４の空気流による変化分は、局所的な温度上昇１５２，１５４の周期的な変化分に重畳されており（図２のA，Bを参照）、空気流の流速を求めるために利用される。測定信号１４２，１４４への流速の影響は復調周波数ωによって動作する同期復調器１６０により求められる。同期復調器１６０は図１では簡単にしか示されていない。技術的にはこの同期復調器１６０は複素数的に実現されている。同期復調器１６０は２つの周波数混合器１６２，１６４を有しており、ここで温度センサ１２６，１２８の測定信号１４２，１４４がそれぞれ周波数ωの復調信号１６６と混合される。続いてローパスフィルタ１６８，１７０を介して高周波数成分が除去され、温度センサ１２６，１２８のもとの測定信号１４２，１４４から復調された測定信号１７２，１７４が形成される。続いて、復調された測定信号１７２，１７４から図１の差信号１７６または和信号１７８が形成される。この手法は、先に差信号または和信号を形成してその後で復調を行う実施例に比べて、有利である。

図２のＢに示されているように、局所的な温度上昇１５２，１５４はセンサチップ１１２上を主流方向１２０に流れる空気流によって変化している。これは下流の温度センサ１２８の位置で上流の温度センサ１２６の位置よりも高い温度が測定されることからわかる。差信号１７６は空気流の流速を反映しているので、差信号１７６から流速が計算される。このとき、例えば差信号１７６を和信号１７８によって除算することにより、差信号１７６が正規化される。このようにして抵抗１２６，１２８の抵抗値に生じたドリフトが補償される。また、図１に示されていない制御回路によって引き起こされる非線形の温度影響を抑圧するためにも和信号１７８が利用される。加熱回路１５０が和信号１７８を入力信号として用いて振幅を追従制御することにより、周期的な加熱１４８も追従制御され、和信号１７８は一定に保持される。

さらに図１および図２のＡには油滴１８０による汚染の影響がシンボリックに表されている。油滴１８０は、前述した温度勾配の効果のため、主としてランド面１１６から測定面１１８への移行領域に集まる。この測定面１１８の境界領域では、図２のＡに示されているように、強い温度勾配が支配的となる。油滴１８０により当該の領域におけるセンサチップ１１２の熱伝導性は高まる。このことは、油滴１８０による汚染のない場合の実線の温度特性１８４に比較して、油滴１８０による汚染の作用した破線の温度特性１８２によりシンボリックに表されている。ここで、本発明のセンサ領域１３０の温度を安定化し、油滴１８０の影響を消去する制御回路１３８，１４０が示されている。油滴１８０は、復調周波数ωで変調された温度特性の領域（すなわち局所的な温度上昇１５２，１５４の領域）がセンサ領域１３０を超えて延在しないかぎり、測定信号１４２，１４４に対する熱影響を有さない。変調周波数ωが増大するにつれ、局所的な温度上昇１５２，１５４の認められる領域は測定面１１８の熱慣性のために徐々に小さくなる。油滴１８０のような流体状の汚染物であれば主として測定面１１８の周囲に集積するので、本発明のホットフィルムエアマスフローセンサ１１０は汚染物に対して著しく高いローバスト性を有する。測定面１１８からの汚染物の除去は測定面１１８の温度上昇の所定の直流成分を必要とする。これは、上述したように、付加的な加熱素子１３２，１３４を温度Ｔ_Ｐへ制御することにより達成される。付加的に中央加熱素子１２４の損失の直流成分も認められる。設計の最適化により全ての抵抗および導体路１２４，１２６，１２８，１３２，１３４はきわめて密接に配置され、これにより全体としてホットフィルムエアマスフローセンサ１１０の汚染に感応する面は著しく低減される。

ホットフィルムエアマスフローセンサの第１の実施例を示す図である。 図１のＡ−Ａ線における流速０および流速＞０のときの温度特性を示すグラフである。

Claims (13)

1. 内燃機関の吸気管内で、ホットフィルムエアマスフローセンサ（１１０）を用いて主流方向（１２０）へ流れる空気流を測定する方法であって、
   ホットフィルムエアマスフローセンサのセンサチップ（１１２）のチップ表面の上方を空気流が流れ、該チップ表面に少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）および少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）を含む中央測定回路（１２２）を有する測定面（１１８）が存在しており、前記少なくとも２つの温度センサのうち、少なくとも１つの第１の温度センサ（１２６）が前記空気流の主流方向で見て前記少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）の前方に配置されており、少なくとも１つの第２の温度センサ（１２８）が前記空気流の主流方向で見て前記少なくとも１つの中央加熱素子の後方に配置されている、
   空気流を測定する方法において、
   前記ホットフィルムエアマスフローセンサの駆動中、前記センサチップの中央測定回路の領域を時間的にほぼ一定の基本温度特性で維持するステップと、
   前記少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）による加熱を周波数ωで周期的に行うステップと、
   前記少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）により少なくとも２つの測定信号（１４２，１４４）を検出するステップと、
   該測定信号および／または該測定信号から導出された少なくとも１つの差信号を周波数ωで復調するステップと
   を有する
   ことを特徴とする空気流を測定する方法。
2. 前記加熱の周波数は１００Ｈｚ〜１００ｋＨｚの範囲である、請求項１記載の方法。
3. 前記加熱の周波数は１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲である、請求項２記載の方法。
4. ホットフィルムエアマスフローセンサ（１１０）は付加的に少なくとも１つの温度調節素子（１３２，１３４）を有しており、該少なくとも１つの温度調節素子によって、前記基本温度特性の時間的にほぼ一定の維持を行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）の１つまたは複数の測定信号（１４２，１４４）を用いて前記基本温度特性（１４６）を制御する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記基本温度特性（１４６）を制御する際に、前記少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）を周期的に加熱することに起因する周期的な温度上昇（１５２，１５４）を考慮しない、請求項５記載の方法。
7. 付加的に周囲温度を検出し、前記少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）の領域の温度が該周囲温度よりも少なくとも４０Ｋだけ高くなるように前記基本温度特性（１４６）を選定する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）の領域の温度が前記周囲温度よりも少なくとも８０Ｋだけ高くなるように前記基本温度特性（１４６）を選定する、請求項７記載の方法。
9. 前記少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）の領域の温度が前記周囲温度よりも少なくとも１２０Ｋだけ高くなるように前記基本温度特性（１４６）を選定する、請求項８記載の方法。
10. 復調された前記少なくとも２つの測定信号の少なくとも１つの和または前記少なくとも２つの測定信号の少なくとも１つの和を復調したものから付加的に少なくとも１つの和信号（１７８）を形成する、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記少なくとも１つの和信号（１７８）が時間的にほぼ一定となるように前記少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）の加熱を制御する、請求項１０記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの和信号（１７８）を用いて複数の測定信号（１４２，１４４）および／または復調された少なくとも１つの差信号（１７６）を正規化する、請求項１０または１１記載の方法。
13. 内燃機関の吸気管内で、主流方向（１２０）へ流れる空気流を測定するために、
    センサチップ（１１２）のチップ表面の上方を空気流が流れ、該チップ表面に少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）および少なくとも２つの温度センサ（１２６，１２８）を含む中央測定回路（１２２）を有する測定面（１１８）が存在しており、前記少なくとも２つの温度センサのうち、少なくとも１つの第１の温度センサ（１２６）が前記空気流の主流方向で見て前記少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）の前方に配置されており、少なくとも１つの第２の温度センサ（１２８）が前記空気流の主流方向で見て前記少なくとも１つの中央加熱素子の後方に配置されている、
    ホットフィルムエアマスフローセンサ（１１０）において、
    該ホットフィルムエアマスフローセンサの駆動中、前記センサチップの中央測定回路の領域を時間的にほぼ一定の基本温度特性（１４６）で維持する手段と、
    前記少なくとも１つの中央加熱素子（１２４）による加熱を周波数ωで周期的に行う手段と、
    前記少なくとも２つの温度センサの少なくとも２つの測定信号（１４２，１４４）を検出する（１２６，１２８）手段と、
    該測定信号および／または該測定信号から導出された少なくとも１つの差信号を周波数ωで復調する手段と、
    を有する
    ことを特徴とするホットフィルムエアマスフローセンサ。

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