JP6899488B2

JP6899488B2 - 物理量検出装置

Info

Publication number: JP6899488B2
Application number: JP2020525313A
Authority: JP
Inventors: 有毅磯谷; 浩昭星加
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2021-07-07
Anticipated expiration: 2039-04-23
Also published as: DE112019002432T5; WO2019239726A1; JPWO2019239726A1; US20210247219A1; CN112204359A

Description

本発明は、物理量検出装置に関する。

発熱体を加熱して流量を測定する物理量検出装置が知られている。特許文献１には、エンジンへ吸い込まれる吸気の一部が通過する通路を形成する通路形成部材と、前記通路を通過する吸気流量を測定する流量センサと、吸気温度を測定する吸気温度センサとを具備するエアフロメータにおいて、このエアフロメータは、前記吸気温度センサとは独立して設けられ、前記通路形成部材に伝わる熱影響を受ける箇所にて温度測定を行う第２温度センサと、前記流量センサの測定した流量信号に基づいて、前記吸気温度センサの測定した吸気温度信号と前記第２温度センサの測定した第２温度信号の出力差の応答遅れを補償する応答補償手段とを備え、この応答補償手段で補償した出力差に基づいて前記吸気温度センサの測定した吸気温度信号を補正することを特徴とするエアフロメータが開示されている。

特開２０１６−１０９６２５号公報

特許文献１に記載されている発明では、加熱状態の切り替え後や流量の変化後に測定精度が低下する。

本発明の第１の態様による物理量検出装置は、発熱体を備えた被計測流体の流量を測定する流量測定素子と、前記発熱体の制御状態を発熱状態または発熱抑制状態のいずれかに切り替える発熱体制御部と、バッファおよび周波数解析ブロックを含み、前記周波数解析ブロックが算出する主たる周波数を用いて前記流量測定素子の測定値を処理する信号処理部とを備え、前記バッファには、過去所定の期間分の前記測定値が記録され、前記周波数解析ブロックは、前記バッファに記録された測定値を周波数解析することで前記主たる周波数を算出し、前記信号処理部は、イベントの発生を検出すると、前記イベントの発生から所定の期間は、直前に算出された前記主たる周波数を用いて演算を行い、前記イベントとは、前記測定値の急激な変化、および前記発熱体制御部による前記制御状態の切り替えである。

本発明によれば、加熱状態の切り替え後や流量の変化後の精度低下を低減できる。

物理量検出装置３００の断面図回路基板４００の拡大図第１の実施の形態におけるＥＣＵ２００および物理量検出装置３００の構成を示す図流量検出回路６０１の出力特性を示す図第１の流量特性調整ブロック８００の出力特性を示す図第１のフィルタ選択部８０７および第２のフィルタ選択部８０８の選択を示す図物理量検出装置３００の動作例を示す図第２の実施の形態におけるＥＣＵ２００および物理量検出装置３００の構成を示す図流量有無判定部８３９の動作概要を示す図第３の実施の形態におけるＥＣＵ２００および物理量検出装置３００の構成を示す図第４の実施の形態におけるＥＣＵ２００および物理量検出装置３００の構成を示す図第５の実施の形態におけるＥＣＵ２００および物理量検出装置３００の構成を示す図

―第１の実施の形態―
以下、図１〜図７を参照して、物理量検出装置の第１の実施の形態を説明する。本実施の形態では物理量検出装置は、内燃機関の吸入空気を測定対象とするが、物理量検出装置３００の測定対象はこれに限定されない。

（ハードウエア構成）
図１は、物理量検出装置３００の断面図である。物理量検出装置３００は、ハウジング３０２と、表カバー３０３と、裏カバー３０４とを備える。ハウジング３０２は、合成樹脂製材料をモールド成形することにより構成される。ハウジング３０２は、物理量検出装置３００を内燃機関の吸入空気が流れる吸気管に固定するためのフランジ３１１と、フランジ３１１から突出して電子制御装置（Electronic Control Unit：以下、ＥＣＵ）２００との電気的な接続を行うためのコネクタを有する外部接続部３２１と、フランジ３１１から吸気管の中心に向かって突出するように延びる計測部３３１とを有する。物理量検出装置３００とＥＣＵ２００の通信には様々な通信手段を用いることができ、たとえば車載ネットワークの一種であるＬＩＮ（Local Interconnect Network）が用いられる。

計測部３３１には、ハウジング３０２をモールド成形する際にインサート成形により回路基板４００が一体に設けられている。回路基板４００には、被計測気体の流量を測定する流量検出回路６０１と、被計測気体の温度を検出する温度検出部４５１とが備えられる。流量検出回路６０１は、流量検出部６０２と処理部６０４とを備える。流量検出部６０２および温度検出部４５１は、被計測気体に晒される位置に配置される。

図２は、回路基板４００の拡大図である。回路基板４００は、基板本体４０１と、第１突出部４０３と、第２突出部４５０とを備える。基板本体４０１にはマイコン４１５が実装され、第１突出部４０３には合成樹脂材４１８で被覆された流量検出回路６０１が実装され、第２突出部４５０には温度検出部４５１が実装される。マイコン４１５は、流量検出回路６０１および温度検出部４５１と不図示の信号線により接続される。流量検出回路６０１は後述する発熱体６０８を備え、発熱体６０８が発熱状態で被計測流体と接触することで流量を測定する。基板本体４０１の裏面にセンシング素子である圧力センサと湿度センサが設けられている。

（機能構成）
図３は、ＥＣＵ２００および物理量検出装置３００の構成を示す図である。

（ＥＣＵ２００）
物理量検出装置３００と接続されるＥＣＵ２００は、発熱体制御外部指示部２０１と、流量受信部２０２とを備える。発熱体制御外部指示部２０１は、所定の動作アルゴリズムにより発熱体制御外部指示部２０１を動作させて物理量検出装置３００に備えられる発熱体６０８の制御状態を指示する。具体的には発熱体６０８を発熱状態、または発熱抑制状態に制御させる。ただし物理量検出装置３００は、発熱体６０８の制御状態にかかわらず測定値をＥＣＵ２００に出力する。

（物理量検出装置３００）
物理量検出装置３００は、流量検出回路６０１と、流量検出回路６０１の出力値を処理するマイコン４１５とを備える。以下では流量検出回路６０１およびマイコン４１５の機能構成を説明する。流量検出回路６０１が備えるそれぞれの機能は、後述するように各ハードウエアまたはソフトウエアにより実現される。マイコン４１５が備えるそれぞれの機能は、ハードウエア回路により実現される。ただしマイコン４１５が備える機能はソフトウエア処理により実現してもよい。

（流量検出回路６０１）
流量検出回路６０１は処理部６０４と、流量検出部６０２と、を備える。処理部６０４は、発熱体制御内部指示受信部８３３と、発熱制御ブリッジ６４０と、中央演算装置であるＣＰＵ６１２と、を備える。流量検出部６０２は、発熱体６０８と、流量検知ブリッジ６５０と、を備える。流量検出回路６０１はマイコン４１５に備えられる後述する発熱体制御内部指示部８３２の指示に従い発熱体６０８を制御し、測定値を第１の流量調整ブロック８００に出力する。ただし測定値の出力は、発熱体制御内部指示部８３２の指示内容に関わらず行われる。

処理部６０４の発熱体制御内部指示受信部８３３は、発熱体制御処理部８３０と通信を行うハードウエアである。発熱体制御内部指示受信部８３３は、発熱体制御内部指示部８３２の指示に従い、発熱制御ブリッジ６４０に発熱体６０８の制御を行わせる。具体的には発熱体制御内部指示部８３２は、制御状態の発熱状態と発熱抑制状態との切り替えを指示する。発熱体制御内部指示受信部８３３は発熱体制御内部指示部８３２から発熱状態への切り替えを指示されると、発熱制御ブリッジ６４０に被計測気体の温度が当初の温度より高温の所定温度、たとえば１００℃だけ高くなるように発熱体６０８の発熱量を制御させる。この制御を「発熱状態」の制御と呼ぶ。

発熱体制御内部指示受信部８３３は発熱体制御内部指示部８３２から発熱抑制状態への切り替えを指示されると、発熱制御ブリッジ６４０による発熱体６０８の発熱をさせない制御を行う。この制御を「発熱抑制状態」の制御と呼ぶ。また発熱体制御内部指示受信部８３３は、発熱体制御内部指示部８３２の指示に従い、発熱体６０８への電力供給を制御する。具体的には発熱体制御内部指示受信部８３３は、発熱状態を指示された場合は発熱体６０８へ電力を供給し、発熱抑制状態を指示された場合は発熱体６０８への電力供給を遮断する。

処理部６０４の発熱制御ブリッジ６４０は、４つの測温抵抗体から構成されるブリッジ回路である。発熱制御ブリッジ６４０は、被計測気体を介して発熱体６０８により熱せられ、抵抗値が変化する。ＣＰＵ６１２は、発熱状態が指示されている場合は、発熱制御ブリッジ６４０の抵抗値を監視し、被計測気体の温度が当初の温度より高温の所定温度、たとえば１００℃だけ高くなるように発熱体６０８の発熱量を制御する。ＣＰＵ６１２は、発熱抑制状態が指示されている場合は、発熱体６０８に発熱を行わせないように発熱体６０８の発熱量を制御する。ＣＰＵ６１２は不図示のＲＯＭに格納されたプログラムを不図示のＲＡＭに展開して実行することにより、上述した機能を実現する。ただしＣＰＵ６１２は、発熱抑制状態が指示されている場合は何ら制御を行わなくてもよい。

流量検出部６０２の流量検知ブリッジ６５０は、４つの測温抵抗体から構成されるブリッジ回路である。これら４つの測温抵抗体は被計測気体の流れに沿って配置される。詳述すると、ある２つの測温抵抗体は発熱体６０８に対して被計測気体の流路における上流側に配置され、他の２つは発熱体６０８に対して被計測気体の流路における下流側に配置される。そのため被計測気体が流れることにより発熱体６０８の上流側に設置された測温抵抗体は冷却され、発熱体６０８の下流側に設置された測温抵抗体は発熱体６０８により暖められた被計測気体により温められる。流量検知ブリッジ６５０は、これら測温抵抗体の温度の違いを電位差として出力する。

（マイコン４１５）
マイコン４１５は、発熱体制御処理部８３０と、発熱体制御切替制御処理部８３７と、第１の流量特性調整ブロック８００と、第１の流量バッファ８０１と、第２の流量バッファ８０２と、平均流量算出ブロック８０３と、第１の振幅量算出ブロック８０４ａと、振幅比算出ブロック８０５と、周波数解析ブロック８０６と、第２の流量特性調整ブロック８０９と、流量補正フィルタ８１０とを備える。

（マイコン｜発熱体制御処理部８３０）
発熱体制御処理部８３０は、ＥＣＵ２００が備える発熱体制御外部指示部２０１による指示を受ける発熱体制御外部指示受信部８３１と、発熱体制御内部指示部８３２と、を備える。発熱体制御内部指示部８３２は、発熱体制御外部指示受信部８３１を介して伝達される発熱体制御外部指示部２０１の指示に従い、発熱体制御内部指示受信部８３３に対して発熱体６０８の制御状態の変更を指示する。

（マイコン｜発熱体制御切替制御処理部８３７）
発熱体制御切替制御処理部８３７は、発熱体制御内部指示部８３２の指示を監視し、発熱抑制状態から発熱状態への変更、および、発熱状態から発熱抑制状態への変更を検出する。次に発熱体制御切替制御処理部８３７は、現在の状態が以下に述べる第１〜第３のいずれの状態に該当するかを判断する。そして発熱体制御切替制御処理部８３７は、判断した状態を周波数解析ブロック８０６に伝達する。なお以下では、発熱体制御内部指示部８３２の指示が発熱抑制状態から発熱状態へ変更されること、および発熱状態から発熱抑制状態へ変更されることを「イベント」とも呼ぶ。

第１の状態とは、発熱抑制状態から発熱状態への変更を検出した直後から所定の期間Ｔｒｅｓ以内の状態である。第２の状態とは、発熱状態から発熱抑制状態への変更を検出した直後から所定の期間Ｔｒｅｓ以内の状態である。第３の状態とは、その他の状態、換言すると発熱抑制状態から発熱状態への変更を検出してから所定の期間Ｔｒｅｓよりも長く経過し、かつ発熱状態から発熱抑制状態への変更を検出してから所定の期間Ｔｒｅｓよりも長く経過している状態である。所定の期間Ｔｒｅｓは発熱体６０８と流量検知ブリッジ６５０の温度応答から求められる期間であり、予め行われる実験により算出されマイコン４１５にその情報が格納されている。

（マイコン｜第１の流量特性調整ブロック８００）
第１の流量特性調整ブロック８００は、流量検出回路６０１から出力された流量信号に対して所望の特性を与える。第１の流量特性調整ブロック８００は、第１の流量バッファ８０１、第２の流量バッファ８０２、第１のフィルタ選択部８０７、移動平均フィルタ８１１、ローパスフィルタ８１２、および脈動誤差低減フィルタ８１３に特性を与えた流量値を出力する。

図４および図５は、第１の流量特性調整ブロック８００の動作を説明する図である。図４は流量検出回路６０１の出力特性を示す図、図５は第１の流量特性調整ブロック８００の出力特性を示す図である。流量検出回路６０１の出力は、図４に示すように実流量の増加に対して単調増加の傾向を有するが、実流量の増加幅に対して流量検出回路６０１の出力の増加幅は必ずしも一定ではないく、マイコン４１５における処理に支障をきたす。そこで第１の流量特性調整ブロック８００は、図５に示す特性になるように流量検出回路６０１から出力された流量信号に対して所望の特性を与える。

（マイコン｜第１の流量バッファ８０１）
第１の流量バッファ８０１は、第１の流量特性調整ブロック８００の出力値を一時的に記憶する。第１の流量バッファ８０１は、第１の流量特性調整ブロック８００により変換された流量値を、最新の出力から少なくとも流量の脈動周期分以上を保持する。なおこの流量の脈動周期は後述する周波数解析ブロック８０６の演算により求められる。

（マイコン｜第２の流量バッファ８０２）
第２の流量バッファ８０２は、最新の出力から少なくとも流量の脈動周期分以上を保持する。ただし第２の流量バッファ８０２のサイズは第１の流量バッファ８０１と同一でもよいし異なっていてもよい。第２の流量バッファ８０２は、記憶した出力値の数が予め定められた数を超えた場合は古い出力値を削除する。以下では、第２の流量バッファ８０２に格納される情報がすべて入れ替わる時間を「第２バッファ時間」と呼ぶ。換言すると第２流量バッファ８０２には、現在時刻から第２バッファ時間だけ遡った時刻以降の第１の流量特性調整ブロック８００の出力値が格納されている。

（マイコン｜平均流量算出ブロック８０３）
平均流量算出ブロック８０３は、第１の流量バッファ８０１を参照し、第１の流量特性調整ブロック８００の出力値の平均値を算出する。平均流量算出ブロック８０３は、振幅比算出ブロック８０５、第２のフィルタ選択部８０８、および脈動誤差低減フィルタ８１３に算出結果を出力する。

（マイコン｜第１の振幅量算出ブロック８０４ａ）
第１の振幅量算出ブロック８０４ａは、第１の流量バッファ８０１に格納されている流量値の最大値と、第１の流量バッファ８０１に格納されている流量値の最小値との差分を振幅量として算出する。第１の振幅量算出ブロック８０４ａは、振幅比算出ブロック８０５に算出結果を出力する。

（マイコン｜振幅比算出ブロック８０５）
振幅比算出ブロック８０５は、第１の振幅量算出ブロック８０４ａが算出した振幅量を平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値で除することにより振幅比を算出する。振幅比算出ブロック８０５は、第１のフィルタ選択部８０７および脈動誤差低減フィルタ８１３に算出結果を出力する。

（マイコン｜周波数解析ブロック８０６）
周波数解析ブロック８０６は、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力に基づき２とおりの動作を行う。周波数解析ブロック８０６は、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第３の状態である場合に主たる動作を行い、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第１の状態または第２の状態である場合に従たる動作を行う。周波数解析ブロック８０６の主たる動作とは、第２の流量バッファ８０２に格納されている流量値に対し、離散フーリエ変換を行うことにより、解析周波数ごとのスペクトルを得て後述するように脈動周波数を出力することである。従たる動作とは、直前に出力した脈動周波数を繰り返し出力することである。

主たる動作の詳細を説明する。主たる動作における解析周波数は、既知である物理量検出装置３００の測定対象である被計測流体の特性に基づき決定される。たとえば被測定流体がエンジンの排気である場合は、測定周波数はエンジンのシリンダ数と、エンジンの回転数の範囲とから算出される。また、得られた解析周波数ごとのパワースペクトル密度を参照し、支配的な周波数、すなわち最大のパワースペクトル密度を有する周波数を被計測気体の脈動周波数とする。この脈動周波数の逆数が第１の流量バッファ８０１および第２の流量バッファ８０２が一時的に記録する流量値の数を決定する脈動周期である。周波数解析ブロック８０６は、脈動周波数を第１のフィルタ選択部８０７、および脈動誤差低減フィルタ８１３に出力するとともに、不図示の一時記憶領域に最新の脈動周波数を記録する。

周波数解析ブロック８０６は、従たる動作を行う場合には、前述の一時記憶領域から脈動周波数を読み出して出力する。ただし第１のフィルタ選択部８０７、および脈動誤差低減フィルタ８１３がメモリ上のあらかじめ定められた領域のデータを読み込むことで脈動周波数の情報を取得する場合には、周波数解析ブロック８０６は従たる動作として何ら処理を行わなくてもよい。メモリ上に書き込まれたデータは主たる動作によるものであり、書き込まれたデータは新たな書き込みを行わない限り消去されないからである。

（マイコン｜第２の流量特性調整ブロック８０９）
第２の流量特性調整ブロック８０９は、後の工程で物理量検出装置３００の出力を用いた演算を容易にするために、流量補正フィルタ後の出力値に対して所望の特性を与える。すなわち第２の流量特性調整ブロック８０９の演算は後処理が実行されるＥＣＵ２００にあわせて特性を与えている。

（マイコン｜流量補正フィルタ８１０）
流量補正フィルタ８１０は、移動平均フィルタ８１１と、ローパスフィルタ８１２と、第１のフィルタ選択部８０７と、第２のフィルタ選択部８０８と、脈動誤差低減フィルタ８１３とを備える。移動平均フィルタ８１１は、第１の流量特性調整ブロック８００の出力を処理対象として所定のサンプリング数で移動平均を算出して第２のフィルタ選択部８０８に出力する。ローパスフィルタ８１２は、第１の流量特性調整ブロック８００の出力を処理対象として所定のローパスフィルタを適用して第２のフィルタ選択部８０８に出力する。

第１のフィルタ選択部８０７は、振幅比算出ブロック８０５が算出した振幅比と振幅比閾値８０７ａとの比較、および、周波数解析ブロック８０６が算出する脈動周波数と周波数閾値８０７ｂとの比較を行う。第１のフィルタ選択部８０７はこれらの比較に基づき第１の流量特性調整ブロック８００、第２のフィルタ選択部８０８、脈動誤差低減フィルタ８１３のいずれかの出力を第２の流量特性調整ブロック８０９に出力する。念のために記載すると、第１のフィルタ選択部８０７は第１の流量特性調整ブロック８００の出力を何らフィルタを介さずにそのまま第２の流量特性調整ブロック８０９に出力する場合もある。

第１のフィルタ選択部８０７は、振幅比算出ブロック８０５が算出した振幅比が振幅比閾値８０７ａより大きく、周波数解析ブロック８０６が算出した脈動周波数が周波数閾値８０７ｂより大きい場合は脈動誤差低減フィルタ８１３の出力を選択する。第１のフィルタ選択部８０７は、振幅比算出ブロック８０５が算出した振幅比が振幅比閾値８０７ａ以下であり、平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値が周波数閾値８０７ｂ以下である場合は第２のフィルタ選択部８０８の出力を選択する。第１のフィルタ選択部８０７は、振幅比算出ブロック８０５が算出した振幅比が振幅比閾値８０７ａより大きく、周波数解析ブロック８０６が算出した脈動周波数が周波数閾値８０７ｂ以下である場合、および振幅比算出ブロック８０５が算出した振幅比が振幅比閾値８０７ａ以下であり、平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値が周波数閾値８０７ｂより大きい場合はフィルタ処理を行わない。すなわちこの場合は第１の流量特性調整ブロック８００の出力をそのまま第２の流量特性調整ブロック８０９に出力する。

第２のフィルタ選択部８０８は、平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値と流量閾値８０８ａとを比較する。第２のフィルタ選択部８０８は、平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値が流量閾値８０８ａより大きい場合はローパスフィルタ８１２の出力を第１のフィルタ選択部８０７に出力する。第２のフィルタ選択部８０８は、平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値が流量閾値８０８ａ以下である場合は、移動平均フィルタ８１１の出力を第１のフィルタ選択部８０７に出力する。

図６は、第１のフィルタ選択部８０７および第２のフィルタ選択部８０８の選択を示す図である。図６では領域が大きく４つに分割されており、左下の領域はさらに２つに分割されている。大きな４つの領域のうちいずれを選択するかを決定するのが第１のフィルタ選択部８０７であり、左下の領域において２つのいずれかを選択するかを決定するのが第２のフィルタ選択部８０８である。このように２つのフィルタ選択部は、振幅比算出ブロック８０５が算出した振幅比と振幅比閾値８０７ａとの大小関係、周波数解析ブロック８０６が算出した脈動周波数と周波数閾値８０７ｂとの大小関係、および平均流量算出ブロック８０３が算出した流量平均値と流量閾値８０８ａとの大小関係を評価している。

（マイコン｜脈動誤差低減フィルタ８１３）
脈動誤差低減フィルタ８１３は平均流量算出ブロック８０３、振幅比算出ブロック８０５、および周波数解析ブロック８０６の出力を用いて第１の流量特性調整ブロック８００の出力から脈動の影響を低減した測定値を算出し、第１のフィルタ選択部８０７に出力する。具体的には脈動誤差低減フィルタ８１３は、第１の流量特性調整ブロック８００の出力に、以下に説明する周波数特性補正流量および流量依存性補正流量を加えたものを出力する。

周波数特性補正流量は、周波数特性ゲインと平均流量算出ブロック８０３の出力との積である。周波数特性ゲインは、予め定められた第１のテーブルを参照して、振幅比算出ブロック８０５の出力、および周波数解析ブロック８０６の出力に基づき決定される。第１のテーブルはたとえば、横軸に振幅比算出ブロック８０５の出力、縦軸に周波数解析ブロック８０６の出力が記載されたものである。必要に応じて比例補間など任意の補間演算が行われる。

流量依存性補正流量は、流量依存性補正ゲインの増減分と、周波数特性補正流量との積である。流量依存性補正ゲインは、予め定められた第２のテーブルを参照して、周波数特性補正流量、および振幅比算出ブロック８０５の出力に基づき決定される。第２のテーブルはたとえば、横軸に周波数特性補正流量、縦軸に振幅比算出ブロック８０５の出力が記載されたものである。必要に応じて比例補間など任意の補間演算が行われる。なお流量依存性補正ゲインの「増減分」とは、１との差分であり、たとえば流量依存性補正ゲインが「１．５」の場合に流量依存性補正ゲインの増減分は「０．５」となる。

（動作例）
物理量検出装置３００は、内燃機関の吸入空気量を検出するが、アイドリングストップ機能搭載車両やハイブリッド自動車などでは内燃機関が停止されることがあり、吸入空気が存在しない期間が存在する。内燃機関の動作が停止した場合は、内燃機関側から物理量検出装置３００への未燃焼ガスの到達による流量検知ブリッジ６５０の汚損の恐れがある。またハイブリッド自動車などでは吸入空気が存在しないことが明らかな状態における発熱体６０８の発熱に伴う消費電力の浪費を防止するために、発熱体６０８の発熱を抑えることが考えられる。内燃機関の動作再開時等において、流量検出回路６０１の出力をそのまま用いると問題が生じる場合があるが、物理量検出装置３００ではこの問題を解消している。

図７は物理量検出装置３００の動作例、詳細には物理量検出装置３００の周波数解析ブロック８０６の出力を示す図である。ただし物理量検出装置３００の効果を説明するために流量検出回路６０１の出力、および単純に周波数解析を行った結果も併せて記載している。図７において横軸は時間を示す。図７において、時刻ｔ１２は発熱状態から発熱抑制状態に切り替えたタイミングを示す。また図７（ａ）〜図７（ｃ）では被測定流体の実流量はグラフに示す範囲で常にゼロ、図７（ｄ）〜図７（ｆ）では被測定流体の実流量はグラフに示す範囲で常にある一定値である。

図７（ａ）および図７（ｄ）は流量検出回路６０１の出力を示し、図７（ｂ）および図７（ｅ）は単純な周波数解析の結果を示し、図７（ｃ）および図７（ｆ）は周波数解析ブロック８０６の出力を示す。図７（ｂ）および図７（ｅ）に示す単純な周波数解析の結果とは、仮に発熱体制御切替制御処理部８３７の出力を無視して常に周波数解析を行った場合の脈動周波数である。図７（ａ）に示す信号が流量検出回路６０１からマイコン４１５に入力され、発熱体制御切替制御処理部８３７、および周波数解析ブロック８０６の処理により図７（ｃ）に示す信号が出力される。図７（ｄ）と図７（ｆ）との関係も同様である。

図７（ａ）に示すように、被計測流体の実流量がゼロの状態で、発熱体６０８の制御状態を発熱抑制状態から発熱状態に切り替えると、切り替えた時刻ｔ１２に流量測定値が大きく増加し、その後ゆるやかに減少して定常値に整定する。時刻ｔ１２から流量測定値が整定するまでの期間がＴｒｅｓであり、この期間は発熱体６０８と流量検知ブリッジ６５０の温度応答を表している。なお整定とは、たとえば定常値のプラスマイナス２％の範囲に達することである。

この場合に周波数解析ブロック８０６による脈動周波数の演算を継続すると、図７（ｂ）に示すように出力は時刻ｔ１２を境に増減を繰り返し、しばらくすると一定値に落ち着く。ただし周波数解析ブロック８０６は発熱体制御切替制御処理部８３７の出力に応じて動作を変化させ、この例では時刻ｔ１２に発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第３の状態から第１の状態に切り替わる。そのため周波数解析ブロック８０６は、時刻ｔ１２から期間Ｔｒｅｓは時刻ｔ１２の直前の出力を継続させる。時刻ｔ１２から期間Ｔｒｅｓが経過すると、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第３の状態となるので、演算を再開して演算結果を出力する。そのため、周波数解析ブロック８０６の出力である図７（ｃ）は、演算を継続する図７（ｂ）に比べて出力が安定しない期間が短いことがわかる。

また図７（ｄ）〜図７（ｆ）に示すように、被計測流体の流量がある一定値をとる場合も同様の効果が確認できる。すなわち流量検出回路６０１の出力は図７（ｄ）に示すように時刻ｔ１２から徐々に増加し、演算を継続する場合には図７（ｅ）に示すように出力が安定しない期間が長時間ある。しかし発熱体制御切替制御処理部８３７の出力に基づき演算を停止することで、図７（ｆ）に示すように出力が安定しない期間を短くすることができる。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）物理量検出装置３００は、発熱体６０８を備え被計測流体の流量を測定する流量検出部６０２と、発熱体６０８の制御状態を発熱状態および発熱抑制状態に切り替える発熱体制御内部指示受信部８３３と、第２の流量バッファ８０２および周波数解析ブロック８０６を含み、周波数解析ブロック８０６が算出する脈動周波数を用いて流量検出部６０２の測定値を処理する信号処理部であるマイコン４１５とを備える。第２の流量バッファ８０２には、過去所定の期間分の測定値が記録される。周波数解析ブロック８０６は、第２の流量バッファ８０２に記録された測定値を周波数解析することで脈動周波数を算出する。マイコン４１５は、発熱体制御内部指示受信部８３３による制御状態の切り替えを検出すると、切り替えから所定の期間Ｔｒｅｓは、直前に算出された脈動周波数を用いて演算を行う。そのため図７に示すように、制御状態の切り替え後における出力が不安定な期間を短縮し、測定精度の低下を低減することができる。

（２）マイコン４１５は、発熱体制御内部指示受信部８３３による制御状態の切り替えを検出すると、周波数解析ブロック８０６の動作を停止させ制御状態の切り替え直前の脈動周波数を継続して用いる。そのため周波数解析ブロック８０６の消費電力を削減することができる。

（３）マイコン４１５は、所定の期間Ｔｒｅｓが経過後は周波数解析ブロック８０６の算出値を用いて処理を行う。そのためマイコン４１５は、最新の脈動周波数を取得しその周波数に基づく演算が可能となる。

（４）所定の期間Ｔｒｅｓは、流量検出部６０２の温度応答に要する期間以上である。そのため物理的な制約である温度応答に要する期間以上を所定の期間Ｔｒｅｓとすることで、精度の低下を低減することができる。

（５）マイコン４１５は、発熱体６０８を制御する信号を外部から受信する発熱体制御外部指示受信部８３１を備える。発熱体制御内部指示部８３２は発熱体制御外部指示受信部８３１の動作指令に基づき発熱体６０８の制御状態を変更する。そのため物理量検出装置３００の出力を使用する機器の動作指令に応じて適切な電力の節約が可能となる。たとえば物理量検出装置３００の出力を使用するＥＣＵ２００が、ある期間は物理量検出装置３００の出力を参照しない場合には物理量検出装置３００に発熱抑制状態を指示することで、不要な発熱体６０８の加熱を避けることができる。

（変形例１）
上述した第１の実施の形態では、マイコン４１５は移動平均フィルタ８１１、およびローパスフィルタ８１２のいずれかを選択する第２のフィルタ選択部８０８を備えた。しかしマイコン４１５は、移動平均フィルタ８１１、およびローパスフィルタ８１２のうちいずれか一方だけを備えてもよい。この場合は第２のフィルタ選択部８０８も備えなくてよい。

（変形例２）
上述した第１の実施の形態では物理量検出装置３００は、流量、温度、圧力、および湿度を測定した。しかし物理量検出装置３００は少なくとも流量を測定すればよく、他の４つの物理量のうち少なくとも１つを測定しなくてもよい。

（変形例３）
マイコン４１５は、発熱体制御内部指示部８３２の指示が発熱抑制状態から発熱状態へ、または発熱状態から発熱抑制状態へ変更されたことを検出すると、第２の流量バッファ８０２を更新せずに周波数解析ブロック８０６の動作を継続してもよい。たとえば第１の流量特性調整ブロック８００が発熱体制御切替制御処理部８３７の出力を参照し、出力が第３状態である場合のみ第２の流量バッファ８０２に出力を行ってもよい。この場合は周波数解析ブロック８０６の動作は継続するので、周波数解析ブロック８０６の動作を制御するロジックが簡略化でき、設計を多様化できる。

（変形例４）
所定の期間Ｔｒｅｓは、第２バッファ時間以上、すなわち第２の流量バッファ８０２に格納されたすべてのデータが入れ替わる時間以上としてもよい。ただし所定の期間Ｔｒｅｓは、流量検出部６０２の温度応答に要する期間以上であり、かつ第２バッファ時間以上であることが望ましい。所定の期間Ｔｒｅｓが第２バッファ時間以上の場合は、周波数解析ブロック８０６が周波数解析を再開する際に、第２の流量バッファ８０２に制御状態の変更前の従前の測定値が残っていないので、安定した出力が可能となる。

（変形例５）
周波数解析ブロック８０６は、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第２の状態である場合に主たる動作を行ってもよい。換言すると、周波数解析ブロック８０６が直前に出力した脈動周波数を繰り返し出力するのは、第１の状態、すなわち発熱抑制状態から発熱状態への変更を検出した直後から所定の期間Ｔｒｅｓ以内だけでもよい。

―第２の実施の形態―
図８〜図９を参照して、物理量検出装置の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、物理量検出装置３００の発熱体制御処理部８３０が発熱体制御外部指示受信部８３１を備えない点で、第１の実施の形態と異なる。

図８は第２の実施の形態における物理量検出装置３００の構成を示す図である。本実施の形態における物理量検出装置３００のハードウエア構成は第１の実施の形態と同様である。本実施の形態における物理量検出装置３００の機能構成は第１の実施の形態と異なり、発熱体制御外部指示受信部８３１が削除され、流量有無判定部８３９が追加され、発熱体制御内部指示部８３２の動作が異なる。

流量有無判定部８３９は、平均流量算出ブロック８０３の算出値と第１の振幅量算出ブロック８０４ａの算出値とを用いて流量検出部６０２において検出される流量がゼロを示す値であるか否か、換言すると実流量がゼロか否かを判定する。そして流量有無判定部８３９は、実流量がゼロではないと判定する場合は発熱状態の制御を指示し、実流量がゼロであると判定する場合は発熱抑制状態の制御を指示する。流量有無判定部８３９は実流量の有無を、以下のように平均流量算出ブロック８０３の算出値と第１の振幅量算出ブロック８０４ａの算出値とから判定する。

図９は流量有無判定部８３９の動作概要を示す図である。流量有無判定部８３９は、平均流量算出ブロック８０３の算出値と平均流量閾値８４５ａとの比較、および、第１の振幅量算出ブロック８０４ａの算出値と振幅量閾値８４５ｂとの比較を行う。そして流量有無判定部８３９は、両方が閾値を下回ると判断する場合に実流量がゼロと判定し発熱抑制状態の制御を指示し、そのほかの場合は実流量がゼロではないと判定して発熱状態の制御を指示する。ただし流量有無判定部８３９が判断する実流量の有無は、厳密なゼロを意味するものではなく「比較的少ない」ことを意味している。

具体的には、平均流量算出ブロック８０３が算出した平均流量が平均流量閾値８４５ａより大きい場合、または、第１の振幅量算出ブロック８０４ａの算出値が振幅量閾値８４５ｂより大きい場合は、流量有無判定部８３９は実流量がゼロではないと判定して発熱体制御内部指示部８３２へ発熱状態の制御を指示する。流量有無判定部８３９は、平均流量算出ブロック８０３が算出した平均流量が平均流量閾値８４５ａ以下であり、かつ、第１の振幅量算出ブロック８０４ａの算出値が振幅量閾値８４５ｂ以下である場合は、実流量がゼロであると判定して発熱体制御内部指示部８３２へ発熱抑制状態の制御を指示する。

上述した第２の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（６）物理量検出装置３００は、第１の流量バッファ８０１と、平均流量算出ブロック８０３と、第１の振幅量算出ブロック８０４ａと、被計測流体の流量の有無を判定し発熱体制御内部指示部８３２を介して発熱制御ブリッジ６４０およびＣＰＵ６１２に動作指令を出力する流量有無判定部８３９とを備える。発熱制御ブリッジ６４０およびＣＰＵ６１２は、流量有無判定部３８９の動作指令に基づき動作する。流量有無判定部８３９は、平均流量が平均流量閾値８４５ａ以下であり、かつ振幅量が振幅量閾値８４５ｂ以下である場合に被計測流体の流量がゼロであると判断して発熱抑制状態に制御させる。流量有無判定部８３９は、平均流量が平均流量閾値８４５ａより大きい場合、または振幅量が振幅量閾値８４５ｂより大きい場合に被計測流体の流量がゼロではないと判断して発熱状態に制御させる。そのため、物理量検出装置３００が外部のＥＣＵ２００から動作指示を受けることなく発熱体６０８を制御するので、実環境に即した制御が可能となり、流量検知ブリッジ６５０の更なる耐汚損性向上や更なる省消費電力化が実現される。

―第３の実施の形態―
図１０を参照して、物理量検出装置の第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、発熱体制御外部指示受信部８３１も備える点で、第２の実施の形態と異なる。

図１０は第３の実施の形態における物理量検出装置３００の構成を示す図である。本実施の形態における物理量検出装置３００のハードウエア構成は第３の実施の形態と同様である。本実施の形態における物理量検出装置３００の機能構成は第３の実施の形態と異なり、発熱体制御外部指示受信部８３１が追加されている点、および発熱体制御内部指示部８３２の動作が異なる点で第３の実施の形態と異なる。

発熱体制御外部指示受信部８３１の動作は第１の実施の形態と同様である。発熱体制御内部指示部８３２は、発熱体制御外部指示受信部８３１を介して伝達される発熱体制御外部指示部２０１の指示と、流量有無判定部８３９の指示とに従い発熱体制御内部指示受信部８３３に対して発熱体６０８の制御状態の変更を指示する。発熱体制御内部指示部８３２は、発熱体制御外部指示部２０１の指示と流量有無判定部８３９の指示とが異なる場合は、発熱体制御外部指示部２０１の指示を優先する。

上述した第３の実施の形態によれば、発熱体制御外部指示部２０１を備えるＥＣＵと接続して使用できるだけでなく、発熱体制御外部指示部２０１を備えないＥＣＵと接続して使用することもできる。さらに接続するＥＣＵが発熱体制御外部指示部２０１を備える場合は、発熱体６０８の動作についてＥＣＵの指示を優先するので、ＥＣＵの動作に即した省電力化が可能となる。

（第３の実施の形態の変形例）
上述した第３の実施の形態では、発熱体制御内部指示部８３２は、発熱体制御外部指示部２０１の指示と流量有無判定部８３９の指示とが異なる場合は、発熱体制御外部指示部２０１の指示を優先した。しかし発熱体制御内部指示部８３２は、発熱体制御外部指示部２０１の指示と流量有無判定部８３９の指示とが異なる場合に、流量有無判定部８３９の指示を優先してもよい。本変形例によれば、流量有無判定部８３９の判定により発熱抑制状態に遷移するので、物理量検出装置３００の消費電力を抑制できる。

―第４の実施の形態―
図１１を参照して、物理量検出装置の第４の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態〜第３の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第３の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、流量の変化が大きい場合にも周波数解析を行わないように、振幅量判定部８６０も備える点で、第３の実施の形態と異なる。

図１１は第４の実施の形態における物理量検出装置３００の構成を示す図である。本実施の形態における物理量検出装置３００のハードウエア構成は第３の実施の形態と同様である。本実施の形態における物理量検出装置３００の機能構成は第３の実施の形態と異なり、振幅量判定部８６０がさらに備えられる。

（マイコン｜振幅量判定部８６０）
振幅量判定部８６０は、第１の振幅量算出ブロック８０４ａの出力である振幅量が所定の閾値よりも大きいか否かを判断して、その判断結果を周波数解析ブロック８０６に出力する。たとえば振幅量判定部８６０は、振幅量が所定の閾値よりも大きい場合に振幅過大を示す信号を出力し、振幅量が所定の閾値以下の場合には振幅過大を示す信号を出力しない。本実施の形態では、第１の振幅量算出ブロック８０４ａの出力である振幅量が所定の閾値よりも大きいこと、換言すると測定値が急激に変化することを、「イベント」が発生したとも言う。

周波数解析ブロック８０６は、振幅量判定部８６０が振幅過大の信号を出力している期間、および振幅過大の信号の出力が終了してから第２バッファ時間以内も従たる動作を行う。換言すると振幅量判定部８６０は、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第１の状態の場合、発熱体制御切替制御処理部８３７の出力が第２の状態の場合、振幅量判定部８６０が振幅過大の信号を出力している場合、振幅量判定部８６０が振幅過大の信号の出力を終了してから第２バッファ時間以内の場合、のいずれかに該当する場合は従たる動作を行う。

上述した第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態に加えて次の作用効果が得られる。すなわち、測定値が急激に変化した場合にも周波数解析ブロック８０６は直前に算出された脈動周波数を繰り返し出力するので、制御状態の切り替え後における出力が不安定な期間を短縮し、測定精度の低下を低減することができる。

―第５の実施の形態―
図１２を参照して、物理量検出装置の第５の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態〜第４の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第４の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、第２の振幅量算出ブロック８６１も備える点で、第４の実施の形態と異なる。

図１２は第５の実施の形態における物理量検出装置３００の構成を示す図である。本実施の形態における物理量検出装置３００のハードウエア構成は第４実施の形態と同様である。本実施の形態における物理量検出装置３００の機能構成は第４の実施の形態と異なり、第２の振幅量算出ブロック８０４ｂがさらに備えられる。第２の振幅量算出ブロック８０４ｂは、第２の流量バッファ８０２に格納されている流量値の最大値と、第２の流量バッファ８０２に格納されている流量値の最小値との差分を振幅量として算出して振幅量判定部８６０に出力する。

本実施の形態では、振幅量判定部８６０は第１の振幅量算出ブロック８０４ａの出力ではなく第２の振幅量算出ブロック８０４ｂの出力が所定の閾値よりも大きいか否かを判断して、その判断結果を周波数解析ブロック８０６に出力する。周波数解析ブロック８０６の動作は第４の実施の形態のとおりである。本実施の形態では、第２の振幅量算出ブロック８０４ｂの出力である振幅量が所定の閾値よりも大きいことを、「イベント」が発生したとも言う。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

３００…物理量検出装置４１５…マイコン６０１…流量検出回路６０２…流量検出部６０４…処理部６０８…発熱体６４０…発熱制御ブリッジ６５０…流量検知ブリッジ８０３…平均流量算出ブロック８０４ａ…第１の振幅量算出ブロック８０４ｂ…第２の振幅量算出ブロック８０５…振幅比算出ブロック８０６…周波数解析ブロック８１０…流量補正フィルタ８１１…移動平均フィルタ８１２…ローパスフィルタ８１３…脈動誤差低減フィルタ８３０…発熱体制御処理部８３１…発熱体制御外部指示受信部８３２…発熱体制御内部指示部８３３…発熱体制御内部指示受信部８３７…発熱体制御切替制御処理部８３９…流量有無判定部８６０…振幅量判定部

Claims

発熱体を備え被計測流体の流量を測定する流量測定素子と、
前記発熱体の制御状態を発熱状態または発熱抑制状態のいずれかに切り替える発熱体制御部と、
バッファおよび周波数解析ブロックを含み、前記周波数解析ブロックが算出する主たる周波数を用いて前記流量測定素子の測定値を処理する信号処理部とを備え、
前記バッファには、過去所定の期間分の前記測定値が記録され、
前記周波数解析ブロックは、前記バッファに記録された測定値を周波数解析することで前記主たる周波数を算出し、
前記信号処理部は、イベントの発生を検出すると、前記イベントの発生から所定の期間は、直前に算出された前記主たる周波数を用いて演算を行い、
前記イベントとは、前記測定値の急激な変化、および前記発熱体制御部による前記制御状態の切り替えである物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
前記信号処理部は、前記イベントの発生を検出すると、前記バッファを更新せずに前記周波数解析ブロックの動作を継続する、または前記周波数解析ブロックの動作を停止させ前記イベントが発生する直前の前記主たる周波数を継続して用いる物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
前記信号処理部は、前記所定の期間が経過後は前記周波数解析ブロックの算出値を用いて処理を行う物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
前記所定の期間は、前記流量測定素子の温度応答に要する期間以上である物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
前記所定の期間は、前記バッファが全て更新される期間以上である物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
前記発熱体を制御する信号を外部から受信する信号受信部をさらに備え、
前記発熱体制御部は前記信号に基づき前記発熱体の制御を変更する物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
過去所定の期間分の測定値を一時的に記録するバッファと、
前記バッファを参照して流量の平均である平均流量を算出する平均流量算出ブロックと、
前記バッファを参照して流量の振幅である振幅量を算出する振幅量算出ブロックと、
前記被計測流体の流量の有無を判定し前記発熱体制御部に動作指令を出力する流量有無判定部とを備え、
前記発熱体制御部は、前記動作指令に基づき動作し、
前記流量有無判定部は、前記平均流量が予め定められた第１の閾値以下であり、かつ前記振幅量が予め定められた第２の閾値以下である場合に前記被計測流体の流量がゼロと判断して前記発熱体制御部を前記発熱抑制状態に制御させ、前記平均流量が予め定められた第１の閾値よりも大きい場合、または前記振幅量が予め定められた第２の閾値よりも大きい場合に前記被計測流体の流量がゼロではないと判断して前記発熱体制御部を前記発熱状態に制御させる物理量検出装置。
請求項１に記載の物理量検出装置において、
前記発熱体を制御する信号を外部から受信する信号受信部と、
過去所定の期間分の測定値を一時的に記録するバッファと、
前記バッファを参照して流量の平均である平均流量を算出する平均流量算出ブロックと、
前記バッファを参照して流量の振幅である振幅量を算出する振幅量算出ブロックと、
前記被計測流体の流量の有無を判定し前記発熱体制御部に動作指令を出力する流量有無判定部とを備え、
前記発熱体制御部は、前記信号および前記動作指令に基づき動作し、
前記流量有無判定部は、前記平均流量が予め定められた第１の閾値以下であり、かつ前記振幅量が予め定められた第２の閾値以下である場合に前記被計測流体がゼロと判断して前記発熱体制御部を前記発熱抑制状態に制御させ、前記平均流量が予め定められた第１の閾値よりも大きい場合、または前記振幅量が予め定められた第２の閾値よりも大きい場合に前記被計測流体がゼロではないと判断して前記発熱体制御部を前記発熱状態に制御させる物理量検出装置。
請求項８に記載の物理量検出装置において、
前記発熱体制御部は、前記動作指令よりも前記信号を優先する物理量検出装置。