JP7168340B2 - 熱式流量計 - Google Patents

Description

本開示は、熱式流量計に関する。

従来から空気への放熱量を基に空気流量を測定する熱式流量センサに係る発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１に記載された熱式流量センサは、空気流量検出素子と補正回路部とを有する（同文献、請求項１等を参照）。空気流量検出素子は、半導体基板に薄膜部を備えたダイアフラムを有する。

補正回路部は、空気流量検出素子のダイアフラム上に少なくとも一つの発熱抵抗体を有する。また、補正回路部は、発熱抵抗体の上流側と下流側に、少なくとも一つずつの温度を検出する測温抵抗体が形成されている。補正回路部は、少なくとも上流側と下流側の二つの測温抵抗体の温度差情報に基づいて、空気流量検出素子の出力信号として処理する。

この従来の熱式流量センサは、補正回路部で処理される出力信号の波形に特徴を有している。その出力信号の波形は、波形のピーク値がある任意の所定値を超えた時に所定値が出力されることでピーク値を成す山部あるいは谷部の一部を、その所定値にカットした波形である。これにより、計測精度を向上した熱式流量センサを提供することが可能となる（同文献、第００１０段落等を参照）。

特開２０１５－０４９１３５号公報

前記従来の熱式流量センサは、前記した構成により、脈動した吸入空気の流量の測定時に出力信号の脈動誤差を低減し、計測精度を向上させることができる。しかしながら、上流側の測温抵抗体と下流側の測温抵抗体において異なる脈動誤差が生じるため、改善の余地がある。

本開示は、上流側温度センサと下流側温度センサにおいて発生する異なる脈動誤差を個別に補正することが可能な熱式流量計を提供する。

本開示の一態様は、発熱体の上下流に配置した上流側温度センサと下流側温度センサとの温度差に基づいて気体の流量を計測する熱式流量計であって、前記上流側温度センサと前記下流側温度センサから個別に出力信号を取り出す検出素子と、前記上流側温度センサの出力信号と前記下流側温度センサの出力信号とを個別に応答補償する補償部と、を有することを特徴とする熱式流量計である。

本開示の一態様によれば、上流側温度センサと下流側温度センサにおいて発生する異なる脈動誤差を個別に補正することが可能な熱式流量計を提供することができる。

実施形態１に係る熱式流量計の概略的な回路図。 実施形態１に係る熱式流量計の概略的な平面図。 図２のIII‐III線に沿う熱式流量計の断面図。 図１の熱式流量計の補償部の構成を示す回路図。 図４の補償部の周波数特性を示すグラフ。 図１の熱式流量計の上流側温度センサの出力特性を示すグラフ。 図１の熱式流量計の下流側温度センサの出力特性を示すグラフ。 図１の熱式流量計の上流側温度センサの応答性を示すグラフ。 図１の熱式流量計の下流側温度センサの応答性を示すグラフ。 図１の熱式流量計の上流側温度センサのゲインを示すグラフ。 実施形態２に係る熱式流量計の概略的な回路図。 図１１の熱式流量計の上流側温度センサの信号線図。 図１２の上流側温度センサの信号線図を書き換えた信号線図。 図１２の上流側温度センサの信号線図の逆関数の信号線図。 実施形態３に係る熱式流量計の概略的な回路図。 図１５の熱式流量計のＡＤ変換器の入出力特性を示すグラフ。 実施形態４に係る熱式流量計の概略的な回路図。 図１７の熱式流量計の検出素子の構成の一部を示す回路図。 図１８の検出素子の一部の出力を示すグラフ。 実施形態５に係る熱式流量計の概略的な回路図。 実施形態６に係る熱式流量計の概略的な回路図。 従来の熱式流量計の検出素子の構成の一部を示す回路図。 図２２に示す検出素子の一部の出力を示すグラフ。

以下、図面を参照して本開示に係る熱式流量計の実施形態を説明する。なお、各実施形態は、矛盾が生じない限り、組み合わせることが可能である。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係る熱式流量計１の概略的な回路図である。図２は、実施形態１に係る熱式流量計１の概略的な平面図である。図３は、図２のIII‐III線に沿う熱式流量計１の断面図である。

本実施形態の熱式流量計１は、たとえば、自動車のエンジンなどの内燃機関に吸入される空気の流量を測定する空気流量計として用いられる。エンジンに吸入される空気の流量は、たとえばピストンの回転数に応じて脈動する。本実施形態の熱式流量計１は、以下の特徴的な構成により、たとえば空気などの測定対象の気体の流量に脈動が生じた場合でも、気体の流量の測定誤差、すなわち脈動誤差を従来よりも低減することが可能である。

本実施形態の熱式流量計１は、たとえば、検出素子１０と、補償部２０とを備える。検出素子１０は、たとえば、発熱体１１と、上流側温度センサ１２と、下流側温度センサ１３とを備える。熱式流量計１は、発熱体１１の上流側と下流側にそれぞれ配置された上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の温度差に基づいて気体の流量を測定する。検出素子１０は、上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号を個別に出力する。補償部２０は、上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号を個別に応答補償する。以下、本実施形態の熱式流量計１の構成について、より詳細に説明する。

図１に示すように、熱式流量計１は、前述の検出素子１０と補償部２０とに加えて、たとえば、減算器３０と、脈動補正回路４０とを備えている。また、図２および図３に示すように、熱式流量計１は、たとえば、基板２と、この基板２に設けられたダイアフラム３とを備えている。また、検出素子１０は、前述の発熱体１１、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３に加えて、第１の固定抵抗１４と、第２の固定抵抗１５と、電極パッド１６とを備えている。

基板２は、たとえば、シリコン基板であり、基板２の表面の絶縁膜によってダイアフラム３が構成されている。より具体的には、ダイアフラム３は、たとえば、基板２の表面に設けられた熱絶縁膜が、基板２の裏面の中央部にエッチングで設けられた凹部によって、基板２の裏面側に露出した薄膜状の部分である。

発熱体１１は、たとえば、基板２の表面の絶縁膜上に設けられ、通電によって発熱するヒータであり、流量の測定対象である空気等の気体よりも高温に加熱される。発熱体１１は、たとえば、始端部が基板２の一側に設けられた電極パッド１６に接続され、基板２の中央部のダイアフラム３へ向けて延びている。発熱体１１は、さらにダイアフラム３の中央部を横切るように延び、ダイアフラム３の端縁の近傍で反対方向へ向けてＵ字状に折り返されて基板２の一側へ向けて延び、終端部が基板２の一側に設けられた電極パッド１６に接続されている。

上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、それぞれ、発熱体１１の上流側と下流側に配置されている。これら上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３における「上流側」および「下流側」は、たとえば、熱式流量計１の測定対象の気体である空気が、エンジンへ向けて流れる順流時における上流側と下流側である。したがって、たとえば、エンジンのピストンの往復運動に起因する空気の脈動により、空気が順流時と逆方向に流れる空気の逆流時には、上流側温度センサ１２が空気の下流側に位置し、下流側温度センサ１３が空気の上流側に位置することになる。

上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、たとえば、感熱抵抗または熱電対であり、ダイアフラム３に設けられている。より詳細には、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、たとえば、基板２の表面の絶縁膜上に設けられ、基板２のダイアフラム３が形成された領域内に配置されている。感熱抵抗は、たとえば、ポリシリコン薄膜や白金薄膜によって構成され、熱電対は、たとえば、ポリシリコン薄膜や金属薄膜によって構成される。

上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、たとえば、基板２の表面の絶縁膜上に形成された配線および電極パッド１６を介して、電源電圧Ｖｃｃに接続されている。上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、測定対象の気体の流れの方向において発熱体１１の両側に配置され、発熱体１１の上流側と下流側で気体の温度を測定し、気体の温度に応じた出力信号を出力する。

検出素子１０は、上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号とを、個別に取り出し可能に構成されている。より具体的には、上流側温度センサ１２によって測定された気体の温度に応じた出力信号を取り出すための配線が上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４との間に接続され、この配線および電極パッド１６を介して上流側温度センサ１２の出力信号が第１の補償部２０に入力される。また、下流側温度センサ１３によって測定された気体の温度に応じた出力信号を取り出すための配線が下流側温度センサ１３と第２の固定抵抗１５との間に接続され、この配線および電極パッド１６を介して下流側温度センサ１３の出力信号が第２の補償部２０に入力される。

第１の固定抵抗１４は、上流側温度センサ１２に直列に接続され、たとえば、電極パッド１６を介して接地電位に接続されている。第２の固定抵抗１５は、下流側温度センサ１３に直列に接続され、たとえば、電極パッド１６を介して接地電位に接続されている。上流側温度センサ１２の形状は、たとえば、第１の固定抵抗１４の形状と同一である。また、下流側温度センサ１３の形状は、たとえば、第２の固定抵抗１５の形状と同一である。さらに、第１の固定抵抗１４の形状は、たとえば、第２の固定抵抗１５の形状と同一である。すなわち、上流側温度センサ１２の形状は、たとえば、下流側温度センサ１３の形状と同一である。

より具体的には、上流側温度センサ１２、下流側温度センサ１３、第１の固定抵抗１４、および第２の固定抵抗１５は、測定対象の気体の流れの方向に波長を有し、測定対象の気体の流れの方向に直交する方向に振幅を有する矩形波状の形状を有している。なお、上流側温度センサ１２、下流側温度センサ１３、第１の固定抵抗１４、および第２の固定抵抗１５のいずれかの二つの形状が同一であるとは、二つの形状および寸法が同一である場合ならびに二つが線対称の形状を有する場合を含む。

第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５は、たとえば、ダイアフラム３の外側で基板２に設けられている。より詳細には、第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５は、たとえば、基板２の表面の絶縁膜上に設けられ、基板２のダイアフラム３が形成された領域の外側に配置されている。また、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５は、たとえば、近接して配置されている。より具体的には、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５は、発熱体１１を介して互いに隣り合うように、近接して配置されている。換言すると、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５とは、発熱体１１のみを介して隣り合っており、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５との間に発熱体１１以外の素子は配置されていない。

補償部２０は、たとえば応答補償回路であり、検出素子１０から個別に出力された上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号を個別に応答補償する。より具体的には、第１の補償部２０は、たとえば、配線および電極パッド１６を介して上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４との間に接続されることで、上流側温度センサ１２の出力が個別に入力される。また、第２の補償部２０は、たとえば、配線および電極パッド１６を介して下流側温度センサ１３と第２の固定抵抗１５との間に接続されることで、下流側温度センサ１３の出力が個別に入力される。

図４は、図１の熱式流量計１における補償部２０の構成の一例を示す回路図である。補償部２０は、たとえば、乗算器２１と、微分回路２２と、加算器２３とを備えている。乗算器２１は、たとえば、上流側温度センサ１２または下流側温度センサ１３からの出力信号である電圧の値に応じて係数ｋの値が変化するように構成されている。微分回路２２は、たとえば、上流側温度センサ１２または下流側温度センサ１３からの出力信号である電圧を微分するように構成されている。加算器２３は、たとえば、微分回路２２の出力と、上流側温度センサ１２または下流側温度センサ１３からの出力信号である電圧を加算するように構成されている。

図５は、図４の補償部２０の周波数特性を示すグラフである。補償部２０のカットオフ周波数は、乗算器２１における係数ｋの値に応じて変化する。補償部２０は、上流側温度センサ１２または下流側温度センサ１３からの出力信号である電圧の値に応じて、乗算器２１において係数ｋの値を変化させることで、後述する上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３における応答性の変化を補償する。

減算器３０は、上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４との間に接続された補償部２０の出力と、下流側温度センサ１３と第２の固定抵抗１５との間に接続された補償部２０の出力との差を求める。脈動補正回路４０は、減算器３０によって求められた差に基づいて測定対象の気体の脈動を補正する。熱式流量計１は、脈動補正回路４０の補正結果を、空気の流量に応じた信号として出力する。

以下、本実施形態の熱式流量計１の動作について説明する。

図６は、上流側温度センサ１２の出力特性の一例を示すグラフである。図７は、下流側温度センサ１３の出力特性の一例を示すグラフである。図８は、上流側温度センサ１２の応答性の一例を示すグラフである。図９は、下流側温度センサ１３の応答性の一例を示すグラフである。なお、図６から図９において、横軸は測定対象の気体である空気の流量［ｍ／ｓ］であり、負の値は逆流方向に流れる空気の流量を示し、正の値は順流方向に流れる空気の流量を示している。図１０は、上流側温度センサ１２のゲインの一例を示すグラフである。

熱式流量計１によって空気などの気体の流量を測定するには、発熱体１１に通電させ、発熱体１１を測定対象の気体の温度よりも高い温度に加熱しておく。この状態で、気体が基板２の表面の絶縁膜に沿って順流方向へ流れる順流時には、発熱体１１によって加熱された発熱体１１の周囲の気体が下流側へ移動することで、発熱体１１の上流側で気体の温度が低下し、発熱体１１の下流側で気体の温度が上昇する。

すると、発熱体１１の上流側に配置された上流側温度センサ１２の温度が低下して上流側温度センサ１２の抵抗が上昇し、図６に示すように、上流側温度センサ１２の出力信号である電圧が０［ｍＶ］よりも低下する。なお、空気などの気体流による放熱量は流量の平方根に比例するので、上流側温度センサ１２の出力特性は、図６のような飽和特性を示す。また、気体の順流時には、発熱体１１の下流側に配置された下流側温度センサ１３の温度が上昇して上流側温度センサ１２の抵抗が低下し、図７に示すように、下流側温度センサ１３の出力信号である電圧が０［ｍＶ］よりも上昇する。

また、気体が基板２の表面の絶縁膜に沿って逆方向へ流れる逆流時には、発熱体１１によって加熱された発熱体１１の周囲の気体が上流側へ移動することで、発熱体１１の上流側で気体の温度が上昇し、発熱体１１の下流側で気体の温度が低下する。すると、発熱体１１の上流側に配置された上流側温度センサ１２の温度が上昇して上流側温度センサ１２の抵抗が低下し、図６に示すように、上流側温度センサ１２の出力信号である電圧が０［ｍＶ］よりも上昇する。また、気体の逆流時には、発熱体１１の下流側に配置された下流側温度センサ１３の温度が低下して下流側温度センサ１３の抵抗が上昇し、図７に示すように、下流側温度センサ１３の出力信号である電圧が０［ｍＶ］よりも低下する。

図６に示すように、気体の逆流時における上流側温度センサ１２の電圧の増加量は、気体の順流時における上流側温度センサ１２の電圧の減少量よりも小さい。一方、図７に示すように、気体の順流時における下流側温度センサ１３の電圧の増加量は、気体の逆流時における下流側温度センサ１３の電圧の減少量よりも小さい。このように、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の電圧の出力特性は、順流時と逆流時で非対称になる。

また、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３は、電圧の出力特性が相違している。すなわち、上流側温度センサ１２は、図６に示すように、気体の順流時の感度が高いが、気体の逆流時の感度が低い。一方、下流側温度センサ１３は、図７に示すように、気体の逆流時の感度が高いが、気体の順流時の感度が低い。

また、図８および図９に示すように、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の応答性は、図６および図７に示す出力電圧に応じて変化する。これは、高い張力を加えた弦の中央を弾くと共振周波数が高くなるのと同様であり、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３においては、出力電圧の変化量が大きくなると、応答性が高くなる。

すなわち、図６および図７に示すように、任意の気体の流量に対する上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の出力電圧が異なるため、図８および図９に示すように、任意の気体の流量に対する上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の応答性も異なる。この上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の応答性の相異によって、気体の脈動時の流量の測定誤差、すなわち脈動誤差が発生する。また、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３では、脈動誤差の大きさも異なる。

前述のような出力特性および応答性を有し、異なる脈動誤差を有する上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号は、図１に示すように、それぞれ、検出素子１０から個別に出力され、個別に補償部２０に入力される。より詳細には、上流側温度センサ１２の出力信号は、第１の補償部２０に入力され、下流側温度センサ１３の出力信号は、第２の補償部２０に入力される。

上流側温度センサ１２は、たとえば、図１０に示すような周波数特性を有している。なお、カットオフ周波数は、図８に示すように、気体の流量すなわち空気流量に応じて変化する。前述のように、補償部２０は、たとえば、図５に示すような周波数特性を有している。これにより、検出素子１０から個別に出力されて補償部２０に入力された上流側温度センサ１２の出力信号の周波数特性は、補償部２０によって個別に補償される。同様に、検出素子１０から個別に出力されて補償部２０に入力された下流側温度センサ１３の出力信号の周波数特性は、補償部２０によって個別に補償される。

補償部２０によってそれぞれ個別に補償された上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号は、減算器３０に入力される。減算器３０は、上流側温度センサ１２の補償後の出力信号と、下流側温度センサ１３の補償後の出力信号との減算を行い、結果を脈動補正回路４０へ出力する。脈動補正回路４０は、減算器３０から入力された減算結果に基づいて、脈動誤差が補正された空気等の気体の流量を出力する。

以上のように、本実施形態の熱式流量計１は、発熱体１１の上流側と下流側にそれぞれ配置された上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の温度差に基づいて気体の流量を測定する。そして、熱式流量計１は、上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号を個別に出力する検出素子１０と、上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号を個別に応答補償する補償部２０と、を備えている。この構成により、前述のように、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３との応答性の相異によって発生する上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の異なる脈動誤差をそれぞれ個別に補正することが可能になる。したがって、熱式流量計１の脈動誤差を従来よりも低減し、従来よりも計測精度を向上させることができる。

また、本実施形態の熱式流量計１において、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、感熱抵抗または熱電対である。この構成により、発熱体１１によって加熱され、順流方向または逆流方向に流れる空気などの気体の流量を、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の温度変化に基づいて測定することが可能になる。

また、本実施形態の熱式流量計１において、検出素子１０は、上流側温度センサ１２に直列に接続されて接地電位に接続される第１の固定抵抗１４と、下流側温度センサ１３に直列に接続されて接地電位に接続される第２の固定抵抗１５と、を備えている。この構成により、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３の電位を低下させ、静電気によって上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３に埃や塵芥が吸着されるのを抑制することができる。したがって、熱式流量計１を埃や塵芥が多い環境で使用することが可能になる。

また、本実施形態の熱式流量計１は、上流側温度センサ１２の形状と第１の固定抵抗１４の形状とが同一である。この構成により、上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４との比精度を向上させることができる。すなわち、上流側温度センサ１２の抵抗値と第１の固定抵抗１４との抵抗値との比の値を、正確に所定の値にすることができる。より詳細には、製造コスト削減の観点から、上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４は、たとえば、同一の材料によって形成されている。そのため、熱式流量計１の周囲の温度の変化により、上流側温度センサ１２と同様に、第１の固定抵抗１４の抵抗値も変化する。そこで、前述のように、上流側温度センサ１２の形状と第１の固定抵抗１４の形状とを同一にすることで、上流側温度センサ１２の抵抗値と第１の固定抵抗１４の抵抗値との比精度を向上させ、周囲の温度の変化による出力電圧の変動を抑制することができる。したがって、周囲の温度の影響が抑制された熱式流量計１を提供することができる。

また、本実施形態の熱式流量計１は、下流側温度センサ１３の形状と第２の固定抵抗１５の形状とが同一である。この構成により、下流側温度センサ１３と第２の固定抵抗１５との比精度を向上させることができる。すなわち、下流側温度センサ１３の抵抗値と第２の固定抵抗１５との抵抗値との比の値を、正確に所定の値にすることができる。より詳細には、製造コスト削減の観点から、下流側温度センサ１３と第２の固定抵抗１５は、たとえば、同一の材料によって形成されている。そのため、熱式流量計１の周囲の温度の変化により、下流側温度センサ１３と同様に、第２の固定抵抗１５の抵抗値も変化する。そこで、前述のように、下流側温度センサ１３の形状と第２の固定抵抗１５の形状とを同一にすることで、下流側温度センサ１３の抵抗値と第２の固定抵抗１５の抵抗値との比精度を向上させ、周囲の温度の変化による出力電圧の変動を抑制することができる。したがって、周囲の温度の影響が抑制された熱式流量計１を提供することができる。

また、本実施形態の熱式流量計１は、第１の固定抵抗１４の形状と第２の固定抵抗１５の形状とが同一である。これにより、第１の固定抵抗１４の抵抗値と第２の固定抵抗１５の抵抗値の比精度を向上させることができる。より詳細には、製造コスト削減の観点から、上流側温度センサ１２、下流側温度センサ１３、第１の固定抵抗１４、および第２の固定抵抗１５は、たとえば、同一の材料によって形成されている。そのため、熱式流量計１の周囲の温度の変化により、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３と同様に、第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５の抵抗値も変化する。そこで、前述のように、第１の固定抵抗１４の形状と第２の固定抵抗１５の形状とを同一にすることで、これらの抵抗値と、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の抵抗値との比精度を向上させることができる。これにより、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の周囲の温度の変化による出力電圧の変動を一致させることができる。したがって、周囲の温度の影響が抑制された熱式流量計１を提供することができる。

また、本実施形態の熱式流量計１は、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５とが近接して配置されている。この構成により、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５の温度をおおむね一致させることができる。前述のように、上流側温度センサ１２、下流側温度センサ１３、第１の固定抵抗１４、および第２の固定抵抗１５は、たとえば、同一の材料によって形成されている。そのため、第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５の抵抗値は、熱式流量計１の周囲の温度の変化に応じて変化する。しかし、前述のように、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５とが近接して配置されることで、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５との温度差を低減することができる。これにより、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５の温度差による上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の出力の変動を低減することができ、より高精度の熱式流量計１を提供することができる。

また、本実施形態の熱式流量計１は、基板２と、その基板２に設けられたダイアフラム３とを備えている。そして、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３は、ダイアフラム３に設けられ、第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５は、ダイアフラム３の外側で基板２に設けられている。この構成により、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３と比較して、第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５に対する発熱体１１の発熱による熱影響を小さくすることができる。これにより、発熱体１１の温度変化による第１の固定抵抗１４および第２の固定抵抗１５の温度変化が抑制され、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５の温度差を低減することができる。したがって、第１の固定抵抗１４と第２の固定抵抗１５の温度差に起因する熱式流量計１の出力電圧の変動を抑制し、より高精度の熱式流量計１を提供することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３において発生する異なる脈動誤差を個別に補正することが可能であり、従来よりも高精度の熱式流量計１を提供することができる。

［実施形態２］
次に、本開示に係る熱式流量計の実施形態２について説明する。図１１は、実施形態２に係る熱式流量計１Ａの概略的な回路図である。

本実施形態の熱式流量計１Ａは、上流側温度センサ１２の出力をＡＤ変換する第１のアナログデジタル変換器５１と、下流側温度センサ１３の出力をＡＤ変換する第２のアナログデジタル変換器５２と、を備える点で、前述の実施形態１の熱式流量計１と異なっている。本実施形態の熱式流量計１Ａのその他の点は、前述の実施形態１の熱式流量計１と同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。

第１のアナログデジタル変換器５１は、たとえば、検出素子１０から個別に取り出された上流側温度センサ１２の出力が入力され、その上流側温度センサ１２の出力をＡＤ変換して補償部２０に出力する。第２のアナログデジタル変換器５２は、たとえば、検出素子１０から個別に取り出された下流側温度センサ１３の出力が入力され、その下流側温度センサ１３の出力をＡＤ変換して補償部２０に出力する。

本実施形態の熱式流量計１Ａは、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２を備えることで、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３からの出力信号をデジタル化することができる。これにより、補償部２０に入力される信号がアナログ信号である場合と比較して、より複雑な演算処理を行うことができ、より脈動誤差の小さい熱式流量計１を提供することができる。以下、上流側温度センサ１２の信号線図および補償部２０の演算処理内容について説明する。

図１２は、上流側温度センサ１２の信号線図である。ここで、上流側温度センサ１２からの熱伝達によって失われる熱量、すなわち上流側温度センサ１２の熱伝達による放熱量をＱｃとする。また、発熱体１１から熱伝導によって上流側温度センサ１２に移動する入熱量をＱｒとする。また、熱伝達係数をｋｃ、上流側温度センサ１２の初期温度をＴｏ、上流側温度センサ１２の温度変化をΔＴ、上流側温度センサ１２の熱容量をＣ、熱伝導率をｋｒ、ブリッジ感度をｋｂとする。

このとき、上流側温度センサ１２の熱伝達による放熱量Ｑｃは、以下の式（１）のように、熱伝達係数ｋｃと、上流側温度センサ１２の温度、すなわち上流側温度センサ１２の初期温度Ｔｏと上流側温度センサ１２の温度変化ΔＴの差と、空気流量Ｕの平方根の積で表される。

また、発熱体１１から熱伝導によって上流側温度センサ１２に移動する入熱量Ｑｒは、熱伝導率ｋｒと上流側温度センサ１２の温度変化ΔＴとの積によって表される。また、上記放熱量Ｑｃと、上記入熱量Ｑｒの差分を、上流側温度センサ１２の熱容量Ｃを係数にして積分することで、上流側温度センサ１２の温度変化ΔＴを得ることができる。

これにより、上流側温度センサ１２の温度変化ΔＴは、上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４で構成されるブリッジ回路の感度ｋｂを介して、センサ出力Ｖｏとして出力される。つまり、上流側温度センサ１２からの放熱量Ｑｃと発熱体１１から上流側温度センサ１２への入熱量Ｑｒが均衡するように、系として動作することで、上流側温度センサ１２の温度変化ΔＴが決定され、センサ出力Ｖｏが決定される。

図１３は、図１２の信号線図を書き換えた信号線図である。図１３では、積分器の帰還部に、熱伝導率ｋｒと、熱伝達係数ｋｃと空気流量Ｕの平方根の積とが配置される。このような系の応答速度は、積分器の係数と帰還部の係数によって決定される。すなわち、上流側温度センサ１２の応答速度は、空気流量Ｕの平方根に依存する。

図１４は、図１２の信号線図の逆関数の信号線図である。すなわち、図１２に示す信号線図の逆関数を求めることで、図１４に示す信号線図を得ることができる。つまり、図１４の信号線図に示す演算処理を、応答補償回路である補償部２０において実施することで、上流側温度センサ１２の応答補償を行い、上流側温度センサ１２の出力の飽和特性をリニアラズすることができる。

熱式流量計１Ａの脈動誤差は、上流側温度センサ１２の応答遅れによっても発生するが、上流側温度センサ１２の飽和特性も熱式流量計１の脈動誤差に影響を与える。つまり、図１４の信号線図に示す演算処理を補償部２０によって実施することで、上流側温度センサ１２の応答遅れおよび上流側温度センサ１２の出力の飽和特性による脈動誤差も補正することができる。そのため、より脈動誤差が減少した熱式流量計１を提供することができる。なお、下流側温度センサ１３についても、補償部２０において上流側温度センサ１２と同様の処理を行うことで、熱式流量計１Ａの脈動誤差をより低減することが可能である。

本実施形態の熱式流量計１Ａにおいて、補償部２０は、応答補償部２４とリニアライズ部２５とを備える。リニアライズ部２５は、上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力を個別にリニアライズする。応答補償部２４の周波数特性におけるカットオフ周波数は、熱伝導率ｋｒと熱容量Ｃによって決まる。つまり、応答補償部２４は、固定した周波数特性を持つ応答補償回路によって実現できる。また、リニアライズ部２５も、上流側温度センサ１２の放熱量Ｑｃと温度変化ΔＴを入力とする静的な関数であるため、２次元マップによって構成することが可能である。

そのため、本実施形態の熱式流量計１Ａにおいて、補償部２０は、固定された周波数特性を有する応答補償部２４と、静的な関数で構成されるリニアライズ部２５によって実現することができる。このような比較的簡単な演算処理を実施することで、本実施形態の熱式流量計１Ａは、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の応答遅れおよび飽和特性による脈動誤差も補正することができる。

［実施形態３］
次に、本開示に係る熱式流量計の実施形態３について説明する。図１５は、実施形態３に係る熱式流量計１Ｂの概略的な回路図である。本実施形態の熱式流量計１Ｂは、基準電圧を定める基準電圧回路６０を備え、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２が同一の基準電圧回路６０に接続されている点で、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと異なっている。

また、本実施形態の熱式流量計１Ｂは、クロック信号を出力するクロック発生器７０を備え、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２は、同一のクロック発生器７０に接続されて同一のクロック信号により動作する点で、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと異なっている。本実施形態の熱式流量計１Ｂのその他の点は、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。

図１６は、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性の一例を示すグラフである。図１６では、第１のアナログデジタル変換器５１の入出力特性を破線Ｌ１で示し、第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性を実線Ｌ２で示している。図１６に示すように、第１のアナログデジタル変換器５１の入出力特性と、第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性は、同一ではなく、わずかに異なっている。第１のアナログデジタル変換器５１の入出力特性と第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性の差異は、熱式流量計１Ｂの精度を向上させる観点から、可及的に減少させる必要がある。

本実施形態の熱式流量計１Ｂは、前述のように、基準電圧を定める基準電圧回路６０を備え、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２が同一の基準電圧回路６０に接続されている。この構成により、第１のアナログデジタル変換器５１と第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性の差異を低減することができ、熱式流量計１Ｂの測定精度を向上させることができる。

また、本実施形態の熱式流量計１Ｂは、前述のように、クロック信号を出力するクロック発生器７０を備え、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２は、同一のクロック発生器７０に接続されて同一のクロック信号により動作する。この構成により、第１のアナログデジタル変換器５１と第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性の差異を低減することができ、熱式流量計１Ｂの測定精度を向上させることができる。

さらに、本実施形態の熱式流量計１Ｂにおいて、たとえば、第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２が同一の回路構成を備える場合には、第１のアナログデジタル変換器５１と第２のアナログデジタル変換器５２の入出力特性の差異を低減することができる。したがって、熱式流量計１Ｂの測定精度を向上させることができる。なお、同一の回路構成とは、たとえば、同一の回路素子や同一の配線パターンを含む同一の回路配置を有していることを意味する。

［実施形態４］
次に、本開示に係る熱式流量計の実施形態４について説明する。図１７は、実施形態４に係る熱式流量計１Ｃの概略的な回路図である。本実施形態の熱式流量計１Ｃは、上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力に基づいて故障を判定する故障判定部８０を有する点で、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと異なっている。本実施形態の熱式流量計１Ｃのその他の点は、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。

以下、本実施形態の熱式流量計１Ｃを従来の熱式流量計との対比に基づいて説明する。図２２は、従来の熱式流量計の検出素子の構成の一部を示す回路図である。図２３は、図２２の検出素子の一部の出力を示すグラフである。なお、従来の熱式流量計において、本実施形態の熱式流量計１Ｃと同様の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。

図２２に示すように、従来の熱式流量計の検出素子は、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３とが直列に接続され、下流側温度センサ１３が電源電圧Ｖｃｃに接続され、上流側温度センサ１２が接地電位に接続されている。また、この従来の熱式流量計の検出素子は、上流側温度センサ１２と下流側温度センサ１３との間の接続点の電圧がＡＤ変換器５０によって検出されるように構成されている。

この場合、図２３に示すように、発熱体１１が非加熱状態にされた期間Ｔ１のＡＤ変換器５０の出力は、電源電圧Ｖｃｃ／２になる。また、発熱体１１が加熱状態にされた期間Ｔ２において、空気の流量が０である状態の期間Ｔ２１は、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の温度がともに上昇する。そのため、ＡＤ変換器５０の出力は電源電圧Ｖｃｃ／２になる。また、空気などの気体が順流方向に流れかつ流量が増加している期間Ｔ２２では、上流側温度センサ１２の温度が低下し、下流側温度センサ１３の温度が上昇するので、ＡＤ変換器５０の出力は低下する。

また、空気などの気体が逆流方向に流れかつ流量が増加している期間Ｔ２３では、上流側温度センサ１２の温度が上昇し、下流側温度センサ１３の温度が低下する。そのため、ＡＤ変換器５０の出力は増加する。また、図２２において、回路が点Ａにおいて断線した場合、ＡＤ変換器５０の出力は、電源電圧Ｖｃｃ／２になる。この場合、空気の流量が０である期間Ｔ２１と、回路の断線を区別することができず、ＡＤ変換器５０の出力のみでは、点Ａの断線を検出することができない。

図１８は、図１７の熱式流量計１Ｃの検出素子１０の構成の一部を示す回路図である。図１９は、図１８の検出素子１０の一部の出力を示すグラフである。図２２に示す従来の熱式流量計に対し、図１８に示す本実施形態の熱式流量計１Ｃは、上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４とを直列に接続し、上流側温度センサ１２を電源電圧Ｖｃｃに接続し、第１の固定抵抗１４を接地電位に接続している。また、上流側温度センサ１２と第１の固定抵抗１４の接続点の電圧を第１のアナログデジタル変換器５１で検出している。

この場合、図１９に示すように、発熱体１１が非加熱の期間Ｔ１においては、第１のアナログデジタル変換器５１の出力が電源電圧Ｖｃｃ／２になる。また、発熱体１１が加熱状態の期間Ｔ２において、空気の流量が０である期間Ｔ２１は、上流側温度センサ１２の温度が上昇する。これにより、第１のアナログデジタル変換器５１の出力は、上流側温度センサ１２の温度上昇によって増加する。

また、空気が順流方向に流れかつ流量が増加している期間Ｔ２２は、上流側温度センサ１２の温度が低下する。そのため、第１のアナログデジタル変換器５１の出力は、空気の流量が０である期間Ｔ２１の出力電圧よりも低下する。また、空気が逆流方向に流れかつ流量が増加している期間Ｔ２３は、上流側温度センサ１２の温度が上昇する。そのため、上流側温度センサ１２の出力は、空気の流量が０である期間Ｔ２１の出力電圧よりも増加する。

また、図１８に示す回路が点Ａにおいて断線した場合、第１のアナログデジタル変換器５１の出力は電源電圧Ｖｃｃ／２になる。この場合、点Ａが断線したときの第１のアナログデジタル変換器５１の出力電圧と、空気の流量が０である期間Ｔ２１の第１のアナログデジタル変換器５１の出力電圧は、明確に区別される。すなわち、故障判定部８０によって第１のアナログデジタル変換器５１の出力を観測し、所定の出力範囲にあるかどうかを検出することで、回路の点Ａにおける断線を検出することができる。

以上の上流側温度センサ１２の説明は、下流側温度センサ１３についても同様に成立する。そのため、故障判定部８０によって第１のアナログデジタル変換器５１および第２のアナログデジタル変換器５２の出力電圧が所定の範囲内にあるか否かを判定することによって、熱式流量計１Ｃの回路の断線を検出することができ、熱式流量計１Ｃの回路の断線を診断することが可能になる。したがって、本実施形態によれば、信頼性の高い熱式流量計１Ｃを提供することができる。

［実施形態５］
次に、本開示に係る熱式流量計の実施形態５について説明する。図２０は、実施形態５に係る熱式流量計１Ｄの概略的な回路図である。本実施形態の熱式流量計１Ｄは、補償部２０によって個別に応答補償された上流側温度センサ１２の出力信号と下流側温度センサ１３の出力信号とを加算する加算器９０を備える点で、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと異なっている。また、本実施形態の熱式流量計１Ｄは、加算器９０の出力信号に基づいて発熱体１１の温度を制御する温度制御回路１００を備える点で、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと異なっている。本実施形態の熱式流量計１Ｄのその他の点は、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。

上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力の平均は、発熱体１１の温度に比例する。そこで、本実施形態では、補償部２０によって応答補償された上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力を、加算器９０によって加算することで、上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力の平均を求める。そして、この加算器９０の出力に基づいて、温度制御回路１００によって発熱体１１の温度を制御する。これにより、発熱体１１の温度を検出するための特別な回路が不要になり、熱式流量計１Ｄのコストを低減することができる。

また、発熱体１１と、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３とは、離れた位置にある。そのため、発熱体１１の温度を上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の出力の平均値から求める場合、応答遅れが生じ、発熱体１１の高速な温度制御が困難であった。しかし、本実施形態では、補償部２０を配置することで、上流側温度センサ１２および下流側温度センサ１３の出力の平均値から発熱体１１の温度を高速に検出することができる。これにより、温度制御回路１００によって発熱体１１の温度を高速に制御できるので、高速な応答の熱式流量計１Ｄを提供することができる。

［実施形態６］
最後に、本開示に係る熱式流量計の実施形態６について説明する。図２１は、実施形態６に係る熱式流量計１Ｆの概略的な回路図である。本実施形態の熱式流量計１Ｆは、加算器９０と、その加算器９０の出力信号に基づいて感度補正を行う乗算器１１０を備える点で、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと異なっている。本実施形態の熱式流量計１Ｆのその他の点は、前述の実施形態２の熱式流量計１Ａと同様であるので、同様の部分には同様の符号を付して説明を省略する。

上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力の平均は、発熱体１１の温度に比例する。そこで、本実施形態では、補償部２０によって応答補償された上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力を、加算器９０によって加算することで、上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力の平均を求める。また、上流側温度センサ１２の出力と下流側温度センサ１３の出力は、発熱体１１の温度に比例する。そこで、発熱体１１の温度を加算器９０で検出し、乗算器１１０で感度補正を行うことで発熱体１１の温度の変動を補正することができ、より高精度な熱式流量計１Ｆを提供することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１ 熱式流量計
１Ａ 熱式流量計
１Ｂ 熱式流量計
１Ｃ 熱式流量計
１Ｄ 熱式流量計
１Ｆ 熱式流量計
２ 基板
３ ダイアフラム
１０ 検出素子
１１ 発熱体
１２ 上流側温度センサ
１３ 下流側温度センサ
１４ 第１の固定抵抗
１５ 第２の固定抵抗
１６ 電極パッド
２０ 補償部
２１ 乗算器
２２ 微分回路
２３ 加算器
２４ 応答補償部
２５ リニアライズ部
３０ 減算器
４０ 脈動補正回路
５０ ＡＤ変換器
５１ 第１のアナログデジタル変換器
５２ 第２のアナログデジタル変換器
６０ 基準電圧回路
７０ クロック発生器
８０ 故障判定部
９０ 加算器
１００ 温度制御回路
１１０ 乗算器
Ｖｃｃ 電源電圧

Claims (17)

1. 発熱体の上流側と下流側にそれぞれ配置された上流側温度センサと下流側温度センサの温度差に基づいて気体の流量を測定する熱式流量計であって、
   前記上流側温度センサの出力信号と前記下流側温度センサの出力信号を個別に出力する検出素子と、前記上流側温度センサの出力信号と前記下流側温度センサの出力信号を個別に応答補償する補償部と、を備え、
   前記上流側温度センサは、前記気体の順流時の出力信号の応答性が前記気体の逆流時の出力信号の応答性よりも高く、
   前記下流側温度センサは、前記気体の逆流時の出力信号の応答性が前記気体の順流時の出力信号の応答性よりも高く、
   前記補償部は、前記上流側温度センサの出力信号が入力される第１の補償部と、前記下流側温度センサの出力信号が入力される第２の補償部と、を有し、
   前記第１の補償部のカットオフ周波数は、前記上流側温度センサからの出力信号の値に応じて変化し、
   前記第２の補償部のカットオフ周波数は、前記下流側温度センサからの出力信号の値に応じて変化することを特徴とする熱式流量計。
2. 前記上流側温度センサおよび前記下流側温度センサは、感熱抵抗または熱電対であることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
3. 前記検出素子は、前記上流側温度センサに直列に接続されて接地電位に接続される第１の固定抵抗と、前記下流側温度センサに直列に接続されて接地電位に接続される第２の固定抵抗と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
4. 前記上流側温度センサの形状と前記第１の固定抵抗の形状とが同一であることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
5. 前記下流側温度センサの形状と前記第２の固定抵抗の形状とが同一であることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
6. 基板と、該基板に設けられたダイアフラムとを備え、
   前記上流側温度センサおよび前記下流側温度センサは、前記ダイアフラムに設けられ、 前記第１の固定抵抗および前記第２の固定抵抗は、前記ダイアフラムの外側で前記基板に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
7. 前記第１の固定抵抗と前記第２の固定抵抗とが近接して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
8. 前記第１の固定抵抗の形状と前記第２の固定抵抗の形状とが同一であることを特徴とする請求項３に記載の熱式流量計。
9. 前記上流側温度センサの出力と前記下流側温度センサの出力を個別にリニアライズするリニアライズ部を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
10. 前記上流側温度センサの出力と前記下流側温度センサの出力に基づいて故障を判定する故障判定部を有することを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
11. 前記上流側温度センサの出力をＡＤ変換する第１のアナログデジタル変換器と、前記下流側温度センサの出力をＡＤ変換する第２のアナログデジタル変換器と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
12. 基準電圧を定める基準電圧回路を備え、
    前記第１のアナログデジタル変換器および前記第２のアナログデジタル変換器は、同一の前記基準電圧回路に接続されていること特徴とする請求項１１に記載の熱式流量計。
13. 前記第１のアナログデジタル変換器および前記第２のアナログデジタル変換器は、同一の回路構成を備えることを特徴とする請求項１１に記載の熱式流量計。
14. クロック信号を出力するクロック発生器を備え、
    前記第１のアナログデジタル変換器および前記第２のアナログデジタル変換器は、同一の前記クロック発生器に接続されて同一の前記クロック信号により動作することを特徴とする請求項１１に記載の熱式流量計。
15. 前記補償部によって個別に応答補償された前記上流側温度センサの出力信号と前記下流側温度センサの出力信号とを加算する加算器を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱式流量計。
16. 前記加算器の出力信号に基づいて前記発熱体の温度を制御する温度制御回路を備えることを特徴とする請求項１５に記載の熱式流量計。
17. 前記加算器の出力信号に基づいて感度補正を行う乗算器を備えることを特徴とする請求項１５に記載の熱式流量計。

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