JP7394021B2 - 熱式流量センサ - Google Patents

Description

本発明は、空気への放熱量を基に空気流量を計測する空気流量計測装置における誤差補正方法であって、自動車の内燃機関エンジンに吸入される空気流量を計測する際に、吸気脈動により生じる計測誤差の計測誤差補正方法に関する。

従来から、この種の流量検出装置としては、種々の構成や方式のものが実用に供されてきたが、エンジンの高性能化に伴う流量計測の高精度化要求により、特にエンジンに吸入される空気の吸気脈動に対して計測誤差を低減するため、熱式流量センサの逆流検知方式が検討されてきた。従来は、特許文献1に代表されるようなボビン式の空気流量計が主流であったが、順流、逆流問わず特性がプラス方向に変化してしまうため、逆流が発生するような脈動条件においては、ボビン式空気流量計はリッチ誤差（平均流量が高くなってしまう誤差）が発生する。

これに対し、順流と逆流の方向を検知できる熱式流量センサは逆流波形が反転することなく出力されるため前記誤差の発生を抑制できる。

この熱式流量センサの一般的な構成は、特許文献2に示されるような、半導体プロセスを用いて、シリコン基板（ウエハ）に抵抗体および絶縁膜を形成し、裏面エッチングにより薄膜化することによって熱容量を抑えた高速応答型流量センサである。

しかしながら、高速応答型流量センサにおいても、ある程度の熱容量を持っているため、吸気脈動のような100Hzを超えるような高周波脈動においては応答遅れが発生し、特許文献1に明記されているようなマイナス誤差（2値化現象）が発生してしまう。これを対策する手法の一つとして、熱式流量センサの信号処理部に周波数解析部を有し、その解析部で離散フーリエ変換を行うことにより、解析周波数毎のスペクトルを得て、その最大スペクトルの周波数を被計測気体の脈動周波数として認識し、その脈動周波数値に応じた最適化補正を行う高精度な脈動補正技術が開示されている。

特開平11-83584 WO2018-074120

しかしながら、車両吸気脈動下においては、同一のエンジン回転数(つまり脈動周波数)においても、高調波が重畳する場合がある。高調波とは、基本周波数をF1と定義した場合に、そのn倍波が基本波に重畳する波形のことを指し、吸気脈動はより複雑な波形となり、それに応じて熱式流量センサの応答遅れに対する誤差が変動してしまう。

更に、吸気脈動波形に高調波が重畳した場合、N倍波のスペクトルが基本波よりも高くなる場合においては、上記特許文献2に示されるような周波数解析技術では、最大スペクトルの大きさに応じて、熱式流量センサで検出する脈動周波数の値が変動し、最適な補正値が参照されない場合がある。

本内容について図2を用いて具体的に説明する。

図2波形（A）は基本周波数30Hzのsin波形を示しており、基本波のみのため、スペクトル(大きさ)は1としている。この時の熱式流量センサの検出誤差が-2％だった場合、従来特許文献2に示される補正技術では、補正量を+2％とする(補正値をメモリに事前に設定する)ことにより、熱式流量センサの検出誤差を正しく補正することができる。

次に、図2波形（B）は基本周波数60Hzのsin波形を示しており、基本波のみのため、スペクトル(大きさ)は1としている。この時の熱式流量センサの検出誤差が-12％だった場合、従来特許文献2に示される補正技術では、補正量を+12％とする(補正値をメモリに事前に設定する)ことにより、熱式流量センサの検出誤差を正しく補正することができる。

次に、図2波形（C）は基本周波数30Hzに対して2倍波の60Hzがスペクトル比0.5で重畳した波形を示している。この時の熱式流量センサの検出誤差が-4％だった場合、従来特許文献2に示される補正技術では、最大スペクトル周波数を補正パラメータとして検出するため、検出周波数は30Hzとなる。このため補正量は前記+2％が適用されることになり、最終的に熱式流量センサの出力は-2％となり、補正精度が悪化する。

次に、図2波形（D）は基本周波数30Hzに対して2倍波の60Hzがスペクトル比2で重畳した波形を示している。この時の熱式流量センサの検出誤差が-8％だった場合、従来特許文献2に示される補正技術では、最大スペクトル周波数を補正パラメータとして検出するため、検出周波数は60Hzとなる。このため補正量は前記+12％が適用されることになり、最終的に熱式流量センサの出力は+4％となり熱式流量センサの補正精度が悪化する。

このように、公知技術として、高精度に補正できるのは、基本波に対しての条件であり、波形（C）（D）のように高調波波形においては、補正としての考慮が不十分であった。

上記課題は、熱式流量センサの検出信号から周波数解析処理を行い、一つの周波数値のみでなく、基本周波数の2倍周波数、3倍周波数等の高調波成分の周波数およびそのスペクトル（大きさ）を算出する演算処理部を有し、その解析結果より、基本周波数を選定する処理を行い、さらに、その基本周波数のスペクトルに対する異なる周波数のスペクトル比率を算出する処理を行い、前記スペクトル比率より補正値を可変させることができる処理部を有する流量検出装置で解決することができる。

本発明によれば、高調波成分が重畳した吸気脈動波形が発生するエンジン環境においても、脈動誤差が小さな高精度な熱式流量センサを提供することにある。

ボビン式空気流量計におけるリッチ誤差の説明図である。 高調波波形の説明図である。 内燃機関制御システムに本発明に係る熱式流量センサを使用した一実施例を示すシステム図である。 熱式流量センサの外観を示す図であり、図４（Ａ）は左側面図、図４（Ｂ）は正面図である。 熱式流量センサのハウジングを示す図であり、図５（Ａ）はハウジングの左側面図であり、図５（Ｂ）はハウジングの正面図である。 回路パッケージの外観図であり、図6（Ａ）は左側面図、図6（Ｂ）は正面図、図6（Ｃ）は背面図である。 流量検出部（流量検出素子）が搭載された回路パッケージの模式的断面図であり、図6に示すＣ－Ｃ線に沿った模式的矢視断面図である。 図１１に示す流量検出素子の製造方法を説明するための模式的斜視図であり、（Ａ）は、流量検出素子となる基材同士を接合する方法を示した図、（Ｂ）は、（Ａ）により接合された基材を切断する方法を示した図、（Ｃ）は、（Ｂ）により得られた流量検出素子を示した図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の周波数解析の説明図である。 本発明の実施例の説明図である。 本発明の周波数解析の説明図である。 本発明の周波数解析の説明図である。 高調波脈動波形の位相ずれに対する説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

１. 内燃機関制御システムに本発明に係る熱式流量センサを使用した一実施例
図3は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係る熱式流量センサを使用した一実施例を示す、システム図である。エンジンシリンダ１１２とエンジンピストン１１４を備える内燃機関１１０の動作に基づき、吸入空気が被計測気体３０としてエアクリーナ１２２から吸入され、主通路１２４である例えば吸気ボディ、スロットルボディ１２６、吸気マニホールド１２８を介してエンジンシリンダ１１２の燃焼室に導かれる。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体３０の流量は本発明に係る熱式流量センサ３００で計測され、計測された流量に基づいて燃料噴射弁１５２より燃料が供給され、吸入空気である被計測気体３０と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施例では、燃料噴射弁１５２は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気である被計測気体３０と共に混合気を成形し、吸入弁１１６を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギを発生する。

近年、多くの車では排気浄化や燃費向上に優れた方式として、内燃機関のシリンダヘッドに燃料噴射弁１５２を取り付け、燃料噴射弁１５２から各燃焼室に燃料を直接噴射する方式が採用されている。熱式流量センサ３００は、図3に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる。両方式とも熱式流量センサ３００の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を図１に示す。

燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ１５４の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギを発生する。燃焼後の気体は排気弁１１８から排気管に導かれ、排気２４として排気管から車外に排出される。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体３０の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ１３２により制御される。前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御され、運転者はスロットルバルブ１３２の開度を制御して前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギを制御することができる。

１.１ 内燃機関制御システムの制御の概要
エアクリーナ１２２から取り込まれ主通路１２４を流れる吸入空気である被計測気体３０の流量および温度が、熱式流量センサ３００により計測され、熱式流量センサ３００から吸入空気の流量および温度を表す電気信号が制御装置２００に入力される。また、スロットルバルブ１３２の開度を計測するスロットル角度センサ１４４の出力が制御装置２００に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン１１４や吸気弁１１６や排気弁１１８の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ１４６の出力が、制御装置２００に入力される。排気２４の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ１４８の出力が制御装置２００に入力される。

制御装置２００は、熱式流量センサ３００の出力である吸入空気の流量、および回転角度センサ１４６の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度、に基づいて燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁１５２から供給される燃料量、また点火プラグ１５４により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際にはさらに熱式流量センサ３００で計測される吸気温度やスロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ１４８で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置２００はさらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ１３２をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ１５６により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。

１.２ 熱式流量センサの計測精度向上の重要性と熱式流量センサの搭載環境
内燃機関の主要な制御量である燃料供給量や点火時期はいずれも熱式流量センサ３００の出力を主パラメータとして演算される。従って熱式流量センサ３００の計測精度の向上や経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには熱式流量センサ３００により計測される吸入空気３０の流量の計測精度の向上が極めて重要である。また熱式流量センサ３００が高い信頼性を維持していることも大切である。

熱式流量センサ３００が搭載される車両は温度変化の大きい環境で使用され、また風雨や雪の中で使用される。雪道を車が走行する場合には、凍結防止剤が散布された道路を走行することとなる。熱式流量センサ３００は、その使用環境における温度変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。さらに熱式流量センサ３００は内燃機関の振動を受ける環境に設置される。振動に対しても高い信頼性の維持が求められる。

また熱式流量センサ３００は内燃機関からの発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため内燃機関の発熱が主通路１２４である吸気管を介して、熱式流量センサ３００に伝わる。熱式流量センサ３００は、被計測気体と熱伝達を行うことにより被計測気体の流量を計測するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。

車に搭載される熱式流量センサ３００は、以下で説明するように、単に発明が解決しようとする課題の欄に記載された課題を解決し、発明の効果の欄に記載された効果を奏するのみでなく、以下で説明するように、上述した色々な課題を十分に考慮し、製品として求められている色々な課題を解決し、色々な効果を奏している。熱式流量センサ３００が解決する具体的な課題や奏する具体的な効果は、以下の実施例の記載の中で説明する。

２. 熱式流量センサ３００の構成
２.１ 熱式流量センサ３００の外観構造
図４は、熱式流量センサ３００の外観を示す図であり、図４（Ａ）は左側面図、図４（Ｂ）は正面図である。熱式流量センサ３００はハウジング３０２と表カバー３０３と裏カバー３０４とを備えている。ハウジング３０２は、熱式流量センサ３００を主通路１２４である吸気ボディに固定するためのフランジ３１２と、外部機器との電気的な接続を行うための外部端子３０６を有する外部接続部３０５と、流量等を計測するための計測部３１０を備えている。計測部３１０の内部には、副通路を作るための副通路溝が設けられており、さらに計測部３１０の内部には、主通路１２４を流れる被計測気体３０の流量を計測するための流量検出部６０２や主通路１２４を流れる被計測気体３０の温度を計測するための温度検出部４５２を備える回路パッケージ４００が設けられている。

４. 回路パッケージ４００の外観
４.１ 熱伝達面露出部４３６を備える計測用流路面４３０の成形
図5に前記表カバー３０３と裏カバー３０４を取り付ける前のハウジング３０２を示している。このハウジング３０２は回路パッケージ４００を固定支持している。

図6に第１樹脂モールド工程で作られる回路パッケージ４００の外観を示す。なお、回路パッケージ４００の外観上に記載した斜線部分は、第１樹脂モールド工程で回路パッケージ４００を製造した後に、第２樹脂モールド工程でハウジング３０２を成形する際に、第２樹脂モールド工程で使用される樹脂により回路パッケージ４００が覆われる固定面４３２を示す。図6（Ａ）は回路パッケージ４００の左側面図、図6（Ｂ）は回路パッケージ４００の正面図、図6（Ｃ）は回路パッケージ４００の背面図である。回路パッケージ４００は、後述する流量検出部６０２や処理部６０４を内蔵し、熱硬化性樹脂でこれらがモールドされ、一体成形される。

図6（Ｂ）に示す回路パッケージ４００の表面には、被計測気体３０を流すための面として作用する計測用流路面４３０が被計測気体３０の流れ方向に長く延びる形状で成形されている。この実施例では計測用流路面４３０は、被計測気体３０の流れ方向に長く延びる長方形を成している。この計測用流路面４３０は、図6（Ａ）に示す如く、他の部分より薄く作られていて、その一部に熱伝達面露出部４３６が設けられている。内蔵されている流量検出部６０２は、熱伝達面露出部４３６を介して被計測気体３０と熱伝達を行い、被計測気体３０の状態、例えば被計測気体３０の流速を計測し、主通路１２４を流れる流量を表す電気信号を出力する。

内蔵されている流量検出部６０２が高精度で被計測気体３０の状態を計測するには、熱伝達面露出部４３６の近傍を流れる気体が層流であり乱れが少ないことが望ましい。このため熱伝達面露出部４３６の流路側面と気体を導く計測用流路面４３０の面との段差はない方が好ましい。このような構成により、流量計測精度を高精度に保ちつつ、流量検出部６０２に不均等な応力および歪が作用するのを抑制することが可能となる。なお、上記段差は流量計測精度に影響を与えない程度の段差であれば設けてもよい。

熱伝達面露出部４３６を有する計測用流路面４３０の裏面には、図6（Ｃ）に示す如く、回路パッケージ４００の樹脂モールド成形時に内部基板あるいはプレートを支持する金型の押さえの抑え跡４４２が残っている。熱伝達面露出部４３６は被計測気体３０との間で熱のやり取りを行うために使用される場所であり、被計測気体３０の状態を正確に計測するためには、流量検出部６０２と被計測気体３０との間の熱伝達が良好に行われることが望ましい。このため、熱伝達面露出部４３６の部分が第１樹脂モールド工程での樹脂で覆われるのを避けなければならない。熱伝達面露出部４３６とその裏面である計測用流路面裏面４３１の両面に金型を当て、この金型により熱伝達面露出部４３６への樹脂の流入を防止する。熱伝達面露出部４３６の裏面に凹部形状の押さえ跡４４２が成形されている。この部分は、流量検出部６０２等を構成する素子が近くに配置されており、これら素子の発熱をできるだけ外部に放熱することが望ましい。成形された凹部は、樹脂の影響が少なく、放熱し易い効果を奏している。本実施例では、この金型の押さえ跡４４２は、流量検出部（流量検出素子）６０２が搭載された領域に対応する基板裏面の位置において、基板裏面の領域が露出するように、形成されている。

半導体素子で構成される流量検出部（流量検出素子）６０２には、熱伝達面露出部４３６に相当する半導体ダイアフラムが形成されており、半導体ダイアフラムは、流量検出素子６０２の裏面に空隙を成形することによりえることができる。なお、後述するように、実施例では、半導体ダイアフラム裏面の空隙は、密閉された密閉空間となっている。

５. 回路パッケージへの回路部品の搭載
図7は、流量検出部（流量検出素子）が搭載された回路パッケージの模式的断面図であり、図6に示すＣ－Ｃ線に沿った模式的矢視断面図である。被計測気体３０の流量を計測する流量検出部（流量検出素子）６０２は、上述した如く、副通路を流れる被計測気体３０との間で、熱伝達面４３７を介して熱伝達を行うことにより、被計測気体３０の流量を計測するものであり、回路パッケージ４００内に含まれるものである。

流量検出部（流量検出素子）６０２の熱伝達面（流量検出領域）４３２にダイアフラム６７２が形成されるように、流量検出素子６０２の裏面には空隙６７４が形成されている。流量検出素子６０２の空隙６７４を設けることにより、熱伝達面４３２を含む部分が、薄肉化されたダイアフラム６７２として形成される。空隙６７４は、大気よりも減圧された（好ましくは真空の）密閉空間となっている。

具体的には、図１１に示すように、空隙６７４は、流量検出部６０２の裏面と封止板６５１とを大気よりも減圧された環境下（好ましくは真空環境下）で接合することにより密閉空間となっている。流量検出部６０２の裏面にガラスからなる封止板６５１を接合した接合素子６７０が、接着層６６１を介して銅、アルミニウムなどの金属基板（リード）５３６に搭載されている。ＬＳＩとして作られている処理部６０４も、接着層６６３を介して金属基板５３６に搭載されている。流量検出部６０２の各端子と処理部６０４とがアルミパッドを介してワイヤ５４２で電気的に接続されている。さらに、処理部６０４は、アルミパッドを介してワイヤ５４３で金属基板５３６に電気的に接続されている。流量検出部６０２で検出された流量信号はＬＳＩ（Large-Scale-Integrated circuit）として作られている処理部６０４にて、特性調整および補正が成される。

このような流量検出部（流量検出素子）６０２に封止板６５１を接合した接合体６７０は、図8に示すようにして、製造される。図8は、図7に示す流量検出素子の製造方法を説明するための模式的斜視図であり、（Ａ）は、流量検出素子となる基材同士を接合する方法を示した図、（Ｂ）は、（Ａ）により接合された基材を切断する方法を示した図、（Ｃ）は、（Ｂ）により得られた流量検出素子を示した図である。

まず、図8（Ａ）に示すように、流量検出部（流量検出素子）６０２となるシリコン基材６０２Ａの表面に、エッチングなどにより、等間隔に空隙６７４を成形する。その後、シリコン基材６０２Ａとガラス基材６５１Ａとを、たとえば直接接合法の一つのである陽極接合法により接合する。具体的には、シリコン基材６０２Ａとガラス基材６５１Ａとを重ね合わせ、大気圧よりも減圧された減圧環境下（好ましくは真空環境下）において、たとえば４００～５００Ｖ程度の電圧をこれらに印加しながら加熱する。

これにより、ガラス中のイオンが、シリコンの接合界面に移動し、その界面において共有結合が生成され、シリコン基材６０２Ａとガラス基材６５１Ａが強固に接合される。このように、陽極接合法により、流量検出部（流量検出素子）６０２の空隙６７４が封止板６５１で封止される。得られた接合体は、接着剤などによる接合に比べて、厚さ方向の寸法精度を向上させることができるとともに、接合部分を経時的に安定した状態に維持することができる。この結果、流量検出部の６０２の空隙６７４の減圧状態を安定して保持することができる。

たとえば、シリコン基材６０２Ａの裏面６０２ａに、ＳｉＯ２，ＳｉＮの薄膜が形成されていている場合には、封止材６５１で接合される流量検出部６０２の接合面にシリコンを被覆する、または、これらの薄膜を除去し母材を構成するシリコンを露出させる。これにより、陽極接合法により、シリコン基材６０２Ａをガラス基材６５１Ａに好適に接合することができる。

ここで、ガラス基材６５１Ａの代わりに、たとえば、シリコンからなる基材を用いる場合には、直接接合法である拡散接合法により両者を接合してもよい。具体的には、基材同士を密着させ圧力と熱を加えることにより、接合面で原子の拡散が起こり、両者が接合される。この他にも、常温接合法やレーザ接合法により接合を行なっても良い。常温接合法の場合には、高真空中で接合する基板表面にイオンビームなどをあてダングリングボンドを形成し活性化する。活性化した基板の面同士を合わせることにより、加熱を必要とせずに強固な接合が得られる。

その後、図8（Ｂ）に示すように、接合された接合体を切断機で賽の目状に個片化することにより、図8（Ｃ）に示すように、封止板６５１で流量検出部（流量検出素子）６０２の空隙６７４が封止された接合素子６７０を得ることができる。

以上により、熱式流量センサが構成される。

本発明の補正手段の構成を図9に示す。前記流量検出部（流量検出素子）６０２で検出された流量信号をＬＳＩとして作られている処理部６０４にて補正処理を実施する構成例として説明する。なお、本発明の補正処理は、ＬＳＩとして作られている処理部６０４でのみ実現可能ではなく、制御装置２００（一般的にはエンジンコントロールユニット：ECU）でも実施可能である。そのため、制御装置２００含めた流量計測システム全体も流量検出装置に含まれる。ただし、一般的に熱式流量センサに実装されているＬＳＩとして作られている処理部６０４の演算処理速度の方が、制御装置２００よりも早く、熱式流量センサではその他のフィルタ処理を行う場合があるので、より吸気脈動波形に近い信号を扱えるのは処理部６０４であり、より高精度に周波数検出および周波数のスペクトル検出が可能となり、より高精度な脈動補正が実現できる。

吸気脈動は、一般的に平均流量値、脈動振幅率および脈動周波数（一般的にはエンジン回転数に比例）に応じて、脈動波形が変動し、それによりそれを検出する熱式流量センサが検出誤差を発生させてしまうため、この3つのパラメータを検出し、それぞれに応じた補正を行うのが効果的である。

そのため本実施例における処理部６０４では、検出した流量信号に対して、平均流量を検出する処理ブロック、脈動振幅率を検出する処理ブロック、そして周波数を検出する処理ブロックを有している。

平均流量を検出する処理ブロックでは、複数の時系列データをメモリ保存し、メモリ内の値を平均処理することによって、平均値を算出することが可能である。

脈動振幅率を検出する処理ブロックでは、同様に複数の時系列データをメモリ保存し、メモリ内の値から、最大値および最小値を検出し、振幅量(最大値-最小値)を算出することができ、これに前記平均流量で割った値が脈動振幅率となる。

周波数を検出する処理ブロックでは、離散フーリエ変換を行うことにより、解析周波数毎のスペクトルを得ることができる。ここで検出された複数の周波数に対して、スペクトルの大きい方から4つの周波数を取り出し、その中で最も周波数が小さい値をF1とする。以降は大きさが大きい順番にF2、F3、F4・・・と定義する（図10参照）。さらにそれぞれのスペクトル値をG（F1）、G（F2）、G（F3）、G(F4)・・・と定義する。これにより、一つの周波数の値を取り出すのではなく、第N周波数の値およびそのスペクトル情報まで検出する。このような処理を行う目的としては、吸気脈動として基本脈動周波数(エンジン回転数に対応する脈動周波数)に対して、N倍波(N＝2,3,4,・・・・)が発生することが一般的であり、基本周波数(エンジン回転数に対応する脈動周波数)よりも低い周波数成分が出ることは想定していないので、検出スペクトルの大きな4つの周波数に限定することで、その中に基本波が含まれていると考えることができる。

本実施例としては、限定する周波数は4つとしているが、場合に応じて選択数を任意に変更することができる。

次に、これらの検出パラメータを用いて、条件毎に補正を行う。まず、脈動振幅率と平均流量の値を参照して2次元補正マップ1より補正値(1)が算出され、入力に加算される。

次のステップとして、周波数検出処理で検出された第1周波数（F１）と前記脈動振幅率の値を参照して2次元補正マップ2より補正値(2)が算出される。これにより基本周波数(エンジン回転数に対応する脈動周波数)の影響を、補正値(2)で補正が可能となる。

さらに、その高調波成分に対する影響度を補正するため、前記周波数検出ブロックにて算出された、G（F1）、G（F2）、G（F3）の値を用いて、G（F1）に対する大きさの比率をそれぞれ、G（F2）/ G（F1）、G（F3）/ G（F1）として算出する。この2つの値を参照して2次元補正マップ3より補正値(3)が算出され、それを補正値(2)にかけ合わせることにより、高調波成分に対する影響度を更に補正することができる。

本実施例によれば、流量信号から求めた第１周波数の情報を用いた第１の補正値の他に、少なくとも第２周波数の情報を用いた第２の補正値により流量信号を補正することにより、高調波成分の影響を抑制することが可能となり、脈動誤差の小さい精度のよい流量検出装置を提供することが可能となる。

本実施例としては、補正効果およびソフト演算量、メモリ量を考慮して、補正マップ3を2次元のマップとして構成しているが、より高精度に補正が必要な場合は、パラメータとしてG（F4）/ G（F1）を追加して、補正マップ3を3次元のマップで構成することも可能である。

次に本発明における第2の補正手段の構成について図11に示す。図11では図9の構成例に対して、周波数検出ブロックの前に応答補償回路ブロックを構成している。この効果について図12を用いて説明する。図12(c)は実吸気脈動波形の周波数成分解析結果の一例を示している。脈動補正を行う場合は、この周波数値およびスペクトル値を元に補正することが望ましい。しかしながら、熱式流量センサの検出素子には熱容量があり、これにより応答遅れが生じ、検出素子が持つ熱容量から決定されるカットオフ周波数値よりも高い周波数成分に対しては顕著な応答遅れ、波形減衰が発生する。ここで、検出素子が持つカットオフ周波数値を40Hzと仮定した場合、検出素子で検出した流量信号を元に周波数解析を行った結果を図12(d)に示す。特徴として、カットオフ周波数よりも小さな30Hzの周波数成分に対しては、応答遅れがほとんど発生しないため、図12(c)と同程度のスペクトルを検出できる。しかしながら、カットオフ周波数(40Hz)以上の条件では、検出素子による応答遅れにより、スペクトル量を正しく検出できない場合が生じる。この場合、その後の処理であるG（F2）/ G（F1）、G（F3）/ G（F1）の際に、図12(c)で示される真のスペクトル比と異なる数値として計算されてしまい、補正精度を悪化させる可能性がある。これを対策するために、図11に示すように、周波数検出ブロックの前に応答補償回路ブロックを追加することにより、応答遅れが含まれる入力流量信号に対して、HighPassFilterのような応答遅れを補償する処理を適用することで、減衰した波形が復元されて、応答補償回路後の信号を元に周波数検出を行うと、図12(e)で示すように真の値と類似した結果を得ることができ、検出素子の応答遅れによる検出精度悪化を対策することができる。

次に本発明における第3の補正手段の構成について図13に示す。図11では図9の構成例に対して、周波数検出ブロックでF2周波数成分の位相ずれ量および、F3周波数成分の位相ずれ量を算出する処理を追加し、この2つの値を参照して2次元補正マップ4により補正値(4)が算出され、それを補正値(2)と(3)の積に足し合わせる処理部を追加した構成としている。この構成を追加することにより得る効果について、図14を用いて説明する。

図14は2倍波の位相ずれについて説明した図である。高調波脈動が発生する場合、まず基本波に対して、異なる周波数成分の波形が重畳した波形のことを指し、図14では基本周波数（F1）波形に対して、2倍波周波数（F2）の波形が振幅比率0.5でF1波形に重畳した場合の合成波形例を示している。さらにF2の波形がF1波形に対して、位相がそれぞれ0度(degree)、60度(degree) 、300度(degree)ずれて重畳した場合の合成波形例を示している。このように、同じF2周波数、同じ振幅率のF2波形がF1波形に重畳した場合でも、位相ずれ量によって、最終合成波形は、その歪み方が大きく異なる。これは車両吸気脈動でも同様のことが発生する。このような歪み方が異なる高調波脈動が発生すると、検出素子での検出誤差量が変化してしまう場合がある。前記の通り検出素子は熱容量によって決まる応答遅れが発生するが、流量の値に応じてもその応答遅れ量が変化する場合がある。具体的には、検出素子上の空気が全く流れていない状況と、ある流速で空気が流れている場合を比較すると、前者の空気が全く流れていないでは、検出素子のヒータ加熱領域が冷却されづらく、検出素子近傍の空気は徐々に加熱されるため、検出素子部の温度とその近傍での空気との温度差が小さくなり、応答としては遅くなる傾向にある。一方、後者の、ある流速で空気が流れている場合は、絶えずヒータ加熱領域近傍の空気が流れ続けるため、ヒータ加熱領域が早く冷却されることになり結果応答性が早くなる傾向にある。

以上より、図14で示した3つの波形に対して、歪み箇所がどの流量域にあるかによって、検出する素子の応答性が変化し、その結果、検出誤差量が変化してしまう場合がある。このような場合において、実施例1および2では、高調波成分のスペクトル(大きさ)が同じ場合であっても熱式流量センサの誤差が位相ずれにより変動し、調整精度が悪化する場合がある。これらの現象に対して、本実施例3においては、基本波に対する位相ずれを検出して、その位相ずれ量に応じた補正が可能となるため、更なる高精度化が図れる。

３００…熱式流量センサ
３０２…ハウジング
３０３…表カバー
３０４…裏カバー
３０５…外部接続部
３０６…外部端子
３０７…補正用端子
３１０…計測部
３２０…端子接続部
３３２…表側副通路溝
３３４…裏側副通路溝
３５６…突起部
３５９…樹脂部
３６１…外部端子内端
３６５…繋ぎ部
３７２…固定部
４００…回路パッケージ
４１２…接続端子
４１４…端子
４２４…突出部
４３０…計測用流路面
４３２…固定面
４３６…熱伝達面露出部
４３７…熱伝達面（流量検出領域）
４５２…温度検出部
５９０…圧入孔
５９４…傾斜部
５９６…傾斜部
６０１…流量検出回路
６０２…流量検出部（流量検出素子）
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
６７２…ダイアフラム
６７４…空隙

Claims (2)

1. 熱式流量センサの検出信号から周波数解析処理を行い、基本周波数のn倍（ｎは自然数、ｎ≧２）までの周波数とそのスペクトルを算出し、基本周波数のスペクトルに対する異なる周波数のスペクトル比率を算出する周波数検出ブロックと、
   前記検出信号から平均流量を検出する平均流量検出ブロックと、
   前記検出信号から脈動振幅情報を検出する脈動振幅検出ブロックと、
   前記脈動振幅情報と前記平均流量を用いて第１の補正値を算出する第１補正値算出部と、
   前記周波数検出ブロックで求めた基本波である第１周波数の情報と前記脈動振幅情報を用いて第２の補正値を算出する第２補正値算出部と、
   前記周波数検出ブロックで求めたｎ倍までのスペクトル比率を用いて第３の補正値を算出する第３補正値算出部と、
   前記周波数解析処理前に前記検出信号に対して応答補償を行う応答補償回路ブロックと、
   を備え、
   前記周波数検出ブロックは、検出された周波数成分に対して基本波である第１周波数を除いてスペクトルが大きい順に並べた際に、最大スペクトル値を示す周波数である第２周波数における基本波に対するスペクトル比率および、第２周波数の次に大きなスペクトル比を示す周波数での基本波に対するスペクトル比率を算出し、
   前記第３補正値算出部は、前記周波数検出ブロックで算出した第２周波数のスペクトル比率と前記第２周波数の次に大きなスペクトル比率を参照し、２次元の補正マップにより第３の補正値を算出し、
   前記応答補償回路ブロックは、前記熱式流量センサが持つ熱容量から決定されるカットオフ周波数値よりも高い周波数成分を通過させるハイパスフィルタを有することを特徴とする流量検出装置。
2. 請求項１に記載の流量検出装置において、
   前記周波数検出ブロックは、基本周波数の２倍周波数および３倍周波数等の位相ずれ量を算出し、その位相ずれ情報を元に補正値を可変させることができる流量検出装置。

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