JPH041528A - スイッチング制御形熱式流量センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、エンジンの吸入空気量を測定する熱式流量
センサに関するものである。

〔従来の技術〕

熱式流量センサは吸入空気中に配設した感温抵抗体から
なる発熱素子から吸入空気中への伝熱現象を利用したも
ので、検出回路として応答性に優れた定温度測定法が一
般的に用いられている。

定温度測定法は発熱素子の温度が常に吸気温より一定温
度高くなるようにブリッジ回路（以下、適宜ブリッジと
略称する）と差動増幅器を構成し、発熱素子から空気中
への伝熱量を計測する方法である。

第３図は例えば特開昭５５−５７１１２号公報に示され
た従来の定温度制御式による熱式流量センサの回路図で
あり、この第３図において、１は白金細線からなる発熱
素子、２は白金薄膜対向体からなる温度補償用素子、３
〜５は固定抵抗である。

上記発熱素子１、温度補償用素子２、固定抵抗３〜５よ
りブリッジを構成し、ブリッジ出力ｖ０は差動増幅器６
に入力され、パワートランジスタ７を介して上記ブリッ
ジに接続されている。

また、パワートランジスタ７のコレクタはバッテリ電源
ｖ１に接続されている。ｖｌはプリフジに印加するブリ
ッジ電圧である。

第４図１ａｌは従来の熱式流量センサの断面図であり、
第４図山口よこの熱式流量センサの機能構造図である。

この第４図（ａ）、第４図（ｂｌＯ両図に示すように、
発熱素子１は温度補償用素子２とともに導管９の中央部
に位置するように設置された検出用ダクト８内に配設さ
れている。

白金細線からなる発熱素子１は一定張力により三角形状
に張装されている。

また、パワートランジスタ７およびハイブリッドＩＣ１
１はアルミニウム基板１０上に接着されており、パワー
トランジスタ７の冷却効果を高めるために上記アルミニ
ウム基板１０の片面は空気通路内に露呈されている。

次に動作について説明する。ブリッジ回路が平衡状態に
ある時、各ブリッジ抵抗は次式を満たす。

Ｒ，・Ｒ４−（Ｒｋ＋Ｒ−・Ｒ１・・・（１まただし、
Ｒ１１は発熱素子１の抵抗値、Ｒｋは温度補償用素子２
の抵抗値、Ｒｓ、　Ｒａ、Ｒｓ　は固定抵抗３．４．５
各々の抵抗値を示す。

発熱素子１および温度補償用素子２ともに白金抵抗体か
ら構成されており、抵抗値が温度によって変化する。

したがって、発熱素子ｌを吸気温度より一定温度高い温
度の抵抗Ｒ８で平衡になるように、各ブリッジ抵抗を設
定することにより、定温度制御が実現できる。

つまり、ブリッジの不平衡電圧がほぼゼロになるように
、パワートランジスタ７から発熱素子１に加熱電流が供
給されることにより、発熱素子１の抵抗、つまり、温度
が一定に保たれる。

なお、温度補償用抵抗素子２の抵抗ＲｗはＲ８に比べて
十分大きく設定されているため、上記加熱電流の殆どが
発熱素子１側に流れ、温度補償用素子２の自己発熱は小
さい。

一方、発熱素子１からの放熱量が発熱量に等しい熱的平
衡状態において、加熱電流Ｉと質量流量Ｑの関係は次式
で表される。

ｒ　”ＲＩｌ＝　（Ａ　＋Ｂ＆）　（ＴＮ−ＴＣ）　　
　　−１２まただしＡ、Ｂ＝定数、Ｔ、＝発熱素子の温
度、Ｔ、−吸気温度である。

したがって、発熱素子１と吸入空気温度Ｔ、の差が一定
になるように制御し、加熱電流Ｉを固定抵抗５における
電圧降下として検出することにより、質量流量Ｑが測定
できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の熱式流量センサは以上の様に構成されているので
、ブリッジ電圧Ｖｌは以下の式で与えられる。

Ｖｍ−（Ｒｓ＋Ｒ＊）Ｘ （（Ａ＋Ｂ、厄）　　（Ｔ、−ＴＣ）／Ｒ１１）Ｏ−’
・・・（３） ブリッジの各抵抗値ＲＮ、Ｒｓは最大計測流量時でブリ
ッジ電圧■１がバフテリ電圧ｖＩより一定電圧低い電圧
を越えない程度に大きく設定される。

なぜなら、発熱素子１の抵抗値Ｒ＋ｔを小さくすると、
偉）式より明らかなように、加熱電流Ｉが増大し、パワ
ートランジスタ７のコレクタ損失が増大する。

これにより、アルミニウム基板１０の発熱温度が上がり
、発熱素子１や温度補償用素子２への熱的弊害を与える
。

また、固定抵抗５の抵抗値Ｒ１を小さくすると、検出電
圧の流量による変化が小さくなり、また差動増幅器の入
力同相電圧が下がり、動作範囲を下回る。

しかし、エンジン始動時、バッテリ電圧Ｖ８は１２．３
Ｖから８Ｖ付近まで下がり、計測可能流量範囲が低減す
るため、正確な流量が検出できないといった問題点があ
った。

また、パワートランジスタ７のコレクタ損失Ｐ、は発熱
素子１の抵抗値が大きく、加熱電流が小さい程小さくな
る特性を以ているが、発熱素子１に白金細線を用いた場
合、発熱素子１の抵抗値Ｒ，が小さく、コレクタ損失Ｐ
アを下げるために抵抗値パワを大きくするには、白金線
１１ｉ１１１を長く、または細くするといった構造変更
を伴う。

したがって、パワートランジスタ７のコレクタ損失の低
減は困難であり、冷却用に大きなアルミニウム基板１０
を必要としていた。

このため、熱式流量センサの小型軽量化ができず、コス
トも高くなるといった問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、エンジン始動時でも正確な流量信号が得られ
、スイッチング素子の電力損失の小さい小型軽量のスイ
ッチング制御形勢式流量センサを得ることを目的とする
。

〔課題を解決するための手段〕

この発明に係わるスイッチング制御形勢式流量センサは
、ブリッジ回路の出力に比例した時比率を有するパルス
を発生する制御パルス発生回路と、この時比率に対応し
てブリッジ回路に供給する電源の供給時間を制御する電
圧器を含む断続制御回路と、この断続制御回路で不連続
にされた電力を平滑して連続化してブリッジ回路に電力
を供給する平滑回路とを設けたものである。

〔作　用〕

この発明における制御パルス発生回路はブリッジ回路の
出力に比例した時比率を有するパルスを発生して断続制
御回路に加えて、断続制御回路でバフテリ電圧を不連続
な断続電力に変換させるとともに、変圧器で昇圧し、こ
の昇圧した不連続な電力を平滑回路で平滑して連続な電
力をブリッジ回路に加熱電流を供給する。

〔実施例〕

以下、この発明のスイッチング制御形勢式流量センサの
実施例を図について説明する。第１図はその一実施例の
構成を示す回路図である。この第１図において、第３図
と同一部分には同一符号を付して述べる。

第１図において、１は白金線や白金薄膜抵抗からなる発
熱素子、２は同様な感温素子からなる温度補償用素子、
３，４．５は固定抵抗である。これらの発熱素子１、温
度補償用素子２、固定抵抗３〜５によりブリッジを構成
している。

また、６は上記ブリッジの不平衡電圧を増幅する差動増
幅器、１２はこの差動増幅器６の出力電圧をパルス信号
に変換するパルス幅変調回路（以下ＰＷＭ回路という）
であり、ブリッジの出力■。１に比例した時比率を有す
るパルスを発生するもので、制御パルス発生回路として
使用されている。７ＡはＰＷＭ回路１２の信号に同期し
てバフテリｔ′ａを断続化するスイッチングトランジス
タである。

このスイッチングトランジスタ７Ａのベースには、ＰＷ
Ｍ回路１２の出力が入力され、エミッタはアースされ、
コレクタは変圧器１３の１次巻線を介して直流電源とし
てのバッテリ電源電圧Ｖ。

が印加されている。変圧器１３はバフテリ電源電圧Ｖ、
を昇圧するためのもので、この変圧器１３とスイッチン
グトランジスタ７Ａとにより、断続制御回路を構成して
いる。

すなわち、ＰＷＭ回路１２の出力により、スイッチング
トランジスタ７Ａがスイッチング動作を行って、バッテ
リ電圧を断続させ、その断続した電圧を変圧器１３で昇
圧して、バッテリ電源電圧ｖ１以上の電圧を変圧器１３
の２次巻線の両端に誘起するようになっている。

この変圧器１３の２次巻線の両端には、図示の極性で、
電流方向制御用のダイオード１４．１５が接続されてお
り、ダイオード１５に並列に、インダクタ１６とコンデ
ンサ１７の直列回路が接続されている。コンデンサ１７
の両端はブリッジの電源端子に接続されている。

上記コンデンサ１７は上記インダクタ１６とともに平滑
回路を構成している。

上記構成部品のうちブリッジの固定抵抗３〜５および差
動増幅器６は従来の熱式流量センサと同一仕様のもので
ある。

ブリッジの不平衡電圧に比例した差動増幅器６の出力信
号は上述したようにＰＷＭ回路１２によりパルス信号に
変換された後、スイッチングトランジスタ７Ａによりバ
ッテリ電源電圧■、を断続化させ、変圧器１３により昇
圧される。

この時、スイッチングトランジスタ７Ａがオン状態の時
、第２図（Ｃ）に示すように、ダイオード１４、インダ
クタ１６を通して、コンデンサ１７およびブリッジに電
流ｉｏｘが供給される。

また、スイッチングトランジスタ７Ａがオフ状態の時、
第２図１ｄｌに示すように、インダクタ１６に蓄積され
たエネルギはブリ、ジから電流ｉ。、ＦがダイオードＩ
５を通り放電し、第２図ｔｅｌに示すように、ブリッジ
に加熱電流は連続的に供給される。

次に流量がある平衡状態から増大する場合を例にスイッ
チング制御形熱式流量センサの動作について説明する。

第２図（ａｌに示すように、質量流量Ｑの増大により、
発熱素子ｌが冷やされ、発熱素子１の抵抗値が変化する
ことにより、ブリッジに不平衡電圧が生じる。これに伴
い第２図中）に示すように、ＰＷＭ回路１２の出力信号
のデユーティ比（パルス幅／１周期）が増大し、スイッ
チングトランジスタ７Ａのオン時間が増大する。

これにより、第２図ｔｅｌに示すように、ブリッジへの
加熱電流は増大し、発熱素子は当初の温度にまで加熱さ
れ、平衡状態が保たれる。

ブリッジ電圧Ｖえとバッテリ電源電圧ｖｌの関係はダイ
オード１４とインダクタ１６における電圧降下を無視す
ると、以下の式で表される。

■ｌｌＴ：＝□・　■、・　Ｄ　　　　　　　　　　　
　　　　　・・　（５）ｎま ただし、ｎｌは変圧器１３の１次側巻数、ｎ２は変圧器
１３の２次側巻数、Ｄはスイッチングトランジスタ７Ａ
のデユーティ比であり、 Ｄ　＝　Ｔ、、／Ｔ　　　　　　　　　　　　　・＋６
１で表される。

ただし、Ｔ　ｏ　ｎはスイッチングトランジスタ７Ａの
オン時間、Ｔはオンオフサイクルの一周期を示す。

上記（５）弐より明らかなようにブリッジ電圧■８の最
大値は変圧器１３の巻数の比とバッテリ電源電圧Ｖ、の
積で与えられるため、例えば巻数比を２とするとパンテ
リ電源電圧■、が８ｖの時でもブリッジ電圧Ｖ、は最大
１６Ｖ近くまで取り得る。

スイッチングトランジスタ７Ａの電力損失ＰＴはスイッ
チング損失およびオフ時の損失を無視すると、 Ｐ　ｔ−Ｄ　　゛　Ｖｃｔ＋ｓａｔ＋　　°　Ｔ　　゛
　ｎｚ／　　ｎ＋　　　　　−・−＋７１で表される。

ただし、Ｖ　ＣＭ　（Ｓ□、はスイッチングトランジス
タ７Ａの飽和コレクターエミッタ電圧を示す。

上記（７）式に（５）式を代入すると、電力損失Ｐ、は
、ＰＴ＝Ｖ、・Ｉ　・Ｖ　ｃｔ　ｔｓＡｙ＋　／　Ｖ　
ｍ　　　　　−（８］で表される。

一方、従来のパワートランジスタの電力ｔＸ　失Ｐｔは
、 Ｐｔ”　（Ｖｌ−Ｖｌ）　・Ｉ　　　　　　　　　　−
（９１で表される。

したがって、例えば、Ｖｉ−１２Ｖ、　ＶＣＥ＋５ＡＴ
Ｉ−ＩＶと仮定し、ブリッジ電圧■１が３〜ＩＯＶまで
変化したとすると、従来とこの発明によるトランジスタ
の電力損失Ｐ、の比は１／３６〜５／１２まで低減でき
る。

なお、上記実施例によれば、アナログ−パルス変換にＰ
ＷＭ回路１２を用いたが、電圧−周波数変換回路でも同
様な効果を奏でる。

また、スイッチング素子としてスイッチングトランジス
タ７Ａの代わりにパワーＦＥＴを用いることで駆動電力
を低減でき、また、スイッチング特性も向上するのでス
イッチング損失も小さくできる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、ブリッジの出力に比
例した時比率を有するパルスでバッテリの電源電圧を断
続させるとともに、その断続電圧を変圧器でバッテリ電
源電圧以上に昇圧した後、平滑化してブリッジに加熱電
流を供給するように構成したので、パンテリ電源電圧が
低い場合でも広い流量範囲に亘り正確な信号が得られる
とともに、断続制御回路のスイッチング素子の電力損失
が低減できるため、スイッチング素子の冷却用アルミニ
ウム基板の小型化が可能になりコストの低減が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるスイッチング制御形
勢式流量センサの回路図、第２図は同上実施例の動作を
説明するための各部の波形図、第３図は従来の熱式流量
センサの回路図、第４図（ａ）は従来の熱式流量センサ
の構造を示す断面図、第４図中）は従来の熱式流量セン
サの機能構造図である。 ■・・・発熱素子、２・・・温度補償用素子、３〜５・
・・固定抵抗、６・・・差動増幅器、７Ａ・・・スイッ
チングトランジスタ、１２・・・ＰＷＭ回路、１３・・
・変圧器、１４．１５・・・ダイオード、１６・・・イ
ンダクタ、１７・・・コンデンサ。 なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人　　　　大　　岩　　増　　雄 第 図 ３−５：固定抵抗 ６　：差動増幅器 ７Ａニスイツチングトランジス １３：変圧器 ＋４，１５　：ダイオード １６　：イ′ンダクタ １７　；コンデンサ 第２図 第３ 第４ 図 手 続 補 正 （自発） （ａ） 平成 年　３　月１９ 日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 温度によって抵抗値が変化する特性を有する感温素子と
   、この感温素子と固定抵抗により構成されたブリッジ回
   路と、ブリッジ回路の出力に対応した時比率を有するパ
   ルスを発生する制御パルス発生回路と、直流電源と上記
   ブリッジ回路の間に設けられ、上記時比率に対応して上
   記直流電源を断続させ、かつ変圧器で昇圧させて上記ブ
   リッジ回路の電源の供給時間を制御する断続制御回路と
   、この断続制御回路の不連続の電力を連続化させて上記
   ブリッジ回路に電流を供給する平滑回路とを備えたスイ
   ッチング制御形熱式流量センサ。