JPH05231897A - 空気流量計及びこれを用いたエンジン制御システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発熱抵抗体式空気流量計に起動回路を設けて
も、空気流量計としての出力変動を少なくし検出精度の
安定化を図る。 【構成】 空気流量測定用の発熱抵抗体ＲＨと温度補償
抵抗ＲＣを設けたブリッジ回路１の各中点が差動増幅器
３の各入力端子に接続される。差動増幅器３の出力側と
加熱電流制御素子２たるトランジスタＴ１のベースとの
間には、Ｒ１０〜Ｒ１２から成る起動回路４が接続さ
れ、電源投入時に差動増幅器３が負のオフセット入力電
圧特性である場合には、起動回路４から加熱電流素子２
に起動信号が入力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空気流量計及びエンジン
制御システムに係り、さらに詳細には、発熱抵抗体を利
用した空気流量計の起動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ブリッジ回路に温度依存性を
有する空気流量測定用（加熱制御対象）の発熱抵抗体や
その温度補償用の感温抵抗体を設け、このブリッジ回路
の中点をそれぞれ差動増幅器の反転入力端子，非反転入
力端子に接続し、差動増幅器の出力信号を加熱電流制御
素子（通常、トランジスタで構成され、発熱抵抗体に流
れる加熱電流を差動増幅器の出力信号により制御する素
子）の入力側に印加するように構成した、いわゆる発熱
抵抗式空気流量計が広く知られている。

【０００３】この種の空気流量計は、流量測定用の管路
に発熱抵抗体，温度補償用の感温抵抗体などを配置し、
ブリッジ回路の発熱抵抗体の熱を奪う空気流量が変化し
ても、発熱抵抗体が所定の抵抗値（温度）を保つように
加熱電流を制御してブリッジの平衡を保つ（ブリッジの
中点電圧を一定に制御する）ようにするもので、加熱電
流から質量空気流量を測定できる利点があり、様々な分
野で利用されている。特に自動車では、空気と燃量の混
合比を制御するエンジン制御分野における質量空気流量
計に使用され、精度の高いものとして評価されている。

【０００４】ところで、発熱抵抗式空気流量計において
は、差動増幅器の入力オフセット電圧が特性のばらつき
により負であると、電源投入時に起動しない場合があ
る。ここで、入力オフセット電圧が負の特性であると
は、電源投入時（差動増幅器の反転，非反転入力が共に
零である時）に、加熱電流制御素子がＮＰＮトランジス
タである場合には、差動増幅器の出力がローレベルにな
る特性、または加熱電流制御素子がＰＮＰトランジスタ
である場合には、差動増幅器の出力がハイレベルになる
特性をいう。

【０００５】そのため、従来は、例えば特公昭６３−４
３６８８号公報に開示されるように、電源投入時に所定
のオフセット電圧を差動増幅器の入力側に加え、加熱電
流制御素子に起動のための初期信号を供給する技術が提
案されている。

【０００６】すなわち、電源の給電線間に分圧抵抗を直
列に接続し、電源投入時にはその分圧された電圧（約
０．５Ｖ）をダイオードを介して差動増幅器の一方の入
力端子に印加することで（この従来例では、一例とし
て、加熱制御素子たるトランジスタがＰＮＰトランジス
タで差動増幅器の反転入力端子に上記分圧電圧を印加し
ている）、起動に要するオフセット電圧を生じさせてい
る。また、起動後の通常の動作状態（ブリッジより信号
が出力されている状態）では、差動増幅器の反転入力側
の電圧は、上記分圧電圧よりも格段に大きいので、上記
ダイオードがカットオフ機能をなして、起動回路が空気
流量測定のための加熱電流制御に影響を及ぼさない配慮
がなされている。

【０００７】また、その他にも、特開昭５８−１５８５
１７号公報に開示されるカルマン渦式空気流量計におい
ても、差動増幅器の入力側に起動に要するオフセット電
圧をかけて加熱電流制御素子ひいてはブリッジ回路の起
動補償を行うようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の起動補
償技術うち、後者は、起動回路が差動増幅器の入力側に
あり、また、前者のようなカットオフ機能をなすダイオ
ードがないため、起動用オフセット電圧がブリッジの平
衡状態に影響を及ぼし、カルマン渦式以外の通常の発熱
抵抗式空気流量計では、オフセット電圧が差動増幅器の
出力誤差となって表れる。

【０００９】一方、前者のようにカットオフ機能をなす
ダイオードを起動回路に設けた場合でも、ダイオードが
周囲環境の熱等の影響で絶縁劣化を起こした場合には、
ブリッジ回路から差動増幅器に入力される出力電流がダ
イオードを介してリークし、測定精度を低下させること
になる。そのために、ダイオード自体は熱の影響を避け
る場所に設置しなければならないといった制約がある。
例えば、自動車エンジン制御に用いる場合には、熱源た
るエンジンからできるだけ離し、且つ吸気管外壁にダイ
オードを空気流量計の他の素子と離して取付けたりして
いる。また、ダイオードを他の素子と一体にモジュール
化することが困難であった。

【００１０】本発明は以上の点に鑑みてなされ、その目
的は、空気流量計としての出力に変動を与えることが少
なく安定した測定精度を保証する起動回路を実現し、且
つ、設置場所等の制約をさほど受けない空気流量計を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、基本的には次のような課題解決手段を提案
する。

【００１２】すなわち、ブリッジ回路に温度依存性を有
する加熱制御対象の空気流量測定用の発熱抵抗体が設け
られ、前記ブリッジ回路の中点が差動増幅器の反転入力
端子，非反転入力端子にそれぞれ接続され、前記差動増
幅器の出力側は加熱電流制御素子（前記発熱抵抗体に流
れる加熱電流を制御する素子）の入力側に接続して成る
空気流量計において、電源投入時に前記加熱電流制御素
子に起動信号を印加する起動回路が前記差動増幅器の出
力側と前記加熱電流制御素子の入力側との間に設けら
れ、且つ、この起動回路は、前記ブリッジ回路に空気流
量測定範囲の加熱電流より小さな微小電流が流れるよう
その起動信号値を設定して成る。

【００１３】

【作用】上記構成よりなる本発明によれば、電源投入時
に差動増幅器の入力オフセット電圧が負の特性であって
も、起動信号が起動回路を介して加熱電流制御素子に印
加されるので、加熱電流制御素子を介してブリッジ回路
に起動のための駆動電流が流れる。

【００１４】この起動回路を、差動増幅器の出力側と加
熱電流制御素子の入力側との間に設けると、差動増幅器
の入力側のブリッジ平衡条件に影響を及ぼさず、電源投
入後（ブリッジ回路駆動後）には、差動増幅器からブリ
ッジ平衡を保つための加熱電流制御信号が精度良く出力
される。

【００１５】また、起動信号によってブリッジ回路に流
れる電流は、空気流量測定範囲の加熱電流よりも小さく
設定してあるので、これが空気流量測定値として誤認さ
れることがない。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例を図面により説明する。

【００１７】図１は本発明の第１実施例に係る回路図、
図２は本実施例の空気流量計を自動車のエンジン制御シ
ステムに応用した時の実装図である。

【００１８】本実施例の空気流量計は、大別すると、図
１に示すように、発熱抵抗体ＲＨである熱線を含むブリ
ッジ回路１、ブリッジ回路１の電流を制御する加熱電流
制御素子２（本例では、ＮＰＮトランジスタＴ１を使
用）２、差動増幅器３、起動回路４により構成される。

【００１９】ブリッジ回路１は、一方の分岐路に温度依
存性を有する発熱抵抗体ＲＨと温度依存性を有さない加
熱電流検出素子たる抵抗Ｒ１を設け、他方の分岐路に温
度依存性を有する温度補償用の抵抗ＲＣと温度依存性を
有さない抵抗Ｒ８，抵抗Ｒ７とを設けて成る。

【００２０】ブリッジ回路１の一端はトランジスタＴ１
のエミッタと接続され、他端が電源ＶＢの（−）側に接
続される。トランジスタＴ１のコレクタは電源ＶＢの
（＋）側に接続される。ブリッジ回路１の一方の中点
（発熱抵抗体ＲＨと抵抗Ｒ１との間）は差動増幅器３の
非反転入力端子と接続され、他方の中点（抵抗Ｒ８と抵
抗Ｒ７との間）は反転入力端子に接続される。

【００２１】差動増幅器３の出力側は抵抗Ｒ１２及び抵
抗Ｒ１０を介してトランジスタＴ１のベース（入力側）
と接続される。また抵抗Ｒ１１，Ｒ１２は、差動増幅器
３の出力側と電源ＶＢの（＋）側との間に直列に接続さ
れ、抵抗Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２が起動回路４を構成す
る。すなわち起動回路４は、電源ＶＢの（＋）側と差動
増幅器３の出力側との間で直列接続された分圧抵抗Ｒ１
１，Ｒ１２及びこの分圧抵抗間とＮＰＮトランジスタＴ
１のベースとの間に接続した抵抗Ｒ１０とより成る。

【００２２】ここで、以上の構成をなす回路の動作の説
明に先立ち、図２において、本実施例の空気流量計の自
動車における実装例を説明する。

【００２３】図２において、空気流量計は、吸入空気
（被検出空気）を通過させるボディ（主空気通路）２０
内に吸入空気の一部を導入する副空気通路２０ａを形成
し、この副空気通路２０ａに空気流量測定素子たる発熱
抵抗体ＲＨと空気の温度を検出する温度補償用の感温抵
抗体ＲＣを配置し、ボディ２０の外壁に図１に示す電子
回路（抵抗ＲＨ及びＲＣを除く）を収納したケース２３
が装着される。

【００２４】このタイプの実装構造は、測定素子である
発熱抵抗体ＲＨ及び温度補償抵抗ＲＣを曲折した副空気
通路２０ａに収納することで塵埃に対する保護を図り得
る利点がある。また、上記のように構成された空気流量
計は、エアフィルタ２２付きのエアクリーナ２１とスロ
ットルバルブ２７付きスロットルボディ２６との間にダ
クト２４，２５を介して取付けてある。

【００２５】エンジンへ吸入される空気は、エアクリー
ナ２１，ダクト２４，空気流量計，ダクト２５，スロッ
トルバルブ２７を通ってインテークマニホールドに達す
る。エンジン制御ユニット２８は、この空気流量計の出
力とエンジン回転数等のエンジン状態に関する各種パラ
メータから最適な燃料供給量（燃料噴射パルス）を算出
し、図示されないインジェクタを駆動して燃料を供給す
る。これにより排気ガスの浄化，燃費に優れたエンジン
制御システムを実現できる。

【００２６】図１により本実施例の回路動作を説明す
る。

【００２７】差動増幅器３により、ブリッジ回路１は、
数１式となるように平衡する。

【００２８】

【数１】ＲＨ・Ｒ７＝Ｒ１・（Ｒ８＋ＲＣ） ＲＨ；発熱抵抗体ＲＨの抵抗値 ＲＣ；温度補償抵抗ＲＣの抵抗値 数１式において、

【００２９】

【数２】ＲＨ＝ＲＨ₀（１＋αＴｈ） ＲＣ＝ＲＣ₀（１＋αＴａ） 但し、ＲＨ₀；基準温度（０℃）における発熱抵抗体Ｒ
Ｈの抵抗値 ＲＣ₀；基準温度（０℃）における温度補償抵抗ＲＣの
抵抗値 α ；温度係数 Ｔｈ；発熱抵抗体の温度 Ｔａ；空気の温度 とおけば、発熱抵抗体の加熱温度（Ｔｈ−Ｔａ）は数３
式で示される。

【００３０】

【数３】

【００３１】一方、発熱抵抗体ＲＨの加熱電流Ｉｈと発
熱抵抗体ＲＨから空気に伝達される熱量の関係は数４式
に示すＫＩＮＧの式で表される。

【００３２】

【数４】

【００３３】従って加熱電流は数５式となり空気信号を
表す。

【００３４】

【数５】

【００３５】このＩｈを抵抗Ｒ１で検出し、出力信号Ｖ
ｈを検出端子（図示せず）を介して取り出しエンジン制
御ユニット２８に送られる。すなわち、ブリッジ回路１
の発熱抵抗体ＲＨの熱を奪う空気流量が変化しても、発
熱抵抗体ＲＨが温度補償抵抗ＲＣとの関係を所定の温度
差を保つように加熱電流Ｉｈを制御してブリッジ回路１
の平衡を保つ（ブリッジの中点電圧を一定に制御する）
ようにするもので、加熱電流値Ｉｈに関する信号値から
質量空気流量を測定できる。

【００３６】ここで、電源ＶＢ投入時に、差動増幅器３
の入力オフセット電圧が負の特性で出力がローレベル
（０Ｖ）となった場合には、電源ＶＢを抵抗Ｒ１１とＲ
１２で分割した電圧がトランジスタＴ１のベースに抵抗
Ｒ１０を介し起動信号として印加されるため、トランジ
スタＴ１のコレクタに微小電流が流れトランジスタＴ１
ひいてはブリッジ回路１を起動させることでできる。こ
の時にトランジスタＴ１を介して流れるブリッジ回路１
に流れる電流は、数５式の空気流量Ｑの最小値（空気流
量範囲の下限値）におけるＩｈよりも小さい値になるよ
うに、抵抗Ｒ１０が設定されているため、空気流量の検
出機能に影響を与えることはない。

【００３７】すなわち、トランジスタＴ１はベース電圧
が１．５Ｖで十分に起動でき（このときのブリッジ回路
１の発熱抵抗体に流れる電流Ｉｈは０．３ｍＡ）、一
方、最低空気流量Ｑにおけるベース電圧は３．７８Ｖ
（Ｉｈ＝７０ｍＡ）である。従って、抵抗Ｒ１１とＲ１
２の比を適切に設定すれば、その変化（絶縁劣化）によ
る影響を大きく低減できる。

【００３８】また、起動回路４は、差動増幅器３の出力
側と加熱電流制御素子２（トランジスタＴ１）の入力側
との間に設けてあるため、差動増幅器３の入力側のブリ
ッジ平衡条件に影響を及ぼさず、電源投入後（ブリッジ
回路駆動後）には、差動増幅器３からブリッジ平衡を保
つための加熱電流制御信号Ｖｏが精度良く出力される。
すなわち、加熱電流制御信号Ｖｏによって電源ＶＢから
トランジスタＴ１に供給されるベース電流ひいてはコレ
クタ電流が制御され、ブリッジ回路１にブリッジの平衡
を保つような加熱電流Ｉｈが流れる。

【００３９】図３は本発明の第２実施例である（第１実
施例と同一符号は同一或いは共通する要素を示す）。本
実施例は第１実施例と基本的に回路構成が同じであり、
異なる点は、起動回路４の分圧抵抗Ｒ１１・Ｒ１２間と
電源ＶＢの（−）側との間に基準電圧を得るためのツェ
ナーダイオードＤｚを接続した点にある。これは、サー
ジ電圧等の過電圧から回路を保護するためのもので、ツ
ェナー電圧は、電源ＶＢより若干高い値に設定してあ
る。

【００４０】図４は本発明の第３実施例である。第１実
施例と異なる点を主に説明する。

【００４１】本実施例は、加熱電流制御素子２にＰＮＰ
形トランジスタＴ２を使用し、ブリッジ回路１の中点の
うち発熱抵抗体ＲＨを設けた側の中点が差動増幅器３の
反転入力端子と接続され、もう一方の中点（抵抗Ｒ８・
Ｒ７間の中点）が非反転入力端子と接続される。起動回
路４は、電源ＶＢの（−）側と差動増幅器３の出力側と
の間に分圧抵抗Ｒ１２，１３を直列に接続し、この分圧
抵抗Ｒ１２，Ｒ１３間をトランジスタＴ２のベースに接
続して成る。

【００４２】本実施例の場合には、トランジスタＴ２が
ＰＮＰ形であるため、電源投入時に差動増幅器３の出力
がハイレベル（電源ＶＢと同レベル）に固定されてしま
うと、起動手段がない場合には加熱制御素子２ひいては
ブリッジ回路１が起動しない。

【００４３】そこで、上記のような場合には、差動増幅
器３の出力を分圧抵抗Ｒ１２，Ｒ１３を介して降圧させ
て起動信号を発生させ、トランジスタＴ２に駆動に要す
る微小なコレクタ電流を生じさせてブリッジ回路１の起
動を補償する。

【００４４】このような構成においても、抵抗Ｒ１２，
Ｒ１３を適宜設定することで第１，第２実施例同様の効
果を奏し得る。

【００４５】また、上記各実施例によれば、従来のよう
に起動回路にカットオフ機能をなすダイオードを設ける
必要がないので、この熱劣化を配慮する必要がなく、起
動回路を含めた空気流量測定用の電子回路をモジュール
一体成形することが可能となる。

【００４６】図５はこの空気流量計の実装例を示す開披
平面図、図６はその一部の縦断面図である。

【００４７】図５，図６において、発熱抵抗体ＲＨと温
度補償抵抗ＲＣは、それぞれピン３７に溶接により接
続，支持される。ピン３７は各リードフレーム３６に溶
接により接続され、フレーム３６は、ワイヤＷ１〜Ｗ４
のそれぞれ対応のものを介して回路基板３１上の端子に
接続される。

【００４８】回路基板３１上には、既述の加熱電流制御
素子２たるトランジスタＴ１又はＴ２及び図１，図３，
図４に示した抵抗Ｒ１２，差動増幅器３，ツェナーダイ
オードＤｚを集積したＩＣ３３の他に全回路（発熱抵抗
体ＲＨ，温度補償抵抗ＲＣの除く）の素子Ｒ１，Ｒ８，
Ｒ７，Ｒ１０，Ｒ１１，ノイズ除去用コンデンサ等がハ
イブリットＩＣで形成してある。電源ＶＢと空気流量信
号Ｖｈの端子は、ワイヤＷ５〜Ｗ７を介して外部端子３
４ａ〜３４ｃに接続される。外部端子３４ａ〜３４ｃ
は、プラスチック製のハウジング３０の側部にインサー
ト成形される。

【００４９】ピン３７及びリードフレーム３６は、モー
ルド成形体３５と一体成形され、このモールド成形体３
５が回路基板３１の直下にてベース３２にインサートさ
れている。

【００５０】回路基板３１はアルミニウム製のベース３
２上の搭載されてハウジング３０内に収納され、ハウジ
ング３０がカバー３０Ａで蓋される。カバー３０Ａとハ
ウジング３０とベース３２とは互いに接着により固着さ
れる。

【００５１】上記各実施例で述べた空気流量計において
は、起動回路４にカットオフ機能をなすダイオードを要
さないので、図５，図６で述べたような実装構造を採用
でき、小形にして信頼性の高い空気流量計を提供でき
る。

【００５２】なお、上記実施例では発熱抵抗体ＲＨを一
例として熱線のものを例示したが、これに限定されず、
その他、フィルム式の薄膜抵抗体や半導体タイプのもの
であってもよい。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電源投入
時の起動が確実に行われ、かつその起動手段があっても
空気流量の検出精度の劣化の少ない空気流量計を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る回路図

【図２】上記実施例を自動車のエンジン制御システムの
空気流量計に応用した場合のシステム構成図

【図３】本発明の第２実施例に係る回路図

【図４】本発明の第３実施例に係る回路図

【図５】上記各実施例の空気流量計の実装例を示す開披
平面図

【図６】上記各実施例の空気流量計の実装例を示す縦断
面図

【符号の説明】

１…ブリッジ回路、２（Ｔ１，Ｔ２）…加熱電流制御素
子、３…差動増幅器、４…起動回路、２０ａ…空気流量
測定用管路、２８…エンジン制御ユニット、３０…ハウ
ジング、３１…回路基板、３２…ベース、３６…リード
フレーム、３７…ピン、ＲＨ…発熱抵抗体、ＲＣ…温度
補償抵抗（感温抵抗）、Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１
３…起動回路用抵抗、Ｄｚ…ツェナーダイオード。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ブリッジ回路に温度依存性を有する加熱
   制御対象の空気流量測定用の発熱抵抗体が設けられ、前
   記ブリッジ回路の中点が差動増幅器の反転入力端子，非
   反転入力端子にそれぞれ接続され、前記差動増幅器の出
   力側は加熱電流制御素子（前記発熱抵抗体に流れる加熱
   電流を制御する素子）の入力側に接続して成る空気流量
   計において、 電源投入時に前記加熱電流制御素子に起動信号を印加す
   る起動回路が前記差動増幅器の出力側と前記加熱電流制
   御素子の入力側との間に設けられ、且つ、この起動回路
   は、前記ブリッジ回路に空気流量測定範囲の加熱電流よ
   り小さな微小電流が流れるようその起動信号値を設定し
   て成ることを特徴とする空気流量計。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記加熱電流制御素
   子はＮＰＮトランジスタにより構成されて前記ブリッジ
   回路の中点のうち前記加熱制御対象の発熱抵抗体を設け
   た側の中点が前記差動増幅器の非反転入力端子と接続さ
   れ、もう一方の中点が反転入力端子と接続され、前記起
   動回路は、電源の（＋）側と前記差動増幅器の出力側と
   の間で直列接続された分圧抵抗及びこの分圧抵抗間と前
   記ＮＰＮトランジスタのベースとの間に接続した抵抗と
   より成ることを特徴とする空気流量計。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記加熱電流制御素
   子はＰＮＰトランジスタにより構成されて前記ブリッジ
   回路の中点のうち前記加熱制御対象の発熱抵抗体を設け
   た側の中点が前記差動増幅器の反転入力端子と接続さ
   れ、もう一方の中点が非反転入力端子と接続され、前記
   起動回路は、電源の（−）側と前記差動増幅器の出力側
   との間で直列接続された分圧抵抗を有し、この分圧抵抗
   間が前記ＰＮＰトランジスタのベースに接続されて成る
   ことを特徴とする空気流量計。
4. 【請求項４】 請求項２又は請求項３において、前記起
   動回路には、サージ電圧等の過電圧から回路を保護する
   ためのツェナーダイオードを付加してあることを特徴と
   する空気流量計。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれか１項
   において、前記ブリッジ回路には、前記発熱抵抗体の他
   に温度補償用の感温抵抗体が設けられ、前記発熱抵抗体
   及び感温抵抗体が空気流量測定用の管路に配置され、前
   記発熱抵抗体及び感温抵抗体を除く空気流量計の全回路
   が単一基板上に形成されて外部入出力端子付きのハウジ
   ングに収納され、一方、前記発熱抵抗体及び感温抵抗体
   はリードフレームに接続されたピンに接続，支持され
   て、これらのリードフレームと前記単一基板上の回路と
   がワイヤ接続されて成る空気流量計。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
   の起動回路を備えた空気流量計の出力によりエンジンへ
   の燃料量を制御するように設定して成るエンジン制御シ
   ステム。