JPH1068647A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気通路中に設置された流量測定用感温抵抗
と温度補償用感温抵抗のいずれの断線も検出できるよう
にする。 【解決手段】 流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感
温抵抗１２とを並列に設けたブリッジ回路１６の中間点
Ｂ，Ｃ間の電位差に応じてオペアンプ２０がパワートラ
ンジスタ１９を制御することで、ブリッジ回路１６を平
衡状態に保ち、流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの
電位ＶB をオペアンプ２４で増幅し、その出力電圧ＶG
から空気流量を測定する。ブリッジ回路１６の両中間点
Ｂ，Ｃにトランジスタ２３のベースとエミッタを接続
し、このトランジスタ２３のコレクタをオペアンプ２４
の反転入力端子（−）に接続する。これにより、流量測
定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２のいずれが
断線した場合でも、オペアンプ２４の出力電圧ＶG が正
常動作電圧範囲外となり、断線が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブリッジ回路に設
けられた流量測定用感温抵抗によって空気流量を測定す
る熱式空気流量計に関し、特にブリッジ回路の断線検出
機能を備えた熱式空気流量計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、熱式空気流量計は、特開昭６
３−３００９１５号公報に示すように空気通路中に設置
された流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗とを並
列に設けてブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の
流量測定用感温抵抗側の中間点の電位（以下「ブリッジ
回路の出力電圧」という）によって空気流量を測定する
ようにしている。このものでは、ブリッジ回路が平衡状
態（ブリッジ回路の２つの中間点の電位が等しくなる状
態）となるように、ブリッジ回路に流す電流値を制御す
ることで、空気温度の変動による流量測定用感温抵抗の
抵抗値の変動（ブリッジ回路の出力電圧の変動）を温度
補償用感温抵抗によって補償し、空気流量の測定値が空
気温度の変動の影響を受けないようにしている。従っ
て、ブリッジ回路の断線検出は、流量測定用感温抵抗の
みならず、温度補償用感温抵抗についても行う必要があ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報のものでは、
流量測定用感温抵抗が断線すると、ブリッジ回路の出力
電圧（流量測定用感温抵抗側の中間点の電位）が０Ｖに
なる点に着目し、ブリッジ回路の出力電圧を比較器で基
準電圧と比較して流量測定用感温抵抗の断線の有無を検
出を行うようにしている。しかし、この断線検出法で
は、温度補償用感温抵抗の断線を検出することができな
い。つまり、温度補償用感温抵抗が断線すると、流量測
定用感温抵抗に最大電流が供給されるが、それによって
流量測定用感温抵抗の発熱量が増加して抵抗値が上昇す
るため、特にバッテリ電圧低下時、始動時では、よりブ
リッジ回路の出力電圧が正常動作電圧範囲内となる。こ
のため、上記公報のように、ブリッジ回路の出力電圧を
基にして断線検出を行ったのでは、温度補償用感温抵抗
の断線を検出することができない。

【０００４】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、流量測定用感温抵抗
と温度補償用感温抵抗のいずれの断線も検出することが
でき、信頼性を向上することができる熱式空気流量計を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の熱式空気流量計によれば、ブリ
ッジ回路の出力電圧を出力する出力手段は、ブリッジ回
路の中間点間の電位差を監視し、該ブリッジ回路が異常
になった時に該ブリッジ回路の出力電圧を該ブリッジ回
路の正常動作電圧範囲外の電圧に変化させて出力する。
この場合、流量測定用感温抵抗と温度補償用感温抵抗の
いずれが断線した場合でも、ブリッジ回路の中間点間の
電位差が異常になるため、ブリッジ回路の中間点間の電
位差を監視することで、流量測定用感温抵抗と温度補償
用感温抵抗のいずれが断線した場合でも、それを検出し
て出力手段の出力電圧をブリッジ回路の正常動作電圧範
囲外の電圧に変化させることができる。従って、この出
力手段の出力電圧から、流量測定用感温抵抗と温度補償
用感温抵抗のいずれの断線も検出することができ、信頼
性を向上することができる。

【０００６】この場合、請求項２のように、前記出力手
段は、前記ブリッジ回路の出力電圧を増幅して出力する
オペアンプと、前記ブリッジ回路の中間点間の電位差を
駆動電圧とするトランジスタとを備え、前記ブリッジ回
路の前記温度補償用感温抵抗側の中間点を前記トランジ
スタを介して前記オペアンプの入力端子に接続した構成
とすることが好ましい。

【０００７】この構成では、正常時には、ブリッジ回路
が平衡状態に保たれて、ブリッジ回路の中間点間の電位
差がほぼ０Ｖに維持され、トランジスタがオフ状態に維
持されると共に、ブリッジ回路の出力電圧がオペアンプ
で増幅される。これに対し、温度補償用感温抵抗が断線
すると、ブリッジ回路の中間点間の電位差が大きくなっ
て、トランジスタがオンし、それによってオペアンプの
入力電圧が変化して、該オペアンプの出力電圧（＝出力
手段の出力電圧）がブリッジ回路の正常動作電圧範囲外
の電圧に変化する。この回路構成では、従来の出力回路
に１個のトランジスタを追加するだけで良いため、回路
構成が極めて簡単であり、小型化・低コスト化の要求を
満たすことができる。

【０００８】また、請求項３では、出力手段の出力電圧
を異常判定手段に入力し、該出力手段の出力電圧をブリ
ッジ回路の正常動作電圧範囲に対応して設定された異常
判定値と比較して該ブリッジ回路の異常の有無を判定す
る。ここで、異常判定手段は、マイクロコンピュータに
よるソフトウエアで構成したり、比較器を用いたハード
ウエアで構成しても良く、いずれの場合でも構成は極め
て簡単である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図１
乃至図４に基づいて説明する。まず、図１に基づいて熱
式空気流量計１０の回路構成を説明する。流量測定用感
温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２は、エンジンの吸
気管等の空気通路（図示せず）内に設置され、空気の流
れに晒されている。これら流量測定用感温抵抗１１と温
度補償用感温抵抗１２は、いずれも正の温度係数を有
し、温度が上昇するほど、抵抗値が増加するようになっ
ている。

【００１０】流量測定用感温抵抗１１と基準抵抗１３と
の直列回路に対して、温度補償用感温抵抗１２と基準抵
抗１４，１５との直列回路が並列に接続されてブリッジ
回路１６が構成され、流量測定用感温抵抗１１側の中間
点Ｂの電位ＶB （これがブリッジ回路１６の出力電圧と
なる）によって空気流量が測定される。このブリッジ回
路１６の電源側端子Ａには、バッテリ１７の電圧がダイ
オード１８とパワートランジスタ１９を介して印加さ
れ、流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２
を流れる電流がそれぞれ基準抵抗１３または１４，１５
を介してグランド端子に流れる。

【００１１】このブリッジ回路１６へ電圧供給するパワ
ートランジスタ１９は、オペアンプ２０によってブリッ
ジ回路１６の中間点Ｂ，Ｃ間の電位差を０Ｖ（平衡状
態）とするように制御される。具体的には、オペアンプ
２０の非反転入力端子（＋）と流量測定用感温抵抗１１
側の中間点Ｂとが接続され、オペアンプ２０の反転入力
端子（−）と温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃとが
接続され、該オペアンプ２０の出力端子が固定抵抗２１
を介してパワートランジスタ１９のベースに接続されて
いる。オペアンプ２０には、電源としてバッテリ１７の
電圧が固定抵抗２２を介して供給される。

【００１２】この場合、空気流量が増加すると、流量測
定用感温抵抗１１の冷却が促進されて、流量測定用感温
抵抗１１の温度が低下し、その抵抗値が減少する。これ
により、流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位Ｖ
B が上昇して温度補償用感温抵抗１２側の中間点Ｃの電
位ＶC よりも高くなる（ＶB ＞ＶC ）。これに伴って、
中間点Ｂ，Ｃの電位差を増幅するオペアンプ２０の出力
電圧が増大して、パワートランジスタ１９をオンさせ、
ブリッジ回路１６に流す電流値を増加させる。この結
果、流量測定用感温抵抗１１の発熱量が増加して流量測
定用感温抵抗１１の温度が上昇し、その抵抗値が増加し
て中間点Ｂの電位ＶB が低下し、ブリッジ回路１６の平
衡状態（ＶB ＝ＶC ）が回復される。このようにして、
オペアンプ２０とパワートランジスタ１９は、ブリッジ
回路１６が平衡状態となるようにブリッジ回路１６に流
す電流値を制御し、特許請求の範囲でいう電流制御手段
として機能する。

【００１３】また、空気温度が低下すると、流量測定用
感温抵抗１１が冷却されてその抵抗値が減少するが、同
じ雰囲気中にある温度補償用感温抵抗１２も冷却されて
その抵抗値が減少する。これにより、空気温度の変動に
よる流量測定用感温抵抗１１の抵抗値の変動（流量測定
用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶB の変動）が温度
補償用感温抵抗１２によって補償され、流量測定用感温
抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶB から測定する空気流量
の測定値が空気温度の変動の影響を受けないようになっ
ている。

【００１４】次に、流量測定用感温抵抗１１または温度
補償用感温抵抗１２の断線時に異常電圧を出力する機能
を備えた出力回路３０（出力手段）の構成を説明する。
断線検出用のＮＰＮ型トランジスタ２３のベースに流量
測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂが接続され、該トラン
ジスタ２３のエミッタに温度補償用感温抵抗１２側の中
間点Ｃが接続されている。正常時は、両中間点Ｂ，Ｃの
電位ＶB ，ＶC がほぼ等しいので、トランジスタ２３は
オフ状態に維持される。一方、温度補償用感温抵抗１２
が断線すると、中間点Ｃの電位ＶC が０Ｖになり、トラ
ンジスタ２３がオンする。

【００１５】このトランジスタ２３のコレクタは、ブリ
ッジ回路１６の出力電圧ＶB を増幅するオペアンプ２４
の反転入力端子（−）に保護抵抗２５を介して接続され
ている。このオペアンプ２４の非反転入力端子（＋）に
は、保護抵抗２６を介して流量測定用感温抵抗１１側の
中間点Ｂが接続されている。このオペアンプ２４は、直
流電源電圧Ｖs （例えば７．６Ｖ）を電源とし、基準電
圧発生回路２７で発生した基準電圧Ｖo （例えば０．７
Ｖ）が抵抗Ｒ１を介してオペアンプ２４の反転入力端子
（−）に印加される。抵抗Ｒ１はオペアンプ２４の負帰
還抵抗Ｒ２と接続されている。この回路構成において、
オペアンプ２４の出力電圧ＶG は、次の（１）式で表さ
れる。 ＶG ＝Ｒ２／Ｒ１・（ＶB −Ｖo ）＋ＶD ……（１） （ＶD ：抵抗Ｒ１，Ｒ２間の接続点Ｄの電位）

【００１６】このオペアンプ２４の出力電圧ＶG は、図
３に示すように、正常時には例えば０．３Ｖ〜４．７Ｖ
の範囲内で変化し、流量測定用感温抵抗１１または温度
補償用感温抵抗１２が断線したときには、後述するよう
にオペアンプ２４の出力電圧ＶG が上記正常動作電圧範
囲外に変更されるようになっている。

【００１７】このオペアンプ２４の出力電圧ＶG は図２
に示すようにエンジン制御回路３１内のＡ／Ｄ変換器３
２でディジタル値に変換されて読み込まれる。エンジン
制御回路３１は、マイクロコンピュータを主体として構
成され、読み込んだ出力電圧ＶG を予め設定された空気
流量変換テーブル（図３参照）により空気流量に変換す
ることで空気流量を測定すると共に、後述する図４に示
す断線検出プログラムを実行することで、流量測定用感
温抵抗１１または温度補償用感温抵抗１２の断線の有無
を判定する。従って、エンジン制御回路３１は、特許請
求の範囲でいう異常判定手段としての役割も果たす。

【００１８】図４の断線検出プログラムでは、まずステ
ップ１００で、熱式空気流量計１０の出力電圧ＶG を読
み込み、次のステップ１０１で、熱式空気流量計１０の
出力電圧ＶG を異常判定値と比較して正常動作電圧範囲
（０．３Ｖ〜４．７Ｖ）内であるか否かを判定する。こ
の場合、正常動作電圧範囲（０．３Ｖ〜４．７Ｖ）の上
下限値と誤差を考慮して、異常判定値は０．２Ｖと４．
９Ｖに設定されている。そして、０．２Ｖ＜ＶG ＜４．
９Ｖの状態が一定時間継続すれば、正常（断線無し）と
判断し（ステップ１０２）、ステップ１００に戻って、
上述した処理を繰り返す。

【００１９】一方、ブリッジ回路１６の断線が発生した
ときには、後述するように、熱式空気流量計１０の出力
電圧ＶG が４．９Ｖ以上または０．１Ｖ以下となる。こ
の場合には、ステップ１０１で「Ｎｏ」と判定され、断
線有りと判断し（ステップ１０３）、警告ランプ（図示
せず）の点灯等、フェールセーフ処理を行う（ステップ
１０４）。

【００２０】次に、熱式空気流量計１０のブリッジ回路
１６が断線した時の出力電圧ＶG の挙動を説明する。

【００２１】〔正常時〕正常時には、ブリッジ回路１６
が平衡状態になるように制御されるため、ブリッジ回路
１６の両中間点Ｂ，Ｃ間の電位差がほぼ０Ｖに維持され
る。このため、両中間点Ｂ，Ｃの電位差をベース・エミ
ッタ間電圧とするトランジスタ２３は、オフ状態に維持
される。この状態では、ブリッジ回路１６の出力電圧Ｖ
B （流量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位）をオ
ペアンプ２４で差動増幅し、前述した（１）式で表され
る出力電圧ＶG をエンジン制御回路３１へ出力する。こ
の時の出力電圧ＶG は、例えば０．３Ｖ〜４．７Ｖの範
囲内で変化する。

【００２２】〔流量測定用感温抵抗１１の断線時〕流量
測定用感温抵抗１１が断線した時には、ブリッジ回路１
６の出力電圧ＶB（流量測定用感温抵抗１１側の中間点
Ｂの電位）が０Ｖになる。この場合には、トランジスタ
２３のベース電圧が０Ｖになるため、トランジスタ２３
はオフ状態に維持されるが、オペアンプ２４の非反転入
力端子（＋）の入力電圧が０Ｖになるため、オペアンプ
２４の出力電圧ＶG が０．１Ｖ以下となり、図４のステ
ップ１０１，１０３で断線有りと判定される。

【００２３】〔温度補償用感温抵抗１２の断線時〕温度
補償用感温抵抗１２が断線したときには、温度補償用感
温抵抗１２側の中間点Ｃの電位ＶC が０Ｖになるが、流
量測定用感温抵抗１１側の中間点Ｂの電位ＶB は、電源
電圧を流量測定用感温抵抗１１と基準抵抗１３とで分圧
した電圧となるため、両中間点Ｂ，Ｃの電位差をベース
・エミッタ間電圧とするトランジスタ２３がオンする。
これにより、オペアンプ２４の反転入力端子（−）がト
ランジスタ２３を介して温度補償用感温抵抗１２側の中
間点Ｃ（＝０Ｖ）と導通した状態となり、オペアンプ２
４の反転入力端子（−）の入力電圧が非反転入力端子
（＋）の入力電圧よりほぼトランジスタ２３のベース・
エミッタ間電圧分だけ低下する。これにより、オペアン
プ２４の両端子の入力電圧の差が大きくなって、オペア
ンプ２４の出力電圧ＶG が４．９Ｖ以上となり、図４の
ステップ１０１，１０３で断線有りと判定される。

【００２４】以上説明した実施形態では、ブリッジ回路
１６の両中間点Ｂ，Ｃにトランジスタ２３のベースとエ
ミッタを接続し、このトランジスタ２３のコレクタをオ
ペアンプ２４の反転入力端子（−）に接続することで、
流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２のい
ずれが断線した場合でも、オペアンプ２４の出力電圧Ｖ
G を正常動作電圧範囲外の電圧に変化させることができ
て、流量測定用感温抵抗１１と温度補償用感温抵抗１２
のいずれの断線も検出することができ、信頼性を向上す
ることができる。しかも、従来の出力回路（オペアンプ
２４のみの回路）に１個のトランジスタ２３を追加する
だけで良いため、回路構成が極めて簡単であり、小型化
・低コスト化の要求を満たすことができる。

【００２５】尚、上記実施形態では、トランジスタ２３
のコレクタをオペアンプ２４の反転入力端子（−）に接
続したが、図５に示す他の実施形態のように、トランジ
スタ２３のコレクタをオペアンプ２４の非反転入力端子
（＋）に接続しても良い。この場合には、温度補償用感
温抵抗１２が断線して温度補償用感温抵抗１２側の中間
点Ｃの電位ＶC が０Ｖになると、トランジスタ２３がオ
ンして、オペアンプ２４の非反転入力端子（＋）がトラ
ンジスタ２３を介して温度補償用感温抵抗１２側の中間
点Ｃ（＝０Ｖ）と導通した状態となり、オペアンプ２４
の非反転入力端子（＋）の入力電圧が低下する。これに
より、オペアンプ２４の出力電圧ＶG が０．１Ｖ以下と
なり、図４のステップ１０１，１０３で断線有りと判定
される。

【００２６】このように、上記各実施形態では、流量測
定用感温抵抗を含む抵抗分圧回路と温度補償用感温抵抗
を含む抵抗分圧回路とを電源に対して並列に位置させて
ブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路をオペアンプ
２０とパワ−トランジスタ１９とを含むフィ−ドバック
制御回路によって、それらの分圧電圧の差、すなわちブ
リッジ回路の電位差が平衡状態となるようにフィ−ドバ
ック制御して、流量に対応した出力信号を得るよう構成
されている。

【００２７】すなわち、流量測定用感温抵抗値に基づき
得られる電圧と温度補償用感温抵抗の抵抗値に基づき得
られる電圧とが所定の関係（ここでは平衡状態と呼ぶ）
になるように両感温抵抗への通電電流をフィ−ドバック
制御し、流量に応じた信号を発生する平衡回路を構成し
ている。そして、トランジスタ２３よりなる出力固定回
路によってブリッジ回路の電位差が平衡状態から逸脱し
たことを検出してフィ−ドバック制御回路を含むブリッ
ジ回路の異常を検出し、出力用増幅回路としてのオペア
ンプ２４の基準電圧を強制的に変化させて出力信号を正
常時の信号とは異なる異常時信号レベルに強制的に切り
換えている。

【００２８】このような実施形態の技術的手段に代え
て、以下の技術的手段を採用しても良い。例えば、両感
温抵抗の抵抗分圧回路の中間点の電位は、直接的に検出
する他に、その電位と対応する電位を用いることがで
き、オペアンプなど増幅回路を介して検出するよう構成
しても良い。

【００２９】また、上記実施形態では、ブリッジ回路の
電位差は平衡状態で零になるようにブリッジ回路とフィ
−ドバック制御回路とを含む平衡回路を構成したが、平
衡状態では所定の電位差を生じるように構成しても良
い。また、ランジスタ２３よりなる出力固定回路の応答
性にコンデンサなどの遅延回路によって所定の応答遅れ
を持たせて、フィ−ドバック制御回路の応答遅れによっ
て、流量急変時や温度急変時に誤った異常検出をしない
ように構成しても良い。

【００３０】また、出力固定回路としてのランジスタ２
３によりオペアンプ２４の出力側に直接的に異常時信号
レベルを与えても良い。また、ブリッジ回路は、実施形
態のように単純な抵抗のみの回路とする他に、温度補償
性能の安定性などを向上するためにオペアンプなどの付
加的回路を含む回路としても良く、一見しただけではい
わゆるブリッジを構成していないかのような複雑な回路
として構成することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における熱式空気流量計の
電気回路図

【図２】システム全体のブロック図

【図３】熱式空気流量計の出力電圧ＶG と空気流量との
関係を示す図

【図４】断線検出プログラムの処理の流れを示すフロー
チャート

【図５】本発明の他の実施形態における熱式空気流量計
の電気回路図

【符号の説明】

１１…流量測定用感温抵抗、１２…温度補償用感温抵
抗、１３〜１４…基準抵抗、１６…ブリッジ回路、１９
…パワートランジスタ、２０…オペアンプ（電流制御手
段）、２３…トランジスタ、２４…オペアンプ、２７…
基準電圧発生回路、３０…出力回路（出力手段）、３１
…エンジン制御回路（異常判定手段）。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気通路中に設置された流量測定用感温
   抵抗と温度補償用感温抵抗とを並列に設けたブリッジ回
   路と、このブリッジ回路が平衡状態となるように該ブリ
   ッジ回路に流す電流値を制御する電流制御手段とを備
   え、前記ブリッジ回路が平衡状態になっている時の該ブ
   リッジ回路の前記流量測定用感温抵抗側の中間点の電位
   （以下「ブリッジ回路の出力電圧」という）に基づいて
   空気流量を測定する熱式空気流量計において、 前記ブリッジ回路の中間点間の電位差を監視し、該ブリ
   ッジ回路が異常になった時に該ブリッジ回路の出力電圧
   を該ブリッジ回路の正常動作電圧範囲外の電圧に変化さ
   せて出力する出力手段を備えていることを特徴とする熱
   式空気流量計。
2. 【請求項２】 前記出力手段は、前記ブリッジ回路の出
   力電圧を増幅して出力するオペアンプと、前記ブリッジ
   回路の中間点間の電位差を駆動電圧とするトランジスタ
   とを備え、前記ブリッジ回路の前記温度補償用感温抵抗
   側の中間点を前記トランジスタを介して前記オペアンプ
   の入力端子に接続したことを特徴とする請求項１に記載
   の熱式空気流量計。
3. 【請求項３】 前記出力手段の出力電圧を前記ブリッジ
   回路の正常動作電圧範囲に対応して設定された異常判定
   値と比較して該ブリッジ回路の異常の有無を判定する異
   常判定手段を備えていることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の熱式空気流量計。