JPWO2002021084A1 - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

熱式空気流量計は、温度依存性を有する発熱抵抗素子を空気流路に配置して、この発熱抵抗素子を有するゲージ回路の出力Ｖ２から空気流量を測定する。また、出力特性を２次式以上の多項式により補正する演算回路を備えている。このような演算回路を備えることにより、レーザトリミングに代わる方式により、しかも小規模な回路構成で熱式空気流量計の高精度化を実現させる。

Description

技術分野
本発明は、温度依存性を有する発熱抵抗素子（感温抵抗素子）を用いて空気流量を検出する熱式空気流量計に関する。
背景技術
熱式空気流量計は、例えば自動車エンジン制御などの空気流量測定に使用されている。その従来の出力調整は、例えば空気流量計の回路（ＩＣチップ）の調整対象となる抵抗をレーザトリミングしてゼロスパン調整を行なっている（例えば、特開平８−２４７８１５号公報）。レーザトリミング調整法については、その他にも、例えば特開平５−７２２２５号公報等に記載されている。
なお、空気流量計以外のセンサにおいても出力調整が行なわれており、例えば、特開平１１−１５３５０３号公報に記載の圧力センサでは、レーザトリミング調整に代わって、演算により出力特性のばらつきや機差等を補正している。この従来例は、補正するための演算式を実行するマイクロコンピュータを備え、かつ演算式に用いる補正係数（定数ａ〜ｆ）を予め調べて記憶している。この公知例では、センサのばらつき要因を６つの係数（例えば温度係数等）で補正することが記載されているが、それらはすべて１次の係数である。
空気流量計の出力は、ノンリニア（曲線）の特性を示している。現行調整法（抵抗レーザトリミング）によるゼロスパン調整法は、１次元２点調整のために、調整点以外での特性曲がりによる誤差（目標出力特性に対する誤差）が生じる。
この誤差は、自動車エンジンの現状の排ガス規制を満足させる程度のものであるが、今後ますます厳しくなる排ガス規制を考えた場合には、出力特性を目標とする特性により近づけて熱式空気流量計の精度の向上ひいては空燃比制御の向上を図ることが望まれる。
本発明の目的は、レーザトリミングに代わる方式により、しかも小規模な回路構成で熱式空気流量計の高精度化を実現させることにある。
発明の開示
本発明は、上記目的を達成するために、次のように構成する。
▲１▼一つは、温度依存性を有する発熱抵抗素子を空気流路に配置して、この発熱抵抗素子を有するゲージ回路の出力から空気流量を測定する熱式空気流量計において、出力特性を演算回路を用いて２次式以上の多項式（例えば、３次式から５次式のいずれか一つの多次元多項式）により補正するようにした。
また、上記演算回路としては、演算式によりゼロ点調整、スパン調整、ノンリニア調整を順次に行なうか、或いは同時に行なうか、或いはゼロ点調整後にスパン調整・ノンリニア調整を同時に行なう回路により構成され、上記各調整後に決定された補正係数を記憶する手段を備えたものを提案する。
▲２▼もう一つは、熱式空気流量計において、空気流量−出力特性に関するマップデータを有し、このマップデータの領域を分割して各空気流量領域ごとに変更される出力特性補正式を用意して、空気流量を算出する方式を提案する。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施例を図面に基づき説明する。
第１図における空気流量計のゲージ回路１は、発熱抵抗素子２，吸気温度補償用の測温抵抗素子３，固定抵抗素子４〜６よりなるブリッジ回路と、オペアンプ７と、電流制御用のトランジスタ８とを備える。
発熱抵抗素子２及び測温抵抗素子３は、温度により抵抗値が変化するいわゆる温度依存性を有する感温抵抗素子よりなり、これらの抵抗素子は、線材，フィルム，半導体式種々のものがある。発熱抵抗素子２には、加熱電流を流すためにその抵抗値を測温抵抗素子３に比較して小さくしてある。
発熱抵抗素子２の出力は、固定抵抗素子５により検出されてオペアンプ７の（＋）端子に入力し、一方、測温抵抗素子３の出力は、固定抵抗素子６により検出されてオペアンプ７の（−）端子に入力するようにしてある。オペアンプ７の出力は、トランジスタ８のベースに入力される。このような回路構成をなすことにより、発熱抵抗素子２に流れる加熱電流は、発熱抵抗素子２と測温抵抗素子３との間の温度差（抵抗値差）が一定になるように制御される。
発熱抵抗素子２は、エンジンの吸気通路に配置されるために、吸気通路を通過する空気により熱が奪われ、空気流量により変化する加熱電流値を電気信号に検出することにより、空気流量測定が可能になる。
加熱電流値の電気信号は、抵抗素子５により電圧変換されて出力値Ｖ２となるが、この検出信号Ｖ２は、キングの式より、例えば（１）式により表される。

ここで、Ｒ１は検出抵抗素子５の抵抗値、Ｉｈは発熱抵抗素子２に流れる加熱電流、Ｒｈは発熱抵抗素子２の抵抗値、Ａ，Ｂは熱的定数、Ｑは空気流量、ΔＴｈは発熱抵抗素子２と測温抵抗素子３との温度差である。
この検出信号Ｖ２は、空気流量Ｑの４乗根であり、第１１図に示す特性曲線により表される。
検出信号Ｖ２は、個々の回路ごとに特性にばらつきがあるために目標の出力特性に近づくように調整する必要がある。既述したように検出信号（出力）Ｖ２の特性は、空気流量Ｑの４乗根であるために、その出力特性を演算により調整したり補正する場合には、出力特性の補正係数は、４次またはそれに近い３次から５次式の多項式で調整することが好ましい。本実施例の出力特性の調整は、多次元多項式の演算により行なわれるものであり、空気流量計を実装する前に行なわれる。この出力調整は、出力を補正するための演算式の補正係数を求めるものである。
本実施例における検出信号Ｖ２の出力調整及び補正は、次に述べる補正回路部１０の演算により行なわれる。
また、調整（すなわち補正係数の設定）は、補正回路部１０を調整時外部コンピュータと接続して行なうものである。
補正回路部１０は、演算機能付きのＬＳＩ回路であり、回路全体を駆動するための発振器１１、回路チップの温度を検出する温度センサ１２、温度センサ１２の信号及び発熱抵抗素子１の上流側電圧Ｖ１（トランジスタ８のエミッタ・発熱抵抗素子１間の電圧値）を選択的に取り込むマルチプレクサ１３、マルチプレクサ１３の出力をＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換するＡ／Ｄ変換器１４、空気流量検出信号（出力）Ｖ２をＡ／Ｄ変換する変換器、出力Ｖ２の調整及び補正に用いる演算回路（デジタルシグナルプロセッサ；以下、ＤＳＰと称する）１６、ＤＳＰ１６で演算したデジタル出力値Ｖｏｕｔを周波数変換するフリーランニングカウンタ（以下、ＦＲＣと称する）１７、上記デジタル出力値Ｖｏｕｔをデジタル／アナログ変換するＤ／Ａ変換器１８、周波数変換信号あるいはＤ／Ａ信号を選択するマルチプレクサ１９、出力調整（空気流量演算の補正係数を求める）を行なう外部コンピュータと接続して用いられる調整データ書込み通信回路（シリアルコミュニケーションインターフェイス；以下、ＳＣＩと称する）２０、調整データ（補正係数）を書き込む記憶回路（例えばＰＲＯＭ）２１を備えている。補正回路部１０の駆動電源は、定電圧源２２である。
本実施例におけるＤＳＰ１６は、第２図に示すような出力調整機能を有している。
第２図の出力調整機能は、基本的には、ゼロ点調整後にスパン調整・ノンリニア調整を同時に行なう演算回路であり、熱式空気流量計のモジュール温度（補正回路部１０の温度）及び吸気温度を出力特性の調整要素（モジュール温度ゼロ調整、モジュール温度スパン調整）として取り入れるようにしている。これらの温度を調整要素として取り入れるのは、空気流量計の出力特性がこれらの温度に影響されるためである。
本実施例の出力調整は、出力を補正するための演算式に用いる補正係数を求めることを意味する。
ここで、本発明が採用する熱式空気流量計の調整演算式（補正演算式）の基本原理を、第８図により説明する。
図８（ａ）は、ゼロ点調整、スパン調整、ノンリニア調整を順次に行なう直列式であり、同図（ｂ）は、それらの調整を同時に行なう並列式であり、同図（ｃ）は、ゼロ点調整後にスパン調整・ノンリニア調整を同時に行なう直並列式である。第２図の実施例は、基本的には、直並列式を採用するものである。
第８図（ａ）の直列式は、上記したゲージ回路からの出力値Ｖ２をまずゼロ点調整してＶｏｕｔ１を求め、次にスパン調整（出力の傾き調整）してＶｏｕｔ２を求め、その後にノンリニア調整（ＮＬ調整）して最終的なＶｏｕｔを求める。これを演算式で表すと、（２）式となる。

ここで、Ｋ１はゼロ点調整の係数（補正係数）、Ｋ２はスパン調整の係数（補正係数）、Ｋ３，Ｋ４はノンリニア調整の係数（補正係数）である。本演算式は、３次元多項式を採用しているものである。演算式中の＊は、掛け算を示している。
第８図（ｂ）の並列式は、ゼロ点調整、スパン調整、ノンリニア調整を同時に行なうので、調整後の出力値Ｖｏｕｔは、（３）式の３次元多項式を採用している。

第８図（ｃ）の直並列式は、まずは出力値Ｖ２をゼロ点調整してＶｏｕｔ１を求め、その後にスパン調整・ノンリニア調整の演算式によりＶｏｕｔを求める。この場合の調整後の出力値Ｖｏｕｔは、（４）式の３次元多項式を採用している。

これらの調整方式の特長については、出力特性の調整の仕方を図３に基づき説明した後に述べる。
出力Ｖ２の特性を調整する際には、まだ演算式の係数（例えば数２から（４）式でいえば係数Ｋ１〜Ｋ４）は定まっておらず、それらの係数の初期値（初期係数）がとりあえず存在している。
したがって、熱式空気流量計の出力Ｖ２は、初期係数を用いた演算式に基づいて出力Ｖｏｕｔとなり（第１図ではＤＳＰ１６が演算を行なう）、その出力ＶｏｕｔがＦＲＣ１７またはＤＡ１８、及びマルチプレクサ１９を介して出力調整用（補正係数算出用）外部コンピュータ（図示せず）に入力される。
この外部コンピュータは、出力調整時にだけ熱式空気流量計の回路と接続されるものである。調整時には、予め既知の４点の空気流量を流して４点の出力Ｖ２をサンプリングし（サンプリングデータを４点としたのは、補正演算式が３次元多項式のためである）、外部コンピュータは、このサンプリングデータ（以下、初期特性出力と称することもある）に基づいて、目標の出力特性に最も近づく補正係数（第８図の例では、補正係数Ｋ１〜Ｋ４）を求める。
本実施例では、第３図に示すように、▲１▼の過程でまず常温設定により空気流量計の出力Ｖ２の初期特性出力ＶｏｕｔをＤＳＰ１６により４点（Ｑ１，Ｖｏｕｔ１），（Ｑ２，Ｖｏｕｔ２），（Ｑ３，Ｖｏｕｔ３）（Ｑ４，Ｖｏｕｔ４）算出し、次いで回路温度や吸気温度が変化したときの出力特性変化を考慮して、▲２▼の過程で高温設定時の出力Ｖ２′の初期特性出力Ｖｏｕｔ′を上記同様に４点算出し、必要に応じて▲３▼の過程を実行して低温設定時の出力Ｖ２″の初期特性出力Ｖｏｕｔ″を４点算出し、外部コンピュータは、これらの算出値（サンプリングデータ）に基づいて目標特性に最も近づく最適補正係数を算出する。算出した最適補正係数データは、外部コンピュータからＳＣＩ２０を介してＰＲＯＭ２１に記憶される。以後は、外部コンピュータが切り離され、空気流量計の実装状態では、ＰＲＯＭ２１に記憶した補正係数に基づき第８図や第２図に示す調整機能の演算式により出力Ｖ２が補正されることになる。
このように複数の温度条件下における初期特性出力Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ′、Ｖｏｕｔ″（サンプリングデータ）に基づき出力調整する場合には、第８図（ａ）の直列式は、最初にゼロ点調整を行なうので、第１２図に示すように、各初期特性出力Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ′、Ｖｏｕｔ″が回路上の出力最大制限を受けにくくなる長所がある。ただし、直列演算は、補正係数の求める場合の演算が収束しづらいのが短所である。
これに対して第８図（ｂ）の並列式は、最初にゼロ点調整を行なわないので、第１３図に示すように各初期特性出力Ｖｏｕｔ、Ｖｏｕｔ′、Ｖｏｕｔ″が散在するので回路上の出力最大制限を受け易いのが短所となる。ただし補正係数を求める場合の演算が収束し易いのが長所である。
第８図（ｃ）の直並列式は、直列式と並列式の良い所を活かして、最大制限を受けにくく、収束しやすいといった長所を有する。
本実施例では、基本的には、直並列式をベースにし、さらに熱式空気流量計の出力特性の高精度調整及び補正を実現させるために、第２図に示すように回路温度（モジュール温度）及び吸気温度を調整要素として加味している。回路温度Ｔｍは既述したように温度センサ１２により検出され、マルチプレクサ１３及びＡ／Ｄ１４を介してＤＳＰ１６に入力される。吸気温度Ｔａは、発熱抵抗素子２の両端の出力値Ｖ１，Ｖ２を変数とする計算式（例えば（５）式）を利用してＤＳＰ１６により算出される。

ここで、αは発熱抵抗素子の温度係数、ΔＴｈは発熱抵抗素子と測温抵抗素子との温度差、Ｒｈ０は発熱抵抗素子のゼロ度のときの抵抗値である。
第２図では、まず出力Ｖ２に対してゼロ点調整とモジュール温度のゼロ点調整を行ない（この調整出力をＶｏｕｔ１とする）、その後にモジュール温度のスパン調整を行ない（この調整出力をＶｏｕｔ２とする）、その後に出力スパン調整、吸気温度調整、ノンリニア調整を同時に行なう。この調整機能を実行する演算式は、（６）式により表される。

ここで、Ｋ１はゼロ点調整の補正係数、Ｋ２，Ｋ３はゼロ点調整に用いるモジュール温度の補正係数、Ｋ４，Ｋ５はスパン調整に用いるモジュール温度の補正係数、Ｋ６，Ｋ７はスパン調整・ノンリニア調整に用いる吸気温度の補正係数、Ｋ８〜Ｋ１０はノンリニア調整に用いる補正係数である。
出力調整後は、上記補正係数Ｋ１〜Ｋ１０がＰＲＯＭ２１に記憶される。出力調整後に空気流量計を自動車に実装して、空気流量計の出力Ｖ２を補正する場合には、上記ＰＲＯＭ２１に記憶した補正係数Ｋ１〜Ｋ１０を第２図の調整機能〔（６）式の演算式〕に適用して実行される。
この補正後の出力は、Ｄ／Ａ回路１８、マルチプレクサ１９及び図示されないＡ／Ｄ回路を経てエンジン制御装置に入力され、燃料噴射量の演算式のパラメータとして用いられる。
本実施例における空気流量計は、第４図に示すようにセンサハウジング３０とコネクタケース３１とが一体に形成され、センサハウジング３０内に図１の回路要素（発熱抵抗素子２及び測温抵抗素子３を除く）を搭載した回路基板３２が内装され、センサハウジング３０は、カバー３１により蓋される。発熱抵抗素子２及び測温抵抗素子３はセンサハウジング３０の下端に突出したホルダピンにより支持され、吸気通路の副通路を構成する部材３４に収納されている。３５はセンサハウジング３０のベースである。このような構成をなす空気流量計の本体は、センサハウジング３０と一体に設けたフランジ３６を介してエンジンの吸気通路に実装され、センサハウジング３０と副通路３４及び発熱抵抗素子２，測温抵抗素子３が吸気通路に位置するように設定してある。センサハウジング３０は、吸気通路外壁に位置してもよく、また、演算式により吸気温度Ｔａを求めるのに代わって実際にセンサを用いて吸気温度Ｔａを検出してもよい。その場合には、例えば上記発熱抵抗素子２の上流に吸気温度センサを配置する。
本実施例によれば、レーザトリミング方式に代わり多次元多項式の演算式に基づき出力調整（補正係数算出）及び調整後の出力補正を行なうので、第５図に示すように出力特性を目標特性に極めて近づけることができ、従来の出力特性（第６図）に比べてより一層精度の高い調整を可能にし、空気流量計の測定精度を向上させることができる。
しかも、アナログ調整回路に比べて調整素子を少なくし、回路構成の簡略化を図ることができる。
なお、上記実施例では、第２図に示すように出力Ｖ２の調整機能にモジュール温度Ｔｍ及び吸気温度Ｔａを加味するが、回路調整温度センサ１２を有する補正回路部１０が吸気通路に配置される場合には、モジュール温度Ｔｍと吸気温度Ｔａとは実質的にほぼ等しいので、吸気温度Ｔａを出力調整要素から削除しても高精度の空気流量計を可能にする。この場合には、ＤＳＰ１６の出力調整機能は、第７図のように表される。
この場合の演算式は（７）式で表される。

この場合は、ここで、Ｋ１はゼロ点調整の補正係数、Ｋ２，Ｋ３はゼロ点調整に用いるモジュール温度の補正係数、Ｋ４，Ｋ５はスパン調整に用いるモジュール温度の補正係数、Ｋ６〜Ｋ８はノンリニア調整に用いる補正係数である。
なお、上記実施例では、多次元多項式により空気流量計の出力特性の調整及び補正を行なうが、これに代えて、第９図に示すように、空気流量−出力特性に関するマップデータを用意し、このマップデータの領域を分割して各空気流量領域ごとに変更される出力特性補正式を用意して、空気流量を算出しても従来に比べて精度の良い空気流量計を実現することができる。
第９図は、この方式（領域分割方式）の原理図を示すものであり、図中の実線が目標出力特性、破線は初期出力特性を示す。空気流量域は、例えばＸ１−Ｘ２間、Ｘ２−Ｘ３間、Ｘ３−Ｘ４間、Ｘ４−Ｘ５間に分割され（分割数はこれに限定しない）、この場合の出力調整及び補正演算式は、例えば、Ｖｏｕｔ＝ａＶ２＋ｂの１次式で表され、ａ及びｂが補正係数となる。ａはスパン補正係数、ｂはゼロ点補正係数に相当する。
上記演算式は、各分割領域の出力特性の傾向に応じて最適補正係数ａ，ｂが算出され、例えばＸ１−Ｘ２間の領域ではＶｏｕｔ１＝ａ１Ｖ２＋ｂ１、Ｘ２−Ｘ３間の領域ではＶｏｕｔ２＝ａ２Ｖ２＋ｂ２、Ｘ３−Ｘ４間の領域ではＶｏｕｔ３＝ａ３Ｖ２＋ｂ３、Ｘ４−Ｘ５間の領域ではＶｏｕｔ４＝ａ４Ｖ２＋ｂ４で表され、これらの補正係数は、第１図同様の回路のＰＲＯＭ２１に記憶され、この場合には、ＤＳＰ１６は、各空気流量領域ごとに出力特性の補正式（補正係数ａ及びｂ）を変更して空気流量を算出する。
なお、出力調整（補正係数ａ、ｂ）は、第３図のフローチャート同様に、当初は調整前の初期係数ａ、ｂにより演算された初期出力データが各分割領域の２点間のサンプルデータとして外部コンピュータに入力されて、各分割領域の最適補正係数（ａ１，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）、（ａ３，ｂ３）、（ａ４，ｂ４）が算出され、これらの補正係数が領域判定データ（Ｑ１，Ｙ１）、（Ｑ２，Ｙ２）、（Ｑ３，Ｙ３）、（Ｑ４，Ｙ４）…と関連づけてマップデータとしてＰＲＯＭ２１に記憶される。
なお、マップデータの領域分割は、第９図に示すように空気流量の出力特性は、変化率が低流量域の方が高流領域よりも大きいので、低流量域を高流量域よりも細かく分割して出力特性の調整及び補正の緻密化を図っている。
本実施例におけるハード的な回路構成は、基本的には、第１図同様のものであり、ＤＳＰ１６の演算方式が異なる。この場合のＤＳＰ１６（第１図）で実行される補正動作を第１０図に示す。
調整後の空気流量計の補正式に用いる補正係数は出力Ｖ２が判定領域Ｙ１・Ｙ２間、Ｙ２・Ｙ３間、Ｙ３・Ｙ４間、Ｙ４以上であるかで、それに応じた補正係数（ａ１，ｂ１）、（ａ２，ｂ２）、（ａ３，ｂ３）、（ａ４，ｂ４）が算出される。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によれば、レーザトリミングに代わる方式により、しかも小規模な回路構成で熱式空気流量計の高精度化を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の熱式空気流量計に係る第１実施例に関する回路構成図、第２図は、第１図に示す回路のうち出力調整及び出力補正を行なう演算回路の機能ブロック図、第３図は、上記実施例の出力調整に関するフローチャート、第４図は、上記実施例に用いる空気流量計の分解斜視図、第５図は、上記実施例の出力調整前後の出力特性を示す線図、第６図は、従来のレーザトリミング法による出力前後の出力特性を示す線図、第７図は、本発明の他の実施例に係る出力調整及び出力補正を行なう演算回路の機能ブロック図、第８図は、本発明の出力調整の原理説明図、第９図は、本発明の他の実施例にかかる出力調整方式（出力補正方式）のマップデータを示す図、第１０図は、第９図の実施例における出力調整のフローチャート、第１１図は、従来の熱式空気流量計の出力特性図、第１２図は、直列式出力調整の特徴を示す説明図、第１３図は、並列式出力調整の特徴を示す説明図である。

Claims (8)

1. 温度依存性を有する発熱抵抗素子を空気流路に配置して、この発熱抵抗素子を有するゲージ回路の出力から空気流量を測定する熱式空気流量計において、
   出力特性を２次式以上の多項式により補正する演算回路を備えていることを特徴とする熱式空気流量計。
2. 前記補正に用いる多項式は、３次式から５次式のいずれか一つの多次元式である請求項１記載の熱式空気流量計。
3. 前記演算回路は、演算式によりゼロ点調整、スパン調整、ノンリニア調整を順次に行なうか、或いは同時に行なうか、或いはゼロ点調整後にスパン調整・ノンリニア調整を同時に行なう回路により構成され、上記各調整後に決定された補正係数を記憶する手段を備えている請求項１又は２記載の熱式空気流量計。
4. 前記演算回路は、熱式空気流量計のモジュール温度及び吸気温度の少なくとも一つを出力特性の調整要素として取り入れるようにしている請求項３記載の熱式空気流量計。
5. 前記演算回路のＩＣチップ内にチップ温度を検出する温度センサが内蔵され、このチップ温度を用いて回路の温度補正と空気温度補正を行なうようにした請求項４記載の熱式空気流量計。
6. 前記吸気温度は、前記発熱抵抗素子の両端の出力値を変数とする計算式を利用して演算回路により算出するようにしている請求項４記載の熱式空気流量計。
7. 温度依存性を有する発熱抵抗素子を空気流路に配置して、この発熱抵抗素子を有するゲージ回路の出力値から空気流量を測定する熱式空気流量計において、
   空気流量−出力特性に関するマップデータを有し、このマップデータの領域を分割して各空気流量領域ごとに出力特性の補正式を変更して空気流量を算出する演算回路を備えていることを特徴とする熱式空気流量計。
8. 前記マップデータの領域分割は、空気流量の低流量域を高流量域よりも細かく分割してなる請求項７記載の熱式空気流量計。

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