KR100197032B1 - 펄스출력형 열선식 공기유량계 - Google Patents

펄스출력형 열선식 공기유량계 Download PDF

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Abstract

펄스출력기능부 열선유량계를 구성하는 회로중, 적어도 정온도제어회로, 지로/스판회로, 전압제어발진기의 3회로를 1개의 실리콘칩 중에서 집적화하는 것에 의하여, 고정밀도로 온도특성이나 내전특성등의 내환경성이 뛰어난 열선유량계를 얻는다.

Description

펄스출력형 열선식 공기유량계
제1도는 본 발명에 의한 펄스출력형 열선식 공기유량계의 원리구성도.
제2도, 제3도, 제4도, 제5도, 제6도, 제7도, 제8도 및 제9도는 각각 본 발명의 한 실시예를 표시하는 회로도.
제10도는 펄스출력형 열선식 공기유량계의 종래예를 표시하는 구성도.
제11도는 정온도제어회로 및 지로/스판회로 및, 기준전압회로의 한예를 표시하는 회로도.
제12도는 전압제어발진기의 한예를 표시하는 회로도이다.
본 발명은, 공기 등으로 대표되는 유체의 유량을 백금등의 열선을 사용하여 계측하는 유량계(핫와이야 에어 플로우센서-Hot wire air flow sensor-)에 관한 것이며, 특히 그 출력이 펄스출력형의 기능을 가지고 있고, 자동차용 휘발유엔진의 흡기유량계측에 호적한 열선식 공기유량계에 관한다.
펄스출력기능부열선유량계(이하 RAFS라고 약기함)의 구성은, 종래로 부터 제10도에 표시하는 구성을 채택하는 일이 많았었다.
즉, 이 RAFS는, 공기류등의 기체중(바람)에 열선을 볕에 쬐어 말리면서, 이 열선의 저항을 항상 일정(즉, 온도일정)하게 되도록 정온도제어회로(1)를 작용시키는 것에 의하여, 유체의 유량(Q)을 표시하는 출력전압(υ1)이 출력되도록 한 것이지만, 이 전압(υ1)은 유량(Q)에 대하여 일정한 고정분을 가지고 있으므로, 우선 지로/스판회로(2)에 의하여 이 고정분을 제거하고, 다시금 이득(스판)을 조정한다.
그리고, 이 지로/스판회로(2)의 출력전압(υ2)은 전압제어발진기(Voltage Controlled Oscilator, 이하 VCO라고 약기함)(3)에 의하여 전압(υ2)의 값에 비례한 주파수(f)를 가지는 펄스전압(υ3)으로 변환되어 출력되도록 되어 있다.
한편, 이것들의 각부를 작동시키기 위하여 기준전압회로(4)가 준비되고, 기준전압(Vs)이 주어지도록 되어 있다.
제11도와 제12도는, 제10도의 구성요소(1, 2, 3, 4)의 구체예를 표시한 것이며, 제11도의 100이 제10도의 정온도제어회로(1)에, 200이 지로/스판회로(2)에, 400이 기준전압회로(4)에, 제12도의 회로(300)가 VCO(3)에, 각각 대응한다.
또한, 이것들의 회로는 개별소자(혹은 일부 IC)로 만들어지는 일이 많고, 각 소자는 하이부릿드기판상에 취부되는 일이 많다.
제11도의 정온도제어회로(100)는, 핫와이야(열선(11)), 콜드와이야(냉선(12)), 오퍼레이션앰프(5, 6), 트랜지스터(10), 저항(20), 콘덴서(22)등에 의하여 구성되고, 핫와이야(11)에 바람이 닿아서 냉각되었을 때에도, 그 온도가 항상 일정하게 되도록, 이 회로(100)가 핫 와이야(11)에 흐르는 전류를 제어하는 동작을 행한다.
마찬가지로 제11도의 지로/스판회로(200)는, 오퍼레이션 앰프(7)를 중심으로 정항(70~73, 77~79)등으로 구성되고, 이것들의 저항을 적당히 선정하는 것으로 신호전압에 대한 지로와 스판의 보정을 행한다.
여기서 14는 서지보호용의 제너다이오드이다.
제12도의 VCO(300)는, 오퍼레이션 앰프(9, 24), 저항(32, 33)등, 콘덴서(35), 트랜지스터(34)로 구성되고, 오퍼레이션 앰프(9), 콘덴서(35)를 중심으로 한 회로가 적분기로서 작용하고, 오퍼레이션 앰프(24), 저항(33)을 중심으로 하는 회로는 전압비교기로서 작용한다. 그리고, 입력단자(30)에 인가된 아날로그 전압(υ2)은, 이것들의 회로에 의하여, 이 전압(υ2)에 비례한 주파수를 가지는, 펄스출력전압(υ3)으로 변환된다.
제11도로 되돌아와서, 기준전압회로(400)는, 오퍼레이션 앰프(8), 저항(81, 83, 84, 85)등, 제너다이오드(80, 13), 다이오드(82), 콘덴서(15)에 의하여 제너다이오드(80)의 양끝단의 정전압이 증폭되고, 일정전압(Vs)으로서 각 회로에 공급된다.
저항(84), 제너다이오드(13), 콘덴서(15)는 서지보호회로이다.
또한, 이 종류의 장치로서, 관련하는 것으로는, 특개소 59-224427호 공보, 특개소 60-178317호 공보, 특개소 61-1847호 공보, 특개소 61-17019호 공보, 특개소 61-104246호 공보, 특개소 62-79316호 공보등의 기재를 들 수가 있다.
상기 종래기술은, 회로구성의 최적화에 관하여, 특별히 배려되지 않고, 그러므로, 정밀도를 확보할 수 없고, 온도특성이 나쁘고, 내전자파성능(EMI)이 향상하지 않는 등의 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 고정밀도이고 온도특성이나 내전자파특성등의 내환경성에 뛰어난 PAFS를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, PAFS를 구성하는 회로중, 적어도 정온도제어회로, 지로/스판회로 및 VCO의 3 회로를 1개의 실리콘 칩 중에서 집적화, 즉 1칩화한 것이다.
이것을 제1도에 의하여 구체적으로 설명하면, 공기류에 의한 바람을 받아서, 그 유량을 검출하는 핫와이야(11)는, PAFS의 기능을 가지는 1칩 제어회로(40)의 외부에 접속되고, 유량을 계측하여야 할 공기통로중에 설치되어 있다.
그리고, 그 구동전력은 트랜지스터(10)로 부터 주어진다.
공기의 온도를 측정하기 위한 콜드와이야(냉선)(12)도 외부에 나와 있고, 핫와이야(11)와 마찬가지로 공기통로에 배치된다.
직류전압원은 단자(9와 99)간에, 그리고 단자(110과 99)간에 가하여진다.
단자(41)는 펄스출력단자이고, 제10도에서 설명한 펄스전압(υ3)이 이 단자에 나타난다.
1칩화된 회로부는 제어회로(40)내에 있고, 이 부분에는 제10도 중의 정온도제어회로(1), 지로/스판회로(2), VCO(3)의 각부가 집적화되어 있다.
또한, 전원단자(9 및 10)는 함께 모둘 수가 있다.
제어회로(40)는 1칩화되어 있고, 당연히 그 체적도 작으므로, 근소한 영역에 각부가 집적화 되어 있다.
그러므로, 칩내의 각 회로부의 온도는 거의 전부 일정하다고 생각되므로, 온도보상을 실시하는 것이 용이하게 된다.
또, 칩은 작은 면적밖에 갖지 않으므로, 전자파, 서지파 등의 노이즈의 영향을 받는 정도가 적으므로, 충분한 내환경성을 용이하게 부여할 수가 있다.
[실시예]
아래, 본 발명에 의한 펄스출력형 열선식 공기유량계에 관하여, 도시의 실시예에 의하여 상세하게 설명한다.
제2도는 본 발명의 한 실시예이고, 이 제2도의 실시예는, 제10도에서 설명하였다.
종래예에 있어서의 정전압제어회로(1), 지로/스판회로(2), VCO(3) 및 정전압회로(4)를 1개의 칩(반도체 집적회로)(1A)에 집적화한 것으로, 칩외의 구성요소는 핫와이야(11), 콜드와이야(12), 트랜지스터(10)뿐이다.
회로동작은 제11도, 제12도와 거의 마찬가지이지만, 구성요소의 저항, 콘덴서 등은, 집적화할 수 있는 값에 적합되고 있다.
단 제11도의 서지보호용 제너다이오드(14)는 집적화 때문에 쓸모가 없게 되어 있다.
이것은, VCO(3)를 포함하여 집적화되어 있기 때문에, 전압(υ2)의 단자(3V)(제11도)가 외부에 인출되어 있지 않았기 때문이다.
이 제2도의 실시예에서는, 실리콘칩화된 집적회로(1A)와, 핫와이야(11), 콜드 와이야(12) 및 트랜지스터(10)의 4개로 PAFS를 구성할 수 있기 때문에, 하이브릿드기판을 사용하지 않고 센서가 실현될 수 있고, 극히 소형의 PAFS를 만들 수가 있다.
제3도는 본 발명의 다른 실시예이고, 이 실시예는 트랜지스터(10)도 칩(1A)내에 집적화한 것이며, 따라서, 칩의 단자수는 7개로 족하고, 현재 고려되고 있는 핫와이야 에어 플로우 센서에서는 가장 적은 단자수 구조로 할 수 있다.
그리고, 이 실시예에서는, 트랜지스터(10)가 칩(1A)내에 있고, 이 전력손실이 칩내에서 소비되므로, 그 발열에 의하여, 칩내의 온도를 거의 일정치로 올려 놓을 수가 있다.
즉, 트랜지스터의 소비전력을 변화시키는 것으로 임의의 칩 온도에 설정할 수 있으므로, 온도특성이 가장 좋은 점에 칩내의 온도를 올려 놓는 것으로, 센서 그 자체의 정밀도를 충분하게 향상시킬 수 있다.
제4도는 본 발명의 다시금 별도의 실시예이고, 서지 보호기능을 사이리스터회로(7Z)로 실현한 것이다.
이 사이리스터회로(7Z)는 사이리스터(7A), 콘덴서(7B), 저항(7C, 7D)으로 구성되고, 사이리스터(7A)는 통상의 전원전압(단자(9, 99)간에 가하여진다)에서는 오프상태이고, 오퍼레이션(8)에는 정상의 전원전압이 가하여지고 있다.
그렇지만, 단자(9)에 서지등의 이상전압이 가하여지면, 통상 이것들의 전압의 상승은 빠르므로, 콘덴서(7B), 저항(7C)은 미분회로로서 동작하고, 사이리스터(7A)는 온상태로 되고, 그 양끝단의 전압은 1V 정도의 저전압으로 되고, 서지전압으로 부터 오퍼레이션 앰프(8)를 보호한다.
사이리스터는, 칩내에서는 제너다이오드에 비하여 작게 만들어지므로, 제2도의 제너다이오드에 의한 실시예에 비교하여 칩 면적을 작게 할 수가 있고, 또한, 보호동작이 고속화되므로, 다시금 우수한 보호기능을 얻을 수가 있다.
제5도도 본 발명의 한 실시예이고, 이 실시예는, 펄스파형 연장회로(8Z)도 칩(1A)내에 설치하도록 한 것이다.
이 펄스파형 연장회로(8Z)는 오퍼레이션(24)의 출력전압(υ24)의 상승, 하강시간을 길게 하여(연장하여) 파형의 고주파 성분을 제거하기 위한 것이고, 단자(41)에 나타나는 펄스 출력전압의 고주파성분에 의하여 다른기능에 전자장해를 주는 일이 적게 된다.
이 실시예에 있어서의 파형 연장회로(8Z)는 저항(8A, 8B, 8E), 콘덴서(8C, 8F), 트랜지스터(8D)에 의하여 구성되고, 상승시간은 주로 저항(8E), 콘덴서(8F)에 의하여, 상승시간은 주로 저항(8A), 콘덴서(8C)에 의하여 조정할 수 있다.
이 파형 연장회로는, 통상은 칩의 바깥에 설치되는 일이 많으나, 이 제5도의 실시예와 같이 칩내에 내장하면, 이 부분의 하이브릿드기판의 면적을 작게 할 수 있는 (반면 칩면적은 그것만큼 크게되지는 않는다), 센서자체를 소형화 할 수 있다는 효과가 있다. 또, 연장회로(8Z) 전체가, 온도영향을 다른회로와 마찬가지로 받으므로, 온도보상을 하기 쉽다는 효과를 가진다.
제6도도 본 발명의 한 실시예이고, 이 실시예는, VCO(3)를 오퍼레이션앰프(9A, 24B), 콤패레이터(24A)와 저항(83, 84, 85)등에 의하여 구성한 것이지만, 전압을 주파수로 변환하는 기능은 지금까지의 예와 마찬가지이다.
이 실시예는, 콤패레이터(24A)의 비교전압(VC)(저항 82, 82A의 분압전압)의 온도특성을 갖게 하여, 전압-주파수변환의 온도특성의 향상을 꾀한 것이므로, 이 온도계수의 설정은 제너다이오드(81)에 흘러들어가는 전류를 변화시키는 것으로 실현할 수 있고(통상, 제너다이오드는 흐르는 전류에 의하여 온도계수가 변한다).
이것은 저항(80)의 값을 변화하는 것으로 구체화할 수 있다.
따라서, 이 실시예에서는, 전압(VC)이 저항(82, 82A)의 분압비[82A/(82+82A)]로 결정되므로, 보정에 즈음해서의, 저항(82, 82A) 그 자체에 의한 온도의 영향을 적게 할 수가 있고, 다시금 고정밀도화가 가능하다.
제7도도 본 발명의 한 실시예이고, 이 실시예는, 에어플로우센서의 과도특성(구체적으로는 공기유량의 변화에 대한 펄스출력전압의 주파수변화)을 개선하기 위하여, 온도제어회로(1)내에 위상보상회로(101)를 설치한 것이며, 본 보상회로는 저항(90, 91, 93), 콘덴서(92)에 의하여 구성된다.
따라서, 이것들의 정수를 적당히 설정하는 것으로 과도응답특성을 용이하게 개선할 수가 있다.
그리고, 그 실시예에서는, 저항(90, 93)도 칩(1A)내에 들어가 있고, 이렇게 하는 것에 의하여, 특성의 조정을 다시금 정밀도 좋게 행할 수 있다.
즉, 저항(90, 91)의 배분을 고려하여 두면, 외부저항(91)을 하이브릿드기판상 등에서 정밀도 좋게 트리밍할 수 있으므로, 특성의 향상이 꾀하여지는 것이다.
제8도도 본 발명의 한 실시예이고, 이 실시예에서는, 저항(21, 201, 203)등을 칩(1A)의 바깥에 나와 있고, 이것들의 저항의 트리밍에 의하여, 센서의 정밀도를 향상시킬 수가 있다.
즉, 저항(21, 201, 203)등은 하이브릿드 기판상의 저항으로서 제작되고, 이 저항은 칩내의 저항(반도체의 확산으로 만들어진다)에 비하여 평균치에서 벗어나고, 온도계수가 작은 외에, 기판상에서의 트리밍이 가능하므로, 센서의 정밀도가 향상할 수 있는 것이다.
제9도도 본 발명의 한 실시예이고, 이 실시예는, PAFS의 1칩화에 즈음하여, 그 칩내에 집적화하여야 할 회로와, 트랜지스터의 배치에 관해서 연구한 것이므로, 정온도제어회로(1), 지로/스판회로(2), 전원회로(4)등의 아날로그계의 회로와, 디지탈(펄스)계의 회로인 VCO회로(3)와를, 트랜지스터(10)를 중간으로 하여 양측에 배치한 것이다.
이 실시예의 배치에 의하면, 아날로그계의 회로(1,2,4)와 디지탈계의 회로(3)와가, 트랜지스터(10)에 의하여 물리적으로 격리되어 있고, 이 양회로간의 전기적인 결합이나 간섭(특히 정전적인 결합)을 적게 할 수가 있다.
이것은 전기적인 노이즈가 트랜지스터(10)에 의하여 차폐되기 때문이며, 따라서, 이 실시예에 의하면 노이즈에 강하고 신뢰성이 풍부한 PAFS를 용이하게 얻을 수가 있다.
본 발명에 의하면, PAFS의 구성요소인 각 회로를 동일칩 중에 집적화할 수 있으므로, 센서 그 자체를 소형으로 할 수 있는 외에, 외부로의 인출선이 적게 되므로 서지전압이나 전자파(전파) 등의 영향을 받기가 어렵게 되는, 칩내의 온도분포를 이용하여 온도보상을 하고 정밀도를 향상할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 유량검출용의 열선소자와, 온도검출용의 냉선소자를 사용하고, 제어용의 전자회로로서, 적어도 정온도제어회로와, 지로/스판회로 및 전압-주파수 변환회로를 구비하고, 유량검출신호를 펄스밀도신호로서 직접 출력하는 방식의 펄스출력형 열선식 공기유량계에 있어서, 상기 정온도제어회로와, 지로/스판회로 및 전압-주파수 변환회로를 동일한 반도체칩에 집적회로화하여 구성한 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정온도제어회로에 포함된 상기 열선소자가열 전류제어용의 파워트랜지스터를, 상기 반도체칩과는 독립적으로 바깥에 붙혀서 배치한 것을 특징으로 하는 펄스출력 열선식 공기유량계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전자회로에 포함되어 있는 저항소자의 일부가 상기 반도체칩과는 독립적으로 바깥에 붙혀서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 반도체칩과는 독립적으로 바깥에 붙혀서 배치되어 있는 저항 소자는, 하이브릿드 회로기판상에 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전자회로가 서지보호회로를 포함하고, 이 서지보호회로를 포함하여 상기 동일한 반도체칩에 집적회로화하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 서지보호회로가 사이리스터로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전자회로가 펄스신호출력에 대한 파형 연장회로를 포함하고, 이 파형 연장회로를 포함하여 상기 동일한 반도체칩에 집적회로화하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전자회로가 유량에 대한 펄스출력 정밀도를 향상시키는 온도, 보상회로를 포함하고, 이 온도보상회로를 포함하여 상기 동일한 반도체칩에 집적회로화하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 펄스출력형 열선식 공기유량계.
  9. 제1항에 있어서, 상기 반도체칩상에서의 집적회로의 배치가, 상기 정온도제어회로로 대표되는 아날로그회로부와, 상기 전압-주파수변환회로로 대표되는 디지탈회로부에 위치적으로 분리되고, 이것들 아날로그 회로부와 디지탈회로부와의 사이에 상기 정온도제어회로에 포함된 상기 연선소자가열전류제어용의 파워 트랜지스터를 배치시킨 것을 특징으로 하는 펄스출력용 열선식 공기유량계.
KR1019910004311A 1990-03-19 1991-03-19 펄스출력형 열선식 공기유량계 KR100197032B1 (ko)

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