KR101778904B1

KR101778904B1 - 공기량 흐름 계량기

Info

Publication number: KR101778904B1
Application number: KR1020167006611A
Authority: KR
Inventors: 슈테판 쉬러; 토어스텐 크니텔; 스티븐 지티스약
Original assignee: 콘티넨탈 오토모티브 게엠베하
Priority date: 2013-08-12
Filing date: 2014-07-23
Publication date: 2017-09-15
Also published as: CN105431716A; KR20160043058A; DE102013215921A1; WO2015022156A1; JP2016527524A; EP3033600A1; CN105431716B; US9885594B2; JP6362696B2; US20160202099A1

Abstract

본 발명은, 공기량 흐름을 검출하고 신호를 생성하는 센서 소자, 및 상기 센서 소자로부터의 상기 신호를 처리하는 전자 회로를 포함하는 공기량 흐름 계량기에 관한 것으로서, 여기서 상기 센서 소자는 비-선형 신호 특성을 생성한다. 상기 신호 처리 시 가능한 작은 에러를 나타내는 신속한 공기량 흐름 계량기를 제시하기 위하여, 상기 전자 회로(7)는 제일 먼저 상기 센서 소자(1)로부터의 상기 비-선형 신호 특성(9)을, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)으로 변환하는 소자(2)를 구비하고, 상기 전자 회로는 필터 소자(3), 적어도 일부 구간에서 비-선형인 상기 교정 신호 특성(10)을 비-선형 신호 특성(9)으로 변환하는 변환 소자(4), 및 상기 센서 소자(1)에 의해 검출되고 상기 선형화 소자(2), 상기 필터 소자(3), 및 상기 변환 소자(4)에 의해 처리된 상기 신호(S)를 중계하는 중계 소자(5)를 구비한다.

Description

공기량 흐름 계량기{AIR MASS FLOW METER}

본 발명은, 공기량 흐름을 검출하고 신호를 생성하는 센서 소자, 및 상기 센서 소자로부터의 상기 신호를 처리하는 전자 회로를 포함하는 공기량 흐름 계량기에 관한 것으로, 여기서 상기 센서 소자는 비-선형 신호 특성을 생성한다. 또한 본 발명은, 공기량 흐름 계량기의 신호를 처리하는 방법에 관한 것으로, 여기서 상기 공기량 흐름 계량기는, 공기량 흐름을 검출하고 신호를 생성하는 센서 소자, 및 상기 센서 소자로부터 상기 신호를 처리하는 전자 회로를 포함하는 전자 회로를 포함하고, 상기 센서 소자는 비-선형 신호 특성을 생성한다.

공기량 흐름 계량기는 흐름 채널에서 유체의 질량 흐름(공기량 흐름)을 검출하기에 적절하다. 이러한 흐름 채널은, 예를 들어, 내연 엔진의 공기 흡입 파이프일 수 있다. 공기량 흐름 계량기에 의해 검출된 질량 흐름의 함수로서, 예를 들어, 내연 엔진에 동작 진단이 수행될 수 있고 내연 엔진에 제어가 수행될 수 있다. 이를 위해, 상이한 동작 조건 하에서도 신뢰성 있고 가능한 한 정확히 실제 질량 흐름을 검출하는 것이 중요하다.

DE 197 24 659 A1은 센서 소자를 포함하는 질량 흐름 센서 디바이스를 개시한다. 센서 소자는 별개의 칩에 배치되고 통합된다. 나아가, 개별적으로 설계되어 센서 유닛에 전기적으로 결합된 평가 전자회로들이 개시된다.

예를 들어, 마이크로시스템(MEMS) 기술을 사용하여 형성된 현대 공기량 흐름 계량기는 매우 신속하고 공기량 흐름의 거의 모든 변화를 검출한다. 나아가, 이 계량기는 공기 흡입 파이프에서 내연 엔진으로 흐르는 공기와, 내연 엔진으로부터 다시 흐르는 공기를 구별할 수 있다. 나아가, 피스톤 내연 엔진의 순환 동작 모드에서 초래되는 공기 흡입 파이프의 맥동(pulsation)은 신속한 공기량 흐름 계량기에 의해 검출되고 센서 소자에 의해 신호로 변환된다. 그러나, 구체적으로 이 맥동은 평균 공기량 흐름에 대해 측정된 값에 상당한 저하를 초래할 수 있다.

본 발명에 의해 해결되는 문제는 신호 처리 시 가능한 한 작은 에러를 나타내는 신속한 공기량 흐름 계량기를 제공하는 것이다. 또한 본 발명에 의해 해결되는 문제는 가능한 한 작은 처리 에러를 나타내는 공기량 흐름 계량기의 신호 처리 방법을 제공하는 것이다.

이 문제는 독립 청구항의 특징에 의해 해결된다.

제일 먼저 전자 회로는 센서 소자로부터의 비-선형 신호 특성을, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성으로 변환하는 소자를 구비하기 때문에, 필터 소자에서 공기량 흐름에 대한 평균값을 형성할 때 에러가 상당히 감소된다. 센서 소자가 제1 온도 센서와 제2 온도 센서를 포함하고, 이 온도 센서들 사이에 가열 소자가 배치된 경우에, 상기 제1 온도 센서 소자, 상기 제2 온도 센서 소자, 및 상기 가열 소자는 통상적으로 상이한 응답 특성을 구비한다. 예를 들어, 상기 제1 온도 센서 소자는 공기량 흐름에 의해서만 냉각되고 상기 가열 소자에 의해서는 가열되지 않는다. 그러나, 상기 제2 온도 센서 소자는, 초기에 상기 가열 소자에 의해 가열되고 나서 상기 공기량 흐름이 증가함에 따라 점점 더 많이 냉각된다. 상기 가열 소자는 배타적으로 상기 공기량 흐름에 의해만 냉각된다. 나아가, 모든 이들 부품은 제조 공차를 구비한다. 이 측면은 상기 센서 소자로부터의 비-선형 신호 특성을 적어도 일부 구간에서 비-선형(non-linear)인 교정 신호 특성(correcting signal characteristic)으로 변환할 때 고려될 수 있다. 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성은 그리하여 특정 정보 범위에 기초하여 각 공기량 흐름 계량기에 매우 정밀하게 적응될 수 있다. 이 특정 정보는 상기 공기량 흐름 계량기의 전자 메모리에 저장될 수 있다. 상기 특정 정보는 상기 제1 온도 센서, 상기 제2 온도 센서, 및 상기 가열 소자의 응답 특성, 및 이들 부품의 제조 공차를 포함한다. 상기 필터 소자는 신호 공간에서가 아니라 공기량 공간에서 평균값을 형성하기 위해 적분을 수행한다. 선형 신호 특성을, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성으로 변환하는 변환 소자에 의해, 특히 공기량 흐름이 낮은 경우에 신호의 추가 처리 시 발생하는 에러가 효과적으로 회피될 수 있다. 상기 센서 소자에 의해 검출되고 상기 변환을 위한 소자, 상기 필터 소자, 및 상기 변환 소자에 의해 처리된 신호는 그리하여 상기 공기량 흐름 계량기에서 공기량 흐름을 나타내는 특히 정밀한 신호이다. 이 매우 정밀한 신호는 엔진 제어 유닛으로 전송된다. 그리하여 특히 정확한 공기량 흐름 계량기가 개시되고, 이 계량기에 의해 내연 엔진의 실린더에서 연료의 연소를 최적으로 설정할 수 있다. 이것은 화석 연료를 최적으로 이용하여 보존하고 환경을 보호하는데 기여한다. 전술한 것은 공기량 흐름 계량기의 신호를 처리하는 방법에도 적용된다.

일 개선에서, 상기 센서 소자와 상기 전자 회로는 단일 반도체 소자에 형성된다. 이것은 부품이 비용 효과적으로 및 특히 에러-없이 설계될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 이를 위해, 상기 센서 소자와 상기 전자 회로는 마이크로시스템 기술을 사용하여 생성될 수 있다.

상기 센서 소자는 제1 온도 센서 소자와 제2 온도 센서 소자를 포함할 때 유리하다. 상기 제1 온도 센서 소자와 상기 제2 온도 센서 소자에 의해, 상기 공기량 흐름은 단순하고 정확히 소위 차동 온도 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 이를 위해, 상기 센서 소자는 상기 제1 온도 센서 소자와 상기 제2 온도 센서 소자 사이에 배치된 가열 소자를 포함할 때 유리하다.

본 발명은 다음 도면을 참조하여 보다 상세히 설명된다:
도 1은 내연 엔진을 도시하는 도면;
도 2는 센서 소자를 구비하는 본 발명에 따른 공기량 흐름 계량기를 도시하는 도면;
도 3은 본 발명에 따른 공기량 흐름 계량기의 부품을 개략적으로 도시하는 도면;
도 4a는 시간의 함수로서 공기 흡입 파이프에서 맥동하는 공기량 흐름을 도시하는 도면;
도 4b는 센서 소자의 비-선형 신호 특성을 도시하는 도면;
도 4c는 비-선형화된 시간-의존 신호를 도시하는 도면;
도 5a는 시간의 함수로서 공기 흡입 파이프에서 맥동하는 공기량 흐름을 도시하는 도면;
도 5b는 센서 소자의 비-선형 신호 특성을 도시하는 도면;
도 5c는 센서 소자의 선형화된 신호 특성을 도시하는 도면;
도 5d는 선형화된 시간-의존 신호를 도시하는 도면;
도 6a는 에러 있는 신호의 일 예를 도시하는 도면;
도 6b는 실제 공기량 흐름의 함수로서 센서 소자의 변환된 신호를 도시하는 도면; 및
도 7은 공기량 흐름 계량기의 센서 소자를 도시하는 도면.

도 1은 내연 엔진(11)을 도시한다. 이 내연 엔진(11)은 가솔린으로 구동되는 내연 엔진(11) 또는 디젤 연료로 구동되는 내연 엔진(11)일 수 있다. 내연 엔진(11)은 가스로 구동되는 것도 고려될 수 있다. 공기 필터(15)에 연결된 흡입 파이프(14)는 내연 엔진(11)에 있는 것이 명백하다. 외부 공기는 공기 필터(15)를 통해 공기 흡입 파이프(14)로 유입되고 내연 엔진(11)으로 운반된다. 연료를 최적으로 연소시키기 위해, 공기 흡입 파이프(14)에서 운반되는 공기량 흐름(Q)을 정확히 결정하는 것이 필요하다. 공기량 흐름(Q)을 결정하는 것은 공기량 흐름 계량기(6)에 의해 수행되고, 이 계량기는 그 신호(S)를 엔진 제어 유닛(8)에 중계(relay)한다. 엔진 제어 유닛(8)은 공기량 흐름 계량기(6)에 의해 전달되는 신호(S)의 함수로서, 예를 들어, 분사 펌프(13)와 분사 노즐(12)을 제어한다. 이런 방식으로, 정밀하게 계량된 연료 양이, 분사 노즐(12)을 통해, 유입된 공기량(Q)에 따라 내연 엔진(11)의 각 실린더(16)로 공급된다. 실린더(16) 쪽으로 가는 공기량 흐름(Q)을 정확히 아는 것을 통해 분사 펌프(13)와 분사 노즐(12)을 통해 내연 엔진(11)으로 공급되는 연료를 최적으로 연소시킬 수 있다. 이것에 의해 내연 엔진(11)에 대해 최적의 효율을 달성하고, 그리하여, 연료를 경제적으로 소비하고 환경에 더 적은 유해를 미칠 수 있다.

알려진 내연 엔진(11)은 실린더(16)에 신선한 공기를 교대로 충전한 후, 분사된 연료를 연소시킨 후, 실린더(16)로부터 배기 가스를 제거하는 순환 내연 엔진이기 때문에, 내연 엔진 쪽으로 가는 공기량 흐름(Q)이 연속적으로 일어나는 것이 아니라, 상기 공기량 흐름은 소위 맥동과 연결된다. 이 맥동은 특정 이산 양의 신선한 공기만을 연소 공정마다 각 실린더(16)에 공급하기 때문에 발생한다. 신선한 공기를 실린더(16)에 공급한 후, 실린더(16)의 공기 흡입 밸브는 폐쇄되고 공기량 흐름(Q)은 급격히 차단된다. 이 맥동은 신속한 현대 공기량 흐름 계량기(6)의 신호(S)에서 명백히 나타난다. 그러나 엔진 제어 유닛(8)은 공기량 흐름 계량기(6)의 급격히 맥동하는 신호(S)를 처리할 수 없다. 그러나, 마이크로기계 설계를 구비하는 현대 공기량 흐름 계량기(6)는 이 맥동을 거의 완전히 픽업하고, 이 맥동은 출력 신호(S)로 변환한다. 평균 공기량 흐름(Q)만이 엔진 제어 유닛(8)에 관심이 있으므로, 예를 들어, 분사 펌프(13)와 분사 노즐(12)을 적절히 제어하기 위하여, 이 값이 엔진 제어 유닛(8)이 처리할 수 있다. 나아가, 현대 엔진 제어 디바이스는 개별 디지털 펄스들로 구성된 신호로 제어되고, 개별 디지털 펄스들 사이의 시간 간격은 공기량 흐름(Q)의 척도로 평가된다. 이 시간-차 측정에서, 시작 신호의 에지와 중지(stop) 신호의 에지 사이의 시간이 특정 해상도로 결정된다. 상승 에지가 사용되는지 또는 하강 에지가 사용되는지 여부는 엔진 제어 유닛에 사용되는 전자회로에 따라 좌우된다.

공기량 흐름(Q)이 맥동하는 것과, 시간 신호(ΔS)를 엔진 제어 유닛(8)으로 전송할 때 전자 잡음 신호와, 현대 마이크로기계 공기량 흐름 계량기(6)에 고유한 특성에 에러 소스가 포함된다. 센서 소자가 제1 온도 센서와 제2 온도 센서를 포함하고, 이 온도 센서들 사이에 가열 소자가 배치된 경우, 제1 온도 센서 소자, 제2 온도 센서 소자, 및 가열 소자는 통상적으로 상이한 응답 특성을 구비한다. 예를 들어, 제1 온도 센서 소자는 공기량 흐름에 의해서만 냉각되고 가열 소자에 의해서는 가열되지 않는다. 그러나, 제2 온도 센서 소자는, 초기에 가열 소자에 의해서 가열되고 나서 공기량 흐름이 증가함에 따라 점점 더 많이 냉각된다. 가열 소자는 배타적으로 공기량 흐름에 의해서만 냉각된다. 나아가, 모든 이들 부품은 제조 공차를 구비한다. 이 에러 소스는, 예를 들어, 시간 신호(ΔS)를 엔진 제어 유닛(8)으로 전송하는 동안 시간-차 측정의 해상도를 저하시킨다.

이 문제를 해결하기 위하여, 도 2는 공기량 흐름(Q)을 검출하고 신호(S)를 생성하는 센서 소자(1)를 구비하는 공기량 흐름 계량기(6)를 도시한다. 센서 소자는 예를 들어 마이크로시스템(MEMS) 기술을 사용하여 형성된 신속한 센서 소자이다. 공기량 흐름 계량기(6)는 센서 소자(1)로부터의 신호를 처리하는 전자 회로(7)를 포함한다. 센서 소자(1)는 비-선형 신호 특성을 나타낸다. 신호 특성(9)은 대응하는 공기량 흐름(Q)에 대하여 센서 소자(1)에 의해 생성될 수 있는 모든 신호(S)에 대응한다. 공기량 흐름(Q)과 센서 소자(1)의 신호(S) 사이의 비-선형 관계는 도 3에서 센서 소자(1)의 Q-S 다이어그램으로 아래에 더 제시되고 설명된다.

도 2에 도시된 전자 회로(7)는 제일 먼저 센서 소자(1)로부터의 비-선형 신호 특성(9)을, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)으로 변환하는 소자(2)를 구비한다. 적어도 일부 구간이 비-선형인 이렇게 생성된 교정 신호(S)는 이후 필터 소자(3)로 중계된다. 이 필터 소자(3)는 비-선형 신호 특성(9)을 변환하는 소자(2)로부터 수신된 신호(S)를 적분한다. 이 적분은 시간(t)에 대해 수행된다. 그리하여, 함수 S(t)의 적분은 필터 소자(3)에서 dt (

)에 대해 형성된다. 이 경우에, 신호(S)와 공기량 흐름(Q)은 시간(t)에 따른 함수이다. 적분

은 평균 공기량 흐름(Q)에 대응하고, 이 맥동은 필터 소자(3)에 의해 필터링되었다. 이런 방식으로 필터 소자(3)에 의해 생성된 신호(S)는 이후 변환 소자(4)에 공급되고, 이 변환 소자(4)는, 적어도 일부 구간에서 비-선형이었으나 이제 적분된 교정 신호 특성(10)을, 비-선형 신호 특성(9)으로 변환한다. 이제 완전히 비-선형인 신호는, 이후 중계 소자(5)에 공급되고 이 중계 소자는 센서 소자(1)에 의해 검출되고 변환을 위한 소자(2), 필터 소자(3), 및 변환 소자(4)에 의해 처리된 신호(S)를 중계시킨다. 디지털 시간 신호(ΔS)는 중계 소자(5)에 의해 엔진 제어 유닛(8)으로 전송된다. 이 디지털 시간 신호(ΔS)의 2개의 개별 펄스들 사이의 시간 간격은, 센서 소자(1)를 구비하는 공기량 흐름 계량기(6)에 의해 측정되고 전자 회로(7)에 의해 더 처리된, 특히 평균된, 공기량 흐름(Q)에 대한 신호 값(S)에 대응한다.

도 2에 도시된 공기량 흐름 계량기(6)는 신호를 처리하는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 동작될 수 있다. 이 경우에, 공기량 흐름 계량기(6)는, 공기량 흐름(Q)을 검출하고 신호(S)를 생성하는 센서 소자(1)를 포함한다. 나아가, 공기량 흐름 계량기(6)는 센서 소자(1)로부터 신호(S)를 처리하는 전자 회로(7)를 포함하고, 센서 소자(1)는 비-선형 신호 특성(9)을 생성한다. 본 발명에 따른 방법에서, 제일 먼저 비-선형 신호 특성(9)은 센서 소자(1)에 의해 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)으로 변환된다. 다음으로, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)이, 예를 들어, 함수

의 적분으로 필터링되고, 여기서 평균 공기량 흐름(Q)이 결정된다. 다음으로, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 필터링된 교정 신호 특성(10)은 비-선형 신호 특성(9)으로 변환되고, 이후 센서 소자(1)에 의해 검출되고 변환을 위한 소자(2), 필터 소자(3), 및 변환 소자(4)에 의해 처리된 신호는 중계된다.

도 3은 함수를 포함하는 본 발명에 따른 공기량 흐름 계량기(6)의 부품을 개략적으로 도시한다. 제일 먼저, 센서 소자(1)는 MEMS 기술(마이크로시스템 기술)을 사용하여 통상적으로 설계되고 공기량 흐름(Q)을 검출하는 것이 명백하다. 센서 소자(1)와 전자 회로(7)는 단일 반도체 소자에 형성된다. 신속한 센서 소자(1)는 연관된 공기량 흐름(Q) - 신호(S) 다이어그램으로 도시된 비-선형 신호 특성(9)을 생성한다. 이 비-선형 신호 특성(9)은 변환을 위한 소자(2)에 의해 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성으로 전자적으로 변환되고, 센서 소자(1)에 의해 생성된 신호 공간은 여기(excited)되고 실제 공기량 흐름 공간으로 다시 전이된다. 변환을 위한 소자(2) 옆에 도시된 공기량 흐름(Q)과 신호(S)의 다이어그램은 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 특성을 도시한다. 필터 소자(3)는 적어도 일부 구간에서 비-선형인 이 교정 특성을 전자적으로 적분하고, 적분

을 형성할 수 있고, 이에 의해 평균 공기량 흐름(Q)을 결정하고 공기 흡입 파이프(14)에 존재하는 맥동을 필터링할 수 있다. 이것은 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성으로 인해 에러 없이 거의 완전히 수행된다. 필터 소자(3) 후에, 비-선형 신호 특성(9)을 생성하는 소자(4)가 있는 것이 명백하다. 비-선형 신호 특성(9)은 비-선형 신호 특성(9)을 생성하는 소자(4)에 의해 전자적으로 생성된다. 이 비-선형 신호 특성(9)으로부터 진행하여, 중계 소자(5)는 엔진 제어 유닛(8)으로 공급되는 전자 시간 신호(ΔS)를 생성한다. 중계 소자(5)에 의해 생성된 시간 신호(ΔS)는 전자 중계 소자(5) 옆에 있는 것이 명백하다. 상부쪽 함수는 엄격한 시간 신호(ΔS)를 엔진 제어 유닛(8)으로 전송할 수 있는 이상적인 신호 특성을 도시한다. 실제로는, 불행하게도, 시간 신호는 하부쪽 시간 신호(ΔS)에 도시된 바와 같이 항상 전자적으로 잡음의 영향을 받는다. 이 전자 잡음으로 인해, +- ΔT의 에러가 시간 신호(ΔS)에 추가되고 이 에러 있는 시간 신호가 엔진 제어 유닛(8)으로 중계된다. 이 에러(ΔT)를 가능한 한 낮게 유지하기 위하여, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 적분된 교정 신호 특성(10)은 비-선형 신호 특성(9)을 생성하는 소자(4)에 의해 비-선형 신호 특성(9)으로 변환되었다. 개별 신호(S)와 시간 신호(ΔS)에 에러가 전파되는 문제는 아래에서 보다 상세히 설명된다.

MEMS 기술을 사용하여 제조된 신속한 센서 소자(1)에 의해 공기 흡입 파이프(14)에서 맥동하는 공기량 흐름(Q)을 측정할 때 발생하는 문제는 도 4와 도 5에서 시퀀스로 보다 상세히 설명된다.

도 4a는 시간(t)의 함수로서 공기 흡입 파이프(14)에서 맥동하는 공기량 흐름(Q)을 도시한다. 이상적인 사인파 맥동이 여기에 예로서 도시된다. 그리하여 이 경우에, 실제 공기량 흐름(Q)은, 내연 엔진(11)의 모든 공기 흡입 밸브가 폐쇄될 때와 공기 흡입 파이프(14) 내 공기량 흐름(Q)이 정지할 때 발생하는 최대 값(Qmax)과 최소 값(0) 사이에서 공기 흡입 파이프(14)에서 이동한다. 그러나 평균 공기량 흐름(Q)만이 엔진 제어 유닛(8)에 관심이 있다. 공기량 흐름(Q)의 평균을 형성하기 위하여, 함수 Q(t)의 적분은 사라져야 하는데, 즉 0이 되어야 한다. 이것은 반대 부호를 가지는 t1과 t2 사이에 음영 영역이 그 사이즈가 동일한 것으로 도 4a에 도시되어 있다. 그러나 이 적분은 공기량 흐름 Q(t)에 대해 직접 수행될 수 없고, 센서 소자(1)에 의해 생성된 신호 S(t)에 대해서만 수행될 수 있다. MEMS 기술을 사용하여 제조된 신속한 센서 소자(1)의 일반적인 신호 특성은 도 4b에 도시되어 있다. 비-선형 신호 특성(9)은 공기량 흐름(Q) - 신호(S) 다이어그램인 것이 명백히 명백하다. 도 4b에 도시된 신호 특성(9)에 따라 비-선형 센서 소자(1)에 의해 도 4a에 도시된 공기량 흐름 Q(t)를 변환한 후, 도 4c에 도시된 시간-의존 신호 S(t)가 획득된다. 비-선형 신호 특성(9)으로 인해, 함수 S(t)는 이제 이상적인 사인파 형상으로부터 명백히 벗어난다. 이것은 도 4c에 도시되어 있다. 또한 이 경우에, 반대 부호를 가지는 주기 신호의 2개의 반파(half-wave) 아래의 영역은 주기 신호의 평균값을 형성하기 위하여 그 사이즈가 같아야 하는 것이 도시되어 있다. 그리하여 t₁으로부터 t₂까지

에 의한 적분은 0이다. 이것은 도 4c에서 실선 수평선으로 도시되어 있다. 나아가, 평균값 선은 비-선형 신호 특성(9)을 통한 실제 평균값에 비해 값(δs)만큼 상승되어 있는 것이 명백하다. δs는 MEMS 기술을 사용하여 제조된 신속한 센서 소자(1)의 비-선형성으로부터 초래되는 에러를 나타낸다. 이 에러는 회피되어야 한다. 이를 위해, 공기 흡입 파이프(14)에서 시간-의존 공기량 흐름(Q)의 이상적인 사인파 함수 Q(t)가 도 5a에 도시되어 있다. 공기량 공간에서 평균값을 형성하기 위하여, t₁으로부터 t₂까지

에 의한 적분은 0이어야 한다. 도 5b에 도시된 비-선형 신호 특성(9)은 도 4b에 알려진 바와 같이 센서 소자(1)의 도움으로 실제 공기량 흐름(Q)을 신호(S)로 변환하는데 사용된다. 종래 기술에 따라, 이 비-선형 신호 특성(9)은 이후 변환을 위한 소자(2)에 의해 선형 신호 특성(10a)으로 변환된다. 비-선형 신호 특성(9)으로부터 선형 신호 특성(10a)으로 전이하는 것은, 특성 맵의 도움으로, 공기량 흐름 계량기의 사용자의 요구조건에 따라, 센서 소자(1)의 측정 범위에 위치된 모든 공기량 흐름(Q)에 대해 및 측정 범위에 위치된 모든 파이프 단면에 대해 조절될 수 있다. 이 특성 맵은, 예를 들어, 변환을 위한 소자(2)에서 전자 메모리에 저장될 수 있다. 비-선형 신호(S)를 선형화한 후 신호 함수 S(t)를 전자적으로 적분

하는 것이 필터 소자(3)의 도움으로 수행되면, 실제 공기량 공간에 존재하는 공기량 흐름(Q)에 대한 평균값으로부터 평균값의 편차가 어느 정도이든지 간에 완전히 없어진다. 센서 소자(1)의 비-선형 센서 특성(9)으로부터 초래되는 적분 에러는 변환을 위한 소자(2)로 신호를 선형화하는 것에 의해 제거되었다. 그러나, 평균 공기량 흐름(Q)에 대해 이렇게 결정된 측정된 값은 시간 신호의 형태로 엔진 제어 유닛(8)으로 중계되어야 한다. 적분이 필터 소자(3)에 의해 수행된 후에는 비-선형 신호 특성(10)을 생성하는 소자(4)에 의해 도 5c에 따라 선형 신호 특성으로 변환하는 것이 필요한데, 그 이유는 공기량 흐름(Q)에 대한 신호 값이 낮은 경우에 시간 신호에서의 전자 잡음이 특히 명백히 지각될 수 있기 때문이다. 이제 다시 비-선형인 이 신호 특성은, 시간 신호(ΔS)에 큰 에러(ΔT)를 생성함이 없이, 공기 흡입 파이프(14)에서 공기량 흐름(Q)에 비례하는 시간-의존 신호를 엔진 제어 유닛(8)으로 중계하기에 특히 매우 적합하다.

그러나, 종래 기술에 따른 신호 처리 방법은 센서 소자(1)의 부품들의 상이한 응답 특성을 고려하지 않는다. 센서 소자(1)가, 예를 들어, 제1 온도 센서와 제2 온도 센서를 포함하고, 이 온도 센서들 사이에 가열 소자가 배치된 경우에, 제1 온도 센서 소자, 제2 온도 센서 소자, 및 가열 소자는 통상적으로 상이한 응답 특성을 구비한다. 제1 온도 센서 소자는, 예를 들어, 공기량 흐름에 의해서만 냉각되고 가열 소자에 의해서는 가열되지 않는다. 그러나, 제2 온도 센서 소자는 초기에는 가열 소자에 의해 가열되고 나서 공기량 흐름이 증가함에 따라 점점 더 많이 냉각된다. 가열 소자는 배타적으로 공기량 흐름에 의해서만 냉각된다. 나아가, 모든 이들 부품은 제조 공차를 가지고 있다. 이 에러 소스는 시간 신호(ΔS)를 엔진 제어 유닛(8)으로 전송하는 동안 시간-차 측정의 해상도를 저하시킨다.

그리하여, 본 발명에 본질적인 개념은 비-선형 센서 특성(9)을 단순히 선형화하는 것이 아니라, 센서 소자(1)의 특별한 특성에 관한 정보를 제공하여, 적어도 일부 구간에서 비-선형이고 온도 센서 소자와 가열 소자의 부품 공차 및 상이한 응답 시간을 고려하여 교정 신호 특성(10)을 생성하는 것이다.

도 6a는 온도 센서 소자(18, 19)와 가열 소자(20)의 부품 공차 및 상이한 응답 시간으로 인해 초래될 수 있는 에러 있는 신호의 일 예를 도시한다. 여기에 도시된 다이어그램에서, Q는 공기량 흐름을 나타낸다. 부품 공차 및 상이한 응답 시간으로 인해 초래되는 에러는 퍼센트로 출력된다. 공기량 흐름(Q)이 낮은 경우, 제1 온도 센서 소자(18)는 배타적으로 냉각되는 반면, 제2 온도 센서 소자(19)는 낮은 공기량 흐름(Q)에 의해 약간만 냉각되어서 가열 소자(20)에 의해 과비례하는 정도(over-proportional extent)로 가열되기 때문에 제일 먼저 양의 에러(positive error)가 발생된다. 공기량 흐름(Q)이 증가함에 따라, 이 에러는 스스로 계속 교정되고, 여기서, 예를 들어, 전술한 에러는 100개의 상대적 단위(relative unit)의 공기량 흐름(Q)이 주어진 경우 완전히 보상된다. 더 많은 공기량 흐름(Q)이 이제 제2 온도 센서 소자(19)에 나타나기 시작하고, 상기 온도 센서 소자를 과비례하는 정도까지 냉각시켜서, 공기량 흐름(Q)의 최대 대략 400개의 상대적 단위를 형성하는 음의 에러(negative error)가 설정된다. 부품 공차 및 상이한 응답 시간으로 인해 공기량 흐름 계량기에서 유도된 에러는 이후 중첩되어, 공기량 흐름에 대한 최적의 에러-없는 범위를 근사시킨다.

도 6b는 실제 공기량 흐름(Q)의 함수로 센서 소자(1)의 변환된 신호를 도시한다. 대시 라인(10a)은 단순한 선형화 후의 비-선형 센서 특성(9)을 도시한다. 이와 대조적으로, 참조 부호 10을 갖는 곡선은 적어도 일부 구간에서 비-선형이고 부품 공차 및 상이한 응답 시간을 고려하여 비-선형 센서 특성(9)으로부터 생성된 교정 신호 특성(10)을 도시한다. 제1 범위에서, 도 6a의 양의 에러는 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)에 대응하여 병합되었고, 여기서 센서 소자(1)의 에러-없는 범위는 질량 흐름의 대략 100개의 상대적 단위의 범위에 이르고, 이 범위에서 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)은 주로 선형 신호 특성에 대응하고, 이후 음의 에러의 구간이 따라와서, 선형 신호 특성(10a)으로부터 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)에 강한 편차를 초래한다.

도 7은 공기량 흐름 계량기(6)의 센서 소자(1)를 도시한다. 센서 소자(1)는 제1 온도 센서 소자(18)와 제2 온도 센서 소자(19)가 상부에 배치된 기판(17)을 포함한다. 히터(20)는, 제1 온도 센서 소자(18)와 제2 온도 센서 소자(19) 사이 기판(17) 상에 배치된다. 공기량 흐름(Q)의 방향은 화살표로 지시된다.

Claims

공기량 흐름(Q)을 검출하고 신호(S)를 생성하는 센서 소자(1), 및 상기 센서 소자(1)로부터 상기 신호(S)를 처리하는 전자 회로(7)를 포함하는 공기량 흐름 계량기(6)로서, 상기 센서 소자(1)는 비-선형 신호 특성(9)을 생성하고, 상기 전자 회로(7)는,
제일 먼저 상기 센서 소자(1)로부터의 상기 비-선형 신호 특성(9)을, 적어도 일부 구간에서 비-선형인 교정 신호 특성(10)으로 변환하는 선형화 소자(2)를 구비하고,
이어서 필터 소자(3)를 구비하며,
이어서 적어도 일부 구간에서 비-선형인 상기 교정 신호 특성(10)을 비-선형 신호 특성(9)으로 변환하는 변환 소자(4)를 구비하고,
상기 센서 소자(1)에 의해 검출되고 상기 선형화 소자(2), 상기 필터 소자(3), 및 상기 변환 소자(4)에 의해 처리된 상기 신호(S)를 중계(relaying)하는 중계 소자(5)를 구비하고,
상기 센서 소자(1)는 제1 온도 센서 소자(18), 제2 온도 센서 소자(19), 및 상기 제1 온도 센서 소자(18)와 상기 제2 온도 센서 소자(19) 사이에 배치된 가열 소자(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기량 흐름 계량기(6).
제1항에 있어서, 상기 센서 소자(1)와 상기 전자 회로(7)는 단일 반도체 소자 상에 형성된 것을 특징으로 하는 공기량 흐름 계량기(6).
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 센서 소자(1)와 상기 전자 회로(7)는 마이크로시스템 기술을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 공기량 흐름 계량기(6).
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공기량 흐름 계량기(6)의 신호(S)를 처리하는 방법으로서, 상기 공기량 흐름 계량기(6)는, 공기량 흐름(Q)을 검출하고 신호(S)를 생성하는 센서 소자(1), 및 상기 센서 소자(1)로부터의 상기 신호(S)를 처리하는 전자 회로(7)를 포함하고, 상기 센서 소자(1)는 비-선형 신호 특성(9)을 생성하며,
제일 먼저 상기 센서 소자(1)에 의한 상기 비-선형 신호 특성(9)을 교정 비-선형 신호 특성(10)으로 변환하는 것이 수행되고;
이어서 상기 교정 비-선형 신호 특성(10)을 필터링하는 것이 수행되고;
이어서 필터링된 상기 교정 비-선형 신호 특성(10)을 비-선형 신호 특성(9)으로 변환하는 것이 수행되고; 그리고
이어서 상기 센서 소자(1)에 의해 검출되고 선형화 소자(2), 필터 소자(3), 및 변환 소자(4)에 의해 처리된 상기 신호(S)를 중계하는 것이 수행되고,
상기 센서 소자(1)는 제1 온도 센서 소자(18), 제2 온도 센서 소자(19), 및 상기 제1 온도 센서 소자(18)와 상기 제2 온도 센서 소자(19) 사이에 배치된 가열 소자(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공기량 흐름 계량기의 신호를 처리하는 방법.