JP4089657B2

JP4089657B2 - 空気流量センサ

Info

Publication number: JP4089657B2
Application number: JP2004189542A
Authority: JP
Inventors: 輝明海部; 泰河野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006010553A

Description

本発明は、空気流量センサに関し、特に、エンジンの吸入空気流量を検出するのに好適な空気流量センサに関する。

〔従来の技術〕
従来より、エンジンの吸入空気流量等の空気流量を検出するために、熱式の空気流量センサが用いられている。熱式の空気流量センサ（以下、センサと呼ぶ）は、配線の一方に空気流量検出素子（以下、検出素子と呼ぶ）が組み込まれたホイーストンブリッジ回路を備える。この検出素子は、通常、正の抵抗温度係数を有し、通電により発熱する抵抗体である。

そして、センサは、検出素子への通電量を調節することにより、通電による発熱や空気流による除熱などを均衡させ検出素子の温度を所定値に合わせるとともに、検出素子の低電位側端子における電圧を空気流量に対応する電気信号として出力する。そして、ＥＣＵ等がこの電気信号の出力値を用いて空気流量を算出することにより、空気流量の計測が行われている。

〔従来技術の不具合〕
しかし、このセンサによれば、空気流量が低下すると検出素子の発熱量とともに検出素子への通電量が減少するため、電気信号としての電圧も低下してしまう。このため、低空気流量では電気信号に対するノイズ等の影響が大きくなり、真値に対する計測誤差の影響が大きくなってしまう。

なお、従来の検出素子を改善する技術としては、２つの抵抗体を電気的に並列接続しこれらの抵抗体を空気の流れに沿って上流側から下流側へ配置することにより応答性を向上させたもの（例えば、特許文献１参照）、ドープ処理されたケイ素半導体薄膜で抵抗体を構成することにより抵抗温度係数を向上させたもの（例えば、特許文献２参照）、抵抗率の高い材料を用い抵抗値が約１ｋΩとなるように抵抗体を形成することにより、抵抗体の熱容量を向上させ、より高い範囲の空気流量に対応できるようにしたもの（特許文献３参照）などがある。
しかし、低空気流量での計測誤差の影響については、充分な改善がなされていない。
特開平９−１２６８５０号公報特開２００１−１９４２０２号公報特許第２８８０６５１号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、低空気流量での計測誤差の影響を低減することができる空気流量検出素子および空気流量センサを提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の空気流量センサは、正の抵抗温度係数を有し、通電により発熱する第１抵抗体と、負の抵抗温度係数を有し、感温する第２抵抗体とを、電気的に並列に接続することにより空気流量検出素子が形成されている。そして、第２抵抗体は、空気の流れに対し第１抵抗体の下流側に配置され、第１抵抗体の除熱を行い昇温した空気流により加熱されて昇温する。
これにより、第１、第２抵抗体の抵抗値が両方とも低下するので、検出素子全体の通電量が増加し検出素子の低電位側端子における電圧が上昇する。この結果、電気信号に対するノイズ等の影響を小さくすることができるので、計測誤差を低減することができる。

最良の形態１の空気流量センサは、正の抵抗温度係数を有し、通電により発熱する第１抵抗体と、負の抵抗温度係数を有し、感温する第２抵抗体とを、電気的に並列に接続することにより空気流量検出素子が形成されている。そして、第２抵抗体は、空気の流れに対し第１抵抗体の下流側に配置され、第１抵抗体の除熱を行い昇温した空気流により加熱されて昇温する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の空気流量センサ（以下、センサと呼ぶ）１の構成を図１および図２に基づいて説明する。センサ１は、例えば、エンジン（図示せず）の吸入空気量を計測するために用いられる。

センサ１の空気流量検出素子（以下、検出素子と呼ぶ）２は、図１に示すように、正の抵抗温度係数を有し、通電により発熱する第１抵抗体３と、負の抵抗温度係数を有する第２抵抗体４とを、電気的に並列に接続することにより形成されている。そして、センサ１は、第２抵抗体４が空気の流れに対し第１抵抗体３の下流側に配置されるように、所定の位置に取り付けられる。

第１抵抗体３は、正の抵抗温度係数を有する材料からなり、例えば、白金、金、銅、アルミニウム、クロム、ニッケル、タングステン、パーマロイ等の金属からなる。
第２抵抗体４は、負の抵抗温度係数を有する材料からなり、例えば、シリコン、ガリウムヒ素等の半導体材料や、マンガン、コバルト、ニッケル等の金属酸化物からなる。

センサ１は、図２に示すように、検出素子２、検出素子２とともに空気の流路に配置され抵抗値が変化する温度補償抵抗体５、および抵抗値が不変である固定抵抗体６、７、８が組み込まれたホイーストンブリッジ回路（以下、ブリッジ回路と呼ぶ）９を有する。

ブリッジ回路９では、配線１２に検出素子２が組み込まれ、配線１３に温度補償抵抗体５および固定抵抗体６が直列に組み込まれている。また、配線１２と直列の配線１４に固定抵抗体７が組み込まれ、配線１３と直列の配線１５に固定抵抗体８が組み込まれている。

配線１２と配線１４との接点ａは、オペアンプ１８の非反転入力端子に接続され、配線１３と配線１５との接点ｂは、オペアンプ１８の反転入力端子に接続されている。また、接点ａと非反転入力端子とを接続する配線１９から、接点ａの電圧Ｖａを電気信号として出力するための配線２０が分岐し、空気流量の算出を行うＥＣＵ（図示せず）の接続端子ｃに連結している。なお、配線２０には周知の増幅器２２が組み込まれ電気信号が増幅される。

オペアンプ１８の出力端子はトランジスタ２４のベース端子に接続されている。さらに、トランジスタ２４のコレクタ端子は、ブリッジ回路９へ電力を供給する電源（図示せず）の接続端子ｄに接続され、エミッタ端子は配線１２と配線１３との接点ｅに接続されている。なお、配線１４と配線１５との接点ｆは接地されている。

〔実施例１の特徴〕
実施例１のセンサ１の特徴を説明する。なお、センサ１は、オペアンプ１８およびトランジスタ２４の作動により、第１抵抗体３の発熱量を空気流による除熱量等と均衡させ第１抵抗体３を所定温度に維持するように作用する熱式定温度型である。また、センサ１は、空気流量に相当する電気信号として、電圧Ｖａを検出し増幅した後、ＥＣＵへ出力する。そして、ＥＣＵは、この電気信号の出力値を用いて空気流量を算出する。

第１抵抗体３は、通電により発熱するとともに空気流により除熱される。そして、空気流量が増加し空気流による第１抵抗体３からの除熱量が増加すると、センサ１は、第１抵抗体３の温度を所定値に維持するため第１抵抗体３の発熱量（すなわち、通電量）を大きくする方向に作用する。このため、図３の相関線Ａに示すように、第１抵抗体３の通電量は空気流量の増大とともに増加する。

一方、第２抵抗体４は、第１抵抗体３からの除熱により昇温した空気流によって加熱される。そして、空気流量が増大し第１抵抗体３からの除熱量が増加すると、昇温した空気流による第２抵抗体４の加熱量も増加する。ここで、第２抵抗体４は負の抵抗温度係数を有するので、加熱量が増加することにより昇温すると、抵抗値が低下し通電量が増加する。このため、図３の相関線Ｂに示すように、第２抵抗体４の通電量も空気流量の増大とともに増加する。

以上により、図３の相関線Ｃに示すように、第１抵抗体３の通電量と第２抵抗体４の通電量とを合計した検出素子２の通電量は、空気流量の増大とともに増加する。この結果、電圧Ｖａは空気流量の増大とともに大きくなるので、ＥＣＵへの出力値も、図４の相関線Ｄに示すように、空気流量の増大とともに大きくなる。さらに、相関線Ｄの勾配、すなわち空気流量に対する出力値の増加率（以下、感度と呼ぶ）は、第１抵抗体３のみで検出素子２を構成したときの相関線Ｅより大きくなる。

〔実施例１の作用〕
実施例１のセンサ１の作用を説明する。
例えば、電圧Ｖａが接点ｂの電圧Ｖｂよりも大きくなると、オペアンプ１８において非反転入力端子の入力電圧の方が反転入力端子の入力電圧よりも大きくなるので出力電圧は高電圧ＶＨになる。これにより、ベース端子にかかる電圧が大きくなるので、電源からブリッジ回路９に供給される電力が増加する。このため、検出素子２における通電量が増加し、第１抵抗体３は発熱量が増加して昇温するので、第１抵抗体３の抵抗値が上昇する。これにより、電圧Ｖａが下がり、やがて電圧Ｖａが電圧Ｖｂよりも小さくなる。

電圧Ｖａが電圧Ｖｂよりも小さくなると、オペアンプ１８において非反転入力端子の入力電圧の方が反転入力端子の入力電圧よりも小さくなるので出力電圧は低電圧ＶＬになる。これにより、ベース端子にかかる電圧が小さくなるので、電源からブリッジ回路９に供給される電力が減少する。このため、検出素子２における通電量が減少し、第１抵抗体３は発熱量が減少して降温するので、第１抵抗体３の抵抗値が低下する。これにより、電圧Ｖａが上がり、やがて電圧Ｖａが電圧Ｖｂよりも大きくなる。

このように、電圧Ｖａが電圧Ｖｂよりも大きくなるので、再度、オペアンプ１８からの出力電圧が高電圧ＶＨになり、同様の作用が繰り返される。これにより、センサ１は、空気流量の変動に対して応答し、電圧Ｖａを空気流量に応じた値に変化させることができる。

〔実施例１の効果〕
実施例１のセンサ１では、検出素子２が、正の抵抗温度係数を有し、通電により発熱する第１抵抗体３と、負の抵抗温度係数を有する第２抵抗体４とを、電気的に並列に接続することにより形成されている。そして、センサ１は、第２抵抗体４が空気の流れに対し第１抵抗体３の下流側に配置されるように、所定の位置に取り付けられる。
これにより、第１抵抗体３の除熱を行い昇温した空気流により、第２抵抗体４が加熱され昇温するため、第１、第２抵抗体３、４の抵抗値が両方とも低下する。また、第２抵抗体４の抵抗値の低下は、低空気流量で顕著である。このため、特に、低空気流量で検出素子２全体の通電量が増加し電圧Ｖａが大きくなる。この結果、図４に示すように、第１抵抗体３のみで検出素子２を構成するとき（相関線Ｅ）よりも、第１、第２抵抗体３、４で検出素子２を構成するとき（相関線Ｄ）の方が、低空気流量での感度が向上する。

この結果、空気流量の真値に対する計測誤差の影響を、低空気流量で顕著に低減することができる。すなわち、電気信号の出力は、感度や出力値の大小に関わらず、一様にノイズ等の影響を受ける。このため、出力値は、例えば一様に偏差εだけ増加し、計測誤差が発生する。しかし、感度が向上すると、例えば、同じ真値Ｘ１に対する計測誤差は、値ΔＸＥから値ΔＸＤへ減少する。このように、感度を向上させれば、真値に対するノイズ等による計測誤差の影響を低減することができる。

空気流量検出素子の構成図である（実施例１）。空気流量センサの回路図である（実施例１）。空気流量検出素子の通電量と空気流量との相関図である（実施例１）。空気流量センサからの出力値と空気流量との相関図である（実施例１）。

符号の説明

１空気流量センサ
２空気流量検出素子
３第１抵抗体
４第２抵抗体

Claims

空気流量を検出する空気流量センサにおいて、
正の抵抗温度係数を有し、通電により発熱する第１抵抗体と、
負の抵抗温度係数を有し、感温する第２抵抗体とを、
電気的に並列に接続することにより空気流量検出素子が形成され、
前記第２抵抗体は、空気の流れに対し前記第１抵抗体の下流側に配置され、前記第１抵抗体の除熱を行い昇温した空気流により加熱されて昇温することを特徴とする空気流量センサ。