JP4839395B2 - 熱式流量計 - Google Patents
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Description
本発明は、被計測流体中に発熱抵抗体を設置して流量を測定する熱式流量計に係り、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量や排ガス流量の測定を行うのに適した熱式流量計に関わる。
自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する流量センサとして、質量流量を直接測定できる熱式の空気流量計が主流になっている。
近年では、マイクロマシン技術を用いてシリコン（Ｓｉ）などの半導体基板上に熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプの熱式流量センサは、半導体基板の一部を矩形状に除去した空洞部を形成し、この空洞部に形成した数ミクロンの電気絶縁膜上に発熱抵抗体を形成している。発熱抵抗体の大きさは数百ミクロンと微細であり、薄膜状に形成されることから熱容量が小さく、高速応答・低消費電力化が可能である。また、発熱抵抗体の近傍の上流側及び下流側にそれぞれ温度センサ（測温抵抗体）を形成し、発熱抵抗体の上流側と下流側との温度差から流量を検出する温度差方式により、順流・逆流の判別も可能である。
自動車などの内燃機関に上記のような空気流量計を搭載して過酷な環境条件において使用する場合、季節，使用される地域，エンジンの発熱などにより過酷な温度条件に晒されるため、−４０℃〜＋１２５℃の温度変化においても高精度に流量を検出する流量センサが要求される。このような温度条件に対応した従来技術としては、特許文献１に記載されたものがある。
特許文献１に記載の技術は、温度による抵抗値の変動が小さい固定抵抗の抵抗値により発熱抵抗体の加熱温度が決定される回路構成としている。これにより、外部温度が変化しても固定抵抗の抵抗値は変動しないため、発熱抵抗体の温度と外部温度との温度差を一定に保つことができ、検出感度の変動を低減している。さらに、製造工程による測温抵抗体や固定抵抗の抵抗値のばらつきに対応するため、可変抵抗により抵抗バランスを調整している。
抵抗バランスを調整するための可変抵抗の調整には、レーザトリミングや機械式トリミングなど、機械的にトリミングするのが一般的である。このような、抵抗値を機械的に調整する可変抵抗は、固定抵抗に比べ抵抗温度係数が大きく、また抵抗温度係数のばらつきも大きい。従って、従来技術では抵抗値のバランスは調整できるが、抵抗温度係数のばらつきは残るため、発熱抵抗体の加熱温度の調整精度に限界があった。また、機械的なトリミングを用いて可変抵抗の抵抗値を調整する場合、十分な調整精度が得られない問題があった。さらに、量産工程においても、機械的なトリミング装置が必要であり、またトリミングに時間がかかるためコストの面でも課題があった。
本発明では、自動車などの内燃機関に搭載し過酷な温度変化に晒された場合でも、発熱抵抗体の加熱温度を一定に維持するように調整でき、安定した流量検出が可能な熱式流量計を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の熱式流量計は、電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体の加熱温度を制御する制御回路を備え、流体の流量を測定する熱式流量計において、前記制御回路は、固定抵抗と第１抵抗体と第２抵抗体とが直列に接続された第１直列回路と、第３抵抗体と前記第４抵抗体とが直列に接続された第２直列回路と、前記固定抵抗の両端子の電圧を取り出して両端子電圧の範囲内で調整された電圧を出力する電圧生成回路とを備え、前記第１直列回路の前記固定抵抗側の端子は第１基準電位に接続され、前記第２直列回路の前記第３抵抗体側の端子は前記電圧生成回路の出力電圧に接続され、前記第１直列回路の他方の端子と前記第２直列回路の他方の端子とは第２基準電位に接続され、少なくとも前記第１抵抗体と前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうちいずれか一方の抵抗体とが、前記固定抵抗よりも大きな抵抗温度係数をもつ感温抵抗体で構成されたものである。
このとき、前記発熱抵抗体を前記制御回路外に設け、前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうち感温抵抗体で構成した方の抵抗体を前記発熱抵抗体の近傍に配置するとよい。このとき、薄肉部を有する平面基板を備え、前記発熱抵抗体と前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうち感温抵抗体で構成した方の抵抗体とを前記薄肉部に配置し、前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうち感温抵抗体で構成した方の抵抗体と前記第１抵抗体とを同一材料で形成するとよい。
前記第３抵抗体を前記発熱抵抗体で構成してもよい。
第１抵抗体，第２抵抗体，第３抵抗体及び第４抵抗体の全ての抵抗体を同一材料の感温抵抗体で構成するとよい。
上記の構成において、第２基準電位を接地電位として第１基準電位を第２基準電位よりも高い電位に設定するか、或いは第１基準電位を接地電位として第２基準電位を第１基準電位よりも高い電位に設定するとよい。
前記電圧生成回路は、前記固定抵抗の両端に並列に接続される複数の抵抗からなる直列抵抗回路と、前記直列抵抗回路の任意の抵抗間の接続点を選択し出力する電圧選択回路と、前記電圧選択回路によって選択した電圧を前記第２直列回路に加えるバッファアンプとを有するとよい。
前記電圧選択回路はトランジスタスイッチによって構成するとよい。
前記固定抵抗の抵抗温度係数は１００ppm／℃以下にするとよい。
前記発熱抵抗体に流れる電流を制限する手段を設け、前記第１直列回路内の電圧と、第２直列回路内の電圧との差電圧を検出する手段を設け、前記差電圧をもとに、前記第２直列回路に加える電圧を選択する調整手段を備えるとよい。
上記構成によれば、可変抵抗を用いて抵抗値を調整する構成と等価な回路構成が得られる。さらに、抵抗温度係数が大きく、さらにばらつきも大きい可変抵抗が不要であることから、高精度な回路構成となる。さらに、上記電圧生成回路により第２直列回路の端子電圧を任意に設定することができ、調整範囲の拡大、調整分解能が向上する効果が得られる。
本発明によれば、機械的な抵抗トリミングを用いることなく、高精度かつ簡易に抵抗バランスを調整し、高精度で低コストな熱式流量センサが提供できる。
以下、本発明に係る実施例を説明する。
以下、本発明に係る第１の実施例を説明する。
本実施例における熱式流量計の駆動回路、及び検出回路について説明する。
図１に、発熱抵抗体１３の駆動回路を示す。駆動回路は、発熱抵抗体１３の近傍に配置され発熱抵抗体１３の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体３（第３抵抗体）と、被計測流体の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体１（第１抵抗体），２（第２抵抗体），４（第４抵抗体）と、抵抗値の温度依存がほとんどない固定抵抗５から成り、これらの抵抗バランスによって、発熱抵抗体１３の加熱温度が制御される。一般的に、測温抵抗体は感温抵抗体とも呼ばれ、固定抵抗５に比べて大きな抵抗温度係数をもち、抵抗値の温度依存性が大きい抵抗体である。
固定抵抗５と測温抵抗体１と測温抵抗体２からなる直列回路に、第１基準電位となる基準電圧Ｖrefを印加する。固定抵抗５の両端６，７の端子電圧Ｖ６及び端子電圧Ｖ７を引き出し、電圧生成回路１０に入力する。電圧生成回路１０では、図６に示すように、複数の抵抗４１ａ〜４１ｄが直列に接続され、任意の抵抗間の端子電圧を取り出す電圧選択回路８により、端子電圧Ｖ６から端子電圧Ｖ７の電圧範囲において、任意の電圧を選択することにより、電圧選択回路８の出力１４に端子電圧Ｖ１４が得られる。電圧選択回路８における直列抵抗４１ａ〜４１ｄの抵抗値は固定抵抗５の抵抗値よりも１００倍以上大きくなる値に設定し、電圧選択回路８に流れ込む電流を最小限にする。さらに、電圧選択回路８の端子電圧Ｖ１４をバッファアンプ９で取り出し、測温抵抗体３の一端１１の端子電圧Ｖ１１として出力する。ここで、端子電圧Ｖ１４と端子電圧Ｖ１１はほぼ同電位となる。バッファアンプ９を設けることにより、測温抵抗体３の抵抗変化によって、端子電圧Ｖ１４の電位が変動することを低減している。
測温抵抗体３の他方の端子には、測温抵抗体４が接続されて第２直列回路が構成される。さらに、測温抵抗体２の一端と測温抵抗体４の一端は同電位（第２基準電位）に接続される。なお、第２基準電位は接地電位としている。
本実施例において、第１基準電位を基準電圧Ｖref、第２基準電位を接地電位とする代わりに、第１基準電位を接地電位、第２基準電位を基準電圧Ｖrefとしてもよい。
さらに、測温抵抗体３と測温抵抗体４の間の電圧と、測温抵抗体１と測温抵抗体２の間の電圧とを、電圧比較器１２により比較し、その差が小さくなるように発熱抵抗体１３の電流を制御する。これにより、被計測流体の温度を検出する測温抵抗体１，２，４の温度に対して、発熱抵抗体１３の温度が一定温度高くなるように加熱制御される。
ここで、測温抵抗体１と測温抵抗体３は、同じ温度状態において、ほぼ同じ抵抗値、抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。また、測温抵抗体２と測温抵抗体４は、同じ温度状態において、ほぼ同じ抵抗値、抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。さらに望ましくは、測温抵抗体１〜４は、同じ温度状態においてほぼ同じ抵抗値、抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。これにより、各抵抗が同一の材料で、また同一の条件で加工することができ、測温抵抗体１〜４の抵抗バランスの精度が向上し、より効果的に調整精度を向上することができる。これらの、抵抗体は、たとえば、多結晶シリコン（Poly−Ｓｉ）などの半導体材料や、白金（Ｐｔ），モリブデン（Ｍｏ）などの金属材料など、抵抗温度係数が１０００ppm／℃以上の抵抗材料により形成することが望ましい。
固定抵抗５は、測温抵抗体１に対し、抵抗温度係数が小さい抵抗材料で形成し、抵抗体温度係数は１００ppm／℃以下が望ましい。
次に、本実施例における熱式流量計の流量検出回路について説明する。
図２は、本実施例における流量検出回路である。流量検出回路は、発熱抵抗体１３の近傍に配置した上流側温度センサ１５ａ，１５ｂと、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂから成る。上流側温度センサ１５ａ，１５ｂは、被計測流体の流れ方向に対して発熱抵抗体１３の上流側に配置し、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂは、被計測流体の流れ方向に対して発熱抵抗体１３の下流側に配置する。
そして、上流側温度センサ１５ａと下流側温度センサ１６ａからなる直列回路と、下流側温度センサ１６ｂと上流側温度センサ１５ｂからなる直列回路を並列に接続したブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路に基準電圧Ｖrefを印加する。空気流により上流側温度センサ１５ａ，１５ｂと下流側温度センサ１６ａ，１６ｂに温度差が発生すると、ブリッジ回路の抵抗バランスが変化し、差電圧が発生する。この差電圧を増幅器１７によって取り出すことにより、空気流量に応じた出力電圧Ｖoutが得られる。
次に、本実施例による熱式流量計のセンサ素子１８の構成を説明する。
本実施例による熱式流量計のセンサ素子１８の構成を図３，図４により説明する。図３は、センサ素子１８を示す平面図である。また図４は、図３におけるＸ−Ｘ′線に沿った断面図を示す。センサ素子１８の基板１９は、シリコンやセラミック等の熱伝導率の良い材料で構成される。そして、基板１９上に電気絶縁膜２０ａを形成し、基板１９を裏面からエッチングすることで空洞部１９ａを形成し、ダイアフラム部２１を形成する。
ダイアフラム部２１上の電気絶縁膜２０ａの中心付近の表面には発熱抵抗体１３を形成する。発熱抵抗体１３の周囲に発熱抵抗体１３の加熱温度を検出する測温抵抗体３が、発熱抵抗体１３を取り巻くように形成される。発熱抵抗体１３の温度を測温抵抗体３で検出し、被計測流体である空気流３１の温度に対して一定温度高くなるように加熱制御する。さらに発熱抵抗体１３及び測温抵抗体３の両側には上流側温度センサ１５ａ，１５ｂと、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂを配置する。上流側温度センサ１５ａ，１５ｂは発熱抵抗体１３の中心より上流側に配置し、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂは発熱抵抗体１３の中心より下流側に配置する。センサ素子１８の最表面は電気絶縁膜２０ｂによって覆われており、電気絶縁膜２０ｂは電気的絶縁や保護膜として働く。ダイアフラム部２１より外側の電気絶縁膜２０ａ上には、空気流３１の温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体１，２，４を配置する。
発熱抵抗体１３、測温抵抗体１，２，３，４、上流側温度センサ１５ａ，１５ｂ、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂは温度によって抵抗値が変化する比較的抵抗温度係数が大きい材料で形成する。例えば，不純物をドープした多結晶シリコンや単結晶シリコンなどの半導体材料、また白金，モリブデン，タングステン，ニッケル合金などの金属材料などで形成すると良い。また、電気絶縁膜２０ａ，２０ｂは二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）や窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）により約２ミクロン厚の薄膜状に形成し、熱絶縁効果が十分に得られる構造とする。
さらにセンサ素子１８の端部には、上記抵抗体の電極を取り出し駆動・検出回路と接続するためのアルミなどで形成した電極パッド部３２を設ける。発熱抵抗体１３、測温抵抗体１〜４、上流側温度センサ１５ａ，１５ｂ、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂは配線２２ａ〜２２ｐにより電極パッド部３２に接続される。配線２２ａ〜２２ｐは、抵抗値ができるだけ小さい材料で、たとえばアルミなどによって形成することが望ましが、発熱抵抗体１３、測温抵抗体１〜４、上流側温度センサ１５ａ，１５ｂ、下流側温度センサ１６ａ，１６ｂを形成する材料と同一としてもよい。この場合、同一材料で形成できることから、製造工程を簡略化することができる。
本発明の実施例である熱式流量計は、以下のように動作する。
図４に示したセンサ素子１８の断面構成と共に示した温度分布２３，２４はセンサ素子１８の表面温度の分布を示している。温度分布２３は無風時のダイアフラム部２１の温度分布を示す。発熱抵抗体１３は、空気流３１の温度よりもΔＴｈ高くなるように加熱する。温度分布２４は、空気流３１が発生したときのダイアフラム部２１の温度分布である。空気流３１が発生することにより、発熱抵抗体１３の上流側は空気流３１により冷却され温度が下がり、下流側は発熱抵抗体１３を通過し加熱された空気が流れることから温度が上がる。したがって、上流側温度センサ１５ａ，１５ｂと下流側温度センサ１６ａ，１６ｂにより発熱抵抗体１３の上下流の温度差ΔＴｄを検出することにより流量が計測される。
次に、自動車などの内燃機関の吸気管路内に上記センサ素子１８、駆動・検出回路を実装した実施例を図５に示す。図５において、吸気管路３８の壁面から突出するようにベース部材３７を設ける。ベース部材３７には、吸気管路３８を流れる吸気３９の一部を取り込む副通路４０を形成する。副通路４０内に形成した矩形状の凹部に、センサ素子１８を設置する。また、ベース部材３７には、センサ素子１８の駆動回路を搭載した回路基板３３が設けられ、金線ボンディングワイヤー３４によりセンサ素子１８を回路基板３３上の駆動回路に電気的に接続する。さらに、駆動回路の電源供給，出力信号の取り出しのための端子３５を設け、アルミボンディングワイヤー３６により回路基板３３上の駆動回路と端子３５を電気的に接続する。
次に、本実施例における電圧生成回路１０の詳細な構成について図６により説明する。
電圧生成回路１０の内部の電圧選択回路８について説明する。抵抗４１ａ〜４１ｄからなる直列抵抗回路が設けられ、直列抵抗回路は、固定抵抗５に並列に接続されている。また、直列抵抗回路の各抵抗間の電極を引き出し、ＭＯＳトランジスタ４２ａ〜４２ｅのソース端子またはドレイン端子の一方の端子に接続する。たとえば、抵抗４１ａと抵抗４１ｂの間の電極はＭＯＳトランジスタ４２ｂのソース端子またはドレイン端子に接続する。ＭＯＳトランジスタ４２ａ〜４２ｅのソースまたはドレインのもう一方の端子は、同一の接続点（端子電圧Ｖ１４）に接続されている。
ＭＯＳトランジスタ４２ａ〜４２ｅは、ゲート電圧の設定によりソース−ドレイン間を電気的に開閉（ＯＮ・ＯＦＦ）することにより、半導体スイッチとして動作する。したがって、ＭＯＳトランジスタ４２ａ〜４２ｅのうちＯＮするＭＯＳトランジスタを選択することにより、抵抗４１ａ〜４１ｄからなる直列抵抗回路の任意の抵抗間の電圧を選択し、端子電圧１４に出力することができる。
次にバッファアンプ９は、差動増幅回路４３と出力回路４４からなる。差動増幅回路４３の非反転入力端子は、端子電圧１４に接続される。また、差動増幅回路４３の反転入力端子を出力回路４４の出力端子（端子電圧１１）に接続し、ユニティゲインバッファとなる構成としている。出力回路４４の回路構成はソース接地ドレイン出力回路であり、出力電圧のダイナミックレンジを拡大することができる。これは、端子電圧Ｖ１４の電圧値は基準電圧Ｖrefの電圧に近い値であり、ＶrefとＶccを同一の電位とした場合でも、十分な出力電圧範囲を確保することができるからである。
電圧選択回路８において、抵抗４１ａ〜４１ｄは、半導体プロセスで形成され、ポリシリコンや拡散抵抗などを用いる。これにより、電圧生成回路１０を一体化した集積回路にすることができ小型化が可能になる。集積回路にメモリを設けて電圧選択回路８の選択位置を書き込む構成とすることにより、電気的に端子電圧Ｖ１１の電圧値を選択・変更することが可能となり、調整工程の簡略化・調整時間の短縮が図られ低コスト化が可能になる。
以上の構成により、機械的なトリミングを用いることなく、発熱抵抗体１３の加熱温度制御を行う抵抗体の抵抗バランスを高精度に調整することが可能となる。または従来のトリミングと併用することにより、従来のトリミングでは調整しきれなかった抵抗バランスを、本実施例の回路構成により高精度に調整することが可能となる。
以下、本発明に係る第２の実施例について説明する。
本実施例における熱式流量計の駆動回路について説明する。本実施例においては、第１実施例と異なる部分に関して説明する。
図７に、発熱抵抗体１３の駆動回路を示す。発熱抵抗体１３の近傍に配置され発熱抵抗体１３の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体３（第３抵抗体）と、抵抗値の温度依存がほとんどない固定抵抗５，４５（第４抵抗体），４６（第２抵抗体）と、被計測流体の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体１（第１抵抗体）からなり、これらの抵抗バランスによって、発熱抵抗体１３の加熱温度が制御される。
固定抵抗５と測温抵抗体１と固定抵抗４６からなる直列回路に、第１基準電位となる基準電圧Ｖrefを印加する。固定抵抗５の両端６，７の端子電圧Ｖ６及び端子電圧Ｖ７を引き出し、電圧生成回路１０に入力する。電圧生成回路１０では、図６に示したように、複数の抵抗４１ａ〜４１ｄが直列に接続され、任意の抵抗間の端子電圧を取り出す電圧選択回路８により、端子電圧Ｖ６から端子電圧Ｖ７の電圧範囲において、任意の電圧を選択することにより、電圧選択回路８の出力１４に端子電圧Ｖ１４が得られる。電圧選択回路８における直列抵抗４１ａ〜４１ｄの抵抗値は固定抵抗５の抵抗値よりも１００倍以上大きくなる値に設定し、電圧選択回路８に流れ込む電流を最小限にする。さらに、電圧選択回路８の端子電圧Ｖ１４をバッファアンプ９で取り出し、測温抵抗体３の一端の端子電圧Ｖ１１として出力する。ここで、端子電圧Ｖ１４と端子電圧Ｖ１１はほぼ同電位となる。バッファアンプ９は、測温抵抗体３の抵抗変化によって、端子電圧Ｖ１４の電位が変動することを低減している。
測温抵抗体３の他方の端子には、固定抵抗４５が接続されて第２直列回路が構成される。さらに、固定抵抗４６の一端と固定抵抗４５の一端は同電位（第２基準電位）に接続される。なお、第２基準電位は接地電位としている。
本実施例においても、第１基準電位を基準電圧Ｖref、第２基準電位を接地電位とする代わりに、第１基準電位を接地電位、第２基準電位を基準電圧Ｖrefとしてもよい。
さらに、測温抵抗体３と固定抵抗４５の間の電圧と、測温抵抗体１と固定抵抗４６の間の電圧とを、電圧比較器１２により比較し、その差が小さくなるように発熱抵抗体１３の電流を制御する。これにより、被計測流体の温度を検出する測温抵抗体１の温度に対して、発熱抵抗体１３の温度が一定温度高くなるように加熱制御される。
ここで、測温抵抗体１と測温抵抗体３は、同じ温度状態において、ほぼ同じ抵抗値，抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。また、固定抵抗４５と固定抵抗４６は、ほぼ同じ抵抗値となるように選ばれ、望ましくは固定抵抗５と同一材料で形成する。これにより、各抵抗が同一の材料で、また同一の条件で加工することができ、測温抵抗体１と測温抵抗体３の抵抗バランス及び固定抵抗４５と固定抵抗４６の抵抗バランスの精度が向上し、より効果的に調整精度を向上することができる。
固定抵抗５，４５，４６は、測温抵抗体１に対し、抵抗温度係数が小さい抵抗材料で形成し、抵抗温度係数は１００ppm／℃以下であることが望ましい。
以上の構成においても、機械的なトリミングを用いることなく発熱抵抗体１３の加熱温度制御を行う抵抗体の抵抗バランスを高精度に調整することが可能となる。または従来のトリミングと併用することにより、従来のトリミングでは調整しきれなかった抵抗バランスを、本実施例の回路構成により高精度に調整することが可能となる。
以下、本発明に係る第３の実施例について説明する。
本実施例における熱式流量計の駆動回路について説明する。本実施例においては、第１実施例と異なる部分に関して説明する。
図８に、発熱抵抗体１３の駆動回路を示す。駆動回路は、発熱抵抗体１３の近傍に配置され発熱抵抗体１３の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体３（第２抵抗体）と、被計測流体の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体１（第１抵抗体），２（第３抵抗体），４（第４抵抗体）と、抵抗値の温度依存がほとんどない固定抵抗５から成り、これらの抵抗バランスによって、発熱抵抗体１３の加熱温度が制御される。
固定抵抗５と測温抵抗体１と測温抵抗体３からなる直列回路に、第１基準電位となる基準電圧Ｖrefを印加する。固定抵抗５の両端６，７の端子電圧Ｖ６及び端子電圧Ｖ７を引き出し、電圧生成回路１０に入力される。電圧生成回路１０では、図６に示すように、複数の抵抗４１ａ〜４１ｄが直列に接続され、任意の抵抗間の端子電圧を取り出す電圧選択回路８により、端子電圧Ｖ６から端子電圧Ｖ７の電圧範囲において、任意の電圧を選択することにより、電圧選択回路８の出力１４に端子電圧Ｖ１４が得られる。電圧選択回路８における直列抵抗４１ａ〜４１ｄの抵抗値は固定抵抗５の抵抗値よりも１００倍以上大きい値に設定し、電圧選択回路８に流れ込む電流を最小限にする。さらに、電圧選択回路８の端子電圧Ｖ１４をバッファアンプ９で取り出し、測温抵抗体２の一端の端子電圧Ｖ１１として出力する。ここで、端子電圧Ｖ１４と端子電圧Ｖ１１はほぼ同電位となる。バッファアンプ９は、測温抵抗体２の抵抗変化によって、端子電圧Ｖ１４の電位が変動することを低減している。
測温抵抗体２の他方の端子には、測温抵抗体４が接続されて第２直列回路が構成される。さらに、測温抵抗体４の一端と測温抵抗体３の一端は同電位（第２基準電位）に接続される。なお、第２基準電位は接地電位としている。
本実施例において、第１基準電位を基準電圧Ｖref、第２基準電位を接地電位とする代わりに、第１基準電位を接地電位、第２基準電位を基準電圧Ｖrefとしてもよい。
さらに、測温抵抗体２と測温抵抗体４の間の電圧と、測温抵抗体１と測温抵抗体３の間の電圧を、電圧比較器１２により比較し、その差が小さくなるように発熱抵抗体１３の電流を制御する。これにより、被計測流体の温度を検出する測温抵抗体１，２，４の温度に対して、発熱抵抗体１３の温度が一定温度高くなるように加熱制御される。
ここで、測温抵抗体１〜４は、同じ温度状態において、ほぼ同じ抵抗値，抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。これにより、各抵抗が同一の材料で、また同一の条件で加工することができ、測温抵抗体１〜４の抵抗バランスの精度が向上し、より効果的に調整精度を向上することができる。
固定抵抗５は、測温抵抗体１〜４に対し、抵抗温度係数が小さい抵抗材料で形成し、抵抗温度係数は１００ppm／℃以下であることが望ましい。
以上の構成においても、機械的なトリミングを用いることなく、発熱抵抗体１３の加熱温度制御を行う抵抗体の抵抗バランスを高精度に調整することが可能となる。または従来のトリミングと併用することにより、従来のトリミングでは調整しきれなかった抵抗バランスを、本実施例の回路構成により高精度に調整することが可能となる。
以下、本発明に係る第４の実施例について説明する。
本実施例における熱式流量計の駆動回路について説明する。本実施例においては、第２実施例と異なる部分に関して説明する。
図９に、本実施例における発熱抵抗体１３の駆動回路を示す。発熱抵抗体１３の近傍に配置され発熱抵抗体１３の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体３（第２抵抗体）と、抵抗値の温度依存がほとんどない固定抵抗５，４５（第３抵抗体），４６（第４抵抗体）と、被計測流体の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体１（第１抵抗体）から成り、これらの抵抗バランスによって、発熱抵抗体１３の加熱温度が制御される。
固定抵抗５と測温抵抗体１と測温抵抗体３からなる直列回路に、第１基準電位となる基準電圧Ｖrefを印加する。固定抵抗５の両端６，７の端子電圧Ｖ６及び端子電圧Ｖ７を引き出し、電圧生成回路１０に入力される。電圧生成回路１０では、図６に示すように、複数の抵抗４１ａ〜４１ｄが直列に接続され、任意の抵抗間の端子電圧を取り出す電圧選択回路８により、端子電圧Ｖ６から端子電圧Ｖ７の電圧範囲において、任意の電圧を選択することにより、電圧選択回路８の出力１４に端子電圧Ｖ１４が得られる。電圧選択回路８における直列抵抗４１ａ〜４１ｄの抵抗値は固定抵抗５の抵抗値よりも１００倍以上大きくなる値に設定し、電圧選択回路８に流れ込む電流を最小限にする。さらに、電圧選択回路８の端子電圧Ｖ１４をバッファアンプ９で取り出し、固定抵抗４５の一端の端子電圧Ｖ１１として出力する。ここで、端子電圧Ｖ１４と端子電圧Ｖ１１はほぼ同電位となる。
固定抵抗４５の他方の端子には、固定抵抗４６が接続されて第２直列回路が構成される。さらに、固定抵抗４６の一端と測温抵抗体３の一端は同電位（第２基準電位）に接続される。なお、第２基準電位は接地電位としている。
本実施例において、第１基準電位を基準電圧Ｖref、第２基準電位を接地電位とする代わりに、第１基準電位を接地電位、第２基準電位を基準電圧Ｖrefとしてもよい。
さらに、固定抵抗４５と固定抵抗４６の間の電圧と、測温抵抗体１と測温抵抗体３の間の電圧を、電圧比較器１２により比較し、その差が小さくなるように発熱抵抗体１３の電流を制御する。これにより、被計測流体の温度を検出する測温抵抗体１の温度に対して、発熱抵抗体１３の温度が一定温度高くなるように加熱制御される。
ここで、測温抵抗体１と測温抵抗体３は、同じ温度状態において、ほぼ同じ抵抗値、抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。また、固定抵抗４５と固定抵抗４６は、ほぼ同じ抵抗値となるように選ばれ、望ましくは固定抵抗５と同一材料で形成する。これにより、各抵抗が同一の材料で、また同一の条件で加工することができ、測温抵抗体１と測温抵抗体３の抵抗バランス及び固定抵抗４５と固定抵抗４６の抵抗バランスの精度が向上し、より効果的に調整精度を向上することができる。
固定抵抗５，４５，４６は、測温抵抗体１に対し、抵抗温度係数が小さい抵抗材料で形成し、抵抗温度係数は１００ppm／℃以下であることが望ましい。
以上の構成においても、機械的な可変抵抗を用いることなく発熱抵抗体１３の加熱温度制御の抵抗バランスを高精度に調整することが可能となる。または従来のトリミングと併用することにより、従来のトリミングでは調整しきれなかった抵抗バランスを、本実施例の回路構成により高精度に調整することが可能となる。
以下、本発明を適用してなる第５の実施例について説明する。
図１０に、本実施例における発熱抵抗体１３の駆動回路を示す。発熱抵抗体１３（第３抵抗体）と、被計測流体の温度によって抵抗値が変化する測温抵抗体１（第１抵抗体）と、抵抗値の温度依存がほとんどない固定抵抗５，４５（第４抵抗体），４６（第２抵抗体）の抵抗バランスによって、発熱抵抗体１３の加熱温度が制御される。
固定抵抗５と測温抵抗体１と固定抵抗４６からなる第１直列回路を構成する。固定抵抗５の両端６，７の端子電圧Ｖ６及び端子電圧Ｖ７を引き出し、電圧生成回路１０に入力される。電圧生成回路１０では、図６に示したように、複数の抵抗４１ａ〜４１ｄが直列に接続され、任意の抵抗間の端子電圧を取り出す電圧選択回路８により、端子電圧Ｖ６から端子電圧Ｖ７の電圧範囲において、任意の電圧を選択することにより、電圧選択回路８の出力１４に端子電圧Ｖ１４が得られる。電圧選択回路８における直列抵抗４１ａ〜４１ｄの抵抗値は固定抵抗５の抵抗値よりも１００倍以上大きくなる値に設定し、電圧選択回路８に流れ込む電流を最小限にする。さらに、電圧選択回路８の端子電圧Ｖ１４を差動アンプ４７の非反転入力端子に入力する。差動アンプ４７の出力はトランジスタ４８のベースに接続する。トランジスタ４８のコレクタは電源電圧Ｖccにつながり、エミッタは発熱抵抗体１３の一端の端子電圧Ｖ１１として接続する。差動アンプ４７の反転入力端子は、トランジスタ４８のエミッタに接続する。差動アンプ４７は端子電圧Ｖ１４と端子電圧Ｖ１１が同電位となるように動作する。ここで、トランジスタ４８は、発熱抵抗体１３を高温に加熱するための電流を得る手段として設けられる。
発熱抵抗体１３の他方の端子には、固定抵抗４５が接続されて第２直列回路が構成される。さらに、固定抵抗４５の一端と固定抵抗４６の一端は同電位（第２基準電位）に接続される。なお、第２基準電位は接地電位としている。
さらに、発熱抵抗体１３と固定抵抗４５の間の電圧と、測温抵抗体１と固定抵抗４６の間の電圧を、電圧比較器１２により比較し、その差に応じた電圧が、固定抵抗５の一端に供給される。すなわち、電圧比較器１２の出力は、固定抵抗５と測温抵抗体１と固定抵抗４６からなる直列回路に供給される第１基準電位となる。この場合、第１基準電位は固定電位ではなく、変化する電位となる。たとえば、電圧比較器１２の出力が増加すれば、端子電圧Ｖ１４の電圧が増加する。そして、差動アンプ４７の働きにより、端子電圧Ｖ１１の電圧値が増加し発熱抵抗体１３に流れる電流も増加し、発熱抵抗体１３の温度を制御するこができる。これにより、発熱抵抗体１３の温度は、被計測流体の温度を検出する測温抵抗体１の温度に対して一定温度高くなるように加熱制御される。
ここで、発熱抵抗体１３と測温抵抗体１は、同じ温度状態において、ほぼ同じ、抵抗温度係数となるように、同一材料で形成される。また、固定抵抗５と固定抵抗４５と固定抵抗４６は、望ましくはと同一材料で形成する。これにより、各抵抗が同一の材料で、また同一の条件で加工することができ、発熱抵抗体１３と測温抵抗体１の抵抗バランス、及び固定抵抗４５と固定抵抗４６の抵抗バランスの精度が向上し、より効果的に調整精度を向上することができる。
固定抵抗５，４５，４６は、測温抵抗体１に対し、抵抗温度係数が小さい抵抗材料で形成し、抵抗体温度係数は１００ppm／℃以下であることが望ましい。
以上の構成においても、機械的な可変抵抗を用いることなく発熱抵抗体１３の加熱温度制御の抵抗バランスを高精度に調整することが可能となる。または従来のトリミングと併用することにより、従来のトリミングでは調整しきれなかった抵抗バランスを、本実施例の回路構成により高精度に調整することが可能となる。
上記の実施例１〜５において、発熱抵抗体１３の上流側及び下流側のそれぞれに配した二対の測温抵抗体１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂについて説明したが、一対の測温抵抗体の構成でも同様の効果が得られる。
また、本実施例では、発熱抵抗体１３の上流側及び下流側のそれぞれに配した温度センサ測温抵抗体１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂの温度差から流量および流れの方向を計測する方式を説明したが、発熱抵抗体１３の加熱電流や抵抗変化から流量および方向を計測する方式においても、同様の効果が得られる。
以下、本発明に係る第６の実施例について説明する。
図１１に、本実施例における発熱抵抗体１３の駆動回路を示す。本実施例においては、第１実施例と異なる部分に関して説明する。
本実施例における駆動回路は、測温抵抗体３と測温抵抗体４の間の電圧と、測温抵抗体１と測温抵抗体２の間の電圧との差電圧を取り出す差動増幅器４９を備える。さらに、差動増幅器４９の出力信号が調整手段５０に入力される。また、発熱抵抗体１３と電圧比較器１２の間に電圧制限回路５３を備える。調整手段５０は電圧制限回路５３に、発熱抵抗体１３に流れる電流を制限するための電流制限信号５２を出力する。また、調整手段５０は、電圧選択回路８に、電圧選択位置を決定するための電気的な選択信号５１を出力する。
調整手段５０は、電圧制限回路５３に電気的に信号を送り発熱抵抗体１３に流れる電流を制限する。望ましくは、電流を遮断し発熱抵抗体１３の加熱を停止する。そして、差動増幅器４９の出力信号をもとに、電圧選択回路８における最適な電圧選択位置を計算し、電圧選択信号５１を出力する。電圧選択回路８は、調整手段５０からの電圧選択信号５１をもとに電圧選択位置を選び端子電圧Ｖ１４を出力する。そして、調整手段５０は、電圧制限信号５２を解除し、発熱抵抗体１３の加熱制御を復帰させる。
上記構成により、熱式流量計は、電圧選択回路８を自己調整することができる。さらには、定期的に自動調整を実施することにより、長期間にわたり発熱抵抗体１３の加熱温度を最適な値に保持することができる。
１，２，３，４ 測温抵抗体
５ 固定抵抗
８ 電圧選択回路
９ バッファアンプ
１０ 電圧生成回路
１２ 電圧比較器
１３ 発熱抵抗体
１５ａ，１５ｂ 上流側温度センサ
１６ａ，１６ｂ 下流側温度センサ
１７ 増幅器
１８ センサ素子
１９ 基板
２０ａ，２０ｂ 電気絶縁膜
２１ ダイアフラム部
２２ａ〜２２ｐ 配線
２３，２４ 温度分布
３１ 空気流
３２ 電極パッド部
３３ 回路基板
３４ 金線ボンディングワイヤー
３５ 端子
３６ アルミボンディングワイヤー
３７ ベース部材
３８ 吸気管路
３９ 吸気
４０ 副通路
４１ａ〜４１ｂ 抵抗
４２ａ〜４２ｅ ＭＯＳトランジスタ
４３ 差動増幅回路
４４ 出力回路
４５，４６ 固定抵抗
４７ 差動アンプ
４８ トランジスタ
４９ 差動増幅器
５０ 調整手段
５１ 選択信号
５２ 電圧制限信号
５３ 電圧制限回路
５ 固定抵抗
８ 電圧選択回路
９ バッファアンプ
１０ 電圧生成回路
１２ 電圧比較器
１３ 発熱抵抗体
１５ａ，１５ｂ 上流側温度センサ
１６ａ，１６ｂ 下流側温度センサ
１７ 増幅器
１８ センサ素子
１９ 基板
２０ａ，２０ｂ 電気絶縁膜
２１ ダイアフラム部
２２ａ〜２２ｐ 配線
２３，２４ 温度分布
３１ 空気流
３２ 電極パッド部
３３ 回路基板
３４ 金線ボンディングワイヤー
３５ 端子
３６ アルミボンディングワイヤー
３７ ベース部材
３８ 吸気管路
３９ 吸気
４０ 副通路
４１ａ〜４１ｂ 抵抗
４２ａ〜４２ｅ ＭＯＳトランジスタ
４３ 差動増幅回路
４４ 出力回路
４５，４６ 固定抵抗
４７ 差動アンプ
４８ トランジスタ
４９ 差動増幅器
５０ 調整手段
５１ 選択信号
５２ 電圧制限信号
５３ 電圧制限回路
Claims (11)
- 電流を流すことによって発熱する発熱抵抗体の加熱温度を制御する制御回路を備え、流体の流量を測定する熱式流量計において、
前記制御回路は、固定抵抗と第１抵抗体と第２抵抗体とが直列に接続された第１直列回路と、第３抵抗体と前記第４抵抗体とが直列に接続された第２直列回路と、前記固定抵抗の両端子の電圧を取り出して両端子電圧の範囲内で調整された電圧を出力する電圧生成回路とを備え、
前記第１直列回路の前記固定抵抗側の端子は第１基準電位に接続され、前記第２直列回路の前記第３抵抗体側の端子は前記電圧生成回路の出力電圧に接続され、前記第１直列回路の他方の端子と前記第２直列回路の他方の端子とは第２基準電位に接続され、
少なくとも前記第１抵抗体と前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうちいずれか一方の抵抗体とが、前記固定抵抗よりも大きな抵抗温度係数をもつ感温抵抗体で構成されたことを特徴とする熱式流量計。 - 請求項１に記載の熱式流量計において、前記発熱抵抗体を前記制御回路外に設け、前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうち感温抵抗体で構成した方の抵抗体を前記発熱抵抗体の近傍に配置したことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項２に記載の熱式流量計において、薄肉部を有する平面基板を備え、前記発熱抵抗体と前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうち感温抵抗体で構成した方の抵抗体とを、前記薄肉部に配置し、前記第２抵抗体又は前記第３抵抗体のうち感温抵抗体で構成した方の抵抗体と前記第１抵抗体とが同一材料で形成されたことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１に記載の熱式流量計において、第１抵抗体，第２抵抗体，第３抵抗体及び第４抵抗体の全ての抵抗体を同一材料の感温抵抗体で構成したことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１に記載の熱式流量計において、前記第３抵抗体を前記発熱抵抗体で構成したことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項５に記載の熱式流量計において、第１抵抗体，第２抵抗体，第３抵抗体及び第４抵抗体の全ての抵抗体を同一材料の感温抵抗体で構成したことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１乃至６のいずれか１項において、第２基準電位を接地電位として第１基準電位が第２基準電位よりも高い電位に設定、或いは第１基準電位を接地電位として第２基準電位が第１基準電位よりも高い電位に設定されたことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１に記載の熱式流量計において、前記電圧生成回路は、前記固定抵抗の両端に並列に接続される複数の抵抗からなる直列抵抗回路と、前記直列抵抗回路の任意の抵抗間の接続点を選択し出力する電圧選択回路と、前記電圧選択回路によって選択した電圧を前記第２直列回路に加えるバッファアンプとを有すること特徴とする熱式流量計。
- 請求項８に記載の熱式流量計において、前記電圧選択回路をトランジスタスイッチによって構成したことを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１に記載の熱式流量計において、前記固定抵抗の抵抗温度係数が１００ppm／℃以下であることを特徴とする熱式流量計。
- 請求項１に記載の熱式流量計において、前記発熱抵抗体に流れる電流を制限する手段を設け、前記第１直列回路内の電圧と、第２直列回路内の電圧との差電圧を検出する手段を設け、前記差電圧をもとに、前記第２直列回路に加える電圧を選択する調整手段を備えたことを特徴とする熱式流量計。
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