JP5965780B2 - 物理量計測装置 - Google Patents

Description

発熱抵抗を用いて物理量を計測する熱式の物理量計測装置に関する。

近年、自動車による環境負荷を低減するためには、高度な燃焼制御技術が必要である。
このためにはエンジンへの吸入空気量を正確に把握する必要があり、流量センサに代表される物理量計測装置には更なる高精度化が望まれている。

自動車向け流量センサとしては、熱式流量センサが知られている。熱式流量センサは、流体中に発熱体を配置し、流れによる発熱体周辺の温度分布の変化を検出して流量を計測する装置であり、例えば特許文献１により開示される技術がある。

以下では、特許文献１で用いられた語句を使用して内容を概説する。特許文献１に記載の流量センサは、ヒータ抵抗と、ヒータ抵抗の温度を検出する傍熱抵抗と、流体の温度によって抵抗値が変化する温度計測抵抗を備え、ヒータ抵抗が所定の温度となるように、傍熱抵抗と温度計測抵抗からなるブリッジ回路の出力に基づいてヒータ抵抗に与える駆動信号をフィードバック制御する手段を備える。

また、ヒータ抵抗の上流側および下流側には流量検出用の抵抗を配置し、該抵抗を用いて流量検出用のブリッジ回路を構成する。流量が生じた際は、移流伝熱によりヒータ抵抗周辺の温度分布が変化するため、上流側の流量検出用抵抗値と下流側の流量検出用抵抗値は異なる値となり、流量検出用のブリッジ回路の出力は変化する。該出力に基づいて流量を測定する。

以上の様に熱式の流量センサにおいては、ヒータ抵抗の温度が流量の検出精度に直接影響する。即ち、熱式の流量センサの高精度化には、ヒータ抵抗の温度を目標温度に高精度に制御する技術が非常に重要である。

これを受け、特許文献１ではヒータ抵抗から傍熱抵抗への熱伝導の遅れ時間に着目し、該遅れ時間により上記フィードバック制御が正帰還とならない様に、ヒータ抵抗の加熱時の遅れ時間と冷却時の遅れ時間に同調して駆動信号を変更する技術を開示している。これにより、ヒータ抵抗から傍熱抵抗への熱伝導の遅れ時間に起因したヒータ抵抗の温度の不安定性を軽減できる可能性がある。

特開２００９−９７９２５号公報

一方、最近ではエンジンからの吹き返し等による脈動流や、アイドリング時などの低流量状態においても高精度な測定が求められている。図１３は、脈動流中のヒータ抵抗の温度変化を表したイメージ図である。脈動流中では、脈動する流体にヒータ抵抗の熱が奪われるためヒータ抵抗の温度が低下する。一方、ヒータ抵抗のフィードバック制御の応答は有限であり、ヒータ抵抗の駆動信号はＮ次遅れ（Ｎは自然数とする）の波形となる。

理想的なフィードバック制御での駆動波形を点線Ａで示し、現実的なフィードバックでの駆動波形を点線Ｂで示す。現実的なフィードバック制御はＮ次遅れとなるため、ヒータ抵抗の温度を目標温度に制御できず、実線Ｃに示す様な目標温度とのずれが生じ、検出精度を低下させる可能性がある。

目標温度とのずれを軽減するには、フィードバック制御の応答を高速にする方法がある。

図１４は、フィードバック制御の応答特性を高速にした場合での、脈動流中のヒータ抵抗の温度変化を表したイメージ図である。図１３と同様に理想的なフィードバック制御波形を点線Ａで示し、現実的なフィードバック制御波形を点線Ｄで示す。

フィードバック制御の応答特性を高速にすると、現実的なフィードバック制御波形は理想のフィードバック制御波形に近づくため、ヒータ抵抗の温度は目標温度に近い実線Ｅとなり、脈動流中においても、ヒータ抵抗の温度を目標温度付近に保持できるようになる。

ここで、ヒータ抵抗と傍熱抵抗との間の伝熱特性を図１５に示す。この伝熱特性は２つのポールを持つ事が知られている。第１のポールは、ヒータ抵抗の熱容量に起因しており、第２のポールはヒータ抵抗から傍熱抵抗への熱伝導時定数に起因している。

尚、図１５にはヒータ抵抗と流量検出用抵抗との間の信号伝達特性も点線で記載する。
ヒータ抵抗、傍熱抵抗、流量検出用抵抗は検出素子上に近接して形成するため、ヒータ抵抗と流量検出用抵抗との間の浮遊容量を介して、ヒータ抵抗の駆動信号が流量検出用抵抗に漏れこみ、ノイズとしてふるまう可能性がある。

図１６は、フィードバック制御の応答時間を横軸にとり、浮遊容量を介してヒータ抵抗から流量検出用抵抗に漏れこんだ駆動信号の大きさを縦軸にとったグラフである。図１６によれば、フィードバック制御の応答時間を短くする、即ち、フィードバック制御の応答特性を高速にすると、漏れこむ駆動信号の大きさが増加する、即ち、ノイズが増加する。またこの増加の程度は、後述のＡＤ変換器４０１の変換分解能が粗くなるほど大きくなる。

この原因は、フィードバック制御の応答特性はフィードバックゲインに依存しており、応答特性を高速にするためにフィードバックゲインを大きくすると、ヒータ抵抗の駆動信号が大振幅化するため、流量検出抵抗に漏れこんだノイズの振幅も増加するためである。

また上記ノイズは、検出感度の小さな低流量では無視できない影響を及ぼす可能性がある。従って、脈動時および低流量での高精度化を実現するためには、フィードバック制御の応答特性と低ノイズ化を両立する必要がある。

しかしながら、従来技術では上記の課題に対する対策技術は開示されていない。

本発明は、脈動時および低流量での高精度化を実現する物理量計測装置を提供する事を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の物理量計測装置は、流体中に配置したセンサ素子と、前記センサ素子に形成した発熱部および物理量検知部と、前記物理量検知部の検知値に応じて流体の物理パラメータを導出する導出部と、前記発熱部の温度を監視して前記発熱部へ与える駆動信号をフィードバック制御する発熱制御手段と、前記発熱制御手段のフィードバックゲインを変更するゲイン変更手段とを備えることを特徴とする。

本発明の物理量計測装置によれば、脈動時および低流量での高精度化を両立する物理量計測装置を提供する事が可能となる。

物理量計測装置の構造概略図 物理量計測装置のセンサ素子１００の構造概略図 物理量計測装置の物理量計測回路の概略図 第１実施例をなす物理量計測装置の物理量計測回路の概略図 第１実施例をなす物理量計測装置のフィードバック制御器４０２の構成例１ 第１実施例をなす物理量計測装置のフィードバック制御器４０２の構成例２ 第１実施例をなす物理量計測装置のＡＤ変換器４０１の構成例 第１実施例をなす物理量計測装置のＤＡ変換器４０３の構成例 フィードバックゲイン設定部５００に設けるマップデータの例 フィードバックゲイン設定部５００に設ける計算式の例 第２実施例をなす物理量計測装置のフィードバックゲイン設定部５００の構成例１ 第２実施例をなす物理量計測装置のフィードバックゲイン設定部５００の構成例２ 脈動流中のヒータ抵抗の温度変化を表したイメージ図１ 脈動流中のヒータ抵抗の温度変化を表したイメージ図２ ヒータ抵抗と傍熱抵抗との間の伝熱特性例 フィードバック制御の応答時間とノイズの相関図

以下、本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて説明する。

まず、物理量計測装置の構造概略図を図１に示す。配管１により形成した主通路２の中は主流体３が通流可能であり、この主流体３の流量を測定するため主通路２にはケーシング４を挿入する。ケーシング４には主流体３の一部を導入する副通路５を形成し、副通路５に導入した支流体６にさらすようにセンサ素子１００を配置する。センサ素子１００は支持体７により支持し、支持体７には回路素子２００を搭載する。回路素子２００はセンサ素子１００の出力信号を流量情報に変換して外部機器に出力する。

次に、センサ素子１００の構造概略図を図２に示す。センサ素子１００は、シリコン基板１０１の一面に絶縁膜１０２を形成し、シリコン基板１０１の他面側からエッチングしてダイアフラム１０３を形成する。ダイアフラム１０３上には発熱抵抗１０４と、流量を検出するための検出抵抗１０５、１０６、および発熱抵抗１０４の温度を計測するための測温抵抗１０７を形成する。尚、検出抵抗１０５は支流体６の主な流動方向に対して発熱抵抗１０４の上流側に配置し、検出抵抗１０６は支流体６の主な流動方向に対して発熱抵抗１０４の下流側に配置し、測温抵抗１０７は発熱抵抗１０４の近傍に配置する。さらに上記抵抗の上部に絶縁性保護膜１０８を形成し、異物等による各抵抗間のショートや抵抗材料の腐食から保護する。

次に、物理量計測装置の物理量計測回路の概略図を図３に示す。物理量計測回路は、流量検出回路３００と、発熱制御回路４００とを備える。流量検出回路３００は、流量を検出する回路であり、検出抵抗１０５と１０６とを交互に接続したブリッジ回路（以下、検出ブリッジ回路と呼称する）と、ＡＤ変換器３０１と、演算器３０２とを備える。検出ブリッジ回路の中間電位Ｖａ、ＶｂはＡＤ変換器３０１に入力しデジタル変換する。演算器３０２はＶａ，Ｖｂに応じたデジタル値に基づいて流量を導出する。

発熱制御回路４００は、発熱抵抗１０４を所定温度に制御する回路であり、支流体６の温度に応じて抵抗値が変化する感温抵抗１０９、１１０、１１１と測温抵抗１０７とからなるブリッジ回路（以下、測温ブリッジ回路と呼称する）と、ＡＤ変換器４０１と、フィードバック制御器４０２と、ＤＡ変換器４０３と、駆動トランジスタ４０４と、発熱抵抗１０４とを備える。測温ブリッジ回路の中間電位Ｖｃ、ＶｄはＡＤ変換器４０１に入力しデジタル変換する。フィードバック制御器４０２はＶｃ、Ｖｄに応じたデジタル値に基づいて発熱抵抗１０４の駆動量情報を生成する。該駆動量情報はＤＡ変換器４０３および駆動トランジスタにより駆動信号に変換し発熱抵抗１０４に印加する。本発明による物理量計測装置は、上記構成に加え、発熱制御回路４００のフィードバックゲインを変更可能なフィードバックゲイン設定部５００を新たに設けた事を特徴とする。

次に、本発明の第１実施例をなす物理量計測装置の物理量計測回路について図４を用いて説明する。図４に示されるように、演算器３０２によって導出した流量値に応じて発熱制御回路４００のフィードバックゲインを設定できるフィードバックゲイン設定部５００を備えており、フィードバックゲイン設定部５００は、発熱制御回路４００にフィードバックゲイン設定値を出力する。発熱制御回路４００は、該フィードバックゲイン設定値に応じてフィードバックゲインを変更することで、発熱制御回路４００の応答特性を変更する。

次に、発熱制御回路４００の応答特性を変更する方法について説明する。第１の方法は、フィードバック制御器４０２の制御定数を変更する方法である。フィードバック制御器４０２の機能ブロックを図５に示す。図５に示すフィードバック制御器４０２は、例えば、比例−積分制御(以下、ＰＩ制御と呼称する)を行う制御器であり、２つの乗算器６０１、６０２と、積分器６０３、加算器６０４とを備える。乗算器６０１はＡＤ変換器４０１の出力値に比例定数を乗算する。乗算器６０２はＡＤ変換器４０１の出力値に積分定数を乗算し、積分器６０３に入力する。乗算器６０１の出力および積分器６０３の出力は、加算器６０４により加算されＤＡ変換器４０３に入力する。

第１の方法では、フィードバックゲイン設定部５００が出力したフィードバックゲイン設定値に応じて比例定数および積分定数の一方もしくは両方を変更する。これにより、発熱制御回路４００の応答特性を変更できる。第１の方法による利点は、ソフトウェアのみで応答特性を変更する機能を付加できる点である。

第２の方法は、フィードバック制御器４０２の制御周期を変更する方法である。フィードバック制御器４０２の機能ブロックを図６に示す。図６は、図５にフィードバック制御器４０２の動作周期を規定する処理周期設定部４０５を追記したものである。第２の方法では、フィードバックゲイン設定部５００が出力したフィードバックゲイン設定値に応じて処理周期設定部４０５の設定周期を変更する。これにより、フィードバック制御器４０２の動作周期を変更でき、その結果、発熱制御回路４００の応答特性を変更できる。第２の方法による利点は、発熱制御回路４００の入出力特性を変更せずに応答特性を変更する機能を付加できる点である。

第３の方法は、ＡＤ変換器４０１の変換率を変更する方法である。ＡＤ変換器４０１の機能ブロックを図７に示す。図７に示すＡＤ変換器４０１は、例えば、逐次比較型ＡＤ変換器であり、差動アンプ７０１と、比較器７０２と、逐次比較レジスタ７０３と、ＤＡ変換器７０４と、ＤＡ変換器７０４に基準電位を供給する定電圧源７０５とを備える。逐次比較型ＡＤ変換器の変換率はＤＡ変換器７０４の基準電位によって決まる。

従って、第３の方法では、フィードバックゲイン設定部５００が出力したフィードバックゲイン設定値に応じて定電圧源７０５の出力電圧を変更する。これにより、ＡＤ変換器４０１の変換率を変更でき、発熱制御回路４００の応答特性を変更できる。第３の方法による利点は、アナログ回路のみで対応が可能であり、且つ、第２の方法よりも小規模な回路変更で応答特性を変更する機能を付加できる点である。

第４の方法は、ＤＡ変換器４０３の変換率を変更する方法である。ＤＡ変換器４０３の機能ブロックを図８に示す。図８に示すＤＡ変換器４０３は、例えば、Ｒ−２Ｒ型ＤＡ変換器であり、図１２に示すラダー抵抗８０１と、ラダー抵抗８０１から分岐した分岐抵抗８０２と、分岐抵抗８０２の一端を基準電位またはＧＮＤに接続するスイッチ８０３と、該基準電位を供給する定電圧源８０４とを備える。なお、Ｒ−２Ｒ型ＤＡ変換器の変換率は該基準電位によって決まる。

従って、第４の方法では、フィードバックゲイン設定部５００が出力したフィードバックゲイン設定値に応じて定電圧源８０４の出力電圧を変更する。これにより、ＤＡ変換器４０３の変換率を変更でき、発熱制御回路４００の応答特性を変更できる。第４の方法による利点は、第３の方法による利点と同様である。

尚、フィードバックゲイン設定部５００の実現手段は、図９に示す様なマップデータを用いても良いし、図１０に示す様な計算式を用いても良い。特に、流量に対して要求される応答特性の非線形性が大きい場合は、マップデータを用いた方が演算処理量を抑制できる。一方、流量に対して要求される応答特性の非線形性が小さい場合は、計算式を用いた方がメモリ容量を低減できる。

第１実施例をなす物理量計測装置による効果は、流量に応じて発熱制御回路４００のフィードバックゲインを変更できる点である。これにより以下の利点が生ずる。即ち、低流量における発熱制御回路４００のフィードバックゲインを小さくでき、発熱抵抗１０４の駆動信号を小振幅化して検出抵抗１０５、１０６に漏れこむノイズを低減できる。その結果、低流量における検出精度を向上できる。

次に、第２実施例をなす物理量計測装置について説明する。

第２実施例をなす物理量計測装置は、図１１等に示されるように脈動流の脈動周波数に応じて発熱制御回路４００のフィードバックゲインを設定できるフィードバックゲイン設定部５００を備える事を特徴とする。第２実施例をなす物理量計測装置のフィードバックゲイン設定部５００は、演算器３０２によって導出した流量情報から脈動周波数を導出し、該脈動周期に応じたフィードバックゲイン設定値を発熱制御回路４００に出力する。発熱制御回路４００は、該フィードバックゲイン設定値に応じてフィードバックゲインを変更することで、発熱制御回路４００の応答特性を変更する。

次に、フィードバックゲイン設定部５００が脈動周波数を導出する方法について詳細に説明する。

第１の方法は、計数器を用いて脈動周波数を測定する方法である。第１の方法を実現するフィードバックゲイン設定部５００の機能ブロックを図１１に示す。図１１に示すフィードバックゲイン設定部５００は、直流成分除去アンプ５０１と、リミッター５０２と、計数器５０３と、基準クロック発生器５０４と、フィードバックゲイン導出部５０５とを備える。

第１の方法では、演算器３０２から出力した流量信号の直流成分を直流成分除去アンプ５０１により除去し、リミッター５０２により矩形信号に整形する。計数器５０３は基準クロック発生器５０４から供給される基準クロック信号に基づいて、該矩形信号の周波数を測定する。フィードバックゲイン導出部５０５は測定した周波数情報に応じたフィードバックゲイン設定値をマップデータや計算式などを用いて導出し、発熱制御回路４００に出力する。第１の方法による利点は、高精度な周波数計測が可能である点である。

第２の方法は、整流器を用いて脈動周波数を測定する方法である。第２の方法を実現するフィードバックゲイン設定部５００の機能ブロックを図１２に示す。図１２に示すフィードバックゲイン設定部５００は、直流成分除去アンプ５０１と、リミッター５０２と、第１低域通過フィルタ５０６と、整流器５０７と、第２低域通過フィルタ５０８と、フィードバックゲイン導出部５０５とを備える。

第２の方法では、演算器３０２から出力した流量信号の直流成分を直流成分除去アンプ５０１により除去し、リミッター５０２により矩形信号に整形する。第１低域通過フィルタ５０６は、入力する該矩形信号の周波数に応じて第１低域通過フィルタ５０６通過後の出力波形が減衰するような遮断周波数を備える。整流器５０７は該出力波形を全波整流し、全波整流後の出力波形を第２低域通過フィルタ５０８を介して平滑化する。平滑化後の信号は該矩形信号の周波数に応じた値となるため、フィードバックゲイン導出部５０５は平滑化後の信号に応じたフィードバックゲイン設定値をマップデータや計算式などを用いて導出し、発熱制御回路４００に出力する。第２の方法による利点は、基準クロック発生器を用いる必要がなく、ソフトウェアのみで脈動周波数を測定する機能を付加できる点である。

第２実施例をなす物理量計測装置による効果は、脈動周波数に応じて発熱制御回路４００のフィードバックゲインを変更できる点である。これにより以下の利点が生ずる。即ち、脈動流中における発熱制御回路４００のフィードバックゲインを大きくでき、発熱制御回路４００の応答特性を高速化できる。その結果、発熱抵抗１０４の温度と目標温度とのずれを抑制でき、脈動時における検出精度を向上できる。

以上より、本発明では、発熱制御回路４００のフィードバックゲインを変更する変更手段を備えることにより、脈動時はフィードバックゲインを大きくして発熱制御回路４００の応答特性を高速化し、低流量時はフィードバックゲインを小さくして、発熱抵抗１０４の駆動信号を小振幅化し、検出抵抗１０５、１０に漏れこむノイズを低減できるようになる。このため、脈動時および低流量域の高精度化を実現することが可能となる。

１：配管、２：主通路、３：主流体、４：ケーシング、５：副通路、６：支流体、７：支持体、１００：センサ素子、１０４：発熱抵抗、１０５−１０６：検出抵抗、１０７：測温抵抗、１０８：絶縁性保護膜、１０９−１１１：感温抵抗、２００：回路素子、３００：流量検出回路、４００：発熱制御回路、４０１：ＡＤ変換器、４０２：フィードバック制御器、４０３：ＤＡ変換器。４０４：駆動トランジスタ、４０５：処理周期設定部、５００：フィードバックゲイン設定部、５０１：直流成分除去アンプ、５０２：リミッター、５０３：計数器、５０４：基準クロック発生器、５０５：フィードバックゲイン導出部、５０６：第１低域通過フィルタ、５０７：整流器、５０８：第２低域通過フィルタ、

Claims (8)

1. 流体中に配置したセンサ素子と、
   前記センサ素子に形成した発熱部および流量検知部と、
   前記発熱部の温度を監視して前記発熱部へ与える駆動信号をフィードバック制御する発熱制御手段と、
   前記発熱制御手段のフィードバックゲインを、前記流量検知部の検知値に応じて変更するゲイン変更手段と、を備え、
   前記ゲイン変更手段は、低流量におけるフィードバックゲインを、高流量におけるフィードバックゲインよりも小さくすることを特徴とする流量計測装置。
2. 前記流量検知部の検知値に応じて流体の物理パラメータを導出する物理パラメータ導出部と、を備え、
   前記物理パラメータは流体の脈動周波数であり、
   前記ゲイン変更手段は、前記脈動周波数が大きいほどフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記発熱制御手段は、前記発熱部の温度を検出する測温部と、
   前記測温部の出力信号をデジタル信号に変換する第１変換部と、
   前記デジタル信号に応じてフィードバック制御を行うデジタル制御部と、
   前記デジタル制御部の出力値を前記駆動信号に変換する第２変換部と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の流理量計測装置。
4. 前記ゲイン変更手段は、前記デジタル制御部の制御定数を変更する手段であることを特徴とする請求項３に記載の流理量計測装置。
5. 前記ゲイン変更手段は、前記第１変換部の変換率及び第２変換部の変換率のいずれか一方または両方を変更する手段であることを特徴とする請求項３に記載の流理量計測装置。
6. 流体中に配置したセンサ素子と、
   前記センサ素子に形成した発熱部および流量検知部と、
   前記発熱部の温度を監視して前記発熱部へ与える駆動信号をフィードバック制御する発熱制御手段と、
   前記発熱制御手段の応答時定数を、前記流量検知部の検知値に応じて変更する応答時定数変更手段と、を備え、
   前記ゲイン変更手段は、低流量における応答時定数を、高流量における応答時定数よりも小さくすることを特徴とする流量計測装置。
7. 前記流量検知部の検知値に応じて流体の物理パラメータを導出する導出部と、を備え、
   前記物理パラメータは流体の脈動周波数であり、
   前記ゲイン変更手段は、前記脈動周波数が大きいほど応答時定数を大きくすることを特徴とする請求項６に記載の流量計測装置。
8. 前記流量検知部の検知値に応じて流体の流量を導出する流量導出部と、を備え、前記流量導出部で導出した流量に基づき、前記ゲイン変更手段は、前記流量導出部で導出した流量を用いる請求項１乃至７の何れかに記載の流量計測装置。