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JP4205669B2 - Thermal air flow sensor device - Google Patents
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Description

本発明は、熱式空気流量センサ装置に関し、特に、それぞれ感温抵抗体にてなる少なくとも2つの発熱抵抗体を備えて空気流量を測定する熱式空気流量センサ装置に関する。  The present invention relates to a thermal air flow sensor device, and more particularly, to a thermal air flow sensor device that includes at least two heating resistors each composed of a temperature sensitive resistor and measures an air flow rate.

図43は、先行技術に係る熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この熱式空気流量センサ装置は、日本国特許出願公開昭和62年第812号公報の第7図において開示されているものであり、良好な応答性で逆流を検出するため、図43に示すように、以下の2つのブリッジ回路1101,1102を構成している。
(a)抵抗値Rhを有する発熱抵抗体1002と、抵抗値Raを有する温度プローブ1011aと、抵抗値R1を有する抵抗1001aと、抵抗値Rxを有する可変抵抗1015と、抵抗値Rmを有する可変抵抗1014とにより第1のブリッジ回路1101が構成される。
(b)抵抗値Rhを有する発熱抵抗体1003と、抵抗値Raを有する温度プローブ1011bと、抵抗値R1を有する抵抗1001bと、抵抗値Rxを有する可変抵抗1019と、抵抗値Rmを有する抵抗1018とにより第2のブリッジ回路1101が構成される。
上記各ブリッジ回路1101,1102において、発熱抵抗体1002,1003の温度が温度プローブ1011a,1011bの温度より常に一定温度高くなるように可変抵抗1015,1019の調整がなされている。すなわち、各ブリッジ回路1101,1102が平衡状態にあるとき、次式が成立する。
Rh=Rm(Ra+R1)/Rx ・・・(1)
ここで、空気温度が一定の場合は発熱抵抗体1002,1003の抵抗値Rh及び温度も実質的に常に一定に保たれる。空気温度が変化した場合、温度プローブ1011a,1011bの抵抗値Raが変化するが、各ブリッジ回路1101,1102の働きにより上式の関係は保たれるので、抵抗値Rhも同程度に変化し、温度プローブ1011aと発熱抵抗体1002間、及び、温度プローブ1011bと発熱抵抗体1003間の温度差はやはり実質的に一定に保たれる。なお、抵抗47,48は、熱式空気流量センサ装置の温度特性を調整するために、抵抗値Raと抵抗値Rhの温度による変化率を故意にずらすための調整抵抗である。
上記2つの発熱抵抗体1002,1003を、空気の流れに沿って上流側と下流側に配置し、各発熱抵抗体1002,1003に流れる各加熱電流の値を出力抵抗1014,1018の両端電圧より検出し、検出された両端電圧の差分値を、演算増幅器1022を備えた差動増幅器1022Aにより算出し、これを当該センサ装置の出力電圧Voutとしている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、上流側に位置する発熱抵抗体1002の方が流れにより冷却されやすいので、上流側加熱電流の空気流量依存性の方が大きく、上流側から下流側への流れである順流の場合には、単調増加の出力電圧Voutが得られる。また、下流側から上流側への流れである逆流の場合には、反転した単調減少の出力電圧Voutが得られる。ここで、上流側発熱抵抗体1002に流れる加熱電流をIhuとし、下流側発熱抵抗体1003に流れる加熱電流をIhdとすると、オフセット電圧を考慮しなければ、出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=Rm(Ihu−Ihd) ・・・(2)
上述の先行技術に係る熱式空気流量センサ装置では、発熱抵抗体1002,1003を定温度差で駆動するための2つのブリッジ回路1101,1102が必要であり、それを構成するための2つの温度プローブ1011a,1011bが必要であり、その他の抵抗、トランジスタ、演算増幅器なども2セット必要となる。これにより、回路規模が非常に大きくなり、小型・軽量化できず、製造コストも軽減できないという問題点があった。
また、温度差と温度特性を調整するために、2つのブリッジ回路1101,1102の調整のために、調整工程が大幅に増加する。さらに、発熱抵抗体1002,1003及び温度プローブ1011a,1011bから最低でも6本の配線が必要であり、配線接続工程も大幅に増加する。このように、先行技術では製作工程が増加して製造コストが増大するという問題点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して、回路規模を大幅に減少させることができ、これにより、小型・軽量化でき大幅に製造コストを軽減できる熱式空気流量センサ装置を提供することにある。
FIG. 43 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the prior art. This thermal air flow sensor device is disclosed in FIG. 7 of Japanese Patent Application Publication No. 812 of 1987, and as shown in FIG. 43 in order to detect a backflow with good responsiveness. In addition, the following two bridge circuits 1101 and 1102 are configured.
(A) A heating resistor 1002 having a resistance value Rh, a temperature probe 1011a having a resistance value Ra, a resistor 1001a having a resistance value R1, a variable resistor 1015 having a resistance value Rx, and a variable resistor having a resistance value Rm 1014 constitutes a first bridge circuit 1101.
(B) A heating resistor 1003 having a resistance value Rh, a temperature probe 1011b having a resistance value Ra, a resistor 1001b having a resistance value R1, a variable resistor 1019 having a resistance value Rx, and a resistor 1018 having a resistance value Rm Thus, the second bridge circuit 1101 is configured.
In each of the bridge circuits 1101 and 1102, the variable resistors 1015 and 1019 are adjusted so that the temperature of the heating resistors 1002 and 1003 is always higher than the temperatures of the temperature probes 1011a and 1011b. That is, when the bridge circuits 1101 and 1102 are in an equilibrium state, the following equation is established.
Rh = Rm (Ra + R1) / Rx (1)
Here, when the air temperature is constant, the resistance value Rh and the temperature of the heating resistors 1002 and 1003 are also kept substantially constant at all times. When the air temperature changes, the resistance value Ra of the temperature probes 1011a and 1011b changes, but the relationship of the above equation is maintained by the action of the bridge circuits 1101 and 1102, so the resistance value Rh also changes to the same extent. The temperature differences between the temperature probe 1011a and the heating resistor 1002 and between the temperature probe 1011b and the heating resistor 1003 are also kept substantially constant. The resistors 47 and 48 are adjustment resistors for intentionally shifting the rate of change of the resistance value Ra and the resistance value Rh depending on the temperature in order to adjust the temperature characteristics of the thermal air flow sensor device.
The two heating resistors 1002 and 1003 are arranged on the upstream side and the downstream side along the air flow, and the value of each heating current flowing through each heating resistor 1002 and 1003 is determined by the voltage across the output resistors 1014 and 1018. The detected difference value between the detected voltages at both ends is calculated by the differential amplifier 1022A including the operational amplifier 1022, and this is used as the output voltage Vout of the sensor device.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the heating resistor 1002 positioned on the upstream side is more likely to be cooled by the flow, so the upstream heating current is more dependent on the air flow rate, and the upstream side In the case of the forward flow that flows from the downstream side to the downstream side, a monotonically increasing output voltage Vout is obtained. In the case of a reverse flow that is a flow from the downstream side to the upstream side, an inverted monotonically decreasing output voltage Vout is obtained. Here, if the heating current flowing through the upstream side heating resistor 1002 is Ihu and the heating current flowing through the downstream side heating resistor 1003 is Ihd, the output voltage Vout is expressed by the following equation without considering the offset voltage. .
Vout = Rm (Ihu−Ihd) (2)
In the thermal air flow sensor device according to the above-described prior art, two bridge circuits 1101 and 1102 for driving the heating resistors 1002 and 1003 with a constant temperature difference are necessary, and two temperatures for configuring the bridge circuits 1101 and 1102 are necessary. Probes 1011a and 1011b are required, and two sets of other resistors, transistors, operational amplifiers, and the like are required. As a result, there is a problem that the circuit scale becomes very large, the size and weight cannot be reduced, and the manufacturing cost cannot be reduced.
Further, in order to adjust the temperature difference and the temperature characteristics, the adjustment process greatly increases due to the adjustment of the two bridge circuits 1101 and 1102. Furthermore, at least six wires are required from the heating resistors 1002 and 1003 and the temperature probes 1011a and 1011b, and the number of wiring connection steps is greatly increased. Thus, the prior art has a problem that the manufacturing process increases and the manufacturing cost increases.
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and the circuit scale can be greatly reduced as compared with the prior art, so that the thermal air flow rate can be reduced in size and weight and the manufacturing cost can be greatly reduced. It is to provide a sensor device.

第1の発明に係る熱式空気流量センサ装置は、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる2つの発熱抵抗体と、
上記2つの発熱抵抗体に接続され、上記2つの発熱抵抗体に加熱電流を供給する電源手段と、
上記2つの発熱抵抗体の接統点の電位が所定の基準電位となるように、上記2つの発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する制御手段と、
上記2つの発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備えたことを特徴とする。
また、第2の発明に係る熱式空気流量センサ装置は、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第1と第2の発熱抵抗体と、
上記第1の発熱抵抗体に、第1の固定抵抗を介して加熱電流を供給するとともに、上記第2の発熱抵抗体に、第2の固定抵抗を介して加熱電流を供給する電源手段と、
上記第1の発熱抵抗体と上記第1の固定抵抗の接続点の電位である第1の電位と、上記第2の発熱抵抗体と上記第2の固定抵抗の接続点の電位である第2の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第1の電位を制御する第1の制御手段とを備え、
上記2つの発熱抵抗体に流れる加熱電流の差を空気流量として測定することを特徴とする。
さらに、第3の発明に係る熱式空気流量センサ装置は、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ、第1、第2、第3及び第4の発熱抵抗体の順序で互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第1、第2、第3及び第4の発熱抵抗体と、
上記第1の発熱抵抗体に、第2の発熱抵抗体を介して加熱電流を供給するとともに、上記第4の発熱抵抗体に、第3の固定抵抗を介して加熱電流を供給する電源手段と、
上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体の接続点の電位である第1の電位と、上記第3の発熱抵抗体と上記第4の発熱抵抗体の接続点の電位である第2の電位の差の絶対値が実質的に最小となるように、上記第1の電位を制御する第1の制御手段とを備え、
上記第1と第2の発熱抵抗体に流れる加熱電流の差を空気流量として測定することを特徴とする。
A thermal air flow sensor device according to a first aspect of the present invention includes two heat generation units that are in a flow of air, juxtaposed along the flow, and electrically connected to each other in series, each of which is a temperature-sensitive resistor. A resistor,
Power supply means connected to the two heating resistors and supplying a heating current to the two heating resistors;
Control means for controlling the heating current supplied to the two heating resistors so that the potential at the connection point of the two heating resistors becomes a predetermined reference potential;
And a calculation means for calculating a difference between the heating currents flowing through the two heating resistors as an air flow rate.
Further, the thermal air flow sensor device according to the second aspect of the present invention is the air flow sensor device, wherein the thermal air flow sensor device is juxtaposed along the flow and electrically connected in series with each other, each of which is composed of a temperature sensitive resistor. 1 and a second heating resistor;
Power supply means for supplying a heating current to the first heating resistor via a first fixed resistor and supplying a heating current to the second heating resistor via a second fixed resistor;
A first potential that is a potential at a connection point between the first heating resistor and the first fixed resistor, and a second potential that is a potential at a connection point between the second heating resistor and the second fixed resistor. First control means for controlling the first potential so that the absolute value of the difference between the potentials is substantially minimized,
The difference between the heating currents flowing through the two heating resistors is measured as an air flow rate.
Furthermore, the thermal air flow sensor device according to the third invention is arranged in the air flow along the flow, and the order of the first, second, third and fourth heating resistors. The first, second, third and fourth heat generating resistors, each of which is electrically connected in series with each other and made of a temperature sensitive resistor,
Power supply means for supplying a heating current to the first heating resistor via a second heating resistor and supplying a heating current to the fourth heating resistor via a third fixed resistor; ,
The first potential, which is the potential at the connection point between the first heating resistor and the second heating resistor, and the potential at the connection point between the third heating resistor and the fourth heating resistor. First control means for controlling the first potential so that the absolute value of the difference between the second potentials is substantially minimized;
The difference between the heating currents flowing through the first and second heating resistors is measured as an air flow rate.

図1は、本発明に係る第1の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図2は、図1において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図1のA−A’線についての縦断面図である。
図3は、図1及び図2の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図4は,図3の空気流量データ変換回路200の構成を示すブロック図である。
図5は、図3の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。
図6は、本発明に係る第2の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図7は、本発明に係る第3の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図8は、図7の熱式空気流量センサ装置において帰還の有無をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。
図9は、本発明に係る第4の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図10は、図9において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図9のB−B’線についての縦断面図である。
図11は、図9及び図10の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図12は、図11の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体19の有無をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。
図13は、本発明に係る第4の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図14は、本発明に係る第5の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図15は、図14において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図14のC−C’線についての縦断面図である。
図16は、図14及び図15の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図17は、図16の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体16の有無及び空気流量の大小をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。
図18は、本発明に係る第5の好ましい実施形態の第1の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図19は、本発明に係る第5の好ましい実施形態の第2の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図20は、本発明に係る第5の好ましい実施形態の第3の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図21は、本発明に係る第6の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図22は、本発明に係る第6の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図23は、本発明に係る第7の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図24は、本発明に係る第8の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図25は、本発明に係る第9の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図26は、図25の熱式空気流量センサ装置において可変電源と固定電源をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。
図27は、本発明に係る第9の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の一部の回路構成を示す回路図である。
図28は、本発明に係る第10の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図29は、図28のコンパレータ31の出力端子32からの出力電圧Voutの電圧波形を示すタイミングチャートである。
図30は、本発明に係る第11の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図31は、本発明に係る第12の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図32は、本発明に係る第13の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図33は、本発明に係る第14の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図34は、本発明に係る第15の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図35は、図34において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図34のD−D’線についての縦断面図である。
図36は、図34及び図35の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図37は、本発明に係る第16の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図38は、本発明に係る第17の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図39は、図38の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する発熱抵抗体3,4の各温度及びそれらの間の温度差を示すグラフである。
図40は、本発明に係る第18の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図である。
図41は、図40において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図40のE−E’線についての縦断面図である。
図42は、図40及び図41の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
図43は、先行技術に係る熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
FIG. 1 is a top view showing a configuration of a thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is a first preferred embodiment according to the present invention.
2 is a longitudinal sectional view taken along line AA ′ of FIG. 1 when the insulating protective film 5 is formed in FIG.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 1 and 2.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the air flow rate data conversion circuit 200 of FIG.
FIG. 5 is a graph showing characteristics of the output voltage Vout with respect to the air flow rate in the thermal air flow sensor device of FIG.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the second preferred embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a third preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air flow rate with the presence or absence of feedback as a parameter in the thermal air flow sensor device of FIG.
FIG. 9 is a top view showing a configuration of a thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is a fourth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view taken along line BB ′ of FIG. 9 when the insulating protective film 5 is formed in FIG.
FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 9 and 10.
FIG. 12 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air temperature using the presence or absence of the resistance temperature detector 19 as a parameter in the thermal air flow sensor device of FIG.
FIG. 13 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the fourth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 14 is a top view showing the configuration of the thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is the fifth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 15 is a longitudinal sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 14 when the insulating protective film 5 is formed in FIG.
FIG. 16 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 14 and 15.
FIG. 17 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air temperature using the presence or absence of the resistance temperature detector 16 and the magnitude of the air flow rate as parameters in the thermal air flow sensor device of FIG.
FIG. 18 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a first modification of the fifth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 19 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a second modification of the fifth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 20 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a third modification of the fifth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 21 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a sixth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the sixth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a seventh preferred embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to an eighth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a ninth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air flow rate using the variable power source and the fixed power source as parameters in the thermal air flow sensor device of FIG.
FIG. 27 is a circuit diagram showing a partial circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the ninth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the tenth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 29 is a timing chart showing a voltage waveform of the output voltage Vout from the output terminal 32 of the comparator 31 of FIG.
FIG. 30 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to an eleventh preferred embodiment of the present invention.
FIG. 31 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a twelfth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 32 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a thirteenth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 33 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a fourteenth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 34 is a top view showing the configuration of the thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is the fifteenth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 35 is a longitudinal sectional view taken along line DD ′ of FIG. 34 when the insulating protective film 5 is formed in FIG.
FIG. 36 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 34 and 35.
FIG. 37 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the sixteenth preferred embodiment of the present invention.
FIG. 38 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a seventeenth preferred embodiment according to the present invention.
FIG. 39 is a graph showing the temperatures of the heating resistors 3 and 4 and the temperature difference therebetween with respect to the air flow rate in the thermal air flow sensor device of FIG.
FIG. 40 is a top view showing the configuration of the thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is the eighteenth preferred embodiment according to the present invention.
41 is a longitudinal sectional view taken along line EE ′ of FIG. 40 when the insulating protective film 5 is formed in FIG.
FIG. 42 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 40 and 41.
FIG. 43 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the prior art.

本発明に係る好ましい実施形態について、添付の図面を参照して以下に詳細説明する。なお、以下の図面において同様の構成要素については同一の符号を付している。
第1の好ましい実施形態
図1は、本発明に係る第1の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図2は、図1において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図1のA−A’線についての縦断面図である。なお、図1及び図2において、矢印100は当該熱式空気流量センサ装置により測定すべき空気の流れを示している。
図1及び図2において、シリコンチップ1上に、絶縁膜2からなるダイヤフラム17を形成し、当該ダイヤフラム17上に、例えば白金、ニッケル又はパーマロイなどのように、その抵抗値が温度により変化する感温抵抗材料からなる感温抵抗体であって、かつ、図3を参照して詳細後述するように定電圧源8により比較的大きな電流が流れて熱エネルギーを放出し、その抵抗値がRhu,Rhdである発熱抵抗体3,4を、矢印100により示された測定すべき空気の流れの中であってその流れに沿って、かつ各発熱抵抗体3,4の長手方向が互いに平行となり空気の流れに対して概略直交するように形成している。なお、感温抵抗体とは、温度を感知して当該抵抗値が変化する抵抗体をいう。さらに、発熱抵抗体3,4が形成された絶縁膜2上に絶縁保護膜5が形成され、これにより、発熱抵抗体3,4の表面が保護されている。
図3は、上記発熱抵抗体3,4を備えた図1及び図2の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図3において、発熱抵抗体3,4と、固定抵抗7,6とをこれらの順序で電気的に直列に接続することによりブリッジ回路101を形成し、発熱抵抗体4と固定抵抗7との接続点は所定の電源電圧Vccを有する定電圧源8に接続される一方、発熱抵抗体3と固定抵抗6との接続点は接地される。これにより、発熱抵抗体3,4にそれぞれ比較的大きな加熱電流Ihu,Ihdが流れ、発熱抵抗体3,4はそれぞれ加熱電流Ihu,Ihdに応じた熱エネルギーを放出する。また、定電圧源8の電源電圧Vccは固定抵抗6,7により分圧されて、その分圧比に応じた固定の基準電圧Vsが固定抵抗6,7の接続点6に発生する。
また、発熱抵抗体3,4の接続点9は開ループ利得Aを有する演算増幅器11の反転入力端子に接続され、固定抵抗6,7の接続点10は演算増幅器11の非反転入力端子に接続される。さらに、演算増幅器11の出力端子12は、図4の流量データ変換回路200に接続されるとともに、抵抗値Rmを有する帰還抵抗13を介して発熱抵抗体3,4の接続点9に帰還し、ここで、演算増幅器11の出力端子12から詳細後述するように、空気流量に応じた出力電圧Voutが出力され、流量データ変換回路200は、入力される出力電圧Voutを流量データに変換してディジタル形式の流量データとして出力する。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、図1及び図2の矢印100に示すように、空気の流れが発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って生じると、発熱抵抗体4よりも発熱抵抗体3の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体3の抵抗値Rhuが発熱抵抗体4の抵抗値Rhdよりも小さくなり、接続点9の電位Vmは、電源電圧Vccと固定抵抗6,7の分圧比で決定される接続点10の基準電位Vsよりも小さくなる。当該回路において、ブリッジ回路101と、比較的大きな開ループ利得Aを有する演算増幅器11と、帰還抵抗13とにより形成される制御系では、演算増幅器11への2つの入力電圧の差の絶対値が最小となるように、すなわち、実質的に0となるように演算増幅器11からの出力電圧Voutが発生されるので、上述のように、Vm<Vsのとき、演算増幅器11からの出力電圧Voutが高くなり、演算増幅器11から接続点9への供給電流は増加し、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが増加する。ここで、接続点9の電位Vmは次式で表される。
Vm=Rhu×Ihu ・・・(3)
従って、加熱電流Ihuが増加すると電位Vmが上昇する。また、加熱電流Ihuが増加すると発熱抵抗体3による発熱量が増大し、発熱抵抗体3の温度が上昇してその抵抗値Rhuも増大する。これによっても電位Vmは上昇する。そして、加熱電流Ihuの増加は、上述のように、電位Vmが基準電位Vsと等しくなった時点で停止する。このとき、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdと、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuの差電流(=Ihu−Ihd)が演算増幅器11から帰還抵抗13を介して接続点9に供給されており、出力端子12に現れる出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=A(Vs−Vm)
=Vs+Rm(Ihu−Ihd) ・・・(4)
ここで、固定抵抗6,7の各抵抗値を等しくなるように選択した場合、Vs=Vcc/2であるから、次式を得る。
Vout=Vcc/2+Rm(Ihu−Ihd) ・・・(5)
また、Vm=Vsとなるように制御されるので、
Rhu・Ihu=Rhd・Ihd=Vcc/2 ・・・(6)
となる。
すなわち、この好ましい実施形態においては、抵抗値Rhu,Rhd及び加熱電流Ihu,Ihdの4つの値が全て変化し、(6)式を満たす値に収束する。従って、抵抗値Rhu、Rhdをそれぞれ一定値に保つよう制御が働く先行技術の定温度差駆動とは駆動方式が全く異なる。
以上説明したように、当該熱式空気流量センサ装置においては、順流のときは、Ihu>Ihdとなるため、出力電圧Voutは空気流量の増加に従って単調増加する一方、逆流のときは、Ihu<Ihdとなり、出力電圧Voutは空気流量の増加に従って単調減少する。また、空気の流れのない状態では、発熱抵抗体3と発熱抵抗体4の温度は等しくなり、Rhu=Rhdとなるので、Ihu=Ihdとなり、Vout=Vsとなる。
図5は、図3の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。図5から明らかなように、空気流量が増大するにつれて出力電圧Voutが単調増加していることがわかる。
図4は,図3の空気流量データ変換回路200の構成を示すブロック図である。図4において、空気流量データ変換回路200は、
(a)空気流量データ変換回路200の回路全体を制御するCPU201と、
(b)CPU201の制御動作のために必要なプログラムや、図5に図示された出力電圧Voutと空気流量との関係を含み出力電圧Voutから空気流量への変換処理を行うための変換テーブル202aなどのデータを格納するROM202と、
(c)CPU201のワーキングメモリとして動作するRAM203と、
(d)演算増幅器11のアナログ出力電圧VoutをディジタルデータにA/D変換してCPU201に出力するA/D変換器204と、
(e)CPU201により出力電圧Voutから変換された流量データを所定の電気信号に変換して出力する出力インターフェース205とを備えて構成され、これらの回路構成要素201乃至205はバス206を介して接続される。
CPU201は、ROM202内の変換テーブル201aを参照して、A/D変換器204によりA/D変換された出力電圧Voutのディジタルデータを、流量データに変換した後、出力インターフェース205を介して外部装置に出力する。
なお、第2の好ましい実施形態以降の好ましい実施形態において、空気流量データ変換回路200の接続について説明していないが、空気流量データを得るために当該空気流量データ変換回路200が出力電圧Voutの出力端子に接続されている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、図3に示すように1個のブリッジ回路101と演算増幅器11などを用いて構成することができ、複雑な回路を有する差動増幅器1022Aなどは必要ない。また、2つの発熱抵抗体3,4により測温される温度に対応する加熱電流Ihd,Ihu間の相対的な関係を制御する方式なので空気温度を直接に検出するための測温抵抗体を設ける必要はない。なお、測温抵抗体とは、温度を測定する抵抗体である。さらに、図3の回路構成によれば、発熱抵抗体3,4からの配線数を3本に減らすことが可能であり、当該回路の回路構成を先行技術に比較してきわめて簡単にすることができる。
またさらに、発熱抵抗体3,4の温度を調整するには定電圧源8の電源電圧Vccを調整するのみで可能であり、調整がきわめて簡単である。
以上説明したように、本発明に係る第1の好ましい実施形態によれば、当該熱式空気流量センサ装置を小型・軽量化でき、調整工程を含む製造工程を簡略化でき、これにより製造コストを大幅に軽減することができる。
以上の第1の好ましい実施形態において、ブリッジ回路101を用いているが、本発明はこれに限らず、定電圧源8と2つの固定抵抗6,7によって基準電圧Vsを発生する回路は、ブリッジ回路101の一部の回路を用いず構成してもよく、例えば、固定の定電圧源であってもよいし、所定の定電圧源からの電源電圧を分圧した電圧を基準電圧Vsとして供給してもよい。
第2の好ましい実施形態
図6は、本発明に係る第2の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図6に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器11の出力段にNPNトランジスタ14を接続し、このトランジスタ14から帰還抵抗13を介して接続点9へ電流を供給するように構成したことを特徴としている。
図6において、演算増幅器11の出力端子12はNPNトランジスタ14のベースに接続され、そのトランジスタ14のコレクタは抵抗61を介して定電圧源8に接続される。また、トランジスタ14のエミッタは、抵抗62を介して接地されるとともに、帰還抵抗13を介して接続点9に接続され、当該トランジスタ14のエミッタと抵抗62との接続点が出力電圧Voutの出力端子となる。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、演算増幅器11の出力端子12の出力電圧によりNPNトランジスタ14のコレクタ・エミッタ電流を制御し、当該電流に比例する電圧を抵抗62により取り出すことにより、当該センサ装置の出力電圧Voutを得る。また、当該出力電圧Voutは帰還抵抗13を介して接続点9に帰還される。従って、第2の好ましい実施形態によれば、第1の好ましい実施形態の作用効果に加えて、出力段に増設したNPNトランジスタ14により出力電流容量を増大させることができる。言いかえれば、電流容量の小さい演算増幅器11でも所望の出力電圧Voutを得ることが可能となる。
第3の好ましい実施形態
図7は、本発明に係る第3の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図7に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器11の出力端子12とその非反転入力端子との間に、抵抗値Rfを有する帰還抵抗15を挿入することにより、演算増幅器11からの出力電圧Voutを、帰還抵抗15を介して固定抵抗6,7の接続点10に帰還したことを特徴としている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、空気流量が増大して出力電圧Voutが増加すると、接続点10の基準電位Vsが上昇し、この基準電位Vsと接続点9の電位Vmとが等しくなるように制御されるので、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが更に増大し、出力電圧Voutが更に増大する。従って、特に大空気流量域での流量測定の感度を向上させることができる。
図8は、図7の熱式空気流量センサ装置において帰還の有無をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。図8から明らかなように、帰還が有る場合、帰還が無い場合に比較して、特に大空気流量域での流量測定の感度を向上させることができることがわかる。このことは、測定可能な空気流量範囲がより広く必要な場合において有効である。
第4の好ましい実施形態
図9は、本発明に係る第4の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図10は、図9において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図9のB−B’線についての縦断面図である。また、図11は、図9及び図10の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図11に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、帰還抵抗13と電気的に直列に空気温度を検出するための測温抵抗体16を挿入したことを特徴としている。この測温抵抗体16は、図9及び図10に示すように、例えばセンサチップ1の先端において、空気の流れ中に形成されているが、発熱抵抗体3,4から放出される熱エネルギーの影響を受けないように発熱抵抗体3,4とは所定の距離だけ離間して形成されたダイヤフラム18上に、発熱抵抗体3,4と同じ材料の測温抵抗体により形成されている。ここで、発熱抵抗体3,4には大きな電流が流れて熱エネルギーを放出するが、測温抵抗体16には帰還抵抗13に流れる微小動作電流しか流れないので、実質的に熱エネルギーを放出しないが、発熱抵抗体3,4の熱エネルギーの影響を受けずに、空気温度を検出して、検出した空気温度に応じて、演算増幅器11から帰還抵抗13を介して接続点9に流れる帰還電流を制御する。
図12は、図11の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体16の有無をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。図12から明らかなように、測温抵抗体16を設けない第1の好ましい実施形態においては、空気温度が増大するにつれて、演算増幅器11からの出力電圧Voutは相対的に低下する場合があるが、測温抵抗体16を設けることにより、空気温度が変化しても出力電圧Voutの変化が最小となるように温度特性を補償し、測定誤差を最小化する。これは(4)式における帰還抵抗13に空気温度依存性を持たせたことに相当する。
以上のように構成された第4の好ましい実施形態によれば、帰還抵抗13の抵抗値を調整するだけで補償量の調整が可能なので、調整工程が簡単になる。また、発熱抵抗体3,4及び測温抵抗体16からの配線数は4本となるが、その本数は先行技術に比較して少なく、回路構成を簡単化できる。
図13は、本発明に係る第4の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図13に示すように、測温抵抗体16を帰還抵抗13に電気的に並列に接続してもよい。これにより、当該変形例は、第4の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第4の好ましい実施形態とその変形例については、図3の第1の好ましい実施形態に対して適用しているが、本発明はこれに限らず、第2及び第3の好ましい実施形態に適用してもよい。
第5の好ましい実施形態
図14は、本発明に係る第5の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図15は、図14において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図14のC−C’線についての縦断面図である。また、図16は、図14及び図15の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図14及び図15に示すように、図1及び図2の第1の好ましい実施形態に比較して、ダイヤフラム17上に、発熱抵抗体3,4とは別であって、発熱抵抗体3,4の間に位置するように、抵抗値Rtを有する測温抵抗体19を形成し、当該測温抵抗体19は、図16に示すように、帰還抵抗13と電気的に直列に接続したことを特徴としている。なお、発熱抵抗体3,4及び測温抵抗体19はそれらの各長手方向が互いに平行となり、空気の流れに対して概略直交するように形成されている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、測温抵抗体19は発熱抵抗体3,4の近傍に形成されているので、発熱抵抗体3,4より放出される熱エネルギーの影響を受け、発熱抵抗体3,4の温度及び空気温度に関係した温度を検出することができる。すなわち、ダイヤフラム17上の温度は空気温度が高いと上昇し、低いと低下するので、測温抵抗体19の抵抗値Rtも空気温度が高いと上昇し、低いと低下する。また、発熱抵抗体3,4の温度は空気流量の影響を受けてそれらの温度が変化し、すなわち、空気流量が大きくなれば、発熱抵抗体3,4の温度は低下する一方、空気流量が小さくなれば、発熱抵抗体3,4の温度は上昇する。従って、当該測温抵抗体19を帰還抵抗13と電気的に直列に接続することにより、第4の好ましい実施形態と同様に温度特性を補償するとともに、空気流量に依存した温度特性の補償を行うことができる。
図17は、図16の熱式空気流量センサ装置において測温抵抗体16の有無及び空気流量の大小をパラメータとする空気温度に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。図17から明らかなように、測温抵抗体16を設けない場合においては、空気温度が増大するにつれて、演算増幅器11からの出力電圧Voutは相対的に低下し、空気流量がより大きくなるとその低下量は増大する。これを補償するために、測温抵抗体19を設けることにより、空気温度が変化しても出力電圧Voutの変化が最小となるように温度特性を補償し、さらに、この補償量は流量が大きいほど大きくできるので、全流量域に亘って測定誤差を最小化できる。すなわち、測温抵抗体19の抵抗値Rtは空気温度ばかりでなく、空気流量によっても変化するので、空気流量依存性を持った温度特性の補償も可能となり、第4の好ましい実施形態よりもさらに高精度な温度特性の補償が可能となる。
以上のように構成された第5の好ましい実施形態によれば、帰還抵抗13の抵抗値を調整するだけで補償量の調整が可能なので、調整工程が簡単になる。また、発熱抵抗体3,4及び測温抵抗体19からの配線数は4本となるが、その本数は先行技術に比較して少なく、回路構成を簡単化できる。
図18は、本発明に係る第5の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図18に示すように、測温抵抗体19を帰還抵抗13に電気的に並列に接続してもよい。これにより、当該変形例は、第5の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
図19は、本発明に係る第5の好ましい実施形態の第2の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。図19に示すように、図16の第5の好ましい実施形態に比較して、図7の第3の好ましい実施形態と同様に、演算増幅器11の出力端子12とその非反転出力端子との間に、抵抗値Rfを有する帰還抵抗15を挿入することにより、演算増幅器11からの出力電圧Voutを、帰還抵抗15を介して固定抵抗6,7の接続点10に帰還したことを特徴としている。以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、第5の好ましい実施形態の作用効果に加えて、第3の好ましい実施形態の作用効果を有する。
図20は、本発明に係る第5の好ましい実施形態の第3の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この変形例においては、図19の変形例に比較して、測温抵抗体19を帰還抵抗13と電気的に並列に接続したことを特徴としている。以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においても、第5の好ましい実施形態の作用効果に加えて、第3の好ましい実施形態の作用効果を有する。
第6の好ましい実施形態
図21は、本発明に係る第6の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図21に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に係るブリッジ回路101の固定抵抗6に代えて、ブリッジ回路101aにおいて固定抵抗6と測温抵抗体16との直列回路を設けたことを特徴としている。ここで、測温抵抗体16は、図9及び図10に示すように、空気温度を検出するものであり、空気温度が高温であるときに接続点10の基準電位Vsを高くする一方、空気温度が低温であるときに基準電位Vsを低くすることができるので、この好ましい実施形態は、第4の好ましい実施形態と同様の温度特性の補償を行うことができる。すなわち、以上のように構成された好ましい実施形態は、第4の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
図22は、本発明に係る第6の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この変形例によれば、図22に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に係るブリッジ回路101の固定抵抗6に代えて、ブリッジ回路101bにおいて固定抵抗6と測温抵抗体16との並列回路を設けたことを特徴としている。以上のように構成された好ましい実施形態は、第4及び第6の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
第7の好ましい実施形態
図23は、本発明に係る第7の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図23に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、接続点10への帰還電圧を、空気温度によって抵抗値R20が変化する測温抵抗体20に依存して増幅する非反転増幅器301を設けたことを特徴としている。ここで、測温抵抗体20は、図9及び図10に図示された、空気温度を検出するための測温抵抗体16であるが、本発明はこれに限らず、図14及び図15に図示された、発熱抵抗体3,4からの放出される熱エネルギーの影響を受けかつ空気温度を検出する測温抵抗体19であってもよい(以下、第7の好ましい実施形態の変形例という。)。
図23において、演算増幅器11の出力端子12は、帰還抵抗13を介して接続点9に接続される。また、出力端子12の電圧Voutは固定抵抗65,66により分圧され、その分圧点は非反転増幅器301を介して接続点10に接続される。ここで、非反転増幅器301は、演算増幅器63と、抵抗値R21を有する入力負荷抵抗21と、抵抗値R20を有する帰還抵抗20と、出力抵抗64とを備えて構成される。具体的には、固定抵抗65,66の接続点は演算増幅器63の非反転入力端子に接続され、演算増幅器63の反転入力端子は入力負荷抵抗21を介して接地されるとともに、帰還抵抗20を介して演算増幅器63の出力端子に接続される。また、演算増幅器63の出力端子は出力抵抗64を介して接続点10に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、非反転増幅器301内の演算増幅器63の出力端子における電圧である帰還電圧Vfは次式で表される。

Figure 0004205669
上記(8)式からわかるように、空気温度が高くなって、測温抵抗体20の抵抗値R20が大きくなると、帰還電圧Vfが高くなり、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが更に増加して出力電圧Voutも高くなる。従って、第7の好ましい実施形態又はその変形例によればそれぞれ、図12又は図17と同様に、出力電圧Voutを温度補償することができ、測定誤差を最小化することができる。従って、第7の好ましい実施形態又はその変形例はそれぞれ、第4又は第5の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第7の好ましい実施形態においては、測温抵抗体20がダイヤフラム18上に形成され、空気温度のみを検出するので、空気温度に依存して出力電圧Voutを変化させるが、第7の好ましい実施形態の変形例においては、測温抵抗体20がダイヤフラム17上に形成され、空気温度及び発熱抵抗体3,4の温度に関係した温度を検出するので、空気温度及び空気流量に依存して出力電圧Voutを変化させることができる。
第8の好ましい実施形態
図24は、本発明に係る第8の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図24に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器11からの出力電圧Voutを、空気温度によって抵抗値R20aが変化する測温抵抗体20aと、抵抗値R22を有する固定抵抗22により分圧し、この分圧された電圧に基づいて接続点10への帰還量を制御するための緩衝増幅器302を設けたことを特徴としている。ここで、測温抵抗体20aは、図9及び図10に図示された、空気温度を検出するための測温抵抗体16であるが、本発明はこれに限らず、図14及び図15に図示された、発熱抵抗体3,4からの放出される熱エネルギーの影響を受けかつ空気温度を検出する測温抵抗体19であってもよい(以下、第8の好ましい実施形態の変形例という。)。
図24において、演算増幅器11の出力端子12は固定抵抗22と測温抵抗体20aを介して接地され、固定抵抗22と測温抵抗体20aの接続点は演算増幅器63の非反転入力端子に接続される。緩衝増幅器302は、演算増幅器63と、出力抵抗64とを備えて構成され、演算増幅器63の反転入力端子はその出力端子に接続され、当該出力端子は出力抵抗64を介して接続点10に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、緩衝増幅器302内の演算増幅器63の出力端子における帰還電圧Vfは次式で表される。
Figure 0004205669
上記(10)式からわかるように、空気温度が高くなって抵抗値R20が大きくなると、帰還電圧Vfが高くなり、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが更に増加して出力電圧Voutも高くなる。従って、第8の好ましい実施形態又はその変形例によればそれぞれ、図12又は図17と同様に、出力電圧Voutを温度補償することができ、測定誤差を最小化することができる。従って、第8の好ましい実施形態又はその変形例はそれぞれ、第4又は第5の好ましい実施形態と同様の作用効果を有する。
なお、第8の好ましい実施形態においては、測温抵抗体20がダイヤフラム18上に形成され、空気温度のみを検出するので、空気温度に依存して出力電圧Voutを変化させるが、第8の好ましい実施形態の変形例においては、測温抵抗体20がダイヤフラム17上に形成され、空気温度及び発熱抵抗体3,4の温度に関係した温度を検出するので、空気温度及び空気流量に依存して出力電圧Voutを変化させることができる。
第9の好ましい実施形態
図25は、本発明に係る第9の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図25に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、演算増幅器11からの出力電圧Voutに基づいて、発熱抵抗体4と固定抵抗7の接続点8aにおける電圧Vcc10を制御するための制御回路303をさらに設けたことを特徴としている。
図25において、差動増幅器304は、演算増幅器37と、2つの入力抵抗71,73と、入力負荷抵抗72と、帰還抵抗74とを備えて構成される。発熱抵抗体4と固定抵抗7の接続点8aは、入力抵抗71を介して演算増幅器37の非反転入力端子に接続され、当該非反転入力端子は入力負荷抵抗72を介して接地される。また、演算増幅器11の出力端子12は入力抵抗73を介して演算増幅器37の反転入力端子に接続され、演算増幅器37の反転入力端子は帰還抵抗74を介してその出力端子40に接続される。さらに、演算増幅器37の出力端子40は開ループ利得Aを有する演算増幅器41の反転入力端子に接続され、演算増幅器41の非反転入力端子には、例えばVcc/2以下の固定の電源電圧Vcc1を有する定電圧源38に接続される。演算増幅器41の出力端子は電源電圧Vccを制御するNPNトランジスタ67のベースに接続される。定電圧源8はNPNトランジスタ67のコレクタ及びエミッタを介して接続点8aに接続される。
以上のように構成された制御回路303においては、差動増幅器304により制御後電圧Vcc10と出力電圧Voutとの間の差電圧Vdを発生させ、当該差電圧Vdと、固定の電源電圧Vcc1とを演算増幅器41に入力し、その出力電圧によってトランジスタ42を駆動してブリッジ回路101への電源電圧Vcc10を制御している。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って空気が流れてくると、接続点9の電位Vmが接続点10の基準電位Vsより小さくなるため、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが増大し、演算増幅器11からの出力電圧Voutは上昇する。このとき、制御回路303により制御後電圧Vcc10が上昇し、これにより、接続点10の基準電位Vsが上昇するため、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuをさらに増大して、電位Vmを上昇させる。この場合、演算増幅器11からの出力電圧Voutが高くなり、これに伴い、制御後電圧Vcc10が上昇して、接続点10の基準電位Vsが上昇する。この繰り返しにより、制御回路303が無く定電圧源8のみにより電源電圧Vccを供給する場合(第1の好ましい実施形態)に比較して、空気流量の増大による加熱電流Ihuの増大分が拡大され、空気流量測定の感度が上昇することになる。
図26は、図25の熱式空気流量センサ装置において可変電源と固定電源をパラメータとする空気流量に対する出力電圧Voutの特性を示すグラフである。図26において、可変電源とは、当該第9の好ましい実施形態の場合であり、固定電源とは、トランジスタ67が接続されるが、当該トランジスタ67のベースに対して固定の電源電圧が印加される場合である。図26から明らかなように、可変電源の方が固定電源に比較して、空気流量に対する出力電圧Voutの傾斜が急峻であり、明らかに、空気流量測定の感度を向上させることがわかる。
図25においては、出力電圧Voutと、制御後電圧Vcc10とを差動増幅器304に入力して、その差電圧に従って制御後電圧Vcc10を制御するようにしたが、本発明はこれに限らず、出力電圧Voutと固定電圧Vcc1を加算回路に入力し、その加算結果の電圧に従って制御後電圧Vcc10を制御するようにしてもよい。
図27は、本発明に係る第9の好ましい実施形態の変形例である、熱式空気流量センサ装置の一部の回路構成を示す回路図である。図25においては、定電圧源38から電源電圧Vcc1を演算増幅器41の非反転入力端子に印加しているが、本発明はこれに限らず、図27に示すように、定電圧源8からの電源電圧Vccを固定抵抗68,69により分圧した固定電圧を演算増幅器41の非反転入力端子に印加してもよい。この場合、定電圧源8を流用して、定電圧源38を設ける必要がないので、回路構成がさらに簡単になる。
第10の好ましい実施形態
図28は、本発明に係る第10の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図28に示すように、上述のブリッジ回路101の接続点9の電位Vmと、接続点10の基準電位Vsをコンパレータ31に入力し、コンパレータ31の出力端子32からの出力信号に基づいて、発熱抵抗体4と固定抵抗35を介して電気的に並列に接続されたトランジスタスイッチ33と、発熱抵抗体3と固定抵抗36を介して電気的に並列に接続されたトランジスタスイッチ34とをオン・オフしたときのコンパレータ31の出力端子32からの出力信号を低域通過フィルタ70によりろ波した出力信号をセンサ出力信号として用いることを特徴としている。
図28において、ブリッジ回路101の接続点9はコンパレータ31の反転入力端子に接続され、ブリッジ回路101の接続点10はコンパレータ31の非反転入力端子に接続される。ブリッジ回路101の発熱抵抗体4に対して電気的に並列に、固定抵抗35とトランジスタスイッチ33との直列回路が接続され、ブリッジ回路101の発熱抵抗体3に対して電気的に並列に、固定抵抗36とトランジスタスイッチ34との直列回路が接続される。
コンパレータ31は、非反転入力端子に入力される基準電位Vsが反転入力端子に入力される電位Vm以上であるとき、ハイレベルの出力信号を出力する一方、非反転入力端子に入力される基準電位Vsが反転入力端子に入力される電位Vm未満であるとき、ローレベルの出力信号を出力する。コンパレータ31の出力端子32は低域通過フィルタ70に接続されるとともに、バッファアンプ75を介してトランジスタスイッチ33の制御入力端子に接続され、また、インバータ76を介してトランジスタスイッチ76を介してトランジスタスイッチ34の制御入力端子に接続される。ここで、各トランジスタスイッチ33,34は、制御入力端子に入力されるハイレベルの信号に応答してオンとなる一方、制御入力端子に入力されるローレベルの信号に応答してオフとなる。従って、トランジスタスイッチ33がオンとなるときは、トランジスタスイッチ34がオフとなる一方、トランジスタスイッチ33がオフとなるときは、トランジスタスイッチ34がオンとなる。
図29は、図28のコンパレータ31の出力端子32からの出力電圧Voutの電圧波形を示すタイミングチャートである。図29を参照して図28の熱式空気流量センサ装置の動作について以下に説明する。
発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体4よりも発熱抵抗体3の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体3,4の接続点9の電位Vmが固定抵抗6,7の接続点10の基準電位Vsよりも小さくなり、コンパレータ31の出力端子32からの出力信号がハイレベルとなる。このとき、トランジスタスイッチ33がオンし、発熱抵抗体4と電気的に並列に固定抵抗35が接続される一方、トランジスタスイッチ34はオフとなり、発熱抵抗体3に固定抵抗36は接続されない。固定抵抗35に流れる電流は接続点9で発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdに加算され、発熱抵抗体3に流れる。これにより、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが加熱電流Ihdに比較して相対的に増大し、発熱抵抗体3の発熱量が増加してその抵抗値Rhuも増大する。このとき、接続点9の電位Vmが上昇し、当該電位Vmが接続点10の基準電位Vsを超えた時点で、コンパレータ31からの出力信号が反転してローレベルとなる。以上のハイレベルの期間の時間をT1とする。
このように、コンパレータ31からの出力信号がローレベルになったとき、トランジスタスイッチ34がオンし、発熱抵抗体3と電気的に並列に固定抵抗36が接続される一方、トランジスタスイッチ33はオフし、発熱抵抗体4から固定抵抗35の接続が解除される。固定抵抗36に流れる電流は接続点9で発熱抵抗体4に流れる電流から減算され、減算結果の電流が発熱抵抗体3に流れることになる。従って、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが加熱電流Ihdに比較して相対的に減少し、発熱抵抗体3の発熱量が減少してその抵抗値Rhuも減少する。このとき、接続点9の電位Vmが低下し、当該電位Vmが接続点10の基準電位Vsを下回った時点で、コンパレータ31からの出力信号が反転してハイレベルとなる。以上のローレベルの期間の時間をT2とする。その後、上記の動作を繰り返す。
以上の動作のときに、コンパレータ31からの出力電圧Voutは、図29に示すようにパルス波形となり、当該パルス波形のデューティー比DRは次式で表される。
DR=T1/T0=T1/(T1+T2) ・・・(11)
上記デューティー比DRは、パルス波形の電圧信号の時間積分値についての比であるので、発熱抵抗体3に供給する電力と、発熱抵抗体4に供給する電力との間の差に比例し、言いかえれば、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuの二乗と、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdに二乗との間の差に比例している。従って、上記デューティー比DRは空気流量に対応した値を表していることになる。さらに、上記コンパレータ31からのパルス波形の電圧信号を低域通過フィルタ70により低域通過ろ波することによりアナログ信号に変換し、変換されたアナログ信号の信号レベルは空気流量に対応した値を有する。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、測定されるデューティー比DRは、上述のように、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuの二乗と、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdに二乗との間の差に比例しているので、第1乃至第9の好ましい実施形態のごとく発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuと、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdの間の差に比例した値を測定する場合に比較して、空気流量測定の感度を大幅に向上できる。
以上の第10の好ましい実施形態においては、コンパレータ31からの出力信号を低域通過ろ波してアナログ信号に変換して流量に対応した値を示す信号を得ているが、本発明はこれに限らず、コンパレータ31からの出力信号を所定の高周波のサンプリング周波数でサンプリングしてパルス列信号を得て、当該パルス列信号における所定の時間期間におけるパルス数を計測することにより、空気流量を測定するようにしてもよい。
第11の好ましい実施形態
図30は、本発明に係る第11の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図30に示すように、図3の第1の好ましい実施形態に比較して、発熱抵抗体3と、固定抵抗6と、発熱抵抗体4と、固定抵抗7とをこれらの順序で電気的に直列に接続することによりブリッジ回路102を形成し、演算増幅器12は帰還抵抗13を有することを特徴としている。
図30のブリッジ回路102において、固定抵抗6と固定抵抗7の接続点は電源電圧Vccの定電圧源8に接続され、発熱抵抗体3と発熱抵抗体4の接続点は接地される。また、発熱抵抗体3と固定抵抗6の接続点9aは演算増幅器11の反転入力端子に接続され、発熱抵抗体4と固定抵抗7の接続点10aは演算増幅器11の非反転入力端子に接続される。さらに、演算増幅器11の出力端子12は抵抗値Rmを有する帰還抵抗13を介して演算増幅器11の反転入力端子に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体3の方が発熱抵抗体4よりも冷却されやすいため、接続点9aの電位Vm1が接続点10aの電位Vm2よりも低下する。電位Vm1が電位Vm2よりも小さくなるため、演算増幅器11の出力端子12から出力される出力電圧Voutは高くなり、接続点9aへの供給電流は増加し、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが増加する。ここで、接続点9aの電位Vm1と、接続点10aの電位Vm2は次式で表される。
Vm1=Rhu×Ihu ・・・(12)
Vm2=Rhd×Ihd ・・・(13)
上記の式から明かなように、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが増加すると、電位Vm1が上昇する。また、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが増加すると発熱抵抗体3による発熱量が増大し、発熱抵抗体3の温度が上昇して、その抵抗値Rhu1も増大する。これによっても、電位Vm1は上昇する。加熱電流Ihuの増加は、ブリッジ回路102と演算増幅器11とからなる制御系により、電位Vm1が電位Vm2と等しくなった時点で停止する。固定抵抗6に流れる電流をIcとすると、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuと、電流Icとの差電流(=Ihu−Ic)が演算増幅器11から帰還抵抗13を介して接続点9aに供給されており、演算増幅器11の出力端子12に現れる出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=Vm1+Rm1(Ihu−Ic) ・・・(14)
このとき、固定抵抗6,7の各抵抗値を同じ値に設定しておくと、固定抵抗7にも電流Icが流れることになり、固定抵抗7と電気的に直列に接続されている発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdは電流Icと等しくなる。従って、出力電圧Voutは次式のように表され、この好ましい実施形態によっても1つのブリッジ回路102により、空気流量に対応する加熱電流の差出力を得ることができる。
Vout=Vm1+Rm1(Ihu−Ihd) ・・・(15)
当該熱式空気流量センサ装置においては、2つの発熱抵抗体3,4の相対的な関係を制御する方式なので、空気温度を検出するための測温抵抗体を設ける必要がない。また、発熱抵抗体3,4の温度を調整するには定電圧源8の電源電圧Vccを調整するのみで可能である。さらに、図30の回路構成によれば、発熱抵抗体3,4からの配線数を3本に減らすことが可能である。
以上説明したように、この好ましい実施形態によれば、当該センサ装置を大幅に小型・軽量化することができ、調整工程を含む製造工程を簡略化でき、製造コストを先行技術に比較して大幅に軽減することができる。
第12の好ましい実施形態
図31は、本発明に係る第12の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図31に示すように、図30の第11の好ましい実施形態に比較して、帰還抵抗27及び差動増幅器305をさらに備えたことを特徴としている。
図31において、接続点9aは開ループAを有する演算増幅器25の非反転入力端子に接続され、接続点10aは演算増幅器25の反転入力端子に接続され、演算増幅器25の出力端子26は帰還抵抗27を介して演算増幅器25の反転入力端子に接続される。また、差動増幅器305は、演算増幅器28と、入力抵抗77,78,79と、帰還抵抗80とを備えて構成される。演算増幅器11の出力端子12は入力抵抗77を介して演算増幅器28の非反転入力端子に接続され、当該非反転入力端子は入力抵抗79を介して、例えばVcc/5である所定のオフセット電圧Voffを有するオフセット電圧源39に接続される。ここで、オフセット電圧Voffは、差動増幅器305からの出力電圧Voutにおいて空気流量の測定範囲で正の電圧が出力されるように設定するために印加されている。また、演算増幅器25の出力端子26は入力抵抗78を介して演算増幅器28の反転入力端子に接続され、演算増幅器25の出力端子29は帰還抵抗80を介して反転入力端子に接続される。ここで、差動増幅器305の出力端子である、演算増幅器28の出力端子29からの出力電圧Voutが当該センサ装置により測定される空気流量を表す。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体3の方が発熱抵抗体4よりも冷却されやすいため、接続点9aの電位Vm1が接続点10aの電位Vm2よりも低下する。電位Vm1が電位Vm2よりも小さくなるため、演算増幅器11の出力端子12の出力電圧Vo1は上昇し、接続点9aへの供給電流は増加し、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuが増加する。逆に、演算増幅器25の出力端子26の出力電圧Vo2は低下し、接続点10aへの供給電流は減少し、発熱抵抗体24に流れる加熱電流Ihdは減少する。ここで、接続点9aの電位Vm1と、接続点10aの電位Vm2はそれぞれ次式で表される。
Vm1=Rhu×Ihu ・・・(16)
Vm2=Rhd×Ihd ・・・(17)
上記の式から明かなように、加熱電流Ihuが増加すると電位Vm1が上昇し、加熱電流Ihdが減少すると電位Vm2が低下する。また、加熱電流Ihuが増加すると発熱抵抗体3による発熱量が増大し、発熱抵抗体3の温度が上昇して、その抵抗値Rhu1も増大する。これによっても、電位Vm1は上昇する。逆に、加熱電流Ihdが減少すると発熱抵抗体4による発熱量が減少し、発熱抵抗体4の温度が低下して、その抵抗値Rhdも減少し、これによっても電位Vm2は低下する。加熱電流Ihuの増加及び加熱電流Ihdの減少は、ブリッジ回路102と2つの演算増幅器12,25とにより制御系により、電位Vm1が電位Vm2と等しくなった時点で停止する。このとき、固定抵抗6の抵抗値と、固定抵抗7の抵抗値とを同じ値に設定しておくと、両者に流れる電流Icは等しくなる。従って、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihuと電流Icとの差電流(=Ihu−Ic)が演算増幅器11から抵抗値Rm1を有する帰還抵抗13を介して接続点9aに供給されており、演算増幅器11の出力端子12に現れる電圧Vo1は次式で表される。
Vo1=Vm1+Rm1(Ihu−Ic) ・・・(18)
また、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihdと電流Icとの差電流(=Ihd−Ic)が演算増幅器25から抵抗値Rm2を有する帰還抵抗27を介して接続点10aに供給されており、演算増幅器25の出力端子26に現れる電圧Vo2は次式で表される。
Vo2=Vm2+Rm2(Ihd−Ic) ・・・(19)
ここで、Vm1=Vm2、Rm1=Rm2=Rmとすると、差動増幅器305からの出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=Vo1−Vo2=Rm(Ihu−Ihd) ・・・(20)
この好ましい実施形態によれば、第11の好ましい実施形態と同様の作用効果を有するとともに、2つの演算増幅器11,25を用いて1個のブリッジ回路102を反対の電圧関係で制御するとともに、これら2つの演算増幅器11,25からの2つの出力電圧Vo1,Vo2を差動増幅した電圧を当該センサ装置の出力電圧Voutとしているので、第11の好ましい実施形態に比較して、空気流量の測定感度を実質的に倍増することができる。
第13の好ましい実施形態
図32は、本発明に係る第13の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図32に示すように、図31の第12の好ましい実施形態に比較して、ブリッジ回路102の発熱抵抗体3,4の接続点と接地との間に抵抗値R30を有する固定抵抗30を挿入するとともに、差動増幅器305の出力電圧Vnを、固定抵抗30の両端電圧Vpにより除算する除算器61をさらに設けたことを特徴としている。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、固定抵抗30には各発熱抵抗体3,4に流れる2つの加熱電流Ihu,Ihdを加算した和電流が流れる。従って、この固定抵抗30の両端に現れる電位差をVpとすると、当該電位差Vpは次式で表される。
Vp=R30(Ihu+Ihd) ・・・(21)
また、差動増幅器305の出力電圧は(20)式で表されるから、除算器61により(20)式を(21)式で除算したときの、除算器31の出力端子62の出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=Rm/R30×(Ihu−Ihd)/(Ihu+Ihd)
・・・(22)
上記(22)式で表されるように、出力電圧Voutは加熱電流Ihu、Ihdの和と差の比の値になる。これにより、加熱電流Ihu,Ihdの同程度のばらつきや、発熱抵抗体3,4の温度係数及び応答時定数などは互いに相殺され、出力電圧Voutに影響を与えないので高精度なセンサ装置を得ることができる。
以上説明したように、第13の好ましい実施形態によれば、第12の好ましい実施形態の作用効果を有するとともに、第12の好ましい実施形態に比較して、空気流量の測定精度を大幅に向上させることができる。
第14の好ましい実施形態
図33は、本発明に係る第14の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図33に示すように、図32の第13の好ましい実施形態における除算器61に代えて、定電圧源43と、演算増幅器44と、NPNトランジスタ45とを備えたことを特徴としている。
図33において、固定抵抗30の両端電圧Vpは開ループ利得Aを有する演算増幅器44の反転入力端子に印加され、例えばVcc以下の所定の電源電圧Vcc2を有する定電圧源43は演算増幅器44の非反転入力端子に接続され、演算増幅器44の出力端子はNPNトランジスタ45のベースに接続される。電源電圧Vccの定電圧源8はNPNトランジスタ45のコレクタ及びエミッタを介して、発熱抵抗体6,7の接続点8bに接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、第13の好ましい実施形態と同様に、固定抵抗30には発熱抵抗体3,4に流れている電流の和電流が流れる。固定抵抗30の両端に現れる電位差をVpとすると次式で表される。
Vp=R30(Ihu+Ihd) ・・・(23)
ブリッジ回路102と演算増幅器44とNPNトランジスタ45とからなる制御系においては、上記電位差Vpが常に定電圧源43の電源電圧Vcc2と等しくなるように、演算増幅器44とトランジスタ45によりブリッジ回路102に流れる和電流(Ihu+Ihd)を制御している。このような制御を行うことにより、(23)式から和電流(Ihu+Ihd)が常に一定の電流Ihcに保持される。差動増幅器305の出力電圧Voutは(20)式で表されるから、(20)式の両辺をIhcで除算すると次式を得る。
Vout/Ihc=Rm(Ihu−Ihd)/Ihc
=Rm(Ihu−Ihd)/(Ihu+Ihd)・・・(24)
ここで、電流Ihcは固定であるから出力電圧Voutは加熱電流Ihu,Ihdの和と差の比に比例することになる。従って、第12の好ましい実施形態と同様に、加熱電流Ihu,Ihdの同程度のばらつきや、発熱抵抗体3,4の温度係数及び応答時定数などは互いに相殺され、出力電圧Voutに影響を与えないので高精度なセンサ装置を得ることができる。
第15の好ましい実施形態
図34は、本発明に係る第15の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図35は、図34において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図34のD−D’線についての縦断面図である。また、図36は、図34及び図35の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図34及び図35に示すように、ダイヤフラム17上に、それぞれ抵抗値Rhu2,Rhu1,Rhd1,Rhd2を有する4つの発熱抵抗体23,3,4,24を空気の流れ中であってその流れに沿って、これらの順序で、各長手方向が互いに平行となり、空気の流れに対して概略直交するように形成したことを特徴としている。
図36において、4つの発熱抵抗体3,4,23,24をこれらの順序で電気的に直列に接続することによりブリッジ回路103を形成し、発熱抵抗体4,23の接続点は電源電圧Vccの定電圧源8に接続され、発熱抵抗体3,24の接続点は接地される。また、発熱抵抗体3,4の接続点9は演算増幅器11の反転入力端子に接続され、発熱抵抗体23,24の接続点10は演算増幅器11の非反転入力端子に接続される。演算増幅器11の出力端子は抵抗値Rmを有する帰還抵抗13を介して接続点9に接続される。ここで、演算増幅器11の出力端子12から出力される出力電圧Voutが当該センサ装置の出力電圧となる。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体4よりも発熱抵抗体3の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体3の抵抗値Rhu1が発熱抵抗体4の抵抗値Rhd1よりも小さくなり、接続点9の電位Vmは低下する。また、発熱抵抗体24よりも発熱抵抗体23の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体23の抵抗値Rhu2が発熱抵抗体24の抵抗値Rhd2よりも小さくなり、接続点10の基準電位Vsは上昇する。電位Vmが基準電位Vsよりも小さくなるため、演算増幅器11の出力端子12の出力電圧Voutが高くなり、接続点9への供給電流は増加し、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihu1が増加する。このとき、接続点9の電位Vmは次式で表される。
Vm=Rhu1×Ihu1 ・・・(25)
従って、加熱電流Ihu1が増加すると電位Vmが上昇する。また、加熱電流Ihu1が増加すると発熱抵抗体3による発熱量が増大し、発熱抵抗体3の温度が上昇して、その抵抗値Rhu1も増大する。これによっても電位Vmは上昇する。ブリッジ回路103と演算増幅器11とからなる制御系により、加熱電流Ihu1の増加は電位Vmが基準電位Vsと等しくなった時点で停止する。このとき、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihd1,Ihu1の差電流(=Ihu1−Ihd1)が演算増幅器11の出力端子12から帰還抵抗13を介して接続点9に供給されており、出力端子12に現れる出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=Vs+Rm(Ihu1−Ihd1) ・・・(26)
また、接続点10の基準電位Vsは次式で表される。
Vs=Vcc×Rhd2/(Rhu2+Rhd2) ・・・(27)
=Vcc/(1+Rhu2/Rhd2) ・・・(28)
従って、空気流量が大きいほど、Rhu2<Rhd2となるため、空気流量の増大とともに基準電位Vsは上昇する。これにより、(26)式の右辺第1項及び第2項はともに、空気流量とともに増大するため、第3の好ましい実施形態のような正帰還をかけなくても、流量測定の感度を、第1の好ましい実施形態に比較して向上させることができる。
以上説明したように、第15の好ましい実施形態によれば、第1の好ましい実施形態の効果に加えて、流量測定の感度を大幅に向上させることができる。
以上の第15の好ましい実施形態においては、4つの発熱抵抗体23,3,4,24を互いに近傍に並置しているが、本発明はこれに限らず、2つの発熱抵抗体3,23を互いに近傍に並置する一方、これらの発熱抵抗体3,23から離間して、2つの発熱抵抗体4,24を互いに近傍に並置してもよい。
第16の好ましい実施形態
図37は、本発明に係る第16の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、図37に示すように、
(a)図36に図示されたブリッジ回路103と、
(b)図31に図示された、それぞれ帰還抵抗13,27を有する2つの演算増幅器11,25と、
(c)図31に図示された差動増幅器305とを
組み合わせて、熱式空気流量センサ装置を構成したことを特徴としている。
なお、発熱抵抗体3,4の接続点9は演算増幅器11の反転入力端子に接続されるとともに、演算増幅器25の非反転入力端子に接続される。また、発熱抵抗体23,24の接続点10は演算増幅器11の非反転入力端子に接続されるとともに、演算増幅器25の反転入力端子に接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置において、発熱抵抗体3側から発熱抵抗体4に向って空気の流れが生じると、発熱抵抗体4よりも発熱抵抗体3の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体3の抵抗値Rhu1が発熱抵抗体4の抵抗値Rhd1よりも小さくなり、接続点9の電位Vm1は低下する。また、発熱抵抗体24よりも発熱抵抗体23の方がより冷却されやすいため、発熱抵抗体23の抵抗値Rhu2が発熱抵抗体24の抵抗値Rhd2よりも小さくなり、接続点10の電位Vm2は上昇する。電位Vm1が電位Vm2よりも小さくなるため、演算増幅器11の出力端子12の出力電圧Vo1は高くなり、接続点9への供給電流は増加し、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihu1が増加する。逆に、演算増幅器25の出力端子26の出力電圧Vo2は低くなり、接続点10への供給電流は減少し、発熱抵抗体24に流れる加熱電流Ihd2は減少する。ここで、接続点9電位Vm1と、接続点10の電位Vm2はそれぞれ次式で表される。
Vm1=Rhu1×Ihu1 ・・・(29)
Vm2=Rhd2×Ihd2 ・・・(30)
従って、加熱電流Ihu1が増加すると電位Vm1が上昇し、加熱電流Ihd2が減少すると電位Vm2が低下する。また、加熱電流Ihu1が増加すると発熱抵抗体3による発熱量が増大し、発熱抵抗体3の温度が上昇して、その抵抗値Rhu1も増大する。これによっても電位Vm1は上昇する。逆に、加熱電流Ihd2が減少すると発熱抵抗体24による発熱量が減少し、発熱抵抗体24の温度が低下して、その抵抗値Rhd2も減少し、これによっても電位Vm2は低下する。ブリッジ回路103及び2つの演算増幅器11,25からなる制御系により、加熱電流Ihu1の増加及び加熱電流Ihd2の減少は電位Vm1が電位Vm2と等しくなった時点で停止する。このとき、発熱抵抗体4に流れる加熱電流Ihd1と、発熱抵抗体3に流れる加熱電流Ihu1の差電流(=Ihu1−Ihd1)が演算増幅器11から出力抵抗13を介して接続点9に供給されており、演算増幅器11の出力端子12に現れる電圧Vo1は次式で表される。
Vo1=Vm1+Rm1(Ihu1−Ihd1) ・・・(31)
また、発熱抵抗体23に流れる加熱電流Ihu2と、発熱抵抗体24に流れる加熱電流Ihd2の差電流(=Ihd2−Ihu2)が演算増幅器25から出力抵抗27を介して接続点10に供給されており、演算増幅器25の出力端子26に現れる電圧Vo2は次式で表される。
Vo2=Vm2+Rm2(Ihd2−Ihu2) ・・・(32)
ここで、Vm1=Vm2、Rm1=Rm2=Rmとすると、差動増幅器305からの出力電圧Voutは次式で表される。
Vout=Vo1−Vo2
=Rm{(Ihu1+Ihu2)
−(Ihd1+Ihd2)} ・・・(33)
ここで、空気流量が大きいほど、加熱電流Ihu1,Ihu2は増大する一方、加熱電流Ihd1,Ihd2は減少するため、(33)式の右辺第1項は空気流量とともに増大し、第2項は空気流量とともに減少する。従って、第3の好ましい実施形態のような正帰還をかけなくても、空気流量測定の感度を向上できる。
以上説明したように、第16の好ましい実施形態によれば、第15の好ましい実施形態の効果に加えて、空気流量測定の感度を、第15の好ましい実施形態に比較して向上できる。
第17の好ましい実施形態
図38は、本発明に係る第17の好ましい実施形態である、熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。この好ましい実施形態では、ブリッジ回路101を備えた第5の好ましい実施形態に比較して、図14及び図15に示す測温抵抗体19を第3の発熱抵抗体43として用いたことを特徴としている。すなわち、発熱抵抗体43に比較的大きな電流を供給して比較的大きな熱エネルギーを放出させて、発熱抵抗体3,4に対して影響を与える。
図38において、ブリッジ回路101が接続された演算増幅器11の出力端子12の後段に、演算増幅器81にてなる緩衝増幅器306及び発熱抵抗体43を設けている。ここで、演算増幅器11の出力端子12は演算増幅器81の非反転入力端子に接続され、演算増幅器81の出力端子はその反転入力端子に接続されるとともに、発熱抵抗体43を介して接地される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、演算増幅器11の出力端子12からの出力電圧Voutを緩衝増幅器306により緩衝増幅し、その緩衝増幅した電圧を発熱抵抗体43に印加して発熱させる。ここで、出力電圧Voutが高くなるにつれて、発熱抵抗体43から放出される熱エネルギーは増大する。
図39は、図38の熱式空気流量センサ装置における空気流量に対する発熱抵抗体3,4の各温度及びそれらの間の温度差を示すグラフである。図39から明かなように、発熱抵抗体3,4の温度(又はその抵抗値)は空気流量の増大とともに低下する。両者の温度差も空気流量の増大とともに飽和していく。この温度差の変化量が小さいとセンサ装置の感度も小さくなる。この発熱抵抗体3,4の温度差は発熱抵抗体3,4自身の温度が高いほど大きくなる。従って、広い空気流量範囲での測定が必要な用途では大空気流量でも発熱抵抗体3,4の温度を高く保つ必要がある。図38のように、第3の発熱抵抗体43に出力電圧Voutを印加すると、大空気流量ほど印加電圧が高くなり、発熱量が増すので発熱抵抗体3,4の温度低下を防ぐことができる。これにより、広い範囲で高感度な測定が可能なセンサ装置が実現できる。
第18の好ましい実施形態
図40は、本発明に係る第18の好ましい実施形態である、絶縁保護膜5を除去したときの熱式空気流量センサ装置の構成を示す上面図であり、図41は、図40において絶縁保護膜5が形成されたときにおける、図40のE−E’線についての縦断面図である。また、図42は、図40及び図41の熱式空気流量センサ装置の回路構成を示す回路図である。
この好ましい実施形態では、図40及び図41に示すように、発熱抵抗体3,4の間に、大電流を供給して熱エネルギーを放出する第3の発熱抵抗体19を設け、例えばシリコンチップ1の先端のダイヤフラム18上に、微小動作電流を供給して空気温度を検出するための測温抵抗体16を形成し、図42に示すように、流量測定を行うためのブリッジ回路101及び演算増幅器11からなる第1の装置回路(図3に図示された第1の好ましい実施形態に係る回路である。)401と、発熱抵抗体19と測温抵抗体16と可変抵抗82と固定抵抗83とからなる第2のブリッジ回路104を備えた、発熱抵抗体19の温度保持のための第2の装置回路402とを備えたことを特徴としている。
図42において、可変抵抗82と、測温抵抗体16と、発熱抵抗体19と、固定抵抗83とをこれらの順序で電気的に直列に接続することにより、ブリッジ回路104を構成する。電源電圧Vccの定電圧源8はNPNトランジスタ85のコレクタ及びエミッタを介して、測温抵抗体16と発熱抵抗体19の接続点に接続され、可変抵抗82と固定抵抗83の接続点は接地される。可変抵抗82と測温抵抗体16の接続点は開ループ利得Aを有する演算増幅器84の非反転入力端子に接続され、固定抵抗83と発熱抵抗体19の接続点は反転入力端子に接続される。さらに、演算増幅器84の出力端子はNPNトランジスタ85のベースに接続される。
以上のように構成された熱式空気流量センサ装置においては、流量測定のためのブリッジ回路101を備えた第1の装置回路401とは別に、ブリッジ回路104、演算増幅器84及びNPNトランジスタ85とにより、定温度差制御系の第2の装置回路402を備えている。後者の定温度差制御系の第2の装置回路402においては、測温抵抗体16に空気温度の検出するための微小動作電流を供給するように可変抵抗82を調整し、第3の発熱抵抗体19の温度を、上記検出した空気温度には依存するが、空気流量に依存せず実質的に一定に保持するように制御できる。
以上説明したように、第18の好ましい実施形態によれば、第17の好ましい実施形態と同様に、発熱抵抗体3,4の温度低下を防止することができ、より広い範囲で高感度な測定が可能なセンサ装置を実現できる。Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same component in the following drawings.
First preferred embodiment
FIG. 1 is a top view showing a configuration of a thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is a first preferred embodiment according to the present invention, and FIG. 2 is an insulating protection in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view about the AA 'line of FIG. 1 when the film | membrane 5 is formed. 1 and 2, an arrow 100 indicates the flow of air to be measured by the thermal air flow sensor device.
1 and 2, a diaphragm 17 made of an insulating film 2 is formed on a silicon chip 1, and the resistance value of the diaphragm 17 changes with temperature, such as platinum, nickel, or permalloy. A temperature-sensitive resistor made of a temperature-resistant material, and, as will be described in detail later with reference to FIG. 3, a relatively large current flows through the constant voltage source 8 to release heat energy, and the resistance value is Rhu, The heating resistors 3 and 4 which are Rhd are arranged in the air flow to be measured indicated by the arrow 100 along the flow, and the longitudinal directions of the heating resistors 3 and 4 are parallel to each other. It is formed so as to be substantially orthogonal to the flow of The temperature-sensitive resistor means a resistor that changes its resistance value by sensing temperature. Further, an insulating protective film 5 is formed on the insulating film 2 on which the heating resistors 3 and 4 are formed, and thereby the surfaces of the heating resistors 3 and 4 are protected.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 1 and 2 provided with the heating resistors 3 and 4. In FIG. 3, the heating resistors 3 and 4 and the fixed resistors 7 and 6 are electrically connected in series in this order to form a bridge circuit 101, and the heating resistor 4 and the fixed resistor 7 are connected. The point is connected to a constant voltage source 8 having a predetermined power supply voltage Vcc, while the connection point between the heating resistor 3 and the fixed resistor 6 is grounded. As a result, relatively large heating currents Ihu and Ihd flow through the heating resistors 3 and 4, respectively, and the heating resistors 3 and 4 release heat energy corresponding to the heating currents Ihu and Ihd, respectively. The power supply voltage Vcc of the constant voltage source 8 is divided by the fixed resistors 6 and 7, and a fixed reference voltage Vs corresponding to the voltage dividing ratio is generated at the connection point 6 of the fixed resistors 6 and 7.
The connection point 9 of the heating resistors 3 and 4 has an open loop gain A 0 The connection point 10 of the fixed resistors 6 and 7 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11. Further, the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the flow rate data conversion circuit 200 of FIG. 4 and is fed back to the connection point 9 of the heating resistors 3 and 4 through the feedback resistor 13 having the resistance value Rm. Here, as will be described in detail later, the output voltage Vout corresponding to the air flow rate is output from the output terminal 12 of the operational amplifier 11, and the flow rate data conversion circuit 200 converts the input output voltage Vout into flow rate data and converts it into digital data. Output as formatted flow data.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when an air flow is generated from the heating resistor 3 side toward the heating resistor 4 as shown by an arrow 100 in FIGS. Since the heating resistor 3 is more easily cooled than the body 4, the resistance value Rhu of the heating resistor 3 is smaller than the resistance value Rhd of the heating resistor 4, and the potential Vm at the connection point 9 is equal to the power supply voltage Vcc. And the reference potential Vs at the connection point 10 determined by the voltage dividing ratio of the fixed resistors 6 and 7. In this circuit, a bridge circuit 101 and a relatively large open loop gain A 0 In the control system formed by the operational amplifier 11 having feedback and the feedback resistor 13, the absolute value of the difference between the two input voltages to the operational amplifier 11 is minimized, that is, substantially zero. Since the output voltage Vout from the operational amplifier 11 is generated, as described above, when Vm <Vs, the output voltage Vout from the operational amplifier 11 increases, and the supply current from the operational amplifier 11 to the connection point 9 increases. As a result, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 increases. Here, the potential Vm at the connection point 9 is expressed by the following equation.
Vm = Rhu × Ihu (3)
Therefore, when the heating current Ihu increases, the potential Vm increases. Further, when the heating current Ihu increases, the amount of heat generated by the heating resistor 3 increases, the temperature of the heating resistor 3 rises, and the resistance value Rhu also increases. This also increases the potential Vm. Then, the increase in the heating current Ihu stops when the potential Vm becomes equal to the reference potential Vs as described above. At this time, a difference current (= Ihu−Ihd) between the heating current Ihd flowing through the heating resistor 4 and the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 is supplied from the operational amplifier 11 to the connection point 9 via the feedback resistor 13. The output voltage Vout appearing at the output terminal 12 is expressed by the following equation.
Vout = A 0 (Vs-Vm)
= Vs + Rm (Ihu-Ihd) (4)
Here, when the resistance values of the fixed resistors 6 and 7 are selected to be equal, since Vs = Vcc / 2, the following equation is obtained.
Vout = Vcc / 2 + Rm (Ihu−Ihd) (5)
Moreover, since it is controlled so that Vm = Vs,
Rhu · Ihu = Rhd · Ihd = Vcc / 2 (6)
It becomes.
That is, in this preferred embodiment, the four values of the resistance values Rhu and Rhd and the heating currents Ihu and Ihd all change and converge to a value satisfying the expression (6). Therefore, the driving method is completely different from the prior art constant temperature difference driving in which the control is performed so as to keep the resistance values Rhu and Rhd constant.
As described above, in the thermal air flow sensor device, since Ihu> Ihd in the forward flow, the output voltage Vout increases monotonously as the air flow increases, whereas in the reverse flow, Ihu <Ihd. Thus, the output voltage Vout monotonously decreases as the air flow rate increases. In the state where there is no air flow, the temperatures of the heating resistor 3 and the heating resistor 4 are equal and Rhu = Rhd, so that Ihu = Ihd and Vout = Vs.
FIG. 5 is a graph showing characteristics of the output voltage Vout with respect to the air flow rate in the thermal air flow sensor device of FIG. As can be seen from FIG. 5, the output voltage Vout monotonously increases as the air flow rate increases.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of the air flow rate data conversion circuit 200 of FIG. In FIG. 4, the air flow rate data conversion circuit 200
(A) a CPU 201 that controls the entire circuit of the air flow rate data conversion circuit 200;
(B) Programs necessary for the control operation of the CPU 201, a conversion table 202a for converting the output voltage Vout to the air flow rate including the relationship between the output voltage Vout and the air flow rate illustrated in FIG. ROM 202 for storing the data of
(C) a RAM 203 that operates as a working memory of the CPU 201;
(D) an A / D converter 204 for A / D converting the analog output voltage Vout of the operational amplifier 11 into digital data and outputting it to the CPU 201;
(E) An output interface 205 that converts the flow rate data converted from the output voltage Vout by the CPU 201 into a predetermined electrical signal and outputs it, and these circuit components 201 to 205 are connected via a bus 206. Is done.
The CPU 201 refers to the conversion table 201a in the ROM 202, converts the digital data of the output voltage Vout A / D converted by the A / D converter 204 into flow data, and then converts the digital data of the output voltage Vout to the external device via the output interface 205. Output to.
In the preferred embodiments after the second preferred embodiment, the connection of the air flow rate data conversion circuit 200 is not described. However, in order to obtain the air flow rate data, the air flow rate data conversion circuit 200 outputs the output voltage Vout. Connected to the terminal.
The thermal air flow sensor device configured as described above can be configured by using one bridge circuit 101 and an operational amplifier 11 as shown in FIG. 3, and has a complicated circuit. 1022A or the like is not necessary. Further, since the relative relationship between the heating currents Ihd and Ihu corresponding to the temperature measured by the two heating resistors 3 and 4 is controlled, a resistance temperature detector for directly detecting the air temperature is provided. There is no need. The resistance temperature detector is a resistor that measures temperature. Furthermore, according to the circuit configuration of FIG. 3, it is possible to reduce the number of wires from the heating resistors 3 and 4 to three, and the circuit configuration of the circuit can be extremely simplified as compared with the prior art. it can.
Furthermore, the temperature of the heating resistors 3 and 4 can be adjusted only by adjusting the power supply voltage Vcc of the constant voltage source 8, and the adjustment is very simple.
As described above, according to the first preferred embodiment of the present invention, the thermal air flow sensor device can be reduced in size and weight, and the manufacturing process including the adjustment process can be simplified, thereby reducing the manufacturing cost. It can be greatly reduced.
In the first preferred embodiment described above, the bridge circuit 101 is used. However, the present invention is not limited to this, and the circuit that generates the reference voltage Vs by the constant voltage source 8 and the two fixed resistors 6 and 7 is a bridge circuit. For example, a fixed constant voltage source may be used, or a voltage obtained by dividing a power supply voltage from a predetermined constant voltage source is supplied as the reference voltage Vs. May be.
Second preferred embodiment
FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the second preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 6, an NPN transistor 14 is connected to the output stage of the operational amplifier 11 as compared with the first preferred embodiment of FIG. Thus, the configuration is such that a current is supplied to the connection point 9.
In FIG. 6, the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the base of the NPN transistor 14, and the collector of the transistor 14 is connected to the constant voltage source 8 through a resistor 61. The emitter of the transistor 14 is grounded through the resistor 62 and is connected to the connection point 9 through the feedback resistor 13. The connection point between the emitter of the transistor 14 and the resistor 62 is the output terminal of the output voltage Vout. It becomes.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the collector-emitter current of the NPN transistor 14 is controlled by the output voltage of the output terminal 12 of the operational amplifier 11, and a voltage proportional to the current is taken out by the resistor 62. As a result, the output voltage Vout of the sensor device is obtained. Further, the output voltage Vout is fed back to the connection point 9 through the feedback resistor 13. Therefore, according to the second preferred embodiment, in addition to the operational effects of the first preferred embodiment, the output current capacity can be increased by the NPN transistor 14 added to the output stage. In other words, the desired output voltage Vout can be obtained even with the operational amplifier 11 having a small current capacity.
Third preferred embodiment
FIG. 7 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a third preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 7, a resistance value Rf is provided between the output terminal 12 of the operational amplifier 11 and its non-inverting input terminal, as compared with the first preferred embodiment of FIG. By inserting the feedback resistor 15, the output voltage Vout from the operational amplifier 11 is fed back to the connection point 10 of the fixed resistors 6 and 7 through the feedback resistor 15.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when the air flow rate increases and the output voltage Vout increases, the reference potential Vs at the connection point 10 rises, and the reference potential Vs and the potential at the connection point 9 increase. Since it is controlled so as to be equal to Vm, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 further increases, and the output voltage Vout further increases. Therefore, it is possible to improve the sensitivity of flow rate measurement particularly in a large air flow rate region.
FIG. 8 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air flow rate with the presence or absence of feedback as a parameter in the thermal air flow sensor device of FIG. As is apparent from FIG. 8, it can be seen that when there is feedback, the sensitivity of flow rate measurement can be improved particularly in the large air flow rate region, compared to when there is no feedback. This is effective when a wider measurable air flow range is required.
Fourth preferred embodiment
FIG. 9 is a top view showing a configuration of a thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is a fourth preferred embodiment according to the present invention, and FIG. 10 is an insulating protection in FIG. FIG. 10 is a longitudinal sectional view taken along line BB ′ of FIG. 9 when a film 5 is formed. FIG. 11 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 9 and 10.
In this preferred embodiment, as shown in FIG. 11, a resistance temperature detector 16 for detecting the air temperature is inserted in series with the feedback resistor 13 as compared with the first preferred embodiment of FIG. It is characterized by that. As shown in FIGS. 9 and 10, the resistance temperature detector 16 is formed in the air flow at the tip of the sensor chip 1, for example. In order not to be affected, the heating resistors 3 and 4 are formed of a temperature measuring resistor made of the same material as that of the heating resistors 3 and 4 on the diaphragm 18 formed at a predetermined distance. Here, a large current flows through the heating resistors 3 and 4 and releases thermal energy. However, since only a small operating current flowing through the feedback resistor 13 flows through the resistance temperature detector 16, substantially thermal energy is released. However, the air temperature is detected without being affected by the thermal energy of the heating resistors 3 and 4, and the feedback flowing from the operational amplifier 11 to the connection point 9 via the feedback resistor 13 according to the detected air temperature. Control the current.
FIG. 12 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air temperature using the presence or absence of the resistance temperature detector 16 as a parameter in the thermal air flow sensor device of FIG. As is apparent from FIG. 12, in the first preferred embodiment in which the resistance temperature detector 16 is not provided, the output voltage Vout from the operational amplifier 11 may relatively decrease as the air temperature increases. By providing the resistance temperature detector 16, the temperature characteristic is compensated so that the change of the output voltage Vout is minimized even if the air temperature changes, and the measurement error is minimized. This corresponds to providing the feedback resistor 13 in the equation (4) with air temperature dependency.
According to the fourth preferred embodiment configured as described above, since the compensation amount can be adjusted only by adjusting the resistance value of the feedback resistor 13, the adjustment process is simplified. Further, the number of wires from the heating resistors 3 and 4 and the resistance temperature detector 16 is four, but the number is smaller than that of the prior art, and the circuit configuration can be simplified.
FIG. 13 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the fourth preferred embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 13, the resistance temperature detector 16 may be electrically connected to the feedback resistor 13 in parallel. Thereby, the said modification has an effect similar to 4th preferable embodiment.
The fourth preferred embodiment and its modification are applied to the first preferred embodiment of FIG. 3, but the present invention is not limited to this, and the second and third preferred embodiments. You may apply to.
Fifth preferred embodiment
FIG. 14 is a top view showing a configuration of a thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is a fifth preferred embodiment according to the present invention, and FIG. 15 is an insulating protection in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view about CC 'line of FIG. 14 when the film | membrane 5 is formed. FIG. 16 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 14 and 15.
In this preferred embodiment, as shown in FIGS. 14 and 15, compared to the first preferred embodiment of FIGS. 1 and 2, the diaphragm 17 is separated from the heating resistors 3 and 4. The temperature measuring resistor 19 having a resistance value Rt is formed so as to be positioned between the heating resistors 3 and 4, and the temperature measuring resistor 19 is electrically connected to the feedback resistor 13 as shown in FIG. It is characterized by being connected in series. The heating resistors 3 and 4 and the resistance temperature detector 19 are formed so that their longitudinal directions are parallel to each other and substantially orthogonal to the air flow.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, since the resistance temperature detector 19 is formed in the vicinity of the heating resistors 3 and 4, the thermal energy released from the heating resistors 3 and 4 is reduced. The temperature related to the temperature of the heating resistors 3 and 4 and the air temperature can be detected. That is, the temperature on the diaphragm 17 increases when the air temperature is high and decreases when the air temperature is low. Therefore, the resistance value Rt of the resistance temperature detector 19 also increases when the air temperature is high and decreases when the air temperature is low. Further, the temperatures of the heating resistors 3 and 4 are affected by the air flow rate, and their temperatures change. That is, if the air flow rate increases, the temperature of the heating resistors 3 and 4 decreases, while the air flow rate is reduced. If it becomes small, the temperature of the heating resistors 3 and 4 will rise. Therefore, by connecting the resistance temperature detector 19 in series with the feedback resistor 13, the temperature characteristic is compensated similarly to the fourth preferred embodiment, and the temperature characteristic depending on the air flow rate is compensated. be able to.
FIG. 17 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air temperature using the presence or absence of the resistance temperature detector 16 and the magnitude of the air flow rate as parameters in the thermal air flow sensor device of FIG. As apparent from FIG. 17, in the case where the resistance temperature detector 16 is not provided, the output voltage Vout from the operational amplifier 11 relatively decreases as the air temperature increases, and decreases as the air flow rate increases. The amount increases. In order to compensate for this, by providing the resistance temperature detector 19, the temperature characteristic is compensated so that the change in the output voltage Vout is minimized even when the air temperature changes, and this compensation amount has a large flow rate. Therefore, the measurement error can be minimized over the entire flow rate range. That is, since the resistance value Rt of the resistance temperature detector 19 changes not only with the air temperature but also with the air flow rate, it becomes possible to compensate for the temperature characteristic having the air flow rate dependency, which is more than in the fourth preferred embodiment. High-precision temperature characteristics can be compensated.
According to the fifth preferred embodiment configured as described above, since the compensation amount can be adjusted only by adjusting the resistance value of the feedback resistor 13, the adjustment process is simplified. Further, although the number of wires from the heating resistors 3 and 4 and the resistance temperature detector 19 is four, the number is smaller than that of the prior art, and the circuit configuration can be simplified.
FIG. 18 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the fifth preferred embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 18, the resistance temperature detector 19 may be electrically connected to the feedback resistor 13 in parallel. Thereby, the modified example has the same function and effect as the fifth preferred embodiment.
FIG. 19 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a second modification of the fifth preferred embodiment according to the present invention. As shown in FIG. 19, compared to the fifth preferred embodiment of FIG. 16, as in the third preferred embodiment of FIG. 7, between the output terminal 12 of the operational amplifier 11 and its non-inverting output terminal. In addition, by inserting a feedback resistor 15 having a resistance value Rf, the output voltage Vout from the operational amplifier 11 is fed back to the connection point 10 of the fixed resistors 6 and 7 via the feedback resistor 15. The thermal air flow sensor device configured as described above has the effects of the third preferred embodiment in addition to the effects of the fifth preferred embodiment.
FIG. 20 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a third modification of the fifth preferred embodiment according to the present invention. This modified example is characterized in that the resistance temperature detector 19 is electrically connected in parallel with the feedback resistor 13 as compared with the modified example of FIG. The thermal air flow sensor device configured as described above also has the effects of the third preferred embodiment in addition to the effects of the fifth preferred embodiment.
Sixth preferred embodiment
FIG. 21 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a sixth preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 21, instead of the fixed resistor 6 of the bridge circuit 101 according to the first preferred embodiment of FIG. A series circuit is provided. Here, as shown in FIGS. 9 and 10, the resistance temperature detector 16 detects the air temperature and raises the reference potential Vs at the connection point 10 when the air temperature is high. Since the reference potential Vs can be lowered when the temperature is low, this preferred embodiment can perform temperature characteristic compensation similar to that of the fourth preferred embodiment. That is, the preferred embodiment configured as described above has the same function and effect as the fourth preferred embodiment.
FIG. 22 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the sixth preferred embodiment of the present invention. According to this modification, as shown in FIG. 22, instead of the fixed resistor 6 of the bridge circuit 101 according to the first preferred embodiment of FIG. 3, the fixed resistor 6 and the resistance temperature detector 16 in the bridge circuit 101b The parallel circuit is provided. The preferred embodiment configured as described above has the same operational effects as the fourth and sixth preferred embodiments.
Seventh preferred embodiment
FIG. 23 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a seventh preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 23, compared to the first preferred embodiment of FIG. 3, the feedback voltage to the connection point 10 is a resistance temperature detector 20 in which the resistance value R20 varies with the air temperature. It is characterized in that a non-inverting amplifier 301 that amplifies depending on the frequency is provided. Here, the resistance temperature detector 20 is the resistance temperature detector 16 for detecting the air temperature shown in FIGS. 9 and 10, but the present invention is not limited to this, and FIGS. The temperature measuring resistor 19 that is affected by the thermal energy released from the heating resistors 3 and 4 and detects the air temperature may be used (hereinafter referred to as a modified example of the seventh preferred embodiment). .)
In FIG. 23, the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the connection point 9 through the feedback resistor 13. The voltage Vout at the output terminal 12 is divided by the fixed resistors 65 and 66, and the voltage dividing point is connected to the connection point 10 through the non-inverting amplifier 301. Here, the non-inverting amplifier 301 includes an operational amplifier 63, an input load resistor 21 having a resistance value R21, a feedback resistor 20 having a resistance value R20, and an output resistor 64. Specifically, the connection point of the fixed resistors 65 and 66 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 63, and the inverting input terminal of the operational amplifier 63 is grounded via the input load resistor 21 and the feedback resistor 20 is connected. To the output terminal of the operational amplifier 63. The output terminal of the operational amplifier 63 is connected to the connection point 10 via the output resistor 64.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the feedback voltage Vf that is the voltage at the output terminal of the operational amplifier 63 in the non-inverting amplifier 301 is expressed by the following equation.
Figure 0004205669
As can be seen from the above equation (8), when the air temperature increases and the resistance value R20 of the resistance temperature detector 20 increases, the feedback voltage Vf increases and the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 further increases. As a result, the output voltage Vout also increases. Therefore, according to the seventh preferred embodiment or its modification, the output voltage Vout can be temperature-compensated as in FIG. 12 or 17, respectively, and the measurement error can be minimized. Accordingly, the seventh preferred embodiment or its modification has the same functions and effects as those of the fourth or fifth preferred embodiment, respectively.
In the seventh preferred embodiment, since the resistance temperature detector 20 is formed on the diaphragm 18 and detects only the air temperature, the output voltage Vout is changed depending on the air temperature. In the modification of the embodiment, the resistance temperature detector 20 is formed on the diaphragm 17 and detects the temperature related to the air temperature and the temperature of the heating resistors 3 and 4. Therefore, depending on the air temperature and the air flow rate. The output voltage Vout can be changed.
Eighth preferred embodiment
FIG. 24 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to an eighth preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 24, as compared with the first preferred embodiment of FIG. 3, the resistance voltage Rout of which the resistance value R20a changes the output voltage Vout from the operational amplifier 11 with the air temperature. A buffer amplifier 302 is provided that divides the voltage by 20a and a fixed resistor 22 having a resistance value R22, and controls the feedback amount to the connection point 10 based on the divided voltage. Here, the resistance temperature detector 20a is the resistance temperature detector 16 for detecting the air temperature shown in FIGS. 9 and 10, but the present invention is not limited to this, and FIGS. The temperature measuring resistor 19 that is influenced by the thermal energy released from the heating resistors 3 and 4 and detects the air temperature may be used (hereinafter referred to as a modified example of the eighth preferred embodiment). .)
In FIG. 24, the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is grounded through the fixed resistor 22 and the resistance temperature detector 20a, and the connection point of the fixed resistance 22 and the resistance temperature detector 20a is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 63. Is done. The buffer amplifier 302 includes an operational amplifier 63 and an output resistor 64. The inverting input terminal of the operational amplifier 63 is connected to the output terminal, and the output terminal is connected to the connection point 10 via the output resistor 64. Is done.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the feedback voltage Vf at the output terminal of the operational amplifier 63 in the buffer amplifier 302 is expressed by the following equation.
Figure 0004205669
As can be seen from the above equation (10), when the air temperature increases and the resistance value R20 increases, the feedback voltage Vf increases, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 further increases, and the output voltage Vout also increases. . Therefore, according to the eighth preferred embodiment or its modification, the output voltage Vout can be temperature-compensated as in FIG. 12 or FIG. 17, respectively, and the measurement error can be minimized. Therefore, the eighth preferred embodiment or its modification has the same functions and effects as those of the fourth or fifth preferred embodiment, respectively.
In the eighth preferred embodiment, the resistance temperature detector 20 is formed on the diaphragm 18 and detects only the air temperature, so that the output voltage Vout is changed depending on the air temperature. In the modification of the embodiment, the resistance temperature detector 20 is formed on the diaphragm 17 and detects the temperature related to the air temperature and the temperature of the heating resistors 3 and 4. Therefore, depending on the air temperature and the air flow rate. The output voltage Vout can be changed.
Ninth preferred embodiment
FIG. 25 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a ninth preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 25, the connection point between the heating resistor 4 and the fixed resistor 7 is based on the output voltage Vout from the operational amplifier 11 as compared to the first preferred embodiment of FIG. A control circuit 303 for controlling the voltage Vcc10 at 8a is further provided.
In FIG. 25, the differential amplifier 304 includes an operational amplifier 37, two input resistors 71 and 73, an input load resistor 72, and a feedback resistor 74. A connection point 8 a between the heating resistor 4 and the fixed resistor 7 is connected to a non-inverting input terminal of the operational amplifier 37 via an input resistor 71, and the non-inverting input terminal is grounded via an input load resistor 72. The output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 37 through the input resistor 73, and the inverting input terminal of the operational amplifier 37 is connected to the output terminal 40 through the feedback resistor 74. Further, the output terminal 40 of the operational amplifier 37 has an open loop gain A. 0 Is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 41, and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 41 is connected to a constant voltage source 38 having a fixed power supply voltage Vcc1 of, for example, Vcc / 2 or less. The output terminal of the operational amplifier 41 is connected to the base of an NPN transistor 67 that controls the power supply voltage Vcc. The constant voltage source 8 is connected to the connection point 8 a via the collector and emitter of the NPN transistor 67.
In the control circuit 303 configured as described above, the differential amplifier 304 generates a differential voltage Vd between the post-control voltage Vcc10 and the output voltage Vout, and generates the differential voltage Vd and the fixed power supply voltage Vcc1. The transistor 42 is driven by the output voltage input to the operational amplifier 41, and the power supply voltage Vcc10 to the bridge circuit 101 is controlled.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when air flows from the heating resistor 3 side toward the heating resistor 4, the potential Vm at the connection point 9 becomes the reference potential Vs at the connection point 10. Since it becomes smaller, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 increases, and the output voltage Vout from the operational amplifier 11 rises. At this time, the post-control voltage Vcc10 is increased by the control circuit 303, and thereby the reference potential Vs at the connection point 10 is increased. Therefore, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 is further increased to increase the potential Vm. . In this case, the output voltage Vout from the operational amplifier 11 increases, and accordingly, the post-control voltage Vcc10 increases and the reference potential Vs at the connection point 10 increases. By repeating this, compared with the case where the power supply voltage Vcc is supplied only by the constant voltage source 8 without the control circuit 303 (first preferred embodiment), the increase in the heating current Ihu due to the increase in the air flow rate is expanded. The sensitivity of air flow measurement will increase.
FIG. 26 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout with respect to the air flow rate using the variable power source and the fixed power source as parameters in the thermal air flow sensor device of FIG. In FIG. 26, the variable power supply is the case of the ninth preferred embodiment, and the fixed power supply is connected to the transistor 67, but a fixed power supply voltage is applied to the base of the transistor 67. Is the case. As apparent from FIG. 26, it can be seen that the variable power source has a steeper slope of the output voltage Vout with respect to the air flow rate than the fixed power source, and clearly improves the sensitivity of the air flow rate measurement.
In FIG. 25, the output voltage Vout and the post-control voltage Vcc10 are input to the differential amplifier 304, and the post-control voltage Vcc10 is controlled according to the difference voltage. However, the present invention is not limited to this, and the output The voltage Vout and the fixed voltage Vcc1 may be input to the adder circuit, and the post-control voltage Vcc10 may be controlled according to the voltage resulting from the addition.
FIG. 27 is a circuit diagram showing a partial circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a modification of the ninth preferred embodiment of the present invention. In FIG. 25, the power supply voltage Vcc1 is applied from the constant voltage source 38 to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 41. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. A fixed voltage obtained by dividing the power supply voltage Vcc by the fixed resistors 68 and 69 may be applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 41. In this case, it is not necessary to use the constant voltage source 8 and provide the constant voltage source 38, so that the circuit configuration is further simplified.
Tenth preferred embodiment
FIG. 28 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the tenth preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 28, the potential Vm at the connection point 9 of the bridge circuit 101 and the reference potential Vs at the connection point 10 are input to the comparator 31 and output from the output terminal 32 of the comparator 31. Based on the signal, the transistor switch 33 electrically connected in parallel via the heating resistor 4 and the fixed resistor 35, and the transistor switch electrically connected in parallel via the heating resistor 3 and the fixed resistor 36 34, the output signal obtained by filtering the output signal from the output terminal 32 of the comparator 31 when turned on and off by the low-pass filter 70 is used as the sensor output signal.
In FIG. 28, the connection point 9 of the bridge circuit 101 is connected to the inverting input terminal of the comparator 31, and the connection point 10 of the bridge circuit 101 is connected to the non-inverting input terminal of the comparator 31. A series circuit of a fixed resistor 35 and a transistor switch 33 is connected electrically in parallel to the heating resistor 4 of the bridge circuit 101, and fixed in parallel to the heating resistor 3 of the bridge circuit 101. A series circuit of a resistor 36 and a transistor switch 34 is connected.
The comparator 31 outputs a high-level output signal when the reference potential Vs input to the non-inverting input terminal is equal to or higher than the potential Vm input to the inverting input terminal, while the reference potential input to the non-inverting input terminal. When Vs is less than the potential Vm input to the inverting input terminal, a low level output signal is output. The output terminal 32 of the comparator 31 is connected to the low-pass filter 70, is connected to the control input terminal of the transistor switch 33 via the buffer amplifier 75, and is connected to the transistor switch 76 via the inverter 76 via the transistor switch 76. 34 control input terminals. Here, each of the transistor switches 33 and 34 is turned on in response to a high level signal input to the control input terminal, and is turned off in response to a low level signal input to the control input terminal. Therefore, when the transistor switch 33 is turned on, the transistor switch 34 is turned off. When the transistor switch 33 is turned off, the transistor switch 34 is turned on.
FIG. 29 is a timing chart showing a voltage waveform of the output voltage Vout from the output terminal 32 of the comparator 31 of FIG. The operation of the thermal air flow sensor device of FIG. 28 will be described below with reference to FIG.
When air flows from the side of the heating resistor 3 toward the heating resistor 4, the heating resistor 3 is more easily cooled than the heating resistor 4. The potential Vm becomes smaller than the reference potential Vs at the connection point 10 of the fixed resistors 6 and 7, and the output signal from the output terminal 32 of the comparator 31 becomes high level. At this time, the transistor switch 33 is turned on and the fixed resistor 35 is electrically connected in parallel with the heating resistor 4, while the transistor switch 34 is turned off and the fixed resistor 36 is not connected to the heating resistor 3. The current flowing through the fixed resistor 35 is added to the heating current Ihd flowing through the heating resistor 4 at the connection point 9 and flows into the heating resistor 3. As a result, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 is relatively increased compared to the heating current Ihd, the amount of heat generated by the heating resistor 3 is increased, and the resistance value Rhu is also increased. At this time, when the potential Vm of the connection point 9 rises and the potential Vm exceeds the reference potential Vs of the connection point 10, the output signal from the comparator 31 is inverted and becomes a low level. The time of the above high level period is T1.
Thus, when the output signal from the comparator 31 becomes low level, the transistor switch 34 is turned on, and the fixed resistor 36 is electrically connected in parallel with the heating resistor 3, while the transistor switch 33 is turned off. The fixed resistor 35 is disconnected from the heating resistor 4. The current flowing through the fixed resistor 36 is subtracted from the current flowing through the heating resistor 4 at the connection point 9, and the subtracted current flows through the heating resistor 3. Therefore, the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 is relatively reduced compared to the heating current Ihd, the amount of heat generated by the heating resistor 3 is reduced, and the resistance value Rhu is also reduced. At this time, when the potential Vm at the connection point 9 decreases and the potential Vm falls below the reference potential Vs at the connection point 10, the output signal from the comparator 31 is inverted and becomes high level. The time of the above low level period is T2. Thereafter, the above operation is repeated.
During the above operation, the output voltage Vout from the comparator 31 has a pulse waveform as shown in FIG. 29, and the duty ratio DR of the pulse waveform is expressed by the following equation.
DR = T1 / T0 = T1 / (T1 + T2) (11)
Since the duty ratio DR is a ratio with respect to the time integral value of the voltage signal of the pulse waveform, it is proportional to the difference between the power supplied to the heating resistor 3 and the power supplied to the heating resistor 4. In other words, it is proportional to the difference between the square of the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 and the square of the heating current Ihd flowing through the heating resistor 4. Therefore, the duty ratio DR represents a value corresponding to the air flow rate. Further, the voltage signal of the pulse waveform from the comparator 31 is converted into an analog signal by low-pass filtering by the low-pass filter 70, and the signal level of the converted analog signal has a value corresponding to the air flow rate. .
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the measured duty ratio DR is the square of the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 and the heating current Ihd flowing through the heating resistor 4 as described above. Therefore, the difference between the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 and the heating current Ihd flowing through the heating resistor 4 as in the first to ninth preferred embodiments is proportional to the difference between the two and the square. Compared with the case of measuring a proportional value, the sensitivity of air flow measurement can be greatly improved.
In the tenth preferred embodiment described above, the output signal from the comparator 31 is low-pass filtered and converted into an analog signal to obtain a signal indicating a value corresponding to the flow rate. Not limited to this, the output signal from the comparator 31 is sampled at a predetermined high frequency sampling frequency to obtain a pulse train signal, and the number of pulses in the predetermined time period in the pulse train signal is measured to measure the air flow rate. May be.
Eleventh preferred embodiment
FIG. 30 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to an eleventh preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 30, compared to the first preferred embodiment of FIG. 3, the heating resistor 3, the fixed resistor 6, the heating resistor 4, and the fixed resistor 7 are connected to these. The bridge circuit 102 is formed by electrically connecting them in series in this order, and the operational amplifier 12 has a feedback resistor 13.
In the bridge circuit 102 of FIG. 30, the connection point between the fixed resistor 6 and the fixed resistor 7 is connected to the constant voltage source 8 of the power supply voltage Vcc, and the connection point between the heating resistor 3 and the heating resistor 4 is grounded. The connection point 9 a between the heating resistor 3 and the fixed resistor 6 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11, and the connection point 10 a between the heating resistor 4 and the fixed resistor 7 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11. The Further, the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11 via a feedback resistor 13 having a resistance value Rm.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when air flows from the heating resistor 3 side toward the heating resistor 4, the heating resistor 3 is cooled more than the heating resistor 4. Therefore, the potential Vm1 at the connection point 9a is lower than the potential Vm2 at the connection point 10a. Since the potential Vm1 is smaller than the potential Vm2, the output voltage Vout output from the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is increased, the supply current to the connection point 9a is increased, and the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 is To increase. Here, the potential Vm1 of the connection point 9a and the potential Vm2 of the connection point 10a are expressed by the following equations.
Vm1 = Rhu × Ihu (12)
Vm2 = Rhd × Ihd (13)
As is clear from the above equation, when the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 increases, the potential Vm1 increases. Further, when the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 increases, the amount of heat generated by the heating resistor 3 increases, the temperature of the heating resistor 3 rises, and the resistance value Rhu1 also increases. This also increases the potential Vm1. The increase in the heating current Ihu is stopped when the potential Vm1 becomes equal to the potential Vm2 by the control system including the bridge circuit 102 and the operational amplifier 11. Assuming that the current flowing through the fixed resistor 6 is Ic, a difference current (= Ihu−Ic) between the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 and the current Ic is supplied from the operational amplifier 11 to the connection point 9a via the feedback resistor 13. The output voltage Vout appearing at the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is expressed by the following equation.
Vout = Vm1 + Rm1 (Ihu−Ic) (14)
At this time, if the resistance values of the fixed resistors 6 and 7 are set to the same value, the current Ic also flows through the fixed resistor 7, and the heating resistor electrically connected in series with the fixed resistor 7. The heating current Ihd flowing through the body 4 is equal to the current Ic. Therefore, the output voltage Vout is expressed by the following equation, and also according to this preferred embodiment, a difference output of the heating current corresponding to the air flow rate can be obtained by one bridge circuit 102.
Vout = Vm1 + Rm1 (Ihu−Ihd) (15)
In the thermal air flow sensor device, since the relative relationship between the two heating resistors 3 and 4 is controlled, it is not necessary to provide a resistance temperature detector for detecting the air temperature. The temperature of the heating resistors 3 and 4 can be adjusted only by adjusting the power supply voltage Vcc of the constant voltage source 8. Furthermore, according to the circuit configuration of FIG. 30, the number of wires from the heating resistors 3 and 4 can be reduced to three.
As described above, according to this preferred embodiment, the sensor device can be significantly reduced in size and weight, the manufacturing process including the adjustment process can be simplified, and the manufacturing cost can be greatly increased compared to the prior art. Can be reduced.
Twelfth preferred embodiment
FIG. 31 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a twelfth preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 31, this preferred embodiment is characterized by further including a feedback resistor 27 and a differential amplifier 305 as compared with the eleventh preferred embodiment of FIG.
In FIG. 31, the connection point 9a is an open loop A. 0 Is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 25, the connection point 10 a is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 25, and the output terminal 26 of the operational amplifier 25 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 25 via the feedback resistor 27. Connected to. The differential amplifier 305 includes an operational amplifier 28, input resistors 77, 78, 79, and a feedback resistor 80. The output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 28 via the input resistor 77, and the non-inverting input terminal is connected to the predetermined offset voltage Voff, for example, Vcc / 5 via the input resistor 79. Is connected to an offset voltage source 39. Here, the offset voltage Voff is applied in order to set so that a positive voltage is output in the measurement range of the air flow rate in the output voltage Vout from the differential amplifier 305. The output terminal 26 of the operational amplifier 25 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 28 via the input resistor 78, and the output terminal 29 of the operational amplifier 25 is connected to the inverting input terminal via the feedback resistor 80. Here, the output voltage Vout from the output terminal 29 of the operational amplifier 28, which is the output terminal of the differential amplifier 305, represents the air flow rate measured by the sensor device.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when air flows from the heating resistor 3 side toward the heating resistor 4, the heating resistor 3 is cooled more than the heating resistor 4. Therefore, the potential Vm1 at the connection point 9a is lower than the potential Vm2 at the connection point 10a. Since the potential Vm1 becomes smaller than the potential Vm2, the output voltage Vo1 of the output terminal 12 of the operational amplifier 11 increases, the supply current to the connection point 9a increases, and the heating current Ihu flowing through the heating resistor 3 increases. Conversely, the output voltage Vo2 at the output terminal 26 of the operational amplifier 25 decreases, the supply current to the connection point 10a decreases, and the heating current Ihd flowing through the heating resistor 24 decreases. Here, the potential Vm1 at the connection point 9a and the potential Vm2 at the connection point 10a are expressed by the following equations, respectively.
Vm1 = Rhu × Ihu (16)
Vm2 = Rhd × Ihd (17)
As is clear from the above equation, the potential Vm1 increases when the heating current Ihu increases, and the potential Vm2 decreases when the heating current Ihd decreases. Further, when the heating current Ihu increases, the amount of heat generated by the heating resistor 3 increases, the temperature of the heating resistor 3 rises, and the resistance value Rhu1 also increases. This also increases the potential Vm1. Conversely, when the heating current Ihd decreases, the amount of heat generated by the heating resistor 4 decreases, the temperature of the heating resistor 4 decreases, the resistance value Rhd also decreases, and the potential Vm2 also decreases. The increase in the heating current Ihu and the decrease in the heating current Ihd are stopped when the potential Vm1 becomes equal to the potential Vm2 by the control system using the bridge circuit 102 and the two operational amplifiers 12 and 25. At this time, if the resistance value of the fixed resistor 6 and the resistance value of the fixed resistor 7 are set to the same value, the currents Ic flowing through them are equal. Therefore, the difference current (= Ihu−Ic) between the heating current Ihu and the current Ic flowing through the heating resistor 3 is supplied from the operational amplifier 11 to the connection point 9a via the feedback resistor 13 having the resistance value Rm1. The voltage Vo1 appearing at the output terminal 12 of the amplifier 11 is expressed by the following equation.
Vo1 = Vm1 + Rm1 (Ihu−Ic) (18)
Further, a difference current (= Ihd−Ic) between the heating current Ihd and the current Ic flowing through the heating resistor 4 is supplied from the operational amplifier 25 to the connection point 10a via the feedback resistor 27 having the resistance value Rm2. The voltage Vo2 appearing at the output terminal 26 of the amplifier 25 is expressed by the following equation.
Vo2 = Vm2 + Rm2 (Ihd-Ic) (19)
Here, assuming that Vm1 = Vm2 and Rm1 = Rm2 = Rm, the output voltage Vout from the differential amplifier 305 is expressed by the following equation.
Vout = Vo1-Vo2 = Rm (Ihu-Ihd) (20)
According to this preferred embodiment, the same effect as that of the eleventh preferred embodiment is obtained, and the two operational amplifiers 11 and 25 are used to control one bridge circuit 102 in opposite voltage relations. Since the voltage obtained by differentially amplifying the two output voltages Vo1 and Vo2 from the two operational amplifiers 11 and 25 is used as the output voltage Vout of the sensor device, compared with the eleventh preferred embodiment, the air flow rate measurement sensitivity Can be substantially doubled.
Thirteenth preferred embodiment
FIG. 32 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a thirteenth preferred embodiment according to the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 32, compared to the twelfth preferred embodiment of FIG. 31, a resistance value R30 is set between the connection point of the heating resistors 3 and 4 of the bridge circuit 102 and the ground. A fixed resistor 30 is inserted, and a divider 61 for dividing the output voltage Vn of the differential amplifier 305 by the voltage Vp across the fixed resistor 30 is further provided.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, a sum current obtained by adding two heating currents Ihu and Ihd flowing through the heating resistors 3 and 4 flows through the fixed resistor 30. Accordingly, if the potential difference appearing at both ends of the fixed resistor 30 is Vp, the potential difference Vp is expressed by the following equation.
Vp = R30 (Ihu + Ihd) (21)
Since the output voltage of the differential amplifier 305 is expressed by the equation (20), the output voltage Vout of the output terminal 62 of the divider 31 when the equation (20) is divided by the equation (21) by the divider 61. Is expressed by the following equation.
Vout = Rm / R30 × (Ihu−Ihd) / (Ihu + Ihd)
(22)
As represented by the above equation (22), the output voltage Vout is a value of the ratio of the sum and difference of the heating currents Ihu and Ihd. As a result, the same variations in the heating currents Ihu and Ihd, the temperature coefficient of the heating resistors 3 and 4 and the response time constant cancel each other, and the output voltage Vout is not affected, so that a highly accurate sensor device is obtained. be able to.
As described above, according to the thirteenth preferred embodiment, the effect of the twelfth preferred embodiment is obtained, and the air flow measurement accuracy is greatly improved as compared with the twelfth preferred embodiment. be able to.
Fourteenth preferred embodiment
FIG. 33 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to a fourteenth preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG. 33, a constant voltage source 43, an operational amplifier 44, and an NPN transistor 45 are provided instead of the divider 61 in the thirteenth preferred embodiment of FIG. It is a feature.
In FIG. 33, the voltage Vp across the fixed resistor 30 is the open loop gain A 0 Is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 44, and the output terminal of the operational amplifier 44 is connected to the NPN transistor. Connected to 45 bases. The constant voltage source 8 of the power supply voltage Vcc is connected to the connection point 8b of the heating resistors 6 and 7 through the collector and emitter of the NPN transistor 45.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the sum of the currents flowing through the heating resistors 3 and 4 flows through the fixed resistor 30 as in the thirteenth preferred embodiment. When the potential difference appearing at both ends of the fixed resistor 30 is Vp, it is expressed by the following equation.
Vp = R30 (Ihu + Ihd) (23)
In a control system including the bridge circuit 102, the operational amplifier 44, and the NPN transistor 45, the operational amplifier 44 and the transistor 45 flow to the bridge circuit 102 so that the potential difference Vp is always equal to the power supply voltage Vcc2 of the constant voltage source 43. The sum current (Ihu + Ihd) is controlled. By performing such control, the sum current (Ihu + Ihd) is always held at a constant current Ihc from the equation (23). Since the output voltage Vout of the differential amplifier 305 is expressed by equation (20), the following equation is obtained by dividing both sides of equation (20) by Ihc.
Vout / Ihc = Rm (Ihu-Ihd) / Ihc
= Rm (Ihu-Ihd) / (Ihu + Ihd) (24)
Here, since the current Ihc is fixed, the output voltage Vout is proportional to the ratio of the sum and difference of the heating currents Ihu and Ihd. Therefore, similar to the twelfth preferred embodiment, the same variation in the heating currents Ihu and Ihd, the temperature coefficient of the heating resistors 3 and 4, the response time constant, etc. cancel each other and affect the output voltage Vout. Therefore, a highly accurate sensor device can be obtained.
Fifteenth preferred embodiment
FIG. 34 is a top view showing the configuration of the thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is the fifteenth preferred embodiment according to the present invention, and FIG. 35 is the insulating protection in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view about the DD 'line | wire of FIG. 34 when the film | membrane 5 is formed. FIG. 36 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 34 and 35.
In this preferred embodiment, as shown in FIGS. 34 and 35, four heating resistors 23, 3, 4, and 24 having resistance values Rhu 2, Rhu 1, Rhd 1, and Rhd 2 are placed on the diaphragm 17 in the air flow. In this order, the longitudinal directions are parallel to each other along the flow, and are formed so as to be substantially orthogonal to the air flow.
In FIG. 36, four heating resistors 3, 4, 23, and 24 are electrically connected in series in this order to form a bridge circuit 103. The connection point of the heating resistors 4, 23 is the power supply voltage Vcc. Are connected to the constant voltage source 8, and the connection point of the heating resistors 3, 24 is grounded. The connection point 9 of the heating resistors 3 and 4 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11, and the connection point 10 of the heating resistors 23 and 24 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11. The output terminal of the operational amplifier 11 is connected to the connection point 9 via a feedback resistor 13 having a resistance value Rm. Here, the output voltage Vout output from the output terminal 12 of the operational amplifier 11 becomes the output voltage of the sensor device.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when air flows from the heating resistor 3 side toward the heating resistor 4, the heating resistor 3 is cooled more than the heating resistor 4. Therefore, the resistance value Rhu1 of the heating resistor 3 becomes smaller than the resistance value Rhd1 of the heating resistor 4, and the potential Vm at the connection point 9 decreases. Further, since the heating resistor 23 is more easily cooled than the heating resistor 24, the resistance value Rhu2 of the heating resistor 23 is smaller than the resistance value Rhd2 of the heating resistor 24, and the reference potential Vs at the connection point 10 is obtained. Will rise. Since the potential Vm is smaller than the reference potential Vs, the output voltage Vout of the output terminal 12 of the operational amplifier 11 increases, the supply current to the connection point 9 increases, and the heating current Ihu1 flowing through the heating resistor 3 increases. . At this time, the potential Vm at the connection point 9 is expressed by the following equation.
Vm = Rhu1 × Ihu1 (25)
Accordingly, when the heating current Ihu1 increases, the potential Vm increases. Further, when the heating current Ihu1 increases, the amount of heat generated by the heating resistor 3 increases, the temperature of the heating resistor 3 rises, and the resistance value Rhu1 also increases. This also increases the potential Vm. By the control system including the bridge circuit 103 and the operational amplifier 11, the increase in the heating current Ihu1 is stopped when the potential Vm becomes equal to the reference potential Vs. At this time, the difference current (= Ihu1−Ihd1) between the heating currents Ihd1 and Ihu1 flowing through the heating resistor 4 is supplied from the output terminal 12 of the operational amplifier 11 to the connection point 9 via the feedback resistor 13, and the output terminal 12 The output voltage Vout appearing at is expressed by the following equation.
Vout = Vs + Rm (Ihu1-Ihd1) (26)
Further, the reference potential Vs at the connection point 10 is expressed by the following equation.
Vs = Vcc × Rhd2 / (Rhu2 + Rhd2) (27)
= Vcc / (1 + Rhu2 / Rhd2) (28)
Accordingly, Rhu2 <Rhd2 as the air flow rate increases, so that the reference potential Vs increases as the air flow rate increases. As a result, both the first term and the second term on the right side of the equation (26) increase with the air flow rate, so that the sensitivity of the flow rate measurement can be improved without applying positive feedback as in the third preferred embodiment. This can be improved compared to one preferred embodiment.
As described above, according to the fifteenth preferred embodiment, in addition to the effects of the first preferred embodiment, the sensitivity of flow rate measurement can be greatly improved.
In the fifteenth preferred embodiment described above, the four heating resistors 23, 3, 4, and 24 are juxtaposed in the vicinity of each other. However, the present invention is not limited to this, and the two heating resistors 3, 23 are arranged. While being juxtaposed in the vicinity of each other, the two exothermic resistors 4 and 24 may be juxtaposed in the vicinity of each other at a distance from these exothermic resistors 3 and 23.
Sixteenth preferred embodiment
FIG. 37 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device according to the sixteenth preferred embodiment of the present invention. In this preferred embodiment, as shown in FIG.
(A) the bridge circuit 103 illustrated in FIG. 36;
(B) two operational amplifiers 11 and 25 having feedback resistors 13 and 27, respectively, shown in FIG.
(C) the differential amplifier 305 shown in FIG.
In combination, a thermal air flow sensor device is configured.
The connection point 9 of the heating resistors 3 and 4 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 11 and to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 25. The connection point 10 of the heating resistors 23 and 24 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 11 and to the inverting input terminal of the operational amplifier 25.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, when air flows from the heating resistor 3 side toward the heating resistor 4, the heating resistor 3 is cooled more than the heating resistor 4. Therefore, the resistance value Rhu1 of the heating resistor 3 becomes smaller than the resistance value Rhd1 of the heating resistor 4, and the potential Vm1 at the connection point 9 decreases. Further, since the heating resistor 23 is more easily cooled than the heating resistor 24, the resistance value Rhu2 of the heating resistor 23 is smaller than the resistance value Rhd2 of the heating resistor 24, and the potential Vm2 of the connection point 10 is To rise. Since the potential Vm1 is smaller than the potential Vm2, the output voltage Vo1 of the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is increased, the supply current to the connection point 9 is increased, and the heating current Ihu1 flowing through the heating resistor 3 is increased. Conversely, the output voltage Vo2 at the output terminal 26 of the operational amplifier 25 decreases, the supply current to the connection point 10 decreases, and the heating current Ihd2 flowing through the heating resistor 24 decreases. Here, the connection point 9 potential Vm1 and the connection point 10 potential Vm2 are respectively expressed by the following equations.
Vm1 = Rhu1 × Ihu1 (29)
Vm2 = Rhd2 × Ihd2 (30)
Therefore, when the heating current Ihu1 increases, the potential Vm1 increases, and when the heating current Ihd2 decreases, the potential Vm2 decreases. Further, when the heating current Ihu1 increases, the amount of heat generated by the heating resistor 3 increases, the temperature of the heating resistor 3 rises, and the resistance value Rhu1 also increases. This also increases the potential Vm1. Conversely, when the heating current Ihd2 decreases, the amount of heat generated by the heat generating resistor 24 decreases, the temperature of the heat generating resistor 24 decreases, and the resistance value Rhd2 also decreases, thereby also reducing the potential Vm2. The control system including the bridge circuit 103 and the two operational amplifiers 11 and 25 stops the increase in the heating current Ihu1 and the decrease in the heating current Ihd2 when the potential Vm1 becomes equal to the potential Vm2. At this time, a difference current (= Ihu1−Ihd1) between the heating current Ihd1 flowing through the heating resistor 4 and the heating current Ihu1 flowing through the heating resistor 3 is supplied from the operational amplifier 11 to the connection point 9 via the output resistor 13. The voltage Vo1 appearing at the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is expressed by the following equation.
Vo1 = Vm1 + Rm1 (Ihu1-Ihd1) (31)
Further, a difference current (= Ihd2−Ihu2) between the heating current Ihu2 flowing through the heating resistor 23 and the heating current Ihd2 flowing through the heating resistor 24 is supplied from the operational amplifier 25 to the connection point 10 via the output resistor 27. The voltage Vo2 appearing at the output terminal 26 of the operational amplifier 25 is expressed by the following equation.
Vo2 = Vm2 + Rm2 (Ihd2-Ihu2) (32)
Here, assuming that Vm1 = Vm2 and Rm1 = Rm2 = Rm, the output voltage Vout from the differential amplifier 305 is expressed by the following equation.
Vout = Vo1-Vo2
= Rm {(Ihu1 + Ihu2)
− (Ihd1 + Ihd2)} (33)
Here, as the air flow rate increases, the heating currents Ihu1 and Ihu2 increase while the heating currents Ihd1 and Ihd2 decrease. Therefore, the first term on the right side of the equation (33) increases with the air flow rate, and the second term is air. Decreases with flow rate. Therefore, the sensitivity of air flow rate measurement can be improved without applying positive feedback as in the third preferred embodiment.
As described above, according to the sixteenth preferred embodiment, in addition to the effects of the fifteenth preferred embodiment, the sensitivity of air flow measurement can be improved compared to the fifteenth preferred embodiment.
Seventeenth preferred embodiment
FIG. 38 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a thermal air flow sensor device which is a seventeenth preferred embodiment according to the present invention. This preferred embodiment is characterized in that the resistance temperature detector 19 shown in FIGS. 14 and 15 is used as the third heating resistor 43 as compared with the fifth preferred embodiment having the bridge circuit 101. Yes. That is, a relatively large current is supplied to the heating resistor 43 to release a relatively large amount of heat energy, which affects the heating resistors 3 and 4.
In FIG. 38, the buffer amplifier 306 and the heating resistor 43, which are the operational amplifier 81, are provided at the subsequent stage of the output terminal 12 of the operational amplifier 11 to which the bridge circuit 101 is connected. Here, the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is connected to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 81, and the output terminal of the operational amplifier 81 is connected to the inverting input terminal and grounded via the heating resistor 43. .
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the output voltage Vout from the output terminal 12 of the operational amplifier 11 is buffered and amplified by the buffer amplifier 306, and the buffered and amplified voltage is applied to the heating resistor 43. Heat. Here, as the output voltage Vout increases, the thermal energy released from the heating resistor 43 increases.
FIG. 39 is a graph showing the temperatures of the heating resistors 3 and 4 and the temperature difference therebetween with respect to the air flow rate in the thermal air flow sensor device of FIG. As is clear from FIG. 39, the temperature (or resistance value) of the heating resistors 3 and 4 decreases as the air flow rate increases. The temperature difference between the two also saturates as the air flow rate increases. When the change amount of the temperature difference is small, the sensitivity of the sensor device is also small. The temperature difference between the heating resistors 3 and 4 increases as the temperature of the heating resistors 3 and 4 increases. Therefore, in applications that require measurement in a wide air flow range, it is necessary to keep the temperature of the heating resistors 3 and 4 high even at a large air flow rate. As shown in FIG. 38, when the output voltage Vout is applied to the third heating resistor 43, the applied voltage increases as the air flow rate increases, and the amount of heat generation increases, so the temperature drop of the heating resistors 3, 4 can be prevented. . Thereby, a sensor device capable of highly sensitive measurement in a wide range can be realized.
Eighteenth preferred embodiment
40 is a top view showing a configuration of a thermal air flow sensor device when the insulating protective film 5 is removed, which is the eighteenth preferred embodiment according to the present invention, and FIG. 41 is an insulating protection in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view about the EE 'line | wire of FIG. 40 when the film | membrane 5 is formed. FIG. 42 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the thermal air flow sensor device of FIGS. 40 and 41.
In this preferred embodiment, as shown in FIGS. 40 and 41, a third heating resistor 19 for supplying a large current and releasing thermal energy is provided between the heating resistors 3 and 4, for example, a silicon chip. A resistance temperature detector 16 for supplying a small operating current to detect the air temperature is formed on the diaphragm 18 at the tip of one, and as shown in FIG. 42, a bridge circuit 101 and a calculation for measuring the flow rate A first device circuit (a circuit according to the first preferred embodiment shown in FIG. 3) 401 including the amplifier 11, the heating resistor 19, the resistance temperature detector 16, the variable resistor 82, and the fixed resistor 83. And a second device circuit 402 for maintaining the temperature of the heat generating resistor 19.
42, a bridge circuit 104 is configured by electrically connecting a variable resistor 82, a resistance temperature detector 16, a heating resistor 19, and a fixed resistor 83 in this order. The constant voltage source 8 of the power supply voltage Vcc is connected to the connection point of the resistance temperature detector 16 and the heating resistor 19 through the collector and emitter of the NPN transistor 85, and the connection point of the variable resistor 82 and the fixed resistor 83 is grounded. The The connection point between the variable resistor 82 and the resistance temperature detector 16 is an open loop gain A 0 The connection point of the fixed resistor 83 and the heating resistor 19 is connected to the inverting input terminal. Further, the output terminal of the operational amplifier 84 is connected to the base of the NPN transistor 85.
In the thermal air flow sensor device configured as described above, the bridge circuit 104, the operational amplifier 84, and the NPN transistor 85 are provided separately from the first device circuit 401 provided with the bridge circuit 101 for flow rate measurement. The second device circuit 402 of the constant temperature difference control system is provided. In the second device circuit 402 of the latter constant temperature difference control system, the variable resistor 82 is adjusted so as to supply a minute operating current for detecting the air temperature to the temperature measuring resistor 16, and the third heating resistor Although the temperature of the body 19 depends on the detected air temperature, it can be controlled so as to be maintained substantially constant without depending on the air flow rate.
As described above, according to the eighteenth preferred embodiment, similarly to the seventeenth preferred embodiment, the temperature drop of the heating resistors 3 and 4 can be prevented, and measurement with high sensitivity in a wider range is possible. Can be realized.

以上詳述したように本発明に係る熱式空気流量センサ装置によれば、空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列に接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる2つの発熱抵抗体と、上記2つの発熱抵抗体に接続され、上記2つの発熱抵抗体に加熱電流を供給する電源手段と、上記2つの発熱抵抗体の接続点の電位が所定の基準電位となるように、上記2つの発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する制御手段と、上記2つの発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備える。ここで、例えば、上記2つの発熱抵抗体と、別の2つの抵抗とによりブリッジ回路を構成し、上記電源手段と上記別の2つの抵抗とにより上記基準電位を発生する。従って、1つのブリッジ回路を用いて、2つの発熱抵抗体の加熱電流の差により空気流量を測定することができるので、当該熱式空気流量センサ装置を大幅に小型・軽量化でき、調整工程を含む製造工程を簡略化でき、これにより製造コストを大幅に軽減することができる。  As described above in detail, according to the thermal air flow sensor device of the present invention, in the air flow, juxtaposed along the flow and electrically connected in series with each other, each of the temperature sensitive resistors The two heating resistors, the power supply means connected to the two heating resistors and supplying a heating current to the two heating resistors, and the potential at the connection point of the two heating resistors is predetermined. Control means for controlling the heating current supplied to the two heating resistors so as to be a reference potential, and calculation means for calculating the difference between the heating currents flowing through the two heating resistors as the air flow rate. Here, for example, a bridge circuit is configured by the two heating resistors and another two resistors, and the reference potential is generated by the power supply means and the other two resistors. Therefore, since the air flow rate can be measured by the difference in heating current between the two heating resistors using one bridge circuit, the thermal air flow sensor device can be greatly reduced in size and weight, and the adjustment process The manufacturing process including this can be simplified, and the manufacturing cost can be greatly reduced.

Claims (17)

空気の流れの中であってその流れに沿って並置されかつ互いに電気的に直列接続され、それぞれ感温抵抗体にてなる第1と第2の発熱抵抗体と、
上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体と第1の抵抗と第2の抵抗とを環状で電気的に接続することにより構成された第1のブリッジ回路と、
上記第1のブリッジ回路において、上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体と上記第1の抵抗と上記第2の抵抗とについて、互いに隣接するものを接続したときの4つの接続点のうちの1つの接続点である第1の接続点に接続されて上記第1と第2の発熱抵抗体に加熱電流を供給する電源手段と、
上記4つの接続点のうちの第1の接続点とは異なる第2の接続点における電位と、上記4つの接続点のうちの第1の接続点及び第2の接続点とは異なりかつ第2の接続点に対向する第3の接続点における電位とが等しくなるように上記第1と第2の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する第1の制御手段と、
上記第1と第2の発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備えたことを特徴とする熱式空気流量センサ装置。
A first heating resistor and a second heating resistor, each of which is composed of a temperature-sensitive resistor, in the air flow, juxtaposed along the flow and electrically connected in series with each other;
A first bridge circuit configured by electrically connecting the first heating resistor, the second heating resistor, the first resistor, and the second resistor in an annular shape;
In the first bridge circuit, four connections when the first heating resistor, the second heating resistor, the first resistor, and the second resistor are connected to each other. Power supply means connected to a first connection point that is one of the points to supply a heating current to the first and second heating resistors;
The potential at a second connection point different from the first connection point among the four connection points, and the second connection point different from the first connection point and the second connection point among the four connection points and the second connection point. First control means for controlling the heating current supplied to the first and second heating resistors so that the potential at the third connection point opposite to the connection point is equal ;
A thermal air flow rate sensor device comprising: a calculation means for calculating a difference between the respective heating currents flowing through the first and second heating resistors as an air flow rate.
上記第1の抵抗は第1の固定抵抗により構成され、
上記第2の抵抗は第2の固定抵抗により構成され、
上記第1の接続点は上記第1の発熱抵抗体と上記第1の固定抵抗との接続点であり、
上記第2の接続点は上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体との接続点であり、
上記第3の接続点は上記第1の固定抵抗と上記第2の固定抵抗との接続点であり、
上記第1の制御手段は、上記第2の接続点の電位と上記第3の接続点の電位が等しくなるように上記第1と第2の発熱抵抗体に供給する各加熱電流を制御することを特徴とする請求項1記載の熱式空気流量センサ装置。
The first resistor is constituted by a first fixed resistor,
The second resistor is constituted by a second fixed resistor,
The first connection point is a connection point between the first heating resistor and the first fixed resistor,
The second connection point is a connection point between the first heating resistor and the second heating resistor,
The third connection point is a connection point between the first fixed resistor and the second fixed resistor,
The first control means controls each heating current supplied to the first and second heating resistors so that the potential at the second connection point is equal to the potential at the third connection point. The thermal air flow sensor device according to claim 1.
上記演算手段は、上記演算される各加熱電流の差が増大するにつれて、上記第3の接続点の電位を高くするように制御する手段を備えたことを特徴とする請求項記載の熱式空気流量センサ装置。 3. The thermal type according to claim 2 , wherein the calculating means includes means for controlling the potential of the third connection point to be increased as the difference between the calculated heating currents increases. Air flow sensor device. 上記演算手段は上記空気流量を示すセンサ出力電圧を出力し、
上記空気の流れ中であるが、上記第1と第2の発熱抵抗体とは離間して設けられ、空気温度を検出する測温抵抗体を有し、上記測温抵抗体により検出した空気温度が高くなるにつれて、上記加熱電流の差に基づくセンサ出力電圧を大きくするように制御することにより、空気温度に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2又は3記載の熱式空気流量センサ装置。
The computing means outputs a sensor output voltage indicating the air flow rate,
While the air is flowing, the first and second heating resistors are provided apart from each other, have a temperature measuring resistor for detecting the air temperature, and the air temperature detected by the temperature measuring resistor. as increases, the result of control as the sensor output voltage based on the difference of the heating current is increased, claim 2 or, characterized in that further comprising means for compensating the temperature characteristic depending on the air temperature 3. The thermal air flow sensor device according to 3.
上記演算手段は上記空気流量を示すセンサ出力電圧を出力し、
上記空気の流れ中であって、上記第1と第2の発熱抵抗体の近傍に設けられ、空気温度及び上記第1と第2の発熱抵抗体の温度に関係する温度を検出する測温抵抗体を有し、
上記測温抵抗体により検出した温度が高くなるにつれて、上記加熱電流の差に基づくセンサ出力電圧を大きくするように制御することにより、空気温度及び空気流量に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2又は3記載の熱式空気流量センサ装置。
The computing means outputs a sensor output voltage indicating the air flow rate,
Even during flow of the air, the first and provided in the vicinity of the second heating resistor, the resistance thermometer for detecting the temperature related to the temperature of the air temperature and the first and second heating resistor Have a body,
A means for compensating the temperature characteristics depending on the air temperature and the air flow rate by controlling to increase the sensor output voltage based on the difference in the heating current as the temperature detected by the resistance temperature detector increases. The thermal air flow sensor device according to claim 2 or 3, further comprising:
上記空気の流れ中であるが、上記第1と第2の発熱抵抗体とは離間して設けられ、空気温度を検出する測温抵抗体を有し、上記測温抵抗体により検出した空気温度が高くなるにつれて、上記第3の接続点の電位を高くするように制御することにより、空気温度に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2又は3記載の熱式空気流量センサ装置。While the air is flowing, the first and second heating resistors are provided apart from each other, have a temperature measuring resistor for detecting the air temperature, and the air temperature detected by the temperature measuring resistor. 4. The apparatus according to claim 2 , further comprising means for compensating a temperature characteristic depending on an air temperature by controlling the potential of the third connection point to be increased as the value of the third connection point increases. Thermal air flow sensor device. 上記空気の流れ中であって、上記第1と第2の発熱抵抗体の近傍に設けられ、空気温度及び上記第1と第2の発熱抵抗体の温度に関係する温度を検出する測温抵抗体を有し、上記測温抵抗体により検出した温度が高くなるにつれて、上記第3の接続点の電位を高くするように制御することにより、空気温度及び空気流量に依存して温度特性を補償する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2又は3記載の熱式空気流量センサ装置。Even during flow of the air, the first and provided in the vicinity of the second heating resistor, the resistance thermometer for detecting the temperature related to the temperature of the air temperature and the first and second heating resistor The temperature characteristics are compensated depending on the air temperature and the air flow rate by controlling the potential of the third connection point to be increased as the temperature detected by the resistance temperature detector increases. The thermal air flow sensor device according to claim 2 , further comprising means for performing the operation. 上記演算手段によって演算される各加熱電流の差に基づいて、上記電源手段から上記第1と第2の発熱抵抗体に供給される加熱電流を制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項2乃至7のうちいずれか1つに記載の熱式空気流量センサ装置。The apparatus further comprises means for controlling the heating current supplied from the power supply means to the first and second heating resistors based on the difference between the heating currents calculated by the calculating means. Item 8. The thermal air flow sensor device according to any one of Items 2 to 7 . 上記演算手段は、上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体の接続点の電位が上記第1の固定抵抗と上記第2の固定抵抗との接続点の電位未満であるとき第1のレベルの出力信号を出力する一方、上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体との接続点の電位が上記第1の固定抵抗と上記第2の固定抵抗との接続点の電位以上であるとき第2のレベルの出力信号を出力するコンパレータであり、
上記熱式空気流量センサ装置は、
上記第1の発熱抵抗体に電気的に並列に、第3の固定抵抗を介して接続された第1のスイッチ手段と、
上記第2の発熱抵抗体に電気的に並列に、第4の固定抵抗を介して接続された第2のスイッチ手段と、
上記コンパレータからの第1のレベルの出力信号に応答して、上記第1のスイッチ手段をオンし、かつ、上記第2のスイッチ手段をオフする一方、上記コンパレータからの第2のレベルの出力信号に応答して、上記第1のスイッチ手段をオフし、かつ、上記第2のスイッチ手段をオンするように上記第1と第2のスイッチ手段を制御する手段をさらに備え、
上記コンパレータから出力される第1と第2のレベルの出力信号に基づいて空気流量を測定することを特徴とする請求項2又は3記載の熱式空気流量センサ装置。
The computing means is configured to output a first value when a potential at a connection point between the first heating resistor and the second heating resistor is less than a potential at a connection point between the first fixed resistor and the second fixed resistor . While the output signal of level 1 is output, the potential of the connection point between the first heating resistor and the second heating resistor is the connection point between the first fixed resistor and the second fixed resistor. A comparator that outputs a second level output signal when the potential is equal to or greater than
The thermal air flow sensor device is
First switch means connected in parallel to the first heating resistor through a third fixed resistor;
Second switch means electrically connected in parallel to the second heating resistor through a fourth fixed resistor;
In response to the first level output signal from the comparator, the first switch means is turned on and the second switch means is turned off, while the second level output signal from the comparator is turned on. In response to, further comprising means for turning off the first switch means and controlling the first and second switch means to turn on the second switch means,
4. The thermal air flow sensor device according to claim 2, wherein the air flow rate is measured based on first and second level output signals output from the comparator.
上記第1の抵抗は第1の固定抵抗により構成され、
上記第2の抵抗は第2の固定抵抗により構成され、
上記第1の接続点は上記第1の固定抵抗と上記第2の固定抵抗との接続点であり、
上記第2の接続点は上記第1の発熱抵抗体と上記第1の固定抵抗との接続点であり、
上記第3の接続点は上記第2の発熱抵抗体と上記第2の固定抵抗との接続点であり、
上記第1の制御手段は上記第2の接続点の電位と上記第3の接続点の電位が等しくなるように上記第1と第2の発熱抵抗体に供給する各加熱電流を制御することを特徴とする請求項1記載の熱式空気流量センサ装置。
The first resistor is constituted by a first fixed resistor,
The second resistor is constituted by a second fixed resistor,
The first connection point is a connection point between the first fixed resistor and the second fixed resistor,
The second connection point is a connection point between the first heating resistor and the first fixed resistor,
The third connection point is a connection point between the second heating resistor and the second fixed resistor,
The first control means controls each heating current supplied to the first and second heating resistors so that the potential at the second connection point is equal to the potential at the third connection point. The thermal air flow sensor device according to claim 1, wherein
上記第2の接続点の電位と上記第3の接続点の電位が等しくなるように上記第2の発熱抵抗体に供給する加熱電流を制御する第2の制御手段をさらに備え、
上記第1と第2の発熱抵抗体に流れる各加熱電流の差を空気流量として演算する演算手段とを備えたことを特徴とする請求項10記載の熱式空気流量センサ装置。
A second control means for controlling a heating current supplied to the second heating resistor so that a potential at the second connection point is equal to a potential at the third connection point ;
11. The thermal air flow sensor device according to claim 10, further comprising calculation means for calculating a difference between the respective heating currents flowing through the first and second heating resistors as an air flow rate.
上記第1と第2の発熱抵抗体に流れる2つの加熱電流の和を検出する手段と、
上記検出された加熱電流の和により、上記加熱電流の差を除算し、除算結果を出力する除算手段とをさらに備え、
上記除算結果の値を空気流量として測定することを特徴とする請求項11記載の熱式空気流量センサ装置。
Means for detecting a sum of two heating currents flowing through the first and second heating resistors;
Dividing means for dividing the difference of the heating currents by the sum of the detected heating currents and outputting a division result;
12. The thermal air flow sensor device according to claim 11, wherein a value of the division result is measured as an air flow rate.
上記第1と第2の発熱抵抗体に流れる2つの加熱電流の和を検出する手段と、
上記検出された2つの加熱電流の和に基づいて、上記第1と第2の加熱電流の和が一定となるように、上記電源手段から上記第1と第2の発熱抵抗体に供給される加熱電流の和を制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項11記載の熱式空気流量センサ装置。
Means for detecting a sum of two heating currents flowing through the first and second heating resistors;
Based on the sum of the two detected heating currents, the power supply means supplies the first and second heating resistors so that the sum of the first and second heating currents is constant. The thermal air flow sensor device according to claim 11 , further comprising means for controlling a sum of heating currents.
上記第1と第2の抵抗はそれぞれ感温抵抗体にてなる第3と第4の発熱抵抗体により構成され、The first and second resistors are respectively constituted by third and fourth heating resistors made of temperature sensitive resistors,
上記第1、第2、第3及び第4の発熱抵抗体は当該順序で互いに電気的に直列に接続され、The first, second, third and fourth heating resistors are electrically connected in series with each other in this order,
上記第1の接続点は上記第2の発熱抵抗体と上記第3の発熱抵抗体との接続点であり、The first connection point is a connection point between the second heating resistor and the third heating resistor,
上記第2の接続点は上記第1の発熱抵抗体と上記第2の発熱抵抗体との接続点であり、The second connection point is a connection point between the first heating resistor and the second heating resistor,
上記第3の接続点は上記第3の発熱抵抗体と上記第4の発熱抵抗体との接続点であり、The third connection point is a connection point between the third heating resistor and the fourth heating resistor,
上記第1の制御手段は上記第2の接続点の電位と上記第3の接続点の電位が等しくなるように上記第1と第2の発熱抵抗体に供給する各加熱電流を制御することを特徴とする請求項1記載の熱式空気流量センサ装置。The first control means controls each heating current supplied to the first and second heating resistors so that the potential at the second connection point is equal to the potential at the third connection point. The thermal air flow sensor device according to claim 1, wherein
上記第2の接続点の電位と上記第3の接続点の電位が等しくなるように上記第3と第4の発熱抵抗体に供給する各加熱電流を制御する第3の制御手段をさらに備え、
上記第1の発熱抵抗体に流れる加熱電流と上記第2の発熱抵抗体に流れる加熱電流との差に基づいて出力される第1の電圧と、上記第3の発熱抵抗体に流れる加熱電流と上記第4の発熱抵抗体に流れる加熱電流との差に基づいて出力される第2の電圧との差電圧を演算して出力する差動増幅手段とをさらに備え、
上記演算された差電圧を空気流量として測定することを特徴とする請求項14記載の熱式空気流量センサ装置。
And further comprising third control means for controlling the respective heating currents supplied to the third and fourth heating resistors so that the potential at the second connection point is equal to the potential at the third connection point .
A first voltage output based on a difference between a heating current flowing through the first heating resistor and a heating current flowing through the second heating resistor; a heating current flowing through the third heating resistor; Differential amplifying means for calculating and outputting a difference voltage with respect to the second voltage output based on the difference from the heating current flowing through the fourth heating resistor,
15. The thermal air flow sensor device according to claim 14, wherein the calculated differential voltage is measured as an air flow rate.
上記空気の流れ中であって、上記第1と第2の発熱抵抗体の近傍に設けられた感温抵抗体にてなる第3の発熱抵抗体と、
上記演算手段から出力される各加熱電流の差に対応する電圧を上記第3の発熱抵抗体に印加する手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項記載の熱式空気流量センサ装置。
A third heating resistor composed of a temperature-sensitive resistor provided in the vicinity of the first and second heating resistors in the air flow;
3. The thermal air flow sensor device according to claim 2 , further comprising means for applying a voltage corresponding to a difference between the respective heating currents output from the arithmetic means to the third heating resistor.
上記空気の流れ中であるが、上記第1と第2の発熱抵抗体とは離間して設けられ、空気温度を検出する測温抵抗体と、
上記空気の流れ中であって、上記第1と第2の発熱抵抗体の近傍に設けられ、空気温度及び上記第1と第2の発熱抵抗体の温度に関係する温度を検出する感温抵抗体にてなる第5の発熱抵抗体と、
上記測温抵抗体と上記第5の発熱抵抗体と第5と第6の固定抵抗とを環状で電気的に接続することにより構成された第2のブリッジ回路とをさらに備え、
上記電源手段は、互いに電気的に直列に接続された第6の固定抵抗と上記測温抵抗体に動作電流を供給するとともに、互いに電気的に直列に接続された第5の固定抵抗と上記第5の発熱抵抗体に加熱電流を供給し、
上記熱式空気流量センサ装置は、
上記第5の発熱抵抗体の温度が上記測温抵抗体により検出される空気温度に依存して一定となるように上記動作電流と上記加熱電流の和を制御する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項記載の熱式空気流量センサ装置。
While the air is flowing, the first and second heating resistors are provided apart from each other, and a resistance temperature detector for detecting the air temperature;
Even during flow of the air, the first and provided in the vicinity of the second heating resistor, the temperature-sensitive resistor for detecting a temperature related to the temperature of the air temperature and the first and second heating resistor A fifth heating resistor comprising a body;
A second bridge circuit configured by electrically connecting the temperature measuring resistor, the fifth heating resistor, and the fifth and sixth fixed resistors in an annular shape;
The power supply means supplies an operating current to the sixth fixed resistor and the resistance temperature detector, which are electrically connected in series with each other, and has a fifth fixed resistor and the fifth fixed resistor which are electrically connected in series with each other. 5 to supply heating current to the heating resistor,
The thermal air flow sensor device is
The apparatus further comprises means for controlling the sum of the operating current and the heating current so that the temperature of the fifth heating resistor becomes constant depending on the air temperature detected by the temperature measuring resistor. The thermal air flow sensor device according to claim 2 .
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