空气流量计的制作方法

1.本发明涉及基于在发热体的上下游具有温度传感器的空气流量检测元件的输出信号来输出空气流量信号的空气流量计，特别涉及能够减少因脉动而产生的误差(脉动误差)的空气流量计。


背景技术：

2.作为减少脉动误差的空气流量计的例子，有日本特开2015
‑
49135号公报(专利文献1)中记载的热式流量传感器。专利文献1的热式流量传感器包括：空气流量检测元件，其具有在半导体基板上形成的薄膜部(隔膜)、在隔膜上配置的发热电阻体、和在发热电阻体的上游侧和下游侧配置的上游侧测温电阻体和下游侧测温电阻体；和修正电路，其基于上游侧测温电阻体与下游侧测温电阻体的温度差信息处理得到空气流量检测元件的输出信号(摘要和段落0013)。修正电路部通过在空气流量检测元件的输出信号超过了规定值的情况下输出所述规定值，而修正为构成峰值的峰部或谷部的一部分被截止为所述规定值的输出信号波形(摘要)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2015
‑
49135号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的课题
7.重要的在于，通过求出空气流量检测元件的输出信号的最大值和最小值、使用根据这些值求出的钳位值来对空气流量检测元件的输出信号进行钳位，而使空气流量检测元件的输出信号的平均值向负方向偏移，减少脉动误差。
8.但是，实际的发动机的脉动波形是包含高次谐波的畸变的脉动波形，取决于发动机的种类和发动机的负载条件，脉动波形的高次谐波成分变化。因此，如上述现有技术一般基于空气流量检测元件的输出信号的最大值和最小值决定对空气流量检测元件的输出信号进行钳位的值的方法，不能应对包含高次谐波的畸变的脉动波形。包含高次谐波的畸变的脉动波形的最大值和最小值，与不包含高次谐波的脉动波形的最大值和最小值不同。结果，难以与高次谐波成分的变化相应地设定适当的钳位值，存在不能对于包含高次谐波的输出信号进行适当的修正的可能性。即，上述现有技术中欠缺对于因发动机的种类和负载条件而变化的实际的发动机的脉动波形的考虑。
9.本发明的目的在于提供一种对于包含高次谐波的畸变的波形能够减少脉动误差的空气流量计。
10.用于解决课题的技术方案
11.为了达成上述目的，本发明的空气流量计检测出流量检测元件的输出信号经过了规定阈值，发生以该检出信号为触发的脉冲信号，基于该脉冲信号修正上述流量检测元件
的输出信号。
12.发明效果
13.根据本发明，因为检测流量检测元件的输出信号经过了规定阈值的情况并修正脉动误差，所以能够进行符合流量检测元件中发生的物理现象的波形处理，能够提供脉动误差更小的空气流量计。
14.上述以外的课题、结构和效果将通过以下实施方式的说明而说明。
附图说明
15.图1是表示本发明的第一实施例的空气流量计100a的结构的图。
16.图2是本发明的第一实施例的空气流量检测元件1的平面图。
17.图3是表示图2中的a
‑
a＇截面和流量检测元件1的上部空间(上空)中流动的空气流的温度分布的图。
18.图4是表示空气流量检测元件1的各部的波形的图。
19.图5是表示修正前的空气流量计100a的测定误差的图。
20.图6是表示空气流量计100a的各部的波形的图。
21.图7是表示修正后的空气流量计100a的测定误差的图。
22.图8是表示本发明的第二实施例的空气流量计100b的结构的图。
23.图9是表示修正前后的空气流量计100b的测定误差的图。
24.图10是表示本发明的第三实施例的空气流量计100c的结构的图。
25.图11是表示本发明的第四实施例的空气流量计100d的结构的图。
26.图12是表示本发明的第五实施例的空气流量计100e的结构的图。
27.图13是表示空气流量计100e的各部的波形的图。
28.图14是表示本发明的第六实施例的空气流量计100f的结构的图。
29.图15是表示上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的相对于空气流量的输出特性的图。
30.图16是表示脉动时的上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的输出波形的图。
具体实施方式
31.以下，对于本发明的实施方式，参考附图进行说明。另外，各实施例只要不矛盾就能够组合。各实施例中，对于共通的结构附加相同的附图标记，省略说明。第一实施例中说明的内容是与其他实施例共通的，在其他实施例中对于与第一实施例不同的结构进行说明。
32.[实施例1]
[0033]
用图1至图7说明本发明的第一实施例的空气流量计100a。
[0034]
图1是表示本发明的第一实施例的空气流量计100a的结构的图。
[0035]
本实施例的空气流量计100a由产生与测定的空气流量相应的输出信号的空气流量检测元件1、检测出来自空气流量检测元件1的输出信号经过了规定阈值的信号检测器2、以信号检测器2的输出信号为触发地产生脉冲信号的脉冲发生器3、和对空气流量检测元件1的输出信号加上脉冲发生器3的输出信号的加法器4构成。空气流量计100a基于空气流量
检测元件1的输出信号输出空气流量信号。
[0036]
另外，加法器4相当于基于脉冲发生器3的输出对空气流量检测元件1的输出信号进行修正的修正部。
[0037]
图2是本发明的第一实施例的空气流量检测元件1的平面图。图3是表示图2中的a
‑
a＇截面和流量检测元件1的上部空间中流动的空气流的温度分布的图。
[0038]
空气流量检测元件1如图2、3所示，具有在硅基板5上形成的、由隔热膜构成的隔膜6。在隔膜6上，设置加热至比测定空气流的温度更高温度的发热体8、在发热体8的上游侧配置的上游侧温度传感器7、和在发热体8的下游侧配置的下游侧温度传感器9。另外，上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9由用多晶硅薄膜或白金薄膜制作的热敏电阻或者用多晶硅薄膜或金属薄膜制作的热电偶构成。上游侧温度传感器7计测发热体8的上游侧的温度，下游侧温度传感器9计测发热体8的下游侧的温度。即，空气流量计100a将发热体8的温度加热至比空气流量检测元件1的上部空间(以下称为上空)中流动的空气流更高温度，利用发热体8的上游侧的温度因空气流量检测元件1的上空中流动的空气流而下降、下游侧的温度上升这一点，来计测空气流量。为了检测该温度变化而设置上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9。
[0039]
接着，用图3说明空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布。图3是表示图2中的a
‑
a＇截面和流量检测元件1的上部空间(上空)中流动的空气流的温度分布的图。另外，对于空气流的温度分布，用实线表示正向流时的上空温度，用虚线表示反向流时的上空温度。
[0040]
首先，正向流(图3中空气流从左向右侧流动的状态)的情况下，空气流检测元件1的上空的空气流的温度维持低温直到到达发热体8，但因为空气流经过发热体8的上空，空气流量检测元件1的上空的空气流的温度上升至发热体8的温度。然后，经过发热体8的上空后，温度因向周围散热而逐渐降低。
[0041]
接着，反向流(图3中空气流从右向左侧流动的状态)的情况下也同样，空气流量检测元件1的上空的空气流的温度直到到达发热体8都是低温，因为空气流经过发热体8的上空，空气流检测元件1的上空的空气流的温度上升至发热体8的温度，经过发热体8后空气流的温度因向周围散热而逐渐降低。结果，上游侧温度传感器7的上空的温度在正向流的情况下是低温，在反向流的情况下是高温。另外，下游侧温度传感器9的上空的温度在正向流的情况下是高温，在反向流的情况下是低温。即，空气流量检测元件1的上空的温度在正向流和反向流时温度分布不同，从正向流向反向流变化时或从反向流向正向流变化时，发生温度分布的转移。另外，该温度分布的转移需要转移时间，该转移时间受到空气流量和空气流量的变化速度等的影响。例如，正向流的情况下空气流量增多时，向外部的散热量增加，下游侧温度传感器9的上空的温度上升变慢。
[0042]
接着，用图4说明该温度分布的转移对空气流量检测元件1的输出信号造成的影响。图4是表示空气流量检测元件1的各部的波形的图。
[0043]
空气流量如图4所示在正向流的状态a与反向流的状态b之间往返的情况下，上游侧温度传感器7的上空的温度在正向流时是低温、在反向流时是高温，从高温向低温的转移是高速的，从低温向高温的转移是低速的。这是因为从高温向低温转移的情况下是通过沿空气流的低温的空气的移动而从高温向低温转移，但从低温向高温转移的情况下需要被发
热体8加热的空气的移动与向周围的散热达到平衡的时间。
[0044]
同样，下游侧温度传感器9的上空的温度在正向流时是高温、在反向流时是低温，从高温向低温的转移是高速的，从低温向高温的转移是低速的。
[0045]
另外，上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的相对于空气流量的灵敏度，依赖于上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的上空的空气流的温度。因此，上游侧温度传感器7的输出从正向流向反向流转移时灵敏度降低，如图4中虚线所示，与本来的输出相比输出的绝对值减小。这是因为上游侧温度传感器7的上空温度上升需要时间，该转移时间中上游侧温度传感器7的灵敏度降低。
[0046]
同样，下游侧温度传感器9的输出在从反向流向正向流转移时灵敏度降低，如图4中虚线所示，与本来的输出相比输出的绝对值减小。这是因为下游侧温度传感器9的上空温度上升需要时间，该转移时间中下游侧温度传感器9的灵敏度降低。
[0047]
另外，如图4所示正向流侧的流量qa较大、反向流侧的流量qb较小的情况下，下游侧温度传感器9的上空温度的延迟变大。这是因为下游侧温度传感器9的温度从低温向高温转移时的流量是正向流侧的流量，因为流量的绝对值较大所以向外部的散热量较大，下游侧温度传感器9的上空温度上升变慢。结果，下游侧温度传感器9的误差增大，按上游侧温度传感器7的检出温度与下游侧温度传感器9的检出温度的差得到的空气流量检测元件1的输出的平均值减小。即，在正向流的状态与反向流的状态之间往返的脉动状态下，从正向流切换为反向流或者从反向流切换为正向流时，空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移中发生延迟，从而空气流量检测元件1的输出的平均值减小。
[0048]
结果，产生如图5所示的测定误差。图5是表示修正前的空气流量计100a的测定误差的图。其中，横轴的脉动振幅率表示脉动振幅与平均流量的比，纵轴的空气流量计的测定误差表示真实的流量的平均值与空气流量计的测定值的平均值的差。
[0049]
脉动振幅率增加时，在图中a点的脉动振幅率处发生反向流，此时产生空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的负误差。
[0050]
脉动振幅率进一步增加时，正向流侧和反向流侧的流量最大值相对于流量平均值增大，由此正向流侧的流量波形与反向流侧的流量波形接近对称。结果，空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的负误差，在从正向流切换为反向流时和从反向流切换为正向流时相互抵消，所以空气流量计的测定误差减小。本实施例的空气流量计100a提供该空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的负误差的修正方法。
[0051]
接着，用图6说明本实施例的空气流量计的动作。图6是表示空气流量计100a的各部的波形的图。图6中，设想空气流量与图4同样地在正向流的状态与反向流的状态之间往返的情况，示出此时的空气流量检测元件1的输出。
[0052]
另外，空气流量检测元件1的输出的图中示出的虚线，是空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差不存在的情况下的空气流量检测元件1的输出。
[0053]
空气流量检测元件1的输出如图6所示地变化的情况下，信号检测器2检测出空气流量检测元件1的输出经过了规定阈值(本实施例中是0)，输出如图6所示的输出信号。本实施例中，将阈值设定为0伏特，信号检测器2在阈值时输出h(high)与l(low)切换的方波。另
外，本实施例中，信号检测器2构成为在从正向流切换为反向流时输出信号从l上升为h、在从反向流切换为正向流时输出信号从h下降为l。
[0054]
脉冲发生器3以信号检测2的下降沿为触发输出1个脉冲的图6所示的三角形的波形。该脉冲信号被加法器4相加至空气流量检测元件1的输出信号，作为空气流量计的输出信号输出。即，本实施例的空气流量计100a中，用信号检测器2捕捉空气流量从反向流变化为正向流，在从反向流变化为正向流的时机将用脉冲发生器3发生的脉冲信号相加至空气流量检测元件1的输出信号，由此对空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的负误差进行修正。
[0055]
图7是表示修正后的空气流量计100a的测定误差的图。通过上述负误差的修正，能够将图5所示的测定误差(图7的修正前)修正为图7所示的测定误差(图7的修正后)。
[0056]
另外，本实施例中使用了加法器4，但也能够代替加法器4地变更为乘法器或除法器，将脉冲发生器3的输出信号变更为与这些运算相应的信号。
[0057]
另外，本实施例中将脉冲发生器3的输出信号设为三角形的波形，但也可以是方波或一阶滞后的波形。重要的在于，脉冲发生器3的输出信号是对图6的空气流量检测元件1的输出信号的虚线(实际的流量值)与实线(包括负误差的测定值)的差进行修正、使实线接近虚线的波形即可。
[0058]
另外，本实施例的空气流量计100a中，因为是符合空气流量检测元件1中发生的物理现象的修正，所以无论对于怎样的空气流都能够应对。即，也能够应对如实际的发动机的脉动波形一般包含高次谐波的畸变的波形。
[0059]
[实施例2]
[0060]
接着，用图8、9说明本发明的第二实施例的空气流量计100b。图8是表示本发明的第二实施例的空气流量计100b的结构的图。图9是表示修正前后的空气流量计100b的测定误差的图。
[0061]
本实施例的空气流量计100b基本上与第一实施例的空气流量计100a相同，但附加了对空气流量检测元件1的输出信号按规定函数进行变换的变换映射10、和将脉冲发生器3的输出信号与变换映射10的输出相乘的乘法器11。本实施例中，变换映射10和乘法器11构成基于空气流量检测元件1的输出信号来修正脉冲发生器3的输出信号的修正部。
[0062]
如实施例1所说明，空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟依赖于此时的空气流量的状态。空气流量的状态大致可以认为是空气流量检测元件1的输出信号，所以对于空气流量检测元件1的输出信号，经由变换映射10进行变换，用乘法器11改变脉冲发生器3的输出信号的大小。通过这样，能够更准确地对空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。结果，如图9所示，能够在更宽范围的脉动振幅率中减小测定误差。
[0063]
[实施例3]
[0064]
用图10说明本发明的第三实施例的空气流量计100c。图10是表示本发明的第三实施例的空气流量计100c的结构的图。
[0065]
本实施例的空气流量计100c基本上与第二实施例的空气流量计100b相同，但对第二实施例的空气流量计100b附加了对空气流量检测元件1的输出信号进行微分处理的微分器12、对微分器12的输出信号按规定函数进行变换的变换映射(变换部)13、将乘法器11的
输出信号与变换映射13的输出相乘的乘法器14、从空气流量检测元件1的输出信号中提取代表值的代表值检测部15、对代表值检测部15的输出信号按规定函数进行变换的变换映射(变换部)16、和将乘法器14的输出信号与变换映射16的输出相乘的乘法器17。另外，代表值检测部15从空气流量检测元件1的输出信号中提取平均值、频率、最大值、最小值等。
[0066]
本实施例中，使用代表值、即空气流量检测元件的输出信号的平均值、频率、最大值和最小值中的任意项，对用脉冲发生器3发生的脉冲信号进行修正。作为对脉冲信号进行修正的代表值，可以使用平均值、频率、最大值和最小值中的多个代表值。即，本实施例中，使用平均值、频率、最大值和最小值中的至少一项，对用脉冲发生器3发生的脉冲信号进行修正。
[0067]
空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差依赖于当时的空气流量的状态，所以本实施例中能够使用空气流量检测元件1的输出信号的微分值和空气流量检测元件1的输出信号的代表值调整修正量。通过这样，能够更准确地对空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。通过按微分器12的输出信号和代表值检测部15的输出信号，对用脉冲发生器3发生的脉冲信号的脉冲宽度进行调整，能够更准确地对流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。
[0068]
另外，也能够按微分器12的输出信号和代表值检测部15的输出信号中的任一者，对用脉冲发生器3发生的脉冲信号的脉冲宽度进行调整，通过这样，能够比第二实施例的空气流量计100b更准确地对流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。
[0069]
如以上所说明，本实施例中，基于空气流量检测元件1的输出信号的代表值和空气流量检测元件1的输出信号的微分值中的至少一者，对脉冲发生器3的输出信号进行修正。微分器12、变换映射13和乘法器14、代表值检测部15、变换映射16和乘法器17分别构成对脉冲发生器3的输出信号进行修正的修正部。
[0070]
另外，本实施例中追加的、与第二实施例不同的结构能够应用于第一实施例的空气流量计100a。该情况下，可以构成为具有由变换映射10和乘法器11构成的修正部、和由微分器12、变换映射13和乘法器14构成的修正部、和由代表值检测部15、变换映射16和乘法器17构成的修正部中的至少一个修正部。
[0071]
[实施例4]
[0072]
用图11说明本发明的第四实施例的空气流量计100d。图11是表示本发明的第四实施例的空气流量计100d的结构的图。
[0073]
本实施例的空气流量计100d基本上与第三实施例的空气流量计100c相同，但附加了将空气流量检测元件1的输出信号线性化为流量换算值的变换映射(线性化部)18。通过这样，能够容易地求出从空气流量检测元件1的输出信号换算为空气流量的代表值。另外，也能够容易地求出从空气流量检测元件1的输出信号换算为空气流量的微分值。这是因为一般而言热式空气流量检测元件1的输出是空气流量的2～4次方根的函数，是非线性的，所以将空气流量检测元件1的输出信号换算为空气流量。
[0074]
另外，本实施例中追加的、与第三实施例不同的结构能够应用于第一、二实施例的空气流量计100a、100b。
[0075]
[实施例5]
[0076]
用图12、13说明本发明的第五实施例的空气流量计100e。图12是表示本发明的第五实施例的空气流量计100e的结构的图。图13是表示空气流量计100e的各部的波形的图。
[0077]
本实施例的空气流量计100e基本上与第二实施例的空气流量计100b相同，但追加了以信号检测器2的输出信号的上升沿为触发来输出1个脉冲的三角形的波形的脉冲发生器19，为了使脉冲发生器19的输出与空气流量检测元件1的输出信号相应地改变大小，而附加了对空气流量检测元件1的输出信号按规定函数进行变换的变换映射20、将脉冲发生器19的输出信号与变换映射20的输出相乘的乘法器21、和进行乘法器11的输出与乘法器21的输出相加的加法器22。通过这样，不仅能够对空气流量从反向流变化为正向流时产生的空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差、也能够对空气流量从正向流变化为反向流时产生的空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。通过这样，能够更高精度地对空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。
[0078]
另外，本实施例中追加的、与第二实施例不同的结构，能够应用于第一、三～四实施例的空气流量计100a。另外，虽然对从反向流变化为正向流时产生的转移延迟引起的误差进行修正的修正效果更大，但即使仅对从正向流变化为反向流时产生的转移延迟引起的误差进行修正也可以得到修正效果。
[0079]
即，作为脉冲发生器，具有以信号检测器2的输出信号的上升沿为触发地发生脉冲信号的上升沿检测脉冲发生器19、或者以信号检测器2的输出信号的下降沿为触发地发生脉冲信号的下降沿检测脉冲发生器3中的至少一者即可。
[0080]
[实施例6]
[0081]
用图14至图16说明本发明的第六实施例的空气流量计100f。图14是表示本发明的第六实施例的空气流量计100f的结构的图。图15是表示上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的相对于空气流量的输出特性的图。图16是表示脉动时的上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的输出波形的图。
[0082]
本实施例的空气流量计100f基本上与第一实施例的空气流量计100a相同，但个别地导出上游侧温度传感器7的输出和下游侧温度传感器9的输出、用减法器23运算上游侧温度传感器7的输出与下游侧温度传感器9的输出的差的结构与第一实施例的空气流量计100a不同。进而，使信号检测器2的输入成为下游侧温度传感器9的输出信号的结构也与第一实施例的空气流量计100a不同。
[0083]
热式空气流量计的相对于空气流量的输出如图15所示具有非线性的特性，并且具有在正向流侧和反向流侧非对称的特性的情况较多，关于上游侧温度传感器7的输出，正向流侧的输出信号的灵敏度较大，反向流侧的输出信号的灵敏度较小。另外，关于下游侧温度传感器9的输出，正向流侧的输出信号的灵敏度较小，反向流侧的输出信号的灵敏度较大。具有这样的特性的上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的脉动时的输出信号如图16所示，上游侧温度传感器7的输出信号中，因为非对称的输出特性和上游侧温度传感器7的响应延迟，平均值向正侧偏移。结果，虽然空气流量从正向流变化为反向流，但上游侧温度传感器7的输出没有达到表示反向流的值，不能检测出发生了反向流。这是因为上游侧温度传感器7与下游侧温度传感器9的差分信号中也因响应延迟而振幅减小而发生的。结果，不
能检测出从正向流转移至反向流或者从反向流转移至正向流，不能对空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。
[0084]
为了解决该课题，本实施例中将下游侧温度传感器9的输出信号输入至信号检测器2。下游侧温度传感器9的输出如图15所示，在反向流时较大，在正向流时较小。因此，如图16所示在反向流侧信号较大振动，所以能够容易地检测出成为反向流。通过这样，能够容易地检测出从正向流转移至反向流或者从反向流转移至正向流，所以能够容易地对空气流量检测元件1的上空中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。关于这一点，在上游侧温度传感器7和下游侧温度传感器9的响应延迟显著出现的较高的脉动频率下可以得到较大效果。
[0085]
如以上所说明，本发明的上述实施例的空气流量计将信号检测器2用于判定的阈值设定为检测出空气从正向流变化为反向流时、或空气从反向流变化为正向流时的值，基于用脉冲发生器3发生的脉冲信号，对空气流量检测元件1的上部空间中流动的空气流的温度分布的转移延迟引起的误差进行修正。
[0086]
另外，本发明不限定于上述各实施例，包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备全部结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
[0087]
附图标记说明
[0088]1…
空气流量检测元件，2
…
信号检测器，3
…
脉冲发生器，4
…
加法器，5
…
硅基板，6
…
隔膜，7
…
上游侧温度传感器，8
…
发热体，9
…
下游侧温度传感器，10
…
变换映射，11
…
乘法器，12
…
微分器，13
…
变换映射，14
…
乘法器，15
…
代表值检测部，16
…
变换映射，17
…
乘法器，18
…
变换映射，19
…
脉冲发生器，20
…
变换映射，21
…
乘法器，22
…
加法器，23
…
减法器，100a～100f
…
空气流量计。