周波数出力装置、流量計、及び流量計測装置
【課題】周波数出力端子の保護と、信号波形の帯域を十分に確保することができる周波数出力装置を提供する。
【解決手段】周波数信号を出力する周波数出力装置２の出力端子にバリスタ素子Ｚｓ１を設ける。これにより、例えばバリスタ電圧を超える電圧が出力端子に印加された場合に、そのバリスタ電圧を超える電圧分を接地側に流して、周波数出力装置２に高電圧のサージ電圧が入力されるのを防ぎ、周波数出力装置２を保護する。また、放電時における放電量を少なくして電圧の変化を滑らかにし、電圧の立ち下がり時におけるピーク電流を下げて、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズの影響を低減し、必要な周波数信号の帯域を確保する。
【解決手段】周波数信号を出力する周波数出力装置２の出力端子にバリスタ素子Ｚｓ１を設ける。これにより、例えばバリスタ電圧を超える電圧が出力端子に印加された場合に、そのバリスタ電圧を超える電圧分を接地側に流して、周波数出力装置２に高電圧のサージ電圧が入力されるのを防ぎ、周波数出力装置２を保護する。また、放電時における放電量を少なくして電圧の変化を滑らかにし、電圧の立ち下がり時におけるピーク電流を下げて、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズの影響を低減し、必要な周波数信号の帯域を確保する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数信号を出力する周波数出力装置に関し、例えば流量計や流量計測装置に用いられる周波数出力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の内燃機関の吸入空気量を測定する空気流量計として、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから多数使われており、空気流量に応じて周波数が変化する周波数出力型が広く使われている。
【０００３】
このような周波数出力型の空気流量計を自動車に用いる場合、信頼性や、近年増加している電子機器等による電波の干渉（ラジオノイズ、電磁障害など）による影響を低減する必要がある。
【０００４】
特に、周波数出力型の空気流量計の場合、回路にオープンコレクタ出力端子を設けるものが利便性の点などからよく使われている。オープンコレクタ出力端子を用いた場合、周波数の伝達をＯＮ−ＯＦＦ信号で行い、信号の電圧を外部電源から受け取り、出力電圧の波形が短形波となる。
【０００５】
出力電圧が矩形波になるとき、流れる電流も原則として短形波となり、高周波電磁波が放出され、ラジオなどにノイズの影響を与える。このため、例えば特許文献１に示されるように、周波数出力回路の出力に流れる電流をトランジスタで制限して、ラジオノイズを低減する試みなどがなされている。
【０００６】
一方、信号を外部に出力する出力端子は、外部に露出していることから、人間が直接手に触れたり、出力端子に繋がる配線等からのサージや静電気によって内部回路が破壊することがないように、抵抗やコンデンサ等の保護素子が一般的に設けられている。
【０００７】
例えば、流量計において外部との接点の保護をより強化するためにバリスタ、ダイオード、コイルなどで高電流、高電圧の侵入に備えた回路を用いる例などが特許文献２に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３１１６６４号公報
【特許文献２】特開２００２−２６７５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、オープンコレクタ出力端子の保護を優先して抵抗値の大きな抵抗や、静電容量の大きなコンデンサを出力端子に設ければ、出力端子の保護とラジオノイズの低減を図ることができる。
【００１０】
しかしながら、周波数を出力する場合には、周波数出力信号の帯域（最大出力周波数）を大幅に低下させてしまうという課題があり、出力端子の保護とラジオノイズの低減を両立することは困難であった。上記課題は、オープンコレクタ接続方式の回路に限定されるものではなく、周波数を出力する周波数出力装置一般にもいえることである。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回路の保護と、周波数出力信号の帯域を十分に確保することができる周波数出力装置、流量計、流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の周波数出力装置は、出力端子から周波数信号を出力する周波数出力装置であって、所定の静電容量を有し、出力端子に予め設定された基準電圧よりも高い電圧が印加された場合に基準電圧を超える電圧分をカットする保護手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、周波数出力端子をサージ電圧から保護し、かつ、ラジオノイズ等の電磁放射ノイズの発生を抑制することができ、必要な周波数信号の帯域を十分に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施例］
図１は、第１実施例の全体構成図である。本実施例は、自動車の内燃機関の制御に用いられる吸入空気量測定システムであり、周波数出力装置２を有する流量計１と、流量計測装置５２を有するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５を備えている。
【００１５】
流量計１は、吸入空気の流速に応じて生じる熱のやり取りにより、内燃機関の吸気通路（図示せず）内を流れる吸入空気の流量を測定する熱式流量計である。流量計１には、電源１０が接続されており、この電源１０から供給される電流に基づいて、各回路の駆動や発熱抵抗体Ｒｈ１の発熱等が行われる。
【００１６】
流量計１は、周波数出力装置であるセンサＩＣ回路２と、センサＩＣ回路２を保護する保護回路３を備えている。センサＩＣ回路２には、吸気通路内に配置された発熱抵抗体Ｒｈ１と、吸気通路を通過する吸入空気の温度を補償するための感温抵抗体Ｒｃ１が接続されている。
【００１７】
センサＩＣ回路２は、電源１０から発熱抵抗体Ｒｈ１に電流を供給して発熱させ、感温抵抗体Ｒｃ１との間に一定温度差を保つように電流の大きさを制御し、その発熱抵抗体Ｒｈ１に供給される電流値に基づき、吸入空気の流量を測定する。そして、測定した吸入空気の流量に応じた周波数信号を出力する構成を有する。
【００１８】
センサＩＣ回路２は、測定した吸入空気の流量を矩形波のパルス信号に変換して出力するパルス出力回路２１と、パルス出力回路２１から出力されるパルス信号に応じてＯＮ・ＯＦＦされるスイッチ手段として作用するオープンコレクタのトランジスタＴを備えている。
【００１９】
トランジスタＴは、コレクタ端子Ｔｃが高電位側の出力端子Ｆｏｕｔに接続されており、ベース端子Ｔｂがパルス出力回路２１に接続され、エミッタ端子Ｔｅが接地側に接続されている。
【００２０】
保護回路（保護手段）３は、出力端子Ｆｏｕｔに予め設定されたバリスタ電圧（基準電圧）よりも高い電圧が印加された場合に、バリスタ電圧を超える電圧分をカットして保護する機能を有しており、トランジスタＴのコレクタ端子Ｔｃと高電位側の出力端子Ｆｏｕｔとの間に介在されて接続されている。
【００２１】
流量計１は、高電位側の出力端子Ｆｏｕｔと低電位側の出力端子ＧＮＤを備えており、ＦｏｕｔラインＬ１とＧＮＤラインＬ２を介してＥＣＵ５にそれぞれ接続されている。高電位側の出力端子Ｆｏｕｔは、ＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃ（例えば低電圧５Ｖ）と接続されている。
【００２２】
一方、ＥＣＵ５は、Ｉ／Ｆ回路（インターフェイス回路）５１と、流量計測装置であるＣＰＵ（中央演算装置）５２を備えている。ＥＣＵ５には、高電位側の入力端子Ｆｉｎと低電位側の入力端子ＧＮＤが設けられており、入力端子ＦｉｎにＦｏｕｔラインＬ１が接続され、入力端子ＧＮＤにＧＮＤラインＬ２が接続されている。
【００２３】
ＣＰＵ５２は、Ｉ／Ｆ回路５１を介して流量計１から入力されたパルス信号を周波数に変換し、予め設定されている周波数と空気流量との関係に基づいて、吸入空気の流量を計測する処理を行う（計測手段）。Ｉ／Ｆ回路５１は、入力端子ＦｉｎとＣＰＵ５２との間に介在されて信号の伝達処理を行う（インターフェイス手段）。
【００２４】
次に、図２を用いて流量計１とＥＣＵ５の内部構成および動作について詳細に説明する。
【００２５】
流量計１の保護回路３は、保護抵抗（保護素子）Ｒｓ１とバリスタ素子（voltage variable resistor）Ｚｓ１を備えている。保護抵抗Ｒｓ１は、トランジスタＴのコレクタ端子Ｔｃと出力端子Ｆｏｕｔとの間に介在されて接続されており、バリスタ素子Ｚｓ１は、一端がトランジスタＴのコレクタ端子Ｔｃと保護抵抗Ｒｓ１との間に接続され、他端が出力端子ＧＮＤに接続されている。
【００２６】
バリスタ素子Ｚｓ１は、予め設定されたバリスタ電圧（基準電圧）よりも印加電圧が低いときは所定の抵抗値を維持し、バリスタ電圧を超える電圧が印加されると抵抗値が急激に減少する非直線性抵抗素子であり、例えばサージ、静電気（ＥＳＤ）等の高電圧が印加された際に、ピーク電圧をカットして内部回路を保護する機能を有する。
【００２７】
本実施例では、所定の静電容量を有するチップバリスタと呼ばれる、基板上に配置実装可能な小型で積層構造のコンデンサ機能を持ち合わせたものが使用されている。これにより、いわゆる受動素子としてコンデンサの代わりに平滑回路を構成し、出力信号のフィルタ処理を行っている。バリスタ素子Ｚｓ１は、コンデンサよりも静電容量が小さい、例えば数１００ｐＦから２０００ｐＦ程度の静電容量のものが用いられる。
【００２８】
チップバリスタはチップ部品であるため、従来はコンデンサで構成されていた保護回路を簡単に置き換えることも可能である。そして、より大きな容量を得るためには、バリスタ素子Ｚｓ１と並列にコンデンサを接続してもよい。同程度のサージを保護する場合、ダイオード等を組み合わせて使用するよりも、回路基板上の実装面積を小さくすることができる。
【００２９】
一方、ＥＣＵ５のＩ／Ｆ回路５１は、プルアップ抵抗Ｒｅ１と、バリスタ素子Ｚｓ２と、ＣＰＵ用抵抗（計測手段用抵抗）Ｒｅ２を備えている。プルアップ抵抗Ｒｅ１は、ＥＣＵ５の入力端子ＦｉｎとＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃとの間に介在されて接続されている。
【００３０】
バリスタ素子Ｚｓ２は、入力端子Ｆｉｎと入力端子ＧＮＤとの間に介在されて接続されており、ＣＰＵ５２に過大なサージや静電気が流れるのを防止している。ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２は、入力端子ＦｉｎとＣＰＵ５２との間に介在されて接続されており、より詳しくは、一端がプルアップ抵抗Ｒｅ１とバリスタ素子Ｚｓ２との間に接続され、他端がＣＰＵ５２のＩ／Ｏ端子に接続されている。
【００３１】
ＣＰＵ５２は、ＯＮ−ＯＦＦ波形であるパルス信号を一定の閾値を用いて、例えば一定電圧以上ならばＨｉ、一定電圧未満ならばＬｏｗと判断してパルス幅を読み取り、周波数に変換する。そして、予め設定されている周波数と空気流量との関係に基づいて、周波数から吸入空気の流量を算出する処理を行う。
【００３２】
詳細に説明すると、発熱抵抗体Ｒｈ１を用いた熱式流量計１のセンサ出力と吸入空気の流量との関係はキングの式と呼ばれる次式（１）によって表される。
【００３３】
Ｉｈ×Ｉｈ×Ｒｈ＝（Ｃ１＋Ｃ２√Ｑ）×（Ｔｈ−Ｔａ）・・・・・・（１）
ここで、Ｉｈは熱線電流、Ｒｈは熱線抵抗、Ｔｈは熱線の表面温度、Ｔａは空気の温度、Ｑは吸入空気の流量、Ｃ１、Ｃ２は熱線で決まる定数である。
【００３４】
センサ出力の、この流量に応じた熱線電流値Ｉｈを物理量としてECU等で読み取るには、電圧に変換すれば容易となるため、抵抗値Ｒｈの両端の電圧（もしくはこの電圧を増幅した信号）をAD変換変換器で電圧値として検出するのが一般的であり、ＥＣＵ５では、式（１）の関係からセンサ出力の電圧値を流量値に変換して、内燃機関の空気と燃料の割合（空燃比）などを制御している。
【００３５】
このように、熱式流量計１のセンサ出力の信号と実際の流量Ｑとの関係は、式（１）の非線形な関係（流量Ｑの４乗根が電圧値）であるため、流量Ｑとして信号を用いるには何らかの線形化手段が必要となる。
【００３６】
本実施例においては、センサ出力の電圧をパルス出力回路２１でパルス変換することで、従来の電圧と流量Ｑとの関係と同様の関係が、周波数と流量Ｑとの関係として得られる。
【００３７】
ここで、例えば従来の電圧による接続の場合は、ＥＣＵ５の電圧入力をデジタル変換するアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変器）の基準電圧（例えば５Ｖ）によって読み込みできる最大の値が制限される。従って、制限される電圧に対し、吸入空気の流量として使用する最大の値を読み込むことが出来るように、流量計１の出力信号を最適に（例えば最大流量で５Ｖ以下の出力となるように）調整している。
【００３８】
これに対し、周波数による接続の場合は、ＥＣＵ５のＣＰＵ５２の動作クロックが十分に速く、時間軸の読み取り分解能も十分に確保できる場合で、かつ周波数の出力が完全な短形波で、ＣＰＵ５２のＩ／Ｏでの読み取り閾値に対し十分に振幅が確保できれば、原理的には電圧のように読み取り制限がほぼ発生しない。
【００３９】
しかしながら、実際には、以下の２つの理由から、周波数として伝達される信号波形に鈍り（波形の遅れ）が生じ、周波数の読み込みに大きな制限が加えられていた。周波数の読み込みが制限される要因の１つは、流量計１やＥＣＵ５の内部回路を保護する保護回路にコンデンサが用いられていたことが挙げられる。
【００４０】
図３は、第１比較例として、図２におけるバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の代わりに、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２が用いられた回路の構成を示す図である。なお、図２に示す構成要素と同様の構成要素には、図２の符号に１００を加えた符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００４１】
図３に示す第１比較例の回路において、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２の静電容量Ｃや、抵抗Ｒｓ１１、プルアップ抵抗Ｒｅ１１、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ１２の抵抗値は、保護の程度に応じて設定される。保護回路１０３は、低帯域通過の平滑フィルタ（ＬＰＦ）と考えることができる。時定数を大きくすれば保護能力が増加するが、信号波形が鈍り周波数伝達の際の帯域に制限が生じる。
【００４２】
周波数の読み込みが制限されるもう一つの要因は、信号波形の急峻な立ち上がり等によって生じるラジオノイズなどの電磁誘導ノイズの影響である。この電磁誘導ノイズを低減するには、周波数信号をなるべく正弦波に近い波形にすることである。立ち上がりと、立下りの信号波形の急峻な変化を無くすことができれば、切り替わり時に発生する過渡的な電流波形による高周波の電磁誘導ノイズを低減することができる。
【００４３】
上記した周波数の読み込みが制限される２つの要因は、いずれも波形を鈍らせる（遅らせる）方向だけであるので、必ずしも回路の保護レベルの要求と一致しない。この波形の鈍り（遅れ）があると、パルス波形の波高値が低下し一定の電圧の閾値で信号のON-OFFを読み取る場合を考えると周波数読み取りが阻害されることになる。これは高周波数であるほど鈍り（遅れ）による波高値の低下の影響が顕著であるため、読み取り可能な最大周波数の確保が満足できるとは限らず、要求性能を満足できない場合があった。
【００４４】
図１２は、出力周波数ｆｏｕｔ（Ｈｚ）と波形の波高値Ｖｈ（Ｖ）との関係を示し、図１３は、出力周波数ｆｏｕｔ（Ｈｚ）とラジオノイズレベル（ｄＢｍ）との関係を示すグラフである。
【００４５】
コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃを小さくすると、図１２に示すように、最大周波数ｆｍａｘを大きくすることができる一方で、図１３に示すように、ラジオノイズレベルの許容値ＥＭＣｍａｘが高くなり、ラジオノイズが悪化する。
【００４６】
また、ラジオノイズの悪化を防ぐべく、コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃを大きくしてラジオノイズレベルの許容値ＥＭＣｍａｘを下げると、図１２に示すように、高い周波数領域において、波高値Ｖｈ（Ｖ）がＥＣＵ５の信号読み取りレベルＶＨｅｃｕよりも低くなってしまい、最大周波数ｆｍａｘが制限される。
【００４７】
最大周波数ｆｍａｘが制限されると、予め設定された時間内に所定長さの周波数信号を取得することができず、制御処理が遅くなり、吸入空気量測定システムとしての仕様を満足することができない。
【００４８】
図１４は、静電容量Ｃと波形の波高値Ｖｈ（Ｖ）との関係を示し、図１５は、静電容量Ｃとサージに対する保護のレベルとの関係を示すグラフである。
【００４９】
サージに対する保護レベルを強くすべく、コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃを大きくすると、図１４に示されるように、出力周波数が大きい場合に波高値Ｖｈ（Ｖ）がＥＣＵ５の信号読み取りレベルＶＨｅｃｕよりも低くなってしまい、最大周波数が制限される。また、サージに対する保護レベルを強くするには、図１５に示すように、コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃは、より大きな静電容量Ｃが必要とされる。
【００５０】
本実施例においては、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２の変わりに保護素子としてバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２を用いることで、課題の一方の保護という点では容易に満足することができる。最大の利点は、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の有する静電容量Ｃが小さくても回路の保護が可能となることである。従来のコンデンサ比で１０分の１程度であっても十分に満足できる。
【００５１】
同様に、回路動作から見た場合、流量計１、ＥＣＵ５にそれぞれ設けられるバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２は、いずれか一方の静電容量Ｃを１０分の１程度に減少しても十分に保護でき、また、少なくとも一方をバリスタ素子にするだけでも信号の読み取り範囲を拡大することができる。例えば、流量計１のバリスタ素子Ｚｓ１はそのままで、ＥＣＵ５のバリスタ素子Ｚｓ２がコンデンサであっても良い。
【００５２】
少なくとも、流量計１の保護にバリスタ素子を用いることで、ＥＣＵ５のＩ／Ｆ回路５１の設計上の自由度を大幅に向上させることが可能である。これは、多少の定数、回路構成が異なるＩ／Ｆ回路であっても流量計１の性能、及び汎用性を高めることで、部品の共通化が図れ、コスト低減上の優位が生じるという効果がある。
【００５３】
次に、本実施例の構成によってラジオノイズなどの電磁誘導ノイズの影響を低減できる作用について、図４、図５、図６によって説明する。図４は、本実施例と第１比較例の出力波形を示す図、図５、図６は本実施例における電流の流れを示す図である。図５は、パルス信号のＯＮからＯＦＦへの切り替え時である立ち上がり（Ｆｏｕｔ信号がＬｏｗからＨｉ）時における電流の流れを示し、図６はパルス信号のＯＦＦからＯＮへの切り替え時における立ち下がり（Ｆｏｕｔ信号がＨｉからＬｏｗ）時の電流の流れを破線で示している。
【００５４】
図４（Ｂ）は、図３の第１比較例の回路構成において、出力端子Ｆｏｕｔに流れる周波数信号の出力波形である。
【００５５】
まず、立ち上がり（Ｂ１）の場合、トランジスタＴがＯＮからＯＦＦに変わると、図３に示すＥＣＵ１０５の内部電源Ｖｃｃから抵抗Ｒｅ１１を介して、一つはコンデンサＣｅ１２を充電し、ＥＣＵ１０５の接地側に電流が流れる。そして、もう一つは、抵抗Ｒｅ１１と抵抗Ｒｓ１１を介してコンデンサＣｅ１１を充電し、流量計１０１の接地側に電流が流れる。
【００５６】
立ち上がりは、それぞれのコンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２の合成による静電容量Ｃによって、かつ各抵抗Ｒｅ１１、Ｒｓ１１により電流が制限されることから、図４（Ｂ１）に示すように、比較的緩やかな立ち上がりとなる。
【００５７】
そして、立ち下がり（Ｂ２）の場合、トランジスタＴがＯＦＦからＯＮに変わると、ＥＣＵ１０５の内部電源Ｖｃｃから抵抗Ｒｅ１１、抵抗Ｒｓ１１を介しトランジスタＴに電流が流れ、トランジスタＴのコレクタＴｃからエミッタＴｅを通して流量計１０１の接地側に流れる。
【００５８】
そして、各コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２に充電されていた電流が、それぞれトランジスタＴを介して放電される。ここで、特にＩ／Ｆ回路１５１のコンデンサＣｅ１２に充電されていた電流が、ＥＣＵ１０５の入力端子ＦｉｎからＦｏｕｔラインＬ１を通過して流量計１０１に流れ込み、流量計１０１内で放電されるので、コンデンサＣｅ１２の静電容量Ｃが大きいと、図４（Ｂ３）に示すように瞬時に大きな電流（ピーク電流）Ｉｈｕが流れて、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズへの影響が大きくなる。
【００５９】
この対策として、保護抵抗Ｒｓ１１を抵抗値が大きいものに変更して、ＥＣＵ１０５から流量計１０１に流れ込む電流に制限を加えることも可能であるが、抵抗Ｒｓ１１の抵抗値が大きいと、出力端子Ｆｏｕｔの電圧レベルも低下するというデメリットがあり、結果として、保護抵抗Ｒｓ１１の抵抗値は、プルアップ抵抗Ｒｅ１１に対して十分に小さな値にする必要がある。
【００６０】
図４（Ａ）は、図２の本実施例の回路構成において、出力端子Ｆｏｕｔに流れる周波数信号の出力波形である。
【００６１】
本実施例では、図５、図６に示すように、保護回路３及びＩ／Ｆ回路５１において、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２が用いられている。バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２は、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２と比較して、静電容量Ｃが小さく、また、プルアップ抵抗Ｒｅ１、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２、保護抵抗Ｒｓ１は、図３に示す第１比較例のプルアップ抵抗Ｒｅ１１、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ１２、保護抵抗Ｒｓ１１よりもそれぞれ抵抗値が大きい値に設定されている。
【００６２】
まず、立ち上がり（Ａ１）の場合、トランジスタＴがＯＮからＯＦＦに変わると、図５に示すＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃから抵抗Ｒｅ１を介して、一つはバリスタ素子Ｚｓ２を介してＥＣＵ１０５の接地側に電流Ｉ１が流れる。そして、もう一つは、出力端子Ｆｏｕｔから流量計１に電流Ｉ２が流れ込み、保護抵抗Ｒｓ１とバリスタ素子Ｚｓ１を介して接地側に流れる。
【００６３】
立ち上がりは、小さな静電容量Ｃを有するバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２と、大きな抵抗値を有する各抵抗Ｒｅ１、Ｒｓ１により電流が制限されることから、図４（Ａ１）に示すように、緩やかな立ち上がりとなる。従って、出力端子Ｆｏｕｔから出力される信号波形を、矩形波ではなく、正弦波に近い波形にすることができる。従って、図４（Ａ３）に示すように、ＧＮＤラインの過渡電流の波高値Ｉｈｕを第１比較例（図４（Ｂ３））よりも低くして、その波形をなますことができる。
【００６４】
そして、立ち下がり（Ａ２）の場合、トランジスタＴがＯＦＦからＯＮに変わると、図６に示すように、電流Ｉ３が、ＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃからプルアップ抵抗Ｒｅ１と保護抵抗Ｒｓ１を介してトランジスタＴに流れ、そして、トランジスタＴのコレクタＴｃからエミッタＴｅを通して接地側に流れる。
【００６５】
また、各バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２から放電された電流Ｉ４が接地側に流れる。各バリスタＺｓ１、Ｚｓ２の静電容量Ｃは、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２よりも小さい値に設定されているので、放電される電流の大きさを小さくすることができる。従って、図４（Ａ３）に示すように、ＧＮＤラインの過渡電流の波高値Ｉｈｄを第１比較例（図４（Ｂ３））よりも低くして、その波形をなますことができる。
【００６６】
このように、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の静電容量Ｃを小さくすることによって、各抵抗Ｒｅ１、Ｒｓ１の抵抗値を大きくすることができ、全体の駆動電流を下げることができる。従って、立ち上がり時及び立ち下がり時に流れる電流を小さくすることができ、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズへの影響を小さくすることができる。
【００６７】
上記した構成によれば、保護回路３及びＩ／Ｆ回路５１に、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２を用いることで、流量計１及びＥＣＵ５の内部回路を保護することができる。例えば、出力端子Ｆｏｕｔにバリスタ電圧以上のサージ電圧が加えられた場合に、そのサージ電圧を保護回路３によって接地側に流すことができ、流量計１のセンサＩＣ回路２に高電圧のサージ電圧が入力されるのを防ぎ、センサＩＣ回路２を保護することができる。
【００６８】
また、各抵抗Ｒｅ１、Ｒｓ１の抵抗値を大きくすることで、全体の駆動電流を下げて、立ち上がり時（Ａ１）と立ち下がり時（Ａ２）における電流Ｉの急峻な変化を抑制することが可能となり、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズの影響を低減できるといった効果がある。
【００６９】
例えば、バリスタ素子Ｚｓ１は、コンデンサＣｅ１１と比較して静電容量が小さいので、放電時における放電量を少なくすることができ、電圧の変化を滑らかにすることができる。従って、電圧の立ち下がり時におけるピーク電流Ｉｈｄを下げることができ、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズの影響を低減することができる。
【００７０】
従って、周波数信号の帯域を低下させることなく、予め設定された時間内に所定長さの周波数信号を取得することができ、必要な周波数信号の帯域を十分に確保することができる。
【００７１】
［第２実施例］
次に、第２実施例について図７から図１１を用いて説明する。
【００７２】
図７は、第２実施例における流量計１とＥＣＵ５の詳細な構成を示す図、図８は、第２比較例の回路構成を説明する図、図９は、本実施例と第２比較例の出力波形を示す図、図１０は、パルス信号のＯＮからＯＦＦへの切り替え時（立ち上がり時）における電流の流れを示す図、図１１は、パルス信号のＯＦＦからＯＮへの切り替え時（立ち下がり時）における電流の流れを示す図である。なお、第１実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７３】
本実施例において特徴的なことは、上記した第１実施例におけるＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２を抵抗Ｒｅ２ａ、Ｒｅ２ｂの２つに分割して直列に配置し、その中点にコンデンサＣｅ１の一端を接続し、コンデンサＣｅ１の他端をＥＣＵ５の接地側に接続する構成とした点である。
【００７４】
より具体的には、図７に示すように、一対の抵抗Ｒｅ２ａと抵抗Ｒｅ２ｂが直列に接続され、抵抗Ｒｅ２ａの端部がプルアップ抵抗Ｒｅ１と入力端子Ｆｉｎとの間に接続され、抵抗Ｒｅ２ｂの端部がＣＰＵ５２のＩ／Ｏ端子（図示せず）に接続されている。そして、コンデンサＣｅ１の一端が抵抗Ｒｅ２ａと抵抗Ｒｅ２ｂとの間に接続され、他端が接地側に接続された構成を有している。
【００７５】
そして、図８に示す第２比較例は、図７に示す保護回路３のバリスタ素子Ｚｓ１をコンデンサＣｅ１１に入れ替えて、そして、単一のＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２２とした回路構成を有している。
【００７６】
プルアップ抵抗Ｒｅ２１は、一端が内部電源Ｖｃｃに接続され、他端が入力端子Ｆｉｎに接続されており、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２２は、その一端がプルアップ抵抗Ｒｅ２１と入力端子Ｆｉｎとの間に接続され、他端がＣＰＵ１５２のＩ／Ｏ端子に接続されている。そして、コンデンサＣｅ１は、その一端がプルアップ抵抗Ｒｅ２１と入力端子Ｆｉｎとの間に接続され、他端がＩ／Ｆ回路１５１の接地側に接続された構成を有している。
【００７７】
本実施例によれば、図１１に示すように、立ち下がり時にコンデンサＣｅ１から放電される電流Ｉ４を抵抗Ｒｅ２ａで制限して、入力端子ＦｉｎからＦｏｕｔラインＬ１を介して流量計１に流れ込むのを防ぐことができる。
【００７８】
従って、図９（Ａ２）のＸ部分に示すように、立ち下がり時の電圧波形を緩やかにすることができ、図９（Ａ３）に示すように、ＧＮＤラインの過渡電流の波高値Ｉｈｄを第２比較例（図９（Ｂ３）を参照）よりも低くして、その波形をなますことができる。
【００７９】
従って、周波数信号を正弦波に近い波形にすることができ、立ち上がりと立ち下がりの信号波形の急峻な変化を無くすことができる。従って、パルス信号のＯＮ−ＯＦＦの切り替わり時に発生する過渡的な電流波形によるラジオノイズ等の電磁誘導ノイズを低減することができる。
【００８０】
なお、本発明は、上述の各実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の各実施例では、オープンコレクタ接続の構成を有する場合を例に説明したが、本発明の構成は、オープンコレクタ接続に限定されるものではなく、他の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施例の全体構成図。
【図２】第１実施例における流量計とＥＣＵの内部構成を示す図。
【図３】第１比較例の回路構成を示す図。
【図４】第１実施例と第１比較例の出力波形を示す図。
【図５】立ち上がり時における電流の流れを示す図。
【図６】立ち下がり時における電流の流れを示す図。
【図７】第２実施例における流量計とＥＣＵの内部構成を示す図。
【図８】第２比較例の回路構成を示す図。
【図９】第２実施例と第２比較例の出力波形を示す図。
【図１０】立ち上がり時における電流の流れを示す図。
【図１１】立ち下がり時における電流の流れを示す図。
【図１２】出力周波数と波形の波高値との関係を示すグラフ。
【図１３】出力周波数とラジオノイズレベルとの関係を示すグラフ。
【図１４】静電容量と波形の波高値との関係を示すグラフ。
【図１５】静電容量とサージに対する保護のレベルとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００８２】
１、１０１ 流量計
２、１０２ センサＩＣ回路（周波数出力装置）
３、１０３ 保護回路
５、１０５ ＥＣＵ
２１、１２１ パルス出力回路
５１、１５１ Ｉ／Ｆ回路
５２、１５２ ＣＰＵ（流量計測装置）
Ｚｓ１、Ｚｓ２ バリスタ素子
Ｃｅ１、Ｃｅ２、Ｃｅ１１、Ｃｅ１２、 コンデンサ
Ｔ トランジスタ
Ｒｈ１ 抵抗発熱体
Ｒｃ１ 温度補償抵抗
Ｒｅ１、Ｒｅ１１、Ｒｅ２１ プルアップ抵抗
Ｒｅ２、Ｒｅ１２、Ｒｅ２２ ＣＰＵ用抵抗（計測手段用抵抗）
Ｒｓ１、Ｒｓ１１、Ｒｓ２１ 保護抵抗（保護素子）
Ｖｃｃ 内部電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数信号を出力する周波数出力装置に関し、例えば流量計や流量計測装置に用いられる周波数出力装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車の内燃機関の吸入空気量を測定する空気流量計として、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから多数使われており、空気流量に応じて周波数が変化する周波数出力型が広く使われている。
【０００３】
このような周波数出力型の空気流量計を自動車に用いる場合、信頼性や、近年増加している電子機器等による電波の干渉（ラジオノイズ、電磁障害など）による影響を低減する必要がある。
【０００４】
特に、周波数出力型の空気流量計の場合、回路にオープンコレクタ出力端子を設けるものが利便性の点などからよく使われている。オープンコレクタ出力端子を用いた場合、周波数の伝達をＯＮ−ＯＦＦ信号で行い、信号の電圧を外部電源から受け取り、出力電圧の波形が短形波となる。
【０００５】
出力電圧が矩形波になるとき、流れる電流も原則として短形波となり、高周波電磁波が放出され、ラジオなどにノイズの影響を与える。このため、例えば特許文献１に示されるように、周波数出力回路の出力に流れる電流をトランジスタで制限して、ラジオノイズを低減する試みなどがなされている。
【０００６】
一方、信号を外部に出力する出力端子は、外部に露出していることから、人間が直接手に触れたり、出力端子に繋がる配線等からのサージや静電気によって内部回路が破壊することがないように、抵抗やコンデンサ等の保護素子が一般的に設けられている。
【０００７】
例えば、流量計において外部との接点の保護をより強化するためにバリスタ、ダイオード、コイルなどで高電流、高電圧の侵入に備えた回路を用いる例などが特許文献２に記載されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３１１６６４号公報
【特許文献２】特開２００２−２６７５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、オープンコレクタ出力端子の保護を優先して抵抗値の大きな抵抗や、静電容量の大きなコンデンサを出力端子に設ければ、出力端子の保護とラジオノイズの低減を図ることができる。
【００１０】
しかしながら、周波数を出力する場合には、周波数出力信号の帯域（最大出力周波数）を大幅に低下させてしまうという課題があり、出力端子の保護とラジオノイズの低減を両立することは困難であった。上記課題は、オープンコレクタ接続方式の回路に限定されるものではなく、周波数を出力する周波数出力装置一般にもいえることである。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回路の保護と、周波数出力信号の帯域を十分に確保することができる周波数出力装置、流量計、流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の周波数出力装置は、出力端子から周波数信号を出力する周波数出力装置であって、所定の静電容量を有し、出力端子に予め設定された基準電圧よりも高い電圧が印加された場合に基準電圧を超える電圧分をカットする保護手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、周波数出力端子をサージ電圧から保護し、かつ、ラジオノイズ等の電磁放射ノイズの発生を抑制することができ、必要な周波数信号の帯域を十分に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［第１実施例］
図１は、第１実施例の全体構成図である。本実施例は、自動車の内燃機関の制御に用いられる吸入空気量測定システムであり、周波数出力装置２を有する流量計１と、流量計測装置５２を有するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）５を備えている。
【００１５】
流量計１は、吸入空気の流速に応じて生じる熱のやり取りにより、内燃機関の吸気通路（図示せず）内を流れる吸入空気の流量を測定する熱式流量計である。流量計１には、電源１０が接続されており、この電源１０から供給される電流に基づいて、各回路の駆動や発熱抵抗体Ｒｈ１の発熱等が行われる。
【００１６】
流量計１は、周波数出力装置であるセンサＩＣ回路２と、センサＩＣ回路２を保護する保護回路３を備えている。センサＩＣ回路２には、吸気通路内に配置された発熱抵抗体Ｒｈ１と、吸気通路を通過する吸入空気の温度を補償するための感温抵抗体Ｒｃ１が接続されている。
【００１７】
センサＩＣ回路２は、電源１０から発熱抵抗体Ｒｈ１に電流を供給して発熱させ、感温抵抗体Ｒｃ１との間に一定温度差を保つように電流の大きさを制御し、その発熱抵抗体Ｒｈ１に供給される電流値に基づき、吸入空気の流量を測定する。そして、測定した吸入空気の流量に応じた周波数信号を出力する構成を有する。
【００１８】
センサＩＣ回路２は、測定した吸入空気の流量を矩形波のパルス信号に変換して出力するパルス出力回路２１と、パルス出力回路２１から出力されるパルス信号に応じてＯＮ・ＯＦＦされるスイッチ手段として作用するオープンコレクタのトランジスタＴを備えている。
【００１９】
トランジスタＴは、コレクタ端子Ｔｃが高電位側の出力端子Ｆｏｕｔに接続されており、ベース端子Ｔｂがパルス出力回路２１に接続され、エミッタ端子Ｔｅが接地側に接続されている。
【００２０】
保護回路（保護手段）３は、出力端子Ｆｏｕｔに予め設定されたバリスタ電圧（基準電圧）よりも高い電圧が印加された場合に、バリスタ電圧を超える電圧分をカットして保護する機能を有しており、トランジスタＴのコレクタ端子Ｔｃと高電位側の出力端子Ｆｏｕｔとの間に介在されて接続されている。
【００２１】
流量計１は、高電位側の出力端子Ｆｏｕｔと低電位側の出力端子ＧＮＤを備えており、ＦｏｕｔラインＬ１とＧＮＤラインＬ２を介してＥＣＵ５にそれぞれ接続されている。高電位側の出力端子Ｆｏｕｔは、ＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃ（例えば低電圧５Ｖ）と接続されている。
【００２２】
一方、ＥＣＵ５は、Ｉ／Ｆ回路（インターフェイス回路）５１と、流量計測装置であるＣＰＵ（中央演算装置）５２を備えている。ＥＣＵ５には、高電位側の入力端子Ｆｉｎと低電位側の入力端子ＧＮＤが設けられており、入力端子ＦｉｎにＦｏｕｔラインＬ１が接続され、入力端子ＧＮＤにＧＮＤラインＬ２が接続されている。
【００２３】
ＣＰＵ５２は、Ｉ／Ｆ回路５１を介して流量計１から入力されたパルス信号を周波数に変換し、予め設定されている周波数と空気流量との関係に基づいて、吸入空気の流量を計測する処理を行う（計測手段）。Ｉ／Ｆ回路５１は、入力端子ＦｉｎとＣＰＵ５２との間に介在されて信号の伝達処理を行う（インターフェイス手段）。
【００２４】
次に、図２を用いて流量計１とＥＣＵ５の内部構成および動作について詳細に説明する。
【００２５】
流量計１の保護回路３は、保護抵抗（保護素子）Ｒｓ１とバリスタ素子（voltage variable resistor）Ｚｓ１を備えている。保護抵抗Ｒｓ１は、トランジスタＴのコレクタ端子Ｔｃと出力端子Ｆｏｕｔとの間に介在されて接続されており、バリスタ素子Ｚｓ１は、一端がトランジスタＴのコレクタ端子Ｔｃと保護抵抗Ｒｓ１との間に接続され、他端が出力端子ＧＮＤに接続されている。
【００２６】
バリスタ素子Ｚｓ１は、予め設定されたバリスタ電圧（基準電圧）よりも印加電圧が低いときは所定の抵抗値を維持し、バリスタ電圧を超える電圧が印加されると抵抗値が急激に減少する非直線性抵抗素子であり、例えばサージ、静電気（ＥＳＤ）等の高電圧が印加された際に、ピーク電圧をカットして内部回路を保護する機能を有する。
【００２７】
本実施例では、所定の静電容量を有するチップバリスタと呼ばれる、基板上に配置実装可能な小型で積層構造のコンデンサ機能を持ち合わせたものが使用されている。これにより、いわゆる受動素子としてコンデンサの代わりに平滑回路を構成し、出力信号のフィルタ処理を行っている。バリスタ素子Ｚｓ１は、コンデンサよりも静電容量が小さい、例えば数１００ｐＦから２０００ｐＦ程度の静電容量のものが用いられる。
【００２８】
チップバリスタはチップ部品であるため、従来はコンデンサで構成されていた保護回路を簡単に置き換えることも可能である。そして、より大きな容量を得るためには、バリスタ素子Ｚｓ１と並列にコンデンサを接続してもよい。同程度のサージを保護する場合、ダイオード等を組み合わせて使用するよりも、回路基板上の実装面積を小さくすることができる。
【００２９】
一方、ＥＣＵ５のＩ／Ｆ回路５１は、プルアップ抵抗Ｒｅ１と、バリスタ素子Ｚｓ２と、ＣＰＵ用抵抗（計測手段用抵抗）Ｒｅ２を備えている。プルアップ抵抗Ｒｅ１は、ＥＣＵ５の入力端子ＦｉｎとＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃとの間に介在されて接続されている。
【００３０】
バリスタ素子Ｚｓ２は、入力端子Ｆｉｎと入力端子ＧＮＤとの間に介在されて接続されており、ＣＰＵ５２に過大なサージや静電気が流れるのを防止している。ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２は、入力端子ＦｉｎとＣＰＵ５２との間に介在されて接続されており、より詳しくは、一端がプルアップ抵抗Ｒｅ１とバリスタ素子Ｚｓ２との間に接続され、他端がＣＰＵ５２のＩ／Ｏ端子に接続されている。
【００３１】
ＣＰＵ５２は、ＯＮ−ＯＦＦ波形であるパルス信号を一定の閾値を用いて、例えば一定電圧以上ならばＨｉ、一定電圧未満ならばＬｏｗと判断してパルス幅を読み取り、周波数に変換する。そして、予め設定されている周波数と空気流量との関係に基づいて、周波数から吸入空気の流量を算出する処理を行う。
【００３２】
詳細に説明すると、発熱抵抗体Ｒｈ１を用いた熱式流量計１のセンサ出力と吸入空気の流量との関係はキングの式と呼ばれる次式（１）によって表される。
【００３３】
Ｉｈ×Ｉｈ×Ｒｈ＝（Ｃ１＋Ｃ２√Ｑ）×（Ｔｈ−Ｔａ）・・・・・・（１）
ここで、Ｉｈは熱線電流、Ｒｈは熱線抵抗、Ｔｈは熱線の表面温度、Ｔａは空気の温度、Ｑは吸入空気の流量、Ｃ１、Ｃ２は熱線で決まる定数である。
【００３４】
センサ出力の、この流量に応じた熱線電流値Ｉｈを物理量としてECU等で読み取るには、電圧に変換すれば容易となるため、抵抗値Ｒｈの両端の電圧（もしくはこの電圧を増幅した信号）をAD変換変換器で電圧値として検出するのが一般的であり、ＥＣＵ５では、式（１）の関係からセンサ出力の電圧値を流量値に変換して、内燃機関の空気と燃料の割合（空燃比）などを制御している。
【００３５】
このように、熱式流量計１のセンサ出力の信号と実際の流量Ｑとの関係は、式（１）の非線形な関係（流量Ｑの４乗根が電圧値）であるため、流量Ｑとして信号を用いるには何らかの線形化手段が必要となる。
【００３６】
本実施例においては、センサ出力の電圧をパルス出力回路２１でパルス変換することで、従来の電圧と流量Ｑとの関係と同様の関係が、周波数と流量Ｑとの関係として得られる。
【００３７】
ここで、例えば従来の電圧による接続の場合は、ＥＣＵ５の電圧入力をデジタル変換するアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変器）の基準電圧（例えば５Ｖ）によって読み込みできる最大の値が制限される。従って、制限される電圧に対し、吸入空気の流量として使用する最大の値を読み込むことが出来るように、流量計１の出力信号を最適に（例えば最大流量で５Ｖ以下の出力となるように）調整している。
【００３８】
これに対し、周波数による接続の場合は、ＥＣＵ５のＣＰＵ５２の動作クロックが十分に速く、時間軸の読み取り分解能も十分に確保できる場合で、かつ周波数の出力が完全な短形波で、ＣＰＵ５２のＩ／Ｏでの読み取り閾値に対し十分に振幅が確保できれば、原理的には電圧のように読み取り制限がほぼ発生しない。
【００３９】
しかしながら、実際には、以下の２つの理由から、周波数として伝達される信号波形に鈍り（波形の遅れ）が生じ、周波数の読み込みに大きな制限が加えられていた。周波数の読み込みが制限される要因の１つは、流量計１やＥＣＵ５の内部回路を保護する保護回路にコンデンサが用いられていたことが挙げられる。
【００４０】
図３は、第１比較例として、図２におけるバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の代わりに、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２が用いられた回路の構成を示す図である。なお、図２に示す構成要素と同様の構成要素には、図２の符号に１００を加えた符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００４１】
図３に示す第１比較例の回路において、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２の静電容量Ｃや、抵抗Ｒｓ１１、プルアップ抵抗Ｒｅ１１、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ１２の抵抗値は、保護の程度に応じて設定される。保護回路１０３は、低帯域通過の平滑フィルタ（ＬＰＦ）と考えることができる。時定数を大きくすれば保護能力が増加するが、信号波形が鈍り周波数伝達の際の帯域に制限が生じる。
【００４２】
周波数の読み込みが制限されるもう一つの要因は、信号波形の急峻な立ち上がり等によって生じるラジオノイズなどの電磁誘導ノイズの影響である。この電磁誘導ノイズを低減するには、周波数信号をなるべく正弦波に近い波形にすることである。立ち上がりと、立下りの信号波形の急峻な変化を無くすことができれば、切り替わり時に発生する過渡的な電流波形による高周波の電磁誘導ノイズを低減することができる。
【００４３】
上記した周波数の読み込みが制限される２つの要因は、いずれも波形を鈍らせる（遅らせる）方向だけであるので、必ずしも回路の保護レベルの要求と一致しない。この波形の鈍り（遅れ）があると、パルス波形の波高値が低下し一定の電圧の閾値で信号のON-OFFを読み取る場合を考えると周波数読み取りが阻害されることになる。これは高周波数であるほど鈍り（遅れ）による波高値の低下の影響が顕著であるため、読み取り可能な最大周波数の確保が満足できるとは限らず、要求性能を満足できない場合があった。
【００４４】
図１２は、出力周波数ｆｏｕｔ（Ｈｚ）と波形の波高値Ｖｈ（Ｖ）との関係を示し、図１３は、出力周波数ｆｏｕｔ（Ｈｚ）とラジオノイズレベル（ｄＢｍ）との関係を示すグラフである。
【００４５】
コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃを小さくすると、図１２に示すように、最大周波数ｆｍａｘを大きくすることができる一方で、図１３に示すように、ラジオノイズレベルの許容値ＥＭＣｍａｘが高くなり、ラジオノイズが悪化する。
【００４６】
また、ラジオノイズの悪化を防ぐべく、コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃを大きくしてラジオノイズレベルの許容値ＥＭＣｍａｘを下げると、図１２に示すように、高い周波数領域において、波高値Ｖｈ（Ｖ）がＥＣＵ５の信号読み取りレベルＶＨｅｃｕよりも低くなってしまい、最大周波数ｆｍａｘが制限される。
【００４７】
最大周波数ｆｍａｘが制限されると、予め設定された時間内に所定長さの周波数信号を取得することができず、制御処理が遅くなり、吸入空気量測定システムとしての仕様を満足することができない。
【００４８】
図１４は、静電容量Ｃと波形の波高値Ｖｈ（Ｖ）との関係を示し、図１５は、静電容量Ｃとサージに対する保護のレベルとの関係を示すグラフである。
【００４９】
サージに対する保護レベルを強くすべく、コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃを大きくすると、図１４に示されるように、出力周波数が大きい場合に波高値Ｖｈ（Ｖ）がＥＣＵ５の信号読み取りレベルＶＨｅｃｕよりも低くなってしまい、最大周波数が制限される。また、サージに対する保護レベルを強くするには、図１５に示すように、コンデンサＣｅ１１の静電容量Ｃは、より大きな静電容量Ｃが必要とされる。
【００５０】
本実施例においては、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２の変わりに保護素子としてバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２を用いることで、課題の一方の保護という点では容易に満足することができる。最大の利点は、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の有する静電容量Ｃが小さくても回路の保護が可能となることである。従来のコンデンサ比で１０分の１程度であっても十分に満足できる。
【００５１】
同様に、回路動作から見た場合、流量計１、ＥＣＵ５にそれぞれ設けられるバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２は、いずれか一方の静電容量Ｃを１０分の１程度に減少しても十分に保護でき、また、少なくとも一方をバリスタ素子にするだけでも信号の読み取り範囲を拡大することができる。例えば、流量計１のバリスタ素子Ｚｓ１はそのままで、ＥＣＵ５のバリスタ素子Ｚｓ２がコンデンサであっても良い。
【００５２】
少なくとも、流量計１の保護にバリスタ素子を用いることで、ＥＣＵ５のＩ／Ｆ回路５１の設計上の自由度を大幅に向上させることが可能である。これは、多少の定数、回路構成が異なるＩ／Ｆ回路であっても流量計１の性能、及び汎用性を高めることで、部品の共通化が図れ、コスト低減上の優位が生じるという効果がある。
【００５３】
次に、本実施例の構成によってラジオノイズなどの電磁誘導ノイズの影響を低減できる作用について、図４、図５、図６によって説明する。図４は、本実施例と第１比較例の出力波形を示す図、図５、図６は本実施例における電流の流れを示す図である。図５は、パルス信号のＯＮからＯＦＦへの切り替え時である立ち上がり（Ｆｏｕｔ信号がＬｏｗからＨｉ）時における電流の流れを示し、図６はパルス信号のＯＦＦからＯＮへの切り替え時における立ち下がり（Ｆｏｕｔ信号がＨｉからＬｏｗ）時の電流の流れを破線で示している。
【００５４】
図４（Ｂ）は、図３の第１比較例の回路構成において、出力端子Ｆｏｕｔに流れる周波数信号の出力波形である。
【００５５】
まず、立ち上がり（Ｂ１）の場合、トランジスタＴがＯＮからＯＦＦに変わると、図３に示すＥＣＵ１０５の内部電源Ｖｃｃから抵抗Ｒｅ１１を介して、一つはコンデンサＣｅ１２を充電し、ＥＣＵ１０５の接地側に電流が流れる。そして、もう一つは、抵抗Ｒｅ１１と抵抗Ｒｓ１１を介してコンデンサＣｅ１１を充電し、流量計１０１の接地側に電流が流れる。
【００５６】
立ち上がりは、それぞれのコンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２の合成による静電容量Ｃによって、かつ各抵抗Ｒｅ１１、Ｒｓ１１により電流が制限されることから、図４（Ｂ１）に示すように、比較的緩やかな立ち上がりとなる。
【００５７】
そして、立ち下がり（Ｂ２）の場合、トランジスタＴがＯＦＦからＯＮに変わると、ＥＣＵ１０５の内部電源Ｖｃｃから抵抗Ｒｅ１１、抵抗Ｒｓ１１を介しトランジスタＴに電流が流れ、トランジスタＴのコレクタＴｃからエミッタＴｅを通して流量計１０１の接地側に流れる。
【００５８】
そして、各コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２に充電されていた電流が、それぞれトランジスタＴを介して放電される。ここで、特にＩ／Ｆ回路１５１のコンデンサＣｅ１２に充電されていた電流が、ＥＣＵ１０５の入力端子ＦｉｎからＦｏｕｔラインＬ１を通過して流量計１０１に流れ込み、流量計１０１内で放電されるので、コンデンサＣｅ１２の静電容量Ｃが大きいと、図４（Ｂ３）に示すように瞬時に大きな電流（ピーク電流）Ｉｈｕが流れて、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズへの影響が大きくなる。
【００５９】
この対策として、保護抵抗Ｒｓ１１を抵抗値が大きいものに変更して、ＥＣＵ１０５から流量計１０１に流れ込む電流に制限を加えることも可能であるが、抵抗Ｒｓ１１の抵抗値が大きいと、出力端子Ｆｏｕｔの電圧レベルも低下するというデメリットがあり、結果として、保護抵抗Ｒｓ１１の抵抗値は、プルアップ抵抗Ｒｅ１１に対して十分に小さな値にする必要がある。
【００６０】
図４（Ａ）は、図２の本実施例の回路構成において、出力端子Ｆｏｕｔに流れる周波数信号の出力波形である。
【００６１】
本実施例では、図５、図６に示すように、保護回路３及びＩ／Ｆ回路５１において、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２が用いられている。バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２は、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２と比較して、静電容量Ｃが小さく、また、プルアップ抵抗Ｒｅ１、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２、保護抵抗Ｒｓ１は、図３に示す第１比較例のプルアップ抵抗Ｒｅ１１、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ１２、保護抵抗Ｒｓ１１よりもそれぞれ抵抗値が大きい値に設定されている。
【００６２】
まず、立ち上がり（Ａ１）の場合、トランジスタＴがＯＮからＯＦＦに変わると、図５に示すＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃから抵抗Ｒｅ１を介して、一つはバリスタ素子Ｚｓ２を介してＥＣＵ１０５の接地側に電流Ｉ１が流れる。そして、もう一つは、出力端子Ｆｏｕｔから流量計１に電流Ｉ２が流れ込み、保護抵抗Ｒｓ１とバリスタ素子Ｚｓ１を介して接地側に流れる。
【００６３】
立ち上がりは、小さな静電容量Ｃを有するバリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２と、大きな抵抗値を有する各抵抗Ｒｅ１、Ｒｓ１により電流が制限されることから、図４（Ａ１）に示すように、緩やかな立ち上がりとなる。従って、出力端子Ｆｏｕｔから出力される信号波形を、矩形波ではなく、正弦波に近い波形にすることができる。従って、図４（Ａ３）に示すように、ＧＮＤラインの過渡電流の波高値Ｉｈｕを第１比較例（図４（Ｂ３））よりも低くして、その波形をなますことができる。
【００６４】
そして、立ち下がり（Ａ２）の場合、トランジスタＴがＯＦＦからＯＮに変わると、図６に示すように、電流Ｉ３が、ＥＣＵ５の内部電源Ｖｃｃからプルアップ抵抗Ｒｅ１と保護抵抗Ｒｓ１を介してトランジスタＴに流れ、そして、トランジスタＴのコレクタＴｃからエミッタＴｅを通して接地側に流れる。
【００６５】
また、各バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２から放電された電流Ｉ４が接地側に流れる。各バリスタＺｓ１、Ｚｓ２の静電容量Ｃは、コンデンサＣｅ１１、Ｃｅ１２よりも小さい値に設定されているので、放電される電流の大きさを小さくすることができる。従って、図４（Ａ３）に示すように、ＧＮＤラインの過渡電流の波高値Ｉｈｄを第１比較例（図４（Ｂ３））よりも低くして、その波形をなますことができる。
【００６６】
このように、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２の静電容量Ｃを小さくすることによって、各抵抗Ｒｅ１、Ｒｓ１の抵抗値を大きくすることができ、全体の駆動電流を下げることができる。従って、立ち上がり時及び立ち下がり時に流れる電流を小さくすることができ、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズへの影響を小さくすることができる。
【００６７】
上記した構成によれば、保護回路３及びＩ／Ｆ回路５１に、バリスタ素子Ｚｓ１、Ｚｓ２を用いることで、流量計１及びＥＣＵ５の内部回路を保護することができる。例えば、出力端子Ｆｏｕｔにバリスタ電圧以上のサージ電圧が加えられた場合に、そのサージ電圧を保護回路３によって接地側に流すことができ、流量計１のセンサＩＣ回路２に高電圧のサージ電圧が入力されるのを防ぎ、センサＩＣ回路２を保護することができる。
【００６８】
また、各抵抗Ｒｅ１、Ｒｓ１の抵抗値を大きくすることで、全体の駆動電流を下げて、立ち上がり時（Ａ１）と立ち下がり時（Ａ２）における電流Ｉの急峻な変化を抑制することが可能となり、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズの影響を低減できるといった効果がある。
【００６９】
例えば、バリスタ素子Ｚｓ１は、コンデンサＣｅ１１と比較して静電容量が小さいので、放電時における放電量を少なくすることができ、電圧の変化を滑らかにすることができる。従って、電圧の立ち下がり時におけるピーク電流Ｉｈｄを下げることができ、ラジオノイズ等の電磁誘導ノイズの影響を低減することができる。
【００７０】
従って、周波数信号の帯域を低下させることなく、予め設定された時間内に所定長さの周波数信号を取得することができ、必要な周波数信号の帯域を十分に確保することができる。
【００７１】
［第２実施例］
次に、第２実施例について図７から図１１を用いて説明する。
【００７２】
図７は、第２実施例における流量計１とＥＣＵ５の詳細な構成を示す図、図８は、第２比較例の回路構成を説明する図、図９は、本実施例と第２比較例の出力波形を示す図、図１０は、パルス信号のＯＮからＯＦＦへの切り替え時（立ち上がり時）における電流の流れを示す図、図１１は、パルス信号のＯＦＦからＯＮへの切り替え時（立ち下がり時）における電流の流れを示す図である。なお、第１実施例と同様の構成要素には同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００７３】
本実施例において特徴的なことは、上記した第１実施例におけるＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２を抵抗Ｒｅ２ａ、Ｒｅ２ｂの２つに分割して直列に配置し、その中点にコンデンサＣｅ１の一端を接続し、コンデンサＣｅ１の他端をＥＣＵ５の接地側に接続する構成とした点である。
【００７４】
より具体的には、図７に示すように、一対の抵抗Ｒｅ２ａと抵抗Ｒｅ２ｂが直列に接続され、抵抗Ｒｅ２ａの端部がプルアップ抵抗Ｒｅ１と入力端子Ｆｉｎとの間に接続され、抵抗Ｒｅ２ｂの端部がＣＰＵ５２のＩ／Ｏ端子（図示せず）に接続されている。そして、コンデンサＣｅ１の一端が抵抗Ｒｅ２ａと抵抗Ｒｅ２ｂとの間に接続され、他端が接地側に接続された構成を有している。
【００７５】
そして、図８に示す第２比較例は、図７に示す保護回路３のバリスタ素子Ｚｓ１をコンデンサＣｅ１１に入れ替えて、そして、単一のＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２２とした回路構成を有している。
【００７６】
プルアップ抵抗Ｒｅ２１は、一端が内部電源Ｖｃｃに接続され、他端が入力端子Ｆｉｎに接続されており、ＣＰＵ用抵抗Ｒｅ２２は、その一端がプルアップ抵抗Ｒｅ２１と入力端子Ｆｉｎとの間に接続され、他端がＣＰＵ１５２のＩ／Ｏ端子に接続されている。そして、コンデンサＣｅ１は、その一端がプルアップ抵抗Ｒｅ２１と入力端子Ｆｉｎとの間に接続され、他端がＩ／Ｆ回路１５１の接地側に接続された構成を有している。
【００７７】
本実施例によれば、図１１に示すように、立ち下がり時にコンデンサＣｅ１から放電される電流Ｉ４を抵抗Ｒｅ２ａで制限して、入力端子ＦｉｎからＦｏｕｔラインＬ１を介して流量計１に流れ込むのを防ぐことができる。
【００７８】
従って、図９（Ａ２）のＸ部分に示すように、立ち下がり時の電圧波形を緩やかにすることができ、図９（Ａ３）に示すように、ＧＮＤラインの過渡電流の波高値Ｉｈｄを第２比較例（図９（Ｂ３）を参照）よりも低くして、その波形をなますことができる。
【００７９】
従って、周波数信号を正弦波に近い波形にすることができ、立ち上がりと立ち下がりの信号波形の急峻な変化を無くすことができる。従って、パルス信号のＯＮ−ＯＦＦの切り替わり時に発生する過渡的な電流波形によるラジオノイズ等の電磁誘導ノイズを低減することができる。
【００８０】
なお、本発明は、上述の各実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の各実施例では、オープンコレクタ接続の構成を有する場合を例に説明したが、本発明の構成は、オープンコレクタ接続に限定されるものではなく、他の構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施例の全体構成図。
【図２】第１実施例における流量計とＥＣＵの内部構成を示す図。
【図３】第１比較例の回路構成を示す図。
【図４】第１実施例と第１比較例の出力波形を示す図。
【図５】立ち上がり時における電流の流れを示す図。
【図６】立ち下がり時における電流の流れを示す図。
【図７】第２実施例における流量計とＥＣＵの内部構成を示す図。
【図８】第２比較例の回路構成を示す図。
【図９】第２実施例と第２比較例の出力波形を示す図。
【図１０】立ち上がり時における電流の流れを示す図。
【図１１】立ち下がり時における電流の流れを示す図。
【図１２】出力周波数と波形の波高値との関係を示すグラフ。
【図１３】出力周波数とラジオノイズレベルとの関係を示すグラフ。
【図１４】静電容量と波形の波高値との関係を示すグラフ。
【図１５】静電容量とサージに対する保護のレベルとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００８２】
１、１０１ 流量計
２、１０２ センサＩＣ回路（周波数出力装置）
３、１０３ 保護回路
５、１０５ ＥＣＵ
２１、１２１ パルス出力回路
５１、１５１ Ｉ／Ｆ回路
５２、１５２ ＣＰＵ（流量計測装置）
Ｚｓ１、Ｚｓ２ バリスタ素子
Ｃｅ１、Ｃｅ２、Ｃｅ１１、Ｃｅ１２、 コンデンサ
Ｔ トランジスタ
Ｒｈ１ 抵抗発熱体
Ｒｃ１ 温度補償抵抗
Ｒｅ１、Ｒｅ１１、Ｒｅ２１ プルアップ抵抗
Ｒｅ２、Ｒｅ１２、Ｒｅ２２ ＣＰＵ用抵抗（計測手段用抵抗）
Ｒｓ１、Ｒｓ１１、Ｒｓ２１ 保護抵抗（保護素子）
Ｖｃｃ 内部電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力端子から周波数信号を出力する周波数出力装置であって、
所定の静電容量を有し、前記出力端子に予め設定された基準電圧よりも高い電圧が印加された場合に、前記基準電圧を超える電圧分をカットする保護手段を備えることを特徴とする周波数出力装置。
【請求項２】
空気の流量に応じた周波数信号を出力端子から出力する流量計であって、
所定の静電容量を有し、前記出力端子に予め設定された基準電圧よりも高い電圧が印加された場合に、前記基準電圧を超える電圧分をカットする保護手段を備えることを特徴とする流量計。
【請求項３】
パルス信号を出力するパルス出力手段と、該パルス出力手段から出力されるパルス信号に応じてＯＮ・ＯＦＦされるスイッチ手段を備え、
前記保護手段は、前記出力端子と前記スイッチ手段との間に介在されていることを特徴とする請求項２に記載の流量計。
【請求項４】
前記スイッチ手段は、オープンコレクタのトランジスタを備え、
前記保護手段は、前記トランジスタのコレクタ端子と前記出力端子との間に介在されて接続されていることを特徴とする請求項３に記載の流量計。
【請求項５】
高電位側の出力端子と低電位側の出力端子を備え、
前記保護手段は、
前記トランジスタのコレクタ端子と前記高電位側の出力端子との間に介在されて接続された抵抗素子と、
該抵抗素子と前記トランジスタのコレクタ端子との間に一端が接続され、他端が前記低電位側の出力端子に接続されたバリスタ素子を有することを特徴とする請求項４に記載の流量計。
【請求項６】
前記バリスタ素子は、基板状に配置実装可能な積層構造からなるチップ部品であることを特徴とする請求項５に記載の流量計。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の流量計が接続される流量計測装置であって、
前記出力端子から出力される出力信号に基づいて空気の流量を計測する計測手段と、
該計測手段と前記出力端子との間に介在されて前記出力信号の伝達を行うインターフェイス手段と、
を有することを特徴とする流量計測装置。
【請求項８】
前記インターフェイス手段は、
前記高電位側の入力端子と、内部に設けた電源との間に介在されて接続されるプルアップ抵抗と、
前記高電位側の入力端子と前記計測手段との間に介在されて接続される計測手段用抵抗と、
前記高電位側の入力端子と、前記低電位側の入力端子との間に介在されて接続される他のバリスタ素子と、
を有することを特徴とする請求項７に記載の流量計測装置。
【請求項９】
前記インターフェイス手段は、
前記高電位側の入力端子と、内部に設けた電源との間に介在されて接続されるプルアップ抵抗と、
前記高電位側の入力端子と前記計測手段との間に直列に接続される一対の計測手段用抵抗と、
該一対の計測手段用抵抗の間に一端が接続され、他端が前記低電位側の入力端子に接続された他のバリスタ素子と、
を有することを特徴とする請求項７に記載の流量計測装置。
【請求項１０】
前記他のバリスタ素子は、基板状に配置実装可能な積層構造からなるチップ部品であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の流量計測装置。
【請求項１】
出力端子から周波数信号を出力する周波数出力装置であって、
所定の静電容量を有し、前記出力端子に予め設定された基準電圧よりも高い電圧が印加された場合に、前記基準電圧を超える電圧分をカットする保護手段を備えることを特徴とする周波数出力装置。
【請求項２】
空気の流量に応じた周波数信号を出力端子から出力する流量計であって、
所定の静電容量を有し、前記出力端子に予め設定された基準電圧よりも高い電圧が印加された場合に、前記基準電圧を超える電圧分をカットする保護手段を備えることを特徴とする流量計。
【請求項３】
パルス信号を出力するパルス出力手段と、該パルス出力手段から出力されるパルス信号に応じてＯＮ・ＯＦＦされるスイッチ手段を備え、
前記保護手段は、前記出力端子と前記スイッチ手段との間に介在されていることを特徴とする請求項２に記載の流量計。
【請求項４】
前記スイッチ手段は、オープンコレクタのトランジスタを備え、
前記保護手段は、前記トランジスタのコレクタ端子と前記出力端子との間に介在されて接続されていることを特徴とする請求項３に記載の流量計。
【請求項５】
高電位側の出力端子と低電位側の出力端子を備え、
前記保護手段は、
前記トランジスタのコレクタ端子と前記高電位側の出力端子との間に介在されて接続された抵抗素子と、
該抵抗素子と前記トランジスタのコレクタ端子との間に一端が接続され、他端が前記低電位側の出力端子に接続されたバリスタ素子を有することを特徴とする請求項４に記載の流量計。
【請求項６】
前記バリスタ素子は、基板状に配置実装可能な積層構造からなるチップ部品であることを特徴とする請求項５に記載の流量計。
【請求項７】
請求項５又は請求項６に記載の流量計が接続される流量計測装置であって、
前記出力端子から出力される出力信号に基づいて空気の流量を計測する計測手段と、
該計測手段と前記出力端子との間に介在されて前記出力信号の伝達を行うインターフェイス手段と、
を有することを特徴とする流量計測装置。
【請求項８】
前記インターフェイス手段は、
前記高電位側の入力端子と、内部に設けた電源との間に介在されて接続されるプルアップ抵抗と、
前記高電位側の入力端子と前記計測手段との間に介在されて接続される計測手段用抵抗と、
前記高電位側の入力端子と、前記低電位側の入力端子との間に介在されて接続される他のバリスタ素子と、
を有することを特徴とする請求項７に記載の流量計測装置。
【請求項９】
前記インターフェイス手段は、
前記高電位側の入力端子と、内部に設けた電源との間に介在されて接続されるプルアップ抵抗と、
前記高電位側の入力端子と前記計測手段との間に直列に接続される一対の計測手段用抵抗と、
該一対の計測手段用抵抗の間に一端が接続され、他端が前記低電位側の入力端子に接続された他のバリスタ素子と、
を有することを特徴とする請求項７に記載の流量計測装置。
【請求項１０】
前記他のバリスタ素子は、基板状に配置実装可能な積層構造からなるチップ部品であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の流量計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−１０７６７（Ｐ２０１０−１０７６７Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６４５４５（Ｐ２００８−１６４５４５）
【出願日】平成２０年６月２４日（２００８．６．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２４日（２００８．６．２４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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