热式流量计的制作方法

本发明涉及一种热式流量计。

背景技术：

热式流量计是根据为了使由于在周围流过的空气而发生了变化的热射线的温度恢复原状所需的电流，来计测所流过的空气的流量的传感器。计测出的流量例如能够通过具有与该流量对应的频率的周期信号来表示。将周期信号输入到例如漏极开路电路(或者集电极开路电路，以下相同)，通过频率测定电路测定漏极开路电路输出的信号的频率，从而能够检测流量。

漏极开路电路通过使开关元件进行接通/断开来输出高电平/低电平的输出信号。通过根据周期信号的频率而使开关元件进行接通/断开，能够输出与周期信号的频率所表示的流量对应的输出信号。

在漏极开路电路的结构上，其输出信号为矩形波，所以产生高频噪声。作为缓和该高频噪声的手段，考虑将多个开关元件并联连接而多级地构成，使对各开关元件进行切换的时机错开，从而输出阶跃状的输出信号。下述专利文献1记载了各开关元件的切换时机不同的漏极开路电路的具体例。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平01-228214号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

输入到漏极开路电路的周期信号的频率根据计测出的流量而变化。因此，如果周期信号的频率变高，则漏极开路电路的开关元件的接通/断开周期就变短。

在上述专利文献1记载的技术中，开关元件间的延迟时间间隔恒定。因此，如果周期信号的频率在一定程度以上地变高，则例如在最后级的开关元件进行动作之前最前级的开关元件开始下一周期的动作，输出信号有可能无法在1周期以内从高电平变化至低电平。在该情况下，难以准确地检测周期信号的频率所表示的流量。

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，在通过周期信号的频率来表示空气的流量的热式流量计中，在抑制高频噪声的同时，避免由频率变化引起的输出信号的波形异常。

解决技术问题的技术手段

本发明的热式流量计具备并联连接了的多个开关元件，根据表示流量的周期信号的频率变化而使开关元件间的延迟幅度变化。

发明效果

根据本发明的热式流量计，在通过并联连接了的多个开关元件抑制高频噪声的同时，即使周期信号的频率发生变化，也能够抑制输出信号的峰值、频率变成异常值。

附图说明

图1是使用低通滤波器来抑制电磁波噪声的情况下的输出信号波形例。

图2是使用电流镜电路对流到漏极开路电路的电流施加了限制的情况下的输出信号波形例。

图3是示出通过延迟电路对切换的时期设置了时间差的漏极开路电路的例子的电路图。

图4是对图3的漏极开路电路输入了周期T1的脉冲信号的情况下的输出信号的波形图。

图5是对图3的漏极开路电路输入了比T1短的周期T2的脉冲信号的情况下的输出信号的波形图。

图6是对图3的漏极开路电路输入了周期T3(<4τ)的脉冲信号的情况下的输出信号的波形图。

图7是实施方式1的漏极开路电路1的电路图。

图8是输入信号Vi的波形图。

图9是示出与漏极开路电路1连接的频率测定电路2的结构例的图。

图10是在图9的电路结构中对漏极开路电路1输入了三角波的输入信号Vi时的输出电压Vfo的波形图。

图11示出在图9的电路结构中输入信号Vi的周期发生了变化的情况下的输出电压Vfo的波形。

图12是输出信号Vfo与比较电压Vc不交叉的波形例。

图13是实施方式2的漏极开路电路1的电路图。

图14示出在图3所示的以往的漏极开路电路中去除与晶体管Tr3的漏极端子连接的电流限制电阻而与输出端子Fo短路了的电路结构。

图15是图14的漏极开路电路的输出信号波形。

图16是示出实施方式3的漏极开路电路1的输出信号波形的图。

图17是示出实施方式3的漏极开路电路1的变形例的图。

图18是图17的电路结构中的输出信号波形的一例。

图19是实施方式4的热式流量计100的结构图。

具体实施方式

<关于现有技术的课题>

以下，为了容易理解本发明，首先，说明现有技术的课题的详细情况，其后说明本发明的实施方式。

作为应对从集电极开路电路输出通过频率来表示信息的输出信号时产生的辐射电磁波的对策，有如下对策。

图1是使用低通滤波器来抑制电磁波噪声的情况下的输出信号波形例。在漏极开路电路的输出端子配置组合电感器、电容器、电阻而构成的低通滤波器。在该情况下，如图1所示，在输出信号电压的下降起始处和上升起始处发生陡峭的电压变化，在输出信号中包含高频分量。电压V下降时的波形由下式1表示，上升时的波形由下式2表示。A是峰值，β是时间常数，α是常数，t是时间。将电压开始上升时和开始下降时分别设为t＝0。

V＝A*Exp(-β*t)+α…式1

V＝A*(1-Exp(-β*t))+α…式2

图2是使用电流镜电路对流到漏极开路电路的电流施加了限制的情况下的输出信号波形例。在该情况下，如图2所示，在电压上升时不施加电流限制。

作为周期信号而理想的波形是正弦波。但是，在使用漏极开路电路来输出频率的情况下，使输出端的晶体管进行接通/断开，从外部电源接受输出信号的电压。因此，漏极开路电路输出的信号波形原则上为矩形波。如果对频率为f的矩形波函数X进行傅立叶展开，则由下式3表示。ω＝2πf。即，矩形波等价于使比作为信号所需的频率高的频率的正弦波重合而得到的波。

[数1]

在电压是矩形波时，电流也是矩形波，所以式3表示流入到漏极开路电路的输出端子的电流波形。当流过电流I时，在I的周围产生由下式4表示的磁场H。r是距离电流的距离。

H＝I/(2*π*r)…式4

通过麦克斯韦的方程式，磁场H与电场E的关系由下式5表示。磁场H的时间变化越大，则产生越强的电场E。μ是导磁率，t是时间。因此，当流过矩形波的电流时，频率即使低，也发射高频电磁波，对周围设备施加噪声的影响。

[数2]

通过式4和式5可知，减小流入到漏极开路电路的输出端子的电流的时间变化，这作为高频噪声对策是有效的。作为实现它的方法，考虑将多个漏极开路晶体管并联连接到输出端子，对使晶体管导通的切换时期设置时间差，分多次地切换流入到输出端子的电流。

但是，在根据周期信号的频率而输出物理量的传感器的情况下，输出频率不恒定而随时间变化。因此，如果输出频率变高，则输出波形产生异常。以下说明该异常波形。

如专利文献1所记载的那样，图3是示出通过延迟电路对切换的时期设置了时间差的漏极开路电路的例子的电路图。在图3中，将在漏极端子连接有电流限制电阻的漏极开路晶体管并联连接3个到输出端子。在3个漏极开路晶体管Tr1、Tr2、Tr3的栅极之间，配置具有延迟时间τ的延迟电路D。漏极开路晶体管Tr1～Tr3的源极端子接地。漏极开路晶体管Tr1～Tr3的漏极端子与输出端子Fo连接。对漏极端子连接上拉电阻Rp，通过电压Vp将输出信号上拉。

通过将作为周期信号的脉冲信号(Signal Pulse)输入到栅极端子来控制漏极开路晶体管Tr1～Tr3。当被输入使漏极开路晶体管Tr1～Tr3导通的脉冲信号时，首先，Tr1导通，Tr2延迟τ而导通，Tr3进一步地延迟τ而导通。当被输入将漏极开路晶体管Tr1～Tr3设为非导通的脉冲信号时，首先，Tr1变成非导通，Tr2延迟τ而变成非导通，Tr3进一步地延迟τ而变成非导通。

图4是对图3的漏极开路电路输入了周期T1的脉冲信号的情况下的输出信号的波形图。每当漏极开路晶体管Tr1～Tr3导通而流过电流时，输出电压Vfo下降，每当变成非导通时，输出电压Vfo上升。输出信号的周期与脉冲信号相同，为T1。

图5是对图3的漏极开路电路输入了比T1短的周期T2的脉冲信号的情况下的输出信号的波形图。与图4相比，延迟时间τ不变，所以各晶体管在导通与非导通之间进行切换的时间间隔相同，但波形周期比图4短。

图6是对图3的漏极开路电路输入了周期T3(<4τ)的脉冲信号的情况下的输出信号的波形图。在图6中，在Tr1进行了开关的2τ后，在Tr3进行动作之前Tr1实施了下一周期的开关动作。

因此，漏极开路晶体管Tr1～Tr3不会全部变成相同的动作状态(导通或者非导通)，所以信号波形无法达到上限(高电平)和下限(低电平)。即，输出信号的峰值变小，周期比T3短，不再是恒定周期。

本发明的目的在于，在通过将多个开关元件并联连接到输出端子并对各开关元件的动作时机设置时间差来抑制了波形的陡峭的变化的漏极开路电路中，避免图6所示的输出信号波形的异常。

<实施方式1>

图7是本发明的实施方式1的漏极开路电路1的电路图。在图7中，3个漏极开路晶体管Tr1～Tr3分别经由电流限制电阻Rd1～Rd3而与输出端子Fo连接。对输入端子Vi输入驱动晶体管Tr1～Tr3的输入信号Vi。

将通过分压电阻Rg1～Rg4对输入信号Vi进行分压而得到的电压Vg1～Vg3分别输入到晶体管Tr1～Tr3的栅极端子。Vi与Vg1～Vg3的关系由下式6～式8表示。

Vg1＝Vi*(Rg2+Rg3+Rg4)/(Rg1+Rg2+Rg3+Rg4)…式6

Vg2＝Vi*(Rg3+Rg4)/(Rg1+Rg2+Rg3+Rg4)…式7

Vg3＝Vi*Rg4/(Rg1+Rg2+Rg3+Rg4)…式8

如果将晶体管的漏极-源极间变成导通/非导通的栅极-源极间电压(阈值电压Vth)设为关于各晶体管Tr1～Tr3而相同，则各晶体管的栅极-源极间电压变成Vth时的Vi从Tr1起依次分别由下式9～式11表示。根据这些式子可知，对各晶体管的导通与非导通进行切换的Vi的值分别不同。

Vi＝Vth*(Rg1+Rg2+Rg3+Rg4)/(Rg2+Rg3+Rg4)…式9

Vi＝Vth*(Rg1+Rg2+Rg3+Rg4)/(Rg3+Rg4)…式10

Vi＝Vth*(Rg1+Rg2+Rg3+Rg4)/Rg4…式11

图8是输入信号Vi的波形图。此处，作为例子而使用三角波。如图8所示，在三角波的分别不同的电压值下，晶体管Tr1～Tr3达到阈值Vth。因此，各晶体管在分别不同的时刻下进行切换。

图9是示出与漏极开路电路1连接的频率测定电路2的结构例的图。频率测定电路2具备频率计测器3、上拉电源Vp、上拉电阻Rp。将频率计测器3的输入端子Input与漏极开路电路1的输出端子Fo连接，进而经由上拉电阻Rp而连接到上拉电源Vp。

图10是在图9的电路结构中对漏极开路电路1输入了三角波的输入信号Vi时的输出电压Vfo的波形图。各晶体管在输入信号Vi分别变成由式9～式11表示的值时进行切换。因此，输出电压Vfo如图10所示阶梯状地变化。

将Tr1～Tr3处于非导通状态时的输出电压Vfo设为Vfo0，将Tr1处于导通状态且Tr2和Tr3处于非导通状态时的输出电压Vfo设为Vfo1，将Tr1和Tr2处于导通状态且Tr3处于非导通状态时的输出电压Vfo设为Vfo2，将Tr1～Tr3处于导通状态时的输出电压Vfo设为Vfo3。这些输出电压分别由下式12～式15表示。

Vfo0＝Vp…式12

Vfo1＝Vp*Rd1/(Rd1+Rp)…式13

Vfo2＝Vp*Rd12/(Rd12+Rp)…式14

Vfo3＝Vp*Rd123/(Rd123+Rp)…式15

式14中的Rd12是将Rd1与Rd2并联连接而得到的合成电阻，由下式16表示。式15中的Rd123是将Rd1～Rd3并联连接而得到的合成电阻，由下式17表示。

Rd12＝Rd1*Rd2/(Rd1+Rd2)…式16

Rd123＝Rd1*Rd2*Rd3/(Rd1*Rd2+Rd2*Rd3+Rd3*Rd1)…式17

根据式13～式15可知，在图1中如果没有电流限制电阻Rd1～Rd3，则Vfo1＝Vfo2＝Vfo3＝0，输出波形不阶梯状地变化而变成高电位侧为Vp且低电位侧为0(V)的矩形波。

图11示出在图9的电路结构中输入信号Vi的周期发生了变化的情况下的输出电压Vfo的波形。将Vi的周期是T1时的各晶体管间的切换时期的时间差设为τ1，将Vi的周期是T2时的切换时期的时间差设为τ2。如在图10中说明的那样，Tr1～Tr3的切换时期取决于Vi的电位，所以当作为三角波的Vi的周期发生变化时，各晶体管切换时期的时间差与周期成比例。图11中的T1、T2、τ1、τ2的关系由下式18表示。

T1/T2＝τ1/τ2…式18

<实施方式1：总结>

如上所述，本实施方式1的漏极开路电路1具备针对每个晶体管而使对各晶体管Tr1～Tr3进行切换的时机错开的延迟电路(在本实施方式1中为分压电路)。延迟电路根据针对漏极开路电路1的输入信号Vi的频率，使各晶体管间的延迟时间间隔τ变化。因此，当输入信号Vi的周期变短时，延迟时间间隔τ也随之一起变短，所以，能够抑制图6所示的输出信号的波形异常。即，在通过输入信号Vi的频率来表示信息、并且通过由频率测定电路2测定该频率来取得该信息的情况下，能够抑制如图6那样的测定异常。

<实施方式2>

如在实施方式1中说明的式13～式15所示，输出电压Vfo阶梯状地进行切换时的电压Vfo1～Vfo3是通过上拉电阻Rp和电流限制电阻Rd1～Rd3对上拉电源Vp进行分压而得到的电压。上拉电阻Rp、电流限制电阻Rd1～Rd3通过半导体工艺来制造的情况较多。通过半导体工艺制造的电阻体的电阻值有偏差，有时达到例如±20％左右。另外，电阻值的温度特性也有偏差。漏极开路电路1和频率测定电路2分别独立地制造，所以无论是上拉电阻Rp和电流限制电阻Rd1～Rd3的电阻值之比，还是电阻值温度特性之比，针对每个产品而存在偏差的情况较多。如果存在这样的电阻值偏差，则在实际产品中产生如下问题。

在图9的频率计测器3中，设定用于与输出电压Vfo进行比较的电压Vc。将该比较电压Vc设定为0(V)与上拉电压Vp之间的电压。频率计测器3通过测定Vfo与Vc之间的大小关系发生调换的时刻，来测定输出信号Vfo的频率、周期。

图12是输出信号Vfo与比较电压Vc不交叉的波形例。在该情况下，输出电压Vfo始终大于比较电压Vc，所以频率计测器3无法计测输出信号Vfo的频率。根据式13～式15可知，如果电流限制电阻Rd1～Rd3的电阻值相对于上拉电阻Rp的电阻值向变大的方向发生偏差，则Vfo1～Vfo3也随之一起变大，所以有可能变成图12所示的状态。在本发明的实施方式2中，说明应对这样的课题的电路例。

图13是本实施方式2的漏极开路电路1的电路图。图13的漏极开路电路1是在图7所示的电路结构中不设置电流限制电阻Rd3而使晶体管Tr3的漏极端子与输出端子Fo短路了的电路。在图13的电路结构中，当Tr3变成导通状态时，输出电压Vfo变成0(V)。因此，无论上拉电阻Rp和电流限制电阻Rd1～Rd3的电阻值偏差如何，Vfo都能够变成比Vc低的电位。

图14示出在图3所示的以往的漏极开路电路中去除与晶体管Tr3的漏极端子连接的电流限制电阻而与输出端子Fo短路了的电路结构。如果在以往的电路结构中与本实施方式2同样地使晶体管Tr3的漏极端子与输出端子Fo短路，则产生如以下说明那样的不佳状况。

在图14的电路结构中，晶体管Tr1～Tr3从非导通向导通切换的顺序与从导通向非导通切换的顺序相同。即在任意情况下都是Tr1最先切换，Tr3最后切换。

在漏极开路晶体管Tr1～Tr3从非导通向导通切换的情况下，输出电压Vfo阶梯状地切换。与此相对地，在从导通向非导通切换的情况下，即使Tr1和Tr2变成非导通，在Tr3导通的期间，Vfo仍保持为0(V)。其后在Tr3向非导通切换时，Vfo变成与上拉电压Vp相同的电位。这是由于，当Tr3变成导通状态时，输出端子Fo与GND短路。

图15是图14的漏极开路电路的输出信号波形。在图15中，在输出波形从低电位(低电平)向高电位(高电平)切换时，波形不阶段性地变化而按一个阶梯进行切换。如果输出波形这样陡峭地切换，则抵消了降低放射噪声的效果。

为了消除图15所示的输出波形的陡峭的变化，在漏极开路晶体管Tr1～Tr3从非导通向导通切换的情况下，未附加有电流限制电阻的Tr3最后切换，从导通向非导通切换的顺序是未附加有电流限制电阻的Tr3最先切换即可。在作为输入信号Vi而使用三角波的频率信号的实施方式1～2中，漏极开路晶体管Tr1～Tr3从非导通向导通切换的顺序与从导通向非导通切换的顺序相反。即，在从非导通向导通切换的情况下，Tr3最后切换，在从导通向非导通切换的情况下，Tr3最先切换。因此，在实施方式1～2的漏极开路电路1中，能够抑制图15所示的输出波形的陡峭的变化。

<实施方式2：总结>

如上所述，本实施方式2的漏极开路电路1能够抑制由上拉电阻Rp和电流限制电阻Rd1～Rd3的电阻值偏差而产生的如图12那样的课题。进而，也能够抑制在以往的漏极开路电路中采用相同的结构的情况下的如图15那样的陡峭的输出变化。

在本实施方式2中，使Tr3的漏极端子与输出端子Fo短路，但也可以使其他晶体管同样地短路。例如也可以使Tr2的漏极端子与输出端子Fo短路。但是从使输出信号Vfo以尽可能多的阶梯数变化的观点来看，期望使最后级的晶体管与输出端子Fo短路。

<实施方式3>

图16是示出本发明的实施方式3的漏极开路电路1的输出信号波形的图。在图16中，设定多个各漏极开路晶体管间的切换时期的时间差τ。Tr1与Tr2之间的时间差是τ1，Tr2与Tr3之间的时间差是τ2。τ1和τ2依照式9～式11来确定，所以通过调整基于分压电阻Rg1～Rg4的分压比，能够如图16那样调整τ1和τ2。

在图16中，在输出电压Vfo从高电位(高电平)向低电位(低电平)切换时，先切换的开关元件的延迟时间间隔(τ1)比后切换的开关元件的延迟时间间隔(τ2)小。另一方面，在输出电压Vfo从低电位向高电位切换时，先切换的开关元件的延迟时间间隔(τ2)比后切换的开关元件的延迟时间间隔(τ1)大。即，τ1和τ2都恒定。

图17是示出本实施方式3的漏极开路电路1的变形例的图。为了如图16的τ1和τ2那样设置多个各开关元件间的切换时期的时间差，针对向各栅极端子输出阈值电压Vth的时机设置时间差即可。图17所示的漏极开路电路1具备实现它的微型机4。微型机4接受输入信号Vi，将依照Vi对各晶体管进行切换的期望时机设为运算符，在该时机下对各晶体管的栅极端子输出Vth。

图18是图17的电路结构中的输出信号波形的一个例子。在图18中，在输出电压Vfo从高电位向低电位切换时，先切换的开关元件的延迟时间间隔(τ1)比后切换的开关元件的延迟时间间隔(τ2)小。另一方面，在输出电压Vfo从低电位向高电位切换时，先切换的开关元件的延迟时间间隔(τ2)比后切换的开关元件的延迟时间间隔(τ1)小。即，τ1、τ2根据时刻而发生变化。

在使用漏极开路电路1的实际产品中，作为电涌保护元件、针对静电放电的保护元件，有时设置电容器、电阻器、二极管等。为了在设置有这些元件的状态下进行对于降低放射噪声最佳的设定，有时如图16、图18那样需要多个切换时间差。本实施方式3的输出波形在这种情况下是合适的。

<实施方式4>

图19是本发明的实施方式4的热式流量计100的结构图。热式流量计100是测定空气的流量的传感器，具备计测元件5、信号生成器6、实施方式1～3中的任一个的漏极开路电路1。计测元件5测定空气的流量，输出与测定结果对应的计测电压Vm。信号生成器6生成通过频率来表现计测电压Vm所表示的计测结果的周期信号，将其作为输入信号Vi而输出到漏极开路电路1。热式流量计100通过周期信号的频率来表示空气的流量，所以使用实施方式1～3的漏极开路电路1是合适的。

本发明不限定于上述实施方式，包括各种变形例。上述实施方式是为了以容易理解的方式说明本发明而详细说明的，不一定限定于具备所说明的全部结构。例如考虑如下变形例。

在以上实施方式中，将作为漏极开路晶体管而使用场效应晶体管(FET)设为前提，但即使在使用双极型晶体管的情况下，也能够使用与本发明相同的结构。即，在每当对多级连接的各开关元件进行切换时输出信号就在高电平与低电平之间阶段性地进行切换的电路结构中，能够使用与本发明相同的结构。

在以上实施方式中，将三角波用作输入信号Vi，但即使在使用例如正弦波、梯形波等其他周期信号的情况，也能够使用与本发明相同的结构。

在以上实施方式中，说明了输入信号Vi的周期与延迟时间τ成比例的情况，但不一定限于1次比例关系，只要τ根据Vi的增减而进行增减，则也可以具有其他对应关系。

符号说明

1：漏极开路电路；2：频率测定电路；3：频率计测器；4：微型机；5：计测元件；6：信号生成器；Tr1～Tr3：漏极开路晶体管；Rg1～Rg4：分压电阻；Rd1～Rd3：电流限制电阻。