JPH10170465A - 湿度検出素子およびそれを用いた空気流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】湿度検出素子表面に水滴が付着するような苛酷
環境下でも性能を保証できる信頼性の高い湿度検出素子
および湿度検出装置およびそれを用いた空気流量測定装
置を提供することにある。 【解決手段】絶縁体の基板表面に湿度検出用の電極を形
成すると共に、発熱抵抗体を形成し感湿セラミックで覆
う構造である。 【効果】湿度検出素子表面に水滴が付着しても、発熱抵
抗体を加熱することにより湿度測定素子表面の水滴を除
去できることにより、内燃機関のような苛酷環境下でも
信頼性の高い湿度測定素子および湿度測定装置を提供で
きうる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は湿度検出素子に係わ
り、特に内燃機関に吸入される空気の湿度を測定するの
に好適な湿度検出素子および湿度検出装置およびそれを
用いた空気流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術は、絶縁体表面に電極を形成
し、感湿セラミックで覆う構造の湿度検出素子として
は、特開平3−257359 号に公開された例がある。また、
湿度検出素子を局所的に加熱して結露の影響を受けない
湿度検出素子としては、特開平4−118547号に提示され
た事例がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
の前者の技術は空気雰囲気の湿度を測定する素子として
は問題ないが、内燃機関のような苛酷条件下で使用する
にはくし形電極の一部が露出しているため水滴やオイル
が付着した際に、この水滴によりくし形電極の抵抗トリ
ミング部がリークして抵抗値が変化してしまうことが問
題となる。更に、湿度検出素子表面の感湿セラミックに
水滴が付着した際、この水滴が除去されるまでに雰囲気
湿度を無視し湿度検出素子はほぼ相対湿度１００％ＲＨ
付近の誤った信号を検出し続ける問題点がある。

【０００４】また、後者の技術の湿度検出素子は寒冷地
等の水の凝固点以下で使用する湿度検出素子に限定され
たもので、常温雰囲気中でも湿度検出素子を局所加熱す
るため常温雰囲気での湿度検出精度が疑わしい。また、
この湿度検出素子は単に湿度検出素子の結露防止のみを
目的とした定温度制御であるため、付着した水滴を除去
するための機能は持ち得ない。

【０００５】従って、本発明の目的は苛酷環境下、特に
内燃機関に使用する湿度検出素子に水滴等が付着しても
容易に水滴を除去できる機能を有することによる、信頼
性の高い湿度検出素子を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明による湿度検出素子の特徴は、絶縁体の基板上に電極
を形成し、更に感湿セラミックを形成した構造を備えた
湿度検出素子において、絶縁体基板上に湿度検出用電極
と共にヒータ用電極と抵抗体を形成し、更に感湿セラミ
ックで電極全体を覆う構造である。本発明によれば、感
湿セラミック表面に水滴が付着しても湿度検出用電極と
共に基板上に形成した発熱抵抗体に増幅回路からの印加
電流を与え、湿度検出素子全体を加熱することにより水
滴を蒸発させることができる。従って、常時、感湿セラ
ミックは水滴等の影響を受けることなく測定すべき空気
雰囲気にさらすことができるため、正確な湿度を検出で
きることが可能となる。

【０００７】また、湿度検出素子を加熱するタイミング
が問題となるが、例えば内燃機関に湿度検出素子を設置
する際はエンジンのキースッチを入れた際に湿度検出素
子に付着した水滴を蒸発させるだけの電流を印加し感湿
セラミックに付着した水滴を蒸発させた後に印加電流を
カットするようなスイッチング回路により制御すれば、
湿度検出素子の機能を損なうことなしに湿度検出素子の
機能を維持できる。

【０００８】上記構成によって、内燃機関でのような苛
酷環境下でも使用できる信頼性の高い湿度素子および湿
度検出装置を提供できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１〜図１２に示す実施の形態の例（以下、実施例と
いう）を参照し説明する。

【００１０】図１は本発明による湿度検出素子の構造図
である。また、図２は図１に提示した湿度検出素子の断
面構造図である。空気に含まれる水分量を検出する湿度
検出素子１（以下、測定素子１という）はセラミック，
ジルコニア等の絶縁体材料より板状に成形された基板２
の表面にくし形電極３と、くし形電極３の信号を駆動回
路に伝達するための電極４が形成される。更に、くし形
電極３を形成すると共に基板２上に測定素子１全体を加
熱するための発熱抵抗体５、および発熱抵抗体５を加熱
するための電流を印加するための電極６を形成する。更
に、前記くし形電極３および、発熱抵抗体５全体を湿度
検出部となる感湿セラミック膜７で覆う構造である。

【００１１】本発明の特徴は、湿度を測定する測定素子
１に測定素子１を加熱するヒータとしての発熱抵抗体５
を設けたことにあり、測定素子１の精度および耐久性能
を向上することを目的にしている。例えば、測定素子１
を内燃機関に設置し、吸入空気の湿度を測定する場合に
問題となるのは、測定素子１に付着する水滴をどのよう
に除去するかである。内燃機関のダクトやエアクリーナ
等に設置される測定素子１は苛酷な環境下にあり、水滴
が測定素子１表面に付着するのはごく当たり前のことで
ある。しかし、水滴が測定素子１に付着した際に、その
水滴は感湿セラミック膜７の湿度検出を行う多孔質表面
を覆ってしまう、あるいは感湿セラミック膜７の多孔質
に侵入してしまうことになり、測定素子１は測定すべき
空気雰囲気に接触できず水滴そのものの環境を測定して
しまうため、１００％ＲＨ付近の信号を出力することに
なる。通常、測定素子１の特性は図３の９に提示するよ
うに、湿度と出力（電極３の抵抗値）は比例関係にあ
り、この９に示す関係により環境の湿度を測定してい
る。しかし、測定素子１に水滴が付着することにより、
測定素子１が検出する湿度信号は多孔質中の水滴が除去
されるまでは、実際に計測すべき空気雰囲気の湿度を無
視し図３の８に提示するように１００％ＲＨ付近の出力
を出力し続けることになり、本来の湿度特性に対し誤っ
た出力を出力することになる。

【００１２】前記したように本発明では測定素子１にヒ
ータとしての発熱抵抗体５を形成しているため、測定素
子１に水滴が付着している際に発熱抵抗体５に加熱電流
を印加し発熱抵抗体５を加熱することにより、測定素子
１全体を瞬時に加熱することができる。従って、発熱抵
抗体５を加熱された際に感湿セラミック膜７中の多孔質
に侵入した水滴を気化させることにより測定素子１に付
着した水滴を除去することができ、苛酷環境下でも使用
できる信頼性の高い測定素子に結び付くものである。

【００１３】また、測定素子１に水滴のみが付着するこ
とを考慮すると、発熱抵抗体の加熱温度を水の沸点に設
定すれば良いが、苛酷環境下ではオイル等の付着の可能
性も考えられる。また微少なチリや砂等の付着も考慮さ
れる。測定素子１のセンサ部である感湿セラミックは空
気雰囲気に晒されるため、これらの異物やオイル等の物
質が感湿セラミック膜７の多孔質に侵入した際にも、測
定素子１は全く異なった出力を表示することになる。従
って、発熱抵抗体５の加熱温度は水の沸点あるいはオイ
ルの沸点以上に設定することにより、オイル等の付着物
も微少なチリも高温度に加熱されることにより焼失し、
感湿セラミック膜７の多孔質をクリーニングできるた
め、測定素子１は常に最良の状態で空気雰囲気を測定で
きるため測定素子の信頼性向上に結び付くものである。

【００１４】また、上記した測定素子１は高温度に発熱
抵抗体５を加熱するため、基板２はセラミック，ジルコ
ニア等の無機系絶縁材料を用い、発熱抵抗体５およびく
し形電極３は材料が物理的に安定し、高温度に耐えうる
プラチナ、あるいはプラチナと白金族元素との合金，鉄
−ニッケル系合金，ニッケル系合金，タングステン合金
等の導電性金属により形成することにより、測定素子１
を高温度に加熱しても酸化による発熱抵抗体５およびく
し形電極３の劣化を防止できるため、測定素子の信頼性
向上に結び付くものである。

【００１５】図４は本発明の測定素子の別の実施例であ
る。絶縁体よりなる基板２の表面に電極３と、発熱抵抗
体５を形成した後、感湿セラミック膜７で覆う構造は図
１に提示した実施例と同一だが、図３では発熱抵抗体５
で測定素子１を加熱する機能の他に、発熱抵抗体５を温
度依存性のある金属材料により形成することを特徴とし
ている。通常、発熱抵抗体５は測定素子１に付着した水
滴を加熱して除去することが目的だが、測定素子１を加
熱し表面の水滴を除去した後の機能はない。そこで、発
熱抵抗体５を温度依存性を有する金属材料により形成す
ることにより水滴除去による加熱時以外は雰囲気温度を
測定する感温抵抗体１０として使用することにより、一
つの抵抗素子に空気温度測定用の感温抵抗体１０と発熱
抵抗体５とを兼ね合わせた機能を有する抵抗体となる。
従って、空気雰囲気の湿度を測定する際の湿度に対する
温度依存性を補償するための補正用信号となりうるし、
あるいは湿度信号と温度信号それぞれを出力できる付加
価値のある測定素子１を提供できる。

【００１６】更に、図４において湿度検出素子１中のく
し形電極３の一部に、くし形電極３の導体幅の少なくて
も２倍以上の幅を有する抵抗トリミング用の電極エリア
１１を設けたことを特徴としている。基板２に形成する
電極３は印刷にしろ、スパッタ膜にしろ所定の抵抗値に
トリミングすることが必要であるが、導体幅が電極４の
端から電極４の端まで同一幅だと抵抗トリミングを行う
べきスペースがない。そこで、トリミング作業を行い易
くするための抵抗トリミング用の電極エリア１１を設け
た。このくし形電極３の一部に設けた、電極エリア１１
は抵抗トリミングを行う際に位置決めや、段取り等の調
整作業を簡素化できる効果を持ち生産性を向上できる効
果を持つ（１２は抵抗トリミング跡を示す）。

【００１７】次に図５および図６を用いて、湿度検出素
子を用いた湿度検出装置（以下、測定装置と称す）の構
成についての実施例を説明する。図５は図１に提示した
本発明の測定素子１を用いた測定装置の構成図である。
図１に提示した測定素子１において、くし形電極３の出
力が湿度信号となる。この湿度信号は所定の電圧値に増
幅する駆動回路と電気的に接続されており、駆動回路の
出力が湿度検出信号となる。測定素子１を加熱するため
の発熱抵抗体５と、発熱抵抗体５を所定温度（少なくて
も水の沸点以上の温度）に加熱するための駆動回路は電
気的に接続される構造となり、更に、発熱抵抗体５を所
定温度に加熱するための増幅回路はスイッチング回路と
電気的に接続され、前記スイッチング回路のＯＮ−ＯＦ
Ｆにより発熱抵抗体５を加熱するタイミングを制御する
構造である。図６は図４に提示した湿度検出素子１を用
いた湿度検出装置の構成図である。湿度信号を検出する
くし形電極３は電気的に駆動回路と接続されている他
に、測定素子１を加熱する発熱抵抗体５と空気雰囲気の
温度を測定する感温抵抗体１０を兼ねた抵抗体はスイッ
チング回路を経由して発熱抵抗体５の加熱を制御する駆
動回路と、感温抵抗体１０の信号を直接、スイッチング
回路からの出力とすることにより温度信号とする構成で
ある。

【００１８】図７，図８および図９には、本発明の測定
素子および、測定装置を他の装置に組み込んだ実施例を
提示する。図７は内燃機関用の熱式空気流量測定装置
（以下、流量計と称す）に本発明の測定素子および、測
定装置を搭載した流量計の断面構造図である。図８は図
７に提示した流量計の正面図である。まず、流量形につ
いて簡単に説明する。熱式の流量計の発熱抵抗体は、空
気温度を計測する感温抵抗体と常に一定の温度差に保た
れるように加熱されている。発熱抵抗体は空気流の中に
設置されるため該空気流に放熱する発熱抵抗体の表面部
分が放熱面、つまり熱伝達面となる。この熱伝達で該空
気流に奪われた熱量を電気的信号に変換し空気流量を計
測するものである。図７において具体的に流量計の構成
について説明する。１３は発熱抵抗体１４よりの信号を
電気的に変換し空気流量信号にする駆動回路１５を保持
し、かつ、全吸入空気流量が流入する空気通路を形成す
るボディである。ボディ１３は、吸入空気の大部分が流
入する一方の空気通路としての主通路１６と、一部の空
気が流れ込む他方の空気通路としての副通路１７とに分
けられた両通路を有し、発熱抵抗体１４と感温抵抗体１
８とからなる測定素子が副通路１７中に収納されてお
り、発熱抵抗体１４および感温抵抗体１８が別体となっ
て副通路１７中に配置されており、更に、本発明の測定
素子１は吸入空気が流入する主通路１６中に設置され、
測定素子１からの信号を電気的に増幅する回路部がボデ
ィ１３に保持される構成である。従って、流量計に本来
の目的である空気流量測定装置としての他に付加価値と
して湿度測定信号および、温度測定信号を検出できる機
能も兼ねた付加価値の高い流量計を提供できることによ
り、内燃機関の燃焼状態の制御用信号として、あるいは
流量計自身の信号補正用として活用できる多機能な流量
計を提供できるようになる。また、これまで信頼性に難
があり、内燃機関への使用は困難とされていた湿度測定
素子を本発明の実施例により、信頼性のある測定素子と
して使用できる効果に結び付くものとなっている。図９
は流量計の測定素子である、発熱抵抗体１４と感温抵抗
体１８を収納した副通路１７および、駆動回路１５と共
に、湿度測定用の測定素子１と増幅回路１９を内燃機関
の吸入空気を取り込むエアクリーナに直接、設置した例
である。エアクリーナの空気取り入れ口より流入した空
気はエアクリーナエレメント２１により整流されて測定
素子１および、流量計となる発熱抵抗体１４および感温
抵抗体１８を通過する。更に、ダクト２２で内燃機関の
燃焼部に流入する構造となる。この構造だとボディ１３
が不要であり、コンパクトな装置構成となっている。

【００１９】図１０および図１１により流量計に組み込
んだ本発明である測定装置の具体的な運用方法について
述べることにする。図１０および図１１は測定素子１と
発熱抵抗体５を有する測定装置をスイッチング回路を介
した制御パターンを示している。水滴を除去することを
目的とした発熱抵抗体５を有する測定素子１の構造が本
発明の特徴であるが、測定素子１に水滴が付着する、そ
のほとんどはエンジンを切って後の放置している間に発
生する。従って水滴を除去するための加熱が必要となる
のは、エンジンを動作させた直後が最も効果的である。
本発明では図１０に提示する切り換えスイッチを用いた
構成により発熱抵抗体５を加熱するタイミングと測定素
子１の動作タイミングを非連動とすることを特徴として
いる。エンジンのスイッチと連動した信号２３が駆動回
路１９に入力した際、まず第１のスイッチ２４がＯＮと
なるようにする。この第１のスイッチ２４は発熱抵抗体
５を加熱する駆動回路を動作させるため、瞬時に測定素
子１を加熱して測定素子１表面に付着した水滴を除去す
る。この際、湿度検出素子を駆動する回路はスイッチ２
５によりＯＦＦとし誤信号が出力されることを防止して
いる。次に水滴を除去し終わった後、図１１に提示する
ようにスイッチ２４はＯＦＦとなり測定素子１を加熱す
る電流をカットする。スイッチ２４がＯＦＦとなったこ
とを受けて、スイッチ２５はＯＮとなり湿度検出装置が
駆動し始める。つまり、リレースイッチによる制御によ
り、測定素子１と発熱抵抗体５は非連動させることにす
る。この構成により、エンジンのスイッチと連動した信
号を受けて、測定素子１を高温度にして測定素子１表面
の感湿セラミック膜７の表面および、多孔質のクリーニ
ングが終了した後に測定素子１が動作を開始することに
より、発熱抵抗体５を加熱中に誤って湿度測定素子の信
号が出力されることがないため信頼性の高い測定素子を
有する流量計に結び付くものである。

【００２０】図１２では、本発明の測定素子を流量計に
組み込んだ際の測定素子と流量計の出力との関係につい
ての実施例を説明する。図１２は空気流量測定装置に本
発明である測定素子１を組み込んだ際に、それぞれの駆
動回路に電源を投入してから、駆動回路の出力信号が正
常状態に安定するまでの電圧値と時間の関係を示した電
源投入特性図である。２６は流量計の電源投入特性であ
る。電源が駆動回路に投入されることより駆動回路自身
のオペアンプ等の構成部品の安定化時間に、発熱抵抗体
１４の熱応答を組み合わせた特性である。２７は本発明
の測定装置の電源投入特性である。２６同様、駆動回路
の安定化時間に測定素子１の熱応答を組み合わせた特性
である。この双方の電源投入特性について、本発明では
流量計の出力が安定するまでの時間：Ｔ１より本発明の
測定素子の出力が安定するまでの時間：Ｔ２が短く（Ｔ
１＞Ｔ２）なる設定とすることを特徴としている。流量
計の出力が安定するまでに本発明の測定素子１の出力が
安定するアルゴリズムを設定することにより、流量計の
出力が安定しエンジンのシステム制御が正常動作するま
でに測定素子１からの湿度信号は既に安定状態となって
いるため、エンジン制御および、流量計の補正等に使用
する湿度信号はエンジン制御システム、あるいは流量計
の補正を誤差のない正確な制御および補正を行うことが
可能となり、信頼性の高い測定装置を提供できることに
結び付くものである。

【００２１】

【発明の効果】本発明によると、湿度検出素子に発熱抵
抗体を同時形成することにより水滴等が湿度測定素子に
付着しても発熱抵抗体を加熱し水滴を除去できる効果に
より、信頼性の高い湿度検出素子を提供できうる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の湿度検出素子の平面図である。

【図２】図１に提示した湿度測定素子の断面構造図であ
る。

【図３】湿度測定素子の特性を表した特性図である。

【図４】本発明の湿度検出素子の別の実施の形態を表す
平面図である。

【図５】図１に提示した湿度検出素子を用いた湿度測定
装置の構成図である。

【図６】図４に提示した湿度検出素子を用いた湿度測定
装置の構成図である。

【図７】湿度検出装置を空気流量計に組み込んだ状態を
示す断面構造図である。

【図８】図７に提示した湿度検出装置を空気流量計に組
み込んだ際の正面図である。

【図９】湿度検出装置を空気流量計に組み込んでエアク
リーナにマウントした状態図である。

【図１０】湿度検出装置の動作アルゴリズムを示したブ
ロック図である。

【図１１】湿度検出装置の動作アルゴリズムを示したブ
ロック図である。

【図１２】湿度検出装置と空気流量計の電源投入特性を
示す特性図である。

【符号の説明】

１…湿度検出素子、２…絶縁体基板、３…くし形電極、
４…くし形電極と駆動回路との接続用電極、５，１４…
発熱抵抗体、６…電極、７…感湿セラミック膜、８…湿
度検出素子に水滴が付着した際の特性、９…正常動作し
た際の湿度検出素子の特性、１０，１８…感温抵抗体、
１１…抵抗トリミング用電極エリア、１２…抵抗トリミ
ング跡、１３…ボディ、１５…空気流量計の駆動回路、
１６…主通路、１７…副通路、１９…湿度測定装置の駆
動回路、２０…エアクリーナ、２１…エアクリーナエレ
メント、２２…下流ダクト、２３…エンジンのスイッチ
と連動した信号、２４，２５…ＯＮ−ＯＦＦスイッチ、
２６…空気流量計の電源投入特性、２７…湿度測定装置
の電源投入特性。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁基板と、 前記絶縁基板の表面に設けられ、湿度によって抵抗値が
   変化する電極と、 前記電極を覆って設けられた感湿体と、とを備えた湿度
   検出素子において、 前記電極の設けられた側の絶縁基板の表面に発熱抵抗体
   を設けたことを特徴とする湿度検出素子。
2. 【請求項２】請求項１において、絶縁基板に形成するく
   し形電極と発熱抵抗体を特にプラチナ、及びプラチナと
   白金族元素との合金、あるいは鉄−ニッケル系合金，ニ
   ッケル合金，タングステン合金等の高温度環境において
   も物理的性質が安定した金属材料、あるいは合金により
   形成することを特徴とした湿度検出素子。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記電極に印加する電圧または流れる電流の少なくとも
   一方を制御し、前記湿度検出素子の温度を１００℃以上
   に加熱する回路を備えたことを特徴とする湿度検出素
   子。
4. 【請求項４】絶縁基板と、 前記絶縁基板の表面に設けられ、湿度によって抵抗値が
   変化する電極と、 前記電極を覆って設けられた感湿体と、とを備えた湿度
   検出素子において、 前記絶縁基板の表面に温度依存性を有する抵抗体を設
   け、 前記抵抗体により雰囲気温度を検出することを特徴とす
   る湿度検出素子。
5. 【請求項５】絶縁基板と、 前記絶縁基板の表面に設けられ、湿度によって抵抗値が
   変化する電極と、 前記電極を覆って設けられた感湿体と、とを備えた湿度
   検出素子において、 前記絶縁基板の表面に温度依存性を有する抵抗体を設
   け、 前記抵抗体により雰囲気温度を検出する検出モードと、 前記抵抗体により前記湿度検出素子を加熱する加熱モー
   ドと、を有することを特徴とする湿度検出素子。
6. 【請求項６】請求項５において、 始動時には、前記加熱モードを選択することを特徴とす
   る湿度検出素子。
7. 【請求項７】絶縁基板と、 前記絶縁基板の表面に設けられ、湿度によって抵抗値が
   変化する電極と、 前記電極を覆って設けられた感湿体と、とを備えた湿度
   検出素子において、 前記電極は、 くし形部と、 抵抗トリミングを行う電極エリアと、を備えたことを特
   徴とする湿度検出素子。
8. 【請求項８】請求項１から７いずれか記載の湿度検出素
   子を備えた空気流量測定装置。