JPWO2016017298A1 - 物理量検出装置 - Google Patents

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Abstract

ハウジング外形を小型化することができる物理量検出装置を得ること。主通路124内を流れる被計測気体30の複数の物理量を検出する物理量検出装置300であって、主通路124内に配置されるハウジング302と、ハウジング302にインサート成形された回路基板400と、回路基板400の一方面と他方面の両方にそれぞれ実装される複数の検出センサ452、453、454、455、456を有することを特徴とする。

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気の物理量を検出する物理量検出装置に関する。
自動車分野においては燃費、CO、排気ガス(主に窒素酸化物(NOx)、粒子状物質(PM))規制は年々厳しくなっており、将来の内燃機関制御では規制達成のために新たな制御手法が数多く検討されている。その中で、各種制御に使用される物理量検出装置は多種多様となっている。特に、内燃機関の燃焼室に連結する吸気管内の空気、温度、湿度、圧力等の物理量は、燃費、排ガス等に直接影響するため正確な測定が要求される。
燃費、CO、排気ガス規制は、欧州のNEDCに代表されるような走行サイクルに基づき算出され規定されるものである。将来規制では、規定値のみならず走行サイクル条件や車載診断システム(OBD)規制値も変更が実施される。
現在、吸気管内に挿入される物理量検出装置としては、質量流量、圧力、温度の計測が一般的に使用されているが、上記を背景に、内燃機関制御で絶対湿度(空気中の水分量)を使用した制御が注目されている。
空気中の水分は、内燃機関の燃焼制御では火炎伝播時間に影響するため、例えばガソリンエンジンでは燃焼効率が悪化する。または、ディーゼルエンジンにおいては、燃焼温度低下にともないPMの排出量増加などの影響が知られている。
ここで絶対湿度とは、空気中に含まれる水分量(gグラム/kgキログラム)を示し、空気中の温度、相対湿度、圧力より算出することが可能である。一方、相対湿度は、空気中の水分量の割合(%パーセント)を示す。
上記に述べたように、温度、圧力センサは、古くから自動車分野で使用されているが、吸気管を流れる空気中の相対湿度センサとしてはあまり知られていない。現在、自動車分野では、湿度センサが空気流量検出装置に一体で構成されたものが公知として存在する(特許文献1〜3参照)。
特許文献1および2の空気流量検出装置は、空気流量センサ、湿度センサ、圧力センサを一体化した例を示したものである。空気流量センサは、主空気通路(単に吸気管ともいう)を流れる空気を取込む副通路内に位置し、金属材料で形成されたターミナル部材に配置されている。湿度センサは、副通路を流れる空気を取込む第2副通路内に位置し、電子回路基板に実装されている。最後に圧力センサはハウジング構成部材に配置されている。つまり、各物理量検出センサはそれぞれ異なる部材に配置されることを示している。
特開2010−43883公報 特開2012−163505公報 特開2013−36892公報
近年は、自動車分野において、車両基本性能に加えて、排ガス規制や安全性、快適性、利便性などを向上させるためにさまざまな技術的改良がなされている。そうした、技術改良においては多種多様なセンサが使用されている。そのため、センサとエンジンコントロールユニット(以下ECU)とを繋ぐワイヤハーネス数も増加して複雑化しており、コスト面およびエンジンルーム内のスペース面で課題を抱えている。このため、現在は複数のセンサや制御機器を一体化した物理量検出装置のニーズが高まっている。一体化することで、ワイヤハーネス数の削減および小型化が期待される。
特許文献1〜3参照の空気流量検出装置においては、空気流量センサ、圧力センサ、湿度センサがそれぞれ異なる部材に配置され、それぞれのセンサ性能が考慮された配置となっているが、筐体(以下ハウジングという)サイズに改善の余地が残る。
まず、空気流量検出装置は、内燃機関の燃焼室に連結する吸気管内に配置され、センサが配置されたハウジングの計測部は吸気管内に露出するように取り付けられる。そのため、吸気管内でハウジングは空気に対する圧力損失を発生させる。つまり、ハウジングサイズが大きくなると圧力損失が増加し、燃焼室に導入される空気量が減少することとなる。エンジン出力は、燃料および空気との化学反応による熱エネルギーを運動エネルギーに変換することで得られる。そのため、燃焼室に流入される最大空気流量が圧力損失により減少することは、エンジン出力の低下へ繋がることとなる。最大空気流量とともに圧力損失の増加は燃焼室に流入可能な最小空気流量にも影響することとなる。つまり、エンジンの小型化にともなう吸気管のボア径の縮小により、今後は極低流量の計測精度が空気流量検出装置に要求される。
前記空気流量検出装置において、ハウジングと一体に形成されて吸気管に支持固定されるフランジおよびコネクタ部は、吸気管内に露出することは無いが、エンジンルーム内に露出される。エンジンルームは、ボンネットおよび車体により構成されておりさまざまな機関部品が配置されている。近年のエンジン小型化や歩行者頭部保護基準などにより将来はさらなるスペース減少が予想される。そうした中で、前記空気流量検出装置における複数センサの一体化にはハウジングサイズの考慮が必須となる。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ハウジング外形を小型化することができる物理量検出装置を提供することである。
本発明では上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明の物理量検出装置は、主通路内を流れる被計測気体の複数の物理量を検出する物理量検出装置であって、前記主通路内に配置されるハウジングと、該ハウジングにインサート成形された回路基板と、該回路基板の一方面と他方面の両方にそれぞれ実装される複数の検出センサを有することを特徴とする。
本発明によれば、電子回路基板の両面を使用して複数の物理量検出センサを配置することで、回路基板の小型化が可能となる。つまり回路基板の小型化により物理量検出装置の筐体部も小型化が可能となり、課題であるエンジンルームのスペース確保または吸気管内での圧力損失の低減につながる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
内燃機関制御システムに本発明に係る物理量検出装置を使用した一実施例を示すシステム図。 物理量検出装置の正面図。 物理量検出装置の背面図。 物理量検出装置の左側面図。 物理量検出装置の右側面図。 物理量検出装置の下面図。 物理量検出装置から正面カバーを取り外した状態を示す正面図。 物理量検出装置から背面カバーを取り外した状態を示す背面図。 図7のA−A線断面矢視図。 正面カバーの構成を説明する図。 背面カバーの構成を説明する図。 センサ室の構造を説明する図であり、(a)はセンサ室の拡大図、(b)は(a)のD−D線断面図。 センサ室の他の実施例の構造を説明する図であり、(a)はセンサ室の拡大図、(b)は(a)のE−E線断面図。 センサ室のさらに他の実施例の構造を説明する図であり、(a)はセンサ室の拡大図、(b)は(a)のF−F線断面図。 物理量検出装置の入出力を説明する図。
以下に説明する、発明を実施するための形態(以下、実施例)は、実際の製品として要望されている種々の課題を解決しており、特に車両の吸入空気の物理量を検出する検出装置として使用するために望ましい色々な課題を解決し、種々の効果を奏している。下記実施例が解決している色々な課題の内の一つが、上述した発明が解決しようとする課題の欄に記載した内容であり、また下記実施例が奏する種々の効果のうちの1つが、発明の効果の欄に記載された効果である。下記実施例が解決している色々な課題について、さらに下記実施例により奏される種々の効果について、下記実施例の説明の中で述べる。従って、下記実施例の中で述べる、実施例が解決している課題や効果は、発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄の内容以外の内容についても記載されている。
以下の実施例で、同一の参照符号は、図番が異なっていても同一の構成を示しており、同じ作用効果を成す。既に説明済みの構成について、図に参照符号のみを付し、説明を省略する場合がある。
1. 内燃機関制御システムに本発明に係る物理量検出装置を使用した一実施例
図1は、電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムに、本発明に係る物理量検出装置を使用した一実施例を示す、システム図である。エンジンシリンダ112とエンジンピストン114を備える内燃機関110の動作に基づき、吸入空気が被計測気体30としてエアクリーナ122から吸入され、主通路124である例えば吸気ボディ、スロットルボディ126、吸気マニホールド128を介してエンジンシリンダ112の燃焼室に導かれる。
前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体30の物理量は、本発明に係る物理量検出装置300で検出され、その検出された物理量に基づいて燃料噴射弁152より燃料が供給され、吸入空気20と共に混合気の状態で燃焼室に導かれる。なお、本実施例では、燃料噴射弁152は内燃機関の吸気ポートに設けられ、吸気ポートに噴射された燃料が吸入空気である被計測気体30と共に混合気を成形し、吸気弁116を介して燃焼室に導かれ、燃焼して機械エネルギーを発生する。
近年、多くの車では排気浄化や燃費向上に優れた方式として、内燃機関のシリンダヘッドに燃料噴射弁152を取り付け、燃料噴射弁152から各燃焼室に燃料を直接噴射する方式が採用されている。物理量検出装置300は、図1に示す内燃機関の吸気ポートに燃料を噴射する方式だけでなく、各燃焼室に燃料を直接噴射する方式にも同様に使用できる
。両方式とも物理量検出装置300の使用方法を含めた制御パラメータの計測方法および燃料供給量や点火時期を含めた内燃機関の制御方法の基本概念は略同じであり、両方式の代表例として吸気ポートに燃料を噴射する方式を図1に示す。
燃焼室に導かれた燃料および空気は、燃料と空気の混合状態を成しており、点火プラグ154の火花着火により、爆発的に燃焼し、機械エネルギーを発生する。燃焼後の気体は排気弁118から排気管に導かれ、排気ガス24として排気管から車外に排出される。前記燃焼室に導かれる吸入空気である被計測気体30の流量は、アクセルペダルの操作に基づいてその開度が変化するスロットルバルブ132により制御される。前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量に基づいて燃料供給量が制御され、運転者はスロットルバルブ132の開度を制御して前記燃焼室に導かれる吸入空気の流量を制御することにより、内燃機関が発生する機械エネルギーを制御することができる。
1.1 内燃機関制御システムの制御の概要
エアクリーナ122から取り込まれ主通路124を流れる吸入空気である被計測気体30の流量、温度、湿度、圧力などの物理量が物理量検出装置300により検出され、物理量検出装置300から吸入空気の物理量を表す電気信号が制御装置200に入力される。また、スロットルバルブ132の開度を計測するスロットル角度センサ144の出力が制御装置200に入力され、さらに内燃機関のエンジンピストン114や吸気弁116や排気弁118の位置や状態、さらに内燃機関の回転速度を計測するために、回転角度センサ146の出力が、制御装置200に入力される。排気ガス24の状態から燃料量と空気量との混合比の状態を計測するために、酸素センサ148の出力が制御装置200に入力される。
制御装置200は、物理量検出装置300の出力である吸入空気の物理量と、回転角度センサ146の出力に基づき計測された内燃機関の回転速度とに基づいて、燃料噴射量や点火時期を演算する。これら演算結果に基づいて、燃料噴射弁152から供給される燃料量、また点火プラグ154により点火される点火時期が制御される。燃料供給量や点火時期は、実際にはさらに物理量検出装置300で検出される温度やスロットル角度の変化状態、エンジン回転速度の変化状態、酸素センサ148で計測された空燃比の状態に基づいて、きめ細かく制御されている。制御装置200は、さらに内燃機関のアイドル運転状態において、スロットルバルブ132をバイパスする空気量をアイドルエアコントロールバルブ156により制御し、アイドル運転状態での内燃機関の回転速度を制御する。
1.2 物理量検出装置の検出精度向上の重要性と物理量検出装置の搭載環境
内燃機関の主要な制御量である燃料供給量や点火時期はいずれも物理量検出装置300の出力を主パラメータとして演算される。従って、物理量検出装置300の検出精度の向上や、経時変化の抑制、信頼性の向上が、車両の制御精度の向上や信頼性の確保に関して重要である。
特に近年、車両の省燃費に関する要望が非常に高く、また排気ガス浄化に関する要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、物理量検出装置300により検出される吸入空気の物理量の検出精度の向上が極めて重要である。また、物理量検出装置300が高い信頼性を維持していることも大切である。
物理量検出装置300が搭載される車両は、温度変化の大きい環境で使用され、また風雨や雪の中で使用される。雪道を車が走行する場合には、凍結防止剤が散布された道路を走行することとなる。物理量検出装置300は、その使用環境における温度変化への対応や、塵埃や汚染物質などへの対応も、考慮されていることが望ましい。さらに物理量検出装置300は、内燃機関の振動を受ける環境に設置される。振動に対しても高い信頼性の維持が求められる。
また、物理量検出装置300は、内燃機関からの発熱の影響を受ける吸気管に装着される。このため、内燃機関の発熱が主通路124である吸気管を介して物理量検出装置300に伝わる。物理量検出装置300は、被計測気体30と熱伝達を行うことにより被計測気体30の流量を検出するので、外部からの熱の影響をできるだけ抑制することが重要である。
車に搭載される物理量検出装置300は、以下で説明するように、単に発明が解決しようとする課題の欄に記載された課題を解決し、発明の効果の欄に記載された効果を奏するのみでなく、以下で説明するように、上述した色々な課題を十分に考慮し、製品として求められている色々な課題を解決し、色々な効果を奏している。物理量検出装置300が解決する具体的な課題や奏する具体的な効果は、以下の実施例の記載の中で説明する。
2. 物理量検出装置300の構成
2.1 物理量検出装置300の外観構造
図2〜図6は、物理量検出装置300の外観を示す図であり、図2は物理量検出装置300の正面図、図3は背面図、図4は左側面図、図5は右側面図、図6は下面図である。
物理量検出装置300は、筐体部を構成する部品として、ハウジング302と、正面カバー303と、背面カバー304とを備えている。ハウジング302は、物理量検出装置300を主通路124である吸気ボディに固定するためのフランジ311と、フランジ311から外部に突出して外部機器との電気的な接続を行うためのコネクタを有する外部接続部321と、フランジ311から主通路124の中心に向かって突出するように延びる計測部331を有している。
計測部331には、回路基板400がインサート成形により一体に設けられている(図7、図8を参照)。回路基板400は、主通路124を流れる被計測気体30の種々の物理量を検出するための複数の検出部と、これら複数の検出部で検出した信号を処理するための回路部とを有する。
計測部331の表面と背面には副通路溝が設けられており、正面カバー303及び背面カバー304との協働により第1副通路305と第2副通路306が形成される(図7または図8を参照)。計測部331の先端部には、吸入空気などの被計測気体30の一部を第1副通路305に取り込むための第1副通路入口305aと、第1副通路305から被計測気体30を主通路124に戻すための第1副通路出口305bが設けられている。
第1副通路305よりもフランジ311寄りの計測部331の中間部には、吸入空気などの被計測気体30の一部を第2副通路306に取り込むための第2副通路入口306aと、第2副通路306から被計測気体30を主通路124に戻すための第2副通路出口306bが設けられている。第1副通路305の通路途中には、検出部の一つを構成する流量検出部456(図7を参照)が設けられており、被計測気体30の流量を検出するようになっている。第2副通路306は、第2副通路入口と第2副通路出口との間を直線状に結ぶ通路部と、通路部に連通して検出センサが配置されたセンサ室342(図8を参照)とを有している。センサ室342には、回路基板400の背面に設けられた流量とは異なる物理量を検出する検出部として圧力センサ454および455と温湿センサ452が収容されている。
2.2 物理量検出装置300の外観構造基づく効果
物理量検出装置300は、フランジ311から主通路124の中心方向に向かって延びる計測部331の中間部に第2副通路入口306aが設けられ、計測部331の先端部に第1副通路入口305aが設けられている。したがって、主通路124の内壁面近傍ではなく、内壁面から離れた中央部に近い部分の気体を第1副通路305及び第2副通路306にそれぞれ取り込むことができる。
従って、物理量検出装置300は、主通路124の内壁面から離れた部分の気体の物理量を測定することができ、熱などの影響による計測精度の低下を抑制できる。主通路124の内壁面近傍では、主通路124の温度の影響を受け易く、気体の本来の温度に対して被計測気体30の温度が異なる状態となり、主通路124内の主気体の平均的な状態と異なることになる。特に主通路124がエンジンの吸気ボディである場合は、エンジンからの熱の影響を受け、高温に維持されていることが多い。このため主通路124の内壁面近傍の気体は、主通路124の本来の気温に対して高いことが多く、計測精度を低下させる要因となる。
主通路124の内壁面近傍では流体抵抗が大きく、主通路124の平均的な流速に比べ、流速が低くなる。このため主通路124の内壁面近傍の気体を被計測気体30として第1副通路305や第2副通路306に取り込むと、主通路124の平均的な流速に対する流速の低下が物理量の計測誤差につながる恐れがある。そのため流量検出部が配置された第1副通路305は、フランジ311から主通路124の中央に向かって伸びる薄くて長い計測部331の先端部に第1副通路入口305aが設けられる。
一方、第2副通路306は、計測部331の中間部に第2副通路入口306aが設けられ、内壁面近傍の流速低下に関係なく物理量計測が可能な湿度および圧力検出部が配置されている。また、第1副通路305は、計測部331の先端部に第1副通路出口305bが設けられ、計測部331の中間部に第2副通路出口306bが設けられており、それぞれ独立した副通路を構成しており各検出部に必要な流速を確保することが可能となり計測誤差を低減することができる。
計測部331は、主通路124の外壁から中央に向かう軸に沿って長く伸びる形状を成しているが、厚さ幅は、図4及び図5に記載の如く、狭い形状を成している。即ち、物理量検出装置300の計測部331は、側面の幅が薄く正面が略長方形の形状を成している。これにより、物理量検出装置300は、十分な長さの副通路を備えることができ、被計測気体30に対しては流体抵抗を小さい値に抑えることができる。このため、物理量検出装置300は、流体抵抗を小さい値に抑えられると共に高い精度で被計測気体30の流量を計測することが可能である。
2.3 温度検出部451の構造
温度検出部451は、主通路124を流れる被計測気体30の物理量を検出するための検出部の一つを構成するものであり、回路基板400に設けられている。回路基板400は、第2副通路306の第2副通路入口306aから被計測気体30の上流に向かって突出する突出部450を有しており、温度検出部451は、突出部450でかつ回路基板400の背面に設けられている。温度検出部451は、チップ型の温度センサ453を有している。温度センサ453とその配線部分は、合成樹脂材で被覆されており、塩水が付着して電食が生ずるのを防いでいる。合成樹脂材は、溶融された状態で突出部450の背面に塗布され、塗布後に固化して温度センサ453等を被覆する。
例えば図8に示すように、第2副通路入口306aが設けられている計測部331の中央部では、ハウジング302を構成する計測部331内の上流側外壁336が下流側に向かって窪んでおり、前記窪み形状の上流側外壁336から回路基板400の突出部450が上流側に向かって突出している。突出部450の先端は、上流側外壁336の最も上流側の面よりも凹んだ位置に配置されている。温度検出部451は、回路基板400の背面側、すなわち、第2副通路306側で且つその上流側に設けられている。
第2副通路入口306aは、温度検出部451の下流側に連続して形成されているので、第2副通路入口306aから第2副通路306に流れ込む被計測気体30は、温度検出部451に接触してから第2副通路入口306aに流れ込み、温度検出部451に接触した際に温度が検出される。温度検出部451に接触した被計測気体30は、そのまま第2副通路入口306aから第2副通路306に流れ込み、第2副通路306を通過して第2副通路出口306bから主通路124に排出される。
2.4 温度検出部451に関係する効果
被計測気体30の流れに沿う方向の上流側から第2副通路入口306aに流入する気体の温度が温度検出部451により計測され、さらにその気体が突出部450の先端部分から基端部分に向かって流れることにより、突出部450の基端部分の温度を被計測気体30の温度に近づく方向に冷却する作用を為す。主通路124である吸気管の温度が通常高くなり、フランジ311あるいは当接部315から計測部331内の上流側外壁336あるいは回路基板400を通って、突出部450の基端部分に熱が伝わり、温度検出部451による温度の計測精度に影響を与える恐れがある。上述のように、被計測気体30が温度検出部451により計測された後、突出部450の基端部分に沿って流れることにより、該基端部分が冷却される。従って、フランジ311あるいは当接部315から計測部310内の上流側外壁336あるいは回路基板400を通って突出部450の基端部分に熱が伝わるのを抑制できる。
特に、突出部450の基端部分では、計測部331内の上流側外壁336が下流側に向かって凹む形状(図7および図8を参照)を成しているので、フランジ311から突出部450の基端部分までの上流側外壁336の長さを長くでき、フランジ311および当接部315からの熱伝導距離を長くすることができるとともに、被計測気体30によって冷却される部分の距離を長くすることができる。従って、フランジ311あるいは当接部315からもたらされる熱の影響を低減できる。また、例えば物理量検出装置300を主通路124に取り付ける作業において、主通路124に設けられた取り付け孔から内部に計測部331を挿入する際に突出部450が邪魔にならず、突出部450を主通路124等にぶつけてしまうのを防ぐことができ、破損から守ることができる。
2.5 フランジ311の構造と効果
フランジ311には、主通路124と対向する下面312に、窪み313が複数個設けられており、主通路124との間の熱伝達面を低減し、物理量検出装置300が熱の影響を受け難くしている。物理量検出装置300は、主通路124に設けられた取り付け孔から内部に計測部331が挿入され、主通路124にフランジ311の下面312が対向する。主通路124は例えば吸気ボディであり、主通路124が高温に維持されていることが多い。逆に寒冷地での始動時には、主通路124が極めて低い温度であることが考えられる。このような主通路124の高温あるいは低温の状態が温度検出部451や後述する流量計測に影響を及ぼすと、計測精度が低下する。フランジ311は、下面312に窪み313を有しており、主通路124に対向する下面312と主通路124との間に空間が成形されている。したがって、物理量検出装置300に対する主通路124からの熱伝達を低減し、熱による測定精度の低下を防止できる。
フランジ311のねじ孔314は、物理量検出装置300を主通路124に固定するためのもので、これらのねじ孔314の周囲の主通路124に対向する面が主通路124から遠ざけられるように、各ねじ孔314の周囲の主通路124に対向する面と主通路124との間に空間が成形されている。このようにすることで、物理量検出装置300に対する主通路124からの熱伝達を低減し、熱による測定精度の低下を防止できる構造をしている。
さらにまた前記窪み313は、熱伝導の低減効果だけでなく、ハウジング302の成形時にフランジ311を構成する樹脂の収縮の影響を低減する作用をしている。フランジ311は、計測部331に比べて樹脂の厚さが厚くなる。ハウジング302の樹脂モールド時に、樹脂が高温状態から低温に冷えて硬化する際に体積収縮が生じ、応力の発生による歪が生じる。フランジ311に窪み313を成形することで体積収縮をより均一化でき、応力集中を低減できる。
計測部331は、主通路124に設けられた取り付け孔から内部に挿入され、物理量検出装置300のフランジ311によりねじで主通路124に固定される。物理量検出装置300は、主通路124に設けられた取り付け孔に対して所定の位置関係で固定されることが望ましい。フランジ311に設けた窪み313を、主通路124と物理量検出装置300との位置決めに使用できる。主通路124に凸部を成形することで、前記凸部と窪み313とが嵌め込みの関係を有する形状とすることが可能となり、物理量検出装置300を正確な位置で主通路124に固定できる。
2.6 外部接続部321の構造
外部接続部321は、フランジ311の上面に設けられてフランジ311から被計測気体30の流れ方向下流側に向かって突出するコネクタ322を有している。コネクタ322には、制御装置200との間を接続する通信ケーブルを差し込むための差し込み孔322aが設けられている。差し込み孔322a内には、図5に示すように、内部に4本の外部端子323が設けられている。外部端子323は、物理量検出装置300の計測結果である物理量の情報を出力するための端子および物理量検出装置300が動作するための直流電力を供給するための電源端子となる。尚、本実施の形態では、コネクタ322は、フランジ311から被計測気体30の流れ方向下流側に向かって突出し、流れ方向下流側から上流側に向かって差し込む形状を有している場合を例に説明したが、この形状に限定されるものではなく、例えばフランジ311の上面から垂直に突出して、計測部331の延出方向に沿って差し込む形状を有していてもよく、種々の変更が可能である。
3. ハウジング302の全体構造とその効果
3.1 副通路と流量検出部の構造と効果
物理量検出装置300から正面カバー303および背面カバー304を取り外したハウジング302の状態を図7〜図9に示す。図7はハウジング302の正面図、図8はハウジング302の背面図、図9は図7のA−A線断面図である。
ハウジング302は、フランジ311から計測部331が主通路124の中心に向かって延びる構造を成しており、計測部331の基端側に回路基板400が配置され、計測部331の先端側に第1副通路305を成形するための副通路溝が設けられている。
回路基板400は、平板形状を有しており、計測部331の基端部を表面側と背面側に仕切る平面視略矩形の本体部433と、本体部433の一辺から突出して第1副通路305内に配置される突出部432とを有している。
回路基板400は、図7及び図8に示すように、計測部331の平面に沿って設けられており、図9に示すように、計測部331の表面と背面との中間位置で計測部331の基端部を表面側と背面側に仕切るように計測部331の面に沿って平行に配置されている。
回路基板400は、マイクロプロセッサ(以下マイコンという)などの回路部品が実装されている実装面と同一の表面(一方面)に空気流量センサである流量検出部456を配置し、その背面(他方面)に少なくとも1つ以上の物理量検出センサ(例えば、湿度センサや圧力センサなど)が配置されている。つまり、回路基板400は、その表面に、物理量検出センサである流量検出部456が配置される検出センサ面領域と、物理量検出センサ以外のLSI等の回路部品が配置される回路部品面領域とを有している。そして、回路基板400の背面には、回路部品面領域と対向する対向面領域を有しており、回路基板の背面のうち、対向面領域の少なくとも一部が第2副通路306に露出している。
本実施例では、回路基板400の表面に、LSIや空気流量センサ等のワイヤボンディングされる回路部品が配置され、回路基板400の背面に、温湿センサ452や圧力センサ454、455等の半田付けされる回路部品が配置される。このように、回路基板400の一方面に、ワイヤボンディングする回路部品を配置することにより、回路基板400の製造を容易にすることができる。
計測部331の表面側には、回路基板400の表面に実装されているLSIやマイコン等の回路部品を収容する回路室341が形成される。回路室341は、正面カバー303との協働により密閉されて、外部から完全に隔絶される。
そして、回路基板400によってその背面側には、第2副通路306が形成される。第2副通路306は、背面カバー304との協働により形成される。第2副通路306は、主通路124内を流れる被計測気体30の流れ方向に沿って一直線状に延在する通路部と、通路部から被計測気体30の流れ方向に直交あるいは交差する方向に偏倚した位置に形成されたセンサ室342とを有している。センサ室342は、背面カバー304によって背面側が閉塞された所定の室内空間を形成するが、計測部331の先端側に連続して形成される第2副通路306を介して外部に連通している。センサ室342には、回路基板400の背面に実装される圧力センサ454、455と温湿センサ452が収容されている。
第1副通路305を形成するための副通路溝は、図7に示される表側副通路溝332と、図8に示される裏側副通路溝334を有している。表側副通路溝332は、計測部331の下流側外壁338に開口する第1副通路出口305bから上流側外壁336に向かって移行するに従って漸次計測部331の基端側であるフランジ311側に湾曲し、上流側外壁336の近傍位置で開口部333に連通している。開口部333は、計測部331を厚さ方向に貫通して形成されている。開口部333は、上流側外壁336と下流側外壁338との間に亘って延びるように、主通路124の被計測気体30の流れ方向に沿って形成されている。
開口部333には、回路基板400の一部である突出部432が配置されている。回路基板400の突出部432は、計測部331の回路室341および第2副通路306との間を仕切る仕切壁361、362を貫通して開口部333に突出している。突出部432は、開口部333において被計測気体30の流れ方向に沿って平行に延在するように、計測用流路面430とその裏面431を有している。
裏側副通路溝334は、計測部331の上流側外壁336に開口する第1副通路入口305aから下流側外壁338に向かって移行し、上流側外壁336と下流側外壁338との中間位置で二股に分かれて、一方は、排出通路としてそのまま一直線状に延在して下流側外壁338に開口する排出口305cに連通し、他方は、下流側外壁338に移行するに従って漸次計測部331の基端側であるフランジ311側に湾曲し、下流側外壁338の近傍位置で、開口部333に連通している。
裏側副通路溝334は、主通路124から被計測気体30が流入する第1副通路305の入口溝を形成し、表側副通路溝332は、裏側副通路溝334から取り込んだ被計測気体30を主通路124に戻す第1副通路305の出口溝を形成する。表側副通路溝332と裏側副通路溝334は、計測部331の先端側に設けられているので、主通路124の内壁面から離れた部分の気体を、言い換えると主通路124の中央部分に近い部分を流れている気体を被計測気体30として取り込むことができる。主通路124の内壁面近傍を流れる気体は、主通路124の壁面温度の影響を受け、被計測気体30などの主通路124を流れる気体の平均温度と異なる温度を有することが多い。また主通路124の内壁面近傍を流れる気体は、主通路124を流れる気体の平均流速より遅い流速を示すことが多い。実施例の物理量検出装置300ではこのような影響を受けに難いので、計測精度の低下を抑制できる。
この実施例ではハウジング302に第1副通路305を成形するための副通路溝332、334を設けており、カバー303、304をハウジング302の表面及び背面にかぶせることにより、副通路溝332、334とカバー303、304とにより第1副通路305が完成する構成としている。このような構造とすることで、ハウジング302の樹脂モールド工程でハウジング302の一部としてすべての副通路溝を成形することができる。また、ハウジング302の成形時にハウジング302の両面に金型が設けられるので、この両方の金型を使用することにより、表側副通路溝332と裏側副通路溝334の両方をハウジング302の一部として全て成形することが可能となる。ハウジング302の両面に正面カバー303と背面カバー304を設けることでハウジング302の両面の副通路を完成されることができる。金型を利用してハウジング302の両面に表側副通路溝332と裏側副通路溝334を成形することで高い精度で第1副通路305を成形できる。また高い生産性が得られる。
図8に示すように、主通路124を流れる被計測気体30の一部が第1副通路入口305aから裏側副通路溝334内に取り込まれ、裏側副通路溝334内を流れる。そして、被計測気体30に含まれている質量の大きな異物は一部の被計測気体30と共に分岐からそのまま一直線状に延在する排出通路に流れ込み、下流側外壁338の排出口305cから主通路124に排出される。
裏側副通路溝334は、進むにつれて深くなる形状をしており、被計測気体30は裏側副通路溝334に沿って流れるにつれ計測部331の表側に徐々に移動する。特に裏側副通路溝334は開口部333の手前で急激に深くなる急傾斜部334aが設けられていて、質量の小さい空気の一部は急傾斜部334aに沿って移動し、開口部333内で回路基板400の計測用流路面430側を流れる。一方、質量の大きい異物は、急激な進路変更が困難なため、計測用流路面裏面431側を流れる。
図7に示すように、開口部333で表側に移動した被計測気体30は、回路基板の計測用流路面430に沿って流れ、計測用流路面430に設けられた熱伝達面露出部436を介して流量を計測するための流量検出部456との間で熱伝達が行われ、流量の計測が行われる。開口部333から表側副通路溝332に流れてきた空気は共に表側副通路溝332に沿って流れ、下流側外壁338に開口する第1副通路出口305bから主通路124に排出される。
被計測気体30に混入しているごみなどの質量の大きい物質は慣性力が大きいので、溝の深さが急激に深まる急傾斜部334aの部分の表面に沿って溝の深い方向に急激に進路を変えることは困難である。このため質量の大きい異物は計測用流路面裏面431の方を移動し、異物が熱伝達面露出部436の近くを通るのを抑制できる。この実施例では気体以外の質量の大きい異物の多くが、計測用流路面430の背面である計測用流路面裏面431を通過するように構成しているので、油分やカーボン、ごみなどの異物による汚れの影響を低減でき、計測精度の低下を抑制できる。すなわち主通路124の流れの軸を横切る軸に沿って被計測気体30の進路を急に変化させる形状を有しているので、被計測気体30に混入する異物の影響を低減できる。
この実施例では、裏側副通路溝334で構成される流路は曲線を描きながらハウジング302の先端部からフランジ311側に向かい、最もフランジ311側の位置では副通路を流れる気体は主通路124の流れに対して逆方向の流れとなり、この逆方向の流れの部分で一方側である背面側の副通路が、他方側である表面側に成形された副通路につながる。このようにすることで、回路基板400の熱伝達面露出部436の副通路への固定が容易となり、さらに被計測気体30を主通路124の中央部に近い位置で取り込むことが容易となる。
3.2 第2副通路と湿度および圧力検出部の構造と効果
第2副通路306は、ハウジング302と、図8および図9に示される回路基板400と、ハウジング302に接合される背面カバー304との協働により構成される。回路基板400は、計測部331の面に沿って設けられており、計測部331の表面と背面との中間位置で計測部331の基端部を表面側と背面側に仕切るように計測部331の面に沿って平行に配置されている。
ハウジング302の上流側においては、図8に示すように第2副通路入口306aの一部を構成し、計測部331の基端側であるフランジ311側へ延在し、被計測気体30を遮る形で隔壁307を有している。同様に、図8に示すようにハウジング302の下流側においては第2副通路出口306bの一部を構成し、計測部331の基端側であるフランジ311側へ延在する形で隔壁308を有している。また、ハウジング上下流の隔壁307および308は、フランジ311に連結する中間部で温湿センサ452および圧力センサ454、455を囲むように被計測気体30の流れに平行な方向に延在する隔壁309によって連結されている。隔壁307、308、309は、計測部331の厚さ方向の高さが同じであり、背面カバー304の取り付けにより、センサ室342を形成する。
第2副通路306は、主通路124内を流れる被計測気体30の流れ方向に沿って平行に延在しており、第2副通路入口306aと第2副通路出口306bとを結ぶ直線に交差する方向に離間した位置に物理量検出センサである温湿センサ452および圧力センサ454、455が配置されている。第2副通路306の入口306aおよび出口306bは、主通路124を流れる被計測気体30に対して垂直に開口し、被計測気体30の流れに平行な同一線上に配置される。また、第2副通路入口306aと第2副通路出口306bとの間を結ぶ通路部内の空気流れの動線よりもフランジ311側に偏倚した位置で、隔壁307、308、309で囲まれたセンサ室342内に、温湿センサ452、圧力センサ454および455が配置される。
一般に、複数のセンサを同一の電子回路で構成した場合、単純に物理量検出センサの数に応じて消費電力が増加する。消費電力(電気エネルギー)は抵抗を介して熱(エネルギー)に変換されることが知られており、消費電力が増加することで回路全体の発熱が増加することとなる。回路の自己発熱増加は、回路部品の耐久性能または物理量検出センサの性能に悪影響を与える。自動車部品に要求される温度範囲は−40℃〜125℃と広範囲となる。とくに、物理量検出センサの電子回路にはマイコンなどの半導体部品が使用されている。半導体部品は、高温環境と回路の自己発熱と合わせて約150℃の接合温度(ジャンクション温度ともいう)を超えない範囲で使用するのが一般的である。接合温度とは、半導体素子とリード線の接合部の温度であり、約150℃以上の環境で使用すると製品の耐久寿命が大きく低下する。そのため、回路自己発熱を極力抑える放熱設計が要求される。また、物理量検出装置100の性能面においては、高温および低温では温度影響による特性変化が必ず存在するため、回路自己発熱からの熱伝導による温度上昇は検出センサの計測精度悪化につながる恐れがある。
このような課題に対して、本実施例では、回路基板400の背面が第2副通路306の一部を構成している。したがって、第2副通路306内を流れる空気に回路基板400の背面が暴露されることとなる。つまり、回路基板400の表面に実装されたマイコン605などの回路部品で発生する自己発熱が回路基板400の背面へ熱伝導し、さらには第2副通路306内を流れる空気に熱伝達されることで、回路基板400全体の発熱を抑制することが可能となる。
また、圧力センサ455がハウジング302上流側の隔壁307の背後に配置されることで、第2副通路306に流入してきた被計測気体30がそのまま直接圧力センサ455に衝突するのを防ぎ、空気流れが直接圧力センサ455に影響することを抑制することができる。つまり、空気流れが発生させる動圧を、圧力センサ455が検出することなく、計測すべき静圧を正しく計測することができ、計測精度を確保することができる。
第2副通路の入口306aと出口306bが同一線上に位置し、検出センサ(ここで複数の検出センサ配置順序は図8の限りではない)を、同一線上から偏倚させてハウジング302の上下流隔壁307および308の中間部に配置することで、被計測気体30に混入したごみや水滴などが直接検出センサに衝突することを抑制することが可能となり、出力の汚損劣化や変動を低減できる。
3.3 背面カバーと湿度および圧力検出部の構造と効果
図10および図11は、正面カバーおよび背面カバーの構成を示した図である。また、図12から図14では、背面カバーで構成された第2副通路における複数の実施例を示す。
上述のように、ハウジング302の背面には、第2副通路306を形成するための副通路溝が構成されており、副通路溝の第2副通路入口306aと出口306b以外を被計測気体30と分離するように背面カバー304が配置される。
図12では、前記した回路基板400の背面に温湿センサ452および圧力センサ454、455が実装された例を示す。図11および図12(a)では、背面カバー304に形成された上流側の突起部350および下流側の突起部351を点線で示している。図12(b)では図12(a)の断面D−Dを示しており、突起部350および351の配置例を示している。
突起部350および351は、背面カバー304を取り付けることによって、回路基板400の第2副通路306を通路部とセンサ室342とに区画する区画壁を構成する。上流側の突起部350は、第2副通路入口306aと上流側の圧力センサ455との間に亘って被計測気体30の流れ方向に沿って延びるように形成されている。そして、下流側の突起部351は、下流側の圧力センサ454と第2副通路出口306bとの間に亘って被計測気体30の流れ方向に沿って延びるように形成されている。突起部350、351は、いずれも薄板の突出片によって背面カバー304に一体に形成されており、計測部331の厚さ方向に沿って回路基板400に向かって突出し、被計測気体30の流れと平行に計測部331の長手方向に対して互いに同じ高さ位置に一直線上に配置される。
この実施例では、被計測気体30が第2副通路入口306aより流入した際、上下流の突起部350および351により流れが矯正され、第2副通路入口306aと出口306bを結ぶ直線上を通過して出口306bから外部に排出される。
つまり、センサ室342は、第2副通路306の通路部よりも計測部331の基端側(フランジ311側)に偏倚しているので、第2副通路入口306aから第2副通路306に流入した被計測気体30は、そのまま第2副通路306の通路部を真っ直ぐ進み、第2副通路出口306bから外部に排出され、センサ室342には、直接入り込まない。したがって、センサ室342内の圧力センサ454、455、および温湿センサ452等の物理量検出センサに、被計測気体30が直接衝突することを抑制することができる。
一般に、吸気管内では一定質量をもつ水滴や汚損物が被計測気体30に混入して第2副通路306内を通過する。そのため、物理量検出センサに被計測気体30が直接衝突することを抑制することで、物理量検出センサの汚損劣化または水滴による出力変動を抑制でき、計測誤差の低減が可能となる。具体的には、圧力センサ454、455に被計測気体30が直接衝突するのを防いで、動圧の影響を低減し、検出精度が悪化するのを防ぐことができる。そして、温湿センサ452は、被計測気体30が直接衝突するのを防ぐことにより、水滴や汚損物が付着して耐性が低下するのを防ぐことができる。
図13では、前記した回路基板400の背面に温湿センサ452および圧力センサ454が実装された例を示す。図13(a)はセンサ室342の拡大図、図13(b)は(a)のE−E線断面図である。図13(a),(b)に示すように、上流側の突起部350は、第2副通路入口306aと圧力センサ454の間に設けられ、被計測気体30の流れ方向に延びるように薄板で形成されている。すでに説明した記号、構成および効果についてはここでは省略する。本実施例では、図12と比較して、圧力センサの数が1個に減っているので、その分のスペースを埋めるように、上流側の突起部350の長さが長くなっている。
図14では、前記した回路基板400の背面に温湿センサ452が実装された例を示す。図14(a)はセンサ室342の拡大図、(b)は(a)のF−F線断面図である。図14(a),(b)に示すように、上流側の突起部350は、第2副通路入口306aと
温湿センサ452の間に設けられ、被計測気体30の流れ方向に延び、温湿センサ452の手前で折曲されて被計測気体30の流れと直交する方向に延在する薄板によって構成されている。
本実施例では、温湿センサ452は、ハウジング302上流の隔壁307から一定距離だけ離れた位置に実装される。したがって、カバー304の上流側の突起部350に、隔壁307と同様の効果をもたせるために、被計測気体30の流れと直交する形で薄板350aを構成している。これにより、第2副通路306内を通過する空気中に混入した水滴や汚損物が、センサに空気が直接衝突することを抑制することができ、センサの汚損劣化または水滴による出力変動を抑制でき、計測誤差の低減が可能となる。
4. 物理量検出装置300の信号処理
図15に物理量検出装置300の信号の入出力関係を示す。本実施例では、1枚の回路
基板400の表面と背面の両方にそれぞれ物理量検出センサを搭載し、基板の小型化を図っている。そのため、信号処理においても、電子回路部品を少なくするため1つのマイコン605で各物理量センサからの全信号を取込み、制御装置200で読み取り可能な信号生成および補正が行われる。また、図5および図7に示すように、回路基板400は、電気的な信号はALワイヤ324および外部端子323を介して制御装置200へ伝送される。
5.まとめ
上記した本実施例の物理量検出装置によれば、回路基板400の一方面と他方面の両方にそれぞれ検出センサ451〜456を実装させるので、回路基板400の小型化が可能となる。この回路基板400の小型化により、物理量検出装置300の筐体部も小型化が可能となる。したがって、エンジンルームのスペース確保または吸気管内での圧力損失の低減につながる。
また、実施例では、回路基板400の一部が第2副通路306の一部を構成している。したがって、第2副通路306内を流れる空気に回路基板400の他方面が暴露されることとなる。つまり、回路基板400の一方面に実装されたマイコン605などの回路部品で発生する自己発熱が回路基板400の他方面に熱伝導し、さらには第2副通路306内を流れる空気に熱伝達されることで、回路基板400全体の発熱を抑制することが可能となる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
24 排気ガス
30 被計測気体
110 内燃機関
112 エンジンシリンダ
114 エンジンシピストン
116 吸気弁
118 排気弁
122 エアクリーナ
124 主通路
126 スロットルボディ
128 吸気マニホールド
132 スロットルバルブ
144 スロットル角度センサ
146 回転角度センサ
148 酸素センサ
152 燃料噴射弁
154 点火プラグ
156 アイドルエアコントロールバルブ
200 制御装置
300 物理量検出センサ
302 ハウジング
303 正面カバー
304 背面カバー
305 第1副通路
305a 第1副通路入口
305b 第1副通路出口
306 第2副通路
306a 第2副通路入口
306b 第2副通路出口
307 ハウジング上流側の隔壁
308 ハウジング下流側の隔壁
309 隔壁
311 フランジ
312 主通路124と対向する下面
313 窪み
314 ねじ孔
315 当接部
321 外部接続部
322 コネクタ
322a 差し込み孔
323 外部端子
324 ALワイヤ
332 表側副通路溝
333 開口部
334 裏側副通路溝
334a 急傾斜部
336 上流側外壁
338 下流側外壁
341 回路室
342 センサ室
350 カバー上流側突起部
351 カバー下流側突起部
400 回路基板
430 計測用流路面
431 計測用流路面裏面
436 熱伝達面露出部
450 突出部
451 温度検出部
452 温湿センサ
453 温度センサ
454 圧力センサ
455 圧力センサ
456 流量検出部
605 回路部品(マイコン)

Claims (10)

  1. 主通路内を流れる被計測気体の複数の物理量を検出する物理量検出装置であって、
    前記主通路内に配置されるハウジングと、
    該ハウジングにインサート成形された回路基板と、
    該回路基板の一方面と他方面の両方にそれぞれ実装される複数の検出センサと、を有することを特徴とする物理量検出装置。
  2. 前記ハウジングに開口する第1副通路入口から前記被計測気体を取り込み、前記ハウジングに開口する第1副通路出口から排出する第1副通路と、
    前記ハウジングに開口する第2副通路入口から前記被計測気体を取り込み、前記ハウジングに開口する第2副通路出口から排出する第2副通路と、
    を有し、
    前記第1副通路に前記複数の検出センサのうちの少なくとも一つの検出センサが配置され、前記第2副通路に前記検出センサとは別の少なくとも一つの検出センサが配置されたことを特徴とする請求項1に記載の物理量検出装置。
  3. 前記回路基板は、
    前記回路基板の一方面に、前記検出センサが配置される検出センサ面領域と、前記検出センサ以外の回路部品が配置される回路部品面領域とを有し、
    前記回路基板の他方面に、前記回路部品面領域と対向する対向面領域を有し、
    前記回路基板の他方面のうち、前記対向面領域の少なくとも一部が前記第2副通路に露出していることを特徴とする請求項2に記載の物理量検出装置。
  4. 前記第2副通路は、前記ハウジングと、前記回路基板と、前記ハウジングに接合されるカバーとの協働により構成されることを特徴とする請求項3に記載の物理量検出装置。
  5. 前記第2副通路は、前記主通路内を流れる被計測気体の流れ方向に沿って平行に延在し、前記第2副通路入口と前記第2副通路出口とを結ぶ直線から交差する方向に離間した位置に前記検出センサが配置されていることを特徴とする請求項4に記載の物理量検出装置。
  6. 前記カバーは、前記第2副通路を、前記第2副通路入口と前記第2副通路出口との間を結ぶ通路部と、前記検出センサが配置されたセンサ室とに区画する区画壁を有することを特徴とする請求項4に記載の物理量検出装置。
  7. 前記ハウジングは、前記第2副通路の前記検出センサよりも前記被計測気体の上流側の位置に隔壁を有することを特徴とする請求項6に記載の物理量検出装置。
  8. 前記ハウジングは、前記第2副通路の前記検出センサよりも前記被計測気体の下流側の位置に隔壁を有することを特徴とする請求項6に記載の物理量検出装置。
  9. 前記第1副通路と前記第2副通路にそれぞれ配置される検出センサは、互いに種類の異なる物理量を検出するものであることを特徴とする請求項2に記載の物理量検出装置。
  10. 前記回路基板の一方面には、ワイヤボンディングされる検出センサが配置されていることを特徴とする請求項3に記載の物理量検出装置。
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