JPWO2018193743A1 - 湿度測定装置 - Google Patents

Abstract

従来の知見では空気流れの方向が１方向に限定されてしまい、湿度応答性を確保する為には、熱式湿度測定装置の取付け方向や空気流れの状態に制限があるため、扱いにくいという課題があった。導入ガイドは空気導入面より計測室外に突き出しており、湿度導入口面に平行で、３６０°いずれの方向からの空気の流れでも湿度導入管に導くことができるように、いずれの方向から見ても、湿度導入管の入り口面に接しない部分がある構成にした。

Description

本発明は、測定対象の各種機器に装着されて湿度を検出する湿度測定装置に関する。

湿度測定装置は、種々の技術分野で使用されている。特に、自動車の内燃機関においては、湿度測定装置は、吸気通路に搭載され、吸気の湿度を計測し、燃料噴射量の制御や、運転条件の最適化に用いられる。

湿度測定装置は、種々の技術分野で使用されており、自動車用の内燃機関等においては低燃費化を図るために、吸入空気の流量，温度，圧力に加え湿度等の環境状態を高精度に計測することが求められている。

自動車用内燃機関で湿度を測定する場合、湿度測定装置には検出精度と早い応答性が要求される。係る課題を解決する例として、例えば特許文献１に記載の技術が存在する。特許文献１によれば、湿度検出素子近傍の空気を積極的に流し、空気の滞留を防ぎ、湿度の応答性を改善する手段が示されている。

特開２０１５−２３２５１４号公報

近年の自動車のエンジンルームは、小型化や高機能化に伴う搭載部品の増大により、搭載レイアウトが難しくなってきている。このため、自由な方向に取り付けられる湿度センサが望まれている。特許文献１によれば、空気の流れが１方向のみ場合であれば、ノイズの少ない高精度な測定と高速応答の両立の解決策として考えられる。しかし、空気の流れ方向が限定される為、湿度検出装置の取り付け方向が限定されてしまう。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は内燃機関の吸気システムに於いて、吸気管内に流れる空気の方向に寄らず、空気の流れによるノイズの少ない高精度な測定と高速応答とを両立した熱式湿度測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の湿度測定装置は、導入ガイドが空気導入面より計測室外に突き出しており、湿度導入口面に平行で、３６０°いずれの方向からの空気の流れでも湿度導入管に導くことができるように、いずれの方向から見ても、湿度導入管の入り口面に接しない部分がある構成になっている。

これにより、例えば内燃機関の給気システムに於いて吸気管内に流れる空気の湿度を測定する場合でも、空気に流れによる湿度信号へのノイズを防ぐことと、吸気管内に流れる空気の湿度変化に対する高速応答とを、空気流れの方向や熱式湿度測定装置の取り付け方向に依らず実現することができる。

本発明によれば、空気流れの方向や熱式湿度測定装置の取り付け方向に依存しない、ノイズの少ない高精度な湿度測定と湿度変化への高速応答とを両立した湿度測定装置が得られる。

本発明の実施例１の(ａ)下面概略図、(ｂ)Ａ−Ａ断面概略図 本発明の実施例１の吸気管へ取り付けた際の断面概略図 本発明の実施例１の吸気管へ取り付けた際の断面概略図（取付角90°変更） 本発明の各実施例における空気導入ガイドの下面拡大概略図 本発明の実施例６の（ａ）下面概略図（ｂ）Ａ−Ａ断面概略図（ｃ）Ｂ−Ｂ断面概略図 本発明の実施例７の（ａ）下面概略図（ｂ）正面概略図（Ｖｂ側）（ｃ）側面概略図（Ｖｃ側） 本発明の実施例８における外観斜視概略図 本発明の実施例８における分解斜視概略図 本発明の実施例８における断面図概略図 内燃機関の概略図 参考例における（ａ）下面概略図、（ｂ）Ａ−Ａ断面概略図 参考例における吸気管へ取り付けた際の断面概略図

本発明の実施例について、以下に図面を用いて説明する。各実施例は、組み合わせ可能であり、前述した実施例と同様の構成、効果については説明を省略する。

本発明の実施例１について、図１から図３および図１０を用いて説明する。なお、本実施例では、湿度検出素子として、測定媒体にさらされた発熱体の放熱量により、測定媒体の熱伝導の変化を測定することで湿度を検出する熱式の湿度検出素子を例に示すが、誘電式の湿度検出素子を用いてもよい。

図１０に内燃機関の一例の概略図を示す。エアクリーナー１８の下流の空気を計測するエアフローセンサ１７が搭載されている。ターボチャージャー39で圧縮された空気を冷却するインタークーラー１９の下流側にスロットルバルブ２０が配置され、スロットルバルブ２０から燃焼室２１までをインテークマニホールド３２でつないでいる。インテークマニホールド３２には、湿度、圧力、温度をそれぞれ計測する熱式湿度測定装置１２、圧力測定装置１５、温度測定装置１６が搭載されている。排ガスを吸気側へ循環するためのEGRバルブ３０とEGRクーラー３１を備えている。

本実施例の熱式湿度検出装置１は、図１に示すように、熱式湿度検出素子４と、熱式湿度検出素子４が配置される計測室５と、計測室５に空気を導入する空気導入管３と、空気導入管３の入り口開口３（ｂ）から少なくとも一部が突出し、計測室５に測定媒体をガイドする空気導入ガイド２と、外部と電気的信号のやり取りを行うための接続端子６を備える。

空気導入ガイド２は、空気導入管３の中に配置され、計測室５内の空気を積極的に入れ換える構成としている。

そして、本実施例では、空気導入ガイド２が、空気導入管３の入り口開口３（ｂ）に接触していない構成としている。言い換えると、空気導入方向に垂直な方向から見て、360°すべての方向で、空気導入ガイド２は、空気導入管３の入り口に接触しない部分がある。すなわち、空気導入ガイド２に衝突した空気が、空気導入管３にガイドされるように、導入方向に対して垂直な方向のどの方向から見たとしても、空気導入ガイド２より外側に空気導入管３への入り口部３（ｃ）が必ず存在する。

本構成によれば、３６０°どの方向から見ても、空気導入ガイド２と当たった空気が、空気導入管３内に導入されるようになる。そのため、空気流れの方向に依らずに、湿度検出素子４へ空気を導入することが可能となり、被計測媒体の湿度変化に対する高速応答を確保できる。

図２と図３を用いて、本実施例の効果を詳細に説明する。図２と図３は吸気通路１０に熱式湿度測定装置１を搭載した図である。図３は、図２に対して、熱式湿度測定装置１を９０°回転させて吸気通路１０に搭載した場合を示す図である。

図２に示すように、空気導入ガイド２の先端側は、空気導入管３の導入口面３（ａ）より、吸気通路１０の内部に突き出している。この構成では、空気流れＡｍが流れると空気導入ガイド２に空気流れＡｍの一部が空気導入ガイド２に当たる。このとき、空気導入ガイド２の空気流れ上流側では気圧が上昇し、下流側では気圧が下がるので、図４に示すように計測室５を通る空気流れＡｉが発生する。これにより、熱式湿度検出素子４に近い所まで吸気通路１０内の空気が流れによって運ばれる。そのため、応答性を確保することが可能となる。

図３においても、空気流れＡｍの流れ方向に対して、空気導入ガイド２が、空気導入管３の入り口には接触していない。そのため、図２の場合と同様、空気導入ガイド２に衝突した空気が、空気導入管３に導入され、計測室５を通る主空気流れＡｉが発生する。空気流れＡｉが計測室５へ向かう途中に、空気導入ガイド２を筐体３７に保持するための接続部材７がある。本実施例では、空気導入ガイド２は、空気導入管３の入り口を塞いでいないため、測定室５へ向かう流れができている。そのため、空気流れＡｉは、接続部材７の横を通って計測室５へ到達する。これは、空気導入管３入り口と接続部材７との間に、空気導入管３と空気導入ガイド２とが接触していない部分があることによる効果である。このため、熱式湿度検出素子４に近い所まで吸気通路１０内の空気が運ばれ、目標の湿度変化に対する応答性が実現できる。

上述した通り、本実施例では、空気導入ガイド２が、空気導入管３の入り口に接触していない構成としている。言い換えると、空気導入方向に垂直な方向から見て、360°すべての方向で、空気導入ガイド２は、空気導入管３の入り口に接触しない部分がある。

本実施例によれば、空気流れの方向に依らず、湿度変化に対する高速応答を確保できる。ここでの高速応答とは、感湿膜式湿度センサの応答時間より短い時間での応答を言い、例えば、時間に対しステップ状の湿度変化に対し、湿度センサからの出力が１秒以内に追従することである。

本実施例によれば、空気の流れ方向によらずに応答性を確保することができるため、熱式湿度検出装置１の取り付け方向に制限されないため、様々なレイアウトに対応できる。

また、本実施例によれば、吸気管のように流れ方向が一方向でない場所においても湿度計測を行うことができる。すなわち、空気の流れが一方向でなく多方向に流れる（ランダム）であるインテークマニホールド３２のような場所にも湿度検出装置を搭載可能となり、従来では困難であった燃焼室２１に近しい湿度計測の実現を可能とする。

特に、インテークマニホールドは、水分やダストといった汚損物が吸気管よりも多いところ、熱式湿度検出素子４は高温に熱せられるためこれら汚損物による経時的な劣化を抑制することが可能となり、インテークマニホールド３２における湿度計測に特に有利である。

本実施例によれば、熱式湿度検出素子４をインテークマニホールド３２にも適用可能とできるため、よりエンジンに近しい湿度を計測できることから、より精度のよいエンジン制御に寄与することが可能となる。

熱式湿度検出素子４は、空気流れによっても放熱してしまうため、空気流れによる湿度計測誤差が生じてしまう。そこで、更なる好例として、熱式湿度検出素子４は主空気流れＡｉには晒されない場所に配置することで、空気流れによる湿度検出の誤差を抑制することができる。具体的には、空気導入管３の開口からみて隠れた位置に熱式湿度検出素子４を配置することが好ましい。

本発明の実施例２について、図４（ａ）を用いて説明する。

本実施例は、実施例１に対して、空気導入ガイド２３の形状を、導入方向から見て正方形とした点である。本構成によれば、９０°流れ方向が異なる場合でも、空気導入ガイド２３に空気が衝突する面積が同様となり、流れによる応答性の差を小さくすることができる。

本実施例では正方形を例に示したが、正多角形形状や、円形状のような、点対称の形状でも同様の効果を示す。空気導入ガイド２の空気導入管３から飛出した部分が、導入方向から見て点対称形状であれば、空気流れの方向依存性が少なくなる。

本発明の実施例３について、図４（ｂ）を用いて説明する。

本実施例は、実施例２に対して、空気導入ガイド２３の４隅が、空気導入管３の入り口に接触する構造とした点である。接触する４隅の方向から空気が流れた場合であっても、空気導入ガイド２３の接触する角の両隣である２面に空気が衝突する。この２面は、空気導入管３の入り口に接触しない部分を備える。各面と空気導入管３の壁面とにより、入り口開口を形成している。そのため、４隅の方向から空気が流れた場合であっても、計測室５へ流れる空気流れが発生する。

本実施例のように、360°何れの空気流れ方向においても、空気の流れと衝突する空気導入ガイド２４の面が、空気導入管３の入り口に接触しない部分を備えるようにしているため、空気導入ガイド２より外側に空気導入管３の入り口部が必ず存在する。その結果、空気の流れ方向によらずに計測室５に空気を導入できるようになるため、360°何れの方向で高速応答が可能となる。

本実施例では、空気導入ガイド２がハウジングに固定される固定部先端が、空気導入管の入り口までとなる。そのため、固定部先端からガイド部先端までの距離を短くすることができ、耐振性を向上させることができる。

本発明の実施例４について、図４（ｃ）を用いて説明する。

本実施例は、実施例２に対して、空気導入ガイド２５が、導入方向から見て十字形状としている。本実施例によれば、３６０°どの方向の空気流れでも、空気導入ガイド２５と衝突する面の面積の差が小さくなり、より空気流れの方向依存性が少なくなる。また、何れの方向においても、必ず空気導入ガイド２５の２面以上と衝突するため、計測室に空気を流しやすくなり、応答性も優れる。

本発明の実施例５について、図４（ｄ）を用いて説明する。

本実施例は、実施例４に対して、空気導入ガイド２６の一部が空気導入管３の入り口に接触している。言い換えると、接続部７が入り口まで伸びている。

本実施例でも、空気導入方向に垂直な方向から見て、360°すべての方向で、空気導入ガイド２は、空気導入管３の入り口に接触しない部分がある。すなわち、空気導入ガイド２に衝突した空気が、空気導入管３にガイドされるように、導入方向に対して垂直な方向のどの方向から見たとしても、空気導入ガイド２より外側に空気導入管３の入り口部が必ず存在する。

また、本実施例は、実施例２と同様に、固定部先端からガイド部先端までの距離を短くすることができるため、耐振性に優れる。

本発明の実施例６を、図５を用いて説明する。

本実施例の空気導入ガイド27は、測定媒体である湿度を含む空気を計測室５へ送る機能の他に、温度センサ８を保持する機能を兼ねる。温度センサ８は、温度を検出する温度検出素子82と、温度検出素子リード81を備える。

空気導入ガイド２７は、先端側に温度検出素子82が露出し、温度検出素子リード81の一部と、温度検出素子リード81と電気的に接続されるリードフレーム９をインサート固定している。

温度センサ８は、内燃機関から伝わる熱の影響を低減するために、実装壁面から距離を離すことが望ましい。一方で、温度検出素子リード８１は機械的強度が弱いため、内燃機関の振動により、リード曲がりなどが生じてしまう。

本実施例によれば、吸気導入ガイド２７で温度センサ８を保持する構成としているため、実装壁面から温度センサ８を離しつつ、温度センサ８の耐振性を向上することが可能である。特に、実装スペースを有効に活用できるため、センサの小型化も実現可能である。

また、リード８１とリードフレーム９の接続部を空気導入ガイドに２７に封止しているため、本実施例によれば腐食や被水による電気的な短絡を回避できる。

更なる好例として、リード８１を樹脂でコーティングしてから、空気導入ガイド２７を形成する樹脂で封止するとよい。コーティング樹脂とリード８１の界面が、導入ガイド２７内部に位置する。この構成によれば、コーティング樹脂とリード８１の界面が導入ガイド２７により保護されるため、より耐水性が向上される。特に、リード８１よりも導入ガイド２７を形成する樹脂に対して密着性の高い材料でリード８１をコーティングすることで、リード８１とリードフレーム９の接続部への水の侵入をより抑制することが可能となる。

本実施例によれば、温度測定装置１５を一体化した湿度検出装置１３とすることにより、内燃機関に搭載するセンサ数を削減することが可能となり、エンジンルームの小型化、ワイヤハーネスの削減に寄与する。また、当然ながら、本実施例は、前述した実施例と組み合わせ可能である。

本発明の実施例７について図６を用いて説明する。

本実施例は、実施例６の構成に加えて、空気導入管３の導入開口面３（a）から突出するように、補助空気導入ガイド２８を配置した。補助空気導入ガイド２８の効果は、多くの空気流れＡｍを空気導入管３の導入口へ集めることである。温度センサ８の保護を図るため、補助空気導入ガイド２８を、温度センサ８よりも先端側に延伸させる形状としてもよい。温度検出素子８を保護する場面の例としては、熱式湿度測定装置１４を吸気通路１０などに組付ける場合、取付け穴の縁に温度検出素子８が触れて曲がったり、熱式湿度測定装置１４を落下させて温度検出素子８が曲がったり、破損したりするのを防ぐことである。

また、空気流れＡｍを空気導入管３の導入口に集めることの効果は、熱式湿度測定装置１４の湿度変化への応答性を向上することと、温度検出素子８に空気流れＡｍを当てることで、吸気通路１０の温度影響を減らすことである。

図１０の実施例では温度検出素子８と一体になった熱式湿度測定装置１４であるが、温度検出素子８が搭載されていない熱式湿度検出装置１と組合せても、湿度変化への応答性を向上する効果が得られる。

本発明の実施例８について、図７〜図９を用いて説明する。本実施例は、実施例７に対して更なる改良を加えた例である。

本実施例の湿度測定装置１４は、図９に示すように、計測室５に圧力検出素子３４を備える。本実施例では、湿度、温度のほかに、圧力も測定可能となり、エンジンルームの小型化、ワイヤハーネスの削減に寄与する。

また、図８や図９に示すように、第１の支持基板３４の上部側（カバー側）に第２の支持基板を配置する階層構造としている。第２の支持基板は、一部切欠きのある形状とすることで、開口部を介して各基板をワイヤボンディングで電気的に導通させることで、スペースを効率的に利用することができるため、小型化が可能となる。

そして、センサ素子４、３４が搭載され、測定媒体に曝される第１の支持基板３５をセラミック基板等の腐食耐性の高い材料で構成し、マイコン等の樹脂パッケージの部品を第２の支持基板３６に搭載する。第２の基板３６は、プリント基板等の樹脂パッケージを構成する樹脂と線膨張係数差の少ない材料で構成する。このようにすることで、耐腐食向上と、樹脂パッケージの信頼性向上の両立を図ることが可能となる。

なお、圧力検出素子３４と湿度センサ４は、別チップで形成しても、同一チップに形成してもよい。

［参考例］
空気流れの方向によっては湿度変化に対する高速応答を確保できない参考例を図１１と図１２に示す。空気流れの向きがＤもしくはＤとは１８０°反対の向きの場合、応答性が５秒以上となり、湿度変化に対する高速応答を確保できない。

図１１に熱式湿度測定装置１２を空気流れＡｍがＤの方向になるように吸気通路１０に搭載した場合の参考例を示す。空気流れＡｍが空気導入ガイド２２に当たっても接続部材７２が計測室５の方向を塞いでいるので、計測室５へ向かう空気流れＡｉが発生しづらい。このため、図１１のような参考例では湿度変化に対する高速応答を確保できない。

１…熱式湿度測定装置
２…空気導入ガイド
３…空気導入管
３（ａ）…導入口面
３（ｂ）…入り口開口
３（ｃ）…入り口部
４…熱式湿度検出素子
５…計測室
６…接続端子
７…接続部材
８…温度センサ
９…リードフレーム
１０…吸気通路
１１…従来技術の熱式湿度測定装置
１２…熱式湿度測定装置
１３…熱式湿度測定装置（温度センサ一体）
１４…熱式湿度測定装置（温度センサ、圧力検出素子一体）
１５…圧力測定装置
１６…温度測定装置
１７…流量測定装置
１８…エアクリーナー
１９…インタークーラー
２０…スロットルバルブ
２１…燃焼室
２２…空気導入ガイド
２３…空気導入ガイド
２４…空気導入ガイド
２５…空気導入ガイド
２６…空気導入ガイド
２７…空気導入ガイド
２８…補助空気導入ガイド
３０…EGRバルブ
３１…EGRクーラー
３２…インテークマニホールド
３３…排気触媒
３４…圧力検出素子
３５…第１の支持基板
３６…第２の支持基板
３７…筐体
３８…カバー
６６…配線コネクタ
７２…接続部材
８１…温度検出素子リード
８２…温度検出素子
Ａｍ…空気流れ
Ａｉ…空気流れ
Ｄ…空気流れの方向
Vｂ…図１０（ｂ）を見る方向
Vｃ…図１０（ｃ）を見る方向

Claims (14)

1. 湿度検出素子が搭載される計測室と、
   前記計測室に測定媒体を導入する導入管と、
   前記導入管の入り口開口から突出する導入ガイド部と、を備え、
   前記導入ガイド部は、空気導入方向に垂直な方向から見て360°すべての方向で空気導入管３の入り口開口に接触しない部分がある湿度測定装置。
2. 湿度検出素子が搭載される計測室と、
   前記計測室に測定媒体を導入する導入管と、
   前記導入管の入り口開口から突出する導入ガイド部と、を備え、
   前記導入ガイド部は、空気導入方向に垂直な方向から見て360°すべての方向で、該導入ガイド部より外側に、空気導入管３への入り口部が存在する湿度測定装置。
3. 前記空気導入ガイドの前記導入管から突出した部分は、導入方向に垂直な面における断面形状が点対称である請求項１または２に記載の湿度測定装置。
4. 前記空気導入ガイドの前記導入管から突出した部分は、導入方向に垂直な面における断面形状が長方形である請求項１または２に記載の湿度測定装置。
5. 前記空気導入ガイドの前記導入管から突出した部分は、導入方向に垂直な面における断面形状が十字形である請求項３に記載の湿度測定装置。
6. 前記空気導入ガイドの先端側に温度センサが設けられる請求項１乃至５のいづれかに記載の湿度測定装置。
7. 前記温度センサの配線リードは、耐腐食性材料で被覆されており、
   前記配線リードと耐腐食材料の界面は、前記空気導入ガイドにより覆われている請求項６に記載の湿度測定装置。
8. 前記空気導入管の導入口面に補助空気導入ガイドが設けられる請求項１乃至７の何れかに記載の湿度測定装置。
9. 前記湿度検出素子は、熱式である請求項１乃至８の何れかに記載の熱式湿度測定装置。
10. 前記湿度検出素子は、前記空気導入管の開口からみて隠れる位置に配置されている請求項９に記載の熱式湿度測定装置。
11. 圧力検出素子をさらに備える請求項１０に記載の熱式湿度測定装置。
12. 前記圧力検出素子と湿度検出素子が搭載されるセラミック基板と、
    前記第１のセラミック基板の上部側に設けられ、樹脂パッケージ部品が搭載されるプリント基板と、を備える請求項１１に記載の熱式湿度測定装置。
13. 前記プリント基板は、一部が切り欠いている形状であり、その開口部を通るワイヤボンディングを介して前記セラミック基板と前記プリント基板は導通している請求項１２に記載の熱式湿度測定装置。
14. 請求項９から１３に記載した熱式湿度測定装置がインテークマニホールドに搭載され、該熱式湿度測定装置からの信号を用いて、燃料噴射量を制御する車両システム。

Images