JP5396410B2 - センサの構造 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の吸入空気に係わる物理量計測に好適なセンサの構造と、これを使用した内燃機関制御装置に関する。

内燃機関用の吸入空気に係る物理量測定技術として、例えば流量測定技術に関しては発熱抵抗体式空気流量測定装置が知られている（特許文献１参照）。これは発熱抵抗体から奪われる熱量が流入流量に対し相関関係があることを利用したものであり、エンジンの燃焼制御で必要となる質量流量を直接測定できるため特に自動車の空燃比制御用の流量計として広く使われている。

更にその他内燃機関用の吸入空気に係る物理量計測技術として、流量測定装置，圧力検出装置，湿度検出装置などを一体化してなる複数の計測機能を有するセンサが公知技術として特許文献２や特許文献３にエアフローセンサ，湿度センサ，圧力センサを一体化した例として示されている。

特許３５２３０２２号公報 特開２００８−３０４２３２号公報 特開２０１０−４３８８３号公報

電子制御燃料噴射システムを用いた自動車が一般化し、近年では更なる高性能化，高機能化が進んでいる。この場合、エンジンルームの内部には様々なセンサや制御機器が所狭しと配置され、各種センサや制御機器、更にはそれらをコントロールするためのコントロールユニットなどを相互に接続するワイヤハーネスも複雑に入り組んだものとなる。

これらを背景に複数のセンサや制御機器を一体化することによる部品点数の低減やエンジンルーム内部の景観向上などが望まれ、例えば流量測定装置と温度検出装置、更には半導体式圧力検出装置や湿度検出装置などをも一体化し、コネクタを共用化する方策などはその一例であり、これにより車両への部品組み付け工数の低減や、ワイヤハーネスの簡略化が可能となる。

従来は前記の流量測定装置と温度検出装置を一体化した構造が主流であったが、前述のように今後前記圧力検出装置や湿度検出装置なども一体化されるに従い様々な技術的課題が出てくる。

通常自動車の吸入空気はエアクリーナボックスが備えるエアフィルターエレメントによって大気中浮遊物を取り除いた後に取り込まれる構成となっている。しかし、エンジン出力低下や燃料消費率の悪化を招くエアフィルターエレメントが作る大きな圧力損失は望まれないが故に、例えば排気ガス中に含まれる微細なカーボン等を捕らえるほどの濾紙が使用されることは無く、微細な大気浮遊物などは濾紙を通過してエンジンへ吸入される。

また、エンジン停止後には高温に晒されたエンジンオイルが蒸気となってエアクリーナボックス側へ逆流してくることもあり、以上のようなことからエアクリーナボックス下流の吸入空気管内に存在、或いは通過する空気は必ずしもきれいであるとは言えない。また、近年ではディーゼルエンジンの電子制御化も進んでおり、ディーゼルエンジンはセンサを設置する環境としてはガソリンエンジンシステムよりも更に厳しい。

そのような環境下に置かれるセンサは、前述の通り高密度化が進み、今後更に高精度化への要求も高まってくる。高精度化を目論むためにはいかに長期間その精度を維持できるかが非常に重要であり、耐汚損性への配慮が必要になる。従来は吸入空気流量計，吸入空気温度計，吸入空気圧力計等が吸気系のセンサとして広く使用されてきたが、今後は吸入空気湿度の計測も内燃機関の制御に使用される傾向が強く、特に湿度センサは汚損への感度が高いセンサでもあるため、計測精度や計測応答性と耐汚損性能を両立させる実装構造が課題となる。

特許文献３には副空気通路をバイパスする第二副空気通路が示されている。しかし、特許文献３では汚損物質を取り込み難くなることが効果とされているが、基本的に空気と一緒に汚損物質や水滴を取り込んでしまうことが前提にある。更には、実際に少量でも汚損物質を取り込んだときの対策がなされていなかった。

そこで本発明の目的は、精度良く湿度の計測ができ、更に、汚損物質や水滴などの侵入を防ぐことが可能なセンサの構造を提供することにある。

上記課題に対応するため、吸気管内を流れる空気流量を計測する空気流量測定素子と、吸気管内を流れる空気の湿度を検知する湿度検出素子と、外部との入出力を行うコネクタと前記コネクタの端子部材とを備えたハウジング構成部材と、前記ハウジング構成部材の一部を用いて構成され吸気管内を流れる空気の一部を取り込む副通路と、を有し、前記空気流量測定素子が前記副通路の内部に実装されたセンサの構造において、前記ハウジング構成部材の前記副通路近傍に設けられ、接着剤やシール部材等による密閉構造を持たない空間部と、前記空間部と前記副通路とを連通する第一の連通通路と、前記空間部と前記副通路或いは前記吸気管内とを連通する第二の連通通路と、を有し、前記湿度検出素子を前記空間部の内部における前記第一の連通通路と前記空間部と前記第二の連通通路を流れる主となる流れの経路から離れた位置に実装することを特徴とするセンサの構造とした。

本発明によれば、精度良く湿度の計測ができ、更に、汚損物質や水滴などの侵入を防ぐことが可能なセンサの構造を提供できる。

本発明の一実施例を示すセンサ構造図。 図１（ａ）のＡ−Ａ断面図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。 本発明を多機能センサとして構成した一実施例を示すセンサ構造図。 図９（ａ）のＢ−Ｂ断面図。 電子燃料噴射方式の内燃機関に本発明品を適用した一実施例。

本発明の具体的な構成例について図１を使い説明する。

主空気通路（吸気管路又は単に吸気管ともいう）１を構成する主空気通路構成部材（吸気管路構成部材）２には、一部に空気流量測定装置３の一部が挿入される挿入口４が設けられ、空気流量測定装置３がシール部材６を介して設置されている。

空気流量測定装置３はハウジング構成部材７の他にベース部材８，電子回路基板９を保護するためのカバー部材１０，空気流量を計測するための発熱抵抗体１１，空気流量計測に使用する温度補償用抵抗体１２，車両側で使用する吸入空気温度センサ１３，前記発熱抵抗体１１や温度補償用抵抗体１２等を内装する副空気通路１４，前記副空気通路１４を構成するための副空気通路構成部材１５等から構成され、それぞれの部品は接着剤６５を用いて固定され、特に電子回路基板９が内装される領域は、外部からのガスや水の侵入が無いように密閉される。

吸入空気流量や吸入空気温度の検知を行う発熱抵抗体１１，温度補償用抵抗体１２，吸入空気温度センサ１３はボンディング部材１６を介して電子回路基板９と接続され、更に電子回路基板９は同様にボンディング部材１６を介してコネクタ端子１７と電気的に接続され、このコネクタ端子１７を介して外部との入出力を行う。

この空気流量測定装置３の電子回路基板９上に湿度検出素子５が設置され、更にこの湿度検出素子５はハウジング構成部材７に形成した空間部１８の中に位置する。この空間部１８は副空気通路１４の近傍、且つ、ベース部材８とハウジング部材７との組合せのみで構成されており、シール剤や接着剤などを使用せずにガス交換が可能である。この構成により精度よく湿度計測を可能とすると共に、空気に浮遊する汚損物質や水滴から完全に隔離することが可能となる。

図２は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。空気流量測定装置３の電子回路基板９上に湿度検出素子５を設置し、更にこの湿度検出素子５をハウジング構成部材７に形成した空間部１８の中に実装する。この空間部１８と主空気通路１の上流側とを連通する連通通路Ａ１９及び前記空間部１８と主空気通路１の下流側とを連通する連通通路Ｂ２０を設け、空間部１８への通風を可能とした。本構成によれば湿度検出の応答性を向上させることができる。しかしその反面、空気に浮遊する汚損物質や水滴からの隔離は難しい構成となり、この場合には、連通通路Ｂ２０を削除し、連通通路Ａ１９のみを機能させると耐汚損性が向上する。

図３は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。空気流量測定装置３の電子回路基板９上に湿度検出素子５を設置し、更にこの湿度検出素子５をハウジング構成部材７に形成した空間部１８の中に実装する。

この空間部１８と副空気通路１４を前記副空気通路１４の上流側で連通接続する連通通路Ｃ２１及び、前記空間部１８と副空気通路１４を前記副空気通路１４の下流側で連通接続する連通通路Ｄ２２を設けた。更に、前記副空気通路１４内部での連通通路Ｃ２１と連通通路Ｄ２２の接続開口部２３は、副空気通路１４中の空気の流れに対して平行であり、空気に浮遊する汚損物質や水滴を取り込む可能性を大幅に減少させている。

また、上流側に位置する連通通路Ｃと下流側に位置する連通通路Ｄの内部圧力には、副空気通路１４の管路摩擦などによる圧力損失の影響で「連通通路Ｃ＞連通通路Ｄ」の関係が生じる。よって、連通通路Ｃ２１は副空気通路１４を流れる空気の一部を取り込むための機能を有した空気導入通路２４であり、連通通路Ｄ２２は副空気通路１４の内部圧力差により空間部１８の空気を吸い出す機能を有した空気吸出し通路２５であり、空気は連通通路Ｃ２１から空間部１８，空間部１８から連通通路Ｄ２２の経路で流れていく。

図４は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。図３に示した構成に対し、空気流量を計測するための発熱抵抗体１１，空気流量計測に使用する温度補償用抵抗体１２，車両側で単独で使用する吸入空気温度センサ１３及びそれらを支持固定するターミナル部材２６等の構造物が、副空気通路１４内部での空気導入通路２４と空気吸出し通路２５の接続開口部２３の間に配置されている。これらの構造物により更に副空気通路１４内部の圧力損失が大きくなる、即ち、空気導入通路２４と空気吸出し通路２５に関わる２つの接続開口部２３の間でより大きな圧力差が発生するため、空気を吸出す効果が高くなり、湿度検出素子５部へ十分な空気を送ることができる。

図５は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。ハウジング構成部材７と一体で成型された、発熱抵抗体１１や温度補償用抵抗体１２や吸入空気温度センサ１３を支持固定するターミナル部材２６が、前記ハウジング構成部材７の内部で空間部１８を避けるように配線され、更に前記空間部１８が発熱抵抗体１１よりも流れの上流に設置されていることを特徴としている。

空気流量測定装置３は主空気通路１の流れの中に挿入されて使用するものであり、流れの抵抗になるものである。主空気通路１内部の圧力損失はエンジン出力の低下や燃費悪化の直接的な原因となるため、空気流量測定装置３の前面投影面積は小さい方が相応しく、図５に示した構成は、空気流量測定装置３の厚み（幅）寸法を小さくするための１手段とした。

また、湿度計測と空気温度には密接な関係があり、相対湿度は空気の温度に従い変化する物理量であるため、湿度検出素子５周囲の温度環境は重要である。図５に示した構成では空間部１８を発熱抵抗体１１の上流に実装し、前記発熱抵抗体１１からの熱影響を回避している。これらの構成により、コンパクトで高精度な多機能センサが提供できる。

図６は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。図５に示した構成に対し、湿度検出素子５及び空間部１８を発熱抵抗体１１よりも下流側に設置した例である。湿度検出素子５へ計測空気を導く空気導入通路２４の接続開口部２３が発熱抵抗体１１の上流側に設置されている場合、湿度検出素子５が発熱抵抗体１１の下流に及ぶ放熱影響を受けることは少ない。この場合には湿度検出素子５及び空間部１８の位置は問われなくなり、設計自由度が増す。

図７は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。空気流量測定装置３の電子回路基板９上に湿度検出素子５を設置し、更にこの湿度検出素子５をハウジング構成部材７に形成した空間部１８の中に実装する。

この空間部１８と副空気通路１４を前記副空気通路１４の上流側で連通接続する空気導入通路２４及び、前記空間部１８と副空気通路１４を前記副空気通路１４の下流側で連通接続する空気吸出し通路２５を設けた。この時構成される流線２７（主となる流れの経路）から離れた位置に湿度検出素子５を実装している。空間部１８のエアボリューム増加による汚損密度の低下と、汚損物質の直接付着の防止が目的であり、万が一空間部１８に汚損物質が流入してきた場合においても湿度検出素子５の位置で汚損密度を下げ、汚損物質が湿度検出素子５に付着する可能性を下げることができる。また、空間１８内部において湿度検出素子を流線２７から外した位置に実装することで、湿度検出素子５が直接汚損される可能性を更に低減可能である。

図８は本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図である。空間部１８の周囲を吸湿性を持つ材料、例えばシリコーン接着剤３０などで密閉し、更に空気に浮遊する汚損物質や水滴への抵抗を向上させている。素早い湿度計測応答性が要求されない場合には、本構成でも十分湿度計測は可能である。

図９は本発明を空気流量計や圧力検出装置と一体化した多機能センサへ適用した一実施例及びそのＢ−Ｂ断面である。ハウジング構成部材７に圧力検出装置２８を実装し、更に前記圧力検出装置２８の実装箇所と主空気通路１内部を連通する圧力導入孔２９を設け、空気流量，空気湿度，空気圧力の少なくとも３つの物理量の検出及び出力が可能な構成とした。

最後に図１０を使い電子燃料噴射方式の内燃機関に本発明を適用した一実施例を示す。エアクリーナ５０から吸入された吸入空気５１は、多機能型センサ６４が挿入される主空気通路構成部材２，吸入ダクト５２，スロットルボディ５３及び燃料が供給されるインジェクタ５４を備えたインテークマニホールド５５を経て、エンジンシリンダ５６に吸入される。一方、エンジンシリンダ５６で発生したガス５７は排気マニホールド５８を経て排出される。

多機能型センサ６４から出力される空気流量信号，湿度信号，圧力信号，温度信号、そしてスロットル角度センサ５９から出力されるスロットルバルブ角度信号，排気マニホールド５８に設けられた酸素濃度計６０から出力される酸素濃度信号及び、エンジン回転速度計６１から出力されるエンジン回転速度信号等、これらを入力するコントロールユニット６２はこれらの信号を逐次演算して最適な燃料噴射量や最適な出力トルクを求め、その値を使って前記インジェクタ５４やスロットルバルブ６３を制御する。

１ 主空気通路
２ 主空気通路構成部材
３ 空気流量測定装置
４ 挿入口
５ 湿度検出素子
６ シール部材
７ ハウジング構成部材
８ ベース部材
９ 電子回路基板
１０ カバー部材
１１ 発熱抵抗体
１２ 温度補償用抵抗体
１３ 吸入空気温度センサ
１４ 副空気通路
１５ 副空気通路構成部材
１６ ボンディング部材
１７ コネクタ端子
１８ 空間部
１９ 連通通路Ａ
２０ 連通通路Ｂ
２１ 連通通路Ｃ
２２ 連通通路Ｄ
２３ 接続開口部
２４ 空気導入通路
２５ 空気吸出し通路
２６ ターミナル部材
２７ 流線
２８ 圧力検出装置
２９ 圧力導入孔
３０ シリコーン接着剤
５０ エアクリーナ
５１ 吸入空気
５２ 吸入ダクト
５３ スロットルボディ
５４ インジェクタ
５５ インテークマニホールド
５６ エンジンシリンダ
５７ ガス
５８ 排気マニホールド
５９ スロットル角度センサ
６０ 酸素濃度計
６１ エンジン回転速度計
６２ コントロールユニット
６３ スロットルバルブ
６４ 多機能型センサ
６５ 接着剤

Claims (8)

1. 吸気管内を流れる空気流量を計測する空気流量測定素子と、吸気管内を流れる空気の湿度を検知する湿度検出素子と、外部との入出力を行うコネクタと前記コネクタの端子部材とを備えたハウジング構成部材と、前記ハウジング構成部材の一部を用いて構成され吸気管内を流れる空気の一部を取り込む副通路と、を有し、前記空気流量測定素子が前記副通路の内部に実装されたセンサの構造において、
   前記ハウジング構成部材の前記副通路近傍に設けられ、接着剤やシール部材等による密閉構造を持たない空間部と、
   前記空間部と前記副通路とを連通する第一の連通通路と、
   前記空間部と前記副通路或いは前記吸気管内とを連通する第二の連通通路と、を有し、
   前記湿度検出素子を前記空間部の内部における前記第一の連通通路と前記空間部と前記第二の連通通路を流れる主となる流れの経路から離れた位置に実装することを特徴とするセンサの構造。
2. 請求項１に記載したセンサの構造において、
   前記第一の連通通路は前記空間部と前記副通路の上流側とを接続する連通通路であり、
   前記第二の連通通路は前記空間部と前記副通路の下流側とを接続する連通通路であることを特徴とするセンサの構造。
3. 請求項２に記載したセンサの構造において、
   前記第一の連通通路の内部圧力と前記第二の連通通路の内部圧力は
   第一の連通通路の内部圧力＞第二の連通通路の圧力
   の関係を満たし、
   前記第一の連通通路は、前記副通路内を流れる空気を導入する空気導入通路であり、
   前記第二の連通通路は、内部圧力差で前記空間部の空気を吸出する空気吸出し通路であることを特徴とするセンサの構造。
4. 請求項３に記載したセンサの構造において、
   前記副通路は、前記空気導入通路の入口開口部と前記空気吸出し通路の出口開口部が設けられており、
   前記入口開口部と前記出口開口部間の前記副通路の内部に前記空気流量測定素子を構成する発熱抵抗体や温度補償用の感温抵抗体が設置されていることを特徴とするセンサの構造。
5. 請求項４に記載したセンサの構造において、
   前記発熱抵抗体や前記感温抵抗体を保持するターミナル部材は、前記空間部との設置干渉を避けるように配置され、
   前記空間部は、前記発熱抵抗体や前記温度補償用の感温抵抗体よりも前記副通路内を流れる空気流の上流側に設けられていることを特徴とするセンサの構造。
6. 請求項４に記載したセンサの構造において、
   前記入口開口部が前記発熱抵抗体に対して前記空気流の流れの上流側に設けられており、前記空間部及び前記湿度検出素子が前記発熱抵抗体に対して前記空気流の下流側に位置することを特徴とするセンサの構造。
7. 請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載したセンサの構造において、
   前記空間部の周囲を、吸湿性を有する接着剤やシール部材等で密閉したことを特徴とするセンサの構造。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載したセンサの構造において、
   前記ハウジング部材に圧力を検出するための圧力検出装置を実装したことを特徴とするセンサの構造。

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