JP2007292547A

JP2007292547A - 圧力センサ、圧力センサの検査方法

Info

Publication number: JP2007292547A
Application number: JP2006119302A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yoshikawa; 英治吉川; Kimiaki Taruya; 公昭樽谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-24
Filing date: 2006-04-24
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】内部における結露によって導圧管が閉塞して正しく圧力が測定できなかったり、圧力室内の凍結による圧力センサ素子の破損を未然に防止することができる等の圧力センサを提供する。
【解決手段】この発明に係る圧力センサは、圧力室１８の内部に収納された圧力センサ素子１と、圧力室１８に連通し、かつ被測定媒体である空気からの圧力を圧力室１８へ導入する導圧管３とを有する圧力センサにおいて、圧力室１８と導圧管３の管路４とからなる空間内に、空間内の空気を加熱する加熱手段２が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば内燃機関の吸気管内の空気が流れる配管に設置される、圧力センサ、及びその検査方法に関する。

内燃機関の吸気管に取り付けられ、吸入空気の圧力を測定する圧力センサにおいては、圧力センサ素子まで物理的に圧力を導く必要があるので、ミスト状のオイル、カーボンパーティクル、水分等の異物が入り込んでくることがある。
そして、気温や湿度等使用環境によっては、吸気管内に滞留した水分が結露、凍結して、圧力センサ素子への導圧管が閉塞して正しく圧力計測ができなかったり、凍結時の体積膨張によって圧力センサ素子が破損してしまったりすることがあった。
これに対しては、導圧管に堰部やテーパー部を設けることによって、浸入した水分等を圧力室の内部で堰き止めて導圧管の管路内に入りにくくして、導圧管が閉塞しにくいように改善した圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１８６９６９号公報（図１）

しかしながら、上記構成の圧力センサでは、導圧管内には水分が滞留しにくくなっているものの、堰部を設けたことによって、逆に水分等がいったん圧力室まで浸入した場合には、そのまま圧力室内に滞留し、圧力室内で結露や凍結が起こり、検出特性が変動したり長期信頼性が低下し、特に圧力室の内部での凍結は、圧力センサ素子の破壊につながるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、内部における結露や凍結の発生を防止することができる等の圧力センサを提供することを目的としている。
また、圧力の印加状態における圧力センサの特性を自己診断することができる圧力センサの検査方法を提供することを目的としている。

この発明に係る圧力センサでは、圧力室の内部に収納された圧力センサ素子と、前記圧力室に連通し、かつ被測定媒体からの圧力を前記圧力室へ導入する導圧管とを有する圧力センサにおいて、前記圧力室と前記導圧管の管路とからなる空間内に、空間内の前記測定媒体を加熱する加熱手段が設けられている。
またこの発明に係る圧力センサの検査方法では、圧力センサの加振手段を作動させ、圧力センサ素子に圧力変動を強制的に発生させることで、圧力センサ素子の特性を検査する。

この発明に係る圧力センサによれば、内部における結露や凍結の発生を未然に防止することができる等の効果がある。
また、この発明に係る圧力センサの検査方法によれば、圧力の印加状態における圧力センサの特性を自己診断することができるという効果がある。

以下、この発明の各実施の形態について、図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による圧力センサを示す断面図、図２は図１におけるＡ矢視図である。
この圧力センサは、エンジンの吸気管に導圧管３が設置され、Ｏリング５によって気密性が維持されている。
圧力センサは、吸気管と連通するとともに支持部１２を有する導圧管３と、この導圧管３の反吸気管側を覆い、内部に圧力室１８を形成したモールド１１と、圧力室１８内に設けられ圧力センサチップとガラス台座とからなる圧力センサ素子１と、この圧力センサ素子１の表面に塗布され汚損から圧力センサ素子１を保護するゲル９と、導圧管３の内部の管路４の軸線方向に延びているとともに支持部１２により支持され空気を加熱する加熱手段２と、圧力センサ素子１とボンディングワイヤを介して接続されたリードフレーム１０と、このリードフレーム１０と接続されたターミナル７を有するコネクタ６とを備えている。

圧力センサ素子１の圧力センサチップは、シリコンウェハの一部を薄肉化したダイヤフラムを有しており、ダイヤフラムの境界近傍であって、圧力が作用した際に大きな応力が作用する部位には、ピエゾ抵抗などの歪を電気信号に変換するための手段が施されている。
加熱手段２は、例えばポリシリコン薄膜の導電性膜によって形成されており、導圧管３と一体で樹脂成形されている。

上記構成の圧力センサでは、吸気管の被測定媒体である空気は、導圧管３を通じて圧力室１８内に導入される。この結果、空気の圧力によって圧力センサチップのダイヤフラムが撓み変形し、その歪が電気信号に変換される。その後、その電気信号は、増幅手段（図示せず）で増幅され、ボンディングワイヤを通じてリードフレーム１０へと伝達され、最終的にはコネクタ６のターミナル７から外部へ出力される。

ところで、従来、圧力センサが使用される環境が冬季あるいは寒冷地等の低温下で、吸気管内で結露することがあった。結露が導圧管３内で起これば、管路４を閉塞して正しく圧力計測ができない。更に、結露した水が凍結することになれば体積膨張によって過大な応力が導圧管３に作用してクラックが発生することもあった。
このような場合、エンジンが不調になり始動に時間がかかったり、最悪の場合、始動できなかったりするという不具合があった。

これに対して、この実施の形態の圧力センサによれば、管路４内に空気を加熱する加熱手段２が設けられているので、低温下の環境で圧力室１８内に導かれた空気は、加熱手段２で加熱されるので、結露の発生は未然に防止されるし、ましてや凍結も生じないので、上述した不都合は生じない。
なお、温度上昇に伴って飽和水蒸気量は指数関数的に上昇するので、加熱手段２は水を蒸発させるほどの高温にする必要はなく、露点温度を超える程度でよいので、少ない消費電力でよい。

また、加熱手段２は、導圧管３の軸線方向に延びているので、管路４は軸線方向に沿って均一に加熱され、管路４における結露及び凍結の発生を防止することができる。
また、加熱手段２は、導圧管３と一体で樹脂成形されており、導圧管３と別部品ではないので、取り扱いが簡単であり、また部品点数削減により低コスト化ができるといった効果もある。

なお、加熱手段２は、エンジン停止中あるいは始動時に作動するが、その加熱手段２の作動については、種々の作動方法がある。
例えば、結露事例として多いのは、寒冷地等において日中に走行した後、夜間に気温が下がった場合である。
このような事例に対しては、エンジン停止中であっても、一定時間毎に圧力室１８内の気温を測定し、一定温度以下の状態が一定時間以上続けば、加熱手段２を作動させて未然に結露の発生を防止するようにすればよい。

また、一般に、結露した水が導圧管３内で凍結し、管路４を閉塞してしまったような場合も想定し、一般にエンジン始動直後の一定時間は圧力センサによって測定した吸入空気量の値を適用せず、エンジンを燃焼させている時間帯がある。
このような状態においては、エンジンの燃焼状態が最適化されておらず、燃焼効率が悪い排気ガスが多く排出される。
この実施の形態の圧力センサによれば、エンジンの始動時において、加熱手段２に通電させて、導圧管３内で凍結している氷を溶かすことによって、短時間で管路４の閉塞状態を解消して圧力計測可能な状態にできるので、システムの起動時間が短くなり、燃焼効率の悪い排気ガスの排出量を低減させることができる。

なお、加熱手段２については、図３に示すように、断面形状が、導圧管３の略中心軸線から径方向に放射状に延びる断面形状にした場合には、図１に示した加熱手段２と比較して伝熱面積が増大し、導圧管３内の凍結は短時間で消失し、システムの起動時間をより短縮できるという効果がある。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による圧力センサを示す断面図である。
この実施の形態では、導圧管３の壁内に、壁を加熱する加熱手段２が設けられている。この加熱手段２は、導圧管３の壁内にニクロム線がコイル状に巻回されて構成されている。
また、導圧管３の内壁に径方向に突出した突起８を設けられている。
他の構成は実施の形態１と同じである。

この実施の形態による圧力センサによれば、導圧管３の内壁面の広い領域に渡って壁面温度を上げることができるので、水分を含む空気が導圧管３の内壁面で冷却されることはなく、結露の発生は未然に防止される。
また、導圧管３の内壁に突起８が設けられているので、導圧管３の内壁面の面積が増大し、導圧管３内の空気温度を短時間で上昇させることができとともに、導圧管３内に侵入した異物が圧力センサ素子１に衝突するのを防止できるという効果がある。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における圧力センサの要部平面図である。
この圧力センサの圧力センサ素子１は、中央部には薄肉化されたダイヤフラム１４が形成されており、その境界近傍にはピエゾ抵抗等の歪検出素子１６が設けられている。
この圧力センサ素子１上には、ポリシリコン薄膜などの導電性膜によって形成された加熱手段１７が設けられている。
歪検出素子１６及び加熱手段１７と外部とは、圧力センサ素子１の四隅に設けられた電極パッド１５を介してボンディングワイヤ（図示せず）により電気的に接続されている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態による圧力センサによれば、圧力センサ素子１上の加熱手段１７を作動させることにより、圧力センサ素子１の近傍の温度を局所的に上昇させることができるので、圧力センサ素子１近傍での凍結を防止でき、凍結による過大圧力でダイヤフラム１４が破壊されるという不具合を防止することができる。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４による圧力センサを示す断面図である。
この実施の形態の圧力センサは、導圧管３の管路４内に、管路４を閉塞する、結露水や液状汚染物質等の閉塞物質を振動により除去する加振手段１９が設けられている。
加振手段１９は、導圧管３の支持部１２により支持されて導圧管３の軸線方向に延びている。導圧管３と一体成形された加振手段１９の端部には、異物が圧力センサ素子１に到達するのを阻止する遮蔽部１３が設けられている。
他の構成は、実施の形態１と同じである。

この実施の形態による圧力センサによれば、導圧管３内に加振手段１９を設けたことにより、閉塞物質が管路４を閉塞するように滞留していても、これを強制的に振るい落とすことができる。
また、加振手段１９の圧力室１８側の端部に遮蔽部１３を設けたので、侵入してきた異物が遮蔽部１３に付着するため、圧力センサ素子１が異物で汚染されるのを防止することができる。
また、加振手段１９は、導圧管３の軸線方向に延びているので、管路４は軸線方向に沿って均一に加振され、管路４における閉塞物質を強制的に振るい落とすことができる。
また、加振手段１９は、導圧管３と一体で樹脂成形されており、導圧管３と別部品ではないので、取り扱いが簡単であり、また部品点数削減により低コスト化ができるといった効果もある。

実施の形態５．
この実施の形態では、実施の形態３に示した加熱手段１７の代わりに圧力センサ素子１上にＰＺＴ（（ＰｂＺｒｌ−_ＸＴｉ_ＸＯ_３）チタン酸ジルコン酸鉛））等の圧電薄膜による加振手段が設けられている。
他の構成は、実施の形態３と同じである。

この実施の形態による圧力センサによれば、圧力センサ素子１上に加振手段を設けることにより、結露水や液状汚染物質が圧力センサ素子１に付着することがあっても、加振手段によって圧力センサ素子１のダイヤフラム１４を局所的に振動させることにより、結露水や液状汚染物質を強制的に振るい落とすことができる。

また、実際に圧力センサ素子１に圧力が印加されていなくても、圧力センサ素子１上に設けた加振手段を用いてダイヤフラム１４を強制的に振動させ、この振動を歪検出素子１６で検出することができる。
従って、圧力センサの検査方法として、加振手段を作動させ、圧力センサ素子１に強制的に圧力変動を発生させることで、擬似的に圧力が印加状態における圧力センサの特性を自己診断することができる。

なお、上記各実施の形態では、圧力センサを自動車のエンジンルーム内に搭載され、エンジンの吸入空気量を測定する用途に用いられた圧力センサについて説明したが、本願発明の圧力センサは、他の用途に使用することができるのは、勿論である。
また、被測定媒体についても、空気に限定されるものではなく、適用用途に応じて他の気体であってもよい。

また、実施の形態１〜３の加熱手段２、１７と、実施の形態４、５の加振手段１９とを組み合わせた圧力センサであってもよい。
このものの場合、内部での結露、凍結の発生を防止できるとともに、導圧管３の閉塞物質による閉塞状態を短時間で解消することができる。

この発明の実施の形態１による圧力センサを示す断面図である。図１におけるＡ矢視図である。図１の加熱手段と異なる例を示す圧力センサの内部平面図である。この発明の実施の形態２による圧力センサを示す断面図である。この発明の実施の形態３による圧力センサ素子の平面図である。この発明の実施の形態４による圧力センサを示す断面図である。

符号の説明

１圧力センサ素子、２，１７加熱手段、３導圧管、４管路、１３遮蔽部、１８圧力室、１９加振手段。

Claims

圧力室の内部に収納された圧力センサ素子と、前記圧力室に連通し、かつ被測定媒体からの圧力を前記圧力室へ導入する導圧管とを有する圧力センサにおいて、
前記圧力室と前記導圧管の管路とからなる空間内に、空間内の前記被測定媒体を加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記加熱手段は、前記導圧管の軸線方向に延びていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記加熱手段は、前記導圧管と一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記加熱手段の断面形状は、前記導圧管の略中心軸線から径方向に放射状に延びる断面形状であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記圧力室の内部に収納された圧力センサ素子と、前記圧力室に連通し、かつ被測定媒体からの圧力を前記圧力室へ導入する導圧管とを有する圧力センサにおいて、
前記導圧管の壁内に、壁を加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記導圧管の内壁には、径方向に突出した突起が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
圧力室の内部に収納された圧力センサ素子と、前記圧力室に連通し、かつ被測定媒体からの圧力を前記圧力室へ導入する導圧管とを有する圧力センサにおいて、
前記圧力センサ素子に、圧力センサ素子の近傍を加熱する加熱手段が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記加熱手段は、一定時間ごとに前記被測定媒体の温度を測定し、一定時間以上、所定温度より低い温度状態が継続した場合に、作動されることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の圧力センサ。
圧力室の内部に収納された圧力センサ素子と、前記圧力室に連通し、かつ被測定媒体からの圧力を前記圧力室へ導入する導圧管とを有する圧力センサにおいて、
前記導圧管の管路内には、管路を閉塞する閉塞物質を振動により除去する加振手段が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記加振手段は、前記導圧管の軸線方向に延びていることを特徴とする請求項９に記載の圧力センサ。
前記加振手段は、前記導圧管と一体成形されていることを特徴とする請求項９に記載の圧力センサ。
前記加振手段は、前記圧力室の側の端部に、異物が前記圧力センサ素子に到達するのを阻止する遮蔽部が設けられていることを特徴とする請求項９記載の圧力センサ。
圧力室の内部に収納された圧力センサ素子と、前記圧力室に連通し、かつ被測定媒体からの圧力を前記圧力室へ導入する導圧管とを有する圧力センサにおいて、
前記圧力センサ素子には、圧力センサ素子を振動させる加振手段が設けられていることを特徴とする圧力センサ。
前記加振手段は、一定時間ごとに被測定媒体の温度を測定し、一定時間以上、所定温度より低い状態が継続した場合に、作動させることを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の圧力センサ。
請求項１３に記載の圧力センサの前記加振手段を作動させ、前記圧力センサ素子に圧力変動を強制的に発生させることで、前記圧力センサ素子の特性を検査することを特徴とする圧力センサの検査方法。