JP2008139298A - 温度センサ一体型圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】温度センサ一体型圧力センサの取り付け時の傾斜角度に依存することなく、温度センサの所望の応答速度が得られるようにする。
【解決手段】温度センサ素子及び圧力センサ素子を備えた温度センサ一体型圧力センサにおいて、温度センサ素子の素子本体の中心軸が測定対象の気体の通過方向に対して直交するような理想取付位置を基準として、前記温度センサ一体型圧力センサが角度θ_ｒｑだけ傾いて被取付対象物に取り付けられる時に、このセンサにおける前記素子本体の本来の中心軸を基準として前記素子本体を傾ける傾斜角度θ_ｐｏｓを、以下の数式に従って設定する。
（θ_ｒｑ−θ_{ａｌｌｏｗ}）≦θ_ｐｏｓ≦（θ_ｒｑ＋θ_{ａｌｌｏｗ}）
（ここで、θ_{ａｌｌｏｗ}は、前記素子本体の中心軸に直交する気体通過方向を基準として、温度センサ素子の許容応答速度が得られる許容角度とする。）
【選択図】図２

Description

本発明は、気体の温度を測定する温度センサ素子を圧力センサ素子と共に内蔵した温度センサ一体型圧力センサに関するものである。

例えば、自動車のインテークマニホールドに設置されてその吸入空気の温度及び圧力を測定する温度センサ一体型圧力センサ（以下、必要に応じて一体型センサともいう）は、図６，図７に示すように構成されている。なお、図６は一体型センサ１００の中央縦断面図、図７は一体型センサ１００の使用状態を示す平面図である。

図６において、１０１は被取付対象物としてのインテークマニホールド２００（図７参照）に取り付けられる筒状の圧力導入ポートであり、その中心軸には圧力導入口１０２が形成されている。圧力導入ポート１０１の上端部には、セルケース１０３に実装された圧力センサ素子１０４が配置されており、圧力センサ素子１０４の下方には圧力導入口１０２に連通する圧力検出室１０５が形成されている。

圧力センサ素子１０４は、単結晶シリコン等からなるダイアフラム上に複数の半導体歪ゲージをブリッジ接続してなるものである。圧力検出室１０５の圧力変化によって前記ダイアフラムが変形すると、その変形量に応じてピエゾ効果により前記半導体歪ゲージの抵抗が変化する。このため、ゲージ抵抗に相当する電圧信号を検出することにより、圧力検出室１０５の圧力、つまりインテークマニホールド２００内の空気圧を検出することができる。
圧力センサ素子１０４はリード端子１０６を介してコネクタピン１０７に接続されており、このコネクタピン１０７はコネクタソケット１０８内でコネクタ（図示せず）に接続可能となっている。

また、圧力導入ポート１０１の軸方向に沿った延長線上には、インテークマニホールド２００内の空気の温度を測定する温度センサ素子１０９が配置され、この温度センサ素子１０９の接続用リード線１１０が圧力導入口１０２を貫通して前記コネクタピン１０７に接続されている。
上記温度センサ素子１０９は、圧力センサ素子１０４により測定される空気圧が温度に依存するので、その温度を検出するために設けられているものである。温度センサ素子１０９は、例えばサーミスタによって構成されており、ほぼ円柱状の素子本体の軸方向両端から一対のリード端子が引き出されている。

更に、圧力導入ポート１０１の上部を包囲するように外装ケース１１１が取り付けられており、前記コネクタソケット１０８はこの外装ケース１１１の一部を構成している。なお、１１２はこの一体型センサ１００をインテークマニホールド２００に固定するための取付孔である。

図７は一体型センサ１００の使用状態を示しており、２００は一体型センサ１００が取り付けられるインテークマニホールドである。
一体型センサ１００の温度センサ素子１０９の応答性を良くするためには、図７（ａ），（ｂ）に示すように、素子本体１０９ａの中心軸ｃが、インテークマニホールド２００内の空気の通過方向に対して直交するように素子本体１０９ａを配置するのが理想的である（この時の一体型センサ１００のインテークマニホールド２００に対する取付位置を、理想取付位置という）。言い換えれば、図６，図７に示した構造の一体型センサ１００では、コネクタピン１０７がインテークマニホールド２００の中心軸と平行になるように、一体型センサ１００をインテークマニホールド２００に取り付ける必要がある。
なお、図７において、１０９ｂは、素子本体１０９ａから同軸上に引き出された一対のリード端子である。

なお、特許文献１や特許文献２には、上記の従来技術と同様に、測定対象である空気の通過方向に直交させて温度センサ素子を配置した一体型圧力センサが記載されている。

再公表特許公報ＷＯ２００３−６２７７９号公報（第４頁第４２行〜第４６行、図４等） 特開２００５−３００４５６号公報（段落［００５０］〜［００５４］、図１，図２等）

エンジン回りのレイアウト等に起因して、一体型センサ１００を大幅に傾けてインテークマニホールド２００に取り付けざるを得ない場合がある。
このような場合、温度センサ素子１０９の応答時間が遅くなってしまう場合がある。
このような問題は、特許文献１等に記載された一体型圧力センサでも生じていた。

そこで、本発明の目的は、一体型センサの取り付け時の傾斜角度に依存することなく温度センサ素子の所望の応答速度が得られるようにした温度センサ一体型圧力センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る温度センサ一体型圧力センサは、気体の圧力を測定する圧力センサ素子と気体の温度を測定する温度センサ素子とを備え、インテークマニホールド等の被取付対象物に取り付けられる温度センサ一体型圧力センサに関するものである。ここで、前記温度センサ素子は、ほぼ柱状の素子本体と、この素子本体の軸方向両端部から引き出された一対のリード端子と、から構成されている。
このような温度センサ一体型圧力センサにおいて、前記素子本体の中心軸が被取付対象物内の気体の通過方向に対して直交するような温度センサ一体型圧力センサの理想取付位置を基準として、このセンサが角度θ_ｒｑだけ傾いて被取付対象物に取り付けられた時に、このセンサにおける前記素子本体の本来の中心軸を基準として素子本体を傾ける傾斜角度θ_ｐｏｓを、以下の数式に従って設定する。なお、以下の数式において、θ_{ａｌｌｏｗ}は、素子本体の中心軸に直交する気体通過方向を基準として、温度センサ素子の許容応答速度が得られるような許容角度であり、例えば４５°である。
（θ_ｒｑ−θ_{ａｌｌｏｗ}）≦θ_ｐｏｓ≦（θ_ｒｑ＋θ_{ａｌｌｏｗ}）

上記の傾斜角度θ_ｐｏｓは、以下のような手段によって保有させることができる。
例えば、温度センサ素子の一対のリード端子を接続するための接続金具を曲げ加工して前記一対のリード端子と接続することにより、傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させる。
あるいは、前記一対のリード端子を曲げ加工して一対の接続金具と接続することにより、傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させれば良い。

なお、本発明に係る温度センサ一体型圧力センサは、被取付対象物の内部の気体を導入する筒状の圧力導入ポートを備えており、この圧力導入ポートの軸方向に沿った延長線上に前記温度センサ素子を配置することが望ましい。

本発明によれば、温度センサ一体型圧力センサをその理想取付位置から角度θ_ｒｑだけ傾けて被取付対象物に取り付けたとしても、数式（θ_ｒｑ−θ_{ａｌｌｏｗ}）≦θ_ｐｏｓ≦（θ_ｒｑ＋θ_{ａｌｌｏｗ}）を満たすような傾斜角度θ_ｐｏｓを持たせて温度センサ素子の素子本体を配置することにより、温度センサ素子として許容範囲の応答速度を得ることができる。
上記傾斜角度θ_ｐｏｓの算出は極めて容易であり、この傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させるための接続金具やリード線の加工も容易であるから、本発明は低コストにて実現可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１はこの実施形態の原理を説明するためのものであり、一体型センサ１００をインテークマニホールド２００に取り付けた状態の平面図である。

図１において、レイアウト等の制約によってコネクタピン１０７に平行な軸（一体型センサ１００の中心軸）ｂと空気の通過方向との間の角度がθ_ｒｑである場合には、温度センサ素子１０９の素子本体１０９ａの本来の中心軸ｃ’から角度θ_ｒｑだけ傾けて、素子本体１０９ａを配置すれば良い。この時の素子本体１０９ａの中心軸ｃは空気通過方向に対して直交するため、温度センサ素子１０９の応答速度は最適な値となる。

図８に示すように、空気の通過方向に直交する軸ａ（温度センサの理想的な中心軸）に対して、実際の素子本体１０９ａの中心軸がｃであるとすると、軸ａと軸ｃとの間の傾斜角度θが４５°を超える場合には、温度センサ素子１０９の応答に遅れが発生する。このため、インテークマニホールド２００内の空気の温度を正確に測定することができず、高精度なエンジン制御精度の要求を満足することができない。
なお、図８において、軸ｂは、前記中心軸ｃに直交する軸であり、図６，図７に示したような構造の一体型センサ１００では、コネクタピン１０７に平行な軸となる。

ここで、図９は、素子本体１０９ａの傾斜角度と温度センサ素子１０９の応答時間との関係を示す図である。なお、素子本体１０９ａの傾斜角度とは、前述した図８におけるθを指す。また、温度センサ素子１０９の応答時間とは、測定空気の温度が２５℃（その時の温度センサ出力電圧をＶ_１とする）から１００℃（同じくＶ_２とする）まで変化した場合に、温度センサ素子１０９の出力電圧が｜Ｖ_１−Ｖ_２｜の１０％から９０％に達するまでの時間である。
図９から明らかな如く、素子本体１０９ａの傾斜角度が４５°では、傾斜角度が０°の時とほぼ同様の応答時間が得られるが、傾斜角度が５０°になると応答時間が著しく遅くなることが実験的に確認された。

このように、素子本体１０９ａは中心軸ｃを基準として±４５°の範囲内にあれば、実用上、支障のない応答速度が得られる。従って、実際には、素子本体１０９ａを、中心軸ｃ’を基準として（θ_ｒｑ−４５°）〜（θ_ｒｑ＋４５°）の範囲で傾けて配置すれば良いことになる。
例えば、一体型センサ１００の取り付け時の傾斜角度θ_ｒｑ（理想取付位置からの傾斜角度）が５０°である場合には、素子本体１０９ａを、中心軸ｃ’を基準として５°〜９５°の範囲で傾斜させて配置すれば、実用上、支障のない応答速度を得ることができる。

ここで、中心軸ｃ’を基準とした素子本体１０９ａの傾斜角度をθ_ｐｏｓとすると、（θ_ｒｑ−４５°）≦θ_ｐｏｓ≦（θ_ｒｑ＋４５°）の範囲で素子本体１０９ａを傾ければ良いから、応答速度の許容角度である４５°をθ_{ａｌｌｏｗ}とすれば、一般的には、以下の数式１に従って素子本体１０９ａを傾斜させれば良いことになる。
［数式１］
（θ_ｒｑ−θ_{ａｌｌｏｗ}）≦θ_ｐｏｓ≦（θ_ｒｑ＋θ_{ａｌｌｏｗ}）

次に、温度センサ１０９の素子本体１０９ａに上記の傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させるための実施形態を、図２，図３に基づいて説明する。
図２は、本発明の第１実施形態を示す斜視図である。この実施形態は、温度センサ素子１０９を図６における接続用リード線１１０に接続するための接続金具１１３，１１４の構造に関するものである。

すなわち、接続金具１１３，１１４は、それぞれの基端部１１３ａ，１１４ａが前記の中心軸ｃ’に沿って配置されており、一方の基端部１１３ａから屈曲された先端部１１３ｂと、他方の基端部１１４ａから屈曲された先端部１１４ｂとは、中心軸ｃ’に対して角度θ_ｐｏｓを保有するように曲げ加工されている。そして、これらの先端部１１３ｂ，１１４ｂに温度センサ素子１０９の同軸上のリード端子１０９ｂ，１０９ｂをハンダ付け等により接続すれば、素子本体１０９ａの中心軸ｃは前記中心軸ｃ’に対して角度θ_ｐｏｓだけ傾斜することになる。
なお、角度θ_ｐｏｓを確保できるのであれば、接続金具１１３，１１４の先端部１１３ｂ，１１４ｂの一方のみを曲げ加工しても良い。また、接続金具１１３，１１４の構造は図示例に何ら限定されるものではない。

上記の傾斜角度θ_ｐｏｓを前記数式１の範囲に設定することにより、素子本体１０９ａは、本来の中心軸ｃ’に対して許容範囲の角度θ_ｐｏｓだけ傾いて配置されるので、所望の応答速度を得ることができる。
ここで、温度センサ素子１０９は、図６における圧力導入ポート１０１の軸方向に沿った延長線上に配置されるものである。

次に、図３は、本発明の第２実施形態を示す斜視図である。この実施形態では、直線状の接続金具１１５，１１６を中心軸ｃ’に沿って平行に配置する一方で、温度センサ素子１０９のリード端子１０９ｂをフォーミングして接続金具１１５，１１６に接続することにより、傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させた例である。

すなわち、図３に示したように、もともと素子本体１０９ａと同軸上にあるリード端子１０９ｂ，１０９ｂを曲げ加工して角度θ_ｐｏｓを保有させておき、これらのリード端子１０９ｂ，１０９ｂをハンダ付け等により接続金具１１５，１１６に接続すれば、素子本体１０９ａの中心軸ｃは前記中心軸ｃ’に対して角度θ_ｐｏｓだけ傾くことになる。
この実施形態においても、傾斜角度θ_ｐｏｓを前記数式１の範囲に設定することにより、素子本体１０９ａは、本来の中心軸ｃ’に対して角度θ_ｐｏｓだけ傾いて配置されるため、所望の応答速度を得ることができる。

なお、図４は本発明の参考形態を示す斜視図である。
この例では、素子本体１０９ａの中心軸ｃが、図６における圧力導入ポート１０１の中心軸と平行になるように温度センサ１０９が配置されている。なお、１１７，１１８は、リード端子１０９ｂ，１０９ｂが接続される接続金具である。ここで、素子本体１０９ａの中心軸ｃは、圧力導入ポート１０１の中心軸と平行であれば足り、必ずしも同軸上である必要はない。

図５（ａ）は、図４に示した参考形態の作用を示す図であり、図５（ｂ）は図６，図７に示した従来技術の作用を示す図である。
図５（ｂ）に示す従来技術では、素子本体１０９ａの中心軸ｃが、空気の通過方向に直交する位置を基準として±４５°の範囲内にある場合に限って、所望の応答速度が得られる。すなわち、インテークマニホールド２００に一体型センサ１００が傾いて取り付けられる場合の角度許容範囲は狭いものである。
しかし、図５（ａ）に示す参考形態によれば、素子本体１０９ａの中心軸ｃに対して空気の通過方向が常に直交することになる。このため、インテークマニホールド２００に対して一体型センサ１００が１８０°の範囲内で傾いて取り付けられる場合でも、常に最適な応答速度を得ることができる。

なお、本発明において、圧力及び温度の測定対象である気体は、空気以外の気体であっても良い。
また、上記実施形態では、温度センサ一体型圧力センサ１００について説明したが、本発明の原理は、圧力センサ素子を持たずに温度センサ素子のみを備えた温度センサにも適用することが可能である。

本発明の実施形態の原理の説明図である。 本発明の第１実施形態を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態を示す斜視図である。 本発明の参考形態を示す斜視図である。 図４の参考形態及び従来技術の作用を示す側面図である。 従来の一体型センサの中央縦断面図である。 従来の一体型センサの使用状態を示す平面図及び右側面図である。 温度センサ素子の傾斜角度の説明図である。 温度センサ素子の傾斜角度と応答時間との関係を示す図である。

符号の説明

１００：温度センサ一体型圧力センサ（一体型センサ）
１０１：圧力導入ポート
１０２：圧力導入口
１０３：セルケース
１０４：圧力センサ素子
１０５：圧力検出室
１０６：リード端子
１０７：コネクタピン
１０８：コネクタソケット
１０９：温度センサ素子
１０９ａ：素子本体
１０９ｂ：リード端子
１１０：接続用リード線
１１１：外装ケース
１１２：取付孔
１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８：接続金具
１１３ａ，１１４ａ：基端部
１１３ｂ，１１４ｂ：先端部
２００：インテークマニホールド

Claims (6)

1. 気体の圧力を測定する圧力センサ素子と、前記気体の温度を測定する温度センサ素子と、を備え、前記気体が内部を通過する被取付対象物に取り付けられる温度センサ一体型圧力センサであって、
   前記温度センサ素子が、柱状の素子本体と、この素子本体の軸方向両端部からそれぞれ引き出された一対のリード端子と、からなる温度センサ一体型圧力センサにおいて、
   前記素子本体の中心軸が前記気体の通過方向に対して直交するような前記温度センサ一体型圧力センサの理想取付位置を基準として、前記温度センサ一体型圧力センサが角度θ_ｒｑだけ傾いて前記被取付対象物に取り付けられた時に、傾いて取り付けられた前記温度センサ一体型圧力センサにおける前記素子本体の本来の中心軸を基準として前記素子本体を傾ける傾斜角度θ_ｐｏｓを、以下の数式に従って設定したことを特徴とする温度センサ一体型圧力センサ。
   （θ_ｒｑ−θ_{ａｌｌｏｗ}）≦θ_ｐｏｓ≦（θ_ｒｑ＋θ_{ａｌｌｏｗ}）
   （上記数式において、θ_{ａｌｌｏｗ}は、前記素子本体の中心軸に直交する気体通過方向を基準として、前記温度センサ素子の許容応答速度が得られる許容角度とする。）
2. 請求項１に記載した温度センサ一体型圧力センサにおいて、
   前記温度センサ一体型圧力センサは、前記一対のリード端子が接続される一対の接続金具を備え、これらの接続金具を曲げ加工して前記一対のリード端子と接続することにより前記傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させたことを特徴とする温度センサ一体型圧力センサ。
3. 請求項１に記載した温度センサ一体型圧力センサにおいて、
   前記温度センサ一体型圧力センサは、前記一対のリード端子が接続される一対の接続金具を備え、前記一対のリード端子を曲げ加工して前記一対の接続金具と接続することにより前記傾斜角度θ_ｐｏｓを保有させたことを特徴とする温度センサ一体型圧力センサ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した温度センサ一体型圧力センサにおいて、
   前記許容角度θ_{ａｌｌｏｗ}が４５°であることを特徴とする温度センサ一体型圧力センサ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した温度センサ一体型圧力センサにおいて、
   前記温度センサ一体型圧力センサは、前記被取付対象物の内部の気体を導入する筒状の圧力導入ポートを備え、前記温度センサ素子は、前記圧力導入ポートの軸方向に沿った延長線上に配置されることを特徴とする温度センサ一体型圧力センサ。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載した温度センサ一体型圧力センサにおいて、
   前記被取付対象物がインテークマニホールドであることを特徴とする温度センサ一体型圧力センサ。

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