JP2011237368A

JP2011237368A - 圧力センサ

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Publication number: JP2011237368A
Application number: JP2010111014A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Takahata; 香満高畑; Hideo Nagata; 英郎永田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-13
Filing date: 2010-05-13
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-13
Also published as: JP5008746B2

Abstract

【課題】被測定媒体に、燃料油の他、オイルや煤等といった堆積付着物を生成する有機物が含まれている環境下においても正確に圧力を検出することができ、メンテナンスフリーで長期間の使用を可能とした圧力センサを提供することを目的とする。
【解決手段】圧力センサ１は、ハウジング２の一端に取り付けられた被測定媒体３を導入する導入孔４ａを有する導入部４と、導入部４から被測定媒体３が導入される感圧室５と、感圧室５に設置された被測定媒体３の圧力を検出するセンサチップ６と、導入部４の内壁４ｗに形成された有機物を分解する作用を持つ触媒膜９と、で構成されており、堆積付着物を生成する有機物が含まれている測定環境下においても正確に圧力を検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサ内部での有機物の堆積付着物の発生を防ぎ、正確な圧力を検出することができる圧力センサに関するものである。

圧力センサは、主に、被測定媒体を導入する導入部と、被測定媒体が導入される感圧室と、感圧室の圧力を検出する圧力検出素子とで構成されている。被測定媒体は、被測定媒体導入部の導入孔から感圧室へと導かれ、圧力検出素子によりその被測定媒体の圧力が検出される。圧力を検出するために被測定箇所に導入部を直接接続して、被測定媒体感圧室に導入したり、被測定箇所からホース等を介して導入部から被測定媒体を感圧室に導入したりして被測定媒体の圧力の検出を行っている。

しかしながら、例えば、自動車用等のエンジンの空燃比を最適に調整するシステムで必要とされる混合気の吸入圧力を測定する場合、被測定媒体には不完全燃焼ガスを再利用するＥＧＲ（ＥｘｈａｕｓｔＧａｓＲｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）システムや未燃焼ガスであるブローバイガスの還流等によりガソリンの他、オイルや煤等といった有機物が含まれており汚れている。また、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ））を浄化するＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）システムでの排気ガスの圧力測定や空燃比制御の高地補正のために大気圧を測定する場合においても、被測定媒体は同様に有機物により汚れている。このため、有機物で汚れている被測定媒体がセンサ内部に導入されないよう対策が講じられている。

例えば、特許文献１に示される圧力検出装置では、図９に示すように、これら有機物が、センサ素子部へ付着して圧力センサ１４の機能を低下させないように、フィルタ１８を介して被測定媒体を導入することでセンサ内部への汚損物の侵入を防止している。

実開昭６３−１８１９３７号公報

しかしながら、特許文献１による圧力検出装置では、燃料油の他、オイルや煤等といった有機物が含まれ、汚れている被測定媒体での長期間の使用においては、有機物の堆積付着物によりフィルタの目詰まりが生じたり、フィルタの上流部への導入路径が縮小され、圧力検出素子への圧力伝達が妨げられたりする。また、有機物が圧力検出素子の導入路内壁に限らず、被測定媒体との接触部位である導入孔先端に堆積付着した場合には、堆積付着物が被測定流路内へ突出し、被測定流路内の被測定媒体の流れを妨げることになり正確な圧力が検出できなくなる。さらに、付着物の堆積が継続されることにより、導入路が閉塞し、圧力を検出することが困難になるといった問題があった。

また、付着物が堆積したとしても導入路を確保する為に、被測定媒体の導入孔径を大きく設定しておく必要があり、圧力センサの小型化を阻害する要因ともなっていた。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、被測定媒体に、燃料油の他、オイルや煤等といった堆積付着物を生成する有機物が含まれている環境下にお
いても正確に圧力を検出することができ、メンテナンスフリーで長期間の使用を可能とした圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、被測定媒体の流路に開口された導入部と、前記導入部から前記被測定媒体が導入される感圧室と、前記感圧室の圧力を検出する圧力検出素子と、を備え、前記導入部及び前記感圧室において、前記被測定媒体と接触する壁面の少なくとも一部は、前記被測定媒体に含まれる有機物を分解する作用を持つ触媒で被覆されるか、あるいは前記触媒が含有された材料で形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、被測定媒体との接触面に触媒により有機物を分解する機能を持たせているので、有機物による堆積付着物が生成することが少なく、導入部および流路内での堆積付着物による被測定媒体の流れを妨げることがなく、導入路を確保することができるため、堆積付着物を生成する有機物が含まれている測定環境下においても正確に圧力を検出することができ、メンテナンスフリーで長期間の使用を可能にすることが可能になる。

実施の形態１における圧力センサを示す断面図である。実施の形態１における第２の圧力センサを示す断面図である。実施の形態１における第３の圧力センサを示す断面図である。実施の形態１における第４の圧力センサの導入部を示す上面図及び断面図である。実施の形態１における第５の圧力センサを示す断面図である。実施の形態１における第６の圧力センサを示す断面図である。実施の形態３における圧力センサを搭載した空燃比の制御装置の略断面図を示す。実施の形態３における圧力センサを搭載したＤＰＦシステムの略断面図を示す。従来の圧力検出装置の圧力測定部分を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る圧力センサについて、図１〜図６に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における圧力センサの断面を示す図である。
図１において、圧力センサ１は、ハウジング２と、ハウジング２の一端に取り付けられた被測定媒体３を導入する導入孔４ａを有する導入部４と、ハウジング２に設けられ、導入部４から被測定媒体３が導入される感圧室５と、感圧室５に設置された被測定媒体３の圧力を検出する圧力検出素子であるセンサチップ６と、センサチップ６の出力を取り出すリード線７と、センサチップ６とリード線７を接続するボンディングワイヤ８と、導入部４の内壁４ｗに形成された有機物を分解する作用を持つ触媒膜９と、で構成されており、導入部４は被測定媒体３の流路１０を形成する配管２０にＯリング２１により気密が保たれた状態で固定されている。

次に、実施の形態１における圧力センサの動作について、図１を参照して説明する。
図１において、センサチップ６には、ダイアフラム（図示せず。）が形成されている。測定圧力は、次のようにして検出される。ダイアフラムに圧力が加わるとダイアフラムが
歪み、応力が発生する。このダイアフラム上には、応力が大きく発生する箇所にゲージ抵抗が形成されており、ゲージ抵抗は、ホイートストンブリッジ回路を構成している。これにより、圧力に応じたゲージ抵抗値の変化は電圧の変化として出力される。センサチップ６には、ゲージ抵抗からの出力値を補正及び増幅する回路が組み込まれているが、ダイアフラム及びゲージ抵抗を配置したチップとゲージ抵抗からの出力値を補正及び増幅する回路チップとを電気的に接続した２チップ以上の構成であってもよい。また、圧力検出方式として、ダイアフラムに形成されたゲージ抵抗を利用する場合について説明したが、圧力の検出方式及び増幅回路の構成は限定されるものではなく、強誘電体に圧力が加えられた時に発生する電圧によるピエゾ効果を利用するものや静電容量の変化を利用するものであってもよい。

導入部４の外周部には、Ｏリング２１が取り付けられており、導入部４はＯリング２１により気密を保った状態で被測定媒体３が流れる配管２０の測定部位に固定されている。ハウジング２は、樹脂で構成されており、リード線７はインサート成形によりハウジング２に取り付けられている。リード線８の一端は、ハウジング２の感圧室５内に露出されており、センサチップ６とはボンディングワイヤ８にて電気的に接合されている。リード線７の他端は、ハウジング２の外部に引き出されており、センサチップ６により検出された圧力値は電気信号として外部に取り出される。

被測定媒体３は、導入部４の導入孔４ａから感圧室５へ導かれる。ここで、導入部４の内壁４ｗには、煤等の有機物を分解するリン酸チタニア化合物（Ｔｉ（ＨＰＯ₄）_xＯ_y）、ただし、ｘ＋ｙ＝１．０である。）の触媒膜９が形成されている。リン酸チタニア化合物の触媒膜９は、必要部位にスプレー等で塗布することにより形成することができる。リン酸チタニア化合物（Ｔｉ（ＨＰＯ₄）_xＯ_y）は、酸化チタン（ＴｉＯ２）にリン酸（ＨＰＯ４）を化合させたもので、光を全く必要としない触媒である。リン酸チタニア化合物の触媒効果は、被測定媒体中に含まれる酸素や、水分と反応を起こし、活性酸素と呼ばれる水酸化ラジカル（・ＯＨ）、スーパーオキサンドアニオン（Ｏ−）を生成し、この活性酸素の強力な酸化力により有機物を二酸化炭素（ＣＯ２）と水（Ｈ２Ｏ）に分解、浄化する。また、リン酸チタニア化合物は、イオン伝導性による帯電防止効果もあり、有機物が付着し難い効果も併せ持っている。

これにより、実施の形態１による圧力センサ１においては、導入部４の内壁４ｗに、有機物の堆積付着物が生成されることがなく、導入路が閉塞されることはない。

なお、リン酸チタニア化合物は常温で被膜を形成することができるため、センサチップ６やボンディングワイヤ８に熱的ダメージを与えることが無いので、実施の形態１の第２の圧力センサの例として、図２に示すように、感圧室５の内壁５ｗ全体にも触媒膜９を施すことが可能である。この場合、センサチップ６やボンディングワイヤ８への有機物による付着物の堆積も防止することができ、信頼性を向上させることができる。

また、実施の形態１の第３の圧力センサの例として、図３に示すように、導入部４の先端部４ｔを含む被測定媒体３との接触面全体にリン酸チタニア化合物膜９を形成しておけば、堆積付着物が成長して流路１０を妨げることが無く常に安定した状態を維持することができる。また、ハウジング２及び導入部４の部材に、リン酸チタニア化合物を配合させた材料を使用することも可能であり、この場合、触媒膜の形成工程が不要になる。

さらに、図４は、実施の形態１の第４の圧力センサの例を示すもので、触媒機能を効果的に発揮させる為に、表面積を増加するように導入部４の内壁４ｗに凹凸形状を形成したものである。これによれば、酸素と接触する面積が増え、強い酸化作用を持つ水酸化ラジカルを多く生成させることができるので、被測定媒体３中における有機物の分解効果を向
上させることができる。

上述したように、図１から図３の実施の形態１における例では、圧力センサ１の構造としてセンサチップ６が表面受圧式のものについて説明したが、図５の第５の圧力センサの例で示す裏面受圧式の圧力センサ１においても同様に適用することができる。なお、裏面受圧方式では、ニップル１７の導入孔径は小さく、閉塞に至るまでの堆積付着物の許容量が小さいので、ニップル１７に触媒膜９を被覆しておくことは有効的である。また、導入部４の外部形状に制限は無く、図６に示す第６の圧力センサの例では、圧力センサ１を被測定媒体３が流れる配管２０から離れた位置に設置し、ホース２２により接続するもので、導入部４の形状をホース２２を接続するための形状にしてもよい。

ここで言う、圧力センサ１の測定対象である被測定媒体３とは、例えば、内燃機関の燃料ガスや排気ガスを指す。

このように、実施の形態１における圧力センサによれば、導入部や感圧室の内壁に触媒膜を形成することにより被測定媒体に含まれる有機物を分解する機能を持たせているので、有機物による堆積付着物が生成されることが少なく、また、導入部および流路内での堆積付着物による被測定媒体の流れを妨げることがなく、導入路を確保することができるため、堆積付着物を生成する有機物が含まれている測定環境下においても正確に圧力を検出することができ、メンテナンスフリーで長期間の使用が可能になる顕著な効果がある。

実施の形態２．
図１で示す実施の形態１の圧力センサにおいて、触媒膜にリン酸チタニア化合物を用いる場合について説明したが、実施の形態２の圧力センサ（圧力センサ１の構成は、図１から図３の実施の形態１と同様であるので、図は省略する。）では、触媒膜として、リン酸チタニア化合物の替わりに酸化チタンを利用するものである。

ただし、酸化チタン（ＴｉＯ₂）は、光触媒であり紫外線が照射されることによって初めて触媒機能を発揮する。したがって、導入孔４ａからの光量が少ない場合には、ハウジング２や導入部４の部材を、波長３８０ｎｍ以下の紫外線を透過する部材にして、外部から紫外線を照射することにより光触媒効果を高めることができる。例えば、ハウジング２や導入部４の部材に、ポリカーボネートの透明材を使用することができる。また、ハウジング２及び導入部４の部材に、酸化チタンを配合させた材料を使用することも可能である。

このように、実施の形態２における圧力センサによれば、導入部や感圧室の内壁に光触媒である酸化チタンを用い、触媒膜を形成することにより被測定媒体に含まれる有機物を分解する機能を持たせているので、実施の形態１と同様、有機物による堆積付着物が生成されることが少なく、また、導入部および流路内での堆積付着物による被測定媒体の流れを妨げることがなく、導入路を確保することができるため、堆積付着物を生成する有機物が含まれている測定環境下においても正確に圧力を検出することができ、メンテナンスフリーで長期間の使用が可能になるという顕著な効果がある。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１あるいは実施の形態２に記載の圧力センサを内燃機関の空燃比の制御装置及びＤＰＦシステムに適用する例を示すものである。図７に、圧力センサを搭載した空燃比の制御装置の略断面図を示す。図８に圧力センサを搭載したＤＰＦシステムの略断面図を示す。

図７及び図８において、３１はエアクリーナ、３２はスロットルバルブ、３３はインテ
ークマニホールド（サージタンク）、３４はシリンダ（クランクケース）、３５はエキゾーストマニホールド、３６はＰＣＶ（ＰｏｓｉｔｉｖｅＣｒａｎｋｃａｓｅＶｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ）バルブ、３７はＥＧＲバルブ、３８はインジェクタ、３９は外気、４０はＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）、４１は吸気管、４２は排気管、４３はＤＰＦ、４４は温度センサをそれぞれ示す。

図７に示すように、空燃比制御において、圧力センサ（吸気圧センサ）１Ａは、吸入空気質量を推定する為に、例えば、サージタンク３３に装着され、吸気圧を測定する。ここで、圧力センサ（大気圧センサ）１Ｂで測定された外気３９の圧力と、温度センサ（図示せず。）により測定された吸気温度とから、吸入空気質量の演算に用いられる空気密度を補正する。ＥＣＵ４０において、圧力センサ（吸気圧センサ）１Ａで測定された吸気圧と、補正された空気密度とを用いて吸入空気質量が算出され、この吸入空気質量に最適な燃料噴射量が算出される。なお、圧力センサ（吸気圧センサ）１Ａの被測定媒体である吸入空気は、エキゾーストマニホールド３５からＥＧＲバルブ３７を介してサージタンク３３に還流される排気ガスや、クランクケース３４からＰＣＶバルブ３６を介してサージタンク３３に還流されるブローバイガス（未燃焼ガス）が含まれており、燃料成分と空気とが混ざり合った混合気となっている。

また、図８に示すように、ＤＰＦシステムにおいて、ＤＰＦ４３は、ディーゼルエンジンの排出ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集し、捕集したＰＭが増えると燃焼させて浄化させるフィルタである。圧力センサ（差圧センサまたは絶対圧センサ）１ｃは、捕集したＰＭ量を推定する為に用いられ、ＤＰＦ４３を通過する前後での排出ガスの圧力差を測定する。捕集したＰＭ量が増え、圧力差が高くなると、ＥＣＵ４０によりＰＭを燃焼させるように制御される。

これにより、被測定媒体である吸入空気が、ＥＧＲシステムにより還流された排気ガスや、クランクケース内の未燃ガスであるブローバイガスなど、燃料油の他、オイルや煤等といった有機物が含まれており汚れている場合であっても、有機物による堆積付着物が生成されることが少なく、有機物により汚れている被測定媒体の圧力を正確に検出することができる。また、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質を浄化するＤＰＦシステムでの排気ガスの圧力測定や空燃比制御の高地補正のために大気圧を測定する場合であっても、有機物による堆積付着物が生成されることが少なく、有機物により汚れている被測定媒体の圧力を正確に検出することができる。

このように、実施の形態３では、被測定媒体に含まれる有機物を分解する機能を持つ圧力センサを内燃機関の空燃比の制御装置及びＤＰＦシステムの制御装置に適用することにより、圧力センサ内部に有機物による堆積付着物が生成されることが少なく、有機物により汚れている被測定媒体であっても圧力を正確に検出することができ、長期間に亘って車両の空燃比の制御装置及びＤＰＦシステムの制御装置の信頼性を確保することができるという顕著な効果がある。

なお、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ圧力センサ
２ハウジング
３被測定媒体
４導入部
４ａ導入孔
４ｗ導入部内壁
４ｔ導入部先端
５感圧室
５ｗ感圧室内壁
６センサチップ
９触媒膜
１７ニップル

Claims

被測定媒体の流路に開口された導入部と、
前記導入部から前記被測定媒体が導入される感圧室と、
前記感圧室の圧力を検出する圧力検出素子と、を備え、
前記導入部及び前記感圧室において、前記被測定媒体と接触する壁面の少なくとも一部は、前記被測定媒体に含まれる有機物を分解する作用を持つ触媒で被覆されるか、あるいは前記触媒が含有された材料で形成されていることを特徴とする圧力センサ。
前記触媒が、リン酸チタニア化合物であることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記導入部及び前記感圧室において、前記被測定媒体と接触する壁面の少なくとも一部は、前記触媒としてリン酸チタニア化合物が含有された樹脂製部材で形成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。
前記触媒が、酸化チタンであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記導入部及び前記感圧室において、前記被測定媒体と接触する壁面の少なくとも一部は、前記触媒として酸化チタンが含有された樹脂製部材で形成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。
前記樹脂製部材が、前記酸化チタンの光触媒効果を発揮させる波長の光が透過する材料で構成さ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。
前記導入部及び前記感圧室において、前記被測定媒体と接触する壁面の少なくとも一部に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
前記被測定媒体は、内燃機関への吸入混合気あるいは内燃機関からの排気ガスであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧力センサ。