JP2012083119A

JP2012083119A - センサの構造

Info

Publication number: JP2012083119A
Application number: JP2010227131A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Saito; 孝行斉藤; Chihiro Kobayashi; 千尋小林
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-26
Also published as: EP2439499A1; US20120085324A1; CN102538867A; CN102538867B

Abstract

【課題】耐汚損性と湿度応答性などの計測性能を両立するセンサの構造を提供する。また、様々な物理量の検出装置の一体化が容易な多機能型センサを提供する。
【解決手段】外部との入出力を行うコネクタ５と、前記コネクタの端子部材６とを備えたハウジング部材７と、前記ハウジング部材の内部に搭載された湿度検出素子８を備えた電子回路基板９と、を有し、前記コネクタ端子部材と前記電子回路基板が電気的に接続されており、前記ハウジング部材に設けられたシール部材１１を介して主空気が流れる吸気管１に挿入して取り付けられるセンサの構造において、前記ハウジング部材は、前記ハウジング部材の内部と前記吸気管内部とを連通する複数の連通通路１３を備え、前記複数の連通通路は、前記吸気管を流れる前記主空気流れの流れ方向に対してオフセットして配置され、かつ、前記吸気管の内壁面付近に開口部を有する。
【選択図】図１（ｂ）

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に係り、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。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。

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の例が、例えば、特許文献１に記載されている。

特開２０１０−０４３８８３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。

そのため、これら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、吸入空気が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による大きな圧力損失が望まれないが故に、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、これら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、同時に湿度センサは汚損への感度が高いセンサでもある。

吸入空気湿度を計測する上で、湿度センサの計測精度や計測応答性を向上させるためには湿度センサ部を空気の流れの中に直接晒すと良い。しかし、例えば特許文献１に開示されているように、空気の取り込み口付近に吸気管の中で主となる空気の流れが存在し、その流れの一部を湿度センサ部へ導入するような構成であると、空気中に浮遊する汚損物質も一緒に取り込む可能性が高い。よって本発明における一つ目の課題は、空気の流れが存在しない箇所に湿度センサ部への空気取り込み口を設けながらも、湿度センサ部には必要な空気流を発生させるところにある。

二つ目の課題は、各種センサの一体化構造による性能や構造的な干渉を防ぐことである。特許文献１に開示されているように、例えば空気流量計が持つ副通路と湿度センサが持つ副通路を接続するような構成にすると、空気の分流や合流により空気流量計へ供給すべき空気の流れが乱れたり、供給すべき空気の量にばらつきが生じたりする。構造的にも副通路同士の接続部に例えばモールド成型時のバリ等が残っていると、空気の量や乱れ方が不均一になり、双方のセンサの計測精度にばらつきが生じる。

三つ目の課題は、作り易さや一体構造の実現性を向上させるところにある。特許文献１に示されたように、例えば湿度センサ部へ続く空気導入通路を長く構成すると、汚損物質は届き難くなるが、寸法安定性などの作り難さが課題となってくる。

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐汚損性に優れ、高精度で高品質，一体化が容易で且つ作りやすいセンサの構造を提供することである。

上記課題に対応するため以下の手段を講じる。

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部材と、前記ハウジング部材の内部に搭載された湿度検出素子を備えた電子回路基板と、を有し、前記コネクタ端子部材と前記電子回路基板が電気的に接続されており、前記ハウジング部材に設けられたシール部材を介して主空気が流れる吸気管に挿入して取り付けられるセンサの構造において、前記ハウジング部材は、前記ハウジング部材の内部と前記吸気管内部とを連通する複数の連通通路を備え、前記複数の連通通路は、前記吸気管を流れる前記主空気流れの流れ方向に対してオフセットして配置され、かつ、前記吸気管の内壁面付近に開口部を有する。これにより、センサの検出素子が吸入空気の取り込み口から極力遠い位置に配置され、空気中のゴミが届き難いように構成する。

水や汚損物質からの保護性能と、湿度応答性などの計測性能を両立させたセンサの構造を提供し、汚損環境に感度の高いセンサ素子を吸気系のセンサとして使用することができる。そのため、これまで難しかった、ディーゼルエンジンシステム内での吸入空気湿度の計測等が可能になる。また、自動車用として性能や品質に優れる、様々な物理量の検出装置の一体化が容易であり、１つのセンサ構造体から同時に検出，出力可能な多機能型センサを提供することができる。

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。図３（ａ）断面図。本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図。本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。図５（ａ）のＣ−Ｃ断面図。本発明の他の一実施例を示すセンサ構造図。図６（ａ）のＤ−Ｄ断面図。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７（ａ）のＥ−Ｅ断面図。多機能センサとして構成した他の一実施例を示すセンサ構造図。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を示す図。

本発明の一実施例について図１を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の一実施例を示すセンサ構造図を示したものであり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図を示した図である。

主通路１を構成する吸気管路構成部材２には、その一部にセンサの挿入口３が設けられており、シール部材１１を介して温湿度検出装置４を挿入口３へ取り付ける。

温湿度検出装置４は、コネクタ５及びコネクタ端子６を一体化したハウジング部材７を基礎に、温湿度検出素子８を実装した温湿度検出用電子回路基板９を内装し、カバー部材１２で蓋をする。コネクタ端子６と温湿度検出用電子回路基板９はボンディング部材１０によって電気的に接続された構成であり、コネクタ５を介して外部との入出力を行う。

ハウジング部材７には、ハウジング部材７の内部空間と主通路１を連通する連通通路１３が空気の流れ方向の上流側に１箇所、下流側に１箇所それぞれオフセット配置されている。これは、主通路１を流れる空気による管路摩擦で発生する上下流の圧力差を利用し、主通路１に流れる空気の一部を連通通路１３を介してハウジング部材７内部へ取り込み、温湿度検出素子８の周囲に空気流を発生させるために設けている。

温湿度検出素子８周囲に空気流が発生すれば温湿度検出応答性や計測精度を向上させることができる。尚、２箇所設けた連通通路１３の間に発生する圧力差は大きければ大きいほど温湿度検出素子８周囲に流れる空気の量が増加し、計測には有利に作用する。例えばハウジング部材７から繋がる構造体の一部を主通路１内部へ突出させたり、２つある連通通路１３の間に圧力調整用突起４０を設けて圧力差の発生を促す構造を設けたりすることで圧力差をより大きくすることが可能である。

また、空気中に浮遊する汚損物質や水滴などは主通路１を流れる流速の高い主流中に乗って流れてくる。そのため、本実施例では、連通通路１３が開口するのは流速が限りなくゼロに近い主通路１の内壁面付近とした。そのため、空気中に浮遊する汚損物質や水滴などは慣性の効果で主通路１内部をそのまま直線的に通過していき、圧力差で空気流を発生させる連通通路１３部分へ空気中に浮遊する汚損物質や水滴などが流入することがない。このような構成により、空気は流すが汚損物質は取り込まないという、耐汚損性能と計測性能の両立を可能としている。

図２は温湿度検出装置４の断面図である。

主通路１を流れる空気の管路摩擦で起きる上下流の圧力差を利用して連通通路１３を介してハウジング部材７の内部空間、即ち、温湿度検出素子８部周囲へ空気を流すため、ハウジング部材７には、ハウジング部材７の内部空間と主通路１を連通する連通通路１３が空気の流れ方向で見て上流側に１箇所、下流側に１箇所それぞれオフセット配置されている。この構成においては空気の流れ方向で見て、上流側に設置される連通通路１３が湿度計測のために空気を取り込む空気導入通路１４となり、下流側に設置される連通通路１３が温湿度計測後の空気をハウジング部材７内部から排出するための空気排出通路１５となる。

図３は温湿度検出装置４の正面図及び連通通路１３部の断面図である。

温湿度検出素子８部周囲へ空気を流すため、ハウジング部材７には空気導入通路１４と空気排出通路１５が設けられ、空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７はそれぞれ主通路１の内壁面に近い高さで開口する。空気導入通路１４と空気排出通路１５は吸気管路構成部材２の外壁面よりも更に外側へ伸び、ハウジング部材７の内部へ連通するため、温湿度検出のための空気が吸気管路構成部材２の外壁面よりも外側をバイパスするように流れるという構造的な特徴を持っている。この構成により空気導入通路入口１６から温湿度検出素子８までの距離を長く確保できるので耐汚損性が向上する。

図４（ａ）は温湿度検出装置４の正面図であり、図４（ｂ）はそのＢ−Ｂ断面図である。

空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７は主通路１内の空気の流れ方向に対して垂直な方向に開口している。この構成により主通路１を流れる空気中に浮遊する汚損物質や空気と共に飛散してくる水滴などに対して慣性の効果を最大限に作用させることができ、ハウジング部材７の内部へそれら汚損物質や水滴を取り込み難くなる。以上の構成により、耐汚損性能と計測性能の両立が可能となる。

次に、耐汚損性向上のための他の一実施例について図５を用いて説明する。図５（ａ）は本実施例における温湿度検出装置４の上面図であり、図５（ｂ）はそのＣ−Ｃ断面図である。

主通路１を構成する吸気管路構成部材２には、その一部にセンサの挿入口３が設けられており、シール部材１１を介して温湿度検出装置４を挿入口３へ取り付ける。本実施例では、温湿度検出装置４の更なる耐汚損性向上のため、空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７をシール部材１１と主通路１の内壁面の間で開口するように設けている。この構成であれば、空気の流れが無い領域に空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７を開口できるので、主通路１を流れる空気中に浮遊する汚損物質や空気と共に飛散してくる水滴などを更に取り込み難くなり、これらに起因する温湿度検出素子８の汚損の問題が無くなる。また、この構成を適用する場合には、例えばハウジング部材７の一部構造体を主通路１内部へ突出させ、圧力調整用突起４０として機能させると、構造体周囲の流れの作用で空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７の間の圧力差が大きくできる。この構成により応答性など計測性能も併せて向上できる。

次に、耐汚損性向上のためのさらなる他の一実施例について図６を用いて説明する。図６（ａ）は本実施例における温湿度検出装置４の上面図であり、図６（ｂ）はそのＤ−Ｄ断面図である。

本実施例では、ハウジング部材７の中に隔壁１８を設け、空気導入通路１４と空気排出通路１５がハウジング部材７の内部で拡大管１９となるように構成した。特に主通路１から空気導入通路１４を介して取り込まれた空気に、例えば煤のような微小汚損物質が含まれている場合は拡大管の作用でハウジング部材７へ侵入した直後に空気流を乱し、汚損物質を拡大管の中で拡散させ、ハウジング部材７を構成している樹脂壁面などに微小汚損物質を付着させることができる。また隔壁１８を設けておくことで万が一水や多量の汚損物質がハウジング部材７内部へ侵入した場合においても、それら水や汚損物質が温湿度検出素子８や温湿度検出用電子回路基板９へ流れ込まないようにダムのような役目を果たす。この構成により、さらに耐汚損性能と計測性能が優れた温湿度検出装置４を実現する。

次に、本発明の温湿度検出装置４と空気流量計と一体化した多機能センサ２０の一実施例について図７を用いて説明する。図７（ａ）は多機能センサ２０のセンサ構造図であり、図７（ｂ）はそのＥ−Ｅ断面図である。

多機能センサ２０はコネクタ５及びコネクタ端子６を一体化したハウジング部材７を基礎に、温湿度検出素子８を実装した温湿度検出用電子回路基板９を内装し、カバー部材１２で蓋をしてなる。コネクタ端子６と温湿度検出用電子回路基板９はボンディング部材１０によって電気的に接続された構成であり、コネクタ５を介して外部との入出力を行う。

ハウジング部材７には、ハウジング部材７の内部空間と主通路１を連通する空気導入通路１４と空気排出通路１５が設けられ、空気の流れ方向の上流側に１箇所、下流側に１箇所それぞれオフセット配置される。また、空気導入通路１４と空気排出通路１５の出入り口となる空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７をシール部材１１と主通路１の内壁面の間で開口するように設けられており、主通路１を流れる空気中に浮遊する汚損物質や空気と共に飛散してくる水滴などを取り込み難くしている。

これら湿度検出機能を構成する各部材の主通路１側先端部に空気流量計２１を一体化した。構造の基礎となるハウジング部材７を主通路１内部方向へ延長し、空気流量計用電子回路基板２２を保持するベース部材２３及び空気流量計用カバー部材２４により空気流量計の回路ケース領域を構成する。またハウジング部材７は流量検出素子２５を保持する流量検出素子用ターミナル部材２６を一体で構成し、流量検出素子２５は、副通路構成部材２７にて構成される空気流量計用副通路２８の内部に実装される。流量検出素子２５と空気流量計用電子回路基板２２、及び空気流量計用電子回路基板２２とコネクタ端子６の電気的接続はボンディング部材１０により行い、コネクタ５を経由して外部と温湿度信号及び空気流量信号の入出力を行う。この構成によると、空気流量計２１の構造と温湿度検出装置４の構造が互いに干渉せず、容易にセンサの多機能化を実現できる。またこの時、空気流量計２１自体が圧力調整用突起４０として機能するため、構造体周囲の流れの作用で空気導入通路入口１６と空気排出通路出口１７の間の圧力差を大きくでき、温湿度検出素子８への空気の供給に有利な構造となる。本構成により応答性，計測性能を併せて向上させることができる。

次に、本発明の温湿度検出装置４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の一実施例について図８を用いて説明する。

ハウジング部材７とカバー部材１２で構成される湿度検出領域内に更に圧力検出装置２９を一体で構成し、更にハウジング部材７には、ハウジング部材７の内部空間と主通路１を連通する空気導入通路１４と空気排出通路１５に加え、空気導入通路１４と空気排出通路１５の間に圧力導入孔３０を設けた。更に、これら湿度検出機能及び圧力検出機能を構成する各部材の主通路１側先端部に空気流量計２１を一体化する。ハウジング部材７は流量検出素子２５や温度補償用抵抗体３１を保持する流量検出素子用ターミナル部材２６を一体で構成し、流量検出素子２５及び温度補償用抵抗体３１は、空気流量計用副通路２８の内部に実装される。即ち、空気導入通路１４と空気排出通路１５が構成する温湿度検出用流路と空気流量計用副通路２８、更には圧力導入孔３０までが構造的に干渉の無いように分離，別体で配置されている。この構成により、空気流量計２１の構造と温湿度検出装置４、更には圧力検出装置２９までの構造が互いに干渉せず、各機能の有無までを含めたセンサへの機能追加及び削除要求に対してフレキシブルに対応可能な多機能センサ２０が提供できる。

最後に図９を使い電子燃料噴射方式の内燃機関に本発明の多機能センサ２０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、多機能センサ２０が挿入される吸気管路構成部材２，吸気ダクト５３，スロットルボディ５４及び燃料が供給されるインジェクタ５５を備えたインテークマニホールド５６を経て、エンジンシリンダ５７に吸入される。一方、エンジンシリンダ５７で発生したガス５８は排気マニホールド５９を経て排出される。

多機能センサ２０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６０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５９に設けられた酸素濃度計６２から出力される酸素濃度信号及び、エンジン回転速度計６３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６４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５５やスロットルバルブ６１を制御する。

１主通路
２吸気管路構成部材
３センサの挿入口
４温湿度検出装置
５コネクタ
６コネクタ端子
７ハウジング部材
８温湿度検出素子
９温湿度検出用電子回路基板
１０ボンディング部材
１１シール部材
１２カバー部材
１３連通通路
１４空気導入通路
１５空気排出通路
１６空気導入通路入口
１７空気排出通路出口
１８隔壁
１９拡大管
２０多機能センサ
２１空気流量計
２２空気流量計用電子回路基板
２３ベース部材
２４空気流量計用カバー部材
２５流量検出素子
２６流量検出素子用ターミナル部材
２７副通路構成部材
２８空気流量計用副通路
２９圧力検出装置
３０圧力導入孔
３１温度補償用抵抗体
４０圧力調整用突起
５０エアクリーナ
５１吸入空気
５２ボディ
５３吸気ダクト
５４スロットルボディ
５５インジェクタ
５６インテークマニホールド
５７エンジンシリンダ
５８ガス
５９排気マニホールド
６０スロットル角度センサ
６１スロットルバルブ
６２酸素濃度計
６３エンジン回転速度計
６４コントロールユニット

Claims

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部材と、前記ハウジング部材の内部に搭載され湿度検出素子を備えた電子回路基板と、を有し、前記コネクタ端子部材と前記電子回路基板が電気的に接続されており、前記ハウジング部材に設けられたシール部材を介して主空気が流れる吸気管に挿入して取り付けられるセンサの構造において、
前記ハウジング部材は、前記ハウジング部材の内部と前記吸気管内部とを連通する複数の連通通路を備え、
前記複数の連通通路は、前記吸気管を流れる前記主空気流れの流れ方向に対してオフセットして配置され、かつ、前記吸気管の内壁面付近に開口部を有することを特徴とするセンサの構造。
請求項１に記載のセンサの構造において、
前記複数の連通通路との間に突起状の構造体が設けられていることを特徴とするセンサの構造。
請求項１に記載のセンサの構造において、
前記複数の連通通路のうち少なくとも１つは、湿度計測のために前記ハウジング内部に空気を取り込む空気導入通路であり、その他の前記複数の連通通路のうち少なくとも１つは、前記取り込んだ空気を前記吸気管内部へ排出するための空気排出通路であり、前記湿度検出素子は、前記ハウジング内部の前記取り込んだ空気が通過する場所に設けられ、前記取り込んだ空気は前記温度検出素子を通過した後に前記空気排出されることを特徴とするセンサの構造。
請求項３に記載のセンサの構造において、
前記空気導入通路から前記空気排出通路までの経路が、前記吸気管の外壁面よりも外側を通過することを特徴とするセンサの構造。
請求項１に記載のセンサの構造において、
前記開口部は、前記主空気の流れ方向に対して垂直な方向に開口していることを特徴とするセンサの構造。
請求項１に記載のセンサの構造において、
前記ハウジング部材の一部が前記吸気管の内部へ突出するように設置され、前記開口部は、前記吸気管の内壁面と前記シール部材の間の開口していることを特徴とするセンサの構造。
請求項１から請求項６のいずれかに記載のセンサの構造において、
前記複数の連通通路の通路断面積は、前記湿度検出素子の搭載場所近傍で拡大していることを特徴とするセンサの構造。
請求項１から請求項７のいずれかに記載したセンサの構造において、
前記ハウジング部材の前記湿度検出素子よりも前記吸気管の挿入方向下側に、前記吸気管の内部を流れる空気量を検出するための空気流量検出素子と、前記空気流量検出素子と電気的に接続された空気流量計用電子回路基板と、を配置し、前記空気流量検出素子および前記湿度検出素子から得られる空気流量信号および湿度信号を前記コネクタを介して外部へ入出力可能としたことを特徴とするセンサの構造。
請求項８に記載したセンサの構造において、
前記空気流量検出素子は、前記主空気の一部を取り込む副通路内に設置され、
前記副通路内を流れる流量検出用の空気流の経路と、前記複数の連通通路内を流れる湿度検出用の空気流の経路とがそれぞれ分離独立して設けられていることを特徴とするセンサの構造。
請求項１から９のいずれかに記載のセンサの構造を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。