JP2014038056A - 湿度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な湿度検出装置を提供すること。
【解決手段】電子回路基板１上に相対湿度検出部と温度検出部とを一体で備えた湿度検出素子４を実装した湿度検出装置において、電子回路基板は、湿度検出素子が実装されている面と相対するもう一方の面に複数の加熱ヒーター６が実装されていることを特徴とする。加熱ヒーターは、湿度検出素子を挟むように実装され、又湿度検出素子に対して空気の流れの上流および下流側に実装されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気の湿度計測に好適な検出装置に関する。

従来、基板上に高分子からなるセンサ素子を形成し、この素子の静電容量値の変化から雰囲気の湿度を測定する高分子電気容量式の湿度センサがある。この湿度センサは低湿度まで検出することが可能であり、比較的精度も良く、低コストであるため、雰囲気湿度の検出センサとして、民生用から工業用の計測器まで広範囲において使用されている。自動車産業では、例えば、湿度センサの結露抑制を目的に加熱部を備える湿度センサの例が特許文献１に示されている。

特開２００６−２３４５７６号公報

現在、電子制御燃料噴射システムを用いた自動車が一般化しており、低排出ガスや低燃費等の更なる改善を目的として数多くのセンサが使用されている。その中の一つに湿度検出装置がある。この湿度検出装置は、通常、温度検出機能と相対湿度検出機能を有し、絶対湿度の検出に用いられている。この絶対湿度検出には相対湿度を検出する湿度検出素子部の温度を的確に計測することが必要であり、例えば、温度環境が異なるその他の温度センサからの信号を用いて絶対湿度を求めると大きな誤差を持ってしまう。

一方で内燃機関に使用されるセンサはより苛酷な環境下にあると言え、特に湿度計測においては湿度や温度の急変に伴う結露が問題となる。一度結露が起きると湿度検出素子が濡れてしまい、その水分が乾燥するまでの間は誤差を含んでしまい、より正確な湿度検出を行うことが困難な課題がある。この結露への対策には、特許文献１が示すようにセンサの近傍に加熱部（ヒーター）を備えることが考えられる。

しかし、このヒーターにより湿度検出装置を構成する温度検出素子と湿度検出素子とを同時に加熱すると、双方の素子の過渡応答時間の相違により、各検出素子の温度が上昇している間は、絶対湿度換算値に誤差が生じてしまう。これは加熱効率を上げすぎるとより顕著に現れる問題であり、結露防止の為に単純に加熱のためのヒーターを設置すれば良いということではなく、ヒーターの加熱により結露を防止しつつ、絶対湿度換算に影響が出ないように加熱する必要がある。特許文献１にはこの点については考慮されておらず改善の余地が残されている。

本発明の目的は、高精度な湿度検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の湿度検出装置は、電子回路基板上に相対湿度検出部と温度検出部とを一体で備えた湿度検出素子を実装した湿度検出装置において、前記電子回路基板は、前記湿度検出素子が実装されている面と相対するもう一方の面に複数の加熱ヒーターが実装されていることを特徴とする。

本発明によれば、高精度な湿度検出装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施例を示す上面とおよび側面 本発明のその他の一実施例を示す上面とおよび側面 本発明のその他の一実施例を示す上面図及びＡ−Ａ断面図 本発明のその他の一実施例を示す断面図 本発明を内燃機関の電子制御に利用した一実施例を示す断面図

本発明の具体的な構成例について図１を用いて説明する。

ガラスエポキシを素材とする電子回路基板１のある一面に、相対湿度検出部２と温度検出部３とを樹脂モールドパッケージを介して一体で備えた湿度検出素子４をはんだ付けで実装している。この湿度検出素子４を実装している面と相対する面上には、その他電子回路構成部品５や、チップ抵抗を利用した加熱用ヒーター６が複数実装されている。加熱用ヒーター６は湿度検出素子４の特に相対湿度検出部２に生じる結露を予め防止し、万が一結露に至った際にも短時間で乾燥させる為に実装している。もし相対湿度検出部２に結露が生じると、その水分が乾燥するまでの間は正しく湿度を検出することが困難な可能性がある。

以上は湿度検出装置を構成する一部の部品として機能するものであり、外部から電源をもらい、湿度検出素子４や回路を駆動して空気の物理量を検出、外部機器へ出力することができる。これらを内燃機関の制御へ用いる絶対湿度計として利用する場合には、相対湿度検出部２からの相対湿度信号と、温度検出部３からの温度信号に加え、湿度検出素子４が実装されている周囲の絶対圧力を計測し、演算により求める。

湿度検出素子４が相対湿度検出部２と温度検出部３を一体で備えている理由は、精度良く絶対湿度を検出する為であり、例えば相対湿度を計測している点と温度を計測している点のとの間に温度差がある場合は、その温度差分が絶対湿度へ換算した時の誤差となる。しかし湿度検出素子４が相対湿度検出部２と温度検出部３とを一体で備えているが故に、この湿度検出素子４の周囲を結露防止の為に加熱用ヒーター６で加熱すると、特に起動時の昇温中に絶対湿度への換算に誤差を生じる場合がある。

これは、相対湿度検出部２と温度検出部３との間に熱変動に対する応答速度に違いがある為であり、相対湿度検出部２と温度検出部３それぞれの検出物理量で評価する場合には問題とはならないが、それらを使用して逐次絶対湿度換算を行うと、その応答速度の差が誤差として表れてくる。特に相対湿度検出部２と温度検出部３との間により大きな熱応答速度がある場合、また、加熱用ヒーター６により短時間で加熱しようとするとこの現象はより顕著に現れる。

この熱応答性の差による絶対湿度換算誤差を低減する為には装置の起動時の昇温を緩やかにすると効果的であり、その為、図１の構成では、基板の表面と裏面に湿度検出素子４と加熱用ヒーター６の実装を分け、加熱用ヒーター６が供給する熱エネルギーが電子回路基板１を介して緩やかに伝わるように構成している。これにより熱応答性の差による絶対湿度換算誤差を低減でき高精度な湿度計測を可能とする。

次にその他の一実施例について図２を用いて説明する。

図１の構成に対し、湿度検出素子４を挟むような位置に加熱用ヒーター６を２つ実装している。加熱用ヒーター６を湿度検出素子４が実装される位置とほぼ同じ位置で、裏面に実装すると加熱効率を最大と出来るが、熱応答差による絶対湿度検算誤差が生じる可能性が高まる。この場合には、図２のような加熱用ヒーター６の実装方法が良く、加熱用ヒーター６の実装数も減らすことが出来る。なお、実際の湿度検出素子４と加熱用ヒーター６の距離は、使用する基板の材質や厚み等にも依存する為、それぞれの構成に応じて最適な位置を選択すると良い。これにより熱応答性の差による絶対湿度換算誤差を低減でき高精度な湿度計測を可能とする。

図３は本発明を湿度検出装置へ適用した一実施例を示す平面図及びＡ−Ａ断面図である。

図２に示した構成を、湿度検出装置７へ適用した例であり、湿度検出素子４、その他電子回路構成部品５、加熱用ヒーター６を実装した電子回路基板１を、コネクタ端子８、コネクタ９を一体で備えたハウジング部材１０へ実装し、電子回路基板１とコネクタ端子８をワイヤボンディング部材１１で接続することで外部との入出力ができるようにした。また、ワイヤボンディング部材１１が配置される側をカバー部材１２にて密閉し、電子回路を保護している。この時、ハウジング部材１０には予め湿度検出孔１３を形成し、湿度検出素子４のみが外部の空気に直接触れるようにする。

湿度検出装置７は装着する場所を流れる空気の流れ方向に対して加熱用ヒーター６が湿度検出素子４の上下流に位置するように装着する。特に内燃機関の吸入空気が流れる吸気管に本装置を適用する場合には、順方向の流れ以外に、エンジンの吸気脈動に起因する逆方向の流れに対しても同様な計測性能が必要であり、上下流共に均等に加熱をしておくと良い。これにより熱応答性の差による絶対湿度換算誤差を低減でき高精度な湿度検出装置を可能とする。

図４は本発明を湿度検出装置へ適用したその他の一実施例を示す断面図である。

図３の構成に対し、カバー部材１２を使用せずに、エポキシ注型剤１４にて電子回路基板１の表面をコーティングした。加熱用ヒーター６の実装位置を湿度検出素子４が実装される面と反対側の面としても、熱応答速度の差による絶対湿度換算誤差が現れる場合には、図４のようにエポキシ注型剤１４を注入し、加熱用ヒーター６からの熱エネルギーをエポキシ注型剤１４へ逃がす構造とすると良い。この構成は、特に加熱用ヒーター６による最終到達温度を高くしたいが起動直後の加熱はより緩やかにしたいという際に有効な手段となる。これにより熱応答性の差による絶対湿度換算誤差をさらに低減でき高精度な湿度計測を可能とする。

最後に図５を使い電子燃料噴射方式の内燃機関に湿度検出装置７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、湿度検出装置７が挿入される吸気管１５，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。湿度検出装置７から出力される空気物理量信号、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 電子回路基板
２ 相対湿度検出部
３ 温度検出部
４ 湿度検出素子
５ その他電子回路構成部品
６ 加熱用ヒーター
７ 湿度検出装置
１４ エポキシ注型剤

Claims (5)

1. 電子回路基板上に相対湿度検出部と温度検出部とを一体で備えた湿度検出素子を実装した湿度検出装置において、
   前記電子回路基板は、前記湿度検出素子が実装されている面と相対するもう一方の面に複数の加熱ヒーターが実装されていることを特徴とする湿度検出装置。
2. 請求項１に記載の湿度検出装置において、
   前記加熱ヒーターは、前記湿度検出素子を挟むように実装されていることを特徴とする湿度検出装置。
3. 請求項２に記載の湿度検出装置において、
   前記加熱ヒーターは、前記湿度検出素子に対して空気の流れの上流および下流側に実装されていることを特徴とする湿度検出装置。
4. 請求項２または３に記載の湿度検出装置において、
   前記加熱ヒーターは、全体がコーティング部材で覆われていることを特徴とする湿度検出装置。
5. 請求項４に記載の湿度検出装置において、
   前記コーティング部材は、エポキシ樹脂であることを特徴とする湿度検出装置。