JP2021139622A - 物理量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空気の流れに伴うノイズの影響により、高精度な湿度測定ができない課題があった。【解決手段】第１計測室５Ａには、空気導入管３から空気が積極的に流入し、第１計測室５Ａ内の上下方向に縦渦が発生する。また、第１計測室５Ａ内の水平方向には横渦が発生する。一方、第２計測室４Ａは、ガスの濃度差によりガスが空間内に拡がる現象を利用して、空気を第２計測室４Ａ内に導入する。このため、第２計測室４Ａ内に配置された湿度センサ４は、第１計測室５Ａで発生した縦渦や横渦の影響を受けない。【選択図】図２

Description

本発明は、物理量計測装置に関する。

自動車では、電子制御燃料噴射システムが採用され、エンジンルーム内には様々な物理量を計測する物理量計測装置が配置されている。エンジンルーム内に配置されるセンサの一つに湿度センサがある。この湿度センサは燃料制御のためのセンサとして利用されている。

自動車用等の内燃機関においては、低燃費化を図るために、吸入空気の流量、温度、及び圧力に加え、湿度の環境状態を高精度に計測することが求められており、自動車用内燃機関で湿度を測定する場合、高い検出精度および高い応答性が要求される。

特許文献１に記載の湿度センサは、吸入空気の流れる吸気路に配置され、この吸気路を流れる吸入空気の湿度に応じた信号を発生する。吸気路は流路断面積を減少させる絞りを有し、湿度センサはこの絞りに配置されている。特許文献１の湿度センサは、絞りに湿度センサを配置することで、吸入空気の流速を増加させ、湿度センサの近傍において吸入空気が滞留するのを抑制し、湿度センサの応答性を高めている。

特開２０１５−２３２５１４号公報

特許文献１では、湿度センサ近傍の吸入空気の流速を増加させているため、空気の流れが湿度センサの検出信号に対するノイズとして影響する可能性がある。このため、空気の流れに伴うノイズの影響により、高精度な湿度測定ができない課題があった。

本発明による物理量計測装置は、被計測媒体を導入する導入管と、圧力センサが搭載される第１の計測室と、湿度センサが搭載される第２の計測室と、を備え、前記導入管と前記第１の計測室が連通し、前記第１の計測室と前記第２の計測室とが連通し、前記第２の計測室は、前記導入管の開口からオフセットして配置されている物理量計測装置において、前記第１の計測室よりも前記第２の計測室の容積が小さく、かつ、前記第１の計測室と前記第２の計測室との間には、前記圧力センサと前記湿度センサの搭載間垂直方向において両側に段差が形成されている。

本発明によれば、空気の流れに伴うノイズの影響を少なくして、高精度な湿度測定を行うことが可能になる。

物理量計測装置の上面図である。 物理量計測装置の断面図である。 物理量計測装置を吸気管へ取付けた状態の断面図である。 （ａ）（ｂ）物理量計測装置の部分拡大図である。 変形例における物理量計測装置の上面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、本発明に係る物理量計測装置１を内燃機関の吸気システムに適用した例について説明するが、内燃機関の吸気システムに限らず適用することができる。

図１は、物理量計測装置１の上面図である。この図１は、内部の構成を分かり易くする為に、湿度センサと圧力センサが搭載された面を示す。図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す断面図である。以下の説明において、上下方向は図２における図面上の上下方向を基準にしており、物理量計測装置１が実装された状態における上下方向とは必ずしも一致しない。

物理量計測装置１は、図１に示すように、ハウジング１Ａの第１計測室５Ａに圧力センサ５を、ハウジング１Ａの第２計測室４Ａに湿度センサ４を内包している。

図２に示すように、ハウジング１Ａは、計測部収容空間１３を有する樹脂製の部材である。計測部収容空間１３には、湿度センサ４および圧力センサ５を搭載した基板１０が収容されている。湿度センサ４と圧力センサ５は基板１０の同一面上に実装されており、湿度センサ４は第２計測室４Ａに、圧力センサ５は第１計測室５Ａに設けられる。

基板１０の上面は、回路部品が配置される回路室１５であり、回路室１５はセンサカバー１６で覆われる。ハウジング１Ａには、ハウジング１Ａの本体を形成する樹脂により、コネクタ部９が一体に形成されている。コネクタ部９の内側空間には、回路室１５から複数の接続端子９ａが突き出している。すなわち、接続端子９ａはハウジング１Ａの内側空間（回路室１５空間）から外側に突出するように設けられている。接続端子９ａは基板１０を介して湿度センサ４や圧力センサ５に電気的に接続され、湿度センサ４や圧力センサ５への電源供給や湿度センサ４や圧力センサ５からの検出信号の取り出しを可能にする。

計測部収容空間１３は、第１計測室５Ａと第２計測室４Ａとが連通する構成であり、第１計測室５Ａに圧力センサ５が、第２計測室４Ａに湿度センサ４が配置されている。

物理量計測装置１は、吸気管１１の管壁に固定されるが（図３参照）、吸気管１１の管壁に固定される側を基端側又は固定側と呼び、基端側から吸気管１１の内側に形成される吸気管内１２の空気通路（空気流路）に挿入される側を先端側と呼ぶ。物理量計測装置１の第１計測室５Ａ、圧力センサ５、第２計測室４Ａ、湿度センサ４は基端側に配置され、温度センサ１４、導入部材２は先端側に配置される。

ハウジング１Ａには、計測部収容空間１３から先端側に向かって延設された空気導入管３が形成されている。空気導入管３の基端側の端部は基板１０であり、基板１０が空気導入管３の内側に形成される空気通路を塞ぐ構成になっている。すなわち、空気導入管３は基板１０平面（基板１０の実装面）に対して垂直方向に設けられている。空気導入管３の先端側の内部中央には、基板１０平面に対して垂直方向に導入部材２が設けられている。さらに、導入部材２の先端には温度センサ１４が設けられている。導入部材２および温度センサ１４はハウジング１Ａに固定されている。

図３は、物理量計測装置１を吸気管１１へ取付けた状態の断面図である。この図を参照して、吸気管１１を流れる空気を物理量計測装置１の計測部収容空間１３に導入する仕組みについて説明する。

導入部材２は、空気導入管３の先端側に配置され、吸気管１１を流れる空気は導入部材２に当たり、片開口部３ａもしくは片開口部３ｂから第１計測室５Ａまで空気を積極的に入れ換える。すなわち、片開口部３ａもしくは片開口部３ｂの周方向における全周（３６０°）において、導入部材２に当たった空気が、空気導入管３から第１計測室５Ａへ導入される。そのため、吸気管１１を流れる空気の流れの方向に依らずに、空気を導入することが可能である。

空気導入管３内の空気は、片開口部３ａ側（先端側）から基板１０側（基端側）に向かう導入の流れと、基板１０側（基端側）から片開口部３ｂ側（先端側）に向かう排出の流れがある。もしくは、片開口部３ｂ側（先端側）から基板１０側（基端側）に向かう導入の流れと、基板１０側（基端側）から片開口部３ａ側（先端側）に向かう排出の流れがある。このため、空気導入管３の部分はガス交換部７ａとして機能する。ガス交換部７ａでは空気の入れ替えがスムーズに行われ、基板１０の近傍の空気はスムーズに入れ替わる。

本実施形態では、空気導入管３と第１計測室５Ａが連通し、第１計測室５Ａと第２計測室４Ａとが連通し、図２に示すように、空気導入管３の中心Ｓ１と第２計測室４Ａの中心Ｓ２は距離Ｔだけ離れた位置に配置される。すなわち、第２計測室４Ａは、空気導入管３の開口からオフセットして配置される。このため、第１計測室５Ａには、空気導入管３から空気が積極的に流入し、第１計測室５Ａ内の上下方向に縦渦が発生する。また、第１計測室５Ａ内の水平方向には横渦が発生する。一方、第２計測室４Ａは、以下に詳細に述べる構成にしているので、ガスの濃度差（本実施形態では空気の湿度差）によりガスが空間内に拡がる現象を利用して、空気を第２計測室４Ａ内に導入する。このため、第２計測室４Ａ内に配置された湿度センサ４は、第１計測室５Ａで発生した縦渦や横渦の影響を受けない。

図４（ａ）（ｂ）は物理量計測装置１の部分拡大図であり、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は断面図である。第２計測室４Ａは、その容積を第１計測室５Ａの容積より小さくしている。すなわち、図４（ａ）に示すように、第１計測室５Ａの幅をβ、第２計測室４Ａの幅をα、圧力センサ５の幅をγとすると、第２計測室４Ａの幅αは第１計測室５Ａの幅βより狭く構成し、基板１０平面に対して水平方向に第１計測室５Ａと第２計測室４Ａとの間に段差を形成する壁を設けている。段差は、圧力センサ５と湿度センサ４の搭載間垂直方向、すなわち圧力センサ５から湿度センサ４へ向かう方向に対して垂直な方向において、両側に同一形状で設けられる。この段差により形成されたハウジング１Ａの壁により、第１計測室５Ａで発生した横渦が第２計測室４Ａへ伝わるのを防止している。段差の大きさはα/β≦７/１０かつα≦γの関係が成り立つ構成であることが好ましい。

さらに、図４（ｂ）に示すように、基板１０平面に対して垂直方向（上下方向）に第１計測室５Ａと第２計測室４Ａとの間に段差を形成する壁を設けている。これにより、第１計測室５Ａから第２計測室４Ａの連通付近で空気の流速を抑えることができる。このようにした上で、湿度センサ４を第２計測室４Ａの奥に空気導入管３から離れて配置することで、第１計測室５Ａと第２計測室４Ａの連通部から先の湿度センサ４の近傍部までは、ガスの濃度差（本実施形態では空気の湿度差）によりガスが空間内に拡がる現象を利用して空気を導入する。すなわち、湿度センサ４近傍では、空気の流れによる湿度信号へのノイズの少ない高精度な湿度測定を実現している。なお、壁はハウジング１Ａで成形されることが好ましいが、その他の部材で成形されても同様の効果が得られる。しかしハウジング１Ａで成形することで型成時に第１計測室５Ａと第２計測室４Ａが成形されることから製造が複雑にならず、製造コストに優位である。

図４（ｂ）に示すように、第２計測室４Ａの高さをＴ、圧力センサ５の高さをＰとするとＴ≦Ｐ/２の関係が成り立つ構成であることが好ましい。

（変形例）
図５は、変形例における物理量計測装置の上面図である。この例では、第１計測室５Ａと第２計測室４Ａの連通部分の基板１０平面の水平方向に設けられた段差をＲ形状部２ｆにしている。その他の構成は上述した実施形態と同様である。
Ｒ形状部２ｆは、第１計測室５Ａから第２計測室４Ａとの連通部までなめらかなＲ形状で結ばれており、より空気の流れを整流させることができ、Ｒ形状部を両側に均等に配置することにより、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

近年の自動車のエンジンルームは、小型化や高機能化に伴う搭載部品の増大により、搭載レイアウトの制約が多くなってきている。このため湿度センサには、取付け方向の制約が少なく、自由な方向に取付けられる湿度センサであることが望まれる。本実施形態では、第２計測室４Ａに空気を導入する空気導入管３に対する空気の流入向が限定された場合においても、物理量計測装置１の取付け方向が限定されない。すなわち、湿度センサの取付け方向は、空気の流れの方向に依存しない。従って、本実施形態の湿度センサは、取付け方向に対する制約が少なく、自動車のエンジンルームに配置するのに適している。

なお、本実施形態では、湿度センサ４として、測定媒体に曝された発熱体の放熱量により、測定媒体の熱伝導の変化を測定することで湿度を検出する熱式の湿度検出素子を例に示すが、容量式の湿度検出素子を用いてもよい。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）物理量計測装置１は、被計測媒体を導入する空気導入管３と、圧力センサ５が搭載される第１計測室５Ａと、湿度センサ４が搭載される第２計測室４Ａと、を備え、空気導入管３と第１計測室５Ａが連通し、第１計測室５Ａと第２計測室４Ａとが連通し、第２計測室４Ａは、空気導入管３の開口からオフセットして配置されている物理量計測装置１であって、第１計測室５Ａよりも第２計測室４Ａの容積が小さく、かつ、第１計測室５Ａと第２計測室４Ａとの間には、圧力センサ５と湿度センサ４の搭載間垂直方向において両側に段差が形成されている。これにより、空気の流れに伴うノイズの影響を少なくして、高精度な湿度測定を行うことが可能になる。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１…物理量計測装置、１Ａ…ハウジング、２…導入部材、２ｆ…Ｒ形状部、３…空気導入管、３ａ…片開口部、３ｂ…片開口部、４…湿度センサ、４Ａ…第２計測室、５…圧力センサ、５Ａ…第１計測室、７ａ…ガス交換部、９…コネクタ部、９ａ…接続端子、１０…基板、１１…吸気管、１２…吸気管内、１３…計測部収容空間、１５…回路室、１６…センサカバー

Claims (9)

1. 被計測媒体を導入する導入管と、圧力センサが搭載される第１の計測室と、湿度センサが搭載される第２の計測室と、を備え、前記導入管と前記第１の計測室が連通し、前記第１の計測室と前記第２の計測室とが連通し、前記第２の計測室は、前記導入管の開口からオフセットして配置されている物理量計測装置において、
   前記第１の計測室よりも前記第２の計測室の容積が小さく、かつ、前記第１の計測室と前記第２の計測室との間には、前記圧力センサと前記湿度センサの搭載間垂直方向において両側に段差が形成されている物理量計測装置。
2. 前記第２の計測室の高さをＴ、前記圧力センサの高さをＰとするとＴ≦Ｐ/２の関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の物理量計測装置。
3. 前記段差は、同一形状であることを特徴とする請求項１に記載の物理量計測装置。
4. 前記段差はＲ形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の物理量計測装置。
5. 前記段差の大きさは前記第１の計測室の幅をβ、前記第２の計測室の幅をα、前記圧力センサの前記αと平行方向の幅をγとするとα/β≦７/１０かつα≦γの関係が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の物理量計測装置。
6. 前記圧力センサと、前記湿度センサは、同一の基板に実装されていることを特徴とする請求項１に記載の物理量計測装置。
7. 前記導入管は、前記基板の実装面に対して垂直方向に設けられ、前記第２の計測室は、前記導入管から水平方向に所定距離離れて配置されていることを特徴とする請求項６に記載の物理量計測装置。
8. 前記導入管の内部中央には、前記基板の実装面に対して垂直方向に導入部材が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の物理量計測装置。
9. 前記第１の計測室と前記第２の計測室との間に前記基板の実装面に対して垂直方向に段差を形成したことを特徴とする請求項６に記載の物理量計測装置。

Images