JP6207904B2 - 温湿度測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気中に含まれる水分量を測定する温湿度測定装置に係り、特に、自動車分野で燃機関の燃焼室に連結する吸気管に挿入される温湿度測定装置に関するものである。

自動車分野では、内燃機関の燃焼室に連結する吸気管内を流れる空気の質量流量、温度、圧力といった物理量の計測に多くのセンサが使用されており、一般的にこれら物理量測定装置は、吸気管内で計測する場合、センサ、回路等を保護する目的で筐体を備えている。

また、自動車分野においては燃費、ＣＯ２、排気ガス規制は年々厳しくなっており、将来の内燃機関制御では規制達成のために新たな制御手法が検討されている。その中で、各種制御に使用されるセンサは多種多様となっている。その中で、内燃機関の燃焼室に連結する吸気管の空気、温度、圧力測定に加えて絶対湿度の物理量計測の検討が進んでいる。

本技術分野の背景技術として特許文献１がある。

特許第４２１０１２２号

内燃機関に使用される物理量測定装置は、センサの製造ばらつきに起因する計測安定性、エンジン等の共振振動に対する耐振動性、外部環境からのダスト、塵、オイル等に対する耐汚損性、エンジン出力に起因する低圧力損失等々の各種性能が求められ、構造的または電気的にさまざまな対策が必要となる。

耐振動性に対する対策として、吸気管に挿入される物理量測定装置は主に筐体構造で対策がなされることが多い。一般的に筐体には安価な樹脂材料が使用されるのが、樹脂材料は剛性が弱く、肉厚としなければエンジン等の共振振動に耐えることが不可能である。しかし、樹脂材料を使用した場合、物理量測定装置の筐体の長さ及び厚さの設定により、樹脂成形後に、厚さに起因した熱ヒケ、長さに起因するそり等が発生する。

物理量測定装置の筐体厚さを大きくとると、成形後に筐体を形成する金型内の樹脂の表面温度と樹脂内部中心の温度の差ができ筺体表面がへこむ熱ヒケが発生し、筺体の強度低下に繋がる。

計測安定性または耐振動性に対する対策として、例えば吸気管に挿入される質量流量測定装置は、筺体部の先端に位置する副通路内に流量センサを配置するため、吸気管に流れる空気の最も流速が早い部分（中心付近）に、吸気管内を流れる空気の一部を取込む副通路を配置するのが好ましく、筺体長さを十分にとる必要がある。しかし、筺体を長くすると筺体部の厚肉部、薄肉部との間で成形後の収縮率が異なるためそりが発生し、成形後の筺体部の形状変化により計測安定性の悪化または耐振動性の悪化に繋がる。吸気管内に挿入される物理量測定装置は、筺体長さは各種性能を最適にする条件で設定されるが比較的長く設定されるのが一般的である。そのため、筺体部はエンジン等の共振振動に注意が必要となる。

上記のように、熱ヒケやそりが発生した場合、物理量測定装置の耐振動性や計測安定性等を悪化させる原因となる。そのため、物理量測定装置の筐体の構成、材料、寸法など、さまざまな要素を検討する必要がある。

上記課題に対して、特許文献１では流量測定装置の筐体構造について述べており、「流体管路に取り付けるための発熱抵抗体式流量測定装置の支持部に補強用の金属板を入れ、剛性の高い部材を介して前記ハウジングを前記流体管路に固定することで、支持部をプラスチックのみで同じ厚みの構成として固定する場合に比べ、剛性を上げることができ、共振周波数を向上することができる。本発明の好ましい実施態様によれば、支持部はプラスチック、金属板の二層構造、あるいは、プラスチック、金属板、プラスチックの三層構造からなっている。」と記載されている。また、筺体の構成としては、金属ベース、カバー、前記補強用の金属板を入れたハウジングの３部品で構成されており、コスト面で改善の余地がある。

そこで、本発明では耐振性および低圧力損失を両立する温湿度測定装置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、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空気の温度と相対湿度を検出する温湿度センサと、前記温湿度センサの信号出力を処理する制御回路と、前記温湿度センサおよび前記制御回路の信号出力を電気的に接続する回路基板と、前記温湿度センサおよび前記制御回路を保護する筐体を備えた温湿度測定装置において、前記筺体は吸気管または専用ボディ内に露出され、前記筺体は、前記回路基板が配置される回路室を構成し、前記筐体は、ハウジングとカバーで構成され、前記ハウジングおよび前記カバーは、樹脂材料で形成されており、前記ハウジングはエンジン制御装置と接続するためのコネクタを有し、前記ハウジング内部に吸気管への挿入方向に延びた金属部材が配置され、前記金属部材の終端の固定部は、前記回路基板の裏側に配置された構成を有する。

本発明によれば、耐振性および低圧力損失を両立する温湿度測定装置を提供することが可能となる。

吸気管または専用ボディに挿入された温湿度測定装置の縦断面図である。 図１における温湿度測定装置の傾斜図である。 ハウジング内部に配置されるコネクタターミナルの図である。 図２における温湿度測定装置の構成例を示す分解図である。 図４におけるコネクタターミナルの実施例２を示す図である。

以下、本発明の実施例について図１〜５を用いて説明する。

本実施例では、温湿度測定を行う装置の例を説明する。
図１は、本実施例の湿度測定装置を吸気管上流より見た縦断面図である。図２は、本実施例の温湿度測定装置の傾斜図である。

内燃機関の燃焼室に連結する吸気管または専用ボディ４０に挿入される温湿度測定装置は、通常エアクリーナ（図１には記載していない）下流部に配置され、エアクリーナを通過した清浄な空気の温度および湿度を測定する。吸気管または専用ボディ４０は、温湿度測定装置を挿入する開口部を有しており、温湿度測定装置の筺体の支持部１１へ固定される。温湿度測定装置と吸気管または専用ボディ４０が固定される際、温湿度測定装置に設けられたガスケット３３により、吸気管内を流れる空気の漏れまたは外部からの汚損物（塵、ダスト、水）等の進入を防止している。

ここでエアクリーナとは、空気中の塵・ダスト等を濾過するフィルタエレメントを有し、清浄な空気を吸気管内へ取込むために内燃機関に連結される吸気管最上流部に設置される。

図１および図２に示すように、ハウジング１２とカバー１３の２部品で構成される吸気管または専用ボディ４０内に露出される温湿度測定装置の筺体部において、前記筺体部は回路基板３１を配置するための回路室１５と、吸気管内を流れる空気の一部を取込む第１副通路１４Ｂと、第１副通路１４Ｂを流れる空気の一部を取込む第２副通路１４Ａとを備える。 ハウジング１２は、エンジン制御装置のハーネスと勘合するためのコネクタ１０形状と、吸気管または専用ボディ４０に固定される支持部１１と、吸気管または専用ボディ４０と支持部１１が金属ねじなどで固定される際の補強用として金属ブッシュ１６と、金属材料で形成されたコネクタターミナル２３と、吸気管を流れる空気の一部を取込む第１副通路１４Ａと、第２副通路Ｂを形成するための内壁形状とを備える。一般的に、ハウジング１２を形成する材料としては安価な樹脂材が使用される。ここで、第２副通路１４Ａは、第１副通路１４Ｂを流れる空気の一部を取込み迂回させる役割をもち、第１副通路１４Ｂと通じる開口部１４Ｃを備える。

コネクタ１０の形状および方向は、エンジン制御装置のハーネスおよびエンジンルーム内の設計により多種多様である。図１に示すコネクタ１０の形状および方向（ハウジング１２に対して９０°曲げられた方向）は、その1例である。金属ブッシュ１６は、ハウジング１２を樹脂材料で成形する際、インサート成形される。樹脂材よりも剛性の強い金属ブッシュを使用することで、ねじ締付け時に発生する応力による樹脂材料のクリープ変形を抑制することが可能となる。

図３は、ハウジング１２内に配置されるコネクタターミナル２３の傾斜図を示しており、エンジン制御装置側のハーネスと電気的に接続されるコネクタピン２０と、回路基板３１と金属ワイヤ３２を介して電気的に接続されるターミナル２１とハウジング１２内部に保持される固定部２２を有し一体形成されるコネクタターミナルにおいて、前記コネクタターミナル２３は、ハウジング１２の樹脂成形時にインサート成形される。本実施例では、コネクタターミナル２３は、コネクタピン２０から固定部２２まで３本の板形状で構成される。但し、コネクタピン２０は、温湿度測定装置の異なる電気信号（例えば、温湿度センサ３０の出力信号、電源、グラウンド等）とＥＣＵへ伝送するために設けられ、ＥＣＵ側の仕様により前記コネクタピン２０の本数は異なり、その限りではない。

ここで、本発明の一形態となるコネクタターミナル２３の配置構成について図１〜図４を用いて詳細に述べる。吸気管内に露出する筐体部分は、吸気管内を流れる空気の抵抗（言い換えると圧力損失）となるそのため、極力筐体部を薄肉化することが好ましい。しかし、樹脂材料で形成される筐体部を薄肉化することで、エンジンによる共振振動等への耐振性が悪化する懸念がある。そのため、図１に示すように、樹脂材で成形されるハウジング２３内に樹脂材よりも剛性の強い金属で形成された板状のコネクタターミナル２３がインサート成形される。コネクタターミナル２３の先端であるコネクタピン２３、金属ワイヤをボンディングするためのターミナル２１は、ハウジング１２外部に露出するように配置される。図３に示すハウジング１２の終端固定部２２は、ハウジング１２の成形金型内に配置する際または成形中にコネクタターミナル２３の位置ずれを防止するため保持可能な形状を有し、ハウジング１２成形後切断される。ハウジング１２の終端固定部２２は、ハウジング１２内に形成される回路室１５の中央に配置される。言い換えると、ハウジング１２の支持部１１より挿入方向に十分な長さを有した金属部材のコネクタターミナル２３を配置することで、ハウジング１２の剛性を補強することが可能となる。同時に、樹脂材、金属部材、樹脂材の３層構造とすることでハウジング１２を薄肉化することが可能となる。振動の際、温湿度測定装置の筐体が左右に振られるため最も負荷がかかる部分は、図１に示すハウジング１２の支持部１１に近く、吸気管または専用ボディ４０に露出し、外部に拘束されていない箇所４１または４２となる。そのため、例えば吸気管内に露出するハウジング１２の外部に拘束されない箇所４１を厚肉化（３ｍｍ以上）することで耐振動性を向上させることが可能である。しかし、厚肉化により圧力損失が増加する懸念がある。そこで、本実施例では、ハウジング１２に剛性の強い金属部材のコネクタターミナル２３をインサート成形することで、振動時ハウジング１２に負荷がかかる箇所４１は、樹脂材、金属部材、樹脂材３層構造となり、厚さおよそ３ｍｍの設定が可能となる。（一般的に、熱ヒケ、そりを抑制できる理想的な樹脂厚さは１ｍｍ〜３ｍｍである。）
以下は温湿度測定装置を構成するその他部品の構成を図１〜図７を使用し説明する。

図１、図２、図４に示すように、温湿度測定装置の筐体を構成する樹脂材料で形成されるカバー１３において、前記カバー１３は、外周にハウジング１２と勘合するための内壁形状と、吸気管または専用ボディ４０を流れる空気の一部を取込む第１副通路１４Ｂと、第１副通路１４Ｂを流れる空気の一部を取込む第２副通路１４Ａを形成するための内壁形状を有する。また、カバー１３は、温湿度測定装置の筐体部内に配置される回路基板３１、温湿度センサ、金属ワイヤ３２を外部からの汚損物（塵、ダスト、水等）から保護するためハウジング１２と勘合し、接着固定される。

回路基板３１は、ハウジング１２で形成された回路室１５内に配置され温湿度センサ３０と、制御回路（たとえばマイクロプロセッサ３３）とを備え、温湿度センサ３０の出力信号を制御回路を介してＥＣＵへ伝送する役割を備える。マイクロプロセッサ３３を含む制御回路は、ＥＣＵで処理可能な電気信号へ変換する等の役割を持つ。

温湿度センサは、回路基板３１の上に配置され、第２副通路１４Ａに流れる空気の温度に応じて出力信号を出す温度センサと、第２副通路１４Ａに流れる空気の相対湿度に応じて出力信号を出す相対湿度センサとを備える。
以上のように、吸気管内に挿入される温湿度測定装置の筐体をハウジング１２とカバー１３で構成し、前記ハウジング１２と剛性の強い金属部材（コネクタターミナル２３）をインサート成形することで、成形後ハウジング１２に発生する熱ヒケ及びそり量を低減でき、ハウジング１２の薄肉化を可能とし、耐振動性および低圧力損失を両立した温湿度測定装置を提供するものである。

本実施例では、ハウジング１２内に配置されるコネクタターミナル２３の一部を金属板とした湿度測定装置の例を説明する。湿度測定装置の構成は、実施例１で説明されたものと同一とする。そのため、既に説明した図１〜図４に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
図５は、実施例１におけるコネクタターミナル２３のうちターミナル２１以下を金属板とした例である。

コネクタターミナル２３のうちターミナル２１と固定部２２の間を金属板とすることで、実施例１よりもさらに剛性の強い筐体を提供できる。

１０ コネクタ
１１ ハウジング支持部
１２ ハウジング
１３ カバー
１４Ａ 第１副通路
１４Ｂ 第２副通路
１５ 回路室
１６ 金属ブッシュ
２０ コネクタピン
２１ ターミナル
２２ 終端固定部
２３ コネクタターミナル
２４ 金属板
３０ 温湿度センサ
３１ 回路基板
３２ 金属ワイヤ
３３ マイクロプロセッサ
３４ ガスケット
４０ 吸気管ダクトまたは専用ボディ
４１ 振動時ハウジングに負荷のかかる箇所
４２ 振動時カバーに負荷のかかる箇所

Claims (6)

1. 空気の温度と相対湿度を検出する温湿度センサと、前記温湿度センサの信号出力を処理する制御回路と、前記温湿度センサおよび前記制御回路の信号出力を電気的に接続する回路基板と、前記温湿度センサおよび前記制御回路を保護する筐体を備えた温湿度測定装置において、
   前記筺体は吸気管または専用ボディ内に露出され、
   前記筺体は、前記回路基板が配置される回路室を構成し、
   前記筐体は、ハウジングとカバーで構成され、
   前記ハウジングおよび前記カバーは、樹脂材料で形成されており、
   前記ハウジングはエンジン制御装置と接続するためのコネクタを有し、
   前記ハウジング内部に吸気管への挿入方向に延びた金属部材が配置され、
   前記金属部材の終端の固定部は、前記回路基板の裏側に配置されたことを特徴とする温湿度測定装置。
2. 請求項１記載の温湿度測定装置において、
   前記金属部材は、エンジン制御装置と温湿度測定装置を電気的に接続するコネクタピンを兼ねることを特徴とする温湿度測定装置。
3. 請求項1記載の温湿度測定装置において、
   前記金属部材は、前記回路基板と金属ワイヤで電気的に接続されるターミナルを形成することを特徴とする温湿度測定装置。
4. 請求項２または請求項３記載の温湿度測定装置において、
   前記コネクタピンおよび前記ターミナルは、複数毎の板形状からなり、前記金属部材の終端の固定部で連結されることを特徴とする温湿度測定装置。
5. 請求項４記載の温湿度測定装置において、
   前記複数毎の板形状は、前記ターミナルから前記金属部材の終端の固定部までは一枚の板形状を形成することを特徴とする温湿度測定装置。
6. 請求項４または請求項５記載の温湿度測定装置において、
   前記金属部材の終端の固定部は、前記回路室中央部にインサート成形されることを特徴とする温湿度測定装置。