JPWO2015151947A1 - 湿度検出装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、結露防止の処理負荷を低減し、信頼性の高い湿度検出装置を提供することにある。上記目的を達成するために、本発明の湿度検出装置は、湿度検出部と温度検出部を有する湿度センサと、前記湿度センサを加熱する発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体の加熱温度を制御する加熱制御部と、を備える湿度検出装置において、温度と湿度に応じてあらかじめ定められた発熱抵抗体の目標温度を格納する目標温度格納部を有することを特徴とする。

Description

本発明は、自動車の内燃機関の吸気系に取り付けられる湿度検出装置に関する。

従来、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いるが、この場合エンジンルーム内の内部には様々なセンサや制御機器が配置されている。その中の一つに湿度検出装置がある。湿度検出装置は近年、燃料制御用途への利用実績がでてきているが、従来は主に車室内の空調管理などに用いられてきた。車室内への用途には苛酷な環境を想定した耐久性などへの要求はなく、エンジン制御用として、例えば前記の吸入空気流量測定装置やその他のセンサなどと一体化して使用する場合には、吸入空気流量測定装置と等価な耐環境性能が要求される。

特に湿度検出装置が嫌う環境は検出素子部の結露などに端を発する湿度検出部の水滴付着などがあり、空気中の水分が飽和点（相対湿度１００％）に達すると結露が発生する。結露が発生する温度を露点と呼ぶが、湿度センサが結露すると、湿度の変化に対する検出応答性に著しい遅れが生じ、湿度の計測精度自体にも悪影響を及ぼす。さらには、湿度検出装置が機能を失ってしまうおそれがある。湿度検出部が結露した場合には、最大湿度あるいは最小湿度を示す信号値を出力し、検出素子部が乾燥するまでは湿度検出装置としての機能を一時的に失う。結果、湿度検出装置が機能を失っている期間中エンジン制御システムに対して悪影響を及ぼす。特に車両吸気管内等の雰囲気が急激に変化する環境下で、高分子静電容量式の湿度センサを用いると、この問題は顕著であり、これらに対する明確な技術的課題が必須となる。

このような結露対策がなされた湿度検出装置の例として特許文献１がある。特許文献１には、露点温度を求め、センサ温度が露点に対し一定の温度差を持つような温度に湿度検出部を加熱する加熱手段を備えることにより湿度検出部の結露を防止していることが開示されている。

特開２００１−２８１１８２

露点温度を求める計算式は多項式であるため、その都度露点温度を算出するとマイクロプロセッサの処理負荷が大きくなってしまう。自動車の内燃機関の吸気系は、内燃機関からの熱影響により高温状態に曝されるため、湿度検出装置のマイクロプロセッサの処理負荷を低減することが求められる。また、高性能化、多機能化に伴い、マイクロプロセッサが行う処理が増加する傾向にあり、マイクロプロセッサにおける結露防止の制御の処理負荷低減が望まれる。特許文献１は、上述の課題について検討の余地を残している。

本発明の目的は、結露防止の処理負荷を低減し、信頼性の高い湿度検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の湿度検出装置は、湿度検出部と、温度検出部と、を備える湿度センサと、前記湿度検出部を加熱する発熱部と、前記発熱部の加熱温度を制御する加熱温度制御部と、を備える湿度検出装置において、前記湿度センサの検出情報である温度並びに湿度に応じてあらかじめ定められた前記発熱部の目標温度を複数格納する目標温度格納部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、結露防止の処理負荷を低減し、信頼性の高い湿度検出装置を提供することができる。

本発明の一実施例による湿度センサの傾斜図である。 本発明の一実施例による湿度センサの構成図である。 本発明の一実施例による湿度センサの加熱制御装置のブロック図である。 本発明の一実施例による発熱抵抗体加熱目標温度値検索手段を示すブロック図である。 本発明の一実施例による湿度センサの加熱制御装置のフロー図である。 本発明の一実施例による発熱抵抗体通電・非通電境界線を示すブロック図である。 本発明の一実施例による温度・湿度の制御目標領域を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

本発明の第一実施例について、図１から図５を用いて説明する。

図１および図２に示すように、吸気管或いは専用ボディ（図示せず）に取り付けられる湿度検出装置は、ハウジング３とカバー２とハウジング３に搭載される電子回路基板２３を有する。マイクロプロセッサ２６、湿度センサ２４、発熱抵抗体２４は回路基板２３に搭載される。

ハウジング３は、エンジン制御装置のハーネスと嵌合するためのコネクタ１と、吸気管或いは専用ボディに固定されるハウジング支持部４と、吸気管或いは専用ボディとハウジング支持部４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５を有する。

ハウジング３は吸気管内を流れる空気の一部を取り込む副通路を構成する副通路構成溝を有しており、カバー２との協働により副通路を構成する。副通路は、吸気管を流れる空気の一部を取り込む第一副通路２１と、第一副通路から第二副通路２２への流入通路２０Ａと第二副通路２２から第一副通路２１への流入通路２０Ｂを有している。湿度センサ２４並びに発熱抵抗体２５は第二副通路２２内に配置され、湿度センサ２４により吸気管を流れる空気の湿度を検出する。第一副通路２１をバイパスするように設けられた、言い換えると第一副通路２１から分岐するように設けられた第二副通路２２に湿度センサ２４を配置し、汚損物が第二副通路内に侵入しにくい構成としているため、湿度センサへ汚損物が飛来することを抑制することができる。

次に、湿度センサ２４の結露対策について、図３から図５を用いて説明する。図３は、湿度センサ２４を加熱する発熱抵抗体２６の加熱温度制御装置３０のブロック図である。

図３に示すように、加熱温度制御装置３０は、湿度センサ２４、マイクロプロセッサ２６、発熱抵抗体２５を有する。湿度センサ２４は湿度検出機能の他に温度検出機能を有しており、湿度センサ２４で検出した温度情報並びに湿度情報は、湿度センサ制御用の信号線３１Ｂを用いてマイクロプロセッサ２６に伝えられる。マイクロプロセッサ２６は、湿度センサ２４からの検出信号を処理する湿度センサ信号処理回路４３、湿度センサ２４からの検出信号から目標温度ＴＴを検索する目標温度検索手段４０、目標温度検索手段４０により検索された目標温度ＴＴに基づいて発熱抵抗体２５の加熱温度を制御する発熱体制御手段２６を有する。発熱抵抗体制御手段は、検索された目標温度ＴＴとなるように発熱抵抗体の加熱温度を制御する。ここで、発熱抵抗体の加熱温度は、図示しない電源供給手段からの供給電圧を図示しないスイッチ回路のＯＮ／ＯＦＦ制御することにより制御される。電源供給手段とスイッチ回路をマイクロプロセッサ２６と別体として構成してもよく
、また一体に構成してもよい。マイクロプロセッサ２６は、この温度情報と湿度情報を元に発熱抵抗体制御用の信号線３１Ａを用いて発熱抵抗体を制御する。

図４に示すように、温度ｔｓ、湿度Ｈｓに対応する目標温度ＴＴがマップデータとしてマイクロプロセッサ２６の目標温度格納手段４１に格納されている。言い換えると、湿度検出装置は目標温度ＴＴをマップデータとして保存しているメモリを有している。計測状態、言い換えると検索条件である湿度センサ２４で検出された温度ｔｓと湿度Ｈｓは、湿度センサ制御用の信号線３１Ｂを用いてマイクロプロセッサ２６に伝えられ、この検索条件に対応する目標温度を目標温度検索手段４０がマップデータから検索する。ここで、目標温度ＴＴは予め計算された値である。

以下に目標温度ＴＴの計算例を示す。

ｅ：露点温度における飽和水蒸気圧［Ｐａ］、ｅｓ：飽和水蒸気圧［Ｐａ］、ｌｎ：自
然対数（自然指数ｅを底とする対数ｌｏｇｅｘ）、Ｔ：絶対温度［ｋ］＝（ｔ℃＋２７３
．１５）とすると、相対湿度の計算式は式１で示される。
Ｕ［ＲＨ％］ ＝ ｅ／ｅｓ ×１００ ・・・（式１）

水の飽和水蒸気圧（ｅｗ）を求める計算式は式２で示される。
ｌｎ（ｅｗ） ［Ｐａ］＝ −６０９６．９３８５×Ｔ^-1＋２１．２４０９６４２
−２．７１１１９３×１０^-2×Ｔ
＋１．６７３９５２×１０^-5×Ｔ²
＋２．４３３５０２×ｌｎ（Ｔ）・・・（式２）

飽和水蒸気圧から露点温度を算出する計算式は次の通りである。
ｙ ＝ ｌｎ（ｅ／６１１．２１３） ・・・（式３）
ｙ≧０のとき
ＴＤＰ［℃］ ＝ １３．７１５×ｙ
＋８．４２６２×１０−１×ｙ²
＋１．９０４８×１０^-2×ｙ³ ＋７．８１５
８×１０^-3×ｙ⁴・・・（式４）
ｙ＜０のとき
ＴＤＰ［℃］ ＝ １３．７２０４×ｙ＋７．３６６３１×１０^-1×ｙ²
＋３．３２１３６×１０^-2×ｙ³
＋７．７８５９１×１０^-4×ｙ⁴ ・・・（式５）

発熱抵抗体加熱目標温度値ＴＴを求めるまでの流れを以下に示す。

露点温度Ｔ_DP［℃］を求めるまでの計算の流れの一例として、湿度センサで計測された計測温度をｔｓ［℃］、計測湿度をＨｓ［ｒｈ％］とする。

計測温度ｔｓより飽和水蒸気圧ｅｓを求める。
式２より、
ｅｓ ＝ ＥＸＰ＾（−６０９６．９３８５×（ｔｓ＋２７３．１５）^-1
＋２１．２４０９６４２
−２．７１１１９３×１０^-2×（ｔｓ＋２７３．１５）
＋１．６７３９５２×１０^-5×（ｔｓ＋２７３．１５）²
＋２．４３３５０２×ｌｎ（ｔｓ＋２７３．１５）） ・・・（式６）
計測湿度 Ｈｓ ＝ Ｕ であるので、式１、式６より
ｅ ＝ Ｕ／１００ × ｅｓ
＝Ｈｓ／１００×ＥＸＰ＾（−６０９６．９３８５×（ｔｓ＋２７３．１５）^-1＋２１．２４０９６４２
−２．７１１１９３×１０^-2×（ｔｓ＋２７３．１５）
＋１．６７３９５２×１０^-5×（ｔｓ＋２７３．１５）² ＋２
．４３３５０２×ｌｎ（ｔｓ＋２７３．１５））・・・（式７）
式３より、
ｙ ＝ ｌｎ（ｅ／６１１．２１３）
＝ ｌｎ（Ｈｓ／１００×ＥＸＰ＾（−６０９６．９３８５×（ｔｓ＋２７３．１５）^-1 ＋２１．２４０９６４２−２．７１１１９３×１０^-2×（ｔｓ＋２７３
．１５）
＋１．６７３９５２×１０^-5×（ｔｓ＋２７３．１５）² ＋２．４３３
５０２×ｌｎ（ｔｓ＋２７３．１５））／６１１．２３）・・・（
式８）
式８で求められたｙの値によって
ｙ≧０の時には式４
ｙ＜０の時には式５に代入して露点温度Ｔ_DP［℃］を算出する。

目標温度ＴＴ［℃］を求めるまでの計算は、まず露点温度までの余裕温度 ＴＴ_DP［℃
］を予め設定しておき、
ｔｓ − Ｔ_DP ≧ ＴＴ_DP 発熱抵抗体制御なし
ｔｓ − Ｔ_DP ＜ ＴＴ_DP 発熱抵抗体制御あり
と判定し、図４で示した湿度センサ２４で計測した温度ｔｓと湿度Ｈｓの計測値から発熱抵抗体加熱目標温度値は、
ＴＴ ＝ ＴＴ_DP ＋ Ｔ_DPと計算の上、導き出される。

本発明の第一実施例では、マイクロプロセッサ２６は、各温度並びに各湿度において上記の計算式で求められた発熱抵抗体加熱目標温度値ＴＴをマップデータとして目標温度格納手段４１にあらかじめ格納しており、目標温度検索手段４０により格納された目標温度値の中から計測状態における目標温度を検索する構成としている。

従来は、結露対策のためにこの計算処理をマイクロプロセッサに毎回行わせていたため
、マイクロプロセッサの処理負荷が大きくなる課題があったが、本実施例では、露点温度の演算をマイクロプロセッサ２６で処理しておらず、あらかじめ格納された発熱抵抗体加熱目標温度ＴＴを計測状態で検索する構成としているため、マイクロプロセッサ２６での演算処理負荷を低減させることが可能となる。

さらに、本発明の第一実施例では、湿度センサ２４に内蔵された温度センサ２７により
、目標温度を検索するための被測定雰囲気の温度を測定している。言い換えると温度検出部を有する湿度センサ２４により、目標温度を検索するための被測定雰囲気の温度を測定している構成としている。本発明の第一実施例によると、被測定雰囲気の湿度を測定している湿度センサ２４により被測定雰囲気の温度も検出しているため、結露状態を回避したい湿度センサ２４近傍の被測定雰囲気の温度を精度よく、かつ応答性がよく測定することができる。

特に、自動車の内燃機関の吸入空気の湿度を検出する湿度測定装置の場合、吸入空気の状態が刻一刻と変化する状況下で、湿度検出と並行して結露を防止する制御を行う必要がある。本発明の第一実施例によれば湿度センサ２４近傍の測定雰囲気の状態を精度よく、かつ応答性よく測定することができるため、このような場合においても湿度検出と並行して結露を防止する制御を行うことができる。

また、従来のように露点温度をその都度求めるためには、湿度検出部を加熱する前の正確な空気温度を計測する必要があるため、湿度検出部に設けられた温度センサとは別に湿度検出部の加熱影響が少ない箇所に専用の空気温度センサを設ける必要がある。すなわち
、空気温度センサをセンサハウジング内に配置しなければならず、センサハウジングが大型化して吸気管内の圧力損失増加、回路スペースの制限などが発生し、ひいては性能低下やコストアップが生じるおそれがある。本実施例によれば、湿度センサの温度を用いて発熱抵抗体を制御することにより追加の温度センサ無しに、従来の同一環境で使用される湿度センサよりも結露に起因する計測精度の悪化を、低コストで達成できる。

本発明の第二実施例について、図６を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。

本発明の第二実施例では、計測温度ｔｓと露点温度Ｔ_DPの差が余裕温度ＴＴ_DP以上、言
い換えると計測温度ｔｓが目標温度ＴＴ以上である場合に発熱抵抗体制御を行わない構成としている。具体的には、計測状態が低温高湿状態（ｔｓ_1、Ｈｓ₁）のときは、目標温度
ＴＴ₁≧計測温度tｓ₁となり、計測温度ｔｓ₁が計測状態に対応する加熱目標温度値ＴＴ₁
になるまで発熱抵抗体に通電される。この加熱制御により温度上昇かつ湿度が下がると、
計測状態が発熱抵抗体加熱境界線５０を越え、例えば計測状態（ｔｓ_2、Ｈｓ₂）となり、
目標温度ＴＴ₂≦計測温度tｓ₂となる。この場合、非通電として発熱抵抗体制御を行わな
いようにする。ここで、発熱抵抗加熱境界線５０を越えた目標温度ＴＴは、加熱対象の耐熱温度以下に設定される。

露点温度よりも湿度検出部を高い温度に加熱すれば結露は防ぐことはできる。しかし、単純に抵抗体に電流を流しておくだけでは高温環境ではさらに湿度検出部を加熱してしまうため、加熱対象の耐熱温度以上への加熱やオーバーヒート、高温による極端な低湿状態となり計測精度が悪化してしまう課題がある。本発明の第二実施例によれば、加熱対象の耐熱温度未満となるよう発熱抵抗体の加熱温度制御をしているため、オーバーヒートや極端な低湿状態を回避することが可能となり、計測精度の悪化を抑制することができる。

本発明の第三実施例について図７を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。

本発明の第三実施例では、結露するリスクの高い低温高湿度領域では、余裕温度ＴＴ_DPを大きな値とし、加熱量を増加することで結露するリスクを低減している。一方で、結露するリスクの低い領域では余裕温度ＴＴ_DPを小さな値とし、消費電力を低減している。

本発明の第四実施例について図７を用いて説明する。なお、第一実施例と同様の構成については説明を省略する。

上記に加え加熱する目標温度を混合比と目標とする相対湿度から求めた値とすることで
、あらかじめ到達する温度・相対湿度が予測でき湿度センサ固有に存在する精度や応答性の良い温・湿度領域へ推移させることが可能になり、従来方法の結果と全く同様の結果が低コストで得られる。

１・・・・コネクタ
２・・・・カバー
３・・・・ハウジング
４・・・・ハウジング支持部
５・・・・金属ブッシュ
２０Ａ・・流入通路
２０Ｂ・・流入通路
２１・・・第一副通路
２２・・・第二副通路
２３・・・電子回路基板
２４・・・湿度センサ
２５・・・発熱抵抗体
２６・・・マイクロプロセッサ
２７・・・温度センサ
３０・・・加熱制御装置
３１Ａ・・信号線
３１Ｂ・・信号線
４０・・・目標温度検索手段
４１・・・目標温度格納手段
４２・・・発熱抵抗体制御手段
４３・・・温度センサ信号処理回路
５０・・・発熱抵抗体通電・非通電境界線
５１・・・目標温度データ
ＴＴ_DP・・余裕温度
Ｔ_DP・・・露点温度
ＴＴ・・・目標温度
ｔｓ・・・計測温度
Ｈｓ・・・計測湿度
ＴＴ₁・・・目標温度
ｔｓ₁・・・計測温度
Ｈｓ₁・・・計測湿度
ＴＴ₂・・・目標温度
ｔｓ₂・・・計測温度
Ｈｓ₂・・・計測湿度

Claims (10)

1. 湿度検出部と、温度検出部と、を備える湿度センサと、
   前記湿度検出部を加熱する発熱部と、
   前記発熱部の加熱温度を制御する加熱温度制御部と、を備える湿度検出装置において、
   前記湿度センサの検出情報である温度並びに湿度に応じてあらかじめ定められた前記発熱部の目標温度を複数格納する目標温度格納部と、を備えることを特徴とする湿度検出装置。
2. 前記目標温度格納部は、前記複数の目標温度をマップデータとして格納していることを特徴とする請求項１に記載の湿度検出装置。
3. 前記湿度センサで検出した温度並びに湿度情報に対応する目標温度を前記目標温度格納部から検索する検索手段と、を有し、
   前記加熱制御部は、検索された目標温度となるように発熱抵抗体の加熱温度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の湿度検出装置。
4. 前記目標温度は、検索するときに用いられる湿度と温度から求まる露点温度よりも所定値以上となるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の湿度検出装置。
5. 検出温度が目標温度よりも低い場合には発熱抵抗体を通電し、検出温度が目標温度よりも高い場合には発熱抵抗体を通電しないことを特徴とする請求項３に記載の湿度検出装置
   。
6. 前記目標温度は、加熱対象の耐熱温度以下であることを特徴とした請求項４に記載の湿度検出装置。
7. 前記所定値は、前記露点温度が低温になるほど大きな値とすることを特徴とする請求項４に記載の湿度検出装置。
8. 前記目標温度は、そのときの混合比と目標とする相対湿度から求めた値であることを特徴とした請求項１に記載の湿度検出装置。
9. 前記目標温度格納部と前記検索手段を有するマイクロプロセッサを備えることを特徴とする請求項３に記載の湿度検出装置。
10. 前記加熱制御部は、前記マイクロプロセッサに設けられていることを特徴とする請求項９に記載の湿度検出装置。

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