WO2013061740A1 - 湿度検出装置 - Google Patents

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丈夫 細川
斉藤　孝行
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    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow

Definitions

  • the present invention relates to a detection device, and more particularly to a detection device suitable for measuring the temperature and humidity of intake air of an internal combustion engine.
  • a polymer electric capacity type humidity sensor in which a sensor element made of a polymer is formed on a substrate and the humidity of the atmosphere is measured from a change in the capacitance value of the element. Since this humidity sensor can detect even low humidity, has relatively high accuracy, and is low in cost, it is widely used as a detection sensor for atmospheric humidity from consumer to industrial measuring instruments.
  • Patent Document 1 shows an example in which a humidity measuring device and a pressure measuring device are integrated.
  • Patent Document 2 shows an example of a humidity sensor provided with a heating unit for the purpose of suppressing condensation of the humidity sensor.
  • Humidity detection devices have recently been used for fuel control applications, and have been used mainly for air conditioning management in vehicle interiors. There is no demand for durability in a harsh environment for use in the passenger compartment. However, when used for fuel control applications, for example, when integrated with an intake air flow rate measuring device or other sensor installed in an internal combustion engine, environmental resistance equivalent to the intake air flow rate measuring device is obtained. Required.
  • Humidity detection devices are affected by fouling and water droplets adhering to the humidity detection element, and the environment in which they occur in combination. Measurement accuracy deteriorates, and clear technical countermeasures are essential. It becomes.
  • Patent Document 2 When used under severe environmental conditions such as an internal combustion engine, for example, in the prior art disclosed in Patent Document 2, it is not considered to suppress fouling substances such as carbon even if dew condensation can be suppressed. Further, as pointed out by Patent Document 2, there is a problem that the environment around the humidity detecting element changes rapidly and the humidity detecting element is condensed when the dew point is reached.
  • the pollutant floating in the atmosphere including carbon mentioned above adheres to the vicinity of the humidity detecting element, the pollutant itself has a hygroscopic property, so that condensation occurs in combination and high humidity air is generated.
  • the pollutant absorbs moisture, and the time until the moisture is dried also causes a problem in measurement accuracy that the humidity higher than the actual environment is continuously detected.
  • An object of the present invention is to provide a humidity detection device with high measurement accuracy even under severe environmental conditions.
  • a humidity detection device of the present invention has a humidity detection element mounted on an electronic circuit board, and a plurality of humidity detection elements on the same surface as the surface on which the humidity detection element is mounted on the electronic circuit board. A heating resistor was mounted.
  • a humidity detecting element 2 is mounted on the electronic circuit board 1, and the electronic circuit board 1 further includes an input / output terminal 4 for performing input / output with the outside. Humidity detection using these is achieved by mounting the entire humidity detection element 2 and a part of the electronic circuit board 1 on the intake air conduit so as to directly touch the air flowing through the intake air conduit.
  • a heating resistor 3 is mounted on the electronic circuit board 1 on the same surface as the surface on which the humidity detection element 2 is mounted and around the humidity detection element 2, and not the entire electronic circuit board 1, Only the humidity detecting element 2 portion is locally heated so that a heating area 5 is formed on the surface of the electronic circuit board 1.
  • the temperature difference becomes the largest near the boundary of the heating zone 5.
  • the fouling substance can be intentionally adhered to the outer peripheral portion of the heating zone 5 by utilizing the characteristic that the fouling substance floating in the air moves toward the low temperature side in this temperature difference.
  • the pollutant in the air uniformly adheres to the substrate, and the pollutant adheres to the humidity detection element 2 itself.
  • the pollutant absorbs moisture, causing a humidity measurement error.
  • the heating resistor 3 is mounted around the humidity detection element 2 around the humidity detection element 2 as in this configuration, the humidity detection element 2 can be used even in a flow field in which the air flow direction is randomly generated. Therefore, the temperature distribution has symmetry, so that the performance can be maintained without being affected by the air flow.
  • the humidity detecting device of this embodiment is provided with one heating resistor 3 upstream and downstream of the air flow with respect to the humidity detecting element 2 unlike the previous embodiment. It has become the composition. That is, when the flow of air flowing around the humidity detection element 2 can be uniaxially made possible by the configuration of the present apparatus, the mounting method, etc., the upstream and downstream of the air flow with respect to the humidity detection element 2
  • the heating resistor 3 is mounted on each. Thereby, the mounting quantity of the heating resistor 3 can be reduced, the power consumption can be further reduced, and the entire apparatus can be reduced in size and weight. Further, since the area of the portion that comes into contact with the intake air can be reduced, it is possible to reduce the air resistance due to the mounting of the present apparatus.
  • the relationship between the mounting positions of the humidity detecting element 2 and the heating resistor 3 is defined with respect to the configuration shown in FIG. That is, when the distance between the humidity detection element 2 and the heating resistor 3 is L, and the length of the short side of the heating resistor 3 is W, the humidity detection element 2 and the heating resistor 3 are set so that L ⁇ 4W. Implemented. It is advantageous for the heating area 5 to be as far away from the humidity detection element 2 as possible against measurement errors due to fouling and absorption of fouling substances.
  • the distance L between the humidity detection element 2 and the heating resistor 3 is 3 W, and the amount of heat generated by the heating resistor 3 is also taken into account, the distance between the humidity detection element 2 and the heating resistor 3 is about 4 W at the maximum. It can be set as the humidity detection apparatus which can achieve the original purpose of a pollutant.
  • the other surface of the electronic circuit board 1 on the other surface opposite to the surface on which the humidity detection element 2 and the heating resistor 3 are mounted is another electronic device constituting the humidity detection device. Part 7 was mounted.
  • the input / output terminal 4 is also mounted on the same surface as the surface on which the other electronic components 7 are mounted.
  • the intake pipe constituting member 9 constituting the main passage 8 is provided with a mounting hole 11 for the humidity sensor 10 in a part thereof, and is attached via a seal member 12 such as an O-ring.
  • the humidity sensor 10 is based on a housing member 15 in which a connector 13 and a connector terminal 14 are integrally molded, and includes an electronic circuit board 1 on which a humidity detection element 2, a heating resistor 3, and other electronic components 7 are mounted.
  • the coating member 16 such as is injected from the side on which the other electronic component 7 is mounted.
  • the electrical connection between the connector terminal 14 and the electronic circuit board 1 is performed by a metal wire 17, and input / output with the outside is enabled via the connector 13.
  • the housing member 15 is provided with a sub-passage 18 for taking in part of the intake air flowing through the main passage 8, and the humidity detecting element 2 and the heating resistor 3 are in direct contact with the air flowing through the sub-passage 18. Since the measurement can be performed and the air flow direction 6 is limited to one axis by the auxiliary passage 18, the heating resistor 3 that needs to be mounted is limited to the upstream and downstream of the humidity detecting element 2.

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Abstract

苛酷な環境条件下であっても計測精度の良い湿度検出装置を提供するために電子回路基板１と、前記電子回路基板の一方の面に実装された湿度検出素子２を有し、前記湿度検出素子の全体と前記電子回路基板の一部を空気に晒して空気中の湿度を検出する湿度検出装置において、前記湿度検出素子が実装されている面と同一面に複数の加熱抵抗体３が実装され、前記加熱抵抗体は、前記湿度検出素子の周囲に設けた。

Description

湿度検出装置
　本発明は検出装置に係り、特に、内燃機関の吸入空気の温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、内燃機関用の吸入空気流量測定装置に、湿度検出装置などを一体化してなる複数の物理量を計測可能なセンサがある。特許文献１には、湿度計測装置と圧力計測装置とを一体化した例が示される。
　さらに、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２に示されている。
特開２０１０－４３８８３号公報 特開２００２－３９９８３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、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配置されると共に、電装品の増加に伴い各電子機器の消費電力低減が一つの課題となっている。
　その中の一つに湿度検出装置がある。湿度検出装置は最近になって燃料制御用途への利用実績が出たばかりであり、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存在しない。しかし、燃料制御用の用途に使用する場合、例えば、内燃機関に設置される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、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。
　湿度検出装置は、湿度検出素子部への汚損物付着や水滴付着、更にはそれらが複合的に発生する環境に影響を受けて計測精度が悪化してしまい、これらに対する明確な技術的対策が必須となる。
　内燃機関のような苛酷な環境条件下で使用する場合、例えば、特許文献２に示した従来技術では、結露抑制は可能であってもカーボン等の汚損物質を抑制することが考慮できていない。また、特許文献２が指摘するように、湿度検出素子周囲の環境が急激に変化し、露点に達すると湿度検出素子が結露してしまうと言う問題もある。
　更には、前述したカーボンを含め大気中に浮遊する汚損物質が湿度検出素子の近傍に付着すると、その汚損物質自体が吸湿性を有することから、結露等が複合的に起こり、高湿度の空気が流入してきた場合には、汚損物質が吸湿し、その水分が乾燥するまでの時間は、実際の環境よりも高い湿度を検出し続けると言う計測精度上の問題も起きる。
　本発明の目的は、苛酷な環境条件下であっても計測精度の良い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、電子回路基板上に湿度検出素子を実装し、電子回路基板上の湿度検出素子が実装されている面と同一面上に複数個の加熱抵抗体を実装した。
　本発明によれば、苛酷な環境条件下であっても計測精度の良い湿度検出装置を提供できる。
本発明の一実施例を示す平面図。 本発明のその他の一実施例を示す平面図。 本発明のその他の一実施例を示す平面図。 本発明のその他の一実施例を示す平面図。 本発明を湿度センサ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を使い説明する。　
　電子回路基板１上に湿度検出素子２が実装され、更に、電子回路基板１は外部との入出力を行うための入出力端子４を備える。これらを用いた湿度検出は、湿度検出素子２の全体と電子回路基板１の一部を、吸入空気管路を流れる空気に直接触れるように吸入空気管路に装着することで達成する。
　この電子回路基板１には、湿度検出素子２が実装される面と同一の面上で、且つ、湿度検出素子２の周囲に加熱抵抗体３が実装され、電子回路基板１の全体ではなく、湿度検出素子２部分のみを局部的に加熱し、電子回路基板１の表面に加熱域５ができるように構成している。この構成により、低消費電力で効率良く湿度検出素子２周囲のみを加熱することができ、結露への対策が可能となる。
　更には、局部加熱であるため、加熱域５の境界線付近では温度差が最も大きくなる。この温度差の中で空気中に浮遊する汚損物質が低温側に向う特性を利用して、汚損物質を加熱域５の外周部に意図的に付着させることができる。
　例えば、電子回路基板１の全体を均一に加熱してしまうと、前述の温度差を基板上に作ることができなくなる。そのため、空気中の汚損物質は基板上に均一に付着し、湿度検出素子２自体にも汚損物が付着してしまう。そして、結露が複合的に起きた際にはその汚損物質が吸湿し、湿度計測誤差を発生させてしまう。
　しかし、本構成であれば結露と汚損を防止した上、汚損物質を湿度検出素子２から離れた場所に付着させることができるため、湿度計測誤差の発生を防ぐことが可能となる。
　また、本構成のように、加熱抵抗体３を湿度検出素子２の周りを囲むように周囲に４箇所実装しておけば、空気の流れ方向がランダムに発生する流れ場の中でも湿度検出素子２を基準として温度分布が対称性を有するため、空気の流れに影響されること無くその性能を維持することが可能となる。
　次に、他の一実施例について、図２を用いて説明する。先の実施例と同じ構成については符号を同じくして説明を省略する。
　図２に示されるように、本実施例の湿度検出装置は、先の実施例とは異なり、湿度検出素子２に対しての空気の流れの上流と下流に加熱抵抗体３をそれぞれ一つ設けた構成となっている。すなわち、湿度検出素子２の周囲を流れる空気の流れを、本装置の構成や、実装方法などにより一軸方向に可能とできるような場合、湿度検出素子２に対しての空気の流れの上流と下流にそれぞれ加熱抵抗体３を実装する。これにより、加熱抵抗体３の実装数量を低減でき、更なる消費電力の低減が図れると共に、装置全体の小型軽量化も図ることが可能となる。また、吸入空気に触れる部分の面積を減少させることができるため、本装置の装着に起因する空気抵抗の低減も可能となる。
　更なる他の一実施例について、図３を用いて説明する。先の実施例と同じ構成については符号を同じくして説明を省略する。
　本実施例では、図２に示した構成に対して、湿度検出素子２と加熱抵抗体３の実装位置の関係を規定したものである。すなわち、湿度検出素子２と加熱抵抗体３との距離をＬ、加熱抵抗体３の短辺の長さをＷとしたとき、Ｌ＜４Ｗとなるように湿度検出素子２および加熱抵抗体３を実装している。加熱域５は極力湿度検出素子２から遠い方が、汚損や、汚損物質の吸湿による計測誤差に対して有利である。一方、２つの加熱抵抗体３を離しすぎて実装すると、その中間にある湿度検出素子２の部分に温度、即ち、低温領域が発生し、汚損物質が付着しやすくなってしまう。そのため、湿度検出素子２と加熱抵抗体３との距離Ｌを３Ｗ、加熱抵抗体３の発熱量も考慮すると湿度検出素子２と加熱抵抗体３との距離を最大でも４Ｗ程度とすることで、汚損物本来の目的を達成可能な湿度検出装置とすることができる。
　更なる他の一実施例について、図４を用いて説明する。先の実施例と同じ構成については符号を同じくして説明を省略する。
　図４に示されるように、本実施例では、電子回路基板１の湿度検出素子２および加熱抵抗体３が実装される面と相反するもう一方の面に、湿度検出装置を構成するその他の電子部品７を実装した。また入出力端子４もその他電子部品７を実装する面と同一面上に実装する構成である。
　本構成により、吸入空気に直接晒して計測を行う計測面と、外部環境からの保護が必要な電子回路面とに分離ができ、使い勝手性が向上し、更には簡単な周囲構造により本装置の実装、取付けが可能となる。
　最後に図５を用い、本発明を内燃機関の湿度検出装置として利用した一例について説明する。
　主通路８を構成する吸気管路構成部材９には、その一部に湿度センサ１０の装着穴１１が設けられており、Ｏリングなどのシール部材１２を介して取り付ける。
　湿度センサ１０は、コネクタ１３及びコネクタ端子１４を一体成型したハウジング部材１５を基礎に、湿度検出素子２、加熱抵抗体３、その他電子部品７を実装した電子回路基板１を内装し、注型樹脂などのコーティング部材１６をその他電子部品７が実装される側から注入して構成する。コネクタ端子１４と電子回路基板１の電気的接続は金属ワイヤ１７により行い、コネクタ１３を介して外部との入出力を可能にしている。ハウジング部材１５には、主通路８を流れる吸入空気の一部を取り込むための副通路１８が構成されており、湿度検出素子２と加熱抵抗体３は副通路１８を流れる空気に直接触れることで計測ができ、さらにこの副通路１８により、空気の流れ方向６が一軸に限られるため、実装が必要な加熱抵抗体３は湿度検出素子２の上下流に限られている。
　本装置により、汚損、結露、更には汚損と結露の複合発生に起因する計測精度の悪化を低消費電力で達成することができ、品質や性能に優れた内燃機関での使用に最適な湿度検出装置を提供できる。
１　電子回路基板
２　湿度検出素子
３　加熱抵抗体
４　入出力端子
５　加熱域
６　空気の流れ方向
７　その他電子部品
８　主通路
９　吸気管路構成部材
１０　湿度センサ
１１　装着穴
１２　シール部材
１３　コネクタ
１４　コネクタ端子
１５　ハウジング部材
１６　コーティング部材
１７　金属ワイヤ
１８　副通路

Claims (5)

  1. 　電子回路基板と、前記電子回路基板の一方の面に実装された湿度検出素子とを有し、前記湿度検出素子の全体と前記電子回路基板の一部を空気に晒して空気中の湿度を検出する湿度検出装置において、
    　前記湿度検出素子が実装されている面と同一面に複数の加熱抵抗体が実装され、
    　前記加熱抵抗体は、前記湿度検出素子の周囲に設けら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、
    　前記複数の加熱抵抗体は、前記湿度検出素子に対して空気の流れの上流及び下流側にそれぞれ少なくとも一つ設けら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、
    　前記湿度検出素子と前記加熱抵抗体との距離をＬ、前記加熱抵抗体の幅をＷとすると、　Ｌ＜４Ｗの関係となるように前記湿度検出素子および前記加熱抵抗体を配置したことを特徴とする湿度検出装置。
  4. 　請求項１に記載の温度検出装置において、
    　前記湿度検出素子および前記加熱抵抗体が実装された面とは相反するもう他方の面に、その他の電子部品が実装さ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、
    　前記その他の電子部品が実装される側の電子回路基板の表面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。
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