(57)【要約】出力誤差のばらつきが小さい熱式湿度測定装置を得ること。本発明の熱式湿度測定装置１１は、発熱抵抗体を有する湿度検出部と、該湿度検出部からの信号を処理する信号処理部と、を備える熱式湿度測定装置であって、前記信号処理部は、室温での相対湿度１００％における水分混合比よりも大きい水分混合比の気体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱抵抗体を有する湿度検出部と、該湿度検出部からの信号を処理する信号処理部と、を備える熱式湿度測定装置であって、
前記信号処理部は、室温での相対湿度１００％における水分混合比よりも大きい水分混合比の気体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする熱式湿度測定装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、測定範囲の最大水分混合比の２５％以上の水分混合比の気体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱式湿度測定装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、測定範囲の８割以上の調整幅で出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱式湿度測定装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、室温での相対湿度１００％における水分混合比よりも小さい水分混合比の気体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱式湿度測定装置。
【請求項５】
前記信号処理部は、出力特性の調整を行う水分混合比を相対湿度９０％以下で発生できる温度の気体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする請求項２に記載の熱式湿度測定装置。
【請求項６】
前記信号処理部は、出力特性の調整を行う水分混合比に調整された流体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする請求項２に記載の熱式湿度測定装置。
【請求項７】
調整装置内の環境調湿空気の露点温度よりも高い温度まで熱式湿度測定装置を加熱する工程と、
調整装置内に前記熱式湿度測定装置を装着して湿度の出力特性の調整を行う工程と、
を含む熱式湿度計測装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度を測定する熱式湿度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱式湿度測定装置は、種々の技術分野で使用されており、自動車用内燃機関においては、低燃費化を図るために吸入空気の湿度を高精度に計測することが求められている。熱式湿度測定装置は、空気の熱伝導の変化を用いて湿度計測を行う。空気の熱伝導の変化は、空気中に晒された発熱体の放熱量により測定される。特許文献１には、薄膜の放熱量変化を、薄膜の温度変化情報から得るようにして、気体の物理的又は化学的変化を計測する熱伝導型の気体センサ装置の構造が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３０８６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱式湿度測定装置は、空気中に含まれる水分と乾燥空気の水分混合比（ｇ／ｋｇ）を出力する。熱式湿度測定装置は、製造時に出力特性の調整が行われ、出力誤差が一定の範囲に収まるように調整された後に出荷される。出力特性の調整では、水分混合比の調整点の間隔（調整点範囲）が狭い範囲で調整するよりも広い範囲で調整する方が高い精度を得られる。【０００５】
しかしながら、水分混合比の場合、室温では相対湿度を１００％に調整しても、高混合比を達成することができず、水分混合比の調整点範囲を広くすることができない。したがって、出力特性の調整時に高混合比での調整ができず、出力誤差のばらつきを小さくすることが難しいという問題を有している。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力誤差のばらつきが小さい熱式湿度測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の熱式湿度測定装置は、発熱抵抗体を有する湿度検出部と、該湿度検出部からの信号を処理する信号処理部と、を備える熱式湿度測定装置であって、前記信号処理部は、室温での相対湿度１００％における水分混合比よりも大きい水分混合比の気体を用いて出力特性の調整が行われたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、出力誤差のばらつきが小さい熱式湿度測定装置を提供することができる。本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の熱式湿度測定装置を自動車用内燃機関に適用した例を示す図。
【図２】本実施形態の熱式湿度測定装置を自動車用内燃機関の吸気通路に取り付けた状態を示す概念図。
【図３】調整点の範囲を示すグラフ。
【図４】水分混合比の測定範囲と調整点範囲と調整目標値を示すグラフ。
【図５】環境温度と水分混合比の関係を示すグラフ。
【図６】水分混合比の測定範囲を示すグラフ。
【図７】湿度出力調整点の設定範囲を示すグラフ。
【図８】水分混合比と出力電圧との関係を示すグラフ。
【図９】電圧と特性ばらつきとの関係を示すグラフ。
【図１０】各温度における水分混合比の範囲を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態の熱式湿度測定装置を自動車用内燃機関に用いた例を示す図である。
【００１０】
本実施形態の熱式湿度測定装置１１は、自動車用の内燃機関システム１に用いられる。
内燃機関システム１は、過給器１５付きのエンジン２を有しており、その吸気通路３には、上流側から順番に、エアクリーナ４、エアフローセンサ５、インタークーラ６、スロットルバルブ７、吸気管８が設けられ、排気通路９には排気触媒１０が設けられている。そして、吸気管８には、熱式湿度測定装置１１と、圧力センサ１２と、温度センサ１３が取り付けられており、エンジン２に吸入される吸入空気の湿度、圧力、温度を測定する。
【００１１】
過給器１５を通過した吸入空気は、インタークーラ６によって冷却はされるが、エンジン２に吸入されるときの温度は室温よりも高温となる。熱式湿度測定装置１１は、このような高温の吸入空気の湿度を検出するのに好適である。
図２は、本実施形態の熱式湿度測定装置を自動車用内燃機関の吸気通路に取り付けた状態を示す概念図である。
【００１２】
熱式湿度測定装置１１は、吸気管８の取付部に装着される筐体２１と、筐体２１に収容されるセラミック基板２２及び回路基板２３を有している。そして、セラミック基板２２には、湿度センサ２４が実装されており、回路基板２３にはプリモールガイド２５を介してサーミスタ２６が接続されている。また、セラミック基板２２及び回路基板２３には、やＬＳＩやメモリ等の回路部品（図示せず）が搭載されている。
【００１３】
筐体２１は、吸気管８の取付部に開口して形成された取付孔から挿入されて吸気管８内の通路８ａに配置される挿入部２１１と、挿入部２１１の基端に連続して吸気管８の外側に配置される本体部２１２を有している。本体部２１２には、セラミック基板２２及び回路基板２３を収容する収容室２１３が設けられている。挿入部２１１には、吸気管８内の通路８ａと収容室２１３との間を連通する連通路２１４が設けられており、吸気管８内の通路８ａを通過する吸入空気を収容室２１３に取り込むことができるようになっている。
【００１４】
熱式湿度測定装置１１は、発熱抵抗体を有する湿度検出部と、湿度検出部からの信号を処理する信号処理部を備えている。信号処理部は、湿度検出部からの信号を処理することによって、空気中に含まれる水分と乾燥空気の水分混合比（ｇ／ｋｇ）を出力する。熱式湿度測定装置１１は、水分混合比に応じた電圧（Ｖ）をセンサ出力として出力する。湿度検出部は、湿度センサ２４によって構成される。信号処理部は、セラミック基板２２及び回路基板２３に搭載されているＬＳＩやメモリによって構成される。
【００１５】
次に、熱式湿度測定装置１１の出力特性の調整方法について説明する。
熱式湿度測定装置１１は、個体差をなくして均一な検出精度を確保するために、出荷前に出力特性の調整が行われる。出力特性の調整作業では、水分混合比の異なる２点を調整点として設定し、それぞれの調整点を実現する気体の環境下に熱式湿度測定装置１１を配置し、かかる環境下で湿度センサ２４のセンサ出力（Ｖ）が調整公差の範囲に入るように信号処理部を調整し、その調整値をメモリに記憶させる作業が行われる。
【００１６】
図３は、調整点範囲に応じた出力誤差のばらつき範囲を示すグラフであり、図３（ａ）は、本実施形態の調整方法により出力を調整した場合の出力誤差のばらつき範囲を示し、図３（ｂ）は、従来の調整方法により出力を調整した場合の出力誤差のばらつき範囲を示す図である。
【００１７】
従来は、図３（ｂ）に示すように、室温で達成可能な水分混合比の範囲Ｗ０内の気体のみを用いて出力の調整を行っていた。例えば、水分混合比が調整点Ａ２１の気体を有する環境下に熱式湿度測定装置１１を配置して出力３１を調整し、調整後に水分混合比が調整点Ａ２２の気体を有する環境下に配置して出力３２を調整する。調整点Ａ２１とＡ２２は、いずれも室温で達成可能な水分混合比範囲Ｗ０内の値である。
【００１８】
調整点範囲Ｗ１以外の出力は、外挿と補間により決定される。調整点Ａ２１とＡ２２においてそれぞれ調整誤差があるので、調整点Ａ２１とＡ２２からの外挿が多いほど、出力誤差の上限値ＵＬと下限値ＤＬとの間隔は広くなり、出力誤差のばらつきが大きくなる。
【００１９】
これに対して、本実施形態では、図３（ａ）に示すように、室温で達成できない水分混合比Ａ１２の環境下で出力の調整を行う。例えば、水分混合比が調整点Ａ１１の気体を有する環境下に熱式湿度測定装置１１を配置して出力３１を調整する。次いで、水分混合比が調整点Ａ１２の気体を有する環境下に熱式湿度測定装置１１を配置して出力３２を調整する。調整点Ａ１２は、室温で達成可能な水分混合比Ａ０よりも高い水分混合比である。
室温で達成可能な水分混合比Ａ０よりも高い水分混合比の気体を有する環境は、環境温度を室温よりも高い温度で実現できる。本実施形態では、高水分混合比を安定して達成できるまで環境温度を高温化し、かかる環境下で出力の調整を行っている。
【００２０】
本実施形態によれば、室温では達成できない水分混合比の環境下で出力の調整を行っており、調整点Ａ１１とＡ１２の間の調整点範囲Ｗ１は、従来の調整点Ａ２１とＡ２２の間よりも広く、この広い調整点範囲Ｗ１内で出力調整を行っている。したがって、調整点Ａ１１とＡ１２からの外挿を少なくすることができ、外挿範囲での出力誤差のばらつきを小さくすることができる。
【００２１】
図４は、センサ出力が曲がりを有する場合の調整方法を示すグラフであり、図４（ａ）は、本実施形態の調整方法により調整されたセンサ出力の例を示し、図４（ｂ）は、従来の調整方法により調整されたセンサ出力の例を示す図である。
【００２２】
センサ出力の特性ばらつきには、傾きと切片による誤差の他に、図６に示すような曲がりも含まれる。水分混合比と出力との関係が線形（直線状）に変化せず、非線形（カーブ状）に変化する場合、図４（ｂ）に示すように、水分混合比の調整点範囲が狭いと、室温で達成可能な水分混合比Ａ０よりも高い水分混合比において出力誤差が大きくなるおそれがある。
【００２３】
例えば、図４（ｂ）に示す例では、室温で達成可能な水分混合比範囲Ｗ０内の調整点範囲Ｗ１内で出力調整を行ったことにより、センサ出力Ｖｏの傾きが大きくなっており、室温で達成可能な水分混合比Ａ０よりも高い範囲でセンサ出力Ｖｏの出力誤差が増大している。このように出力に曲がり誤差が生じている熱式湿度測定装置１１を、図４（ｂ）に示すような室温で達成可能な水分混合比範囲Ｗ０内の狭い調整点範囲Ｗ１で調整すると、曲がりによって傾きの調整目標値が誤差を持つことに起因して、調整された出力特性の誤差が悪化する。
【００２４】
一方、本実施形態によれば、室温で達成できない水分混合比で出力の調整を行っている。例えば、室温で達成可能な水分混合比範囲Ｗ０内の調整点Ａ１１の気体を有する環境下に熱式湿度測定装置１１を配置して出力３１を調整する。次いで、室温で達成可能な水分混合比範囲Ｗ０よりも高い調整点Ａ１２の気体を有する環境下に熱式湿度測定装置１１を配置して出力３２を調整する。したがって、図４（ａ）に示すように、センサ出力Ｖｏの傾きが小さくなっており、測定範囲Ｗ２である水分混合比の下限値Ａ１３から上限値Ａ１４までの間において曲がり以上の誤差は生じない。したがって、外挿範囲での出力誤差のばらつきを小さくすることができる。
【００２５】
図５は、環境温度と水分混合比の関係を示すグラフである。
水分混合比は、図５に示すように、相対湿度を１００％とした場合（１００％ＲＨ）でも、室内温度（２５℃）では２０ｇ／ｋｇが上限である。したがって、従来の室温で達成可能な水分混合比範囲Ｗ０内における出力の調整では、調整点の間隔が０ｇ／ｋｇから２０ｇ／ｋｇまでの間であり、極めて狭く、温度が高くなるに応じて出力誤差のばらつきが大きくなる。
【００２６】
一方、本実施形態によれば、高水分混合比を安定して発生できる温度で高水分混合比の環境と低水分混合比の環境をそれぞれ実現し、センサ出力の調整が行われる。例えば環境温度を８０℃とした場合、水分混合比を最大で５５７ｇ／ｋｇとすることができる。したがって、調整点の間隔を従来よりも広くすることができ、出力誤差のばらつきを小さくすることができる。したがって、自動車用の内燃機関システムに熱式湿度測定装置１１を用いた場合に、室温よりも高い温度の吸入空気の湿度を高精度に測定することができ、低燃費化を図ることができる。
【００２７】
図７は、湿度出力調整点の設定範囲を示すグラフ、図８は、水分混合比と出力電圧との関係を示すグラフ、図９は、目標出力電圧と出力電圧との関係を示すグラフである。
【００２８】
熱式湿度測定装置１１では、測定範囲の最大水分混合比の２５％以上の水分混合比の気体を用いて出力特性の調整が行われている。本実施形態では、出力の調整は、電圧信号で行う。図８に示すように、水分混合比と出力電圧との関係は非線形であるため、電圧信号の５０％以上を調整点とする場合、水分混合比では２５％以上に相当する。
【００２９】
電圧５０％の範囲で調整すると、調整による最大特性ばらつきは調整点ばらつきの３倍になる。調整範囲を広げると最大特性ばらつきは小さくなり、調整範囲と出力範囲を同じにすると最大特性ばらつきは調整点ばらつきと同じになる。電圧信号の５０％以上で調整することによって、出力特性のばらつきを調整ばらつきの３倍以内とすることができる。
したがって、生産された熱式湿度測定装置１１の高水分混合比における出力特性の精度を向上できる。
【００３０】
熱式湿度測定装置１１は、湿度測定範囲Ｗ２の８割以上の調整幅で出力調整が行われている。つまり、調整点範囲Ｗ１は、湿度測定範囲Ｗ２の８割以上の大きさとなっている（図４参照）。熱式湿度測定装置１１は、水分混合比の調整点を広い範囲で調整する方が出力誤差のばらつきが生じにくくなっており、また、水分混合比が高い点（高湿度）の方が低い点（低湿度）よりも公差が狭く厳しいので、水分混合比が高い点で調整する方が調整しやすい。
【００３１】
また、本実施形態では、室温での相対湿度１００％における水分混合比よりも大きい水分混合比の気体と、室温での相対湿度１００％における水分混合比よりも小さい水分混合比の気体とを用いて、出力特性の調整を行っている。これにより、室温と室温よりも高い温度の両方に存在する水分混合比で調整し、同じ水分混合比で温度特性を確認することができる。
【００３２】
図１０は、環境温度と水分混合比との関係を示すグラフであり、本実施形態における水分混合比の調整点の設定方法を説明するものである。
【００３３】
熱式湿度測定装置１１は、室温よりも高温でかつ水分混合比を９０％以下で発生できる温度の気体を用いて出力特性の調整が行われている。例えば、調湿気体が露点温度（相対湿度１００％となる温度）を下回ると結露が発生し、水分混合比が低下してしまう。例えば、１００ｋＰａの圧力環境下で、３００ｇ／ｋｇの水分混合比を達成する場合、露天温度は７１℃なので、７１℃以下になると結露が発生し、水分混合比が低下してしまう。したがって、熱式湿度測定装置１１の出力特性を調整する調整装置において、調整を行う環境の相対湿度を１００％に保つことは困難である。
【００３４】
熱式湿度測定装置１１の出力特性を調整する調整装置は、調整環境の温度が外部環境の影響を受けるため、定温度制御をしても公差が生じる。例えば温度公差が±２％とすると、環境温度を７３．４℃とすれば相対湿度９０％で３００ｇ／ｋｇを達成できる。調整装置の温度を７３．４℃±２％に制御すれば、調整環境における結露を防ぎ、混合比を一定に保つことができる。
【００３５】
熱式湿度測定装置１１の出力特性の調整は、調整装置により行われる。調整装置は、熱式湿度測定装置１１を収容する収容室と、収容室内の温度及び湿度の環境を調整する温湿度調整部とを有している。調整装置は、調整する際の環境調湿空気の温度に比べて、収容室の温度や、収容室の内壁の温度が低い場合に、調整装置内で結露が発生し、収容室内の水分混合比が変化する可能性がある。そこで、調整装置では、環境調湿空気を流体として収容室内を流し、収容室内を環境調湿空気と同じ温度に調整している。収容室内において環境調湿空気を流体とすることにより、温湿調整部では、環境調湿空気の温度管理のみを精密に行えばよいので、管理が容易である。
【００３６】
また、熱式湿度測定装置１１の収容室内への搬入搬出時や、収容室内と収容室外との間のリーク部分から収容室内に外気が侵入し、収容室内の水分混合比が変化する可能性がある。この場合も、収容室内に調湿空気を流すようにすれば、外気との僅かな気体交換により変化した水分混合比も所定の値に戻すことができる。相対湿度が１００％付近の空気を流しても結露は乾きにくいが、相対湿度が１００％よりも低い環境調湿空気を用いることで、調整装置内の結露を乾かしやすくなる。
【００３７】
湿度出力を調整する際の環境調湿空気の温度に比べて、調整される熱式湿度測定装置１１の温度が露点温度未満の場合、調整される熱式湿度測定装置１１の表面に結露が発生し、水分混合比が変化する可能性がある。したがって、本実施形態では、熱式湿度測定装置１１の温度を、調整装置の環境調湿空気の露点温度より高い温度まで加熱し、その温度を保ったまま熱式湿度測定装置１１を調整装置の収容室内に搬入して湿度の出力特性の調整を行っている。これにより、結露の発生を防ぎ、水分混合比が変化するのを防ぐことができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１１  熱式湿度測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
2020095619.tif 000013
2020095619.tif 000014
2020095619.tif 000015
2020095619.tif 000016
2020095619.tif 000017
2020095619.tif 000018
2020095619.tif 000019
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