JP2006329924A - 酸素センサ素子インピーダンス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 掃引電圧の除去時間を厳密に設定する必要のない酸素センサ素子インピーダンス検出装置を得る。
【解決手段】 酸素センサ素子（１）にインピーダンス算出用の掃引電圧を印加するための掃引電圧印加手段（Ｔｒ１、ＶＣ、Ｒ１、Ｃ１）と、印加された掃引電圧を除去するための掃引電圧除去手段（Ｔｒ２）と、酸素センサ素子（１）のセンサ出力を検出するためのセンサ電圧検出手段（Ｒ８、Ｒ９、Ｃ４）と、酸素センサ素子（１）と掃引電圧印加手段とを分離するための分離手段（Ｔｒ３）とによって、酸素センサ素子インピーダンス検出装置を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、酸素センサ素子のインピーダンスを検出するための装置に関し、特に、インピーダンス検出とともにセンサ出力の検出をも行う、酸素センサ素子インピーダンス検出装置に関する。

酸素センサ素子は、検出ガス中の酸素濃度に応じて所定の起電力を生成する特性を有しており、例えば、車載エンジンの排ガス中の酸素濃度を検出するために使用されている。酸素センサ素子の起電力特性は強い温度依存性を有しており、したがって、被測定ガス中の正確な酸素濃度を検出するためには、酸素センサ素子の温度を測定する必要がある。一方、酸素センサ素子のインピーダンスは温度による変化特性を有しているため、素子インピーダンスを測定することによって素子温度を知ることができる。したがって、例えば、酸素濃度検出のための素子の起電力測定は、素子インピーダンスの測定とともに行われる必要がある。

従来の酸素センサ素子インピーダンス検出装置として、例えば特開２００４−１７７１７８号（以下、特許文献１）に記載の装置がある。この装置では、酸素センサ素子と定電圧源間に直列に抵抗を接続し、かつこの抵抗と酸素センサ素子に対して並列にコンデンサを接続することにより、酸素センサ素子に対して一定の時定数を有する掃引電圧を印加するようにしている。酸素センサ素子のインピーダンスは、掃引電圧の印加時に上記抵抗の両端に発生する電圧を測定することにより、算出することが可能である。

酸素センサ素子は、酸素濃度に応じて例えば０Ｖから１Ｖの間で起電力を生じる。この起電力の検出値と、素子インピーダンスの検出から算出された素子温度とに基づいて、被検出ガス中の酸素濃度が算出される。ところが、インピーダンス検出用の掃引電圧の形成のためにはコンデンサ等の電荷を蓄積する素子を用いる必要があり、さらに酸素センサ素子自体がコンデンサ要素を有しているため、掃引電圧の印加によって回路に電荷が蓄積される。このような電荷が次のインピーダンス検出の時点で回路内に残っていると、掃引電圧の時定数に大きな影響を及ぼし、誤検出の大きな要因となる。

したがって、例えば、特許文献１に示す装置では、インピーダンス検出装置に掃引電圧を除去するための手段を設け、この手段によって、インピーダンス検出後当該装置から掃引電圧の印加によって形成された電荷を除去し、その後、次のインピーダンス検出を行うようにしている。しかしながら、この掃引電圧の除去時間が長いと、酸素センサ素子が酸素濃度に応じて生成した電荷をも除去してしまい、インピーダンス検出後に行う酸素センサ素子の起電力検出時に、本来の値よりも低い値を検出するようになる。また、掃引電圧の除去時間が短いと、酸素センサ素子に掃引電圧の印加によって蓄積された電荷が残ってしまい、その結果、本来の値よりも高い起電力値を検出することになる。そのため、従来の装置では、酸素センサ素子の正確な起電力を求めるために、掃引電圧の除去時間を、酸素センサ素子の特性、回路構成等に基づいて厳密に決定する必要があった。

特開２００４−１７７１７８号

上記の掃引電圧除去時間の設定は、通常、ＩＣ回路を制御するソフトウエア側で行われるが、そのため、酸素センサ素子の種類、ＩＣ回路の種類が変わるごとにソフトウエアを修正して掃引時間を変更する必要があり、ソフトウエアの変更に多大な工数を要し、さらにソフト設計における人為的ミスを誘発する。

本発明は、かかる点に関してなされたもので、酸素センサ素子およびＩＣ回路の種類が変わっても、掃引電圧の除去時間を調整しなおす必要のない、酸素センサ素子インピーダンス検出装置を提供することを課題としてなされたものである。

上記課題を解決するために、本発明の酸素センサ素子インピーダンス検出装置は、酸素センサ素子にインピーダンス検出用の掃引電圧を印加するための掃引電圧印加手段と、前記印加された掃引電圧を除去するための掃引電圧除去手段と、前記酸素センサ素子のセンサ出力を検出するためのセンサ電圧検出手段と、前記酸素センサ素子及び酸素センサ素子のセンサ出力を検出するためのセンサ電圧検出手段と前記掃引電圧印加手段とを分離するための分離手段を備えている。

上記酸素センサ素子インピーダンス検出装置において、前記分離手段は、前記掃引電圧除去手段の駆動と同時に駆動されて、前記掃引電圧印加手段と前記酸素センサ素子とを分離する。

前記掃引電圧除去手段は、前記掃引電圧印加手段に蓄積された電荷を放出するために要する時間よりもわずかに長く駆動される。

上記構成によって、インピーダンス検出のために掃引電圧を印加した後、分離手段によって掃引電圧印加手段と酸素センサ素子とを分離し、分離された状態で掃引電圧除去手段によって掃引電圧印加手段から蓄積された電荷を除去することが可能となる。これによって、掃引電圧の印加によって酸素センサ素子およびセンサ電圧検出手段に蓄積された電荷は、掃引電圧除去手段とは別個に、酸素センサ素子およびセンサ電圧検出手段を介して自然放出されるようになる。そのため、強制的な掃引電圧の除去時間が、酸素センサ素子およびセンサ電圧検出手段に蓄積された電荷を除去するための時間より長くなっても、酸素センサ素子の端子間電圧がその影響を受けることはなくなる。

これによって、掃引電圧除去手段の駆動時間を、掃引電圧印加手段および前記センサ電圧検出手段に蓄積された電荷を放出する時間よりも幾分長く設定することが可能となり、その駆動時間を厳密に設定する必要がなくなる。そのため、酸素センサ素子および回路構成が変更されても、その変更に基づいて掃引電圧除去時間を細かく調整しなおす必要がなくなる。

なお、上記酸素センサ素子インピーダンス検出装置において、前記掃引電圧印加手段は、定電圧源と、前記酸素センサ素子と前記定電圧源間に接続された第１の抵抗と、前記低電圧源と前記第１の抵抗間に接続された第１のスイッチング素子と、前記第１の抵抗および前記酸素センサ素子に並列に接続された第１のコンデンサを含んで構成されても良い。

さらに、前記掃引電圧除去手段は、前記第１のスイッチング素子と前記第１の抵抗との接点に一端を接続され、他端を接地された第２のスイッチング素子を含んでも良い。

さらに、前記センサ電圧検出手段は、前記酸素センサ素子に並列に接続された第２の抵抗と、前記酸素センサ素子と前記第２の抵抗とに並列に接続された第２のコンデンサとを含んでも良い。

さらに、前記第２の抵抗は、前記酸素センサ素子が有する最大のインピーダンスよりも大きい抵抗値を有することが望ましい。

さらに、前記分離手段は、前記第１の抵抗と前記酸素センサ素子間に直列に接続された第３のスイッチング素子を含んでも良い。

以上のように、本発明の酸素センサ素子インピーダンス検出装置では、インピーダンス検出後の掃引電圧除去を、酸素センサ素子と切り離して行うようにしたことにより、掃引電圧の除去時間を素子構造、回路構造に基づいて精密に調整する必要がない。そのため、インピーダンス算出、起電力算出を行うためのソフトウエアにおいて、掃引電圧の除去時間を酸素センサ素子および回路構造に基づいて変更する必要がなくなり、ソフトウエア設計が容易となるとともに、ソフトウエア変更に要する工数を大幅に削減することができる。また、同時に、ソフトウエア変更に伴って生じる人為的なミスを削減することが可能となる。

図１は、抵抗と起電力要素を有する酸素センサ素子のインピーダンス温度特性を示す図である。図の縦軸は、素子のインピーダンスＲｚを示し、横軸は温度を示す。図示するように、酸素センサ素子のインピーダンスＲｚは、温度上昇に伴って低下する特性を有している。温度が低い場合、酸素センサ素子のインピーダンスは高く、この場合素子は、抵抗成分、起電力成分に加えてコンデンサ成分を有している。一方、温度が高い場合はそのインピーダンスは低く、またコンデンサ成分は無視することができる。

図２は、本発明の一実施形態にかかる酸素センサ素子インピーダンス検出装置の構造を示す回路図である。図において、１は酸素センサ素子（以下、素子）であり、抵抗成分Ｒｚと起電力成分Ｅｓを有するものとして示される。酸素センサ素子１は通常高温でインピーダンス測定が行われるため、コンデンサ成分は無視することができる。素子１の負側端子は接地されている。Ｒ１は、素子１の正側端子とインピーダンス検出用の定電圧源Ｖｃ間に接続された抵抗であり、この両端の電圧を測定することによって、素子１のインピーダンスが検出される。Ｒ２は分圧設定用抵抗、Ｔｒ１は抵抗Ｒ１、Ｒ２に電圧Ｖｃを印加するためのスイッチング用トランジスタである。

図示する回路において、抵抗Ｒ１の両端電圧、すなわち素子１のインピーダンス検出用電圧は、ＰＯＲＴ１およびＰＯＲＴ２において検出される。ＰＯＲＴ３は、スイッチング用トランジスタＴｒ１の駆動用ポートである。Ｃ１は、掃引電圧を形成するための第１のコンデンサ、Ｔｒ２は、掃引電圧の印加によって装置全体に蓄積された電荷を除去するためのトランジスタである。トランジスタＴｒ２は、ＰＯＲＴ４から入力される信号によってオンオフ制御され、オンとされることによって、主に、コンデンサＣ１に蓄積された電荷を放出する。

図１の回路において、Ｒ３は、コンデンサＣ１に蓄積された電荷を除去する場合の除去速度を規定するための抵抗、Ｒ４、Ｒ５は、ＥＭＩ等のノイズ対策用の抵抗、Ｒ６、Ｒ７、Ｃ２およびＣ３は、ローパスフィルタを構成するための抵抗およびコンデンサである。

また、素子１の両端には、センサ電圧検出用の回路が接続されている。この回路は、素子１に並列に接続された抵抗８、コンデンサＣ４および素子１に直列に接続された抵抗９で構成される。抵抗８およびコンデンサＣ４は素子１の電圧保持のための回路素子であり、抵抗９はコンデンサＣ４とともにローパスフィルタを構成する。素子１の端子間電圧は、センサ電圧検出用ＰＯＲＴ５の出力を基に算出される。

上記酸素センサ素子インピーダンス検出装置では、さらに、素子１と抵抗Ｒ１間にスイッチング用トランジスタＴｒ３が接続されている。ＰＯＲＴ６は、スイッチング用トランジスタＴｒ３のオンオフ制御信号を入力するためのポートである。トランジスタＴｒ３をオフとすることによって、定電圧源Ｖｃ、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびコンデンサＣ１からなる掃引電圧の印加手段、およびトランジスタＴｒ２からなる掃引電圧の除去手段が、酸素センサ素子１およびセンサ出力検出回路から切り離される。

以下に、図３の波形図を参照して、図２に示す回路の動作説明を行う。図３（ａ）は、図２の接続点ＡおよびＢにおける電圧波形を示す図であり、図の実線は接続点Ａの電圧波形を、破線は接続点Ｂの電圧波形を示す。図（ｂ）は、インピーダンス測定のための各トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ３の駆動タイミングを示す。

図２に示す回路では、図３（ｂ）に示すように、時間Ｔ１−Ｔ２間において、トランジスタＴｒ１およびＴｒ３をオンとし、トランジスタＴｒ２をオフとする。トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３をオンとするための信号は、ＰＯＲＴ３およびＰＯＲＴ６より入力される。これらのトランジスタをオンとする以前の接続点Ｂの電位は、素子１の起電力（通常は、０Ｖから１Ｖの範囲で変化する）に基づく値を示しており、一方、接続点Ａは接地電位（０Ｖ）を示している。トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３をオンとすることによって、定電源Ｖｃの電圧が抵抗Ｒ１、Ｒ２、素子抵抗ＲｚおよびコンデンサＣ１よりなる回路に印加され、その結果、接続点Ａの電位は、主に、抵抗Ｒ１、Ｒ２、素子１の抵抗ＲｚおよびコンデンサＣ１によって決まる時定数により上昇する。同様に、接続点Ｂの電位も、主に抵抗Ｒ１、Ｒ２、素子１の抵抗Ｒｚ、コンデンサＣ１およびセンサ電圧検出回路を構成する抵抗Ｒ８、Ｒ９さらにコンデンサＣ４によって決まる時定数で上昇する。

素子１のインピーダンスは、時間Ｔ１−Ｔ２間のいずれかのタイミングで、ＰＯＲＴ１、２から検出した抵抗Ｒ１の両端電圧、すなわち接続点Ａ、Ｂ間の電位差に基づいて、ソフト的に算出される。

時間Ｔ２においてインピーダンス検出が終了すると、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ３をオフとするとともに掃引電圧除去用のトランジスタＴｒ２をオンとする。これによって、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がトランジスタＴｒ２を介してグランドに放出される経路が形成され、接続点Ａの電位は、主に抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１の値で決まる時定数でグランド電位まで低下する。

一方、図１の回路では、トランジスタＴｒ３をオフとすることによって、酸素センサ素子１およびセンサ電圧検出回路が、トランジスタＴｒ２を含む掃引電圧除去用回路から切り離されるため、コンデンサＣ４に蓄積された電荷が酸素センサ素子１および抵抗Ｒ８を介して自然放電され、その結果、接続点Ｂの電位は、酸素センサ素子１の起電力Ｅｓに基づく値Ｖ０に収束する。

以下に、図３（ａ）に示す電圧波形ＡおよびＢの各部分Ａ２、Ａ３、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の時定数を決定する回路素子をまとめて示す。

Ａ２：厳密には、抵抗Ｒ３以外の全ての抵抗、コンデンサがその時定数の決定に関与しているが、主に影響するものは、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１およびＲｚである。

Ａ３：厳密には、抵抗Ｒ１、Ｒ５、Ｔ７、Ｃ３、Ｒ４、Ｒ６、Ｃ２、Ｃ１、Ｃ３が関係するが、主に抵抗Ｒ３、コンデンサＣ１によって決まる。

Ｂ１：酸素センサ素子による起電力Ｅｓ分のみ。

Ｂ２：厳密には、抵抗Ｒ３以外の全ての抵抗、コンデンサがその時定数の決定に関与しているが、主に影響するものは、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｒｚ、Ｒ８、Ｒ９、Ｃ４である。

Ｂ３：主に、抵抗Ｒｚ、Ｒ８、Ｒ９、Ｃ４によって決まる。

以上に示すように、図１の回路では、トランジスタＴｒ２をオンとして掃引電圧の除去を開始する時点で、トランジスタＴｒ３をオフとすることにより、酸素センサ素子１をトランジスタＴｒ２を含む掃引電圧除去用回路から分離することができる。その結果、トランジスタＴｒ２がコンデンサＣ１に蓄積された電荷を放出するに要する時間よりも多少長くオン状態とされていても、接続点Ｂにその影響が及ぶことはない。一方、主に、コンデンサＣ４に蓄積された電荷によって決まる接続点Ｂの電位は、コンデンサＣ４の電荷が酸素センサ素子１および抵抗Ｒ８を介して放出されるので、酸素センサ素子１の起電力に決まる値に収束する。

したがって、トランジスタＴｒ２のオン時間は、コンデンサＣ１の電荷が充分に放出されるために必要な時間を最低限確保し、それ以上であれば良く、酸素センサ素子およびＩＣ回路に依存して厳密に決定する必要がない。

なお、図３（ａ）の波形図において、酸素センサ素子のインピーダンス検出は、時間Ｔ１−Ｔ２の間の適当な時間Ｔｂで実施され、センサ電圧の検出は、掃引電圧の印加前の時間Ｔａ１および掃引電圧の除去後の時間Ｔａ２で行われる。通常は、掃引電圧の印加、インピーダンス検出、掃引電圧の除去、センサ電圧の検出は、一定周期毎に繰り返して行われる。したがって、掃引電圧除去後のインピーダンス検出およびセンサ電圧検出のタイミングは、接続点Ａ、Ｂの電位が、本来の電位に収束した時点で行われる必要がある。

そのために、図３の部分波形Ａ３、Ｂ３の時定数を、インピーダンスおよびセンサ電圧検出のタイミングに影響を及ぼさない値に設定することが望ましい。酸素センサ素子インピーダンス検出のために実施するトランジスタＴｒ１の掃引による電荷の残留は、トランジスタＴｒ２を一定時間オンとすることにより、次の酸素インピーダンス検出タイミングまでに充分抜ききる必要性がある。したがって、掃引終了時（トランジスタＴｒ１のオフの時点）のコンデンサＣ１の電位をＶ１とし、トランジスタＴｒ２のオン時間をｔ、目標電圧をＶ２（接地レベル）とした場合、コンデンサＣ１、抵抗Ｒ３、時間ｔを以下の式、
Ｖ２＝Ｖ１×ＥＸＰ（−ｔ／（Ｃ１×Ｒ３））
によって決定する。

一方、センサ電圧の検出回路において、酸素センサ素子の本来の出力電圧値をＶ３、コンデンサＣ４に蓄積された電位をＶ４とした場合、以下の式によって、抵抗Ｒ８、Ｒ９、コンデンサＣ４の値を設定する。
Ｖ３＝Ｖ３＋（Ｖ４−Ｖ３）×ＥＸＰ（−ｔ／（（Ｒｚ・Ｒ８）／（Ｒｚ＋Ｒ８））×Ｃ４））

抵抗Ｒ８は酸素センサ素子インピーダンス検出にあたって大きな影響を与えるため、素子インピーダンスＲｚよりも大きな値とする必要がある。なお、酸素センサ素子を例えば酸素濃度の測定に使用する場合は、素子を充分に高温として活性化する必要があり、その場合酸素センサ素子のコンデンサ成分は無視できるので、上記の式では、酸素センサ素子のコンデンサ成分を考慮していない。

以下に、図４および図５を参照して、本発明の効果をさらに詳細に説明する。図４および５は、図２の回路においてトランジスタＴｒ３を設けない場合の、接続点ＡおよびＢの電圧波形を示す図である。特に、図４は、トランジスタＴｒ２のオン時間を長めに設定した場合の接続点Ａ、Ｂの電圧変化を示し、図５は、トランジスタＴｒ２のオン時間を短めに設定した場合の接続点Ａ、Ｂの電圧変化を示している。

図２の回路において分離用トランジスタＴｒ３がない場合、トランジスタＴｒ１がオフの状態では、接続点ＡおよびＢの電位は、酸素センサ素子１の起電力に基づいた値Ｖ０を示す。したがって、掃引電圧の印加前のセンサ電圧読み込みのタイミング（時間Ｔａ１）では、値Ｖ０が接続点Ａ、Ｂの電位として読み込まれる。時間Ｔ１でトランジスタＴｒ１をオンとし、トランジスタＴｒ２をオフのままとすることによって、接続点Ａ、Ｂに掃引電圧が印加され、所定の時定数で電位が上昇する。その後、時間Ｔ２においてトランジスタＴｒ１をオフとし、トランジスタＴ２をオンとして掃引電圧の除去を開始すると、接続点Ａ、Ｂの電位は所定の時定数で低下する。このとき、図４に示すように、トランジスタＴｒ２のオン時間が長いと、接続点Ａ、Ｂの電位は酸素センサ素子１の起電力Ｖ０を超えて低下し、したがって時間Ｔａ２においてセンサ電圧を読み込んだ場合、読込み値は、正確な起電力Ｖより低い値ＶＬを示すようになる。

一方、図５に示すように、トランジスタＴｒ２のオン時間が短い場合、接続点Ａ、Ｂの電位が掃引電圧の影響を充分に取り除かない時点Ｔａ２でセンサ電圧の読込みが行われることとなるため、読込み値は、正確な起電力Ｖより高い値ＶＨを示すようになる。

したがって、従来の酸素センサ素子インピーダンス検出装置では、図４および５に示すような事態の発生を避けるため、トランジスタＴｒ２のオン時間を厳密に調整して、掃引した電荷の除去量を細かく調整しなければならず、そのためのソフトウエア変更に多大な労力を有する。

酸素センサ素子のインピーダンスの温度特性を示す図。 本発明の一実施形態にかかる酸素センサ素子インピーダンス検出装置の回路構成を示す図。 図２に示す装置の動作説明に供する図。 本発明にかかる装置の効果の説明に供する参考図であって、従来装置の動作説明のための図。 本発明にかかる装置の効果の説明に供する参考図であって、従来装置の動作説明のための図。

符号の説明

１ 酸素センサ素子
Ｒ１〜Ｒ９ 抵抗
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
Ｔｒ１〜Ｔｒ３ トランジスタ
ＰＯＲＴ１、ＰＯＲＴ２ 酸素センサ素子インピーダンス検出用ＰＯＲＴ
ＰＯＲＴ３ トランジスタＴｒ１駆動用信号の入力ポート
ＰＯＲＴ４ トランジスタＴｒ２駆動用信号の入力ポート
ＰＯＲＴ５ センサ電圧検出用ポート
ＰＯＲＴ６ トランジスタＴｒ３駆動用信号の入力ポート

Claims (8)

1. 酸素センサ素子にインピーダンス検出用の掃引電圧を印加するための掃引電圧印加手段と、
   前記印加された掃引電圧を除去するための掃引電圧除去手段と、
   前記酸素センサ素子のセンサ出力を検出するためのセンサ電圧検出手段と、
   前記酸素センサ素子と前記掃引電圧印加手段とを分離するための分離手段と、を備えることを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記分離手段は、前記掃引電圧除去手段の駆動と同時に駆動されて前記掃引電圧印加手段と前記酸素センサ素子とを分離することを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
3. 請求項１または２に記載の装置において、前記掃引電圧除去手段は、前記掃引電圧印加手段に蓄積された電荷を放出する時間よりも長く駆動されることを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
4. 請求項１乃至３に記載の装置において、前記掃引電圧印加手段は、定電圧源と、前記酸素センサ素子と前記定電圧源間に接続された第１の抵抗と、前記低電圧源と前記第１の抵抗間に接続された第１のスイッチング素子と、前記第１の抵抗および前記酸素センサ素子に並列に接続された第１のコンデンサを含むことを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
5. 請求項４に記載の装置において、前記掃引電圧除去手段は、前記第１のスイッチング素子と前記第１の抵抗との接点に一端を接続され、他端を接地された第２のスイッチング素子を含むことを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
6. 請求項４または５に記載の装置において、前記センサ電圧検出手段は、前記酸素センサ素子に並列に接続された第２の抵抗と、前記酸素センサ素子と前記第２の抵抗とに並列に接続された第２のコンデンサとを含むことを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
7. 請求項６に記載の装置において、前記第２の抵抗は、前記酸素センサ素子が有する最大のインピーダンスよりも大きい抵抗値を有することを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
8. 請求項４乃至７に記載の装置において、前記分離手段は、前記第１の抵抗と前記酸素センサ素子間に直列に接続された第３のスイッチング素子を含むことを特徴とする、酸素センサ素子インピーダンス検出装置。

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