JP2009294006A - 車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置及びヒータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置において、ノイズの発生を抑制しつつ、駆動損失を抑制することである。
【解決手段】車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置２であって、最小電流値と最大電流値との間で変化するパルス電流をヒータ１２に印加するためのスイッチング素子ＴＲと、パルス電流の立ち上がり波形および立下り波形が最小電流値及び最大電流値の両方に滑らかに連続するように、スイッチング素子ＴＲに駆動波形を印加する電流制御手段３０と、を備えるヒータ制御装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒータ制御装置、特に、車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置に係る。
また本発明は、ヒータ制御方法、特に、車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御方法に係る。

車両のエンジン制御に用いられる酸素センサは、活性温度（例えば、７８０℃）に加熱及び維持しなければセンサとして機能しない。通常、酸素センサには、抵抗体からなるヒータが内蔵されており、このヒータによって加熱される。ＥＣＵ(Engine Control Unit)は、ヒータに電力を供給するため、例えば、特許文献１に記載のヒータ制御装置のように、パワートランジスタを用いたオープンドレイン又はオープンコレクタ回路によって、ヒータ電流をＰＷＭ（パルス幅変調）により制御している。
特開平８−３３８８２３号公報（第１図，段落４５）

ヒータ電流をＰＷＭ制御する場合には、ヒータはほぼ純抵抗であるため、その駆動電流波形は矩形波となる。ところが、一部のＥＣＵについては、各ワイヤーハーネスから発せられる伝導性ノイズの基準が設定されており、上記ヒータを駆動するラインがＬＷ帯（１５０ｋＨｚ〜２８０ｋＨｚ）及びその周辺の帯域でノイズの基準を満足できないことが問題となっている。

また、車載の酸素センサを加熱するためのヒータでは、加熱制御の間、矩形波を繰返し印加する必要があるため、パルスの立ち上がり及び立下りが多数回にわたって繰り返される。このような状況下では、立ち上がり及び立下り時の電圧と電流の重なりによるスイッチング損失（駆動損失）が増大しないように考慮する必要がある。

さらに、車載の酸素センサを制御するシステムでは、ＥＣＵの端子において故障診断を行うことが必須であり、この点も考慮する必要がある。
本発明の目的は、車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置において、ノイズの発生を抑制しつつ、駆動損失を抑制することである。

また、本発明の目的は、車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置において、ノイズの発生を抑制しつつ、駆動損失を抑制し、かつＥＣＵの端子において故障診断を可能にすることである。

請求項１に係る発明は、車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置であって、最小電流値と最大電流値との間で変化するパルス電流を前記ヒータに印加するためのスイッチング素子と、前記パルス電流の立ち上がり波形および立下り波形が前記最小電流値及び前記最大電流値の両方に滑らかに連続するように前記スイッチング素子に駆動波形を印加する電流制御手段と、を備える。

このヒータ制御装置によれば、ヒータに印加するパルス電流の立ち上がり及び立下りにおいて、パルス電流が、最小電流値からなめらかに立ち上がり最大電流値になめらかに収束するとともに、最大電流値からなめらかに立下りを開始し最小電流値になめらかに収束する。この場合、パルス電流が急激に変化する点がなくなり、ヒータの駆動に起因するノイズ（伝導ノイズ、輻射ノイズ等）を抑制することができる。また、パルス電流の最大電流値及び最小電流値と接続する点以外では電流の変化を大きくすれば、スイッチング素子における駆動損失を抑制することができる。その結果、ノイズの抑制と駆動損失の抑制を両立させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のヒータ制御装置において、前記電流制御手段は、前記車両用センサの温度の検出値を取得し、該温度検出値に応じて前記スイッチング素子の駆動波形を制御する。

このヒータ制御装置によれば、車両用センサの温度の検出値をフィードバックし、この温度検出値に応じてスイッチング素子の駆動波形を調整するので、車両用センサの温度を精度良く制御できる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のヒータ制御装置において、前記電流制御手段は、前記温度検出値及び前記スイッチング素子の増幅特性に基づいて、前記スイッチング素子の駆動波形を制御する。

このヒータ制御装置では、車両用センサの温度及びスイッチング素子の増幅特性に基づいてスイッチング素子に印加する駆動波形を調整するので、スイッチング素子の個体ごとの特性のばらつきに関わらず、ヒータに流すパルス電流を精度良く制御できる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のヒータ制御装置において、前記電流制御手段は、前記スイッチング素子に印加する駆動波形のパターンと該スイッチング素子に流れる電流に基づいて、前記スイッチング素子の増幅特性を測定し、この増幅特性の測定値及び前記温度検出値に基づいて前記スイッチング素子の駆動波形を制御する。

このヒータ制御装置では、スイッチング素子の増幅特性を測定し、この測定値に基づいてスイッチング素子に印加する駆動波形を調整するので、スイッチング素子の個体ごとの特性のばらつきに関わらず、ヒータに流すパルス電流を精度良く制御できる。また、ヒータの制御中にスイッチング素子に電流を流して増幅特性を測定するので、スイッチング素子の経時劣化に応じて駆動波形を調整可能である。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載のヒータ制御装置において、前記車両用センサの温度及び前記スイッチング素子の増幅特性に対応付けて前記駆動波形のパターンを予め記憶した波形記憶部を更に備える。そして、前記電流制御手段は、前記車両用センサの温度の検出値及び前記スイッチング素子の増幅特性の測定値に対応するパターンを前記波形記憶部から読み出し、この読み出したパターンに基づいて前記スイッチング素子に駆動波形を印加する。

このヒータ制御装置では、車両用センサの温度及びスイッチング素子の増幅特性に対応させて駆動波形のパターンを予め記憶しておき、車両用センサ温度の検出値及び増幅特性の測定値に基づいて駆動波形のパターンを読み出す。従って、ヒータの加熱制御中に複雑な演算を行うことなく、適切な駆動波形をスイッチング素子に印加することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至５の何れかに記載のヒータ制御装置において、前記パルス電流はＰＷＭ波形であり、前記パルス電流の立ち上がり波形及び立下り波形は正弦波の一部である。

この場合、立ち上がり波形及び立下り波形を正弦波とすることにより、最小電流値及び最大電流値となめらかに連続するパルス電流を容易に得ることができる。また、ＰＷＭ制御を行うので、パルス幅を変更してデューティ比を調整することにより、ヒータに供給される電流を容易に増減することができる。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６の何れかに記載のヒータ制御装置において、前記車両用センサを乾燥させて結露を除去するための結露除去運転と、前記車両用センサを活性温度まで加熱するための通常運転と、を行うように前記ヒータを制御する。

この場合、車両用センサに小さい電力を供給して結露を除去した後に、相対的に大きい電力を供給して活性温度まで加熱するので、水分が付着したまま車両用センサが急激に加熱され損傷することを防止できる。

請求項１乃至７の何れかに記載のヒータ制御装置において、前記スイッチング素子及び前記電流制御手段をＥＣＵに内蔵し、前記スイッチング素子を前記ＥＣＵの一端子を介して前記ヒータに電気的に接続しても良い。また、前記ＥＣＵは、更に、前記一端子に前記スイッチング素子と並列に接続され、該一端子における故障診断を実行するための端子故障診断部を備えることが可能である。

このヒータ制御装置によれば、ノイズの抑制及び駆動損失の抑制を両立し、かつＥＣＵ端子の故障診断を可能とすることができる。
請求項８に係る発明は、車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御方法であって、前記ヒータにパルス電流を流すためのスイッチング素子に供給する駆動波形を算出するステップであって、前記パルス電流の立ち上がり波形および立下り波形が、該パルス電流の最小電流値及び最大電流値の両方に滑らかに連続する形状となるように前記駆動波形を算出するステップと、前記駆動波形を前記スイッチング素子に供給して、前記形状のパルス電流を前記ヒータに流すステップと、を含む。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサシステムの概略を示すブロック図である。このセンサシステムは、車両に搭載される酸素センサユニット１（図示せず）と、該センサユニット１のヒータ１２を制御するためのＥＣＵ２とを備えている。ここでは、酸素センサユニットを例に挙げてセンサシステムを説明するが、本発明は、酸素センサユニット以外にもＮＯＸセンサ等のヒータを備えたセンサユニットに利用可能である。

［酸素センサユニットの構成及び動作］
酸素センサユニット１は、車両のエンジン制御、例えば空燃比制御に使用するために、車両の排気管に配置されて排気中の酸素濃度を検出する検出装置である。酸素センサユニット１は、酸素濃度を検出するための酸素センサ１１と、酸素センサ１１を活性温度まで加熱するための抵抗体からなるヒータ１２と、酸素センサ１１の温度を検出する温度検出部１３とを備えている。ヒータ１２及び温度検出部１３は、端子Ｔ２及びＴ１を介してＥＣＵ２に接続されており、酸素センサ１１は、図示しない端子を介してＥＣＵ２に接続されている。

酸素センサユニット１のヒータ１２は、車両のバッテリ電圧Ｖ_ＢＡＴとグランド電位ＧＮＤとの間にてトランジスタＴＲ（スイッチング素子）と直列に接続されており、トランジスタＴＲのスイッチング動作によってバッテリＶ_ＢＡＴからヒータ電流Ｉ_Ｃが流れる。トランジスタＴＲは、ＥＣＵ２に内蔵されており、ヒータ電流ＩｃはＥＣＵ２の端子Ｔ２からトランジスタＴＲに流れ込む。本実施形態では、図１に示すように、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを例に挙げるが、スイッチング素子はＦＥＴ、ＩＧＢＴ等他のスイッチング素子を用いることもできる。

また、トランジスタＴＲのエミッタ端子Ｅとグランド電位ＧＮＤとの間には電流検出抵抗Ｒ_Ｅが接続されており、この電流検出抵抗Ｒ_Ｅの両端の電圧を増幅器７０で増幅することによりヒータ電流Ｉ_Ｃ（≒Ｉ_Ｅ）を検出する。

図２は、本実施形態のセンサシステムにおいて、ＥＣＵ２の制御によりヒータ１２を流れるパルス電流を図示したものである。
図２（ａ）は、ヒータ１２に流れるパルス電流の概略パターンを図示したものであり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すパルス波形に含まれる１つの矩形波Ｓを拡大した図である。

図２（ａ）中、Ｔ１は、パルス波形の周期であり、Ｔ２は、矩形波Ｓの立ち上がり部分Ｓａの始点Ａ１と立下り部分Ｓｂの終点Ｂ２との間の時間であり、パルス幅に相当する。図２（ｂ）に示すように、矩形波Ｓは、立ち上がり部分Ｓａと、立下り部分Ｓｂと、立ち上がり部分Ｓａと立下り部分Ｓｂの間の定常部分Ｓｃとからなる。立ち上がり部分Ｓａ、立下り部分Ｓｂ、及び定常部分Ｓｃの時間的な長さを、それぞれ、立ち上がり時間Ｔａ、立下り時間Ｔｂ及び定常時間Ｔｃとすると、これらの時間の合計Ｔａ＋Ｔｂ＋Ｔｃがパルス幅Ｔ２に相当する。

本実施形態では、トランジスタＴＲの動作を制御し、パルス電流のパルス幅Ｔ２の長さを調整するＰＷＭ制御により、デューティ比を調整し、これにより、ヒータ１２による加熱を調整する。ここで、周期Ｔ１の時間のうち矩形波Ｓが印加される時間の割合は、デューティ比と呼ばれ、パルス幅Ｔ２と周期Ｔ１の比（Ｔ２／Ｔ１）で表される。したがって、ヒータ１２の発熱量を増大させる場合にはパルス幅Ｔ２（デューティ比：Ｔ２／Ｔ１）を増大させ、ヒータ１２の発熱量を減少する場合にはパルス幅Ｔ２（デューティ比：Ｔ２／Ｔ１）を減少させる。

本実施形態によるパルス電流は以下の特徴を有する。立ち上がり部分Ｓａの始点Ａ１では、電流Ｉ_Ｃは最小電流値＝０から滑らかに立ち上がりを開始し、その終点Ａ２において、最大電流値Ｉｃｐに滑らかに収束する。また、立ち下がり部分Ｓｂの始点Ｂ１において、電流Ｉｃは最大電流値Ｉｐｃから滑らかに立下りを開始し、その終点Ｂ２において、最小電流値＝０に滑らかに収束する。このように、矩形波Ｓは、４つの隅部Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２を全て丸めている、すなわち４つの隅部Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２において電流値の変化を小さくして滑らかに連続させており、急激な電流の変化を防止するように構成されている。これにより、矩形波Ｓは、立ち上がり部分Ｓａ、定常部分Ｓｃ及び立下り部分Ｓｂにわたって電流値が急激に変化する部分がなくなり、ＬＷ帯（１５０ｋＨｚ〜２８０ｋＨｚ）及びその周辺の帯域、概ね１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚにおけるノイズ（伝導ノイズ、輻射ノイズ）を抑制することができる。なお、立ち上がり時間Ｔａと立下り時間Ｔｂは、同一としても良く、互いに異なるようにしても良い。

また、立ち上がり部分Ｓａ及び立下り部分Ｓｂは、最小電流値０及び最大電流値Ｉｃｐと接続する点（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）以外の部分では、電流値が速やかに増加又は減少するように電流変化の傾きが相対的に大きくなっている。これにより、立ち上がり時間Ｔａ及び立下り時間Ｔｂが長くなることによるトランジスタＴＲのスイッチング損失（駆動損失）の増大を防止している。

以上に述べたような条件（ノイズ抑制および駆動損失抑制）を満たす立ち上がり部分Ｓａ及び立下り部分Ｓｂは、例えば、正弦波の一部として構成することができる。即ち、本実施形態に係るパルス波形の矩形波は、正弦波を２つに分割し、分割された正弦波の間に定電流の領域が存在するように構成しても良い。

本願出願人は、エンジンアイドリング時に起こり得る典型的な酸素センサヒータのパルス波形として、Ｔ１＝５．５６［ｍｓ］、Ｔ２／Ｔ１＝２０［％］、Ｉｃｐ＝１．８［Ａ］、立ち上がり波形及び立下り波形：Ｔａ＝Ｔｂ＝１２［μｓ］の正弦波としてシミュレーションした結果、良好な結果を得ることを確認した。また、この条件で立ち上がり波形及び立下り波形をＴａ＝Ｔｂ＝４０［μｓ］の正弦波とした場合には、更にノイズ抑制効果を高めることができることを確認した。

なお、本実施形態では、抵抗体からなるヒータに流す電流として説明しているが、本実施形態に係る電流波形は、ヒータに限らず、抵抗性負荷全般に適用し、ノイズ抑制及び駆動損失抑制を図ることができる。

［ＥＣＵの構成及び動作］
図２を参照して述べたヒータ電流Ｉｃをヒータ１２に印加するためのＥＣＵ２の構成及び動作を以下、詳細に説明する。

ＥＣＵ２は、図３に例示したような駆動波形をトランジスタＴＲのベース端子Ｂに印加することにより、ヒータ１２に図２に示すヒータ電流Ｉｃ（トランジスタＴＲのコレクタ電流）を流す。通常、トランジスタＴＲのコレクタ電流（ヒータ電流Ｉｃ：図２）の変化は、駆動波形（ベース電圧）の変化にほぼ追従するので、駆動波形はヒータ電流Ｉｃの形状に概ね一致する波形である。但し、ヒータ電流Ｉｃがノイズ及び駆動損失の抑制に適した形状（例えば正弦波）になることが重要であるので、所望のヒータ電流Ｉｃが得られるような駆動波形を生成するようにする。例えば、ヒータ電流Ｉｃとして正弦波が要求される場合には、ヒータ電流Ｉｃが正弦波になれば良く、駆動波形は必ずしも正弦波になる必要はない。

ＥＣＵ２は、温度−電圧変換部２０と、ＣＰＵ３０と、メモリ（記憶部）４０と、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換部５０と、駆動波形入力回路６０と、ヒータ電流Ｉ_Ｃを制御するトランジスタＴＲと、電流検出抵抗Ｒ_Ｅと、増幅器７０とを備えている。

［温度−電圧変換部、メモリ］
温度−電圧変換部２０は、温度検出部１３で検出された信号をアナログ信号に変換し、酸素センサ１１の温度検出値としてＣＰＵ３０に出力する。

メモリ４０は、酸素センサ１１の温度及びトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥに対応させて、トランジスタＴＲの複数の駆動パターンＡ，Ｂ，Ｃ・・・を記憶している。即ち、駆動パターンＡ，Ｂ，Ｃ・・・は、酸素センサ１１の温度に応じて決まるデューティ比およびトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥに応じた電圧値の駆動波形を有する。また、メモリ４０は、結露除去運転用の極小パルス幅の駆動波形を更に記憶している。メモリ４０は、ＣＰＵ３０から駆動パターンの何れかを指定する信号を受け取り、該信号に対応する駆動パターンを読み出してＣＰＵ３０に送出する。

図３は、メモリ４０に記憶される駆動パターンの一例を示す。同図中、上段の表は、メモリ４０に記憶される駆動パターンのデータ構成例であり、メモリ４０におけるアドレスに対応させて各印加時点の波形データ等を表示している。一方、下段のグラフは、メモリ４０におけるアドレスに対応させて、印加時点においてトランジスタＴＲのベース端子Ｂに印加する駆動波形（Ｖ_ＯＵＴ：Ｄ／Ａ変換部５０の出力電圧）を表示したものである。上段表中の駆動パターンは、駆動波形ｓ０に対応している。図中、ｔ_ＣＹは、駆動波形の１サイクル分の時間、ｔ_ＰＷはパルス幅、ｔ_Ｒは立ち上がり時間、ｔ_Ｆは立ち下がり時間を示す。ｔ_ＰＷはパルス幅、ｔ_Ｒは立ち上がり時間、ｔ_Ｆは立ち下がり時間は、それぞれヒータ電流のパルス幅Ｔ２、立ち上がり時間Ｔａ、立下り時間Ｔｂにほぼ一致する。

図３上段の表に示すように、駆動パターンは、１サイクル分のデータを有しており、駆動波形の各印加時点に対応するアドレスごとに９ビットＤ０〜Ｄ８のデータを有している。各ビットには、次のようにデータが格納されている。ビットＤ０には、１サイクルのデータの終了点を示すデータ（ＣＹ）が格納されている。ビットＤ１には、後述するＥＣＵ端子故障診断を実行可能（イネーブル）とする期間を示すデータ（ＳＴ）が格納されている。ビットＤ２には、トランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥを測定するタイミングを示すデータ（ＰＫ）が格納されている。ビットＤ３〜Ｄ８には、トランジスタＴＲのベース端子Ｂに印加する駆動波形を特定する波形データ（Ｗ０〜Ｗ５）が格納されている。なお、本実施形態では、波形データとして６ビットのデータを例に挙げて説明するが、システムに要求されるノイズ抑制、駆動損失抑制の程度を考慮して、５ビット以下または７ビット以上のデータを用いても良い。

図３には、ｓ０以外の２つの駆動波形ｓ１，ｓ２も図示している。駆動波形ｓ０は、例えば、所定のセンサ温度においてトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥが予め定めた規定値である場合のＶ_ＯＵＴのパターンである。一方、パターンｓ１は、同一センサ温度においてトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥが規定値よりも大きい場合のＶ_ＯＵＴのパターンであり、駆動波形ｓ２は、同一センサ温度においてトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥが規定値よりも小さい場合のＶ_ＯＵＴのパターンである。すなわち、トランジスタＴＲの個体差に関わらず、ヒータ１２に流す理想的なヒータ電流Ｉｃを得るために、トランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥが規定値よりも大きい場合にはヒータ電流が大きくなり過ぎないように、ｓ０よりも小さいｓ１によってＶＯＵＴを印加し、トランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥが規定値よりも小さい場合にはヒータ電流が小さくなり過ぎないように、ｓ０よりも大きいｓ２によってＶＯＵＴを印加する。この結果、トランジスタＴＲの個体間の特性のばらつきに関わらず、ヒータ電流Ｉｃを所望の形状、すなわちノイズ及び駆動損失を効果的に抑制する形状に制御することができる。

増幅率ｈ_ＦＥに応じて駆動波形を調整しない場合、例えば、トランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥが規定値より小さいと、ヒータ電流Ｉｃの立ち上がりの速度が遅く、所定時間内に最大電流値まで増大させることができず、ノイズ抑制及び駆動損失抑制を効果的に行えない場合がある。本実施形態では、トランジスタＴＲに流れる電流（ヒータ電流Ｉｃ）から増幅率ｈ_ＦＥを測定し、この測定値に応じて駆動波形を調整することにより、ノイズ抑制及び駆動損失抑制を効果的に行えるようにしている。

なお、図３において、出力波形Ｖ_ＯＵＴの立ち上がり部分および立下り部分では、電圧値が階段状に変化しているが、実際には抵抗Ｒ_Ｂ１及びコンデンサＣ_Ｂからなる積分器でなまされた波形がトランジスタＴＲのベースＢに入力される。

［ＣＰＵ、Ｄ／Ａ変換部、駆動波形入力回路］
ＣＰＵ３０は、酸素センサ１１の温度検出値およびトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥの測定値に基づいて、トランジスタＴＲの駆動パターンを決定し、該駆動パターンをメモリ４０から読み出し、該駆動パターンに含まれる駆動波形Ｄ３〜Ｄ８（Ｗ０〜Ｗ５）をＤ／Ａ変換部５０に出力する。Ｄ／Ａ変換部５０は、駆動波形Ｄ３〜Ｄ８（Ｗ０〜Ｗ５）をアナログ信号の駆動波形に変換し、この駆動波形（アナログ信号）を、抵抗Ｒ_Ｂ１，Ｒ_Ｂ１及びコンデンサＣ_Ｂからなる駆動波形入力回路６０を介してトランジスタＴＲのベース端子Ｂに印加する。トランジスタＴＲは、ベース端子Ｂに入力される駆動波形によって駆動され、駆動波形に対応した形状のヒータ電流Ｉｃを流す。本実施形態では、ヒータ電流ＩｃはＰＷＭ制御されるパルス波形であり、トランジスタＴＲの駆動波形もパルス波形であるが、図２及び図３を参照して上述したように、ノイズ及び駆動損失の抑制のために、パルス波形の立ち上がり波形及び立下り波形が所定の形状に制御される。

以下、ＣＰＵ３０の構成部分ごとに詳細に述べる。ＣＰＵ３０は、エンジン制御部３１と、駆動波形決定部３２と、タイミングマネージャ３３と、増幅率見積ブロック３４とを備えている。

エンジン制御部３１は、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）からの信号を受け取ることによりエンジンの始動を検出すると共に、端子故障診断部８０からＥＣＵ端子故障情報を受け取り、これらに基づいて、ヒータ１２の制御指令をシステム要求として出力する。エンジン制御部３１は、エンジンが始動されると、先ず、酸素センサ１１を乾燥させて結露を除去するための「結露除去運転」の指令を出力し、その後、酸素センサ１１を所定の活性温度（例えば７８０℃）まで加熱するための「通常運転」の指令を出力する。ここで、ＣＰＵ３０は、結露除去運転では、通常運転時のパルス幅に比較して十分小さい極小パルス幅のヒータ電流Ｉｃを流すように制御する。

駆動波形決定部３２は、エンジン制御部３１から結露除去運転の指令を受け取った場合には、結露除去運転用の駆動パターン、即ち極小パルス幅の駆動波形を含む駆動パターンを選択し、結露除去運転用の駆動パターンを指定する指定信号をメモリ４０に出力する。一方、駆動波形決定部３２は、エンジン制御部３１から通常運転の指令を受け取った場合には、温度−電圧変換部２０から受け取るセンサ温度検出値および後述する増幅率見積ブロック３４から受け取る増幅率測定値に基づいて、駆動パターンを決定し、その駆動パターンを指定する信号をメモリ４０に出力する。駆動波形決定部３２は、タイミングマネージャ３３から受け取るトリガ１を受け取るごとに、上記駆動パターンの選択及び指定信号の出力の処理を実行する。

タイミングマネージャ３３は、メモリ４０から出力される駆動パターンＤ０〜Ｄ８を受け取り、一時的に格納（バッファ）する。駆動パターンＤ０〜Ｄ８には、図３を参照して前述したように、各サイクルのデータの終了点を示すビットＤ０と、後述するＥＣＵ端子故障診断を実行可能（イネーブル）とする期間を示すビットＤ１と、トランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥを測定するタイミングを示すビットＤ２と、駆動波形（ベース電圧）の波形データを示すビットＤ３〜Ｄ８とを含む。

タイミングマネージャ３３は、図３に示すアドレスの順番に駆動パターンＤ０〜Ｄ８を検証し、ビットＤ０が１になるまで、波形データＤ３〜Ｄ８（Ｗ３〜Ｗ８）を印加タイミング順にＤ／Ａ変換部５０及び増幅率見積ブロック３４に出力し、次サイクルの駆動パターンのデータＤ０〜Ｄ８についても同様に処理する。

Ｄ／Ａ変換部５０は、各タイミングの波形データＤ３〜Ｄ８（Ｗ３〜Ｗ８）を受け取ると、トランジスタＴＲに実際に印加するアナログ電圧値Ｖ_ＯＵＴに変換し、駆動波形入力回路６０に介してトランジスタＴＲのベース端子Ｂに駆動波形を印加する。Ｄ／Ａ変換部５０は、ＥＣＵ２内部の電源ラインＶｃｃ１とグランド電位ＧＮＤとの間の電圧によってアナログ電圧値Ｖ_ＯＵＴを生成する。

駆動波形入力回路６０は、抵抗Ｒ_Ｂ１とＲ_Ｂ２との間のノードとグランド電位ＧＮＤとの間に介装されたスイッチＳＷを備えている。端子故障診断部８０のポートＳＣＢからバッテリショート報告の信号が入力された場合に、この信号によってスイッチＳＷは短絡される。このスイッチＳＷの短絡によってトランジスタＴＲのベース端子Ｂの電位が強制的にグランド電位ＧＮＤに接地され、トランジスタＴＲの動作が強制的に停止される。

また、タイミングマネージャ３３は、１サイクル中に、データＤ１（ＳＴ）＝１を検出すると、端子故障診断部８０のポートＳＴにイネーブル信号を出力し、端子故障診断部８０にＥＣＵ端子の故障診断処理（詳細後述）を実行させる。図３には、アドレスＡｄ_１〜Ａｄ_６及びＡｄ_ｎ−７〜Ａｄ_ｎにおいて、データＤ１（ＳＴ）＝１となる場合を示す。

また、タイミングマネージャ３３は、１サイクル中に、データＤ２（ＰＫ）＝１を検出すると、増幅率見積ブロック３４にトリガＰＫを出力し、このトリガＰＫにより増幅率見積ブロック３４にトランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥを算出させる。例えば、増幅率見積ブロック３４は、図３中のアドレスＡｄ_ｉに示すタイミングで、タイミングマネージャ３３から、トリガＰＫ及び波形データＤ３〜Ｄ８＝（０００・・・１）を受け取る。また、増幅率見積ブロック３４は、増幅器７０からトリガＰＫのタイミングにおけるヒータ電流検出値Ｉ_Ｅ（＝Ｉｃ）を取得し、このヒータ電流検出値Ｉ_Ｅと、波形データＤ３〜Ｄ８＝（０００・・・１）に対応するアナログ電圧値Ｖ_ＯＵＴとを用いて、式（１）から、直流電流増幅率ｈ_ＦＥを算出する。増幅率見積ブロック３４は、算出した増幅率ｈ_ＦＥを増幅率測定値として駆動波形決定部３２に出力する。

ｈ_ＦＥ≒Ｉ_Ｅ（Ｒ_Ｂ１＋Ｒ_Ｂ２）／（Ｖ_ＯＵＴ−Ｖ_ＢＥ−Ｉ_Ｅ・Ｒ_Ｅ）…（１）
ここで、ｈ_ＦＥ：電流増幅率，Ｉ_Ｅ（＝Ｉ_Ｃ）：エミッタ電流，Ｒ_Ｂ１，Ｒ_Ｂ２：駆動波形入力回路の抵抗値，Ｖ_ＯＵＴ：駆動波形のアナログ電圧値，Ｖ_ＢＥ：ベース・エミッタ間電圧，Ｒ_Ｅ：電流検出抵抗値
また、タイミングマネージャ３３は、ビットＤ０（ＣＹ）＝１を検出すると、１サイクルを終了する。

［故障診断部］
次に、端子故障診断部８０による故障診断処理について述べる。
端子故障診断部８０は、タイミングマネージャ３３からイネーブル信号を受け取るポートＳＴと、増幅器７０からヒータ電流値Ｉ_Ｅ（＝Ｉｃ）を受け取るポートＤＳＣＢと、トランジスタＴＲがオフ時における故障検出電流Ｉ_ＤＩＡを検出するために抵抗_ＲＤＩＡの両端の電位が入力されるポートＤＨ，ＤＬとを備えている。

ＥＣＵ２は、端子Ｔ２にてヒータ１２の一端に接続されており、端子Ｔ２はＥＣＵ２内部において、トランジスタＴＲのコレクタに接続されると共に、抵抗Ｒ_ＤＩＡ２，Ｒ_ＤＩＡ１を介して内部電源ラインＶｃｃ２（＜ＶＢＡＴ）に接続されている。故障診断処理時には、図３のアドレスＡｄ_１〜Ａｄ_６及びＡｄ_ｎ−７〜Ａｄ_ｎに示すように、駆動パターンのビットＤ１が“１”であり、この期間では、ビットＤ３〜Ｄ８が全て０で、トランジスタＴＲのベース端子Ｂには電圧が印加されない。従って、トランジスタＴＲは完全に閉じておりヒータ電流Ｉｃは流れない。また、バッテリ電圧Ｖ_ＢＡＴからヒータ１２、端子Ｔ２、抵抗Ｒ_ＤＩＡ２，Ｒ_ＤＩＡ１を介して内部電源ラインＶｃｃ２に故障検出電流Ｉ_ＤＩＡが流れる。端子故障診断部８０は、ポートＤＬ及びＤＨに入力される電圧に基づいて抵抗Ｒ_ＤＩＡ２の両端の電位差を求め、この電位差から故障検出電流Ｉ_ＤＩＡを算出し、故障検出電流Ｉ_ＤＩＡを所定の閾値値と比較することにより、ＥＣＵ端子における故障診断を実行する。

図４Ａは、ＥＣＵ端子Ｔ２における、端子オープン及びグランドショートの故障診断処理のフローである。この診断フローは、端子故障診断部８０がイネーブル信号を受け取るごとに実行される。即ち、駆動パターンの各アドレスのデータごとにビットＤ１の値がイネーブル信号として端子故障診断部８０に出力されるので、端子故障診断部８０は各アドレスのデータごとに診断フローを実行する。実際には、上述した駆動パターンのビットＤ１が“１”を示す期間でのみ、診断フローのＳ２０以降の実質的な診断処理が行われる。

まず、ポートＳＴの値が“１”であるか否かを判断し（Ｓ１０）、ポートＳＴの値が“１”でない場合にはフローを終了し、ポートＳＴの値が“１”になるとＳ２０に進む。
Ｓ２０では、故障検出電流Ｉ_ＤＩＡの算出値が、閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＧ}よりも小さいか否かを判断する。Ｉ_ＤＩＡ＜Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＧ}であれば、Ｓ３０において「ＥＣＵ端子グランドショートの報告」の信号をポートＳＧＣからＣＰＵ３０に出力する。ここで、ＥＣＵ端子Ｔ２が故障によりグランド電位にショートしている場合には、内部電源ラインＶｃｃ２からグランド電位に電流が流れる。すなわち、図１中、矢印の方向を正の電流値とした場合には、負の電流Ｉ_ＤＩＡが流れる。したがって、図４Ｂに示すように、Ｉ_ＤＩＡが負の電流値でかつ閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＧ}よりも小さい場合、言い換えれば、内部電源ラインＶｃｃ２から抵抗Ｒ_ＤＩＡ１に向かって、閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＧ}の絶対値よりも大きな電流が流れるのであれば、端子Ｔ２とグランド電位ＧＮＤとがショートしていると判断する。

一方、Ｓ２０において、Ｉ_ＤＩＡ＜Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＧ}を満たさない場合には、故障検出電流Ｉ_ＤＩＡが、閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｌ}より大きくかつ閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｈ}より小さいか否か判断する（Ｓ４０）。ここで、閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｌ}、Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｈ}は、故障検出電流Ｉ_ＤＩＡが実質的に０であるか否かを判断するための電流値であり、図４Ｂに示すように電流値＝０近傍の十分に小さい値が選択される。Ｓ４０において、Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｌ}＜Ｉ_ＤＩＡ＜Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｈ}、即ち故障検出電流Ｉ_ＤＩＡの絶対値がほとんど０であれば、端子Ｔ２とヒータ１２との間が何らかの原因で電気的に開放されている（オープン状態にある）ので、「ＥＣＵ端子オープン報告」の信号をポートＯＬからＣＰＵ３０に出力する（Ｓ５０）。

一方、Ｓ４０において、Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｌ}＜Ｉ_ＤＩＡ＜Ｉ_{ＴＨ＿ＯＬ＿Ｈ}を満たさない場合には、端子グランドショート及び端子オープンの故障無しとして処理を終了する。
図５Ａは、バッテリショートによる故障を検出するための故障診断フローであり、故障診断部８０によって実行される。この故障診断フローは、ポートＳＴに入力されるイネーブル信号の値に関わらず、所定の周期で常時実行される。

Ｓ６０において、ヒータ電流検出値Ｉ_Ｅの算出値が、閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＢ}よりも大きいか否かを判断する。閾値Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＢ}は、トランジスタＴＲがヒータ１２を介してバッテリＶ_ＢＡＴに接続される場合に通常流れる電流Ｉ_Ｅを超えるか否かを判定するための電流値であり、図５Ｂに示すように、ヒータ１２からトランジスタＴＲに向かう方向の電流値を正の値とした場合に、所定の正の電流値として設定される。

Ｓ６０において、Ｉ_Ｅ＞Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＢ}であれば、ＥＣＵ２の端子Ｔ２がヒータ１２を介さずにバッテリＶ_ＢＡＴと短絡していると考えられるので、「ＥＣＵ端子バッテリショート報告」の信号をポートＳＣＢからＣＰＵ３０に出力すると共に、スイッチＳＷに出力してトランジスタＴＲを強制終了させる（Ｓ７０）。これにより、Ｄ／Ａ変換部５０から駆動波形（Ｖ_ＯＵＴ）が出力されてもトランジスタＴＲは動作しないようにすることができ、トランジスタＴＲが過電流により損傷することを防止できる。

一方、Ｓ６０において、Ｉ_Ｅ＞Ｉ_{ＴＨ＿ＳＣＢ}でなければ、バッテリショート無しとして故障診断フローを終了する。
［センサシステムの動作］
以上説明した本実施形態に係るセンサシステムの全体的な動作をまとめると以下の通りである。

エンジン制御部３１が、図示しない車両のイグニッションスイッチからの信号によりエンジンの始動を検知すると、所定時間の間、結露除去運転を実行させることを指令する信号を駆動波形決定部３２に出力する。その結露運転除去運転の指令を受け取った駆動波形決定部３２は、結露除去運転用の駆動パターンを指定する指定信号をメモリ４０に出力し、メモリ４０からタイミングマネージャ３３に結露除去運転用の駆動パターンのデータを読み込ませる。タイミングマネージャ３３は、波形データＤ０〜Ｄ８を増幅率見積ブロック３４及びＤ／Ａ変換部５０に出力し、Ｄ／Ａ変換部５０が波形データをアナログ信号の駆動波形に変換して、トランジスタＴＲに出力する。これによりトランジスタＴＲが極小パルス幅のヒータ電流Ｉｃをヒータ１２に流し、ヒータ１２を乾燥させて結露を除去する。

所定時間経過後、エンジン制御部３１は、ヒータ１２を活性温度まで上昇させるための通常運転を実行させることを指令する信号を駆動波形決定部３２に出力する。駆動波形決定部３２は、温度検出部１３による温度検出値及びトランジスタＴＲの増幅率測定値ｈ_ＦＥに基づいて、複数の通常運転用の駆動パターンから、温度検出値及び増幅率測定値ｈ_ＦＥに対応する駆動パターンを選択し、該駆動パターンを指定する指定信号をメモリ４０に出力し、メモリ４０からタイミングマネージャ３３に駆動パターンのデータを読み込ませる。タイミングマネージャ３３は、波形データＤ０〜Ｄ８を増幅率見積ブロック３４及びＤ／Ａ変換部５０に出力し、Ｄ／Ａ変換部５０が波形データをアナログ信号の駆動波形に変換して、トランジスタＴＲに出力する。これによりトランジスタＴＲが駆動波形に対応するヒータ電流Ｉｃをヒータ１２に流し、ヒータ１２を活性温度まで上昇させ維持する。また、端子故障診断部８０は、上述した図４Ａ及び図５Ａの故障診断処理を実行する。

なお、最初のサイクルでは増幅率測定値ｈ_ＦＥが得られていないので、最初のサイクルでは、駆動波形決定部３２は、トランジスタＴＲの増幅率ｈ_ＦＥを規定値として駆動パターンを決定する。

通常運転時に流れるヒータ電流Ｉｃは、図２を参照して上述したように、立ち上がり部分Ｓａ、定常部分Ｓｃ及び立ち下がり部分Ｓｂにわたって滑らかに連続する形状であるので、ヒータ１２の駆動によるノイズ（伝導ノイズ及び輻射ノイズ）を抑制することができる。

また、立ち上がり部分Ｓａ及び立下り部分Ｓｂは、最小電流値０及び最大電流値Ｉｃｐと接続する点（Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２）以外の部分では、電流値が速やかに増加又は減少するように電流変化の傾きが相対的に大きくなっているので、立ち上がり時間Ｔａ及び立下り時間Ｔｂが長くなりことによるトランジスタＴＲのスイッチング損失（駆動損失）の増大を防止している。

また、増幅率見積ブロック３４により増幅率測定値ｈ_ＦＥを算出し、この増幅率測定値ｈ_ＦＥ及び温度検出値を用いて駆動パターンを決定する。これにより、トランジスタＴＲの個体間の特性のばらつきに関わらず、ヒータ電流Ｉｃを所望の形状、すなわちノイズ及び駆動損失を効果的に抑制する形状に制御することができる。

本発明の一実施形態に係るセンサシステムの概略ブロック図。 本発明の一実施形態に係るヒータ電流の波形。 本発明の一実施形態に係る駆動パターンの詳細説明図。 第１の故障診断フロー。 故障報告の種類と閾値との関係。 第２の故障診断フロー。 故障報告の種類と閾値との関係。

符号の説明

１ 酸素センサユニット
１１ 酸素センサ
１２ ヒータ
１３ 温度検出部
２ ＥＣＵ
２０ 温度−電圧変換部
３０ ＣＰＵ
３１ エンジン制御部
３２ 駆動波形決定部
３３ タイミングマネージャ
３４ 増幅率見積ブロック
４０ メモリ
５０ Ｄ／Ａ変換部
６０ 駆動波形入力回路
７０ 増幅器
８０ 端子故障診断部

Claims (8)

1. 車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御装置であって、
   最小電流値と最大電流値との間で変化するパルス電流を前記ヒータに印加するためのスイッチング素子と、
   前記パルス電流の立ち上がり波形および立下り波形が前記最小電流値及び前記最大電流値の両方に滑らかに連続するように、前記スイッチング素子に駆動波形を印加する電流制御手段と、
   を備えるヒータ制御装置。
2. 請求項１に記載のヒータ制御装置において、
   前記電流制御手段は、前記車両用センサの温度の検出値を取得し、該温度検出値に応じて前記スイッチング素子の駆動波形を制御する、ヒータ制御装置。
3. 請求項２に記載のヒータ制御装置において、
   前記電流制御手段は、前記温度検出値及び前記スイッチング素子の増幅特性に基づいて、前記スイッチング素子の駆動波形を制御する、ヒータ制御装置。
4. 請求項３に記載のヒータ制御装置において、
   前記電流制御手段は、前記スイッチング素子に印加する駆動波形のパターンと該スイッチング素子に流れる電流に基づいて、前記スイッチング素子の増幅特性を測定し、この増幅特性の測定値及び前記温度検出値に基づいて前記スイッチング素子の駆動波形を制御する、ヒータ制御装置。
5. 請求項４に記載のヒータ制御装置において、
   前記車両用センサの温度及び前記スイッチング素子の増幅特性に対応付けて前記駆動波形のパターンを予め記憶した波形記憶部を更に備え、
   前記電流制御手段は、前記車両用センサの温度の検出値及び前記スイッチング素子の増幅特性の測定値に対応するパターンを前記波形記憶部から読み出し、この読み出したパターンに基づいて前記スイッチング素子に駆動波形を印加する、ヒータ制御装置。
6. 請求項１乃至５の何れかに記載のヒータ制御装置において、
   前記パルス電流はＰＷＭ波形であり、前記パルス電流の立ち上がり波形及び立下り波形は正弦波の一部である、ヒータ制御装置。
7. 請求項１乃至６の何れかに記載のヒータ制御装置において、
   前記車両用センサを乾燥させて結露を除去するための結露除去運転と、
   前記車両用センサを活性温度まで加熱するための通常運転と、を行うように前記ヒータを制御する、ヒータ制御装置。
   
8. 車両用センサのヒータを制御するためのヒータ制御方法であって、
   前記ヒータにパルス電流を流すためのスイッチング素子に供給する駆動波形を算出するステップであって、前記パルス電流の立ち上がり波形および立下り波形が、該パルス電流の最小電流値及び最大電流値の両方に滑らかに連続する形状となるように前記駆動波形を算出するステップと、
   前記駆動波形を前記スイッチング素子に供給して、前記形状のパルス電流を前記ヒータに流すステップと、を含むヒータ制御方法。

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