JP2012018050A - センサ制御装置及びセンサ制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】センサ制御装置2では、信号系回路のGND1端子と、パワー系回路のGND2端子とを別々に設けると共に、パワー系グランドと信号系グランドとについて、回路基板20とECU9およびバッテリ8とを接続する電気経路において互いに独立させている。また、コンデンサ301〜307の一端をNOxセンサ10からの信号線に接続するとともに、コンデンサ301〜307の他端を信号系グランドに接続している。よって、パワー系グランドにヒータ制御回路28やモータ310の様な大電流が流される電子装置が接続されている場合でも、それらの大電流の電子装置によるノイズがセンサ出力に影響を与えることを防止できる。よって、特定ガス濃度の検出精度が向上する。
【選択図】図3
Description
このガスセンサとしては、第1測定室に流入された被測定ガス(排ガス)中の酸素を外部に汲み出したり、第1測定室に外部から酸素を汲み入れたりして、被測定ガスの酸素濃度を所定の濃度に調整するための第1ポンピングセルと、第1測定室から第2測定室に流入される酸素濃度が調整された被測定ガス中のNOxを分解し、その際にNOx濃度に応じた電流が電極間に流れる第2ポンピングセルとを有するものが知られている。また、このガスセンサにはヒータが設けられており、ヒータによって各セルを構成する固体電解質体が加熱されることで活性状態が保持される。
具体的には、酸素濃度に応じた電流が第1ポンピングセル(詳細には、第1ポンピングセルの電極間)に流れ、又、NOx濃度に応じた電流が第2ポンピングセルに流れる。そして、各セルから出力された電流信号は、センサ制御装置内の信号処理回路にて電圧信号に変換される。なお、信号処理回路では、それら電圧信号を用いて酸素濃度、NOx濃度の値を示す酸素濃度信号、NOx濃度信号が算出され、酸素濃度信号、NOx濃度信号は、外部のエンジン制御を司る電子制御装置に出力される。一方、ガスセンサを構成するヒータは、センサ制御装置内のヒータ制御回路により通電制御され、ヒータ電流がON/OFF制御される。
本発明は、NOx濃度に応じて電流を濃度対応信号の一種として扱うNOxセンサのように、微弱な電流を扱うガスセンサに用いると好適である。特に、本発明は、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを複数有し、そのうちの1つのセルにてNOx濃度に応じた電流を流す構成のNOxセンサに用いると好適である。つまり、本発明では、ヒータ制御回路に流れるヒータ電流や他の電子装置に流れる電流の様な(信号処理回路に流れる電流に比べて)大きな電流が、信号処理回路の出力に影響するのを抑制できるので、NOx濃度の検出精度を向上できる。
センサ制御装置においては、検出素子のインピーダンスを測定し、その測定結果から検出素子の温度を求め、この検出素子の温度に基づいてヒータを制御することができる。
ここでは、被測定ガスである排気ガス中における特定ガスとしてのNOx濃度を検出できるNOxセンサと、そのNOxセンサの制御を行うセンサ制御装置と、センサ制御装置が取り付けられる内燃機関について説明する。
図2は、内燃機関1の排気系周りの概略的な構成を示す図である。なお、本実施形態では、センサ制御装置2がNOxセンサ10と接続され、このNOxセンサ10と共にセンサ制御システムを構成している。
そして、NOxセンサ10を用いて検出したNOx濃度の検出信号(濃度信号)は、CAN(車載用ネットワーク)91を介して接続されたエンジン制御全般を司る電子制御装置9(以下ECU9と略す)に出力される。
図3は、センサ制御装置2と、センサ制御装置2に接続されたNOxセンサ10の概略的な構成を示す図である。なお、図3において、NOxセンサ10のセンサ素子100は、先端側部分における内部構造の断面を示しており、図中左側がセンサ素子100の先端側である。
図3に示す様に、センサ素子100は、3枚の板状の固体電解質体111、121、131の間にアルミナ等からなる絶縁体140、145をそれぞれ挟み、層状をなすように形成したものである。これらの固体電解質体111、121、131は、ジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。
図3に示す様に、センサ制御装置2の有する回路基板20上には、電源回路21、マイクロコンピュータ22、CAN回路29、Ip1セル/Vsセル制御回路26、Ip2セル制御回路27、ヒータ制御回路28等が実装されている。
また、マイクロコンピュータ22は、外部回路端子部31のGND1端子を通じてECU9のグランド電位に接続されている。即ち、マイクロコンピュータ22は、GND1端子を介して、信号系グランド(SGND)に接地されている。
図3に示す様に、Ip1セル/Vsセル制御回路26は、基準電圧比較回路261、Ip1ドライブ回路262、Vs検出回路263、Icp供給回路264、および抵抗検出回路265から構成されている。
図4に示す様に、所定の時間(T1:例えば50ms)毎に、抵抗測定用の一定電流(−Iconst)を所定時間(T2:例えば60μs)にわたりVsセル120に流す。この電流(−Iconst)の極性は、Vsセル120に生じる内部起電力と逆極性であるので、この電流(−Iconst)によって、同図に示す様に、Vsセル120の両端の電圧は低下する。
同様に、Ip1セル/Vsセル制御回路26とCOM端子との間の信号線にコンデンサ303の一端が接続されるとともに、コンデンサ303の他端がGND1端子を介して信号系グランドに接地されている。
図3に示す様に、Ip2セル制御回路27は、Ip2検出回路271およびVp2印加回路272から構成されている。
図3に示す様に、ヒータ制御回路28はCPU23により制御され、ヒータ180のヒータパターン183に電流を流し、固体電解質体111,121,131(換言すると、Ip1セル110、Vsセル120、Ip2セル130)の加熱を行う回路である。このヒータ制御回路28には、ヒータパターンへの通電をON/OFF制御するための周知のスイッチング素子(例えばFET)が設けられている。
図3に示す様に、CAN回路29は、ECU9との間でCAN(Controller Area Network)で通信するための回路である。CAN回路29は、信号入出力部221を介してCPU23に接続されると共に、外部回路端子部31のCAN(+)端子,CAN(−)端子に接続されている。そして、これらCAN(+)端子,CAN(−)端子は、CAN91を介してECU9に接続されている。
図5は、センサ制御装置2の回路基板20上に搭載された電子部品等の概略的な配置構成を示す図である。なお、便宜上、回路基板20は矩形の板状をなすものとし、四方の縁端のうち、センサ端子部30や外部回路端子部31が配置された縁端を下端と称し、下端と反対側の縁端を上端と称する。また、残る2つの縁端のうち、センサ端子部30寄りの縁端を左端、外部回路端子部31寄りの縁端を右端と称して以下の説明を行う。
前記図3に示す様に、NOxセンサ10のセンサ素子100を構成する固体電解質体111、121、131は、ヒータ制御回路28から駆動電流が流されたヒータパターン183の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ip1セル110、Vsセル120およびIp2セル130が動作するようになる。
[実施例]
まず、本発明の範囲内の実施例について説明する。
[比較例]
次に、本発明の範囲外の比較例について説明する。
但し、この比較例では、小電流が用いられるセンサ制御装置の信号処理回路などは、信号系グランドに接地され、それを上回る大電流が用いられるヒータ制御回路や電子制御装置やアクチュエータなどは、パワー系グランドに接地されているが、センサとセンサ制御装置との間の信号線に、コンデンサの一端が接続され、その他端はパワー系グランドに接続されている。
この図7から明かな様に、本比較例では、前記実施例に比べて、センサ出力がノイズの影響を受け易いので、内部抵抗の測定ばらつきが比較的大きいことが分かる。
これにより、パワー系グランドにヒータ制御回路28やセンサ制御装置2とは異なる他の電子装置(例えばモータ310)が接続されている場合でも、ヒータ制御回路28に流れるヒータ電流やモータ310に流れる電流が、センサ出力に影響を与えることを防止できる。つまり、本実施形態では、外乱(ノイズ)が信号処理回路の出力に影響するのを抑制できるので、NOx濃度の検出精度が向上するという顕著な効果を奏する。
例えば、本発明は、NOxセンサのみならず、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサ(例えば、HCセンサ)に接続されるセンサ制御装置に対しても利用することができる。
8…バッテリ
9…電子制御装置(ECU)
10…NOxセンサ(ガスセンサ)
20…回路基板
26…Ip1セル/Vsセル制御回路
27…Ip2セル制御回路
28…ヒータ制御回路
29…CAN回路
30…センサ端子部
31…外部回路端子部
100…センサ素子
120…Vsセル(起電力セル)
180…ヒータ
301、303、305、307…コンデンサ
310…モータ
Claims (4)
- 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するための検出素子と、当該検出素子を加熱するヒータと、を備えるガスセンサに接続されるセンサ制御装置であって、
前記検出素子からの特定ガス濃度に応じた電圧信号を検出する信号処理回路と、
前記検出素子と前記信号処理回路とを接続する信号線に接続されたコンデンサと、
前記ヒータの通電を制御するヒータ制御回路と、
を備えるとともに、
前記信号処理回路が接続される信号系グランドと、前記信号処理回路に流れる電流よりも大きな電流が流される前記ヒータ制御回路及び前記センサ制御装置とは異なる他の電子装置が接続されるパワー系グランドとを、各々独立して備え、
且つ、前記コンデンサの一端が前記信号線に接続されるとともに、該コンデンサの他端が前記信号系グランドに接続されていることを特徴とするセンサ制御装置。 - 前記ガスセンサは、被測定ガス中における特定ガスとしてのNOxの濃度を検出するNOxセンサであることを特徴とする請求項1に記載のセンサ制御装置。
- 前記検出素子のインピーダンスを検出するインピーダンス検出回路を備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のセンサ制御装置。
- 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するための検出素子と、当該検出素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサと、
前記ガスセンサに接続される請求項1〜3のいずれか1項に記載のセンサ制御装置と、
から構成されることを特徴とするセンサ制御システム。
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