JP2015055160A - 負荷駆動装置及びセンサ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】負荷駆動装置1は、抵抗性負荷4にパルス電圧PSを印加するパルス駆動回路51と、パルス駆動回路51を通じて抵抗性負荷4に流れる電流を検知する電流検知手段S14と、パルス駆動回路51の出力端電圧VDが、高電位レベル及び低電位レベルのいずれであるかを検知するレベル検知手段S1,S7と、パルス駆動回路51をオン及びオフさせたときに、レベル検知手段S1,S7で検知した出力端電圧VDのレベルと電流検知手段S14で検知した電流とに基づいて、断線異常、天絡異常及び地絡異常の発生を検知する異常検知手段S8,S9,S18とを備える。
【選択図】図1
Description
このため、負荷駆動装置は、このような接続異常の発生を適切に検知できることが好ましい。
例えば、特許文献1には、ヒータの電源電圧がそれぞれヒータの作動時及び遮断時に測定され、電圧の差が所定の最小値を下回るか、あるいは所定の最大値を上回ったときに、対応した故障信号が出力される構成とした酸素測定センサのヒータの機能能力を監視する方法及び装置が開示されている。
これにより、簡易な構成で異常検知手段を実現することができる。
具体的には、パルス駆動回路のオンオフに伴って、出力端電圧のレベルが高電位レベル(≒電源電位)と低電位レベル(≒接地電位)との間で変化する一方、パルス駆動回路がオンしたときに抵抗性負荷に流れる電流が所定の下限電流値よりも小さいとき、すなわち、抵抗性負荷にほとんど電流が流れないときは、断線異常の発生と判断する。
また、パルス駆動回路のオンオフにかかわらず、出力端電圧のレベルが高電位レベルのままであるとき、すなわち、出力端電圧が高電位レベル(≒電源電位)に固定された状態であるときは、天絡異常の発生と判断する。
さらに、パルス駆動回路のオンオフにかかわらず、出力端電圧のレベルが低電位レベルのままであるとき、すなわち、出力端電圧が低電位レベル(≒接地電位)に固定された状態であるときは、地絡異常の発生と判断する。
これにより、断線異常、天絡異常及び地絡異常をそれぞれ簡易にかつ確実に判断して、3通りの接続異常を適切に検知することができる。
これにより、接続異常が生じたまま、抵抗性負荷への通電を続けることがないので、パルス駆動回路及び抵抗性負荷が破壊されるのを防止することができる。
このため、検出素子が適正に加熱されない状態のまま、センサの検出素子を駆動し続けることにより、センサの検出素子に異常が生じるのを回避することができる。
前述したように、負荷駆動装置は、接続異常が生じた場合、ヒータへの通電を停止するので、ガスセンサのガス検出素子の温度が低下し、非活性化状態になる。このような非活性の状態でポンプセルにポンプ電流を流し続けて、ポンプセルによる酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うと、ポンプセルの固体電解質体が電気分解して、いわゆるブラックニングを生じるおそれがある。
これに対して、このセンサ制御装置では、接続異常が発生したことを検知したときに、ポンプ電流停止手段により、ポンプ電流制御回路により、ポンプセルにポンプ電流を流すのを停止させるので、非活性のポンプセルにポンプ電流を流し続けることがなく、ポンプセルにブラックニングが生じるのを回避することができる。
本実施形態において、ガスセンサ2が本発明のセンサに相当し、ガスセンサ2のヒータ4が抵抗性負荷に相当する。さらに、ガスセンサ2のセンサ素子部3が検出素子及びガス検出素子に相当する。また、ガスセンサ制御装置1は、ガスセンサ2のヒータ4(抵抗性負荷)への通電を行う負荷駆動装置を含んでおり、マイクロプロセッサ70及びヒータ制御回路50が、この負荷駆動装置に相当する。
ヒータ4は、その一端のヒータ端子4Nが、リード線55を介して、ヒータ制御回路50の接地端53に接続されており、この接地端53は、ヒータ制御回路50内で、接地電位GNDに接地されている。また、ヒータ4の他端のヒータ端子4Pは、リード線54を介して、ヒータ制御回路50の出力端52に接続されており、この出力端52は、ヒータ制御回路50内で、次述するヒータドライバ51の出力端子51gに接続されている。
なお、ヒータドライバ51の出力端子51gは、前述したように、ヒータ制御回路50の出力端52に接続しており、また、電源供給端子51fは、電源電位VBを出力する電源BT(バッテリ)の+端子に接続している。
マイクロプロセッサ70のPWM出力ポート74からハイレベルが出力されると、前段ドライバ回路56のFET56aがオンして、ヒータドライバ51の入力端子51eが接地電位GNDに接続され、これにより、ヒータドライバ51のFET51aがオンする。一方、マイクロプロセッサ70のPWM出力ポート74からローレベルが出力されると、前段ドライバ回路56のFET56aがオフして、ヒータドライバ51の入力端子51eが接地電位GNDから切り離され、これにより、ヒータドライバ51のFET51aがオフする。
まず、ヒータ制御回路50の接地端53とヒータ4のヒータ端子4N(一端)とを接続して、ヒータ端子4Nを接地するリード線55(第2接続路)が、その経路の途中で接地電位GNDに短絡している場合が考えられる。但し、元々リード線55は、接地端53を通じて接地電位GNDに接地されているので、リード線55が経路の途中で接地電位GNDに短絡しても、正常な場合との電気回路的な差異が無い。そこで、本実施形態では、検知の対象から除外する。
また、リード線55が、電源電位VBに短絡している場合を考える。この場合、電源電位VBと接地電位GNDの短絡となるので、ヒータドライバ51によるヒータ4の駆動とは関係なく、電源側で過電流の異常が発生することになる。そこで、本実施形態では、これについても検知の対象から除外する。
このように、本実施形態のガスセンサ制御装置1では、リード線55(第2接続路)の接地電位GNDまたは電源電位VBへの短絡については、検知を行わない。
したがって、ヒータドライバ51がオンしたときに、このヒータドライバ51を通じてヒータ4に流れる電流について、予め下限電流値Iminを定めておくことにより、A/D入力ポート75を通じて検知したヒータドライバ51に流れる電流の大きさが、この下限電流値Iminよりも小さいときは、リード線54,55のいずれかが断線していることがわかる。
加えて、これらの接続異常が発生したと判断した場合には、ヒータ4への通電を停止すると共に、センサ素子部制御回路40のポンプ電流制御回路47により、センサ素子部3のポンプセル14にポンプ電流Ipを流すのを停止させ、センサ素子部3の駆動を停止する。
図3は、本実施形態1に係るガスセンサ制御装置1のうち、リード線54,55における接続異常を検知するための、マイクロプロセッサ70の動作を示すフローチャートである。
マイクロプロセッサ70は、ヒータ4への通電を開始すると、PWM出力ポート74から周期T=10msecのPWMパルス信号PS1を出力する。マイクロプロセッサ70は、リード線54,55における接続異常を検知すべく、ヒータ4へのパルス通電中、すなわち、PWMパルス信号PS1を出力している間は、このPWMパルス信号PS1の立ち上がりのタイミングである10msec毎に、図3に示すヒータ異常確定処理ルーチンを実行する。
次いで、ステップS4では、ヒータ短絡カウンタの値が200以上であるか、すなわち、ヒータエッジ無しの異常が2秒間継続しているか否かを判断する。
ヒータ短絡カウンタの値が200以上の場合(Yes)には、ステップS5に進む。一方、それ以外の場合(No)は、一旦処理を終了し、再度10msec毎に、このヒータ異常確定処理が実行されるのを待つ。
次いで、ステップS7では、デジタル入力ポート76の入力レベルを判断する。この入力レベルは、ヒータ端子4Pがリード線54を介して接続する出力端52の出力端電圧VDに応じて、ハイレベルまたはローレベルとなる。デジタル入力ポート76の入力レベルがハイレベルの場合、すなわち、出力端電圧VDが、ヒータドライバ51がオフしたときの低電位レベルのままであるときは、このステップS7でYesとなって、ステップS8に進む。そして、ステップS8で、ヒータ端子4Pに接続するリード線54の地絡異常が生じていることを確定する。
一方、デジタル入力ポート76の入力レベルがローレベルの場合、すなわち、出力端電圧VDが、ヒータドライバ51がオンしたときの高電位レベルのままであるときは、ステップS7でNoとなって、ステップS9に進む。そして、ステップS9で、ヒータ端子4Pに接続するリード線54の天絡異常が生じていることを確定する。
次いで、ステップS13では、ヒータ4に印加するパルス電圧PS(PWMパルス信号PS1)のデューティ比が規定値以上であるか否かを確認する。デューティ比が規定値以上でない場合(No)、すなわち、ヒータドライバ51を流れる電流の大きさを検知するのに十分なデューティ比でない場合には、ステップS19に進み、ヒータ断線カウンタの値をクリアした後、異常の判定を行わず、一旦このヒータ異常確定処理を終了する。
一方、デューティ比が規定値以上の場合(Yes)、すなわち、ヒータドライバ51を流れる電流の大きさを検知するのに十分なデューティ比の場合には、ステップS14に進む。
ステップS14では、ヒータドライバ51に内蔵の電流センス回路51dから、外付けの電流センス抵抗Rsに流れるセンス電流Isの大きさを、A/D入力ポート75で検知することにより、ヒータドライバ51を流れる電流の大きさが0.4A(=下限電流値Imin)以下であるか否かを判断する。
ヒータドライバ51を流れる電流の大きさが0.4A以下でない(0.4Aを超えている)場合(No)には、ヒータ4に適正な電流が流れていると考えられるため、ヒータ4の断線は発生していないと考えることができる。そこで、ステップS19で、ヒータ断線カウンタの値をクリアした後、このヒータ異常確定処理を終了する。
次いで、ステップS16では、ヒータ断線カウンタの値が200以上であるか否か、すなわち、ヒータ断線の異常が2秒間継続しているか否かを判断する。ここで、ヒータ断線カウンタの値が200以上である場合(Yes)は、ステップS17に進む。それ以外の場合(No)は、そのまま一旦処理を終了し、10msec毎に再度このヒータ異常確定処理が実行されるのを待つ。
その後は、地絡異常又は天絡異常を確定した場合と同様に、ステップS10に進み、ヒータドライバ51によるヒータ4への通電を停止し、続くステップS11で、センサ素子部制御回路40のポンプ電流制御回路47により、センサ素子部3のポンプセル14にポンプ電流Ipを流すのを停止させ、センサ素子部3の駆動を停止した後、本ヒータ異常確定処理を終了する。
また、ヒータドライバ51に内蔵の電流センス回路51d、電流センス抵抗Rs、抵抗器R2、マイクロプロセッサ70のA/D入力ポート75、及び、ステップS14を実行しているマイクロプロセッサ70が、電流検知手段に相当する。
さらに、ステップS8,S9,S18を実行しているマイクロプロセッサ70が、異常検知手段及び通電中異常検知手段に相当し、このうち、ステップS8を実行しているマイクロプロセッサ70が地絡判断手段に、ステップS9を実行しているマイクロプロセッサ70が天絡判断手段に、ステップS18を実行しているマイクロプロセッサ70が断線判断手段に、それぞれ相当する。
また、ステップS10を実行しているマイクロプロセッサ70が、通電停止手段に相当し、ステップS11を実行しているマイクロプロセッサ70が、素子駆動停止手段及びポンプ電流停止手段に相当する。
また、出力端電圧VDのレベルが高電位レベルのままであるとき、すなわち、ステップS1でヒータエッジ割り込みが生じず、ステップS7で、デジタル入力ポート76がローレベルのときは、出力端52とヒータ4(抵抗性負荷)のヒータ端子4Pとを接続するリード線54(第1接続路)が電源電位VBへ短絡した天絡異常の発生と判断する(天絡判断手段:ステップS9)。
さらに、出力端電圧VDのレベルが低電位レベルのままであるとき、すなわち、ステップS1でヒータエッジ割り込みが生じず、ステップS7で、デジタル入力ポート76がハイレベルのときは、リード線54が接地電位GNDへ短絡した地絡異常の発生と判断する(地絡判断手段:ステップS8)。
これにより、断線異常、天絡異常及び地絡異常をそれぞれ簡易にかつ確実に判断して、3通りの接続異常を適切に検知することができる。
これにより、接続異常が生じたまま、ヒータ4への通電を続けることがないので、ヒータドライバ51及びヒータ4が破壊されるのを防止することができる。
このため、センサ素子部3が適正に加熱されない状態のまま、ガスセンサ2のセンサ素子部3を駆動し続けることにより、ガスセンサ2のセンサ素子部3に異常が生じるのを回避することができる。
例えば、実施形態では、ポンプセルを含むガス検出素子を有するガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度(空燃比)を検出する空燃比センサ(全領域酸素センサ)であるガスセンサ2を用いた。しかし、ポンプセルを含むガス検出素子を有するガスセンサは、これに限られず、窒素酸化物(NOx)の濃度を検出するNOxセンサなどに、本発明の負荷駆動装置及びセンサ制御装置を適用しても良い。
また、ポンプセルを含まないガスセンサ、例えば、酸素濃度の濃淡(リッチ/リーン)を検出する酸素センサなどに、本発明の負荷駆動装置及びセンサ制御装置を適用しても良い。
また、実施形態では、抵抗性負荷としては、これらガスセンサの検出素子を加熱するヒータのほか、流体加熱用のヒータや、グロープラグのヒータ、煤等の粒子を検出する粒子センサに適用されセンサに付着した粒子を加熱除去するヒータなども挙げられ、これらに、本発明の負荷駆動装置に適用しても良い。
2 ガスセンサ(センサ)
3 センサ素子部(検出素子,ガス検出素子)
4 ヒータ(抵抗性負荷)
4N ヒータ端子(一端)
4P ヒータ端子(他端)
14 ポンプセル
24 起電力セル
Ip ポンプ電流
Rpvs 素子抵抗
40 センサ素子部制御回路(素子駆動回路)
47 ポンプ電流制御回路
50 ヒータ制御回路
51 ヒータドライバ(パルス駆動回路)
51d 電流センス回路(電流検知手段)
52 出力端
53 接地端
54 リード線(第1接続路)
55 リード線(第2接続路)
57 レベル変換回路(レベル検知手段)
Rs 電流センス抵抗(電流検知手段)
R2 抵抗器(電流検知手段)
70 マイクロプロセッサ
74 PWM出力ポート
75 A/D入力ポート(電流検知手段)
76 デジタル入力ポート(レベル検知手段)
BT 電源(バッテリ)
VB 電源電位
GND 接地電位
VD 出力端電圧
PS パルス電圧
S1,S7 レベル検知手段
S14 電流検知手段
S8 地絡判断手段(異常検知手段,通電中異常検知手段)
S9 天絡判断手段(異常検知手段,通電中異常検知手段)
S18 断線判断手段(異常検知手段,通電中異常検知手段)
S10 通電停止手段
S11 素子駆動停止手段,ポンプ電流停止手段
Claims (6)
- 一端が接地された抵抗性負荷の他端に、自身の出力端を接続して、上記抵抗性負荷と電源との間に介在し、自身がオンオフを繰り返すことにより、上記抵抗性負荷に繰り返しパルス電圧を印加するパルス駆動回路と、
上記パルス駆動回路がオンしたときに、上記電源から上記パルス駆動回路を通じて上記抵抗性負荷に流れる電流を検知する電流検知手段と、
上記パルス駆動回路の上記出力端における出力端電圧が、高電位レベル及び低電位レベルのいずれであるかを検知するレベル検知手段と、
上記パルス駆動回路をオン及びオフさせたときに、上記レベル検知手段で検知した上記出力端電圧のレベルと上記電流検知手段で検知した上記電流とに基づいて、
上記パルス駆動回路の上記出力端と上記抵抗性負荷の上記他端とを接続する第1接続路及び上記抵抗性負荷の上記一端を接地する第2接続路の少なくともいずれかが断線した断線異常、
上記第1接続路が電源電位へ短絡した天絡異常、並びに、
上記第1接続路が接地電位へ短絡した地絡異常の発生を検知する異常検知手段と、を備える
負荷駆動装置。 - 請求項1に記載の負荷駆動装置であって、
前記異常検知手段は、
前記パルス駆動回路のオンオフに伴って、前記出力端電圧のレベルが前記高電位レベルと前記低電位レベルとの間で変化する一方、上記パルス駆動回路をオンしたときに、前記電流検知手段で検知した前記抵抗性負荷に流れる前記電流が所定の下限電流値よりも小さいときは、前記断線異常の発生と判断する断線判断手段と、
上記パルス駆動回路のオンオフにかかわらず、上記出力端電圧のレベルが上記高電位レベルのままであるときは、前記天絡異常の発生と判断する天絡判断手段と、
上記パルス駆動回路のオンオフにかかわらず、上記出力端電圧のレベルが上記低電位レベルのままであるときは、前記地絡異常の発生と判断する地絡判断手段と、を有する
負荷駆動装置。 - 請求項1または請求項2に記載の負荷駆動装置であって、
前記異常検知手段は、
前記抵抗性負荷に前記パルス電圧を繰り返し印加するパルス通電中の前記パルス駆動回路のオンオフを用いて、前記断線異常、前記天絡異常及び前記地絡異常の発生を検知する通電中異常検知手段である
負荷駆動装置。 - 請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の負荷駆動装置であって、
前記異常検知手段で、前記断線異常、前記天絡異常及び前記地絡異常のいずれかの発生を検知したときに、前記パルス駆動回路による上記抵抗性負荷への通電を停止する通電停止手段を備える
負荷駆動装置。 - 請求項4に記載の負荷駆動装置を含み、
上記負荷駆動装置による通電で発熱する前記抵抗性負荷であるヒータ、及び、上記ヒータの発熱によって加熱される固体電解質体からなる検出素子、を有するセンサを制御する
センサ制御装置であって、
上記センサの上記検出素子を駆動する素子駆動回路と、
上記負荷駆動装置の前記異常検知手段で、前記断線異常、前記天絡異常及び前記地絡異常のいずれかの発生を検知したときに、上記素子駆動回路による上記検出素子の駆動を停止させる素子駆動停止手段と、を備える
センサ制御装置。 - 請求項5に記載のセンサ制御装置であって、
前記センサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、自身を流れるポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うポンプセルを含むガス検出素子を、前記検出素子として有するガスセンサであり、
前記素子駆動回路は、
上記ポンプセルに上記ポンプ電流を流すポンプ電流制御回路を含み、
前記素子駆動停止手段は、
上記ポンプ電流制御回路により、上記ポンプセルに上記ポンプ電流を流すのを停止させるポンプ電流停止手段を含む
センサ制御装置。
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