JP2020003296A

JP2020003296A - 排気ガスセンサの信号処理装置。

Info

Publication number: JP2020003296A
Application number: JP2018121899A
Authority: JP
Inventors: 宗範山本; Munenori Yamamoto; 智士市川; Tomoji Ichikawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-06-27
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2020-01-09

Abstract

【課題】排気ガスセンサが出力する電流信号を、抵抗素子を用いて高精度に検出できる排気ガスセンサの信号処理装置を提供する。【解決手段】Ａ／Ｆセンサ４がセンサ信号として出力する電流信号をシャント抵抗１１により電圧信号に変換する際に、メモリ１３にシャント抵抗１１の温度特性データを記憶しておく。ＤＳＰ５は、温度センサ１４により検出された温度Ｔと温度特性データとに基づいて、Ａ／Ｄコンバータ１２によりＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータを補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスセンサが出力するセンサ信号を処理する装置に関する。

従来、内燃機関の排気ガスに中における空気過剰率を検出するＡ／Ｆセンサのセンサ信号をマイクロコンピュータ（マイコン）が検出する際には、センサ信号である電流をシャント抵抗に流して電圧に変換し、その電圧をＡＳＩＣ（Application Specific IC）内のアナログ回路で増幅して、マイコンが内蔵しているＡ／ＤコンバータによりＡ／Ｄ変換する、というシステム構成になっている。
例えば特許文献１には、酸素濃度センサが有している温度特性を補正するため、センサの温度を検出し、その温度に応じてセンサ信号を補正している。

特開平６−２８８２７９号公報

ところで、電流を検出するために用いているシャント抵抗も温度特性を有しているが、従来、その温度特性については特段に考慮されていなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスセンサが出力する電流信号を、抵抗素子を用いて高精度に検出できる排気ガスセンサの信号処理装置を提供することにある。

請求項１記載の排気ガスセンサの信号処理装置によれば、排気ガスセンサがセンサ信号として出力する電流信号を抵抗素子により電圧信号に変換する。記憶部には、抵抗素子の温度特性データが記憶されている。補正部は、温度センサにより検出された温度と温度特性データとに基づいて、Ａ／ＤコンバータによりＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータを補正する。これにより、センサ信号を電流／電圧変換する抵抗素子の温度特性を補正して、センサ信号を高精度に検出できる。

請求項２記載の排気ガスセンサの信号処理装置によれば、温度特性データを、基準温度Ｔ_REFにおいて抵抗素子が示す抵抗値Ｒ_REFと、抵抗素子が示す温度特性に応じた抵抗値の傾きΔＲとする。そして、補正部は、温度センサにより検出された温度をＴ，補正に用いる抵抗値パラメータをＲｃとすると、パラメータＲｃを次式
Ｒｃ＝Ｒ_REF−ΔＲ（Ｔ−Ｔ_REF）
で決定する。これにより、Ａ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータに基づきセンサ信号を検出する際に用いる抵抗値パラメータＲｃに、抵抗素子の温度特性を反映させることができる。

第１実施形態であり、センサ信号処理装置の構成を示す図センサ信号処理装置における電流検出動作を説明する図シャント抵抗の温度特性を示す図ＤＳＰによるセンサ電流値ＩＬの演算処理を示すフローチャート第２実施形態であり、センサ信号処理装置の構成を、Ａ／Ｄコンバータの入力部のみ示す図温度検出回路が検出する温度域と、スイッチＳＷ１及びＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦの関係を示す図各温度域に応じて、シャント抵抗の抵抗値が変化する状態を示す図第３実施形態であり、センサ信号処理装置の構成を一部のみ示す図メモリに記憶されている各抵抗値と各温度域との関係を示す図第４実施形態であり、センサ信号処理装置の構成を一部のみ示す図ダイオードの順方向電圧Ｖｆの温度特性を示す図第５実施形態であり、温度検出回路の構成を示す図第６実施形態であり、温度検出回路の構成を示す図第７実施形態であり、センサ信号処理装置の構成を示す図

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態のセンサ信号処理装置１は、ＩＣ（Integrated Circuit）２とＭＣＵ（Micro Control Unit）３とを備えている。センサ信号処理装置１の外部には、排気ガスセンサであるＡ／Ｆセンサ４が接続されている。ＩＣ２は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）５，センサ駆動回路６を備え、ＤＳＰ５は、センサ駆動回路６を介してＡ／Ｆセンサ４の両端に電圧を印加して駆動する。

センサ駆動回路６は、Ｄ／Ａコンバータ７及び８，並びにオペアンプ９及び１０を備えている。オペアンプ９及び１０の反転入力端子はそれぞれの出力端子に接続されており、電圧バッファを構成している。ＤＳＰ５は、Ｄ／Ａコンバータ７及び８にそれぞれ電圧データを出力することで、オペアンプ９及び１０を介してＡ／Ｆセンサ４の両端に電圧を印加する。オペアンプ１０の出力端子とＡ／Ｆセンサ４の一端との間には、抵抗素子であるシャント抵抗１１が接続されている。

シャント抵抗１１の両端は、Ａ／Ｄコンバータ１２の差動入力端子に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ１２はシャント抵抗１１の端子電圧をＡ／Ｄ変換し、変換したデータをＤＳＰ５に入力する。ＤＳＰ５には、メモリ１３及び温度センサ１４が接続されている。メモリ１３には、シャント抵抗１１の温度特性に関するデータが予め記憶されている。温度センサ１４は、ＩＣ２の温度を検出してセンサ信号ＴをＤＳＰ５に入力する。

図２及び図３に示すように、メモリ１３には、例えば低温時の基準温度Ｔ_LTにおいてシャント抵抗１１が示す抵抗値Ｒ_LTのデータと、温度特性に応じた抵抗値の傾きΔＲのデータが記憶されている。温度係数である傾きΔＲは、高温時の温度Ｔ_HTにおいてシャント抵抗１１が示す抵抗値をＲ_HTとすると、（１）式で表される。
ΔＲ＝（Ｒ_LT−Ｒ_HT）／（Ｔ_HT−Ｔ_LT） …（１）
これらのデータは、ＩＣ２の製造段階における検査時に測定を行い、メモリ１３に記憶させておく。

また、シャント抵抗１１の抵抗値Ｒ_shを温度Ｔに応じて補正した抵抗値Ｒｃは（２）式で表される。
Ｒｃ＝Ｒ_LT−ΔＲ（Ｔ−Ｔ_LT） …（２）
そして、ＤＳＰ５は、Ａ／Ｆセンサ４のセンサ信号である電流値ＩＬを検出する演算を行う際に、メモリ１３より温度Ｔ_LT及び抵抗値Ｒ_LT，傾きΔＲのデータを読み出して使用する。演算結果は、ＤＳＰ５よりＭＣＵ３に送信される。ＤＳＰ５は補正部に相当し、メモリ１３は記憶部に相当する。

次に、本実施形態の作用について説明する。図４に示すように、ＤＳＰ５は、温度センサ１４が検出している現在のチップ，すなわちＩＣ２の温度Ｔを読み出す（Ｓ１）。それから、メモリ１３より温度Ｔ_LT及び抵抗値Ｒ_LT，傾きΔＲのデータを読み出して、（２）式により温度Ｔに応じた抵抗値Ｒｃを演算する（Ｓ２）。そして、シャント抵抗１１の端子電圧（Ｖｓｍ−Ｖｍ）のデータを、Ａ／Ｄコンバータ１２より読み出すと（Ｓ３）、電流値ＩＬを（３）式により演算する（Ｓ４）。
ＩＬ＝（Ｖｓｍ−Ｖｍ）／Ｒｃ …（３）

以上のように本実施形態によれば、Ａ／Ｆセンサ４がセンサ信号として出力する電流信号をシャント抵抗１１により電圧信号に変換する際に、メモリ１３にシャント抵抗１１の温度特性データを記憶しておく。ＤＳＰ５は、温度センサ１４により検出された温度Ｔと温度特性データとに基づいて、Ａ／Ｄコンバータ１２によりＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータを補正する。これにより、センサ信号を電流／電圧変換するシャント抵抗１１の温度特性を補正して、センサ電流値ＩＬを高精度に検出できる。

具体的には、温度特性データを、基準温度Ｔ_LTにおいてシャント抵抗１１が示す抵抗値Ｒ_LTと、シャント抵抗１１が示す温度特性に応じた抵抗値の傾きΔＲとし、ＤＳＰ５は、温補正に用いる抵抗値パラメータＲｃを（２）式で演算する。これにより、Ａ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータに基づきセンサ電流値ＩＬを検出する際に用いる抵抗値パラメータＲｃに、シャント抵抗１１の温度特性を反映させることができる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図５に示すように、第２実施形態では、温度センサ１４を含む温度検出回路２１を用いる。また、シャント抵抗２２を、例えば３つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３の直列回路で構成し、抵抗素子Ｒ１，Ｒ３には、それぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ２を並列に接続する。抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値は例えば何れも「Ｒ」である。シャント抵抗２２は信号変換部に相当する。

図６に示すように、温度検出回路２１が検出する温度範囲を低温域ＬＴ，中温域ＲＴ，高温域ＨＴの３つに分けるとする。温度検出回路２１は、例えばコンパレータを備えている。そして、検出する温度範囲が低温域ＬＴから中温域ＲＴに移行すると「ＲＴ検出」信号をハイレベルにし、温度範囲が中温域ＲＴから高温域ＨＴに移行すると「ＨＴ検出」信号をハイレベルにする。尚、温度検出回路２１は補正部にも相当する。

次に、第２実施形態の作用について説明する。図６に示すように、低温域ＬＴでは「ＲＴ検出」，「ＨＴ検出」信号は何れもローレベルであり、これに応じてスイッチＳＷ１，ＳＷ２は何れもＯＮしている。したがって、シャント抵抗２２の抵抗値は「Ｒ」となっている。温度検出回路２１が検出する温度Ｔが上昇して中温域ＲＴに至ると、温度検出回路２１は「ＲＴ検出」信号をハイレベルにする。これにより、スイッチＳＷ１がＯＦＦしてシャント抵抗２２の抵抗値は「２Ｒ」になる。

更に温度Ｔが上昇して高温域ＨＴに至ると、温度検出回路２１は「ＨＴ検出」信号をハイレベルにする。これにより、スイッチＳＷ２がＯＦＦしてシャント抵抗２２の抵抗値は「３Ｒ」になる。その結果、図７に示すように、検出する温度範囲に応じてシャント抵抗２２の抵抗値が変化するようになり、温度特性がよりフラットに近いものとなるように補正される。

以上のように第２実施形態によれば、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３を有し、スイッチＳＷ１及びＳＷ２により抵抗値が切替え可能に構成されるシャント抵抗２２を備え、Ａ／Ｄコンバータ１２は、シャント抵抗２２の端子電圧をＡ／Ｄ変換する。温度検出回路２１は、温度センサ１４により検出された温度に基づいて、シャント抵抗２２の抵抗値を切り替えるようにした。これにより、シャント抵抗２２の温度特性がよりフラットに近付くように補正できる。

（第３実施形態）
第３実施形態は、第２実施形態のように検出する温度範囲を低温域ＬＴ，中温域ＲＴ，高温域ＨＴの３つに分けた際に、図8に示すように、各温度域に対応する抵抗値Ｒ_LT，Ｒ_RT，Ｒ_HTを温度特性データとしてメモリ１３に記憶させる。抵抗値Ｒ_LT及びＲ_HTについては第１実施形態と同様の値であり、抵抗値Ｒ_RTは、図９に示すように、中温域ＲＴにおける抵抗値の略中央値に相当するものである。

そして、ＤＳＰ２３は、温度センサ１４が検出している温度Ｔを読み出すと、その温度Ｔが低温域ＬＴ，中温域ＲＴ，高温域ＨＴの何れに属するかを判別し、属する温度域に対応する抵抗値Ｒ_LT，Ｒ_RT，Ｒ_HTの何れかをメモリ１３から読み出す。そして、電流値ＩＬを求める演算を行う際に、抵抗値パラメータＲｃに読み出した抵抗値を代入して演算する。

以上のように第３実施形態によれば、低温域ＬＴ，中温域ＲＴ，高温域ＨＴのそれぞれに対応する抵抗値Ｒ_LT，Ｒ_RT，Ｒ_HTを温度特性データとしてメモリ１３に記憶させ、ＤＳＰ２３は、温度センサ１４により検出された温度Ｔに応じて、電流値ＩＬを求める演算に用いる抵抗値をＲ_LT，Ｒ_RT，Ｒ_HTの何れかに切り替えるようした。これにより、図９に示すように、各温度域で行う演算結果に含まれる誤差を縮小できる。

（第４実施形態）
図１０に示すように、第４実施形態では、温度検出回路３１を、温度センサとして用いるダイオード３２及びＡ／Ｄコンバータ３３の組み合わせで構成する。ＤＳＰ３４は、ダイオード３２の順方向電圧Ｖｆを、Ａ／Ｄコンバータ３３によりＡ／Ｄ変換して読み込む。メモリ１３には、図１１に示すように、順方向電圧Ｖｆの温度特性に応じたデータＶｆ＿_LT，Ｖｆ＿_HTも記憶されている。Ｖｆ＿_LTは温度Ｔ_LTに対応する順方向電圧であり、Ｖｆ＿_HTは温度Ｔ_HTに対応する順方向電圧である。そして、ＤＳＰ３４は、Ａ／Ｄコンバータ３３によりＡ／Ｄ変換した順方向電圧と、メモリ１３から読み出した温度特性データＶｆ＿_LT，Ｖｆ＿_HTから、現在の温度Ｔを演算により求める。

（第５実施形態）
図１２に示すように、第５実施形態では、温度検出回路３５を、ダイオード３２及びコンパレータ３６の組み合わせで構成する。コンパレータ３６の反転入力端子はダイオード３２のアノードに接続されており、非反転入力端子には基準電圧３７が与えられている。基準電圧３７は、温度検出回路３５により検出する温度域を低温域ＬＴ，高温域ＨＴに２分する際の閾値である。コンパレータ３６は、ダイオード３２の順方向電圧Ｖｆの値が低温域ＬＴに属する場合はローレベルを出力し、高温域ＨＴに属する場合はハイレベルを出力する。尚、コンパレータを２つ以上用いて、第２実施形態のように温度域を３つに分ける場合等に対応させても良い。

（第６実施形態）
図１３に示すように、第６実施形態では、温度検出回路４１を、ロジック回路で構成される発振回路であるＤＰＬＬ（Digital PLL）回路を用いて構成する。ＤＰＬＬ回路は、例えば３２個のＮＯＴゲートをリング状に接続してなるリングディレイライン４２を備えている。カウンタ４４は、リングディレイライン４２における信号エッジの周回回数をカウントする例えば１４ビットカウンタである。カウンタ４４のカウント値は、ラッチ４５によりラッチされる。

ラッチ及びエンコーダ４６は、リングディレイライン４２における各ＮＯＴゲート４２の出力レベルをラッチして５ビットデータにエンコードする。ラッチ４５によりラッチされた上位１４ビットのデータＤＨと、エンコーダ４６より出力される下位５ビットのデータＤＬとは、減算器４７に入力されると共にラッチ４８によりラッチされる。ラッチ４５，４６及び４８は、信号ＣＫＬをトリガとして入力されるデータをラッチする。

減算器４７は、ラッチ４５及びエンコーダ４６より直接入力されるデータより、ラッチ４８を介して入力されるデータを減算し、減算結果ＤＡを減算器４９に入力する。減算器４９には、メモリ５０より基準カウント値が入力されており、基準カウント値よりデータＤＡを減じた結果が現在の温度Ｔとして出力される。

すなわち、リングディレイライン４２において信号エッジが周回する速度は低温では速くなり、高温では遅くなる。それに応じて、減算器４８に入力されるデータＤＡの値は変化する。そして、メモリ４９より入力される基準温度に相当するカウント値との差に応じて温度Ｔが決まるようになっている。
以上のように第６実施形態によれば、温度検出回路４１をＤＰＬＬ回路を用いて構成するので、アナログ回路の追加が不要となり、回路面積を低減できる。

（第７実施形態）
図１４に示すように、第７実施形態は、２セルタイプのＡ／Ｆセンサ５１のセンサ信号を処理する信号処理装置５２に適用した例を示す。Ａ／Ｆセンサ５１は、第１センサセルとしてのポンプセル５３と、第２センサセルとしての検出セル５４とを備える。ポンプセル５３の両端子は、センサ信号処理装置５２の端子ＩＰ＋，端子ＣＯＭ間に接続されており、検出セル５４の両端子は、同端子ＶＳ＋，端子ＣＯＭ間に接続されている。

センサ信号処理装置５２は、ＤＳＰ５５及びポンプセル５３への印加電圧を制御するセンサ駆動回路５６を備える。センサ駆動回路５６において、Ｄ／Ａコンバータ７は削除されており、オペアンプ９の非反転入力端子には基準電圧５７が付与され、反転入力端子は端子ＣＯＭに接続されている。シャント抵抗１１の端子電圧は、ＡＦＥ（Analog Front End）５８及びマルチプレクサ５９を介してＡ／Ｄコンバータ１２に入力されている。これらは電圧測定回路６０を構成している。

端子ＶＳ＋には、Ａ／Ｆセンサ５１のインピーダンスを検出するため掃引電流を発生させる掃引電流回路６１と、検出セル５４に定電流を供給する定電流回路６２とが接続されている。ＤＳＰ５５には、第１実施形態と同様にメモリ１３及び温度センサ１４が接続されており、ＤＳＰ５５は、第１実施形態と同様にシャント抵抗１１の温度特性を補正する。

（その他の実施形態）
例えば第１実施形態において、メモリ１３に温度Ｔ_LT及び抵抗値Ｒ_LTに替えて、温度Ｔ_HT及び抵抗値Ｒ_HYを記憶させて、これらのデータを用いて補正を行っても良い。
第２実施形態において、温度域を２つに分けたり、４つ以上に分けても良い。
各実施形態を適宜組み合わせて実施しても良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１はセンサ信号処理装置、４はＡ／Ｆセンサ、５はＤＳＰ、１１はシャント抵抗、１２はＡ／Ｄコンバータ、１３はメモリ、１４は温度センサを示す。

Claims

内燃機関の排気ガスに含まれている気体の状態を検出する排気ガスセンサ（４，５４）が、センサ信号として出力する電流信号を電圧信号に変換する抵抗素子（１１）と、
前記電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ（１２）と、
温度を検出する温度センサ（１４，３１，３５，４１）と、
前記抵抗素子の温度特性データが記憶されている記憶部（１３）と、
前記温度センサにより検出された温度と前記温度特性データとに基づいて、前記Ａ／ＤコンバータによりＡ／Ｄ変換されたセンサ信号のデータを補正する補正部（５，２３，３４）とを備える排気ガスセンサの信号処理装置。
前記温度特性データは、基準温度Ｔ_REFにおいて前記抵抗素子が示す抵抗値Ｒ_REFと、前記抵抗素子が示す温度特性に応じた抵抗値の傾きΔＲとであり、
前記補正部は、前記温度センサにより検出された温度をＴ，前記補正に用いる抵抗値パラメータをＲｃとすると、前記パラメータＲｃを次式
Ｒｃ＝Ｒ_REF−ΔＲ（Ｔ−Ｔ_REF）
で決定する請求項１記載の排気ガスセンサの信号処理装置。
前記温度特性データは、前記温度センサが検出する温度の帯域を複数に分けて、それら複数の帯域のそれぞれに対応する抵抗値データであり、
前記補正部（２３）は、前記温度センサにより検出された温度に応じて補正に用いる抵抗値を切り替える請求項１記載の排気ガスセンサの信号処理装置。
内燃機関の排気ガスに含まれている気体の状態を検出する排気ガスセンサ（４，５４）が、センサ信号として出力する電流信号を電圧信号に変換する複数の抵抗素子を有し、抵抗値が切替え可能に構成される信号変換部（２２）と、
前記電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ（１２）と、
温度を検出する温度センサ（２１）と、
前記温度センサにより検出された温度に基づいて、前記信号変換部の抵抗値を切り替える補正部（２１）とを備える排気ガスセンサの信号処理装置。