JP2020003296A - 排気ガスセンサの信号処理装置。 - Google Patents
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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。
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。
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TREFにおいて抵抗素子が示す抵抗値RREF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=RREF−ΔR(T−TREF)
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。
Rc=RREF−ΔR(T−TREF)
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)
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。
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TLTにおいてシャント抵抗11が示す抵抗値RLT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THTにおいてシャント抵抗11が示す抵抗値をRHTとすると、(1)式で表される。
ΔR=(RLT−RHT)/(THT−TLT) …(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。
ΔR=(RLT−RHT)/(THT−TLT) …(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Rsh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=RLT−ΔR(T−TLT) …(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TLT及び抵抗値RLT,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。
Rc=RLT−ΔR(T−TLT) …(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TLT及び抵抗値RLT,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TLT及び抵抗値RLT,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)
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TLTにおいてシャント抵抗11が示す抵抗値RLT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。
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RLT,RRT,RHTを温度特性データとしてメモリ13に記憶させる。抵抗値RLT及びRHTについては第1実施形態と同様の値であり、抵抗値RRT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。
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RLT,RRT,RHTを温度特性データとしてメモリ13に記憶させる。抵抗値RLT及びRHTについては第1実施形態と同様の値であり、抵抗値RRT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RLT,RRT,RHT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RLT,RRT,RHT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RLT,RRT,RHT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TLTに対応する順方向電圧であり、Vf_HTは温度THT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。
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TLTに対応する順方向電圧であり、Vf_HTは温度THT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。
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。
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。
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。
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TLT及び抵抗値RLTに替えて、温度THT及び抵抗値RHY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。
例えば第1実施形態において、メモリ13に温度TLT及び抵抗値RLTに替えて、温度THT及び抵抗値RHY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 (4)
- 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TREFにおいて前記抵抗素子が示す抵抗値RREF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=RREF−ΔR(T−TREF)
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。
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JP7452323B2 (ja) | 2020-08-18 | 2024-03-19 | 株式会社デンソー | ガス濃度検出装置 |
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