JP5036201B2 - 発振型センサの利得制御方法、発振型センサ装置、蒸発燃料状態検出装置及び内燃機関のコントロールユニット - Google Patents

Description

本発明は、発振型センサ装置及びその利得制御方法に関し、更に発振型センサを利用した蒸発燃料状態検出装置及び発振型センサからの出力を処理する内燃機関（エンジン）のコントロールユニットに関する。

物理量を電気量に変換して測定する各種の測定器・センサが広い分野で使用されている。特に、自動車では、多数のセンサで各部の状態を精密に検出して、運転性能、燃費、対環境性能などを最適にするための制御が行われている。

測定器・センサには、測定精度に加えて、広い検出レンジと高分解能とが要求される。このような要求を満たすため、測定器の場合には、測定内容に応じて増幅器（アンプ）の利得（ゲイン）を調整し、ゲイン調整に応じてオフセットを調整することが行われる。

図１の（Ａ）は、圧力を測定する圧力測定器の測定部の概略構成を示す図である。センサチップ１は、測定する圧力に応じて抵抗値が変化する抵抗を含む４個の抵抗で構成したブリッジ回路である。このブリッジ回路は、２個の抵抗を直列に配列した抵抗列を並列に配置した構成を有し、抵抗列に電圧を印加する。直列に配列した抵抗の２つの接続ノードの電圧差を検出する。圧力に応じて１つの抵抗の抵抗値が変化すると、直列に配列した抵抗の２つの接続ノードの電圧差が変化するので、その変化をアンプ２で増幅して出力する。デジタル信号に変換する場合には、出力がアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器によりデジタルデータに変換される。センサチップ１の２個の抵抗を、圧力差を測定する２つの部分の圧力に応じて抵抗値が変化するように構成して圧力差を測定することも可能である。

アンプ２は、ゲインコントロール３によりゲインを変化させることが可能であり、測定する圧力値に応じてゲインを調整する。また、アンプ２は、オフセットコントロール４により出力のゼロレベルを変化させることが可能であり、初期化時、ゲインを変化させた時、及び温度変化があった時などにゼロレベルを調整する。ゲインコントロールやオフセットコントロールは、センサチップ１を所定の条件に保持したり、校正用信号を入力して随時校正される。特許文献１は、図１の（Ａ）のような構成におけるゲインコントロール及びオフセットコントロールを記載している。

測定器であれば、校正処理を随時行うことも可能であるが、機器に組み込まれるセンサではそのようなことは行えない。また、上記のようにゲイン調整やゼロレベル調整を行うには、可変抵抗器を有する回路を付加する必要があり、高価になるという問題がある。そこで、機器に組み込まれる装置では、ゲインコントロール及びオフセットコントロールを設けない構成が使用される。

図１の（Ｂ）は、機器に組み込まれて圧力を測定する圧力センサ５を有するセンサ装置の構成例を示す図である。センサチップ１は図１の（Ａ）と同様のものであり、アンプ６がセンサチップの２つの接続ノードの電圧差を増幅してＶｏｕｔとして出力する。アンプ６のゲイン及びオフセットコントロールは固定である。圧力センサ５の出力Ｖｏｕｔは、ローパスフィルタ７で雑音成分である高周波成分を除去された後、Ａ／Ｄ変換器８でデジタルデータに変換される。デジタルデータは制御（コントロール）部に送られ、コントロール部がセンサの検出値に基づいて各種の制御を行う。

図１の（Ｂ）には圧力センサ装置の例を示したが、温度センサや湿度センサなどを使用する装置も基本的には同様の構成を有する。また、図１の（Ｂ）には圧力センサは、測定する物理量（圧力）の変化に応じて抵抗値が変化する電気素子を使用したが、静電容量やインダクタンスが変化する電子素子を使用する場合もある。

図１の（Ｂ）に示すような構成での分解能は、アンプ６のダイナミック（測定）レンジをＡ／Ｄ変換器８のビット数で規定される弁別レベル数で除した値で決定される。なお、測定系の雑音レベルが分解能より大きい場合には、雑音レベルにより分解能が規定される。広いダイナミックレンジを有し且つ分解能を小さくするには、Ａ／Ｄ変換器のビット数を増加することが考えられる。しかし、Ａ／Ｄ変換器は、ビット数が増加すると価格が急激に増加するため、コスト増になるという問題がある。

一方、発振回路中に測定する物理量により電気特性が変化する電気素子を設け、物理量の変化に応じて発振信号の発振周波数（周期）が変化するように構成し、発振周波数を検出することにより物理量を測定することが行われている。発振周波数は、例えば、所定期間内の発振信号のパルス数をカウントすることにより検出できる。また、発振信号の発振周期の長さを所定の周期のパルスをカウントすることにより検出することもできる。物理量をアナログ強度信号でなく発振周波数の変化に変換することにより、雑音の影響を受けにくくなる。ここでは、物理量の変化により発振信号の周波数（周期）が変化するセンサを発振型センサと称する。

特許文献２は、水分量、温度、圧力などの変化に応じて電気抵抗或いは静電容量が変化する発振型センサと、センサの電気抵抗或いは静電容量の変化に応じて発振周波数が変化するＣＲ発振回路とにより、物理量の変化を発振信号の周波数（周期）の変化に変換して、長距離の伝送を行う長距離伝送システムを記載している。また、特許文献３は、静電容量型センサの容量変化を発振周波数の変化に変換する構成を記載している。更に、特許文献４は、抵抗値の変化を発振周波数の変化に変換する構成を記載している。

特開２００３−２７３６７３ 特開平９−１４７２８３号公報 特開平９−４３０７８号公報 特開２０００−５５９５４

上記のような発振型センサを利用して物理量を検出する従来のセンサ装置では、発振周波数の変動範囲などの発振回路の構成は、測定する物理量の変動範囲や分解能、電気素子の特性などに応じてセンサ装置ごとに設計された上で、ハードウエアに作り込まれ、ダイナミックレンジや分解能は固定で、変更は困難であるのが一般的である。

そのため、自動車の内燃機関（エンジン）・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）などの非常に多数のセンサからの出力を読み取って処理を行う装置では、各発振型センサに合わせて発振周波数（周期）を検出する検出回路を設けており、多数の異なる検出回路を設けるためコスト増や大型化という問題があった。

また、前述のように、センサ装置には、広いダイナミックレンジと高分解能が要求されるが、発振型センサの検出回路でもこの両方の要求を満たすのは難しい。例えば、発振信号をカウントする期間を長くすれば、広いダイナミックレンジを高分解能で測定することが可能であるが、カウント期間を長くすると、カウンタのビット数を増加させる必要があり、カウンタが大型化するので検出回路が大きくなり、コストも増加するという問題を生じる。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、第１の目的は、発振型センサを利用して簡単な構成で広い検出レンジを高分解能で測定可能にする発振型センサの利得制御方法を実現することであり、第２の目的は、広い検出レンジを高分解能で測定可能な簡単な構成の発振型センサ装置を実現することであり、第３の目的は、本発明の発振型センサ装置を利用して燃料タンクからの蒸発燃料の混合気の濃度測定及び蒸発燃料の漏れ（リーク）測定を簡単な構成で行える蒸発燃料状態検出装置を実現することであり、第４の目的は、本発明の発振型センサ装置を利用して簡単な構成で多数の発振型センサの出力を高分解能で読み取れる内燃機関（エンジン）のコントロールユニットを実現することである。

発振信号に周波数の若干異なる別の（ベース）発振信号を合成すると、いわゆるうなり信号を生じる。このうなり信号の周波数は元の信号の周波数より小さく、すなわちうなり信号の周期は元の信号の周期より長くなり、うなり信号の周波数（周期）は発振信号に合成するベース発振信号の周波数に応じて異なる。

そこで、請求項１に記載の発明では、発振型センサの発振信号に合成するベース発振信号の周波数を変化させてうなり信号の周期を変化させる。これにより、発振型センサの検出（ダイナミック）レンジ及び分解能を任意に設定できるようになり、使用中に変更することも可能であるので、１個の発振型センサで検出対象の物理量を所望の分解能で測定できるようになる。

請求項３に記載の発明では、ベース発振信号生成回路がベース発振信号の周波数を変化させることにより、うなり信号の周期を変化させる。これにより、上記と同様に、発振型センサの検出（ダイナミック）レンジ及び分解能を任意に設定できるようになる。更に、うなり信号の周期はカウントパルス信号をカウントすることにより検出するが、うなり信号の周波数は、元の発振信号の周波数より小さいので、カウンタのビット数を削減できる。さらに、この場合の分解能は、カウントパルス信号の周期に対応するセンサ発振信号の周波数（周期）変化を生じる物理量である。

ベース発振信号生成回路、カウンタ及びカウント値から物理量を算出する物理量算出回路はコンピュータで実現することが可能であり、プログラムの変更のみで各種のセンサに容易に対応可能である。

請求項９に記載の発明は、燃料タンクからの蒸発燃料の混合気の濃度測定及び蒸発燃料の漏れ（リーク）測定を簡単な構成で行える蒸発燃料状態検出装置に本発明を適用したもので、計測通路の圧力を測定するように設けられた１個の圧力センサの出力する発振信号に合成するベース発振信号の周波数を変える。これにより、大気圧状態から計測通路の絞りにより負圧を発生させた状態までを含む大きなダイナミックレンジにおける所定の分解能での測定と、このダイナミックレンジ内の狭い範囲内の高分解能での測定とが、１個の圧力センサで可能になる。

請求項１５に記載の発明は、本発明を内燃機関（エンジン）のコントロールユニット（ＥＣＵ）に適用したものであり、発振型センサのダイナミックレンジ及び分解能を任意に設定し且つ変更可能な構成を低コストで実現できる。

また、請求項１７に記載の発明は、請求項１５に記載の発明で、複数の発振型センサからの複数のセンサ発振信号から１つのセンサ発振信号を選択して出力するマルチプレクサを設けることにより、各種センサ発振信号からの出力を共通の回路で検出できるようになるので、検出回路の個数を低減してコストを低減することが可能になる。

更に、請求項１８に記載の発明は、本発明を複数の発振型圧力センサからの出力に対して共通に温度補正処理及び検出処理を行う圧力センサモジュールに適用したもので、ＥＣＵとの間を通信回線で接続することにより、ＥＣＵから離れた位置に配置される複数の発振型圧力センサの出力をまとめて検出処理すると共に、ＥＣＵからの要求に応じて必要な検出結果を送ることが簡単な構成で可能になる。

図２は、本発明の第１実施例のセンサ装置の構成を示す図である。図２に示すように、第１実施例のセンサ装置は、センサ１０と、伝送路１５と、検出回路２０と、を有する。

センサ１０は、検査対象の状態に応じて抵抗値が変化する抵抗１１と、抵抗１１を回路内に含む発振回路１２と、発振回路１２から出力される発振信号を伝送するための出力用インバータ１３と、を有する。センサ１０は、例えば半導体チップで実現され、抵抗１１は検査対象の状態の影響を受けるように配置され、検査対象の状態の変化に応じて抵抗値が変化する。具体的には、センサ１０は、圧力センサであり、抵抗１１を形成した半導体基板が検査対象の圧力を受けるように配置される。発振回路１２は、抵抗１１の抵抗値に応じて一義的に決まる周波数ｆｓで発振する。

なお、抵抗１１の代わりに、検査対象の状態に応じて容量値が変化する容量素子やインダクタンス値が変化するインダクタンス素子を利用することも可能である。更に、図２に示した発振回路１２は、一例であり、ＣＭＯＳで構成された発振回路など他にも各種の異なる回路構成を有することが可能である。

伝送路１５は、センサ１０から出力された発振信号を検出回路２０に伝送する伝送ラインであり、周波数ｆｓの成分がある程度伝送できればどのようなものでもよく、周波数ｆｓより高い周波数成分が劣化しても問題ない。

検出回路２０は、伝送路１５を介して伝送された周波数ｆｓの発振信号に周波数ｆｒのベース発振信号を合成する論理演算回路（ＸＯＲ）２１と、抵抗と容量で構成されるローパスフィルタ２２と、インバータ２３と、コンピュータ（ＣＰＵ）２４と、を有する。コンピュータ（ＣＰＵ）２４は、ベース発振信号を生成するベース発振信号生成部２５と、インバータ２３の出力するうなり信号の１周期の長さをコンピュータ２４のクロック信号でカウントするカウンタ２６と、カウンタ２６のカウントした値に基づいてセンサ１０の検出した物理量に換算する物理量算出回路２７と、検出した物理量に基づいて各部を制御すると共にベース発振信号生成部２５で生成するベース発振信号の周期ｆｒを制御する計測コントローラ２８と、を構成するようなプログラムがインストールされている。コンピュータ２４は、さらにベース発振信号を出力するパルス出力ポート（Ｐｏｕｔ）２９と、インバータ２３の出力するうなり信号が入力されるパルス入力ポート（Ｐｉｎ）３０と、を有する。論理演算回路（ＸＯＲ）２１、ローパスフィルタ２２及びインバータ２３は、周波数ｆｓの発振信号と周波数ｆｒのベース発振信号とを合成してうなり信号を生成するうなり信号生成回路を構成する。ベース発振信号生成部２５は、コンピュータ２４のクロック信号をカウントして分周するカウンタを有し、計測コントローラ２８からの指示に応じてカウント値を変更することにより分周比を変化させて異なる周波数（周期）のベース発振信号を生成する。なお、ベース発振信号生成部２５及びカウンタ２６はコンピュータでなく、個別の回路で構成することも可能であり、コンピュータ２４の代わりに個別の回路を用いることも可能である。

図３は、第１実施例のセンサ装置の動作原理を説明する図である。センサ１０の発振周波数ｆｓは、対象とする物理量の変化に応じて図示のように変化する。ここでは、発振周波数ｆｓが物理量の変化に応じて線形（リニア）に変化するように示したが、これに限定されず、発振周波数ｆｓが測定範囲内の物理量に応じて一義的に決まればよい。物理量算出部２７は、あらかじめ測定された物理量と周波数ｆｓの関係を記憶している。ベース発振信号の周波数ｆｒは、分周比を（ｎ−２）、（ｎ−１）、ｎ、（ｎ＋１）、（ｎ＋２）に変化することにより、発振周波数ｆｓに近似した周波数ｆｒ（ｎ−２）、ｆｒ（ｎ−１）、ｆｒｎ、ｆｒ（ｎ＋１）、ｆｒ（ｎ＋２）に変化する。うなり信号の周期は、発振信号の周波数ｆｓとベース発振信号の周波数ｆｒの差の絶対値の逆数になる。ベース発振信号の周波数をｆｒ（ｎ−２）、ｆｒ（ｎ−１）、ｆｒｎ、ｆｒ（ｎ＋１）、ｆｒ（ｎ＋２）にすると、うなり信号の周期は物理量の変化に応じて図示のように、双曲線関数のようにベース発振信号の周波数で無限大になるように変化する。

うなり信号の周期は、分解能や測定の応答性に応じて使用範囲が決められる。分解能は、うなり信号の周期の使用範囲に対応する物理量の変化範囲を、うなり信号の周期の使用範囲内に含まれるクロック信号（カウントパルス信号）の個数（うなり信号の周期をクロック信号の周期で除した値）で除した値に近似した値である。必要な分解能からうなり信号の周期の下限が決定される。また、うなり信号の周期が長ければ分解能は向上するが、１測定に要する時間の上限が決められており、これによりうなり信号の周期の上限が決定される。

図３の下の図で太線で示すように、物理量のもっとも小さい範囲では発振周波数をｆｒ（ｎ−２）にすることにより、物理量の変化に対してうなり信号の周期が増加する。発振周波数がｆｒ（ｎ−２）である時のうなり信号の周期の使用範囲の上限の物理量より大きな次の物理量の範囲では、発振周波数をｆｒ（ｎ−１）にすることにより、うなり信号の周期が使用範囲内になる。同様に、発振周波数をｆｒｎ、ｆｒ（ｎ＋１）、ｆｒ（ｎ＋２）にすることにより、うなり信号の周期が使用範囲内になる物理量の範囲がシフトする。このようにして、発振周波数ｆｒを変化させることにより、物理量の全検出範囲について、周期が使用範囲内になるうなり信号を発生させることができる。

図４は、第１実施例のセンサ装置で、ベース発振信号の周波数、すなわちベース発振信号生成部２５のカウンタにおける分周比の設定処理を示すフローチャートである。

ステップ１００では、ベース発振信号生成の分周比を初期値に設定する初期化を行う。ステップ１０１では、分周比を１だけ増加させ（カウントアップ）、ステップ１０２でうなり信号の周期が使用範囲内であるかを判定し、使用範囲内になるまでステップ１０１と１０２を繰り返し、使用範囲内になるとステップ１０３に進む。

ステップ１０３では、物理量算出部２７が、物理量と発振周波数ｆｓの関係及びｆｓとｆｒの関係による物理量とうなり信号の周期の関係から、その時点のうなり信号の周期に対応する物理量を算出する。ステップ１０４では、算出した物理量がオーバレンジ（範囲の上限を超えている）であるか判定し、オーバレンジであればステップ１０５で分周比をカウントアップしてステップ１０３に戻る。オーバレンジでなければステップ１０６で算出した物理量がアンダーレンジ（範囲の下限を超えている）であるか判定し、アンダーレンジであればステップ１０７で分周比をカウントダウンしてステップ１０３に戻り、アンダーレンジでなければステップ１０３に戻る。

以上のようにして、物理量に応じて変化する発振周波数に応じてベース発振信号の周波数を適切に設定することにより、うなり信号の周期を使用範囲内にして所望の分解能で物理量が測定できる。

以上、第１実施例のセンサ装置を説明したが、各種の変形例が可能である。

例えば、上記の第１実施例では、図３に示すように、ベース発振信号の周波数ｆｒが発振周波数ｆｓに対して常に大きくなるように設定したが、図５に示すように、物理量の小さい範囲、すなわち発振周波数ｆｓの小さい範囲では、ベース発振信号の周波数ｆｒを発振周波数ｆｓより大きな周波数ｆｒ２に設定し、物理量の大きな範囲、すなわち発振周波数ｆｓの大きな範囲では、ベース発振信号の周波数ｆｒを発振周波数ｆｓより小さな周波数ｆｒ１に設定することも可能である。この場合のうなり信号の周期使用範囲と物理量測定範囲の関係は図示のようになる。

また、上記の第１実施例では、うなり信号の周期使用範囲は一定であったが、第２実施例で説明するように、物理量の測定範囲に応じてうなり信号の周期使用範囲を変えることも可能である。

本発明の第２実施例は、本発明を自動車の内燃機関（エンジン）のコントロールユニット（ＥＣＵ）に適用した例である。まず、本実施例に関係する蒸発燃料処理装置について簡単に説明する。

図６は、蒸発燃料処理装置を含むエンジン部分の構成を示す図である。エンジン部分については広く知られており、本発明に直接関係しないので、説明は省略する。

燃料タンク４０内で蒸発する蒸発燃料は、キャニスタ４１内の活性炭などの吸着材に吸着される。キャニスタ４１の吸着材に吸着された蒸発燃料は、パージ弁４２を開弁することにより、吸気管４３の負圧によりキャニスタ４１から吸気管４３内にパージされる。

このような蒸発燃料処理装置においては、蒸発燃料が外部に漏れていないことを確認する検査を行うと共に、キャニスタ４１から吸気管４３に蒸発燃料をパージする時の蒸発燃料を制御するために蒸発燃料の混合気の濃度を検出することが要求される。また、エンジンの制御を行う上では大気圧も測定する必要があり、別に大気圧センサを設ける代わりに蒸発燃料処理装置で使用する圧力センサで大気圧が測定できれば、センサの個数を減らすことができる。本出願人は、このような検査及び濃度検出を行う機構を簡単にするための測定方法を別途提案している。

この測定方法を行う蒸発燃料処理装置は、図６に示すように、基準オリフィス５２を有する計測通路５３を有する。計測通路５３の一端には電磁弁５０が設けられ、計測通路５３の基準オリフィス５１の後には電磁弁４７が設けられ、電磁弁４７の後にはポンプ４６が設けられ、ポンプ４６の先には電磁弁５０と同様の電磁弁５１が設けられる。更に、電磁弁４７とポンプ４６の間の計測通路５３には、電磁弁４８を有する通路と、発振型圧力センサ４５が設けられた通路が接続されている。電磁弁４８を有する通路及び電磁弁５１の出口の一方は、キャニスタ４１と電磁弁４９を結ぶ通路に接続されている。蒸発燃料処理装置では、制御装置（コントロールユニット）（ＥＣＵ）４４が、ポンプ４６、電磁弁４７、４８、４９、５０、５１を作動させ、発振型圧力センサ４５の出力を読み取って圧力を算出する。

蒸発燃料処理装置における大気圧測定及び蒸発燃料濃度測定を、図７を参照して説明する。まず、蒸発燃料処理装置は、ポンプ４６を非動作状態にし、電磁弁４７を開弁し、電磁弁４８及び４９を閉弁し、電磁弁５０を図６に示すような大気に対して連通状態にし、電磁弁５１を大気に対して連通状態にする。これにより、計測通路５３内は大気圧と同じ状態になるので、圧力センサ４５により大気圧が測定できる状態（大気圧測定状態）になる。次に電磁弁４７を閉弁し、ポンプ４６を動作させると、計測通路５３内の圧力がＰｔに低下する負圧状態になる。次に電磁弁４７を開弁すると、基準オリフィス５２を空気が通過することにより計測通路５３内の圧力が大気圧より低下した状態（第１の濃度計側状態）になる。この時の圧力をΔＰａｉｒとする。次に電磁弁５０及び５１をキャニスタ４１に対して連通状態にすると、キャニスタ４１の蒸発燃料を含んだ混合気が基準オリフィス５２及び計測通路５３を通過する状態（第２の濃度計側状態）になる。この時の圧力をΔＰｇａｓとする。混合気には蒸発燃料が含まれるのでΔＰｇａｓはΔＰａｉｒより低い値となる。

以上のようにして測定したΔＰａｉｒ、Ｐｔ、ΔＰｇａｓから、蒸発燃料濃度Ｄ（％）が、次の式から算出できる。

ρａｉｒは測定した大気圧から算出される。

大気圧は通常１０１ｋＰａ程度であるが、使用される環境条件の違いなども考慮して、大気圧として５０〜１５０ｋＰａの範囲を測定できる必要がある。また、通常の大気圧Ｐａｉｒ、ΔＰａｉｒ、Ｐｔ、ΔＰｇａｓは、図７に示すように、１０ｋＰａの範囲内にある。このようにして算出された蒸発燃料濃度Ｄに基づいて、キャニスタ４１から吸気管４３にパージされる蒸発燃料量を制御する。

また、蒸発燃料の外部への漏れ検査は、電磁弁４７、４８及び４９を閉弁し、電磁弁５０及び５１を大気に連通状態にしてポンプ４６を動作させて負圧状態にした上で、電磁弁４８を開弁してキャニスタ４１につながるすべての通路から排気を行った時の圧力変化を測定することにより行う。この検査で発振型圧力センサ４５が測定する圧力の範囲は、大気圧から−１０ｋＰａまでの負圧、言い換えれば蒸発燃料濃度の測定時と同じ圧力範囲である。

以上のように、蒸発燃料処理装置において、大気圧測定、蒸発燃料濃度測定及び漏れ検査を行うには、発振型圧力センサ４５は、５０ｋＰａから１５０ｋＰａの圧力範囲を測定可能で、特に１００ｋＰａ付近の１０ｋＰａの範囲については１０Ｐａ程度の高分解能での測定が可能であることが要求される。例えば、従来の図１の（Ｂ）に示したＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換する構成でこのような要求を満たすＡ／Ｄ変換の条件を考えると、１００ｋＰａの範囲を、５Ｐａで分割した２×10⁴レベルに分解する必要があり、１６ビットのＡ／Ｄ変換器を使用する必要がある。このようなＡ／Ｄ変換器は非常に高価であり、大きなコスト増加を招く。

図８は、本発明の第２実施例の蒸発燃料処理装置の構成を示す図である。第２実施例の蒸発燃料処理装置は、図６の圧力センサ４５とエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）４４で構成される。第２実施例の蒸発燃料処理装置は、異なる構成の発振型センサである点と、検出回路がＥＣＵ４４で構成される点とが第１実施例と異なる。また、ＥＣＵ４４内の構成は、第１実施例の検出回路内の構成と同じであり、説明は省略する。

圧力センサ４５は、計測通路５３の圧力に応じて抵抗値が変化する抵抗６１と、抵抗６１を回路内に含む第１発振回路６２と、抵抗６１の近くに設けられ抵抗６１と同じ温度になるが圧力変化の影響は受けないように配置された基準抵抗６３と、抵抗６３を回路内に含む第１発振回路と同じ構成の第２発振回路６４と、第１発振回路６２の出力する第１発振信号（周波数Ｆ１）と第２発振回路６４の出力する第２発振信号（周波数Ｆ２）の信号を合成する論理演算回路（ＸＯＲ）６５と、抵抗と容量で構成されるローパスフィルタ６６と、インバータ６７と、を有する。論理演算回路（ＸＯＲ）６５、ローパスフィルタ６６及びインバータ６７は、周波数Ｆ１の発振信号と周波数Ｆ２の基準発振信号とを合成してうなり信号を生成するセンサうなり信号生成回路を構成する。

第１発振回路６２は、計測通路５３の圧力に応じて発振周波数が変化すると共に、温度に応じても発振周波数が変化する。第２発振回路６４は、温度変化に対して第１発振回路６２と同じように発振周波数が変化する。センサうなり信号生成回路は、周波数Ｆ１の第１発振信号と周波数Ｆ２の第２発振信号を合成してＦ１とＦ２の差の絶対値である周波数ｆｓのセンサうなり信号を生成する。前述のように、第１発振信号と第２発振信号は、温度変化に対して発振周波数が同じように変化するので、センサうなり信号では温度変化による発振周波数の変化は相殺され、周波数ｆｓは計測通路５３の圧力のみに応じて変化する。

インバータ６７から出力されたセンサうなり信号は、伝送路１５を介してＥＣＵに伝送され、第１実施例と同様の処理が行われる。言い換えれば、第２実施例では、圧力センサ４５内で生成されたセンサうなり信号に対して、ＥＣＵ４４内で更にうなり信号を生成して周期が算出されるという具合に２重にうなり信号を生成する。しかし、センサうなり信号自体も発振信号であり、特に問題はない。なお、ローパスフィルタ２２の上限カット周波数は、ローパスフィルタ６６より小さくする。

圧力と抵抗６１の抵抗値の関係、抵抗６１の抵抗値と第１発振信号の周波数の関係、更に第１発振信号の周波数と第１発振信号及び第２発振信号を合成したセンサうなり信号の周波数（周期）との関係、及びセンサうなり信号の周波数（周期）とうなり信号の周波数（周期）との関係はあらかじめ求めることができ、物理量算出部２７に記憶されている。物理量算出部２７は、算出したうなり信号の周期から圧力を算出する。

第２実施例では、ベース発振信号生成部２５が、図３から図５で説明した第１実施例と同様の方法で、大気圧測定状態、負圧測定状態、第１の濃度計側状態及び第２の濃度計側状態における計測通路の圧力を、必要な分解能で測定できるようにベース発振信号の周波数を設定して測定を行う。

なお、前述のように、大気圧Ｐａｉｒに対して、負圧Ｐｔ、第１の濃度計側状態の圧力ΔＰａｉｒ及び第１の濃度計側状態の圧力ΔＰｇａｓは、１０ｋＰａ内にある。そこで、図９に示すように、最初に大気圧を測定する時には、ベース発振信号生成部２５は、５０ｋＰａから１５０ｋＰａの圧力範囲に対してうなり信号の周期が比較的短い第１範囲内になるようにベース発振信号の周波数をｆｒ１に設定してうなり信号の周期を測定する。これにより大気圧Ｐａｉｒが、あまり高精度ではないが測定される。次に、測定した大気圧に基づいて、１０ｋＰａ内にあるＰａｉｒ、Ｐｔ、ΔＰａｉｒ及びΔＰｇａｓに対してうなり信号の周期が長い第２範囲内になるようにベース発振信号の周波数をｆｒ２に設定してうなり信号の周期を測定する。この測定結果からＰａｉｒ、Ｐｔ、ΔＰａｉｒ及びΔＰｇａｓを高分解能で測定する。

なお、図９のようにうなり信号の周波数（周期）が異なる範囲になる場合、ローパスフィルタ２２では、合成した信号の整形が十分に行えない場合が生じるので、例えば、図１０に示すように、上限周波数の異なる複数のローパスフィルタ（２種類のうなり信号であれば２個）２２Ａ〜２２Ｎを設け、更にＸＯＲゲート２１の出力を複数のローパスフィルタ２２Ａ〜２２Ｎのいずれかに供給するように選択する複数のスイッチ３１Ａ〜３１Ｎで構成されるセレクタ３１と、複数のローパスフィルタ２２Ａ〜２２Ｎのいずれかの出力を選択してインバータ２３に供給するように選択する複数のスイッチ３２Ａ〜３２Ｎで構成されるセレクタ３２と、を設け、うなり信号の周波数（周期）に応じて適切なローパスフィルタが選択できるようにする。

図１１は、本発明の第３実施例のエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）４４の構成とそれに接続されるセンサを示す図である。第３実施例のＥＣＵ４４は、第２実施例のＥＣＵと略同じ構成を有するが、マルチプレクサ４６が設けられている点が異なる。図示のように、ＥＣＵ４４には複数の発振型センサ７１−１、７１−２、…、７１−Ｎからの発振信号が入力される。計測コントローラ２８は、マルチプレクサ４６が測定対象のセンサの出力するセンサ発振信号を選択するように制御し、選択したセンサ発振信号の周波数変化を検出するのに適したベース発振信号を生成するようにベース発振信号生成回路２５を制御する。他の部分は、第１及び第２実施例と同じである。

図１２は、第３実施例のＥＣＵにおける制御動作を示す図である。計測コントローラ２８は、測定ａのシーケンスを行う時には、測定ａで使用するセンサの出力を選択するようにマルチプレクサを制御すると共に、ベース発振信号生成部２５に所定のベース発振信号を生成するように指示する。これにより、選択したセンサの出力するセンサ発振信号とベース発振信号のうなり信号が生成され、カウンタ２６でうなり信号の周期が測定され、その周期に基づいて物理量算出部２７により物理量が算出され、計測コントローラ２８に送られる。測定ｂのシーケンスなども、以下同様に行う。

なお、図１２のシーケンスで、第２実施例で説明したように、同一のセンサ発振信号に対して異なるベース発振信号を合成することにより物理量に対するうなり信号の周期を異ならせてダイナミックレンジや分解能を異ならせる処理も独立したシーケンスとみなすことができる。

以上のように、第３実施例のＥＣＵでは、共通の検出回路により、各種の発振型センサによる物理量の測定を、測定対象に適したダイナミックレンジと分解能で行える。

図１３は、本発明の第４実施例の圧力センサモジュールの構成を示す図である。第４実施例の圧力センサモジュール９０は、油圧センサ８１、ＥＧＲ温度センサ８２、吸気温センサ８３、及び第２実施例で説明したセンサに類似した圧力センサ８４などの複数の発振型圧力センサの出力するセンサ発振信号をまとめて処理し、処理データ（物理量データ）を、離れた位置にあるＥＣＵに伝送するものである。ＥＣＵから圧力センサモジュール９０への処理内容の指示、及び圧力センサモジュール９０からＥＣＵへの物理量データなどの送信は通信回線を介して行われる。

圧力センサモジュール９０は、複数の発振型圧力センサの出力するセンサ発振信号の１つを選択して出力するマルチプレクサ９１と、温度補正用発振信号を発生する温度補正用発振信号発生回路９２と、選択したセンサ発振信号と温度補正用発振信号を合成して温度変化の影響を除去した補正発振信号を生成する周波数差分器９３と、うねり信号生成回路９４と、コンピュータ９５と、通信インターフェース（Ｉ／Ｆ）８９と、を有する。コンピュータ９５は、第１及び第２実施例と同様に、ベース発振信号生成部９６と、カウンタ９７と、物理量算出部９８と、計測コントローラ９９と、を有する。温度補正用発振信号発生回路９２は、図８の基準抵抗６３と第２発振回路６４で構成される回路と同様に実現できる。なお、１個の温度補正用発振信号発生回路９２だけでは複数のセンサに対応できない時には、センサに応じて複数の温度補正用発振信号発生回路９２を設け、その出力を別に設けたマルチプレクサにより選択して周波数差分器９３に供給するようにする。周波数差分器９３は、図８のＸＯＲゲート６５とローパスフィルタ６６と、インバータ６７とで構成される回路と同様に実現できる。うねり信号生成回路９４は、図８のＸＯＲゲート２１とローパスフィルタ２２と、インバータ２３とで構成される回路と同様に実現できる。

なお、ここでは、圧力センサのみをまとめて処理する圧力センサモジュールとしたが、他の物理量を測定するための発振型センサの出力するセンサ発振信号も合わせて処理するセンサモジュールにすることも可能である。ただし、この場合には、温度補正用発振信号発生回路９２は、他の物理量を測定するための発振型センサに合わせて別のものを更に設ける必要がある。

圧力測定器及び圧力センサ装置の従来例の構成を示す図である。 本発明の第１実施例のセンサ装置の構成を示す図である。 第１実施例のセンサ装置の測定する物理量とうなり信号の周期との関係を説明する図である。 第１実施例のセンサ装置のベース信号の設定処理を示すフローチャートである。 第１実施例のセンサ装置の他のベース発振信号の周波数設定方法を説明する図である。 本発明の第２実施例のセンサ装置が使用されるエンジン部分を説明する図である。 第２実施例のセンサ装置が検出する圧力変化を説明する図である。 第２実施例のセンサ装置の構成を示す図である。 第２実施例のセンサ装置のベース発振信号の周波数設定方法の変形例を説明する図である。 第２実施例のセンサ装置のローパスフィルタの変形例を説明する図である。 本発明の第３実施例のエンジン・コントロール・ユニット（ＥＣＵ）の構成を示す図である。 第３実施例のＥＣＵの動作を説明する図である。 本発明の第４実施例の圧力センサモジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１０ センサ
１１ 抵抗（センサ素子）
１２ 発振回路
１５ 伝送路
２０ 検出回路
２１ 論理演算回路（ＸＯＲ）
２２ ローパスフィルタ
２４ コンピュータ
２５ ベース発振信号生成回路
２６ カウンタ
２７ 物理量算出回路
２８ 計測コントローラ

Claims (18)

1. 検査対象の状態に応じて周波数が変化するセンサ発振信号にベース発振信号を合成して、前記センサ発振信号と前記ベース発振信号の周波数差に対応したうなり周波数を有するうなり信号を生成し、
   前記うなり信号の周期中のカウントパルス信号の個数をカウントすることにより、前記うなり信号の周期を測定し、
   測定した前記うなり信号の周期及び前記ベース発振信号の周期から前記センサ発振信号の周波数を算出し、更に算出した前記センサ発振信号の周波数から前記検査対象の状態値を算出する発振型センサの利得制御方法であって、
   前記ベース発振信号の周波数を変化させ、変化させた前記ベース発振信号の周期に基づいて前記センサ発振信号の周波数及び前記検査対象の状態値を算出することを特徴とする発振型センサの利得制御方法。
2. 前記ベース発振信号は、前記うなり信号の周期が所定の範囲内になるように変化される請求項１に記載の発振型センサの利得制御方法。
3. 検査対象の状態に応じて周波数が変化するセンサ発振信号を出力する発振型センサと、
   ベース発振信号を生成して出力するベース発振信号生成回路と、
   前記センサ発振信号と前記ベース発振信号を合成して、前記センサ発振信号と前記ベース発振信号の周波数差に対応したうなり周波数を有するうなり信号を生成するうなり信号生成回路と、
   前記うなり信号の周期中のカウントパルス信号の個数をカウントすることにより、前記うなり信号の周期を測定するカウンタと、
   測定した前記うなり信号の周期及び前記ベース発振信号の周期から、前記センサ発振信号の周波数を算出し、更に前記検査対象の状態値を算出する物理量算出回路と、を備える発振型センサ装置であって、
   前記ベース発振信号生成回路は、前記ベース発振信号の周波数を変化させ、
   前記物理量算出回路は、変化させた前記ベース発振信号の周期に基づいて前記センサ発振信号の周波数及び前記検査対象の状態値を算出することを特徴とする発振型センサ装置。
4. 前記ベース発振信号生成回路は、前記うなり信号の周期が所定の範囲内になるように前記ベース発振信号を変化させる請求項３に記載の発振型センサ装置。
5. 前記ベース発振信号生成回路は、クロック信号をカウントして前記ベース発振信号を生成する波形生成用カウンタを備え、前記波形生成用カウンタのカウント値を変化させて前記ベース発振信号の周期を変化させる請求項３に記載の発振型センサ装置。
6. 前記ベース発振信号生成回路、前記カウンタ及び前記物理量算出回路は、コンピュータで実現される請求項３に記載の発振型センサ装置。
7. 前記発振型センサは、検査対象の状態に応じて電気特性が変化する変化素子を発振回路中に備える請求項３に記載の発振型センサ装置。
8. 前記発振型センサは、第１発振回路と、第２発振回路と、前記第１発振回路の出力する第１発振信号と前記第２発振回路の出力する第２発振信号の周波数差に応じた原うなり信号を生成する合成回路と、を備え、前記原うなり信号を前記発振信号として出力する請求項３に記載の発振型センサ装置。
9. 燃料タンク内から導入通路を介して導かれた蒸発燃料をキャニスタ内の吸着材に一時的に吸着して前記吸着材から脱離した混合気をバージ通路を介して内燃機関の吸気管に導くために前記混合気の濃度を測定すると共に、前記蒸発燃料の大気中への漏れを測定する蒸発燃料状態検出装置であって、
   途中に絞りを有する計測通路と、
   前記計測通路内に計測通路に沿ってガス流を発生させるガス流発生手段と、
   前記ガス流発生手段を動作させずに前記計測通路を大気に開放した大気圧測定状態、前記計測通路の一端を閉じて前記ガス流発生手段を動作させた負圧状態、前記計測通路を両端で大気に開放して前記計測通路に流れるガス流を空気とする第１の濃度計側状態、及び前記計測通路を両端で前記キャニスタと連通して前記計測通路に流れるガス流を前記混合気とする第２の濃度計側状態のいずれかの状態に切り替える計測通路切替手段と、
   前記計測通路の圧力を検出する圧力センサと、
   前記圧力センサの出力を読み取って前記混合気の濃度の演算及び前記蒸発燃料の大気中への漏れの有無を判定する演算制御部と、を備え、
   前記圧力センサは、圧力に応じて周波数が変化するセンサ発振信号を出力する発振型センサであり、
   演算制御部は、ベース発振信号を生成して出力するベース発振信号生成回路と、前記センサ発振信号と前記ベース発振信号を合成して、前記センサ発振信号と前記ベース発振信号の周波数差に対応したうなり周波数を有するうなり信号を生成するうなり信号生成回路と、前記うなり信号の周期中のカウントパルス信号の個数をカウントすることにより、前記うなり信号の周期を測定するカウンタと、測定した前記うなり信号の周期及び前記ベース発振信号の周期から、前記センサ発振信号の周波数を算出し、更に前記計測通路の圧力の状態値を算出する物理量算出回路と、を備え、
   前記ベース発振信号生成回路は、前記複数の測定状態に応じて、前記ベース発振信号の周波数を変化させ、
   前記物理量算出回路は、変化させた前記ベース発振信号の周期に基づいて前記センサ発振信号の周波数及び前記計測通路の圧力の状態値を算出することを特徴とする蒸発燃料状態検出装置。
10. 前記ベース発振信号生成回路は、前記第１及び第２の濃度計側状態では、前記大気圧測定状態及び前記負圧状態より、前記うなり信号の周期が長くなるように前記ベース発振信号を変化させる請求項９に記載の蒸発燃料状態検出装置。
11. 前記ベース発振信号生成回路、前記うなり信号生成回路、前記カウンタ及び前記物理量算出回路は、内燃機関コントロールユニットに設けられる請求項９に記載の蒸発燃料状態検出装置。
12. 前記圧力センサは、圧力に応じて特性が電気変化する変化素子を発振回路中に備える請求項９に記載の蒸発燃料状態検出装置。
13. 前記変化素子は、圧力に応じて電気抵抗又は容量が変化する請求項１２に記載の蒸発燃料状態検出装置。
14. 前記発振型センサは、第１発振回路と、第２発振回路と、前記第１発振回路の出力する第１発振信号と前記第２発振回路の出力する第２発振信号の周波数差に応じた原うなり信号を生成する合成回路と、を備え、前記原うなり信号を前記発振信号として出力する請求項９に記載の蒸発燃料状態検出装置。
15. ベース発振信号を生成して出力するベース発振信号生成回路と、
    センサから受信した検査対象の状態に応じて周波数が変化するセンサ発振信号と前記ベース発振信号を合成して、前記センサ発振信号と前記ベース発振信号の周波数差に対応したうなり周波数を有するうなり信号を生成するうなり信号生成回路と、
    前記うなり信号の周期中のカウントパルス信号の個数をカウントすることにより、前記うなり信号の周期を測定するカウンタと、
    測定した前記うなり信号の周期及び前記ベース発振信号の周期から、前記センサ発振信号の周波数を算出し、更に前記検査対象の状態値を算出する物理量算出回路と、を備える内燃機関のコントロールユニットであって、
    前記ベース発振信号生成回路は、前記ベース発振信号の周波数を変化させ、
    前記物理量算出回路は、変化させた前記ベース発振信号の周期に基づいて前記センサ発振信号の周波数及び前記検査対象の状態値を算出することを特徴とする内燃機関のコントロールユニット。
16. 前記ベース発振信号生成回路は、当該コントロールユニットによる内燃機関の動作状態に応じて前記ベース発振信号の周波数を変化させる請求項１５に記載の内燃機関のコントロールユニット。
17. 複数のセンサから受信した複数のセンサ発振信号から１つのセンサ発振信号を選択して出力するマルチプレクサを備え、
    前記ベース発振信号生成回路は、選択したセンサ発振信号に応じて前記ベース発振信号の周波数を変化させる請求項１５に記載の内燃機関のコントロールユニット。
18. 複数の発振型圧力センサから受信した複数のセンサ発振信号から１つのセンサ発振信号を選択して出力するマルチプレクサと、
    温度補正用発振信号を発生する温度補正用発振信号発生回路と、
    選択した前記センサ発振信号と前記温度補正用発振信号を合成して、温度変化の影響を除去した温度補正センサ発振信号を生成する周波数差分器と、
    ベース発振信号を生成して出力するベース発振信号生成回路と、
    前記温度補正センサ発振信号と前記ベース発振信号を合成してうなり信号を生成するうなり信号生成回路と、
    前記うなり信号の周期中のカウントパルス信号の個数をカウントすることにより、前記うなり信号の周期を測定するカウンタと、
    測定した前記うなり信号の周期及び前記ベース発振信号の周期から、前記センサ発振信号の周波数を算出し、更に前記複数の発振型圧力センサのいずれかが検出する検査対象の状態値を算出する物理量算出回路と、
    各部の制御を行う制御部と、
    通信インターフェース回路と、を備えることを特徴とする圧力センサモジュール。

Images