JP6161797B2 - 物理量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の内燃機関に吸入される吸入空気の温度や湿度などの物理量を検出する物理量検出装置に関する。

特許文献１には、感湿素子及び感温素子と、感湿素子の出力特性及び温度係数を予め記憶したＲＯＭとをセンサプローブ内に配置し、感温素子の温度検出値を用いてＲＯＭ内の温度管理用記憶テーブルを参照して検出温度を算出し、その検出温度と感湿素子の湿度検出値とを用いてＲＯＭ内の特性データ記憶テーブルを参照して検出湿度を算出する湿度検出装置の構成が示されている。

そして、特許文献２には、センサ自身の特性のばらつきや機差等を補正するためのデータが予め記憶されたＥＰＲＯＭを有し、採取された物理情報対応データにこれら補正データを付加した信号をセンサ信号処理装置に送信するセンサ装置の技術が示されている。

特開平３−７８６５０号公報 特開平９−１１３３１０号公報

特許文献１の湿度検出装置のように、複数の検出素子の検出値を用いて算出した間接的な物理量には、検出素子の検出値には誤差が含まれており、例えば同じ公差を有している検出素子であったとしても単体では個々に異なる特性を有しているので、算出される物理量は検出素子の組み合わせによって異なる。算出される物理量が所望の精度を得るために、各検出素子の公差を高めて許容誤差を可能な限り小さくしようとすると、検出素子の不良率が上昇し、コスト高となる。

また、特許文献２のセンサ装置のように、検出素子の補正データをセンサ信号処理装置に出力して物理量を補正しようとすると、各センサが有する特性を考慮しなければならず、センサ信号処理装置で煩雑な誤差計算が必要となる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各検出素子の公差を必要以上に高めることなく、装置全体で所望の精度を得ることができる物理量検出装置を得ることである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、複数の物理量をそれぞれ検出する複数の物理量検出部と、前記複数の物理量検出部が個々に有する誤差特性を記憶する記憶部と、該複数の物理量検出部の少なくとも二つの物理量検出部で検出された少なくとも２つの物理量を用いて別の物理量を計算する物理量計算部と、前記複数の物理量検出部の誤差特性を前記記憶部から読み出して前記別の物理量の誤差を計算する誤差計算部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、各検出部の検出精度を必要以上に高めることなく、装置全体で所望の精度を得ることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の物理量検出装置が適用されるエンジン制御システムの概略図。 本発明の物理量検出装置の一実施形態を説明する機能ブロック図。 湿度センサの構成の一例を示す図。 温度センサの構成の一例を示す図。 吸入空気の温度と絶対湿度と相対湿度の関係を示す空気線図。 湿度センサの温度特性と温度センサの温度特性から求められる絶対湿度誤差との関係を説明する図。 本発明の物理量検出装置の他の実施形態を説明する機能ブロック図。 従来技術の課題を説明する図。

次に、本発明の物理量検出装置の一実施の形態について以下に図面を用いて説明する。
図１は、本発明の物理量検出装置が適用されるエンジン制御システムの概略図、図２は、本発明の物理量検出装置の一実施形態を説明する機能ブロック図である。

物理量検出装置は、自動車のエンジン制御システム１に組み込まれている。エンジン制御システム１は、図１に示すように、内燃機関であるエンジン本体２と、エンジン本体２に吸入空気を供給するための吸気通路３と、エンジン本体２から排気ガスを排出するための排気通路４を有している。吸気通路３は、その途中位置にターボチャージャ１２のコンプレッサ１２ａが介装されており、コンプレッサ１２ａよりも上流側の位置にエアフローセンサ１１が配置されている。そして、コンプレッサ１２ａよりも下流側の位置にインタクーラ１３、電制スロットル弁１４、過給圧センサ等が配置されている。

排気通路４は、その途中位置にターボチャージャ１２のタービン１２ｂが介在されており、タービン１２ｂの下流側の位置に触媒１５とマフラー１６が配置されている。エンジン本体２には、燃焼室内に燃料を噴射する高圧燃料インジェクタ１７や、不図示の点火プラグが取り付けられている。また、エンジン回転数を検出するクランク角センサやエンジン本体の冷却水温を検出する水温センサ等が取り付けられている。

エアフローセンサ１１は、吸入空気の物理量の一つである流量を検出するための流量センサを備えており、さらに吸入空気の相対湿度を検出するための湿度センサ２１と、吸入空気の温度を検出するための温度センサ３１（図２を参照）を備えている。すなわち、本実施の形態では、湿度センサ２１と温度センサ３１は、エアフローセンサ１１に設けられている。

エアフローセンサ１１の流量センサ、湿度センサ２１、温度センサ３１、クランク角センサ、水温センサ等の各センサ信号は、エンジン制御システム１の制御装置であるＥＣＵ１８に入力され、点火時期制御や燃料噴射制御などの各種のエンジン運転制御に用いられる。

図３は、湿度センサの構成の一例を示す図であり、図３（ａ）は湿度センサの正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。そして、図４は、温度センサの構成の一例を示す図である。湿度センサ２１と温度センサ３１は、公知のものを用いることができる。

湿度センサ２１は、静電容量式の相対湿度センサであり、湿度を検出するセンサ素子２２を有している。センサ素子２２は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、シリコン基板２３の上面にくし型の電極対２５Ａ、２５Ｂが設けられ、その上を吸湿性の高分子ポリマー膜２６で覆われた構造を有している。電極対２５Ａ、２５Ｂの静電容量は、高分子ポリマー膜２６の吸湿によって変化する。この静電容量変化は、相対湿度と高い相関があり、静電容量を計測すれば相対湿度が検出できる。電極の構造には、複数のタイプがあり、ポリマーを上下の電極で挟んだ構成のものもある。高分子ポリマー膜２６の上面には、保護膜２７が設けられており、保護膜２７の外側を吸入空気が通過し、高分子ポリマー膜２６に水分子２８が吸湿される。

温度センサ３１は、湿度センサ２１の近傍の温度を測定するために、湿度センサ２１の近傍に設けられる。温度センサ３１は、例えば図４にその回路構成の一例を示すように、バンドギャップ式の半導体温度センサを用いることができる。

エアフローセンサ１１は、図２に示すように、湿度センサ２１及び温度センサ３１に加えて、信号処理部４１と、記憶部４２と、総合誤差計算部４３を有している。

信号処理部４１は、湿度センサ２１の信号と温度センサ３１の信号を処理して吸入空気の相対湿度の情報である湿度情報と吸入空気の温度の情報である温度情報を生成し、ＥＣＵ１８に出力する処理を行う。

記憶部４２は、湿度センサ２１及び温度センサ３１の固有の情報として温度に応じた誤差の変化を示す誤差特性（図６を参照）をそれぞれ記憶している。各センサの誤差特性は個々に異なっており、予め設定された公差の範囲に入っているセンサのみが用いられている。

総合誤差計算部４３は、記憶部４２に記憶された相対湿度センサ２１の誤差特性と温度センサ３１の誤差特性を用いて総合誤差である絶対湿度の誤差を計算し、その計算結果をＥＣＵ１８に出力する。総合誤差計算部４３は、湿度センサ２１と温度センサ３１の各誤差ではなく、これらの各誤差を組み合わせて間接的な物理量である絶対湿度を計算した時点の総合誤差を計算する。

総合誤差計算部４３は、２つの物理量である温度情報と湿度情報を用いて検索し、格子状に配置されたマップ、または、複数のテーブルからそれぞれの物理量に対応する軸に応じて検索することによって総合誤差を計算する。

エアフローセンサ１１とＥＣＵ１８との間は通信ケーブルで接続されており、ＳＥＮＴ、ＬＩＮ、ＣＡＮなどの通信規格によりディジタル信号を用いた通信が行われている。エアフローセンサ１１からＥＣＵ１８に出力されるセンサ情報は、単一または２線の通信ケーブルを用いてディジタル通信で重畳して出力される。記憶部４２に記憶されている誤差情報は、外部からの要求、または電源投入時からの時間、またはセンサが信号を出力する回数のいずれかによって一括してＥＣＵ１８に出力される。

ＥＣＵ１８の絶対湿度計算部６１は、エアフローセンサ１１から出力された湿度情報と温度情報に基づいて絶対湿度を計算し、その絶対湿度を総合誤差計算部４３で計算された総合誤差に基づいて補正する処理を行う。絶対湿度計算部６１により計算された補正後の絶対湿度は、ＥＣＵ１８の制御部６２で種々のエンジン運転制御に用いられる。また、ＥＣＵ１８は、総合誤差の情報を直接種々のエンジン運転制御に用いることもできる。

図５は、吸入空気の乾球温度と絶対湿度と相対湿度の関係を示す空気線図、図６は、湿度センサの誤差特性と温度センサの誤差特性から求められる絶対湿度の総合誤差を説明する図である。

上述のように、本実施の形態では、絶対湿度は、温度と相対湿度という二つの物理量から求められる。温度と相対湿度を用いて絶対湿度を算出する場合、図５の空気線図に示すように、湿度よりも温度の方が影響が大きく、特に高温域では僅かな温度の差でも、求まる絶対湿度が大きく異なってくる。例えば同じ温度公差でも、低温側で温度誤差が発生したときの絶対湿度誤差δ１に対して、高温側で温度誤差が発生したときの絶対湿度誤差δ２は大きくなる（δ１≪δ２）。

したがって、湿度センサ２１と温度センサ３１が同じ公差であっても、各センサが個々に有する誤差特性によって、求まる絶対湿度は異なる。例えば図６（ａ）に示すセンサ１と図６（ｂ）に示すセンサ２を比較した場合、センサ１の温度センサよりもセンサ２の温度センサの方が、中温域から高温域にかけての誤差が大きい。従って、絶対湿度の総合誤差を比較した場合に、センサ１よりもセンサ２の方が高温域において誤差が大となっている。従って、センサ１の温度センサとセンサ２の温度センサとが同じ公差であっても、絶対湿度の総合誤差は異なり、求まる絶対湿度も異なる。

図８は、従来技術を説明する図であり、従来の物理量検出装置の機能ブロック図である。
従来のセンサ１００は、湿度センサ１０１や温度センサ１０２で湿度や温度などの物理量を計測し、電圧や信号周波数などの間接的な物理現象に変調して出力するのが一般的であった。これらの情報はＥＣＵ１１０に取り込まれ処理され、ＥＣＵ１１０の絶対湿度計算部１１１と誤差計算部１１２で他のセンサなどの情報と組み合わせて別の物理量や各種の補正を行い、制御に利用されていた。例えば絶対湿度計算部１１１は、湿度センサ１０１の湿度情報と温度センサ１０２の温度情報から絶対湿度を求める。湿度センサ１０１、温度センサ１０２とも公差や温度特性などがあるため、総合誤差は複雑であり、温度によっては絶対湿度の誤差は、絶対湿度の情報が使い物にならないくらい、悪化する。したがって、ＥＣＵ１１０の誤差計算部１１２で絶対湿度を求めて使うためには、煩雑な誤差管理が必要となるが、この誤差を計算するための演算処理は極めて煩雑で、開発コストもかかる。

これに対して、本発明の物理量検出装置は、図２に示すように、センサ側であるエアフローセンサ１１に記憶部４２と総合誤差計算部４３を有しており、総合誤差計算部４３は、記憶部４２に記憶されている湿度センサ２１と温度センサ３１の誤差特性を用いて湿度センサ２１と温度センサ３１の各誤差を組み合わせて間接的な物理量である絶対湿度を計算した時点の総合誤差を計算してＥＣＵ１８に出力している。

本発明では、絶対湿度を計算する時点で発生する公差を記憶部４２に記憶させ、個々の誤差特性から求まる絶対湿度誤差を、センサ信号とは別に送出している。したがって、湿度センサ２１と温度センサ３１の公差を必要以上に高めなくても、システム全体で所望の絶対湿度の精度を得ることができる。

図７は、本発明の物理量検出装置の他の実施形態を説明する機能ブロック図である。本実施の形態において特徴的なことは、絶対湿度計算部６１をエアフローセンサ１１内に設けたことである。絶対湿度計算部６１が設けられる場所はＥＣＵ１８に限定されるものではなく、エアフローセンサ１１に設けてもよい。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ エンジン制御システム
１１ エアフローセンサ
２１ 湿度センサ（第１物理量検出部）
３１ 温度センサ（第２物理量検出部）
４１ 信号出力部
４２ 記憶部
４３ 総合誤差計算部
６１ 絶対湿度計算部（第３物理量計算部）

Claims (6)

1. 複数の物理量をそれぞれ検出する複数の物理量検出部と、
   前記複数の物理量検出部が個々に有する誤差特性を記憶する記憶部と、
   該複数の物理量検出部の少なくとも二つの物理量検出部で検出された少なくとも２つの物理量を用いて別の物理量を計算する物理量計算部と、
   前記複数の物理量検出部の誤差特性を前記記憶部から読み出して前記別の物理量の総合誤差を計算する総合誤差計算部と、
   を有することを特徴とする物理量検出装置。
2. 前記物理量検出部は、第１物理量を検出する第１物理量検出部と、第２物理量を検出する第２物理量検出部を有し、
   前記物理量計算部は、前記第１物理量と前記第２物理量を用いて第３物理量を計算し、 前記記憶部は、前記第１物理量検出部の誤差特性と前記第２物理量検出部の誤差特性を記憶し、
   前記総合誤差計算部は、前記記憶部に記憶されている第１物理量検出部の誤差特性と第２物理量検出部の誤差特性を用いて前記第３物理量の総合誤差を計算する
   ことを特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。
3. 前記第１物理量と前記第２物理量と前記総合誤差の各情報を、単一または２線のディジタル通信で重畳して出力することを特徴とする請求項２に記載の物理量検出装置。
4. 前記総合誤差計算部は、前記第１物理量と前記第２物理量を用いて格子状に配置されたマップまたは複数のテーブルを検索することによって前記第３物理量の総合誤差を計算することを特徴とする請求項３に記載の物理量検出装置。
5. 前記総合誤差計算部は、前記総合誤差の情報を、外部からの要求と、電源投入時からの時間と、前記第１物理量検出部と前記第２物理量検出部が検出信号を出力する回数とのいずれかによって、一括して出力することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の物理量検出装置。
6. 内燃機関に吸入される吸入空気の物理量を検出する物理量検出装置であって、
   前記吸入空気の相対湿度を検出する相対湿度センサと、
   前記吸入空気の温度を検出する温度センサと、
   前記相対湿度と前記温度を用いて絶対湿度を計算する絶対湿度計算部と、
   前記相対湿度センサの誤差特性と、前記温度センサの誤差特性を記憶する記憶部と、
   該記憶部に記憶された相対湿度センサの誤差特性と温度センサの誤差特性を用いて絶対湿度の総合誤差を計算する総合誤差計算部と、
   を有することを特徴とする物理量検出装置。

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