JP6171695B2 - 検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流出力のセンサを用いて物理量を検出する検出装置に関する。

ガスセンサ等のように、検出対象となる物理量に応じた電流を出力するセンサを用いて物理量の検出を行う場合、電流信号を電圧信号に変換する電流測定回路が用いられている。

ところで、電流測定回路への入力電流には、センサから出力される電流（センサ電流）の他、センサから電流測定回路に至る経路中で重畳される各種漏れ電流が含まれている。つまり、電流測定回路での測定結果は、漏れ電流分の誤差が含まれたものとなる。

これに対して、漏れ電流が発生する部位（例えば、ＩＣパッド部分）と同一の特性を有するレプリカ回路を設け、そのレプリカ回路に流れる漏れ電流をカレントミラー回路によって、実際の漏れ電流を相殺するように、電流測定回路への入力電流に加えることによって、漏れ電流の影響を除去する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１８５２６８号公報

しかしながら、上述の従来技術では、漏れ電流が発生する部位の数だけレプリカ回路やカレントミラー回路を追加する必要があり装置規模が増大するという問題があった。また、従来技術では、レプリカ回路として再現できる部位、例えば、電流測定回路を内蔵するＩＣ内部で発生する漏れ電流等には対処できるが、それ以外の部位、例えば、センサと電流測定回路とを接続するケーブルやコネクタ等で発生する漏れ電流には対処することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、電流出力のセンサを用いて物理量を検出する検出装置において、簡易な構成で漏れ電流の影響を抑制することを目的とする。

本発明の検出装置は、検出対象となる物理量に応じた検出電流を出力するｎ（ｎは１以上）個のセンサからなるセンサ部を用いて物理量を検出するものであり、第１電流検出回路と、ｎ個の第２電流検出回路と、演算回路とを備える。

第１電流検出回路は、センサ部を構成する各センサの一端に共通に接続された共通信号線を、予め設定された共通基準電位に保持すると共に、共通信号線を流れる電流の大きさを検出する。第２電流検出回路は、センサ部を構成する各センサの他端に個別に接続された個別信号線毎に設けられ、個別信号線を共通基準電位とは異なる個別基準電位に保持すると共に、個別信号線を流れる電流の大きさを検出する。演算回路は、共通信号線に重畳される漏れ電流、および個別信号線のそれぞれに重畳される漏れ電流がいずれも同じ大きさであるものとして、センサ毎に、第１電流検出回路および第２電流検出回路での検出結果から漏れ電流分を除去したセンサ電流を求める。

つまり、センサ部を構成する各センサの両端電位差を一定に保持しているため、センサに漏れ電流が流れ込む余地はなく、漏れ電流は、共通信号線および個別信号線のいずれにおいても、電流測定回路に向かって流れることになる。従って、検出電流が流れる方向を基準とすると、第１電流検出回路への入力電流と、第２電流検出回路への入力電流とでは、センサ電流に対する漏れ電流の極性が逆極性となる。このことを利用して適宜演算を実行することで、同量の漏れ電流を互いに打ち消し合うことができる。

このような構成によれば、検出電流に重畳された漏れ電流を、どこで発生したかによらずまとめて演算処理することができるため、従来技術のようなレプリカ回路を設ける必要がなく、簡易な構成にて漏れ電流の影響が抑制された検出結果を得ることができる。

第１実施形態のセンサシステムの全体構成を示す構成図である。 第２実施形態のセンサシステムの全体構成を示す構成図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
＜全体構成＞
センサシステム１は、図１に示すように、検出対象となる物理量に応じた電流を出力するセンサ部１０と、センサ部１０が出力するセンサ電流の大きさを検出する検出装置２０とを備える。なお、センサ部１０は単一のセンサＳＥによって構成され、センサ部１０と検出装置２０とは、一対の信号線Ｌ０，Ｌ１を介して接続されている。

センサ部１０を構成するセンサＳＥは、ガスの濃度を検出対象とする周知のものであり、その詳細についての説明は省略する。但し、図には、内部抵抗Ｒｓと信号源Ｖｓからなる等価回路を示す。

検出装置２０は、信号線Ｌ０，Ｌ１のそれぞれに流れる電流Ｉ０，Ｉ１の大きさを検出する一対の電流検出回路２１（ＤＴ０，ＤＴ１）と、各電流検出回路ＤＴ０，ＤＴ１が出力する出力電圧Ｖ０，Ｖ１に基づいて、漏れ電流ＩLeakの影響を除去したセンサ電流Ｉｓを求める演算回路２３とを備えている。

＜電流検出回路＞
電流検出回路ＤＴｉ（ｉ＝０，１）は、いずれも、演算増幅器ＯＰを中心に構成され、非反転入力に基準電位Ｖfiが印加され、反転入力と出力の間にフィードバック抵抗Ｒｆが接続され、反転入力に信号線Ｌｉを接続することで構成された、いわゆるフィードバック電流計からなり、電流Ｉｉを電圧Ｖｉに変換して出力する。但し、電流検出回路ＤＴ０で用いられる基準電位Ｖf0と電流検出回路ＤＴ１で用いられる基準電位Ｖf1は異なる大きさ（ここではＶf0＞Ｖf1）に設定されている。

また、演算増幅器ＯＰのイマジナリショートにより、反転入力の電位は非反転入力の電位と同じになることから、センサＳＥの一端には、電流検出回路ＤＴ０によって信号線Ｌ０を介して基準電位Ｖf0が印加され、センサＳＥの他端には、電流検出回路ＤＴ１によって信号線Ｌ１を介して基準電位Ｖf1が印加される。これにより、センサＳＥの両端電圧は、基準電位Ｖf0，Ｖf1で決まる一定電圧差Ｖf0−Ｖf1に保持されることになる。

＜演算回路＞
演算回路２３は、電流検出回路ＤＴ０，ＤＴ１が出力する出力電圧Ｖ０，Ｖ１をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器や、Ａ／Ｄ変換後のデジタル値の演算を実行するロジック回路等のハードウェアによって実現される。但し、演算回路２３を、ハードウェアによって実現することはあくまでも一例であり、マイクロコンピュータが所定の制御プログラムを実行することによって、演算回路の機能を実現するように構成してもよい。

演算回路２３は、電流検出回路ＤＴ０の出力電圧Ｖ０および電流検出回路ＤＴ０の特性を規定するパラメータＲｆ，Ｖf0に基づき、信号線Ｌ０を流れる（センサＳＥに流入する方向を正とする）電流Ｉ０を（１）式に従って求めると共に、電流検出回路ＤＴ１の出力電圧Ｖ１および電流検出回路ＤＴ１を規定するパラメータＲｆ，Ｖf1に基づき、信号線Ｌ１を流れる（センサＳＥから流出する方向を正とする）電流Ｉ１を（２）式に従って求める。

更に、演算回路２３は、求めた電流Ｉ０，Ｉ１に基づき、（３）式に従ってセンサ電流Ｉｓを求め、これを測定結果として出力する。このとき、（４）式に従って漏れ電流ＩLeakを求め、これを、センサ電流Ｉｓと共に測定結果として出力してもよい。

ここで、（３）（４）式の導出過程について説明する。

センサＳＥから検出装置２０に至る経路中には、漏れ電流ＩLeakを発生させる発生源ＬＳが存在し、信号線Ｌ０，Ｌ１の両方に、同じ大きさの漏れ電流ＩLeakが印加されるものとする。また、センサＳＥの両端電圧差は一定（Ｖf0−Ｖf1）に保持されていることから、漏れ電流ＩLeakは、いずれの信号線Ｌ０，Ｌ１においても、センサＳＥに流れ込むことなく、電流検出回路ＤＴ０，ＤＴ１に向かって流れるものとする。なお、漏れ電流ＩLeakの発生源ＬＳとしては、例えば、電流検出回路ＤＴ０，ＤＴ１がＩＣ化されている場合はＩＣパッドの部分が考えられる他、信号線Ｌ０，Ｌ１そのものや、信号線Ｌ０，Ｌ１とセンサＳＥや検出装置２０とを接続するコネクタ等が考えられる。

そして、電流検出回路ＤＴ０で検出される電流Ｉ０は（５）式で表され、電流検出回路ＤＴ１で検出される電流Ｉ１は（６）式で表される。更に、（５）（６）式から漏れ電流ＩLeakを消去すると（３）式が得られ、センサ電流Ｉｓを消去すると（４）式が得られることになる。

＜効果＞
このように構成されたセンサシステム１の検出装置２０では、センサ電流Ｉｓに重畳された漏れ電流ＩLeakを、その発生場所によらず、演算処理によってまとめて除去できるため、従来技術のようなレプリカ回路を設ける必要がなく、簡易な構成にて漏れ電流の影響が抑制されたセンサ電流Ｉｓの検出結果を得ることができる。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。
上記実施形態では、センサ部１０が一つのセンサＳＥで構成されている場合について説明したが、本実施形態では、センサ部１０が複数のセンサで構成されている場合について説明する。

＜構成＞
センサシステム２は、図２に示すように、センサ部３０と、検出装置４０とを備えている。

センサ部３０は、第１実施形態におけるセンサＳＥと同様に構成されたｎ（図ではｎ＝２）個のセンサＳＥ１〜ＳＥｎを備えている。各センサＳＥ１〜ＳＥｎの一端は、いずれも共通信号線Ｌ０に接続され、他端は、それぞれ異なる個別信号線Ｌ１〜Ｌｎに接続されている。

検出装置４０は、共通信号線Ｌ０および個別信号線Ｌ１〜Ｌｎのそれぞれに流れる電流の大きさを検出するｎ＋１個の電流検出回路４１（ＤＴ０〜ＤＴｎ）と、各電流検出回路ＤＴ０〜ＤＴｎが出力する出力電圧Ｖ０〜Ｖｎに基づいて、漏れ電流ＩLeakの影響を除去した各センサＳＥ１〜ＳＥｎのセンサ電流Ｉｓ１〜Ｉｓｎを求める演算回路４３とを備えている。

共通信号線Ｌ０を流れる電流Ｉ０を検出する電流検出回路ＤＴ０は、第１実施形態のものと同様に構成されている。
個別信号線Ｌｋ（ｋ＝１，２，…ｎ）を検出する電流検出回路ＤＴｋは、基準電圧Ｖfkの設定が異なる以外は第１実施形態における電流検出回路ＤＴ１と同様に構成されている。つまり、個別信号線Ｌｋに接続された電流検出回路ＤＴｋの基準電圧である個別基準電圧Ｖfkは、共通信号線Ｌ０に接続された電流検出回路ＤＴ０の基準電圧である共通基準電圧Ｖf0とは異なった値に設定される。但し、個別基準電圧Ｖf1〜Ｖfn同士は、同じ値に設定されていてもよいし、異なった値に設定されていてもよい。

演算回路４３は、電流検出回路ＤＴ０の出力電圧Ｖ０および電流検出回路ＤＴ０の特性を規定するパラメータＲｆ，Ｖf0に基づき、共通信号線Ｌ０を流れる（センサＳＥｋに流入する方向を正とする）共通線電流Ｉ０を（７）式に従って求めると共に、電流検出回路ＤＴｋの出力電圧Ｖｋおよび電流検出回路ＤＴｋの特性を規定するパラメータＲｆ，Ｖfkに基づき、個別信号線Ｌｋを流れる（センサＳＥｋから流出する方向を正とする）個別線電流Ｉｋを（８）式に従って求める。

また、演算回路４３は、求めた共通線電流Ｉ０および個別線電流Ｉｋに基づき、（９）式に従って漏れ電流ＩLeak、およびその漏れ電流ＩLeakと個別線電流Ｉｋに基づき、（１０）式に従って各センサＳＥｋのセンサ電流Ｉｓｋを求め、求めたセンサ電流Ｉｓ１〜Ｉｓｎおよび漏れ電流ＩLeakを検出結果として出力する。

なお、（９）（１０）式は、上述した（５）（６）式で説明した考え方に従えば、共通線電流Ｉ０が（１１）によって表され、個別線電流Ｉｋが（１２）式によって表されることに基づいて算出されたものである。

＜効果＞
センサシステム２によれば、ｎ個のセンサＳＥ１〜ＳＥｎに対して、２ｎ個ではなく、ｎ＋１個の電流検出回路ＤＴ０〜ＤＴｎによって、センサシステム１と同様の効果を実現することができ、使用するセンサ数の増大に伴う装置規模の増大を抑制することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。

上記実施形態では、センサとしてガス濃度を検出対象とするセンサを用いているが、検出対象となる物理量に応じた検出電流を出力するセンサであれば、センサの検出対象は何であってもよい。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

１，２…センサシステム １０，３０…センサ部 ２０，４０…検出装置 ２１，４１（ＤＴ０〜ＤＴｎ）…電流検出回路 ２３，４３…演算回路 Ｌ０〜Ｌ１…信号線 ＯＰ…演算増幅器 Ｒｆ…フィードバック抵抗 ＳＥ，ＳＥ１〜ＳＥｎ…センサ

Claims (2)

1. 検出対象となる物理量に応じた検出電流を出力するｎ（ｎは１以上）個のセンサからなるセンサ部（１０，３０）を用いて前記物理量を検出する検出装置（２０，４０）であって、
   前記センサ部を構成する各センサの一端に共通に接続された共通信号線（Ｌ０）を、予め設定された共通基準電位に保持すると共に、該共通信号線を流れる電流の大きさを検出する第１電流検出回路（ＤＴ０）と、
   前記センサ部を構成する各センサの他端に個別に接続された個別信号線（Ｌ１，Ｌ２）毎に設けられ、該個別信号線を前記共通基準電位とは異なる個別基準電位に保持すると共に、該個別信号線を流れる電流の大きさを検出するｎ個の第２電流検出回路（ＤＴ１，ＤＴ２）と、
   前記共通信号線に重畳される漏れ電流、および前記個別信号線のそれぞれに重畳される漏れ電流がいずれも同じ大きさであるものとして、前記センサ毎に、前記第１電流検出回路および前記第２電流検出回路での検出結果から前記漏れ電流分を除去したセンサ電流を求める演算回路（２３，４３）と、
   を備えることを特徴とする検出装置。
2. 前記第１電流検出回路および前記第２電流検出回路は、非反転入力に前記共通基準電位または前記個別基準電位が印加され、反転入力と出力の間にフィードバック抵抗（Ｒｆ）が接続され、前記反転入力に前記共通信号線または前記個別信号線が接続された演算増幅器（ＯＰ）によって構成されたフィードバック電流計からなることを特徴とする請求項１に記載の検出装置。

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