JP7354901B2

JP7354901B2 - 空燃比センサ制御装置

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Publication number: JP7354901B2
Application number: JP2020060215A
Authority: JP
Inventors: 晋也植村; 誠田代; 哲夫服部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021156847A; DE102021107490A1

Description

本発明は、空燃比センサ制御装置に関する。

空燃比センサは、近傍に設けられるヒータに通電をして加熱した状態で検出動作を行うものがある。この場合、空燃比センサのセンサ電流に比べてヒータ電流は大電流であるため、ヒータへの通電をオンオフ駆動により行う構成では、オンオフのタイミングで電流が大きく変化するため、そのときのノイズがセンサ電流に重畳され、センサ電流を精度良く検出できなくなる不具合があった。

ヒータ電流によるノイズについては、センサ電流をフィルタで減衰させることで対応が可能であるが、ヒータ電流以外に、他の回路により発生するノイズもセンサ電流に重畳されることがあり、ノイズを減衰させることが事実上難しくなっている。

他の回路として、例えば空燃比センサに電圧を印加する回路があり、印加電圧をデジタル制御する際に、空燃比センサが有する容量成分に起因して、デジタル的な電圧の急変によりセンサ容量成分を通じて電流が流れることがあり、このため、その電流をセンサ電流として誤検出してしまうことがある。

特許第４２４１７３７号公報特開２０１８－７７０７７号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、空燃比センサのセンサ電流をヒータ通電や電圧印加などに起因したノイズの悪影響を極力低減した状態で検出することができるようにした空燃比センサ制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の空燃比センサ制御装置は、センサ素子およびヒータを備えた空燃比センサの制御を行うものであって、前記ヒータに対して所定周期でオンオフの通電制御を行うヒータ通電部と、前記センサ素子から出力される所定の物理量に応じて前記センサ素子への印加電圧を制御する電圧印加部と、前記センサ素子に流れる電流を、前記ヒータのオン期間又はオフ期間よりも短い所定の間隔でＡＤ変換器によりＡＤ変換処理し空燃比を表す物理量として検出する電流検出部と、前記ヒータ通電部、前記電圧印加部および前記電流検出部の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記ヒータ通電部に対する前記ヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間を除いた期間中に、前記電圧印加部による印加電圧の変更を実施する。
請求項２に記載の空燃比センサ制御装置は、センサ素子およびヒータを備えた空燃比センサの制御を行うものであって、前記ヒータに対して所定周期でオンオフの通電制御を行うヒータ通電部（５０）と、前記センサ素子から出力される所定の物理量に応じて前記センサ素子への印加電圧を制御する電圧印加部（７０）と、前記センサ素子に流れる電流を、前記ヒータのオン期間又はオフ期間よりも短い所定の間隔でＡＤ変換器（８３）によりＡＤ変換処理し空燃比を表す物理量として検出する電流検出部（８０）と、前記ヒータ通電部、前記電圧印加部および前記電流検出部の動作を制御する制御部（６０）とを備え、前記制御部は、前記ヒータ通電部に対する前記ヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間には前記ＡＤ変換器によりＡＤ変換処理を実行せずにサンプリングデータを破棄させるように制御し、前記電流検出部のＡＤ変換器のＡＤ変換処理による電流検出動作を、前記所定時間を除いた期間中に実施する。前記制御部は、前記電圧印加部による印加電圧の変更を、前記ヒータ通電部に対する前記ヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間を除いた期間中に実施する。

上記構成を採用することにより、空燃比センサによる検出動作においては、ヒータ通電部によりヒータに通電して所定温度に設定し、この状態でセンサ素子に電圧印加部により電圧を印加して電流を電流検出部により検出する。このとき、制御部は、ヒータ通電部に対するヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間には前記ＡＤ変換器によりＡＤ変換処理を実行せずにサンプリングデータを破棄させるように制御し、電流検出部のＡＤ変換器のＡＤ変換処理による電流検出動作を、前記所定時間を除いた期間中に実施する。これにより、ヒータへの通電のオンオフタイミングでセンサ素子に発生する電流の変動する期間を避けてＡＤ変換処理して電流を検出することができ、精度の良い検出動作を行うことができる。

第１実施形態を示す電気的構成図タイミングチャート第２実施形態を示すタイミングチャート第３実施形態を示すタイミングチャート

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について、図１および図２を参照して説明する。

空燃比センサ１０は、センサ素子１１およびヒータ１２を備えている。センサ素子１１は、ヒータ１２に通電することで加熱され所定の温度条件でセンサ素子１１に印加された電圧に対応したセンサ電流が流れ、この検出電流値が空燃比を表す物理量となる。ヒータ１２は、ヒータ通電用の直流電圧を与える電源２０からマイコン３０の制御により通電される。

空燃費センサ１０は、空燃比センサ制御装置４０により駆動制御される。空燃比センサ制御装置４０は、ヒータ通電部としてのＭＯＳトランジスタ５０、制御部としての制御回路６０、電圧印加回路７０、電流検出回路８０およびシリアル通信回路９０を備えている。

ＭＯＳトランジスタ５０は、マイコン３０によりヒータ１２への通電タイミングでオンオフ駆動される。マイコン３０は、ＭＯＳトランジスタ５０を所定周期でデューティ比の設定によりオンオフ駆動を行い、ヒータ１２への通断電による発熱によってセンサ素子１１の加熱の制御を行う。マイコン３０は、空燃比センサ制御装置４０からセンサ素子１１の抵抗値に相当するデータが与えられ、この抵抗値のデータに基づいてデューティ比の設定を行う。

制御部としての制御回路６０は、マイコン３０からＭＯＳトランジスタ５０のオンオフ信号が入力され、このオンオフ信号に基づいて電圧印加回路７０、検出回路８０の動作制御を行う。電圧印加部としての電圧印加回路７０は、センサ素子１１の両端に与える印加電圧を制御する回路で、第１電圧印加部７１、第２電圧印加部７２はセンサ素子１１の正極端子、負極端子のそれぞれに第１電圧および第２電圧を印加する回路である。

第１電圧印加部７１は、バッファ回路７３および出力端子Ａを介してセンサ素子１１の正極端子に第１電圧を与え、第２電圧印加部７２は、バッファ回路７４および出力端子Ｂを介してセンサ素子１１の負極端子に第２電圧を与える。センサ素子１１には、第１電圧と第２電圧との差の電圧が印加される。電圧印加回路７０は、制御回路６０からの、制御回路６０からの指示信号により、センサ素子１１の印加電圧を変更設定する。

センサ素子１１に与える電圧は、第１電圧印加部７１による第１電圧を変化させることで切り換える。また、第２電圧印加部７２は、センサ電流の検出動作時の第２電圧の印加に加えて、センサ素子１１による検出動作とは別に、センサ素子１１の抵抗値を検出する際に第２電圧を交流的に変化させる。マイコン３０は、第２電圧を交流的に変化させることで得られるセンサ素子１１の電流値から抵抗値を検出している。

電流検出部としての電流検出回路８０は、センサ素子１１に流れる電流を検出する回路で、バッファ７４と出力端子Ｂとの間に接続した電流検出抵抗８１の端子電圧から電流値を検出する。増幅回路８２は、電流検出抵抗８１の両端子の電圧を入力して増幅出力をＡＤ変換器８３に入力する。ＡＤ変換器８３は、増幅出力をデジタル信号に変換して演算器８４に出力する。演算器８４は、センサ素子１１の電流値に相当するデジタル信号を、制御回路６０に出力すえるとともに、シリアル通信回路９０を介してマイコン３０に出力する。

マイコン３０は、シリアル通信回路９０を通じて電流検出回路８０から入力されるセンサ素子１１の電流値と電圧印加回路７０により印加している端子電圧のデータに基づいて、センサ素子１１の抵抗値を演算し、この演算結果に基づいてヒータ１２への通電を制御する。

次に、上記構成の作用について、図２も参照して説明する。
この実施形態においては、制御回路６０は、マイコン３０から与えられるヒータ１２のオンオフ信号をモニタしていて、このオンオフのタイミングに合わせて電流検出回路８０のＡＤ変換器８３による変換処理の制御を行っている。

マイコン３０によるヒータ１２のオンオフの制御を示す信号は図２に示すように、所定周期Ｔｓとして例えば１２８［ｍｓ］でオンオフのデューティ制御を行っている。図示の状態では、オン期間Ｔｏｎはデューティに対応した時間で設定される。これにより、ＭＯＳトランジスタ５０が時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・の順にオンオフ制御されることで、ヒータ１２に通断電が繰り返し行われて所定の温度に設定され、センサ素子１１は所定温度に加熱された状態となる。

センサ素子１１は、ヒータ１２により所定の温度に加熱された状態で、且つ両端子間に所定の電圧が印加された状態で、検出対象となる空燃比がリーン状態でもリッチ状態でもないときには電流が流れない状態となり、リーン状態になると正電流となり、リッチ状態になると負電流が流れる。電流検出回路８０は、センサ素子１１の電流値を電流検出抵抗８１の両端子間に現れる検出電圧から検出している。

センサ素子１１の電流検出は、電流検出抵抗８１の端子間電圧を増幅回路８２により増幅し、この増幅出力をＡＤ変換器８３により所定タイミングでＡＤ変換している。この場合、ＡＤ変換器８３は、例えば１ｍｓ間隔でＡＤ変換処理を実行しており、デジタル変換出力を演算器８４に出力している。演算器８４は、検出電流値のデジタル変換出力を、シリアル通信回路９０を介してマイコン３０に出力する。

この場合、図２に示す状態では、センサ素子１１の電流は、基本的にはゼロレベルで一定の状態であるが、ヒータ１２への通断電のタイミングでヒータ１２の電流の影響を受けて変動する。ここでは、センサ素子１１の電流は、ヒータ１２への通断電のタイミングで最も変動し、この時点から所定時間Ｔｘとして例えば２ｍｓ程度の期間が経過すると本来のレベルに戻る。

このことを考慮して、ＡＤ変換器８３においてヒータ１２への通電および断電のタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３、・・・の各タイミングから所定時間Ｔｘの間が経過したｔ１ａ、ｔ２ａ、ｔ３ａ、・・・までの期間においては、ＡＤ変換のタイミングとなってもＡＤ変換処理を実行しないように、制御回路６０から指示信号を与えている。これにより、ＡＤ変換器８３は、図３に示しているように、サンプリングを実施した場合でも、電流値が変動する期間Ｔｘの間の２回程度のデータをＡＤ変換することなく破棄する。

このような第１実施形態によれば、制御回路６０により、ＡＤ変換器８３にＡＤ変換処理を実行せずにサンプリングデータを破棄させるように制御するので、ヒータ１２への通断電により変動するセンサ素子１１の電流値を検出データとして取り出すことなく処理できる。この結果、センサ素子１１の電流を精度良く検出することができるようになる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。
この実施形態においては、第１実施形態と異なり、センサ素子１１の電流値が変動したことによる印加電圧の変更のタイミングの設定と、この場合におけるセンサ素子１１の電流検出の制御を行う。ここでは、全体の構成は図１に示したものと同じであるが、制御回路６０による制御動作が異なる。

センサ素子１１に流れる電流は、前述したように、空燃比がリーン状態でもリッチ状態でもないときにはほぼゼロレベルとなり、リーン状態になると正の値となり、リッチ状態になると負の値となる。そして、このようなセンサ素子１１の電流値の変化があると、これを受信したマイコン３０からの指示信号により、制御回路６０は、センサ素子１１の両端子間に印加する電圧を予め決められた値になるように変更設定する。なお、センサ素子１１の印加電圧を変更すると、この変動の影響でセンサ素子１１にノイズ電流が流れる。

ここでは、例えば時刻ｔｓで空燃比が変化したことによりセンサ素子１１の検出電流がゼロレベルから正の電流値に変化すると、制御回路６０は、この電流値を電流検出回路８０から受信し、これに応じてセンサ素子１１の端子電圧を変更するように第１電圧印加部７１を制御する。なお、センサ電流の変化の仕方は、図３では時刻ｔｓで急に増加した場合を示しているが、これに限らず、空燃比の変化の仕方に応じて変化する場合もある。

この場合、制御回路６０は、センサ電流が変化した時刻ｔｓから所定の遅延時間Ｔｄが経過したら印加電圧を変化させることを前提としている。また、制御回路６０は、マイコン３０から別途与えられているヒータ１２へのオンオフのタイミング信号と重ならないように、遅延時間Ｔｄが経過した時点であっても、その近傍で重複が発生する場合には、第１電圧印加部７１による変更電圧の印加タイミングをヒータ１２へのオンオフのタイミングから所定時間Ｔｘだけ経過した時点となるように調整して設定する。

具体的には、図３に示しているように、制御回路６０は、第１電圧印加部７１に対して、時刻ｔｓから遅延時間Ｔｄが経過したタイミングの時刻ｔｓｄでセンサ素子１１に対する第１電圧の出力を変更設定する。この時刻ｔｓｄでは、ヒータ１２には、時刻ｔ２の後の通電オフの状態の期間に相当しており、これにより、ヒータ１２へのオンオフのタイミングと重複しない条件で第１電圧印加部７１による第１電圧を変更設定することができ、センサ電流が大きく変動することを抑制できる。

さらに、制御回路６０は、その後のＡＤ変換器８３によるＡＤ変換処理を、所定時間Ｔｙの期間例えば２ｍｓだけ経過した時刻ｔｓｙまでのサンプリングデータを破棄する。これにより、センサ素子１１への印加電圧の変動によるセンサ電流の変化がある期間での電流検出を行わないようにして、電流検出精度を向上させることができる。

このような第２実施形態によれば、空燃比が変化したことによるセンサ素子１１の電流値の変動があった場合に、制御回路６０により、これに対応して第１電圧印加部７１による第１電圧を変更設定するタイミングを遅延時間Ｔｄが経過した時点で実施し、且つ、ヒータ１２への電圧の印加タイミングから所定時間Ｔｘが経過した時点となるように制御する。これにより、センサ素子１１の電流値の変化に対する影響を低減することができる。

また、上記実施形態によれば、第１電圧印加部７１による印加電圧の変更時に、センサ素子１１の検出電流をＡＤ変換器８３によりＡＤ変換処理する際に、所定時間Ｔｙだけ破棄するようにした。これにより、センサ素子１１が第１電圧印加部７１の印加電圧の変更で電流値が影響を受ける期間中の電流値を検出しないようにできるので、センサ電流の検出精度の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態では、センサ電流の変動に伴う印加電圧の変更のタイミングとして遅延時間Ｔｄを設けた後で、ヒータ１２のオンオフタイミングからＴｘだけ経過している時点に調整する制御動作と、印加電圧変更時に所定時間Ｔｙの期間だけＡＤ変換処理を停止する制御動作とを実施しているが、いずれが一方の制御動作を実施する構成とすることもできる。いずれにおいても、それぞれの実施効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図４は第３実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第１実施形態の機能と第２実施形態の機能とを併せ持つようにしたものを示している。

すなわち、図４には、制御回路６０により、第１実施形態での制御動作と第２実施形態での制御動作をともに実施する場合の内容を示している。これにより、センサ電流の変動に起因した動作に対してＡＤ変換処理を停止するので、センサ電流の検出精度をさらに高めたものとすることができる。

なお、上記実施形態においては、第１実施形態の制御動作に第２実施形態での制御動作を合成したものとしたが、これに限らず、次のように実施することもできる。

すなわち、第１実施形態の制御動作に、第２実施形態におけるセンサ電流の変動に伴う印加電圧の変更のタイミングとして遅延時間Ｔｄを設けた後で、ヒータ１２のオンオフタイミングからＴｘだけ経過している時点に調整する制御動作を組み合わせる実施形態としても良い。

また、第１実施形態の制御動作に、第２実施形態における印加電圧変更時に所定時間Ｔｙの期間だけＡＤ変換処理を停止する制御動作を組み合わせる実施形態としても良い。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

上記各実施形態においては、ヒータ１２への通電のオンオフの切換タイミングから所定時間Ｔｘを除いた期間中はＡＤ変換器８３によるＡＤ変換処理を所定時間Ｔｘの間だけ実施しない構成とした。これに代えて、増幅器８２の増幅動作やその出力をＡＤ変換器８３に与える動作、ＡＤ変換器８３の変換出力をする動作、あるいは演算器８４によるシリアル通信回路９０への出力動作のいずれかを所定時間Ｔｘだけ停止することでも同様の効果を得ることができる。

上記実施形態では、ヒータ１２のオンオフを所定周期でデューティ制御をする場合で説明したが、これに限らず、また、所定周期も適宜の周期に設定することができる。
ＡＤ変換器によるＡＤ変換処理のタイミングを１ｍｓ毎に実施するものとして説明したが、これに限らず、適宜のタイミングで実施することができる。

上記した各実施形態では、検出したセンサ電流をＡＤ変換処理する場合に、ヒータ１２のオンオフタイミング、印加電圧の変化タイミングで一定時間停止するようにしたが、これに加えて、シリアル通信回路によりシリアル通信を実施する期間もセンサ電流のＡＤ変換処理を停止することができる。

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、１０は空燃比センサ、１１はセンサ素子、１２はヒータ、３０はマイコン、４０は空燃比センサ制御装置、５０はＭＯＳトランジスタ（ヒータ通電部）、６０は制御回路（制御部）、７０は電圧印加回路（電圧印加部）、７１は第１電圧印加部、７２は第２電圧印加部、８０は電流検出回路（電流検出部）、８３はＡＤ変換器、８４は演算器、９０はシリアル通信回路である。

Claims

センサ素子およびヒータを備えた空燃比センサの制御を行うものであって、
前記ヒータに対して所定周期でオンオフの通電制御を行うヒータ通電部と、
前記センサ素子から出力される所定の物理量に応じて前記センサ素子への印加電圧を制御する電圧印加部と、
前記センサ素子に流れる電流を、前記ヒータのオン期間又はオフ期間よりも短い所定の間隔でＡＤ変換器によりＡＤ変換処理し空燃比を表す物理量として検出する電流検出部と、
前記ヒータ通電部、前記電圧印加部および前記電流検出部の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記ヒータ通電部に対する前記ヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間を除いた期間中に、前記電圧印加部による印加電圧の変更を実施する空燃比センサ制御装置。
センサ素子およびヒータを備えた空燃比センサの制御を行うものであって、
前記ヒータに対して所定周期でオンオフの通電制御を行うヒータ通電部（５０）と、
前記センサ素子から出力される所定の物理量に応じて前記センサ素子への印加電圧を制御する電圧印加部（７０）と、
前記センサ素子に流れる電流を、前記ヒータのオン期間又はオフ期間よりも短い所定の間隔でＡＤ変換器（８３）によりＡＤ変換処理し空燃比を表す物理量として検出する電流検出部（８０）と、
前記ヒータ通電部、前記電圧印加部および前記電流検出部の動作を制御する制御部（６０）とを備え、
前記制御部は、前記ヒータ通電部に対する前記ヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間には前記ＡＤ変換器によりＡＤ変換処理を実行せずにサンプリングデータを破棄させるように制御し、前記電流検出部のＡＤ変換器のＡＤ変換処理による電流検出動作を、前記所定時間を除いた期間中に実施するものであり、
前記制御部は、前記電圧印加部による印加電圧の変更を、前記ヒータ通電部に対する前記ヒータへの通電のオンオフの切換タイミングから所定時間を除いた期間中に実施する空燃比センサ制御装置。
前記制御部は、前記電流検出部による電流検出動作を、前記電圧印加部が前記印加電圧を変更したタイミングから所定時間を除いた期間中に実施する請求項２に記載の空燃比センサ制御装置。
前記制御部は、前記電流検出部による電流検出動作を、前記電圧印加部が前記印加電圧を変更したタイミングから所定時間を除いた期間中に実施する請求項２に記載の空燃比センサ制御装置。