(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗形加熱素子（１）を有するガスセンサのための駆動制御回路であって、
加熱電流パスと測定電流パスと測定装置（Ｍ）を有しており、
前記加熱電流パスは、第１のスイッチング素子（Ｔ１）が適切な駆動制御によってターンオンされると、給電分岐内の給電電圧源から第１の制御されたスイッチング素子（Ｔ１）を介して引込線分岐を通って抵抗形加熱素子（１）までと、そこから引出線分岐を通って基準電位まで通電され、
前記測定電流パスは、測定電圧源から第２の制御されたスイッチング素子（Ｔ３）と測定抵抗（Ｒ８）を介して給電側の分岐に接続され、第１のスイッチング素子（Ｔ１）が遮断され第２のスイッチング素子（Ｔ３）が導通されると前記測定電流パスは閉成される形式の駆動制御回路において、
前記測定抵抗（Ｒ８）の両側の電位がタップされて、測定装置（Ｍ）のそれぞれ第１の測定ピンと第２の測定ピン（Ｐ１，Ｐ２；ＡＤ１，ＡＤ２）に供給され、さらに抵抗形加熱素子（１）の出力側の電位が引出線分岐においてタップされ、測定装置（Ｍ）の第３の測定ピン（Ｐ３；ＡＤ３）に供給されるように構成されていることを特徴とする駆動制御回路。
【請求項２】
前記引込線分岐は、第１のスイッチング素子（Ｔ１）から抵抗形加熱素子（１）の引込線コンタクト（Ｈ＋）まで延在し、測定抵抗（Ｒ８）が接続されている接続ノードを有している、請求項１記載の駆動制御回路。
【請求項３】
保護回路（Ｒ１６，Ｒ１７，Ｒ１８，Ｔ４）が設けられており、該保護回路を介して測定ピン（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３；ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３）が保護電圧におかれている、請求項１または２記載の駆動制御回路。
【請求項４】
前記保護回路は、測定ピン（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３；ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３）をそのつど電流制限抵抗（Ｒ１６，Ｒ１７，Ｒ１８）とダイオード（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３）を介して第３のスイッチング素子（Ｔ４）に接続し、該第３のスイッチング素子（Ｔ４）は保護回路である電流制限回路を介して測定ピンが置かれている保護電圧に接続され、適切な駆動制御のもとでターンオンされる、請求項３記載の駆動制御回路。
【請求項５】
測定電圧源は、測定電圧発生器（ＩＣ１）として構成されており、該測定電圧発生器は、給電電圧源の給電電圧（ＵBatt）から測定電圧（Ｖcc）を生成する、請求項１から４いずれか１項記載の駆動制御回路。
【請求項６】
前記測定装置はＡＤ変換器ポート（ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３）を備えたマイクロプロセッサ（Ｍ）を有しており、該マイクロプロセッサは、スイッチング素子（Ｔ１，Ｔ３，Ｔ４）も駆動制御する、請求項１から５いずれか１項記載の駆動制御回路。
【請求項７】
前記測定装置は、第１の差分増幅器（ＤＰ１）を有しており、該差分増幅器の入力側は測定ピン（Ｐ１，Ｐ２）であり、これらのピンは測定抵抗（Ｒ８）の両側で電位をタップする、請求項１から６いずれか１項記載の駆動制御回路。
【請求項８】
前記測定装置は、第２の差分増幅器（ＤＰ２）を有しており、該差分増幅器の入力側は測定ピン（Ｐ２，Ｐ３）であり、これらのピンは測定抵抗（Ｒ８）の電位と引出線分岐における電位をタップする、請求項１から７いずれか１項記載の駆動制御回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、抵抗形加熱素子を有するガスセンサの駆動制御のための駆動制御回路並びに駆動制御方法に関する。独立請求項の上位概念による駆動制御回路並びに駆動制御方法は、米国特許 US-A 4 963 246 明細書に開示されている。
【０００２】
ガス成分の測定に対しては、種々のガスセンサが公知である。これらのガスセンサは高温で作動させなければならない。例えばＮＯｘ濃度の測定に対しては、厚膜形測定用検出器が公知文献“N. Kato et al. ,,Thick film ZrO2 NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concentration,, Society of Automotive Engineers, Veroeffentlichung 980170, 1989, ”または公知文献“N. Kato et al. ,,Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines,, Society of Automotive Engineers, Veroeffentlichung 970858, 1997, ”に記載されている。これらの測定用検出器は、２つの測定セルを有しており、それらは酸素イオンを透過する酸化ジルコニウムからなっており、以下の測定構想で実現されている。すなわち第１の測定セル（これは測定すべきガスを拡散バリアを介して供給する）において第１の酸素イオンポンプ流を用いて第１の酸素濃度が設定調整され、その際ＮＯｘの分解は行われないようにする。次に第２の測定セル（これは拡散バリアを介して第１の測定セルとつながっている）において、酸素含有量が第２の酸素イオンポンプ流を用いてさらに低減される。測定電極におけるＮＯｘの分解は、第３の酸素イオンポンプ流につながり、これがＮＯｘ濃度に対する尺度となる。この場合全ての測定検出器は、電気的なヒータを用いて高温、例えば７５０℃に加熱される。
【０００３】
これらのＮＯｘ測定検出器は、その測定精度が作動温度に非常に強く影響されるガスセンサの典型的な例である。
【０００４】
それ故そのようなガスセンサでは作動温度の測定がかかせない。
【０００５】
公知の測定方法では、前述したようなＮＯｘ測定検出器において測定セルの温度依存性のインピーダンスが利用されている。交流電流の印加と相応の電流測定によって、インピーダンスが検出されそれに伴ってセンサ温度が求められる。この方法は、比較的簡単に実現できるが、しかしながらセンサの経年劣化のもとでは欠点を伴う。この劣化はインピーダンスの長期的な変化をもたらし、これは直ちに温度エラーとして現れる。この公知方法のさらなる欠点は、第３の酸素イオンポンプ流の測定信号に測定のために交流電流が重畳された場合に当該測定信号が損なわれることである。
【０００６】
その他のいとぐちは、抵抗形加熱素子の抵抗が温度依存性であることを利用することである。つまり測定抵抗を抵抗形加熱素子の導入部に接続し、抵抗形加熱素子を流れる電流を算出するためにそこでの電圧低下を求める。それにより抵抗形加熱素子の給電電圧と共に抵抗値が得られる。しかしながらそのような二点測定法では、導入部抵抗の測定の際に生じる測定誤差が無視できない位に高い。
【０００７】
さらなる公知手法として、抵抗の４点測定法が、例えば公知文献“Tietze, Schenk ,,Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Auflage, Springer, 1989, P.891 f”から公知である。しかしながらこの４点測定法は、抵抗形加熱素子のコンタクトにおける直接の電圧タップが必要であり、このことは大抵のガスセンサにおいてはコスト的な面で不可能である。
【０００８】
従って本発明の課題は、抵抗形加熱素子の抵抗測定を介したガスセンサの正確な温度測定が可能でかつ４点測定のコストを伴わない、ガスセンサのための駆動制御方法および駆動制御回路を提供することである。
【０００９】
前記課題は請求項１並びに９の特徴部分に記載された本発明によって解決される。
【００１０】
本発明によれば、３点測定が行われる。この場合抵抗形加熱素子の抵抗の測定のために測定電流が測定抵抗を介して導かれ、抵抗形加熱素子の引込線分岐へ給電される。
【００１１】
以下の明細書では、この引込線分岐とは、給電電圧側から加熱形抵抗素子まで導かれた線路分岐を意味するものとする。また引出線分岐とは、抵抗形加熱素子から基準電位まで導かれた線路分岐を意味するものとする。
【００１２】
測定フェーズの間は加熱電流は遮断される。測定抵抗における相応のタップを介して、測定電圧から生じた測定電流が測定される。引込線分岐側における抵抗形加熱素子の直接のコンタクトによって電位が取出される。それにより、この電位と測定信号電圧の電位との間の電位差から測定電流と共に抵抗値が算出される。
【００１３】
その際引出線分岐の引込線抵抗の付随的測定は行われない。なぜなら引出線分岐のはじめにおける電位タップによってその導通抵抗が求められるからである。このことは引込線分岐の線路抵抗と近似的に等しくなるようにセットされ得る。これによって、有利な改善例において、抵抗形加熱素子の抵抗を引込線分岐と引出線分岐の線路抵抗分だけ修正できる。
【００１４】
本発明による駆動制御回路においては、制御された回路素子が設けられ、それによって測定電流と加熱電流の切換が可能となる。
【００１５】
固有の測定電圧が用いられるので、給電電圧の直接の測定は省くことができる。それにより、測定エラーと装置コストが低減される。さもなければ使用可能な測定装置の通常の入力電圧領域における給電電圧、例えばＡＤ変換器の入力電圧領域に適合させなければならなくなる。
【００１６】
さらなる利点は、測定抵抗がもはや高い加熱電流を通さなくなる。それによって高抵抗な構成が可能となり、このことは精度に対してプラスに作用する。その上さらにその際に置換えられる損失電力が比較的僅かであり、これはこの測定抵抗の経年劣化と測定精度にもプラスに働く。さらに駆動制御回路の固有熱も低減される。
【００１７】
本発明の制御回路における加熱フェーズの間は、測定抵抗が給電電圧の電位におかれるので、測定抵抗における電圧降下の検出のためのＡ／Ｄ変換器の使用の際にこのＡＤ変換器の許容最大入力電圧を超えないように注意する必要がある。このＡＤ変換器を保護するために、当該ＡＤ変換器は加熱フェーズの間有利には相応のダイオードと制御された回路素子を介して保護電圧におかれ、それによってこのＡＤ変換器に印加される電圧差は、負担にならない程度に低減される。但しその他の解決手段も考えられる。例えば専用の集積回路を用いて加熱フェーズにおいてＡＤ変換器ポートを適切な保護電圧におくことも考えられる。
【００１８】
測定フェーズと加熱フェーズのコーディネートは、マイクロプロセッサによって実行されるが、しかしながらアナログ回路やプログラミング可能な論理回路なども考えられる。
【００１９】
この抵抗形加熱素子は、測定フェーズの間は加熱されないので、加熱されない測定フェーズにおける冷却によって測定誤りをできるだけ僅かに抑えるために、測定フェーズは、抵抗形加熱素子ないしは加熱されたガスセンサの熱的時定数に比べて短く構成されるべきである。
【００２０】
本発明の有利な実施例は従属請求項に記載されている。
【００２１】
次に本発明の実施例を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。ここにおいて、
図１は、ＮＯｘ測定検出器の概略的な断面図を示したものであり、
図２は、ＮＯｘ測定検出器のための駆動制御回路を示したものであり、
図３は、図２による回路の変化実施形態における素子を概略的に示したものである。
【００２２】
実施例
図１には、ＮＯｘ測定検出器１の概略的な断面図が示されている。このＮＯｘ測定検出器は、抵抗加熱形であり、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度の測定に用いられている。このセンサは本発明による駆動制御回路ないし駆動制御方法に対する一例としてのものである。
【００２３】
この測定検出器１は、固体電解質２、当該実施例では酸化ジルコニウムからなっており、拡散バリア３を介して、測定すべき排ガスを受入れる。この排気ガスのＮＯｘ濃度が検出されるべきものである。排気ガスは、拡散バリア３を透過して第１の測定セル４内へ拡散する。この測定セル内の酸素含有量は、第１の電極５と、雰囲気にさらされている基準電極１１の間のネルンスト電圧のタップによって測定される。この場合基準電極１１は、エアーチャネル１２内に設けられており、その中で開口部１４を介して雰囲気に接している。
【００２４】
タップされたネルンスト電圧は、制御器Ｃ０に供給され、この制御器は調整電圧ＶＳ０を提供する。この電圧は、電圧制御された電流源ＵＩ０を駆動し、この電流源は、第１の電極５と外部電極６の間の測定検出器１の固体電解質２を通る第１の酸素イオンポンプ電流ＩＰ０を駆動する。この場合、第１の測定セル４内には、予め定められた酸素濃度がセットアップされる。この濃度は、電極５と基準電極１１の間のネルンスト電圧を介して測定され、そのため制御器Ｃ０の制御ループは閉ループされている。
【００２５】
前述した回路装置は、第１の測定セル４内において処置の酸素濃度を設定調整する。第２の測定セル８は第１の測定セル４とさらなる拡散バリア７を介して接続されている。この拡散バリア７を通って、第１の測定セル４内に存在するガスが第２の測定セル８へ拡散する。第２の測定セルでは当該回路装置を介して第２の酸素濃度が設定調整される。それに対しては、第２の電極９と基準電極１１の間で第２のネルンスト電圧が他婦され、制御器Ｃ１に供給される。この制御器Ｃ１は第２の調整電圧ＶＳ１を供給し、この電圧を用いて第２の電圧制御された電流源ＵＩ１が制御される。それにより第２の測定セル８からなる酸素イオンポンプ電流ＩＰ１の駆動制御のための回路装置は、第１の測定セル４の回路装置に相応している。
【００２６】
この回路装置は、第２の測定セル８に所定の酸素濃度が生じるように酸素イオンポンプ電流ＩＰ１を駆動制御する。
【００２７】
その際この酸素濃度は、次のように選択される。すなわち経過する過程からはＮＯｘが現れないよに、特に分解が行われないように選択される。このＮＯｘは、ここで測定電極（これは触媒性の構成でもよい）１０において第３の酸素イオンポンプ電流ＩＰ２において測定電極１０から外部電極６の方へポンピングされ、これは測定セル８、すなわち測定すべき排ガス中のＮＯｘ濃度に対する尺度となる。
【００２８】
ここでのポンプ電流ＩＰ２は、前述のポンプ電流のように、電圧制御された電流源ＵＩ２によって駆動制御され、この電流源の調整電圧ＶＳ２は制御器Ｃ２によって与えられる。この制御器は、測定電極１０と基準電極１１の間のネルンスト電圧をタップし、調整電圧ＶＳ２の設定によって、所定のネルンスト電圧がセットアップされる。
【００２９】
図１のヒーター１３は、図２の回路に抵抗として書込まれている。抵抗１、つまりヒーター１３は、３つの端子Ｈ＋、Ｈ−、Ａを有している。この抵抗１は、この場合端子Ｈ＋とＨ−の間に設けられており、それらは引込線分岐ないし引出線分岐に対する端子である。タップＡは以下の三点測定の実現のために用いられる。抵抗１の引込線コンタクトＨ＋は、トランジスタＴ１を介してバッテリ電圧Ｕｂに接続されている。このトランジスタＴ１の制御入力側は、トランジスタＴ２のコレクタに接続されており、同時に抵抗Ｒ７を介してバッテリ電圧Ｕｂにも接続されている。トランジスタＴ２のエミッタは、基準電位におかれているので、ベース（これはマイクロプロセッサＭに接続されている）の駆動制御によってバッテリ電圧ＵｂがトランジスタＴ１に導通される。
【００３０】
抵抗１の引出線コンタクトＨ−はさらに基準電位に接続されている。トランジスタＴ１が導通すると、加熱電流は引込線分岐から端子Ｈ＋を介して抵抗１まで流れ、さらにそこから端子Ｈ−を介して基準電位に流れる。
【００３１】
ここにおいて抵抗１の値を確定するために、トランジスタＴ１と引込線コンタクトＨ＋の間の引込線分岐に測定抵抗Ｒ８が接続され、これにはトランジスタＴ３を介して、バッテリ電圧Ｕｂから５Ｖ発生器ＩＣ１を介して生成される測定電圧がＶccが印加可能である。トランジスタＴ３のベースもマイクロプロセッサＭによって制御されている。トランジスタＴ３のコレクタと測定抵抗Ｒ８の間のダイオードＤ４は、不所望な電流逆流を防いでいる。測定抵抗Ｒ８の前後で電位がＡＤ変換器ポートＡＤ１ないしＡＤ２によってセンシングされる。トランジスタＴ３は遮断されトランジスタＴ１は導通されたもとで、つまり加熱電流の通流時には、ＡＤ変換ポートに最大限可能な入力電圧よりも著しく高い電圧が引き込まれることを回避するために、ダイオードＤ１ないしＤ２と抵抗Ｒ１６ないしＲ１７（これらはそれぞれのＡＤ変換ポートＡＤ１ないしＡＤ２と直列に接続されている）を介して、トランジスタＴ４を用いて（このコレクタにダイオードＤ１とＤ２のカソードが接続されている）高められた電圧、例えば１.５Ｖが印加され、それによって保護される。その際トランジスタＴ４のベースは、マイクロプロセッサＭによって制御されており、この場合それらの間にはさらに、直列に接続された抵抗Ｒ２３と、バッテリ電圧Ｕｂに接続されたＲ１９並びに基準電位におかれたツェナーダイオード設けられている。
【００３２】
抵抗１の引出線分岐の開始にあるタップＡは、抵抗Ｒ１８を介してＡＤ変換器ポートＡＤ３に接続され、さらにダイオードＤ３を介してトランジスタＴ４のコレクタに接続されている。
【００３３】
加熱のためにトランジスタＴ１はマイクロプロセッサＭによって導通される。同時にＡＤ変換器ポートＡＤ１−ＡＤ３が過電圧から保護され、トランジスタＴ４の駆動制御とＡＤ変換器ポートの保護電圧への設定によって抵抗１に加熱電流が流される。抵抗値の測定のためにマイクロプロセッサＭによるトランジスタＴ２，Ｔ３，Ｔ４の駆動制御によってトランジスタＴ１が遮断され、ＡＤ変換器ポートＡＤ１−ＡＤ３がイネーブルにおかれる。ＡＤ２とＡＤ３の間の電位差は、測定電圧Ｖccによって生じる。ＡＤ１とＡＤ２の間の電位差は、Ｒ８の抵抗値と測定電圧Ｖccとその際に流れる測定電流と共に生じる。この電圧測定のもとでは電流は流れないので、抵抗Ｒ１７とＲ１８は考慮する必要がない。
【００３４】
ＡＤ３と基準電位の間の電位差は、アプローチ線路分岐における線路抵抗を定める。引込線分岐に対して同じ線路抵抗であるならば、抵抗１の非常に正確な抵抗値計算が可能となる。理想的には、引込線分岐と引出線分岐の線路抵抗の比を一度は例えば任意に定め、それに続けて考慮を行うようにしてもよい。
【００３５】
もちろん抵抗値測定期間中の誤った冷却を回避するためには、測定の持続時間は抵抗形加熱素子１３ないしＮＯｘ測定検出器の熱的時定数に比べて短縮する方向で選定されるべきである。
【００３６】
抵抗１の値からは、公知の手法によって抵抗１とヒーター１３の温度を確定できる。
【００３７】
トランジスタＴ１，Ｔ４とＴ３の交互切換によっては、バッテリ電圧Ｕｂの直接測定が省かれる。
【００３８】
マイクロプロセッサＭを省きたい時には、ＡＤ変換器ポートＡＤ１−ＡＤ３の代わりに測定ピンＰ１−Ｐ３が設けられ、これらのピンが差動増幅器ＯＰ１およびＯＰ２と図３のように接続される。その際Ｐ１とＰ２の間の差分は、第１の作動増幅器ＯＰ１に供給され、その出力側の測定電圧Ｕ１が測定電流に対する尺度を表わし、測定ピンＰ２及びＰ３は、第２の差動増幅器ＯＰ２に供給され、その出力側の測定電圧Ｕ２は測定電圧に対する尺度をあらわす。場合によっては差動増幅器ＯＰ１のみを設け、その出力側をＡＤ変換器ポートに接続させてもよい。この構成は、１つのＡＤ変換器ポートを節約する。いずれにせよ測定電圧はＶccに基づいて（測定抵抗Ｒ８における電圧降下分補正する）確定されそれはもはや測定できない。
【００３９】
２つの差動増幅器を備えた簡単な回路は引出線分岐における線路抵抗の検出が不可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、ＮＯｘ測定検出器の概略的な断面図を示した図である。
【図２】  図２は、ＮＯｘ測定検出器のための駆動制御回路を示した図である。
【図３】  図３は、図２による回路の変化実施形態における素子を概略的に示したものである。
【図１】
0004746238.tif 000002
【図２】
0004746238.tif 000003
【図３】
0004746238.tif 000004