(57)【要約】【課題】  内部抵抗の測定範囲を広げると共に、高精度に測定することを課題とする。【解決手段】  測定用バイアス電源ＶＣＣからセンサ１０に逆バイアスを印加し、増幅器ＡＭＰ１で計測されたセンサ１０の出力電圧と、増幅器ＡＭＰ２で計測された測定用抵抗群ＲＶの電圧降下とに基づいて、センサ１０の内部抵抗ＲＳの抵抗値と、センサ１０の内部抵抗ＲＳに直列接続された測定用抵抗群ＲＶの抵抗値とが同じになるように測定用抵抗群ＲＶの抵抗値をマイクロコンピュータ１１で可変制御し、センサ１０の内部抵抗ＲＳを求めるように構成される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサに印加される測定電圧を出力する測定電圧源と、
前記センサの内部抵抗を測定する測定動作時に、前記測定電圧源から出力された測定電圧を選択的に前記センサに与えるスイッチと、
前記センサの出力電圧を計測する第１の計測手段と
を備えたセンサ内部抵抗測定回路において、
前記スイッチを介して前記測定電圧源から前記センサに供給される電流の流路に設けられ、抵抗値が可変される測定用抵抗と、
前記センサの内部抵抗を測定する測定動作時に、前記測定用抵抗の降下電圧を計測する第２の計測手段と、
前記測定用抵抗の抵抗値を可変制御し、前記第１ならびに第２の計測手段の計測結果、ならびに前記測定用抵抗の抵抗値に基づいて、前記センサの内部抵抗を求める測定制御手段と
を有することを特徴とするセンサ内部抵抗測定回路。
【請求項２】
前記測定制御手段は、前記第１の計測手段ならびに前記第２の計測手段の計測結果に基づいて前記測定用抵抗の抵抗値を可変制御する
ことを特徴とする請求項１記載のセンサ内部抵抗測定回路。
【請求項３】
前記測定用抵抗は、格子状に配置された複数の抵抗と、前記複数の抵抗を接続／非接続するスイッチ素子とで構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ内部抵抗測定回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサの内部抵抗の測定範囲を改善したセンサ内部抵抗測定回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、センサの内部抵抗を測定する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載されたセンサ内部抵抗測定回路を図２に示す。図２において、被測定対象のセンサ２０は、内部抵抗ＲＳとセンサ電圧ＶＳを出力するセンサ出力電源ＶＳとで構成されている。このセンサ２０には、内部抵抗ＲＳの測定時に、バイアス電源ＶＧとセンサ２０との間に直列に接続されたスイッチＳＷと直列抵抗ＲＶを介して電圧ＶＧ（例えば５Ｖ程度）がセンサ出力電源ＶＳに対して逆バイアスで印加される。センサ２０の両端間の電圧ＶＭは増幅器２１に入力されて計測され、増幅器２１の出力は、この出力に基づいて内部抵抗ＲＳを求めるマイクロコンピュータ（μＣ）２２のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄに与えられる。
【０００３】
このように構成されたセンサ内部抵抗測定回路において、スイッチＳＷがオンして電圧ＶＧがセンサ２０に印加されると、センサ２０には電流Ｉが流れる。これにより、センサ２０の端子間電圧ＶＭは、（数１）で表される。
【０００４】
（数１）
ＶＭ＝Ｉ×ＲＳ＋ＶＳ
また、電圧ＶＧは（数２）で表される。
【０００５】
（数２）
ＶＧ＝Ｉ×ＲＶ＋ＶＭ＝Ｉ×ＲＶ＋Ｉ×ＲＳ＋ＶＳ
上記により、センサ２０の内部抵抗ＲＳは、（数３）で表される。
【０００６】
（数３）
ＲＳ＝ＲＶ（ＶＭ−ＶＳ）／（ＶＧ−ＶＭ）
ここで、ＲＶならびにＶＧは予め設定されて既知の値であり、ＶＭはスイッチＳＷがオンした際（内部抵抗測定時）に増幅器２１で測定され、ＶＳはスイッチＳＷがオフ時（センサ２０の通常動作時）に増幅器２１で測定される。したがって、これらの測定結果ならびに上記（数３）に基づいて、センサ２０の内部抵抗ＲＳが算出される。
【０００７】
このようなセンサ内部抵抗測定回路において、センサの周囲条件や動作電流による自己加熱を考慮すると、センサ２０の内部抵抗ＲＳは１０Ω程度〜１ＭΩ程度の測定範囲が好ましい。また、直列抵抗ＲＶは内部抵抗ＲＳの抵抗値と余り異なってはならない。したがって、上述した１０Ω（センサ温度は約９００℃）〜１ＭΩ（センサ温度は約２５０℃）の測定範囲をカバーしようとすると、直列抵抗ＲＶとしては例えば６８Ω程度，３．３ｋΩ程度ならびに１５０ｋΩ程度の３つの抵抗が必要となる。
【特許文献１】特表平０４−５０１１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上説明したように、従来のセンサ内部抵抗測定回路においては、内部抵抗の測定範囲、すなわち、センサの温度範囲を所定の範囲に確保するために、それぞれ抵抗値の異なる３つの抵抗を用意し、測定範囲に応じて用意した何れかの抵抗を直列抵抗として用いることになる。
【０００９】
しかし、内部抵抗の測定範囲は用意する直列抵抗で制限され、測定範囲を広げることは難しかった。また、精度良く測定できる内部抵抗値が不連続となり、連続的に内部抵抗を測定することが困難であった。さらに、測定範囲を変更するためには、測定範囲に応じて直列抵抗を適宜変更しなければならず、多くの手間が必要になっていた。
【００１０】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、容易に内部抵抗の測定範囲を広げると共に、内部抵抗を高精度に測定できるセンサ内部抵抗測定回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、センサに印加される測定電圧を出力する測定電圧源と、前記センサの内部抵抗を測定する測定動作時に、前記測定電圧源から出力された測定電圧を選択的に前記センサに与えるスイッチと、前記センサの出力電圧を計測する第１の計測手段とを備えたセンサ内部抵抗測定回路において、前記スイッチを介して前記測定電圧源から前記センサに供給される電流の流路に設けられ、抵抗値が可変される測定用抵抗と、前記センサの内部抵抗を測定する測定動作時に、前記測定用抵抗の降下電圧を計測する第２の計測手段と、前記測定用抵抗の抵抗値を可変制御し、前記第１ならびに第２の計測手段の計測結果、ならびに前記測定用抵抗の抵抗値に基づいて、前記センサの内部抵抗を求める測定制御手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
上記特徴の請求項１の発明によれば、測定精度を低下させることなく、センサの内部抵抗の測定範囲を従来に比べて広範囲に拡大することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、前記請求項１記載のセンサ内部抵抗測定回路において、前記測定制御手段は、前記第１の計測手段ならびに前記第２の計測手段の計測結果に基づいて前記測定用抵抗の抵抗値を可変制御することを特徴とする。
【００１４】
上記特徴の請求項２記載の発明によれば、測定用抵抗の抵抗値をリニアに可変制御することが可能となり、内部抵抗を精度良く測定することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２記載のセンサ内部抵抗測定回路において、前記測定用抵抗は、格子状に配置された複数の抵抗と、前記複数の抵抗を接続／非接続するスイッチ素子とで構成されていることを特徴とする。
【００１６】
上記特徴の請求項３記載の発明によれば、測定用抵抗を簡単な構成で容易に構築することが可能となり、測定用抵抗の抵抗値を容易に可変制御することが可能となり、内部抵抗を精度良く測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の実施例１に係るセンサ内部抵抗測定回路の構成を示す図である。図１に示す実施例１のセンサ内部抵抗測定回路は、図２に示す従来例と同様に、温度により抵抗値が変化する内部抵抗ＲＳとセンサ出力電源ＶＳとで構成されたセンサ１０の内部抵抗ＲＳの抵抗値を測定する回路である。内部抵抗ＲＳが測定されるセンサ１０は、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサであり、この酸素センサは、例えば車両等の排気管の途中に配置され、排気管から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する。車両は、検出された酸素濃度に基づいて燃料と空気との混合比率である空燃比Ａ／Ｆを所定の理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）とするように吸引空気量をフィードバック制御している。
【００１９】
図１において、センサ１０は、そのセンサ出力電源ＶＳの負極側がグランド（ＧＮＤ）に接続され、正極側が内部抵抗ＲＳの一端に接続され、内部抵抗ＲＳの他端は測定用抵抗群ＲＶの一端に接続されている。
【００２０】
測定用抵抗群ＲＶは、先の図２に示す直列抵抗ＲＶに相当するものである。測定用抵抗群ＲＶは、多数の抵抗Ｒがラダー状又は格子状に配置され、それぞれの抵抗Ｒの接続状態は、スイッチ機能を有するスイッチ素子Ｓで接続／非接続されて接続制御される、スイッチ素子Ｓは、例えば測定用抵抗群ＲＶをＩＣ化した際に容易に構成可能な一例として、例えばＦＥＴ等で構成される。したがって、測定用抵抗群ＲＶは、スイッチ素子Ｓの接続制御により、測定用抵抗群ＲＶ全体としての抵抗値が可変される。また、測定用抵抗群ＲＶは、測定用抵抗群ＲＶを構成する抵抗の個数ならびに接続状態に応じて、測定用抵抗群ＲＶが可変できる抵抗値の可変範囲や可変幅を任意に設定することができる。すなわち、測定用抵抗群ＲＶの抵抗値を略連続的（リニア）に可変することが可能となるように、測定用抵抗群ＲＶを構成することが可能である。
【００２１】
測定用抵抗群ＲＶは、その他端がスイッチＳＷを介して測定用バイアス電源ＶＣＣの正極側に接続され、測定用バイアス電源ＶＣＣの負極側はグランド（ＧＮＤ）に接続されている。したがって、測定用バイアス電源ＶＣＣはセンサ１０に対して電圧ＶＣＣ（例えば５Ｖ程度）の逆バイアスを印加するように機能する。なお、グランド（ＧＮＤ）は、例えば測定用バイアス電源ＶＣＣの１／２の電位（ＶＣＣ／２）の仮想グランドであっても構わない。
【００２２】
センサ１０は、内部抵抗ＲＳの他端が増幅器ＡＭＰ１の一方の入力端子に接続され、増幅器ＡＭＰ１の他方の入力端子はグランドに接続され、増幅器ＡＭＰ１の出力端子は、マイクロコンピュータ（μＣ）１１のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１に接続されている。したがって、増幅器ＡＭＰ１は、内部抵抗ＲＳの他端と測定用抵抗群ＲＶの一端との接続点の電圧、すなわちセンサ１０の出力電圧を計測し、計測した電圧ＶＭをマイクロコンピュータ１１のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１に与える。
【００２３】
測定用抵抗群ＲＶは、センサ１０の内部抵抗ＲＳとの接続点が増幅器ＡＭＰ２の一方の入力端子に接続され、増幅器ＡＭＰ２の他方の入力端子は測定用バイアス電源ＶＣＣの正極側ならびにこの正極側に接続されたスイッチＳＷの一端に接続され、増幅器ＡＭＰ２の出力端子は、マイクロコンピュータ１１のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ２に接続されている。したがって、増幅器ＡＭＰ２は、測定用バイアス電源ＶＣＣとスイッチＳＷの接続点と測定用抵抗群ＲＶとセンサ１０の内部抵抗ＲＳの接続点との両接続点間の電圧ＶＲを計測し、計測した電圧ＶＲをマイクロコンピュータ１１のＡ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ２に与える。
【００２４】
マイクロコンピュータ１１は、センサ１０の内部抵抗の測定、ならびに測定用抵抗群ＲＶの抵抗値可変制御の制御中枢として機能し、内部に記憶された制御ロジックのプログラムに基づいて、上記内部抵抗ＲＳの測定制御ならびに抵抗値可変制御を実行する。マイクロコンピュータ１１は、センサ１０の通常動作時ならびにセンサ１０の内部抵抗ＲＳの測定時に応じて、スイッチＳＷの接続／非接続を選択的に制御する。すなわち、マイクロコンピュータ１１は、センサ１０の通常動作モードではスイッチＳＷをオフ状態とする一方、センサ１０の内部抵抗測定モードではスイッチＳＷをオン状態として、スイッチＳＷを介して測定用バイアス電源ＶＣＣからセンサ１０にバイアス電圧を印加する。
【００２５】
マイクロコンピュータ１１は、信号を時分割でシリアルに出力するシリアル通信機能（ＳＰＩ通信）を備えており、この機能を用いてシリアル通信ポートＳＰＩを介してスイッチ素子Ｓをオン／オフ制御する複数ビットのスイッチング信号をシリアルに出力する。なお、スイッチング信号のビット数は、測定用抵抗群ＲＶを構成するスイッチ素子Ｓの個数、すなわち測定用抵抗群ＲＶを構成する抵抗Ｒの個数によって適宜設定される。マイクロコンピュータ１１は、測定用抵抗群ＲＶにおいて設定しようとする所望の抵抗値に応じて、スイッチング信号を生成する。したがって、マイクロコンピュータ１１は、このスイッチング信号の内容により測定用抵抗群ＲＶの抵抗値を認識することができる。
【００２６】
マイクロコンピュータ１１は、増幅器ＡＭＰ１ならびに増幅器ＡＭＰ２によって計測されて各Ａ／Ｄ変換ポートＡ／Ｄ１，２に与えられた計測電圧ＶＲ、ＶＭならびに測定用抵抗群ＲＶの抵抗値に基づいて、センサ１０の内部抵抗ＲＳを求める。
【００２７】
なお、図１に示す構成において、センサ１０、マイクロコンピュータ１１を除いた測定回路の各構成要素、すなわち測定用抵抗群ＲＶ、スイッチＳＷ、増幅器ＡＭＰ１，ＡＭＰ２はＩＣ化されている。
【００２８】
このような構成において、センサ１０の通常動作モードでは、スイッチＳＷはオフ状態となり、測定用バイアス電源ＶＣＣからバイアス電圧ＶＣＣがセンサ１０に印加されず、センサ１０から出力されるセンサ電圧ＶＳは増幅器ＡＭＰ１で計測され、増幅器ＡＭＰ１の出力がセンサ１０のセンサ電圧ＶＳとなる。
【００２９】
一方、センサ１０の内部抵抗ＲＳを測定する、センサ１０の測定動作モードでは、先ず上述した通常動作モードにおいてセンサ１０から出力されるセンサ電圧ＶＳが増幅器ＡＭＰ１で計測され、計測結果はマイクロコンピュータ１１に与えられて内部のメモリに記憶される。
【００３０】
その後、センサ１０の内部抵抗ＲＳにおいて検出しようとする抵抗値に相当する抵抗値となるように、マイクロコンピュータ１１はスイッチ素子Ｓのスイッチング信号を生成し、生成したスイッチング信号をシリアル通信ポートＳＰＩを介して出力する。これにより、各スイッチ素子Ｓはオン／オフ制御され、検出しようとする抵抗値となるように測定用抵抗群ＲＶを構成する抵抗Ｒの接続状態が設定される。
【００３１】
このような状態において、スイッチＳＷをオン状態にする。これにより、測定用バイアス電源ＶＣＣからセンサ１０に電圧ＶＣＣの逆バイアスが印加され、測定用バイアス電源ＶＣＣから測定用抵抗群ＲＶを介してセンサ１０に電流Ｉが流れる。この時に、センサ１０の出力電圧は、増幅器ＡＭＰ１で計測され、その計測電圧をＶＭとする。また、直列接続された測定用抵抗群ＲＶとスイッチＳＷの電圧は、増幅器ＡＭＰ２で計測され、その計測電圧をＶＲとする。それぞれ計測された電圧ＶＭ，ＶＲは、マイクロコンピュータ１１に与えられる。
【００３２】
マイクロコンピュータ１１は、計測された電圧ＶＭ，ＶＲとセンサ１０のセンサ出力電源ＶＳのセンサ電圧ＶＳとの関係が、（ＶＲ＝ＶＭ−ＶＳ）となるように、測定用抵抗群ＲＶの抵抗値を調整する動作をフィードバック制御により実行する。このような、測定用抵抗群ＲＶの抵抗値の調整作業が行われ、（ＶＲ＝ＶＭ−ＶＳ）の関係が成立すると、電流ＩによるスイッチＳＷを含めた測定用抵抗群ＲＶの電圧降下とセンサ１０の内部抵抗ＲＳの電圧降下が等しくなる。これにより、内部抵抗ＲＳは、マイクロコンピュータ１１から出力されるスイッチング信号に基づいて認識される測定用抵抗群ＲＶの抵抗値として求められる。
【００３３】
内部抵抗ＲＳの測定が終了すると、スイッチＳＷをオフ状態とし、測定用抵抗群ＲＶのスイッチ素子Ｓをすべてオフ状態とし、センサ１０を通常動作モードにする。
【００３４】
このように、この実施例１のセンサ内部抵抗測定回路においては、測定用抵抗群ＲＶの抵抗値の可変範囲に応じて、センサ１０の内部抵抗ＲＳの測定範囲を設定できるので、測定精度を低下させることなく、内部抵抗の測定範囲を従来に比べて広範囲に拡大することが可能となる。これにより、内部抵抗特性の異なるセンサ、すなわちセンサの温度範囲が異なる様々な特性のセンサに対応することが可能となり、汎用性に優れた測定回路を提供することができる。
【００３５】
さらに、測定用抵抗群ＲＶの抵抗値をリニアに可変することで、内部抵抗ＲＳをリニアに測定することが可能となる。これにより、内部抵抗ＲＳを高精度に測定することができる。
【００３６】
なお、測定用抵抗群ＲＶに代えて、電流を可変することでセンサ１０の内部抵抗の測定において測定用抵抗群ＲＶと同等の機能を有する可変電流源を採用するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１に係るセンサ内部抵抗測定回路の構成を示す図である。
【図２】従来のセンサ内部抵抗測定回路の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０，２０…センサ
１１，２２…マイクロコンピュータ
２１，ＡＭＰ１，ＡＭＰ２…増幅器
Ａ／Ｄ，Ａ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２…変換ポート
Ｒ…抵抗
ＲＳ…内部抵抗
ＲＶ…測定用抵抗群
Ｓ…スイッチ素子
ＳＰＩ…シリアル通信ポート
ＳＷ…スイッチ
ＶＣＣ…測定用バイアス電源
ＶＧ…バイアス電源
ＶＳ…センサ出力電源
【図１】
2005249711.tif 000003
【図２】
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