(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲環境の圧力の変化に応じて抵抗値が上昇または下降する第１センサと、
周囲環境の圧力の変化に応じて抵抗値が前記第１センサとは反対方向に下降または上昇する第２センサと、
前記第１センサと第１コンデンサとが直列に接続する回路からなる第１発振器、および固定抵抗値をもつ第２抵抗体と第２コンデンサとが直列に接続する回路からなり発振周波数が前記第１発振器の発振周波数と異なる第２発振器から構成される第１うなり発振器と、
前記第２センサと第３コンデンサとが直列に接続する回路からなる第３発振器、および固定抵抗値をもつ第４抵抗体と第４コンデンサとが直列に接続する回路からなり発振周波数が前記第３発振器の発振周波数と異なる第４発振器から構成される第２うなり発振器と、
を備えるセンサ装置であって、
前記第１うなり発振器は、前記第１発振器の発振周波数と前記第２発振器の発振周波数との差により前記第１発振器の発振周波数および前記第２発振器の発振周波数よりも周波数の低いうなり信号を検出信号として直接出力し、前記第１センサの抵抗値に応じてうなり信号の周波数が変化し、
前記第２うなり発振器は、前記第３発振器の発振周波数と前記第４発振器の発振周波数との差により前記第３発振器の発振周波数および前記第４発振器の発振周波数よりも周波数の低いうなり信号を検出信号として直接出力し、前記第２センサの抵抗値に応じてうなり信号の周波数が変化し、
前記第１うなり発振器および前記第２うなり発振器が生成する両うなり信号、または前記両うなり信号を分周した分周信号の差を求め、検出圧力を温度補償する温度補償部をさらに備えることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記うなり信号に代えて、前記うなり信号を分周した分周信号を検出信号として生成する分周回路をさらに備える請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記検出信号の所定箇所の時間幅をパルス数でカウントするカウンタをさらに備える請求項１または２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記検出信号の一部をマスクし、前記カウンタのカウント対象から除外するマスク回路をさらに備える請求項３に記載のセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲環境の変化に応じて抵抗値の変化するセンサを用いたセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば圧力、気温または湿度等の周囲環境の変化に応じて抵抗値が変化するセンサを用い、周囲環境の変化を検出するセンサ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、水分等の被測定物の濃度の変化に応じて変化するセンサの抵抗値に応じてＣＲ発振回路の発振周波数を変化させ、この発振周波数に応じた周波数の方形波パルス信号を出力している。そして、基本発振周波数に対し、濃度変化に応じて変化する発振周波数の変化率に基づき濃度の変化を検出する。
【０００３】
しかしながら、濃度変化が小さく、その結果としてセンサの抵抗値の変化が小さい場合、基本発振周波数に対して発振周波数の変化率も小さくなる。したがって、僅かな濃度変化を検出する、つまりセンサ出力の分解能を向上することが困難である。
ここで、Ａ／Ｄコンバータの出力ビット数を増加すればセンサ出力の分解能を向上することはできるが、出力ビット数を増加することによりセンサ装置のデータ幅が広がるので、センサ出力の処理負荷が増加する。
【０００４】
また、Ａ／Ｄコンバータの入力電圧は電源電圧以下であるから、例えば電源電圧が数Ｖ〜十数Ｖと低い場合にＡ／Ｄコンバータの出力ビット数を増加して分解能が向上すると、最小の検出電圧単位が小さくなる。その結果、Ａ／Ｄコンバータの入力電圧にノイズが含まれる場合に、Ａ／Ｄコンバータがノイズを検出しやすくなるという問題がある。
【０００５】
また、検出対象のダイナミックレンジが広い場合に一つのセンサで検出しようとすると、分解能が低下する。一方、複数のセンサで検出範囲を分担すると、部品点数が増加するという問題がある。
そこで、特許文献２に示されているように、ゲインまたはオフセットを調整するアナログ回路をセンサ出力の検出回路に追加してもよいが、回路規模が大きくなるという問題がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１４７２８３号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、小規模な回路で分解能が高く検出レンジの広いセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
周波数の異なる信号同士を足し合わせると、周波数の差により信号レベルに大小の差、所謂うなりが生じる。このときのうなり周波数は元の周波数よりも低くなる。
そこで、請求項１に記載の発明では、圧力変化を検出するセンサ装置において、圧力変化により抵抗値が上昇および下降のそれぞれ反対方向に変化する第１センサおよび第２センサの抵抗値の変化に応じて、発振器の発振周波数の差により発振周波数よりも周波数の低いうなり信号を第１うなり発振器と第２うなり発振器とが検出信号として生成する。うなり信号の周波数はうなり発振器の各発振器の発振周波数よりも低く、かつセンサの抵抗値に応じて変化する各発振器の発振周波数の変化分は、ほぼそのままうなり信号の周波数の変化に反映されるので、センサの抵抗値に応じて変化するうなり信号の周波数の変化率は、発振器が単体の場合にセンサの抵抗値に応じて変化する発振周波数の変化率よりも大きくなる。つまり分解能が向上する。また、抵抗値の変化が周波数の変化に変換されるので、電源電圧の値に関係なくダイナミックレンジの広い周囲環境の変化を検出できる。また、通常、温度が上昇するとセンサの抵抗値は上昇する。したがって、両うなり信号、またはうなり信号を加工した信号の差を求めることにより、周囲環境の温度変化によるセンサの出力値の変化を排除し、温度補償された周囲環境の圧力を検出できる。
【０００９】
また、うなり発振器の回路量はＡ／Ｄコンバータ、ゲインまたはオフセットを調整するアナログ回路等に比較すれば非常に少ないので、小規模な回路でセンサ装置の分解能を向上し、ダイナミックレンジの広い周囲環境の変化を検出できる。
請求項２に記載の発明では、うなり発振器が生成するうなり信号を分周することにより、うなり信号に代えて分周信号を検出信号として生成する。分周信号の周波数はうなり信号の周波数よりも低くなり、分周信号の周期はうなり信号の周期よりも長くなる。したがって、うなり信号よりも分周信号を検出信号とする方が、所定箇所の時間幅を検出する場合のセンサ装置の検出精度、つまり分解能が向上する。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、うなり発振器が生成するうなり信号、またはうなり信号を分周した分周信号の所定箇所の時間幅をパルス数でカウントする。その結果、センサ装置内でセンサ出力をデジタルデータのカウント数として処理できるので、センサ装置内およびセンサ装置外でのデータ処理が容易になる。
請求項４に記載の発明では、うなり信号、またはうなり信号を分周した分周信号である検出信号の一部をマスクし、カウンタのカウント対象から除外する。この構成によれば、例えば、ある特定値に対して周囲環境の状態が変化する場合、この特定値に相当する箇所の検出信号をマスクし、カウンタが検出信号の残りの時間幅をカウントすることにより、カウンタがカウントするカウント数の最大値を特定値の大きさに抑えることができる。検出信号のカウント数は、特定値のカウント数に残りの時間幅のカウント数を足せばよい。このようにして検出信号の一部をマスクすることにより、カウンタのビット数の増加を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の複数の参考例および実施形態を図に基づいて説明する。
（第１参考例）
図１は、本発明の第１参考例によるセンサ装置１０を示している。
センサ装置１０は、圧力センサ２０、うなり発振器３０、インバータ４０、分周回路４２、クロック発振器４４、カウンタ４６、出力回路４８等からなる。
圧力センサ２０は、圧力変化に応じて抵抗値が変化する抵抗体である。うなり発振器３０は、発振周波数の異なる１組のＣＲ発振器により構成されている。うなり発振器３０は、１組のＣＲ発振器の発振周波数の差により、各ＣＲ発振器の発振周波数よりも低い周波数のうなり信号を生成する。うなり発振器３０は圧力センサ２０と図１に示すように電気的に接続しているので、周囲環境の圧力変化に応じて圧力センサ２０の抵抗値が変化すると、うなり発振器３０の一方のＣＲ発振器の発振周波数が変化する。図１のセンサ装置１０では、圧力変化に応じて圧力センサ２０の抵抗値が変化すると、一方のＣＲ発振器の発振周波数が他方のＣＲ発振器の発振周波数よりも大きく変化する。そこで、圧力センサ２０の抵抗値の変化に対して一方のＣＲ発振器の発振周波数だけが変化するとして以下に説明する。
【００１３】
インバータ４０は、うなり発振器３０が生成するうなり信号の波形（図２の（ａ）参照）を所定のスレッショルドを基準として図２の（ｂ）に示すように方形波形に整形する。インバータ４０に代えて、フリップフロップまたは他の回路で波形整形してもよい。
分周回路４２は、波形整形されたうなり信号を図２の（ｃ）のように分周し、分周信号を生成する。分周回路４２による分周の程度は、圧力検出に要求される分解能に応じて設定される。図２の（ｃ）では、うなり信号の２周期を、カウンタ４６でカウントする分周信号の時間幅にしている。カウンタ４６は、クロック発振器４４の出力（図２の（ｄ）参照）と図２の（ｃ）に示す分周信号とのＡＮＤ出力（図２の（ｅ）参照）から、分周信号の所定箇所の時間幅の長さをクロックパルス数としてカウントする。出力回路４８は、カウンタ４６のカウント結果を出力する。
【００１４】
図１のセンサ装置１０において、ある圧力値における圧力センサ２０の抵抗値に対して、一方のＣＲ発振器の発振周波数をｆ１、他方のＣＲ発振器の発振周波数をｆ２（ただしｆ１＞ｆ２）とすると、うなり発振器３０が生成するうなり信号の周波数ｆ０は、ｆ０＝（ｆ１−ｆ２）で表される。ｆ１、ｆ２の値は、ｆ１、ｆ２に対してｆ０が小さくなるように設定する。次に、圧力の変化に伴い圧力センサ２０の抵抗値が変化し、一方のＣＲ発振器の発振周波数がｆ１＋Δｆになると、１組のＣＲ発振器の発振周波数の差により生成されるうなり発振器３０のうなり信号の周波数の変化にΔｆはそのまま反映される。つまり、うなり信号の周波数は、（ｆ１＋Δｆ−ｆ２）＝（ｆ０＋Δｆ）となる。この周波数の変化により、うなり信号の周期Ｔ（図２の（ａ）参照）も変化する。
【００１５】
うなり信号の周波数が変化すると、うなり信号を分周した分周信号の周期の長さも変化するので、カウンタ４６がカウントするクロックパルスのカウント数も変化する。したがって、周囲環境の圧力変化はカウンタ４６がカウントするクロックパルスのカウント数の変化として検出される。
ここで、圧力変化に伴い圧力センサ２０の抵抗値が変化し、一方のＣＲ発振器において発振周波数がｆ１から（ｆ１＋Δｆ）に変化するときの周波数変化率は（Δｆ／ｆ１）である。これに対して、うなり信号の周波数の変化率は（Δｆ／ｆ０）である。前述したように、ｆ０はｆ１よりも小さくなるように設定されているので、うなり信号の周波数の変化率は、ＣＲ発振器の発振周波数の変化率よりも大きくなる。同様に、うなり信号の周期の変化率は、ＣＲ発振器の発振周期の変化率よりも大きくなる。
【００１６】
つまり、単体のＣＲ発振器が圧力センサ２０の検出信号の変化を周波数変化または周期変化として検出するよりも、１組のＣＲ発振器の発振周波数の差からうなり信号を生成するうなり発振器３０が圧力センサ２０の検出信号の変化を周波数変化または周期変化として検出する方が、圧力検出の分解能が向上する。さらに、第１実施形態では、うなり信号を分周して周期を長くし、この長くなった周期をクロックパルスのカウント数として圧力変化を検出するので、圧力検出の精度、つまり分解能がより向上する。また、圧力変化を周波数変化または周期変化に変換することにより、電源電圧の値に関わらず広いダイナミックレンジの圧力変化を検出できる。
【００１７】
このように、圧力変化に伴う圧力センサ２０の抵抗値の変化を複数の発振器の周波数の差により生成されるうなり信号の周期変化として検出することにより、圧力センサ２０の検出信号のゲインまたはオフセットを調整するアナログ回路を使用することなく、小規模な回路構成で圧力検出の分解能を向上できる。また、うなり信号の周期変化は電源電圧の値に関わらず生じるので、圧力検出のダイナミックレンジが広い場合にも、小規模な回路構成で圧力を高分解能で検出できる。
また、圧力をデジタルデータであるクロックパルスのカウント数として検出するので、センサ装置１０内およびセンサ装置１０外でのデータの処理が容易である。
【００１８】
（第２参考例）
本発明の第２参考例によるセンサ装置を図３に、図３のセンサ装置５０を用いた蒸発燃料処理装置の漏れ検査装置を図５に示す。尚、第１参考例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
まず、図５に示す蒸発燃料処理装置について簡単に説明する。燃料タンク２００内で発生する蒸発燃料は、キャニスタ２０２内の活性炭等の吸着材に吸着される。キャニスタ２０２に吸着された蒸発燃料は、パージ弁２０４を開弁することにより、吸気管２０６の負圧によりキャニスタ２０２から吸気管２０６内にパージされる。
【００１９】
このような蒸発燃料処理装置における蒸発燃料の漏れを検査する蒸発燃料漏れ検査装置は、制御装置（ＥＣＵ）２１０の指示により、ポンプ２１２、電磁弁２１４、２１６、２１８、２２０を作動させる。センサ装置５０はポンプ２１２の吸入側の圧力を測定する。蒸発燃料漏れ検査装置は、蒸発燃料処理装置の漏れを検査するとともに、キャニスタ２０２のパージ弁２０４側の蒸発燃料濃度Ｄを検出し、キャニスタ２０２から吸気管２０６に蒸発燃料をパージするときの蒸発燃料量を制御する。
【００２０】
まず蒸発燃料漏れ検査装置は、電磁弁２１４を開弁し、電磁弁２１６を閉弁し、電磁弁２２０を図５に示す連通状態にする。この状態でＥＣＵ２１０がポンプ２１２を作動させることにより、基準オリフィス２３０を空気が通過し、基準オリフィス２３０の下流側であるポンプ２１２の吸入側の圧力が一定の負圧ΔＰAir（図６のδ期間参照）になる。
【００２１】
さらに、この状態で電磁弁２１４を閉弁すると、ポンプ２１２の吸入側が閉塞されるので、センサ装置５０により測定される圧力はさらに大気から離れる負圧側に低下し、一定の圧力Ｐt（図６のε期間参照）になる。
次に、この状態から電磁弁２１４を開弁するとともに、電磁弁２２０を制御してキャニスタ２０２側と基準オリフィス２３０とを連通させる。これにより、蒸発燃料を含んだ空気が基準オリフィス２３０を通過する。そして、センサ装置５０により測定される圧力は大気圧側に上昇し、一定の圧力ΔＰGas（図６のζ期間参照）になる。ζ期間では、空気中に蒸発燃料が含まれるので、ΔＰGasの値はΔＰAirの値よりも低い負圧側になる。
【００２２】
このように検出したΔＰAir、Ｐt、ΔＰGasから、蒸発燃料濃度Ｄ（％）を次式（１）から求める。式（１）において、ρAirは空気の密度、ρHCは蒸発燃料の成分たる炭化水素（ＨＣ）の密度である。
Ｄ＝１００・ρAir・｛１−（ΔＰGas／ΔＰAir）・（ΔＰAir−Ｐt）2／（ΔＰGas−Ｐt）2｝／（ρAir−ρHC）・・・（１）
【００２３】
このようにして得られた蒸発燃料濃度Ｄに基づき、キャニスタ２０２から吸気管２０６にパージされる蒸発燃料量を制御する。
次に、蒸発燃料漏れ検査装置に用いられるセンサ装置５０について説明する。図３に示すように、センサ装置５０の分周回路４２は、うなり発振器３０で生成されたうなり信号をゲイン設定で設定された分周比に基づいて分周し、分周信号を生成する。そして、オフセット設定で設定されたマスク時間を除いた残り時間の分周信号をクロック数でカウントする。ここで、波形整形したセンサ信号のｎ個の波形に相当する周期時間をカウントする場合に分周比をｎと表す。
【００２４】
具体的には、うなり発振器３０でうなり信号に変換され、さらに波形整形された圧力センサ２０の検出信号を分周回路４２は入力する。第２実施形態では、うなり発振器３０の一方のＣＲ発振器の発振周波数は２．５ＭＨｚ、他方のＣＲ発振器の発振周波数はうなり信号の周波数が４０ＫＨｚ程度になるように設定されている。
【００２５】
分周回路４２は、設定された分周比に基づいて圧力センサ２０の検出信号を分周して分周信号を生成する。ゲイン設定により設定される分周比が大きいほど分解能は向上する。ゲイン設定により設定される分周比は、図６に示すδ期間、ε期間、ζ期間に応じてＥＣＵ２１０により設定される。
カウンタ４６、５２は、分周信号の立ち上がりでカウントを開始し、立ち下がりでカウント数をクリアする。カウンタ５２は、マスク前の分周信号の信号幅分のクロックパルス数をカウントする。コンパレータ５４は、カウンタ５２のカウント数がオフセット設定により設定されるマスク時間に相当するカウント数以上になると、オン信号を出力する。オフセット設定で設定されるマスク時間は、前述したδ期間で検出したΔＰAirに相当するカウント数であり、ＥＣＵ２１０により設定される。コンパレータ５４の出力は、分周信号の立ち下がりでオフになる。マスク時間が設定されない場合は、コンパレータ５４は常にオン信号を出力する。マスク時間が設定される場合、コンパレータ５４の出力信号と分周信号とのＡＮＤをＡＮＤ回路５６で生成することにより、カウンタ４６のカウント対象から分周信号の一部を除外できる。このように、カウンタ５２、コンパレータ５４およびＡＮＤ回路５６は特許請求の範囲に記載したマスク回路を構成している。
【００２６】
センサ装置５０の出力により蒸発燃料濃度を検出する場合、ΔＰAirとΔＰGasとは値が接近しているので、ΔＰAirおよびΔＰGasをＰtよりも高精度に検出することが求められる。したがって、図４に示すように、ΔＰAirおよびΔＰGasを検出するときにうなり信号を分周する分周比は、Ｐtを測定するときにうなり信号を分周する分周比よりも大きくなるように設定する。例えば、図４では、δ期間、ζ期間では分周比を８とし、ε期間では分周比を４としている。
【００２７】
また、ΔＰGasの値とΔＰAirの値とは接近しているので、ΔＰGasの値は、ΔＰAirを検出した検出値に対する変化分として検出できる。したがって、図４に示すように、δ期間で検出した分周比８の信号（δ信号と表す）のパルス幅に相当するマスク信号で、ζ期間で検出した分周比８の信号（ζ信号と表す）をマスクした残りのζ信号のパルス幅をカウント（ΔＣ）する。δ信号のカウント数をＣAir、ζ信号のカウント数をＣGasとすると、ＣGas＝ＣAir＋ΔＣで求められる。これにより、ζ信号のパルス幅を全てカウントする必要がなく、カウンタ４６がカウントする最大値はＣAirの大きさに抑えられるので、カウンタ４６のビット数の増加を抑制できる。
【００２８】
（第３参考例）
本発明の第３参考例によるうなり発振器を図７に示す。尚、第１参考例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
第３参考例のうなり発振器６０は、基準発振器６２と検出用発振器６４との周波数の差から、うなり発生回路６６でうなり信号を生成する。図７に示すように基準発振器６２と検出用発振器６４とが分離しているため、コンデンサまたは抵抗の値を変更することにより、基準発振器６２、検出用発振器６４毎に発振周波数を個別に容易に調整できる。
【００２９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるセンサ装置を図８に示す。尚、第１参考例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
センサ装置７０は、２個のセンサ装置７２、８０から構成されている。センサ装置７２、８０の温度、圧力に対する発振周期の特性を図９に示す。実線がセンサ装置７２の発振周期Ｔａの特性であり、点線がセンサ装置８０の発振周期Ｔｂの特性である。センサ装置７２、８０で使用する圧力センサ７４、８２の圧力に対する抵抗値の変化特性は逆である。つまり、図９に示すように、圧力が増加するとセンサ装置７２では発振周期Ｔａが減少し、センサ装置８０では発振周期Ｔｂが増加する。一方、圧力センサ７４、８２ともに温度が上昇（Ｔ０→Ｔ１、図９参照）すると抵抗値が上昇し、センサ装置７２、８０の発振周期Ｔａ、Ｔｂは長くなる。図８において、圧力センサ７４は特許請求の範囲に記載した第１センサ、圧力センサ８２は第２センサ、１組のうなり発振器３０はそれぞれ第１、第２うなり発振器に相当する。
【００３０】
圧力補償部８４では、このような特性を有するセンサ装置７２の発振周期Ｔａとセンサ装置８０の発振周期Ｔｂに関し、（Ｔａ＋Ｔｂ）に相当する、うなり信号をクロック数でカウントしたカウント数の和を求めている。圧力補償部８４で求めたカウント数の和は、圧力変化に関係なく温度変化により発振周期が変化する特性となる。つまり、センサ装置７０を圧力補償された温度センサ装置として使用できる。
【００３１】
また温度補償部８６では、（Ｔａ−Ｔｂ）に相当する、うなり信号をクロック数でカウントしたカウント数の差を求めている。温度補償部８６で求めたカウント数の差は、温度変化に関係なく圧力変化により発振周期が変化する特性となる。つまり、センサ装置７０を温度補償された圧力センサ装置として使用できる。
図８ではうなり発振器３０の生成するうなり信号の時間幅をカウンタ４６でカウントしているが、うなり発振器３０のうなり信号をそれぞれ分周した分周信号の時間幅をカウンタ４６でカウントしてもよい。
第１実施形態では、うなり信号をクロック数でカウントしているので、簡単な加減算回路またはマイクロプロセッサで構成された圧力補償部８４、温度補償部８６により、（Ｔａ＋Ｔｂ）、（Ｔａ−Ｔｂ）に相当する値を容易に求めことができる。
【００３２】
（他の実施形態）
以上説明した上記実施形態では、センサ装置に要求される分解能に応じて、うなり信号を分周せず、うなり信号の所定箇所の時間幅をカウントしてもよい。また、周期変化ではなく周波数変化を検出してもよい。
このように、本発明は、上記実施形態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る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１参考例によるセンサ装置を示す構成図。
【図２】センサ装置内の信号状態を示すタイムチャート。
【図３】第２参考例によるセンサ装置を示す構成図。
【図４】蒸発燃料漏れ検査装置における濃度測定の各期間毎の信号状態を示すタイムチャート。
【図５】蒸発燃料漏れ検査装置を示す構成図。
【図６】蒸発燃料漏れ検査装置における濃度測定を示す特性図。
【図７】第３参考例によるセンサ装置を示す構成図。
【図８】第１実施形態によるセンサ装置を示す構成図。
【図９】第１実施形態による圧力、温度、発振周期の関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００３４】
１０、５０、７０、７２、８０：センサ装置、２０：圧力センサ、３０：うなり発振器（第１、第２うなり発振器）、６０：うなり発振器、４２：分周回路、４６：カウンタ、５２：カウンタ（マスク回路）、５４：コンパレータ（マスク回路）、５６：ＡＮＤ回路（マスク回路）、６２：基準発振器、６４：検出用発振器、７４：圧力センサ（第１センサ）、８２：圧力センサ（第２センサ）、８４：圧力補償部、８６：温度補償部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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