KR0175300B1 - 자기교정 기능을 가진 검출장치 - Google Patents

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시게끼 쓰찌다니
세이이찌 우가이
마사요시 가네야스
히로시 구로이와
요시히로 요꼬다
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미다 가쓰시게
가부시키가이샤 히다찌 세이사꾸쇼
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Abstract

물리량을 전기량으로서 검출하기 위한 검출기가 검출부와 이 검출부와 신호처리부의 자극을 위한 부위를 가짐으로서 신호 교정이 신호처리부로 부터 자극부를 경유하여 검출부에 공급되어 검출부의 특정응답을 측정하도록하여 이렇게하여 특성의 자기 교정과 수정이 응답의 변화량에 의거하여 수행되도록 구성되는 것이다.

Description

자기교정 기능을 가진 검출장치
제1도는 본 발명의 일 실시예의 기본 구조를 나타낸 도.
제2도는 신호처리 수단을 위한 회로도.
제3도 내지 제6도는 정전 용량식 압력센서의 동작을 나타낸 도.
제7a도 및 제7b도는 마이크로 컴퓨터의 동작 플로우 챠트.
제8도 내지 제11도는 반도체 가속 센서의 동작을 나타낸 도.
제12도 및 제13도는 가속 센서의 다른 실시예를 나타낸 도.
제14도는 과도공기율에 대한 공연비 센서의 특성을 나타낸 도.
제15도는 공연비 센서의 전압-전류 특성을 나타낸 도.
제16도는 공연비 센서의 출력특성을 나타낸 도.
제17도는 자기 진단 기능을 가진 센서의 구조를 나타낸 도.
제18도는 자기 진단 동작을 나타낸 도면이다.
본 발명은 물리량에서 변환된 전기 신호 값으로부터 물리량을 검출하기 위한 검출장치에 관한 것이며, 특히 자기 교정(Self-Calibration)기능과 특성 보정 기능을 가진 검출장치에 관한 것이다. 예를 들면, 일본국 특개소 61-31952호에 기재된 바와 같이, 지금까지의 종래 검출장치는 오프라인 작업(off line work)으로 수행되는 교정동작을 시작하기 위해 측정동작이 정지되는 형태로 장치된다. 또한, 일본국 특개소 61-212753호에서는 검출장치에서 관찰된 특성을 분석하여 열화 진단이 가능한 장치가 개시되어 있다. 그러나 이러한 형태의 장치는 오프라인 작업으로 열화를 진단하는 동작을 수행한다. 종래의 교정은 오프라인 작업을 자동적으로 실행하기 위한 목적으로 실현되어 왔다. 또한, 검출장치의 신뢰성이 오프라인 작업시에 라인을 관찰하고 필요로 할때마다 경보를 제공함으로써 개선되는 것이 제안되었다. 그러나, 오프라인 작업시 교정을 수행하기 위한 한도가 주어지지 않는다면, 계측수단은 측정값이 변화 될 수 있는 시간에 비하여 오랜시간동안 정지되는 문제점을 가진다.
본 발명의 목적은 온라인 동작시에 자기 교정을 수행할 수 있는 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상당히 넓은 부분 또는 다수의 부분을 원거리로부터 교정과 보정을 행할수 있으며 용이하게 유지하고 안전하게 동작할수 있는 검출장치 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 자기 교정과 보정기능을 가지고 있고 용이하게 제조될 수 있는 소형의 검출장치를 제공하는 것이다. 상기의 목적을 달성하기 위하여, 교정 또는 보정 동작은 측정치가 변화될 수 있는 시간과 비교하여 상당히 짧은 시간 내에서 완료할 수 있어야만 한다. 그 이유는 계측테이터가 측정동작 동안에 수행된 교정 또는 보정동작으로 인한 혼란 또는 오차로부터 보호될 수 있어야 하기 때문이다. 전기신호를 처리가히 위한 장치로써, LSI 기술의 발전으로 인하여 상당히 빠른 속도의 반도체 IC가 최근 들어 사용할 수 있게 되었다. 그러므로, 전기 신호의 처리 속도는 비교적 짧은 시간으로 가변되는 계측값으로 자동차에서 계측을 수행할 수 있도록 필요한 값인 수십 내지 수 100㎲ 시간의 범위이어야 한다. 그러므로, 해결되지 않은 문제점은 검출수단을 동작하기 위해 필요한 시간을 단축하는 것이다. 따라서, 본 발명은 검출수단을 자극하고 동작시키도록 검출수단에 인접하여 배치된 자극수단을 구성한다.
그 구조는 크기에 있어서 수 100㎛의 소형 센서 또는 검출기와, 작동기 즉, 최근에 발전된 실리콘 등의 미세가공 기술을 이용하여 일체적으로 형성된 자극장치로 실현할 수 있다.
그리하여, 소형이고 일체적으로 형성된 자극장치는 검출장치를 지연시키지 않고 자극으로써의 교정신호를 공급할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해서는 검출장치에 정확한 교정신호를 공급하고 검출장치의 응답을 정확히 측정하는 것이 필요하다. 그러므로, 본 발명의 일 실시예에 의한, 구조는 정확성과 고 분해성 아날로그-디지탈 변환기를 구비한 신호처리 회로에 의해 검출장치에 공급된 교정시호를 사용한다. 그리고나서, 검출장치 고유의 응답 전기 신호가 처리된다. 또한 적당한 자기 교정 알고리즘은 마이크로 컴퓨터에 의해 정확하고 신속하게 수행된다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 구조는 처리장치가 통신기능을 제공하고 자기교정 및 특성보정이 별도의 통신기능과 자기교정의 결과에 의해 먼 위치로 부터 명령되고, 특성보정이 확인되는 본 발명의 일실시예에 따라서 구성된다.
본 발명에 의한 검출장치는 자극 수단을 거쳐 교정신호가 공급될 수 있도록 자극 수단이 검출수단과 인접하여 일체적으로 형성되어 바람직하게 구성된다. 따라서 검출장치로 부터의 응답 지연을 확실하게 방지할 수 있다. 또한 고속 처리 회로는 계측되는 값이 변화되는 시간과 비교하여 자기교정을 완료하기 위해 필요한 시간을 단축하기 위해 사용된다. 그러므로, 자기 교정이 계측동작 동안에 수행될 경우라도, 검출장치로 부터의 출력은 혼란으로부터 보호될 수 있다. 따라서, 소위 온라인(online)교정을 실현할수 있는 것이다.
또한, 동작하는 동안 얻어진 특성은 처리 수단으로 먼저 준비된 교정 및 보정 알고리즘에 의거 검출장치의 초기 특성과 비교함으로써 언제든지 보정된다. 따라서, 초기 성능을 유지하여 신뢰도를 현저하게 개선시킨다.
또 다른 목적들로서, 본 발명의 특징과 장점은 다음의 설명에 의하여 더욱 더 명백하게 될 것이다.
제1도를 참조하여 본 발명의 일 실시예의 기본 구성을 설명한다. 참조번호 1은 검출수단을 나타내고 참조번호 2는 검출수단(1)에 인접하고 일체적으로 배치된 자극수단을 나타낸다. 참조번호 3은 검출수단(1)과 자극수단(2)의 조립장치를 나타낸다. 참조번호 4는 제2도에 나타낸 바와 같이 구성되고 검출수단(1)과 자극수단(2)을 동작하기 위해 전원공급전압(Ex)을 공급하고 자극수단(2)에 공급되는 교정신호를 처리하도록 장치된 신호처리 수단을 나타낸다. 또한, 신호처리수단(4)은 검출수단(1)으로부터 응답 출력 신호를 증폭하고 변환 가능한 이른바, 신호 조정기능을 가진다. 더불어, 신호처리수단은 입출력을 교정하는 기능과 마이크로 컴퓨터(44)에 의해 실행된 디지탈-데이타 프로세싱으로 실현되는 특성 보정 기능을 가진다. 참조 번호 5는 상기의 소자들을 포함하는 검출장치를 나타낸다. 통상적으로, 검출장치는 압력, 유량, 가속도등과 같은 입력 물리량을 일정한 비트수의 디지탈량으로 변환시키고 출력한다. 참조번호 7은 신호처리수단(4)으로 부터의 지령신호, 출력신호를 송수신 가능한 통신장치를 나타내고, 또 통신장치(7)는 지령신호와 출력신호를 표시하는 기능을 가진다.
제2도는 신호처리수단(4)으로 제공한 회로의 구체적 구조를 나타낸다. 메모리(45)를 가진 마이크로 컴퓨터(44)로 부터 명령된 지령에 응답함에 있어서, 멀티플렉서(411)는 증폭시(412a)와 아날로그-디지탈 변환기(42)에 의해 수신되는 검출수단(1)으로부터 전송되는 출력신호를 발생시키도록 동작한다. 그결과, 수신된 출력신호는 디지탈 신호로 변환된다.
디지탈 신호에 의해 나타난 값에 의해서, 신호처리수단(4)은 전원 공급 전압(Ex)를 공급하거나 또는 다른 증폭기(421b)를 거쳐 자극수단(2)에 교정신호를 공급한다. 그결과, 오차를 보정할수 있는 정확한 검출 신호가 얻어진다.
다음, 스팬(span)교정 동작의 원리를 본 발명에 구체적으로 설명되는 정전용량식 압력 센서를 참고하여 설명한다.
제3도에 나타낸 바와 같이, 정전 용량식 압력센서는 차압(△P)에 의해 변위되고 각각 면적(A)를 가진 전극판(1a,1b)사이에 배치된 전극판(2)과 같은 형태로 구성된다. 각쌍의 전극판 사이의 거리는 차압이 없을 때 X0가 된다. 또한 전극 사이의 각 공간은 유전율(ε)를 가진 물질로 채워진다.
차압(△P)이 부가된다면, 제4도에 도시한 바와 같이 중간 전극 △X 만큼 변위된다. 변위량은 실질적으로 차압에 비례하고, 관계식은 △X =k·△P가 된다. 기호 k는 컴플라이언스(compliance)이다(스프링 상수의 역수).
k가 시간이 지남에 따라 변화된다고 판단되면, 시간(T)의 함수 즉 k(T)로 표현될 수 있다. 중간 전극판(2)의 상기의 변위량의 결과로, 용량(C1, C2)사이의 용량차(△C)가 발생되고, 용량(C1)은 전극(1a, 2) 사이의 용량이고, 용량(C2)은 전극(2, 1b) 사이의 용량이다.
제5도에 도시한 회로의 구성과 같이, 차압으로 인한 용량차(△C)는 다음식에 의해 검출된다.
여기서, 기호 E는 여기 전압, e는 검출되는 전압을 나타내고 △C는 C2- C1가 된다. 이것으로써, 전압은 다음과 같이 부하된 차압(△P)에 의해 표현할수 있다.
상기의 식(2)로 부터 나타낼 수 있는 바와 같이, 검출 전압 emax'즉, 최대 차압(△Pmax)에서의 출력 스팬은 컴플라이언스(k)가 시간 진행으로 변화될 경우 시간 진행으로 변화된다. 중간 전극의 전압(V)은 정전력으로 인한 변위량(△xv)을 발생시킴으로써 인가되고, 이 시간에서 발생된 출력전압(e)이 관계식에 의거한 상기 스팬변화를 교정할 목적으로 측정되도록 한다.
먼저, 제5도에 도시한 교정전압(V)은 다음의 식(3)으로 표현된 형태로 선택된다.
그러나, v〈 E / 2 이라고 가정하면, 전압(V)으로 인한 변위량은 제6도에 도시한 △X에 의한 표현된 값이 되고 다음의 식(4)으로 주어진다 :
이시간에서의 출력전압(e)은 다음의 식으로 주어진 범위가 된다 :
따라서, k(T)가 변위(V)로 알수 있다면, 스팬은 고정될 수 있다.
다음, 수순을 설명한다.
교정전압(V1,V2) 이 인가될때, 출력은 e1과 e2가 된다고 정의한다. 압력에 의존하는 조건을 식(5)으로 부터 제거하기 위하여 다음의 계산을 실행한다.
다음, 초기 T=0일때 △e와의 비는 다음과 같이 주어진다.
구해진 d를 이용하여, 교정출력()은 다음의 식으로부터 구해진다.
제7a도와 제7b도는 마이크로컴퓨터에서 처리되는 흐름도를 나타낸다. 제7a도는 루트(1)에 따른 통상의 계측작업인 메인 루틴을 나타낸다. 루트(1)에 있어서, 식(5)의 (v=0)일때의 검출전압()은 교정계수(d)를 승산하여 교정전압()를 구함으로써 측정된다. 그결과, 최종 검출값인 교정전압(e)를 구한다. 상기의 교정계수(d)은 루트(2)로 계산한다. 마이크로 컴퓨터용 프로그램은 제7b도에 도시한 교정측정 서브루틴으로 공급되고, 교정 펄스전압(V1, V2)을 측정함으로써 얻어진 검출전압(e1, e2)을 인가하여 검출전압(e1, e2) 사이의 차분치(△e)는 계산된다.
교정은 초기교정과 임의 교정을 포함하고 있다. 초기교정은 제조공장에서 제품을 운반할 때에 실행되고, 초기차분치(△e-init)을 루트(3)의 처리에 의해 계산하고 저장하도록 수행된다. 루트(2)는 현재 차분치(△e-present)가 △e-init에 비례하는 교정계수(d)를 산출하도록 계산되는 임의의 교정으로 실행된다. 구해진 교정계수(d)는 이전 값을 갱신하도록 기억된다.
상기에 설명된 바와 같이, 교정계수(d)로 검출전압(e)를 승산하여 구한 교정전압()으로 감도 드리프트가 보정되면 압력은 구할수 있다.
제8도 및 제9도는 센서가 실리콘 미세가공 기술에 의해 제조되는 대표적인 두가지 방식인 정전 용량식과 압전 저항식의 반도체 가속센서의 기본 구조를 나타낸다.
가속센서는 가속도가 존재하는 경우에 일정 질량으로 작용하는 관성력의 측정에 의하여 가속도를 구할수 있게 한다. 제8, 9도에 도시한 각각의 가속센서는 로드(Load)(53)와 로드(53)을 지지하기 위한 캔틸레버(54)를 비등방성 에칭으로 중간 실리콘 기판(51)상에 형성시키는 구조로 되어 있다. 가속도(α)가 인가되면 로드(질량 m)에 작용하는 관성력(E1=mα)은 변위되는 로드(질량 m)을 발생시킨다. 한편, (F2=kx)로 표현된 복원력 로드에 주어지도록 캔틸레버는 스프링으로 작용하고, 복원력은 변위 방향에서 역방향으로 주어진다(여기서, 기호 k는 스프링 상수를 나타내고, x는 변위량을 나타낸다). 그결과, 상기의 두가지 힘이 균형을 이룰때의 위치에서 로드는 변위된다. 관계식(F1=F2x)로부터 변위량 x는 다음과 같이 주어진다.
따라서, 가속도(α)는 변위량(x)으로 구할수 있다.
제8도에 도시한 정전용량식 가속센서는 중간 실리콘 기판(51)에 대향하는 상부기판(52a)과 하부기판(52b)의 표면에 형성된 상단 고정전극(55a)과 하단고정전극(55b)를 구비한다. 정전용량식 가속센서는 고정전극과 로드(가동전극)사이의 정전용량으로 부터 식(Ⅰ)의 변위량(x)을 구하여 가속도를 측정하기 위해 작용한다.
한편, 제9도에 도시한 압전저항식 가속센서는 불순물 확산 영역을 구비한 게이지부(58)를 캔틸레버(54)상에 형성하기 위해 구성된다. 로드(53)가 가속도에 의해 변위될 때, 캔틸레버는 변형되고 압전 저항 효과에 의해 변화되는 게이지부(58)의 전기 저항을 발생시킨다. 변위량은 가속도를 얻을 수 있는 게이지부의 전기 저항으로부터 구할수 있다.
따라서, 가속도에 대응하는 출력신호(V(α))는 로드와 고정전극 또는 게이지부의 전기저항 사이의 정전 용량을 처리하는 신호 처리 회로에 의해 구한다. 출력과 가속도(α)가 선형성을 유지하기 위해 통상적으로 처리된다면, 출력(V(α))은 다음의 식으로 표현된다.
가속 센서 어떤 이유로 시간이 지남에 따라 변화된다고 가정한다. 변화가 가속도와 유지되는 출력(실제적으로) 사이의 선형 관계를 유지한다면, 출력은 시간 함수가 된다. 따라서, 출력은 다음과 같다.
가속도-출력특성(Ⅲ)의 스팬 P(t)과 영점 g(t)을 정확하게 알수 있다면, 가속도(α)는 출력 V(α, t)를 측정하여 정확하게 구해진다.
p(t)와 q(t)가 식(Ⅲ)으로 구해지지 않는 경우에는, 두 개의 가속도(α1, α2)에 대응하는 출력V(α1, t)와 V(α2, t)를 측정하기 위해 어떠한 방법에 의한 두개의 다른 가속도(α1, α2)를 발생시켜 구할 수 있다. 즉, p(t)와 q(t)는 다음의 연립방정식으로 구해진다.
한편, 가속도(α)는 식(Ⅰ)으로 주어진 관계식의 로드의 변위량(x)에 대응한다. 그러므로, 가속도(α1, α2)를 설정하는 것은 가속도(α1, α2)에 대응하는 변위량(x1, x2)을 설정하는것과 같게 된다. 따라서, 다음의 관계식은 식(Ⅰ), (Ⅳ)으로 구한다:
여기서,
식(5)로 나타낸 설정된 변위량(x1, x2)는 상대적으로 쉽게 구할수 있다. 즉, 로드가 작동기에 의해 강제로 변위되고 센서출력 V(x, t)의 특성이 설정된 특정변위(x1, x2)에서 급격히 변화되는 구조일수도 있고, 대안적으로, 그 이상의 변위가 되지 않는 구조이면 된다.
제10도 및 제11도는 상기의 구성의 일예를 나타내며, 가속도 또는 외부력이 로드에 작용할 경우 일정치 이상을 초과하는 변위량을 방지할 목적으로 스토퍼(60a, 60b)을 설치한다. 로드가 스토퍼(60a, 60b)와 접촉되어 있을 때 얻어진 변위량(x1, x2)이 미리 알려지면, p(t)와 q(t)는 그 시간의 출력 V(x1, t), V(x2, t)을 측정하여 식(Ⅴ),(Ⅵ)으로부터 구해진다.
정전용량식 센서의 경우에 스토퍼와 접촉하도록 소정의 시간에서 로드를 변위시키기 위하여, 전압을 로드와 상부고정전극(55a) 또는 하부 고정전극(55b) 사이에 공급되고, 정전용량을 얻도록 작용하여서, 그 사이에 정전력을 인가한다. 또한, 압전저항식 센서의 경우에 있어서는, 상부 고정전극(55a)과 하부 고정전극(55b)을 형성하고 전압을 로드와 상부고정전극(55a) 또는 하부고정전극(55b) 사이에 인가한다.
상기 설명과 같이, 시간이 변화함에 따라 가속 출력 특성의 변화는 고정전극과 로드 사이에 전압을 주기적으로 인가하여 얻어진 출력으로 부터 간단한 연산으로 보정될 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 가속도가 센서가 인가될 경우라도 보정을 실행할 수 있다.
상기의 실시예에 따라서, 로드의 변위량을 측정하고, 가속도를 측정된 변위량으로 구한다. 서보식 가속센서는 대표적인 가속센서로 알려져 있다. 서보식 가속센서는 가속으로 인한 로드의 변위량을 구하고 변위량을 나타낸 신호를 피드백 시키도록 설계되었다. 또, 신호에 응답하여 로드에 센서의 역방향에서 힘을 인가함으로써 로드는 원래 위치로 복귀된다. 피드백의 양이 가속도의 크기에 대응한다면 가속도는 피드백의 양으로 구해진다. 본 발명에 의해서, 변위량은 가속도에 영향 받지 않는 일정한 상수이다.
상기의 실시예와 유사하게 변위량을 정전용량 방법 또는 압전저항 방법으로 측정하기도 한다. 또한, 정전력 또는 자기력을 이용하여 피드백량에 따라 로드에 힘을 인가한다.
서보식 센서에 있어서, 최종 출력신호와 가속도 사이의 관계식은 보통 식(Ⅱ)으로 나타낸다. 이것은 제 2의 힘(F)이 서보시스템의 피드백 량에 대응하는 힘을 더하여 로드에 인가되는 것으로 가정한 것이다. 이 시간에서의 센서로 부터의 출력은 다음식으로 표현할 수 있다.
설정된 크기의 힘(F1, F2)가 인가되는 경우에는 다음 관계식으로 표시한다.
위식에서 아래 식을 감산하면 다음식을 구할수 있다.
힘 F(F=0 라 가정)을 가한채로 모터등과 같은 작동기에 의해 센서소자가 상하로 역전되면, 각 가속도의 방향과 센서에 인가된 제 2의 힘은 역전된다. 그러므로 출력은 다음과 같이 된다.
(Ⅶ)과 식(Ⅹ)을 가산하면, 다음 관계식이 구해진다.
따라서, q는 식(XI)으로부터 구해진다.
제12도 및 제13도는 각각 센서소자 구성의 구체적 실시예를 나타낸다. 제12도는 정전용량을 사용하여 변위량을 측정하는 구조를 나타내고, 반면에 제13도는 압전 저항 소자를 사용하여 변위량을 측정하는 구조를 나타낸다. 각각의 구성에 있어서, 피드백량에 의한 힘과 제 2의 힘은 서보시스템을 형성하기 위한 정전력을 이용하여 로드에 인가된다. 참조번호 61a와 61b는 변위량에 대응하는 정전용량을 검출하기 위한 전극을 나타낸다. 참조번호 62a와 62b는 서보 효과에 대한 정전력을 인가하기 위한 전극을 나타낸다. 참조번호 63a와 63b는 로드에 제 2의 힘을 인가하기 위한 정전력을 인가하는 전극을 나타낸다. 이러한 전극들은 적당한 서보시스템과 정전력을 인가하기 위한 회로 구성을 장치하여 연합된 형태로 사용될 수 있다.
로드의 변위량이 서보식 센서의 일정한 상수이면 각각 두 개의 정전력인가 전극(63a, 63b)과 로드 사이의 갭(gap)은 일정한다. 그러므로, 식(Ⅷ)으로 나타낸 일정한 힘은 정전력 인가전극(63a, 63b)에 인가되는 전압 레벨을 가변하여 간단히 구해진다. 따라서, 갭의 크기와 인가되는 전압 레벨이 미리 알 수 있다면, 각각의 힘(F1, F2)의 크기는 전극면적으로 계산된다.
상기에 언급된 실시예에 의하여, 시간 변화에 따라 서보식 가속센서의 가속 출력특성의 변화가 보정되는 효과를 얻을 수 있다.
다음에 자기-자극 기능을 가진 센서가 자동차용 공연비 센서로 공급되는 일실시예를 설명한다. 제14도는 과잉 공기율(λ), 배기가스 성분 및 기전력 사이의 관계를 나타낸다. 잘 알려진 바와 같이, 잔존산소 농도는 희박(lean)영역 (λ〉1)에서 과잉공기율로 증가되고, 일산화탄소와 수소등과 같은 미연소 가스의 농도는 과잉공기율(λ)이 감소하는 농후(rich)영역(λ1)에서 증가된다. 여기서, 이론공연비(λ=1)에서의 단계적 출력 특성을 나타내는 기전력(eλ)를 이용한 O2센서는 자동차 배출가스 규제를 만족시키기 위해 엔진 제어용 키이(key)센서로 이용된다. 그러나, O2센서가 단지 이론공연비만을 검출할 수 있다면, O2센서는 농후 영역에서의 고출력화와 이론 공연비에서의 배기 가스의 정화성 개선 및 희박 영역에서의 경제적 효율성을 달성할 수가 없다. 그러므로, 엔진의 가장 적당한 연소제어를 달성하기 위해서 희박 영역에서 농후 영역으로 광범위하게 과잉 공기율(λ)을 연속적으로 정확하게 검출할수 있는 공연비 센서가 요구되어 왔다. 따라서, 가스 확산막에서의 상기에 언급된 각종성분의 확산 제어 현상과 산하 지르코늄 고체 전해질의 산소 펌프 현상을 이용하는 공연비 센서가 알려져 있다.
제15도는 상기에 언급된 형의 공연비 센서특성(Ⅴ-Ⅰ)의 일예를 나타내며, 검출부에 인가된 여기전압(E)과 검출부를 통과하는 펌프전류(Ip) 사이의 관계를 나타낸다. 본 도면에서 도시한 바와 같이, 펌프전류(Ip)는 여기 전압의 일정 범위내로 설정된 값을 나타낸다. 설정값은 가스 확산막과 과잉 공기율(λ)에서 확산저항(R)에 의해 결정된 값이며, 그 값을 임계 전류치로 부른다. 과잉 공기율(λ)은 임계전류치(Ip)의 범위로부터 측정된다.
확산저항(R)은 가스 확산막의 먼지 부착과 가스 확산막에 생긴 미세한 결함때문에 변화하고, 변화에 대응하도록 임계 전류치(Ip)를 발생시킨다. 가스 확산막에 먼지가 부착하는 경우에, 확산저항이 증가된다면 임계전류치는 감소된다. 한편, 미세한 홈이 있는 경우에 확산저항은 감소되고, 임계전류치를 증가시킨다. 상기의 두가지의 어느 경우에도 과잉공기율(λ)은 정확히 검출되지 않는다.
제16도는 출력전압(V0)에서 과잉공기율(λ)에 대응하는 임계전류치를 변화하여 구한 특성을 나타낸다. 공연비 센서의 초기특성은 실선으로 나타내었다. 가스확산 구성의 확산저항(R)이 시간 진행에 따라 증가될때 얻어진 출력 특성은 일점 쇄선으로 표시하였고, 확산저항이 감소될 때 얻어진 출력 특성은 이점쇄선으로 표시하였다. 도면에 나타낸 바와 같이, 공연비 센서의 영(zero)점, 즉, 이론 공연비점(λ=1)에서의 출력 전압은 변화되지 않는다. 이러한 이유로 임계전류치가 제15도에 도시한 바와 같이 이론공연비 점에서는 영이 된다. 출력전압은 농후영역(λ1)과 희박영역(λ1)에서만 변화되고, 즉, 공연비 센서의 감도만이 변화된다.
다음, 자기-진단 기능을 가진 공연비 센서를 제17도를 참고하여 설명한다. 공연비 센서는 교정 전기 신호가 인가될 때 발생된 센서의 특성변화의 변화량을 측정하고 시간 진행에 따라 감도의 변화를 전기 신호와 센서의 특성 변화의 변화량에 의해 보정하는 것으로 설계되었다.
제17도를 참고하면, 공연비 센서의 검출부는 산화지르코늄 고체 전해질(100), 다공질 전극(101,102)과 가스 확산막(103)으로 이루어져 있다. 산화지르코늄고체 전해질(100)은 그 내부표면에 형성된 다공질 전극(101)과 그 외부표면에 형성된 다공질 전극(102) 및 가스 확산막(103)와 함께 관상형으로 되어 있다. 다공질 전극(101)은 대기중에 노출되고 다공질전극(102) 및 가스확산막(103)은 간막이 벽으로 작용하는 산화지르코늄 고체전해질(100)과 함께 배기가스에 노출된다.
검출수단은 스위치(104)와 임계전류(Ip) 측정부(105)로 이루어지고, 자극 수단은 설정전류(Ip*) 공급부(106)로 이루어진다. 처리수단(107)은 자기 교정기능을 구비하여 바람직하게 마이크로 컴퓨터로 이루어져 있다. 제17도는 스위치(104)가 접점(108, 109, 110)을 구비하고, 접점(108)이 접점(109)과 접속될 때는 설정전류(Ip*)를 공급하기 위한 공급부(106)를 동작시키고, 접점(108)이 접점(109)과 접속될때는 임계 전류치(Ip)을 측정하기 위한 측정부(105)를 동작시키도록 장치된 것을 개략적으로 나타낸 것이다. 접점(108)이 접점(109), 접점(110) 중 어느 접점과도 접속되지 않을때는 양 임계전류(Ip)를 측정하기 위한 측정부(105)와 설정전류(Ip*)을 공급하기 위한 공급부(106)는 동작되지 않는다.
배기 가스에 포함된 가스의 농도는 과잉 공기율(λ)에 의해 변화된다. 따라서, 잔존 산소와 일산화 탄소등의 미연소가스의 성분에 대응하는 임계전류(Ip)는 접점(108)과 접점(110)이 접속될 때 임계전류(Ip)를 측정하기 위한 측정부(105)에 의해 측정된다. 공연비 센서의 출력특성은 자동적이고 주기적으로 진단된다(예를 들어, 매달마다). 즉, 과잉 공기율(λ)이 상당히 긴 시간동안 설정값(바람직하게는 이론 공연비 λ=1)을 연속적으로 나타내면 자기-진단 기능부(107)은 접점(108, 109)사이의 접속이 이루어지도록 스위치(104)를 제어한다.
그 결과로서, 설정전류(Ip*)를 공급하기 위한 공급부(106)는 동작된다.
설정전류(Ip*) 공급부(106)는 검출부에 교정 전류신호(Ip*)를 강제로 공급한다.
그 결과에 의하여, 설정전류(Ip*)에 대응하는 설정량의 산소는 다공질 전극(101)으로부터 공급될 수 있고, 다공질 전극(102)에서 산화지르코늄 고체 전해질(100)를 거쳐서 대기중에 노출되고 배기가스에도 노출된다. 이렇게 공급된 산소는 가스확산막(103)을 통해 다공질 전극(102)으로부터 배기가스로 배출된다. 산소의 배출비가 가스 확산막(103)의 확산저항(R)에 의거하여 결정되면, 시간 진행에 따른 공연비 센서의 감도의 변화는 다공질 전극(102)와 가스 확산부(103) 사이의 중간에서 산소의 성분 변화를 측정하여 진단될 수 있다. 가스확산막(103)이 확산저항(R)이 큰 경우에는 산소의 배출비가 낮고, 반면에 확산저항(R)이 작을 경우에는 배출비가 높게 된다.
상기에 설명한 바와 같이, 산소 배출비가 초기 보다 낮다는 것은 공연비 센서의 감도가 악화되었다는 것을 증명하는 것이다. 반대로, 그 비율이 높다는 것은 감도가 향상된다는 증거를 나타낸다. 설정전류(Ip*)을 공급하기 위한 공급부(106)가 동작된 직후, 임계전류(Ip)을 측정하기 위한 측정부(105)는 자기-진단 기능부로부터 받은 명령에 응답하여 간헐적으로 동작된다. 그 결과, 시간진행(즉, 시간이 지남에 따라 확산저항(R)의 변화)에 따른 산소 배출비의 변화를 분석할 수 있다. 시간 진행에 따른 확산저항(R)의 변화를 알게되면, 과잉공기율(λ)에 대응하는 정확한 출력전압(Vout)은 자기-진단 기능부(107)에 의해 공연비 센서의 감도를 보정하여 구하게 된다. 다음, 시간진행에 따른 확산저항(R)의 변화를 진단하는 방법은 제18도를 참고하여 상세히 설명한다. 그래프(a)는 임계전류(Ip)를 측정하기 위한 측정부(105)의 출력특성을 나타내고, (b)는 임계전류(Ip)을 측정하기 위한 측정부(105)의 동작상태를 나타내고, (c)는 설정전류(Ip*)을 공급하기 위한 공급부(106)의 동작 상태를 나타내고, (d)는 접점(108)이 완전히 개방된 상태를 나타낸다.
그래프(a)에 도시한 바와 같이, 과잉공기율(λ)는 자동차 상태에 대응하는 적당한 공연비를 설정하기 위하여 λ' →λ =1 → λ 로 제어된다. 이론 공연비(λ=1)에서 동작이 일정시간 주기로 계속된 후, 스위치(104)의 접점(108)의 접속은 접점(110)으로부터 접점(109)으로 변화된다. 그 결과, 설정전류(Ip*)공급부(106)는 일정시간(t0)동안 동작되고, 설정량의 산소를 다공질 전극(102)에서 다공질 전극(101)으로 강제로 공급한다. 그리고나서, 임계전류(Ip) 측정부(105)는 검출부에서 발생된 임계전류(Ip)의 변화를 감지하도록 간헐적으로 동작된다. 검출된 전류(Ip)는 그래프(a)에서 일점쇄선으로 나타낸 바와 같이 점점 감소된다. 그것은 설정범위(Ipc)에서 낮아지는 전류(Ip)에 대한 시간(τ)을 갖는다. 전류(Ip)의 범위에서 감소하는 이유는 다공질전극(102)과 가스확산막(103) 사이의 접촉영역에서의 산소가 배기가스로 방출되므로 접촉영역에서의 산소농도가 점차 낮아지기 때문이다.
가스확산막(103)의 확산저항(R)이 감소되면, 상기의 시간(τ)은 초기치 τ0보다 단축된다. 반대로, 확산저항이 증가되면, 시간(τ)은 초기치 τ0보다 길게 된다. 그러므로, 자기-진단 기능부(107)는 공연비 센서의 감도가 전자의 경우 보다 감소되는 형태로 스위칭 보정을 실행하고, 반면에, 후자의 경우에는 증가하도록 실행된다. 그 결과, 정확한 출력전압(Vout)을 구할수 있다.
상기의 설명과 같이, 시간 진행에 따른 감도 변화는 인가된 교정 전기 신호(Ip*)로 발생되는 공연비 센서의 특성변화(Ip)의 변화량에 의하여 보정될 수 있다.
본 발명에 의하여, 교정동작은 측정동작에 부가하여 실행될 수 있다. 따라서, 정확한 출력을 연속적으로 검출할 수 있다.

Claims (12)

  1. 물리량을 전기량으로 검출하는 검출장치에 있어서: 검출수단과; 상기 검출수단을 자극하는 수단; 및 상기 자극수단을 경유해서 상기 검출수단에 교정신호를 공급하여 상기 검출수단의 고유의 응답을 측정함으로써, 상기 응답의 변화량에 의거하여 자기교정 및 특성보정이 수행되도록 작동하는 신호처리수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 통신장치, 및 상기 자기교정과 상기 특성보정의 결과를 표시하는 수단을 더욱 포함하여 이루어지고; 상기 표시수단은 상기 처리수단 및 상기 통신장치 중의 하나에 마련되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 검출수단, 상기 자극수단, 및 상기 처리수단은 실리콘기판상에 형성되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 검출수단 및 상기 자극수단은 실리콘 단결정기판상에 형성되고, 상기 실리콘 단결정기판상에 형성된 산화막 또는 질화막에 의해 형성된 마스크를 사용하여 이방성 에칭에 의해 가공되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 검출수단 및 상기 자극수단은 붕소규산유리를 경유하여 정전기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 검출수단은 압전저항장치를 포함하는 스트레인발생체를 구비하는 한편, 상기 스트레인발생체의 중앙부에 형성되어 상기 자극수단으로서 역할하는 정전용량을 경유하여 교정전압신호가 인가되고, 상기 압전저항장치의 저항이 측정되며, 상기 저항의 변화에 따라 감도가 교정되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 검출수단은 지지된 가동전극 및 고정전극을 포함하는 가변정전용량이고, 상기 가동전극 및 다른 고정전극에 의해 형성되어 상기 자극수단으로서 역할하는 정전용량을 경유하여 교정전압신호가 인가되어 상기 가변정전용량의 용량을 측정하며, 상기 용량의 변화에 따라 감도가 교정되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 검출수단은 고정된 전해질의 대향측상에 형성된 전극, 가스확산막, 및 임계 전류측정부를 포함하는 한편, 상기 자극수단은 소정의 전류를 공급하는 수단을 포함하여 교정전류신호를 인가하며, 상기 임계전류의 감쇠시간이 측정되어 상기 감쇠시간의 변화에 따라 감도가 교정되는 것을 특징으로 하는 검출장치.
  9. 물리량을 전기량으로 검출하는 장치에서 데이터를 처리하는 방법에 있어서: 교정신호를 처리수단으로부터 자극수단을 경유하여 검출수단에 공급하는 단계와; 상기 검출수단의 특성응답을 표시하는 신호를 측정하여 자기교정을 수행하는 단계; 및 상기 특성을 초기에 측정된 특성과 비교하여 상기 특성의 변화량에 따라 특성보정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터처리방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 자기교정 및 특성보정은 통신장치로부터 발생된 명령에 응답하여 수행되는 것을 특징으로 하는 데이터처리방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 통신장치는 각각 식별코드를 갖는 복수의 검출장치와 통신하는 것을 특징으로 하는 데이터처리방법.
  12. 제10항에 있어서, 통신신호는 전자파 또는 초음파의 단속으로 이루어지며, 상기 통신장치는 휴대가능한 것을 특징으로 하는 데이터처리방법.
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