JP2006053126A - Gas concentration detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス濃度検出装置に関するものである。 The present invention relates to a gas concentration detection device.
例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度(空燃比)を検出する限界電流式の空燃比センサ(いわゆるA/Fセンサ)が知られている。すなわち、A/Fセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。そして、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果から酸素濃度(空燃比)が検出されるようになっている。 For example, a limit current type air-fuel ratio sensor (so-called A / F sensor) is known that detects an oxygen concentration (air-fuel ratio) in an exhaust gas discharged from a vehicle engine as a detected gas. That is, the A / F sensor has a sensor element composed of a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the solid electrolyte body, and an element current corresponding to the oxygen concentration each time a voltage is applied to the sensor element. Is configured to flow. The element current flowing in the sensor element is measured, and the oxygen concentration (air-fuel ratio) is detected from the measurement result.
上記A/Fセンサでは、センサ素子が活性状態にあることを前提に酸素濃度が正確に検出できるため、当該センサ素子の活性状態を知るべくセンサ素子の素子抵抗検出(インピーダンス検出)が行われる。具体的には、A/Fセンサに接続したセンサ回路において、センサ印加電圧を正側又は負側に変化させ、その時の電圧変化量を計測すると共にその電圧変化に応答する電流変化量を計測する。そして、電圧変化量と電流変化量との比により素子抵抗を演算するようにしている(例えば特許文献1参照)。 In the A / F sensor, since the oxygen concentration can be accurately detected on the assumption that the sensor element is in an active state, element resistance detection (impedance detection) of the sensor element is performed in order to know the active state of the sensor element. Specifically, in the sensor circuit connected to the A / F sensor, the sensor applied voltage is changed to the positive side or the negative side, the voltage change amount at that time is measured, and the current change amount responding to the voltage change is measured. . The element resistance is calculated based on the ratio between the voltage change amount and the current change amount (see, for example, Patent Document 1).
ここで、素子抵抗の演算値は、センサ素子活性化のためのヒータ制御や異常検出等に用いられるが、近年では、排ガス関連の法規制やセンサ故障診断関連の法規制などが強化されつつあり、素子抵抗の演算精度の向上が望まれている。また、現状では、素子抵抗の演算時において、個体差等を考えるとセンサ印加電圧の変化量を計測する必要があり、その電圧変化に応答する電流変化量の計測とが要件となっている。よって、それら各計測で計測誤差が生じることなどを考えると、その分素子抵抗の精度低下が生じる。それ故に、素子抵抗の演算に関して技術の改善が望まれている。その他、回路構成の簡素化が要求されており、具体的には、計測信号用のA/D変換の入力信号減が望まれている。
本発明は、素子抵抗の演算精度向上を図り、ひいては排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施を可能とすることができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。 The main object of the present invention is to provide a gas concentration detection device capable of improving the calculation accuracy of element resistance, and thus enabling suitable implementations such as exhaust gas emission improvement and sensor failure diagnosis. .
本発明は、固体電解質体よりなるセンサ素子に電圧を印加してその電圧印加状態でセンサ素子に流れる素子電流を計測し、該素子電流の計測値を基に被検出ガス中のガス濃度を検出するようにしたガス濃度検出装置を前提としている。そして、当該ガス濃度検出装置において、センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与し、その所定量の電圧変化又は電流変化に応答する電流又は電圧の応答変化量を計測する。また、電流又は電圧の応答変化量(応答変化量計測手段の計測値)のみを演算パラメータ(演算変数)とし、センサ素子の素子抵抗値(素子インピーダンス)を演算する。電流又は電圧の応答変化量(応答変化量計測手段の計測値)をそのまま素子抵抗値として取り扱うことも可能である。 The present invention applies a voltage to a sensor element made of a solid electrolyte body, measures the element current flowing through the sensor element in the voltage application state, and detects the gas concentration in the gas to be detected based on the measured value of the element current. This is based on the assumption that the gas concentration detection device is configured to do so. In the gas concentration detection device, a current or voltage that temporarily applies a predetermined amount of voltage change or current change on the current path connected to the sensor element and responds to the predetermined amount of voltage change or current change. Measure the amount of response change. Further, the element resistance value (element impedance) of the sensor element is calculated using only the current or voltage response change amount (measured value of the response change amount measuring means) as a calculation parameter (calculation variable). It is also possible to treat the current or voltage response change amount (measured value of the response change amount measuring means) as it is as the element resistance value.
一般に、素子抵抗の演算時には、積極的に付与する電圧又は電流の付与変化量と、それに応答する電流又は電圧の応答変化量とをそれぞれ計測し、それら付与変化量の計測値と応答変化量の計測値との比から素子抵抗値が演算されるが、付与変化量が固定値であれば、実質的に素子抵抗に対応するのは応答変化量となる。故に、上記の如く応答変化量の計測値のみを演算パラメータとして素子抵抗値を演算することができる。かかる場合、応答変化量の計測値のみを演算パラメータとすることで、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。 In general, when calculating the element resistance, the applied change amount of the voltage or current to be applied positively and the response change amount of the current or voltage in response thereto are respectively measured, and the measured value of the applied change amount and the response change amount of the applied change amount are measured. The element resistance value is calculated from the ratio to the measured value. If the applied change amount is a fixed value, the response change amount substantially corresponds to the element resistance. Therefore, the element resistance value can be calculated using only the measured value of the response change amount as the calculation parameter as described above. In this case, by using only the measured value of the response change amount as a calculation parameter, the measurement of the applied change amount is not a requirement, and the measurement error caused by the measurement of the applied change amount can be excluded from the calculation error of the element resistance. Therefore, the calculation accuracy of the element resistance can be improved. As a result, the sensor element can always be held in a good state, and suitable implementations such as improvement of exhaust gas emission and sensor failure diagnosis are possible.
また、変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録(内部記憶)しておき、該登録した付与変化量と、電流又は電圧の応答変化量(応答変化量計測手段の計測値)とを基に、センサ素子の素子抵抗値を演算する構成であっても良い。本構成であっても、前記同様、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。 Further, the applied change amount of the voltage or current by the change applying means is registered in advance (internal storage), and the applied applied change amount and the response change amount of the current or voltage (measured value of the response change measuring means) The element resistance value of the sensor element may be calculated based on the above. Even in this configuration, as described above, the measurement of the applied change amount is no longer a requirement, and the measurement error caused by the measurement of the applied change amount can be excluded from the calculation error of the element resistance. Therefore, the calculation accuracy of the element resistance can be improved. As a result, the sensor element can always be held in a good state, and suitable implementations such as improvement of exhaust gas emission and sensor failure diagnosis are possible.
応答変化量計測回路において電流又は電圧の応答変化量の計測値を増幅して応答変化量信号として出力し、更にマイクロコンピュータにおいて応答変化量信号をA/D変換し、そのA/D値を用いて素子抵抗値を演算する構成では、応答変化量についての計測、増幅時の誤差やA/D入力誤差だけが素子抵抗演算の誤差要因となる。この場合、付与変化量も同様に計測する構成に比べ、誤差要因が減るために素子抵抗の演算精度向上が可能となる。また、素子抵抗の演算に関して、マイクロコンピュータでのA/D変換が応答変化量信号のみで良くなり、A/D変換器の削減が可能となる。 A response change amount measurement circuit amplifies the measured value of the current or voltage response change amount and outputs it as a response change amount signal. Further, the microcomputer A / D converts the response change amount signal and uses the A / D value. In the configuration in which the element resistance value is calculated, only an error during measurement and amplification of the response change amount and an A / D input error are error factors in the element resistance calculation. In this case, since the error factor is reduced as compared with the configuration in which the applied change amount is similarly measured, the calculation accuracy of the element resistance can be improved. In addition, regarding the calculation of the element resistance, A / D conversion in the microcomputer only needs to be a response change amount signal, and the number of A / D converters can be reduced.
また、本発明の他への適用として、被検出ガス中の酸素濃度又は少なくとも酸素を含む特定成分の濃度に応じて一対の電極間で起電力を発生する起電力出力型のガスセンサへの適用も可能である。かかる場合、センサ素子の電極に接続される電流経路上に変化付与手段(例えば交流電源)と、抵抗素子及び容量素子(例えばカップリングコンデンサ)からなる直列回路部とを設ける。そして、センサ素子の電極に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与し、その電圧変化又は電流変化時にセンサ素子の端子電圧を計測すると共に、該端子電圧の計測値のみを演算パラメータ(演算変数)として素子抵抗値(素子インピーダンス)を算出する。なお、センサ素子の端子電圧は、抵抗素子及び容量素子の抵抗成分とセンサ素子の抵抗成分とによる分圧値として計測される。 As another application of the present invention, the present invention is also applicable to an electromotive force output type gas sensor that generates an electromotive force between a pair of electrodes in accordance with the oxygen concentration in the gas to be detected or the concentration of a specific component containing at least oxygen. Is possible. In such a case, a change applying means (for example, an AC power source) and a series circuit unit including a resistance element and a capacitance element (for example, a coupling capacitor) are provided on a current path connected to the electrode of the sensor element. Then, a predetermined amount of voltage change or current change is temporarily applied on the current path connected to the electrode of the sensor element, and the terminal voltage of the sensor element is measured at the time of the voltage change or current change. The element resistance value (element impedance) is calculated using only the measured value of as a calculation parameter (calculation variable). Note that the terminal voltage of the sensor element is measured as a divided value by the resistance component of the resistance element and the capacitance element and the resistance component of the sensor element.
本構成においても、上記同様、電圧変化等に応答して変化するセンサ素子の端子電圧の計測値のみを演算パラメータとすることで、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。 Also in this configuration, as described above, by using only the measured value of the terminal voltage of the sensor element that changes in response to a voltage change or the like as a calculation parameter, the measurement of the applied change amount is not a requirement, and the measurement of the applied change amount is performed. The measurement error caused by can be eliminated from the calculation error of the element resistance. Therefore, the calculation accuracy of the element resistance can be improved. As a result, the sensor element can always be held in a good state, and suitable implementations such as improvement of exhaust gas emission and sensor failure diagnosis are possible.
また、上記のとおりセンサ素子に接続される電流経路上に容量素子を設けると共に、センサ素子の端子電圧に基づいて素子抵抗値を検出する構成では、電圧変化等の付与後に時間の経過に伴い抵抗素子の両端電圧が収束していく過程(ピーク後の収束過程)において、センサ端子電圧と素子抵抗値(インピーダンス)との相関が保たれ、素子抵抗値を正確に算出できる。したがって、例えばセンサ内蔵のヒータをON/OFF制御する際に生じるヒータノイズの低減目的でLPFを設ける場合において、そのLPFによりセンサ端子電圧の計測値がなまされてしまいそのピーク値の計測が困難になったとしても、センサ端子電圧の収束過程の計測値によって素子抵抗値が精度良く算出できる。これにより、素子抵抗値の算出精度の向上と十分なヒータノイズ対策との両立が実現できる。 In addition, in the configuration in which the capacitive element is provided on the current path connected to the sensor element as described above and the element resistance value is detected based on the terminal voltage of the sensor element, the resistance increases with the passage of time after application of a voltage change or the like. In the process in which the voltage across the element converges (the convergence process after the peak), the correlation between the sensor terminal voltage and the element resistance value (impedance) is maintained, and the element resistance value can be calculated accurately. Therefore, for example, when an LPF is provided for the purpose of reducing heater noise generated when ON / OFF control of a heater with a built-in sensor is performed, the measured value of the sensor terminal voltage is smoothed by the LPF, and it is difficult to measure the peak value. Even if, the element resistance value can be accurately calculated from the measured value of the convergence process of the sensor terminal voltage. Thereby, the improvement of the calculation accuracy of the element resistance value and the sufficient countermeasure against the heater noise can be realized.
なお、容量素子は、センサ素子の容量成分よりも十分に容量の小さいものであると良い。この場合、変化付与手段により電圧変化又は電流変化を付与した後のセンサ端子電圧の収束は容量素子へのチャージスピードが支配的となり、センサ端子電圧はセンサ素子の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けない。したがって、センサ素子の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けることなく、素子抵抗値を精度良く算出することができる。 Note that the capacitive element preferably has a capacitance sufficiently smaller than the capacitive component of the sensor element. In this case, the convergence of the sensor terminal voltage after applying the voltage change or current change by the change applying means is dominated by the charge speed to the capacitive element, and the sensor terminal voltage is subject to a change in capacity due to individual differences or deterioration of the sensor element. Not affected. Therefore, the element resistance value can be accurately calculated without being affected by the capacitance change due to individual differences or deterioration of the sensor elements.
また、変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録(内部記憶)しておき、該登録した付与変化量と、変化付与手段による電圧変化又は電流変化時におけるセンサ素子の端子電圧の計測値とを基に、センサ素子の素子抵抗値を演算する構成であっても良い。本構成であっても、前記同様、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。 In addition, the applied change amount of the voltage or current by the change applying unit is registered in advance (internal storage), and the registered applied change amount and the terminal voltage of the sensor element at the time of the voltage change or current change by the change applying unit are measured. The structure which calculates the element resistance value of a sensor element based on a value may be sufficient. Even in this configuration, as described above, the measurement of the applied change amount is no longer a requirement, and the measurement error caused by the measurement of the applied change amount can be excluded from the calculation error of the element resistance. Therefore, the calculation accuracy of the element resistance can be improved. As a result, the sensor element can always be held in a good state, and suitable implementations such as improvement of exhaust gas emission and sensor failure diagnosis are possible.
センサ素子の端子電圧の計測値を増幅してマイクロコンピュータに出力する一方、マイクロコンピュータで入力信号をA/D変換し、そのA/D値を用いて素子抵抗値を演算する構成では、センサ端子電圧についての計測、増幅時の誤差やA/D入力誤差だけが素子抵抗演算の誤差要因となる。この場合、付与変化量も同様に計測する構成に比べ、誤差要因が減るために素子抵抗の演算精度向上が可能となる。また、素子抵抗の演算に関して、マイクロコンピュータでのA/D変換が応答変化量信号のみで良くなり、A/D変換器の削減が可能となる。 In the configuration in which the measured value of the terminal voltage of the sensor element is amplified and output to the microcomputer, the input signal is A / D converted by the microcomputer, and the element resistance value is calculated using the A / D value. Only the voltage measurement, amplification error, and A / D input error are error factors in element resistance calculation. In this case, since the error factor is reduced as compared with the configuration in which the applied change amount is similarly measured, the calculation accuracy of the element resistance can be improved. In addition, regarding the calculation of the element resistance, A / D conversion in the microcomputer only needs to be a response change amount signal, and the number of A / D converters can be reduced.
変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を計測し出力する付与変化量計測回路を具備していない構成では、ガス濃度検出装置を構成するためのICチップ等の小型化や簡素化が可能となる。 In a configuration that does not have an applied change amount measurement circuit that measures and outputs an applied change amount of voltage or current by the change applying means, it is possible to reduce the size and simplification of an IC chip or the like for constituting a gas concentration detection device. Become.
変化付与手段を構成する電気回路は、電圧又は電流の付与変化量が所望の精度となるよう電気特性を微調整したものであると良い。これにより、変化付与手段で付与される電圧又は電流の付与変化量の精度が向上する(すなわち誤差が低減される)。故に、電流又は電圧の応答変化量のみ(又はセンサ端子電圧のみ)を演算パラメータとして素子抵抗値を演算する構成、或いは予め登録した付与変化量と電流又は電圧の応答変化量(又はセンサ端子電圧)とを基に素子抵抗値を演算する構成において、より信頼性の高い素子抵抗演算が実現できる。具体的にはアクティブトリミング、或いはファンクショントリミングと称されるトリミング手法を用いると良い。アクティブトリミング等を実施することにより、センサ制御回路(IC回路等)の作製過程での例えば薄膜や半導体素子の作り込み時に電気特性を調整する場合に比べて、電気特性の微調整をより確かなものとすることができる。なおここで、所望の精度となるような電気特性の微調整は、A/D精度、量子化する際のLSB誤差、回路誤差等を改善し、結果として素子抵抗の検出精度向上を果たすものであれば良い。 The electric circuit constituting the change applying means is preferably one in which the electric characteristics are finely adjusted so that the applied change amount of the voltage or current has a desired accuracy. Thereby, the accuracy of the applied change amount of the voltage or current applied by the change applying means is improved (that is, the error is reduced). Therefore, the element resistance value is calculated using only the current or voltage response change amount (or only the sensor terminal voltage) as an operation parameter, or the pre-registered applied change amount and current or voltage response change amount (or sensor terminal voltage). In the configuration in which the element resistance value is calculated based on the above, more reliable element resistance calculation can be realized. Specifically, a trimming technique called active trimming or function trimming may be used. By performing active trimming etc., fine adjustment of the electric characteristics is more reliable than when adjusting the electric characteristics at the time of making a thin film or a semiconductor element in the process of manufacturing a sensor control circuit (IC circuit, etc.). Can be. Here, the fine adjustment of the electrical characteristics to achieve the desired accuracy improves the A / D accuracy, the LSB error when quantizing, the circuit error, etc., and as a result, improves the detection accuracy of the element resistance. I need it.
(第1の実施の形態)
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した第1の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス(燃焼ガス)を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度(空燃比、以下A/Fとも言う)を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンECU等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実施される。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a gas concentration detection apparatus of the present invention is embodied will be described with reference to the drawings. In the present embodiment, an air-fuel ratio detection device that detects an oxygen concentration (air-fuel ratio, hereinafter also referred to as A / F) in the same gas using exhaust gas (combustion gas) discharged from an on-vehicle engine as a detection gas is embodied. The air-fuel ratio detection result is used in an air-fuel ratio control system constituted by an engine ECU or the like. In the air-fuel ratio control system, stoichiometric combustion control in which the air-fuel ratio is feedback-controlled in the vicinity of the stoichiometry, lean combustion control in which the air-fuel ratio is feedback-controlled in a predetermined lean region, and the like are appropriately performed.
先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのA/Fセンサの構成を図2を用いて説明する。本A/Fセンサは積層型構造のセンサ素子10を有し、図2にはセンサ素子10の断面構成を示す。実際には当該センサ素子10は図2の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。
First, the configuration of an A / F sensor as a gas concentration sensor will be described with reference to FIG. The A / F sensor has a
センサ素子10は、固体電解質11、拡散抵抗層12、遮蔽層13及び絶縁層14を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子10の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質11(固体電解質体)は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質11を挟んで上下一対の電極15,16が対向配置されている。電極15,16は白金Pt等により形成されている。拡散抵抗層12は電極15へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層13は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層12,13は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。
The
絶縁層14はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極16に対面する部位には大気ダクト17が形成されている。また、同絶縁層14には白金Pt等により形成されたヒータ18が埋設されている。ヒータ18は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。なお以下の説明では、電極15を拡散層側電極、電極16を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極16に接続される端子を正側端子(+端子)、拡散層側電極15に接続される端子を負側端子(−端子)としている。
The insulating
上記センサ素子10において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層12の側方部位から導入されて拡散層側電極15に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極15,16間の電圧印加により拡散層側電極15で分解され、イオン化されて固体電解質11を通過した後、大気側電極16より大気ダクト17に排出される。このとき、大気側電極16→拡散層側電極15の向きに電流(正電流)が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト17内の酸素が大気側電極16で分解され、イオン化されて固体電解質11を通過した後、拡散層側電極15より排出される。そして、排ガス中のHCやCO等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極15→大気側電極16の向きに電流(負電流)が流れる。
In the
図3は、A/Fセンサについての基本的な電圧−電流特性(V−I特性)を示す図面である。図3において、電圧軸(横軸)に平行な平坦部分はセンサ素子10の素子電流Ip(限界電流)を特定する限界電流域であって、この素子電流Ipの増減が空燃比の増減(すなわち、リーン・リッチの程度)に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ipは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ipは減少する。
FIG. 3 is a drawing showing basic voltage-current characteristics (VI characteristics) of the A / F sensor. In FIG. 3, a flat portion parallel to the voltage axis (horizontal axis) is a limit current region for specifying the element current Ip (limit current) of the
このV−I特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子10の直流内部抵抗Riにより特定される。直流内部抵抗Riは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Riが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる(直線部分が寝た状態となる)。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Riが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる(直線部分が立った状態となる)。図中のRGは、センサ素子10への印加電圧Vpを決定するための印加電圧特性(印加電圧線)を表している。
In this VI characteristic, the lower voltage side than the limit current region is a resistance dominant region, and the slope of the primary straight line portion in the resistance dominant region is specified by the DC internal resistance Ri of the
図1は、センサ制御回路100の構成を示す電気回路図である。図1において、センサ素子10の大気側電極16に接続された+端子T1には、オペアンプ21及び電流検出抵抗22を介して基準電源23が図示の如く接続され、同センサ素子10の拡散層側電極15に接続された−端子T2にはオペアンプ24及び抵抗25を介して印加電圧制御回路30が接続されている。電流検出抵抗22の一端のA点は基準電圧Ref1と同じ電圧に保持される。素子電流Ipは電流検出抵抗22を介して流れ、素子電流Ipに応じてB点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子10には+端子T1から−端子T2に向けて素子電流Ipが流れるためB点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子10には−端子T2から+端子T1に向けて素子電流Ipが流れるためB点電圧が低下する。このB点電圧が、空燃比の検出結果であるA/F出力として素子電流出力回路31を介してマイコン200に出力される。マイコン200は、A/F出力をA/DポートAD1より取り込みA/D変換する。素子電流出力回路31は例えばS/H(サンプルホールド)回路により構成されており、空燃比検出時におけるB点電圧がサンプルされ、所定のゲートオン期間内においてサンプル値が逐次更新されて出力される。このA/F出力は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。
FIG. 1 is an electric circuit diagram showing a configuration of the
印加電圧制御回路30は、A/F出力(B点電圧のサンプルホールド値)をモニタしつつその値に応じてセンサ素子10に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図3に示す印加電圧特性RGの如く、基本的に素子電流Ipの増加時(すなわちB点電圧の上昇時)に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。但し、センサ印加電圧は固定値であっても良い。
The applied
また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子10の素子インピーダンスが検出されるようになっている。すなわち、電圧切替回路35は、マイコン200からの電圧切替信号に基づいてセンサ印加電圧を交流的に変化させる。電圧切替信号は定期的にマイコン200から電圧切替回路35に出力され、例えば128msec毎に、センサ印加電圧が通常の空燃比検出用の印加電圧(印加電圧制御回路30による制御電圧)からインピーダンス検出用の印加電圧に一時的に切り替えられるようになっている。
Moreover, in this air-fuel ratio detection apparatus, the element impedance of the
かかる場合、B点電圧がΔI検出回路32により計測され、該計測値が電流変化量信号としてマイコン200に出力される。マイコン200は、電流変化量信号をA/DポートAD2より取り込みA/D変換する。ΔI検出回路32は、例えばHPF(ハイパスフィルタ)とP/H(ピークホールド)回路とを直列に接続して構成されており、このHPF及びP/H回路により、インピーダンス検出期間に対応する所定のゲートオン期間内において計測されたB点での交流電流の変化量が出力される。なお、ピークホールドされたB点電圧は、ゲートオフ毎にリセットされる。
In such a case, the point B voltage is measured by the
マイコン200は、インピーダンス検出時において交流的な電圧変化量と電圧変化に応答する電流変化量とに基づいて素子インピーダンスを算出する。そして、素子インピーダンスが所定の目標値に保持されるようヒータ18への通電を制御する。これにより、センサ素子10が一定の目標温度(例えば750℃)に保持されるようになる。本実施の形態では、電圧切替回路35が「変化付与手段」に、ΔI検出回路32が「応答変化量計測手段」に、マイコン200が「素子抵抗演算手段」に、それぞれ相当する。
The
特に本実施の形態では、電圧切替回路35による電圧変化量を固定値(本実施の形態では0.2V)としてマイコン200のメモリに予め登録しておき、インピーダンス検出時には、電圧変化量の登録値と電流変化量の計測値とを基に、素子インピーダンスを演算する構成としている。つまり、電圧切替回路35により変化する電圧変化量の計測を要件としておらず、故に、センサ制御回路100として当該電圧変化量の計測回路を具備しない構成としている。
In particular, in the present embodiment, the voltage change amount by the
また、電圧切替回路35の電圧変化量を計測しない構成とすることに付随して、電圧切替回路35による電圧変化量が精度良く所望の値となるよう当該電圧切替回路35に対してアクティブトリミングを施している。このアクティブトリミングは、ファンクショントリミングとも称され、電圧切替回路35を動作状態として電圧変化量が所望の値となるよう電気特性が微調整されている。
Further, accompanying the configuration in which the voltage change amount of the
次に、マイコン200による素子インピーダンスの算出手順を図4のフローチャートに基づいて説明する。図4の処理はマイコン200により所定時間毎(例えば128msec毎)に実行される。
Next, the calculation procedure of the element impedance by the
図4において、ステップS101では、センサ制御回路100の電圧切替回路35に対して電圧切替信号を出力する。この電圧切替信号を受けて、センサ制御回路100では、センサ印加電圧がそれまでの空燃比検出用の電圧値からインピーダンス検出用の電圧値に交流的に切り替えられる。本実施の形態では、正側又は負側への電圧変化量を0.2Vとしている。これにより、センサ印加電圧に対して例えば1kHz〜20kHz程度の交流的な変化が付与され、この交流的な電圧変化に応答して素子電流が変化する。
In FIG. 4, in step S <b> 101, a voltage switching signal is output to the
その後、ステップS102では、電流変化量信号(図1のΔI検出回路32の出力)を基に、印加電圧変化に応答する電流変化量ΔIを検出する。続くステップS103では、予めメモリに登録しておいた電圧切替回路35の電圧変化量(0.2V)と前記検出した電流変化量ΔIとから素子インピーダンスZacを算出する(Zac=0.2/ΔI)。こうして素子インピーダンスZacが算出されると、その算出値がセンサ活性化のためのヒータ制御やセンサ故障診断等に適宜用いられる。
Thereafter, in step S102, based on the current change amount signal (the output of the
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。 According to the embodiment described above in detail, the following excellent effects can be obtained.
インピーダンス検出に際し、予めメモリに登録しておいた電圧変化量(付与変化量)と、一時的な電圧変化時に計測した電流変化量ΔI(応答変化量の計測値)とを基に素子インピーダンスを算出した。換言すれば、電圧変化量を固定値とする一方、電流変化量ΔI(応答変化量の計測値)のみを演算パラメータとして素子インピーダンスを演算した。これにより、付与変化量である電圧変化量の計測が要件でなくなり、当該電圧変化量の計測により生じる計測誤差分が素子インピーダンスの演算誤差から排除できる。故に、素子インピーダンスの演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子10を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
When impedance is detected, the element impedance is calculated based on the voltage change (applied change) registered in the memory in advance and the current change ΔI (measured value of response change) measured at the time of temporary voltage change. did. In other words, while the voltage change amount is a fixed value, the element impedance is calculated using only the current change amount ΔI (measured value of the response change amount) as an operation parameter. As a result, the measurement of the voltage change amount that is the applied change amount is no longer a requirement, and the measurement error caused by the measurement of the voltage change amount can be excluded from the calculation error of the element impedance. Therefore, the calculation accuracy of the element impedance can be improved. As a result, the
かかる場合、電圧変化量を計測し出力する電圧変化量の計測回路を具備していない構成であるため、センサ制御回路100を構成するICチップ等の小型化や簡素化が可能となる。また、インピーダンス検出に関して、マイコン200でのA/D変換が電流変化量信号(応答変化量信号)のみで良くなり、A/D変換器の削減が可能となる。
In such a case, since the voltage change amount measuring circuit for measuring and outputting the voltage change amount is not provided, the IC chip or the like constituting the
加えて、仮に安価なA/D変換器や基準電源レギュレータ(例えば5Vレギュレータ)を使用する構成であっても、その精度低下の影響が半減でき、素子インピーダンスの演算精度の低下が抑制できる。 In addition, even if an inexpensive A / D converter or a reference power supply regulator (for example, a 5V regulator) is used, the influence of the accuracy reduction can be halved, and the deterioration of the calculation accuracy of the element impedance can be suppressed.
電圧切替回路35に対してアクティブトリミングを施したため、インピーダンス検出時の電圧変化量(付与変化量)の精度が向上する(すなわち電圧変化の誤差が低減される)。故に、予め登録した電圧変化量を用いて素子インピーダンスを演算する構成において、より信頼性の高いインピーダンス演算が実現できる。
Since active trimming is performed on the
電圧切替回路35による電圧変化の制御精度が向上すると、インピーダンス検出時の電圧変化量を小さくすることができ、それに伴い応答変化量としての電流変化量ΔIが小さくできる。この場合、電流検出抵抗22の抵抗値を大きくすることができ、結果としてA/F出力による空燃比検出の分解能を高めることが可能となる。
When the control accuracy of the voltage change by the
(第2の実施の形態)
次に、O2センサへの適用例を説明する。O2センサは、起電力セルを構成するコップ構造のセンサ素子を有するものであり、排ガス中の酸素濃度に応じてセンサ素子の電極間に起電力が発生する。O2センサはセンサ素子を加熱するためのヒータを備える。
(Second Embodiment)
Next, an application example to the O2 sensor will be described. The O2 sensor has a cup-shaped sensor element constituting an electromotive force cell, and an electromotive force is generated between the electrodes of the sensor element in accordance with the oxygen concentration in the exhaust gas. The O2 sensor includes a heater for heating the sensor element.
図5は、センサ制御回路の構成を示す電気的構成図である。図5に示すように、O2センサ60の一方の端子には抵抗61とLPF(ローパスフィルタ)62とが各々接続されている。排ガス中の酸素濃度に応じてO2センサ60で起電力が発生すると、その都度の起電力に相応するO2出力がLPF62を介して出力される。LPF62より出力されるO2出力は、マイコン300のADポートに取り込まれる。マイコン300は、O2出力を基に空燃比のリッチ/リーン判定などを実施する。
FIG. 5 is an electrical configuration diagram showing the configuration of the sensor control circuit. As shown in FIG. 5, a
なお、LPF62は、O2出力に重畳するノイズや交流信号を排除するためのフィルタであり、後述するようにインピーダンス検出のためにO2センサ60の端子電圧(センサ端子電圧)が交流的に変化する場合にも、その影響によるO2出力の精度低下が抑制されるようになっている。
The
インピーダンス検出のための構成として、O2センサ60の一方の端子には、交流電圧源63、分圧抵抗64及びカップリングコンデンサ65からなる直列回路が接続されており、O2センサ60とカップリングコンデンサ65との間には、HPF(ハイパスフィルタ)66、P/H回路(ピークホールド回路)67及び増幅回路68からなる直列回路が接続されている。ここで、交流電圧源63の出力電圧をVa、カップリングコンデンサ65の両端子のうち分圧抵抗64側の端子電圧をVb、同O2センサ60側の端子電圧をVc、HPF66の出力側の電圧をVd、増幅回路68の出力電圧をVeとする。電圧Vcは、通常の酸素濃度検出時において、その都度の酸素濃度に応じた起電力となっており、前述したようにリッチ雰囲気では概ね0.9V、リーン雰囲気では概ね0Vである。分圧抵抗64の抵抗値はRである。
As a configuration for impedance detection, a series circuit including an
P/H回路67は、入力信号を取り込む入力コンパレータや、該コンパレータの出力側に一端が接続され他端が接地されたコンデンサなどにより構成されており、入力信号のピーク値をホールドする。また、P/H回路67は内部にLPFを含む構成となっており、入力信号にノイズ等が重畳する場合においてそのノイズが除去されるようになっている。例えば、ヒータ通電制御としてPWM制御が行われる場合、ヒータ通電のON/OFFが繰り返し行われるために電流のON/OFFが常に生じる。そのため、この電流変化に起因する磁束の変化がヒータハーネスと一緒に束ねられるセンサハーネスに伝播してヒータノイズが発生すると考えられるが、このヒータノイズがP/H回路67内のLPFによって除去される。もちろん、ヒータノイズ以外のノイズも前記LPFにより除去される。
The P /
交流電圧源63は「変化付与手段」に相当し、マイコン300からの指令に従い所定の周波数にて電圧Vaを正側及び負側に掃引変化させる。このとき、電圧Vaの変化に伴い分圧抵抗64、カップリングコンデンサ65及びO2センサ60よりなる電流経路で電流が流れ、センサ端子電圧である電圧Vcは、O2センサ60の素子インピーダンスと分圧抵抗64の抵抗値とで分圧される電圧値に変化する。そしてこの電圧Vcが、HPF66、P/H回路67及び増幅回路68を通じて、インピーダンス検出電圧Veとしてマイコン300のADポートに取り込まれる。
The
マイコン300では、次の(1)式にて素子インピーダンスZacが算出される。
Zac=Vc/{(Va−Vc)/R} …(1)
上記(1)式において、電圧Vaと抵抗値Rは固定値であり、電圧Vcを計測することにより、素子インピーダンスZacの算出が可能となる。つまり、マイコン300は、電圧VcをHPF66、P/H回路67及び増幅回路68を介して取り込み、該取り込んだ値を基に、素子インピーダンスZacを算出する。
In the
Zac = Vc / {(Va−Vc) / R} (1)
In the above equation (1), the voltage Va and the resistance value R are fixed values, and the element impedance Zac can be calculated by measuring the voltage Vc. That is, the
上記構成において特に、交流電圧源63の電圧変化量である電圧Vaはマイコン300のメモリに予め登録されており、インピーダンス検出時には、電圧変化量(電圧Va)の登録値とセンサ端子電圧(電圧Vc)とに基づいて素子インピーダンスが算出される。つまり、電圧変化量(電圧Va)の計測が要件ではなく、故にセンサ制御回路として当該電圧変化量の計測回路を具備しない構成としている。
Particularly in the above configuration, the voltage Va, which is the voltage change amount of the
また、電圧変化量(電圧Va)を計測しない構成とすることに付随して、交流電圧源63による電圧変化量が精度良く所望の値となるよう当該交流電圧源63に対してアクティブトリミングを施している。このアクティブトリミングは、ファンクショントリミングとも称され、交流電圧源63を動作状態として電圧変化量が所望の値となるよう電気特性が微調整されている。
Further, accompanying the configuration in which the voltage change amount (voltage Va) is not measured, active trimming is performed on the
交流電圧源63による電圧Vaの掃引周波数は例えば10kHz程度、分圧抵抗64の抵抗値Rは1kΩ程度である。また、カップリングコンデンサの65の容量は、O2出力への影響を考えると0.1〜1μFとするのが望ましく、コストやサイズの制約から0.2μF以下とするのが望ましい。但し、インピーダンス検出のためには容量が大きいほど有利であると考えられる。本実施の形態では、コンデンサ容量を0.1μFとしている。因みに、O2センサ60の容量成分は例えば正常時に1000μF程度、劣化時に100μF程度であり、カップリングコンデンサ60の容量はO2センサ60の容量成分に対して十分に小さいものとなっている。
The sweep frequency of the voltage Va by the
ここで、電圧の交流変化時において、上記のようにセンサ端子電圧(電圧Vc)を計測する場合、センサ端子電圧Vcは、そのピーク値が素子インピーダンスに相関がある値となるとともに、収束過程においてセンサ容量のばらつきによる影響を受けることもない。故に、素子インピーダンスの算出精度を確保することができる。特に、カップリングコンデンサ65は、O2センサ60の容量成分よりも十分に容量の小さいものであるため、センサ端子電圧Vcの収束はカップリングコンデンサ65へのチャージスピードが支配的となり、センサ端子電圧VcはO2センサ60の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けない。したがって、O2センサ60の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けることなく、素子インピーダンスを精度良く算出することができる。
Here, when the sensor terminal voltage (voltage Vc) is measured as described above at the time of AC voltage change, the sensor terminal voltage Vc has a value whose peak value has a correlation with the element impedance, and in the convergence process. It is not affected by variations in sensor capacity. Therefore, the calculation accuracy of the element impedance can be ensured. In particular, since the
以上第2の実施の形態によれば、インピーダンス検出に際し、予めメモリに登録しておいた電圧変化量(電圧Va)と、一時的な電圧変化時に計測したセンサ端子電圧(電圧Vc)とを基に素子インピーダンスを算出したため、付与変化量である電圧変化量(電圧Va)の計測が要件でなくなり、当該電圧変化量の計測により生じる計測誤差分が素子インピーダンスの演算誤差から排除できる。故に、素子インピーダンスの演算精度向上が実現できる。その結果、O2センサ60を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
As described above, according to the second embodiment, when impedance is detected, the voltage change amount (voltage Va) registered in the memory in advance and the sensor terminal voltage (voltage Vc) measured at the time of temporary voltage change are used. Therefore, the measurement of the voltage change amount (voltage Va) that is the applied change amount is not a requirement, and the measurement error caused by the measurement of the voltage change amount can be excluded from the calculation error of the element impedance. Therefore, the calculation accuracy of the element impedance can be improved. As a result, the
その他、上記第1の実施の形態と同様に、センサ制御回路を構成するICチップ等の小型化や簡素化が可能となる、マイコン300でのA/D変換器の削減が可能となる等の効果が得られる。
In addition, as in the first embodiment, the IC chip constituting the sensor control circuit can be reduced in size and simplified, the A / D converter in the
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。 In addition, this invention is not limited to the content of description of the said embodiment, For example, you may implement as follows.
上記第1の実施の形態では、インピーダンス検出に際し、マイコン200のメモリに予め登録しておいた電圧変化量(付与変化量)と、一時的な電圧変化時に計測した電流変化量ΔI(応答変化量の計測値)とを基に素子インピーダンスを算出したが、この構成を変更し、電流変化量ΔI(応答変化量の計測値)をそのまま素子インピーダンス値として取り扱うことも可能である。つまり、電圧変化量が固定値である場合、素子インピーダンスZacと電流変化量ΔIとは反比例関係にあり(素子アドミタンスであれば比例関係)、ΔI値をZac値に換算することなくても、ΔI値を基にセンサ活性化のためのヒータ制御やセンサ故障診断等が実施できる。
In the first embodiment, the voltage change amount (applied change amount) registered in advance in the memory of the
上記各実施の形態では、素子抵抗値として素子インピーダンスを算出したが、これに代えて、素子インピーダンスの逆数である素子アドミタンスを算出する構成とすることも可能である(素子アドミタンス=ΔI/0.2V)。 In each of the above-described embodiments, the element impedance is calculated as the element resistance value. Instead, an element admittance that is the reciprocal of the element impedance may be calculated (element admittance = ΔI / 0. 2V).
上記各実施の形態では、インピーダンス検出に際し、センサ印加電圧を交流的に変化させてその時の電流応答を計測したが、これを変更し、センサ素子電流を交流的に変化させてその時の電圧応答を計測するように構成する。その構成を図6を用いて説明する。図6の構成では、前記図1との相違点として、センサ素子10の+端子T1にスイッチ回路53を接続しており、更に該スイッチ回路53の一方の切替端子に電流検出抵抗22を接続し、他方の切替端子に電流切替回路51を接続している。電流切替回路51は、インピーダンス検出時においてマイコン等から出力されてくる電流切替信号に基づいて素子電流を交流的に変化させる。また、図のC点にΔV検出回路52を接続し、このΔV検出回路52の出力を電圧変化量信号としている。電流切替回路51は、アクティブトリミング等により所望の精度となるよう動的な電気特性が微調整されていると良い。
In each of the above embodiments, when detecting the impedance, the sensor applied voltage is changed in an alternating manner to measure the current response at that time, but this is changed to change the sensor element current in an alternating manner to change the voltage response at that time. Configure to measure. The configuration will be described with reference to FIG. In the configuration of FIG. 6, the difference from FIG. 1 is that the
上記図6の構成において、マイコンのメモリに付与変化量としての電流変化量を予め登録しておき、インピーダンス検出に際し、メモリに登録しておいた電流変化量(付与変化量)と、一時的な電流変化時に計測した電圧変化量ΔV(応答変化量の計測値)とを基に素子インピーダンスを算出する。換言すれば、電流変化量を固定値とする一方、電圧変化量ΔV(応答変化量の計測値)のみを演算パラメータとして素子インピーダンスを算出する。かかる構成によれば、付与変化量である電流変化量の計測が要件でなくなり、当該電流変化量の計測により生じる計測誤差分が素子インピーダンスの演算誤差から排除できる。故に、素子インピーダンスの演算精度向上が実現できる。なお上記構成では、電流切替回路51が「変化付与手段」に、ΔV検出回路52が「応答変化量計測手段」に、それぞれ相当する。
In the configuration shown in FIG. 6, the current change amount as the applied change amount is registered in advance in the memory of the microcomputer, and the current change amount (applied change amount) registered in the memory is temporarily detected when the impedance is detected. The element impedance is calculated based on the voltage change amount ΔV (measured value of the response change amount) measured when the current changes. In other words, while the current change amount is a fixed value, the element impedance is calculated using only the voltage change amount ΔV (measured value of the response change amount) as an operation parameter. According to this configuration, the measurement of the current change amount that is the applied change amount is not a requirement, and the measurement error caused by the measurement of the current change amount can be excluded from the element impedance calculation error. Therefore, the calculation accuracy of the element impedance can be improved. In the above configuration, the
センサ制御回路100の構成(図1参照)において、インピーダンス検出時の電流変化量信号を出力するためのΔI検出回路32の出力段に増幅回路を付加する構成としても良い。つまり、図7に示すように、例えば増幅率β(β=2)の増幅回路部を設ける。かかる場合において、増幅回路部を構成する抵抗値をトリミングして信号増幅精度を向上させ、それにより操作側の検出誤差を吸収するようにしても良い。
In the configuration of the sensor control circuit 100 (see FIG. 1), an amplifier circuit may be added to the output stage of the
上記第1の実施の形態では、A/Fセンサとして図2のセンサ素子構造を有するものを説明したが、他のセンサ素子構造を有するA/Fセンサに本発明を適用することも可能である。例えば、1層の固体電解質体を有する構成に限らず、2層の固体電解質体を有する構成や、3層の固体電解質体を有する構成のA/Fセンサに本発明を適用したり、積層型構造のA/Fセンサに限らず、コップ型構造のA/Fセンサに本発明を適用したりすることも可能である。 In the first embodiment, the A / F sensor having the sensor element structure shown in FIG. 2 has been described. However, the present invention can also be applied to an A / F sensor having another sensor element structure. . For example, the present invention is not limited to a configuration having a single-layer solid electrolyte body, but may be applied to an A / F sensor having a configuration having a two-layer solid electrolyte body or a configuration having a three-layer solid electrolyte body, The present invention can be applied not only to the A / F sensor having a structure but also to an A / F sensor having a cup-type structure.
他のセンサ具体例を説明する。図8に示すセンサ素子SE1では、2層の固体電解質81,82を有しており、一方の固体電解質81には一対の電極83,84が対向配置され、他方の固体電解質82には一対の電極85,86が対向配置されている。なお、電極83〜85は図の左右対象に2カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子SE1では、固体電解質81及び電極83,84によりポンプセル91が構成され、固体電解質82及び電極85,86により酸素検知セル92が構成されている。各電極83〜86はセンサ制御回路100に接続されている。図8において、符号87はガス導入孔、符号88は多孔質拡散層、符号89は大気ダクト、符号90はヒータである。酸素検知セル92は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。
Another specific example of the sensor will be described. The sensor element SE1 shown in FIG. 8 has two layers of
上記センサ素子構造を有するA/Fセンサにおいて、酸素検知セル92は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて2値(0V又は0.9V)の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル92の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、酸素検知セル92の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、酸素検知セル92の起電力出力がストイキ値(0.45V)になるようにポンプセル91の印加電圧が制御される。
In the A / F sensor having the sensor element structure, the
図9に示すセンサ素子構造であっても良い。図9のセンサ素子SE2では、3層の固体電解質101,102,103を有し、固体電解質101には一対の電極104,105が対向配置され、固体電解質102には一対の電極106,107が対向配置されている。本センサ素子SE2では、固体電解質101及び電極104,105によりポンプセル111が構成され、固体電解質102及び電極106,107により酸素検知セル112が構成されている。また、固体電解質103は、酸素基準室108を確保するための壁材を構成している。図9において、符号109は多孔質拡散層、符号110はガス検出室である。なお、酸素検知セル112は、前記図8の酸素検知セル72と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。
The sensor element structure shown in FIG. 9 may be used. 9 includes three layers of
また、酸素濃度を検出対象とするA/Fセンサ以外にも、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第1セル(ポンプセル)では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第2セル(センサセル)では酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用により、やはり素子抵抗(素子インピーダンス又は素子アドミタンス)が精度良く算出できるようになる。このとき、第1セル、第2セル等の何れかのセルを対象に素子抵抗が検出されると良い。また、上記第1セル、第2セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第3セル(モニタセル、若しくは第2ポンプセル)等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。 In addition to the A / F sensor whose oxygen concentration is a detection target, the present invention can be applied to a gas concentration sensor whose detection target is another component concentration. For example, a composite type gas concentration sensor has a plurality of cells formed of a solid electrolyte body, and the first cell (pump cell) discharges or draws out oxygen in the gas to be detected and detects the oxygen concentration. In the second cell (sensor cell), the specific component concentration is detected from the gas after oxygen discharge. This gas concentration sensor is embodied as, for example, a NOx sensor for detecting NOx concentration in exhaust gas, and by applying the present invention, element resistance (element impedance or element admittance) can be calculated with high accuracy. . At this time, the element resistance may be detected for any one of the first cell and the second cell. Further, in addition to the first cell and the second cell, a gas concentration sensor having a plurality of cells such as a third cell (monitor cell or second pump cell) for detecting the residual oxygen concentration after the oxygen is discharged. good.
NOx濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてHC濃度やCO濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ガス濃度センサは、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからHCやCOを分解してHC濃度やCO濃度を検出する。 In addition to the gas concentration sensor capable of detecting the NOx concentration, the present invention can also be applied to a gas concentration sensor capable of detecting the HC concentration and the CO concentration as the specific component concentration. In this case, the gas concentration sensor discharges surplus oxygen in the gas to be detected by the pump cell, and decomposes HC and CO from the gas after the surplus oxygen is discharged by the sensor cell to detect the HC concentration and the CO concentration.
起電力出力型のガスセンサとして、排ガス中の酸素濃度(O2濃度)に応じて電極間で起電力を発生するセンサ以外に、酸素成分を含むNOxやCO等の濃度に応じて電極間で起電力を発生するセンサであっても良い。すなわち、一方の電極でNOxやCOが分解されて酸素イオンが生じ、固体電解質体を挟んで両側で酸素分圧に差が生じると、その酸素分圧の差に応じて起電力が発生する。このとき、ネルンストの式に基づく起電力が発生する。こうした構成のガスセンサについても本発明が適用できる。 As an electromotive force output type gas sensor, in addition to a sensor that generates an electromotive force between electrodes according to the oxygen concentration (O2 concentration) in exhaust gas, an electromotive force is generated between electrodes according to the concentration of NOx, CO, etc. containing oxygen components. It may be a sensor that generates That is, when NOx and CO are decomposed at one electrode to generate oxygen ions and a difference in oxygen partial pressure occurs on both sides across the solid electrolyte body, an electromotive force is generated according to the difference in oxygen partial pressure. At this time, an electromotive force based on the Nernst equation is generated. The present invention can also be applied to a gas sensor having such a configuration.
更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いることや、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。 Furthermore, it can be used for gas concentration detection devices other than those for automobiles, and gas other than exhaust gas can be used as a detection gas.
10…センサ素子、11…固体電解質、22…電流検出抵抗、32…ΔI検出回路、35…電圧切替回路、51…電流切替回路、52…ΔV検出回路、60…O2センサ、63…交流電圧源、64…分圧抵抗、65…カップリングコンデンサ、100…センサ制御回路、200,300…マイコン。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記所定量の電圧変化又は電流変化に応答する電流又は電圧の応答変化量を計測する応答変化量計測手段と、
前記応答変化量計測手段により計測した電流又は電圧の応答変化量のみを演算パラメータとし、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。 Gas concentration detection that applies a voltage to a sensor element made of a solid electrolyte body, measures the element current flowing through the sensor element in the voltage application state, and detects the gas concentration in the gas to be detected based on the measured value of the element current In the device
Change applying means for temporarily applying a predetermined amount of voltage change or current change on a current path connected to the sensor element;
A response change amount measuring means for measuring a response change amount of a current or voltage in response to the predetermined amount of voltage change or current change;
An element resistance calculation means for calculating an element resistance value of the sensor element using only the response change amount of the current or voltage measured by the response change amount measurement means as an operation parameter;
A gas concentration detection device comprising:
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記所定量の電圧変化又は電流変化に応答する電流又は電圧の応答変化量を計測する応答変化量計測手段と、
前記変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録しておき、該登録した付与変化量と、前記応答変化量計測手段により計測した電流又は電圧の応答変化量とを基に、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。 Gas concentration detection that applies a voltage to a sensor element made of a solid electrolyte body, measures the element current flowing through the sensor element in the voltage application state, and detects the gas concentration in the gas to be detected based on the measured value of the element current In the device
Change applying means for temporarily applying a predetermined amount of voltage change or current change on a current path connected to the sensor element;
A response change amount measuring means for measuring a response change amount of a current or voltage in response to the predetermined amount of voltage change or current change;
The applied change amount of voltage or current by the change applying unit is registered in advance, and the sensor is based on the registered applied change amount and the current or voltage response change amount measured by the response change measuring unit. Element resistance calculating means for calculating the element resistance value of the element;
A gas concentration detection device comprising:
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記変化付与手段と前記センサ素子との間に接続された抵抗素子及び容量素子からなる直列回路部と、
前記センサ素子の端子電圧を計測する端子電圧計測手段と、
前記変化付与手段による電圧変化又は電流変化時において前記端子電圧計測手段により計測した前記センサ素子の端子電圧のみを演算パラメータとし、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。 A sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided between the solid electrolyte bodies, and is generated between the electrodes according to the oxygen concentration in the gas to be detected or the concentration of a specific component containing at least oxygen. In a gas concentration detection device applied to a gas sensor that generates electric power,
Change applying means for temporarily applying a predetermined amount of voltage change or current change on a current path connected to the sensor element;
A series circuit unit composed of a resistance element and a capacitance element connected between the change applying means and the sensor element;
Terminal voltage measuring means for measuring the terminal voltage of the sensor element;
An element resistance calculation means for calculating an element resistance value of the sensor element, using only the terminal voltage of the sensor element measured by the terminal voltage measurement means at the time of voltage change or current change by the change applying means,
A gas concentration detection device comprising:
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記変化付与手段と前記センサ素子との間に接続された抵抗素子及び容量素子からなる直列回路部と、
前記センサ素子の端子電圧を計測する端子電圧計測手段と、
前記変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録しておき、該登録した付与変化量と、前記変化付与手段による電圧変化又は電流変化時において前記端子電圧計測手段により計測した前記センサ素子の端子電圧とを基に、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。 A sensor element comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes provided between the solid electrolyte bodies, and is generated between the electrodes according to the oxygen concentration in the gas to be detected or the concentration of a specific component containing at least oxygen. In a gas concentration detection device applied to a gas sensor that generates electric power,
Change applying means for temporarily applying a predetermined amount of voltage change or current change on a current path connected to the sensor element;
A series circuit unit composed of a resistance element and a capacitance element connected between the change applying means and the sensor element;
Terminal voltage measuring means for measuring the terminal voltage of the sensor element;
The sensor element measured in advance by the terminal voltage measuring means when the applied change amount of voltage or current by the change applying means is registered in advance and the voltage change or current change by the change applying means is registered. Element resistance calculation means for calculating the element resistance value of the sensor element based on the terminal voltage of
A gas concentration detection device comprising:
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