JP2009133846A - ガスセンサ制御装置およびガスセンサ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 制御対象セルを一定電圧に制御するための電圧制御手段の特性が回路基板の温度変動に起因して変化しても、特定ガス濃度の検出精度を向上できるガスセンサ制御装置を提供する。
【解決手段】 ガスセンサ制御装置１は、制御対象セルとしての酸素濃度検出セル１２、第２ポンピングセル１３を備えたＮＯｘセンサ素子１０を有するガスセンサの制御に用いられると共に、ガスセンサと信号線を介して接続される回路基板を備えている。そして、この回路基板上に、２つのセル１２,１３の端子間電圧Ｖｓ、Ｖｐがそれぞれ一定となるよう制御する電圧制御手段としての第１，第２制御回路ＣＣ１、ＣＣ２、回路基板の温度を検出する温度センサ２６、温度センサ２６が検出した温度に基づき、２つの制御対象セル１２、１３の端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）の温度変動を補償する電圧Ｖｓａ２をセル１２に接続される第１制御回路ＣＣ１に印加する電圧補正手段、を設ける。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を有するガスセンサの制御に用いられるガスセンサ制御装置に関する。

自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）量の低減が要求されており、ＮＯ_ｘ濃度を直接測定できるＮＯ_ｘセンサが開発されている。
これらのガスセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えたガスセンサ素子を有し、このガスセンサ素子からの出力に基づいて特定ガスの濃度検出を行っている。

例えばＮＯ_ｘセンサは、被測定ガス空間に連通する第１測定室内の酸素を第１ポンプセルによって汲み出し、その際、第１測定室内の酸素濃度を酸素濃度検出セルによって測定し、第１測定室内が所定の酸素濃度になるよう第１ポンピングセルを制御する。さらに、酸素濃度が制御された被測定ガスが第１測定室から第２測定室へ流入し、第２ポンピングセルに一定電圧を印加することによって被測定ガスに含まれるＮＯ_ｘをＮ_２とＯ_２に分解し、この際、第２ポンピングセルの一対の電極間に流れる第２ポンプ電流を測定することにより被測定ガス中のＮＯ_ｘ濃度が検出される。

このようなＮＯ_ｘセンサにおいては、酸素濃度検出セルや第２ポンピングセルの電極間電圧が一定電圧となるように制御する電圧制御回路が必要であり、そのための制御回路ユニット（ガスセンサ制御装置）が開発されている（特許文献２参照）。
又、上記したセル間の出力電圧はセンサ温度によって変化するため、センサ温度によってガスの検出結果が変動するという問題がある。そこで、ＮＯ_ｘ濃度を表す第２ポンプ電流に対してセンサ温度補正量を加算し、補正後のＮＯ_ｘ濃度を出力するガスセンサ制御装置が提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１−３０４７５８号公報 特開平１０−２８８５９５号公報（段落００７３〜００７５）

ところで、上記ＮＯ_ｘセンサのようなガスセンサを制御するガスセンサ制御装置は、ガスセンサと信号線を介して接続される回路基板を備えており、その回路基板上には上述した電圧制御回路を構成したりするための電子部品（オペアンプや抵抗器等）が多用されている。しかしながら、このようなガスセンサ制御装置では、上述のセルの電極間電圧を一定電圧に制御するよう、回路基板上に実装される電圧制御回路（電子部品等）に対して行う調整は、ガスセンサ制御装置の出荷前に常温下でのみ行われる。このため、実使用時に回路基板に温度変化が生じると、電子部品の温度特性が温度によって制御電圧が変動（ドリフト）してしまうことがある。このような場合、ガス濃度の検知精度が良好に得られないおそれがある。
又、上記特許文献２記載の技術は、センサ温度によってガスの検出結果を変動させる対策をとっているが、回路基板の温度変化が考慮されておらず、この温度変化に起因する制御電圧の変動に対処することが、ガス濃度の検知精度向上のために必要となる。

すなわち、本発明は、制御対象セルを一定電圧に制御するための電圧制御手段の特性が回路基板の温度変動に起因して変化した場合にも、特定ガス濃度の検出精度を向上することができるガスセンサ制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本第１発明のガスセンサ制御装置は、一対の電極と固体電解質とを有する制御対象セルを備え特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を有するガスセンサの制御に用いられると共に、前記ガスセンサと信号線を介して接続される回路基板を備え、前記回路基板上に、前記制御対象セルの前記一対の電極間の電圧が一定電圧となるよう制御する電圧制御手段と、前記回路基板の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記一定電圧の温度変動を補償する補正電圧を前記電圧制御手段に印加する電圧補正手段と、を有する。
このような構成とすると、回路基板に実装される電圧制御手段の電子部品（回路）自体の特性が温度によって変化した場合にも、電圧補正手段が制御する一定電圧が変動（ドリフト）するのを補正し、ガスセンサ素子からの出力信号に基づく特定ガス濃度の検出精度を向上することができる。

ところで、ガスセンサ素子の構成によっては制御対象セルを複数備えるものがあり、このようなガスセンサ素子を有するガスセンサの制御に用いられるガスセンサ制御装置では、複数の制御対象セルから選択された２つの制御対象セルの個々に対して電圧制御手段を接続する構成のものが知られている。そして、このようなガスセンサ制御装置では、本発明の課題を解決するために、上記の第１発明のように、各電圧制御手段に対し、温度検出手段が検出した温度に基づき一定電圧の温度変動を補償する補正電圧を印加する形態を採ることができる。このような形態を図ることで、回路基板に実装される電子部品自体の特性が温度によって変化した場合にも、特定ガス濃度の検出精度の向上を図ることは可能となる。ただし、複数の電圧制御手段の数に対応するように、複数の電圧補正手段を設ける必要があるため、ガスセンサ制御装置のコストアップを招くことになる。

そこで、本第２発明としてのガスセンサ制御装置は、一対の電極と固体電解質とを有する制御対象セルを２つ以上備え特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を有するガスセンサの制御に用いられると共に、前記ガスセンサと信号線を介して接続される回路基板を備え、前記回路基板上に、２つ以上の前記制御対象セルのそれぞれに接続されると共に、前記制御対象セルの前記一対の電極間の電圧が一定電圧となるよう制御する複数の電圧制御手段と、前記回路基板の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記制御対象セルから選択される２つの制御対象セルにおける電極間の電圧の差の温度変動を補償する補正電圧を、前記選択された制御対象セルのうち一方に接続される電圧制御手段に印加する電圧補正手段と、を有する。
このような構成とすると、ガスセンサ制御装置を構成する回路基板に実装される電圧制御手段の電子部品（回路）自体の特性が温度によって変化した場合にも、２つの制御対象セルの電圧の差が変動（ドリフト）するのを補正し、電圧補正手段を制御対象セルの数だけ設けなくても、ガスセンサ素子からの出力信号に基づく特定ガス濃度の検出精度を向上することができる。なお、２つ以上の制御対象セルの制御対象となる一定電圧（制御電圧）の値は同一値に限られず、制御対象セル毎に異なる値の一定電圧（例えば、一方の制御対象セルの制御対象電圧が４５０ｍＶであり、他方の制御対象セルの制御対象電圧が４２５ｍＶ）に設定されていても良い。

さらに、上記の第１発明、第２発明のガスセンサ制御装置では、前記ガスセンサは、前記ガスセンサ素子を加熱するためのヒータを有しており、前記回路基板上には、前記ヒータの通電制御を行うヒータ制御手段が備えられ、前記温度検出手段は、前記ヒータ制御手段よりも前記電圧制御手段に近接して前記回路基板上に配置されていてもよい。
このような構成とすると、回路基板における電圧制御手段付近の温度を温度検出手段にて精度良く検出することができ、その検出した温度を一定電圧の温度補償または２つの制御対象セルにおける電極間電圧の差の温度変動の補償に用いることができるので、これら補償の精度が向上する。

さらに、上記の第１発明、第２発明のガスセンサ制御装置では、温度に対応して前記一定電圧の補正値が記憶された記憶手段をさらに備え、前記電圧補正手段は、前記補正値を参照して前記補正電圧を印加するようにしてもよい。このような構成を図ることで、簡易的に一定電圧の温度補償または２つの制御対象セルにおける電極間電圧の差の温度変動の補償を行うことができる。
また、前記記憶手段は、所定の温度範囲毎に前記補正値を記憶してもよい。
このような構成を図ることで、温度検出手段により検出された温度に基づいて、簡易的に一定電圧の温度補償または２つの制御対象セルにおける電極間電圧の差の温度変動の補償を行うことができると共に、わずかな温度変動によって補償を逐次行う必要がなくなり、ガスセンサ制御装置の処理負荷の軽減を図ることができる。なお、所定の温度範囲は、必ずしも同じ数値範囲で設定される必要はない。

また、上記第２発明のガスセンサ制御装置としては、具体的に、前記ガスセンサ素子は、外部空間に接する第１固体電解質と、前記第１固体電解質と間隔を開けて積層される少なくとも１層の第２固体電解質と、前記第１固体電解質と前記第２固体電解質の間に区画される第１測定室と、前記第一測定室に連通し周囲から区画される第２測定室と、前記第２固体電解質に接し前記第１測定室に曝される検知電極と、前記検知電極の対極であって基準雰囲気に曝される基準極とを有し、前記第１測定室の酸素濃度に応じた起電力を生じる酸素濃度検出セルと、前記第１固体電解質に接し前記第１測定室に曝される内側第１ポンプ電極と、前記内側第１ポンプ電極の対極とを有し、前記酸素濃度検出セルに生じる前記起電力が第１の一定電圧となるよう、前記第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素を出し入れする第１ポンピングセルと、前記第２固体電解質に接し前記第２測定室に曝される内側第２ポンプ電極と、前記内側第２ポンプ電極の対極であって前記第２測定室の外に配置される外側第２ポンプ電極とを有し、前記内側第２ポンプ電極と前記外側第２ポンプ電極との間に第２の一定電圧が印加されることで前記第２測定室のＮＯ_ｘ濃度に応じた電流が流れる第２ポンピングセルとを備えたＮＯ_ｘセンサ素子であり、前記酸素濃度検出セル及び前記第２ポンピングセルが有する前記第２固体電解質は、同一の層又はそれぞれ異なる２層からなり、前記制御対象セルは前記酸素濃度検出セル及び前記第２ポンピングセルであり、前記電圧補正手段は、前記第２の一定電圧と前記第１の一定電圧との電極間電圧の差の温度変動を補償する補正電圧を、前記酸素濃度検出セルに接続される前記電圧制御手段に印加するガスセンサ制御装置に適用されるとよい。
これにより、回路基板に実装される電子部品（回路）自体の特性が温度によって変化した場合にも、２つの制御対象セル（酸素濃度検出セル及び第２ポンピングセル）の電極間電圧の差が変動（ドリフト）するのを補正し、電圧補正手段を酸素濃度検出セルに接続するだけで、ガスセンサ素子からの出力信号（ＮＯ_ｘ濃度に応じた電流）に基づくＮＯ_ｘ濃度の検出精度を向上することができる。

この発明によれば、回路基板の温度変動に起因して回路基板に実装される電圧制御手段の特性が変化した場合にも、ガスセンサ素子からの出力信号に基づいて特定ガス濃度の検出精度を向上可能なガスセンサ制御装置が得られる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るガスセンサ制御装置（ＮＯ_ｘ検出装置）１の構成を示すブロック図である。第１実施形態は、本発明において制御対象セルを２つ備え、２つの制御対象セルの電極間電圧の差の温度変動を補償し、電圧差を一定に保つ構成に相当する。又、第１実施形態において、２つの制御対象セルは、後述する酸素濃度検出セル及び第２ポンピングセルである。

ＮＯ_ｘ検出装置１は図示しない内燃機関（以下、エンジンともいう）を備える車両に搭載されている。ＮＯ_ｘ検出装置１は、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０、マイクロコンピュータ（以下、ＭＣという）２１、温度検出手段（温度センサ）２６、Ｉｐ２検出回路２８、電源回路３５、ヒータ回路４０、センサ端子部２９ａ〜２９ｄ、４２ｅ、４２ｆ、ＥＣＵ端子部を備え、これらは１枚の回路基板７０上に実装されている。センサ端子部はＮＯ_ｘセンサ（詳細には、ＮＯｘセンサ素子１０）に電気的に接続され、ＥＣＵ端子部は車両側のエンジン制御装置（以下、ＥＣＵという）に電気的に接続され、ＮＯ_ｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子１０）からの検出信号を、ＮＯ_ｘ検出装置１（具体的には、ＭＣ２１）によって濃度信号に変換してＥＣＵに送信する。ＥＣＵは濃度信号に基づいて排気ガス中のＮＯ_ｘ濃度を演算し、エンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化などの処理を実行する。又、ＮＯ_ｘ検出装置１のヒータ回路４０はＮＯ_ｘセンサ素子１０内のヒータ５０に接続されてＮＯ_ｘセンサ素子１０の温度を制御する。
ＭＣ２１はＮＯ_ｘ検出装置１全体を制御し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）２１ａ、ＲＯＭ２１ｂ、ＲＡＭ２１ｃを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
温度センサ２６はサーミスタ等からなり、ヒータ回路４０よりも第１制御回路２０及びＩｐ２検出回路２８に近接して上記回路基板７０上に配置されている。

なお、本発明において、「回路に近接して配置される」、とは、その回路の目的や機能を発揮するために必要な回路群（回路上の実装部品を含む）の近傍に配置されることをいい、特定回路が全体として１つの領域（例えば回路基板上の回路群）を形成する場合、この領域の境界の外側だけでなく、領域内（例えばこの回路群の回路配線の間のスペース）に温度検出手段（温度センサ２６）が配置される場合も含む。ここで、温度検出手段によって検出される温度に基づいて、制御電圧を補償する観点からは、上記領域内に温度検出手段が配置されることが好ましい。

次に、ＮＯ_ｘ検出装置１と接続されるＮＯ_ｘセンサは、ＮＯｘセンサ素子１０、同素子１０を収容するハウジング、同素子１０と接続されるリード線を含むものであるが、センサ自体の構成は公知であるため、以下ではＮＯｘセンサ素子１０について、長手方向に沿う断面図２を参照して説明する。なお、本実施形態のガスセンサ制御装置（ＮＯ_ｘ検出装置）１は、自身が有する回路基板２がガスセンサであるＮＯ_ｘセンサと信号線（リード線）を介して接続されることにより、センサ制御システムを構成するものである。
図２において、ＮＯ_ｘセンサ素子１０は、第１固体電解質層１１ａ、絶縁層１４ａ、第２固体電解質層１２ａ、絶縁層１４ｂ、第３固体電解質層１３ａ、及び絶縁層１４ｃ、１４ｄをこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質層１１ａと第２固体電解質層１２ａとの層間に第１測定室１６が画成され、第１測定室１６の左端（入口）に配置された第１拡散抵抗体１５ａを介して外部から被測定ガスＧＭが導入される。
第１測定室１６のうち入口と反対端には第２拡散抵抗体１５ｂが配置され、第２拡散抵抗体１５ｂを介して第１測定室１６の右側には、第１測定室１６と連通する第２測定室１８が画成されている。第２測定室１８は、第２固体電解質層１２ａを貫通して第１固体電解質層１１ａと第３固体電解質層１３ａとの層間に形成されている。

絶縁層１４ｃ、１４ｄの間にはＮＯ_ｘセンサ素子１０の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ５０が埋設されている。ヒータ５０はガスセンサを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
絶縁層１４ａ〜１４ｄはアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５ａ及び第２拡散抵抗体１５ｂはアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ５０は白金等からなる。

第１ポンピングセル１１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質層１１ａと、これを挟持するように配置された内側第１ポンプ電極１１ｃ及び対極となる外側第１電極１１ｂとを備え、内側第１ポンプ電極１１ｃは第１測定室１６に面している。内側第１ポンプ電極１１ｃ及び外側第１ポンプ電極１１ｂはいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層１１ｅ、１１ｄでそれぞれ覆われている。
なお、内側第１ポンプ電極１１ｃは第１センサ端子１９ａに接続され、外側第１ポンプ電極１１ｂは第４センサ端子１９ｄに接続されている（図３参照）。

酸素濃度検出セル１２は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２ａと、これを挟持するように配置された検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃとを備え、検知電極１２ｂは内側第１ポンプ電極１１ｃより下流側で第１測定室１６に面している。検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃはいずれも白金を主体とし、それぞれ第１センサ端子１９ａ、第２センサ端子１９ｂに接続されている（図３参照）。
なお、絶縁層１４ｂは、第２固体電解質層１２ａに接する基準電極１２ｃが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７を形成している。そして、酸素濃度検出セル１２に図３には示してない定電流源回路を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室１６から基準酸素室１７内に送り込み、酸素基準とする。

第２ポンピングセル１３は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質層１３ａと、第３固体電解質層１３ａのうち第２測定室１８に面した表面に配置された内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極となる第２ポンプ対電極１３ｃとを備えている。内側第２ポンプ電極１３ｂ及び第２ポンプ対電極１３ｃはいずれも白金を主体とし、それぞれ第３センサ端子１９ｃ、第１センサ端子１９ａに接続されている（図３参照）。第２ポンプ対電極１３ｃは、第３固体電解質層１３ａ上における絶縁層１４ｂの切り抜き部に配置され、基準電極１２ｃに対向して基準酸素室１７に面している。
なお、本実施形態におけるＮＯ_ｘセンサ素子１０は、第１固体電解質層１１ａ、第２固体電解質層１２ａ、第３固体電解質層１３ａの３層を有するものであり、第１ポンピングセル１１が設けられる第１固体電解質層１１ａが特許請求の範囲の「第１固体電解質」に相当し、酸素濃度検出セル１２及び第２ポンピングセル１３が設けられる第２固体電解質層１２ａ及び第３固体電解質層１３ａの２層が特許請求の範囲の「第２固体電解質」に相当する。

次に、ＮＯ_ｘセンサ素子１０の動作の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電源回路３５が電力の供給を受けると、ヒータ回路４０を介してヒータ５０が作動し、第１ポンピングセル１１、酸素濃度検出セル１２、第２ポンピングセル１３を活性化温度まで加熱する。そして、各セル１１〜１３が活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル１１は、第１測定室１６に流入した被測定ガス（排ガス）ＧＭ中の過剰な酸素を内側第１ポンプ電極１１ｃから第１対電極１１ｂへ向かって汲み出す。
このとき、第１測定室１６内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル１２の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｓに対応したものとなるため、この電極間電圧Ｖｓが一定電圧Ｖ１（例えば４２５ｍＶ）になるように第１ポンピングセル１１に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御することにより、第１測定室１６内の酸素濃度をＮＯ_ｘが分解しない程度に調整する。

酸素濃度が調整された被測定ガスＧＮは第２測定室１８に向かってさらに流れる。そして、第２ポンピングセル１３の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｐとして、被測定ガスＧＮ中のＮＯ_ｘガスが酸素とＮ_２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖ２（酸素濃度検出セル１２の制御電圧の値より高い電圧、例えば４５０ｍＶ）を印加することにより、ＮＯｘが窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯ_ｘの分解により生じた酸素が第２測定室１８から汲み出されるように、第２ポンピングセル１３に第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れることになる。この際、第２ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯ_ｘ濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐ２を検出することにより被測定ガス中のＮＯ_ｘ濃度を検出することができる。

次に、ＮＯ_ｘ検出装置１の詳細な回路構成について図３を参照して説明する。但し、図１における電源回路３５は図示していない。
ＮＯ_ｘ検出装置１は、ＮＯ_ｘセンサ素子１０に対する通電制御を行うとともに、ＮＯｘ濃度信号を含めた各種信号ｓｉｇをＥＣＵ６０と送受信するものであり、第１配線３９ａ及び第４配線３９ｄを介してＮＯ_ｘセンサ素子１０の第１ポンピングセル１１に接続し、第１配線３９ａ及び第３配線３９ｃを介して第２ポンピングセル１３に接続し、第１配線３９ａ及び第２配線３９ｂを介して酸素濃度検出セル１２に接続している。
なお、第１配線３９ａ〜第４配線３９ｄは、ＮＯ_ｘ検出装置１側の第１回路端子２９ａ〜第４回路端子２９ｄにそれぞれ接続している。
又、ヒータ回路４０は、第５配線５０ｅ及び第６配線５０ｆを介してヒータ５０に接続している。

ＮＯ_ｘ検出装置１において、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０は、ＰＩＤ回路２２、Ｖｓ加算前基準電圧発生器２３、ローパスフィルタ２５、Ｉｐ１ドライバ２７、複数の抵抗体Ｒ９〜Ｒ１２、バッファ（オペアンプ）ＯＡ１，ＯＡ２を有している。
バッファＯＡ１はネガティブフィードバックを行い、その非反転入力端子（＋）が第２回路端子２９ｂに接続され、バッファＯＡ１の出力がＰＩＤ回路２２に入力される。ＰＩＤ回路２２の２つの入力端子は、それぞれバッファＯＡ１の出力端子と、基準電圧回路ＶＣの出力側に接続され、ＰＩＤ回路２２の出力が抵抗体Ｒ１２を介してＩｐ１ドライバ２７の反転入力端子（−）に入力される。なお、ＰＩＤ回路２２の出力は抵抗器Ｒ１２を介して第１回路端子２９ａにも接続されている。
Ｉｐ１ドライバ２７は、第１ポンピングセル１１に第１ポンプ電流Ｉｐ１を流すためのオペアンプであり、その非反転入力端子（＋）が参照電源に接続され、出力端子が第４回路端子２９ｄに接続される。

バッファＯＡ１、ＰＩＤ回路（ＰＩＤ制御回路）２２、加算前基準電圧回路ＯＣ、加算回路ＡＣ、抵抗体Ｒ１２、参照電源３０、及びＩｐ１ドライバ２７で第１制御回路ＣＣ１（酸素濃度検出セル１２に接続される電圧制御手段に相当）が構成される。第１制御回路ＣＣ１は、酸素濃度検出セル１２の端子間電圧Ｖｓが一定電圧Ｖ１となるよう制御する。
なお、加算前基準電圧回路ＯＣと加算回路ＡＣとから基準電圧回路ＶＣが構成される。
加算前基準電圧回路ＯＣは、Ｖｓ加算前基準電圧発生器２３と、その非反転入力端子（＋）がＶｓ加算前基準電圧発生器２３の出力端子に接続されネガティブフィードバックを行うバッファＯＡ２とを備える。
加算回路ＡＣは抵抗体Ｒ９〜Ｒ１１を備え、バッファＯＡ２から出力される加算前基準電圧Ｖｓｔと、後述する補正電圧Ｖｓａ２とをノードＮ１で加算し、そこで生じる基準電圧Ｖｓｘが抵抗体Ｒ１０を介してＰＩＤ回路２２に入力される。

次に、第１制御回路ＣＣ１の動作について説明する。ＰＩＤ回路２２は、ノードＮ１における基準電圧Ｖｓｘに基づいて、酸素濃度検出セル１２の第１センサ端子１９ａと第２センサ端子１９ｂとの間の端子間電圧（検知電極１２ｂと基準電極１２ｃの電極間電圧）Ｖｓが一定電圧Ｖ１（本実施形態では４２５ｍＶ）になるよう制御する。具体的には、端子間電圧Ｖｓの偏差量ΔＶｓを用いたＰＩＤ演算を行い、ＰＩＤ回路２２の出力電圧を変化させる。
また、第１制御回路ＣＣ１のＩｐ１ドライバ２７は、第１ポンピングセル１１に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御する。つまり、ＰＩＤ回路２２の出力がＩｐ１ドライバ２７の反転入力端子（−）に入力されるため、Ｉｐ１ドライバ２７の入出力回路は、第４回路端子２９ｄから、第４配線３９ｄ、第１ポンピングセル１１、第１配線３９ａを介して第１回路端子２９ａに至るネガティブフィードバック回路を構成する。そのため、第１回路端子２９ａの電位Ｖ２９ａが参照電源３０の参照電位（本実施形態では３．６Ｖ）と等しくなるように、第１ポンピングセル１１に第１ポンプ電流Ｉｐ１が流れる。

以上のように第１制御回路ＣＣ１は、第１配線３９ａ、第２配線３９ｂ、及び第４配線３９ｄを介して、酸素濃度検出セル１２及び第１ポンピングセル１１を含むフィードバック制御回路を構成し、酸素濃度検出セル１２の端子間電圧Ｖｓを一定電圧Ｖ１（４２５ｍＶ）に保つよう制御する。ここで、一定電圧Ｖ１の値は、基準温度（２５℃）における端子間電圧Ｖｓである。

一方、第２ポンピングセル１３の端子間電圧Ｖｐは、Ｉｐ２検出回路２８の後述する第２制御回路ＣＣ２によって一定電圧Ｖ２に制御される。なお、第２ポンピングセル１３については、酸素濃度検出セル１２における第１制御回路ＣＣ１のような制御回路は用いていない。
Ｉｐ２検出回路２８のうちで第２制御回路ＣＣ２（第２ポンピングセル１３に接続される電圧制御手段に相当）は、図４に示す構成をなし、ＭＣ２１から出力されたデジタル設定値Ｖｐｄ２をアナログ設定電圧Ｖｐａ１に変換するＤ／Ａ変換器２８ａのほか、同一の温度特性を有する抵抗体Ｒ５〜Ｒ７を有し、アナログ設定電圧Ｖｐａ１の電位を調整する電位調整回路ＮＲ２、及びバッファＯＡ３からなる所定電圧化回路２８ｂを含む。バッファＯＡ３の反転入力端子（−）にはその出力が入力され、非反転入力端子（＋）には電位調整回路ＮＲ２を通じてアナログ設定電圧Ｖｐａ１が入力される。
バッファＯＡ３の出力端子には抵抗体Ｒ７７が接続され、第２制御回路ＣＣ２と共にＩｐ２検出回路を構成している。なお、抵抗体Ｒ７７の両端には差動増幅回路２８ｃの入力端子がそれぞれ接続される一方、この差動増幅回路２８ｃの出力端子がＭＣ２１に接続されている。これにより、第２ポンピングセル１３を流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２は、抵抗体Ｒ７７にて電圧変換され、差動増幅回路２８ｃを介してＭＣ２１に取り込まれ、ＭＣ２１は差動増幅回路からの出力信号（即ち、第２ポンプ電流Ｉｐ２）に基づいて、ＮＯｘ濃度を算出する。

Ｉｐ２検出回路２８（所定電圧化回路２８ｂ）は、Ｄ／Ａ変換器２８ａで得たアナログ設定電圧Ｖｐａ１に基づいて、アナログ電圧Ｖｐａ２を発生させる。このアナログ電圧Ｖｐａ２は、第２ポンピングセル１３の端子間電圧Ｖｐが一定電圧Ｖ２（４５０ｍＶ）になるよう算出された設定電圧であり、そのまま第３センサ端子１９ｃを通して第２ポンピングセル１３に印加される。
ここで、一定電圧Ｖ２の値は、基準温度（２５℃）における端子間電圧Ｖｐである。

ところで、ＮＯ_ｘ検出装置１の回路基板７０に実装される第１制御回路ＣＣ１や第２制御回路ＣＣ２を構成する電子部品の特性が回路基板７０の温度変化によって変動した場合、酸素濃度検出セル１２の端子間電圧Ｖｓや、第２ポンピングセル１３の端子間電圧Ｖｐを一定電圧Ｖ１、Ｖ２に保つことが難しくなる。特に、オペアンプは温度によってリーク電流及び電圧が変動しやすい。
図５は、ＮＯ_ｘ検出装置１の付近の温度（即ち、回路基板７０の温度）が変化したときの、酸素濃度検出セル１２及び第２ポンピングセル１３の端子間電圧（それぞれＶｓ，Ｖｐ）の変化を示す。温度によってＶｓやＶ２が変化することがわかる。

このような場合、酸素濃度検出セル１２及び第２ポンピングセル１３の端子間電圧自体をそれぞれ一定電圧Ｖ１，Ｖ２に保つよう温度補償するようにしてもよいが、回路構成が複雑になることから、本第１実施形態では、各制御対象セル（酸素濃度検出セル１２と第２ポンピングセル１３）の端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）を一定に保つよう温度補償するようにしている。
特に、本第１実施形態におけるＮＯ_ｘセンサ素子１０では、ＮＯｘ濃度に応じて第２ポンピングセル１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２がμＡオーダーと微小電流であるため、第２ポンピングセル１３印加する電圧（即ち、端子間電圧Ｖｐ）を直接補正すると、第２ポンプ電流Ｉｐ２に補正に伴った無視できないレベルの変動がＮＯｘ濃度に関係なく生じるおそれがある。そのため、本第１実施形態におけるＮＯｘセンサ素子１０に接続されるガスセンサ制御装置１においては、第２ポンピングセル１３の端子間電圧Ｖｐを直接補正せず、端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）を一定に保つよう補正（温度補償）する方が好ましい。
つまり、図５の破線に示すように、端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）が回路基板７０の温度変動によらず一定になるように、酸素濃度検出セル１２の端子間電圧Ｖｓの値を補正する。

そこで、第１実施形態においては、温度センサ２６の検出温度に基づいて基準電圧Ｖｓｘの値を変更し、端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）を一定に保つよう、端子間電圧Ｖｓの値を補正する。
具体的には、ＭＣ２１は温度センサ２６の検出値を取得し、温度毎に予め求めたＶｓ補正値を記憶するマップを参照してＶｓ補正値を決定し、決定したＶｓ補正値に応じたパルス幅変調（ＰＷＭ）信号Ｖｓｄ２をＰＷＭ出力する。パルス幅変調信号Ｖｓｄ２は抵抗器Ｒ８とコンデンサＣ１から構成されるローパスフィルタ２５を介して補正電圧Ｖｓａ２に変換されて加算回路ＡＣに入力され、加算前基準電圧回路ＯＣから加算回路ＡＣに入力される加算前基準電圧Ｖｓｔと加算されて基準電圧Ｖｓｘとなり、ＰＩＤ回路２２に入力される。
なお、第１実施形態において、ＣＰＵ２１ａ、ローパスフィルタ２５、加算回路ＡＣにより電圧補正手段が構成される。

図６、図７は、ＭＣ２１のＲＯＭ２１ｂに記憶されたマップ（テーブル）の一例を示す。図６は、低温側（３５℃以下）で参照されるマップであり、図７は、高温側（３５℃以上）で参照されるマップである。
これらのマップは温度毎にＶｓ補正値を記憶しているが、Ｖｓ補正値はより詳しくは、基準温度（２５℃）におけるパルス幅変調信号Ｖｓｄ２のデューティ比に対する、各温度でのオフセット値を示す。又、温度毎のＶｓ補正値は実測値でなく、想定されたモデル値である。つまり、ＮＯ_ｘセンサ素子１０を通電制御するための回路基板７０上に実装される回路構成によっては、温度上昇に伴って端子間電圧Ｖｓが上昇する場合と低下する場合とがあるため、端子間電圧Ｖｓの想定される変動パターンのいくつかをＶｓ補正モデル値としてマップに記憶する。

具体的には、想定される電圧変動パターンを補正ランク０〜１５に分け、各補正ランク毎に、
温度毎のＶｓ補正値をマップに記憶する。想定される電圧変動パターンは、本第１実施形態のガスセンサ制御装置１を外部検査機器に接続し、この外部検査機器から第２ポンピングセル１３に０μＡの電流を流すと共に、第１ポンピングセル１１に０μＡの電流を流し、擬似的にＮＯ_ｘ濃度が０ｐｐｍ、酸素濃度が０ｐｐｍという状態にしたもとで、電圧変動を測定して得られる。
例えば、図５の補正ランク０の場合、温度低下に伴ってオフセット値を増やす、つまり信号Ｖｓｄ２のデューティ比を増やすことにより、温度低下に伴う端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）の変動を補償する。一方、図５の補正ランク１５の場合、温度低下に伴ってオフセット値を減らし、温度低下に伴う端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）の変動を補償する。
なお、個々のガスセンサ制御装置においては、上記補正ランクのうち１つのみを用いる。この場合、ガスセンサ制御装置を出荷する際、上記の外部検査機器に個々のガスセンサ制御装置を接続し、この外部検査機器から第２ポンピングセル１３に０μＡの電流を流すと共に、第１ポンピングセル１１に０μＡの電流を流し、その際の電圧変動パターンが補正ランク０〜１５のいずれに近似するかを判定し、判定した補正ランクを検査に供されたガスセンサ制御装置に用いる。例えばマップにそのガスセンサ制御装置の補正ランクを示すフラグを設定することにより、ＭＣ２１のＣＰＵがマップ内の１つの補正ランクに該当するデータのみを参照する。

例として、補正ランク５を用いるガスセンサ制御装置において、温度センサ２６の検出温度が−３０℃の場合、図６よりＶｓ補正値は＋０．８であるから、基準温度（２５℃）でのデューティ比（本実施形態では３０％）にＶｓ補正値（０．８）を加算し、補正後のデューティ比が３０．８％となるようなパルス幅変調信号Ｖｓｄ２を出力し、端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）を一定に保つよう補正（温度補償）する。

又、第１実施形態では、所定の温度範囲（幅２０℃）毎にＶｓ補正値をマップに記憶している。例えば、図６において、１５〜３５℃ではＶｓ補正値が共通である。そのため、ＭＣ２１が温度センサ２６の検出値をキーとしてマップを参照した際、前回参照した検出値と温度範囲が同じであればＶｓ補正値は変化しないので、パルス幅変調信号Ｖｓｄ２のデューティ比は更新しない。つまり、温度センサ２６の検出値に応じてパルス幅返照信号Ｖｓｄ２のデューティ比を計算する場合に比べ、ＭＣ２１のＣＰＵ２１ａへの負荷を少なくできるという利点がある。

なお、第１実施形態におけるＶｓ補正値は、Ｖｐ−Ｖｓが２５℃における基準値（４５０−４２５＝２５ｍＶ）に保たれるような値となっている。これにより、回路基板７０の温度が変動しても、常に第２ポンピングセル１３と酸素濃度検出セル１２の端子間電圧との差が２５ｍＶ近傍に維持される。

次に、図８を参照して、ＭＣ２１のＣＰＵ２１ａによる端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）を一定に保つための補正処理について説明する。
まず、ＣＰＵ２１ａは温度センサ２６の出力を読取り、読取り値から検出温度を演算する（ステップＳ２）。なお、ＭＣ２１は図示しないＡ／Ｄ変換器を有し、温度センサ２６のアナログ出力をデジタル値に変換して読取る。次に、ＣＰＵ２１ａは演算した検出温度が３５℃以下か否かを判定し（ステップＳ４）、ステップＳ４でＹｅｓであれば、演算した検出温度をキーとして図６のマップを参照し（ステップＳ６）、ステップＳ４でＮｏであれば図７のマップを参照する（ステップＳ８）。

次いで、ＣＰＵ２１ａはステップＳ６又はＳ８の参照値（Ｖｓ補正値）が、前回の参照値と異なるか否かを判定する（ステップＳ１０）。例えば、前回のタイミングでＣＰＵ２１ａが読取った温度が１８℃である場合、図６の参照値は０であり（補正ランク５）、今回ＣＰＵ２１ａが読取った温度が２７℃である場合も図６の参照値は０であるから、この場合はステップＳ１０でＮｏとなる。
ステップＳ１０でＹｅｓの場合、ＣＰＵ２１ａは参照値に基づいてパルス幅変調信号Ｖｓｄ２の現在のデューティ比を補正し（ステップＳ１２）、補正後のデューティ比とされたパルス幅変調信号Ｖｓｄ２を出力する（ステップＳ１４）。これにより、端子間電圧の差（Ｖｐ−Ｖｓ）が一定に保たれるように基準電圧Ｖｓｘの値が調整され、処理が終了する。
一方、ステップＳ１０でＮｏの場合、ＣＰＵ２１ａは補正を行わずに処理が終了する。

図９は、本発明の第２実施形態に係るガスセンサ制御装置（Ｏ_２検出装置）１Ｂの構成を示すブロック図である。第２実施形態は、１つの制御対象セルの電極間電圧自体を一定に保つよう、温度補償する構成に相当する。又、第２実施形態において、制御対象セルは酸素濃度検出セルである。
なお、ガスセンサ制御装置１Ｂは、２セルタイプの公知の酸素センサ素子１００を有する酸素センサに接続されるものであり、酸素センサ素子１００は第１実施形態における第２ポンピングセル１３を有しないこと以外はＮＯ_ｘセンサ素子１０と同一の構成であるので、説明を省略する。
また、ガスセンサ制御装置１Ｂも、第２ポンピングセル１３を制御するためのＩｐ２検出回路２８を有しないこと以外は第１実施形態のガスセンサ制御装置１と同一の構成であり、同一の動作を行うので、説明を省略する。なお、本第２実施形態のガスセンサ制御装置（Ｏ_２検出装置）１Ｂは、自身が有する回路基板７０がガスセンサである酸素センサと信号線（リード線）を介して接続されることにより、センサ制御システムを構成するものである。

図１０に示すように、Ｏ_２センサ検出装置付近の温度（即ち、回路基板７０の温度）が変化したとき、酸素濃度検出セル１２の端子間電圧Ｖｓが変化する。そこで、第２実施形態においては、酸素濃度検出セル１２の端子間電圧Ｖｓ自体が回路基板の温度によらず一定になるよう、パルス幅変調信号Ｖｓｄ２のデューティ比を調整して、基準電圧Ｖｓｘの値を補正する。従って、第２実施形態においては、ＲＯＭ２１ｂに記憶されたマップ（テーブル）のＶｓ補正値が第１実施形態の場合と異なるが、温度センサ２６の検出値に応じてパルス幅返照信号Ｖｓｄ２のデューティ比を更新するためのＶｓ補正値をマップから参照して基準電圧Ｖｓｘの値を補正する方法は第１実施形態と同様とすることができる。
なお、第２実施形態においては、基準温度（２５℃）における端子間電圧（４２５ｍＶ）と同じ値に端子間電圧Ｖｓを保つような温度補正を行う。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、ＮＯ_ｘセンサ素子を構成する固体電解質層を３層としたが、第１ポンピングセル、酸素濃度検出セル、第２ポンピングセルを構成するための固体電解質層を２層としてもよい。つまり、単層からなる第１固体電解質層と単層からなる第２固体電解質層との間に、第１測定室と第２測定室を直列に並ぶように形成した上で、第１固体電解質層を用いて第１ポンピングセルを構成し、第２固体電解質層を用いて酸素濃度検出セル及び第２ポンピングセルを構成するのである。このような固体電解質層が２層であるＮＯｘセンサ素子の構造は、例えば特開平９−２８８０８５号公報（図２）に記載されている。

本発明は、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中のＮＯ_ｘガス濃度検出用ガスセンサや、全領域空燃比センサ等の酸素センサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯ_X以外のガス（例えばＣＯ_XやＨ₂Ｏ、ＨＣなど）の濃度を測定するためのガスセンサ素子を有するガスセンサに対して適用することもできる。

本発明の第１実施形態に係るＮＯ_ｘ検出装置の構成を示すブロック図である。 ＮＯ_ｘセンサ素子の長手方向に沿う断面図である。 ＮＯ_ｘ検出装置の詳細な構成を示す図である。 Ｉｐ２セル検出回路の構成を示す図である。 ＮＯ_ｘセンサ検出装置付近の温度が変化したときの、酸素濃度検出セル及び第２ポンピングセルの端子間電圧の変化を示す図である。 ＲＯＭ２１ｂに記憶されたマップ（テーブル）の一例を示す図である。 ＲＯＭ２１ｂに記憶されたマップ（テーブル）の一例を示す別の図である。 端子間電圧Ｖｓの補正処理フローを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るＯ_２検出装置の詳細な構成を示す図である。 Ｏ_２センサ検出装置付近の温度が変化したときの、酸素濃度検出セルの端子間電圧の変化を示す図である。

符号の説明

１、１Ｂ ガスセンサ制御装置
１０、１００ ガスセンサ素子（ＮＯ_ｘセンサ素子、酸素センサ素子）
１１ 第１ポンピングセル
１２ 酸素濃度検出セル（制御対象セル）
１３ 第２ポンピングセル（制御対象セル）
１１ａ〜１３ａ 第１固体電解質層〜第３固体電解質層
１１ｂ 第１対電極
１１ｃ 内側第１ポンプ電極
１２ｂ 検知電極
１２ｃ 基準電極
１３ｂ 内側第２ポンプ電極
１３ｃ 第２ポンプ対電極
１６ 第１測定室
１８ 第２測定室
２１ａ、２５、ＡＣ 電圧補正手段（ＣＰＵ、ローパスフィルタ、加算回路）
２１ｂ 記憶手段（ＲＯＭ）
２６ 温度検出手段（温度センサ）
ＣＣ１、ＣＣ２ 電圧制御手段（第１制御回路、第２制御回路）
Ｖｓ 酸素濃度検出セルの端子間電圧
Ｖｐ 第２ポンピングセルの端子間電圧
Ｖｓａ２ 補正電圧

Claims (7)

1. 一対の電極と固体電解質とを有する制御対象セルを備え特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を有するガスセンサの制御に用いられると共に、前記ガスセンサと信号線を介して接続される回路基板を備えるガスセンサ制御装置であって、
   前記回路基板上に、
   前記制御対象セルの前記一対の電極間の電圧が一定電圧となるよう制御する電圧制御手段と、
   前記回路基板の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記一定電圧の温度変動を補償する補正電圧を前記電圧制御手段に印加する電圧補正手段と
   を有するガスセンサ制御装置。
2. 一対の電極と固体電解質とを有する制御対象セルを２つ以上備え特定ガスの濃度を検出するガスセンサ素子を有するガスセンサの制御に用いられると共に、前記ガスセンサと信号線を介して接続される回路基板を備えるガスセンサ制御装置であって、
   前記回路基板上に、
   ２つ以上の前記制御対象セルのそれぞれに接続されると共に、前記制御対象セルの前記一対の電極間の電圧が一定電圧となるよう制御する複数の電圧制御手段と、
   前記回路基板の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段が検出した温度に基づいて、前記制御対象セルから選択される２つの制御対象セルにおける電極間の電圧の差の温度変動を補償する補正電圧を、前記選択された制御対象セルのうち一方に接続される電圧制御手段に印加する電圧補正手段と
   を有するガスセンサ制御装置。
3. 前記ガスセンサは、前記ガスセンサ素子を加熱するためのヒータを有しており、前記回路基板上には、前記ヒータの通電制御を行うヒータ制御手段が備えられ、
   前記温度検出手段は、前記ヒータ制御手段よりも前記電圧制御手段に近接して前記回路基板上に配置されている請求項１又は２記載のガスセンサ制御装置。
4. 温度に対応して前記補正電圧に対応する補正値が記憶された記憶手段をさらに備え、
   前記電圧補正手段は、前記補正値を参照して前記補正電圧を前記電圧制御手段に印加する請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記記憶手段は、所定の温度範囲毎に前記補正値を記憶する請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記ガスセンサ素子は、
   外部空間に接する第１固体電解質と、
   前記第１固体電解質と間隔を開けて積層される少なくとも１層の第２固体電解質と、
   前記第１固体電解質と前記第２固体電解質の間に区画される第１測定室と、
   前記第一測定室に連通し周囲から区画される第２測定室と、
   前記第２固体電解質に接し前記第１測定室に曝される検知電極と、前記検知電極の対極であって基準雰囲気に曝される基準極とを有し、前記第１測定室の酸素濃度に応じた起電力を生じる酸素濃度検出セルと、
   前記第１固体電解質に接し前記第１測定室に曝される内側第１ポンプ電極と、前記内側第１ポンプ電極の対極とを有し、前記酸素濃度検出セルに生じる前記起電力が第１の一定電圧となるよう、前記第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素を出し入れする第１ポンピングセルと、
   前記第２固体電解質に接し前記第２測定室に曝される内側第２ポンプ電極と、前記内側第２ポンプ電極の対極であって前記第２測定室の外に配置される外側第２ポンプ電極とを有し、前記内側第２ポンプ電極と前記外側第２ポンプ電極との間に第２の一定電圧が印加されることで前記第２測定室のＮＯ_ｘ濃度に応じた電流が流れる第２ポンピングセルとを備えたＮＯ_ｘセンサ素子であり、
   前記酸素濃度検出セル及び前記第２ポンピングセルが有する前記第２固体電解質は、同一の層又はそれぞれ異なる２層からなり、
   前記制御対象セルは前記酸素濃度検出セル及び前記第２ポンピングセルであり、
   前記電圧補正手段は、前記制御対象セルの電極間電圧の差の温度変動を補償する補正電圧を、前記酸素濃度検出セルに接続される前記電圧制御手段に印加する請求項２〜５のいずれかに記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記ガスセンサと、
   前記ガスセンサと信号線を介して接続される前記回路基板を備える請求項１〜６のいずれかに記載のガスセンサ制御装置と、
   を備えるガスセンサ制御システム。