JP2009257816A - ガス濃度センサの出力信号処理装置及びガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低濃度領域での濃度検出の分解能を高めさせることを実現しつつ、Ａ／Ｄ変換誤差を低減することにより、高濃度領域についても高精度で濃度を算出できるようにした、ガス濃度センサの出力信号処理装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘセンサ１０（ガス濃度センサ）のモニタセルから出力されるモニタセル電流Ｉｍ（モニタセル信号）と、センサセルから出力されるセンサセル電流Ｉｓ（センサセル信号）との差分を演算して出力する差分増幅回路４５，４６を有するアナログ回路と、アナログ回路から出力された差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４２と、デジタル信号に基づきＮＯｘ濃度を算出するマイコン４１と、を備える。そして前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400をＡ／Ｄ変換器４２に出力する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えば、内燃機関の排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサに適用され、当該ガス濃度センサから出力された信号に基づき、ガス中に存在する特定成分の濃度を演算処理する出力信号装置に関する。

内燃機関の排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサとして、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたものが従来より知られている。ポンプセルは、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素（第１特定成分）を所定濃度レベルに調整する。モニタセルは、ポンプセルにより調整されたガス中に残留する残留酸素濃度（残留第１特定成分濃度）を検出する。センサセルは、ポンプセルにより調整されたガス中に存在するＮＯｘ（第２特定成分）の濃度を検出する。そして、センサセルによる検出値であるセンサセル信号Ｖｓから、モニタセルの検出値であるモニタセル信号Ｖｍを減算することで、ＮＯｘ濃度を算出できる（特許文献１等参照）。

図８は特許文献１記載の出力信号処理装置を説明する図であり、両信号Ｖｓ，ＶｍをＡ／Ｄ変換してマイコン４１ｘ（マイクロコンピュータ）に取り込み、両信号Ｖｓ，Ｖｍに基づきマイコン４１ｘでＮＯｘ濃度を算出処理するにあたり、低濃度時の信号Ｖｓ，Ｖｍの電圧値はマイコン４１ｘ（或いはＡ／Ｄ変換器４２）の入力可能信号範囲０〜５Ｖに比べて極めて小さい。そこで、図８に示す従来装置では、低濃度領域では両信号Ｖｓ，ＶＭを差動増幅オペアンプ４５で差動増幅させた後にＡ／Ｄ変換することで、低濃度領域における濃度検出の分解能を高めさせ、低濃度領域で要求される濃度算出の精度を確保している。

より具体的に説明すると、Ａ／Ｄ変換器４２には、上記両信号Ｖｓ，Ｖｍが入力されることに加え、差動増幅オペアンプ４５からの差分演算信号Vs-Vmが入力される。Ａ／Ｄ変換器４２は、これら入力信号Ｖｓ，Ｖｍ，Vs-Vmの各々についてＡ／Ｄ変換し、変換後の信号Ｖｓ(D)，Ｖｍ(D)，ＮＯｘ100をマイコン４１ｘに出力する。

マイコン４１ｘは、両デジタル信号Ｖｓ(D)，Ｖｍ(D)の差分を演算する差分演算手段４１ｄを備える。そして、低濃度領域について濃度を算出する場合には、Ａ／Ｄ変換器４２から出力される信号ＮＯｘ100に基づき濃度を算出する処理を行い、高濃度領域について濃度を算出する場合には、差分演算手段４１ｄから出力される信号Ｖｓ(D)−Ｖｍ(D)に基づき濃度を算出する処理を行う。
特開２００４−１３２８４１号公報

本発明者は、低濃度領域について濃度算出精度向上を図った上記従来装置に対して、さらなる算出精度向上を検討した結果、以下の点において改善の余地があることを見出した。すなわち、高濃度領域について濃度を算出する場合には、センサセル信号Ｖｓ及びモニタセル信号Ｖｍを別々にＡ／Ｄ変換し、各々のＡ／Ｄ変換後のデジタル信号Ｖｓ(D)，Ｖｍ(D)の差分をマイコン４１ｘの差分演算手段４１ｄにて演算する。すると、Ａ／Ｄ変換する際に生じる変換誤差が、両信号Ｖｓ，Ｖｍの各々について生じるため、最終的にマイコン４１ｘで算出して得られた濃度値にＡ／Ｄ変換誤差が加算される度合いが大きくなってしまう。つまり、高濃度領域についての濃度算出精度が十分に図られていないと言える。

なお、ここまでの説明では、ＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサを対象として述べたが、被検出ガス（排ガス）中の他の成分（例えばＣＯ２やＨＣ等）の濃度を検出するガス濃度センサについても、上述の如くポンプセル、モニタセル及びセンサセルを備えたものについては同様にして、上述のＡ／Ｄ変換誤差の問題が生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低濃度領域での濃度検出の分解能を高めさせることを実現しつつ、Ａ／Ｄ変換誤差を低減することにより、高濃度領域についても高精度で濃度を算出できるようにした、ガス濃度センサの出力信号処理装置及びガス濃度検出装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、
ガス室内に導入した被検出ガス中の第１特定成分を所定濃度レベルに調整するポンプセル、前記ポンプセルにより調整されたガス中に残留する残留第１特定成分濃度を検出するモニタセル、及び前記ポンプセルにより調整されたガス中に存在する第２特定成分の濃度を検出するセンサセルを有して構成され、前記モニタセルによる検出値であるモニタセル信号、及び前記センサセルによる検出値であるセンサセル信号を出力するガス濃度センサに適用され、
前記モニタセル信号及び前記センサセル信号の差分を演算して出力するアナログ回路と、前記アナログ回路から出力された差分演算信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記デジタル信号に基づき前記第２特定成分の濃度を算出するマイコン（マイクロコンピュータ）と、を備え、前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した前記差分演算信号を前記Ａ／Ｄ変換器に出力することを特徴とするガス濃度センサの出力信号処理装置である。

これによれば、互いに異なる倍率で増幅した差分演算信号をアナログ回路はＡ／Ｄ変換器に出力するので、マイコンは、第２特定成分の濃度が高濃度領域である場合には低倍率で増幅した差分演算信号に基づき第２特定成分の濃度を算出し、低濃度領域である場合には高倍率で増幅した差分演算信号に基づき濃度算出するようにできる。よって、低濃度領域における濃度検出の分解能を高めることができるので、低濃度領域で要求される濃度算出の精度を十分に確保できる。

さらに、アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した差分演算信号をＡ／Ｄ変換器に出力するので、低濃度領域での濃度算出に用いる差分演算信号、及び高濃度領域での濃度算出に用いる差分演算信号のいずれについても、アナログ回路から出力されることとなる。よって、図８に示す従来装置の如くモニタセル信号Ｖｍ及びセンサセル信号Ｖｓの各々についてＡ／Ｄ変換することを回避でき、差分演算信号のみをＡ／Ｄ変換するようにできるので、最終的にマイコンで算出して得られた第２特定成分の濃度値に、Ａ／Ｄ変換誤差が加算される度合いを小さくできる。よって、高濃度領域についても高精度で第２特定成分の濃度を算出することができる。

請求項１記載の発明において、互いに異なる倍率で増幅した差分演算信号をアナログ回路からＡ／Ｄ変換器に出力するにあたり、具体的には以下の請求項２記載の構成（図３参照）と、請求項４記載の構成（図６及び図７参照）が挙げられる。

すなわち、請求項２記載の発明では、前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した複数の前記差分演算信号を前記Ａ／Ｄ変換器に出力し、前記マイコンには、複数の前記差分演算信号の各々に対して前記Ａ／Ｄ変換器で変換してなるデジタル信号が複数入力され、前記マイコンは、前記第２特定成分の濃度に応じて前記複数のデジタル信号のいずれか１つを選択し、その選択したデジタル信号に基づき前記第２特定成分の濃度を算出することを特徴とする。一方、請求項４記載の発明では、前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した複数の前記差分演算信号を、前記第２特定成分の濃度に応じて切り替えて前記Ａ／Ｄ変換器に出力することを特徴とする。

要するに、増幅倍率の異なる差分演算信号を濃度領域に応じて選択又は切り替えるにあたり、請求項２記載の発明ではマイコンで選択し、請求項４記載の発明ではアナログ回路で切り替える。ここで、アナログ回路で切り替える請求項４の場合には、その切り替えを行う回路（例えば図６に示す切替回路４７、又は図７に示す切替回路４９）を要することとなる。すると、このような切替回路には、アナログ回路が有するオペアンプへのバイアス電流等の各種電流が流れ込むおそれがあり、濃度算出誤差の要因となることが懸念される。これに対し、マイコンで選択する請求項２の場合には、その選択を行う手段（例えば図３に示す切替スイッチ４１ａ）を要することとなるが、この手段はマイコン内での手段であるため、上述したバイアス電流等の影響を受けにくい。よって、上述の懸念を低減できる。

請求項３記載の発明では、前記マイコンは、前記第２特定成分の濃度の算出を行う算出処理手段と、前記複数のデジタル信号を前記第２特定成分の濃度に応じて切り替えて前記算出処理手段に入力させる切替手段と、を有し、前記切替手段は、前記切り替えにヒステリシス特性を持たせていることを特徴とする。そのため、複数のデジタル信号を切り替えるにあたりハンチングが生じてしまうことを抑制できる。

請求項５記載の発明では、前記アナログ回路は、前記モニタセル信号及び前記センサセル信号を差動増幅して出力する第１差動増幅オペアンプと、前記モニタセル信号及び前記センサセル信号を、前記第１差動増幅オペアンプとは異なる倍率で差動増幅して出力する第２差動増幅オペアンプと、を有することを特徴とする。これによれば、上記請求項１等に記載のアナログ回路を簡素な構成にすることを容易にできる。

請求項６記載の発明は、ガス室内に導入した被検出ガス中の第１特定成分を所定濃度レベルに調整するポンプセル、前記ポンプセルにより調整されたガス中に残留する残留第１特定成分濃度を検出するモニタセル、及び前記ポンプセルにより調整されたガス中に存在する第２特定成分の濃度を検出するセンサセルを有して構成され、前記モニタセルによる検出値であるモニタセル信号、及び前記センサセルによる検出値であるセンサセル信号を出力するガス濃度センサと、上記ガス濃度センサの出力信号処理装置と、を備えることを特徴とするガス濃度検出装置である。このガス濃度検出装置によれば、上述の各種効果を同様に発揮することができる。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本実施形態の出力信号処理装置が適用されるガス濃度センサは、車載エンジンの排気管に設けられたＮＯｘセンサである。はじめに、そのＮＯｘセンサの出力に基づいて排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出するＮＯｘ濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等）について、ＮＯｘセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサが設けられ、同ＮＯｘセンサの出力から算出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ浄化率）が所定の異常判定値を上回る場合に、ＮＯｘ浄化触媒が異常である旨診断される。

まずは、図１を用いてＮＯｘセンサ１０について説明する。ＮＯｘセンサ１０はいわゆる積層型構造を有するものであり、その内部構造を図１に示している。図の左右方向がＮＯｘセンサ１０の長手方向に相当する。図の右側が素子基端側（排気管取り付け部位側）であり、図の左側が素子先端側である。ＮＯｘセンサ１０は、ポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５の３つの電気化学的セルからなる、いわゆる３セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。

ＮＯｘセンサ１０において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体１１，１２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質体１１には排気導入口１１ａが形成されており、この排気導入口１１ａを介して当該ガス濃度センサ周囲の排気が第１チャンバ１４内に導入される。第１チャンバ１４は、絞り部１５を介して第２チャンバ１６に連通している。固体電解質体１１の図の上面には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１７が設けられるとともに、大気通路１８を区画形成するための絶縁層１９が設けられている。

また、固体電解質体１２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層２１が設けられ、この絶縁層２１により大気通路２２が形成されている。絶縁層２１には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）２３が埋設されている。この場合、ヒータ２３により、ポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５が加熱され、これら各セル３１，３４，３５が活性状態とされる。ヒータ２３は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。

図の下側の固体電解質体１２には、第１チャンバ１４に対面するようにしてポンプセル３１が設けられており、ポンプセル３１は、第１チャンバ１４内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ１４内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル３１は、固体電解質体１２を挟んで設けられる上下一対の電極３２，３３を有し、そのうち特に第１チャンバ１４側の電極３２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘを分解し難い電極）となっている。ポンプセル３１は、電極３２，３３間に電圧が印加された状態で、第１チャンバ１４内に存在する酸素を分解して電極３３より大気通路２２側に排出する。

また、図の上側の固体電解質体１１には、第２チャンバ１６に対面するようにしてモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。モニタセル３４は、上述したポンプセル３１により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル３５は、第２チャンバ１６内のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

モニタセル３４及びセンサセル３５は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第２チャンバ１６側に電極３６，３７を有するとともに、大気通路１８側に共通電極３８を有する構成となっている。すなわち、モニタセル３４は、固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３６及び共通電極３８とにより構成され、センサセル３５は、同じく固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３７及び共通電極３８とにより構成されている。モニタセル３４の電極３６（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル３５の電極３７（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上、図面ではモニタセル３４及びセンサセル３５を排気の流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル３４，３５は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。

ここで、ポンプセル３１と、モニタセル３４及びセンサセル３５とは、ＮＯｘセンサ１０の長手方向に並べて設けられており、ＮＯｘセンサ１０の先端側にポンプセル３１が設けられ、同基端側（排気管取り付け側）にモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。

上記構成のＮＯｘセンサ１０では、排気は多孔質拡散層１７及び排気導入口１１ａを通って第１チャンバ１４に導入される。そして、この排気がポンプセル３１近傍を通過する際、ポンプセル電極３２，３３間にポンプセル印加電圧Ｖ0ｐが印加されることで分解反応が起こり、第１チャンバ１４内の酸素濃度に応じてポンプセル３１を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４側の電極３２がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル３１では排気中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極３３から大気通路２２に排出される。こうしたポンプセル３１の働きにより、第１チャンバ１４内が所定の低酸素濃度の状態に調整される。

ポンプセル３１近傍を通過したガス（酸素濃度調整後のガス）は第２チャンバ１６に流れ込み、モニタセル３４では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル３４の出力は、モニタセル電極３６，３８間に所定のモニタセル印加電圧Ｖ0ｍが印加されることでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極３７，３８間に所定のセンサセル印加電圧Ｖ0ｓが印加されることでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極３８から大気通路１８に排出される。このとき、センサセル３５に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排気中のＮＯｘ濃度が検出される。

次に、図２を用いてＮＯｘセンサの出力特性について説明する。図２はセンサセル３５の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示しており、横軸はセンサセル印加電圧Ｖ0ｓ、縦軸はセンサセル電流Ｉｓである。電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサセル電流Ｉｓを特定する限界電流域であって、このセンサセル電流Ｉｓの増減が排気中のＮＯｘ濃度に対応している。つまり、排気中のＮＯｘ濃度が増えるほどセンサセル電流Ｉｓが増大し、排気中のＮＯｘ濃度が減るほどセンサセル電流Ｉｓが減少する。センサセル印加電圧Ｖ0ｓは、所定ＮＯｘ濃度相当のセンサセル電流Ｉｓを限界電流域（フラット域）で検出可能とする所定値Ｖαで設定されている。なお、限界電流域よりも低電圧側の傾き部分は抵抗支配域であり、その傾きは素子温度が低いほど小さいものとなる。

図２に示すように、ＮＯｘ濃度が０ｐｐｍであってもセンサセル電流Ｉｓの値はゼロにはならず、オフセット値（図２の例では約５μＡ）を有する。これは、センサセル３５が、ポンプセル３１により所定濃度に調整された残留酸素をＮＯｘとともに検出しているからであり、その残留酸素濃度が前記オフセット値に相当する。詳細には、残留酸素の酸素分子が分解されて生成された酸素イオンと、ＮＯｘ分子が分解されて生成された酸素イオンとの両方をセンサセル３５が検出することに起因する。

ポンプセル３１が残留酸素濃度を所定濃度に調整することは上述した通りであるが、その調整精度は、センサセル３５によるＮＯｘ濃度検出精度に比べて十分に小さいとは言えない。そこで本実施形態では、モニタセル３４により残留酸素濃度（オフセット値）を検出している。これによれば、センサセル３５の検出値であるセンサセル電流Ｉｓ（図２の縦軸の値）からモニタセル３４の検出値であるモニタセル電流Ｉｍを減算することで、後述するマイコン４１によりＮＯｘ濃度を精度良く算出できる。

次に、図３を用いてアンプ４０（ＮＯｘセンサ１０の出力信号処理装置）について説明する。

アンプ４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有するマイコン４１（マイクロコンピュータ）を備えており、このマイコン４１がセンサ制御の主体となる。マイコン４１により、ポンプセル３１の電極３２，３３間に印加するポンプセル電圧Ｖ0ｐ、モニタセル３４の電極３６，３８間に印加するモニタセル電圧Ｖ0ｍ、センサセル３５の電極３７，３８間に印加するセンサセル電圧Ｖ0ｓがそれぞれ制御される。マイコン４１には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力され、マイコン４１は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。

なお、算出した酸素濃度やＮＯｘ濃度は、エンジン制御を行うＥＣＵ５０に出力され、ＥＣＵ５０では、酸素濃度やＮＯｘ濃度に基づき、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒へのリッチガス打ち込み時期や、アンモニア選択還元触媒への尿素水噴射時期等を制御する。これにより、車載エンジンの排ガス中に含まれるＮＯｘが目標値以下となるようエンジン制御できる。

アンプ４０は、先述のマイコン４１、Ａ／Ｄ変換器４２及びアナログ回路を備えて構成されており、そのアナログ回路は、電流−電圧変換回路４３，４４及び差動増幅回路４５，４６を備えて構成されている。

電流−電圧変換回路４３，４４に設けられたオペアンプＯＰ１，ＯＰ２には、モニタセル電極３６から出力されるモニタセル電流Ｉｍ（モニタセル信号）が入力され、オペアンプＯＰ２には、センサセル電極３７から出力されるセンサセル電流Ｉｓ（センサセル信号）が入力される。そして、これらのオペアンプＯＰ１，ＯＰ２及びシャント抵抗Ｒ１，Ｒ２等により、入力されたモニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓを電圧変化に変換する。

差動増幅回路４５，４６に設けられたオペアンプＯＰ３，ＯＰ４の非反転入力端子には、電流−電圧変換回路４３にて変換されたモニタセル電圧Ｖｍの信号が入力される。一方、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４の反転入力端子には、電流−電圧変換回路４４にて変換されたセンサセル電圧Ｖｓの信号が入力される。

そして、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４の出力端子からは、これらの電圧の差分Vs-VmがＮＯｘ電圧として出力される。負帰還抵抗Ｒ３，Ｒ４等により設定されるオペアンプＯＰ３による増幅利得（例えば６．４倍）は、負帰還抵抗Ｒ５，Ｒ６等により設定されるオペアンプＯＰ４による増幅利得（例えば１．６倍）に比べて大きく設定されている。したがって、実際のＮＯｘ濃度が所定量だけ変化した場合における、差動増幅回路４５から出力されるＮＯｘ電圧（低濃度用信号ＮＯｘ100）の変化量は、差動増幅回路４６から出力されるＮＯｘ電圧（高濃度用信号ＮＯｘ400）の変化量よりも大きくなる。

図４（ａ）は、低濃度用信号ＮＯｘ100の出力値とＮＯｘ濃度との関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は、高濃度用信号ＮＯｘ400の出力値とＮＯｘ濃度との関係を示すグラフである。これらのグラフに示されるように、差動増幅回路４５の増幅倍率が差動増幅回路４６の増幅倍率より大きいことに起因して、図４（ａ）に示す特性直線の傾きは、図４（ｂ）に示す特性直線の傾きよりも大きい。

オペアンプＯＰ３へ入力される電圧の差分Vs-VmがオペアンプＯＰ３の能力を超えて大きい値（例えば約１５０ｐｐｍ相当の差分値）になると、図４（ａ）に示すように、約１５０ｐｐｍ以上の濃度領域において同一の値を出力することとなるため、濃度検出不能となる。ただし、低濃度領域（例えば０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ）においては、低濃度用信号ＮＯｘ100は高濃度用信号ＮＯｘ400に比べて増幅倍率が大きいので、高分解能でＮＯｘ濃度を検出できることとなる。

オペアンプＯＰ３，ＯＰ４から出力される低濃度用信号ＮＯｘ100及び高濃度用信号ＮＯｘ400は、Ａ／Ｄ変換器４２に入力されて各々デジタル信号に変換されるが、Ａ／Ｄ変換器４２には変換処理可能な入力信号の電圧範囲（例えば０〜５Ｖ）がある。よって、低濃度用信号ＮＯｘ100の想定される最大値が５Ｖを超えないようにする必要がある。そして、前記最大値が５Ｖにできるだけ近い値となるよう差動増幅回路４５の増幅倍率を設定することで、低濃度領域における濃度検出の分解能を最大限にすることが望ましい。高濃度用信号ＮＯｘ400についても同様にして、想定される最大値が５Ｖを超えないようにしつつ、その最大値が５Ｖにできるだけ近い値となるよう差動増幅回路４６の増幅倍率を設定することで、高濃度領域における分解能を最大限にすることが望ましい。

低濃度用信号ＮＯｘ100及び高濃度用信号ＮＯｘ400は、Ａ／Ｄ変換器４２により各々デジタル信号に変換された後、マイコン４１に入力される。マイコン４１に入力された低濃度用信号ＮＯｘ100によるデジタル信号、及び高濃度用信号ＮＯｘ400によるデジタル信号は、マイコン４１が有する切替スイッチ４１ａ（切替手段）により、いずれか１つを選択するよう切り替えられる。そして、選択されたデジタル信号は、マイコン４１が有する濃度算出処理手段４１ｂに入力され、濃度算出処理手段４１ｂは入力されたデジタル信号に基づきＮＯｘ濃度を算出する。

算出したＮＯｘ濃度の値は、マイコン４１が有する送信手段４１ｃによりＥＣＵ５０に送信される。ちなみに本実施形態では、ＣＡＮ等をプロトコルとした車内ネットワークを通じて送信手段４１ｃはＥＣＵ５０に送信している。

マイコン４１は、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度が低濃度領域（例えば０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ）であれば低濃度用信号ＮＯｘ100を選択するよう切替スイッチ４１ａを作動させ、高濃度領域（例えば１００ｐｐｍ〜４００ｐｐｍ）であれば高濃度用信号ＮＯｘ400を選択するよう切替スイッチ４１ａを作動させる。

図５は、上述の如く切替スイッチ４１ａの作動を制御するための、マイコン４１による処理手順を示すフローチャートであり、当該処理は、所定周期（例えばマイコン４１のＣＰＵが行う演算周期）毎に繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１０において、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度が１００ｐｐｍ（第１所定値）より大きいか否かを判定する。１００ｐｐｍより大きい場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）には、続くステップＳ２０において高濃度用信号ＮＯｘ400を選択して取得するよう切替スイッチ４１ａを作動させる。算出した濃度が１００ｐｐｍ以下である場合（Ｓ１０：ＮＯ）には、処理はステップＳ４０に進み、低濃度用信号ＮＯｘ100を選択して取得するよう切替スイッチ４１ａを作動させる。

続くステップＳ３０では、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度が（１００＋α）ｐｐｍ（第２所定値）より小さいか否かを判定する。当該第２所定値は前記第１所定値よりもαだけ大きい値となるよう設定されている。（１００＋α）ｐｐｍより小さい場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）には、続くステップＳ４０において低濃度用信号ＮＯｘ100を選択して取得するよう切替スイッチ４１ａを作動させる。算出した濃度が（１００＋α）ｐｐｍ以上である場合（Ｓ３０：ＮＯ）には、処理はステップＳ２０に戻り、高濃度用信号ＮＯｘ400の取得を継続させる。

以上のステップＳ１０〜Ｓ４０の処理を繰り返し実行することにより、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度に応じて、低濃度用信号ＮＯｘ100及び高濃度用信号ＮＯｘ400のいずれを取得するかが切り替えられる。図４（ｃ）中の実線は、低濃度用信号ＮＯｘ100及び高濃度用信号ＮＯｘ400から取得した信号を示すものである。この実線に示すように、第２所定値を第１所定値よりも僅かに大きい値に設定することにより、低濃度用信号ＮＯｘ100の取得と高濃度用信号ＮＯｘ400の取得との上記切り替えにはヒステリシス特性が持たされることとなる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）Ａ／Ｄ変換器４２には、互いに異なる倍率で増幅した低濃度用信号ＮＯｘ100（差分演算信号）及び高濃度用信号ＮＯｘ400（差分演算信号）が入力され、Ａ／Ｄ変換器４２は両信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400についてＡ／Ｄ変換する。よって、図８に示す従来装置の如くモニタセル電圧Ｖｍ及びセンサセル電圧Ｖｓの各々の信号についてＡ／Ｄ変換することを回避でき、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４により差分演算処理された差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400のみをＡ／Ｄ変換するようにできるので、濃度算出処理手段４１ｂによるＮＯｘ濃度の算出値に、Ａ／Ｄ変換誤差が加算される度合いを小さくできる。よって、高濃度領域についても高精度でＮＯｘ濃度を算出することができる。

（２）低濃度用信号ＮＯｘ100は高濃度用信号ＮＯｘ400よりも大きい倍率で増幅されている。そして、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度が低濃度領域であれば、増幅倍率の高い低濃度用信号ＮＯｘ100に基づきＮＯｘ濃度を算出し、高濃度領域であれば高濃度用信号ＮＯｘ400に基づきＮＯｘ濃度を算出する。よって、全ての濃度領域に対して高濃度用信号ＮＯｘ400に基づきＮＯｘ濃度を算出する場合に比べて、低濃度領域における濃度検出の分解能を高めることができるので、低濃度領域で要求される濃度算出の精度を十分に確保できる。

（３）低濃度用信号ＮＯｘ100と高濃度用信号ＮＯｘ400とを切り替えてＮＯｘ濃度を算出するにあたり、上記切り替えにヒステリシス特性を持たせるので、切替スイッチ４１ａがハンチング作動してしまうことを防止できる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、増幅倍率の異なる２つの差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400を濃度領域に応じて切り替える処理を、Ａ／Ｄ変換後のデジタル信号に対してマイコン４１により実行している。これに対し、図６に示す本実施形態では、増幅倍率の異なる２つの差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400を濃度領域に応じて切り替える処理を、Ａ／Ｄ変換前の差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400に対して、アナログ回路が有する切替回路４７により実行している。

より具体的に説明すると、差動増幅回路４５から出力される低濃度用信号ＮＯｘ100及び差動増幅回路４６から出力される高濃度用信号ＮＯｘ400は、切替回路４７に入力される。切替回路４７は、両信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400のいずれかを選択してＡ／Ｄ変換器４２に出力するものであり、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子により構成される。切替回路４７の切替作動は、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度に応じてマイコン４１により制御される。

したがって、上記第１実施形態では、２つの差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400がＡ／Ｄ変換器４２に入力されるのに対し、本実施形態では、２つの差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400のうち切替回路４７により選択された信号のみがＡ／Ｄ変換器４２に入力される。

本実施形態によれば上記第１実施形態と同様にして、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４により差分演算処理された差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400のみをＡ／Ｄ変換するようにできるので、濃度算出処理手段４１ｂによるＮＯｘ濃度の算出値に、Ａ／Ｄ変換誤差が加算される度合いを小さくできる。よって、高濃度領域についても高精度でＮＯｘ濃度を算出することができる。

但し、切替回路４７を構成するスイッチング素子には、オペアンプＯＰ３，ＯＰ４でのバイアス電流が流れ込むおそれがあり、濃度算出誤差の要因となることが懸念される。これに対し、２つの差分演算信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400をマイコン４１で切り替える上記第１実施形態の場合には、マイコン４１内の切替スイッチ４１ａには、上述したバイアス電流の流れ込みのおそれがないため、上述の懸念を低減できる。

（第３実施形態）
上記第２実施形態では、アナログ回路中に２つの差動増幅オペアンプＯＰ３，ＯＰ４を備えさせているのに対し、図７に示す本実施形態では、低濃度用の差動増幅オペアンプＯＰ３を廃止して、高濃度用の差動増幅オペアンプＯＰ４とＡ／Ｄ変換器４２との間に増幅回路４８及び切替回路４９を備えさせている。

切替回路４９には、高濃度用の差動増幅オペアンプＯＰ４から出力された高濃度用信号ＮＯｘ400と、高濃度用信号ＮＯｘ400を増幅回路４８により増幅して生成した低濃度用信号ＮＯｘ100とが入力される。増幅回路４８は増幅オペアンプ等により構成することが望ましい。切替回路４９は、両信号ＮＯｘ100，ＮＯｘ400のいずれかを選択してＡ／Ｄ変換器４２に出力するものであり、例えば、トランジスタ等のスイッチング素子により構成される。切替回路４９の切替作動は、濃度算出処理手段４１ｂにより算出した濃度に応じてマイコン４１により制御される。本実施形態によっても上記第２実施形態と同様の効果が発揮される。

（他の実施形態）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、濃度領域を２つに分けて増幅倍率を２段階にしているが、濃度領域を３つ以上に分けて、それぞれの領域に応じて増幅倍率を異ならせるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、本発明に係るガス濃度センサを、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１０に適用させているが、被検出ガス（例えば排ガス）中の他の成分（例えばＣＯ２やＨＣ等）の濃度を検出するガス濃度センサについても、以下の構成のセンサであれば適用可能である。すなわち、上述の如くポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５を備えており、モニタセル電極３６から出力されるモニタセル電流Ｉｍ（モニタセル信号）と、センサセル電極３７から出力されるセンサセル電流Ｉｓ（センサセル信号）との差分に基づき特定成分の濃度を検出するセンサである。

本発明の第１実施形態におけるＮＯｘセンサ（ガス濃度センサ）の構成を示す図。 ＮＯｘセンサの出力特性を示す図。 図１に記載のアンプ（出力信号処理装置）の構成を示す図。 図３に記載のアンプ中における低濃度用信号ＮＯｘ100及び高濃度用信号ＮＯｘ400の出力値と、実際のＮＯｘ濃度との関係を示す図。 図３に記載のマイコンが行う切替処理の手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態におけるアンプの構成を示す図。 本発明の第３実施形態におけるアンプの構成を示す図。 従来の出力信号処理装置の構成を示す図。

符号の説明

１０…ＮＯｘセンサ（ガス濃度センサ）、３１…ポンプセル、３４…モニタセル、３５…センサセル、４１…マイクロコンピュータ、４２…Ａ／Ｄ変換器、４５，４６…差動増幅回路、４７，４９…切替回路。

Claims (6)

1. ガス室内に導入した被検出ガス中の第１特定成分を所定濃度レベルに調整するポンプセル、前記ポンプセルにより調整されたガス中に残留する残留第１特定成分濃度を検出するモニタセル、及び前記ポンプセルにより調整されたガス中に存在する第２特定成分の濃度を検出するセンサセルを有して構成され、前記モニタセルによる検出値であるモニタセル信号、及び前記センサセルによる検出値であるセンサセル信号を出力するガス濃度センサに適用され、
   前記モニタセル信号及び前記センサセル信号の差分を演算して出力するアナログ回路と、
   前記アナログ回路から出力された差分演算信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記デジタル信号に基づき前記第２特定成分の濃度を算出するマイクロコンピュータと、
   を備え、
   前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した前記差分演算信号を前記Ａ／Ｄ変換器に出力することを特徴とするガス濃度センサの出力信号処理装置。
2. 前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した複数の前記差分演算信号を前記Ａ／Ｄ変換器に出力し、
   前記マイクロコンピュータには、複数の前記差分演算信号の各々に対して前記Ａ／Ｄ変換器で変換してなるデジタル信号が複数入力され、
   前記マイクロコンピュータは、前記第２特定成分の濃度に応じて前記複数のデジタル信号のいずれか１つを選択し、その選択したデジタル信号に基づき前記第２特定成分の濃度を算出することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度センサの出力信号処理装置。
3. 前記マイクロコンピュータは、前記第２特定成分の濃度の算出を行う算出処理手段と、前記複数のデジタル信号を前記第２特定成分の濃度に応じて切り替えて前記算出処理手段に入力させる切替手段と、を有し、
   前記切替手段は、前記切り替えにヒステリシス特性を持たせていることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度センサの出力信号処理装置。
4. 前記アナログ回路は、互いに異なる倍率で増幅した複数の前記差分演算信号を、前記第２特定成分の濃度に応じて切り替えて前記Ａ／Ｄ変換器に出力することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度センサの出力信号処理装置。
5. 前記アナログ回路は、
   前記モニタセル信号及び前記センサセル信号を差動増幅して出力する第１差動増幅オペアンプと、
   前記モニタセル信号及び前記センサセル信号を、前記第１差動増幅オペアンプとは異なる倍率で差動増幅して出力する第２差動増幅オペアンプと、
   を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス濃度センサの出力信号処理装置。
6. ガス室内に導入した被検出ガス中の第１特定成分を所定濃度レベルに調整するポンプセル、前記ポンプセルにより調整されたガス中に残留する残留第１特定成分濃度を検出するモニタセル、及び前記ポンプセルにより調整されたガス中に存在する第２特定成分の濃度を検出するセンサセルを有して構成され、前記モニタセルによる検出値であるモニタセル信号、及び前記センサセルによる検出値であるセンサセル信号を出力するガス濃度センサと、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス濃度センサの出力信号処理装置と、を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。

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