JP2010071898A - Sensor control system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサを備えるセンサ制御装置において、ガスセンサを構成するセンサセルのインピーダンスを検出するセンサ制御装置に関する。 The present invention relates to a sensor control device that includes a gas sensor that detects a gas concentration of a specific component, and that detects the impedance of a sensor cell that constitutes the gas sensor.
従来より、固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを有するガスセンサに接続され、センサセルのインピーダンス（素子インピーダンス）を検出する装置が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。このような装置では、センサセルに対して検出用信号（特許文献１，２では検出用電流）を供給したときの応答信号（特許文献１，２では電圧信号）に基づき、インピーダンスを検出するように構成されている。なお、センサセルを介して出力される応答信号は、予定の増幅度に設定された演算増幅器を介して増幅され、この増幅された応答信号に基づいてインピーダンスが検出される。 Conventionally, an apparatus connected to a gas sensor having a sensor cell composed of a solid electrolyte body and a pair of electrodes and detecting the impedance (element impedance) of the sensor cell is known (see Patent Document 1 and Patent Document 2). In such an apparatus, the impedance is detected based on a response signal (voltage signal in Patent Documents 1 and 2) when a detection signal (detection current in Patent Documents 1 and 2) is supplied to the sensor cell. It is configured. The response signal output via the sensor cell is amplified via an operational amplifier set to a predetermined amplification degree, and the impedance is detected based on the amplified response signal.
また、上記インピーダンスはセンサセルの温度に応じて変化する特性を有することから、検出されたインピーダンスに基づき、センサセルの温度制御を行う装置も知られている（特許文献３参照）。センサセルの温度制御については、定期的に検出されるインピーダンスが目標インピーダンスになるように、ガスセンサに設けられたヒータへの通電量をヒータ制御回路にて制御することで実行することができる。 In addition, since the impedance has a characteristic that changes according to the temperature of the sensor cell, an apparatus that controls the temperature of the sensor cell based on the detected impedance is also known (see Patent Document 3). The temperature control of the sensor cell can be performed by controlling the energization amount to the heater provided in the gas sensor by the heater control circuit so that the impedance detected periodically becomes the target impedance.
ところで、固体電解質体から構成されるセンサセルのインピーダンスは、温度に応じて広範囲で変化するため、上記インピーダンスのダイナミックレンジは非常に広い。そこで、広範囲にわたって精度良くセンサセルのインピーダンス検出を行えるようにすべく、センサセルへの検出用信号の供給に伴い当該センサセルを介して出力される応答信号を増幅する演算増幅器での増幅度を異なる２つの値とすることが考えられる。即ち、検出されるセンサセルのインピーダンスが予め設定されたしきい値よりも大きいときには演算増幅器の増幅度を第１の値に設定し、そのもとで出力される応答信号からインピーダンスを検出する一方、センサセルのインピーダンスが上記しきい値よりも小さいときには、演算増幅器の増幅度を第１の値よりも大きい第２の値に設定し、そのもとで出力される応答信号からインピーダンスを検出するのである。 By the way, since the impedance of the sensor cell composed of the solid electrolyte body changes in a wide range according to the temperature, the dynamic range of the impedance is very wide. Therefore, in order to be able to detect the impedance of the sensor cell with high accuracy over a wide range, the two amplification factors of the operational amplifier for amplifying the response signal output through the sensor cell with the supply of the detection signal to the sensor cell are different. It can be considered as a value. That is, when the impedance of the sensor cell to be detected is larger than a preset threshold value, the amplification factor of the operational amplifier is set to the first value, and the impedance is detected from the response signal output under that, When the impedance of the sensor cell is smaller than the threshold value, the amplification factor of the operational amplifier is set to a second value larger than the first value, and the impedance is detected from the response signal output under that. .
しかしながら、センサセルのインピーダンスを検出する際には、通常、演算増幅器から出力される応答信号をＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換され、そのデジタル値を用いてインピーダンスが検出されるが、Ａ／Ｄ変換回路には変換誤差があり、これを小さくするには限界がある。そのため、検出されるセンサセルのインピーダンスが、演算増幅器の増幅度の切り替えを判定するためのしきい値に近接した値となったときに、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差の影響でしきい値を頻繁に上回ったり、下回ったりする現象を生ずると、演算増幅器の増幅度も第１の値になったり、第２の値になったりする現象が生ずるため、インピーダンスの検出精度が低下することがある。 However, when detecting the impedance of the sensor cell, the response signal output from the operational amplifier is usually converted into a digital value by the A / D conversion circuit, and the impedance is detected using the digital value. There is a conversion error in the / D conversion circuit, and there is a limit to reducing this. Therefore, when the impedance of the detected sensor cell becomes a value close to the threshold value for determining the switching of the amplification degree of the operational amplifier, the threshold value is set by the influence of the conversion error of the A / D conversion circuit. If a phenomenon of frequent increase or decrease occurs, the amplification degree of the operational amplifier also becomes a first value or a second value, which may reduce the impedance detection accuracy. .
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサを備えるセンサ制御装置において、ガスセンサを構成するセンサセルのインピーダンスを精度良く検出することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to accurately detect the impedance of a sensor cell constituting a gas sensor in a sensor control device including a gas sensor that detects a gas concentration of a specific component.
上記目的を達成するために、本発明に係るセンサ制御装置は、固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを有すると共に、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサと、前記センサセルのインピーダンスを検出するための検出用信号を、前記センサセルに一時的に供給する信号供給手段と、前記検出用信号の供給に伴い前記センサセルを介して出力される応答信号を入力すると共に、第１の増幅度にて該応答信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段から出力される前記応答信号に基づいて、前記センサセルのインピーダンスを検出する検出手段と、を備えるセンサ制御装置であって、前記増幅手段は、外部から出力される切替え指令に応じて、前記応答信号を前記第１の増幅度または該第１の増幅度とは異なる第２の増幅度に切替え可能に構成されており、前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記切替え指令を、前記増幅手段に出力する切替え指令出力手段を備え、前記切替え指令出力手段は、前記増幅手段が前記第１の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値を下回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第２の増幅度に切替える切替え指令を出力し、前記増幅手段が前記第２の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値よりも大きな値に設定された第２しきい値を上回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第１の増幅度に切替える切替え指令を出力する構成をなしている、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a sensor control device according to the present invention includes a sensor cell including a solid electrolyte body and a pair of electrodes, a gas sensor that detects a gas concentration of a specific component, and an impedance of the sensor cell. And a signal supply means for temporarily supplying the detection signal to the sensor cell, and a response signal output via the sensor cell with the supply of the detection signal, and at a first amplification degree, A sensor control device comprising: amplification means for amplifying a response signal; and detection means for detecting impedance of the sensor cell based on the response signal output from the amplification means, wherein the amplification means is externally provided The response signal is switched to the first amplification degree or a second amplification degree different from the first amplification degree in accordance with an output switching command. The switching command output means is configured to output the switching command to the amplifying means based on the impedance detected by the detecting means, and the switching command output means includes the amplifying means. When it is determined that the impedance is lower than the first threshold value in the first amplification state, a switching command for switching the amplification degree of the amplification means to the second amplification degree is output. When it is determined that the impedance exceeds the second threshold value set to a value larger than the first threshold value when the amplification means is in the second amplification level, the amplification A switching command for switching the amplification degree of the means to the first amplification degree is output.
本発明のセンサ制御装置では、センサセルを介して出力される応答信号を増幅する増幅手段を備えており、この増幅手段が外部から出力される切替え指令に応じて第１の増幅度と第２の増幅度とに切替え可能に構成されている。そして、本発明のセンサ制御装置では、検出手段にて検出されるインピーダンスを単一のしきい値と比較して増幅手段の増幅度の切替えを行うのではなく、増幅度の切替えを判断するためのしきい値として、所定の差を持たせた２つのしきい値を用いるようにしている。具体的には、増幅手段が第１の増幅度の状態のときに、検出されるインピーダンスが第１しきい値を下回ったと判定されると、増幅手段の増幅度を第２の増幅度に切替え、増幅手段が第２の増幅度の状態のときに、検出されるインピーダンスが、第１しきい値よりも大きな値に設定された第２しきい値を上回ったと判定されると、増幅手段の増幅度を第１の増幅度に切替えるように構成している。これにより、検出手段にて検出されるインピーダンスがこれらのしきい値に近接した値となったときに、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響でわずかなインピーダンスの値の変動によって演算増幅器の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象が防止される。 The sensor control apparatus of the present invention includes an amplifying unit that amplifies a response signal output through the sensor cell. The amplifying unit outputs a first amplification factor and a second amplification level according to a switching command output from the outside. It can be switched to the degree of amplification. In the sensor control device of the present invention, the impedance detected by the detection means is not compared with a single threshold value, and the amplification degree of the amplification means is not switched, but the amplification degree is determined. As the threshold value, two threshold values having a predetermined difference are used. Specifically, when it is determined that the detected impedance is lower than the first threshold value when the amplification unit is in the first amplification level, the amplification level of the amplification unit is switched to the second amplification level. When it is determined that the detected impedance exceeds the second threshold value set to a value larger than the first threshold value when the amplification means is in the second amplification degree state, The amplification degree is configured to be switched to the first amplification degree. As a result, when the impedance detected by the detection means becomes a value close to these threshold values, the impedance of the operational amplifier is caused by a slight fluctuation of the impedance due to the conversion error of the A / D conversion circuit. A phenomenon in which the amplification degree is frequently switched between the first and second is prevented.
このように、本発明のセンサ制御装置では、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響でわずかなインピーダンスの値の変動によって増幅手段の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象を防止した状態で、検出されるインピーダンスに応じて増幅手段の増幅度を第１と第２とに切替える構成を有するため、広範囲にわたって高精度にセンサセルのインピーダンス検出を行うことができる。 As described above, in the sensor control apparatus of the present invention, a phenomenon in which the amplification degree of the amplification means is frequently switched between the first and second due to slight fluctuations in the impedance value due to the influence of the conversion error of the A / D conversion circuit. Since it has a configuration in which the amplification degree of the amplifying means is switched between the first and second in accordance with the detected impedance in the prevented state, the impedance of the sensor cell can be detected with high accuracy over a wide range.
なお、増幅度とは、増幅手段に入力される信号（入力電圧や入力電力）の大きさに対する出力される信号（出力電圧や出力電力）の大きさの比である。また、増幅回路での増幅としては、非反転増幅のほか、反転増幅を行うこともできる。増幅度も、×１倍以上の場合のほか、×１倍の場合や、×１倍未満の場合をも含む。
また、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとしては、固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを１つまたは複数有するガスセンサであればよく、センサセルを複数有するタイプの場合には、インピーダンスの検出対象となるセンサセルは任意に設定すれば良い。なお、ガスセンサとしては、酸素濃度を検出する酸素センサやＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ等が挙げられる。
The amplification degree is the ratio of the magnitude of the output signal (output voltage or output power) to the magnitude of the signal (input voltage or input power) input to the amplification means. As amplification in the amplifier circuit, in addition to non-inverting amplification, inverting amplification can also be performed. In addition to the case where the degree of amplification is x1 or more, the case of x1 or less than x1 is also included.
Further, the gas sensor for detecting the gas concentration of the specific component may be a gas sensor having one or more sensor cells each including a solid electrolyte body and a pair of electrodes. What is necessary is just to set arbitrarily the sensor cell. Examples of the gas sensor include an oxygen sensor that detects the oxygen concentration and a NOx sensor that detects the NOx concentration.
さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記ガスセンサは、前記センサセルを加熱するためのヒータを有しており、前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記ヒータの通電を制御することで前記センサセルの加熱温度を制御するヒータ制御手段を備えるセンサ制御装置とすると良い。 Furthermore, in the above sensor control device, the gas sensor has a heater for heating the sensor cell, and controls energization of the heater based on the impedance detected by the detection means. Thus, a sensor control device including a heater control means for controlling the heating temperature of the sensor cell is preferable.
従来より、センサセルを加熱するためのヒータをガスセンサに設け、検出されるセンサセルのインピーダンスに基づいて、ヒータの通電を制御してセンサセルの加熱温度を制御することが提案されている。ところで、検出手段にて検出されるインピーダンスを単一のしきい値と比較して増幅手段の増幅度の切替えを行うようにすると、インピーダンスの検出精度が低下する。そのため、検出精度が低下した状態のインピーダンスに基づいてヒータの通電を制御してセンサセルの加熱温度が制御されると、その加熱温度の制御が低下してセンサセルを適正温度に保持できず、特定ガスの検出精度までもが低下してしまう可能性がある。 Conventionally, it has been proposed to provide a heater for heating a sensor cell in a gas sensor and control the heating temperature of the sensor cell by controlling energization of the heater based on the detected impedance of the sensor cell. By the way, when the impedance detected by the detecting means is compared with a single threshold value and the amplification degree of the amplifying means is switched, the impedance detection accuracy decreases. Therefore, if the heating temperature of the sensor cell is controlled by controlling the energization of the heater based on the impedance in a state where the detection accuracy is lowered, the control of the heating temperature is lowered and the sensor cell cannot be held at an appropriate temperature, and the specific gas Even the detection accuracy may be reduced.
これに対し、本発明のセンサ制御装置では、前述したように、検出手段にて検出されるインピーダンスを単一のしきい値と比較して増幅手段の増幅度の切替えを行うのではなく、増幅度の切替えを判断するためのしきい値として、所定の差を持たせた２つのしきい値を用いるようにしている。そのため、わずかなインピーダンスの値の変動によって演算増幅器の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象を防止した状態で、広範囲にわたって高精度にセンサセルのインピーダンス検出を行うことができる。それにより、高精度に検出されたインピーダンスに基づいてヒータの通電を制御してセンサセルの加熱制御を行うことができ、特定ガスの検出精度を低下させるのを抑制することができる。 On the other hand, in the sensor control apparatus of the present invention, as described above, the impedance detected by the detecting means is not compared with a single threshold value, but the amplification degree of the amplifying means is not switched. Two threshold values having a predetermined difference are used as threshold values for determining the degree switching. Therefore, it is possible to detect the impedance of the sensor cell with high accuracy over a wide range in a state in which a phenomenon in which the amplification degree of the operational amplifier frequently switches between the first and second due to slight fluctuations in the impedance value is prevented. Accordingly, the heater cell can be controlled by controlling the energization of the heater based on the impedance detected with high accuracy, and the detection accuracy of the specific gas can be suppressed from being lowered.
さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記検出手段にて検出される前記インピーダンスを活性判定しきい値と比較し、前記インピーダンスが活性判定値を下回ったときに、前記センサセルが活性したと判定する活性判定手段を備え、前記第１しきい値及び前記第２しきい値は、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定されているセンサ制御装置とすると良い。 Further, in the above sensor control device, the impedance detected by the detection means is compared with an activation determination threshold value, and it is determined that the sensor cell is activated when the impedance falls below an activation determination value. It is preferable that the sensor control device includes an activity determination unit that sets the first threshold value and the second threshold value to a value smaller than the activity determination value.
本発明のセンサ制御装置では、検出されるインピーダンスを活性判定しきい値と比較し、センサセルが活性したか否かを判定する活性判定手段を備えている。ところで、増幅手段の増幅度を第１と第２とで切替えた際には、応答信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響によって、検出されるインピーダンスに検出誤差が生じる可能性がある。そのため、増幅度の切替えを判断するために用いられる第１，第２しきい値を活性判定しきい値を跨ぐように設定したり、第１，第２のいずれかのしきい値を活性判定しきい値と同値に設定したりすると、センサセルが活性したか否かを判定するための活性判定手段の判定精度の低下を招くことがある。 The sensor control apparatus of the present invention includes an activity determination unit that compares the detected impedance with an activity determination threshold value and determines whether the sensor cell is activated. By the way, when the amplification degree of the amplifying means is switched between the first and second, a detection error occurs in the detected impedance due to the influence of the conversion error of the A / D conversion circuit for A / D converting the response signal. It can happen. Therefore, the first and second threshold values used to determine the switching of the amplification level are set so as to cross the activation determination threshold value, or the first or second threshold value is determined to be active. If it is set to the same value as the threshold value, the determination accuracy of the activity determination means for determining whether or not the sensor cell is activated may be reduced.
そこで、本発明では、増幅度の切替えを判断するために用いられる第１，第２しきい値を、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定するようにしている。これにより、活性判定手段の判定精度が低下するのを抑制することができる。また、第１，第２しきい値を、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定しているので、センサセルの活性温度近傍の検出精度を良好に確保することができるメリットがある。 Therefore, in the present invention, both the first and second threshold values used for determining the switching of the amplification degree are set to values smaller than the activity determination value. Thereby, it can suppress that the determination precision of an activity determination means falls. In addition, since both the first and second threshold values are set to values smaller than the activation determination value, there is an advantage that the detection accuracy in the vicinity of the activation temperature of the sensor cell can be secured satisfactorily.
さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記信号供給手段は、前記検出用信号を、前記センサセルの前記一対の電極の一方につながる第１接続点を介して供給するように構成され、一端が前記第１接続点に電気的接続されると共に、他端が前記センサセルの前記一対の電極の他方につながる第２接続点と電気的接続され、前記検出用信号が付与されるときに、前記第１接続点との電気的接続を遮断し、それ以前の前記第１接続点の電位を保持するホールド手段を備え、前記増幅手段は、オペアンプを用い、前記ホールド手段にて保持される電位と前記検出用信号が付与されているときに前記第１接続点に生じている電位とを差動増幅する差動増幅回路であるセンサ制御装置であると良い。 Furthermore, in the above sensor control device, the signal supply means is configured to supply the detection signal via a first connection point connected to one of the pair of electrodes of the sensor cell, and one end of the sensor control device. The first connection point is electrically connected and the other end is electrically connected to a second connection point connected to the other of the pair of electrodes of the sensor cell, and when the detection signal is applied, A holding means for interrupting an electrical connection with one connection point and holding the potential of the first connection point before that; the amplifying means uses an operational amplifier; The sensor control device may be a differential amplifier circuit that differentially amplifies the potential generated at the first connection point when a detection signal is applied.
このように、増幅手段が、オペアンプを用い、ホールド手段にて保持される電位と検出用信号が付与されているに上記第１接続点に生じている電位とを差動増幅する差動増幅回路を用いることにより、ホールド手段にて保持される電位と第１接続点に生じている電位とに共通した大きさのノイズが重畳した場合にも、増幅手段は、そのノイズをキャンセルして応答信号を出力することができる。即ち、本発明のセンサ制御装置の回路構成を採ることにより、増幅手段から出力される応答信号に基づいて検出手段がセンサセルのインピーダンスを検出する精度を、より一層高めることができる。 Thus, the amplifying means uses an operational amplifier, and a differential amplifier circuit that differentially amplifies the potential held by the holding means and the potential generated at the first connection point when the detection signal is applied. In the case where noise having the same magnitude is superimposed on the potential held by the holding means and the potential generated at the first connection point, the amplifying means cancels the noise and generates a response signal. Can be output. That is, by adopting the circuit configuration of the sensor control device of the present invention, it is possible to further increase the accuracy with which the detecting means detects the impedance of the sensor cell based on the response signal output from the amplifying means.
本発明のセンサ制御装置によれば、ガスセンサを構成するセンサセルのインピーダンスを広範囲にわたって高精度に検出することができる。 According to the sensor control device of the present invention, the impedance of the sensor cell constituting the gas sensor can be detected over a wide range with high accuracy.
以下に、本発明にかかるセンサ制御装置の実施形態について、図面と共に説明する。
図１は、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４とを有する２セル式の酸素センサ（全領域空燃比センサとも呼ばれる）５と、この酸素センサ５に接続され、酸素センサ５を駆動させるためのセンサ駆動回路３とを含むセンサ制御装置１の概略構成図である。また、図２は、酸素センサ５の概略構成図である。
Hereinafter, an embodiment of a sensor control device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a two-cell type oxygen sensor (also referred to as a full-range air-fuel ratio sensor) 5 having a pump cell 14 and an oxygen concentration measuring cell 24, and a sensor connected to the oxygen sensor 5 for driving the oxygen sensor 5. 1 is a schematic configuration diagram of a sensor control device 1 including a drive circuit 3. FIG. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the oxygen sensor 5.
センサ制御装置１は、図１に示すように、排気ガス中の酸素濃度を広域に検出するための酸素センサ５と、酸素センサ５に付設されて後述するポンプセル１４及び酸素濃度測定セル２４を加熱するヒータ８０と、酸素センサ５を駆動すると共に各種特性を検出するセンサ駆動回路３と、ヒータ８０の通電を制御するヒータ通電制御回路６と、センサ駆動回路３及びヒータ通電制御回路６に接続されて各種制御処理を実行する中央演算処理装置２とを備えている。 As shown in FIG. 1, the sensor control device 1 heats an oxygen sensor 5 for detecting an oxygen concentration in exhaust gas over a wide area, and a pump cell 14 and an oxygen concentration measurement cell 24 which are attached to the oxygen sensor 5 and will be described later. Connected to the heater 80, the sensor drive circuit 3 that drives the oxygen sensor 5 and detects various characteristics, the heater energization control circuit 6 that controls energization of the heater 80, the sensor drive circuit 3, and the heater energization control circuit 6. And a central processing unit 2 that executes various control processes.
センサ駆動回路３は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関の排気管に装着される酸素センサ５に接続されている。そして、センサ駆動回路３は、酸素センサ５（詳細には、後述する酸素濃度測定セル２４）のインピーダンスに応じて変化するインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを検出し、検出したインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを中央演算処理装置２に対して出力する。また、センサ駆動回路３は、インピーダンス信号Ｖｐｒｖｓの他に、酸素センサ５から酸素濃度信号Ｖｉｐを検出し、検出した酸素濃度信号Ｖｉｐを中央演算処理装置２に対して出力する機能を有している。なお、酸素濃度信号Ｖｉｐは、酸素センサ５が検出する酸素濃度（空燃比）に応じてその値がリニアに変化する。 The sensor drive circuit 3 is connected to an oxygen sensor 5 attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine. The sensor drive circuit 3 detects an impedance signal Vrpvs that changes in accordance with the impedance of the oxygen sensor 5 (specifically, an oxygen concentration measurement cell 24 described later), and sends the detected impedance signal Vrpvs to the central processing unit 2. Output. In addition to the impedance signal Vprvs, the sensor drive circuit 3 has a function of detecting the oxygen concentration signal Vip from the oxygen sensor 5 and outputting the detected oxygen concentration signal Vip to the central processing unit 2. . Note that the value of the oxygen concentration signal Vip changes linearly according to the oxygen concentration (air-fuel ratio) detected by the oxygen sensor 5.
中央演算処理装置２は、公知の構成をなしており、詳細は図示しないが、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等を備えるマイクロコンピュータを主体として構成されている。そして、この中央演算処理装置２は、各部から受信した各種情報を用いて各種制御処理を実行する。
例えば、中央演算処理装置２は、センサ駆動回路３から出力されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓに基づき、酸素センサ５の温度を検出する温度検出処理や、酸素センサ５を活性温度以上の目標温度に設定するために、ヒータ通電制御回路６を用いてのヒータ８０への投入電力を制御するヒータ制御処理などを実行する。また、中央演算処理装置２は、センサ駆動回路３から出力された酸素濃度信号Ｖｉｐに基づき、排気ガス中の酸素濃度を検出する濃度検出処理を実行する。
The central processing unit 2 has a publicly known configuration, and although not shown in detail, is composed mainly of a microcomputer having a CPU, RAM, ROM, I / O interface and the like. The central processing unit 2 executes various control processes using various information received from each unit.
For example, the central processing unit 2 is configured to detect the temperature of the oxygen sensor 5 based on the impedance signal Vrpvs output from the sensor drive circuit 3 or to set the oxygen sensor 5 to a target temperature equal to or higher than the activation temperature. In addition, a heater control process for controlling the input power to the heater 80 using the heater energization control circuit 6 is executed. Further, the central processing unit 2 executes a concentration detection process for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas based on the oxygen concentration signal Vip output from the sensor drive circuit 3.
ヒータ８０は、後述するように発熱抵抗体８７を備え、その発熱抵抗体８７の一端が電源電圧ＶＢ（本実施形態では、＋１２Ｖ）に接続され、他端がヒータ通電制御回路６に接続されている。 The heater 80 includes a heating resistor 87 as will be described later. One end of the heating resistor 87 is connected to the power supply voltage VB (+12 V in this embodiment), and the other end is connected to the heater energization control circuit 6. Yes.
ヒータ通電制御回路６は、コレクタが発熱抵抗体８７の他端に接続され、エミッタが設置され、ベースが中央演算処理装置２に接続されたトランジスタＴｒを備えている。このため、トランジスタＴｒをオン状態にする電圧レベルの信号（以下、ヒータオン信号という）を中央演算処理装置２がトランジスタＴｒのベースへ出力している間は発熱抵抗体８７に電流が流れてヒータ８０が発熱する。一方、中央演算処理装置２がヒータオン信号の出力を停止すると、トランジスタＴｒがオフ状態となり、発熱抵抗体８７に電流が流れず、ヒータ８０の加熱が停止される。 The heater energization control circuit 6 includes a transistor Tr having a collector connected to the other end of the heating resistor 87, an emitter installed, and a base connected to the central processing unit 2. For this reason, while the central processing unit 2 outputs a voltage level signal (hereinafter referred to as a heater on signal) for turning on the transistor Tr to the base of the transistor Tr, a current flows through the heating resistor 87 and the heater 80 Generates heat. On the other hand, when the central processing unit 2 stops outputting the heater ON signal, the transistor Tr is turned off, no current flows through the heating resistor 87, and the heating of the heater 80 is stopped.
ついで、酸素センサ５は、図２に示すように、ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、酸素濃度測定セル２４と、補強層３０と、ヒータ８０とを積層一体化することにより構成されている。 Next, as shown in FIG. 2, the oxygen sensor 5 is configured by stacking and integrating a pump cell 14, a porous diffusion layer 18, an oxygen concentration measurement cell 24, a reinforcing layer 30, and a heater 80. Yes.
ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性の固体電解質体である部分安定化ジルコニアにより形成され、固体電解質体の表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２，１６を有している。なお、多孔質電極１２は、多孔質状の電極保護層１５にて覆われており、電極保護層１５は、多孔質電極１２の被毒を防止するための防止層として機能する。また、酸素濃度測定セル２４は、同じく酸素イオン伝導性の固体電解質体である部分安定化ジルコニアにより形成され、固体電解質体の表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２，２８を有している。 The pump cell 14 is made of partially stabilized zirconia, which is an oxygen ion conductive solid electrolyte body, and has porous electrodes 12 and 16 mainly made of platinum on the front and back surfaces of the solid electrolyte body. The porous electrode 12 is covered with a porous electrode protection layer 15, and the electrode protection layer 15 functions as a prevention layer for preventing the porous electrode 12 from being poisoned. The oxygen concentration measurement cell 24 is formed of partially stabilized zirconia, which is also a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, and porous electrodes 22 and 28 mainly formed of platinum on the front and back surfaces of the solid electrolyte body. have.
ポンプセル１４のうちで中空の測定室２０に面する多孔質電極１６と、酸素濃度測定セル２４のうちで測定室２０に臨む多孔質電極２２とは、互いに導通されると共に、酸素センサ５の端子ＣＯＭに接続されている。なお、端子ＣＯＭは、通電経路４２及び抵抗Ｒを介して、センサ駆動回路のＶｃｅｎｔ点に接続されている（図１参照）。 The porous electrode 16 facing the hollow measurement chamber 20 in the pump cell 14 and the porous electrode 22 facing the measurement chamber 20 in the oxygen concentration measurement cell 24 are electrically connected to each other and are connected to the terminals of the oxygen sensor 5. Connected to COM. Note that the terminal COM is connected to the Vcent point of the sensor drive circuit via the energization path 42 and the resistor R (see FIG. 1).
また、ポンプセル１４の多孔質電極１２は、酸素センサ５の端子Ｉｐ＋に接続され、酸素濃度測定セル２４の多孔質電極２８は、酸素センサ５の端子Ｖｓ＋に接続されている。なお、端子Ｉｐ＋はセンサ駆動回路３における第２オペアンプＯＰ２の出力端子に接続され、端子Ｖｓ＋は、通電経路４０を介して、センサ駆動回路３における第４オペアンプの非反転入力端子（＋）に接続されている（図１参照）。 The porous electrode 12 of the pump cell 14 is connected to the terminal Ip + of the oxygen sensor 5, and the porous electrode 28 of the oxygen concentration measurement cell 24 is connected to the terminal Vs + of the oxygen sensor 5. The terminal Ip + is connected to the output terminal of the second operational amplifier OP2 in the sensor drive circuit 3, and the terminal Vs + is connected to the non-inverting input terminal (+) of the fourth operational amplifier in the sensor drive circuit 3 via the energization path 40. (See FIG. 1).
また、補強層３０は、酸素濃度測定セル２４の多孔質電極２８を外部から閉塞しつつ、多孔質電極２８の内部に酸素基準室２６を形成するように、酸素濃度測定セル２４に積層されている。さらに、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された測定室２０が形成されている。即ち、この測定室２０は、多孔質拡散層１８を介して排気ガスと連通されている。 The reinforcing layer 30 is laminated on the oxygen concentration measuring cell 24 so as to form the oxygen reference chamber 26 inside the porous electrode 28 while closing the porous electrode 28 of the oxygen concentration measuring cell 24 from the outside. Yes. Further, a measurement chamber 20 surrounded by the porous diffusion layer 18 is formed between the pump cell 14 and the oxygen concentration measurement cell 24. That is, the measurement chamber 20 communicates with the exhaust gas through the porous diffusion layer 18.
また、ヒータ８０は、補強層３０に積層され、ポンプセル１４、酸素濃度測定セル２４と共に一体化されている。このヒータ８０の（詳細には発熱熱抵抗体パターン８７）の一端は電源電圧ＶＢに接続され、他端はヒータ通電制御回路６に接続されている。 The heater 80 is laminated on the reinforcing layer 30 and integrated with the pump cell 14 and the oxygen concentration measurement cell 24. One end of the heater 80 (specifically, the heat generating thermal resistor pattern 87) is connected to the power supply voltage VB, and the other end is connected to the heater energization control circuit 6.
次に、酸素センサ５を用いて酸素濃度を測定する際のセンサ駆動回路３での動作について説明する。
図１に示すように、センサ駆動回路３は、定電流源回路６２より酸素濃度測定セル２４に一定値の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、酸素濃度測定セル２４の両端（端子Ｖｓ＋と端子ＣＯＭ間）に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐを制御して、測定室２０における酸素の汲み入れ、または汲み出しを行う。つまり、酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル１４を用いて測定室２０の酸素濃度（酸素分圧）を調整する。
Next, the operation of the sensor drive circuit 3 when measuring the oxygen concentration using the oxygen sensor 5 will be described.
As shown in FIG. 1, the sensor drive circuit 3 allows both ends (between the terminal Vs + and the terminal COM) of the oxygen concentration measurement cell 24 to flow a constant current Icp from the constant current source circuit 62 to the oxygen concentration measurement cell 24. The pump current Ip flowing through the pump cell 14 is controlled so that the voltage Vs generated at the time becomes 450 mV, and oxygen is pumped in or pumped out from the measurement chamber 20. That is, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) of the measurement chamber 20 is adjusted using the pump cell 14 so that the voltage Vs generated at both ends of the oxygen concentration measurement cell 24 becomes 450 mV.
ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値及び通電方向は、排ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐを電圧変換した酸素濃度信号Ｖｉｐに基づいて、排気ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、酸素濃度測定セル２４に対して、測定室２０の酸素を多孔質電極２８の側に汲み出す方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室２６は内部酸素基準源して機能する。 Since the current value and energization direction of the pump current Ip flowing in the pump cell 14 change according to the oxygen concentration (air-fuel ratio) in the exhaust gas, the exhaust gas is based on the oxygen concentration signal Vip obtained by converting the voltage of the pump current Ip. The oxygen concentration inside can be calculated. Note that the reference oxygen chamber 26 functions as an internal oxygen reference source by flowing a minute current Icp to the oxygen concentration measurement cell 24 in the direction of pumping out oxygen from the measurement chamber 20 to the porous electrode 28 side.
また、センサ駆動回路３は、定電流源回路６２のほか、第１オペアンプＯＰ１から第５オペアンプＯＰ５、第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４、ＰＩＤ制御回路６９などを備えて構成されている。そして、定電流源回路６２、酸素濃度測定セル２４、抵抗器Ｒは、この順に接続されて、微小電流Ｉｃｐを流す電流路を構成している。 In addition to the constant current source circuit 62, the sensor drive circuit 3 includes a first operational amplifier OP1 to a fifth operational amplifier OP5, a first switch SW1 to a fourth switch SW4, a PID control circuit 69, and the like. The constant current source circuit 62, the oxygen concentration measurement cell 24, and the resistor R are connected in this order to constitute a current path through which the minute current Icp flows.
第２オペアンプＯＰ２は、一方の入力端子がＶｃｅｎｔ点に接続され、他方の入力端子には基準電圧＋３．６Ｖが印加され、出力端子はポンプセル１４の端子Ｉｐ＋に接続されている。ＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された酸素濃度測定セル２４の端子Ｖｓ＋の電位と端子ＣＯＭ（Ｖｃｅｎｔ点）における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの通電状態をＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ制御回路６９にて、目標制御電圧（４５０ｍＶ）と酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓとの偏差がＰＩＤ演算され、第２オペアンプＯＰ２にフィードバックされることで、第２オペアンプＯＰ２はポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。 The second operational amplifier OP2 has one input terminal connected to the Vcent point, the other input terminal applied with a reference voltage + 3.6V, and an output terminal connected to the terminal Ip + of the pump cell 14. The PID control circuit 69 supplies the pump current Ip so that the potential difference between the potential at the terminal Vs + of the oxygen concentration measurement cell 24 connected via the first operational amplifier OP1 and the potential at the terminal COM (Vcent point) is 450 mV. The state is PID controlled. Specifically, in the PID control circuit 69, the deviation between the target control voltage (450 mV) and the voltage Vs generated at both ends of the oxygen concentration measurement cell 24 is PID-calculated and fed back to the second operational amplifier OP2. The second operational amplifier OP2 causes the pump current Ip to flow through the pump cell 14.
さらに、センサ駆動回路３は、ポンプ電流Ｉｐ２の大きさを検出し、電圧信号に変換する検出抵抗器Ｒ１と、この検出抵抗器Ｒ１の両端電圧（電位Ｖｃｅｎｔと電位Ｖｐｉｄとの差分）を差動増幅して酸素濃度信号Ｖｉｐとして出力する差動増幅回路６１とを備えている。この酸素濃度信号Ｖｉｐは、信号出力端子４３（図１参照）から中央演算装置２に対して出力される。 Further, the sensor drive circuit 3 detects the magnitude of the pump current Ip2 and converts the detection resistor R1 that converts it into a voltage signal, and the voltage across the detection resistor R1 (difference between the potential Vcent and the potential Vpid) differentially. And a differential amplifier circuit 61 that amplifies and outputs the oxygen concentration signal Vip. The oxygen concentration signal Vip is output from the signal output terminal 43 (see FIG. 1) to the central processing unit 2.
そして、中央演算処理装置２は、酸素濃度信号Ｖｉｐを図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、酸素濃度信号Ｖｉｐに対応する酸素濃度を算出する濃度算出処理を実行する。 Then, the central processing unit 2 converts the oxygen concentration signal Vip into a digital value by an A / D conversion circuit (not shown), and then, based on the stored map or calculation formula, the oxygen concentration corresponding to the oxygen concentration signal Vip. The density calculation process for calculating
次に、センサ駆動回路３における酸素濃度測定セル２４のインピーダンスを検出する動作について説明する。
センサ駆動回路３において、第１オペアンプＯＰ１は、第１コンデンサＣ１、第１スイッチＳＷ１と共にサンプルホールド回路を形成している。このサンプルホールド回路は、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出時に第１スイッチＳＷ１をオンからオフ状態とし、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出のための通電直前の酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓを保持することで、インピーダンス検出直前の電圧ＶｓをＰＩＤ制御回路６９に入力する役割を果たす。
Next, the operation for detecting the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24 in the sensor drive circuit 3 will be described.
In the sensor driving circuit 3, the first operational amplifier OP1 forms a sample and hold circuit together with the first capacitor C1 and the first switch SW1. This sample hold circuit is generated at both ends of the oxygen concentration measurement cell 24 immediately before energization for detecting the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24 by turning off the first switch SW1 when the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24 is detected. By holding the voltage Vs, the voltage Vs immediately before impedance detection is input to the PID control circuit 69.
第３オペアンプＯＰ３は、詳細は後述するが、基本的な動作として、第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値（インピーダンス検出用の電流を通電する直前の酸素濃度測定セル２４の電圧Ｖｓ）と、酸素濃度測定セル２４にインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位（第４オペアンプＯＰ４の出力電位）との差分に応じた電圧変化量ΔＶｓを出力する。この電圧変化量ΔＶｓは、酸素濃度測定セル２４のバルク抵抗値に略比例することから、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスを表すインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓとして利用可能である。つまり、第３オペアンプＯＰ３は、電圧変化量ΔＶｓを出力すると共に、酸素濃度測定セル２４のバルク抵抗値に略比例するインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを出力する。 As will be described in detail later, the third operational amplifier OP3, as a basic operation, holds the hold value held in the first operational amplifier OP1 (the voltage Vs of the oxygen concentration measurement cell 24 immediately before the current for impedance detection is applied) and Then, the voltage change amount ΔVs corresponding to the difference from the Vs + potential (output potential of the fourth operational amplifier OP4) when the impedance detection current −Iconst is supplied to the oxygen concentration measurement cell 24 is output. Since this voltage change amount ΔVs is substantially proportional to the bulk resistance value of the oxygen concentration measurement cell 24, it can be used as an impedance signal Vrpvs representing the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24. That is, the third operational amplifier OP3 outputs the voltage change amount ΔVs and also outputs the impedance signal Vrpvs that is substantially proportional to the bulk resistance value of the oxygen concentration measurement cell 24.
ここで、本実施形態のセンサ制御装置１では、第３オペアンプＯＰ３、抵抗器Ｒ３〜Ｒ８とから構成される差動増幅型の演算増幅回路（即ち、差動増幅回路）９０を構成している。このように、本実施形態のセンサ制御装置１では、インピーダンスを検出するために必要となる演算増幅回路９０を差動増幅型としているので、２つの入力端子に共通して侵入するノイズを適切に除去することができるから、ノイズの影響が非常に少ない適切なインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを出力することができる。 Here, in the sensor control device 1 of the present embodiment, a differential amplification type operational amplifier circuit (that is, a differential amplifier circuit) 90 including the third operational amplifier OP3 and the resistors R3 to R8 is configured. . As described above, in the sensor control device 1 of the present embodiment, the operational amplifier circuit 90 necessary for detecting the impedance is a differential amplification type. Since it can be removed, it is possible to output an appropriate impedance signal Vrpvs that is extremely less affected by noise.
上記した演算増幅回路９０のうち、第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子（＋端子）には、抵抗値Ｒ３を介して第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値、さらに抵抗器Ｒ５を介して基準電位（例えば、０Ｖ）が加えられている。なお、この抵抗器Ｒ５と並列に、第４スイッチＳＷ４と抵抗器Ｒ６とが直列接続された回路が接続されている。このため、第４スイッチＳＷ４をオン、オフすることで、第３オペアンプＯＰ５の非反転入力端子と基準電位との間の抵抗値を、抵抗器Ｒ５と、抵抗器Ｒ５，Ｒ６の並列接続の合成値のいずれかに切り替えることができる。
なお、抵抗器Ｒ５，Ｒ６の抵抗値は、後述する抵抗器Ｒ７，Ｒ８の抵抗値とそれぞれ等しくされており、Ｒ５＝Ｒ７＝１２０ｋΩ、Ｒ６＝Ｒ８＝６０ｋΩに設定されている。
In the operational amplifier circuit 90 described above, the non-inverting input terminal (+ terminal) of the third operational amplifier OP3 is connected to the hold value held in the first operational amplifier OP1 through the resistance value R3, and further through the resistor R5. A reference potential (for example, 0 V) is applied. A circuit in which a fourth switch SW4 and a resistor R6 are connected in series is connected in parallel with the resistor R5. For this reason, by turning on and off the fourth switch SW4, the resistance value between the non-inverting input terminal of the third operational amplifier OP5 and the reference potential is combined with the parallel connection of the resistor R5 and the resistors R5 and R6. You can switch to one of the values.
The resistance values of the resistors R5 and R6 are equal to the resistance values of resistors R7 and R8, which will be described later, and are set to R5 = R7 = 120 kΩ and R6 = R8 = 60 kΩ.
一方、演算増幅回路９０の反転入力端子（−端子）には、抵抗器Ｒ４を介して酸素濃度測定セル２４にインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位が、さらに、抵抗器Ｒ７を介して第３オペアンプＯＰ３自身の出力が入力されている。なお、この抵抗器Ｒ７とは並列に、第４スイッチＳＷ４と抵抗器Ｒ８とが直列接続された回路が接続されている。このため、第４スイッチＳＷ４のオン、オフを行うことにより、第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子と第３オペアンプＯＰ３自身の出力との間に介在する帰還抵抗の抵抗値を、抵抗器Ｒ７の抵抗値と、抵抗器Ｒ７，Ｒ８の並列接続の合成値のいずれかに切り替えることができる。この切替えにより、演算増幅回路９０の増幅度を変化させることができ、設定されている増幅度にて増幅されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓが出力される。 On the other hand, at the inverting input terminal (− terminal) of the operational amplifier circuit 90, the Vs + potential when the impedance detection current −Iconst is supplied to the oxygen concentration measurement cell 24 via the resistor R4 is further applied to the resistor R7. The output of the third operational amplifier OP3 itself is input via In addition, a circuit in which a fourth switch SW4 and a resistor R8 are connected in series is connected in parallel with the resistor R7. Therefore, by turning on / off the fourth switch SW4, the resistance value of the feedback resistor interposed between the inverting input terminal of the third operational amplifier OP3 and the output of the third operational amplifier OP3 itself is changed to the resistance of the resistor R7. The value can be switched to either the combined value of the parallel connection of the resistors R7 and R8. By this switching, the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 can be changed, and the impedance signal Vrpvs amplified with the set amplification degree is output.
即ち、本実施形態では、第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子及び反転入力端子に接続されるそれぞれの第４スイッチＳＷ４を同期して切り替えることで、２通りの増幅度のいずれかに切り替えることができる。具体的な増幅度としては、第４スイッチＳＷ４がオン状態のときには、増幅度は、４倍（×４）という第１増幅度となり、第４スイッチＳＷ４がオフ状態のときには、増幅度は、第１増幅度よりも大きい１２倍（×１２）という第２増幅度となる。なお、この増幅度の切替えは、中央演算処理装置２の指令に従って制御されるが、その制御の処理内容の詳細は後述する。 In other words, in the present embodiment, the fourth switch SW4 connected to the non-inverting input terminal and the inverting input terminal of the third operational amplifier OP3 can be switched to one of two amplification degrees by switching in synchronization. it can. As a specific amplification factor, when the fourth switch SW4 is in the on state, the amplification factor is a first amplification factor of 4 (× 4), and when the fourth switch SW4 is in the off state, the amplification factor is The second amplification degree is 12 times (× 12), which is larger than one amplification degree. The switching of the amplification degree is controlled in accordance with a command from the central processing unit 2, and details of the control processing will be described later.
そして、演算増幅器９０（第３オペアンプＯＰ３）から出力されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓは、第５オペアンプＯＰ５を介して、中央演算処理装置２に出力される。この第５オペアンプＯＰ５は、第２コンデンサＣ２、第２スイッチＳＷ２、抵抗器Ｒ２と共に信号ホールド回路を形成している。この信号ホールド回路は、まず、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出時に第２スイッチＳＷ２がオフからオン状態になると、第３オペアンプＯＰ３から電圧変化量ΔＶｓが入力される。その後、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、この信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３から出力された電圧変化量ΔＶｓを第２コンデンサＣ２にて保持すると共に、電圧変化量ΔＶｓを表すインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを、信号出力端子４１を介して、中央演算処理装置２に対して出力する。 The impedance signal Vrpvs output from the operational amplifier 90 (third operational amplifier OP3) is output to the central processing unit 2 via the fifth operational amplifier OP5. The fifth operational amplifier OP5 forms a signal hold circuit together with the second capacitor C2, the second switch SW2, and the resistor R2. In the signal hold circuit, first, when the second switch SW2 is turned on from the off state when the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24 is detected, the voltage change amount ΔVs is inputted from the third operational amplifier OP3. Thereafter, when the second switch SW2 is turned off, the signal hold circuit holds the voltage change amount ΔVs output from the third operational amplifier OP3 by the second capacitor C2 when the second switch SW2 is turned on. At the same time, an impedance signal Vrpvs representing the voltage change amount ΔVs is output to the central processing unit 2 via the signal output terminal 41.
そして、中央演算処理装置２は、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、インピーダンス信号に対応する酸素濃度測定セル２４のインピーダンス、ひいては酸素センサ５の温度を算出する温度検出処理を実行する。 Then, the central processing unit 2 converts the impedance signal Vrpvs into a digital value by an A / D conversion circuit (not shown), and then, based on the held map or calculation formula, the oxygen concentration measurement cell 24 corresponding to the impedance signal. The temperature detection process for calculating the impedance of the oxygen sensor 5 and the temperature of the oxygen sensor 5 is executed.
なお、センサ駆動回路３において、第１スイッチＳＷ１は、第１オペアンプＯＰ１、即ち、サンプルホールド回路における電圧ホールド動作を制御する。第２スイッチＳＷ２は３個備えられており、その内訳は、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出用の一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源６３，６５をオン・オフ制御するための２個と、第５オペアンプＯＰ５を含めて構成される信号ホールド回路における信号ホールド動作を制御するための１個からなる。また、第３スイッチＳＷ３は２個備えられており、第２スイッチＳＷ２にて流されるインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源６４，６６をオン・オフ制御するための２個である。２個設けられる第４スイッチＳＷ４は、上述したように、演算増幅回路９０の増幅度の切替え制御を行う役割を果たす。 In the sensor drive circuit 3, the first switch SW1 controls the voltage hold operation in the first operational amplifier OP1, that is, the sample hold circuit. Three second switches SW2 are provided. The breakdown of the second switches SW2 includes two for controlling on / off of current sources 63 and 65 for supplying a constant current -Iconst for impedance detection of the oxygen concentration measurement cell 24. , And a signal hold circuit for controlling the signal hold operation in the signal hold circuit including the fifth operational amplifier OP5. Further, two third switches SW3 are provided, and current sources 64 and 66 for supplying a constant current + Iconst having a polarity opposite to the impedance detection current −Iconst supplied by the second switch SW2 are turned on / off. Two for controlling. Two fourth switches SW4 are provided to perform switching control of the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 as described above.
これら第１〜第３スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、制御部５９からの指令に基づいて状態（オン、オフ状態）が制御される。なお、制御部５９は、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒ（図１参照）を中央演算処理装置２から受け取った後、自身に設けられたタイマー回路のタイマカウントに応じて、第１〜第３スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の状態（オン、オフ状態）を制御するように動作する。一方、第４スイッチＳＷ４のオン、オフ状態は、中央演算処理装置２から出力される切り替え指令に基づいて直接制御される。なお、この切り替え指令は、センサ駆動回路３の入力端子４５を介して、中央演算処理装置２から入力される。 These first to third switches SW <b> 1 to SW <b> 3 are controlled in a state (on / off state) based on a command from the control unit 59. The control unit 59 receives a notification signal Sr (see FIG. 1) notifying that the temperature detection process has started from the central processing unit 2, and then according to the timer count of the timer circuit provided in itself. The first to third switches SW1 to SW3 operate so as to control the states (on and off states). On the other hand, the on / off state of the fourth switch SW4 is directly controlled based on a switching command output from the central processing unit 2. This switching command is input from the central processing unit 2 via the input terminal 45 of the sensor drive circuit 3.
次いで、中央演算処理装置２において実行される酸素センサ５（酸素濃度測定セル２４）のインピーダンスの検出方法の具体的な手順、即ち、酸素センサ５の温度を検出する温度検出処理について、図３を参照して説明する。この温度検出処理は、中央演算処理装置２の起動直後から自身の処理を開始する。 Next, a specific procedure of the impedance detection method of the oxygen sensor 5 (oxygen concentration measurement cell 24) executed in the central processing unit 2, that is, a temperature detection process for detecting the temperature of the oxygen sensor 5 is shown in FIG. The description will be given with reference. This temperature detection process starts its own process immediately after the central processing unit 2 is activated.
なお、この温度検出処理の開始と同期して、中央演算処理装置２では、ヒータ通電制御回路６を用いてヒータ８０を加熱させるためのヒータ制御処理を別途に実行する。このヒータ通電制御処理は、温度制御処理にて検出された酸素センサ５の温度に基づいて、酸素センサ５を活性温度以上の目標温度に設定するためにヒータ８０への投入電力を制御するヒータ制御処理であるが、このヒータ制御処理の内容は公知であることから、公知の手法を採用すればよい。そのため、本明細書でのヒータ制御処理の詳細説明は省略する。 In synchronism with the start of this temperature detection process, the central processing unit 2 separately executes a heater control process for heating the heater 80 using the heater energization control circuit 6. This heater energization control process is based on the temperature of the oxygen sensor 5 detected in the temperature control process, and heater control for controlling the input power to the heater 80 in order to set the oxygen sensor 5 to a target temperature equal to or higher than the activation temperature. Although the contents of the heater control process are publicly known, a publicly known method may be adopted. Therefore, detailed description of the heater control process in this specification is omitted.
中央演算処理装置２において温度検出処理が開始されると、まず、Ｓ１０にて、初期化処理が行われる。この初期化処理では、演算増幅回路９０を構成する第４スイッチＳＷ４をオン状態とする切替え指令をセンサ駆動回路３に対して出力し、演算増幅回路９０の増幅度を第１増幅度に設定する。また、演算増幅度９０の増幅度が第１か第２かであるかを認識するための増幅切替えフラグを、初期状態では第１増幅度であると認識するために「１」にセットする。さらに、制御部５９に対して、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒを出力する。 When the temperature detection process is started in the central processing unit 2, an initialization process is first performed in S10. In this initialization process, a switching command for turning on the fourth switch SW4 constituting the operational amplifier circuit 90 is output to the sensor drive circuit 3, and the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 is set to the first amplification degree. . In addition, an amplification switching flag for recognizing whether the operational amplification degree 90 is the first or second is set to “1” in order to recognize that it is the first amplification degree in the initial state. Furthermore, a notification signal Sr for notifying that the temperature detection process has been started is output to the control unit 59.
その後、Ｓ２０に進み、センサ駆動回路３から出力されるインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓの検出タイミングを経過したか否かを判定する。このＳ２０にて検出タイミングを経過したと判定される（Ｓ２０：ＹＥＳ）と、Ｓ３０に進み、インピーダンス信号Ｖｒｖｓを検出する（Ａ／Ｄ変換する）。一方、Ｓ２０にて検出タイミングを経過していないと判定される（Ｓ２０：ＮＯ）と、Ｓ２０の処理を繰り返す。 Thereafter, the process proceeds to S20, and it is determined whether or not the detection timing of the impedance signal Vrpvs output from the sensor drive circuit 3 has elapsed. If it is determined in S20 that the detection timing has passed (S20: YES), the process proceeds to S30, and the impedance signal Vrvs is detected (A / D conversion). On the other hand, if it is determined in S20 that the detection timing has not elapsed (S20: NO), the process of S20 is repeated.
次いで、Ｓ４０に進み、所定の計算式、あるいは、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓと酸素濃度測定セル２４のインピーダンスとの相関関係を示したデータ（例えば、２次元マップ）を用いて、Ｓ３０にて検出したインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓに基づき、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｐｖｓを算出する。その後、Ｓ５０では、Ｓ４０にて検出されたインピーダンスＲｐｖｓに基づき、酸素濃度測定セル２４（酸素センサ５）の温度が算出される。このＳ５０にて算出された酸素センサ５の温度の情報は、上述したように、中央演算処理装置２にて別途に実行されるヒータ制御処理に用いられることになる。 Next, the process proceeds to S40, and the impedance signal detected in S30 using a predetermined calculation formula or data (for example, a two-dimensional map) indicating the correlation between the impedance signal Vrpvs and the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24. Based on Vrpvs, the impedance Rpvs of the oxygen concentration measurement cell 24 is calculated. Thereafter, in S50, the temperature of the oxygen concentration measurement cell 24 (oxygen sensor 5) is calculated based on the impedance Rpvs detected in S40. The information on the temperature of the oxygen sensor 5 calculated in S50 is used for the heater control process separately executed in the central processing unit 2 as described above.
Ｓ５０の処理後は、Ｓ６０に進み、Ｓ４０にて算出されたインピーダンスＲｐｖｓが活性判定しきい値ＴＨ３（４００Ω）以下であるか否かを判定する。このＳ６０にて肯定判定される（Ｓ６０：ＹＥＳ）と、Ｓ７０に進む。一方、Ｓ６０にて否定判定される（Ｓ６０：ＮＯ）と、Ｓ２０の処理に戻る。 After the processing of S50, the process proceeds to S60, and it is determined whether or not the impedance Rpvs calculated in S40 is equal to or less than the activity determination threshold value TH3 (400Ω). If an affirmative determination is made in S60 (S60: YES), the process proceeds to S70. On the other hand, if a negative determination is made in S60 (S60: NO), the process returns to S20.
Ｓ７０では酸素濃度測定セル２４（酸素センサ５）が活性したことを受けて、中央演算処理装置２にて別途に実行される濃度検出処理を行うための濃度検出処理指示を出力する。この濃度検出処理指示の出力がなされているときには、濃度検出処理が実行され、定期的に酸素濃度信号Ｖｉｐが読み込まれ、排気ガス中の酸素濃度が算出されることになる。 In S70, in response to the activation of the oxygen concentration measurement cell 24 (oxygen sensor 5), a concentration detection processing instruction for performing concentration detection processing separately executed in the central processing unit 2 is output. When this concentration detection processing instruction is output, the concentration detection processing is executed, the oxygen concentration signal Vip is periodically read, and the oxygen concentration in the exhaust gas is calculated.
Ｓ７０からＳ８０に移行すると、Ｓ８０では、増幅切替えフラグが「１」であるか否かを判定する。増幅切替えフラグが「１」であると判定される（Ｓ８０：ＹＥＳ）と、Ｓ９０に進み、増幅切替えフラグが「１」でないと判定される（Ｓ８０：ＮＯ）と、Ｓ１２０に進む。 After shifting from S70 to S80, in S80, it is determined whether or not the amplification switching flag is “1”. If it is determined that the amplification switching flag is “1” (S80: YES), the process proceeds to S90. If it is determined that the amplification switching flag is not “1” (S80: NO), the process proceeds to S120.
そして、Ｓ９０に進むと、Ｓ４０にて算出されたインピーダンスＲｐｖｓが、活性判定しきい値ＴＨ３よりも小さい値に設定された第１しきい値（２００Ω）ＴＨ１を下回ったか否かを判定する。このＳ９０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第１しきい値ＴＨ１を下回ったと判定された（Ｓ９０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ１００に移行し、演算増幅回路９０の増幅度を第２増幅度に設定するために、センサ駆動回路３に対して、第４スイッチＳＷ４をオフ状態とする指令（切替え指令）を出力する。センサ駆動回路３は、この指令（切替え指令）を受け、演算増幅回路９０の第４スイッチＳＷ４が既にオフ状態にあるときには、その状態を維持する一方、第４スイッチＳＷ４がオン状態にあるときには、オフ状態に切り替える。これにより、演算増幅回路９０の増幅度が第２増幅度に設定される。そして、Ｓ１００の処理後は、Ｓ１１０に進んで、増幅切替えフラグを「０」に設定し、Ｓ２０の処理に戻る。なお、Ｓ１９０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第１しきい値ＴＨ２を下回っていないと判定された（Ｓ９０：ＮＯ）場合には、Ｓ２０の処理に戻る。 In S90, it is determined whether or not the impedance Rpvs calculated in S40 is lower than the first threshold (200Ω) TH1 set to a value smaller than the activation determination threshold TH3. If it is determined in S90 that the impedance Rpvs has fallen below the first threshold value TH1 (S90: YES), the process proceeds to S100 to set the amplification factor of the operational amplifier circuit 90 to the second amplification factor. In addition, a command (switching command) for turning off the fourth switch SW4 is output to the sensor drive circuit 3. The sensor drive circuit 3 receives this command (switching command) and maintains the state when the fourth switch SW4 of the operational amplifier circuit 90 is already in the OFF state, while when the fourth switch SW4 is in the ON state, Switch to off state. Thereby, the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 is set to the second amplification degree. After the process of S100, the process proceeds to S110, the amplification switching flag is set to “0”, and the process returns to S20. In S190, when it is determined that the impedance Rpvs is not lower than the first threshold value TH2 (S90: NO), the process returns to S20.
一方、Ｓ１２０に進むと、Ｓ４０にて算出されたインピーダンスＲｐｖｓが、活性判定しきい値ＴＨ３よりも小さく、且つ、第１しきい値ＴＨ１よりも大きい値に設定された第２しきい値ＴＨ２（２５０Ω）を上回ったか否かを判定する。このＳ１２０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第２しきい値ＴＨ２を上回ったと判定された（Ｓ１２０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ１３０に移行し、演算増幅回路９０の増幅度を第１増幅度に設定するために、センサ駆動回路３に対して、第４スイッチＳＷ４をオン状態とする指令（切替え指令）を出力する。センサ駆動回路３は、この指令（切替え指令）を受け、演算増幅回路９０の第４スイッチＳＷ４が既にオン状態にあるときには、その状態を維持する一方、第４スイッチＳＷ４がオフ状態にあるときには、オン状態に切り替える。これにより、演算増幅回路９０の増幅度が第１増幅度に設定される。そして、Ｓ１３０の処理後は、Ｓ１４０に進んで、増幅切替えフラグを「１」に設定し、Ｓ２０の処理に戻る。なお、Ｓ１２０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第２しきい値ＴＨ２を上回っていないと判定された（Ｓ１２０：ＮＯ）場合には、Ｓ２０の処理に戻る。 On the other hand, when the process proceeds to S120, the second threshold value TH2 (the impedance Rpvs calculated in S40 is set to a value smaller than the activation determination threshold value TH3 and larger than the first threshold value TH1). 250 Ω) is exceeded. If it is determined in S120 that the impedance Rpvs exceeds the second threshold value TH2 (S120: YES), the process proceeds to S130 to set the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 to the first amplification degree. In addition, a command (switching command) for turning on the fourth switch SW4 is output to the sensor drive circuit 3. The sensor drive circuit 3 receives this command (switching command), and maintains the state when the fourth switch SW4 of the operational amplifier circuit 90 is already in the on state, while when the fourth switch SW4 is in the off state, Switch on. Thereby, the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 is set to the first amplification degree. Then, after the process of S130, the process proceeds to S140, the amplification switching flag is set to “1”, and the process returns to S20. If it is determined in S120 that the impedance Rpvs does not exceed the second threshold value TH2 (S120: NO), the process returns to S20.
このようにして、中央演算処理装置２では、酸素センサ５の温度を検出する温度検出処理が実行される。 Thus, in the central processing unit 2, the temperature detection process for detecting the temperature of the oxygen sensor 5 is executed.
次いで、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒを中央演算処理２から入力を受けたことで、制御部５９が実行するインピーダンス信号測定処理の手順を、図４を用いて説明する。図４は、インピーダンス信号測定処理を示すフローチャートである。 Next, the procedure of the impedance signal measurement process executed by the control unit 59 by receiving the notification signal Sr notifying that the temperature detection process has started from the central processing 2 will be described with reference to FIG. . FIG. 4 is a flowchart showing the impedance signal measurement process.
このインピーダンス信号測定処理が開始されると、制御部５９は、まずＳ２００にて、測定タイミングを経過したか否かを判定する。そして、測定タイミングを経過した（Ｓ２００：ＹＥＳ）と判定されると、Ｓ２１０に進み、第１スイッチＳＷ１をオフ状態に設定し、第２スイッチＳＷ２をオン状態に設定する。これにより、酸素濃度測定セル２４に対してインピーダンス検出電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する処理を実行する。第１スイッチＳＷ１をオフ状態に設定することで、第１オペアンプＯＰ１及び第１コンデンサＣ１を備えるサンプルホールド回路は、インピーダンス検出電流を通電する直前の酸素濃度測定セル２４の両端電圧Ｖｓを保持する。また、Ｓ２００にて測定タイミングを経過していない（Ｓ２００：ＮＯ）と判定されると、Ｓ２００の処理を繰り返し行う。 When the impedance signal measurement process is started, the control unit 59 first determines in S200 whether the measurement timing has passed. If it is determined that the measurement timing has passed (S200: YES), the process proceeds to S210, where the first switch SW1 is set to the off state and the second switch SW2 is set to the on state. Thereby, the process which supplies with an impedance detection electric current (-Iconst) with respect to the oxygen concentration measurement cell 24 is performed. By setting the first switch SW1 to the OFF state, the sample hold circuit including the first operational amplifier OP1 and the first capacitor C1 holds the voltage Vs across the oxygen concentration measurement cell 24 immediately before the impedance detection current is passed. If it is determined in S200 that the measurement timing has not elapsed (S200: NO), the process of S200 is repeated.
その後、Ｓ２２０にて、予め設定された検出待機時間（例えば６０μｓ）が経過したか否かを判定する。ここで、検出待機時間が経過していない（Ｓ２２０：ＮＯ）場合には、Ｓ２２０の処理を繰り返し行う。一方、検出待機時間が経過した（Ｓ２２０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ２３０に進み、第２スイッチＳＷ２をオフ状態に設定し、酸素濃度測定セル２４に対するインピーダンス検出電流の通電を停止する処理を実行する。 Thereafter, in S220, it is determined whether or not a preset detection waiting time (for example, 60 μs) has elapsed. If the detection standby time has not elapsed (S220: NO), the process of S220 is repeated. On the other hand, if the detection standby time has elapsed (S220: YES), the process proceeds to S230, where the second switch SW2 is set to the OFF state, and the process of stopping the supply of the impedance detection current to the oxygen concentration measurement cell 24 is executed. .
また、第２スイッチＳＷ２をオフ状態にすることで、第３オペアンプＯＰ３から第２スイッチＳＷ２を介して第５オペアンプＯＰ５に至る通電経路が遮断され、第２コンデンサＣ２に電圧変化量ΔＶｓが保持される。つまり、第５オペアンプＯＰ５及び第２コンデンサＣ２を備える信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３（演算増幅回路９０）から出力されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを保持する。さらに、信号ホールド回路は、保持しているインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを中央演算処理装置２に対して出力する。 Also, by turning off the second switch SW2, the energization path from the third operational amplifier OP3 to the fifth operational amplifier OP5 via the second switch SW2 is interrupted, and the voltage change amount ΔVs is held in the second capacitor C2. The That is, the signal hold circuit including the fifth operational amplifier OP5 and the second capacitor C2 starts from the third operational amplifier OP3 (the operational amplifier circuit 90) when the second switch SW2 is turned on when the second switch SW2 is turned off. The output impedance signal Vrpvs is held. Further, the signal hold circuit outputs the held impedance signal Vrpvs to the central processing unit 2.
次にＳ２４０にて、第３スイッチＳＷ３をオン状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４に対して、インピーダンス検出電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）とは極性が異なる逆極性電流（＋Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する処理を実行する。このように逆極性電流を通電するのは、酸素濃度測定セル２４を構成する固体電解質体の配向現象によって内部起電力が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させるためである。 Next, in S240, by setting the third switch SW3 to the on state, the oxygen concentration measurement cell 24 is supplied with a reverse polarity current (+ Iconst) having a polarity different from that of the impedance detection current (−Iconst). Execute. In this way, the reverse polarity current is applied when the internal electromotive force is influenced by the orientation phenomenon of the solid electrolyte body constituting the oxygen concentration measuring cell 24 and the internal electromotive force value reflecting the original oxygen concentration difference is not output. This is to shorten the return time until the normal state is restored.
そして、Ｓ２５０に進み、予め設定された逆極性通電時間（例えば６０μｓ）が経過した否かを判定する。ここで、逆極性通電時間が経過していない（Ｓ２５０：ＮＯ）場合には、Ｓ２５０の処理を繰り返し行う。一方、逆極性通電時間が経過した（Ｓ２５０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ２６０にて、第３スイッチＳＷ３をオフ状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４に対する逆極性電流の通電を停止する処理を実行する。 In step S250, it is determined whether a preset reverse polarity energization time (for example, 60 μs) has elapsed. Here, when the reverse polarity energization time has not elapsed (S250: NO), the process of S250 is repeated. On the other hand, when the reverse polarity energization time has elapsed (S250: YES), the process of stopping the reverse polarity current supply to the oxygen concentration measurement cell 24 by setting the third switch SW3 to the OFF state in S260. Execute.
そして、Ｓ２７０にて、予め設定された安定化待機時間（例えば６００μｓ）が経過したか否かを判断する。ここで、安定化待機時間が経過していない（Ｓ２７０：ＮＯ）場合には、Ｓ２７０の処理を繰り返し行う。一方、安定化待機時間が経過した（Ｓ２７０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ２８０にて、第１スイッチＳＷ１をオン状態に設定する処理を実行する。第１スイッチＳＷ１をオン状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４における端子Ｖｓ＋の電位が第１オペアンプＯＰ１に入力されると共に、その電位が第１オペアンプＯＰ１からＰＩＤ制御回路６９に入力される。ＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された酸素濃度測定セル２４の端子Ｖｓ＋の電位とＶｃｅｎｔ点における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御する。 Then, in S270, it is determined whether or not a preset stabilization waiting time (for example, 600 μs) has elapsed. If the stabilization waiting time has not elapsed (S270: NO), the process of S270 is repeated. On the other hand, when the stabilization waiting time has elapsed (S270: YES), a process of setting the first switch SW1 to the ON state is executed in S280. By setting the first switch SW1 to the on state, the potential of the terminal Vs + in the oxygen concentration measurement cell 24 is input to the first operational amplifier OP1, and the potential is input from the first operational amplifier OP1 to the PID control circuit 69. . The PID control circuit 69 performs PID control on the magnitude of the pump current Ip so that the potential difference between the potential of the terminal Vs + of the oxygen concentration measurement cell 24 connected via the first operational amplifier OP1 and the potential at the Vcent point is 450 mV. To do.
そして、Ｓ２８０の処理が終了すると、インピーダンス信号測定処理を終了する。なお、インピーダンス信号測定処理が終了した後は、第５オペアンプＯＰ５及び第２コンデンサＣ２を備える信号ホールド回路が、保持しているインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓの出力を継続して行う。 Then, when the process of S280 ends, the impedance signal measurement process ends. After the impedance signal measurement process is completed, the signal hold circuit including the fifth operational amplifier OP5 and the second capacitor C2 continuously outputs the held impedance signal Vrpvs.
以上に説明した本実施形態のセンサ制御装置１によれば、センサセル（酸素濃度測定セル２４）を介して出力される応答信号（インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓ）を増幅する増幅手段（演算増幅回路９０）を備えており、この増幅手段が中央演算処理装置２から出力される切替え指令に応じて第１の増幅度と第２の増幅度とに切替え可能に構成されている。そして、中央演算処理装置２にて検出（算出）されるインピーダンスＲｐｖｓを単一のしきい値と比較して演算増幅回路９０の増幅度の切替えを行うのではなく、増幅度の切替えを判断するためのしきい値として、所定の差を持たせた２つのしきい値ＴＨ１，ＴＨ２を用いるようにしている。 According to the sensor control device 1 of the present embodiment described above, the amplifying means (the operational amplifier circuit 90) for amplifying the response signal (impedance signal Vrpvs) output via the sensor cell (oxygen concentration measuring cell 24) is provided. The amplification means is configured to be switchable between a first amplification degree and a second amplification degree in accordance with a switching command output from the central processing unit 2. Then, the impedance Rpvs detected (calculated) in the central processing unit 2 is compared with a single threshold value, and the switching of the amplification of the operational amplifier circuit 90 is not performed, but the switching of the amplification is determined. For this purpose, two threshold values TH1 and TH2 having a predetermined difference are used.
具体的には、演算増幅回路９０が第１の増幅度（×４）の状態のときに、検出（算出）されるインピーダンスＲｐｖｓが第１しきい値ＴＨ１を下回ったと判定されると、演算増幅回路９０の増幅度を第２の増幅度（×１２）に切替え、演算増幅回路９０が第２の増幅度の状態のときに、検出（算出）されるインピーダンスＲｐｖｓが、第１しきい値ＴＨ１よりも大きな値に設定された第２しきい値ＴＨ２を上回ったと判定されると、演算増幅回路９０の増幅度を第１の増幅度に切替えるように構成している。これにより、中央演算処理装置２にて算出されるインピーダンスＲｐｖｓがこれらのしきい値に近接した値となったときに、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響でわずかなインピーダンスの値の変動によって演算増幅回路９０の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象が防止される。
従って、本実施形態のセンサ制御装置１によれば、酸素センサ５のインピーダンスＲｐｖｓを広範囲にわたって高精度に検出することができる。
Specifically, when the operational amplifier circuit 90 is in the first amplification degree (× 4) state, if it is determined that the detected (calculated) impedance Rpvs is lower than the first threshold value TH1, the operational amplification is performed. When the amplification degree of the circuit 90 is switched to the second amplification degree (× 12) and the operational amplification circuit 90 is in the second amplification degree, the detected (calculated) impedance Rpvs is the first threshold value TH1. If it is determined that the second threshold value TH2 set to a larger value is exceeded, the gain of the operational amplifier circuit 90 is switched to the first gain. As a result, when the impedance Rpvs calculated by the central processing unit 2 becomes a value close to these threshold values, a slight change in the impedance value due to the conversion error of the A / D conversion circuit, etc. This prevents the phenomenon that the amplification degree of the operational amplifier circuit 90 is frequently switched between the first and second.
Therefore, according to the sensor control device 1 of the present embodiment, the impedance Rpvs of the oxygen sensor 5 can be detected with high accuracy over a wide range.
なお、以上に説明した実施形態において、酸素濃度測定セル２４は本発明におけるセンサセル、インピーダンス検出用電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）が検出用信号、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓが応答信号、演算増幅回路９０が増幅手段、中央演算処理装置２が切替え指令出力手段、中央演算処理装置２およびヒータ通電制御回路６がヒータ制御手段に、それぞれ相当する。また、端子Ｖｓ＋が本発明における第１接続点、第１オペアンプＯＰ１、第１コンデンサＣ１及び第１スイッチＳＷ１がホールド手段に、第３オペアンプＯＰ３がオペアンプに、それぞれ相当する。 In the embodiment described above, the oxygen concentration measurement cell 24 is the sensor cell according to the present invention, the impedance detection current (-Iconst) is the detection signal, the impedance signal Vrpvs is the response signal, the operational amplifier circuit 90 is the amplification means, the center The arithmetic processing unit 2 corresponds to a switching command output unit, the central processing unit 2 and the heater energization control circuit 6 correspond to a heater control unit, respectively. The terminal Vs + corresponds to the first connection point in the present invention, the first operational amplifier OP1, the first capacitor C1, and the first switch SW1 correspond to the holding means, and the third operational amplifier OP3 corresponds to the operational amplifier.
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスを検出するにあたり、一時的にインピーダンス検出用電流を流し、それに応答して出力される電圧変化量ΔＶｓを測定するようにしたが、一次的にインピーダンス検出用電圧を印加し、それに応答して出力される電流変化量を測定するようにしてインピーダンスを検出（算出）するようにしても良い。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, As long as it belongs to the technical scope of this invention, a various form can be taken.
For example, in the above embodiment, when detecting the impedance of the oxygen concentration measurement cell 24, an impedance detection current is temporarily passed, and the voltage change amount ΔVs output in response thereto is measured. Impedance may be detected (calculated) by applying an impedance detection voltage to and measuring the amount of current change output in response thereto.
１ センサ制御装置
２ 中央演算処理装置
３ センサ駆動回路
５ 酸素センサ
６ ヒータ通電制御回路
１４ ポンプセル
２４ 酸素濃度測定セル
５９ 制御部
９０ 演算増幅回路
６３〜６６ 電流源
８０ ヒータ
ＯＰ３ 第３オペアンプ（オペアンプ）
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
ＳＷ３ 第３スイッチ
ＳＷ４ 第４スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor control apparatus 2 Central processing unit 3 Sensor drive circuit 5 Oxygen sensor 6 Heater energization control circuit 14 Pump cell 24 Oxygen concentration measurement cell 59 Control part 90 Operational amplifier circuit 63-66 Current source 80 Heater OP3 3rd operational amplifier (operational amplifier)
SW1 1st switch SW2 2nd switch SW3 3rd switch SW4 4th switch
Claims (4)
前記センサセルのインピーダンスを検出するための検出用信号を、前記センサセルに一時的に供給する信号供給手段と、
前記検出用信号の供給に伴い前記センサセルを介して出力される応答信号を入力すると共に、第１の増幅度にて該応答信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段から出力される前記応答信号に基づいて、前記センサセルのインピーダンスを検出する検出手段と、
を備えるセンサ制御装置であって、
前記増幅手段は、外部から出力される切替え指令に応じて、前記応答信号を前記第１の増幅度または該第１の増幅度とは異なる第２の増幅度に切替え可能に構成されており、
前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記切替え指令を、前記増幅手段に出力する切替え指令出力手段を備え、
前記切替え指令出力手段は、
前記増幅手段が前記第１の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値を下回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第２の増幅度に切替える切替え指令を出力し、
前記増幅手段が前記第２の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値よりも大きな値に設定された第２しきい値を上回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第１の増幅度に切替える切替え指令を出力する
構成をなしている、
ことを特徴とするセンサ制御装置。 A gas sensor having a sensor cell comprising a solid electrolyte body and a pair of electrodes, and detecting a gas concentration of a specific component;
A signal supply means for temporarily supplying a detection signal for detecting the impedance of the sensor cell to the sensor cell;
Amplifying means for inputting a response signal output through the sensor cell in response to the supply of the detection signal and amplifying the response signal at a first amplification degree;
Detecting means for detecting impedance of the sensor cell based on the response signal output from the amplifying means;
A sensor control device comprising:
The amplification means is configured to be able to switch the response signal to the first amplification degree or a second amplification degree different from the first amplification degree in response to a switching command output from the outside.
Based on the impedance detected by the detection means, the switching command output means for outputting the switching command to the amplification means,
The switching command output means includes
When the amplifying unit is in the first amplification level, and it is determined that the impedance has fallen below the first threshold value, switching is performed to switch the amplification level of the amplifying unit to the second amplification level. Command output,
When it is determined that the impedance exceeds the second threshold value set to a value larger than the first threshold value when the amplification means is in the second amplification degree state, the amplification means Is configured to output a switching command for switching the amplification degree to the first amplification degree,
The sensor control apparatus characterized by the above-mentioned.
前記ガスセンサは、前記センサセルを加熱するためのヒータを有しており、
前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記ヒータの通電を制御することで前記センサセルの加熱温度を制御するヒータ制御手段を備える
センサ制御装置。 The sensor control device according to claim 1,
The gas sensor has a heater for heating the sensor cell,
A sensor control apparatus comprising heater control means for controlling the heating temperature of the sensor cell by controlling energization of the heater based on the impedance detected by the detection means.
前記検出手段にて検出される前記インピーダンスを活性判定しきい値と比較し、前記インピーダンスが活性判定値を下回ったときに、前記センサセルが活性したと判定する活性判定手段を備え、
前記第１しきい値及び前記第２しきい値は、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定されている
センサ制御装置。 The sensor control device according to claim 1 or 2,
Comparing the impedance detected by the detection means with an activity determination threshold, and comprising activity determination means for determining that the sensor cell is activated when the impedance falls below an activity determination value,
The sensor control device in which the first threshold value and the second threshold value are both set to values smaller than the activity determination value.
前記信号供給手段は、前記検出用信号を、前記センサセルの前記一対の電極の一方につながる第１接続点を介して供給するように構成され、
一端が前記第１接続点に電気的接続されると共に、他端が前記センサセルの前記一対の電極の他方につながる第２接続点と電気的接続され、前記検出用信号が付与されるときに、前記第１接続点との電気的接続を遮断し、それ以前の前記第１接続点の電位を保持するホールド手段を備え、
前記増幅手段は、オペアンプを用い、前記ホールド手段にて保持される電位と前記検出用信号が付与されているときに前記第１接続点に生じている電位とを差動増幅する差動増幅回路である
センサ制御装置。 The sensor control device according to any one of claims 1 to 3,
The signal supply means is configured to supply the detection signal via a first connection point connected to one of the pair of electrodes of the sensor cell,
When one end is electrically connected to the first connection point and the other end is electrically connected to a second connection point connected to the other of the pair of electrodes of the sensor cell, the detection signal is applied. Holding means for interrupting electrical connection with the first connection point and holding the potential of the first connection point before that;
The amplifying means uses an operational amplifier, and differentially amplifies the potential held by the hold means and the potential generated at the first connection point when the detection signal is applied. Is a sensor control device.
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