JP2012189524A - センサ制御装置、センサ制御システムおよびセンサ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】検知素子の個体差に応じて出力補正を適用するタイミングを早め、特定ガスの濃度検知をより早く開始できるようにしたセンサ制御装置、センサ制御システムおよびセンサ制御方法を提供する。
【解決手段】ガスセンサの第二酸素ポンプセルに一定の電流を一定時間供給して、第二測定室から第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御する予備制御を実行する（Ｓ４０〜Ｓ５０）。駆動制御（Ｓ５５〜Ｓ８０）の開始当初に第二測定室への酸素の汲み戻しが行われ、汲み戻しの最中はＮＯｘ濃度対応値の経時変化が大きく安定しないが、ガスセンサに共通の補正データを用いてＮＯｘ濃度対応値の補正を行う。その際に、ガスセンサの個体差に応じて求められる適用時間を用いて補正データを適用するタイミングを調整することで、早期から、補正によって精確となったＮＯｘ濃度対応値を出力することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を表す濃度対応値を算出するセンサ制御装置、センサ制御システムおよびセンサ制御方法に関する。

従来、排気ガス等の検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を検知するガスセンサが利用されている。例えば、特定ガスとして窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という）を検知するＮＯｘセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質層上に多孔質の電極が形成された、酸素濃度検知セルと、第一酸素ポンプセルと、第二酸素ポンプセルとを有する検知素子を備えている。第一酸素ポンプセルは、検知対象ガスが導入される第一測定室から酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う。また、第二酸素ポンプセルは、第一測定室に連通する第二測定室から酸素の汲み出しを行う。

ＮＯｘセンサの制御装置は、第一測定室に面する酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように、第一酸素ポンプセルに電流を流して第一測定室から酸素を汲み出し、また、第一測定室に酸素を汲み入れることによって、第一測定室内の検知対象ガスの酸素濃度を一定に制御する。また、制御装置は、第二酸素ポンプセルの電極間に一定電圧を印加することによって、第一測定室から第二測定室に導入されたガス（第一酸素ポンプセルにより酸素濃度が調整されたガス）から酸素を汲み出させる。この一定電圧の印加によってガス中のＮＯｘが分解され、第二酸素ポンプセルに、ＮＯｘ由来の酸素イオンが流れる。制御装置は、第二酸素ポンプセルを流れる電流値に基づいて、検知対象ガス中のＮＯｘ濃度を検知する。

ＮＯｘセンサを用いて、例えば、内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検知する場合、第二測定室に存在するガスは、前回の内燃機関の運転が停止してから再起動するまでの経過時間に応じて、大気雰囲気に近いリーン状態となる。そのため、制御装置には、内燃機関の起動時に、第二測定室に存在する酸素を一時的に急激に汲み出す予備制御を行うものがある。予備制御によって第二測定室内の酸素濃度を通常よりも早くＮＯｘ濃度の検出が可能な所定の低酸素濃度とすることで、制御装置は、ＮＯｘ濃度の検知を通常よりも早くに開始することができる。

また、予備制御が終了した時点における第二測定室内の酸素濃度は、ＮＯｘ濃度の検出が可能な所定の低酸素濃度よりも低くなっている。予備制御に続いて行われる検知素子の駆動制御では、開始当初において、第二酸素ポンプセルへの印加電圧が上記の一定電圧となるように、第二測定室内への酸素の汲み戻しが行われる。そして、第二測定室内の酸素濃度が所定の低酸素濃度となって検知素子の出力が安定したら、ＮＯｘ濃度の検出が行われる。

ところで、第二酸素ポンプセルに印加される電圧値が所定値以上である場合、第二酸素ポンプセルの電極上において検知対象ガスに含まれる水（Ｈ_２Ｏ）の解離が発生することが知られている。Ｈ_２Ｏの解離によって生ずる酸素イオンが第二酸素ポンプセルの電極間に流れることから、排気ガス中のＨ_２Ｏの濃度に応じて電流値が増加することも知られている。予備制御において第二酸素ポンプセルに所定値以上の高い電圧が印加された場合、同一個体の検知素子であっても、予備制御が終了した時点における第二測定室内の酸素濃度がＨ_２Ｏ濃度に依存して異なる。すると、駆動制御が開始されてから酸素の汲み戻しが行われる過程において、検知素子の出力値が示す経時変化の傾向（言い換えると、時間に応じた出力値の変化の状態であり、検知素子の出力値と経過時間との関係を示すグラフにおいて描かれる形状（パターン）である。）が、Ｈ_２Ｏ濃度に依存して異なってくる。

そこで、予備制御において、第二酸素ポンプセルに所定値の電流を一定時間流し、第二酸素ポンプセルによって汲み出される酸素の量が一定となるようにした制御装置が知られている（例えば特許文献１参照）。制御装置がこのような制御を行えば、予備制御の終了時における第二測定室内の酸素濃度を、Ｈ_２Ｏ濃度に依存することなくほぼ一定にすることができる。すると、駆動制御が開始され、酸素の汲み戻しが行われる過程において、検知素子の出力値が示す経時変化の傾向が、Ｈ_２Ｏ濃度に依存することなくほぼ一定の傾向を示すので、制御装置はＮＯｘ濃度を安定して測定することができる。

特開２０１０−１５６６７６号公報

しかしながら、駆動制御が開始され、酸素の汲み戻しが行われる初期の段階において、経時変化の傾向については上記のようにほぼ一定の傾向を示しても、検知素子の個体差（個体間バラツキ）によって、経時変化の傾向が示される時期に、ずれを生ずる場合があった。従来は、駆動制御の開始当初においてＮＯｘ濃度の検出を行わず、所定時間の経過を待って、検知素子の出力が安定してからＮＯｘ濃度の検出が開始されており、このような個体差による酸素の汲み戻しにおける経時変化の傾向の時期的なずれは、考慮されていなかった。

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、検知素子の個体差に応じて出力補正を適用するタイミングを早め、特定ガスの濃度検知をより早く開始できるようにしたセンサ制御装置、センサ制御システムおよびセンサ制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、検知対象ガスが導入される第一測定室と、第一固体電解質層と一対の第一電極とを備え、前記一対の第一電極が前記第一測定室の内側と外側とに設けられる第一酸素ポンプセルと、前記第一測定室に連通する第二測定室と、第二固体電解質層と一対の第二電極とを備え、前記一対の第二電極が前記第二測定室の内側と外側とに設けられた第二酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、前記第一測定室に導入された前記検知対象ガスの酸素濃度を前記第一酸素ポンプセルへの通電によって調整するとともに、前記第二酸素ポンプセルへ通常電圧を印加する駆動制御を行う駆動制御手段と、前記駆動制御を開始する前に、前記第二酸素ポンプセルに対して一定の電流を一定時間供給して、前記第二測定室から当該第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御する予備制御を実行する予備制御手段と、前記駆動制御が開始され、前記通常電圧が印加された前記第二酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を表す濃度対応値を算出する算出手段と、濃度既知の基準ガスのもとで、予め設定された前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値の経時変化のパターンを表すパターンデータを、同一の構成を有する前記ガスセンサに共通の補正データとして記憶する記憶手段と、前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように、前記補正データを適用するタイミングを決定する決定手段と、前記決定手段によって決定されたタイミングに基づいて、前記濃度対応値に前記補正データを適用し、前記濃度対応値の補正を行う補正手段と、を備えるセンサ制御装置が提供される。

第二酸素ポンプセルが汲み出す酸素の量は、第二酸素ポンプセルが備える一対の第二電極間に流れる電流値に比例する。このため、第１態様のセンサ制御装置では、予備制御終了時点において、第二測定室内の酸素濃度は、同一個体のガスセンサであれば、検知対象ガスに含まれるＨ_２Ｏ濃度によらずほぼ同じ濃度となる。ゆえに、予備制御を実行することによって、検知対象ガスにおけるＨ_２Ｏ濃度が変化する場合にも、また、ガスセンサが異なる場合にも、予備制御終了後に算出される濃度対応値の経時変化はほぼ同じパターンを示す。そこで、決定手段によってガスセンサの個体差に応じて決定されるタイミングに基づいて補正データを適用すれば、濃度対応値の経時変化が小さくなる時期以前の経時変化が大きな時期の濃度対応値を、経時変化が小さくなるように補正することができる。ゆえに、従来は濃度対応値の経時変化が小さくなった時期より行っていた濃度対応値の出力を、ガスセンサの個体差に応じて、より早期から、行うことができる。

第１態様において、前記記憶手段は、前記ガスセンサごとに決定された、前記駆動制御を開始してから前記補正データを適用するタイミングまでの適用時間であって、濃度既知の基準ガスのもとで、前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始し、当該駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように当該補正データを適用するための適用時間をさらに記憶してもよい。前記決定手段は、前記駆動制御を開始してから前記適用時間が経過したときに、前記補正データが適用されるタイミングになったことを決定してもよい。

補正データを適用するタイミングを、あらかじめガスセンサの個体差に応じた適用時間として求めておき、適用時間の経過に基づき適用タイミングを決定すれば、適用タイミングを演算等により求めなくとも済む。ゆえに、決定手段の行う処理を簡素化するとともに、決定手段にかかる負荷を軽減することができる。

第１態様において、前記記憶手段は、前記ガスセンサごとに決定された、前記酸素量の調整に関する前記センサ制御装置の制御条件であって、濃度既知の基準ガスのもとで、前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始し、当該駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が目標範囲内に納まるように制御するための制御条件をさらに記憶してもよい。前記予備制御手段は、前記制御条件のもとで、前記予備制御を実行してもよい。

予備制御実行時の酸素量を調整する制御条件がガスセンサごとに決定されることによって、濃度既知の基準ガスのもとでの駆動制御を開始してからの濃度対応値の経時変化のパターンが、目標範囲内に収まる。つまり、予備制御実行時の酸素量を調整する制御条件が各ガスセンサに対して個別に設定されることによって、センサ制御装置は、ガスセンサの製造バラツキ等の影響を受けずに、駆動制御を開始後に算出される濃度対応値を目標範囲内に有効に収めることができる。すなわち、製造バラツキ等に起因して異なる出力特性を有するガスセンサを備えたセンサ制御装置において、駆動制御を開始後に算出される濃度対応値を比較した場合、各センサ制御装置の濃度対応値の経時変化は目標範囲内に収まる。目標範囲は、駆動制御開始後の濃度対応値の許容バラツキを考慮して適宜定められる。したがってセンサ制御装置は、検知対象ガスのＨ_２Ｏ濃度がセンサ制御装置の起動ごとに異なる場合にも、また、ガスセンサが出力特性のバラツキを有する場合にも、予備制御終了後（換言すれば、駆動制御開始後）に算出される濃度対応値の経時変化はほぼ同じパターンを示す。このため、同一の構成を有するガスセンサに共通の補正データを適用して濃度対応値の補正を行う上で、より精度よく、濃度対応値の補正を行うことができる。

第１態様において、前記制御条件は、前記一定の電流および前記一定時間の少なくとも一方が、前記ガスセンサごとに決定された条件を含んでもよい。予備制御実行時の第二酸素ポンプセルの通電条件を、ガスセンサごとに異ならせた一定の電流の値、または通電時間あるいはその両方を制御するという簡単な制御を実行するだけで、駆動制御開始後の濃度対応値のガスセンサごとのバラツキを低減させることができる。制御条件のうち、第二酸素ポンプセルへの通電時間に、複数のガスセンサ間で共通の時間（一定時間）を設定した上で、出力特性を考慮してガスセンサごとに個別に一定の電流の値を設定した場合には、第１態様のセンサ制御装置は、起動してから駆動制御を実行するまでの時間を、ガスセンサごとでほぼ同じとすることができる。

本発明の第２態様によれば、請求項１から４のいずれかに記載の前記ガスセンサと、前記センサ制御装置とを備え、前記センサ制御装置によって前記ガスセンサの制御を行うセンサ制御システムが提供される。個体差の生じうるガスセンサと、そのガスセンサに対応するセンサ制御装置とを、センサ制御システムとして提供することで、特定ガスの濃度検知をより早く開始することができると共に、センサ制御装置にて得られる濃度対応値の精度が高いものとなるため、センサ制御システムの信頼性を確保することができる。

本発明の第３態様によれば、検知対象ガスが導入される第一測定室と、第一固体電解質層と一対の第一電極とを備え、前記一対の第一電極が前記第一測定室の内側と外側とに設けられる第一酸素ポンプセルと、前記第一測定室に連通する第二測定室と、第二固体電解質層と一対の第二電極とを備え、前記一対の第二電極が前記第二測定室の内側と外側とに設けられた第二酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを制御するセンサ制御装置において実行されるセンサ制御方法であって、前記第一測定室に導入された前記検知対象ガスの酸素濃度が前記第一酸素ポンプセルへの通電によって調整されるとともに、前記第二酸素ポンプセルへ通常電圧を印加する駆動制御が行われる駆動制御ステップと、前記駆動制御が開始される前に、前記第二酸素ポンプセルに対して一定の電流を一定時間供給して、前記第二測定室から当該第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御する予備制御が実行される予備制御ステップと、前記駆動制御が開始され、前記通常電圧が印加された前記第二酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を表す濃度対応値が算出される算出ステップと、濃度既知の基準ガスのもとで、予め設定された前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値の経時変化のパターンを表すパターンデータが、同一の構成を有する前記ガスセンサに共通の補正データとして、前記センサ制御装置の備える記憶手段に予め記憶されており、前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように、前記補正データを適用するタイミングが決定される決定ステップと、前記決定ステップにおいて決定されたタイミングに基づいて、前記濃度対応値に前記補正データが適用され、前記濃度対応値の補正が行われる補正ステップと、を含むセンサ制御方法が提供される。

また、第３態様において、前記記憶手段には、前記ガスセンサごとに決定された、前記駆動制御を開始してから前記補正データを適用するタイミングまでの適用時間であって、濃度既知の基準ガスのもとで、前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始し、当該駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように当該補正データを適用するための適用時間がさらに記憶されてもよい。前記決定ステップでは、前記駆動制御を開始してから前記適用時間が経過したときに、前記補正データが適用されるタイミングになったことが決定されてもよい。

第３態様のセンサ制御方法に従ってガスセンサが制御されることにより、利用者は、第１態様のセンサ制御装置と同様の効果を得ることができる。

ガスセンサ１０およびセンサ制御装置５を備えるセンサ制御システム１の概念図である。 メイン処理のフローチャートである。 同一個体のガスセンサ１０に対し通電時間を変化させて予備制御を実行した場合の、駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値の経時変化を表すグラフである。 基準時間の予備制御を行った場合の駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値の経時変化を表すグラフである。 予備制御の通電時間と、駆動制御開始後４０ｓｅｃにおけるＮＯｘ濃度対応値の代表パターンに対するずれ量との関係を示すグラフである。 ガスセンサ１０ごとに制御条件（通電時間）が設定された場合の、駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値の経時変化を表すグラフである。 駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値を補正した場合の経時変化と補正しなかった場合の経時変化とを比較して表すグラフである。 予備制御処理の変形例を示すフローチャートである。

以下、本発明を具体化したセンサ制御装置、センサ制御システムおよびセンサ制御方法の一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。

以下、図１を参照し、本発明に係るセンサ制御システム１について説明する。まず、センサ制御システム１の概略的な機能について説明する。図１に示す、センサ制御システム１は、ガスセンサ１０とセンサ制御装置５を備える。センサ制御装置５は、ガスセンサ１０と電気的に接続され、特定ガスとして窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検知する機能を有する。ガスセンサ１０は、自動車の排気通路（図示外）に取り付けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流値をセンサ制御装置５に出力する。センサ制御装置５は、ガスセンサ１０を制御する他、ガスセンサ１０から出力された電流値に基づいて、排気ガス中のＮＯｘ濃度を表す濃度対応値（以下、「ＮＯｘ濃度対応値」という。）を算出する。本実施の形態のセンサ制御装置５は、ＮＯｘ濃度対応値として、ＮＯｘ濃度を算出する。

次に、センサ制御装置５に接続されるガスセンサ１０の構造について説明する。ガスセンサ１０は、検知素子１１と、ヒータ素子３５と、コネクタ部４０と、ハウジング（図示外）とを備える。検知素子１１は、３枚の板状の固体電解質体１２，１３，１４の間に、アルミナ等からなる絶縁体１５，１６をそれぞれ挟み、層状をなすように形成されている。ヒータ素子３５は、固体電解質体１２，１３，１４の早期活性化と、固体電解質体１２，１３，１４の活性の安定性維持とのために、固体電解質体１４に積層されている。コネクタ部４０は、検知素子１１およびヒータ素子３５とリード線を介して接続されており、ガスセンサ１０と、センサ制御装置５とを電気的に接続するために設けられている。ハウジングは、ガスセンサ１０を排気通路（図示外）に取り付けるために、検知素子１１と、ヒータ素子３５とを内部に保持する。以下、ガスセンサ１０が備える各構成について詳述する。

まず、検知素子１１の構成を説明する。検知素子１１は、第一測定室２３と、第二測定室３０と、基準酸素室２９と、第一酸素ポンプセル２（以下、「Ｉｐ１セル２」という。）と、酸素分圧検知セル３（以下、「Ｖｓセル３」という。）と、第二酸素ポンプセル４（以下、「Ｉｐ２セル４」という。）とを備える。

第一測定室２３は、排気通路内の排気ガスが検知素子１１内に最初に導入される小空間である。第一測定室２３は、固体電解質体１２と固体電解質体１３との間に形成されている。第一測定室２３の固体電解質体１２側の面には電極１８が配置され、固体電解質体１３側の面には電極２１が配置されている。第一測定室２３の検知素子１１における先端側には、多孔質状の第一拡散抵抗部２４が設けられている。第一拡散抵抗部２４は、第一測定室２３内外の仕切りとして機能し、第一測定室２３内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。同様に、第一測定室２３の検知素子１１における後端側には、多孔質状の第二拡散抵抗部２６が設けられている。第二拡散抵抗部２６は、第一測定室２３と第二測定室３０との仕切りとして機能し、第一測定室２３から第二測定室３０内へのガスの単位時間あたりの流通量を制限する。

第二測定室３０は、固体電解質体１２と、第二拡散抵抗部２６および開口部２５と、固体電解質体１３に設けられた開口部３１と、絶縁体１６と、固体電解質体１４とによって囲まれた小空間である。第二測定室３０は、第一測定室２３と連通し、Ｉｐ１セル２によって酸素濃度が調整された後の排気ガス（以下、「調整ガス」という。）が導入される。第二測定室３０の固体電解質体１４側の面には電極２８が配置されている。

基準酸素室２９は、絶縁体１６と、固体電解質体１３と、固体電解質体１４とによって囲まれた小空間である。基準酸素室２９内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。また、基準酸素室２９の固体電解質体１３側の面には電極２２が配置され、固体電解質体１４側の面には電極２７が配置されている。

Ｉｐ１セル２は、固体電解質体１２と、多孔質性の電極１７，１８とを備える。固体電解質体１２は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。電極１７，１８は、検知素子１１の積層方向において固体電解質体１２の両面に設けられている。電極１７，１８は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。Ｐｔを主成分とする材料としては、例えば、Ｐｔと、Ｐｔ合金と、Ｐｔとセラミックスとを含むサーメットとが挙げられる。また、電極１７，１８の表面には、セラミックスからなる多孔質性の保護層１９，２０がそれぞれ形成されている。Ｉｐ１セル２は、両電極１７，１８間に電流が供給されることで、電極１７の接する雰囲気（検知素子１１の外部の雰囲気）と電極１８の接する雰囲気（第一測定室２３内の雰囲気）との間で、酸素の汲み出しおよび汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。

Ｖｓセル３は、固体電解質体１３と、多孔質性の電極２１，２２とを備える。固体電解質体１３は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１３は、絶縁体１５を挟んで固体電解質体１２と対向するように配置されている。電極２１，２２は、検知素子１１の積層方向における固体電解質体１３の両面にそれぞれ設けられている。電極２１は、第一測定室２３内の固体電解質体１２と向き合う側の面に形成されている。電極２１，２２は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｖｓセル３は、主として、固体電解質体１３によって隔てられた雰囲気（電極２１の接する第一測定室２３内の雰囲気と、電極２２に接する基準酸素室２９内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。

Ｉｐ２セル４は、固体電解質体１４と、多孔質性の電極２７，２８とを備える。固体電解質体１４は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１４は、絶縁体１６を挟んで固体電解質体１３と対向するように配置されている。固体電解質体１４の固体電解質体１３側の面には、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成された電極２７，２８がそれぞれ設けられている。Ｉｐ２セル４は、絶縁体１６によって隔てられた雰囲気（電極２７に接する基準酸素室２９内の雰囲気と、電極２８に接する第二測定室３０内の雰囲気）間において酸素の汲み出しを行う。

次に、ヒータ素子３５について説明する。ヒータ素子３５は、絶縁層３６，３７と、ヒータパターン３８とを備える。絶縁層３６，３７は、アルミナを主成分とするシート状の形状を有する。ヒータパターン３８は、絶縁層３６，３７の間に埋設され、ヒータ素子３５内で繋がる一本の電極パターンである。ヒータパターン３８は、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路５９に接続されている。ヒータパターン３８は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。

次に、コネクタ部４０について説明する。コネクタ部４０は、ガスセンサ１０の後端側に設けられ、端子４２〜４７を備える。端子４２には、リード線を介して、電極１７が電気的に接続されている。端子４３には、リード線を介して、電極１８と、電極２１と、電極２８とが、それぞれ同電位に電気的に接続されている。端子４４には、リード線を介して、電極２２が電気的に接続されている。端子４５には、リード線を介して、電極２７が電気的に接続されている。端子４６，４７には、リード線を介して、ヒータパターン３８が電気的に接続されている。

次に、センサ制御装置５の電気的な構成について説明する。センサ制御装置５は、ガスセンサ１０の検知素子１１およびヒータ素子３５の制御を行う装置である。また、センサ制御装置５は、検知素子１１から取得した電流Ｉｐ２に基づきＮＯｘ濃度対応値を算出し、算出したＮＯｘ濃度対応値をエンジンの制御等を司るＥＣＵ（電子制御ユニット）９０に出力する。

センサ制御装置５は、駆動回路部５０と、マイクロコンピュータ６０と、コネクタ部７０とを備える。駆動回路部５０は、検知素子１１と、ヒータ素子３５とを制御する。マイクロコンピュータ６０は、駆動回路部５０を制御する。コネクタ部７０は、ガスセンサ１０のコネクタ部４０と電気的に接続される。以下、センサ制御装置５の各構成を説明する。

駆動回路部５０は、基準電圧比較回路５１と、Ｉｐ１ドライブ回路５２と、Ｖｓ検知回路５３と、Ｉｃｐ供給回路５４と、抵抗検知回路５５と、Ｉｐ２検知回路５６と、Ｖｐ２印加回路５７と、定電流回路５８と、ヒータ駆動回路５９とを備える。以下、駆動回路部５０が備える各構成について詳述する。

Ｉｃｐ供給回路５４は、Ｖｓセル３の電極２１，２２間に微弱な電流Ｉｃｐを供給し、第一測定室２３内から基準酸素室２９内への酸素の汲み出しを行う。Ｖｓ検知回路５３は、電極２１，２２間の電圧（起電力）Ｖｓを検知するための回路であり、その検知結果を基準電圧比較回路５１に対し出力する。基準電圧比較回路５１は、Ｖｓ検知回路５３によって検知された電圧Ｖｓを、基準となる基準電圧（例えば４２５ｍＶ）と比較するための回路であり、その比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力する。

Ｉｐ１ドライブ回路５２は、Ｉｐ１セル２の電極１７，１８間に電流Ｉｐ１を供給するための回路である。Ｉｐ１ドライブ回路５２は、基準電圧比較回路５１によるＶｓセル３の電極２１，２２間の電圧Ｖｓの比較結果に基づいて、電圧Ｖｓがあらかじめ設定された基準電圧と略一致するように、電流Ｉｐ１の大きさや向きを調整する。その結果、Ｉｐ１セル２では、第一測定室２３内から検知素子１１外部への酸素の汲み出し、あるいは検知素子１１外部から第一測定室２３内への酸素の汲み入れが行われる。言い換えると、Ｉｐ１セル２では、Ｉｐ１ドライブ回路５２による通電制御に基づき、Ｖｓセル３の電極２１，２２間の電圧が一定値（基準電圧の値）に保たれるように、第一測定室２３内の酸素濃度の調整が行われる。

抵抗検知回路５５は、Ｖｓセル３に検知電流を定期的に流し、その際の電圧変化量（電圧Ｖｓの変化量）に基づいてＶｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓを検知するための回路である。抵抗検知回路５５によって検知された電圧変化量を示す値はマイクロコンピュータ６０に出力され、内部抵抗Ｒｐｖｓが求められる。内部抵抗Ｒｐｖｓは、Ｖｓセル３の温度、すなわち検知素子１１全体の温度と相関があり、内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいてヒータ素子３５の通電制御が行われる。

Ｉｐ２検知回路５６は、Ｉｐ２セル４の電極２８から電極２７に流れた電流Ｉｐ２の値の検知を行う回路である。Ｖｐ２印加回路５７は、後述する駆動制御処理の際に、Ｉｐ２セル４の電極２７，２８間に通常電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加するための回路であり、第二測定室３０内から基準酸素室２９への酸素の汲み出しを制御する。定電流回路５８は、後述する予備制御処理の際に、Ｉｐ２セル４の電極２８と電極２７との間に一定の値の電流Ｉｐ３（例えば、１０μＡ）を供給するための回路である。

ヒータ駆動回路５９は、固体電解質体１２，１３，１４の温度（ガスセンサ１０の温度）を所定の温度に保たせるための回路である。ヒータ駆動回路５９はマイクロコンピュータ６０によって制御され、ヒータ素子３５のヒータパターン３８へ電流を流し、固体電解質体１２，１３，１４（換言すると、Ｉｐ１セル２，Ｖｓセル３，Ｉｐ２セル４）を加熱する。マイクロコンピュータ６０は、上記の内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいて、固体電解質体１２，１３，１４が目標とする加熱温度になるように、ヒータ駆動回路５９にヒータパターン３８へのＰＷＭ通電を行わせる。

次に、マイクロコンピュータ６０は、公知のＣＰＵ６１，ＲＯＭ６３，ＲＡＭ６２，信号入出力部６４，およびＡ／Ｄコンバータ６５を備えた演算装置である。マイクロコンピュータ６０は、あらかじめ組み込まれたプログラムに従って駆動回路部５０に制御信号を出力し、駆動回路部５０が備える各回路の動作を制御する。ＲＯＭ６３には、各種プログラムと、プログラム実行時に参照される各種パラメータとが記憶されている。マイクロコンピュータ６０は、ＥＣＵ９０と信号入出力部６４を介して通信する。また、マイクロコンピュータ６０は、Ａ／Ｄコンバータ６５および信号入出力部６４を介して駆動回路部５０と通信する。また、マイクロコンピュータ６０には、公知のＥＥＰＲＯＭ６６が接続されている。ＥＥＰＲＯＭ６６には、後述する制御条件、適用時間、および補正時間が記憶される。なお、後述するが、あらかじめ決定される代表パターン１１０を用いてガスセンサ１０の出力の補正をするための補正データも、ＥＥＰＲＯＭ６６に記憶されている。

コネクタ部７０は、端子７２〜７７を備える。コネクタ部７０が、コネクタ部４０と接続された場合、端子７２から７７はそれぞれ、端子４２から端子４７に接続される。端子７２には、配線を介して、Ｉｐ１ドライブ回路５２が接続されている。端子７３は、配線を介して、センサ制御装置５の基準電位に接続されている。端子７４には、配線を介して、Ｖｓ検知回路５３と、Ｉｃｐ供給回路５４と、抵抗検知回路５５とがそれぞれ接続されている。端子７５には、配線を介して、Ｉｐ２検知回路５６と、Ｖｐ２印加回路５７と、定電流回路５８とが接続されている。端子７６には、配線を介して、ヒータ駆動回路５９が接続されている。端子７７は、配線を介して、接地されている。

次に、ＮＯｘ濃度を検知する場合のセンサ制御装置５の動作について説明する。排気通路（図示外）内を流通する排気ガスは、第一拡散抵抗部２４を介して第一測定室２３内に導入される。ここで、Ｖｓセル３には、Ｉｃｐ供給回路５４によって電極２２側から電極２１側へ微弱な電流Ｉｃｐが供給される。このため、排気ガス中の酸素は、負極側となる電極２１から酸素イオンとなって固体電解質体１３内を流れ、基準酸素室２９内に移動する。つまり、電極２１，２２間に電流Ｉｃｐが供給されることによって、第一測定室２３内の酸素が基準酸素室２９内に送り込まれる。

Ｖｓ検知回路５３では、電極２１，２２間の電圧Ｖｓが検知される。検知された電圧Ｖｓは、基準電圧比較回路５１によって基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）と比較されて、その比較結果がＩｐ１ドライブ回路５２に対して出力される。ここで、電極２１，２２間の電位差が基準電圧付近で一定となるように、第一測定室２３内の酸素濃度を調整すれば、第一測定室２３内の排気ガス中の酸素濃度は所定の濃度Ｃ（例えば、０．００１ｐｐｍ）に近づくこととなる。

そこで、Ｉｐ１ドライブ回路５２では、第一測定室２３内に導入された排気ガスの酸素濃度が濃度Ｃより薄い場合、電極１７側が負極となるようにＩｐ１セル２に電流Ｉｐ１を供給する。その結果、Ｉｐ１セル２では、検知素子１１外部から第一測定室２３内へ酸素の汲み入れが行われる。一方、第一測定室２３内に導入された排気ガスの酸素濃度が濃度Ｃより濃い場合、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電極１８が負極となるようにＩｐ１セル２に電流Ｉｐ１を供給する。その結果、Ｉｐ１セル２では、第一測定室２３内から検知素子１１外部へ酸素の汲み出しが行われる。このときの電流Ｉｐ１の大きさと、電流Ｉｐ１の流れる向きとに基づき、排気ガス中の酸素濃度の検知が可能である。

第一測定室２３において酸素濃度が濃度Ｃとなるように調整された調整ガスは、第二拡散抵抗部２６を介し、第二測定室３０内に導入される。第二測定室３０内で電極２８と接触した調整ガス中のＮＯｘは、電極２８を触媒としてＮ_２とＯ_２に分解（還元）される。分解された酸素は、電極２８から電子を受け取り、酸素イオンとなって（解離して）固体電解質体１４内を流れ、基準酸素室２９内に移動する。このとき、固体電解質体１４を介して一対の電極２７，２８間に流れる電流Ｉｐ２の値が、ＮＯｘ濃度に対応しており、当該電流Ｉｐ２の値がＮＯｘ濃度対応値の算出に用いられる。

次に、図２〜図８を参照し、センサ制御装置５においてガスセンサ１０の制御が行われる際に実行されるメイン処理について説明する。図２に示すメイン処理では、活性化処理（図２における二点鎖線９１内の処理）と、予備制御処理（二点鎖線９２内の処理）と、駆動制御処理（二点鎖線９３内の処理）とを含む処理が実行される。活性化処理は、検知素子１１をヒータ素子３５によって加熱して、検知素子１１を活性化させる処理である。活性化処理が実行されている場合のセンサ制御装置５の制御状態を、活性化制御という。予備制御処理は、駆動制御処理が実行される前に第二測定室３０内のガス中の酸素を一定量汲み出す処理である。予備制御処理が実行されている場合のセンサ制御装置５の制御状態を、予備制御という。駆動制御処理は、Ｉｐ１セル２への通電によって第一測定室２３に導入された排気ガスの酸素濃度を調整し、Ｉｐ２セル４への通常電圧Ｖｐ２を印加する処理である。また駆動制御処理では、通常電圧Ｖｐ２が印加されたＩｐ２セル４の電流の大きさに基づき、ＮＯｘ濃度対応値を算出する処理が実行される。駆動制御処理が実行されている場合のセンサ制御装置５の制御状態を、駆動制御という。

以下、メイン処理の詳細について説明する前に、本実施の形態のセンサ制御システム１においてＮＯｘ濃度対応値を算出する際に実施される補正の概要について説明する。ガスセンサ１０の起動時に第二測定室３０を満たしているガスは、前回のメイン処理実行時に内燃機関の運転が停止してから、すなわち排気ガスの供給が途絶えてから今回の起動までの間に、リーン雰囲気となる。予備制御を行わない場合、駆動制御の開始直後は、当該処理開始前に第二測定室３０内を満たしているガスに含まれた残留酸素等を、第二測定室３０から汲み出すことになる。この場合、本来算出すべき排気ガス中のＮＯｘ濃度に関わらず、残留酸素に応じて大きく変動する電流Ｉｐ２が流れることになる。したがって、駆動制御開始直後は、電流Ｉｐ２に基づくＮＯｘ濃度対応値は本来の排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた値を示さない。

そこでセンサ制御装置５は、駆動制御処理に先立って予備制御処理を実行し、リーン雰囲気である状態から第二測定室３０内の酸素濃度を低下させる。しかしながら、上述のように、Ｉｐ２セル４に所定値以上の一定の電圧が印加される場合、Ｉｐ２セル４による酸素の汲み出し量は、第二測定室３０内のガス中のＨ_２Ｏ濃度に依存して異なってくるという問題がある。そこで本実施の形態では、予備制御時に、定電流回路５８を駆動させ、Ｉｐ２セル４に供給する電流が一定となるように制御する。このようにすれば、同じガスセンサ１０であれば、予備制御処理によって、第二測定室３０からほぼ同量の酸素を汲み出すことができる。本実施の形態では、予備制御時のＩｐ２セル４に供給する一定の電流Ｉｐ３を１０μＡとする。このとき、Ｉｐ２セル４に印加される電圧は、駆動制御時の電圧である通常電圧Ｖｐ２（４２５ｍＶ）よりも大きい。このため、予備制御時の単位時間当たりの酸素汲み出し量は、駆動制御時に比べ大きい。

また、同じ構造を有するガスセンサ１０であっても、ＮＯｘ濃度と、電流Ｉｐ２に基づくＮＯｘ濃度対応値との関係を表す特性（以下、「出力特性」という。）が、ガスセンサ１０の個体ごとに異なる場合がある。例えば、製造バラツキに起因して、複数のガスセンサ１０の個体間で、同じＮＯｘ濃度下であっても出力特性がばらつく場合がある。このため、例えば排気ガス中のＨ_２Ｏ濃度が一定の場合であっても、予備制御が終了して駆動制御が開始され、電流Ｉｐ２が安定するまでにかかる時間が、出力特性に依存してガスセンサ１０の個体ごとに異なるという問題が生じる。

したがって、異なるガスセンサ１０の個体それぞれに同一の予備制御の制御条件が設定されると、駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値の経時変化の傾向として示されるパターン（以下、「変化パターン」という。）は、ガスセンサ１０の個体ごとに異なる場合がある。そこで、本実施の形態では、駆動制御開始後（換言すれば、予備制御終了後）に算出されるＮＯｘ濃度対応値が目標範囲（目標濃度範囲）内に収まるように、ガスセンサ１０ごとに制御条件が設定される。制御条件とは、予備制御実行時に第二測定室３０から汲み出す酸素量に関する条件である。制御条件には、例えば、予備制御実行時の一定電流の値、および通電時間の少なくとも一方の条件が含まれる。本実施の形態のセンサ制御装置５では、第二測定室３０からの酸素汲み出し量に関わるパラメータのうち、第二測定室３０に一定電流（１０μＡ）が供給される通電時間（予備制御実行時間）がガスセンサ１０ごとに設定され、他の条件には異なるガスセンサ１０で共通の条件が設定される。

予備制御の制御条件に含まれる通電時間は、例えば、次の手順でガスセンサ１０ごとに設定される。事前準備として、所定個（例えば、１００個）のガスセンサ１０を用いて、基準時間と、目標範囲とが決定され、比較テーブルが作成される。基準時間とは、制御条件に含まれる通電時間を決定するために実施される予備制御の時間である。ここで、同じ構成を有するガスセンサ１０において、基準ガスのもとでの予備制御での通電時間と変化パターンとの関係を比較すると、一般に、駆動制御開始直後（例えば、１０秒後）のＮＯｘ濃度対応値は、予備制御での通電時間が短い順に、大きい値を示す。例えば、上記構成を有するガスセンサ１０の、基準ガスのもとでの予備制御での通電時間と変化パターンとの関係は、図３に例示するようになる。なお、図３では、予備制御終了後に駆動制御を開始してからの経過時間を横軸に記載している。

図３のように、駆動制御開始時からの２５ｓｅｃ経過後のＮＯｘ濃度対応値は、変化パターン１０１（通電時間８ｓｅｃ）、変化パターン１０２（通電時間９ｓｅｃ）、変化パターン１０３（通電時間１０ｓｅｃ）、変化パターン１０４（通電時間２０ｓｅｃ）、変化パターン１０５（通電時間５０ｓｅｃ）の順に、大きい値を示している。なお、基準ガスとは、ＮＯｘ濃度が既知のガスである。ＮＯｘ濃度対応値が所定の目標範囲（例えば、０±５ｐｐｍ）に収まるか否かを判断するため、基準ガスのＮＯｘ濃度は０ｐｐｍであることが好ましい。本実施の形態の基準ガスの組成は、ＮＯｘが０ｐｐｍ，Ｏ_２が７％、Ｈ_２Ｏが４％であり、残りはＮ_２ガスである。基準ガスの温度は、１５０℃とした。

また、図示しないが、所定個のガスセンサ１０においての、通電時間と駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値のバラツキを比較すると、通電時間が短いほどバラツキが大きい。特に、基準時間以下の短い通電時間が設定される場合には、基準時間が短いほど、ガスセンサ１０個体間の通電時間のバラツキが大きくなったり、ガスセンサ１０の出力が安定するまでにかかる時間が長くなったりする傾向がある。したがって、基準時間は、ガスセンサ１０のバラツキと、出力の安定にかかる時間とを考慮して決定される。本実施の形態では、基準時間を２０ｓｅｃに設定している。

上記のように所定個のガスセンサ１０を用い、基準ガスのもとで、通電時間を基準時間（２０ｓｅｃ）として一定電流値の電流を流す予備制御を行う。駆動制御開始直後の各ガスセンサ１０の出力に基づく変化パターンをそれぞれ取得し、最も平均的な傾向を示す変化パターン（例えばバラツキの範囲において、より中央の値を通る変化パターン）を、図４に示すように、代表パターン１１０として定める。さらに、駆動制御開始後のＮＯｘ濃度対応値のバラツキの許容範囲を考慮して、代表パターン１１０を基準に適宜範囲を定め、これを目標範囲１１１とする。

ここで、上記したように、予備制御での通電時間が短いほど、駆動制御開始直後のＮＯｘ濃度対応値が大きくなる。例えば、上記所定個のガスセンサ１０のうちのサンプル＃１（図示外）の出力として図４に示される変化パターン１１２は、駆動制御開始後、例えば４０ｓｅｃにおいて、代表パターン１１０よりも大きい値を取る。サンプル＃１の変化パターン１１２を代表パターン１１０に近づけるには、予備制御の通電時間を基準時間よりも長くすればよい。同様に、ガスセンサ１０のうちのサンプル＃２（図示外）の出力として示される変化パターン１１３は、駆動制御開始後４０ｓｅｃにおいて代表パターン１１０よりも小さい値を取るので、代表パターン１１０に近づけるには予備制御の通電時間を基準時間よりも短くすればよい。

ガスセンサ１０の個体差によって、予備制御の通電時間を調整しても、代表パターン１１０と完全一致する変化パターンを得ることは難しい。ゆえに、本実施の形態では、予備制御を行った後の変化パターンが、代表パターン１１０を基準に定められた目標範囲１１１内に納まるように、個々のガスセンサ１０に対し、それぞれのガスセンサ１０に適切な通電時間を設定するのである。

通電時間の設定は、駆動制御開始後４０ｓｅｃにおけるＮＯｘ濃度対応値と、同４０ｓｅｃにおける代表パターン１１０のＮＯｘ濃度対応値とのずれ量に応じて、図５に示すグラフから求められる。具体的に、予備制御の通電時間を適宜異ならせ、ガスセンサ１０の出力が示す変化パターンが目標範囲１１１に納まる場合の通電時間を求める。さらに、その場合の駆動制御開始後４０ｓｅｃにおけるＮＯｘ濃度対応値と、同４０ｓｅｃにおける代表パターン１１０のＮＯｘ濃度対応値とのずれ量を求める。所定個のガスセンサ１０に対して同様に、通電時間とずれ量との関係を求め、図５のグラフにプロットする。そして、通電時間とずれ量との関係を示す最適な関係線１２１を、例えば最小二乗法などを用いて求める。なお、ＮＯｘ濃度対応値のずれ量を、駆動制御開始後４０ｓｅｃにおいて求めるのは、駆動制御開始後おいてＮＯｘ濃度対応値が安定する前の時期で、ガスセンサ１０の個体差による出力値の差が大きい時期であることによる。

図５のグラフの関係線１２１を用い、図４の変化パターン１１２，１１３に示されるサンプル＃１、サンプル＃２のそれぞれ最適な予備制御の通電時間を求める。そして、求めた通電時間通りの予備制御を行ったサンプル＃１、サンプル＃２の出力が示す変化パターンを、それぞれ、図４の変化パターン１１４，１１５として示す。このように、図５の関係線１２１を用いて求められる通電時間通りに予備制御を行ったサンプル＃１，＃２の駆動制御開始後の出力が示す変化パターン１１４，１１５は、いずれも、代表パターン１１０を基準に定められた目標範囲１１１内に納まる。

このように、基準時間を基準にして通電時間が調整されることによって、各ガスセンサ１０の出力が示す変化パターンは代表パターン１１０の目標範囲１１１に納まる。すなわち、変化パターンによって示される傾向は、代表パターン１１０に示される傾向と、ほぼ同じ傾向となる。よって、上記したように、ガスセンサ１０の出力値が安定してから（出力値の経時変化における変動が例えば０±５ｐｐｍ以内に納まってから）ＮＯｘ濃度対応値の取得を行えばよい。本実施の形態では、あらかじめ、ガスセンサ１０の個体ごとに上記のようにして求めた通電時間をＥＥＰＲＯＭ６６に記憶させており、後述するメイン処理では、ＥＥＰＲＯＭ６６から読み出した通電時間に基づいて、予備制御を行う。

ところで、予備制御によって、ガスセンサ１０の出力の変化パターンは、代表パターン１１０と実質的に同じ傾向となるのである。ゆえに、代表パターン１１０を用いてガスセンサ１０の出力を補正すれば、ガスセンサ１０の生の出力値が安定する前でも、出力値を補正した補正値を安定させることができる。本実施の形態では、代表パターン１１０を表すパターンデータを、同一の構成を有するガスセンサ１０に共通の補正データとして、あらかじめＥＥＰＲＯＭ６６に記憶させている。

具体例として、上記所定個のガスセンサ１０のうちのサンプル＃３（図示外）の出力が示す変化パターン１３１を、図６のグラフに示す。変化パターン１３１の経時変化の傾向は、代表パターン１１０（図４参照）と同じ傾向を示すパターン１３３に沿う。仮に、パターン１３３が代表パターン１１０（図４参照）と同一のものであった場合、代表パターン１１０を用いてサンプル＃３の出力が示す変化パターン１３１を補正すると、図７に示す、補正パターン１４１が得られる。補正は、（補正パターン１４１）＝（サンプル＃３の出力が示す変化パターン１３１）−（代表パターン１１０）の計算式のもとで行った。なお、変化パターン１３１の出力の値と代表パターン１１０の値は同じタイミングでの値を適用して、補正を実施している。補正パターン１４１によって示されるように、サンプル＃３の出力を補正すれば、駆動制御開始直後の、ガスセンサ１０の生の出力値が安定する前（例えば２０ｓｅｃ以前（図６参照））においても、安定したＮＯｘ濃度対応値を得ることができる。

しかし、予備制御における通電時間が同じとされたガスセンサ１０同士であっても、駆動制御が開始されて酸素の汲み戻しが行われる初期の段階において、経時変化の傾向が示される時期（タイミング）に、ずれを生ずる場合がある。このタイミングのずれは、ガスセンサ１０の制御が予備制御から駆動制御に切り換えられ、検知素子１１に供給される電流の向きや大きさが変化するが、ガスセンサ１０の個体差によって、追従性に差が出ることなどに起因する。

具体例として、上記同様、ガスセンサ１０のうちのサンプル＃４（図示外）の出力が示す変化パターン１３２を、図６のグラフに示す。サンプル＃４の変化パターン１３２の経時変化の傾向は、サンプル＃３の変化パターン１３１よりも遅れたタイミングにおいて、代表パターン１１０（図４参照）と同じ傾向を示すパターン１３４に沿う。代表パターン１１０を用いてサンプル＃４の変化パターン１３２を補正すると、図７に示す、補正パターン１４２が得られる。なお、補正は、（補正パターン１４２）＝（サンプル＃４の出力が示す変化パターン１３２）−（代表パターン１１０）の計算式のもとで行った。補正パターン１４２によって示されるように、サンプル＃４の出力を補正しても、パターン１３４と代表パターン１１０のタイミングにそもそもずれがあるので、駆動制御開始直後に安定したＮＯｘ濃度対応値は得られない。

そこで、本実施の形態では、ガスセンサ１０の出力値に対して代表パターン１１０を用いて補正を行う上で、補正適用のタイミングを、ガスセンサ１０の個体差に応じて調整している。具体例として、ガスセンサ１０のうちのサンプル＃４の出力が示す変化パターン１３２を、サンプル＃４の出力のタイミングに合わせた上記のパターン１３４（図６参照）を用いて補正すると、図７に示す、補正パターン１４３が得られる。なお、補正は、（補正パターン１４３）＝（サンプル＃４の出力が示す変化パターン１３２）−（代表パターン１１０と同じ傾向を示すパターン１３４）の計算式のもとで行った。補正パターン１４３によって示されるように、サンプル＃４の出力を、タイミングを合わせてパターン１３４を用いて補正すれば、上記同様、ガスセンサ１０の生の出力値が安定する前においても、安定したＮＯｘ濃度対応値を得ることができる。

このような代表パターン１１０を用いた補正は、ガスセンサ１０の個体ごとにあらかじめ設定された適用時間が経過したら実施される。適用時間は、予備制御の終了のタイミング、すなわち駆動制御開始のタイミングを０として、代表パターン１１０を用いた補正を適用するタイミングをいう。本実施の形態では、ガスセンサ１０の個体ごとに、上記の基準ガスを用いた検証を行うことにより、補正適用のタイミングが適用時間として求められ、ＥＥＰＲＯＭ６６に記憶される。そして、後述するメイン処理では適用時間が読み出され、駆動制御が開始されてから適用時間が経過したら、ガスセンサ１０の出力の補正処理が開始される。

次に、本実施の形態のメイン処理について、図２を参照して説明する。メイン処理は、内燃機関（図示外）の起動時にＥＣＵ９０からの指示を受けて、ＣＰＵ６１が実行する。なお、メイン処理において算出されたＮＯｘ濃度対応値は、メイン処理とは別途実行される出力処理において、駆動制御が開始されてから適用時間が経過したと判断された後、所定の間隔でセンサ制御装置５のＥＣＵ９０に出力される。出力処理において、なお、ＮＯｘ濃度対応値の出力は、適用時間の経過と同時に開始されてもよいし、あるいは適用時間から所定の時間が経過してから開始されてもよい。

内燃機関（図示外）が起動され、ＥＣＵ９０からの指示が信号入出力部６４に入力されると、ＣＰＵ６１は、メイン処理を実行する各種条件やパラメータをＲＯＭ６３およびＥＥＰＲＯＭ６６から取得する（Ｓ５）。例えば、制御条件として、ガスセンサ１０ごとに設定された予備制御時の通電時間がＥＥＰＲＯＭ６６から読み出される。代表パターン１１０を用いた補正を適用するタイミングとして、適用時間がＥＥＰＲＯＭ６６から読み出される。次に、ＣＰＵ６１は、活性化処理を実行する（Ｓ１０〜Ｓ３０）。活性化処理において、ＣＰＵ６１は、ガスセンサ１０のヒータパターン３８への通電を開始させる（Ｓ１０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、ヒータ駆動回路５９を制御して、ヒータパターン３８に一定電圧（例えば、１２Ｖ）を印加する。

次に、ＣＰＵ６１は、Ｉｃｐ供給回路５４を制御して、Ｖｓセル３に電流Ｉｃｐの供給を開始する（Ｓ１５）。電流Ｉｃｐが供給されたＶｓセル３は、第一測定室２３から基準酸素室２９へ酸素を汲み入れる。検知素子１１がヒータ素子３５によって加熱され、Ｖｓセル３の内部抵抗が低下するに従い、Ｖｓセル３の電圧Ｖｓは徐々に低下する。

次に、ＣＰＵ６１は、Ｖｓ検知回路５３を介して取得される電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下であるか否かを判断する（Ｓ２０）。電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下ではない場合（Ｓ２０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下となるまで待機する。電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下である場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、ヒータ電圧Ｖｈの制御を開始する（Ｓ２５）。具体的には、ＣＰＵ６１は、Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓが目標値となるように、ヒータ駆動回路５９を介してヒータ素子３５への通電を制御する。目標値とは、例えば、３００Ωであり、内部抵抗Ｒｐｖｓが３００Ωの場合、Ｖｓセル３の温度は、約７５０℃と推定される。

次に、ＣＰＵ６１は、検知素子１１が活性化したか否かを判断する（Ｓ３０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓが、閾値に達している否かに基づき、検知素子１１が活性化されたか否かを判断する。Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓは、抵抗検知回路５５を介して取得された電圧Ｖｓの変化量と、電圧Ｖｓの変化量とＶｓセル３の内部抵抗とがあらかじめ関連付けられたテーブルとに基づき算出される。閾値は、例えば、３５０Ωであり、内部抵抗Ｒｐｖｓが３５０Ωの場合、Ｖｓセル３の温度は、約６５０℃と推定される。ＣＰＵ６１は、内部抵抗Ｒｐｖｓが閾値に達している場合に、検知素子１１が活性化したと判断する。

検知素子１１が活性化していない場合（Ｓ３０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、検知素子１１が活性化するまで待機する。検知素子１１が活性化した場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、Ｉｐ１ドライブ回路５２を駆動させ、Ｉｐ１セル２に通電を開始する（Ｓ３５）。Ｉｐ１セル２への通電は、第一測定室２３に導入された排気ガスの酸素濃度を所定の濃度Ｃに調整するために実行される。

次に、ＣＰＵ６１は、予備制御処理を実行する（Ｓ４０〜Ｓ５０）。予備制御処理では、ＣＰＵ６１は、Ｉｐ２セル４に対して一定値の電流をガスセンサ１０ごとに個別に設定された一定の通電時間、供給する（Ｓ４０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、定電流回路５８を駆動させ、一定値の電流Ｉｐ３をＩｐ２セル４に供給する。一定値の電流Ｉｐ３とは、本実施の形態では、１０μＡである。Ｉｐ２セル４は、電流Ｉｐ３の供給を受けて、第二測定室３０に存在する酸素の汲み出しを開始する。

次に、ＣＰＵ６１は、経過時間をカウントするタイマ処理を実行する（Ｓ４５）。タイマ処理は、メイン処理とは別途実行される処理である。タイマ処理では、所定時間ごとにカウント値がインクリメントされ、インクリメントされたカウント値はＲＡＭ６２に記憶される。次に、ＣＰＵ６１は、タイマ処理によってＲＡＭ６２に記憶されるカウント値が、通電時間に相当する値に達したか否かによって、通電時間が経過したかを判断し（Ｓ５０）、通電時間が経過していない場合には待機する（Ｓ５０：ＮＯ）。通電時間が経過した場合には（Ｓ５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、予備制御処理を終了し、Ｉｐ２セル４の制御を駆動制御に切り替える（Ｓ５５）。ＣＰＵ６１は、定電流回路５８の駆動を停止させ、Ｖｐ２印加回路５７を駆動させることによって、予備制御から駆動制御へセンサ制御装置５の制御状態を切り替える。これにより、駆動制御では、Ｉｐ２セル４へ通常電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）が印加される。駆動制御において、Ｓ３５で開始されたＩｐ１セル２への通電制御は継続して実行される。

次に、ＣＰＵ６１は、上記のタイマ処理を再度実行する（Ｓ５７）。すなわち、ＣＰＵ６１は、カウント値を０にリセットし、所定時間ごとにインクリメントしてＲＡＭ６２に記憶する。次いでＣＰＵ６１は、Ｉｐ２検知回路５６によって検知された電流Ｉｐ２の値（より詳細には、電流Ｉｐ２を電圧変換した値）を取得し、取得した電流Ｉｐ２の値と、取得時のカウント値とをＲＡＭ６２に記憶させる（Ｓ６０）。

次に、ＣＰＵ６１は、タイマ処理によってＲＡＭ６２に記憶されるカウント値が、適用時間に相当する値に達したか否かによって、適用時間が経過したかを判断する（Ｓ６５）。適用時間が経過していない場合には（Ｓ６５：ＮＯ）、ＣＰＵ６１はＳ６０に戻り、電流Ｉｐ２の値およびカウント値の取得とＲＡＭ６２への記憶とを行う。適用時間が経過した場合（Ｓ６５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、ＲＡＭ６２に記憶された電流Ｉｐ２の値に基づきＮＯｘ濃度対応値を算出し、算出したＮＯｘ濃度対応値をＲＡＭ６２に記憶させる（Ｓ７０）。ＮＯｘ濃度対応値は、例えば、ＲＯＭ６３に記憶された所定の計算式に電流Ｉｐ２の値を代入して算出される。また例えば、電流Ｉｐ２の値と、ＮＯｘ濃度対応値との対応を定めるテーブルが参照され、Ｓ６０で取得された電流Ｉｐ２の値に対応するＮＯｘ濃度対応値が算出される。

次に、ＣＰＵ６１は、タイマ処理によってＲＡＭ６２に記憶されるカウント値が、補正時間に相当する値に達したか否かによって、補正時間が経過したかを判断する（Ｓ６５）。補正時間が経過していない場合には（Ｓ７２：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、Ｓ７０で算出されたＮＯｘ濃度対応値を補正し、補正後のＮＯｘ濃度対応値をＲＡＭ６２に上書き記憶させる（Ｓ７５）。なお、ＮＯｘ濃度対応値は、計算式（補正後のＮＯｘ濃度対応値）＝（Ｓ７０で算出されたＮＯｘ濃度対応値）−（代表パターン１１０に基づく補正データ）に基づき補正される。ＥＥＰＲＯＭ６６に記憶されている補正データは、タイマ処理によってカウントされるカウント値が適用時間に相当する値となったときを読み出し開始の基準として、カウント値に同期したデータが読み出され、上記式に適用される。

次に、ＥＣＵ９０から終了の指示が入力されていない場合には（Ｓ８０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は処理をＳ６０に戻す。そして、Ｓ６０〜Ｓ７５が繰り返されるうちに、補正時間が経過した場合には（Ｓ７２：ＮＯ）、以降、Ｓ８０に進み、Ｓ７０で算出されたＮＯｘ濃度対応値の補正は行われない。そして、ＥＣＵ９０から終了の指示が入力された場合には（Ｓ８０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１はメイン処理を終了させる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。本実施の形態では、ガスセンサ１０として、ＮＯｘの濃度を検知するＮＯｘセンサを例示しているが、固体電解質体を用いて構成される種々のガスセンサ（例えば、酸素センサ）に適用可能である。

また、センサ制御装置５の構成は適宜変更可能である。例えば、駆動回路部５０の構成は適宜変更してもよい。また例えば、センサ制御装置５をガスセンサ１０と一体に組み付けてもよい。また例えば、基準酸素室２９に代えて、大気導入孔が設けられたガスセンサの制御に、センサ制御装置５が適用されてもよい。また、ＥＥＰＲＯＭ６６に記憶された制御条件、適用時間、補正時間、補正データは、ＥＥＰＲＯＭ６６に限らず、ＲＯＭ６３など、センサ制御装置５が備えるいずれかの記憶装置に記憶されていてもよい。もちろん、ＥＥＰＲＯＭ６６に制御条件、適用時間、補正時間が記憶され、ＲＯＭ６３に補正データが記憶されてもよい。すなわち、記憶装置の種類や記憶装置の設置場所は適宜変更可能である。また、ガスセンサ１０の、例えばコネクタ部４０に記憶装置を設け、制御条件、適用時間、補正時間を記憶させてもよい。あるいはガスセンサ１０に固定抵抗器を設け、この固定抵抗器の抵抗値と、制御条件、適用時間、補正時間の少なくともいずれかとを対応付けたテーブルをＲＯＭ６３に設けてもよい。この場合、メイン処理では、Ｓ５において固定抵抗器の抵抗値を読み取り、その抵抗値に対応するテーブルから制御条件、適用時間、補正時間の少なくともいずれかを読み取ればよい。

また、制御条件も、適宜変更可能である。本実施の形態では、ガスセンサ１０ごとに設定される制御条件として、予備制御の通電時間を挙げた。これに限らず、制御条件として、予備制御時の通電時間はガスセンサ１０個体間で共通の条件で、一定電流の値がガスセンサ１０ごとに設定されてもよい。この場合、例えば、図２のメイン処理で、予備制御として実行するＳ４０〜Ｓ５０の処理の代わりに、図８に示す、Ｓ４１〜Ｓ５１の処理が実行されればよい。

図８では、図２のメイン処理と同様の処理には同じステップ番号を付与している。図８のメイン処理は、二点鎖線１９２内の予備制御処理のＳ４１と、Ｓ５１とにおいて、図２のメイン処理と異なる。図８のメイン処理のうち、図２のメイン処理と同様な処理については説明を省略する。メイン処理の活性化処理が終了し、Ｓ３５においてＩｐ１セル２への通電が開始されたら、ＣＰＵ６１は、Ｓ４１において、ガスセンサ１０ごとに設定された一定電流をＩｐ２セル４に供給する。Ｓ４５でタイマ処理の実行を開始し、Ｓ５１において、ＣＰＵ６１は、ガスセンサ１０個体間で共通の通電時間が経過するまで待機する（Ｓ５１：ＮＯ）。そしてＣＰＵ６１は、通電時間が経過したら（Ｓ５１：ＹＥＳ）、Ｓ５５に進み、駆動制御処理を実行する。

なお、ガスセンサ１０ごとの一定電流の設定は、本実施の形態と同様に求めればよい。すなわち、所定個のガスセンサ１０を用い、基準ガスのもとで、一定電流の値を基準値（例えば１０μＡ）として一定時間（例えば２０ｓｅｃ）の電流を流す予備制御を行って、代表パターン１１０を定め、目標範囲１１１を設定する。さらに、所定個のガスセンサ１０に対し、予備制御において流す一定電流の値を適宜異ならせ、ガスセンサ１０の出力が示す変化パターンが目標範囲１１１に納まる場合の一定電流の値を求める。ガスセンサ１０の出力が示す変化パターンが目標範囲１１１に納まる場合の駆動制御開始後４０ｓｅｃにおけるＮＯｘ濃度対応値と、同４０ｓｅｃにおける代表パターン１１０のＮＯｘ濃度対応値とのずれ量を求める。そして、一定電流の値とずれ量との関係を示す、図５と同様のグラフを作成し、個々のガスセンサ１０について、代表パターン１１０を基準に定めた目標範囲１１１内に納まるように、適切な一定電流の値を設定すればよい。

もちろん、制御条件として、予備制御時の通電時間と一定電流の値とが共に適宜調整され、ガスセンサ１０ごとに設定されてもよい。あるいは、制御条件は、ガスセンサ１０の固体間で共通の条件として設定されてもよい。

また、メイン処理も適宜変更可能である。例えば、図８のＳ７０において、補正データを用いてＮＯｘ濃度対応値を補正する処理は、補正時間の経過によって終了せずに、駆動制御の実行期間の全期間にわたって実行されてもよい。あるいは、補正時間の経過の代わりに、補正前のＮＯｘ濃度対応値の変動を確認し、所定時間、所定範囲内の値に納まったら終了としてもよい。

目標範囲は、駆動制御開始後の濃度対応値のバラツキの許容範囲を考慮して適宜定められる範囲であればよく、設定方法は適宜変更可能である。例えば、本実施の形態では、目標範囲を、代表パターン１１０を基準とする所定の範囲とした。これに限らず、駆動制御開始から所定時間（例えば、２０ｓｅｃ）経過した後のＮＯｘ濃度対応値の範囲によって、目標範囲が定められてもよい。

また、本実施の形態では、駆動制御が開始されてから適用時間が経過した場合に、代表パターン１１０を用いたＮＯｘ濃度対応値の補正が適用されたが、適用時間は、あらかじめ設定されていなくともよい。この場合、Ｓ６５では、例えば、ガスセンサ１０の出力値の微分値を求め、代表パターン１１０の所定のタイミングにおける微分値あるいは所定の閾値と比較し、一致しないうちはＳ６０に戻り、一致したら、以降はＳ７０に進み、代表パターン１１０を用いた補正が行われるようにすればよい。さらに、ガスセンサ１０の出力値から、既知の手法によりノイズを除去した上で微分値を求めれば、より精確な補正適用のタイミングを得ることができる。この場合、ガスセンサ１０の出力値の微分値を求め、この微分値と代表パターン１１０の所定のタイミングにおける微分値あるいは所定の閾値と比較し、当該微分値が一致したときに代表パターン１１０を用いた補正を行う処理を実行するＣＰＵ６１が、特許請求の範囲の「決定手段」に相当する。

なお、本発明においては、固体電解質体１２が「第一固体電解質層」に相当し、電極１７，１８が「一対の第一電極」に相当する。固体電解質体１４が「第二固体電解質層」に相当し、電極２７，２８が「一対の第二電極」に相当する。Ｉｐ１セル２が、「第一酸素ポンプセル」に相当し、Ｉｐ２セル４が、「第二酸素ポンプセル」に相当する。ＥＥＰＲＯＭ６６が、「記憶手段」に相当する。

Ｓ５５で、Ｉｐ２セル４の制御を駆動制御に切り替えるＣＰＵ６１が、「駆動制御手段」に相当する。Ｓ４０で、Ｉｐ２セル４に一定値の電流を一定の通電時間、供給する予備制御を行うＣＰＵ６１が、「予備制御手段」に相当する。Ｓ７０で、電流Ｉｐ２の値に基づきＮＯｘ濃度対応値を算出するＣＰＵ６１が、「算出手段」に相当する。Ｓ６５で、適用時間の経過を判断するＣＰＵ６１が「決定手段」に相当する。Ｓ７５で、Ｓ７０で算出されたＮＯｘ濃度対応値を補正するＣＰＵ６１が、「補正手段」に相当する。

１ センサ制御システム
２ 第一酸素ポンプセル
４ 第二酸素ポンプセル
５ センサ制御装置
１０ ガスセンサ
１２，１３，１４ 固体電解質体
１７，１８，２１，２２，２７，２８ 電極
２３ 第一測定室
３０ 第二測定室
６０ マイクロコンピュータ
６１ ＣＰＵ
６３ ＲＯＭ
６６ ＥＥＰＲＯＭ

Claims (7)

1. 検知対象ガスが導入される第一測定室と、第一固体電解質層と一対の第一電極とを備え、前記一対の第一電極が前記第一測定室の内側と外側とに設けられる第一酸素ポンプセルと、前記第一測定室に連通する第二測定室と、第二固体電解質層と一対の第二電極とを備え、前記一対の第二電極が前記第二測定室の内側と外側とに設けられた第二酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、
   前記第一測定室に導入された前記検知対象ガスの酸素濃度を前記第一酸素ポンプセルへの通電によって調整するとともに、前記第二酸素ポンプセルへ通常電圧を印加する駆動制御を行う駆動制御手段と、
   前記駆動制御を開始する前に、前記第二酸素ポンプセルに対して一定の電流を一定時間供給して、前記第二測定室から当該第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御する予備制御を実行する予備制御手段と、
   前記駆動制御が開始され、前記通常電圧が印加された前記第二酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を表す濃度対応値を算出する算出手段と、
   濃度既知の基準ガスのもとで、予め設定された前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値の経時変化のパターンを表すパターンデータを、同一の構成を有する前記ガスセンサに共通の補正データとして記憶する記憶手段と、
   前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように、前記補正データを適用するタイミングを決定する決定手段と、
   前記決定手段によって決定されたタイミングに基づいて、前記濃度対応値に前記補正データを適用し、前記濃度対応値の補正を行う補正手段と、
   を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
2. 前記記憶手段は、前記ガスセンサごとに決定された、前記駆動制御を開始してから前記補正データを適用するタイミングまでの適用時間であって、濃度既知の基準ガスのもとで、前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始し、当該駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように当該補正データを適用するための適用時間をさらに記憶し、
   前記決定手段は、前記駆動制御を開始してから前記適用時間が経過したときに、前記補正データが適用されるタイミングになったことを決定すること
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
3. 前記記憶手段は、前記ガスセンサごとに決定された、前記酸素量の調整に関する前記センサ制御装置の制御条件であって、濃度既知の基準ガスのもとで、前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始し、当該駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が目標範囲内に納まるように制御するための制御条件をさらに記憶し、
   前記予備制御手段は、前記制御条件のもとで、前記予備制御を実行すること
   を特徴とする請求項１または２に記載のセンサ制御装置。
4. 前記制御条件は、前記一定の電流および前記一定時間の少なくとも一方が、前記ガスセンサごとに決定された条件を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のセンサ制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の前記ガスセンサと、前記センサ制御装置とを備え、前記センサ制御装置によって前記ガスセンサの制御を行うことを特徴とするセンサ制御システム。
6. 検知対象ガスが導入される第一測定室と、第一固体電解質層と一対の第一電極とを備え、前記一対の第一電極が前記第一測定室の内側と外側とに設けられる第一酸素ポンプセルと、前記第一測定室に連通する第二測定室と、第二固体電解質層と一対の第二電極とを備え、前記一対の第二電極が前記第二測定室の内側と外側とに設けられた第二酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを制御するセンサ制御装置において実行されるセンサ制御方法であって、
   前記第一測定室に導入された前記検知対象ガスの酸素濃度が前記第一酸素ポンプセルへの通電によって調整されるとともに、前記第二酸素ポンプセルへ通常電圧を印加する駆動制御が行われる駆動制御ステップと、
   前記駆動制御が開始される前に、前記第二酸素ポンプセルに対して一定の電流を一定時間供給して、前記第二測定室から当該第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御する予備制御が実行される予備制御ステップと、
   前記駆動制御が開始され、前記通常電圧が印加された前記第二酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて前記検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を表す濃度対応値が算出される算出ステップと、
   濃度既知の基準ガスのもとで、予め設定された前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値の経時変化のパターンを表すパターンデータが、同一の構成を有する前記ガスセンサに共通の補正データとして、前記センサ制御装置の備える記憶手段に予め記憶されており、前記駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように、前記補正データを適用するタイミングが決定される決定ステップと、
   前記決定ステップにおいて決定されたタイミングに基づいて、前記濃度対応値に前記補正データが適用され、前記濃度対応値の補正が行われる補正ステップと、
   を含むセンサ制御方法。
7. 前記記憶手段には、前記ガスセンサごとに決定された、前記駆動制御を開始してから前記補正データを適用するタイミングまでの適用時間であって、濃度既知の基準ガスのもとで、前記予備制御を実行した後に前記駆動制御を開始し、当該駆動制御を開始してからの前記濃度対応値が示す経時変化のパターンが、前記補正データに表される経時変化のパターンに沿うように当該補正データを適用するための適用時間がさらに記憶されており、
   前記決定ステップでは、前記駆動制御を開始してから前記適用時間が経過したときに、前記補正データが適用されるタイミングになったことが決定されること
   を特徴とする請求項６に記載のセンサ制御方法。

Images