JP2016090264A - Gas sensor device - Google Patents

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将 田中
Susumu Tanaka
将 田中
正雄 都築
Masao Tsuzuki
正雄 都築
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor device dispensing with conventional complicated work that has been executed for preliminarily acquiring a relationship between a moisture concentration corresponding value of a detection object gas and a difference in pump currents for each gas sensor individually.SOLUTION: A gas sensor device 4 comprises: a gas sensor 1 including an oxygen concentration detection cell 50 and an oxygen pump cell 40; and a sensor control device 3 connected to the gas sensor 1. The sensor control device 3 includes a current detection part 36 that detects a pump current flowing to the oxygen pump cell 40, and a moisture concentration detection part 220 that detects a moisture concentration corresponding value corresponding to the moisture concentration of the detection object gas on the basis of the current detected by a current detection part 36, when an atmosphere determination part determines that the detection object gas is an atmosphere. The moisture concentration detection part 220 determines the moisture concentration corresponding value on the basis on a value obtained by multiplying a difference between a second pump current and a first pump current by a fixed coefficient K1 (K1 is a positive value other than 1).SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、酸素センサや、空燃比センサ、NOxセンサなどの各種のガスセンサを利用したガスセンサ装置に関する。   The present invention relates to a gas sensor device using various gas sensors such as an oxygen sensor, an air-fuel ratio sensor, and a NOx sensor.

特許文献1には、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとを有する空燃比センサを用いて、被検出ガスの水分濃度を検出することが可能な装置が開示されている。ここで、「水分濃度」とは、被検出ガスに含まれる水分を水蒸気とみなしたときの水分の体積割合を意味する。この特許文献1の装置では、酸素濃度検出セルの電圧Vsを第1基準電圧とした状態で検出されたポンプ電流Ip_primaryと、酸素濃度検出セルの電圧Vsを第2基準電圧とした状態で検出されたポンプ電流Ip_secondaryとの差ΔIpに基づいて、被検出ガスの水分濃度を検出する。   Patent Document 1 discloses an apparatus capable of detecting the moisture concentration of a gas to be detected using an air-fuel ratio sensor having an oxygen concentration detection cell and an oxygen pump cell. Here, “moisture concentration” means the volume ratio of moisture when the moisture contained in the gas to be detected is regarded as water vapor. In the apparatus disclosed in Patent Document 1, the pump current Ip_primary detected with the voltage Vs of the oxygen concentration detection cell set as the first reference voltage and the voltage Vs of the oxygen concentration detection cell detected with the second reference voltage. Based on the difference ΔIp from the pump current Ip_secondary, the moisture concentration of the gas to be detected is detected.

特開2010−281732号公報JP 2010-281732 A

しかしながら、被検出ガスの水分濃度とポンプ電流の差ΔIpとの関係には、特許文献1の図5,図7にも例示されているように、ガスセンサ毎に個体差があり、ガスセンサの個体毎でΔIpは大幅に異なるものであった。このため、従来は、ガスセンサの構造、型式、品番等が同一であっても、ガスセンサの個体毎に被検出ガスの水分濃度とポンプ電流の誤差ΔIpとの関係を予め求めてガスセンサの制御装置内に格納しておく必要があり、煩雑な作業が必要であるという課題があった。   However, the relationship between the moisture concentration of the gas to be detected and the difference ΔIp between the pump currents has individual differences for each gas sensor as illustrated in FIGS. ΔIp was significantly different. For this reason, conventionally, even if the structure, model, product number, etc. of the gas sensor are the same, the relationship between the moisture concentration of the gas to be detected and the error ΔIp of the pump current is obtained in advance for each gas sensor and There is a problem that complicated work is necessary.

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms.

(1)本発明の一形態によれば、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとを有するガスセンサと、前記ガスセンサに接続されて被検出ガス中の特定成分のガス濃度及び被検出ガスが大気であるときの湿度を検出するセンサ制御装置とを備えたガスセンサ装置が提供される。前記ガスセンサは、第1固体電解質体及び当該第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、当該一対の第1電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される検出室内に配置され、他方の電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される酸素濃度検出セルと、第2固体電解質体及び当該第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、前記一対の第2電極のうちの一方の電極が前記検出室内に配置され、当該一対の第2電極間に流れる電流に応じて、前記検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルと、を備える。前記センサ制御装置は、前記検出室内の酸素濃度と前記基準となる酸素濃度雰囲気の酸素濃度との差異に起因して前記一対の第1電極間に生じる電圧を検出し、当該一対の第1電極間に生じる電圧が制御目標電圧となるように前記一対の第2電極間に流れる電流を制御する電流制御部と、前記被検出ガスが大気であるか否かを判別する雰囲気判別部と、前記制御目標電圧を第1基準電圧に設定する一方、前記雰囲気判別部によって前記被検出ガスが大気であると判別された場合に、前記制御目標電圧を前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧に設定する電圧設定部と、前記第1基準電圧が前記酸素濃度検出セルの前記一対の第1電極間に生じた状態において前記酸素ポンプセルの前記一対の第2電極間に流れる第1ポンプ電流を検出し、また、前記第2基準電圧が前記一対の第1電極間に生じた状態において前記一対の第2電極間に流れる第2ポンプ電流を検出する電流検出部と、前記雰囲気判別部にて前記被検出ガスが大気であると判別されているときに前記電流検出部で検出された第1ポンプ電流及び第2ポンプ電流に基づいて、前記被検出ガスの水分濃度に相当する水分濃度相当値を検出する水分濃度検出部と、を備える。前記水分濃度検出部は、前記第2ポンプ電流と前記第1ポンプ電流の差分に、前記ガスセンサの個体差に応じた一定の係数K1(K1は1でない正の値)を乗じた値に基づいて前記水分濃度相当値を決定することを特徴とする。
このガスセンサ装置によれば、ガスセンサの個体差に応じて第1ポンプ電流の値、及び、第2ポンプ電流の値と水分濃度との関係が異なる場合にも、一定の係数K1をガスセンサの個体差に応じた適切な値に設定することによって、第1ポンプ電流、第2ポンプ電流から水分濃度相当値を得ることができる。従って、ガスセンサの個体毎に被検出ガスの水分濃度相当値とポンプ電流の差との関係を個々に予め求めるために行われていた従来の煩雑な作業が不要となる。
(1) According to one aspect of the present invention, when a gas sensor having an oxygen concentration detection cell and an oxygen pump cell and a gas concentration of a specific component in the gas to be detected and the gas to be detected connected to the gas sensor are the atmosphere A gas sensor device comprising a sensor control device for detecting the humidity of the gas sensor is provided. The gas sensor has a first solid electrolyte body and a pair of first electrodes formed on the first solid electrolyte body, and a gas to be detected is introduced into one of the pair of first electrodes. An oxygen concentration detection cell, the other electrode being exposed to a reference oxygen concentration atmosphere, a second solid electrolyte body, and a pair of second electrodes formed on the second solid electrolyte body. One electrode of the pair of second electrodes is disposed in the detection chamber, and is included in the gas to be detected introduced into the detection chamber according to a current flowing between the pair of second electrodes. An oxygen pump cell for pumping or pumping oxygen. The sensor control device detects a voltage generated between the pair of first electrodes due to a difference between an oxygen concentration in the detection chamber and an oxygen concentration in the reference oxygen concentration atmosphere, and the pair of first electrodes A current control unit that controls a current flowing between the pair of second electrodes so that a voltage generated between them becomes a control target voltage; an atmosphere determination unit that determines whether or not the detected gas is the atmosphere; and While the control target voltage is set to the first reference voltage, the control target voltage is set to be a second reference voltage larger than the first reference voltage when the detected gas is determined to be the atmosphere by the atmosphere determination unit. And a first pump current flowing between the pair of second electrodes of the oxygen pump cell in a state where the first reference voltage is generated between the pair of first electrodes of the oxygen concentration detection cell. Detect In addition, a current detection unit that detects a second pump current flowing between the pair of second electrodes in a state where the second reference voltage is generated between the pair of first electrodes, and the detected object in the atmosphere determination unit Based on the first pump current and the second pump current detected by the current detector when it is determined that the gas is the atmosphere, a moisture concentration equivalent value corresponding to the moisture concentration of the detected gas is detected. A moisture concentration detection unit. The moisture concentration detection unit is based on a value obtained by multiplying a difference between the second pump current and the first pump current by a constant coefficient K1 (K1 is a positive value other than 1) corresponding to an individual difference of the gas sensor. The moisture concentration equivalent value is determined.
According to this gas sensor device, even when the relationship between the value of the first pump current and the value of the second pump current and the moisture concentration differs according to the individual difference of the gas sensor, the constant coefficient K1 is set to the individual difference of the gas sensor. By setting to an appropriate value according to the above, a moisture concentration equivalent value can be obtained from the first pump current and the second pump current. Accordingly, the conventional troublesome work that has been performed in order to individually obtain the relationship between the value corresponding to the moisture concentration of the gas to be detected and the difference in pump current for each gas sensor becomes unnecessary.

(2)上記ガスセンサ装置において、前記水分濃度検出部は、前記第2ポンプ電流と前記第1ポンプ電流の差分に前記係数K1を乗じた値と前記水分濃度相当値との関係を示す関数又はテーブルとして、前記ガスセンサの個体差に依存しない関数又はテーブルを格納するとともに、前記ガスセンサの個体差に依存して決定された前記係数K1を使用するようにしてもよい。
このガスセンサ装置によれば、係数K1をガスセンサの個体差に応じた適切な値に設定することにより、同じ構造、型式、品番の複数のガスセンサに共通する関数又はテーブルを利用して、第1ポンプ電流、第2ポンプ電流から水分濃度相当値を得ることができる。
(2) In the gas sensor device, the moisture concentration detection unit is a function or table indicating a relationship between a value obtained by multiplying a difference between the second pump current and the first pump current by the coefficient K1 and the value corresponding to the moisture concentration. As an alternative, a function or table that does not depend on individual differences among the gas sensors may be stored, and the coefficient K1 determined depending on individual differences among the gas sensors may be used.
According to this gas sensor device, by setting the coefficient K1 to an appropriate value according to the individual difference of the gas sensor, the function or table common to a plurality of gas sensors having the same structure, model, and product number is used, and the first pump A moisture concentration equivalent value can be obtained from the current and the second pump current.

(3)上記ガスセンサ装置において、前記水分濃度検出部は、前記第1ポンプ電流Ip1を示す電圧値Vip1を分圧することによって第1ポンプ電流相当電圧K2・Vip1(K2はK1に比例する正の一定値)を出力するとともに、前記第2ポンプ電流Ip2を示す電圧値Vip2を分圧することによって第2ポンプ電流相当電圧K2・Vip2を出力する分圧回路を備え、前記水分濃度検出部は、前記分圧回路から出力される前記第2ポンプ電流相当電圧K2・Vip2と前記第1ポンプ電流相当電圧K2・Vip1の差分K2(Vip2−Vip1)から前記水分濃度相当値を決定するようにしてもよい。
このガスセンサ装置によれば、K2の値をガスセンサの個体差に応じた適切な値に設定することにより、第1ポンプ電流、第2ポンプ電流Ip1,Ip2から水分濃度相当値を得ることができる。
(3) In the gas sensor device, the moisture concentration detector divides the voltage value Vip1 indicating the first pump current Ip1, thereby dividing the first pump current equivalent voltage K2 · Vip1 (K2 is a positive constant proportional to K1) A voltage dividing circuit that outputs a second pump current equivalent voltage K2 · Vip2 by dividing the voltage value Vip2 indicating the second pump current Ip2, and the moisture concentration detector The moisture concentration equivalent value may be determined from the difference K2 (Vip2−Vip1) between the second pump current equivalent voltage K2 · Vip2 and the first pump current equivalent voltage K2 · Vip1 output from the pressure circuit.
According to this gas sensor device, the moisture concentration equivalent value can be obtained from the first pump current and the second pump currents Ip1 and Ip2 by setting the value of K2 to an appropriate value according to the individual difference of the gas sensors.

(4)上記ガスセンサ装置は、更に、前記水分濃度相当値を利用して前記ガスセンサのゼロ点較正を行うゼロ点較正部を備えるものとしてもよい。
このガスセンサ装置によれば、水分濃度を考慮したゼロ点較正を行うことができ、ガスセンサのゼロ点較正をより正確に行うことが可能である。
(4) The gas sensor device may further include a zero point calibration unit that performs zero point calibration of the gas sensor using the moisture concentration equivalent value.
According to this gas sensor device, it is possible to perform zero point calibration in consideration of moisture concentration, and it is possible to perform zero point calibration of the gas sensor more accurately.

本発明は、ガスセンサ装置や、ガスセンサの制御装置、ガスセンサの制御方法、ガスセンサ装置の製造方法等の種々の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms such as a gas sensor device, a gas sensor control device, a gas sensor control method, and a gas sensor device manufacturing method.

内燃機関の排気系周りの概略的な構成を示す図。The figure which shows schematic structure around the exhaust system of an internal combustion engine. 全領域空燃比センサの構造を示す図。The figure which shows the structure of a full range air-fuel ratio sensor. 水分濃度検出に用いられる水分濃度テーブルの一例を示すグラフ。A graph which shows an example of a moisture concentration table used for moisture concentration detection. ポンプ電流Ip1,Ip2の間の比例関係を示すグラフ。The graph which shows the proportional relationship between pump current Ip1 and Ip2. 水分濃度検出部の内部構成の一例を示すブロック図。The block diagram which shows an example of an internal structure of a water concentration detection part. 湿度検出を利用したセンサのゼロ点較正処理の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of the zero point calibration process of the sensor using humidity detection. 大気の水分濃度と第1ポンプ電流との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the moisture concentration of air | atmosphere, and a 1st pump electric current. ゼロ点水分補正値を考慮したゼロ点較正値の求め方を示すグラフ。The graph which shows how to obtain | require the zero point calibration value which considered the zero point moisture correction value.

A.装置の構成
図1は、本発明の一実施形態としてのガスセンサ装置を備えた車両100の概略的な構成を示す図である。車両100は、内燃機関であるエンジン101を有し、エンジン101には排気ガスを車外に放出するための排気管102が接続されている。排気管102の経路上には、全領域空燃比センサ1が配設されている。全領域空燃比センサ1は、排気管102の排気通路を流通する排気ガス中の特定成分のガス濃度(この例では酸素濃度)を検出するガスセンサである。全領域空燃比センサ1は、自身とは離れた位置に配設されるセンサ制御装置3とハーネス91(信号線)を介して電気的に接続されており、センサ制御装置3によって制御されて酸素濃度を検出する。センサ制御装置3はバッテリ80から電力の供給を受けて動作し、全領域空燃比センサ1を用いて検出した酸素濃度を示す出力信号をエンジン制御装置5(「ECU5」と呼ぶ)に出力する。ECU5は、全領域空燃比センサ1の出力信号に基づいて、エンジン101の空燃比フィードバック制御を行う。
A. Diagram 1 of the apparatus is a diagram showing a schematic configuration of a vehicle 100 equipped with the gas sensor device according to an embodiment of the present invention. The vehicle 100 includes an engine 101 that is an internal combustion engine, and an exhaust pipe 102 for discharging exhaust gas to the outside of the vehicle is connected to the engine 101. A full-range air-fuel ratio sensor 1 is disposed on the path of the exhaust pipe 102. The full-range air-fuel ratio sensor 1 is a gas sensor that detects the gas concentration (oxygen concentration in this example) of a specific component in the exhaust gas flowing through the exhaust passage of the exhaust pipe 102. The full-range air-fuel ratio sensor 1 is electrically connected to a sensor control device 3 disposed at a position away from itself via a harness 91 (signal line), and is controlled by the sensor control device 3 to generate oxygen. Detect concentration. The sensor control device 3 operates by receiving power from the battery 80 and outputs an output signal indicating the oxygen concentration detected using the full-range air-fuel ratio sensor 1 to the engine control device 5 (referred to as “ECU 5”). The ECU 5 performs air-fuel ratio feedback control of the engine 101 based on the output signal of the full-range air-fuel ratio sensor 1.

エンジン101に燃料供給が行われているときは、排気ガスが全領域空燃比センサ1の被検出ガスとなる。一方、エンジン101への燃料供給が停止された状態(フューエルカット期間)では、排気管102内に大気が流通するため、排気管102内を流通する大気が全領域空燃比センサ1の被検出ガスとなる。本明細書では、「被検出ガス」は、排気ガス及び大気の両方を包含する用語として使用する。後述するように、センサ制御装置3は、被検出ガス中の水分濃度を決定する機能も有する。   When fuel is being supplied to the engine 101, the exhaust gas becomes the gas to be detected by the full-range air-fuel ratio sensor 1. On the other hand, in a state where the fuel supply to the engine 101 is stopped (fuel cut period), the atmosphere flows through the exhaust pipe 102, and therefore the atmosphere flowing through the exhaust pipe 102 is detected gas of the entire region air-fuel ratio sensor 1. It becomes. In this specification, “detected gas” is used as a term including both exhaust gas and the atmosphere. As will be described later, the sensor control device 3 also has a function of determining the moisture concentration in the gas to be detected.

図2は、全領域空燃比センサ1とセンサ制御装置3とを含むガスセンサ装置4の内部構成を示す説明図である。全領域空燃比センサ1は、内部に細長で長尺な板状をなすセンサ素子10を、ハウジング(図示省略)内に保持した構造を有する。全領域空燃比センサ1は、ハーネス91(図1)を介してセンサ制御装置3と電気的に接続されている。なお、センサ制御装置3の一部又は全部の機能をECU5に組み込んでもよい。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing the internal configuration of the gas sensor device 4 including the full-range air-fuel ratio sensor 1 and the sensor control device 3. The full-range air-fuel ratio sensor 1 has a structure in which a sensor element 10 having an elongated and long plate shape is held in a housing (not shown). The full-range air-fuel ratio sensor 1 is electrically connected to the sensor control device 3 via a harness 91 (FIG. 1). Note that some or all of the functions of the sensor control device 3 may be incorporated in the ECU 5.

全領域空燃比センサ1のセンサ素子10は、固体電解質体11,13と、絶縁基体12,17,18,24とを有している。これらの部材は、図2の下から順に、絶縁基体18,17、固体電解質体13、絶縁基体12、固体電解質体11、絶縁基体24の順に積層されている。なお、図2では、絶縁基体12に設けられたガス検出室23を描いているため、絶縁基体12自身の断面は現れていない。固体電解質体11の両面には、一対の電極19,20がそれぞれ形成されており、同様に、固体電解質体13の両面にも一対の電極21,22がそれぞれ形成されている。そのうちの1つの電極22は、固体電解質体13と絶縁基体17との間に埋設されている。固体電解質体11,13及び絶縁基体12,17,18,24は、いずれも細長い板状に形成されており、図2ではその長手方向と直交する断面を示している。   The sensor element 10 of the full-range air-fuel ratio sensor 1 includes solid electrolyte bodies 11 and 13 and insulating bases 12, 17, 18, and 24. These members are laminated in the order of the insulating bases 18 and 17, the solid electrolyte body 13, the insulating base 12, the solid electrolyte body 11, and the insulating base 24 in order from the bottom of FIG. 2. In FIG. 2, since the gas detection chamber 23 provided in the insulating base 12 is drawn, the cross section of the insulating base 12 itself does not appear. A pair of electrodes 19 and 20 are respectively formed on both surfaces of the solid electrolyte body 11. Similarly, a pair of electrodes 21 and 22 are also formed on both surfaces of the solid electrolyte body 13. One of the electrodes 22 is embedded between the solid electrolyte body 13 and the insulating substrate 17. Each of the solid electrolyte bodies 11 and 13 and the insulating bases 12, 17, 18, and 24 is formed in an elongated plate shape, and FIG. 2 shows a cross section orthogonal to the longitudinal direction.

絶縁基体12の長手方向の一端側には、固体電解質体11,13を一壁面としつつ、被検出ガスを導入可能な中空のガス検出室23(単に「検出室23」とも呼ぶ)が形成されている。ガス検出室23の幅方向の両端には、ガス検出室23内に被検出ガスを導入する際の流入量を規制するための多孔質状の拡散律速部15が設けられている。なお、固体電解質体11上の電極20と、固体電解質体13上の電極21とは、ガス検出室23内にそれぞれ露出している。   A hollow gas detection chamber 23 (also simply referred to as “detection chamber 23”) into which a gas to be detected can be introduced is formed on one end side in the longitudinal direction of the insulating substrate 12 while the solid electrolyte bodies 11 and 13 are formed as one wall surface. ing. At both ends of the gas detection chamber 23 in the width direction, porous diffusion rate controlling portions 15 for restricting the amount of inflow when the gas to be detected is introduced into the gas detection chamber 23 are provided. The electrode 20 on the solid electrolyte body 11 and the electrode 21 on the solid electrolyte body 13 are exposed in the gas detection chamber 23, respectively.

絶縁基体17,18の間には、発熱抵抗体26が埋設されている。絶縁基体17,18及び発熱抵抗体26は、固体電解質体11,13を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。   A heating resistor 26 is embedded between the insulating bases 17 and 18. The insulating bases 17 and 18 and the heating resistor 26 function as a heater for heating and activating the solid electrolyte bodies 11 and 13.

固体電解質体11上の電極19は、その表面がセラミックス(例えば、アルミナ)からなる多孔質性の保護層25に覆われている。この保護層25は、電極19が排気ガスに含まれる被毒成分(例えばシリコン)によって劣化しないように、電極19を保護するためのものである。固体電解質体11上に積層された絶縁基体24は、電極19を覆わないように開口が設けられており、保護層25はその開口内に配設されている。   The surface of the electrode 19 on the solid electrolyte body 11 is covered with a porous protective layer 25 made of ceramics (for example, alumina). The protective layer 25 is for protecting the electrode 19 so that the electrode 19 is not deteriorated by poisoning components (for example, silicon) contained in the exhaust gas. The insulating base 24 laminated on the solid electrolyte body 11 has an opening so as not to cover the electrode 19, and the protective layer 25 is disposed in the opening.

このセンサ素子10において、固体電解質体11とその両面に設けられた一対の電極19,20は、外部からガス検出室23内に酸素を汲み入れ、あるいはガス検出室23から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル40(「Ipセル40」とも呼ぶ)として機能する。また、固体電解質体13とその両面に設けられた一対の電極21,22は、両電極間の酸素濃度に応じて起電力を発生させる酸素濃度検出セル50(「Vsセル50」とも呼ぶ)として機能する。電極22は、ガス検出室23内の酸素濃度の検出のための基準となる酸素濃度を維持する酸素基準電極として機能する。Ipセル40及びVsセル50の詳細な機能については後述する。   In the sensor element 10, the solid electrolyte body 11 and the pair of electrodes 19 and 20 provided on both surfaces of the sensor element 10 pump oxygen into the gas detection chamber 23 from the outside, or pump oxygen from the gas detection chamber 23 to the outside. It functions as an oxygen pump cell 40 (also referred to as “Ip cell 40”). Further, the solid electrolyte body 13 and the pair of electrodes 21 and 22 provided on both surfaces thereof are used as an oxygen concentration detection cell 50 (also referred to as “Vs cell 50”) that generates an electromotive force in accordance with the oxygen concentration between both electrodes. Function. The electrode 22 functions as an oxygen reference electrode that maintains an oxygen concentration serving as a reference for detecting the oxygen concentration in the gas detection chamber 23. Detailed functions of the Ip cell 40 and the Vs cell 50 will be described later.

センサ制御装置3は、制御部9と電気回路部30とを有している。制御部9は、被検出ガスのガス濃度(酸素濃度)を検出するガス濃度検出部200と、被検出ガスが大気であるか否かを判別する雰囲気判別部210と、水分濃度を検出する水分濃度検出部220と、センサのゼロ点較正を行うゼロ点較正部230とを含んでいる。水分濃度検出部220は、基準電圧比較回路35で使用される基準電圧(後述)を設定する電圧設定部225を含んでいる。但し、電圧設定部225を水分濃度検出部220の外部に設けても良い。これらの各部の機能については後述する。この制御部9の一部及び全部の要素は、ハードウェア回路として構成されていても良く、或いは、CPUとROMとRAMとを有するマイクロコンピュータとして構成されていてもよい。後者の場合には、ROMなどの不揮発性の記憶媒体に格納されたコンピュータプログラムをCPUが実行することによって制御部9の一部又は全部の機能が実現される。   The sensor control device 3 includes a control unit 9 and an electric circuit unit 30. The control unit 9 includes a gas concentration detection unit 200 that detects the gas concentration (oxygen concentration) of the gas to be detected, an atmosphere determination unit 210 that determines whether or not the gas to be detected is the atmosphere, and moisture that detects the water concentration. It includes a density detection unit 220 and a zero point calibration unit 230 that performs zero point calibration of the sensor. The moisture concentration detection unit 220 includes a voltage setting unit 225 that sets a reference voltage (described later) used in the reference voltage comparison circuit 35. However, the voltage setting unit 225 may be provided outside the moisture concentration detection unit 220. The functions of these parts will be described later. Part and all elements of the control unit 9 may be configured as a hardware circuit, or may be configured as a microcomputer having a CPU, a ROM, and a RAM. In the latter case, a part or all of the functions of the control unit 9 are realized by the CPU executing a computer program stored in a non-volatile storage medium such as a ROM.

電気回路部30は、ヒータ通電制御回路31と、ポンプ電流駆動回路32と、電圧検出回路33と、微小電流供給回路34と、基準電圧比較回路35と、ポンプ電流検出回路36とを備えている。   The electric circuit unit 30 includes a heater energization control circuit 31, a pump current drive circuit 32, a voltage detection circuit 33, a minute current supply circuit 34, a reference voltage comparison circuit 35, and a pump current detection circuit 36. .

ヒータ通電制御回路31は、発熱抵抗体26の両端に供給される電圧VhをPWM通電することによって発熱抵抗体26を発熱させ、Ipセル40及びVsセル50の加熱を行う。微小電流供給回路34は、Vsセル50の電極22から電極21側へ微小電流Icpを流し、電極22側に酸素イオンを移動させて基準となる酸素濃度雰囲気を生成する。これにより、電極22は、被検出ガス中の酸素濃度を検出するための基準となる酸素基準電極として機能する。電圧検出回路33は、Vsセル50の電極21,22間に生ずる起電力Vsを検出する。基準電圧比較回路35は、予め定められた基準電圧と、電圧検出回路33で検出した起電力Vsとの比較結果(例えば差分)を求め、その比較結果をポンプ電流駆動回路32にフィードバックする。ポンプ電流駆動回路32は、基準電圧比較回路35から得られた比較結果に基づき、Ipセル40の電極19,20間に流すポンプ電流Ipの大きさや向きを制御する。この結果、電極21,22間に生ずる起電力Vsが上記基準電圧となるようなフィードバック制御が行われる。このフィードバック制御により、Ipセル40によるガス検出室23内への酸素の汲み入れやガス検出室23からの酸素の汲み出しが行われる。ポンプ電流検出回路36は、Ipセル40の電極19,20間に流れるポンプ電流Ipを電圧に変換し、ポンプ電流Ipを表す電圧値(「ポンプ電流相当電圧」とも呼ぶ)を検出信号として制御部9に出力する。ポンプ電流検出回路36は、本発明の「電流検出部」に相当する。   The heater energization control circuit 31 heats the heating resistor 26 by PWM energizing the voltage Vh supplied to both ends of the heating resistor 26 and heats the Ip cell 40 and the Vs cell 50. The minute current supply circuit 34 causes a minute current Icp to flow from the electrode 22 of the Vs cell 50 to the electrode 21 side, moves oxygen ions to the electrode 22 side, and generates a reference oxygen concentration atmosphere. Thereby, the electrode 22 functions as an oxygen reference electrode that serves as a reference for detecting the oxygen concentration in the gas to be detected. The voltage detection circuit 33 detects an electromotive force Vs generated between the electrodes 21 and 22 of the Vs cell 50. The reference voltage comparison circuit 35 obtains a comparison result (for example, a difference) between a predetermined reference voltage and the electromotive force Vs detected by the voltage detection circuit 33 and feeds back the comparison result to the pump current drive circuit 32. The pump current drive circuit 32 controls the magnitude and direction of the pump current Ip that flows between the electrodes 19 and 20 of the Ip cell 40 based on the comparison result obtained from the reference voltage comparison circuit 35. As a result, feedback control is performed such that the electromotive force Vs generated between the electrodes 21 and 22 becomes the reference voltage. By this feedback control, oxygen is pumped into the gas detection chamber 23 by the Ip cell 40 and oxygen is pumped out from the gas detection chamber 23. The pump current detection circuit 36 converts the pump current Ip flowing between the electrodes 19 and 20 of the Ip cell 40 into a voltage, and uses a voltage value representing the pump current Ip (also referred to as “pump current equivalent voltage”) as a detection signal as a control unit. Output to 9. The pump current detection circuit 36 corresponds to the “current detection unit” of the present invention.

本実施形態では、基準電圧比較回路35によって起電力Vsと比較される基準電圧として、以下の2つの基準電圧Vr1,Vr2が使用される。
(1)第1基準電圧Vr1
第1基準電圧Vr1は、電圧検出回路33の比較結果をポンプ電流駆動回路32にフィードバックしてガス検出室23内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室23内に導入された被検出ガス中の水分(HO)が実質的に解離しないような電圧値に設定される。ここで、「水分の解離」とは、水素イオンと酸素イオンへの解離を意味する。第1基準電圧Vr1が「被検出ガス中の水分(HO)が実質的に解離しないような電圧値」であるか否かは、例えば、水分濃度が2体積%の大気を被検出ガスとして使用し、第1基準電圧Vr1よりも10%だけ大きな基準電圧1.1Vr1で得られるポンプ電流Ipが、第1基準電圧Vr1で得られるポンプ電流Ip1からほとんど変化しない(変化量が±5%未満)か否かによって決定することが可能である。第1基準電圧Vr1は、例えば、400mV〜600mVの範囲の値(特に、450mV)に設定することが好ましい。
(2)第2基準電圧Vr2
第2基準電圧Vr2は、電圧検出回路33の比較結果をポンプ電流駆動回路32にフィードバックしてガス検出室23内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室23内に導入された被検出ガス中の水分(HO)が解離するような電圧値に設定される。第2基準電圧Vr2が「被検出ガス中の水分(HO)が解離するような電圧値」であるか否かは、例えば、水分濃度が2体積%の大気を被検出ガスとして使用し、第2基準電圧Vr2で得られるポンプ電流Ip2が、第1基準電圧Vr1で得られるポンプ電流Ip1より有意に大きい(5%以上大きい)か否かによって決定することが可能である。第2基準電圧Vr2は、第1基準電圧Vr1よりも高く、例えば、1000mV〜1200mVの範囲の値に設定することが好ましい。
In the present embodiment, the following two reference voltages Vr1 and Vr2 are used as reference voltages compared with the electromotive force Vs by the reference voltage comparison circuit 35.
(1) First reference voltage Vr1
The first reference voltage Vr1 was introduced into the gas detection chamber 23 when the comparison result of the voltage detection circuit 33 was fed back to the pump current drive circuit 32 to control the oxygen concentration in the atmosphere in the gas detection chamber 23. The voltage value is set such that moisture (H 2 O) in the gas to be detected does not substantially dissociate. Here, “dissociation of moisture” means dissociation into hydrogen ions and oxygen ions. Whether or not the first reference voltage Vr1 is “a voltage value such that water (H 2 O) in the gas to be detected is not substantially dissociated” is determined by, for example, detecting the atmosphere with a water concentration of 2% by volume. The pump current Ip obtained at a reference voltage 1.1Vr1 that is 10% larger than the first reference voltage Vr1 hardly changes from the pump current Ip1 obtained at the first reference voltage Vr1 (the amount of change is ± 5%). Or less). The first reference voltage Vr1 is preferably set to a value in the range of 400 mV to 600 mV (particularly 450 mV), for example.
(2) Second reference voltage Vr2
The second reference voltage Vr2 was introduced into the gas detection chamber 23 when the comparison result of the voltage detection circuit 33 was fed back to the pump current drive circuit 32 to control the oxygen concentration in the atmosphere in the gas detection chamber 23. The voltage value is set such that moisture (H 2 O) in the gas to be detected is dissociated. Whether or not the second reference voltage Vr2 is “a voltage value at which water (H 2 O) in the gas to be detected is dissociated” is determined by using, for example, the atmosphere having a water concentration of 2% by volume as the gas to be detected. It is possible to determine whether the pump current Ip2 obtained with the second reference voltage Vr2 is significantly larger (greater than 5%) than the pump current Ip1 obtained with the first reference voltage Vr1. The second reference voltage Vr2 is higher than the first reference voltage Vr1, and is preferably set to a value in the range of 1000 mV to 1200 mV, for example.

基準電圧比較回路35は、被検出ガス中の酸素濃度を測定する場合には、起電力Vsと比較する基準電圧として第1基準電圧Vr1を使用する。一方、被検出ガスの水分濃度を検出する場合には、第1基準電圧Vr1と第2基準電圧Vr2の両方が用いられる。水分濃度の検出方法については更に後述する。なお、ポンプ電流駆動回路32,電圧検出回路33,基準電圧比較回路35が本発明の「電流制御部」に相当する。また、基準電圧比較回路35において起電力Vsと比較される基準電圧Vr1,Vr2が本発明の「制御目標電圧」に相当する。   When measuring the oxygen concentration in the gas to be detected, the reference voltage comparison circuit 35 uses the first reference voltage Vr1 as a reference voltage to be compared with the electromotive force Vs. On the other hand, when detecting the moisture concentration of the gas to be detected, both the first reference voltage Vr1 and the second reference voltage Vr2 are used. The method for detecting the moisture concentration will be described later. The pump current drive circuit 32, the voltage detection circuit 33, and the reference voltage comparison circuit 35 correspond to the “current control unit” of the present invention. Further, the reference voltages Vr1 and Vr2 compared with the electromotive force Vs in the reference voltage comparison circuit 35 correspond to the “control target voltage” of the present invention.

ECU5は、車両100のエンジン101を制御するための装置である。ECU5には公知の構成のCPU、ROM、RAM等を搭載したマイコンチップが用いられ、制御プログラムの実行にしたがって燃料の噴射タイミングや点火時期の制御が行われる。かかる制御を行うための情報として、センサ制御装置3から被検出ガス中の酸素濃度に応じた出力信号や、被検出ガス中の湿度に応じた出力信号が入力される。また、その他の情報として、その他のセンサからの信号(例えば、エンジン101のピストン位置や回転数を検出できるクランク角、冷却水の水温、燃焼圧などの情報)も入力される。   The ECU 5 is a device for controlling the engine 101 of the vehicle 100. The ECU 5 uses a microcomputer chip having a known configuration of CPU, ROM, RAM, etc., and controls the fuel injection timing and ignition timing according to the execution of the control program. As information for performing such control, an output signal corresponding to the oxygen concentration in the detected gas and an output signal corresponding to the humidity in the detected gas are input from the sensor control device 3. Further, as other information, signals from other sensors (for example, information such as a crank angle at which the piston position and the rotation speed of the engine 101 can be detected, coolant temperature, combustion pressure, etc.) are also input.

全領域空燃比センサ1を用いて被検出ガスの酸素濃度(排気ガスの空燃比)を検出する際には、基準電圧比較回路35で比較対象となる基準電圧として、第1基準電圧Vr1(例えば450mV)が設定される。この際、まず微小電流供給回路34によりVsセル50の電極22から電極21に向けて微小電流Icpを流す。この通電により、電極21側から電極22側に固体電解質体13を介して被検出ガス中の酸素が汲み込まれ、電極22が酸素基準電極として機能する。そして、電圧検出回路33によって両電極21,22間に発生する起電力Vsを検出し、この起電力Vsを基準電圧比較回路35で第1基準電圧Vr1と比較する。ポンプ電流駆動回路32では、基準電圧比較回路35による比較結果に基づいて、起電力Vsが第1基準電圧Vr1に等しくなるようにIpセル40の電極19,20間に流すポンプ電流Ipの大きさや向きを制御する。   When the oxygen concentration (exhaust gas air-fuel ratio) of the gas to be detected is detected using the full-range air-fuel ratio sensor 1, the first reference voltage Vr1 (for example, as a reference voltage to be compared by the reference voltage comparison circuit 35) 450 mV) is set. At this time, a minute current Icp is first caused to flow from the electrode 22 to the electrode 21 of the Vs cell 50 by the minute current supply circuit 34. By this energization, oxygen in the gas to be detected is pumped from the electrode 21 side to the electrode 22 side through the solid electrolyte body 13, and the electrode 22 functions as an oxygen reference electrode. Then, the electromotive force Vs generated between the electrodes 21 and 22 is detected by the voltage detection circuit 33, and the electromotive force Vs is compared with the first reference voltage Vr 1 by the reference voltage comparison circuit 35. In the pump current drive circuit 32, the magnitude of the pump current Ip that flows between the electrodes 19 and 20 of the Ip cell 40 so that the electromotive force Vs becomes equal to the first reference voltage Vr 1 based on the comparison result by the reference voltage comparison circuit 35. Control the orientation.

例えば、ガス検出室23内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであった場合、排気ガス中の酸素濃度が薄いため、Ipセル40において外部からガス検出室23内に酸素を汲み入れるように、電極19,20間に流すポンプ電流Ipが制御される。一方、ガス検出室23内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、Ipセル40においてガス検出室23から外部へ酸素を汲み出すように、電極19,20間に流すポンプ電流Ipが制御される。このときのポンプ電流Ipが、ポンプ電流検出回路36において電圧変換されて全領域空燃比センサ1の出力信号(検出信号)として制御部9に出力される。制御部9のガス濃度検出部200は、全領域空燃比センサ1から出力されるポンプ電流Ip(正確には「ポンプ電流相当電圧」)の大きさと向きに基づいて被検出ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を決定する。   For example, when the air-fuel ratio of the exhaust gas that has flowed into the gas detection chamber 23 is richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the oxygen concentration in the exhaust gas is thin, so that oxygen is introduced into the gas detection chamber 23 from the outside in the Ip cell 40. So that the pump current Ip flowing between the electrodes 19 and 20 is controlled. On the other hand, when the air-fuel ratio of the exhaust gas flowing into the gas detection chamber 23 is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio, a large amount of oxygen is present in the exhaust gas. The pump current Ip flowing between the electrodes 19 and 20 is controlled so as to pump out oxygen. The pump current Ip at this time is converted into a voltage in the pump current detection circuit 36 and output to the control unit 9 as an output signal (detection signal) of the full-range air-fuel ratio sensor 1. The gas concentration detection unit 200 of the control unit 9 includes oxygen contained in the detected gas based on the magnitude and direction of the pump current Ip (exactly “pump current equivalent voltage”) output from the full-range air-fuel ratio sensor 1. Determine the concentration, and thus the air-fuel ratio of the exhaust gas.

以下に説明するように、センサ制御装置3は、全領域空燃比センサ1を用いて、被検出ガスが大気であるときの水分濃度を検出することができる。また、全領域空燃比センサ1のセンサ出力のゼロ点較正を、大気中の水分濃度を利用して実行することが可能である。   As will be described below, the sensor control device 3 can detect the moisture concentration when the gas to be detected is the atmosphere using the full-range air-fuel ratio sensor 1. Further, the zero point calibration of the sensor output of the full-range air-fuel ratio sensor 1 can be executed using the moisture concentration in the atmosphere.

B.水分濃度の検出方法
図3は、水分濃度の検出に用いられる関係の一例を示すグラフである。このグラフは、以下の(1)式の関係を表している。
Hm=a×(ΔIp)+b×(ΔIp)+c …(1)
ここで、Hmは水分濃度(水蒸気の体積%)であり、a,b,cは一定の係数、ΔIp=(Ip2−Ip1)、Ip1は上述した第1基準電圧Vr1を用いたときに得られるポンプ電流Ipの値、Ip2は上述した第2基準電圧Vr2を用いたときに得られるポンプ電流Ipの値である。図3の例では、a=−1.083,b=8.968,c=−0.084である。
B. Water Concentration Detection Method FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship used for detecting the water concentration. This graph represents the relationship of the following equation (1).
Hm = a × (ΔIp) 2 + b × (ΔIp) + c (1)
Here, Hm is a moisture concentration (volume% of water vapor), a, b, c are constant coefficients, ΔIp = (Ip2−Ip1), and Ip1 is obtained when the above-described first reference voltage Vr1 is used. The value of the pump current Ip, Ip2, is the value of the pump current Ip obtained when the above-described second reference voltage Vr2 is used. In the example of FIG. 3, a = −1.083, b = 8.968, and c = −0.084.

上記(1)式によれば、水分濃度Hmは、第2ポンプ電流値Ip2と第1ポンプ電流値Ip1の差分(Ip2−Ip1)の2次関数として表現することができる。なお、図中のRは、プロットされている実測点を上記(1)式で近似したときの相関係数Rの2乗である。Rが1に近いので、十分良好な近似が成立していることが分かる。 According to the above equation (1), the water concentration Hm can be expressed as a quadratic function of the difference (Ip2-Ip1) between the second pump current value Ip2 and the first pump current value Ip1. Incidentally, R 2 in the figure is the square of the correlation coefficient R when the measured points are plotted is approximated by equation (1). Since R 2 is close to 1, it can be seen that sufficiently good approximation is satisfied.

被検出ガスの湿度を求めたい場合には、温度センサ(図示省略)を用いて被検出ガスの温度を測定すれば、測定された温度と水分濃度Hmから、飽和水蒸気テーブルを参照して被検出ガスの湿度を決定することが可能である。   If you want to determine the humidity of the gas to be detected, measure the temperature of the gas to be detected using a temperature sensor (not shown), and detect the humidity by referring to the saturated water vapor table from the measured temperature and moisture concentration Hm. It is possible to determine the humidity of the gas.

図3のような関係を利用すれば、ポンプ電流Ip1,Ip2を測定することによって、水分濃度Hmを検出することが可能である。但し、従来技術でも述べたように、ポンプ電流Ip1,Ip2にはセンサの個体差があり、センサの構造、型式、品番等が同じであってもセンサの個体毎にバラツキがある。従来は、特許文献1の図5,図7に示したように、全領域空燃比センサ1の個体毎に異なる関係を予め測定しておき、制御装置内にその関係を格納していた。しかしながら、以下に説明するように、本願の発明者は、第1ポンプ電流Ip1と第2ポンプ電流Ip2との間に比例関係が成立すること、及び、この比例関係を利用すればより簡単な作業で水分濃度の検出のための関係を設定できることを見出した。   If the relationship as shown in FIG. 3 is used, it is possible to detect the water concentration Hm by measuring the pump currents Ip1 and Ip2. However, as described in the prior art, the pump currents Ip1 and Ip2 have individual differences among sensors, and even if the sensor structure, model, product number, and the like are the same, there are variations among the individual sensors. Conventionally, as shown in FIG. 5 and FIG. 7 of Patent Document 1, a different relationship is measured in advance for each of the full-range air-fuel ratio sensors 1, and the relationship is stored in the control device. However, as will be described below, the inventor of the present application makes it easier for the proportional relationship to be established between the first pump current Ip1 and the second pump current Ip2 and to use this proportional relationship. It was found that the relationship for detection of moisture concentration can be set.

図4は、第1ポンプ電流Ip1と第2ポンプ電流Ip2との間に成立する比例関係を示すグラフである。図4の点は、全領域空燃比センサ1の複数の個体で得られたポンプ電流Ip1,Ip2をプロットしたものである。この例では、以下の(2)式の比例関係が成立している。
Ip2=α×Ip1
=1.329・Ip1 …(2)
ここで、αは一定の係数である。
FIG. 4 is a graph showing a proportional relationship established between the first pump current Ip1 and the second pump current Ip2. The points in FIG. 4 are plots of pump currents Ip1 and Ip2 obtained by a plurality of individuals of the full-range air-fuel ratio sensor 1. In this example, the proportional relationship of the following equation (2) is established.
Ip2 = α × Ip1
= 1.329 · Ip1 (2)
Here, α is a constant coefficient.

図4から理解できるように、全領域空燃比センサ1の個体差によってポンプ電流Ip1,Ip2はかなり異なる値を示すが、両者の値は良好な比例関係を示す。また、図4の例は水分濃度Hmが5%の場合を示しているが、他の水分濃度でも同様の比例関係が得られることが判明した。   As can be understood from FIG. 4, the pump currents Ip1 and Ip2 show considerably different values depending on the individual difference of the whole-range air-fuel ratio sensor 1, but both values show a good proportional relationship. The example of FIG. 4 shows the case where the water concentration Hm is 5%, but it has been found that the same proportional relationship can be obtained even with other water concentrations.

この比例関係を使用すれば、全領域空燃比センサ1の個体毎に異なる関係を個別に求める代わりに、同一構造、同一型式、同一品番の全領域空燃比センサ1に対して同一の関係(図3)を用い、以下の(3)式を用いて水分濃度を求めることが可能となる。
Hm=a×(K1・ΔIp)+b×(K1・ΔIp)+c …(3)
ここで、係数a,b,cは一定値、係数K1は正の一定値である。係数a,b,cとしては、上記(1)式と同じ値を使用することが可能である。
If this proportional relationship is used, instead of separately obtaining a different relationship for each individual full-range air-fuel ratio sensor 1, the same relationship for all-range air-fuel ratio sensors 1 having the same structure, the same model, and the same product number (see FIG. 3), the water concentration can be obtained using the following equation (3).
Hm = a × (K1 · ΔIp) 2 + b × (K1 · ΔIp) + c (3)
Here, the coefficients a, b, and c are constant values, and the coefficient K1 is a positive constant value. As the coefficients a, b, and c, the same values as in the above equation (1) can be used.

この係数K1の値は、特定の水分濃度(例えばHm=5vol%)の大気を被検出ガスとして第1ポンプ電流Ip1を測定し、K1・Ip1が予め定めた既定値(例えばK1・Ip1=3.8mA)に等しくなるように決定される。係数K1は通常は1.0でない値を取るが、センサの個体によってはK1=1.0であってもよい。但し、同じ構造、型式、品番のすべてのセンサに対してK1=1.0となることは無い。本明細書において、「K1は1でない正の値」という意味は、同じ構造、型式、品番のすべてのセンサに対してK1=1.0となるものでは無いことを意味している。   The value of the coefficient K1 is obtained by measuring the first pump current Ip1 using an atmosphere having a specific moisture concentration (for example, Hm = 5 vol%) as a detection gas, and K1 · Ip1 is a predetermined value (for example, K1 · Ip1 = 3). .8 mA). The coefficient K1 usually takes a value other than 1.0, but may be K1 = 1.0 depending on the individual sensor. However, K1 is not 1.0 for all sensors having the same structure, model, and product number. In this specification, the meaning of “K1 is a positive value other than 1” means that K1 = 1.0 is not satisfied for all sensors of the same structure, model, and product number.

係数K1を決定する際には、第1基準電圧Vr1を用いたときの第1ポンプ電流Ip1を測定するだけでよく、第2基準電圧Vr2を用いたときの第2ポンプ電流Ip2を測定する必要が無い。この理由は、図4に示したように、第1ポンプ電流Ip1と第2ポンプ電流Ip2との間に比例関係が成立するからである。また、ポンプ電流Ipと水分濃度Hmの関係としては、同じ構造、型式、品番のセンサであれば上記(3)式の関係を共通に使用することができる。このとき、(3)式において、センサの個体差で変わるのは係数K1のみであり、他の係数a,b,cはセンサの個体に依存しない一定値である。従って、第1ポンプ電流Ip1と第2ポンプ電流Ip2の両方を測定していた従来に比べて、簡単な設定作業によって水分濃度を決定するための関係(例えば上記(3)式)を設定することが可能である。   When determining the coefficient K1, it is only necessary to measure the first pump current Ip1 when using the first reference voltage Vr1, and it is necessary to measure the second pump current Ip2 when using the second reference voltage Vr2. There is no. This is because, as shown in FIG. 4, a proportional relationship is established between the first pump current Ip1 and the second pump current Ip2. Further, as the relationship between the pump current Ip and the moisture concentration Hm, the relationship of the above equation (3) can be used in common if the sensors have the same structure, model, and product number. At this time, in the equation (3), only the coefficient K1 changes depending on the individual difference of the sensor, and the other coefficients a, b, and c are constant values that do not depend on the individual sensor. Therefore, a relationship (for example, the above formula (3)) for determining the moisture concentration is set by a simple setting operation as compared with the conventional case where both the first pump current Ip1 and the second pump current Ip2 are measured. Is possible.

水分濃度検出部220(図2)は、第2ポンプ電流Ip2と第1ポンプ電流Ip1の差分ΔIp=(Ip2−Ip1)に一定の係数K1(K1は1でない正の値)を乗じた値K1・ΔIpに基づいて水分濃度を決定することが可能である。この際、例えば、上記(3)式の関係を表す関数又はテーブルが使用される。   The moisture concentration detector 220 (FIG. 2) is a value K1 obtained by multiplying a difference ΔIp = (Ip2−Ip1) between the second pump current Ip2 and the first pump current Ip1 by a constant coefficient K1 (K1 is a positive value other than 1). It is possible to determine the moisture concentration based on ΔIp. At this time, for example, a function or a table representing the relationship of the above expression (3) is used.

なお、上記(3)式の2次関数の代わりに、次の(4)式又は(5)式のような1次関数(直線関係)を用いて水分濃度Hmを決定しても良い。
Hm=d×(K1・ΔIp)+e …(4)
Hm=K1(f×ΔIp+g) …(5)
ここで、d,fはゼロでない一定の係数、e,gは一定の係数である。
The water concentration Hm may be determined using a linear function (linear relationship) such as the following expression (4) or (5) instead of the quadratic function of the above expression (3).
Hm = d × (K1 · ΔIp) + e (4)
Hm = K1 (f × ΔIp + g) (5)
Here, d and f are constant coefficients that are not zero, and e and g are constant coefficients.

上述した(3)〜(5)式のいずれを使用するかは、センサの構造、型式、品番に応じて任意に選択される。また、各種の係数a〜g,K1は、それぞれ実験的に決定される。なお、いずれの式を用いた場合にも、係数a〜gはセンサの構造、型式、品番が同じであれば同じ値が使用されるが、係数K1はセンサの個体差を考慮して個体毎に設定される。また、(3)〜(5)式の関係は、関数又はテーブルとしてセンサ制御装置3内に実装することが可能である。   Which of the above-described equations (3) to (5) is used is arbitrarily selected according to the structure, model, and product number of the sensor. Various coefficients a to g and K1 are experimentally determined. In any case, the same values are used for the coefficients a to g as long as the sensor structure, model, and product number are the same. Set to Moreover, the relationship of (3)-(5) Formula can be mounted in the sensor control apparatus 3 as a function or a table.

図5は、水分濃度検出部220(図2)の内部構成の一例を示すブロック図である。この水分濃度検出部220は、分圧回路222と、水分濃度決定部224と、水分濃度テーブル226とを有している。分圧回路222は、抵抗R1,R2を用いてポンプ電流検出回路36の出力電圧Vipを分圧することにより、分圧された電圧値K2・Vipを出力する回路である。ポンプ電流検出回路36の出力電圧Vipは、ポンプ電流Ipを表す電圧値である。抵抗R1,R2の分圧比K2(=R2/(R1+R2))は、上記(3)〜(5)式で使用した係数K1に比例した値である。また、この分圧比K2は、ポンプ電流Ipの電流値を電圧値Vipに変換する際の変換係数を、上記係数K1に乗じた値に等しい。この分圧回路222の分圧比K2は、例えば、特定の水分濃度(例えばHm=5%)の大気を被検出ガスとして第1ポンプ電流Ip1に相当する出力電圧Vip1(「第1ポンプ電流相当電圧Vip1」とも呼ぶ)を測定し、K2・Vip1が予め定めた既定値(例えばK2・Vip1=2.4V)に等しくなるように決定される。この分圧回路222を使用すれば、ポンプ電流検出回路36から第2ポンプ電流Ip2に相当する出力電圧Vip2(「第1ポンプ電流相当電圧Vip1」とも呼ぶ)が分圧回路222に入力されると、分圧比K2を乗じた電圧K2・Vip2が出力される。第1ポンプ電流相当電圧K2・Vip1と、第2ポンプ電流相当電圧K2・Vip2は、分圧回路222から水分濃度決定部224に供給される。   FIG. 5 is a block diagram showing an example of the internal configuration of the moisture concentration detector 220 (FIG. 2). The moisture concentration detection unit 220 includes a voltage dividing circuit 222, a moisture concentration determination unit 224, and a moisture concentration table 226. The voltage dividing circuit 222 is a circuit that outputs the divided voltage value K2 · Vip by dividing the output voltage Vip of the pump current detection circuit 36 using the resistors R1 and R2. The output voltage Vip of the pump current detection circuit 36 is a voltage value representing the pump current Ip. The voltage dividing ratio K2 (= R2 / (R1 + R2)) of the resistors R1 and R2 is a value proportional to the coefficient K1 used in the above equations (3) to (5). The voltage dividing ratio K2 is equal to a value obtained by multiplying the coefficient K1 by a conversion coefficient when the current value of the pump current Ip is converted into the voltage value Vip. The voltage dividing ratio K2 of the voltage dividing circuit 222 is, for example, an output voltage Vip1 corresponding to the first pump current Ip1 (“the voltage corresponding to the first pump current”) using the atmosphere with a specific moisture concentration (for example, Hm = 5%) as the detection gas. Vp1 ") is measured, and K2 · Vip1 is determined to be equal to a predetermined value (for example, K2 · Vip1 = 2.4V). When the voltage dividing circuit 222 is used, when the output voltage Vip2 (also referred to as “first pump current equivalent voltage Vip1”) corresponding to the second pump current Ip2 is input from the pump current detection circuit 36 to the voltage dividing circuit 222. The voltage K2 · Vip2 multiplied by the voltage dividing ratio K2 is output. The first pump current equivalent voltage K 2 · Vip 1 and the second pump current equivalent voltage K 2 · Vip 2 are supplied from the voltage dividing circuit 222 to the moisture concentration determination unit 224.

水分濃度決定部224は、分圧回路222から供給される電圧K2・Vip1,K2・Vip2の差分K2・ΔVipを算出するとともに、この差分K2・ΔVipを用いて、上記(3)式と等価な次の(3a)式に従って水分濃度Hmを決定する。
Hm=a×(K2・ΔVip)+b×(K2・ΔVip)+c …(3a)
ここで、係数a,b,cは一定値、ΔVip=Vip2−Vip1である。
The moisture concentration determination unit 224 calculates the difference K2 · ΔVip between the voltages K2 · Vip1 and K2 · Vip2 supplied from the voltage dividing circuit 222 and uses the difference K2 · ΔVip to equalize the above equation (3). The water concentration Hm is determined according to the following equation (3a).
Hm = a × (K 2 · ΔVip) 2 + b × (K 2 · ΔVip) + c (3a)
Here, the coefficients a, b, and c are constant values, ΔVip = Vip2−Vip1.

上記(3a)式の関係は、例えば、水分濃度テーブル226(図5)として実現可能である。例えば、この水分濃度テーブル226は、電圧差K2・ΔVipを入力すると水分濃度Hmを出力するルックアップテーブルとして実装することができる。この代わりに、上記(3a)式の関数を水分濃度決定部224内に記憶しておき、この関数を用いて水分濃度Hmを算出しても良い。   The relationship of the above expression (3a) can be realized, for example, as the moisture concentration table 226 (FIG. 5). For example, the moisture concentration table 226 can be implemented as a lookup table that outputs the moisture concentration Hm when the voltage difference K2 · ΔVip is input. Instead, the function of the above equation (3a) may be stored in the moisture concentration determination unit 224, and the moisture concentration Hm may be calculated using this function.

なお、上記(3a)式の代わりに、上述した(4)式や(5)式に等価な下記の(4a)式や(5a)式を用いても良い。
Hm=d×(K2・ΔVip)+e …(4a)
Hm=K2(f×ΔVip+g) …(5a)
ここで、d,fはゼロでない一定の係数、e,gは一定の係数である。
Instead of the above equation (3a), the following equations (4a) and (5a) equivalent to the above equations (4) and (5) may be used.
Hm = d × (K2 · ΔVip) + e (4a)
Hm = K2 (f × ΔVip + g) (5a)
Here, d and f are constant coefficients that are not zero, and e and g are constant coefficients.

このように、水分濃度検出部220は、第1ポンプ電流Ip1を示す電圧値Vip1を分圧した第1ポンプ電流相当電圧K2・Vip1と、第2ポンプ電流Ip2を示す電圧値Vip2を分圧した第2ポンプ電流相当電圧K2・Vip2の差分K2(Vip2−Vip1)に基づいて、水分濃度Hmを決定することができる。   As described above, the moisture concentration detection unit 220 divides the voltage value Vip2 indicating the first pump current Ip1 and the voltage value Vip2 corresponding to the first pump current Ip2 and the voltage value Vip2 corresponding to the first pump current Ip2. The water concentration Hm can be determined based on the difference K2 (Vip2-Vip1) between the second pump current equivalent voltages K2 and Vip2.

なお、水分濃度Hmは、被検出ガス中の水蒸気の体積%を表す値であり、被検出ガスの湿度に相当する値として利用可能である。水分濃度検出部220は、典型的には、水分濃度Hmに比例するデジタル値を求めるものであるが、一般には、水分濃度Hmを直接的又は間接的に表す値を求めるようにしてもよい。ここで、「水分濃度Hmを直接的に表す値」とは、水分濃度Hmに比例する値を意味し、「水分濃度Hmを間接的に表す値」とは、水分濃度Hmに比例しないが、その値から水分濃度Hmを算出できる値を意味する。これらの値は、被検出ガスの水分濃度に対応付けられた「水分濃度相当値」に相当する。本明細書において、「水分濃度相当値」とは、被検出ガスの水分濃度を直接的に又は間接的に表す値を意味する。   The moisture concentration Hm is a value representing the volume% of water vapor in the gas to be detected, and can be used as a value corresponding to the humidity of the gas to be detected. The water concentration detection unit 220 typically calculates a digital value proportional to the water concentration Hm, but may generally determine a value that directly or indirectly represents the water concentration Hm. Here, the “value directly representing the moisture concentration Hm” means a value proportional to the moisture concentration Hm, and the “value indirectly representing the moisture concentration Hm” is not proportional to the moisture concentration Hm. It means a value from which the moisture concentration Hm can be calculated. These values correspond to “moisture concentration equivalent values” associated with the moisture concentration of the gas to be detected. In this specification, the “water concentration equivalent value” means a value that directly or indirectly represents the moisture concentration of the gas to be detected.

以上のように、本実施形態では、水分濃度検出部220が、第2ポンプ電流Ip2と第1ポンプ電流Ip1の差分(Ip2−Ip1)に一定の係数K1(K1は1でない正の値)を乗じた値K1(Ip2−Ip1)に基づいて水分濃度相当値を決定することができる。また、係数K1をガスセンサの個体差に応じた適切な値に設定すれば、上記差分(Ip2−Ip1)から水分濃度相当値を決定する関係を適切に設定できる。従って、ガスセンサの個体毎に被検出ガスの水分濃度相当値とポンプ電流の差ΔIpとの関係を個々に予め求めるために行われていた従来の煩雑な作業が不要となるという利点がある。   As described above, in the present embodiment, the moisture concentration detector 220 adds a constant coefficient K1 (K1 is a positive value other than 1) to the difference (Ip2−Ip1) between the second pump current Ip2 and the first pump current Ip1. Based on the multiplied value K1 (Ip2−Ip1), the moisture concentration equivalent value can be determined. Moreover, if the coefficient K1 is set to an appropriate value according to the individual difference of the gas sensor, the relationship for determining the moisture concentration equivalent value from the difference (Ip2-Ip1) can be appropriately set. Therefore, there is an advantage that the conventional complicated work that has been performed in order to individually obtain the relationship between the value corresponding to the moisture concentration of the gas to be detected and the difference ΔIp of the pump current for each gas sensor becomes unnecessary.

C.センサのゼロ点較正処理
図6は、水分濃度測定を利用したセンサのゼロ点較正処理の手順を示すフローチャートである。ここでは、上述した水分濃度測定を利用して、全領域空燃比センサ1のゼロ点較正を実行する。「全領域空燃比センサ1のゼロ点較正」とは、全領域空燃比センサ1の出力の経時的な変化を補償して、正しい出力が得られるように較正を行う処理である。この処理は、車両100の駆動中に予め定められたタイミング毎に定期的に実行される。なお、電気回路部30内の回路31〜36の駆動制御は、図6に示す処理とは別に、必要に応じて実行される。なお、車両100の起動後であって、図6に示す処理が最初に実行される前段階では、水分濃度検出部220によって基準電圧比較回路35の基準電圧(制御目標電圧)が上述した第1基準電圧Vr1に設定されている。
C. Sensor Zero Point Calibration Process FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of a sensor zero point calibration process using moisture concentration measurement. Here, the zero point calibration of the full-range air-fuel ratio sensor 1 is executed using the above-described moisture concentration measurement. “Zero point calibration of the full-range air-fuel ratio sensor 1” is a process for performing calibration so as to obtain a correct output by compensating the change with time of the output of the full-range air-fuel ratio sensor 1. This process is periodically executed at predetermined timings while the vehicle 100 is being driven. Note that the drive control of the circuits 31 to 36 in the electric circuit unit 30 is executed as necessary, separately from the processing shown in FIG. Note that after the vehicle 100 is started and before the process shown in FIG. 6 is first executed, the reference voltage (control target voltage) of the reference voltage comparison circuit 35 is set by the moisture concentration detection unit 220 as described above. The reference voltage Vr1 is set.

ステップS1では、雰囲気判別部210(図2)が、全領域空燃比センサ1の被検出ガスが大気であるか否かを判断する。例えば、エンジン101が燃料供給停止中であることを示す信号(以下、「フューエルカット信号」と呼ぶ)が受信されたか否かに基づいて、被検出ガスが大気であるか否かを判断することができる。雰囲気判別部210は、例えば、ECU5から所定時間毎に燃料供給中であるか否かを示す信号を受信し、受信した信号を随時に制御部9内のRAM(図示省略)に記憶させているものとしてもよい。この場合には、制御部9内のRAMにフューエルカット信号が記憶されているか否かに応じて、被検出ガスが大気であるか否かを判断することができる。被検出ガスが大気でない場合には、図6の処理を終了して、次の処理開始タイミングまで待機する。   In step S1, the atmosphere determination unit 210 (FIG. 2) determines whether or not the gas to be detected by the entire region air-fuel ratio sensor 1 is the atmosphere. For example, it is determined whether or not the gas to be detected is atmospheric based on whether or not a signal indicating that the engine 101 is stopping fuel supply (hereinafter referred to as a “fuel cut signal”) is received. Can do. For example, the atmosphere determination unit 210 receives a signal indicating whether or not fuel is being supplied from the ECU 5 every predetermined time, and stores the received signal in a RAM (not shown) in the control unit 9 as needed. It may be a thing. In this case, it is possible to determine whether or not the gas to be detected is the atmosphere depending on whether or not the fuel cut signal is stored in the RAM in the control unit 9. If the gas to be detected is not in the atmosphere, the process in FIG. 6 is terminated and the process waits until the next process start timing.

被検出ガスが大気である場合は、エンジン101が燃料供給停止中であるため、排気管102の排気通路が大気で満たされる。フューエルカット信号を連続して受信している期間の長さは、別途実行されるタイマにより計測されて、制御部9内のRAMに記憶されることが好ましい。フューエルカット信号を連続して受信している期間の長さは、燃料供給が停止された時点(つまり、フューエルカット開始時)からの経過時間を示す値として利用可能である。   When the gas to be detected is the atmosphere, the engine 101 is stopping the fuel supply, so the exhaust passage of the exhaust pipe 102 is filled with the atmosphere. The length of the period during which the fuel cut signal is continuously received is preferably measured by a separately executed timer and stored in the RAM in the control unit 9. The length of the period during which the fuel cut signal is continuously received can be used as a value indicating the elapsed time from the time when the fuel supply is stopped (that is, at the start of the fuel cut).

ステップS3では、制御部9が、エンジン101の燃料供給が停止された時点から所定時間を経過したか否かを判断する。燃料供給停止時から所定時間を経過したと判断された場合は、排気管102の排気通路が十分に大気で満たされて、センサ素子10の周囲の雰囲気が酸素濃度既知の大気となっている。所定時間が経過していない場合には、図6の処理を終了して次の処理開始タイミングまで待機する。一方、所定時間が経過している場合には、次のステップS5に移行する。   In step S3, the control unit 9 determines whether or not a predetermined time has elapsed since the fuel supply to the engine 101 was stopped. When it is determined that a predetermined time has elapsed since the stop of fuel supply, the exhaust passage of the exhaust pipe 102 is sufficiently filled with air, and the atmosphere around the sensor element 10 is air with a known oxygen concentration. If the predetermined time has not elapsed, the process of FIG. 6 is terminated and the process waits for the next process start timing. On the other hand, if the predetermined time has elapsed, the process proceeds to the next step S5.

ステップS5では、水分濃度検出部220が、第1基準電圧Vr1(例えば450mV)を用いて測定されたポンプ電流Ip1を、ポンプ電流検出回路36から読み込む。ステップS7では、電圧設定部225が、基準電圧比較回路35に設定される基準電圧を第1基準電圧Vr1から第2基準電圧Vr2(例えば1100mV)に変更する。   In step S <b> 5, the water concentration detection unit 220 reads the pump current Ip <b> 1 measured using the first reference voltage Vr <b> 1 (for example, 450 mV) from the pump current detection circuit 36. In step S7, the voltage setting unit 225 changes the reference voltage set in the reference voltage comparison circuit 35 from the first reference voltage Vr1 to the second reference voltage Vr2 (for example, 1100 mV).

ステップS9では、水分濃度検出部220が、第2基準電圧Vr2を用いて測定されたポンプ電流Ip2を、ポンプ電流検出回路36から読み込む。ステップS11では、電圧設定部225が、基準電圧比較回路35に設定される基準電圧を、第2基準電圧Vr2から第1基準電圧Vr1に変更する。   In step S <b> 9, the water concentration detection unit 220 reads the pump current Ip <b> 2 measured using the second reference voltage Vr <b> 2 from the pump current detection circuit 36. In step S11, the voltage setting unit 225 changes the reference voltage set in the reference voltage comparison circuit 35 from the second reference voltage Vr2 to the first reference voltage Vr1.

ステップS13では、ステップS5,S9で得られたポンプ電流Ip1,Ip2から、被検出ガスの水分濃度Hmが算出される。この算出は、上述した(3)〜(5)式,(3a)〜(5a)式のいずれかを表す関数又はテーブルを用いて実行される。   In step S13, the moisture concentration Hm of the gas to be detected is calculated from the pump currents Ip1 and Ip2 obtained in steps S5 and S9. This calculation is executed using a function or a table representing any one of the above-described equations (3) to (5) and (3a) to (5a).

ステップS15では、ゼロ点較正部230(図2)が、ステップS13で得られた水分濃度Hmに基づいて、以下の図7,図8で説明する方法に従って全領域空燃比センサ1のゼロ点較正値を決定する。   In step S15, the zero point calibration unit 230 (FIG. 2) performs zero point calibration of the full-range air-fuel ratio sensor 1 according to the method described in FIGS. 7 and 8 below based on the moisture concentration Hm obtained in step S13. Determine the value.

図7は、被検出ガスを大気としたときの水分濃度Hmと第1ポンプ電流Ip1との関係を示すグラフである。このグラフの横軸は水分濃度Hmであり、縦軸は第1ポンプ電流Ip1に上記係数K1(1でない一定値)を乗じた値K1・Ip1である。このグラフに示すように、第1基準電圧Vr1を用いて測定される第1ポンプ電流Ip1は、水分濃度Hmが高いほど低下する傾向にある。この理由は、水分濃度Hmが高いほど酸素濃度が低くなるためである。従って、ゼロ点較正を行う際に、水分濃度Hmによる第1ポンプ電流Ip1への影響を、ゼロ点水分補正値δwとして得ておくことが好ましい。このゼロ点水分補正値δwは、図7に示すように、Hmとk・Ip1との関係を予め求めて制御部9内に格納しておき、この関係を参照して実際の水分濃度Hm(t1)から得ることが可能である。ここで、Hm(t1)は、時刻t1で得られた水分濃度を意味する。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the moisture concentration Hm and the first pump current Ip1 when the gas to be detected is air. The horizontal axis of this graph is the moisture concentration Hm, and the vertical axis is a value K1 · Ip1 obtained by multiplying the first pump current Ip1 by the coefficient K1 (a constant value other than 1). As shown in this graph, the first pump current Ip1 measured using the first reference voltage Vr1 tends to decrease as the water concentration Hm increases. This is because the oxygen concentration decreases as the moisture concentration Hm increases. Therefore, when performing zero point calibration, it is preferable to obtain the influence of the moisture concentration Hm on the first pump current Ip1 as the zero point moisture correction value δw. As shown in FIG. 7, the zero point moisture correction value δw is obtained in advance by storing the relationship between Hm and k · Ip1 in the control unit 9, and referring to this relationship, the actual moisture concentration Hm ( can be obtained from t1). Here, Hm (t1) means the moisture concentration obtained at time t1.

図8は、ゼロ点水分補正値δwを考慮したゼロ点較正値δcの求め方を示すグラフである。このグラフの横軸は時刻であり、縦軸は第1ポンプ電流Ip1に上記係数K1(1でない一定値)を乗じた値K1・Ip1である。水平な破線は、値K1・Ip1の時刻t0での初期値K1・Ip1(t0)を示している。実線は、被検出ガスの水分の影響が無い場合(被検出ガスの水分がゼロの場合)にゼロ点が経時的に変化してゆく様子を示しており、一点鎖線は水分の影響がある場合を示している。実線と一点鎖線の差分は、水分濃度Hmに起因するゼロ点水分補正値δwに相当する。図7で説明したように、被検出ガス(大気)に水蒸気が含まれている場合には、実測値K1・Ip1は、ゼロ点水分補正値δwの分だけ低い値となる。一点鎖線で示される実測値K1・Ip1の変化は、このゼロ点水分補正値δwと、経時的なゼロ点の移動量(ゼロ点較正値δc)との和である。   FIG. 8 is a graph showing how to obtain the zero point calibration value δc in consideration of the zero point moisture correction value δw. The horizontal axis of this graph is time, and the vertical axis is a value K1 · Ip1 obtained by multiplying the first pump current Ip1 by the coefficient K1 (a constant value other than 1). The horizontal broken line indicates the initial value K1 · Ip1 (t0) of the value K1 · Ip1 at time t0. The solid line shows how the zero point changes over time when there is no influence of moisture in the gas to be detected (when the moisture in the gas to be detected is zero), and the one-dot chain line shows the influence of moisture Is shown. The difference between the solid line and the alternate long and short dash line corresponds to the zero point moisture correction value δw caused by the moisture concentration Hm. As described with reference to FIG. 7, when the gas to be detected (atmosphere) contains water vapor, the actual measurement values K1 · Ip1 are lower by the zero point moisture correction value δw. The change in the actual measurement values K1 and Ip1 indicated by the one-dot chain line is the sum of this zero point moisture correction value δw and the zero point movement amount (zero point calibration value δc) over time.

ゼロ点較正部230(図2)は、時刻t0での初期値K1・Ip1(t0)と時刻t1での実測値K1・Ip1(t1)との差分から、図7で求めたゼロ点水分補正値δwを減算することによって、ゼロ点較正値δcを求める。このゼロ点較正値δcは、全領域空燃比センサ1の経時的なゼロ点の移動量を補償する値である。このゼロ点較正値δcは、ゼロ点較正部230からガス濃度検出部200に供給され、このゼロ点較正値δcを用いてゼロ点較正が実行される。従って、ガス濃度検出部200は、その後に排気ガスを被検出ガスとしたときのガス濃度(酸素濃度)の検出の際に、正しい検出結果を得ることが可能である。   The zero point calibration unit 230 (FIG. 2) calculates the zero point moisture correction obtained in FIG. 7 from the difference between the initial value K1 · Ip1 (t0) at time t0 and the actual value K1 · Ip1 (t1) at time t1. The zero point calibration value δc is obtained by subtracting the value δw. This zero point calibration value δc is a value that compensates for the amount of movement of the zero point of the entire region air-fuel ratio sensor 1 over time. The zero point calibration value δc is supplied from the zero point calibration unit 230 to the gas concentration detection unit 200, and zero point calibration is executed using the zero point calibration value δc. Therefore, the gas concentration detection unit 200 can obtain a correct detection result when detecting the gas concentration (oxygen concentration) when the exhaust gas is the detected gas thereafter.

なお、図6〜図8の例では、水分濃度Hmに基づいてセンサのゼロ点較正処理を行っていたが、水分濃度Hmなどの水分濃度相当値は、これ以外の用途で利用してもよい。例えば、水分濃度相当値を水分濃度検出部220からECU5に供給することによって、ECU5がエンジン101の制御に水分濃度相当値を利用できるようにしてもよい。   6 to 8, the sensor zero point calibration processing is performed based on the moisture concentration Hm. However, a moisture concentration equivalent value such as the moisture concentration Hm may be used for other purposes. . For example, the moisture concentration equivalent value may be supplied to the ECU 5 from the moisture concentration detection unit 220 so that the ECU 5 can use the moisture concentration equivalent value for the control of the engine 101.

・変形例
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
Modification Examples The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.

・変形例1
上記実施形態では、第1ポンプ電流Ip1と第2ポンプ電流Ip2の差分ΔIpから水分濃度Hm(水分濃度相当値)を求める際に用いる係数K1又は係数K2を、個々のセンサ毎に決定するものとしたが、これらの係数K1又は係数K2は、予め定めた有限個の複数の値の中から選択するようにしてもよい。後者の場合には、例えば、ガスセンサの製造時に測定した第1ポンプ電流Ip1の値に基づいて、ガスセンサを複数のランクに分類し、そのランクに対して予め設定されている係数K1又は係数K2を使用するようにしてもよい。
・ Modification 1
In the above embodiment, the coefficient K1 or the coefficient K2 used when determining the water concentration Hm (water concentration equivalent value) from the difference ΔIp between the first pump current Ip1 and the second pump current Ip2 is determined for each individual sensor. However, the coefficient K1 or the coefficient K2 may be selected from a predetermined finite number of values. In the latter case, for example, the gas sensor is classified into a plurality of ranks based on the value of the first pump current Ip1 measured at the time of manufacturing the gas sensor, and the coefficient K1 or the coefficient K2 set in advance for the rank is set. It may be used.

また、上記実施形態では、図3に示したような関数又はテーブルとして、同じ構造、型式、品番のすべてのセンサに共通する1つの関数又はテーブルを用いるものとしたが、この代わりに、複数のランクに対応する複数個の関数又はテーブルを準備しておき、ガスセンサのランクに応じて1つの関数又はテーブルを選択して使用するようにしてもよい。   In the above embodiment, as the function or table as shown in FIG. 3, one function or table common to all sensors having the same structure, model, and product number is used. A plurality of functions or tables corresponding to the rank may be prepared, and one function or table may be selected and used according to the rank of the gas sensor.

・変形例2
上記実施形態では、ポンプ電流Ip1,Ip2から水分濃度相当値を求める関係として、上記(3)〜(5)式や(3a)〜(5a)式で与えられる関数やテーブルを使用していたが、これら以外の任意の関数やテーブルを使用してもよい。例えば、ポンプ電流の差分ΔIpの2次関数や1次関数の代わりに、3次関数や4次関数などの他の関数を用いても良い。また、これらの関数やテーブルとしては、ポンプ電流Ip1,Ip2の差分ΔIpに係数K1を乗じた値K1・ΔIp(又はK2・ΔWip)のみに依存する関数又はテーブルを使用することが好ましい。但し、水分濃度相当値として被検出ガスの湿度を求める場合には、K1・ΔIp(又はK2・ΔWip)と被検出ガスの温度のみに依存する関数又はテーブルを使用することが好ましい。
・ Modification 2
In the above embodiment, the functions and tables given by the above formulas (3) to (5) and the formulas (3a) to (5a) are used as the relationship for obtaining the moisture concentration equivalent value from the pump currents Ip1 and Ip2. Any other function or table may be used. For example, other functions such as a cubic function or a quartic function may be used instead of the quadratic function or the linear function of the difference ΔIp of the pump current. As these functions and tables, it is preferable to use functions or tables that depend only on the value K1 · ΔIp (or K2 · ΔWip) obtained by multiplying the difference ΔIp between the pump currents Ip1 and Ip2 by the coefficient K1. However, when obtaining the humidity of the gas to be detected as the moisture concentration equivalent value, it is preferable to use a function or table that depends only on K1 · ΔIp (or K2 · ΔWip) and the temperature of the gas to be detected.

・変形例3
上記実施形態では、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとして全領域空燃比センサを用いた例を説明したが、本発明は他の種類のガスセンサにも適用可能であり、例えば、被検出ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサにも適用可能である。
Modification 3
In the above embodiment, an example in which the full-range air-fuel ratio sensor is used as the gas sensor for detecting the gas concentration of the specific component in the gas to be detected has been described, but the present invention can also be applied to other types of gas sensors, for example, The present invention is also applicable to a NOx sensor that detects the NOx concentration in the gas to be detected.

・変形例4
上記実施形態では、エンジンの燃料供給が停止されたときに出力されるフューエルカット信号に基づいて被検出ガスが大気であることを判断しているが、他の信号に基づいて被検出ガスが大気か否かを判断しても良い。例えば、全領域空燃比センサ1が酸素濃度既知の補正用ガスをセンサ素子10の周囲の雰囲気に充填する装置を設け、補正用ガスが充填されるときに出力される信号に基づいて被検出ガスが大気であることを判断してもよい。
Modification 4
In the above embodiment, it is determined that the detected gas is the atmosphere based on the fuel cut signal that is output when the fuel supply to the engine is stopped. It may be determined whether or not. For example, the entire-range air-fuel ratio sensor 1 is provided with a device that fills the atmosphere around the sensor element 10 with a correction gas having a known oxygen concentration, and the gas to be detected is based on a signal output when the correction gas is filled. May be determined to be atmospheric.

・変形例5
上記実施形態では、センサ制御装置3が排気ガス中の酸素濃度や空燃比、大気中の水分濃度などを決定しているが、この代わりに、センサ制御装置3からポンプ電流Ipなどの各種の信号をECU5に出力し、ECU5がこれらの信号に基づいて排気ガス中の酸素濃度や空燃比、大気中の水分濃度などを決定するようにしてもよい。
Modification 5
In the above embodiment, the sensor control device 3 determines the oxygen concentration, the air-fuel ratio, the moisture concentration in the atmosphere, etc. in the exhaust gas, but instead, various signals such as the pump current Ip from the sensor control device 3. May be output to the ECU 5, and the ECU 5 may determine the oxygen concentration in the exhaust gas, the air-fuel ratio, the moisture concentration in the atmosphere, or the like based on these signals.

1…全領域空燃比センサ
3…センサ制御装置
4…ガスセンサ装置
5…エンジン制御装置(ECU)
9…制御部
10…センサ素子
11…固体電解質体
12…絶縁基体
13…固体電解質体
15…拡散律速部
17…絶縁基体
18…絶縁基体
19〜22…電極
23…ガス検出室(検出室)
24…絶縁基体
25…保護層
26…発熱抵抗体
30…電気回路部
31…ヒータ通電制御回路
32…ポンプ電流駆動回路
33…電圧検出回路
34…微小電流供給回路
35…基準電圧比較回路
36…ポンプ電流検出回路(電流検出部)
40…酸素ポンプセル
50…酸素濃度検出セル
80…バッテリ
91…ハーネス
100…車両
101…エンジン
102…排気管
200…ガス濃度検出部
210…雰囲気判別部
220…水分濃度検出部
222…分圧回路
224…水分濃度決定部
225…電圧設定部
226…水分濃度テーブル
230…ゼロ点較正部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Full range air-fuel ratio sensor 3 ... Sensor control apparatus 4 ... Gas sensor apparatus 5 ... Engine control apparatus (ECU)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Control part 10 ... Sensor element 11 ... Solid electrolyte body 12 ... Insulation base | substrate 13 ... Solid electrolyte body 15 ... Diffusion control part 17 ... Insulation base | substrate 18 ... Insulation base | substrate 19-22 ... Electrode 23 ... Gas detection chamber (detection chamber)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 24 ... Insulating base | substrate 25 ... Protective layer 26 ... Heat-generating resistor 30 ... Electric circuit part 31 ... Heater energization control circuit 32 ... Pump current drive circuit 33 ... Voltage detection circuit 34 ... Minute current supply circuit 35 ... Reference voltage comparison circuit 36 ... Pump Current detection circuit (current detection unit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 40 ... Oxygen pump cell 50 ... Oxygen concentration detection cell 80 ... Battery 91 ... Harness 100 ... Vehicle 101 ... Engine 102 ... Exhaust pipe 200 ... Gas concentration detection part 210 ... Atmosphere discrimination | determination part 220 ... Water concentration detection part 222 ... Divided voltage circuit 224 ... Water concentration determination unit 225 ... Voltage setting unit 226 ... Moisture concentration table 230 ... Zero point calibration unit

Claims (4)

第1固体電解質体及び当該第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、当該一対の第1電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される検出室内に配置され、他方の電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される酸素濃度検出セルと、第2固体電解質体及び当該第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、前記一対の第2電極のうちの一方の電極が前記検出室内に配置され、当該一対の第2電極間に流れる電流に応じて、前記検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルと、を備えるガスセンサと、前記ガスセンサに接続されて前記被検出ガス中の特定成分のガス濃度及び前記被検出ガスが大気であるときの湿度を検出するセンサ制御装置とを備えたガスセンサ装置であり、前記センサ制御装置が、
前記検出室内の酸素濃度と前記基準となる酸素濃度雰囲気の酸素濃度との差異に起因して前記一対の第1電極間に生じる電圧を検出し、当該一対の第1電極間に生じる電圧が制御目標電圧となるように前記一対の第2電極間に流れる電流を制御する電流制御部と、
前記被検出ガスが大気であるか否かを判別する雰囲気判別部と、
前記制御目標電圧を第1基準電圧に設定する一方、前記雰囲気判別部によって前記被検出ガスが大気であると判別された場合に、前記制御目標電圧を前記第1基準電圧よりも大きい第2基準電圧に設定する電圧設定部と、
前記第1基準電圧が前記酸素濃度検出セルの前記一対の第1電極間に生じた状態において前記酸素ポンプセルの前記一対の第2電極間に流れる第1ポンプ電流を検出し、また、前記第2基準電圧が前記一対の第1電極間に生じた状態において前記一対の第2電極間に流れる第2ポンプ電流を検出する電流検出部と、
前記雰囲気判別部にて前記被検出ガスが大気であると判別されているときに前記電流検出部で検出された第1ポンプ電流及び第2ポンプ電流に基づいて、前記被検出ガスの水分濃度に相当する水分濃度相当値を検出する水分濃度検出部と、を備えたガスセンサ装置であって、
前記水分濃度検出部は、前記第2ポンプ電流と前記第1ポンプ電流の差分に、前記ガスセンサの個体差に応じた一定の係数K1(K1は1でない正の値)を乗じた値に基づいて前記水分濃度相当値を決定する、ことを特徴とするガスセンサ装置。
A first solid electrolyte body and a pair of first electrodes formed on the first solid electrolyte body, and one of the pair of first electrodes is in a detection chamber into which a gas to be detected is introduced. An oxygen concentration detection cell that is disposed and the other electrode is exposed to a reference oxygen concentration atmosphere; a second solid electrolyte body; and a pair of second electrodes formed on the second solid electrolyte body. One of the second electrodes is arranged in the detection chamber, and pumps out oxygen contained in the detection gas introduced into the detection chamber in accordance with a current flowing between the pair of second electrodes, or A gas sensor including an oxygen pump cell that performs pumping; and a sensor control device that is connected to the gas sensor and detects a gas concentration of a specific component in the gas to be detected and humidity when the gas to be detected is the atmosphere. Gassen with A device, the sensor control apparatus,
The voltage generated between the pair of first electrodes due to the difference between the oxygen concentration in the detection chamber and the oxygen concentration of the reference oxygen concentration atmosphere is detected, and the voltage generated between the pair of first electrodes is controlled. A current control unit that controls a current flowing between the pair of second electrodes so as to be a target voltage;
An atmosphere discriminating unit for discriminating whether or not the gas to be detected is air;
While the control target voltage is set to the first reference voltage, when the detected gas is determined to be the atmosphere by the atmosphere determination unit, the control target voltage is set to a second reference that is greater than the first reference voltage. A voltage setting unit for setting the voltage;
Detecting a first pump current flowing between the pair of second electrodes of the oxygen pump cell in a state where the first reference voltage is generated between the pair of first electrodes of the oxygen concentration detection cell; A current detector for detecting a second pump current flowing between the pair of second electrodes in a state where a reference voltage is generated between the pair of first electrodes;
Based on the first pump current and the second pump current detected by the current detection unit when the detected gas is determined to be the atmosphere by the atmosphere determination unit, the moisture concentration of the detected gas is determined. A gas sensor device comprising a moisture concentration detection unit for detecting a corresponding moisture concentration equivalent value,
The moisture concentration detection unit is based on a value obtained by multiplying a difference between the second pump current and the first pump current by a constant coefficient K1 (K1 is a positive value other than 1) corresponding to an individual difference of the gas sensor. A gas sensor device that determines the moisture concentration equivalent value.
請求項1に記載のガスセンサ装置であって、
前記水分濃度検出部は、前記第2ポンプ電流と前記第1ポンプ電流の差分に前記係数K1を乗じた値と前記水分濃度相当値との関係を示す関数又はテーブルとして、前記ガスセンサの個体差に依存しない関数又はテーブルを格納するとともに、前記ガスセンサの個体差に依存して決定された前記係数K1を使用することを特徴とするガスセンサ装置。
The gas sensor device according to claim 1,
The moisture concentration detection unit is configured to calculate a difference between the second pump current and the first pump current by the coefficient K1 and a function or table indicating a relationship between the value corresponding to the moisture concentration and an individual difference of the gas sensors. A gas sensor device characterized by storing an independent function or table and using the coefficient K1 determined depending on an individual difference of the gas sensor.
請求項1又は2に記載のガスセンサ装置であって、
前記水分濃度検出部は、前記第1ポンプ電流Ip1を示す電圧値Vip1を分圧することによって第1ポンプ電流相当電圧K2・Vip1(K2はK1に比例する正の一定値)を出力するとともに、前記第2ポンプ電流Ip2を示す電圧値Vip2を分圧することによって第2ポンプ電流相当電圧K2・Vip2を出力する分圧回路を備え、
前記水分濃度検出部は、前記分圧回路から出力される前記第2ポンプ電流相当電圧K2・Vip2と前記第1ポンプ電流相当電圧K2・Vip1の差分K2(Vip2−Vip1)から前記水分濃度相当値を決定する、ことを特徴とするガスセンサ装置。
The gas sensor device according to claim 1 or 2,
The moisture concentration detector outputs a first pump current equivalent voltage K2 · Vip1 (K2 is a positive constant value proportional to K1) by dividing the voltage value Vip1 indicating the first pump current Ip1, and A voltage dividing circuit that outputs a second pump current equivalent voltage K2 · Vip2 by dividing a voltage value Vip2 indicating the second pump current Ip2,
The moisture concentration detecting unit is configured to determine the moisture concentration equivalent value from a difference K2 (Vip2−Vip1) between the second pump current equivalent voltage K2 · Vip2 and the first pump current equivalent voltage K2 · Vip1 output from the voltage dividing circuit. Determining a gas sensor device.
請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ装置であって、更に
前記水分濃度相当値を利用して前記ガスセンサのゼロ点較正を行うゼロ点較正部を備えることを特徴とするガスセンサ装置。
The gas sensor device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a zero point calibration unit that performs zero point calibration of the gas sensor using the moisture concentration equivalent value. .
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