JP3310273B2

JP3310273B2 - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP3310273B2
Application number: JP2001204729A
Authority: JP
Inventors: 聡羽田; 英一黒川; 友生川瀬; 敏行鈴木; 哲志長谷田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2001-07-05
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2018-12-04
Also published as: JP2002071640A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検出ガス中の特
定ガス成分の濃度を検出するガス濃度センサを備えるガ
ス濃度検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば車両用エンジンから排出さ
れる排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出可能
な、いわゆるＮＯｘセンサが提案され、実用化されつつ
ある。同ＮＯｘセンサとして酸素濃度とＮＯｘ濃度とを
同時に検出可能なセンサでは、排ガス中の酸素を分解し
て酸素濃度を検出するためのポンプセルと、酸素分解後
に同排ガス中のＮＯｘを分解してＮＯｘ濃度を検出する
ためのセンサセルとを有する。この場合、酸素濃度又は
ＮＯｘ濃度の検出に際し所定の電圧が各セルに印加され
ると、その電圧印加に伴い酸素濃度又はＮＯｘ濃度に応
じた電流が各セルに流れ、その電流信号がセンサから出
力される。そして、各セルの検出信号は信号処理回路に
て電圧信号に変換された後、制御装置（エンジン制御Ｅ
ＣＵ等）に出力される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記ＮＯｘ
センサの場合、センサセル電流（ＮＯｘ濃度に応じたセ
ンサ信号）が微弱であることから当該センサ信号がノイ
ズ等の影響を受け易く、ＮＯｘ濃度が誤検出されるおそ
れがある。一般に、ＮＯｘ濃度が０〜２０００ｐｐｍで
ある場合、センサの電流出力は５〜１０μＡと非常に微
小である。従って、例えば車両用エンジンに適用される
ガス濃度検出装置では他の電気機器の影響により、ガス
濃度センサから制御装置（ＥＣＵ等）に到達する間にセ
ンサ信号にノイズが重畳し、当該センサ信号が誤検出さ
れるという問題が生ずる。

【０００４】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、ノイズによる影
響を削減し、ひいてはガス濃度の誤検出を防止すること
ができるガス濃度検出装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明では、車両用エンジンから排
出される排ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス
濃度センサと、該ガス濃度センサからのガス濃度信号を
出力するマイクロコンピュータとを備えたガス濃度検出
装置であって、前記ガス濃度センサは、固体電解質とポ
ンプ第１電極とポンプ第２電極を有し、電圧を印加する
ことによりガス濃度センサに導入された前記排ガス中の
酸素を分解してガス濃度センサより排出させるポンプセ
ルと、固体電解質とセンサ第１電極とセンサ第２電極を
有し、電圧を印加することにより前記排ガス中のＮＯ
ｘ、ＨＣ又はＣＯの少なくとも一つのガスをセンサ第１
電極で分解し、固体電解質中に流れた電流値により前記
排ガス中のＮＯｘ濃度、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度の少なく
とも一つの濃度である特定ガス成分の濃度を検出するセ
ンサセルとを有し、前記マイクロコンピュータを、前記
センサ第１電極及びセンサ第２電極に接続されて前記特
定ガス成分のガス濃度に応じた電圧信号をガス濃度信号
としてシリアル通信によって外部装置に出力する濃度検
出回路と、前記ガス濃度センサのセンサ素子部のインピ
ーダンスを検出するインピーダンス検出回路と、該イン
ピーダンスに基づいて前記ガス濃度センサ内蔵のヒータ
の通電を制御するヒータ制御回路とから構成し、前記マ
イクロコンピュータを外部装置との接続用のコネクタに
収容した。

【０００６】上記構成によれば、センサ信号が微弱であ
ってもノイズの影響を受けにくくすることが可能とな
る。その結果、ノイズによる影響を削減し、ひいてはガ
ス濃度の誤検出を防止して精度の良いガス濃度検出を実
施することができる。また、ノイズの影響を排除しつ
つ、インピーダンスの検出精度が確保できると共にヒー
タ制御性の向上を図ることができ、更にはセンサ出力精
度が向上する。

【０００７】請求項２に記載の発明では、前記マイクロ
コンピュータは、前記ポンプセルのポンプ第１電極とポ
ンプ第２電極との間の電流を検出し、該検出したポンプ
セル電流に対応する目標印加電圧を求めてポンプセルの
印加電圧を制御する。これにより、排ガス中の酸素濃度
に関係なく、常に所望のセンサ電流（限界電流）が検出
可能となる。

【０００８】また、請求項３に記載の発明では、ガス濃
度センサと前記コネクタとの長さが規定されている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガス濃度検出装置
を車両用エンジンの制御システムに具体化した一実施の
形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるエ
ンジン制御システムでは、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ
濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサ
としてのガス濃度センサが機関排気管に配設され、同ガ
ス濃度センサの検出結果を基に空燃比フィードバック
（Ｆ／Ｂ）制御や、排気浄化触媒の診断処理等が実施さ
れる。

【００１０】図１は、本実施の形態におけるエンジン制
御システムの概要を示す構成図である。図１において、
エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成さ
れている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対
して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設
されている。また、排気管１３にはガス濃度センサ１０
０が配設されており、同センサ１００は排ガス中の酸素
濃度又はＮＯｘ濃度に応じた検出信号を出力する。

【００１１】ここで、２セル構造を有するガス濃度セン
サ１００の構成を図３を用いて説明する。ガス濃度セン
サ１００は、ポンプセル（第１セル）１１０、センサセ
ル（第２セル）１２０、多孔質拡散層１０１、大気ダク
ト１０２及びヒータ１０３を要件とし、これら各部材が
積層されて成る。なお、同センサ１００は図の右端部に
てエンジン排気管１３に取り付けられ、その上下面及び
左面が排ガスに晒されるようになっている。

【００１２】より詳細には、ポンプセル１１０は多孔質
拡散層１０１と排ガス空間との間に設置される。ポンプ
セル１１０の排ガス側（図の上側）にはポンプ第１電極
１１１が設置され、多孔質拡散層１０１側（図の下側）
にはポンプ第２電極１１２が設置される。また、センサ
セル１２０は多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２と
の間に設置される。センサセル１２０の多孔質拡散層１
０１側（図の上側）にはセンサ第１電極１２１が設置さ
れ、大気ダクト１０２側（図の下側）にはセンサ第２電
極１２２が設置される。多孔質拡散層１０１には図の左
側から排ガスが導入されて図の右方へと流通する。

【００１３】ポンプセル１１０及びセンサセル１２０は
積層して形成された固体電解質を有し、これら固体電解
質はＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣ
ａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として
固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼成体からなる。ま
た、多孔質拡散層１０１は、アルミナ、マグネシャ、ケ
イ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からな
る。

【００１４】ポンプセル１１０の排ガス側のポンプ第１
電極１１１と、センサセル１２０のセンサ第１，第２電
極１２１，１２２とは、白金Ｐｔ等の触媒活性の高い貴
金属からなる。一方、ポンプセル１１０の多孔質拡散層
１０１側のポンプ第２電極１１２は、ＮＯｘガスに不活
性な（ＮＯｘガスを分解し難い）Ａｕ−Ｐｔ等の貴金属
からなる。

【００１５】ヒータ１０３は絶縁層１０４に埋設され、
この絶縁層１０４とセンサセル１２０との間に大気ダク
ト１０２が構成される。基準ガス室を構成する大気ダク
ト１０２には外部から大気が導入され、その大気は酸素
濃度の基準となる基準ガスとして用いられる。絶縁層１
０４はアルミナ等にて形成され、ヒータ１０３は白金と
アルミナ等のサーメットにて形成される。ヒータ１０３
はポンプセル１１０やセンサセル１２０を含めセンサ全
体（電極含む）を活性状態にすべく、外部からの給電に
より熱エネルギを発生させる。

【００１６】上記構成のガス濃度センサ１００について
その動作を図４を用いて説明する。図４（ａ）に示され
るように、多孔質拡散層１０１には図の左側から排ガス
成分が導入され、その排ガスがポンプセル近傍を通過す
る際、ポンプセル１１０に電圧を印加することで分解反
応が起こる。なお、排ガス中には酸素（Ｏ2 ）、窒素酸
化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2 Ｏ）
等のガス成分が含まれる。

【００１７】既述の通りポンプセル１１０のポンプ第２
電極１１２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難
い電極）で形成されている。従って、図４（ｂ）に示さ
れるように、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）のみがポンプセル
１１０で分解され、ポンプ第１電極１１１から排ガス中
に排出される。このとき、ポンプセル１１０に流れた電
流が排ガス中に含まれる酸素濃度として検出される。

【００１８】また、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）はポンプセ
ル１１０で完全に分解されず、その一部はそのままセン
サセル近傍まで流通する。そして、図４（ｃ）に示され
るように、センサセル１２０に電圧を印加することによ
り、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとが分解される。つま
り、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとがそれぞれセンサセル
１２０のセンサ第１電極１２１で分解され、センサセル
１２０を介してセンサ第２電極１２２から大気ダクト１
０２の大気中に排出される。このとき、センサセル１２
０に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として
検出される。

【００１９】次に、酸素濃度を検出するためのポンプセ
ル１１０の特性と、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサ
セル１２０の特性とについて、図５及び図６を用いて説
明する。先ずは、ポンプセル特性を図５を用いて説明す
る。

【００２０】図５のＶ−Ｉ特性図に示されるように、ポ
ンプセルは酸素濃度に対して限界電流特性を有する。同
図において、限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直線
部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど正電圧側
にシフトする。

【００２１】ここで、酸素濃度が変化する際に印加電圧
が一定値に固定されていると、上記限界電流検出域（Ｖ
軸に平行な直線部分）を用いた正確な酸素濃度検出を行
うことができない。またこれは、ポンプセル１１０で十
分量の酸素を排出することができないことにもなり、セ
ンサセル１２０での残留酸素が増加し、ＮＯｘ濃度を検
出するための電流にも大きな誤差を生じる。そこで、ポ
ンプセルの直流抵抗成分（印加電圧増加に伴い増加する
傾き部分）の角度と同等の電圧、すなわち図５の印加電
圧線ＬＸ１に示すような電圧を印加する制御を行い、排
ガス中の酸素濃度に関係なく常に所望のセンサ電流（限
界電流）を検出可能とする。

【００２２】次に、センサセル特性を図６を用いて説明
する。図６のＶ−Ｉ特性図に示されるように、センサセ
ルはＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。同図に
おいて、Ａ１部分では多孔質拡散層１０１を通じてセン
サセル１２０に流れ込む残留酸素によりオフセット分の
電流（オフセット電流）が流れ、Ａ２部分ではＮＯｘの
分解電流が流れる（図では１０００ｐｐｍの場合を示
す）。また、「Ａ１＋Ａ２」以上の電流、すなわち図の
右端の電流が大きくなる部分（ＮＯｘ濃度が１０００ｐ
ｐｍの時、Ａ３部分）ではＨ2 Ｏの分解電流が流れる。
このとき、排ガス中のＮＯｘ濃度に対応する限界電流は
「Ａ１＋Ａ２」の電流値で検出される。ＮＯｘ分解電流
を規定する限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直線部
分からなり、その領域はＮＯｘ濃度が濃いほど僅かなが
ら正電圧側にシフトする。ＮＯｘ濃度を検出する際、図
６の印加電圧線ＬＸ２に沿って印加電圧を制御すること
で、排ガス中のＮＯｘ濃度に関係なく常に所望のセンサ
電流（限界電流）が検出可能となる。

【００２３】一方、図１において、電子制御ユニット
（以下、ＥＣＵという）２０は、ガス濃度センサ１００
やその他図示しないセンサ群から各種エンジン運転情報
（エンジン回転数、吸気圧、水温、スロットル開度な
ど）を取り込み、これらのセンサ検出結果に基づいてイ
ンジェクタ１２による燃料噴射量や点火装置１５による
点火時期を最適に制御する。また、同ＥＣＵ２０にはセ
ンサ制御回路Ｍ１０から送信される酸素濃度信号（Ａ／
Ｆ信号）やＮＯｘ濃度信号が入力される。

【００２４】センサ制御回路Ｍ１０は、排ガス中の酸素
濃度に応じて検出される電流信号とＮＯｘ濃度に応じて
検出される電流信号とをガス濃度センサ１００から各々
入力し、これら電流信号により酸素濃度出力とＮＯｘ濃
度出力とを算出してＥＣＵ２０に出力する。また、同制
御回路Ｍ１０は、ガス濃度センサ１００の活性状態を表
す素子温情報（素子抵抗情報）も併せて検出し、該検出
した情報もＥＣＵ２０に出力する。

【００２５】ヒータ制御回路Ｍ２０は、ガス濃度センサ
１００を活性状態に維持すべく、その時々の素子温情報
（又は素子抵抗情報）に基づいてヒータ１０３の通電を
制御する。但しセンサ制御回路Ｍ１０やヒータ制御回路
Ｍ２０の詳細な構成については後述する。

【００２６】ここで、符号３００で示す一点鎖線枠は外
部装置との接続用のコネクタであり、センサ制御回路Ｍ
１０とヒータ制御回路Ｍ２０とがコネクタ３００内に内
蔵されることを示す。また、ガス濃度センサ１００とコ
ネクタ３００内のセンサ制御回路Ｍ１０とは信号線Ｈ１
により電気的に接続され、ヒータ１０３とコネクタ３０
０内のヒータ制御回路Ｍ２０とは信号線Ｈ２により電気
的に接続される。

【００２７】図１１は、ガス濃度センサ１００とコネク
タ３００との外観を示す斜視図である。同図において、
ガス濃度センサ１００は、前記ポンプセル１１０、セン
サセル１２０、ヒータ１０３等を一体化した素子部１５
０を有し、その素子部１５０の周囲には多数の小孔が形
成されたカバー１６０が配設される。コネクタ３００は
ケース３１０と接続部３２０とを有し、ケース３１０内
には前記センサ制御回路Ｍ１０とヒータ制御回路Ｍ２０
とを構成するための電気回路が設けられる。

【００２８】また、図２のブロック図に示されるよう
に、センサ制御回路Ｍ１０は、酸素濃度検出回路Ｍ１１
とＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２と素子インピーダンス検出
回路Ｍ１３とを備える。本実施の形態では、酸素濃度検
出回路Ｍ１１及びＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２が請求項記
載の信号処理回路に相当する。

【００２９】酸素濃度検出回路Ｍ１１は、ガス濃度セン
サ１００のポンプセル電極に接続され、排ガス中の酸素
濃度に応じてポンプセル１１０に流れる電流値を検出取
り込んで該電流値を電圧信号に変換し、その後当該信号
を外部装置に出力する。また、同検出回路Ｍ１１は、そ
の時々のポンプセル電流に応じてポンプセル印加電圧を
可変に設定することで、同印加電圧を制御する。ＮＯｘ
濃度検出回路Ｍ１２は、ガス濃度センサ１００のセンサ
セル電極に接続され、排ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセ
ンサセル１２０に流れる電流値を検出取り込んで該電流
値を電圧信号に変換し、その後当該信号を外部装置に出
力する。また、同検出回路Ｍ１２は、その時々のセンサ
セル電流に応じてセンサセル印加電圧を可変に設定する
ことで、同印加電圧を制御する。

【００３０】素子インピーダンス検出回路Ｍ１３は、例
えば掃引法を用いてセンサセル１２０（又はポンプセル
１１０）のインピーダンスを検出し、該検出したインピ
ーダンス情報をヒータ制御回路Ｍ２０等に出力する。

【００３１】ヒータ制御回路Ｍ２０は、素子インピーダ
ンス検出回路Ｍ１３より出力されたインピーダンス情報
に応じてヒータ１０３の通電を制御する。なお、本案で
実用化できるヒータ制御の具体的内容については、例え
ば本願出願人による特願平１０−２７５５２１号、或い
は特開平８−２７８２７９号公報等に詳細にに開示され
ている。

【００３２】前記図１及び図２についてより具体的な構
成を図７に示す。図７の装置において制御回路２００
は、ＣＰＵ及びＡ／Ｄ，Ｄ／Ａコンバータを備えるマイ
クロコンピュータで構成され、各Ａ／Ｄコンバータ（Ａ
／Ｄ０〜Ａ／Ｄ３）には図の各端子Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｄ，
Ｖｂの電圧が各々入力される。また、Ｄ／Ａコンバータ
（Ｄ／Ａ１，Ｄ／Ａ０）からはポンプ指令電圧Ｖｂ，セ
ンサ指令電圧Ｖｃが各々出力され、Ｄ／Ａコンバータ
（Ｄ／Ａ２，Ｄ／Ａ３）からはＮＯｘ濃度信号，酸素濃
度信号が各々出力される。

【００３３】制御回路２００のＤ／Ａ１から出力される
指令電圧Ｖｂは、増幅回路２１１の非反転入力端子に入
力される。増幅回路２１１の出力端子は、酸素濃度に応
じて流れるポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検
出抵抗２１２の一端に接続され、電流検出抵抗２１２の
他端はガス濃度センサ１００のポンプ第１電極１１１に
接続されると共に増幅回路２１１の反転入力端子に接続
される。これにより、ポンプ第１電極１１１の電圧は常
に指令電圧Ｖｂと同じ電圧になるよう制御される。電流
検出抵抗２１２の両端子は制御回路２００のＡ／Ｄ２，
Ａ／Ｄ３に各々接続される。

【００３４】従って、制御回路２００のＤ／Ａ１からの
指令電圧Ｖｂがポンプセル１１０に印加されると、電流
検出抵抗２１２の両端子電圧Ｖｄ，Ｖｂの差及び電流検
出抵抗２１２の抵抗値Ｒ１によりポンプセル電流Ｉｐ
（酸素濃度）は、Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１として算出される。なお、制御回路２００と増幅回路２
１１と電流検出抵抗２１２とから前記図２の酸素濃度検
出回路Ｍ１１が構成される。

【００３５】一方、制御回路２００のＤ／Ａ０から出力
される指令電圧Ｖｃは、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２
３０を介して増幅回路２２１の非反転入力端子に入力さ
れる。ＬＰＦ２３０は例えば抵抗及びコンデンサからな
る一次フィルタでよい。増幅回路２２１の出力端子は、
ＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサセル電流Ｉｓを検出す
るための電流検出抵抗２２２の一端に接続され、電流検
出抵抗２２２の他端はガス濃度センサ１００のセンサ第
２電極１２２に接続されると共に増幅回路２２１の反転
入力端子に接続される。これにより、センサ第２電極１
２２の電圧は常に指令電圧Ｖｃと同じ電圧になるよう制
御される。電流検出抵抗２２２の両端子は制御回路２０
０のＡ／Ｄ０，Ａ／Ｄ１に各々接続される。

【００３６】従って、制御回路２００のＤ／Ａ０からの
指令電圧Ｖｃがセンサセル１２０に印加されると、電流
検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，Ｖｃの差及び電流検
出抵抗２２２の抵抗値Ｒ２によりセンサセル電流Ｉｓ
（ＮＯｘ濃度）は、Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２として算出される。なお、制御回路２００と増幅回路２
２１と電流検出抵抗２２２とから前記図２のＮＯｘ濃度
検出回路Ｍ１２が構成される。

【００３７】また、制御回路２００は、掃引法を用いて
センサセル１２０の交流インピーダンスを検出する。つ
まり、センサセル１２０のインピーダンス検出時におい
て、制御回路２００は、Ｄ／Ａ０にてセンサセル印加電
圧を瞬間的に変化させる。この印加電圧はＬＰＦ２３０
により正弦波的になまされつつセンサセル１２０に印加
される。交流電圧の周波数は１０ＫＨｚ以上が望まし
く、ＬＰＦ２３０の時定数は５μｓ程度で設定される。
そして、電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，Ｖｃの
変化がＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ０で読み取られ、その時の電圧
変化量と電流変化量とからセンサセル１２０の交流イン
ピーダンスが算出される。インピーダンス検出値は、シ
リアル通信等により出力される。なお、制御回路２００
と増幅回路２２１と電流検出抵抗２２２とから前記図２
の素子インピーダンス検出回路Ｍ１３が構成される。

【００３８】また、制御回路２００は、デューティ比信
号である制御指令値をＩ／Ｏポートから出力してＭＯＳ
ＦＥＴドライバ３００を駆動する。このとき、ＭＯＳＦ
ＥＴ３１０により電源３２０（例えばバッテリ電源）か
らヒータ１０３へ供給される電力がＰＷＭ制御される。
なお、制御回路２００とＭＯＳＦＥＴドライバ３００と
ＭＯＳＦＥＴ３１０とから前記図２のヒータ制御回路Ｍ
２０が構成される。

【００３９】次に、制御回路２００内のＣＰＵにより実
行される印加電圧制御を図８に示すフローチャートに従
い説明する。図８の処理は、図示しないメインルーチン
の途中にて実施される印加電圧制御サブルーチンであ
る。

【００４０】図８において、先ずステップ１０１，１０
２では、前記図７の電流検出抵抗２１２の両端子電圧Ｖ
ｄ，ＶｂをそれぞれＡ／Ｄ２，Ａ／Ｄ３により読み取
る。次に、ステップ１０３，１０４では、前記図７の電
流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，ＶｃをそれぞれＡ
／Ｄ１，Ａ／Ｄ０により読み取る。

【００４１】ステップ１０５ではポンプセル電流Ｉｐを
算出し、続くステップ１０６では、図５に示した印加電
圧線ＬＸ１を用い、前記算出したポンプセル電流Ｉｐに
対応する目標印加電圧を求める（マップ演算する）。さ
らにステップ１０７では、前記求めた目標印加電圧を指
令電圧ＶｂとしてＤ／Ａ１から出力する。次に、ステッ
プ１０８ではセンサセル電流Ｉｓを算出し、続くステッ
プ１０９では、図６に示した印加電圧線ＬＸ２を用い、
前記算出したセンサセル電流Ｉｓに対応する目標印加電
圧を求める（マップ演算する）。さらにステップ１１０
では、前記求めた目標印加電圧を指令電圧ＶｃとしてＤ
／Ａ０から出力する。

【００４２】その後、ステップ１１１では、前記算出し
たセンサセル電流ＩｓをＮＯｘ濃度電流としてＤ／Ａ２
からＥＣＵ等、外部装置に出力する。最後にステップ１
１２では、前記算出したポンプセル電流Ｉｐを酸素濃度
電流としてＤ／Ａ３からＥＣＵ等、外部装置に出力す
る。ステップ１１１，１１２でガス濃度信号を出力する
際、シリアル通信を介して出力してもよい。

【００４３】次に、インピーダンス検出手順を図９のフ
ローチャートに従い説明する。このインピーダンス検出
処理も印加電圧制御と同様、制御回路２００内のＣＰＵ
により実施される。図９には、図示しないメインルーチ
ンの途中にて実施されるインピーダンス検出サブルーチ
ンを示す。なお、インピーダンス検出の周期は、エンジ
ン始動時には１２８ｍｓ、定常運転時には２５６ｍｓと
いうように可変に設定される。

【００４４】図９において、先ずステップ２０１，２０
２では、電圧変化前の電流検出抵抗２２２の両端子電圧
Ｖｅ，ＶｃをＡ／Ｄコンバータにより読み取る（この電
圧値をＶｅ１，Ｖｃ１とする）。その後、ステップ２０
３では、現在のセンサセル印加電圧Ｖｓに対し所定の交
流電圧ΔＶｓを加算した電圧（Ｖｓ＋ΔＶｓ）をＤ／Ａ
０から出力する。このとき、図１０に示されるように、
ＬＰＦ２３０の時定数に合わせ正弦波的に印加電圧（Ｖ
ｃ，Ｖｅ端子電圧）が変化する。

【００４５】さらにその後、ステップ２０４，２０５で
は、電圧変化後の電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖ
ｅ，ＶｃをＡ／Ｄコンバータにより読み取る（この電圧
値をＶｅ２，Ｖｃ２とする）。Ｖｅ２，Ｖｃ２のＡ／Ｄ
読み取りは、電圧変化から２５μｓ程度だけ後に行えば
よい。

【００４６】ステップ２０６では、センサセル１２０の
インピーダンスＺａｃを下式を用いて算出する。Ｚａｃ＝（Ｖｃ２−Ｖｃ１）／｛（Ｖｅ２−Ｖｃ２）−
（Ｖｅ１−Ｖｃ１）｝最後に、ステップ２０７では、印加電圧を元の電圧値Ｖ
ｓに戻すためのΔＶｓ２をＤ／Ａ０から出力し、センサ
セル１２０に印加する。

【００４７】以上の通り、酸素濃度やＮＯｘ濃度の検出
に際し、ガス濃度センサ１００への印加電圧が制御され
ると共に、その電圧印加に伴って流れる電流値（ポンプ
セル電流Ｉｐ、センサセル電流Ｉｓ）が検出される。ま
た、インピーダンス検出時にも、電圧印加に伴って流れ
る電流値（センサセル電流Ｉｓ）が検出される。かかる
場合、ガス濃度センサ１００の電流信号が微弱であるこ
とから、当該信号がノイズの影響を受け易く、ガス濃度
の検出精度が悪化する原因となる。特に図６からも分か
るように、センサセル電流は、ＮＯｘ濃度＝２０００ｒ
ｐｍでも１０μＡ程度しか電流が流れず、ノイズ対策が
必須となる。

【００４８】そこで本実施の形態ではノイズの影響を軽
減すべく、図１に示す構成においてガス濃度センサ１０
０とセンサ制御回路Ｍ１０とを結ぶ信号線Ｈ１の長さ、
並びにヒータ１０３とヒータ制御回路Ｍ２０とを結ぶ信
号線Ｈ２の長さを規定する。つまり、信号線の長さ（セ
ンサからの配線長さ）とセンサ信号レベルとの関係は図
１２になると考えられ、この関係に従い配線長さを規定
する。

【００４９】具体的には、排ガス中の酸素濃度を検出す
るコップ型或いは積層型Ａ／Ｆセンサに比べ、本実施の
形態の如くＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサ（ＮＯ
ｘセンサ）の場合、配線長さを比較的短くすることが要
求される。つまり、前記信号線Ｈ１，Ｈ２の長さを短く
し、ノイズの影響を受けにくくする。

【００５０】またこの場合、ガス濃度検出装置が車両に
搭載された状態では、その搭載状態でガス濃度センサ１
００とコネクタ３００との距離をセンサ信号が微弱であ
るほど短くするとよい。

【００５１】一方、ガス濃度センサ１００の素子部はセ
ラミックで作られており、製造時におけるセンサ個々の
特性バラツキが大きく、製造時の歩留まりが悪い。すな
わち製造条件の僅かな変化によりセンサ出力特性やイン
ピーダンスがばらつき、これらが規格外となるものは廃
棄処分としなければならず生産歩留まりが大きく低下す
る原因となる。ここで言う特性バラツキとは、例えば検
出ガス濃度に対するセンサ信号の出力特性バラツキ、セ
ンサの直流特性バラツキ、交流特性バラツキなどがあ
る。例えば図１３に示されるように、二点鎖線の理想特
性に対して実線の実出力の如く出力特性が変動する場
合、検出誤差が生ずる。

【００５２】また、ガス濃度センサ１００を早期活性さ
せるためにヒータ１０３の抵抗値を小さくしていること
から、車両毎の配線抵抗が相違すると、ヒータ制御性に
バラツキが生じ、ヒータ制御に異常を来すという問題が
生ずる。つまり、ヒータの加熱性能が低下したり、ヒー
タの電力検出に誤差が発生する。従って、素子の活性遅
れや過昇温を招く。

【００５３】これらの問題に対して本実施の形態では、
センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機
能を前記図２の検出回路Ｍ１１〜Ｍ１３に持たせると共
に、配線抵抗による誤差分を調整又は補正するための機
能をヒータ制御回路Ｍ２０に持たせることを考える。

【００５４】調整／補正機能としては、例えば各回路の
ゲイン調整やオフセット調整を可能としたもので、セン
サの出荷時にセンサ毎に調整を行う。調整の方法として
は、・調整部品を取り付ける。・薄膜抵抗体を薄膜トリミングで合わせ込む。・ＩＣチップ上の抵抗をＯＮ・ＣＨＩＰトリミングで合
わせ込む。等の方法がある。

【００５５】例えば図１４に示されるように、酸素濃度
検出回路Ｍ１１の出力側に調整／補正回路Ｍ３１を設け
ると共に、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２の出力側に調整／
補正回路Ｍ３２を設ける。調整／補正回路Ｍ３１，Ｍ３
２には調整部品としての抵抗体を設け、該抵抗体のトリ
ミングにより広いガス濃度検出範囲で出力特性を調整す
る。

【００５６】或いは、マイクロコンピュータを使用した
場合ではゲイン／オフセット調整を内部演算で行い、こ
の演算に使用する値を出荷時にメモリに記憶させる。演
算の方法としては、一般的なマップ演算等が有効であ
る。さらには、この演算で使用する値をＡ／Ｄコンバー
タ等を介して外部から入力可能としておき、この入力値
を用いて調整する方法もある。

【００５７】以上の調整／補正機能により、前記図１３
の出力特性において、実出力を理想特性に一致させるこ
とができる。素子インピーダンス検出回路Ｍ１３につい
ても同様に、調整部品（抵抗体）を備える調整／補正回
路Ｍ３３を接続する。又は、マイクロコンピュータによ
る補正値を入力する。そして、それによりインピーダン
ス検出値のセンサ個々の特性バラツキを補正すればよ
い。

【００５８】さらに、ヒータ制御回路Ｍ２０についても
同様に、調整部品（抵抗体）を備える補正回路を接続し
たり、マイクロコンピュータによる補正値を入力したり
し、それにより配線抵抗による誤差分を補正すればよ
い。

【００５９】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。（ａ）ガス濃度センサ１００とセンサ制御回路Ｍ１０，
ヒータ制御回路Ｍ２０とを電気的に接続するための信号
線Ｈ１，Ｈ２の長さを、或いは両者間の距離を、当該セ
ンサ１００による検出信号のレベルに応じて規定するこ
ととし、センサ信号が微弱であるほど、信号線Ｈ１，Ｈ
２を短くするようにした。換言すれば、ガス濃度センサ
１００と制御回路Ｍ１０，Ｍ２０とを近づけるようにし
た。本構成によれば、センサ信号が微弱であってもノイ
ズの影響を受けにくくすることができる。その結果、ノ
イズによる影響を削減し、ひいてはガス濃度の誤検出を
防止して精度の良いガス濃度検出を実施することができ
る。またこの場合、ガス濃度センサ１００と各回路Ｍ１
０，Ｍ２０との間の最大距離も規定できることから、比
較的高温になるセンサ取付部付近の熱害の影響が回避で
きる。

【００６０】（ｂ）酸素濃度検出回路Ｍ１１、ＮＯｘ濃
度検出回路Ｍ１２、素子インピーダンス検出回路Ｍ１３
及びヒータ制御回路Ｍ２０が一体化されて何れもコネク
タ３００内に収容される。従って、ノイズの影響を排除
しつつ、インピーダンスの検出精度が確保できると共に
ヒータ制御性の向上を図ることができ、更にはセンサ出
力精度が向上する。また、各回路を一体化することで、
構成が簡素化できるという効果が得られる。

【００６１】（ｃ）排ガス中の酸素濃度を検出するため
のポンプセル１１０と、ＮＯｘ濃度を検出するためのセ
ンサセル１２０とを備える、いわゆる複合型ガスセンサ
としてのガス濃度センサ１００では、センサセル電流が
微弱となり、ノイズの影響を受けると正確なＮＯｘ濃度
検出が困難になるが、上記構成によれば既存の問題が解
消され、顕著な効果が得られる。

【００６２】（ｄ）センサ個々の特性バラツキを補正す
るための調整／補正機能をセンサ制御回路Ｍ１０に持た
せると共に、ヒータ１０３の配線抵抗による誤差分を補
正するための調整／補正機能をヒータ制御回路Ｍ２０に
持たせるようにした。以上により、ガス濃度センサ１０
０の個体差が解消され、センサの実出力を理想特性に一
致させることができる。また、ヒータ制御性が安定し、
素子部の活性遅れや過昇温の問題が解消される。その結
果、ガス濃度センサ並びにガス濃度検出装置の歩留まり
が大幅に改善される。この場合、ＥＣＵ２０によりセン
サ毎に複雑な調整を行うのではないため、当該ＥＣＵ２
０に負担を強いることはなく、比較的簡易な手法で調整
／補正機能を持たせることができる。

【００６３】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて具体化できる。上記実施の形態では、酸素
濃度検出回路Ｍ１１、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２、素子
インピーダンス検出回路Ｍ１３及びヒータ制御回路Ｍ２
０を何れもコネクタ３００に内蔵し、ガス濃度センサ１
００とコネクタ３００とを結ぶ信号線Ｈ１，Ｈ２の長
さ、並びに両者間の距離を規定したが、この構成を変更
する。微弱なセンサセル電流を取り込んでＮＯｘ濃度検
出を行うＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２だけをコネクタ３０
０内に設けると共に、その際のセンサ１００からの信号
線の長さを規定する。つまり、ガス濃度センサ１００と
ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２との間の信号線の長さ、或い
は両者間の距離をノイズ影響の少ない範囲で短くする。

【００６４】又は、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２に加え、
酸素濃度検出回路Ｍ１１、素子インピーダンス検出回路
Ｍ１３及びヒータ制御回路Ｍ２０の何れかをコネクタ３
００内に内蔵してもよい。各回路Ｍ１１〜Ｍ１３，Ｍ２
０はガス濃度センサ１００に対してできるだけ近くに配
置されるとよいのは勿論であるが、信号線の長さを選択
的に設定することで、設計の自由度が高まる。またこの
場合、ガス濃度センサ１００と各回路Ｍ１１〜Ｍ１３，
Ｍ２０との間の最大距離も規定できることから、比較的
高温になるセンサ取付部付近の熱害の影響が回避でき
る。

【００６５】上記実施の形態では、前記図７の構成にお
いて、ポンプ第２電極１１２とセンサ第１電極１２１と
の共通端子をＧＮＤに接地したが、当該共通端子を所定
の正電圧で浮かすように構成してもよい。この場合、ポ
ンプセル，センサセルの各々において負電流を流すこと
が可能となり、通常負電流が流れにくいリッチガスに対
しても、多孔質拡散層１０１内のガス濃度を一定に保つ
（例えば酸素濃度を常にストイキ状態に保つ）ことがで
きる。その結果、リッチガスの検出を可能にしてガス濃
度の検出範囲を拡大させると共に、リッチガスからリー
ンガスへの復帰に際し、ガス濃度出力の応答遅れを改善
することができる。

【００６６】本発明は、排ガス中の酸素濃度から空燃比
（Ａ／Ｆ値）を検出するＡ／Ｆセンサにも適用できる。
この場合、固体電解質及び拡散抵抗層等がコップ形状に
成形される、いわゆるコップ型Ａ／Ｆセンサや、板状の
固体電解質及び拡散抵抗層等が積層されてなる、いわゆ
る積層型Ａ／Ｆセンサに適用してもよい。例えば積層型
Ａ／Ｆセンサでは、Ａ／Ｆ＝１２〜１８での電流出力が
−０．７５〜０．４ｍＡであり、やはり当該電流出力が
微弱であるためにノイズの影響を受ける。これに対し本
発明を適用することで、ノイズによる影響を削減し、ひ
いてはガス濃度の誤検出を防止することができる。因み
に、Ａ／Ｆ＝１２〜１８での電流出力が−０．７５〜
０．４ｍＡの場合、１Ａ／Ｆ当たりの電流値は約０．２
ｍＡとなり、空燃比検出の精度要求はその１０％以下、
すなわち２０μＡ以下となる。

【００６７】また、前記図２に示す２セル構造のガス濃
度センサ１００の他に、３セル構造のガス濃度センサ
や、４個以上のセルを持つ構造のガス濃度センサにも適
用できる。

【００６８】複合型ガスセンサとして、酸素濃度とＮＯ
ｘ濃度とを検出可能なガス濃度センサの他、酸素濃度と
ＨＣ濃度又はＣＯ濃度とを検出可能なガス濃度センサに
も適用できる。ＨＣ濃度又はＣＯ濃度を検出する場合、
ポンプセルにて排ガス（被検出ガス）中の余剰酸素を排
出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガス成分からＨ
Ｃ又はＣＯを分解する。これにより、酸素濃度に加え、
ＨＣ濃度又はＣＯ濃度が検出できる。勿論、ＮＯｘ濃
度、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度の何れか一つのみを検出する
ガス濃度センサにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態におけるエンジン制御システ
ムの概要を示す構成図。

【図２】ガス濃度検出装置の概略構成を示すブロック
図。

【図３】ガス濃度センサの構成を示す要部断面図。

【図４】ガス濃度センサの動作原理を説明するための
図。

【図５】ガス濃度センサのポンプセル特性を説明するた
めのＶ−Ｉ特性図。

【図６】ガス濃度センサのセンサセル特性を説明するた
めのＶ−Ｉ特性図。

【図７】ガス濃度検出装置の電気的構成を示す回路図。

【図８】印加電圧制御手順を示すフローチャート。

【図９】インピーダンス検出手順を示すフローチャー
ト。

【図１０】インピーダンス検出時における信号の変化を
示す波形図。

【図１１】ガス濃度センサとコネクタとの外観を示す斜
視図。

【図１２】配線長さとセンサ信号レベルとの関係を示す
図。

【図１３】酸素濃度とセンサ出力との関係を示す図。

【図１４】ガス濃度検出装置の概略構成を示すブロック
図。

【符号の説明】

１００…ガス濃度センサ、１１０…第１セルとしてのポ
ンプセル、１２０…第２セルとしてのセンサセル、１０
３…ヒータ、１５０…素子部、２００…制御回路、３０
０…コネクタ、Ｍ１０…センサ制御回路、Ｍ１１…信号
処理回路としての酸素濃度検出回路、Ｍ１２…信号処理
回路としてのＮＯｘ濃度検出回路、Ｍ１３…素子インピ
ーダンス検出回路、Ｍ２０…ヒータ制御回路、Ｍ３１，
Ｍ３２，Ｍ３３…調整／補正回路、Ｈ１，Ｈ２…信号
線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川瀬友生愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者鈴木敏行愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者長谷田哲志愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (56)参考文献特開平11−72478（ＪＰ，Ａ) 特開平10−232220（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−170723（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/416 G01N 27/419

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】車両用エンジンから排出される排ガス中の
特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度センサと、該ガ
ス濃度センサからのガス濃度信号を出力するマイクロコ
ンピュータとを備えたガス濃度検出装置であって、前記ガス濃度センサは、固体電解質とポンプ第１電極と
ポンプ第２電極を有し、電圧を印加することによりガス
濃度センサに導入された前記排ガス中の酸素を分解して
ガス濃度センサより排出させるポンプセルと、固体電解
質とセンサ第１電極とセンサ第２電極を有し、電圧を印
加することにより前記排ガス中のＮＯｘ、ＨＣ又はＣＯ
の少なくとも一つのガスをセンサ第１電極で分解し、固
体電解質中に流れた電流値により前記排ガス中のＮＯｘ
濃度、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度の少なくとも一つの濃度で
ある特定ガス成分の濃度を検出するセンサセルとを有
し、前記マイクロコンピュータを、前記センサ第１電極及び
センサ第２電極に接続されて前記特定ガス成分のガス濃
度に応じた電圧信号をガス濃度信号としてシリアル通信
によって外部装置に出力する濃度検出回路と、前記ガス
濃度センサのセンサ素子部のインピーダンスを検出する
インピーダンス検出回路と、該インピーダンスに基づい
て前記ガス濃度センサ内蔵のヒータの通電を制御するヒ
ータ制御回路とから構成し、前記マイクロコンピュータを外部装置との接続用のコネ
クタに収容したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】前記マイクロコンピュータは、前記ポンプ
セルのポンプ第１電極とポンプ第２電極との間の電流を
検出し、該検出したポンプセル電流に対応する目標印加
電圧を求めてポンプセルの印加電圧を制御するものであ
る請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】前記ガス濃度センサと前記コネクタとの長
さが規定されている請求項１又は２に記載のガス濃度検
出装置。