JP4572735B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度センサを構成するセンサ素子の濃度検出信号を用いてガス濃度検出を行うガス濃度検出装置に関するものである。

例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを検出対象として同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質層と該固体電解質層に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。そして、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果から酸素濃度（空燃比）が検出されるようになっている。

上記Ａ／Ｆセンサでは、センサ素子が活性状態にあることを前提に酸素濃度が正確に検出できるため、当該センサ素子の活性状態を知るべくセンサ素子の素子抵抗検出（インピーダンス検出）が行われる。具体的には、Ａ／Ｆセンサに接続されたセンサ回路では、マイクロコンピュータ等の演算装置から周期的に出力される素子抵抗検出指令信号に基づいてセンサ印加電圧を正側又は負側に一時的に変化させ、その電圧変化に応答する電流変化量を計測する。そして、演算装置では、センサ回路にて計測した電流変化量をＡ／Ｄ変換器等を介して読み込むと共に、その時の電圧変化量と電流変化量との比により素子インピーダンスを演算する。この場合、センサ印加電圧に伴う電流の応答変化は一時的なものであるため、その電流変化のピーク値をピークホールド回路にて記憶保持し、演算装置ではピークホールド回路の保持値をＡ／Ｄ処理するようにしている（例えば特許文献１参照）。これにより、演算装置が一定周期で電流変化量を読み込む構成（Ａ／Ｄ処理する構成）において、電流変化量の真値を誤差無く読み込むことができる。

上記のとおりインピーダンス検出時の電流変化量をピークホールド回路にて記憶保持する場合、有効な精度を確保するには、予め定められた所定期間内に電流変化量を読み込む必要がある。すなわち、演算装置において電流変化量の読み込みタイミングが早すぎると、その電流変化量が確定前である可能性があり、逆に遅すぎるとピークホールド回路の保持値が変化してしまい真値でない可能性がある。そこで、演算装置内臓のタイマ等を用いてインピーダンス検出開始からの時間を計測し、規定時間が経過したタイミングでピークホールド回路の保持値を読み込むようにしている。

ところが既存の構成では、ピークホールド回路の保持値を読み込むために演算装置でのタイマによる時間計測が不可欠となっている。これに対して近年では、制御内容が益々多様化、複雑化する傾向にあり、演算装置においてタイマ等のリソースの軽減や処理負荷軽減が要望されている。それ故に、その要望に応えることのできる改良技術が必要であった。
特開２０００−８１４１４号公報

本発明は、ガス濃度検出に関わる演算装置のリソースや処理負荷の軽減を図ることができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明のガス濃度検出装置において、センサ回路は、マイクロコンピュータ等の演算装置から周期的に出力される指令信号に従い、該指令信号の出力タイミングから所定時間が経過するまでの期間で演算装置に対して特定期間信号を出力する一方、センサ素子に対して一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与してそれに応答する電流又は電圧の応答変化量を計測し記憶保持する。センサ回路は、例えばピークホールド回路を備えて構成される。演算装置は、前記特定期間信号を基に判定したタイミングで、センサ回路にて記憶保持された前記応答変化量を読み込み、該読み込んだ応答変化量に基づいてセンサ素子の素子抵抗値を演算する。

要するに、センサ回路において、素子抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量を計測し記憶保持する構成では、その応答変化量が正しく記憶保持された後であり、且つ記憶保時された応答変化量が変化したりする前に応答変化量が演算装置に読み込まれなければならない。この場合、演算装置では、応答変化量の読み込みタイミングを判定する必要がある。上記構成では、演算装置はセンサ回路から出力される特定期間信号を基に応答変化量の読み込みタイミングを判定するため、従来技術のように当該タイミングを計るためのタイマ処理等を行う必要はない。従って、ガス濃度検出に関わる演算装置のリソースや処理負荷の軽減を図ることができる。

センサ回路が出力する特定期間信号は、マイクロコンピュータ等の演算装置からの指令信号に基づき出力される他、該指令信号に関係なく出力される構成であっても良い。

素子抵抗の演算時には、センサ素子に流れる素子電流が一時的に変化しガス濃度演算が不可能となるため、センサ回路から演算装置に対してガス濃度演算を一時的に禁止するための演算禁止信号が出力される。この場合、演算禁止信号を前記特定期間信号として用いると良い。つまり、演算装置は、演算禁止信号を基に応答変化量の読み込みタイミングを判定する。

かかる構成において、演算装置は、演算禁止信号が演算禁止レベルから許可レベルに移行するタイミングで、センサ回路にて記憶保持された前記応答変化量を読み込むと良い。

また、前記センサ回路は、前記特定期間信号として、前記応答変化量を計測すべき期間を表す応答変化量計測許可信号を出力すると良い。

また、前記特定期間信号を複数のパルス信号にて構成することが考えられる。この場合、演算装置は、前記パルス信号の何れかを基に判定したタイミングで、センサ回路にて記憶保持された前記応答変化量を読み込むと良い。本構成によれば、何れのパルスエッジを基にタイミング判定するかによって、応答変化量の読み込みタイミングを適宜変更することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実施される。

先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質層１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層１１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。ヒータ１８は、絶縁層１４に埋設される構成（センサ素子１０に内蔵される構成）以外に、センサ素子１０に外付けされる構成であっても良い。なお以下の説明では、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。

上記センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質層１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質層１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。

図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。

このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。

図１は、センサ制御回路１００の構成を示す電気回路図である。図１において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された＋端子Ｔ１には、オペアンプ２１及び電流検出抵抗２２を介して基準電源２３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された−端子Ｔ２にはオペアンプ２４及び抵抗２５を介して印加電圧制御回路３０が接続されている。電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗２２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子１０には＋端子Ｔ１から−端子Ｔ２に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子１０には−端子Ｔ２から＋端子Ｔ１に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。このＢ点電圧が、空燃比の検出結果であるＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとして素子電流出力回路３１を介してマイコン２００に出力される。素子電流出力回路３１は例えばＳ／Ｈ（サンプルホールド）回路により構成されており、空燃比検出時におけるＢ点電圧がサンプルされ、所定のゲートオン期間内においてサンプル値が逐次更新されて出力される。マイコン２００は、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯをＡ／ＤポートＡＤ１より取り込み、該取り込んだＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度の空燃比（Ａ／Ｆ値）を算出する。このＡ／Ｆ値は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。

印加電圧制御回路３０は、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ（Ｂ点電圧のサンプルホールド値）をモニタしつつその値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図３に示す印加電圧特性ＲＧの如く、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の上昇時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。但し、センサ印加電圧は固定値であっても良い。

また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子１０の素子インピーダンスＺａｃが検出されるようになっており、一定周期で空燃比検出が一時的に中断され、その際センサ印加電圧が通常の空燃比検出用の印加電圧（印加電圧制御回路３０による制御電圧）からインピーダンス検出用の印加電圧に切り替えられる。すなわち、マイコン２００は、シーケンス制御回路４０に対して出力するインピーダンス検出指令信号ＳＧ１を、例えば１２８ｍｓｅｃ毎にインピーダンス検出実行を表す信号レベルに操作し、シーケンス制御回路４０は、インピーダンス検出指令信号ＳＧ１の信号変化をトリガとして、電圧切替回路３５に対して出力する電圧切替信号ＳＧ２を、電圧切替実行を表す信号レベルに操作する。電圧切替回路３５は電圧切替信号ＳＧ２に基づいてセンサ印加電圧を交流的に変化させる。これにより、センサ印加電圧に対して例えば１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の交流的な変化が付与され、この交流的な電圧変化に応答して素子電流が変化する。本実施の形態では、センサ印加電圧の正側又は負側への変化量を０．２Ｖとしている。

かかる場合、Ｂ点電圧が電流変化量検出回路３２により計測され、該計測値が電流変化量信号Ｉｏｕｔとしてマイコン２００に出力される。電流変化量検出回路３２は、例えばＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とＰ／Ｈ（ピークホールド）回路とを直列に接続して構成されており、このＰ／Ｈ回路により、所定のゲートオン期間内において計測されたＢ点電圧（電流ピーク値）が記憶保持される。なお、ゲートオン期間は、シーケンス制御回路４０から出力されるゲート指令信号ＳＧ３により規定され、一旦ピークホールドされた電流ピーク値はゲートオンのタイミング毎にリセットされる。

因みに、印加電圧制御回路３０、素子電流出力回路３１、電流変化量検出回路３２、電圧切替回路３５及びシーケンス制御回路４０は、各々の機能を集約した１つのＩＣ回路で構成される。

マイコン２００は、電流変化量検出回路３２から出力される電流変化量信号ＩｏｕｔをＡ／ＤポートＡＤ２より取り込み、該取り込んだ電流変化量信号Ｉｏｕｔに基づいてインピーダンス検出時の電流変化量を算出する。そして、マイコン２００は、インピーダンス検出時の電圧変化量と電圧変化に応答する電流変化量とに基づいて素子インピーダンスＺａｃを算出する（Ｚａｃ＝電圧変化量／電流変化量）。更に、素子インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０が一定の目標温度（例えば７５０℃）に保持されるようになる。

また、インピーダンス検出時には、素子電流Ｉｐが強制的に掃引操作されるためにＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが有効なものでなくなり、空燃比検出が不可能となる。それ故に、シーケンス制御回路４０は、インピーダンス検出指令信号ＳＧ１の入力から所定時間が経過するまでの期間で空燃比検出を禁止し、それ以外の期間で空燃比検出を許可するための空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４をマイコン２００に対して出力する。

ところで、上記のとおりインピーダンス検出時の電流変化量を電流変化量検出回路３２（Ｐ／Ｈ回路）にて記憶保持する構成において、有効な精度を確保するには、マイコン２００により所定の有効読み込み期間内に電流変化量信号Ｉｏｕｔが読み込まれる必要がある。すなわち、電流変化量検出回路３２（Ｐ／Ｈ回路）において電流ピーク値が正しく記憶保持された後であって、且つ記憶保持された電流ピーク値が変化したりする前に、マイコン２００により電流変化量信号Ｉｏｕｔが読み込まれなければならない。そこで本実施の形態では、シーケンス制御回路４０からマイコン２００に出力される空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４を基に、電流変化量信号Ｉｏｕｔの読み込みタイミングを判定するようにしている。

図４は、インピーダンス検出時における各種信号等の挙動を示すタイムチャートである。

図４において、タイミングｔ１では、マイコン２００により、インピーダンス検出指令信号ＳＧ１としてＯＮレベルのパルス信号が出力され、それに伴い、シーケンス制御回路４０からマイコン２００に出力される空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４が許可レベルから禁止レベルに変更される。空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４は、タイミングｔ１から所定時間（本実施の形態では４．５ｍｓｅｃ）が経過するまでの期間で禁止レベルに保持され、これにより当該期間（ｔ１〜ｔ４の期間）においてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づく空燃比検出が禁止される。

また、タイミングｔ２では、シーケンス制御回路４０から電圧切替回路３５に対し電圧切替信号ＳＧ２としてＯＮレベルのパルス信号が出力され、それに伴いセンサ印加電圧が正側及び負側に一時的に切替操作される。そして、センサ印加電圧の変化に応答する電流変化量が電流変化量検出回路３２で計測される。このとき、電流変化量検出回路３２のＰ／Ｈ回路では、タイミングｔ２でゲート指令信号ＳＧ３がＯＮされるのに伴い、前回の電流変化時に記憶保持した電流ピーク値が一旦クリアされ、その後新たに、今回の電流変化に伴う電流ピーク値が記憶保持される。ゲート指令信号ＳＧ３がＯＦＦされるタイミングｔ３では、今回の電流変化に伴う電流ピーク値が確定する。

その後、空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４が禁止レベルから許可レベルに戻るタイミングｔ４では、マイコン２００においてＡＤポート介して電流変化量信号Ｉｏｕｔが読み込まれる。このとき、少なくともセンサ印加電圧の変化開始後１ｍｓｅｃ〜同変化開始後１０ｍｓｅｃの期間内であれば、電流変化量検出回路３２のＰ／Ｈ回路で電流ピーク値が真値のまま保持され、タイミングｔ４はこの期間内であるため、電流変化量信号Ｉｏｕｔが正確に読み込まれる。そして、その電流変化量信号ＩｏｕｔのＡ／Ｄ値を基に素子インピーダンスＺａｃが算出される。

以上詳述した本実施の形態によれば、インピーダンス検出時において、マイコン２００は、タイマ等による時間計測を行わず、シーケンス制御回路４０から出力される空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４を基に判定したタイミングで電流変化量信号Ｉｏｕｔを読み込むため、タイマ等のリソースの軽減や処理負荷低減を図ることができる。

（第２の実施の形態）
次に、Ｏ2センサへの適用例を説明する。Ｏ2センサは、起電力セルを構成するコップ構造のセンサ素子を有するものであり、排ガス中の酸素濃度に応じてセンサ素子の電極間に起電力が発生する。Ｏ2センサはセンサ素子を加熱するためのヒータを備える。

図５は、センサ制御回路の構成を示す電気的構成図である。図５に示すように、Ｏ2センサ６０の一方の端子には抵抗６１とＬＰＦ（ローパスフィルタ）６２とが各々接続されている。排ガス中の酸素濃度に応じてＯ2センサ６０で起電力が発生すると、その都度の起電力に相応するＯ2出力がＬＰＦ６２を介して出力される。ＬＰＦ６２より出力されるＯ2出力は、マイコン３００のＡＤポートに取り込まれる。マイコン３００は、Ｏ2出力を基に空燃比のリッチ／リーン判定などを実施する。

なお、ＬＰＦ６２は、Ｏ2出力に重畳するノイズや交流信号を排除するためのフィルタであり、後述するようにインピーダンス検出のためにＯ2センサ６０の端子電圧（センサ端子電圧）が交流的に変化する場合にも、その影響によるＯ2出力の精度低下が抑制されるようになっている。

インピーダンス検出のための構成として、Ｏ2センサ６０の一方の端子には、交流電圧源６３、分圧抵抗６４及びカップリングコンデンサ６５からなる直列回路が接続されており、Ｏ2センサ６０とカップリングコンデンサ６５との間には、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）６６、Ｐ／Ｈ回路（ピークホールド回路）６７及び増幅回路６８からなる直列回路が接続されている。ここで、交流電圧源６３の出力電圧をＶａ、カップリングコンデンサ６５の両端子のうち分圧抵抗６４側の端子電圧をＶｂ、同Ｏ2センサ６０側の端子電圧をＶｃ、ＨＰＦ６６の出力側の電圧をＶｄ、増幅回路６８の出力電圧をＶｅとする。電圧Ｖｃは、通常の酸素濃度検出時において、その都度の酸素濃度に応じた起電力となっており、前述したようにリッチ雰囲気では概ね０．９Ｖ、リーン雰囲気では概ね０Ｖである。分圧抵抗６４の抵抗値はＲである。

また、本制御回路には交流変化指令回路７０が設けられている。マイコン３００は、交流変化指令回路７０に対して出力するインピーダンス検出指令信号ＳＧ１１を、例えば１２８ｍｓｅｃ毎にインピーダンス検出実行を表す信号レベルに操作し、交流変化指令回路７０は、インピーダンス検出指令信号ＳＧ１１の信号変化をトリガとして、交流電圧源６３に対して出力する交流電圧指令信号ＳＧ１２を、交流電圧出力を表す信号レベルに操作する。交流電圧源６３は、交流電圧指令信号ＳＧ１２に基づいて交流電圧を生成し出力する。

また、交流変化指令回路７０は、インピーダンス検出指令信号ＳＧ１１の入力から所定時間が経過するまでの期間において「Ｏ2出力」による酸素濃度検出を禁止し、それ以外の期間で酸素濃度検出を許可するための酸素濃度検出許可／禁止信号ＳＧ１３をマイコン３００に対して出力する。特に本実施の形態では、マイコン３００において、交流変化指令回路７０から出力される酸素濃度検出許可／禁止信号ＳＧ１３を基にセンサ端子電圧（電圧Ｖｃ）の読み込みタイミングが判定されるようになっている。

Ｐ／Ｈ回路６７は、入力信号を取り込む入力コンパレータや、該コンパレータの出力側に一端が接続され他端が接地されたコンデンサなどにより構成されており、入力信号のピーク値をホールドする。また、Ｐ／Ｈ回路６７は内部にＬＰＦを含む構成となっており、入力信号にノイズ等が重畳する場合においてそのノイズが除去されるようになっている。例えば、ヒータ通電制御としてＰＷＭ制御が行われる場合、ヒータ通電のＯＮ／ＯＦＦが繰り返し行われるために電流のＯＮ／ＯＦＦが常に生じる。そのため、この電流変化に起因する磁束の変化がヒータハーネスと一緒に束ねられるセンサハーネスに伝播してヒータノイズが発生すると考えられるが、このヒータノイズがＰ／Ｈ回路６７内のＬＰＦによって除去される。もちろん、ヒータノイズ以外のノイズも前記ＬＰＦにより除去される。

交流電圧源６３は「交流変化付与手段」に相当し、マイコン３００からの指令に従い所定の周波数にて電圧Ｖａを正側及び負側に掃引変化させる。このとき、電圧Ｖａの変化に伴い分圧抵抗６４、カップリングコンデンサ６５及びＯ2センサ６０よりなる電流経路で電流が流れ、センサ端子電圧である電圧Ｖｃは、Ｏ2センサ６０の素子インピーダンスと分圧抵抗６４の抵抗値とで分圧される電圧値に変化する。そしてこの電圧Ｖｃが、ＨＰＦ６６、Ｐ／Ｈ回路６７及び増幅回路６８を通じて、インピーダンス検出電圧Ｖｅとしてマイコン３００のＡＤポートに取り込まれる。

マイコン３００では、次の（１）式にて素子インピーダンスＺａｃが算出される。
Ｚａｃ＝Ｖｃ／｛（Ｖａ−Ｖｃ）／Ｒ｝ …（１）
上記（１）式において、電圧Ｖａと抵抗値Ｒは固定値であり、電圧Ｖｃを計測することにより、素子インピーダンスＺａｃの算出が可能となる。つまり、マイコン３００は、電圧ＶｃをＨＰＦ６６、Ｐ／Ｈ回路６７及び増幅回路６８を介して取り込み、該取り込んだ値を基に、素子インピーダンスＺａｃを算出する。

交流電圧源６３による電圧Ｖａの掃引周波数は例えば１０ｋＨｚ程度、分圧抵抗６４の抵抗値Ｒは１ｋΩ程度である。また、カップリングコンデンサの６５の容量は、Ｏ2出力への影響を考えると０．１〜１μＦとするのが望ましく、コストやサイズの制約から０．２μＦ以下とするのが望ましい。但し、インピーダンス検出のためには容量が大きいほど有利であると考えられる。本実施の形態では、コンデンサ容量を０．１μＦとしている。因みに、Ｏ2センサ６０の容量成分は例えば正常時に１０００μＦ程度、劣化時に１００μＦ程度であり、カップリングコンデンサ６０の容量はＯ2センサ６０の容量成分に対して十分に小さいものとなっている。

ここで、電圧の交流変化時において、上記のようにセンサ端子電圧（電圧Ｖｃ）を計測する場合、センサ端子電圧Ｖｃは、そのピーク値が素子インピーダンスに相関がある値となるとともに、収束過程においてセンサ容量のばらつきによる影響を受けることもない。故に、素子インピーダンスの算出精度を確保することができる。特に、カップリングコンデンサ６５は、Ｏ2センサ６０の容量成分よりも十分に容量の小さいものであるため、センサ端子電圧Ｖｃの収束はカップリングコンデンサ６５へのチャージスピードが支配的となり、センサ端子電圧ＶｃはＯ2センサ６０の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けない。したがって、Ｏ2センサ６０の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けることなく、素子インピーダンスを精度良く算出することができる。

以上第２の実施の形態によれば、インピーダンス検出時において、マイコン３００は、タイマ等による時間計測を行わず、交流電圧指令回路７０から出力される酸素濃度検出許可／禁止信号ＳＧ１３を基に判定したタイミングでセンサ端子電圧（電圧Ｖｃ）を読み込むため、タイマ等のリソースの軽減や処理負荷低減を図ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記第１の実施の形態では、空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４が禁止レベルから許可レベルに戻るタイミングで、マイコン２００が電流変化量信号Ｉｏｕｔを読み込む構成としたが、これを変更する。例えば、一定周期でＡ／Ｄ処理を行う構成において、空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４が許可レベルから禁止レベルに移行した後、次のＡ／Ｄタイミングでマイコン２００が電流変化量信号Ｉｏｕｔを読み込む構成としても良い。又は、空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４が許可レベルから禁止レベルに移行した後、ｎ回後（ｎ≧２）のＡ／Ｄタイミングでマイコン２００が電流変化量信号Ｉｏｕｔを読み込む構成としても良い。

また、インピーダンス検出時にシーケンス制御回路４０からマイコン２００に出力される信号（特定期間信号）を複数のパルス信号にて構成し、マイコン２００は、前記パルス信号の何れかを基に判定したタイミングで、電流変化量信号Ｉｏｕｔを読み込むようにしても良い。かかる場合、何れのパルスエッジを基にタイミング判定するかによって、電流変化量信号Ｉｏｕｔの読み込みタイミングを適宜変更することができる。但し何れにしても、電流変化量検出回路３２（Ｐ／Ｈ回路）に記憶保持された電流ピーク値が有効である期間内にマイコン２００により電流変化量信号Ｉｏｕｔが読み込まれる構成であれば良い。

上記第１の実施の形態では、マイコン２００から受信したインピーダンス検出指令信号ＳＧ１に基づき、シーケンス制御回路４０が空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４を生成しマイコン２００に対して出力する構成としたが、これを変更し、シーケンス制御回路４０が、例えば所定の時間周期で空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４を生成しマイコン２００に対して出力する構成としても良い。またこの場合、空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４に代えて、シーケンス制御回路４０がインピーダンス検出を許可する旨を表すインピーダンス検出許可信号（応答変化量計測許可信号に相当）を出力する構成としても良い。マイコン２００から出力されるインピーダンス検出指令信号ＳＧ１を構成要素から外すことも可能である。

図６は、シーケンス制御回路４０がインピーダンス検出許可信号を出力する場合の動作を説明するためのタイムチャートである。図６において、タイミングｔ１１では、センサ印加電圧が正側及び負側に掃引変化され、それに応答して電流変化量信号Ｉｏｕｔが図示の如く変化する。そして、タイミングｔ１１から所定時間Ｔａが経過したタイミングｔ１２では、シーケンス制御回路４０がマイコン２００に対してインピーダンス検出許可信号を出力する。インピーダンス検出許可信号は、ｔ１２〜ｔ１３までの期間Ｔｂ内で継続的に出力され（ＯＮレベルで保持され）、その期間内で電流変化量信号Ｉｏｕｔがマイコン２００に取り込まれる。つまり、期間Ｔｂはインピーダンス有効検出期間に相当する。その後、所定のインピーダンス検出周期が経過したタイミングｔ１４では、前記同様にセンサ印加電圧の掃引等が行われる。

上記のようにマイコンからの指令信号に関係なくセンサ制御回路が所定信号（特定期間信号に相当）を出力する構成は、第２の実施の形態のようにＯ2センサを制御対象とする場合にも適用可能である。この場合、マイコン３００からのインピーダンス検出指令信号ＳＧ１１に関係なく、交流電圧指令回路７０が酸素濃度検出許可／禁止信号ＳＧ１３（又はインピーダンス検出許可信号）をマイコン３００に対して出力する構成とする。

また、空燃比検出時に空燃比検出信号をサンプリングするサンプルホールド回路（又は酸素濃度検出時に酸素濃度検出信号をサンプリングするサンプルホールド回路）を備えた構成では、インピーダンス検出時にマイコンからサンプルホールド回路にホールド信号が出力される。これにより、インピーダンス検出期間においてそれまでの空燃比検出信号が保持される。かかる構成において、マイコンから出力されるサンプルホールド信号に基づいて、例えばシーケンス制御回路４０が空燃比検出許可／禁止信号ＳＧ４を生成しマイコン２００に対して出力する構成としても良い。

上記実施の形態では、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に対して一時的に所定量の電圧変化を付与しそれに応答する電流変化量を計測する構成としたが、これを以下のように変更する。すなわち、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に対して一時的に所定量の電流変化を付与しそれに応答する電圧変化量を計測するようにしても良い。

上記第１の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサとして図２のセンサ素子構造を有するものを説明したが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質層を有する構成に限らず、２層の固体電解質層を有する構成や、３層の固体電解質層を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。

他のセンサ具体例を説明する。図７に示すセンサ素子ＳＥ１では、２層の固体電解質８１，８２を有しており、一方の固体電解質８１には一対の電極８３，８４が対向配置され、他方の固体電解質８２には一対の電極８５，８６が対向配置されている。なお、電極８３〜８５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子ＳＥ１では、固体電解質８１及び電極８３，８４によりポンプセル９１が構成され、固体電解質８２及び電極８５，８６により酸素検知セル９２が構成されている。各電極８３〜８６はセンサ制御回路１００に接続されている。図７において、符号８７はガス導入孔、符号８８は多孔質拡散層、符号８９は大気ダクト、符号９０はヒータである。酸素検知セル９２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

上記センサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサにおいて、酸素検知セル９２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル９２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、酸素検知セル９２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、酸素検知セル９２の起電力出力がストイキ値（０．４５Ｖ）になるようにポンプセル９１の印加電圧が制御される。

図８に示すセンサ素子構造であっても良い。図８のセンサ素子ＳＥ２では、３層の固体電解質１０１，１０２，１０３を有し、固体電解質１０１には一対の電極１０４，１０５が対向配置され、固体電解質１０２には一対の電極１０６，１０７が対向配置されている。本センサ素子ＳＥ２では、固体電解質１０１及び電極１０４，１０５によりポンプセル１１１が構成され、固体電解質１０２及び電極１０６，１０７により酸素検知セル１１２が構成されている。また、固体電解質１０３は、酸素基準室１０８を確保するための壁材を構成している。図８において、符号１０９は多孔質拡散層、符号１１０はガス検出室である。なお、酸素検知セル１１２は、前記図７の酸素検知セル７２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外に、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質層にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、何れかのセルを対象にして素子インピーダンスが検出される。本センサにおいても、本発明の適用により、マイコン等の演算装置についてタイマ等のリソースの軽減や処理負荷低減を図ることができる。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。

ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ガス濃度センサは、ポンプセルにて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からＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。

起電力出力型のガスセンサとして、排ガス中の酸素濃度（Ｏ2濃度）に応じて電極間で起電力を発生するセンサ以外に、酸素成分を含むＮＯｘやＣＯ等の濃度に応じて電極間で起電力を発生するセンサであっても良い。すなわち、一方の電極でＮＯｘやＣＯが分解されて酸素イオンが生じ、固体電解質体を挟んで両側で酸素分圧に差が生じると、その酸素分圧の差に応じて起電力が発生する。このとき、ネルンストの式に基づく起電力が発生する。こうした構成のガスセンサについても本発明が適用できる。

更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いることや、排ガス以外のガスを検出対象とすることも可能である。

発明の実施の形態におけるセンサ制御回路等を示す構成図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 インピーダンス検出時における各種信号等の挙動を示すタイムチャートである。 第２の実施の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。 シーケンス制御回路から出力されるインピーダンス検出許可信号を説明するためのタイムチャートである。 別のセンサ素子の構成を示す断面図である。 別のセンサ素子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質層、１００…センサ制御回路、３２…電流変化量検出回路、３５…電圧切替回路、４０…シーケンス制御回路、６０…Ｏ2センサ、６３…交流電圧源、６４…分圧抵抗、６５…カップリングコンデンサ、７０…交流変化指令回路、２００，３００…マイコン、ＳＧ１…インピーダンス検出指令信号、ＳＧ４…空燃比検出許可／禁止信号、ＳＧ１１…インピーダンス検出指令信号、ＳＧ１３…酸素濃度検出許可／禁止信号。

Claims (2)

1. 固体電解質を有してなるセンサ素子に接続され、検出対象のガス濃度に応じて発生する前記センサ素子の出力を計測するセンサ回路と、該センサ回路で計測した前記センサ素子の出力を基に検出対象のガス濃度を演算する演算装置とを備え、
   前記センサ回路は、前記演算装置から周期的に出力される素子抵抗の検出指令信号に従い、該検出指令信号の出力タイミングから所定時間が経過するまでの期間で前記演算装置に対して、当該演算装置でのガス濃度検出を一時的に禁止するための演算禁止信号を出力する一方、前記センサ素子に対して一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与してそれに応答する電流又は電圧の応答変化量を計測し記憶保持する回路構成を有し、
   前記演算装置は、前記演算禁止信号が演算禁止レベルから許可レベルに移行するタイミングで、前記センサ回路にて記憶保持された前記応答変化量を読み込み、該読み込んだ応答変化量に基づいて前記センサ素子の素子抵抗値を演算することを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 固体電解質を有してなるセンサ素子に接続され、検出対象のガス濃度に応じて発生する前記センサ素子の出力を計測するセンサ回路と、該センサ回路で計測した前記センサ素子の出力を基に検出対象のガス濃度を演算する演算装置とを備え、
   前記センサ回路は、素子抵抗の検出周期に相当する所定周期で、前記演算装置に対して、当該演算装置でのガス濃度検出を一時的に禁止するための演算禁止信号を出力する一方、前記センサ素子に対して一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与してそれに応答する電流又は電圧の応答変化量を計測し記憶保持する回路構成を有し、
   前記演算装置は、前記演算禁止信号が演算禁止レベルから許可レベルに移行するタイミングで、前記センサ回路にて記憶保持された前記応答変化量を読み込み、該読み込んだ応答変化量に基づいて前記センサ素子の素子抵抗値を演算することを特徴とするガス濃度検出装置。

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