JP4614210B2 - ガス濃度検出システム - Google Patents

Description

本発明は、ポンプセル及び酸素濃度測定セルを備えるガス濃度センサと、このガス濃度センサに接続されて所定の制御を行い、ポンプセルに流れるポンプ電流をガス濃度に応じた電圧信号として出力可能なセンサ制御装置とを備えるガス濃度検出システムに関する。

車載用エンジンなどの内燃機関の空燃比制御においては、空燃比制御の精度を高めるといった要望やリーンバーン化の要望に対応すべく、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を広域に検出可能なガス濃度センサと、そのセンサを制御するためのセンサ制御装置とを備えたガス濃度検出システムが用いられている。

そして、酸素濃度を広域に検出可能なガス濃度センサとして、ポンプセルと酸素濃度測定セルとを積層した２セル式の構造を有するものが知られている。このガス濃度センサは、より具体的には、固体電解質層を一対の電極で挟んでなるポンプセル及び酸素濃度測定セルを、各セルの一方の電極が多孔質状の拡散律速層を介して排気ガスが導入可能な中空の測定ガス室に面するように積層した構造を有している。

また、このような２セル式のガス濃度センサに接続され、酸素濃度の検出や酸素濃度測定セルの素子抵抗の検出などの制御を行うセンサ制御装置として、特許文献１及び２のセンサ制御装置が知られている。
この特許文献１及び２には、ポンプセルの内側ポンプ電極及び酸素濃度測定セルの測定電極（共に測定ガス室に面する側の電極）と接続された共通端子に接続されるノードと、ポンプセルの外側ポンプ電極と接続された第１端子に接続され、ノードの電位を一定に保持するように、ポンプセルに正負にわたるポンプ電流を流す演算増幅回路と、ノードに検出抵抗器を介して出力端子が接続され、酸素濃度測定セルの電極間の電位が一定となるように、ポンプセルに流すポンプ電流の大きさを制御するＰＩＤ制御回路と、を有するセンサ制御装置が開示されている。さらに、特許文献１及び２には、酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するための構成として、一端が第２端子（酸素濃度測定セルの基準電極が接続された端子に相当）に接続されると共に、他端がＰＩＤ制御回路の入力端子に接続され、酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するときに、特定時間にわたって第２端子との接続を遮断し、それ以前の第２端子の電圧を保持するサンプルホールド回路と、第２端子に接続され、酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するための検出用電流を通電する電流源と、を有するセンサ制御装置が開示されている。

ところで、特許文献１及び２のセンサ制御装置では、短時間ではあるものの、酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出する処理を実行する際に、サンプルホールド回路を特定期間にわたりホールド状態にして、ガス濃度センサによる酸素濃度を検出するための処理（制御）を一時中断させる必要がある。ただし、このように素子抵抗の検出時に酸素濃度を検出するための処理を中断すると、空燃比制御自身も一時中断する等の処置が必要となり、近年益々強化される排ガス規制に対応するための精密な空燃比制御を実行できないおそれがある。

そこで、特許文献３にて、ガス濃度センサの素子抵抗の検出時に、サンプルホールド回路を用いて、ガス濃度センサにおける出力変化を遮断すると共に、それ以前のガス濃度に応じた出力を特定期間にわたり保持するようにした技術が知られている（図１、図１０参照）。この技術では、ガス濃度センサの素子抵抗を検出する際には、空燃比制御自身を一時中断させることなく、サンプルホールド回路からの出力を用いた空燃比制御が実現可能となる。

特開平１０−７３５６６号公報 特開２００２−２５７７８３号公報 特開平１１−６８１３号公報

そこで、特許文献１及び２の技術において、素子抵抗の検出時にも空燃比制御を実行させられるようにすることを目的に、特許文献３の技術の適用について本発明者らが検討した結果、センサ制御装置の態様によっては、ガス濃度に応じた出力を保持するサンプルホールド回路の保持状態を解除させた直後に、センサ制御装置からの出力（ガス濃度に応じた電圧信号）にノイズ成分が重畳し、真の酸素濃度からずれた出力がなされることが分かった。具体的には、素子抵抗の検出処理が終了し、酸素濃度測定セルの基準電極と接続された第２端子の電圧を保持するサンプルホールド回路（以下、第１サンプルホールド回路という）の保持終了タイミングと、ガス濃度に応じた出力を保持するサンプルホールド回路（以下、第２サンプルホールド回路という）の保持終了タイミングとを同期させると、保持終了直後のセンサ制御装置からの出力（電圧信号）にノイズ成分が重畳することがあった。

この理由として、以下の理由が考えられる。第１サンプルホールド回路は、第２端子との接続が遮断され、それ以前の第２端子の電圧を保持した状態にあっても、極僅かな漏れ電流が第１サンプルホールド回路内のコンデンサに向かって流れ、ホールドしている電圧値が変動するため、第１サンプルホールド回路の保持状態を解除しても酸素濃度測定セルの電極間の電位は直ぐに元の値（保持前の値）に戻らないことがある。そして、このような状態で、ＰＩＤ制御回路にて、酸素濃度測定セルの電極間の電位が一定となるようにポンプセルに流すポンプ電流の制御がなされると、第１サンプルホールド回路を解除した直後に出力される電圧信号（検出抵抗器にて電圧変換された電圧信号）に、短期間ではあるが、実際のガス濃度とは関係のないノイズ成分が重畳してしまうのである。そして、このように誤った電圧信号に基づいて空燃比制御がなされると、適正な空燃比制御が行えず、結局精密な空燃比制御が行えなくなってしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、酸素濃度測定セルの素子抵抗の検出時に、酸素濃度測定セルの基準電極に接続される第２端子の電圧を保持する第１信号ホールド手段と、ガス濃度に応じた電圧信号を保持する第２信号ホールド手段とを有するガス濃度検出システムであって、素子抵抗の検出の終了後に第１信号ホールド手段の電圧保持状態を解除したときにも、ノイズ成分が重畳した電圧信号を出力させることなく、精密な空燃比制御を促すことが可能なガス濃度検出システムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明のガス濃度検出システムは、
外側ポンプ電極及び内側ポンプ電極を有するポンプセルと測定電極及び基準電極を有する酸素濃度測定セルとが、被測定ガスを導入可能な測定ガス室に該内側ポンプ電極及び該測定電極が面するように積層されると共に、該外側ポンプ電極に接続される第１端子、該基準電極に接続される第２端子、該内側ポンプ電極及び該測定電極を同電位に接続する共通端子を備えるガス濃度センサと、
前記共通端子に接続されるノードと、前記第１端子に接続され、前記ノードの電位を一定に保持するように、該第１端子を介して前記ポンプセルに正負にわたるポンプ電流を流すポンプ電流通電手段と、前記ノードに出力端子が接続され、前記ポンプセルに流すポンプ電流の大きさを、前記酸素濃度測定セルの測定電極−基準電極間の電位が一定となるように制御する制御回路部と、一端が前記第２端子に接続されると共に、他端が前記制御回路部の入力端子に接続され、前記酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するときに、第１特定時間にわたって該第２端子との接続を遮断し、それ以前の該第２端子の電圧を保持する第１信号ホールド手段と、前記第２端子に接続され、前記酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するための検出用電流を、該第２端子を介して通電する検出用電流通電手段と、前記ポンプ電流が流れる経路の一部を構成すると共に、該ポンプ電流をガス濃度に応じた電圧信号に変換する電圧変換手段と、前記電圧変換手段にて変換した前記電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、前記電圧信号出力手段から出力される電圧信号を取得する信号取得手段と、を含むセンサ制御装置と、
を備えるガス濃度検出システムであって、
前記センサ制御装置は、一端が前記電圧信号出力手段に接続されると共に、他端が前記信号取得手段に接続され、前記酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するときに、前記第１特定期間よりも長い第２特定期間にわたって前記電圧信号出力手段との接続を遮断し、それ以前の前記電圧信号を保持する第２信号ホールド手段を備えており、前記第２特定期間の開始タイミングは、前記第１特定期間の終了タイミングよりも前に設定され、且つ該第２特定期間の終了タイミングは、該第１特定期間の終了タイミングとなってから２００μｓｅｃ以上経過後に設定されることを特徴とする。

本発明のガス濃度検出システムでは、酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するときに、酸素濃度測定セルの基準電極に接続される第２端子の電圧を第１特定期間にわたって保持する第１信号ホールド手段と、ガス濃度に応じた電圧信号を第２特定期間にわたって保持する第２信号ホールド手段とを有する。そして、本発明では、両信号ホールド手段の電圧保持状態を解除するタイミングについて、第２特定期間の終了タイミング（換言すれば、第２信号ホールド手段の電圧保持状態を解除するタイミング）を、第１特定期間の終了タイミング（換言すれば、第１信号ホールド手段の電圧保持状態を解除するタイミング）よりも後に設定したことが注目すべき点である。

このように、第２特定期間の終了タイミングを第１特定期間の終了タイミングよりも後に設定することで、第１信号ホールド手段の電圧保持状態が解除された直後に信号取得手段が取得する電圧信号は、第２信号ホールド手段が保持している電圧信号となる。つまり、第１信号ホールド手段の電圧保持状態が解除されたときに、酸素濃度測定セルの測定電極−基準電極間の電位が第１信号ホールド手段による保持前の値に戻らず、その状態で制御回路部にて酸素濃度測定セルの両電極間の電位が一定となるようにポンプ電流の大きさを制御する処理がなされた場合にも、第２信号ホールド手段が電圧保持状態にある限り、電圧信号出力手段から出力される電圧信号が信号取得手段にて取得されることはない。これにより、第１信号ホールド手段による電圧保持状態を解除した直後に現れるノイズ成分が重畳した電圧信号が信号取得手段にて取得されるのを抑制することができる。

また、第１信号ホールド手段での電圧保持状態が解除されたときに、酸素濃度測定セルの電極間の電位が元の値からずれていても、制御回路部のその後の処理により酸素濃度測定セルの電極間の電位は元の値に戻るため、第１信号ホールド手段での電圧保持状態の解除後、所定の時間が経過したときに第２信号ホールド手段の電圧保持状態を解除することで、第１信号ホールドの電圧保持状態の解除に起因したノイズ成分の重畳がないあるいは非常に少ない電圧信号が電圧信号出力手段より信号取得手段に対して出力されることになる。
従って、本発明のガス濃度検出システムによれば、第１信号ホールド手段の電圧保持状態が解除されたとき、さらには第２信号ホールド手段の電圧保持状態が解除されたときのそれぞれにおいて、信号取得手段はノイズ成分の重畳のないあるいは非常に少ない電圧信号を取得することができ、信号取得手段の前段より得られる電圧信号を用いての精密な空燃比制御を実行することが可能となる。

なお、上記の第２特定期間の終了タイミングは、第１特定期間の終了タイミングの後、酸素濃度測定セルの両電極間の電位が第１信号手段による保持前の値に戻るまでの時間を見込んで適宜設定すればよく、具体的には第１特定期間の終了タイミングとなってから２００μｓｅｃ以上、好ましくは３００μｓｅｃ以上経過後に設定することが好ましい。また、第２特定期間の終了タイミングの上限値は特にはないが、実際のガス濃度に対応した電圧信号を用いての空燃比制御をできるだけ早く再開させられるように適宜設定すれば良い。
また、本発明では、構成要件同士（例えば、第２端子と第１信号ホールド手段）を「接続」という記載で表したが、この「接続」は直結されるものに限定されず、他の電子部品を介して電気的に接続された状態までを含むものである。

さらに、上記のガス濃度検出システムであって、前記第２特定期間の開始タイミングは、前記第１特定期間の開始タイミング以前に設定されると良い。

この発明のガス濃度検出システムでは、第２信号ホールド回路にて素子抵抗の検出タイミングより前の第２端子の電圧信号を確実に保持することができ、第２信号ホールド回路に素子抵抗検出時の影響が及んだ電圧が保持されるのを防ぐことができる。これにより、第２信号ホールド回路にて保持している電圧信号を用いての空燃比制御の精度をより高めることができる。

本発明にかかるガス濃度検出システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４とを有する２セル式の酸素センサ（全領域空燃比センサとも呼ばれる）１０と、この酸素センサ１０に接続され酸素濃度の検出や素子抵抗の検出等の所定の制御を行うセンサ制御回路２０とを含むガス濃度検出システム１の回路・ブロック図である。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスの酸素濃度を広域に検出するためのガス濃度検出システム１は、図１に示すように、２セル式の酸素センサ１０と、この酸素センサ１０に接続されるセンサ制御回路２０と、センサ制御回路２０から出力される酸素濃度に応じたガス濃度信号Ｖｉｐに基づいて酸素濃度（空燃比）を検出し、内燃機関の空燃比制御（具体的には、燃料の噴射量制御）を行うマイクロコンピュータ（以下、単にマイコンともいう）３０と、を含んでいる。センサ制御回路２０のＩｐ＋１、ＣＯＭ１、Ｖｓ＋１の各端子は、それぞれ酸素センサ１０に接続されている。なお、センサ制御回路２０の上記した端子の酸素センサ１０への接続先については、後述する。また、センサ制御回路２０のＣＢ、ＣＣ、ＣＩの各端子は、それぞれマイコン３０のＣＧ、ＣＦ、ＣＴの各端子に接続されている。

酸素センサ１０は、図２に示すように、第１固体電解質層１５を外側ポンプ電極１２及び内側ポンプ電極１６にて挟んだポンプセル１４と、第２固体電解質層１３を測定電極２２及び基準電極２８にて挟んだ酸素濃度測定セル２４と、このポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間に設けられ、排気ガスが導入される中空の測定ガス室２１と、排気ガスを測定ガス室２１に導入するための多孔質状の拡散律速層１８と、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８側に絶縁層２６を介して積層され、酸素濃度測定セル２４との間で酸素を溜め込む酸素基準室３２を形成するための遮蔽層３１とを有する。また、ポンプセル１４の外側には、外側ポンプ電極１２の被毒を防止する目的で、多孔質状の電極保護層３４が設けられている。

ポンプセル１４の内側ポンプ電極１６及び酸素濃度測定セル２４の測定電極２２は、測定ガス室２１に面するように配置されている。また、第１固体電解質層１５、第２固体電解質層１３及び遮蔽層３１は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主体に形成され、外側ポンプ電極１２、内側ポンプ電極１６、測定電極２２、基準電極２８は、白金を主体に形成されている。さらに、測定ガス室２１は、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４との間に配置されるアルミナを主体とする絶縁層（図示せず）の一部を中空に形成することにより構成され、さらにその中空部分と外部空間とが連通するように絶縁層の一部を切り欠き、この切り欠き部分にアルミナを主体とする拡散律速層１８を設けている。

ポンプセル１４の内側ポンプ電極１６と、酸素濃度測定セル２４の測定電極２２とは、互いに同電位に接続されると共に、酸素センサ１０の共通端子ＣＯＭに接続されている。そして、この共通端子ＣＯＭは、センサ制御回路２０の端子ＣＯＭ１に接続される（図１参照）。なお、図１に示すように、内側ポンプ電極１６及び測定電極２２は、端子ＣＯＭ１以外に共通配線、抵抗器６２を介して、センサ制御回路２０の端子Ｖｃにも接続される。また、ポンプセル１４の外側ポンプ電極１２は、酸素センサ１０の端子Ｉｐ＋に接続され、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８は、酸素センサ１０の第２端子Ｖｓ＋に接続されている。そして、第１端子Ｉｐ＋、第２端子Ｖｓ＋は、センサ制御回路２０の端子Ｉｐ＋１、Ｖｓ＋１にそれぞれ接続される（図１参照）。

マイコン３０は、図１に示すように、第１Ａ／Ｄ変換回路５８、第２Ａ／Ｄ変換回路５９、中央演算回路部６０を含むようにして構成されている。この各Ａ／Ｄ変換回路５８、５９は、それぞれマイコン３０の端子ＣＧ、ＣＦを介してセンサ制御回路２０からのガス濃度信号Ｖｉｐ、素子抵抗信号Ｖｒを取得してデジタル値に変換し、これを中央演算回路部６０に出力する。中央演算回路部６０は、デジタル化されたセンサ制御回路２０のガス濃度信号Ｖｉｐ、素子抵抗信号Ｖｒに基づき、酸素濃度の検出ないし酸素濃度測定セル２４の素子抵抗の検出といった処理を行う。また、マイコン３０（具体的には、中央演算回路部６０）は、後述するように、センサ制御回路２０に含まれるスイッチＳＷ１〜ＳＷ９のオン、オフを制御するための切替え信号を、端子ＣＴを介してセンサ制御回路２０の端子ＣＩに出力する機能も有する。

次に、図１に基づいて、センサ制御回路２０の構成と動作について説明する。
センサ制御回路２０は、端子Ｖｃの電位を一定に保持するように、ポンプセル１４に端子Ｉｐ１＋（第１端子Ｉｐ＋）を介してポンプ電流Ｉｐを流すための演算増幅回路５２、ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐの大きさを決定するためのＰＩＤ制御回路５１、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８の酸素濃度（換言すれば、酸素基準室３２の酸素濃度）を一定に保つために、酸素濃度測定セル２４に微小電流Ｉｃｐを通電するための第１電流源４１、ポンプ電流Ｉｐを制御する制御目標となる電圧を供給する定電圧源６１、一端が端子Ｖｃに接続される一方、他端が端子Ｐｏｕｔに接続され、ポンプセル１４を流れるポンプ電流Ｉｐを電圧信号に変換する検出抵抗器５０を含んでいる。

また、このセンサ制御回路２０は、検出抵抗器５０の両端電圧（即ち、端子Ｖｃの電位と端子Ｐｏｕｔの電位との差分）を所定の増幅率で増幅して、ガス検出信号Ｖｉｐとして出力する第１差動増幅回路５４をも含んでいる。なお、この第１差動増幅回路５４は、オペアンプと抵抗器から構成される公知の回路構成であるため、図１ではブロック図として表示している。

第１電流源４１、スイッチＳＷ４、酸素濃度測定セル２４は、この順に接続されて、スイッチＳＷ４がオンのときに、酸素濃度測定セル２４に一定の電流値（例えば、１７μＡ）の微小電流Ｉｃｐを流す電流路を構成している。酸素濃度測定セル２４に対して、測定ガス室２１の酸素を基準電極２８側に汲み込む方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室３２は内部酸素基準源として機能することになる。

ＰＩＤ制御回路５１は、その制御特性を決める複数の抵抗器やコンデンサ、オペアンプ等から構成される公知の回路構成を有している。そして、ＰＩＤ制御回路５１の入力端子は、第１バッファ４２、スイッチＳＷ３、抵抗器４３、４５、第２バッファ４６、抵抗器４７、４８とオペアンプ６９から構成される差動増幅回路を介して端子Ｖｓ＋１に接続されている。また、ＰＩＤ制御回路５１の出力端子は、スイッチＳＷ１、端子Ｐｏｕｔ、検出抵抗器５０を介して端子Ｖｃに接続されている。なお、ＰＩＤ制御回路５１の前段に配置されて差動増幅回路を構成するオペアンプ６９の反転入力端子は、抵抗器４７と抵抗器４９との接続点に接続され、非反転入力端子は、端子Ｖｃに図示しない抵抗器を介して接続されている。また、定電圧源６１は、ポンプ電流を制御する制御目標となる電圧（４５０ｍＶ）を、第３バッファ６５、抵抗器４９を介してオペアンプ６９の反転入力端子に供給する。さらに、演算増幅回路５２は、反転入力端子に端子Ｖｃが接続され、非反転入力端子に基準電圧（３．６Ｖ）が印加され、また出力端子にスイッイッチＳＷ２を介して端子Ｉｐ＋１が接続されている。

さらに、第１差動増幅回路５４の出力段には、スイッチＳＷ９、抵抗器８５、コンデンサ８７から構成される第２サンプルホールド回路８３が設けられている。なお、抵抗器８５とコンデンサ８７については、センサ制御回路２０の端子ＣＢとマイコン３０の端子ＣＧとの間を結ぶ配線に図１に示した接続状態で設置されるものであるが、ここではセンサ制御回路２０の一部として説明することにする。このような構成を有する第２サンプルホールド回路８３は、後述する酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出するときに、スイッチＳＷ９がオンからオフ状態に切り替えられるものであり、それ以外のときはオン状態とされ、第１差動増幅回路５４から出力されるガス濃度信号Ｖｉｐを第１Ａ／Ｄ変換回路５８に出力するよう機能する。

そして、このセンサ制御回路２０及びマイコン３０では、酸素センサ１０が活性状態にあるときに、酸素濃度（空燃比）を広域に検出する動作（処理）が実行される。以下、この動作について説明する。
酸素センサ１０が活性状態に達し、且つ後述する酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出する処理が実行されていないとき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、ＳＷ９はオンとされ、第１電流源４１より酸素濃度測定セル２４に微小電流Ｉｃｐが流される。そして、ＰＩＤ制御回路５１では、オペアンプ６９の出力端子からの出力が入力され、酸素濃度測定セル２４の両電極間に発生する電圧（電位）Ｖｓが４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさが制御される。具体的には、ＰＩＤ制御回路５１にて制御目標電圧（４５０ｍＶ）と酸素濃度測定セルの両電極間に発生する電圧Ｖｓとの偏差量ΔＶｓがＰＩＤ演算され、この偏差量ΔＶｓが検出抵抗器５０を介して演算増幅回路５２の出力端子にフィードバックされてポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。このポンプ電流Ｉｐは、その正負の値により、ポンプセル１４を介して演算増幅回路５２の出力端子に流れ込むか、または演算増幅回路５２の出力端子から供給される。

このとき、ポンプ電流Ｉｐの電流値及び電流の流れ方向は、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐに基づいて、排気ガス中の酸素濃度を広域に検出することができる。具体的には、検出抵抗器５０が、ポンプ電流Ｉｐが流れる経路内に配置されているため、その両端にはポンプ電流Ｉｐの大きさに応じた電圧が発生する。そして、検出抵抗器５０の両端それぞれの電位（具体的には、端子Ｖｃの電位と端子Ｐｏｕｔの電位）は、第１差動増幅回路５４にて差動増幅され、電圧信号であるガス濃度信号Ｖｉｐとして、スイッチＳＷ９がオン状態にある第２サンプルホールド回路８３を介してマイコン３０側に出力される。そして、センサ制御回路２０より出力されたガス濃度信号Ｖｉｐは、マイコン３０の端子ＣＧに入力され、第１Ａ／Ｄ変換回路５８にてデジタル値に変換されて中央演算回路部６０によって処理されて、酸素濃度（空燃比）が検出される。中央演算回路部６０にて検出された酸素濃度は、燃料噴射量にフィードバックされ、これにより空燃比制御が実行される。

また、本実施の形態のガス濃度検出システム１では、酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出する処理系についても有している。
図１に示すように、センサ制御回路２０では、第２バッファ４６が、スイッチＳＷ３、コンデンサ４４と共に第１サンプルホールド回路８１を構成している。つまり、この第１サンプルホールド回路８１は、一端が端子Ｖｓ＋１（第２端子Ｖｓ＋）に接続され、他端がＰＩＤ制御回路５１の入力端子に接続されてなる。この第１サンプルホールド回路８１は、酸素濃度検出時にはオフ状態とされ、酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出するときに、スイッチＳＷ３がオンからオフ状態に切り替えられる。このようにスイッチＳＷ３がオフ状態となることで、端子Ｖｓ＋１との接続を遮断し、その直前の端子Ｖｓ＋１の電圧（即ち、第２端子Ｖｓ＋の電圧）を保持するように機能する。なお、スイッチＳＷ３のオフ状態は、予め設定された第１特定期間にわたって維持される。

スイッチＳＷ３がオンからオフ状態に切替えられると、スイッチＳＷ５、ＳＷ６がオフからオン状態に切替えられ、第２電流源６４、第３電流源７３より酸素濃度測定セル２４に対して、一定の電流値（−１．２２ｍＡ）の検出用電流が所定の時間通電される。そして、第２差動増幅回路５５より、第２バッファ４６に保持されているホールド値ＶＳＨ（抵抗値測定用電流を通電する直前の酸素濃度測定セル２４の電圧Ｖｓ）と、酸素濃度測定セル２４に検出用電流を通電している際の電位Ｖｓ＋Ｂとの差分を所定の増幅率にて増幅した電圧信号が出力される。この電圧値は、酸素濃度測定セル２４の素子抵抗値（バルク抵抗値）に比例することから、抵抗値信号Ｖｒとして利用可能となる。そして、第２差動増幅回路５５から出力される電圧信号は、信号ホールド回路５６に出力される。なお、第２差動増幅回路５５は、オペアンプと抵抗器から構成される公知の回路構成であるため、図１ではブロック図として表示している。

信号ホールド回路５６は、コンデンサやスイッチを含む公知の回路構成を有するものであり、信号ホールド回路５６に備えられるスイッチがオフからオン状態に切替わると、第２差動増幅回路５５から出力される電圧信号の充放電を開始するよう構成されている。そして、信号ホールド回路５６は、そのスイッチがオンされてから所定のタイミングでオフ状態とされることで、第２差動増幅回路５５から出力される電圧信号を素子抵抗信号Ｖｒとして保持し、保持した素子抵抗信号Ｖｒを端子ＣＣに出力する。

また、本実施の形態のガス濃度検出システム１では、第２電流源６４、第３電流源７３より酸素濃度測定セル２４に対して、一定の電流値の検出用電流を所定の時間通電した後、続いてスイッチＳＷ７、ＳＷ８をオフからオン状態に切り替えて、第４電流源９１、第５電流源９３より酸素濃度セル２４に対して、検出用電流とは逆極性の一定の電流値（＋１．２２ｍＡ）を呈した電流を所定の時間通電可能に構成されている。このような逆極性の電流を流すのは、酸素濃度測定セル２４を構成する第２固体電解質層１３の配向現象によって内部起電力が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させるためである。

そして、端子ＣＣから出力される素子抵抗信号Ｖｒは、マイコン３０の端子ＣＦを介して第３Ａ／Ｄ変換回路５９に入力されてデジタル値に変換され、中央演算回路部６０によって処理されて酸素濃度測定セル２４の素子抵抗値が検出される。このようにして検出された素子抵抗値は、酸素センサ１０の温度にほぼ対応した値であることから、中央演算回路部６０等により、検出した素子抵抗値に基づき図示しないヒータの発熱量を制御して、酸素センサ１０の温度を一定に保つための処理が実行される。

さらに、本実施の形態のガス濃度検出システム１では、酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出する処理が行われるときに、第１サンプルホールド回路８１のスイッチＳＷ３をオフ状態にして端子Ｖｓ＋１との接続を遮断し、その直前の端子Ｖｓ＋１（第２端子Ｖｓ＋）の電圧を保持する一方で、上記した第２サンプルホールド回路８３のスイッチＳＷ９をオンからオフ状態に切り替えて、第１差動増幅回路５４との接続を遮断し、直前のガス濃度信号Ｖｉｐを第２特定期間にわたって保持するようにしている。このように、第２サンプルホールド回路８３を動作させることで、素子抵抗の検出タイミング以前のガス濃度信号が保持されることになり、酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出する処理が行われている際にも、保持しているガス濃度検知信号Ｖｉｐを用いて空燃比制御を行うことができる。

次に、上述のように構成されたガス濃度検出システム１の制御について、図３、図４を参照して説明する。なお、図３及び図４に示すフローチャートは、マイコン３０の中央演算回路部６０内にて独立してそれぞれ実行される処理である。まず、ガス濃度信号Ｖｉｐ、素子抵抗信号Ｖｒを取り込むためのフローチャートについて、図３を参照して説明する。なお、この図３は、酸素センサ１０が活性状態になっているときに動作するフローチャートを示す。

図３において、まず、Ｓ１（Ｓはステップを表し、以下も同様とする）では、前回のガス濃度信号Ｖｉｐの取得から所定時間ｔ１（例えば１０ｍｓｅｃ）が経過したか否が判定される。ここで、Ｓ１の判定条件が成立し、所定時間ｔ１が経過すると、Ｓ２に移行し、ガス濃度信号Ｖｉｐを第１Ａ／Ｄ変換回路５８にて取得し、中央演算回路部６０内に取り込む処理を行う。

また、所定時間ｔ１が経過しＳ２の処理が行われると、Ｓ３に移行し、素子抵抗信号Ｖｒを第２Ａ／Ｄ変換回路５９にて取得し、中央演算回路部６０内に取り込む処理を行う。そして、Ｓ３の処理を終えると、Ｓ１〜Ｓ３の処理が繰り返し実行される。

次に、図３に示したフローチャートと独立して実行される素子抵抗検出処理の一連の動作を示したフローチャートについて、図４を参照して説明する。
図４において、まず、Ｓ４１で第２サンプルホールド回路８３のスイッチＳＷ９をオンからオフ状態に切り替える。これにより、第２サンプルホールド回路８３は、第１差動増幅回路５４との接続が遮断され、その直前に第１差動増幅回路５４にて出力されていたガス濃度信号Ｖｉｐを保持する。なお、以降に説明する素子抵抗検出処理の間、図３に示したフローチャートでは、所定時間ｔ１（例えば、１０ｍｓｅｃ）が経過する度に、第２サンプルホールド回路８３にて保持されたガス濃度信号Ｖｉｐが第１Ａ／Ｄ変換回路５８にて取得される。

Ｓ４１における処理後、Ｓ４２に進み、所定時間ｔ３（例えば３０μｓｅｃ）が経過したか否が判定される。そして、このＳ４２の判定条件が成立し、所定時間ｔ３が経過すると、Ｓ４３に進む。このＳ４３では、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオンからオフ状態に切り替えると共に、第１サンプルホールド回路８１のスイッチＳＷ３をオンからオフ状態に切り替える。これにより、第１サンプルホールド回路８１は、端子Ｖｓ＋１との接続が遮断され、その直前の端子Ｖｓ＋１（第２端子Ｖｓ＋）の電圧を保持する。

ついで、Ｓ４４に進み、所定時間ｔ４（例えば３０μｓｅｃ）が経過した否かが判定される。そして、このＳ４４の判定条件が成立し、所定時間ｔ４が経過すると、Ｓ４５に進む。Ｓ４５では、スイッチＳＷ５及びＳＷ６をオフからオン状態に切り替え、第２電流源６４、第３電流源７３より酸素濃度測定セル２４に対して検出用電流を通電し始める。そして、Ｓ４６に進み、信号ホールド回路５６のスイッチをオフからオン状態に切り替える。これにより、第２差動増幅回路５５から出力される電圧信号が、信号ホールド回路５６に入力（充電）される。

ついで、Ｓ４７に進み、所定時間ｔ５（例えば６０μｓｅｃ）が経過した否かが判定される。そして、このＳ４７の判定条件が成立し、所定時間ｔ５が経過すると、Ｓ４８に進んで、信号ホールド回路５６のスイッチをオンからオフ状態に切り替える。これにより、信号ホールド回路５６にて、第２差動増幅回路５５から出力される電圧信号のピーク値が素子抵抗信号Ｖｒとして保持される。ついで、Ｓ４９に進み、スイッチＳＷ５及びＳＷ６をオンからオフ状態に切り替え、検出用電流の通電を停止し、Ｓ５０に進む。

Ｓ５０では、スイッチＳＷ７及びＳＷ８をオフからオン状態に切り替え、第４電流源９１及び第５電流源９３より酸素濃度測定セル２４に対して、検出用電流とは逆極性の一定電流を通電し始める。そして、Ｓ５１に進み、所定時間ｔ６（上記ｔ５と同じ時間に設定されるものであり、例えば６０μｓｅｃ）が経過したか否かが判定される。このＳ５１の判定条件が成立し、所定時間ｔ６が経過すると、Ｓ５２に進み、このＳ５２にてスイッチＳＷ７及びＳＷ８をオフからオフ状態に切り替え、検出用電流とは逆極性の一定電流の通電を停止する。

ついで、Ｓ５３に進み、所定時間ｔ７（例えば４２０μｓｅｃ）が経過したか否かが判定される。このＳ５３の判定条件が成立し、所定時間ｔ７が経過すると、Ｓ５４に進む。このＳ５４では、第１サンプルホールド回路のスイッチＳＷ３をオフからオン状態に切り替えると共に、スイッチＳＷ１及びＳＷ２をオフからオン状態に切り替える処理を行う。これにより、第１サンプルホールド回路８１による端子Ｖｓ＋（第２端子Ｖｓ＋１）の電圧保持が解除されると共に、ＰＩＤ制御回路５１にて、酸素濃度測定セル２４の両電極間に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるようポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐの制御が再開される。ただし、このとき、第２サンプルホールド回路８３のスイッチＳＷ９はオフ状態を継続しており、第２サンプルホールド回路８３にて保持しているガス濃度信号Ｖｉｐが依然としてマイコン３０側に出力されている。

ついで、Ｓ５５に進み、所定時間ｔ８（例えば４００μｓｅｃ）が経過したか否が判定される。そして、Ｓ５５の判定条件が成立し、所定時間ｔ８が経過すると、Ｓ５６に進み、第２サンプルホールド回路８３のスイッチＳＷ９をオフからオン状態に切り替える。これにより、第２サンプルホールド回路８３によるガス検知信号Ｖｉｐの保持が解除されると共に、第１差動増幅回路５４から出力されるガス検知信号Ｖｉｐがオン状態とされた第２サンプルホールド回路８３を介して出力される。

そして、このＳ５６の処理後、Ｓ５７に進み、所定時間ｔ９（例えば９９ｍｓｅｃ）が経過した否かが判定される。そして、Ｓ５７の判定条件が成立し、所定時間ｔ９が経過すると、Ｓ１に戻って以降の処理を繰り返し実行する。

以上に説明したように、本実施の形態のガス濃度検出システム１では、酸素濃度測定セル２４の素子抵抗を検出するときに、第１サンプルホールド回路８１にて、直前の端子Ｖｓ＋１（第２端子Ｖｓ＋）の電圧を保持する一方、第２サンプルホールド回路８３にて、第１差動増幅回路５４から出力される直前のガス濃度信号Ｖｉｐを保持するよう構成されている。そして、この両サンプルホールド回路８１、８３の電圧保持状態を終了（解除）するにあたっては、第２サンプルホールド回路８３の電圧保持状態を解除するタイミング（即ち、スイッチＳＷ３をオフからオン状態に切り替えるタイミング）を、第１サンプルホールド回路８１の電圧保持状態を解除するタイミング（即ち、スイッチＳＷ９をオフからオン状態に切り替えるタイミング）より４００μｓｅｃだけ後に設定している。

このように、第２サンプルホールド回路８３の電圧保持状態を解除するタイミングを、第１サンプルホールド回路８１のそれよりも後に設定することで、第１サンプルホールド８１の電圧保持状態が解除された直後に第１Ａ／Ｄ変換回路５８が取得する電圧信号（ガス濃度信号Ｖｉｐ）は、第２サンプルホールド回路８３が保持している電圧信号となる。つまり、第１サンプルホールド回路８１の電圧保持状態が解除されたときに、酸素濃度測定セル２４の電極間の電圧Ｖｓが第１サンプルホールド回路８１による保持前の値に戻らず、その状態でＰＩＤ制御回路５１にて酸素濃度測定セル２４の両電極間の電圧Ｖｓが一定となるようにポンプ電流Ｉｐを制御する処理が実行された場合にも、第２サンプルホールド回路８３が電圧保持状態にある限り、第１差動増幅回路５４から出力される電圧信号（ガス濃度信号Ｖｉｐ）は第１Ａ／Ｄ変換回路５８にて取得されることはない。これにより、第１サンプルホールド回路８１による電圧保持状態を解除した直後に現れるノイズ成分が重畳した電圧信号（ガス濃度信号Ｖｉｐ）が、第１Ａ／Ｄ変換回路５８にて取得されるのが抑制される。

また、第１サンプルホールド回路８１での電圧保持状態が解除されたときに、酸素濃度測定セル２４の電極間の電圧Ｖｓが元の値（保持前の値）からずれていても、ＰＩＤ制御回路５１の処理により酸素濃度測定セル２４の電極間の電圧Ｖｓは元の値に戻されるため、第１サンプルホールド８１での電圧保持状態の解除後、所定の時間（本実施の形態では４００ｍｓｅｃ）が経過したときに第２サンプルホールド回路８３の電圧保持状態を解除すれば、ノイズ成分の重畳のない電圧信号（ガス濃度信号Ｖｉｐ）を第１差動増幅回路５４より出力することができる。

従って、本実施の形態のガス濃度検出システム１によれば、第１サンプルホールド回路８１が電圧保持状態を解除したとき、さらには第２サンプルホールド回路８３が電圧保持状態を解除したときのそれぞれにおいて、第１Ａ／Ｄ変換回路５８が真の酸素濃度からずれたガス濃度信号Ｖｉｐを取得するのを防ぐことができ、第１Ａ／Ｄ変換回路５８の前段より得られる電圧信号（ガス濃度信号Ｖｉｐ）を用いての精密な空燃比制御を実行することができる。

なお、本実施の形態のガス濃度検出システム１において、第１サンプルホールド回路８１が特許請求の範囲に記載された第１信号ホールド手段に相当し、第２サンプルホールド回路８３が第２信号ホールド手段に相当し、センサ制御回路２０とマイコン３０とがセンサ制御装置に相当する。また、端子Ｖｃが特許請求の範囲に記載されたノードに相当し、演算増幅器５２がポンプ電流手段に相当し、ＰＩＤ制御回路５１が制御回路部に相当し、検出抵抗器５０が電圧変換手段に相当し、第１差動増幅回路５４が電圧信号出力手段に相当する。さらに、第１Ａ／Ｄ変換回路５８が特許請求の範囲に記載された信号取得手段に相当し、第２電流源６４及び第３電流源７３、スイッチＳＷ５及びＳＷ６が検出用電流通電手段に相当する。さらに、中央演算回路部６０内にて実行される素子抵抗検出処理のサブルーチンの所定時間ｔ３〜ｔ８を足した時間が特許請求の範囲の第２特定期間に相当し、同サブルーチンの所定時間ｔ４〜ｔ７の時間を足した時間が第１特定期間に相当する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
例えば、ポンプセル１４を流れるポンプ電流Ｉｐを電圧に変換する検出抵抗器５０の配置位置は、ＰＩＤ制御回路５１の出力端子と端子Ｖｃとの間に限られず、端子Ｉｐ＋１とスイッチＳＷ２との間に配置させるようにしても良い。また、第４電流源９１及び第５電流源９３、スイッチＳＷ７及びＳＷ８については、必ずしも設ける必要はなく、必要に応じて省略しても良い。また、上記実施の形態では、素子抵抗検出処理を行うにあたり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３、ＳＷ５〜ＳＷ９のオン／オフを切り替える制御をマイコン３０にて行うように構成したが、センサ制御回路２０内にタイマー回路部を別途設け、さらにマイコン３０より素子抵抗検出を実行するための開始信号をタイマー回路部に与えるように構成することにより、このタイマー回路を用いて各スイッチを所定のタイミングを経過する毎にオン／オフ制御させるようにしても良い。

ガス濃度検出システムの概略構成を示す回路・ブロック図である。 ガス濃度検出システムを構成する酸素センサ（ガス濃度センサ）の概略構成図である。 ガス濃度信号及び素子抵抗信号を取得するための一連の動作について示したフローチャートである。 酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するための素子抵抗検出処理の一連の動作について示したフローチャートである。

符号の説明

１・・・ガス濃度検出システム、１０・・・酸素センサ（ガス濃度センサ）、１２・・・外側ポンプ電極、１４・・・ポンプセル、１６・・・内側ポンプ電極、２０・・・センサ制御回路、２１・・・測定ガス室、２２・・・測定電極、２４・・・酸素濃度測定セル、２８・・・基準電極、３０・・・マイクロコンピュータ、４１・・・第１電流源、５０・・・検出抵抗器、５１・・・ＰＩＤ制御回路、５２・・・演算増幅器、５４・・・第１差動増幅回路、５５・・・第２差動増幅回路、５６・・・信号ホールド回路、５８・・・第１Ａ／Ｄ変換回路、５９・・・第２Ａ／Ｄ変換回路、６０・・・中央演算回路部、６４・・・第２電流源、７３・・・第３電流源、８１・・・第１サンプルホールド回路、８３・・・第２サンプルホールド回路、Ｉｐ＋・・・第１端子、ＣＯＭ・・・共通端子、Ｖｓ＋・・・第２端子、ＳＷ１〜ＳＷ９・・・スイッチ。

Claims (2)

1. 外側ポンプ電極及び内側ポンプ電極を有するポンプセルと測定電極及び基準電極を有する酸素濃度測定セルとが、被測定ガスを導入可能な測定ガス室に該内側ポンプ電極及び該測定電極が面するように積層されると共に、該外側ポンプ電極に接続される第１端子、該基準電極に接続される第２端子、該内側ポンプ電極及び該測定電極を同電位に接続する共通端子を備えるガス濃度センサと、
   前記共通端子に接続されるノードと、
   前記第１端子に接続され、前記ノードの電位を一定に保持するように、該第１端子を介して前記ポンプセルに正負にわたるポンプ電流を流すポンプ電流通電手段と、
   前記ノードに出力端子が接続され、前記ポンプセルに流すポンプ電流の大きさを、前記酸素濃度測定セルの測定電極−基準電極間の電位が一定となるように制御する制御回路部と、
   一端が前記第２端子に接続されると共に、他端が前記制御回路部の入力端子に接続され、前記酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するときに、第１特定時間にわたって該第２端子との接続を遮断し、それ以前の該第２端子の電圧を保持する第１信号ホールド手段と、
   前記第２端子に接続され、前記酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するための検出用電流を、該第２端子を介して通電する検出用電流通電手段と、
   前記ポンプ電流が流れる経路の一部を構成すると共に、該ポンプ電流をガス濃度に応じた電圧信号に変換する電圧変換手段と、
   前記電圧変換手段にて変換した前記電圧信号を出力する電圧信号出力手段と、
   前記電圧信号出力手段から出力される電圧信号を取得する信号取得手段と、
   を含むセンサ制御装置と、
   を備えるガス濃度検出システムであって、
   前記センサ制御装置は、
   一端が前記電圧信号出力手段に接続されると共に、他端が前記信号取得手段に接続され、前記酸素濃度測定セルの素子抵抗を検出するときに、前記第１特定期間よりも長い第２特定期間にわたって前記電圧信号出力手段との接続を遮断し、それ以前の前記電圧信号を保持する第２信号ホールド手段を備えており、
   前記第２特定期間の開始タイミングは、前記第１特定期間の終了タイミングよりも前に設定され、且つ該第２特定期間の終了タイミングは、該第１特定期間の終了タイミングとなってから２００μｓｅｃ以上経過後に設定される
   ことを特徴とするガス濃度検出システム。
2. 請求項１に記載のガス濃度検出システムであって、
   前記第２特定期間の開始タイミングは、前記第１特定期間の開始タイミング以前に設定される
   ことを特徴とするガス濃度検出システム。