JP4874282B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘセンサ等のガスセンサに接続され、同センサの出力から特定成分の濃度を検出するガスセンサ制御装置に関するものである。

近年、排ガス規制や燃費規制が益々強化される傾向にあり、例えば、ディーゼルエンジンのＮＯｘ排出量低減に関する技術や、ＮＯｘ浄化装置の異常検出に関する技術等が必要になってきている。また、ガソリンエンジンでも、燃費向上等を目的とするリーン域での燃焼拡大が実施されることに伴いＮＯｘ排出量が増大することから、ＮＯｘ排出抑制に関する技術やＮＯｘ浄化装置の異常検出に関する技術等が必要となる。こうした事情から、ＮＯｘセンサの需要が高まりつつある。

ＮＯｘセンサとしては、ジルコニア固体電解質を用いた多セル方式のセンサ構造が用いられている。具体的には、それぞれ固体電解質体よりなるポンプセル、モニタセル及びセンサセルを有するＮＯｘセンサが知られている。かかるＮＯｘセンサの場合、ガス室内に導入した排気中の酸素量をポンプセルで所定濃度レベルに調整する一方、ポンプセルでの酸素量調整後のガスからモニタセルで残留酸素の濃度を検出するとともに、同じくポンプセルでの酸素量調整後のガスからセンサセルで特定成分の濃度を検出する。

また、上記のようなＮＯｘセンサを用いたセンサ制御装置として、センサセルに流れる電流（センサセル電流Ｉｓ）とモニタセルに流れる電流（モニタセル電流Ｉｍ）とを各々計測回路にて計測するとともに、それらの各計測値の差（Ｉｓ−Ｉｍ）を算出し、その差（Ｉｓ−Ｉｍ）に基づいてＮＯｘ濃度を算出することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。これにより、ガス室内の酸素濃度に依存しないセンサ出力を得ることができ、結果として検出精度が向上するとしていた。
特開２００４−１０８７８８号公報

ＮＯｘセンサの場合、センサセルに流れる電流には、本来計測したいＮＯｘ濃度に相当する電流分以外に、残留酸素濃度に相当する電流分が含まれるため、センサセル電流Ｉｓの計測回路では残留酸素分だけ電流計測の分解能が損なわれていると考えられる。特にＮＯｘセンサでは、ＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサ電流が微弱（ｎＡオーダ）であるため、センサセル電流のうちで残留酸素分の電流の割合が大きくなる。したがって、ＮＯｘ濃度の検出精度向上を図る上で改善の余地があると考えられる。

本発明は、ＮＯｘ濃度など、特定成分の濃度を検出する場合にその検出精度を高めることができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサ制御装置は、下記のガスセンサに適用されるものである。すなわち、ガスセンサは、各々固体電解質体よりなる第１セル（ポンプセル）、第２セル（モニタセル）及び第３セル（センサセル）を有するセンサ素子を備える。そして、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を第１セルで所定濃度レベルに調整する一方、第１セルでの酸素量調整後のガスから第２セルで残留酸素の濃度を検出するとともに、同じく第１セルでの酸素量調整後のガスから第３セルで特定成分の濃度（ＮＯｘ濃度等）を検出する。

本制御装置は、第２セル電流（モニタセル電流Ｉｍ）を計測するための第２セル回路（Ｉｍ検出回路部４５）と、第３セル電流（センサセル電流Ｉｓ）を計測するための第３セル回路（Ｉｓ検出回路部４６）とを備えている。すなわち、第２セル回路は第２セルに接続されており、計測電流（第２セルからの入力電流）を電流電圧変換部にて電圧に変換して第２セル電流計測値として出力する。また、第３セル回路は第３セルに接続されており、計測電流（第３セルからの入力電流）を電流電圧変換部にて電圧に変換して第３セル電流計測値として出力する。

そして特に、第２セル回路から出力される第２セル電流計測値に基づき設定される調整電流（調整電流Ｉａｄｊ）を、第３セル回路における電流電圧変換部のセンサ側端子に接続された分岐経路を通じて流し、該第３セル回路において、第３セルに流れる第３セル電流から前記調整電流を差し引いた電流を電流電圧変換部に流す構成としている。

要するに、上述のような３つのセルを有するガスセンサでは、特定成分（ＮＯｘ等）の検出時において、ガス室内の残留酸素の分解電流と特定成分の分解電流とが第３セルに流れるため、第３セル電流をそのまま計測する場合には、残留酸素の分解電流と特定成分の分解電流とを合成した電流が計測されることとなる。ただし、本来検出したいのが特定成分濃度である場合、特定成分の分解電流のみが計測されればよい。

この点、上記構成によれば、第２セル回路の出力（第２セル電流計測値）に基づき設定される調整電流が、第３セル回路における電流電圧変換部のセンサ側端子に接続された分岐経路を通じて流される。そしてこれにより、第３セル回路では、第３セル電流から調整電流を差し引いた電流が電流電圧変換部に流れる。つまり、第３セル回路では、第３セル電流から調整電流を差し引いた電流（例えば、Ｉｓ−Ｉｍ）が電流電圧変換部により電圧変換されることとなる。かかる場合、第３セル回路では、計測対象となる電流が小さくなることから、電流電圧変換の際の分解能を高めることができる。その結果、特定成分の濃度の検出精度を高めることができる。

ここで、第２セル回路の出力部に接続される電流調整回路（電流調整回路部４７）を備え、この電流調整回路が、第２セル回路の出力に応じて調整電流を可変とするとともに、第３セル回路側から電流を吸い出す向きに調整電流を流すものであるとよい。この場合、第２セル回路の出力が変化しても、電流調整回路において第２セル出力の変化に追従させて調整電流を生じさせることができ、第３セル電流に対して都度の第２セル電流を適正に減算できる。これにより、特定成分の濃度が高精度に検出される状態を維持できる。

電流調整回路は、前記第２セル回路で計測された第２セル電流と同量の電流を前記調整電流として流すものであるとよい。

第２セルと第３セルとでは、ガス室内の残留酸素に対する電流感度が相違することが考えられる。その要因は各セルにおける電極素材の相違や電極面積の相違等である。かかる場合、電流調整回路は、第２セルでの残留酸素に対する電流感度と、第３セルでの残留酸素に対する電流感度との差を調整するものであるとよい。これにより、特定成分濃度の検出に関して一層の高精度化が実現できる。

また、電流調整回路は、一方の入力端子に第２セル電流計測値が入力されるとともに、他方の入力端子に基準電圧が入力される差動増幅回路を備え、該差動増幅回路の出力端子に前記分岐経路が接続されているとよい。この場合、第２セル電流計測値の増減に応じて分岐通路を流れる調整電流が大小変化する。したがって、第３セル電流から第２セル電流分（すなわち、残留酸素相当の電流分）を適正に減算できる。

具体的には、電流調整回路の差動増幅回路を、反転入力端子（−入力端子）に第２セル電流計測値が入力されるとともに、非反転入力端子（＋入力端子）に基準電圧が入力される構成とする。この場合、残留酸素濃度が大きくなることで第２セル電流計測値が増加すると、差動増幅回路の出力が小さくなり、それに伴い分岐通路を通じて流れる調整電流（第３セル回路側から電流を吸い出す向きに流れる電流）が大きくなる。本構成では、残留酸素濃度の変化に追従しつつ第３セル電流計測値を正確に求めることができる。

ガスセンサ制御装置は一般にマイクロコンピュータ（マイコン）等の演算装置を備えて構成されており、第３セル回路から出力される第３セル電流計測値（本発明では、Ｉｓ−Ｉｍ相当の計測値等）は演算装置のＡＤ変換器に入力される。そして、ＡＤ変換器にて変換されたデジタル値に基づいて特定成分の濃度が算出される。かかる構成において、上記のように第３セル電流から調整電流を差し引いた電流を第３セル回路の電流電圧変換部に流すようにしたことにより、第３セル電流計測値は、調整電流分だけ小さい電流値となる。これにより、ＡＤ入力値の幅を小さくでき、ＡＤ変換の分解能を高めることができる。したがって、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジンの排気管に設けられたＮＯｘセンサを用い、そのＮＯｘセンサの出力に基づいて排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等）について、ＮＯｘセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサが設けられ、同ＮＯｘセンサの出力から算出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ浄化率）が所定の異常判定値を上回る場合に、ＮＯｘ浄化触媒が異常である旨診断される。

まずは、ＮＯｘセンサを構成するセンサ素子１０について図１を用いて説明する。センサ素子１０はいわゆる積層型構造を有するものであり、その内部構造を図１に示している。図の左右方向がセンサ素子１０の長手方向に相当する。図の右側が素子基端側（排気管取り付け部位側）であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子１０は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。

センサ素子１０において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体１１，１２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質体１１には排気導入口１１ａが形成されており、この排気導入口１１ａを介して当該センサ素子周囲の排気が第１チャンバ１４内に導入される。第１チャンバ１４は、絞り部１５を介して第２チャンバ１６に連通している。固体電解質体１１の図の上面には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１７が設けられるとともに、大気通路１８を区画形成するための絶縁層１９が設けられている。

また、固体電解質体１２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層２１が設けられ、この絶縁層２１により大気通路２２が形成されている。絶縁層２１には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）２３が埋設されている。この場合、ヒータ２３により、ポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５が加熱され、これら各セル３１，３４，３５の活性化が促進される。ヒータ２３は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。

図の下側の固体電解質体１２には、第１チャンバ１４に対面するようにしてポンプセル３１が設けられており、ポンプセル３１は、第１チャンバ１４内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ１４内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル３１は、固体電解質体１２を挟んで設けられる上下一対の電極３２，３３を有し、そのうち特に第１チャンバ１４側の電極３２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘを分解し難い電極）となっている。ポンプセル３１は、電極３２，３３間に電圧が印加された状態で、第１チャンバ１４内に存在する酸素を分解して電極３３より大気通路２２側に排出する。

また、図の上側の固体電解質体１１には、第２チャンバ１６に対面するようにしてモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。モニタセル３４は、上述したポンプセル３１により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル３５は、第２チャンバ１６内のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

モニタセル３４及びセンサセル３５は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第２チャンバ１６側に電極３６，３７を有するとともに、大気通路１８側に共通電極３８を有する構成となっている。すなわち、モニタセル３４は、固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３６及び共通電極３８とにより構成され、センサセル３５は、同じく固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３７及び共通電極３８とにより構成されている。モニタセル３４の電極３６（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル３５の電極３７（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル３４及びセンサセル３５を排気の流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル３４，３５は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。

ここで、ポンプセル３１と、モニタセル３４及びセンサセル３５とは、センサ素子１０の長手方向に並べて設けられており、センサ素子１０の先端側にポンプセル３１が設けられ、同基端側（排気管取り付け側）にモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。

上記構成のセンサ素子１０では、排気は多孔質拡散層１７及び排気導入口１１ａを通って第１チャンバ１４に導入される。そして、この排気がポンプセル３１近傍を通過する際、ポンプセル電極３２，３３間にポンプセル印加電圧Ｖｐが印加されることで分解反応が起こり、第１チャンバ１４内の酸素濃度に応じてポンプセル３１を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４側の電極３２がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル３１では排気中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極３３から大気通路２２に排出される。こうしたポンプセル３１の働きにより、第１チャンバ１４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。

ポンプセル３１近傍を通過したガス（酸素濃度調整後のガス）は第２チャンバ１６に流れ込み、モニタセル３４では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル３４の出力は、モニタセル電極３６，３８間に所定のモニタセル印加電圧Ｖｍが印加されることでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極３７，３８間に所定のセンサセル印加電圧Ｖｓが印加されることでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極３８から大気通路１８に排出される。このとき、センサセル３５に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排気中のＮＯｘ濃度が検出される。

ＮＯｘセンサ回路４０はセンサ制御の主体となるマイコン４１と制御回路部（詳細は図２で後述する）とを有しており、このマイコン４１や制御回路部により、ポンプセル３１の電極３２，３３間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル３４の電極３６，３８間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル３５の電極３７，３８間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン４１には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力され、マイコン４１は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。

図２は、ＮＯｘセンサ回路４０の概要を示すブロック図である。なお、ＮＯｘセンサ回路４０には、図示する各回路部以外にヒータ駆動回路部も含まれるが、図２では図示を省略している。

図２において、ＮＯｘセンサ回路４０には、ポンプセル３１の電極３２，３３にそれぞれ接続される正側端子ＰＳ＋及び負側端子ＰＳ−と、モニタセル３４及びセンサセル３５の共通電極３８に接続される共通端子ＣＯＭ＋と、モニタセル３４及びセンサセル３５の各電極３６，３７にそれぞれ接続される負側端子ＭＳ−，ＳＳ−とが設けられている。

ポンプセル３１の正側端子ＰＳ＋には、ポンプセル３１に印加するためのポンプセル印加電圧を可変設定するポンプセル駆動回路部４２が接続され、負側端子ＰＳ−には、ポンプセル電流Ｉｐを検出するＩｐ検出回路部４３が接続されている。ポンプセル駆動回路部４２では、Ｉｐ検出回路部４３により検出されたポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧が制御される。Ｉｐ検出回路部４３により検出されたポンプセル電流Ｉｐはマイコン４１に逐次入力される。

また、モニタセル３４とセンサセル３５との正側の共通端子ＣＯＭ＋には、これら各セル３４，３５に共通の電圧を印加するモニタセル／センサセル駆動回路部４４が接続され、各セル３４，３５の負側端子ＭＳ−，ＳＳ−にはそれぞれ、モニタセル電流Ｉｍを検出するためのＩｍ検出回路部４５、センサセル電流Ｉｓを検出するためのＩｓ検出回路部４６が接続されている。Ｉｍ検出回路部４５とＩｓ検出回路部４６とにはマイコン４１が接続されており、各検出回路部４５，４６でモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓに応じて計測された電流計測値ＶＭ１，ＶＳ１がマイコン４１に逐次入力される。なお、Ｉｍ検出回路部４５が「第２セル回路」に相当し、Ｉｓ検出回路部４６が「第３セル回路」に相当する。

また、Ｉｍ検出回路部４５から出力されるモニタセル電流計測値ＶＭ１は電流調整回路部４７にも入力され、さらに電流調整回路部４７の出力がＩｓ検出回路部４６に入力される。電流調整回路部４７は、Ｉｍ検出回路部４５の出力（モニタセル電流計測値ＶＭ１）に応じて調整電流を可変に設定するとともに、Ｉｓ検出回路部４６側から電流を吸い出す向きに調整電流を流すものである。これにより、Ｉｓ検出回路部４６では、センサセル電流Ｉｓから調整電流を差し引いた電流が計測され、その計測結果がマイコン４１に出力される。

本実施形態では、都度のモニタセル電流Ｉｍと同じになるように調整電流が設定されるようになっている。したがって、Ｉｓ検出回路部４６では、センサセル電流Ｉｓから調整電流として都度のモニタセル電流Ｉｍを差し引いた電流（＝Ｉｓ−Ｉｍ）が計測され、その計測結果がマイコン４１に出力される。

以下、ＮＯｘセンサ回路４０を構成する各回路部の詳細を説明する。ただし、本実施形態では、ポンプセル３１に関する回路構成は何ら既存のものと変わりないため、ポンプセル駆動回路部４２とＩｐ検出回路部４３とについては説明を省略する。

図３は、モニタセル／センサセル駆動回路部４４の回路構成図である。図３において、定電圧源（定電圧Ｖｃｃ）には２つの抵抗からなる抵抗分圧回路５１が接続され、その抵抗分圧回路５１の分圧電圧ＶＸ１がオペアンプ５２の＋入力端子に入力される。オペアンプ５２の出力端子には保護抵抗５４を介して共通端子ＣＯＭ＋が接続されている。オペアンプ５２の負帰還部には保護抵抗５５が設けられている。共通端子ＣＯＭ＋にはＥＳＤ（静電気放電）対応用のコンデンサ５６が接続されている。

次に、Ｉｍ検出回路部４５、Ｉｓ検出回路部４６及び電流調整回路部４７の構成を図４を用いて説明する。まずはＩｍ検出回路部４５の回路構成を説明する。

図４のＩｍ検出回路部４５において、モニタセル３４の負側端子ＭＳ−には、電流計測抵抗６１と差動増幅回路６２とが直列に接続されている。この場合特に、電流計測抵抗６１は、差動増幅回路６２を構成するオペアンプの出力側であって負帰還部の外（帰還系の外）に設けられている。差動増幅回路６２の＋入力端子には、定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路６３が接続され、−入力端子には、帰還入力経路Ｌ１が接続されている。本実施形態では、電流計測抵抗６１と差動増幅回路６２とが「電流電圧変換部」に相当する。

また、電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）のうち、負側端子ＭＳ−側であるＢ１点（電流計測抵抗６１のセンサ側端子）には保護抵抗６４を介して電圧フォロア６５が接続されており、電圧フォロア６５の出力端子が差動増幅回路６６の＋入力端子に接続されている。また、差動増幅回路６６の−入力端子には保護抵抗６７を介してＢ２点（電流計測抵抗６１の反センサ側端子）が接続されている。したがって、電流計測抵抗６１にモニタセル電流Ｉｍが流れると、そのモニタセル電流Ｉｍに応じて電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）で電位差が生じ、その電位差が差動増幅回路６６にて所定の増幅率で増幅された後、モニタセル電流計測値ＶＭ１として出力される。

差動増幅回路６６の出力であるモニタセル電流計測値ＶＭ１は、帰還入力経路Ｌ１を通じて差動増幅回路６２の−入力端子に入力されるようになっている。帰還入力経路Ｌ１の途中には、抵抗及びコンデンサよりなるノイズ除去用のＬＰＦ（ローパスフィルタ）６８が設けられている。

なお、電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）のうち、Ｂ１点にはＥＳＤ対応用のコンデンサ６９が接続されている。つまり、ＥＳＤ対応用のコンデンサ６９は一端が電流計測抵抗６１のセンサ側端子に接続され、他端が接地されている。

また、Ｉｍ検出回路部４５の出力部、すなわち差動増幅回路６６の出力端子には、電流調整回路部４７が接続されている。電流調整回路部４７は、−入力端子にＩｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１が入力されるとともに＋入力端子に基準電圧ＶＸ２が入力される差動増幅回路７１を備えて構成されている。より詳しくは、差動増幅回路７１の−入力端子には、抵抗及びコンデンサよりなるノイズ除去用のＬＰＦ（ローパスフィルタ）７３を介して、Ｉｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１が入力される。また、差動増幅回路７１の＋入力端子には、定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路７２が接続されており、その分圧電圧が基準電圧ＶＸ２として入力される。

差動増幅回路７１の出力端子側には電流経路Ｌ２が設けられ、その電流経路Ｌ２に抵抗７４が設けられている。電流経路Ｌ２は、Ｉｓ検出回路部４６における電流計測抵抗８１のセンサ側端子に接続されており、これが「分岐経路」に相当する。

電流調整回路部４７では、Ｉｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１に基づいて調整電流Ｉａｄｊが設定され、Ｉｓ検出回路部４６側から電流を吸い出す向きに電流経路Ｌ２を通じて調整電流Ｉａｄｊが流れるようになっている。このとき、Ｉｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１の増減に応じて調整電流Ｉａｄｊが大小変化する。具体的には、センサ素子１０の第２チャンバ１６内における残留酸素濃度が大きくなることでＩｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１が増加すると（Ｉｍ増加すると）、差動増幅回路７１の出力が低下し、それに伴い調整電流Ｉａｄｊが大きくなる。逆に、残留酸素濃度が小さくなることでＩｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１が減少すると（Ｉｍ減少すると）、差動増幅回路７１の出力が上昇し、それに伴い調整電流Ｉａｄｊが小さくなる。本実施形態では、調整電流Ｉａｄｊ＝モニタセル電流Ｉｍである。

次に、Ｉｓ検出回路部４６について説明する。Ｉｓ検出回路部４６はそれ自体、上述したＩｍ検出回路部４５とほぼ同様の回路構成を有している。

Ｉｓ検出回路部４６において、センサセル３５の負側端子ＳＳ−には、電流計測抵抗８１と差動増幅回路８２とが直列に接続されている。この場合特に、電流計測抵抗８１は、差動増幅回路８２を構成するオペアンプの出力側であって負帰還部の外（帰還系の外）に設けられている。差動増幅回路８２の＋入力端子には、定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路８３が接続され、−入力端子には、帰還入力経路Ｌ３が接続されている。本実施形態では、電流計測抵抗８１と差動増幅回路８２とが「電流電圧変換部」に相当する。

電流計測抵抗８１の両端（Ｃ１点、Ｃ２点）のうち、負側端子ＳＳ−側であるＣ１点（電流計測抵抗８１のセンサ側端子）には、電流調整回路部４７から延びる電流経路Ｌ２が接続されている。こうして電流計測抵抗８１のセンサ側端子に電流経路Ｌ２が接続された構成では、センサセル負側端子ＳＳ−を介してセンサセル電流Ｉｓが流れると、そのセンサセル電流Ｉｓ（Ｉｓ検出回路部４６の入力電流）が電流計測抵抗８１に流れる電流分（Ｉｓ−ａｄｊ）と電流経路Ｌ２に流れる電流分（Ｉａｄｊ）とに分かれる。言い換えると、電流計測抵抗８１には、センサセル電流Ｉｓから調整電流Ｉａｄｊ（＝モニタセル電流Ｉｍ）を差し引いた電流が流れることとなる。

また、電流計測抵抗８１のセンサ側端子（Ｃ１点）には保護抵抗８４を介して電圧フォロア８５が接続されており、電圧フォロア８５の出力端子が差動増幅回路８６の＋入力端子に接続されている。また、差動増幅回路８６の−入力端子には保護抵抗８７を介してＣ２点（電流計測抵抗８１の反センサ側端子）が接続されている。したがって、電流計測抵抗８１に電流（Ｉｓ−Ｉａｄｊ）が流れると、その電流（Ｉｓ−Ｉａｄｊ）に応じて電流計測抵抗８１の両端（Ｃ１点、Ｃ２点）で電位差が生じ、その電位差が差動増幅回路８６にて所定の増幅率で増幅された後、センサセル電流計測値ＶＳ１として出力される。

差動増幅回路８６の出力であるセンサセル電流計測値ＶＳ１は、帰還入力経路Ｌ３を通じて差動増幅回路８２の−入力端子に入力されるようになっている。帰還入力経路Ｌ３の途中には、抵抗及びコンデンサよりなるノイズ除去用のＬＰＦ（ローパスフィルタ）８８が設けられている。

なお、電流計測抵抗８１の両端（Ｃ１点、Ｃ２点）のうち、Ｃ１点にはＥＳＤ対応用のコンデンサ８９が接続されている。つまり、ＥＳＤ対応用のコンデンサ８９は一端が電流計測抵抗８１のセンサ側端子に接続され、他端が接地されている。

図２に示すマイコン４１では、Ｉｓ検出回路部４６から出力されるセンサセル電流計測値ＶＳ１がＡＤ変換器を介して入力される。そして、ＡＤ変換後のセンサセル電流計測値に基づいて排気中のＮＯｘ濃度が算出される。

上記構成のＮＯｘセンサ回路４０では、Ｉｓ検出回路部４６において電流計測抵抗８１に流れる電流は、センサセル電流Ｉｓ（センサセルからの入力電流）から調整電流Ｉａｄｊを差し引いた電流（Ｉｓ−Ｉａｄｊ、本実施形態では特にＩｓ−Ｉｍ）である。かかる場合、Ｉｓ検出回路部４６では、計測対象となる電流が小さくなることから、電流電圧変換の際の分解能を高めることができる。具体的には、電流計測抵抗８１の抵抗値を大きくすること等が可能となる。また、信号増幅率を高めることも可能となる。

また、マイコン４１に入力されるセンサセル電流計測値ＶＳ１は、やはりセンサセル電流Ｉｓ（センサセルからの入力電流）から調整電流Ｉａｄｊを差し引いた電流（Ｉｓ−Ｉａｄｊ、本実施形態では特にＩｓ−Ｉｍ）に相当する電圧信号である。かかる場合、ＡＤ入力値の幅を小さくできるため、ＡＤ変換の分解能を高めることができる。

次に、ＮＯｘ濃度とセンサ電流との関係、残留酸素濃度とセンサ電流との関係を図５を用いて説明する。図５において、（ａ）はＮＯｘ濃度とＩｓ，Ｉｍとの関係を示し、（ｂ）はＮＯｘ濃度とＩｓ−Ｉｍとの関係を示し、（ｃ）は残留酸素濃度とＩｓ，Ｉｍとの関係を示し、（ｄ）は残留酸素濃度とＩｓ−Ｉｍとの関係を示す。なお、（ａ）（ｃ）においてセンサセル電流Ｉｓは実線で、モニタセル電流Ｉｍは一点鎖線で示されている。

図５（ａ）において、センサセル電流Ｉｓはモニタセル電流Ｉｍを含む電流値であり、ＮＯｘ濃度が大きくなると、ＡＤ入力であるセンサセル電流ＩｓがＡＤレンジを外れることが考えられる。これに対し、（ｂ）のように（Ｉｓ−Ｉｍ）をＡＤ入力とすることで、ＡＤレンジ内でのＡＤ処理が可能となる。また、図５（ｃ）において、残留酸素濃度が大きくとなると、ＮＯｘ濃度＝大となる場合にＡＤ入力であるセンサセル電流ＩｓがＡＤレンジを外れることが考えられる。これに対し、（ｄ）のように（Ｉｓ−Ｉｍ）をＡＤ入力とすることで、ＡＤレンジ内でのＡＤ処理が可能となる。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ＮＯｘセンサ回路４０において、Ｉｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１に基づき設定される調整電流Ｉａｄｊを、Ｉｓ検出回路部４６における電流計測抵抗８１（電流電圧変換部）のセンサ側端子に接続された電流経路Ｌ２を通じて流し、Ｉｓ検出回路部４６において、センサセル電流Ｉｓから調整電流Ｉａｄｊを差し引いた電流を電流計測抵抗８１に流す構成とした。これにより、Ｉｓ検出回路部４６では、計測対象となる電流が小さくなることから電流電圧変換の際の分解能を高めることができる。また、マイコン４１におけるＡＤ変換の分解能を高めることができる。その結果、ＮＯｘ濃度の検出精度を高めることができる。

電流調整回路部４７を、Ｉｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１に応じて調整電流Ｉａｄｊを可変とするとともに、Ｉｓ検出回路部４６側から電流を吸い出す向きに調整電流Ｉａｄｊを流すことができる構成とした。これにより、Ｉｍ検出回路部４５の出力ＶＭ１が変化しても、電流調整回路部４７において出力ＶＭ１の変化に追従させて調整電流Ｉａｄｊを生じさせることができ、センサセル電流Ｉｓに対して都度のモニタセル電流Ｉｍを適正に減算できる。

本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・Ｉｍ検出回路部４５及びＩｓ検出回路部４６を図６のように構成してもよい。なお、図６では、図４と共通の構成については同一の符号を付している。図４との相違点は、Ｉｍ検出回路部４５において電流電圧変換部の差動増幅回路６２を反転増幅回路９１に変更するとともに、Ｉｓ検出回路部４６において電流電圧変換部の差動増幅回路８２を反転増幅回路９２に変更している点である。図６の構成であっても、前記同様、Ｉｓ検出回路部４６において、センサセル電流Ｉｓから調整電流Ｉａｄｊを差し引いた電流を電流計測抵抗８１に流すことができ、電流電圧変換の際の分解能を高めることができる。

・モニタセル３４とセンサセル３５とでは、ガス室内の残留酸素に対する電流感度が相違することが考えられる。その要因は各セル３４，３５における電極素材の相違や電極面積の相違等である。かかる場合、電流調整回路部４７は、モニタセル３４での残留酸素に対する電流感度と、センサセル３５での残留酸素に対する電流感度との差を調整するものであるとよい。具体的には、電流調整回路部４７において差動増幅回路７１の増幅率等を調整する。これにより、ＮＯｘ濃度の検出に関して一層の高精度化が実現できる。

・上記実施形態では、調整電流Ｉａｄｊ＝モニタセル電流Ｉｍとしたが、これを変更し、調整電流Ｉａｄｊ≠モニタセル電流Ｉｍであってもよい。ただし、調整電流Ｉａｄｊがモニタセル電流Ｉｍに基づいて設定されることには変わりなく、例えば、Ｉａｄｊ＝Ｉｍ×α（αはあらかじめ定めた係数）とする。

・上記実施形態では、モニタセル３４の正側端子とセンサセル３５の正側端子とを共通端子ＣＯＭ＋としたが、これを変更し、それら各セル３４，３５のうち一方のセルの正側端子と他方のセルの負側端子とを共通端子とする構成であってもよい。この場合、前記同様、各セル３４，３５において共通端子でない方の端子にそれぞれＩｍ検出回路部、Ｉｓ検出回路部が設けられる。

・検出対象の特定成分がＮＯｘ以外であってもよい。例えば、排気中のＨＣやＣＯ、ＮＨ3を検出対象とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気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、ＮＨ3を分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度、ＮＨ3濃度を検出する。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排気以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

ＮＯｘセンサの素子内部構造とＮＯｘセンサ回路とを示す構成図。 ＮＯｘセンサ回路の概要を示すブロック図。 モニタセル／センサセル駆動回路部の回路構成図。 Ｉｍ検出回路部、Ｉｓ検出回路部及び電流調整回路部の回路構成図。 ＮＯｘ濃度とセンサ電流との関係、残留酸素濃度とセンサ電流との関係を示す図。 別の実施形態におけるＩｍ検出回路部、Ｉｓ検出回路部及び電流調整回路部の回路構成図。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質体、１４…第１チャンバ（ガス室）、１６…第２チャンバ（ガス室）、２３…ヒータ、３１…ポンプセル（第１セル）、３２，３３…電極、３４…モニタセル（第２セル）、３５…センサセル（第３セル）、３６〜３８…電極、４０…ＮＯｘセンサ回路、４１…マイコン、４５…Ｉｍ検出回路部（第２セル回路）、４６…Ｉｓ検出回路部（第３セル回路）、４７…電流調整回路部（電流調整回路）、６１…電流計測抵抗、６２…差動増幅回路、６６…差動増幅回路、７１…差動増幅回路、８１…電流計測抵抗、８２…差動増幅回路、８６…差動増幅回路、９１，９２…反転増幅回路、Ｌ２…電流経路（分岐経路）。

Claims (6)

1. 各々固体電解質体よりなる第１セル、第２セル及び第３セルを有するセンサ素子を備え、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を前記第１セルで所定濃度レベルに調整する一方、前記第１セルでの酸素量調整後のガスから前記第２セルで残留酸素の濃度を検出するとともに同じく前記第１セルでの酸素量調整後のガスから前記第３セルで特定成分の濃度を検出するガスセンサに適用されるガスセンサ制御装置において、
   前記第２セルに接続され、計測電流を電流電圧変換部にて電圧に変換して第２セル電流計測値として出力する第２セル回路と、
   前記第３セルに接続され、計測電流を電流電圧変換部にて電圧に変換して第３セル電流計測値として出力する第３セル回路と、
   を備え、
   前記第２セル回路から出力される第２セル電流計測値に基づき設定される調整電流を、前記第３セル回路における前記電流電圧変換部のセンサ側端子に接続された分岐経路を通じて流し、該第３セル回路において、前記第３セル電流から前記調整電流を差し引いた電流を前記電流電圧変換部に流す構成としたことを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記第２セル回路の出力部に接続され、当該第２セル回路の出力に応じて前記調整電流を可変とするとともに、前記第３セル回路側から電流を吸い出す向きに前記調整電流を流す電流調整回路を備える請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記電流調整回路は、前記第２セル回路で計測された第２セル電流と同量の電流を前記調整電流として流すものである請求項２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記電流調整回路は、前記第２セルでの前記残留酸素に対する電流感度と、前記第３セルでの前記残留酸素に対する電流感度との差を調整するものである請求項２又は３に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記電流調整回路は、一方の入力端子に前記第２セル電流計測値が入力されるとともに、他方の入力端子に基準電圧が入力される差動増幅回路を備え、該差動増幅回路の出力端子に前記分岐経路が接続されている請求項２乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記第３セル回路から出力される第３セル電流計測値をＡＤ変換器に入力し、同ＡＤ変換器にて変換したデジタル値に基づいて前記特定成分の濃度を算出する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。

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