JP5815482B2

JP5815482B2 - センサ制御装置

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Publication number: JP5815482B2
Application number: JP2012157430A
Authority: JP
Inventors: 裕崇小野木; 加藤　健次; 健次加藤; 功一今枝
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2012-07-13
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2032-07-13
Also published as: DE102013011503A1; US9140202B2; US20140014535A1; JP2014020824A

Description

本発明は、検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を表す濃度対応値を算出するセンサ制御装置に関する。

従来、排気ガス等の検知対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を検知するガスセンサが利用されている。例えば、特定ガスとして窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と言う。）を検知するＮＯｘセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質層上に多孔質の電極が形成されている酸素濃度検知セルと、第一酸素ポンプセルと、第二酸素ポンプセルとを備えている。ＮＯｘセンサは、酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように第一酸素ポンプセルによって第一測定室から酸素を汲み出して第一測定室内の検知対象ガスの酸素濃度を一定に制御する。また、ＮＯｘセンサは、第二酸素ポンプセルの電極間に操作電圧を印加して、第一測定室から第二測定室に導入されたガス（第一酸素ポンプセルにより酸素濃度が調整されたガス）から第二酸素ポンプセルによって酸素を汲み出す。この操作電圧の印加によって第二酸素ポンプセルに流れる電流値に基づいて、検知対象ガス中のＮＯｘ濃度を検知する（以下、検知対象ガス中のＮＯｘ濃度を検知する処理を「検知処理」と言う。）。

ＮＯｘセンサを用いて、例えば、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検知する場合、前回の内燃機関の運転が停止してから再起動するまでの経過時間に応じて、第二測定室に存在するガスは、大気雰囲気に近いリーン状態となる。そのため、ＮＯｘセンサには、内燃機関の起動時に、第二測定室に存在する酸素や第二測定室に面している多孔質の電極に含まれる酸素を一時的に急激に汲み出し、第二測定室内を所定の低酸素濃度状態とする予備制御を行うことにより、排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を安定して測定可能となるまでの時間を短縮しているものがある。例えば特許文献１に記載のセンサ制御装置では、予備制御として、ガスセンサ素子の起動後に第二酸素ポンプセルに対して、ガスセンサ毎に決定された制御条件の下で、一定の電流を一定時間供給して、第二測定室に存在する酸素を一時的に急激に汲み出している。特許文献１に記載のセンサ制御装置によれば、検知対象ガスのＨ_２Ｏ濃度がセンサ制御装置の起動毎に異なる場合にも、また、ガスセンサが出力特性のバラツキを有する場合にも、予備制御終了後に算出される濃度対応値の経時変化はほぼ同じパターンとすることができる。

特開２０１１−１３７８０６号公報

特許文献１に記載のセンサ制御装置において、予備制御の制御条件は、予備制御実行前の第二測定室に存在するガスが、大気雰囲気に近いリーン状態とであることを想定して決定される。しかしながら、発明者等は、予備制御実行直前の第二測定室に存在するガスの酸素濃度が、大気雰囲気の酸素濃度よりも小さい場合があるという問題を発見した。このような場合、従来の予備制御を実行すると、ガスセンサは第二測定室に存在する酸素を想定量よりも多く汲み出してしまい、予備制御を実行することによって第二測定室内は所定の低酸素濃度状態にならない。結果として、予備制御後に算出される濃度対応値が正常な値を示すまでに比較的長い時間が必要となる。したがって、従来のセンサ制御装置では、安定して早期に特定ガス濃度の検知することができない。

上記課題は、ＮＯｘ濃度対応値を検知するＮＯｘセンサ素子に限定される課題ではなく、酸素ポンプセルを用いて種々の特定ガスの濃度を検知するガスセンサに生じる課題である。

本発明は、安定して早期に特定ガス濃度の検知を可能とするセンサ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るセンサ制御装置は、検知対象ガスが導入される第一測定室と、第一固体電解質層と一対の第一電極とを備え、前記一対の第一電極が前記第一測定室の内側と外側とに設けられる第一酸素ポンプセルと、前記第一測定室に連通する第二測定室と、第二固体電解質層と一対の第二電極とを備え、前記一対の第二電極が前記第二測定室の内側と外側とに設けられた第二酸素ポンプセルとを備えるガスセンサと、前記第一測定室に導入された前記検知対象ガスの酸素濃度を、前記第一酸素ポンプセルへの通電によって所定の値に調整する濃度制御を行うとともに、前記第二酸素ポンプセルへ操作電圧を印加する駆動制御を行う駆動回路部と、前記操作電圧が印加された前記第二酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて特定ガスの濃度を表す濃度対応値を算出する算出手段とを備える制御部とを備えるセンサ制御装置であって、前記制御部はさらに、前記ガスセンサが活性化したか否かを判断する判断手段と、前記駆動制御を開始する前に、前記第二測定室内の酸素濃度を低下させる予備制御を実行する予備制御手段とを備え、前記センサ制御装置はさらに、前記判断手段によって前記ガスセンサが活性化したと判断された活性タイミングから一定の第一時間経過した経過タイミングから前記濃度制御を実行させる濃度制御指示手段と、前記経過タイミングから前記駆動制御を開始する開始タイミングまでの間の少なくとも一部の期間に、前記予備制御手段に前記予備制御を実行させる予備制御指示手段とを備える。

予備制御実行直前の第二測定室に存在するガスが大気雰囲気の酸素濃度よりも小さくなるという問題の原因を発明者等が種々検討したところ２つの要因が想定された。１つ目の要因は、ガスセンサに未燃性物質が侵入することである。未燃性物質としては、例えば、ガソリン等の燃料及びガスセンサに塗布された塗布材（例えば、排気通路に設けられた装着部位にガスセンサのハウジングの外周が焼付くことを防止するための焼付防止剤）に含まれる成分、ガスセンサを保管する際に使用される梱包材に含まれる成分があげられる。ガスセンサに未燃性物質が侵入した場合、未燃性物質はガスセンサを活性化させる過程で酸化して、ガスセンサ内の酸素を消費する。このため、予備制御実行直前の第二測定室に存在するガスの酸素濃度は、大気雰囲気の酸素濃度よりも小さくなる。２つ目の要因は、ガスセンサが活性化された後、第二測定室内のガスが入れ替わる時間が十分に確保されていないことがあげられる。ガスセンサが活性化していないと、第二酸素ポンプセルの酸素ポンピング能力が安定しないため、予備制御はガスセンサが活性化したと判断された活性タイミング後に実行されることになるが、従来では、活性タイミングから予備制御が開始される場合があった。これは、ガスセンサを起動してから特定ガスの濃度対応値を安定して測定可能にするまでに要する時間（「起動時間」とも言う。）を可能な限り短くするためである。予備制御では、第二測定室の酸素濃度を短時間で所定の低濃度まで低下させるために、通常、第二測定室にガスを供給する第一測定室の酸素濃度も同時に低下させる。したがって、一旦予備制御が開始されると、第二測定室に存在するガスの酸素濃度が大気雰囲気の酸素濃度になることはない。このように、予備制御を開始させるタイミングは、予備制御実行直前の第二測定室に存在するガスの酸素濃度が大気雰囲気の酸素濃度よりも小さくなることがあるという問題を想定して設定されておらず、第二測定室内のガスが大気雰囲気と入れ替わる時間は十分に確保されていない。

上記２つの要因を考慮して、本態様のセンサ制御装置は、経過タイミングから濃度制御を実行するとともに、経過タイミングから開始タイミングまでの間の少なくとも一部の期間に予備制御を実行する。経過タイミングは、活性タイミングから第一時間経過したタイミングである。本態様のセンサ制御装置は、予備制御を実行させるタイミングを経過タイミング以降とすることによって、第二測定室の雰囲気がガスセンサの周囲の雰囲気と入れ替わるのに必要な時間を、ガスセンサが活性化した条件下で確保することができる。したがって、本態様のセンサ制御装置は、予備制御開始前の第二測定室の雰囲気が大気雰囲気に近い雰囲気となる可能性を高めることによって、ガスセンサに未燃性物質が侵入したか否かによらず、安定して早期に特定ガス濃度の検知を可能とする。

第二酸素ポンプセルに印加される電圧値が所定値以上である場合、第二酸素ポンプポンプセルが備える第二電極間に流れる電流の大きさは、検知対象ガスに含まれるＨ_２Ｏ濃度に応じて増加する。このため、同じ電圧が第二酸素ポンプセルに印加された場合であっても、第二酸素ポンプセルが汲み出す酸素の量は、検知対象ガスのＨ_２Ｏ濃度に応じて異なる。これに対し、本態様のセンサ制御装置において、前記予備制御手段は、前記第二酸素ポンプセルに対して、一定の電流を一定の第二時間供給して、前記第二測定室から当該第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御することによって前記予備制御を実行してもよい。この場合のセンサ制御装置では、第二酸素ポンプセルが汲み出す酸素の量は、第二酸素ポンプセルが備える一対の第二電極間に流れる電流値に比例するため、予備制御終了時点において、第二測定室内の酸素濃度は、検知対象ガスに含まれるＨ_２Ｏ濃度によらずほぼ同じ濃度となる。したがって、予備制御終了後に算出される濃度対応値の経時変化は、検知対象ガス中のＨ_２Ｏ濃度が駆動制御実行毎に異なる場合にもほぼ同じパターンを示す。即ち、この場合のセンサ制御装置では、検知対象ガス中のＨ_２Ｏ濃度が変化する場合であっても、駆動制御開始後において、駆動制御実行毎の濃度対応値のバラツキを低減させることができる。

本態様の予備制御は、活性タイミングから第一時間経過した経過タイミングから開始タイミングまでのいずれかの間に実行される。このため、第一時間の長さに応じて、起動時間も長くなる。これに対し、本態様のセンサ制御装置において、前記第一時間は前記第二時間よりも短くてもよい。この場合のセンサ制御装置は、第一時間を第二時間よりも短い時間に設定することによって、第一時間が起動時間に占める割合を低く抑えつつ、安定して早期に特定ガス濃度の検知を可能とする。

第一実施形態のセンサ制御装置１の概念図である。第一実施形態の制御部５で実行されるメイン処理のフローチャートである。未燃性物質が侵入していないガスセンサ１０を用いて従来技術の予備制御を実行した場合と、未燃性物質が侵入したガスセンサ１０を用いて従来技術の予備制御を実行した場合と、未燃性物質が侵入したガスセンサ１０を用いて本態様の予備制御を実行した場合とにおいて、ガスセンサ１０の起動開始時間を０（秒）とするＮＯｘ濃度対応値の経時変化を表すグラフである。第二実施形態のセンサ制御装置１０１の概念図である。第二実施形態のガスセンサ１１０で実行されるスイッチ処理のフローチャートである。第二実施形態の制御部１０５で実行されるメイン処理のフローチャートである。

以下、本発明を具体化したセンサ制御装置の第一及び第二実施形態について、図面を参照して順に説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。

センサ制御装置１は、特定ガスとして窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検知する機能を備える。図１のように、センサ制御装置１は、ガスセンサ１０と、制御部５とを備える。ガスセンサ１０は、自動車の排気通路（図示外）に取り付けられ、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流値を制御部５に出力する。制御部５は、ガスセンサ１０と電気的に接続され、ガスセンサ１０を制御する他、ガスセンサ１０から出力された電流値に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を表す濃度対応値（以下、「ＮＯｘ濃度対応値」と言う。）を算出する。本実施形態の制御部５は、ＮＯｘ濃度対応値として、ＮＯｘ濃度を算出する。以下、センサ制御装置１が備える、ガスセンサ１０と、制御部５とのそれぞれについて詳述する。

ガスセンサ１０は、検知素子１１と、ヒータ素子３５と、コネクタ部４０と、ハウジング（図示外）とを備える。検知素子１１は、３枚の板状の固体電解質体１２，１３，１４の間に、アルミナ等からなる絶縁体１５，１６をそれぞれ挟み、層状をなすように形成されている。ヒータ素子３５は、固体電解質体１２から１４の早期活性化と、固体電解質体１２から１４の活性の安定性維持とのために、固体電解質体１４に積層されている。コネクタ部４０は、検知素子１１及びヒータ素子３５とリード線を介して接続されており、ガスセンサ１０と、制御部５とを電気的に接続するために設けられている。ハウジングは、ガスセンサ１０を排気通路（図示外）に取り付けるために、検知素子１１と、ヒータ素子３５とを内部に保持する。以下、ガスセンサ１０が備える各構成について詳述する。

まず、検知素子１１の構成を説明する。検知素子１１は、第一測定室２３と、第二測定室３０と、基準酸素室２９と、第一酸素ポンプセル２（以下、「Ｉｐ１セル２」と言う。）と、酸素分圧検知セル３（以下、「Ｖｓセル３」と言う。）と、第二酸素ポンプセル４（以下、「Ｉｐ２セル４」と言う。）とを備える。

第一測定室２３は、排気通路内の排気ガスが検知素子１１内に最初に導入される小空間である。第一測定室２３は、固体電解質体１２と固体電解質体１３との間に形成されている。第一測定室２３の固体電解質体１２側の面には電極１８が配置され、固体電解質体１３側の面には電極２１が配置されている。第一測定室２３の検知素子１１における先端側には、多孔質状の第一拡散抵抗部２４が設けられている。第一拡散抵抗部２４は、第一測定室２３内外の仕切りとして機能し、第一測定室２３内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。同様に、第一測定室２３の検知素子１１における後端側には、多孔質状の第二拡散抵抗部２６が設けられている。第二拡散抵抗部２６は、第一測定室２３と第二測定室３０との仕切りとして機能し、第一測定室２３から第二測定室３０内へのガスの単位時間あたりの流通量を制限する。

第二測定室３０は、固体電解質体１２と、第二拡散抵抗部２６及び開口部２５と、固体電解質体１３に設けられた開口部３１と、絶縁体１６と、電極２８とによって囲まれた小空間である。第二測定室３０は、第一測定室２３と連通し、Ｉｐ１セル２によって酸素濃度が調整された後の排気ガス（以下、「調整ガス」と言う。）が導入される。基準酸素室２９は、絶縁体１６と、電極２２と、電極２７とによって囲まれた小空間である。基準酸素室２９内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。

Ｉｐ１セル２は、固体電解質体１２と、多孔質性の電極１７，１８とを備える。固体電解質体１２は、例えばジルコニアを用いて形成され、酸素イオン伝導性を有する。電極１７，１８は、検知素子１１の積層方向において固体電解質体１２の両面に設けられている。電極１７，１８は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。Ｐｔを主成分とする材料としては、例えば、Ｐｔと、Ｐｔ合金と、Ｐｔとセラミックスとを含むサーメットとが挙げられる。また、電極１７，１８の表面には、セラミックスからなる多孔質性の保護層１９，２０がそれぞれ形成されている。固体電解質体１２は、本発明の「第一固体電解質層」に相当し、電極１７，１８は、本発明の「一対の第一電極」に相当する。

Ｉｐ１セル２は、両電極１７，１８間に電流を供給することで、電極１７の接する雰囲気（検知素子１１の外部の雰囲気）と電極１８の接する雰囲気（第一測定室２３内の雰囲気）との間で、酸素の汲み出し及び汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。

Ｖｓセル３は、固体電解質体１３と、多孔質性の電極２１，２２とを備える。固体電解質体１３は、例えばジルコニアを用いて形成され、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１３は、絶縁体１５を挟んで固体電解質体１２と対向するように配置されている。電極２１，２２は、検知素子１１の積層方向における固体電解質体１３の両面にそれぞれ設けられている。電極２１は、第一測定室２３内の固体電解質体１２と向き合う側の面に形成されている。電極２１，２２は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。

Ｖｓセル３は、主として、固体電解質体１３によって隔てられた雰囲気（電極２１の接する第一測定室２３内の雰囲気と、電極２２に接する基準酸素室２９内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。

Ｉｐ２セル４は、固体電解質体１４と、多孔質性の電極２７，２８とを備える。固体電解質体１４は、例えばジルコニアを用いて形成され、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１４は、絶縁体１６を挟んで固体電解質体１３と対向するように配置されている。固体電解質体１４の固体電解質体１３側の面には、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成された電極２７，２８がそれぞれ設けられている。固体電解質体１４は、本発明の「第二固体電解質層」に相当し、電極２７，２８は、本発明の「一対の第二電極」に相当する。

Ｉｐ２セル４は、絶縁体１６によって隔てられた雰囲気（電極２７に接する基準酸素室２９内の雰囲気と、電極２８に接する第二測定室３０内の雰囲気）間において酸素の汲み出しを行う。

次に、ヒータ素子３５について説明する。ヒータ素子３５は、絶縁層３６，３７と、ヒータパターン３８とを備える。絶縁層３６，３７は、アルミナを主成分とするシート状の形状を有する。ヒータパターン３８は、絶縁層３６，３７の間に埋設され、ヒータ素子３５内で繋がる一本の電極パターンである。ヒータパターン３８は、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路５９に接続されている。ヒータパターン３８は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。

次に、コネクタ部４０について説明する。コネクタ部４０は、ガスセンサ１０の後端側に設けられ、端子４２から４７を備える。端子４２には、リード線を介して、電極１７が電気的に接続されている。端子４３には、リード線を介して、電極１８と、電極２１と、電極２８とが、それぞれ同電位に電気的に接続されている。端子４４には、リード線を介して、電極２２が電気的に接続されている。端子４５には、リード線を介して、電極２７が電気的に接続されている。端子４６，４７には、リード線を介して、ヒータパターン３８が電気的に接続されている。

次に、制御部５の構成について説明する。制御部５は、検知素子１１及びヒータ素子３５の制御を行うとともに、検知素子１１から取得した電流Ｉｐ２に基づきＮＯｘ濃度対応値を算出し、算出したＮＯｘ濃度対応値をＥＣＵ９０に出力する装置である。制御部５は、駆動回路部５０と、マイクロコンピュータ６０と、コネクタ部７０とを備える。駆動回路部５０は、検知素子１１と、ヒータ素子３５とを制御する。マイクロコンピュータ６０は、駆動回路部５０を制御する。コネクタ部７０は、ガスセンサ１０のコネクタ部４０と電気的に接続される。以下、制御部５の各構成を説明する。

駆動回路部５０は、基準電圧比較回路５１と、Ｉｐ１ドライブ回路５２と、Ｖｓ検知回路５３と、Ｉｃｐ供給回路５４と、抵抗検知回路５５と、Ｉｐ２検知回路５６と、Ｖｐ２印加回路５７と、定電流回路５８と、ヒータ駆動回路５９とを備える。各回路は、マイクロコンピュータ６０からの制御信号に応じて駆動する。以下、駆動回路部５０が備える各構成について詳述する。

Ｉｃｐ供給回路５４は、Ｖｓセル３の電極２１，２２間に微弱な電流Ｉｃｐを供給し、第一測定室２３内から基準酸素室２９内への酸素の汲み出しを行う。Ｖｓ検知回路５３は、電極２１，２２間の電圧（起電力）Ｖｓを検知するための回路であり、その検知結果を基準電圧比較回路５１に対し出力する。基準電圧比較回路５１は、Ｖｓ検知回路５３によって検知された電圧Ｖｓを、基準となる基準電圧（例えば４２５ｍＶ）と比較するための回路であり、その比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力する。

Ｉｐ１ドライブ回路５２は、Ｉｐ１セル２の電極１７，１８間に電流Ｉｐ１を供給するための回路である。Ｉｐ１ドライブ回路５２は、基準電圧比較回路５１によるＶｓセル３の電極２１，２２間の電圧Ｖｓの比較結果に基づいて、電圧Ｖｓが予め設定された基準電圧と略一致するように、電流Ｉｐ１の大きさや向きを調整する。その結果、Ｉｐ１セル２では、第一測定室２３内から検知素子１１外部への酸素の汲み出し、あるいは検知素子１１外部から第一測定室２３内への酸素の汲み入れが行われる。換言すると、Ｉｐ１セル２では、Ｉｐ１ドライブ回路５２による通電制御に基づき、Ｖｓセル３の電極２１，２２間の電圧が一定値（基準電圧の値）に保たれるように、第一測定室２３内の酸素濃度の調整が行われる。

抵抗検知回路５５は、定期的に、予め規定された値を有する電流をＶｓセル３にパルス状に通電し、その通電に応答して得られる電圧変化量（電圧Ｖｓの変化量）を検知するための回路である。抵抗検知回路５５によって検知された電圧変化量を示す値は、マイクロコンピュータ６０に出力され、マイクロコンピュータ６０に記憶されている電圧Ｖｓの変化量とＶｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓとが予め関連付けられたテーブルに基づいて、Ｖｓセル３の内部抵抗（インピーダンス）Ｒｐｖｓが求められる。Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓは、Ｖｓセル３の温度、即ち、検知素子１１全体の温度と相関があり、マイクロコンピュータ６０は、Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいて、検知素子１１の温度を検知する。なお、Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓを表す電圧変化量を検知するための抵抗検知回路５５の回路構成は例えば、特開平１１−３０７４５８号公報によって公知であるため、これ以上の説明は省略する。

Ｉｐ２検知回路５６は、Ｉｐ２セル４の電極２８から電極２７に流れた電流Ｉｐ２の値の検知を行う回路である。Ｖｐ２印加回路５７は、後述する駆動制御処理の際に、Ｉｐ２セル４の電極２７，２８間へ操作電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加するための回路であり、第二測定室３０内から基準酸素室２９への酸素の汲み出しを制御する。定電流回路５８は、後述する予備制御処理の際に、Ｉｐ２セル４の電極２８と電極２７との間に一定の値の電流Ｉｐ３（例えば、１０μＡ）を供給するための回路である。

ヒータ駆動回路５９は、固体電解質体１２，１３，１４の温度（ガスセンサ１０の温度）を所定の温度に保たせるための回路である。ヒータ駆動回路５９は、マイクロコンピュータ６０によって制御され、ヒータ素子３５のヒータパターン３８へ電流を流し、固体電解質体１２，１３，１４（換言すると、Ｉｐ１セル２，Ｖｓセル３，Ｉｐ２セル４）を加熱する。ヒータ駆動回路５９は、固体電解質体１２，１３，１４（詳細には、Ｖｓセル３）が目標とする加熱温度になるように、ヒータパターン３８をＰＷＭ通電してヒータパターン３８に電流を供給する制御を行うことができる。

マイクロコンピュータ６０は、公知のＣＰＵ６１，ＲＯＭ６３，ＲＡＭ６２，信号入出力部６４，及びＡ／Ｄコンバータ６５を備えた演算装置である。マイクロコンピュータ６０は、あらかじめ組み込まれたプログラムに従って駆動回路部５０に制御信号を出力し、駆動回路部５０が備える各回路の動作を制御する。ＲＯＭ６３には、各種プログラムと、プログラム実行時に参照される各種パラメータとが記憶されている。マイクロコンピュータ６０は、内燃機関（図示外）の制御を司るＥＣＵ９０と、信号入出力部６４を介して通信する。

コネクタ部７０は、端子７２から７７を備える。コネクタ部７０が、コネクタ部４０と接続された場合、端子７２から７７はそれぞれ、端子４２から端子４７に接続される。端子７２には、配線を介して、Ｉｐ１ドライブ回路５２が接続されている。端子７３には、配線を介して、基準電位と接続されている。端子７４には、配線を介して、Ｖｓ検知回路５３と、Ｉｃｐ供給回路５４と、抵抗検知回路５５とがそれぞれ接続されている。端子７５には、配線を介して、Ｉｐ２検知回路５６と、Ｖｐ２印加回路５７と、定電流回路５８とが接続されている。端子７６には、配線を介して、ヒータ駆動回路５９が接続されている。端子７７は、配線を介して、接地されている。

次に、ＮＯｘ濃度を検知する場合のセンサ制御装置１の動作について説明する。排気通路（図示外）内を流通する排気ガスは、第一拡散抵抗部２４を介して第一測定室２３内に導入される。ここで、Ｖｓセル３には、Ｉｃｐ供給回路５４によって電極２２側から電極２１側へ微弱な電流Ｉｃｐが供給される。このため、排気ガス中の酸素は、負極側となる電極２１から酸素イオンとなって固体電解質体１３内を流れ、基準酸素室２９内に移動する。つまり、電極２１，２２間に電流Ｉｃｐが供給されることによって、第一測定室２３内の酸素が基準酸素室２９内に送り込まれる。

Ｖｓ検知回路５３では、電極２１，２２間の電圧Ｖｓが検知される。検知された電圧Ｖｓは、基準電圧比較回路５１によって基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）と比較されて、その比較結果がＩｐ１ドライブ回路５２に対して出力される。ここで、電極２１，２２間の電位差が基準電圧付近で一定となるように、第一測定室２３内の酸素濃度を調整すれば、第一測定室２３内の排気ガス中の酸素濃度は所定の濃度Ｃ（例えば、０．００１ｐｐｍ）に近づくこととなる。

そこで、Ｉｐ１ドライブ回路５２では、第一測定室２３内に導入された排気ガスの酸素濃度が濃度Ｃより薄い場合、電極１７側が負極となるようにＩｐ１セル２に電流Ｉｐ１を供給する。その結果、Ｉｐ１セル２では、検知素子１１外部から第一測定室２３内へ酸素の汲み入れが行われる。一方、第一測定室２３内に導入された排気ガスの酸素濃度が濃度Ｃより濃い場合、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電極１８が負極となるようにＩｐ１セル２に電流Ｉｐ１を供給する。その結果、Ｉｐ１セル２では、第一測定室２３内から検知素子１１外部へ酸素の汲み出しが行われる。このときの電流Ｉｐ１の大きさと、電流Ｉｐ１の流れる向きとに基づき、排気ガス中の酸素濃度の検知が可能である。

第一測定室２３において酸素濃度が濃度Ｃとなるように調整された調整ガスは、第二拡散抵抗部２６を介し、第二測定室３０内に導入される。第二測定室３０内で電極２８と接触した調整ガス中のＮＯｘは、電極２８を触媒としてＮ_２とＯ_２とに分解（還元）される。分解された酸素は、電極２８から電子を受け取り、酸素イオンとなって（解離して）固体電解質体１４内を流れ、基準酸素室２９内に移動する。このとき、固体電解質体１４を介して一対の電極２７，２８間に流れる電流Ｉｐ２の値が、ＮＯｘ濃度に対応しており、当該電流Ｉｐ２の値がＮＯｘ濃度対応値の算出に用いられる。

次に、図２の第一実施形態のメイン処理の概要について説明する。第一実施形態のメイン処理では、活性化処理（二点鎖線９１内の処理）と、予備制御処理（二点鎖線９２内の処理）と、駆動制御処理（二点鎖線９３内の処理）と、濃度制御処理（二点鎖線９４内の処理）とを含む処理が実行される。活性化処理は、検知素子１１をヒータ素子３５によって加熱して、検知素子１１を活性化させる処理である。活性化処理が実行されている場合のセンサ制御装置１の制御状態を、活性化制御と言う。予備制御処理は、駆動制御処理が実行される前に第二測定室３０内のガス中の酸素を一定量汲み出す処理である。予備制御処理が実行されている場合のセンサ制御装置１の制御状態を、予備制御と言う。駆動制御処理は、Ｉｐ２セル４への操作電圧Ｖｐ２を印加する処理である。また駆動制御処理では、操作電圧Ｖｐ２が印加されたＩｐ２セル４の電流の大きさに基づき、ＮＯｘ濃度対応値を算出する処理が実行される。駆動制御処理が実行されている場合のセンサ制御装置１の制御状態を、駆動制御と言う。濃度制御処理は、Ｉｐ１セル２への通電によって第一測定室２３に導入された排気ガスの酸素濃度を調整する処理である。濃度制御処理が実行されている場合のセンサ制御装置１の制御状態を、濃度制御と言う。

ガスセンサ１０の起動時（以下、「起動タイミング」とも言う。）に第二測定室３０を満たしているガスは、前回のメイン処理実行時に内燃機関の運転が停止してから、即ち排気ガスの供給が途絶えてから今回の起動までの間に、リーン雰囲気となる。予備制御を実行しない場合、駆動制御処理開始直後は、当該処理開始前に第二測定室３０内を満たしているガスに含まれた残留酸素等を第二測定室３０から汲み出すことになる。この場合、本来算出すべき排気ガス中のＮＯｘ濃度に関わらず、残留酸素に応じて大きく変動する電流Ｉｐ２が流れることになる。したがって、駆動制御処理開始直後は、電流Ｉｐ２に基づくＮＯｘ濃度対応値は本来の排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた値を示さない。

そこで第一実施形態のセンサ制御装置１は、駆動制御処理に先立って予備制御処理を実行し、リーン雰囲気である状態から第二測定室３０内の酸素濃度を低下させる。しかしながら、Ｉｐ２セル４に所定値以上の一定の電圧が印加される場合、Ｉｐ２セル４による酸素の汲み出し量は、第二測定室３０内のガス中のＨ_２Ｏ濃度に依存して異なる。そこで、第一実施形態では、予備制御処理時に、定電流回路５８を駆動させ、Ｉｐ２セル４に供給する電流が一定となるように制御する。このようにすれば、同じガスセンサ１０であれば、予備制御処理によって、第二測定室３０からほぼ同量の酸素が汲み出すことができる。第一実施形態では、予備制御時のＩｐ２セル４に供給する一定の電流Ｉｐ３を１０μＡとする。このとき、Ｉｐ２セル４に印加される電圧は、駆動制御時の電圧である操作電圧Ｖｐ２（例えば、４２５ｍＶ）よりも大きい。このため、予備制御時の単位時間当たりの酸素汲み出し量は、駆動制御時に比べ大きい。

また、同じ構造を有するガスセンサ１０であっても出力特性が異なる場合がある。したがって、異なるガスセンサ１０個体に、同一の制御条件が設定されると、駆動制御処理開始直後のＮＯｘ濃度対応値の経時変化は、ガスセンサ１０個体毎に異なる場合がある。そこで、第一実施形態では、駆動制御処理開始後（換言すれば、予備制御終了後）に算出されるＮＯｘ濃度対応値が目標範囲内に収まるように、ガスセンサ１０毎に一定の通電時間である第二時間が設定される。ガスセンサ１０毎の第二時間の設定方法は、例えば、特開２０１１−１３７８０６号公報に記載された方法と同様の方法である。

ここで、ガスセンサ１０にガソリン等の未燃性物質が侵入する等の理由によって、活性化処理直後の第二測定室３０を満たしているガスが大気雰囲気に近い雰囲気ではない場合がある。そこで第一実施形態のセンサ制御装置１は、予備制御を、経過タイミングから開始タイミングまでの間の少なくとも一部の期間に実行する。経過タイミングは、ガスセンサが活性化したと判断された活性タイミングから一定の第一時間経過したタイミングである。開始タイミングは、駆動制御を開始するタイミングである。このようにすることで、ガスセンサ制御装置１は、第二測定室の雰囲気がガスセンサの周囲の雰囲気と入れ替わるのに必要な時間を、ガスセンサ１０が活性化した条件下で確保する。第一時間は、想定される未燃性物質の種類及び量、ガスセンサ１０の周囲のガスの流速、第二測定室３０の大きさ、ガスセンサ１０の活性化温度、並びに起動タイミングから活性タイミングまでの時間等を考慮して設定される。第一時間の長さに応じて、起動時間も長くなる。このため、第一時間は、第二時間よりも短い方が好ましい。より具体的には、第二時間が１５から３０秒の範囲のいずれかの値である場合、第一時間は５から１５秒の範囲の値の中の第二時間よりも小さい値であることが好ましい。このようにした場合、センサ制御装置は、第一時間を第二時間よりも短い時間に設定することによって、第一時間が起動時間に占める割合を低く抑えつつ、ガスセンサに未燃性物質が侵入したか否かによらず、安定して早期に特定ガス濃度の検知することができる。

次に、第一実施形態のメイン処理について、図２を参照して説明する。メイン処理は、内燃機関（図示外）の起動時にＥＣＵ９０からの指示を受けて、制御部５のＣＰＵ６１が実行する。なお、メイン処理において算出されたＮＯｘ濃度対応値は、メイン処理とは別途実行される出力処理において、検知対象ガスに含まれる濃度対応値を安定して検知可能であると判断された後、所定の間隔でセンサ制御装置１のＥＣＵ９０に出力される。出力処理において、濃度対応値を安定して検知可能であるか否かは、予め設定された、ＮＯｘ濃度対応値が所定範囲（例えば、０±５ｐｐｍ）内に収まる時間が経過したか否かに基づき判断される。

内燃機関（図示外）が起動され、ＥＣＵ９０からの指示が信号入出力部６４に入力されると、ＣＰＵ６１は、メイン処理を実行する各種条件をＲＯＭ６３から取得する（Ｓ５）。Ｓ５では、例えば、ガスセンサ１０毎に設定された第二時間が読み出される。次に、ＣＰＵ６１は、活性化処理を実行する（Ｓ１０からＳ３０）。活性化処理では、ＣＰＵ６１は、ガスセンサ１０のヒータパターン３８への通電を開始させる（Ｓ１０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、ヒータ駆動回路５９を制御して、ヒータパターン３８に一定電圧（例えば、１２Ｖ）を印加する。

次に、ＣＰＵ６１は、Ｉｃｐ供給回路５４を制御して、Ｖｓセル３に電流Ｉｃｐの供給を開始する（Ｓ１５）。電流Ｉｃｐが供給されたＶｓセル３は、第一測定室２３から基準酸素室２９へ酸素を汲み入れる。検知素子１１がヒータ素子３５によって加熱され、Ｖｓセル３の内部抵抗が低下するに従い、Ｖｓセル３の電圧Ｖｓは徐々に低下する。

次に、ＣＰＵ６１は、Ｖｓ検知回路５３を介して取得される電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下であるか否かを判断する（Ｓ２０）。電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下ではない場合（Ｓ２０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下となるまで待機する。電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下である場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、ヒータ電圧Ｖｈの制御を開始する（Ｓ２５）。具体的には、ＣＰＵ６１は、Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓが目標値となるように、ヒータ駆動回路５９を介してヒータ素子３５への通電を制御する。目標値とは、例えば、３００Ωであり、内部抵抗Ｒｐｖｓが３００Ωの場合、Ｖｓセル３の温度は、約７５０℃と推定される。

次に、ＣＰＵ６１は、検知素子１１が活性化したか否かを判断する（Ｓ３０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓが、閾値に達しているか否かに基づき、検知素子１１が活性化されたか否かを判断する。Ｖｓセル３の内部抵抗Ｒｐｖｓは、抵抗検知回路５５を介して取得された電圧Ｖｓの変化量と、電圧Ｖｓの変化量とＶｓセル３の内部抵抗とが予め関連付けられたテーブルとに基づき、別の処理によって定期的に算出される。閾値は、例えば、３５０Ωであり、内部抵抗Ｒｐｖｓが３５０Ωの場合、Ｖｓセル３の温度は、約６５０℃と推定される。ＣＰＵ６１は、内部抵抗Ｒｐｖｓが閾値に達している場合に、各固体電解質体１２，１３，１４が適切な酸素イオン伝導性を示す状態に達して検知素子１１が活性化したと判断する。

検知素子１１が活性化していない場合（Ｓ３０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、検知素子１１が活性化するまで待機する。検知素子１１が活性化した場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、活性タイミングであると判断し、図示しない第一タイマ回路を起動する。第一タイマ回路は、活性タイミングから第一時間後にタイムアウトするように構成されている。第一時間は、例えば、５秒である。ＣＰＵ６１は、第一タイマ回路が起動されてから第一時間経過して、タイムアウトしたかを判断し（Ｓ３３）、第一タイマ回路がタイムアウトしていない場合には（Ｓ３３：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、第一タイマ回路の監視を継続して行う。第一タイマ回路がタイムアウトした場合には（Ｓ３３：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、経過タイミングであると判断し、Ｉｐ１ドライブ回路５２を駆動させ、Ｉｐ１セル２に通電を開始する（Ｓ３５）。Ｓ３５の処理は、経過タイミングから濃度制御を開始させる処理である。即ち、Ｉｐ１セル２への通電によって、第一測定室２３に導入された排気ガスの酸素濃度を所定の濃度Ｃに調整する処理が開始される。

次に、ＣＰＵ６１は、予備制御処理を実行する（Ｓ４０からＳ５０）。予備制御処理では、ＣＰＵ６１は、Ｉｐ２セル４に対して一定値の電流をガスセンサ１０毎に個別に設定された一定の第二時間供給する（Ｓ４０）。具体的には、ＣＰＵ６１は、定電流回路５８を駆動させ、一定値の電流Ｉｐ３をＩｐ２セル４に供給する。一定値の電流Ｉｐ３とは、例えば、１０μＡである。Ｉｐ２セル４は、電流Ｉｐ３の供給を受けて、第二測定室３０に存在する酸素の汲み出しを開始する。

次に、ＣＰＵ６１は、図示しない第二タイマ回路を起動する（Ｓ４５）。第二タイマ回路は、第二タイマ回路を起動してから第二時間後にタイムアウトするように構成されている。第二時間は、上述したようにガスセンサ１０毎に設定され、ＲＯＭ６３に記憶されている値である。第二時間は、例えば、２０秒である。次に、ＣＰＵ６１は、第二タイマ回路が起動されてから第二時間経過して、タイムアウトしたかを判断し（Ｓ５０）、第二タイマ回路がタイムアウトしていない場合には（Ｓ５０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は、第二タイマ回路の監視を継続して行う。第二タイマ回路がタイムアウトした場合には（Ｓ５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１は、予備制御処理を終了する。ＣＰＵ６１は、開始タイミングであると判断し、Ｉｐ２セル４の制御を駆動制御に切り替える（Ｓ５５）。ＣＰＵ６１は、定電流回路５８の駆動を停止させ、Ｖｐ２印加回路５７を駆動させることによって、予備制御から駆動制御へセンサ制御装置１の制御状態を切り替える。これにより、駆動制御では、Ｉｐ２セル４へ操作電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）が印加される。駆動制御において、Ｓ３５で開始された濃度制御は継続して実行される。

次に、ＣＰＵ６１は、Ｉｐ２検知回路５６によって検知された電流Ｉｐ２の値（より詳細には、電流Ｉｐ２を電圧変換した値）を取得し、取得した電流Ｉｐ２の値をＲＡＭ６２に記憶させる（Ｓ６０）。次に、ＣＰＵ６１はＮＯｘ濃度対応値を算出し、算出したＮＯｘ濃度対応値をＲＡＭ６２に記憶させる（Ｓ７０）。ＮＯｘ濃度対応値は、例えば、ＲＯＭ６３に記憶された所定の計算式に電流Ｉｐ２の値を代入して算出される。また例えば、電流Ｉｐ２の値と、ＮＯｘ濃度対応値との対応を定めるテーブルが参照され、Ｓ６０で取得された電流Ｉｐ２の値に対応するＮＯｘ濃度対応値が算出される。

次に、ＥＣＵ９０から終了の指示が入力されていない場合には（Ｓ８０：ＮＯ）、ＣＰＵ６１は処理をＳ６０に戻す。ＥＣＵ９０から終了の指示が入力された場合には（Ｓ８０：ＹＥＳ）、ＣＰＵ６１はメイン処理を終了させる。

以上のように、ＣＰＵ６１は、メイン処理を実行する。第一実施形態のセンサ制御装置１において、基準電圧比較回路５１，Ｉｐ１ドライブ回路５２，Ｖｓ検知回路５３，Ｉｃｐ供給回路５４，及びＶｐ２印加回路５７を備える駆動回路部５０が、本発明の駆動回路部として機能する。図２のＳ３０を実行するＣＰＵ６１は本発明の判断手段として機能する。図２のＳ３３，Ｓ３５を実行するＣＰＵ６１は本発明の濃度制御指示手段として機能する。Ｓ３３及びＳ４０からＳ５０を実行するＣＰＵ６１は、本発明の予備制御指示手段として機能し、ＣＰＵ６１から指令を受けて駆動する定電流回路５８は、本発明の予備制御手段として機能する。Ｓ７０を実行するＣＰＵ６１は、本発明の算出手段として機能する。

［評価試験］
上記第一実施形態のメイン処理を行った場合に、ガスセンサ１０に未燃性物質が侵入した場合にも、安定して早期に特定ガス濃度の検知を可能となるか否か確認する評価試験を行った。具体的には、同一の構成を有するガスセンサ１０を備えたセンサ制御装置１において、互いに異なる条件１から条件３のそれぞれで得られたＮＯｘ濃度対応値の経時変化を比較した。条件１は、ガスセンサ１０に未燃性物質を侵入させない状態で従来方法によって予備制御を行った場合である。条件２は、ガスセンサ１０に未燃性物質を侵入させた状態で従来方法によって予備制御を行った場合である。条件３は、ガスセンサ１０に未燃性物質を侵入させた状態で第一実施形態のメイン処理に従って予備制御を行った場合である。なお、本評価では、ハウジングの外周に公知の焼付防止剤を塗布したガスセンサ１０を、８０℃、大気雰囲気に設定された密閉容器内に１００時間放置させることで、焼付防止剤から有機ガス（未燃性物質）を発生させ、未燃性物質をガスセンサ１０（第二測定室３０）内に侵入させた状態を得た。検知対象ガスは、ＮＯｘが０ｐｐｍ，Ｏ_２が２０％、Ｈ_２Ｏが４％、残りはＮ_２ガスである。検知対象ガスの温度は、１５０℃とした。図３では、横軸は起動タイミングからの経過時間（単位：秒）を表し、縦軸はＮＯｘ濃度対応値（単位：ｐｐｍ）を表している。

条件１から条件３のＮＯｘ濃度対応値の経時変化を、それぞれパターン２０１から２０３で示す。条件１及び条件２では、ガスセンサ１０が起動された後、ヒータパターン３８に通電が開始されてからＴ０時間（１２秒）でガスセンサ１０が活性化され、活性タイミングから予備制御が開始される。予備制御において一定電流（１０μＡ）がガスセンサ１０毎に設定された第二時間Ｔ２（２０秒）、Ｉｐ２セル４に供給された後、駆動制御に切り替えられる。一方、条件３では、活性タイミングから第一時間Ｔ１（５秒）経過した経過タイミングから予備制御が開始される。

条件１から３では、予備制御によって第二測定室３０に存在する酸素が強制的に基準酸素室２９へ汲み出される。条件１では、活性化処理の直後には、第二測定室３０内の酸素濃度は、大気雰囲気に近い値となっている。条件２及び３では、活性化処理によって未燃性物質が酸化する為、第二測定室３０内の酸素濃度は、大気雰囲気の酸素濃度よりも低い値となっていると想定される。条件１から３では、予備制御によって第二測定室３０に存在する酸素が強制的に基準酸素室２９へ汲み出される。予備制御から駆動制御への切り替えられた直後には、第二測定室３０内の酸素濃度は、基準濃度に対して低酸素状態（リッチ雰囲気）となっている。前述のように、駆動制御時の第二測定室３０の酸素濃度は、電圧Ｖｐ２＝４５０ｍＶに対して予め基準となる濃度（基準濃度）が規定されている。このため、予備制御から駆動制御に切り替えられた直後には、Ｉｐ２セル４は、第二測定室３０内の酸素濃度が基準濃度となるように、基準酸素室２９から第二測定室３０へ酸素を汲み戻すように動作する。これにより、ＮＯｘ濃度対応値の出力は、予備制御後、図３に示すように、負側から立ち上がる。

図３のように、パターン２０１で示す条件１は、開始タイミング後負側から立ち上がり、開始タイミングから３０秒後（起動タイミングから６２秒後）まではＮＯｘ濃度対応値が急激に増加し、その後は緩やかに増加した。また、開始タイミングから２３秒経過後（起動タイミングから５５秒後）には、ＮＯｘ濃度対応値は０±５ｐｐｍの範囲の値となった。

パターン２０２で示す条件２は、開始タイミング後負側から立ち上がり、開始タイミングから４６秒後（起動タイミングから７８秒後）まではＮＯｘ濃度対応値が検知範囲外の値をとり、開始タイミングから４７秒（起動タイミングから７９秒）以降はＮＯｘ濃度対応値が緩やかに増加した。条件２では、ＮＯｘ濃度対応値は０±５ｐｐｍの範囲の値となるのに、起動タイミングから２００秒以上要した。条件２は、活性タイミングにおいて、ガスセンサ１０に侵入した未燃性物質の影響で、第二測定室３０内の酸素濃度が想定している所定の低濃度よりも低い状態（リッチ雰囲気）となっていると想定される。このため、条件１に比べ、予備制御終了後の、基準酸素室２９から第二測定室３０への酸素の汲み戻りに時間がかかる。

パターン２０３で示す条件３では、開始タイミング後負側から立ち上がり、開始タイミングから３３秒後（起動タイミングから７０秒後）まではＮＯｘ濃度対応値が急激に増加し、その後は緩やかに増加した。また、開始タイミングから２７秒経過後（起動タイミングから６４秒後）には、ＮＯｘ濃度対応値は０±５ｐｐｍの範囲の値となった。

条件３は、条件２と同様に活性タイミングにおいて、ガスセンサ１０に侵入した未燃性物質の影響で、第二測定室３０内の酸素濃度が想定している所定の低濃度よりも低い状態（リッチ雰囲気）となっていると想定される。しかし、条件３では、活性タイミングから第一時間（５秒）経過した経過タイミングから濃度制御及び予備制御を開始させている。このため、第二測定室の雰囲気は、ガスセンサ１０が活性化した条件下で、ガスセンサ１０の周囲の雰囲気と入れ替わる。したがって、予備制御終了後の、基準酸素室２９から第二測定室３０への酸素の汲み戻りに必要な時間は、条件１と同程度の時間である。これにより条件３での起動時間は６４秒であり、条件２での起動時間（２００秒以上）の半分以下に短縮された。図示しないが、ガスセンサ１０に未燃性物質を侵入させない状態で第一実施形態のメイン処理によって予備制御を行った場合について同様のＮＯｘ濃度対応値の経時変化を取得したところ、条件３とほぼ同様のパターンが得られた。評価試験によって、実施例のメイン処理をセンサ制御装置１に適用すると、ガスセンサ１０に未燃性物質が侵入したか否かによらず、安定して早期に特定ガス濃度の検知が可能となることが確認された。

以上詳述した第一実施形態のセンサ制御装置１によれば、次の効果が得られる。第一時間が第二時間よりも短く設定されているので、第一時間が起動時間に占める割合を低く抑えつつ、ガスセンサ１０に未燃性物質が侵入したか否かによらず、安定して早期に特定ガス濃度の検知が可能である。センサ制御装置１では、予備制御として、ガスセンサ１０毎に定められた一定の第二時間、一定電流をＩｐ２セル４に供給する。Ｉｐ２セル４が汲み出す酸素の量は、Ｉｐ２セル４が備える一対の電極２７，２８間に流れる電流値に比例する。このため、センサ制御装置１では、予備制御終了時点において、第二測定室３０内の酸素濃度は、同一個体のガスセンサ１０であれば、検知対象ガスに含まれるＨ_２Ｏ濃度によらずほぼ同じ濃度となる。したがって、センサ制御装置１は、同一個体のガスセンサ１０における検知処理実行時毎の起動時間のバラツキを、ガスセンサ１０毎の出力特性のバラツキを考慮して低減させることができる。

ところで、上記第一実施形態のメイン処理では、制御部５のＣＰＵ６１がメイン処理を実行していた。これに対し、ガスセンサが制御部を備える場合には、ガスセンサの制御部と、ガスセンサとは別体に設けられた制御部とが協働してメイン処理を実行してもよい。以下図４から図６を参照して、第二実施形態として、ガスセンサの制御部と、ガスセンサとは別体に設けられた制御部とが協働して処理が実行される場合について説明する。

まず図４を参照して第二実施形態のセンサ制御装置１０１の構成について説明する。図４において、図１に示す第一実施形態のセンサ制御装置１が備える部材と同様な部材については、同じ符号を付与している。以下の説明では、第一実施形態のセンサ制御装置１が備える部材と同様な部材については、説明を省略する。図４に示すように、第二実施形態のセンサ制御装置１０１は、制御部１０５と、ガスセンサ１１０とを備える。制御部１０５は、コネクタ部１７０の構成が第一実施形態のセンサ制御装置１と異なる。コネクタ部１７０は、第一実施形態と同様の端子７２から７７に加え、端子１７１を備える。端子１７１は、配線を介して、信号入出力部６４と電気的に接続されている。

ガスセンサ１１０は、コネクタ部１４０の構成が第一実施形態のセンサ制御装置１と異なる。コネクタ部１４０は、第一実施形態と同様の端子４２から４７に加え、制御部１５０，端子１４１，及びスイッチ１４４を備える。制御部１５０は、マイクロコンピュータ１４２（以下、「マイコン１４２」と言う。）及びスイッチ回路１４３を備える。図示しないが、マイコン１４２は、公知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄコンバータ及び信号入出力部を備える演算装置である。スイッチ回路１４３は、スイッチ１４４の開閉を制御する。スイッチ１４４は、スイッチ回路１４３に制御され、Ｉｐ１ドライブ回路５２から供給される電流Ｉｐ１が流れる経路の開閉を切り替える。端子１４１は、リード線を介して制御部１５０と電気的に接続されている。コネクタ部１７０が、コネクタ部１４０と接続された場合、端子７２から７７及び端子１７１はそれぞれ、端子４２から端子４７及び端子１４１に接続される。

次に、第二実施形態のセンサ制御装置１０１において実行される処理の概要を説明する。制御部１０５は、図６に示すメイン処理を実行し、活性タイミングからＩｐ１ドライブ回路５２を駆動させて電流Ｉｐ１の供給を開始した後（Ｓ３５）、供給開始信号を制御部１５０に出力する。供給開始信号は、電流Ｉｐ１の供給が開始されたことを制御部１５０に通知する信号である。その後制御部１０５は、ガスセンサ１１０が設定するフラグの値が１になるまで待機する処理を実行する（Ｓ３８）。一方ガスセンサ１１０の制御部１５０は、図５に示すスイッチ処理を実行し、フラグに０を設定した後（Ｓ１００）、供給開始信号を受信してから第一時間が経過するまで、電流Ｉｐ１が流れる経路を断線させる断線処理を実行する（Ｓ１１０，Ｓ１１５）。制御部１５０は、断線処理の実行が終了した場合に（Ｓ１１５：ＹＥＳ，Ｓ１２０）、フラグに１を設定する（Ｓ１２５）。このような処理により、センサ制御装置１０１は、経過タイミングから濃度制御（図６の二点鎖線１９４内の処理）を開始し、経過タイミングから開始タイミングまでの期間に予備制御（図６の二点鎖線９２内の処理）を実行する。

図５を参照して第二実施形態のガスセンサ１１０で実行されるスイッチ処理について説明する。メイン処理は、内燃機関（図示外）の起動時に制御部１０５のマイクロコンピュータ６０からの指示を受けて、制御部１５０が実行する。図５に示すように、スイッチ処理ではまず、制御部１５０は、フラグを０に設定する（Ｓ１００）。フラグは、電流Ｉｐ１が流れる経路を断線させる断線処理が完了したか否かを判別するために設定され、フラグが０である場合、フラグは断線処理が終了していないことを表し、フラグが１である場合、フラグは断線処理が終了したことを表す。マイコン１４２は、フラグの設定を制御部１０５の信号入出力部６４に対して出力する。次に、制御部１０５にて電流Ｉｐ１の供給が開始された場合に、マイコン１４２は、制御部１０５の信号入出力部６４から供給開始信号を受信する（Ｓ１０５）。そして、マイコン１４２は、制御部１０５から受信した供給開始信号に基づき、スイッチ回路１４３に対してスイッチ１４４を開放する指示を出力し、断線処理を開始させる（Ｓ１１０）。スイッチ回路１４３は、出力された指示に基づきスイッチ１４４を開放する。スイッチ１４４が開放されている場合、電流Ｉｐ１はＩｐ１セル２に供給されない。マイコン１４２は、スイッチ回路１４３がスイッチ１４４を開放してから第一時間経過するまで待機後（Ｓ１１５：ＮＯ）、スイッチ回路１４３がスイッチ１４４を開放してから第一時間経過した場合には（Ｓ１１５：ＹＥＳ）、スイッチ回路１４３に対してスイッチ１４４を閉じる指示を与える（Ｓ１２０）。スイッチ回路１４３は、出力された指示に基づきスイッチ１４４を閉じる。Ｓ１１０からＳ１２０の処理によって、スイッチ回路１４３は、断線処理を開始してから第一時間後にスイッチ１４４を電流Ｉｐ１が流れるラインに接続する。次に、断線処理が終了したことから、マイコン１４２は、フラグに１を設定し、フラグの設定を信号入出力部６４に対して出力する（Ｓ１２５）。スイッチ処理は以上で終了する。

次に図６を参照して、第二実施形態の制御部１０５で実行されるメイン処理について説明する。メイン処理は、内燃機関（図示外）の起動時にＥＣＵ９０からの指示を受けて、ＣＰＵ６１が実行する。図６において、図２に示す第一実施形態のメイン処理と同様の処理には、同じステップ番号を付与している。図６に示すように、第二実施形態のメイン処理では、Ｓ３３の処理が実行されず、Ｓ３５とＳ４０との間に、Ｓ３８が実行される点及びＳ３５の処理において、図２に示す第一実施形態のメイン処理と異なる。第一実施形態と同様な処理については説明を省略し、以下、第一実施形態のメイン処理と異なる、Ｓ３５及びＳ３８の処理について説明する。

Ｓ３５では、ＣＰＵ６１は、ｐ１ドライブ回路５２を駆動させ、Ｉｐ１セル２に通電を開始する。また、ＣＰＵ６１は、供給開始信号を制御部１５０に対して出力する。Ｓ３８では、ＣＰＵ６１はフラグが１であるか否かを判断する。フラグは前述のスイッチ処理においてガスセンサ１１０が設定する。ＣＰＵ６１は、フラグが１になるまで待機した後（Ｓ３８：ＮＯ）、フラグが１になった場合に（Ｓ３８：ＹＥＳ）、第一実施形態と同様のＳ４０以降の処理を実行する。

第二実施形態のセンサ制御装置１０１において、基準電圧比較回路５１，Ｉｐ１ドライブ回路５２，Ｖｓ検知回路５３，Ｉｃｐ供給回路５４，及びＶｐ２印加回路５７を備える駆動回路部５０が、本発明の駆動回路部として機能する。図６のＳ３０を実行するＣＰＵ６１は本発明の判断手段として機能する。図６のＳ３５を実行するＣＰＵ６１及び図５のＳ１０５からＳ１２０の処理を実行するマイコン１４２及びスイッチ回路１４３は本発明の濃度制御指示手段として機能する。Ｓ３８からＳ５０を実行するＣＰＵ６１並びに図５のＳ１００，Ｓ１０５，Ｓ１１５及びＳ１２５の処理を実行するマイコン１４２は、本発明の予備制御指示手段として機能し、ＣＰＵ６１から指令を受けて駆動する定電流回路５８は、本発明の予備制御手段として機能する。Ｓ７０を実行するＣＰＵ６１は、本発明の算出手段として機能する。

以上の第二実施形態のセンサ制御装置１０１では、制御部１０５が活性タイミングでＩｐ１ドライブ回路５２を駆動させる。一方で、ガスセンサ１１０のスイッチ回路１４３は、濃度制御が経過タイミングから開始されるように、スイッチ１４４の開閉を制御する。その結果、第二実施形態のセンサ制御装置１０１では、第一実施形態のセンサ制御装置１のメイン処理と同様な処理が実行される。したがって、第一実施形態のセンサ制御装置１と同様な効果を奏することができる。

なお、本発明は上記第一及び第二実施形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。例えば、以下の（１）から（７）に示す変形が適宜加えられてもよい。

（１）上記実施形態では、Ｖｓセル３の内部抵抗に基づいて検知素子１１の温度を検知しているが、例えば、Ｖｓセル３に代えて、Ｉｐ１セル２及びＩｐ２セル４の少なくともいずれかの内部抵抗に基づいて、検知素子１１の温度を検知してもよい。また、ヒータ素子３５を構成するヒータパターン３８の抵抗値に基づいて、検知素子１１の温度を検知してもよい。

（２）上記実施形態では、ＮＯｘの濃度を検知するＮＯｘセンサを例示しているが、第一態様のセンサ制御装置は、固体電解質体を用いて構成される種々のガスセンサ（例えば、酸素センサ）に適用可能である。

（３）センサ制御装置の構成は適宜変更可能である。例えば、制御部５（１０５）が備える駆動回路部の構成は適宜変更してもよい。また例えば、制御部５と、ガスセンサ１０とは、着脱不能のように一体に構成されていてもよい。また例えば、基準酸素室２９に代えて、大気導入孔が設けられたガスセンサに本態様のセンサ制御装置が適用されてもよい。

（４）予備制御の実行条件は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態のように、予備制御において一定電流が、一定時間供給されてもよい。この場合、ガスセンサ１０毎に予備制御の実行条件として、例えば、予備制御の一定電流の値と、通電時間と、ガスセンサ１０の目標加熱温度とから選択された条件の組合せが設定されてもよいし、同一の構成を有するガスセンサ１０に対して同一の制御条件が設定されてもよい。また、Ｈ_２Ｏ濃度の影響を受けない環境で使用される場合等には、予備制御として操作電圧よりも大きな一定電圧が一定時間供給されてもよい。

（５）上記実施形態のメイン処理は適宜変更可能である。例えば、本実施形態のメイン処理に従って得られるパターンは、メイン処理実行毎に同様なパターンとなる。このため、本実施形態のメイン処理に従って得られるパターンを補正データを用いてＮＯｘ濃度対応値を補正する処理が実行されてもよい。また例えば、図２のＳ７０において算出されるＮＯｘ濃度対応値は、検知対象ガス中の特定ガス濃度を表す値であればよく、例えば、ＮＯｘ濃度対応値は、Ｉｐ２セル４の電流値に基づくアナログ出力をデジタル換算した値であってもよい。また例えば、予備制御は、経過タイミングから開始タイミングまでの間の少なくとも一部の期間に実行されればよい。具体的には、上記実施形態では、経過タイミングで、濃度制御と、予備制御とを実質的に同時に開始させていたが、濃度制御が開始された後に、予備制御が実行されてもよい。

（６）起動時間を短くする観点から、第一時間は第二時間よりも短い方が好ましいが、第一時間を長くすることで早期に特定ガス濃度の検知を可能とすることに対する安定性が増す場合等には第一時間は第二時間以上であってもよい。

（７）図２及び図６に示すメイン処理の各ステップは、ＣＰＵ６１によって実行される例に限定されず、一部又は全部が他の電子機器（例えば、ＡＳＩＣ）によって実行されてもよい。メイン処理の各ステップは、複数の電子機器（例えば、複数のＣＰＵ）によって分散処理されてもよい。図２及び図６に示すメイン処理並びに図５のスイッチ処理の各ステップは、必要に応じて順序の変更、ステップの省略、及び追加が可能である。

１，１０１センサ制御装置
２第一酸素ポンプセル
４第二酸素ポンプセル
５，１０５，１５０制御部
１０，１１０ガスセンサ
１２，１３，１４固体電解質体
１７，１８，２１，２２，２７，２８電極
２３第一測定室
３０第二測定室
４０，７０，１４０，１７０コネクタ部
５１基準電圧比較回路
５２Ｉｐ１ドライブ回路
５３Ｖｓ検知回路
５４Ｉｃｐ供給回路
５７Ｖｐ２印加回路
５８定電流回路
６０，１４２マイクロコンピュータ
６１ＣＰＵ
６３ＲＯＭ
１４３スイッチ回路

Claims

検知対象ガスが導入される第一測定室と、第一固体電解質層と一対の第一電極とを備え、前記一対の第一電極が前記第一測定室の内側と外側とに設けられる第一酸素ポンプセルと、前記第一測定室に連通する第二測定室と、第二固体電解質層と一対の第二電極とを備え、前記一対の第二電極が前記第二測定室の内側と外側とに設けられた第二酸素ポンプセルとを備えるガスセンサと、
前記第一測定室に導入された前記検知対象ガスの酸素濃度を、前記第一酸素ポンプセルへの通電によって所定の値に調整する濃度制御を行うとともに、前記第二酸素ポンプセルへ操作電圧を印加する駆動制御を行う駆動回路部と、前記操作電圧が印加された前記第二酸素ポンプセルに流れる電流の大きさに基づいて特定ガスの濃度を表す濃度対応値を算出する算出手段とを備える制御部と
を備えるセンサ制御装置であって、
前記制御部はさらに、
前記ガスセンサが活性化したか否かを判断する判断手段と、
前記駆動制御を開始する前に、前記第二測定室内の酸素濃度を低下させる予備制御を実行する予備制御手段とを備え、
前記センサ制御装置はさらに、
前記判断手段によって前記ガスセンサが活性化したと判断された活性タイミングから一定の第一時間経過した経過タイミングから前記濃度制御を実行させる濃度制御指示手段と、
前記経過タイミングから前記駆動制御を開始する開始タイミングまでの間の少なくとも一部の期間に、前記予備制御手段に前記予備制御を実行させる予備制御指示手段と
を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
前記予備制御手段は、前記第二酸素ポンプセルに対して、一定の電流を一定の第二時間供給して、前記第二測定室から当該第二測定室外部に汲み出す酸素量を一定に制御することによって前記予備制御を実行することを特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
前記第一時間は前記第二時間よりも短いことを特徴とする請求項２に記載のセンサ制御装置。