JP6110262B2 - センサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、拡散室と起電力セルとポンプセルとを有するセンサを制御するセンサ制御装置に関する。

内燃機関から排出される排気ガス中の酸素濃度を広域に（リニアに）検出するためのセンサとして、拡散律速層を介して測定対象ガス（排気ガス）が流入する拡散室と、固体電解質層に電極を設けた起電力セル（酸素濃度測定セル）およびポンプセル（酸素ポンプセル）の２つのセルを有するセンサ（ガスセンサ）がある。

このセンサの起電力セルから出力される検知電圧（Ｖｓ電圧）を所定値（目標電圧値）に保つために、ポンプセルへ通電するポンプ電流をフィードバック制御して、センサを制御するセンサ制御装置がある。

しかし、センサの特性バラツキや使用環境などの要因によって、フィードバック制御が適切に行われず、ポンプ電流が不適切な値となり、起電力セルの検知電圧が目標電圧値に収束せず、フィードバック制御を行うセンサ制御装置に発振が生ずることがある。

この発振を防止するため、例えば、ポンプセルの内側電極と起電力セルの検出電極とを共通にして、そこに低抵抗値の吊るし抵抗を付加する技術がある（特許文献１）。また、ポンプセルの外側電極および起電力セルのセル電極に、並列に帰還抵抗を付加し、ポンプ電流と同位相の電圧をＶｓ電圧に重畳することで、発振を抑制する技術がある（特許文献２）。

さらに、ポンプ電流から所定の遮断周波数以下の低周波成分を除いた高周波成分ポンプ電流の一部を起電力セルに流すことで、センサに接続される制御回路の発振を抑制する技術が提案されている（特許文献３）。

特許２６２４７０４号公報 特開平５−２５６８１７号公報 特開２００２−２４３７００号公報

しかし、高周波成分ポンプ電流を起電力セルに対して流す構成においては、ポンプ電流の急激な変動に伴って起電力セルにも瞬時的に大きな電流（スパイク電流）が流れてしまい、起電力セルにダメージが及ぶ可能性がある。

例えば、センサの活性化直後など、ポンプ電流の通電開始直後には、ポンプ電流が急激に変動する場合があり、このような急激なポンプ電流の変動は高周波成分であるため、起電力セルに流れることになる。この結果、起電力セルにスパイク電流が流れてしまい、起電力セルにダメージが及ぶ可能性がある。

そこで、本発明は、検知電圧に基づいてポンプ電流をフィードバック制御するにあたり、起電力セルに対して高周波成分ポンプ電流を流す構成を採ることなく、検知電圧の発振を抑制するセンサ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のセンサ制御装置は、拡散律速層を介して測定対象ガスが流入する拡散室と、拡散室における特定ガス成分の濃度に応じた検知電圧を生じる起電力セルと、外部から通電されるポンプ電流に応じて拡散室への特定ガス成分の汲み入れ又は汲み出しを行うポンプセルと、を有するセンサを制御するセンサ制御装置であって、起電力セルに生じる検知電圧が予め定められた目標電圧に近づくように、検知電圧に基づいてポンプ電流をフィードバック制御する制御部と、検知電圧から予め定められた低周波成分を抽出するローパスフィルタ部と、を備えており、制御部は、ローパスフィルタ部で抽出された低周波成分に基づいてポンプ電流をフィードバック制御すること、を特徴とするセンサ制御装置である。

特定ガス成分の濃度に応じて起電力セルに生じる検知電圧は、ポンプ電流によりポンプセルの両端に生じる電圧に比べて、単位時間あたりの変化量が小さく、低周波の電気信号となる。

このため、検知電圧に対してポンプセルの両端に生じる電圧などの高周波ノイズ成分が重畳した場合であっても、周波数帯域の違いを利用することで、検知電圧と高周波ノイズ成分とを分離することができる。つまり、ローパスフィルタ部により検知電圧から抽出された低周波成分は、高周波ノイズ成分が除去されており、特定ガス成分の濃度に応じて起電力セルに生じる「実際の検知電圧」に等しいものとなる。

これにより、制御部は、ローパスフィルタ部で抽出された低周波成分に基づいてポンプ電流をフィードバック制御することで、高周波ノイズ成分の影響を抑制しつつ、「実際の検知電圧」に基づいてポンプ電流をフィードバック制御することが可能となる。

この結果、制御部によるフィードバック制御によってポンプ電流が不適切な値に制御されるのを抑制できるため、制御部は、検知電圧を目標電圧に近づけることができ、検知電圧が発振することを抑制できる。

つまり、本発明では、ポンプ電流から所定の遮断周波数以下の低周波成分を除いた高周波成分ポンプ電流を起電力セルに流す構成を採ることなく、ローパスフィルタ部で抽出された低周波成分に基づいてポンプ電流をフィードバック制御することで、検知電圧を目標電圧に近づけることができる。

よって、本発明によれば、検知電圧に基づいてポンプ電流をフィードバック制御するにあたり、起電力セルに対して高周波成分ポンプ電流を流す構成を採ることなく、検知電圧の発振を抑制できる。なお、ローパスフィルタ部において設定される予め定められた低周波成分に関しては、センサの構成等を考慮し、センサが正常に応答する範囲の低周波成分を設定すればよい。例えば、センサ及びセンサ制御装置の一巡伝達関数の周波数特性の位相が、利得（ゲイン）が０ｄＢ以上である周波数領域で、−１８０度に至らないように、ローパスフィルタ部の低周波成分を設定し、発振を抑制すればよい。

次に、本発明のセンサ制御装置においては、センサの起電力セルに生じる検知電圧をアナログ値からデジタル値に変換する電圧ＡＤ変換部を備えており、ローパスフィルタ部は、電圧ＡＤ変換部で変換された検知電圧のデジタル値からデジタル演算により低周波成分を抽出し、制御部は、低周波成分のデジタル値に基づいてポンプ電流をデジタル制御によりフィードバック制御する、という構成を採ることができる。

このように、検知電圧をアナログ値からデジタル値に変換する電圧ＡＤ変換部を備えて、ローパスフィルタ部がデジタル演算により低周波成分を抽出する構成を採ることで、検知電圧から低周波成分を抽出することができる。

次に、本発明のセンサ制御装置においては、ローパスフィルタ部は、起電力セルから制御部に至る検知電圧の検出経路上に設けられるアナログ回路であり、当該センサ制御装置は、ローパスフィルタ部で抽出された低周波成分をアナログ値からデジタル値に変換する低周波ＡＤ変換部を備えており、制御部は、低周波ＡＤ変換部で変換された低周波成分のデジタル値に基づいてポンプ電流をデジタル制御によりフィードバック制御する、という構成を採ることができる。

このように、ローパスフィルタ部をアナログ回路で構成しつつ、ローパスフィルタ部で抽出された低周波成分をアナログ値からデジタル値に変換する低周波ＡＤ変換部を備えることで、検知電圧から低周波成分を抽出することができる。

本発明は、ポンプセルの両端に生じる電圧などの高周波ノイズ成分の影響を抑制しつつ、特定ガス成分の濃度に応じて起電力セルに生じる検知電圧に基づいてポンプ電流をフィードバック制御することができる。これにより、検知電圧を目標電圧に近づけることができ、検知電圧が発振することを抑制できる。

本発明によれば、検知電圧に基づいてポンプ電流をフィードバック制御するにあたり、起電力セルに対して高周波成分ポンプ電流を流す構成を採ることなく、検知電圧の発振を抑制できる。

ガスセンサ制御装置を備える内燃機関制御システムの全体構成図である。 ガスセンサの概略構成図である。 デジタル制御部のＣＰＵで実行される制御処理を説明するための機能ブロック図である。 第２ガスセンサ制御装置を備える第２内燃機関制御システムの全体構成図である。 第２実施形態におけるデジタル制御部のＣＰＵで実行される制御処理を説明するための機能ブロック図である。 第２実施形態のローパスフィルタの回路図である。 第２ローパスフィルタの回路図である。 第３ローパスフィルタの回路図である。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
尚、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲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。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
図１は、本発明が適用された実施形態としてのガスセンサ制御装置２を備える内燃機関制御システム１の全体構成図である。

内燃機関制御システム１は、例えば、内燃機関の空燃比制御などを行い、内燃機関の運転状態を制御する用途に用いられる。ガスセンサ制御装置２は、内燃機関の排気ガス中の特定ガス成分（本実施形態では、酸素）を検出する用途に用いられる。

内燃機関制御システム１は、少なくともガスセンサ制御装置２、ガスセンサ８、エンジン制御装置９を備えている。
ガスセンサ制御装置２は、内燃機関（エンジン）の排気管に設けられるガスセンサ８からガス検出信号および素子抵抗値信号を検出し、ガス検出信号および素子抵抗値信号をエンジン制御装置９（エンジンＣＰＵ９）に出力する。

なお、ガスセンサ８は、排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって（リニアに）検出するものであり、また、エンジン制御装置９は、各種制御処理の１つとして、ガス検出信号を用いてエンジンの空燃比制御を行う。

ガスセンサ制御装置２は、各種制御処理を実行するデジタル制御部３１、第１オペアンプ３３、第２オペアンプ３５、第３オペアンプ３７、外部接続端子３９、定電流出力部６１、定電流源回路６２、シリアル通信端子５３など、を備えている。

このうち、外部接続端子３９は、ガスセンサ８に接続される端子（Ｖｓ＋端子４１、Ｐｏｕｔ端子４５，Ｖｃｅｎｔ端子４７、ＣＯＭ端子４９、Ｉｐ＋端子５１）と、コンデンサ５７に接続されるコンデンサ用端子４３と、を備えている。

定電流出力部６１は、ガスセンサ８の内部抵抗値検出用の定電流を出力する。定電流源回路６２は、起電力セル２４に対して定電流（微小電流Ｉｃｐ）を出力する。
シリアル通信端子５３は、シリアル通信ケーブル８５を介して、エンジン制御装置９との間で各種信号（ガス検出信号、素子抵抗値信号など）の送受信を行う。

ここで、ガスセンサ８の概略構成図を図２に示すと共に、ガスセンサについて簡単に説明する。
ガスセンサ８は、ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、起電力セル２４と、補強板３０と、を備えて構成されている。

ポンプセル１４は、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２ ）により形成された酸素イオン伝導性の固体電解質体１３と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２、１６と、を有している。また、起電力セル２４は、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２ ）により形成された酸素イオン伝導性の固体電解質体２３と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２、２８と、を有している。

ポンプセル１４のうち拡散室２０に臨む多孔質電極１６と、起電力セル２４のうち拡散室２０に臨む多孔質電極２２とは、互いに導通されるとともに、ガスセンサ８のセンサＣＯＭ端子１７に接続されている。なお、ガスセンサ８のセンサＣＯＭ端子１７は、ガスセンサ制御装置２のＶｃｅｎｔ端子４７およびＣＯＭ端子４９に接続されると共に、電流検出抵抗器８３を介してＰｏｕｔ端子４５に接続されている（図１参照）。

また、ポンプセル１４の多孔質電極１２は、ガスセンサ８のセンサＩｐ＋端子１９に接続されており、起電力セル２４の多孔質電極２８は、ガスセンサ８のセンサＶｓ＋端子１５に接続されている。なお、センサＩｐ＋端子１９は、外部接続端子３９のＩｐ＋端子５１に接続されており、センサＶｓ＋端子１５は、外部接続端子３９のＶｓ＋端子４１に接続されている（図１参照）。

また、補強板３０は、起電力セル２４との間で基準酸素室２６を形成するように、基準室形成層２９を介して起電力セル２４に積層されている。なお、起電力セル２４の多孔質電極２８は、基準酸素室２６に面している。

ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された拡散室２０が形成されている。即ち、拡散室２０は、多孔質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されている。なお、本実施形態では、多孔質物質を充填して成る多孔質拡散層１８を用いるが、この代わりに小孔を配設して、拡散室２０への測定対象ガスの流入速度を律速することも可能である。

なお、ガスセンサ８は、ヒータ４２を備えており、ヒータ４２による加熱によりポンプセル１４および起電力セル２４を活性化することで、ガス検出が可能となる。
図１に戻り、ガスセンサ制御装置２における酸素濃度測定動作について説明する。

ガスセンサ制御装置２では、定電流源回路６２より起電力セル２４に対して一定の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、起電力セル２４の両端に発生する両端電圧Ｖｓが目標電圧値（本実施形態では、４５０ｍＶ）になるようにポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐを制御して、拡散室２０の酸素の汲み入れないし汲み出しを行う。

ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値及び電流方向は、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の値に基づいて排気ガス中の酸素濃度を演算することができる。なお、起電力セル２４に対して拡散室２０の酸素を多孔質電極２８側に汲み出す方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室２６は内部酸素基準源として機能する。

第３オペアンプ３７は、反転入力端子がＶｃｅｎｔ端子４７に接続され、非反転入力端子には基準電圧（＋３．６Ｖ）が印加され、出力端子がポンプセル１４のセンサＩｐ＋端子１９に接続されている。

［１−２．デジタル制御部］
次に、デジタル制御部３１について説明する。
デジタル制御部３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する公知のマイクロコンピュータ（マイコン）で構成されている。本実施形態のデジタル制御部３１は、中央演算処理装置９１（以下、ＣＰＵ９１ともいう）、ＥＥＰＲＯＭ９２、第１Ａ／Ｄ変換器９３、Ｄ／Ａ変換器９４、Ｉ／Ｏ入出力部９５、シリアル送受信部９６、第２Ａ／Ｄ変換器９７などを備えて構成されている。

中央演算処理装置９１（ＣＰＵ９１）は、各種演算制御処理を実行する装置であり、ＥＥＰＲＯＭ９２は、演算制御処理の内容やパラメータマップなどを記憶する記憶部であり、ＲＡＭ（図示省略）は、制御データ等を一時的に記憶する記憶部である。

Ａ／Ｄ変換器は、アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器であり、デジタル制御部３１においては、第１オペアンプ３３の出力電圧をＡ／Ｄ変換するための第１Ａ／Ｄ変換器９３と、Ｖｃｅｎｔ端子４７における電圧をＡ／Ｄ変換するための第２Ａ／Ｄ変換器９７と、が備えられている。

Ｄ／Ａ変換器は、デジタル信号をアナログ信号に変換する変換器であり、デジタル制御部３１においては、抵抗器８１に対して出力する出力電圧をＤ／Ａ変換するためのＤ／Ａ変換器９４が備えられている。

Ｉ／Ｏ入出力部は、ＯＮ信号やＯＦＦ信号などの２値信号の入力および出力を行う入出力部であり、デジタル制御部３１においては、定電流出力部６１に対する制御指令信号を出力するＩ／Ｏ入出力部９５が備えられている。

シリアル送受信部９６は、予め定められた伝送プロトコルに従いシリアル通信を行う送受信部である。デジタル制御部３１においては、シリアル送受信部９６は、少なくともエンジン制御装置９との間でシリアル通信により信号送受信する。

そして、デジタル制御部３１（詳細には、ＣＰＵ９１）は、センサＶｓ＋端子１５の電位とＶｃｅｎｔ端子４７の電位との電位差（起電力セル２４の両端に発生する両端電圧Ｖｓ）を検知し、起電力セル２４の起電力（両端電圧Ｖｓ）が４５０ｍＶとなるように、ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御によりフィードバック制御する。具体的には、デジタル制御部３１は、目標電圧値（４５０ｍＶ）と起電力セル２４の両端電圧Ｖｓとの偏差ΔＶｓに基づいてＰＩＤ演算し、偏差ΔＶｓが０に近づくように（換言すれば、両端電圧Ｖｓが目標電圧値に近づくように）第２オペアンプ３５の出力電圧を制御することで、第３オペアンプ３７からポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐを制御する。

このポンプ電流Ｉｐは、その正負の値により、ポンプセル１４から第３オペアンプ３７の出力端子に向かう方向か、または第３オペアンプ３７の出力端子からポンプセル１４に向かう方向のいずれかとなる。

また、デジタル制御部３１（詳細には，ＣＰＵ９１）は、上記したＰＩＤ制御により演算されたポンプ電流Ｉｐの大きさと電流検出抵抗器８３の抵抗値Ｒｄを乗算する処理を行うことで、電流検出抵抗器８３の両端電圧をガス検出信号（Ｖｉｐ信号）として検出する。そして、デジタル制御部３１は、検出したガス検出信号（Ｖｉｐ信号）を、シリアル通信端子５３を介してエンジン制御装置９に対して出力する。

なお、エンジン制御装置９は、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）に基づいて、内部に保持しているマップ（ガス検出信号と酸素濃度値との相関関係を表すマップ）から対応する酸素濃度値を算出する。さらに、エンジン制御装置９は、算出した酸素濃度値に基づき空燃比を検出する処理を行うと共に、目標空燃比となるように空燃比制御処理を行う。

［１−３．起電力セルの抵抗値（温度）測定動作］
次に、ガスセンサ制御装置２における起電力セル２４の抵抗値（温度）測定動作について説明する。

ガスセンサ制御装置２の定電流出力部６１は、第１スイッチ６３、第１定電流源回路６５、第２スイッチ６７、第２定電流源回路６９、第３スイッチ７１、第３定電流源回路７３、第４スイッチ７５、第４定電流源回路７７、を備えている。

このうち、第１スイッチ６３、第１定電流源回路６５、第２スイッチ６７、第２定電流源回路６９は、起電力セル２４に対してＲｐｖｓ検出用Ｎパルス定電流（−Ｉconst ）を流すために備えられている。また、第３スイッチ７１、第３定電流源回路７３、第４スイッチ７５、第４定電流源回路７７は、Ｒｐｖｓ検出用Ｎパルス定電流とは逆極性のＲｐｖｓ検出用Ｐパルス定電流（＋Ｉconst ）を起電力セル２４に対して流すために備えられている。

また、ガスセンサ制御装置２のデジタル制御部３１は、ＣＰＵ９１での制御処理において、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓのデジタル値をＲＡＭ（図示省略）に記憶することで、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓをサンプルホールドできるよう構成されている。

つまり、起電力セル２４の抵抗値測定時には、定電流出力部６１から起電力セル２４に対して定電流が通電されることから、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓは、定電流の影響を受けて電圧値が変動する。これに対して、定電流出力部６１から起電力セル２４への通電開始直前に、デジタル制御部３１が起電力セル２４の両端電圧Ｖｓをサンプルホールドすることにより、デジタル制御部３１は、抵抗値測定直前の両端電圧Ｖｓを用いてＰＩＤ制御することが可能となる。

また、デジタル制御部３１は、起電力セル２４の測定前電圧Ｖｓ１と測定時電圧Ｖｓ２との差分電圧ΔＶｒ（＝｜Ｖｓ１−Ｖｓ２｜）を演算する。なお、測定前電圧Ｖｓ１は、定電流出力部６１による通電開始前にサンプルホールドした起電力セル２４の両端電圧Ｖｓであり、測定時電圧Ｖｓ２は、Ｒｐｖｓ検出用Ｎパルス定電流（−Ｉconst ）を通電した際の起電力セル２４の両端電圧Ｖｓである。この差分電圧ΔＶｒは、起電力セル２４の内部抵抗値に比例することから、起電力セル２４の内部抵抗値を表す素子抵抗値信号ＳＲｐｖｓとして利用できる。

つまり、デジタル制御部３１は、差分電圧ΔＶｒを演算することで、起電力セル２４の内部抵抗値を表す素子抵抗値信号ＳＲｐｖｓを出力可能に構成されている。なお、デジタル制御部３１は、差分電圧ΔＶｒをＲｐｖｓ検出用Ｎパルス定電流（−Ｉconst）の電流値で除算して得られる値を、素子抵抗値信号ＳＲｐｖｓとして演算するＲｐｖｓ測定処理を実行する。素子抵抗値信号ＳＲｐｖｓは、起電力セル２４の内部抵抗値Ｒｐｖｓに比例するとともに、起電力セル２４の温度に比例する特性を有している。

なお、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓ（測定時電圧Ｖｓ２）は、Ｒｐｖｓ検出用Ｎパルス定電流（−Ｉconst ）の通電開始後、値が安定するまでに一定の時間を要する。このことから、デジタル制御部３１は、Ｒｐｖｓ検出用Ｎパルス定電流（−Ｉconst ）の通電開始からＲｐｖｓ検出用待機時間が経過した後に、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓ（測定時電圧Ｖｓ２）を検出する処理を行う。

デジタル制御部３１（詳細には，ＣＰＵ９１）は、上記したＲｐｖｓ測定処理で得られた素子抵抗値信号ＳＲｐｖｓを、シリアル通信端子５３を介してエンジン制御装置９に対して出力する。

なお、エンジン制御装置９は、素子抵抗値信号ＳＲｐｖｓに基づいて、起電力セル２４の内部抵抗値Ｒｐｖｓと相関する値が目標値となるように、ガスセンサ８を加熱するためのヒータ４２への通電を制御する。この温度制御は、起電力セル２４の温度が目標値よりも高いときにはヒータ４２への通電量を低下させ、また、起電力セル２４の温度が目標値よりも低いときにはヒータ４２への通電量を上げることにより、ガスセンサ８の温度を目標温度（例えば、８００℃）に保つよう機能する。

［１−４．起電力セルの両端電圧Ｖｓ］
次に、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを目標電圧値に近づける制御を実行するにあたり、デジタル制御部３１のＣＰＵ９１においてローパスフィルタ処理を実行することで得られる効果について説明する。

図３に、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓに基づいてポンプ電流Ｉｐを制御するためにデジタル制御部３１のＣＰＵ９１で実行される制御処理を説明するための機能ブロック図を示す。

図３に示すように、ＣＰＵ９１は、機能ブロックとしては、デジタル信号受信部９８と、デジタルフィルタ部９９と、ポンプ電流制御部１００と、を備えている。
デジタル信号受信部９８は、起電力セル２４からＶｓ＋端子４１を介して第１オペアンプ３３に向けて送信される電気信号であって、第１Ａ／Ｄ変換器９３でアナログ値からデジタル値に変換されたデジタル信号を受信する。

このデジタル信号には、酸素濃度に応じて起電力セル２４に生じる両端電圧Ｖｓのデジタル信号が含まれている。なお、酸素濃度に応じて起電力セル２４に生じる両端電圧Ｖｓは、ポンプ電流Ｉｐによりポンプセル１４の両端に生じる電圧に比べて、単位時間あたりの変化量が小さく、低周波の電気信号である。

デジタルフィルタ部９９は、デジタル信号受信部９８が受信したデジタル信号から、予め定められた遮断周波数（本実施形態では、１５０［Ｈｚ］）以下の低周波成分の信号を抽出するローパスフィルタとしてのデジタル処理を行う。

これにより、Ｖｓ＋端子４１および第１オペアンプ３３を介して起電力セル２４から第１Ａ／Ｄ変換器９３に向けて送信される電気信号のうち遮断周波数以下の低周波成分の電気信号は、デジタルフィルタ部９９によって抽出される。デジタルフィルタ部９９により抽出された低周波成分は、ポンプ電流制御部１００に入力される。

ポンプ電流制御部１００は、デジタルフィルタ部９９で抽出された低周波成分に基づいてポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐをフィードバック制御して、拡散室２０の酸素の汲み入れないし汲み出しを行う。詳細には、デジタルフィルタ部９９で抽出された低周波成分を起電力セル２４の両端電圧Ｖｓとみなして、低周波成分（両端電圧Ｖｓ）が目標電圧値に近づくように、ポンプセル１４に流すポンプ電流ＩｐをＰＩＤ制御して、拡散室２０の酸素の汲み入れないし汲み出しを行う。

このような構成のＣＰＵ９１を備えるデジタル制御部３１は、Ｖｓ＋端子４１および第１オペアンプ３３を介して起電力セル２４からデジタル制御部３１に向けて送信される電気信号に、ポンプ電流Ｉｐなどの高周波ノイズ成分が重畳した場合であっても、ＣＰＵ９１のデジタルフィルタ部９９によって高周波ノイズ成分を取り除くことができ、高周波ノイズ成分がポンプ電流制御部１００に入力されるのを抑制できる。つまり、ＣＰＵ９１がデジタルフィルタ部９９としての機能を備えることで、高周波ノイズ成分を取り除きつつ、酸素濃度に応じて生じる起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを、ポンプ電流制御部１００に入力することが可能となる。

これにより、デジタル制御部３１は、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを精度良く検出できるとともに、ポンプ電流Ｉｐに基づいて酸素濃度を精度よく検出できる。つまり、デジタル制御部３１は、拡散室２０における実際の酸素濃度に応じてポンプ電流Ｉｐを適切に制御できるため、両端電圧Ｖｓの発振が生ずることを抑制できる。

［１−５．効果］
以上説明したように、本実施形態の内燃機関制御システム１においては、ガスセンサ制御装置２が、デジタルフィルタ部９９としての機能を有するデジタル制御部３１（詳細には、ＣＰＵ９１）を備えている。

これにより、Ｖｓ＋端子４１および第１オペアンプ３３を介して起電力セル２４からデジタル制御部３１に向けて送信される電気信号に、高周波ノイズ成分が重畳した場合であっても、デジタルフィルタ部９９でのデジタル処理によって高周波ノイズ成分を取り除くことができ、酸素濃度に応じて生じる起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを適切に抽出できる。

これにより、デジタル制御部３１（詳細には、ＣＰＵ９１）は、デジタルフィルタ部９９で抽出された低周波成分に基づいて、ポンプ電流制御部１００においてポンプ電流Ｉｐを適切にフィードバック制御することができる。

この結果、デジタル制御部３１での制御において、拡散室２０の酸素濃度に応じて起電力セル２４に生じる実際の両端電圧Ｖｓに基づいてポンプ電流Ｉｐが適切な値に制御されるため、両端電圧Ｖｓを目標電圧値に近づけることができ、両端電圧Ｖｓが発振することを抑制できる。

つまり、ガスセンサ制御装置２では、ポンプ電流Ｉｐから所定の遮断周波数以下の低周波成分を除いた高周波成分ポンプ電流を起電力セル２４に対して流す構成を採ることなく、デジタルフィルタ部９９で抽出された低周波成分に基づいてポンプ電流Ｉｐをフィードバック制御することで、両端電圧Ｖｓを目標電圧に近づけることができる。

［１−６．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
ガスセンサ制御装置２がセンサ制御装置の一例に相当し、多孔質拡散層１８が拡散律速層の一例に相当し、排気ガスが測定対象ガスの一例に相当し、酸素が特定ガス成分の一例に相当し、両端電圧Ｖｓが検知電圧の一例に相当し、ガスセンサ８がセンサの一例に相当する。

また、デジタル制御部３１が制御部の一例に相当し、デジタルフィルタ部９９としての機能を実行するＣＰＵ９１がローパスフィルタ部の一例に相当し、第１Ａ／Ｄ変換器９３が電圧ＡＤ変換部の一例に相当する。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成］
第２実施形態として、アナログ回路としてのローパスフィルタ１１１を備える第２ガスセンサ制御装置１０２について説明する。

なお、以下の説明では、第２実施形態の構成のうち第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同一を付して説明を省略し、第２実施形態の構成のうち第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４は、第２ガスセンサ制御装置１０２を備える第２内燃機関制御システム１０１の全体構成図であり、図５は、第２実施形態におけるデジタル制御部３１のＣＰＵ９１で実行される制御処理を説明するための機能ブロック図である。

第２ガスセンサ制御装置１０２は、各種制御処理を実行するデジタル制御部３１、第１オペアンプ３３、ローパスフィルタ１１１、第２オペアンプ３５、第３オペアンプ３７、外部接続端子３９、定電流出力部６１、定電流源回路６２、シリアル通信端子５３など、を備えている。

第２実施形態の第２ガスセンサ制御装置１０２は、第１実施形態のガスセンサ制御装置２に対して、ハードウェア構成としては、ローパスフィルタ１１１が追加された構成である。また、第２ガスセンサ制御装置１０２は、ガスセンサ制御装置２と比べて、ＣＰＵ９１における機能ブロックのうちデジタルフィルタ部９９が省略された構成である。

次に、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを目標電圧値に近づける制御を実行するにあたり、ローパスフィルタ１１１（以下、ＬＰＦ１１１ともいう）を備えることで得られる効果について説明する。

図４に示すように、ローパスフィルタ１１１は、Ｖｓ＋端子４１から第１オペアンプ３３の非反転入力端子に至る経路上に設けられている。ローパスフィルタ１１１の入力端子１１２がＶｓ＋端子４１に接続され、ローパスフィルタ１１１の出力端子１１３が第１オペアンプ３３の非反転入力端子に接続されている。

ここで、図６に、ローパスフィルタ１１１の回路図を示す。
図６に示すように、ローパスフィルタ１１１は、抵抗素子１１４とコンデンサ１１５とを備えたアナログ回路で構成されている。抵抗素子１１４は、入力端子１１２と出力端子１１３との間に接続され、コンデンサ１１５は、出力端子１１３とグランドラインとの間に接続されている。

ローパスフィルタ１１１は、予め定められた遮断周波数（本実施形態では、１５０［Ｈｚ］）以下の低周波成分の信号を通過させるように、抵抗素子１１４の抵抗値およびコンデンサ１１５の容量が設定されている。

なお、酸素濃度に応じて起電力セル２４に生じる両端電圧Ｖｓは、ポンプ電流Ｉｐによりポンプセル１４の両端に生じる電圧に比べて、単位時間あたりの変化量が小さく、低周波の電気信号となる。ローパスフィルタ１１１における遮断周波数は、酸素濃度に応じて生じる起電力セル２４の両端電圧Ｖｓが通過するように予め設定されている。

これにより、起電力セル２４からＶｓ＋端子４１を介して第１オペアンプ３３の非反転入力端子に向けて送信される電気信号のうち遮断周波数以下の低周波成分の電気信号は、ローパスフィルタ１１１によって抽出されて、第１オペアンプ３３を介してデジタル制御部３１に入力される。

このため、Ｖｓ＋端子４１および第１オペアンプ３３を介して起電力セル２４からデジタル制御部３１に向けて送信される電気信号に、ポンプ電流Ｉｐなどの高周波ノイズ成分が重畳した場合であっても、ローパスフィルタ１１１によって高周波ノイズ成分を取り除くことができ、高周波ノイズ成分がデジタル制御部３１に入力されるのを抑制できる。つまり、ローパスフィルタ１１１を設けることで、高周波ノイズ成分を取り除きつつ、酸素濃度に応じて生じる起電力セル２４の両端電圧Ｖｓをデジタル制御部３１に入力することが可能となる。

これにより、デジタル制御部３１は、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを精度良く検出できるとともに、ポンプ電流Ｉｐに基づいて酸素濃度を精度よく検出できる。つまり、デジタル制御部３１は、拡散室２０における実際の酸素濃度に応じてポンプ電流Ｉｐを適切に制御できるため、ノイズなどの影響による両端電圧Ｖｓの発振を抑制でき、起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを目標電圧値に近づけることができる。

［２−２．効果］
以上説明したように、第２実施形態の第２内燃機関制御システム１０１においては、第２ガスセンサ制御装置１０２がローパスフィルタ１１１を備える。これにより、Ｖｓ＋端子４１および第１オペアンプ３３を介して起電力セル２４からデジタル制御部３１に向けて送信される電気信号に、高周波ノイズ成分が重畳した場合であっても、ローパスフィルタ１１１によって高周波ノイズ成分を取り除くことができ、酸素濃度に応じて生じる起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを適切に抽出できる。

これにより、デジタル制御部３１は、ローパスフィルタ１１１で抽出された低周波成分に基づいてポンプ電流Ｉｐをフィードバック制御することができる。
この結果、デジタル制御部３１での制御において、拡散室２０の酸素濃度に応じて起電力セル２４に生じる実際の両端電圧Ｖｓに基づいてポンプ電流Ｉｐが適切な値に制御されるため、両端電圧Ｖｓを目標電圧値に近づけることができ、両端電圧Ｖｓが発振することを抑制できる。

つまり、第２ガスセンサ制御装置１０２では、ポンプ電流Ｉｐから所定の遮断周波数以下の低周波成分を除いた高周波成分ポンプ電流を起電力セル２４に対して流す構成を採ることなく、ローパスフィルタ１１１で抽出された低周波成分に基づいてポンプ電流Ｉｐをフィードバック制御することで、両端電圧Ｖｓを目標電圧に近づけることができる。

［２−３．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と本実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
第２ガスセンサ制御装置１０２がセンサ制御装置の一例に相当し、多孔質拡散層１８が拡散律速層の一例に相当し、排気ガスが測定対象ガスの一例に相当し、酸素が特定ガス成分の一例に相当し、両端電圧Ｖｓが検知電圧の一例に相当し、ガスセンサ８がセンサの一例に相当する。

また、デジタル制御部３１が制御部の一例に相当し、ローパスフィルタ１１１がローパスフィルタ部の一例に相当し、第１Ａ／Ｄ変換器９３が低周波ＡＤ変換部の一例に相当する。

［３．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、デジタルフィルタ部９９やローパスフィルタ１１１における遮断周波数は、上記数値に限られることはなく、目的や用途などに応じて適切な値となるように、デジタルフィルタ部９９やローパスフィルタ１１１を構成すればよい。

次に、上記の第２実施形態では、ローパスフィルタ１１１が１つの抵抗素子と１つの容量素子とを備えた構成であるが、ローパスフィルタ１１１に代えて、２つの抵抗素子と２つの容量素子とを備えた構成の第２ローパスフィルタ１２１を用いても良い。

図７に、第２ローパスフィルタ１２１の内部構成を表した説明図を示す。
第２ローパスフィルタ１２１は、抵抗素子１２２，コンデンサ１２３，抵抗素子１２４，コンデンサ１２５とを備えたアナログ回路で構成されている。

抵抗素子１２２および抵抗素子１２４の直列回路が、入力端子１１２と出力端子１１３との間に接続されている。コンデンサ１２３は、一端が抵抗素子１２２と抵抗素子１２４との接続点に接続され、他端がグランドラインに接続されている。コンデンサ１２５は、出力端子１１３とグランドラインとの間に接続されている。

第２ローパスフィルタ１２１は、予め定められた遮断周波数以下の低周波成分の信号を通過させるように、抵抗素子１２２および抵抗素子１２４の各抵抗値と、コンデンサ１２３およびコンデンサ１２５の各容量と、が設定されている。

このような構成の第２ローパスフィルタ１２１は、第２実施形態のローパスフィルタ１１１の代わりに利用できる。
次に、ローパスフィルタ１１１に代えて、オペアンプを用いた正帰還型ローパスフィルタとしての第３ローパスフィルタ１３１を用いても良い。

図８に、第３ローパスフィルタ１３１の内部構成を表した説明図を示す。
第３ローパスフィルタ１３１は、抵抗素子１３２，コンデンサ１３３，抵抗素子１３４，抵抗素子１３５，コンデンサ１３６，コンデンサ１３７，オペアンプ１３８を備えたアナログ回路で構成されている。

抵抗素子１３２，抵抗素子１３４，抵抗素子１３５の直列回路が、入力端子１１２とオペアンプの非反転入力端子との間に接続されている。コンデンサ１３３は、一端が抵抗素子１３２と抵抗素子１３４との接続点に接続され、他端がグランドラインに接続されている。コンデンサ１３６は、オペアンプ１３８の非反転入力端子とグランドラインとの間に接続されている。コンデンサ１３７は、一端が抵抗素子１３４と抵抗素子１３５との接続点に接続され、他端がオペアンプ１３８の出力端子に接続されている。オペアンプ１３８は、出力端子と反転入力端子とが互いに接続されている。

第３ローパスフィルタ１３１は、予め定められた遮断周波数以下の低周波成分の信号を通過させるように、各抵抗素子の抵抗値と、各コンデンサの容量と、が設定されている。
このような構成の第３ローパスフィルタ１３１は、第２実施形態のローパスフィルタ１１１の代わりに利用できる。

また、上記の第２実施形態のデジタル制御部３１として、中央演算処理装置（ＣＰＵ）９１に代えて、適宜の回路素子で構成したデジタル演算回路をハードウェアで構成し、起電力セル２４の起電力（両端電圧Ｖｓ）が４５０ｍＶとなるように、ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御し、演算されたポンプ電流Ｉｐのデジタル信号をＤ／Ａ変換器９４に出力するようにしても良い。また、上記の第１、第２実施形態では、デジタル制御部３１にシリアル通信端子５３を設け、ＣＰＵ９１にて検出したガス検出信号（Ｖｉｐ信号）をエンジン制御装置９に出力するようにしたが、シリアル通信端子５３を省略すると共にＣＰＵ９１でのガス検出信号（Ｖｉｐ信号）の検出処理を省略し、電流検出抵抗器８３の両端電圧をエンジン制御装置９に対して出力できるようにガスセンサ制御装置、第２ガスセンサ制御装置を構成するようにしても良い。

１…内燃機関制御システム、２…ガスセンサ制御装置、８…ガスセンサ、１４…ポンプセル、１８…多孔質拡散層、２０…拡散室、２４…起電力セル、３１…デジタル制御部、９１…中央演算処理装置（ＣＰＵ）、９３…第１Ａ／Ｄ変換器、９４…Ｄ／Ａ変換器、９７…第２Ａ／Ｄ変換器、９８…デジタル信号受信部、９９…デジタルフィルタ部、１００…ポンプ電流制御部、１０１…第２内燃機関制御システム、１０２…第２ガスセンサ制御装置、１１１…ローパスフィルタ、１２１…第２ローパスフィルタ、１３１…第３ローパスフィルタ。

Claims (3)

1. 拡散律速層を介して測定対象ガスが流入する拡散室と、前記拡散室における特定ガス成分の濃度に応じた検知電圧を生じる起電力セルと、外部から通電されるポンプ電流に応じて前記拡散室への前記特定ガス成分の汲み入れ又は汲み出しを行うポンプセルと、を有するセンサを制御するセンサ制御装置であって、
   前記起電力セルに生じる前記検知電圧が予め定められた目標電圧に近づくように、前記検知電圧に基づいて前記ポンプ電流をフィードバック制御する制御部と、
   前記検知電圧から予め定められた低周波成分を抽出するローパスフィルタ部と、
   を備えており、
   前記制御部は、前記ローパスフィルタ部で抽出された前記低周波成分に基づいて前記ポンプ電流をフィードバック制御すること、
   を特徴とするセンサ制御装置。
2. 前記センサの前記起電力セルに生じる前記検知電圧をアナログ値からデジタル値に変換する電圧ＡＤ変換部を備えており、
   前記ローパスフィルタ部は、前記電圧ＡＤ変換部で変換された前記検知電圧のデジタル値からデジタル演算により前記低周波成分を抽出し、
   前記制御部は、前記低周波成分のデジタル値に基づいて前記ポンプ電流をデジタル制御によりフィードバック制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
3. 前記ローパスフィルタ部は、前記起電力セルから前記制御部に至る前記検知電圧の検出経路上に設けられるアナログ回路であり、
   当該センサ制御装置は、前記ローパスフィルタ部で抽出された前記低周波成分をアナログ値からデジタル値に変換する低周波ＡＤ変換部を備えており、
   前記制御部は、前記低周波ＡＤ変換部で変換された前記低周波成分のデジタル値に基づいて前記ポンプ電流をデジタル制御によりフィードバック制御すること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。

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