JP6363490B2 - センサ制御装置およびガス検知システム - Google Patents

Description

本発明は、測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じる検知セルと、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンプセルと、を有するガスセンサを制御するセンサ制御装置、およびガスセンサおよびセンサ制御装置を備えるガス検知システムに関する。

検知セルおよび酸素ポンプセルを有するガスセンサを制御するセンサ制御装置や、ガスセンサおよびセンサ制御装置を備えるガス検知システムが知られている。
なお、ガスセンサの検知セルは、測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じるセルであり、ガスセンサの酸素ポンプセルは、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うセルである。

ガスセンサの一例としては、検知セルにて生じる起電力が予め設定された目標電圧となるように、酸素ポンプセルを用いて測定対象ガスに含まれる酸素の汲み入れまたは汲み出しを行い、その際に酸素ポンプセルに流れる（通電される）ポンプ電流に基づいて、測定対象ガスに含まれていた酸素濃度をリニアに検出するＡ／Ｆセンサ（酸素センサ）が挙げられる。また、酸素ポンプセルを有するガスセンサの他の例としては、測定対象ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘセンサが挙げられる。

そして、センサ制御装置は、このようなガスセンサのポンプ電流を制御するにあたり様々な演算機能を備える必要があり、他方で、装置の小型化の要求にも応える必要がある。これらを踏まえて、各種制御を行うアナログ回路に代えてデジタル制御部を採用したセンサ制御装置がある（特許文献１）。

このようなデジタル制御部を採用したセンサ制御装置は、ガスセンサから検出した各種のアナログ信号（例えば、検知セルに生じる起電力など）をデジタル値に変換するためのアナログデジタル変換部（ＡＤコンバータ）を備える。

また、センサ制御装置としては、マルチプレクサを用いて複数のアナログ信号を切り替えることで、ＡＤコンバータの個数がアナログ信号の個数より少ない場合でも、アナログ信号をデジタル値に変換可能に構成されたものがある。

このようなセンサ制御装置では、アナログ信号からデジタル値に変換された各種信号（検知セルに生じる起電力など）を用いてデジタルＰＩＤ制御を行うことで、ガスセンサのポンプ電流を制御することができる。

デジタル制御部は、アナログ回路に比べて小型化できる。また、デジタル制御部を用いることにより、アナログ回路に比べて制御定数の変更作業が容易となるため、より多くの種類のガスセンサの制御や多様な特性のガスセンサの制御に適応することが容易となる。

特開２００８−００８６６７号公報

しかし、上述のようなガスセンサを用いたガス検出においては、より迅速な応答が要求されており、デジタル制御部を用いたセンサ制御装置におけるデジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合に、デジタルＰＩＤ制御におけるノイズ成分（微分ノイズ）が増大する可能性がある。

つまり、センサ制御における高周波応答の要求に応えるためにデジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合には、サンプリング周期の高速化に伴い、微分演算での内部演算値（ゲイン）を大きく設定する必要があり、この結果、デジタル信号における微分ノイズが増大する可能性がある。

そこで、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ノイズ成分の増大を抑制できるセンサ制御装置およびガス検知システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の局面におけるセンサ制御装置は、検知セルおよび酸素ポンプセルを有するガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、アナログデジタル変換部と、通電制御値演算部と、デジタルアナログ変換部と、第１フィルタ部と、第２フィルタ部と、を備えている。

ガスセンサの検知セルは、測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じるセルであり、ガスセンサの酸素ポンプセルは、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うセルである。

アナログデジタル変換部は、検知セルの前記起電力のアナログ信号をデジタル値に変換する。
通電制御値演算部は、起電力のデジタル値に基づいて、酸素ポンプセルに通電するポンプ電流の通電制御値をデジタル制御で演算する。デジタルアナログ変換部は、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号に基づいて、酸素ポンプセルに対して通電するポンプ電流を生成する。

第１フィルタ部は、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号から予め定められた第１遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなる第１フィルタ信号をデジタル演算により抽出する。第２フィルタ部は、第１フィルタ部で抽出された第１フィルタ信号から予め定められた第２遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなる第２フィルタ信号をデジタル演算により抽出する。

そして、デジタルアナログ変換部は、第１フィルタ信号に基づいてポンプ電流を生成する。また、第２フィルタ部は、第２フィルタ信号を、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するためのポンプ電流信号として外部（例えば、ポンプ電流信号を用いて、測定対象ガスに含まれる特定成分の濃度を演算する特定成分演算部）に出力する。

第１フィルタ信号は、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号から第１遮断周波数よりも高い周波数成分（ノイズ成分）が減衰された信号であるため、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、通電制御値演算部でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分が減衰されたデジタル信号である。このため、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、デジタル信号における微分ノイズ成分の増大を抑制できる。

また、第２フィルタ信号は、第１フィルタ信号から第２遮断周波数よりも高い周波数成分（ノイズ成分）が減衰された信号であるため、第１フィルタ信号からさらにノイズ成分（通電制御値演算部でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分）が減衰されたデジタル信号である。

第１フィルタ信号は、第２フィルタ信号と比べて、フィルタ処理の回数が少ないため、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、検知セルの起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このようなデジタル信号は、酸素ポンプセルのフィードバック制御に適した信号となる。このため、第１フィルタ信号に基づいて生成したポンプ電流を酸素ポンプセルに対して通電することで、検知セルの起電力における直近の変化状態に応じて、酸素ポンプセルによる酸素のポンピング（汲み出し、汲み入れ）を適切に実行できる。

また、第２フィルタ信号は、第１フィルタ信号と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、検知セルの起電力における長期間の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このようなデジタル信号は、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出に適した信号となる。このため、第２フィルタ信号を測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するための信号として用いることで、検知セルの起電力における長期間の変化状態に基づいて、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出することが可能となる。

これにより、例えば、ポンプ電流信号を用いて測定対象ガスに含まれる特定成分濃度を演算する特定成分演算部が、第２フィルタ部から第２フィルタ信号を受信した場合には、特定成分演算部における特定成分濃度の演算精度を向上でき、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上できる。

よって、本発明のセンサ制御装置によれば、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ノイズ成分の増大を抑制できる。また、本発明のセンサ制御装置によれば、酸素ポンプセルによる酸素のポンピングを適切に実行できるとともに、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上できる。

なお、第２フィルタ信号は、第１フィルタ信号と比べてフィルタ処理回数が多くなることで上記の効果が得られるため、第１遮断周波数と第２遮断周波数との関係は、同じであってもよいし、第１遮断周波数が第２遮断周波数よりも高い周波数であってもよい。

次に、上述のセンサ制御装置においては、第１遮断周波数は第２遮断周波数よりも高い周波数であってもよい。
この場合、第１フィルタ信号は、第２フィルタ信号と比べて、広い周波数帯域成分を含んだデジタル信号となり、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、検知セルの起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このため、第１フィルタ信号に基づいて生成したポンプ電流を酸素ポンプセルに対して通電することで、検知セルの起電力における直近の変化状態に応じて、酸素ポンプセルによる酸素のポンピングを適切に実行できる。

また、第２フィルタ信号は、第１フィルタ信号と比べて、狭い周波数帯域成分を含んだデジタル信号となり、ポンプ電流の通電制御値を示すデジタル信号であって、検知セルの起電力における長期間の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このため、第２フィルタ信号を測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するための信号として用いることで、検知セルの起電力における長期間の変化状態に基づいて、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出できるため、特定成分の検出精度を向上できる。

次に、上述のセンサ制御装置においては、検知セルの起電力を少なくとも含む複数のアナログ信号が入力されて、複数のアナログ信号を１つずつ予め定められた順に出力するマルチプレクサを備えてもよい。

なお、アナログデジタル変換部は、マルチプレクサから出力されたアナログ信号をデジタル値に変換する。
そして、マルチプレクサは、複数のアナログ信号を１つずつ予め定められた順で出力するにあたり、全てのアナログ信号が出力される全信号出力期間において２回以上出力される頻度高信号と、信号出力期間において１回出力される頻度低信号と、に分類して複数のアナログ信号を出力する。また、頻度高信号には、少なくとも検知セルの起電力が含まれる。

つまり、このセンサ制御装置におけるマルチプレクサは、複数のアナログ信号を全て同じ頻度で出力するのではなく、出力頻度の高い頻度高信号と、出力頻度の低い頻度低信号と、に分類して信号出力することで、頻度高信号のサンプリング周波数を高めることができる。

そして、頻度高信号には、少なくとも検知セルの起電力が含まれることから、アナログデジタル変換部（ＡＤコンバータ）の性能を向上させることなく、検知セルの起電力のサンプリング周波数を高めることができる。

よって、本発明のセンサ制御装置によれば、アナログデジタル変換部のコスト増大を抑えつつ、ガスセンサから検出した検知セルの起電力に関するアナログ信号のデジタル値へのＡＤ変換におけるサンプリング周波数を高めることができる。

次に、上述のマルチプレクサを備えるセンサ制御装置においては、マルチプレクサは、検知セルの起電力としての頻度高信号を一定周期で出力してもよい。
検知セルの起電力としての頻度高信号が一定周期で出力されることで、検知セルの起電力が不規則なタイミングで出力される場合に比べて、通電制御値演算部での演算処理（検知セルの起電力に基づく通電制御値の演算処理など）を簡素化でき、通電制御値を迅速に演算することが可能となる。

よって、このセンサ制御装置によれば、通電制御値を迅速に演算することができ、ガスセンサを用いたガス検出において迅速な応答を実現できる。
次に、上述のマルチプレクサを備えるセンサ制御装置においては、頻度低信号には、酸素ポンプセルの両電極端子および検知セルの両電極端子のうちの少なくとも１つの電極端子の電位と、センサ制御装置の基準電位との間の電位差に関する信号が含まれてもよい。

つまり、酸素ポンプセルの両電極端子および検知セルの両電極端子のうちの少なくとも１つの電極端子の電位と、センサ制御装置の基準電位との間の電位差を表すアナログ信号が頻度低信号に含まれることで、センサ制御装置は、複数のアナログ信号のうち、頻度高信号（検知セルの起電力）よりも頻度は下がるものの、上記の電位差を表すアナログ信号を、アナログデジタル変換部を介して取得することができる。

これにより、センサ制御装置は、頻度低信号としての上記の電位差を表すアナログ信号を用いて、例えば、酸素ポンプセルおよび検知セルにおける少なくともいずれかの電極端子の異常状態（電極端子の電源電位短絡異常、基準電位短絡異常、断線異常など）を検知することや、上記の電位差を表すアナログ信号を外部装置に対して出力することなどを、検知セルの起電力を表すアナログ信号のＡＤ変換におけるサンプル周波数を高めた状態でも、実行することが可能となる。

なお、頻度低信号には、酸素ポンプセルの両電極端子および検知セルの両電極端子のうち少なくとも１つの電極端子の電位と、センサ制御装置の基準電位との電位差に関する信号が含まれればよい。つまり、頻度低信号は、酸素ポンプセルまたは検知セルにおける特定の１つの電極端子の電位とセンサ制御装置の基準電位との電位差に関する単一の信号であってもよいし、あるいは、酸素ポンプセルおよび検知セルの全ての電極端子の各々と基準電位との電位差に関する複数の信号であってもよい。

ただし、複数の信号を頻度低信号として出力する場合には、頻度低信号としての各信号は、１つずつ予め定められた順序で、且つ、頻度高信号の出力順序をも考慮してマルチプレクサから出力されるものとする。

次に、本発明の他の局面におけるガス検知システムは、検知セルおよび酸素ポンプセルを有するガスセンサと、ガスセンサを制御するセンサ制御装置と、を備えるガス検知システムであって、センサ制御装置として、上述のいずれかのセンサ制御装置を備える。

ガスセンサの検知セルは、測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じるセルであり、ガスセンサの酸素ポンプセルは、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うセルである。

このガス検知システムは、上述のいずれかのセンサ制御装置を備えることから、上述したセンサ制御装置と同様に、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ノイズ成分の増大を抑制できる。

本発明のセンサ制御装置およびガス検知システムによれば、デジタル信号のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ノイズ成分の増大を抑制できる。

ガス検知システムの全体構成図である。 マルチプレクサでのアナログ信号の出力順序を表す説明図である。 ポンプ電流制御処理を実行する際のデジタル演算部の機能ブロック図である。 信号１〜信号４を同じ頻度で出力するマルチプレクサでのアナログ信号の出力順序を表す説明図である。

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検知システム１の全体構成図である。

ガス検知システム１は、例えば、内燃機関の排気ガス中の特定ガス（本実施形態では、酸素）を検出する用途に用いられる。
ガス検知システム１は、酸素を検出するガスセンサ８と、ガスセンサ８を制御するセンサ制御装置２と、を備えている。ガス検知システム１は、検出した酸素濃度をエンジン制御装置（図示省略）に通知する。

エンジン制御装置は、内燃機関を制御するための各種制御処理を実行するマイクロコントローラであり、各種制御処理の１つとして、ガス検知システム１で検出した酸素濃度を用いて内燃機関の空燃比制御を行う。

ガスセンサ８は、内燃機関（エンジン）の排気管に設けられて、排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出するものであり、リニアラムダセンサとも呼ばれる。ガスセンサ８は、センサ素子９と、ヒータ２６と、を備えて構成されている。

センサ素子９は、ポンプセル１４と、起電力セル２４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１５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一対の多孔質電極１６と、を有している。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２５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一対の多孔質電極２８と、を有している。

ヒータ２６は、外部からの通電により発熱する発熱抵抗体を備えて構成されている。ヒータ２６は、ポンプセル１４および起電力セル２４を加熱して、ポンプセル１４および起電力セル２４を活性化状態にするために備えられる。

なお、ガスセンサ８は、ポンプセル１４と起電力セル２４との間に、ガスセンサ８の内部に設けられた測定室（図示省略）を備えている。測定室には、外部から多孔質拡散層（図示省略）を介して測定対象ガス（本実施形態では、排気ガス）が導入される。

ガスセンサ８は、起電力セル２４を用いて、測定室の酸素濃度（換言すれば、多孔質拡散層を介して測定室内に導入された測定対象ガスの酸素濃度）に応じた起電力（検知電圧Ｖｓ）が発生する。具体的には、起電力セル２４には、表面の多孔質電極２８と裏面の多孔質電極２８との酸素濃度差に応じた検知電圧Ｖｓが発生する。つまり、起電力セル２４の検知電圧Ｖｓは、測定室の酸素濃度に応じて変化する。

そして、起電力セル２４の検知電圧Ｖｓが所定の基準値（例えば、４５０ｍＶ）となるように、ポンプセル１４を用いて、測定室の測定対象ガスに含まれる酸素の汲み入れおよび汲み出しを行う。具体的には、ポンプセル１４の表面の多孔質電極１６と裏面の多孔質電極１６とにポンプ電流Ｉｐを流して、測定室内の酸素の汲み入れおよび汲み出しを行い、測定室の酸素濃度の調整を行う。

つまり、ガスセンサ８は、測定室の酸素濃度が所定の目標濃度（例えば、理論空燃比相当の酸素濃度）になるように、ポンプセル１４に流したポンプ電流Ｉｐに基づいて、測定対象ガスに含まれていた酸素濃度を検出する用途に用いられる。

センサ制御装置２は、ガスセンサ８を駆動制御して排気ガス中の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度をエンジン制御装置（図示省略）に通知する。
センサ制御装置２は、ＡＤ変換部３１（アナログデジタル変換部３１）、デジタル演算部３３、電流ＤＡ変換部３５（電流デジタルアナログ変換部３５）、ガス濃度演算部３７、検出信号発生部４２、バッファ４４、演算増幅器４６、基準電圧発生部４８、マルチプレクサ５０、Ｒｐｖｓ演算部５１、ヒータ発熱量演算部５３、ＰＷＭ生成部５５、ヒータドライバ５７、を備えている。

検出信号発生部４２は、ガスセンサ８の起電力セル２４の内部抵抗値を検出するためのインピーダンス検出信号Ｓａを、ガスセンサ８の起電力セル２４に対して入力する。具体的には、検出信号発生部４２は、デジタル演算部３３からの指令に基づいて、インピーダンス検出信号Ｓａとしての定電流を起電力セル２４に対して通電する。

バッファ４４は、起電力セル２４の両端電圧をハイインピーダンスで検出し、マルチプレクサ５０に対してローインピーダンスで出力する。なお、起電力セル２４の両端電圧は、インピーダンス検出信号Ｓａの未入力時には、測定室の酸素濃度に応じて変化するセンサ出力信号Ｖｓ１（検知電圧Ｖｓ）となり、インピーダンス検出信号Ｓａの入力時には、起電力セル２４の内部抵抗値に応じて変化する応答信号Ｖｓ２となる。

演算増幅器４６は、ポンプセル１４と起電力セル２４とが接続される共通端子ＣＯＭの電位を所定電位に設定するものである。具体的には、グランド電位ＧＮＤを基準として、基準電圧発生部４８の出力電圧（本実施形態では、２．５Ｖ）に基づき定められる電位を、共通端子ＣＯＭの電位に設定している。なお、本実施形態では、グランド電位ＧＮＤがセンサ制御装置２の基準電位に相当する。

マルチプレクサ５０は、複数のアナログ信号が入力されて、複数のアナログ信号を１つずつ予め定められた順に出力する。
本実施形態では、マルチプレクサ５０に入力される複数のアナログ信号には、「起電力セル２４のＶｓ＋端子と共通端子ＣＯＭとの間の電圧」（Ｖｓ＋−ＣＯＭ間電圧）、「ポンプセル１４のＩｐ＋端子とグランド電位ＧＮＤとの間の電圧」（Ｉｐ＋−ＧＮＤ間電圧）、「共通端子ＣＯＭとグランド電位ＧＮＤとの間の電圧」（ＣＯＭ−ＧＮＤ間電圧）、「起電力セル２４のＶｓ＋端子とグランド電位ＧＮＤとの間の電圧」（Ｖｓ＋−ＧＮＤ間電圧）が含まれている。なお、Ｖｓ＋端子および共通端子ＣＯＭが、起電力セル２４の両電極端子に相当し、Ｉｐ＋端子および共通端子ＣＯＭが、ポンプセル１４の両電極端子に相当する。

マルチプレクサ５０（以下、ＭＵＸ５０ともいう）は、入力される複数のアナログ信号のいずれか１つを、ＡＤ変換部３１に対して出力する。マルチプレクサ５０は、デジタル演算部３３からの指令に基づいて、いずれのアナログ信号を出力するのかを決定する。

マルチプレクサ５０は、複数の入力端子と１つの出力端子との接続経路上に設けられる複数の切替スイッチ部（図示省略）を備えており、複数の切替スイッチ部の各状態（ＯＮ状態、ＯＦＦ状態）がデジタル演算部３３からの指令に基づいて設定されることで、複数のアナログ信号のうちいずれか１つを出力可能に構成されている。

ＡＤ変換部３１は、マルチプレクサ５０から出力されるアナログ信号をデジタル値に変換し、そのデジタル値をデジタル演算部３３およびＲｐｖｓ演算部５１に通知する。
デジタル演算部３３は、センサ制御処理、ポンプ電流制御処理などの演算制御処理や、マルチプレクサ５０の動作を制御するための信号切替制御処理などを実行する。信号切替制御処理およびポンプ電流制御処理については、後述する。

なお、センサ制御装置２は、図示しないＥＥＰＲＯＭおよびＲＡＭを備えている。
ＥＥＰＲＯＭは、演算制御処理の内容や演算制御処理に用いる各種パラメータなどを記憶する記憶部である。また、ＥＥＰＲＯＭは、制御対象となるガスセンサ８の種類や特性に応じて定められる各種情報（ポンプセル１４の許容最大電流など）を記憶している。これらの情報は、センサ制御装置２の製造段階でＥＥＰＲＯＭに記憶される。

ＲＡＭは、各種演算制御処理に用いられる制御データ等を一時的に記憶する記憶部である。
電流ＤＡ変換部３５は、デジタル演算部３３で演算されたポンプ電流Ｉｐの通電制御値の情報が含まれるＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づいて、ＤＡ変換を行い、ポンプセル１４に対してポンプ電流Ｉｐを通電する。

電流ＤＡ変換部３５は、デジタル演算部３３で演算されたポンプ電流Ｉｐの通電制御値の情報（通電方向、電流値）が含まれるＤＡＣ制御信号Ｓ１を受信し、受信したデジタル情報についてＤＡ変換を行い、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づき定められるポンプ電流をポンプセル１４に対して通電する。

ガス濃度演算部３７は、デジタル演算部３３で演算されたポンプ電流Ｉｐの通電制御値の情報が含まれるガス検出信号Ｓ２に基づいて、排気ガス中の特定ガス（本実施形態では、酸素）の濃度を演算する。

つまり、ガス濃度演算部３７は、測定室の酸素濃度が所定の目標濃度（例えば、理論空燃比相当の酸素濃度）になるようにポンプセル１４に流したポンプ電流Ｉｐに基づいて、測定対象ガスに含まれていた酸素濃度を演算する。

Ｒｐｖｓ演算部５１は、ＡＤ変換部３１から通知された応答信号Ｖｓ２及びセンサ出力信号Ｖｓ１に基づいて、起電力セル２４の内部抵抗値Ｒｐｖｓを演算する。
ヒータ発熱量演算部５３は、デジタル演算により、Ｒｐｖｓ演算部５１で演算された内部抵抗値Ｒｐｖｓに基づいてガスセンサ８温度を演算し、演算された温度をセンサ目標温度に近づける、あるいは維持するために必要なヒータ発熱量を演算する。

ＰＷＭ生成部５５は、ヒータ発熱量演算部５３で演算されたヒータ発熱量に基づいて、ヒータ２６に供給する電力のＤＵＴＹ比率を演算して、そのＤＵＴＹ比率に応じたＰＷＭ制御信号を生成する。

ヒータドライバ５７は、電源装置５９から供給される電力を用いて、ＰＷＭ生成部５５からのＰＷＭ制御信号に基づいてヒータ２６への通電制御を行う。これにより、ヒータ２６の発熱量は、ガスセンサ８の温度をセンサ目標温度に近づける、あるいは維持するために必要な発熱量となる。

［１−２．信号切替制御処理］
デジタル演算部３３で実行される各種制御処理のうち、マルチプレクサ５０の動作を制御するための信号切替制御処理について説明する。

信号切替制御処理では、マルチプレクサ５０に入力される４つのアナログ信号を、予め定められた順番で１つずつ出力するように、マルチプレクサ５０の動作を制御する。
本実施形態では、信号切替制御処理を実行するデジタル演算部３３は、Ｖｓ＋−ＣＯＭ間電圧のアナログ信号（信号１）、Ｉｐ＋−ＧＮＤ間電圧のアナログ信号（信号２）、ＣＯＭ−ＧＮＤ間電圧のアナログ信号（信号３）、Ｖｓ＋−ＧＮＤ間電圧のアナログ信号（信号４）の４つのアナログ信号を、図２に示すような順番で出力するように、マルチプレクサ５０の動作を制御する。

つまり、デジタル演算部３３からの指令を受けたマルチプレクサ５０は、「信号１、信号２、信号１、信号３、信号１、信号４」のような順番で、各アナログ信号を出力する。また、デジタル演算部３３からの指令を受けたマルチプレクサ５０は、「信号１、信号２、信号１、信号３、信号１、信号４」の出力期間を１周期として、複数のアナログ信号を繰り返し出力している。なお、１つの信号の出力期間は、５０μｓであり、１周期は３００μｓである。

マルチプレクサ５０がこのような順番で４つのアナログ信号を出力することで、全てのアナログ信号が出力される全信号出力期間（１周期）において、信号１は、２回以上出力されるのに対して、信号２〜信号４は、１周期において１回出力される。

このように、信号切替制御処理は、マルチプレクサ５０の動作を制御するにあたり、１周期において２回以上出力される頻度高信号と、１周期において１回出力される頻度低信号と、に分類して複数のアナログ信号を出力するように、マルチプレクサ５０の動作を制御する。

つまり、マルチプレクサ５０は、複数のアナログ信号を全て同じ頻度で出力するのではなく、出力頻度の高い頻度高信号と、出力頻度の低い頻度低信号と、に分類して信号出力することで、頻度高信号となる信号１（Ｖｓ＋−ＣＯＭ間電圧のアナログ信号）のサンプリング周波数を高めることができる。

そして、信号１（Ｖｓ＋−ＣＯＭ間電圧のアナログ信号）は、起電力セル２４の起電力を表すアナログ信号である。
このことから、センサ制御装置２は、信号１〜信号４を同じ頻度で出力するマルチプレクサを備える構成と比べて、ＡＤ変換部３１の性能を向上させることなく、起電力セル２４の起電力のサンプリング周波数を高めることができる。

ここで、図４に、信号１〜信号４を同じ頻度で出力するマルチプレクサでのアナログ信号の出力順序を表す説明図を示す。
図４に示すような順序で出力されるアナログ信号（信号１〜４）は、いずれもサンプリング周期が２００μｓで、サンプリング周波数が５ｋＨｚである。

これに対して、本実施形態のマルチプレクサ５０から出力されるアナログ信号（信号１〜４）に関しては、図２に示すように、信号１は、サンプリング周期が１００μｓで、サンプリング周波数が１０ｋＨｚであり、信号２〜４は、サンプリング周期が３００μｓで、サンプリング周波数が３．３ｋＨｚである。

このことから、本実施形態のマルチプレクサ５０は、信号１〜信号４を同じ頻度で出力するマルチプレクサと比べて、信号１のサンプリング周波数を５ｋＨｚから１０ｋＨｚに高めることができる。

次に、マルチプレクサ５０が出力する頻度低信号には、信号２、信号３、信号４が、それぞれ含まれている。
信号２は、Ｉｐ＋−ＧＮＤ間電圧（詳細には、Ｉｐ＋端子の電位と基準電位であるグランド電位ＧＮＤとの間の電位差）のアナログ信号であり、ポンプセル１４のうち電流ＤＡ変換部３５に接続される端部の電位を示すアナログ信号である。信号３は、ＣＯＭ−ＧＮＤ間電圧（詳細には、共通端子ＣＯＭの電位と基準電位であるグランド電位ＧＮＤとの間の電位差）のアナログ信号であり、共通端子ＣＯＭの電位を示すアナログ信号である。信号４は、Ｖｓ＋−ＧＮＤ間電圧（詳細には、Ｖｓ＋端子の電位と基準電位であるグランド電位ＧＮＤとの間の電位差）のアナログ信号であり、起電力セル２４のうちバッファ４４に接続される端部の電位を示すアナログ信号である。

つまり、ポンプセル１４および起電力セル２４の各電極端子（Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｖｓ＋端子）の電位と、センサ制御装置２の基準電位（ＧＮＤ電位）との電位差を表すアナログ信号が頻度低信号に含まれる。このため、センサ制御装置２は、複数のアナログ信号のうち、頻度高信号（起電力セル２４の起電力）よりも頻度は下がるものの、上記の電位差を表すアナログ信号（信号２，３，４）を、ＡＤ変換部３１を介して取得することができる。

これにより、センサ制御装置２は、頻度低信号としての上記の電位差を表すアナログ信号（信号２，３，４）を用いて、例えば、ポンプセル１４および起電力セル２４における各電極端子（Ｉｐ＋端子、共通端子ＣＯＭ、Ｖｓ＋端子）の異常状態（電源電位短絡異常、基準電位短絡異常、断線異常など）を、デジタル演算部３３や他の機器で検知することや、これらのアナログ信号（信号２，３，４）を外部装置に対して出力することなどが可能となる。

また、図２から分かるように、マルチプレクサ５０は、１周期の期間内にかかわらず、複数の周期を含めた期間においても、常に信号１（Ｖｓ＋−ＣＯＭ間電圧のアナログ信号）を一定周期で出力している。

起電力セル２４の起電力としての信号１が一定周期で出力されることで、起電力セル２４の起電力としての信号１が不規則なタイミングで出力される場合に比べて、デジタル演算部３３での演算処理（起電力セル２４の起電力に基づくポンプ電流Ｉｐの通電制御値の演算処理など）を簡素化でき、通電制御値を迅速に演算することが可能となる。

［１−３．ポンプ電流制御処理］
次に、デジタル演算部３３で実行される各種制御処理のうち、ポンプ電流制御処理について説明する。

ポンプ電流制御処理は、起電力セル２４の検知電圧Ｖｓが目標制御電圧（本実施形態では、例えば４５０ｍＶ）となるように、ポンプセル１４に通電するポンプ電流Ｉｐを制御するための演算制御処理である。

ここで、ポンプ電流制御処理を実行する際のデジタル演算部３３の機能ブロック図を図３に示す。
ポンプ電流制御処理を実行する際のデジタル演算部３３は、ＰＩＤ演算部６１、第１フィルタ部６３、第２フィルタ部６５の各機能を有している。

このうち、ＰＩＤ演算部６１は、目標制御電圧（４５０ｍＶ）と起電力セル２４の検知電圧Ｖｓ（起電力セル２４の起電力）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、検知電圧Ｖｓが目標制御電圧に近づくように）ポンプセル１４に通電するためのポンプ電流Ｉｐの通電制御値（通電制御電流Ｔｉｐ）を演算する。

第１フィルタ部６３は、ＰＩＤ演算部６１で演算された通電制御電流Ｔｉｐを表すデジタル信号から予め定められた第１遮断周波数（本実施形態では、１００Ｈｚ）よりも高い周波数成分を減衰させてなるＤＡＣ制御信号Ｓ１（第１フィルタ信号Ｓ１）をデジタル演算により抽出する。

ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号から第１遮断周波数よりも高い周波数成分（ノイズ成分）が減衰された信号であるため、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、ＰＩＤ演算部６１でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分が減衰されたデジタル信号である。このため、ポンプ電流Ｉｐ（デジタル信号）のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ポンプ電流Ｉｐにおける微分ノイズ成分の増大を抑制できる。

第２フィルタ部６５は、第１フィルタ部６３で抽出されたＤＡＣ制御信号Ｓ１を表すデジタル信号から予め定められた第２遮断周波数（本実施形態では、５０Ｈｚ）よりも高い周波数成分を減衰させてなるガス検出信号Ｓ２（第２フィルタ信号Ｓ２）をデジタル演算により抽出する。

ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１から第２遮断周波数よりも高い周波数成分（ノイズ成分）が減衰された信号であるため、ＤＡＣ制御信号Ｓ１からさらにノイズ成分（ＰＩＤ演算部６１でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分）が減衰されたデジタル信号である。

そして、ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ガス検出信号Ｓ２と比べて、フィルタ処理の回数が少ないため、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、起電力セル２４の起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このようなデジタル信号は、ポンプセル１４のフィードバック制御に適した信号となる。このため、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づいて生成したポンプ電流Ｉｐをポンプセル１４に対して通電することで、起電力セル２４の起電力における直近の変化状態に応じて、ポンプセル１４による酸素のポンピング（汲み出し、汲み入れ）を適切に実行できる。

なお、第１フィルタ部６３は、通電制御電流Ｔｉｐを表すデジタル信号から抽出したＤＡＣ制御信号Ｓ１を電流ＤＡ変換部３５に対して送信する。ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ポンプ電流Ｉｐの通電制御値の電流値および通電方向（正方向、逆方向）に関する情報を含んだデジタル信号である。

そして、上述したように、ＤＡＣ制御信号Ｓ１を受信した電流ＤＡ変換部３５は、受信したデジタル情報についてＤＡ変換を行い、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づき定められるポンプ電流をポンプセル１４に対して通電する。

次に、ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、起電力セル２４の起電力における長期間の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このようなデジタル信号は、測定対象ガス（排気ガス）に含まれる特定成分（酸素）の検出に適した信号となる。

このため、ガス検出信号Ｓ２を排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するための信号として用いることで、起電力セル２４の起電力における長期間の変化状態に基づいて、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出することが可能となる。これにより、酸素濃度の検出精度を向上できる。

なお、第２フィルタ部６５は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１から抽出したガス検出信号Ｓ２をガス濃度演算部３７に対して送信する。ガス検出信号Ｓ２は、ポンプ電流Ｉｐの通電制御値の電流値および通電方向（正方向、逆方向）に関する情報を含んだデジタル信号である。

そして、上述したように、ガス検出信号Ｓ２を受信したガス濃度演算部３７は、デジタル演算部３３で演算されたポンプ電流Ｉｐの通電制御値の情報が含まれるガス検出信号Ｓ２に基づいて、排気ガス中の特定ガス（本実施形態では、酸素）の濃度を演算する。

次に、センサ制御装置２においては、第１フィルタ部６３の第１遮断周波数は第２フィルタ部６５の第２遮断周波数よりも高い周波数である。
この場合、ＤＡＣ制御信号Ｓ１（第１フィルタ信号）は、ガス検出信号Ｓ２（第２フィルタ信号）と比べて、広い周波数帯域成分を含んだデジタル信号となり、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、起電力セル２４の起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。

このため、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づいて生成したポンプ電流Ｉｐをポンプセル１４に対して通電することで、起電力セル２４の起電力における直近の変化状態に応じて、ポンプセル１４による酸素のポンピングを適切に実行できる。

また、ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１と比べて、狭い周波数帯域成分を含んだデジタル信号となり、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、起電力セル２４の起電力における長期間の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。

このため、ガス検出信号Ｓ２を排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するための信号として用いることで、起電力セル２４の起電力における長期間の変化状態に基づいて、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出できるため、酸素濃度の検出精度を向上できる。

［１−４．効果］
以上説明したように、本実施形態のガス検知システム１においては、センサ制御装置２が、マルチプレクサ５０と、ＡＤ変換部３１と、デジタル演算部３３と、電流ＤＡ変換部３５と、を備えている。

そして、上述したように、ポンプ電流制御処理を実行する際のデジタル演算部３３は、ＰＩＤ演算部６１、第１フィルタ部６３、第２フィルタ部６５の各機能を有している。
このうち、ＰＩＤ演算部６１は、目標制御電圧と起電力セル２４の検知電圧Ｖｓ（起電力セル２４の起電力）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、検知電圧Ｖｓが目標制御電圧に近づくように）ポンプセル１４に通電するためのポンプ電流Ｉｐの通電制御値（通電制御電流Ｔｉｐ）を演算する。

第１フィルタ部６３は、ＰＩＤ演算部６１で演算された通電制御電流Ｔｉｐを表すデジタル信号からＤＡＣ制御信号Ｓ１（第１フィルタ信号Ｓ１）をデジタル演算により抽出する。ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、ＰＩＤ演算部６１でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分が減衰されたデジタル信号である。このため、ポンプ電流Ｉｐ（デジタル信号）のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ポンプ電流Ｉｐにおける微分ノイズ成分の増大を抑制できる。

第２フィルタ部６５は、第１フィルタ部６３で抽出されたＤＡＣ制御信号Ｓ１を表すデジタル信号からガス検出信号Ｓ２（第２フィルタ信号Ｓ２）をデジタル演算により抽出する。ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１からさらにノイズ成分（ＰＩＤ演算部６１でのデジタル演算で重畳されたノイズ成分）が減衰されたデジタル信号である。

そして、ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ガス検出信号Ｓ２と比べて、フィルタ処理の回数が少ないため、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、起電力セル２４の起電力における直近の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このようなデジタル信号は、ポンプセル１４のフィードバック制御に適した信号となる。

このため、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づいて生成したポンプ電流Ｉｐをポンプセル１４に対して通電することで、起電力セル２４の起電力における直近の変化状態に応じて、ポンプセル１４による酸素のポンピング（汲み出し、汲み入れ）を適切に実行できる。

次に、ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、起電力セル２４の起電力における長期間の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。このようなデジタル信号は、測定対象ガス（排気ガス）に含まれる特定成分（酸素）の検出に適した信号となる。

このため、ガス検出信号Ｓ２を排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するための信号として用いることで、起電力セル２４の起電力における長期間の変化状態に基づいて、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出することが可能となる。これにより、酸素濃度の検出精度を向上できる。

よって、センサ制御装置２によれば、ポンプ電流Ｉｐ（デジタル信号）のサンプリング周期を高速化した場合であっても、ポンプ電流Ｉｐにおける微分ノイズ成分の増大を抑制できる。また、センサ制御装置２によれば、ポンプセル１４による酸素のポンピング（汲み出し、汲み入れ）を適切に実行できるとともに、測定対象ガス（排気ガス）に含まれる特定成分（酸素濃度）の検出精度を向上できる。

［１−５．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。
起電力セル２４が検知セルの一例に相当し、ポンプセル１４が酸素ポンプセルの一例に相当し、ガスセンサ８がガスセンサの一例に相当し、センサ制御装置２がセンサ制御装置の一例に相当する。起電力セル２４におけるＶｓ＋端子および共通端子ＣＯＭが、検知セルの両電極端子の一例に相当し、ポンプセル１４におけるＩｐ＋端子および共通端子ＣＯＭが、酸素ポンプセルの両電極端子の一例に相当する。

マルチプレクサ５０がマルチプレクサの一例に相当し、ＡＤ変換部３１がアナログデジタル変換部の一例に相当し、デジタル演算部３３のＰＩＤ演算部６１が通電制御値演算部の一例に相当し、電流ＤＡ変換部３５がデジタルアナログ変換部の一例に相当する。

信号１が頻度高信号の一例に相当し、信号２，３，４が頻度低信号の一例に相当し、「信号１、信号２、信号１、信号３、信号１、信号４」の出力期間である１周期が全信号出力期間の一例に相当する。

デジタル演算部３３の第１フィルタ部６３が第１フィルタ部の一例に相当し、ＤＡＣ制御信号Ｓ１が第１フィルタ信号の一例に相当し、デジタル演算部３３の第２フィルタ部６５が第２フィルタ部の一例に相当し、ガス検出信号Ｓ２が第２フィルタ信号の一例に相当し、ガス検知システム１がガス検知システムの一例に相当する。

［２．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、マルチプレクサに入力されるアナログ信号は４個に限られることはなく、３個以上であればよい。また、マルチプレクサは、入力された複数のアナログ信号を、頻度高信号と頻度低信号とに分類して出力すればよい。

第１フィルタ部の第１周波数および第２フィルタ部の第２周波数は、それぞれ上記数値に限られることは無い。また、第１フィルタ部の第１周波数は、第２フィルタ部の第２周波数よりも高い周波数に限られることはなく、第１周波数と第２周波数とが同じ周波数であっても良い。

また、本発明は、内燃機関の排気ガス中の特定ガスを検出する用途に用いられるガス検知システムおよびセンサ制御装置に限定されることはなく、内燃機関への吸気ガス中の特定ガス（例えば、酸素）を検出する用途や、環境気体中の特定ガス（例えば、酸素）を検出する用途に用いるものであってもよい。

１…ガス検知システム、２…センサ制御装置、８…ガスセンサ、１４…ポンプセル、２４…起電力セル、３１…アナログデジタル変換部（ＡＤ変換部）、３３…デジタル演算部、３５…電流デジタルアナログ変換部（電流ＤＡ変換部）、３７…ガス濃度演算部、４６…演算増幅器、４８…基準電圧発生部、５０…マルチプレクサ、６１…ＰＩＤ演算部、６３…第１フィルタ部、６５…第２フィルタ部、ＣＯＭ…共通端子、ＧＮＤ…グランド電位、Ｓ１…ＤＡＣ制御信号、Ｓ２…ガス検出信号。

Claims (3)

1. 測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じる検知セルと、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンプセルと、を有するガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、
   前記検知セルの前記起電力のアナログ信号をデジタル値に変換するアナログデジタル変換部と、
   前記起電力のデジタル値に基づいて、前記酸素ポンプセルに通電する前記ポンプ電流の通電制御値をデジタル制御で演算する通電制御値演算部と、
   前記ポンプ電流の前記通電制御値を示すデジタル信号に基づいて、前記酸素ポンプセルに対して通電するポンプ電流を生成するデジタルアナログ変換部と、
   を備えており、
   前記ポンプ電流の前記通電制御値を示すデジタル信号から予め定められた第１遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなる第１フィルタ信号をデジタル演算により抽出する第１フィルタ部と、
   前記第１フィルタ部で抽出された前記第１フィルタ信号から予め定められた第２遮断周波数よりも高い周波数成分を減衰させてなる第２フィルタ信号をデジタル演算により抽出する第２フィルタ部と、
   を備え、
   前記デジタルアナログ変換部は、前記第１フィルタ信号に基づいて前記ポンプ電流を生成し、
   前記第２フィルタ部は、前記第２フィルタ信号を、前記測定対象ガスに含まれる前記特定成分を検出するためのポンプ電流信号として外部に出力すること、
   を特徴とするセンサ制御装置。
2. 前記第１遮断周波数は、前記第２遮断周波数よりも高い周波数であること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
3. 測定対象ガスに含まれる特定成分に応じた起電力を生じる検知セルと、ポンプ電流に応じて酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンプセルと、を有するガスセンサと、
   前記ガスセンサを制御するセンサ制御装置と、
   を備えるガス検知システムであって、
   前記センサ制御装置として、請求項１または請求項２に記載のセンサ制御装置を備えること、
   を特徴とするガス検知システム。

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