JP6414446B2 - Ａ／ｆセンサの保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体成分を検出するＡ／Ｆセンサを保護するためのＡ／Ｆセンサの保護装置に関する。

従来、Ａ／Ｆセンサは内燃機関の排気ガス中の空気過剰率を検出するために設けられている。このＡ／Ｆセンサのセンサ信号となる電流をシャント抵抗に流して電圧変換し、この電圧に基づいてセンサをＰＩＤ制御している（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−２５６２３３号公報 特許第４６４３４５９号公報

例えば、特許文献１記載の技術を採用するとセンサ制御に係る異常形態の特定可能にできるものの、通常動作時に好適なＡ／Ｆセンサの保護動作を行うのに改善の余地がある。
本発明の目的は、通常動作時にＡ／Ｆセンサを適切に保護できるようにしたＡ／Ｆセンサの保護装置を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、第１手段はＡ／Ｆセンサのインピーダンスを取得し、第２手段は第１手段により取得されるインピーダンスに基づいてＡ／Ｆセンサの通電を制限するため、通常動作時にＡ／Ｆセンサを保護できる。
このとき、第２手段は、制御目標値に制御するための指令電圧値を演算する制御値演算手段と、第１手段により取得されるインピーダンスに応じてＡ／Ｆセンサのセンサセルに印加する印加電圧の制限値を演算する制限値演算手段と、制御値演算手段による指令電圧値を制限値演算手段による制限値に応じて制限して指令電圧値とする制御値制限手段と、を備えているため、Ａ／Ｆセンサの印加電圧を制限することができ、Ａ／Ｆセンサを保護できる。

全実施形態におけるＡ／Ｆセンサ制御装置の機能を概略的に示す機能ブロック図 第１実施形態におけるＡ／Ｆセンサの要部の断面構造を模式的に示す縦断側面図 Ａ／Ｆセンサ制御装置を概略的に示す電気的構成図 ＤＳＰの内部構成を概略的に示す機能ブロック図 印加電圧制限部の構成例を概略的に示す回路図 制御の流れを概略的に示すフローチャート 各ノードの状態変化を概略的に示すタイミングチャート Ａ／Ｆセンサのインピーダンス変化に応じた出力電圧の制限値を概略的に示す図（その１） Ａ／Ｆセンサのインピーダンス変化に応じた出力電圧の制限値を概略的に示す図（その２） 第２実施形態におけるＡ／Ｆセンサ制御装置を概略的に示す電気的構成図 Ａ／Ｆセンサの要部の断面構造を模式的に示す縦断側面図 第３実施形態においてＡ／Ｆセンサ制御装置を概略的に示す電気的構成図 電圧電流変換回路の構成例を概略的に示す回路図 第４実施形態においてＡ／Ｆセンサ制御装置を概略的に示す電気的構成図

以下、Ａ／Ｆセンサの保護装置の幾つかの実施形態を説明する。以下の実施形態中では、各実施形態間で同一機能または類似機能を備えた部分に同一符号を付して説明を行い、後述実施形態においては必要に応じて説明を省略する。

（第１実施形態）
図１〜図９は、第１実施形態の説明図を示す。図１には、Ａ／Ｆセンサ制御装置１００の概略的な電気的構成をブロック図により示している。図１に示すＡ／Ｆセンサ制御装置１００は、車両用エンジン（図示せず）が排出する排気燃焼ガスを検出ガスとし、排気中の酸素濃度を検出する空燃比を特定するためのＡ／Ｆセンサ２又は２０２の各種制御処理を行う。なお、Ａ／Ｆセンサ２は２セルタイプのＡ／Ｆセンサを示し、Ａ／Ｆセンサ２０２は１セルタイプのＡ／Ｆセンサを示している。なお、具体例は後述するが、まず本願に係る特徴部分についての機能説明を行う。図１に示す機能ブロック図上では、同一又は類似の制御により各種制御処理を実行可能となる。

Ａ／Ｆセンサ制御装置１００は、機能的に、センサインピーダンス検出部１０１、センサ信号検出部１０２、センサインピーダンス演算部１０３、制御値演算部１０４、制限値演算部１０５、制御値制限部１０６、ヒータ制御部１０８、及び、駆動部１０９を備え、これらのブロックによりフィードバック制御ループを構成し、Ａ／Ｆセンサ２又は２０２の制御処理及びその保護処理を行う。また、制御値演算部１０４、制限値演算部１０５、及び制御値制限部１０６は、センサ制御部１０７を構成する。

センサインピーダンス検出部１０１は、通常動作時のある所定期間Ｔ１（後述具体例では図７参照）において、テスト用に変化させた掃引電流をＡ／Ｆセンサ２に印加し、この掃引電流に応じた電流変化ΔＩ及び電圧変化ΔＶを検出し、この検出結果をセンサインピーダンス演算部１０３に出力する。センサインピーダンス演算部１０３は、これらの電圧変化ΔＶを電流変化ΔＩで除算し、センサインピーダンスＺ（＝ΔＶ／ΔＩ）を演算し、制限値演算部１０５に出力する。制限値演算部１０５は、センサインピーダンスＺに基づいて制御値の制限値を演算し、制御値制限部１０６に出力する。

他方、センサ信号検出部１０２は、通常動作時のある期間において、Ａ／Ｆセンサ２の通電電流Ｉ（及び／又は電圧Ｖ）を検出し、この検出結果を制御値演算部１０４に出力する。制御値演算部１０４は、センサ信号検出部１０２により検出されたＡ／Ｆセンサ２又は２０２の通電電流Ｉ（及び／又は電圧Ｖ）を用いてＡ／Ｆセンサ２又は２０２の制御値を演算し、制御値制限部１０６に出力する。

制御値制限部１０６は、制御値演算部１０４により演算された制御値が、制限値演算部１０５により演算された制限値（≦上限値、≧下限値）を満たしているか判定し、この制限値内に入っていれば制御値を駆動部１０９に出力し、駆動部１０９を通じてＡ／Ｆセンサ２又は２０２に電流を印加する。また、制御値制限部１０６は、制御値演算部１０４により演算された制御値が、制限値演算部１０５により演算された制限値内に入っていなければ上限値又は下限値を制御値として駆動部１０９に出力し、駆動部１０９を通じてＡ／Ｆセンサ２又は２０２に電流を印加する。

また、センサインピーダンス演算部１０３は、センサインピーダンスＺの演算結果についてヒータ制御部１０８に出力する。ヒータ制御部１０８は、センサインピーダンスＺが所定のインピーダンスとなるようにＡ／Ｆセンサ２のヒータ１１８に対する通電をフィードバック制御しＡ／Ｆセンサ２の温度Ｔを調節する。

以下、具体例を説明する。第１実施形態では、２セルタイプのＡ／Ｆセンサ２を制御するためのＡ／Ｆセンサ制御装置１に適用した例を示す。図２に、２セルタイプのＡ／Ｆセンサ２の構成を示すように、Ａ／Ｆセンサ２は、２つの固体電解質層１１１、１１２を有しており、一方の固体電解質層１１１には一対の電極１１９、１２０が対向配置され、他方の固体電解質層１１２には一対の電極１１５、１２１が対向配置されている。なお、電極１１９〜１２１は図の左右対称２か所に見えるが、これらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。図中、１１４は排気ガス導入孔、１１６は排気ダクト、１１７は媒質、１１８はヒータである。Ａ／Ｆセンサ２の素子電流の増減は、空燃比の増減（リーン／リッチ）に対応し、例えば空燃比がリーンになれば素子電流は増大し、空燃比がリッチになれば素子電流が減少する。

Ａ／Ｆセンサ２は、第１センサセルとしてのポンプセル３と、第２センサセルとしての検出セル４を備える。ポンプセル３は固体電解質層１１１、電極１１９及び１２０により構成され、検出セル４は固体電解質層１１２、電極１１５及び１２１により構成される。これらの電極１１５、１１９〜１２１は、Ａ／Ｆセンサ制御装置１に接続されている。

これらのポンプセル３及び検出セル４を電気的に表すと、図３に示すように抵抗成分及び容量成分を直列接続した回路によって表すことができる。ポンプセル３の両端子（一対の電極）は、Ａ／Ｆセンサ制御装置１の端子ＩＰ−端子ＶＭ間に接続されており、検出
セル４の両端子（一対の電極）は、Ａ／Ｆセンサ制御装置１の端子ＵＮ−端子ＶＭ間に接続されている。ポンプセル３の他端子と検出セル４の他端子とは電気的に共通接続されている。このポンプセル３は、温度Ｔが低ければ不活性化状態となり、温度Ｔが所定温度以上（例えば、７００［℃］以上）となると活性化する。また、ポンプセル３は温度Ｔが低いほどインピーダンスＺIpが高く（例えば数ｋΩ程度）、逆に温度が高いほどインピーダンスＺIpが低くなる（例えば５０［Ω］程度）。検出セル４のインピーダンスＺacもポンプセル３のインピーダンスＺIpと同様の特性を備える。

Ａ／Ｆセンサ制御装置１は、所謂ＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）により構成される。Ａ／Ｆセンサ制御装置１は、デジタル制御部、制御回路としてのＤＳＰ（Digital Signal Processor）１１（第１手段、第２手段、デジタル制御部相当）、電圧バッファ１２、１３、検出手段としてのシャント抵抗１４、Ｄ／Ａコンバータ１５、Ａ／Ｄコンバータ１６、１７、電流源１８〜２０、および記憶部２２を接続して構成される。その他、Ａ／Ｆセンサ制御装置１は外部と通信するための通信インタフェース（図示せず）を備える。記憶部２２は、例えば、レジスタ、フラッシュメモリまたはＥＥＰＲＯＭなどのメモリによる。電圧バッファ１２、１３は何れもオペアンプを用いて構成される。シャント抵抗１４は、電流検出用に設けられており例えば１５０［Ω］で構成されている。

ＤＳＰ１１の出力端子にはＤ／Ａコンバータ１５が接続されている。このＤ／Ａコンバータ１５は、ＤＳＰ１１からＤＡＣ指令値を入力するとＤ／Ａ変換し、電圧バッファ１３に出力する。電圧バッファ１３は、シャント抵抗１４を通じて電圧バッファ１２を構成するオペアンプの反転入力端子に信号出力すると共に、端子ＶＭに信号出力する。

電圧バッファ１２を構成するオペアンプの非反転入力端子には、例えば所定電圧Ｖref（例えば電源電圧ＶＤＤの１／２の０．５ＶＤＤ）が与えられており、この非反転入力端子に与えられる所定電圧と、反転入力端子に印加される印加電圧の差分に基づく電流を、端子ＩＰを通じてポンプセル３の一端子に出力する。

また、検出セル４の一端子は端子ＵＮに接続されているが、この端子ＵＮには温度Ｔの検出用（インピーダンスＺの検出用）に主に用いられる第１電流源１９及び２０と、検出セル４の電圧モニタ時に主に用いられる第２電流源１８と、が接続されている。

Ａ／Ｄコンバータ１６は、シャント抵抗１４の両端電圧をアナログ入力してＡ／Ｄ変換しＤＳＰ１１に出力する。Ａ／Ｄコンバータ１７は、端子ＶＭ−ＵＮ間の電圧をアナログ入力してＡ／Ｄ変換しＤＳＰ１１に出力する。ＤＳＰ１１は、これらのＡ／Ｄコンバータ１６、１７の両デジタル出力を入力し、図示しないレジスタ（記憶部）に記憶する。そして、ＤＳＰ１１は、このＡ／Ｄコンバータ１６、１７のデジタル出力内容を用いて内部処理する。

図４にＤＳＰ１１の内部処理ブロックを概略的に示すように、ＤＳＰ１１は、センサインピーダンス演算部（センサインピーダンス演算手段、第１手段相当）３１、加減算部３２、ＰＩＤ演算部（制御値演算手段）３３、制限値演算部（制限値演算手段）３４、印加電圧制限部（制御値制限手段）３５、を備える。ここで、加減算部３２、ＰＩＤ演算部３３、制限値演算部３４、及び印加電圧制限部３５は、センサ制御部３７（第２手段相当）を構成する。

センサインピーダンス演算部３１は、検出セル４の検出値（検出セルの端子間電圧Ｖｓに対応）をＡ／Ｄコンバータ１７を通じて入力し、この入力値に基づいてセンサインピーダンスＺを演算し取得する。制限値演算部３４は、この取得されたセンサインピーダンスＺに応じてポンプセル３に印加する印加電圧の制限値を演算する。この演算処理では、上限値Ｖo-pclampと下限値Ｖo-mclampを演算処理するが、この内容は後述する。記憶部２２は、制限値演算部３４の制限値Ｖo-clampとして、上限値Ｖo-pclampおよび下限値Ｖo-mclampを記憶保持する。

加減算部３２は、予め定められたＰＩＤ制御目標値と検出セル４の検出値（検出セルの端子間電圧Ｖｓに対応）の差分を演算し、ＰＩＤ演算部３３に出力する。ＰＩＤ演算部３３は、この加減算部３２が出力する差分値に応じて指令値（指令電圧に対応）を演算する。印加電圧制限部３５は、ＰＩＤ演算部３３による指令電圧値を、制限値演算部３４による制限値に応じて制限し、指令電圧値をＤＡＣ指令値としてＤ／Ａコンバータ１５に出力する。

図５に示すように、印加電圧制限部３５は、ＰＩＤ演算部３３の演算結果と上限値Ｖo-pclampとを比較する比較器４１と、ＰＩＤ演算部３３の演算結果と下限値Ｖo-mclampとを比較する比較器４２と、比較器４１の比較結果に応じて、ＰＩＤ演算部３３の演算結果又は上限値Ｖo-pclampを選択出力するセレクタ４３と、比較器４２の比較結果に応じてＤＡＣ指令値（出力電圧Ｖｏ）として選択出力するセレクタ４４と、を備える。これにより、印加電圧制限部３５は、ＰＩＤ演算結果が上限値Ｖo-pclampを超えていたときには上限値Ｖo-pclampをＤＡＣ指令値として出力し、ＰＩＤ演算結果が下限値Ｖo-pclampを下回っていたときには下限値Ｖo-mclampをＤＡＣ指令値として出力する。

ここで、これらの図２〜図５に示す２セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置１を、図１に示したＡ／Ｆセンサ制御装置１００の各機能部１０１〜１０９と照合する。センサインピーダンス検出部１０１及びセンサ信号検出部１０２は、検出セル４、ポンプセル３のセル電圧／セル電流を検出するためのシャント抵抗１４及びＡ／Ｄコンバータ１７を用いて構成される。センサインピーダンス演算部１０３は、センサインピーダンス演算部３１を用いて構成される。制御値演算部１０４は、ＰＩＤ演算部３３を用いて構成される。制限値演算部１０５は、制限値演算部３４を用いて構成される。制御値制限部１０６は、印加電圧制限部３５を用いて構成される。センサ制御部１０７は、ＤＳＰ１１の内部構成（加減算部３２、ＰＩＤ演算部３３、印加電圧制限部３５）を用いて構成される。駆動部１０９は、Ｄ／Ａコンバータ１５、電圧バッファ１３及び１２を用いて構成される。なお、ヒータ制御部１０８は、図２〜図５には図示していないが、実質的にＡ／Ｆセンサ２の温度制御を行う。

上記構成の作用について説明する。図６は全体の流れの一例を概略的に示すフローチャートであり、図７は、周期的に行われるインピーダンス演算処理、及び、このインピーダンス演算処理間に行われるＰＩＤ制御処理の１サイクルについて、タイミングチャートを概略的に示している。

まず、ＤＳＰ１１が、電流掃引タイミングであることを条件として（図６のＳ１でＹＥＳ）、第１電流源１９及び２０から検出セル４に掃引電流を通電させる（図７のＴ１）。このとき、ＤＳＰ１１は、電源ＶＤＤ側の電流源１９から電流を検出セル４に通電したり、検出セル４からグランド側の電流源２０に電流を引いたりすることで、検出セル４、シャント抵抗１４を通じて通電し、Ａ／Ｄコンバータ１６を通じてシャント抵抗１４の端子間電圧を検出する。また、Ａ／Ｄコンバータ１７を通じて検出セル４の端子間電圧Ｖｓを検出する。

ＤＳＰ１１は、これらのＡ／Ｄコンバータ１６、１７の出力内容を参照し、センサインピーダンス演算部３１によりインピーダンスを演算する（図６のＳ２）。この電流掃引に基づくインピーダンス演算処理は、後述するＰＩＤ制御処理の回数をカウンタ（図示せず）によりカウントし、このカウント回数が所定回数となるたびに行われ、所謂シーケンス処理に応じて行われる。

その後、ＤＳＰ１１は制限値演算部３４によりポンプセル３の印加電圧の制限値を演算処理する（図６のＳ３）。
ポンプセル３は、その環境温度が低ければインピーダンスＺIpが高くなる傾向にあり、環境温度が低い（例えば７００℃未満）ときにはポンプセル３が不活性状態となる。ポンプセル３は、不活性状態又は活性状態であってもインピーダンスＺIpが所定より高いときには、通電電流量が大きいとポンプセル３の印加電圧が過大となる虞がある。そこで本実施形態では、ＤＳＰ１１が、ポンプセル３の印加電圧に制限値を設けるように演算処理し、この制限値に応じて指令値を制御するようにしている。

本実施形態に示す回路構成の場合、ポンプセル３の印加電圧は、以下のように算出される。ポンプセル３のインピーダンスをＺIpとし、検出セル４のインピーダンスをＺacとし、ポンプセルの通電電流をＩpとし、ポンプセル３及び検出セル４の直列回路を通じて流れる電流をΔＩ（最大値≒０．００１Ａ）とすると、ポンプセル３の印加電圧ＶIpは、
ＶIp = （ Ｉp ＋ ΔＩ ） × ＺIp … （１）
として表される。また、シャント抵抗１４の抵抗値をＲ１とし、電圧バッファ１２の出力電圧をＶｏとする。定常状態では電圧バッファ１２を構成するオペアンプの反転入力端子の電圧はＶrefで一定となる。ここで例えば、Ｖref＝０．５ × ＶＤＤとすると、
電流Ｉpは、
Ｉp = （０．５ × ＶＤＤ − Ｖｏ） ／ Ｒ１ …（２）
で表される。これらの（１）（２）式を整理すると、
ＶIp ＝（（０．５ × ＶＤＤ − Ｖｏ） ／ Ｒ１ ＋ ΔＩ） × ＺIp
…（３）
で表される。

ここで、ポンプセル３のインピーダンスＺIpが、検出セル４のインピーダンスＺacと関連性がある（例えばＺIp＝Ｚac）ときには、この（３）式を用いて、電圧ＶIpをインピーダンスＺacの関数として現すことができる。この電圧ＶIpを上下の制限電圧範囲（−Ｖclamp、＋Ｖclamp）で制限かけるとすれば、上限値Ｖo-pclamp、下限値Ｖo-mclampは、前述の制限電圧範囲と、検出セル４のインピーダンスＺacの関数で現すことができる。

制限値演算部３４は、このようにして制限値となる上限値Ｖo-pclamp、下限値Ｖo-mclampを演算処理できる。なお、本実施形態では、電源電圧としてＶＤＤの片電源を用いているため、上限値の値がＶＤＤを超える場合には上限値をＶＤＤとし、０Ｖを下回る場合には下限値を０Ｖとすると良い。

このように図７に示す期間Ｔ１の間（図６のＳ１でＹＥＳ）に、インピーダンス演算処理、制限値演算処理が行われる（図６のＳ２、Ｓ３）。これらのインピーダンス演算処理及び制限値演算処理は、予め定められたシーケンスに従って周期的（図７に示す期間ＴＡ毎）に期間Ｔ１中に行われるが、これらの処理の間、ＤＳＰ１１は、検出セル４の端子間電圧Ｖｓ、シャント抵抗１４の端子間電圧ＶR1を取得するように、Ａ／Ｄコンバータ１６、１７の出力内容を交互に参照し、ステップＳ３において演算処理された制限値を用いてＰＩＤ制御処理を行う（図６のＳ４〜Ｓ１０）。

ＤＳＰ１１は、検出セル４の端子間電圧Ｖｓを取得するときにはＡ／Ｄコンバータ１７の出力内容を参照する（図６のＳ４）。ＤＳＰ１１は、この検出セル４の端子間電圧Ｖｓを所定電圧（例えば０．４５Ｖ）とするように、電圧バッファ１２を通じてポンプセル３及び検出セル４に流れる電流Ｉpを増減させることでＰＩＤ制御する。ＤＳＰ１１は、ＰＩＤ制御処理結果を演算処理し続ける（図６のＳ５）。

このとき、印加電圧制限部３５は、記憶部２２に記憶される上限値Ｖo-pclamp、下限値Ｖo-mclampを用いると共に、図５に示す比較器４１及び４２並びにセレクタ４３及び４４を用いてＰＩＤ制御の演算結果に制限がかかるか否か判定し（図６のＳ６）、この判定結果に基づいて、ＰＩＤ制御の演算結果をＤＡＣ指令値として出力したり（図６のＳ７）、上限値Ｖo-pclamp、下限値Ｖo-mclampをＤＡＣ指令値として出力したりする（図６のＳ８）。

ＰＩＤ制御処理の演算結果Ｖｏと検出セル４のインピーダンスＺacとの関係を図８、図９に示す。図８に示すように、演算結果Ｖｏが上限値Ｖo-pclampよりも低く、下限値Ｖo-mclampよりも高ければ、ステップＳ５において算出された演算結果ＶｏをＤＡＣ指令値としてそのまま設定する。逆に、図９に示すように、例えば演算結果Ｖｏが上限値Ｖo-pclamp以上となれば、ステップＳ５において算出された演算結果ＶｏをＤＡＣ指令値としてそのまま出力せず、インピーダンスＺacに応じて一義的に決定される上限値Ｖo-pclampをＤＡＣ指令値として設定する。

また、図示しないが、例えば演算結果Ｖｏが下限値Ｖo-mclamp以下となれば、ステップＳ５において算出された演算結果ＶｏをＤＡＣ指令値としてそのまま出力せず、インピーダンスＺacに応じて一義的に決定される下限値Ｖo-mclampをＤＡＣ指令値として設定する。

そして、ＤＳＰ１１は、設定されたＤＡＣ指令値をＤ／Ａコンバータ１５に出力することで、Ｄ／Ａコンバータ１５及び電圧バッファ１２が、このＤＡＣ指令値に対応した電圧Ｖｏをポンプセル３に印加する。すると、ポンプセル３の印加電圧が変化する。その後、ＤＳＰ１１は、シャント抵抗１４に流れる電流検出値をＡ／Ｄコンバータ１６を通じて取得する（図６のＳ１０）。そして、ＤＳＰ１１は、検出セル４の電圧Ｖｓを取得するようにＡ／Ｄコンバータ１７の出力を参照し、ステップＳ３から処理を繰り返す。このように、過電圧保護を図ることができる。

なお、例えばエンジン始動時においては、Ａ／Ｆセンサ２が不活性状態になっている場合など、インピーダンスＺac（又はＺIp）が高いときに過電圧が印加されることを防止するため、Ａ／Ｆセンサ２のインピーダンスＺac（又はＺIp）に基づいて印加電流を制御すると良い。このとき、印加電圧制限部３５は、定められた電圧範囲に制御を行い続けることで、前段ブロック（例えば加減算部３２、ＰＩＤ演算部３３）の制御動作を無効化することができ、制御を中断することなく継続できる。

本実施形態によれば、センサインピーダンス演算部３１は、Ａ／Ｆセンサ２のインピーダンスとして検出セル４のインピーダンスＺacを演算し、ＤＳＰ１１内のセンサ制御部３７はこのインピーダンスＺacに基づいてＡ／Ｆセンサ２に通電する電流を制限しているため、通常動作時に適切な電流を印加することができ、Ａ／Ｆセンサ２を適切に保護できる。ＤＳＰ１１を用いてデジタル制御しているため、例えばアナログ回路を採用することによる回路規模の拡大を抑制できる。

ＤＳＰ１１の内部では、制御値演算部１０４となるＰＩＤ演算部３３が制御目標値に制御するための指令電圧値を演算し、制限値演算部１０５となる制限値演算部３４がセンサインピーダンス演算部３１により演算されたインピーダンスＺに応じてＡ／Ｆセンサ２に印加する印加電圧の制限値を演算し、制御値制限部１０６となる印加電圧制限部３５がＰＩＤ演算部３３の指令電圧値を制限値演算部３４による制限値に応じて制限して指令電圧値として出力している。このため、Ａ／Ｆセンサ２の印加電圧を制限することができ、Ａ／Ｆセンサ２を過電圧から保護できる。また、各種処理をデジタル演算処理により実現することができる。

また、温度Ｔが上昇すると、インピーダンスＺIp、Ｚacが下降するため、この性質を利用し、センサインピーダンス演算部３１（１０３）は演算したインピーダンスＺをヒータ制御部１０８に出力し、ヒータ制御部１０８がこのインピーダンスＺに応じてヒータ１１８（図２参照）を温度制御すると良い。これにより、演算されたインピーダンスＺをヒータ１１８の温度制御用途として副次的に利用できる。

また、記憶部２２は、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリにより構成されているため、記憶部２２に記憶される制限値Ｖo-clamp（上限値Ｖo-pclamp、下限値Ｖo-mclamp）を例えば製造時などに外部から書き換えることで、種々のセンサにフレキシブルに対応可能となる。

（第２実施形態）
図１０から図１１は、第２実施形態の説明図を示す。第２実施形態は、１セルタイプのＡ／Ｆセンサ２０２を制御するためのＡ／Ｆセンサ制御装置２０１に適用した形態について説明する。
図１１に示すように、Ａ／Ｆセンサ２０２は、固体電解質層５３、拡散抵抗層５４、遮蔽層５５、及び絶縁層５６を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。固体電解質層５３は、例えば長方形板状のシートにより構成されている。Ａ／Ｆセンサ２０２のセンサセル２０３は、電極５７、５８が固体電解質層５３を挟んで対向配置されることで構成される。拡散抵抗層５４は電極５７へ排気を導入するための多孔質シートにより構成され、遮蔽層５５は排気の透過を抑制するための緻密層により構成される。絶縁層５６は高熱伝導性セラミックスにより構成され、電極５８に対面する部位には大気ダクト５９が形成されている。また、絶縁層５６にはヒータ５２が埋設されている。ヒータ５２は、ヒータ制御部１０８により制御される。これにより、Ａ／Ｆセンサ２０２の温度Ｔを調整できる。

Ａ／Ｆセンサ２０２のセンサセル２０３の素子電流の増減は空燃比の増減（リーン／リッチ）に対応し、空燃比がリーンになれば素子電流は増大し、空燃比がリッチになれば素子電流が減少する。これにより、Ａ／Ｆセンサ２０２は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を実体的に検出するセンサセル２０３によって構成される。

図１０に示すように、Ａ／Ｆセンサ制御装置２０１は、制御ロジックにより構成される。Ａ／Ｆセンサ制御装置２０１は、デジタル制御部、制御回路としてのＤＳＰ２１１、電圧バッファ２１３、シャント抵抗２１４、Ｄ／Ａコンバータ２１５、Ａ／Ｄコンバータ２１６、２１７、および記憶部２２２を接続して構成される。なお、この図１０には、第１実施形態で説明した各ブロック１１、１３〜１７、２２に対応して同一又は類似機能を備えるブロックに「２００」を加算した符号２１１、２１３〜２１７、２２２を付して示し、必要に応じて説明を省略する。特に、ＤＳＰ２１１の内部の電気的ブロックはＤＳＰ１１の電気的ブロックと同一である。

ここで、この図１０に示す１セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置２０１を、図１に示したＡ／Ｆセンサ制御装置１００の各機能部１０１〜１０９と照合する。センサインピーダンス検出部１０１及びセンサ信号検出部１０２は、Ａ／Ｆセンサ２０２の電圧／電流を検出するためのシャント抵抗２１４及びＡ／Ｄコンバータ２１７を用いて構成される。センサインピーダンス演算部１０３は、センサインピーダンス演算部３１を用いて構成される。制御値演算部１０４は、ＰＩＤ演算部３３を用いて構成される。制限値演算部１０５は、制限値演算部３４を用いて構成される。制御値制限部１０６は、印加電圧制限部３５を用いて構成される。センサ制御部１０７は、ＤＳＰ２１１の内部構成（加減算部３２、ＰＩＤ演算部３３、印加電圧制限部３５）を用いて構成される。駆動部１０９は、Ｄ／Ａコンバータ２１５、電圧バッファ２１３及び２１２を用いて構成される。

Ａ／Ｄコンバータ２１６はシャント抵抗１４の端子間電圧ＶR1をアナログ入力してＡ／Ｄ変換しＤＳＰ２１１にデジタル出力し、Ａ／Ｄコンバータ２１７はＡ／Ｆセンサ２０２の端子間電圧Ｖｓをアナログ入力してＡ／Ｄ変換しＤＳＰ２１１にデジタル出力する。ＤＳＰ２１１は、Ａ／Ｄコンバータ２１６、２１７の出力内容をレジスタ（図示せず）に記憶することで、当該Ａ／Ｄコンバータ２１６、２１７の出力内容を参照できる。

本実施形態においても、Ａ／Ｆセンサ制御装置２０１は、概ね第１実施形態と同様の処理を行うため、図６のフローチャート、図７のタイミングチャートも参照しながら説明する。すなわち、図７に示す期間Ｔ１の間、インピーダンス演算処理、制限値演算処理が行われる（図６のＳ２、Ｓ３）が、この際、ＤＳＰ２１１は、Ａ／Ｄコンバータ２１７を通じてＡ／Ｆセンサ２０２の端子間電圧を検出し、このＡ／Ｆセンサ２０２の端子間電圧を用いてインピーダンス演算処理、制限値演算処理を行う。

図７に示すように、これらのインピーダンス演算処理及び制限値演算処理は、シーケンスに沿って周期的（期間ＴＡ毎）に期間Ｔ１中に行われるが、これらの処理の間、制御回路２１１は、センサセル２０３の端子間電圧Ｖｓ、シャント抵抗２１４の端子間電圧ＶR1を交互に取得できるように、Ａ／Ｄコンバータ２１６、２１７の出力内容を参照し、図６のステップＳ３において演算処理された制限値を用いてＰＩＤ制御処理を行う（図６のＳ４〜Ｓ１０）。これらのステップＳ４〜Ｓ１０の処理は第１実施形態に説明した内容と同一であるため、その説明を省略する。このように、Ａ／Ｆセンサ２０２の過電圧保護を図ることができる。本実施形態のように、１セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置２０１に適用した場合であっても前述実施形態と同一又は類似の作用効果を奏する。

（第３実施形態）
図１２及び図１３は第３実施形態の追加説明図を示す。第３実施形態は、Ａ／Ｆセンサ２に印加する電圧を電流変換して印加するように構成した２セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置３０１に適用した形態を示す。

図１２に示すように、Ａ／Ｆセンサ制御装置３０１は、ＤＳＰ１１、電圧バッファ１２、１３、Ｄ／Ａコンバータ１５、Ａ／Ｄコンバータ１７、電流源１８〜２０、記憶部２２、と共に、電圧電流変換回路６０を追加接続して構成される。

図１３に示すように、電圧電流変換回路６０は、オペアンプ６１、６２、Ｐチャネル型のＭＯＳトランジスタ６３、Ｎチャネル型のＭＯＳトランジスタ６４、抵抗６５及び６６を接続して構成されている。オペアンプ６１及び６２の非反転入力端子は、電圧バッファ１２の出力に接続されている。オペアンプ６１の出力端子は、ＭＯＳトランジスタ６３のゲートに接続されており、電源電圧ＶＤＤの供給端子とＭＯＳトランジスタ６３のソースとの間には抵抗６５が接続されている。また、抵抗６５とＭＯＳトランジスタ６３のソースの共通接続点はオペアンプ６１の反転入力端子に接続されている。オペアンプ６２の出力端子は、ＭＯＳトランジスタ６４のゲートに接続されており、ＭＯＳトランジスタ６４のソースとグランドとの間には抵抗６６が接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ６４のソースと抵抗６６の共通接続点はオペアンプ６２の反転入力端子に接続されている。これにより、電圧電流変換回路６０は、入力端子の入力電圧に応じた（比例した）定電流を端子ＩＰに出力できる。

ここで、この図１２に示す２セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置３０１を、図１に示したＡ／Ｆセンサ制御装置１００の各機能部１０１〜１０９と照合するに、駆動部１０９が、Ｄ／Ａコンバータ１５、電圧バッファ１２及び１３、電圧電流変換回路６０を用いて構成されていること以外は第１実施形態の説明と同様である。

本実施形態では、電圧バッファ１３がポンプセル３及び検出セル４間の端子ＶＭに定電圧を印加する。そして、ＤＳＰ１１は、第１電流源１９及び２０並びにＡ／Ｄコンバータ１７を用いて検出セル４のインピーダンスＺacを定期的に検出し、この検出されたインピーダンスＺacに応じて、ＤＳＰ１１がポンプセル３及び検出セル４に印加する電流を制御する。インピーダンスＺacの検出処理、制限値演算処理は、電圧電流変換回路６０の出力定電流と電圧バッファ１３の出力電圧とＡ／Ｄコンバータ１７の出力内容を用いて行われ、概ね第１実施形態と同様の方法で行われる。

ＤＳＰ１１が、ＤＡＣ指令値をＤ／Ａコンバータ１５に出力すると、電圧バッファ１２がこのＤ／Ａコンバータ１５の出力電圧をバッファして電圧電流変換回路６０に出力し、電圧電流変換回路６０が電圧バッファ１２の出力電圧に応じた定電流に変換し、定電流をポンプセル３に出力する。このとき、ＤＳＰ１１は、インピーダンスＺacに応じて電圧バッファ１２の出力電圧を上限値Ｖo-pclamp及び下限値Ｖo-mclamp間に制限できるため、これに伴い、ポンプセル３の通電電流も制限できる。このような回路形態であっても、前述実施形態と同一又は類似の作用効果を奏する。また、本実施形態では、シャント抵抗１４を設けることなく構成できる。

（第４実施形態）
図１４は第４実施形態の追加説明図を示す。第４実施形態は、Ａ／Ｆセンサ２０２に印加する電圧を電流変換して印加するように構成した１セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置４０１に適用した形態を示す。

図１４に示すように、Ａ／Ｆセンサ制御装置４０１は、ＤＳＰ２１１、電圧バッファ２１２、２１３、Ｄ／Ａコンバータ２１５、Ａ／Ｄコンバータ２１７、記憶部２２２、と共に、電圧電流変換回路６０を接続して構成される。電圧電流変換回路６０の構成は図１３と同様である。

ここで、この図１４に示す１セルタイプのＡ／Ｆセンサ制御装置４０１を、図１に示したＡ／Ｆセンサ制御装置１００の各機能部１０１〜１０８と照合するに、駆動部１０９が、Ｄ／Ａコンバータ２１５、電圧バッファ２１２及び２１３、電圧電流変換回路６０を用いて構成されていること以外は第２実施形態の説明と同様である。

本実施形態では、電圧バッファ２１３がＡ／Ｆセンサ２０２の端子ＶＳ−に定電圧を印加する。そして、ＤＳＰ２１１は、Ａ／Ｄコンバータ２１７によりＡ／Ｆセンサ２０２の端子間電圧を検出することに応じて、Ａ／Ｆセンサ２０２のインピーダンスＺを定期的に検出し、この検出されたインピーダンスＺに応じて、ＤＳＰ１１がＡ／Ｆセンサ２０２に印加する電流を制御する。インピーダンスＺの検出処理、制限値演算処理は、ＤＳＰ２１１がＡ／Ｄコンバータ２１７を通じてＡ／Ｆセンサ２０２の端子間電圧を検出することで行われる。

ＤＳＰ２１１が、ＤＡＣ指令値をＤ／Ａコンバータ２１５に出力すると、電圧バッファ２１２がこのＤ／Ａコンバータ２１５の出力電圧をバッファして電圧電流変換回路６０に出力し、電圧電流変換回路６０が電圧バッファ２１２の出力電圧に応じた電流に変換し、当該電流をＡ／Ｆセンサ２０２に出力する。このときＤＳＰ２１１は、検出されたＡ／Ｆセンサ２０２のインピーダンスＺに応じて、電圧バッファ２１２の出力電圧を上限値Ｖo-pclamp及び下限値Ｖo-mclamp間に制限できるため、これに伴い、Ａ／Ｆセンサ２０２の通電電流も制限できる。このような回路形態であっても、前述実施形態と同一又は類似の作用効果を奏する。本実施形態では、シャント抵抗２１４を設けることなく構成できる。

（他の実施形態）
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のような変形又は拡張が可能である。
Ａ／Ｄコンバータ１６、１７、２１６、２１７や、Ｄ／Ａコンバータ１５、２１５のビット数や、各電圧の値等は、個別の設計に応じて適宜設定すれば良い。所定電圧Ｖref＝０．５ × ＶＤＤとした形態を示したが、適宜変更しても良い。

Ａ／Ｄコンバータ１６、１７、２１６、２１７は、差動入力タイプ、シングルエンド入力タイプの何れのものを適用しても良い。ＰＩＤ演算処理する形態を示したが、ＰＩ制御でもＰＤ制御でも良い。各実施形態は、適宜組み合わせて構成できる。

図面中、１、１００、２０１はＡ／Ｆセンサ制御装置（Ａ／Ｆセンサの保護装置）、２、２０２はＡ／Ｆセンサ、３はポンプセル（第１センサセル）、４は検出セル（第２センサセル）、２０３はセンサセル、１１、２１１はＤＳＰ（第１手段、第２手段、デジタル制御部）、３１、１０３はセンサインピーダンス演算部（第１手段）、３３はＰＩＤ演算部（制御値演算手段）、３４は制限値演算部（制限値演算手段）、３５は印加電圧制限部（制御値制限手段）、３７はセンサ制御部（第２手段）、１０３はセンサインピーダンス演算部（第１手段）、１０４は制御値演算部（制御値演算手段）、１０５は制限値演算部（制限値演算手段）、１０６は制御値制限部（制御値制限手段）、１０７はセンサ制御部（第２手段）、１０８はヒータ制御部、を示す。

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を検出するＡ／Ｆセンサ（２、２０２）のインピーダンスを取得する第１手段（１０３、３１、１１、２１１）と、
   前記Ａ／Ｆセンサを構成するセンサセル（３，４；２０３）への通電を制御する第２手段（１０７、３７、１１、２１１）と、を備え、
   前記第２手段は、
   前記第１手段により取得されるインピーダンスに基づいて前記Ａ／Ｆセンサのセンサセルへの印加電流を制限するものであり、
   制御目標値に制御するための指令電圧値を演算する制御値演算手段（１０４、３３）と、
   前記第１手段により取得されるインピーダンスに応じて前記Ａ／Ｆセンサのセンサセルに印加する印加電圧の制限値を演算する制限値演算手段（１０５、３４）と、
   前記制御値演算手段による指令電圧値を前記制限値演算手段による制限値に応じて制限して前記指令電圧値とする制御値制限手段（１０６、３５）と、
   を備えることを特徴とするＡ／Ｆセンサの保護装置。
2. 請求項１記載のＡ／Ｆセンサの保護装置において、
   前記Ａ／Ｆセンサ（２０２）は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を実体的に検出するセンサセル（２０３）により構成され、
   前記第１手段（１０３、３１、２１１）は、前記センサセルのインピーダンスを算出することに応じて前記Ａ／Ｆセンサのインピーダンスを取得することを特徴とするＡ／Ｆセンサの保護装置。
3. 請求項１記載のＡ／Ｆセンサの保護装置において、
   前記Ａ／Ｆセンサ（２）は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を実体的に検出する第１センサセル（３）と、前記第１センサセルに電気的に接続された第２センサセル（４）と、を備えて構成され、
   前記第１手段（１０３、３１、１１）は、前記第２センサセルのインピーダンスを演算することに応じて前記Ａ／Ｆセンサのインピーダンスを取得することを特徴とするＡ／Ｆセンサの保護装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のＡ／Ｆセンサの保護装置において、
   前記第１手段（１０３、３１）及び前記第２手段（１０７、３７）は、デジタル制御するデジタル制御部（１１、２１１）により構成されることを特徴とするＡ／Ｆセンサの保護装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のＡ／Ｆセンサの保護装置において、
   前記第１手段は、取得されたインピーダンスを、前記Ａ／Ｆセンサを温度制御するヒータ制御部（１０８）に出力することを特徴とするＡ／Ｆセンサの保護装置。

Images