JP6464037B2

JP6464037B2 - センサ制御装置及びガス検知システム

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Publication number: JP6464037B2
Application number: JP2015115834A
Authority: JP
Inventors: 雄三樋口
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-06-08
Filing date: 2015-06-08
Publication date: 2019-02-06
Anticipated expiration: 2035-06-08
Also published as: JP2017003353A

Description

本発明は、センサ制御装置及びガス検知システムに関する。

検知セル及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、ガスセンサ及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又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又は汲み出しを行い、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る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。

センサ制御装置は、ポンプ電流を制御するに当たって、様々な演算機能を備える必要がある。例えば、特許文献１には、検知セルの起電力に応じて変化する起電力信号（検知セルの検知電圧）についてＰＩＤ演算処理（比例演算処理、積分演算処理、微分演算処理）を行うＰＩＤ演算部を備えたセンサ制御装置が開示されている。このセンサ制御装置は、ＰＩＤ演算部のＰＩＤ演算結果に基づいてポンプ電流の通電制御値を演算して制御することで、所定の目標電圧になるように検知セルをフィードバック制御する。

特許第４９５４１８５号公報

前述のセンサ制御装置は、ＰＩＤ演算部のＰＩＤ演算結果に基づいて演算されたポンプ電流の通電制御値をセンサ出力信号（ガス検出信号）として利用し、その信号に基づいて測定対象ガスに含まれる特定成分を検出していた。ところが、ＰＩＤ演算処理によるＰＩＤ演算結果のうち、特に微分演算処理による微分演算結果は、ポンプ電流の制御と比べて応答性を必要としないガス検出信号にとってノイズ増大の要因となり、ガス検出信号の検出精度の低下を招くおそれがあった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、起電力を目標電圧にするためのポンプ電流の制御に遅れを生じることなく、ガス検出信号におけるノイズ増大を抑制できるセンサ制御装置及びそのセンサ制御装置を備えたガス検知システムを提供しようとするものである。

本発明の一の態様にかかるセンサ制御装置は、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又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に応じて変化する起電力信号について、比例演算処理、積分演算処理、及び、微分演算処理を行うＰＩＤ演算部と、該ＰＩＤ演算部の比例演算結果、積分演算結果、及び、微分演算結果に基づいて、前記起電力信号が所定の目標値となるように前記ポンプ電流を制御するためのポンプ電流制御信号を生成するポンプ電流制御信号生成部と、前記ＰＩＤ演算部の演算結果のうち、前記比例演算結果及び前記積分演算結果、又は、前記積分演算結果に基づいて、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ガス検出信号を生成するガス検出信号生成部と、を備えている。

前記センサ制御装置において、ガス検出信号生成部は、測定対象ガスに含まれる特定成分を検出するためのガス検出信号を生成する。ガス検出信号は、ＰＩＤ演算部の演算結果のうち、比例演算結果及び積分演算結果、又は、積分演算結果に基づいて生成される信号である。

すなわち、ガス検出信号は、ポンプ電流制御信号とは異なり、ＰＩＤ演算部の演算結果のうち、少なくとも、ガス検出信号におけるノイズ増大の要因となる微分演算結果を除いた、比例演算結果及び積分演算結果、又は、積分演算結果に基づいて生成される信号である。そのため、ガス検出信号におけるノイズ増大を抑制できる。

また、ガス検出信号は、ポンプ電流制御信号とは異なり、微分演算結果を除いた演算結果に基づいて生成される信号であるから、ポンプ電流制御信号と比べて、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信号となる。このような信号は、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。そのため、ガス検出信号を測定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、ガス検出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、前述したようにノイズ増大が抑制されたガス検出信号を用いて演算を行うことで、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させることができる。そして、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上させることができる。

また、ガス検出信号は、前述のとおり、ＰＩＤ演算部の演算結果のうち、比例演算結果及び積分演算結果、又は、積分演算結果に基づいて生成される信号である。そのため、使用者の要求や用途等に合わせて、ガス検出信号の選択が可能となる。例えば、ガス検出の応答性が要求される場合には、比例演算結果及び積分演算結果に基づいて生成されるガス検出信号を選択し、ガス検出の応答性の低下をある程度許容できる場合であってノイズ増大をさらに抑制したい場合には、積分演算結果に基づいて生成されるガス検出信号を選択してもよい。

一方、ポンプ電流制御信号生成部は、酸素ポンプセルに通電するポンプ電流の制御に用いるためのポンプ電流制御信号を生成する。ポンプ電流制御信号は、ＰＩＤ演算部の比例演算結果、積分演算結果、及び、微分演算結果に基づいて生成される信号である。

すなわち、ポンプ電流制御信号は、ガス検出信号とは異なり、微分演算結果を含む演算結果に基づいて生成される信号であるから、ガス検出信号と比べて、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信号となる。このような信号は、検知セルを所定の目標電圧になるようにフィードバック制御するのに適した信号となる。そのため、ポンプ電流制御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。つまり、ポンプ電流の制御に遅れが生じることを抑制できる。

このように、本発明のセンサ制御装置によれば、起電力を目標電圧にするためのポンプ電流の制御に遅れを生じることなく、ガス検出信号におけるノイズ増大を抑制できる。つまり、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上させることができると共に、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。

前記センサ制御装置は、前記起電力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、前記ポンプ電流制御信号をデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換部と、をさらに備え、前記ＰＩＤ演算部は、デジタル信号の前記起電力信号について、前記比例演算処理、前記積分演算処理、及び、前記微分演算処理をデジタル制御で行ってもよい。この場合には、デジタル制御部分（デジタル回路）を有することにより、アナログ回路と比較して定数変更が容易となる。そのため、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。一方、ＰＩＤ演算部をデジタル回路としたとき、ＰＩＤ演算部の微分演算処理による微分演算結果を用いると、ガス検出信号における量子化ノイズの増大につながる場合がある。したがって、微分演算結果を除く演算結果に基づいてガス検出信号を生成する本発明のセンサ制御装置を適用することにより、ガス検出信号における量子化ノイズの増大を抑制できる。

本発明の他の態様にかかるガス検知システムは、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又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、該ガスセンサを制御するセンサ制御装置と、を備え、該センサ制御装置は、前述のセンサ制御装置である。

前記ガス検知システムは、前述のセンサ制御装置を備えている。そのため、前述のセンサ制御装置と同様に、起電力を目標電圧にするためのポンプ電流の制御に遅れを生じることなく、ガス検出信号におけるノイズ増大を抑制できる。つまり、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上させることができると共に、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。

このように、本発明のガス検知システムによれば、起電力を目標電圧にするためのポンプ電流の制御に遅れを生じることなく、ガス検出信号におけるノイズ増大を抑制できる。つまり、測定対象ガスに含まれる特定成分の検出精度を向上させることができると共に、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。

ガス検知システムの全体構成図である。デジタル演算部の機能ブロック図である。別例のデジタル演算部の機能ブロック部である。

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。
なお、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。

（実施形態１）
＜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る。エンジン制御装置は、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）の排気管に配設され、排ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出する。ガスセンサ８は、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及び起電力セル２４を加熱して、ポンプセル１４及び起電力セル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及び汲み出しを行う。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及び汲み出しを行い、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。具体的には、演算増幅器４６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の電位に設定する。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（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）を備えている。マルチプレクサ５０は、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。本実施形態では、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。

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信号に変換し、そのデジタル信号をデジタル演算部３３及び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等の演算制御処理を実行する。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及び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等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の許容最大電流等）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（通電方向、電流値）が含まれるＤＡＣ制御信号Ｓ１を受信し、受信したデジタル信号をアナログ信号に変換し、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づき定められるポンプ電流Ｉｐ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、排ガス中の特定ガス（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の温度を演算し、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．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２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、ポンプ電流制御信号生成部６３、ガス検出信号生成部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演算処理（具体的には、比例演算処理、積分演算処理及び微分演算処理）をデジタル回路で行う。

ポンプ電流制御信号生成部６３は、ＰＩＤ演算部６１での演算処理によって得られた比例演算結果（Ｐ）、積分演算結果（Ｉ）及び微分演算結果（Ｄ）に基づいて、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の通電制御値を演算する。

そして、ポンプ電流制御信号生成部６３は、ポンプ電流Ｉｐの通電制御値の電流値及び通電方向（正方向、逆方向）に関する情報を含んだデジタル信号であり、ポンプ電流Ｉｐの制御に用いるためのＤＡＣ制御信号Ｓ１を生成し、そのＤＡＣ制御信号Ｓ１を電流ＤＡ変換部３５に対して送信（出力）する。

ＤＡＣ制御信号Ｓ１を受信した電流ＤＡ変換部３５は、前述したように、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Ｉｐをポンプセル１４に対して通電する。

ガス検出信号生成部６５は、ＰＩＤ演算部６１での演算処理によって得られた演算結果に基づいて、排ガス中の特定ガス（酸素）を検出するためのガス検出信号Ｓ２を生成する。ここで、ＰＩＤ演算部６１の演算結果は、排ガス中の特定ガス（酸素）の濃度に応じて変化する。本実施形態のガス検出信号生成部６５は、ＰＩＤ演算部６１の比例演算結果（Ｐ）、積分演算結果（Ｉ）及び微分演算結果（Ｄ）のうち、比例演算結果（Ｐ）及び積分演算結果（Ｉ）に基づいて、排ガス中の特定ガス（酸素）を検出するためのガス検出信号Ｓ２を生成し、そのガス検出信号Ｓ２をガス濃度演算部３７に対して送信（出力）する。

ガス検出信号Ｓ２を受信したガス濃度演算部３７は、前述したように、デジタル演算部３３で演算された情報が含まれるガス検出信号Ｓ２に基づいて、排ガス中の特定ガス（酸素）の濃度を演算する。具体的には、ガス濃度演算部３７は、受信したガス検出信号Ｓ２及び蓄積された過去のガス検出信号Ｓ２に含まれる情報に基づいて、排ガス中の特定ガス（酸素）の濃度を演算する。

＜１−３．効果＞
本実施形態のガス検知システム１において、センサ制御装置２は、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、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、ポンプ電流制御信号生成部６３、ガス検出信号生成部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演算処理（具体的には、比例演算処理、積分演算処理及び微分演算処理）をデジタル回路で行う。

すなわち、ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１とは異なり、ＰＩＤ演算部６１の演算結果のうち、少なくとも、ガス検出信号Ｓ２におけるノイズ増大の要因となる微分演算結果（Ｄ）を除いた、比例演算結果（Ｐ）及び積分演算結果（Ｉ）に基づいて生成される信号である。そのため、ガス検出信号Ｓ２におけるノイズ増大を抑制できる。

また、ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１とは異なり、微分演算結果（Ｄ）を除いた演算結果に基づいて生成される信号であるから、ＤＡＣ制御信号Ｓ１と比べて、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信号となる。このような信号は、測定対象ガス（排ガス）に含まれる特定成分（酸素）の検出に適した信号となる。

そのため、ガス検出信号Ｓ２を排ガス中の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、排ガス中の酸素濃度を検出することが可能となる。これにより、排ガス中の酸素濃度の検出精度を向上させることができる。

一方、ポンプ電流制御信号生成部６３は、ＰＩＤ演算部６１での演算処理によって得られた比例演算結果（Ｐ）、積分演算結果（Ｉ）及び微分演算結果（Ｄ）に基づいて、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の通電制御値を演算する。

すなわち、ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ガス検出信号Ｓ２とは異なり、微分演算結果（Ｄ）を含む演算結果に基づいて生成される信号であるから、ガス検出信号Ｓ２と比べて、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信号となる。このような信号は、起電力セル２４の検知電圧Ｖｓを所定の基準値にするためのポンプセル１４の制御に適した信号となる。そのため、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。つまり、ポンプ電流Ｉｐの制御に遅れが生じることを抑制できる。

また、本実施形態のセンサ制御装置２は、前述のとおり、ＡＤ変換部３１と、電流ＤＡ変換部３５と、を備えている。そして、ＰＩＤ演算部６１は、比例演算処理、積分演算処理、及び、微分演算処理をデジタル制御で行う。すなわち、デジタル制御部分（デジタル回路）を有することにより、アナログ回路と比較して定数変更が容易となる。そのため、より多くの種類のガスセンサ８の制御や多様な特性のガスセンサ８の制御に適応することが容易となる。一方、ＰＩＤ演算部６１をデジタル回路としたとき、ＰＩＤ演算部６１の微分演算処理による微分演算結果（Ｄ）を用いると、ガス検出信号Ｓ２における量子化ノイズの増大につながる場合がある。したがって、微分演算結果（Ｄ）を除く演算結果に基づいてガス検出信号Ｓ２を生成するセンサ制御装置２を適用することにより、ガス検出信号Ｓ２における量子化ノイズの増大を抑制できる。

このように、本実施形態のセンサ制御装置２及びそのセンサ制御装置２を備えたガス検知システム１によれば、起電力セル２４の検知電圧Ｖｓを所定の基準値にするためのポンプ電流Ｉｐの制御に遅れを生じることなく、ガス検出信号Ｓ２におけるノイズ増大を抑制できる。つまり、測定対象ガス（排ガス）に含まれる特定成分（酸素）の検出精度を向上させることができると共に、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。

＜１−４．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。

デジタル演算部３３のＰＩＤ演算部６１がＰＩＤ演算部の一例に相当し、デジタル演算部３３のポンプ電流制御信号生成部６３がポンプ電流制御信号生成部の一例に相当し、デジタル演算部３３のガス検出信号生成部６５がガス検出信号生成部の一例に相当する。起電力セル２４の検知電圧Ｖｓが起電力信号の一例であり、ＤＡＣ制御信号Ｓ１がポンプ電流制御信号の一例に相当し、ガス検出信号Ｓ２がガス検出信号の一例に相当する。

ＡＤ変換部３１がアナログデジタル変換部の一例に相当し、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。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。

（その他の実施形態）
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。

（１）前述の実施形態では、ガス検出信号生成部６５は、ＰＩＤ演算部６１の演算結果のうち、比例演算結果（Ｐ）及び積分演算結果（Ｉ）に基づいてガス検出信号Ｓ２を生成したが、ＰＩＤ演算部６１の演算結果のうち、積分演算結果（Ｉ）に基づいてガス検出信号Ｓ２を生成してもよい。この場合、使用者の要求や用途等に合わせて、ガス検出信号Ｓ２の選択が可能となる。例えば、ガス検出の応答性が要求される場合には、比例演算結果（Ｐ）及び積分演算結果（Ｉ）に基づいて生成されるガス検出信号Ｓ２を選択し、ガス検出の応答性の低下をある程度許容できる場合であってノイズ増大をさらに抑制したい場合には、積分演算結果（Ｉ）に基づいて生成されるガス検出信号Ｓ２を選択してもよい。

（２）また、ガス検出信号生成部６５は、ＰＩＤ演算部６１の演算結果のうち、比例演算結果（Ｐ）及び積分演算結果（Ｉ）に基づくガス検出信号Ｓ２（Ｓ２ａ）と、積分演算結果（Ｉ）に基づくガス検出信号Ｓ２（Ｓ２ｂ）との２つの信号を生成するようにしてもよい。

このとき、ガス検出信号生成部６５は、２つのガス検出信号Ｓ２ａ、Ｓ２ｂのうち、一方の信号をガス濃度演算部３７からの指令に基づき、ガス濃度演算部３７に対して送信（出力）するようにしてもよい。また、ガス検出信号生成部６５は、両方の信号をガス濃度演算部３７に対して送信（出力）し、ガス濃度演算部３７がどちらか一方の信号を選択し、その信号に基づいて排ガス中の特定ガス（酸素）の濃度を演算するようにしてもよい。

（３）前述の実施形態では、デジタル演算部３３は、ポンプ電流制御信号生成部６３とガス検出信号生成部６５との機能を別々に有しているが、例えば、図３に示すように、デジタル演算部３３は、実施形態１のポンプ電流制御信号生成部６３及びガス検出信号生成部６５（図２参照）の両方の機能を含む信号生成部６７を有していてもよい。

このような構成の場合、信号生成部６７は、ＰＩＤ演算部６１での演算処理によって得られた比例演算結果（Ｐ）、積分演算結果（Ｉ）及び微分演算結果（Ｄ）に基づいて、ポンプ電流Ｉｐの制御に用いるためのＤＡＣ制御信号Ｓ１を生成し、そのＤＡＣ制御信号Ｓ１を電流ＤＡ変換部３５に対して送信（出力）する。また、信号生成部６７は、ＰＩＤ演算部６１での演算処理によって得られた比例演算結果（Ｐ）、積分演算結果（Ｉ）及び微分演算結果（Ｄ）のうち、比例演算結果（Ｐ）及び積分演算結果（Ｉ）に基づいて、排ガス中の特定ガス（酸素）を検出するためのガス検出信号Ｓ２を生成し、そのガス検出信号Ｓ２をガス濃度演算部３７に対して送信（出力）する。

（４）本発明は、内燃機関の排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
１４…ポンプセル（酸素ポンプセル）
２４…起電力セル（検知セル）
６１…ＰＩＤ演算部
６３…ポンプ電流制御信号生成部
６５…ガス検出信号生成部
８…ガスセンサ
Ｓ１…ＤＡＣ制御信号（ポンプ電流制御信号）
Ｓ２…ガス検出信号
Ｖｓ…検知電圧（起電力信号）

Claims

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又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に応じて変化する起電力信号について、比例演算処理、積分演算処理、及び、微分演算処理を行うＰＩＤ演算部と、
該ＰＩＤ演算部の比例演算結果、積分演算結果、及び、微分演算結果に基づいて、前記起電力信号が所定の目標値となるように前記ポンプ電流を制御するためのポンプ電流制御信号を生成するポンプ電流制御信号生成部と、
前記ＰＩＤ演算部の演算結果のうち、前記比例演算結果及び前記積分演算結果、又は、前記積分演算結果に基づいて、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ガス検出信号を生成するガス検出信号生成部と、を備えていることを特徴とするセンサ制御装置。
前記センサ制御装置は、前記起電力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するアナログデジタル変換部と、前記ポンプ電流制御信号をデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換部と、をさらに備え、前記ＰＩＤ演算部は、デジタル信号の前記起電力信号について、前記比例演算処理、前記積分演算処理、及び、前記微分演算処理をデジタル制御で行うことを特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
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又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、
該ガスセンサを制御するセンサ制御装置と、を備え、
該センサ制御装置は、請求項１又は２に記載のセンサ制御装置であることを特徴とするガス検知システム。