JPWO2020189380A1 - ガスセンサ制御装置、ガスセンサ制御システム、及びガスセンサシステム - Google Patents

Abstract

ＤＡ変換回路の故障を診断できるガスセンサシステムを提供する。本開示は、固体電解質体と、固体電解質体上に離間して配置された第１ポンプ電極及び第２ポンプ電極とを有するポンプセルとを備えるガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置である。ガスセンサ制御装置は、入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流をポンプセルに供給するＤＡ変換回路と、第１ポンプ電極の電位を基準電位に保つ基準電位生成回路と、ポンプセルと並列に接続された診断抵抗と、ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない条件下で、ＤＡ変換回路に任意のデジタル信号を入力したときに診断抵抗に印加される電圧に関する信号を外部装置に出力する出力部と、を備える。

Description

関連出願の相互参照

本国際出願は、２０１９年３月１５日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１９−０４８７１４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１９−０４８７１４号の全内容を本国際出願に参照により援用する。

本開示は、ガスセンサ制御装置、ガスセンサ制御システム、及びガスセンサシステムに関する。

内燃機関等から排出される排気ガスの空燃比を検出するための酸素センサとして、ポンプセルと酸素濃度測定セルとを用いた２セルタイプのガスセンサシステムが公知である（特許文献１参照）。

２セルタイプのガスセンサシステムでは、酸素濃度測定セルの２つの電極が配置された雰囲気の酸素濃度の差異に基づいて電極間に起電力が発生する。ガスセンサシステムは、この起電力が所定の値となるようにポンプセルに流れるポンプ電流の大きさや向きを制御し、このポンプ電流に基づき、酸素濃度を測定する。

また、上記ガスセンサシステムでは、回路サイズを小さくするために、従来のアナログ式のポンプ電流供給回路に替えて、入力されたデジタル信号に基づいてポンプ電流を供給するＤＡ変換回路が用いられている。

特開２０１６−７０８８３号公報

ＤＡ変換回路を用いない従来のアナログ式のガスセンサシステムでは、固定抵抗においてポンプ電流を直接計測することでポンプ電流の供給エラーを検知できる。しかし、ＤＡ変換回路を用いたガスセンサシステムでは、ポンプ電流の供給路に固定抵抗が存在しないため、このような検知方法が使用できない。そのため、ＤＡ変換回路が正常に動作し、正しいポンプ電流が供給されているかを判断する方法が求められる。

本開示の一局面は、ＤＡ変換回路の故障を診断できるガスセンサ制御装置を提供することが好ましい。

本開示の一態様は、固体電解質体と、固体電解質体上に離間して配置された第１ポンプ電極及び第２ポンプ電極とを有するポンプセルとを備えるガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置である。ガスセンサ制御装置は、入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流をポンプセルに供給するＤＡ変換回路と、第１ポンプ電極の電位を基準電位に保つ基準電位生成回路と、ポンプセルと並列に接続された診断抵抗と、ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない条件下で、ＤＡ変換回路に任意のデジタル信号を入力したときに診断抵抗に印加される電圧に関する信号を外部装置に出力する出力部と、を備える。

このような構成によれば、ポンプセルの抵抗が大きく、ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない非測定可能状態において、ＤＡ変換回路の故障を診断するための信号を外部装置に出力することができる。

本開示の別の態様は、上記ガスセンサ制御装置と、ガスセンサ制御装置に接続される外部装置と、を備えるガスセンサ制御システムである。外部装置は、電圧に関する信号に基づいて、ＤＡ変換回路の故障を診断する診断部を備える。

このような構成によれば、外部装置において、ＤＡ変換回路から正しい大きさの電流が供給されるか（つまり、ＤＡ変換回路の故障）を診断することができる。

本開示の別の態様は、ガスセンサと、上記ガスセンサ制御システムと、を備えるガスセンサシステムである。

このような構成によれば、外部装置において、ＤＡ変換回路から正しい大きさの電流が供給されるか（つまり、ＤＡ変換回路の故障）を診断するシステムを提供することができる。

実施形態のガスセンサシステムの模式的な構成図である。 図１のガスセンサシステムが実行する処理のフローチャートである。

１…ガスセンサシステム、２…センサ本体、３…回路部、３Ａ…ＤＡ変換回路、
３Ｂ…基準電位生成回路、３Ｃ…ＡＤ変換回路、３Ｄ…ＰＩＤ演算回路、
３Ｅ…内部抵抗演算回路、３Ｆ…診断抵抗、３Ｇ…微小電流供給回路、
３Ｈ…ヒータ駆動回路、３Ｉ…出力部、４…判断部、５…診断部、２１…ポンプセル、
２１Ａ…第１固体電解質体、２１Ｂ…第１ポンプ電極、２１Ｃ…第２ポンプ電極、
２１Ｄ…多孔質層、２２…酸素濃度測定セル、２２Ａ…第２固体電解質体、
２２Ｂ…第１測定電極、２２Ｃ…第２測定電極、２３…測定ガス室、
２３Ａ…第１多孔質体、２３Ｂ…第２多孔質体、２４…ヒータ、２５…補強板、
２６Ａ…第１絶縁層、２６Ｂ…第２絶縁層、３０…切り替え経路、３１…Ｉｐ＋端子、
３２…ＣＯＭ端子、３３…Ｖｓ＋端子。

以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示されるガスセンサシステム１は、被測定ガス中の酸素濃度を検知するセンサである。

ガスセンサシステム１は、例えば、内燃機関の空燃比を測定するために内燃機関から排出される排気ガスの酸素濃度を検出する目的、内燃機関の排気ガスのＮｏｘ濃度を検出する目的等で使用される。

ガスセンサシステム１は、センサ本体２と、回路部３と、判断部４と、診断部５とを備える。

＜センサ本体＞
センサ本体２は、ポンプセル２１と、酸素濃度測定セル２２と、測定ガス室２３と、ヒータ２４とを有するガスセンサである。センサ本体２は、各セルを構成する複数の層状の固体電解質体と、複数の電極と、複数の絶縁層とが積層された積層体である。

各固体電解質体は、酸素イオン導電性を有するものであれば特に限定されず、例えばジルコニアを主成分とする層が使用できる。なお、「主成分」とは６０質量％以上含まれる成分を意味する。

（ポンプセル）
ポンプセル２１は、第１固体電解質体２１Ａと、第１固体電解質体２１Ａを挟むように第１固体電解質体２１Ａ上に配置された第１ポンプ電極２１Ｂ及び第２ポンプ電極２１Ｃとを有する。

第１ポンプ電極２１Ｂは、測定ガス室２３内に配置されている。

第２ポンプ電極２１Ｃは、センサ本体２を構成する積層体の外部と連通する空間に配置されている。また、第２ポンプ電極２１Ｃは、多孔質層２１Ｄに被覆されている。多孔質層２１Ｄは、アルミナ等のセラミックを主成分とする。

（酸素濃度測定セル）
酸素濃度測定セル２２は、第２固体電解質体２２Ａと、第２固体電解質体２２Ａを挟むように第２固体電解質体２２Ａ上に配置された第１測定電極２２Ｂ及び第２測定電極２２Ｃとを有する。

第２固体電解質体２２Ａのポンプセル２１とは反対側の面（つまり、ヒータ２４側の面）には、補強板２５が配置されている。補強板２５は、セラミックを主成分とする絶縁部材である。

第１測定電極２２Ｂは、測定ガス室２３内に配置されている。

第２測定電極２２Ｃは、補強板２５と第２固体電解質体２２Ａとに挟まれて配置されている。

（測定ガス室）
測定ガス室２３は、被測定ガス中の酸素を取り込む部屋である。測定ガス室２３には、第１ポンプ電極２１Ｂ及び第１測定電極２２Ｂが配置されている。

測定ガス室２３は、第１固体電解質体２１Ａと第２固体電解質体２２Ａとの間に設けられた空間を第１多孔質体２３Ａ及び第２多孔質体２３Ｂで仕切ることで構成されている。上記空間は、第１多孔質体２３Ａ又は第２多孔質体２３Ｂを介してセンサ本体２を構成する積層体の外部と連通している。第１多孔質体２３Ａ及び第２多孔質体２３Ｂは、アルミナ等のセラミックを主成分とする。

（ヒータ）
ヒータ２４は、ポンプセル２１及び酸素濃度測定セル２２を加熱し、これらが有する固体電解質体を活性化させる。

ヒータ２４は、セラミックを主成分とする第１絶縁層２６Ａと第２絶縁層２６Ｂとの間に配置されている。ヒータ２４は、通電により発熱を行う発熱抵抗体を有する。ヒータ２４は、例えば白金（Ｐｔ）によって形成される。

なお、第１絶縁層２６Ａは、補強板２５の酸素濃度測定セル２２とは反対側の面に配置され、第２絶縁層２６Ｂは、第１絶縁層２６Ａの補強板２５とは反対側の面に配置されている。

＜回路部＞
回路部３は、センサ本体２を駆動させる回路によって構成される。回路部３は、センサ本体２に接続されるガスセンサ制御装置を構成している。回路部３は、自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に組み込まれていてもよい。

回路部３は、ＤＡ変換回路３Ａと、基準電位生成回路３Ｂと、ＡＤ変換回路３Ｃと、ＰＩＤ演算回路３Ｄと、内部抵抗演算回路３Ｅと、診断抵抗３Ｆと、微小電流供給回路３Ｇと、ヒータ駆動回路３Ｈと、出力部３Ｉとを有する。

ＤＡ変換回路３Ａは、入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流Ｉｐをポンプセル２１に供給するデジタルアナログ変換器である。ＤＡ変換回路３Ａは、Ｉｐ＋端子３１を介して、ポンプセル２１の第２ポンプ電極２１Ｃに接続されている。

ＤＡ変換回路３Ａの出力方式は特に限定されない。ＤＡ変換回路３Ａとしては、電流を出力する電流ＤＡＣ、電圧を出力する電圧ＤＡＣ、出力するパルス幅を変調させるＰＷＭ式ＤＡＣ等が使用できる。

基準電位生成回路３Ｂは、第１ポンプ電極２１Ｂと第１測定電極２２Ｂとの電位を基準電位（例えば２．７Ｖ）に保つ。基準電位生成回路３Ｂは、第１ポンプ電極２１Ｂと第１測定電極２２Ｂとに接続されたＣＯＭ端子３２に基準電圧を印加する。

ＡＤ変換回路３Ｃは、第１測定電極２２Ｂと第２測定電極２２Ｃとの酸素濃度の差異に基づいて酸素濃度測定セル２２に生じる起電力（つまり、第１測定電極２２Ｂ及び第２測定電極２２Ｃ間の電圧）Ｖｓをデジタル信号へ変換するアナログデジタル変換器である。ＡＤ変換回路３Ｃは、Ｖｓ＋端子３３を介して第２測定電極２２Ｃに接続されている。ＡＤ変換回路３Ｃは、Ｖｓ＋端子３３から入力される電圧値をデジタル信号へ変換し、ＰＩＤ演算回路３Ｄと内部抵抗演算回路３Ｅとに出力する。

また、後述するＤＡ変換回路３Ａの診断時には、ＡＤ変換回路３Ｃは、切り替え経路３０によってＩｐ＋端子３１に接続される。これにより、ＡＤ変換回路３ＣによってＩｐ＋端子３１の電圧を測定できる。なお、酸素濃度の測定中は、ＡＤ変換回路３ＣはＩｐ＋端子３１には接続されない。つまり、酸素濃度の測定時には、切り替え経路３０は電流が不通とされる。

ＰＩＤ演算回路３Ｄは、ＡＤ変換回路３Ｃから入力されるデジタル信号に基づいて、ポンプ電流ＩｐをＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ演算回路３Ｄは、Ｖｓ＋端子３３及びＣＯＭ端子３２間の電圧が予め設定された制御基準電圧となるように、ＰＩＤ演算を行う。なお、制御基準電圧は、例えば４５０ｍＶである。

ＰＩＤ演算回路３Ｄは、ＰＩＤ演算で得たポンプ電流Ｉｐの値に対応するデジタル信号をＤＡ変換回路３Ａへ出力する。ＤＡ変換回路３Ａは、ＰＩＤ演算回路３Ｄから入力されたデジタル信号に基づいた大きさのポンプ電流Ｉｐを供給する。また、ＤＡ変換回路３Ａへの入力信号は、ポンプ電流Ｉｐの検出結果として、例えばＥＣＵに出力される。

内部抵抗演算回路３Ｅは、微小電流供給回路３Ｇがパルス電流を酸素濃度測定セル２２に供給した際にＡＤ変換回路３Ｃから出力されるデジタル信号に基づいて、酸素濃度測定セル２２の内部抵抗（Ｒｐｖｓ）を演算する。

診断抵抗３Ｆは、ポンプセル２１と並列に接続されている。具体的には、診断抵抗３Ｆは、Ｉｐ＋端子３１とＤＡ変換回路３Ａとの間の点と、ＣＯＭ端子３２と基準電位生成回路３Ｂとの間の点とに接続されている。

酸素濃度測定セル２２で酸素濃度の測定ができない状態（つまり、ポンプセル２１及び酸素濃度測定セル２２の内部抵抗の抵抗値が大きく、実質的に電流が流れない状態）において、ＤＡ変換回路３Ａから出力される電流は、診断抵抗３Ｆを通過して基準電位生成回路３Ｂに流れる。

診断抵抗３Ｆの抵抗値の下限としては、１００ｋΩが好ましい。一方、診断抵抗３Ｆの抵抗値の上限としては、１０ＭΩが好ましく、１ＭΩがより好ましい。

診断抵抗３Ｆの抵抗値が小さすぎると、酸素濃度の測定時に診断抵抗３Ｆにポンプ電流Ｉｐが流れることで、酸素濃度の測定精度が低下するおそれがある。

一方、診断抵抗３Ｆの抵抗値が大きすぎると、ＤＡ変換回路３Ａの故障診断時に診断抵抗３Ｆに十分な電流が流れず、Ｉｐ＋端子３１のリーク電流（例えば、１μＡから１０μＡ程度）による電位降下の影響が大きくなる。その結果、ＤＡ変換回路３Ａの故障診断精度が低下するおそれがある。

微小電流供給回路３Ｇは、Ｖｓ＋端子３３を介して酸素濃度測定セル２２の第２測定電極２２Ｃに接続されている。微小電流供給回路３Ｇは、測定ガス室２３内の酸素が第２測定電極２２Ｃに酸素基準源として送られる向きに、酸素濃度測定セル２２に微小電流Ｉｃｐを供給する。微小電流Ｉｃｐの供給によって、第２測定電極２２Ｃ周囲の雰囲気の酸素濃度が基準値に保たれる。

ヒータ駆動回路３Ｈは、ヒータ２４に駆動電圧を印加することで、ヒータ２４を駆動する。ヒータ駆動回路３Ｈは、酸素濃度測定セル２２の内部抵抗が目標値になるようにヒータ２４の駆動電圧を調整する。

出力部３Ｉは、酸素濃度測定セル２２が測定可能状態でない（つまり、ポンプセル２１に酸素イオン伝導性が発現していない非測定可能状態である）条件下で、ＤＡ変換回路３Ａに任意のデジタル信号を入力したときに診断抵抗３Ｆに印加される電圧に関する信号を外部装置（例えばＥＣＵ）が備える診断部５に出力する。出力部３Ｉが出力する信号は、電圧値そのものであってもよい。

＜判断部＞
判断部４は、酸素濃度測定セル２２に起電力が発生し得る測定可能状態か判断する。判断部４は、ＥＣＵに組み込まれていてもよい。

判断部４は、例えば、被測定ガスの温度が低い状態、ガスセンサシステム１が搭載された自動車がコールドスタートした状態等を、測定可能ではない状態（つまり非測定可能状態）と判断し、それ以外を測定可能状態と判断する。

被測定ガスの温度は、例えばＥＣＵから信号として受信できる。コールドスタートは、例えば、ＥＣＵから自動車のキーをオンにした信号を受信することで判定してもよいし、酸素濃度測定セル２２の内部抵抗の大きさ、酸素濃度測定セル２２の起電力Ｖｓの挙動等によって判定してもよい。

判断部４は、現在の酸素濃度測定セル２２の状態が測定可能状態及び非測定可能状態のどちらであるかを診断部５に通知する。

＜診断部＞
診断部５は、ＤＡ変換回路３Ａの故障を診断する。診断部５は、ガスセンサ制御装置に接続される外部装置の一部である。診断部５は、ＥＣＵに組み込まれていてもよい。また、判断部４と診断部５とは、１つの回路又は装置として構成されてもよい。診断部５は、ガスセンサ制御装置（つまり、回路部３及び判断部４）と共に、ガスセンサ制御システムを構成している。

診断部５は、出力部３Ｉが出力する診断抵抗３Ｆに印加される電圧に関する信号に基づいて、ＤＡ変換回路３Ａの故障を診断する。

具体的には、判断部４が非測定可能状態であると判断し、かつ、ＤＡ変換回路３ＡがＰＩＤ演算回路３Ｄと切り離されると共にＡＤ変換回路３Ｃが切り替え経路３０によりＩｐ＋端子３１に接続された状態で、診断部５は、ＤＡ変換回路３Ａに１つのデジタル信号を入力する。

診断部５は、デジタル信号の入力に基づいて診断抵抗３Ｆに印加された電圧の測定値と想定値との差の絶対値が予め定めた閾値を超えている場合に、ＤＡ変換回路３Ａが故障していると判定し、その結果をＥＣＵ等に出力する。

例えば、ＤＡ変換回路３Ａに入力したデジタル信号が０ｍＡ相当の場合に、Ｉｐ＋端子３１の電圧からＣＯＭ端子３２の電圧を引いた値（つまり、診断抵抗３Ｆに印加された電圧）の絶対値が閾値を超えた場合は、ＤＡ変換回路３Ａがオン故障（つまり、オフの状態に切り替わらない故障が発生）していると判定される。

また、ＤＡ変換回路３Ａに入力したデジタル信号が１ｍＡ相当の場合に、診断抵抗３Ｆに印加された電圧からＤＡ変換回路３Ａが正常の場合に診断抵抗３Ｆに印加されるべき電圧を引いた電圧差が負であり、かつこの電圧差の絶対値が閾値を超えた場合（つまり、診断抵抗３Ｆに印加された電圧が小さすぎる場合）は、ＤＡ変換回路３Ａがオフ故障（つまり、オンの状態に切り替わらない故障が発生）していると判定される。

診断部５は、複数の異なるデジタル信号をＤＡ変換回路３Ａに入力し、その都度診断抵抗３Ｆに印加される電圧を測定することで、ＤＡ変換回路３Ａのどのビットが故障しているか推定することができる。

［１−２．処理］
以下、図２のフロー図を参照しつつ、ガスセンサシステム１が実行する処理について説明する。

ガスセンサシステム１は、まず、判断部４によって、酸素濃度を測定可能な状態か否かを判定する（ステップＳ１０）。測定可能状態である場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、ガスセンサシステム１は、酸素濃度の測定を開始する（ステップＳ６０）。

一方、測定可能状態でない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、ガスセンサシステム１は、診断部５によって、ＤＡ変換回路３Ａにデジタル信号を入力する（ステップＳ２０）。その後、ガスセンサシステム１は、診断抵抗３Ｆに印加された電圧を測定し、ＤＡ変換回路３Ａに故障があるか否か判定する（ステップＳ３０）。

ＤＡ変換回路３Ａに故障がある場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ガスセンサシステム１は、故障がある旨のエラー出力を行い（ステップＳ４０）、ヒータ２４を駆動させる（ステップＳ５０）。ＤＡ変換回路３Ａに故障がない場合（Ｓ３０：ＮＯ）、ガスセンサシステム１は、エラー出力を行わずにヒータ２４を駆動させる。ガスセンサシステム１は、ヒータ２４駆動後、酸素濃度の測定を開始する（ステップＳ６０）。

なお、ＤＡ変換回路３Ａへのデジタル信号の入力（ステップＳ２０）とＤＡ変換回路３Ａの故障判定（ステップＳ３０）とは、デジタル信号の中身を変えながら繰り返し行われてもよい。

［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。

（１ａ）ポンプセル２１の抵抗が大きく、実質的にポンプセル２１に電流が流れない非測定可能状態において、ＤＡ変換回路３Ａから供給された電流を診断抵抗３Ｆに流すことができる。そのため、ＤＡ変換回路３Ａへ入力したデジタル信号と、診断抵抗３Ｆに印加された電圧とを比較することで、ＤＡ変換回路３Ａから正しい大きさの電流が供給されるかを診断できる。つまり、ＤＡ変換回路３Ａの故障を診断することができる。

［２．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

（２ａ）上記実施形態のガスセンサシステム１におけるセンサ本体２及び回路部３は、上述の構成に限定されない。例えば、センサ本体２は、１つの酸素濃度測定セル２２に対し、複数のポンプセル及び複数の測定ガス室を備えていてもよい。

（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

Claims (3)

1. 固体電解質体と、前記固体電解質体上に離間して配置された第１ポンプ電極及び第２ポンプ電極とを有するポンプセルとを備えるガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置であって、
   入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流を前記ポンプセルに供給するＤＡ変換回路と、
   前記第１ポンプ電極の電位を基準電位に保つ基準電位生成回路と、
   前記ポンプセルと並列に接続された診断抵抗と、
   前記ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない条件下で、前記ＤＡ変換回路に任意のデジタル信号を入力したときに前記診断抵抗に印加される電圧に関する信号を外部装置に出力する出力部と、
   を備える、ガスセンサ制御装置。
2. 請求項１に記載のガスセンサ制御装置と、
   前記ガスセンサ制御装置に接続される外部装置と、
   を備え、
   前記外部装置は、前記電圧に関する信号に基づいて、前記ＤＡ変換回路の故障を診断する診断部を備える、ガスセンサ制御システム。
3. ガスセンサと、
   請求項２に記載のガスセンサ制御システムと、
   を備える、ガスセンサシステム。

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