JP4153113B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度センサを備えるガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば車両用エンジンから排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出可能な、いわゆるＮＯｘセンサが提案され、実用化されつつある。同ＮＯｘセンサとして酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能なセンサでは、排ガス中の酸素を分解して酸素濃度を検出するためのポンプセルと、酸素分解後に同排ガス中のＮＯｘを分解してＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセルとを有する。この場合、酸素濃度又はＮＯｘ濃度の検出に際し所定の電圧が各セルに印加されると、その電圧印加に伴い酸素濃度又はＮＯｘ濃度に応じた電流が各セルに流れ、その電流信号がセンサから出力される。そして、各セルの検出信号は信号処理回路にて電圧信号に変換された後、制御装置（エンジン制御ＥＣＵ等）に出力される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記ＮＯｘセンサの場合、センサセル電流（ＮＯｘ濃度に応じたセンサ信号）が微弱であることから当該センサ信号がノイズ等の影響を受け易く、ＮＯｘ濃度が誤検出されるおそれがある。一般に、ＮＯｘ濃度が０〜２０００ｐｐｍである場合、センサの電流出力は５〜１０μＡと非常に微小である。従って、例えば車両用エンジンに適用されるガス濃度検出装置では他の電気機器の影響により、ガス濃度センサから制御装置（ＥＣＵ等）に到達する間にセンサ信号にノイズが重畳し、当該センサ信号が誤検出されるという問題が生ずる。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、ノイズによる影響を削減し、ひいてはガス濃度の誤検出を防止することができるガス濃度検出装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、車両用エンジンから排出される排ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度センサと、該ガス濃度センサからの信号をガス濃度信号に演算し、出力するマイクロコンピュータとを備えたガス濃度検出装置であって、前記ガス濃度センサは、固体電解質とポンプ第１電極とポンプ第２電極とを有し、電圧を印加することによりガス濃度センサに導入された前記排ガス中の酸素を分解してガス濃度センサより排出させるポンプセルと、固体電解質とセンサ第１電極とセンサ第２電極を有し、電圧を印加することにより前記排ガス中のＮＯｘ、ＨＣ又はＣＯの少なくとも一つのガスをセンサ第１電極で分解し、前記排ガス中のＮＯｘ濃度、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度の少なくとも一つの濃度である特定ガス成分の濃度を検出するセンサセルとを有し、前記センサ第１電極及びセンサ第２電極に接続されるとともに、前記マイクロコンピュータによって、前記特定ガス成分のガス濃度に応じた電気信号を演算し、該電気信号をガス濃度信号としてシリアル通信によって外部装置に出力する濃度検出回路と、前記ガス濃度センサ内蔵のヒータの通電を制御するヒータ制御回路とから構成し、前記マイクロコンピュータを外部装置との接続用のコネクタに収容し、前記濃度検出回路の前記マイクロコンピュータには、センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機能を持たせた。
【０００６】
上記構成によれば、センサ信号が微弱であってもノイズの影響を受けにくくすることが可能となる。その結果、ノイズによる影響を削減し、ひいてはガス濃度の誤検出を防止して精度の良いガス濃度検出を実施することができる。また、ノイズの影響を排除しつつ、ヒータ制御性の向上を図ることができ、更にはセンサ出力精度が向上する。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、前記マイクロコンピュータは、Ａ／Ｄコンバータを備えるマイクロコンピュータである。
請求項３に記載の発明では、前記マイクロコンピュータは、前記ポンプセルのポンプ第１電極とポンプ第２電極との間の電流を検出し、該検出したポンプセル電流に対応する目標印加電圧を求めてポンプセルの印加電圧を制御する演算を行うものである。これにより、排ガス中の酸素濃度に関係なく、常に所望のセンサ電流（限界電流）が検出可能となる。
請求項４に記載の発明では、前記濃度検出回路には、検出ガス濃度に対するセンサ個々の出力特性のバラツキを調整又は補正するための機能を持たせた。
請求項５に記載の発明では、前記マイクロコンピュータは、前記ガス濃度センサのセンサ素子部のインピーダンスを検出するインピーダンス検出回路をさらに備える。これにより、ノイズの影響を排除しつつ、インピーダンスの検出精度が確保できる。また、本発明では、前記インピーダンス検出回路には、センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機能を持たせた。
【０００９】
ところで、ガス濃度センサの素子部はセラミックで作られており、製造時におけるセンサ個々の特性バラツキが大きく、製造時の歩留まりが悪い。ここで言う特性バラツキとは、例えば検出ガス濃度に対するセンサ信号の出力特性バラツキ、センサの直流特性バラツキ、交流特性バラツキなどがある。また、ガス濃度センサを早期活性させるためにヒータの抵抗値を小さくしていることから、車両毎の配線抵抗が相違すると、ヒータ制御性にバラツキが生じ、ヒータ制御に異常を来すという問題が生ずる。つまり、ヒータの加熱性能の低下やヒータの電力検出誤差により、素子部の活性遅れや過昇温を招く。
これらの問題に対して請求項１，４，５を提案する。つまり、請求項１，４，５に記載の発明では、センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機能を前記濃度検出回路、前記インピーダンス検出回路に持たせる。これは例えば検出ガス濃度に対する出力特性のバラツキ、又は検出インピーダンスに対する温度特性のバラツキ、センサ出力特性のバラツキを調整又は補正することを意味する。
例えば各回路のゲイン調整やオフセット調整を可能とすればよく、より具体的には調整部品を取り付けたり、薄膜抵抗体を薄膜トリミングで合わせ込んだりすればよい。一例を挙げれば、検出ガス濃度に対応するセンサ個々の出力信号特性は、例えば電流検出用のシャント抵抗のトリミングや、電流検出用の増幅回路のゲインオフセット調整を行えばよい。以上の調整又は補正の機能により、ガス濃度センサの個体差が解消され、センサの実出力を理想特性に一致させることができる。また、ヒータ制御性が安定し、素子部の活性遅れや過昇温の問題が解消される。その結果、ガス濃度センサ並びにガス濃度検出装置の歩留まりが大幅に改善される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガス濃度検出装置を車両用エンジンの制御システムに具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるエンジン制御システムでは、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとしてのガス濃度センサが機関排気管に配設され、同ガス濃度センサの検出結果を基に空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御や、排気浄化触媒の診断処理等が実施される。
【００１７】
図１は、本実施の形態におけるエンジン制御システムの概要を示す構成図である。図１において、エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成されている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設されている。また、排気管１３にはガス濃度センサ１００が配設されており、同センサ１００は排ガス中の酸素濃度又はＮＯｘ濃度に応じた検出信号を出力する。
【００１８】
ここで、２セル構造を有するガス濃度センサ１００の構成を図３を用いて説明する。ガス濃度センサ１００は、ポンプセル（第１セル）１１０、センサセル（第２セル）１２０、多孔質拡散層１０１、大気ダクト１０２及びヒータ１０３を要件とし、これら各部材が積層されて成る。なお、同センサ１００は図の右端部にてエンジン排気管１３に取り付けられ、その上下面及び左面が排ガスに晒されるようになっている。
【００１９】
より詳細には、ポンプセル１１０は多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設置される。ポンプセル１１０の排ガス側（図の上側）にはポンプ第１電極１１１が設置され、多孔質拡散層１０１側（図の下側）にはポンプ第２電極１１２が設置される。また、センサセル１２０は多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に設置される。センサセル１２０の多孔質拡散層１０１側（図の上側）にはセンサ第１電極１２１が設置され、大気ダクト１０２側（図の下側）にはセンサ第２電極１２２が設置される。多孔質拡散層１０１には図の左側から排ガスが導入されて図の右方へと流通する。
【００２０】
ポンプセル１１０及びセンサセル１２０は積層して形成された固体電解質を有し、これら固体電解質はＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼成体からなる。また、多孔質拡散層１０１は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。
【００２１】
ポンプセル１１０の排ガス側のポンプ第１電極１１１と、センサセル１２０のセンサ第１，第２電極１２１，１２２とは、白金Ｐｔ等の触媒活性の高い貴金属からなる。一方、ポンプセル１１０の多孔質拡散層１０１側のポンプ第２電極１１２は、ＮＯｘガスに不活性な（ＮＯｘガスを分解し難い）Ａｕ−Ｐｔ等の貴金属からなる。
【００２２】
ヒータ１０３は絶縁層１０４に埋設され、この絶縁層１０４とセンサセル１２０との間に大気ダクト１０２が構成される。基準ガス室を構成する大気ダクト１０２には外部から大気が導入され、その大気は酸素濃度の基準となる基準ガスとして用いられる。絶縁層１０４はアルミナ等にて形成され、ヒータ１０３は白金とアルミナ等のサーメットにて形成される。ヒータ１０３はポンプセル１１０やセンサセル１２０を含めセンサ全体（電極含む）を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。
【００２３】
上記構成のガス濃度センサ１００についてその動作を図４を用いて説明する。図４（ａ）に示されるように、多孔質拡散層１０１には図の左側から排ガス成分が導入され、その排ガスがポンプセル近傍を通過する際、ポンプセル１１０に電圧を印加することで分解反応が起こる。なお、排ガス中には酸素（Ｏ2 ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2 Ｏ）等のガス成分が含まれる。
【００２４】
既述の通りポンプセル１１０のポンプ第２電極１１２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）で形成されている。従って、図４（ｂ）に示されるように、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）のみがポンプセル１１０で分解され、ポンプ第１電極１１１から排ガス中に排出される。このとき、ポンプセル１１０に流れた電流が排ガス中に含まれる酸素濃度として検出される。
【００２５】
また、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）はポンプセル１１０で完全に分解されず、その一部はそのままセンサセル近傍まで流通する。そして、図４（ｃ）に示されるように、センサセル１２０に電圧を印加することにより、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとが分解される。つまり、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとがそれぞれセンサセル１２０のセンサ第１電極１２１で分解され、センサセル１２０を介してセンサ第２電極１２２から大気ダクト１０２の大気中に排出される。このとき、センサセル１２０に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として検出される。
【００２６】
次に、酸素濃度を検出するためのポンプセル１１０の特性と、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセル１２０の特性とについて、図５及び図６を用いて説明する。先ずは、ポンプセル特性を図５を用いて説明する。
【００２７】
図５のＶ−Ｉ特性図に示されるように、ポンプセルは酸素濃度に対して限界電流特性を有する。同図において、限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど正電圧側にシフトする。
【００２８】
ここで、酸素濃度が変化する際に印加電圧が一定値に固定されていると、上記限界電流検出域（Ｖ軸に平行な直線部分）を用いた正確な酸素濃度検出を行うことができない。またこれは、ポンプセル１１０で十分量の酸素を排出することができないことにもなり、センサセル１２０での残留酸素が増加し、ＮＯｘ濃度を検出するための電流にも大きな誤差を生じる。そこで、ポンプセルの直流抵抗成分（印加電圧増加に伴い増加する傾き部分）の角度と同等の電圧、すなわち図５の印加電圧線ＬＸ１に示すような電圧を印加する制御を行い、排ガス中の酸素濃度に関係なく常に所望のセンサ電流（限界電流）を検出可能とする。
【００２９】
次に、センサセル特性を図６を用いて説明する。図６のＶ−Ｉ特性図に示されるように、センサセルはＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。同図において、Ａ１部分では多孔質拡散層１０１を通じてセンサセル１２０に流れ込む残留酸素によりオフセット分の電流（オフセット電流）が流れ、Ａ２部分ではＮＯｘの分解電流が流れる（図では１０００ｐｐｍの場合を示す）。また、「Ａ１＋Ａ２」以上の電流、すなわち図の右端の電流が大きくなる部分（ＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍの時、Ａ３部分）ではＨ2 Ｏの分解電流が流れる。このとき、排ガス中のＮＯｘ濃度に対応する限界電流は「Ａ１＋Ａ２」の電流値で検出される。ＮＯｘ分解電流を規定する限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直線部分からなり、その領域はＮＯｘ濃度が濃いほど僅かながら正電圧側にシフトする。ＮＯｘ濃度を検出する際、図６の印加電圧線ＬＸ２に沿って印加電圧を制御することで、排ガス中のＮＯｘ濃度に関係なく常に所望のセンサ電流（限界電流）が検出可能となる。
【００３０】
一方、図１において、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０は、ガス濃度センサ１００やその他図示しないセンサ群から各種エンジン運転情報（エンジン回転数、吸気圧、水温、スロットル開度など）を取り込み、これらのセンサ検出結果に基づいてインジェクタ１２による燃料噴射量や点火装置１５による点火時期を最適に制御する。また、同ＥＣＵ２０にはセンサ制御回路Ｍ１０から送信される酸素濃度信号（Ａ／Ｆ信号）やＮＯｘ濃度信号が入力される。
【００３１】
センサ制御回路Ｍ１０は、排ガス中の酸素濃度に応じて検出される電流信号とＮＯｘ濃度に応じて検出される電流信号とをガス濃度センサ１００から各々入力し、これら電流信号により酸素濃度出力とＮＯｘ濃度出力とを算出してＥＣＵ２０に出力する。また、同制御回路Ｍ１０は、ガス濃度センサ１００の活性状態を表す素子温情報（素子抵抗情報）も併せて検出し、該検出した情報もＥＣＵ２０に出力する。
【００３２】
ヒータ制御回路Ｍ２０は、ガス濃度センサ１００を活性状態に維持すべく、その時々の素子温情報（又は素子抵抗情報）に基づいてヒータ１０３の通電を制御する。但しセンサ制御回路Ｍ１０やヒータ制御回路Ｍ２０の詳細な構成については後述する。
【００３３】
ここで、符号３００で示す一点鎖線枠は外部装置との接続用のコネクタであり、センサ制御回路Ｍ１０とヒータ制御回路Ｍ２０とがコネクタ３００内に内蔵されることを示す。また、ガス濃度センサ１００とコネクタ３００内のセンサ制御回路Ｍ１０とは信号線Ｈ１により電気的に接続され、ヒータ１０３とコネクタ３００内のヒータ制御回路Ｍ２０とは信号線Ｈ２により電気的に接続される。
【００３４】
図１１は、ガス濃度センサ１００とコネクタ３００との外観を示す斜視図である。同図において、ガス濃度センサ１００は、前記ポンプセル１１０、センサセル１２０、ヒータ１０３等を一体化した素子部１５０を有し、その素子部１５０の周囲には多数の小孔が形成されたカバー１６０が配設される。コネクタ３００はケース３１０と接続部３２０とを有し、ケース３１０内には前記センサ制御回路Ｍ１０とヒータ制御回路Ｍ２０とを構成するための電気回路が設けられる。
【００３５】
また、図２のブロック図に示されるように、センサ制御回路Ｍ１０は、酸素濃度検出回路Ｍ１１とＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２と素子インピーダンス検出回路Ｍ１３とを備える。本実施の形態では、酸素濃度検出回路Ｍ１１及びＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２が請求項記載の信号処理回路に相当する。
【００３６】
酸素濃度検出回路Ｍ１１は、ガス濃度センサ１００のポンプセル電極に接続され、排ガス中の酸素濃度に応じてポンプセル１１０に流れる電流値を検出取り込んで該電流値を電圧信号に変換し、その後当該信号を外部装置に出力する。また、同検出回路Ｍ１１は、その時々のポンプセル電流に応じてポンプセル印加電圧を可変に設定することで、同印加電圧を制御する。ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２は、ガス濃度センサ１００のセンサセル電極に接続され、排ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンサセル１２０に流れる電流値を検出取り込んで該電流値を電圧信号に変換し、その後当該信号を外部装置に出力する。また、同検出回路Ｍ１２は、その時々のセンサセル電流に応じてセンサセル印加電圧を可変に設定することで、同印加電圧を制御する。
【００３７】
素子インピーダンス検出回路Ｍ１３は、例えば掃引法を用いてセンサセル１２０（又はポンプセル１１０）のインピーダンスを検出し、該検出したインピーダンス情報をヒータ制御回路Ｍ２０等に出力する。
【００３８】
ヒータ制御回路Ｍ２０は、素子インピーダンス検出回路Ｍ１３より出力されたインピーダンス情報に応じてヒータ１０３の通電を制御する。なお、本案で実用化できるヒータ制御の具体的内容については、例えば本願出願人による特願平１０−２７５５２１号、或いは特開平８−２７８２７９号公報等に詳細にに開示されている。
【００３９】
前記図１及び図２についてより具体的な構成を図７に示す。図７の装置において制御回路２００は、ＣＰＵ及びＡ／Ｄ，Ｄ／Ａコンバータを備えるマイクロコンピュータで構成され、各Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ３）には図の各端子Ｖｃ，Ｖｅ，Ｖｄ，Ｖｂの電圧が各々入力される。また、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ１，Ｄ／Ａ０）からはポンプ指令電圧Ｖｂ，センサ指令電圧Ｖｃが各々出力され、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ２，Ｄ／Ａ３）からはＮＯｘ濃度信号，酸素濃度信号が各々出力される。
【００４０】
制御回路２００のＤ／Ａ１から出力される指令電圧Ｖｂは、増幅回路２１１の非反転入力端子に入力される。増幅回路２１１の出力端子は、酸素濃度に応じて流れるポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２１２の一端に接続され、電流検出抵抗２１２の他端はガス濃度センサ１００のポンプ第１電極１１１に接続されると共に増幅回路２１１の反転入力端子に接続される。これにより、ポンプ第１電極１１１の電圧は常に指令電圧Ｖｂと同じ電圧になるよう制御される。電流検出抵抗２１２の両端子は制御回路２００のＡ／Ｄ２，Ａ／Ｄ３に各々接続される。
【００４１】
従って、制御回路２００のＤ／Ａ１からの指令電圧Ｖｂがポンプセル１１０に印加されると、電流検出抵抗２１２の両端子電圧Ｖｄ，Ｖｂの差及び電流検出抵抗２１２の抵抗値Ｒ１によりポンプセル電流Ｉｐ（酸素濃度）は、
Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１
として算出される。なお、制御回路２００と増幅回路２１１と電流検出抵抗２１２とから前記図２の酸素濃度検出回路Ｍ１１が構成される。
【００４２】
一方、制御回路２００のＤ／Ａ０から出力される指令電圧Ｖｃは、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２３０を介して増幅回路２２１の非反転入力端子に入力される。ＬＰＦ２３０は例えば抵抗及びコンデンサからなる一次フィルタでよい。増幅回路２２１の出力端子は、ＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサセル電流Ｉｓを検出するための電流検出抵抗２２２の一端に接続され、電流検出抵抗２２２の他端はガス濃度センサ１００のセンサ第２電極１２２に接続されると共に増幅回路２２１の反転入力端子に接続される。これにより、センサ第２電極１２２の電圧は常に指令電圧Ｖｃと同じ電圧になるよう制御される。電流検出抵抗２２２の両端子は制御回路２００のＡ／Ｄ０，Ａ／Ｄ１に各々接続される。
【００４３】
従って、制御回路２００のＤ／Ａ０からの指令電圧Ｖｃがセンサセル１２０に印加されると、電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，Ｖｃの差及び電流検出抵抗２２２の抵抗値Ｒ２によりセンサセル電流Ｉｓ（ＮＯｘ濃度）は、
Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２
として算出される。なお、制御回路２００と増幅回路２２１と電流検出抵抗２２２とから前記図２のＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２が構成される。
【００４４】
また、制御回路２００は、掃引法を用いてセンサセル１２０の交流インピーダンスを検出する。つまり、センサセル１２０のインピーダンス検出時において、制御回路２００は、Ｄ／Ａ０にてセンサセル印加電圧を瞬間的に変化させる。この印加電圧はＬＰＦ２３０により正弦波的になまされつつセンサセル１２０に印加される。交流電圧の周波数は１０ＫＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦ２３０の時定数は５μｓ程度で設定される。そして、電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，Ｖｃの変化がＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ０で読み取られ、その時の電圧変化量と電流変化量とからセンサセル１２０の交流インピーダンスが算出される。インピーダンス検出値は、Ｄ／Ａコンバータを介して外部に出力されるか、或いはシリアル通信等により出力される。なお、制御回路２００と増幅回路２２１と電流検出抵抗２２２とから前記図２の素子インピーダンス検出回路Ｍ１３が構成される。
【００４５】
また、制御回路２００は、デューティ比信号である制御指令値をＩ／Ｏポートから出力してＭＯＳＦＥＴドライバ３００を駆動する。このとき、ＭＯＳＦＥＴ３１０により電源３２０（例えばバッテリ電源）からヒータ１０３へ供給される電力がＰＷＭ制御される。なお、制御回路２００とＭＯＳＦＥＴドライバ３００とＭＯＳＦＥＴ３１０とから前記図２のヒータ制御回路Ｍ２０が構成される。
【００４６】
次に、制御回路２００内のＣＰＵにより実行される印加電圧制御を図８に示すフローチャートに従い説明する。図８の処理は、図示しないメインルーチンの途中にて実施される印加電圧制御サブルーチンである。
【００４７】
図８において、先ずステップ１０１，１０２では、前記図７の電流検出抵抗２１２の両端子電圧Ｖｄ，ＶｂをそれぞれＡ／Ｄ２，Ａ／Ｄ３により読み取る。次に、ステップ１０３，１０４では、前記図７の電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，ＶｃをそれぞれＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ０により読み取る。
【００４８】
ステップ１０５ではポンプセル電流Ｉｐを算出し、続くステップ１０６では、図５に示した印加電圧線ＬＸ１を用い、前記算出したポンプセル電流Ｉｐに対応する目標印加電圧を求める（マップ演算する）。さらにステップ１０７では、前記求めた目標印加電圧を指令電圧ＶｂとしてＤ／Ａ１から出力する。次に、ステップ１０８ではセンサセル電流Ｉｓを算出し、続くステップ１０９では、図６に示した印加電圧線ＬＸ２を用い、前記算出したセンサセル電流Ｉｓに対応する目標印加電圧を求める（マップ演算する）。さらにステップ１１０では、前記求めた目標印加電圧を指令電圧ＶｃとしてＤ／Ａ０から出力する。
【００４９】
その後、ステップ１１１では、前記算出したセンサセル電流ＩｓをＮＯｘ濃度電流としてＤ／Ａ２からＥＣＵ等、外部装置に出力する。最後にステップ１１２では、前記算出したポンプセル電流Ｉｐを酸素濃度電流としてＤ／Ａ３からＥＣＵ等、外部装置に出力する。ステップ１１１，１１２でガス濃度信号を出力する際、シリアル通信等を介して出力してもよい。
【００５０】
次に、インピーダンス検出手順を図９のフローチャートに従い説明する。このインピーダンス検出処理も印加電圧制御と同様、制御回路２００内のＣＰＵにより実施される。図９には、図示しないメインルーチンの途中にて実施されるインピーダンス検出サブルーチンを示す。なお、インピーダンス検出の周期は、エンジン始動時には１２８ｍｓ、定常運転時には２５６ｍｓというように可変に設定される。
【００５１】
図９において、先ずステップ２０１，２０２では、電圧変化前の電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，ＶｃをＡ／Ｄコンバータにより読み取る（この電圧値をＶｅ１，Ｖｃ１とする）。その後、ステップ２０３では、現在のセンサセル印加電圧Ｖｓに対し所定の交流電圧ΔＶｓを加算した電圧（Ｖｓ＋ΔＶｓ）をＤ／Ａ０から出力する。このとき、図１０に示されるように、ＬＰＦ２３０の時定数に合わせ正弦波的に印加電圧（Ｖｃ，Ｖｅ端子電圧）が変化する。
【００５２】
さらにその後、ステップ２０４，２０５では、電圧変化後の電流検出抵抗２２２の両端子電圧Ｖｅ，ＶｃをＡ／Ｄコンバータにより読み取る（この電圧値をＶｅ２，Ｖｃ２とする）。Ｖｅ２，Ｖｃ２のＡ／Ｄ読み取りは、電圧変化から２５μｓ程度だけ後に行えばよい。
【００５３】
ステップ２０６では、センサセル１２０のインピーダンスＺａｃを下式を用いて算出する。
Ｚａｃ＝（Ｖｃ２−Ｖｃ１）／｛（Ｖｅ２−Ｖｃ２）−（Ｖｅ１−Ｖｃ１）｝
最後に、ステップ２０７では、印加電圧を元の電圧値Ｖｓに戻すためのΔＶｓ２をＤ／Ａ０から出力し、センサセル１２０に印加する。
【００５４】
以上の通り、酸素濃度やＮＯｘ濃度の検出に際し、ガス濃度センサ１００への印加電圧が制御されると共に、その電圧印加に伴って流れる電流値（ポンプセル電流Ｉｐ、センサセル電流Ｉｓ）が検出される。また、インピーダンス検出時にも、電圧印加に伴って流れる電流値（センサセル電流Ｉｓ）が検出される。かかる場合、ガス濃度センサ１００の電流信号が微弱であることから、当該信号がノイズの影響を受け易く、ガス濃度の検出精度が悪化する原因となる。特に図６からも分かるように、センサセル電流は、ＮＯｘ濃度＝２０００ｒｐｍでも１０μＡ程度しか電流が流れず、ノイズ対策が必須となる。
【００５５】
そこで本実施の形態ではノイズの影響を軽減すべく、図１に示す構成においてガス濃度センサ１００とセンサ制御回路Ｍ１０とを結ぶ信号線Ｈ１の長さ、並びにヒータ１０３とヒータ制御回路Ｍ２０とを結ぶ信号線Ｈ２の長さを規定する。つまり、信号線の長さ（センサからの配線長さ）とセンサ信号レベルとの関係は図１２になると考えられ、この関係に従い配線長さを規定する。
【００５６】
具体的には、排ガス中の酸素濃度を検出するコップ型或いは積層型Ａ／Ｆセンサに比べ、本実施の形態の如くＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサ（ＮＯｘセンサ）の場合、配線長さを比較的短くすることが要求される。つまり、前記信号線Ｈ１，Ｈ２の長さを短くし、ノイズの影響を受けにくくする。
【００５７】
またこの場合、ガス濃度検出装置が車両に搭載された状態では、その搭載状態でガス濃度センサ１００とコネクタ３００との距離をセンサ信号が微弱であるほど短くするとよい。
【００５８】
一方、ガス濃度センサ１００の素子部はセラミックで作られており、製造時におけるセンサ個々の特性バラツキが大きく、製造時の歩留まりが悪い。すなわち製造条件の僅かな変化によりセンサ出力特性やインピーダンスがばらつき、これらが規格外となるものは廃棄処分としなければならず生産歩留まりが大きく低下する原因となる。ここで言う特性バラツキとは、例えば検出ガス濃度に対するセンサ信号の出力特性バラツキ、センサの直流特性バラツキ、交流特性バラツキなどがある。例えば図１３に示されるように、二点鎖線の理想特性に対して実線の実出力の如く出力特性が変動する場合、検出誤差が生ずる。
【００５９】
また、ガス濃度センサ１００を早期活性させるためにヒータ１０３の抵抗値を小さくしていることから、車両毎の配線抵抗が相違すると、ヒータ制御性にバラツキが生じ、ヒータ制御に異常を来すという問題が生ずる。つまり、ヒータの加熱性能が低下したり、ヒータの電力検出に誤差が発生する。従って、素子の活性遅れや過昇温を招く。
【００６０】
これらの問題に対して本実施の形態では、センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機能を前記図２の検出回路Ｍ１１〜Ｍ１３に持たせると共に、配線抵抗による誤差分を調整又は補正するための機能をヒータ制御回路Ｍ２０に持たせることを考える。
【００６１】
調整／補正機能としては、例えば各回路のゲイン調整やオフセット調整を可能としたもので、センサの出荷時にセンサ毎に調整を行う。調整の方法としては、・調整部品を取り付ける。
・薄膜抵抗体を薄膜トリミングで合わせ込む。
・ＩＣチップ上の抵抗をＯＮ・ＣＨＩＰトリミングで合わせ込む。
等の方法がある。
【００６２】
例えば図１４に示されるように、酸素濃度検出回路Ｍ１１の出力側に調整／補正回路Ｍ３１を設けると共に、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２の出力側に調整／補正回路Ｍ３２を設ける。調整／補正回路Ｍ３１，Ｍ３２には調整部品としての抵抗体を設け、該抵抗体のトリミングにより広いガス濃度検出範囲で出力特性を調整する。
【００６３】
或いは、マイクロコンピュータを使用した場合ではゲイン／オフセット調整を内部演算で行い、この演算に使用する値を出荷時にメモリに記憶させる。演算の方法としては、一般的なマップ演算等が有効である。さらには、この演算で使用する値をＡ／Ｄコンバータ等を介して外部から入力可能としておき、この入力値を用いて調整する方法もある。
【００６４】
以上の調整／補正機能により、前記図１３の出力特性において、実出力を理想特性に一致させることができる。
素子インピーダンス検出回路Ｍ１３についても同様に、調整部品（抵抗体）を備える調整／補正回路Ｍ３３を接続する。又は、マイクロコンピュータによる補正値を入力する。そして、それによりインピーダンス検出値のセンサ個々の特性バラツキを補正すればよい。
【００６５】
さらに、ヒータ制御回路Ｍ２０についても同様に、調整部品（抵抗体）を備える補正回路を接続したり、マイクロコンピュータによる補正値を入力したりし、それにより配線抵抗による誤差分を補正すればよい。
【００６６】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（ａ）ガス濃度センサ１００とセンサ制御回路Ｍ１０，ヒータ制御回路Ｍ２０とを電気的に接続するための信号線Ｈ１，Ｈ２の長さを、或いは両者間の距離を、当該センサ１００による検出信号のレベルに応じて規定することとし、センサ信号が微弱であるほど、信号線Ｈ１，Ｈ２を短くするようにした。換言すれば、ガス濃度センサ１００と制御回路Ｍ１０，Ｍ２０とを近づけるようにした。本構成によれば、センサ信号が微弱であってもノイズの影響を受けにくくすることができる。その結果、ノイズによる影響を削減し、ひいてはガス濃度の誤検出を防止して精度の良いガス濃度検出を実施することができる。またこの場合、ガス濃度センサ１００と各回路Ｍ１０，Ｍ２０との間の最大距離も規定できることから、比較的高温になるセンサ取付部付近の熱害の影響が回避できる。
【００６７】
（ｂ）酸素濃度検出回路Ｍ１１、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２、素子インピーダンス検出回路Ｍ１３及びヒータ制御回路Ｍ２０が一体化されて何れもコネクタ３００内に収容される。従って、ノイズの影響を排除しつつ、インピーダンスの検出精度が確保できると共にヒータ制御性の向上を図ることができ、更にはセンサ出力精度が向上する。また、各回路を一体化することで、構成が簡素化できるという効果が得られる。
【００６８】
（ｃ）排ガス中の酸素濃度を検出するためのポンプセル１１０と、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセル１２０とを備える、いわゆる複合型ガスセンサとしてのガス濃度センサ１００では、センサセル電流が微弱となり、ノイズの影響を受けると正確なＮＯｘ濃度検出が困難になるが、上記構成によれば既存の問題が解消され、顕著な効果が得られる。
【００６９】
（ｄ）センサ個々の特性バラツキを補正するための調整／補正機能をセンサ制御回路Ｍ１０に持たせると共に、ヒータ１０３の配線抵抗による誤差分を補正するための調整／補正機能をヒータ制御回路Ｍ２０に持たせるようにした。以上により、ガス濃度センサ１００の個体差が解消され、センサの実出力を理想特性に一致させることができる。また、ヒータ制御性が安定し、素子部の活性遅れや過昇温の問題が解消される。その結果、ガス濃度センサ並びにガス濃度検出装置の歩留まりが大幅に改善される。この場合、ＥＣＵ２０によりセンサ毎に複雑な調整を行うのではないため、当該ＥＣＵ２０に負担を強いることはなく、比較的簡易な手法で調整／補正機能を持たせることができる。
【００７０】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、酸素濃度検出回路Ｍ１１、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２、素子インピーダンス検出回路Ｍ１３及びヒータ制御回路Ｍ２０を何れもコネクタ３００に内蔵し、ガス濃度センサ１００とコネクタ３００とを結ぶ信号線Ｈ１，Ｈ２の長さ、並びに両者間の距離を規定したが、この構成を変更する。微弱なセンサセル電流を取り込んでＮＯｘ濃度検出を行うＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２だけをコネクタ３００内に設けると共に、その際のセンサ１００からの信号線の長さを規定する。つまり、ガス濃度センサ１００とＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２との間の信号線の長さ、或いは両者間の距離をノイズ影響の少ない範囲で短くする。
【００７１】
又は、ＮＯｘ濃度検出回路Ｍ１２に加え、酸素濃度検出回路Ｍ１１、素子インピーダンス検出回路Ｍ１３及びヒータ制御回路Ｍ２０の何れかをコネクタ３００内に内蔵してもよい。各回路Ｍ１１〜Ｍ１３，Ｍ２０はガス濃度センサ１００に対してできるだけ近くに配置されるとよいのは勿論であるが、信号線の長さを選択的に設定することで、設計の自由度が高まる。またこの場合、ガス濃度センサ１００と各回路Ｍ１１〜Ｍ１３，Ｍ２０との間の最大距離も規定できることから、比較的高温になるセンサ取付部付近の熱害の影響が回避できる。
【００７２】
上記実施の形態では、前記図７の構成において、ポンプ第２電極１１２とセンサ第１電極１２１との共通端子をＧＮＤに接地したが、当該共通端子を所定の正電圧で浮かすように構成してもよい。この場合、ポンプセル，センサセルの各々において負電流を流すことが可能となり、通常負電流が流れにくいリッチガスに対しても、多孔質拡散層１０１内のガス濃度を一定に保つ（例えば酸素濃度を常にストイキ状態に保つ）ことができる。その結果、リッチガスの検出を可能にしてガス濃度の検出範囲を拡大させると共に、リッチガスからリーンガスへの復帰に際し、ガス濃度出力の応答遅れを改善することができる。
【００７３】
本発明は、排ガス中の酸素濃度から空燃比（Ａ／Ｆ値）を検出するＡ／Ｆセンサにも適用できる。この場合、固体電解質及び拡散抵抗層等がコップ形状に成形される、いわゆるコップ型Ａ／Ｆセンサや、板状の固体電解質及び拡散抵抗層等が積層されてなる、いわゆる積層型Ａ／Ｆセンサに適用してもよい。例えば積層型Ａ／Ｆセンサでは、Ａ／Ｆ＝１２〜１８での電流出力が−０．７５〜０．４ｍＡであり、やはり当該電流出力が微弱であるためにノイズの影響を受ける。これに対し本発明を適用することで、ノイズによる影響を削減し、ひいてはガス濃度の誤検出を防止することができる。因みに、Ａ／Ｆ＝１２〜１８での電流出力が−０．７５〜０．４ｍＡの場合、１Ａ／Ｆ当たりの電流値は約０．２ｍＡとなり、空燃比検出の精度要求はその１０％以下、すなわち２０μＡ以下となる。
【００７４】
また、前記図２に示す２セル構造のガス濃度センサ１００の他に、３セル構造のガス濃度センサや、４個以上のセルを持つ構造のガス濃度センサにも適用できる。
【００７５】
複合型ガスセンサとして、酸素濃度とＮＯｘ濃度とを検出可能なガス濃度センサの他、酸素濃度とＨＣ濃度又はＣＯ濃度とを検出可能なガス濃度センサにも適用できる。ＨＣ濃度又はＣＯ濃度を検出する場合、ポンプセルにて排ガス（被検出ガス）中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガス成分からＨＣ又はＣＯを分解する。これにより、酸素濃度に加え、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度が検出できる。勿論、ＮＯｘ濃度、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度の何れか一つのみを検出するガス濃度センサにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概要を示す構成図。
【図２】ガス濃度検出装置の概略構成を示すブロック図。
【図３】ガス濃度センサの構成を示す要部断面図。
【図４】ガス濃度センサの動作原理を説明するための図。
【図５】ガス濃度センサのポンプセル特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図６】ガス濃度センサのセンサセル特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図７】ガス濃度検出装置の電気的構成を示す回路図。
【図８】印加電圧制御手順を示すフローチャート。
【図９】インピーダンス検出手順を示すフローチャート。
【図１０】インピーダンス検出時における信号の変化を示す波形図。
【図１１】ガス濃度センサとコネクタとの外観を示す斜視図。
【図１２】配線長さとセンサ信号レベルとの関係を示す図。
【図１３】酸素濃度とセンサ出力との関係を示す図。
【図１４】ガス濃度検出装置の概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１００…ガス濃度センサ、１１０…第１セルとしてのポンプセル、１２０…第２セルとしてのセンサセル、１０３…ヒータ、１５０…素子部、２００…制御回路、３００…コネクタ、Ｍ１０…センサ制御回路、Ｍ１１…信号処理回路としての酸素濃度検出回路、Ｍ１２…信号処理回路としてのＮＯｘ濃度検出回路、Ｍ１３…素子インピーダンス検出回路、Ｍ２０…ヒータ制御回路、Ｍ３１，Ｍ３２，Ｍ３３…調整／補正回路、Ｈ１，Ｈ２…信号線。

Claims (5)

1. 車両用エンジンから排出される排ガス中の特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度センサと、該ガス濃度センサからの信号をガス濃度信号に演算し、出力するマイクロコンピュータとを備えたガス濃度検出装置であって、
   前記ガス濃度センサは、固体電解質とポンプ第１電極とポンプ第２電極とを有し、電圧を印加することによりガス濃度センサに導入された前記排ガス中の酸素を分解してガス濃度センサより排出させるポンプセルと、固体電解質とセンサ第１電極とセンサ第２電極を有し、電圧を印加することにより前記排ガス中のＮＯｘ、ＨＣ又はＣＯの少なくとも一つのガスをセンサ第１電極で分解し、前記排ガス中のＮＯｘ濃度、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度の少なくとも一つの濃度である特定ガス成分の濃度を検出するセンサセルとを有し、
   前記センサ第１電極及びセンサ第２電極に接続されるとともに、前記マイクロコンピュータによって、前記特定ガス成分のガス濃度に応じた電気信号を演算し、該電気信号をガス濃度信号としてシリアル通信によって外部装置に出力する濃度検出回路と、
   前記ガス濃度センサ内蔵のヒータの通電を制御するヒータ制御回路とから構成し、
   前記マイクロコンピュータを外部装置との接続用のコネクタに収容し、
   前記濃度検出回路の前記マイクロコンピュータには、センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機能を持たせたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記マイクロコンピュータは、Ａ／Ｄコンバータを備えるマイクロコンピュータである請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記マイクロコンピュータは、前記ポンプセルのポンプ第１電極とポンプ第２電極との間の電流を検出し、該検出したポンプセル電流に対応する目標印加電圧を求めてポンプセルの印加電圧を制御する演算を行うものである請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記濃度検出回路には、検出ガス濃度に対するセンサ個々の出力特性のバラツキを調整又は補正するための機能を持たせた請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記マイクロコンピュータは、前記ガス濃度センサのセンサ素子部のインピーダンスを検出するインピーダンス検出回路をさらに備え、
   前記インピーダンス検出回路には、センサ個々の特性バラツキを調整又は補正するための機能を持たせた請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。

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