(57)【要約】【課題】素子抵抗の演算精度向上を図り、ひいては排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施を可能とする。【解決手段】センサ制御回路１００において、電圧切替回路３５は、インピーダンス検出時にセンサ素子１０の印加電圧を一時的に所定量変化させる。ΔＩ検出回路３２は、所定量の電圧変化に応答する電流の応答変化量を計測し、その計測値を電流変化量信号として出力する。マイコン２００は、電圧切替回路３５の電圧変化量を予め内部に登録しておき、該登録した電圧変化量と、ΔＩ検出回路３２から出力された電流変化量信号とを基に、センサ素子１０の素子抵抗値を演算する。【選択図】      図１
2006053126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体よりなるセンサ素子に電圧を印加してその電圧印加状態でセンサ素子に流れる素子電流を計測し、該素子電流の計測値を基に被検出ガス中のガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記所定量の電圧変化又は電流変化に応答する電流又は電圧の応答変化量を計測する応答変化量計測手段と、
前記応答変化量計測手段により計測した電流又は電圧の応答変化量のみを演算パラメータとし、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
固体電解質体よりなるセンサ素子に電圧を印加してその電圧印加状態でセンサ素子に流れる素子電流を計測し、該素子電流の計測値を基に被検出ガス中のガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記所定量の電圧変化又は電流変化に応答する電流又は電圧の応答変化量を計測する応答変化量計測手段と、
前記変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録しておき、該登録した付与変化量と、前記応答変化量計測手段により計測した電流又は電圧の応答変化量とを基に、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記応答変化量計測手段として、電流又は電圧の応答変化量の計測値を増幅して応答変化量信号として出力する応答変化量計測回路を備える一方、前記素子抵抗演算手段として、前記応答変化量信号をＡ／Ｄ変換し、そのＡ／Ｄ値を用いて素子抵抗値を演算するマイクロコンピュータを備えた請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
固体電解質体と該固体電解質体を挟んで設けられる一対の電極とを具備するセンサ素子を有し、被検出ガス中の酸素濃度又は少なくとも酸素を含む特定成分の濃度に応じて前記電極間で起電力を発生するガスセンサに適用されるガス濃度検出装置において、
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記変化付与手段と前記センサ素子との間に接続された抵抗素子及び容量素子からなる直列回路部と、
前記センサ素子の端子電圧を計測する端子電圧計測手段と、
前記変化付与手段による電圧変化又は電流変化時において前記端子電圧計測手段により計測した前記センサ素子の端子電圧のみを演算パラメータとし、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項５】
固体電解質体と該固体電解質体を挟んで設けられる一対の電極とを具備するセンサ素子を有し、被検出ガス中の酸素濃度又は少なくとも酸素を含む特定成分の濃度に応じて前記電極間で起電力を発生するガスセンサに適用されるガス濃度検出装置において、
前記センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与する変化付与手段と、
前記変化付与手段と前記センサ素子との間に接続された抵抗素子及び容量素子からなる直列回路部と、
前記センサ素子の端子電圧を計測する端子電圧計測手段と、
前記変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録しておき、該登録した付与変化量と、前記変化付与手段による電圧変化又は電流変化時において前記端子電圧計測手段により計測した前記センサ素子の端子電圧とを基に、前記センサ素子の素子抵抗値を演算する素子抵抗演算手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記端子電圧計測手段として、前記センサ素子の端子電圧の計測値を増幅して出力する出力回路を備える一方、前記素子抵抗演算手段として、前記出力回路の出力信号をＡ／Ｄ変換し、そのＡ／Ｄ値を用いて素子抵抗値を演算するマイクロコンピュータを備えた請求項４又は５に記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を計測し出力する付与変化量計測回路を具備していない請求項１乃至６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
前記変化付与手段を構成する電気回路は、電圧又は電流の付与変化量が所望の精度となるよう電気特性を微調整したものである請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。そして、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果から酸素濃度（空燃比）が検出されるようになっている。
【０００３】
上記Ａ／Ｆセンサでは、センサ素子が活性状態にあることを前提に酸素濃度が正確に検出できるため、当該センサ素子の活性状態を知るべくセンサ素子の素子抵抗検出（インピーダンス検出）が行われる。具体的には、Ａ／Ｆセンサに接続したセンサ回路において、センサ印加電圧を正側又は負側に変化させ、その時の電圧変化量を計測すると共にその電圧変化に応答する電流変化量を計測する。そして、電圧変化量と電流変化量との比により素子抵抗を演算するようにしている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
ここで、素子抵抗の演算値は、センサ素子活性化のためのヒータ制御や異常検出等に用いられるが、近年では、排ガス関連の法規制やセンサ故障診断関連の法規制などが強化されつつあり、素子抵抗の演算精度の向上が望まれている。また、現状では、素子抵抗の演算時において、個体差等を考えるとセンサ印加電圧の変化量を計測する必要があり、その電圧変化に応答する電流変化量の計測とが要件となっている。よって、それら各計測で計測誤差が生じることなどを考えると、その分素子抵抗の精度低下が生じる。それ故に、素子抵抗の演算に関して技術の改善が望まれている。その他、回路構成の簡素化が要求されており、具体的には、計測信号用のＡ／Ｄ変換の入力信号減が望まれている。
【特許文献１】特開平９−２９２３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、素子抵抗の演算精度向上を図り、ひいては排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施を可能とすることができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、固体電解質体よりなるセンサ素子に電圧を印加してその電圧印加状態でセンサ素子に流れる素子電流を計測し、該素子電流の計測値を基に被検出ガス中のガス濃度を検出するようにしたガス濃度検出装置を前提としている。そして、当該ガス濃度検出装置において、センサ素子に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与し、その所定量の電圧変化又は電流変化に応答する電流又は電圧の応答変化量を計測する。また、電流又は電圧の応答変化量（応答変化量計測手段の計測値）のみを演算パラメータ（演算変数）とし、センサ素子の素子抵抗値（素子インピーダンス）を演算する。電流又は電圧の応答変化量（応答変化量計測手段の計測値）をそのまま素子抵抗値として取り扱うことも可能である。
【０００７】
一般に、素子抵抗の演算時には、積極的に付与する電圧又は電流の付与変化量と、それに応答する電流又は電圧の応答変化量とをそれぞれ計測し、それら付与変化量の計測値と応答変化量の計測値との比から素子抵抗値が演算されるが、付与変化量が固定値であれば、実質的に素子抵抗に対応するのは応答変化量となる。故に、上記の如く応答変化量の計測値のみを演算パラメータとして素子抵抗値を演算することができる。かかる場合、応答変化量の計測値のみを演算パラメータとすることで、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
【０００８】
また、変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録（内部記憶）しておき、該登録した付与変化量と、電流又は電圧の応答変化量（応答変化量計測手段の計測値）とを基に、センサ素子の素子抵抗値を演算する構成であっても良い。本構成であっても、前記同様、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
【０００９】
応答変化量計測回路において電流又は電圧の応答変化量の計測値を増幅して応答変化量信号として出力し、更にマイクロコンピュータにおいて応答変化量信号をＡ／Ｄ変換し、そのＡ／Ｄ値を用いて素子抵抗値を演算する構成では、応答変化量についての計測、増幅時の誤差やＡ／Ｄ入力誤差だけが素子抵抗演算の誤差要因となる。この場合、付与変化量も同様に計測する構成に比べ、誤差要因が減るために素子抵抗の演算精度向上が可能となる。また、素子抵抗の演算に関して、マイクロコンピュータでのＡ／Ｄ変換が応答変化量信号のみで良くなり、Ａ／Ｄ変換器の削減が可能となる。
【００１０】
また、本発明の他への適用として、被検出ガス中の酸素濃度又は少なくとも酸素を含む特定成分の濃度に応じて一対の電極間で起電力を発生する起電力出力型のガスセンサへの適用も可能である。かかる場合、センサ素子の電極に接続される電流経路上に変化付与手段（例えば交流電源）と、抵抗素子及び容量素子（例えばカップリングコンデンサ）からなる直列回路部とを設ける。そして、センサ素子の電極に接続される電流経路上にて一時的に所定量の電圧変化又は電流変化を付与し、その電圧変化又は電流変化時にセンサ素子の端子電圧を計測すると共に、該端子電圧の計測値のみを演算パラメータ（演算変数）として素子抵抗値（素子インピーダンス）を算出する。なお、センサ素子の端子電圧は、抵抗素子及び容量素子の抵抗成分とセンサ素子の抵抗成分とによる分圧値として計測される。
【００１１】
本構成においても、上記同様、電圧変化等に応答して変化するセンサ素子の端子電圧の計測値のみを演算パラメータとすることで、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
【００１２】
また、上記のとおりセンサ素子に接続される電流経路上に容量素子を設けると共に、センサ素子の端子電圧に基づいて素子抵抗値を検出する構成では、電圧変化等の付与後に時間の経過に伴い抵抗素子の両端電圧が収束していく過程（ピーク後の収束過程）において、センサ端子電圧と素子抵抗値（インピーダンス）との相関が保たれ、素子抵抗値を正確に算出できる。したがって、例えばセンサ内蔵のヒータをＯＮ／ＯＦＦ制御する際に生じるヒータノイズの低減目的でＬＰＦを設ける場合において、そのＬＰＦによりセンサ端子電圧の計測値がなまされてしまいそのピーク値の計測が困難になったとしても、センサ端子電圧の収束過程の計測値によって素子抵抗値が精度良く算出できる。これにより、素子抵抗値の算出精度の向上と十分なヒータノイズ対策との両立が実現できる。
【００１３】
なお、容量素子は、センサ素子の容量成分よりも十分に容量の小さいものであると良い。この場合、変化付与手段により電圧変化又は電流変化を付与した後のセンサ端子電圧の収束は容量素子へのチャージスピードが支配的となり、センサ端子電圧はセンサ素子の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けない。したがって、センサ素子の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けることなく、素子抵抗値を精度良く算出することができる。
【００１４】
また、変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を予め登録（内部記憶）しておき、該登録した付与変化量と、変化付与手段による電圧変化又は電流変化時におけるセンサ素子の端子電圧の計測値とを基に、センサ素子の素子抵抗値を演算する構成であっても良い。本構成であっても、前記同様、付与変化量の計測は要件でなくなり、当該付与変化量の計測により生じる計測誤差分が素子抵抗の演算誤差から排除できる。故に、素子抵抗の演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
【００１５】
センサ素子の端子電圧の計測値を増幅してマイクロコンピュータに出力する一方、マイクロコンピュータで入力信号をＡ／Ｄ変換し、そのＡ／Ｄ値を用いて素子抵抗値を演算する構成では、センサ端子電圧についての計測、増幅時の誤差やＡ／Ｄ入力誤差だけが素子抵抗演算の誤差要因となる。この場合、付与変化量も同様に計測する構成に比べ、誤差要因が減るために素子抵抗の演算精度向上が可能となる。また、素子抵抗の演算に関して、マイクロコンピュータでのＡ／Ｄ変換が応答変化量信号のみで良くなり、Ａ／Ｄ変換器の削減が可能となる。
【００１６】
変化付与手段による電圧又は電流の付与変化量を計測し出力する付与変化量計測回路を具備していない構成では、ガス濃度検出装置を構成するためのＩＣチップ等の小型化や簡素化が可能となる。
【００１７】
変化付与手段を構成する電気回路は、電圧又は電流の付与変化量が所望の精度となるよう電気特性を微調整したものであると良い。これにより、変化付与手段で付与される電圧又は電流の付与変化量の精度が向上する（すなわち誤差が低減される）。故に、電流又は電圧の応答変化量のみ（又はセンサ端子電圧のみ）を演算パラメータとして素子抵抗値を演算する構成、或いは予め登録した付与変化量と電流又は電圧の応答変化量（又はセンサ端子電圧）とを基に素子抵抗値を演算する構成において、より信頼性の高い素子抵抗演算が実現できる。具体的にはアクティブトリミング、或いはファンクショントリミングと称されるトリミング手法を用いると良い。アクティブトリミング等を実施することにより、センサ制御回路（ＩＣ回路等）の作製過程での例えば薄膜や半導体素子の作り込み時に電気特性を調整する場合に比べて、電気特性の微調整をより確かなものとすることができる。なおここで、所望の精度となるような電気特性の微調整は、Ａ／Ｄ精度、量子化する際のＬＳＢ誤差、回路誤差等を改善し、結果として素子抵抗の検出精度向上を果たすものであれば良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施の形態）
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実施される。
【００１９】
先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。
【００２０】
センサ素子１０は、固体電解質１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質１１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。
【００２１】
絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。なお以下の説明では、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。
【００２２】
上記センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。
【００２３】
図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。
【００２４】
このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。
【００２５】
図１は、センサ制御回路１００の構成を示す電気回路図である。図１において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された＋端子Ｔ１には、オペアンプ２１及び電流検出抵抗２２を介して基準電源２３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された−端子Ｔ２にはオペアンプ２４及び抵抗２５を介して印加電圧制御回路３０が接続されている。電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗２２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子１０には＋端子Ｔ１から−端子Ｔ２に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子１０には−端子Ｔ２から＋端子Ｔ１に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。このＢ点電圧が、空燃比の検出結果であるＡ／Ｆ出力として素子電流出力回路３１を介してマイコン２００に出力される。マイコン２００は、Ａ／Ｆ出力をＡ／ＤポートＡＤ１より取り込みＡ／Ｄ変換する。素子電流出力回路３１は例えばＳ／Ｈ（サンプルホールド）回路により構成されており、空燃比検出時におけるＢ点電圧がサンプルされ、所定のゲートオン期間内においてサンプル値が逐次更新されて出力される。このＡ／Ｆ出力は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。
【００２６】
印加電圧制御回路３０は、Ａ／Ｆ出力（Ｂ点電圧のサンプルホールド値）をモニタしつつその値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図３に示す印加電圧特性ＲＧの如く、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の上昇時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。但し、センサ印加電圧は固定値であっても良い。
【００２７】
また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子１０の素子インピーダンスが検出されるようになっている。すなわち、電圧切替回路３５は、マイコン２００からの電圧切替信号に基づいてセンサ印加電圧を交流的に変化させる。電圧切替信号は定期的にマイコン２００から電圧切替回路３５に出力され、例えば１２８ｍｓｅｃ毎に、センサ印加電圧が通常の空燃比検出用の印加電圧（印加電圧制御回路３０による制御電圧）からインピーダンス検出用の印加電圧に一時的に切り替えられるようになっている。
【００２８】
かかる場合、Ｂ点電圧がΔＩ検出回路３２により計測され、該計測値が電流変化量信号としてマイコン２００に出力される。マイコン２００は、電流変化量信号をＡ／ＤポートＡＤ２より取り込みＡ／Ｄ変換する。ΔＩ検出回路３２は、例えばＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とＰ／Ｈ（ピークホールド）回路とを直列に接続して構成されており、このＨＰＦ及びＰ／Ｈ回路により、インピーダンス検出期間に対応する所定のゲートオン期間内において計測されたＢ点での交流電流の変化量が出力される。なお、ピークホールドされたＢ点電圧は、ゲートオフ毎にリセットされる。
【００２９】
マイコン２００は、インピーダンス検出時において交流的な電圧変化量と電圧変化に応答する電流変化量とに基づいて素子インピーダンスを算出する。そして、素子インピーダンスが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０が一定の目標温度（例えば７５０℃）に保持されるようになる。本実施の形態では、電圧切替回路３５が「変化付与手段」に、ΔＩ検出回路３２が「応答変化量計測手段」に、マイコン２００が「素子抵抗演算手段」に、それぞれ相当する。
【００３０】
特に本実施の形態では、電圧切替回路３５による電圧変化量を固定値（本実施の形態では０．２Ｖ）としてマイコン２００のメモリに予め登録しておき、インピーダンス検出時には、電圧変化量の登録値と電流変化量の計測値とを基に、素子インピーダンスを演算する構成としている。つまり、電圧切替回路３５により変化する電圧変化量の計測を要件としておらず、故に、センサ制御回路１００として当該電圧変化量の計測回路を具備しない構成としている。
【００３１】
また、電圧切替回路３５の電圧変化量を計測しない構成とすることに付随して、電圧切替回路３５による電圧変化量が精度良く所望の値となるよう当該電圧切替回路３５に対してアクティブトリミングを施している。このアクティブトリミングは、ファンクショントリミングとも称され、電圧切替回路３５を動作状態として電圧変化量が所望の値となるよう電気特性が微調整されている。
【００３２】
次に、マイコン２００による素子インピーダンスの算出手順を図４のフローチャートに基づいて説明する。図４の処理はマイコン２００により所定時間毎（例えば１２８ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００３３】
図４において、ステップＳ１０１では、センサ制御回路１００の電圧切替回路３５に対して電圧切替信号を出力する。この電圧切替信号を受けて、センサ制御回路１００では、センサ印加電圧がそれまでの空燃比検出用の電圧値からインピーダンス検出用の電圧値に交流的に切り替えられる。本実施の形態では、正側又は負側への電圧変化量を０．２Ｖとしている。これにより、センサ印加電圧に対して例えば１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の交流的な変化が付与され、この交流的な電圧変化に応答して素子電流が変化する。
【００３４】
その後、ステップＳ１０２では、電流変化量信号（図１のΔＩ検出回路３２の出力）を基に、印加電圧変化に応答する電流変化量ΔＩを検出する。続くステップＳ１０３では、予めメモリに登録しておいた電圧切替回路３５の電圧変化量（０．２Ｖ）と前記検出した電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺａｃを算出する（Ｚａｃ＝０．２／ΔＩ）。こうして素子インピーダンスＺａｃが算出されると、その算出値がセンサ活性化のためのヒータ制御やセンサ故障診断等に適宜用いられる。
【００３５】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００３６】
インピーダンス検出に際し、予めメモリに登録しておいた電圧変化量（付与変化量）と、一時的な電圧変化時に計測した電流変化量ΔＩ（応答変化量の計測値）とを基に素子インピーダンスを算出した。換言すれば、電圧変化量を固定値とする一方、電流変化量ΔＩ（応答変化量の計測値）のみを演算パラメータとして素子インピーダンスを演算した。これにより、付与変化量である電圧変化量の計測が要件でなくなり、当該電圧変化量の計測により生じる計測誤差分が素子インピーダンスの演算誤差から排除できる。故に、素子インピーダンスの演算精度向上が実現できる。その結果、センサ素子１０を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
【００３７】
かかる場合、電圧変化量を計測し出力する電圧変化量の計測回路を具備していない構成であるため、センサ制御回路１００を構成するＩＣチップ等の小型化や簡素化が可能となる。また、インピーダンス検出に関して、マイコン２００でのＡ／Ｄ変換が電流変化量信号（応答変化量信号）のみで良くなり、Ａ／Ｄ変換器の削減が可能となる。
【００３８】
加えて、仮に安価なＡ／Ｄ変換器や基準電源レギュレータ（例えば５Ｖレギュレータ）を使用する構成であっても、その精度低下の影響が半減でき、素子インピーダンスの演算精度の低下が抑制できる。
【００３９】
電圧切替回路３５に対してアクティブトリミングを施したため、インピーダンス検出時の電圧変化量（付与変化量）の精度が向上する（すなわち電圧変化の誤差が低減される）。故に、予め登録した電圧変化量を用いて素子インピーダンスを演算する構成において、より信頼性の高いインピーダンス演算が実現できる。
【００４０】
電圧切替回路３５による電圧変化の制御精度が向上すると、インピーダンス検出時の電圧変化量を小さくすることができ、それに伴い応答変化量としての電流変化量ΔＩが小さくできる。この場合、電流検出抵抗２２の抵抗値を大きくすることができ、結果としてＡ／Ｆ出力による空燃比検出の分解能を高めることが可能となる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
次に、Ｏ2センサへの適用例を説明する。Ｏ2センサは、起電力セルを構成するコップ構造のセンサ素子を有するものであり、排ガス中の酸素濃度に応じてセンサ素子の電極間に起電力が発生する。Ｏ2センサはセンサ素子を加熱するためのヒータを備える。
【００４２】
図５は、センサ制御回路の構成を示す電気的構成図である。図５に示すように、Ｏ2センサ６０の一方の端子には抵抗６１とＬＰＦ（ローパスフィルタ）６２とが各々接続されている。排ガス中の酸素濃度に応じてＯ2センサ６０で起電力が発生すると、その都度の起電力に相応するＯ2出力がＬＰＦ６２を介して出力される。ＬＰＦ６２より出力されるＯ2出力は、マイコン３００のＡＤポートに取り込まれる。マイコン３００は、Ｏ2出力を基に空燃比のリッチ／リーン判定などを実施する。
【００４３】
なお、ＬＰＦ６２は、Ｏ2出力に重畳するノイズや交流信号を排除するためのフィルタであり、後述するようにインピーダンス検出のためにＯ2センサ６０の端子電圧（センサ端子電圧）が交流的に変化する場合にも、その影響によるＯ2出力の精度低下が抑制されるようになっている。
【００４４】
インピーダンス検出のための構成として、Ｏ2センサ６０の一方の端子には、交流電圧源６３、分圧抵抗６４及びカップリングコンデンサ６５からなる直列回路が接続されており、Ｏ2センサ６０とカップリングコンデンサ６５との間には、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）６６、Ｐ／Ｈ回路（ピークホールド回路）６７及び増幅回路６８からなる直列回路が接続されている。ここで、交流電圧源６３の出力電圧をＶａ、カップリングコンデンサ６５の両端子のうち分圧抵抗６４側の端子電圧をＶｂ、同Ｏ2センサ６０側の端子電圧をＶｃ、ＨＰＦ６６の出力側の電圧をＶｄ、増幅回路６８の出力電圧をＶｅとする。電圧Ｖｃは、通常の酸素濃度検出時において、その都度の酸素濃度に応じた起電力となっており、前述したようにリッチ雰囲気では概ね０．９Ｖ、リーン雰囲気では概ね０Ｖである。分圧抵抗６４の抵抗値はＲである。
【００４５】
Ｐ／Ｈ回路６７は、入力信号を取り込む入力コンパレータや、該コンパレータの出力側に一端が接続され他端が接地されたコンデンサなどにより構成されており、入力信号のピーク値をホールドする。また、Ｐ／Ｈ回路６７は内部にＬＰＦを含む構成となっており、入力信号にノイズ等が重畳する場合においてそのノイズが除去されるようになっている。例えば、ヒータ通電制御としてＰＷＭ制御が行われる場合、ヒータ通電のＯＮ／ＯＦＦが繰り返し行われるために電流のＯＮ／ＯＦＦが常に生じる。そのため、この電流変化に起因する磁束の変化がヒータハーネスと一緒に束ねられるセンサハーネスに伝播してヒータノイズが発生すると考えられるが、このヒータノイズがＰ／Ｈ回路６７内のＬＰＦによって除去される。もちろん、ヒータノイズ以外のノイズも前記ＬＰＦにより除去される。
【００４６】
交流電圧源６３は「変化付与手段」に相当し、マイコン３００からの指令に従い所定の周波数にて電圧Ｖａを正側及び負側に掃引変化させる。このとき、電圧Ｖａの変化に伴い分圧抵抗６４、カップリングコンデンサ６５及びＯ2センサ６０よりなる電流経路で電流が流れ、センサ端子電圧である電圧Ｖｃは、Ｏ2センサ６０の素子インピーダンスと分圧抵抗６４の抵抗値とで分圧される電圧値に変化する。そしてこの電圧Ｖｃが、ＨＰＦ６６、Ｐ／Ｈ回路６７及び増幅回路６８を通じて、インピーダンス検出電圧Ｖｅとしてマイコン３００のＡＤポートに取り込まれる。
【００４７】
マイコン３００では、次の（１）式にて素子インピーダンスＺａｃが算出される。
Ｚａｃ＝Ｖｃ／｛（Ｖａ−Ｖｃ）／Ｒ｝      …（１）
上記（１）式において、電圧Ｖａと抵抗値Ｒは固定値であり、電圧Ｖｃを計測することにより、素子インピーダンスＺａｃの算出が可能となる。つまり、マイコン３００は、電圧ＶｃをＨＰＦ６６、Ｐ／Ｈ回路６７及び増幅回路６８を介して取り込み、該取り込んだ値を基に、素子インピーダンスＺａｃを算出する。
【００４８】
上記構成において特に、交流電圧源６３の電圧変化量である電圧Ｖａはマイコン３００のメモリに予め登録されており、インピーダンス検出時には、電圧変化量（電圧Ｖａ）の登録値とセンサ端子電圧（電圧Ｖｃ）とに基づいて素子インピーダンスが算出される。つまり、電圧変化量（電圧Ｖａ）の計測が要件ではなく、故にセンサ制御回路として当該電圧変化量の計測回路を具備しない構成としている。
【００４９】
また、電圧変化量（電圧Ｖａ）を計測しない構成とすることに付随して、交流電圧源６３による電圧変化量が精度良く所望の値となるよう当該交流電圧源６３に対してアクティブトリミングを施している。このアクティブトリミングは、ファンクショントリミングとも称され、交流電圧源６３を動作状態として電圧変化量が所望の値となるよう電気特性が微調整されている。
【００５０】
交流電圧源６３による電圧Ｖａの掃引周波数は例えば１０ｋＨｚ程度、分圧抵抗６４の抵抗値Ｒは１ｋΩ程度である。また、カップリングコンデンサの６５の容量は、Ｏ2出力への影響を考えると０．１〜１μＦとするのが望ましく、コストやサイズの制約から０．２μＦ以下とするのが望ましい。但し、インピーダンス検出のためには容量が大きいほど有利であると考えられる。本実施の形態では、コンデンサ容量を０．１μＦとしている。因みに、Ｏ2センサ６０の容量成分は例えば正常時に１０００μＦ程度、劣化時に１００μＦ程度であり、カップリングコンデンサ６０の容量はＯ2センサ６０の容量成分に対して十分に小さいものとなっている。
【００５１】
ここで、電圧の交流変化時において、上記のようにセンサ端子電圧（電圧Ｖｃ）を計測する場合、センサ端子電圧Ｖｃは、そのピーク値が素子インピーダンスに相関がある値となるとともに、収束過程においてセンサ容量のばらつきによる影響を受けることもない。故に、素子インピーダンスの算出精度を確保することができる。特に、カップリングコンデンサ６５は、Ｏ2センサ６０の容量成分よりも十分に容量の小さいものであるため、センサ端子電圧Ｖｃの収束はカップリングコンデンサ６５へのチャージスピードが支配的となり、センサ端子電圧ＶｃはＯ2センサ６０の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けない。したがって、Ｏ2センサ６０の個体差や劣化等による容量変化の影響を受けることなく、素子インピーダンスを精度良く算出することができる。
【００５２】
以上第２の実施の形態によれば、インピーダンス検出に際し、予めメモリに登録しておいた電圧変化量（電圧Ｖａ）と、一時的な電圧変化時に計測したセンサ端子電圧（電圧Ｖｃ）とを基に素子インピーダンスを算出したため、付与変化量である電圧変化量（電圧Ｖａ）の計測が要件でなくなり、当該電圧変化量の計測により生じる計測誤差分が素子インピーダンスの演算誤差から排除できる。故に、素子インピーダンスの演算精度向上が実現できる。その結果、Ｏ2センサ６０を常に良好な状態で保持でき、排ガスエミッションの改善やセンサ故障診断等の好適なる実施が可能となる。
【００５３】
その他、上記第１の実施の形態と同様に、センサ制御回路を構成するＩＣチップ等の小型化や簡素化が可能となる、マイコン３００でのＡ／Ｄ変換器の削減が可能となる等の効果が得られる。
【００５４】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００５５】
上記第１の実施の形態では、インピーダンス検出に際し、マイコン２００のメモリに予め登録しておいた電圧変化量（付与変化量）と、一時的な電圧変化時に計測した電流変化量ΔＩ（応答変化量の計測値）とを基に素子インピーダンスを算出したが、この構成を変更し、電流変化量ΔＩ（応答変化量の計測値）をそのまま素子インピーダンス値として取り扱うことも可能である。つまり、電圧変化量が固定値である場合、素子インピーダンスＺａｃと電流変化量ΔＩとは反比例関係にあり（素子アドミタンスであれば比例関係）、ΔＩ値をＺａｃ値に換算することなくても、ΔＩ値を基にセンサ活性化のためのヒータ制御やセンサ故障診断等が実施できる。
【００５６】
上記各実施の形態では、素子抵抗値として素子インピーダンスを算出したが、これに代えて、素子インピーダンスの逆数である素子アドミタンスを算出する構成とすることも可能である（素子アドミタンス＝ΔＩ／０．２Ｖ）。
【００５７】
上記各実施の形態では、インピーダンス検出に際し、センサ印加電圧を交流的に変化させてその時の電流応答を計測したが、これを変更し、センサ素子電流を交流的に変化させてその時の電圧応答を計測するように構成する。その構成を図６を用いて説明する。図６の構成では、前記図１との相違点として、センサ素子１０の＋端子Ｔ１にスイッチ回路５３を接続しており、更に該スイッチ回路５３の一方の切替端子に電流検出抵抗２２を接続し、他方の切替端子に電流切替回路５１を接続している。電流切替回路５１は、インピーダンス検出時においてマイコン等から出力されてくる電流切替信号に基づいて素子電流を交流的に変化させる。また、図のＣ点にΔＶ検出回路５２を接続し、このΔＶ検出回路５２の出力を電圧変化量信号としている。電流切替回路５１は、アクティブトリミング等により所望の精度となるよう動的な電気特性が微調整されていると良い。
【００５８】
上記図６の構成において、マイコンのメモリに付与変化量としての電流変化量を予め登録しておき、インピーダンス検出に際し、メモリに登録しておいた電流変化量（付与変化量）と、一時的な電流変化時に計測した電圧変化量ΔＶ（応答変化量の計測値）とを基に素子インピーダンスを算出する。換言すれば、電流変化量を固定値とする一方、電圧変化量ΔＶ（応答変化量の計測値）のみを演算パラメータとして素子インピーダンスを算出する。かかる構成によれば、付与変化量である電流変化量の計測が要件でなくなり、当該電流変化量の計測により生じる計測誤差分が素子インピーダンスの演算誤差から排除できる。故に、素子インピーダンスの演算精度向上が実現できる。なお上記構成では、電流切替回路５１が「変化付与手段」に、ΔＶ検出回路５２が「応答変化量計測手段」に、それぞれ相当する。
【００５９】
センサ制御回路１００の構成（図１参照）において、インピーダンス検出時の電流変化量信号を出力するためのΔＩ検出回路３２の出力段に増幅回路を付加する構成としても良い。つまり、図７に示すように、例えば増幅率β（β＝２）の増幅回路部を設ける。かかる場合において、増幅回路部を構成する抵抗値をトリミングして信号増幅精度を向上させ、それにより操作側の検出誤差を吸収するようにしても良い。
【００６０】
上記第１の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサとして図２のセンサ素子構造を有するものを説明したが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質体を有する構成に限らず、２層の固体電解質体を有する構成や、３層の固体電解質体を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。
【００６１】
他のセンサ具体例を説明する。図８に示すセンサ素子ＳＥ１では、２層の固体電解質８１，８２を有しており、一方の固体電解質８１には一対の電極８３，８４が対向配置され、他方の固体電解質８２には一対の電極８５，８６が対向配置されている。なお、電極８３〜８５は図の左右対象に２カ所に見えるが、そ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。本センサ素子ＳＥ１では、固体電解質８１及び電極８３，８４によりポンプセル９１が構成され、固体電解質８２及び電極８５，８６により酸素検知セル９２が構成されている。各電極８３〜８６はセンサ制御回路１００に接続されている。図８において、符号８７はガス導入孔、符号８８は多孔質拡散層、符号８９は大気ダクト、符号９０はヒータである。酸素検知セル９２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。
【００６２】
上記センサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサにおいて、酸素検知セル９２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル９２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、酸素検知セル９２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、酸素検知セル９２の起電力出力がストイキ値（０．４５Ｖ）になるようにポンプセル９１の印加電圧が制御される。
【００６３】
図９に示すセンサ素子構造であっても良い。図９のセンサ素子ＳＥ２では、３層の固体電解質１０１，１０２，１０３を有し、固体電解質１０１には一対の電極１０４，１０５が対向配置され、固体電解質１０２には一対の電極１０６，１０７が対向配置されている。本センサ素子ＳＥ２では、固体電解質１０１及び電極１０４，１０５によりポンプセル１１１が構成され、固体電解質１０２及び電極１０６，１０７により酸素検知セル１１２が構成されている。また、固体電解質１０３は、酸素基準室１０８を確保するための壁材を構成している。図９において、符号１０９は多孔質拡散層、符号１１０はガス検出室である。なお、酸素検知セル１１２は、前記図８の酸素検知セル７２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。
【００６４】
また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外にも、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用により、やはり素子抵抗（素子インピーダンス又は素子アドミタンス）が精度良く算出できるようになる。このとき、第１セル、第２セル等の何れかのセルを対象に素子抵抗が検出されると良い。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。
【００６５】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ガス濃度センサは、ポンプセルにて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からＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。
【００６６】
起電力出力型のガスセンサとして、排ガス中の酸素濃度（Ｏ2濃度）に応じて電極間で起電力を発生するセンサ以外に、酸素成分を含むＮＯｘやＣＯ等の濃度に応じて電極間で起電力を発生するセンサであっても良い。すなわち、一方の電極でＮＯｘやＣＯが分解されて酸素イオンが生じ、固体電解質体を挟んで両側で酸素分圧に差が生じると、その酸素分圧の差に応じて起電力が発生する。このとき、ネルンストの式に基づく起電力が発生する。こうした構成のガスセンサについても本発明が適用できる。
【００６７】
更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いることや、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】発明の実施の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。
【図２】センサ素子の構成を示す断面図である。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。
【図４】素子インピーダンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。
【図６】別の形態においてセンサ制御回路を示す構成図である。
【図７】別の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。
【図８】別のセンサ素子の構成を示す断面図である。
【図９】別のセンサ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１０…センサ素子、１１…固体電解質、２２…電流検出抵抗、３２…ΔＩ検出回路、３５…電圧切替回路、５１…電流切替回路、５２…ΔＶ検出回路、６０…Ｏ2センサ、６３…交流電圧源、６４…分圧抵抗、６５…カップリングコンデンサ、１００…センサ制御回路、２００，３００…マイコン。
【図１】
2006053126.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006053126.tif 000009
【図８】
2006053126.tif 000010
【図９】
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