(57)【要約】      （修正有）【課題】様々なタイプのガスセンサ制御処理に対応しながら通常動作時にセンサを保護できるようにしたガスセンサ制御装置を提供する。【解決手段】Ａ／Ｆセンサ制御装置は、Ａ／ＦセンサのインピーダンスＺacを検出するインピーダンス検出部２０と、Ａ／Ｆセンサへの通電をデジタル制御するポンプ電流制御部１７とを備える。ポンプ電流制御部１７は、入力されるＰＩＤ制御目標値とネルンストセルの端子間電圧の検出値の差分を演算し差分値に応じた指令電流値Ip_pidを演算するＰＩＤ演算部４１と、指令電流値Ip_pid及びインピーダンスＺac，ＺIpに基づいてポンプセルへの通電を制限する保護クランプ部４２，４３と、を備える。【選択図】図５
2019020126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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セル（３）と、前記第１セルに電気的に接続された第２セル（４）と、を備えるガスセンサ（２）の制御装置（１）であって、
前記内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を検出するガスセンサのインピーダンス（Ｚac，ＺIp）を検出するインピーダンス検出部（２０）と、
前記ガスセンサへの通電をデジタル制御する通電制御部（１７）と、を備え、
前記通電制御部は、
入力される制御目標値と前記第２セルの端子間電圧の検出値の差分を演算し差分値に応じた指令電流値（Ip_pid）を演算する演算部（４１）と、
前記演算部により演算された指令電流値及び前記インピーダンス検出部により検出されるインピーダンスに基づいて前記ガスセンサの第１セルへの通電を制限する第１セル電流制限部（４２，４３）と、を備え、
前記第１セル電流制限部（４２，４３）は、
前記第２セルのインピーダンス（Ｚac）に基づいて電流の上限値及び下限値（Ｉp_pclamp，Ｉp_mclamp）を演算する電流クランプ閾値演算部（５１）と、
前記演算部により演算された指令電流値（Ip_pid）を前記電流クランプ閾値演算部の上限値及び下限値により制限してから指令定電流値（Ｉsp_pclamp1，Ｉsp_mclamp1）により定電流制限するか、又は、前記演算部により演算された指令電流値（Ip_pid）を指令定電流値（Ｉsp_pclamp1，Ｉsp_mclamp1）により制限してから前記電流クランプ閾値演算部の上限値及び下限値により制限する電流値制限部（５２，４３）と、
を備えるガスセンサ制御装置。
【請求項２】
前記電流値制限部（５２，４３）は、
前記演算部により演算された指令電流値を前記電流クランプ閾値演算部の上限値及び下限値により制限して第１指令電流制限値（Ｉp_clamp1）とする第１電流値制限部（５２）と、
前記第１指令電流制限値を前記指令定電流値により定電流制限する第２電流値制限部（４３）と、
を備える請求項１記載のガスセンサ制御装置。
【請求項３】
前記第２電流値制限部の機能の有効／無効を切り換える第１切換部（７１）をさらに備える請求項２記載のガスセンサ制御装置。
【請求項４】
前記第１切換部により前記第２電流値制限部の機能が無効に切換えられたときには、
前記電流値制限部は、前記演算部により演算された指令電流値（Ip_pid）を前記電流クランプ閾値演算部の上限値及び下限値で制限した指令電流制限値（Ｉp_clamp1）により前記ガスセンサの第１セルへの通電を制限する請求項３記載のガスセンサ制御装置。
【請求項５】
前記第１電流値制限部の機能の有効／無効を切り換える第２切換部（７２，７３）をさらに備える請求項２から４の何れか一項に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項６】
前記第２切換部により前記第１電流値制限部の機能が無効に切換えられたときには、
前記電流値制限部は、前記演算部により演算された指令電流値（Ip_pid）を指令定電流値（Ｉsp_pclamp1）により定電流制限して指令電流制限値（Ｉp_clamp2）として前記ガスセンサの第１セルへの通電を制限する請求項５記載のガスセンサ制御装置。
【請求項７】
前記第１セルのインピーダンスをＺIpとし、前記第２セルのインピーダンスをＺacとし、前記第１セルの通電電流をＩpとし、直列接続された前記第１セル及び前記第２セルの直列回路を通じて流れる電流をΔＩとし、前記第１セルの印加電圧（ＶIp）の制限電圧範囲の上限値を＋Ｖclamp、下限値を−Ｖclampとすると、
前記第１電流値制限部（５２）は、
前記第２セルのインピーダンスＺacを前記第１セルのインピーダンスＺIpと等しいと仮定することで、前記指令電流値の上限値Ｉp_pclamp、下限値Ｉp_mclampをそれぞれ、
Ｉp_pclamp  ＝  ＋Ｖclamp  ／  Ｚac  −  ΔＩ  …（５）
Ｉp_mclamp  ＝  −Ｖclamp  ／  Ｚac  −  ΔＩ  …（６）
として制限する請求項２記載のガスセンサ制御装置。
【請求項８】
前記電流値制限部により定電流制限された電流値を電流電圧変換する電流電圧変換部（４４）をさらに備える請求項１から７の何れか一項に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項９】
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セル（３）と、前記第１セルに電気的に接続された第２セル（４）と、を備えるガスセンサ（２）の制御装置（１）であって、
前記内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を検出するガスセンサのインピーダンス（Ｚac，ＺIp）を検出するインピーダンス検出部（２０）と、
前記ガスセンサへの通電をデジタル制御する通電制御部（１７）と、を備え、
前記通電制御部は、
入力される制御目標値と前記第２セルの端子間電圧の検出値の差分を演算し差分値に応じた指令電流値（Ｉp_pid）を演算する演算部（４１）と、
前記指令電流値を電流電圧変換し指令電圧値（Ｖo_pid）とする指令電流電圧変換部（１４４ａ）と、
前記指令電圧値及び前記インピーダンス検出部により検出されるインピーダンスに基づいて前記ガスセンサの第１セルへの印加電圧を制限するセル印加電圧制限部（１４２，１４３）と、を備え、
前記セル印加電圧制限部は、
前記インピーダンス検出部により検出されるインピーダンスに基づいて前記指令電流電圧変換部により変換された指令電圧値を制限して第１指令電圧制限値（Ｖo_clamp1）にする変換電圧値制限部（１４２）と、
入力される定電流指令値を電流電圧変換し指令定電圧値（Ｖso）とする定電流電圧変換部（１４４ｂ）と、
前記変換電圧値制限部により制限された第１指令電圧制限値（Ｖo_clamp1）を前記定電流電圧変換部の指令定電圧値（Ｖso）により制限して第２指令電圧制限値（Ｖo_clamp2）とする指令定電圧制限部（１４３）と、
を備えるガスセンサ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ガスセンサを制御するためのガスセンサ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスセンサとしての例えば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（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載の技術によれば、センサインピーダンス演算部が検出セルの検出値を入力しセンサインピーダンスを演算し、制限値演算部は、取得されたセンサインピーダンスに応じてポンプセル（第１セル相当）に印加する印加電圧の制限値を演算している。このとき上限値Ｖo-pclampと下限値Ｖo-mclampを演算処理して電圧制限している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１４２５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者が、特許文献１記載の技術の検討を進めた結果、近年のＡ／Ｆセンサは、低インピーダンスで活性化する傾向があることから、その制限が不十分であるということが判明した。したがって、例えば従来のＡ／Ｆセンサや、近年の低インピーダンスで活性化するＡ／Ｆセンサなど各種様々なタイプのセンサに対応できるようにした制御装置が望まれている。
【０００５】
本発明の目的は、様々なタイプのセンサ制御に対応しながら通常動作時に当該センサを保護できるようにしたガスセンサ制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、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セルと、第１セルに電気的に接続された第２セルと、を備えるガスセンサの制御装置を対象としている。請求項１記載の発明によれば、インピーダンス検出部は、内燃機関の排気ガスに含まれる気体の状態を検出するガスセンサのインピーダンスを検出し、通電制御部はガスセンサへの通電をデジタル制御する。
【０００７】
通電制御部は、演算部、及びポンプ電流制限部を備える。演算部は、入力される制御目標値と第２セルの端子間電圧の検出値の差分を演算し差分値に応じた指令電流値を演算する。第１セル電流制限部は、演算部により演算された指令電流値及びインピーダンス検出部により検出されるインピーダンスに基づいて前記ガスセンサの第１セルへの通電を制限する。
【０００８】
第１セル電流制限部は、電流クランプ閾値演算部により、ネルンストセルのインピーダンスに基づいて電流の上限値及び下限値を演算し、電流値制限部により、演算部により演算された指令電流値を電流クランプ閾値演算部の上限値及び下限値により制限する。この場合、例えば低インピーダンスで活性化するガスセンサに適用すると低インピーダンス領域では制限値が不十分であることから、請求項１においては、電流クランプ閾値演算部の上限値及び下限値により制限する前又は後に、電流値制限部が入力される指令定電流値により定電流制限するようにしている。
【０００９】
このため、たとえガスセンサの種類に応じて電流クランプ閾値演算部により演算された制限値により制限しきれなかったとしても、指令定電流値により一定の電流に定電流制限できるようになり、様々なタイプのセンサ制御に対応しながら通常動作時にセンサを保護できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】全実施形態におけるＡ／Ｆセンサ制御装置を概略的に示す電気的構成図
【図２】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
【図３】空燃比とポンプ電流の関係性を示す特性図
【図４】空燃比と第２セルの端子間電圧の関係性を示す特性図
【図５】ポンプ電流制御部の内部の電気的構成を概略的に示すブロック図
【図６】第１保護クランプ部の電気的構成を概略的に示すブロック図
【図７】第２セルのインピーダンスに対する電流制限値の特性図
【図８】第２保護クランプ部の電気的構成を概略的に示すブロック図
【図９】第２セルのインピーダンスに対する電流制限値の特性図
【図１０】電流電圧変換器の電気的構成図
【図１１】ＤＡＣコードとＤ／Ａ変換部の出力電圧の関係を表す特性図
【図１２】制御の状態遷移図
【図１３】制御状態とＩｃｐ及び掃引電流変化を概略的に示すタイミングチャート
【図１４】第２実施形態についてポンプ電流制御部の詳細構成を概略的に示すブロック図
【図１５】第２セルのインピーダンスに対する電流制限値の特性図
【図１６】保護クランプ部の電気的構成を概略的に示すブロック図
【図１７】第３実施形態におけるポンプ電流制御部の内部の電気的構成の一部を示すブロック図
【図１８】第３実施形態の変形例におけるポンプ電流制御部の内部の電気的構成の一部を示すブロック図
【図１９】第４実施形態におけるポンプ電流制御部の内部の電気的構成の一部を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、ガスセンサ制御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）
【００１２】
図１から図１３は、第１実施形態の説明図を示す。図１には、ガスセンサ制御装置としてのＡ／Ｆ(Air／Fuel ratio)センサ制御装置１の概略的な電気的構成を示している。図１に示すＡ／Ｆセンサ制御装置１は、内燃機関（図示せず）が排出する排気燃焼ガスを検出ガスとし、排気中の空燃比を特定するためのＡ／Ｆセンサ２の各種制御処理を行う。このＡ／Ｆセンサ２は、２セルタイプであり、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としても機能するポンプセル３、及び、ネルンストセル４を備える。ポンプセル３は第１セルに相当し、ネルンストセル４は第２セルに相当する。まず、図２を参照して２セルタイプのＡ／Ｆセンサ２の構造の一例を説明する。説明の便宜上、図２の上方向を「上」、下方向を「下」と定義して説明するが、配置の関係性はこれに限られるものではない。
【００１３】
Ａ／Ｆセンサ２は、上下に互いに離間した２つの固体電解質層５及び６を備える。一対の電極７及び８が一方の固体電解質層５を挟んで対向接触配置されており、これによりポンプセル３を構成している。また、一対の電極９，１０が他方の固体電解質層６を挟んで対向接触配置されており、これによりネルンストセル４を構成している。各セル３及び４の電極８及び１０は、その表面が排気ガス検出室１１に露出するように配置されている。
【００１４】
２つの固体電解質層５，６の間にはガス拡散多孔質層Ｆ１が挟持されている。これらの固体電解質層５，６及びガス拡散多孔質層Ｆ１は所定のスペースを囲うように配置され、このスペースが排気ガス検出室１１として設けられている。排気ガスは、ガス拡散多孔質層Ｆ１を通じて排気ガス検出室１１に導入される。
【００１５】
また固体電解質層５の上面にはセラミック層Ｆ２が例えばアルミナ等により構成され、このセラミック層Ｆ２に併設して電極７が埋設されている。この電極７は、その一部表面が固体電解質層５の表面に接触して構成され、他の一部表面が通気層１２に露出して配置されている。
【００１６】
他方、固体電解質層６の下方にはセラミック層Ｆ３が例えばアルミナ等により構成され、このセラミック層Ｆ３と固体電解質層６との間には酸素基準室１３が設けられている。この酸素基準室１３は基準酸素濃度を規定するために設けられる。固体電解質層６には電極９が一部が接触しており、この電極９の他の一部が酸素基準室１３に接触するように配置されている。
【００１７】
ネルンストセル４を酸素（Ｏ２）センサとして機能させるため、酸素基準室１３に基準となる酸素を供給している。具体的には、電極９を通じて電極１０に微小電流Ｉcpを供給し、排気ガス検出室１１から酸素をポンピングさせる。この微小電流Ｉcpの供給に応じてＶｓ＋電極１０に酸素イオンが組み込まれるようになり、ネルンストセル４が酸素センサとして機能し、排気ガス検出室１１の雰囲気に応じた電圧Ｖｓを出力する。
【００１８】
このような環境下において、排気ガスがガス拡散多孔質層Ｆ１を通じて排気ガス検出室１１に導入されると、ネルンストセル４は排気ガスに応じた起電力Ｖｓを生じ、この起電力Ｖｓと基準電圧（例えば、０．４５［Ｖ］）とを比較し、この比較結果に応じた電流Ｉｐをポンプセル３に通電することで酸素が排気ガス検出室１１に出入りし、ガス検出室１１の内部の雰囲気がストイキに近づき、電圧Ｖｓが基準電圧に制御されることになる。そして、この基準電圧（０．４５［Ｖ］）に制御された電流Ｉｐに応じて空燃比を算出できるようになる。
【００１９】
なお、電極８及び１０は電気的に導通接続されており、Ａ／Ｆセンサ制御装置１に導通接続されている。また、その他の電極７及び９もＡ／Ｆセンサ制御装置１に導通接続されている。
【００２０】
図３には排気ガスの雰囲気（空燃比）と、ポンプセル３の通電電流Ｉpとの関係性を示している。この図３に示すように、排気ガスの空燃比がリッチになると電流Ｉpが負値となり、空燃比がリーンになると電流Ｉpが正値となる。空燃比がストイキレベルになると０［ｍＡ］になる。すなわち、Ａ／Ｆセンサ２の通電電流Ｉpの増減は、空燃比の増減に対応しており、空燃比がリーンになれば電流Ｉpは増大し、空燃比がリッチになれば電流Ｉpが減少する。
【００２１】
図４には排気ガスの雰囲気（空燃比）と、ネルンストセル４の検出電圧Ｖｓとの関係性を示している。この図４に示すように、排気ガスの雰囲気の空燃比がリッチになると電圧Ｖｓが上昇し、リーンになると電圧Ｖｓが下降する。空燃比がストイキレベルとなると、電圧Ｖｓが所定値（例えば、０．４５［Ｖ］）となるように調整されている。
【００２２】
また、ストイキレベルの周辺では、その他の空燃比レベルに比較して電圧Ｖｓが急変化する特性を示す。このため、Ａ／Ｆセンサ制御装置１がストイキレベル周辺においてネルンストセル４の電圧Ｖｓを検出することで空燃比のわずかな変化も検出可能になっている。これらのことを考慮すれば、これらのポンプセル３及びネルンストセル４を電気的に表すと、図１に示すように抵抗成分及び起電力成分を直列接続して表すことができる。
【００２３】
図１に示すように、ポンプセル３の両端子（一対の電極７及び８）は、Ａ／Ｆセンサ制御装置１の端子１ａと端子１ｂとの間に接続されている。ネルンストセル４の両端子（一対の電極９及び１０）は、Ａ／Ｆセンサ制御装置１の端子１ｃと端子１ｂとの間に接続されている。なおポンプセル３及びネルンストセル４は、温度Ｔが低ければ不活性状態となり、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Ｔ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）。
【００２４】
Ａ／Ｆセンサ制御装置１は、デジタル回路部１４及びアナログ回路部１５により構成される。デジタル回路部１４は、例えばＤＳＰを備えて構成され、機能的には、全体制御部１６、ポンプ電流制御部（通電制御部相当）１７、Icp及び掃引電流制御部（以下、掃引電流制御部と略す）１８、ポンプ電流検出部１９、及び、インピーダンス検出部２０の各機能に分けて各種のデジタル制御を行う。
【００２５】
全体制御部１６は、インピーダンス検出部２０のインピーダンス検出結果、ポンプ電流検出部１９による電流Ｉpの検出結果、及び、端子１ａ〜１ｃの電圧を入力し、後述のマルチプレクサ２９及びスイッチ３２に切換制御信号を出力するなどの各種制御を実行する。
【００２６】
他方、アナログ回路部１５は、オペアンプ２１，２２、Ａ／Ｄ変換器２３，２４、Ｄ／Ａ変換部２５，２６、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）２７、電圧制御電流源（ＶＣＣＳ)２８、及びマルチプレクサ２９を主として備え、さらに電流制限抵抗３０、１５０Ω程度の電流検出抵抗３１、電圧検出切替用のスイッチ３２、及びアンチエイリアシングフィルタ（ＡＡＦ）３３を備える。
【００２７】
オペアンプ２１には非反転入力端子に固定の基準電圧（例えばＶＤＤ／２）が入力されると共に、オペアンプ２１の反転入力端子は端子１ｂに接続されており、オペアンプ２１のイマジナリショートの作用により端子１ｂの電圧を基準電圧（例えばＶＤＤ／２）に制御するように構成される。
【００２８】
オペアンプ２１の出力は電流制限抵抗３０及び端子１ａを通じてポンプセル３の一端子（図２の電極７）に印加されている。電流制限抵抗３０は、端子異常時において電流を制限するために設けられているため、保護機能の耐量に応じてその値及びサイズが決定されている。
【００２９】
またポンプ電流制御部１７は、ポンプセル３に流れる電流を制御するためのデジタル電流制御値を出力する。この内部の機能ブロック構成は後述する。Ｄ／Ａ変換部２５は、このデジタル電流制御値を入力してアナログ電圧に変換する。オペアンプ２２は電圧バッファを構成しており、Ｄ／Ａ変換部２５の出力アナログ電圧を電流検出抵抗３１及び端子１ｂを通じてポンプセル３の他端子及びネルンストセル４の一端子（図２の電極８及び１０）に印加する。
【００３０】
スイッチ３２は、電流検出抵抗３１の両端子間電圧、及び、ネルンストセル４の電極間電圧をアナログフロントエンド２７の入力端子に選択切替可能に接続されている。このスイッチ３２は、デジタル回路部１４の全体制御部１６により切換可能に構成され、全体制御部１６がスイッチ３２に切換制御信号を出力することで、電流検出抵抗３１の両端子間電圧、及び、ネルンストセル４の電極間電圧の何れかをアナログフロントエンド２７に入力させる。
【００３１】
アナログフロントエンド２７は、例えば増幅器を備えて構成されアンチエイリアシングフィルタ３３を通じて波形整形したアナログ電圧をＡ／Ｄ変換器２３に出力する。Ａ／Ｄ変換器２３は、アンチエイリアシングフィルタ３３を通じて入力されたアナログ電圧をＡ／Ｄ変換処理しデジタル回路部１４に出力する。デジタル回路部１４は、全体制御部１６により電流検出抵抗３１の両端子電圧を取得するようにスイッチ３２を切替制御することに応じて、ポンプ電流検出部１９により電流検出抵抗３１の通電電流をポンプ電流Ｉpとして検出できる。
【００３２】
他方、掃引電流制御部１８は、電圧制御電流源２８を用いて電流をネルンストセル４に通電制御するように構成され、ネルンストセル４に正電流又は負電流を通電するように構成される。この掃引電流制御部１８は、この通電制御用のデジタル電流制御値をＤ／Ａ変換部２６に出力する。Ｄ／Ａ変換部２６は、このデジタル電流制御値を入力してアナログ電圧に変換し、この変換されたアナログ電圧を電圧制御電流源２８に出力する。
【００３３】
電圧制御電流源２８は、このアナログ電圧を制御信号として端子１ｃを通じてネルンストセル４の他端子（図２の電極９）に印加する。これによりネルンストセル４に印加する電流（Ｉcp及びセンサインピーダンス検出用の掃引電流）を制御する。
【００３４】
このとき、デジタル回路部１４は、全体制御部１６によりネルンストセル４の両端子電圧を取得するようにスイッチ３２を切替制御することに応じて、掃引電流通電時のＡ／Ｄ変換器２３のデジタル出力値を取得し、この値に応じてインピーダンス検出部２０によりインピーダンスＺacを検出する。この内容の詳細は後述する。
【００３５】
またマルチプレクサ２９には端子１ａ〜１ｃの電圧が入力されており、全体制御部１６によりこれらの端子１ａ〜１ｃの電圧を選択取得切替可能に構成される。全体制御部１６は、マルチプレクサ２９に選択切替制御信号を出力することでマルチプレクサ２９に入力された信号を選択させ、マルチプレクサ２９の選択信号をＡ／Ｄ変換器２４に出力させる。Ａ／Ｄ変換器２４は、この選択された信号をアナログデジタル変換処理しデジタル回路部１４に出力する。これによりデジタル回路部１４はこれらの端子１ａ〜１ｃの電圧を取得できる。この取得電圧は端子１ａ〜１ｃの異常検出用に使用されるがその詳細説明は省略する。
【００３６】
以下、ポンプ電流制御部１７の内部機能について図５以降の図面を参照しながら説明する。図５に示すように、ポンプ電流制御部１７は、ＰＩＤ演算部４１、保護クランプ部４２及び４３、電流電圧変換部４４、及びＤＡＣコード変換部４５を縦続接続して構成される。ＰＩＤ演算部４１は、ネルンスト制御電圧（ＰＩＤ制御目標値相当）を入力すると共に、Ａ／Ｄ変換器２３からネルンストセル４の端子間電圧Ｖｓを入力し、これらの電圧の差分を演算し、差分値に応じた指令電流値Ｉp_pidを演算する。なお、ネルンスト制御電圧の入力先は、デジタル回路部１４に外部接続されたマイコン或いは内部又は外部に接続されたフラッシュメモリ等の記憶部（図示せず）である。
【００３７】
保護クランプ部４２及び４３は、ＰＩＤ演算部４１により演算された指令電流値Ｉp_pid及びインピーダンス検出部２０により検出されるネルンストセル４のインピーダンスＺacに基づいてＡ／Ｆセンサ２のポンプセル３への通電を制限するポンプ電流制限部として動作する。
【００３８】
＜保護クランプ部４２（第１電流値制限部）の説明＞
特に、前段の保護クランプ部４２は、指令電流値Ｉp_pidを制限する第１電流値制限部として動作するブロックであり、例えば図６に示すように構成される。図６に示すように、保護クランプ部４２は、ネルンストセル４のインピーダンスＺacに基づいて電流の上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampを演算する電流クランプ閾値演算部５１、及び、これら演算された上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampと指令電流値Ｉp_pidとを比較する比較部５２により構成される。比較部５２は、上限値比較器５３、下限値比較器５４、及び、スイッチ５５並びに５６を備える。電流クランプ閾値演算部５１は、下記に示すように上限値Ｉp_pclamp、下限値Ｉp_mclampを演算する。
【００３９】
＜上限値Ｉp_pclamp、下限値Ｉp_mclampの算出方法＞
まず、本実施形態の図１に示される回路構成の場合、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、ネルンストセル４のインピーダンスをＺacとし、ポンプセル３の通電電流をＩpとし、ポンプセル３及びネルンストセル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）
と表すことができる。
【００４０】
他方、電流検出抵抗３１の抵抗値をＲshとし、オペアンプ２２の出力電圧をＶｏとする。定常状態では、オペアンプ２１の反転入力端子の電圧は、０．５×ＶＤＤで一定となるため、電流Ｉpは、
Ｉp  ＝  （０．５  ×  ＶＤＤ  −  Ｖｏ）  ／  Ｒsh  …（２）
と表すことができる。これらの（１）（２）式を整理すると、
ＶIp  ＝（（０．５  ×  ＶＤＤ  −  Ｖｏ）  ／  Ｒsh  ＋  ΔＩ）  ×  ＺIp
…（３）
と表すことができる。
【００４１】
また（１）式をＩpについて解くと、
Ｉp  ＝  ＶIp  ／  ＺIp  −  ΔＩ  …  （４）
ここでポンプセル３のインピーダンスＺIpが、ネルンストセル４のインピーダンスＺacと関連性があり、例えばネルンストセル４のインピーダンスＺacをポンプセル３のインピーダンスＺIpと等しい（すなわちＺIp＝Ｚac）とすると、この（４）式を用いて、電流Ｉp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）により制限をかけるとすれば、指令電流値の上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampは、前述の制限電圧範囲と、ネルンストセル４のインピーダンスＺacとの関数に応じて（５）式、（６）式により現すことができる。
Ｉp_pclamp  ＝  ＋Ｖclamp  ／  Ｚac  −  ΔＩ  …（５）
Ｉp_mclamp  ＝  −Ｖclamp  ／  Ｚac  −  ΔＩ  …（６）
【００４２】
このように、電流クランプ閾値演算部５１は制限値となる上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampを演算できる。この（５）式、（６）式の指令電流値の上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampの変化を図７に示している。
【００４３】
この（５）式及び（６）式は、インピーダンスＺacに応じて反比例する関数となり、インピーダンスＺacが小さければ正又は負の無限大に近い値となる（図７の破線参照）。しかしＤ／Ａ変換部２６及びオペアンプ２２は、図示しない電源回路から電源ＶＤＤが電源供給されることで動作することから電流供給能力に限度がある。したがって、このＤ／Ａ変換部２６及びオペアンプ２２の出力電圧範囲を考慮し、上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampがたとえ大きくなったとしても、電流クランプ閾値演算部５１は、インピーダンスＺacが所定インピーダンスＺac0より低いときには、Ｄ／Ａ変換部２６及びオペアンプ２２の出力電流特性に応じた固定値を上限値Ｉp_pclamp／下限値Ｉp_mclampとして設定している。なお図７に示すように、所定のインピーダンス値Ｚac0以上のインピーダンス領域においては、上限値Ｉp_pclampは単純減少し、下限値Ｉp_mclampが単純増加するように変化する。
【００４４】
上限値比較器５３は、指令電流値Ｉp_pidと上限値Ｉp_pclampとを比較し、指令電流値Ｉp_pidが上限値Ｉp_pclampを超えるようであれば上限値Ｉp_pclampに制限するようにスイッチ５５を切替え、この値を第１指令電流制限値Ｉp_clamp1として出力する。下限値比較器５４は、指令電流値Ｉp_pidと下限値Ｉp_mclampとを比較し、指令電流値Ｉp_pidが下限値Ｉp_mclampを下回るようであれば下限値Ｉp_mclampに制限するようにスイッチ５６を切替え、この値を第１指令電流制限値Ｉp_clamp1として出力する。これにより、上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampで定められた範囲内の第１指令電流制限値Ｉp_clamp1を出力できる。
【００４５】
＜保護クランプ部４３（第２電流値制限部）の説明＞
発明者らの検討によれば、その種類に応じて低インピーダンスで活性化するＡ／Ｆセンサ２もあれば、高インピーダンスで活性化するＡ／Ｆセンサ２もあることが判明している。このため、特に低インピーダンス領域で活性化するＡ／Ｆセンサ２に適用すると、保護クランプ部４２だけで電流制限しても、特に低インピーダンス領域では制限値が不十分であることが判明しており、本実施形態では、保護クランプ部４２の後段に定電流制限するための保護クランプ部４３を設けている。
【００４６】
この後段の保護クランプ部４３は、第１指令電流制限値Ｉp_clamp1を制限する第２電流値制限部として動作するブロックであり、例えば図８に示すように構成される。図８に示すように、保護クランプ部４３は、入力されるポンプ指令定電流値（指令定電流値（上限値Ｉsp_pclamp1及び下限値Ｉsp_mclamp1））を入力し、前段の保護クランプ部４２により出力された第１指令電流制限値Ｉp_clamp1と上限値Ｉsp_pclamp1とを比較する上限値比較器５７、前段の保護クランプ部４２により出力された指令電流値Ｉp_pidと下限値Ｉsp_mclamp1とを比較する下限値比較器５８、及び、これらの上限値比較器５７及び下限値比較器５８の出力に応じて指令電流制限値Ｉp_clamp2を切り替えるスイッチ５９及び６０、を備える。
【００４７】
なお、ポンプ指令定電流値（指令定電流値（上限値Ｉsp_pclamp1及び下限値Ｉsp_mclamp1））の入力先は、デジタル回路部１４に外部接続されたマイコン或いは内部又は外部に接続されたフラッシュメモリ等の記憶部（図示せず）を示す。
【００４８】
この後段の保護クランプ部４３は、前段の保護クランプ部４２から入力される第１指令電流制限値Ｉp_clamp1を、入力される上限値Ｉsp_pclamp1、下限値Ｉsp_mclamp1と比較して制限し、この制限された指令電流制限値Ｉp_clamp2を出力する。これらの入力される上限値Ｉsp_pclamp1及び下限値Ｉsp_mclamp1は何れも一定値であり、保護クランプ部４３は、この一定値により制限された指令電流制限値Ｉp_clamp2を出力する。この一定値に応じた指令電流制限値Ｉp_clamp2の制限機能を図９に模式的に示している。この図９に示すように、電流クランプ部４３は、上限値Ｉsp_pclamp1と下限値Ｉsp_mclamp1との間の一定範囲に指令電流制限値Ｉp_clamp1に制限し、指令電流制限値Ｉp_clamp2として出力する。
【００４９】
すなわち２段の保護クランプ部４２及び４３は、ある所定のインピーダンスＺac1（＞Ｚac0）を基準とし、所定インピーダンスＺac1より低いときには指令電流値Ｉp_pidを上限値Ｉsp_pclamp1及び下限値Ｉsp_mclamp1により制限し、所定インピーダンスＺac1と等しい又は超えるときには、指令電流値Ｉp_pidを上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampで制限する。
【００５０】
＜電流電圧変換部４４の説明＞
また図５に示す電流電圧変換部４４は、これらの前段及び後段の保護クランプ部４２及び４３により制限された指令電流制限値Ｉp_clamp2を電流電圧変換して指令電圧値Ｖo_ipとする指令電流電圧変換部として動作し、例えば図１０に示すように構成される。この図１０に示すように、電流電圧変換部４４は乗算器６１を備え、保護クランプ部４３により出力された指令電流制限値Ｉp_clamp2に、電流検出抵抗３１の抵抗値Ｒshを乗算して電流電圧変換出力後の指令電圧値Ｖo_ipとする。
【００５１】
ここで、電流検出抵抗３１の抵抗値Ｒshは、予めガスセンサ制御装置１の製造時又はその検査時において予め測定されていると良く、この測定結果を図示しない記憶部に記憶させると良い。すると、個々のガスセンサ制御装置１を構成する電流検出抵抗３１の素子値のバラつきを高精度に補正できるようになる。このとき予め抵抗値Ｒshを記憶部に保持させることでデジタル回路部１４の内部演算を乗算処理だけで処理できるようになり演算負荷を軽減できる。
【００５２】
＜ＤＡＣコード変換器４５の説明＞
また図５に示すＤＡＣコード変換部４５は、電流電圧変換部４４による変換電圧をＤ／Ａ変換部２５に出力するのに適したＤＡＣコードに変換しＤ／Ａ変換部２５に出力する。Ｄ／Ａ変換部２５の電源電圧ＶＤＤの１／２のＤＡＣコードをゼロオフセットZero_offsetとし、ＤＡＣコードの最大値をDcode_maxとし、ＤＡＣコードの最小値を０とすると、図１１に示すように、ＤＡＣコードとＤＡＣ出力電圧との関係を示すことができる。
【００５３】
このとき、電流電圧変換部４４の出力をＶo_ipとし、Ｄ／Ａ変換部２５の１ＬＳＢあたりの電圧をＶdac_lsbとすれば、ＤＡＣコード変換部４５は、下記の（７）式に応じてデジタルコードに変換し、Ｄ／Ａ変換部２５にデジタルコードを出力する。
ＶD  ＝  Ｖo_ip  ÷  Ｖdac_lsb  ＋  Zero_offset  …  （７）
【００５４】
上述基本構成の特徴的動作について図１２及び図１３を参照しながら説明する。図１２には制御に関する状態遷移図を示す。各動作状態は、初期状態Ｓ１、インピーダンス検出状態Ｓ２、ポンプ電流制御状態Ｓ３に分けられる。初期状態Ｓ１は、各種の初期設定動作中の状態であり、インピーダンス検出状態Ｓ２は、ネルンストセル４のインピーダンスＺacを検出することでポンプセル３のインピーダンスＺIpを算出動作している状態、ポンプ電流制御状態Ｓ３は、ポンプ電流Ｉpを制御している状態、を示している。
【００５５】
初期状態Ｓ１において、全体制御部１６がＰＩＤ制御開始のトリガを発生するとインピーダンス検出状態Ｓ２に移行する。インピーダンス検出状態Ｓ２では、掃引電流制御部１８がＤ／Ａ変換部２６及び電圧制御電流源２８を通じて掃引電流をネルンストセル４に印加し、全体制御部１６がスイッチ３２をネルンストセル４の端子間電圧Ｖｓの側に切り替え、ネルンストセル４のインピーダンスＺacを検出する（図１３のｔZ-state期間）。
【００５６】
そして全体制御部１６は、インピーダンス検出部２０によりインピーダンスＺacの検出を終了すると、ポンプ電流制御状態Ｓ３に移行し、ポンプ電流制御部１７によりポンプ電流Ｉpを制御する。ポンプ電流制御部１７は、ＰＩＤ演算部４１によりＰＩＤ演算処理し、その後、前段及び後段の保護クランプ部４２及び４３により指令電流値を制限し、電流電圧変換部４４により電流電圧変換し、ＤＡＣコード変換部４５によりＤＡＣコードに変換し、このＤＡＣコードをＤ／Ａ変換部２５にポンプセル印加制御値として出力する（図１３のｔip-state期間）。これによりポンプ電流制御部１７によるポンプ電流制御を実行する。そしてポンプ電流制御部１７が電流制御を終了すると、インピーダンス検出状態Ｓ２に移行する。
【００５７】
これによりポンプ電流制御部１７はポンプセル３の印加電流を制限しつつポンプセル３の端子間電圧を印加できる。この後、図１２に示すように、ネルンストセル４のインピーダンス検出処理及びポンプ電流制御処理を繰り返すことになる。
【００５８】
なおデジタル回路部１４は、図１３に示すインピーダンス検出状態Ｓ２又はポンプ電流制御状態Ｓ３においては、全体制御部１６によってリセット処理されることにより初期状態Ｓ１に移行し、初期設定から処理を実行開始することになる。
【００５９】
＜本実施形態の概念的なまとめ＞
以上説明したように本実施形態によれば、ＰＩＤ演算部４１は、入力されるネルンスト制御電圧（ＰＩＤ制御目標値）とネルンストセル４の端子間電圧の検出値Ｖｓの差分を演算し差分値に応じた指令値Ｉp_pidを演算し、保護クランプ部４２及び４３（第１セル電流制限部相当）は、ＰＩＤ演算部４１により演算された指令値Ｉp_pid及びインピーダンス検出部２０により検出されるインピーダンスＺac，ＺIpに基づいてＡ／Ｆセンサ２のポンプセル３への通電を制限するようにしている。
【００６０】
そして、電流クランプ閾値演算部５１は、ネルンストセル４のインピーダンスＺacに基づいて電流の上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampを演算し、保護クランプ部４２は、指令電流値Ip_pidを電流クランプ閾値演算部５１の上限値Ｉp_pclamp及び下限値Ｉp_mclampにより制限し第１指令電流制限値Ｉp_clamp1としている。この場合、低インピーダンスで活性化するＡ／Ｆセンサ２に適用すると、特に低インピーダンス領域では制限値が不十分であることから、本実施形態では保護クランプ部４３を設けている。
【００６１】
保護クランプ部４３は、第１指令電流制限値Ｉp_clamp1をポンプ指令定電流値Ｉsp_pclamp1，Ｉsp_pclamp2により定電流制限している。このため、たとえＡ／Ｆセンサ２の種類に応じて電流クランプ閾値演算部５１により演算された制限値により制限しきれなかったとしても、ポンプ指令定電流値により一定の電流に定電流制限できるようになり、様々なタイプのセンサ制御に対応しながら通常動作時に当該Ａ／Ｆセンサ２を保護できるようになる。
【００６２】
このとき、保護クランプ部４２は、ネルンストセル４のインピーダンスＺacをポンプセル３のインピーダンスＺIpと等しいと仮定することで、指令電流値Ｉp_pidの上限値Ｉp_pclamp、下限値Ｉp_mclampをそれぞれ、前述の（５）式、（６）式のように制限している。この（５）式、（６）式に示すように、ネルンストセル４のインピーダンスＺacが低インピーダンス領域において制限値Ｉp_pclamp，Ｉp_ｍclampの絶対値が大幅に大きい値となるが、このような場合においても、保護クランプ部４３により定電流制限して印加電流を制限できるようになりＡ／Ｆセンサ２を信頼性良く保護できる。
【００６３】
また、電流電圧変換部４４において電流電圧変換処理を一括で行うことができるため、後述の第２実施形態に比較して演算処理ステップを少なくできる。特に第２実施形態では、図１４に示すように、電流電圧変換部１４４ａ、１４４ｂを設けて電流電圧変換処理を複数回行う必要があるが、第１実施形態では特に電流電圧変換部１４４ｂによる変換処理を設ける必要がなくなる。
【００６４】
（第２実施形態）
図１４から図１６は第２実施形態の追加説明図を示している。前述実施形態と同一機能を備える部分には同一又は類似（例えば１００を加入）した符号を付して同一部分については必要に応じて説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００６５】
図１４はポンプ電流制御部１７に代えて設けられるポンプ電流制御部１１７の電気的構成ブロックを示している。この図１４に示すように、ポンプ電流制御部１１７は、インピーダンス検出部２０、ＰＩＤ演算部４１、保護クランプ部１４２，１４３、電流電圧変換部１４４ａ，１４４ｂ、及び、ＤＡＣコード変換部４５を備える。保護クランプ部１４２，１４３は、セル印加電圧制限部として用いられる。
【００６６】
ＰＩＤ演算部４１は、第１実施形態と同様にネルンスト制御電圧を指令値として入力し、ネルンストセル４の検出電圧Ｖｓに基づいてＰＩＤ演算処理し指令電流値Ｉp_pidとして電流電圧変換部１４４ａに出力する。電流電圧変換部１４４ａは、この指令電流値Ｉp_pidを電流電圧変換し、この変換電圧Ｖｏ_pidを保護クランプ部１４２に出力する。
＜保護クランプ部１４２（変換電圧値制限部）の説明＞
【００６７】
保護クランプ部１４２は、変換電圧値制限部としての機能を備えており、変換された指令電圧値を制限する。この電圧制限処理は（３）式のインピーダンスＺIpをインピーダンスＺacと等しいと仮定した下記の（７）式に基づいてなされるものである。
ＶIp  ＝（（０．５  ×  ＶＤＤ  −  Ｖｏ）  ／  Ｒsh  ＋  ΔＩ）  ×  Ｚac
…（７）
この（７）式において、ＶIpを以下の（８）式の範囲で制限する。
−Ｖclamp  ≦  ＶIp  ≦  ＋Ｖclamp    …（８）
【００６８】
このとき、このオペアンプの出力電圧Ｖｏの上限値Ｖo_pclamp、下限値Ｖo_mclampは、それぞれ、以下の（９）式、（１０）式により表すことができる。
Ｖo_pclamp＝０．５×ＶＤＤ  −  ΔＩ×Ｒsh  ＋  Ｖclamp×Ｒsh／Ｚac
…（９）
Ｖo_mclamp＝０．５×ＶＤＤ  ＋  ΔＩ×Ｒsh  ＋  Ｖclamp×Ｒsh／Ｚac
…（１０）
【００６９】
このように保護クランプ部１４２は、インピーダンスＺacに基づいてポンプセル３の印加電圧ＶIpを上限値Ｖp_pclamp、下限値Ｖm_clampにより制限できる。この制限値は、センサ２のネルンストセル４のインピーダンスＺacに基づく値となり図１５に示される特性Ｖo_pclamp，Ｖo_mclampとなる。なお、本実施形態では、オペアンプ２１，２２の電源電圧としてＶＤＤの片電源を用いているため、保護クランプ部１４２は、上限値が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として電圧制限する。保護クランプ部１４２は、（９）式、（１０）式に基づいて電圧制限された電圧値を第１指令電圧制限値Ｖo_clamp1として保護クランプ部１４３に出力する。
＜電流電圧変換部１４４ｂ及び保護クランプ部１４３（指令定電圧制限部）の説明＞
【００７０】
発明者らの検討によれば、その種類に応じて低インピーダンスで活性化するＡ／Ｆセンサ２もあれば、高インピーダンスで活性化するＡ／Ｆセンサ２もあることが判明している。このため、特に低インピーダンス領域で活性化するＡ／Ｆセンサ２に適用すると、保護クランプ部１４２だけで電圧制限しても、特に低インピーダンス領域では制限値が不十分であることが判明しており、本実施形態では、保護クランプ部１４２の後段に定電圧制限するための保護クランプ部１４３を設けている。
【００７１】
ポンプ電流制御部１１７は、第１実施形態と同様にポンプ指令定電流値を入力するが、このポンプ指令定電流値は電流電圧変換部１４４ｂに入力される。電流電圧変換部１４４ｂは、入力される指令定電流値Ｉso（上限値Ｉso_pclamp及び下限値Ｉso_mclamp）を電流電圧変換し、指令定電圧値Ｖso（上限値Ｖso_pclamp、下限値Ｖso_mclamp）として後段の保護クランプ部１４３に出力する。
【００７２】
電流電圧変換部１４４ｂは、定電流電圧変換部として機能するもので、図１６に示すように構成される。図１６に示すように、電流電圧変換部１４４ｂは、入力される指令定電流値Ｉso（上限値Ｉso_pclamp及び下限値Ｉso_mclamp）に電流検出抵抗３１の抵抗値Ｒshをそれぞれ乗算器１６１ｐ，１６１ｍにより乗算して指令定電圧値Ｖso（上限値Ｖso_pclamp及び下限値Ｖso_mclamp）に変換する。
【００７３】
図１４に示される後段の保護クランプ部１４３は、前段の保護クランプ部１４２により変換された指令電圧制限値Ｖo_clamp1を電流電圧変換部１４４ｂの指令定電圧値Ｖsoにより制限し、この制限値をＤＡＣコード変換部４５に出力する。
【００７４】
この後段の保護クランプ部１４３は、図１６に示すように、前段の保護クランプ部１４２により変換された指令電圧制限値Ｖo_clamp1と指令定電圧値Ｖsoの上限値Ｖso_pclampとを比較する上限値比較器１５３、指令電圧制限値Ｖo_clamp1と指令定電圧値Ｖsoの下限値Ｖso_mclampを比較する下限値比較器１５４、これらの上限値比較器１５３及び下限値比較器１５４の出力に応じて出力を切り替えるスイッチ１５５及び１５６、を備えて構成される。
【００７５】
上限値比較器１５３は、前段の保護クランプ部１４２により変換された指令電圧制限値Ｖo_clamp1が上限値Ｖso_pclampを超えるようであれば上限値Ｖso_pclampに制限するようにスイッチ１５５を切替え、この値を指令電圧制限値Ｖo_clamp2として出力する。また、下限値比較器１５４は、前段の保護クランプ部１４２により変換された指令電圧制限値Ｖo_clamp1が下限値Ｖso_mclampを下回るようであれば下限値Ｖso_mclampに制限するようにスイッチ１５６を切替え、この値を指令電圧制限値Ｖo_clamp2として出力する。これにより、保護クランプ部１４３は、指令電圧制限値Ｖo_clamp1を指令定電圧値Ｖsoにより制限して指令電圧制限値Ｖo_clamp2として出力できる。
【００７６】
図１４に示すＤＡＣコード変換部４５は、この指令電圧制限値Ｖo_clamp2をＤＡＣコードに変換しＤ／Ａ変換部２５に出力する。これにより、保護クランプ部１４２及び１４３により２段階の制限処理を行うことができ、たとえ保護クランプ部１４２による電圧制限処理が不十分であったとしても、保護クランプ部１４３がポンプ指令定電流値によりポンプセル３に印加する印加電圧を制限するため、Ａ／Ｆセンサ２を保護できる。
【００７７】
＜本実施形態の概念的なまとめ＞
以上説明したように、本実施形態によれば、保護クランプ部１４２は、インピーダンス検出部２０により検出されるインピーダンスＺacに基づいて電流電圧変換部１４４ａにより変換された指令電圧値を制限して第１指令電圧制限値Ｖo_clamp1とし、電流電圧変換部１４４ｂは入力される定電流指令値を電流電圧変換し指令定電圧値Ｖsoとし、指令定電圧制限部１４３は、保護クランプ部１４２により制限された第１指令電圧制限値Ｖo_clamp1を電流電圧変換部１４４ｂの指令定電圧値Ｖsoにより制限して第２指令電圧制限値Ｖo_clamp2としている。これにより、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
なお第１実施形態の構成によれば、第２実施形態の構成に比較して電流電圧変換部の構成個数を低減できるため実装面積、及び演算負荷を削減できる。
【００７８】
（第３実施形態）
図１７及び図１８は第３実施形態の追加説明図を示している。前述実施形態と同一機能を備える部分には同一符号を付して同一部分については必要に応じて説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。第１実施形態では、保護クランプ部４２及び４３を縦続接続し、これらの２つのクランプ機能により保護できるようにした形態を示したが、保護クランプ部４３の機能の有効／無効を切換可能に構成しても良い。
【００７９】
図１７はこの構成例を示している。保護クランプ部４２及び４３は縦続接続するように構成され、保護クランプ部４３と電流電圧変換部４４との間に第１切換部７１を別途設けている。この第１切換部７１は、全体制御部１６による有効無効切換制御信号（フラグ）に応じて、保護クランプ部４２の出力と、保護クランプ部４３の出力とを選択可能に構成されている。すなわち、保護クランプ部４３の機能の有効／無効を切換えできる。
切換部７１が保護クランプ部４２の出力を切換選択したとき、電流電圧変換部４４は保護クランプ部４２により出力される第１指令電流制限値Ｉp_clamp1を電流電圧変換処理して後段のＤＡＣコード変換部４５に出力する。この場合、入力されるポンプ指令定電流値の指令を無効化できる。
【００８０】
その他、図１８に示すように、ＰＩＤ演算部４１の出力と、保護クランプ部４２の出力と、保護クランプ部４３との出力と、を入力し電流電圧変換部４４に選択切換出力する切換部（第２切換部相当）７２を設けた構成を適用しても良い。この切換部７２は、全体制御部１６の有効無効切換制御信号に応じて、ＰＩＤ演算部４１の出力と、保護クランプ部４２の出力と、保護クランプ部４３との出力と、を択一的に選択することで、保護クランプ部４３又は保護クランプ部４２及び４３の双方の機能を無効化することができる。これにより、ＰＩＤ演算部４１の出力を直接電流電圧変換部４４に選択切換出力可能にでき、この場合、インピーダンスＺacに応じた制限を無効化できると共に、入力されるポンプ指令定電流値の指令も無効化できる。
【００８１】
（第４実施形態）
図１９は第４実施形態の追加説明図を示している。前述実施形態と同一機能を備える部分には同一符号を付して同一部分については必要に応じて説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
第１実施形態では、保護クランプ部４２が、指令電流値Ip_pidを上限値Ｉｐ_pclamp及び下限値Ｉp_mclampにより制限して第１指令電流制限値Ｉp_clamp1とした後、保護クランプ部４３が、第１指令電流制限値Ｉp_clamp1をポンプ指令定電流値（上限値Ｉsp_pclamp1及び下限値Ｉsp_mclamp1）より制限して指令電流制限値Ｉp_clamp2を出力する形態を示しているが、この順序は逆でも良い。
【００８２】
図１９はこの構成例を示している。保護クランプ部４３及び４２がこの順序で縦続接続されている。このように構成することで、保護クランプ部４３が、指令電流値Ｉp_pidをポンプ指令定電流値（上限値Ｉsp_pclamp1及び下限値Ｉsp_mclamp1）により制限して第２指令電流制限値Ｉp_clamp2として出力した後、保護クランプ部４２が、この第２指令電流制限値Ｉp_clamp2を上限値Ｉｐ_pclamp及び下限値Ｉp_mclampにより制限し電流電圧変換部４４に出力する。この保護方法においても第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００８３】
また図１９に示したように、保護クランプ部４２と電流電圧変換部４４との間に切換部（第２切換部相当）７３を別途設けても良い。この切換部７３は、全体制御部１６による有効無効切換制御信号に応じて、保護クランプ部４２の出力と、保護クランプ部４３の出力とを切換可能に構成されている。すなわち切換部７３が保護クランプ部４２の機能を無効に切換えできる。
切換部７３が、保護クランプ部４３の出力を選択したとき、電流電圧変換部４４は保護クランプ部４３により出力される第２指令電流制限値Ｉp_clamp2を電流電圧変換処理して後段のＤＡＣコード変換部４５に出力する。この場合、インピーダンス検出部２０に応じた電流制限処理を無効化できる。
【００８４】
（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変換器２３や、Ｄ／Ａ変換部２５，２６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。オペアンプ２１が比較する対象の基準電圧を０．５×ＶＤＤとした形態を示したが、適宜変更しても良い。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。
デジタル回路部１４の内部に機能的にブロック構成した例を示したが、これに限定されるものではなく、これらの各部又はその要素を別体に設けても良い。
【００８５】
ガスセンサとしては、空燃比（Ａ／Ｆ）センサ２の他、センサセル及びモニタセルを備えた窒素酸化物（Ｎｏｘ）センサに適用しても良い。また、前述実施形態では、ポンプセル３及びネルンストセル４を備えた２セルタイプのセンサ２を適用した形態を示したが、２セルタイプに限定されるものではなく、内燃機関の排出ガスが導入される測定室の外に酸素を排出するためのポンプセル、酸素が排出された排出ガスの残留酸素濃度及び排出ガス中の特定のガス（例えばＮＯｘ）の濃度を検出するためのセンサセル、酸素が排出された排出ガスの残留酸素濃度を検出するためのモニタセル、などの３セル以上備えたガスセンサに適用しても良い。
【００８６】
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、本発明の一つの態様として前述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００８７】
前述した複数の実施形態の構成、機能を組み合わせても良い。前述実施形態の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略した態様も実施形態と見做すことが可能である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も実施形態と見做すことが可能である。
【００８８】
本開示は、前述した実施形態に準拠して記述したが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範畴や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００８９】
図面中、１はＡ／Ｆセンサ制御装置（ガスセンサの制御装置）、２はＡ／Ｆセンサ（ガスセンサ）、３はポンプセル（第１セル）、４はネルンストセル（第２セル）、１７はポンプ電流制御部（通電制御部）、２０はインピーダンス検出部、２１はオペアンプ（第１のオペアンプ）、２２はオペアンプ（第２のオペアンプ）、２５はＤ／Ａ変換部、３１は電流検出抵抗、４１はＰＩＤ演算部（演算部）、４２は保護クランプ部（第１セル電流制限部）、４３は保護クランプ部（第１セル電流制限部、第２電流値制限部）、４４は電流電圧変換部、５２は比較部（第１電流値制限部）、７１〜７３は切換部（７１は第１切換部，７２，７３は第２切換部）、１４２は保護クランプ部（セル印加電圧制限部）、１４３は保護クランプ部（セル印加電圧制限部，指令定電圧制限部）、１４４ａは電流電圧変換部（指令電流電圧変換部）、１４４ｂは電流電圧変換部（定電流電圧変換部）、ＶIpはポンプセルの印加電圧、ＺIpはポンプセルのインピーダンス、Ｚacはネルンストセルのインピーダンス、＋Ｖclampはポンプセルの印加電圧の制限電圧範囲の上限値、−Ｖclampはポンプセルの印加電圧の制限電圧範囲の下限値、を示す。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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