(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関に入れられる空気／燃料比を、排気ガスの組成に基づいて、より特定的には排気ガス中の残留酸素の分圧に基づいて定めることにある。【解決手段】基準酸素圧力とセンサの体積内の酸素圧力との比を表わす代表電圧を伝える能力を有し、かつ体積内の前記酸素圧力を制御するポンピング電流がその中を通過することが可能である電極１２、１４を備えたセンサと、入力に前記代表電圧を受けポンピング電流を伝えるのに適したデジタルコントロール２６を含む監視および制御手段とを含む。監視および制御手段は、中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形であるポンピング電流を伝え、入力電圧を定められた値にサーボ制御する態様でデジタルコントローラによって支配される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体の酸素含有量を測定するための装置であって、基準酸素圧力とセンサの体積内の酸素圧力との比を表わす代表電圧を伝える能力を有し、ポンピング電流を通過させて体積内の前記酸素圧力を制御することを可能にする電極を備えたセンサと、入力に前記代表電圧を受け、ポンピング電流を伝えるのに適したデジタルコントローラを含む監視および制御手段とを含み、 監視および制御手段が中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形であるポンピング電流を伝え、前記入力電圧を定められた値にサーボ制御する態様でデジタルコントローラに支配されることを特徴とする、装置。
【請求項２】
前記監視および制御手段が、時変調される制御電圧を伝えるデジタルコントローラとセンサの入力との間に、ローパスフィルタおよび電流発生器を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
デジタルコントローラはその出力において、監視および制御手段を支配する信号を伝え、この信号がパルス幅変調された電圧からなることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
監視および制御手段は、前記代表電圧がデジタルコントローラに印加される前に、導関数成分を導入する回路を含むことを特徴とする、請求項１、２または３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
監視および制御手段は、デジタルコントローラに与える前に、前記代表電圧の比例成分に利得を導入し、存在する場合には導関数成分にも利得を導入する回路を含むことを特徴とする、請求項１、２、３および４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
センサは基準圧力が存在するゾーンから体積を分離する単一のセルを含むことと、代表電圧がセルの両側の２つの電極から取られることと、ポンピング電流が同一のセルに印加されることとを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
センサの体積は、多孔中間シートと、酸素分圧が測定される、気体で占められたゾーンから体積を分離する第１のまたは「ポンピング」セルと、基準圧力と接触する第２のまたは「高感度」セルとにより規定されており、代表電圧は第２のセルの両側の電極から取られ、ポンピング電流は第１のセルの両側の２つの電極を通過することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
監視および制御手段は、高感度の第２のセルの電圧を一定の値にサーボ制御することから、ポンピングセルの電圧をセンサを保護するために予め定められた頂上値に制限することへ切換えるための手段を含むことを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
コントローラは、ポンピング電流を制御してポンピングセルにわたる電圧（Ｖp）をセンサを保護することと両立できる最大値に制限し、電圧（Ｖp）が頂上より下に留まっていることを確認しつつ第２のセルにわたる電圧（Ｖs）に対してポンピング電流サーボ制御シーケンスを繰返し、頂上がＶsのサーボ制御支配により超過されている限りにおいてポンピング電流がＶpの頂上と両立できるような態様でポンピング電流を支配することに戻ることによって、動作を初期化するよう設計されていることを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
前記監視および制御手段は、ポンピング電流に一時的なインクリメントを周期的に与え、かつ前記セルの電圧における対応する変化を測定するための手段を有する、ポンピングセルの抵抗を評価するための手段を含むことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
コントローラはまた機関制御機能を行なうことを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は気体媒体の酸素含有量を測定するための装置であって、多孔壁を介して気体媒体と連通するセンサの体積内の酸素圧力と基準酸素圧力との比を表わす代表電圧を伝える能力を有するセンサと、ポンピング電流を伝えさせて酸素を前記体積から移動させ、または酸素を前記体積内に移動させることができるようにする監視および制御手段とを含むタイプの装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの数多くの装置は既に公知であり、たとえばＥＰ−Ａ−０５０７１４９およびＵＳ−Ａ−４９３２２３８などに記載されるものがある。センサは、酸素イオンが移動できるタイプの固体電解質プレートにより構成される少なくとも１つの高感度要素を有し、そのプレートは２つの多孔電極の間に置かれる。
【０００３】
このようなセンサは数多くの実施例の対象となり得る。図１は２つのセルを有すると考えられるセンサの図である。「ポンピング」セル１０pと称される第１のセルは２つの電極１２および１４の間に挟まれる。ポンピングセル１０pは、「高感度」セルと称される第２のセル１０sに多孔中間シートを介して固定され、これによって体積１８を規定する。気体媒体中の酸素は酸素分圧を平衡にしようとして体積１８に浸透する傾向がある。ポンピングセルを介しての電流Ｉpの通過により、体積に含まれる酸素が移動させられる傾向があり、これにより、その中の分圧を定められた値に維持する。最終プレート２０を高感度要素１０sに接触するよう配置してもよく、同じ材料で作ることにより一定した基準圧力を伝えるようにしてもよく、その有用性は以下に見られる。
【０００４】
高感度要素１０sの両側の電極の間には、体積１８内の酸素分圧と、セル１０sと接触しているプレート２０内の酸素分圧との比を表わす測定電圧Ｖsが現われる。適当な固体の電極、特にドープされた酸化ジルコニウムまたはジルコニアで作られた電極は、電圧Ｖsが体積１８内の酸素分圧と実質的に対数的な態様で変動するような特性を有する。従来、電流ＩpはＶpを一定の値に維持するように制御され、この場合Ｉpは気体媒体における酸素分圧を表わしている。加熱抵抗器２１はセルの温度を適当な温度に上昇させる役割を果たす。
【０００５】
単一のセルの実施例として説明できる図２に示される別の実施例では、体積１８は多孔中間シート１６およびセル１０pのみによって規定される。そのとき、基準酸素分圧は大気のそれであり、これはセル１０pと接触している。このような状況では、異なった酸素分圧に対するＶpの関数としてのＩpの変動は図３に示される一般的な外観を有する。常に特性の直線の部分に留まることが望ましいため、Ｖpがサーボ制御されて達する値はある程度、気体中の酸素の分圧およびセルのインピーダンスに依存していなければならない。
【特許文献１】欧州特許公開第０５０７１４９号
【特許文献２】米国特許第４，９３２，２３８号明細書
【発明の開示】
【０００６】
この発明の主な応用は、内燃機関に入れられる空気／燃料比を、排気ガスの組成に基づいて、より特定的には排気ガス中の残留酸素の分圧に基づいて定めることにある。
【０００７】
これまで、特に図１に示される種類のセンサが使用されてきた。多くの場合、監視および制御手段はＶsを一定の値にサーボ制御するためのアナログループにより構成され、これは電流Ｉpの値から酸素分圧と混合物の瞬時濃さとを導き出すマイクロコントローラに関連付けられている。この解決策には欠点がある。濃さが測定される精度はＩpが測定される際の精度によって制限される。配線による形態での実施例では調整および整合の必要性が低減する。
【０００８】
この発明は特に、低コストでかつ濃さを正確に測定できるような、以前の公知の装置よりもよりよく実用的な要件を満たす装置を提供することを目的とする。
【０００９】
このため、この発明は特に、その監視および制御手段が、入力において前記電圧を受け、かつポンピング電流を中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形でセンサに伝えるデジタルコントローラを有し、前記電圧を定められた値にサーボ制御するような態様でこのデジタルコントローラに支配される、上に規定したタイプの装置を提供する。アーキテクチャは、マイクロコントローラが電流Ｉpに作用するための手段を有し、それによってサーボ制御を調整する上でのより大きな柔軟性と、センサの良好な保護と、作用させる上でのより精密な管理と、劣化したモードの精密な管理とをもたらすようなものであってもよい。
【００１０】
有利な解決策は、（たとえばパルス幅変調により）時変調される制御電圧を伝えるデジタルコントローラを設けることと、センサの入力において電流発生器およびローパスフィルタを設けることとからなる。そのような変調はデジタルコントローラによって容易に実行される。フィルタがあれば、センサの寿命を縮めることになるセンサへの中断されたパルスの印加の必要がなくなる。
【００１１】
センサは積分機能を有する。デジタルコントローラに与える前に、比を表わす前記電圧に導関数成分を導入する処理を行なうことによってこれを補償するとよい。このことにより、信号対雑音比が増加し、コントローラの応答時間を減少することができる。一般に、デジタルコントローラに与える前に、比例成分、および存在する場合には導関数成分、を増幅するための増幅器回路が設けられる。
【００１２】
この発明は、気体媒体と連通する体積を基準圧力が存在するゾーンから分離する単一のセルをセンサが有し、代表電圧がセルの両側の２つの電極から取られ、ポンピング電流が同じセルに印加される装置に適用可能である。これにもかかわらず、この発明はセンサが２つのセルを有する装置により一般的に適用される。
【００１３】
このようなセンサの体積は、多孔中間シートと、その酸素分圧が測定される気体で占められるゾーンからその体積を分離する第１のセルまたは「ポンピング」セルと、基準圧力と接触している第２のセルまたは「高感度」セルとにより規定され、その代表電圧は第２のセルの両側の電極から得られる。ポンピング電流は、ポンピングセルの両側の２つの電極を通過する。
【００１４】
一般的に、装置の主な利点は、デジタルコントローラが通常のサーボ制御モードにおいても過渡段階（起動時、プローブの保護時、診断時…）においてもポンピング電流Ｉpを完全に制御しており、これが現在のアーキテクチャにおいてそうであるように外部手段により発生する電流を読み戻すのではなく、むしろ、その電流を発生する役割を果たしているという事実に由来していると考えられる。
【００１５】
また、装置は、第１に、センサ電圧Ｖsに基づいて増幅された信号を伝えるアナログ部分を利用し、その信号は幸運にも導関数成分の準備の下流に位置付けられるアナログ−デジタル変換によって劣化することのない精度の導関数成分を有しており、デジタルコントローラにおいて時変調によって電流Ｉpを発生することを可能にし、この変調は、ローパスフィルタとフィルタ処理されたコマンドにより支配される電流コントローラとに関連して、デジタルコントローラの制御の下で中断することなく連続的かつ累進的に可変であるポンピング電流Ｉpを伝える。
【００１６】
そこで、前記電流Ｉpは、統合されるデジタル−アナログコンバータを必要としない形態で生成されるが、このようなコンバータをデジタルコントローラが有していれば、これは解決策となり得る。
【００１７】
装置の動作において、もし通常の動作モードが維持されるとセンサが損傷するリスクを負うことになる段階が存在する。たとえば、２つのセルを有する装置の通常の動作条件は、第２のセルにおいて測定される電圧Ｖsを基準値に維持し、かつポンピング電流Ｉpの値から酸素含有量を導き出すことからなる。この動作モードでは、プローブの温度が十分に高いことが必要であり、これは概括的に６５０℃から９００℃の範囲内である。センサの温度は加熱抵抗器によりこの温度まで上昇させられる。加熱の開始からある時間にわたって、装置はその温度が低すぎるため動作しない。それにもかかわらず、測定値を使用することができるようになった瞬間を表示するものとともに、精度が多少低くてもできるだけ早期に意義のある測定値を得ることが望ましい。
【００１８】
さらに、さまざまな動作条件のためポンピングセルにわたっての電圧Ｖpが高くなりすぎるため、通常の動作モードではセンサが劣化しやすくなる。
【００１９】
この発明の有利な実施例において、通常のモードが不適切となる条件の下で、装置は、劣化してはいるが使用することのできる測定値を得ることができる。
【００２０】
この目的のため、監視および制御手段は、高感度セルの電圧を一定の値でサーボ制御することと、ポンピングセルの電圧をセンサを保護するのに適した頂上値に制限することとの間で切換をするための手段を含んでいてもよい。
【００２１】
特に、コントローラは、ポンピング電流Ｉpを制御して、ポンピングセルにわたる電圧Ｖpをセルを保護することと両立できる最大値に制限することによって、また、以下のシーケンスを繰返すことにおいて動作を初期化するように設計されていてもよい。
【００２２】
ポンピング電流は、ポンピングセルにわたる電圧が頂上より下に留まっていることを確認しつつ、高感度セルに印加される電圧にサーボ制御され、ポンピング電流は再び、高感度セルに印加される電圧Ｖsのサーボ制御の間に頂上が超過されている限りにおいて、頂上と両立できるように支配される。
【００２３】
より一般的には、デジタルコントローラは双方のセルの端子にわたって測定される電圧を利用し、かつ以下のような付加的な機能を実行するようにポンピング電流Ｉpを考慮に入れるよう設計してもよい。すなわち、プローブが利用可能になるその瞬間を定めるための、プローブの温度の評価と、エージングの診断と、電圧Ｖsの代わりにポンピングセルの電圧Ｖpにサーボ制御が適用される劣化したモードでの動作とである。
【００２４】
劣化したモードでの動作の際には、Ｖpを固定した値にサーボ制御する必要はないが、他のパラメータ、または較正、診断または異常条件による劣化モードでの動作など、実行すべき機能を考慮に入れるように選択される値にＶpをサーボ制御する必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以上および他の特徴は、限定しない例として挙げられる特定の実施例の以下の説明からより明らかになるであろう。
【００２６】
その概括的な構造が図４に示されている装置は、図１にその構造が示されているセンサ２２を含む。このため、図１の要素に対応する要素には同じ参照番号が与えられている。
【００２７】
センサ２２に関連付けられる監視および制御手段は「ハードウェア」または配線による部分２４を有するものと考えることができ、デジタルコントローラ２６は「ソフトウェア」部分を構成すると考えることができる。
【００２８】
装置の通常の安定した動作において、監視および制御手段は、端子Ｖs−およびＶs＋の間に現われる高感度セル１０sの端子にわたっての電圧を受け、センサにポンピング電流を伝え、この電流は端子Ｉp＋およびＩp−の間を流れる。接地接続および電源は図を簡略化するために図４には示していない。
【００２９】
電圧Ｖsはハードウェア部分２４において、導関数成分を導入し利得Ｇで増幅するためにアナログ回路２８によって処理される。この態様で処理される信号はデジタルコントローラ２６に印加される。これはそこで、信号を入力３０上で受けるデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）によりデジタル化される。内燃機関を制御することに装置を応用する例において、一般的に８から１０ビットで動作するコンバータが十分である。コントローラはＶsのサーボ制御を一定の値で支配するための、３２で表わされるソフトウェアを含んでおり、この値は基準電圧Ｖrを発生する発生器３４により固定することができる。サーボ制御は、Ｖsの設定値がＩp（Ｖs）特性の直線部分のほぼ中間にあるように有利に選択される。
【００３０】
ソフトウェア３２は回路３６に供給される信号を伝えるよう設計されており、回路３６は一般的にパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて時変調される電圧信号を伝える。デジタル入力信号をこのように変調される信号に変換する役割を果たすこのようなデジタル構成要素およびプログラムは一般的に入手可能である。
【００３１】
可変デューティ比のパルス幅変調された信号はローパスフィルタ３８に印加され、それによってこれを中断されない信号に変換し、この信号は電流Ｉpを伝える直流発生器４０に印加される。センサが一般的に、濃さの関数としてのポンピング電流Ｉnの特性の感度においてばらつきを示すとして、電流発生器４０は、濃さの関数としてのＩpの特性を正規化するようにセンサに統合される補償抵抗器６２を考慮に入れて設計してもよい。また、機関制御システムに組込まれるよう設計される装置のような特殊なケースでは、１２ビットで符号化されるパルス幅変調が十分な分解能をもたらす。最下位ビットはたとえば、３μＡのオーダの電流Ｉpにおける変化に対応していてもよい。
【００３２】
上述のように、動作のある段階では、電圧Ｖsではなく電圧Ｖpをサーボ制御することが望ましいことがある。この動作モードを可能にするため、デジタルコントローラ２６は、アナログ入力４２が端子Ｉp＋から取られた電圧Ｖpを受けるアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含んでいてもよい。
【００３３】
センサを良好に動作させるには、セルが適当な温度、すなわちほぼ６５０℃から９００℃の範囲内にある温度、である必要がある。この温度はヒータ抵抗器２１において放散される熱を制御することによって維持される。この制御にはデジタルコントローラ２６を用いてのサーボ制御が含まれていてもよい。図４に概略的に示されるケースでは、抵抗器２１はアナログ電力制御および電流測定回路４４により電力が供給され、アナログ電力制御および電流測定回路４４はコントローラのアナログ−デジタルコンバータ４６のアナログ入力に接続されており、これは任意に、入力３０および入力４２に設けられるＡＤＣと同じ物であってもよい。コントローラのソフトウェア４８はサーボ制御機能と出力変調器５０を制御する機能とを行ない、出力変調器５０は回路４４を制御するパルス幅変調された信号を伝える。
【００３４】
温度サーボ制御がセルを定められた温度に維持するために動作する態様は以下のようであってもよい。
【００３５】
最初に、さまざまな酸素の濃度（機関に供給する際のさまざまな異なった程度の混合物の濃さに対応する）に対して、温度の関数としてのポンピングセルの抵抗における変動に関する法則がデジタルコントローラ２６のソフトウェア部分３２にロードされる。通常の動作において、排気ガス中に残留酸素が存在することとなる薄い混合物が望ましいことが知られている。
【００３６】
ソフトウェア３２はそこで、電流Ｉpに電流インクリメントΔＩpが周期的に与えられるようにするプログラムを含む。このインクリメントから出力Ｉp＋において測定される電圧Ｖpにおける変動ΔＶpが生じる。コントローラ２６は、入力ＡＤＣ４２の出力に現われる２つの連続するデジタル値の差を取ることによってこの変動ΔＶpを定めることができる。ポンピングセルの抵抗Ｒは比ΔＶp／ΔＩpにより与えられる。温度はそこから、ソフトウェア３２にデジタルの形態でストアされるルックアップテーブルを参照することにより導き出される。対応する情報を支配ソフトウェア４８に送り、これに応じてヒータ抵抗器２１を流れる電流を変更するようにしてもよい。
【００３７】
１つのセルしか有さないセンサでは、電圧Ｅpは、ＶpおよびＩpの既知の値に基づいて、たとえば約４５０ｍＶの値に調節される。そこで、以下の式から得られる単一のセルの抵抗Ｒの推定値が用いられる。
【００３８】
Ｒ＝ΔＶp／ΔＩp
図４の装置はまた、電圧Ｖpを制限することによって、劣化した動作を継続しながらもセンサを保護することが可能である。この目的のため、デジタルコントローラはＶpをストアされた最大値と比較する。この値は固定したものであってもよく、または外部パラメータの関数として変動してもよい。Ｖpがしきい値を超える傾向がある場合、サーボ制御モードは変更される。電流Ｉpは電圧Ｖpを最大の許可された値に維持するように制御される。これは概括的に、一定の間隔でポンピング電流を電圧Ｖpにサーボ制御するよう試みることに戻り、その後すぐに、Ｖpが許容可能な値を超えた場合にＶpをサーボ制御することに戻ることを意味する。
【００３９】
装置の動作は、少なくとも装置が機関制御システムに統合されている際には以下のように初期化できる（センサは冷たい）。このような状況では、起動は濃い混合物を用いて行なわれ、すなわち図６の断続線により示される温度の関数としてのインピーダンスの変動の法則を用いて行なわれる。デジタルコントローラ２６は、初めに電圧Ｖpのサーボ制御と抵抗Ｒの評価とによりプローブを高速で動作させるよう試みるように設計される。このような状況では、温度がたとえば５５０℃から６５０℃の範囲内にある第１の値に達したことを測定された抵抗Ｒが示すとすぐに、通常の動作で得られるものより精度は劣るが意義のある測定値を得て確認することができる。抵抗Ｒの定められた値に達した際に、Ｖpをサーボ制御するように試みるよう切換えることをプログラムすることができる。
【００４０】
ハードウェア部分とソフトウェア部分とで機能を分割するやり方は図５に示されるような態様であってもよく、図５において機能は図４の対応する構成要素と同じ参照番号で示されている。ソフトウェア部分とハードウェア部分とのインターフェイスは入力３０、入力４２およびアナログ−デジタルコンバータ４６の入力を含み、コンバータは１０ビット出力を有していてもよい。インターフェイスはまた、パルス幅変調器回路３６および５０を含む。変調器回路３６は５ｋＨｚの周波数で動作でき、１２ビット出力を有していてもよい。変調器回路５０は一般的に、たとえば約３０Ｈｚという非常に低い周波数で動作する。
【００４１】
加熱抵抗器は設定値６０により固定される定められた値にその抵抗を維持するように従来の態様で調節することができる。比例積分導関数型安定化回路５２を設けてもよい。
【００４２】
上述のとおり、コントローラは、センサの温度をテストしＶpの値をテストするためのプログラムを含んでおり、これは５６において、ＶsをＶsの設定値（入力２）に維持すること、またはＶpを設定値（入力１）に維持することに調節を向けるよう作用する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】２つのセルを有するセンサを示す図。
【図２】１つのセルを有するセンサを示す図。
【図３】周囲の大気中の酸素のさまざまな分圧に対する、ポンピングセルにわたる電圧の関数としてのポンピング電流変動を曲線により示しているグラフ。
【図４】この発明の装置のブロック図。
【図５】ある特定の実施例において機能がハードウェアとソフトウェアとでどのように分割されるかを示す図。
【図６】濃い混合物および比較的薄い混合物に対して、温度の関数としてポンピングセルの抵抗がどのように変動するかを示す図。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月23日(2008.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体の酸素含有量を測定するための装置であって、
基準酸素圧力とセンサの体積内の酸素圧力との比を表わす代表電圧を伝える能力を有し、ポンピング電流を通過させて体積内の前記酸素圧力を制御することを可能にする電極を備えたセンサと、
入力に前記代表電圧を受け、ポンピング電流を伝えるのに適したデジタルコントローラを含む監視および制御手段とを含み、
監視および制御手段が中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形であるポンピング電流を伝え、前記入力された代表電圧を定められた値にサーボ制御する態様でデジタルコントローラに支配され、
更に前記監視および制御手段が、時間変調された制御電圧を与える前記デジタルコントローラとセンサの入力との間に、ローパスフィルタおよび電流発生器を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
デジタルコントローラはその出力において、監視および制御手段を支配する信号を伝え、この信号がパルス幅変調された電圧からなることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
監視および制御手段は、前記代表電圧がデジタルコントローラに印加される前に、前記代表電圧に導関数成分を導入する回路を含むことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
監視および制御手段は、デジタルコントローラに与える前に、前記代表電圧の比例成分に増幅利得を与え、導関数成分が存在する場合には該成分にも増幅利得をあたえる回路を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
センサは基準圧力が存在する空間ゾーンを分離する単一のセルを含むことと、代表電圧がセルの両側の２つの電極から取られることと、ポンピング電流が同一のセルに印加されることとを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
センサの体積は、多孔中間シートと、酸素分圧が測定される、気体で占められた空間ゾーンを分離する第１のセル即ちポンピングセルと、基準圧力と接触する第２のセル即ち感応セルとにより規定されており、代表電圧は前記第２のセルの両側の電極から取られ、ポンピング電流は前記第１のセルの両側の２つの電極を通過することを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
監視および制御手段は、センサを保護するために、前記感応セルの電圧を一定の値にサーボ制御する態様から、前記ポンピングセルの電圧を予め定められた最大値に制限する態様へ切換えるための手段を含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
コントローラは、ポンピング電流を制御してポンピングセルにわたる電圧（Ｖp）をセンサを保護することと両立できる最大値に制限し、電圧（Ｖp）が前記最大値より下に留まっていることを確認しつつ第２のセルにわたる電圧（Ｖs）に対してポンピング電流サーボ制御シーケンスを繰返し、前記最大値がサーボ制御電圧Ｖsにより超過されている間は、ポンピング電流の最大値Ｖpと両立できるように、ポンピング電流を制御することに戻ることによって、動作を初期化するよう設計されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記監視および制御手段は、ポンピング電流に一時的な増分を周期的に与え、かつ前記セルの電圧における対応する変化を測定するための手段を有する、ポンピングセルの抵抗を評価するための手段を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
コントローラは機関の制御をも行なうことを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は気体媒体の酸素含有量を測定するための装置であって、基準酸素圧力と多孔壁を介して気体媒体と連通するセンサの体積内の酸素圧力との比を表わす電圧（以下、「代表電圧」と呼ぶ）を伝える能力を有するセンサと、ポンピング電流を伝えさせて酸素を前記体積から移動させ、または酸素を前記体積内に移動させることができるようにする監視および制御手段とを含むタイプの装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このタイプの数多くの装置は既に公知であり、たとえばＥＰ−Ａ−０５０７１４９およびＵＳ−Ａ−４９３２２３８などに記載されるものがある。センサは、酸素イオンが移動できるタイプの固体電解質プレートにより構成される少なくとも１つの感応要素を有し、そのプレートは２つの多孔電極の間に置かれる。
【０００３】
このようなセンサは数多くの実施例の対象となり得る。図１は２つのセルを有すると考えられるセンサの図である。「ポンピング」セル１０pと称される第１のセルは２つの電極１２および１４の間に挟まれる。ポンピングセル１０pは、感応セルと称される第２のセル１０sに多孔中間シートを介して固定され、これによって体積１８を規定する。気体媒体中の酸素は酸素分圧を平衡にしようとして体積１８に浸透する傾向がある。ポンピングセルを介しての電流Ｉpの通過により、体積に含まれる酸素が移動させられる傾向があり、これにより、その中の分圧を定められた値に維持する。最終プレート２０を感応要素１０sに接触するよう配置してもよく、同じ材料で作ることにより一定した基準圧力を伝えるようにしてもよく、その有用性は以下に見られる。
【０００４】
感応要素１０sの両側の電極の間には、体積１８内の酸素分圧と、セル１０sと接触しているプレート２０内の酸素分圧との比を表わす測定電圧Ｖsが現われる。適当な固体の電極、特にドープされた酸化ジルコニウムまたはジルコニアで作られた電極は、電圧Ｖsが体積１８内の酸素分圧と実質的に対数的な態様で変動するような特性を有する。従来、電流ＩpはＶpを一定の値に維持するように制御され、この場合Ｉpは気体媒体における酸素分圧を表わしている。加熱抵抗器２１はセルの温度を適当な温度に上昇させる役割を果たす。
【０００５】
単一のセルの実施例として説明できる図２に示される別の実施例では、体積１８は多孔中間シート１６およびセル１０pのみによって規定される。そのとき、基準酸素分圧は大気のそれであり、これはセル１０pと接触している。このような状況では、異なった酸素分圧に対するＶpの関数としてのＩpの変動は図３に示される一般的な外観を有する。常に特性の直線の部分に留まることが望ましいため、Ｖpがサーボ制御されて達する値はある程度、気体中の酸素の分圧およびセルのインピーダンスに依存していなければならない。
【特許文献１】欧州特許公開第０５０７１４９号
【特許文献２】米国特許第４，９３２，２３８号明細書
【発明の開示】
【０００６】
この発明の主な応用は、内燃機関に入れられる空気／燃料比を、排気ガスの組成に基づいて、より特定的には排気ガス中の残留酸素の分圧に基づいて定めることにある。
【０００７】
これまで、特に図１に示される種類のセンサが使用されてきた。多くの場合、監視および制御手段はＶsを一定の値にサーボ制御するためのアナログループにより構成され、これは電流Ｉpの値から酸素分圧と混合物の瞬時濃さとを導き出すマイクロコントローラに関連付けられている。この解決策には欠点がある。濃さが測定される精度はＩpが測定される際の精度によって制限される。配線による形態での実施例では調整および整合の必要性が低減する。
【０００８】
この発明は特に、低コストでかつ濃さを正確に測定できるような、以前の公知の装置よりもよりよく実用的な要件を満たす装置を提供することを目的とする。
【０００９】
このため、この発明は特に、その監視および制御手段が、入力において前記電圧を受け、かつポンピング電流を中断することなく連続的かつ累進的に変動する電流の形でセンサに伝えるデジタルコントローラを有し、前記電圧を定められた値にサーボ制御するような態様でこのデジタルコントローラに支配される、上に規定したタイプの装置を提供する。アーキテクチャは、マイクロコントローラが電流Ｉpに作用するための手段を有し、それによってサーボ制御を調整する上でのより大きな柔軟性と、センサの良好な保護と、作用させる上でのより精密な管理と、劣化したモードの精密な管理とをもたらすようなものであってもよい。
【００１０】
有利な解決策は、（たとえばパルス幅変調により）時変調される制御電圧を伝えるデジタルコントローラを設けることと、センサの入力において電流発生器およびローパスフィルタを設けることとからなる。そのような変調はデジタルコントローラによって容易に実行される。フィルタがあれば、センサの寿命を縮めることになるセンサへの中断されたパルスの印加の必要がなくなる。
【００１１】
センサは積分機能を有する。デジタルコントローラに与える前に、比を表わす前記電圧に導関数成分を導入する処理を行なうことによってこれを補償するとよい。このことにより、信号対雑音比が増加し、コントローラの応答時間を減少することができる。一般に、デジタルコントローラに与える前に、比例成分、および存在する場合には導関数成分、を増幅するための増幅器回路が設けられる。
【００１２】
この発明は、気体媒体と連通する体積を基準圧力が存在するゾーンから分離する単一のセルをセンサが有し、代表電圧がセルの両側の２つの電極から取られ、ポンピング電流が同じセルに印加される装置に適用可能である。これにもかかわらず、この発明はセンサが２つのセルを有する装置により一般的に適用される。
【００１３】
このようなセンサの体積は、多孔中間シートと、その酸素分圧が測定される気体で占められるゾーンからその体積を分離する第１のセルまたは「ポンピング」セルと、基準圧力と接触している第２のセルまたは「感応」セルとにより規定され、その代表電圧は第２のセルの両側の電極から得られる。ポンピング電流は、ポンピングセルの両側の２つの電極を通過する。
【００１４】
一般的に、装置の主な利点は、デジタルコントローラが通常のサーボ制御モードにおいても過渡段階（起動時、プローブの保護時、診断時…）においてもポンピング電流Ｉpを完全に制御しており、これが現在のアーキテクチャにおいてそうであるように外部手段により発生する電流を読み戻すのではなく、むしろ、その電流を発生する役割を果たしているという事実に由来していると考えられる。
【００１５】
また、装置は、第１に、センサ電圧Ｖsに基づいて増幅された信号を伝えるアナログ部分を利用し、その信号は幸運にも導関数成分の準備の下流に位置付けられるアナログ−デジタル変換によって劣化することのない精度の導関数成分を有しており、デジタルコントローラにおいて時変調によって電流Ｉpを発生することを可能にし、この変調は、ローパスフィルタとフィルタ処理されたコマンドにより支配される電流コントローラとに関連して、デジタルコントローラの制御の下で中断することなく連続的かつ累進的に可変であるポンピング電流Ｉpを伝える。
【００１６】
そこで、前記電流Ｉpは、統合されるデジタル−アナログコンバータを必要としない形態で生成されるが、このようなコンバータをデジタルコントローラが有していれば、これは解決策となり得る。
【００１７】
装置の動作において、もし通常の動作モードが維持されるとセンサが損傷するリスクを負うことになる段階が存在する。たとえば、２つのセルを有する装置の通常の動作条件は、第２のセルにおいて測定される電圧Ｖsを基準値に維持し、かつポンピング電流Ｉpの値から酸素含有量を導き出すことからなる。この動作モードでは、プローブの温度が十分に高いことが必要であり、これは概括的に６５０℃から９００℃の範囲内である。センサの温度は加熱抵抗器によりこの温度まで上昇させられる。加熱の開始からある時間にわたって、装置はその温度が低すぎるため動作しない。それにもかかわらず、測定値を使用することができるようになった瞬間を表示するものとともに、精度が多少低くてもできるだけ早期に意義のある測定値を得ることが望ましい。
【００１８】
さらに、さまざまな動作条件のためポンピングセルにわたっての電圧Ｖpが高くなりすぎるため、通常の動作モードではセンサが劣化しやすくなる。
【００１９】
この発明の有利な実施例において、通常のモードが不適切となる条件の下で、装置は、劣化してはいるが使用することのできる測定値を得ることができる。
【００２０】
この目的のため、監視および制御手段は、感応セルの電圧を一定の値でサーボ制御することと、ポンピングセルの電圧をセンサを保護するのに適した頂上値に制限することとの間で切換をするための手段を含んでいてもよい。
【００２１】
特に、コントローラは、ポンピング電流Ｉpを制御して、ポンピングセルにわたる電圧Ｖpをセルを保護することと両立できる最大値に制限することによって、また、以下のシーケンスを繰返すことにおいて動作を初期化するように設計されていてもよい。
【００２２】
ポンピング電流は、ポンピングセルにわたる電圧が頂上より下に留まっていることを確認しつつ、感応セルに印加される電圧にサーボ制御され、ポンピング電流は再び、感応セルに印加される電圧Ｖsのサーボ制御の間に頂上が超過されている限りにおいて、頂上と両立できるように支配される。
【００２３】
より一般的には、デジタルコントローラは双方のセルの端子にわたって測定される電圧を利用し、かつ以下のような付加的な機能を実行するようにポンピング電流Ｉpを考慮に入れるよう設計してもよい。すなわち、プローブが利用可能になるその瞬間を定めるための、プローブの温度の評価と、エージングの診断と、電圧Ｖsの代わりにポンピングセルの電圧Ｖpにサーボ制御が適用される劣化したモードでの動作とである。
【００２４】
劣化したモードでの動作の際には、Ｖpを固定した値にサーボ制御する必要はないが、他のパラメータ、または較正、診断または異常条件による劣化モードでの動作など、実行すべき機能を考慮に入れるように選択される値にＶpをサーボ制御する必要がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以上および他の特徴は、限定しない例として挙げられる特定の実施例の以下の説明からより明らかになるであろう。
【００２６】
その概括的な構造が図４に示されている装置は、図１にその構造が示されているセンサ２２を含む。このため、図１の要素に対応する要素には同じ参照番号が与えられている。
【００２７】
センサ２２に関連付けられる監視および制御手段は「ハードウェア」または配線による部分２４を有するものと考えることができ、デジタルコントローラ２６は「ソフトウェア」部分を構成すると考えることができる。
【００２８】
装置の通常の安定した動作において、監視および制御手段は、端子Ｖs−およびＶs＋の間に現われる感応セル１０sの端子にわたっての電圧を受け、センサにポンピング電流を伝え、この電流は端子Ｉp＋およびＩp−の間を流れる。接地接続および電源は図を簡略化するために図４には示していない。
【００２９】
電圧Ｖsはハードウェア部分２４において、導関数成分を導入し利得Ｇで増幅するためにアナログ回路２８によって処理される。この態様で処理される信号はデジタルコントローラ２６に印加される。これはそこで、信号を入力３０上で受けるデジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）によりデジタル化される。内燃機関を制御することに装置を応用する例において、一般的に８から１０ビットで動作するコンバータが十分である。コントローラはＶsのサーボ制御を一定の値で支配するための、３２で表わされるソフトウェアを含んでおり、この値は基準電圧Ｖrを発生する発生器３４により固定することができる。サーボ制御は、Ｖsの設定値がＩp（Ｖs）特性の直線部分のほぼ中間にあるように有利に選択される。
【００３０】
ソフトウェア３２は回路３６に供給される信号を伝えるよう設計されており、回路３６は一般的にパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて時変調される電圧信号を伝える。デジタル入力信号をこのように変調される信号に変換する役割を果たすこのようなデジタル構成要素およびプログラムは一般的に入手可能である。
【００３１】
可変デューティ比のパルス幅変調された信号はローパスフィルタ３８に印加され、それによってこれを中断されない信号に変換し、この信号は電流Ｉpを伝える直流発生器４０に印加される。センサが一般的に、濃さの関数としてのポンピング電流Ｉnの特性の感度においてばらつきを示すとして、電流発生器４０は、濃さの関数としてのＩpの特性を正規化するようにセンサに統合される補償抵抗器６２を考慮に入れて設計してもよい。また、機関制御システムに組込まれるよう設計される装置のような特殊なケースでは、１２ビットで符号化されるパルス幅変調が十分な分解能をもたらす。最下位ビットはたとえば、３μＡのオーダの電流Ｉpにおける変化に対応していてもよい。
【００３２】
上述のように、動作のある段階では、電圧Ｖsではなく電圧Ｖpをサーボ制御することが望ましいことがある。この動作モードを可能にするため、デジタルコントローラ２６は、アナログ入力４２が端子Ｉp＋から取られた電圧Ｖpを受けるアナログ−デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を含んでいてもよい。
【００３３】
センサを良好に動作させるには、セルが適当な温度、すなわちほぼ６５０℃から９００℃の範囲内にある温度、である必要がある。この温度はヒータ抵抗器２１において放散される熱を制御することによって維持される。この制御にはデジタルコントローラ２６を用いてのサーボ制御が含まれていてもよい。図４に概略的に示されるケースでは、抵抗器２１はアナログ電力制御および電流測定回路４４により電力が供給され、アナログ電力制御および電流測定回路４４はコントローラのアナログ−デジタルコンバータ４６のアナログ入力に接続されており、これは任意に、入力３０および入力４２に設けられるＡＤＣと同じ物であってもよい。コントローラのソフトウェア４８はサーボ制御機能と出力変調器５０を制御する機能とを行ない、出力変調器５０は回路４４を制御するパルス幅変調された信号を伝える。
【００３４】
温度サーボ制御がセルを定められた温度に維持するために動作する態様は以下のようであってもよい。
【００３５】
最初に、さまざまな酸素の濃度（機関に供給する際のさまざまな異なった程度の混合物の濃さに対応する）に対して、温度の関数としてのポンピングセルの抵抗における変動に関する法則がデジタルコントローラ２６のソフトウェア部分３２にロードされる。通常の動作において、排気ガス中に残留酸素が存在することとなる薄い混合物が望ましいことが知られている。
【００３６】
ソフトウェア３２はそこで、電流Ｉpに電流増分ΔＩpが周期的に与えられるようにするプログラムを含む。この増分から出力Ｉp＋において測定される電圧Ｖpにおける変動ΔＶpが生じる。コントローラ２６は、入力ＡＤＣ４２の出力に現われる２つの連続するデジタル値の差を取ることによってこの変動ΔＶpを定めることができる。ポンピングセルの抵抗Ｒは比ΔＶp／ΔＩpにより与えられる。温度はそこから、ソフトウェア３２にデジタルの形態でストアされるルックアップテーブルを参照することにより導き出される。対応する情報を支配ソフトウェア４８に送り、これに応じてヒータ抵抗器２１を流れる電流を変更するようにしてもよい。
【００３７】
１つのセルしか有さないセンサでは、電圧Ｅpは、ＶpおよびＩpの既知の値に基づいて、たとえば約４５０ｍＶの値に調節される。そこで、以下の式から得られる単一のセルの抵抗Ｒの推定値が用いられる。
【００３８】
Ｒ＝ΔＶp／ΔＩp
図４の装置はまた、電圧Ｖpを制限することによって、劣化した動作を継続しながらもセンサを保護することが可能である。この目的のため、デジタルコントローラはＶpをストアされた最大値と比較する。この値は固定したものであってもよく、または外部パラメータの関数として変動してもよい。Ｖpがしきい値を超える傾向がある場合、サーボ制御モードは変更される。電流Ｉpは電圧Ｖpを最大の許可された値に維持するように制御される。これは概括的に、一定の間隔でポンピング電流を電圧Ｖpにサーボ制御するよう試みることに戻り、その後すぐに、Ｖpが許容可能な値を超えた場合にＶpをサーボ制御することに戻ることを意味する。
【００３９】
装置の動作は、少なくとも装置が機関制御システムに統合されている際には以下のように初期化できる（センサは冷たい）。このような状況では、起動は濃い混合物を用いて行なわれ、すなわち図６の断続線により示される温度の関数としてのインピーダンスの変動の法則を用いて行なわれる。デジタルコントローラ２６は、初めに電圧Ｖpのサーボ制御と抵抗Ｒの評価とによりプローブを高速で動作させるよう試みるように設計される。このような状況では、温度がたとえば５５０℃から６５０℃の範囲内にある第１の値に達したことを測定された抵抗Ｒが示すとすぐに、通常の動作で得られるものより精度は劣るが意義のある測定値を得て確認することができる。抵抗Ｒの定められた値に達した際に、Ｖpをサーボ制御するように試みるよう切換えることをプログラムすることができる。
【００４０】
ハードウェア部分とソフトウェア部分とで機能を分割するやり方は図５に示されるような態様であってもよく、図５において機能は図４の対応する構成要素と同じ参照番号で示されている。ソフトウェア部分とハードウェア部分とのインターフェイスは入力３０、入力４２およびアナログ−デジタルコンバータ４６の入力を含み、コンバータは１０ビット出力を有していてもよい。インターフェイスはまた、パルス幅変調器回路３６および５０を含む。変調器回路３６は５ｋＨｚの周波数で動作でき、１２ビット出力を有していてもよい。変調器回路５０は一般的に、たとえば約３０Ｈｚという非常に低い周波数で動作する。
【００４１】
加熱抵抗器は設定値６０により固定される定められた値にその抵抗を維持するように従来の態様で調節することができる。比例積分導関数型安定化回路５２を設けてもよい。
【００４２】
上述のとおり、コントローラは、センサの温度をテストしＶpの値をテストするためのプログラムを含んでおり、これは５６において、ＶsをＶsの設定値（入力２）に維持すること、またはＶpを設定値（入力１）に維持することに調節を向けるよう作用する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】２つのセルを有するセンサを示す図。
【図２】１つのセルを有するセンサを示す図。
【図３】周囲の大気中の酸素のさまざまな分圧に対する、ポンピングセルにわたる電圧の関数としてのポンピング電流変動を曲線により示しているグラフ。
【図４】この発明の装置のブロック図。
【図５】ある特定の実施例において機能がハードウェアとソフトウェアとでどのように分割されるかを示す図。
【図６】濃い混合物および比較的薄い混合物に対して、温度の関数としてポンピングセルの抵抗がどのように変動するかを示す図。
【外国語明細書】
2008256708.tif 000009
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