(57)【要約】【課題】センサ印加電圧の発振を抑制しつつ、センサ出力の高応答化を図る。【解決手段】センサ制御回路２０において、センサ素子１０の一方の端子には差動増幅器４４を介して印加電圧制御部２２が接続されている。印加電圧制御部２２は、センサ素子１０に流れる素子電流に応じてセンサ印加電圧を可変制御する。印加電圧制御部２２において、素子電流計側点である図のＢ点には、２つの抵抗４６，４７からなる抵抗直列回路が接続され、抵抗４６，４７の中間点には、抵抗及びコンデンサよりなるＬＰＦ部５１とオペアンプ５２とが接続されている。この場合特に、ＬＰＦ部５１は二次のＬＰＦにより構成されており、そのカットオフ周波数は約１０Ｈｚとなっている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と該固体電解質層を挟んで設けられる一対の電極とを具備し、該一対の電極間に所定の電圧を印加した状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子を有するガスセンサに適用され、前記センサ素子に流れる素子電流を計測し、その計測値によりガス濃度を算出するガス濃度検出装置において、
都度の素子電流に応じて前記センサ素子の印加電圧を可変設定する印加電圧制御部を備え、該印加電圧制御部において前記素子電流に対する印加電圧の調整感度を特定の周波数域で高めるようにしたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記印加電圧制御部の出力段にローパスフィルタを設け、該ローパスフィルタを二次化したことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記ローパスフィルタのカットオフ周波数を約１０Ｈｚとしたことを特徴とする請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記印加電圧制御部の出力段にバンドパスフィルタを設けたことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記バンドパスフィルタにおいて低周波数側のカットオフ周波数を約１Ｈｚ、高周波数側のカットオフ周波数を約５Ｈｚとしたことを特徴とする請求項４に記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記印加電圧制御部において素子電流相当の電流が流れる経路に、コンデンサを直列に接続したことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記素子電流相当の電流が流れる経路に、前記コンデンサ及び抵抗からなる並列回路を直列に接続し、それらコンデンサ及び抵抗により構成されるハイパスフィルタのカットオフ周波数を約５Ｈｚとしたことを特徴とする請求項６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
固体電解質層と該固体電解質層を挟んで設けられる一対の電極とを具備し、該一対の電極間に所定の電圧を印加した状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子を有するガスセンサに適用され、前記センサ素子に流れる素子電流を計測し、その計測値によりガス濃度を算出するガス濃度検出装置において、
素子電流相当の濃度検出信号を出力する素子電流出力部に差動増幅回路を設け、該差動増幅回路における濃度検出信号の出力感度を特定の周波数域で高めるようにしたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項９】
前記差動増幅回路の入力抵抗に並列に、コンデンサ及び抵抗からなる直列回路を接続したことを特徴とする請求項８に記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
前記のコンデンサ及び抵抗からなる直列回路により構成されるハイパスフィルタのカットオフ周波数を約１Ｈｚにしたことを特徴とする請求項９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】
内燃機関に用いられるガスセンサとして、排気管に設けられ、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）が知られている。この酸素濃度センサは、固体電解質層とこの固体電解質層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ている。そして、センサ素子に接続されたセンサ制御回路により、センサ素子に所定の電圧が印加されるとともにその電圧印加状態において素子電流が計測され、さらにその計測値に基づいて酸素濃度が算出されるようになっている。
【０００３】
一方、内燃機関においては、酸素濃度センサによる酸素濃度の計測結果に応じて空燃比フィードバック制御が行われる。この場合、酸素濃度センサでは、排気がセンサ素子に到達するまでの遅れや、更にガス成分がセンサ素子の電極部に到達するまでの遅れなどに起因して応答遅れが生じるが、その応答遅れが大きいと（センサ応答性が悪いと）、酸素濃度の検出精度が低下する。そして、酸素濃度の検出精度の低下に伴い空燃比フィードバックの制御精度が低下し、それにより排気エミッションの悪化が生じるおそれがあった。
【０００４】
また、多気筒内燃機関では気筒ごとに燃焼状態がばらつくため、その燃焼状態の気筒間ばらつきを解消するために、酸素濃度センサの計測結果により気筒ごとに排気酸素濃度（気筒別空燃比）を算出し、その気筒別空燃比に応じて気筒ごとに空燃比フィードバック制御を実施する技術が提案されている。この場合、気筒別空燃比制御を正確に実施するには、気筒別空燃比を精度良く算出することが不可欠であるが、上記のようにセンサ素子に応答遅れが存在していると、気筒ごとの空燃比の差異を適正に検出することができず、ひいては気筒別空燃比制御の精度が低下してしまう。
【０００５】
また近年では、排気管内で発生する結露水、又は内燃機関から出てくる凝縮水などによるセンサ素子の破損が問題視されており、その対策として、センサ素子を覆うセンサカバーを改良し、カバー内に浸入した水がセンサ素子にかかりにくくなるようにしている。こうした被水対策によれば、被水に伴う素子破損の抑制効果が得られるものの、センサカバー内でのガスの流れが阻害されることとなり、結果として応答性の悪化に繋がっている。
【０００６】
そこで、センサ素子の応答遅れによる酸素濃度の検出精度低下を抑制すべく、センサ構造を改良してその応答性能を高める、又はセンサ素子に接続されたセンサ制御回路の応答性能を高める技術が要求される。ただしこの場合、センサ構造を改良しても、ガスがセンサ素子に到達するまでの物理的な遅れを解消することは困難である。そのため、実質的にセンサ出力の応答性を高めるには、センサ制御回路の応答性能を高める技術が不可欠となっている。
【０００７】
また、センサ素子の印加電圧は、都度の素子電流に応じて可変設定されるようになっており、そのセンサ印加電圧を適正に制御することにより、センサ出力の高精度化が実現できると考えられる。そのため、印加電圧制御に関する改善技術も各種提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、印加電圧制御においてその周波数特性のゲインを単に上げると、センサ素子及びセンサ制御回路のトータルゲインが１倍超となり、印加電圧が発振してしまう。故に、センサ出力の改善を図りつつ、しかもセンサ印加電圧の発振を抑制できる技術が望まれている。
【特許文献１】特開２０００−８１４１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、センサ出力の高応答化を図ることを主たる目的とし、また特に、センサ印加電圧の発振を抑制しつつ、センサ出力の高応答化を図ることができるガス濃度検出装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のガス濃度検出装置は、所定の電圧印加状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子を有するガスセンサに適用され、センサ素子に流れる素子電流を計測し、その計測値によりガス濃度を算出するものとしている。また特に、都度の素子電流に応じて前記センサ素子の印加電圧を可変設定する印加電圧制御部において、素子電流に対する印加電圧の調整感度を特定の周波数域で高めるようにした。
【００１０】
要するに、印加電圧制御部によりセンサ印加電圧を制御する際、センサ素子と印加電圧制御部との各周波数特性のトータルゲインが１倍を超えると印加電圧が発振するため、その発振を抑えるよう印加電圧制御部の周波数特性が定められている。例えば、固体電解質層を備えてなるセンサ素子は、周波数特性としてハイパスフィルタ特性（ＨＰＦ特性）を有することから、印加電圧制御部には周波数特性としてローパスフィルタ特性（ＬＰＦ特性）が付加されることでトータルゲインが１倍未満となっている（図４参照）。
【００１１】
かかる場合において、上記のとおり特定の周波数域に限定して印加電圧の調整感度を高めるようにしたため、トータルゲインが１倍超となることを抑え、かつ所望とする周波数域で高ゲイン化を図ることができる。以上により、センサ印加電圧の発振を抑制しつつ、センサ出力の高応答化を図ることができる。これにより、ガス濃度の検出精度が向上する。
【００１２】
具体的には、以下の手法を用い、印加電圧の調整感度を特定の周波数域で高めると良い。
・印加電圧制御部の出力段にローパスフィルタを設け、そのローパスフィルタを二次化する（請求項２）。この場合特に、ローパスフィルタのカットオフ周波数を約１０Ｈｚにすると良い（請求項３）。
・印加電圧制御部の出力段にバンドパスフィルタを設ける（請求項４）。この場合特に、バンドパスフィルタにおいて低周波数側（ＨＰＦ部）のカットオフ周波数を約１Ｈｚ、高周波数側（ＬＰＦ部）のカットオフ周波数を約５Ｈｚにすると良い（請求項５）。
・印加電圧制御部において素子電流相当の電流が流れる経路に、コンデンサを直列に接続する（請求項６）。この場合特に、素子電流相当の電流が流れる経路に、前記コンデンサ及び抵抗からなる並列回路を直列に接続し、それらコンデンサ及び抵抗により構成されるハイパスフィルタのカットオフ周波数を約５Ｈｚにすると良い（請求項７）。
【００１３】
上記の各手法によれば、いずれも所望とする周波数域においてセンサ出力の応答性が向上する。ここで、図５に示すように、約１Ｈｚよりも高い周波数域でセンサ出力ゲインが低下する場合において、そのセンサ出力ゲインを高めることが可能となる。
【００１４】
一方、請求項８に記載のガス濃度検出装置では、素子電流相当の濃度検出信号を出力する素子電流出力部に差動増幅回路を設け、該差動増幅回路における濃度検出信号の出力感度を特定の周波数域で高めるようにした。
【００１５】
上記のとおり特定の周波数域に限定して濃度検出信号の出力感度を高めるようにしたため、所望とする周波数域で高ゲイン化を図ることができる。これにより、センサ出力の高応答化を図ることができ、ひいてはガス濃度の検出精度が向上する。
【００１６】
具体的には、請求項９に記載したように、差動増幅回路の入力抵抗に並列に、コンデンサ及び抵抗からなる直列回路を接続すると良い。またこのとき、請求項１０に記載したように、前記コンデンサ及び抵抗からなる直列回路により構成されるハイパスフィルタのカットオフ周波数を約１Ｈｚにすると良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した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気（燃焼ガス）を被検出ガスとして同排気中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆともいう）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現される。
【００１８】
まずはじめに、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、該センサ素子１０の基端部がハウジングに組み付けられるとともに、素子全体が素子カバー内に収容される構成となっている。
【００１９】
センサ素子１０は、固体電解質層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層１１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層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へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排気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。
【００２０】
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。ヒータ１８は、絶縁層１４に埋設される構成（センサ素子１０に内蔵される構成）以外に、センサ素子１０に外付けされる構成であっても良い。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。
【００２１】
上記センサ素子１０において、その周囲の排気は拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素は電極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層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、排気がリッチの場合、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層１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排気中の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。
【００２２】
各電極１５，１６にはセンサ制御回路２０が接続されている。このセンサ制御回路２０は素子電流計測部２１と印加電圧制御部２２とを有する構成となっており、素子電流計測部２１は、電流検出抵抗等により素子電流を計測し、その素子電流に相当する濃度検出信号（Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ）を後述のＥＣＵ３０に対して出力する。また、印加電圧制御部２２は、素子電流計測部２１にて計測した都度の素子電流に応じて、センサ素子１０に印加する電圧値を可変制御する。
【００２３】
なお、説明の便宜上省略するが、センサ制御回路２０には、センサ素子１０のインピーダンス値を検出するためのインピーダンス検出部が設けられており、該インピーダンス検出部によって定期的に素子インピーダンスが検出されるようになっている。その他に、ヒータ制御部が設けられており、該ヒータ制御部によってヒータ１８の通電状態が制御され、センサ素子１０が所定の活性温度に保持されるようになっている。
【００２４】
また、センサ制御回路２０には電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）３０が接続されている。ＥＣＵ３０は、周知のマイクロコンピュータを主体とする論理演算回路を有する構成となっており、センサ制御回路２０から出力される濃度検出信号（Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ）を取り込み、その濃度検出信号によりＡ／Ｆ値の演算等を実施する。また、ＥＣＵ３０は、エンジン制御手段を構成するものであり、都度のＡ／Ｆ値に基づいて空燃比フィードバック制御等を実施する。
【００２５】
このとき特に、ＥＣＵ３０は、エンジンの気筒ごとにＡ／Ｆ値（気筒別空燃比）を演算するとともに、その気筒別空燃比に基づいて気筒ごとに燃料噴射量を制御する。すなわち、所定順序で燃焼が行われる気筒ごとにＡ／Ｆ値を検出するとともに、その気筒ごとのＡ／Ｆ値が目標値となるよう気筒ごとに空燃比フィードバック制御を実施する。
【００２６】
上記構成のセンサ素子１０を有するＡ／Ｆセンサはエンジンの排気管に取り付けられる。この場合、Ａ／Ｆセンサには、排気管内に突き出たセンサ素子１０を保護するためのセンサカバーが設けられている。センサカバーは被水対策として内外二重の構造となっており、そのカバー構造によって耐被水性の向上が図られている。これにより、排気管内でセンサ素子１０に結露水や凝縮水がかかり、それに伴いセンサ素子１０が破損するといった不具合が抑制されるようになっている。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
センサ素子１０は、簡易には抵抗成分と容量成分との直列回路にて表すことができ、その周波数特性（センサ特性）はＨＰＦ特性を有するものとなっている。ここで、センサ素子１０のセンサゲインとセンサ制御回路２０の回路ゲインとを含むトータルゲインが「１」を超えると、印加電圧が発振する。そこで、その発振を抑えるべく、センサ制御回路２０の周波数特性としてＬＰＦ特性を持たせている。この場合、センサ特性と回路特性とを足し合わせたものがトータル特性であり、このトータル特性のゲインを発振限界（１倍）未満とすることで、印加電圧の発振を抑制するようにしている。
【００３０】
図４には、センサ素子１０、センサ制御回路２０、センサ素子１０＋センサ制御回路２０の各々の周波数特性（センサ特性、回路特性、トータル特性）を示している。上記したとおり、センサ特性はＨＰＦ特性を有し、回路特性はＬＰＦ特性を有している。これにより、トータル特性のゲインが発振限界（１倍）未満となっている。
【００３１】
図５は、Ａ／Ｆ出力の周波数特性を示す図である。なお図５では、センサカバーの構造が異なる２つのＡ／Ｆセンサについて周波数特性を示しており、Ｌ１は一般的なセンサカバーを有するＡ／Ｆセンサの周波数特性を、Ｌ２は耐被水性向上センサカバーを有するＡ／Ｆセンサの周波数特性を示す。
【００３２】
図５によれば、周波数１Ｈｚよりも高い周波数域でＡ／Ｆセンサの応答性（出力振幅ゲイン）が低下することが分かる。また、一般的なＡ／Ｆセンサの周波数特性（Ｌ１）と、耐被水性向上を図ったＡ／Ｆセンサの周波数特性（Ｌ２）とを比べると、後者の方がゲインの低下度合いが大きいことが分かる。
【００３３】
本実施の形態では、センサ制御回路２０において、印加電圧制御部の出力段に設けたＬＰＦを二次化し、それにより印加電圧の調整感度（印加電圧のゲイン）を特定の周波数域で高めるようにする。特に、図４に示すように、実用域である１Ｈｚ〜５Ｈｚ程度の周波数域において、トータル特性のゲインが発振限界に対して余裕があることから、この周波数域において高ゲイン化を図ることとしている。
【００３４】
次に、センサ制御回路２０の構成を図１に基づいて説明する。
【００３５】
図１のセンサ制御回路２０において、センサ素子１０の一方の端子には、オペアンプ４１及び電流検出抵抗４２を介して基準電源４３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の他方の端子には、差動増幅器４４を介して印加電圧制御部２２が接続されている。この場合、電流検出抵抗４２の一端のＡ点は基準電源４３の基準電圧（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗４２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。
【００３６】
印加電圧制御部２２は、Ｂ点電圧をモニタするとともにその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定し（例えば、図３の印加電圧特性ＲＧに基づき決定し）、センサ印加電圧を可変制御する。
【００３７】
印加電圧制御部２２について詳しくは、素子電流計側点である図のＢ点には、２つの抵抗４６，４７からなる抵抗直列回路が接続され、さらにその抵抗直列回路にオペアンプ４８及び基準電源４９が接続されている。また、抵抗４６，４７の中間点には、抵抗及びコンデンサよりなるＬＰＦ部５１とオペアンプ５２とが接続されている。この場合特に、ＬＰＦ部５１は二次のＬＰＦにより構成されており、そのカットオフ周波数は約１０Ｈｚとなっている。
【００３８】
また、素子電流計測部２１の構成として、素子電流計側点である図のＢ点には、所定の増幅率を有する差動増幅器５５が接続されている。差動増幅器５５は、Ｂ点電圧と基準電源５６の基準電圧との電圧差を増幅し、その結果をＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとして出力する。このＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがＥＣＵ３０に対して出力される。
【００３９】
上記のように印加電圧制御部２２内に設けたＬＰＦ部５１を二次化した場合の周波数特性を図６に示す。図６では、上記の図４と同様に、センサ特性、回路特性及びトータル特性を示している。なお図中、点線はＬＰＦ部５１の二次化に伴うゲインアップを示している。
【００４０】
この場合、ＬＰＦ部５１の二次化によって、約５Ｈｚ以上の周波数域で回路特性がゲインアップされ、結果としてトータル特性もゲインアップされる。これにより、トータルゲインが１倍超となることを抑制しつつ、１０Ｈｚ前後の周波数域においてトータルゲインを上昇させることができる。
【００４１】
以上詳述した本実施の形態によれば、印加電圧制御部２２に設けたＬＰＦ部５１を二次ＬＰＦにて構成し、それに伴い特定の周波数域に限定して印加電圧の調整感度（ゲイン）を高めるようにしたため、センサ印加電圧の発振を抑制しつつ、センサ出力の高応答化を図ることができる。上記のように印加電圧の調整感度（ゲイン）を高める場合、印加電圧特性（図３参照）の傾きが小さくなり、少しの電流変化にも印加電圧が大きく変わることになる。この場合、テーリングにより素子電流がいち早く変化し、見かけ上高応答（ハンチングぎみ）に反応することとなる。
【００４２】
これにより、ガス濃度の検出精度が向上し、ひいては空燃比フィードバックの制御精度を高めることができる。特に、気筒別空燃比制御を実施する場合において、気筒ごとの空燃比が過剰になまされることなく好適に検出でき、気筒間の燃焼バラツキを適正に補正することができる。したがって、排気エミッションの改善を図ることができる。
【００４３】
上記実施の形態では、センサ出力の高応答化を図るべく、印加電圧制御部２２内のＬＰＦ部５１を二次化したが、同じくセンサ出力の高応答化を図る技術として以下が適用できる。以下、センサ制御回路２０の変形例について、上記図１との相違点を中心に説明する。なお、以下の各回路ではＬＰＦ部５１を通常の一次ＬＰＦとしている。
【００４４】
図７の回路構成では、印加電圧制御部２２において出力段に設けたオペアンプ５２にＢＰＦ（バンドパスフィルタ）６１を設けている。ＢＰＦ６１は、ＨＰＦ部６１ａとＬＰＦ部６１ｂとからなり、ＨＰＦ部６１ａのカットオフ周波数は約１Ｈｚ、ＬＰＦ部６１ｂのカットオフ周波数は約５Ｈｚとなっている。
【００４５】
図８は、上記図７の構成を適用した場合の周波数特性を示す図である。図８では、上記の図４と同様に、センサ特性、回路特性及びトータル特性を示している。なお図中、点線はＢＰＦ６１の追加に伴うゲインアップを示している。
【００４６】
この場合、ＢＰＦ６１の追加によって、約１Ｈｚ以上の周波数域で回路特性のゲインアップがなされ、結果としてトータル特性もゲインアップされる。これにより、トータルゲインが１倍超となることを抑制しつつ、実用域（約１〜５Ｈｚの周波数域）においてトータルゲインを上昇させることができる。
【００４７】
また、図９の回路構成では、印加電圧制御部２２において、素子電流計側点である図のＢ点に接続した抵抗４６に並列にコンデンサ７１を設けている。この場合、抵抗４６とコンデンサ７１とによりＨＰＦが構成され、そのＨＰＦのカットオフ周波数は約５Ｈｚとなっている。
【００４８】
本構成においても、上記のとおり約１Ｈｚ以上の周波数域で回路特性がゲインアップされ、結果としてトータル特性もゲインアップされる。これにより、トータルゲインが１倍超となることを抑制しつつ、実用域（約１〜５Ｈｚの周波数域）においてトータルゲインを上昇させることができる（上記の図８参照）。
【００４９】
また、センサ出力の高応答化を図る上で、上記のように印加電圧制御部２２における印加電圧の調整感度を高める構成に代えて、ＡＦＯ出力部（素子電流出力部）におけるＡＦＯ出力感度を高める構成を採用しても良い。図１０に示す回路構成では、差動増幅器５５を構成する入力抵抗８１に並列に、コンデンサ８２及び抵抗８３の直列回路を接続している。このとき、コンデンサ８２及び抵抗８３からなる直列回路によってＨＰＦ８４が構成されており、そのカットオフ周波数は約１Ｈｚとなっている。
【００５０】
この場合、素子電流が比較的低い周波数で変動する際には、差動増幅器５５の入力回路部においてコンデンサ８２に流れる電流が制限され、電流は主に入力抵抗８１側の経路を通じて流れる。これに対し、素子電流が比較的高い周波数で変動する際には、電流が入力抵抗８１側の経路と、コンデンサ８２及び抵抗８３の直列回路側の経路との両経路を通じて流れる。このとき、素子電流が高周波変動する際には差動増幅器５５の入力抵抗部の抵抗値が小さくなる（抵抗８１，８３の合成抵抗となるため）。これにより、所定の高周波域では、差動増幅器５５がゲインアップされるようになっている。
【００５１】
図１１は、上記図１０の構成を適用した場合の周波数特性を示す図である。図１１において、点線は本構成によるゲインアップ効果を示している。つまり、周波数が１Ｈｚ超となる領域で出力ゲインが高められ、それに伴いＡＦＯ出力の感度がアップしている。
【００５２】
上記図１０の構成では、差動増幅器５５におけるＡＦＯ出力の出力感度を特定の周波数域で高めるようにしたため、所望とする周波数域で高ゲイン化を図ることができる。これにより、センサ出力の高応答化を図ることができ、ひいてはガス濃度の検出精度が向上する。
【００５３】
上記実施の形態では、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層の固体電解質を有する構成に代えて、２層の固体電解質を有する構成や、３層の固体電解質を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに代えて、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。
【００５４】
また、酸素濃度以外に、他のガス成分の濃度を検出可能とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、ＮＯｘ濃度センサは、固体電解質層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）では排気（被検出ガス）中の酸素を排出又はくみ出し、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であるＮＯｘの濃度を検出する。上記のＮＯｘ濃度センサにおいて第１セルで酸素濃度を検出する構成とすることにより、当該センサを複合型のガス濃度センサとすることも可能である。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。
【００５５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】センサ制御回路の構成を示す回路図である。
【図２】センサ素子とその周辺構成の概要を示すシステム構成図である。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。
【図４】Ａ／Ｆセンサ及びセンサ制御回路の周波数特性を示す図である。
【図５】センサ出力の周波数特性を示す図である。
【図６】印加電圧制御部のＬＰＦ部を二次化した場合の周波数特性を示す図である。
【図７】別の実施の形態においてセンサ制御回路の構成を示す回路図である。
【図８】印加電圧制御部にＢＰＦを設けた場合の周波数特性を示す図である。
【図９】別の実施の形態においてセンサ制御回路の構成を示す回路図である。
【図１０】別の実施の形態においてセンサ制御回路の構成を示す回路図である。
【図１１】ＡＦＯ出力に関してゲインアップをした場合の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０…センサ素子、１１…固体電解質層、１５，１６…電極、２０…センサ制御回路、２１…素子電流計測部、２２…印加電圧制御部、３０…ＥＣＵ、４６…抵抗、５１…ＬＰＦ部、５５…差動増幅器、６１…ＢＰＦ、７１…コンデンサ、８１…入力抵抗、８２…コンデンサ、８３…抵抗。
【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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