CN117043592A - 气体浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

气体浓度检测装置(1)的传感器控制装置(5)具有传感器检测部(51)、温度感测部(52)、加热器控制部(53)、变化速度计算部(54)及修正输出部(55)。变化速度计算部(54)计算由温度感测部(52)感测的传感器单元(21)的温度被加热器控制部(53)维持于目标温度时的流经加热器(34)的加热器电流(Ih)的变化速度(ΔS)。修正输出部(55)使用加热器电流(Ih)的变化速度(ΔS)对由传感器检测部(51)检测的传感器电流(Is)即传感器输出进行修正，计算气体传感器(10)的传感器修正输出(Os)。

Description

气体浓度检测装置

相关申请的交叉引用

本申请是基于2021年3月18日提交的日本的专利申请第2021-044216号的申请，引用其记载内容。

技术领域

本公开涉及气体浓度检测装置。

背景技术

气体浓度检测装置使用配置于车辆的排气管等的气体传感器和对气体传感器的动作进行控制的传感器控制装置构成。气体传感器具有在固体电解质体上设有一对电极的传感器单元和通过通电进行发热来加热传感器单元的加热器。考虑到对负荷变动的响应性能的高水平等，向加热器的通电多是通过PWM(脉冲宽度调制)控制来进行。

在进行加热器的PWM控制的情况下，向加热器施加脉冲状的电压，适当变更表示脉冲状的电压的1周期中的通断的比率的占空比，将传感器单元温度控制成被设为目标的温度。作为进行加热器的PWM控制的气体浓度检测装置，例如有专利文献1所公开的装置。

在专利文献1的气体浓度检测装置中，进行了如下设计：在向加热器的通断的通电状态变化之际，通过平均处理将重叠于传感器单元的输出信号的噪声成分从输出信号中去除。更具体而言，在加热器接通时，在输出信号中产生正侧的噪声，在加热器切断时，在输出信号中产生负侧的噪声。在专利文献1的气体浓度检测装置中，以使该正负被相反地表示的、输出信号中的噪声成分相抵消的方式进行平均处理。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-093386号公报

发明内容

但是，通过发明人的研究，查明了在重叠于传感器单元的输出信号的噪声成分中，除了与向加热器的通电的通断的切换相伴的较小周期的噪声成分(称为切换噪声成分)以外，还存在其它的噪声成分。即，查明了在受到加热器的PWM控制而使传感器单元的温度维持于目标温度时，与切换噪声成分相比较大的周期的噪声成分(称为温度控制噪声成分)重叠于传感器单元。查明了温度控制噪声成分被作为温度的变化的起伏或者有效值捕捉到，具有与切换噪声成分不同的变化速度。

因而，为了去除传感器单元的输出信号中所含的噪声成分，提高气体浓度检测装置的检测精度，需要进一步的设计。

本公开想要提供这样一种气体浓度检测装置：其去除了与向加热器施加的作为有效值的施加电压的变化相伴的噪声成分给传感器输出带来的影响，提高了气体传感器的传感器输出的检测精度。

本公开的一方式是一种气体浓度检测装置，具备：

气体传感器，具有在固体电解质体上设有一对电极的一个或多个传感器单元以及通过通电进行发热来加热所述传感器单元的加热器；以及传感器控制装置，控制所述传感器单元及所述加热器的动作；

所述传感器控制装置具有：

传感器检测部，检测产生于所述传感器单元传感器电流或传感器电压；

温度感测部，感测所述传感器单元的温度；

加热器控制部，对向所述加热器的施加电压进行调整；

变化速度计算部，计算由所述温度感测部感测的所述温度被所述加热器控制部维持于目标温度时的向所述加热器的施加电压的变化速度以及流经所述加热器的加热器电流的变化速度中的至少某一方；以及

修正输出部，使用由所述变化速度计算部计算的所述变化速度对由所述传感器检测部检测的所述传感器电流或所述传感器电压即传感器输出进行修正，计算所述气体传感器的传感器修正输出。

在所述一方式的气体浓度检测装置的传感器控制装置中，利用变化速度计算部，计算由温度感测部感测的传感器单元的温度被加热器控制部维持于目标温度时的向加热器的施加电压的变化速度以及流经加热器的加热器电流的变化速度中的至少任一方。在传感器单元的温度受到外部干扰的影响之际，这些变化速度被表示为在对向加热器的施加电压进行调整以使传感器单元的温度不从目标温度偏移时所计算的变化的速度。

在传感器单元的温度受到外部干扰的影响之际，在利用传感器检测部将产生于传感器单元的传感器电流或传感器电压作为传感器输出检测出来时，在传感器输出中，很可能重叠与向加热器施加的作为有效值的施加电压的变化相伴的噪声成分。于是，使用由变化速度计算部计算的变化速度，修正输出部修正传感器输出，计算气体传感器的传感器修正输出。

通过该结构，根据所述一方式的气体浓度检测装置，去除了与向加热器施加的作为有效值的施加电压的变化相伴的噪声成分给传感器输出带来的影响，提高了气体传感器的传感器输出的检测精度。

在“所述温度感测部对所述传感器单元的温度的感测”中，还包含基于各种信息推定温度的情况。

此外，本公开的一方式中所示的各构成要素的带括号的附图标记表示与实施方式的图中的附图标记之间的对应关系，但并不是将各构成要素仅限定于实施方式的内容。

附图说明

通过参照所附的附图的后述的详细描述，本公开的目的、特征、优点等将更为明确。以下示出本公开的附图。

图1是表示实施方式1的气体浓度检测装置的气体传感器的剖面图。

图2是表示实施方式1的气体传感器的传感器元件的剖面图。

图3是实施方式1的图2的III-III剖面图。

图4是实施方式1的图2的IV-IV剖面图。

图5是示意性地表示实施方式1的传感器控制装置的电气结构的说明图。

图6是表示实施方式1的(a)脉冲状的施加电压、(b)加热器电流、(c)加热器电流的变化速度、(d)修正前及修正后的传感器电流各自随时间的变化的图表。

图7是将实施方式1的图6(c)的加热器电流的变化速度的图表的一部分放大表示的图表。

图8是表示实施方式1的加热器电流的变化速度与传感器电流的变化量之间的关系的图表。

图9是表示实施方式1的加热器电流的变化速度与传感器电流的修正量之间的关系的关系映射。

图10是表示实施方式1的气体浓度检测装置的控制方法的流程图。

图11是示意性地表示实施方式2的传感器控制装置的电气结构的说明图。

图12是表示实施方式2的(a)脉冲状的施加电压、(b)加热器电流、(c)传感器单元的变化温度、(d)修正前及修正后的传感器电流各自随时间的变化的图表。

图13是实施方式2的将加热器电流的变化速度作为参数的、表示传感器单元的变化温度与传感器电流的变化量之间的关系的图表。

图14是实施方式2的将加热器电流的变化速度作为参数的、表示传感器单元的变化温度与传感器电流的修正量之间的关系的关系映射。

图15是表示实施方式2的比较品的(a)加热器电流、(b)传感器单元的温度、(c)传感器电流各自随时间的变化的图表。

图16是表示实施方式2的比较品的(a)加热器电流、(b)传感器单元的温度、(c)传感器电流各自随时间的变化的图表。

图17是表示实施方式2的实施品的(a)加热器电流、(b)传感器单元的温度、(c)传感器电流各自随时间的变化的图表。

具体实施方式

参照附图对前述的气体浓度检测装置的优选实施方式进行说明。

＜实施方式1＞

如图1～图4所示，本方式的气体浓度检测装置1具备气体传感器10及传感器控制装置5。气体传感器10具有在固体电解质体31上设有一对电极311、312的一个或多个传感器单元21以及通过通电进行发热来加热传感器单元21的加热器34。传感器控制装置5控制传感器单元21及加热器34的动作。

如图5所示，传感器控制装置5具有传感器检测部51、温度感测部52、加热器控制部53、变化速度计算部54及修正输出部55。传感器检测部51是检测产生于传感器单元21的传感器电流Is的构成部位。温度感测部52是感测传感器单元21的温度的构成部位。加热器控制部53是调整向加热器34的施加电压Vh的构成部位。

变化速度计算部54是计算由温度感测部52感测的传感器单元21的温度被加热器控制部53维持于目标温度时的流经加热器34的加热器电流Ih的变化速度ΔS的构成部位。修正输出部55是使用由变化速度计算部54计算的加热器电流Ih的变化速度ΔS对由传感器检测部51检测的传感器电流Is即传感器输出进行修正来计算气体传感器10的传感器修正输出Os的构成部位。

以下，对本方式的气体浓度检测装置1进行详述。

(气体传感器10)

如图1所示，气体传感器10被配置于车辆的内燃机(发动机)的排气管7的安装口71，用于以流经排气管7的排放气体G为检测对象气体对检测对象气体中的氧浓度、特定气体浓度等进行检测。气体传感器10能够用作基于排放气体G中的氧浓度、未燃气体浓度等求出内燃机中的空燃比的空燃比传感器(A/F传感器)。空燃比传感器能够从与理论空燃比相比燃料相对于空气的比例较多的富燃的状态到与理论空燃比相比燃料相对于空气的比例较少的贫燃的状态以定量方式连续地检测空燃比。

在排气管7上，配置有用于对排放气体G中的有害物质进行净化的催化剂，气体传感器10在排气管7中的排放气体G的流动方向上可以配置于催化剂的上游侧或下游侧中的任一侧。另外，气体传感器10也可以配置于利用排放气体G提高内燃机所吸入的空气的密度的增压器的吸入侧的配管。另外，配置气体传感器10的配管也可以设为使从内燃机向排气管7排出的排放气体G的一部分再循环到内燃机的进气管的排气再循环机构中的配管。

(传感器单元21)

如图2～图4所示，气体传感器10的传感器单元21及加热器34由传感器元件2形成。传感器单元21由固体电解质体31和设于固体电解质体31的排气电极311及大气电极312构成。在固体电解质体31上层叠有绝缘体33A、33B，加热器34由埋设于绝缘体33A、33B的发热体构成。

本方式的传感器单元21为了构成空燃比传感器而在气体传感器10中形成一个。除此以外，传感器单元21例如也可以为了构成NOx(氮氧化物)传感器而在气体传感器10中形成多个。该情况下的传感器单元21也可以设为使排放气体G的氧浓度降低的泵送单元、检测排放气体G的残留氧浓度的监视器单元、检测排放气体G的NOx浓度的检测单元等。

另外，气体传感器10也可以具有用于检测空燃比、NOx浓度等的多个传感器单元21。利用变化速度计算部54及修正输出部55对传感器输出进行修正的传感器单元21也可以为多个。

(传感器元件2)

如图2～图4所示，本方式的传感器元件2形成为长条状的长方形状，具备固体电解质体31、排气电极311及大气电极312、第一绝缘体33A、第二绝缘体33B、气体室35、大气管道36及加热器34。传感器元件2是在固体电解质体31上层叠有各绝缘体33A、33B及加热器34的层叠型。

在本方式中，传感器元件2的长度方向L是指传感器元件2延伸为长条形状的方向。另外，将与长度方向L正交的、固体电解质体31与各绝缘体33A、33B层叠的方向称为层叠方向D。另外，将与长度方向L和层叠方向D正交的方向称为宽度方向W。另外，在传感器元件2的长度方向L上，将暴露于排放气体G的一侧称为前端侧L1，将前端侧L1的相反侧称为基端侧L2。在气体传感器10中，也是将与传感器元件2的长度方向L相同的方向称为长度方向L。

(固体电解质体31、排气电极311及大气电极312)

如图2～图4所示，固体电解质体31在规定的活性温度下具有氧离子(O^2-)的传导性。在固体电解质体31的第一表面301设有暴露于排放气体G的排气电极311，在固体电解质体31的第二表面302设有暴露于大气A的大气电极312。排气电极311和大气电极312在传感器元件2的长度方向L上的暴露于排放气体G的前端侧L1的部位配置于隔着固体电解质体31沿层叠方向D重叠的位置。在传感器元件2的长度方向L的前端侧L1的部位，形成有使用排气电极311及大气电极312和固体电解质体31的夹在这些电极311、312之间的部分构成的传感器单元21。第一绝缘体33A层叠于固体电解质体31的第一表面301，第二绝缘体33B层叠于固体电解质体31的第二表面302。

固体电解质体31由氧化锆系氧化物构成，由以氧化锆为主成分(含有50质量％以上)的、用稀土类金属元素或碱土类金属元素将氧化锆的一部分置换而得的稳定氧化锆或部分稳定氧化锆构成。构成固体电解质体31的氧化锆的一部分被氧化钇、氧化钪或氧化钙置换。

排气电极311及大气电极312含有作为对氧表现出催化剂活性的贵金属的铂以及作为与固体电解质体31相同的材料的氧化锆系氧化物。如图1及图2所示，在排气电极311及大气电极312上，连接有用于将这些电极311、312与气体传感器10的外部电连接的电极引线部313。电极引线部313被引出至传感器元件2的长度方向L的基端侧L2的部位。在电极引线部313的长度方向L的基端侧L2的端部形成有端子连接部22。

(气体室35)

如图2及图3所示，在固体电解质体31的第一表面301，邻接地形成有由第一绝缘体33A和固体电解质体31围起的气体室35。气体室35在第一绝缘体33A的长度方向L的前端侧L1的部位形成于收容排气电极311的位置。气体室35形成为由第一绝缘体33A、扩散阻力部32和固体电解质体31封闭的空间部。流经排气管7内的排放气体G通过扩散阻力部32被导入到气体室35内。

(扩散阻力部32)

如图3所示，本方式的扩散阻力部(气体导入部)32设于气体室35的宽度方向W的两侧。扩散阻力部32通过在形成于第一绝缘体33A的导入口内配置氧化铝等金属氧化物的多孔质体而形成。导入气体室35的排放气体G的扩散速度(流量)通过对排放气体G经过扩散阻力部32中的多孔质体的气孔的速度进行限制来决定。此外，扩散阻力部32也可以设于气体室35的长度方向L的前端侧L1的部位。

(大气管道36)

如图2～图4所示，在固体电解质体31的第二表面302，邻接地形成有由第二绝缘体33B和固体电解质体31围起且被导入大气A的大气管道36。大气管道36从第二绝缘体33B中的收容大气电极312的长度方向L的部位形成至传感器元件2的长度方向L上的基端位置。

(各绝缘体33A、33B)

如图2～图4所示，第一绝缘体33A形成气体室35，第二绝缘体33B形成大气管道36并且埋设加热器34。第一绝缘体33A及第二绝缘体33B使用矾土(氧化铝)等金属氧化物形成。各绝缘体33A、33B形成为排放气体G或大气A这些气体无法透过的致密体。

(加热器34)

如图3及图4所示，加热器34构成为发热体，被埋设在形成大气管道36的第二绝缘体33B内。加热器34具有通过通电进行发热的发热部341和与发热部341的长度方向L的基端侧L2相连的发热体引线部342。发热部341在固体电解质体31与各绝缘体33A、33B的层叠方向D上配置于至少一部分与排气电极311及大气电极312重叠的位置。加热器34由具有导电性的金属材料构成。在发热体引线部342的长度方向L的基端侧L2的端部形成有端子连接部22。

(表面保护层37)

如图1所示，在传感器元件2的长度方向L的前端侧L1的部位，形成有覆盖传感器单元21的表面保护层37。表面保护层37由作为具有可供排放气体G通过的气孔的陶瓷材料的、相互结合的多个陶瓷粒子构成。

(其它传感器元件2的结构)

虽然省略图示，但传感器元件2并不限于具有一个固体电解质体31，也可以具有两个以上的固体电解质体31。设于固体电解质体31的电极311、312并不只限于排气电极311及大气电极312这一对，也可以设为多组电极。在多组电极被设于一个或多个固体电解质体31的情况下，加热器34的发热部341能够设于从层叠方向D与多组电极对置的位置。

(气体传感器10的其它结构)

如图1所示，气体传感器10为了将传感器元件2配置于排气管7并向传感器控制装置5进行电气走线而具有壳体41、元件保持材料42、端子保持材料43、接触部件431、触点端子44、前端侧罩45、基端侧罩46、绝缘套47、引线48等。

壳体41用于将气体传感器10紧固于排气管7的安装口71。壳体41经由元件保持材料42等对传感器元件2进行保持。传感器元件2经由玻璃粉末421而被保持于元件保持材料42，元件保持材料42经由挤缝用材料422、423、424而被保持于壳体41。在元件保持材料42的长度方向L的基端侧L2，连结有对触点端子44进行保持的端子保持材料43。端子保持材料43被接触部件431支承于基端侧罩46。

触点端子44与传感器元件2中的作为端子连接部22的电极引线部313的基端部以及作为端子连接部22的发热体引线部342的基端部接触，将电极引线部313及发热体引线部342电连接于引线48。触点端子44以被配置在端子保持材料43内的状态经由连接件441与引线48连接。

如图1所示，前端侧罩45设于壳体41的长度方向L的前端侧L1，覆盖传感器元件2的传感器单元21。在前端侧罩45，形成有与传感器元件2接触的排放气体G所能流通的气体流通孔451。传感器元件2的传感器单元21及前端侧罩45配置于内燃机的排气管7内。流经排气管7内的排放气体G的一部分从前端侧罩45的气体流通孔451流入前端侧罩45内。并且，前端侧罩45内的排放气体G通过传感器元件2的表面保护层37及扩散阻力部32而被向排气电极311引导。

基端侧罩46设于壳体41的长度方向L的基端侧L2，用于覆盖位于气体传感器10的长度方向L的基端侧L2的配线部而保护该配线部免受大气A中的水等影响。配线部由作为与传感器元件2电连接的部分的触点端子44、触点端子44与引线48的连接部分(连接件441)等构成。

在基端侧罩46的长度方向L的基端侧L2的部分的内周侧，保持有对多个引线48进行保持的绝缘套47。在基端侧罩46，形成有用于从气体传感器10的外部导入大气A的大气导入孔461。大气导入孔461由防水过滤器462覆盖。传感器元件2中的大气管道36的基端位置向基端侧罩46内的空间开放，大气A被向大气管道36内的大气电极312引导。

(传感器控制装置5)

如图1所示，气体传感器10中的引线48与进行气体传感器10中的气体检测的控制的传感器控制装置5电连接。传感器控制装置5与控制发动机中的燃烧运转的发动机控制装置6配合来进行气体传感器10中的电气控制。传感器控制装置5使用各种控制电路、计算机等构成。此外，传感器控制装置5也可以构建在发动机控制装置6内。

在图5中，示意性地示出了传感器控制装置5的电气结构。传感器检测部51、温度感测部52、加热器控制部53及加热器电流检测部56主要通过控制电路构成，变化速度计算部54及修正输出部55主要通计算机50构成。在传感器控制装置5中，反馈温度感测部52所感测的传感器单元21的温度，进行加热器控制部53对传感器单元21的温度的反馈控制。另外，在传感器控制装置5中，使用加热器电流检测部56所检测的加热器电流Ih，通过变化速度计算部54计算加热器电流Ih的变化速度ΔS。并且，通过修正输出部55，基于变化速度ΔS对传感器检测部51所检测的传感器电流Is进行修正，计算传感器修正输出Os。

(传感器检测部51)

如图2所示，传感器检测部51具有向排气电极311与大气电极312之间施加直流电压的电压施加电路511和对在排气电极311与大气电极312之间流动的电流进行测定的电流检测电路512。电压施加电路511将由于排放气体G流入气体室35内时的扩散阻力部32的扩散阻力而在传感器单元21中产生极限电流特性的大小的直流电压施加到电极311、312之间。电压施加电路511以大气电极312为正侧而向电极311、312之间施加直流电压，以排出气体室35内的氧。

在传感器检测部51中，在内燃机中以贫燃状态燃烧后的排放气体G到达排气电极311时，主要检测正侧的传感器电流Is，在内燃机中以富燃状态燃烧后的排放气体G到达排气电极311时，主要检测负侧的传感器电流Is。

(温度感测部52)

如图2所示，温度感测部52具有检测传感器单元21的电阻值或阻抗的检测电路521。温度感测部52构成为使用由检测电路521检测的传感器单元21的电阻值或阻抗来感测传感器单元21的温度。在排放气体G的组成处于理想配比(理论空燃比)的附近时，由传感器检测部51检测的传感器电流Is大致为零。在该理想配比状态等排放气体G的组成的变动较少的状态下，通过检测向传感器单元21的电极311、312之间施加电压时的电流值，能够检测电阻值或阻抗。并且，温度感测部52基于电阻值或阻抗与传感器单元21的温度的相关关系，并基于电阻值或阻抗，感测传感器单元21的温度。

温度感测部52也可以构成为通过检测加热器34的电阻值或阻抗来推定传感器单元21的温度。在该情况下，也能够设为与检测传感器单元21的电阻值或阻抗的情况同样的结构。

(加热器控制部53)

如图3所示，加热器控制部53构成为将作为脉冲状的交流电压的施加电压Vh施加到构成加热器34的发热体的发热体引线部342。加热器控制部53使用向加热器34进行通电的通电控制电路531形成。加热器控制部53构成为使脉冲状的施加电压Vh的占空比变化来进行调整向加热器34施加的施加电压Vh的脉冲宽度调制控制(PWM控制)。

如图6的(a)所示，在向加热器34施加脉冲状的施加电压Vh时，对于加热器34，实质上施加有效电压Ve，该有效电压Ve是脉冲状的施加电压Vh的接通时电压与占空比之积。占空比被表示为接通时电压/1周期，换言之，被表示为交流电压的1周期中的接通时电压的比例。由加热器控制部53加热传感器单元21的目标温度例如作为传感器单元21的活性化温度而被设定为600～900℃之间的规定的温度。

(加热器电流检测部56)

如图3所示，传感器控制装置5具有对流经加热器34的加热器电流Ih进行检测的加热器电流检测部56。加热器电流检测部56使用对加热器电流Ih进行检测的电流检测电路561形成。加热器电流检测部56构成为，在利用加热器控制部53对加热器34施加脉冲状的施加电压Vh之际，检测与有效电压Ve相应的有效电流。加热器电流检测部56构成为对在与加热器34连接的加热器控制部53的通电控制电路531中配置的分流电阻的两端的电压进行测定来检测加热器电流Ih。

本方式的加热器电流检测部56在内燃机的空燃比被控制的理想配比附近，检测流经加热器34的加热器电流Ih。在配置有气体传感器10的排气管7内，在存在引起传感器单元21的温度变动的外部干扰时，由于加热器控制部53想要将传感器单元21的温度维持在目标温度，因此加热器电流Ih会产生变动。作为外部干扰，有流经排气管7内的排放气体G的温度、流量等的变动。

如图6的(b)及图7所示，加热器电流检测部56检测加热器电流Ih的采样周期t1比加热器控制部53的脉冲状的施加电压Vh的周期t2短。通过该结构，能够适当地检测加热器电流Ih的变化。另外，在本方式中，加热器电流检测部56检测加热器电流Ih的采样周期t1比加热器控制部53的脉冲状的施加电压Vh的周期t2的1/10短。传感器检测部51检测传感器电流Is的采样间隔以及温度感测部52检测传感器单元21的电阻值或阻抗的采样间隔设为加热器电流检测部56检测加热器电流Ih的采样周期t1以下即可。此外，图7提取了图6的(c)的一部分。

(变化速度计算部54)

如图3、图6的(b)、(c)及图7所示，变化速度计算部54构成为计算由加热器电流检测部56检测的加热器电流Ih的变化速度ΔS。在由温度感测部52感测的传感器单元21的温度被加热器控制部53维持于目标温度时，假定传感器单元21的温度相对于目标温度上下变动。另外，在利用加热器控制部53将传感器单元21的温度控制为目标温度时，还假定传感器单元21的温度上升的情况、传感器单元21的温度降低的情况、传感器单元21的温度基本上不变动的情况等。在这些时候，加热器电流Ih根据加热器控制部53的通电量而变动，加热器电流Ih具有与该变动相应的变化速度。

在本方式中，如图6的(c)所示，变化速度计算部54所计算的加热器电流Ih的变化速度ΔS被作为同脉冲状的施加电压Vh的接通时电压与占空比之积即有效电压Ve相应的、加热器34中的有效电流的变化速度ΔS计算出来。有效电流的变化速度ΔS不会将与通过加热器控制部53进行的向加热器34的通电的通断的切换相伴的较小周期的噪声成分(称为切换噪声成分)的变化反映出来。有效电流的变化速度ΔS在传感器单元21的温度被维持为目标温度时，反映与切换噪声成分相比较大的周期的噪声成分(称为温度控制噪声成分)的变化。

如图6的(b)所示，在变化速度计算部54，加热器电流检测部56所检测的加热器电流Ih的值作为比加热器控制部53的脉冲状的施加电压Vh的周期t2长的规定时间内的加热器电流Ih的平均值a而被求出。并且，基于比求出加热器电流Ih的平均值a的规定时间长的规定时间内的加热器电流Ih的值的变化量(差分值)、微分值等，求出加热器电流Ih的变化速度ΔS。变化速度ΔS被表示为图6的(b)中的加热器电流Ih的波形的斜率。加热器电流Ih的平均值a也可以以加热器控制部53的脉冲状的施加电压Vh的周期t2的整数倍的周期求出。

在利用加热器控制部53将相同的占空比的脉冲状的施加电压Vh连续地施加于加热器34时，加热器电流Ih的平均值a恒定，加热器电流Ih的变化速度ΔS为零。在利用加热器控制部53将不同的占空比的脉冲状的施加电压Vh适当地施加于加热器34时，加热器电流Ih的平均值a不恒定，加热器电流Ih的变化速度ΔS具有规定的值。

如图6的(b)、(d)所示，加热器电流Ih的变化速度ΔS表示加热器电流Ih的每单位时间的变动量(变化量)。已查明，加热器电流Ih的每单位时间的变动量会使传感器检测部51所检测的传感器单元21的传感器电流Is产生作为温度控制噪声成分的每单位时间的变动量。换言之，已查明，在传感器检测部51所检测的传感器单元21的传感器电流Is中，会适当伴有相位延迟ta地产生与加热器电流Ih的变动相应的变动。

(修正输出部55)

如图2、图3及图6的(d)所示，修正输出部55减少加热器电流Ih的每单位时间的变动量对由传感器检测部51检测的传感器电流Is即传感器输出带来的影响地计算气体传感器10的传感器修正输出Os。特别是，修正输出部55去除传感器输出中所含的温度控制噪声成分地计算气体传感器10的传感器修正输出Os。修正输出部55反映加热器电流Ih的变动的振幅及周期、到加热器电流Ih的变动作为传感器电流Is的变动显现出来为止的相位延迟ta等地计算传感器修正输出Os。通过该结构，能够提高传感器修正输出Os的精度。

修正输出部55使用传感器电流Is的有效电流的变化速度ΔS修正传感器输出以消除产生于传感器单元21的感应电流，计算传感器修正输出Os。若加热器电流Ih的变动的振幅变大，则重叠于传感器电流Is的温度控制噪声成分的振幅也倾向于变大。另外，若加热器电流Ih的变动的周期变短(若频率变大)，则重叠于传感器电流Is的温度控制噪声成分的振幅也倾向于变大。加热器电流Ih所产生的变动的振幅及周期被反映在加热器电流Ih的变化速度ΔS中。因此，加热器电流Ih的有效电流的变化速度ΔS越大，修正输出部55越将用于从传感器电流Is中消除温度控制噪声成分的修正量增大。通过这样的结构，能够有效地去除传感器电流(传感器输出)Is中所含的温度控制噪声成分。

另外，如图6的(b)、(d)所示，到加热器电流Ih的变动作为传感器电流Is的变动显现出来为止的温度控制噪声成分的相位延迟ta具有与配置于加热器34与各电极311、312及各电极引线部313之间的绝缘体33A、33B、大气管道36等的磁导率、介电常数等的大小相应的固有的值。在此，磁导率表示磁通从加热器34向各电极311、312及各电极引线部313透过的难易度。导磁率越大，磁通越容易透过。

另外，介电常数形成被形成在加热器34与各电极311、312及各电极引线部313之间的虚拟电容器的静电电容。静电电容与介电常数成比例地变大。静电电容越大，磁通透过的速度越慢。

温度控制噪声成分的相位延迟ta可以在试制气体传感器10之后进行试验等求出。并且，修正输出部55在修正传感器电流Is之际，考虑相位延迟ta进行修正。换言之，修正输出部55错开包含相位延迟ta的量的时间地修正传感器电流Is，计算传感器修正输出Os。

在产生于传感器单元21的传感器电流Is中，作为温度控制噪声成分，包含与加热器34中的有效电流相应地在与传感器单元21的排气电极311及大气电极312相连的各电极引线部313中产生的感应电流。在利用加热器控制部53对加热器34进行脉冲宽度调制控制时，在加热器34中，会产生与脉冲状的施加电压Vh的通断相伴的电流的变化，围绕加热器34的配线方向的轴线，会产生与该电流的变化相应的磁通。并且，该磁通会使与传感器单元21中的排气电极311及大气电极312相连的各电极引线部313产生感应电流，该感应电流重叠于传感器电流Is。另外，该感应电流伴有相位延迟ta地重叠于传感器电流Is。

(关系映射M)

在图8中，示出了在使加热器控制部53向加热器34的施加电压Vh适当发生了变化时，利用加热器电流检测部56检测加热器电流Ih并且利用传感器检测部51检测传感器电流Is，并求出加热器电流Ih的变化速度ΔS[A/sec]与传感器电流Is的变化量[μA]之间的关系的图表。加热器电流Ih的变化速度ΔS越大，传感器电流Is的变化量越大。在图8中，将相对于加热器电流Ih的变化速度ΔS而言的传感器电流Is的变化量的值连成了曲线。

如图9所示，传感器控制装置5具有表示加热器电流Ih的变化速度ΔS与修正输出部55对传感器电流(传感器输出)Is的修正量之间的关系的关系映射M。一般认为传感器电流Is的变化量是温度控制噪声成分，因此对传感器电流Is的变化量附上负的符号的值就成为传感器电流Is的修正量。

在关系映射M中，在加热器电流Ih的变化速度ΔS中，存在加热器电流Ih增加的一侧即正侧的变化速度ΔS和加热器电流Ih减少的一侧即负侧的变化速度ΔS。在关系映射M中，在加热器电流Ih的变化速度ΔS处于正侧时，存在加热器电流Ih的变化速度ΔS越向正侧变大则越使传感器电流Is的修正量向负侧变大的关系。另外，在关系映射M中，在加热器电流Ih的变化速度ΔS处于负侧时，存在加热器电流Ih的变化速度ΔS越向负侧变大则越使传感器电流Is的修正量向正侧变大的关系。

修正输出部55基于将由变化速度计算部54计算的加热器电流Ih的变化速度ΔS与关系映射M对照而决定的传感器电流Is的修正量，计算传感器修正输出Os。另外，修正输出部55在计算传感器修正输出Os时，利用向过去回溯了温度控制噪声成分的相位延迟ta的量的时间的传感器输出的修正量。通过使用关系映射M，能够容易地进行修正输出部55对传感器电流Is的修正。

(气体浓度检测装置1的动作)

在图6的(a)中，示出了由加热器控制部53对加热器34施加的脉冲状的施加电压Vh随时间的变化。另外，在图6的(a)中，还示出了向加热器34的施加电压Vh的有效值。在图6的(b)中，示出了由加热器电流检测部56检测的、流经加热器34的加热器电流Ih。加热器电流Ih为与向加热器34的施加电压Vh的有效值同样的波形。

在图6的(c)中，示出了由变化速度计算部54计算的、表示加热器电流Ih的每单位时间的变化量的加热器电流Ih的变化速度ΔS随时间的变化。加热器电流Ih的变化速度ΔS通过脉冲状的施加电压Vh的周期的整数倍的时间差内的加热器电流Ih的差分值等求出。

在图6的(d)中，示出了由传感器检测部51检测的传感器电流Is随时间的变化。传感器电流Is被作为相对于加热器电流Ih随时间的变化产生了相位延迟ta的波形检测出来。并且，与加热器电流Ih随时间的变化相伴的传感器电流Is随时间的变化被当作是温度控制噪声成分，通过加热器电流Ih的变化速度ΔS考虑相位延迟ta进行修正。由此，修正后的传感器修正输出Os被修正为消除了温度控制噪声成分的影响。

(气体浓度的检测方法)

以下，参照图10的流程图对使用了气体浓度检测装置1的气体浓度的检测方法的一个例子进行说明。

继车辆的内燃机及发动机控制装置6的启动之后，气体传感器10及传感器控制装置5也启动。在传感器控制装置5中，利用加热器控制部53进行加热器34的脉冲宽度调制控制，传感器单元21被加热器34加热(步骤S101)。接着，利用温度感测部52检测传感器单元21的温度(步骤S102)，持续加热传感器单元21，直到传感器单元21的温度变为活性化温度为止(步骤S103)。传感器单元21的活性化温度为利用加热器控制部53对传感器单元21进行加热的目标温度。

接着，在温度感测部52所感测的传感器单元21的温度变为活性化温度之后，以规定的采样间隔，利用传感器检测部51检测传感器电流Is(步骤S104)，并且利用加热器电流检测部56检测加热器电流Ih(步骤S105)。接着，在检测了多次的传感器电流Is及加热器电流Ih而经过了一次或多次的求出加热器电流Ih的平均值a的规定时间间隔时(步骤S106)，变化速度计算部54计算流经加热器34的加热器电流Ih的变化速度ΔS(步骤S107)。

此时，加热器电流Ih的变化速度ΔS通过使当前时间点的加热器电流Ih的平均值a与过去的时间点的加热器电流Ih的平均值a的差分值除以当前时间点与过去的时间点的时间差来求出。在加热器电流Ih的变化速度ΔS中，存在正侧的变化速度ΔS和负侧的变化速度ΔS。

接着，利用修正输出部55，使加热器电流Ih的变化速度ΔS与关系映射M对照来决定传感器电流Is的修正量(步骤S108)。并且，利用修正输出部55，将向过去回溯了温度控制噪声成分的相位延迟ta的量的时间的传感器电流Is的修正量运算为当前时间点的加热器电流Ih的平均值a，计算出传感器修正输出Os(步骤S109)。

此外，在传感器电流Is的修正值处于负侧的情况下，从当前时间点的传感器电流Is的平均值a中减去传感器电流Is的修正值，在传感器电流Is的修正值处于正侧的情况下，对当前时间点的传感器电流Is的平均值a加上传感器电流Is的修正值。之后，重复步骤S104～S110，直到传感器控制装置5的控制被停止为止(步骤S110)。

(作用效果)

在本方式的气体浓度检测装置1的传感器控制装置5中，利用变化速度计算部54计算由温度感测部52感测的传感器单元21的温度被加热器控制部53维持于目标温度时的流经加热器34的加热器电流Ih的变化速度ΔS。在传感器单元21的温度受到外部干扰的影响之际，该变化速度ΔS被表示为对向加热器34的施加电压Vh进行调整以使传感器单元21的温度不从目标温度偏移时所计算的变化的速度。

在传感器单元21的温度受到外部干扰的影响之际，在利用传感器检测部51将产生于传感器单元21的传感器电流Is作为传感器输出检测出来时，在传感器输出中，很可能重叠与向加热器34施加的作为有效值的施加电压Vh的变化相伴的温度控制噪声成分。于是，使用由变化速度计算部54计算的加热器电流Ih的变化速度ΔS，修正输出部55修正传感器输出，计算气体传感器10的传感器修正输出Os。

通过该结构，根据本方式的气体浓度检测装置1，去除了温度控制噪声成分给传感器输出带来的影响，提高了气体传感器10的传感器输出的检测精度。另外，通过使用加热器电流Ih的变化速度ΔS，能够有效地提高气体传感器10的传感器输出的检测精度。

＜实施方式2＞

关于本方式的气体浓度检测装置1，如图11及图12的(a)、(b)、(c)、(d)所示，示出了传感器控制装置5的修正输出部55除了使用加热器电流Ih的变化速度ΔS以外还使用由温度感测部52感测的温度对作为传感器电流Is的传感器输出进行修正的情况。本方式的修正输出部55考虑传感器单元21的温度给传感器电流Is的大小带来的影响以及传感器单元21的温度给传感器电流Is的相位延迟ta带来的影响来对传感器电流Ih进行修正，计算传感器修正输出Os。

在图11中，示意性地示出了本方式的传感器控制装置5的电气结构。在传感器控制装置5中，使用加热器电流检测部56所检测的加热器电流Ih，通过变化速度计算部54计算加热器电流Ih的变化速度ΔS。并且，在修正输出部55，基于变化速度ΔS以及通过加热器控制部53实现的传感器单元21的变化温度ΔT，对传感器检测部51所检测的传感器电流Is进行修正，计算传感器修正输出Os。

由温度感测部52感测的传感器单元21的温度会给产生于传感器电流Is的温度控制噪声成分的大小以及相位延迟ta带来影响。配置于加热器34与各电极311、312及各电极引线部313之间的绝缘体33A、33B、大气管道36等的磁导率为温度越高则其越大。也就是说，传感器元件2的温度越高，与加热器电流Ih的变动相伴的传感器电流Is的变动也越大。此外，这与温度变高时加热器34的电阻值变高而难以流动加热器电流Ih是相反的关系。

另外，配置于加热器34与各电极311、312及各电极引线部313之间的绝缘体33A、33B、大气管道36等的介电常数及静电电容为温度越高则其越小。就与加热器电流Ih的变化相应地产生于传感器单元21的各电极311、312及各电极引线部313的感应电流而言，静电电容越小，到其重叠于传感器电流Is为止的相位延迟ta越短。也就是说，传感器元件2的温度越高，传感器电流Is的变动相对于加热器电流Ih的变动的相位延迟ta越短。

在图12的(a)、(b)中，与实施方式1同样，示出了脉冲状的施加电压Vh及加热器电流Ih随时间的变化。在图12的(c)中，示出了加热器电流Ih变化时的传感器单元21的变化温度ΔT。与图12的(d)的传感器电流Is同样，传感器单元21的变化温度ΔT相对于加热器电流Ih的变动伴有规定的相位延迟tb。一般认为相对于加热器电流Ih的变动的传感器电流Is的相位延迟ta与变化温度ΔT的相位延迟tb是同样的值。

本方式的传感器控制装置5具有表示加热器电流Ih的变化速度ΔS与修正输出部55对传感器电流Is的修正量之间的关系的第一关系映射M1以及表示传感器单元21的温度与修正输出部55对传感器电流Is的修正量之间的关系的第二关系映射M2。第一关系映射M1与实施方式1的图9中的关系映射M相同。

在图13中，示出了在使加热器控制部53向加热器34的施加电压Vh发生了变化时，利用加热器电流检测部56检测加热器电流Ih并且利用传感器检测部51检测传感器电流Is，并以加热器电流Ih的变化速度ΔS[μA/sec]为参数，作为表示传感器单元21的温度的上升量的变化温度ΔT[℃]与传感器电流Is的变化量[μA]之间的关系而求出的图表。变化温度ΔT能够作为从目标温度变化的温度捕捉到。变化温度ΔT越高，传感器电流Is的变化量也越大。另外，加热器电流Ih的变化速度ΔS越大，相对于变化温度ΔT的传感器电流Is的变化量的幅度越大。

在图13中，加热器电流Ih的变化速度ΔS被表示为0.1Hz、0.2Hz、0.3Hz。在图13中，将以加热器电流Ih的变化速度ΔS为参数的、相对于变化温度ΔT的传感器电流Is的变化量的值连成了曲线。

如图14所示，传感器电流Is的变化量一般被认为是温度控制噪声成分，因此在第二关系映射M2中，对传感器电流Is的变化量附上负的符号的值就成为传感器电流Is的修正量。传感器电流(传感器输出)Is的修正量具有加热器电流Ih的变化速度ΔS越大则其越大，并且变化温度ΔT越高则其越大的关系。

如图14所示，在第二关系映射M2中，在变化温度ΔT中，存在变化温度ΔT处于上升的一侧即正侧的情况和变化温度ΔT处于降低的一侧即负侧的变化速度。在第二关系映射M2中，在变化温度ΔT处于正侧时，存在变化温度ΔT越向正侧变大则越使传感器电流Is的修正量向负侧变大的关系。另外，在第二关系映射M2中，在变化温度ΔT处于负侧时，存在变化温度ΔT越向负侧变大则越使传感器电流Is的修正量向正侧变大的关系。

修正输出部55基于将加热器电流Ih的变化速度ΔS与第一关系映射M1对照而决定的传感器电流Is的第一修正量以及将加热器电流Ih的变化速度ΔS及变化温度ΔT与第二关系映射M2对照而决定的传感器电流Is的第二修正量，计算传感器修正输出Os。另外，修正输出部55在计算传感器修正输出Os时，利用向过去回溯了相位延迟ta的量的时间点的传感器电流Is的第一修正量和向过去回溯了相位延迟tb的量的时间点的传感器电流Is的第二修正量。

换言之，本方式的修正输出部55将向过去回溯了相位延迟ta的量的时间点的传感器电流Is的第一修正量与向过去回溯了相位延迟tb的量的时间点的传感器电流Is的第二修正量合计在一起，计算传感器修正输出Os。通过使用第一关系映射M1及第二关系映射M2，能够进一步提高修正输出部55对传感器电流Is的修正的精度。

(气体浓度检测装置1的动作)

在图15的(a)、(b)、(c)中，示出了在不具有变化速度计算部54及修正输出部55的以往的气体浓度检测装置(比较品)中，在通过加热器控制部53将传感器单元21的温度控制为目标温度时，由于外部干扰而加热器电流Ih及传感器单元21的温度产生变动时的传感器电流(传感器输出)Is的变动。在图15的(a)、(b)、(c)中，示出了使向气体传感器10供给的排放气体G的温度模拟地呈正弦波状变动的情况。

在图15的(a)中示出了加热器电流Ih的变动，在图15的(b)中示出了传感器单元21的温度的变动，在图15的(c)中示出了传感器电流(传感器输出)Is的变动。如图15(a)、(b)、(c)所示，可知：在加热器电流Ih及传感器单元21的温度发生变动时，传感器电流Is产生规定的相位延迟ta地发生变动。

在图16的(a)、(b)、(c)中，对于比较品，示出了传感器单元21温度的变动幅度变小的情况下的传感器电流Is的变动。可知：在传感器单元21温度的变动幅度变小时，传感器电流Is的变动也变小。此外，虽然省略图示，但若加热器电流Ih的周期变短(振动的频率变大)，则传感器电流Is的振幅变大。

在图17的(a)、(b)、(c)中，示出了在具有变化速度计算部54及修正输出部55的实施方式2的气体浓度检测装置1(实施品)中，在利用加热器控制部53将传感器单元21的温度控制为目标温度时，由于外部干扰而加热器电流Ih及传感器单元21的温度产生变动时的传感器电流(传感器输出)Is的变动。在图17的(a)、(b)、(c)中，也示出了使向气体传感器10供给的排放气体G的温度模拟地呈正弦波状变动的情况。

如图17的(c)所示，可知：在实施品中，通过利用变化速度计算部54及修正输出部55对传感器电流Is进行修正，传感器电流Is的变动被抑制得较小。

关于本方式的气体浓度检测装置1中的其它结构、作用效果等，与实施方式1的结构、作用效果等是相同的。另外，在本方式中，与实施方式1所示的附图标记相同的附图标记所表示的构成要素也与实施方式1的构成要素相同。

＜其它实施方式＞

传感器检测部51也可以具有将传感器电流Is转换成传感器电压并进行检测的结构。在该情况下，在修正输出部55，修正传感器电压而计算传感器修正输出Os。

另外，变化速度计算部54也可以代替计算加热器电流Ih的变化速度ΔS而计算向加热器34的施加电压Vh的变化速度。向加热器34的施加电压Vh根据温度感测部52所感测的传感器单元21的温度的变化而适当变化。向加热器34的施加电压Vh的变化速度作为施加电压Vh的有效值的变化的速度而被求出。在该情况下，修正输出部55优选的是也反映实施方式2所示的传感器单元21的温度的变化地修正传感器电流Is。另外，变化速度计算部54也可以使用加热器电流Ih的变化速度ΔS以及向加热器34的施加电压Vh的变化速度这两方。

加热器控制部53也可以取代脉冲宽度调制(PWM)控制而使用脉冲频率调制(PFM)控制对加热器34赋予施加电压Vh。在PFM控制中，适当变更向加热器34施加相同宽度的脉冲状的施加电压Vh的间隔。

本公开并不仅限定于各实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内构成进一步不同的实施方式。另外，本公开包含各种变形例、等同范围内的变形例等。而且，从本公开想象得到的各种构成要素的组合、方式等也包含于本公开的技术思想。

Claims (9)

1.一种气体浓度检测装置(1)，其特征在于，具备：

气体传感器(10)，具有在固体电解质体(31)上设有一对电极(311、312)的一个或多个传感器单元(21)以及通过通电进行发热来加热所述传感器单元的加热器(34)；以及

传感器控制装置(5)，控制所述传感器单元及所述加热器的动作；

所述传感器控制装置具有：

传感器检测部(51)，检测产生于所述传感器单元的传感器电流(Is)或传感器电压；

温度感测部(52)，感测所述传感器单元的温度；

加热器控制部(53)，对向所述加热器的施加电压进行调整；

变化速度计算部(54)，计算由所述温度感测部感测的所述温度被所述加热器控制部维持于目标温度时的向所述加热器的施加电压(Vh)的变化速度以及流经所述加热器的加热器电流(Ih)的变化速度(ΔS)中的至少某一方；以及

修正输出部(55)，使用由所述变化速度计算部计算的所述变化速度对由所述传感器检测部检测的所述传感器电流或所述传感器电压即传感器输出进行修正，计算所述气体传感器的传感器修正输出(Os)。

2.根据权利要求1所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述传感器控制装置还具有检测所述加热器电流的加热器电流检测部(56)，

所述变化速度计算部计算由所述加热器电流检测部检测的所述加热器电流的变化速度，

所述修正输出部使用所述加热器电流的变化速度对所述传感器输出进行修正，计算所述传感器修正输出。

3.根据权利要求2所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述修正输出部除了使用所述加热器电流的变化速度以外，还使用由所述温度感测部感测的所述温度，考虑所述温度给所述传感器电流的大小带来的影响以及所述温度给所述传感器电流的相位延迟(tb)带来的影响而对所述传感器输出进行修正，计算所述传感器修正输出。

4.根据权利要求2或3所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述加热器控制部构成为使脉冲状的施加电压的占空比变化来进行调整向所述加热器的施加电压的脉冲宽度调制控制，

所述加热器电流检测部检测所述加热器电流的采样周期(t1)比所述脉冲状的施加电压的周期(t2)短。

5.根据权利要求4所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述变化速度计算部所计算的所述加热器电流的变化速度被作为和所述脉冲状的施加电压的接通时电压与占空比之积即有效电压(Ve)相应的、所述加热器中的有效电流的变化速度而计算出来。

6.根据权利要求5所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述传感器检测部构成为对产生于所述传感器单元的传感器电流进行检测，

在产生于所述传感器单元的传感器电流中，包含与所述加热器中的有效电流相应地在所述传感器单元的一对所述电极的各电极引线部(313)中产生的感应电流，

所述修正输出部使用所述有效电流的变化速度修正所述传感器输出以消除产生于所述传感器单元的感应电流，并计算所述传感器修正输出。

7.根据权利要求6所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述修正输出部考虑由于所述感应电流而使所述加热器电流产生的相位延迟(ta)对所述传感器输出进行修正，计算所述传感器修正输出。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述传感器控制装置还具有表示所述变化速度与所述修正输出部对所述传感器输出的修正量之间的关系的关系映射(M)，

所述传感器输出的修正量具有所述变化速度越大则该修正量越大的关系，

所述修正输出部基于将由所述变化速度计算部计算的所述变化速度与所述关系映射对照而决定的所述传感器输出的修正量，计算所述传感器修正输出。

9.根据权利要求3所述的气体浓度检测装置，其特征在于，

所述传感器控制装置还具有：

第一关系映射(M1)，表示所述加热器电流的变化速度与所述修正输出部对所述传感器输出的修正量之间的关系；以及

第二关系映射(M2)，表示所述温度与所述修正输出部对所述传感器输出的修正量之间的关系；

所述传感器输出的修正量具有所述加热器电流的变化速度越大则该修正量越大，并且所述温度越高则该修正量越大的关系，

所述修正输出部基于将所述加热器电流的变化速度与所述第一关系映射对照而决定的所述传感器输出的第一修正量以及将所述温度的变化量与所述第二关系映射对照而决定的所述传感器输出的第二修正量，计算所述传感器修正输出。