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JP2017003463A - Gas sensor control device - Google Patents

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JP2017003463A JP2015118472A JP2015118472A JP2017003463A JP 2017003463 A JP2017003463 A JP 2017003463A JP 2015118472 A JP2015118472 A JP 2015118472A JP 2015118472 A JP2015118472 A JP 2015118472A JP 2017003463 A JP2017003463 A JP 2017003463A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor control device which has a simplified configuration and designed to properly control voltage across a pair of electrodes of a sensor element.SOLUTION: A sensor element 10 comprises a solid electrolyte layer and a pair of electrodes that sandwiches the solid electrolyte layer, and is configured to output element current corresponding to concentration of a predetermined component of a detection target gas when a voltage is applied across the pair of electrodes. A sensor control circuit 30, while applying the voltage across the pair of electrodes of the sensor element 10, temporarily stops applying voltage and then calculates an element voltage Vx, as a voltage across the pair of electrodes while the voltage application is halted. The sensor control circuit controls application voltage VP to be applied across the pair of electrodes based on the element voltage Vx.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。   The present invention relates to a gas sensor control device.

例えば、内燃機関の排気成分の濃度を検出するガスセンサとして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A/Fセンサは、ジルコニア等の固体電解質とその表面に設けられる一対の電極とを有してなり、一対の電極間に所定の電圧差を生じさせた状態で、排気中の酸素濃度に応じて異なる大きさの素子電流を出力するものとなっている。この場合、例えばA/Fセンサへの印加電圧を制御することにより、一対の電極間に所定の電圧差を生じさせるようにしている。そして、素子電流に基づいて空燃比が求められる。   For example, an oxygen concentration sensor (A / F sensor) that detects an oxygen concentration in exhaust gas is known as a gas sensor that detects the concentration of exhaust components of an internal combustion engine. This A / F sensor has a solid electrolyte such as zirconia and a pair of electrodes provided on the surface thereof, and in a state where a predetermined voltage difference is generated between the pair of electrodes, the oxygen concentration in the exhaust gas is controlled. Accordingly, device currents of different magnitudes are output. In this case, for example, a predetermined voltage difference is generated between the pair of electrodes by controlling the voltage applied to the A / F sensor. Then, the air-fuel ratio is obtained based on the element current.

A/Fセンサにおいては、素子電流を検出するための限界電流域が空燃比がリーンになるほど高電圧側にシフトすることが知られており、素子電流を精度よく検出するべく空燃比に応じて印加電圧を可変に設定する技術が各種提案されている。例えば、A/FセンサのV−I特性上において一次直線からなる印加電圧線(印加電圧マップ)を定めておき、その印加電圧線に基づいて、空燃比がリーンになるほど印加電圧を高電圧側にシフトさせる技術が知られている。   In the A / F sensor, it is known that the limit current region for detecting the element current shifts to a higher voltage side as the air-fuel ratio becomes leaner, and according to the air-fuel ratio in order to detect the element current accurately. Various techniques for variably setting the applied voltage have been proposed. For example, on the VI characteristic of the A / F sensor, an applied voltage line (applied voltage map) composed of a linear line is determined, and the applied voltage is increased to the higher voltage side as the air-fuel ratio becomes leaner based on the applied voltage line. The technology to shift to is known.

また、ASIC(専用IC)を用いてセンサ制御回路を構築する技術として、印加電圧線の傾きと、素子電流がゼロになる時の印加電圧(原点電圧)とを、ASIC外のハード定数の変更により任意に設定可能とする技術が知られている(特許文献1参照)。かかる技術によれば、出力特性の異なるセンサ素子を用いる場合にも、共通のASICを用いてセンサ制御回路を構築できる。そのため、A/Fセンサの型式ごとASICを変更する必要が無く、対応自由度を高めることが可能となっている。   In addition, as a technique for constructing a sensor control circuit using an ASIC (dedicated IC), the slope of the applied voltage line and the applied voltage (origin voltage) when the element current becomes zero can be changed by changing the hardware constant outside the ASIC. There is known a technique that can be arbitrarily set by (see Patent Document 1). According to such a technique, even when sensor elements having different output characteristics are used, a sensor control circuit can be constructed using a common ASIC. Therefore, it is not necessary to change the ASIC for each A / F sensor model, and the degree of freedom in handling can be increased.

特開2008−203101号公報JP 2008-203101A

上記の先行技術では、A/Fセンサの型式が異なる場合にもその対応が可能となっているが、型式ごとにASIC外のハード定数の設定作業が必要になるなど、型式対応のための付加作業が存在する。そのため、より一層の簡易化を図るべく改善の余地があると考えられる。   In the above-mentioned prior art, even when the A / F sensor type is different, it is possible to cope with it. However, setting for hardware constants outside the ASIC is required for each type. Work exists. Therefore, it is considered that there is room for improvement in order to achieve further simplification.

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、構成の簡易化を図りつつ、センサ素子において一対の電極間の電圧制御を適正に実施することができるガスセンサ制御装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its main object is to provide a gas sensor control device capable of appropriately performing voltage control between a pair of electrodes in a sensor element while simplifying the configuration. There is to do.

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。   Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.

本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質層(11)とそれを挟むように設けられる一対の電極(15,16)とを有するセンサ素子(10)を備え、前記一対の電極間に所定の電圧差が生じる状態で、被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を出力するガスセンサを制御対象とするものである。そして、ガスセンサ制御装置は、前記一対の電極間への通電を行っている状態から一時的に通電を停止させる通電停止手段と、前記通電停止手段により通電を停止した後に、その通電停止の状態における前記一対の電極間の電圧である素子電圧(Vx)を算出する素子電圧算出手段と、前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧に基づいて、前記一対の電極間に生じさせる電圧差を制御する電圧制御手段と、を備えることを特徴とする。   The gas sensor control device of the present invention includes a sensor element (10) having a solid electrolyte layer (11) and a pair of electrodes (15, 16) provided so as to sandwich the solid electrolyte layer (11), and a predetermined voltage between the pair of electrodes. A gas sensor that outputs an element current corresponding to the concentration of a predetermined component in the gas to be detected in a state where a difference occurs is a control target. Then, the gas sensor control device includes an energization stop unit that temporarily stops energization from a state in which energization between the pair of electrodes is performed, and after the energization stop unit stops energization, An element voltage calculation unit that calculates an element voltage (Vx) that is a voltage between the pair of electrodes, and a voltage difference that is generated between the pair of electrodes is controlled based on the element voltage calculated by the element voltage calculation unit. Voltage control means.

固体電解質層と一対の電極とを有してなるセンサ素子では、固体電解質層と各電極との間に電極界面容量が存在する。そのため、センサ素子への通電状態では電極界面容量に電荷が蓄えられ、通電を停止した後も暫くは電極界面容量に蓄えられた電荷が残る。つまり、通電状態では、センサ素子において固体電解質層や電極の直流抵抗での電圧VRと、電極界面容量での電圧VCとを加算した電圧(VC+VR)が一対の電極間に生じるのに対し、通電の停止直後には、センサ素子において電極界面容量での電圧VCのみが一対の電極間に生じることとなる。この場合、電圧VCは、センサ素子のV−I出力特性である限界電流特性において限界電流を発生させている電圧に相当し、この電圧VCが適正であるか否かにより、所望の限界電流を生じさせる上で一対の電極間の電圧差が適正値であるか否かを判断できる。   In a sensor element having a solid electrolyte layer and a pair of electrodes, an electrode interface capacitance exists between the solid electrolyte layer and each electrode. Therefore, charges are stored in the electrode interface capacitance in the energized state of the sensor element, and the charges stored in the electrode interface capacitance remain for a while after the energization is stopped. That is, in the energized state, in the sensor element, a voltage (VC + VR) obtained by adding the voltage VR at the DC resistance of the solid electrolyte layer or the electrode and the voltage VC at the electrode interface capacitance is generated between the pair of electrodes. Immediately after stopping, only the voltage VC at the electrode interface capacitance is generated between the pair of electrodes in the sensor element. In this case, the voltage VC corresponds to a voltage that generates a limit current in the limit current characteristic that is the VI output characteristic of the sensor element, and a desired limit current is determined depending on whether or not the voltage VC is appropriate. Whether or not the voltage difference between the pair of electrodes is an appropriate value can be determined.

上記構成によれば、一対の電極間への通電を行っている状態から通電を停止した後に、その通電停止の状態における一対の電極間の電圧である素子電圧が算出され、その素子電圧に基づいて、一対の電極間に生じさせる電圧差が制御される。この場合、通電停止後の素子電圧によれば、限界電流域での電極間の電圧差のずれを好適に把握できる。また特に、直流抵抗の大きさに依存せずに電極間の電圧差を適正化できるため、電圧制御のための定数の設定が不要となる。その結果、構成の簡易化を図りつつ、センサ素子において一対の電極間の電圧制御を適正に実施することができる。   According to the above configuration, after the energization is stopped from the state of energization between the pair of electrodes, the element voltage that is the voltage between the pair of electrodes in the energization stop state is calculated, and based on the element voltage Thus, the voltage difference generated between the pair of electrodes is controlled. In this case, according to the element voltage after the energization is stopped, it is possible to appropriately grasp the deviation of the voltage difference between the electrodes in the limit current region. In particular, since the voltage difference between the electrodes can be optimized without depending on the magnitude of the direct current resistance, it is not necessary to set constants for voltage control. As a result, voltage control between the pair of electrodes can be appropriately performed in the sensor element while simplifying the configuration.

センサ制御回路の電気的構成を示す構成図。The block diagram which shows the electrical constitution of a sensor control circuit. センサ素子の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of a sensor element. センサ素子の出力特性を示す図。The figure which shows the output characteristic of a sensor element. センサ素子の要部構成とその要部構成に対応する等価回路とを示す図。The figure which shows the principal part structure of a sensor element, and the equivalent circuit corresponding to the principal part structure. センサ素子の等価回路を示す図。The figure which shows the equivalent circuit of a sensor element. センサ素子の出力特性を示す図。The figure which shows the output characteristic of a sensor element. センサ素子の印加電圧制御の概要を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the outline | summary of the applied voltage control of a sensor element. 印加電圧制御の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of applied voltage control. 電極間の電圧差と素子電流との変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the change of the voltage difference between electrodes, and element current. 電流検出の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of electric current detection. 空燃比が変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the applied voltage control in case an air fuel ratio changes. 素子温度が変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating the applied voltage control in case element temperature changes. 第2実施形態においてセンサ制御回路の電気的構成を示す構成図。The block diagram which shows the electrical constitution of a sensor control circuit in 2nd Embodiment. 第2実施形態において電流制御の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of current control in 2nd Embodiment. 第2実施形態において電極間の電圧差と素子電流との変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the change of the voltage difference between electrodes and element current in 2nd Embodiment. 素子電圧及び目標値の電圧差と電圧変更量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the voltage difference of an element voltage and a target value, and a voltage change amount. 印加電圧の上限設定に関する説明図。Explanatory drawing regarding the upper limit setting of an applied voltage.

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジン(内燃機関)より排出される排気を被検出ガスとして同排気中の酸素濃度(空燃比:A/F)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おいて用いられる。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空燃比制御や、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空燃比制御等が適宜実施される。   DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying the present invention will be described below with reference to the drawings. The present embodiment embodies an air-fuel ratio detection device that detects the oxygen concentration (air-fuel ratio: A / F) in the exhaust gas using exhaust gas discharged from an on-vehicle engine (internal combustion engine) as a detected gas. This detection result is used in an air-fuel ratio control system constituted by an engine ECU or the like. In the air-fuel ratio control system, stoichiometric air-fuel ratio control for feedback control of the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometric control, lean air-fuel ratio control for feedback control of the air-fuel ratio in a predetermined lean region, and the like are appropriately performed.

(第1実施形態)
はじめに、A/Fセンサの素子構造を図2を用いて説明する。このA/Fセンサは、エンジンの排気管に設けられ、排気管内を流れる排気を検出対象として排気中の酸素濃度に応じたセンサ出力を生じさせるものとしている。A/Fセンサは、固体電解質層を有し電圧印加状態で排気中の酸素濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子10を備えており、図2には、積層型構造により構成されるセンサ素子10の断面構成を示す。センサ素子10は、実際には図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。
(First embodiment)
First, the element structure of the A / F sensor will be described with reference to FIG. This A / F sensor is provided in the exhaust pipe of the engine, and generates sensor output corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas with the exhaust gas flowing in the exhaust pipe as a detection target. The A / F sensor includes a sensor element 10 having a solid electrolyte layer and flowing an element current corresponding to the oxygen concentration in the exhaust gas in a voltage applied state. FIG. 2 shows a sensor element having a stacked structure. 10 shows a cross-sectional configuration. The sensor element 10 is actually formed in a long shape extending in the direction orthogonal to the paper surface of FIG. 2, and the entire element is accommodated in a housing or an element cover.

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。この一対の電極15,16のうち電極15が排気側電極、電極16が大気側電極である。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。拡散抵抗層12には、電極15を囲むようにして排気チャンバ17が設けられている。拡散抵抗層12と遮蔽層13は何れも、アルミナ、スピネル、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。なお、拡散抵抗層12は、ピンホールが形成されることにより構成されていてもよい。   The sensor element 10 includes a solid electrolyte layer 11, a diffusion resistance layer 12, a shielding layer 13, and an insulating layer 14, which are stacked on the top and bottom of the drawing. A protective layer (not shown) is provided around the element. The rectangular solid electrolyte layer 11 is a partially stabilized zirconia sheet, and a pair of upper and lower electrodes 15 and 16 are disposed opposite to each other with the solid electrolyte layer 11 interposed therebetween. Of the pair of electrodes 15 and 16, the electrode 15 is an exhaust side electrode, and the electrode 16 is an atmosphere side electrode. The diffusion resistance layer 12 is made of a porous sheet for introducing exhaust gas to the electrode 15, and the shielding layer 13 is made of a dense layer for suppressing permeation of exhaust gas. The diffusion resistance layer 12 is provided with an exhaust chamber 17 so as to surround the electrode 15. Both the diffusion resistance layer 12 and the shielding layer 13 are made of a ceramic such as alumina, spinel, zirconia or the like by a sheet molding method or the like, but have different gas permeability due to differences in the average pore diameter and porosity of the porosity. It has become. The diffused resistance layer 12 may be configured by forming pinholes.

絶縁層14はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、電極16に対面する部位には大気室としての大気ダクト18が形成されている。また、同絶縁層14にはヒータ19が埋設されている。ヒータ19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。   The insulating layer 14 is made of a highly thermally conductive ceramic such as alumina, and an air duct 18 as an air chamber is formed at a portion facing the electrode 16. A heater 19 is embedded in the insulating layer 14. The heater 19 is composed of a linear heating element that generates heat when energized from a battery power source, and heats the entire element by the generated heat.

上記構成のセンサ素子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た後、拡散抵抗層12内を経由して排気チャンバ17に流れ込み、電極15に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素が電極15で分解され、電極16より大気ダクト18に排出される。また、排気がリッチの場合、逆に大気ダクト18内の酸素が電極16で分解され、電極15より排気側に排出される。   In the sensor element 10 having the above-described configuration, the surrounding exhaust gas is introduced from the side portion of the diffusion resistance layer 12, then flows into the exhaust chamber 17 through the diffusion resistance layer 12, and reaches the electrode 15. When the exhaust gas is lean, oxygen in the exhaust gas is decomposed by the electrode 15 and discharged from the electrode 16 to the atmospheric duct 18. On the other hand, when the exhaust is rich, oxygen in the atmospheric duct 18 is decomposed by the electrode 16 and discharged from the electrode 15 to the exhaust side.

本実施形態では、排気側電極である電極15を負極、大気側電極である電極16を正極としており、図2のように電極15を負(−)、電極16を正(+)としてこれら電極間に印加される印加電圧VPを正電圧としている。ゆえに、その逆に、電極15を正(+)、電極16を負(−)としてこれら電極間に印加される印加電圧VPが負電圧である。   In this embodiment, the exhaust electrode 15 is a negative electrode and the atmospheric electrode 16 is a positive electrode. As shown in FIG. 2, the electrode 15 is negative (−) and the electrode 16 is positive (+). The applied voltage VP applied between them is a positive voltage. Therefore, conversely, the applied voltage VP applied between these electrodes with the electrode 15 being positive (+) and the electrode 16 being negative (-) is a negative voltage.

図3は、センサ素子10の出力特性(V−I特性)を示す図面である。図3では、横軸を電圧、縦軸を電流とし、センサ素子10の印加電圧VPに対する素子電流ILの関係を表した特性線が示されている。図3の特性線において、横軸である電圧軸に概ね平行な直線部分は限界電流としての素子電流ILを特定する限界電流域であって、素子電流ILの増減は空燃比の増減、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ILが増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ILが減少する。また、上記特性線において限界電流域よりも低電圧側は、V−I座標の原点を通り、かつセンサ素子10の直流抵抗Riの大きさに依存する傾きを有する抵抗支配域となっている。   FIG. 3 is a diagram showing output characteristics (VI characteristics) of the sensor element 10. In FIG. 3, a characteristic line representing a relationship of the element current IL with respect to the applied voltage VP of the sensor element 10 is shown with the horizontal axis representing voltage and the vertical axis representing current. In the characteristic line of FIG. 3, a straight line portion substantially parallel to the voltage axis that is the horizontal axis is a limit current region that specifies the element current IL as the limit current, and the increase or decrease of the element current IL is the increase or decrease of the air-fuel ratio, that is, the lean.・ It corresponds to the degree of richness. That is, the element current IL increases as the air-fuel ratio becomes leaner, and the element current IL decreases as the air-fuel ratio becomes richer. Further, in the above characteristic line, the lower voltage side than the limit current region is a resistance dominant region that passes through the origin of the VI coordinate and has a slope that depends on the magnitude of the DC resistance Ri of the sensor element 10.

センサ素子10においては、都度の空燃比に応じて適正な印加電圧VPが定められており、その印加電圧VPの電圧印加状態で素子電流ILが検出される。つまり、限界電流域は、上記のとおり電圧軸に概ね平行になっているが、詳しくは僅かに右上がりになっている。また、上記V−I特性にはセンサ素子10の直流抵抗Riに応じた傾きが生じている。この場合、素子電流ILに基づいて空燃比を正確に検出するには、印加電圧VPを適正に設定する必要があり、例えば図3に示すように、空燃比ごとに印加電圧VPが定められている。なお、各空燃比における印加電圧VPは、抵抗支配域と同じ傾きを有する直線L上に定められているとよい。   In the sensor element 10, an appropriate applied voltage VP is determined according to each air-fuel ratio, and the element current IL is detected in a voltage application state of the applied voltage VP. In other words, the limit current region is substantially parallel to the voltage axis as described above, but in detail is slightly raised to the right. In addition, the VI characteristic has a slope corresponding to the DC resistance Ri of the sensor element 10. In this case, in order to accurately detect the air-fuel ratio based on the element current IL, it is necessary to set the applied voltage VP appropriately. For example, as shown in FIG. 3, the applied voltage VP is determined for each air-fuel ratio. Yes. Note that the applied voltage VP at each air-fuel ratio is preferably determined on a straight line L having the same slope as the resistance-dominated region.

また本実施形態では、センサ素子10において固体電解質層11と各電極15,16との間に電極界面容量が存在していることに着目し、センサ素子10に対する電圧印加状態から電圧印加を停止した後において、電極界面容量に蓄えられた電荷により生じるセンサ素子10の発生電圧(素子電圧)に基づいて印加電圧制御を行うこととしている。以下に、その詳細を説明する。   In the present embodiment, focusing on the fact that there is an electrode interface capacitance between the solid electrolyte layer 11 and each of the electrodes 15 and 16 in the sensor element 10, the voltage application is stopped from the voltage application state to the sensor element 10. Later, the applied voltage is controlled based on the voltage (element voltage) generated by the sensor element 10 caused by the charge accumulated in the electrode interface capacitance. The details will be described below.

まずはセンサ素子10の構成を図4によりあらためて説明する。図4は、センサ素子10の要部構成とその要部構成に対応する等価回路とを示す図である。   First, the configuration of the sensor element 10 will be described again with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing a main configuration of the sensor element 10 and an equivalent circuit corresponding to the main configuration.

図4に示すように、センサ素子10は、ジルコニアZrO2よりなる固体電解質層11と、その両側の電極15,16と、排気の拡散を制限する拡散抵抗層12とが積層されて構成されている。この場合、センサ素子10は、抵抗及び容量からなる等価回路で表すことができる。この等価回路において、Rp1,Rp2は大気側電極16、排気側電極15のそれぞれの電極リード抵抗である。Rgは固体電解質層11の粒子抵抗である。Rf1,Cf1はそれぞれ電極16の側の電極界面抵抗、電極界面容量であり、Rf2,Cf2はそれぞれ電極15の側の電極界面抵抗、電極界面容量である。   As shown in FIG. 4, the sensor element 10 is configured by laminating a solid electrolyte layer 11 made of zirconia ZrO2, electrodes 15 and 16 on both sides thereof, and a diffusion resistance layer 12 that restricts the diffusion of exhaust gas. . In this case, the sensor element 10 can be represented by an equivalent circuit composed of a resistor and a capacitor. In this equivalent circuit, Rp1 and Rp2 are electrode lead resistances of the atmosphere side electrode 16 and the exhaust side electrode 15, respectively. Rg is the particle resistance of the solid electrolyte layer 11. Rf1 and Cf1 are the electrode interface resistance and electrode interface capacitance on the electrode 16 side, respectively, and Rf2 and Cf2 are the electrode interface resistance and electrode interface capacitance on the electrode 15 side, respectively.

また、図4の等価回路を簡略化すると、図5のように表すことができる。Rpは電極リード抵抗であり、Rgは固体電解質層11の粒子抵抗であり、Rf,Cfはそれぞれ電極界面抵抗、電極界面容量である。この等価回路では、一対の電極15,16間に電圧を印加した状態下において、電極リード抵抗Rpと固体電解質層11の粒子抵抗Rgとに電圧VRが印加され、電極界面抵抗Rf及び電極界面容量Cfの並列回路に電圧VCが印加されるものとなっている。   Further, when the equivalent circuit of FIG. 4 is simplified, it can be represented as shown in FIG. Rp is an electrode lead resistance, Rg is a particle resistance of the solid electrolyte layer 11, and Rf and Cf are an electrode interface resistance and an electrode interface capacitance, respectively. In this equivalent circuit, the voltage VR is applied to the electrode lead resistance Rp and the particle resistance Rg of the solid electrolyte layer 11 under the condition that a voltage is applied between the pair of electrodes 15 and 16, and the electrode interface resistance Rf and the electrode interface capacitance are applied. The voltage VC is applied to the parallel circuit of Cf.

ここで、一対の電極15,16に対する電圧印加状態では、印加電圧VPが「VR+VC」に相当する電圧値となる。この電圧印加状態では、電極界面容量Cfに電荷が蓄えられる。そして、その状態から電圧印加を停止すると、電圧印加の停止後も暫くは電極界面容量に蓄えられた電荷が残ることから、印加電圧VPがその電荷分に相当する電圧に移行する。つまり、電圧印加状態では、センサ素子10において固体電解質層11や電極15,16の直流抵抗に印加される電圧VRと、電極界面容量に印加される電圧VCとを加算した電圧(VC+VR)が一対の電極15,16間に生じるのに対し、電圧印加の停止直後には、センサ素子10において電極界面容量に印加される電圧VCのみが一対の電極15,16間に生じることとなる。この場合、電圧VCは、センサ素子10のV−I出力特性である限界電流特性において限界電流を発生させている電圧に相当し、この電圧VCが適正であるか否かにより、所望の限界電流を生じさせる上で印加電圧が適正値であるか否かを判断できる。   Here, in the voltage application state with respect to the pair of electrodes 15, 16, the applied voltage VP has a voltage value corresponding to “VR + VC”. In this voltage application state, charges are stored in the electrode interface capacitance Cf. When the voltage application is stopped from that state, the charge stored in the electrode interface capacitance remains for a while after the voltage application is stopped, and the applied voltage VP shifts to a voltage corresponding to the charge. That is, in the voltage application state, a pair of voltages (VC + VR) obtained by adding the voltage VR applied to the DC resistance of the solid electrolyte layer 11 and the electrodes 15 and 16 and the voltage VC applied to the electrode interface capacitance in the sensor element 10. However, immediately after the voltage application is stopped, only the voltage VC applied to the electrode interface capacitance in the sensor element 10 is generated between the pair of electrodes 15 and 16. In this case, the voltage VC corresponds to a voltage that generates a limit current in the limit current characteristic that is the VI output characteristic of the sensor element 10, and a desired limit current depends on whether or not the voltage VC is appropriate. Whether or not the applied voltage is an appropriate value can be determined.

これをセンサ素子10のV−I特性上にて説明する。図6において、空燃比がAであり、センサ素子10の一対の電極15,16間にVAを印加している場合、その印加電圧VAは、直流抵抗分の電圧VRと電極界面容量分の電圧VCとの加算値に相当する。この状態から一対の電極15,16間の電圧印加を停止すると、直流抵抗分の電圧VRが無くなり、電極界面容量分の電圧VCのみとなる。この場合、電圧VCは、限界電流域αにおける電圧印加位置を表すものであり、換言すれば、限界電流域αにおいて所望の位置で電流検出が行われているかどうかを表すものとなっている。   This will be described on the VI characteristic of the sensor element 10. In FIG. 6, when the air-fuel ratio is A and VA is applied between the pair of electrodes 15 and 16 of the sensor element 10, the applied voltage VA is the voltage VR corresponding to the DC resistance and the voltage corresponding to the electrode interface capacitance. It corresponds to the added value with VC. When the voltage application between the pair of electrodes 15 and 16 is stopped from this state, the voltage VR corresponding to the DC resistance disappears and only the voltage VC corresponding to the electrode interface capacitance is obtained. In this case, the voltage VC represents a voltage application position in the limit current region α, in other words, whether or not current detection is performed at a desired position in the limit current region α.

ここで、限界電流域αは概ねフラットな領域であるが、実際には僅かな傾きを有している。そのため、限界電流域αにおける電圧印加位置が所望の位置からずれていると、電流検出値にずれが生じ、結果として空燃比の検出値に誤差が生じるおそれがある。   Here, the limit current region α is a substantially flat region, but actually has a slight inclination. Therefore, if the voltage application position in the limit current region α is deviated from a desired position, the current detection value may be deviated, and as a result, an error may occur in the air-fuel ratio detection value.

そこで本実施形態では、センサ素子10の一対の電極15,16間に電圧を印加した状態から電圧印加を停止した後に、その電圧印加停止の状態における一対の電極15,16間の電圧である素子電圧を算出し、その素子電圧に基づいて、印加電圧VPを制御することとしている。この場合特に、素子電圧が、あらかじめ定めた目標値に一致するよう印加電圧VPをフィードバック制御する。   Therefore, in the present embodiment, after the voltage application is stopped from the state in which the voltage is applied between the pair of electrodes 15 and 16 of the sensor element 10, the element is the voltage between the pair of electrodes 15 and 16 in the state where the voltage application is stopped. The voltage is calculated, and the applied voltage VP is controlled based on the element voltage. In this case, in particular, the applied voltage VP is feedback-controlled so that the element voltage matches a predetermined target value.

印加電圧VPのフィードバック制御の概要を図7で説明する。空燃比がAであり、センサ素子10の一対の電極15,16間にVA1を印加している状態では、直流抵抗分の電圧はVR、電極界面容量分の電圧はVC1である。この状態から電圧印加を停止することで電圧VC1が検出され、その電圧VC1が目標値Vtgよりも小さければ、電圧VC1と目標値Vtgとの差に応じて、印加電圧VPが増加側のVA2に変更される。この場合、電極界面容量分の電圧が目標値Vtgと同じVC2になることで、限界電流域αにおいて所望の位置で電流検出が行われることとなる。目標値Vtgは例えば0.4Vである。   An outline of feedback control of the applied voltage VP will be described with reference to FIG. In a state where the air-fuel ratio is A and VA1 is applied between the pair of electrodes 15 and 16 of the sensor element 10, the voltage corresponding to the DC resistance is VR, and the voltage corresponding to the electrode interface capacitance is VC1. If the voltage VC1 is detected by stopping the voltage application from this state and the voltage VC1 is smaller than the target value Vtg, the applied voltage VP is increased to the increasing side VA2 according to the difference between the voltage VC1 and the target value Vtg. Be changed. In this case, since the voltage corresponding to the electrode interface capacitance becomes VC2 which is the same as the target value Vtg, current detection is performed at a desired position in the limit current region α. The target value Vtg is, for example, 0.4V.

次に、本実施形態の主要な構成を実現するセンサ制御回路30について図1を参照しながら説明する。   Next, a sensor control circuit 30 that realizes the main configuration of the present embodiment will be described with reference to FIG.

概要として、センサ制御回路30は、センサ素子10の大気側電極16に接続される正側端子S+と排気側電極15に接続される負側端子S−とを介してセンサ素子10に接続されている。センサ制御回路30は、センサ素子10に流れる素子電流IL、及びセンサ素子10のインピーダンスを検出し、その検出結果をエンジンECU50に対して出力する。エンジンECU50は、素子電流ILの検出結果に基づいて排気の空燃比を把握し、空燃比フィードバック制御等を適宜実施する他、素子インピーダンスの検出結果に基づいてヒータ19の通電制御を実施する。   As an outline, the sensor control circuit 30 is connected to the sensor element 10 via a positive side terminal S + connected to the atmosphere side electrode 16 of the sensor element 10 and a negative side terminal S− connected to the exhaust side electrode 15. Yes. The sensor control circuit 30 detects the element current IL flowing through the sensor element 10 and the impedance of the sensor element 10, and outputs the detection result to the engine ECU 50. The engine ECU 50 grasps the air-fuel ratio of the exhaust based on the detection result of the element current IL and appropriately executes air-fuel ratio feedback control and the like, and performs energization control of the heater 19 based on the detection result of the element impedance.

センサ制御回路30において、両端子S+,S−のうち負側端子S−の側には、素子電流IL及び素子インピーダンスを検出するための構成として、交流信号生成部31とアンプ部32と電流検出抵抗33とが設けられている。交流信号生成部31は、インピーダンス検出用の信号として所定周波数の交流信号を出力し、その交流信号が基準電圧Vref(例えば2.5V)と合成されてアンプ部32に対して出力される。この場合、電流検出抵抗33の両端においてアンプ部32側の電圧は基準電圧Vrefを中心に交流変化するようになっている。   In the sensor control circuit 30, the AC signal generator 31, the amplifier 32, and the current detection are arranged on the negative terminal S− side of both terminals S + and S− as a configuration for detecting the element current IL and the element impedance. A resistor 33 is provided. The AC signal generation unit 31 outputs an AC signal having a predetermined frequency as an impedance detection signal, and the AC signal is combined with a reference voltage Vref (for example, 2.5 V) and output to the amplifier unit 32. In this case, the voltage on the amplifier unit 32 side at both ends of the current detection resistor 33 is changed in an alternating manner with the reference voltage Vref as a center.

また、素子電流ILは電流検出抵抗33を介して流れ、電流検出抵抗33の両端においてセンサ素子10側の電圧、すなわち負側端子電圧VS−が素子電流ILに応じて変化する。例えば排気がリーンの場合、センサ素子10において正側端子S+から負側端子S−に電流が流れるためVS−が上昇し、リッチの場合、負側端子S−から正側端子S+に電流が流れるためVS−が低下する。この場合、負側端子電圧VS−が電圧検出部34により検出され、その検出信号が電流検出部35とインピーダンス検出部36とにそれぞれ入力される。電流検出部35は、負側端子電圧VS−に基づいて素子電流ILを検出する。インピーダンス検出部36は、負側端子電圧VS−に基づいて素子インピーダンスを検出する。   The element current IL flows through the current detection resistor 33, and the voltage on the sensor element 10 side, that is, the negative terminal voltage VS− changes in accordance with the element current IL at both ends of the current detection resistor 33. For example, when the exhaust gas is lean, current flows from the positive terminal S + to the negative terminal S− in the sensor element 10, so VS− rises. When rich, current flows from the negative terminal S− to the positive terminal S +. Therefore, VS- is lowered. In this case, the negative terminal voltage VS− is detected by the voltage detection unit 34, and the detection signal is input to the current detection unit 35 and the impedance detection unit 36, respectively. The current detection unit 35 detects the element current IL based on the negative terminal voltage VS−. The impedance detector 36 detects the element impedance based on the negative terminal voltage VS−.

インピーダンス検出について補足する。交流信号生成部31から交流信号が出力される状態では、電圧検出部34から出力されるVS−検出信号が、素子インピーダンスに応じた振幅で交流変化することから、インピーダンス検出部36では、VS−検出信号の振幅を検出するとともに、その振幅に相当する信号をインピーダンス検出信号として出力する。なおこの場合、エンジンECU50では、交流電圧の変化量と交流電流の変化量とから素子インピーダンスが算出される。   It supplements about impedance detection. In the state where the AC signal is output from the AC signal generation unit 31, the VS-detection signal output from the voltage detection unit 34 is AC-changed with an amplitude corresponding to the element impedance. The amplitude of the detection signal is detected, and a signal corresponding to the amplitude is output as an impedance detection signal. In this case, the engine ECU 50 calculates the element impedance from the amount of change in AC voltage and the amount of change in AC current.

また、センサ制御回路30において正側端子S+の側には、センサ素子10への印加電圧を制御するための構成として、素子電圧算出部41と印加電圧制御部42とアンプ部43とスイッチ44とが設けられている。このうちスイッチ44は、センサ素子10に対する電圧印加経路(すなわち通電経路)に設けられ、例えば半導体素子よりなる。スイッチ44が開閉手段に相当する。スイッチ44を閉状態にすることにより、印加電圧制御部42を通じてセンサ素子10に所定電圧が印加され、スイッチ44を開状態にすることによりセンサ素子10に対する印加電圧が遮断される。   Further, in the sensor control circuit 30, the element voltage calculation unit 41, the applied voltage control unit 42, the amplifier unit 43, and the switch 44 are arranged on the positive terminal S + side as a configuration for controlling the voltage applied to the sensor element 10. Is provided. Among these, the switch 44 is provided in a voltage application path (that is, an energization path) for the sensor element 10 and is made of, for example, a semiconductor element. The switch 44 corresponds to the opening / closing means. When the switch 44 is closed, a predetermined voltage is applied to the sensor element 10 through the applied voltage control unit 42, and when the switch 44 is opened, the applied voltage to the sensor element 10 is cut off.

素子電圧算出部41は、センサ素子10に対して電圧印加した状態から電圧印加を停止した後においてセンサ素子10の電極界面容量分の電圧VCに相当する素子電圧Vxを算出する。具体的には、素子電圧算出部41は、スイッチ44がオンからオフに切り替えられた後に、電圧検出部45により検出された正側端子電圧VS+と、電圧検出部34により検出された負側端子電圧VS−とを入力し、それらVS+,VS−の差により素子電圧Vxを算出する。   The element voltage calculation unit 41 calculates an element voltage Vx corresponding to the voltage VC corresponding to the electrode interface capacitance of the sensor element 10 after the voltage application is stopped from the state in which the voltage is applied to the sensor element 10. Specifically, the element voltage calculation unit 41 detects the positive side terminal voltage VS + detected by the voltage detection unit 45 and the negative side terminal detected by the voltage detection unit 34 after the switch 44 is switched from on to off. The voltage VS− is input, and the element voltage Vx is calculated from the difference between VS + and VS−.

印加電圧制御部42は、素子電圧Vxを目標値と比較し、その大小関係に基づいて印加電圧VPを増加又は減少させる。これにより、素子電圧Vxが目標値に一致するようにして電圧フィードバックが実施される。印加電圧制御部42から出力される印加電圧VPは基準電圧Vref(例えば2.5V)と合成されてアンプ部43に対して出力される。   The applied voltage control unit 42 compares the element voltage Vx with a target value, and increases or decreases the applied voltage VP based on the magnitude relationship. Thus, voltage feedback is performed so that the element voltage Vx matches the target value. The applied voltage VP output from the applied voltage control unit 42 is combined with a reference voltage Vref (for example, 2.5 V) and output to the amplifier unit 43.

センサ制御回路30において電圧印加停止、素子電圧算出、印加電圧制御の各機能はソフトウエアプログラムの実行により実現されるとよい。この場合、素子電圧算出部41や印加電圧制御部42は、CPU、各種メモリ、A/D変換器等を有する周知のマイクロコンピュータ40により構成され、例えばASICとして実現される。以下に、センサ制御回路30において実施される印加電圧制御に関してより詳細な処理内容を図8のフローチャートを用いて説明する。図8の処理は、マイクロコンピュータ40により所定周期で実施される。   In the sensor control circuit 30, the functions of voltage application stop, element voltage calculation, and applied voltage control may be realized by executing a software program. In this case, the element voltage calculation unit 41 and the applied voltage control unit 42 are configured by a known microcomputer 40 having a CPU, various memories, an A / D converter, and the like, and are realized as an ASIC, for example. In the following, the details of the processing regarding applied voltage control performed in the sensor control circuit 30 will be described with reference to the flowchart of FIG. The process of FIG. 8 is performed by the microcomputer 40 at a predetermined cycle.

図8において、ステップS11では、印加電圧VPのフィードバック処理を実施する実施条件が成立しているか否かを判定する。このとき、例えば前回のフィードバック処理からの経過時間が所定時間に達したことに基づいて実施条件が成立するとよい。所定時間は例えば1〜数msecである。フィードバック処理の実施条件が成立していればステップS12に進み、成立していなければステップS21に進む。なお、実施条件の成立に伴いフィードバック処理が実施される場合には、インピーダンス検出のための交流信号の出力が一時的に停止されるようになっている。   In FIG. 8, in step S <b> 11, it is determined whether or not an execution condition for executing the feedback process of the applied voltage VP is satisfied. At this time, for example, the execution condition may be satisfied based on the fact that the elapsed time from the previous feedback processing has reached a predetermined time. The predetermined time is, for example, 1 to several msec. If the execution condition of the feedback process is satisfied, the process proceeds to step S12, and if not, the process proceeds to step S21. Note that, when feedback processing is performed as the execution condition is satisfied, the output of an AC signal for impedance detection is temporarily stopped.

フィードバック処理の実施条件が成立していない場合に、ステップS21に進むと、スイッチ44をオン(閉鎖)状態とする。続くステップS22では、現時点で決定されている印加電圧VPによりセンサ素子10への電圧印加を実施する。   When the execution condition for the feedback process is not satisfied, when the process proceeds to step S21, the switch 44 is turned on (closed). In the subsequent step S22, voltage application to the sensor element 10 is performed with the application voltage VP determined at the present time.

また、フィードバック処理の実施条件が成立している場合、ステップS12では、今現在スイッチ44がオン状態になっているか否かを判定し、オン状態になっていればステップS13に進んで、スイッチ44をオフ(開放)状態にする。   If the feedback processing execution condition is satisfied, it is determined in step S12 whether or not the switch 44 is currently turned on. If the switch 44 is turned on, the process proceeds to step S13. To the off (open) state.

その後、ステップS14では、スイッチ44のオフ後において、素子電圧Vxを安定して算出可能な状態であるか否かを判定する。つまり、スイッチ44をオン状態からオフ状態に切り替える際には、そのオフ直後においてセンサ素子10の内部電圧が一時的に変動する。そのため、スイッチ44のオフ後において電圧変動が収まるまでの所定時間、すなわち安定待ち時間が経過したか否かにより、素子電圧Vxを安定して算出可能な状態であるか否かを判定する。そして、素子電圧Vxを安定して算出可能な状態であることを条件に、ステップS15に進んで素子電圧Vxを算出する。このとき、正側端子電圧VS+と負側端子電圧VS−との差により素子電圧Vxを算出する。   Thereafter, in step S14, it is determined whether or not the element voltage Vx can be stably calculated after the switch 44 is turned off. That is, when the switch 44 is switched from the on state to the off state, the internal voltage of the sensor element 10 fluctuates temporarily immediately after the switch 44 is turned off. Therefore, whether or not the element voltage Vx can be stably calculated is determined based on whether or not a predetermined time until the voltage fluctuation is settled after the switch 44 is turned off, that is, whether or not the stabilization waiting time has elapsed. Then, on condition that the element voltage Vx can be stably calculated, the process proceeds to step S15 to calculate the element voltage Vx. At this time, the element voltage Vx is calculated from the difference between the positive terminal voltage VS + and the negative terminal voltage VS−.

その後、ステップS16では、素子電圧Vxが目標値Vtgよりも小さいか否か判定し、ステップS17では、素子電圧Vxが目標値Vtgよりも大きいか否か判定する。そして、Vx<Vtgであれば、ステップS18に進み、印加電圧VPを増加側に変更する。また、Vx>Vtgであれば、ステップS19に進み、印加電圧VPを減少側に変更する。このとき、例えば一定の電圧変更量を定めておき、その電圧変更量をスイッチオフ直前の印加電圧VPに対して加算又は減算することで、新たな印加電圧VPを算出する。なお、素子電圧Vxと目標値Vtgとの偏差を算出するとともに、その偏差に基づいてPフィードバック演算、又はPIフィードバック演算を実施して電圧変更量を算出する構成であってもよい。その後、ステップS20では、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。   Thereafter, in step S16, it is determined whether or not the element voltage Vx is smaller than the target value Vtg. In step S17, it is determined whether or not the element voltage Vx is larger than the target value Vtg. If Vx <Vtg, the process proceeds to step S18, and the applied voltage VP is changed to the increasing side. If Vx> Vtg, the process proceeds to step S19 to change the applied voltage VP to the decreasing side. At this time, for example, a fixed voltage change amount is determined, and a new applied voltage VP is calculated by adding or subtracting the voltage change amount to the applied voltage VP immediately before switching off. The voltage change amount may be calculated by calculating a deviation between the element voltage Vx and the target value Vtg and performing P feedback calculation or PI feedback calculation based on the deviation. Thereafter, in step S20, it is determined that the current feedback processing is to be temporarily terminated.

ステップS16,S17が共に否定される場合には、スイッチオフ直前の印加電圧VPを変更することなくステップS20に進み、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。その後、ステップS21では、スイッチ44をオン状態とし、続くステップS22では、現時点で決定されている印加電圧VPによりセンサ素子10への電圧印加を実施する。   If both steps S16 and S17 are negative, the process proceeds to step S20 without changing the applied voltage VP immediately before the switch is turned off, and it is determined that the current feedback process is temporarily ended. Thereafter, in step S21, the switch 44 is turned on, and in the subsequent step S22, voltage application to the sensor element 10 is performed with the application voltage VP determined at the present time.

ところで、上記のようにスイッチ44を一時的にオフする場合には、センサ素子10の一対の電極15,16間の電圧差と、素子電流ILとが図9のように変化する。つまり、図9において、タイミングt1でスイッチ44がオフされ、タイミングt2でスイッチ44がオンされる場合に、一対の電極15,16間の電圧差と素子電流ILとが図示のごとく増減変化する。この場合、スイッチ44のオフからオンへの切替時に素子電流ILにテーリングの現象が生じ、これに起因する電流検出精度の低下が懸念される。そこで本実施形態では、スイッチ44のオン切替後において所定時間Tdが経過するまでは電流検出を禁止し、その所定時間Tdが経過したタイミングt3以後に電流検出を行うようにしている。   By the way, when the switch 44 is temporarily turned off as described above, the voltage difference between the pair of electrodes 15 and 16 of the sensor element 10 and the element current IL change as shown in FIG. That is, in FIG. 9, when the switch 44 is turned off at timing t1 and the switch 44 is turned on at timing t2, the voltage difference between the pair of electrodes 15 and 16 and the element current IL change as shown in the figure. In this case, a tailing phenomenon occurs in the element current IL when the switch 44 is switched from OFF to ON, and there is a concern that current detection accuracy may be reduced due to this phenomenon. Therefore, in the present embodiment, current detection is prohibited until a predetermined time Td elapses after the switch 44 is turned on, and current detection is performed after timing t3 when the predetermined time Td elapses.

素子電流ILの検出を許可する期間と禁止する期間とは電流検出部35において管理されるとよい。この場合、マイクロコンピュータ40のソフトウエア処理として電流検出部35の機能が実現されるとよく、具体的には、図10に示す電流検出処理により素子電流ILが検出される。   The current detection unit 35 may manage the period during which the detection of the element current IL is permitted and the period during which the element current IL is prohibited. In this case, the function of the current detection unit 35 is preferably realized as a software process of the microcomputer 40. Specifically, the element current IL is detected by the current detection process shown in FIG.

図10において、ステップS31では、今現在スイッチ44がオン状態になっているか否かを判定し、続くステップS32では、スイッチ44がオフからオンに切り替えられてから所定時間が経過したか否かを判定する。そして、ステップS31,S32が共にYESであれば、素子電流ILの検出を許可する。すなわち、ステップS33において負側端子電圧VS−に基づいて素子電流ILを検出し、その後本処理を一旦終了する。また、ステップS31,S32のいずれかがNOであれば、素子電流ILを検出することなく本処理を一旦終了する。   In FIG. 10, in step S31, it is determined whether or not the switch 44 is currently on. In subsequent step S32, it is determined whether or not a predetermined time has elapsed since the switch 44 was switched from off to on. judge. If both steps S31 and S32 are YES, detection of the element current IL is permitted. That is, in step S33, the element current IL is detected based on the negative terminal voltage VS−, and then this process is temporarily terminated. If any of steps S31 and S32 is NO, the process is temporarily terminated without detecting the element current IL.

次に、エンジン運転状態の変化等に伴い空燃比が変化する場合、及びセンサ素子10の温度が変化する場合を例示して、上記印加電圧制御の具体的内容について説明する。図11は、空燃比が例えばA/F18からA/F16に変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図であり、図12は、センサ素子10の温度が例えば700℃から600℃に変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図である。   Next, the specific contents of the applied voltage control will be described by exemplifying the case where the air-fuel ratio changes with the change of the engine operating state and the like, and the case where the temperature of the sensor element 10 changes. FIG. 11 is an explanatory diagram for explaining applied voltage control when the air-fuel ratio changes from A / F 18 to A / F 16, for example. FIG. 12 shows the temperature of the sensor element 10 from 700 ° C. to 600 ° C., for example. It is explanatory drawing for demonstrating the applied voltage control in the case of changing.

なおここでは、フィードバック処理において印加電圧VPを所定値ずつ変更することにより素子電圧Vxを目標値Vtgに一致させる構成について例示している。黒丸印は目標値Vtgを示し、白丸印は目標値Vtgに到達する前の素子電圧Vxを示している。また、図11及び図12には、処理の順序を示すために括弧書き数字が付されている。   Here, a configuration in which the element voltage Vx matches the target value Vtg by changing the applied voltage VP by a predetermined value in the feedback processing is illustrated. A black circle indicates the target value Vtg, and a white circle indicates the element voltage Vx before reaching the target value Vtg. Further, in FIG. 11 and FIG. 12, parenthesized numerals are attached to indicate the processing order.

まず図11において、A/F18からA/F16に変化した直後は、A/F18相当の印加電圧VPが印加された状態になっており、スイッチオフ後の素子電圧Vxが目標値Vtgに対して大きい値となっている。そのため、印加電圧VPが減少側に変更される。ここまでの処理の流れが(0)→(1)→(2)→(3)である。   First, in FIG. 11, immediately after the change from A / F18 to A / F16, an applied voltage VP corresponding to A / F18 is applied, and the element voltage Vx after switch-off is the target value Vtg. It is a large value. Therefore, the applied voltage VP is changed to the decreasing side. The processing flow so far is (0) → (1) → (2) → (3).

その後、再びスイッチオフ後の素子電圧Vxと目標値Vtgとが比較され、素子電圧Vxが目標値Vtgよりも大きいと、印加電圧VPがさらに減少側に変更される。この処理の流れが(3)→(4)→(5)である。その後、素子電圧Vxが目標値Vtgに一致するまで、(3)→(4)→(5)の処理が必要に応じて繰り返し実施される。   Thereafter, the element voltage Vx after the switch-off is compared with the target value Vtg again, and when the element voltage Vx is larger than the target value Vtg, the applied voltage VP is further changed to the decreasing side. The flow of this process is (3) → (4) → (5). Thereafter, the process of (3) → (4) → (5) is repeatedly performed as necessary until the element voltage Vx matches the target value Vtg.

そして、素子電圧Vxが目標値Vtgに一致すると、印加電圧VPは変更されずその時の値のまま保持される。この処理の流れが(5)→(6)→(7)である。なお、素子電圧Vxが目標値Vtgに一致した場合には、電圧印加の停止前の電圧が、目標とすべき印加電圧であり、(7)の電圧と(5)の電圧とは一致する。以後、空燃比の変化が再び生じる都度、その空燃比の変化に追従して同様の処理が実施される。   When the element voltage Vx coincides with the target value Vtg, the applied voltage VP is not changed and is maintained at the value at that time. The flow of this process is (5) → (6) → (7). When the element voltage Vx matches the target value Vtg, the voltage before stopping the voltage application is the target applied voltage, and the voltage (7) matches the voltage (5). Thereafter, every time the change in the air-fuel ratio occurs again, the same processing is performed following the change in the air-fuel ratio.

また、図12において、素子温度が700℃の場合と600℃の場合とでは、直流抵抗Riの大きさが相違することから、限界電流域が電圧軸に沿ってシフトする。したがって、仮に素子温度が700℃の場合に限界電流域の所望の位置で印加電圧VPが設定されていても、素子温度が600℃に変化することで、印加電圧VPが限界電流域の所望の位置から外れてしまう。   In FIG. 12, the limit current region shifts along the voltage axis because the magnitude of the DC resistance Ri differs between the case where the element temperature is 700 ° C. and the case where the element temperature is 600 ° C. Therefore, even if the applied voltage VP is set at a desired position in the limit current region when the device temperature is 700 ° C., the applied voltage VP is changed to the desired current in the limit current region by changing the device temperature to 600 ° C. It will be out of position.

かかる場合、素子温度が700℃から600℃に変化した直後は、スイッチオフ後の素子電圧Vxが目標値Vtgに対して小さい値となっている。そのため、印加電圧VPが増加側に変更される。ここまでの処理の流れが(0)→(1)→(2)→(3)である。   In this case, immediately after the element temperature changes from 700 ° C. to 600 ° C., the element voltage Vx after the switch-off is a value smaller than the target value Vtg. Therefore, the applied voltage VP is changed to the increasing side. The processing flow so far is (0) → (1) → (2) → (3).

その後、再びスイッチオフ後の素子電圧Vxと目標値Vtgとが比較され、素子電圧Vxが目標値Vtgよりも小さいと、印加電圧VPがさらに増加側に変更される。この処理の流れが(3)→(4)→(5)である。その後、素子電圧Vxが目標値Vtgに一致するまで、(3)→(4)→(5)の処理が必要に応じて繰り返し実施される。   Thereafter, the element voltage Vx after the switch-off is compared with the target value Vtg again. When the element voltage Vx is smaller than the target value Vtg, the applied voltage VP is further changed to the increasing side. The flow of this process is (3) → (4) → (5). Thereafter, the process of (3) → (4) → (5) is repeatedly performed as necessary until the element voltage Vx matches the target value Vtg.

そして、素子電圧Vxが目標値Vtgに一致すると、印加電圧VPは変更されずその時の値のまま保持される。この処理の流れが(5)→(6)→(7)である。なお図11と同様に、(7)の電圧と(5)の電圧とは一致する。以後、素子温度の変化が再び生じる都度、その素子温度の変化に追従して同様の処理が実施される。   When the element voltage Vx coincides with the target value Vtg, the applied voltage VP is not changed and is maintained at the value at that time. The flow of this process is (5) → (6) → (7). As in FIG. 11, the voltage of (7) and the voltage of (5) are the same. Thereafter, every time the change in the element temperature occurs again, the same processing is performed following the change in the element temperature.

以上説明した実施形態によれば以下の効果を奏する。   According to the embodiment described above, the following effects can be obtained.

センサ素子10において一対の電極15,16間に電圧を印加した状態から電圧印加を停止した後に、その電圧印加停止の状態における一対の電極15,16間の電圧である素子電圧Vxを算出し、その素子電圧Vxに基づいて印加電圧VPを制御する構成とした。この場合、電圧印加停止後の素子電圧Vxによれば、限界電流域での印加電圧VPのずれを好適に把握できる。また特に、直流抵抗Riの大きさに依存せずに印加電圧VPを適正化できるため、印加電圧制御のための定数の設定が不要となる。その結果、構成の簡易化を図りつつ、センサ素子10における印加電圧制御を適正に実施することができる。   After the voltage application is stopped from the state in which the voltage is applied between the pair of electrodes 15 and 16 in the sensor element 10, the element voltage Vx that is the voltage between the pair of electrodes 15 and 16 in the state where the voltage application is stopped is calculated. The applied voltage VP is controlled based on the element voltage Vx. In this case, according to the element voltage Vx after the voltage application is stopped, the deviation of the applied voltage VP in the limit current region can be properly grasped. In particular, since the applied voltage VP can be optimized without depending on the magnitude of the DC resistance Ri, it is not necessary to set a constant for controlling the applied voltage. As a result, the applied voltage control in the sensor element 10 can be appropriately performed while simplifying the configuration.

例えばA/Fセンサとして複数の型式が存在し、それら各センサで出力特性が異なる場合にも、各々個別にセンサ制御回路を用意する必要がなく、さらにASIC外のハード定数について型式ごとの設定作業も不要となっている。つまり、上記構成によれば、共通の印加電圧制御により複数の型式に対応が可能となっており、設計及び製造に関してコスト低減を実現できる。   For example, even if there are multiple types of A / F sensors and the output characteristics of each sensor are different, there is no need to prepare a separate sensor control circuit for each, and furthermore, setting work for each type of hardware constant outside the ASIC Is also unnecessary. That is, according to the above configuration, it is possible to cope with a plurality of types by common applied voltage control, and it is possible to realize cost reduction in terms of design and manufacturing.

また、上記構成では、素子温度が低下しても、その温度低下に追従して適正なる印加電圧制御を継続できる。したがって、素子温度の低温化を図ることが可能となり、ヒータ電力を節約できることから省電力化の効果を期待することもできる。これにより、車両における燃費向上を図ることもできる。   Further, in the above configuration, even when the element temperature is lowered, appropriate applied voltage control can be continued following the temperature drop. Therefore, it is possible to reduce the element temperature, and the heater power can be saved, so that an effect of power saving can be expected. Thereby, the fuel consumption improvement in a vehicle can also be aimed at.

電圧印加の遮断直後に検出した素子電圧Vxが目標値Vtgに一致するように印加電圧VPのフィードバック制御を実施する構成にしたため、センサ素子10に対する印加電圧VPが適正値からずれてしまっても、その印加電圧VPをいち早く適正値に戻すことができる。   Since the feedback control of the applied voltage VP is performed so that the element voltage Vx detected immediately after the voltage application is cut off matches the target value Vtg, even if the applied voltage VP to the sensor element 10 deviates from an appropriate value, The applied voltage VP can be quickly returned to an appropriate value.

センサ素子10の一方の電極に接続されるスイッチ44をオン状態かオフ状態に移行させる際には、そのオフ直後において一時的に電圧変動が生じる。この点、上記構成では、スイッチオフ直後において、所定の安定待ち時間が経過した時点で素子電圧Vxを算出する構成にしたため、スイッチオフ後の電圧変動の影響を回避しつつ適正に素子電圧Vxを算出することができる。   When the switch 44 connected to one electrode of the sensor element 10 is shifted to the on state or the off state, voltage fluctuation temporarily occurs immediately after the switch is turned off. In this regard, in the above configuration, since the element voltage Vx is calculated immediately after the switch-off, when a predetermined stabilization wait time has elapsed, the element voltage Vx is appropriately set while avoiding the influence of the voltage fluctuation after the switch-off. Can be calculated.

スイッチ44を一時的にオフにした後、スイッチ44をオンする際に、スイッチオン後に所定時間の経過を待って素子電流ILの検出を開始する構成にした。これにより、スイッチオン直後においてテーリングの発生による素子電流ILの誤検出を抑制できる。   When the switch 44 is turned on after the switch 44 is temporarily turned off, the detection of the element current IL is started after a predetermined time has elapsed after the switch is turned on. Thereby, it is possible to suppress erroneous detection of the element current IL due to the occurrence of tailing immediately after the switch is turned on.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。なお以下の説明では、上述の実施形態と同様の構成については同じ符号を付すとともに、重複の説明を適宜省略することとしている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described. In the following description, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted as appropriate.

上記第1実施形態では、センサ素子10において一対の電極15,16間の印加電圧を制御することで、その一対の電極15,16間に所定の電位差を生じさせ、その状態で素子電流ILを検出する構成としたが、本実施形態では上記構成を変更し、一対の電極15,16間への電流供給量を制御することで、その一対の電極15,16間に所定の電位差を生じさせ、その状態で素子電流ILを検出する構成とする。センサ素子10の電圧制御に関しては、一対の電極15,16間への電流供給状態(通電状態)からその電流供給を停止した後に、電流供給停止の状態における一対の電極15,16間の電圧である素子電圧Vxを算出し、その素子電圧Vxに基づいて、一対の電極15,16間の電圧差を制御する。   In the first embodiment, by controlling the applied voltage between the pair of electrodes 15 and 16 in the sensor element 10, a predetermined potential difference is generated between the pair of electrodes 15 and 16, and the element current IL is changed in this state. In the present embodiment, the above-described configuration is changed and a current supply amount between the pair of electrodes 15 and 16 is controlled to cause a predetermined potential difference between the pair of electrodes 15 and 16. In this state, the device current IL is detected. Regarding the voltage control of the sensor element 10, the voltage between the pair of electrodes 15 and 16 in a state where the current supply is stopped after the current supply is stopped from the current supply state (energized state) between the pair of electrodes 15 and 16. A certain element voltage Vx is calculated, and a voltage difference between the pair of electrodes 15 and 16 is controlled based on the element voltage Vx.

図13は、本実施形態におけるセンサ制御回路30の構成図である。図13について図1との相違点を中心に説明する。   FIG. 13 is a configuration diagram of the sensor control circuit 30 in the present embodiment. 13 will be described focusing on the differences from FIG.

図13において、センサ制御回路30の負側端子S−の側には、基準電圧生成部61とアンプ部32と電流検出抵抗33とが設けられている。基準電圧生成部61は、所定の基準電圧Vrefを生成し出力する。   In FIG. 13, a reference voltage generation unit 61, an amplifier unit 32, and a current detection resistor 33 are provided on the negative terminal S− side of the sensor control circuit 30. The reference voltage generation unit 61 generates and outputs a predetermined reference voltage Vref.

また、正側端子S+の側には、センサ素子10への電流供給量を制御するための構成として、素子電圧算出部41と電流制御部62と交流信号生成部63とV−I変換部64とアンプ部43とスイッチ44とが設けられている。電流制御部62は、センサ素子10への電流供給量に相当する指示電圧Vinを算出し出力する。交流信号生成部63は、インピーダンス検出用の信号として所定周波数の交流信号を出力する。そして、電流制御部62の指示電圧Vinと交流信号生成部63の交流信号とが合成されてV−I変換部64に対して出力される。V−I変換部64は、交流電圧を交流電流に変換し、変換後の交流電流がスイッチ44を介してセンサ素子10に供給される。   On the positive terminal S + side, as a configuration for controlling the amount of current supplied to the sensor element 10, an element voltage calculation unit 41, a current control unit 62, an AC signal generation unit 63, and a V-I conversion unit 64 are provided. An amplifier unit 43 and a switch 44 are provided. The current control unit 62 calculates and outputs an instruction voltage Vin corresponding to the amount of current supplied to the sensor element 10. The AC signal generation unit 63 outputs an AC signal having a predetermined frequency as an impedance detection signal. Then, the instruction voltage Vin of the current control unit 62 and the AC signal of the AC signal generation unit 63 are combined and output to the VI conversion unit 64. The V-I converter 64 converts an alternating voltage into an alternating current, and the converted alternating current is supplied to the sensor element 10 via the switch 44.

スイッチ44をオン(閉状態)にすることで、電流制御部62から出力される指示電圧Vin(電流供給量に相当)に基づいて、センサ素子10に対する電流供給が行われる。また、スイッチ44をオフ(開状態)にすることで、センサ素子10に対する電流供給が停止される。   When the switch 44 is turned on (closed state), current is supplied to the sensor element 10 based on the instruction voltage Vin (corresponding to the current supply amount) output from the current control unit 62. Moreover, the current supply to the sensor element 10 is stopped by turning off the switch 44 (open state).

素子電圧算出部41は、センサ素子10に対する電流供給が停止された後においてセンサ素子10の電極界面容量分の電圧VCに相当する素子電圧Vxを算出する。具体的には、素子電圧算出部41は、スイッチ44がオンからオフに切り替えられた後に、電圧検出部45により検出された正側端子電圧VS+と、電圧検出部34により検出された負側端子電圧VS−とを入力し、それらVS+,VS−の差により素子電圧Vxを算出する。   The element voltage calculation unit 41 calculates an element voltage Vx corresponding to the voltage VC corresponding to the electrode interface capacitance of the sensor element 10 after the supply of current to the sensor element 10 is stopped. Specifically, the element voltage calculation unit 41 detects the positive side terminal voltage VS + detected by the voltage detection unit 45 and the negative side terminal detected by the voltage detection unit 34 after the switch 44 is switched from on to off. The voltage VS− is input, and the element voltage Vx is calculated from the difference between VS + and VS−.

電流制御部62は、素子電圧Vxを目標値と比較し、その大小関係に基づいて指示電圧Vinを増加又は減少させる。これにより、素子電圧Vxが目標値に一致するようにしてフィードバック処理が実施される。   The current control unit 62 compares the element voltage Vx with the target value, and increases or decreases the instruction voltage Vin based on the magnitude relationship. Thus, feedback processing is performed so that the element voltage Vx matches the target value.

センサ制御回路30において電流供給停止、素子電圧算出、電流制御の各機能はソフトウエアプログラムの実行により実現されるとよい。この場合、素子電圧算出部41や電流制御部62は、CPU、各種メモリ、A/D変換器等を有する周知のマイクロコンピュータ60により構成され、例えばASICとして実現される。以下に、センサ制御回路30において実施される電流制御に関してより詳細な処理内容を図14のフローチャートを用いて説明する。図14の処理は、マイクロコンピュータ60により所定周期で実施される。なお、図14の処理は、図8の処理の一部を変更したものである。   In the sensor control circuit 30, the functions of stopping the current supply, calculating the element voltage, and controlling the current may be realized by executing a software program. In this case, the element voltage calculation unit 41 and the current control unit 62 are configured by a known microcomputer 60 having a CPU, various memories, an A / D converter, and the like, and are realized as an ASIC, for example. Hereinafter, detailed processing contents regarding the current control performed in the sensor control circuit 30 will be described with reference to the flowchart of FIG. The process of FIG. 14 is performed by the microcomputer 60 at a predetermined cycle. Note that the process of FIG. 14 is obtained by changing a part of the process of FIG.

図14において、ステップS41〜S45は、図8のステップS11〜S15と同様の処理であり、指示電圧Vinのフィードバック処理を実施する実施条件が成立している場合に、スイッチ44を一時的にオフ状態にし、スイッチオフ後の安定状態下でVS+とVS−との差により素子電圧Vxを算出する。   In FIG. 14, steps S41 to S45 are the same as steps S11 to S15 of FIG. 8, and the switch 44 is temporarily turned off when the execution condition for executing the feedback processing of the instruction voltage Vin is satisfied. The device voltage Vx is calculated from the difference between VS + and VS− in a stable state after switching off.

そしてその後、ステップS46では、素子電圧Vxが目標値Vtgよりも小さいか否か判定し、ステップS47では、素子電圧Vxが目標値Vtgよりも大きいか否か判定する。そして、Vx<Vtgであれば、ステップS48に進み、指示電圧Vinを増加側に変更する。また、Vx>Vtgであれば、ステップS49に進み、指示電圧Vinを減少側に変更する。このとき、例えば一定の電圧変更量を定めておき、その電圧変更量をスイッチオフ直前の指示電圧Vinに対して加算又は減算することで、新たな指示電圧Vinを算出する。なお、素子電圧Vxと目標値Vtgとの偏差を算出するとともに、その偏差に基づいてPフィードバック演算、又はPIフィードバック演算を実施して電圧変更量を算出する構成であってもよい。その後、ステップS50では、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。   Thereafter, in step S46, it is determined whether the element voltage Vx is smaller than the target value Vtg. In step S47, it is determined whether the element voltage Vx is larger than the target value Vtg. If Vx <Vtg, the process proceeds to step S48, and the instruction voltage Vin is changed to the increase side. If Vx> Vtg, the process proceeds to step S49 and the instruction voltage Vin is changed to the decreasing side. At this time, for example, a predetermined voltage change amount is determined, and a new instruction voltage Vin is calculated by adding or subtracting the voltage change amount to the instruction voltage Vin immediately before switching off. The voltage change amount may be calculated by calculating a deviation between the element voltage Vx and the target value Vtg and performing P feedback calculation or PI feedback calculation based on the deviation. Thereafter, in step S50, it is determined that the current feedback processing is to be temporarily terminated.

ステップS46,S47が共に否定される場合には、スイッチオフ直前の指示電圧Vinを変更することなくステップS50に進み、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。その後、ステップS51では、スイッチ44をオン状態とし、続くステップS52では、現時点で決定されている指示電圧Vinによりセンサ素子10への電流供給を実施する。   If both steps S46 and S47 are negative, the process proceeds to step S50 without changing the instruction voltage Vin immediately before the switch is turned off, and it is determined that the current feedback process is once ended. Thereafter, in step S51, the switch 44 is turned on, and in the subsequent step S52, current supply to the sensor element 10 is performed with the instruction voltage Vin determined at the present time.

ところで、電流制御部62によりセンサ素子10への電流供給量を制御する構成では、スイッチ44を一時的にオフにした後に、スイッチ44をオンする際において、スイッチオン当初における電流のテーリングの発生が抑制される。つまり、図15に示すように、タイミングt11でスイッチ44がオフされ、タイミングt12でスイッチ44がオンされる場合において、スイッチオン当初から電流制御部62による電流制御が開始されるためにテーリングの発生が抑制される。この場合、電流検出部35は、スイッチ44のオン切替後において電流供給の開始当初から素子電流ILの検出を開始する。したがって、素子電流ILの検出が不可となる期間は概ね図15のt11〜t12の期間となり、空燃比の不検出期間の短縮を図ることができる。   By the way, in the configuration in which the amount of current supplied to the sensor element 10 is controlled by the current control unit 62, when the switch 44 is turned on after the switch 44 is temporarily turned off, current tailing occurs at the beginning of the switch on. It is suppressed. That is, as shown in FIG. 15, when the switch 44 is turned off at the timing t11 and the switch 44 is turned on at the timing t12, the current control by the current control unit 62 starts from the beginning of the switch on, so that tailing occurs. Is suppressed. In this case, the current detection unit 35 starts detecting the element current IL from the beginning of the current supply after the switch 44 is turned on. Therefore, the period during which the element current IL cannot be detected is generally the period from t11 to t12 in FIG. 15, and the air-fuel ratio non-detection period can be shortened.

本実施形態では、センサ素子10への電流供給量を制御する構成において、通電遮断状態での素子電圧Vxを算出し、その素子電圧Vxが目標値に一致するようにして電流制御を実施することにしたため、印加電圧を制御する構成の第1実施形態と同様に、センサ素子10において一対の電極15,16間の電圧差を適正値にすることができる。これにより、構成の簡易化を図りつつも、素子電流ILの検出、すなわち空燃比の検出を適正に実施できる。   In the present embodiment, in the configuration for controlling the amount of current supplied to the sensor element 10, the element voltage Vx in the energization cut-off state is calculated, and current control is performed so that the element voltage Vx matches the target value. Therefore, similarly to the first embodiment configured to control the applied voltage, the voltage difference between the pair of electrodes 15 and 16 in the sensor element 10 can be set to an appropriate value. Thereby, it is possible to appropriately detect the element current IL, that is, the air-fuel ratio, while simplifying the configuration.

図示による説明は省略するが、上記の電流制御によれば、エンジン運転状態の変化等に伴い空燃比が変化する場合に、素子電圧Vxを目標値にフィードバックさせることにより電流供給量の調整が行われる。これにより、空燃比の変化に追従させつつ電流供給量が適正に制御される。また、センサ素子10の温度が変化する場合においても、やはり素子電圧Vxを目標値にフィードバックさせることにより電流供給量の調整が行われる。これにより、素子温度の変化に追従させつつ電流供給量が適正に制御される。   Although not shown in the figure, according to the current control described above, the current supply amount is adjusted by feeding back the element voltage Vx to the target value when the air-fuel ratio changes as the engine operating state changes. Is called. Thereby, the current supply amount is appropriately controlled while following the change in the air-fuel ratio. Even when the temperature of the sensor element 10 changes, the current supply amount is adjusted by feeding back the element voltage Vx to the target value. Thereby, the current supply amount is appropriately controlled while following the change in the element temperature.

(他の実施形態)
上記各実施形態を例えば次のように変更してもよい。
(Other embodiments)
For example, the above embodiments may be modified as follows.

・図8のステップS18,S19において素子電圧Vxと目標値Vtgとの差に基づいて所定値ずつ印加電圧VPを変更する際に、印加電圧VPの変更量を、素子電圧Vxと目標値Vtgとの差が小さい場合にその差が大きい場合に比べて小さくする構成としてもよい。この場合、例えば図16の関係を用い、素子電圧Vxと目標値Vtgとの電圧差に基づいて電圧変更量を設定するとよい。なお、素子電圧Vxと目標値Vtgとの差が小さい場合に、その差が大きい場合に比べて印加電圧VPの変更量が小さくなるものであれば、図16の関係は任意であり、電圧差に対してより細かく電圧変更量を定めておくことも可能である。   When the applied voltage VP is changed by a predetermined value based on the difference between the element voltage Vx and the target value Vtg in steps S18 and S19 in FIG. 8, the change amount of the applied voltage VP is set to the element voltage Vx and the target value Vtg. When the difference is small, it may be configured to be smaller than when the difference is large. In this case, for example, the voltage change amount may be set based on the voltage difference between the element voltage Vx and the target value Vtg using the relationship of FIG. If the change amount of the applied voltage VP is small when the difference between the element voltage Vx and the target value Vtg is small compared to when the difference is large, the relationship of FIG. 16 is arbitrary, and the voltage difference It is also possible to determine the voltage change amount more finely.

素子電圧Vxと目標値Vtgとの差に応じて印加電圧VPの変更量を可変にすることで、素子電圧Vxと目標値Vtgとの差が比較的大きい状態にあっても、目標値Vtgへの収束を早めることができる。また、素子電圧Vxと目標値Vtgとの差が比較的小さい場合には、目標値Vtgに対して素子電圧Vxを一致させる精度を高めることができる。   By making the change amount of the applied voltage VP variable according to the difference between the element voltage Vx and the target value Vtg, even if the difference between the element voltage Vx and the target value Vtg is relatively large, the target value Vtg is reached. Can be accelerated. Further, when the difference between the element voltage Vx and the target value Vtg is relatively small, it is possible to increase the accuracy with which the element voltage Vx matches the target value Vtg.

なお、図14のステップS48,S49において素子電圧Vxと目標値Vtgとの差に基づいて所定値ずつ指示電圧Vinを変更する際に、指示電圧Vinの変更量を、素子電圧Vxと目標値Vtgとの差が小さい場合にその差が大きい場合に比べて小さくする構成としてもよい。   Note that when the instruction voltage Vin is changed by a predetermined value based on the difference between the element voltage Vx and the target value Vtg in steps S48 and S49 in FIG. 14, the change amount of the instruction voltage Vin is changed to the element voltage Vx and the target value Vtg. It is good also as a structure made small when compared with the case where the difference is large when the difference with is small.

・図8のステップS11、又は図14のステップS41においてフィードバック処理の実施条件の成否を判定する際に、エンジン運転状態の変化に伴い空燃比の変化が生じる状態にある場合に実施条件が成立する旨を判定するようにしてもよい。具体的には、空燃比フィードバック制御の目標空燃比がストイキからリーン値、リッチ値のいずれかに変更された場合に、又はその逆の場合に、フィードバック処理の実施条件が成立したと判定する。   When determining whether or not the execution condition of the feedback process is satisfied in step S11 of FIG. 8 or step S41 of FIG. 14, the execution condition is satisfied when the air-fuel ratio changes due to the change of the engine operating state. You may make it determine that. Specifically, when the target air-fuel ratio of the air-fuel ratio feedback control is changed from stoichiometric to either a lean value or a rich value, or vice versa, it is determined that the conditions for executing the feedback processing are satisfied.

また、図8のステップS11、又は図14のステップS41においてフィードバック処理の実施条件の成否を判定する際に、エンジン運転状態の変化に伴いセンサ素子10の温度変化が生じる状態にある場合に実施条件が成立する旨を判定するようにしてもよい。具体的には、車両の加速要求に伴い排気温度が上昇する場合、又は車両減速時の燃料カットにより排気温度が低下する場合に、フィードバック処理の実施条件が成立したと判定する。   Further, when determining whether or not the execution condition of the feedback processing is successful in step S11 of FIG. 8 or step S41 of FIG. 14, the execution condition is in a state where the temperature change of the sensor element 10 occurs due to the change of the engine operating state. It may be determined that is established. Specifically, it is determined that the conditions for performing the feedback process are satisfied when the exhaust temperature increases in response to a request for acceleration of the vehicle or when the exhaust temperature decreases due to fuel cut during vehicle deceleration.

エンジン運転状態の変化に伴い空燃比が変化したりセンサ素子10の温度が変化したりすると、それに起因して、センサ素子10への印加電圧VP又は電流供給量のずれが生じる。この場合、エンジン運転状態の変化に伴う空燃比の変化が生じること、又は素子温度の変化が生じることを判定し、その判定結果に基づいてフィードバック処理を実施する構成にしたため、必要に応じて適度にフィードバック処理を実施できる。なお、フィードバック処理のために必要以上にスイッチオフが実施されると、素子電流ILの検出やインピーダンス検出の中断が増えてこれら各検出への影響が懸念されるが、フィードバック処理を適度に実施することで、素子電流ILの検出やインピーダンス検出への影響を抑制できる。   When the air-fuel ratio changes or the temperature of the sensor element 10 changes with a change in the engine operating state, the applied voltage VP or current supply amount to the sensor element 10 shifts due to this. In this case, it is determined that the change in the air-fuel ratio due to the change in the engine operating state or the change in the element temperature occurs, and the feedback processing is performed based on the determination result. The feedback process can be implemented. If the switch-off is performed more than necessary for the feedback processing, the detection of the element current IL and the interruption of the impedance detection increase, and there is a concern about the influence on each detection. However, the feedback processing is appropriately performed. Thus, the influence on the detection of the element current IL and the impedance detection can be suppressed.

・一対の電極15,16間の電圧差を増加させる側に変更する場合に、その電圧差が所定の上限電圧に達したか否かを判定し、電圧差が上限電圧に達したと判定される場合に、電圧差の増加を停止させる構成にしてもよい。例えばセンサ素子10の温度が低下する場合には、図17に示すように、V−I特性の傾きが小さくなり、限界電流域(フラット域)が高電圧側にシフトする。この場合、素子電圧Vxが目標値に一致するまで印加電圧VPを増加させると、印加電圧VPが過剰に大きくなり、センサ素子10において黒色化等の不具合の発生が懸念される。そこで、例えば1Vを上限値として定めておき、印加電圧VPが上限値に達した時点でフィードバック処理を停止させる。   When changing to the side where the voltage difference between the pair of electrodes 15 and 16 is increased, it is determined whether or not the voltage difference has reached a predetermined upper limit voltage, and it is determined that the voltage difference has reached the upper limit voltage. In such a case, the increase in voltage difference may be stopped. For example, when the temperature of the sensor element 10 decreases, as shown in FIG. 17, the slope of the VI characteristic decreases, and the limiting current region (flat region) shifts to the high voltage side. In this case, if the applied voltage VP is increased until the element voltage Vx matches the target value, the applied voltage VP becomes excessively large, and there is a concern that the sensor element 10 may be in trouble such as blackening. Therefore, for example, 1V is set as the upper limit value, and the feedback process is stopped when the applied voltage VP reaches the upper limit value.

具体的には、センサ制御回路30のマイクロコンピュータ40は、図8のステップS18において印加電圧VPが上限値に達しているか否かを判定し、印加電圧VPが上限値に達している場合に、印加電圧VPの増加を停止させる。印加電圧VPが上限値に達する場合には、印加電圧VPをあらかじめ定めた規定値(例えば0.4V)に固定する構成であってもよい。   Specifically, the microcomputer 40 of the sensor control circuit 30 determines whether or not the applied voltage VP has reached the upper limit value in step S18 of FIG. 8, and when the applied voltage VP has reached the upper limit value, The increase in the applied voltage VP is stopped. When the applied voltage VP reaches the upper limit value, the applied voltage VP may be fixed to a predetermined value (for example, 0.4 V).

また、図14でも同様に、ステップS48において、指示電圧Vinが上限値に達しているか否かを判定し、指示電圧Vinが上限値に達している場合に、指示電圧Vinの増加を停止させるとよい。   Similarly, in FIG. 14, in step S <b> 48, it is determined whether or not the instruction voltage Vin has reached the upper limit value. When the instruction voltage Vin has reached the upper limit value, the increase in the instruction voltage Vin is stopped. Good.

・素子電圧Vxの目標値Vtgを空燃比ごとに設定することも可能である。この場合、空燃比と目標値Vtgとの関係を規定した関係データをあらかじめ用意しておき、その関係データを用いて空燃比ごとに目標値Vtgを設定する。   The target value Vtg of the element voltage Vx can be set for each air-fuel ratio. In this case, relationship data defining the relationship between the air-fuel ratio and the target value Vtg is prepared in advance, and the target value Vtg is set for each air-fuel ratio using the relationship data.

・酸素濃度を検出可能とするA/Fセンサ以外に、NOxやHCなど、他のガス濃度成分を検出可能とするガスセンサにも本発明が適用できる。例えば、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)では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すととも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(NOx、HCなど)のガス濃度を検出するガスセンサへの適用が可能である。   In addition to the A / F sensor that can detect the oxygen concentration, the present invention can also be applied to a gas sensor that can detect other gas concentration components such as NOx and HC. For example, it has a plurality of cells formed of a solid electrolyte layer, of which the first cell (pump cell) discharges or draws out oxygen in the gas to be detected and detects the oxygen concentration, and the second cell (sensor cell) The present invention can be applied to a gas sensor that detects the gas concentration of a specific component (NOx, HC, etc.) from the gas after oxygen discharge.

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ガソリンエンジン以外にディーゼルエンジンなど他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするガスセンサ制御装置としても具体化できる。また、ガスセンサは、車両以外の用途で用いられるものであってもよく、さらにはエンジンの吸気や排気以外を被検出ガスとするものであってもよい。   -It can also be embodied as a gas sensor control device for a gas sensor provided in an intake passage of an engine or a gas sensor used for other types of engines such as a diesel engine in addition to a gasoline engine. Further, the gas sensor may be used for purposes other than the vehicle, and may be a gas to be detected other than the intake or exhaust of the engine.

10…センサ素子、11…固体電解質層、15,16…電極、30…センサ制御回路(ガスセンサ制御装置)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor element, 11 ... Solid electrolyte layer, 15, 16 ... Electrode, 30 ... Sensor control circuit (gas sensor control apparatus).

Claims (9)

固体電解質層(11)とそれを挟むように設けられる一対の電極(15,16)とを有するセンサ素子(10)を備え、前記一対の電極間に所定の電圧差が生じる状態で、被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を出力するガスセンサを制御対象とするガスセンサ制御装置(30)であり、
前記一対の電極間への通電を行っている状態から一時的に通電を停止させる通電停止手段と、
前記通電停止手段により通電を停止した後に、その通電停止の状態における前記一対の電極間の電圧である素子電圧(Vx)を算出する素子電圧算出手段と、
前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧に基づいて、前記一対の電極間に生じさせる電圧差を制御する電圧制御手段と、
を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
A sensor element (10) having a solid electrolyte layer (11) and a pair of electrodes (15, 16) provided so as to sandwich the solid electrolyte layer (11), and in a state where a predetermined voltage difference is generated between the pair of electrodes A gas sensor control device (30) that controls a gas sensor that outputs an element current according to the concentration of a predetermined component in a gas,
Energization stopping means for temporarily stopping energization from the state of energization between the pair of electrodes;
An element voltage calculating means for calculating an element voltage (Vx) which is a voltage between the pair of electrodes in the state of stopping the energization after stopping the energization by the energization stopping means;
Voltage control means for controlling a voltage difference generated between the pair of electrodes based on the element voltage calculated by the element voltage calculation means;
A gas sensor control device comprising:
前記電圧制御手段は、前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧が、あらかじめ定めた目標値に一致するよう前記電圧差をフィードバック制御する請求項1に記載のガスセンサ制御装置。   The gas sensor control device according to claim 1, wherein the voltage control unit feedback-controls the voltage difference so that the element voltage calculated by the element voltage calculation unit matches a predetermined target value. 前記電圧制御手段は、前記電圧差を変更する際の変更量を、前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧と前記目標値との差が小さい場合にその差が大きい場合に比べて小さくする請求項2に記載のガスセンサ制御装置。   The voltage control means makes the change amount when changing the voltage difference smaller when the difference between the element voltage calculated by the element voltage calculation means and the target value is small than when the difference is large. Item 3. The gas sensor control device according to Item 2. 前記一対の電極のいずれかに接続され、当該一対の電極に対する通電経路を開閉する開閉手段(44)を備え、
前記通電停止手段は、前記開閉手段を閉状態から開状態に移行させることで、前記一対の電極間への通電を停止させ、
前記素子電圧算出手段は、前記開閉手段を閉状態から開状態に移行させた後、所定時間が経過した時点で、通電停止の状態における前記素子電圧を算出する請求項1乃至3のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。
Opening / closing means (44) connected to one of the pair of electrodes and opening / closing an energization path for the pair of electrodes,
The energization stop means stops the energization between the pair of electrodes by shifting the open / close means from a closed state to an open state,
4. The device voltage calculation unit according to claim 1, wherein the device voltage calculation unit calculates the device voltage in a state where the energization is stopped when a predetermined time elapses after the switching unit is shifted from the closed state to the open state. The gas sensor control device according to Item.
前記素子電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電流検出手段は、前記開閉手段が開状態から閉状態に移行してから所定時間が経過した時に前記素子電流の検出を許可する請求項4に記載のガスセンサ制御装置。
Current detection means for detecting the element current;
5. The gas sensor control device according to claim 4, wherein the current detection unit permits the detection of the element current when a predetermined time elapses after the switching unit shifts from the open state to the closed state.
前記一対の電極間に電流を供給する電流供給手段と、前記素子電流を検出する電流検出手段とを備え、前記電流供給手段による電流の供給量を制御することで、前記一対の電極間に前記所定の電圧差を生じさせるガスセンサ制御装置であって、
前記電流検出手段は、前記開閉手段が開状態から閉状態に移行し、かつ前記電流供給手段による電流供給が開始された時に、前記素子電流の検出を許可する請求項4に記載のガスセンサ制御装置。
A current supply unit configured to supply current between the pair of electrodes; and a current detection unit configured to detect the element current; and by controlling an amount of current supplied by the current supply unit, A gas sensor control device that generates a predetermined voltage difference,
5. The gas sensor control device according to claim 4, wherein the current detection unit permits detection of the element current when the opening / closing unit shifts from an open state to a closed state and current supply by the current supply unit is started. .
前記電圧制御手段により前記一対の電極間の電圧差を増加させる側に変更する場合に、その電圧差が所定の上限電圧に達したか否かを判定する上限判定手段を備え、
前記電圧差が前記上限電圧に達したと判定される場合に、前記電圧差の増加を停止させる請求項1乃至6のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。
When changing to the side that increases the voltage difference between the pair of electrodes by the voltage control means, comprising an upper limit determination means for determining whether the voltage difference has reached a predetermined upper limit voltage,
The gas sensor control device according to any one of claims 1 to 6, wherein an increase in the voltage difference is stopped when it is determined that the voltage difference has reached the upper limit voltage.
前記ガスセンサは、内燃機関から排出される排気を前記被検出ガスとし、排気中の酸素濃度を検出するものであり、
前記内燃機関の運転状態の変化に伴い空燃比の変化が生じることを判定する空燃比判定手段を備え、
前記空燃比の変化が生じると判定された場合に、前記通電停止手段による通電の停止、前記素子電圧算出手段による前記素子電圧の算出、及び前記電圧制御手段による電圧制御を実施する請求項1乃至7のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。
The gas sensor detects exhaust gas discharged from an internal combustion engine as the detected gas, and detects an oxygen concentration in the exhaust gas,
Air-fuel ratio determination means for determining that a change in the air-fuel ratio occurs with a change in the operating state of the internal combustion engine,
The power supply is stopped by the power supply stop means, the device voltage is calculated by the device voltage calculation means, and the voltage control by the voltage control means is performed when it is determined that the air-fuel ratio changes. The gas sensor control device according to any one of 7.
前記ガスセンサは、内燃機関から排出される排気を前記被検出ガスとし、排気中の酸素濃度を検出するものであり、
前記内燃機関の運転状態の変化に伴い前記センサ素子の温度変化が生じることを判定する素子温度判定手段を備え、
前記センサ素子の温度変化が生じると判定された場合に、前記通電停止手段による通電の停止、前記素子電圧算出手段による前記素子電圧の算出、及び前記電圧制御手段による電圧制御を実施する請求項1乃至8のいずれか1項に記載のガスセンサ制御装置。
The gas sensor detects exhaust gas discharged from an internal combustion engine as the detected gas, and detects an oxygen concentration in the exhaust gas,
Element temperature determination means for determining that a change in temperature of the sensor element occurs with a change in the operating state of the internal combustion engine;
2. When it is determined that a temperature change of the sensor element occurs, the energization stop by the energization stop unit, the element voltage calculation by the element voltage calculation unit, and the voltage control by the voltage control unit are performed. The gas sensor control apparatus of any one of thru | or 8.
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