JP5041488B2 - センサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサを備えるセンサ制御装置において、ガスセンサを構成するセンサセルのインピーダンスを検出するセンサ制御装置に関する。

従来より、固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを有するガスセンサに接続され、センサセルのインピーダンス（素子インピーダンス）を検出する装置が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。このような装置では、センサセルに対して検出用信号（特許文献１，２では検出用電流）を供給したときの応答信号（特許文献１，２では電圧信号）に基づき、インピーダンスを検出するように構成されている。なお、センサセルを介して出力される応答信号は、予定の増幅度に設定された演算増幅器を介して増幅され、この増幅された応答信号に基づいてインピーダンスが検出される。

また、上記インピーダンスはセンサセルの温度に応じて変化する特性を有することから、検出されたインピーダンスに基づき、センサセルの温度制御を行う装置も知られている（特許文献３参照）。センサセルの温度制御については、定期的に検出されるインピーダンスが目標インピーダンスになるように、ガスセンサに設けられたヒータへの通電量をヒータ制御回路にて制御することで実行することができる。

特開２０００−８１４１４号公報（請求項１、図５） 特開２０００−３２９７３０号公報（請求項１） 特開平１０−４８１８０号公報（請求項１、段落００１５）

ところで、固体電解質体から構成されるセンサセルのインピーダンスは、温度に応じて広範囲で変化するため、上記インピーダンスのダイナミックレンジは非常に広い。そこで、広範囲にわたって精度良くセンサセルのインピーダンス検出を行えるようにすべく、センサセルへの検出用信号の供給に伴い当該センサセルを介して出力される応答信号を増幅する演算増幅器での増幅度を異なる２つの値とすることが考えられる。即ち、検出されるセンサセルのインピーダンスが予め設定されたしきい値よりも大きいときには演算増幅器の増幅度を第１の値に設定し、そのもとで出力される応答信号からインピーダンスを検出する一方、センサセルのインピーダンスが上記しきい値よりも小さいときには、演算増幅器の増幅度を第１の値よりも大きい第２の値に設定し、そのもとで出力される応答信号からインピーダンスを検出するのである。

しかしながら、センサセルのインピーダンスを検出する際には、通常、演算増幅器から出力される応答信号をＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換され、そのデジタル値を用いてインピーダンスが検出されるが、Ａ／Ｄ変換回路には変換誤差があり、これを小さくするには限界がある。そのため、検出されるセンサセルのインピーダンスが、演算増幅器の増幅度の切り替えを判定するためのしきい値に近接した値となったときに、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差の影響でしきい値を頻繁に上回ったり、下回ったりする現象を生ずると、演算増幅器の増幅度も第１の値になったり、第２の値になったりする現象が生ずるため、インピーダンスの検出精度が低下することがある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサを備えるセンサ制御装置において、ガスセンサを構成するセンサセルのインピーダンスを精度良く検出することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るセンサ制御装置は、固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを有すると共に、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサと、前記センサセルのインピーダンスを検出するための検出用信号を、前記センサセルに一時的に供給する信号供給手段と、前記検出用信号の供給に伴い前記センサセルを介して出力される応答信号を入力すると共に、第１の増幅度にて該応答信号を増幅する増幅手段と、前記増幅手段から出力される前記応答信号に基づいて、前記センサセルのインピーダンスを検出する検出手段と、を備えるセンサ制御装置であって、前記増幅手段は、外部から出力される切替え指令に応じて、前記応答信号を前記第１の増幅度または該第１の増幅度とは異なる第２の増幅度に切替え可能に構成されており、前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記切替え指令を、前記増幅手段に出力する切替え指令出力手段を備え、前記切替え指令出力手段は、前記増幅手段が前記第１の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値を下回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第２の増幅度に切替える切替え指令を出力し、前記増幅手段が前記第２の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値よりも大きな値に設定された第２しきい値を上回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第１の増幅度に切替える切替え指令を出力する構成をなしている、ことを特徴とする。

本発明のセンサ制御装置では、センサセルを介して出力される応答信号を増幅する増幅手段を備えており、この増幅手段が外部から出力される切替え指令に応じて第１の増幅度と第２の増幅度とに切替え可能に構成されている。そして、本発明のセンサ制御装置では、検出手段にて検出されるインピーダンスを単一のしきい値と比較して増幅手段の増幅度の切替えを行うのではなく、増幅度の切替えを判断するためのしきい値として、所定の差を持たせた２つのしきい値を用いるようにしている。具体的には、増幅手段が第１の増幅度の状態のときに、検出されるインピーダンスが第１しきい値を下回ったと判定されると、増幅手段の増幅度を第２の増幅度に切替え、増幅手段が第２の増幅度の状態のときに、検出されるインピーダンスが、第１しきい値よりも大きな値に設定された第２しきい値を上回ったと判定されると、増幅手段の増幅度を第１の増幅度に切替えるように構成している。これにより、検出手段にて検出されるインピーダンスがこれらのしきい値に近接した値となったときに、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響でわずかなインピーダンスの値の変動によって演算増幅器の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象が防止される。

このように、本発明のセンサ制御装置では、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響でわずかなインピーダンスの値の変動によって増幅手段の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象を防止した状態で、検出されるインピーダンスに応じて増幅手段の増幅度を第１と第２とに切替える構成を有するため、広範囲にわたって高精度にセンサセルのインピーダンス検出を行うことができる。

なお、増幅度とは、増幅手段に入力される信号（入力電圧や入力電力）の大きさに対する出力される信号（出力電圧や出力電力）の大きさの比である。また、増幅回路での増幅としては、非反転増幅のほか、反転増幅を行うこともできる。増幅度も、×１倍以上の場合のほか、×１倍の場合や、×１倍未満の場合をも含む。
また、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとしては、固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを１つまたは複数有するガスセンサであればよく、センサセルを複数有するタイプの場合には、インピーダンスの検出対象となるセンサセルは任意に設定すれば良い。なお、ガスセンサとしては、酸素濃度を検出する酸素センサやＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ等が挙げられる。

さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記ガスセンサは、前記センサセルを加熱するためのヒータを有しており、前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記ヒータの通電を制御することで前記センサセルの加熱温度を制御するヒータ制御手段を備えるセンサ制御装置とすると良い。

従来より、センサセルを加熱するためのヒータをガスセンサに設け、検出されるセンサセルのインピーダンスに基づいて、ヒータの通電を制御してセンサセルの加熱温度を制御することが提案されている。ところで、検出手段にて検出されるインピーダンスを単一のしきい値と比較して増幅手段の増幅度の切替えを行うようにすると、インピーダンスの検出精度が低下する。そのため、検出精度が低下した状態のインピーダンスに基づいてヒータの通電を制御してセンサセルの加熱温度が制御されると、その加熱温度の制御が低下してセンサセルを適正温度に保持できず、特定ガスの検出精度までもが低下してしまう可能性がある。

これに対し、本発明のセンサ制御装置では、前述したように、検出手段にて検出されるインピーダンスを単一のしきい値と比較して増幅手段の増幅度の切替えを行うのではなく、増幅度の切替えを判断するためのしきい値として、所定の差を持たせた２つのしきい値を用いるようにしている。そのため、わずかなインピーダンスの値の変動によって演算増幅器の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象を防止した状態で、広範囲にわたって高精度にセンサセルのインピーダンス検出を行うことができる。それにより、高精度に検出されたインピーダンスに基づいてヒータの通電を制御してセンサセルの加熱制御を行うことができ、特定ガスの検出精度を低下させるのを抑制することができる。

さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記検出手段にて検出される前記インピーダンスを活性判定しきい値と比較し、前記インピーダンスが活性判定値を下回ったときに、前記センサセルが活性したと判定する活性判定手段を備え、前記第１しきい値及び前記第２しきい値は、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定されているセンサ制御装置とすると良い。

本発明のセンサ制御装置では、検出されるインピーダンスを活性判定しきい値と比較し、センサセルが活性したか否かを判定する活性判定手段を備えている。ところで、増幅手段の増幅度を第１と第２とで切替えた際には、応答信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響によって、検出されるインピーダンスに検出誤差が生じる可能性がある。そのため、増幅度の切替えを判断するために用いられる第１，第２しきい値を活性判定しきい値を跨ぐように設定したり、第１，第２のいずれかのしきい値を活性判定しきい値と同値に設定したりすると、センサセルが活性したか否かを判定するための活性判定手段の判定精度の低下を招くことがある。

そこで、本発明では、増幅度の切替えを判断するために用いられる第１，第２しきい値を、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定するようにしている。これにより、活性判定手段の判定精度が低下するのを抑制することができる。また、第１，第２しきい値を、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定しているので、センサセルの活性温度近傍の検出精度を良好に確保することができるメリットがある。

さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記信号供給手段は、前記検出用信号を、前記センサセルの前記一対の電極の一方につながる第１接続点を介して供給するように構成され、一端が前記第１接続点に電気的接続されると共に、他端が前記センサセルの前記一対の電極の他方につながる第２接続点と電気的接続され、前記検出用信号が付与されるときに、前記第１接続点との電気的接続を遮断し、それ以前の前記第１接続点の電位を保持するホールド手段を備え、前記増幅手段は、オペアンプを用い、前記ホールド手段にて保持される電位と前記検出用信号が付与されているときに前記第１接続点に生じている電位とを差動増幅する差動増幅回路であるセンサ制御装置であると良い。

このように、増幅手段が、オペアンプを用い、ホールド手段にて保持される電位と検出用信号が付与されているに上記第１接続点に生じている電位とを差動増幅する差動増幅回路を用いることにより、ホールド手段にて保持される電位と第１接続点に生じている電位とに共通した大きさのノイズが重畳した場合にも、増幅手段は、そのノイズをキャンセルして応答信号を出力することができる。即ち、本発明のセンサ制御装置の回路構成を採ることにより、増幅手段から出力される応答信号に基づいて検出手段がセンサセルのインピーダンスを検出する精度を、より一層高めることができる。

本発明のセンサ制御装置によれば、ガスセンサを構成するセンサセルのインピーダンスを広範囲にわたって高精度に検出することができる。

以下に、本発明にかかるセンサ制御装置の実施形態について、図面と共に説明する。
図１は、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４とを有する２セル式の酸素センサ（全領域空燃比センサとも呼ばれる）５と、この酸素センサ５に接続され、酸素センサ５を駆動させるためのセンサ駆動回路３とを含むセンサ制御装置１の概略構成図である。また、図２は、酸素センサ５の概略構成図である。

センサ制御装置１は、図１に示すように、排気ガス中の酸素濃度を広域に検出するための酸素センサ５と、酸素センサ５に付設されて後述するポンプセル１４及び酸素濃度測定セル２４を加熱するヒータ８０と、酸素センサ５を駆動すると共に各種特性を検出するセンサ駆動回路３と、ヒータ８０の通電を制御するヒータ通電制御回路６と、センサ駆動回路３及びヒータ通電制御回路６に接続されて各種制御処理を実行する中央演算処理装置２とを備えている。

センサ駆動回路３は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関の排気管に装着される酸素センサ５に接続されている。そして、センサ駆動回路３は、酸素センサ５（詳細には、後述する酸素濃度測定セル２４）のインピーダンスに応じて変化するインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを検出し、検出したインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを中央演算処理装置２に対して出力する。また、センサ駆動回路３は、インピーダンス信号Ｖｐｒｖｓの他に、酸素センサ５から酸素濃度信号Ｖｉｐを検出し、検出した酸素濃度信号Ｖｉｐを中央演算処理装置２に対して出力する機能を有している。なお、酸素濃度信号Ｖｉｐは、酸素センサ５が検出する酸素濃度（空燃比）に応じてその値がリニアに変化する。

中央演算処理装置２は、公知の構成をなしており、詳細は図示しないが、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等を備えるマイクロコンピュータを主体として構成されている。そして、この中央演算処理装置２は、各部から受信した各種情報を用いて各種制御処理を実行する。
例えば、中央演算処理装置２は、センサ駆動回路３から出力されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓに基づき、酸素センサ５の温度を検出する温度検出処理や、酸素センサ５を活性温度以上の目標温度に設定するために、ヒータ通電制御回路６を用いてのヒータ８０への投入電力を制御するヒータ制御処理などを実行する。また、中央演算処理装置２は、センサ駆動回路３から出力された酸素濃度信号Ｖｉｐに基づき、排気ガス中の酸素濃度を検出する濃度検出処理を実行する。

ヒータ８０は、後述するように発熱抵抗体８７を備え、その発熱抵抗体８７の一端が電源電圧ＶＢ（本実施形態では、＋１２Ｖ）に接続され、他端がヒータ通電制御回路６に接続されている。

ヒータ通電制御回路６は、コレクタが発熱抵抗体８７の他端に接続され、エミッタが設置され、ベースが中央演算処理装置２に接続されたトランジスタＴｒを備えている。このため、トランジスタＴｒをオン状態にする電圧レベルの信号（以下、ヒータオン信号という）を中央演算処理装置２がトランジスタＴｒのベースへ出力している間は発熱抵抗体８７に電流が流れてヒータ８０が発熱する。一方、中央演算処理装置２がヒータオン信号の出力を停止すると、トランジスタＴｒがオフ状態となり、発熱抵抗体８７に電流が流れず、ヒータ８０の加熱が停止される。

ついで、酸素センサ５は、図２に示すように、ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、酸素濃度測定セル２４と、補強層３０と、ヒータ８０とを積層一体化することにより構成されている。

ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性の固体電解質体である部分安定化ジルコニアにより形成され、固体電解質体の表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２，１６を有している。なお、多孔質電極１２は、多孔質状の電極保護層１５にて覆われており、電極保護層１５は、多孔質電極１２の被毒を防止するための防止層として機能する。また、酸素濃度測定セル２４は、同じく酸素イオン伝導性の固体電解質体である部分安定化ジルコニアにより形成され、固体電解質体の表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２，２８を有している。

ポンプセル１４のうちで中空の測定室２０に面する多孔質電極１６と、酸素濃度測定セル２４のうちで測定室２０に臨む多孔質電極２２とは、互いに導通されると共に、酸素センサ５の端子ＣＯＭに接続されている。なお、端子ＣＯＭは、通電経路４２及び抵抗Ｒを介して、センサ駆動回路のＶｃｅｎｔ点に接続されている（図１参照）。

また、ポンプセル１４の多孔質電極１２は、酸素センサ５の端子Ｉｐ＋に接続され、酸素濃度測定セル２４の多孔質電極２８は、酸素センサ５の端子Ｖｓ＋に接続されている。なお、端子Ｉｐ＋はセンサ駆動回路３における第２オペアンプＯＰ２の出力端子に接続され、端子Ｖｓ＋は、通電経路４０を介して、センサ駆動回路３における第４オペアンプの非反転入力端子（＋）に接続されている（図１参照）。

また、補強層３０は、酸素濃度測定セル２４の多孔質電極２８を外部から閉塞しつつ、多孔質電極２８の内部に酸素基準室２６を形成するように、酸素濃度測定セル２４に積層されている。さらに、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された測定室２０が形成されている。即ち、この測定室２０は、多孔質拡散層１８を介して排気ガスと連通されている。

また、ヒータ８０は、補強層３０に積層され、ポンプセル１４、酸素濃度測定セル２４と共に一体化されている。このヒータ８０の（詳細には発熱熱抵抗体パターン８７）の一端は電源電圧ＶＢに接続され、他端はヒータ通電制御回路６に接続されている。

次に、酸素センサ５を用いて酸素濃度を測定する際のセンサ駆動回路３での動作について説明する。
図１に示すように、センサ駆動回路３は、定電流源回路６２より酸素濃度測定セル２４に一定値の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、酸素濃度測定セル２４の両端（端子Ｖｓ＋と端子ＣＯＭ間）に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐを制御して、測定室２０における酸素の汲み入れ、または汲み出しを行う。つまり、酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル１４を用いて測定室２０の酸素濃度（酸素分圧）を調整する。

ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値及び通電方向は、排ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐを電圧変換した酸素濃度信号Ｖｉｐに基づいて、排気ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、酸素濃度測定セル２４に対して、測定室２０の酸素を多孔質電極２８の側に汲み出す方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室２６は内部酸素基準源して機能する。

また、センサ駆動回路３は、定電流源回路６２のほか、第１オペアンプＯＰ１から第５オペアンプＯＰ５、第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４、ＰＩＤ制御回路６９などを備えて構成されている。そして、定電流源回路６２、酸素濃度測定セル２４、抵抗器Ｒは、この順に接続されて、微小電流Ｉｃｐを流す電流路を構成している。

第２オペアンプＯＰ２は、一方の入力端子がＶｃｅｎｔ点に接続され、他方の入力端子には基準電圧＋３．６Ｖが印加され、出力端子はポンプセル１４の端子Ｉｐ＋に接続されている。ＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された酸素濃度測定セル２４の端子Ｖｓ＋の電位と端子ＣＯＭ（Ｖｃｅｎｔ点）における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの通電状態をＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ制御回路６９にて、目標制御電圧（４５０ｍＶ）と酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓとの偏差がＰＩＤ演算され、第２オペアンプＯＰ２にフィードバックされることで、第２オペアンプＯＰ２はポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。

さらに、センサ駆動回路３は、ポンプ電流Ｉｐ２の大きさを検出し、電圧信号に変換する検出抵抗器Ｒ１と、この検出抵抗器Ｒ１の両端電圧（電位Ｖｃｅｎｔと電位Ｖｐｉｄとの差分）を差動増幅して酸素濃度信号Ｖｉｐとして出力する差動増幅回路６１とを備えている。この酸素濃度信号Ｖｉｐは、信号出力端子４３（図１参照）から中央演算装置２に対して出力される。

そして、中央演算処理装置２は、酸素濃度信号Ｖｉｐを図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、酸素濃度信号Ｖｉｐに対応する酸素濃度を算出する濃度算出処理を実行する。

次に、センサ駆動回路３における酸素濃度測定セル２４のインピーダンスを検出する動作について説明する。
センサ駆動回路３において、第１オペアンプＯＰ１は、第１コンデンサＣ１、第１スイッチＳＷ１と共にサンプルホールド回路を形成している。このサンプルホールド回路は、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出時に第１スイッチＳＷ１をオンからオフ状態とし、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出のための通電直前の酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓを保持することで、インピーダンス検出直前の電圧ＶｓをＰＩＤ制御回路６９に入力する役割を果たす。

第３オペアンプＯＰ３は、詳細は後述するが、基本的な動作として、第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値（インピーダンス検出用の電流を通電する直前の酸素濃度測定セル２４の電圧Ｖｓ）と、酸素濃度測定セル２４にインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位（第４オペアンプＯＰ４の出力電位）との差分に応じた電圧変化量ΔＶｓを出力する。この電圧変化量ΔＶｓは、酸素濃度測定セル２４のバルク抵抗値に略比例することから、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスを表すインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓとして利用可能である。つまり、第３オペアンプＯＰ３は、電圧変化量ΔＶｓを出力すると共に、酸素濃度測定セル２４のバルク抵抗値に略比例するインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを出力する。

ここで、本実施形態のセンサ制御装置１では、第３オペアンプＯＰ３、抵抗器Ｒ３〜Ｒ８とから構成される差動増幅型の演算増幅回路（即ち、差動増幅回路）９０を構成している。このように、本実施形態のセンサ制御装置１では、インピーダンスを検出するために必要となる演算増幅回路９０を差動増幅型としているので、２つの入力端子に共通して侵入するノイズを適切に除去することができるから、ノイズの影響が非常に少ない適切なインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを出力することができる。

上記した演算増幅回路９０のうち、第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子（＋端子）には、抵抗値Ｒ３を介して第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値、さらに抵抗器Ｒ５を介して基準電位（例えば、０Ｖ）が加えられている。なお、この抵抗器Ｒ５と並列に、第４スイッチＳＷ４と抵抗器Ｒ６とが直列接続された回路が接続されている。このため、第４スイッチＳＷ４をオン、オフすることで、第３オペアンプＯＰ５の非反転入力端子と基準電位との間の抵抗値を、抵抗器Ｒ５と、抵抗器Ｒ５，Ｒ６の並列接続の合成値のいずれかに切り替えることができる。
なお、抵抗器Ｒ５，Ｒ６の抵抗値は、後述する抵抗器Ｒ７，Ｒ８の抵抗値とそれぞれ等しくされており、Ｒ５＝Ｒ７＝１２０ｋΩ、Ｒ６＝Ｒ８＝６０ｋΩに設定されている。

一方、演算増幅回路９０の反転入力端子（−端子）には、抵抗器Ｒ４を介して酸素濃度測定セル２４にインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位が、さらに、抵抗器Ｒ７を介して第３オペアンプＯＰ３自身の出力が入力されている。なお、この抵抗器Ｒ７とは並列に、第４スイッチＳＷ４と抵抗器Ｒ８とが直列接続された回路が接続されている。このため、第４スイッチＳＷ４のオン、オフを行うことにより、第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子と第３オペアンプＯＰ３自身の出力との間に介在する帰還抵抗の抵抗値を、抵抗器Ｒ７の抵抗値と、抵抗器Ｒ７，Ｒ８の並列接続の合成値のいずれかに切り替えることができる。この切替えにより、演算増幅回路９０の増幅度を変化させることができ、設定されている増幅度にて増幅されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓが出力される。

即ち、本実施形態では、第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子及び反転入力端子に接続されるそれぞれの第４スイッチＳＷ４を同期して切り替えることで、２通りの増幅度のいずれかに切り替えることができる。具体的な増幅度としては、第４スイッチＳＷ４がオン状態のときには、増幅度は、４倍（×４）という第１増幅度となり、第４スイッチＳＷ４がオフ状態のときには、増幅度は、第１増幅度よりも大きい１２倍（×１２）という第２増幅度となる。なお、この増幅度の切替えは、中央演算処理装置２の指令に従って制御されるが、その制御の処理内容の詳細は後述する。

そして、演算増幅器９０（第３オペアンプＯＰ３）から出力されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓは、第５オペアンプＯＰ５を介して、中央演算処理装置２に出力される。この第５オペアンプＯＰ５は、第２コンデンサＣ２、第２スイッチＳＷ２、抵抗器Ｒ２と共に信号ホールド回路を形成している。この信号ホールド回路は、まず、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出時に第２スイッチＳＷ２がオフからオン状態になると、第３オペアンプＯＰ３から電圧変化量ΔＶｓが入力される。その後、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、この信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３から出力された電圧変化量ΔＶｓを第２コンデンサＣ２にて保持すると共に、電圧変化量ΔＶｓを表すインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを、信号出力端子４１を介して、中央演算処理装置２に対して出力する。

そして、中央演算処理装置２は、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、インピーダンス信号に対応する酸素濃度測定セル２４のインピーダンス、ひいては酸素センサ５の温度を算出する温度検出処理を実行する。

なお、センサ駆動回路３において、第１スイッチＳＷ１は、第１オペアンプＯＰ１、即ち、サンプルホールド回路における電圧ホールド動作を制御する。第２スイッチＳＷ２は３個備えられており、その内訳は、酸素濃度測定セル２４のインピーダンス検出用の一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源６３，６５をオン・オフ制御するための２個と、第５オペアンプＯＰ５を含めて構成される信号ホールド回路における信号ホールド動作を制御するための１個からなる。また、第３スイッチＳＷ３は２個備えられており、第２スイッチＳＷ２にて流されるインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源６４，６６をオン・オフ制御するための２個である。２個設けられる第４スイッチＳＷ４は、上述したように、演算増幅回路９０の増幅度の切替え制御を行う役割を果たす。

これら第１〜第３スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、制御部５９からの指令に基づいて状態（オン、オフ状態）が制御される。なお、制御部５９は、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒ（図１参照）を中央演算処理装置２から受け取った後、自身に設けられたタイマー回路のタイマカウントに応じて、第１〜第３スイッチＳＷ１〜ＳＷ３の状態（オン、オフ状態）を制御するように動作する。一方、第４スイッチＳＷ４のオン、オフ状態は、中央演算処理装置２から出力される切り替え指令に基づいて直接制御される。なお、この切り替え指令は、センサ駆動回路３の入力端子４５を介して、中央演算処理装置２から入力される。

次いで、中央演算処理装置２において実行される酸素センサ５（酸素濃度測定セル２４）のインピーダンスの検出方法の具体的な手順、即ち、酸素センサ５の温度を検出する温度検出処理について、図３を参照して説明する。この温度検出処理は、中央演算処理装置２の起動直後から自身の処理を開始する。

なお、この温度検出処理の開始と同期して、中央演算処理装置２では、ヒータ通電制御回路６を用いてヒータ８０を加熱させるためのヒータ制御処理を別途に実行する。このヒータ通電制御処理は、温度制御処理にて検出された酸素センサ５の温度に基づいて、酸素センサ５を活性温度以上の目標温度に設定するためにヒータ８０への投入電力を制御するヒータ制御処理であるが、このヒータ制御処理の内容は公知であることから、公知の手法を採用すればよい。そのため、本明細書でのヒータ制御処理の詳細説明は省略する。

中央演算処理装置２において温度検出処理が開始されると、まず、Ｓ１０にて、初期化処理が行われる。この初期化処理では、演算増幅回路９０を構成する第４スイッチＳＷ４をオン状態とする切替え指令をセンサ駆動回路３に対して出力し、演算増幅回路９０の増幅度を第１増幅度に設定する。また、演算増幅度９０の増幅度が第１か第２かであるかを認識するための増幅切替えフラグを、初期状態では第１増幅度であると認識するために「１」にセットする。さらに、制御部５９に対して、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒを出力する。

その後、Ｓ２０に進み、センサ駆動回路３から出力されるインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓの検出タイミングを経過したか否かを判定する。このＳ２０にて検出タイミングを経過したと判定される（Ｓ２０：ＹＥＳ）と、Ｓ３０に進み、インピーダンス信号Ｖｒｖｓを検出する（Ａ／Ｄ変換する）。一方、Ｓ２０にて検出タイミングを経過していないと判定される（Ｓ２０：ＮＯ）と、Ｓ２０の処理を繰り返す。

次いで、Ｓ４０に進み、所定の計算式、あるいは、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓと酸素濃度測定セル２４のインピーダンスとの相関関係を示したデータ（例えば、２次元マップ）を用いて、Ｓ３０にて検出したインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓに基づき、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｐｖｓを算出する。その後、Ｓ５０では、Ｓ４０にて検出されたインピーダンスＲｐｖｓに基づき、酸素濃度測定セル２４（酸素センサ５）の温度が算出される。このＳ５０にて算出された酸素センサ５の温度の情報は、上述したように、中央演算処理装置２にて別途に実行されるヒータ制御処理に用いられることになる。

Ｓ５０の処理後は、Ｓ６０に進み、Ｓ４０にて算出されたインピーダンスＲｐｖｓが活性判定しきい値ＴＨ３（４００Ω）以下であるか否かを判定する。このＳ６０にて肯定判定される（Ｓ６０：ＹＥＳ）と、Ｓ７０に進む。一方、Ｓ６０にて否定判定される（Ｓ６０：ＮＯ）と、Ｓ２０の処理に戻る。

Ｓ７０では酸素濃度測定セル２４（酸素センサ５）が活性したことを受けて、中央演算処理装置２にて別途に実行される濃度検出処理を行うための濃度検出処理指示を出力する。この濃度検出処理指示の出力がなされているときには、濃度検出処理が実行され、定期的に酸素濃度信号Ｖｉｐが読み込まれ、排気ガス中の酸素濃度が算出されることになる。

Ｓ７０からＳ８０に移行すると、Ｓ８０では、増幅切替えフラグが「１」であるか否かを判定する。増幅切替えフラグが「１」であると判定される（Ｓ８０：ＹＥＳ）と、Ｓ９０に進み、増幅切替えフラグが「１」でないと判定される（Ｓ８０：ＮＯ）と、Ｓ１２０に進む。

そして、Ｓ９０に進むと、Ｓ４０にて算出されたインピーダンスＲｐｖｓが、活性判定しきい値ＴＨ３よりも小さい値に設定された第１しきい値（２００Ω）ＴＨ１を下回ったか否かを判定する。このＳ９０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第１しきい値ＴＨ１を下回ったと判定された（Ｓ９０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ１００に移行し、演算増幅回路９０の増幅度を第２増幅度に設定するために、センサ駆動回路３に対して、第４スイッチＳＷ４をオフ状態とする指令（切替え指令）を出力する。センサ駆動回路３は、この指令（切替え指令）を受け、演算増幅回路９０の第４スイッチＳＷ４が既にオフ状態にあるときには、その状態を維持する一方、第４スイッチＳＷ４がオン状態にあるときには、オフ状態に切り替える。これにより、演算増幅回路９０の増幅度が第２増幅度に設定される。そして、Ｓ１００の処理後は、Ｓ１１０に進んで、増幅切替えフラグを「０」に設定し、Ｓ２０の処理に戻る。なお、Ｓ１９０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第１しきい値ＴＨ２を下回っていないと判定された（Ｓ９０：ＮＯ）場合には、Ｓ２０の処理に戻る。

一方、Ｓ１２０に進むと、Ｓ４０にて算出されたインピーダンスＲｐｖｓが、活性判定しきい値ＴＨ３よりも小さく、且つ、第１しきい値ＴＨ１よりも大きい値に設定された第２しきい値ＴＨ２（２５０Ω）を上回ったか否かを判定する。このＳ１２０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第２しきい値ＴＨ２を上回ったと判定された（Ｓ１２０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ１３０に移行し、演算増幅回路９０の増幅度を第１増幅度に設定するために、センサ駆動回路３に対して、第４スイッチＳＷ４をオン状態とする指令（切替え指令）を出力する。センサ駆動回路３は、この指令（切替え指令）を受け、演算増幅回路９０の第４スイッチＳＷ４が既にオン状態にあるときには、その状態を維持する一方、第４スイッチＳＷ４がオフ状態にあるときには、オン状態に切り替える。これにより、演算増幅回路９０の増幅度が第１増幅度に設定される。そして、Ｓ１３０の処理後は、Ｓ１４０に進んで、増幅切替えフラグを「１」に設定し、Ｓ２０の処理に戻る。なお、Ｓ１２０にて、インピーダンスＲｐｖｓが第２しきい値ＴＨ２を上回っていないと判定された（Ｓ１２０：ＮＯ）場合には、Ｓ２０の処理に戻る。

このようにして、中央演算処理装置２では、酸素センサ５の温度を検出する温度検出処理が実行される。

次いで、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒを中央演算処理２から入力を受けたことで、制御部５９が実行するインピーダンス信号測定処理の手順を、図４を用いて説明する。図４は、インピーダンス信号測定処理を示すフローチャートである。

このインピーダンス信号測定処理が開始されると、制御部５９は、まずＳ２００にて、測定タイミングを経過したか否かを判定する。そして、測定タイミングを経過した（Ｓ２００：ＹＥＳ）と判定されると、Ｓ２１０に進み、第１スイッチＳＷ１をオフ状態に設定し、第２スイッチＳＷ２をオン状態に設定する。これにより、酸素濃度測定セル２４に対してインピーダンス検出電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する処理を実行する。第１スイッチＳＷ１をオフ状態に設定することで、第１オペアンプＯＰ１及び第１コンデンサＣ１を備えるサンプルホールド回路は、インピーダンス検出電流を通電する直前の酸素濃度測定セル２４の両端電圧Ｖｓを保持する。また、Ｓ２００にて測定タイミングを経過していない（Ｓ２００：ＮＯ）と判定されると、Ｓ２００の処理を繰り返し行う。

その後、Ｓ２２０にて、予め設定された検出待機時間（例えば６０μｓ）が経過したか否かを判定する。ここで、検出待機時間が経過していない（Ｓ２２０：ＮＯ）場合には、Ｓ２２０の処理を繰り返し行う。一方、検出待機時間が経過した（Ｓ２２０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ２３０に進み、第２スイッチＳＷ２をオフ状態に設定し、酸素濃度測定セル２４に対するインピーダンス検出電流の通電を停止する処理を実行する。

また、第２スイッチＳＷ２をオフ状態にすることで、第３オペアンプＯＰ３から第２スイッチＳＷ２を介して第５オペアンプＯＰ５に至る通電経路が遮断され、第２コンデンサＣ２に電圧変化量ΔＶｓが保持される。つまり、第５オペアンプＯＰ５及び第２コンデンサＣ２を備える信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３（演算増幅回路９０）から出力されたインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを保持する。さらに、信号ホールド回路は、保持しているインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを中央演算処理装置２に対して出力する。

次にＳ２４０にて、第３スイッチＳＷ３をオン状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４に対して、インピーダンス検出電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）とは極性が異なる逆極性電流（＋Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する処理を実行する。このように逆極性電流を通電するのは、酸素濃度測定セル２４を構成する固体電解質体の配向現象によって内部起電力が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させるためである。

そして、Ｓ２５０に進み、予め設定された逆極性通電時間（例えば６０μｓ）が経過した否かを判定する。ここで、逆極性通電時間が経過していない（Ｓ２５０：ＮＯ）場合には、Ｓ２５０の処理を繰り返し行う。一方、逆極性通電時間が経過した（Ｓ２５０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ２６０にて、第３スイッチＳＷ３をオフ状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４に対する逆極性電流の通電を停止する処理を実行する。

そして、Ｓ２７０にて、予め設定された安定化待機時間（例えば６００μｓ）が経過したか否かを判断する。ここで、安定化待機時間が経過していない（Ｓ２７０：ＮＯ）場合には、Ｓ２７０の処理を繰り返し行う。一方、安定化待機時間が経過した（Ｓ２７０：ＹＥＳ）場合には、Ｓ２８０にて、第１スイッチＳＷ１をオン状態に設定する処理を実行する。第１スイッチＳＷ１をオン状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４における端子Ｖｓ＋の電位が第１オペアンプＯＰ１に入力されると共に、その電位が第１オペアンプＯＰ１からＰＩＤ制御回路６９に入力される。ＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された酸素濃度測定セル２４の端子Ｖｓ＋の電位とＶｃｅｎｔ点における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御する。

そして、Ｓ２８０の処理が終了すると、インピーダンス信号測定処理を終了する。なお、インピーダンス信号測定処理が終了した後は、第５オペアンプＯＰ５及び第２コンデンサＣ２を備える信号ホールド回路が、保持しているインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓの出力を継続して行う。

以上に説明した本実施形態のセンサ制御装置１によれば、センサセル（酸素濃度測定セル２４）を介して出力される応答信号（インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓ）を増幅する増幅手段（演算増幅回路９０）を備えており、この増幅手段が中央演算処理装置２から出力される切替え指令に応じて第１の増幅度と第２の増幅度とに切替え可能に構成されている。そして、中央演算処理装置２にて検出（算出）されるインピーダンスＲｐｖｓを単一のしきい値と比較して演算増幅回路９０の増幅度の切替えを行うのではなく、増幅度の切替えを判断するためのしきい値として、所定の差を持たせた２つのしきい値ＴＨ１，ＴＨ２を用いるようにしている。

具体的には、演算増幅回路９０が第１の増幅度（×４）の状態のときに、検出（算出）されるインピーダンスＲｐｖｓが第１しきい値ＴＨ１を下回ったと判定されると、演算増幅回路９０の増幅度を第２の増幅度（×１２）に切替え、演算増幅回路９０が第２の増幅度の状態のときに、検出（算出）されるインピーダンスＲｐｖｓが、第１しきい値ＴＨ１よりも大きな値に設定された第２しきい値ＴＨ２を上回ったと判定されると、演算増幅回路９０の増幅度を第１の増幅度に切替えるように構成している。これにより、中央演算処理装置２にて算出されるインピーダンスＲｐｖｓがこれらのしきい値に近接した値となったときに、Ａ／Ｄ変換回路の変換誤差等の影響でわずかなインピーダンスの値の変動によって演算増幅回路９０の増幅度が第１と第２とに頻繁に入れ替わる現象が防止される。
従って、本実施形態のセンサ制御装置１によれば、酸素センサ５のインピーダンスＲｐｖｓを広範囲にわたって高精度に検出することができる。

なお、以上に説明した実施形態において、酸素濃度測定セル２４は本発明におけるセンサセル、インピーダンス検出用電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）が検出用信号、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓが応答信号、演算増幅回路９０が増幅手段、中央演算処理装置２が切替え指令出力手段、中央演算処理装置２およびヒータ通電制御回路６がヒータ制御手段に、それぞれ相当する。また、端子Ｖｓ＋が本発明における第１接続点、第１オペアンプＯＰ１、第１コンデンサＣ１及び第１スイッチＳＷ１がホールド手段に、第３オペアンプＯＰ３がオペアンプに、それぞれ相当する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り、種々の形態を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスを検出するにあたり、一時的にインピーダンス検出用電流を流し、それに応答して出力される電圧変化量ΔＶｓを測定するようにしたが、一次的にインピーダンス検出用電圧を印加し、それに応答して出力される電流変化量を測定するようにしてインピーダンスを検出（算出）するようにしても良い。

センサ制御装置１の概略構成図である。 酸素センサ５の概略構成図である。 中央演算処理装置２にて実行されるインピーダンスＲｐｖｓ検出を含む温度検出処理の流れを示すフローチャートである。 中央演算処理装置２にて実行されるインピーダンス信号測定処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ センサ制御装置
２ 中央演算処理装置
３ センサ駆動回路
５ 酸素センサ
６ ヒータ通電制御回路
１４ ポンプセル
２４ 酸素濃度測定セル
５９ 制御部
９０ 演算増幅回路
６３〜６６ 電流源
８０ ヒータ
ＯＰ３ 第３オペアンプ（オペアンプ）
ＳＷ１ 第１スイッチ
ＳＷ２ 第２スイッチ
ＳＷ３ 第３スイッチ
ＳＷ４ 第４スイッチ

Claims (4)

1. 固体電解質体および一対の電極よりなるセンサセルを有すると共に、特定成分のガス濃度を検出するガスセンサと、
   前記センサセルのインピーダンスを検出するための検出用信号を、前記センサセルに一時的に供給する信号供給手段と、
   前記検出用信号の供給に伴い前記センサセルを介して出力される応答信号を入力すると共に、第１の増幅度にて該応答信号を増幅する増幅手段と、
   前記増幅手段から出力される前記応答信号に基づいて、前記センサセルのインピーダンスを検出する検出手段と、
   を備えるセンサ制御装置であって、
   前記増幅手段は、外部から出力される切替え指令に応じて、前記応答信号を前記第１の増幅度または該第１の増幅度とは異なる第２の増幅度に切替え可能に構成されており、
   前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記切替え指令を、前記増幅手段に出力する切替え指令出力手段を備え、
   前記切替え指令出力手段は、
   前記増幅手段が前記第１の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値を下回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第２の増幅度に切替える切替え指令を出力し、
   前記増幅手段が前記第２の増幅度の状態のときに、前記インピーダンスが、前記第１しきい値よりも大きな値に設定された第２しきい値を上回ったと判定されると、前記増幅手段の増幅度を前記第１の増幅度に切替える切替え指令を出力する
   構成をなしている、
   ことを特徴とするセンサ制御装置。
2. 請求項１に記載のセンサ制御装置であって、
   前記ガスセンサは、前記センサセルを加熱するためのヒータを有しており、
   前記検出手段にて検出される前記インピーダンスに基づいて、前記ヒータの通電を制御することで前記センサセルの加熱温度を制御するヒータ制御手段を備える
   センサ制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサ制御装置であって、
   前記検出手段にて検出される前記インピーダンスを活性判定しきい値と比較し、前記インピーダンスが活性判定値を下回ったときに、前記センサセルが活性したと判定する活性判定手段を備え、
   前記第１しきい値及び前記第２しきい値は、いずれも、活性判定値よりも小さな値に設定されている
   センサ制御装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセンサ制御装置であって、
   前記信号供給手段は、前記検出用信号を、前記センサセルの前記一対の電極の一方につながる第１接続点を介して供給するように構成され、
   一端が前記第１接続点に電気的接続されると共に、他端が前記センサセルの前記一対の電極の他方につながる第２接続点と電気的接続され、前記検出用信号が付与されるときに、前記第１接続点との電気的接続を遮断し、それ以前の前記第１接続点の電位を保持するホールド手段を備え、
   前記増幅手段は、オペアンプを用い、前記ホールド手段にて保持される電位と前記検出用信号が付与されているときに前記第１接続点に生じている電位とを差動増幅する差動増幅回路である
   センサ制御装置。