特許 5782406 ガスセンサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5782406

(24)【登録日】2015年7月24日

(45)【発行日】2015年9月24日

(54)【発明の名称】ガスセンサシステム

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/26 20060101AFI20150907BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20150907BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20150907BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/26 371A

   G01N27/46 327P

   G01N27/46 325P

【請求項の数】4

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-134669(P2012-134669)

(22)【出願日】2012年6月14日

(65)【公開番号】特開2013-257273(P2013-257273A)

(43)【公開日】2013年12月26日

【審査請求日】2014年9月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】田島 朋裕

(72)【発明者】

【氏名】松岡 俊也

(72)【発明者】

【氏名】都築 正雄

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 銀次郎

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 浩

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−０４９８１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−０８５５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２７７４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０６１１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０４５８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３４２２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／００−２７／４９

Ｆ０２Ｄ ４１／００−４１／１４

Ｆ０２Ｄ ４３／００−４５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヒータ部を有すると共に、内燃機関に設けられた流路内を流れるガスに含まれる特定ガス成分の濃度に応じた出力値を出力するセンサ素子と、
前記センサ素子の前記出力値を検出する検出部と、
前記センサ素子の温度が目標温度になるように前記ヒータ部に供給する電力量を調整する処理を行う制御部と、
前記検出部により検出された前記出力値に対して補正処理を行う演算部と、
を備えるガスセンサシステムであって、
前記演算部は、前記ヒータ部に供給する前記電力量を取得し、取得した前記電力量に基づいて前記センサ素子の周囲を流れる前記ガスの流速を求める演算処理を行い、
求められた前記流速に基づいて前記センサ素子の出力値の補正処理を行うことを特徴とするガスセンサシステム。

【請求項2】

前記演算部は、前記センサ素子の温度が前記目標温度を範囲内に含むように設定された補正許可範囲内であるか否かを判定し、前記センサ素子の温度が前記補正許可範囲内であると判定された場合に、前記電力量の取得処理を行うことを特徴とする請求項１記載のガスセンサシステム。

【請求項3】

前記演算部は、前記センサ素子の周囲を流れる前記ガスの圧力情報を取得する取得先から前記圧力情報を取得する処理を行い、
取得された前記圧力情報に基づいて前記センサ素子の出力値の補正処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサシステム。

【請求項4】

前記流路内を流れる前記ガスは、前記内燃機関に吸入される吸気であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のガスセンサシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被検出ガスの濃度を測定するガスセンサを備えるガスセンサシステム、特に、出力値に対して補正を行う必要がある場合に用いて好適なガスセンサシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

ディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどの内燃機関においては、消費燃料の低減を図るためや、排気ガスの浄化を図るために、燃焼室に送り込まれるガスと燃料との割合である混合比を調節する制御が一般的になっている。この混合比を制御するために、吸気ガスに含まれる特定ガス成分（例えば酸素）の割合や、排気ガスに含まれる特定ガス成分の割合を測定するために、ガスセンサが用いられている。

【0003】

ガスセンサは、測定対象であるガス中に配置されるセンサ素子を備え、このセンサ素子から特定ガス成分の割合である特定ガス成分の濃度（例えば酸素濃度）に関する出力値が出力される。しかしながら、センサ素子から出力される出力値は、測定対象であるガス中の特定ガス成分の濃度だけではなく、ガスの流速の影響も受けることが知られている。

【0004】

近年においては、内燃機関に対する制御がきめ細かくなっていることから、特定ガス成分の濃度の値も、きめ細かく把握することが求められ始めている。そこで、測定対象であるガス中の特定ガス成分の濃度をより正確に求めるために、ガスセンサから出力される出力値から、流速の影響を除去する種々の方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平４−２９１１４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述の特許文献１に記載された技術では、測定対象ガスの温度を測定する温度検出手段がガスセンサに隣接して配置され、ガスセンサとの間に温度検出手段を挟む位置に、測定対象ガスの流速を検出する流速測定手段が配置されている。ガスセンサの出力値には、温度検出手段によって検出された温度値に基づく補正（温度補正）処理と、流速測定手段によって検出された流速値に基づく補正（流速補正）処理が行われている。

【0007】

しかしながら、上述のようにガスセンサに流速測定手段を別個に追加して設ける構成は、ガスセンサの構成が複雑になって製造コストが大幅に増加するため、ガスセンサを製造する上で現実的でないという問題があった。

【0008】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、特定ガス成分の濃度の測定精度を高めるとともに、製造コストの増加を抑制することができるガスセンサシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のガスセンサシステムは、ヒータ部を有すると共に、内燃機関に設けられた流路内を流れるガスに含まれる特定ガス成分の濃度に応じた出力値を出力するセンサ素子と、前記センサ素子の前記出力値を検出する検出部と、前記センサ素子の温度が目標温度になるように前記ヒータ部に供給する電力量を調整する処理を行う制御部と、前記検出部により検出された前記出力値に対して補正処理を行う演算部と、を備えるガスセンサシステムであって、前記演算部は、前記ヒータ部に供給する前記電力量を取得し、取得した前記電力量に基づいて前記センサ素子の周囲を流れる前記ガスの流速を求める演算処理を行い、求められた前記流速に基づいて前記センサ素子の出力値の補正処理を行うことを特徴とする。

【0010】

本発明のガスセンサシステムによれば、ヒータ部に供給する電力量に基づいてセンサ素子の周囲を流れるガスの流速を求め、求められた流速に基づいてセンサ素子の出力値を補正することにより、特定ガス成分濃度の測定精度を高めている。例えば、センサ素子の周囲を流れるガスの流速が早い場合には、ガスによって奪われる熱量が増加してセンサ素子の温度が低下しやすくなる。制御部はセンサ素子の温度を目標温度に保つためにヒータ部に供給される電力量を増やす制御を行う。逆に、センサ素子の周囲を流れるガスの流速が遅い場合には、センサ素子の温度が上昇し、制御部はセンサ素子の温度を目標温度に保つためにヒータ部に供給される電力量を減らす制御を行う。制御部は、この通電情報（供給電力量）に基づいてセンサ素子の周囲を流れるガスの流速を求めることができ、求められた流速に基づいて出力値を補正する処理を行うことができる。

【0011】

また、ヒータ部に供給する電力量に基づいてセンサ素子の周囲を流れるガスの流速を求めるため、例えばガスの流速を検出するセンサを追加して備える場合と比較して部品点数の増加が抑制される。そのため、流速を検出するセンサを追加する場合と比較してガスセンサシステムの製造コストの増加を抑制することができる。

【0012】

なお、センサ素子の温度が目標温度になるようにヒータ部に供給する電力量を調整する処理を実行するにあたっては、センサ素子の温度と相関関係のある情報を検出し、その情報が目標値となるようにヒータに供給する電力量をフィードバック制御すればよい。例えば、センサ素子の温度と相関関係のある情報として、センサ素子のインピーダンスを用いる場合には、センサ素子のインピーダンスを定期的に検出し、検出したインピーダンスが目標温度に対応する目標インピーダンスの値になるようにヒータをデューティー制御すればよい。

【0013】

上記発明において前記演算部は、前記センサ素子の温度が前記目標温度を範囲内に含むように設定された補正許可範囲内であるか否かを判定し、前記センサ素子の温度が前記補正許可範囲内であると判定された場合に、前記電力量の取得処理を行うことが好ましい。

【0014】

このようにセンサ素子の温度が補正許可範囲内にある場合に電力量の取得処理を行い、センサ素子の出力値の補正処理を行うことにより、特定ガス成分の濃度の測定精度を高めることができる。

【0015】

つまり、本発明では、センサ素子の温度が目標温度になるようにヒータ部に供給する電力量を調整する処理を実行しているが故に、センサ素子の温度自体が低い領域ではヒータへの供給電力量が増加傾向となるため、供給電力量の変動に対するガスの流速によるセンサ素子の温度変化分の影響が小さくなりがちである。

【0016】

一方、センサ素子の温度が補正許可範囲内にある場合には、補正許可範囲外にある場合と比較して、センサ素子の温度自体が目標温度の付近となっているため、供給電力の変動に対するガスの流速によるセンサ素子の温度変化分の影響が大きくなる。そのため、ヒータ部に供給される電力量に基づいてガスの流速を求める演算処理の精度が向上し、ひいては特定ガス成分濃度の測定精度をより高くしやすくなる。

【0017】

上記発明において前記演算部は、前記センサ素子の周囲を流れる前記ガスの圧力情報を取得する取得先から前記圧力情報を取得する処理を行い、取得された前記圧力情報に基づいて前記センサ素子の出力値の補正処理を行うことが好ましい。

【0018】

ガスの流速を求めるためのヒータ部への供給電力量は、センサ素子の周囲のガスの圧力によっても変化するため、ガスの圧力情報を取得し、取得した圧力情報により求められた流速に基づいてセンサ素子の出力値の補正処理を行うことにより、特定ガス成分の濃度の測定精度を更に高めることができる。

【0019】

なお、上述したように、センサ素子周囲のガスの圧力が変化する環境では、当該圧力の影響を受けてヒータ部に供給される電力量が変化するが、例えば、±５０ｋＰａの範囲を超えて圧力が変動すると、この圧力変動の影響を受けてヒータ部に供給される電力量が、特定ガス成分の濃度の測定精度に与える影響が比較的大きくなる。このため、±５０ｋＰａの範囲を超えてガスの圧力が変動する環境下にセンサ素子を適用する場合には、本発明のように周囲のガスの圧力情報を得ることにより、演算部は当該圧力による電力量の変化を除外し、正確な流速を求めることができる。

【0020】

上記発明において前記流路内を流れる前記ガスは、前記内燃機関に吸入される吸気であることが好ましい。
このように流路内を流れるガスを内燃機関に吸入される吸気とすることで、吸気に含まれる特定ガス成分の濃度を測定することができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明のガスセンサシステムによれば、ヒータ部に供給する電力量に基づいてセンサ素子の周囲を流れるガスの流速を求め、求められた流速に基づいてセンサ素子の出力値を補正している。そのため、特定ガス成分の濃度の測定精度を高めることができるとともに、センサ素子の一部として設置されているヒータ部への通電情報（供給電力量）に基づいてセンサ素子の周囲を流れるガスの流速を求めるため、部品点数の増加を抑制することができ、製造コストの増加を抑制することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の一実施形態に係るガスセンサシステムの概略構成図である。

【図2】図１におけるガスセンサ素子の概略構成図である。

【図3】中央演算処理装置が行う酸素濃度を補正する処理を説明するフローチャートである。

【図4】吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）と実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）との関係を説明するグラフである。

【図5】流速とセンサ出力の変化率との関係を説明するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0023】

この発明の一実施形態に係るガスセンサシステム１について、図１から図５を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスセンサシステム１の概略構成図であり、図２は図１におけるガスセンサ素子５の概略構成図である。

【0024】

本実施形態のガスセンサシステム１は、内燃機関（具体的には、ＥＧＲ装置を備える車両のエンジン）に吸入される吸気を測定対象ガスとし、吸気に含まれる酸素の濃度を特定ガスの濃度として測定するものである。ガスセンサシステム１には、図１に示すように、ヒータ（ヒータ部）８０が一体化（内蔵）されたガスセンサ素子（センサ素子）５と、センサ特性検出回路（検出部）３と、ヒータ通電制御回路（制御部）６と、中央演算処理装置（演算部）２とが備えられている。

【0025】

センサ特性検出回路３はガスセンサ素子５の各種特性を検出するものであり、内燃機関の吸気経路に設けられるガスセンサ素子５に接続されている。センサ特性検出回路３は、ガスセンサ素子５の素子インピーダンスに応じて変化する素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを検出し、検出した素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓ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。さらにセンサ特性検出回路３は、素子インピーダンス信号の他に、ガスセンサ素子５からガス検出信号Ｖｉｐを検出し、検出したガス検出信号Ｖｉｐを中央演算処理装置２に対して出力する機能も有している。なおガス検出信号Ｖｉｐは、ガスセンサ素子５が検出する特定ガスのガス濃度に応じて変化する信号である。

【0026】

中央演算処理装置２は、センサ特性検出回路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ものである。中央演算処理装置２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等が備えられたマイクロコンピュータを主体として構成されたものである。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機能を有している。

【0027】

例えば中央演算処理装置２は、センサ特性検出回路３から受信した素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを検出するインピーダンス検出処理や、ガスセンサ素子５を目標温度（目標インピーダンスの値）に設定するためにヒータ８０に供給する電力量をデューティー制御（ＰＷＭ制御）により調整するヒータ制御処理などを実行している。さらに中央演算処理装置２は、センサ特性検出回路３から受信したガス検出信号Ｖｉｐに基づき、吸気ガスにおける酸素濃度を求める算出処理および酸素濃度を補正する補正処理も実行している。なお、ガス検出信号Ｖｉｐに基づく酸素濃度を補正する補正処理の内容については後で詳述する。

【0028】

ヒータ８０はガスセンサ素子５自体を加熱するものであり、後述するように熱を発生するヒータ抵抗８７が備えられたものである。ヒータ抵抗８７は、その一端が直流電源ＶＢ（本実施形態では、＋１２Ｖの電源）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。

【0029】

ヒータ通電制御回路６はヒータ８０へ通電を制御するものであり、通電を制御するトランジスタＴｒが備えられたものである。トランジスタＴｒのコレクタはヒータ抵抗８７の他端に接続され、エミッタは抵抗Ｒｈを介して接地され、ベースは中央演算処理装置２に接続されている。具体的には、ヒータ通電制御回路６は、抵抗ＲｈにおけるトランジスタＴｒと接続されている端部Ｒｅにおいて、中央演算処理装置２と接続されている。

【0030】

このため、中央演算処理装置２がトランジスタ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」と表記する。）をベースに出力している間は、ヒータ抵抗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がオフ状態となる。そのため、ヒータ抵抗８７に電流が流れずヒータ８０の発熱が止まる。

【0031】

つまりヒータ通電制御回路６では、中央演算処理装置２からのヒータ・オン信号が入力されるか否かによってトランジスタＴｒのオン状態とオフ状態とが切り換わる。このオン状態の期間とオフ状態の期間の比率（デューティー比）を制御してヒータ抵抗８７に供給される電力量を制御する（デューティー制御する）ことにより、ヒータ通電制御回路６は、ヒータ８０を発熱制御することができる。つまり、ヒータ通電制御回路６では、ヒータ８０を目標温度（目標インピーダンス）になるように上記デューティー制御を行うことで、ヒータ抵抗８７にはデューティー比に応じた電圧波形の値（実効電圧）に応じた電力量（例えば、ｎＶ相当の電力（ｎは正の値））が加わることになる。

【0032】

なお、センサ特性検出回路３、ヒータ通電制御回路６および中央演算処理装置２は、ガスセンサ素子５と共に配置されていてもよいし、センサ特性検出回路３、ヒータ通電制御回路６および中央演算処理装置２の少なくとも一つが、内燃機関を制御するＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）の内部に設けられていてもよい。

【0033】

つまりガスセンサシステム１は、ＥＣＵから独立してＥＣＵから必要な情報のみを受け取る独立したシステムであってもよいし、ガスセンサシステム１を構成する一部の構成要素がＥＣＵの内部に設けられたＥＣＵとの組み合わせで動作するシステムであってもよい。

【0034】

ガスセンサ素子５は吸気における酸素濃度を検出するセンサである。図２に示すように、ガスセンサ素子５は、ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、起電力セル２４と、補強板３０と、ヒータ８０とを積層することにより構成されている。

【0035】

ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性固体電解質体である部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂）を材料として形成されている。ポンプセル１４の表面と裏面（図２の上側の面と下側の面）のそれぞれには、主として白金を材料として形成された多孔質電極１２，１６が設けられている。多孔質電極１２は、その表面が多孔質状の材料から形成された保護層１５によって覆われている。保護層１５は多孔質電極１２を保護するだけでなく、多孔質電極１２の被毒を防止する被毒防止層としての役割を果たすものでもある。

【0036】

起電力セル２４は、ポンプセル１４と同様に、酸素イオン伝導性固体電解質体である部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂）を材料として形成されている。起電力セル２４の表面と裏面のそれぞれには、主として白金を材料として形成された多孔質電極２２，２８が設けられている。

【0037】

後述する中空の拡散室２０と隣接して配置されたポンプセル１４の多孔質電極１６と、拡散室２０と隣接して配置された起電力セル２４の多孔質電極２２とは、互いに電気的に導通されるとともに、ガスセンサ素子５の端子ＣＯＭに接続されている。端子ＣＯＭは、通電経路４２および抵抗器Ｒを介して、センサ特性検出回路３のＶｃｅｎｔ点に接続されている（図１参照）。

【0038】

ポンプセル１４の多孔質電極１２は、ガスセンサ素子５の端子Ｉｐ＋に接続され、起電力セル２４の多孔質電極２８は、ガスセンサ素子５の端子Ｖｓ＋に接続されている。なお端子Ｉｐ＋は、センサ特性検出回路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、センサ特性検出回路３における第４オペアンプＯＰ４の非反転入力端子＋に接続されている（図１参照）。

【0039】

補強板３０は、起電力セル２４の多孔質電極２８を閉塞するように起電力セル２４に積層され、多孔質電極２８の内部に基準酸素室２６を形成している。
ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された拡散室２０が形成されている。拡散室２０には、多孔質拡散層１８を介して、多孔質拡散層１８の外側の吸気が流入および流出可能とされている。

【0040】

ヒータ８０は発熱することにより、ポンプセル１４及び起電力セル２４の温度を活性温度領域に制御し、ガスセンサ素子５による酸素濃度の検出を可能とするものである。
ヒータ８０は補強板３０に積層され、ポンプセル１４、起電力セル２４および補強板３０と一体化して設けられたものである。ヒータ８０は、導電体からなるヒータ抵抗８７を一対のアルミナシート８３，８５の間に挟み込んだ構成を有している。ヒータ８０（詳細には、ヒータ抵抗８７）は、一端が直流電源ＶＢ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。

【0041】

次に、酸素濃度を測定する際におけるセンサ特性検出回路３の動作について説明する。
図１に示すように、センサ特性検出回路３は、定電流源回路６２から起電力セル２４に一定の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、起電力セル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に流すポンプ電流Ｉｐの制御を行い、拡散室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、起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、拡散室２０の酸素濃度を、ポンプセル１４を用いて調整する。

【0042】

ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値及び電流方向は、吸気ガス中の酸素濃度に応じて変化する。そのため、ポンプ電流Ｉｐに基づいて吸気ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、起電力セル２４に対して、拡散室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は内部酸素基準源として機能する。

【0043】

センサ特性検出回路３には、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や、第１スイッチＳＷ１から第３スイッチＳＷ３や、ＰＩＤ制御回路６９などを備えられている。そして、定電流源回路６２、起電力セル２４および抵抗器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。

【0044】

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起電力セル２４の端子Ｖｓ＋の電位とＶｃｅｎｔ点における電位との間の電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ制御回路６９にて、目標制御電圧（４５０ｍＶ）と起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓとの間の偏差がＰＩＤ演算される。ＰＩＤ演算された偏差は第２オペアンプＯＰ２にフィードバックされ、第２オペアンプＯＰ２は、フィードバックされた偏差に基づいてポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。

【0045】

センサ特性検出回路３は、ポンプ電流Ｉｐの大きさを検出して電圧信号に変換する検出抵抗Ｒ１と、検出抵抗Ｒ１の両端電圧（電位Ｖｃｅｎｔと電位Ｖｐｉｄとの間の差分）を差動増幅してガス検出信号（Ｖｉｐ信号）として出力する差動増幅回路６１と、を備えている。ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）は、ガス検出信号出力端子４３（図１参照）から中央演算処理装置２に対して出力される。

【0046】

中央演算処理装置２は、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）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、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）に対応する酸素濃度を求める算出処理および算出された酸素濃度を補正する補正処理を実行する。なお、ガス検出信号に対応する酸素濃度を補正する補正処理の内容については後で詳述する。

【0047】

次に、センサ特性検出回路３における起電力セル２４の素子インピーダンス測定処理について説明する。
センサ特性検出回路３において第１オペアンプＯＰ１は、第１コンデンサＣ１および第１スイッチＳＷ１とともにサンプルホールド回路を形成している。サンプルホールド回路は、起電力セル２４のインピーダンス測定時に第１スイッチＳＷ１をオンからオフ状態とし、起電力セル２４の素子インピーダンス測定のための電流通電直前の起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓを保持する。このようにすることにより、サンプルホールド回路は素子インピーダンス測定直前の電圧ＶｓをＰＩＤ制御回路６９に入力する役割を果たす。

【0048】

第３オペアンプＯＰ３は、第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値と、起電力セル２４にインピーダンス測定用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位との差分に応じた電圧変化量ΔＶｓを出力する。なお、第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値は、インピーダンス測定用の電流を通電する直前の起電力セル２４の電圧Ｖｓであり、起電力セル２４にインピーダンス測定用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位は、第４オペアンプＯＰ４の出力電位である。

【0049】

電圧変化量ΔＶｓは、起電力セル２４のバルク抵抗値に比例することから、起電力セル２４の素子インピーダンスを表す素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓとして利用できる。
つまり第３オペアンプＯＰ３は、電圧変化量ΔＶｓを出力するとともに、起電力セル２４のバルク抵抗値との間で相関関係がある素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを出力する。なお、素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓは、起電力セル２４のバルク抵抗値との間で相関関係を示す特性を有している。

【0050】

第３オペアンプＯＰ３から出力された素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓ（電圧変化量ΔＶｓ）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。
第５オペアンプＯＰ５は、第２コンデンサＣ２、第２スイッチＳＷ２および抵抗Ｒ２と共に信号ホールド回路を形成している。まず、起電力セル２４のインピーダンス測定時に第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から信号ホールド回路に電圧変化量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、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。更に信号ホールド回路は、電圧変化量ΔＶｓを表す素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを、素子インピーダンス信号出力端子４１を介して中央演算処理装置２に対して出力する。

【0051】

このようにしてセンサ特性検出回路３は、素子インピーダンス信号出力端子４１から中央演算処理装置２に対して電圧変化量ΔＶｓを表す素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを出力する。中央演算処理装置２は、入力された素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓと、目標インピーダンスとの値の差に基づいて、ＰＩ制御やＰＩＤ制御を用いてヒータ８０の発熱制御を行う。具体的には、素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓの値が目標インピーダンスの値（例えば７５Ω）になるように、１周期あたりのヒータ・オン信号及びヒータ・オフ信号の比率を調整するデューティー比を算出し、ヒータ・オン信号やヒータ・オフ信号をヒータ通電制御回路６に出力する。

【0052】

センサ特性検出回路３の第１スイッチＳＷ１は、第１オペアンプＯＰ１、つまりサンプルホールド回路における電圧ホールド動作の制御を行っている。第２スイッチＳＷ２は、センサ特性検出回路３に３個備えられている。２個の第２スイッチＳＷ２は、起電力セル２４の抵抗値測定用（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・オフ制御するものである。１個の第２スイッチＳＷ２は、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ものである。

【0053】

第３スイッチＳＷ３は、センサ特性検出回路３に２個備えられている。２個の第３スイッチＳＷ３は、第２スイッチＳＷ２にて流される抵抗値測定用の電流−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・オフ制御するものである。

【0054】

上述のスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、制御部５９からの指令に基づいて状態（オン状態、オフ状態）が制御される。
制御部５９は、ＣＰＵや、ＲＡＭや、ＲＯＭや、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。制御部５９は、中央演算処理装置２からの指令に基づき、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の状態を制御するスイッチ制御処理を実行するものである。

【0055】

次に、本実施形態の特徴であるセンサ出力としての酸素濃度を補正する補正処理について図３および図４を参照しながら説明する。なお、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）から酸素濃度を求める算出処理としては公知の処理方法を用いることができる。

【0056】

酸素濃度を求める演算処理を開始すると中央演算処理装置２は、図３に示すように、ガスセンサ素子５の素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓの値が補正許容範囲内か否かの判定処理を行う（Ｓ１１）。言い換えると、ガスセンサ素子５の温度が補正許容範囲内か否かの判定処理を行う。具体的には、上述の起電力セル２４の素子インピーダンス（温度）測定処理により取得された素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓの値が、補正許容範囲内か否かの判定処理を行う。なお、補正許容範囲は、目標温度に対して設定された目標インピーダンスの値を含む範囲に設定されている。

【0057】

Ｓ１１の判定処理で、ガスセンサ素子５の素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓの値が補正許容範囲から外れていると判定された場合（ＮＯの場合）には、中央演算処理装置２はＳ１１の判定処理を繰り返し行う。

【0058】

Ｓ１１の判定処理で、ガスセンサ素子５の素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓの値が補正許容範囲内と判定された場合（ＹＥＳの場合）には、中央演算処理装置２はヒータ通電制御回路６からヒータ抵抗８７に加えられている実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）を取得する処理を行う（Ｓ１２）。つまり、Ｓ１２では、Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）相当の電力（供給電力量）を取得する処理を実行する。なお、実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）は、ヒータ抵抗８７に印加されている直流電源ＶＢの電圧およびデューティー比の値に基づいて算出することにより得られる。

【0059】

さらに中央演算処理装置２は、ガスセンサ素子５の周囲における吸気の圧力情報を取得する処理を行う（Ｓ１３）。ここで、吸気の圧力情報は、ガスセンサシステム１が適用されている内燃機関を制御するＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）から取得される圧力値そのものであってもよいし、吸気の圧力を測定する圧力センサから直接取得される出力値（出力電圧）であってもよく、特に取得先や情報の形式を限定するものではない。

【0060】

圧力情報を取得すると中央演算処理装置２は、ガスセンサ素子５の周囲における吸気の流速を算出する処理を行う（Ｓ１４）。具体的には、Ｓ１２で取得した実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）に基づいて下記の式（１）を用いて流速Ｕ（ｍ／ｓ）を算出する処理を行う。

【0061】

【数1】

【0062】

…（１）
吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）と実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）との関係は、図４に示すグラフの通りであり、流速Ｕ（ｍ／ｓ）が増加に伴い実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）も増加する関係にある。さらに、ガスセンサ素子５の周囲における吸気の圧力Ｐ（ｋＰａ）が増加すると、流速Ｕ（ｍ／ｓ）が同一であっても実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）が増加する。図４では、吸気の圧力Ｐ（ｋＰａ）が１００ｋＰａの場合と、３００ｋＰａの場合のグラフが示されている。つまり、上述の式（１）は吸気の圧力も変数とする式である。

【0063】

ここでは、吸気の圧力Ｐが１００ｋＰａの場合と、３００ｋＰａの場合についてのみ説明したが、吸気の圧力Ｐ（ｋＰａ）の変動幅が±５０ｋＰａの範囲を超えると、この圧力変動の影響を受けて実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）は、酸素濃度であるセンサ出力の測定精度に影響を与えるほどに変化する。そのため、吸気の圧力Ｐ（ｋＰａ）の変動幅が±５０ｋＰａの範囲を超えた場合には、上述のように実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）と吸気の圧力Ｐ（ｋＰａ）を考慮した吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）を求める処理を行う。また、吸気の圧力Ｐ（ｋＰａ）の変動幅が±５０ｋＰａ以内の場合には、実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）を考慮した吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）を求める処理を行うようにしてもよい。

【0064】

なお、流速Ｕ（ｍ／ｓ）は上述の式（１）に基づいて演算によって求めてもよいし、流速Ｕ（ｍ／ｓ）と実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）と圧力との関係を定めたテーブルを予め記憶しておき、当該テーブルに基づいて流速（ｍ／ｓ）を求めてもよい。

【0065】

流速Ｕ（ｍ／ｓ）を算出すると中央演算処理装置２は、下記の式（２）に基づいて流速変化率の算出処理を行う（Ｓ１５）。

【0066】

【数2】

【0067】

…（２）
ここで、ＡおよびＢは定数である。流速変化率を算出すると中央演算処理装置２は、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）から求められた酸素濃度であるセンサ出力（補正前）を補正してセンサ出力（補正後）を算出する処理を行う（Ｓ１６）。具体的には、センサ出力（補正前）、Ｓ１５で求めた流速変化率および下記の式（３）に基づいてセンサ出力（補正後）を求める。

【0068】

【数3】

【0069】

…（３）
次に、上述の補正処理が行われたガスセンサシステム１のセンサ出力（補正後）と、補正処理が行われないセンサ出力（例えば、補正処理を行う前のセンサ出力（補正前））との対比を図５（ａ）および図５（ｂ）を参照しながら説明する。

【0070】

図５（ｂ）に示すようにセンサ出力（補正前）は、吸気に含まれる酸素濃度が一定であっても、流速Ｕ（ｍ／ｓ）の増加に伴い出力の値が増加する傾向を有している。これに対して、図５（ａ）に示すようにセンサ出力（補正後）は、流速Ｕ（ｍ／ｓ）の増加に関わらず、出力値の変化が０．５％から−０．５％の範囲内に収まっている。

【0071】

言い換えると、上述の補正処理を行うことによって流速Ｕ（ｍ／ｓ）の影響を軽減できるため、ガスセンサシステム１は、吸気に含まれる酸素濃度をより正確に出力することができる。

【0072】

上記の構成のガスセンサシステム１によれば、ヒータ８０への通電に関する情報である実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）に基づいてガスセンサ素子５の周囲を流れる吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）を求め、求められた流速Ｕ（ｍ／ｓ）に基づいてガスセンサ素子５の出力値であるセンサ出力（補正前）を補正することにより、ガスセンサシステム１の出力値である酸素濃度（センサ出力（補正後））の測定精度を高めている。例えば、ガスセンサ素子５の周囲を流れる吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）が早い場合には、吸気によって奪われる熱量が増加してガスセンサ素子５の温度が低下しやすくなる。ヒータ通電制御回路６はヒータ８０に加える実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）を高くして電力量を増やす制御を行う。ヒータ通電制御回路６は、この実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）に基づいてガスセンサ素子５の周囲を流れる吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）を求めることができ、求められた流速Ｕ（ｍ／ｓ）に基づいてセンサ出力（補正前）を補正する処理を行うことができる。その結果、酸素濃度（センサ出力（補正後））の測定精度を高めることができる。

【0073】

また、ヒータ８０に加えられる実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）に基づいてガスセンサ素子５の周囲を流れる吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）を求めるため、例えば吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）を検出するセンサを追加して備える場合と比較して部品点数の増加を抑制することができる。そのため、流速Ｕ（ｍ／ｓ）を検出するセンサを追加する場合と比較してガスセンサシステム１の製造コストの増加を抑制することができる。

【0074】

ガスセンサ素子５の温度が補正許可範囲内にある場合に実効電圧Ｖｈｒｍｓ（Ｖ）の取得処理を行い、ガスセンサ素子５のセンサ出力（補正前）の補正処理を行うことにより、酸素濃度の測定精度を高めることができる。

【0075】

ここで、補正許可範囲としては、例えば、目標温度である８３０℃を中心とした±７０℃の範囲を例示することができ、ガスセンサ素子５の温度と相関関係を有する素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓの値で表記すると７５Ω（目標インピーダンス）を中心とした所定範囲（７５Ωに、±７０℃に相当するインピーダンスの値を適用して上限、下限を設定した範囲）を例示することができる。

【0076】

Ｓ１３で取得した圧力情報および求められた流速Ｕ（ｍ／ｓ）に基づいてガスセンサ素子５のセンサ出力（補正前）の補正処理を行うことにより、ガスセンサシステム１の出力値である酸素濃度の測定精度を更に高めることができる。ガスセンサ素子５の出力値は、ガスセンサ素子５の周囲の吸気の流速Ｕ（ｍ／ｓ）の他に、吸気の圧力によっても影響を受けて変化するため、求められた流速Ｕ（ｍ／ｓ）およびＳ１３で取得した圧力情報に基づいて補正処理を行うことで、酸素濃度の測定精度を更に高めることができる。

【0077】

なお、上述の実施形態では、ガスセンサシステム１を内燃機関の吸気に含まれる酸素濃度を測定するシステムに適用して説明したが、内燃機関の排気に含まれる酸素濃度を測定するシステムであってもよく、測定対象となるガスを限定するものではない。また、ヒータ部に供給する電力量を調整する処理としては、デューティー制御に限定されず、公知の電力制御手法を用いればよく、例えばＰＡＭ制御を用いるようにしてもよい。さらに、上述の実施形態では、ガスセンサシステム１によって測定する特定ガス成分が酸素であるシステムに適用して説明したが、ＮＯｘなどの酸素以外の特定ガス成分を測定するシステムであってもよく、特定ガス成分の内容を限定するものではない。

【符号の説明】

【0078】

１…ガスセンサシステム、２…中央演算処理装置（演算部）、３…センサ特性検出回路（検出部）、５…ガスセンサ素子（センサ素子）、６…ヒータ通電制御回路（制御部）、８０…ヒータ（ヒータ部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】