JP4016814B2 - 酸素センサ素子インピーダンス検出装置 - Google Patents
酸素センサ素子インピーダンス検出装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ素子インピーダンス検出装置に係り、特に、温度特性により素子インピーダンスを変化させる酸素センサを対象として素子インピーダンスを測定するうえで好適な素子インピーダンス検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−２８５７５号公報に開示されるように、酸素センサの素子インピーダンスを検出する装置が知られている。この装置は、酸素センサに対して、常時印加電圧V0を与えておき、素子インピーダンスを検出する際にその印加電圧V0を基準電圧から掃引電圧に変化させる機能を有している。印加電圧V0にΔV0の変化が生ずると、そこに流れる電流Ｉに、素子インピーダンスRsに応じた変化ΔＩが生ずる。そこで、上記従来の装置は、印加電圧V0を掃引電圧に切り換えることにより生ずる電圧変化ΔV0、および電流変化ΔＩに基づいて酸素センサの素子インピーダンスを算出することとしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２８５７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置は、印加電圧V0を基準電圧から掃引電圧に変化させる際に、その変化の時定数が常に一定になるように構成されている。そして、素子インピーダンスの測定時には、その素子インピーダンスの大小に関わらず、常に酸素センサの両端電圧を掃引電圧まで変化させることとしている。
【０００５】
酸素センサの素子インピーダンスは、一般に温度特性を有しており、その値は大きな幅で変化する。上記従来の装置において、素子インピーダンスが十分に大きな値を示す場合は、その両端電圧が掃引電圧にまで変化しても、酸素センサを流れる電流Ｉが過大となることはない。しかしながら、この装置において、素子インピーダンスが十分に小さい状況下では、酸素センサに対する印加電圧V0が掃引電圧まで変化すると、そこを流れる電流Ｉが過大となることがある。このように、上記従来の装置は、素子インピーダンスの検出時に、酸素センサに対して過大な電力を供給するという特性を有していた。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、酸素センサの素子インピーダンスの値が変動しても、酸素センサに過大な電力を与えることを抑制しつつその素子インピーダンスを測定することのできる酸素センサ素子インピーダンス検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、酸素センサ素子インピーダンス検出装置であって、
酸素センサに対して掃引電圧を印加する掃引電圧印加手段と、
前記掃引電圧の印加に伴って前記酸素センサを流れるセンサ電流を検出するセンサ電流検出手段と、
前記掃引電圧と前記センサ電流とに基づいて、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出する素子インピーダンス算出手段と、
前記素子インピーダンスが大きいほど、前記掃引電圧の時定数が大きくなるように構成された掃引時定数変更手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記掃引電圧印加手段は、前記素子インピーダンスが大きいほど前記掃引電圧の収束値を小さくする掃引電圧収束値変更手段を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記掃引電圧印加手段は、
前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記酸素センサと前記定電圧発生手段との間に配置される抵抗とを備え、
前記掃引電圧収束値変更手段は、前記酸素センサ自身と前記抵抗とを含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記センサ素子に対して前記掃引電圧が印加され始めた後、所定の印加期間が終了した時点で、当該掃引電圧の印加を停止する掃引電圧印加停止手段を備え、
前記印加期間は、前記酸素センサが通常の使用状況下で示す素子インピーダンスに対して前記掃引電圧を収束させるのに要する期間に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記掃引電圧印加手段は、前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記定電圧発生手段と直列に接続され、かつ、前記酸素センサと並列に接続されたコンデンサとを備え、
前記掃引時定数変更手段は、前記コンデンサを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、酸素センサ素子インピーダンス検出装置であって、
酸素センサに対して掃引電圧を印加する掃引電圧印加手段と、
前記掃引電圧の印加に伴って前記酸素センサを流れるセンサ電流を検出するセンサ電流検出手段と、
前記掃引電圧と前記センサ電流とに基づいて、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出する素子インピーダンス算出手段とを備え、
前記掃引電圧印加手段は、単一の素子インピーダンスに対して、前記掃引電圧の時定数を少なくとも２つの間で切り換える時定数切り換え手段を備え、
前記素子インピーダンス算出手段は、前記少なくとも２つの時定数のそれぞれにつき、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出し、
前記少なくとも２つの時定数のそれぞれについて算出された素子インピーダンスの比を求める素子インピーダンス比算出手段と、
前記素子インピーダンスの比に基づいて、前記酸素センサの劣化診断を行う劣化診断手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記掃引電圧印加手段は、前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記定電圧発生手段と直列に接続され、かつ、前記酸素センサと並列に接続された可変容量コンデンサとを備え、
前記時定数切り換え手段は、前記可変容量コンデンサの容量を変更する容量変更手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１５】
実施の形態１．
［回路構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態のシステムは、酸素センサ１０とECU(Electronic Control Unit)２０を備えている。酸素センサ１０は、例えば、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度を検出するために用いることができる。
【００１６】
図１において、酸素センサ１０は、インピーダンス成分と起電力成分とを含むものとして等価的に示されている。すなわち、酸素センサ１０は、被検出ガス中の酸素濃度に応じた電圧を発生する起電力式のセンサである。本実施形態では、端子OX1B側が高圧側となり、端子E2側が低圧側となるように酸素センサ１０とECU２０が接続されている。
【００１７】
酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、温度特性を有しており、酸素センサ１０が高温になるほど小さな値となる。酸素センサ１０を正常に機能させるためには、酸素センサ１０の温度を活性温度に制御する必要がある。酸素センサ１０の温度は、素子インピーダンスRsと層間を有するため、その温度を上記の活性温度に制御するうえで、素子インピーダンスRsが正確に検知できると便利である。また、素子インピーダンスRsが正確に検知できれば、その値から、酸素センサ１０の異常診断を行うことも可能である。このように、酸素センサ１０については、素子インピーダンスRsを正確に検出することにつき要求が存在している。
【００１８】
ECU２０は、その要求に応えて、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsを精度良く検出しようとするものである。以下、ECU２０の回路構成、およびその機能を詳細に説明する。
【００１９】
ECU２０は、第１スイッチ素子２２を備えている。スイッチ素子２０には、５Vの定電圧（電源電圧）が供給されている。第１スイッチ素子２２のゲートは、第１ポート２４に連通している。ECU２０は、必要に応じて、この第１ポート２４にON指令を発することにより第１スイッチ素子２２をON状態とする。
【００２０】
第１スイッチ素子２２には、第２抵抗２６が直列に接続されている。また、この第２抵抗２６は、第１サンプリング点２８に接続されている。第１サンプリング点２８は、第１抵抗３０を介してECU２０の外部端子OX1Bと導通していると共に、第１コンデンサ３１を介してECU２０の外部端子E2と導通している。つまり、第１サンプリング点２８には、第１抵抗３０と酸素センサ１０とを含む直列回路と、その直列回路に対して並列に接続された第１コンデンサ３１とが接続されている。
【００２１】
第１サンプリング点２８は、時定数の小さなフィルタ回路を介して、第１AD変換器（ADC1）３２に接続されている。上記のフィルタ回路は、直列に接続された２つの抵抗３４，３６と、第１AD変換器３２の入力端子と接地線との間に配置されたコンデンサ３８とを備えている。上記２つの抵抗３４，３６の間には、それらの接続点の電位を５V以下にガードするためのダイオード４０が接続されている。
【００２２】
第１AD変換器３２は、その入力端子に供給されるアナログ信号をディジタル信号に変換して出力することができる。第１AD変換器３２の入力端子には、既述した時定数の小さなフィルタ回路を介して、第１サンプリング点２８の電位が供給されている。このため、第１AD変換器３２は、第１サンプリング点２８の電位を、その電位が高周波で変化する場合においても、精度良くディジタル化して出力することができる。ECU２０は、後述の如く、所定の状況下で第１AD変換器３２が発するディジタル信号を、第１サンプリング点２８の電位と認識して素子インピーダンスRsの検出処理に利用する。
【００２３】
第１サンプリング点２８には、更に、第１コンデンサ３１の一端が接続されている。また、第１コンデンサ３１の他端は、ECU２０の外部接続端子E2と導通している。このため、第１サンプリング点２８は、第１コンデンサ３１を介して、酸素センサ１０と導通している。
【００２４】
第１サンプリング点２８には、更に、第２スイッチ素子４２が接続されている。この第２スイッチ素子４２のゲートには、第２ポート４４が接続されている。ECU２０は、必要に応じて、この第２ポート４４にON指令を発することにより第２スイッチ素子４２をON状態とする。
【００２５】
第２スイッチ素子４２には、第２コンデンサ４６の一端が接続されている。第２コンデンサ４６の他端は、外部端子E2に接続されている。つまり、この回路においては、第１サンプリング点２８と外部端子E2との間には、直列に接続された第２スイッチ素子４２と第２コンデンサ４６とが、第１コンデンサ３１に対して並列に配置されている。従って、ECU２０によれば、第２ポート４４がOFF指令を発している間は、酸素センサ１０と第１コンデンサ３１とが並列に接続された状態を作り出すことができ、第２ポート４４がON指令を発することにより、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ４６の並列合成コンデンサが、酸素センサ１０と並列に接続された状態を作り出すことができる。
【００２６】
第２コンデンサ４６は、第１コンデンサ３１の容量に対して１００倍程度の容量を有している。従って、第１コンデンサ３１に対して第２コンデンサが並列に接続されると、第１コンデンサ３１の容量に対して１００倍余りの容量を有する並列合成コンデンサが形成される。このため、ECU２０によれば、第２ポート４４の状態を切り換えることにより、酸素センサ１０と並列に接続されるコンデンサの容量を１００倍程度の幅で変化させることができる。
【００２７】
ところで、ECU２０において、第２スイッチ素子４２がON状態になると、第２コンデンサ４６には電荷が流入する。この電荷は、第２スイッチ素子４２がOFF状態となった後に放電する必要がある。このため、第２コンデンサ４６には、放電用抵抗４８が並列に接続されている。
【００２８】
ECU２０において、第１抵抗３０と外部端子OX1Bとの間には、第２サンプリング点５０が形成されている。第２サンプリング点５０には、酸素センサ１０と並列に配置された出力検出用抵抗５２の一端が接続されている。出力検出用抵抗５２は、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsに比して十分に大きなインピーダンスを有している。従って、第２サンプリング点５０に電源電圧が供給されていない場合（第１スイッチ素子２２がOFFである場合）、第２サンプリング点５０には、酸素センサ１０の起電力に相当する電圧が発生する。また、第２サンプリング点５０に電源電圧が供給されている場合（第１スイッチ素子２２がONである場合）は、酸素センサ１０を流れる電流Ｉと、素子インピーダンスRsとの積に相当する電圧が第２サンプリング点５０に発生する。
【００２９】
第２サンプリング点５０には、時定数の小さなフィルタ回路を介して、第２AD変換器（ADC2）５４が接続されている。上記のフィルタ回路は、直列に接続された２つの抵抗５６，５８と、第２AD変換器５４の入力端子と接地線との間に配置されたコンデンサ６０とを備えている。上記２つの抵抗５６，５８の間には、それらの接続点の電位を５V以下にガードするためのダイオード６２が接続されている。
【００３０】
第２AD変換器５４は、その入力端子に供給されるアナログ信号をディジタル信号に変換して出力することができる。第２AD変換器５４の入力端子には、既述した時定数の小さなフィルタ回路を介して、第２サンプリング点５０が接続されている。このため、第２AD変換器５４は、第２サンプリング点５０の電位を、その電位が高周波で変化する場合においても、精度良くディジタル化して出力することができる。ECU２０は、後述の如く、所定の状況下で第２AD変換器５４が発するディジタル信号を、第２サンプリング点５０の電位と認識して素子インピーダンスRsの検出処理に利用する。
【００３１】
第２サンプリング点５０には、更に、抵抗６４およびコンデンサ６６からなるフィルタ回路を介して、第３AD変換器（ADC3）６８が接続されている。第３AD変換器６８の前段に設けられたフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、第２サンプリング点５０における電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第３AD変換器６８は、ノイズなどの影響を受けることなく、第２サンプリング点５０の定常的な電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成することができる。ECU２０は、後述の如く、所定の状況下で第３AD変換器６８が発するディジタル信号を、酸素センサ１０の出力信号として認識し、被検出ガス中の酸素濃度の検出処理に利用する。
【００３２】
［ECUが実行する制御の全体的な流れの説明］
次に、図２を参照して、ECU２０が実行する制御の全体の流れを説明する。
図２は、本実施形態において、ECU２０が、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsを検出し、その結果に基づいて酸素センサ１０が正常であるか否かを判断するために実行する制御の全体の流れを説明するためのフローチャートである。
【００３３】
本実施形態において、酸素センサ１０は、既述した通り内燃機関の排気通路に配置されている。このため、酸素センサ１０は、内燃機関が始動された後、排気熱により加熱される。ECU２０は、図２に示す制御とは別に、酸素センサ１０の温度を推定する処理を実行している。この処理では、例えば、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値に基づいて、つまり、内燃機関から排出された排気ガスの積算量に基づいて酸素センサ１０の温度が推定される。
【００３４】
図２に示す制御は、このようにして推定される温度が、所定の活性温度（例えば３５０℃）を超えた後に開始される。酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、既述した通り温度特性を有している。この素子インピーダンスRsは、酸素センサ１０の温度が上記の活性温度を超える領域では、数１０kΩ以下となる。従って、図２に示す制御は、素子インピーダンスRsが数１０kΩ以下である場合に限って実行される。
【００３５】
図２に示すルーチンでは、先ず、第２ポート４４がOFF状態とされた状態で、第１インピーダンス算出モードでの処理が実行される（ステップ１００）。
第１インピーダンス算出モードでは、常に第２スイッチ素子４２がOFF状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、酸素センサ１０と並列に第１コンデンサ３１が接続された状態が形成される。第１インピーダンス算出モードは、そのような状況下で、酸素センサ１０のセンサ出力を検出しつつ、素子インピーダンスRsを検出するためのモードである。以下、このモードで検出された素子インピーダンスRsを「第１インピーダンスRs１」と称す。尚、第１インピーダンス算出モードにおいて実行される具体的な処理の内容については、後に図４および図５を参照して詳細に説明する。
【００３６】
図２に示すルーチンでは、第１インピーダンス算出モードによる処理の終了後、第２インピーダンス算出モードを実行するための前提条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１０２）。
本ステップ１０２では、具体的には、酸素センサ１０の温度が、第２インピーダンス算出モードの実行温度（例えば５００℃）を超えているか否かが判別される。
【００３７】
上記の判別の結果、前提条件が成立していると判別された場合は、次に、第２ポート４４がON状態とされ、第２インピーダンス算出モードでの処理が実行される（ステップ１０４）。
第２インピーダンス算出モードでは、常に第２スイッチ素子４２がON状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、第１コンデンサ３１に加えて、第２コンデンサ４６も酸素センサ１０と並列に接続された状態が形成される。第２インピーダンス算出モードは、そのような状況下で、酸素センサ１０のセンサ出力を検出しつつ、素子インピーダンスRsを検出するためのモードである。以下、このモードで検出された素子インピーダンスRsを「第２インピーダンスRs２」と称す。尚、第２インピーダンス算出モードにおいて実行される具体的な処理の内容については、後に図４および図５を参照して詳細に説明する。
【００３８】
図２に示すルーチンでは、次に、インピーダンス比＝Rs１／Rs２が算出される（ステップ１０６）。
【００３９】
上述した第１インピーダンス算出モードによれば、酸素センサ１０に対して、小さな時定数で変化する掃引電圧、つまり、立ち上がりの早い掃引電圧を印加しつつ、素子インピーダンスRsを検出することができる（その理由については後述する）。従って、第１インピーダンスRs１は、酸素センサ１０が、その両端電圧が高い周波数で変化する際に示す素子インピーダンスRsとなる。
【００４０】
一方、上述した第２インピーダンス算出モードでは、酸素センサ１０に対して、大きな時定数で変化する掃引電圧、つまり、立ち上がりの遅い掃引電圧が印加される状況下での素子インピーダンスRsが検出される（その理由については後述する）。従って、第２インピーダンスRs２は、酸素センサ１０が、その両端電圧が低い周波数で変化する際に示す素子インピーダンスRsとなる。
【００４１】
酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、初期の段階では周波数特性を有していない。従って、初期段階では、インピーダンス比Rs１／Rs２はほぼ１となる。しかしながら、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsには、酸素センサ１０の劣化が進むに連れて周波数特性が発生し始める（一般的には、低周波に対する素子インピーダンスRsが大きな値になる）。このため、インピーダンス比Rs１／Rs２は、酸素センサ１０の劣化が進むに連れて１から外れた値となる。
【００４２】
図２に示すルーチンでは、上記ステップ１０６の処理に次いで、インピーダンス比Rs１／Rs２が、下限側判定値IRL（例えば０．８）より大きく、かつ、上限側判定値IRH（例えば１．２）より小さいか否かが判別される（ステップ１０８）。
【００４３】
その結果、IRL＜Rs１／Rs２＜IRHが成立すると判別された場合は、酸素センサ１０が正常であると判断される（ステップ１１０）。
一方、上記の条件が成立しないと判別された場合は、酸素センサ１０が劣化していると判断される（ステップ１１２）。
【００４４】
［ECUが実行する制御の具体的内容の説明］
次に、図３および図４を参照して、第１インピーダンス算出モード、および第２インピーダンス算出モードにおいて実行される具体的処理の内容について説明する。
【００４５】
図３は、ECU２０が、上記図２に示すフローチャートに沿って処理を進めることで実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、第１ポート２４のON・OFF状態を表すタイミングチャートであり、図３（Ｂ）は、第２ポート４４のON・OFF状態を表すタイミングチャートである。
【００４６】
図３に示す例では、第１インピーダンス算出モード、および第２インピーダンス算出モードのそれぞれにおいて、第１ポート２４が３回ずつON状態とされている。この際、第１ポート２４は、第１インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、例えば１３５μsecの期間だけON状態を維持する。また、第２インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、第１インピーダンス算出モードでのON期間の１０倍程度（例えば１６００μsec）の期間だけON状態を維持する。
【００４７】
第１インピーダンスRs１および第２インピーダンスRs２は、それぞれのモードにおいて第１ポート２４がONされる毎に算出される。ECU２０は、それぞれのモードの終了時に、３回算出されたインピーダンスを平均することで、各サイクルにおける第１インピーダンスRs１および第２インピーダンスRs２を特定し、それらが一組特定される毎に、インピーダンス比Rs１／Rs２の算出と、酸素センサ１０の異常判定とを実行する。
【００４８】
（酸素濃度の検出処理）
図３に示すように、本実施形態のシステムでは、第１インピーダンス算出モードにおいても、第２インピーダンス算出モードにおいても、第１ポート２４がOFFとなる期間が存在する。第１ポート２４がOFFである期間中、つまり、第１スイッチ素子２２がOFFである期間中は、第２サンプリング点５０に、酸素センサ１０の起電力に相当する電位が表れる（図１参照）。つまり、この場合は、第３AD変換器６８の出力が、酸素センサ１０のセンサ出力に一致する。ECU２０は、そのような状況下で第３AD変換器６８が出力するディジタル信号を、所定周期毎（例えば、４msec毎）に検出し、被検出ガス（排気ガス）中の酸素濃度を検出する。
【００４９】
（第１インピーダンスRs１の算出処理）
第１インピーダンス算出モードでは、第２ポート４４がOFF状態に維持される。つまり、第２スイッチ素子４２がOFF状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、第１抵抗３０とセンサ素子１０との直列回路に対して、第１コンデンサ３１だけが並列に接続された状態が形成される。以下、それらの要素により形成される並列回路を「R1・Rs-C1並列回路」と称す。
【００５０】
図４は、上記の状況下で第１ポート２４のON・OFFが繰り返された場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は第１ポート２４の状態を表す波形、図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）は、それぞれ第１乃至第３AD変換器３２，５４，６８の入力端子に供給される電位の変化を表す波形である。
【００５１】
図１に示す回路構成において、第１ポート２４がON状態となり、第１スイッチ素子２２がON状態になると、第２抵抗R2に対して電源電圧５Vが印加され始める。この電圧は、第２抵抗２６を通って第１サンプリング点２８に作用し、R1・Rs-C1並列回路に印加される。尚、ECU２０は、酸素センサ１０と並列に接続された出力検出抵抗５２を備えているが、その抵抗値は、酸素センサRsの抵抗値（数１０kΩ以下）に比して十分に大きいため、ここではその存在は無視できるものとする。
【００５２】
第１サンプリング点２８に対して、上記の如く電圧が印加され始めると、以後、その点の電位VS1は、時定数τ１で上昇し、最終的には、第２抵抗２６の抵抗値R2と、第１抵抗３０および酸素センサ１０の合成抵抗値R1＋Rsとの分圧により決定される値に収束する。この場合、その収束値VS1および上記の時定数τ１は、それぞれ以下に示す（１）式または（２）式により表すことができる。
VS1＝５・（R1＋Rs）／（R2＋R1＋Rs） ・・・（１）
τ１＝C1／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝ ・・・（２）
【００５３】
図１に示す回路において、第１サンプリング点２８の電位VS1は、第１AD変換器３２に供給されている。このため、第１AD変換器３２の出力は、上記（１）式および（２）式により表されるVS1と同様の変化を示す。図４（Ｂ）に示す波形は、第１ポート２４がON状態とされた後、第１AD変換器３２の出力が、そのように変化している状態を示している。
【００５４】
第１サンプリング点２８の電位VS1が上記の如く変化する過程において、酸素センサ１０には、次式で表される電流Ｉが流通する。
Ｉ＝VS1／（R1＋Rs） ・・・（３）
【００５５】
この際、第２サンプリング点５０の電位VS2は、電流Ｉと素子インピーダンスRsを用いて以下のように表すことができる。
VS2＝Rs・Ｉ ・・・（４）
【００５６】
第１サンプリング点２８の電位VS1が時定数τ１で変化することから、上記（３）式の関係を満たす電流Ｉも、また、上記（４）式の関係を満たす第２サンプリング点５０の電位VS2も、それぞれ時定数τで変化することになる。図１に示す回路において、第２サンプリング点５０の電位VS2は、第2AD変換器５４に供給されている。このため、第２AD変換器５４の出力は、上記（４）式および（２）式により表されるVS2と同様の変化を示す。図４（Ｃ）に示す波形は、第１ポート２４がON状態とされた後、第２AD変換器５４の出力が、そのように変化している状態を示している。
【００５７】
酸素センサ１０を流れる電流Ｉは、第１サンプリング点２８の電位VS1と、第２サンプリング点５０の電位VS2と、第１抵抗３０の抵抗値R1とを用いることにより、以下のように表すことができる。
Ｉ＝（VS1−VS2）／R1 ・・・（５）
【００５８】
上記（４）式および（５）式より、素子インピーダンスRsは、次式のように表すことができる。
Rs＝VS2／Ｉ
＝VS2・R1／（VS1−VS2） ・・・（６）
【００５９】
以上説明した通り、本実施形態の回路では、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsを、第１ポート２４がONとされた後に第１サンプリング点２８および第２サンプリング点５０に生ずる電位VS1，VS2に基づいて算出することができる。ところで、第１ポート２４がONとされた後の第１サンプリング点２８の電位VS1および第２サンプリング点５０の電位VS2には、第１ポート２４がONされる以前から生じているリーク電流等の影響が重畳している。従って、素子インピーダンスRsを精度良く算出するためには、そのリーク電流等の影響を排除することが望ましい。
【００６０】
そこで、ECU２０は、第１ポート２４がONされる直前の電位VS1（以下、「VS1OFF」とする）と第１ポート２４がONされた後の電位VS1（以下、「VS1ON」とする）との差ΔVS1を求め、更に、第１ポート２４がONされる直前の電位VS2（以下、「VS2OFF」とする）と第１ポート２４がONされた後の電位VS2（以下、「VS2ON」とする）との差ΔVS2を求め、それらを上記（６）式に当てはめることにより、次式に従って素子インピーダンスRsを算出することとしている。
【００６１】
但し、リーク電流等の影響が小さく、VS1OFFとVS2OFFとがほぼ等しい場合には、必ずしも上記（７）式の関係を用いる必要はない。その場合は、上記（６）式に従って、（VS1＝VS1ON、VS2＝VS2ONとして）素子インピーダンスRsを算出すればよい。
【００６２】
既述した通り、ECU２０は、第１AD変換器３２によって第１サンプリング点２８の電位を検出することができ、更に、第２AD変換器５４によって第２サンプリング点５０の電位を検出することができる。このため、ECU２０は、第１インピーダンス算出モードの実行中に、第１ポート２４がONされる毎に、具体的には以下のような手順で素子インピーダンスRsを算出している。
【００６３】
▲１▼第１ポート２４がONされる直前に、第１AD変換器３２の出力をVS1OFFとして検出し、かつ、第２AD変換器５４の出力をVS2OFFとして検出する。
▲２▼上記の検出の終了後、第１ポート２４をON状態とする。
▲３▼第１ポートがON状態とされた後、所定期間（例えば１３５μsec）が経過した時点で、第１AD変換器３２の出力をVS1ONとして検出し、かつ、第２AD変換器５４の出力をVS2ONとして検出する。
▲４▼上記の検出の終了後、第１ポート２４をOFF状態に戻す。
▲５▼上記▲１▼〜▲３▼の処理により検出したVS1OFF、VS1ON、VS2ONおよびVS2ONを、上記（７）式に代入して素子インピーダンスRsを算出する。
【００６４】
（第２インピーダンスRs１の算出処理）
第２インピーダンス算出モードでは、第２ポート４４がON状態に維持される。つまり、第２スイッチ素子４２がON状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、第１抵抗３０とセンサ素子１０との直列回路に対して、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ４６とが、共に並列に接続された状態が形成される。以下、それらの要素により形成される並列回路を「R1・Rs-C1-C2並列回路」と称す。
【００６５】
第２インピーダンス算出モードにおいて第１ポート２４がON状態とされると、第１サンプリング点２８に作用する電圧が、R1・Rs-C1-C2並列回路に印加される。この場合、第１サンプリング点２８の電位VS1は、時定数τ２で上昇し、最終的には上記（１）式であらわされる電位VS1＝５・（R1＋Rs）／（R2＋R1＋Rs）に収束する。そして、この場合、時定数τ２は以下のように表すことができる。
τ２＝（C1＋C2）／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝ ・・・（８）
【００６６】
既述した通り、第２コンデンサ４６は、第１コンデンサ３１の容量C1に対して約１００倍の容量C2を有している。このため、時定数τ２は、上記（２）式で算出される時定数τ１に対して約１００倍となる。このため、第２インピーダンス算出モードでは、第１ポート２４がONとされた後、酸素センサ１０に対して、第１インピーダンス算出モードの場合と比べて十分に立ち上がりの遅い掃引電圧が印加される。
【００６７】
第２インピーダンス算出モードにおいても、第１ポート２４がONされた後は、上記（６）式の関係、すなわち、以下に示す関係は成立する。
Rs＝VS2・R1／（VS1−VS2）
同様に、上記（７）式の関係、すなわち、以下の示す関係も第２インピーダンス算出モードにおいて成立する。
Rs＝（VS2ON−VS2OFF）・R1／｛（VS1OFF−VS1ON）−（VS2OFF−VS2ON）｝
【００６８】
このため、ECU２０は、第２インピーダンス算出モードの実行中においても、第１インピーダンス算出モードの実行中と同様の手順で（上記▲１▼〜▲５▼の手順）で素子インピーダンスRsを算出する。但し、第２インピーダンス算出モードでは、時定数τ２が大きな値とされており、掃引電圧の立ち上がりが緩やかにされていることから、一度のON操作に対して第１ポート２４がON状態に維持される期間を第１インピーダンス算出モードでの期間（１３５μsec）の１０倍程度（１６００μsec）とし、VS1ONおよびVS2ONは、第１ポート２４がON状態とされた後、１６００μsecの時間が経過した時点で検出することとしている。
【００６９】
以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、第１インピーダンス算出モードでは、時定数τ１が小さく立ち上がりの早い掃引電圧を酸素センサ１０に印加しつつ、素子インピーダンスRsを検出することができる。また、第２インピーダンス算出モードでは、時定数τ２が大きく立ち上がりの遅い掃引電圧を酸素センサ１０に印加しつつ、素子インピーダンスRsを検出することができる。つまり、本実施形態のシステムによれば、第１インピーダンス算出モードでは、高周波入力に対する素子インピーダンスRsをRs１として検出し、第２インピーダンス算出モードでは、低周波入力に対する素子インピーダンスRsをRs２として検出することができる。
【００７０】
（インピーダンス比Rs１／Rs２を用いた劣化判定）
図５は、酸素センサ１０のインピーダンス特性を説明するための図である。図５中に実線で示す特性線は、正常な酸素センサ１０の素子インピーダンRsと入力周波数との関係を示す。複数の特性線は、それぞれ、異なる温度において実現される特性である。これらの特性線が示すように、素子インピーダンスRsは、酸素センサ１０の温度に応じて大きな変化を示す。このため、酸素センサ１０が正常であるか否かは、単純に素子インピーダンスRsを検出するだけでは判断することができない。
【００７１】
図５中に一点鎖線で示す特性線は、劣化した酸素センサ１０の素子インピーダンスRsと入力周波数との関係を示す。これらの特性線が示すように、劣化した酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、周波数特性を示す。この周波数特性は、酸素センサ１０が正常である間は生ずることがない。従って、素子インピーダンスRsに周波数特性が認められれば、酸素センサ１０に劣化が生じていることを判断することができる。
【００７２】
既述した通り、ECU２０は、酸素センサ１０の温度に関わりなく、インピーダンス比Rs１／Rs２が、下限側判定値IRL（例えば０．８）より大きく、かつ、上限側判定値IRH（例えば１．２）より小さいか否かに基づいて酸素センサ１０の劣化判定を行っている（上記ステップ１０８参照）。図５に示すように、劣化した酸素センサ１０の素子インピーダンスRsには、酸素センサ１０の温度に関わらず周波数特性が発生する。このため、素子インピーダンスRsに周波数特性が生じているか否かは、酸素センサ１０の温度に関わらず、ほぼ一定の基準で正確に判断することができる。つまり、図６に示すように、酸素センサ１０が正常であるか劣化しているかは、酸素センサ１０の温度に関わらず、常に一定の判定値IRLおよびIRHを用いて精度良く判断することが可能である。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ１０の温度に影響されることなく、常に精度良く酸素センサ１０の劣化を判定することができる。
【００７３】
［素子インピーダンスRsと時定数τとの関係］
既述した通り、ECU２０は、第１インピーダンス算出モードでは、時定数τ１で変化する掃引電圧を酸素センサ１０に印加する。ECU２０は、このモードでは、一度のON操作に対して、第１ポート２４を１３５μsecだけON状態に維持する。つまり、ECU１０は、第１インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、時定数τ１で変化する掃引電圧を１３５μsecの期間だけ酸素センサ１０に印加する。
【００７４】
また、ECU２０は、第２インピーダンス算出モードでは、時定数τ２で変化する掃引電圧を酸素センサ１０に印加する。このモードでは、ECU２０は、一度のON操作に対して、第１ポート２４を１６００μsecだけON状態に維持する。つまり、ECU１０は、第２インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、時定数τ２で変化する掃引電圧を１６００μsecの期間だけ酸素センサ１０に印加する。
【００７５】
第１インピーダンス算出モードにおいて用いられる時定数τ１には、上記（２）式（τ１＝C1／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝）に示すように素子インピーダンスRsが反映されている。この関係によれば、時定数τ１は、素子インピーダンスRsが大きな値になるほど大きな値となる。同様に、第２インピーダンス算出モードにおいて用いられる時定数τ２も、上記（８）式（τ２＝（C1＋C2）／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝）に示すように、素子インピーダンスRsが大きな値になるほど大きな値となる。
【００７６】
以下、掃引電圧の時定数τ（τ１、τ２）が、素子インピーダンスRsに対して上記の傾向を示すこと、および、第１インピーダンス算出モード、および第２インピーダンス算出モードにおいて、１回のON操作に対する掃引電圧印加期間が、上記期間にそれぞれ限定されていることに起因して生ずる効果について説明する。
【００７７】
（電流・電圧の収束値と素子インピーダンスRsとの関係）
図７は、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsの温度特性を示す。図７に示すように、素子インピーダンスRsは、酸素センサ１０の温度が上昇するに連れて小さな値となる。ECU２０は、素子インピーダンスRsを検出する際に、第１ポート２４をONとして酸素センサ１０に掃引電圧を印加する。この際、酸素センサ１０には、時定数τ（τ１またはτ２）で変化する電流Ｉが流通する。そして、この電流Ｉは、掃引電圧が十分に長い時間印加されると、次式で表される値に収束する。
Ｉ収束値＝５／（R2＋R1＋Rs） ・・・（９）
【００７８】
上記（９）式から明らかなように、素子インピーダンスRsの検出時に酸素センサ１０を流れる電流Ｉの収束値は、素子インピーダンスRsが大きいほど小さな値となり、一方、素子インピーダンスRsが小さいほど大きな値となる。従って、ECU２０の内部では、酸素センサ１０の温度が高いほど（Rsは小）、酸素センサ１０に多量の電流Ｉが流通し易い状況が形成され、一方、酸素センサ１０の温度が低いほど（Rsは大）、酸素センサ１０を流れる電流Ｉを抑制し易い状況が形成される。
【００７９】
ところで、ECU２０において、素子インピーダンスRsの検出時に酸素センサ１０に印加される掃引電圧の収束値は、第２サンプリング点５０の電位VS2の収束値と一致する。そして、その電位VS2の収束値は、次式のように表すことができる。
【００８０】
上記（１０）式から明らかなように、VS2収束値は、素子インピーダンスRsが大きいほど大きな値となり、一方、素子インピーダンスRsが小さいほど小さな値となる。従って、ECU２０の内部では、酸素センサ１０の温度が高いほど（Rsは小）、酸素センサ１０に印加される電圧が低く抑えられ、一方、酸素センサ１０の温度が低いほど（Rsは大）、酸素センサ１０に対して高い電圧が印加され易い状況が形成される。
【００８１】
（掃引電圧印加期間と電圧・電流の関係）
既述した通り、本実施形態のシステムでは、素子インピーダンスRsが小さいほど掃引電圧の時定数τ（τ１またはτ２）は小さな値となる。つまり、酸素センサ１０に印加される掃引電圧は、素子インピーダンスRsが小さいほど早期に収束値に到達する。
【００８２】
本実施形態において、第１インピーダンス算出モードで用いられる掃引電圧の印加期間（１３５μsec）、および第２インピーダンス算出モードで用いられる掃引電圧の印加期間（１６００μsec）は、上記の特性を前提として決定されたものである。より具体的には、それらの印加期間は、酸素センサ１０が、実用上最も小さな素子インピーダンスRsを示す場合に、それぞれのモードで、掃引電圧がほぼ収束値に達するのに要する時間を基準に設定されたものである。
【００８３】
従って、ECU２０においては、何れのモードにおいても、酸素センサ１０が十分に昇温されている場合は（Rsは小）、掃引電圧の印加期間中に、掃引電圧が上記（１０）式に示す収束値に到達し、また、酸素センサ１０を流れる電流Ｉが上記（９）式に示す収束値に到達する。これに対して、酸素センサ１０が十分に昇温されていない場合は（Rsは大）、何れのモードにおいても、掃引電圧や流通電流Ｉがそれぞれの収束値に到達する以前に、掃引電圧の印加期間が終了する事態が生ずる。
【００８４】
（素子インピーダンスRs小時の現象）
以上説明した内容は、以下のように整理することができる。先ず、酸素センサ１０が十分に昇温しており、素子インピーダンスRsが十分に小さい場合については、ECU２０の内部で生ずる現象を以下のように整理することができる。
▲１▼第１ポート２４がONされる毎に、酸素センサ１０には収束値に到達する掃引電圧が印加され、かつ、収束値に到達する電流Ｉが流通する。
▲２▼電流Ｉの収束値は比較的大きな値となる。
▲３▼掃引電圧の収束値は小さな値に抑えられる。
【００８５】
電流Ｉの収束値が比較的大きな値であっても、掃引電圧の収束値が小さな値に抑えられていれば、酸素センサ１０に供給される電力は適正値に抑えることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ１０が十分に昇温している状況下（つまり、素子インピーダンスRsは十分に小さい状況下）で、素子インピーダンスRsの検出処理を実行する場合に、酸素センサ１０に対して、過大な電力が供給されるのを確実に防止することができる。
【００８６】
（素子インピーダンスRs大時の現象）
次に、酸素センサ１０が十分に昇温しておらず、素子インピーダンスRsが大きな値を有する場合については、ECU２０の内部で生ずる現象を以下のように整理することができる。
▲１▼電流Ｉの収束値は比較的小さな値となる。
▲２▼掃引電圧の収束値は比較的大きな値となる。
▲３▼個々の掃引電圧印加期間は、掃引電圧が収束値に達する前に、その上昇の過程において終了される。
【００８７】
掃引電圧が比較的大きな値に収束するとしても、電流Ｉの収束値が小さな値に抑えられていれば、酸素センサ１０に供給される電力は適正値に抑えることができる。更に、掃引電圧の収束値が大きな値であっても、掃引電圧が収束値に達する前に印加期間が終了されれば、酸素センサ１０に現実に印加される電圧は、十分に小さな値に抑えることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ１０が十分に昇温していない状況下（つまり、素子インピーダンスRsが比較的大きな値を示す状況下）でも、素子インピーダンスRsの検出処理に伴って、酸素センサ１０に過大な電力が供給されるのを確実に防止することができる。
【００８８】
尚、上述した実施の形態１においては、第１スイッチ素子２２、第２抵抗２６、第１抵抗３０、第１コンデンサ３１、および第２コンデンサ４６が前記第１の発明における「掃引電圧印加手段」、および「掃引時定数変更手段」に相当している。また、ECU２０が、第１サンプリング点２８の電位VS1および第２サンプリング点５０の電位VS2を検出することにより上記第１の発明における「センサ電流検出手段」が（上記（５）式参照）、上記（７）式に則って素子インピーダンスRsを算出することにより前記第１の発明における「素子インピーダンス算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８９】
また、上述した実施の形態１においては、第１スイッチ素子２２、第２抵抗２６、第１抵抗３０、および酸素センサ１０自身が前記第２の発明における「掃引電圧収束値変更手段」に相当している。
【００９０】
また、上述した実施の形態１においては、電源電圧に接続された第１スイッチ素子２２が前記第３の発明における「定電圧発生手段」に、第２抵抗２６および第１抵抗３０が、前記第３の発明における「抵抗」に、それぞれ相当している。
【００９１】
また、上述した実施の形態１においては、第１インピーダンス算出モードにおける１３５μsecおよび第２インピーダンス算出モードにおける１６００μsecが、それぞれ前記第４の発明における「所定の印加期間」に相当していると共に、それぞれのモードにおいて、ECU２０が、上記印加期間の終了と共に第１ポート２４をOFF状態とすることにより前記第４の発明における「掃引電圧印加停止手段」が実現されている。
【００９２】
また、上述した実施の形態１においては、電源電圧に接続された第１スイッチ素子２２が前記第５の発明における「定電圧発生手段」に、第１コンデンサ３１および第２コンデンサ４６が前記第５の発明における「コンデンサ」に、それぞれ相当している。
【００９３】
また、上述した実施の形態１においては、ECU２０が、第２ポート４４のON・OFFを切り換えることにより前記第６の発明における「時定数切り換え手段」が、第１インピーダンスRs１および第２インピーダンスRs２を算出することにより前記第６の発明における「素子インピーダンス算出手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第６の発明における「素子インピーダンス比算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第６の発明における「劣化診断手段」が、それぞれ実現されている。
【００９４】
また、上述した実施の形態１においては、電源電圧に接続された第１スイッチ素子２２が前記第７の発明における「定電圧発生手段」に、第１コンデンサ３１、第２コンデンサ４６、および第２スイッチ素子４２が前記第７の発明における「可変容量コンデンサ」に、それぞれ相当している。更に、ECU２０が、第２ポート４４のON・OFFを切り換えることにより前記第７の発明における「容量変更手段」が実現されている。
【００９５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、酸素センサに対して掃引電圧を印加すると共に、その際に酸素センサを流れる電流に基づいて素子インピーダンスを算出することができる。そして、本発明によれば、素子インピーダンスが大きいほど、掃引電圧の時定数が大きくされ、掃引電圧の立ち上がりが緩やかにされる。このため、本発明によれば、素子インピーダンスが大きいときに酸素センサの両端に過大な電圧が印加されるのを容易に回避することができる。
【００９６】
第２の発明によれば、素子インピーダンスが大きいほど、酸素センサに印加される掃引電圧の収束値を小さくすることができる。このため、本発明によれば、素子インピーダンスが小さく、酸素センサに大きな電流が流通する場合に、印加電圧（掃引電圧）を小さな値とすることで供給電力が過大になるのを有効に防止することができる。
【００９７】
第３の発明によれば、定電圧の発生源と抵抗と酸素センサとを直列に配置することにより、酸素センサの素子インピーダンスが小さいほど掃引電圧の収束値を小さくする機能を容易に実現することができる。
【００９８】
第４の発明によれば、酸素センサが通常の使用状況下で示す素子インピーダンスに対して掃引電圧を収束させるのに要する期間が終了した時点で、掃引電圧の印加を中止することができる。このため、素子インピーダンスが大きい場合には、掃引電圧が収束値に到達する以前にその印加を中止して、酸素センサに過大な電力が供給されるのを防ぐことができる。
【００９９】
第５の発明によれば、酸素センサ自身と、これに並列に接続されたコンデンサとで、RC回路を形成することができる。そして、掃引電圧の印加時には、そのRC回路に対して定電圧を供給することができる。この場合、素子インピーダンスが大きいほど時定数を大きくするという要求を、RC回路の特性により満たすことができる。
【０１００】
第６の発明によれば、単一の素子インピーダンスに対して少なくとも２種類の時定数で掃引電圧を印加することができる。そして、それぞれの時定数に対して算出された素子インピーダンスの比に基づいて酸素センサの劣化診断を行うことができる。このような手法によれば、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、その劣化検出を精度良く行うことができる。
【０１０１】
第７の発明によれば、酸素センサに対して並列に接続されたコンデンサの容量を変えることにより、掃引電圧の時定数を簡単に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施の形態１において実行される制御の全体の流れを説明するためのフローチャートである。
【図３】 図３（Ａ）および図３（Ｂ）は実施の形態１の装置が実行する制御の全体の流れを説明するためのタイミングチャートである。
【図４】 図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）は実施の形態１の装置が第１ポートをONする毎に実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】 酸素センサの素子インピーダンスの特性を説明するための図である。
【図６】 インピーダンス比に基づく正常・劣化の判定領域と酸素センサの温度との関係を示す図である。
【図７】 酸素センサの素子インピーダンスの温度特性を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 酸素センサ
２０ ECU(Electronic Control Unit)
２２ 第１スイッチ素子
２４ 第１ポート
２６ 第２抵抗
２８ 第１サンプリング点
３０ 第１抵抗
３１ 第１コンデンサ
４２ 第２スイッチ素子
４６ 第２コンデンサ
５０ 第２サンプリング点
Rs 素子インピーダンス
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ素子インピーダンス検出装置に係り、特に、温度特性により素子インピーダンスを変化させる酸素センサを対象として素子インピーダンスを測定するうえで好適な素子インピーダンス検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開２０００−２８５７５号公報に開示されるように、酸素センサの素子インピーダンスを検出する装置が知られている。この装置は、酸素センサに対して、常時印加電圧V0を与えておき、素子インピーダンスを検出する際にその印加電圧V0を基準電圧から掃引電圧に変化させる機能を有している。印加電圧V0にΔV0の変化が生ずると、そこに流れる電流Ｉに、素子インピーダンスRsに応じた変化ΔＩが生ずる。そこで、上記従来の装置は、印加電圧V0を掃引電圧に切り換えることにより生ずる電圧変化ΔV0、および電流変化ΔＩに基づいて酸素センサの素子インピーダンスを算出することとしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２８５７５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の装置は、印加電圧V0を基準電圧から掃引電圧に変化させる際に、その変化の時定数が常に一定になるように構成されている。そして、素子インピーダンスの測定時には、その素子インピーダンスの大小に関わらず、常に酸素センサの両端電圧を掃引電圧まで変化させることとしている。
【０００５】
酸素センサの素子インピーダンスは、一般に温度特性を有しており、その値は大きな幅で変化する。上記従来の装置において、素子インピーダンスが十分に大きな値を示す場合は、その両端電圧が掃引電圧にまで変化しても、酸素センサを流れる電流Ｉが過大となることはない。しかしながら、この装置において、素子インピーダンスが十分に小さい状況下では、酸素センサに対する印加電圧V0が掃引電圧まで変化すると、そこを流れる電流Ｉが過大となることがある。このように、上記従来の装置は、素子インピーダンスの検出時に、酸素センサに対して過大な電力を供給するという特性を有していた。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、酸素センサの素子インピーダンスの値が変動しても、酸素センサに過大な電力を与えることを抑制しつつその素子インピーダンスを測定することのできる酸素センサ素子インピーダンス検出装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、酸素センサ素子インピーダンス検出装置であって、
酸素センサに対して掃引電圧を印加する掃引電圧印加手段と、
前記掃引電圧の印加に伴って前記酸素センサを流れるセンサ電流を検出するセンサ電流検出手段と、
前記掃引電圧と前記センサ電流とに基づいて、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出する素子インピーダンス算出手段と、
前記素子インピーダンスが大きいほど、前記掃引電圧の時定数が大きくなるように構成された掃引時定数変更手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記掃引電圧印加手段は、前記素子インピーダンスが大きいほど前記掃引電圧の収束値を小さくする掃引電圧収束値変更手段を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記掃引電圧印加手段は、
前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記酸素センサと前記定電圧発生手段との間に配置される抵抗とを備え、
前記掃引電圧収束値変更手段は、前記酸素センサ自身と前記抵抗とを含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記センサ素子に対して前記掃引電圧が印加され始めた後、所定の印加期間が終了した時点で、当該掃引電圧の印加を停止する掃引電圧印加停止手段を備え、
前記印加期間は、前記酸素センサが通常の使用状況下で示す素子インピーダンスに対して前記掃引電圧を収束させるのに要する期間に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記掃引電圧印加手段は、前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記定電圧発生手段と直列に接続され、かつ、前記酸素センサと並列に接続されたコンデンサとを備え、
前記掃引時定数変更手段は、前記コンデンサを含むことを特徴とする。
【００１２】
また、第６の発明は、酸素センサ素子インピーダンス検出装置であって、
酸素センサに対して掃引電圧を印加する掃引電圧印加手段と、
前記掃引電圧の印加に伴って前記酸素センサを流れるセンサ電流を検出するセンサ電流検出手段と、
前記掃引電圧と前記センサ電流とに基づいて、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出する素子インピーダンス算出手段とを備え、
前記掃引電圧印加手段は、単一の素子インピーダンスに対して、前記掃引電圧の時定数を少なくとも２つの間で切り換える時定数切り換え手段を備え、
前記素子インピーダンス算出手段は、前記少なくとも２つの時定数のそれぞれにつき、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出し、
前記少なくとも２つの時定数のそれぞれについて算出された素子インピーダンスの比を求める素子インピーダンス比算出手段と、
前記素子インピーダンスの比に基づいて、前記酸素センサの劣化診断を行う劣化診断手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第７の発明は、第６の発明において、
前記掃引電圧印加手段は、前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記定電圧発生手段と直列に接続され、かつ、前記酸素センサと並列に接続された可変容量コンデンサとを備え、
前記時定数切り換え手段は、前記可変容量コンデンサの容量を変更する容量変更手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００１５】
実施の形態１．
［回路構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１の構成を説明するための図を示す。図１に示すように、本実施形態のシステムは、酸素センサ１０とECU(Electronic Control Unit)２０を備えている。酸素センサ１０は、例えば、内燃機関の排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度を検出するために用いることができる。
【００１６】
図１において、酸素センサ１０は、インピーダンス成分と起電力成分とを含むものとして等価的に示されている。すなわち、酸素センサ１０は、被検出ガス中の酸素濃度に応じた電圧を発生する起電力式のセンサである。本実施形態では、端子OX1B側が高圧側となり、端子E2側が低圧側となるように酸素センサ１０とECU２０が接続されている。
【００１７】
酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、温度特性を有しており、酸素センサ１０が高温になるほど小さな値となる。酸素センサ１０を正常に機能させるためには、酸素センサ１０の温度を活性温度に制御する必要がある。酸素センサ１０の温度は、素子インピーダンスRsと層間を有するため、その温度を上記の活性温度に制御するうえで、素子インピーダンスRsが正確に検知できると便利である。また、素子インピーダンスRsが正確に検知できれば、その値から、酸素センサ１０の異常診断を行うことも可能である。このように、酸素センサ１０については、素子インピーダンスRsを正確に検出することにつき要求が存在している。
【００１８】
ECU２０は、その要求に応えて、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsを精度良く検出しようとするものである。以下、ECU２０の回路構成、およびその機能を詳細に説明する。
【００１９】
ECU２０は、第１スイッチ素子２２を備えている。スイッチ素子２０には、５Vの定電圧（電源電圧）が供給されている。第１スイッチ素子２２のゲートは、第１ポート２４に連通している。ECU２０は、必要に応じて、この第１ポート２４にON指令を発することにより第１スイッチ素子２２をON状態とする。
【００２０】
第１スイッチ素子２２には、第２抵抗２６が直列に接続されている。また、この第２抵抗２６は、第１サンプリング点２８に接続されている。第１サンプリング点２８は、第１抵抗３０を介してECU２０の外部端子OX1Bと導通していると共に、第１コンデンサ３１を介してECU２０の外部端子E2と導通している。つまり、第１サンプリング点２８には、第１抵抗３０と酸素センサ１０とを含む直列回路と、その直列回路に対して並列に接続された第１コンデンサ３１とが接続されている。
【００２１】
第１サンプリング点２８は、時定数の小さなフィルタ回路を介して、第１AD変換器（ADC1）３２に接続されている。上記のフィルタ回路は、直列に接続された２つの抵抗３４，３６と、第１AD変換器３２の入力端子と接地線との間に配置されたコンデンサ３８とを備えている。上記２つの抵抗３４，３６の間には、それらの接続点の電位を５V以下にガードするためのダイオード４０が接続されている。
【００２２】
第１AD変換器３２は、その入力端子に供給されるアナログ信号をディジタル信号に変換して出力することができる。第１AD変換器３２の入力端子には、既述した時定数の小さなフィルタ回路を介して、第１サンプリング点２８の電位が供給されている。このため、第１AD変換器３２は、第１サンプリング点２８の電位を、その電位が高周波で変化する場合においても、精度良くディジタル化して出力することができる。ECU２０は、後述の如く、所定の状況下で第１AD変換器３２が発するディジタル信号を、第１サンプリング点２８の電位と認識して素子インピーダンスRsの検出処理に利用する。
【００２３】
第１サンプリング点２８には、更に、第１コンデンサ３１の一端が接続されている。また、第１コンデンサ３１の他端は、ECU２０の外部接続端子E2と導通している。このため、第１サンプリング点２８は、第１コンデンサ３１を介して、酸素センサ１０と導通している。
【００２４】
第１サンプリング点２８には、更に、第２スイッチ素子４２が接続されている。この第２スイッチ素子４２のゲートには、第２ポート４４が接続されている。ECU２０は、必要に応じて、この第２ポート４４にON指令を発することにより第２スイッチ素子４２をON状態とする。
【００２５】
第２スイッチ素子４２には、第２コンデンサ４６の一端が接続されている。第２コンデンサ４６の他端は、外部端子E2に接続されている。つまり、この回路においては、第１サンプリング点２８と外部端子E2との間には、直列に接続された第２スイッチ素子４２と第２コンデンサ４６とが、第１コンデンサ３１に対して並列に配置されている。従って、ECU２０によれば、第２ポート４４がOFF指令を発している間は、酸素センサ１０と第１コンデンサ３１とが並列に接続された状態を作り出すことができ、第２ポート４４がON指令を発することにより、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ４６の並列合成コンデンサが、酸素センサ１０と並列に接続された状態を作り出すことができる。
【００２６】
第２コンデンサ４６は、第１コンデンサ３１の容量に対して１００倍程度の容量を有している。従って、第１コンデンサ３１に対して第２コンデンサが並列に接続されると、第１コンデンサ３１の容量に対して１００倍余りの容量を有する並列合成コンデンサが形成される。このため、ECU２０によれば、第２ポート４４の状態を切り換えることにより、酸素センサ１０と並列に接続されるコンデンサの容量を１００倍程度の幅で変化させることができる。
【００２７】
ところで、ECU２０において、第２スイッチ素子４２がON状態になると、第２コンデンサ４６には電荷が流入する。この電荷は、第２スイッチ素子４２がOFF状態となった後に放電する必要がある。このため、第２コンデンサ４６には、放電用抵抗４８が並列に接続されている。
【００２８】
ECU２０において、第１抵抗３０と外部端子OX1Bとの間には、第２サンプリング点５０が形成されている。第２サンプリング点５０には、酸素センサ１０と並列に配置された出力検出用抵抗５２の一端が接続されている。出力検出用抵抗５２は、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsに比して十分に大きなインピーダンスを有している。従って、第２サンプリング点５０に電源電圧が供給されていない場合（第１スイッチ素子２２がOFFである場合）、第２サンプリング点５０には、酸素センサ１０の起電力に相当する電圧が発生する。また、第２サンプリング点５０に電源電圧が供給されている場合（第１スイッチ素子２２がONである場合）は、酸素センサ１０を流れる電流Ｉと、素子インピーダンスRsとの積に相当する電圧が第２サンプリング点５０に発生する。
【００２９】
第２サンプリング点５０には、時定数の小さなフィルタ回路を介して、第２AD変換器（ADC2）５４が接続されている。上記のフィルタ回路は、直列に接続された２つの抵抗５６，５８と、第２AD変換器５４の入力端子と接地線との間に配置されたコンデンサ６０とを備えている。上記２つの抵抗５６，５８の間には、それらの接続点の電位を５V以下にガードするためのダイオード６２が接続されている。
【００３０】
第２AD変換器５４は、その入力端子に供給されるアナログ信号をディジタル信号に変換して出力することができる。第２AD変換器５４の入力端子には、既述した時定数の小さなフィルタ回路を介して、第２サンプリング点５０が接続されている。このため、第２AD変換器５４は、第２サンプリング点５０の電位を、その電位が高周波で変化する場合においても、精度良くディジタル化して出力することができる。ECU２０は、後述の如く、所定の状況下で第２AD変換器５４が発するディジタル信号を、第２サンプリング点５０の電位と認識して素子インピーダンスRsの検出処理に利用する。
【００３１】
第２サンプリング点５０には、更に、抵抗６４およびコンデンサ６６からなるフィルタ回路を介して、第３AD変換器（ADC3）６８が接続されている。第３AD変換器６８の前段に設けられたフィルタ回路は、十分に大きな時定数を有しており、第２サンプリング点５０における電圧の低周波成分だけを通過させる。このため、第３AD変換器６８は、ノイズなどの影響を受けることなく、第２サンプリング点５０の定常的な電圧値に相当するディジタル信号を精度良く生成することができる。ECU２０は、後述の如く、所定の状況下で第３AD変換器６８が発するディジタル信号を、酸素センサ１０の出力信号として認識し、被検出ガス中の酸素濃度の検出処理に利用する。
【００３２】
［ECUが実行する制御の全体的な流れの説明］
次に、図２を参照して、ECU２０が実行する制御の全体の流れを説明する。
図２は、本実施形態において、ECU２０が、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsを検出し、その結果に基づいて酸素センサ１０が正常であるか否かを判断するために実行する制御の全体の流れを説明するためのフローチャートである。
【００３３】
本実施形態において、酸素センサ１０は、既述した通り内燃機関の排気通路に配置されている。このため、酸素センサ１０は、内燃機関が始動された後、排気熱により加熱される。ECU２０は、図２に示す制御とは別に、酸素センサ１０の温度を推定する処理を実行している。この処理では、例えば、内燃機関の始動後に生じた吸入空気量の積算値に基づいて、つまり、内燃機関から排出された排気ガスの積算量に基づいて酸素センサ１０の温度が推定される。
【００３４】
図２に示す制御は、このようにして推定される温度が、所定の活性温度（例えば３５０℃）を超えた後に開始される。酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、既述した通り温度特性を有している。この素子インピーダンスRsは、酸素センサ１０の温度が上記の活性温度を超える領域では、数１０kΩ以下となる。従って、図２に示す制御は、素子インピーダンスRsが数１０kΩ以下である場合に限って実行される。
【００３５】
図２に示すルーチンでは、先ず、第２ポート４４がOFF状態とされた状態で、第１インピーダンス算出モードでの処理が実行される（ステップ１００）。
第１インピーダンス算出モードでは、常に第２スイッチ素子４２がOFF状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、酸素センサ１０と並列に第１コンデンサ３１が接続された状態が形成される。第１インピーダンス算出モードは、そのような状況下で、酸素センサ１０のセンサ出力を検出しつつ、素子インピーダンスRsを検出するためのモードである。以下、このモードで検出された素子インピーダンスRsを「第１インピーダンスRs１」と称す。尚、第１インピーダンス算出モードにおいて実行される具体的な処理の内容については、後に図４および図５を参照して詳細に説明する。
【００３６】
図２に示すルーチンでは、第１インピーダンス算出モードによる処理の終了後、第２インピーダンス算出モードを実行するための前提条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１０２）。
本ステップ１０２では、具体的には、酸素センサ１０の温度が、第２インピーダンス算出モードの実行温度（例えば５００℃）を超えているか否かが判別される。
【００３７】
上記の判別の結果、前提条件が成立していると判別された場合は、次に、第２ポート４４がON状態とされ、第２インピーダンス算出モードでの処理が実行される（ステップ１０４）。
第２インピーダンス算出モードでは、常に第２スイッチ素子４２がON状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、第１コンデンサ３１に加えて、第２コンデンサ４６も酸素センサ１０と並列に接続された状態が形成される。第２インピーダンス算出モードは、そのような状況下で、酸素センサ１０のセンサ出力を検出しつつ、素子インピーダンスRsを検出するためのモードである。以下、このモードで検出された素子インピーダンスRsを「第２インピーダンスRs２」と称す。尚、第２インピーダンス算出モードにおいて実行される具体的な処理の内容については、後に図４および図５を参照して詳細に説明する。
【００３８】
図２に示すルーチンでは、次に、インピーダンス比＝Rs１／Rs２が算出される（ステップ１０６）。
【００３９】
上述した第１インピーダンス算出モードによれば、酸素センサ１０に対して、小さな時定数で変化する掃引電圧、つまり、立ち上がりの早い掃引電圧を印加しつつ、素子インピーダンスRsを検出することができる（その理由については後述する）。従って、第１インピーダンスRs１は、酸素センサ１０が、その両端電圧が高い周波数で変化する際に示す素子インピーダンスRsとなる。
【００４０】
一方、上述した第２インピーダンス算出モードでは、酸素センサ１０に対して、大きな時定数で変化する掃引電圧、つまり、立ち上がりの遅い掃引電圧が印加される状況下での素子インピーダンスRsが検出される（その理由については後述する）。従って、第２インピーダンスRs２は、酸素センサ１０が、その両端電圧が低い周波数で変化する際に示す素子インピーダンスRsとなる。
【００４１】
酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、初期の段階では周波数特性を有していない。従って、初期段階では、インピーダンス比Rs１／Rs２はほぼ１となる。しかしながら、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsには、酸素センサ１０の劣化が進むに連れて周波数特性が発生し始める（一般的には、低周波に対する素子インピーダンスRsが大きな値になる）。このため、インピーダンス比Rs１／Rs２は、酸素センサ１０の劣化が進むに連れて１から外れた値となる。
【００４２】
図２に示すルーチンでは、上記ステップ１０６の処理に次いで、インピーダンス比Rs１／Rs２が、下限側判定値IRL（例えば０．８）より大きく、かつ、上限側判定値IRH（例えば１．２）より小さいか否かが判別される（ステップ１０８）。
【００４３】
その結果、IRL＜Rs１／Rs２＜IRHが成立すると判別された場合は、酸素センサ１０が正常であると判断される（ステップ１１０）。
一方、上記の条件が成立しないと判別された場合は、酸素センサ１０が劣化していると判断される（ステップ１１２）。
【００４４】
［ECUが実行する制御の具体的内容の説明］
次に、図３および図４を参照して、第１インピーダンス算出モード、および第２インピーダンス算出モードにおいて実行される具体的処理の内容について説明する。
【００４５】
図３は、ECU２０が、上記図２に示すフローチャートに沿って処理を進めることで実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図３（Ａ）は、第１ポート２４のON・OFF状態を表すタイミングチャートであり、図３（Ｂ）は、第２ポート４４のON・OFF状態を表すタイミングチャートである。
【００４６】
図３に示す例では、第１インピーダンス算出モード、および第２インピーダンス算出モードのそれぞれにおいて、第１ポート２４が３回ずつON状態とされている。この際、第１ポート２４は、第１インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、例えば１３５μsecの期間だけON状態を維持する。また、第２インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、第１インピーダンス算出モードでのON期間の１０倍程度（例えば１６００μsec）の期間だけON状態を維持する。
【００４７】
第１インピーダンスRs１および第２インピーダンスRs２は、それぞれのモードにおいて第１ポート２４がONされる毎に算出される。ECU２０は、それぞれのモードの終了時に、３回算出されたインピーダンスを平均することで、各サイクルにおける第１インピーダンスRs１および第２インピーダンスRs２を特定し、それらが一組特定される毎に、インピーダンス比Rs１／Rs２の算出と、酸素センサ１０の異常判定とを実行する。
【００４８】
（酸素濃度の検出処理）
図３に示すように、本実施形態のシステムでは、第１インピーダンス算出モードにおいても、第２インピーダンス算出モードにおいても、第１ポート２４がOFFとなる期間が存在する。第１ポート２４がOFFである期間中、つまり、第１スイッチ素子２２がOFFである期間中は、第２サンプリング点５０に、酸素センサ１０の起電力に相当する電位が表れる（図１参照）。つまり、この場合は、第３AD変換器６８の出力が、酸素センサ１０のセンサ出力に一致する。ECU２０は、そのような状況下で第３AD変換器６８が出力するディジタル信号を、所定周期毎（例えば、４msec毎）に検出し、被検出ガス（排気ガス）中の酸素濃度を検出する。
【００４９】
（第１インピーダンスRs１の算出処理）
第１インピーダンス算出モードでは、第２ポート４４がOFF状態に維持される。つまり、第２スイッチ素子４２がOFF状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、第１抵抗３０とセンサ素子１０との直列回路に対して、第１コンデンサ３１だけが並列に接続された状態が形成される。以下、それらの要素により形成される並列回路を「R1・Rs-C1並列回路」と称す。
【００５０】
図４は、上記の状況下で第１ポート２４のON・OFFが繰り返された場合の動作を説明するためのタイミングチャートである。より具体的には、図４（Ａ）は第１ポート２４の状態を表す波形、図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）は、それぞれ第１乃至第３AD変換器３２，５４，６８の入力端子に供給される電位の変化を表す波形である。
【００５１】
図１に示す回路構成において、第１ポート２４がON状態となり、第１スイッチ素子２２がON状態になると、第２抵抗R2に対して電源電圧５Vが印加され始める。この電圧は、第２抵抗２６を通って第１サンプリング点２８に作用し、R1・Rs-C1並列回路に印加される。尚、ECU２０は、酸素センサ１０と並列に接続された出力検出抵抗５２を備えているが、その抵抗値は、酸素センサRsの抵抗値（数１０kΩ以下）に比して十分に大きいため、ここではその存在は無視できるものとする。
【００５２】
第１サンプリング点２８に対して、上記の如く電圧が印加され始めると、以後、その点の電位VS1は、時定数τ１で上昇し、最終的には、第２抵抗２６の抵抗値R2と、第１抵抗３０および酸素センサ１０の合成抵抗値R1＋Rsとの分圧により決定される値に収束する。この場合、その収束値VS1および上記の時定数τ１は、それぞれ以下に示す（１）式または（２）式により表すことができる。
VS1＝５・（R1＋Rs）／（R2＋R1＋Rs） ・・・（１）
τ１＝C1／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝ ・・・（２）
【００５３】
図１に示す回路において、第１サンプリング点２８の電位VS1は、第１AD変換器３２に供給されている。このため、第１AD変換器３２の出力は、上記（１）式および（２）式により表されるVS1と同様の変化を示す。図４（Ｂ）に示す波形は、第１ポート２４がON状態とされた後、第１AD変換器３２の出力が、そのように変化している状態を示している。
【００５４】
第１サンプリング点２８の電位VS1が上記の如く変化する過程において、酸素センサ１０には、次式で表される電流Ｉが流通する。
Ｉ＝VS1／（R1＋Rs） ・・・（３）
【００５５】
この際、第２サンプリング点５０の電位VS2は、電流Ｉと素子インピーダンスRsを用いて以下のように表すことができる。
VS2＝Rs・Ｉ ・・・（４）
【００５６】
第１サンプリング点２８の電位VS1が時定数τ１で変化することから、上記（３）式の関係を満たす電流Ｉも、また、上記（４）式の関係を満たす第２サンプリング点５０の電位VS2も、それぞれ時定数τで変化することになる。図１に示す回路において、第２サンプリング点５０の電位VS2は、第2AD変換器５４に供給されている。このため、第２AD変換器５４の出力は、上記（４）式および（２）式により表されるVS2と同様の変化を示す。図４（Ｃ）に示す波形は、第１ポート２４がON状態とされた後、第２AD変換器５４の出力が、そのように変化している状態を示している。
【００５７】
酸素センサ１０を流れる電流Ｉは、第１サンプリング点２８の電位VS1と、第２サンプリング点５０の電位VS2と、第１抵抗３０の抵抗値R1とを用いることにより、以下のように表すことができる。
Ｉ＝（VS1−VS2）／R1 ・・・（５）
【００５８】
上記（４）式および（５）式より、素子インピーダンスRsは、次式のように表すことができる。
Rs＝VS2／Ｉ
＝VS2・R1／（VS1−VS2） ・・・（６）
【００５９】
以上説明した通り、本実施形態の回路では、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsを、第１ポート２４がONとされた後に第１サンプリング点２８および第２サンプリング点５０に生ずる電位VS1，VS2に基づいて算出することができる。ところで、第１ポート２４がONとされた後の第１サンプリング点２８の電位VS1および第２サンプリング点５０の電位VS2には、第１ポート２４がONされる以前から生じているリーク電流等の影響が重畳している。従って、素子インピーダンスRsを精度良く算出するためには、そのリーク電流等の影響を排除することが望ましい。
【００６０】
そこで、ECU２０は、第１ポート２４がONされる直前の電位VS1（以下、「VS1OFF」とする）と第１ポート２４がONされた後の電位VS1（以下、「VS1ON」とする）との差ΔVS1を求め、更に、第１ポート２４がONされる直前の電位VS2（以下、「VS2OFF」とする）と第１ポート２４がONされた後の電位VS2（以下、「VS2ON」とする）との差ΔVS2を求め、それらを上記（６）式に当てはめることにより、次式に従って素子インピーダンスRsを算出することとしている。
但し、リーク電流等の影響が小さく、VS1OFFとVS2OFFとがほぼ等しい場合には、必ずしも上記（７）式の関係を用いる必要はない。その場合は、上記（６）式に従って、（VS1＝VS1ON、VS2＝VS2ONとして）素子インピーダンスRsを算出すればよい。
【００６２】
既述した通り、ECU２０は、第１AD変換器３２によって第１サンプリング点２８の電位を検出することができ、更に、第２AD変換器５４によって第２サンプリング点５０の電位を検出することができる。このため、ECU２０は、第１インピーダンス算出モードの実行中に、第１ポート２４がONされる毎に、具体的には以下のような手順で素子インピーダンスRsを算出している。
【００６３】
▲１▼第１ポート２４がONされる直前に、第１AD変換器３２の出力をVS1OFFとして検出し、かつ、第２AD変換器５４の出力をVS2OFFとして検出する。
▲２▼上記の検出の終了後、第１ポート２４をON状態とする。
▲３▼第１ポートがON状態とされた後、所定期間（例えば１３５μsec）が経過した時点で、第１AD変換器３２の出力をVS1ONとして検出し、かつ、第２AD変換器５４の出力をVS2ONとして検出する。
▲４▼上記の検出の終了後、第１ポート２４をOFF状態に戻す。
▲５▼上記▲１▼〜▲３▼の処理により検出したVS1OFF、VS1ON、VS2ONおよびVS2ONを、上記（７）式に代入して素子インピーダンスRsを算出する。
【００６４】
（第２インピーダンスRs１の算出処理）
第２インピーダンス算出モードでは、第２ポート４４がON状態に維持される。つまり、第２スイッチ素子４２がON状態に維持される。この場合、ECU２０の内部では、第１抵抗３０とセンサ素子１０との直列回路に対して、第１コンデンサ３１と第２コンデンサ４６とが、共に並列に接続された状態が形成される。以下、それらの要素により形成される並列回路を「R1・Rs-C1-C2並列回路」と称す。
【００６５】
第２インピーダンス算出モードにおいて第１ポート２４がON状態とされると、第１サンプリング点２８に作用する電圧が、R1・Rs-C1-C2並列回路に印加される。この場合、第１サンプリング点２８の電位VS1は、時定数τ２で上昇し、最終的には上記（１）式であらわされる電位VS1＝５・（R1＋Rs）／（R2＋R1＋Rs）に収束する。そして、この場合、時定数τ２は以下のように表すことができる。
τ２＝（C1＋C2）／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝ ・・・（８）
【００６６】
既述した通り、第２コンデンサ４６は、第１コンデンサ３１の容量C1に対して約１００倍の容量C2を有している。このため、時定数τ２は、上記（２）式で算出される時定数τ１に対して約１００倍となる。このため、第２インピーダンス算出モードでは、第１ポート２４がONとされた後、酸素センサ１０に対して、第１インピーダンス算出モードの場合と比べて十分に立ち上がりの遅い掃引電圧が印加される。
【００６７】
第２インピーダンス算出モードにおいても、第１ポート２４がONされた後は、上記（６）式の関係、すなわち、以下に示す関係は成立する。
Rs＝VS2・R1／（VS1−VS2）
同様に、上記（７）式の関係、すなわち、以下の示す関係も第２インピーダンス算出モードにおいて成立する。
Rs＝（VS2ON−VS2OFF）・R1／｛（VS1OFF−VS1ON）−（VS2OFF−VS2ON）｝
【００６８】
このため、ECU２０は、第２インピーダンス算出モードの実行中においても、第１インピーダンス算出モードの実行中と同様の手順で（上記▲１▼〜▲５▼の手順）で素子インピーダンスRsを算出する。但し、第２インピーダンス算出モードでは、時定数τ２が大きな値とされており、掃引電圧の立ち上がりが緩やかにされていることから、一度のON操作に対して第１ポート２４がON状態に維持される期間を第１インピーダンス算出モードでの期間（１３５μsec）の１０倍程度（１６００μsec）とし、VS1ONおよびVS2ONは、第１ポート２４がON状態とされた後、１６００μsecの時間が経過した時点で検出することとしている。
【００６９】
以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、第１インピーダンス算出モードでは、時定数τ１が小さく立ち上がりの早い掃引電圧を酸素センサ１０に印加しつつ、素子インピーダンスRsを検出することができる。また、第２インピーダンス算出モードでは、時定数τ２が大きく立ち上がりの遅い掃引電圧を酸素センサ１０に印加しつつ、素子インピーダンスRsを検出することができる。つまり、本実施形態のシステムによれば、第１インピーダンス算出モードでは、高周波入力に対する素子インピーダンスRsをRs１として検出し、第２インピーダンス算出モードでは、低周波入力に対する素子インピーダンスRsをRs２として検出することができる。
【００７０】
（インピーダンス比Rs１／Rs２を用いた劣化判定）
図５は、酸素センサ１０のインピーダンス特性を説明するための図である。図５中に実線で示す特性線は、正常な酸素センサ１０の素子インピーダンRsと入力周波数との関係を示す。複数の特性線は、それぞれ、異なる温度において実現される特性である。これらの特性線が示すように、素子インピーダンスRsは、酸素センサ１０の温度に応じて大きな変化を示す。このため、酸素センサ１０が正常であるか否かは、単純に素子インピーダンスRsを検出するだけでは判断することができない。
【００７１】
図５中に一点鎖線で示す特性線は、劣化した酸素センサ１０の素子インピーダンスRsと入力周波数との関係を示す。これらの特性線が示すように、劣化した酸素センサ１０の素子インピーダンスRsは、周波数特性を示す。この周波数特性は、酸素センサ１０が正常である間は生ずることがない。従って、素子インピーダンスRsに周波数特性が認められれば、酸素センサ１０に劣化が生じていることを判断することができる。
【００７２】
既述した通り、ECU２０は、酸素センサ１０の温度に関わりなく、インピーダンス比Rs１／Rs２が、下限側判定値IRL（例えば０．８）より大きく、かつ、上限側判定値IRH（例えば１．２）より小さいか否かに基づいて酸素センサ１０の劣化判定を行っている（上記ステップ１０８参照）。図５に示すように、劣化した酸素センサ１０の素子インピーダンスRsには、酸素センサ１０の温度に関わらず周波数特性が発生する。このため、素子インピーダンスRsに周波数特性が生じているか否かは、酸素センサ１０の温度に関わらず、ほぼ一定の基準で正確に判断することができる。つまり、図６に示すように、酸素センサ１０が正常であるか劣化しているかは、酸素センサ１０の温度に関わらず、常に一定の判定値IRLおよびIRHを用いて精度良く判断することが可能である。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ１０の温度に影響されることなく、常に精度良く酸素センサ１０の劣化を判定することができる。
【００７３】
［素子インピーダンスRsと時定数τとの関係］
既述した通り、ECU２０は、第１インピーダンス算出モードでは、時定数τ１で変化する掃引電圧を酸素センサ１０に印加する。ECU２０は、このモードでは、一度のON操作に対して、第１ポート２４を１３５μsecだけON状態に維持する。つまり、ECU１０は、第１インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、時定数τ１で変化する掃引電圧を１３５μsecの期間だけ酸素センサ１０に印加する。
【００７４】
また、ECU２０は、第２インピーダンス算出モードでは、時定数τ２で変化する掃引電圧を酸素センサ１０に印加する。このモードでは、ECU２０は、一度のON操作に対して、第１ポート２４を１６００μsecだけON状態に維持する。つまり、ECU１０は、第２インピーダンス算出モードでは、一度のON操作に対して、時定数τ２で変化する掃引電圧を１６００μsecの期間だけ酸素センサ１０に印加する。
【００７５】
第１インピーダンス算出モードにおいて用いられる時定数τ１には、上記（２）式（τ１＝C1／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝）に示すように素子インピーダンスRsが反映されている。この関係によれば、時定数τ１は、素子インピーダンスRsが大きな値になるほど大きな値となる。同様に、第２インピーダンス算出モードにおいて用いられる時定数τ２も、上記（８）式（τ２＝（C1＋C2）／｛１／（Rs＋R1）＋１／R2｝）に示すように、素子インピーダンスRsが大きな値になるほど大きな値となる。
【００７６】
以下、掃引電圧の時定数τ（τ１、τ２）が、素子インピーダンスRsに対して上記の傾向を示すこと、および、第１インピーダンス算出モード、および第２インピーダンス算出モードにおいて、１回のON操作に対する掃引電圧印加期間が、上記期間にそれぞれ限定されていることに起因して生ずる効果について説明する。
【００７７】
（電流・電圧の収束値と素子インピーダンスRsとの関係）
図７は、酸素センサ１０の素子インピーダンスRsの温度特性を示す。図７に示すように、素子インピーダンスRsは、酸素センサ１０の温度が上昇するに連れて小さな値となる。ECU２０は、素子インピーダンスRsを検出する際に、第１ポート２４をONとして酸素センサ１０に掃引電圧を印加する。この際、酸素センサ１０には、時定数τ（τ１またはτ２）で変化する電流Ｉが流通する。そして、この電流Ｉは、掃引電圧が十分に長い時間印加されると、次式で表される値に収束する。
Ｉ収束値＝５／（R2＋R1＋Rs） ・・・（９）
【００７８】
上記（９）式から明らかなように、素子インピーダンスRsの検出時に酸素センサ１０を流れる電流Ｉの収束値は、素子インピーダンスRsが大きいほど小さな値となり、一方、素子インピーダンスRsが小さいほど大きな値となる。従って、ECU２０の内部では、酸素センサ１０の温度が高いほど（Rsは小）、酸素センサ１０に多量の電流Ｉが流通し易い状況が形成され、一方、酸素センサ１０の温度が低いほど（Rsは大）、酸素センサ１０を流れる電流Ｉを抑制し易い状況が形成される。
【００７９】
ところで、ECU２０において、素子インピーダンスRsの検出時に酸素センサ１０に印加される掃引電圧の収束値は、第２サンプリング点５０の電位VS2の収束値と一致する。そして、その電位VS2の収束値は、次式のように表すことができる。
上記（１０）式から明らかなように、VS2収束値は、素子インピーダンスRsが大きいほど大きな値となり、一方、素子インピーダンスRsが小さいほど小さな値となる。従って、ECU２０の内部では、酸素センサ１０の温度が高いほど（Rsは小）、酸素センサ１０に印加される電圧が低く抑えられ、一方、酸素センサ１０の温度が低いほど（Rsは大）、酸素センサ１０に対して高い電圧が印加され易い状況が形成される。
【００８１】
（掃引電圧印加期間と電圧・電流の関係）
既述した通り、本実施形態のシステムでは、素子インピーダンスRsが小さいほど掃引電圧の時定数τ（τ１またはτ２）は小さな値となる。つまり、酸素センサ１０に印加される掃引電圧は、素子インピーダンスRsが小さいほど早期に収束値に到達する。
【００８２】
本実施形態において、第１インピーダンス算出モードで用いられる掃引電圧の印加期間（１３５μsec）、および第２インピーダンス算出モードで用いられる掃引電圧の印加期間（１６００μsec）は、上記の特性を前提として決定されたものである。より具体的には、それらの印加期間は、酸素センサ１０が、実用上最も小さな素子インピーダンスRsを示す場合に、それぞれのモードで、掃引電圧がほぼ収束値に達するのに要する時間を基準に設定されたものである。
【００８３】
従って、ECU２０においては、何れのモードにおいても、酸素センサ１０が十分に昇温されている場合は（Rsは小）、掃引電圧の印加期間中に、掃引電圧が上記（１０）式に示す収束値に到達し、また、酸素センサ１０を流れる電流Ｉが上記（９）式に示す収束値に到達する。これに対して、酸素センサ１０が十分に昇温されていない場合は（Rsは大）、何れのモードにおいても、掃引電圧や流通電流Ｉがそれぞれの収束値に到達する以前に、掃引電圧の印加期間が終了する事態が生ずる。
【００８４】
（素子インピーダンスRs小時の現象）
以上説明した内容は、以下のように整理することができる。先ず、酸素センサ１０が十分に昇温しており、素子インピーダンスRsが十分に小さい場合については、ECU２０の内部で生ずる現象を以下のように整理することができる。
▲１▼第１ポート２４がONされる毎に、酸素センサ１０には収束値に到達する掃引電圧が印加され、かつ、収束値に到達する電流Ｉが流通する。
▲２▼電流Ｉの収束値は比較的大きな値となる。
▲３▼掃引電圧の収束値は小さな値に抑えられる。
【００８５】
電流Ｉの収束値が比較的大きな値であっても、掃引電圧の収束値が小さな値に抑えられていれば、酸素センサ１０に供給される電力は適正値に抑えることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ１０が十分に昇温している状況下（つまり、素子インピーダンスRsは十分に小さい状況下）で、素子インピーダンスRsの検出処理を実行する場合に、酸素センサ１０に対して、過大な電力が供給されるのを確実に防止することができる。
【００８６】
（素子インピーダンスRs大時の現象）
次に、酸素センサ１０が十分に昇温しておらず、素子インピーダンスRsが大きな値を有する場合については、ECU２０の内部で生ずる現象を以下のように整理することができる。
▲１▼電流Ｉの収束値は比較的小さな値となる。
▲２▼掃引電圧の収束値は比較的大きな値となる。
▲３▼個々の掃引電圧印加期間は、掃引電圧が収束値に達する前に、その上昇の過程において終了される。
【００８７】
掃引電圧が比較的大きな値に収束するとしても、電流Ｉの収束値が小さな値に抑えられていれば、酸素センサ１０に供給される電力は適正値に抑えることができる。更に、掃引電圧の収束値が大きな値であっても、掃引電圧が収束値に達する前に印加期間が終了されれば、酸素センサ１０に現実に印加される電圧は、十分に小さな値に抑えることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、酸素センサ１０が十分に昇温していない状況下（つまり、素子インピーダンスRsが比較的大きな値を示す状況下）でも、素子インピーダンスRsの検出処理に伴って、酸素センサ１０に過大な電力が供給されるのを確実に防止することができる。
【００８８】
尚、上述した実施の形態１においては、第１スイッチ素子２２、第２抵抗２６、第１抵抗３０、第１コンデンサ３１、および第２コンデンサ４６が前記第１の発明における「掃引電圧印加手段」、および「掃引時定数変更手段」に相当している。また、ECU２０が、第１サンプリング点２８の電位VS1および第２サンプリング点５０の電位VS2を検出することにより上記第１の発明における「センサ電流検出手段」が（上記（５）式参照）、上記（７）式に則って素子インピーダンスRsを算出することにより前記第１の発明における「素子インピーダンス算出手段」が、それぞれ実現されている。
【００８９】
また、上述した実施の形態１においては、第１スイッチ素子２２、第２抵抗２６、第１抵抗３０、および酸素センサ１０自身が前記第２の発明における「掃引電圧収束値変更手段」に相当している。
【００９０】
また、上述した実施の形態１においては、電源電圧に接続された第１スイッチ素子２２が前記第３の発明における「定電圧発生手段」に、第２抵抗２６および第１抵抗３０が、前記第３の発明における「抵抗」に、それぞれ相当している。
【００９１】
また、上述した実施の形態１においては、第１インピーダンス算出モードにおける１３５μsecおよび第２インピーダンス算出モードにおける１６００μsecが、それぞれ前記第４の発明における「所定の印加期間」に相当していると共に、それぞれのモードにおいて、ECU２０が、上記印加期間の終了と共に第１ポート２４をOFF状態とすることにより前記第４の発明における「掃引電圧印加停止手段」が実現されている。
【００９２】
また、上述した実施の形態１においては、電源電圧に接続された第１スイッチ素子２２が前記第５の発明における「定電圧発生手段」に、第１コンデンサ３１および第２コンデンサ４６が前記第５の発明における「コンデンサ」に、それぞれ相当している。
【００９３】
また、上述した実施の形態１においては、ECU２０が、第２ポート４４のON・OFFを切り換えることにより前記第６の発明における「時定数切り換え手段」が、第１インピーダンスRs１および第２インピーダンスRs２を算出することにより前記第６の発明における「素子インピーダンス算出手段」が、上記ステップ１０６の処理を実行することにより前記第６の発明における「素子インピーダンス比算出手段」が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第６の発明における「劣化診断手段」が、それぞれ実現されている。
【００９４】
また、上述した実施の形態１においては、電源電圧に接続された第１スイッチ素子２２が前記第７の発明における「定電圧発生手段」に、第１コンデンサ３１、第２コンデンサ４６、および第２スイッチ素子４２が前記第７の発明における「可変容量コンデンサ」に、それぞれ相当している。更に、ECU２０が、第２ポート４４のON・OFFを切り換えることにより前記第７の発明における「容量変更手段」が実現されている。
【００９５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
第１の発明によれば、酸素センサに対して掃引電圧を印加すると共に、その際に酸素センサを流れる電流に基づいて素子インピーダンスを算出することができる。そして、本発明によれば、素子インピーダンスが大きいほど、掃引電圧の時定数が大きくされ、掃引電圧の立ち上がりが緩やかにされる。このため、本発明によれば、素子インピーダンスが大きいときに酸素センサの両端に過大な電圧が印加されるのを容易に回避することができる。
【００９６】
第２の発明によれば、素子インピーダンスが大きいほど、酸素センサに印加される掃引電圧の収束値を小さくすることができる。このため、本発明によれば、素子インピーダンスが小さく、酸素センサに大きな電流が流通する場合に、印加電圧（掃引電圧）を小さな値とすることで供給電力が過大になるのを有効に防止することができる。
【００９７】
第３の発明によれば、定電圧の発生源と抵抗と酸素センサとを直列に配置することにより、酸素センサの素子インピーダンスが小さいほど掃引電圧の収束値を小さくする機能を容易に実現することができる。
【００９８】
第４の発明によれば、酸素センサが通常の使用状況下で示す素子インピーダンスに対して掃引電圧を収束させるのに要する期間が終了した時点で、掃引電圧の印加を中止することができる。このため、素子インピーダンスが大きい場合には、掃引電圧が収束値に到達する以前にその印加を中止して、酸素センサに過大な電力が供給されるのを防ぐことができる。
【００９９】
第５の発明によれば、酸素センサ自身と、これに並列に接続されたコンデンサとで、RC回路を形成することができる。そして、掃引電圧の印加時には、そのRC回路に対して定電圧を供給することができる。この場合、素子インピーダンスが大きいほど時定数を大きくするという要求を、RC回路の特性により満たすことができる。
【０１００】
第６の発明によれば、単一の素子インピーダンスに対して少なくとも２種類の時定数で掃引電圧を印加することができる。そして、それぞれの時定数に対して算出された素子インピーダンスの比に基づいて酸素センサの劣化診断を行うことができる。このような手法によれば、素子インピーダンスの温度特性に影響されることなく、その劣化検出を精度良く行うことができる。
【０１０１】
第７の発明によれば、酸素センサに対して並列に接続されたコンデンサの容量を変えることにより、掃引電圧の時定数を簡単に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の構成を説明するための図である。
【図２】 本発明の実施の形態１において実行される制御の全体の流れを説明するためのフローチャートである。
【図３】 図３（Ａ）および図３（Ｂ）は実施の形態１の装置が実行する制御の全体の流れを説明するためのタイミングチャートである。
【図４】 図４（Ａ）乃至図４（Ｄ）は実施の形態１の装置が第１ポートをONする毎に実現される動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】 酸素センサの素子インピーダンスの特性を説明するための図である。
【図６】 インピーダンス比に基づく正常・劣化の判定領域と酸素センサの温度との関係を示す図である。
【図７】 酸素センサの素子インピーダンスの温度特性を説明するための図である。
【符号の説明】
１０ 酸素センサ
２０ ECU(Electronic Control Unit)
２２ 第１スイッチ素子
２４ 第１ポート
２６ 第２抵抗
２８ 第１サンプリング点
３０ 第１抵抗
３１ 第１コンデンサ
４２ 第２スイッチ素子
４６ 第２コンデンサ
５０ 第２サンプリング点
Rs 素子インピーダンス
Claims (7)
- 酸素センサに対して掃引電圧を印加する掃引電圧印加手段と、
前記掃引電圧の印加に伴って前記酸素センサを流れるセンサ電流を検出するセンサ電流検出手段と、
前記掃引電圧と前記センサ電流とに基づいて、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出する素子インピーダンス算出手段と、
前記素子インピーダンスが大きいほど、前記掃引電圧の時定数が大きくなるように構成された掃引時定数変更手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサ素子インピーダンス検出装置。 - 前記掃引電圧印加手段は、前記素子インピーダンスが大きいほど前記掃引電圧の収束値を小さくする掃引電圧収束値変更手段を含むことを特徴とする請求項１記載の酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
- 前記掃引電圧印加手段は、
前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記酸素センサと前記定電圧発生手段との間に配置される抵抗とを備え、
前記掃引電圧収束値変更手段は、前記酸素センサ自身と前記抵抗とを含むことを特徴とする請求項２記載の酸素センサ素子インピーダンス検出装置。 - 前記センサ素子に対して前記掃引電圧が印加され始めた後、所定の印加期間が終了した時点で、当該掃引電圧の印加を停止する掃引電圧印加停止手段を備え、
前記印加期間は、前記酸素センサが通常の使用状況下で示す素子インピーダンスに対して前記掃引電圧を収束させるのに要する期間に設定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の酸素センサ素子インピーダンス検出装置。 - 前記掃引電圧印加手段は、前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記定電圧発生手段と直列に接続され、かつ、前記酸素センサと並列に接続されたコンデンサとを備え、
前記掃引時定数変更手段は、前記コンデンサを含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の酸素センサ素子インピーダンス検出装置。 - 酸素センサに対して掃引電圧を印加する掃引電圧印加手段と、
前記掃引電圧の印加に伴って前記酸素センサを流れるセンサ電流を検出するセンサ電流検出手段と、
前記掃引電圧と前記センサ電流とに基づいて、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出する素子インピーダンス算出手段とを備え、
前記掃引電圧印加手段は、単一の素子インピーダンスに対して、前記掃引電圧の時定数を少なくとも２つの間で切り換える時定数切り換え手段を備え、
前記素子インピーダンス算出手段は、前記少なくとも２つの時定数のそれぞれにつき、前記酸素センサの素子インピーダンスを算出し、
前記少なくとも２つの時定数のそれぞれについて算出された素子インピーダンスの比を求める素子インピーダンス比算出手段と、
前記素子インピーダンスの比に基づいて、前記酸素センサの劣化診断を行う劣化診断手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサ素子インピーダンス検出装置。 - 前記掃引電圧印加手段は、前記酸素センサと直列に接続された状態で定電圧を発生する定電圧発生手段と、
前記定電圧発生手段と直列に接続され、かつ、前記酸素センサと並列に接続された可変容量コンデンサとを備え、
前記時定数切り換え手段は、前記可変容量コンデンサの容量を変更する容量変更手段を備えることを特徴とする請求項６記載の酸素センサ素子インピーダンス検出装置。
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