JP5964678B2 - 酸素センサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサを制御する酸素センサ制御装置に関する。

従来より、車両の内燃機関の排気管に設置され、排気ガス中の酸素濃度に感応して、内燃機関における空燃比のリッチ状態及びリーン状態を検出する酸素センサが知られている。この酸素センサは、ジルコニア等の固体電解質体を主体に構成された検出素子を有している。この酸素センサでは、酸素濃度を内燃機関で燃焼させた燃料と空気との空燃比で表した場合に、この空燃比に対する出力電圧（センサ出力）が、理論空燃比を境にして、二値的に急峻に変化するので、これを利用して、内燃機関における燃焼の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側としたかリーン側としたかを検出することができる。なお、検出素子を構成する固体電解質体は、おおむね６００℃以上の高温状態（活性化状態）で良好な酸素イオン伝導性を示す。このため、この酸素センサには、検出素子を加熱するヒータが設けられており、検出素子の素子インピーダンス（内部抵抗）が、その素子温度に応じて変化することを利用して、検出素子を活性化状態内の一定温度に維持すべく、素子インピーダンス（内部抵抗）が目標インピーダンス（目標抵抗値）になるように、ヒータへの通電をフィードバック制御することが行われている。

ところで、このような酸素センサの検出素子は、使用等による劣化で素子インピーダンス（内部抵抗）が徐々に増加することが知られている。即ち、劣化した検出素子では、劣化前に比して、同一温度とした場合の素子インピーダンス（内部抵抗）が相対的に高くなる。このため、検出素子が劣化した場合に、上述のヒータへのフィードバック制御を行うと、素子インピーダンスを目標インピーダンスに近づけるべく、素子インピーダンスを下げる方向、即ち、素子温度を上げる方向に制御がなされる。すると、検出素子が過昇温となって素子温度が上昇し、この温度上昇により劣化がさらに促進されるなどの問題があった。

この問題を解決するため、例えば、特許文献１には、検出素子の素子インピーダンスが増加した劣化状態を判定する劣化判定手段と、検出素子が劣化状態であると判定されたときに目標インピーダンスを増加させる目標インピーダンス変更手段とを備えた酸素濃度検出装置が開示されている。そして、具体的な劣化判定手段として、ヒータに供給されるヒータ供給電力と所定の判定値とを比較するヒータ供給電力比較手段が示されている。

特開平１０−２６５９９号公報

このように、酸素センサでは、検出素子の内部抵抗の値は、検出素子の劣化と共に増加する。しかし、検出素子の内部抵抗の値は、この劣化の影響のみならず、検出素子周囲のガス雰囲気、具体的には、例えば、内燃機関における空燃比の違いにも影響を受けることが判ってきた。さらに具体的には、空燃比に対応する酸素センサのセンサ出力の値を横軸に、素子温度が一定（例えば、７００℃）のときの検出素子の内部抵抗の値を縦軸にそれぞれ取り、劣化状態が揃った検出素子について、様々なセンサ出力の状態での内部抵抗を測定して、リーンからリッチまでのセンサ出力と内部抵抗の関係をグラフにすると、センサ出力に対し内部抵抗は一定ではなく、センサ出力の中央付近に内部抵抗のピークが現れる逆Ｖ字形のグラフが得られる。さらに、検出素子の劣化が進むと、内部抵抗が大きくなって、上述のグラフ全体が上方にシフトするのに加え、ピーク付近での内部抵抗の上昇が大きくなり、センサ出力（ガス雰囲気）の違いによる内部抵抗の違いが特に著しくなって、逆Ｖ字形のグラフが尖った形状になる。
このことから判るように、検出素子の内部抵抗が目標抵抗値になるように、ヒータへの通電を適切にフィードバック制御して、検出素子の素子温度を一定（例えば、７００℃）の目標温度に保つには、検出素子の劣化の程度のほか、検出素子の内部抵抗を検知する際のガス雰囲気（空燃比，センサ出力）の違いに応じて、目標抵抗値を補正する必要がある。

本発明は、かかる知見に鑑みてなされたものであって、検出素子の劣化の程度及び内部抵抗検知の際のガス雰囲気の違いに応じて、適切にヒータの通電制御を行うことができる酸素センサ制御装置を提供するものである。

その一態様は、固体電解質体からなり、一対の電極を有する検出素子、及び、上記検出素子を加熱するヒータを有し、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサを制御する酸素センサ制御装置であって、上記検出素子に生じた劣化の程度に応じた値を示す劣化指標を得る劣化指標取得手段と、上記センサ出力を取得するセンサ出力取得手段と、上記検出素子の上記電極間の電圧または上記電極間を流れる電流について一時的な変化を生じさせて、上記検出素子の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、上記一時的な変化が生じる期間の前または後のタイミングに得た上記センサ出力の値である第１センサ出力と上記劣化指標とを用いて、上記内部抵抗に対応する目標抵抗値を逐次取得する目標抵抗値取得手段と、上記内部抵抗が上記目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段と、を備え、前記目標抵抗値取得手段は、前記劣化指標に対応する基準抵抗値を得る基準抵抗値取得手段と、上記基準抵抗値を上記第１センサ出力の値に応じて補正して、前記目標抵抗値を得る補正手段と、を含む酸素センサ制御装置である。

前述したように、酸素センサでは、検出素子の内部抵抗の値は、検出素子の劣化の程度のほかガス雰囲気（空燃比）の影響をも受ける。なお、空燃比はセンサ出力（例えば、電圧出力型のセンサの場合には、センサの出力電圧、電流出力型のセンサの場合には、センサの出力電流）によって検知できる。
そこで、この酸素センサ制御装置では、ヒータへの通電をフィードバック制御するにあたり、劣化指標取得手段で検出素子の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標を得る。さらに、目標抵抗値取得手段により、劣化指標のほか、検出素子の内部抵抗を検知するにあたり、上述の一時的な変化が生じる期間の前または後のタイミングに得たセンサ出力の値である第１センサ出力を用いて、検知した内部抵抗が目標とすべき目標抵抗値を逐次取得している。つまり、検出素子の素子温度を一定の目標温度に保つべく、目標抵抗値を劣化の程度（劣化指標）及びガス雰囲気（第１センサ出力）に応じて変化させている。そして、内部抵抗がこの目標抵抗値となるように、ヒータへの通電をフィードバック制御している。
これにより、検出素子の劣化の程度（劣化指標）と内部抵抗検知の際のガス雰囲気（第１センサ出力）の違いに応じて、適切にヒータの通電制御を行うことができる。

劣化指標は、検出素子の劣化の程度に応じた値を示す指標であり、例えば、検出素子の内部抵抗や内部容量に応じて変化する値を用いることができる。

また、内部抵抗検知手段で、内部抵抗を検知するにあたって、検出素子の電極間に生じさせる一時的な変化としては、電圧の変化あるいは電流の変化のいずれを採用しても良く、内部抵抗の検知の手法及びその回路構成は、適宜選択することができる。
具体的には、例えば、検出素子の一方の電極を基準電位に接続し、他方の電極を基準抵抗器及びスイッチング素子を介して電源電圧に接続して、検出素子と基準抵抗器で抵抗分圧回路を構成する。そして、スイッチング素子をオフからオンにして、電源電圧から基準抵抗器及び検出素子に電流を流すことにより、検出素子の電極間の電圧に一時的な変化を生じさせる。このとき、この一時的な変化による電圧の変化量は、検出素子の内部抵抗に電流が流れることによって内部抵抗に生じる電圧降下に相当する。つまり、この一時的な変化による電圧の変化量から、検出素子の内部抵抗を検知できる。なお、この他、検出素子の電極間に一時的に定電流を流すことにより、内部抵抗に電圧降下を生じさせて、この一時的な変化による電圧の変化量を得て、内部抵抗を検知する手法も挙げられる。

また、第１センサ出力は、上述の一時的な変化が生じる期間の前または後のタイミング、即ち、同期間と相前後するタイミングに得たセンサ出力の値であり、具体的には、一時的な変化が生じる期間の前で、１つ前の同期間より後のタイミングに得たセンサ出力の値や、一時的な変化が生じる期間が終了した後で、次の同期間より前のタイミングに得たセンサ出力の値を用いることができる。ただし、一時的な変化を生じる期間の前または後のうちでも、同期間に近いタイミングに取得するようにすると良い。
なお、内部抵抗検知手段で、検出素子の電極間の電圧に一時的な変化を生じさせて内部抵抗を検知するときには、電極間の電圧に一時的な変化を生じさせる前の、検出素子の電極間の電圧を変化前の電圧として取得する。この電圧は、酸素濃度に応じた検出素子の起電力を示すセンサ出力でもある。そこで、取得した変化前の電圧を第１センサ出力として共用しても良い。

しかも、この酸素センサ制御装置では、一旦、基準抵抗値取得手段で劣化指標の値に対応する基準抵抗値を得て、補正手段でこの基準抵抗値を第１センサ出力の値に応じて補正して、目標抵抗値を得ている。このため、劣化指標及び第１センサ出力を用いて、適切かつ容易に目標抵抗値を得ることができる。

基準抵抗値は、検出素子の劣化指標の値に応じて、排気ガスの空燃比が特定の値となる測定条件下で得られるべき内部抵抗の値である。なお、基準抵抗値は、検出素子の劣化が進行するほど大きな値となる。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記補正手段は、前記第１センサ出力を変数とする補正関数を用いて、前記基準抵抗値を補正して前記目標抵抗値を得る酸素センサ制御装置とすると良い。

この酸素センサ制御装置では、第１センサ出力を変数とする補正関数を用いて、基準抵抗値を補正して目標抵抗値を得ている。
したがって、基準抵抗値から目標抵抗値を容易に得ることができる。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記補正関数を、前記第１センサ出力が、予め定めたしきい出力よりも、前記空燃比についてリーン側にある場合を規定する第１補正関数と、上記第１センサ出力が、上記しきい出力よりも、上記空燃比についてリッチ側にある場合を規定する第２補正関数との合成関数としてなる酸素センサ制御装置とすると良い。

前述したように、リーンからリッチまでのセンサ出力（空燃比）範囲において、これと内部抵抗との関係をグラフ化すると、リーンからリッチまでのセンサ出力の範囲の中央付近に内部抵抗のピークを有する逆Ｖ字形のグラフが得られることが判ってきた。このことから、基準抵抗値を補正して適切な目標抵抗値を得るにあたっては、この逆Ｖ字形の関係を利用して補正を行うと良い。
そこで、この酸素センサ制御装置では、補正関数を、第１センサ出力が予め定めたしきい出力よりもリーン側にある場合を規定する第１補正関数と、第１センサ出力がしきい出力よりもリッチ側にある場合を規定する第２補正関数との合成関数としている。
かくして、補正関数を簡単な２つの関数の合成関数として表すことができる。なお、しきい出力を、上述のグラフにおいて、内部抵抗がピークとなるセンサ出力の値に設定すると、しきい出力での第１補正関数と第２補正関数との接続が良好になって好ましい。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記第１補正関数を、前記第１センサ出力を変数とする一次関数とし、その傾き及び切片である第１傾き及び第１切片を、それぞれ前記基準抵抗値の関数で与えてなり、前記第２補正関数を、上記第１センサ出力を変数とする一次関数とし、その傾き及び切片である第２傾き及び第２切片を、それぞれ上記基準抵抗値の関数で与えてなる酸素センサ制御装置とすると良い。

前述したように、センサ出力（第１センサ出力）の値を横軸に、内部抵抗の値を縦軸として、センサ出力（第１センサ出力）と内部抵抗の関係をグラフ化すると、逆Ｖ字形のグラフとなるので、これを利用して基準抵抗値を補正して目標抵抗値を得ると良い。ここで、逆Ｖ字形のグラフとなるので、補正関数を、第１補正関数と第２補正関数との合成関数で表すにあたり、第１補正関数及び第２補正関数をそれぞれ一次関数で表せば、補正関数を簡単な一次関数の合成関数で表すことができる。
また、前述したように、検出素子の劣化が進行するほど、内部抵抗が大きくなって、逆Ｖ字形のグラフ全体が上方にシフトするのに加え、ピーク付近での内部抵抗の上昇が大きくなり、逆Ｖ字が尖った形状に変化する。即ち、逆Ｖ字の二辺の傾きが大きくなる方向に変化する。つまり、一次関数で表した第１補正関数及び第２補正関数は、いずれも検出素子の劣化の程度、即ち、劣化指標、さらにはこれに対応する基準抵抗値の値によって、一次関数の傾きと切片が変化する。従って、第１補正関数における第１傾き及び第１切片、第２補正関数における第２傾き及び第２切片は、それぞれ基準抵抗値の関数で与えられると考えることができる。
そして、これにより、第１補正関数及び第２補正関数を、それぞれ適切に数式化することができる。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記第１傾きを、前記検出素子の劣化が進行するほど大きくなる正の値とし、前記第２傾きを、上記検出素子の劣化が進行するほど絶対値が大きくなる負の値としてなる酸素センサ制御装置とすると良い。

前述したように、逆Ｖ字形のグラフは、横軸にリーンからリッチまでのセンサ出力（第１センサ出力）の値を取ったものであり、検出素子の劣化が進行するほど、逆Ｖ字の二辺の傾きが大きくなる。
したがって、この酸素センサ制御装置では、この関係に基づいて、逆Ｖ字の二辺の傾きを定めている。具体的には、この二辺の傾きのうち、空燃比についてリーン側にある場合を規定する第１補正関数の第１傾きを、検出素子の劣化が進行するほど正の大きな値とする。また、空燃比についてリッチ側にある場合を規定する第２補正関数の第２傾きを、検出素子の劣化が進行するほど、絶対値が大きい負の値とする。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記第１傾き、前記第１切片、前記第２傾き及び前記第２切片を、それぞれ、前記基準抵抗値を変数とする一次関数、または上記基準抵抗値の自然対数を変数とする一次関数で与えてなる酸素センサ制御装置とすると良い。

前述の通り、第１傾き、第１切片、第２傾き及び第２切片は、それぞれ基準抵抗値の関数で与えられるが、さらに調べると、それぞれの関数は、基準抵抗値を変数とするか、あるいは基準抵抗値の自然対数を変数とすると、その一次関数で近似できることが判ってきた。
そこで、この酸素センサ制御装置は、この関係を利用して、第１傾き、第１切片、第２傾き及び第２切片を、それぞれ、基準抵抗値を変数とする一次関数、または基準抵抗値の自然対数を変数とする一次関数で与えている。これにより、第１補正関数における第１傾き及び第１切片、第２補正関数における第２傾き及び第２切片を、それぞれ基準抵抗値から簡易に求めることができる。

さらに、上述のいずれかの酸素センサ制御装置であって、前記劣化指標取得手段は、前記劣化指標として、前記内部抵抗を一定とした条件下で、前記検出素子の劣化に伴う上記検出素子の内部容量の変化に応じて変化する値を取得する酸素センサ制御装置とすると良い。
あるいは他の態様として、固体電解質体からなり、一対の電極を有する検出素子、及び、上記検出素子を加熱するヒータを有し、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサを制御する酸素センサ制御装置であって、上記検出素子の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標を得る劣化指標取得手段と、上記センサ出力を取得するセンサ出力取得手段と、上記検出素子の上記電極間の電圧または上記電極間を流れる電流について一時的な変化を生じさせて、上記検出素子の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、上記一時的な変化が生じる期間の前または後のタイミングに得た上記センサ出力の値である第１センサ出力と上記劣化指標とを用いて、上記内部抵抗に対応する目標抵抗値を逐次取得する目標抵抗値取得手段と、上記内部抵抗が上記目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段と、を備え、 前記劣化指標取得手段は、 前記劣化指標として、前記内部抵抗を一定とした条件下で、前記検出素子の劣化に伴う上記検出素子の内部容量の変化に応じて変化する値を取得する酸素センサ制御装置としても良い。

検出素子の素子インピーダンスは、等価的に内部抵抗と内部容量が並列接続されていると見なすことができる。前述したように、検出素子の劣化が進行するほど、内部抵抗は相対的に大きくなるほか、内部容量も大きくなる。従って、内部抵抗あるいは内部容量の変化に応じて変化する値は、検出素子の劣化の程度を反映した値となる。なお、劣化の程度を反映した値を取得するにあたっては、測定条件を揃えた状態で、劣化の程度を得るのが好ましい。
そこで、この酸素センサ制御装置では、内部抵抗を一定とした条件下で、劣化指標として、検出素子の劣化に伴う内部容量の変化に応じて変化する値を取得している。これにより、適切な劣化指標を取得することができる。
なお、内部容量の変化に応じて変化する値としては、例えば、検出素子の内部容量に蓄積された電荷を、検出素子の内部抵抗を通じて自己放電させたときに生じる電圧変化の時定数の大きさや、この時定数に応じて変化する値が挙げられる。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記劣化指標取得手段は、前記検出素子の前記電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧から、これと異なるシフト後電圧までシフトさせる電圧シフト手段と、上記電圧シフト手段による電圧シフト期間の終了に続いて、上記検出素子の前記内部抵抗及び前記内部容量による自己放電により、上記検出素子電圧を、上記シフト後電圧から上記シフト前電圧に戻す回復手段と、を含み、上記回復手段による回復期間に生じる上記検出素子電圧の変化の時定数の大きさに応じた値を、前記劣化指標として取得する酸素センサ制御装置とすると良い。

この酸素センサ制御装置では、上述の電圧シフト手段と回復手段を用いて、内部抵抗を一定とした条件下で、回復期間に生じる検出素子電圧の変化の時定数の大きさに応じた値を、劣化指標として取得している。
具体的には、まず、電圧シフト手段によって、検出素子の電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧からシフト後電圧に電圧をシフトさせる。すると、この電圧シフトを行っている電圧シフト期間において、電圧シフトで上乗せされた電圧によって、内部抵抗に電流が流れると共に、検出素子の内部容量に電荷が蓄積される。

その後、電圧シフト期間の終了に続いて、検出素子電圧をシフト後電圧からシフト前電圧に戻す。すると、検出素子電圧がシフト後電圧からシフト前電圧に向かって戻る回復期間において、電圧シフトで上乗せされた電圧により検出素子の内部容量に蓄積された電荷が、検出素子の内部抵抗を通じて自己放電される。これにより、検出素子の電極間には、おおむね検出素子の内部抵抗及び内部容量で決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧からシフト前電圧に戻る検出素子電圧の変化を生じる。

ここで、検出素子が劣化すると、内部抵抗のみならず、内部容量も大きくなるので、内部抵抗を一定とした条件下であっても、内部抵抗及び内部容量で決定される時定数は、内部容量の変化に応じて大きくなる。このため、劣化の程度により、回復期間における指数関数的な検出素子電圧の変化のしかた、即ち、変化の時定数の大きさに差が生じる（時定数が劣化とともに大きくなる）。従って、この検出素子電圧の変化の時定数の大きさに応じた値を得ることにより、検出素子の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標を適切に得ることができる。

さらに、上述の酸素センサ制御装置であって、前記劣化指標取得手段は、前記劣化指標として、前記電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける前記検出素子電圧である第１電圧と、上記電圧シフト期間終了後の前記回復期間内の第２検知タイミングにおける上記検出素子電圧である第２電圧との差電圧である１−２電圧差を取得する酸素センサ制御装置である。

この酸素センサ制御装置では、劣化指標として、上述の１−２電圧差を取得している。
これにより、電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける第１電圧及び電圧シフト期間終了後の回復期間内の第２検知タイミングにおける第２電圧の２つの電圧を計測することで簡易に得られる１−２電圧差を、劣化指標として取得することができる。なお、この１−２電圧差は、検出素子の劣化が進行するほど小さな値となる。

実施形態に係る酸素センサ制御装置の回路を含む概略構成を示す説明図である。 実施形態に係る酸素センサ制御装置により、検出素子について電圧シフトをさせたときの検出素子電圧の変化波形を示す図である。 実施形態に係る酸素センサ制御装置における、内部抵抗の検知動作を示すタイミングチャートである。 実施形態に係る酸素センサ制御装置における、センサ出力と内部抵抗の関係を示すグラフである。 実施形態に係る酸素センサ制御装置における、１−２電圧差（劣化指標）と基準抵抗値の関係を示すグラフである。 実施形態に係る酸素センサ制御装置における、センサ出力と基準抵抗値に対する内部抵抗の変化量の関係を示すグラフである。 第１補正関数における基準抵抗値と第１傾きとの相関を示すグラフである。 第１補正関数における基準抵抗値と第１切片との相関を示すグラフである。 第２補正関数における基準抵抗値と第２傾きとの相関を示すグラフである。 第２補正関数における基準抵抗値と第２切片との相関を示すグラフである。 実施形態に係る酸素センサ制御装置のうち、マイクロプロセッサの処理動作を示すフローチャートである。 内部抵抗検知ルーチンの内容を示すフローチャートである。 劣化検知処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 電圧シフトサブルーチンの内容を示すフローチャートである。 劣化指標検知サブルーチンの内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態にかかる酸素センサ制御装置１の概略構成を示す図である。この酸素センサ制御装置１は、図示しない内燃機関を備える車両（図示しない）に搭載され、酸素センサ２と共に用いて、これを制御する。なお、酸素センサ２は、空燃比に対するセンサ出力Ｖｏｕｔが、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有するいわゆるλセンサであり、内燃機関における燃焼が、理論空燃比よりもリッチ側であったかリーン側であったかを検出する。
この酸素センサ２は、固体電解質体からなる検出素子３、及び、検出素子３を加熱するヒータ４を有しており、酸素センサ制御装置１により、検出素子３が活性化温度内の一定温度（例えば、７００℃）を維持するように、ヒータ４への通電が制御される。

まず、酸素センサ２の構成について説明する。酸素センサ２は、ジルコニアを主体とした酸素イオン伝導体である固体電解質体に一対の電極３Ｐ，３Ｎを形成した検出素子３と、この検出素子３を加熱するヒータ４を有している。より具体的には、有底筒状をなした固体電解質体からなる検出素子３の外周面に形成した一方の電極３Ｎは排気ガスに晒され、内周面に形成した他方の電極３Ｐは基準ガス（大気）に晒されている。そして、有底筒状の検出素子３の内部空間には、棒状のヒータ４を内挿して酸素センサ２が構成されている。この固体電解質体からなる検出素子３は、ヒータ４で活性化状態となる６００℃を越える活性化温度に加熱されることで、良好な酸素イオン伝導性を示し、電極３Ｐ，３Ｎ間に、酸素濃度に応じた起電力を生じて、センサ出力Ｖｏｕｔを出力する。加えて、この酸素センサ２では、酸素センサ制御装置１により、検出素子３が活性化温度内の一定温度を維持するように、ヒータ４への通電が制御される。

ヒータ４は、タングステンあるいは白金を主体とした発熱抵抗体５と、この発熱抵抗体５に繋がる端子４Ｐ，４Ｎを有する。ヒータ４の一方の端子４Ｐは、バッテリ２０の＋極に接続されている。なお、このバッテリ２０の−極は、車両のシャーシＧＮＤである基準電位（以下、ＧＮＤという）に接続されている。さらに、ヒータ４のもう一方の端子４Ｎは、ヒータ制御回路１３のうち、図示しない電流制限抵抗を介して、スイッチング素子であるＮＰＮ型のトランジスタＴｒ１のコレクタ出力に接続されている。また、トランジスタＴｒ１のエミッタは、ＧＮＤに接続されており、ベースは、マイクロプロセッサ１０のＰＷＭ出力ポート１８に接続されている。そして、ヒータ４は、このヒータ制御回路１３によって、ＰＷＭ制御による通電が行われ、これにより、検出素子３が加熱される。また、検出素子３を活性化温度内の一定温度に維持する際には、マイクロプロセッサ１０によるＰＩＤ制御またはＰＩ制御で、ＰＷＭ制御のデューティ比が決定される。なお、ヒータ制御回路１３を構成するスイッチング素子は、トランジスタＴｒ１に限らず、ＦＥＴ等を用いて構成しても良い。なお、バッテリ２０からは、図示しない電源回路により、酸素センサ制御装置１で用いる＋５Ｖ電源やマイクロプロセッサ１０のＶＣＣ電源（図示しない）が生成されている。

検出素子３は、内部抵抗Ｒｉを有しており、その抵抗値は、検出素子３の温度が上昇すると低下する特性を有する。即ち、この内部抵抗Ｒｉと検出素子３の素子温度との間には、所定の負の相関関係があるので、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値となるように制御することにより、素子温度を所定の温度に維持することができる。

また、検出素子３は、前述のように、活性化温度において酸素イオン伝導性を示して酸素濃淡電池となり、電極３Ｎと電極３Ｐとの間の酸素濃度差に応じた起電力ＥＶを発生する。このため、検出素子３の等価回路は、図１に示すように、電極３Ｐ，３Ｎ間に、起電力ＥＶを発生する電池（酸素濃淡電池）と素子インピーダンスとが直接接続された回路となる。なお、素子インピーダンスは、純抵抗の内部抵抗Ｒｉのみならず、これに内部容量Ｃｉが並列接続されていると見なすことができる。

ところで、前述の通り、検出素子３を構成する固体電解質体は、固体電解質体の温度上昇に応じて内部抵抗Ｒｉが低下する特性を有するが、非活性時のうち、固体電解質体の温度が低いとき（例えば室温）は、内部抵抗Ｒｉが高く、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間は、ほぼ絶縁状態となる。そして、固体電解質体の温度が上昇するに伴い内部抵抗Ｒｉは低下し、検出素子３が活性化した場合（活性時）には、内部抵抗Ｒｉは相対的に低い値を示す。また、固体電解質体の温度上昇に伴って、検出素子３が、電極３Ｐ，３Ｎ間に酸素濃度差に応じた起電力ＥＶを示すようになる。活性時における起電力ＥＶは、素子温度により異なるが、具体的には、排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合には約９００ｍＶ前後を示し、リーン側にある場合には約５０ｍＶ前後を示す。そして、リッチ側とリーン側の間の理論空燃比となるλ＝１付近を境に、起電力ＥＶは、急峻に変化する。

次いで、酸素センサ制御装置１の構成について説明する（図１参照）。バイアス回路１４は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との直列回路で構成されており、＋５Ｖ電源をこの抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分圧する。本実施形態では、具体的には、Ｒ１＝１００ｋΩ，Ｒ２＝１０ｋΩとされており、＋５Ｖ電源を抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分圧したＰ点の電位が約４５０ｍＶとなるように設定されている。このＰ点の電位は、上述した、リッチ側の約９００ｍＶとリーン側の約５０ｍＶのおおよそ中間の電圧値となるように選択したものである。そして、このＰ点の電位が、電流制限抵抗である抵抗器Ｒ３（具体的には、Ｒ３＝１０ｋΩ）を介して、Ｑ点で、検出素子３の電極３Ｐに接続されている。また、検出素子３のもう一方の電極３Ｎは、ＧＮＤに接続されている。

さらにＱ点は、抵抗器Ｒ４（具体的には、Ｒ４＝８．２５ｋΩ）及びスイッチング素子であるＰＮＰ型のトランジスタＴｒ２を介して、＋５Ｖ電源に接続されている。なお、スイッチング素子は、トランジスタＴｒ２に限らず、ＳＳＲ、ＦＥＴ等のスイッチング素子を用いても良い。一方、Ｑ点は、抵抗器Ｒ５とコンデンサＣ１からなるノイズ除去用のローパスフィルタ回路１５（具体的には、Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｃ１＝０．０３３μＦ）にも接続されており、このローパスフィルタ回路１５の出力であるＳ点が、出力検出回路１２に接続されている。出力検出回路１２は、図示しないサンプルホールド回路を内蔵し、その出力がマイクロプロセッサ１０のＡ／Ｄ入力ポート１７に接続されている。

また、上述のトランジスタＴｒ２は、エミッタが＋５Ｖに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ４に接続されている。そして、トランジスタＴｒ２のベースには、ベース−エミッタ間抵抗の抵抗器Ｒ７とベース入力抵抗の抵抗器Ｒ６が接続されており、これら抵抗器Ｒ６，Ｒ７、トランジスタＴｒ２及び抵抗器Ｒ４で、電圧シフト回路１９を構成している。また、この電圧シフト回路１９のうち、抵抗器Ｒ６の一方端であるＴ点には、パルス信号出力回路１１が接続されている。パルス信号出力回路１１は、マイクロプロセッサ１０のＩ／Ｏ出力ポート１６に接続されており、このＩ／Ｏ出力ポート１６の出力が、パルス信号出力回路１１を通して、Ｔ点にパルス信号ＳＰとして出力される。パルス信号ＳＰは、通常は、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２をオフするため、トランジスタＴｒ２のエミッタ電位と同じ＋５Ｖとされており、トランジスタＴｒ２をオンとする期間だけ一時的に０Ｖに下がって、再び＋５Ｖに戻る負論理の矩形状パルス電圧である。そして、このパルス信号ＳＰを出力するパルス信号出力回路１１と電圧シフト回路１９により、後述する電圧シフトが行われる。

なお、パルス信号出力回路１１は、具体的には、マイクロプロセッサ１０のＩ／Ｏ出力ポート１６の出力を反転または非反転でバッファすると共に、出力電圧をマイクロプロセッサ１０のＶＣＣ電源から＋５Ｖにレベル変換するための回路がレベル変換用のバッファＩＣやトランジスタなどで構成されている。本実施形態では、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力がＬレベルのとき、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点が＋５Ｖとなり、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力がＨレベルのとき、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点が０Ｖとなる反転型のバッファ回路とされている。

酸素センサ制御装置１は、このような回路を用いることにより、内部抵抗Ｒｉを検知し、また、検出素子３の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を取得することができる。以下、内部抵抗Ｒｉの検知方法と、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）の取得方法について、具体的に説明する。

まず、内部抵抗Ｒｉの検知方法について説明する。図１において、トランジスタＴｒ２がオフであると、抵抗器Ｒ４には電流が流れない。また、固体電解質体の温度が十分高くなった活性時、例えば、検出素子３の素子温度が約７００℃のときには、検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、図５に示すように、１００Ω以下（劣化していない場合）〜３００Ω程度（劣化が進んだ場合）となり、抵抗器Ｒ２や抵抗器Ｒ３に比べて十分に小さい値となる。この活性時においては、検出素子３に起電力ＥＶも発生する（リッチ側で約９００ｍＶ前後、リーン側で約５０ｍＶ前後）。しかるに、内部抵抗Ｒｉが十分に小さいので、抵抗器Ｒ２や抵抗器Ｒ３を流れる電流にほとんど影響を受けず、Ｑ点の電位は、ほぼ起電力ＥＶが示す値となる。そして、このＱ点の電位が、ローパスフィルタ回路１５を通して、Ｓ点で出力検出回路１２に入力されており、出力検出回路１２で検出素子３の起電力ＥＶを検出することが可能となっている。

一方、トランジスタＴｒ２がオンすると、抵抗器Ｒ４に電流Ｉが流れる。そして、検出素子３が活性時においては、検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、抵抗器Ｒ３や抵抗器Ｒ２に比べて十分に小さいので、電流Ｉのほとんどは、検出素子３に流れる。従って、内部容量Ｃｉに流れる過渡電流が収束した状態では、電流Ｉの大きさは、＋５Ｖから検出素子３の起電力ＥＶとトランジスタＴｒ２のエミッタ−コレクタ間電圧（≒０Ｖ）を引いた値を、抵抗器Ｒ４と検出素子３の内部抵抗Ｒｉとの和（直列合成抵抗）で除した値となる（Ｉ≒（５−ＥＶ）／（Ｒ４＋Ｒｉ））。従って、トランジスタＴｒ２がオフの間とオンの間で、起電力ＥＶが一定であるとすると、トランジスタＴｒ２がオンすることにより、トランジスタＴｒ２がオンの間の検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間に生じている検出素子電圧ＶＥは、オフの間の検出素子電圧ＶＥに対して、内部抵抗Ｒｉに生じる電圧降下Ｒｉ×Ｉだけ上乗せされる。即ち、検出素子電圧ＶＥが、シフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）からシフト後電圧ＶＥ２（＝ＥＶ＋Ｒｉ×Ｉ）までシフトされる一時的な変化を生じる。

そこで、シフト後電圧ＶＥ２とシフト前電圧ＶＥ１との差分（ＶＥ２−ＶＥ１）をシフト電圧ＶＳとすると、シフト前電圧ＶＥ１は、検出素子３の発生する起電力ＥＶとなり、シフト電圧ＶＳは、内部抵抗Ｒｉに電流が流れることによって生じる電圧降下に相当する。即ち、シフト電圧Ｖｓは、ＶＳ＝Ｒｉ×（５−ＥＶ）／（Ｒ４＋Ｒｉ）として与えられる。従って、出力検出回路１２で、シフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）及びシフト後電圧ＶＥ２（＝ＶＥ１＋ＶＳ＝ＥＶ＋ＶＳ）をそれぞれ検知して、シフト電圧ＶＳ（電圧の変化量）を得ることにより、内部抵抗Ｒｉの大きさを求めることができる。

次いで、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）の取得方法について説明する。前述のトランジスタＴｒ２をオンして、シフト前電圧ＶＥ１からシフト後電圧ＶＥ２への電圧シフトを行っている期間を電圧シフト期間ＴＳとすると（図２参照）、この電圧シフト期間ＴＳには、内部抵抗Ｒｉに電流が流れると共に、検出素子３の内部容量Ｃｉに、時定数Ｃｉ・Ｒｉに従って充電（電荷が蓄積）される。
一方、その後トランジスタＴｒ２をオフさせて、電圧シフト期間ＴＳを終了させると、内部容量Ｃｉに蓄積された電荷が、内部抵抗Ｒｉを通じて自己放電される。これにより、検出素子電圧ＶＥは、おおむね検出素子３の内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉで決定される時定数Ｃｉ・Ｒｉに従って指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻るという変化を生じる（以下、この期間を回復期間ＴＫという）。

ところで、検出素子３が劣化すると、検出素子の内部抵抗Ｒｉが相対的に大きくなるほか、内部容量Ｃｉも大きくなる。このため、劣化の進行の程度により、回復期間ＴＫにおける検出素子電圧ＶＥの変化において、変化の時定数Ｃｉ・Ｒｉが大きくなる。従って、検出素子電圧ＶＥの変化の時定数Ｃｉ・Ｒｉの大きさに応じた値（１−２電圧差Ｖ１−２）を得れば、検出素子３の劣化の程度を示す劣化指標ＩＤとして用いることができることになる。

なお、酸素濃度を検出する際には、検出素子３を酸素濃淡電池として十分機能させるため、６００℃を越える活性化温度にまで素子温度を上げて使用する。例えば、検出素子３の素子温度が約７００℃のときは、検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、前述の通り、１００Ω以下〜３００Ω程度の小さな値となる。しかるに、本実施形態では、抵抗器Ｒ４は、これより遥かに大きいＲ４＝８．２５ｋΩであるので、トランジスタＴｒ２をオンした場合に、内部抵抗Ｒｉによって生じるシフト電圧ＶＳが小さな値となる。このため、回復期間ＴＫに生じる検出素子電圧ＶＥの変化も小さく、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）を精度良く検知しにくい。

しかしながら、劣化指標ＩＤを検知する場合は、必ずしも酸素濃度を測定する必要はないので、素子温度をこれほど高く保つ必要は無い。検出素子３を構成する固体電解質体は、４００℃程度で酸素イオン伝導性を示しはじめ、例えば、本実施形態では、素子温度が４００℃のときの検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、約２５６０Ωとなる。これは、７００℃の場合の１０〜３０倍程度の大きさであり、抵抗器Ｒ４の１／３程度の大きさとなる。この状態で、劣化指標ＩＤを検知すれば、内部抵抗Ｒｉに比例するシフト電圧ＶＳも大きくでき、回復期間ＴＫに生じる検出素子電圧ＶＥの変化も大きくできる。但し、相互に比較しうる劣化指標ＩＤを適切に取得するには、劣化指標ＩＤの測定条件を揃えておくのが好ましい。

そこで、本実施形態では、素子温度が約４００℃で、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωであるときの劣化指標ＩＤを取得している。具体的には、車両の運転を終了し、エンジンが停止すると、酸素センサ２のヒータ４への通電を停止し、所定の待ち時間（例えば、１０分間）を設けて、検出素子３が冷却するのを待つ。その後、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように目標抵抗値を定めて、ヒータ４の通電制御を再度行い、内部抵抗Ｒｉを２５６０Ωとしてから、劣化指標ＩＤを検知する。

図２に、本実施形態の酸素センサ制御装置１により、劣化指標ＩＤを取得するにあたり、検出素子３について電圧シフトをさせたときの、電圧シフト期間ＴＳ及び回復期間ＴＫにおける、検出素子電圧ＶＥの変化波形を示す。なお、劣化指標ＩＤを取得するにあたり、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように、ヒータ４を通電制御している。
この図２においては、電圧をシフトさせる以前（時刻ｔ＝０以前）には、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２がオフとされており、検出素子電圧ＶＥは、１．０２Ｖになっている。この検出素子電圧ＶＥは、素子温度約４００℃のときの検出素子３の起電力ＥＶを示している。これをシフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）とする。

その後、時刻ｔ＝０（電圧シフト期間ＴＳの始期）に、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２をオンさせると、検出素子３に電流が流れて、検出素子３の内部抵抗Ｒｉに電圧降下を生じると共に、内部容量Ｃｉがしだいに充電され、検出素子電圧ＶＥが立ち上がる。本実施形態では、電圧シフト期間ＴＳは３ｍｓｅｃとした。この電圧シフト期間ＴＳのうち、その終期（終了時）である第１検知タイミングｔ１（時刻ｔ＝ｔ１）には、検出素子電圧ＶＥは、ほぼ平衡状態に近づいて、シフト後電圧ＶＥ２となる。そこで、この第１検知タイミングｔ１で、検出素子電圧ＶＥを検知して、これを第１電圧Ｖ１（＝シフト後電圧ＶＥ２）とする。

内部抵抗Ｒｉが一定値（本実施形態では、Ｒｉ＝２５６０Ω）となるように制御されている条件の下で、電圧シフト期間ＴＳ（本実施形態では３ｍｓｅｃ）を時定数Ｃｉ・Ｒｉよりも十分長くすれば（例えば、時定数Ｃｉ・Ｒｉの３倍以上）、第１電圧Ｖ１（シフト後電圧ＶＥ２）は、内部抵抗Ｒｉで定まる値に収束し、劣化の程度によらず、ほぼ同じ値となる。

次いで、トランジスタＴｒ２をオフさせると、電圧シフト期間ＴＳが終了し、検出素子電圧ＶＥをシフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻す回復期間ＴＫに移行する。前述の通り、この回復期間ＴＫにおいて、検出素子電圧ＶＥは、時定数Ｃｉ・Ｒｉに従って指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻る（図２参照）。本実施形態では、回復期間ＴＫのうち、電圧シフト期間ＴＳの終了から３ｍｓｅｃ後である第２検知タイミングｔ２（時刻ｔ＝ｔ２）で、検出素子電圧ＶＥを検知して、これを第２電圧Ｖ２とする。

ここで、前述したように、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように制御されているため、シフト後電圧ＶＥ２（第１電圧Ｖ１）は、劣化の程度によらずほぼ同じ値となる。一方、回復期間ＴＫに生じる電圧変化は、劣化の程度により異なり、劣化が進行するほど電圧がゆっくり減衰して、第２電圧Ｖ２は大きな値となる。これは、検出素子３が劣化すると、内部抵抗Ｒｉのみならず、内部容量Ｃｉも大きくなるため、内部抵抗Ｒｉを一定に制御していても、劣化が進行するほど時定数Ｃｉ・Ｒｉが大きくなるからである。これにより、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差である１−２電圧差Ｖ１−２（＝Ｖ１−Ｖ２）は、劣化が進行するほど小さな値となる。従って、この１−２電圧差Ｖ１−２は、検出素子３の劣化の程度を示す劣化指標ＩＤとして用いうる。

ところで、検知した内部抵抗Ｒｉの値は、検出素子３の劣化の影響のみならず、空燃比の違い（ガス雰囲気）にも影響を受けることが判っている。
図４は、空燃比に対応する酸素センサ２のセンサ出力Ｖｏｕｔの値を横軸に、素子温度を７００℃一定とした場合における検出素子３の内部抵抗Ｒｉの値を縦軸に取り、ＮＥＷ品（未使用品）と劣化品（市場返却品）の２つの酸素センサ２について、センサ出力Ｖｏｕｔと内部抵抗Ｒｉとの関係をグラフに表したものである。◆印で示され、図中下側に分布しているのがＮＥＷ品の測定値であり、■印で示され、図中上側に分布しているのが、劣化品の測定値である。
なお、この図４において、センサ出力Ｖｏｕｔの低電位側は、空燃比についてのリーン側であり、センサ出力Ｖｏｕｔの高電位側は、空燃比についてのリッチ側である。
この図４に示すように、センサ出力Ｖｏｕｔに対し内部抵抗Ｒｉは一定ではなく、センサ出力Ｖｏｕｔと内部抵抗Ｒｉの関係は、センサ出力Ｖｏｕｔが空燃比についてリーン側からリッチ側に変化する途中（本実施形態では、Ｖｏｕｔ＝０．５Ｖの付近）に内部抵抗Ｒｉのピーク値を有する逆Ｖ字形のグラフとなる。
さらに、ＮＥＷ品と劣化品の比較から判るように、検出素子３の劣化が進むと、内部抵抗Ｒｉが大きくなり、逆Ｖ字のなす角が鋭角になると共に、グラフ全体が上方にシフトしている。

また、図５は、１−２電圧差Ｖ１−２（劣化指標ＩＤ）と、これに対応する基準抵抗値ＲＴｓとの関係を示すグラフ（散布図）である。この図５は、劣化の程度の異なる多数の酸素センサ２について、１−２電圧差Ｖ１−２（劣化指標ＩＤ）を測定し、また、同じセンサについて、素子温度＝７００℃一定のときに、センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．８１５４Ｖとなる内部抵抗Ｒｉの値を測定して、両者の関係を示したものである。また、１−２電圧差Ｖ１−２（劣化指標ＩＤ）と基準抵抗値ＲＴｓとの関係の分布から回帰直線Ｌを得た。即ち、基準抵抗値ＲＴｓは、素子温度＝７００℃一定において、センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．８１５４Ｖを基準として定めた内部抵抗Ｒｉの目標抵抗値ＲＴであり、回帰直線Ｌから、検出素子３の劣化が進行して、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２が小さくなるほど（図５中、左側ほど）、基準抵抗値ＲＴｓの値は大きくなる。なお、図５において、横軸の１−２電圧差Ｖ１−２は、前述したように、内部抵抗Ｒｉ＝２５６０Ωとなるように制御した状態で測定されたものであり、縦軸の素子温度＝７００℃一定のときの内部抵抗Ｒｉの値とは、測定条件が異なる。

これにより、基準抵抗値ＲＴｓを用いれば、検出素子３の劣化の程度に応じたヒータ４の通電制御が可能となる。但し、図４に示すように、内部抵抗Ｒｉの値は、検出素子３の劣化の程度のみならず、センサ出力Ｖｏｕｔ（ガス雰囲気）によっても変化する。このため、ヒータ４への通電を適切にフィードバック制御するためには、検出素子３の劣化の程度のみならず、内部抵抗Ｒｉを検知する際のガス雰囲気の違いをも考慮する必要がある。

そこで、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、ヒータ４への通電をフィードバック制御するにあたり、１−２電圧差Ｖ１−２（劣化指標ＩＤ）から得られる基準抵抗値ＲＴｓと、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間の検出素子電圧ＶＥに一時的な変化が生じる期間の前のタイミングに得たセンサ出力Ｖｏｕｔの値（具体的には、検出素子電圧ＶＥに一時的な変化を生じさせる直前の値）である第１センサ出力Ｖｏ１とを用い、基準抵抗値ＲＴｓを第１センサ出力Ｖｏ１の値に応じて補正して、内部抵抗Ｒｉの目標抵抗値ＲＴを得ている。そして、検知された内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値ＲＴとなるように、ヒータ４への通電をフィードバック制御している。

図３は、内部抵抗Ｒｉの検知動作を示すタイミングチャートである。前述したように、内部抵抗Ｒｉを検知するには、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間の検出素子電圧ＶＥをシフト前電圧ＶＥ１からシフト後電圧ＶＥ２までシフトする一時的な変化を生じさせて、その差分（ＶＥ２−ＶＥ１）であるシフト電圧ＶＳを得る。具体的には、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルからＨレベルに変化させて、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２を一時的にオンする。すると、検出素子３に電流Ｉが流れるため、出力検出回路１２を介してＡ／Ｄ入力ポート１７に入力される検出素子電圧ＶＥが、期間ＴＣにわたり一時的に変化する。
そこで、本実施形態では、内部抵抗Ｒｉを検知するにあたり、まず、トランジスタＴｒ２のオンにより検出素子電圧ＶＥが立ち上がる直前（図３のタイミング（ａ））に、シフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）を取得する。次いで、トランジスタＴｒ２をオンしてから所定時間経過後（本実施形態では、３ｍｓｅｃ経過後）、再度トランジスタＴｒ２をオフする前（図３のタイミング（ｂ））にシフト後電圧ＶＥ２（＝ＶＥ１＋ＶＳ＝ＥＶ＋ＶＳ）を取得する。これにより、シフト電圧ＶＳ（電圧の変化量（＝ＶＥ２−ＶＥ１））を得て、内部抵抗Ｒｉを検知することができる。

ところで、トランジスタＴｒ２のオンにより検出素子電圧ＶＥが立ち上がる前のシフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）は、酸素濃度に応じた起電力ＥＶを示すセンサ出力Ｖｏｕｔでもある。そこで、本実施形態では、検出素子電圧ＶＥが立ち上がる前、例えば、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間に一時的な変化が生じる期間ＴＣの直前（図３のタイミング（ａ））に得たシフト前電圧ＶＥ１（＝センサ出力Ｖｏｕｔ）の値を上述の第１センサ出力Ｖｏ１として用いている。

なお、第１センサ出力Ｖｏ１としては、一時的な変化が生じる期間ＴＣの前または後のタイミング、即ち、期間ＴＣと相前後するタイミングに得たセンサ出力の値を用いることができ、本実施形態のように、期間ＴＣの直前（図３のタイミング（ａ））に取得したシフト前電圧ＶＥ１の値に限られない。具体的には、期間ＴＣの前で前回の期間ＴＣよりも後の期間ＴＢＦ１中の任意のタイミング（例えば、図３のタイミング（ｃ））や、期間ＴＣの後で次回の期間ＴＣよりも前の期間ＴＢＦ２中の任意のタイミング（例えば、図３のタイミング（ｄ））など、期間ＴＣの前後の期間ＴＢＦ１，ＴＢＦ２内に得たセンサ出力Ｖｏｕｔの値を用いることができる。ただし、期間ＴＢＦ１，ＴＢＦ２のうちでも、期間ＴＣに近いタイミングを選択すると良い。

また、トランジスタＴｒ２をオンオフするためのＩ／Ｏ出力ポート１６の出力と、実際に検出素子電圧ＶＥに一時的な変化が生じる期間ＴＣの間には、回路の遅延や検出素子３の内部容量Ｃｉの影響により、その開始時において開始遅延時間Ｔｄ１、終了時において終了遅延時間Ｔｄ２を生じる。
そこで、例えば、トランジスタＴｒ２をオンするためにＩ／Ｏ出力ポート１６の出力をＨレベルにした後でも、開始遅延時間Ｔｄ１内（図３のタイミング（ｅ））であれば、第１センサ出力Ｖｏ１を取得することができる。
また、トランジスタＴｒ２をオフにすべくＩ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルにした後、さらに終了遅延時間Ｔｄ２の経過を待って期間ＴＣが終了した直後、例えば、図３のタイミング（ｆ）で、第１センサ出力Ｖｏ１を取得することもできる。

次いで、この目標抵抗値ＲＴの取得方法について説明する。図６は、図４のグラフを元にして、ＮＥＷ品と劣化品の２つの酸素センサ２について、センサ出力Ｖｏｕｔの値を横軸に、基準抵抗値ＲＴｓ（センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．８１５４Ｖ基準）に対する内部抵抗Ｒｉの変化率を縦軸にそれぞれ取り、グラフに表したものである。
図６において、ＮＥＷ品（◆印）と劣化品（■印）のそれぞれの逆Ｖ字形のグラフは、センサ出力Ｖｏｕｔ＝０．５Ｖ付近の内部抵抗Ｒｉのピーク値を境にして、これよりもセンサ出力Ｖｏｕｔが低電位側となるリーン側と、高電位側となるリッチ側とに分けて考えることができる。
そこで、基準抵抗値ＲＴｓを第１センサ出力Ｖｏ１の値に応じて補正して、目標抵抗値ＲＴを得るにあたり、これらを数式化した関数により関係づけることとし、この関数を補正関数ｆｎとする。また、内部抵抗Ｒｉがピーク値を示すときのセンサ出力Ｖｏｕｔをしきい出力Ｖｔｈと定める（本実施形態では、Ｖｔｈ＝約０．５Ｖ）。すると、補正関数ｆｎは、第１センサ出力Ｖｏ１がしきい出力Ｖｔｈよりもリーン側にある場合を規定する第１補正関数ｆｎ１と、第１センサ出力Ｖｏ１がしきい出力Ｖｔｈよりもリッチ側にある場合を規定する第２補正関数ｆｎ２との合成関数と考えることができる。

さらに、図６に示すように、第１補正関数ｆｎ１と第２補正関数ｆｎ２は、◆印あるいは■印の各測定点の回帰直線を用いることにより、第１センサ出力Ｖｏ１を変数とする一次関数として表すことができる。また、ＮＥＷ品と劣化品との比較から判るように、検出素子３の劣化が進むと、センサ出力Ｖｏｕｔに対する内部抵抗Ｒｉの変化率が大きくなり、逆Ｖ字のなす角が鋭角になっている。従って、第１補正関数ｆｎ１及び第２補正関数ｆｎ２は、検出素子３の劣化の程度によって、一次関数の傾きと切片が変化するものと考えることができる。
そこで、第１補正関数ｆｎ１の傾きを第１傾きＡ１、切片を第１切片Ｂ１とすると、これら第１傾きＡ１及び第１切片Ｂ１は、基準抵抗値ＲＴｓの関数として与えられる。
また、同様に、第２補正関数ｆｎ２の傾きを第２傾きＡ２、切片を第２切片Ｂ２とすると、これら第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２は、基準抵抗値ＲＴｓの関数として与えられる。
なお、ここで、第１傾きＡ１は、検出素子３の劣化が進行するほど大きくなる正の値である。一方、第２傾きＡ２は、検出素子３の劣化が進行するほど絶対値が大きくなる負の値である。

さらに、第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２傾きＢ２について、基準抵抗値ＲＴｓとの関係を考察したところ、いずれも、回帰式を基準抵抗値ＲＴｓの自然対数を変数とする一次関数として与えるのが好ましいことが判った（以下、自然対数をｌｎと表記する）。
具体的には、本実施形態では、第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２傾きＢ２は、それぞれ以下の式で与えられる（図７〜図１０参照）。
第１傾きＡ１＝１．７１８８ｌｎ（ｘ）−０．４５９９ …（式１）
第１切片Ｂ１＝−０．６５６４ｌｎ（ｘ）＋１．１４９２ …（式２）
第２傾きＡ２＝−０．３５９２ｌｎ（ｘ）−０．００９５ …（式３）
第２切片Ｂ２＝０．３３３４ｌｎ（ｘ）＋０．９８１８ …（式４）
ただし、ｘ＝基準抵抗値ＲＴｓ／ＮＥＷ品基準抵抗値ＲＴｓ₀（＝８０Ω）

なお、ここでは、基準抵抗値ＲＴｓの自然対数（ｌｎ（ＲＴｓ））を用いる代わりに、図５において、８０Ωとなる基準抵抗値ＲＴｓ（縦軸）をＮＥＷ品基準抵抗値ＲＴｓ₀とし、ＮＥＷ品基準抵抗値ＲＴｓ₀（＝８０Ω）に対する基準抵抗値ＲＴｓの比ｘ（＝基準抵抗値ＲＴｓ／ＮＥＷ品基準抵抗値ＲＴｓ₀）の自然対数（ｌｎ（ｘ））を用いて、（式１）〜（式４）を表した。（式１）〜（式４）は、以下の（式５）を用いることにより、基準抵抗値ＲＴｓの自然対数（ｌｎ（ＲＴｓ））を変数とする一次関数で表すことができる。
ｌｎ（ｘ）＝ｌｎ（ＲＴｓ／ＲＴｓ₀）
＝ｌｎ（ＲＴｓ）−ｌｎ（ＲＴｓ₀）
＝ｌｎ（ＲＴｓ）−４．３８２０ …（式５）

以上により、第１補正関数ｆｎ１は、以下の式で与えられる。
ｆｎ１＝Ａ１×Ｖｏ１＋Ｂ１
＝（１．７１８８ｌｎ（ｘ）−０．４５９９）×Ｖｏ１
＋（−０．６５６４ｌｎ（ｘ）＋１．１４９２） …（式６）

また、第２補正関数ｆｎ２は、以下の式で与えられる。
ｆｎ２＝Ａ２×Ｖｏ１＋Ｂ２
＝（−０．３５９２ｌｎ（ｘ）−０．００９５）×Ｖｏ１
＋（０．３３３４ｌｎ（ｘ）＋０．９８１８） …（式７）

従って、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、第１補正関数ｆｎ１及び第２補正関数ｆｎ２を用いることにより、第１センサ出力Ｖｏ１と１−２電圧差Ｖ１−２（劣化指標ＩＤ）に対応する基準抵抗値ＲＴｓとから、適切な目標抵抗値ＲＴを得て、内部抵抗Ｒｉを適切にフィードバック制御することができる。

次いで、本実施形態１に係る酸素センサ制御装置１のうち、マイクロプロセッサ１０の動作について、図１１のフローチャートを参照して説明する。
図１１に示す制御プログラムは、マイクロプロセッサ１０が実行するメインルーチンからの呼び出しで実行されるプログラムであり、センサ出力Ｖｏｕｔの取得のほか、後述する内部抵抗検知ルーチンによる内部抵抗Ｒｉの検知、ヒータ４の通電制御、及びこれに用いる目標抵抗値ＲＴの取得を含んでいる。

先ず、ステップＳ１では、酸素センサ２のセンサ出力Ｖｏｕｔを１０ｍｓｅｃ毎に取得する。このセンサ出力Ｖｏｕｔは、前述したように、検出素子３が活性化温度とされたときに、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化し、リーン状態で約０．０５Ｖ、リッチ状態で約０．９Ｖとなる特性を有しており、このセンサ出力Ｖｏｕｔによって、空燃比の制御がなされる。

次いで、ステップＳ２では、内部抵抗Ｒｉの検知タイミングであるか否かを判断する。内部抵抗Ｒｉの検知は、センサ出力Ｖｏｕｔの取得周期（１０ｍｓｅｃ）よりも長い周期（５００ｍｓｅｃ）で行うため、ステップＳ２でこの検知タイミングの到来を判断する。そして、検知タイミングでない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ７に進み、ヒータ４の通電制御を行う。一方、検知タイミングが到来した場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、後述する内部抵抗検知ルーチン（図１２参照）を実行することにより、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９、ローパスフィルタ回路１５及び出力検出回路１２を用いて、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間の検出素子電圧ＶＥに一時的な変化を生じさせてシフト電圧ＶＳ（電圧の変化量）を得て、検出素子３の内部抵抗Ｒｉを検知する。また、このステップＳ３の内部抵抗検知ルーチンのうち、後述するステップＳ３１で、第１センサ出力Ｖｏ１を得ている。具体的には、内部抵抗Ｒｉを検知するにあたってステップＳ３１で得たシフト前電圧ＶＥ１は、センサ出力Ｖｏｕｔ（＝ＥＶ）でもあるため、これを第１センサ出力Ｖｏ１としても共用している。
なお、本実施形態では、ステップＳ３１で得たシフト前電圧ＶＥ１を、第１センサ出力Ｖｏ１として共用しているが、シフト前電圧ＶＥ１ではなく、その前にステップＳ１で取得したセンサ出力Ｖｏｕｔを、第１センサ出力Ｖｏ１として用いることもできる。

次いで、ステップＳ４では、第１センサ出力Ｖｏ１が、予め定めたしきい出力Ｖｔｈ（本実施形態では、しきい出力Ｖｔｈ＝０．５Ｖ）よりも低電位側（空燃比においてリーン側）であるか否かを判断する。第１センサ出力Ｖｏ１がしきい出力Ｖｔｈ（＝０．５Ｖ）よりも小さい場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ５に進む。一方、それ以外の場合、即ち、第１センサ出力Ｖｏ１≧しきい出力Ｖｔｈ（＝０．５Ｖ）の場合（Ｎｏ）は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ５では、前述の（式６）で表される第１補正関数ｆｎ１を用いて、基準抵抗値ＲＴｓを第１センサ出力Ｖｏ１の値に応じて補正して、目標抵抗値ＲＴを取得し、ステップＳ７に進む。ここで、第１補正関数ｆｎ１の第１傾きＡ１及び第１切片Ｂ１は、後述する劣化検知処理ルーチンのステップＳ１０９で算出され、保存された値である。また、基準抵抗値ＲＴｓは、同じく後述する劣化検知処理ルーチンのステップＳ１０８で取得され、保存された値である。

一方、ステップＳ６では、前述の（式７）で表される第２補正関数ｆｎ２を用いて、基準抵抗値ＲＴｓを第１センサ出力Ｖｏ１の値に応じて補正して、目標抵抗値ＲＴを取得し、ステップＳ７に進む。ここで、第２補正関数ｆｎ２の第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２は、劣化検知処理ルーチンのステップＳ１１０で算出され、保存された値であり、基準抵抗値ＲＴｓは、ステップＳ１０８で取得され、保存された値である。

ステップＳ７では、ステップＳ５またはステップＳ６で取得した目標抵抗値ＲＴを用いて、ステップＳ３で検知された内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値ＲＴとなるように、ヒータ４の通電制御を継続する。これにより、検出素子３の劣化の程度（劣化指標ＩＤ）とガス雰囲気（第１センサ抵抗Ｖｏ１）の違いに応じて、適切にヒータ４の通電制御を行うこができる。

そして、続くステップＳ８では、ヒータ制御の終了指示が有るか否かを判断する。終了指示が無い場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、センサ出力Ｖｏｕｔの取得から制御プログラムを再開する。一方、終了指示が有った場合は、本制御プログラムを終了する。

次いで、内部抵抗検知ルーチン（図１１のステップＳ３）について、図１２のフローチャートを参照して説明する。前述したように、この内部抵抗検知ルーチンでは、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間の検出素子電圧ＶＥに一時的な変化を生じさせて、内部抵抗Ｒｉを検知する。
先ず、ステップＳ３１で、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルとし、トランジスタＴｒ２がオフにされた状態で、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通じて、出力検出回路１２により、Ｓ点の電位（従って、ローパスフィルタ回路１５を通じたＱ点の電位）を測定し、これを検出素子電圧ＶＥに変化を生じさせる前のシフト前電圧ＶＥ１とする（図３のタイミング（ａ））。また、このシフト前電圧ＶＥ１は、酸素濃度に応じた起電力ＥＶを示すセンサ出力Ｖｏｕｔ（＝ＥＶ）でもあるので、この値を、第１センサ出力Ｖｏ１とする。

次いで、ステップＳ３２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＨレベルとして、トランジスタＴｒ２をオンした後、ステップＳ３３に進み、３ｍｓｅｃの時間を計時するタイマをスタートさせる。すると、トランジスタＴｒ２がオンして、検出素子３に電流Ｉが流れることにより、内部抵抗Ｒｉに電圧降下が生じて検出素子電圧ＶＥが変化する。
さらに、続くステップＳ３４では、ステップＳ３３の３ｍｓｅｃのタイマがタイムアップするのを待つ。即ち、タイマがタイムアップしていない間（Ｎｏ）は、ステップＳ３４を繰り返す。そして、３ｍｓｅｃ経過し、タイマがタイムアップする（Ｙｅｓ）と、ステップＳ３５に進む。
ステップＳ３５では、再び、Ａ／Ｄポート１７を通じて、出力検出回路１２により、Ｓ点の電位（ローパスフィルタ回路１５を通じたＱ点の電位）を測定し、これを検出素子電圧ＶＥに変化を生じさせたシフト後電圧ＶＥ２とする（図３のタイミング（ｂ））。

次いで、ステップＳ３６に進み、シフト後電圧ＶＥ２とシフト前電圧ＶＥ１との差分（ＶＥ２−ＶＥ１）からシフト電圧ＶＳを取得する。
さらに、ステップＳ３７に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルに戻して、トランジスタＴｒ２をオフにする。
そして、ステップＳ３８に進み、シフト電圧ＶＳ及びシフト前電圧ＶＥ１を用いて内部抵抗Ｒｉを計算して、本内部抵抗検知ルーチンを終了する。

次いで、劣化検知処理ルーチンについて、図１３のフローチャートを参照して説明する。この劣化検知処理ルーチンは、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を取得するため、エンジンの停止後に、ヒータ４への通電を一旦停止し、所定の待ち時間を経過した後に、図１１の制御プログラムとは別に実行される
先ず、ステップＳ１０１では、後述する電圧シフトサブルーチン（図１４参照。詳細は後述する。）を実行する。この電圧シフトサブルーチンでは、検出素子電圧ＶＥの電圧シフトを行うと共に、シフト前電圧ＶＥ１、シフト後電圧ＶＥ２及びシフト電圧ＶＳを取得する。また、この電圧シフトサブルーチンの終了時点で、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＨレベルとされ、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は０Ｖとなって、トランジスタＴｒ２はオンしている。

次いで、ステップＳ１０２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルに戻す。すると、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖとなり、トランジスタＴｒ２はオフにされる。

次いで、ステップＳ１０３に進み、電圧シフトサブルーチン（ステップＳ１０１）で取得したシフト電圧ＶＳ及びシフト前電圧ＶＥ１（起電力ＥＶ）を用いて内部抵抗Ｒｉを計算する。そして、続くステップＳ１０４では、得られた内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように、ヒータ４を通電制御する。具体的には、ＰＩＤ制御またはＰＩ制御によりヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比を決定し、ＰＷＭ出力ポート１８からＰＷＭパルスを出力する。これにより、ヒータ４は、ＰＷＭ制御され、検出素子３の温度が、約４００℃に制御される。

次いで、ステップＳ１０５では、劣化指標検知タイミングであるか否かが判断される。そして、続くステップＳ１０６では、劣化指標ＩＤを検知する前に、取得した内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωであるか否かが判断される。本実施形態では、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４によるヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比を１０回更新する毎に、ステップＳ１０５で１回Ｙｅｓと判断する。劣化指標検知タイミングでない場合（Ｎｏ）は、そのままこの劣化検知処理ルーチンを終了する。一方、劣化指標検知タイミングの場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０６に進んで、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωであるか否かを判断する。ステップＳ１０６で、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωでない場合（Ｎｏ）は、そのままこの劣化検知処理ルーチンを終了する。なお、ステップＳ５またはステップＳ６でＮｏとなって、劣化検知処理ルーチンを終了（リターン）した場合は、劣化検知が完了するまで、本劣化検知処理ルーチンが、所定間隔で繰り返し呼び出される。

一方、ステップＳ１０６で、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωであると判断された場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０７に進み、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を検知する劣化指標検知サブルーチン（図１５参照。詳細は後述する。）を実行する。
ステップＳ１０７で１−２電圧差Ｖ１−２を検知すると、次いで、ステップＳ１０８で、１−２電圧差Ｖ１−２に対応する基準抵抗値ＲＴｓを取得し、取得した値を不揮発性メモリに保存する。

次いで、ステップＳ１０９では、前述の（式１）及び（式２）を用いて、基準抵抗値ＲＴｓから第１補正関数ｆｎ１の第１傾きＡ１及び第１切片Ｂ１を算出し、算出した値を不揮発性メモリに保存する。さらに、続くステップＳ１１０では、（式３）及び（式４）を用いて、基準抵抗値ＲＴｓから第２補正関数ｆｎ２の第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２を算出し、算出した値を不揮発性メモリに保存して、その後、この劣化検知処理ルーチンを終了する。

次いで、ステップＳ１０１の電圧シフトサブルーチンについて、図１４のフローチャートを参照して説明する。この電圧シフトサブルーチンは、前述したように、電圧シフト回路１９を用いて、検出素子電圧ＶＥをシフトさせると共に、シフト前電圧ＶＥ１、シフト後電圧ＶＥ２及びシフト電圧ＶＳを取得する。

先ず、ステップＳ１０１１において、マイクロプロセッサ１０は、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通じて、出力検出回路１２により、次述する電圧シフト前のＳ点の電位、従って、ローパスフィルタ回路１５を介してＱ点の電位（シフト前電圧ＶＥ１）を測定する。この際、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＬレベルとされており、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖに、トランジスタＴｒ２はオフにされている。このため、抵抗器Ｒ４には電流が流れず、Ｑ点（及びＳ点）の電位は、検出素子３自身の起電力ＥＶを示す値となっている。従って、このステップＳ１０１１で測定するＳ点（Ｑ点）の電位の値（シフト前電圧ＶＥ１）は、起電力ＥＶの値となる（ＶＥ１＝ＥＶ）。

次いで、ステップＳ１０１２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＨレベルとする。すると、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は０Ｖとなり、トランジスタＴｒ２がオンする。なお、このタイミングは、図２における時刻ｔ＝０に該当する。更に引き続いて、ステップＳ１０１３に進み、３ｍｓｅｃの時間を計時するタイマをスタートさせる。
トランジスタＴｒ２がオンすると、抵抗器Ｒ４に電流Ｉが流れ、この電流Ｉが検出素子３に流れ込む。すると、この電流Ｉにより、内部抵抗Ｒｉに電圧降下を生じさせると共に、内部容量Ｃｉに電荷が徐々に蓄積される。このため、Ｑ点の電位は、起電力ＥＶから開始し、内部容量Ｃｉへの電荷蓄積の進行と共に上昇する。Ｑ点の電位において、起電力ＥＶに上乗せされる電圧分は、内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉの端子間電圧である。

続くステップＳ１０１４では、ステップＳ１０１３の３ｍｓｅｃのタイマがタイムアップするのを待つ。即ち、タイマがタイムアップしていない間（Ｎｏ）は、ステップＳ１０１４を繰り返す。従って、この間、内部容量Ｃｉへの電荷の蓄積が進み、Ｑ点の電位は上昇すると共に、平衡状態に近づく。そして、３ｍｓｅｃ経過し、タイマがタイムアップする（Ｙｅｓ）と、ステップＳ１０１５に進む。

ステップＳ１０１５では、トランジスタＴｒ２をオンしてから、３ｍｓｅｃ経過した第１検知タイミングｔ１（時刻ｔ＝ｔ１＝３ｍｓｅｃ，図２参照）で、再び、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通じて出力検出回路１２により、Ｓ点の電位（従って、ローパスフィルタ回路１５を通じたＱ点の電位）を測定する。Ｑ点の電位は、時刻ｔ＝０の立ち上がり開始後、３ｍｓｅｃの期間（電圧シフト期間ＴＳ）が経過する間に、概略平衡状態に達しており（図２参照）、このステップＳ１０１５で測定した、時刻ｔ＝ｔ１の時点の値をシフト後電圧ＶＥ２とする。

次いで、ステップＳ１０１６に進み、シフト電圧ＶＳを、既に取得したシフト後電圧ＶＥ２とシフト前電圧ＶＥ１との差分（ＶＥ２−ＶＥ１）として求めて、電圧シフトサブルーチンを終了する。

次いで、ステップＳ１０７の劣化指標検知サブルーチンについて、図１５のフローチャートを参照して説明する。なお、この劣化指標検知サブルーチン（ステップＳ１０７）は、前述したように、ステップＳ１０６で、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωに等しいと判断された場合（Ｙｅｓ）に、実行される。

先ず、ステップＳ１０７１では、劣化検知処理ルーチンにおけるステップＳ１０１と同じ電圧シフトサブルーチンを実行する。この電圧シフトサブルーチンの終了時点（ステップＳ１０１６の終了時点）で、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＨレベルとされ、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は０Ｖとなって、トランジスタＴｒ２はオンしている。

次いで、ステップＳ１０７２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルに戻す。すると、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖとなり、トランジスタＴｒ２はオフにされる。これにより、電圧シフト期間ＴＳが終了し、これに引き続いて、回復期間ＴＫが開始される。

続くステップＳ１０７３では、電圧シフトサブルーチンのステップＳ１０１５（第１検知タイミングｔ１）で取得したシフト後電圧ＶＥ２を、第１電圧Ｖ１として取得する（Ｖ１＝ＶＥ２）。
次いで、ステップＳ１０７４に進み、３ｍｓｅｃの計時を行うタイマをスタートさせる。
トランジスタＴｒ２をオフさせているため、検出素子３に、＋５Ｖ電源を通じて外部電圧は印加されず、電流も流れない。このため、検出素子３では、内部容量Ｃｉに蓄積された電荷を、内部抵抗Ｒｉを通じて自己放電する。このため、Ｑ点の電位は、おおむね内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉで決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻る検出素子電圧ＶＥの変化を生じる。

続くステップＳ１０７５では、ステップＳ１０７４のタイマがタイムアップするのを待つ。即ち、タイマがタイムアップしていない間（Ｎｏ）は、ステップＳ１０７５を繰り返す。そして、３ｍｓｅｃ経過し、タイマがタイムアップする（Ｙｅｓ）と、ステップＳ１０７６に進む。

ステップＳ１０７６では、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通じて出力検出回路１２により、トランジスタＴｒ２をオフしてから、３ｍｓｅｃ経過した第２検知タイミングｔ２（時刻ｔ＝ｔ２＝６ｍｓｅｃ，図２参照）でのＳ点の電位（ローパスフィルタ回路１５を通じて、Ｑ点の電位）を測定する。このステップＳ１０７６で測定した、時刻ｔ＝ｔ２の時点の値を第２電圧Ｖ２とする。

次いで、ステップＳ１０７７に進み、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を、既に取得した第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）として求める。
さらに、ステップＳ１０７８に進み、取得した１−２電圧差Ｖ１−２を、不揮発性メモリに保存して、この劣化指標検知サブルーチンを終了する。

本実施形態において、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９、ローパスフィルタ回路１５、出力検出回路１２及びステップＳ１０７を実行しているマイクロプロセッサ１０が、劣化指標取得手段に相当する。このうち、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９及びステップＳ１０７１を実行しているマイクロプロセッサ１０が、電圧シフト手段に相当し、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９及びステップＳ１０７２を実行しているマイクロプロセッサ１０が、回復手段に相当する。

また、ローパスフィルタ回路１５、出力検出回路１２及びステップＳ１を実行しているマイクロプロセッサ１０が、センサ出力取得手段に相当し、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９、ローパスフィルタ回路１５、出力検出回路１２及びステップＳ３の内部抵抗検知ルーチンを実行しているマイクロプロセッサ１０が、内部抵抗検知手段に相当する。また、ステップＳ３の内部抵抗検知ルーチンのうち、シフト前電圧ＶＥ１を取得しているステップＳ３１も、取得したシフト前電圧ＶＥ１の値を第１センサ出力Ｖｏ１として用いている点で、センサ出力取得手段に相当している。
また、ヒータ制御回路１３及びステップＳ７を実行しているマイクロプロセッサ１０が、ヒータ通電制御手段に相当する。

さらに、ステップＳ１０８〜Ｓ１１０，Ｓ４〜Ｓ６を実行しているマイクロプロセッサ１０が、目標抵抗値取得手段に相当する。また、このうち、ステップＳ１０８を実行しているマイクロプロセッサ１０が、基準抵抗値取得手段に相当し、ステップＳ１０９，Ｓ１１０，Ｓ５，Ｓ６を実行しているマイクロプロセッサ１０が、補正手段に相当する。

以上で説明したように、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、ヒータ４への通電をフィードバック制御するにあたり、劣化指標取得手段（ステップＳ１０７）で検出素子３の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を得ている。さらに、目標抵抗値取得手段（ステップＳ１０８〜Ｓ１１０，Ｓ４〜Ｓ６）により、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）のほか、検出素子電圧ＶＥに一時的な変化が生じる期間ＴＣの直前（図３のタイミング（ａ））のセンサ出力Ｖｏｕｔの値である第１センサ出力Ｖｏ１を用いて、検知した内部抵抗Ｒｉが目標とすべき目標抵抗値ＲＴを逐次取得している。つまり、検出素子３の素子温度を一定（本実施形態では、７００℃）の目標温度に保つべく、目標抵抗値ＲＴを劣化の程度（劣化指標ＩＤ）及びガス雰囲気（第１センサ出力Ｖｏ１）に応じて変化させている。そして、内部抵抗Ｒｉがこの目標抵抗値ＲＴとなるように、ヒータ４への通電をフィードバック制御している。
これにより、検出素子３の劣化の程度（劣化指標ＩＤ）と内部抵抗Ｒｉ検知の際のガス雰囲気（第１センサ出力Ｖｏ１）の違いに応じて、適切にヒータ４の通電制御を行うことができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、一旦、基準抵抗値取得手段（ステップＳ１０８）で、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）の値に対応する基準抵抗値ＲＴｓを得て、補正手段（ステップＳ１０９，Ｓ１１０，Ｓ５，Ｓ６）で、この基準抵抗値ＲＴｓを第１センサ出力Ｖｏ１の値に応じて補正して、目標抵抗値ＲＴを得ている。このため、劣化指標ＩＤ及び第１センサ出力Ｖｏ１を用いて、適切かつ容易に目標抵抗値ＲＴを得ることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、第１センサ出力Ｖｏ１を変数とする補正関数ｆｎを用いて、基準抵抗値ＲＴｓを補正して目標抵抗値ＲＴを得ている。
したがって、基準抵抗値ＲＴｓから目標抵抗値ＲＴを容易に得ることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、補正関数ｆｎを、第１センサ出力Ｖｏ１が予め定めたしきい出力Ｖｔｈよりもリーン側にある場合を規定する第１補正関数ｆｎ１（式６）と、第１センサ出力Ｖｏ１がしきい出力Ｖｔｈよりもリッチ側にある場合を規定する第２補正関数ｆｎ２（式７）との合成関数としている。
したがって、補正関数ｆｎを簡単な２つの関数（（式６），（式７））の合成関数として表すことができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、第１補正関数ｆｎ１及び第２補正関数ｆｎ２をそれぞれ一次関数で表し、その傾き及び切片である第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２切片を、それぞれ基準抵抗値ＲＴｓの関数で与えている。
また、このとき、第１傾きＡ１は、劣化が進行するほど大きくなる正の値とし、第２傾きＡ２は、劣化が進行するほど絶対値が大きくなる負の値をとして、逆Ｖ字の二辺の傾きを定めている。
これにより、第１補正関数ｆｎ１及び第２補正関数ｆｎ２を、それぞれ適切に数式化することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２を、それぞれ、基準抵抗値ＲＴｓの自然対数を変数とする一次関数で与えている（（式１）〜（式４））。これにより、第１補正関数ｆｎ１における第１傾きＡ１及び第１切片Ｂ１、第２補正関数ｆｎ２における第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２を、それぞれ基準抵抗値ＲＴｓから簡易に求めることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、劣化指標ＩＤとして、内部抵抗Ｒｉを一定（本実施形態では、Ｒｉ＝２５６０Ω）とした条件下で、検出素子３の劣化に伴う内部容量Ｃｉの変化に応じて変化する値、具体的には、１−２電圧差Ｖ１−２を取得している。これにより、適切な劣化指標ＩＤを取得することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、電圧シフト手段（ステップＳ１０７１）と回復手段（ステップＳ１０７２）を用いて、回復期間ＴＫに生じる検出素子電圧ＶＥの変化の時定数の大きさに応じた値を、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２電圧）として取得している。
検出素子３が劣化すると、劣化の程度により、回復期間ＴＫにおける検出素子電圧ＶＥの変化の時定数の大きさに差が生じるので、この時定数の大きさに応じた値を得ることにより、検出素子３の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標ＩＤを適切に得ることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、劣化指標ＩＤとして、１−２電圧差Ｖ１−２電圧を取得している。
これにより、電圧シフト期間ＴＳ内の第１検知タイミングｔ１における第１電圧Ｖ１及び電圧シフト期間ＴＳ終了後の回復期間ＴＫ内の第２検知タイミングにおける第２電圧Ｖ１−２の２つの電圧を計測することで簡易に得られる１−２電圧差Ｖ１−２を、劣化指標ＩＤとして取得することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

例えば、実施形態では、劣化指標ＩＤとして、前述の１−２電圧差Ｖ１−２を取得したが、劣化指標ＩＤは、これに限られない。例えば、回復期間ＴＫ内に検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間に生じる検出素子電圧ＶＥを逐次計測し、その変化曲線から、この曲線に近似する指数関数の時定数を取得して、これを劣化指標ＩＤとすることもできる。
また、実施形態では、電圧シフト期間ＴＳを３ｍｓｅｃ、第１検知タイミングｔ１から第２検知タイミングｔ２までの期間を３ｍｓｅｃとしたが、これらの値は、劣化指標ＩＤが適切に検知できる範囲で適宜選択すれば良い。
また、実施形態では、エンジンの停止後、所定の待ち時間を経過後に、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωに等しくなるように制御して、劣化指標ＩＤを検知したが、劣化指標ＩＤをするタイミングや、その際の内部抵抗Ｒｉの値は、劣化指標ＩＤが適切に検知できる範囲で、適宜変更が可能である。

また、実施形態では、図７〜図１０のグラフについての回帰式を元に、第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２を、それぞれ、基準抵抗値ＲＴｓの自然対数を変数とする一次関数で与えた。しかし、図７〜図１０のグラフについて、回帰直線を引くことも可能であり、第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２を、それぞれ、基準抵抗値ＲＴｓの一次関数で与えても良い。また、第１傾きＡ１、第１切片Ｂ１、第２傾きＡ２及び第２切片Ｂ２の一部を基準抵抗値ＲＴｓの自然対数を変数とする一次関数で与えて、残りを基準抵抗値ＲＴｓを変数とする一次関数で与えても良い。

また、実施形態では、内部抵抗Ｒｉを検知するにあたり、パルス信号出力回路１１及び電圧シフト回路１９（図１参照）を用いて、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間の電圧を一時的に変化させて、この一時的な変化による電圧の変化量（シフト電圧ＶＳ）を取得して、内部抵抗Ｒｉを検知する構成とした。しかし、内部抵抗Ｒｉの検知の手法及びその回路構成を適宜変更することにより、検出素子３の電極間３Ｐ，３Ｎ間に一時的に定電流を流すことにより、内部抵抗Ｒｉに電圧降下を生じさせて、この一時的な変化による電圧の変化量を得て、内部抵抗Ｒｉを検知する構成とすることもできる。

１ 酸素センサ制御装置
２ 酸素センサ
３ 検出素子
３Ｐ，３Ｎ 電極
４ ヒータ
ＥＶ （酸素濃淡電池の）起電力
Ｒｉ 内部抵抗
Ｃｉ 内部容量
１０ マイクロプロセッサ
１１ パルス信号出力回路（劣化指標検知手段、電圧シフト手段、回復手段、内部抵抗検知手段）
１２ 出力検出回路（劣化指標検知手段、内部抵抗検知手段、センサ出力取得手段）
１３ ヒータ制御回路（ヒータ通電制御手段）
１５ ローパスフィルタ回路（劣化指標検知手段、内部抵抗検知手段、センサ出力取得手段）
１９ 電圧シフト回路（劣化指標検知手段、電圧シフト手段、回復手段、内部抵抗検知手段）
２０ バッテリ
ＶＥ 検出素子電圧
ＶＥ１ シフト前電圧
ＶＥ２ シフト後電圧
ＶＳ シフト電圧
ＴＣ （一時的な変化が生じる）期間
ＴＳ 電圧シフト期間
ＴＫ 回復期間
ＩＤ 劣化指標
Ｒｉ 内部抵抗
ＲＴ 目標抵抗値
ＲＴｓ 基準抵抗値
ｔ１ 第１検知タイミング
ｔ２ 第２検知タイミング
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧
Ｖ１−２ １−２電圧差（劣化指標）
ｆｎ１ 第１補正関数
ｆｎ２ 第２補正関数
Ａ１ 第１傾き
Ｂ１ 第１切片
Ａ２ 第２傾き
Ｂ２ 第２切片
Ｓ１０７ 劣化指標取得手段
Ｓ１０７１ 電圧シフト手段
Ｓ１０７２ 回復手段
Ｓ１，Ｓ３１ センサ出力取得手段
Ｓ３ 内部抵抗検知手段
Ｓ７ ヒータ通電制御手段
Ｓ１０８〜Ｓ１１０，Ｓ４〜Ｓ６ 目標抵抗値取得手段
Ｓ１０８ 基準抵抗値取得手段
Ｓ１０９，Ｓ１１０，Ｓ５，Ｓ６ 補正手段

Claims (12)

1. 固体電解質体からなり、一対の電極を有する検出素子、及び、上記検出素子を加熱するヒータを有し、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサを制御する酸素センサ制御装置であって、
   上記検出素子の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標を得る劣化指標取得手段と、
   上記センサ出力を取得するセンサ出力取得手段と、
   上記検出素子の上記電極間の電圧または上記電極間を流れる電流について一時的な変化を生じさせて、上記検出素子の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、
   上記一時的な変化が生じる期間の前または後のタイミングに得た上記センサ出力の値である第１センサ出力と上記劣化指標とを用いて、上記内部抵抗に対応する目標抵抗値を逐次取得する目標抵抗値取得手段と、
   上記内部抵抗が上記目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段と、を備え、
   前記目標抵抗値取得手段は、
   前記劣化指標に対応する基準抵抗値を得る基準抵抗値取得手段と、
   上記基準抵抗値を上記第１センサ出力の値に応じて補正して、前記目標抵抗値を得る補正手段と、を含む
   酸素センサ制御装置。
2. 請求項１に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記補正手段は、
   前記第１センサ出力を変数とする補正関数を用いて、前記基準抵抗値を補正して前記目標抵抗値を得る
   酸素センサ制御装置。
3. 請求項２に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記補正関数を、
   前記第１センサ出力が、予め定めたしきい出力よりも、前記空燃比についてリーン側にある場合を規定する第１補正関数と、
   上記第１センサ出力が、上記しきい出力よりも、上記空燃比についてリッチ側にある場合を規定する第２補正関数との合成関数としてなる
   酸素センサ制御装置。
4. 請求項３に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記第１補正関数を、前記第１センサ出力を変数とする一次関数とし、
   その傾き及び切片である第１傾き及び第１切片を、それぞれ前記基準抵抗値の関数で与えてなり、
   前記第２補正関数を、上記第１センサ出力を変数とする一次関数とし、
   その傾き及び切片である第２傾き及び第２切片を、それぞれ上記基準抵抗値の関数で与えてなる
   酸素センサ制御装置。
5. 請求項４に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記第１傾きを、前記検出素子の劣化が進行するほど大きくなる正の値とし、
   前記第２傾きを、上記検出素子の劣化が進行するほど絶対値が大きくなる負の値としてなる
   酸素センサ制御装置。
6. 請求項４または請求項５に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記第１傾き、前記第１切片、前記第２傾き及び前記第２切片を、
   それぞれ、前記基準抵抗値を変数とする一次関数、または上記基準抵抗値の自然対数を変数とする一次関数で与えてなる
   酸素センサ制御装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記劣化指標取得手段は、
   前記劣化指標として、前記内部抵抗を一定とした条件下で、前記検出素子の劣化に伴う上記検出素子の内部容量の変化に応じて変化する値を取得する
   酸素センサ制御装置。
8. 請求項７に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記劣化指標取得手段は、
   前記検出素子の前記電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧から、これと異なるシフト後電圧までシフトさせる電圧シフト手段と、
   上記電圧シフト手段による電圧シフト期間の終了に続いて、上記検出素子の前記内部抵抗及び前記内部容量による自己放電により、上記検出素子電圧を、上記シフト後電圧から上記シフト前電圧に戻す回復手段と、を含み、
   上記回復手段による回復期間に生じる上記検出素子電圧の変化の時定数の大きさに応じた値を、前記劣化指標として取得する
   酸素センサ制御装置。
9. 請求項８に記載の酸素センサ制御装置であって、
   前記劣化指標取得手段は、
   前記劣化指標として、前記電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける前記検出素子電圧である第１電圧と、上記電圧シフト期間終了後の前記回復期間内の第２検知タイミングにおける上記検出素子電圧である第２電圧との差電圧である１−２電圧差を取得する
   酸素センサ制御装置。
10. 固体電解質体からなり、一対の電極を有する検出素子、及び、上記検出素子を加熱するヒータを有し、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサを制御する酸素センサ制御装置であって、
    上記検出素子の劣化の程度に応じた値を示す劣化指標を得る劣化指標取得手段と、
    上記センサ出力を取得するセンサ出力取得手段と、
    上記検出素子の上記電極間の電圧または上記電極間を流れる電流について一時的な変化を生じさせて、上記検出素子の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、
    上記一時的な変化が生じる期間の前または後のタイミングに得た上記センサ出力の値である第１センサ出力と上記劣化指標とを用いて、上記内部抵抗に対応する目標抵抗値を逐次取得する目標抵抗値取得手段と、
    上記内部抵抗が上記目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段と、を備え、
    前記劣化指標取得手段は、
    前記劣化指標として、前記内部抵抗を一定とした条件下で、前記検出素子の劣化に伴う上記検出素子の内部容量の変化に応じて変化する値を取得する
    酸素センサ制御装置。
11. 請求項１０に記載の酸素センサ制御装置であって、
    前記劣化指標取得手段は、
    前記検出素子の前記電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧から、これと異なるシフト後電圧までシフトさせる電圧シフト手段と、
    上記電圧シフト手段による電圧シフト期間の終了に続いて、上記検出素子の前記内部抵抗及び前記内部容量による自己放電により、上記検出素子電圧を、上記シフト後電圧から上記シフト前電圧に戻す回復手段と、を含み、
    上記回復手段による回復期間に生じる上記検出素子電圧の変化の時定数の大きさに応じた値を、前記劣化指標として取得する
    酸素センサ制御装置。
12. 請求項１１に記載の酸素センサ制御装置であって、
    前記劣化指標取得手段は、
    前記劣化指標として、前記電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける前記検出素子電圧である第１電圧と、上記電圧シフト期間終了後の前記回復期間内の第２検知タイミングにおける上記検出素子電圧である第２電圧との差電圧である１−２電圧差を取得する
    酸素センサ制御装置。