JP6459786B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ制御装置に関するものである。

例えば、内燃機関の排気成分の濃度を検出するガスセンサとして排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）が知られている。このＡ／Ｆセンサは、ジルコニア等の固体電解質とその表面に設けられる一対の電極とを有してなり、一対の電極間に所定の電圧差を生じさせた状態で、排気中の酸素濃度に応じて異なる大きさの素子電流を出力するものとなっている。この場合、例えばＡ／Ｆセンサへの印加電圧を制御することにより、一対の電極間に所定の電圧差を生じさせるようにしている。そして、素子電流に基づいて空燃比が求められる。

Ａ／Ｆセンサにおいては、素子電流を検出するための限界電流域が空燃比がリーンになるほど高電圧側にシフトすることが知られており、素子電流を精度よく検出するべく空燃比に応じて印加電圧を可変に設定する技術が各種提案されている。例えば、Ａ／ＦセンサのＶ−Ｉ特性上において一次直線からなる印加電圧線（印加電圧マップ）を定めておき、その印加電圧線に基づいて、空燃比がリーンになるほど印加電圧を高電圧側にシフトさせる技術が知られている。

また、ＡＳＩＣ（専用ＩＣ）を用いてセンサ制御回路を構築する技術として、印加電圧線の傾きと、素子電流がゼロになる時の印加電圧（原点電圧）とを、ＡＳＩＣ外のハード定数の変更により任意に設定可能とする技術が知られている（特許文献１参照）。かかる技術によれば、出力特性の異なるセンサ素子を用いる場合にも、共通のＡＳＩＣを用いてセンサ制御回路を構築できる。そのため、Ａ／Ｆセンサの型式ごとＡＳＩＣを変更する必要が無く、対応自由度を高めることが可能となっている。

特開２００８−２０３１０１号公報

上記の先行技術では、Ａ／Ｆセンサの型式が異なる場合にもその対応が可能となっているが、型式ごとにＡＳＩＣ外のハード定数の設定作業が必要になるなど、型式対応のための付加作業が存在する。そのため、より一層の簡易化を図るべく改善の余地があると考えられる。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、構成の簡易化を図りつつ、センサ素子において一対の電極間の電圧制御を適正に実施することができるガスセンサ制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質層（１１）とそれを挟むように設けられる一対の電極（１５，１６）とを有するセンサ素子（１０）を備え、前記一対の電極間に所定の電圧差が生じる状態で、被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を出力するガスセンサを制御対象とするものである。そして、ガスセンサ制御装置は、前記一対の電極間への通電を行っている状態から一時的に通電を停止させる通電停止手段と、前記通電停止手段により通電を停止した後に、その通電停止の状態における前記一対の電極間の電圧である素子電圧（Ｖｘ）を算出する素子電圧算出手段と、前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧に基づいて、前記一対の電極間に生じさせる電圧差を制御する電圧制御手段と、を備えることを特徴とする。

固体電解質層と一対の電極とを有してなるセンサ素子では、固体電解質層と各電極との間に電極界面容量が存在する。そのため、センサ素子への通電状態では電極界面容量に電荷が蓄えられ、通電を停止した後も暫くは電極界面容量に蓄えられた電荷が残る。つまり、通電状態では、センサ素子において固体電解質層や電極の直流抵抗での電圧ＶＲと、電極界面容量での電圧ＶＣとを加算した電圧（ＶＣ＋ＶＲ）が一対の電極間に生じるのに対し、通電の停止直後には、センサ素子において電極界面容量での電圧ＶＣのみが一対の電極間に生じることとなる。この場合、電圧ＶＣは、センサ素子のＶ−Ｉ出力特性である限界電流特性において限界電流を発生させている電圧に相当し、この電圧ＶＣが適正であるか否かにより、所望の限界電流を生じさせる上で一対の電極間の電圧差が適正値であるか否かを判断できる。

上記構成によれば、一対の電極間への通電を行っている状態から通電を停止した後に、その通電停止の状態における一対の電極間の電圧である素子電圧が算出され、その素子電圧に基づいて、一対の電極間に生じさせる電圧差が制御される。この場合、通電停止後の素子電圧によれば、限界電流域での電極間の電圧差のずれを好適に把握できる。また特に、直流抵抗の大きさに依存せずに電極間の電圧差を適正化できるため、電圧制御のための定数の設定が不要となる。その結果、構成の簡易化を図りつつ、センサ素子において一対の電極間の電圧制御を適正に実施することができる。

センサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 センサ素子の構成を示す断面図。 センサ素子の出力特性を示す図。 センサ素子の要部構成とその要部構成に対応する等価回路とを示す図。 センサ素子の等価回路を示す図。 センサ素子の出力特性を示す図。 センサ素子の印加電圧制御の概要を説明するための説明図。 印加電圧制御の処理手順を示すフローチャート。 電極間の電圧差と素子電流との変化を示すタイムチャート。 電流検出の処理手順を示すフローチャート。 空燃比が変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図。 素子温度が変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図。 第２実施形態においてセンサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 第２実施形態において電流制御の処理手順を示すフローチャート。 第２実施形態において電極間の電圧差と素子電流との変化を示すタイムチャート。 素子電圧及び目標値の電圧差と電圧変更量との関係を示す図。 印加電圧の上限設定に関する説明図。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）より排出される排気を被検出ガスとして同排気中の酸素濃度（空燃比：Ａ／Ｆ）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにおいて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ空燃比制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン空燃比制御等が適宜実施される。

（第１実施形態）
はじめに、Ａ／Ｆセンサの素子構造を図２を用いて説明する。このＡ／Ｆセンサは、エンジンの排気管に設けられ、排気管内を流れる排気を検出対象として排気中の酸素濃度に応じたセンサ出力を生じさせるものとしている。Ａ／Ｆセンサは、固体電解質層を有し電圧印加状態で排気中の酸素濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子１０を備えており、図２には、積層型構造により構成されるセンサ素子１０の断面構成を示す。センサ素子１０は、実際には図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質層１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層１１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。この一対の電極１５，１６のうち電極１５が排気側電極、電極１６が大気側電極である。拡散抵抗層１２は電極１５へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排気の透過を抑制するための緻密層からなる。拡散抵抗層１２には、電極１５を囲むようにして排気チャンバ１７が設けられている。拡散抵抗層１２と遮蔽層１３は何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。なお、拡散抵抗層１２は、ピンホールが形成されることにより構成されていてもよい。

絶縁層１４はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気室としての大気ダクト１８が形成されている。また、同絶縁層１４にはヒータ１９が埋設されている。ヒータ１９は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。

上記構成のセンサ素子１０において、その周囲の排気は拡散抵抗層１２の側方部位から導入された後、拡散抵抗層１２内を経由して排気チャンバ１７に流れ込み、電極１５に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素が電極１５で分解され、電極１６より大気ダクト１８に排出される。また、排気がリッチの場合、逆に大気ダクト１８内の酸素が電極１６で分解され、電極１５より排気側に排出される。

本実施形態では、排気側電極である電極１５を負極、大気側電極である電極１６を正極としており、図２のように電極１５を負（−）、電極１６を正（＋）としてこれら電極間に印加される印加電圧ＶＰを正電圧としている。ゆえに、その逆に、電極１５を正（＋）、電極１６を負（−）としてこれら電極間に印加される印加電圧ＶＰが負電圧である。

図３は、センサ素子１０の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３では、横軸を電圧、縦軸を電流とし、センサ素子１０の印加電圧ＶＰに対する素子電流ＩＬの関係を表した特性線が示されている。図３の特性線において、横軸である電圧軸に概ね平行な直線部分は限界電流としての素子電流ＩＬを特定する限界電流域であって、素子電流ＩＬの増減は空燃比の増減、すなわちリーン・リッチの程度に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流ＩＬが増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ＩＬが減少する。また、上記特性線において限界電流域よりも低電圧側は、Ｖ−Ｉ座標の原点を通り、かつセンサ素子１０の直流抵抗Ｒｉの大きさに依存する傾きを有する抵抗支配域となっている。

センサ素子１０においては、都度の空燃比に応じて適正な印加電圧ＶＰが定められており、その印加電圧ＶＰの電圧印加状態で素子電流ＩＬが検出される。つまり、限界電流域は、上記のとおり電圧軸に概ね平行になっているが、詳しくは僅かに右上がりになっている。また、上記Ｖ−Ｉ特性にはセンサ素子１０の直流抵抗Ｒｉに応じた傾きが生じている。この場合、素子電流ＩＬに基づいて空燃比を正確に検出するには、印加電圧ＶＰを適正に設定する必要があり、例えば図３に示すように、空燃比ごとに印加電圧ＶＰが定められている。なお、各空燃比における印加電圧ＶＰは、抵抗支配域と同じ傾きを有する直線Ｌ上に定められているとよい。

また本実施形態では、センサ素子１０において固体電解質層１１と各電極１５，１６との間に電極界面容量が存在していることに着目し、センサ素子１０に対する電圧印加状態から電圧印加を停止した後において、電極界面容量に蓄えられた電荷により生じるセンサ素子１０の発生電圧（素子電圧）に基づいて印加電圧制御を行うこととしている。以下に、その詳細を説明する。

まずはセンサ素子１０の構成を図４によりあらためて説明する。図４は、センサ素子１０の要部構成とその要部構成に対応する等価回路とを示す図である。

図４に示すように、センサ素子１０は、ジルコニアＺｒＯ2よりなる固体電解質層１１と、その両側の電極１５，１６と、排気の拡散を制限する拡散抵抗層１２とが積層されて構成されている。この場合、センサ素子１０は、抵抗及び容量からなる等価回路で表すことができる。この等価回路において、Ｒｐ１，Ｒｐ２は大気側電極１６、排気側電極１５のそれぞれの電極リード抵抗である。Ｒｇは固体電解質層１１の粒子抵抗である。Ｒｆ１，Ｃｆ１はそれぞれ電極１６の側の電極界面抵抗、電極界面容量であり、Ｒｆ２，Ｃｆ２はそれぞれ電極１５の側の電極界面抵抗、電極界面容量である。

また、図４の等価回路を簡略化すると、図５のように表すことができる。Ｒｐは電極リード抵抗であり、Ｒｇは固体電解質層１１の粒子抵抗であり、Ｒｆ，Ｃｆはそれぞれ電極界面抵抗、電極界面容量である。この等価回路では、一対の電極１５，１６間に電圧を印加した状態下において、電極リード抵抗Ｒｐと固体電解質層１１の粒子抵抗Ｒｇとに電圧ＶＲが印加され、電極界面抵抗Ｒｆ及び電極界面容量Ｃｆの並列回路に電圧ＶＣが印加されるものとなっている。

ここで、一対の電極１５，１６に対する電圧印加状態では、印加電圧ＶＰが「ＶＲ＋ＶＣ」に相当する電圧値となる。この電圧印加状態では、電極界面容量Ｃｆに電荷が蓄えられる。そして、その状態から電圧印加を停止すると、電圧印加の停止後も暫くは電極界面容量に蓄えられた電荷が残ることから、印加電圧ＶＰがその電荷分に相当する電圧に移行する。つまり、電圧印加状態では、センサ素子１０において固体電解質層１１や電極１５，１６の直流抵抗に印加される電圧ＶＲと、電極界面容量に印加される電圧ＶＣとを加算した電圧（ＶＣ＋ＶＲ）が一対の電極１５，１６間に生じるのに対し、電圧印加の停止直後には、センサ素子１０において電極界面容量に印加される電圧ＶＣのみが一対の電極１５，１６間に生じることとなる。この場合、電圧ＶＣは、センサ素子１０のＶ−Ｉ出力特性である限界電流特性において限界電流を発生させている電圧に相当し、この電圧ＶＣが適正であるか否かにより、所望の限界電流を生じさせる上で印加電圧が適正値であるか否かを判断できる。

これをセンサ素子１０のＶ−Ｉ特性上にて説明する。図６において、空燃比がＡであり、センサ素子１０の一対の電極１５，１６間にＶＡを印加している場合、その印加電圧ＶＡは、直流抵抗分の電圧ＶＲと電極界面容量分の電圧ＶＣとの加算値に相当する。この状態から一対の電極１５，１６間の電圧印加を停止すると、直流抵抗分の電圧ＶＲが無くなり、電極界面容量分の電圧ＶＣのみとなる。この場合、電圧ＶＣは、限界電流域αにおける電圧印加位置を表すものであり、換言すれば、限界電流域αにおいて所望の位置で電流検出が行われているかどうかを表すものとなっている。

ここで、限界電流域αは概ねフラットな領域であるが、実際には僅かな傾きを有している。そのため、限界電流域αにおける電圧印加位置が所望の位置からずれていると、電流検出値にずれが生じ、結果として空燃比の検出値に誤差が生じるおそれがある。

そこで本実施形態では、センサ素子１０の一対の電極１５，１６間に電圧を印加した状態から電圧印加を停止した後に、その電圧印加停止の状態における一対の電極１５，１６間の電圧である素子電圧を算出し、その素子電圧に基づいて、印加電圧ＶＰを制御することとしている。この場合特に、素子電圧が、あらかじめ定めた目標値に一致するよう印加電圧ＶＰをフィードバック制御する。

印加電圧ＶＰのフィードバック制御の概要を図７で説明する。空燃比がＡであり、センサ素子１０の一対の電極１５，１６間にＶＡ１を印加している状態では、直流抵抗分の電圧はＶＲ、電極界面容量分の電圧はＶＣ１である。この状態から電圧印加を停止することで電圧ＶＣ１が検出され、その電圧ＶＣ１が目標値Ｖｔｇよりも小さければ、電圧ＶＣ１と目標値Ｖｔｇとの差に応じて、印加電圧ＶＰが増加側のＶＡ２に変更される。この場合、電極界面容量分の電圧が目標値Ｖｔｇと同じＶＣ２になることで、限界電流域αにおいて所望の位置で電流検出が行われることとなる。目標値Ｖｔｇは例えば０．４Ｖである。

次に、本実施形態の主要な構成を実現するセンサ制御回路３０について図１を参照しながら説明する。

概要として、センサ制御回路３０は、センサ素子１０の大気側電極１６に接続される正側端子Ｓ＋と排気側電極１５に接続される負側端子Ｓ−とを介してセンサ素子１０に接続されている。センサ制御回路３０は、センサ素子１０に流れる素子電流ＩＬ、及びセンサ素子１０のインピーダンスを検出し、その検出結果をエンジンＥＣＵ５０に対して出力する。エンジンＥＣＵ５０は、素子電流ＩＬの検出結果に基づいて排気の空燃比を把握し、空燃比フィードバック制御等を適宜実施する他、素子インピーダンスの検出結果に基づいてヒータ１９の通電制御を実施する。

センサ制御回路３０において、両端子Ｓ＋，Ｓ−のうち負側端子Ｓ−の側には、素子電流ＩＬ及び素子インピーダンスを検出するための構成として、交流信号生成部３１とアンプ部３２と電流検出抵抗３３とが設けられている。交流信号生成部３１は、インピーダンス検出用の信号として所定周波数の交流信号を出力し、その交流信号が基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば２．５Ｖ）と合成されてアンプ部３２に対して出力される。この場合、電流検出抵抗３３の両端においてアンプ部３２側の電圧は基準電圧Ｖｒｅｆを中心に交流変化するようになっている。

また、素子電流ＩＬは電流検出抵抗３３を介して流れ、電流検出抵抗３３の両端においてセンサ素子１０側の電圧、すなわち負側端子電圧ＶＳ−が素子電流ＩＬに応じて変化する。例えば排気がリーンの場合、センサ素子１０において正側端子Ｓ＋から負側端子Ｓ−に電流が流れるためＶＳ−が上昇し、リッチの場合、負側端子Ｓ−から正側端子Ｓ＋に電流が流れるためＶＳ−が低下する。この場合、負側端子電圧ＶＳ−が電圧検出部３４により検出され、その検出信号が電流検出部３５とインピーダンス検出部３６とにそれぞれ入力される。電流検出部３５は、負側端子電圧ＶＳ−に基づいて素子電流ＩＬを検出する。インピーダンス検出部３６は、負側端子電圧ＶＳ−に基づいて素子インピーダンスを検出する。

インピーダンス検出について補足する。交流信号生成部３１から交流信号が出力される状態では、電圧検出部３４から出力されるＶＳ−検出信号が、素子インピーダンスに応じた振幅で交流変化することから、インピーダンス検出部３６では、ＶＳ−検出信号の振幅を検出するとともに、その振幅に相当する信号をインピーダンス検出信号として出力する。なおこの場合、エンジンＥＣＵ５０では、交流電圧の変化量と交流電流の変化量とから素子インピーダンスが算出される。

また、センサ制御回路３０において正側端子Ｓ＋の側には、センサ素子１０への印加電圧を制御するための構成として、素子電圧算出部４１と印加電圧制御部４２とアンプ部４３とスイッチ４４とが設けられている。このうちスイッチ４４は、センサ素子１０に対する電圧印加経路（すなわち通電経路）に設けられ、例えば半導体素子よりなる。スイッチ４４が開閉手段に相当する。スイッチ４４を閉状態にすることにより、印加電圧制御部４２を通じてセンサ素子１０に所定電圧が印加され、スイッチ４４を開状態にすることによりセンサ素子１０に対する印加電圧が遮断される。

素子電圧算出部４１は、センサ素子１０に対して電圧印加した状態から電圧印加を停止した後においてセンサ素子１０の電極界面容量分の電圧ＶＣに相当する素子電圧Ｖｘを算出する。具体的には、素子電圧算出部４１は、スイッチ４４がオンからオフに切り替えられた後に、電圧検出部４５により検出された正側端子電圧ＶＳ＋と、電圧検出部３４により検出された負側端子電圧ＶＳ−とを入力し、それらＶＳ＋，ＶＳ−の差により素子電圧Ｖｘを算出する。

印加電圧制御部４２は、素子電圧Ｖｘを目標値と比較し、その大小関係に基づいて印加電圧ＶＰを増加又は減少させる。これにより、素子電圧Ｖｘが目標値に一致するようにして電圧フィードバックが実施される。印加電圧制御部４２から出力される印加電圧ＶＰは基準電圧Ｖｒｅｆ（例えば２．５Ｖ）と合成されてアンプ部４３に対して出力される。

センサ制御回路３０において電圧印加停止、素子電圧算出、印加電圧制御の各機能はソフトウエアプログラムの実行により実現されるとよい。この場合、素子電圧算出部４１や印加電圧制御部４２は、ＣＰＵ、各種メモリ、Ａ／Ｄ変換器等を有する周知のマイクロコンピュータ４０により構成され、例えばＡＳＩＣとして実現される。以下に、センサ制御回路３０において実施される印加電圧制御に関してより詳細な処理内容を図８のフローチャートを用いて説明する。図８の処理は、マイクロコンピュータ４０により所定周期で実施される。

図８において、ステップＳ１１では、印加電圧ＶＰのフィードバック処理を実施する実施条件が成立しているか否かを判定する。このとき、例えば前回のフィードバック処理からの経過時間が所定時間に達したことに基づいて実施条件が成立するとよい。所定時間は例えば１〜数ｍｓｅｃである。フィードバック処理の実施条件が成立していればステップＳ１２に進み、成立していなければステップＳ２１に進む。なお、実施条件の成立に伴いフィードバック処理が実施される場合には、インピーダンス検出のための交流信号の出力が一時的に停止されるようになっている。

フィードバック処理の実施条件が成立していない場合に、ステップＳ２１に進むと、スイッチ４４をオン（閉鎖）状態とする。続くステップＳ２２では、現時点で決定されている印加電圧ＶＰによりセンサ素子１０への電圧印加を実施する。

また、フィードバック処理の実施条件が成立している場合、ステップＳ１２では、今現在スイッチ４４がオン状態になっているか否かを判定し、オン状態になっていればステップＳ１３に進んで、スイッチ４４をオフ（開放）状態にする。

その後、ステップＳ１４では、スイッチ４４のオフ後において、素子電圧Ｖｘを安定して算出可能な状態であるか否かを判定する。つまり、スイッチ４４をオン状態からオフ状態に切り替える際には、そのオフ直後においてセンサ素子１０の内部電圧が一時的に変動する。そのため、スイッチ４４のオフ後において電圧変動が収まるまでの所定時間、すなわち安定待ち時間が経過したか否かにより、素子電圧Ｖｘを安定して算出可能な状態であるか否かを判定する。そして、素子電圧Ｖｘを安定して算出可能な状態であることを条件に、ステップＳ１５に進んで素子電圧Ｖｘを算出する。このとき、正側端子電圧ＶＳ＋と負側端子電圧ＶＳ−との差により素子電圧Ｖｘを算出する。

その後、ステップＳ１６では、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇよりも小さいか否か判定し、ステップＳ１７では、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇよりも大きいか否か判定する。そして、Ｖｘ＜Ｖｔｇであれば、ステップＳ１８に進み、印加電圧ＶＰを増加側に変更する。また、Ｖｘ＞Ｖｔｇであれば、ステップＳ１９に進み、印加電圧ＶＰを減少側に変更する。このとき、例えば一定の電圧変更量を定めておき、その電圧変更量をスイッチオフ直前の印加電圧ＶＰに対して加算又は減算することで、新たな印加電圧ＶＰを算出する。なお、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの偏差を算出するとともに、その偏差に基づいてＰフィードバック演算、又はＰＩフィードバック演算を実施して電圧変更量を算出する構成であってもよい。その後、ステップＳ２０では、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。

ステップＳ１６，Ｓ１７が共に否定される場合には、スイッチオフ直前の印加電圧ＶＰを変更することなくステップＳ２０に進み、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。その後、ステップＳ２１では、スイッチ４４をオン状態とし、続くステップＳ２２では、現時点で決定されている印加電圧ＶＰによりセンサ素子１０への電圧印加を実施する。

ところで、上記のようにスイッチ４４を一時的にオフする場合には、センサ素子１０の一対の電極１５，１６間の電圧差と、素子電流ＩＬとが図９のように変化する。つまり、図９において、タイミングｔ１でスイッチ４４がオフされ、タイミングｔ２でスイッチ４４がオンされる場合に、一対の電極１５，１６間の電圧差と素子電流ＩＬとが図示のごとく増減変化する。この場合、スイッチ４４のオフからオンへの切替時に素子電流ＩＬにテーリングの現象が生じ、これに起因する電流検出精度の低下が懸念される。そこで本実施形態では、スイッチ４４のオン切替後において所定時間Ｔｄが経過するまでは電流検出を禁止し、その所定時間Ｔｄが経過したタイミングｔ３以後に電流検出を行うようにしている。

素子電流ＩＬの検出を許可する期間と禁止する期間とは電流検出部３５において管理されるとよい。この場合、マイクロコンピュータ４０のソフトウエア処理として電流検出部３５の機能が実現されるとよく、具体的には、図１０に示す電流検出処理により素子電流ＩＬが検出される。

図１０において、ステップＳ３１では、今現在スイッチ４４がオン状態になっているか否かを判定し、続くステップＳ３２では、スイッチ４４がオフからオンに切り替えられてから所定時間が経過したか否かを判定する。そして、ステップＳ３１，Ｓ３２が共にＹＥＳであれば、素子電流ＩＬの検出を許可する。すなわち、ステップＳ３３において負側端子電圧ＶＳ−に基づいて素子電流ＩＬを検出し、その後本処理を一旦終了する。また、ステップＳ３１，Ｓ３２のいずれかがＮＯであれば、素子電流ＩＬを検出することなく本処理を一旦終了する。

次に、エンジン運転状態の変化等に伴い空燃比が変化する場合、及びセンサ素子１０の温度が変化する場合を例示して、上記印加電圧制御の具体的内容について説明する。図１１は、空燃比が例えばＡ／Ｆ１８からＡ／Ｆ１６に変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図であり、図１２は、センサ素子１０の温度が例えば７００℃から６００℃に変化する場合における印加電圧制御を説明するための説明図である。

なおここでは、フィードバック処理において印加電圧ＶＰを所定値ずつ変更することにより素子電圧Ｖｘを目標値Ｖｔｇに一致させる構成について例示している。黒丸印は目標値Ｖｔｇを示し、白丸印は目標値Ｖｔｇに到達する前の素子電圧Ｖｘを示している。また、図１１及び図１２には、処理の順序を示すために括弧書き数字が付されている。

まず図１１において、Ａ／Ｆ１８からＡ／Ｆ１６に変化した直後は、Ａ／Ｆ１８相当の印加電圧ＶＰが印加された状態になっており、スイッチオフ後の素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに対して大きい値となっている。そのため、印加電圧ＶＰが減少側に変更される。ここまでの処理の流れが（０）→（１）→（２）→（３）である。

その後、再びスイッチオフ後の素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとが比較され、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇよりも大きいと、印加電圧ＶＰがさらに減少側に変更される。この処理の流れが（３）→（４）→（５）である。その後、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに一致するまで、（３）→（４）→（５）の処理が必要に応じて繰り返し実施される。

そして、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに一致すると、印加電圧ＶＰは変更されずその時の値のまま保持される。この処理の流れが（５）→（６）→（７）である。なお、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに一致した場合には、電圧印加の停止前の電圧が、目標とすべき印加電圧であり、（７）の電圧と（５）の電圧とは一致する。以後、空燃比の変化が再び生じる都度、その空燃比の変化に追従して同様の処理が実施される。

また、図１２において、素子温度が７００℃の場合と６００℃の場合とでは、直流抵抗Ｒｉの大きさが相違することから、限界電流域が電圧軸に沿ってシフトする。したがって、仮に素子温度が７００℃の場合に限界電流域の所望の位置で印加電圧ＶＰが設定されていても、素子温度が６００℃に変化することで、印加電圧ＶＰが限界電流域の所望の位置から外れてしまう。

かかる場合、素子温度が７００℃から６００℃に変化した直後は、スイッチオフ後の素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに対して小さい値となっている。そのため、印加電圧ＶＰが増加側に変更される。ここまでの処理の流れが（０）→（１）→（２）→（３）である。

その後、再びスイッチオフ後の素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとが比較され、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇよりも小さいと、印加電圧ＶＰがさらに増加側に変更される。この処理の流れが（３）→（４）→（５）である。その後、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに一致するまで、（３）→（４）→（５）の処理が必要に応じて繰り返し実施される。

そして、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに一致すると、印加電圧ＶＰは変更されずその時の値のまま保持される。この処理の流れが（５）→（６）→（７）である。なお図１１と同様に、（７）の電圧と（５）の電圧とは一致する。以後、素子温度の変化が再び生じる都度、その素子温度の変化に追従して同様の処理が実施される。

以上説明した実施形態によれば以下の効果を奏する。

センサ素子１０において一対の電極１５，１６間に電圧を印加した状態から電圧印加を停止した後に、その電圧印加停止の状態における一対の電極１５，１６間の電圧である素子電圧Ｖｘを算出し、その素子電圧Ｖｘに基づいて印加電圧ＶＰを制御する構成とした。この場合、電圧印加停止後の素子電圧Ｖｘによれば、限界電流域での印加電圧ＶＰのずれを好適に把握できる。また特に、直流抵抗Ｒｉの大きさに依存せずに印加電圧ＶＰを適正化できるため、印加電圧制御のための定数の設定が不要となる。その結果、構成の簡易化を図りつつ、センサ素子１０における印加電圧制御を適正に実施することができる。

例えばＡ／Ｆセンサとして複数の型式が存在し、それら各センサで出力特性が異なる場合にも、各々個別にセンサ制御回路を用意する必要がなく、さらにＡＳＩＣ外のハード定数について型式ごとの設定作業も不要となっている。つまり、上記構成によれば、共通の印加電圧制御により複数の型式に対応が可能となっており、設計及び製造に関してコスト低減を実現できる。

また、上記構成では、素子温度が低下しても、その温度低下に追従して適正なる印加電圧制御を継続できる。したがって、素子温度の低温化を図ることが可能となり、ヒータ電力を節約できることから省電力化の効果を期待することもできる。これにより、車両における燃費向上を図ることもできる。

電圧印加の遮断直後に検出した素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇに一致するように印加電圧ＶＰのフィードバック制御を実施する構成にしたため、センサ素子１０に対する印加電圧ＶＰが適正値からずれてしまっても、その印加電圧ＶＰをいち早く適正値に戻すことができる。

センサ素子１０の一方の電極に接続されるスイッチ４４をオン状態かオフ状態に移行させる際には、そのオフ直後において一時的に電圧変動が生じる。この点、上記構成では、スイッチオフ直後において、所定の安定待ち時間が経過した時点で素子電圧Ｖｘを算出する構成にしたため、スイッチオフ後の電圧変動の影響を回避しつつ適正に素子電圧Ｖｘを算出することができる。

スイッチ４４を一時的にオフにした後、スイッチ４４をオンする際に、スイッチオン後に所定時間の経過を待って素子電流ＩＬの検出を開始する構成にした。これにより、スイッチオン直後においてテーリングの発生による素子電流ＩＬの誤検出を抑制できる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。なお以下の説明では、上述の実施形態と同様の構成については同じ符号を付すとともに、重複の説明を適宜省略することとしている。

上記第１実施形態では、センサ素子１０において一対の電極１５，１６間の印加電圧を制御することで、その一対の電極１５，１６間に所定の電位差を生じさせ、その状態で素子電流ＩＬを検出する構成としたが、本実施形態では上記構成を変更し、一対の電極１５，１６間への電流供給量を制御することで、その一対の電極１５，１６間に所定の電位差を生じさせ、その状態で素子電流ＩＬを検出する構成とする。センサ素子１０の電圧制御に関しては、一対の電極１５，１６間への電流供給状態（通電状態）からその電流供給を停止した後に、電流供給停止の状態における一対の電極１５，１６間の電圧である素子電圧Ｖｘを算出し、その素子電圧Ｖｘに基づいて、一対の電極１５，１６間の電圧差を制御する。

図１３は、本実施形態におけるセンサ制御回路３０の構成図である。図１３について図１との相違点を中心に説明する。

図１３において、センサ制御回路３０の負側端子Ｓ−の側には、基準電圧生成部６１とアンプ部３２と電流検出抵抗３３とが設けられている。基準電圧生成部６１は、所定の基準電圧Ｖｒｅｆを生成し出力する。

また、正側端子Ｓ＋の側には、センサ素子１０への電流供給量を制御するための構成として、素子電圧算出部４１と電流制御部６２と交流信号生成部６３とＶ−Ｉ変換部６４とアンプ部４３とスイッチ４４とが設けられている。電流制御部６２は、センサ素子１０への電流供給量に相当する指示電圧Ｖｉｎを算出し出力する。交流信号生成部６３は、インピーダンス検出用の信号として所定周波数の交流信号を出力する。そして、電流制御部６２の指示電圧Ｖｉｎと交流信号生成部６３の交流信号とが合成されてＶ−Ｉ変換部６４に対して出力される。Ｖ−Ｉ変換部６４は、交流電圧を交流電流に変換し、変換後の交流電流がスイッチ４４を介してセンサ素子１０に供給される。

スイッチ４４をオン（閉状態）にすることで、電流制御部６２から出力される指示電圧Ｖｉｎ（電流供給量に相当）に基づいて、センサ素子１０に対する電流供給が行われる。また、スイッチ４４をオフ（開状態）にすることで、センサ素子１０に対する電流供給が停止される。

素子電圧算出部４１は、センサ素子１０に対する電流供給が停止された後においてセンサ素子１０の電極界面容量分の電圧ＶＣに相当する素子電圧Ｖｘを算出する。具体的には、素子電圧算出部４１は、スイッチ４４がオンからオフに切り替えられた後に、電圧検出部４５により検出された正側端子電圧ＶＳ＋と、電圧検出部３４により検出された負側端子電圧ＶＳ−とを入力し、それらＶＳ＋，ＶＳ−の差により素子電圧Ｖｘを算出する。

電流制御部６２は、素子電圧Ｖｘを目標値と比較し、その大小関係に基づいて指示電圧Ｖｉｎを増加又は減少させる。これにより、素子電圧Ｖｘが目標値に一致するようにしてフィードバック処理が実施される。

センサ制御回路３０において電流供給停止、素子電圧算出、電流制御の各機能はソフトウエアプログラムの実行により実現されるとよい。この場合、素子電圧算出部４１や電流制御部６２は、ＣＰＵ、各種メモリ、Ａ／Ｄ変換器等を有する周知のマイクロコンピュータ６０により構成され、例えばＡＳＩＣとして実現される。以下に、センサ制御回路３０において実施される電流制御に関してより詳細な処理内容を図１４のフローチャートを用いて説明する。図１４の処理は、マイクロコンピュータ６０により所定周期で実施される。なお、図１４の処理は、図８の処理の一部を変更したものである。

図１４において、ステップＳ４１〜Ｓ４５は、図８のステップＳ１１〜Ｓ１５と同様の処理であり、指示電圧Ｖｉｎのフィードバック処理を実施する実施条件が成立している場合に、スイッチ４４を一時的にオフ状態にし、スイッチオフ後の安定状態下でＶＳ＋とＶＳ−との差により素子電圧Ｖｘを算出する。

そしてその後、ステップＳ４６では、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇよりも小さいか否か判定し、ステップＳ４７では、素子電圧Ｖｘが目標値Ｖｔｇよりも大きいか否か判定する。そして、Ｖｘ＜Ｖｔｇであれば、ステップＳ４８に進み、指示電圧Ｖｉｎを増加側に変更する。また、Ｖｘ＞Ｖｔｇであれば、ステップＳ４９に進み、指示電圧Ｖｉｎを減少側に変更する。このとき、例えば一定の電圧変更量を定めておき、その電圧変更量をスイッチオフ直前の指示電圧Ｖｉｎに対して加算又は減算することで、新たな指示電圧Ｖｉｎを算出する。なお、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの偏差を算出するとともに、その偏差に基づいてＰフィードバック演算、又はＰＩフィードバック演算を実施して電圧変更量を算出する構成であってもよい。その後、ステップＳ５０では、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。

ステップＳ４６，Ｓ４７が共に否定される場合には、スイッチオフ直前の指示電圧Ｖｉｎを変更することなくステップＳ５０に進み、今回のフィードバック処理を一旦終了する旨を判定する。その後、ステップＳ５１では、スイッチ４４をオン状態とし、続くステップＳ５２では、現時点で決定されている指示電圧Ｖｉｎによりセンサ素子１０への電流供給を実施する。

ところで、電流制御部６２によりセンサ素子１０への電流供給量を制御する構成では、スイッチ４４を一時的にオフにした後に、スイッチ４４をオンする際において、スイッチオン当初における電流のテーリングの発生が抑制される。つまり、図１５に示すように、タイミングｔ１１でスイッチ４４がオフされ、タイミングｔ１２でスイッチ４４がオンされる場合において、スイッチオン当初から電流制御部６２による電流制御が開始されるためにテーリングの発生が抑制される。この場合、電流検出部３５は、スイッチ４４のオン切替後において電流供給の開始当初から素子電流ＩＬの検出を開始する。したがって、素子電流ＩＬの検出が不可となる期間は概ね図１５のｔ１１〜ｔ１２の期間となり、空燃比の不検出期間の短縮を図ることができる。

本実施形態では、センサ素子１０への電流供給量を制御する構成において、通電遮断状態での素子電圧Ｖｘを算出し、その素子電圧Ｖｘが目標値に一致するようにして電流制御を実施することにしたため、印加電圧を制御する構成の第１実施形態と同様に、センサ素子１０において一対の電極１５，１６間の電圧差を適正値にすることができる。これにより、構成の簡易化を図りつつも、素子電流ＩＬの検出、すなわち空燃比の検出を適正に実施できる。

図示による説明は省略するが、上記の電流制御によれば、エンジン運転状態の変化等に伴い空燃比が変化する場合に、素子電圧Ｖｘを目標値にフィードバックさせることにより電流供給量の調整が行われる。これにより、空燃比の変化に追従させつつ電流供給量が適正に制御される。また、センサ素子１０の温度が変化する場合においても、やはり素子電圧Ｖｘを目標値にフィードバックさせることにより電流供給量の調整が行われる。これにより、素子温度の変化に追従させつつ電流供給量が適正に制御される。

（他の実施形態）
上記各実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・図８のステップＳ１８，Ｓ１９において素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差に基づいて所定値ずつ印加電圧ＶＰを変更する際に、印加電圧ＶＰの変更量を、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差が小さい場合にその差が大きい場合に比べて小さくする構成としてもよい。この場合、例えば図１６の関係を用い、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの電圧差に基づいて電圧変更量を設定するとよい。なお、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差が小さい場合に、その差が大きい場合に比べて印加電圧ＶＰの変更量が小さくなるものであれば、図１６の関係は任意であり、電圧差に対してより細かく電圧変更量を定めておくことも可能である。

素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差に応じて印加電圧ＶＰの変更量を可変にすることで、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差が比較的大きい状態にあっても、目標値Ｖｔｇへの収束を早めることができる。また、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差が比較的小さい場合には、目標値Ｖｔｇに対して素子電圧Ｖｘを一致させる精度を高めることができる。

なお、図１４のステップＳ４８，Ｓ４９において素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差に基づいて所定値ずつ指示電圧Ｖｉｎを変更する際に、指示電圧Ｖｉｎの変更量を、素子電圧Ｖｘと目標値Ｖｔｇとの差が小さい場合にその差が大きい場合に比べて小さくする構成としてもよい。

・図８のステップＳ１１、又は図１４のステップＳ４１においてフィードバック処理の実施条件の成否を判定する際に、エンジン運転状態の変化に伴い空燃比の変化が生じる状態にある場合に実施条件が成立する旨を判定するようにしてもよい。具体的には、空燃比フィードバック制御の目標空燃比がストイキからリーン値、リッチ値のいずれかに変更された場合に、又はその逆の場合に、フィードバック処理の実施条件が成立したと判定する。

また、図８のステップＳ１１、又は図１４のステップＳ４１においてフィードバック処理の実施条件の成否を判定する際に、エンジン運転状態の変化に伴いセンサ素子１０の温度変化が生じる状態にある場合に実施条件が成立する旨を判定するようにしてもよい。具体的には、車両の加速要求に伴い排気温度が上昇する場合、又は車両減速時の燃料カットにより排気温度が低下する場合に、フィードバック処理の実施条件が成立したと判定する。

エンジン運転状態の変化に伴い空燃比が変化したりセンサ素子１０の温度が変化したりすると、それに起因して、センサ素子１０への印加電圧ＶＰ又は電流供給量のずれが生じる。この場合、エンジン運転状態の変化に伴う空燃比の変化が生じること、又は素子温度の変化が生じることを判定し、その判定結果に基づいてフィードバック処理を実施する構成にしたため、必要に応じて適度にフィードバック処理を実施できる。なお、フィードバック処理のために必要以上にスイッチオフが実施されると、素子電流ＩＬの検出やインピーダンス検出の中断が増えてこれら各検出への影響が懸念されるが、フィードバック処理を適度に実施することで、素子電流ＩＬの検出やインピーダンス検出への影響を抑制できる。

・一対の電極１５，１６間の電圧差を増加させる側に変更する場合に、その電圧差が所定の上限電圧に達したか否かを判定し、電圧差が上限電圧に達したと判定される場合に、電圧差の増加を停止させる構成にしてもよい。例えばセンサ素子１０の温度が低下する場合には、図１７に示すように、Ｖ−Ｉ特性の傾きが小さくなり、限界電流域（フラット域）が高電圧側にシフトする。この場合、素子電圧Ｖｘが目標値に一致するまで印加電圧ＶＰを増加させると、印加電圧ＶＰが過剰に大きくなり、センサ素子１０において黒色化等の不具合の発生が懸念される。そこで、例えば１Ｖを上限値として定めておき、印加電圧ＶＰが上限値に達した時点でフィードバック処理を停止させる。

具体的には、センサ制御回路３０のマイクロコンピュータ４０は、図８のステップＳ１８において印加電圧ＶＰが上限値に達しているか否かを判定し、印加電圧ＶＰが上限値に達している場合に、印加電圧ＶＰの増加を停止させる。印加電圧ＶＰが上限値に達する場合には、印加電圧ＶＰをあらかじめ定めた規定値（例えば０．４Ｖ）に固定する構成であってもよい。

また、図１４でも同様に、ステップＳ４８において、指示電圧Ｖｉｎが上限値に達しているか否かを判定し、指示電圧Ｖｉｎが上限値に達している場合に、指示電圧Ｖｉｎの増加を停止させるとよい。

・素子電圧Ｖｘの目標値Ｖｔｇを空燃比ごとに設定することも可能である。この場合、空燃比と目標値Ｖｔｇとの関係を規定した関係データをあらかじめ用意しておき、その関係データを用いて空燃比ごとに目標値Ｖｔｇを設定する。

・酸素濃度を検出可能とするＡ／Ｆセンサ以外に、ＮＯｘやＨＣなど、他のガス濃度成分を検出可能とするガスセンサにも本発明が適用できる。例えば、固体電解質層にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すとともに酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分（ＮＯｘ、ＨＣなど）のガス濃度を検出するガスセンサへの適用が可能である。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ガソリンエンジン以外にディーゼルエンジンなど他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするガスセンサ制御装置としても具体化できる。また、ガスセンサは、車両以外の用途で用いられるものであってもよく、さらにはエンジンの吸気や排気以外を被検出ガスとするものであってもよい。

１０…センサ素子、１１…固体電解質層、１５，１６…電極、３０…センサ制御回路（ガスセンサ制御装置）。

Claims (8)

1. 固体電解質層（１１）とそれを挟むように設けられる一対の電極（１５，１６）とを有するセンサ素子（１０）を備え、前記一対の電極間に所定の電圧差が生じる状態で、被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を出力するガスセンサを制御対象とするガスセンサ制御装置（３０）であり、
   前記一対の電極間への通電を行っている状態から一時的に通電を停止させる通電停止手段と、
   前記通電停止手段により通電を停止した後に、その通電停止の状態における前記一対の電極間の電圧である素子電圧（Ｖｘ）を算出する素子電圧算出手段と、
   前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧が、前記一対の電極間の通電停止状態での電圧としてあらかじめ定めた目標値に一致するように、前記一対の電極間に生じさせる電圧差をフィードバック制御する電圧制御手段と、
   前記電圧制御手段により前記電圧差が制御された状態で、前記素子電流に基づく前記所定成分の濃度検出を実施する検出手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記電圧制御手段は、前記電圧差を変更する際の変更量を、前記素子電圧算出手段により算出した素子電圧と前記目標値との差が小さい場合にその差が大きい場合に比べて小さくする請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記一対の電極のいずれかに接続され、当該一対の電極に対する通電経路を開閉する開閉手段（４４）を備え、
   前記通電停止手段は、前記開閉手段を閉状態から開状態に移行させることで、前記一対の電極間への通電を停止させ、
   前記素子電圧算出手段は、前記開閉手段を閉状態から開状態に移行させた後、所定時間が経過した時点で、通電停止の状態における前記素子電圧を算出する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記素子電流を検出する電流検出手段を備え、
   前記電流検出手段は、前記開閉手段が開状態から閉状態に移行してから所定時間が経過した時に前記素子電流の検出を許可する請求項３に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記一対の電極間に電流を供給する電流供給手段と、前記素子電流を検出する電流検出手段とを備え、前記電流供給手段による電流の供給量を制御することで、前記一対の電極間に前記所定の電圧差を生じさせるガスセンサ制御装置であって、
   前記電流検出手段は、前記開閉手段が開状態から閉状態に移行し、かつ前記電流供給手段による電流供給が開始された時に、前記素子電流の検出を許可する請求項３に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記電圧制御手段により前記一対の電極間の電圧差を増加させる側に変更する場合に、その電圧差が所定の上限電圧に達したか否かを判定する上限判定手段を備え、
   前記電圧差が前記上限電圧に達したと判定される場合に、前記電圧差の増加を停止させる請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記ガスセンサは、内燃機関から排出される排気を前記被検出ガスとし、排気中の酸素濃度を検出するものであり、
   前記内燃機関の運転状態の変化に伴い空燃比の変化が生じることを判定する空燃比判定手段を備え、
   前記空燃比の変化が生じると判定された場合に、前記通電停止手段による通電の停止、前記素子電圧算出手段による前記素子電圧の算出、及び前記電圧制御手段による電圧制御を実施する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記ガスセンサは、内燃機関から排出される排気を前記被検出ガスとし、排気中の酸素濃度を検出するものであり、
   前記内燃機関の運転状態の変化に伴い前記センサ素子の温度変化が生じることを判定する素子温度判定手段を備え、
   前記センサ素子の温度変化が生じると判定された場合に、前記通電停止手段による通電の停止、前記素子電圧算出手段による前記素子電圧の算出、及び前記電圧制御手段による電圧制御を実施する請求項１乃至７のいずれか１項に記載のガスセンサ制御装置。

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