JP2001228111A - 酸素濃度センサの素子抵抗検出装置 - Google Patents

酸素濃度センサの素子抵抗検出装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】用途に応じて、異なる周波数帯域の素子抵抗を
検出することができる酸素濃度センサの素子抵抗検出装
置を提供する。 【解決手段】限界電流式のA/Fセンサ10は、固体電
解質を用いたセンサ素子部11を有している。車載EC
U1は、センサ素子部11に接続され、所定電圧を印加
する。所定電圧の印加時に、マイコン20は、センサ素
子部11に流れる電流に基づいて酸素濃度を検出する。
マイコン20は、濃度検出のためにセンサ素子部11に
印加した電圧を素子抵抗検出用の電圧に所定の時定数を
持たせて変化させ、その時の電圧変化とそれに伴う電流
変化とからセンサ素子部の抵抗値を検出する。マイコン
20は、スイッチSW1をオン又はオフし印加電圧の時
定数を切り替え、ヒータ12を制御するための素子抵抗
と、A/Fセンサ10の劣化を判定するための素子抵抗
とを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車載用エン
ジンの排ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度セ
ンサに係り、その酸素濃度センサの素子抵抗を検出する
酸素濃度センサの素子抵抗検出装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】この種の酸素濃度センサとして、固体電
解質を用いて排ガス中の酸素濃度を検出する限界電流式
空燃比センサが知られている。このセンサでは、その出
力信号の温度依存性が大きいため、酸素濃度の検出精度
を良好に維持するには固体電解質などからなるセンサ素
子を活性状態に保つことが必要である。このため、セン
サに付設されたヒータを通電制御することにより、セン
サ素子を加熱して活性状態に維持するようにしている。
【0003】同ヒータの通電制御において、センサ素子
の抵抗値(素子抵抗値)がセンサ素子の温度(素子温
度)に対して所定の対応関係を有することを利用し、検
出される素子抵抗値を目標抵抗値に一致させるようにヒ
ータへの通電量が制御されている。
【0004】酸素濃度センサの素子抵抗値を検出する手
法としては、所定の時定数を持たせて印加電圧をステッ
プ状に変化させ、その電圧変化と電流変化により酸素濃
度センサの素子抵抗値を検出するものが知られている
(例えば、特開平11−201935号公報)。
【0005】この種の酸素濃度センサは、主要な構成と
して図8に示す如く、固体電解質層とその両側面の一対
の電極と拡散抵抗層とからなる。また、同酸素濃度セン
サは、図9の等価回路で表すことができる。この等価回
路において、Ra1,Ra4は電極界面抵抗であり、C
a1,Ca4は電極界面容量である。また、Ra2は酸
素イオンに対する固体電解質の粒子抵抗であり、Ra3
とCa3はそれぞれ固体電解質の粒子の界面における粒
界抵抗と粒界容量である。なお、VEPは、排ガス中の
酸素濃度に応じて発生する起電力である。
【0006】図10は、上記図9の如く表される酸素濃
度センサの複素インピーダンス特性を示す。図10にお
いて、横軸は複素インピーダンスの実数部を、縦軸は虚
数部を示している。つまり、周波数が低くほぼ0Hzに
おいて酸素濃度センサのインピーダンスRiは、Ra
1,Ra2,Ra3,Ra4の合計値(=Ra1+Ra
2+Ra3+Ra4)となり、周波数が高くなるに従
い、酸素濃度センサのインピーダンスは減少する。そし
て、図10のA点付近(周波数=1kHz〜5kHz)
では、周波数に対するインピーダンス変化が少なく、R
a2とRa3の合計値が交流インピーダンスとして検出
されることとなる。
【0007】従って、上記Ra2+Ra3からなる交流
インピーダンス(素子抵抗)を検出すべく、印加電圧の
時定数が決定されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
素子抵抗検出装置では、時定数を固定として酸素濃度セ
ンサの素子抵抗が検出されるため、以下に示す問題が生
じる。
【0009】例えば、従来より、ヒータ制御を行うため
に検出した素子抵抗を用い、その素子抵抗の変化に基づ
いてセンサの異常を判定する技術が提案されている。し
かしながら、上記の通り、Ra2+Ra3からなる素子
抵抗を検出する場合、劣化に伴う素子抵抗の変化が少な
い。そのため、劣化検出が精度よく実施できないおそれ
があった。
【0010】また、図10に示すA点で周波数を決定す
ることで、上記Ra2+Ra3からなる素子抵抗が検出
できるが、センサの個体差や、コップ型か又は積層型か
といった酸素濃度センサの種類によって、A点が変化す
ることが考えられる。A点が変化すると交流インピーダ
ンスとしての正しい素子抵抗が検出できなくなる。この
場合、ヒータ通電の制御性が悪化し、望み通りに素子温
度が制御できなくなる。
【0011】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、用途に応じて、
異なる周波数帯域の素子抵抗を検出することができる酸
素濃度センサの素子抵抗検出装置を提供することであ
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】固体電解質を用いた酸素
濃度センサは、前述したように、図9の等価回路で表さ
れ、その素子抵抗(交流インピーダンス)は、交流入力
電圧の周波数に応じて変化する。また、印加電圧を所定
の時定数を持たせて変化させることによって、周波数成
分を含む単発的な信号が酸素濃度センサに加わることと
なり、その時の電圧変化とそれに伴う電流変化とから検
出される素子抵抗値は、時定数により決定される所定周
波数での交流インピーダンスとなる。つまり、請求項1
に記載の発明のように、時定数切替手段により印加電圧
の時定数を切り替える構成とすることにより、異なる周
波数帯域における素子抵抗値が検出される。
【0013】従って、時定数固定の従来技術とは異な
り、例えば、ヒータ通電制御に適した周波数帯域の素子
抵抗値と、劣化判定に適した周波数帯域の素子抵抗値と
を検出することができる。また、センサの個体差や、コ
ップ型か又は積層型かといった酸素濃度センサの種類に
応じた最適な周波数帯域の素子抵抗値の検出が可能とな
る。
【0014】時定数が切り替えられると、印加電圧が変
化した後、センサ素子部に流れる電流が収束するタイミ
ングが変わるが、請求項2に記載の発明によれば、時定
数が切り替えられる時、その時の時定数に応じて、電圧
変化後にセンサ素子部の電流を検出するタイミングが変
更されるので、適正なるタイミングでセンサ素子部の電
流が検出される。従って、時定数切り替え時にも素子抵
抗が正しく検出できる。
【0015】具体的に、センサの劣化による素子抵抗値
の変化度合は、高周波域では小さく低周波域ほど大きく
なる。つまり、時定数を大きくしたときに検出される素
子抵抗値ほど劣化の進行による変化度合が大きくなる。
【0016】従って、請求項3に記載の発明によれば、
時定数切替手段により時定数が小さい第1の時定数に切
り替えられ、劣化による変化が少ない素子抵抗値が検出
される。そして、その素子抵抗値に基づきヒータ制御手
段によって目標の素子抵抗値となるようにヒータへの通
電量が制御される。一方、時定数切替手段により時定数
が大きい第2の時定数に切り替えられ、劣化による変化
が大きい素子抵抗値が検出される。そして、その素子抵
抗値に基づき劣化判定手段によって酸素濃度センサの劣
化が判定される。この場合、素子温度が活性温度域に維
持され、被検出ガス中の酸素濃度の検出精度を良好に保
つことができ、酸素濃度センサの劣化も精度よく判定で
きる。
【0017】前述したように、図10のA点付近の周波
数では、粒子抵抗Ra2及び粒界抵抗Ra3からなる素
子抵抗値が検出され、そのA点付近の周波数に対して周
波数が低くなると、電極界面抵抗Ra1,Ra4を含む
素子抵抗値が検出される。この固体電解質の粒子抵抗R
a2及び粒界抵抗Ra3は長期の使用により劣化が進行
しても変化しないが、電極界面抵抗Ra1,Ra4は劣
化が進行すると大きくなる。
【0018】従って、請求項4に記載の発明のように、
第1の時定数は、粒子抵抗Ra2及び粒界抵抗Ra3か
らなる素子抵抗値を検出するよう設定され、第2の時定
数は、電極界面抵抗Ra1,Ra4を含む素子抵抗値を
検出するよう設定される。
【0019】第2の時定数に切り替えられたときに検出
される素子抵抗値は、劣化による変化が大きいので、そ
の変化に応じてセンサの劣化度合を判定できる。この場
合、請求項5に記載の発明のように、第2の時定数に切
り替えられたときに検出される素子抵抗に基づいて、補
正手段によりヒータを通電制御するための目標素子抵抗
値が補正される。その結果、素子温度に対する素子抵抗
値の関係が劣化により変化したとしても、その関係が補
正されることとなり、素子温度を活性温度域に維持する
ことができる。
【0020】請求項6に記載の発明によれば、電圧変更
手段によりセンサ素子部に印加するための電圧がステッ
プ状に切り替えられ、その電圧変更手段の出力電圧が抵
抗とコンデンサとからなるR−C回路に入力される。こ
れにより、センサ素子部へ印加する電圧が所定の時定数
を持たせて変化されるが、この時定数は、スイッチ手段
を用いてR−C回路の抵抗成分を変更することで切り替
えられる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、本
発明を車両用エンジンの空燃比制御システムに適用し、
同システムの空燃比検出装置として具体化している。車
両に搭載される電子制御装置(以下、車載ECUとい
う)は、エンジン排気管に設けられた限界電流式空燃比
センサ(A/Fセンサ)による検出結果を基に、空燃比
フィードバック(F/B)制御を実施すると共に、当該
A/Fセンサの素子温を監視しつつ同センサを常に活性
状態に保持するためのヒータ加熱制御を実施する。以下
に、その詳細を説明する。
【0022】図1は、本実施の形態における車載ECU
1と同ECU1により駆動されるA/Fセンサ10の概
要を示す電気的構成図である。図1に示すように、酸素
濃度センサとしてのA/Fセンサ10は、その主要な構
成としてセンサ素子部11とヒータ12とを有し、車載
ECU1に接続されている。
【0023】A/Fセンサ10は、図示しないエンジン
の本体から伸びた排気管14(図2参照)に取り付けら
れており、同A/Fセンサ10には、ECU1による電
圧の印加に伴い排ガス中の酸素濃度に比例した電流が流
れる。車載ECU1は、マイクロコンピュータ(以下、
マイコンという)20を備え、同マイコン20によって
A/Fセンサ10に流れる電流が検出されその検出結果
に基づいて空燃比F/B制御が実施される。また、マイ
コン20によりセンサ素子部11の素子抵抗値が検出さ
れその検出結果に基づいてヒータ12への通電量が制御
されて、A/Fセンサ10が所定の活性温度(例えば、
700℃)に保持される。
【0024】ここで、A/Fセンサ10の構成を図2を
用いて説明する。図2において、A/Fセンサ10は排
気管14の内部に向けて突設されており、同センサ10
は大別して、カバー15、センサ素子部11及びヒータ
12から構成されている。カバー15は断面コ字状をな
し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔15
aが形成されている。センサ素子部11は空燃比リーン
領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域にお
ける未燃ガス(CO,HC,H2 等)濃度に対応する限
界電流を発生する。
【0025】センサ素子部11の構成について詳述す
る。センサ素子部11において、断面コップ状に形成さ
れた固体電解質層16の外表面には、排ガス側電極層1
7が固着され、内表面には大気側電極層18が固着され
ている。また、排ガス側電極層17の外側には、プラズ
マ溶射法等により拡散抵抗層19が形成されている。固
体電解質層16は、ZrO2 、HfO2 、ThO2 、B
i2 O3 等にCaO、MgO、Y2 O3 、Yb2 O3 等
を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結
体からなり、拡散抵抗層19は、アルミナ、マグネシ
ャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質
からなる。排ガス側電極層17及び大気側電極層18は
共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面
には多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排ガ
ス側電極層17の面積及び厚さは、10〜100mm^2
(平方ミリメートル)及び0.5〜2.0μm程度とな
っており、一方、大気側電極層18の面積及び厚さは、
10mm^2(平方ミリメートル)以上及び0.5〜2.
0μm程度となっている。
【0026】ヒータ12は大気側電極層18内に収容さ
れており、その発熱エネルギによりセンサ素子部11
(大気側電極層18、固体電解質層16、排ガス側電極
層17及び拡散抵抗層19)を加熱する。ヒータ12
は、センサ素子部11を活性化するに十分な発熱容量を
有している。
【0027】上記構成のA/Fセンサ10において、セ
ンサ素子部11は理論空燃比点よりリーン領域では酸素
濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度
に対応する限界電流は、排ガス側電極層17の面積、拡
散抵抗層19の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定さ
れる。また、センサ素子部11は酸素濃度を直線的特性
にて検出し得るものであるが、このセンサ素子部11を
活性化するのに約600℃以上の高温が必要とされると
共に、同センサ素子部11の活性温度範囲が狭いため、
エンジンの排ガスだけの加熱ではセンサ素子部11を活
性領域で維持できない。そのため、ヒータ12の加熱制
御によりセンサ素子部11を活性温度域にまで加熱す
る。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃
ガス中の一酸化炭素(CO)等の濃度が空燃比に対して
ほぼリニアに変化し、センサ素子部11はCO等の濃度
に応じた限界電流を発生する。
【0028】A/Fセンサ10のヒータ12は、図1に
示すように、一端がバッテリ電源+Bに接続され、他端
がECU1内のスイッチング素子、例えばMOSFET
21のドレインに接続されている。このMOSFET2
1は、ソースがグランドに接続され、ゲートがマイコン
20の出力ポートに接続されている。同マイコン20で
MOSFET21のオン/オフを制御することによって
ヒータ12の通電量(ヒータデューティ)が制御され
る。
【0029】また、車載ECU1において、電源電圧V
c(=5V)とグランド(=0V)との間に3つの抵抗
R1,R2,R3が直列に接続されている。これら抵抗
により電源電圧Vcが分圧されることで、抵抗R1と抵
抗R2との接続部にて第1電圧V1が生成され、抵抗R
2と抵抗R3との接続部にて第2電圧V2が生成され
る。なお、本実施の形態において、各抵抗R1,R2,
R3の抵抗値は、夫々、3.9kΩ,390Ω,2.2
1kΩに設定されている。よって、抵抗R1と抵抗R2
との接続点に生じる第1電圧V1は3.0Vであり、抵
抗R2と抵抗R3との接続点に生じる第2電圧V2は
3.3Vである。
【0030】抵抗R1と抵抗R2との接続部はオペアン
プOP1の非反転入力端子に接続され、同オペアンプO
P1の出力端子はセンサ素子部11のマイナス側端子A
F−に接続される。このオペアンプOP1は、反転入力
端子と出力端子とが接続されており、ボルテージホロワ
として動作する。これにより、オペアンプOP1の非反
転入力端子に入力される第1電圧V1(=3.0V)が
オペアンプOP1の出力電圧と等しくなり、この第1電
圧V1がセンサ素子部11のマイナス側端子AF−に入
力される。
【0031】一方、抵抗R2と抵抗R3との接続部はオ
ペアンプOP2の非反転入力端子に接続され、同オペア
ンプOP2において、反転入力端子と出力端子とが接続
されている。このオペアンプOP2も、ボルテージホロ
ワとして動作することによりオペアンプOP2の非反転
入力端子に入力される第2電圧V2(=3.3V)がオ
ペアンプOP2の出力電圧と等しくなる。また、オペア
ンプOP2の出力端子は抵抗R4を介して、抵抗R5と
抵抗R6との間に接続されている。抵抗R5はPNP型
のトランジスタTp1を介して電源電圧Vcに接続され、
抵抗R6はNPN型のトランジスタTn1を介してグラン
ドに接続されている。各トランジスタTp1,Tn1のベー
スは、それぞれ抵抗R7,R8を介してマイコン20の
出力ポートに接続され、同マイコン20によってトラン
ジスタTp1,Tn1のオン/オフが切り替えられる。この
切り替えにより、抵抗R5,R6間の電圧Vpが変化す
る。
【0032】具体的には、2つのトランジスタTp1,T
n1が共にオフ状態ならば、抵抗R5,R6間の電圧Vp
は、オペアンプOP2から出力される第2電圧V2とな
る。また、2つのトランジスタTp1,Tn1のうちトラン
ジスタTn1だけがオン状態ならば、電圧Vpは、第2電
圧V2と接地電位との差圧(即ち、第2電圧V2)を抵
抗R4と抵抗R6とで分圧した電圧(V2−△Va)と
なる。逆に、2つのトランジスタTp1,Tn1のうちトラ
ンジスタTp1だけがオン状態ならば、電圧Vpは、電源
電圧VCと第2電圧V2との差圧(VC−V2)を抵抗R
4と抵抗R5とで分圧した電圧(V2+△Vb)とな
る。
【0033】尚、本実施の形態では、各抵抗R4,R
5,R6の抵抗値が、夫々、200Ω,1.5kΩ,
3.09kΩに設定されている。よって、上記分圧電圧
(V2−△Va)は3.1Vとなり、また、上記分圧電
圧(V2+△Vb)は3.5Vとなる。つまり、上記△
Vaと△Vbは共に0.2Vである。
【0034】抵抗R5と抵抗R6との接続部は、抵抗R
10を介してオペアンプOP3の非反転入力端子に接続
されるとともに、スイッチSW1と抵抗R11を介して
オペアンプOP3の非反転入力端子に接続されている。
スイッチSW1は、マイコン20の出力ポートに接続さ
れており、マイコン20によりオンまたはオフに切り替
えられるようになっている。また、オペアンプOP3の
非反転入力端子とグランド間には、コンデンサC1が接
続されている。
【0035】なお、本実施の形態では、抵抗R10,R
11及びコンデンサC1により構成される回路がR−C
回路に相当する。また、スイッチSW1がスイッチ手段
に相当し、トランジスタTp1,Tn1が電圧変更手段に相
当する。
【0036】上述のように車載ECU1を構成した場
合、トランジスタTp1,Tn1の切り替えにより抵抗R
5,R6間の電圧Vpが変化すると、抵抗R10とコン
デンサC1、或いは抵抗R10,R11の並列回路とコ
ンデンサC1とにより決定される時定数に応じて、電圧
Vpの変化がなまされ、オペアンプOP3の非反転入力
端子に入力される。ここで、スイッチSW1がオフのと
きの時定数は、主に抵抗R10とコンデンサC1とによ
り決定され、スイッチSW1がオンのときの時定数は、
主に抵抗R10,R11の並列回路とコンデンサC1と
により決定される。従って、スイッチSW1がオンから
オフとなる場合、時定数は小→大に切り替えられること
となる。
【0037】また、オペアンプOP3の出力端子は、抵
抗R12を介してセンサ素子部11のプラス側端子AF
+に接続され、オペアンプOP3の反転入力端子もセン
サ素子部11のプラス側端子AF+に接続されている。
これにより、センサ素子部11のプラス側端子AF+に
は、オペアンプOP3の非反転入力端子に入力される電
圧が印加され、該プラス側端子AF+に接続された抵抗
R12には、センサ素子部11を流れる素子電流(排ガ
ス中の酸素濃度に応じて流れる限界電流)Iが流れる。
【0038】抵抗R12の両端はA/D変換器22に接
続されており、その抵抗R12の両端電圧Vi,Voが
A/D変換器22を介してマイコン20に取り込まれ
る。これにより、排ガス中の酸素濃度や、センサ素子部
11の抵抗値(素子抵抗値)が検出されるようになって
いる。
【0039】具体的には、酸素濃度検出時において、マ
イコン20により2つのトランジスタTp1,Tn1が共に
オフ状態に維持される。この状態では、オペアンプOP
2から出力される第2電圧V2(=3.3V)がそのま
まオペアンプOP3の非反転入力端子に出力されるた
め、センサ素子部11のプラス側端子AF+には、第2
電圧V2が印加される。一方、センサ素子部11のマイ
ナス側端子AF−には、第1電圧V1(=3.0V)が
印加される。つまり、抵抗R1,R2,R3で分圧する
ことにより生成された第1電圧V1と第2電圧V2との
差(V2−V1=0.3V)がA/Fセンサ10の両端
子AF+,AF−間に印加される。そして、その電圧の
印加に伴い、A/Fセンサ10には、その時々の排ガス
中の酸素濃度に応じた限界電流が流れる。このとき、抵
抗R12には、センサ素子部11を流れる素子電流Iと
同じ電流が流れるため、抵抗R12の両端電位の差は素
子電流Iに比例した値となる。
【0040】よって、マイコン20は、A/D変換器2
2を介して入力される抵抗R12の両端電圧Vi,Vo
の差(Vi−Vo)を、抵抗R12の抵抗値で割ること
により、センサ素子部11を流れる素子電流Iを求め
る。そして、マイコン20は、この素子電流Iから、例
えば4ms毎に混合気の空燃比(排ガスの酸素濃度)を
算出する。
【0041】一方、A/Fセンサ10の素子抵抗値を検
出する場合には、マイコン20によりトランジスタTp
1,Tn1のいずれかがオン状態とされ、濃度検出のため
にセンサ素子部11に印加した電圧を所定の時定数を持
たせて変化させる。このとき、電圧変化(△V)に伴う
電流変化(△I)からセンサ素子部11の抵抗値(素子
抵抗値)が検出される。
【0042】本実施の形態で言う所定の時定数を持たせ
た電圧とは周波数成分を含む単発的な信号である。つま
り、A/Fセンサ10への印加電圧を掃引して検出され
るセンサ素子部11の抵抗値は、所定の時定数に対応し
た周波数帯域における交流インピーダンスに相当する。
【0043】図3は、素子温度=700℃におけるA/
Fセンサ10の周波数特性を示している。同図において
実線で示すように、A/Fセンサ10のインピーダンス
は、周波数が高くなるに従い徐々に小さくなる。ここ
で、前述したように、A/Fセンサ10の等価回路は図
9となり、交流インピーダンスは、高周波域では、粒子
抵抗Ra2と粒界抵抗Ra3との合計値(≒30Ω)に
収束する。また、同図3の点線は、長期の使用により劣
化したA/Fセンサ10の特性を示している。つまり、
A/Fセンサ10のインピーダンスは、高周波域で
は、劣化したとしても殆ど変化しないが、低周波域では
劣化の進行に伴い大きくなる。この理由は、固体電解質
を有するA/Fセンサ10において、固体電解質の粒子
抵抗のRa2及び粒界抵抗のRa3の値は、劣化したと
しても変化しないが、電極界面抵抗であるRa1とRa
4の抵抗値は、劣化が進行すると大きくなるためであ
る。
【0044】従って、本実施の形態では、前記スイッチ
SW1を切り替えることで印加電圧の時定数を変更し、
劣化による変化が少ない高周波域のインピーダンス(素
子抵抗ZacH)と、劣化による変化が大きい低周波域
のインピーダンス(素子抵抗ZacL)とを検出するよ
うに構成している。ここで、スイッチオン時の時定数が
第1の時定数に相当し、スイッチオフ時の時定数が第2
の時定数に相当する。スイッチオン時の第1の時定数
は、高周波域(例えば、4.5kHz)での粒子抵抗R
a2及び粒界抵抗Ra3からなる素子抵抗値を検出する
よう設定される。また、スイッチオフ時の第2の時定数
は、低周波域(例えば、45Hz)での電極界面抵抗R
a1,Ra4を含む素子抵抗値を検出するよう設定され
る。
【0045】具体的にA/Fセンサ10の素子抵抗値を
検出する場合、空燃比を検出すべくA/Fセンサ10に
印加している電圧を図4に示す如く所定時間(例えば、
128ms)毎に変化させる。なお、本実施の形態で
は、所定時間(例えば、128ms)毎にスイッチSW
1のオン/オフが切り替えられるように構成され、高周
波域(時定数小)における素子抵抗ZacHと、低周波
域(時定数大)における素子抵抗ZacLとが交互に検
出されるようになっている。
【0046】ここで、スイッチSW1をオン状態とし、
印加電圧の時定数を小さくした場合(高周波域)におけ
る素子抵抗ZacHの検出方法を図4(b)のタイミン
グチャートを用いて説明する。なお、図4(b)は、図
4(a)にて楕円にて囲んだ部分を拡大して示すもので
ある。
【0047】図4(b)の時刻t1では、抵抗R12と
プラス側端子AF+との間の電圧Voを検出する。この
時刻t1で検出した電圧を「Vo(t1)」と記す。時
刻t1直後の時刻t2では、オペアンプOP3と抵抗R
12との間の電圧Viを検出する。この時刻t2で検出
した電圧を「Vi(t2)」と記す。
【0048】時刻t2直後の時刻t3では、トランジス
タTp1,Tn1のうちトランジスタTn1をオンさせ、抵抗
R5と抵抗R6間の電圧Vpを空燃比検出用の通常電圧
(=3.3V)よりもΔVa(=0.2V)だけ低い電
圧(=3.1V)に変化させる。
【0049】時刻t3から予め定められた所定時間T1
(本実施の形態では、135μs)が経過した時刻t4
では、オペアンプOP3と抵抗R12との間の電圧Vi
を検出する。この時刻t4で検出した電圧を「Vi(t
4)」と記す。時間T1は、時刻t3から素子電流Iの
変化分ΔIがピークになると予想される時間に設定され
ている。
【0050】時刻t4直後の時刻t5では、抵抗R12
とプラス側端子AF+との間の電圧Voを検出する。こ
の時刻t5で検出した電圧を「Vo(t5)」と記す。
そして、下記の数式(1)により、素子抵抗ZacHを
演算する。但し、抵抗R12の抵抗値をRsとする。
【0051】
【数1】 なお、上記式(1)において、{Vo(t1)−Vo
(t5)}が印加電圧の変化分ΔVであり、それ以外の
部分が素子電流Iの変化分ΔIである。また、式(1)
における{Vo(t1)−Vo(t5)}は、既知のΔ
Vaに置き換えることも可能である。
【0052】その後、時刻t3から予め定められた所定
時間T2(本実施の形態では、200μs)が経過した
時刻t6では、トランジスタTn1をオフさせるととも
に、トランジスタTp1をオンさせ、抵抗R5,R6間の
電圧Vpを通常電圧(=3.3V)よりもΔVb(=
0.2V)だけ高い電圧(=3.5V)に変化させる。
【0053】時刻t6から予め定められた所定時間T3
(本実施の形態では、200μs)が経過した時刻t7
では、トランジスタTn1,Tp1を共にオフさせて電圧V
pを通常電圧(=3.3V)に戻す。
【0054】なお、素子抵抗ZacHの演算が終了した
時刻t6において、電圧Vpを通常電圧よりも正側(最
初の変化方向とは逆側)に変化させているのは、素子電
流Iの収束を早めるためである。すなわち、A/Fセン
サ10への印加電圧を再び通常電圧に復帰させる際に、
その電圧を直接、元の通常電圧に切り換えると、A/F
センサ10のセンサ素子部11が有する容量成分に蓄え
られた電荷に影響により、素子電流Iは電圧の復帰直後
においてピーク電流を発生し、結果として元の電流値に
収束するまでの時間が長くなる。そこで、本実施の形態
では、印加電圧を元の通常電圧に復帰させる際に、先の
電圧変化時とは逆方向の電圧を短時間印加して、素子の
容量成分における電荷の放電を短時間で終了させ、セン
サ電流収束のための所要時間を短縮化するようにしてい
る。この場合、A/Fセンサ10の素子内を移動する電
荷量が正負いずれの変化時にも略同一量となるように電
圧波形を設定すれば、より効果的である。
【0055】また、スイッチSW1をオフ状態とし、印
加電圧の時定数を大きくした場合(低周波域)における
素子抵抗ZacLの検出時には、前記所定時間T1を
1.5ms、所定時間T2,T3を2msとして、上記
と同様の方法で実施する。
【0056】次に、マイコン20により実行される素子
抵抗ZacH、ZacLの検出手順について、図5のフ
ローチャートに従い説明する。なお、図5の処理は、例
えば128ms周期で実行される。
【0057】さて、マイコン20が図5の処理を開始す
ると、先ずステップ100にて、時定数小のタイミング
か否か、即ち高周波域の素子抵抗ZacHを検出するタ
イミングか否かを判定する。ここでは、例えば、128
ms周期毎にカウントアップするカウンタを用い、その
カウント値が偶数であれば、時定数小のタイミングと判
定し、カウント値が奇数であれば、時定数大のタイミン
グと判定する。
【0058】同ステップ100にて肯定判別されると、
ステップ110に移行して、マイコン20は、スイッチ
SW1をオンに切り替えるとともにステップ115にて
所定時間T1に135μs、所定時間T2,T3に20
0μsを設定した後、ステップ130に移行する。一
方、ステップ100にて否定判別されると、ステップ1
20に移行して、マイコン20は、スイッチSW1をオ
フに切り替えるとともにステップ125にて所定時間T
1に1.5ms、所定時間T2,T3に2.0msを設
定した後、ステップ130に移行する。
【0059】そして、マイコン20は、ステップ130
でオペアンプOP3と抵抗R12間の電圧Viを検出
し、この電圧Viが所定の基準値よりも大きいか否かを
判定する。基準値は、オペアンプOP3の出力能力の中
心電圧に相当する。本実施の形態ではオペアンプOP3
の出力能力が1.5〜4.5Vであるとして「基準値=
3.0V」としている。
【0060】Vi>基準値であれば、マイコン20はス
テップ140に進み、以降の電圧切換の処理において、
抵抗R5,R6間の電圧Vpを通常電圧(空燃比検出用
電圧の3.3V)に対して負側→正側の順に電圧を変化
させる旨を決定する。また、Vi≦基準値であれば、マ
イコン20はステップ150に進み、以降の電圧切換の
処理において、電圧Vpを通常電圧(空燃比検出用電圧
の3.3V)に対して正側→負側の順に電圧を変化させ
る旨を決定する。
【0061】要するに、例えばVi=2Vの時(ステッ
プ130がNOの時)、電圧Vpを負側に掃引すると、
電圧VoがすぐにオペアンプOP3の出力能力の下限値
(1.5V)で飽和してしまい、完全に掃引できずに素
子抵抗値が正確に求められなくなる。また逆に、例えば
Vi=4Vの時(ステップ130がYESの時)、電圧
Vpを正側に掃引すると、電圧Voがすぐにオペアンプ
OP3の出力能力の上限値(4.5V)で飽和してしま
い、やはり素子抵抗値が正確に求められなくなる。これ
に対し、上記の通り電圧Viと基準値との比較に応じて
電圧Vpの掃引の方向を決定することで、電圧Viの上
限値又は下限値へのはりつきが防止できる。
【0062】その後、マイコン20は、ステップ160
で電圧Voを検出し、この検出した電圧Voを前述のV
o(t1)として記憶する。また、マイコン20は、電
圧Viを検出し、この検出した電圧Viを前述のVi
(t2)として記憶する。
【0063】続いて、マイコン20は、ステップ170
にて、抵抗R5,R6間の電圧Vpを正側或いは負側に
掃引させる。このとき、前記ステップ130が肯定判別
されていれば、トランジスタTp1,Tn1のうちトランジ
スタTn1をオンして、電圧Vpを負側に掃引させる。ま
た、前記ステップ130が否定判別されていれば、トラ
ンジスタTp1,Tn1のうちトランジスタTp1をオンし
て、電圧Vpを正側に掃引させる。
【0064】そして、マイコン20は、続くステップ1
80において、上記ステップ170の処理を行ってか
ら、前記ステップ115又はステップ125で設定した
所定時間T1が経過したか否かを判定し、その時間T1
が経過するまで待機する。つまり、ステップ100にて
肯定判別されていれば135μsが経過するまで待機
し、ステップ100にて否定判別されていれば1.5m
sが経過するまで待機する。
【0065】所定時間T1の経過後、マイコン20は、
ステップ190で電圧Viを検出し、この検出した電圧
Viを前述のVi(t4)として記憶する。また、マイ
コン20は電圧Voを検出し、この検出した電圧Voを
前述のVo(t5)として記憶する。
【0066】そして、マイコン20は、ステップ200
にて、上述した数式(1)を用い、電圧変化量ΔVと電
流変化量ΔIとから素子抵抗を算出する。なお同ステッ
プ200では、ステップ100にて肯定判定されていれ
ば、高周波域の素子抵抗ZacHが算出され、ステップ
100にて否定判定されていれば、低周波域の素子抵抗
ZacLが算出される。
【0067】続くステップ210において、マイコン2
0は、上記ステップ170の処理を行ってから、前記ス
テップ115又はステップ125で設定した所定時間T
2が経過したか否かを判定し、その時間T2が経過する
まで待機する。つまり、ステップ100にて肯定判別さ
れていれば200μsが経過するまで待機し、ステップ
100にて否定判別されていれば2.0msが経過する
まで待機する。
【0068】所定時間T2の経過後、マイコン20は、
ステップ220で電圧Vpを前記掃引した方向とは逆側
に変化させる。このとき、前記ステップ130が肯定判
別されていれば、トランジスタTp1をオンするとともに
トランジスタTn1をオフして電圧Vpを正側に変化さ
せ、前記ステップ130が否定判別されていれば、トラ
ンジスタTp1をオフするとともにトランジスタTn1をオ
ンして電圧Vpを負側に変化させる。そして、ステップ
230において、マイコン20は、上記ステップ220
の処理を行ってから、前記ステップ115又はステップ
125で設定した所定時間T3が経過したか否かを判定
し、その時間T3が経過するまで待機する。つまり、ス
テップ100にて肯定判別されていれば200μsが経
過するまで待機し、ステップ100にて否定判別されて
いれば2.0msが経過するまで待機する。
【0069】そして、マイコン20は、ステップ240
に進み、トランジスタTp1,Tn1を共にオフ状態とする
ことで、電圧Vpを元の通常電圧(空燃比検出用電圧=
3.3V)に戻してその後本ルーチンを一旦終了する。
なお、本実施の形態では、図5のステップ110及び1
20の処理が時定数切替手段に相当する。
【0070】図6は、図5の処理にて検出される高周波
域(時定数小)における素子抵抗ZacH及び低周波域
(時定数大)における素子抵抗ZacLの温度特性を示
す。図6において、実線は、初期状態のA/Fセンサ1
0の特性を示し、点線は、長期の使用によって劣化が進
行したA/Fセンサ10の特性を示している。図6に示
すように、検出される素子抵抗ZacH,ZacLは、
素子温度が高くなるほど小さくなる。また、劣化が進行
すると、所定温度において検出される素子抵抗値は大き
くなる。但し、劣化により抵抗値が増大する変化割合
は、高周波域(時定数小)の素子抵抗ZacHよりも、
低周波域(時定数小)の素子抵抗ZacLの方が大き
い。
【0071】従って、本実施の形態では、高周波域(時
定数小)の素子抵抗ZacHにより、ヒータ12の通電
制御を実施して、低周波域(時定数小)の素子抵抗Za
cLにより、A/Fセンサ10の劣化を判定するように
している。
【0072】ここで、ヒータ通電制御を説明する。ヒー
タ12の通電開始後において、素子温度が比較的低い領
域では、素子温度の上昇を促進して早期に活性化させる
ために、ヒータデューティが100%に設定され、ヒー
タ12の100%通電制御が実施される。その後、セン
サ素子部11がほぼ半活性化状態になった時の素子温度
(素子抵抗値)に到達した時点で、100%通電制御か
ら素子抵抗フィードバック制御に移行し、同フィードバ
ック制御において、素子抵抗値ZacHを目標素子抵抗
値(素子温度を活性温度に維持するための素子抵抗値)
に一致させるようにヒータ12への通電量が制御され
る。
【0073】初期状態のA/Fセンサ10では、図6に
示すように、目標温度(例えば、700℃)に対応した
目標素子抵抗値(初期目標値)ZacHt0となるよう
にヒータ12への通電量が制御される。また、本実施の
形態では、センサ素子部11の劣化状態に応じて、目標
素子抵抗値が補正されて、補正後の目標素子抵抗値によ
り、ヒータ12の通電制御が実施されるようになってい
る。
【0074】次に、素子抵抗フィードバック制御時にお
けるヒータ駆動処理を、図7のフローチャートに従い説
明する。なお、図7の処理は、マイコン20により例え
ば256ms周期で実行される。
【0075】マイコン20は、ステップ300におい
て、図5の処理にて検出された高周波域の素子抵抗Za
cHが所定範囲内であるか否かを判定し、同ステップ3
00にて肯定判別された場合、ステップ310に移行し
て、劣化を判定するための処理を実行する。一方、ステ
ップ300にて否定判別された場合、劣化を判定するた
めの処理を迂回してステップ360に移行する。つま
り、本実施の形態では、素子抵抗ZacHがほぼ目標素
子抵抗値に一致しているとき(素子温度が活性温度域に
維持されているとき)に劣化判定処理が実施される。
【0076】ステップ310において、マイコン20
は、低周波域の素子抵抗値ZacLが所定値(図6の劣
化判定値ZacLf)以下か否かを判定し、所定値Za
cLfを超えていれば、A/Fセンサ10が劣化してい
ると判断してステップ320に移行する。そして、マイ
コン20は、劣化異常フラグXFAILを、センサの劣
化異常を意味する「1」とした後、ステップ330にて
ヒータ12の通電を禁止して本処理を終了する。一方、
素子抵抗値ZacLが所定値(劣化判定値ZacLf)
以下であれば、マイコン20はA/Fセンサ10が正常
に動作していると判定してステップ340に移行し、劣
化異常フラグXFAILを、センサの正常を意味する
「0」に維持する。その後、ステップ350にて、マイ
コン20は、素子抵抗ZacLの値に基づいて目標素子
抵抗値を補正する。ここでは、初期状態における目標温
度での抵抗値ZacL0(図6参照)を基準とし、検出
された素子抵抗値ZacLの変化量を求め、その変化量
に応じて目標素子抵抗値を補正する。具体的には、例え
ば、素子抵抗値ZacLの変化量の1/5を初期目標値
ZacHt0に加え、その抵抗値を新たな目標素子抵抗
値ZacHtとする。なお、ステップ300にて、否定
判別された場合は、ステップ350の処理が実施されな
いので、目標素子抵抗値ZacHtは前回の処理時の値
が保持される。
【0077】そして、マイコン20は、ステップ360
にて、図5の処理にて検出した素子抵抗値ZacHを目
標素子抵抗値ZacHtに一致させるように、ヒータデ
ューティ比DUYTを算出する。本実施の形態では、そ
の一例としてPID制御手順を用いることとしている。
つまり、次の式(2)〜(4)により比例項GP,積分
項GI,微分項GDを算出する。
【0078】 GP=KP・(ZacH−ZacHt) …(2) GI=GIi-1 +KI・(ZacH−ZacHt) …(3) GD=KD・(ZacH−ZacHi-1 ) …(4) 但し、上式において、「KP」は比例定数、「KI」は
積分定数、「KD」は微分定数を表し、添字「i−1」
は前回処理時の値を表す。
【0079】また、上記比例項GP,積分項GI,微分
項GDを加算してデューティ比DUTYを算出する(D
UTY=GP+GI+GD)。なお、こうしたヒータ制
御のためのデューティ比DUTYの算出は、上記のPI
D制御に限定されるものではなく、PI制御やP制御を
実施するようにしてもよい。
【0080】その後、マイコン20はステップ370に
進み、上記ステップ360で求めたヒータデューティ比
DUTYによりヒータ12を通電し、その後本処理を終
了する。
【0081】なお、ステップ320において、劣化異常
フラグに「1」がセットされた場合は、マイコン20
は、空燃比フィードバック制御を禁止するととに、警告
ランプ(図示せず)を点灯または点滅させ、運転者に警
告する。
【0082】本実施の形態では、図7のステップ310
の処理が劣化判定手段に相当し、ステップ350の処理
が補正手段に相当する。また、ステップ360及び37
0の処理がヒータ制御手段に相当する。
【0083】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 (1)印加電圧の時定数を切り替えることにより、異な
る周波数域での素子抵抗ZacH、ZacLが検出され
る。この場合、時定数固定の従来技術とは異なり、劣化
による変化が小さい素子抵抗ZacHと劣化による変化
が大きい素子抵抗ZacLとを検出できる。つまり、用
途に応じて異なる周波数帯域の素子抵抗が検出できる。
【0084】(2)時定数が切り替えられると、印加電
圧が素子抵抗検出用の電圧に変化した後、素子電流Iが
収束するタイミングが変化するが、本実施の形態では、
切り替えられた時定数に応じて、素子電流Iを検出する
タイミングが変更される。この場合、適正なるタイミン
グで素子電流Iを検出でき、時定数切り替え時にも素子
抵抗ZacH,ZacLを正しく検出できる。
【0085】(3)劣化による変化が小さい素子抵抗Z
acHに基づき目標素子抵抗値ZacHtとなるように
ヒータ12への通電量(デューティ比DUYT)が制御
されるので、素子温度が活性温度域に維持され、排ガス
中の酸素濃度の検出精度を良好に保つことができる。ま
た、劣化による変化が大きい素子抵抗ZacLに基づき
A/Fセンサ10劣化が判定されるので、A/Fセンサ
10の劣化も精度よく検出できる。
【0086】(4)本実施の形態では、劣化による変化
が大きい素子抵抗ZacLに基づいて、目標素子抵抗値
ZacHtを補正するようにした。このようにすれば、
素子温度に対する素子抵抗値ZacHとの関係は、劣化
が進行すると図6の実線から点線へと変化するが、その
関係が劣化度合に応じて補正されることとなり、素子温
度を活性温度域に保つことができる。つまり、補正せず
に初期の目標素子抵抗値ZacHt0となるように、ヒ
ータ12の通電制御を実施した場合、劣化に応じて実際
の素子温度は、目標温度から高温側にズレてしまう。こ
のため、センサ素子部11が加熱により破壊されてしま
うおそれがある。これに対し、本実施の形態によれば、
目標素子抵抗値ZacHtを補正することによって、劣
化が進行したとしても素子温度を活性温度域に維持する
ことができ、センサ破壊を防止できる。
【0087】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記実施の形態では、劣化による変化が大
きい素子抵抗ZacLに基づいてA/Fセンサ10の劣
化を判定するものであったが、劣化による変化が大きい
素子抵抗ZacLと劣化による変化が小さい素子抵抗Z
acHとの差(ZacL−ZacH)から劣化を判定し
てもよい。また、その差(ZacL−ZacH)から目
標素子抵抗値ZacHtの補正を行うようにしてもよ
い。さらには、検出した素子抵抗値ZacLと初期の素
子抵抗値ZacL0との差(ZacL−ZacL0)から
劣化を判定してもよい。
【0088】上記実施の形態では、コップ型のA/Fセ
ンサ10を適用したが、例えば、積層型のA/Fセンサ
を適用してもよい。また、上記実施の形態では、劣化を
判定するために、時定数を切り替えたが、センサの個体
差や用いるセンサの種類(例えば、積層型又はコップ
型)により時定数を切り替えてもよい。この場合、セン
サの個体差やセンサの種類に応じて、最適な周波数帯域
での素子抵抗が検出できる。従って、ヒータ通電の制御
性が悪化したり、望み通りに素子温度が制御できなくな
るといった不都合を回避できる。
【0089】上記実施の形態では、2つの時定数を切り
替えるものであったがこれに限定するものではなく、3
つ以上の時定数を切り替える構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態における車載ECUの概要を
示す電気的構成図。
【図2】A/Fセンサの構成を示す断面図。
【図3】交流入力電圧の周波数とインピーダンスとの関
係を示す図。
【図4】素子抵抗検出時のVo電圧波形と、Vi電圧波
形とを示すタイミングチャート。
【図5】素子抵抗検出処理を示すフローチャート。
【図6】素子温度と素子抵抗値との関係を示す図。
【図7】ヒータ通電処理を示すフローチャート。
【図8】A/Fセンサの概略構成を示す図。
【図9】A/Fセンサの等価電気回路図。
【図10】A/Fセンサの複素インピーダンス特性を示
す図。
【符号の説明】
1…車載ECU、10…酸素濃度センサとしてのA/F
センサ、11…センサ素子部、12…ヒータ、20…マ
イコン、Tp1,Tn1…電圧変更手段としてのトランジス
タ、R10,R11…抵抗、C1…コンデンサ、SW1
…スイッチ。
フロントページの続き (72)発明者 服部 充志 愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 池田 慎治 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 青木 圭一郎 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 2G004 BB01 BD04 BE04 BE15 BE22 BF03 BF14 BF19 BG05 BJ02 BK04 BL02 BL03 BL08 BL09 BL17 BL19

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体電解質を用いたセンサ素子部を有
    し、被検出ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ
    に適用され、前記センサ素子部に印加した電圧を所定の
    時定数を持たせて変化させ、その時の電圧変化とそれに
    伴う電流変化とから前記センサ素子部の抵抗値を検出す
    る酸素濃度センサの素子抵抗検出装置において、 前記印加電圧の時定数を切り替える時定数切替手段を備
    えたことを特徴とする酸素濃度センサの素子抵抗検出装
    置。
  2. 【請求項2】 素子抵抗を検出するために印加電圧を変
    化させる際、電圧変化前にセンサ素子部を流れる電流を
    検出するとともに、電圧変化後、所定時間が経過した時
    にセンサ素子部に流れる電流を検出し、これら検出した
    電流の差に基づいて素子抵抗を算出する酸素濃度センサ
    の素子抵抗検出装置において、 前記時定数切替手段により時定数が切り替えられる時、
    その時の時定数に応じて、電圧変化後にセンサ素子部の
    電流を検出するタイミングを変更する請求項1に記載の
    酸素濃度センサの素子抵抗検出装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の酸素濃度センサ
    の素子抵抗検出装置において、 前記酸素濃度センサは、前記センサ素子部を加熱するた
    めのヒータを備えて構成され、 前記時定数切替手段は、第1の時定数と、その時定数よ
    りも大きな第2の時定数との何れかに印加電圧の時定数
    を切り替え、 前記第1の時定数に切り替えられたときに検出される素
    子抵抗値に基づいて目標の素子抵抗値となるよう前記ヒ
    ータへの通電量を制御するヒータ制御手段と、 前記第2の時定数に切り替えられたときに検出される素
    子抵抗値に基づいて酸素濃度センサの劣化を判定する劣
    化判定手段とを備えたことを特徴とする酸素濃度センサ
    の素子抵抗検出装置。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の酸素濃度センサの素子
    抵抗検出装置において、 前記第1の時定数は、前記センサ素子部における粒子抵
    抗及び粒界抵抗からなる素子抵抗値を検出するよう設定
    され、 前記第2の時定数は、前記センサ素子部における電極界
    面抵抗を含む素子抵抗値を検出するよう設定されたこと
    を特徴とする酸素濃度センサの素子抵抗検出装置。
  5. 【請求項5】 請求項3又は4に記載の酸素濃度センサ
    の素子抵抗検出装置において、 前記第2の時定数に切り替えられたときに検出される素
    子抵抗に基づいて、前記ヒータを通電制御するための目
    標素子抵抗値を補正する補正手段を備えたことを特徴と
    する酸素濃度センサの素子抵抗検出装置。
  6. 【請求項6】 前記センサ素子部に印加するための電圧
    をステップ状に切り替える電圧変更手段と、 抵抗とコンデンサとからなり、電圧変更手段の出力電圧
    を所定の時定数も持たせて変化させるR−C回路と、を
    備える酸素濃度センサの素子抵抗検出装置において、 前記時定数切替手段は、スイッチ手段を用いて前記R−
    C回路の抵抗成分を変更することを特徴とする請求項1
    〜請求項5のいずれか一項に記載の酸素濃度センサの素
    子抵抗検出装置。
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