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

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。