JP2009085637A - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ始動時においてセンサ出力を早期に正常化し、ガスセンサの活性をいち早く完了させる。
【解決手段】Ａ／Ｆセンサは、固体電解質層及びそれを挟む一対の電極を有し、一対の電極のうち一方をガス検出電極、他方を基準電極とするセンサ素子１０を備え、被検出ガス中の特定成分のガス濃度に応じて一対の電極間に流れる電流によりセンサ出力を生じさせる。センサ始動時には、センサ制御回路３０によって、基準電極側からガス検出電極側に強制的に酸素が供給される。具体的には、一対の電極に、ガス検出電極が正側、基準電極が負側となる酸素供給電圧が印加される。
【選択図】 図１

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、自動車用エンジンでは、排ガスを検出対象として酸素濃度を検出する限界電流式酸素濃度センサ（Ａ／Ｆセンサ）が実用化されている。この酸素濃度センサは、ジルコニア等の固体電解質層やその固体電解質層を挟んで設けられる一対の電極を有してなるセンサ素子を備えて構成されており、センサ素子に電圧が印加された状態で排ガス中の酸素濃度に応じた電流信号を出力する。

ここで、センサ素子は、所定の活性温度（例えば７００〜８００℃程度）に昇温されることで活性状態となる。そして、この活性状態で所望のセンサ出力が得られ、そのセンサ出力に基づいて酸素濃度検出（空燃比検出）が可能となる。この場合、一般にはセンサ素子に電気式ヒータが付設されており、エンジン始動時にはヒータによる発熱に伴いセンサ素子の活性化が行われるとともに、一旦活性化が完了した後は、ヒータが適宜通電されてその活性状態が保持されるようになっている。

また、センサ素子の昇温過程においては、当該素子が活性化したことを判定するための活性判定が行われる。その活性判定手法として、センサ素子の素子インピーダンスを検出するとともに、該素子インピーダンスを判定パラメータとしてセンサ素子の活性判定を実施する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この場合、センサ素子において素子温と素子インピーダンスには相関があり、センサ素子の昇温時には素子温が上昇することに伴い素子インピーダンスが低下する。そして、素子インピーダンスが所定の活性判定値（例えば数１０Ω程度）まで低下したことを判定することにより、センサ素子の活性完了を判定するようにしている。
特開２００２−５８８２号公報

ところで近年では、エンジン始動後においていち早く空燃比フィードバック制御等を実行できるようにするべく、センサ出力をモニタし、そのセンサ出力が所定の正常範囲に収束したことでセンサ素子の活性完了を判定することが検討されている。しかしながら、発明者らの知見によれば、エンジン停止中には、排気通路内に存在する水分や有機物等がセンサ素子に付着し、それに起因して、エンジン始動に伴うセンサ始動時には、センサ出力が正常範囲に収束するまでに時間を要することが確認された。したがって、センサ素子の活性完了の判定が遅れてしまうという不都合が生じる。

本発明は、センサ始動時においてセンサ出力を早期に正常化し、ガスセンサの活性をいち早く完了させることができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

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では、固体電解質層及びそれを挟む一対の電極を有し、前記一対の電極のうち一方をガス検出電極、他方を基準電極とするセンサ素子を備え、被検出ガス中の特定成分のガス濃度に応じて前記一対の電極間に流れる電流によりセンサ出力を生じさせるガスセンサを制御対象としている。こうしたガスセンサでは、センサ始動前においてガス検出電極側に水分や有機物等が存在していると、それが原因で、センサ始動後にセンサ出力に誤差が生じ、結果としてガスセンサが活性完了したと判定できるまでに時間がかかってしまう。

この点、請求項１に記載の発明は、ガスセンサの始動時に、基準電極側からガス検出電極側に強制的に酸素が供給（ポンピング）される構成であるため、ガス検出電極及びその近傍に酸素が過剰供給されることとなる。これにより、センサ始動前においてガス検出電極側に水分や有機物等が存在していても、それを早期に排除できる。その結果、センサ始動時においてセンサ出力を早期に正常化し、ガスセンサの活性をいち早く完了させることができる。

請求項２に記載の発明では、ヒータによるセンサ素子の加熱開始に伴い前記酸素供給を開始する。この場合、ヒータの加熱によるセンサ素子の昇温過程においてセンサ出力が徐々に正常化されるが、その昇温初期、すなわち素子温が十分に上昇していない期間に強制的な酸素の供給（ポンピング）が行われる。ここで、センサ素子の昇温初期においてセンサ出力が未だ正常値でない時（換言すれば、センサ出力が使えない時）に酸素の過剰供給が行われるため、その酸素の過剰供給によってセンサ出力が大きく変動しても不都合は生じない。

請求項３に記載したように、前記一対の電極に、前記ガス検出電極が正側、前記基準電極が負側となる酸素供給電圧を印加するものであるとよい。こうして酸素供給電圧を印加することで、基準電極からガス検出電極に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動し、結果としてガス検出電極側への酸素の供給を好適に行わせることができる。

ここで、請求項４に記載したように、前記ガスセンサの始動後において前記酸素供給電圧を可変設定するとよい。これにより、基準電極側からガス検出電極側への酸素の供給量（ポンピング量）を調整することが可能となる。

この場合、センサ始動後に基準電極側からガス検出電極側への酸素供給を行わせる期間において、開始から終了までの全期間を通じて酸素供給電圧を変化させてもよいし、同期間の開始点付近でのみ酸素供給電圧を変化させてもよいし、同期間の終了点付近でのみ酸素供給電圧を変化させてもよい。

請求項５に記載したように、前記センサ素子の直流抵抗の変化予測に合わせて前記酸素供給電圧を徐々に小さくするとよい。

要するに、ガスセンサは所定の出力特性（図３のＶ−Ｉ特性参照）を有し、同出力特性はセンサ素子の直流抵抗に依存したものとなっている。このとき、素子温度が低く直流抵抗が比較的大きい場合には、酸素供給電圧を大きめに設定しても素子電流（センサ出力）はさほど大きくならない（図３において素子電流ＩＬが負側にさほど大きくならない）。これに対し、素子温度が高く直流抵抗が比較的小さい場合には、酸素供給電圧を小さくすることで、素子電流（センサ出力）が過剰に大きくなる（図３において素子電流ＩＬが負側に過剰に大きくなる）のを抑制できる。

そこで、素子温度の上昇に伴う直流抵抗の低下に合わせて酸素供給電圧を徐々に小さくすることで、センサ出力が過剰に大きくなる（図３において素子電流ＩＬが負側に過剰に大きくなる）のを抑制しつつ、適正に酸素供給を行わせることができる。

請求項６に記載の発明では、ガス濃度検出用の印加電圧を前記一対の電極に印加する第１の電圧印加手段と、前記酸素供給電圧を前記一対の電極に印加する第２の電圧印加手段とを備える。そして、前記ガスセンサの始動後の所定期間において前記第２の電圧印加手段による電圧印加を行わせ、その後、前記第１の電圧印加手段による電圧印加に切り替える。

上記構成によれば、センサ始動後において、基準電極側からガス検出電極側への酸素供給のための酸素供給電圧の印加が行われた後、通常の印加電圧制御への切替がなされる。この場合、通常の印加電圧制御が開始される際に、いち早く正常なセンサ出力が得られるようになる。

請求項７に記載の発明では、前記第２の電圧印加手段は、前記一対の電極に前記酸素供給電圧として一定電圧を印加するものである。そして、前記第２の電圧印加手段による電圧印加から前記第１の電圧印加手段による電圧印加への切替時に、それら電圧印加手段による印加電圧の中間値となる中間電圧を前記一対の電極に印加する。

酸素供給電圧として一定電圧を印加し、その後、通常の印加電圧（都度のセンサ出力に基づく印加電圧）に切り替える場合、その電圧切替に伴い急峻でかつ過剰な電流変化（テーリング）が生じることが懸念される。この点、上述のとおり各電圧印加手段による印加電圧の中間値となる中間電圧を前記一対の電極に印加することにより、テーリングの発生を抑制することができる。

「中間電圧」は、各電圧印加手段による印加電圧の中間となる電圧であればよく、ステップ状に段階変化させるもの以外に、連続変化させるものであってもよい。

基準電極側からガス検出電極側に強制的に酸素を供給するための構成としては、請求項８に記載したように、前記ガス検出電極から前記基準電極への向きで強制的に電流を流すものであってもよい。こうして所定の向きで強制的に電流を流すことで、基準電極からガス検出電極に向けて固体電解質層内を酸素イオンが移動し、結果としてガス検出電極側への酸素の供給を好適に行わせることができる。

請求項９に記載したように、前記ガス検出電極又は前記基準電極に通じる電気経路上に定電流発生手段を設ける。そして、前記定電流発生手段により前記ガス検出電極から前記基準電極への向きで流れる電流を生じさせるとよい。

ガスセンサの始動時に基準電極側からガス検出電極側に強制的に酸素を供給する場合、以下のようにして、酸素供給終了が判断されるとよい。
（１）前記ガスセンサの素子インピーダンスを算出し、前記ガスセンサの素子インピーダンスが所定の判定値になった時に前記酸素供給を終了する（請求項１０）。
（２）センサ始動後においてセンサ出力の積算値を算出し、前記センサ出力の積算値が所定の判定値になった時に前記酸素供給を終了する（請求項１１）。なおこの場合、
・センサ始動時からのセンサ出力の積算値を算出する、
・センサ始動後において素子温度の上昇に伴いセンサ出力が変化し始めてからのセンサ出力の積算値を算出する、
・センサ始動後において素子温度の上昇に伴いセンサ出力が変化し始めた後、同センサ出力が、本来出力されるべきセンサ出力相当の値に変化してからのセンサ出力の積算値を算出する、
といった構成のいずれかが採用されるとよい。
（３）前記センサ素子を加熱するヒータへの通電制御量を算出し、前記ヒータへの通電制御量が所定の判定値になった時に前記酸素供給を終了する（請求項１２）。

上記のいずれであっても、センサ素子の活性化の進み具合に合わせて、ガス検出電極側への酸素供給を終了させることができる。なおその他に、センサ始動からの経過時間が所定時間になった時に酸素供給を終了したり、ヒータ抵抗が所定値まで上昇した時に酸素供給を終了したりすることも可能である。

請求項１３に記載したように、ガスセンサが、内燃機関の排気通路に設けられ同排気通路内を流れる排ガスを検出対象とする排気センサである場合、本発明を有効に適用できる。

すなわち、内燃機関では、運転停止後に排気通路内の温度が低下するのに従い、排気通路内に残存する排ガス中の水分が析出される。かかる場合、排ガス中の有機物がヒドロキシ基（ＯＨ）の場合、水溶性が高いため排ガス中の水分に溶けてセンサ素子のガス検出電極（排ガス側電極）などに付着する。そして、これらが原因で、内燃機関の始動後（センサ始動後）にはその時のガス雰囲気に関係なく固体電解質層（ジルコニア等）の特性により基準電極側からガス検出電極側に酸素が移動し、センサ出力のリッチずれが生じる。特に近年では、内燃機関の改良等に伴い、内燃機関の運転停止後に排気通路内にて発生する水分が増加してきており、リッチずれによるセンサ活性遅れの対策が必要となる。

この点、上述したように、ガスセンサの始動時に基準電極側からガス検出電極側に酸素を過剰供給することにより、センサ始動前においてガス検出電極側に水分や有機物等が存在していても、それを早期に排除できる。その結果、センサ出力のリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。

［第１の実施形態］
以下、本発明のセンサ制御装置を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（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現される。

先ずはじめに、センサ素子の構成を図２を用いて説明する。Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０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。なお本実施形態では、Ａ／Ｆセンサは排気管に取り付けられ、排気管内を流れる排ガスを検出対象として空燃比が検出される。

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。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガス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。

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。

固体電解質層１１を挟んで設けられる一対の電極１５，１６のうち、排気チャンバ１７側の電極１５が「ガス検出電極」に相当し、以下これを排ガス側電極１５と称する。また、大気ダクト１８側の電極１６が「基準電極」に相当し、以下これを大気側電極１６と称する。

上記構成のセンサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層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、排ガス側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素が排ガス側電極１５で分解され、大気側電極１６から固体電解質層１１を通じて大気ダクト１８に排出される。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１８内の酸素が大気側電極１６で分解され、排ガス側電極１５から固体電解質層１１を通じて排気チャンバ１７に排出される。

本実施形態では、排ガス側電極１５を負極、大気側電極１６を正極と定義しており、図２のように、排ガス側電極１５を負（−）、大気側電極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。すなわち、その逆に、排ガス側電極１５を正（＋）、大気側電極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のセンサ出力特性において、横軸であるＶＰ軸に平行な直線部分（フラット部分）はセンサ素子１０の素子電流ＩＬ（限界電流）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は増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ＩＬは減少する。

また、限界電流域よりも低電圧側の傾き部分は抵抗支配域であり、その抵抗支配域の傾きはセンサ素子１０の直流抵抗Ｒｉに依存するものとなっている。つまり、素子温度が低く直流抵抗Ｒｉが大きい場合には抵抗支配域の傾きが小さくなり、素子温度が高く直流抵抗Ｒｉが小さい場合には抵抗支配域の傾きが大きくなるようになっている。図中のＬＸは、センサ素子１０への印加電圧ＶＰを決定するための印加電圧特性線（一次直線的に設定された印加電圧マップ）を表しており、その傾きは、センサ活性状態での抵抗支配域の傾きにほぼ一致したものとなっている。

次に、本発明の主要部たるセンサ制御回路の電気的構成を図１を参照しながら説明する。

図１では、センサ制御系の主要な構成としてマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）２０とセンサ制御回路３０とが設けられており、これらによりＡ／Ｆセンサ（センサ素子１０）に流れる素子電流の計測やその素子電流値に基づくＡ／Ｆ値の演算など実施される。マイコン２０は、ＣＰＵ、各種メモリ、Ａ／Ｄ変換器等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、素子電流値に相応するＡ／Ｆ出力電圧をセンサ制御回路３０から入力し、同Ａ／Ｆ出力電圧のＡ／Ｄ値によりＡ／Ｆ値を算出する。同マイコン２０により演算されたＡ／Ｆ値は図示しないエンジンＥＣＵに逐次出力される。本実施形態では、マイコン２０とセンサ制御回路３０とにより「センサ制御手段」が構成されている。

また、センサ制御回路３０において、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）にはオペアンプ３１及び電流検出抵抗３２（電流計測用抵抗）を介して基準電圧電源３３が接続され、同センサ素子１０の負側端子（Ｓ−端子）にはオペアンプ３４を介して印加電圧制御回路３５が接続されている。この場合、電流検出抵抗３２の一端のＡ点は基準電圧Ｖｆ（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流は電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流に応じてＢ点の電圧が変化する。例えば排ガスがリーンの場合、センサ素子１０のＳ＋端子からＳ−端子に電流が流れるためＢ点電圧が上昇し、リッチの場合、センサ素子１０のＳ−端子からＳ＋端子に電流が流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路３５では、基本構成として、Ｂ点電圧をモニタするとともにその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定（例えば、図３の印加電圧直線ＬＸに基づき決定）し、オペアンプ３４を介してＤ点電圧を制御する。ただし、ストイキ近傍のみでＡ／Ｆ検出を行う場合、印加電圧固定とすることも可能である。

また、電流検出抵抗３２の両端のＡ点及びＢ点には増幅回路３７が接続されており、その増幅回路３７の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン２０のＡ／Ｄ入力端子に取り込まれる。マイコン２０では、逐次取り込まれるＡ／Ｆ出力電圧のＡ／Ｄ値に基づきＡ／Ｆ値が算出される。

ところで、Ａ／Ｆセンサでは、その始動前（すなわち、エンジン始動前）にセンサ素子１０の内部に水分や有機物などが付着していることがあり、それに起因してセンサ始動直後にセンサ出力のリッチずれ（リッチ誤差）が生じる。センサ出力のリッチずれが生じると、同リッチずれが収束するまでに時間を要し、結果としてセンサ活性完了が遅れてしまう。

例えば、エンジン停止後には、排気管内の温度が低下するのに従い、排気管内に残存する排ガス中の水分が析出される。かかる場合、排ガス中の有機物がヒドロキシ基（ＯＨ）の場合、水溶性が高いため排ガス中の水分に溶けてセンサ素子１０の拡散抵抗層１２や排気チャンバ１７の内壁、排ガス側電極１５などに付着する。また、エンジン始動後には、ヒータ通電に伴い有機物が炭化し、その炭化した有機物も排気チャンバ１７側に付着した状態となる。そして、これらが原因で、エンジン始動後（センサ始動後）には、その時のガス雰囲気に関係なくジルコニア（ＺｒＯ2）の特性により大気ダクト１８から排気チャンバ１７に酸素が移動し、上記のとおりリッチずれが生じる。なお、エンジン停止後の排気管内湿度は車両により異なり、湿度の高い車両ほどリッチずれ量が大きく、活性遅れが発生しやすくなる。

特に近年では、エンジンの改良等に伴い、エンジン停止後に排気管内にて発生する水分が増加してきており、リッチずれによるセンサ活性遅れの対策が必要となる。すなわち、近年では、空燃比検出領域の拡大や燃費向上などが図られており、排気温が上昇する傾向にある。その対策としてエンジンブロックの冷却能力を高めると、排気ポートの温度が上がりにくくなり、水が析出されやすくなる。また、車両メーカではエンジンの小型化のため、排気マニホールドをエンジンブロックと一体化する技術が開発されている。この場合、エンジン冷却水のクーリングにより排気マニホールドの温度が上がらなくなるため、水分の析出量が増えることが考えられる。更に、エンジンの燃焼技術が改善されると、ガソリンの燃焼効率が良くなり、水分の発生量が増加する。その他、エタノール燃料などの代替燃料を使用する場合には、燃焼時の水分発生量がガソリンと比較して増加する。以上のようにして排気管内の水分が増えると、その水分に溶ける有機物（ＯＨ基）の量も増えることとなる。

センサ始動直後のリッチずれについて、図４のタイムチャートを用いて説明する。図４において、（ａ）はセンサ始動開始からの素子電流ＩＬの推移を、（ｂ）は素子インピーダンスＺａｃの推移を示している。なお、図４では、エンジン始動に伴い燃料噴射量の増量制御が行われ、Ａ／Ｆがリッチ（例えばＡ／Ｆ＝１４程度）になるものとしている。Ａ／Ｆセンサの始動時にはそれに合わせてヒータ通電が開始されるようになっている。また、素子インピーダンスＺａｃの推移として、素子温度がある程度上昇し、マイコンにて算出可能となった後の算出値の変化を示している。

図４に示すように、センサ始動直後には素子電流ＩＬ＝０（ストイキ相当）であり、その後、素子電流ＩＬが徐々に負値（リッチ側の値）に変化する。ここで、素子内部に付着した水分や有機物などに起因するリッチずれがないとすれば、素子電流ＩＬは、本来Ａ／Ｆセンサの活性化（図中の素子インピーダンスＺａｃの低下）に伴い一点鎖線で示すように変化し、Ａ／Ｆ＝１４相当の値に収束する。このとき、素子電流ＩＬが所定の正常出力範囲（図のＸ１）に収束するまでの所要時間はＴ１である。

しかしながら、上述したように素子内部に水分や有機物などが付着していると、素子電流ＩＬが、実線で示すようにリッチ側に大きく変動する。そのため、本来のＡ／Ｆ＝１４相当の値に素子電流ＩＬが収束するまでの時間が長引いてしまう。素子電流ＩＬが所定の正常出力範囲（図のＸ１）に収束するまでの所要時間はＴ２（＞Ｔ１）となる。

そこで本実施形態では、センサ始動時において一時的に、センサ素子の一対の電極１５，１６に、排ガス側電極１５が正側、大気側電極１６が負側となる印加電圧（負電圧：酸素供給電圧に相当）を印加し、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に強制的に酸素を供給する。そしてこれにより、拡散抵抗層１２や排気チャンバ１７の内壁などに付着している水分や有機物等を酸化させていち早く除去することとしている。

図１に示すセンサ制御回路３０では、素子電流計測点（図のＢ点）と印加電圧制御回路３５との間にスイッチ回路３８が設けられており、そのスイッチ回路３８がマイコン２０からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路３８がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／Ｆセンサの通常制御が行われる。すなわち、印加電圧制御回路３５に対してＢ点電圧が入力され、そのＢ点電圧に基づいて印加電圧が可変調整される。これに対して、同スイッチ回路３８がｓ２点接続とされると、印加電圧制御回路３５に対して負電圧電源３９から一定の負電圧Ｖｎが入力される。そして、Ｂ点電圧（都度の素子電流）に無関係に、負電圧電源３９による印加電圧の設定が行われる。換言すれば、スイッチ回路３８がｓ１点側に切り替えられると、通常の印加電圧制御が行われ、スイッチ回路３８がｓ２点側に切り替えられると、負電圧制御が行われることとなる。本実施形態では、印加電圧制御回路３５が「第１の電圧印加手段」に相当し、負電圧電源３９が「第２の電圧印加手段」に相当する。

図５は、本実施形態における印加電圧制御を補足説明するためのセンサ素子の略図である。図５において、（ａ）には既存の印加電圧制御（通常制御）を示し、（ｂ）には本実施形態の印加電圧制御（負電圧制御）を示している。

図５（ａ）に示す通常制御では、排ガス側電極１５と大気側電極１６との間に、排ガス側電極１５を負側、大気側電極１６を正側とする正電圧（例えば０．４Ｖ）が印加される。このとき、センサ印加電圧ＶＰは、図３に示す印加電圧特性に基づき設定されている。かかる場合、ジルコニア（ＺｒＯ2）の特性により大気側電極１６から排ガス側電極１５に向けて固体電解質層１１内を酸素イオンが移動する。これにより、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に酸素が供給され、その酸素によって排気チャンバ１７側の有機物等が酸化除去される。ただし、ここでの印加電圧ＶＰは正電圧であり、排気チャンバ１７側の酸素供給量は比較的少量となる。

これに対し、（ｂ）に示す負電圧制御では、排ガス側電極１５と大気側電極１６との間に、排ガス側電極１５を正側、大気側電極１６を負側とする負電圧Ｖｎ（例えば−０．４Ｖ）が印加される。かかる場合、ジルコニア（ＺｒＯ2）の特性により大気ダクト１８から排気チャンバ１７に酸素が移動することに加え、負電圧印加に伴うポンピング動作により、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に酸素が移動する。すなわち、負電圧印加によって、大気側電極１６から排ガス側電極１５に向けての酸素イオンの移動が促進され、比較的大量の酸素が排気チャンバ１７側に供給される。これにより、排気チャンバ１７側への酸素移動が促進され、排気チャンバ１７側に存在する有機物等がいち早く酸化される。

図６は、エンジン始動時における印加電圧制御の処理手順を示すフローチャートである。本処理は、マイコン２０により所定の時間周期で繰り返し実行される。

図６において、ステップＳ１１〜Ｓ１３では、負電圧制御を実行するか否かを判断するための実行条件を判定する。すなわち、ステップＳ１１では、ヒータ通電開始タイミングであるか否かを判定し、ステップＳ１２では、エンジン再始動時であるか否かを判定する。このとき、例えば、イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）がＯＮ操作された直後であれば、ヒータ通電開始タイミングであるとしてステップＳ１１をＹＥＳとする。また、例えば、エンジン停止（ＩＧスイッチ＝ＯＦＦ）からの経過時間が所定時間以内であるか、又はエンジン水温が所定温度以上であれば、エンジン再始動時であるとしてステップＳ１２をＹＥＳとする。なお、ステップＳ１１がＹＥＳでかつステップＳ１２がＮＯである場合、Ａ／Ｆセンサの冷間始動時であることが判定される。

また、ステップＳ１３では、印加電圧制御として既に通常制御を開始しているか否かを判定する。

そして、ヒータ通電開始タイミングでなくかつ通常制御の開始前である場合、又は、ヒータ通電開始タイミングにてエンジン再始動時でないと判定され、かつ通常制御の開始前である場合にステップＳ１４に進み、それ以外の場合にはステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、印加電圧制御として通常制御が実行されるようスイッチ回路３８を切替操作する。具体的には、図１の構成においてスイッチ回路３８をｓ１点接続とする。これにより、印加電圧制御回路３５において、図３に示す印加電圧特性に基づき、都度の素子電流ＩＬに応じてセンサ印加電圧が制御される。

また、ステップＳ１４では、負電圧制御の終了タイミングであるか否かを判定する。具体的には、例えば、センサ始動後の素子インピーダンスＺａｃを逐次モニタし、その素子インピーダンスＺａｃが所定のしきい値ＴＨよりも大きければ、すなわちＺａｃ＞ＴＨであれば、負電圧制御の終了タイミングでないと判定する。また、素子インピーダンスＺａｃがしきい値ＴＨ以下であれば、すなわちＺａｃ≦ＴＨであれば、負電圧制御の終了タイミングであると判定する。なお、しきい値ＴＨは、センサ素子１０の活性完了値（例えば３０〜４０Ω）に対して大きい抵抗値であり、例えばＴＨ＝６００Ωである。

ここで、素子インピーダンスＺａｃの算出手順について簡単に説明する。本実施形態では、いわゆる掃引法を用いて素子インピーダンスＺａｃを算出するようにしており、マイコン２０は、センサ素子１０への印加電圧を一時的に交流的に変化させる旨指令し、その際の電流変化量に基づき素子インピーダンスＺａｃを算出する。このとき、掃引回路（印加電圧制御回路３５でも可）によってセンサ印加電圧（図のＤ点電圧）を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させるとともに、その印加電圧変化に伴うＢ点電圧の変化を計測する。そして、その時の印加電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺａｃを算出する（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。なお、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に流す電流を交流的に変化させ、その際の電流又は電圧の変化量から素子インピーダンスＺａｃを演算する構成とすることも可能である。

ステップＳ１６では、印加電圧制御として負電圧制御が実行されるようスイッチ回路３８を切替操作する。具体的には、図１の構成においてスイッチ回路３８をｓ２点接続とする。これにより、負電圧電源３９からセンサ素子１０に負電圧Ｖｎが印加され、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に対して強制的に酸素が供給される。

負電圧制御はステップＳ１４がＹＥＳになるまで継続され、ステップＳ１４がＹＥＳとなった以降は、スイッチ回路３８がｓ１点接続とされ、通常制御に切り替えられる。

上記図６のステップＳ１４では、センサ始動後の素子インピーダンスＺａｃに基づいて負電圧制御の終了タイミングであるか否かを判定したが、この判定手法を以下のように変更してもよい。
（１）センサ始動後における素子電流ＩＬの積算値を算出し、その電流積算値が所定のしきい値に達した時に、負電圧制御の終了タイミングである旨を判定する。なおこの場合、
・センサ始動時からの素子電流ＩＬの積算値を算出する、
・センサ始動後において素子温度の上昇に伴い素子電流ＩＬが変化し始めてからの素子電流ＩＬの積算値を算出する、
・センサ始動後において素子温度の上昇に伴い素子電流ＩＬが変化し始めた後、同素子電流ＩＬが、本来出力されるべき電流相当の値に変化してからの素子電流ＩＬの積算値を算出する、
といった構成のいずれかが採用されるとよい。
（２）センサ始動後におけるヒータ電力の積算値を算出し、その電流積算値が所定のしきい値に達した時に、負電圧制御の終了タイミングである旨を判定する。
（３）センサ始動後におけるヒータ抵抗の変化をモニタし、そのヒータ抵抗が所定のしきい値まで上昇した時に、負電圧制御の終了タイミングである旨を判定する。
（４）センサ始動後における経過時間が所定時間に達した時に、負電圧制御の終了タイミングである旨を判定する。

ちなみに、センサ素子１０の内部抵抗はセンサ冷間時には極大値となっており、センサ素子１０がある程度昇温されなければ素子インピーダンスＺａｃが算出できない。したがって、素子インピーダンスＺａｃに基づいて負電圧制御の終了タイミングを判定する場合には、センサ素子１０が所定の昇温状態になり素子インピーダンスＺａｃが算出可能となるまで待つ必要があるが、上記の（１）〜（４）によれば、センサ素子１０が所定の昇温状態にならなくても負電圧制御の終了タイミングを判定できる。

また、上記図６では、ＩＧスイッチのオン操作後におけるヒータ通電開始タイミングで負電圧制御（負電圧印加）を開始する構成としたが、これを変更してもよい。例えば、センサ始動後において素子電流ＩＬが変化し始めたタイミングで負電圧制御（負電圧印加）を開始する構成としてもよい。

上記のような負電圧制御が行われる場合の、素子電流ＩＬの推移を図７のタイムチャートを用いて説明する。図７において、（ａ）はセンサ始動開始からの素子電流ＩＬの推移を、（ｂ）は印加電圧ＶＰの推移を、（ｃ）は素子インピーダンスＺａｃの推移を、（ｄ）はスイッチ回路３８の切替状態の推移をそれぞれ示している。なお（ａ）では、従来技術との差を示すために、通常制御を実施した場合の素子電流の推移を一点鎖線で示しており、これは図４で説明した素子電流ＩＬの推移と同じものである。

図７では、Ａ／Ｆセンサの始動当初から負電圧Ｖｎ（例えば、Ｖｎ＝−０．４Ｖ）が印加されており、素子電流ＩＬの変化開始後には、通常の印加電圧制御を行っている場合の素子電流ＩＬの推移（一点鎖線参照）に比して、素子電流ＩＬが負側に大きい値となる。これは、センサ素子１０に負電圧Ｖｎが印加されることで、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に対して強制的に酸素が供給され、その際、素子電流ＩＬとして酸素供給分の負電流が流れるためである。このとき、Ａ／Ｆセンサの始動後には、素子温度の上昇に伴い素子内部抵抗（直流抵抗Ｒｉ）が次第に小さくなるため、センサ印加電圧（負電圧）が一定値であっても、素子内部抵抗の低下に伴い素子電流ＩＬが徐々に負側に変化する。

負電圧印加状態での素子電流ＩＬの変化について図８を用いて補足説明する。なお、図８には、センサ出力特性（Ｖ−Ｉ特性）のうち直流抵抗Ｒｉが各々異なる場合の抵抗支配域について示している。素子温度の上昇時には直流抵抗Ｒｉが徐々に小さくなり、図８において直流抵抗ＲｉがＲ１→Ｒ２→Ｒ３のように小さくなると、抵抗支配域の傾きが徐々に大きくなる。このとき、印加電圧ＶＰがＶｎ値のままであっても、都度の素子電流ＩＬがＩｎ１→Ｉｎ２→Ｉｎ３のように負側に大きくなる。

図７の説明に戻り、タイミングｔａでは、素子インピーダンスＺａｃがしきい値ＴＨ以下となることで、通常の印加電圧に切り替えられる。具体的には、スイッチ回路３８がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられる。このとき、印加電圧ＶＰが負電圧から正電圧に切り替えられることで、素子電流ＩＬが正側に急峻変動し、その後、その時のＡ／Ｆ相当の電流値に収束する。タイミングｔａ以降は、印加電圧ＶＰが都度の素子電流ＩＬ（Ａ／Ｆ）に応じた電圧値とされ、図示の場合には「Ａ／Ｆ＝１４」に対応する正の電圧値とされている。

ここで、通常制御を行っている場合には、素子電流ＩＬが所定の正常出力範囲（図のＸ１）に収束するまでの所要時間がＴ２であるのに対し、負電圧制御を実行することで、素子電流ＩＬが所定の正常出力範囲（図のＸ１）に収束するまでの所要時間がＴ３に短縮される。

なお、負電圧制御の終了タイミング（スイッチ回路３８のｓ２→ｓ１の切替タイミング）がセンサ始動後における素子電流ＩＬの積算値に基づいて判定される場合には、例えば、センサ始動後において素子温度の上昇に伴い素子電流ＩＬが変化し始めるタイミング（図７のＴｂ）以降で、素子電流ＩＬの積算値が算出されるとよい。又は、センサ始動後において素子温度の上昇に伴い素子電流ＩＬが変化し始めた後、同素子電流ＩＬが、本来出力されるべき電流相当の値（図７のＸ１内の電流値）に変化したタイミング（図７のＴｃ）以降で、素子電流ＩＬの積算値が算出されるとよい。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

Ａ／Ｆセンサの始動時において負電圧制御を実行し、排気チャンバ１７側に酸素を過剰供給する構成とした。これにより、センサ始動前において排気チャンバ１７側に水分や有機物等が存在していても、それを早期に排除できる。つまり、センサ始動時において素子電流ＩＬのリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。その結果、センサ始動時において素子電流ＩＬ（センサ出力）を早期に正常化し、Ａ／Ｆセンサの活性をいち早く完了させることができる。

Ａ／Ｆセンサにおいてヒータ通電の開始タイミングで負電圧制御を開始し、そのヒータ通電によるセンサ素子１０の昇温過程において負電圧制御を実行する構成とした。これにより、センサ素子１０の昇温初期においてセンサ出力が未だ正常値でない時（換言すれば、センサ出力が使えない時）に負電圧制御が実行される。この場合、負電圧制御によってセンサ出力が大きく変動しても不都合は生じないため、何ら支障なく負電圧制御が実行できる。

センサ始動後の印加電圧制御として、まずは負電圧制御を実行し、その後、通常制御に切り替える構成としたため、負電圧制御によるリッチずれの解消後は、通常の印加電圧制御によっていち早く正常なセンサ制御を実施できるようになる。

センサ始動時において負電圧制御が実行されている場合に、素子インピーダンスＺａｃが所定の判定値になった時に負電圧制御を終了し、通常制御に切り替える構成とした。これにより、センサ素子１０の活性化の進み具合に合わせて負電圧制御を終了させることができる。この場合、排気チャンバ１７側への酸素供給量が多すぎる、或いは排気チャンバ１７側への酸素供給量が少なすぎるといった不都合を抑制することが可能となる。

一方で、負電圧制御から通常制御に移行する移行期間において、素子電流ＩＬの正側への急峻変動（テーリング）を抑制すべく、負電圧制御での印加電圧と通常制御での印加電圧との中間値となる中間電圧を、センサ電極間に印加する構成としてもよい。例えば、図９に示すように制御移行期間にて負電圧Ｖｎを徐々に変化させる構成とする。図９において、（ａ）はセンサ始動開始からの素子電流ＩＬの推移を、（ｂ）〜（ｄ）は印加電圧ＶＰの推移をそれぞれ示している。

すなわち、図９に示すように、負電圧制御期間（負電圧一定期間）Ｋ１と通常制御期間Ｋ２との間に制御移行期間Ｋ３を設け、その制御移行期間Ｋ３において印加電圧ＶＰを徐々に変化させるようにする。例えば、制御移行期間Ｋ３において、（ｂ）に示すように負電圧制御の電圧値Ｖｎ（一定値）から通常制御の電圧値に対して、一定の変化率にて印加電圧ＶＰを連続的に変化させる。これにより、（ａ）に示すように、負電圧制御から通常制御に移行する際に素子電流ＩＬの急峻変動（テーリング）を抑制できる。

なお、制御移行期間Ｋ３で印加電圧ＶＰを変化させる場合には、例えば、同期間Ｋ３の開始時点で負電圧制御を終了し（図１のスイッチ回路３８をｓ１点接続とし）、その後、印加電圧制御回路３５において印加電圧ＶＰを徐変させるようにするとよい。

その他、制御移行期間Ｋ３における印加電圧ＶＰ（中間電圧）の変化態様として、図９（ｃ）に示すように、不等の変化率にて印加電圧ＶＰを変化させてもよい。この場合、図示のように変化率を徐々に小さくする以外に、同変化率を徐々に大きくしてもよい。又は、図９（ｄ）に示すように、多段階（ステップ状）に印加電圧ＶＰを変化させてもよい。この場合、図示のように１回ごとの変化量を徐々に小さくする以外に、同変化量を徐々に大きくしたり、同一変化量としたりしてもよい。いずれにしても、負電圧制御から通常制御に移行する際において、素子電流ＩＬの急峻変動（テーリング）を抑制することができる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。上述した第１の実施形態では、センサ始動時においてセンサ印加電圧の負電圧制御を実行する際、その負電圧Ｖｎを一定値としたが、本実施形態ではこれを変更し、負電圧制御の際の電圧値を可変制御する。より具体的には、負電圧制御の際の電圧値を、センサ素子１０の昇温（活性化）に伴う直流抵抗Ｒｉの変化に合わせて可変制御する。

本実施形態では、センサ制御回路３０の構成を図１０のように変更する。図１０では、負電圧制御回路４１を新たに設けており、印加電圧制御回路３５により印加電圧制御が行われるか、負電圧制御回路４１によって印加電圧制御が行われるかが、スイッチ回路４２によって切り替えられるようになっている。この場合、スイッチ回路４２がｓ１点側に切り替えられると、印加電圧制御回路３５により印加電圧制御が行われ、同スイッチ回路４２がｓ２点側に切り替えられると、負電圧制御回路４１によって印加電圧制御が行われる。負電圧制御回路４１とスイッチ回路４２にはそれぞれマイコン２０からの制御指令が入力される。

ここで、センサ始動後には、素子温度の上昇に伴いセンサ素子の直流抵抗Ｒｉが徐々に低下し、その直流抵抗Ｒｉの低下に伴い、同一の電圧印加状態でも素子電流ＩＬが負側に大きくなる。このとき、素子電流ＩＬが負側の限界値に達すると、センサ素子１０の破損等が懸念されるため、素子電流ＩＬが負側の限界値に達しないよう負電圧Ｖｎを設定することが望ましい。なお、素子電流ＩＬの負側の限界値は、大気ダクト１８の容積、換言すれば大気ダクト１８における酸素供給能力に応じて決まり、センサ素子１０の小型化等により大気ダクト１８の容積（酸素供給能力）が小さくされている場合には、同限界値が小さい電流値となる。

上記のように、負電圧Ｖｎは、素子電流ＩＬが負側の限界値に達しないように設定されるが、センサの始動当初は直流抵抗Ｒｉが大きいため、素子電流ＩＬが負側の限界値に達しにくいものとなる。そこで本実施形態では、センサ始動当初は負電圧Ｖｎを負側に大きい電圧値とし、その後、負電圧Ｖｎを徐々に小さくする（０Ｖ側にシフトさせる）。これにより、センサ始動当初において、排気チャンバ１７側への酸素供給量を十分に確保しつつ（素子電流ＩＬを負側に十分大きくしつつ）、センサ素子の温度上昇時に素子電流ＩＬが負側の限界値に達してしまうといった不都合が回避できる。

図１１は、センサ出力特性（Ｖ−Ｉ特性）のうち直流抵抗Ｒｉが各々異なる場合の抵抗支配域について示す図であり、この図１１で説明すると、素子温度の上昇に伴い直流抵抗ＲｉがＲ１→Ｒ２→Ｒ３のように小さくなる場合に、負電圧ＶｎをＶｎ１→Ｖｎ２→Ｖｎ３のように徐々に小さくする。これにより、都度の素子電流ＩＬがほぼ一定値Ｉｎのまま保持される。

負電圧制御回路４１では、センサ始動後における負電圧制御期間内において時間の経過に合わせて負電圧Ｖｎが可変設定される。より具体的には、センサ始動後における直流抵抗Ｒｉの変化パターン（予測変化値）があらかじめ求められて記憶されており、直流抵抗Ｒｉの変化パターン（予測変化値）に対応する経過時間に合わせて負電圧Ｖｎが可変に設定される。

なお、ヒータ１９への電力投入量と直流抵抗Ｒｉとには相関があると考えられる。そのため、センサ始動後におけるヒータ電力量（積算電力）に基づいて負電圧Ｖｎを可変設定することも可能である。

図１２は、電圧可変とする負電圧制御が行われる場合の、素子電流ＩＬの推移を示すタイムチャートである。図１２において、（ａ）はセンサ始動開始からの素子電流ＩＬの推移を、（ｂ）は印加電圧ＶＰの推移を、（ｃ）は直流抵抗Ｒｉの推移を、（ｄ）はスイッチ回路４２の切替状態の推移をそれぞれ示している。

図１２に示すように、センサ素子の直流抵抗Ｒｉはセンサ始動後（ヒータ通電開始後）に徐々に低下する。また、センサ始動に伴いスイッチ回路４２がｓ２点接続とされ、センサ素子１０に対して、センサ始動当初から負電圧制御回路４１により所定の負電圧Ｖｎが印加される。このとき、センサ始動当初には、負電圧Ｖｎが比較的大きな電圧値（例えば、Ｖｎ＝−２．０Ｖ）となっており、その後、徐々に負側に小さい電圧値（０Ｖに近づく値）に変更される。

なお、センサ始動当初（ヒータ通電の開始当初）は、印加電圧ＶＰの電圧値に関係なく素子電流ＩＬが０ｍＡに保持される。ゆえに、センサ始動当初の所定期間では負電圧Ｖｎを一定値としてもよい。

上記のように、センサ始動当初から、センサ印加電圧として比較的大きな負電圧Ｖｎ（例えば、Ｖｎ＝−２．０Ｖ）が印加されることにより、素子電流ＩＬがいち早く負側に大きい値となる。したがって、大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素供給が一層促進される。また、直流抵抗Ｒｉの低下に伴い負電圧Ｖｎが徐々に０Ｖ側に変化するため、素子電流ＩＬの上昇が一時的にほぼ一定に保たれる。そして、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、通常制御に切り替えられる（スイッチ回路４２がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられる）。

以上第２の実施形態によれば、Ａ／Ｆセンサの始動後において負電圧Ｖｎを可変制御する構成としたため、負電圧Ｖｎの印加に伴い流れる素子電流を調整することが可能となる。上記のように、センサ素子１０の直流抵抗Ｒｉの変化に合わせて負電圧Ｖｎを徐々に小さくすることで、素子電流ＩＬ（負電流）をほぼ一定とすることができる。この場合、素子電流ＩＬ（負電流）が過剰に大きくなるのを抑制しつつ、排気チャンバ１７側への酸素供給を好適に行わせることができる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態との相違点として、センサ制御回路３０において排ガス側電極１５又は大気側電極１６に通じる電気経路上に定電流発生手段としての定電流回路を設け、その定電流回路によって、大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素の供給を行わせることとしている。図１３（ａ），（ｂ）は、本実施形態のセンサ制御回路３０を示す回路図である。なお、図１３（ａ），（ｂ）では、上述した図１と共通の構成について同一の符号を付すとともに、共通構成の一部（マイコン２０等）を省略又は簡素化している。

図１３（ａ）において、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）にはスイッチ回路５１が接続されており、そのスイッチ回路５１がマイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路５１がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／Ｆセンサの通常制御が行われる。これに対して、同スイッチ回路５１がｓ２点接続とされると、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）に定電流回路５２が接続される。定電流回路５２は吸込み式の定電流回路であり、同定電流回路５２によって、センサ素子１０において排ガス側電極１５（Ｓ−）から大気側電極１６（Ｓ＋）への向きの負電流Ｉｎが流れることとなる。

また、図１３（ｂ）では、（ａ）との相違点として、センサ素子１０の負側端子（Ｓ−端子）にスイッチ回路５３と定電流回路５４とが設けられている。定電流回路５４は吐出し式の定電流回路であり、同定電流回路５４によって、センサ素子１０において排ガス側電極１５（Ｓ−）から大気側電極１６（Ｓ＋）への向きの負電流Ｉｎが流れることとなる。

図１４は、センサ素子１０に負電流Ｉｎが流される場合の、素子電流ＩＬの推移を示すタイムチャートである。図１４において、（ａ）はセンサ始動開始からの素子電流ＩＬの推移を、（ｂ）はスイッチ回路５１，５３の切替状態の推移をそれぞれ示している。

図１４に示すように、センサ始動に伴いスイッチ回路５１（又は５３）がｓ２点接続とされ、定電流回路５２（又は５４）によってセンサ素子１０に負電流Ｉｎが流れる。ただし実際には、センサ始動当初は素子電流ＩＬが０ｍＡに保持され、素子温度がある程度上昇することで、負電流Ｉｎが流れ始めることとなる。負電流Ｉｎが流れることにより、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に対して強制的に酸素が供給される。そして、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路５１（又は５３）がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

以上第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、センサ始動時において素子電流ＩＬのリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。その結果、センサ始動時において素子電流ＩＬ（センサ出力）を早期に正常化し、Ａ／Ｆセンサの活性をいち早く完了させることができる。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態について説明する。本実施形態では、センサ素子１０に電圧を印加するための電源として交流電源を用いる構成としている。図１５は、本実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成を示す回路図である。

図１５に示すように、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）には印加電圧制御回路６１が接続されている。印加電圧制御回路６１は、２つの電源回路６２，６３と、その２つの電源回路６２，６３を切り替えるスイッチ回路６４と、スイッチ回路６４の一端に接続された非反転増幅回路６５とを備えている。非反転増幅回路６５は、オペアンプ６５ａと、その反転入力端子（−入力端子）に接続された帰還抵抗６５ｂとを有している。また、電源回路６２，６３に含まれる各抵抗が非反転増幅回路６５の入力抵抗となっている。帰還抵抗６５ｂに並列にコンデンサ６５ｃが接続されている。つまり本構成では、非反転増幅回路６５に一体で、印加電圧発振防止用のＬＰＦが設けられている。ＬＰＦのカットオフ周波数ｆｃは例えば２．７Ｈｚである。

また、センサ素子１０の負側端子（Ｓ−端子）には、交流電源回路６７、バッファ６８及び電流検出抵抗６９が直列に接続されている。交流電源回路６７は、例えば１０〜２０ｋＨｚ程度の交流電圧を出力する交流電圧発生手段であり、交流電圧発生回路や、同発生回路の交流電圧出力をフィルタ処理するためのＬＰＦにより構成されている。交流電源回路６７によってセンサ素子１０に交流電圧が印加される。交流電源回路６７は、インピーダンス検出のための電圧印加部に相当し、本実施形態では２．２Ｖを基準としてその正負両側に１Ｖずつ振幅させた交流電圧を出力する。

電流検出抵抗６９は、交流電源回路６７とセンサ素子１０との間の電流経路上に設けられており、センサ素子１０とは逆側の端子が基準電圧（交流電源回路６７の交流電圧の中心電圧）とされている。そして、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０の負側端子との中間点Ａで素子電流が計測される。

また、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０の負側端子との間の中間点Ａには、抵抗及びコンデンサよりなるＬＰＦ７０が接続され、さらに同ＬＰＦ７０は、非反転増幅回路６５のオペアンプ６５ａの非反転入力端子（＋入力端子）に接続されている。本構成では、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０との間の中間点電圧（すなわち、電流検出抵抗６９及びセンサ素子１０による分圧電圧）が、ＬＰＦ７０を介して印加電圧制御回路６１の非反転増幅回路６５に入力される。なお、ＬＰＦ７０のカットオフ周波数ｆｃは例えば１５０Ｈｚである。

印加電圧制御回路６１において、一方の電源回路６２はＡ／Ｆ検出のための電圧印加部（第１の電圧印加手段）に相当し、他方の電源回路６３は負電圧制御のための電圧印加部（第２の電圧印加手段）に相当する。また、スイッチ回路６４は、マイコン７８からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作される。かかる場合、通常はスイッチ回路６４がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／Ｆセンサの通常制御が行われる。このとき、非反転増幅回路６５のオペアンプ６５ａに対して電源回路６２から電源電圧が入力され、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が例えば２．６Ｖ固定とされる。これに対し、同スイッチ回路６４がｓ２点接続とされると、非反転増幅回路６５のオペアンプ６５ａに対して電源回路６３から電源電圧が入力され、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が例えば１．７Ｖ固定とされる。

スイッチ回路６４がｓ１点接続とされ、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が２．６Ｖ固定とされる場合、センサ素子１０に正電圧が印加される。これに対し、スイッチ回路６４がｓ２点接続とされ、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が１．７Ｖ固定とされる場合、センサ素子１０に負電圧が印加される。

一方、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０の負側端子との間の中間点Ａには、その中間点電圧（すなわち、電流検出抵抗６９及びセンサ素子１０による分圧電圧）を各々個別に取り込むようにした２つの信号出力部が設けられている。一方は、素子電流相当のＡ／Ｆ検出信号を出力するためのＡ／Ｆ信号出力部７１であり、他方は、インピーダンス検出信号を出力するためのインピーダンス信号出力部７２である。Ａ／Ｆ信号出力部７１は、オペアンプ７３とＬＰＦ部７４とを一体に設けた非反転増幅回路により構成されている。Ａ／Ｆ信号出力部７１においてオペアンプ７３の非反転入力端子（＋入力端子）には、ＬＰＦ７０を経由してＡ点電圧が入力される。その際、インピーダンス検出のために交流的に変動しているＡ点電圧の変動分がＬＰＦ７０により除去される。また、インピーダンス信号出力部７２は、ＨＰＦ７５とピークホールド回路７６とから構成されている。ピークホールド回路７６には信号増幅部が一体に設けられている。Ａ／Ｆ信号出力部７１から出力されるＡ／Ｆ検出信号と、インピーダンス信号出力部７２から出力されるインピーダンス検出信号とは共にマイコン７８に入力される。

上記構成のセンサ制御回路において、エンジン始動に伴うセンサ始動時（ヒータ通電開始時）には、スイッチ回路６４がｓ２点接続とされ、印加電圧制御回路６１によって、電源回路６３を電源とすることによって生じる負電圧がセンサ素子１０に印加される。これにより、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に対して強制的に酸素が供給される。そして、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路６４がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

以上第４の実施形態においても、前記同様、センサ始動時において素子電流のリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。その結果、センサ始動時において素子電流（センサ出力）を早期に正常化し、Ａ／Ｆセンサの活性をいち早く完了させることができる。

［第５の実施形態］
次に、第４の実施形態の一部を変更した第５の実施形態について説明する。本実施形態では、第４の実施形態との相違点として、センサ制御回路に定電流発生手段としての定電流回路を設け、その定電流回路によって、大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素の供給を行わせることとしている。図１６（ａ），（ｂ）は、本実施形態のセンサ制御回路を示す回路図である。なお、図１６（ａ），（ｂ）では、上述した図１５と共通の構成について同一の符号を付すとともに、共通構成の一部（マイコン７８等）を省略又は簡素化している。

図１６（ａ）において、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）にはスイッチ回路８１が接続されており、そのスイッチ回路８１がマイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路８１がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／Ｆセンサの通常制御が行われる。これに対して、同スイッチ回路８１がｓ２点接続とされると、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）に定電流回路８２が接続される。定電流回路８２は吸込み式の定電流回路であり、同定電流回路８２によって、センサ素子１０において排ガス側電極１５（Ｓ−）から大気側電極１６（Ｓ＋）への向きの負電流Ｉｎが流れることとなる。

また、図１６（ｂ）では、（ａ）との相違点として、センサ素子１０の負側端子（Ｓ−端子）にスイッチ回路８３と定電流回路８４とが設けられている。定電流回路８４は吐出し式の定電流回路であり、同定電流回路８４によって、センサ素子１０において排ガス側電極１５（Ｓ−）から大気側電極１６（Ｓ＋）への向きの負電流Ｉｎが流れることとなる。

上記図１６（ａ），（ｂ）のセンサ制御回路では、センサ始動に伴いスイッチ回路８１（又は８３）がｓ２点接続とされ、定電流回路８２（又は８４）によってセンサ素子１０に負電流Ｉｎが流れる。これにより、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に対して強制的に酸素が供給される。そして、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路８１（又は８３）がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

以上第５の実施形態においても、前記同様、センサ始動時において素子電流のリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。その結果、センサ始動時において素子電流（センサ出力）を早期に正常化し、Ａ／Ｆセンサの活性をいち早く完了させることができる。

［第６の実施形態］
上述した各記実施形態では、センサ素子（Ａ／Ｆセンサ）として図２の素子構造を有するものを説明したが、他の素子構造を有するセンサ素子に本発明を適用することも可能である。例えば、１セルタイプのセンサ素子に代えて、ポンプセル及び起電力セルを有する２セルタイプのセンサ素子を用いる。換言すれば、１層の固体電解質を有する構成に代えて、２層の固体電解質を有する構成や、３層の固体電解質を有する構成とする。また、積層型構造のセンサ素子に代えて、コップ型構造のセンサ素子に本発明を適用したりすることも可能である。

以下、２セル構造のセンサ素子について２つの構成例を図１７（ａ），（ｂ）により説明する。

図１７（ａ）に示すセンサ素子１００では、２層の固体電解質層１０１，１０２を有しており、一方の固体電解質層１０１には一対の電極１０３，１０４が対向配置され、他方の固体電解質層１０２には一対の電極１０５，１０６が対向配置されている。なお、電極１０３〜１０５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。

本センサ素子１００では、固体電解質層１０１及び電極１０３，１０４によりポンプセル１１１が構成され、固体電解質層１０２及び電極１０５，１０６により酸素検知セル１１２が構成されている。センサ素子１００が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０と同じである。符号１０７はガス導入孔、符号１０８は多孔質拡散層、符号１０９は大気ダクト、符号１１０はヒータである。ポンプセル１１１を構成する一対の電極１０３，１０４のうち、多孔質拡散層１０８側の電極１０４が「ガス検出電極（排ガス側電極）」であり、他側の電極１０３が「基準電極」である。

酸素検知セル１１２の電極１０６の電位は比較器１１５の負側入力端子に入力され、同比較器１１５の正側入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル１１１の電極１０３と比較器１１５の出力端子との間には電流検出抵抗１１６が接続されており、その電流検出抵抗１１６の両端子のＡ点及びＢ点がセンサ出力として取り出されるようになっている。

上記構造のセンサ素子１００において、酸素検知セル１１２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル１１２の起電力出力が小さくなり、比較器１１５の出力（図のＢ点電圧）が上昇する。ゆえに、電流検出抵抗１１６にはＢ→Ａの向きに電流が流れる。また逆に、リッチである場合、酸素検知セル１１２の起電力出力が大きくなり、比較器１１５の出力（図のＢ点電圧）が低下する。ゆえに、電流検出抵抗１１６にはＡ→Ｂの向きに電流が流れる。なお、酸素検知セル１１２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

また、図１７（ｂ）に示すセンサ素子１２０では、３層の固体電解質層１２１，１２２，１２３を有し、固体電解質層１２１には一対の電極１２４，１２５が対向配置され、固体電解質層１２２には一対の電極１２６，１２７が対向配置されている。

本センサ素子１２０では、固体電解質層１２１及び電極１２４，１２５によりポンプセル１３１が構成され、固体電解質層１２２及び電極１２６，１２７により酸素検知セル１３２が構成されている。また、固体電解質層１２３は、酸素基準室１２８を確保するための壁材を構成している。センサ素子１２０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０等と同じである。符号１２９は多孔質拡散層、符号１３０はガス検出室（排気チャンバ）である。ポンプセル１３１を構成する一対の電極１２４，１２５のうち、ガス検出室１３０側の電極１２５が「ガス検出電極（排ガス側電極）」であり、他側の電極１２４が「基準電極」である。なお、酸素検知セル１３２は、図１７（ａ）の酸素検知セル１１２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

酸素検知セル１３２の電極１２７の電位は比較器１３５の負側入力端子に入力され、同比較器１３５の正側入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル１３１の電極１２４と比較器１３５の出力との間には電流検出抵抗１３６が接続されており、その電流検出抵抗１３６の両端子のＡ点及びＢ点がセンサ出力として取り出されるようになっている。この場合、リーン時にはＢ→Ａの向きに電流検出抵抗１３６に電流が流れ、逆にリッチ時にはＡ→Ｂの向きに電流検出抵抗１３６に電流が流れる。

上記２セル構造のセンサ素子を有するガスセンサについて、そのセンサ制御回路の構成を図１８に基づいて説明する。なお図１８には、図１７（ａ）のセンサ素子１００に関するセンサ制御回路の構成を示す。

図１８のセンサ制御回路において、ポンプセル１１１及び酸素検知セル１１２の共通端子ＣＯＭには基準電圧電源１５１が接続されている。基準電圧電源１５１の電圧値は例えば２．５Ｖであり、共通端子ＣＯＭの電圧値は２．５Ｖに固定される。また、これら各セル１１１，１１２には、オペアンプ１５２と、スイッチ回路１５３と、電流検出抵抗１５４とからなる直列回路が接続されており、オペアンプ１５２の非反転入力端子（＋入力端子）には、比較電圧Ｖｒｅｆ（０．４５Ｖ）を生成する比較電圧生成回路１５５が接続されている。リーン時にはＢ→Ａの向きに電流検出抵抗１５４に電流が流れ、逆にリッチ時にはＡ→Ｂの向きに電流検出抵抗１５４に電流が流れる（なお、オペアンプ１５２が上記図１７（ａ）のオペアンプ１１５に相当し、電流検出抵抗１５４が同電流検出抵抗１１６に相当する）。かかる場合、酸素検知セル１１２の出力電圧が所定値になるようポンプセル１１１がフィードバック制御される（ただし、フィードバック制御回路については既に種々公開されておりここでは図示及び詳細な説明を省略する）。

電流検出抵抗１５４の両端のＡ点、Ｂ点には差動増幅回路１５９が接続されており、その差動増幅回路１５９の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン（図示略）に対して出力される。

スイッチ回路１５３は、マイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路１５３がｓ１点接続とされ、その状態でガスセンサの通常制御が行われる。つまり、酸素検知セル１１２の起電力信号に基づいて、ポンプセル１１１に流れる素子電流がフィードバック制御される。これに対し、スイッチ回路１５３がｓ２点接続とされると、電流検出抵抗１５４の一端（図のＢ点）にオペアンプ１５８の出力端子が接続される。オペアンプ１５８の−入力端子には電源１５７が接続され、＋入力端子には電流検出抵抗１５４の一端（図のＡ点）が接続されている。電源１５７の電圧値は例えば３．５Ｖである。

ここで、エンジン始動に伴うセンサ始動時（ヒータ通電開始時）には、スイッチ回路１５３がｓ２点接続とされる。このとき、冷間始動時であればポンプセル１１１に電流が流れず、共通端子ＣＯＭとＡ点とが共に２．５Ｖとなる。この結果、オペアンプ１５８では、−入力端子に３．５Ｖが、＋入力端子に２．５Ｖが印加されることとなり、図のＡ点→Ｂ点の向きに電流が流れる。これにより、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）に電流が流れるとともに、その逆方向である電極１０３（基準電極）から電極１０４（ガス検出電極）に酸素（酸素イオン）が移動する。よって、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。そしてその後、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路１５３がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

図１９は、図１８の回路構成を一部変更したものである。図１９のセンサ制御回路では、図１８の同制御回路との相違点として、スイッチ回路１５３のｓ２点に接続されたオペアンプ１６２の−入力端子に同オペアンプ１６２の出力端子が接続され、＋入力端子に電源１６１が接続されている。この場合、スイッチ回路１５３がｓ２点接続にされることで、Ｂ点電圧が電源１６１と同じ電圧値（例えば、１．５Ｖ）に保持される。

ここで、エンジン始動に伴うセンサ始動時（ヒータ通電開始時）には、スイッチ回路１５３がｓ２点接続とされる。これにより、共通端子ＣＯＭは２．５Ｖ、Ｂ点電圧は１．５Ｖとなり、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）に電流が流れるとともに、その逆方向である電極１０３（基準電極）から電極１０４（ガス検出電極）に酸素（酸素イオン）が移動する。よって、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。そしてその後、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路１５３がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

図１８，図１９に示すセンサ制御回路においても、前記同様、センサ始動時において素子電流のリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。その結果、センサ始動時において素子電流（センサ出力）を早期に正常化し、Ａ／Ｆセンサの活性をいち早く完了させることができる。

また、図１８の回路構成に対する変形例として、図２０（ａ），（ｂ）の構成を採用してもよい。図２０では、センサ制御回路に定電流発生手段としての定電流回路を設け、その定電流回路によって、酸素供給を行わせることとしている。なお、図２０は基本構成が図１８と同じであるが、便宜上、差動増幅回路１５９等の図示を省略している。

図２０（ａ）では、ポンプセル１１１の２つの端子のうち、酸素検知セル１１２との共通端子ＣＯＭの反対側（基準電極である電極１０３側の端子）にスイッチ回路１６３が接続されており、そのスイッチ回路１６３がマイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路１６３がｓ１点接続とされ、その状態でガスセンサの通常制御が行われる。

これに対して、同スイッチ回路１６３がｓ２点接続とされると、ポンプセル１１１の端子（基準電極である電極１０３側の端子）に定電流回路１６４が接続される。定電流回路１６４は吸込み式の定電流回路であり、同定電流回路１６４によって、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）への向きの電流（Ａ／Ｆリッチ時と同じ向きの電流）が流れることとなる。これにより、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。

また、図２０（ｂ）では、（ａ）との相違点として、ポンプセル１１１の２つの端子のうち、酸素検知セル１１２との共通端子ＣＯＭ（ガス検出電極である電極１０４側の端子）側にスイッチ回路１６５と定電流回路１６６とが設けられている。定電流回路１６６は吐出し式の定電流回路であり、同定電流回路１６６によって、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）への向きの電流（Ａ／Ｆリッチ時と同じ向きの電流）が流れることとなる。これにより、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。

上述した図１８〜図２０のセンサ制御回路では、電流検出抵抗１５４の両端のＡ点、Ｂ点はいずれも固定されておらず共に変動するが、以下の図２１に示すセンサ制御回路では電流検出抵抗の一方の端子を固定できる構成としている。

図２１に示すセンサ制御回路において、ポンプセル１１１及び酸素検知セル１１２の共通端子ＣＯＭには、オペアンプ１７３及びスイッチ回路１８１を通じて基準電圧Ｖｆ１と同等の電圧（例えば３Ｖ）が印加される。つまり、スイッチ回路１８１がｓ１点接続とされることによって図のＢ点電圧（ＣＯＭ端子電圧）が３Ｖ固定とされる。また、酸素検知セル１１２には、フィードバック回路１７１と、スイッチ回路１８２と、電流検出抵抗１７２とからなる直列回路が接続されている。フィードバック回路１７１内の基準電圧Ｖｆ２は例えば２．５５Ｖである。

センサ制御回路の基本動作をリッチ時を例に説明する。リッチ時には、酸素検知セル１１２の起電力により図のＣ１点が３．４５Ｖに上がるため、フィードバック回路１７１内のＣ２点の電位が下がる。すると、フィードバック回路１７１の出力、すなわちＡ点電圧が上昇する。つまり、リッチ時にはＡ→Ｂの向きに電流検出抵抗１７２に電流が流れる。逆に、リーン時にはＢ→Ａの向きに電流検出抵抗１７２に電流が流れる。

電流検出抵抗１７２の両端のＡ点、Ｂ点には増幅回路１７５が接続されており、その増幅回路１７５の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン（図示略）に対して出力される。

スイッチ回路１８１，１８２は、マイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路１８１がｓ１点接続、スイッチ回路１８２がｓ３点接続とされ、その状態でガスセンサの通常制御が行われる。つまり、酸素検知セル１１２の起電力信号に基づいて、ポンプセル１１１に流れる素子電流がフィードバック制御される。

これに対し、スイッチ回路１８１がｓ２点接続とされると、オペアンプ１７３の−入力端子と出力端子とが接続される。これにより、ポンプセル１１１において共通端子ＣＯＭの反対側（基準電極である電極１０３側の端子）が３．０Ｖとされる。また、スイッチ回路１８２がｓ４点接続とされると、電流検出抵抗１７２の一端（図のＡ点）にオペアンプ１８４の出力端子が接続される。オペアンプ１８４の＋入力端子には電源１８３が接続され、−入力端子には電流検出抵抗１７２の一端（図のＢ点）が接続されている。スイッチ回路１８２がｓ４点接続にされることで、Ｂ点電圧が電源１８２と同じ電圧値（例えば、４．０Ｖ）に保持される。

ここで、エンジン始動に伴うセンサ始動時（ヒータ通電開始時）には、スイッチ回路１８１がｓ２点接続、スイッチ回路１８２がｓ４点接続とされる。これにより、ポンプセル１１１の両端子においてＣＯＭ側が４．０Ｖ、反対側が３．０Ｖとなり、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）に電流が流れるとともに、その逆方向である電極１０３（基準電極）から電極１０４（ガス検出電極）に酸素（酸素イオン）が移動する。よって、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。そしてその後、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路１８１がｓ２点接続からｓ１点接続に、スイッチ回路１８２がｓ４点接続からｓ３点接続にそれぞれ切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

図２２は、図２１の回路構成を一部変更したものである。なお、フィードバック回路１７１の図示を簡略化している。図２２のセンサ制御回路では、図２１の同制御回路との相違点として、スイッチ回路１８１，１８２等を省略するとともに、酸素検知セル１１２とフィードバック回路１７１との間にスイッチ回路１８７を設けている。この場合、スイッチ回路１８７がｓ２点接続にされることで、フィードバック回路１７１に対してオペアンプ１８９を介して電源１８８の設定電圧が入力される。電源１８８の電圧は、例えば３．４５〜３．９Ｖの間で可変となっている。本構成では、センサ始動時において、スイッチ回路１８７がｓ２点接続とされることで、フィードバック回路１７１に対して強制的にリッチ相当の電圧が入力されることとなる。

図２１，図２２に示すセンサ制御回路においても、前記同様、センサ始動時において素子電流のリッチずれによるセンサ活性遅れを抑制できる。その結果、センサ始動時において素子電流（センサ出力）を早期に正常化し、Ａ／Ｆセンサの活性をいち早く完了させることができる。

また、図２１，図２２の回路構成に対する変形例として、図２３（ａ），（ｂ）の構成を採用してもよい。図２３では、センサ制御回路に定電流発生手段としての定電流回路を設け、その定電流回路によって、酸素供給を行わせることとしている。

図２３（ａ）では、ポンプセル１１１の２つの端子のうち、酸素検知セル１１２との共通端子ＣＯＭの反対側（基準電極である電極１０３側の端子）にスイッチ回路１９１が接続されており、そのスイッチ回路１９１がマイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路１９１がｓ１点接続とされ、その状態でガスセンサの通常制御が行われる。

これに対して、同スイッチ回路１９１がｓ２点接続とされると、ポンプセル１１１の端子（基準電極である電極１０３側の端子）に定電流回路１９２が接続される。定電流回路１９２は吸込み式の定電流回路であり、同定電流回路１９２によって、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）への向きの電流（Ａ／Ｆリッチ時と同じ向きの電流）が流れることとなる。これにより、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。

また、図２３（ｂ）では、（ａ）との相違点として、ポンプセル１１１の２つの端子のうち、酸素検知セル１１２との共通端子ＣＯＭ（ガス検出電極である電極１０４側の端子）側において、フィードバック回路１７１と電流検出抵抗１７２との間にスイッチ回路１９３と定電流回路１９４とが設けられている。定電流回路１９４は吐出し式の定電流回路であり、同定電流回路１９４によって、ポンプセル１１１において電極１０４（ガス検出電極）から電極１０３（基準電極）への向きの電流（Ａ／Ｆリッチ時と同じ向きの電流）が流れることとなる。これにより、電極１０４（ガス検出電極）に強制的に酸素が供給され、電極１０４側においてセンサ始動時に存在している水分や有機物等が除去される。

［他の実施形態］
本発明は、上述した各実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されても良い。

・酸素濃度を検出対象とするＡ／ＦセンサやＯ2センサ以外に、他のガス濃度成分を検出対象とするガスセンサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガスセンサは、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のガス濃度を検出する。このガスセンサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、このＮＯｘセンサを対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガスセンサであってもよい。

・ガス濃度成分としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能とするガスセンサのセンサ制御装置にも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。

・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センサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排ガス以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

第１の実施形態においてセンサ制御系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。 Ａ／Ｆセンサの出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図。 センサ始動直後に生じるリッチずれを説明するためのタイムチャート。 印加電圧制御を補足説明するためのセンサ素子の略図。 エンジン始動時における印加電圧制御の処理手順を示すフローチャート。 負電圧制御が行われる場合の素子電流等の推移を示すタイムチャート。 Ａ／Ｆセンサの出力特性図。 負電圧制御が行われる場合の素子電流等の推移を示すタイムチャート。 第２の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 Ａ／Ｆセンサの出力特性図。 電圧可変とする負電圧制御が行われる場合の素子電流等の推移を示すタイムチャート。 第３の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 センサ素子に負電流が流される場合の素子電流等の推移を示すタイムチャート。 第４の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第５の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第６の実施形態におけるガスセンサの構成を示す断面図。 第６の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第６の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第６の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第６の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第６の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 第６の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質層、１２…拡散抵抗層、１５…排ガス側電極（ガス検出電極）、１６…大気側電極（基準電極）、１７…排気チャンバ、１８…大気ダクト、１９…ヒータ、２０…マイコン（センサ制御手段）、３０…センサ制御回路（センサ制御手段）、３５…印加電圧制御回路（第１の電圧印加手段）、３８…スイッチ回路、３９…負電圧電源（第２の電圧印加手段）、４１…負電圧制御回路（第２の電圧印加手段）、４２…スイッチ回路、５１，５３…スイッチ回路、５２，５４…定電流回路（定電流発生手段）、６２…電源回路（第１の電圧印加手段）、６３…電源回路（第２の電圧印加手段）、７８…マイコン（センサ制御手段）。

Claims (13)

1. 固体電解質層及びそれを挟む一対の電極を有し、前記一対の電極のうち一方をガス検出電極、他方を基準電極とするセンサ素子を備え、被検出ガス中の特定成分のガス濃度に応じて前記一対の電極間に流れる電流によりセンサ出力を生じさせるガスセンサを制御対象とするセンサ制御装置であり、
   前記ガスセンサの始動時に、前記基準電極側から前記ガス検出電極側に強制的に酸素を供給するセンサ制御手段を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記ガスセンサは、前記センサ素子を加熱するヒータを備えており、
   前記センサ制御手段は、前記ヒータによる加熱開始に伴い前記酸素供給を開始する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記センサ制御手段は、前記一対の電極に、前記ガス検出電極が正側、前記基準電極が負側となる酸素供給電圧を印加するものである請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記センサ制御手段は、前記ガスセンサの始動後において前記酸素供給電圧を可変設定する請求項３に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記センサ制御手段は、前記センサ素子の直流抵抗の変化予測に合わせて前記酸素供給電圧を徐々に小さくする請求項４に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記センサ制御手段は、
   ガス濃度検出用の印加電圧を前記一対の電極に印加する第１の電圧印加手段と、
   前記酸素供給電圧を前記一対の電極に印加する第２の電圧印加手段とを備え、
   前記ガスセンサの始動後の所定期間において前記第２の電圧印加手段による電圧印加を行わせ、その後、前記第１の電圧印加手段による電圧印加に切り替える請求項３乃至５のいずれか１つに記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記第２の電圧印加手段は、前記一対の電極に前記酸素供給電圧として一定電圧を印加するものであり、
   前記センサ制御手段は、前記第２の電圧印加手段による電圧印加から前記第１の電圧印加手段による電圧印加への切替時に、それら電圧印加手段による印加電圧の中間値となる中間電圧を前記一対の電極に印加する請求項６に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記センサ制御手段は、前記ガス検出電極から前記基準電極への向きで強制的に電流を流すものである請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
9. 前記ガス検出電極又は前記基準電極に通じる電気経路上に定電流発生手段を設け、
   前記センサ制御手段は、前記定電流発生手段により前記ガス検出電極から前記基準電極への向きで流れる電流を生じさせる請求項８に記載のガスセンサ制御装置。
10. 前記ガスセンサの素子インピーダンスを算出する手段を備え、
    前記センサ制御手段は、前記ガスセンサの素子インピーダンスが所定の判定値になった時に前記酸素供給を終了する請求項１乃至９のいずれか１つに記載のガスセンサ制御装置。
11. センサ始動後においてセンサ出力の積算値を算出する手段を備え、
    前記センサ制御手段は、前記センサ出力の積算値が所定の判定値になった時に前記酸素供給を終了する請求項１乃至９のいずれか１つに記載のガスセンサ制御装置。
12. 前記センサ素子を加熱するヒータへの通電制御量を算出する手段を備え、
    前記センサ制御手段は、前記ヒータへの通電制御量が所定の判定値になった時に前記酸素供給を終了する請求項１乃至９のいずれか１つに記載のガスセンサ制御装置。
13. 前記ガスセンサは、内燃機関の排気通路に設けられ同排気通路内を流れる排ガスを検出対象とする排気センサである請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のガスセンサ制御装置。

Images