JP2016105065A - 酸素濃度センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期にわたり、酸素濃度を精度良く検出できる酸素濃度センサの制御装置を提供すること。【解決手段】電子制御装置は、被検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を生じるセンサ素子と、センサ素子の素子温度を活性温度に保つためのヒータと、を備える酸素濃度センサについて、センサ素子のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスと、素子温度とインピーダンスとの相関関係により予め設定された相関データとに基づいて、素子温度を活性温度に保つようにヒータへの通電を制御する。この電子制御装置は、センサ素子の容量を算出する算出手段（Ｓ１０〜Ｓ２３）と、算出手段により算出される容量に応じて相関データを設定するものであり、相関データを、容量が大きいほど任意の素子温度に対してインピーダンスの小さいデータに切り替えて設定する設定手段と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、被検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を生じるセンサ素子と、センサ素子の素子温度を活性温度に保つためのヒータと、を備える酸素濃度センサの制御装置に関する。

従来、電子制御式燃料噴射装置におけるフィードバック制御を実現するために、内燃機関の排気通路には、酸素濃度センサが配置されている。このような酸素濃度センサの制御装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。

酸素濃度センサは、排気通路に配置され、排気ガス中の酸素濃度に応じた出力を生じるセンサ素子と、センサ素子の素子温度を活性温度に保つためのヒータと、を備えている。センサ素子の出力特性（起電力特性）は温度依存性を有しており、酸素濃度を精度良く検出するには、センサ素子の素子温度を活性温度に保つ必要がある。このため、酸素濃度の制御装置は、素子温度を活性温度に保つように、ヒータへの通電を制御する。

ところで、ヒータへの通電を制御して素子温度を活性温度に保つには、素子温度を検出する必要がある。センサ素子のインピーダンスと素子温度との間には、所定の相関関係がある。そこで、酸素濃度センサの制御装置は、センサ素子のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスと、インピーダンスと素子温度との相関関係について予め設定された相関データと、に基づいて、ヒータへの通電を制御するようになっている。例えば、相関データにより、検出したインピーダンスから素子温度を推定し、推定した素子温度に基づいて、ヒータへの通電を制御する。

特開２００９−３１１５３号公報

しかしながら、センサ素子がさらされる環境の温湿度、排気ガス等の影響によりセンサ素子が経時変化し、これによりセンサ素子には容量成分が形成される。この容量成分は、時間の経過とともに増大する。このように容量成分が形成されると、インピーダンスと素子温度との相関関係が変化してしまう。したがって、検出したインピーダンスに基づいてヒータへの通電を制御しても、検出したインピーダンスに対応する素子温度（目標素子温度）に対して、実際の素子温度が低くずれてしまう。このため、素子温度が活性状態よりも低くなり、酸素濃度の検出精度が低下する虞がある。

本発明は上記問題点に鑑み、長期にわたり、酸素濃度を精度良く検出できる酸素濃度センサの制御装置を提供することを目的とする。

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

開示された発明のひとつは、被検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を生じるセンサ素子（１１）と、センサ素子の素子温度を活性温度に保つためのヒータ（１２）と、を備える酸素濃度センサ（１０）について、センサ素子のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスと、素子温度とインピーダンスとの相関関係により予め設定された相関データとに基づいて、素子温度を活性温度に保つようにヒータへの通電を制御する酸素濃度センサの制御装置であって、
センサ素子の容量を算出する算出手段（Ｓ１０〜Ｓ２３）と、
算出手段により算出される容量に応じて相関データを設定するものであり、相関データを、容量が大きいほど任意の素子温度に対してインピーダンスの小さいデータに切り替えて設定する設定手段（Ｓ３０〜Ｓ３４）と、
を備えることを特徴とする。

上記したように、センサ素子の経時変化により、センサ素子に容量が形成される。したがって、容量変化にともなうインピーダンスの追加分が生じる。センサ素子本来のインピーダンスをＺ_１、容量形成による追加分を追加インピーダンスＺ_２とすると、合成インピーダンスＺは、次式で示される。
（数１）１／Ｚ＝１／Ｚ_１＋１／Ｚ_２

この合成インピーダンスＺが、センサ素子のインピーダンスとして検出される。例えば素子温度を所定値とすべく、合成インピーダンスが所定値（一定値）となるようにヒータの通電が制御される場合について考える。容量が形成されない時点ではＺ_２＝０であるため、合成インピーダンスＺとしてＺ_１が検出される。すなわち、Ｚ_１＝Ｚである。

しかしながら、容量が形成されると、追加インピーダンスＺ_２の影響で、Ｚ_１＞Ｚになる。インピーダンスＺ_１の値は、追加インピーダンスＺ_２が大きくなるほど大きくなる。従来の相関データは固定であり、センサ素子本来のインピーダンスＺ_１と素子温度との相関関係に基づいて設定されている。したがって、合成インピーダンスＺが一定となるように制御されても、実際はインピーダンスＺ_１の値が大きくなるため、素子温度は低下してしまう。

これに対し、本発明では、算出手段により、センサ素子の容量を算出することができる。また、設定手段により、算出された容量に応じて相関データを切り替えて設定することができる。設定手段は、例えば容量が大きくなると、任意の素子温度に対してインピーダンスの小さい相関データに切り替える。すなわち、同じ素子温度でも対応する合成インピーダンスＺが小さくなる。したがって、容量増加によって追加インピーダンスＺ_２が大きくなっても、インピーダンスＺ_１の増加を抑制することができる。すなわち、素子温度の低下を抑制することができる。このため、長期にわたり、酸素濃度を精度良く検出することができる。

第１実施形態に係る電子制御装置の概略構成を示す図である。 マイコンが実行する容量算出処理を示すフローチャートである。 Ｖｘ，Ｖｙ、Ｖｃ，ｔｃを示す図である。 抵抗値Ｒ_１算出を説明するための図である。 マイコンが実行する相関データ設定処理を示すフローチャートである。 素子温度とインピーダンスとの相関関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。

（第１実施形態）
先ず、本実施形態に係る電子制御装置によって制御される酸素濃度センサ１０について説明する。

図１に示すように、酸素濃度センサ１０は、センサ素子１１と、ヒータ１２と、を備えている。すなわち、ヒータ１２付きの酸素濃度センサ１０となっている。酸素濃度センサ１０は、内燃機関の排気通路に配置される。このような酸素濃度センサ１０は、電子式燃料噴射装置のフィードバック制御を実現するためのセンサのひとつとして用いられる。

センサ素子１１は、ジルコニアなどを材料とする固体電解質のセンサ素子であり、排気ガス（被検出ガス）中の酸素濃度に応じた起電力を生じる。したがって、この起電力を測定することにより、排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。詳しくは、排気空燃比がリッチであるかリーンであるかを判定することができる。

センサ素子１１の出力特性（起電力特性）は温度依存性を有している。このため、酸素濃度を精度良く検出するには、センサ素子１１の素子温度を活性温度（例えば５５０℃）に保つ必要がある。また、センサ素子１１のインピーダンスと素子温度との間には、所定の相関関係がある。詳しくは、インピーダンスが低下するのにつれて、素子温度が上昇する相関関係がある。

酸素濃度センサ１０がさらされる温湿度、排気ガス等の影響により、センサ素子１１は経時変化（経年劣化）する。詳しくは、図１に破線で示すように、経時変化によって、センサ素子１１には、容量値Ｃ_１の容量成分が新たに形成される。この容量成分は、時間の経過とともに増大する。容量成分が形成されるまでは、センサ素子１１を、主に抵抗成分のインピーダンスと起電力成分とを直列接続した回路として、概ね等価的に示すことができる。このように、図１に示す容量値Ｃ_１の容量成分は、初期的には存在せず、時間の経過とともに形成されるものであるため、図１において破線で示している。

ヒータ１２は、センサ素子１１の素子温度を活性温度に保つために配置されている。このヒータ１２は、センサ素子１１の素子温度を活性温度に保つように、後述する電子制御装置２０によって通電が制御される。上記したように、センサ素子１１のインピーダンスと素子温度との間には、所定の相関関係がある。このため、ヒータ１２は、センサ素子１１のインピーダンスと、インピーダンスと素子温度との相関データと、に基づいて、通電が制御される。ヒータ１２への通電は、スイッチ１３のオン、オフにより制御される。図１に示す例では、電源とグランドとの間で、ヒータ１２とスイッチ１３が直列接続されており、ヒータ１２に対してローサイド側にスイッチ１３が配置されている。また、スイッチ１３として、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴを採用している。スイッチ１３としてのＭＯＳＦＥＴのゲートに電子制御装置２０から駆動信号が入力され、駆動信号に応じてスイッチ１３がオン、オフされる。

次に、図１に基づき、電子制御装置の概略構成を説明する。

図１に示す電子制御装置２０は、エンジンＥＣＵとして構成されており、酸素濃度センサの制御装置は、電子制御装置２０に組み込まれている。したがって、電子制御装置２０が、特許請求の範囲に記載の酸素濃度センサの制御装置に相当する。以下においては、電子制御装置２０の構成のうち、酸素濃度センサ１０の制御に係る部分についてのみ説明する。

酸素濃度センサ１０のセンサ素子１１は、端子２１，２２を介して電子制御装置２０に接続されている。端子２１は高圧側の端子であり、端子２２は低圧側の端子である。また、ヒータ１２の通電を制御するスイッチ１３は、端子２３を介して、電子制御装置２０に接続されている。

電子制御装置２０は、第１スイッチ２４、抵抗２５，２６、コンデンサ２７、抵抗２８、第２スイッチ２９、抵抗３０、ＡＤ変換部３１、及びマイコン３２を備えている。なお、電子制御装置２０は、上記したスイッチ１３も備えている。

第１スイッチ２４の一端には、定電圧源に接続され、他端には抵抗２５が接続されている。本実施形態では、第１スイッチ２４としてｐｎｐトランジスタを採用している。抵抗２５は分圧用の抵抗である。抵抗２５の他端は、抵抗２６を介して、高圧側の端子２１に接続されている。抵抗２６は、センサ素子１１のインピーダンスを検出するための抵抗である。また、抵抗２５，２６の接続点とグランドとの間に、コンデンサ２７が接続されている。したがって、マイコン３２からの駆動信号により第１スイッチ２４がオンされると、コンデンサ２７が充電が開始され、コンデンサ２７の電位上昇にともなってセンサ素子１１の端子間電圧が上昇する。このように、第１スイッチ２４をオンすることで、センサ素子１１に掃引電圧が印加される。

抵抗２５，２６の接続点とグランドとの間には、抵抗２８と第２スイッチ２９とが、第２スイッチ２９をローサイド側として直列に接続されている。本実施形態では、第２スイッチ２９としてｎｐｎトランジスタを採用している。したがって、マイコン３２からの駆動信号により、第１スイッチ２４がオフされ、第２スイッチ２９がオンされると、コンデンサ２７に蓄積された電荷が第２スイッチ２９を介して放電される。これにより、センサ素子１１の端子間電圧が下降する。このように、第２スイッチ２９をオフすることで、電圧の引き戻しがなされる。

抵抗３０は、抵抗２６と端子２１との接続点とグランドとの間に接続されている。すなわち、定電圧源とグランドとの間に、第１スイッチ２４、抵抗２５，２６，３０が直列接続されている。抵抗２６，３０の直列回路に対して、コンデンサ２７が並列接続されている。また、コンデンサ２７に対し、抵抗２８及び第２スイッチ２９の直列回路が並列接続されている。

ＡＤ変換部３１は、抵抗２５，２６の接続点の電圧をＡＤ変換する第１ＡＤ変換器ＡＤ１と、抵抗２６，３０の接続点の電圧をＡＤ変換する第２ＡＤ変換器ＡＤ２と、センサ素子１１の端子間電圧をＡＤ変換する第ＡＤ変換器ＡＤ３と、を有している。なお、図示しないが、各ＡＤ変換器ＡＤ１，ＡＤ２，ＡＤ３への入力に含まれるノイズを除去するためのフィルタを備えてもよい。

マイコン３２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、レジスタ、及びＩ／Ｏポートなどを備えて構成されたマイクロコンピュータである。マイコン３２において、ＣＰＵが、ＲＡＭやレジスタの一時記憶機能を利用しつつ、ＲＯＭに予め記憶された制御プログラム、バスを介して取得した各種データなどに応じて信号処理を行う。また、この信号処理で得られた信号を、バスなどに出力したりする。このようにして、マイコン３２は、各種機能を実行する。

マイコン３２は、センサ素子１１の素子温度がセンサ素子１１の活性温度に維持されるように、センサ素子１１のインピーダンスの検出値と、インピーダンスと素子温度との相関データとに基づいて、ヒータ１２への通電を制御する。詳しくは、駆動信号をスイッチ１３のゲートに出力し、スイッチ１３をオン、オフさせることで、ヒータ１２への通電を制御する。

センサ素子１１のインピーダンス検出は、以下のようにして行われる。マイコン３２は、先ず、駆動信号を出力して、第１スイッチ２４をオン、第２スイッチ２９をオフさせる。これにより、第１スイッチ２４、抵抗２５，２６を介して、センサ素子１１に電流が流れる。このとき、マイコン３２は、第１ＡＤ変換器ＡＤ１及び第２ＡＤ変換器ＡＤ３の出力に基づいて、Ｚ＝ΔＶ／ΔＩから、センサ素子１１のインピーダンスを算出する。そして、算出したインピーダンスと相関データとに基づき、ヒータ１２への通電を制御する。例えば、相関データにより、算出したインピーダンスから素子温度を推定（換算）し、推定した素子温度に基づいて、ヒータ１２への通電を制御してもよい。また、換算処理をせずに、算出したインピーダンスに応じて、ヒータ１２への通電制御をしてもよい。相関データとしては、インピーダンスと素子温度との相関関係を示したマップや関数などを採用することができる。この相関データは、予め定められ、ＲＯＭに記憶されている。

第１スイッチ２４のオンにより、コンデンサ２７の充電にともなって、センサ素子１１の端子間電圧、すなわち端子２１の電位は上昇する。マイコン３２は、例えば第３ＡＤ変換器ＡＤ３の出力に基づいて、第１スイッチ２４をオフ、第２スイッチ２９をオンさせる。これにより、コンデンサ２７に充電されていた電荷が第２スイッチ２９を介して放電され、第３ＡＤ変換器ＡＤ３の出力（端子間電圧）は急速に低下する。

電圧の引き戻しにより、インピーダンス検出のために印加した電圧の影響がなくなると、マイコン３２は、第３ＡＤ変換器ＡＤ３の出力、すなわちセンサ素子１１の端子間電圧に基づいて、酸素濃度を検出する。詳しくは、排気空燃比がリッチであるかリーンであるかを判定する。そして、判定結果に応じた駆動信号を、図示しないインジェクタに出力する。マイコン３２は、センサ素子１１のインピーダンス検出、すなわち素子温度検出と、センサ素子１１の端子間電圧の検出、すなわち酸素濃度の検出とを、一定の周期で繰り返し実行する。

次に、図２〜図４に基づき、マイコン３２が実行する容量算出処理について説明する。

上記したように、センサ素子１１には、経時変化によって、容量値Ｃ_１の容量成分が新たに追加形成される。また、容量値Ｃ_１は時間の経過とともに増大する。このように使用途中において、容量成分が追加されると、容量値がない状態で設定された相関データに対してずれが生じる。また、時間の経過とともに、そのずれは大きくなる。

詳しくは、容量成分の追加にともなうインピーダンスの追加分が生じる。追加される容量成分を考慮しないセンサ素子本来のインピーダンスをＺ_１、容量形成による追加分を追加インピーダンスＺ_２とすると、合成インピーダンスＺは、次式で示される。
（数２）１／Ｚ＝１／Ｚ_１＋１／Ｚ_２

この合成インピーダンスＺが、センサ素子１１のインピーダンスとして検出される。例えば素子温度を所定値とすべく、センサ素子１１のインピーダンスが所定値（一定値）となるようにヒータ１２の通電が制御される場合について考える。すなわち、合成インピーダンスＺが一定となるように制御される場合について考える。容量が追加されない時点ではＺ_２＝０であるため、合成インピーダンスＺとしてＺ_１が検出される。すなわち、Ｚ_１＝Ｚである。

しかしながら、容量成分が追加されると、追加インピーダンスＺ_２の影響で、Ｚ_１＞Ｚになる。インピーダンスＺ_１の値は、追加インピーダンスＺ_２が大きくなるほど大きくなる。相関データが、上記した素子本来のインピーダンスＺ_１と素子温度との相関関係を示す１種類のみの場合、合成インピーダンスＺが一定となるように制御されても、容量成分の追加によりインピーダンスＺ_１の値が大きくなるため、素子温度は低下してしまう。このように、容量成分が追加されると、相関データに対してずれが生じる。

そこで、本実施形態では、容量成分の追加分を考慮して、マイコン３２がヒータ１２への通電を制御する。マイコン３２は、以下のようにして追加される容量成分を算出する。図２は、マイコン３２が実行する容量算出処理を示すフローチャートである。マイコン３２は、車両のＩＧスイッチがオンされてから、内燃機関（エンジン）が始動するまでの間に、図２に示す処理を実行する。このように、内燃機関の始動前に、処理を実行する。換言すれば、排気ガスが排出される前であって、ヒータ１２への通電がなされておらず素子温度が一定の状態で、処理を実行する。すなわち、センサ素子１１のインピーダンスが所定時間一定となるタイミングで、処理を実行する。

図２に示すように、先ず、マイコン３２は、ＡＤ変換部３１（第２ＡＤ変換器ＡＤ２）から、初期電圧Ｖｘを取得する（ステップＳ１０）。初期電圧Ｖｘは、図３に示すように、電圧を印加する直前の高圧側の端子２１である。換言すれば、電圧を印加する直前のセンサ素子１１の端子間電圧である。したがって、第２ＡＤ変換器ＡＤ２の出力に代えて、第３ＡＤ変換器ＡＤ３の出力を用いてもよい。

次いでマイコン３２は、駆動信号を各スイッチ２４，２９に出力し、第１スイッチ２４をオン、第２スイッチ２９をオフさせる（ステップＳ１１）。これにより、コンデンサ２７への充電が開始される。

次いでマイコン３２は、ＡＤ変換部３１（第２ＡＤ変換器ＡＤ２）の出力が、飽和したか否かを判定する（ステップＳ１２）。そして、飽和したと判定すると、ＡＤ変換部３１（第２ＡＤ変換器ＡＤ２）から、飽和電圧Ｖｙを取得する（ステップＳ１３）。飽和電圧Ｖｙは、第１スイッチ２４をオンした後、所定の時定数を持って変化する電圧が変化し、その後、飽和した状態における電圧である。

次いでマイコン３２は、センサ素子１１の抵抗成分の抵抗値Ｒ_１及びチェック用電圧Ｖｃを算出する（ステップＳ１４）。このように、所定の時定数で変化しているときの電圧ではなく、飽和電圧Ｖｙを用いる、すなわち直流成分の印加するため、容量値Ｃ_１と切り離して、抵抗値Ｒ_１を算出することができる。

図４に示すように、定電流源とグランドとの間には、抵抗２５とセンサ素子１１の抵抗成分との分圧回路が形成されている。なお、インピーダンス検出用の抵抗２６の抵抗値は、抵抗２５の抵抗値Ｒ_２及びセンサ素子１１の抵抗成分の抵抗値Ｒ_１に較べて十分に小さいため、ここでは無視する。図４に示す関係から、飽和電圧Ｖｙは次式のように示すことができる。ここで、定電圧源の電源電圧をＶＯＭ５と示す。
（数３）Ｖｙ＝（ＶＯＭ５−Ｖｘ）×Ｒ_１／（Ｒ_１＋Ｒ_２）＋Ｖｘ

数式３を変形すると、抵抗値Ｒ_１を次式のように示すことができる。
（数４）Ｒ_１＝（Ｖｙ−Ｖｘ）／（ＶＯＭ５−Ｖｙ）×Ｒ_２

抵抗値Ｒ_２及び電源電圧ＶＯＭ５は所定値である。したがって、数式４に示す関係により、マイコン３２は、ステップＳ１０で取得した初期電圧Ｖｘと、ステップＳ１３で取得した飽和電圧Ｖｙを用いることで、センサ素子１１の抵抗成分の抵抗値Ｒ_１を算出することができる。

また、図３に示したように、容量成分を算出する際の印加電圧は、所定の時定数をもって変化する。チェック用電圧Ｖｃは、初期電圧Ｖｘと飽和電圧Ｖｙとの間の電圧である。ここで、ＲＣ回路における入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係は、次式のように示すことができる。

数式５に、チェック用電圧Ｖｃを当てはめると、次式のように示すことができる。なお、ｔｃは、図３に示すように、電圧を印加してから、チェック用電圧Ｖｃに達するまでにかかる時間を示している。

ここで、ｔｃ＝ＲＣ_１（時定数）のときのチェック用電圧Ｖｃは、次式のように示すことができる。

抵抗値Ｒ_２及び電源電圧ＶＯＭ５は所定値である。また、抵抗値Ｒ_１は数式４により算出される。したがって、数式７に示す関係により、マイコン３２は、ステップＳ１０で取得した初期電圧Ｖｘを用いることで、チェック用電圧Ｖｃを算出することができる。

ステップＳ１４が終了すると、次いでマイコン３２は、駆動信号を各スイッチ２４，２９に出力し、第１スイッチ２４をオフ、第２スイッチ２９をオンさせる（ステップＳ１５）。これにより、コンデンサ２７への蓄積された電荷が放電される。

次いでマイコン３２は、ＡＤ変換部３１（第２ＡＤ変換器ＡＤ２）の出力が、初期電圧Ｖｘに戻ったか否かを判定する（ステップＳ１６）。そして、初期電圧Ｖｘに戻ったと判定すると、マイコン３２は、駆動信号を各スイッチ２４，２９に出力し、第１スイッチ２４をオン、第２スイッチ２９をオフさせるとともに、内蔵するタイマのカウントを開始する（ステップＳ１７）。

次いでマイコン３２は、ＡＤ変換部３１（第２ＡＤ変換器ＡＤ２）の出力が、ステップＳ１４で算出したチェック用電圧Ｖｃに到達したか否かを判定する（ステップＳ１８）。そして、チェック用電圧Ｖｃに到達したと判定すると、マイコン３２は、そのときのタイマのカウントから、時間ｔｃを計測する（ステップＳ１９）。そして、タイマのカウント値をリセットする。次いでマイコン３２は、計測した時間ｔｃに基づいて、センサ素子１１に追加された容量成分の容量値Ｃ_１を算出する（ステップＳ２０）。

上記したように、チェック用電圧Ｖｃに到達するのにかかる時間ｔｃ＝ＲＣ_１である。ここで、Ｒは図４に示す分圧回路の合成抵抗であり、次式で示すことができる。
（数８）１／Ｒ＝１／Ｒ_１＋１／Ｒ_２

したがって、容量値Ｃ_１は、次式で示すことができる。
（数９）Ｃ_１＝ｔｃ／（１／Ｒ_１＋１／Ｒ_２）

数式９において、時間ｔｃは、ステップＳ１９で計測される値である。また、抵抗値Ｒ_２は所定値であり、抵抗値Ｒ_１は数式４により算出される。したがって、マイコン３２は、数式９により、容量値Ｃ_１を算出することができる。

ステップＳ２０が終了すると、次いでマイコン３２は、駆動信号を各スイッチ２４，２９に出力し、第１スイッチ２４をオフ、第２スイッチ２９をオンさせる（ステップＳ２１）。これにより、コンデンサ２７への蓄積された電荷が放電される。

次いでマイコン３２は、ＡＤ変換部３１（第２ＡＤ変換器ＡＤ２）の出力が、初期電圧Ｖｘに戻ったか否かを判定する（ステップＳ２２）。そして、初期電圧Ｖｘに戻ったと判定すると、マイコン３２は、駆動信号を各スイッチ２４，２９に出力し、第１スイッチ２４をオフ、第２スイッチ２９をオフさせる（ステップＳ２３）。以上により、追加容量の容量値算出処理を終了する。上記したステップＳ１０〜ステップＳ２３に示す処理が、特許請求の範囲に記載の算出手段に相当する。

次に、図５及び図６に基づき、マイコン３２が実行する相関データ設定処理について説明する。マイコン３２は、図２に示した容量算出処理を実行する毎に、以下に示す相関データ設定処理を実行する。

図５に示すように、先ずマイコン３２は、算出した容量値Ｃ_１を予め設定された第１閾値αと比較し、容量値Ｃ_１が第１閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。容量値Ｃ_１が第１閾値α未満であると判定すると、マイコン３２は、相関データとしてマップＡを選択してＲＡＭに設定（ステップＳ３１）。そして、一連の処理を終了する。

ステップＳ３０において、容量値Ｃ_１が第１閾値α以上の場合、マイコン３２は、次に容量値Ｃ_１を予め設定された第２閾値βと比較し、容量値Ｃ_１が第２閾値β未満であるか否かを判定する（ステップＳ３２）。上記したように、時間の経過とともに容量値Ｃ_１は増大する。したがって、第２閾値βは、第１閾値αよりも大きい値が設定されている。

ステップＳ３２において、容量値Ｃ_１が第２閾値β未満である、すなわち、α≦Ｃ_１＜βであると判定すると、マイコン３２は、相関データとしてマップＢを選択してＲＡＭに設定する（ステップＳ３３）。そして、一連の処理を終了する。また、容量値Ｃ_１が第２閾値β以上であると判定すると、マイコン３２は、相関データとしてマップＣを選択してＲＡＭに設定する（ステップＳ３４）。そして、一連の処理を終了する。上記したステップＳ３０〜ステップＳ３４に示す処理が、特許請求の範囲に記載の設定手段に相当する。

図６は、素子温度とインピーダンスとの相関関係を示す図であり、各マップの相関関係を示している。図６においては、マップＡを実線で示し、マップＢを破線で示している。また、マップＣを一点鎖線で示している。

マップＡは、言うなれば、従来設定されていたマップと同じである。すなわち、容量成分が追加されていない状態での、センサ素子１１のインピーダンスと素子温度との相関関係を示している。マップＢは、容量成分の追加を考慮し、容量値Ｃ_１として第１所定値が追加された状態での、センサ素子１１のインピーダンスと素子温度との相関関係を示している。マップＣは、時間経過により容量値Ｃ_１が増大し、容量値Ｃ_１として第２所定値が追加された状態での、センサ素子１１のインピーダンスと素子温度との相関関係を示している。

上記したように、数式２示す関係を満たす合成インピーダンスＺが、センサ素子１１のインピーダンスとして検出される。例えば素子温度を所定値とすべく、センサ素子１１のインピーダンス（合成インピーダンスＺ）が一定となるように制御される場合について考える。容量が追加されない時点ではＺ_２＝０であるため、合成インピーダンスＺとしてＺ_１が検出される。すなわち、Ｚ_１＝Ｚである。しかしながら、容量成分が追加されると、追加インピーダンスＺ_２の影響で、Ｚ_１＞Ｚになる。インピーダンスＺ_１の値は、追加インピーダンスＺ_２が大きくなるほど大きくなる。

例えばマイコン３２が相関データとしてマップＡのみを有しており、センサ素子１１の活性温度が５５０℃とする。この場合、マイコン３２は、算出されるインピーダンスとマップＡとに基づいて、素子温度が５５０℃（インピーダンスが２００Ω）となるように、ヒータ１２の通電を制御する。容量成分が追加されていない状態ではＺ_２＝０であるため、センサ素子本来のインピーダンスＺ_１の値は２００Ωとなる。したがって、算出されるインピーダンス、すなわち合成インピーダンスＺと、インピーダンスＺ_１との間にずれはない。

しかしながら、容量成分が追加されると、合成インピーダンスＺが２００Ωでも、インピーダンスＺ_１の値は２００Ωより大きくなる。例えばインピーダンスＺ_１の値が３００Ωになると、素子温度は５２５℃程度となる。このように、容量成分が追加されると、相関データに対してずれが生じる。

これに対し、本実施形態では、容量値Ｃ_１に応じて、マップを切り替えて設定する。例えば、マップＢに切り替えた場合、素子温度５５０℃でインピーダンスが１００Ωとなっている。このため、容量増加によって追加インピーダンスＺ_２が大きくなっても、インピーダンスＺ_１の増加を抑制することができる。すなわち、素子温度の低下を抑制することができる。したがって、長期にわたり、酸素濃度を精度良く検出することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

電圧を印加し、立ち上がりの時定数から、追加された容量成分の容量値Ｃ_１を算出する例を示した。しかしながら、ステップＳ１５において電圧を掃引せず、飽和電圧Ｖｙから初期電圧Ｖｘまで低下する立ち下がりの時定数から、追加された容量成分の容量値Ｃ_１を算出することもできる。

センサ素子１１のインピーダンスと素子温度との相関関係を示す相関データは、マップに限定されない。相関関係を示す関数でも良い。

相関データとしてのマップ数は、上記例に限定されない。複数のマップを有し、容量値Ｃ_１に応じて切り替えて設定できればよい。

インピーダンスを検出するための回路構成は、上記例に限定されない。

マイコン３２に対してＡＤ変換部３１が外付けの例を示したが、マイコン３２とＡＤ変換部３１が一体化された構成としてもよい。

内燃機関の始動前に、マイコン３２が容量値Ｃ_１を算出する例を示した。それ以外にも、センサ素子１１のインピーダンスが所定時間一定となるタイミングであれば、容量値Ｃ_１を算出することができる。

算出手段及び設定手段が、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェア及びそれを実行するマイコン３２により構成される例を示した。しかしながら、上記例に限定されない。例えば、ハードウェアによって構成することもできる。

１０…酸素濃度センサ、
１１…センサ素子、
１２…ヒータ、
２０…電子制御装置、
２１，２２，２３…端子、
２４…第１スイッチ、
２５，２６，２８，３０…抵抗、
２７…コンデンサ、
２９…第２スイッチ、
３１…ＡＤ変換部、
３２…マイコン

Claims (4)

1. 被検出ガス中の酸素濃度に応じた出力を生じるセンサ素子（１１）と、前記センサ素子の素子温度を活性温度に保つためのヒータ（１２）と、を備える酸素濃度センサ（１０）について、前記センサ素子のインピーダンスを検出し、検出したインピーダンスと、素子温度とインピーダンスとの相関関係により予め設定された相関データとに基づいて、素子温度を活性温度に保つように前記ヒータへの通電を制御する酸素濃度センサの制御装置であって、
   前記センサ素子の容量を算出する算出手段（Ｓ１０〜Ｓ２３）と、
   前記算出手段により算出される容量に応じて前記相関データを設定するものであり、前記相関データを、前記容量が大きいほど任意の素子温度に対してインピーダンスの小さいデータに切り替えて設定する設定手段（Ｓ３０〜Ｓ３４）と、
   を備えることを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
2. 前記算出手段は、
   前記センサ素子に直流成分を印加して前記センサ素子の抵抗値を算出し、
   前記センサ素子の電荷を放電させた後に前記センサ素子に所定電圧を印加するときの立ち上がり時定数、又は、前記センサ素子の電荷を放電させるときの立ち下がりの時定数と、算出した前記抵抗値とに基づいて、前記センサ素子の容量を算出することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度センサの制御装置。
3. 前記算出手段は、前記センサ素子のインピーダンスが所定時間一定となるタイミングにおいて、前記センサ素子の容量を算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸素濃度センサの制御装置。
4. 前記センサ素子が内燃機関の排気通路に配置される請求項１〜３いずれか１項に記載の酸素濃度センサの制御装置であって、
   前記算出手段は、前記内燃機関の始動前に、前記センサ素子の容量を算出することを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。

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