JP2016166780A - センサ制御装置およびセンサ制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】被測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのガスセンサを用い、固体電解質体のブラックニング発生を抑制し特定ガス濃度及び湿度を精度良く測定可能とすること。
【解決手段】センサ制御装置３は、起電力タイプのガスセンサを用いて湿度検知を行う場合、起電力セルの目標電圧を湿度検知用の第２目標電圧とした後は、特定ガス濃度検出の為に用いられる目標電圧である第１目標電圧よりも低い第３目標電圧とする。または限界電流式ガスセンサを用いて湿度検知を行う場合は、ポンプセルへの印加電圧を湿度検知用の第２目標電圧とした後は、特定ガス濃度検出の為に用いられる印加電圧である第１印加電圧よりも低い第３印加電圧とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのガスセンサを用いて、被測定ガス中の湿度を検出するセンサ制御装置およびセンサ制御システムに関する。

従来、自動車に使用されるセンサの一つとして、自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている。この酸素センサは、センサ素子を流れる電流の大きさが排気ガス中の酸素濃度に応じて変化することを利用して、酸素濃度の検出、ひいては排気ガスの空燃比を検出するものである。この酸素センサの駆動を制御するセンサ制御装置は、センサ素子を通電制御すると共に、センサ素子に流れる電流を電圧変換して電子制御装置（ＥＣＵ）に出力する機能を有しており、ＥＣＵはセンサ制御装置からの出力に基づき排気ガスの酸素濃度や空燃比を求めている。得られた排気ガスの酸素濃度や空燃比は、ＥＣＵにおいて、燃料噴射量の調整等の空燃比フィードバック制御に利用される。

自動車に搭載された酸素センサは、経時劣化や耐久劣化などによって特性が変化すると、同一条件下でのセンサ出力がシフトするおそれがある。そのため、酸素センサに生じた特性変化を、大気雰囲気中でのセンサ出力に基づいて補正することが知られている。また、大気の湿度を、酸素センサを用いて検出し、その湿度に応じてセンサ特性の補正をより正確なものとする空燃比検出装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、酸素センサにより湿度を検知する具体的な方法として、固体電解質体を利用した酸素濃淡電池において、酸素ポンプの電圧を、被測定ガス中の水分を電気分解しないような第１の設定電圧と、被測定ガス中の水分を電気分解するような第２の設定電圧とを交互に切り替え、それぞれの酸素ポンプ電流の差により水分濃度を測定する方法（例えば、特許文献２参照）や、２セル方式の酸素濃淡電池を用いて、酸素濃淡電池の制御電圧を第１の設定電圧と第２の設定電圧として、それぞれの酸素ポンプ電流を測定し、その差から水分濃度を測定する方法等が知られている。

特許第５０２１６９７号公報 特開昭６３−８５３５１号公報

しかしながら、湿度が非常に低く大気中の水分が少ない場合は、制御電圧を第２の設定電圧にしても、水分の電気分解により生じる酸素イオンだけでは足らず、酸素ポンプセルの固体電解質体の金属酸化物から酸素イオンをポンピングしてしまうことがある。すると、酸素ポンプセルの固体電解質体の金属酸化物が還元され、酸素ポンプセルの固体電解質体にブラックニングが発生するおそれがあった。また、固体電解質体に高い電圧を長時間印加すると、固体電解質体中の金属酸化物が還元され、ブラックニングが発生するおそれがあった。このように酸素濃淡電池の固体電解質体にブラックニングが生じると、固体電解質体の特性（イオン電導性）が劣化し、ガス検出精度及び湿度検知精度が低下する恐れがあった。さらに、ブラックニングが進行すると固体電解質体の強度が低下しクラックが発生する恐れがあった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのガスセンサを用い、固体電解質体のブラックニング発生を抑制し特定ガス成分及び湿度を精度良く測定可能なセンサ制御装置およびセンサ制御装置とセンサ素子を有するセンサ制御システムを提供することを目的とする。

本発明の第一様態に係るセンサ制御装置は、第１固体電解質体及び前記第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有する起電力セルと、第２固体電解質体及び前記第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有するポンプセルとを有すると共に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサに接続されるセンサ制御装置であって、前記一対の第１電極間に生じる起電力セル電圧が目標電圧となるように、前記一対の第２電極間を流れるポンプ電流を制御する電流制御手段と、前記ポンプ電流を検出するポンプ電流検出手段と、前記目標電圧を、前記被測定ガス中の水分が実質的に解離せず、前記特定ガス成分を検出する際に用いられる第１目標電圧、前記被測定ガス中の水分が解離する第２目標電圧、前記第１目標電圧よりも低い第３目標電圧の順に設定する電圧設定手段と、前記目標電圧が前記第１目標電圧と前記第２目標電圧である場合の前記ポンプ電流の差によって前記被測定ガス中の湿度を検出する制御手段を有することを特徴とする。

本発明の第一様態に係るセンサ制御装置によれば、前記起電力の目標電圧を、前記被測定ガス中の水分が実質的に解離せず特定ガス成分を検出する際に用いられる第１目標電圧、前記被測定ガス中の水分が解離する第２目標電圧、前記第１電圧よりも低い第３目標電圧をこの順番に設定する。これにより、目標電圧を第２目標電圧にしても、水分の電気分解により生じる酸素イオンだけでは足らず、酸素ポンプセルの固体電解質体の金属酸化物から酸素イオンをポンピングし固体電解質体の金属酸化物が還元されたとしても、その後第１電圧よりも低い第３電圧を印加すると酸素を汲み入れる方向のポンプ電流が流れることで、還元された金属酸化物を酸化しブラックニングの進行を遅らせ、精度良い特定ガス検出及び湿度検知ができる。なお、第１目標電圧、第２目標電圧をこの順番に設定するとは、第１目標電圧から第２目標電圧への変更途中に、第１目標電圧よりも低い電圧もしくは第２目標電圧よりも高い電圧を目標電圧にしない事を意味する。第２目標電圧から第３目標電圧にこの順番に設定するとは、第２目標電圧から第３目標電圧に変更する途中に、第２目標電圧よりも高い電圧もしくは第３目標電圧よりも低い目標電圧にしない事を意味する。さらに、第１目標電圧、第２目標電圧、第３目標電圧をこの順番に設定するとは第３目標電圧からは第１目標電圧に設定する事を意味する。ここで、第３目標電圧から第１目標電圧に戻す場合は、すぐに第１目標電圧に戻してもよく、徐々に第１目標電圧に戻してもよい。特定ガス検出は第１目標電圧を用いて行う為、第３目標電圧からすぐに第１目標電圧に戻すと、通常の特定ガス濃度検出の開始を早める事ができる。

また、本発明の第一様態に係るガスセンサ制御装置において、前記制御手段は、前記電圧設定手段により前記目標電圧を前記第３目標電圧から前記第１目標電圧に変更後、所定時間経過した後、前記ポンプ電流検出手段により前記ポンプ電流の検出を許可してもよい。

第３目標電圧から第１目標電圧に戻し通常の特定ガス濃度検出を開始する際、目標電圧の変更直後からポンプ電流が安定するまではポンプ電流の検出を行わない。そして目標電圧を第１目標電圧にしてからポンプ電流が安定するまでの所定時間経過した後にポンプ電流を検出することで、精度良いガス濃度検出を行う事ができる。

本発明の第二様態に係るセンサ制御装置は、固体電解質体及び前記固体電解質体の一方の面上に形成された第１電極と、前記固体電解質体の他方の面上に形成された第２電極を有する酸素ポンプセルとを有すると共に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサに接続されるセンサ制御装置であって、前記酸素ポンプセルに、前記被測定ガス中の水分が実質的に解離せず、前記特定ガス成分を検出する第１印加電圧、前記被測定ガス中の水分が解離する第２印加電圧、前記第１印加電圧よりも低い第３印加電圧の順に電圧を印加する電圧印加手段と、前記酸素ポンプセルに流れるポンプ電流を検出するポンプ電流検出手段と、前記酸素ポンプセルに流れる各電流の差によって前記被測定ガス中の湿度を検出する制御手段を有することを特徴とする。

本発明の第二様態に係るセンサ制御装置によれば、前記酸素ポンプセルに、前記被測定ガス中の水分が実質的に解離せず被測定ガス中の特定ガス成分を検出する第１印加電圧、前記被測定ガス中の水分が解離する第２印加電圧、前記第１印加電圧よりも低い第３印加電圧をこの順番に印加する。これにより、酸素ポンプセルを第２印加電圧にしても、水分の電気分解により生じる酸素イオンだけでは足らず、酸素ポンプセルの固体電解質体の金属酸化物から酸素イオンをポンピングし固体電解質体の金属酸化物が還元されたとしても、その後第１印加電圧よりも低い第３印加電圧を印加すると酸素を汲み入れる方向のポンプ電流が流れることで、還元された金属酸化物を酸化しブラックニングの進行を遅らせ、精度良い特定ガス検出及び湿度検知ができる。なお、第１印加電圧、第２印加電圧をこの順番に印加するとは、第１印加電圧から第２印加電圧への変更途中に、第１印加電圧よりも低い電圧もしくは第２印加電圧よりも高い電圧を印加しない事を意味する。第２印加電圧から第３印加電圧にこの順番に印加するとは、第２印加電圧から第３印加電圧に変更する途中に、第２印加電圧よりも高い電圧もしくは第３印加電圧よりも低い電圧を印加しない事を意味する。さらに、第１印加電圧、第２印加電圧、第３印加電圧をこの順番に印加するとは第３印加電圧からは第１印加電圧に設定する事を意味する。ここで、第３印加電圧から第１印加電圧に戻す場合は、すぐに第１印加電圧に戻してもよく、徐々に第１印加電圧に戻してもよい。特定ガス検出は第１印加電圧を用いて行う為、第３印加電圧からすぐに第１印加電圧に戻すと、通常の特定ガス濃度検出の開始を早める事ができる。

また、本発明の第二様態に係るセンサ制御装置において、前記制御手段は、前記電圧印加手段により前記酸素ポンプセルに印加する電圧を前記第３印加電圧から前記第１印加電圧に変更後、所定時間経過した後前記ポンプ電流検出手段により前記ポンプ電流の検出を許可してもよい。

第３印加電圧から第１印加電圧に戻し通常の特定ガス濃度検出を開始する際、印加電圧の変更直後からポンプ電流が安定するまではポンプ電流の検出を行わない。そして印加電圧を第１印加電圧にしてからポンプ電流が安定するまでの所定時間経過した後にポンプ電流を検出することで、精度良いガス濃度検出を行う事ができる。

また本発明の第一様態または第二様態のセンサ制御装置と、ガスセンサを有するセンサ制御システムは、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのガスセンサを用い、被測定ガス中の特定ガス成分及び湿度を精度良く測定可能なセンサ制御システムとすることができる。

本発明の第一様態または第二様態のセンサ制御装置によれば、湿度が非常に低く大気中の水分が少ない場合や固体電解質体に高い電圧を印加した場合等でも、固体電解質体のブラックニングの進行を遅らせることができ、特定ガス成分及び湿度を精度良く測定可能なセンサ制御装置およびセンサ制御システムを提供することができる。

内燃機関１００の排気系周りの概略的な構成を示した図である。 実施例１の全領域空燃比センサ１の概略的な構造を示した図である。 実施例１のセンサ制御装置３で実行されるメイン処理のフローチャートである。 比較例における目標電圧の時間的変化パターンを示す図である。 実施例における目標電圧の時間的変化パターンを示す図である。 実施例２の限界電流式センサ４０の概略的な構造を示した図である。 実施例２のセンサ制御装置７０で実行されるメイン処理のフローチャートである。

以下、本発明を具体化したセンサ制御装置およびセンサ制御システムの第１実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施の形態では、本発明に係るセンサ制御装置の一例として、ガスセンサの出力する検出信号に基づき、被測定ガス中の酸素濃度及び被測定ガス中の湿度を検出することが可能なセンサ制御装置３を例に説明する。またガスセンサとしては、酸素濃度に応じてセンサ電流がリニアに変化する全領域空燃比センサ１を例に説明する。

内燃機関１００は自動車を駆動するためのエンジン１０１を有する。エンジン１０１には、エンジン１０１から排出される排気ガスを車外に放出するための排気管１０２が接続されている。排気管１０２の経路上には、全領域空燃比センサ１が配設されている。より詳細には、全領域空燃比センサ１は、排気管１０２の排気通路を流通する排気ガス中の特定ガス成分（本実施の形態では酸素）のガス濃度を検出するガスセンサである。全領域空燃比センサ１は、自身とは離れた位置に配設されるセンサ制御装置３とハーネス（信号線）９１を介して電気的に接続されており、センサ制御装置３によって通電制御されて酸素濃度を検出する。センサ制御装置３はバッテリ８０から電力の供給を受けて駆動し、全領域空燃比センサ１を用いて検出した酸素濃度の検出信号をエンジン制御装置（ＥＣＵ）５に出力する。ＥＣＵ５では、全領域空燃比センサ１の出力に基づき、エンジン１０１の空燃比フィードバック制御が行われる。

次に、図２を参照して、全領域空燃比センサ１及びセンサ制御装置３の詳細を説明する。全領域空燃比センサ１は、内部に細長で長尺な板状をなすセンサ素子１０を、図示外のハウジング内に保持した構造を有する。全領域空燃比センサ１は、センサ素子１０の出力信号を取り出すためのハーネス９１を介して、全領域空燃比センサ１とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置３と電気的に接続されている（図１参照）。

なお、本実施の形態では、全領域空燃比センサ１とＥＣＵ５との間にセンサ制御装置３を設けるとともに、全領域空燃比センサ１とセンサ制御装置３とでセンサユニット４を構成した場合を例示している。そして、本発明における「ガスセンサ」は全領域空燃比センサ１に相当し、「センサ制御装置」は、全領域空燃比センサ１に接続されたセンサ制御装置３に相当し、本発明における「センサ制御ユニット」はセンサユニット４に相当する。もちろん、センサ制御装置３の配設態様は適宜変更可能であり、例えばセンサ制御装置３をＥＣＵ５に組み込み、全領域空燃比センサ１とＥＣＵ５とによってセンサユニットとしてもよい。

まず、センサ素子１０の構造について説明する。センサ素子１０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体１１，１３と、アルミナを主体とする絶縁基体１２，１７，１８，２４とを、絶縁基体１８，１７、固体電解質体１３、絶縁基体１２、固体電解質体１１、絶縁基体２４の順に積層した構造を有する。固体電解質体１１の両面には、白金を主体とする一対の電極１９，２０がそれぞれ形成されており、同様に、固体電解質体１３の両面にも一対の電極２１，２２がそれぞれ形成されている。そのうちの電極２２は、固体電解質体１３と絶縁基体２４との間に挟んで埋設されている。固体電解質体１１，１３及び絶縁基体１２，１７，１８，２４は、いずれも細長い板状に形成されており、図２ではその長手方向と直交する断面を示している。

絶縁基体１２の長手方向の一端側には、固体電解質体１１，１３を一壁面としつつ、被測定ガスを導入可能な中空のガス検出室２３が形成されている。ガス検出室２３の幅方向の両端には、ガス検出室２３内に被測定ガスを導入する際の流入量を規制するための多孔質状の拡散律速部１５が設けられている。なお、固体電解質体１１上の電極２０と、固体電解質体１３上の電極２１とは、ガス検出室２３内にそれぞれ露出されている。

なお、絶縁基体１８，１７の間に挟んで、白金を主体とする発熱抵抗体２６が埋設されている。絶縁基体１７，１８及び発熱抵抗体２６は、固体電解質体１１，１３を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。

固体電解質体１１上の電極１９は、その表面がセラミックス（例えば、アルミナ）からなる多孔質性の保護層２５に覆われている。つまり、排気ガスに含まれるシリコン等の被毒成分によって劣化しないように、電極１９が保護層２５によって保護されている。固体電解質体１１上に積層された絶縁基体２４は、電極１９を覆わないように開口が設けられており、保護層２５はその開口内に配設されている。

このように構成されたセンサ素子１０において、固体電解質体１１とその両面に設けられた一対の電極１９，２０は、外部からガス検出室２３内に酸素を汲み入れ、あるいはガス検出室２３から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル（以下、固体電解質体１１及び電極１９，２０を総じて「Ｉｐセル」ともいう。）として機能する。

同様に、固体電解質体１３とその両面に設けられた一対の電極２１，２２は、両電極間の酸素濃度に応じて起電力を発生させる酸素濃度検出セル（以下、固体電解質体１３及び電極２１，２２を総じて「ＶＳセル」ともいう。）として機能する。また、電極２２は、ガス検出室２３内の酸素濃度の検出のための基準となる酸素濃度を維持する酸素基準電極として機能する。なお、Ｉｐセル及びＶＳセルの詳細な機能については後述する。

次に、センサ素子１０に接続されるセンサ制御装置３の構成について説明する。センサ制御装置３は、マイクロコンピュータ９及び電気回路部３０を構成主体としている。マイクロコンピュータ９は、公知の構成のＣＰＵ６、ＲＯＭ７、ＲＡＭ８等を搭載したマイコンチップである。なお、ＲＯＭ７には、ＣＰＵ６に各処理を実行させるための制御プログラムなどが記憶されている。

電気回路部３０は、ヒータ通電制御回路３１、ポンプ電流駆動回路３２、電圧出力回路３３、微小電流供給回路３４及び基準電圧比較回路３５、ポンプ電流検出回路３６から構成される。

ヒータ通電制御回路３１は、発熱抵抗体２６の両端に供給される電圧ＶｈをＰＷＭ通電することで、発熱抵抗体２６を発熱させ、Ｉｐセル及びＶＳセルの加熱を行う。微小電流供給回路３４は、ＶＳセルの電極２２から電極２１側へ微小電流Ｉｃｐを流し、電極２２側に酸素イオンを移動させて基準となる酸素濃度雰囲気を生成する。これにより、電極２２は、被測定ガス中の酸素濃度を検出するための基準となる酸素基準電極として機能する。電圧出力回路３３は、ＶＳセルの電極２１，２２間に生ずる起電力ＶＳを検出する。基準電圧比較回路３５は、予め定められた基準電圧と、電圧出力回路３３にて検出した起電力ＶＳとの比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックする。ポンプ電流駆動回路３２は、基準電圧比較回路３５から得られた比較結果に基づき、Ｉｐセルの電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。これにより、Ｉｐセルによるガス検出室２３内への酸素の汲み入れやガス検出室２３からの酸素の汲み出しが行われる。ポンプ電流検出回路３６は、Ｉｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを電圧変換し、検出信号としてマイクロコンピュータ９に出力する。

本実施の形態では、基準電圧比較回路３５によって起電力ＶＳと比較される基準電圧として、３つの目標電圧（第１目標電圧、第２目標電圧及び、第３目標電圧）を有する。第１目標電圧は、電圧出力回路３３の比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックして、ガス検出室２３内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室２３内に導入された被測定ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）が実質的に解離せず、かつ酸素濃度を測定する電圧値（例えば４５０ｍＶ）に設定される。

一方、第２目標電圧は、電圧出力回路３３の比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックして、ガス検出室２３内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室２３内に導入された被測定ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）が解離するような電圧値（例えば１０００ｍＶ）に設定される。

また、第３目標電圧は、電圧出力回路３３の比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックして、ガス検出室２３内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室２３内に導入された被測定ガス中の水分が実質的に解離せず、かつ、ガス検出室２３内に酸素の汲み入れを行う電圧値（例えば２００ｍV）に設定される。

先述の基準電圧比較回路３５では、起電力ＶＳと比較する基準電圧として、常時は第１目標電圧が用いられて被測定ガス中の酸素濃度がポンプ電流Ｉｐに基づいて算出される一方、湿度検知を行う場合に第２目標電圧が用いられ、湿度検知終了後第１目標電圧に変更する前に第３目標電圧となるが、詳細は後述する。なお、ポンプ電流駆動回路３２，電圧出力回路３３，基準電圧比較回路３５が本発明の「電流制御手段」に相当し、ポンプ電流検出回路３６が本発明の「ポンプ電流検出手段」に相当する。そして、起電力ＶＳと比較される第１基準電圧、第２基準電圧及び第３基準電圧がそれぞれ本発明の「第１目標電圧」、「第２目標電圧」及び「第３目標電圧」に相当する。

次に、ＥＣＵ５の構成について説明する。ＥＣＵ５は、自動車のエンジン１０１の駆動等を電子的に制御するための装置である。ＥＣＵ５には公知の構成のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を搭載したマイコンチップが用いられ、制御プログラムの実行にしたがって燃料の噴射タイミングや点火時期の制御が行われる。かかる制御を行うための情報として、センサ制御装置３から被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力（検出信号）が入力される。また、その他の情報として、その他のセンサからの信号（例えば、エンジン１０１のピストン位置や回転数を検出できるクランク角、冷却水の水温、燃焼圧などの情報）も入力される。

次に、全領域空燃比センサ１を用いて被測定ガスの酸素濃度（排気ガスの空燃比）を検出する動作について簡単に説明する。なお、被測定ガスの酸素濃度を検出する際には、基準電圧比較回路３５で比較対象となる基準電圧として、第１目標電圧（例えば４５０ｍＶ）が設定される。図２に示すように、まず微小電流供給回路３４によりＶＳセルの電極２２から電極２１に向けて微小電流Ｉｃｐを流す。この通電より、電極２１側から電極２２側に固体電解質体１３を介して被測定ガス中の酸素が汲み込まれ、電極２２が酸素基準電極として機能する。そして、電圧出力回路３３により両電極２１，２２間に発生する起電力ＶＳを検出し、この起電力ＶＳを基準電圧比較回路３５で基準電圧と比較する。ポンプ電流駆動回路３２では、基準電圧比較回路３５による比較結果に基づいて、起電力ＶＳが基準電圧となるようにＩｐセルの電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。

なお、ガス検出室２３内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであった場合、排気ガス中の酸素濃度が薄いため、Ｉｐセルにおいて外部からガス検出室２３内に酸素を汲み入れるように、電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。一方、ガス検出室２３内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、Ｉｐセルにおいてガス検出室２３から外部へ酸素を汲み出すように、電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。このときのポンプ電流Ｉｐが、ポンプ電流検出回路３６にて電圧変換されて全領域空燃比センサ１の出力（検出信号）としてマイクロコンピュータ９を介してＥＣＵ５に出力される。ＥＣＵ５では、全領域空燃比センサ１から出力されるポンプ電流Ｉｐの大きさと向きに基づいて被測定ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を特定できる。

次に、センサ制御装置３において実行されるメイン処理について、図３を参照して説明する。図３に示す各処理を実行させるプログラムも、先述のＲＯＭ７（図２参照）に記憶されており、ＣＰＵ６（図２参照）が実行する。このメイン処理は、内燃機関１００の駆動中に予め定められたタイミングに実行される。なお、電気回路部３０が有するヒータ通電制御回路３１，ポンプ電流駆動回路３２，電圧出力回路３３，微小電流供給回路３４，基準電圧比較回路３５，ポンプ電流検出回路３６の各駆動制御は、図３に示すメイン処理とは別途実行される。

図３に示すように、エンジン始動によりメイン処理が開始されると、Ｓ１（Ｓはステップを表す）の初期設定を行う。初期設定ではマイクロコンピュータ９のＲＡＭ８の初期化等を行うと共に、センサ制御装置３において、基準電圧比較回路３５の基準電圧を第１目標電圧（例えば４５０ｍＶ）に設定する。

Ｓ１にて初期化が終了するとＳ２の処理に移行し、湿度検知タイミングであるか否かが判断される。本実施形態では、内燃機関１００において燃料供給停止中であることを示す信号（以下、フューエルカット信号と言う。）が受信されたか否かに基づいて、湿度検知タイミングであるか否かが判断される。

Ｓ２にて湿度検知タイミングではないと判断されると、Ｓ３の処理に移行し、通常の酸素濃度検出を行う。具体的には基準電圧比較回路３５にて設定される基準電圧が第１目標電圧（例えば４５０ｍＶ）のもとでのＩｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」として読み込み、全領域空燃比センサ１の出力（検出信号）としてＥＣＵ５に出力される。

Ｓ３の処理が終了するとＳ４の処理に移行し、エンジンＯＦＦか否かが判断され、エンジンがＯＦＦであればメイン処理を終了する。一方エンジンがＯＦＦでなければＳ２の処理に戻る。

一方、Ｓ２にて湿度検知タイミングであると判断されると、Ｓ５の処理に移行し、基準電圧比較回路３５にて設定される基準電圧が第１目標電圧（例えば４５０ｍＶ）のもとでのＩｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」として読み込む。この読み込まれた「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」は、ＲＡＭ８に記憶される。ついで、基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を第１基準電圧から第２基準電圧（例えば１０００ｍＶ）に変更する処理が実行される（Ｓ６）。

ついで、Ｓ７の処理に移行し、基準電圧比較回路３５にて設定された基準電圧が第２目標電圧（例えば１０００mV）のもとでのＩｐセルの電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して、「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」として読み込む。この読み込まれた「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」は、ＲＡＭ８に記憶される。ここで、図３では図示しないが、「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」を読み込むまで、酸素ポンプ電流が安定するまでの所定時間経過を待ってもよい。

次に、ＲＡＭ８に読み込まれた「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」と「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」とから被測定ガスの水分量が計算される（Ｓ８）。Ｓ８では、「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」から「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が減算されることによって、その差分のＩｐ電流が被測定ガスにおける湿度由来の酸素濃度（つまり、被測定ガスの水分量）を示し、ひいては被測定ガスの湿度を示す。

なお、Ｓ８で水分量の計算に用いられる「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」は、基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を第１目標電圧から第２目標電圧に変更する処理であるＳ６の直前のＳ５の処理にて読み込まれることが好適である。これにより、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」の検出タイミングと「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」の検出タイミングの時間差を小さくして、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が検出されたのちで「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」が検出されるまでの間に湿度が変化してしまう不具合の発生が抑制される。

次に、Ｓ９の処理に移行し、基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を第２目標電圧から第３目標電圧（例えば２００ｍV）に変更する処理が実行される。

Ｓ９の処理が終了すればＳ１０の処理に移行し、所定時間ｔ１が経過されたか否かが判断され、所定時間ｔ１が経過するとＳ１１の処理に移行し、基準電圧を第３目標電圧から第１目標電圧に変更する。ここで、固体電解質体の還元された金属酸化物を酸化する為に必要な第３目標電圧の保持時間として、所定時間ｔ１が設定される。

Ｓ１１の処理が終了すればＳ１２の処理に移行し、基準電圧が第１目標電圧に変更されてから所定時間ｔ２が経過されたか否かが判断され、所定時間ｔ２が経過するとＳ４の処理に移行し、湿度検知を終了する。ここで基準電圧が第１目標電圧に変更され、通常の酸素濃度検出を行う前に、酸素ポンプ電流の安定を待つ為の所定時間ｔ２が設定される。

なお、上記実施例では第３目標電圧を２００ｍＶとしたが、第３目標電圧は第１目標電圧以下であればよく、０Vでもよい。この第３目標電圧と所定時間ｔ１は、第２目標電圧の大きさと第２目標電圧を保持する時間と、ガスセンサ素子の固体電解質体の材質・厚さに応じ、事前に試験を行い決定しておけばよい。第３目標電圧を低くする程、所定時間ｔ１は短くすればよい。

本発明の効果を確認する為、基準電圧を、第２目標電圧と第３目標電圧とした場合と、第１目標電圧と第２目標電圧のみとした場合で比較耐久試験を実施した。

基準電圧比較回路３５に設定される基準電圧を、図４に示すパターンを1サイクルとし３０００サイクル繰り返したものを比較例とし、図５に示すパターンを１サイクルとし３０００サイクル繰り返したものを実施例とし、耐久試験を行った。ここで比較例及び実施例共に、基準電圧の変化パターンのみが異なり、その他は全て同じ条件とした。センサ素子の特性評価として、耐久前後のセンサ出力変化率を以下の条件で測定した。４気筒のエンジンを回転数２５００ｒｐｍで運転し、４気筒のうち３気筒はストイキ空燃比制御、残り１気筒のみストイキ制御の燃料に対し３０％余分に燃料を噴射した状態とし、排気ガス中の酸素濃度を、比較例、実施例のセンサ素子を用いて測定した。ここで、１気筒のみ３０％リッチ制御とすることで、周波数約３０Ｈｚで酸素濃度を示すセンサ出力電流が変動する。この変動の振幅をセンサの応答強度と規定した。耐久前の応答強度を１００％とした時の耐久後の応答強度を求め、耐久前後の応答強度の差分の絶対値を応答強度劣化率とした。つまり、耐久後の応答強度が８０％であれば応答強度劣化率は２０％となる。この応答強度劣化率が小さい程応答劣化が少ない事が分かる。上記耐久試験後の比較例と実施例の応答強度劣化率を表１に示す。

表１から分かるように、比較例では応答強度変化率が１６％であるのに対し、実施例は応答強度変化率が２％で比較例に比べかなり小さい事が確認できた。

以下、本発明を具体化したガス濃度湿度検出装置の第２実施の形態について、図６を参照して説明する。第１実施形態ではガスセンサ素子が酸素ポンプセルと基準セルを有する２セル式のガスセンサ素子であったのに対し、第２実施形態は、１セルのみを有する所謂限界電流式のガスセンサ素子である。本実施の形態と第１実施例とは、ガスセンサ素子及びセンサ制御装置が異なるが、その他は同じであるので、以下第１実施形態と異なる部分について説明する。なお、実施例１と同様の場合は、図中において実施例１と同じ符号番号を用いて示す。

図６を参照して、限界電流式センサ４０及びセンサ制御装置７０の詳細を説明する。限界電流式センサ４０は、内部に細長で長尺な板状をなすセンサ素子５０を、図示外のハウジング内に保持した構造を有する。限界電流式センサ４０は、センサ素子５０の出力信号を取り出すためのハーネス（図示なし）を介して、限界電流式センサ４０とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置７０と電気的に接続されている。

なお、本実施の形態では、限界電流式センサ４０とＥＣＵ５との間にセンサ制御装置７０を設けるとともに、限界電流式センサ４０とセンサ制御装置７０とでセンサユニット８０を構成した場合を例示している。そして、本発明における「ガスセンサ」は限界電流式センサ４０に相当し、「センサ制御装置」は、限界電流式センサ４０に接続されたセンサ制御装置７０に相当し、センサユニットは、センサユニット８０に相当する。もちろん、センサ制御装置７０の配設態様は適宜変更可能であり、例えばセンサ制御装置７０をＥＣＵ５に組み込み、限界電流式センサ４０とＥＣＵ５とによってセンサユニットとしてもよい。

まず、センサ素子５０の構造について説明する。センサ素子５０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体４１と、アルミナを主体とする絶縁基体４４、４３、１７、１８とを、絶縁基体１８，１７、絶縁基体４３、固体電解質体４１、絶縁基体４４の順に積層した構造を有する。固体電解質体４１の両面には、白金を主体とする一対の電極４６、４７がそれぞれ形成されている。固体電解質体４１及び絶縁基体４４、４３、１７、１８は、いずれも細長い板状に形成されており、図６ではその長手方向と直交する断面を示している。

絶縁基体の長手方向の一端側には、固体電解質体４１を一壁面としつつ、被測定ガスを導入可能な中空のガス検出室４２が形成されている。ガス検出室４２の幅方向の両端には、ガス検出室２３を形成する絶縁スペーサ４３が設けられている。絶縁スペーサは被測定ガスをガス検出室に拡散律速しつつ導入するガス導入孔（図示なし）を有している。なお、固体電解質体４１上の電極４７は、ガス検出室４２内に露出されている。

なお、絶縁基体１８，１７の間に挟んで、白金を主体とする発熱抵抗体２６が埋設されている。絶縁基体１７，１８及び発熱抵抗体２６は、固体電解質体１１，１３を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。

固体電解質体４１上の電極４６は、その表面がセラミックス（例えば、アルミナ）からなる多孔質性の保護層４５に覆われている。つまり、排気ガスに含まれるシリコン等の被毒成分によって劣化しないように、電極４６が保護層４５によって保護されている。固体電解質体４１上に積層された絶縁基体４４は、電極４６を覆わないように開口が設けられており、保護層４５はその開口内に配設されている。

このように構成されたセンサ素子５０において、固体電解質体４１とその両面に設けられた一対の電極４６，４７は、外部からガス検出室４２内に酸素を汲み入れ、あるいはガス検出室４２から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル（以下、固体電解質体４１及び電極４６，４７を総じて「Ｉｐセル」ともいう。）として機能する。なお、Ｉｐセルの詳細な機能については後述する。

次に、センサ素子５０に接続されるセンサ制御装置７０の構成について説明する。センサ制御装置７０は、マイクロコンピュータ９及び電気回路部６０を構成主体としている。マイクロコンピュータ９は、公知の構成のＣＰＵ６、ＲＯＭ７、ＲＡＭ８等を搭載したマイコンチップである。なお、ＲＯＭ７には、ＣＰＵ６に各処理を実行させるための制御プログラムなどが記憶されている。

電気回路部６０は、ヒータ通電制御回路３１、ポンプ電圧印加回路６１、ポンプ電流検出回路３６から構成される。

ヒータ通電制御回路３１は、発熱抵抗体２６の両端に供給される電圧ＶｈをＰＷＭ通電することで、発熱抵抗体２６を発熱させ、Ｉｐセルの加熱を行う。ポンプ電圧印加回路６１は、Ｉｐセルの電極４６、４７間に所定の電圧を印加する。ポンプ電流検出回路３６は、所定の電圧が印加された時にＩｐセルの電極４６，４７間に流れるポンプ電流Ｉｐを電圧変換し、検出信号としてマイクロコンピュータ９に出力する。

本実施の形態では、ポンプ電圧印加回路６１により印加される電圧として、３つの印加電圧（第１印加電圧、第２印加電圧及び、第３印加電圧）を有する。第１印加電圧は、ガス検出室２３内に導入された被測定ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）が実質的に解離しないような電圧値であり、ガス検出室４２中の酸素濃度に応じた限界電流を測定できる電圧値（例えば４５０ｍＶ）に設定される。

一方、第２印加電圧は、ガス検出室２３内に導入された被測定ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）が解離するような電圧値であり、ガス検出室４２中の水分濃度に応じた限界電流を測定できる電圧値（例えば１０００ｍＶ）に設定される。

また、第３印加電圧は、電圧出力回路３３の比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックして、ガス検出室２３内の雰囲気中の酸素濃度を制御したときに、ガス検出室２３内に導入された被測定ガス中の水分が実質的に解離せず、かつ、ガス検出室２３内に酸素の汲み入れを行う電圧値（例えば２００ｍV）に設定される。

先述のポンプ電圧印加回路６１では、常時は第１印加電圧が用いられて被測定ガス中の酸素濃度がポンプ電流Ｉｐに基づいて算出される一方、湿度検知を行う場合に第２印加電圧が用いられ、湿度検知終了後第１印加電圧に変更する前に第３印加電圧となるが、詳細は後述する。なお、ポンプ電圧印加回路６１が本発明の「電圧印加手段」に相当し、ポンプ電流検出回路３６が「ポンプ電流検出手段」に相当する。

次に、限界電流式センサ４０を用いて被測定ガスの酸素濃度（排気ガスの空燃比）を検出する動作について簡単に説明する。被測定ガスの酸素濃度を検出する際には、ポンプ電圧印加回路６１で、第１印加電圧（例えば４５０ｍＶ）が設定される。第１印加電圧が印加されるとガス検出室２３に存在する酸素濃度に応じた限界電流がポンプ電流として流れる。そこで、ポンプ電流検出回路はポンプ電流を検出し、酸素濃度に応じた信号としてマイクロコンピュータ９に出力する。

なお、このときのポンプ電流Ｉｐが、ポンプ電流検出回路３６にて電圧変換されて限界電流式センサ４０の出力（検出信号）としセンサ制御装置を介してＥＣＵ５に出力される。ＥＣＵ５では、限界電流式センサ４０から出力されるポンプ電流Ｉｐの大きさに基づいて被測定ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を特定できる。

次に、センサ制御装置７０において実行されるメイン処理について、図７を参照して説明する。実施例１（図３）と本実施例とのメイン検知処理の違いは、実施例が基準電圧に、第１目標電圧、第２目標電圧、第３目標電圧を設定したのに対し、本発明では酸素ポンプセルに印加する電圧を第１印加電圧、第２印加電圧、第３印加電圧とする事である。

図７に示すように、センサ制御装置３において初期設定が行われ（Ｓ１）、湿度検知タイミングであるか否かが判断される（Ｓ２）。

Ｓ２にて湿度検知タイミングであると判断されると、Ｓ２５の処理に移行し、ポンプ電圧印加回路６１にて印加される電圧が第１印加電圧（例えば４５０ｍＶ）のもとでのＩｐセルの電極４６、４７間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」として読み込む（Ｓ２５）。この読み込まれた「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」は、ＲＡＭ８に記憶される。ついで、ポンプ電圧印加回路６１にて印加される電圧が第１印加電圧から第２印加電圧（例えば１０００ｍＶ）に変更する処理が実行される（Ｓ２６）。

ついで、Ｓ２７の処理に移行し、ポンプ電圧印加回路６１にて印加される電圧が第１印加電圧から第２印加電圧のもとでのＩｐセルの電極４６，４７間に流れるポンプ電流Ｉｐを、ポンプ電流検出回路３６を介して、「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」として読み込む（Ｓ２７）。この読み込まれた「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」は、ＲＡＭ８に記憶される。

次に、ＲＡＭ８に読み込まれた「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」と「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」とから被測定ガスの水分量が計算される（Ｓ２８）。Ｓ２８では、「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」から「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が減算されることによって、その差分のＩｐ電流が被測定ガスにおける湿度由来の酸素濃度（つまり、被測定ガスの水分量）を示し、ひいては被測定ガスの湿度を示す。

なお、Ｓ２８で水分量の計算に用いられる「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」は、ポンプ電圧印加回路６１にて印加される電圧が第１印加電圧から第２印加電圧に変更する処理であるＳ２６の直前のＳ２５の処理にて読み込まれることが好適である。これにより、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」の検出タイミングと「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」の検出タイミングの時間差を小さくして、「Ｉｐ＿ｐｒｉｍａｒｙ」が検出されたのちで「Ｉｐ＿Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ」が検出されるまでの間に湿度が変化してしまう不具合の発生が抑制される。

次に、Ｓ２９の処理に移行し、ポンプ電圧印加回路６１にて印加される電圧が第２印加電圧から第３印加電圧（例えば２００ｍＶ）に変更する処理が実行される（Ｓ２９）。

Ｓ２９の処理が終了すればＳ３０の処理に移行し、所定時間ｔ３が経過されたか否かが判断され（Ｓ３０）、所定時間ｔ３が経過するとＳ３１の処理に移行し、印加電圧を第３印加電圧から第１印加電圧に変更する。ここで、固体電解質体の還元された金属酸化物を酸化する為に必要な第３目標電圧の保持時間として、所定時間ｔ３が設定される。

Ｓ３１の処理が終了すればＳ３２の処理に移行し、印加電圧が第１印加電圧に変更されてから所定時間ｔ４が経過されたか否かが判断され（Ｓ３２）、所定時間ｔ４が経過するとＳ４の処理に移行し、湿度検知を終了する。ここで印加電圧が第１印加電圧に変更され、通常の酸素濃度検出を行う前に、酸素ポンプ電流の安定を待つ為の所定時間ｔ４が設定される。

第３印加電圧は第１印加電圧以下であればよく、０Ｖでもよい。この第３印加電圧と所定時間ｔ２は、第２印加電圧の大きさと第２印加電圧を保持する時間と、ガスセンサ素子の固体電解質体の材質・厚さに応じ、事前に試験を行い決定しておけばよい。第３印加電圧を低くする程、所定時間ｔ３は短くすればよい。

尚、本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。上記実施形態では、大気の湿度を、酸素センサを用いて検出し、その湿度に応じてセンサ特性の補正を行う為の湿度検知を目的とし、フューエルカットタイミングを湿度検知タイミングとした例を説明したが、例えば車両エンジン始動時等、適宜湿度検知タイミングを決定してもよい。

１ 全領域空燃比センサ
３ センサ制御装置
４ センサユニット
９ マイクロコンピュータ
１０ センサ素子
１１ 固体電解質体
１３ 固体電解質体
３２ ポンプ電流駆動回路
３３ 電圧出力回路
３４ 微小電流供給回路
３５ 基準電圧比較回路
３６ ポンプ電流検出回路
１００ 内燃機関

Claims (6)

1. 第１固体電解質体及び前記第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有する起電力セルと、第２固体電解質体及び前記第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有するポンプセルとを有すると共に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサに接続されるセンサ制御装置であって、
   前記一対の第１電極間に生じる起電力セル電圧が目標電圧となるように、前記一対の第２電極間を流れるポンプ電流を制御する電流制御手段と、
   前記ポンプ電流を検出するポンプ電流検出手段と、
   前記目標電圧を、前記被測定ガス中の水分が実質的に解離せず、前記特定ガス成分を検出する際に用いられる第１目標電圧、前記被測定ガス中の水分が解離する第２目標電圧、前記第１目標電圧よりも低い第３目標電圧の順に設定する電圧設定手段と、
   前記目標電圧が前記第１目標電圧と前記第２目標電圧である場合の前記ポンプ電流の差によって前記被測定ガス中の湿度を検出する制御手段と、を有することを特徴とする
   センサ制御装置。
2. 前記制御手段は、前記電圧設定手段により前記目標電圧を前記第３目標電圧から前記第１目標電圧に変更後、所定時間経過した後、前記ポンプ電流検出手段により前記ポンプ電流の検出を許可する事を特徴とする請求項２に記載のセンサ制御装置。
3. 固体電解質体及び前記固体電解質体の一方の面上に形成された第１電極と、前記固体電解質体の他方の面上に形成された第２電極を有する酸素ポンプセルとを有すると共に被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガスセンサに接続されるセンサ制御装置であって、
   前記酸素ポンプセルに、前記被測定ガス中の水分が実質的に解離せず、前記特定ガス成分を検出する際に用いられる第１印加電圧、前記被測定ガス中の水分が解離する第２印加電圧、前記第１印加電圧よりも低い第３印加電圧の順に電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記酸素ポンプセルに流れるポンプ電流を検出するポンプ電流検出手段と、
   前記酸素ポンプセルに流れる各電流の差によって前記被測定ガス中の湿度を検出する制御手段と、を有することを特徴とする
   センサ制御装置。
4. 前記制御手段は、前記電圧印加手段により前記酸素ポンプセルに印加する電圧を前記第３印加電圧から前記第１印加電圧に変更後、所定時間経過した後前記ポンプ電流検出手段により前記ポンプ電流の検出を許可する事を特徴とする請求項３に記載のセンサ制御装置。
5. 第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有する起電力セルと、
   第２固体電解質体と前記第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有するポンプセルとを有するガスセンサと、
   請求項１および請求項２のいずれかに記載のセンサ制御装置を有する
   センサ制御システム。
6. 固体電解質体と、前記固体電解質体の一方の面上に形成された第１電極と、前記固体電解質体の他方の面上に形成された第２電極を有する酸素ポンプセルとを有するガスセンサと、
   請求項３および請求項４のいずれかに記載のセンサ制御装置を有する
   センサ制御システム。