JP3520163B2 - 酸素センサの制御方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素イオン伝導性
の固体電解質層を多孔質電極で挟んでなる酸素ポンピン
グセル及び酸素濃度測定セルを備えた酸素センサの早期
活性化を達成するのに好適な酸素センサの制御方法及び
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関等の燃焼機器の排気
中の酸素濃度から燃焼機器の燃焼状態（空燃比等）を検
出する酸素センサとして、ジルコニア等からなる酸素イ
オン伝導性の固体電解質層を白金等からなる一対の多孔
質電極で挟んで酸素ポンピングセル及び酸素濃度測定セ
ルを構成し、これら各セルを、夫々、各セルの一方の電
極が、拡散律速層を介して被測定ガス側に連通された測
定ガス室に接するように配置すると共に、酸素濃度測定
セルの測定ガス室とは反対側電極を閉塞して、その閉塞
空間内の酸素の一部を漏出抵抗部を介して外部に漏出可
能に形成した酸素センサが知られている（特開昭６２−
７６４４６号公報，特開昭６２−１９０４６１号公報等
参照）。

【０００３】そして、この種の酸素センサにおいては、
酸素濃度測定セルに対して、測定ガス室中の酸素を閉塞
空間側に汲み出す方向に微小電流を流すことにより、そ
の閉塞空間を内部酸素基準源として機能させて、酸素濃
度測定セルの電極間に、この内部酸素基準源の酸素分圧
と測定ガス室中の酸素分圧との比に応じた検出電圧を発
生させ、更に、この検出電圧が所定の目標電圧となるよ
うに（換言すれば、測定ガス室中の酸素濃度が所定濃度
となるように）、酸素ポンピングセルに流れるポンプ電
流を制御して、そのポンプ電流を検出することにより、
被測定ガス中の酸素濃度を検出するようにされている。

【０００４】またこの種の酸素センサにおいて、酸素濃
度を正確に検出するには、各セルを所定の活性温度（例
えば６５０℃以上）まで加熱して活性化させる必要があ
ることから、各セルを加熱するためのヒータが別途設け
られている。そして、酸素センサを実際に使用する際に
は、例えば図５に示す如く、ヒータへの通電を開始する
と同時に、酸素濃度測定セルに内部酸素基準源生成のた
めの微小電流を流し（時点ｔ11）、その後、酸素濃度測
定セルの電極間電圧が予め設定された活性判断電圧まで
低下すると、酸素濃度測定セルは略活性化されたと判断
し（時点ｔ12）、更にその後、所定の待機時間（一定時
間）が経過した時（時点ｔ13）に、各セルを確実に活性
化できたと判断して、ポンプ電流の制御を開始する、と
いった手順で、各セルを制御するようにしている。

【０００５】即ち、従来、酸素センサの活性化を判定す
る際には、ヒータへの通電と同時に、酸素濃度測定セル
に微小電流を流して、酸素濃度測定セルの電極間電圧を
検出することにより、温度上昇に伴い低下する酸素濃度
測定セルの内部抵抗を測定するのであるが、電極間電圧
だけで活性判断を行うと下記，の問題がある。

【０００６】 電極間電圧は、酸素濃度測定セルの内
部抵抗だけでなく、被測定ガス中の酸素濃度によっても
変化するため、電極間電圧が活性判断電圧まで低下して
も、酸素濃度測定セルが所望温度に達しているのか否か
を正確に判断することができない。

【０００７】 そして、例えば酸素濃度測定セルを充
分活性化できていない状態で、ポンプ電流の制御を開始
すると、酸素濃度測定セルの電極間電圧がその内部抵抗
による電圧降下分（＝微小電流×内部抵抗）だけ大きく
なって、ポンプ電流を誤制御してしまうことになる。

【０００８】そこで、従来の制御方法では、こうした問
題を確実に防止して、活性化判断後に被測定ガス中の酸
素濃度を正確に検出できるようにするために、酸素濃度
測定セルの電極間電圧が活性判断電圧まで低下してか
ら、更に一定の待機時間が経過して、酸素濃度測定セル
がその内部抵抗を無視できる程度に充分活性化された状
態で、各セルが活性化したと判断して、酸素ポンピング
セルへの通電（ポンプ電流の制御）を開始し、酸素濃度
を検出するようにしているのである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、こうした従来
の制御方法では、酸素濃度測定セルの内部抵抗の影響を
受けることなくポンプ電流の制御を開始することがで
き、ポンプ電流の誤制御やブラックニングの発生といっ
た問題を防止することはできるものの、ヒータへの通電
を開始してから、酸素濃度測定セルの電極間電圧が活性
判断電圧まで低下するまでの活性判断時間が経過し、更
に一定の待機時間が経過したときに、各セルの活性化を
判断して、ポンプ電流の制御，延いては酸素濃度の検出
を開始するので、ヒータへの通電開始後、酸素濃度を検
出できるようになるまでに時間がかり、実際には各セル
を充分活性化できているにもかかわらず酸素濃度を検出
することができないことがあった。

【００１０】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
のであり、ヒータ通電開始後に被測定ガス中の酸素濃度
の検出を開始するまでの時間を必要最小限に抑えること
のできる酸素濃度センサの制御方法及び装置を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１に記載の発明は、酸素イオン伝導
性の固体電解質層を多孔質電極で挟んでなる酸素ポンピ
ングセル及び酸素濃度測定セルを、夫々、各セルの一方
の電極が、拡散律速層を介して被測定ガス側に連通され
た測定ガス室に接するように配置すると共に、前記酸素
濃度測定セルの前記測定ガス室とは反対側電極を閉塞し
て、該閉塞空間内の酸素の一部を漏出抵抗部を介して外
部に漏出可能に形成してなるセンサ本体と、該センサ本
体を加熱して活性化させるヒータと、該ヒータに通電し
て前記酸素センサを加熱させるヒータ通電手段と、前記
酸素濃度測定セルに、前記測定ガス室中の酸素を前記閉
塞空間に汲み出す方向に微小電流を流して、該閉塞空間
を内部酸素基準源として機能させる微小電流通電手段
と、前記酸素濃度測定セルの電極間電圧を測定する測定
手段と、前記酸素ポンピングセルにポンプ電流を流すポ
ンプ電流制御手段と、を備え、該ポンプ電流制御手段に
より制御されるポンプ電流と前記測定手段により測定さ
れる前記酸素濃度測定セルの電極間電圧とから被測定ガ
ス中の酸素濃度を検出可能な酸素センサにおいて、前記
ヒータ通電手段による前記ヒータへの通電開始後に前記
酸素濃度を速やかに検出可能にするための制御方法であ
って、前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの通電を
開始させるとともに、前記微小電流通電手段を動作させ
て、前記酸素濃度測定セルへ微小電流を流し、前記閉塞
空間を内部酸素基準源として機能させ、その後、予め設
定された一定時間が経過すると、前記微小電流通電手段
による前記酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を停止
させるとともに、前記ポンプ電流制御手段によるポンプ
電流の制御を開始させることを特徴とする。

【００１２】また請求項２に記載の発明は、請求項１に
記載の酸素センサの制御方法において、前記ポンプ電流
の制御を開始させると、その後、該ポンプ電流制御によ
って前記酸素濃度測定セルの電極間電圧を所定の電圧に
制御できた時点で、前記センサ本体が活性化した旨を判
定することを特徴とし、更に、請求項３に記載の発明
は、請求項２に記載の酸素センサの制御方法において、
前記センサ本体の活性化を判定すると、前記微小電流通
電手段から前記酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を
再開させることを特徴とする。

【００１３】一方、請求項４に記載の発明は、前記請求
項１における酸素センサと同様に構成された酸素センサ
において、前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの通
電開始後に前記酸素濃度を速やかに検出可能にするため
の制御装置であって、前記ヒータ通電手段による前記ヒ
ータへの通電を開始させるとともに、前記微小電流通電
手段を動作させて、前記酸素濃度測定セルへ微小電流を
流し、前記閉塞空間を内部酸素基準源として機能させる
微小電流通電開始手段と、該微小電流通電開始手段が前
記微小電流通電手段を動作させると、その後、予め設定
された一定時間が経過するのを計時する計時手段と、前
記微小電流通電手段による前記酸素濃度測定セルへの微
小電流の通電が一定時間経過すると、該微小電流の通電
を停止させる通電停止手段と、該通電の停止とともに、
前記ポンプ電流制御手段によるポンプ電流の制御を開始
させるポンプ電流制御開始手段と、を備えたことを特徴
とする。

【００１４】また、請求項５に記載の発明は、請求項４
に記載の酸素センサの制御装置において、前記ポンプ電
流制御開始手段が前記ポンプ電流制御手段によるポンプ
電流制御を開始させると、該ポンプ電流制御によって前
記酸素濃度測定セルの電極間電圧を所定の電圧に制御で
きたか否かを判断し、該電極間電圧が前記目標電圧に制
御された時点で、前記センサ本体が活性化した旨を判定
する活性化判定手段を備えたことを特徴とし、更に請求
項６に記載の発明は、請求項５に記載の酸素センサの制
御装置において、前記活性化判定手段が前記センサ本体
の活性化を判定すると、前記微小電流通電手段による前
記酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を再開させる微
小電流通電再開手段を設けたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の酸素センサの制
御方法においては、まず、ヒータへの通電を開始させる
とともに、酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を開始
して、酸素濃度測定セルの測定ガス室とは反対側電極の
閉塞空間を内部酸素基準源として機能させ、その後、予
め設定された一定時間が経過すると、酸素濃度測定セル
への微小電流の通電を停止させるとともに、ポンプ電流
の制御を開始させる。そして、請求項２に記載の酸素セ
ンサの制御方法においては、このポンプ電流制御によっ
て、酸素濃度測定セルの電極間電圧を目標電圧に制御で
きた時に、センサ本体が活性化した旨を判定する。

【００１６】つまり、本発明の制御方法では、従来のよ
うに、酸素濃度測定セルに微小電流を流して、その電極
間電圧（換言すればその内部抵抗）を検出し、その検出
結果に基づき各セルの活性化を判断してから、ポンプ電
流制御を開始するのではなく、酸素濃度測定セルに微小
電流を一定時間流して、酸素濃度測定セルの測定ガス室
とは反対側電極の閉塞空間を内部酸素基準源として機能
させた後、微小電流の通電を遮断して、ポンプ電流制御
を開始する。

【００１７】そして、このようにポンプ電流制御を開始
しても、酸素濃度測定セルへの微小電流の通電は遮断さ
れているので、酸素濃度測定セルの電極間電圧は、閉塞
空間内の基準となる酸素分圧と測定ガス室中の酸素分圧
との比に応じた電圧となり、酸素濃度測定セルの内部抵
抗の影響を受けることはない。

【００１８】従って、ポンプ電流制御開始時に、センサ
本体が活性化していなくても、酸素濃度測定セルの電極
間電圧が、その内部抵抗の影響を受けて著しく大きくな
ることはなく、ポンプ電流を被測定ガスの検出に用いる
ことが可能となる。また、センサ本体が活性化していな
い状態では、酸素濃度測定セルの電極間電圧を目標電圧
に制御すべく、各電圧の偏差に応じてポンプ電流を制御
しても、酸素濃度測定セルの電極間電圧を目標電圧に制
御することは困難であるが、ヒータ通電によりセンサ本
体の温度が上昇するにつれて、酸素濃度測定セルの電極
間電圧が目標電圧に近付くことになる。

【００１９】そして、本発明（請求項２）では、ポンプ
電流制御によって酸素濃度測定セルの電極間電圧を目標
電圧に制御できた時点で、センサ本体が活性化したと判
断する。従って、本発明（請求項２）によれば、ヒータ
通電開始後、センサ本体が、ポンプ電流制御によって酸
素濃度測定セルの電極間電圧を目標電圧に制御できるよ
うになった時点で、速やかに活性判断を行なうことがで
き、従来のように、活性化判断のための所要時間が不必
要に長くなるのを防止できる。

【００２０】ここで、本発明では、ヒータ通電開始後、
一定時間だけ、酸素濃度測定セルに内部酸素基準源生成
用の微小電流を流すようにしているが、これは、一定時
間経過後にポンプ電流制御を開始したとき、酸素濃度測
定セルの電極間電圧が活性化前の酸素濃度測定セルの内
部抵抗の影響を受けることなくポンプ電流制御を実行で
きるようにするためであり、センサ本体の温度が所望の
活性温度（例えば６５０℃）まで上昇して、センサ本体
が活性化していれば、酸素濃度測定セルの内部抵抗は充
分小さくなって、ポンプ電流制御を酸素濃度測定セルの
内部抵抗の影響を受けることなく実行できることから、
請求項３に記載のように、センサ本体の活性化判定後
は、微小電流通電手段による酸素濃度測定セルへの微小
電流の通電を再開させるようにすればよい。

【００２１】ところで、本発明では、酸素濃度測定セル
に一定時間微小電流を流してから、少なくともポンプ電
流制御を実行してセンサ本体の活性化を判定するまでの
間は、酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を遮断する
ため、この微小電流の通電遮断中に、酸素濃度測定セル
の閉塞空間内の酸素が漏出抵抗部から外部に漏れて、閉
塞空間内の酸素濃度が基準酸素濃度からずれないように
する必要がある。

【００２２】しかし、酸素濃度測定セルへの微小電流の
通電によって閉塞空間内に蓄積された酸素は、瞬時に漏
出するようなことはなく、短時間であれば閉塞空間内の
酸素濃度を基準酸素濃度に保持できる。本発明者らが後
述実施例の酸素センサを用いて実験したところ、１０秒
以上は保持できることが確認されている。

【００２３】従って、微小電流の通電遮断後、センサ本
体の活性化を判定できるまでの時間が、閉塞空間内の基
準酸素濃度を保持できる時間となるように、ヒータの通
電開始と同時に酸素濃度測定セルに微小電流を通電する
時間（一定時間）を実験等で設定するようにすれば、ポ
ンプ電流制御実行時の酸素濃度測定セルの電極間電圧か
らセンサ本体の活性化を正確に判定することができる。

【００２４】また、センサ本体の構造によっては、閉塞
空間内の酸素濃度を基準酸素濃度に保持できる時間が短
く、微小電流の通電遮断後、センサ本体の活性化を判定
するまでの閉塞空間内の酸素濃度を基準酸素濃度に確保
できないことも考えられるが、このような場合には、酸
素濃度測定セルに微小電流を一定時間通電し、ポンプ電
流制御を開始してから、定期的に酸素濃度測定セルに微
小電流を流すようにすればよい。つまり、活性化判定の
ためのポンプ電流制御を開始してからも、酸素濃度測定
セルには定期的に微小電流を流すようにすれば、閉塞空
間内の酸素濃度を基準酸素濃度に保持することができ、
ポンプ電流制御実行時の酸素濃度測定セルの電極間電圧
から、センサ本体の活性化を正確に判定できるようにな
る。

【００２５】ただし、この場合、酸素濃度測定セルに微
小電流を流す際には、ポンプ電流制御を中断する必要は
ある。つまり、酸素濃度測定セルへの微小電流通電時に
もポンプ電流制御を実行すると、ポンプ電流が酸素濃度
測定セルの内部抵抗の影響を受けて大きくなり、ポンプ
電流を誤制御してしまうとか、場合によっては酸素ポン
ピングセルのブラックニングを招くといったこともある
ので、閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるため
に、ポンプ電流制御を開始してから酸素濃度測定セルに
定期的に微小電流を流す際には、その微小電流通電時
に、ポンプ電流制御を中断するようにすればよい。

【００２６】ところで、ポンプ電流制御中においては、
センサ本体が十分に活性化していないとしても、ポンプ
電流出力を被測定ガス検出に用いることができる。ただ
し、この場合、酸素ポンピングセルが十分に活性化して
いないことから、正確な空燃比を検出することはできな
いので、空燃比制御では、通常とは異なる制御モードで
制御する必要がある。

【００２７】次に、請求項４に記載の制御装置は、上記
請求項１に記載の制御方法を実現する装置である。そし
て、この装置においては、ヒータ通電手段がヒータへの
通電を開始すると、まず、微小電流通電開始手段が、微
小電流通電手段を動作させて、酸素濃度測定セルへ微小
電流を流し、閉塞空間を内部酸素基準源として機能さ
せ、計時手段が、その後、予め設定された一定時間が経
過するのを計時する。そして、この計時手段にて一定時
間が計時されると、通電停止手段が、微小電流通電手段
による酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を停止させ
るとともに、ポンプ電流制御開始手段が、ポンプ電流制
御手段によるポンプ電流の制御を開始させる。

【００２８】また、請求項５に記載の装置では、活性化
判定手段が、そのポンプ電流制御によって酸素濃度測定
セルの電極間電圧を目標電圧に制御できたか否かを判断
し、電極間電圧が目標電圧に制御された時点で、センサ
本体が活性化した旨を判定する。

【００２９】従って、請求項４に記載の制御装置によれ
ば、上記請求項１に記載の制御方法を実現し、ヒータ通
電開始後に、ポンプ電流制御を速やかに開始させて、そ
のポンプ電流を被測定ガスの検出に用いるようにするこ
とができるようになり、更に、請求項５に記載の制御装
置によれば、上記請求項２に記載の制御方法を実現し
て、ヒータ通電開始後、センサ本体が酸素濃度を検出可
能になった旨（つまり活性化した旨）を速やかに判定す
ることができるようになり、従来装置のように活性化判
断のための所要時間が不必要に長くなるのを防止でき
る。

【００３０】また次に、請求項６に記載の制御装置にお
いては、活性化判定手段がセンサ本体の活性化を判定す
ると、微小電流通電手段による酸素濃度測定セルへの微
小電流の通電を再開させる。つまり、この装置は、請求
項３に記載の制御方法を実現する装置であり、活性化判
定後に酸素濃度測定セルへの微小電流の通電を再開する
ことにより、酸素濃度測定セルの測定ガス室とは反対側
電極の閉塞空間に酸素を供給する。この結果、微小電流
の通電停止が長時間続いて、閉塞空間が内部酸素基準源
としての機能を失うのを防止することができる。

【００３１】

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面に従って説明
する。図１は本発明が適用された実施例の空燃比センサ
及びその周辺装置を表わす概略構成図、図２は空燃比セ
ンサの一部破断斜視図である。

【００３２】本実施例の空燃比センサ１０は、内燃機関
の排気管に取り付けられ、排気中の酸素濃度から内燃機
関に供給された燃料混合気の空燃比を検出するためのも
のであり、図２に示すように、板状に形成された固体電
解質層１２ａの両側に多孔質電極１２ｂ，１２ｃを形成
した酸素濃度測定セル（以下、単に電池素子という）１
２と、同じく板状に形成された固体電解質層１４ａの両
側に多孔質電極１４ｂ，１４ｃを形成した酸素ポンピン
グセル（以下、単にポンプ素子という）１４と、これら
の両素子１２，１４の間に積層されて測定ガス室１６を
形成するスペーサ１８と、からなるセンサ本体を備えて
いる。そして、ポンプ素子１４の外側には、スペーサ２
０により所定間隔を空けて、各セル１２，１４を加熱す
るヒータ３０が取り付けられている。

【００３３】ここで、電池素子１２及びポンプ素子１４
は、イットリア−ジルコニア固溶体からなる固体電解質
層１２ａ，１４ａの各々の両面に、矩形状の多孔質電極
１２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃを形成したものであ
り、この多孔質電極１２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃ
は、共素地としてのイットリア−ジルコニア固溶体と残
部白金から形成されている。尚、上記固体電解質層１２
ａ，１４ａの材料としては、イットリア−ジルコニア固
溶体の他に、カルシア−ジルコニア固溶体が知られてお
り、更に、二酸化セリウム、二酸化トリウム、二酸化ハ
フニウムの各固溶体、ペロブスカイト型固溶体、３価金
属酸化物固溶体等が使用できる。

【００３４】次に、ポンプ素子１４の外側は、多孔質電
極１４ｃに対応する中空部２６ａを有したアルミナから
なる絶縁層２６に覆われている。そしてその中空部２６
ａには、多孔質電極１４ｃを覆って外部から保護する、
主にアルミナからなる多孔質の電極保護層２７が形成さ
れている。

【００３５】また、測定ガス室１６は、電池素子１２と
ポンプ素子１４との間に、多孔質電極１２ｃ，１４ｂに
対応した中空部を有するスペーサ１８を挟んで接合する
ことにより形成され、その中空部からなる測定ガス室１
６の内側には、上記多孔質電極１２ｃ，１４ｂが露出し
ている。なお、スペーサ１８の素材としては、アルミ
ナ、スピネル、フォルステライト、ステアタイト、ジル
コニア等が用いられる。

【００３６】また、スペーサ１８には、測定ガス室１６
と外部とを連通する連通孔が複数設けられており、各連
通孔には、アルミナからなる多孔質の充填材を詰めるこ
とによって拡散律速層１７が形成され、被測定ガスの測
定ガス室１６への流入等の律速が行われる。

【００３７】次に、電池素子１２の外側には、多孔質電
極１２ｂを覆うように固体電解質からなる遮蔽体２４が
貼り付けられており、後述の検出回路５２にて電池素子
１２の多孔質電極１２ｂ側から多孔質電極１２ｃ側へと
微小電流ｉCPを流したときに、多孔質電極１２ｂ側が閉
塞空間となって、その空間内に汲み込まれた酸素がその
まま排出されないようにされている。また、電池素子１
２には、このように多孔質電極１２ｂ側に汲み込まれた
酸素の一部を測定ガス室１６側に漏出させるための漏出
抵抗部１２ｄが形成されている（図１参照）。この結
果、検出回路５２による微小電流ｉCPの通電により、多
孔質電極１２ｂ側は一定の酸素濃度となり、電池素子１
２には、多孔質電極１２ｂ側の酸素濃度を基準とする測
定ガス室１６内の酸素濃度に応じた起電力が発生するこ
とになる。

【００３８】また、ヒータ３０の一方の側、即ちポンプ
素子１４側には、発熱パターン３０ａが設けられ、他方
の側には周知のマイグレーション防止パターン３０ｂが
形成されている。次に図１に基づいて、上記空燃比セン
サ１０の制御及び上記各素子１２，１４の活性化判定を
行う制御系の構成について説明する。

【００３９】図１に示すように、電池素子１２及びポン
プ素子１４の測定ガス室１６に接した多孔質電極１２ｃ
及び１４ｂは接地されており、他方の多孔質電極１２ｂ
及び１４ｃは、夫々、ポンプ電流制御手段としての検出
回路５２に接続されている。また遮蔽体２４により閉塞
空間となった電池素子１２の多孔質電極１２ｂは、アナ
ログスイッチ等からなる開閉スイッチＳＷを介して、他
端に定電圧ＶCPが印加された抵抗器Ｒ1 に接続されてい
る。この抵抗器Ｒ1 は、電池素子１２に略一定の微小電
流ｉCPを供給する微小電流通電手段としての機能を実現
するものであり、その抵抗値は、電池素子１２の内部抵
抗に比べて充分大きな値となっている。

【００４０】次に、検出回路５２内では、電池素子１２
の多孔質電極１２ｂが、差動増幅器ＡＭＰの−側入力端
子に接続されており、差動増幅器ＡＭＰの＋側入力端子
には、基準電圧ＶCOが入力されている。このため、差動
増幅器ＡＭＰからは、基準電圧ＶCOと電池素子１２の電
極間電圧Ｖｓとの差に応じた電圧が出力される。そし
て、この差動増幅器ＡＭＰの出力は、抵抗器Ｒ3 を介し
て、ポンプ素子１４のヒータ３０側の多孔質電極１４ｃ
に接続されている。この結果、ポンプ素子１４には、差
動増幅器ＡＭＰの出力に応じて、ポンプ電流ｉｐが双方
向に流れることになる。

【００４１】従って、本実施例では、開閉スイッチＳＷ
をＯＮすれば、電池素子１２に微小電流ｉCPを流して多
孔質電極１２ｂ側に酸素を汲み込み、多孔質電極１２ｂ
を内部酸素基準源として機能させて、電池素子１２の電
極間に、測定ガス室１６内の酸素濃度と内部酸素基準源
側の基準酸素濃度とに応じた電圧Ｖｓを発生させること
ができ、更に、検出回路５２を動作させれば、電池素子
１２の電極間電圧Ｖｓが基準電圧ＶCO（例えば、４５０
ｍＶ）となるように、差動増幅器ＡＭＰからポンプ素子
１４にポンプ電流ｉｐを供給して、測定ガス室１６内の
酸素濃度を一定に保つことができる。

【００４２】そして、この制御によって生じるポンプ電
流ｉｐは、周囲の被測定ガス雰囲気中の酸素濃度に対応
することから、検出回路５２内で、そのポンプ電流ｉｐ
を抵抗器Ｒ3 により電圧信号に変換して、それを内燃機
関の排気中の酸素濃度，延いては空燃比を表す検出信号
として、内燃機関制御を行うマイクロコンピュータ等か
らなる電子制御回路（以下、ＥＣＵという）５０に出力
するようにされている。

【００４３】尚、本実施例では、開閉スイッチＳＷのＯ
Ｎ・ＯＦＦ状態及び検出回路５２によるポンプ電流制御
の動作は、ＥＣＵ５０により制御される。またヒータ３
０の発熱パターン３０ａには、バッテリ電圧ＶB を受け
てヒータ通電用の電圧ＶH を出力するヒータ通電回路５
４が接続され、電池素子１２には、その電極間電圧Ｖｓ
をＥＣＵ５０に直接入力するバッファ回路ＢＵＦが接続
されている。

【００４４】そして、ＥＣＵ５０は、内燃機関の始動と
共にヒータ通電回路５４を動作させて、ヒータ３０の発
熱パターン３０ａにヒータ電圧ＶH を印加させることに
より、電池素子１２及びポンプ素子１４を加熱させ、こ
の加熱によって各センサ素子１２，１４が活性化したか
どうかを、バッファ回路ＢＵＦから入力される電池素子
１２の電極間電圧Ｖｓに基づき判定する。そして本実施
例においては、活性化判定後に、空燃比センサ１０を用
いた空燃比の検出並びにその検出結果に基づく内燃機関
の空燃比制御を開始する。

【００４５】そこで次に、ＥＣＵ５０において実行され
る各種制御処理の内、本発明にかかわる主要な処理であ
る、空燃比センサ１０の活性化判定処理について、図３
に示すフローチャートに沿って説明する。このセンサ活
性化判定処理は、内燃機関の始動と共に実行される処理
であり、処理が開始されると、まず、Ｓ１１０（Ｓ：ス
テップを表わす）にて、ヒータ通電回路５４を動作させ
て、ヒータ３０の通電を開始する（ヒータＯＮ）と共
に、開閉スイッチＳＷをＯＮして、電池素子１２に微小
電流ｉcpを流す、微小電流通電開始手段としての処理を
実行する。

【００４６】そして、続くＳ１２０では、その後所定時
間△Ｔ（例えば、５sec.）が経過したか否かを判断する
ことにより、微小電流通電後に一定時間が経過するのを
待つ、計時手段としての処理を実行し、所定時間△Ｔが
経過すると、Ｓ１３０に移行して、開閉スイッチＳＷを
オフし、電池素子１２への微小電流ｉcpの通電を停止さ
せ、更に、続くＳ１４０にて、検出回路５２を動作（Ｏ
Ｎ）させて、上述のポンプ電流制御を開始させる、ポン
プ電流制御開始手段としての処理を実行する。

【００４７】また次に、続くＳ１５０では、バッファ回
路ＢＵＦから入力される電池素子１２の電極間電圧Ｖｓ
が、目標となる基準電圧ＶCOに対応して設定された活性
化判定電圧ＶSO（＝ＶCO±α）に制御されているか否か
を判断することにより、検出回路５２のポンプ電流制御
によって、電池素子１２の電極間電圧Ｖｓが基準電圧Ｖ
COに制御されるのを待つ、活性化判定手段としての処理
を実行する。

【００４８】そして、Ｓ１５０にて、電極間電圧Ｖｓが
活性化判定電圧ＶSOに制御されていると判断されると、
空燃比センサ１０は活性化したものとして、Ｓ１６０に
移行し、開閉スイッチＳＷをオンして、電池素子１２へ
の微小電流ｉCPの通電を再開させる、微小電流通電再開
手段としての処理を実行し、当該活性化判定処理を終了
する。

【００４９】そして本実施例においては、このセンサ活
性化判定処理終了後、ＥＣＵ５０は、検出回路５２から
入力される抵抗器Ｒ3 の両端電圧を空燃比の検出信号と
して取り込み、この検出信号に応じて、空燃比が目標空
燃比となるように内燃機関への燃料供給量を制御する、
周知の空燃比制御処理を開始する。

【００５０】以上説明したように、本実施例では、図４
に示す如く、内燃機関の始動と同時（時点ｔ１）に、ヒ
ータ３０の通電して、各センサ素子１２，１４の加熱を
開始すると共に、開閉スイッチＳＷをオンすることによ
り、電池素子１２への微小電流ｉCPの通電を開始し、電
池素子１２の多孔質電極１２ｂ側に酸素を汲み込ませ
る。そして、その後一定時間（例えば５sec.）△Ｔが経
過すると（時点ｔ２）、電池素子１２への微小電流ｉCP
の通電を停止するとともに、検出回路５２を動作させ
て、ポンプ電流制御を開始させる。

【００５１】このポンプ電流制御の開始時には、電池素
子１２への微小電流ｉCPの通電によって、電池素子１２
の多孔質電極１２ｂ側の閉塞空間に充分酸素が汲み込ま
れ、その閉塞空間は内部酸素基準源として機能している
ことから、電池素子１２の電極間には、測定ガス室１６
内の酸素濃度に対応し、且つ、電池素子１２の内部抵抗
の影響を受けない電圧が発生することになる。つまり、
ヒータ通電開始直後の電池素子１２への微小電流ｉCPの
通電時には、電池素子１２の温度が低いので、その内部
抵抗が大きく、電池素子１２の電極間電圧Ｖｓは、その
内部抵抗と微小電流ｉCPとによって生じる電圧降下分
（内部抵抗×ｉCP）によって極めて大きくなるが、本実
施例では、電池素子１２への微小電流ｉCPの通電停止と
同時に、検出回路５２によるポンプ電流制御を開始する
ので、ポンプ電流制御開始後（時点ｔ２後）は、電池素
子１２の電極間電圧Ｖｓが電池素子１２の内部抵抗の影
響を受けることはなく、電極間電圧Ｖｓは、測定ガス室
１６内の酸素濃度のみに対応した電圧となる。

【００５２】一方、検出回路５２は、動作開始と同時
に、電池素子１２の電極間電圧と基準電圧ＶCOとの偏差
に対応した電圧を発生し、ポンプ素子１４に、この電圧
に応じたポンプ電流ｉｐを流すが、空燃比センサ１０が
活性化するまでは、ポンプ素子１４の内部抵抗も大きい
ので、検出回路５２の動作によって、ポンプ素子１４に
所望のポンプ電流ｉｐを流すことができず、電池素子１
２の電極間電圧Ｖｓを基準電圧ＶCOに制御することはで
きない。そして、空燃比センサ１０がヒータ通電によっ
て充分加熱されて活性化すれば、電池素子１２の電極間
電圧Ｖｓを基準電圧ＶCOに制御して、排気中の酸素濃度
を正確に検出できるようになる。

【００５３】しかし、この時のポンプ電流は、正確な空
燃比を検出することはできないが、測定ガスがリーンか
リッチかの判別は可能であるので、例えば、センサ本体
（空燃比センサ１０）が十分に活性化されていない場合
には、空燃比制御を通常とは異なる制御モードで行うこ
とで、精度を落として空燃比制御を実行することは可能
である。そして、そのように空燃比制御を行うことで、
更に早期に空燃比制御を開始することができる。

【００５４】一方、本実施例では、検出回路５２による
ポンプ電流制御を開始した後、電池素子１２の電極間電
圧Ｖｓを監視することにより、この電極間電圧Ｖｓが目
標電圧である基準電圧ＶCO（例えば４５０ｍＶ）に制御
されるのを待ち、電極間電圧Ｖｓが基準電圧ＶCOに制御
されると（時点ｔ３）、空燃比センサ１０が排気中の酸
素濃度を正確に検出可能な状態になった（つまり活性化
した）と判断して、通常の空燃比制御に移行する。

【００５５】従って、本実施例によれば、従来の活性化
判定方法に比べて、ヒータ通電開始後、空燃比センサ１
０の活性化を判定するまでの時間を短くでき、内燃機関
始動後、空燃比制御を開始するまでの時間を短くするこ
とができる。そして、このように内燃機関の始動後、空
燃比制御を開始するまでの時間を短くできるので、空燃
比制御による内燃機関の排気浄化を促進でき、空気中に
有害成分が排出されるのを抑制できる。

【００５６】以上、本発明（請求項１〜請求項４）の一
実施例について説明したが、本発明は、こうした実施例
に限定されることなく、種々の態様をとることができ
る。例えば、上記実施例では、センサ活性化判定処理に
おいて、ヒータ通電開始と同時に電池素子１２に微小電
流ｉCPを流し、その後一定時間△Ｔが経過して、一旦、
微小電流ｉCPの通電を停止すると、その後、センサの活
性化が判定されるまでの間は、微小電流ｉCPの通電を禁
止するようにしたが、微小電流ｉCPの通電停止後、セン
サの活性化を判定するまでの時間内に、電池素子１２の
多孔質電極１２ｂ側の閉塞空間内の酸素が測定ガス室１
６側に漏出して、その空間内の酸素濃度を基準酸素濃度
に保持できない虞がある場合には、ポンプ電流制御を開
始してからセンサの活性化を判定するまでの間（時点ｔ
２−ｔ３間）に、定期的に、ポンプ電流制御を中断し
て、電池素子１２に微小電流ｉCPを通電するようにすれ
ばよい。つまり、このようにすれば、電池素子１２の多
孔質電極１２ｂ側の閉塞空間内の酸素濃度を基準酸素濃
度に確実に保持することができ、ポンプ電流制御，延い
てはセンサの活性化判定を、より正確に行うことができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の空燃比センサ及びその制御系全体の
構成を表わす概略構成図である。

【図２】 実施例の空燃比センサのセンサ本体部の一部
破断斜視図である。

【図３】 実施例のＥＣＵにおいて実行されるセンサ活
性化判定処理を表わすフローチャートである。

【図４】 実施例の活性化判定動作を説明するタイムチ
ャートである。

【図５】 従来の活性化判定動作を説明するタイムチャ
ートである。

【符号の説明】

１０…空燃比センサ １２…電池素子（酸素濃度測定
セル） １４…ポンプ素子（酸素ポンピングセル） １２ａ，
１４ａ…固体電解質層 １２ｂ，１２ｃ，１４ｂ，１４ｃ…多孔質電極 １２
ｄ…漏出抵抗部 １６…測定ガス室 １７…拡散律速層 １８，２０
…スペーサ ２４…遮蔽体 ２６…絶縁層 ２７…電極保護層
３０…ヒータ ３０ａ…発熱パターン ５０…ＥＣＵ（電子制御回
路） ５２…検出回路 ５４…ヒータ通電回路 ＳＷ…開閉スイッチ Ｒ１…抵抗器（微小電流通電手段） ＢＵＦ…バッフ
ァ回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−249077（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−304337（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−279160（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−294956（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−203057（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−190461（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/419

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔
   質電極で挟んでなる酸素ポンピングセル及び酸素濃度測
   定セルを、夫々、各セルの一方の電極が、拡散律速層を
   介して被測定ガス側に連通された測定ガス室に接するよ
   うに配置すると共に、前記酸素濃度測定セルの前記測定
   ガス室とは反対側電極を閉塞して、該閉塞空間内の酸素
   の一部を漏出抵抗部を介して外部に漏出可能に形成して
   なるセンサ本体と、 該センサ本体を加熱して活性化させるヒータと、 該ヒータに通電して前記酸素センサを加熱させるヒータ
   通電手段と、 前記酸素濃度測定セルに、前記測定ガス室中の酸素を前
   記閉塞空間に汲み出す方向に微小電流を流して、該閉塞
   空間を内部酸素基準源として機能させる微小電流通電手
   段と、 前記酸素濃度測定セルの電極間電圧を測定する測定手段
   と、 前記酸素ポンピングセルにポンプ電流を流すポンプ電流
   制御手段と、 を備え、該ポンプ電流制御手段により制御されるポンプ
   電流と前記測定手段により測定される前記酸素濃度測定
   セルの電極間電圧とから被測定ガス中の酸素濃度を検出
   可能な酸素センサにおいて、前記ヒータ通電手段による
   前記ヒータへの通電開始後に前記酸素濃度を速やかに検
   出可能にするための制御方法であって、 前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの通電を開始さ
   せるとともに、前記微小電流通電手段を動作させて、前
   記酸素濃度測定セルへ微小電流を流し、前記閉塞空間を
   内部酸素基準源として機能させ、 その後、予め設定された一定時間が経過すると、前記微
   小電流通電手段による前記酸素濃度測定セルへの微小電
   流の通電を停止させるとともに、前記ポンプ電流制御手
   段によるポンプ電流の制御を開始させることを特徴とす
   る酸素センサの制御方法。
2. 【請求項２】 前記ポンプ電流の制御を開始させると、
   その後、該ポンプ電流制御によって前記酸素濃度測定セ
   ルの電極間電圧を所定の電圧に制御できた時点で、前記
   センサ本体が活性化した旨を判定することを特徴とする
   請求項１に記載の酸素センサの制御方法。
3. 【請求項３】 前記センサ本体の活性化を判定すると、
   前記微小電流通電手段から前記酸素濃度測定セルへの微
   小電流の通電を再開させることを特徴とする請求項２に
   記載の酸素センサの制御方法。
4. 【請求項４】 酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔
   質電極で挟んでなる酸素ポンピングセル及び酸素濃度測
   定セルを、夫々、各セルの一方の電極が、拡散律速層を
   介して被測定ガス側に連通された測定ガス室に接するよ
   うに配置すると共に、前記酸素濃度測定セルの前記測定
   ガス室とは反対側電極を閉塞して、該閉塞空間内の酸素
   の一部を漏出抵抗部を介して外部に漏出可能に形成して
   なるセンサ本体と、 該センサ本体を加熱して活性化させるヒータと、 該ヒータに通電して前記酸素センサを加熱させるヒータ
   通電手段と、 前記酸素濃度測定セルに、前記測定ガス室中の酸素を前
   記閉塞空間に汲み出す方向に微小電流を流して、該閉塞
   空間を内部酸素基準源として機能させる微小電流通電手
   段と、 前記酸素濃度測定セルの電極間電圧が所定の目標電圧と
   なるように、前記酸素ポンピングセルにポンプ電流を流
   すポンプ電流制御手段と、 を備え、該ポンプ電流制御手段により制御されるポンプ
   電流から被測定ガス中の酸素濃度を検出可能な酸素セン
   サにおいて、前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの
   通電開始後に前記酸素濃度を速やかに検出可能にするた
   めの制御装置であって、 前記ヒータ通電手段による前記ヒータへの通電を開始さ
   せるとともに、前記微小電流通電手段を動作させて、前
   記酸素濃度測定セルへ微小電流を流し、前記閉塞空間を
   内部酸素基準源として機能させる微小電流通電開始手段
   と、 該微小電流通電開始手段が前記微小電流通電手段を動作
   させると、その後、予め設定された一定時間が経過する
   のを計時する計時手段と、 前記微小電流通電手段による前記酸素濃度測定セルへの
   微小電流の通電が一定時間経過すると、該微小電流の通
   電を停止させる通電停止手段と、 該通電の停止とともに、前記ポンプ電流制御手段による
   ポンプ電流の制御を開始させるポンプ電流制御開始手段
   と、 を備えたことを特徴とする酸素センサの制御装置。
5. 【請求項５】 前記ポンプ電流制御開始手段が前記ポン
   プ電流制御手段によるポンプ電流制御を開始させると、
   該ポンプ電流制御によって前記酸素濃度測定セルの電極
   間電圧を所定の電圧に制御できたか否かを判断し、該電
   極間電圧が前記目標電圧に制御された時点で、前記セン
   サ本体が活性化した旨を判定する活性化判定手段を備え
   たことを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの制御
   装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の酸素センサの制御装置
   において、前記活性化判定手段が前記センサ本体の活性
   化を判定すると、前記微小電流通電手段による前記酸素
   濃度測定セルへの微小電流の通電を再開させる微小電流
   通電再開手段を設けたことを特徴とする酸素センサの制
   御装置。