JP3975599B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両用エンジンの排出ガス中の酸素濃度など、被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するためのガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置に適用され、当該ガス濃度センサから出力される電流信号を好適に得るためのガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ジルコニア等の固体電解質を用いて被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度センサとして、例えば排ガス中の酸素濃度を検出するための限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が開示されている。このＡ／Ｆセンサは、固体電解質と一対の電極とを有するセンサ素子部を備え、該センサ素子部に電圧が印加されると、その電圧印加に伴い排ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じた電流信号を出力する。また、同センサにはセンサ素子部の活性状態を維持するためのヒータが設けられる。
【０００３】
図２は、限界電流式センサのＶ−Ｉ特性を有する。図２の特性では、Ｖ軸（横軸）に平行な直線部分がセンサ素子部に流れる限界電流（センサ出力Ｉｐ）を特定する限界電流検出域に相当し、このセンサ出力Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応する。つまり、空燃比がリーン側になるほどセンサ出力Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほどセンサ出力Ｉｐは減少する。
【０００４】
このＶ−Ｉ特性において、Ｖ軸に平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配領域となっており、その抵抗支配領域における一次直線部分の傾きは素子直流抵抗Ｒｉにより特定される。素子直流抵抗Ｒｉは、センサ素子部の活性状態を反映するものであり、例えば抵抗支配領域（Ｖ−Ｉ特性の一次直線部分）にて電圧Ｖ１を印加した時の、当該印加電圧Ｖ１とセンサ出力Ｉ１とから検出される（Ｒｉ＝Ｖ１／Ｉ１）。
【０００５】
また近年、限界電流式センサの交流特性を利用し、印加電圧の瞬時変化により素子の交流インピーダンスＺＡＣを検出する手法が提案されている。この場合、印加電圧の変化量とそれに伴う電流変化量とから素子の交流インピーダンスＺＡＣが求められる（ＺＡＣ＝電圧変化量／電流変化量）。なお、Ｖ−Ｉ座標上にて規定される素子直流抵抗Ｒｉと、素子の交流インピーダンスＺＡＣとは特定の関係を有し、一般には「Ｒｉ＞ＺＡＣ」の関係があることが知られている。
【０００６】
上記の如く検出される交流インピーダンスＺＡＣは、短時間で検出できるため、インピーダンス検出期間における空燃比の検出不可時間が短縮できる等の利点があり、幅広い活用が期待できる。そのため通常は、交流インピーダンスＺＡＣを検出しその後、交流インピーダンスＺＡＣを所定の変換マップを用いて直流抵抗換算値ＺＤＣに変換する。そして、同換算値ＺＤＣに基づいて印加電圧制御やヒータの通電制御などを適宜実施する。
【０００７】
詳細には、センサの印加電圧制御に際し、センサ印加電圧が常にＶ−Ｉ特性上の限界電流検出域にかかるように、直流抵抗換算値ＺＤＣに応じて同印加電圧を制御する。つまり、図１９（ａ）の関係を用いて交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換し、その直流抵抗換算値ＺＤＣに応じてセンサの目標印加電圧を設定する。このとき、直流抵抗換算値ＺＤＣが大きいほど、リーン側では目標印加電圧を大きな電圧値に設定し、リッチ側では小さい値に設定する。また、ヒータの通電制御に際し、図１９（ｂ）の関係を用いて交流インピーダンスＺＡＣから素子温（センサ素子部の温度）を求め、その素子温が所定の活性温度になるようにヒータ通電を制御する。
【０００８】
要するに、素子直流抵抗Ｒｉを直接的に計測する代わりに、交流インピーダンスＺＡＣを検出し、その後、同インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換して印加電圧制御を行ったり、同インピーダンスＺＡＣを素子温に換算してヒータ通電制御を行ったりしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の如く素子直流抵抗Ｒｉの代用として交流インピーダンスＺＡＣを使う場合、センサの個体間バラツキや経時的な変化に起因して下記の問題が生ずる。すなわち、センサ個々にバラツキ（個体間バラツキ）があると、素子の交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの対応関係、及び素子インピーダンスＺＡＣと素子温との対応関係が、図２０（ａ），（ｂ）に示すように予め設定されたマップの値に対してセンサ個々でばらつく。図中、実線のセンサＡは中央値品を示し、破線のセンサＢ及び二点鎖線のセンサＣは各々バラツキを持ったセンサを示す。
【００１０】
また、経時的な変化が生じると、素子インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの対応関係、及び素子インピーダンスＺＡＣと素子温との対応関係が崩れ、その関係が図２１（ａ），（ｂ）に示すように素子の劣化前後でずれる。図中、実線は劣化前の初期品を示し、破線は劣化品を示す。例えば熱劣化に伴い電極の抵抗値が変化する時、交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの対応関係が崩れ、図２１（ａ），（ｂ）の状態を招く。
【００１１】
上記図２０，２１のようにセンサ個々の特性が変動する場合、印加電圧制御が適正に行われず、正確なセンサ出力（空燃比出力）が得られない。また同様に、ヒータの通電制御が適正に行われず、やはり正確なセンサ出力（空燃比出力）が得られないことになる。
【００１２】
こうした事態は、高精度な空燃比フィードバック制御を実現する上で特に問題視されることであり、本来、空燃比が高精度に検出されるべく領域、すなわち、例えばリーン制御域（空燃比＝１８〜５０程度の領域）において空燃比の検出精度が悪化し、ひいては空燃比の制御精度が低下してエミッション悪化等の不具合を招くおそれもある。
【００１３】
本発明は、上記問題に着目にてなされたものであって、その目的とするところは、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができるガス濃度検出装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス濃度検出装置は、固体電解質と該固体電解質の相対向する面に各々設けられた電極とを有する素子部を備え、前記電極間に電圧が印加されるとそれに伴い被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた電流信号を出力するガス濃度センサを用いることを前提とする。また同センサには、電源電圧の通電により発熱して前記素子部を所定の活性温度に加熱するためのヒータが設けられ、ガス濃度検出装置はヒータの通電量を制御する。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、前記素子部における素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する直流抵抗換算手段と、前記検出した素子直流抵抗と前記変換した直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出し、該算出した補正値を用いてガス濃度センサから出力される電流信号を補正するセンサ出力補正手段とを備える。
【００１６】
既述の通り素子直流抵抗Ｒｉは図２のＶ−Ｉ特性にて規定され、本来、センサ素子部の活性状態を反映するものであるが、この素子直流抵抗Ｒｉを、交流インピーダンスＺＡＣをマップ変換した直流抵抗換算値ＺＤＣで代用する従来装置の場合、センサの個体間バラツキや経時的な変化に起因してガス濃度の検出精度が低下する。例えば熱劣化に伴い電極の抵抗値が変化する時、同検出精度が低下する。これに対して上記構成によれば、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗によるセンサ出力補正が行われるため、ガス濃度の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【００１８】
本構成によれば、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差に基づく補正を行うため、センサの個体間バラツキや経時変化が正確に把握でき、それが原因で図２０（ａ），図２１（ａ）のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記センサ出力補正手段は、その時々のガス濃度に応じて前記補正値を算出する。つまり、被検出ガス中のガス濃度（空燃比）が相違すると、実際のセンサ出力と本来得たいセンサ出力との差が変動し、必要となる補正値が自ずと相違することがある。これに対し上記構成では、補正ズレの要因が解消され、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明では、前記素子部における素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する直流抵抗換算手段と、前記検出した素子直流抵抗と前記変換した直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出し、該算出した補正値を用いてガス濃度センサへの印加電圧を補正する印加電圧補正手段とを備える。
【００２１】
請求項３の構成によれば、上記請求項１と同様に、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗による印加電圧補正が行われるため、ガス濃度の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【００２３】
本構成によれば、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差に基づく補正を行うため、センサの個体間バラツキや経時変化が正確に把握でき、それが原因で図２０（ａ），図２１（ａ）のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記印加電圧補正手段は、その時々のガス濃度に応じて前記補正値を算出する。つまり、被検出ガス中のガス濃度（空燃比）が相違すると、実際のセンサ印加電圧と本来所望のセンサ印加電圧との差が変動し、必要となる補正値が自ずと相違することがある。これに対し上記構成では、補正ズレの要因が解消され、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明では、前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記素子部の素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、前記検出した交流インピーダンスに基づき決定されるヒータの通電量を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正する通電量補正手段とを備える。
【００２６】
請求項５の構成によれば、上記請求項１，３と同様に、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗によるヒータ通電量の補正が行われるため、ガス濃度センサが常に所望の活性状態で維持できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の発明において、前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する。前記通電量補正手段は、前記素子直流抵抗と前記直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出する手段と、該算出した補正値を用いて前記設定したヒータの通電量を補正する手段とを備える。
【００２８】
本構成によれば、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差に基づく補正を行うため、センサの個体間バラツキや経時変化が正確に把握でき、それが原因で図２０（ｂ），図２１（ｂ）のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００２９】
上述した請求項５又は６では、素子直流抵抗に基づき例えば素子活性不足を補うべくヒータの通電量が増量側に補正されるが、センサ素子部の損傷等を抑制するには加熱上限を決める必要がある。そのため、センサ素子部の加熱上限付近ではヒータ通電量をそれ以上増やすのではなく、他の補正によりガス濃度検出の精度を確保する。
【００３０】
つまり、請求項７に記載したように、ガス濃度センサから出力される電流信号を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正するセンサ出力補正手段を更に備える。或いは、請求項８に記載したように、ガス濃度センサへの印加電圧を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正する印加電圧補正手段を更に備える。
【００３１】
請求項９に記載の発明では、請求項１〜８の何れか一項に記載の発明において、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が大きいほど、前記補正値を増大させる。つまり、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が大きいほど、ガス濃度センサによる電流信号、センサ印加電圧、又はヒータ通電量のズレ幅が大きくなる。この場合、上記の如く補正値を設定することで、補正演算の精度が向上する。
【００３２】
請求項１０に記載の発明では、請求項１〜８の何れか一項に記載の発明において、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が所定の許容値を超える時、ガス濃度センサの異常と判断する。例えば素子電極の熱劣化等により素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が極めて大きくなると、既述の各種補正を行ったとしてもガス濃度の検出精度低下を回避することはできない。そこでかかる場合には、センサ異常の旨を判定する。
【００３３】
前記直流抵抗検出手段は、以下に示す請求項１１，１２のように構成されるとよい。つまり、
・請求項１１では、ガス濃度センサのＶ−Ｉ座標上の抵抗支配領域にて電圧を印加し、その時の印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗を算出する。
・請求項１２の発明では、ガス濃度センサに電圧を印加するための回路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧変化と電流変化との比から素子直流抵抗を検出する。
これら何れの場合にも、素子直流抵抗が精度良く検出できる。
【００３４】
ところで上述の通り素子直流抵抗を検出する場合、交流インピーダンスの検出に比べて長い時間を要するため、請求項１３に記載のように、ガス濃度検出が中断できるような所定の実施条件が成立した場合にのみ、素子直流抵抗の検出を許可するとよい。これにより、素子直流抵抗の検出時にガス濃度検出が中断されることによる影響が最小限に抑えられる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を車両用エンジンの空燃比制御システムに具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本制御システムにおいてはエンジン排気管に設けられた空燃比センサの検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手順や、同センサに設けられたヒータ通電制御手順を詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図である。図１において、エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成されている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設されている。また、排気管１３には限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ３０が配設されており、同センサ３０は排気中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する。
【００３７】
Ａ／Ｆセンサ３０は、断面コップ状の固体電解質３１とその外側に積層された拡散抵抗層３２とを備え、固体電解質３１の内外（大気側及び排気側）には一対の電極３３，３４が設けられる。本実施の形態では、これら各部材３１〜３４によりセンサ素子部３０ａが構成される。固体電解質３１の内部にはセンサ素子部３０ａを加熱するためのヒータ３５が配設される。ここで、固体電解質層３１は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 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３２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。また、電極３３，３４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。ヒータ３５はバッテリ電源からの給電により発熱する。
【００３８】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ素子部３０ａ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、センサ素子部３０ａ（固体電解質３１）は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、センサ素子部３０ａを活性化するには約６００℃以上の高温が必要とされ、且つ同センサ素子部３０ａの活性温度範囲が狭いため、エンジンの排ガスのみによる加熱では活性状態を維持できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３５の加熱制御によりセンサ素子部３０ａを活性温度域で保持する。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（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３０ａはＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００３９】
図２にはＡ／Ｆセンサ３０のＶ−Ｉ特性を示す。図２において、素子限界電流（センサ出力Ｉｐ）の増減は空燃比の増減に対応し、空燃比がリーン側になるほどセンサ出力Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほどセンサ出力Ｉｐは減少する。また、Ｖ軸に平行な直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗支配領域であり、抵抗支配領域における一次直線部分の傾きはセンサ素子部３０ａ（固体電解質３１）の素子直流抵抗Ｒｉにより特定される。抵抗支配領域における直線部分の傾きは素子温の変化に伴い変化し、例えば素子温が低下すると、素子直流抵抗Ｒｉが増大して前記傾きが小さくなる。また、素子直流抵抗Ｒｉに対して交流インピーダンスＺＡＣは図示の通り規定される（Ｒｉ＞ＺＡＣ）。
【００４０】
また、図２のＶ−Ｉ座標上には、抵抗支配領域の一次直線部分に平行に印加電圧線ＬＸ１が与えられ、この印加電圧線ＬＸ１に沿ってその時々の空燃比に応じた印加電圧が設定される。従って、仮に空燃比がリーン側に移行しＡ／Ｆセンサ３０に流れる素子限界電流（センサ出力Ｉｐ）が増えると、それに伴い印加電圧がより大きな値に変更される。
【００４１】
一方、図１において、ＥＣＵ１５は、インジェクタ１２による燃料噴射量を最適に制御するためのエンジン制御用マイコン１６を備える。エンジン制御用マイコン１６は、図示しないセンサ群から各種エンジン運転情報を取り込み、これらのセンサ検出結果からエンジン回転数、吸気圧、水温、スロットル開度などのエンジン運転状態を検知する。
【００４２】
空燃比検出用マイコン２０は、前記エンジン制御用マイコン１６に対して相互に通信可能に接続されている。空燃比検出用マイコン２０は、所定の制御プログラムに従いバイアス制御回路４０を操作し、電圧印加に伴いＡ／Ｆセンサ３０に流れる電流値を計測する。そして、該計測した電流値から空燃比を検出し、その検出結果をエンジン制御用マイコン１６に出力する。また、同マイコン２０は、Ａ／Ｆセンサ３０が活性状態で維持されるようヒータ制御回路２５を操作し、必要に応じてヒータ３５を通電する。
【００４３】
ここで、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒは空燃比検出用マイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。また、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃはバイアス制御回路４０に入力され、同バイアス制御回路４０によりＡ／Ｆセンサ３０に電圧が印加される。この場合、空燃比（センサ出力Ｉｐ）の検出時か、素子直流抵抗Ｒｉの検出か、或いは交流インピーダンスＺＡＣの検出かに応じて各個にセンサ印加電圧が制御される。
【００４４】
その時々の空燃比に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力（センサ出力Ｉｐ）は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介して空燃比検出用マイコン２０に入力される。ヒータ制御回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗又は素子温に応じてヒータ３５への通電量をデューティ制御し、同ヒータ３５の加熱制御を行う。
【００４５】
なお、エンジン制御用マイコン１６による空燃比Ｆ／Ｂ制御については、本案の要旨ではなく且つその制御内容が周知であるため、ここではその詳細な説明を省略するが、簡単に述べると、エンジン制御用マイコン１６は、Ａ／Ｆセンサ３０による空燃比の検出結果（電圧信号）やその他、各種センサの検出結果を取り込み、それらの検出結果に基づいて現代制御或いはＰＩ制御といった制御アルゴリズムに則って空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。つまり、その時々の空燃比が目標空燃比に一致するよう、エンジン１０の各気筒へインジェクタ１２から噴射供給される燃料量を制御する。
【００４６】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用について、空燃比検出用マイコン２０の動作を中心に説明する。本実施の形態において、空燃比検出用マイコン２０は図示しないメインルーチンに従い、
（イ）交流インピーダンスＺＡＣの検出、
（ロ）素子直流抵抗Ｒｉの検出、
（ハ）空燃比（センサ出力Ｉｐ）の検出、
（ニ）ヒータの通電制御、
といった各処理を順次実施する。上記各処理のうち、（イ）の処理によればＡ／Ｆセンサ３０の活性状態を表す交流インピーダンスＺＡＣが検出され、（ロ）の処理によればＡ／Ｆセンサ３０の個体間バラツキや劣化状態を表す素子直流抵抗Ｒｉが検出される。そして、（ハ），（ニ）によれば、前記（イ），（ロ）の検出結果を反映しつつ空燃比の検出やヒータ制御が実施される。以下、上記各処理について図３〜図６のフローチャートに従い詳細に説明する。
【００４７】
先ず始めに、掃引法を用いた交流インピーダンスＺＡＣの検出手順を図３を用いて説明する。図３の処理は例えば１２８ｍｓ（ミリ秒）毎に実行される。但し、エンジン運転状態に応じてＺＡＣ検出の実行周期を変更してもよく、例えばエンジン１０の定常運転時等、空燃比の変化が比較的小さい通常時には２ｓ（秒）に、エンジン１０の始動時や過渡運転時等、空燃比の急変時には１２８ｍｓに、というように可変に設定してもよい。
【００４８】
図３において、ステップ１０１では、バイアス指令信号Ｖｒを操作しそれまでの印加電圧Ｖｐ（空燃比検出用の電圧）に対して電圧を正側に単発的に変化させる。インピーダンス検出用電圧の印加時間は、Ａ／Ｆセンサ３０の周波数特性を考慮して数１０〜１００μｓ程度とする。その後、ステップ１０２では、その時の電圧変化量Ｖａと電流検出回路５０により検出されたセンサ出力の変化量Ｉａとを読み取る。また、続くステップ１０３では、前記Ｖａ，Ｉａから交流インピーダンスＺＡＣを算出し（ＺＡＣ＝Ｖａ／Ｉａ）、その後本処理を終了する。
【００４９】
上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２２並びにバイアス制御回路４０を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加される。その結果、図７に示されるように、当該電圧の印加からｔ時間経過後にピーク電流Ｉａ（電流変化量）が検出され、その時の電圧変化量Ｖａとピーク電流Ｉａとから交流インピーダンスＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝Ｖａ／Ｉａ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、交流インピーダンスＺＡＣの検出精度が向上する。
【００５０】
上記の如く求められる交流インピーダンスＺＡＣは、素子温に対して図１９（ｂ）に示す関係を有する。すなわち、素子温が低いほど、交流インピーダンスＺＡＣは飛躍的に大きくなる。
【００５１】
次に、素子直流抵抗Ｒｉの検出手順について図４のフローチャートに従い説明する。図４の処理は例えば４ｍｓ周期で実行される。
図４において、先ずステップ２０１では、素子直流抵抗Ｒｉの検出条件が成立するか否かを判別する。つまり、素子直流抵抗Ｒｉの検出は、交流インピーダンスＺＡＣの検出に比べて長い時間を要し、その検出期間中は空燃比（センサ出力Ｉｐ）の検出が中断されてしまう。従って、空燃比検出を中断してもよい条件が成立する場合にのみ、素子直流抵抗Ｒｉの検出を実行する。具体的には、
・燃料カットの実行中であること、
・エンジン制御用マイコン１６から空燃比Ｆ／Ｂ制御の中止の旨の信号が送信されていること、
等の少なくとも一つが満たされる時に、素子直流抵抗Ｒｉの検出条件が成立する。
【００５２】
ステップ２０１がＮＯの時、本処理を一旦終了し、ステップ２０１がＹＥＳの時、ステップ２０２に進む。ステップ２０２では、印加電圧の設定マップをそれまでの空燃比検出用のものから直流抵抗検出用のものに切り替える。実際には、図８に示されるように、抵抗支配領域の直線部分に平行な印加電圧線ＬＸ１に応じて空燃比検出用の印加電圧マップが与えられるのに対し、抵抗支配領域の直線部分に交わる、負の傾きを持つ印加電圧線ＬＸ２に応じて直流抵抗検出用の印加電圧マップが与えられる。
【００５３】
続くステップ２０３では、前記図８の印加電圧線ＬＸ２を用い、その時のセンサ出力Ｉｐに応じた目標印加電圧Ｖｔｇを設定し出力する。このとき、素子容量成分の電流出力への影響を考慮して例えば５ｍＶ／８ｍｓ以下の変更速度で印加電圧が徐々に変更される。これにより図８の事例では、実際の印加電圧（実印加電圧Ｖｒｅ）が図のＡ点から徐々に左側（負側）に変更されることとなる。
【００５４】
次に、ステップ２０４では、印加電圧変更後において固体電解質３１に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により検出されるセンサ出力Ｉｐを読み込む。また、続くステップ２０５では、印加電圧線ＬＸ２上の目標印加電圧Ｖｔｇと今現在の実印加電圧Ｖｒｅとが一致するか否かを判別する。Ｖｔｇ≠Ｖｒｅであれば、ステップ２０３に戻り、ステップ２０３〜２０５の処理を繰り返し実行する。つまり、４ｍｓ毎に目標印加電圧Ｖｔｇが再設定され、その時々のセンサ出力Ｉｐが検出される。
【００５５】
そして、Ｖｔｇ＝Ｖｒｅになると、ステップ２０６に進み、最新の印加電圧（Ｖｔｇ＝Ｖｒｅとなった時の電圧値）とセンサ出力Ｉｐとから素子直流抵抗Ｒｉを算出する。すなわち、
Ｒｉ＝Ｖｔｇ／Ｉｐ
の演算結果から素子直流抵抗Ｒｉを算出する。Ｒｉ値の検出後、本処理を一旦終了する。
【００５６】
上記ステップ２０３〜２０６の処理によれば、図８において、印加電圧線ＬＸ１上のＡ点から印加電圧線ＬＸ２上のＢ点にセンサ印加電圧が変更され、同Ｂ点での印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗Ｒｉが算出される。例えば電圧変更速度を５ｍＶ／８ｍｓとして印加電圧を０．４５Ｖから０．２４Ｖに変更する場合、印加電圧を変更し始めてから３３６ｍｓ経過後に素子直流抵抗Ｒｉが検出されることとなる。
【００５７】
上記構成では印加電圧の変更に際し電圧変更速度を制限したが、これに代わる構成も可能である。例えば印加電圧を変更する際、印加電圧線ＬＸ２と抵抗支配領域の直線部分との交点（図８のＢ点）で目標印加電圧Ｖｔｇを設定して出力し、その後、素子容量成分の電流出力への影響に関係なく同電流出力が安定する時間だけ待ち、電流出力が安定した時のセンサ出力を使って素子直流抵抗Ｒｉを算出する。
【００５８】
次に、空燃比の検出手順を図５を用いて説明する。図５の処理は例えば４ｍｓ周期で実行される。図５において、ステップ３０１では、電圧印加に伴い固体電解質３１に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により検出されるセンサ出力Ｉｐを読み込む。
【００５９】
また、ステップ３０２では、前記図３にて算出した交流インピーダンスＺＡＣを読み込み、続くステップ３０３では、予め設定される図１９（ａ）の変換マップを用い、交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換する。さらに、ステップ３０４では、前記図４にて算出した素子直流抵抗Ｒｉを読み込む。
【００６０】
その後、ステップ３０５では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）が所定値Ｋ１未満であるか否かを判別する。この所定値Ｋ１は素子割れや電極の損傷等を判定するものであって、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１であれば、ステップ３０６で異常発生の旨を認識してそのまま本処理を終了する。この場合、警告灯を点灯させる、空燃比Ｆ／Ｂ制御を中断させる、ダイアグ情報をメモリに記憶する等の処理を実行する。
【００６１】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ１であれば、ステップ３０７に進む。同ステップ３０７では、図９の関係に従い、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）、並びにその時の空燃比（センサ出力Ｉｐ）に応じて電流補正値ΔＩを算出する。
【００６２】
図９（ａ）では、空燃比がリーンかリッチか、すなわちセンサ出力Ｉｐが正か負かに応じて複数の特性線が設定されており、空燃比リーンの特性例としてＡ／Ｆ＝１８，２３を、空燃比リッチの特性例としてＡ／Ｆ＝１２を示す。図中、Ｋ１は前記ステップ３０５で使用した判定値であり、Ｋ２，Ｋ３は補正の要否を判断するための判定値である（但し、Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３である）。そして、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値と空燃比とに応じて電流補正値ΔＩが設定される。
【００６３】
ここで、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが減少する場合であり、例えばセンサ素子温が高く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、負の電流補正値ΔＩが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、正の電流補正値ΔＩが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＣ」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＩが設定される。
【００６４】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ＝Ｋ２〜Ｋ３（正常域）となるのは、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとがほぼ一致する場合である。この場合、例えばＡ／Ｆセンサ３０の個体間バラツキが殆ど無く、且つ劣化状態でもないと考えられるため、空燃比に関係なく、電流補正値ΔＩ＝０が設定される。
【００６５】
さらに、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが増大する場合であり、例えばセンサ素子温が低く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、正の電流補正値ΔＩが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、負の電流補正値ΔＩが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＢ」のように崩れる場合、或いは図２１（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「劣化後」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＩが設定される。
【００６６】
なお、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が大きくなるほど、センサ出力Ｉｐのズレ量は大きくなる。そのため、同一の空燃比で見た場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が正常域（Ｋ２〜Ｋ３）から離れるほど、電流補正値ΔＩは正側又は負側に大きく設定される。因みに、空燃比がストイキの場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に関係なく、常にΔＩ＝０となる。
【００６７】
電流補正値ΔＩの設定後、ステップ３０８では、前記検出したセンサ出力Ｉｐを電流補正値ΔＩにより補正する。つまり、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ＋ΔＩ
として補正後のセンサ出力Ｉｐｆを得る。そしてその後、補正後のセンサ出力Ｉｐｆをエンジン制御用マイコン１６に対して出力する。例えば図９（ｂ）に示されるように、Ａ／Ｆ＝１８であり且つＲｉ−ＺＤＣ＝Ｋｘの時、電流補正値ΔＩとして「ΔＩｘ」が設定され、このΔＩｘによりセンサ出力Ｉｐが補正される。
【００６８】
但し、空燃比の検出結果としてエンジン制御用マイコン１６に出力するデータは、センサ出力（補正後のセンサ出力Ｉｐｆ）そのものでもよいし、所定の変換マップを用いてＡ／Ｆ値に変換したデータでもよい。
【００６９】
ステップ３０９では、次の空燃比検出のために、その時々の空燃比（補正前のセンサ出力Ｉｐ）に対応する印加電圧を設定して出力する。このとき、前記図２の印加電圧線ＬＸ１を用いてその時のセンサ出力Ｉｐに対応した印加電圧が設定される。そしてその後、本処理を終了する。
【００７０】
センサ出力Ｉｐが補正される様子を図１０を用いて説明する。図１０では、正常な活性時（劣化前）におけるＶ−Ｉ特性を実線で示し、素子劣化時におけるＶ−Ｉ特性を二点鎖線で示す。正常時の具体的数値は、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝３０Ωであり、電圧Ｖｐの印加に伴い電流Ｉｐ１が流れたとする。これに対し劣化時には、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝１５０Ωに変化し、電圧Ｖｐの印加に伴い電流Ｉｐ２が流れたとする。
【００７１】
この場合、後者の状態において、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に応じて電流補正値ΔＩが設定され、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ２＋ΔＩ
として補正後のセンサ出力Ｉｐｆが算出される。この補正後のセンサ出力Ｉｐｆは劣化前のセンサ出力Ｉｐ１に一致する。
【００７２】
次に、ヒータ通電の制御手順を図６を用いて説明する。図６において、先ずステップ４０１では、前記図３にて算出した交流インピーダンスＺＡＣを読み込み、続くステップ４０２では、予め設定される図１９（ａ）の変換マップを用い、交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換する。
【００７３】
その後、ステップ４０３では、直流抵抗換算値ＺＤＣが固体電解質３１（センサ素子部）の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、２００Ω程度）以下であるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動時等、素子温が低い場合にはＺＤＣ＞２００Ωとなり、ステップ４０４に進んでヒータ３５の「１００％通電制御」を実施し、その後本処理を終了する。１００％通電制御は、ヒータ３５へのデューティ比制御信号を１００％に維持する制御であり、直流抵抗換算値ＺＤＣが２００Ω以下になりステップ４０３がＹＥＳになるまで継続して実施される。
【００７４】
ヒータ熱により素子温が上昇し、ステップ４０３がＹＥＳになると、ステップ４０５に進んで直流抵抗換算値ＺＤＣが素子インピーダンスＦ／Ｂ制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態では、４０Ω程度）以下であるか否かを判別する。ステップ４０５の判定値は、直流抵抗換算値の目標値ＺＤＣｔｇ（本実施の形態では、３０Ω）に対して「＋１０Ω」程度の値として設定される。
【００７５】
センサ活性化の完了前であってＺＤＣ＞４０Ωであれば、ステップ４０６に進んで「電力制御」によりヒータ３５の通電制御を実施し、その後本処理を終了する。このとき、直流抵抗換算値ＺＤＣが大きいほど、大きな電力指令値が決定され、その電力指令値に応じてヒータ通電のための制御デューティ比が算出される。
【００７６】
センサ活性化が完了し、前記ステップ４０５がＹＥＳになると、ステップ４０７に進む。ステップ４０７では、前記図４にて算出した素子直流抵抗Ｒｉを読み込み、続くステップ４０８では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）が所定値Ｋ１未満であるか否かを判別する。この所定値Ｋ１は前記図５のステップ３０５におけるＫ１値と同一でよい。Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１であれば、ステップ４０９で異常発生の旨を認識してそのまま本処理を終了する。この場合、警告灯を点灯させる、空燃比Ｆ／Ｂ制御を中断させる、ダイアグ情報をメモリに記憶する等の処理を実行する。
【００７７】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ１であれば、ステップ４１０に進む。同ステップ４１０では、図１１の関係に従い、直流抵抗換算値の目標値ＺＤＣｔｇについてその補正値ΔＺＤＣｔｇを、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）に応じて算出する。
【００７８】
図１１において、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は前記図９中と同じ値である。すなわち、Ｋ２，Ｋ３は補正の要否を判断するための判定値である。ここで、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２の場合、負の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定され、Ｒｉ−ＺＤＣ＝Ｋ２〜Ｋ３の場合、補正値ΔＺＤＣｔｇ＝０が設定され、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３の場合、正の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定される。
【００７９】
例えば図２０（ａ），（ｂ）において、センサ個々の特性が「センサＣ」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２」の事態が生じ、負の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定される。また、同図２０（ａ），（ｂ）においてセンサ個々の特性が「センサＢ」のように崩れる場合、或いは図２１（ａ），（ｂ）において破線の如く劣化が進行した場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３」の事態が生じ、正の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定される。
【００８０】
その後、ステップ４１１では、直流抵抗換算値の目標値ＺＤＣｔｇを補正値ΔＺＤＣｔｇにより補正する。つまり、
ＺＤＣｔｇｆ＝ＺＤＣｔｇ＋ΔＺＤＣｔｇ
として補正後の目標値ＺＤＣｔｇｆを得る。
【００８１】
ステップ４１２では、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御の実施に際してヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹ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（１）〜（３）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。
【００８２】
ＧＰ＝ＫＰ・（ＺＤＣ−ＺＤＣｔｇｆ） …（１）
ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（ＺＤＣ−ＺＤＣｔｇｆ） …（２）
ＧＤ＝ＫＤ・（ＺＤＣ−ＺＤＣi-1 ） …（３）
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。
【００８３】
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（ＤＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）。そして、補正後の目標値ＺＤＣｔｇｆによりヒータ３５を通電し、その後本処理を終了する。なお、こうしたヒータ制御は上記のＰＩＤ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。
【００８４】
上記の如く補正後の目標値ＺＤＣｔｇｆでヒータ通電を制御する際、センサ素子部を過昇温させることの懸念がある。そのため、素子温に最大ガードをかけ、ガード値に達する場合にはそれ以上のデューティ増加側の補正を中止する。この場合、目標値ＺＤＣｔｇの補正は中止されても、前述のセンサ出力補正が継続して実施されることで個体間バラツキ等の影響が解消される。
【００８５】
なお本実施の形態では、図３の処理により「インピーダンス検出手段」が構成され、図４の処理により「直流抵抗検出手段」が構成される。また、図５のステップ３０７，３０８により「センサ出力補正手段」が構成され、図６のステップ４１０〜４１２により「通電量補正手段」が構成される。
【００８６】
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。
（ａ）センサ素子部３０ａの素子直流抵抗Ｒｉを検出し、該検出した素子直流抵抗Ｒｉに応じてセンサ出力Ｉｐを補正するようにした。実際には、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）に応じた電流補正値ΔＩを算出し、該電流補正値ΔＩを用いてセンサ出力Ｉｐを補正した。本構成によれば、仮にセンサ電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗Ｒｉによるセンサ出力補正が行われるため、当該補正の無い従来装置とは異なり、空燃比の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【００８７】
（ｂ）電流補正値ΔＩを設定するためのマップを見ると、図９のように、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値の大きさ並びにその時々の空燃比に応じて当該補正値ΔＩが算出される。これにより、補正演算の精度が向上し、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【００８８】
（ｃ）ヒータの通電制御に際し、素子直流抵抗Ｒｉに応じてヒータ通電のための目標値ＺＤＣｔｇを補正するようにした。実際には、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に応じて補正値ΔＺＤＣｔｇを算出した。本構成によればやはり、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗Ｒｉによるヒータ通電量の補正が行われるため、Ａ／Ｆセンサ３０が常に所望の活性状態で維持できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【００８９】
上記センサ出力補正やヒータ通電量補正によれば、センサの個体間バラツキや経時変化が原因で図２０，図２１のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００９０】
（ｄ）素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ出力補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する本実施の形態の場合、基本的には目標値ＺＤＣｔｇの補正によりセンサの個体間バラツキや経時変化の影響が解消され、更に同補正の不足分はセンサ出力Ｉｐの補正により補われ、結果として精度の良い空燃比検出値が得られる。この場合、両補正を併用することで、空燃比検出の信頼性がより一層向上すると共に、ヒータ通電時におけるセンサ素子部の過昇温が抑制される。
【００９１】
（ｅ）素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差が所定の許容値を超える時（Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１の時）、Ａ／Ｆセンサ３０の異常と判断する。これにより、素子電極の熱劣化等、センサの異常発生にも適正に対処できる。
【００９２】
（ｆ）素子直流抵抗Ｒｉの検出に際し、Ａ／Ｆセンサ３０のＶ−Ｉ座標上の抵抗支配領域にて電圧を印加し、その時の印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗Ｒｉを算出する。この場合、素子直流抵抗Ｒｉが精度良く検出できる。
【００９３】
（ｇ）空燃比検出が中断できるような所定の実施条件が成立した場合にのみ、素子直流抵抗Ｒｉの検出を許可するようにした。つまり、上述の通り素子直流抵抗Ｒｉを検出する場合、交流インピーダンスＺＡＣの検出に比べて長い時間を要するが、実施許可の条件を付すことにより、素子直流抵抗Ｒｉの検出時に空燃比検出が中断されることによる影響が最小限に抑えられる。
【００９４】
（ｈ）上記の如く空燃比の検出精度が向上するため、高精度な空燃比Ｆ／Ｂ制御を実現することができ、ひいては排気エミッションを良好に保つことが可能となる。
【００９５】
次に、本発明における第２，第３の実施の形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００９６】
（第２の実施の形態）
本実施の形態では、上記第１の実施の形態との相違点として、素子直流抵抗Ｒｉの検出法を変更する。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するための回路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧変化及び電流変化の比から素子直流抵抗Ｒｉを検出する。装置の変更点として、図１２に示されるように、ＥＣＵ１５内のＬＰＦ２２とバイアス制御回路４０との間にスイッチ６０を設け、同スイッチ６０の開閉を空燃比検出用マイコン２０により操作するようにしている。
【００９７】
図１３は、本実施の形態における素子直流抵抗Ｒｉの検出手順を示すフローチャートであり、同処理は前記図４の処理に置き換えて実行される。
図１３において、先ずステップ５０１では、素子直流抵抗Ｒｉの検出条件が成立するか否かを判別する。そして、ステップ５０１がＮＯの時、本処理を一旦終了し、ステップ５０１がＹＥＳの時、ステップ５０２に進む。つまり、例えば燃料カット時など、空燃比検出を中断してもよい条件が成立する場合にのみ、素子直流抵抗Ｒｉの検出を許可し、空燃比検出が中断されることによる影響を最小限に抑えることとする。
【００９８】
ステップ５０２では、今現在のＡ／Ｆセンサ３０の印加電圧Ｖｐ及びセンサ出力Ｉｐを読み込む。すなわち、空燃比検出状態（スイッチ閉鎖状態）でのＶｐ値，Ｉｐ値が読み込まれる。
【００９９】
その後、ステップ５０３ではスイッチ６０を開放し、続くステップ５０４ではＡ／Ｆセンサ３０の起電力Ｅｏを検出する。また、ステップ５０５ではスイッチ６０を再び接続する。この場合、スイッチ６０の開放から再接続までの時間は短ければ短い程良い。
【０１００】
その後、ステップ５０６では、素子直流抵抗Ｒｉを算出する。すなわち、
Ｒｉ＝（Ｖｐ−Ｅｏ）／Ｉｐ
の演算結果から素子直流抵抗Ｒｉを算出する。Ｒｉ値の検出後、本処理を一旦終了する。なお本実施の形態では、図１３の処理により「直流抵抗検出手段」が構成される。
【０１０１】
上記処理によれば、図１４に示されるように、スイッチ６０の開放に伴い回路の一部が瞬間的に遮断されることで、センサ素子部に電圧が印加されなくなり電流と電圧が減衰する。そして、回路の応答性など考慮した所定のタイミングで起電力Ｅｏが検出される。このとき、固体電解質３１の内外両側の酸素分圧差に応じた起電力Ｅｏが検出されること、並びにセンサ出力Ｉｐが「０ｍＡ」になることからその電圧変化及び電流変化が求められ、それら変化量から素子直流抵抗Ｒｉが演算される。
【０１０２】
以上第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる等の優れた効果が得られる。また上述した素子直抵抗Ｒｉの検出法によれば、素子直流抵抗Ｒｉが精度良く検出できる。
【０１０３】
（第３の実施の形態）
本第３の実施の形態では、前記第１の実施の形態との相違点として、空燃比検出処理における印加電圧制御を変更する。
【０１０４】
上記実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉの変動分に応じてセンサ出力Ｉｐを補正したが、これに代えて本実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉの変動分に応じてＡ／Ｆセンサ３０への印加電圧を補正する。
【０１０５】
図１５は、本実施の形態における空燃比の検出手順を示すフローチャートであり、同処理は前記図５の処理に置き換えて実行される。
図１５において、先ずステップ６０１〜６０６では、前記図５におけるステップ３０１〜３０６と同様に、
・ステップ６０１では、センサ出力Ｉｐを読み込み、
・ステップ６０２では、交流インピーダンスＺＡＣを読み込み、
・ステップ６０３では、交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換し、
・ステップ６０４では、素子直流抵抗Ｒｉを読み込み、
・ステップ６０５では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）が所定値Ｋ１未満であるか否かを判別し、
・Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１となる場合に、ステップ６０６で異常発生の旨を認識する。
【０１０６】
また前記図５とは相違する処理として、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ１の時にステップ６０７に進み、図１６の関係に従い、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）、並びにその時の空燃比（センサ出力Ｉｐ）に応じて電圧補正値ΔＶを算出する。
【０１０７】
図１６（ａ）では、空燃比がリーンかリッチか、すなわちセンサ出力Ｉｐが正か負かに応じて複数の特性線が設定されており、空燃比リーンの特性例としてＡ／Ｆ＝１８，２３を、空燃比リッチの特性例としてＡ／Ｆ＝１２を示す。図中、Ｋ１は前記ステップ６０５で使用した判定値であり、Ｋ２，Ｋ３は補正の要否を判断するための判定値である（但し、Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３である）。そして、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値と空燃比とに応じて電圧補正値ΔＶが設定される。
【０１０８】
ここで、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが減少する場合であり、例えばセンサ素子温が高く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、負の電圧補正値ΔＶが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、正の電圧補正値ΔＶが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＣ」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＶが設定される。
【０１０９】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ＝Ｋ２〜Ｋ３（正常域）となるのは、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとがほぼ一致する場合である。この場合、例えばＡ／Ｆセンサ３０の個体間バラツキが殆ど無く、且つ劣化状態でもないと考えられるため、空燃比に関係なく、電圧補正値ΔＶ＝０が設定される。
【０１１０】
さらに、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが増大する場合であり、例えばセンサ素子温が低く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、正の電圧補正値ΔＶが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、負の電圧補正値ΔＶが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＢ」のように崩れる場合、或いは図２１（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「劣化後」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＶが設定される。
【０１１１】
なお、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が大きくなるほど、印加電圧Ｖｐのズレ量は大きくなる。そのため、同一の空燃比で見た場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が正常域（Ｋ２〜Ｋ３）から離れるほど、電圧補正値ΔＶは正側又は負側に大きく設定される。因みに、空燃比がストイキの場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に関係なく、常にΔＶ＝０となる。
【０１１２】
電圧補正値ΔＶの設定後、ステップ６０８では、センサ出力Ｉｐ（ステップ６０１の検出値）に応じて図２の印加電圧線ＬＸ１によりマップ演算される印加電圧Ｖｐを、前記電圧補正値ΔＶにより補正する。つまり、
Ｖｐｆ＝Ｖｐ＋ΔＶ
として補正後の印加電圧Ｖｐｆを得る。そしてその後、補正後の印加電圧Ｖｐｆをバイアス制御回路４０に対して出力する。例えば図１６（ｂ）に示されるように、Ａ／Ｆ＝１８であり且つＲｉ−ＺＤＣ＝Ｋｘの時、電圧補正値ΔＶとして「ΔＶｘ」が設定され、このΔＶｘにより印加電圧Ｖｐが補正される。
【０１１３】
ステップ６０９では、前記補正後の印加電圧Ｖｐｆに変更した後に、電極間に流れる限界電流を、センサ出力Ｉｐとして再検出し、その検出結果をエンジン制御用マイコン１６に出力する。そしてその後、本処理を終了する。なお本実施の形態では、図１５のステップ６０７，６０８により「印加電圧補正手段」が構成される。
【０１１４】
印加電圧Ｖｐが補正される様子を図１７を用いて説明する。図１７では、正常な活性時（劣化前）におけるＶ−Ｉ特性を実線で示し、素子劣化時におけるＶ−Ｉ特性を二点鎖線で示す。正常時の具体的数値は、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝３０Ωであり、センサ出力Ｉｐを検出するための印加電圧が「Ｖｐ１」であるとする。これに対し劣化時には、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝１５０Ωに変化したとする。
【０１１５】
この場合、後者の状態において、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に応じて電圧補正値ΔＶが設定され、
Ｖｐｆ＝Ｖｐ１＋ΔＶ
として補正後の印加電圧Ｖｐｆが算出される。この補正後の印加電圧Ｖｐｆを印加することで、劣化前と同一のセンサ出力Ｉｐが得られる。
【０１１６】
なお本実施の形態では上記第１の実施の形態と同様に、ヒータ通電制御（前記図６の処理）が実施され、素子直流抵抗Ｒｉに応じてヒータ通電のための目標値ＺＤＣｔｇが補正されるが、その内容は重複するためここではその図示及び説明を省略する。また本実施の形態の装置は、前記第２の実施の形態と組み合わせても実現できる。
【０１１７】
以上第３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（ａ）センサ素子部３０ａの素子直流抵抗Ｒｉを検出し、該検出した素子直流抵抗Ｒｉに応じてセンサ印加電圧Ｖｐを補正するようにした。実際には、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）に応じた電圧補正値ΔＶを算出し、該電圧補正値ΔＶを用いてセンサ印加電圧Ｖｐを補正した。本構成によれば、仮にセンサ電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗Ｒｉによる印加電圧補正が行われるため、当該補正の無い従来装置とは異なり、空燃比の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【０１１８】
上記印加電圧補正によれば、センサの個体間バラツキや経時変化が原因で図２０，図２１のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【０１１９】
（ｂ）電圧補正値ΔＶを設定するためのマップを見ると、図１６のように、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値の大きさ並びにその時々の空燃比に応じて当該補正値ΔＶが算出される。これにより、補正演算の精度が向上し、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【０１２０】
（ｃ）素子直流抵抗Ｒｉに基づく印加電圧補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する本実施の形態の場合、基本的には目標値ＺＤＣｔｇの補正によりセンサの個体間バラツキや経時変化の影響が解消され、更に同補正の不足分は印加電圧Ｖｐの補正により補われ、結果として精度の良い空燃比検出値が得られる。この場合、両補正を併用することで、空燃比検出の信頼性がより一層向上すると共に、ヒータ通電時におけるセンサ素子部の過昇温が抑制される。
【０１２１】
（ｄ）素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差が所定の許容値を超える時（Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１の時）、Ａ／Ｆセンサ３０の異常と判断する。これにより、素子電極の熱劣化等、センサの異常発生にも適正に対処できる。
【０１２２】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
（別の形態１）上記第１の実施の形態では、センサ出力Ｉｐの補正に際し、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差「Ｒｉ−ＺＤＣ」を求め、該求めた値に応じて電流補正値ΔＩを算出したが、これを変更する。例えば素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの比「Ｒｉ／ＺＤＣ」を求め、該求めた値に応じて電流補正値ΔＩを算出してもよい。また同様に、上記第３の実施の形態において、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの比「Ｒｉ／ＺＤＣ」を求め、該求めた値に応じて電圧補正値ΔＶを算出してもよい。
【０１２３】
（別の形態２）上記第１の実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差「Ｒｉ−ＺＤＣ」とその時々の空燃比に応じて「０」を基準とする電流補正値ΔＩを算出し（図９参照）、演算式、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ＋ΔＩ
により補正後のセンサ出力Ｉｐｆを算出したが、これを変更する。例えば図１８の関係を用い、「Ｒｉ−ＺＤＣ」（又はＲｉ／ＺＤＣ）に応じて「１」を基準とする電流補正値ΔＩａを算出する。このとき、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２であればΔＩａ＜１とし、Ｒｉ−ＺＤＣ＞Ｋ３であればΔＩａ＞１とする。また、「Ｒｉ−ＺＤＣ」が「０」から離れるほど電流補正値ΔＩａを大きくする。そして、演算式、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ・ΔＩａ
により補正後のセンサ出力Ｉｐｆを算出する。なおこの場合、空燃比が変化しても同一の補正値ΔＩａが使用でき、空燃比をΔＩａ値算出のパラメータとする必要はない。以上のことは、第３の実施の形態のようにセンサ印加電圧を補正する際にも同様に適用できる。すなわち、「Ｒｉ−ＺＤＣ」（又はＲｉ／ＺＤＣ）に応じて電圧補正値ΔＶａを算出し、そのΔＶａ値に応じて補正後の印加電圧Ｖｐｆを算出する（Ｖｐｆ＝Ｖｐ・ΔＶａとする）。以上の構成でも、既述の通りセンサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【０１２４】
（別の形態３）上記第１の実施の形態では、ヒータの通電制御に際し、素子直流抵抗Ｒｉに応じてヒータ通電のための目標値ＺＤＣｔｇを補正するようにしたが、これを変更してもよい。例えば直流抵抗換算値ＺＤＣに応じてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを算出すると共に、素子直流抵抗Ｒｉに応じて（Ｒｉ−ＺＤＣに応じて）デューティ補正値ΔＤを算出する。そして、
ＤＵＴＹｆ＝ＤＵＴＹ＋ΔＤ
として補正後のデューティ比ＤＵＴＹｆを得て、そのＤＵＴＹｆによりヒータを通電する。本構成でもやはり、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【０１２５】
（別の形態４）上記第１の実施の形態のように、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ出力補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する場合、その時々の素子温に応じて両補正を選択的に実施してもよい。例えば素子温が比較的低い場合にはヒータ通電量補正を行い、素子温が比較的高い場合にはセンサ出力補正を行う。或いは、上記第３の実施の形態のように、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ印加電圧補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する場合、その時々の素子温に応じて両補正を選択的に実施してもよい。例えば素子温が比較的低い場合にはヒータ通電量補正を行い、素子温が比較的高い場合にはセンサ印加電圧補正を行う。この場合、センサ素子部の過昇温が抑制できる。
【０１２６】
（別の形態５）上記第１の実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ出力補正とヒータ通電量補正とを併せて実施したが、何れか一方のみを実施する構成としてもよい。或いは、上記第３の実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ印加電圧補正とヒータ通電量補正とを併せて実施したが、センサ印加電圧補正のみを実施する構成としてもよい。
【０１２７】
（別の形態６）上記各実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとを比較する際、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１の時にセンサ異常とみなしたが（図５，６，１５参照）、新たに判定値Ｋ４を設け（但し、Ｋ４＞Ｋ３）、Ｒｉ−ＺＤＣ＞Ｋ４となる時にもセンサ異常とみなすようにしてもよい。この場合、警告灯を点灯させる、空燃比Ｆ／Ｂ制御を中断させる、ダイアグ情報をメモリに記憶する等の処理を実施する。
【０１２８】
（別の形態７）素子直流抵抗Ｒｉを検出する際、Ｖ−Ｉ特性上の負の印加電圧を印加すると共にそれに伴い流れる負の限界電流を計測し、これら各値から素子直流抵抗Ｒｉを検出してもよい。Ｖ−Ｉ特性上の負の印加電圧を印加することは、抵抗支配領域にて電圧を印加することを意味する。
【０１２９】
（別の形態８）上記各実施の形態では、コップ型Ａ／Ｆセンサへの適用例を開示したが、他のセンサへの適用も可能である。例えば固体電解質、電極、拡散抵抗層及びヒータを各々板状に成形し、これら各部材を積層して成る、いわゆる積層型Ａ／Ｆセンサに適用したり、排ガス（被検出ガス）中の複数のガス成分濃度を検出する、いわゆる複合型ガスセンサに適用したりしてもよい。複合型ガスセンサは概ね、被検出ガスを導入するための拡散抵抗部と、電圧印加に伴い拡散抵抗部内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セル（ポンプセル）と、同じく電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セル（センサセル）とを備える。前記第２セルでは、例えば排ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等が検出される。これら各センサへの適用時にも、既述の通りセンサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図。
【図２】Ａ／ＦセンサのＶ−Ｉ特性を示す図。
【図３】交流インピーダンスの検出手順を示すフローチャート。
【図４】素子直流抵抗の検出手順を示すフローチャート。
【図５】空燃比の検出手順を示すフローチャート。
【図６】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図７】インピーダンス検出時におけるセンサ電圧とセンサ電流との推移を示す波形図。
【図８】素子直流抵抗の検出時における設定電圧を説明するための図。
【図９】電流補正値ΔＩを設定するための関係図。
【図１０】電流補正値ΔＩによりセンサ出力が補正される様子を示す図。
【図１１】補正値ΔＺＤＣｔｇを設定するための関係図。
【図１２】第２の実施の形態において空燃比制御システムの概要を示す構成図。
【図１３】第２の実施の形態において素子直流抵抗の検出手順を示すフローチャート。
【図１４】回路瞬断時における電圧及び電流の変化を示す図。
【図１５】第３の実施の形態において空燃比の検出手順を示すフローチャート。
【図１６】電圧補正値ΔＶを設定するための関係図。
【図１７】電圧補正値ΔＶにより印加電圧が補正される様子を示す図。
【図１８】別の形態において電流補正値ΔＩａを設定するための関係図。
【図１９】素子直流抵抗、交流インピーダンス、素子温の関係を示す図。
【図２０】素子直流抵抗、交流インピーダンス、素子温の関係を示す図。
【図２１】素子直流抵抗、交流インピーダンス、素子温の関係を示す図。
【符号の説明】
２０…直流抵抗検出手段，センサ出力補正手段，印加電圧補正手段，インピーダンス検出手段，通電量補正手段を構成する空燃比検出用マイコン、３０…ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、３０ａ…センサ素子部、３１…固体電解質、３３，３４…電極、３５…ヒータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両用エンジンの排出ガス中の酸素濃度など、被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するためのガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置に適用され、当該ガス濃度センサから出力される電流信号を好適に得るためのガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ジルコニア等の固体電解質を用いて被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するガス濃度センサとして、例えば排ガス中の酸素濃度を検出するための限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）が開示されている。このＡ／Ｆセンサは、固体電解質と一対の電極とを有するセンサ素子部を備え、該センサ素子部に電圧が印加されると、その電圧印加に伴い排ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じた電流信号を出力する。また、同センサにはセンサ素子部の活性状態を維持するためのヒータが設けられる。
【０００３】
図２は、限界電流式センサのＶ−Ｉ特性を有する。図２の特性では、Ｖ軸（横軸）に平行な直線部分がセンサ素子部に流れる限界電流（センサ出力Ｉｐ）を特定する限界電流検出域に相当し、このセンサ出力Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応する。つまり、空燃比がリーン側になるほどセンサ出力Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほどセンサ出力Ｉｐは減少する。
【０００４】
このＶ−Ｉ特性において、Ｖ軸に平行な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配領域となっており、その抵抗支配領域における一次直線部分の傾きは素子直流抵抗Ｒｉにより特定される。素子直流抵抗Ｒｉは、センサ素子部の活性状態を反映するものであり、例えば抵抗支配領域（Ｖ−Ｉ特性の一次直線部分）にて電圧Ｖ１を印加した時の、当該印加電圧Ｖ１とセンサ出力Ｉ１とから検出される（Ｒｉ＝Ｖ１／Ｉ１）。
【０００５】
また近年、限界電流式センサの交流特性を利用し、印加電圧の瞬時変化により素子の交流インピーダンスＺＡＣを検出する手法が提案されている。この場合、印加電圧の変化量とそれに伴う電流変化量とから素子の交流インピーダンスＺＡＣが求められる（ＺＡＣ＝電圧変化量／電流変化量）。なお、Ｖ−Ｉ座標上にて規定される素子直流抵抗Ｒｉと、素子の交流インピーダンスＺＡＣとは特定の関係を有し、一般には「Ｒｉ＞ＺＡＣ」の関係があることが知られている。
【０００６】
上記の如く検出される交流インピーダンスＺＡＣは、短時間で検出できるため、インピーダンス検出期間における空燃比の検出不可時間が短縮できる等の利点があり、幅広い活用が期待できる。そのため通常は、交流インピーダンスＺＡＣを検出しその後、交流インピーダンスＺＡＣを所定の変換マップを用いて直流抵抗換算値ＺＤＣに変換する。そして、同換算値ＺＤＣに基づいて印加電圧制御やヒータの通電制御などを適宜実施する。
【０００７】
詳細には、センサの印加電圧制御に際し、センサ印加電圧が常にＶ−Ｉ特性上の限界電流検出域にかかるように、直流抵抗換算値ＺＤＣに応じて同印加電圧を制御する。つまり、図１９（ａ）の関係を用いて交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換し、その直流抵抗換算値ＺＤＣに応じてセンサの目標印加電圧を設定する。このとき、直流抵抗換算値ＺＤＣが大きいほど、リーン側では目標印加電圧を大きな電圧値に設定し、リッチ側では小さい値に設定する。また、ヒータの通電制御に際し、図１９（ｂ）の関係を用いて交流インピーダンスＺＡＣから素子温（センサ素子部の温度）を求め、その素子温が所定の活性温度になるようにヒータ通電を制御する。
【０００８】
要するに、素子直流抵抗Ｒｉを直接的に計測する代わりに、交流インピーダンスＺＡＣを検出し、その後、同インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換して印加電圧制御を行ったり、同インピーダンスＺＡＣを素子温に換算してヒータ通電制御を行ったりしていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の如く素子直流抵抗Ｒｉの代用として交流インピーダンスＺＡＣを使う場合、センサの個体間バラツキや経時的な変化に起因して下記の問題が生ずる。すなわち、センサ個々にバラツキ（個体間バラツキ）があると、素子の交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの対応関係、及び素子インピーダンスＺＡＣと素子温との対応関係が、図２０（ａ），（ｂ）に示すように予め設定されたマップの値に対してセンサ個々でばらつく。図中、実線のセンサＡは中央値品を示し、破線のセンサＢ及び二点鎖線のセンサＣは各々バラツキを持ったセンサを示す。
【００１０】
また、経時的な変化が生じると、素子インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの対応関係、及び素子インピーダンスＺＡＣと素子温との対応関係が崩れ、その関係が図２１（ａ），（ｂ）に示すように素子の劣化前後でずれる。図中、実線は劣化前の初期品を示し、破線は劣化品を示す。例えば熱劣化に伴い電極の抵抗値が変化する時、交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの対応関係が崩れ、図２１（ａ），（ｂ）の状態を招く。
【００１１】
上記図２０，２１のようにセンサ個々の特性が変動する場合、印加電圧制御が適正に行われず、正確なセンサ出力（空燃比出力）が得られない。また同様に、ヒータの通電制御が適正に行われず、やはり正確なセンサ出力（空燃比出力）が得られないことになる。
【００１２】
こうした事態は、高精度な空燃比フィードバック制御を実現する上で特に問題視されることであり、本来、空燃比が高精度に検出されるべく領域、すなわち、例えばリーン制御域（空燃比＝１８〜５０程度の領域）において空燃比の検出精度が悪化し、ひいては空燃比の制御精度が低下してエミッション悪化等の不具合を招くおそれもある。
【００１３】
本発明は、上記問題に着目にてなされたものであって、その目的とするところは、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができるガス濃度検出装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス濃度検出装置は、固体電解質と該固体電解質の相対向する面に各々設けられた電極とを有する素子部を備え、前記電極間に電圧が印加されるとそれに伴い被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた電流信号を出力するガス濃度センサを用いることを前提とする。また同センサには、電源電圧の通電により発熱して前記素子部を所定の活性温度に加熱するためのヒータが設けられ、ガス濃度検出装置はヒータの通電量を制御する。
【００１５】
請求項１に記載の発明では、前記素子部における素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する直流抵抗換算手段と、前記検出した素子直流抵抗と前記変換した直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出し、該算出した補正値を用いてガス濃度センサから出力される電流信号を補正するセンサ出力補正手段とを備える。
【００１６】
既述の通り素子直流抵抗Ｒｉは図２のＶ−Ｉ特性にて規定され、本来、センサ素子部の活性状態を反映するものであるが、この素子直流抵抗Ｒｉを、交流インピーダンスＺＡＣをマップ変換した直流抵抗換算値ＺＤＣで代用する従来装置の場合、センサの個体間バラツキや経時的な変化に起因してガス濃度の検出精度が低下する。例えば熱劣化に伴い電極の抵抗値が変化する時、同検出精度が低下する。これに対して上記構成によれば、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗によるセンサ出力補正が行われるため、ガス濃度の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【００１８】
本構成によれば、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差に基づく補正を行うため、センサの個体間バラツキや経時変化が正確に把握でき、それが原因で図２０（ａ），図２１（ａ）のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記センサ出力補正手段は、その時々のガス濃度に応じて前記補正値を算出する。つまり、被検出ガス中のガス濃度（空燃比）が相違すると、実際のセンサ出力と本来得たいセンサ出力との差が変動し、必要となる補正値が自ずと相違することがある。これに対し上記構成では、補正ズレの要因が解消され、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【００２０】
また、請求項３に記載の発明では、前記素子部における素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する直流抵抗換算手段と、前記検出した素子直流抵抗と前記変換した直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出し、該算出した補正値を用いてガス濃度センサへの印加電圧を補正する印加電圧補正手段とを備える。
【００２１】
請求項３の構成によれば、上記請求項１と同様に、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗による印加電圧補正が行われるため、ガス濃度の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【００２３】
本構成によれば、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差に基づく補正を行うため、センサの個体間バラツキや経時変化が正確に把握でき、それが原因で図２０（ａ），図２１（ａ）のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の発明において、前記印加電圧補正手段は、その時々のガス濃度に応じて前記補正値を算出する。つまり、被検出ガス中のガス濃度（空燃比）が相違すると、実際のセンサ印加電圧と本来所望のセンサ印加電圧との差が変動し、必要となる補正値が自ずと相違することがある。これに対し上記構成では、補正ズレの要因が解消され、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明では、前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記素子部の素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、前記検出した交流インピーダンスに基づき決定されるヒータの通電量を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正する通電量補正手段とを備える。
【００２６】
請求項５の構成によれば、上記請求項１，３と同様に、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗によるヒータ通電量の補正が行われるため、ガス濃度センサが常に所望の活性状態で維持できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の発明において、前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する。前記通電量補正手段は、前記素子直流抵抗と前記直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出する手段と、該算出した補正値を用いて前記設定したヒータの通電量を補正する手段とを備える。
【００２８】
本構成によれば、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差に基づく補正を行うため、センサの個体間バラツキや経時変化が正確に把握でき、それが原因で図２０（ｂ），図２１（ｂ）のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００２９】
上述した請求項５又は６では、素子直流抵抗に基づき例えば素子活性不足を補うべくヒータの通電量が増量側に補正されるが、センサ素子部の損傷等を抑制するには加熱上限を決める必要がある。そのため、センサ素子部の加熱上限付近ではヒータ通電量をそれ以上増やすのではなく、他の補正によりガス濃度検出の精度を確保する。
【００３０】
つまり、請求項７に記載したように、ガス濃度センサから出力される電流信号を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正するセンサ出力補正手段を更に備える。或いは、請求項８に記載したように、ガス濃度センサへの印加電圧を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正する印加電圧補正手段を更に備える。
【００３１】
請求項９に記載の発明では、請求項１〜８の何れか一項に記載の発明において、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が大きいほど、前記補正値を増大させる。つまり、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が大きいほど、ガス濃度センサによる電流信号、センサ印加電圧、又はヒータ通電量のズレ幅が大きくなる。この場合、上記の如く補正値を設定することで、補正演算の精度が向上する。
【００３２】
請求項１０に記載の発明では、請求項１〜８の何れか一項に記載の発明において、素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が所定の許容値を超える時、ガス濃度センサの異常と判断する。例えば素子電極の熱劣化等により素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が極めて大きくなると、既述の各種補正を行ったとしてもガス濃度の検出精度低下を回避することはできない。そこでかかる場合には、センサ異常の旨を判定する。
【００３３】
前記直流抵抗検出手段は、以下に示す請求項１１，１２のように構成されるとよい。つまり、
・請求項１１では、ガス濃度センサのＶ−Ｉ座標上の抵抗支配領域にて電圧を印加し、その時の印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗を算出する。
・請求項１２の発明では、ガス濃度センサに電圧を印加するための回路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧変化と電流変化との比から素子直流抵抗を検出する。
これら何れの場合にも、素子直流抵抗が精度良く検出できる。
【００３４】
ところで上述の通り素子直流抵抗を検出する場合、交流インピーダンスの検出に比べて長い時間を要するため、請求項１３に記載のように、ガス濃度検出が中断できるような所定の実施条件が成立した場合にのみ、素子直流抵抗の検出を許可するとよい。これにより、素子直流抵抗の検出時にガス濃度検出が中断されることによる影響が最小限に抑えられる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を車両用エンジンの空燃比制御システムに具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本制御システムにおいてはエンジン排気管に設けられた空燃比センサの検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手順や、同センサに設けられたヒータ通電制御手順を詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図である。図１において、エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成されている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設されている。また、排気管１３には限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ３０が配設されており、同センサ３０は排気中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する。
【００３７】
Ａ／Ｆセンサ３０は、断面コップ状の固体電解質３１とその外側に積層された拡散抵抗層３２とを備え、固体電解質３１の内外（大気側及び排気側）には一対の電極３３，３４が設けられる。本実施の形態では、これら各部材３１〜３４によりセンサ素子部３０ａが構成される。固体電解質３１の内部にはセンサ素子部３０ａを加熱するためのヒータ３５が配設される。ここで、固体電解質層３１は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 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３２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。また、電極３３，３４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。ヒータ３５はバッテリ電源からの給電により発熱する。
【００３８】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ素子部３０ａ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、センサ素子部３０ａ（固体電解質３１）は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、センサ素子部３０ａを活性化するには約６００℃以上の高温が必要とされ、且つ同センサ素子部３０ａの活性温度範囲が狭いため、エンジンの排ガスのみによる加熱では活性状態を維持できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３５の加熱制御によりセンサ素子部３０ａを活性温度域で保持する。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（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３０ａはＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００３９】
図２にはＡ／Ｆセンサ３０のＶ−Ｉ特性を示す。図２において、素子限界電流（センサ出力Ｉｐ）の増減は空燃比の増減に対応し、空燃比がリーン側になるほどセンサ出力Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほどセンサ出力Ｉｐは減少する。また、Ｖ軸に平行な直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗支配領域であり、抵抗支配領域における一次直線部分の傾きはセンサ素子部３０ａ（固体電解質３１）の素子直流抵抗Ｒｉにより特定される。抵抗支配領域における直線部分の傾きは素子温の変化に伴い変化し、例えば素子温が低下すると、素子直流抵抗Ｒｉが増大して前記傾きが小さくなる。また、素子直流抵抗Ｒｉに対して交流インピーダンスＺＡＣは図示の通り規定される（Ｒｉ＞ＺＡＣ）。
【００４０】
また、図２のＶ−Ｉ座標上には、抵抗支配領域の一次直線部分に平行に印加電圧線ＬＸ１が与えられ、この印加電圧線ＬＸ１に沿ってその時々の空燃比に応じた印加電圧が設定される。従って、仮に空燃比がリーン側に移行しＡ／Ｆセンサ３０に流れる素子限界電流（センサ出力Ｉｐ）が増えると、それに伴い印加電圧がより大きな値に変更される。
【００４１】
一方、図１において、ＥＣＵ１５は、インジェクタ１２による燃料噴射量を最適に制御するためのエンジン制御用マイコン１６を備える。エンジン制御用マイコン１６は、図示しないセンサ群から各種エンジン運転情報を取り込み、これらのセンサ検出結果からエンジン回転数、吸気圧、水温、スロットル開度などのエンジン運転状態を検知する。
【００４２】
空燃比検出用マイコン２０は、前記エンジン制御用マイコン１６に対して相互に通信可能に接続されている。空燃比検出用マイコン２０は、所定の制御プログラムに従いバイアス制御回路４０を操作し、電圧印加に伴いＡ／Ｆセンサ３０に流れる電流値を計測する。そして、該計測した電流値から空燃比を検出し、その検出結果をエンジン制御用マイコン１６に出力する。また、同マイコン２０は、Ａ／Ｆセンサ３０が活性状態で維持されるようヒータ制御回路２５を操作し、必要に応じてヒータ３５を通電する。
【００４３】
ここで、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒは空燃比検出用マイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。また、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃはバイアス制御回路４０に入力され、同バイアス制御回路４０によりＡ／Ｆセンサ３０に電圧が印加される。この場合、空燃比（センサ出力Ｉｐ）の検出時か、素子直流抵抗Ｒｉの検出か、或いは交流インピーダンスＺＡＣの検出かに応じて各個にセンサ印加電圧が制御される。
【００４４】
その時々の空燃比に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力（センサ出力Ｉｐ）は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介して空燃比検出用マイコン２０に入力される。ヒータ制御回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗又は素子温に応じてヒータ３５への通電量をデューティ制御し、同ヒータ３５の加熱制御を行う。
【００４５】
なお、エンジン制御用マイコン１６による空燃比Ｆ／Ｂ制御については、本案の要旨ではなく且つその制御内容が周知であるため、ここではその詳細な説明を省略するが、簡単に述べると、エンジン制御用マイコン１６は、Ａ／Ｆセンサ３０による空燃比の検出結果（電圧信号）やその他、各種センサの検出結果を取り込み、それらの検出結果に基づいて現代制御或いはＰＩ制御といった制御アルゴリズムに則って空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。つまり、その時々の空燃比が目標空燃比に一致するよう、エンジン１０の各気筒へインジェクタ１２から噴射供給される燃料量を制御する。
【００４６】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用について、空燃比検出用マイコン２０の動作を中心に説明する。本実施の形態において、空燃比検出用マイコン２０は図示しないメインルーチンに従い、
（イ）交流インピーダンスＺＡＣの検出、
（ロ）素子直流抵抗Ｒｉの検出、
（ハ）空燃比（センサ出力Ｉｐ）の検出、
（ニ）ヒータの通電制御、
といった各処理を順次実施する。上記各処理のうち、（イ）の処理によればＡ／Ｆセンサ３０の活性状態を表す交流インピーダンスＺＡＣが検出され、（ロ）の処理によればＡ／Ｆセンサ３０の個体間バラツキや劣化状態を表す素子直流抵抗Ｒｉが検出される。そして、（ハ），（ニ）によれば、前記（イ），（ロ）の検出結果を反映しつつ空燃比の検出やヒータ制御が実施される。以下、上記各処理について図３〜図６のフローチャートに従い詳細に説明する。
【００４７】
先ず始めに、掃引法を用いた交流インピーダンスＺＡＣの検出手順を図３を用いて説明する。図３の処理は例えば１２８ｍｓ（ミリ秒）毎に実行される。但し、エンジン運転状態に応じてＺＡＣ検出の実行周期を変更してもよく、例えばエンジン１０の定常運転時等、空燃比の変化が比較的小さい通常時には２ｓ（秒）に、エンジン１０の始動時や過渡運転時等、空燃比の急変時には１２８ｍｓに、というように可変に設定してもよい。
【００４８】
図３において、ステップ１０１では、バイアス指令信号Ｖｒを操作しそれまでの印加電圧Ｖｐ（空燃比検出用の電圧）に対して電圧を正側に単発的に変化させる。インピーダンス検出用電圧の印加時間は、Ａ／Ｆセンサ３０の周波数特性を考慮して数１０〜１００μｓ程度とする。その後、ステップ１０２では、その時の電圧変化量Ｖａと電流検出回路５０により検出されたセンサ出力の変化量Ｉａとを読み取る。また、続くステップ１０３では、前記Ｖａ，Ｉａから交流インピーダンスＺＡＣを算出し（ＺＡＣ＝Ｖａ／Ｉａ）、その後本処理を終了する。
【００４９】
上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２２並びにバイアス制御回路４０を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加される。その結果、図７に示されるように、当該電圧の印加からｔ時間経過後にピーク電流Ｉａ（電流変化量）が検出され、その時の電圧変化量Ｖａとピーク電流Ｉａとから交流インピーダンスＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝Ｖａ／Ｉａ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、交流インピーダンスＺＡＣの検出精度が向上する。
【００５０】
上記の如く求められる交流インピーダンスＺＡＣは、素子温に対して図１９（ｂ）に示す関係を有する。すなわち、素子温が低いほど、交流インピーダンスＺＡＣは飛躍的に大きくなる。
【００５１】
次に、素子直流抵抗Ｒｉの検出手順について図４のフローチャートに従い説明する。図４の処理は例えば４ｍｓ周期で実行される。
図４において、先ずステップ２０１では、素子直流抵抗Ｒｉの検出条件が成立するか否かを判別する。つまり、素子直流抵抗Ｒｉの検出は、交流インピーダンスＺＡＣの検出に比べて長い時間を要し、その検出期間中は空燃比（センサ出力Ｉｐ）の検出が中断されてしまう。従って、空燃比検出を中断してもよい条件が成立する場合にのみ、素子直流抵抗Ｒｉの検出を実行する。具体的には、
・燃料カットの実行中であること、
・エンジン制御用マイコン１６から空燃比Ｆ／Ｂ制御の中止の旨の信号が送信されていること、
等の少なくとも一つが満たされる時に、素子直流抵抗Ｒｉの検出条件が成立する。
【００５２】
ステップ２０１がＮＯの時、本処理を一旦終了し、ステップ２０１がＹＥＳの時、ステップ２０２に進む。ステップ２０２では、印加電圧の設定マップをそれまでの空燃比検出用のものから直流抵抗検出用のものに切り替える。実際には、図８に示されるように、抵抗支配領域の直線部分に平行な印加電圧線ＬＸ１に応じて空燃比検出用の印加電圧マップが与えられるのに対し、抵抗支配領域の直線部分に交わる、負の傾きを持つ印加電圧線ＬＸ２に応じて直流抵抗検出用の印加電圧マップが与えられる。
【００５３】
続くステップ２０３では、前記図８の印加電圧線ＬＸ２を用い、その時のセンサ出力Ｉｐに応じた目標印加電圧Ｖｔｇを設定し出力する。このとき、素子容量成分の電流出力への影響を考慮して例えば５ｍＶ／８ｍｓ以下の変更速度で印加電圧が徐々に変更される。これにより図８の事例では、実際の印加電圧（実印加電圧Ｖｒｅ）が図のＡ点から徐々に左側（負側）に変更されることとなる。
【００５４】
次に、ステップ２０４では、印加電圧変更後において固体電解質３１に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により検出されるセンサ出力Ｉｐを読み込む。また、続くステップ２０５では、印加電圧線ＬＸ２上の目標印加電圧Ｖｔｇと今現在の実印加電圧Ｖｒｅとが一致するか否かを判別する。Ｖｔｇ≠Ｖｒｅであれば、ステップ２０３に戻り、ステップ２０３〜２０５の処理を繰り返し実行する。つまり、４ｍｓ毎に目標印加電圧Ｖｔｇが再設定され、その時々のセンサ出力Ｉｐが検出される。
【００５５】
そして、Ｖｔｇ＝Ｖｒｅになると、ステップ２０６に進み、最新の印加電圧（Ｖｔｇ＝Ｖｒｅとなった時の電圧値）とセンサ出力Ｉｐとから素子直流抵抗Ｒｉを算出する。すなわち、
Ｒｉ＝Ｖｔｇ／Ｉｐ
の演算結果から素子直流抵抗Ｒｉを算出する。Ｒｉ値の検出後、本処理を一旦終了する。
【００５６】
上記ステップ２０３〜２０６の処理によれば、図８において、印加電圧線ＬＸ１上のＡ点から印加電圧線ＬＸ２上のＢ点にセンサ印加電圧が変更され、同Ｂ点での印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗Ｒｉが算出される。例えば電圧変更速度を５ｍＶ／８ｍｓとして印加電圧を０．４５Ｖから０．２４Ｖに変更する場合、印加電圧を変更し始めてから３３６ｍｓ経過後に素子直流抵抗Ｒｉが検出されることとなる。
【００５７】
上記構成では印加電圧の変更に際し電圧変更速度を制限したが、これに代わる構成も可能である。例えば印加電圧を変更する際、印加電圧線ＬＸ２と抵抗支配領域の直線部分との交点（図８のＢ点）で目標印加電圧Ｖｔｇを設定して出力し、その後、素子容量成分の電流出力への影響に関係なく同電流出力が安定する時間だけ待ち、電流出力が安定した時のセンサ出力を使って素子直流抵抗Ｒｉを算出する。
【００５８】
次に、空燃比の検出手順を図５を用いて説明する。図５の処理は例えば４ｍｓ周期で実行される。図５において、ステップ３０１では、電圧印加に伴い固体電解質３１に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により検出されるセンサ出力Ｉｐを読み込む。
【００５９】
また、ステップ３０２では、前記図３にて算出した交流インピーダンスＺＡＣを読み込み、続くステップ３０３では、予め設定される図１９（ａ）の変換マップを用い、交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換する。さらに、ステップ３０４では、前記図４にて算出した素子直流抵抗Ｒｉを読み込む。
【００６０】
その後、ステップ３０５では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）が所定値Ｋ１未満であるか否かを判別する。この所定値Ｋ１は素子割れや電極の損傷等を判定するものであって、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１であれば、ステップ３０６で異常発生の旨を認識してそのまま本処理を終了する。この場合、警告灯を点灯させる、空燃比Ｆ／Ｂ制御を中断させる、ダイアグ情報をメモリに記憶する等の処理を実行する。
【００６１】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ１であれば、ステップ３０７に進む。同ステップ３０７では、図９の関係に従い、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）、並びにその時の空燃比（センサ出力Ｉｐ）に応じて電流補正値ΔＩを算出する。
【００６２】
図９（ａ）では、空燃比がリーンかリッチか、すなわちセンサ出力Ｉｐが正か負かに応じて複数の特性線が設定されており、空燃比リーンの特性例としてＡ／Ｆ＝１８，２３を、空燃比リッチの特性例としてＡ／Ｆ＝１２を示す。図中、Ｋ１は前記ステップ３０５で使用した判定値であり、Ｋ２，Ｋ３は補正の要否を判断するための判定値である（但し、Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３である）。そして、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値と空燃比とに応じて電流補正値ΔＩが設定される。
【００６３】
ここで、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが減少する場合であり、例えばセンサ素子温が高く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、負の電流補正値ΔＩが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、正の電流補正値ΔＩが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＣ」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＩが設定される。
【００６４】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ＝Ｋ２〜Ｋ３（正常域）となるのは、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとがほぼ一致する場合である。この場合、例えばＡ／Ｆセンサ３０の個体間バラツキが殆ど無く、且つ劣化状態でもないと考えられるため、空燃比に関係なく、電流補正値ΔＩ＝０が設定される。
【００６５】
さらに、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが増大する場合であり、例えばセンサ素子温が低く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、正の電流補正値ΔＩが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、負の電流補正値ΔＩが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＢ」のように崩れる場合、或いは図２１（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「劣化後」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＩが設定される。
【００６６】
なお、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が大きくなるほど、センサ出力Ｉｐのズレ量は大きくなる。そのため、同一の空燃比で見た場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が正常域（Ｋ２〜Ｋ３）から離れるほど、電流補正値ΔＩは正側又は負側に大きく設定される。因みに、空燃比がストイキの場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に関係なく、常にΔＩ＝０となる。
【００６７】
電流補正値ΔＩの設定後、ステップ３０８では、前記検出したセンサ出力Ｉｐを電流補正値ΔＩにより補正する。つまり、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ＋ΔＩ
として補正後のセンサ出力Ｉｐｆを得る。そしてその後、補正後のセンサ出力Ｉｐｆをエンジン制御用マイコン１６に対して出力する。例えば図９（ｂ）に示されるように、Ａ／Ｆ＝１８であり且つＲｉ−ＺＤＣ＝Ｋｘの時、電流補正値ΔＩとして「ΔＩｘ」が設定され、このΔＩｘによりセンサ出力Ｉｐが補正される。
【００６８】
但し、空燃比の検出結果としてエンジン制御用マイコン１６に出力するデータは、センサ出力（補正後のセンサ出力Ｉｐｆ）そのものでもよいし、所定の変換マップを用いてＡ／Ｆ値に変換したデータでもよい。
【００６９】
ステップ３０９では、次の空燃比検出のために、その時々の空燃比（補正前のセンサ出力Ｉｐ）に対応する印加電圧を設定して出力する。このとき、前記図２の印加電圧線ＬＸ１を用いてその時のセンサ出力Ｉｐに対応した印加電圧が設定される。そしてその後、本処理を終了する。
【００７０】
センサ出力Ｉｐが補正される様子を図１０を用いて説明する。図１０では、正常な活性時（劣化前）におけるＶ−Ｉ特性を実線で示し、素子劣化時におけるＶ−Ｉ特性を二点鎖線で示す。正常時の具体的数値は、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝３０Ωであり、電圧Ｖｐの印加に伴い電流Ｉｐ１が流れたとする。これに対し劣化時には、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝１５０Ωに変化し、電圧Ｖｐの印加に伴い電流Ｉｐ２が流れたとする。
【００７１】
この場合、後者の状態において、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に応じて電流補正値ΔＩが設定され、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ２＋ΔＩ
として補正後のセンサ出力Ｉｐｆが算出される。この補正後のセンサ出力Ｉｐｆは劣化前のセンサ出力Ｉｐ１に一致する。
【００７２】
次に、ヒータ通電の制御手順を図６を用いて説明する。図６において、先ずステップ４０１では、前記図３にて算出した交流インピーダンスＺＡＣを読み込み、続くステップ４０２では、予め設定される図１９（ａ）の変換マップを用い、交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換する。
【００７３】
その後、ステップ４０３では、直流抵抗換算値ＺＤＣが固体電解質３１（センサ素子部）の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、２００Ω程度）以下であるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動時等、素子温が低い場合にはＺＤＣ＞２００Ωとなり、ステップ４０４に進んでヒータ３５の「１００％通電制御」を実施し、その後本処理を終了する。１００％通電制御は、ヒータ３５へのデューティ比制御信号を１００％に維持する制御であり、直流抵抗換算値ＺＤＣが２００Ω以下になりステップ４０３がＹＥＳになるまで継続して実施される。
【００７４】
ヒータ熱により素子温が上昇し、ステップ４０３がＹＥＳになると、ステップ４０５に進んで直流抵抗換算値ＺＤＣが素子インピーダンスＦ／Ｂ制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態では、４０Ω程度）以下であるか否かを判別する。ステップ４０５の判定値は、直流抵抗換算値の目標値ＺＤＣｔｇ（本実施の形態では、３０Ω）に対して「＋１０Ω」程度の値として設定される。
【００７５】
センサ活性化の完了前であってＺＤＣ＞４０Ωであれば、ステップ４０６に進んで「電力制御」によりヒータ３５の通電制御を実施し、その後本処理を終了する。このとき、直流抵抗換算値ＺＤＣが大きいほど、大きな電力指令値が決定され、その電力指令値に応じてヒータ通電のための制御デューティ比が算出される。
【００７６】
センサ活性化が完了し、前記ステップ４０５がＹＥＳになると、ステップ４０７に進む。ステップ４０７では、前記図４にて算出した素子直流抵抗Ｒｉを読み込み、続くステップ４０８では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）が所定値Ｋ１未満であるか否かを判別する。この所定値Ｋ１は前記図５のステップ３０５におけるＫ１値と同一でよい。Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１であれば、ステップ４０９で異常発生の旨を認識してそのまま本処理を終了する。この場合、警告灯を点灯させる、空燃比Ｆ／Ｂ制御を中断させる、ダイアグ情報をメモリに記憶する等の処理を実行する。
【００７７】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ１であれば、ステップ４１０に進む。同ステップ４１０では、図１１の関係に従い、直流抵抗換算値の目標値ＺＤＣｔｇについてその補正値ΔＺＤＣｔｇを、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）に応じて算出する。
【００７８】
図１１において、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は前記図９中と同じ値である。すなわち、Ｋ２，Ｋ３は補正の要否を判断するための判定値である。ここで、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２の場合、負の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定され、Ｒｉ−ＺＤＣ＝Ｋ２〜Ｋ３の場合、補正値ΔＺＤＣｔｇ＝０が設定され、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３の場合、正の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定される。
【００７９】
例えば図２０（ａ），（ｂ）において、センサ個々の特性が「センサＣ」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２」の事態が生じ、負の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定される。また、同図２０（ａ），（ｂ）においてセンサ個々の特性が「センサＢ」のように崩れる場合、或いは図２１（ａ），（ｂ）において破線の如く劣化が進行した場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３」の事態が生じ、正の補正値ΔＺＤＣｔｇが設定される。
【００８０】
その後、ステップ４１１では、直流抵抗換算値の目標値ＺＤＣｔｇを補正値ΔＺＤＣｔｇにより補正する。つまり、
ＺＤＣｔｇｆ＝ＺＤＣｔｇ＋ΔＺＤＣｔｇ
として補正後の目標値ＺＤＣｔｇｆを得る。
【００８１】
ステップ４１２では、素子インピーダンスＦ／Ｂ制御の実施に際してヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹ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（１）〜（３）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。
【００８２】
ＧＰ＝ＫＰ・（ＺＤＣ−ＺＤＣｔｇｆ） …（１）
ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（ＺＤＣ−ＺＤＣｔｇｆ） …（２）
ＧＤ＝ＫＤ・（ＺＤＣ−ＺＤＣi-1 ） …（３）
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。
【００８３】
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（ＤＵＴＹ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）。そして、補正後の目標値ＺＤＣｔｇｆによりヒータ３５を通電し、その後本処理を終了する。なお、こうしたヒータ制御は上記のＰＩＤ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。
【００８４】
上記の如く補正後の目標値ＺＤＣｔｇｆでヒータ通電を制御する際、センサ素子部を過昇温させることの懸念がある。そのため、素子温に最大ガードをかけ、ガード値に達する場合にはそれ以上のデューティ増加側の補正を中止する。この場合、目標値ＺＤＣｔｇの補正は中止されても、前述のセンサ出力補正が継続して実施されることで個体間バラツキ等の影響が解消される。
【００８５】
なお本実施の形態では、図３の処理により「インピーダンス検出手段」が構成され、図４の処理により「直流抵抗検出手段」が構成される。また、図５のステップ３０７，３０８により「センサ出力補正手段」が構成され、図６のステップ４１０〜４１２により「通電量補正手段」が構成される。
【００８６】
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。
（ａ）センサ素子部３０ａの素子直流抵抗Ｒｉを検出し、該検出した素子直流抵抗Ｒｉに応じてセンサ出力Ｉｐを補正するようにした。実際には、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）に応じた電流補正値ΔＩを算出し、該電流補正値ΔＩを用いてセンサ出力Ｉｐを補正した。本構成によれば、仮にセンサ電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗Ｒｉによるセンサ出力補正が行われるため、当該補正の無い従来装置とは異なり、空燃比の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【００８７】
（ｂ）電流補正値ΔＩを設定するためのマップを見ると、図９のように、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値の大きさ並びにその時々の空燃比に応じて当該補正値ΔＩが算出される。これにより、補正演算の精度が向上し、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【００８８】
（ｃ）ヒータの通電制御に際し、素子直流抵抗Ｒｉに応じてヒータ通電のための目標値ＺＤＣｔｇを補正するようにした。実際には、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に応じて補正値ΔＺＤＣｔｇを算出した。本構成によればやはり、仮に電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗Ｒｉによるヒータ通電量の補正が行われるため、Ａ／Ｆセンサ３０が常に所望の活性状態で維持できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【００８９】
上記センサ出力補正やヒータ通電量補正によれば、センサの個体間バラツキや経時変化が原因で図２０，図２１のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【００９０】
（ｄ）素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ出力補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する本実施の形態の場合、基本的には目標値ＺＤＣｔｇの補正によりセンサの個体間バラツキや経時変化の影響が解消され、更に同補正の不足分はセンサ出力Ｉｐの補正により補われ、結果として精度の良い空燃比検出値が得られる。この場合、両補正を併用することで、空燃比検出の信頼性がより一層向上すると共に、ヒータ通電時におけるセンサ素子部の過昇温が抑制される。
【００９１】
（ｅ）素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差が所定の許容値を超える時（Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１の時）、Ａ／Ｆセンサ３０の異常と判断する。これにより、素子電極の熱劣化等、センサの異常発生にも適正に対処できる。
【００９２】
（ｆ）素子直流抵抗Ｒｉの検出に際し、Ａ／Ｆセンサ３０のＶ−Ｉ座標上の抵抗支配領域にて電圧を印加し、その時の印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗Ｒｉを算出する。この場合、素子直流抵抗Ｒｉが精度良く検出できる。
【００９３】
（ｇ）空燃比検出が中断できるような所定の実施条件が成立した場合にのみ、素子直流抵抗Ｒｉの検出を許可するようにした。つまり、上述の通り素子直流抵抗Ｒｉを検出する場合、交流インピーダンスＺＡＣの検出に比べて長い時間を要するが、実施許可の条件を付すことにより、素子直流抵抗Ｒｉの検出時に空燃比検出が中断されることによる影響が最小限に抑えられる。
【００９４】
（ｈ）上記の如く空燃比の検出精度が向上するため、高精度な空燃比Ｆ／Ｂ制御を実現することができ、ひいては排気エミッションを良好に保つことが可能となる。
【００９５】
次に、本発明における第２，第３の実施の形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００９６】
（第２の実施の形態）
本実施の形態では、上記第１の実施の形態との相違点として、素子直流抵抗Ｒｉの検出法を変更する。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するための回路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧変化及び電流変化の比から素子直流抵抗Ｒｉを検出する。装置の変更点として、図１２に示されるように、ＥＣＵ１５内のＬＰＦ２２とバイアス制御回路４０との間にスイッチ６０を設け、同スイッチ６０の開閉を空燃比検出用マイコン２０により操作するようにしている。
【００９７】
図１３は、本実施の形態における素子直流抵抗Ｒｉの検出手順を示すフローチャートであり、同処理は前記図４の処理に置き換えて実行される。
図１３において、先ずステップ５０１では、素子直流抵抗Ｒｉの検出条件が成立するか否かを判別する。そして、ステップ５０１がＮＯの時、本処理を一旦終了し、ステップ５０１がＹＥＳの時、ステップ５０２に進む。つまり、例えば燃料カット時など、空燃比検出を中断してもよい条件が成立する場合にのみ、素子直流抵抗Ｒｉの検出を許可し、空燃比検出が中断されることによる影響を最小限に抑えることとする。
【００９８】
ステップ５０２では、今現在のＡ／Ｆセンサ３０の印加電圧Ｖｐ及びセンサ出力Ｉｐを読み込む。すなわち、空燃比検出状態（スイッチ閉鎖状態）でのＶｐ値，Ｉｐ値が読み込まれる。
【００９９】
その後、ステップ５０３ではスイッチ６０を開放し、続くステップ５０４ではＡ／Ｆセンサ３０の起電力Ｅｏを検出する。また、ステップ５０５ではスイッチ６０を再び接続する。この場合、スイッチ６０の開放から再接続までの時間は短ければ短い程良い。
【０１００】
その後、ステップ５０６では、素子直流抵抗Ｒｉを算出する。すなわち、
Ｒｉ＝（Ｖｐ−Ｅｏ）／Ｉｐ
の演算結果から素子直流抵抗Ｒｉを算出する。Ｒｉ値の検出後、本処理を一旦終了する。なお本実施の形態では、図１３の処理により「直流抵抗検出手段」が構成される。
【０１０１】
上記処理によれば、図１４に示されるように、スイッチ６０の開放に伴い回路の一部が瞬間的に遮断されることで、センサ素子部に電圧が印加されなくなり電流と電圧が減衰する。そして、回路の応答性など考慮した所定のタイミングで起電力Ｅｏが検出される。このとき、固体電解質３１の内外両側の酸素分圧差に応じた起電力Ｅｏが検出されること、並びにセンサ出力Ｉｐが「０ｍＡ」になることからその電圧変化及び電流変化が求められ、それら変化量から素子直流抵抗Ｒｉが演算される。
【０１０２】
以上第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる等の優れた効果が得られる。また上述した素子直抵抗Ｒｉの検出法によれば、素子直流抵抗Ｒｉが精度良く検出できる。
【０１０３】
（第３の実施の形態）
本第３の実施の形態では、前記第１の実施の形態との相違点として、空燃比検出処理における印加電圧制御を変更する。
【０１０４】
上記実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉの変動分に応じてセンサ出力Ｉｐを補正したが、これに代えて本実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉの変動分に応じてＡ／Ｆセンサ３０への印加電圧を補正する。
【０１０５】
図１５は、本実施の形態における空燃比の検出手順を示すフローチャートであり、同処理は前記図５の処理に置き換えて実行される。
図１５において、先ずステップ６０１〜６０６では、前記図５におけるステップ３０１〜３０６と同様に、
・ステップ６０１では、センサ出力Ｉｐを読み込み、
・ステップ６０２では、交流インピーダンスＺＡＣを読み込み、
・ステップ６０３では、交流インピーダンスＺＡＣを直流抵抗換算値ＺＤＣに変換し、
・ステップ６０４では、素子直流抵抗Ｒｉを読み込み、
・ステップ６０５では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）が所定値Ｋ１未満であるか否かを判別し、
・Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１となる場合に、ステップ６０６で異常発生の旨を認識する。
【０１０６】
また前記図５とは相違する処理として、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ１の時にステップ６０７に進み、図１６の関係に従い、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）、並びにその時の空燃比（センサ出力Ｉｐ）に応じて電圧補正値ΔＶを算出する。
【０１０７】
図１６（ａ）では、空燃比がリーンかリッチか、すなわちセンサ出力Ｉｐが正か負かに応じて複数の特性線が設定されており、空燃比リーンの特性例としてＡ／Ｆ＝１８，２３を、空燃比リッチの特性例としてＡ／Ｆ＝１２を示す。図中、Ｋ１は前記ステップ６０５で使用した判定値であり、Ｋ２，Ｋ３は補正の要否を判断するための判定値である（但し、Ｋ１＜Ｋ２＜Ｋ３である）。そして、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値と空燃比とに応じて電圧補正値ΔＶが設定される。
【０１０８】
ここで、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが減少する場合であり、例えばセンサ素子温が高く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、負の電圧補正値ΔＶが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、正の電圧補正値ΔＶが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＣ」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＶが設定される。
【０１０９】
また、Ｒｉ−ＺＤＣ＝Ｋ２〜Ｋ３（正常域）となるのは、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとがほぼ一致する場合である。この場合、例えばＡ／Ｆセンサ３０の個体間バラツキが殆ど無く、且つ劣化状態でもないと考えられるため、空燃比に関係なく、電圧補正値ΔＶ＝０が設定される。
【０１１０】
さらに、Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３となるのは、直流抵抗換算値ＺＤＣに対して素子直流抵抗Ｒｉが増大する場合であり、例えばセンサ素子温が低く、センサ素子部３０ａに印加される電圧が限界電流検出域を外れる事態が考えられる。この場合、空燃比がリーン（センサ出力Ｉｐ＞０）であれば、正の電圧補正値ΔＶが設定され、空燃比がリッチ（センサ出力Ｉｐ＜０）であれば、負の電圧補正値ΔＶが設定される。より具体的には、図２０（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「センサＢ」のように崩れる場合、或いは図２１（ａ）において交流インピーダンスＺＡＣと素子直流抵抗Ｒｉとの関係が「劣化後」のように崩れる場合、「Ｒｉ−ＺＤＣ≧Ｋ３」の事態が生じ、上記の如く補正値ΔＶが設定される。
【０１１１】
なお、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が大きくなるほど、印加電圧Ｖｐのズレ量は大きくなる。そのため、同一の空燃比で見た場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値が正常域（Ｋ２〜Ｋ３）から離れるほど、電圧補正値ΔＶは正側又は負側に大きく設定される。因みに、空燃比がストイキの場合、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に関係なく、常にΔＶ＝０となる。
【０１１２】
電圧補正値ΔＶの設定後、ステップ６０８では、センサ出力Ｉｐ（ステップ６０１の検出値）に応じて図２の印加電圧線ＬＸ１によりマップ演算される印加電圧Ｖｐを、前記電圧補正値ΔＶにより補正する。つまり、
Ｖｐｆ＝Ｖｐ＋ΔＶ
として補正後の印加電圧Ｖｐｆを得る。そしてその後、補正後の印加電圧Ｖｐｆをバイアス制御回路４０に対して出力する。例えば図１６（ｂ）に示されるように、Ａ／Ｆ＝１８であり且つＲｉ−ＺＤＣ＝Ｋｘの時、電圧補正値ΔＶとして「ΔＶｘ」が設定され、このΔＶｘにより印加電圧Ｖｐが補正される。
【０１１３】
ステップ６０９では、前記補正後の印加電圧Ｖｐｆに変更した後に、電極間に流れる限界電流を、センサ出力Ｉｐとして再検出し、その検出結果をエンジン制御用マイコン１６に出力する。そしてその後、本処理を終了する。なお本実施の形態では、図１５のステップ６０７，６０８により「印加電圧補正手段」が構成される。
【０１１４】
印加電圧Ｖｐが補正される様子を図１７を用いて説明する。図１７では、正常な活性時（劣化前）におけるＶ−Ｉ特性を実線で示し、素子劣化時におけるＶ−Ｉ特性を二点鎖線で示す。正常時の具体的数値は、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝３０Ωであり、センサ出力Ｉｐを検出するための印加電圧が「Ｖｐ１」であるとする。これに対し劣化時には、ＺＡＣ＝２０Ω、ＺＤＣ＝３０Ω、Ｒｉ＝１５０Ωに変化したとする。
【０１１５】
この場合、後者の状態において、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値に応じて電圧補正値ΔＶが設定され、
Ｖｐｆ＝Ｖｐ１＋ΔＶ
として補正後の印加電圧Ｖｐｆが算出される。この補正後の印加電圧Ｖｐｆを印加することで、劣化前と同一のセンサ出力Ｉｐが得られる。
【０１１６】
なお本実施の形態では上記第１の実施の形態と同様に、ヒータ通電制御（前記図６の処理）が実施され、素子直流抵抗Ｒｉに応じてヒータ通電のための目標値ＺＤＣｔｇが補正されるが、その内容は重複するためここではその図示及び説明を省略する。また本実施の形態の装置は、前記第２の実施の形態と組み合わせても実現できる。
【０１１７】
以上第３の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
（ａ）センサ素子部３０ａの素子直流抵抗Ｒｉを検出し、該検出した素子直流抵抗Ｒｉに応じてセンサ印加電圧Ｖｐを補正するようにした。実際には、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差（Ｒｉ−ＺＤＣ）に応じた電圧補正値ΔＶを算出し、該電圧補正値ΔＶを用いてセンサ印加電圧Ｖｐを補正した。本構成によれば、仮にセンサ電極の熱劣化等が生じた場合にもその反映として素子直流抵抗Ｒｉによる印加電圧補正が行われるため、当該補正の無い従来装置とは異なり、空燃比の検出精度低下が回避できる。その結果、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【０１１８】
上記印加電圧補正によれば、センサの個体間バラツキや経時変化が原因で図２０，図２１のようにセンサ特性が変化した場合において適正な補正を実施することができる。
【０１１９】
（ｂ）電圧補正値ΔＶを設定するためのマップを見ると、図１６のように、（Ｒｉ−ＺＤＣ）値の大きさ並びにその時々の空燃比に応じて当該補正値ΔＶが算出される。これにより、補正演算の精度が向上し、より一層正確なセンサ出力補正が可能となる。
【０１２０】
（ｃ）素子直流抵抗Ｒｉに基づく印加電圧補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する本実施の形態の場合、基本的には目標値ＺＤＣｔｇの補正によりセンサの個体間バラツキや経時変化の影響が解消され、更に同補正の不足分は印加電圧Ｖｐの補正により補われ、結果として精度の良い空燃比検出値が得られる。この場合、両補正を併用することで、空燃比検出の信頼性がより一層向上すると共に、ヒータ通電時におけるセンサ素子部の過昇温が抑制される。
【０１２１】
（ｄ）素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差が所定の許容値を超える時（Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１の時）、Ａ／Ｆセンサ３０の異常と判断する。これにより、素子電極の熱劣化等、センサの異常発生にも適正に対処できる。
【０１２２】
なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
（別の形態１）上記第１の実施の形態では、センサ出力Ｉｐの補正に際し、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差「Ｒｉ−ＺＤＣ」を求め、該求めた値に応じて電流補正値ΔＩを算出したが、これを変更する。例えば素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの比「Ｒｉ／ＺＤＣ」を求め、該求めた値に応じて電流補正値ΔＩを算出してもよい。また同様に、上記第３の実施の形態において、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの比「Ｒｉ／ＺＤＣ」を求め、該求めた値に応じて電圧補正値ΔＶを算出してもよい。
【０１２３】
（別の形態２）上記第１の実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとの差「Ｒｉ−ＺＤＣ」とその時々の空燃比に応じて「０」を基準とする電流補正値ΔＩを算出し（図９参照）、演算式、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ＋ΔＩ
により補正後のセンサ出力Ｉｐｆを算出したが、これを変更する。例えば図１８の関係を用い、「Ｒｉ−ＺＤＣ」（又はＲｉ／ＺＤＣ）に応じて「１」を基準とする電流補正値ΔＩａを算出する。このとき、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ２であればΔＩａ＜１とし、Ｒｉ−ＺＤＣ＞Ｋ３であればΔＩａ＞１とする。また、「Ｒｉ−ＺＤＣ」が「０」から離れるほど電流補正値ΔＩａを大きくする。そして、演算式、
Ｉｐｆ＝Ｉｐ・ΔＩａ
により補正後のセンサ出力Ｉｐｆを算出する。なおこの場合、空燃比が変化しても同一の補正値ΔＩａが使用でき、空燃比をΔＩａ値算出のパラメータとする必要はない。以上のことは、第３の実施の形態のようにセンサ印加電圧を補正する際にも同様に適用できる。すなわち、「Ｒｉ−ＺＤＣ」（又はＲｉ／ＺＤＣ）に応じて電圧補正値ΔＶａを算出し、そのΔＶａ値に応じて補正後の印加電圧Ｖｐｆを算出する（Ｖｐｆ＝Ｖｐ・ΔＶａとする）。以上の構成でも、既述の通りセンサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【０１２４】
（別の形態３）上記第１の実施の形態では、ヒータの通電制御に際し、素子直流抵抗Ｒｉに応じてヒータ通電のための目標値ＺＤＣｔｇを補正するようにしたが、これを変更してもよい。例えば直流抵抗換算値ＺＤＣに応じてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを算出すると共に、素子直流抵抗Ｒｉに応じて（Ｒｉ−ＺＤＣに応じて）デューティ補正値ΔＤを算出する。そして、
ＤＵＴＹｆ＝ＤＵＴＹ＋ΔＤ
として補正後のデューティ比ＤＵＴＹｆを得て、そのＤＵＴＹｆによりヒータを通電する。本構成でもやはり、センサの個体差や経時変化に関係なく、常に空燃比を精度良く検出することができる。
【０１２５】
（別の形態４）上記第１の実施の形態のように、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ出力補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する場合、その時々の素子温に応じて両補正を選択的に実施してもよい。例えば素子温が比較的低い場合にはヒータ通電量補正を行い、素子温が比較的高い場合にはセンサ出力補正を行う。或いは、上記第３の実施の形態のように、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ印加電圧補正とヒータ通電量補正とを併せて実施する場合、その時々の素子温に応じて両補正を選択的に実施してもよい。例えば素子温が比較的低い場合にはヒータ通電量補正を行い、素子温が比較的高い場合にはセンサ印加電圧補正を行う。この場合、センサ素子部の過昇温が抑制できる。
【０１２６】
（別の形態５）上記第１の実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ出力補正とヒータ通電量補正とを併せて実施したが、何れか一方のみを実施する構成としてもよい。或いは、上記第３の実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉに基づくセンサ印加電圧補正とヒータ通電量補正とを併せて実施したが、センサ印加電圧補正のみを実施する構成としてもよい。
【０１２７】
（別の形態６）上記各実施の形態では、素子直流抵抗Ｒｉと直流抵抗換算値ＺＤＣとを比較する際、Ｒｉ−ＺＤＣ＜Ｋ１の時にセンサ異常とみなしたが（図５，６，１５参照）、新たに判定値Ｋ４を設け（但し、Ｋ４＞Ｋ３）、Ｒｉ−ＺＤＣ＞Ｋ４となる時にもセンサ異常とみなすようにしてもよい。この場合、警告灯を点灯させる、空燃比Ｆ／Ｂ制御を中断させる、ダイアグ情報をメモリに記憶する等の処理を実施する。
【０１２８】
（別の形態７）素子直流抵抗Ｒｉを検出する際、Ｖ−Ｉ特性上の負の印加電圧を印加すると共にそれに伴い流れる負の限界電流を計測し、これら各値から素子直流抵抗Ｒｉを検出してもよい。Ｖ−Ｉ特性上の負の印加電圧を印加することは、抵抗支配領域にて電圧を印加することを意味する。
【０１２９】
（別の形態８）上記各実施の形態では、コップ型Ａ／Ｆセンサへの適用例を開示したが、他のセンサへの適用も可能である。例えば固体電解質、電極、拡散抵抗層及びヒータを各々板状に成形し、これら各部材を積層して成る、いわゆる積層型Ａ／Ｆセンサに適用したり、排ガス（被検出ガス）中の複数のガス成分濃度を検出する、いわゆる複合型ガスセンサに適用したりしてもよい。複合型ガスセンサは概ね、被検出ガスを導入するための拡散抵抗部と、電圧印加に伴い拡散抵抗部内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セル（ポンプセル）と、同じく電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セル（センサセル）とを備える。前記第２セルでは、例えば排ガス中のＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等が検出される。これら各センサへの適用時にも、既述の通りセンサの個体差や経時変化に関係なく、常にガス濃度を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図。
【図２】Ａ／ＦセンサのＶ−Ｉ特性を示す図。
【図３】交流インピーダンスの検出手順を示すフローチャート。
【図４】素子直流抵抗の検出手順を示すフローチャート。
【図５】空燃比の検出手順を示すフローチャート。
【図６】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図７】インピーダンス検出時におけるセンサ電圧とセンサ電流との推移を示す波形図。
【図８】素子直流抵抗の検出時における設定電圧を説明するための図。
【図９】電流補正値ΔＩを設定するための関係図。
【図１０】電流補正値ΔＩによりセンサ出力が補正される様子を示す図。
【図１１】補正値ΔＺＤＣｔｇを設定するための関係図。
【図１２】第２の実施の形態において空燃比制御システムの概要を示す構成図。
【図１３】第２の実施の形態において素子直流抵抗の検出手順を示すフローチャート。
【図１４】回路瞬断時における電圧及び電流の変化を示す図。
【図１５】第３の実施の形態において空燃比の検出手順を示すフローチャート。
【図１６】電圧補正値ΔＶを設定するための関係図。
【図１７】電圧補正値ΔＶにより印加電圧が補正される様子を示す図。
【図１８】別の形態において電流補正値ΔＩａを設定するための関係図。
【図１９】素子直流抵抗、交流インピーダンス、素子温の関係を示す図。
【図２０】素子直流抵抗、交流インピーダンス、素子温の関係を示す図。
【図２１】素子直流抵抗、交流インピーダンス、素子温の関係を示す図。
【符号の説明】
２０…直流抵抗検出手段，センサ出力補正手段，印加電圧補正手段，インピーダンス検出手段，通電量補正手段を構成する空燃比検出用マイコン、３０…ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）、３０ａ…センサ素子部、３１…固体電解質、３３，３４…電極、３５…ヒータ。
Claims (13)
- 固体電解質と該固体電解質の相対向する面に各々設けられた電極とを有する素子部を備え、前記電極間に電圧が印加されるとそれに伴い被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた電流信号を出力するガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置において、
前記素子部における素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、
前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する直流抵抗換算手段と、
前記検出した素子直流抵抗と前記変換した直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出し、該算出した補正値を用いてガス濃度センサから出力される電流信号を補正するセンサ出力補正手段と
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。 - 前記センサ出力補正手段は、その時々のガス濃度に応じて前記補正値を算出する請求項１に記載のガス濃度検出装置。
- 固体電解質と該固体電解質の相対向する面に各々設けられた電極とを有する素子部を備え、前記電極間に電圧が印加されるとそれに伴い被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた電流信号を出力するガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置において、
前記素子部における素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、
前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換する直流抵抗換算手段と、
前記検出した素子直流抵抗と前記変換した直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出し、該算出した補正値を用いてガス濃度センサへの印加電圧を補正する印加電圧補正手段と
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。 - 前記印加電圧補正手段は、その時々のガス濃度に応じて前記補正値を算出する請求項３に記載のガス濃度検出装置。
- 固体電解質と該固体電解質の相対向する面に各々設けられた電極とを有する素子部と、電源電圧の通電により発熱して前記素子部を所定の活性温度に加熱するためのヒータとを備え、前記電極間に電圧が印加されるとそれに伴い被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた電流信号を出力するガス濃度センサを用い、前記ヒータの通電量を制御するガス濃度検出装置において、
前記素子部の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記素子部の素子直流抵抗を検出する直流抵抗検出手段と、
前記検出した交流インピーダンスに基づき決定されるヒータの通電量を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正する通電量補正手段と
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。 - 前記検出した交流インピーダンスを直流抵抗換算値に変換するガス濃度検出装置において、
前記通電量補正手段は、前記素子直流抵抗と前記直流抵抗換算値との差に応じた補正値を算出する手段と、該算出した補正値を用いて前記設定したヒータの通電量を補正する手段とを備える請求項５に記載のガス濃度検出装置。 - 請求項５又は６に記載のガス濃度検出装置において、
ガス濃度センサから出力される電流信号を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正するセンサ出力補正手段を更に備えるガス濃度検出装置。 - 請求項５又は６に記載のガス濃度検出装置において、
ガス濃度センサへの印加電圧を、前記検出した素子直流抵抗に応じて補正する印加電圧補正手段を更に備えるガス濃度検出装置。 - 素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が大きいほど、前記補正値を増大させる請求項１〜８の何れか一項に記載のガス濃度検出装置。
- 素子直流抵抗と直流抵抗換算値との差が所定の許容値を超える時、ガス濃度センサの異常と判断する請求項１〜８の何れか一項に記載のガス濃度検出装置。
- 前記直流抵抗検出手段は、ガス濃度センサのＶ−Ｉ座標上の抵抗支配領域にて電圧を印加し、その時の印加電圧とセンサ出力とから素子直流抵抗を算出する請求項１〜１０の何れか一項に記載のガス濃度検出装置。
- 前記直流抵抗検出手段は、ガス濃度センサに電圧を印加するための回路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧変化と電流変化との比から素子直流抵抗を検出する請求項１〜１０の何れか一項に記載のガス濃度検出装置。
- 前記直流抵抗検出手段は、ガス濃度検出が中断できるような所定の実施条件が成立した場合にのみ、素子直流抵抗の検出を許可する請求項１〜１２の何れか一項に記載のガス濃度検出装置。
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