JP4662207B2 - 空燃比検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関等の燃焼機器から排出される排気ガスの空燃比を広域に渡って検出する空燃比検出装置に関するものである。特に、空燃比検出装置の起動後、精密かつ速やかな空燃比フィードバック制御を燃焼機器に対して促すことが可能な空燃比検出装置に関する。

内燃機関の空燃比制御を行うために、内燃機関から排出される排気ガス中の空燃比を検出するためのガスセンサを備えた空燃比検出装置が具体化されている。このようなガスセンサには、一般に、排気ガス中の酸素濃度（空燃比のリッチ、リーン）に対応して２値的なセンシング出力を発するもの（λセンサ）と、酸素濃度（空燃比）の広い範囲に渡ってリニアリティを保ってセンシング出力を発するもの（全領域空燃比センサ、リニア空燃比センサ等と呼ばれるものであり、以下、単に「リニアセンサ」ともいう）とが知られている。そして、近年では、有害ガス排出量を低減する排ガス規制の強化に対処するため、内燃機関に送り込まれる混合気の空燃比を広範囲に制御することが求められており、λセンサに代えてリニアセンサを用い、このセンサからの出力に基づいて空燃比フィードバック制御を行う手法が具体化されている。

ところで、上述したいずれのタイプのガスセンサにおいても、固体電解質体の両面に一対の電極を設けてセルをなす構造が主として採用されており、固体電解質体の両面に晒される雰囲気の酸素濃度が異なることで起電力が発生したり、電極間に電流を流すと固体電解質体を介して酸素イオンが移動したりする現象を利用して、酸素濃度（空燃比）の検出がなされている。この現象は、固体電解質体が一定温度以上に加熱され、いわゆる活性状態になっていなければ発生しない。そのため、空燃比検出装置では、内燃機関の始動後、ガスセンサからの出力に基づく空燃比フィードバック制御をいち早く行う目的で、ガスセンサを加熱するためのヒータを設置して、ガスセンサの早期活性化を図ることが検討されている。

しかし、近年実用化されているリニアセンサは、セルが十分に活性状態に達してリニアセンサとして安定した出力が発せられるまで、ヒータによる加熱を伴わせた場合でも、十秒〜数十秒という長い時間を要する。そこで、このようなリニアセンサを用いる空燃比検出装置を前提にし、内燃機関の始動後いち早く空燃比フィードバック制御を促す技術として、特許文献１及び２の空燃比検出装置が提案されている。

この特許文献１及び２には、内燃機関の始動後にリニアセンサが空燃比に対応してリニアなセンシング出力を発する本活性状態（完全活性状態）に達する前段階にて、センサ出力に基づき空燃比がリッチかリーンかだけは判別できる半活性状態に達したか否かを判定する技術が示されている。そして、リニアセンサを構成するセルが半活性状態に達したと判定されたときのセンシング出力に基づき、空燃比のリッチ、リーンを判定する旨が示されている。
特開平９−１７０９９７号公報 特開２００４−６９５４７号公報

ところで、広域に空燃比（酸素濃度）を検出できるリニアセンサとして、特許文献２に示された１セルタイプの限界電流式センサの他に、ポンプセルと酸素濃度測定セルを積層してなる積層型ガスセンサが知られている。この積層型ガスセンサは、より詳細には、固体電解質層を一対の電極で挟んでなるポンプセルと酸素濃度測定セルとを、各セルの一方の電極が拡散律速部を介して排気ガスを導入可能な中空の測定ガス室に面するようにして一体的に積層させることにより構成されている。

ここで、このような複数のセルから構成されるリニアセンサにおいても、内燃機関の始動後いち早く空燃比フィードバック制御を開始させる目的で、本活性状態に達する前段階にセンサ側から得られる出力を用いて、空燃比がリッチかリーンかを判別する技術が検討されている。なお、その具体例として、本願出願時点で未公開の先行出願（特願２００５−２６４８７９）に、複数のセルを有するガスセンサ（リニアセンサ）が本活性状態に達する前段階において、ガスセンサが半活性状態に達したか否かを判定し、半活性状態に達したと判定された後、１つのセル（例えば、酸素濃度測定セル）の電極間に発生する電圧に基づいて空燃比がリッチかリーンかを検出するセンサ制御装置が提案されている。

しかしながら、本発明者らが検討を重ねた結果、複数のセルを有するガスセンサが半活性状態に達した後において、酸素濃度測定セルの電極間に発生する電圧の変化は実際の空燃比変動に対して遅れ気味の挙動を示し、センシング出力の応答性が良好とは言い難いことが分かった。これは、測定ガス室に導入される排気ガスは拡散律速部を通過する必要があるため、測定ガス室のガス置換が拡散律速部の存在により緩慢になることに要因があると考えられる。このため、先行出願に記載されたセンサ制御装置では、同装置の起動後、ガスセンサが本活性状態になる前段階より空燃比フィードバック制御を内燃機関に対し促せるものの、今後の更なる排ガス規制の強化を考慮してより精密な空燃比フィードバック制御を実行するには、ガスセンサの半活性状態到達後に発せられるセンシング出力の空燃比変動に対する応答性向上が必要となる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ポンプセルと酸素濃度測定セルとを、各セルの一方の電極が拡散律速部を介して排気ガスを導入可能な測定ガス室に面するように積層したガスセンサが本活性状態に達する前段階にて、空燃比変動に対する応答性が良好なセンシング出力を取得することができる空燃比検出装置を提供することを目的にする。

その解決手段は、第１固体電解質層を外側ポンプ電極及び内側ポンプ電極にて挟んだポンプセルと第２固体電解質層を測定電極及び基準電極にて挟んだ酸素濃度測定セルとを、前記内側ポンプ電極及び前記測定電極が拡散律速部を介して排気ガスを導入可能な中空の測定ガス室に面するように一体的に積層してなり、前記内側ポンプ電極と前記測定電極とを同電位に接続してなるガスセンサを備え、前記ガスセンサが本活性状態のときに、前記酸素濃度測定セルの前記測定電極と基準電極との間に発生する電圧が一定値となるように前記ポンプセルに電流を流して前記測定ガス室への酸素の出し入れを制御すると共に、該ポンプセルに流れる前記電流の値に基づき排気ガスの空燃比を広域にわたって検出する空燃比検出装置であって、当該空燃比検出装置の起動後、前記ガスセンサが前記本活性状態に達する前段階において、前記ポンプセルの前記外側ポンプ電極と前記酸素濃度測定セルの前記基準電極との電位差を検出値として取得する検出値取得手段と、前記検出値取得手段にて取得された前記検出値と所定の空燃比しきい値とを比較して、排気ガスの空燃比がリッチかリーンか検出するリッチ／リーン検出手段と、を備える空燃比検出装置である。

上記構成のガスセンサは本活性状態に達する前段階でも、ある温度以上に加熱されれば、ポンプセルの一対の電極間及び酸素濃度測定セルの一対の電極間に、各セルの両面の酸素濃度差に対応した起電力（電圧）が発生する。
このとき、本発明の空燃比検出装置では、ポンプセルの内側ポンプ電極及び酸素濃度測定セルの測定電極は、共に測定ガス室に面している関係から同じ雰囲気に晒され、さらに内側ポンプ電極と測定電極とが同電位に接続されているので、ポンプセルの外側ポンプ電極と酸素濃度測定セルの基準電極との間の電位差を測定することで、外側ポンプ電極と基準電極との酸素濃度差に対応した電位（電圧）を得ることができる。

ここで、外側ポンプ電極は、拡散律速部を介して排気ガスが導入される測定ガス室に面しない側に位置しているため、センサ外部の排気ガスは測定ガス室内に面する電極よりも外側ポンプ電極に到達し易い。なお、外側ポンプ電極上に電極の被毒を対策として多孔質状の電極保護層を設ける構成が採用されることもあるが、本発明ではガスセンサの本活性状態時に測定ガス室の酸素の出し入れを行う構成上、電極保護層のガス流通性は拡散律速部のそれよりも高く設定されることから、電極保護層が設けられる場合であっても、排気ガスは測定ガス室に面する電極より外側ポンプ電極に到達し易い。
それより、外側ポンプ電極と基準電極との間の電位差の方が、酸素濃度測定セルの電極間に発生する電圧よりも空燃比変動（雰囲気変動）を感知し易く、本発明では上記電位差を取得するようにしたので、空燃比変動に対して高応答のセンシング出力が得られる。そして、ポンプセルの外側ポンプ電極と酸素濃度測定セルの基準電極との電位差を検出値として取得し、この検出値を用いて排気ガスの空燃比がリッチかリーンか検出することで、空燃比がリッチかリーンかの検出を精度良く行うことができる。

従って、本発明の空燃比検出装置によれば、ガスセンサが本活性状態に達する前段階において、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかの検出を精度良く行え、ひいてはガスセンサの本活性状態の前段階に精度の良い空燃比フィードバック制御を促すことが可能となる。

ところで、検出値取得手段により、ポンプセルの外側ポンプ電極と酸素濃度測定セルの基準電極との電位差を検出値として取得するにあたっては、ガスセンサ（換言すれば、ポンプセル及び酸素濃度測定セル）がある温度以上に加熱されて両セルの電極間にて起電力が発生している必要がある。そのため、空燃比検出装置の起動後予め設定した一定時間が経過した後、各セルが活性したとみなして検出値取得手段にて検出値を取得するようにすればよい。しかし、ガスセンサは晒される環境によって活性に向かう速さが異なり、またヒータを用いてガスセンサを加熱する構成が採用される場合でもヒータ電圧供給電源の電圧変動の影響によって、活性に向かう速さがまちまちとなることがある。

そこで、上記の空燃比検出装置であって、当該空燃比検出装置の起動後、前記ガスセンサの活性状態が、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを前記検出値の変動により検出可能な半活性状態に達したか否かを判定する半活性判定手段を備え、前記検出値取得手段は、前記半活性判定手段にて前記ガスセンサが半活性状態に達したと判定された後に、前記検出値の取得を開始するように構成されている空燃比検出装置とすると良い。

本発明の空燃比検出装置によれば、上記半活性判定手段によってガスセンサが半活性状態に達したと判定されてから、検出値取得手段による検出値の取得を開始するようにしている。即ち、半活性判定手段により、ポンプセル及び酸素濃度測定セルがある温度以上に加熱されて両セルの電極間に酸素濃度差に対応した起電力が発生するレベルの活性状態に達したことが判定された後に、検出値の取得が開始されることから、リッチ／リーン検出手段による検出値を用いた検出精度を確実なものにすることができる。

なお、ガスセンサが半活性状態に達したか否かを判定する半活性判定手段としては、ガスセンサにヒータを付設させてこのヒータを空燃比検出装置の起動とほぼ同期して加熱させると共に、ヒータの積算電力量を算出し、この積算電力量が予め設定した基準積算量に達したときに、半活性状態に達したと判定する手法を採用することができる。しかし、ガスセンサが半活性状態に達したか否かを精度良く判定するには、ガスセンサから得られる出力を直接用いて検出することが望ましい。
そこで、本発明の空燃比検出装置は、前記酸素濃度測定セルに一定値の定電流を流すことが可能な電流源と、前記定電流の通電を所定周期でオン、オフさせる定電流通電制御部と、前記酸素濃度測定セルの前記測定電極と前記基準電極との間に発生する電圧を、前記定電流通電制御部のオンのとき及びオフのときそれぞれにおいて検出する電圧検出手段と、前記電圧検出部にて検出された前記定電流通電制御部がオンのときとオフのときの両電圧の差分である差電圧を検出する差電圧検出手段と、を備えており、前記半活性判定手段は、前記差電圧検出手段にて検出された前記差電圧と予め設定された電圧判定しきい値とを比較し、前記差電圧が前記電圧判定しきい値を下回ったときに、前記ガスセンサが半活性状態に達したと判定するように構成されていると良い。

本発明の空燃比検出装置では、電流源がオンのときとオフのときに検出される酸素濃度測定セルの電極間電圧の差分である差電圧を検出し、この差電圧を予め設定した電圧判定しきい値と比較してガスセンサが半活性状態に達した否かを判定している。このように、ガスセンサ（詳細には、酸素濃度測定セル）からの出力を直接検出して、ガスセンサが半活性状態に達したか否かを判定することにより、ガスセンサが非活性状態から本活性状態に遷移する間の半活性状態を精度良く検出することができる。

また、上記の空燃比検出装置であって、前記ガスセンサのうち、前記酸素濃度測定セルの前記基準電極が設けられる側には、当該基準電極を外部に対して閉塞する閉塞層が積層されており、前記測定ガス室の酸素を当該基準電極に汲み込む方向に前記電流源より前記定電流を前記酸素濃度測定セルに流し、前記閉塞層により閉塞された前記基準電極を内部酸素基準源として機能させる基準源生成電流制御部をさらに備える空燃比検出装置とすると良い。

本発明の空燃比検出装置によれば、酸素濃度測定セルの基準電極に所定濃度の酸素を蓄積させて内部酸素基準源として機能させることを目的にして、酸素濃度測定セルに定電流を流すための電流源と、ガスセンサの半活性状態を判定することを目的にして、酸素濃度測定セルに定電流を流すための電流源とを兼用させている。これにより、電流源を複数設けることなく、ガスセンサの駆動とこのセンサの半活性状態の有無を判定することができ、空燃比検出装置の低コスト化を図ることができる。

また、上述した空燃比検出装置であって、前記ポンプセルまたは前記酸素濃度測定セルの内部抵抗値を検出する素子抵抗検出手段と、前記素子抵抗検出手段にて検出された内部抵抗値が予め設定された抵抗判定しきい値を下回ったときに、前記ガスセンサが前記本活性状態に達したと判定する本活性状態判定手段とを備える空燃比検出装置とすると良い。
このように、ポンプセルまたは酸素濃度測定セルの内部抵抗値を検出し、この内部抵抗値を用いてガスセンサが本活性状態に達したか否かを判定することで、ガスセンサが本活性状態に達したか否かを精度良く判定することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４とを有する２セルタイプの全領域空燃比センサ１０を備えた空燃比検出装置１の回路・ブロック図である。
ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比検出装置１は、図１に示すように、全領域空燃比センサ１０と、この全領域空燃比センサ１０を駆動制御すると共に空燃比に応じた出力信号を出力するセンサ制御回路２０と、出力信号に基づいて空燃比を検出し、内燃機関の制御（具体的には、燃料の噴射量制御）を行うマイクロコンピュータ（以下、単にマイコンともいう）３０と、を含んでいる。センサ制御回路２０のＩｐ＋１、ＣＯＭ１、Ｖｓ＋１の各端子は、それぞれ全領域空燃比センサ１０に接続されている。なお、センサ制御回路２０の上記した端子の全領域空燃比センサ１０への接続先については、後述する。また、センサ制御回路２０のＣＡ、ＣＢ、ＣＣ、ＣＩ、ＣＵの各端子は、それぞれマイコン３０のＣＥ、ＣＧ、ＣＦ、ＣＴ、ＣＶの各端子に接続されている。

全領域空燃比センサ１０は、図２に示すように、第１固体電解質層１５を外側ポンプ電極１２及び内側ポンプ電極１６にて挟んだポンプセル１４と、第２固体電解質層１３を測定電極２２及び基準電極２８にて挟んだ酸素濃度測定セル２４と、このポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間に設けられ、排気ガスが導入される中空の測定ガス室２１と、排気ガスを測定ガス室２１に導入するための多孔質状の拡散律速層１８と、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８側に絶縁層２６を介して積層され、酸素濃度測定セル２４との間で酸素を溜め込む酸素基準室３２を形成するための遮蔽層３１とを有する。また、ポンプセル１４の外側には、外側ポンプ電極１２の被毒を防止する目的で、多孔質状の電極保護層３４が設けられている。なお、この電極保護層３４は、拡散律速層１８よりもガス流通性が良好となるように気孔率及び厚みが適宜調整されている。

ポンプセル１４の内側ポンプ電極１６及び酸素濃度測定セル２４の測定電極２２は、測定ガス室２１に面するように配置されている。また、第１固体電解質層１５、第２固体電解質層１３及び遮蔽層３１は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主体に形成され、外側ポンプ電極１２、内側ポンプ電極１６、測定電極２２、基準電極２８は、白金を主体に形成されている。さらに、測定ガス室２１は、ポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４との間に配置されるアルミナを主体とする絶縁層（図示せず）の一部を中空に形成することにより構成され、さらにその中空部分と外部空間とが連通するように絶縁層の一部を切り欠き、この切り欠き部分にアルミナを主体とする拡散律速層１８を設けている。

ポンプセル１４の内側ポンプ電極１６と、酸素濃度測定セル２４の測定電極２２とは、互いに導通されると共に、全領域空燃比センサ１０の出力端子ＣＯＭに接続されている。つまり、内側ポンプ電極１６と測定電極２２とは同電位に接続されてなる。そして、この出力端子ＣＯＭは、センサ制御回路２０の端子ＣＯＭ１に接続されている（図１参照）。なお、図１に示すように、内側ポンプ電極１６及び測定電極２２は、端子ＣＯＭ１以外に共通配線を介して、センサ制御回路２０の端子Ｖｃにも接続されている。また、ポンプセル１４の外側ポンプ電極１２は、全領域空燃比センサ１０の出力端子Ｉｐ＋に接続され、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８は、全領域空燃比センサ１０の出力端子Ｖｓ＋に接続されている。そして、それぞれの出力端子Ｉｐ＋、Ｖｓ＋は、センサ制御回路２０の端子Ｉｐ＋１、Ｖｓ＋１にそれぞれ接続されている。

マイコン３０は、図１に示すように、第１Ａ／Ｄ変換回路５７、第２Ａ／Ｄ変換回路５８、第３Ａ／Ｄ変換回路５９、第４Ａ／Ｄ変換回路６３と、ＣＰＵ６０とを含んでいる。この各Ａ／Ｄ変換回路５７、５８、５９、６３は、それぞれマイコン３０の端子ＣＥ、ＣＧ、ＣＦ、ＣＶを介してセンサ制御回路２０からの出力信号を取り込んでデジタル値に変換し、これをＣＰＵ６０に出力する。ＣＰＵ６０は、デジタル化されたセンサ制御回路２０の出力信号に基づき、空燃比ないし酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値等を算出する。また、マイコン３０（具体的には、ＣＰＵ６０）は、後述するように、センサ制御回路２０に含まれるスイッチＳＷ１〜ＳＷ６のオン、オフを制御するための切替え信号を、端子ＣＴを介してセンサ制御回路２０の端子ＣＩに出力する機能も有する。

次に、図１に基づいて、センサ制御回路２０の構成と動作について説明する。なお、このセンサ制御回路２０の大部分は、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）で実現されている。

センサ制御回路２０は、ポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流すためのオペアンプ５２、ポンプ電流Ｉｐの制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路５１、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８の酸素濃度（換言すれば、酸素基準室３２の酸素濃度）を一定に保つために、酸素濃度測定セル２４に微小電流Ｉｃｐを通電するための第１電流源４１、ポンプ電流Ｉｐを制御する制御目標となる電圧を供給する定電圧源６１、一端が端子Ｖｃに接続される一方、他端が端子Ｐｏｕｔに接続されて、ポンプセル１４を流れるポンプ電流Ｉｐを電圧に変換するための検出抵抗５０を含んでいる。また、このセンサ制御回路２０は、端子Ｉｐ＋１の電位と端子Ｖｓ＋１の電位との差分である差電圧を所定の増幅率で増幅して、ガス検出信号Ｖｉｃとして出力する第１差動増幅回路５３、検出抵抗５０の両端電圧（即ち、端子Ｖｃの電位と端子Ｐｏｕｔの電位との差分）を所定の増幅率で増幅して、ガス検出信号Ｖｉｐとして出力する第２差動増幅回路５４を含んでいる。さらに、端子Ｖｓ＋１の電位と端子Ｖｃの電位との差分である差電圧を所定の増幅率で増幅して、酸素濃度測定セル２４の電極間に発生する電圧Ｖｓを出力する第４差動増幅回路７１を含んでいる。なお、第１差動増幅回路５３、第２差動増幅回路５４、第４差動増幅回路７１は、オペアンプと抵抗器から構成される公知の回路構成であるため、図１ではブロック図として表示している。

第１電流源４１、スイッチＳＷ４、酸素濃度測定セル２４、抵抗器６２は、この順に接続されて、スイッチＳＷ４がオンのときに、酸素濃度測定セル２４に一定の電流値（例えば、１６μＡ）の微小電流Ｉｃｐを流す電流路を構成している。酸素濃度測定セル２４に対して、測定ガス室２１の酸素を基準電極２８側に汲み込む方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室３２は内部酸素基準源として機能することになる。

ＰＩＤ制御回路５１は、その制御特性を決める複数の抵抗器やコンデンサ、オペアンプ等から構成される公知の回路構成を有している。そして、ＰＩＤ制御回路５１の一端側（入力側）は、第１バッファ４２、スイッチＳＷ３、抵抗器４３、４５、第２バッファ４６、抵抗器４７、４８とオペアンプ６９から構成される差動増幅回路を介して端子Ｖｓ＋１に接続されている。また、ＰＩＤ制御回路５１の他端側（出力側）は、スイッチＳＷ１を介して端子Ｐｏｕｔに接続されている。なお、ＰＩＤ制御回路５１の前段に配置されて差動増幅回路を構成するオペアンプ６９の反転入力端子は、抵抗器４７と抵抗器４９との接続点に接続され、非反転入力端子は、端子Ｖｃに図示しない抵抗器を介して接続されている。また、定電圧源６１は、ポンプ電流を制御する制御目標となる電圧（４５０ｍＶ）を、第３バッファ６５、抵抗器４９を介してオペアンプ６９の反転入力端子に供給する。さらに、オペアンプ５２は、反転入力端子にＰＩＤ制御回路５１の出力側が検出抵抗５０を介して接続され、非反転入力端子には基準電圧３．６Ｖが印加され、また出力端子はスイッチＳＷ２を介して端子Ｉｐ＋１に接続されている。

そして、このセンサ制御回路２０における、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達している場合の酸素濃度（空燃比）を広域に測定する動作について説明する。
全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達しているとき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４はオンとされ、第１電流源４１より酸素濃度測定セル２４に微小電流Ｉｃｐが流される。そして、ＰＩＤ制御回路５１では、オペアンプ６９の出力端子からの出力が入力され、酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさがＰＩＤ制御される。具体的には、ＰＩＤ制御回路５１にて制御目標電圧４５０ｍＶと酸素濃度測定セルの両端に発生する電圧Ｖｓとの偏差量ΔＶｓがＰＩＤ演算され、この偏差量ΔＶｓが検出抵抗５０を介してオペアンプ５２にフィードバックされることにより、ポンプセル１４の電極間にポンプ電流Ｉｐが流れ、測定ガス室２１（図２参照）の酸素の汲み入れないし汲み出しが行われる。

このとき、ポンプ電流Ｉｐの電流値及び電流の流れ方向は、排気ガスの空燃比（酸素濃度）に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐに基づいて、排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出することができる。なお、このポンプ電流Ｉｐの出力特性は、排気ガスの空燃比（酸素濃度）にほぼ比例する特性を有する。具体的には、検出抵抗５０が、ポンプ電流Ｉｐが流れる電流路内に配置されていることから、その両端にはポンプ電流Ｉｐの大きさに応じた検知電圧が発生する。そこで、検出抵抗５０の両端それぞれの電位（具体的には、端子Ｖｃの電位と端子Ｐｏｕｔの電位）を第２差動増幅回路５４にて差動増幅し、ガス検出信号Ｖｉｐとして端子ＣＢを介してマイコン３０に出力される。そして、センサ制御回路２０の端子ＣＢより出力されたガス検出信号Ｖｉｐは、マイコン３０の端子ＣＧに入力され、第２Ａ／Ｄ変換回路５８にてデジタル値に変換されてＣＰＵ６０によって処理されて空燃比が検出される。ＣＰＵ６０にて検出された空燃比は、燃料噴射量にフィードバックされ、空燃比フィードバック制御がなされる。

以上の説明は、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達しているとき、すなわち通常の場合についてである。実際には、全領域空燃比センサ１０が十分に加熱された状態にならないと、ガス検知信号Ｖｉｐを用いた上記の空燃比フィードバック制御を行うことはできない。そこで、本実施の形態の空燃比検出装置１では、このような空燃比フィードバック制御の不可状態を補完することを目的として、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達する前段階にて、排気ガスの空燃比が理論空燃比を中心にしてリッチかリーンかを検出することができる処理系が備えられている。このように全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達する前段階に、排気ガスがリッチかリーンかの情報を取得しつつこの情報を空燃比フィードバック制御に用いれば、内燃機関の始動後速やかな空燃比フィードバック制御が実現できる。なお、本実施の形態において、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを検出するには、センサ制御回路２０に設けられた第１差動増幅回路５３より出力される、端子Ｖｓ＋１の電位と端子Ｉｐ＋１の電位との差分を所定の増幅率にて増幅したガス検知信号Ｖｉｃを用いて行うものであるが、その詳細については後述する。

また、本実施の形態の空燃比検出装置１では、酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値を測定する処理系についても有している。
図１に示すように、センサ制御回路２０では、第２バッファ４６が、スイッチＳＷ３、コンデンサ４４と共にサンプルホールド回路を構成している。このサンプルホールド回路は、スイッチＳＷ４がオンとされて酸素濃度測定セル２４に微小電流Ｉｃｐが流れている状況下で、スイッチＳＷ３がオンからオフに切替えられることで、酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値測定のための電流通電直前の酸素濃度測定セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓを保持する役割を果たす。

スイッチＳＷ３がオンからオフに切替えられると、スイッチＳＷ５、ＳＷ６がオフからオンに切替えられ、第２電流源６４、第３電流源７３より酸素濃度測定セル２４に一定の電流値の抵抗値測定用電流が通電される。そして、第３差動増幅回路５５より、第２バッファ４６に保持されているホールド値ＶＳＨ（抵抗値測定用電流を通電する直前の酸素濃度測定セル２４の電圧Ｖｓ）と、酸素濃度測定セル２４に抵抗値測定用電流を通電した際の電位Ｖｓ＋Ｂとの差分を所定の増幅率にて増幅した電圧が出力される。この電圧値は、酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値（バルク抵抗値）に比例することから、抵抗値信号Ｖｒｐｖｓとして利用可能となる。そして、第３差動増幅回路５５から出力される電圧は、信号ホールド回路５６に出力される。なお、第３差動増幅回路５５は、オペアンプと抵抗器から構成される公知の回路構成であるため、図１ではブロック図として表示している。

信号ホールド回路５６は、コンデンサやスイッチを含む公知の回路構成を有するものであり、信号ホールド回路５６に備えられるスイッチがオフからオンに切替わると、第３差動増幅回路５５から出力される電圧のピークホールドを開始するよう構成されている。そして、信号ホールド回路５６は、そのスイッチがオンされてから所定時間経過後にオフ状態とされることで、第３差動増幅回路５５から出力される電圧のピーク値を抵抗値信号Ｖｒとして保持すると共に、保持している抵抗値信号Ｖｒを端子ＣＣに出力する。

そして、端子ＣＣから出力される抵抗値信号Ｖｒは、マイコン３０の端子ＣＦを介して第３Ａ／Ｄ変換回路５９に入力されてデジタル値に変換され、ＣＰＵ６０によって処理されて酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値が検出され、予め設定された抵抗判定しきい値と検出した内部抵抗値を比較して、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達したか否かの判定が実施される。このマイコン３０内での処理についての詳細は、後述する。

ついで、本実施の形態に係る空燃比検出装置１において、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達する前段階に排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを検出する方法、および全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達したか否かを判定する方法の具体的な手順について、図３及び図４を参照して説明する。なお、図３及び図４には、空燃比検出装置１を構成するマイコン３０のＣＰＵ６０内でのソフトウェア的な処理のフローを示すものである。また、このマイコン３０による処理は、内燃機関がキーオンされると同時にその起動を開始する。

図３に示すように、まず、Ｓ１（Ｓはステップを表し、以下も同様とする）では、スイッチＳＷ４をオン状態に設定すると共に、他のスイッチＳＷ１〜ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６及び信号ホールド回路５６のスイッチをオフ状態に設定する切替え信号を、端子ＣＴを介してセンサ制御回路２０の端子ＣＩに出力する。これにより、第１電流源４１の微小電流Ｉｃｐが酸素濃度測定セル２４に通電される。そして、Ｓ２において、第４差動増幅回路７１及び端子ＣＵから出力される電位（即ち、酸素濃度測定セル２４の両電極間に発生する電圧Ｖｓ）を取得する。具体的には、マイコン３０内において端子ＣＶを介して入力された電圧が第４Ａ／Ｄ変換回路６３によりデジタル値に変換されて取り込まれる。さらに、このＳ２では、デジタル値に変換された電圧Ｖｓがメモリ（図１では図示せず）に保持させる。

ついで、所定時間経過（上記説明したデューティ比５０％の１０Ｈｚの切替えでは５０ｍｓｅｃ経過）により、スイッチＳＷ４をオフ状態に設定する。そして、Ｓ４に進み、上記したＳ２と同様に、第４差動増幅回路７１及び端子ＣＵを介して出力される電圧Ｖｓ（即ち、酸素濃度測定セル２４の両電極間に発生する電圧Ｖｓ）を取得する。さらに、Ｓ５にて、上記のＳ２にて保持された電圧ＶｓとＳ４にて検出された電圧Ｖｓとの差電圧ΔＶが算出される。

そして、Ｓ６に進み、Ｓ５にて算出された差電圧ΔＶと予め設定された電圧判定しきい値ＴＨ１とを比較する。Ｓ６にて、差電圧ΔＶが電圧判定しきい値ＴＨ１を下回っていないと判定されればＳ７に進み、Ｓ７にて所定時間（５０ｍｓｅｃ）経過後に再びスイッチＳＷ４をオン状態に切替え、微小電流Ｉｃｐを酸素濃度測定セル２４に流す。そして、Ｓ２以下の処理を繰り返す。

一方、Ｓ６にて、差電圧ΔＶが電圧判定しきい値ＴＨ１を下回ったと判定されると、全領域空燃比センサ１０の活性状態が、第１差動増幅回路５３より出力されるガス検知信号Ｖｉｃの変動に基づき排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを検出可能な半活性状態に達したと判定して、Ｓ８に進む。Ｓ８では、スイッチＳＷ４をオン状態に設定して酸素濃度測定セル２４への微小電流Ｉｃｐの通電を行うと共に、スイッチＳＷ３をオン状態に設定する。

ついで、Ｓ９において、第１差動増幅回路５３より出力されるガス検知信号Ｖｉｃ、即ち端子Ｉｐ＋１の電位（即ち、ポンプセル１４の外側ポンプ電極１２の電位）と端子Ｖｓ＋１の電位（即ち、酸素濃度測定セル２４の基準電極２８の電位）の差分を所定の増幅率にて増幅した電圧を取得する。具体的には、マイコン３０内において端子ＣＥを介して入力された電圧が第１Ａ／Ｄ変換回路５７によりデジタル値に変換されて取り込まれる。

そして、Ｓ１０に進み、取得したガス検知信号Ｖｉｃと理論空燃比に対応して設定された空燃比しきい値ＴＨ２とを比較する。Ｓ１０にて、ガス検知信号Ｖｉｃが空燃比しきい値ＴＨ２を下回っていると判定されると、Ｓ１１に進み、“空燃比はリーンである”と判定する。一方、Ｓ１０にて、ガス検知信号Ｖｉｃが空燃比しきい値ＴＨ２を下回っていないと判定されると、Ｓ１２に進み、“空燃比はリッチである”と判定する。

ついで、Ｓ１３に進み、次段の処理Ｓ１４にあるタイマーが計測を開始しているか否かを判定する。そして、Ｓ１３にて、タイマーの数値が０であって計測が開始されていないと判定されると、Ｓ１４にてタイマーによる計測を開始させ、Ｓ１５に進む。一方、Ｓ１３にて、タイマーによる計測が既に開始されていると判定されると、Ｓ１５に進む。Ｓ１５では、タイマーが酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値を測定する測定時間ＴＴ（例えば、タイマー開始後１００ｍｓｅｃ）を経過したか否かを判定し、経過していなければＳ９に戻り、Ｓ１５にて肯定判定されるまでＳ９以降の処理を繰り返す。そして、Ｓ１５にてタイマーが測定時間ＴＴを経過したと判定されると、図４に示すようにＳ１６に進み、スイッチＳＷ３をオンからオフ状態に切替えると共に、信号ホールド回路５６のスイッチ（図１では図示せず）をオフからオン状態に切替える。ついで、Ｓ１７にてスイッチＳＷ５、ＳＷ６をオフからオン状態に切替え、第２電流源６４及び第３電流源７３より酸素濃度測定セル２４に一定値の抵抗値測定用電流を通電し、Ｓ１８に進む。

Ｓ１８では、スイッチＳＷ５、ＳＷ６がオン状態に切替えられてから第１所定時間（例えば、６０μｓｅｃ）が経過した否かを判定し、経過していなければ同処理を繰り返す。そして、Ｓ１８にて所定時間が経過したと判定されると、Ｓ１９にて信号ホールド回路５６のスイッチがオンからオフ状態に切替える。これにより、当該時点での第３差動増幅回路より出力される電圧（第２バッファ４６に保持されているホールド値ＶＳＨと、酸素濃度測定セル２４に抵抗値測定用電流を通電した際の電位Ｖｓ＋Ｂとの差分を所定の増幅率にて増幅した電圧）のピーク値が、信号ホールド回路５６にて保持される。

ついで、Ｓ２０にて、スイッチＳＷ５、ＳＷ６がオン状態に切替えられてから第２所定時間（例えば、１００μｓｅｃ）が経過した否かを判定し、経過していなければ同処理を繰り返す。そして、Ｓ２０にて所定時間が経過したと判定されると、Ｓ２１にてスイッチＳＷ５、ＳＷ６をオンからオフ状態に切替えて、Ｓ２２に進む。Ｓ２２では、信号ホールド回路５６より出力される抵抗値信号Ｖｒを取得し、取得した抵抗値信号Ｖｒの電圧値と第２電流源６４及び第３電流源７３によって通電される電流値とに基づき、酸素濃度測定セル２４の内部抵抗値Ｒｐｖｓを算出する。その後、Ｓ２３に進み、スイッチＳＷ３をオフからオン状態に切替える。

ついで、Ｓ２４に進み、Ｓ２２にて検出された内部抵抗値Ｒｐｖｓと予め設定された抵抗判定しきい値ＴＨ３（例えば、２２０Ω）とを比較する。Ｓ２４にて、内部抵抗値Ｒｐｖｓが抵抗判定しきい値ＴＨ３を下回っていると判定されると、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達したと判定されてＳ２５に進む。一方、Ｓ２３にて、内部抵抗値Ｒｐｖｓが抵抗判定しきい値ＴＨ３を下回っていないと判定された場合には、Ｓ２６に進んで、タイマーの計測時間をリセットして数値を０に設定し、再びＳ１３（図３参照）に戻る。

なお、Ｓ２５に進むと、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフからオン状態に切替える等の上述に説明した全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達しているときの通常の動作を開始する。これにより、以降はセンサ制御回路２０の第２差動増幅回路５４から出力されるガス検知信号Ｖｉｐに基づいて、空燃比（酸素濃度）が広域にわたって検出され、この検出された空燃比に基づき適宜の空燃比フィードバック制御が実施される。なお、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達した場合の処理は上述にて詳述したので、本フローにおいての説明は省略する。そして、このＳ２５は、内燃機関がキーオフされる（換言すれば、当該空燃比検出装置１の起動が止まる）まで繰り返し実行される。

なお、本実施の形態の空燃比検出装置１では、第１差動増幅回路５３及び第１Ａ／Ｄ変換回路５７、ＣＰＵ６０内でのＳ９の処理が特許請求の範囲に記載された検出値取得手段に相当し、ＣＰＵ６０内でのＳ１０〜Ｓ１２の処理がリッチ／リーン検出手段に相当する。そして、ＣＰＵ６０内でのＳ１〜Ｓ７の処理が特許請求の範囲に記載された半活性判定手段に相当する。また、ＣＰＵ６０内でのＳ１、Ｓ３、Ｓ７の処理が特許請求の範囲に記載された定電流通電制御部に相当し、第４差動増幅回路７１及び第４Ａ／Ｄ変換回路６３、ＣＰＵ６０内でのＳ２、Ｓ４の処理が電圧検出手段に相当し、Ｓ５の処理が差電圧検出手段に相当する。さらに、ＣＰＵ６０内でのＳ８の処理が特許請求の範囲に記載された基準源生成電流制御部に相当し、第３差動増幅回路５５、信号ホールド回路５６、第３Ａ／Ｄ変換回路５９、ＣＰＵ６０内でのＳ１３〜Ｓ２３の処理が素子抵抗検出手段に相当し、Ｓ２４の処理が本活性状態判定手段に相当する。

以上に説明したように、空燃比検出装置１では、同装置１の起動後、全領域空燃比センサ１０の活性状態が、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかをガス検知信号Ｖｉｃの変動により検出可能な半活性状態に達したか否かを、差電圧ΔＶを用いて判定している。そして、全領域空燃比センサ１０が半活性状態に達したと判定された場合に、ガス検知信号Ｖｉｃと所定の空燃比しきい値ＴＨ２とを比較することによって、排気ガスの空燃比がリッチかリーンか検出している。これにより、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達する前段階であっても、空燃比フィードバック制御を実現することができる。

また、空燃比検出装置１では、全領域空燃比センサ１０の活性状態が上記半活性状態に達した後、ポンプセル１４の外側ポンプ電極１２と酸素濃度測定セル２４の基準電極２８との間の電位差を、第１差動増幅回路５３を介してガス検知信号Ｖｉｃとして取得している。ここで、外側ポンプ電極１２は、拡散律速層１８を介して排気ガスが導入される測定ガス室に面しておらず、且つ外側ポンプ電極１２上に電極保護層３４が設けられているものの拡散律速層１８よりも電極保護層３４の方が良好なガス流通性を有することから、排気ガスは拡散律速層２８を通過して測定ガス室２１に達するよりも外側ポンプ電極１２に達し易い。そのため、外側ポンプ電極１２と基準電極２８との間の電位差の方が、酸素濃度測定セル２４の電極間に発生する電圧よりも空燃比変動（雰囲気変動）を感知し易い。従って、空燃比検出装置１では、上記電位差を取得しているので、空燃比変動に対して高応答のセンシング出力が得られ、空燃比がリッチかリーンかの検出を精度良く行うことができる。

これらのことから、本実施の形態に係る空燃比検出装置１では、全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達する前段階より、精密な空燃比フィードバック制御を内燃機関に対して促すことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲内に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては、ポンプセル１４の外側ポンプ電極１２と酸素濃度測定セル２４の基準電極２８との間の電位差を検出するにあたって、第１差動増幅回路５３を用いたが、外側ポンプ電極１２の電位（端子Ｉｐ＋１の電位）、基準電極２８の電位（端子Ｖｓ＋１の電位）をそれぞれ個別にマイコン３０に出力し、マイコン３０のＣＰＵ６０にて、両電位の電位差を検出値として検出し、この検出値と空燃比しきい値ＴＨ２と比較するように構成しても良い。

また、上記実施形態では、全領域空燃比センサ１０の測定ガス室２１に排気ガスを律速させて導くために多孔質状の拡散律速層２８を設けたが、この代わりにポンプセル１４と酸素濃度測定セル２４との間に配置される絶縁層に小孔を設け、この小孔により排気ガスを律速させて測定ガス室２１に導入しても良い。
さらに、全領域空燃比センサ１０を早期に活性化させるために、上記の実施形態では特に説明しなかったが、通常全領域空燃比センサ１０にヒータが付設されるが、このヒータを用いて全領域空燃比センサ１０の本活性状態の有無を判定するようにしても良い。具体的には、ヒータへの電圧供給開始後に、ヒータの積算電力量を検出し、この積算電力量が予め設定した値に達したときに全領域空燃比センサ１０が本活性状態に達したと判定するようにしても良い。

空燃比検出装置の概略構成を示す回路・ブロック図である。 空燃比検出装置を構成する全領域空燃比センサ（ガスセンサ）の概略構成図である。 空燃比検出装置を構成するマイコンのＣＰＵにて実行される処理内容を表したフローチャートである。 図３の処理に引き続いてマイコンのＣＰＵにて実行される処理内容を表したフローチャートである。

符号の説明

１・・・空燃比検出装置、１０・・・全領域空燃比センサ（ガスセンサ）、１２・・・外側ポンプ電極、１３・・・第２固体電解質層、１４・・・ポンプセル、１５・・・第１固体電解質層、１６・・・内側ポンプ電極、１８・・・拡散律速層、２０・・・センサ制御回路、２１・・・測定ガス室、２２・・・測定電極、２４・・・酸素濃度測定セル、２８・・・基準電極、３０・・・マイクロコンピュータ、３１・・・遮蔽層、３２・・・酸素基準室、４１・・・第１電流源、５０・・・検出抵抗、５１・・・ＰＩＤ制御回路、５３・・・第１差動増幅回路、５４・・・第２差動増幅回路、５５・・・第３差動増幅回路、５６・・・信号ホールド回路、５７・・・第１Ａ／Ｄ変換回路、５８・・・第２Ａ／Ｄ変換回路、５９・・・第３Ａ／Ｄ変換回路、６０・・・ＣＰＵ、６３・・・第４Ａ／Ｄ変換回路、７１・・・第４差動増幅回路。

Claims (5)

1. 第１固体電解質層を外側ポンプ電極及び内側ポンプ電極にて挟んだポンプセルと第２固体電解質層を測定電極及び基準電極にて挟んだ酸素濃度測定セルとが、前記内側ポンプ電極及び前記測定電極が拡散律速部を介して排気ガスを導入可能な中空の測定ガス室に面するように一体的に積層されると共に、前記内側ポンプ電極と前記測定電極とが同電位に接続されてなるガスセンサを備え、
   前記ガスセンサが本活性状態のときに、前記酸素濃度測定セルの前記測定電極と基準電極との間に発生する電圧が一定値となるように前記ポンプセルに電流を流して前記測定ガス室への酸素の出し入れを制御すると共に、該ポンプセルに流れる前記電流の値に基づき排気ガスの空燃比を広域にわたって検出する空燃比検出装置であって、
   当該空燃比検出装置の起動後、前記ガスセンサが前記本活性状態に達する前段階において、前記ポンプセルの前記外側ポンプ電極と前記酸素濃度測定セルの前記基準電極との電位差を検出値として取得する検出値取得手段と、
   前記検出値取得手段にて取得された前記検出値と所定の空燃比しきい値とを比較して、排気ガスの空燃比がリッチかリーンか検出するリッチ／リーン検出手段と、
   を備えることを特徴とする空燃比検出装置。
2. 請求項１に記載の空燃比検出装置であって、
   当該空燃比検出装置の起動後、前記ガスセンサの活性状態が、排気ガスの空燃比がリッチかリーンかを前記検出値の変動により検出可能な半活性状態に達したか否かを判定する半活性判定手段を備え、
   前記検出値取得手段は、前記半活性判定手段にて前記ガスセンサが半活性状態に達したと判定された後に、前記検出値の取得を開始するように構成されている空燃比検出装置。
3. 請求項２に記載の空燃比検出装置であって、
   前記酸素濃度測定セルに一定値の定電流を流すことが可能な電流源と、
   前記定電流の通電を所定周期でオン、オフさせる定電流通電制御部と、
   前記酸素濃度測定セルの前記測定電極と前記基準電極との間に発生する電圧を、前記定電流通電制御部のオンのとき及びオフのときそれぞれにおいて検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出部にて検出された前記定電流通電制御部がオンのときとオフのときの両電圧の差分である差電圧を検出する差電圧検出手段と、を備えており、
   前記半活性判定手段は、前記差電圧検出手段にて検出された前記差電圧と予め設定された電圧判定しきい値とを比較し、前記差電圧が前記電圧判定しきい値を下回ったときに、前記ガスセンサが半活性状態に達したと判定するように構成されている空燃比検出装置。
4. 請求項３に記載の空燃比検出装置であって、
   前記ガスセンサのうち、前記酸素濃度測定セルの前記基準電極が設けられる側には、当該基準電極を外部に対して閉塞する閉塞層が積層されており、
   前記測定ガス室の酸素を当該基準電極に汲み込む方向に前記電流源より前記定電流を前記酸素濃度測定セルに流し、前記閉塞層により閉塞された前記基準電極を内部酸素基準源として機能させる基準源生成電流制御部をさらに備える空燃比検出装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の空燃比検出装置であって、
   前記ポンプセルまたは前記酸素濃度測定セルの内部抵抗値を検出する素子抵抗検出手段と、
   前記素子抵抗検出手段にて検出された内部抵抗値が予め設定された抵抗判定しきい値を下回ったときに、前記ガスセンサが前記本活性状態に達したと判定する本活性状態判定手段とを備える空燃比検出装置。