JP5723321B2 - センサ出力処理装置、及び、センサシステム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力の特性が、理論空燃比を境にして、リーン状態とリッチ状態との間で急峻に変化する酸素センサについて、この酸素センサの出力を処理するセンサ出力処理装置、及び、これら酸素センサとセンサ出力処理装置とを備えるセンサシステムに関する。

従来より、車両の内燃機関の排気管に設置され、排気ガス中の酸素濃度に感応して、内燃機関における空燃比のリッチ状態及びリーン状態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、ジルコニア等の固体電解質体を主体に構成された検出素子を有している。この酸素センサでは、酸素濃度を内燃機関で燃焼させた燃料と空気との空燃比で表示した場合に、この空燃比に対する出力電圧（センサ出力）が、理論空燃比を境にして、二値的に急峻に変化するので、これを利用して、内燃機関における燃焼の空燃比を理論空燃比よりもリッチ側としたかリーン側としたかを検出することができる。なお、検出素子を構成する固体電解質体は、おおむね６００℃以上の高温状態（活性化状態）で良好な酸素イオン伝導性を示す。また、検出素子の素子インピーダンス（内部抵抗）が、その素子温度に応じて変化することを利用して、センサに検出素子を加熱するヒータを別途設けると共に、検出素子を活性化状態内の一定温度に維持すべく、素子インピーダンス（内部抵抗）が目標インピーダンス（目標抵抗値）になるように、ヒータへの通電をフィードバック制御することが行われている。

なお、このような酸素センサの検出素子は、使用等による劣化で素子インピーダンス（内部抵抗）が増加することが知られている。即ち、劣化した検出素子では、劣化前に比して、同一温度とした場合の素子インピーダンス（内部抵抗）が相対的に高くなる。このため、検出素子が劣化した場合に、上述のヒータへのフィードバック制御を行うと、素子インピーダンスを目標インピーダンスに近づけるべく、素子インピーダンスを下げる方向、即ち、素子温度を上げる方向に制御がなされる。すると、検出素子が過昇温となって素子温度が上昇し、この温度上昇により劣化がさらに促進されるなどの問題があった。

この問題を解決するため、例えば、特許文献１には、検出素子の素子インピーダンスが増加した劣化状態を判定する劣化判定手段と、検出素子が劣化状態であると判定されたときに目標インピーダンスを増加させる目標インピーダンス変更手段とを備えた酸素濃度検出装置が開示されている。そして、具体的な劣化判定手段として、ヒータに供給されるヒータ供給電力と所定の判定値とを比較するヒータ供給電力比較手段が示されている。

特開平１０−２６５９９号公報

ところで、空燃比（空気過剰率λ）がリッチ状態（λ＜１．０）であるかリーン状態（λ＞１．０）であるかを検出する酸素センサにおいては、検知される内部抵抗の値が、空燃比の違い（ガス雰囲気）の影響を受けることが判ってきた。具体的には、リッチ状態のときに検知される内部抵抗の値は、リーン状態のときに検知される内部抵抗の値に比べて大きい。しかも、検出素子が使用等により劣化した場合には、内部抵抗が劣化前に比べて相対的に高くなることに加えて、リッチ状態のときに検知される内部抵抗の値とリーン状態のときに検知される内部抵抗の値との差も、劣化前に比べて大きくなることが判ってきた。

本発明は、かかる知見を利用して、酸素センサの検出素子の劣化を適切に検知することができるセンサ出力処理装置、及び、これら酸素センサとセンサ出力処理装置とを備えるセンサシステムを提供するものである。

その一態様は、固体電解質体からなる検出素子を有し、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサについて、この酸素センサの出力を処理するセンサ出力処理装置であって、上記検出素子の電極間の電圧または上記電極間を流れる電流について一時的な変化を生じさせると共に、この変化に応答して生じる電圧または電流の応答変化量に基づいて、上記検出素子の内部抵抗を繰り返し検知する内部抵抗検知手段と、上記内部抵抗を検知したときの空燃比が、上記リッチ状態のうち上記検出素子の劣化検知に用いる評価リッチ範囲内にあるか否かを、上記センサ出力に基づいて判別するリッチ範囲判別手段と、上記内部抵抗を検知したときの空燃比が、上記リーン状態のうち上記検出素子の上記劣化検知に用いる評価リーン範囲内にあるか否かを、上記センサ出力に基づいて判別するリーン範囲判別手段と、検知された上記内部抵抗のうち、上記リッチ範囲判別手段で上記空燃比が上記評価リッチ範囲内であると判別したときに検知された評価リッチ抵抗と、上記リーン範囲判別手段で上記空燃比が上記評価リーン範囲内であると判別したときに検知された評価リーン抵抗との差分に基づいて、上記検出素子の劣化を検知する劣化検知手段と、を備えるセンサ出力処理装置である。

前述したように、酸素センサでは、検知される内部抵抗の値は、ガス雰囲気の影響を受ける。即ち、リッチ状態のときに検知される内部抵抗の値は、リーン状態のときに検知される内部抵抗の値に比べて大きい。また、検出素子が劣化した場合には、リッチ状態及びリーン状態で検知された内部抵抗の値は、劣化前に比べて共に大きな値となる。しかも、劣化前後で比較すると、リーン状態で検知された内部抵抗の増加分に比べて、リッチ状態で検知された内部抵抗の増加分の方が大きくなる。つまり、リッチ状態で検知された内部抵抗とリーン状態で検知された内部抵抗との差分を取ると、劣化後の差分は、劣化前の差分に比べて大きくなる。従って、この関係を利用すれば、上述の差分から、検出素子における劣化の有無や程度（度合い）を検知できることになる。
そこで、このセンサ出力処理装置では、上述の評価リッチ抵抗と評価リーン抵抗との差分に基づいて、酸素センサの検出素子の劣化を検知する劣化検知手段を備えている。かくして、これら評価リッチ抵抗と評価リーン抵抗との差分から、酸素センサの検出素子の劣化を検知することができる。

なお、評価リッチ抵抗及び評価リーン抵抗として、各状態（リッチあるいはリーン）の違いが十分反映された値となるようにすべく、評価リッチ抵抗を検知する評価リッチ範囲としては、リッチ状態のうち、理論空燃比（空気過剰率λで表してλ＝１．０）から十分離れた範囲（例えば、λ≦０．９）を設定するのが好ましい。同じく、評価リーン抵抗を検知する評価リーン範囲として、リーン状態のうち、理論空燃比から十分離れた範囲（例えば、λ≧１．１）を設定するのが好ましい。

また、劣化の検知としては、前述のように、劣化の有無の検知や、劣化の度合いの検知が挙げられる。センサの劣化時に警告信号を出すなどの場合には、劣化の有無を検知すれば良い。一方、センサの使用にあたって、劣化の度合いに応じて、検出素子の内部抵抗の補正を行う場合やセンサ出力の補正を行う場合などでは、劣化の度合いを検知すると良い。

また、内部抵抗を検知するにあたり、検出素子の電極間に生じさせる一時的な変化としては、電圧の変化あるいは電流の変化のいずれも採用できる。また、この変化に応答する応答変化量として、電圧あるいは電流のいずれを利用しても良く、内部抵抗の検知の手法及びその回路構成は、適宜選択することができる。
具体的には、例えば、検出素子の一方の電極を基準電位に接続し、他方の電極を基準抵抗器及びスイッチング素子を介して電源電圧に接続して、検出素子と基準抵抗器で抵抗分圧回路を構成する。そして、スイッチング素子をオフからオンとして検出素子の電極間を流れる電流に一時的な変化を生じさせる。このとき、検出素子に電流が流れると、検出素子の内部抵抗に応じた電圧降下が生じるので、この変化に応答して生じる電圧の応答変化量（電圧変化量）は、内部抵抗を反映したものになる。つまり、この応答変化量から、検出素子の内部抵抗を検知できる。なお、この他、検出素子の電極間に一時的に定電流を流すことにより、内部抵抗に電圧降下を生じさせて、電圧の応答変化量を取得する手法も挙げられる。

さらに、上述のセンサ出力処理装置であって、前記評価リッチ範囲は、前記空燃比の範囲のうち、前記理論空燃比を含む除外範囲よりもリッチ側の範囲であり、前記評価リーン範囲は、上記除外範囲よりもリーン側の範囲であるセンサ出力処理装置とすると良い。

理論空燃比（空気過剰率λ＝１．０）を挟んで、評価リッチ範囲と評価リーン範囲とを近くに位置するように定めた場合には、取得した評価リッチ抵抗と評価リーン抵抗との差分、及びこの差分の劣化による変化が小さくなり、劣化の検知精度が低くなるおそれがある。
これに対し、このセンサ出力処理装置では、理論空燃比を含む除外範囲を設け、評価リッチ範囲を、この除外範囲よりもリッチ側の範囲とし、評価リーン範囲を、この除外範囲よりもリーン側の範囲として、両者を離して設定している。これにより、評価リッチ抵抗と評価リーン抵抗との差分、及び劣化に伴うこの差分の変化を大きくとれるので、これに基づいて検出素子の劣化をより適切に検知することができる。

なお、除外範囲の設定にあたっては、酸素センサの特性を考慮して定めれば良いが、センサ出力が急峻に変化する空燃比の範囲を除外範囲に含めるように定めると良い。例えば、０．９＜λ＜１．１の範囲を除外範囲として、これにより、評価リッチ範囲をλ≦０．９となる範囲とし、評価リーン範囲をλ≧１．１となる範囲とするなど、評価リッチ範囲と評価リーン範囲とが、互いに理論空燃比から十分離れた範囲となるように設定するのが好ましい。

さらに、上述のいずれかのセンサ出力処理装置であって、前記劣化検知手段は、前記評価リッチ抵抗と前記評価リーン抵抗との前記差分から、前記検出素子の劣化の度合いを示す劣化度を得る劣化度取得手段を含むセンサ出力処理装置とすると良い。

このセンサ出力処理装置では、評価リッチ抵抗と評価リーン抵抗との差分から、検出素子の劣化度を得る。検出素子は、劣化が進行するほど、評価リッチ抵抗と評価リーン抵抗の差が大きくなる。従って、これらの差分を用いることで、検出素子の劣化の度合いを適切に得ることができる。

さらに、上述のいずれかのセンサ出力処理装置であって、前記酸素センサは、前記検出素子を加熱するヒータを有し、検知した前記内部抵抗から、被制御内部抵抗を得る被制御抵抗取得手段と、上記被制御内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段と、を備え、上記被制御抵抗取得手段は、前記評価リッチ抵抗とこれと共に前記劣化検知に用いる評価リーン抵抗とを検知する劣化評価期間中は、予め定めた値を上記被制御内部抵抗とするセンサ出力処理装置とすると良い。

前述したように、内部抵抗を検知する際の空燃比がリッチ状態であるかリーン状態であるかによって、得られる内部抵抗が変動する。このため、この内部抵抗を被制御内部抵抗としてヒータの通電制御をすると、空燃比の状態（リッチ、リーン）変動の影響を受けて通電制御が変動するので、評価リッチ抵抗及び評価リーン抵抗を検知するのにあたり、好ましくない。これに対し、このセンサ出力処理装置では、劣化評価期間中は、予め定めた値を被制御内部抵抗として、酸素センサのヒータへの通電を制御する。つまり、劣化評価期間中は、空燃比の変動に影響されることなく、予め定めた一定の被制御内部抵抗を用いてヒータへの通電を制御することができる。従って、ヒータの通電状態を揃えて、評価リッチ抵抗及び評価リーン抵抗を検知することができ、検出素子の劣化をさらに適切に検知することができる。

さらに、上述のセンサ出力処理装置であって、前記被制御抵抗取得手段は、前記劣化評価期間の開始直前に得られた前記内部抵抗の値を、上記劣化評価期間中の前記被制御内部抵抗の値とするセンサ出力処理装置とすると良い。

このセンサ出力処理装置では、劣化評価期間の開始直前に得られた内部抵抗の値を、劣化評価期間中の被制御内部抵抗の値として、ヒータへの通電を制御する。これにより、劣化評価期間への移行にあたり、ヒータへの通電制御の状態が急変しないので、劣化評価期間中、検出素子の素子温度を安定させることができる。このため、評価リッチ抵抗及び評価リーン抵抗を安定して検知することができ、検出素子の劣化を適切に検知することができる。

さらに、上述のセンサ出力処理装置であって、前記劣化検知手段は、前記評価リッチ抵抗と前記評価リーン抵抗との前記差分から、前記検出素子の劣化の度合いを示す劣化度を得る劣化度取得手段を含み、上記劣化度に基づき、前記ヒータ通電制御手段で用いる前記被制御内部抵抗または前記目標抵抗値のいずれかを補正する補正手段を備えるセンサ出力処理装置とすると良い。

このセンサ出力処理装置では、検出素子の劣化度に基づいて、被制御内部抵抗または目標抵抗値のいずれかを適正な値に補正するので、検出素子の劣化の影響を抑えて、ヒータへの通電を適切にフィードバック制御することができる。これにより、素子温度を所望の活性化温度に適切に保つことができる。また、検出素子が劣化したために過加熱となり、劣化がさらに促進されるのを防止することもできる。

また、他の態様は、前述のいずれかのセンサ出力処理装置と、前記酸素センサとを備えるセンサシステムである。

このセンサシステムは、酸素センサの検出素子の劣化に応じて適切な処理を行うことができ、適切な出力を外部装置（例えば、ＥＣＵ）に向けて送出することができる。

実施形態に係る酸素センサ及び酸素センサ制御装置を備えるセンサシステムの概略構成を示す説明図である。 酸素センサにおける空燃比（空気過剰率λ）とセンサ出力との関係を示すグラフである。 酸素センサの使用時間とリッチ状態及びリーン状態における検出素子の内部抵抗との関係を示すグラフである。 実施形態に係る酸素センサ制御装置のうち、マイクロプロセッサの動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、酸素センサ２と、この酸素センサ２に接続されたセンサ出力処理装置である酸素センサ制御装置１とを備えるセンサシステム１００の概略構成を示す図である。このセンサシステム１００は、図示しない内燃機関を備える車両（図示しない）に搭載される。そして、酸素センサ制御装置１は、これに接続された酸素センサ２を制御すると共に、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応する酸素センサ２の出力を処理する。これにより、内燃機関における燃焼が、理論空燃比よりもリッチ側であったかリーン側であったかを検出する。そして、このセンサシステム１００（酸素センサ制御装置１）では、検出した酸素センサ２の出力を外部接続バス１０１を介して、外部装置（例えば、ＥＣＵ）に向けて送出する。

このうち、酸素センサ２は、ジルコニアを主体とした酸素イオン伝導体である固体電解質体に一対の電極３Ｐ，３Ｎを形成した検出素子３と、この検出素子３を加熱するヒータ４を有している。より具体的には、有底筒状をなした固体電解質体からなる検出素子３の外周面に形成した一方の電極３Ｎは排気ガスに晒され、内周面に形成した他方の電極３Ｐは基準ガス（大気）に晒されている。そして、検出素子３の有底筒状の内部空間には、棒状のヒータ４を内挿して酸素センサ２が構成されている。この固体電解質体からなる検出素子３は、活性化状態となる６００℃を越える活性化温度に、ヒータ４で加熱されることで、良好な酸素イオン伝導性を示し、電極３Ｐ，３Ｎ間に、酸素濃度に応じた起電力を生じて、センサ出力Ｖｏｕｔを出力する。加えて、この酸素センサ２では、酸素センサ制御装置１により、検出素子３が活性化温度内の一定温度を維持するように、ヒータ４への通電が制御される。ヒータ４は、タングステンあるいは白金を主体とした発熱抵抗体５を有し、後述する酸素センサ制御装置１のヒータ制御回路１４に接続されている。
なお、酸素センサ２は、検出素子３が活性化温度とされたときに、センサ出力Ｖｏｕｔ（起電力）が、理論空燃比（空気過剰率λ＝１．０）を境にして、リッチ状態（λ＜１．０）とリーン状態（λ＞１．０）との間で二値的に急峻に変化する特性を有する。具体的には、図２に示すように、センサ出力Ｖｏｕｔは、十分リーンの状態（例えば、λ＞１．１）では約０．０５Ｖ、十分リッチの状態（例えば、λ＜０．９）では約０．９Ｖを示し、理論空燃比付近（λ＝１．０付近、例えば、０．９８≦λ≦１．０２）で急峻に変化する。

検出素子３は、内部抵抗Ｒｉを有しており、その抵抗値は、検出素子３の温度が上昇すると低下する特性を有する。即ち、この内部抵抗Ｒｉと検出素子３の素子温度との間には、所定の負の相関関係があるので、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値となるように制御することにより、素子温度を所定の温度に維持することができる。

また、検出素子３は、前述のように、活性化温度において酸素イオン伝導性を示して酸素濃淡電池となり、電極３Ｎと電極３Ｐとの間の酸素濃度差に応じた起電力ＥＶを発生する。このため、検出素子３の等価回路は、図１に示すように、電極３Ｐ，３Ｎ間に、起電力ＥＶの電池（酸素濃淡電池）と内部抵抗Ｒｉとが直列接続された回路となる。

次いで、酸素センサ制御装置１について説明する。酸素センサ制御装置１は、図１に示すように、処理プログラムを実行するマイクロプロセッサ１０を中心に構成され、この他に、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１２、出力検出回路１３、及びヒータ制御回路１４を有する。
ヒータ制御回路１４は、マイクロプロセッサ１０のＰＷＭ出力ポート１７に接続されており、酸素センサ２のヒータ４は、このヒータ制御回路１４によって、ＰＷＭ制御による通電が行われ、これにより、酸素センサ２の検出素子３が加熱される。検出素子３を活性化温度内の一定温度に維持するにあたり、マイクロプロセッサ１０によるＰＩＤ制御またはＰＩ制御で、ＰＷＭ制御に用いるパルスのデューティ比が決定される。

検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎは、出力検出回路１３に接続しており、この出力検出回路１３は、起電力ＥＶをセンサ出力Ｖｏｕｔとして検知して、マイクロプロセッサ１０のＡ／Ｄ入力ポート１６に入力する。なお、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎのうち、一方の電極３Ｎは、出力検出回路１３の基準電位（ＧＮＤ）に接続されており、他方の電極３Ｐは、電極３Ｎよりも正の高電位となる。

また、検出素子３の電極３Ｐには、出力検出回路１３の他に、電極３Ｐを基準抵抗器Ｒ１及びスイッチング素子Ｔｒを介して電源電圧Ｖｃｃに接続する電圧シフト回路１２が接続している。この電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒには、パルス信号出力回路１１が接続している。このパルス信号出力回路１１は、マイクロプロセッサ１０のＩ／Ｏポート１５に接続されており、マイクロプロセッサ１０からの指令により、電圧シフト回路１２を駆動して、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間を流れる電流に一時的な変化を生じさせる。具体的には、電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒをオンすることにより、電源電圧Ｖｃｃから、基準抵抗器Ｒ１及び検出素子３に電流を流し、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間のセンサ出力Ｖｏｕｔを、検出素子３の内部抵抗Ｒｉに生じる電圧降下に応じて変化させる。
これにより、電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒをオンする前のセンサ出力Ｖｏｕｔと、電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒをオンした後のセンサ出力Ｖｏｕｔとの差分、即ち、電圧の応答変化量から、内部抵抗Ｒｉによる電圧降下を算出して、検出素子３の内部抵抗Ｒｉを検知することができる。

ところで、このようにして検知した内部抵抗Ｒｉの値は、空燃比の違い（ガス雰囲気）の影響を受け、リッチ状態のときに検知される内部抵抗Ｒｉの値（以下、リッチ抵抗Ｒｒという）は、リーン状態のときに検知される内部抵抗Ｒｉの値（以下、リーン抵抗Ｒｌという）に比べて大きい。また、検出素子３が劣化した場合には、これに伴って、リッチ抵抗Ｒｒもリーン抵抗Ｒｌも共に大きな値となる。図３は、素子温度を７００℃一定とした場合に、酸素センサ２の使用時間とリッチ状態（λ＝０．９の場合）及びリーン状態（λ＝１．１の場合）における内部抵抗Ｒｉの関係を示すグラフである。この図３に示すように、検出素子３の使用時間の経過、即ち、検出素子３の劣化に伴って、リッチ抵抗Ｒｒもリーン抵抗Ｒｌも大きくなるが、リーン抵抗Ｒｌの増加分に比べて、リッチ抵抗Ｒｒの増加分の方が大きい。このため、劣化前のセンサ（図３中のＮＥＷ品）のリッチ抵抗Ｒｒとリーン抵抗Ｒｌとの差分値ΔＲ₁と、劣化後のセンサ（図３中の劣化品）のリッチ抵抗Ｒｒとリーン抵抗Ｒｌとの差分値ΔＲ₂を比べると、劣化品の差分値ΔＲ₂の方が大きくなる。従って、この関係を利用すれば、リッチ抵抗Ｒｒとリーン抵抗Ｒｌとの差分に基づいて、検出素子３の劣化を検知できる。なお、図３では、リッチ状態のうちλ＝０．９の場合のリッチ抵抗Ｒｒと、リーン状態のうちλ＝１．１の場合のリーン抵抗Ｒｌとを示した。

但し、本実施形態では、リッチ状態のうち、検出素子３の劣化検知に用いる範囲を評価リッチ範囲とし、空燃比がこの評価リッチ範囲内である時点で検知された内部抵抗Ｒｉ（リッチ抵抗Ｒｒ）を評価リッチ抵抗Ｒｒｅとしている。また、リーン状態のうち、検出素子３の劣化検知に用いる範囲を評価リーン範囲とし、空燃比がこの評価リーン範囲内である時点で検知された内部抵抗Ｒｉ（リーン抵抗Ｒｌ）を評価リーン抵抗Ｒｌｅとしている。そして、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲ（＝Ｒｒｅ−Ｒｌｅ）から、検出素子３の劣化を検知する。

なお、評価リッチ範囲及び評価リーン範囲の範囲を定めるにあたり、理論空燃比を挟んで、両者を近くに位置するように定めた場合には、前述したように、差分値ΔＲ及び劣化に伴う差分値ΔＲの変化が小さくなり、劣化の検知精度を高くできない。そこで、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、理論空燃比を含む０．９＜λ＜１．１の範囲を除外範囲とし、この除外範囲よりもリッチ側のλ≦０．９となる範囲（センサ出力Ｖｏｕｔ≧０．８の範囲）を評価リッチ範囲とし、この除外範囲よりもリーン側のλ≧１．１となる範囲（センサ出力Ｖｏｕｔ≦０．１５Ｖの範囲）を評価リーン範囲として、両者を離して設定している。

このようにして得られた評価リッチ抵抗Ｒｒｅ及び評価リーン抵抗Ｒｌｅの時間的推移も、概略図３と同様になる。即ち、評価リッチ抵抗Ｒｒｅは、評価リーン抵抗Ｒｌｅに比べて大きい。また、検出素子３の劣化と共に、評価リッチ抵抗Ｒｒｅ及び評価リーン抵抗Ｒｌｅのいずれも大きくなり、しかも、評価リーン抵抗Ｒｌｅの増加分に比べて、評価リッチ抵抗Ｒｒｅの増加分が大きい。
そこで、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲ（＝Ｒｒｅ−Ｒｌｅ）を用いて検出素子３の劣化を検知する。
また、検出素子３の劣化が進行するほど、差分値ΔＲが大きくなるので、差分値ΔＲから、劣化の度合いを示す劣化度ＩＤを得ている（本実施形態では、ＩＤ＝ΔＲ）。

また、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、評価リッチ抵抗Ｒｒｅ及びこれと共に劣化検知に用いる評価リーン抵抗Ｒｌｅを検知するにあたり、この評価リッチ抵抗Ｒｒｅ及び評価リーン抵抗Ｒｌｅを検知する劣化評価期間ＴＤ中に、ヒータ制御回路１４によってヒータ４への通電をフィードバック制御する際の被制御内部抵抗Ｒｆを予め定めた一定の値としている。具体的には、劣化評価期間ＴＤの開始直前に得た内部抵抗Ｒｉの値を、劣化評価期間ＴＤ中の被制御内部抵抗Ｒｆとして用い、劣化評価期間ＴＤ中は、この被制御内部抵抗Ｒｆの値を更新しない。前述したように、検知される内部抵抗Ｒｉの値は、同じ素子温度でも、リッチ状態とリーン状態とで異なる値に測定されるため、劣化評価期間ＴＤ中は、空燃比の変動に影響されることなく、一定の被制御内部抵抗Ｒｆを用いてヒータ４への通電制御するためである。また、被制御内部抵抗Ｒｆの値に、劣化評価期間ＴＤの開始直前に得た値を用いているので、劣化評価期間ＴＤへの移行にあたり、ヒータ４への通電制御の状態が急変しない。
また、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、ヒータ４への通電をフィードバック制御する際に、劣化度ＩＤに基づいて目標抵抗値ＲＴを補正している。これにより、ヒータ４への通電制御を劣化度ＩＤに応じて、適切にフィードバック制御することができ、素子温度を所望の活性化温度に適切に保つことができる。また、劣化状態における過加熱により、劣化がさらに促進されるのを防止することもできる。

次いで、本実施形態１に係る酸素センサ制御装置１のうち、マイクロプロセッサ１０の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。
図４に示す制御プログラムは、マイクロプロセッサ１０が実行するメインルーチンからの呼び出しで実行されるプログラムであり、劣化検知処理の他に、センサ出力Ｖｏｕｔの取得、内部抵抗Ｒｉの検知、ヒータ４の通電制御等を含んでいる。

先ず、ステップＳ１では、酸素センサ２のセンサ出力Ｖｏｕｔを１０ｍｓｅｃ毎に取得する。図２に示すように、センサ出力Ｖｏｕｔは、空気過剰率λと一定の関係を有しており、このセンサ出力Ｖｏｕｔによって、空燃比の制御がなされる。

次いで、ステップＳ２では、内部抵抗Ｒｉの検知タイミングであるか否かを判断する。内部抵抗Ｒｉの検知は、センサ出力Ｖｏｕｔの取得周期（１０ｍｓｅｃ）よりも長い周期（５００ｍｓｅｃ）で行うため、ステップＳ２でこの検知タイミングの到来を判断する。そして、検知タイミングでない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ１６に進み、ヒータ４の通電制御を行う。なお、内部抵抗Ｒｉの検知が一度もなされずに、ステップＳ１６に移行した場合には、マイクロプロセッサ１０に記憶されているデフォルト値を被制御内部抵抗Ｒｆとしてヒータ４の通電制御を行う。一方、検知タイミングが到来した場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１２及び出力検出回路１３を用いて、検出素子３の内部抵抗Ｒｉを取得する。

次いで、ステップＳ４では、カウント値Ｃとしきい回数Ｍとを比較し（Ｃ＞Ｍ？）、劣化検知処理を行うか否かを判断する。ここで、しきい回数Ｍは１以上の自然数である。また、カウント値Ｃは初期値が０の変数であり、後述するステップＳ１５で＋１ずつカウントアップされる。

ステップＳ４でＮｏのとき、即ち、Ｃ≦Ｍのときは、劣化検知処理を行わず、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、ステップＳ３で取得した内部抵抗Ｒｉにより、被制御内部抵抗Ｒｆの値を更新する（Ｒｆ＝Ｒｉ）。その後、ステップＳ１５に進み、カウント値Ｃを＋１した後、ステップＳ１６で、更新された被制御内部抵抗Ｒｆを用いてヒータ制御を行う。

一方、Ｃ＞Ｍとなって、ステップＳ４でＹｅｓと判定されると、劣化検知処理を行うため、ステップＳ６に進む。この場合、ステップＳ５での被制御内部抵抗Ｒｆの更新が行われなくなる。つまり、劣化検知処理を行う場合には、被制御内部抵抗Ｒｆの値は、この劣化検知処理を行う期間（劣化評価期間ＴＤ）の開始直前の値に保持される。
そして、ステップＳ６では、内部抵抗Ｒｉを検知したタイミング（ステップＳ３）における空燃比（空気過剰率λ）が、リーン状態のうち評価リーン範囲内にあるか否かを、センサ出力Ｖｏｕｔの大きさにより判断する。具体的には、センサ出力Ｖｏｕｔが０．１５Ｖよりも小さい場合（Ｙｅｓ）には、空燃比が評価リーン範囲内であると判定し、ステップＳ８に進む。一方、それ以外の場合（Ｎｏ）は、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、さらに内部抵抗Ｒｉを検知したタイミングにおける空燃比が、リッチ状態のうち評価リッチ範囲内にあるか否かを、センサ出力Ｖｏｕｔの大きさにより判断する。具体的には、センサ出力Ｖｏｕｔが０．８Ｖよりも大きい場合（Ｙｅｓ）には、空燃比が評価リッチ範囲内であると判定し、ステップＳ９に進む。それ以外の場合（Ｎｏ）は、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ８では、ステップＳ３で取得した内部抵抗Ｒｉを、検出素子３の劣化検知に用いる評価リーン抵抗Ｒｌｅとして記憶する（Ｒｌｅ＝Ｒｉ）。一方、ステップＳ９では、ステップＳ３で取得した内部抵抗Ｒｉを、検出素子３の劣化検知に用いる評価リッチ抵抗Ｒｒｅとして記憶する（Ｒｒｅ＝Ｒｉ）。そして、ステップＳ８またはステップＳ９の後は、ステップＳ１０に進み、評価リーン抵抗Ｒｌｅ及び評価リッチ抵抗Ｒｒｅの両者が取得済みであるか否かを判断する。評価リーン抵抗Ｒｌｅ及び評価リッチ抵抗Ｒｒｅの両者が取得済みである場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１１に進む。一方、評価リーン抵抗Ｒｌｅ及び評価リッチ抵抗Ｒｒｅの両者が取得されていない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１１では、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲ＝Ｒｒｅ−Ｒｌｅから劣化度ＩＤを取得する。なお、本実施形態では差分値ΔＲをそのまま劣化度ＩＤとする（ＩＤ＝ΔＲ）。続くステップＳ１２では、マップを参照して、劣化度ＩＤに対応する補正値を得、これを用いて目標抵抗値ＲＴを補正する。次に、ステップＳ１３に進み、カウント値Ｃをリセット（Ｃ＝０）した後、ステップＳ１５に進む。これにより、次回からステップＳ４でＮｏと判断され、劣化検知処理、及び、劣化評価期間ＴＤが終了する。また、次回からステップＳ１６では、補正された目標抵抗値ＲＴを用いてヒータ制御が行われる。

一方、ステップＳ７でＮｏ、または、ステップＳ１０でＮｏとなり、ステップＳ１４に進むと、検知回数を表すカウント値Ｃとしきい回数Ｍとの差（Ｃ−Ｍ）と上限値Ｎとを比較する（Ｃ−Ｍ＞Ｎ？）。ここで、上限値Ｎは２以上の自然数である。ステップＳ１４でＹｅｓ（Ｃ−Ｍ＞Ｎ）、即ち、検知回数（Ｃ−Ｍ）が上限値Ｎに到達するまでに、評価リーン抵抗Ｒｌｅ及び評価リッチ抵抗Ｒｒｅの両者が得られなければ、ステップＳ１３に進み、カウント値Ｃをリセット（Ｃ＝０）した後、ステップＳ１５に進む。これにより、次回からステップＳ４でＮｏと判断され、劣化検知処理、及び、劣化評価期間ＴＤを打ち切りにより終了する。一方、ステップＳ１４でＮｏ（Ｃ−Ｍ≦Ｎ）、即ち、検知回数（Ｃ−Ｍ）が上限値Ｎ以下であれば、そのままステップＳ１５に進む。これにより、次回以降もステップＳ４でＹｅｓと判断され、評価リーン抵抗Ｒｌｅ及び評価リッチ抵抗Ｒｒｅの両者が取得されるまで、劣化検知処理、及び、劣化評価期間ＴＤが継続される。

ステップＳ１５では、カウント値Ｃを＋１する。その後、ステップＳ１６に進み、ヒータ制御を行って、メインルーチンに戻る。

本実施形態において、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１２、出力検出回路１３及びステップＳ３を実行しているマイクロプロセッサ１０が、内部抵抗検知手段に相当する。また、ヒータ制御回路１４及びステップＳ１６を実行しているマイクロプロセッサ１０が、ヒータ通電制御手段に相当する。また、ステップＳ５を実行しているマイクロプロセッサ１０が、被制御抵抗取得手段に相当し、ステップＳ１２を実行しているマイクロプロセッサ１０が、補正手段に相当する。
さらに、ステップＳ６を実行しているマイクロプロセッサ１０が、リーン範囲判別手段に相当し、ステップＳ７を実行しているマイクロプロセッサ１０が、リッチ範囲判別手段に相当する。また、ステップＳ１１を実行しているマイクロプロセッサ１０が、劣化検知手段及び劣化度取得手段に相当する。

以上で説明したように、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分に基づいて、検出素子３の劣化を検知する劣化検知手段を備える。
検出素子３が劣化した場合には、評価リッチ抵抗Ｒｒｅ及び評価リーン抵抗Ｒｌｅのいずれも大きくなり、しかも、劣化前後で比較すると、評価リーン抵抗Ｒｌｅの増加分に比べて、評価リッチ抵抗Ｒｒｅの増加分の方が大きくなる。このため、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲ＝Ｒｒｅ−Ｒｌｅは、劣化後の方が劣化前に比べて大きくなる。そこで、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、この関係を利用し、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲを用いることで、検出素子３の劣化を検知することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、理論空燃比を含む０．９＜λ＜１．１の範囲を除外範囲とし、評価リッチ範囲を、この除外範囲よりもリッチ側のλ≦０．９となる範囲とし、評価リーン範囲を、この除外範囲よりもリーン側のλ≧１．１となる範囲として、両者を離して設定している。これにより、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲ、及び劣化に伴うこの差分値ΔＲの変化を大きくとれるので、これに基づいて検出素子３の劣化を適切に検知することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分値ΔＲから、検出素子３の劣化度ＩＤ（＝ΔＲ）を得ている。検出素子３は、劣化が進行するほど、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅの差が大きくなる。従って、差分値ΔＲを用いることで、検出素子３の劣化の度合いを適切に得ることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、劣化評価期間ＴＤの開始直前に得られた内部抵抗Ｒｉの値を、劣化評価期間ＴＤ中の被制御内部抵抗Ｒｆの値として、ヒータ４への通電を制御している。これにより、内部抵抗Ｒｉを検知する際の空燃比がリッチ状態とリーン状態とで異なっているために、得られる内部抵抗Ｒｉが変動しても、劣化評価期間ＴＤ中は、空燃比の変動に影響されることなく、予め定めた一定の被制御内部抵抗Ｒｆを用いてヒータ４への通電を制御することができる。また、劣化評価期間ＴＤへの移行にあたり、ヒータ４への通電制御の状態が急変しないので、劣化評価期間ＴＤ中、検出素子３の素子温度を安定させることができる。このため、評価リッチ抵抗Ｒｒｅ及び評価リーン抵抗Ｒｌｅを安定して検知することができ、検出素子３の劣化をさらに適切に検知することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、検出素子３の劣化度ＩＤに基づいて、目標抵抗値ＲＴを適正な値に補正して、ヒータ４への通電制御を適切に制御することができる。これにより、素子温度を所望の活性化温度に適切に保つことができる。また、劣化状態における過加熱により、劣化がさらに促進されるのを防止することもできる。

また、本実施形態では、酸素センサ制御装置１と酸素センサ２とでセンサシステム１００を構成している。
このセンサシステム１００は、酸素センサ２の検出素子３の劣化に応じて適切な処理を行うことができ、適切な出力をＥＣＵなどの外部装置に向けて送出することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。

例えば、実施形態では、取得した劣化度ＩＤ（＝ΔＲ）に基づいて目標抵抗値ＲＴを補正する構成としたが、目標抵抗値ＲＴを補正する代わりに、検知した内部抵抗Ｒｉから得た被制御内部抵抗Ｒｆを補正する構成としても良い。
また、酸素センサ２の劣化時に警告信号を出す場合などでは、劣化度ＩＤを得る代わりに、評価リッチ抵抗Ｒｒｅと評価リーン抵抗Ｒｌｅとの差分ΔＲから、劣化を有無を検知する構成としても良い。

また、実施形態では、内部抵抗Ｒｉを検知するにあたり、パルス信号出力回路１１及び電圧シフト回路１２（図１参照）を用いて、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間を流れる電流を一時的に変化させて、この変化に応答する電圧の応答変化量ΔＶを取得する構成とした。しかし、内部抵抗Ｒｉの検知の手法及びその回路構成を適宜変更することにより、検出素子３の電極間３Ｐ，３Ｎ間の電圧を一時的に変化させて、この変化に応答する電流の応答変化量を取得する構成とすることもできる。

また、実施形態では、酸素センサ２と酸素センサ制御装置１とを備えるセンサシステム１００として、酸素センサ制御装置１（センサ出力処理装置）が、ＥＣＵから独立している構成を例示した。しかし、ＥＣＵが実施形態の酸素センサ制御装置１（センサ出力処理装置）を兼ねる形態、即ち、酸素センサ制御装置１（センサ出力処理装置）がＥＣＵに含まれる構成としても良い。

１ 酸素センサ制御装置（センサ出力処理装置）
２ 酸素センサ
３ 検出素子
３Ｐ，３Ｎ 電極
４ ヒータ
Ｒｉ 内部抵抗
Ｖｏｕｔ センサ出力
１０ マイクロプロセッサ
１１ パルス信号出力回路（内部抵抗検知手段）
１２ 電圧シフト回路（内部抵抗検知手段）
１３ 出力検出回路（内部抵抗検知手段）
１４ ヒータ制御回路（ヒータ通電制御手段）
１００ センサシステム
Ｒｆ 被制御内部抵抗
ＲＴ 目標抵抗値
Ｒｒ リッチ抵抗
Ｒｌ リーン抵抗
Ｒｒｅ 評価リッチ抵抗
Ｒｌｅ 評価リーン抵抗
ΔＲ 差分値
ＩＤ 劣化度
ＴＤ 劣化評価期間
Ｓ３ 内部抵抗検知手段
Ｓ５ 被制御抵抗取得手段
Ｓ６ リーン範囲判別手段
Ｓ７ リッチ範囲判別手段
Ｓ１１ 劣化検知手段，劣化度取得手段
Ｓ１２ 補正手段
Ｓ１６ ヒータ通電制御手段

Claims (7)

1. 固体電解質体からなる検出素子を有し、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に感応し、空燃比に対するセンサ出力が、理論空燃比を境にして、リッチ状態とリーン状態との間で急峻に変化する特性を有する酸素センサについて、この酸素センサの出力を処理するセンサ出力処理装置であって、
   上記検出素子の電極間の電圧または上記電極間を流れる電流について一時的な変化を生じさせると共に、この変化に応答して生じる電圧または電流の応答変化量に基づいて、上記検出素子の内部抵抗を繰り返し検知する内部抵抗検知手段と、
   上記内部抵抗を検知したときの空燃比が、上記リッチ状態のうち上記検出素子の劣化検知に用いる評価リッチ範囲内にあるか否かを、上記センサ出力に基づいて判別するリッチ範囲判別手段と、
   上記内部抵抗を検知したときの空燃比が、上記リーン状態のうち上記検出素子の上記劣化検知に用いる評価リーン範囲内にあるか否かを、上記センサ出力に基づいて判別するリーン範囲判別手段と、
   検知された上記内部抵抗のうち、上記リッチ範囲判別手段で上記空燃比が上記評価リッチ範囲内であると判別したときに検知された評価リッチ抵抗と、上記リーン範囲判別手段で上記空燃比が上記評価リーン範囲内であると判別したときに検知された評価リーン抵抗との差分に基づいて、上記検出素子の劣化を検知する劣化検知手段と、を備える
   センサ出力処理装置。
2. 請求項１に記載のセンサ出力処理装置であって、
   前記評価リッチ範囲は、前記空燃比の範囲のうち、前記理論空燃比を含む除外範囲よりもリッチ側の範囲であり、
   前記評価リーン範囲は、上記除外範囲よりもリーン側の範囲である
   センサ出力処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサ出力処理装置であって、
   前記劣化検知手段は、
   前記評価リッチ抵抗と前記評価リーン抵抗との前記差分から、前記検出素子の劣化の度合いを示す劣化度を得る劣化度取得手段を含む
   センサ出力処理装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のセンサ出力処理装置であって、
   前記酸素センサは、前記検出素子を加熱するヒータを有し、
   検知した前記内部抵抗から、被制御内部抵抗を得る被制御抵抗取得手段と、
   上記被制御内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段と、を備え、
   上記被制御抵抗取得手段は、
   前記評価リッチ抵抗とこれと共に前記劣化検知に用いる前記評価リーン抵抗とを検知する劣化評価期間中は、予め定めた値を上記被制御内部抵抗とする
   センサ出力処理装置。
5. 請求項４に記載のセンサ出力処理装置であって、
   前記被制御抵抗取得手段は、
   前記劣化評価期間の開始直前に得られた前記内部抵抗の値を、上記劣化評価期間中の前記被制御内部抵抗の値とする
   センサ出力処理装置。
6. 請求項４または請求項５に記載のセンサ出力処理装置であって、
   前記劣化検知手段は、
   前記評価リッチ抵抗と前記評価リーン抵抗との前記差分から、前記検出素子の劣化の度合いを示す劣化度を得る劣化度取得手段を含み、
   上記劣化度に基づき、前記ヒータ通電制御手段で用いる前記被制御内部抵抗または前記目標抵抗値のいずれかを補正する補正手段を備える
   センサ出力処理装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のセンサ出力処理装置と、
   前記酸素センサとを備える
   センサシステム。

Images