JP5979165B2 - 酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、酸素濃度センサの素子のインピーダンスを検出する装置に関する。

内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素濃度センサの素子のインピーダンス（素子インピーダンス）を検出する技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。
特許文献１の技術では、素子としてセルに、インピーダンス測定用（抵抗値測定用）の一定の電流を印加すると共に、電流を印加する前の素子の両端電圧と、電流を印加した後の素子の両端電圧との差分を、素子のインピーダンスと相関する値として検出する。

特開平１０−４８１８０号公報

上記技術によれば、上記差分を、素子に印加したインピーダンス測定用の電流の値（既知）で割ることにより、インピーダンスを算出することができる。そして、インピーダンス測定用の電流を大きい値に設定すれば、上記差分が大きくなり、インピーダンスの検出精度を上げることができる。しかし、素子のインピーダンスが大きいときに、インピーダンス測定用の電流として、大きい電流を印加してしまうと、素子間に大きな電圧が印加されて素子にダメージを与える可能性がある。

そこで、本発明は、酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、素子にダメージを与えてしまうことの回避と、素子インピーダンスの良好な検出精度とを、両立させることを目的としている。

第１発明の酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置は、電流印加手段と、検出手段と、演算手段とを備える。
電流印加手段は、酸素濃度センサの素子に、当該素子のインピーダンスを検出するための電流（以下、インピーダンス検出用電流ともいう）を印加する。検出手段は、前記素子に前記電流が印加される前の前記素子の両端電圧である電流印加前電圧と、前記素子に前記電流が印加されている期間の前記素子の両端電圧である電流印加後電圧との、差分を検出する。演算手段は、検出手段により検出された前記差分と、電流印加手段により前記素子に印加された前記電流の値とに基づいて、前記素子のインピーダンスを算出する。

特に、この素子インピーダンス検出装置では、電流印加手段は、前記素子に印加する電流を変更することが可能に構成されている。そして、変更手段が備えられており、その変更手段は、検出手段によって検出された差分に応じて、電流印加手段が前記素子に印加する電流を変更する。

検出手段によって検出される差分は、素子のインピーダンスに比例するため、その差分に応じて、素子に印加するインピーダンス検出用電流を変更することにより、素子にダメージを与えてしまうことの回避と、素子インピーダンスの良好な検出精度とを、両立させることができる。つまり、素子インピーダンスが大きいときのインピーダンス検出用電流が大きすぎて素子にダメージを与えてしまうことを回避することができると共に、素子インピーダンスが小さいときのインピーダンス検出用電流が小さすぎてインピーダンスの検出精度が悪化してしまうことを回避することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態の制御装置の構成を表す構成図である。 第１実施形態の制御装置の作用を説明する説明図である。 第１実施形態の電流制御部が行う処理を表すフローチャートである。 第２実施形態の制御装置の構成を表す構成図である。

以下に、本発明が適用された実施形態の制御装置について説明する。尚、本実施形態の制御装置は、車両に搭載された内燃機関の空燃比フィードバック制御（燃料噴射量を目標の空燃比にする制御）を実施する燃料噴射制御システムに用いられる。そして、以下では、燃料噴射制御システムにおいて実際の空燃比を検出するために用いられる酸素濃度センサの、素子インピーダンスを検出する構成及び処理について主に説明する。

［第１実施形態］
図１に示すように、第１実施形態の制御装置１には、空燃比を検出するための空燃比センサ３が接続される。

空燃比センサ３は、限界電流式の１セル空燃比センサであり、車両のエンジンの排気通路に配置される。そして、空燃比センサ３は、電圧が印加された状態で、排気ガス中の空燃比に応じた限界電流を発生するセンサセル３ａと、センサセル３ａを加熱するためのヒータ３ｂとを備える。センサセル３ａが発生する限界電流が、当該空燃比センサ３により検出された空燃比に応じたセンサ電流となる。この例では、センサセル３ａが、インピーダンス検出対象の素子に該当する。

制御装置１は、センサセル３ａの一方の端子５（例えばプラス側端子）に電圧を印加するための電圧制御部１１及びバッファ回路１３と、センサセル３ａの他方の端子７（例えばマイナス側端子）に電圧を印加するための電圧制御部１５及びバッファ回路１７と、を備える。

バッファ回路１３は、オペアンプ（演算増幅器）によって構成されており、電圧制御部１１の出力電圧Ｖｏ１と同じ電圧を、センサセル３ａの端子５に出力する。バッファ回路１７も、オペアンプによって構成されており、電圧制御部１５の出力電圧Ｖｏ２と同じ電圧を、センサセル３ａの端子７に出力する。例えば、電圧制御部１１の出力電圧Ｖｏ１が２．９Ｖで、電圧制御部１５の出力電圧Ｖｏ２が２．５Ｖであれば、センサセル３ａには０．４Ｖの電圧が印加されることになる。尚、電圧制御部１１，１５の出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２は互いに異なるが、その出力電圧Ｖｏ１，Ｖｏ２の一方又は両方（延いてはセンサセル３ａに印加する電圧）は、固定値であっても良いし、センサ電流に応じて変化させても良い。

更に、制御装置１は、センサセル３ａの両端電圧（以下、センサ間電圧ともいう）Ｖｓを増幅して出力する増幅回路１９と、センサセル３ａのインピーダンスＺを検出するための電流を、センサセル３ａに印加する電流印加回路２１と、ロジック部２３と、Ｄ／Ａ変換器（デジタル／アナログ変換器：ＤＡＣ）２５と、マイコン２７と、マイコン２７からの指令に応じてヒータ３ｂに通電する駆動回路２９と、を備える。

増幅回路１９の増幅度は任意であるが、ここでは説明を簡略化するために「増幅度＝１」であるとする。つまり、増幅回路１９からセンサ間電圧Ｖｓと同じ電圧が出力されるものとして説明する。

電流印加回路２１では、一定の電源電圧ＶＤとグランドラインとの間に、抵抗３１と、第１スイッチ３３と、第２スイッチ３５と、抵抗３７とが、その順に直列に接続されている。そして、第１スイッチ３３と第２スイッチ３５との接続点が、センサセル３ａの端子７に接続されている。この例において、第１スイッチ３３と第２スイッチ３５は、ＭＯＳＦＥＴであるが、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等、他の種類のスイッチング素子でも良い。

そして、電流印加回路２１は、第１オペアンプ３９と第２オペアンプ４１とを備える。
第１オペアンプ３９には、抵抗３１と第１スイッチ３３との接続点の電圧と、Ｄ／Ａ変換器２５の出力電圧Ｖｄａとが入力される。そして、第１オペアンプ３９は、マイコン２７からの第１スイッチオン指令を受けている場合に、抵抗３１と第１スイッチ３３との接続点の電圧が、Ｄ／Ａ変換器２５の出力電圧Ｖｄａと一致するように、第１スイッチ３３をオンさせる。また、第１オペアンプ３９は、マイコン２７からの第１スイッチオン指令を受けていない場合には、第１スイッチ３３をオフさせる。マイコン２７から出力される第１スイッチオン指令は、例えばハイアクティブの信号である。

第２オペアンプ４１には、抵抗３７と第２スイッチ３５との接続点の電圧と、Ｄ／Ａ変換器２５の出力電圧Ｖｄａとが入力される。そして、第２オペアンプ４１は、マイコン２７からの第２スイッチオン指令を受けている場合に、抵抗３７と第２スイッチ３５との接続点の電圧が、Ｄ／Ａ変換器２５の出力電圧Ｖｄａと一致するように、第２スイッチ３５をオンさせる。また、第２オペアンプ４１は、マイコン２７からの第２スイッチオン指令を受けていない場合には、第２スイッチ３５をオフさせる。マイコン２７から出力される第２スイッチオン指令も、例えばハイアクティブの信号である。

ここで、抵抗３１の抵抗値をＲ３１とし、抵抗３７の抵抗値をＲ３７とする。
このような電流印加回路２１では、マイコン２７から第１スイッチオン指令が出力されて第１スイッチ３３がオンした場合には、センサセル３ａに、「（ＶＤ−Ｖｄａ）／Ｒ３１」の電流が、端子７から端子５への方向の電流として印加される。以下では、その電流（即ち、第１スイッチ３３のオンによってセンサセル３ａに印加される電流）のことを「＋Ｉｚ」と記載する。また、マイコン２７から第２スイッチオン指令が出力されて第２スイッチ３５がオンした場合には、センサセル３ａに、「Ｖｄａ／Ｒ３７」の電流が、端子５から端子７への方向の電流として印加される。以下では、その電流（即ち、第２スイッチ３５のオンによってセンサセル３ａに印加される電流）のことを「−Ｉｚ」と記載する。

Ｄ／Ａ変換器２５は、ロジック部２３から出力されるデジタルデータが表す電圧を、第１オペアンプ３９及び第２オペアンプ４１に出力する。
ロジック部２３は、検出部２３ａと電流制御部２３ｂとを備える。尚、ロジック部２３は、例えばマイコン２７とは別のマイコン又は論理回路によって構成される。また、ロジック部２３には、増幅回路１９からのセンサ間電圧Ｖｚと、マイコン２７からの第１スイッチオン指令及び第２スイッチオン指令とが入力される。

電流制御部２３ｂは、第１スイッチオン指令がハイになったとき（即ち、第１スイッチ３３がオンしたとき）の＋Ｉｚと、第２スイッチオン指令がハイになったとき（即ち、第２スイッチ３５がオンしたとき）の−Ｉｚとが、同じ電流値となるように、Ｄ／Ａ変換器２５にデジタルデータを出力する。つまり、本実施形態において、＋Ｉｚと−Ｉｚは、絶対値が同じで方向が互いに逆の一定電流であり、以下では、＋Ｉｚ，−Ｉｚの絶対値（電流値）のことを、印加電流値Ｉｚという。尚、センサセル３ａに印加する電流（印加電流）の方向として、＋Ｉｚの方向を正とすれば、＋Ｉｚは正の印加電流であり、−Ｉｚは負の印加電流である。また、本実施形態では、＋Ｉｚが、センサセル３ａのインピーダンスＺを検出するためのインピーダンス検出用電流になっている。

更に、電流制御部２３ｂは、Ｄ／Ａ変換器２５へのデジタルデータの値を変えることによって印加電流値Ｉｚを複数通りに変更する。例えば、電流制御部２３ｂは、印加電流値Ｉｚを、１００μＡと１ｍＡとの２段階に切り換える。また例えば、電流制御部２３ｂは、印加電流値Ｉｚを、１００μＡと５００μＡと１ｍＡとの３段階に切り換えるようになっていても良い。印加電流値Ｉｚを切り換える段数（何通りに変更するか）は適宜決定することができる。尚、検出部２３ａと電流制御部２３ｂとの動作については、後で更に説明する。

マイコン２７は、図２の１段目及び２段目に示すように、一定時間Ｔ１毎に、所定時間Ｔ２だけ第１スイッチ３３をオンさせる。具体的には、第１スイッチオン指令を所定時間Ｔ２だけハイにする。更に、マイコン２７は、第１スイッチ３３をオンからオフさせたときから、所定時間Ｔ２だけ第２スイッチ３５をオンさせる。具体的には、第１スイッチオン指令をハイからローに戻したときから所定時間Ｔ２だけ第２スイッチオン指令をハイにする。

このため、電流印加回路２１は、一定時間Ｔ１毎に、センサセル３ａに＋Ｉｚを印加すると共に、＋Ｉｚの印加を終了した後、すぐに＋Ｉｚと同じ値で逆方向の−Ｉｚをセンサセル３ａに印加することとなる。一定時間Ｔ１は、センサセル３ａのインピーダンスＺを検出する周期であり、図２の如く所定時間Ｔ２の２倍よりも長い。

そして、図２の４段目に示すように、センサ間電圧Ｖｚは、センサセル３ａに＋Ｉｚ，−Ｉｚが印加されることによって変化する。図２では、センサ間電圧Ｖｚを、端子７の電圧を基準にした端子５の電圧として表しているため、センサ間電圧Ｖｚは、＋Ｉｚの印加（第１スイッチ３３のオン）によって小さくなり、−Ｉｚの印加（第２スイッチ３５のオン）によって大きくなっている。

ロジック部２３において、検出部２３ａは、第１スイッチオン指令に同期して動作し、センサセル３ａに＋Ｉｚが印加される直前のセンサ間電圧Ｖｓである電流印加前電圧Ｖａと、＋Ｉｚが印加されている期間の（この例では＋Ｉｚの印加が終了される直前の）センサ間電圧Ｖｓである電流印加後電圧Ｖｂとを検出する。

具体的には、検出部２３ａは、第１スイッチオン指令がローからハイになるタイミング（電流印加回路２１が＋Ｉｚの印加を開始するタイミング）よりも所定時間Ｔａだけ前のセンサ間電圧Ｖｓを、電流印加前電圧Ｖａとして検出する。そして、検出部２３ａは、第１スイッチオン指令がハイからローになるタイミング（電流印加回路２１が＋Ｉｚの印加を終了するタイミング）よりも所定時間Ｔａだけ前のセンサ間電圧Ｖｓを、電流印加後電圧Ｖｂとして検出する。所定時間Ｔａは、第１スイッチ３３がオンされる時間Ｔ２よりも十分に短い時間である。このため、センサセル３ａに＋Ｉｚが印加される直前のセンサ間電圧Ｖｓと、＋Ｉｚの印加が終了される直前のセンサ間電圧Ｖｓとを、電流印加前電圧Ｖａと電流印加後電圧Ｖｂとの各々として確実に検出することができる。尚、所定時間Ｔａは、できるだけ０に近いことが好ましい。

そして更に、検出部２３ａは、電流印加前電圧Ｖａと電流印加後電圧Ｖｂとの差分ΔＶｓ（ＶａとＶｂとの差の絶対値：図２の４段目参照）を算出する。差分ΔＶｓは、センサセル３ａのインピーダンスＺと＋Ｉｚとに比例する。

ロジック部２３の電流制御部２３ｂは、検出部２３ａにより検出された差分ΔＶｓに応じて、印加電流値Ｉｚを変更する（つまり、Ｄ／Ａ変換器２５に出力するデジタルデータを変更する）。

電流制御部２３ｂの処理内容を、図３を用いて具体的に説明する。
電流制御部２３ｂは、検出部２３ａが新たな差分ΔＶｓを算出する毎に、図３の処理を行う。

そして、電流制御部２３ｂは、今回算出された差分ΔＶｓが所定の電流減少判定値Ｖ１以上（「ΔＶｓ≧Ｖ１」）であるか否かを判定する（Ｓ１１０）。電流制御部２３ｂは、「ΔＶｓ≧Ｖ１」であると判定した場合には（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、更に、「ΔＶｓ≧Ｖ１」であると判定した連続回数が所定回数Ｎ１以上になったか否かを判定する（Ｓ１２０）。電流減少判定値Ｖ１は例えば１Ｖである。また、所定回数Ｎ１は２以上である。

そして、電流制御部２３ｂは、「ΔＶｓ≧Ｖ１」であると判定した連続回数が所定回数Ｎ１以上であれば（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、次回からの印加電流値Ｉｚを、複数通りの値のうちで、現時点の値よりも１段階小さい値に変更する（Ｓ１３０）。

また、電流制御部２３ｂは、Ｓ１１０で「ΔＶｓ≧Ｖ１」ではないと判定した場合、あるいは、Ｓ１２０で連続回数が所定回数Ｎ１以上ではないと判定した場合には、今回算出された差分ΔＶｓが所定の電流増加判定値Ｖ２未満（「ΔＶｓ＜Ｖ２」）であるか否かを判定する（Ｓ１４０）。電流制御部２３ｂは、「ΔＶｓ＜Ｖ２」であると判定した場合には（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、更に、「ΔＶｓ＜Ｖ２」であると判定した連続回数が所定回数Ｎ２以上になったか否かを判定する（Ｓ１５０）。電流増加判定値Ｖ２は、電流減少判定値Ｖ１よりも小さく例えば０．１Ｖである。また、所定回数Ｎ２も２以上である。

そして、電流制御部２３ｂは、「ΔＶｓ＜Ｖ２」であると判定した連続回数が所定回数Ｎ２以上であれば（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、次回からの印加電流値Ｉｚを、複数通りの値のうちで、現時点の値よりも１段階大きい値に変更する（Ｓ１６０）。

また、電流制御部２３ｂは、Ｓ１４０で「ΔＶｓ＜Ｖ２」ではないと判定した場合、あるいは、Ｓ１５０で連続回数が所定回数Ｎ２以上ではないと判定した場合には、印加電流値Ｉｚを変更しない。

つまり、電流制御部２３ｂは、一定時間Ｔ１毎に算出される差分ΔＶｓが所定回数Ｎ１以上連続して電流減少判定値Ｖ１以上になったと判定した場合に（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、印加電流値Ｉｚを小さくする（Ｓ１３０）。また、電流制御部２３ｂは、一定時間Ｔ１毎に算出される差分ΔＶｓが所定回数Ｎ２以上連続して電流増加判定値Ｖ２未満になったと判定した場合に（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、印加電流値Ｉｚを大きくする（Ｓ１６０）。

一方、ロジック部２３からマイコン２７へは、検出部２３ａが検出した差分ΔＶｓと、電流制御部２３ｂが設定している現在の印加電流値Ｉｚとが、出力される。
そして、マイコン２７は、差分ΔＶｓと印加電流値Ｉｚとに基づいて、センサセル３ａのインピーダンスＺを算出する。具体的には、差分ΔＶｓを印加電流値Ｉｚで割ることで、インピーダンスＺ（＝ΔＶｓ／Ｉｚ）を算出する。

センサセル３ａのインピーダンスＺは、センサセル３ａの温度と相関がある。このため、マイコン２７は、算出したインピーダンスＺに基づいて、センサセル３ａが活性状態であるか否かを判定したり、ヒータ３ｂへの通電を制御したりする。

また、図１では図示を省略しているが、空燃比に応じたセンサ電流が流れる経路には、電流検出用抵抗が設けられている。例えば、バッファ回路１３の出力端子とセンサセル３ａの端子５との間の電流経路、あるいは、バッファ回路１７の出力端子とセンサセル３ａの端子７との間の電流経路に、電流検出用抵抗が設けられている。そして、電流検出用抵抗の両端電圧がマイコン２７に入力され、マイコン２７は、その入力される両端電圧に基づいて、センサ電流を検出する。更に、マイコン２７は、検出したセンサ電流を、所定の式やデータマップに当てはめることにより、空燃比に変換する。そして、このように検出された空燃比は、内燃機関の空燃比フィードバック制御に用いられる。尚、センサ電流を検出する処理や、センサ電流を空燃比に変換する処理は、マイコン２７とは別のマイコン等が実施しても良い。

次に、以上のような制御装置１の作用について、図２を用い説明する。ここでは、例えば上記所定回数Ｎ１，Ｎ２が両方ともに２であり、また、印加電流値Ｉｚを１００μＡと１ｍＡとの２段階（２通り）に切り換える場合を例に挙げて説明する。

図２に例示しているように、検出部２３ａによって一定時間Ｔ１毎に検出される差分ΔＶｓが２回連続して電流増加判定値Ｖ２未満になると、印加電流値Ｉｚが１００μＡから、それよりも大きい１ｍＡに変更される（矢印Ｙ１の部分を参照）。また、その後、検出部２３ａによって一定時間Ｔ１毎に検出される差分ΔＶｓが２回連続して電流減少判定値Ｖ１以上になると、印加電流値Ｉｚが１ｍＡから、それよりも小さい１００μＡに変更される（矢印Ｙ２の部分を参照）。

尚、図での例示は省略するが、例えば、印加電流値Ｉｚを１００μＡ、５００μＡ、１ｍＡの３段階に切り換えるのであれば、印加電流値Ｉｚは、差分ΔＶｓが「Ｎ２」回連続して電流増加判定値Ｖ２未満になる毎に、「１００μＡ→５００μＡ→１ｍＡ」と変更される。また、印加電流値Ｉｚは、差分ΔＶｓが「Ｎ１」回連続して電流減少判定値Ｖ１以上になる毎に、「１ｍＡ→５００μＡ→１００μＡ」と変更される。

このように、制御装置１では、差分ΔＶｓに応じて印加電流値Ｉｚを変更しており、要するに、差分ΔＶｓに応じて、センサセル３ａに印加するインピーダンス検出用電流（上記例では＋Ｉｚ）を変更している。このため、センサセル３ａにダメージを与えてしまうことの回避と、インピーダンスＺの良好な検出精度とを、両立させることができる。つまり、インピーダンスＺが大きいときの印加電流値Ｉｚが大きすぎてセンサセル３ａにダメージを与えてしまうことを回避することができると共に、インピーダンスＺが小さいときの印加電流値Ｉｚが小さすぎてインピーダンスＺの検出精度が悪化してしまうことを回避することができる。

更に具体的には、電流制御部２３ｂは、差分ΔＶｓが電流減少判定値Ｖ１以上になったと判定した場合に、印加電流値Ｉｚを小さくするため、インピーダンスＺが大きいときの印加電流値Ｉｚが大きすぎてセンサセル３ａにダメージを与えてしまうことを回避することができる。また、電流制御部２３ｂは、差分ΔＶｓが電流増加判定値Ｖ２未満になったと判定した場合に、印加電流値Ｉｚを大きくするため、インピーダンスＺが小さいときの印加電流値Ｉｚが小さすぎてインピーダンスＺの検出精度が悪化してしまうことを回避することができる。

また、電流減少判定値Ｖ１と電流増加判定値Ｖ２は、例えば同じ値でも良いが、本実施形態では、電流減少判定値Ｖ１の方が電流増加判定値Ｖ２よりも大きいため、印加電流値Ｉｚを大きくするか小さくするかを確実に決めることができる。よって、印加電流値Ｉｚの増減変更を確実に実施することができる。

また、電流制御部２３ｂは、差分ΔＶｓが所定回数Ｎ１以上連続して電流減少判定値Ｖ１以上になったと判定した場合に、印加電流値Ｉｚを小さくし、差分ΔＶｓが所定回数Ｎ２以上連続して電流増加判定値Ｖ２未満になったと判定した場合に、印加電流値Ｉｚを大きくするようになっている。このため、状態遷移のチャタリングを防止することができる。

また、制御装置１では、センサセル３ａに＋Ｉｚを印加した後、＋Ｉｚと絶対値が同じで逆方向の−Ｉｚをセンサセル３ａに印加している。このため、＋Ｉｚを印加した後、センサセル３ａが空燃比に応じた出力を行う正常状態（この例では空燃比に応じたセンサ電流を発生する状態）に復帰するまでの時間を短くすることができる。

一方、変形例として、インピーダンスＺを検出する対象の酸素濃度センサは、所定の空燃比（一般には理論空燃比）で出力電圧が急変する特性を有したＯ2（酸素）センサ（ラムダセンサとも呼ばれる）でも良い。Ｏ2センサの場合、図１における電圧制御部１１，１５及びバッファ回路１３，１７を削除することができる。また、空燃比センサ３やＯ2センサとしては、ヒータ３ｂを備えないもの、あるいは、ヒータ３ｂが別体で設けられるものでも良い。

［第２実施形態］
次に、第２実施形態の制御装置について説明する。尚、第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を用いるため詳細な説明を省略する。

図４に示す第２実施形態の制御装置５１は、第１実施形態の制御装置１と比較すると、下記（１）〜（３）の点が異なる。
（１）制御装置５１に接続される空燃比センサ５３は、２つのセルを有した２セル空燃比センサである。空燃比センサ５３は、起電力セルであるセンサセル５３ａと、ポンプセル５３ｂと、ヒータ５３ｃとを備える。空燃比センサ５３は、センサセル５３ａの出力電圧が一定となるようにポンプセル５３ｂが作動されて、そのときにポンプセル５３ｂに流れる電流が、空燃比を表すセンサ電流として測定されるタイプの空燃比センサである。尚、ヒータ５３ｃは、第１実施形態と同様に、制御装置５１の駆動回路２９によって通電されることにより、センサセル５３ａとポンプセル５３ｂを加熱する。

（２）空燃比センサ５３のセンサセル５３ａが、インピーダンス検出対象の素子である。このため、電流印加回路２１における第１スイッチ３３と第２スイッチ３５との接続点が、センサセル５３ａの一方の端子５５に接続されている。センサセル５３ａの他方の端子５７は、ポンプセル５３ｂとの共通端子である。そして、増幅回路１９からは、センサセル５３ａの両端電圧（端子５５，５７間の電圧）が、センサ間電圧Ｖｓとして出力される。

この例において、端子５５は、センサセル５３ａのプラス側端子であり、端子５７は、センサセル５３ａ及びポンプセル５３ｂのマイナス側端子である。そして、ポンプセル５３ｂの他方の端子５９は、ポンプセル５３ｂのプラス側端子である。

（３）制御装置５１は、電圧制御部１１，１５及びバッファ回路１３，１７に代えて、電圧制御部６１と、オペアンプ６３，６５と、電流検出用抵抗６７とを備える。
電圧制御部６１は、センサ間電圧Ｖｓの目標電圧Ｖｔ（例えば０．４５Ｖ）を出力する。オペアンプ６３には、電圧制御部６１からの目標電圧Ｖｔと、増幅回路１９からのセンサ間電圧Ｖｓとが入力される。また、オペアンプ６３の出力端子は電流検出用抵抗６７を介して端子５７に接続されている。そして、オペアンプ６３は、センサ間電圧Ｖｓが目標電圧Ｖｔとなるように出力電圧を変える。オペアンプ６５には、端子５７の電圧と一定の電圧Ｖｃ(例えば４Ｖ）とが入力される。また、オペアンプ６５の出力端子は端子５９に接続されている。そして、オペアンプ６５は、端子５７の電圧が電圧Ｖｃとなるように端子５９に電圧を出力する。

この構成により、センサセル５３ａの出力電圧であるセンサ間電圧Ｖｓが目標電圧Ｖｔとなるように、ポンプセル電流（ポンプセル５３ｂに流す電流）が調節される。そして、そのポンプセル電流が、空燃比を表すセンサ電流として電流検出用抵抗６７に流れる。

このため、マイコン２７は、電流検出用抵抗６７の両端電圧に基づいて、センサ電流を検出し、その検出したセンサ電流を、所定の式やデータマップに当てはめることにより、空燃比に変換する。尚、電流検出用抵抗６７の一方端の電圧は、端子５７の電圧と同じであり、既知の電圧Ｖｃに保たれるため、図４の例では、電流検出用抵抗６７のオペアンプ６３側の端部の電圧が、センサ電流を検出するためのモニタ電圧としてマイコン２７に入力されている。マイコン２７は、そのモニタ電圧をＡ／Ｄ変換（アナログ／デジタル変換）し、そのＡ／Ｄ変換結果から電圧Ｖｃの値を引くことで、電流検出用抵抗６７の両端電圧を検出することができる。勿論、マイコン２７には、電流検出用抵抗６７の両端の各電圧が入力されるようになっていても良い。

一方、センサセル５３ａのインピーダンスＺを検出するための構成及び処理については、第１実施形態の制御装置１と同様である。このため、第２実施形態の制御装置５１によっても、第１実施形態の制御装置１と同様の効果が得られる。

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ことなく、種々の形態を採り得る。また、前述の数値も一例であり他の値でも良い。
例えば、第１実施形態の制御装置１において、酸素濃度センサとしてのセンサセル３ａに、＋Ｉｚと−Ｉｚとを、前述した順とは逆の順に印加し、−Ｉｚの方をインピーダンス検出用電流としても良い。また例えば、＋Ｉｚと−Ｉｚとの一方だけをセンサセル３ａに印加する構成にしても良い。また例えば、図３に示した処理内容のうち、Ｓ１２０，Ｓ１５０の判定を実施せず、Ｓ１１０でＹＥＳと判定したならＳ１３０の処理を行い、Ｓ１４０でＹＥＳと判定したならＳ１６０の処理を行うように構成しても良い。そして、これらのことは、第２実施形態の制御装置５１についても同様である。

また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

また、上述した素子インピーダンス検出装置としての制御装置の他、当該制御装置を構成要素とするシステム、当該制御装置としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した媒体、素子インピーダンス検出方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

３，５３…空燃比センサ（酸素濃度センサ）、３ａ，５３ａ…センサセル（素子）、２１…電流印加回路、２３ａ…検出部、２３ｂ…電流制御部、２７…マイコン

Claims (6)

1. 酸素濃度センサ（３，５３）の素子（３ａ，５３ａ）に、当該素子のインピーダンスを検出するための電流を印加する電流印加手段（２１）と、
   前記素子に前記電流が印加される前の前記素子の両端電圧である電流印加前電圧と、前記素子に前記電流が印加されている期間の前記素子の両端電圧である電流印加後電圧との、差分を検出する検出手段（２３ａ）と、
   前記検出手段により検出された前記差分と前記電流印加手段により前記素子に印加された前記電流の値とに基づいて、前記素子のインピーダンスを算出する演算手段（２７）と、
   を備えた酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、
   前記電流印加手段は、前記素子に印加する前記電流を変更することが可能に構成されており、
   前記検出された差分に応じて、前記電流印加手段が前記素子に印加する前記電流を変更する変更手段（２３ｂ，Ｓ１１０〜Ｓ１６０）を備え、
   前記変更手段（２３ｂ，Ｓ１１０，Ｓ１３０）は、前記差分が所定の電流減少判定値以上になったと判定した場合に、前記電流を小さくすること、
   を特徴とする酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置。
2. 請求項１に記載の酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、
   前記変更手段（２３ｂ，Ｓ１４０，Ｓ１６０）は、前記差分が所定の電流増加判定値未満になったと判定した場合に、前記電流を大きくすること、
   を特徴とする酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置。
3. 請求項２に記載の酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、
   前記電流減少判定値は前記電流増加判定値よりも大きいこと、
   を特徴とする酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、
   前記電流印加手段は定期的に動作し、
   前記変更手段（２３ｂ，Ｓ１１０〜Ｓ１６０）は、前記検出手段により定期的に検出される前記差分が所定回数以上連続して前記電流減少判定値以上になったと判定した場合に、前記電流を小さくし、前記差分が所定回数以上連続して前記電流増加判定値未満になったと判定した場合に、前記電流を大きくすること、
   を特徴とする酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、
   前記検出手段は、前記電流印加手段が前記素子への前記電流の印加を開始するタイミングよりも所定時間だけ前の前記素子の両端電圧を、前記電流印加前電圧として検出し、前記電流印加手段が前記電流の印加を終了するタイミングよりも所定時間だけ前の前記素子の両端電圧を、前記電流印加後電圧として検出すること、
   を特徴とする酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置。
6. 請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置において、
   前記電流印加手段は、前記素子に前記電流を印加した後、その印加した電流と同じ値で逆方向の電流を前記素子に印加すること、
   を特徴とする酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置。

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