JPH11183431A - ガス成分濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割
れなどの不具合を抑制する。 【解決手段】Ａ／Ｆセンサ３０のセンサ素子部６０は、
固体電解質とヒータ６４とを積層し、それらを一体化し
て構成される。Ａ／Ｆセンサ３０は、電圧の印加に伴い
排ガス中の酸素濃度に比例したリニアなＡ／Ｆ検出信号
を出力する。マイコン２０は、ヒータ制御回路２５を介
してヒータ６４を加熱させ、それによりセンサ素子部６
０（固体電解質）を所定の活性温度に保持する。この場
合、マイコン２０は、センサ素子部６０への印加電圧と
それに伴って流れるセンサ電流とに基づいて素子抵抗を
検出すると共に、その素子抵抗を素子温に換算する。そ
して、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温時において、素子温変化
速度（センサ素子部６０の昇温率）に応じてヒータ通電
量をデューティ制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス成分濃度測定
装置に係り、例えばエンジンから排出される排ガスな
ど、被測定ガス中の酸素濃度を検出するためのガス成分
濃度測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車用エンジンにおいては、一
般に酸素濃度センサによる酸素濃度（空燃比）の検出結
果に基づき空燃比制御が実施される。かかる酸素濃度セ
ンサはジルコニア製の固体電解質を有し、この固体電解
質により酸素濃度（空燃比）を精度良く検出するにはセ
ンサ素子（固体電解質）の温度を所定の活性温度に維持
する必要がある。通常は同センサにヒータを付設しヒー
タの通電量を制御している。こうしたヒータ制御の手法
として、例えばヒータへの供給電力を制御したり、セン
サ素子の温度を所定の活性温度にフィードバック制御し
たりするものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来既
存の技術では、例えばエンジンの低温始動時においてセ
ンサ素子（固体電解質）を冷間状態から昇温させる際に
おいて、いち早く昇温させることが望まれるものの、そ
の反面、センサ素子を急速に昇温させると、素子割れ、
ヒータ割れ、素子とヒータとの接合面の剥離などの不具
合を生じるおそれがあった。

【０００４】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、センサの昇温特
性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制す
ることができるガス成分濃度測定装置を提供することで
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、固体電解質を用いたセン
サ素子を有し、被測定ガスの特定成分濃度を測定するセ
ンサと、電源電圧の通電により発熱し、前記センサ素子
を所定の活性温度に加熱するためのヒータと、前記セン
サ素子の昇温率に応じて前記ヒータへの通電量を制御す
るヒータ制御手段とを備える。

【０００６】上記構成によれば、センサ素子の昇温率を
監視しつつヒータ通電量を制御することにより、センサ
素子の過剰な昇温動作が抑制できる。また、昇温率を監
視することでセンサの迅速なる活性化が実現できる。そ
の結果、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割
れなどの不具合を抑制することができる。

【０００７】特に本発明は、固体電解質を有するセンサ
素子にヒータを積層して配置し、固体電解質とヒータと
を一体化してなる積層型センサ（請求項１２）におい
て、顕著な効果を奏する。つまり、こうした積層型のセ
ンサでは、固体電解質とヒータとが近接して設けられる
ため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすい
が、上記構成によれば当該問題が確実に抑制できる。

【０００８】ここで、「センサ素子の昇温率」とは、固
体電解質やヒータの温度上昇の速度を意味する。センサ
素子の昇温率を制御するための具体的な方法としては、 ・請求項２に記載したように、素子温又は素子抵抗の変
化速度に応じてヒータ通電量を制御する。 ・請求項３に記載したように、素子温とヒータ温との差
に応じてヒータ通電量を制御する。 ・請求項５に記載したように、ヒータ温又はヒータ抵抗
の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する。といった
構成を採用する。

【０００９】なお、素子温と素子抵抗とは例えば図１７
に示すように互いに対応関係にある。従って、これら何
れをパラメータとしてセンサ素子の昇温率を制御したと
しても略同様の作用効果が得られる。また、ヒータ温と
ヒータ抵抗とは例えば図２８に示すように互いに対応関
係にある。従って、これら何れをパラメータとしてセン
サ素子の昇温率を制御したとしても略同様の作用効果が
得られる。

【００１０】また、前記センサ素子が冷間状態から昇温
される際には、その当初において素子抵抗が大きくその
値が検出できない。そこで、上記請求項２，３の発明で
は、請求項４に記載したように、素子抵抗が検出可能に
なるまでの期間において、素子温又は素子抵抗の変化速
度をオープン制御する。かかる構成によれば、センサ活
性化までの期間で確実に素子割れなどの不具合が抑制で
きる。

【００１１】請求項６に記載の発明では、前記センサの
昇温時であるか又は昇温後の定常時であるかを判別し、
昇温後の定常時であれば、素子温を目標温度に一致させ
るようフィードバック制御を実施する。つまり、センサ
が一旦活性化されると、それ以降は昇温時のような急激
な温度変化を生ずる可能性は少ないと考えられる。その
ため、センサの活性化以降については、昇温率に応じた
ヒータ制御に代えて、既存の素子温フィードバック制御
を実施する。かかる場合、昇温時は勿論のこと、昇温時
以外においても適切なヒータ制御が実施できる。

【００１２】請求項７に記載の発明では、前記センサ素
子の昇温率が所定の許容レベルを超えると、ヒータ通電
量を制限する。この場合、過剰な素子の加熱がより一層
確実に防止できる。

【００１３】一方、例えばセンサが劣化すると、劣化前
と劣化後とでは、同一のヒータ通電量であっても素子温
（固体電解質の温度）が変動する。そこで、上記ヒータ
制御においては、以下の請求項８〜請求項１０の補正を
実施する。それにより、センサの個体差や経時変化を反
映したヒータの通電制御が可能となる。

【００１４】請求項８に記載の発明では、前記センサの
冷間状態から活性化までの所要時間に応じて前記ヒータ
の通電量を補正する。つまり、例えばセンサが劣化した
場合、劣化前と比較して活性化までの所要時間が増大す
ると考えられる。よって、適正で且つ迅速なる活性化を
図るには、通電量を適宜補正するとよい。かかる場合、
センサ活性化までの所要時間に応じてヒータ通電量を補
正することで、センサ劣化等の経時変化や個体差による
ヒータ制御への影響が排除できる。

【００１５】請求項９に記載の発明では、エンジンへの
燃料カット時において、センサの抵抗支配領域に電圧を
印加してその時のセンサ電流値から内部抵抗を検出し、
該検出した内部抵抗に基づき前記ヒータの通電量を補正
する。より具体的には、燃料カット時に検出したセンサ
内部抵抗と、センサ活性後に検出した素子抵抗とを比較
し、それらの値のズレ量に応じてヒータ通電量を補正す
る。本構成においても、センサ個体差や経時変化による
ヒータ制御への影響が排除できる。

【００１６】請求項１０に記載の発明では、エンジンの
定常運転時におけるヒータ通電量と、予め設定されてい
るヒータ通電量の標準値との差に応じて前記ヒータの通
電量を補正する。本構成においても、センサ個体差や経
時変化によるヒータ制御による影響が排除できる。

【００１７】請求項１１に記載の発明では、前記補正に
関する値を学習値としてバックアップメモリに随時記憶
し、前記ヒータ制御手段はバックアップメモリに記憶さ
れた学習値を読み出してヒータ制御に使用する。要する
に、上記請求項８〜１０で求められる補正情報は、例え
ばエンジン運転条件に関係なくヒータ制御時に常に必要
な要素となりうる。従って、学習値をバックアップメモ
リに随時記憶すると共に、その値を必要に応じて更新す
ることで、学習値の演算が必要時だけで済み、効率的で
且つ適切なヒータ制御が実施できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車
に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用され
るものであって、同エンジンの空燃比制御システムにお
いては空燃比検出装置による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、並びに同センサに付設されたヒータの通電制御手順
を詳細に説明する。

【００１９】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、空
燃比検出装置１５は、その内部演算の中枢をなすマイク
ロコンピュータ（以下、マイコンという）２０を備え、
マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するた
めのエンジン制御ＥＣＵ１６に対して相互に通信可能に
接続されている。限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／
Ｆセンサという）３０は、エンジン１０のエンジン本体
１１から延びる排気管１２に取り付けられており、マイ
コン２０から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の
酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電
流信号）を出力する。

【００２０】マイコン２０は、各種演算処理を実行する
ための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成さ
れ、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御
回路４０やヒータ制御回路２５を制御する。マイコン２
０は、バッテリ電源＋Ｂの給電を受けて起動するもので
あるが、その内部には電源の遮断時（ＩＧ＝ＯＦＦ時）
にも記憶内容を保持するバックアップメモリ２０ａが設
けられている。

【００２１】Ａ／Ｆセンサ３０は、積層型のセンサ素子
部（セル）６０を有するものであって、その構成を図２
〜図４を用いて説明する。ここで、図２は、Ａ／Ｆセン
サ３０の全体構成を示す断面図、図３は、Ａ／Ｆセンサ
３０を構成するセンサ素子部６０の断面図、図４は、セ
ンサ素子部６０の詳細な構成を示す分解斜視図である。

【００２２】図２に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０は、
排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１を有
し、そのハウジング３１の下側開口部には素子カバー３
２が取り付けられている。素子カバー３２内には、長板
状のセンサ素子部６０の先端（下端）が配設されてい
る。素子カバー３２は有底二重構造をなし、排ガスをカ
バー内部に取り込むための複数の排気口３２ａを有す
る。

【００２３】センサ素子部６０は、ハウジング３１内に
配設された絶縁部材３３を貫通するように図の上方に延
び、その上端部には一対のリード線３４が接続されてい
る。ハウジング３１の上端には本体カバー３５がカシメ
着されている。また、本体カバー３５の上方にはダスト
カバー３６が取り付けられ、これら本体カバー３５及び
ダストカバー３６の二重構造によりセンサ上部が保護さ
れている。各カバー３５，３６には、カバー内部に大気
を取り込むための複数の大気口３５ａ，３６ａが設けら
れている。

【００２４】次に、センサ素子部６０の構成を図３及び
図４を用いて説明する。センサ素子部６０は大別して、
固体電解質６１、ガス拡散抵抗層６２、大気導入ダクト
６３及びヒータ６４からなり、これら各部材を積層して
構成されている。また、各部材の周囲には保護層６５が
設けられている。

【００２５】長方形板状の固体電解質６１は部分安定化
ジルコニア製のシートであり、その上面（ガス拡散抵抗
層６２側）には白金等からなる多孔質の計測電極６６が
スクリーン印刷法等により形成されると共に、下面（大
気導入ダクト６３側）には同じく白金等からなる多孔質
の大気側電極６７がスクリーン印刷法等により形成され
ている。計測電極６６及び大気側電極６７には、リード
線６６ａ，６７ａが接続されている。

【００２６】ガス拡散抵抗層６２は、計測電極６６へ排
ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層
６２ａと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からな
るガス遮蔽層６２ｂとを有する。ガス透過層６２ａ及び
ガス遮蔽層６２ｂは何れも、アルミナ、スピネル、ジル
コニア等のセラミックスをシート成形法等により成形し
たものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違
いによりガス透過率が相違するものとなっている。

【００２７】大気導入ダクト６３はアルミナ等の高熱伝
導性セラミックスからなり、同ダクト６３により大気室
６８が形成されている。この大気導入ダクト６３は大気
室６８内の大気側電極６７に大気を導入する役割をな
す。因みに、大気室６８は、前記図２に示すカバー３
５，３６の大気口３５ａ，３６ａに連通している。

【００２８】大気導入ダクト６３の下面にはヒータ６４
が取り付けられている。ヒータ６４は、バッテリ電源＋
Ｂからの通電により発熱する発熱体６４ａと、それを覆
う絶縁シート６４ｂとからなり、発熱体６４ａの両端に
はリード線６４ｃが接続されている。但し、図３の構成
以外に、発熱体６４ａを固体電解質６１に埋設したり、
発熱体６４ａをガス拡散抵抗層６２に埋設したりする構
成も可能である。

【００２９】なお上記センサ素子部６０において、計測
電極６６に達する排ガスは、ガス透過層６２ａの鉛直方
向（図の上下方向）からは侵入せず、ガス透過層６２ａ
の側方から侵入する。すなわち、ガス透過層６２ａの表
面はガス遮蔽層６２ｂに被われているため、排ガスは鉛
直方向からは侵入できず、その方向と直交する側面方向
から該透過層６２ａの内部に侵入する。かかる場合、ガ
ス透過層６２ａのガス拡散量は、同透過層６２ａの左右
方向の寸法（実際には、ガス透過層６２ａの側面と計測
電極６６との距離）に依存するが、この寸法が容易に且
つ自在に設定できることから、ガス透過層６２ａの孔径
がばらついても均一で安定したセンサ出力が得られるよ
うになる。

【００３０】上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、セ
ンサ素子部６０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６０（固体電解質６１）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６０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６０の活性温度範囲が狭いため、エンジン１
０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６４（発熱体
６４ａ）の加熱制御によりセンサ素子部６０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６０は
ＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。

【００３１】Ａ／Ｆセンサ３０の電圧−電流特性につい
て図５を用いて説明する。図５によれば、センサ素子部
６０の固体電解質６１への流入電流と、同固体電解質６
１への印加電圧とがリニアな特性を有することが分か
る。かかる場合、電圧軸（横軸）に平行な直線部分がセ
ンサ素子部６０の限界電流を特定するものであって、こ
の限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（すな
わち、リーン・リッチの程度）に対応している。つま
り、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ
／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。

【００３２】この電圧−電流特性において電圧軸に平行
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、センサ素子部６０における固体電解質６１の内部抵
抗（これを素子抵抗という）により特定される。この素
子抵抗は温度変化に伴い変化し、例えばセンサ素子部６
０の温度が低下すると素子抵抗の増大により上記傾きが
小さくなる。

【００３３】図６は、限界電流値を横軸に、その限界電
流値に対応するＡ／Ｆを縦軸にして、両者の関係を示す
グラフである。また一例として、Ａ／Ｆセンサ３０の耐
熱特性の具体的数値を示せば、 ・素子耐熱温度＝９００〜９５０℃、 ・ヒータ耐熱温度＝１０００〜１１００℃、 ・素子温変化速度の最大値＝１５０〜２００℃／ｓ、 ・ヒータ温変化速度の最大値＝２００℃／ｓ、 ・素子−ヒータの温度差の最大値＝２００℃、 となっている。

【００３４】一方、前記図１において、Ａ／Ｆセンサ３
０（センサ素子部６０）に電圧を印加するためのバイア
ス指令信号（デジタル信号）Ｖｒはマイコン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。そして、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、Ａ／Ｆ検出用又は素子抵抗検出用の電圧をＡ／Ｆセ
ンサ３０に印加するためのバイアス制御回路４０に入力
される。Ａ／Ｆ検出時には、前記図５の特性線Ｌ１を用
いてその時のＡ／Ｆに対応した印加電圧Ｖｐが設定され
るのに対し、素子抵抗検出時には、所定周波数信号より
なる単発的で且つ所定の時定数を持った電圧が印加され
る。

【００３５】バイアス制御回路４０内の電流検出回路５
０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電
流値を検出する。当該電流検出回路５０にて検出された
電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマ
イコン２０に入力される。Ａ／Ｆセンサ３０に付設され
たヒータ６４（発熱体６４ａ）は、ヒータ制御回路２５
によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路
２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子温やヒータ温に応じて
ヒータ６４への通電量をデューティ制御し、ヒータ６４
の加熱制御を行う。

【００３６】また、エンジン排気管１２には、排ガス温
度を検出するための排気温センサ１３が取り付けられて
おり、同センサ１３の出力がＡ／Ｄ変換器２４を介して
マイコン２０に入力される。

【００３７】次に、バイアス制御回路４０の構成を図７
の電気回路図を用いて説明する。図７において、バイア
ス制御回路４０は大別して、基準電圧回路４４と、第１
の電圧供給回路４５と、第２の電圧供給回路４７と、電
流検出回路５０とを有する。基準電圧回路４４は、定電
圧Ｖｃｃを分圧抵抗４４ａ，４４ｂにより分圧して一定
の基準電圧Ｖａを生成する。

【００３８】第１の電圧供給回路４５は電圧フォロア回
路にて構成され、基準電圧回路４４の基準電圧Ｖａと同
じ電圧Ｖａをセンサ素子部６０の一方の端子４２（前記
図３の大気側電極６７に接続される端子）に供給する。
より具体的には、第１の電圧供給回路４５は、正側入力
端子が各分圧抵抗４４ａ，４４ｂの分圧点に接続される
と共に負側入力端子がセンサ素子部６０の一方の端子４
２に接続された演算増幅器４５ａと、演算増幅器４５ａ
の出力端子に一端が接続された抵抗４５ｂと、この抵抗
４５ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトラ
ンジスタ４５ｃ及びＰＮＰトランジスタ４５ｄとを有す
る。ＮＰＮトランジスタ４５ｃのコレクタは定電圧Ｖｃ
ｃに接続され、エミッタは電流検出回路５０を構成する
電流検出抵抗５０ａを介してセンサ素子部６０の一方の
端子４２に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ
４５ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４５ｃのエミッ
タに接続され、コレクタはアースされている。

【００３９】第２の電圧供給回路４７も同様に電圧フォ
ロア回路にて構成され、前記ＬＰＦ２２の出力電圧Ｖｃ
と同じ電圧Ｖｃをセンサ素子部６０の他方の端子４１
（前記図３の計測電極６６に接続される端子）に供給す
る。より具体的には、第２の電圧供給回路４７は、正側
入力端子が前記ＬＰＦ２２の出力に接続されると共に負
側入力端子がセンサ素子部６０の他方の端子４１に接続
された演算増幅器４７ａと、演算増幅器４７ａの出力端
子に一端が接続された抵抗４７ｂと、この抵抗４７ｂの
他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ
４７ｃ及びＰＮＰトランジスタ４７ｄとを有する。ＮＰ
Ｎトランジスタ４７ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続
され、エミッタは抵抗４７ｅを介してセンサ素子部６０
の他方の端子４１に接続されている。また、ＰＮＰトラ
ンジスタ４７ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４７ｃ
のエミッタに接続され、コレクタはアースされている。

【００４０】上記構成により、センサ素子部６０の一方
の端子４２には常時一定電圧Ｖａが供給される。そし
て、ＬＰＦ２２を経由してセンサ素子部６０の他方の端
子４１に一定電圧Ｖａよりも低い電圧Ｖｃが供給される
と、当該センサ素子部６０が正バイアスされる。また、
ＬＰＦ２２を経由してセンサ素子部６０の他方の端子４
１に一定電圧Ｖａよりも高い電圧Ｖｃが供給されると、
当該センサ素子部６０が負バイアスされる。

【００４１】図８は、ヒータ制御回路２５の構成を示す
回路図である。図８において、ヒータ６４（発熱体６４
ａ）の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端はスイ
ッチング素子を構成するトランジスタ２５ａのコレクタ
に接続されている。同トランジスタ２５ａのエミッタは
ヒータ電流検出用抵抗２５ｂを介して接地されている。
ヒータ電圧Ｖｈはヒータ６４の両端電位差により検出さ
れ、その検出結果はオペアンプ２５ｃ並びにＡ／Ｄ変換
器２６を介してマイコン２０に入力される。また、ヒー
タ電流Ｉｈはヒータ電流検出用抵抗２５ｂの両端電位差
により検出され、その検出結果はオペアンプ２５ｄ並び
にＡ／Ｄ変換器２７を介してマイコン２０に入力され
る。

【００４２】次に、上記の如く構成される空燃比検出装
置１５の作用を説明する。先ずは図９のタイムチャート
を用いて本装置の動作の概要を説明する。図９では、エ
ンジン１０の低温始動時において、Ａ／Ｆセンサ３０が
冷間状態から昇温される過程を表している。なお、ヒー
タ通電の開始初期（エンジン始動当初）の素子抵抗ＺＡ
Ｃは非常に高い値にあり、その値を検出することはでき
ない。

【００４３】時刻ｔ１１でイグニッションキー（ＩＧキ
ー）がＯＮされると、素子温変化速度ΔＴｓのオープン
制御が開始される。素子温変化速度ΔＴｓは、単位時間
毎（本実施の形態では、１２８ｍｓ毎）の温度変化量と
して与えられる。このとき、予め設定されているマップ
を用い、素子温変化速度ΔＴｓが略一定になるように通
電デューティが決定される。つまり、ヒータ６４の通電
デューティが時間の経過に伴い少しずつ上昇し、これに
伴い素子温Ｔｓ（固体電解質の温度）が次第に上昇す
る。

【００４４】素子抵抗ＺＡＣが昇温途中の所定値（本実
施の形態では、３ｋΩ）を下回る時刻ｔ１２では、ヒー
タ制御がそれまでの素子温変化速度ΔＴｓのオープン制
御から素子温変化速度ΔＴｓのフィードバック制御に切
り換えられる。すなわち、時刻ｔ１２〜ｔ１３では、素
子温変化速度ΔＴｓを目標値にフィードバック制御する
ことによりヒータ通電量（通電デューティ）が決定され
る。

【００４５】その後、素子抵抗ＺＡＣが活性完了の判定
値（本実施の形態では、１２０Ω）にまで低下する時刻
ｔ１３では、素子温変化速度ΔＴｓの一連の制御が終了
され、これに代えて、素子温一定のフィードバック制御
が開始される。すなわち、時刻ｔ１３以降においては、
素子温Ｔｓを所定の目標温度（７００℃）にフィードバ
ック制御することによりヒータ通電量（通電デューテ
ィ）が決定される。但し、「素子温一定」のフィードバ
ック制御と「素子抵抗一定」のフィードバック制御とは
実質上、略同意であることから、本実施の形態では、素
子抵抗一定のフィードバック制御を実施することとして
いる（素子抵抗ＺＡＣを目標値にフィードバックさせ
る）。

【００４６】図１０は、マイコン２０によるメインルー
チンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンは
マイコン２０への電源投入に伴い起動される。図１０に
おいて、マイコン２０は、先ずステップ１００で前回の
Ａ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別
する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆの検出周期に相当する時
間であって、例えばＴａ＝４ｍｓ程度に設定される。前
回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過していれば
（ステップ１００がＹＥＳ）、マイコン２０はステップ
１１０に進み、後述する図１１に従い、Ａ／Ｆ（空燃
比）の検出処理を実施する。ステップ１００がＮＯであ
れば、マイコン２０はそのまま本ルーチンを一旦終了す
る。

【００４７】ここで、図１１のＡ／Ｆ検出ルーチンを説
明すれば、マイコン２０は、先ずステップ１１１でＡ／
Ｆセンサ３０のセンサ素子部６０に電圧Ｖｐを印加す
る。印加電圧Ｖｐは、その時々の空燃比（限界電流値Ｉ
ｐ）に応じて例えば図５の特性線Ｌ１上の値として設定
される。

【００４８】その後、マイコン２０は、ステップ１１２
で電圧Ｖｐの印加時にセンサ素子部６０に流れる電流
値、すなわち電流検出回路５０により検出された限界電
流値（センサ電流）Ｉｐを読み込む。さらに、マイコン
２０は、ステップ１１３で図６に示す限界電流値−Ａ／
Ｆマップを用いてその時々の限界電流値ＩｐをＡ／Ｆに
変換する。また、マイコン２０は、続くステップ１１４
で上記の如く得られたＡ／Ｆをエンジン制御ＥＣＵ１６
に出力した後、元の図１０のルーチンに戻る。

【００４９】Ａ／Ｆの検出後、マイコン２０は、図１０
のステップ１２０で前回の素子抵抗検出時から所定時間
Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素
子抵抗ＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例え
ばエンジン運転状態に応じて選択的に設定される。本実
施の形態では、Ａ／Ｆの変化が比較的小さい通常時（エ
ンジン１０の定常運転時）にはＴｂ＝２ｓ（秒）に、Ａ
／Ｆの急変時（エンジン１０の始動時や過渡運転時）に
はＴｂ＝１２８ｍｓ（ミリ秒）に、というように所定時
間Ｔｂが可変に設定されるようになっている。

【００５０】ステップ１２０がＹＥＳであれば、マイコ
ン２０は、ステップ１３０で素子抵抗ＺＡＣを検出する
と共に、続くステップ１４０でヒータ６４の通電制御を
実施する。上記ステップ１３０，１４０の処理はそれぞ
れ、後述する図１２，図１３に従い実施される。上記ス
テップ１２０がＮＯであれば、マイコン２０はそのまま
本ルーチンを一旦終了する。

【００５１】次に、前記図１０のステップ１３０におけ
る素子抵抗ＺＡＣの検出手順を図１２を用いて説明す
る。なお本実施の形態では、素子抵抗の検出に際し、掃
引法を用いて「交流素子抵抗」を求めることとしてい
る。

【００５２】図１２において、マイコン２０は、先ずス
テップ１３１でバイアス指令信号Ｖｒを操作し、それま
での印加電圧Ｖｐ（Ａ／Ｆ検出用電圧）に対して電圧を
正側に単発的に変化させる。素子抵抗検出用の電圧印加
時間は数１０〜１００μｓ程度とする。その後、マイコ
ン２０は、ステップ１３２でその時の電圧変化量ΔＶと
電流検出回路５０により検出されたセンサ電流の変化量
ΔＩとを読み取る。また、マイコン２０は、続くステッ
プ１３３で前記ΔＶ，ΔＩから素子抵抗ＺＡＣを算出し
（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図１０のルーチン
に戻る。

【００５３】上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２
２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１６に示すように、当該電圧の印加か
らｔ時間経過後にピーク電流ΔＩ（電流変化量）が検出
され、その時の電圧変化量ΔＶとピーク電流ΔＩとから
素子抵抗ＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）。
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、素子抵抗ＺＡＣの検出精度が向上す
る。

【００５４】上記の如く求められる素子抵抗ＺＡＣは、
素子温Ｔｓに対して図１７に示す関係を有する。すなわ
ち、素子温Ｔｓが低いほど、素子抵抗ＺＡＣは飛躍的に
大きくなる。因みにＡ／Ｆセンサ３０の活性温度（約７
００℃）は、素子抵抗ＺＡＣ≒９０Ωに相応する。

【００５５】次に、前記図１０のステップ１４０におけ
るヒータ通電の制御手順を図１３を用いて説明する。マ
イコン２０は、先ずステップ１４１で今現在、センサ素
子部６０が昇温途中であるか否かを判別する。例えばエ
ンジン１０の低温始動時など、センサ素子部６０の昇温
時であれば（ステップ１４１がＹＥＳ）、マイコン２０
は、ステップ１４２で前記検出した素子抵抗ＺＡＣが昇
温途中の所定値（本実施の形態では、３ｋΩ）に達した
か否かを判別する。エンジン１０の低温始動当初におい
ては、素子抵抗ＺＡＣがかなり大きな値となっており、
マイコン２０は、ＺＡＣ＞３ｋΩである旨を判別してス
テップ１４３に進む。

【００５６】ステップ１４３では、マイコン２０は、素
子温変化速度ΔＴｓをオープン制御する。具体的には、
マイコン２０内の不揮発性メモリに予め設定されている
マップを用い、エンジン始動時からの経過時間に応じて
素子温Ｔｓが所定のプロフィールで変化するよう、ヒー
タ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例え
ば前記図９の時刻ｔ１１〜ｔ１２では、ステップ１４３
による素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御が実施され
る。

【００５７】また、ＺＡＣ≦３ｋΩであれば、マイコン
２０はステップ１５０に進み、後述する図１４の手順に
従い、素子温変化速度ΔＴｓを所定値にフィードバック
制御する。すなわち、その時々の素子温変化速度ΔＴｓ
と同速度の目標値ΔＴｓｒｅｆとが一致するようＰＩＤ
制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューティ比
ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図９の時刻ｔ１２〜ｔ
１３では、ステップ１５０による素子温変化速度ΔＴｓ
のフィードバック制御が実施される。

【００５８】前記ステップ１４３又は１５０でのＤＵＴ
Ｙ決定の後、マイコン２０はステップ１４４に進み、前
記決定したデューティ比ＤＵＴＹを補正して最終デュー
ティ比Ｄｆｎを算出する。具体的には、バッテリ電源＋
Ｂの電圧や排気温等に応じた補正値ＦＫと、センサ個体
差や経時変化に応じた学習値ＦＬＲＮとを用い、 Ｄｆｎ＝ＤＵＴＹ＋ＦＫ＋ＦＬＲＮ として最終デューティ比Ｄｆｎを算出する。また、マイ
コン２０は、続くステップ１４５で素子温Ｔｓ又はその
変化速度ΔＴｓを最大許容値でガードする。そしてその
後、ヒータ通電のためのデューティ比信号を前記図１の
ヒータ制御回路２５に出力する。

【００５９】なお、上記ステップ１４５では、前記算出
した最終デューティ比Ｄｆｎにてヒータ通電を行った場
合に、素子温Ｔｓが最大許容値の「９００℃」、又は素
子温変化速度ΔＴｓの最大許容値の「１５０℃／ｓ」を
越えるかどうかを判断する。そして、これら最大許容値
を越えると想定される場合には、通電デューティを
「０」若しくは素子温が確実に下がる値（約０．１〜１
％程度）で規制する。但し、このデューティ比はＡ／Ｄ
変換器の変換速度に応じて設定されるとよい。

【００６０】ここで、補正値ＦＫについて説明すれば、
同補正値ＦＫは、例えば図１８（ａ）〜（ｄ）の関係に
基づく各種補正値ＦＫ１〜ＦＫ４を加算して求められ
る。 ＦＫ＝ＦＫ１＋ＦＫ２＋ＦＫ３＋ＦＫ４ 図１８（ａ）によれば、バッテリ電源＋Ｂの電圧値に応
じた補正値ＦＫ１が求められる。バッテリ電圧≦Ａ（例
えば定格電圧１２ボルト）の場合には正の補正値ＦＫ１
がセットされ、バッテリ電圧＞Ａの場合には負の補正値
ＦＫ１がセットされる。

【００６１】図１８（ｂ）によれば、排気温センサ１３
により検出される排気温に応じた補正値ＦＫ２が求めら
れる。排気温≦Ｂの場合には正の補正値ＦＫ２がセット
され、排気温＞Ｂの場合には負の補正値ＦＫ２がセット
される。

【００６２】図１８（ｃ）によれば、エンジン始動時の
初期ヒータ抵抗に応じた補正値ＦＫ３が求められる。初
期ヒータ抵抗≦Ｃの場合には正の補正値ＦＫ３がセット
され、初期ヒータ抵抗＞Ｃの場合には負の補正値ＦＫ３
がセットされる。この場合、初期ヒータ抵抗はエンジン
始動時におけるＡ／Ｆセンサ３０の冷間状態を反映する
ものであって、補正値ＦＫ３は昇温期間にのみ適用され
るとよい。

【００６３】図１８（ｄ）によれば、バッテリ電源＋Ｂ
〜ヒータ６４〜ＧＮＤ間（前記図８参照）のハーネス抵
抗に応じた補正値ＦＫ４が求められる。ハーネス抵抗≦
Ｄの場合には負の補正値ＦＫ４がセットされ、ハーネス
抵抗＞Ｄの場合には正の補正値ＦＫ４がセットされる。

【００６４】但し、上記図１８（ａ）〜（ｄ）におい
て、各々のしきい値Ａ〜Ｄ近傍には補正値を「０」とす
る領域（不感帯）を設けてもよい。なお本実施の形態で
は、ＦＫ１〜ＦＫ４の総和として補正値ＦＫを設定する
が、ＦＫ１〜ＦＫ４のうち少なくとも１つを含む値とし
て補正値ＦＫを設定してもよい。

【００６５】また、学習値ＦＬＲＮは、ヒータＯＮから
センサ活性までの所要時間に基づく第１学習値ＦＬＲＮ
１と、燃料カット時に検出される素子抵抗ズレに基づく
第２学習値ＦＬＲＮ２と、定常運転時におけるＤＵＴＹ
ズレ量に基づく第３学習値ＦＬＲＮ３とを加算して求め
られる。

【００６６】 ＦＬＲＮ＝ＦＬＲＮ１＋ＦＬＲＮ２＋ＦＬＲＮ３ 上記の学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３は、マイコン２０
内のバックアップメモリ２０ａに格納され逐次更新され
るデータであり、その算出手順については後述する。

【００６７】一方、図１３のステップ１４１がＮＯであ
れば（センサ素子部６０の昇温中でない場合）、マイコ
ン２０はステップ１６０に進み、後述する図１５の手順
に従い、素子抵抗ＺＡＣを所定値に保持するようフィー
ドバック制御を実施する。すなわち、その時々の素子抵
抗ＺＡＣとその目標値ＺＡＣｒｅｆとが一致するようＰ
ＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のためのデューテ
ィ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図９の時刻ｔ１３
以降では、ステップ１６０による素子抵抗一定（素子温
一定）のフィードバック制御が実施される。

【００６８】その後、マイコン２０はステップ１４６に
進み、前記決定したデューティ比ＤＵＴＹに、補正値Ｆ
Ｋと学習値ＦＬＲＮとを加算して最終デューティ比Ｄｆ
ｎを算出する（Ｄｆｎ＝ＤＵＴＹ＋ＦＫ＋ＦＬＲＮ）。
また、マイコン２０は、ステップ１４５で素子温Ｔｓ又
はその変化速度ΔＴｓを最大許容値でガードする。そし
てその後、デューティ比信号を前記図１のヒータ制御回
路２５に出力する。

【００６９】次に、図１４のルーチン（前記図１３のス
テップ１５０の処理）を説明すれば、マイコン２０は、
ステップ１５１で前回処理時の素子温Ｔｓを前回値「Ｔ
ｓ０」、同じく前回処理時の素子温変化速度ΔＴｓを前
回値「ΔＴｓ０」とする。また、マイコン２０は、続く
ステップ１５２で前記検出した素子抵抗ＺＡＣ（図１２
による検出値）を読み出すと共に、例えば図１７の関係
に従い、素子抵抗ＺＡＣから素子温Ｔｓの今回値を求め
る。さらに、マイコン２０は、ステップ１５３で素子温
の今回値Ｔｓから前回値Ｔｓ０を減算して素子温変化速
度の今回値ΔＴｓを算出する（ΔＴｓ＝Ｔｓ−Ｔｓ
０）。

【００７０】その後、マイコン２０は、ステップ１５４
で下記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇ
ｄを算出する。 Ｇｐ＝Ｋｐ・（ΔＴｓｒｅｆ−ΔＴｓ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ΔＴｓｒｅｆ−ΔＴｓ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（ΔＴｓ０−ΔＴｓ） 但し、上記各式において、「Ｋｐ」は比例定数、「Ｋ
ｉ」は積分定数、「Ｋｄ」は微分定数を表す。

【００７１】そして、マイコン２０は、ステップ１５５
で上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算して
デューティ比ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ
＋Ｇｄ）、その後元の図１３のルーチンに戻る。

【００７２】また、図１５のルーチン（前記図１３のス
テップ１６０の処理）を説明すれば、マイコン２０は、
ステップ１６１で前回処理時の素子抵抗ＺＡＣを前回値
「ＺＡＣ０」とし、続くステップ１６２で前記検出した
素子抵抗ＺＡＣ（図１２による検出値）を読み出す。ま
たマイコン２０は、ステップ１６３で下記の数式により
比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。

【００７３】Ｇｐ＝Ｋｐ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（ＺＡＣ−ＺＡＣ０） そして、マイコン２０は、ステップ１６４で上記比例項
Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比
ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、そ
の後元の図１３のルーチンに戻る。

【００７４】次に、第１〜第３学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬ
ＲＮ３の算出手順を図１９〜図２１のフローチャートを
用いて説明する。ここで、図１９は、第１学習値ＦＬＲ
Ｎ１を算出するための第１の学習ルーチンを、図２０
は、第２学習値ＦＬＲＮ２を算出するための第２の学習
ルーチンを、図２１は、第３学習値ＦＬＲＮ３を算出す
るための第３の学習ルーチンをそれぞれ示し、これら各
ルーチンはマイコン２０により例えば１２８ｍｓ周期で
実行される。但し、図１９〜図２１による学習値の更新
は、例えばＩＧオン後に１回のみ実施されればよい。従
って、学習が完了すると、その旨を表すフラグがセット
され、それ以降は同じ処理が実施されないようになって
いる。

【００７５】最初に図１９を説明すると、マイコン２０
は、先ずステップ２０１でエンジン１０の再始動判定を
行う。この再始動判定では、 ・エンジン水温が所定温度（例えば３５℃）以下である
こと、 ・吸気温が所定温度（例えば２０℃）以下であること、 ・素子抵抗が所定値（例えば３ｋΩ）以上であること、 ・ヒータ抵抗が所定値（例えば３Ω）以下であること、 といった各種条件を判定する。そして、上記の各種条件
が全て成立すれば、エンジン再始動時でないと判断し、
上記いずれかの条件が一つでも不成立であれば、エンジ
ン再始動時であると判断する。

【００７６】エンジン再始動時でないことを条件に（ス
テップ２０２がＹＥＳ）、マイコン２０はステップ２０
３に進み、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化までの所要時間を
計測する。この所要時間の計測に際しては、ＩＧ＝ＯＮ
に伴いカウントアップされるカウンタを用い、例えば図
２３に示すように、 ・センサ電流の変化量が所定の判定値以上となった時、 ・センサ電流の積算値が所定の判定値以上となった時、 ・素子抵抗が所定の判定値（例えば１ｋΩ）以下となっ
た時、 ・ヒータ抵抗が所定の判定値（例えば４Ω）以上となっ
た時、 ・素子温が所定の判定値（例えば６００℃）以上となっ
た時、 ・ヒータ温が所定の判定値（例えば６５０℃）以上とな
った時、 といった何れかの場合に、センサ活性の旨を判定する。
そして、活性化までの所要時間をカウンタ値から検知す
る。ここで言う活性判定とは、前記図１３のヒータ制御
での活性判定（図９の時刻ｔ１３）とは必ずしも同意で
はなく、活性判定の目安となるものであればよい。

【００７７】その後、マイコン２０は、ステップ２０４
で例えば図２２（ａ）の関係に従い、活性化までの所要
時間に応じて第１学習値ＦＬＲＮ１を設定した後、本ル
ーチンを終了する。前記設定したＦＬＲＮ１値はマイコ
ン２０内のバックアップメモリ２０ａに随時記憶され
る。図２２（ａ）によれば、活性化までの所要時間が所
定値Ａ１以上になると、正の学習値ＦＬＲＮ１が設定さ
れる。例えばＡ／Ｆセンサ３０が劣化したりすると活性
時間が増大し、上記学習値ＦＬＲＮ１に「０」以上の値
がセットされる。

【００７８】次に、図２０を説明すると、マイコン２０
は、先ずステップ３０１でＡ／Ｆセンサ３０の活性が完
了しているか否かを判別する。また、マイコン２０は、
ステップ３０２で今現在、燃料カット（Ｆ／Ｃ）中であ
るか否かを判別する。そして、ステップ３０１，３０２
が共にＹＥＳであることを条件に、マイコン２０はステ
ップ３０３に進み、Ｆ／Ｃ時におけるセンサ内部抵抗Ｒ
ｉを検出する。

【００７９】つまり、Ｆ／Ｃ時であればＡ／Ｆが極リー
ンの状態下にあり、例えば図２４に示す特性線Ｌ１’を
用いて抵抗支配領域の電圧Ｖｆを印加してその時のセン
サ電流Ｉｆを検出する。そして、 Ｒｉ＝Ｖｆ／Ｉｆ としてセンサ内部抵抗Ｒｉを検出する。

【００８０】その後、ステップ３０４では、マイコン２
０は、前記掃引法にて検出した素子抵抗ＺＡＣ（前記図
１２による検出値）とＦ／Ｃ時に検出したセンサ内部抵
抗Ｒｉとの差（ＺＡＣ−Ｒｉ）を算出する。

【００８１】また、マイコン２０は、続くステップ３０
５で例えば図２２（ｂ）の関係に従い、（ＺＡＣ−Ｒ
ｉ）に応じて第２学習値ＦＬＲＮ２を設定した後、本ル
ーチンを終了する。前記設定したＦＬＲＮ２値はマイコ
ン２０内のバックアップメモリ２０ａに随時記憶され
る。図２２（ｂ）によれば、（ＺＡＣ−Ｒｉ）の値が
「０」付近の「Ｂ１〜Ｂ２」にある場合、ＦＬＲＮ２＝
０が設定される。また、（ＺＡＣ−Ｒｉ）＜Ｂ１の場
合、正の学習値ＦＬＲＮ２が設定され、（ＺＡＣ−Ｒ
ｉ）＞Ｂ２の場合、負の学習値ＦＬＲＮ２が設定され
る。

【００８２】次に、図２１を説明すると、マイコン２０
は、先ずステップ４０１で今現在、素子温一定（素子抵
抗一定）のフィードバック制御が実施されているか否か
を判別する。前記図９の時刻ｔ１３以降においては、同
ステップ４０１が肯定判別される。また、マイコン２０
は、ステップ４０２で今現在、エンジン１０が定常運転
されているか否かを判別する。さらに、マイコン２０
は、前記ステップ４０１，４０２が共にＹＥＳとなる状
態が所定時間（例えば５秒間）継続したか否かを判別す
る（ステップ４０３）。

【００８３】ステップ４０３がＹＥＳになると、マイコ
ン２０はステップ４０４に進み、所定時間内（５秒間）
のヒータ６４への通電ＤＵＴＹから平均ＤＵＴＹを算出
する。さらに、マイコン２０は、ステップ４０５で前記
算出した平均ＤＵＴＹから予め設定されている基準ＤＵ
ＴＹを減算してＤＵＴＹズレ量を算出する（ＤＵＴＹズ
レ量＝平均ＤＵＴＹ−基準ＤＵＴＹ）。なおここで、基
準ＤＵＴＹとは、素子温一定制御での定常運転時におい
て、素子温Ｔｓを所定温度に保持するために必要な標準
的な通電量に相当する。

【００８４】また、マイコン２０は、続くステップ４０
６で例えば図２２（ｃ）の関係に従い、ＤＵＴＹズレ量
に応じて第３学習値ＦＬＲＮ３を設定した後、本ルーチ
ンを終了する。前記設定したＦＬＲＮ３値はマイコン２
０内のバックアップメモリ２０ａに随時記憶される。図
２２（ｃ）によれば、ＤＵＴＹズレ量が「０」付近の
「Ｃ１〜Ｃ２」にある場合、ＦＬＲＮ３＝０が設定され
る。また、ＤＵＴＹズレ量＜Ｃ１の場合、負の学習値Ｆ
ＬＲＮ３が設定され、ＤＵＴＹズレ量＞Ｃ２の場合、正
の学習値ＦＬＲＮ３が設定される。

【００８５】上記の如く算出された学習値ＦＬＲＮ１〜
ＦＬＲＮ３は、既述の図１３のステップ１４４，１４６
において、最終デューティ比Ｄｆｎの算出（ＤＵＴＹ補
正）に適宜採用される。

【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）本実施の形態では、素子温変化速度ΔＴｓ（セン
サ素子部６０の昇温率）に応じてヒータ通電量をデュー
ティ制御するようにした。上記構成によれば、例えばＡ
／Ｆセンサ３０の冷間状態からの昇温時において、過剰
なるセンサ素子部６０の昇温が抑制できると共に、セン
サ素子部６０の迅速なる活性化が実現できる。その結
果、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ
素子割れ、ヒータ割れ、ヒータ接合面の剥離などの不具
合が抑制できる。

【００８７】特に固体電解質６１にヒータ６４を積層し
て一体化した、いわゆる積層型センサの場合、固体電解
質６１とヒータ６４とが近接して設けられるため、素子
割れやヒータ割れなどの問題が生じやすいが、上記構成
によれば当該問題が確実に抑制できる。

【００８８】（ｂ）センサ冷間状態からの昇温時には、
その当初において素子温変化速度ΔＴｓをオープン制御
することとした。これにより、素子抵抗ＺＡＣが検出可
能になるまでの始動直後の期間においても、素子温変化
速度ΔＴｓが適切に制御できる。

【００８９】（ｃ）Ａ／Ｆセンサ３０の昇温時であるか
又は昇温後の定常時であるかを判別し、昇温後の定常時
であれば、素子温一定のフィードバック制御を実施する
ようにした。つまり、Ａ／Ｆセンサ３０が一旦活性化さ
れると、それ以降は昇温時のような急激な温度変化がな
いものとして、素子温変化速度ΔＴｓに応じたヒータ制
御に代えて、既存の素子温フィードバック制御を実施す
る。これにより、昇温時は勿論のこと、昇温時以外にお
いても適切なヒータ制御が実施できる。

【００９０】（ｄ）素子温Ｔｓ又はその変化速度ΔＴｓ
を所定の最大許容値でガードすることとした。これによ
り、センサ素子部６０の過剰な加熱がより一層確実に防
止できる。

【００９１】（ｅ）一方、第１〜第３学習値ＦＬＲＮ１
〜ＦＬＲＮ３を求め、当該学習値によりヒータ通電量を
補正することとした。すなわち、 ・Ａ／Ｆセンサ３０の冷間状態から活性化までの所要時
間に応じた第１学習値ＦＬＲＮ１と、 ・燃料カット時に検出したセンサ内部抵抗Ｒｉと、掃引
法により検出した素子抵抗ＺＡＣとを比較し、それらの
値のズレ量（ＺＡＣ−Ｒｉ）に応じた第２学習値ＦＬＲ
Ｎ２と、 ・エンジンの定常運転時における通電ＤＵＴＹと、予め
設定されている通電ＤＵＴＹの標準値との差に応じた第
３学習値ＦＬＲＮ３と、 によりヒータ通電量を補正するようにした。従って、例
えばＡ／Ｆセンサ３０が劣化しても、素子温Ｔｓが不用
意に変動するなどの不具合が抑制できる。つまり、セン
サ個体差や経時変化によるヒータ制御への影響が排除で
きる。

【００９２】（ｆ）上記学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３
をバックアップメモリ２０ａに随時記憶すると共に、そ
の値を必要に応じて更新するようにした。これにより、
学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３の演算が必要時だけで済
み、効率的で且つ適切なヒータ制御が実施できる。

【００９３】（ｇ）また、補正値ＦＫ１〜ＦＫ４を求
め、当該補正値によりヒータ通電量を補正することとし
た。すなわち、 ・バッテリ電源＋Ｂの電圧値に応じた補正値ＦＫ１と、 ・排気温に応じた補正値ＦＫ２と、 ・エンジン始動時の初期ヒータ抵抗に応じた補正値ＦＫ
３と、 ・＋Ｂ〜ヒータ６４〜ＧＮＤ間のハーネス抵抗に応じた
補正値ＦＫ４と、 によりヒータ通電量を補正するようにした。これによ
り、エンジン１０の運転条件が逐次変化する場合にも、
そのエンジン運転条件に応じた適切なヒータ制御が継続
できる。結果として、ヒータ通電の制御精度がより一層
向上する。

【００９４】上記実施の形態では、ヒータ通電の制御時
において（前記図１３のルーチン）、素子抵抗ＺＡＣを
素子温Ｔｓに変換し、この素子温Ｔｓを用いて「素子温
変化速度ΔＴｓ」を制御したが、素子抵抗ＺＡＣを素子
温Ｔｓに変換せずに「素子抵抗変化速度」を制御する構
成としてもよい。

【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）図２５〜図２８を用
いて第２の実施の形態における空燃比検出装置を説明す
る。本実施の形態の装置では、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温
時において、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差
ΔＴｈｓ）に応じてヒータ６４の通電制御を実施するこ
とを特徴としている。

【００９７】先ずは図２５のタイムチャートを用いて動
作の概要を説明する。図２５では、エンジン１０の低温
始動時において、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から昇温
される過程を表している。

【００９８】時刻ｔ２１でイグニッションキー（ＩＧキ
ー）がＯＮされると、マップを用いた素子温変化速度Δ
Ｔｓのオープン制御が開始される。つまり、ヒータ６４
の通電デューティが時間の経過に伴い少しずつ上昇し、
これに伴い素子温Ｔｓ（固体電解質の温度）とヒータ温
Ｔｈが次第に上昇する。

【００９９】素子抵抗ＺＡＣが昇温途中の所定値（本実
施の形態では、３ｋΩ）を下回る時刻ｔ２２では、ヒー
タ制御がそれまでの素子温変化速度ΔＴｓのオープン制
御から、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴ
ｈｓ）のフィードバック制御に切り換えられる。すなわ
ち、時刻ｔ２２〜ｔ２３では、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔ
ｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）を目標値にフィードバック
制御させつつ通電デューティが決定される。

【０１００】その後、素子抵抗ＺＡＣが活性完了の判定
値（本実施の形態では、１２０Ω）にまで低下する時刻
ｔ２３では、それまでの温度差ΔＴｈｓのフィードバッ
ク制御が終了され、これに代えて、素子温一定（素子抵
抗一定）のフィードバック制御が開始される。すなわ
ち、時刻ｔ２３以降においては、素子温Ｔｓを所定の目
標温度（７００℃）にフィードバック制御することによ
り通電デューティが決定される。

【０１０１】図２６は、本実施の形態におけるヒータ通
電制御ルーチンであり、同ルーチンは前記図１３に代え
てマイコン２０により実施される。図１３と図２６との
相違点として、図２６では、図１３のステップ１５０に
代えてステップ５００の処理を実施する。

【０１０２】つまり、センサ昇温中であって且つ、ＺＡ
Ｃ≦３ｋΩの場合（ステップ１４１，１４２が共にＹＥ
Ｓの場合）、マイコン２０はステップ５００に進み、後
述する図２７の手順に従い、素子温Ｔｓとヒータ温Ｔｈ
との差（温度差ΔＴｈｓ）を所定値にフィードバック制
御する。すなわち、その時々の温度差ΔＴｈｓと所定の
目標値ΔＴｈｓｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法
などを用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹ
を決定する。例えば前記図２５の時刻ｔ２２〜ｔ２３で
は、ステップ５００による温度差ΔＴｈｓのフィードバ
ック制御が実施される。

【０１０３】なおこの場合には、素子温Ｔｓとヒータ温
Ｔｈとの温度差ΔＴｈｓを、同温度差ΔＴｈｓの最大許
容値（２００℃程度）でガードし、この最大許容値を越
える場合には通電ＤＵＴＹを「０」若しくは素子温が確
実に下がる値（約０．１〜１％程度）で規制するとよ
い。

【０１０４】図２７のルーチンを説明すれば、マイコン
２０は、先ずステップ５０１で前回処理時の温度差ΔＴ
ｈｓ（ヒータ温Ｔｈと素子温Ｔｓとの差）を前回値「Δ
Ｔｈｓ０」とし、続くステップ５０２でヒータ抵抗Ｒｈ
を検出する。このとき、ヒータ６４の両端電圧Ｖｈとヒ
ータ電流Ｉｈとをヒータ制御回路２５から取り込み、こ
の取り込んだＶｈ，Ｉｈからヒータ抵抗Ｒｈを検出する
（Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉｈ）。

【０１０５】その後、マイコン２０は、ステップ５０３
で図２８の関係に従い、ヒータ抵抗Ｒｈをヒータ温Ｔｈ
に換算する。また、マイコン２０は、ステップ５０４で
前記図１７の関係に従い、素子抵抗ＺＡＣを素子温Ｔｓ
に換算する。

【０１０６】さらに、マイコン２０は、ステップ５０５
で素子（固体電解質）とヒータとの温度差ΔＴｈｓを求
め（ΔＴｈｓ＝Ｔｈ−Ｔｓ）、続くステップ５０６で下
記の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを
算出する。

【０１０７】 Ｇｐ＝Ｋｐ・（ΔＴｈｓｒｅｆ−ΔＴｈｓ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ΔＴｈｓｒｅｆ−ΔＴｈｓ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（ΔＴｈｓ０−ΔＴｈｓ） そして、マイコン２０は、ステップ５０７で上記比例項
Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比
ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、そ
の後元の図２６のルーチンに戻る。

【０１０８】以上第２の実施の形態では、素子温Ｔｓと
ヒータ温Ｔｈとの差（温度差ΔＴｈｓ）に応じてヒータ
通電量を制御することとした。これにより、上記第１の
実施の形態と同様に、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良
好に維持し、且つ素子割れなどの不具合が抑制できる。
すなわち、素子温Ｔｓに対してヒータ温Ｔｈが過大にな
ると、固体電解質６１の急激な温度上昇を引き起こすお
それがあるが、上記構成によればこうした不具合が解消
される。

【０１０９】（第３の実施の形態）次いで、図２９〜図
３１を用いて第３の実施の形態における空燃比検出装置
を説明する。本実施の形態の装置では、Ａ／Ｆセンサ３
０の昇温時において、ヒータ抵抗Ｒｈ（ヒータ温Ｔｈで
も可）の変化速度に応じてヒータ６４の通電制御を実施
することを特徴としている。

【０１１０】先ずは図２９のタイムチャートを用いて動
作の概要を説明する。図２９では、エンジン１０の低温
始動時において、Ａ／Ｆセンサ３０が冷間状態から昇温
される過程を表している。

【０１１１】時刻ｔ３１でイグニッションキー（ＩＧキ
ー）がＯＮされると、その当初からヒータ抵抗Ｒｈ（或
いは、ヒータ温Ｔｈ）が検出される。そして、ヒータ抵
抗の変化速度ΔＲｈ（或いは、ヒータ温の変化速度ΔＴ
ｈ）が所定の目標値になるようフィードバック制御が実
施され、それにより通電デューティが決定される。この
ヒータ抵抗変化速度ΔＲｈのフィードバック制御は、活
性完了とみなされるまで、すなわちヒータ抵抗Ｒｈ＝４
Ωとなるまで継続される。

【０１１２】Ｒｈ＝４Ωとなる時刻ｔ３２では、ヒータ
抵抗変化速度ΔＲｈのフィードバック制御が終了され、
これに代えて、ヒータ温一定（ヒータ抵抗一定）のフィ
ードバック制御が開始される。すなわち、時刻ｔ３２以
降においては、ヒータ温Ｔｈを所定の目標温度（７００
℃）にフィードバック制御することにより通電デューテ
ィが決定される。但し、「ヒータ温一定」のフィードバ
ック制御と「ヒータ抵抗一定」のフィードバック制御と
は実質上、略同意であることから、本実施の形態では、
ヒータ抵抗一定のフィードバック制御を実施することと
している（ヒータ抵抗Ｒｈを目標値にフィードバックさ
せる）。

【０１１３】図３０は、本実施の形態におけるヒータ通
電制御ルーチンであり、同ルーチンは前記図１３に代え
てマイコン２０により実施される。図１３と図３０との
相違点として、図３０では、図１３のステップ１４２，
１４３，１５０に代えてステップ６００の処理を実施す
ると共に、図１３のステップ１６０に代えてステップ７
００の処理を実施する。

【０１１４】つまり、センサ昇温中の場合（ステップ１
４１がＹＥＳの場合）、マイコン２０はステップ６００
に進み、後述する図３１の手順に従い、ヒータ抵抗変化
速度ΔＲｈを所定値にフィードバック制御する。すなわ
ち、その時々のヒータ抵抗変化速度ΔＲｈと所定の目標
値ΔＲｈｒｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを
用いてヒータ通電のためのデューティ比ＤＵＴＹを決定
する。例えば前記図２９の時刻ｔ３１〜ｔ３２では、ス
テップ６００によるΔＲｈのフィードバック制御が実施
される。

【０１１５】また、センサ昇温中でない場合（ステップ
１４１がＮＯの場合）、マイコン２０はステップ７００
に進み、後述する図３２の手順に従い、ヒータ抵抗Ｒｈ
を所定値にフィードバック制御する。すなわち、その時
々のヒータ抵抗Ｒｈと所定の目標値Ｒｈｒｅｆとが一致
するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒータ通電のため
のデューティ比ＤＵＴＹを決定する。例えば前記図２９
の時刻ｔ３２以降では、ステップ７００によるヒータ抵
抗一定（ヒータ温一定）のフィードバック制御が実施さ
れる。

【０１１６】なお図３０の処理では、ヒータ抵抗変化速
度ΔＲｈをその最大許容値（２００℃／ｓ程度）でガー
ドすると共に、ヒータ温Ｔｈをその最大許容値（１００
０〜１１００℃程度）でガードし、この最大許容値を越
える場合には通電ＤＵＴＹを「０」若しくはヒータ温が
確実に下がる値（約０．１〜１％程度）で規制するとよ
い。

【０１１７】図３１のルーチンを説明すれば、マイコン
２０は、先ずステップ６０１で前回処理時のヒータ抵抗
Ｒｈを前回値「Ｒｈ０」、同じく前回処理時のヒータ抵
抗変化速度ΔＲｈを前回値「ΔＲｈ０」とし、続くステ
ップ６０２でヒータ抵抗Ｒｈの今回値を検出する（Ｒｈ
＝Ｖｈ／Ｉｈ）。

【０１１８】その後、マイコン２０は、ステップ６０３
でヒータ抵抗変化速度ΔＲｈを求め（ΔＲｈ＝Ｒｈ−Ｒ
ｈ０）、続くステップ６０４で下記の数式により比例項
Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。

【０１１９】Ｇｐ＝Ｋｐ・（ΔＲｈｒｅｆ−ΔＲｈ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ΔＲｈｒｅｆ−ΔＲｈ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（ΔＲｈ０−ΔＲｈ） そして、マイコン２０は、ステップ６０５で上記比例項
Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比
ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、そ
の後元の図３０のルーチンに戻る。

【０１２０】また図３２の処理を説明すれば、マイコン
２０は、先ずステップ７０１で前回処理時のヒータ抵抗
Ｒｈを前回値「Ｒｈ０」とし、続くステップ７０２でヒ
ータ抵抗Ｒｈの今回値を検出する（Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉ
ｈ）。その後、マイコン２０は、ステップ７０３で下記
の数式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算
出する。

【０１２１】Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｒｈｒｅｆ−Ｒｈ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（Ｒｈｒｅｆ−Ｒｈ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｒｈ０−Ｒｈ） そして、マイコン２０は、ステップ７０４で上記比例項
Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比
ＤＵＴＹを算出し（ＤＵＴＹ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、そ
の後元の図３０のルーチンに戻る。

【０１２２】以上第３の実施の形態では、ヒータ抵抗変
化速度ΔＲｈに応じてヒータ通電量を制御することとし
た。これにより、上記第１，第２の実施の形態と同様
に、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ
素子割れなどの不具合が抑制できる。

【０１２３】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて実現できる。 （別の形態１）上記第１の実施の形態における図１４
（ΔＴｓのフィードバック制御ルーチン）において、素
子温変化速度ΔＴｓの目標値ΔＴｓｒｅｆを可変に設定
する。例えば図３３（ａ），（ｂ）に示すように、素子
温Ｔｓに応じてΔＴｓｒｅｆ値を設定する。この場合、
比較的大きな温度上昇率が許容される素子温Ｔｓの高温
域では、ΔＴｓｒｅｆ値が大きくなり、比較的大きな通
電ＤＵＴＹが設定される。その結果、Ａ／Ｆセンサ３０
の早期活性が実現できる。またＩＧオンからの時間の経
過に応じて目標値を徐々に大きくしていく構成としても
よい。

【０１２４】第２，第３の実施の形態においても同様
に、フィードバック制御時の目標値（図２７のΔＴｈｓ
ｒｅｆ，図３１のΔＲｈｒｅｆ）を例えば素子温Ｔｓや
経過時間に応じて可変に設定するようにしてもよい。

【０１２５】（別の形態２）上記第１の実施の形態で
は、エンジン１０の低温始動に伴うセンサ昇温時におい
て、素子温変化速度ΔＴｓのオープン制御、並びにフィ
ードバック制御を実施したが（前記図９のｔ１１〜ｔ１
２，ｔ１２〜ｔ１３、図１３参照）、これを以下のよう
に変更する。

【０１２６】前記図９のｔ１１〜ｔ１２の期間におい
て、予め設定されているマップを用いて素子抵抗ＺＡＣ
（又は素子温Ｔｓ）をオープン制御する。また、同図の
ｔ１２〜ｔ１３の期間において、素子抵抗ＺＡＣ（又は
素子温Ｔｓ）を目標値ＺＡＣｒｅｆにフィードバック制
御する。素子抵抗ＺＡＣのフィードバック手順は前記図
１５の処理に準ずる。このとき、素子抵抗ＺＡＣ変化速
度（センサ素子部６０の昇温率に相当）が所定の最大値
を越えないようにガードしておくとよい。かかる構成に
おいても、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子
割れなどの不具合が抑制できるようになる。

【０１２７】（別の形態３）上記第３の実施の形態で
は、エンジン１０の低温始動に伴うセンサ昇温時におい
て、ヒータ抵抗変化速度ΔＴｓのフィードバック制御を
実施したが（前記図２９のｔ３１〜ｔ３２、図３０参
照）、これを以下のように変更する。

【０１２８】前記図２９のｔ３１〜ｔ３２の期間におい
て、ヒータ抵抗Ｒｈ（又はヒータ温Ｔｈ）を目標値Ｒｈ
ｒｅｆにフィードバック制御する。ヒータ抵抗Ｒｈのフ
ィードバック手順は前記図３２の処理に準ずる。このと
き、ヒータ抵抗Ｒｈの変化速度（センサ素子部６０の昇
温率に相当）が所定の最大値を越えないようにガードし
ておくとよい。

【０１２９】或いは、同じく前記図２９のｔ３１〜ｔ３
２の期間において、ヒータ電力Ｗｈを目標値Ｗｈｒｅｆ
にフィードバック制御する。ヒータ電力Ｗｈのフィード
バック手順を図３４を用いて簡単に説明すれば、 ・先ず、ヒータ電力Ｗｈを前回値「Ｗｈ０」とし（ステ
ップ８０１）、 ・ヒータ電力Ｗｈの今回値を検出し（ステップ８０
２）、 ・比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを、 Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｗｈｒｅｆ−Ｗｈ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（Ｗｈｒｅｆ−Ｗｈ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｗｈ０−Ｗｈ） として求め（ステップ８０３）、 ・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（ステップ８０４）。この
とき、ヒータ電力Ｗｈの変化速度（センサ素子部６０の
昇温率に相当）が所定の最大値を越えないようにガード
しておくとよい。

【０１３０】但しこの場合、ヒータ電力Ｗｈはヒータ電
圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとの積で求められる。ヒータ電
力Ｗｈに代えて、ＩＧオン時からのヒータ電力積算値を
用いることも可能である。上記構成においても、センサ
の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合
が抑制できるようになる。

【０１３１】（別の形態４）上記第１〜第３の実施の形
態では、センサ活性後においてそれまでのセンサ素子の
昇温率（昇温速度）に応じたヒータ制御に代えて素子温
一定（素子抵抗一定）のフィードバック制御を実施して
いたが、これを変更する。例えばセンサ活性後において
も、センサ素子の昇温率に応じたヒータ制御を継続して
実施するようにしてもよい。

【０１３２】（別の形態５）Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵
抗検出に際し、上記各実施の形態では「交流素子抵抗Ｚ
ＡＣ」を検出したが、これを変更し、「直流素子抵抗Ｒ
ｉ」を検出する。具体的には、前記図１２（図１０のス
テップ１３０）に代えて、図３５のＲｉ検出ルーチンを
実行する。すなわち図３５において、マイコン２０は、
先ずステップ９０１でセンサ素子部６０に負の電圧Ｖｎ
を印加する。この電圧Ｖｎの値は限界電流発生域にかか
らない抵抗支配域の電圧であり、具体的にはＶｎ＝−
０．３〜−１〔ボルト〕程度とする。また、マイコン２
０は、電圧切り換え直後のピーク電流が完全に収束する
時間ｔ１（数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）だけ待った後
（ステップ９０２）、ステップ９０３で電流値Ｉｎを検
出する。

【０１３３】その後、マイコン２０は、ステップ９０４
で印加電圧を負の電圧Ｖｎから元の正の電圧Ｖｐに戻
す。また、マイコン２０は、電圧切り換え直後のピーク
電流が完全に収束する時間ｔ２（数１０ｍｓ〜数１００
ｍｓ）だけ待った後（ステップ９０５）、ステップ９０
６で前記負の電圧Ｖｎと前記電流値Ｉｎ（負の電流値）
とからその時の直流素子抵抗Ｒｉを算出する（Ｒｉ＝Ｖ
ｎ／Ｉｎ）。

【０１３４】上記の如く直流素子抵抗を検出する場合、
所定の周波数域の単発的な交流電圧をセンサ素子部６０
に印加するための構成が不要となり、前記図１のＬＰＦ
２２が省略できる。

【０１３５】（別の形態６）Ａ／Ｆセンサの構成を変更
する。上記実施の形態では、図３に説明したように、ガ
ス拡散抵抗層６２をガス透過層６２ａとガス遮蔽層６２
ｂとの二層で構成したが、このうちガス遮蔽層６２ｂを
省略した構成としてもよい。また、上記実施の形態で
は、積層型Ａ／Ｆセンサに具体化したが、コップ型Ａ／
Ｆセンサに具体化してもよい。

【０１３６】（別の形態７）上記実施の形態では、酸素
濃度（空燃比）に応じたリニアな限界電流値を出力する
Ａ／Ｆセンサに本発明を具体化したが、これを変更す
る。例えば空燃比がリッチかリーンかに応じて異なる電
圧信号を出力するＯ2 センサに具体化してもよい。ま
た、排ガス中のＮＯx 濃度を検出するＮＯx センサや、
ＮＯx ，ＨＣ，Ｏ2 などの各種成分を検出する、いわゆ
る複合型センサに具体化してもよい。またさらに、排ガ
ス以外のガス成分濃度を測定する装置にも適用できる。

【０１３７】（別の形態８）上記各実施の形態では、デ
ューティ比ＤＵＴＹに補正値ＦＫや学習値ＦＬＲＮで補
正する構成としたが（前記図１３のステップ１４４，１
４６）、この補正の処理を省略して具体化してもよい。

【０１３８】（別の形態９）上記各実施の形態では、各
種のフィードバック制御の実施に際し、ＰＩＤ制御を実
施したが、ＰＩ制御やＰ制御など他の制御に変更しても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における空燃比制御システム
の概要を示す全体構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの全体構成を示す断面図。

【図３】センサ素子部の断面図。

【図４】センサ素子部を構成する各部材の分解斜視図。

【図５】Ａ／Ｆセンサの電圧−電流特性図。

【図６】Ａ／Ｆセンサの限界電流値と空燃比との関係を
示すグラフ。

【図７】バイアス制御回路の詳細な構成を示す電気回路
図。

【図８】ヒータ制御回路の詳細な構成を示す電気回路
図。

【図９】空燃比検出装置の動作説明のためのタイムチャ
ート。

【図１０】空燃比検出装置内のマイコンによるメインル
ーチンを示すフローチャート。

【図１１】Ａ／Ｆの検出手順を示すフローチャート。

【図１２】素子抵抗ＺＡＣの検出手順を示すフローチャ
ート。

【図１３】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャー
ト。

【図１４】素子温変化速度ΔＴｓのフィードバック制御
手順を示すフローチャート。

【図１５】素子抵抗ＺＡＣのフィードバック制御手順を
示すフローチャート。

【図１６】素子抵抗ＺＡＣの検出時におけるセンサ電圧
とセンサ電流とを示す波形図。

【図１７】素子抵抗と素子温との関係を示すグラフ。

【図１８】補正値ＦＫ１〜ＦＫ４を求めるための図。

【図１９】第１の学習ルーチンを示すフローチャート。

【図２０】第２の学習ルーチンを示すフローチャート。

【図２１】第３の学習ルーチンを示すフローチャート。

【図２２】学習値ＦＬＲＮ１〜ＦＬＲＮ３を求めるため
の図。

【図２３】活性判定の様子を示すタイムチャート。

【図２４】Ｆ／Ｃ時の印加電圧Ｖｆとセンサ電流Ｉｆと
を示す図。

【図２５】第２の実施の形態において、動作説明のため
のタイムチャート。

【図２６】第２の実施の形態において、ヒータ通電の制
御手順を示すフローチャート。

【図２７】第２の実施の形態において、温度差ΔＴｈｓ
のフィードバック制御手順を示すフローチャート。

【図２８】ヒータ抵抗とヒータ温との関係を示すグラ
フ。

【図２９】第３の実施の形態において、動作説明のため
のタイムチャート。

【図３０】第３の実施の形態において、ヒータ通電の制
御手順を示すフローチャート。

【図３１】第３の実施の形態において、ヒータ抵抗変化
速度ΔＲｈのフィードバック制御手順を示すフローチャ
ート。

【図３２】第３の実施の形態において、ヒータ抵抗Ｒｈ
のフィードバック制御手順を示すフローチャート。

【図３３】素子温Ｔｓに応じて素子温変化速度の目標値
ΔＴｓｒｅｆを設定するための図。

【図３４】ヒータ電力Ｗｈのフィードバック制御手順を
示すフローチャート。

【図３５】素子抵抗Ｒｉの検出手順を示すフローチャー
ト。

【符号の説明】

１０…エンジン、１５…空燃比検出装置、２０…マイコ
ン（マイクロコンピュータ）、２０ａ…バックアップメ
モリ、２５…ヒータ制御回路、３０…Ａ／Ｆセンサ（限
界電流式空燃比センサ）、４０…バイアス制御回路、５
０…電流検出回路、６０…センサ素子部、６１…固体電
解質、６４…ヒータ、６４ａ…発熱体、＋Ｂ…バッテリ
電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 幸宏 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質を用いたセンサ素子を有し、被
   測定ガスの特定成分濃度を測定するセンサと、 電源電圧の通電により発熱し、前記センサ素子を所定の
   活性温度に加熱するためのヒータと、 前記センサ素子の昇温率に応じて前記ヒータへの通電量
   を制御するヒータ制御手段とを備えることを特徴とする
   ガス成分濃度測定装置。
2. 【請求項２】前記センサ素子の素子温又は素子抵抗を検
   出すると共に、その変化速度を算出する手段を備え、 前記ヒータ制御手段は、前記算出した素子温又は素子抵
   抗の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する請求項１
   に記載のガス成分濃度測定装置。
3. 【請求項３】前記センサ素子の温度と前記ヒータの温度
   とを検出すると共に、これら素子温とヒータ温との差を
   算出する手段を備え、 前記ヒータ制御手段は、前記算出した素子温とヒータ温
   との差に応じてヒータ通電量を制御する請求項１に記載
   のガス成分濃度測定装置。
4. 【請求項４】前記センサ素子が冷間状態から昇温される
   際に素子抵抗が検出可能になるまでの期間において、前
   記ヒータ制御手段は、素子温又は素子抵抗の変化速度を
   オープン制御する請求項２又は請求項３に記載のガス成
   分濃度測定装置。
5. 【請求項５】前記ヒータの温度又はヒータ抵抗を検出す
   ると共に、そのヒータ温又はヒータ抵抗の変化速度を算
   出する手段を備え、 前記ヒータ制御手段は、前記算出したヒータ温又はヒー
   タ抵抗の変化速度に応じてヒータ通電量を制御する請求
   項１に記載のガス成分濃度測定装置。
6. 【請求項６】前記センサの昇温時であるか又は昇温後の
   定常時であるかを判別し、昇温後の定常時であれば、素
   子温を目標温度に一致させるようフィードバック制御を
   実施する請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス成
   分濃度測定装置。
7. 【請求項７】前記センサ素子の昇温率が所定の許容レベ
   ルを超えると、ヒータ通電量を制限する請求項１〜請求
   項６のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。
8. 【請求項８】前記センサの冷間状態から活性化までの所
   要時間に応じて前記ヒータの通電量を補正する請求項１
   〜請求項７のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。
9. 【請求項９】エンジンの空燃比制御装置に適用されるも
   のであって、 前記エンジンへの燃料カット時において、センサの抵抗
   支配領域に電圧を印加してその時のセンサ電流値から内
   部抵抗を検出し、該検出した内部抵抗に基づき前記ヒー
   タの通電量を補正する請求項１〜請求項８のいずれかに
   記載のガス成分濃度測定装置。
10. 【請求項１０】エンジンの空燃比制御装置に適用される
    ものであって、前記エンジンの定常運転時におけるヒー
    タ通電量と、予め設定されているヒータ通電量の標準値
    との差に応じて前記ヒータの通電量を補正する請求項１
    〜請求項９のいずれかに記載のガス成分濃度測定装置。
11. 【請求項１１】請求項８〜請求項１０のいずれかに記載
    のガス成分濃度測定装置において、 前記補正に関する値を学習値としてバックアップメモリ
    に随時記憶し、前記ヒータ制御手段はバックアップメモ
    リに記憶された学習値を読み出してヒータ制御に使用す
    るガス成分濃度測定装置。
12. 【請求項１２】前記センサは、固体電解質を有するセン
    サ素子にヒータを積層して配置し、固体電解質とヒータ
    とを一体化してなる請求項１〜請求項１１のいずれかに
    記載のガス成分濃度測定装置。