JP5519571B2 - ガスセンサ装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関における空燃比フィードバック制御のためのガスセンサを備えるガスセンサ装置およびその制御方法に関するものである。

固体電解質体および一対の電極からなるセルを少なくとも１つ以上有し、酸素等の特定ガスの濃度を検出するガスセンサが知られている。固体電解質体は温度が上昇すると活性化し、固体電解質体に隔てられた２つの雰囲気間の酸素濃度差に応じて一対の電極間に起電力を生ずるようになる。固体電解質体は、内燃機関から排出される排気ガスの熱によって加熱される一方、固体電解質体の早期活性化のためヒータが設けられる場合がある。また、セルの内部抵抗値は温度との相関関係があるため、ヒータの温度制御は、セルの内部抵抗値に基づくフィードバック制御によって行われている（例えば特許文献１参照）。特許文献１では、セルの内部抵抗値が目標抵抗値となるようにヒータへの電力供給を行って、セルの温度を一定に維持する制御が行われている。

ところで、経時劣化等によってセルが劣化すると、内部抵抗値に変化を生ずることが知られている。セルが劣化した場合においてもセルの温度を一定に保つには、例えば、セルの劣化状態に合わせて目標抵抗値を変更すればよい。特許文献１では、セルが劣化して内部抵抗値が変化するとヒータへの供給電力が変化することから、ヒータへの供給電力が所定電力を超えた場合にセルが劣化したと判定し、劣化状態に応じた目標抵抗値への変更を行っている。

特開平１０−２６５９９号公報

しかしながら、特許文献１では、セルの劣化判定を行うには、セルの内部抵抗値が温度との相関関係を得られる程度にセルが十分に活性化していなければならず、エンジンの駆動を開始してから劣化検知を開始できるようになるまでの時間もかかっていた。さらに、セルの劣化を直接的に判定するのではなく、ヒータへの供給電力に基づく間接的な劣化判定を行うので、劣化検知の精度がよくないという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、セルの劣化判定を早期に開始でき、セルの劣化判定を精度よく行うことができるガスセンサ装置およびその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、固体電解質体および一対の電極からなるセルを少なくとも１つ以上有し、排気ガス中の特定ガスの濃度に応じて変化する検出信号を、１つの前記セルを通じて出力するガスセンサを備えるとともに、前記検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御が行われる内燃機関に適用されるガスセンサ装置であって、前記ガスセンサから出力される前記検出信号を取得する取得手段と、１つの前記セルに対して一時的に電圧または電流変化を与えたときの当該セルの一時的な電位差の変動に基づいて、前記ガスセンサを構成する１つの前記セルの内部抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、前記取得手段により取得される前記検出信号が前記空燃比フィードバック制御を開始可能な開始判定値に達したか否かを判断する判断手段と、前記判断手段によって前記検出信号が前記開始判定値に達したと判断された場合に、前記抵抗値検出手段によって前記セルの開始時内部抵抗値を検出する開始時抵抗値検出手段と、前記開始時抵抗値検出手段によって検出された前記開始時内部抵抗値と予め設定された劣化判定値とを比較する比較手段と、を備えるガスセンサ装置が提供される。

ガスセンサは、目標とする温度にまで加熱されて完全に活性化した状態になる前であっても、加熱されて内部抵抗値が低下していく過程で、内燃機関の空燃比フィードバック制御を実行することが可能なレベルの検出信号を出力する状態となる。そして、本願発明者らが検討したところ、検出信号が空燃比フィードバック制御を開始可能な開始判定値に達したときのセルの内部抵抗値とセルの劣化状態とに相関関係が見られることが分かった。そこで、第１態様では、セルの開始時内部抵抗値と劣化判定値との比較を、ガスセンサの検出信号が、空燃比フィードバック制御を行うのに必要な精度に達したか否かを判定するための開始判定値に達した場合に行うようにした。これにより、ガスセンサの検出信号が空燃比フィードバック制御を行う上で安定してからセルの劣化判定が行われる従来のガスセンサ装置と比べ、早期に、セルの劣化判定を開始することができる。また、セルの開始時内部抵抗値を劣化判定値と比較するだけという直接的且つ簡単な比較処理でセルの劣化の判定を行うことができるので、劣化判定を精確且つ迅速に行うことができ、その判定結果に基づく劣化補正処理などを早期に実行することも可能となる。

第１態様において、前記ガスセンサは、通電手段による通電によって前記固体電解質体を加熱するためのヒータをさらに有してもよい。この場合に第１態様は、前記抵抗値検出手段によって検出される前記内部抵抗値を目標抵抗値とするように、前記通電手段による前記ヒータへの通電量を決定する決定手段と、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記目標抵抗値を補正する補正手段と、をさらに備えてもよい。

第１態様において、内部抵抗値を目標抵抗値にするようにヒータへの通電量を決定する上で、比較手段の比較結果に基づいて目標抵抗値を補正することができるので、ヒータへの通電量の決定を精確に行うことができる。これにより、ヒータによって加熱されるセルは一定の温度に維持されるので、ガスセンサの出力として、より安定した出力を得ることができる。

本発明の第２態様によれば、固体電解質体および一対の電極からなるセルを少なくとも１つ以上有し、排気ガス中の特定ガスの濃度に応じて変化する検出信号を、１つの前記セルを通じて出力するガスセンサと、１つの前記セルに対して一時的に電圧または電流変化を与えたときの当該セルの一時的な電位差の変動に基づいて、１つの前記セルの内部抵抗値を検出する抵抗値検出手段とを備えるとともに、前記検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御が行われる内燃機関に適用されるガスセンサ装置において実行されるガスセンサ装置の制御方法であって、前記ガスセンサから出力される前記検出信号を取得する取得ステップと、前記取得ステップにおいて取得される前記検出信号が前記空燃比フィードバック制御を開始可能な開始判定値に達したか否かを判断する判断ステップと、前記判断ステップにおいて前記検出信号が前記開始判定値に達したと判断された場合に、前記抵抗値検出手段によって前記セルの開始時内部抵抗値を検出する開始時抵抗値検出ステップと、前記開始時抵抗値検出ステップにおいて検出された前記開始時内部抵抗値と予め設定された劣化判定値とを比較する比較ステップと、を含むガスセンサ装置の制御方法が提供される。

第２態様では、セルの開始時内部抵抗値と劣化判定値との比較を、ガスセンサの検出信号が、空燃比フィードバック制御を行うのに必要な精度に達したか否かを判定するための開始判定値に達した場合に行うようにしている。これにより、ガスセンサの検出信号が空燃比フィードバック制御を行う上で安定してからセルの劣化判定を行う従来の方法と比べ、早期に、セルの劣化判定を開始することができる。また、セルの開始時内部抵抗値を劣化判定値と比較するだけという直接的且つ簡単な比較処理でセルの劣化の判定を行うことができるので、劣化判定を精確且つ迅速に行うことができ、その判定結果に基づく劣化補正処理などを早期に実行することも可能となる。

第２態様において、前記ガスセンサは、通電手段による通電によって前記固体電解質体を加熱するためのヒータをさらに有してもよい。この場合に第２態様は、前記抵抗値検出手段によって検出される前記内部抵抗値を目標抵抗値とするように、前記通電手段による前記ヒータへの通電量を決定する決定ステップと、前記比較ステップにおける比較結果に基づいて、前記目標抵抗値を補正する補正ステップと、をさらに含んでもよい。

第２態様において、内部抵抗値を目標抵抗値にするようにヒータへの通電量を決定する上で、比較手段の比較結果に基づいて目標抵抗値を補正することができるので、ヒータへの通電量の決定を精確に行うことができる。これにより、ヒータによって加熱されるセルは一定の温度に維持されるので、ガスセンサの出力として、より安定した出力を得ることができる。

ガスセンサ装置１の電気的な構成を示すブロック図である。 劣化補正プログラムのフローチャートである。 エンジンを始動してからの経過時間とセル２１の出力値や素子温等との関係を示すグラフである。

以下、本発明を具体化したガスセンサ装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、一例としてのガスセンサ装置１の電気的な構成について説明する。

図１に示す、ガスセンサ装置１は、自動車に搭載されるものであり、ガスセンサ２と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備える。本実施の形態におけるガスセンサ２は、エンジンから排出される排気ガス中の酸素濃度に応じて出力値（検出信号の値）が変化すると共に、その出力値が理論空燃比を境にして急変する、いわゆるλ型の酸素センサをその一例とする。なお、酸素センサについては公知のものを使用しているため、その構造等の詳細については説明を省略するが、以下に、酸素センサに用いられるセンサ素子による排気ガスの空燃比（排気ガス中の酸素濃度）の検出原理について簡単に説明する。

センサ素子を構成するセルは、活性温度以上で酸素イオン導電性を示す性質を有するジルコニア製の固体電解質体を、プラチナからなる一対の多孔質電極で挟んだものであり、筒状や板状に形成される。２つの雰囲気をこの固体電解質体で隔て、両雰囲気間の酸素分圧に差が生じたとき、固体電解質体内を酸素イオンが移動することを利用して、酸素濃度の検出を行う。具体的には、排気ガス雰囲気と基準ガス雰囲気（基準となる酸素濃度を有する雰囲気）とを固体電解質体で隔てる。すると、両雰囲気間で酸素分圧の平衡化がなされる際に、固体電解質体内を移動する酸素イオンによって電子が運搬され、これに伴い多孔質電極間に起電力（検出信号）が生じる。この起電力は、多孔質電極の触媒作用により排気ガス中の未燃焼ガスを完全燃焼させた際の余剰酸素の有無によって大きく変化し、排気ガスの空燃比が理論空燃比である場合を境に、リッチ側とリーン側とで二値的な変動を示す。

一般に、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にある（排気ガス中の酸素濃度が低く、未燃焼ガスを完全燃焼させるのに酸素が足りない）場合、センサ素子の出力する検出信号の値は基準電位との電位差で約９００ｍＶを示す。また、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーン側にある（排気ガス中の酸素濃度が高く、未燃焼ガスを完全燃焼させても酸素が余る）場合、基準電位との電位差で約５０ｍＶを示す。このような酸素センサの一例として、本実施の形態では、特開２００４−１３８５９９号公報に開示する酸素センサを使用しているものとして説明することとする。

図１に示す、ガスセンサ２は、１つのセル２１を用いて有底筒状に形成したセンサ素子にヒータ２６を内挿させ、排気管（図示外）に取り付けるための主体金具の内側に当該センサ素子を保持させた構造をなす。ヒータ２６は、アルミナ製の絶縁セラミックからなる基体の内部にプラチナやタングステン等を主体とする発熱抵抗体２７を埋設して棒状または板状に形成したものである。ガスセンサ２が排気管に取り付けられた場合には、有底筒状のセンサ素子の先端部（筒底側）が排気管内に挿入されて、セル２１の一方の多孔質電極（センサ素子の外周面側に形成された電極）が排気ガスに晒される。セル２１の他方の多孔質電極（センサ素子の内周面側に形成された電極）は、排気管外から筒内に導入される基準ガス（本実施の形態では大気）に晒され、上記のように、排気ガスの空燃比（排気ガス中の酸素濃度）の検出が行われる。

また、セル２１は内部抵抗２２を有するが、その抵抗値（内部抵抗値、インピーダンス）は、固体電解質体の温度上昇に応じて低下する特性を有し、内部抵抗値とセル２１の温度との間に所定の相関関係があることが知られている。ガスセンサ装置１では、セル２１の内部抵抗値を検出し、その値が目標抵抗値となるようにヒータ２６への供給電力の制御を行い、セル２１の温度が目標温度となるように当該セル２１の温度の安定化を図っている。

次に、ＥＣＵ５は、ガスセンサ２の検出信号をもとに、空燃比フィードバック制御（例えば、インジェクタから噴射する燃料の噴射量の調整）を含む図示外のエンジンの制御を行う装置である。本実施の形態では、ＥＣＵ５が、ガスセンサ２の検出信号に基づき、セル２１の内部抵抗値を検出してセル２１の劣化を判定しつつ、目標抵抗値の補正を行い、ヒータ２６のＰＩＤ制御を精度よく行うために必要な構成について着目して説明を行う。ＥＣＵ５は、マイクロコンピュータ１０と、出力検出回路２０と、パルス入力回路３０と、オフセット回路４０と、ヒータ制御回路５０とを備える。マイクロコンピュータ１０は、ＥＣＵ５の制御を司るＣＰＵ１１と、後述する劣化補正プログラム等が記憶されるＲＯＭ１２と、各種のデータを一時的に記憶するＲＡＭ１３と、信号の入出力を行う各種入出力用のポート１５，１６，１７とを備える。なお、マイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は、公知の構成からなるものである。

出力検出回路２０は抵抗器等を用いた公知の回路からなり、オフセット回路４０を介して、ガスセンサ２のセル２１の両端、すなわち一対の多孔質電極と電気的に接続されている。出力検出回路２０にはセル２１から出力される検出信号が入力され、セル２１の両端の電位差の検出が行われる。セル２１の起電力は、セル２１の両端の電位差に基づいて検出することができる。出力検出回路２０は、セル２１の両端の電位差を所定時間ごとに取得（検出）し、セル２１の起電力を示す信号として、マイクロコンピュータ１０のＡ／Ｄポート１６に出力する。

また、出力検出回路２０は図示しないサンプルホールド回路を有し、取得したセル２１の両端の電位差を保持することができる。詳細は後述するが、セル２１にパルス電圧を印加すると、セル２１の内部抵抗値に応じて両端の電位差が変動する。よって、セル２１の内部抵抗値を検出する際には、パルス入力回路３０によってセル２１にパルス電圧が印加される。出力検出回路２０は、セル２１にパルス電圧が印加された際にも、セル２１の両端の電位差を検出する。このとき、サンプルホールド回路にはパルス電圧が印加される直前のセル２１の両端の電位差が保持されている。出力検出回路２０は、両者の差分、すなわち、パルス電圧の印加に伴い変動した分の電位を、セル２１の内部抵抗値を示す信号として、マイクロコンピュータ１０のＡ／Ｄポート１６に出力する。

次に、オフセット回路４０は、セル２１の両端と出力検出回路２０とを接続する配線経路上に設けられており、セル２１の出力する起電力の電位をオフセットする。具体的に、セル２１の高電位側と出力検出回路２０とを接続する配線経路上のＰ点と、セル２１の低電位側と出力検出回路２０とを接続する配線経路上のＱ点とに抵抗器４２が接続されている。低電位側のＱ点は、ＥＣＵ５の基準電位（ＧＮＤ）に接続されている。なお、ＥＣＵ５の基準電位は自動車のボディ等に接地されている。高電位側のＰ点は、抵抗器４１を介して所定の電源電圧ＶＣＣを出力する電源に接続されている。また、ノイズ防止用の抵抗器４３が、Ｐ点と出力検出回路２０との間に接続されている。

上記したように、セル２１を構成する固体電解質体は、固体電解質体の温度上昇に応じて内部抵抗値（インピーダンス）が低下する特性を有する。すなわち、固体電解質体の温度が低いうち（便宜上、非活性時ともいう。）は内部抵抗値が高く、セル２１はほぼ絶縁状態となる。また、固体電解質体の温度が上昇するに伴い内部抵抗値は低下し、セル２１が活性化した場合（便宜上、活性時ともいう。）には、内部抵抗値は低い値を示す。そしてセル２１の起電力は、排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合には、基準電位との電位差で約９００ｍＶを示し、リーン側にある場合には約５０ｍＶを示す。

抵抗器４１と抵抗器４２とで電源電圧ＶＣＣが分圧され、本実施の形態では、Ｐ点の電位が約４５０ｍＶとなるように設定されている。また、抵抗器４２は、その抵抗値がセル２１の非活性時の内部抵抗値よりも十分に小さく、活性時の内部抵抗値よりも十分に大きい値となるものが選択されている。セル２１の非活性時にはセル２１に電流が流れず、起電力が発生しないので、セル２１の出力は０Ｖであるが、オフセット回路４０により、出力検出回路２０ではセル２１の出力として約４５０ｍＶが取得される。一方、セル２１の活性時には、内部抵抗値よりも十分に抵抗値の大きな抵抗器４２に電流がほとんど流れず、オフセット回路４０を介して出力検出回路２０に取得されるセル２１の出力値（検出信号が示す値）は、ほぼ、セル２１の起電力が示す値となる。

次に、ヒータ制御回路５０は、例えばトランジスタ５１を備える。トランジスタ５１のコレクタはヒータ２６の一端に接続され、エミッタは所定の抵抗器（図示外）を介して基準電位に接続され、ベースはマイクロコンピュータ１０のＰＷＭポート１７に接続されている。また、ヒータ２６の他端は、ＥＣＵ５に電力を供給するバッテリ６に接続されている。ヒータ２６の通電制御はマイクロコンピュータ１０によるＰＩＤ制御によって行われ、マイクロコンピュータ１０において演算されるデューティ比に基づき、ヒータ制御回路５０からのヒータ２６へのＰＷＭ制御による通電が行われる。具体的に、マイクロコンピュータ１０のＰＷＭポート１７からトランジスタ５１のＯＮ／ＯＦＦ信号が出力され、トランジスタ５１のコレクタ−エミッタ間を流れる電流、すなわちバッテリ６からヒータ２６に流される電流のＯＮ／ＯＦＦが制御される。なお、ヒータ制御回路５０は上記のトランジスタ５１に限らず、ＦＥＴ等を用いて構成してもよい。

次に、パルス入力回路３０は、出力検出回路２０を介してセル２１に矩形状のパルス電圧を印加する回路である。マイクロコンピュータ１０における演算によって矩形状のパルス波形を示すデジタルデータが生成され、Ｉ／Ｏポート１５からパルス入力回路３０に入力される。パルス入力回路３０は、受信したパルス波形のデータに基づき矩形状のパルス電圧を生成し、セル２１に印加する。なお、パルス電圧の印加時間は数〜数百ｍｓの中で適宜設定することができる。

前述したように、このパルス電圧がセル２１に印加されることにより、出力検出回路２０において取得（検出）されるセル２１の両端の電位差が、一時的に変動する。言い換えると、セル２１の起電力に、パルス電圧の印加によって内部抵抗２２の両端に生じた電位が上乗せされて、セル２１の出力する検出信号として出力検出回路２０に取得（検出）されることになる。したがって、パルス電圧の印加によって、出力検出回路２０に検出信号として取得されるセル２１の両端の電位差に生じた変動から、セル２１の内部抵抗値（ひいては内部抵抗値と相関関係にあるセル２１の温度）を演算により取得することができる。ガスセンサ装置１において、セル２１の活性時におけるヒータ２６の制御は、上記したようにＰＩＤ制御に基づくＰＷＭ制御によって、セル２１の内部抵抗値が目標抵抗値となるようにヒータ２６への電力の供給を行うことによりなされる。

このような構成のガスセンサ装置１において、セル２１の出力（排気ガスの空燃比がリッチ側おいて約９００ｍＶ、リーン側において約５０ｍＶ）は、セル２１が、活性温度よりも十分に高い所定の温度（以下、「高温制御温度」という。）以上に加熱されることによって得られる。高温制御温度は、例えば７００℃に設定される。セル２１の温度が活性温度以上、高温制御温度未満においては、セル２１から出力を得られるものの、排気ガスの空燃比でリッチ側の検出信号の値とリーン側の検出信号の値との差分が小さい。

しかし、始動を開始したばかりのエンジンは、まだ温度が低く、排気ガス中に水滴が含まれる場合がある。このような水滴が、ヒータ２６で加熱されて高温になったセル２１に付着すると、セル２１の表面において蒸発する際に部分的に熱を奪うため、セル２１に熱衝撃を与えて被水割れ等の不具合を生じさせる虞がある。ゆえにガスセンサ装置１では、エンジン始動後、排気ガス中に水滴が含まれ得る間（以下、「被水下時間」という。）は、セル２１の加熱温度を、セル２１を活性化としつつもセル２１に水滴が付着しても被水割れを生じさせない程度の低い温度（以下、「被水下制御温度」という。）に維持する制御が行われる。なお、被水下制御温度は、活性温度以上、高温制御温度未満の温度であり、例えば４００℃に設定される。また、被水下時間は、エンジンの設計によって異なり、ガスセンサ装置１が利用されるエンジンごとに、あらかじめ設定されている。

また、ガスセンサ装置１では、ガスセンサ２のセル２１の劣化の有無について判定を行っている。セル２１が経時劣化等により劣化を生じた場合に、セル２１の同じ温度に対する内部抵抗値が劣化前に比べて高くなる。前述したように内部抵抗値は固体電解質体の温度上昇に応じて低下する特性を有するため、セル２１が劣化した場合に内部抵抗値を目標抵抗値にするようにヒータ２６の制御を行うと、過昇温を招く虞がある。そこで、本実施の形態では、ガスセンサ装置１の駆動とともにマイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１が劣化補正プログラムを実行し、その処理に従って、セル２１の出力が所定の条件を満たした場合に初めて取得される内部抵抗値（以下、「開始時内部抵抗値」という。）に基づくセル２１の劣化判定が行われる。

さらにマイクロコンピュータ１０は、劣化補正プログラムに従い、セル２１が劣化した状態においては、目標抵抗値の変更（補正）を行う。これにより、ガスセンサ装置１では、セル２１の劣化状態に応じたヒータ２６の通電制御（ＰＩＤ制御）が行われるので、セル２１の劣化状態の如何にかかわらず、セル２１の温度を一定に保つことができる。以下、図２に示す劣化補正プログラムのフローチャートに従ってマイクロコンピュータ１０が行う処理について、図１，図３を適宜参照しながら説明する。

まず、劣化補正プログラムにおいて参照されるテーブル（劣化テーブル、補正係数テーブル）や、変数（被水下制御用抵抗値、高温制御用抵抗値）について説明する。劣化テーブルは、非劣化のセル２１の内部抵抗値の採りうる値（以下、「劣化判定値」という。）をあらかじめ求め、テーブル化したものであり、あらかじめ作成されてＲＯＭ１２に記憶されている。また、補正係数テーブルは、セル２１の開始時内部抵抗値が大きいほど補正係数の数値が大きくなる関係を示すように、実験的に求められたテープルであり、あらかじめ作成されてＲＯＭ１２に記憶されている。そして、本実施の形態では、ガスセンサ２の検出信号の値が、空燃比フィードバック制御を開始するのに必要な精度（レベル）に達した場合に、セル２１の開始時内部抵抗値を取得し、劣化判定値との比較を行う。ＥＣＵ５は、セル２１の出力値（検出信号の値）をもとに空燃比フィードバック制御を行う前は、空燃比のオープンプール制御（インジェクタの燃料噴射量を一定パターンで変化させて、空燃比を一定パターンでリッチ、リーンに変化させる制御）を実施している。本実施の形態では、より具体的に、セル２１の出力値（検出信号の値）が６００ｍＶより大きい値を示すか、セル２１の出力値が３００ｍＶより小さい値を示した場合に、空燃比フィードバック制御（空燃比のクローズドループ制御）を開始するのに必要な精度に達したとして、開始時内部抵抗値を取得している。なお、出力値の比較対象である上限値の６００ｍＶや下限値の３００ｍＶは一例に過ぎず、セル２１の出力値に応じて適宜設定すればよい。

セル２１の出力値（検出信号の値）が開始判定値に達し、劣化判定が行われる場合には、劣化テーブルの参照により求められる劣化判定値が、セル２１から取得される開始時内部抵抗値と比較されることによって、劣化の判定が行われる。なお、空燃比フィードバック制御を行うのに必要な精度に達したか否かの判定基準となった出力値の比較対象値（具体的には６００ｍＶおよび３００ｍＶ）が、本発明における「開始判定値」に相当する。

また、ＲＯＭ１２には、ヒータ２６の温度制御を行う上で、内部抵抗値の目標となる目標抵抗値が記憶されている。上記のように、ヒータ２６の温度は、被水下時間の経過前には被水下制御温度となるように制御され、被水下時間の経過後においては高温制御温度となるように制御される。なお、ＲＯＭ１２に記憶される目標抵抗値は、セル２１が非劣化である場合において、被水下制御温度に対応する内部抵抗値（以下、「被水下制御用抵抗値」という。）と、高温制御温度に対応する内部抵抗値（以下、「高温制御用抵抗値」という。）とが含まれる。

以下、劣化補正プログラムの実行によるガスセンサ装置１の動作について説明する。なお、以下の説明では、フローチャートの各ステップを「Ｓ」と略記する。

ガスセンサ装置１は、例えば自動車のエンジンがスタートされると駆動され、マイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１が、ＲＯＭ１２に記憶された劣化補正プログラムの実行を開始する。図２に示すように、劣化補正プログラムが実行されると、ＣＰＵ１１は、ＰＷＭ制御におけるデューティ比を固定値に設定する（Ｓ１２）。なお、本実施の形態では、このデューティ比を１（１００％）に設定し、ヒータ制御回路５０にＯＮ／ＯＦＦ信号の継続的な出力（この場合、常時ＯＮ信号を出力）を行うようにした。具体的には、劣化補正プログラムと並列に実行されるヒータ制御プログラム（図示外）において、デューティ比に応じてトランジスタ５１のＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御する信号が生成され、ヒータ制御回路５０に出力される。ヒータ２６の発熱抵抗体２７には、バッテリ６の電圧がそのまま印加され、図３に示すように、時間の経過とともにセル２１の温度が上昇していく。

次にＣＰＵ１１は、図２に示すように、被水下時間の計時を開始する（Ｓ１３）。上記したように、被水下時間はあらかじめガスセンサ装置１が利用されるエンジンに応じた時間が設定されており、ＲＯＭ１２に記憶されている。

ガスセンサ２の出力（検出信号）の取得が行われる（Ｓ１５）。出力検出回路２０を介して取得したセル２１の検出信号がＡ／Ｄポート１６からマイクロコンピュータ１０に入力されており、ＣＰＵ１１は検出信号の値を読み込む。上記のように検出信号はオフセットされており、図３に示す、０〜Ｔ１時のように、セル２１の非活性時の検出信号の値は約４５０ｍＶを示す。そして、セル２１の温度が上昇していき当該セル２１の内部抵抗値がある程度低下したＴ１時になると、空燃比（詳細には、オープンループ制御を実行している際の空燃比）の変化に応じてセル２１に起電力の変化が生じ始める。すなわち、空燃比がリッチ側では４５０ｍＶより高い値を示すようになり、空燃比がリーン側では４５０ｍＶより低い値を示すようになる。さらにセル２１の温度上昇にともない、排気ガスの空燃比でリッチ側の検出信号の値とリーン側の検出信号の値との差分が大きくなっていく。

図２に示すように、検出信号の値が６００ｍＶ以下で（Ｓ１６：ＮＯ）、且つ、その値が３００ｍＶ以上（Ｓ１７：ＮＯ）であるうちは、Ｓ１５に戻って検出信号の値の監視を繰り返す。セル２１の温度が活性温度（図３において実線Ｅで示す。）に達する前の非活性の状態（０〜Ｔ１時（図３参照））では、検出信号の値が約４５０ｍＶを示す。また、セル２１の温度が活性温度に達した以降においても、セル２１が十分に加熱されないうちは（Ｔ１〜Ｔ２時（図３参照））、検出信号の値は、空燃比がリッチ側でも６００ｍＶ以下を示し、リーン側でも３００ｍＶ以上を示す。このような場合、セル２１が活性化していても、排気ガスの空燃比でリッチ側の検出信号の値とリーン側の検出信号の値との差分が小さく、排気ガスの空燃比を検出する精度を十分に得られない。

そして、セル２１の出力が、排気ガスの空燃比がリッチ側で６００ｍＶより大きい値を示した場合（Ｓ１６：ＹＥＳ）、あるいは、リーン側で３００ｍＶより小さい値を示した場合には（Ｓ１７：ＹＥＳ）、Ｓ１８に進む。図３のグラフに、Ｔ２時に、セル２１の出力が６００ｍＶより大きい値となった例を示す。エンジンの始動後であるので排気ガスの空燃比の状態は刻々と変化する。ゆえに、セル２１の出力値が６００ｍＶより大きい値を示すか、セル２１の出力値が３００ｍＶより小さい値を示せば、セル２１は排気ガスの空燃比を検出する上で必要な精度を得るレベルに活性化したと判断される。これにより、ＥＣＵ５は、別途に実行している空燃比のオープンループ制御を、セル２１の出力（検出信号）をもとにした公知の空燃比フィードバック制御（空燃比のクローズドループ制御）へと遷移させることが可能となる。

ＣＰＵ１１は、Ｉ／Ｏポート１５からパルス波形のデジタルデータをパルス入力回路３０に出力する（Ｓ１８）。パルス入力回路３０は矩形状のパルス電圧を生成し、セル２１に印加する。そして出力検出回路２０が、パルス電圧の印加に伴い変動したセル２１の電位を取得し、マイクロコンピュータ１０のＡ／Ｄポート１６に出力する。ＣＰＵ１１は、取得した、パルス電圧の印加に伴い変動したセル２１の電位から、セル２１の内部抵抗値を演算して求める（Ｓ２０）。なお、Ｓ２０において取得されるセル２１の内部抵抗値が、開始時内部抵抗値である。

ＲＯＭ１２に記憶された劣化テーブルが参照され、劣化判定値（予め設定された劣化判定値）が求められる（設定される）。そして、Ｓ２０で取得されたセル２１の開始時内部抵抗値と劣化判定値とが比較され、一致もしくはズレが所定値以下の場合、セル２１に劣化はないと判断される（Ｓ２１：ＮＯ）。この場合は、後述の目標抵抗値を補正するための補正係数が１に設定され、ＲＡＭ１３に記憶される。

一方、セル２１の開始時内部抵抗値と劣化判定値とのズレが所定値より大きい場合、セル２１が劣化したと判断される（Ｓ２１：ＹＥＳ）。この場合、開始時内部抵抗値と補正係数との関係を示した上記の補正係数テーブルを参照することで、開始時内部抵抗値に対応した補正係数が算出（決定）され、ＲＡＭ１３に記憶される（Ｓ２２）。なお、補正係数の算出は補正係数テーブルを用いるものに限定されず、開始時内部抵抗値と劣化判定値とのズレが大きくなるほど、目標抵抗値を上昇させるのに必要な補正係数が算出できるように実験的に求められた演算式（関数）を準備して、この演算式のもと補正係数を算出するようにしてもよい。

次に、Ｓ１３で計時が開始された被水下時間が経過したか否かについての確認が行われる（Ｓ２５）。被水下時間が経過していない場合（Ｔ２〜Ｔ３時（図３参照））には、セル２１の被水割れ等の防止のため、セル２１の加熱温度を被水下制御温度（図３において実線Ｆで示す。）に維持する制御が行われる。上記したように、ヒータ２６の温度制御はセル２１の内部抵抗値を目標抵抗値にするようにＰＩＤ制御することで行われる。ヒータ２６への通電はＰＷＭ制御によって行われ、そのためのデューティ比は、内部抵抗値と目標抵抗値とから公知のＰＩＤ演算によって求められる。

被水下時間が経過する前は（Ｓ２５：ＮＯ）、ＲＯＭ１２から被水下制御用抵抗値（図３において一点鎖線Ｂで示す。）が読み出され、目標抵抗値に設定される（Ｓ２７）。そしてＳ２２またはＳ２３で記憶された補正係数が読み出されてＳ２７で設定された目標抵抗値に適用され、セル２１の劣化に応じた目標抵抗値に補正される（Ｓ２８）。なお、セル２１が劣化していない場合は、補正係数に１が設定されているので、Ｓ２８における補正前の目標抵抗値と補正後の目標抵抗値とは同値となり、図３において一点鎖線Ｂで示す目標抵抗値を維持する。一方、セル２１が劣化している場合には、Ｓ２８では、Ｓ２２で記憶された補正係数を用いて補正前の目標抵抗値が上昇するように補正され、図３において二点鎖線Ａで示す目標抵抗値に補正される。

ＣＰＵ１１は、Ｓ２０で取得したセル２１の内部抵抗値と、Ｓ２８で補正した目標抵抗値とに基づくＰＩＤ演算を行い、ヒータ２６への通電をＰＷＭ制御するためのデューティ比を算出する。そして、算出したデューティ比に従い、ヒータ制御回路５０にＯＮ／ＯＦＦ信号の継続的な出力を行う（Ｓ３０）。すなわち、ヒータ制御プログラム（図示外）によって、デューティ比に応じてトランジスタ５１のＯＮ／ＯＦＦをＰＷＭ制御する信号が生成され、ヒータ制御回路５０に出力される。ヒータ２６の発熱抵抗体２７には、ＰＷＭ制御されたバッテリ６の電圧が印加される。図３のＴ２〜Ｔ３時に示されるように、セル２１の内部抵抗値が、Ｓ２２またはＳ２３で記憶された補正係数を用いて被水下制御用抵抗値を補正することで得られた目標抵抗値になるように、ヒータ２６への通電がなされ、セル２１の温度が被水下制御温度（実線Ｆ）に維持される。

次に、図２に示すように、所定時間（例えば１０〜５０ｍｓｅｃ）の経過（Ｓ３１：ＮＯ）を待ってから（Ｓ３１：ＹＥＳ）、Ｓ１８と同様に、セル２１にパルス電圧が印加される（Ｓ３２）。そしてＳ２０と同様に、セル２１の内部抵抗値が求められ（Ｓ３３）、Ｓ２５に戻る。このように、被水下時間が経過するまでは（Ｓ２５：ＮＯ）、Ｓ２７，Ｓ２８〜Ｓ３３が繰り返される。これにより、セル２１の温度が被水下制御温度に維持される。

そしてＴ３時（図３参照）において被水下時間が経過すると（Ｓ２５：ＹＥＳ）、空燃比の検出精度（酸素濃度の検出精度）を高めるため、セル２１の加熱温度を高温制御温度（図３において実線Ｇで示す。）に維持する制御が行われる。ＲＯＭ１２から高温制御用抵抗値（図３において一点鎖線Ｄで示す。）が読み出され、目標抵抗値に設定される（Ｓ２６）。上記同様にＳ２２またはＳ２３で記憶された補正係数が読み出され、目標抵抗値に適用され、セル２１の劣化に応じた目標抵抗値に補正される（Ｓ２８）。なお、セル２１が劣化していない場合は、補正係数に１が設定されているので、Ｓ２８における補正前の目標抵抗値と補正後の目標抵抗値とは同値となり、図３において一点鎖線Ｄで示す目標抵抗値を維持する。一方、セル２１が劣化している場合には、Ｓ２８では、Ｓ２２で記憶された補正係数を用いて補正前の目標抵抗値が上昇するように補正され、図３において二点鎖線Ｃで示す目標抵抗値に補正される。

以下同様に、Ｓ２０で取得したセル２１の内部抵抗値と、Ｓ２８で補正した目標抵抗値とに基づくＰＩＤ演算によって求められたデューティ比に従うＰＷＭ制御によるヒータ２６への通電が行われる（Ｓ３０）。これにより、セル２１の内部抵抗値が、Ｓ２２またはＳ２３で記憶された補正係数を用いて高温制御用抵抗値を補正することで得られた目標抵抗値になるように、ヒータ２６への通電がなされ、セル２１の温度が高温制御温度（実線Ｇ）に維持される。

そして、所定時間の経過（Ｓ３１：ＮＯ）を待ってから（Ｓ３１：ＹＥＳ）、セル２１へのパルス電圧の印加に基づき（Ｓ３２）、セル２１の内部抵抗値が求められ（Ｓ３３）、Ｓ２５に戻る。このように、被水下時間の経過後は（Ｓ２５：ＹＥＳ）、Ｓ２６，Ｓ２８〜Ｓ３３が繰り返される。これにより、図３に示すＴ３時以降は、セル２１の内部抵抗値が、高温制御用抵抗値が設定され、劣化に応じた補正がなされた目標抵抗値になるように、ヒータ２６への通電がなされる。そしてＴ４時にセル２１の温度が高温制御温度に達して、以降は、高温制御温度が維持されるように、ヒータ２６のＰＩＤ制御が継続される。セル２１の出力（検出信号）は、排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合には約９００ｍＶを得られ、リーン側にある場合には約５０ｍＶを安定して得られるようになり、精度よく、排気ガスの空燃比を検出できるようになる。

このように、ガスセンサ装置１では、セル２１の開始時内部抵抗値と劣化判定値との比較を、検出信号の出力値が、空燃比フィードバック制御を行うのに必要な精度に達したか否かを判定するための開始判定値に達した場合に行うようにした。これにより、検出信号が空燃比フィードバック制御を行う上で安定してからセルの劣化判定が行われる従来のガスセンサ装置と比べ、早期に、セル２１の劣化判定を開始することができる。また、セル２１の開始時内部抵抗値を劣化判定値と比較するだけという直接的且つ簡単な比較処理でセル２１の劣化の判定を行うことができるので、劣化判定を精確且つ迅速に行うことができる。その判定結果に基づく劣化補正処理などを早期に実行することも可能となる。

また、内部抵抗値を目標抵抗値にするようにヒータ２６への通電量、より具体的にはヒータ２６の通電をＰＷＭ制御によって行う上でのデューティ比を決定する際に、セル２１の劣化状態に応じて求めた補正係数を用いて目標抵抗値を補正することができるので、デューティ比を精確に求めることができる。これにより、ヒータ２６によって加熱されるセル２１は一定の温度に維持されるので、ガスセンサ２の出力として、より安定した出力を得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。劣化補正プログラムのＳ２１において、セル２１の開始時内部抵抗値と劣化判定値とを比較して、セル２１が劣化しているか否かについての判定を行った。その際に、セル２１の劣化の有無のみならず、劣化の度合いを判定してもよい。例えば、パルス電圧の印加に伴い変動した分の電位の大きさに応じて、セル２１の劣化の過渡的な状態を判定してもよい。この場合、比較する劣化判定値を１つに限らず、複数用意すれば、セル２１の劣化の度合いを、劣化判定値の数に応じた段階に分けて判定することが可能である。そして、セル２１の劣化の度合いを複数段階に分けて判定しつつ、目標抵抗値を補正する補正係数を劣化の度合いを考慮して異なる算出手法のもと算出することで、セル２１の劣化状態に応じて精密に目標抵抗値を補正することも可能となる。

また、開始時内部抵抗値と劣化判定値との比較の際に、両者のズレが所定値以下であるか否かを比較するにあたっては、その所定値は、上記の実施形態のように空燃比がリッチ側とリーン側とで同一の値である必要はなく、空燃比がリッチ側とリーン側とにおいて異なる値としてもよい。

また、セル２１の内部抵抗値を取得するため、本実施の形態ではセル２１にパルス電圧を印加したが、パルス電流でもよいし、あるいは交流電圧を印加してもよい。

また、ガスセンサ２の駆動を制御するコントローラを備え、ガスセンサ２とＥＣＵ５との間に配置し、ガスセンサ装置を、そのコントローラとガスセンサ２とで構成してもよい。

また、本実施の形態の劣化補正プログラムでは、Ｓ１３で被水下時間計測を開始し、Ｓ２５で被水下時間が経過したか否かを判定することで、セル２１を被水下制御温度に維持する期間を決定するようにした。これに限られず、内燃機関の運転状態、あるいは、車両に別途装着される水温センサや排気温センサの情報が所定の条件を満たすか否かを判定して、セル２１を被水下制御温度に維持する期間を決定するようにしてもよい。例えば、上記の劣化補正プログラムからＳ１３を削除し、Ｓ２５の処理を、水温センサの出力に基づく水温情報が所定の温度を上回っているか否かを判別する処理として設定し、水温情報が所定温度を上回っている場合にはＳ２６に進み、水温情報が所定温度以下である場合にはＳ２７に進むように設定してもよい。

また、ガスセンサ１は、センサ素子が１セルからなる酸素センサのセルを例としたが、２セルからなる全領域空燃比センサや、３セルからなるＮＯｘセンサを構成する１つのセルを対象にして本発明を適用するようにしてもよい。

１ ガスセンサ装置
２ ガスセンサ
５ ＥＣＵ
１０ マイクロコンピュータ
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
２０ 出力検出回路
２１ セル
２６ ヒータ
３０ パルス入力回路
５０ ヒータ制御回路

Claims (4)

1. 固体電解質体および一対の電極からなるセルを少なくとも１つ以上有し、排気ガス中の特定ガスの濃度に応じて変化する検出信号を、１つの前記セルを通じて出力するガスセンサを備えるとともに、前記検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御が行われる内燃機関に適用されるガスセンサ装置であって、
   前記ガスセンサから出力される前記検出信号を取得する取得手段と、
   １つの前記セルに対して一時的に電圧または電流変化を与えたときの当該セルの一時的な電位差の変動に基づいて、前記ガスセンサを構成する１つの前記セルの内部抵抗値を検出する抵抗値検出手段と、
   前記取得手段により取得される前記検出信号が前記空燃比フィードバック制御を開始可能な開始判定値に達したか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段によって前記検出信号が前記開始判定値に達したと判断された場合に、前記抵抗値検出手段によって前記セルの開始時内部抵抗値を検出する開始時抵抗値検出手段と、
   前記開始時抵抗値検出手段によって検出された前記開始時内部抵抗値と予め設定された劣化判定値とを比較する比較手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ装置。
2. 前記ガスセンサは、通電手段による通電によって前記固体電解質体を加熱するためのヒータをさらに有しており、
   前記抵抗値検出手段によって検出される前記内部抵抗値を目標抵抗値とするように、前記通電手段による前記ヒータへの通電量を決定する決定手段と、
   前記比較手段による比較結果に基づいて、前記目標抵抗値を補正する補正手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ装置。
3. 固体電解質体および一対の電極からなるセルを少なくとも１つ以上有し、排気ガス中の特定ガスの濃度に応じて変化する検出信号を、１つの前記セルを通じて出力するガスセンサと、１つの前記セルに対して一時的に電圧または電流変化を与えたときの当該セルの一時的な電位差の変動に基づいて、１つの前記セルの内部抵抗値を検出する抵抗値検出手段とを備えるとともに、前記検出信号に基づいて空燃比フィードバック制御が行われる内燃機関に適用されるガスセンサ装置において実行されるガスセンサ装置の制御方法であって、
   前記ガスセンサから出力される前記検出信号を取得する取得ステップと、
   前記取得ステップにおいて取得される前記検出信号が前記空燃比フィードバック制御を開始可能な開始判定値に達したか否かを判断する判断ステップと、
   前記判断ステップにおいて前記検出信号が前記開始判定値に達したと判断された場合に、前記抵抗値検出手段によって前記セルの開始時内部抵抗値を検出する開始時抵抗値検出ステップと、
   前記開始時抵抗値検出ステップにおいて検出された前記開始時内部抵抗値と予め設定された劣化判定値とを比較する比較ステップと、
   を含むことを特徴とするガスセンサ装置の制御方法。
4. 前記ガスセンサは、通電手段による通電によって前記固体電解質体を加熱するためのヒータをさらに有しており、
   前記抵抗値検出手段によって検出される前記内部抵抗値を目標抵抗値とするように、前記通電手段による前記ヒータへの通電量を決定する決定ステップと、
   前記比較ステップにおける比較結果に基づいて、前記目標抵抗値を補正する補正ステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ装置の制御方法。

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