JP3684686B2

JP3684686B2 - 酸素濃度判定装置

Info

Publication number: JP3684686B2
Application number: JP17640296A
Authority: JP
Inventors: 雅之高見; 哲志長谷田; 朝道溝口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2016-07-05
Also published as: DE19652059B4; DE19652059A1; JPH09229901A; US5833836A; GB2308452A; GB2308452B; GB9626303D0

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気ガス中の空燃比、即ち酸素濃度を判定する酸素濃度判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のものにおいては、例えば、米国特許第５４０５５２１号明細書に示されるように、限界電流式酸素センサの内部抵抗が素子温度に応じて変化すること、及び酸素センサの内部抵抗を特定する電流−電圧特性が原点を通ることに着目し、図１（ａ）、（ｃ）の軌跡１で示すごとく酸素センサを、限界電流領域の中央付近の正電圧（限界電流測定用電圧）により第１の期間の間、正バイアスする一方、負電圧（測温電圧）により第２の期間、負バイアスし、第１、第２の期間にて酸素センサに流れる電流を検出し、第１の期間での検出電流に基づき酸素濃度を検出し、第２の期間での検出電流と電圧とに基づき酸素センサの内部抵抗を演算して素子温度を検出するものがある。
【０００３】
ところで、酸素センサに対し正側から負側に、及び負側から正側に、バイアス電圧を切替える時、酸素センサに限界電流が流れていた時に酸素センサ自体に誘起されていた起電力が放出されるため、図１（ｂ）の軌跡１で示すごとく検出電流に正、負のピークが発生しその後安定状態に収束するという特徴がある。したがって、検出電流が負のピークから安定状態に収束するまでは温度を判定できず、また検出電流が正のピークから安定状態に収束するまでは限界電流を検出できず、それらの間は酸素濃度が検出できないことになるため、酸素濃度の検出可能期間が十分にとれない。そこで、上述した従来のものでは、検出電流が負のピークから安定状態に収束する途中の電流を検出することにより収束電流を予測して温度を判定するための期間を短縮するようにしてある。
【０００４】
なお、上述の説明では、測温用電圧が限界電流測定用電圧より低い例であるが、測温用電圧を限界電流測定用電圧より高くする構成も可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来のものでは、酸素センサに対する供給電圧を、測温電圧から限界電流測定用電圧に、切替える時の酸素濃度検出不可能時間の短縮については十分考慮されていない。
そこで、本発明は測温電圧から限界電流測定用電圧に酸素センサに供給される電圧を切替える時の酸素濃度検出不可能時間の短縮を良好に行うことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、酸素センサに対する供給電圧を限界電流測定用電圧より低い／高い測温用電圧から限界電流測定用電圧に切替える際、短時間限界電流測定用電圧より高い／低い電圧を供給した後に限界電流測定用電圧に戻すことにより、検出電流がピークから限界電流に安定するまでの時間を短くすることができて、測温用電圧から限界電流測定用電圧に酸素センサに供給される電圧を切替える時の酸素濃度検出時間の短縮を良好に行うことができるという優れた効果がある。
【０００７】
また、酸素センサの限界電流を検出している時に酸素センサに供給される電圧を、酸素センサに発生する起電力が所定値以下となるまで減少させ、その値まで減少した時に、酸素センサに測温電圧を短時間供給することにより、検出電流が負のピークから安定状態になるまでの時間も短縮することができて、酸素濃度の検出不可能時間をより一層短縮することができる。
【０００８】
なお、酸素センサとしては、限界電流式のものに限らず、ポンピング電流から酸素濃度を検出する積層型の酸素濃度センサを用いるようにしてもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔第１実施例〕
以下、本発明の第１実施例を図面により説明すると、図２は、自動車に搭載される内燃機関１０に適用された酸素濃度判定装置の一例を示している。酸素濃度判定装置は、限界電流式酸素センサＳを備えており、この酸素センサＳは、内燃機関１０の機関本体１０ａから延出する排気管１１内に取り付けられている。酸素センサＳは、センサ本体２０と、断面コ字状のカバー３０とによって構成されており、センサ本体２０は、その基端部にて、排気管１１の周壁の一部に穿設した取り付け穴部１１ａ内に嵌着されて、同排気管１１の内部に向け延出している。
【００１０】
センサ本体２０は、断面カップ状の拡散抵抗層２１を有しており、この拡散抵抗層２１は、その開口端部２１ａにて、排気管１１の取り付け穴部１１ａ内に嵌着されている。拡散抵抗層２１は、ＺｒＯ₂等のプラズマ溶射法等により形成されている。また、センサ本体２０は、固体電解質層２２を有しており、この固体電解質層２２は、酸素イオン伝導性酸化物焼結体により断面カップ状に形成されて、断面カップ状の排気ガス側電極層２３を介し抵抗拡散層２１の内周壁に一様に嵌着されており、この固体電解質層２２の内表面には、大気側電極層２４が断面カップ状に一様に固着されている。かかる場合、排気側電極層２３及び大気側電極層２４は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属を化学メッキ等により十分ポーラスに形成されている。また、排気ガス側電極層２３の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ²及び０．５〜２．０μ程度となっており、一方、大気側電極層２４の面積及び厚さは、１０ｍｍ²以上及び０．５〜２．０μ程度となっている。
【００１１】
このように構成したセンサ本体２０は、理論空燃比点にて濃淡起電力を発生し、理論空燃比点よりリーン領域の酸素濃度に応じた限界電流を発生する。かかる場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層２３の面積、拡散抵抗層２１の厚さ、気孔率及び平均孔径により決まる。また、このセンサ本体２０は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体２０を活性化するのに約６５０℃以上の高温が必要とされるとともに、同センサ本体２０の活性温度範囲が狭いため、内燃機関の排気ガスのみによる加熱では活性領域を制御できない。このため、後述するヒータ２６の加熱制御を活用する。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）の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化して、これに応じた限界電流が発生する。
【００１２】
ここで、図３（Ａ）、（Ｂ）においてセンサ本体２０の温度をパラメータとする同センサ本体２０の電圧ー電流特性について説明すると、この電圧ー電流特性は、酸素センサＳの検出酸素濃度（空燃比）に比例するセンサ本体２０の固体電解質層２２への流入電流と同固体電解質層２２への印加電圧との関係が直線的であることを示す。そして、センサ本体２０が温度Ｔ＝Ｔ1 にて活性状態にあるとき、図３（Ｂ）にて実線により示すごとき特性グラフＬ1 でもって安定した状態を示す。かかる場合、特性グラフＬ1 の電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体２０の限界電流を特定する。そして、この限界電流の増減は、空燃比の減増（即ち、リーン・リッチ）に対応する。また、センサ本体２０の温度ＴがＴ1よりも低いＴ2にあるとき、電流ー電圧特性は、図３（Ｂ）の破線により示すごとき特性グラフＬ2 でもって特定される。かかる場合、特性グラフＬ2の電圧軸Ｖに平行な直線部分がＴ＝Ｔ2におけるセンサ本体２０の限界電流を特定するもので、この限界電流は、特性グラフＬ1 による限界電流とほぼ一致している。
【００１３】
そして、特性グラフＬ１において、センサ本体２０の固体電解質層２２に正の所望値の電圧Ｖｐｏｓを印加すれば、センサ本体２０に流れる電流が限界電流Ｉｐｏｓ（図３（Ｂ）にて点Ｐ１参照）となる。ここで、正の所望値の電圧Ｖｐｏｓは、限界電流Ｉｐｏｓが流れている図３（Ｂ）の直線部分の中央付近の位置に対応する値に設定するのが好ましい。すなわち、図３（Ｂ）に示すごとく、限界電流Ｉｐｏｓ（酸素濃度）とセンサ本体２０の温度（素子温）とに応じて、限界電流Ｉｐｏｓが流れている図３（Ｂ）の直線部分の中央付近の位置が変化するため、正の所望値の電圧Ｖｐｏｓは、限界電流Ｉｐｏｓ（酸素濃度）とセンサ本体２０の温度（素子温）とに応じて、限界電流Ｉｐｏｓが流れている図３（Ｂ）の直線部分の中央付近の位置になるように設定するのが好ましい。
【００１４】
また、センサ本体２０の固体電解質層２２に負の印加電圧Ｖneg を印加すれば、センサ本体２０に流れる電流が、酸素濃度に依存せず温度のみに比例する点Ｐ2で特定される負の温度電流Ｉnegとなる。
また、センサ本体２０は、ヒータ２６を有しており、このヒータ２６は、大気側電極層２４内に収容されて、その発熱エネルギーにより、大気側電極層２４、固体電解質層２２、排気ガス側電極層２３及び拡散抵抗層２１を加熱する。かかる場合、ヒータ２６は、センサ本体２０を活性化するに十分な発熱容量を有する。カバー３０は、センサ本体２０を覆蓋して、その開口部にて、排気管１１の周壁の一部に嵌着されており、このカバー３０の周壁の一部には、小孔３１が、カバー３０の外部を同カバー３０の内部と連通させるべく、穿設されている。これにより、カバー３０は、センサ本体２０の排気ガスとの直接接触を防止しつつ、同センサ本体２０の保温を確保する。
【００１５】
また、酸素濃度判定装置は、図２にて示すごとく、バイアス制御回路４０を備えており、このバイアス制御回路４０は、正バイアス用直流電源４１、負バイアス用直流電源４２及び切り換えスイッチ回路４３によって構成されている。直流電源４１は、その負側電極にて、導線４１ａを介し排気ガス側電極層２３の一端に接続されており、一方、直流電源４２は、その正側電極にて、導線４１ａを介し排気ガス側電極層２３の一端に接続されている。切り換えスイッチ回路４３は、その第１切り換え状態にて、直流電源４１の正側電極のみを電流検出回路５０の入力端子５１に接続し、一方、その第２切り換え状態にて、直流電源４２の負側電極のみを電流検出回路５０の入力端子５１に接続するようになっており、入力端子５１から電流検出回路５０及び半導体スイッチ５５を介しさらに導線４２ａを介して大気側電極層２４に接続されている。
【００１６】
従って、半導体スイッチ５５が導通状態でかつ切り換えスイッチ回路４３が第１切り換え状態にあるとき、直流電源４１が固体電解質層２２を正バイアスし同固体電解質層２２に電流を正方向に流す。一方、半導体スイッチ５５が導通状態でかつ切り換えスイッチ回路４３が第２切り換え状態にあるとき、直流電源４２が固体電解質層２２を負バイアスし同固体電解質層２２に電流を負方向に流す。かかる場合、各直流電源４１、４２の端子電圧は、上述の印加電圧Ｖpos及びＶneg にそれぞれ相当する。ここで、切り換えスイッチ回路４３の切り換え状態はマイクロコンピュータ７０からのバイアス指令Ｖｒに応じて制御できるようにしてあると共に、その正バイアス時の印加電圧はマイクロコンピュータ７０からのバイアス指令Ｖｒに応じて可変制御できるようにしてある。
【００１７】
電流検出回路５０は、センサ本体２０の大気側電極層２４から切り換えスイッチ回路４３へ流れる電流又はその逆方向へ流れる電流、つまり、固体電解質層２２を流れる電流を、図示せぬ電流検出抵抗により検出し、Ａ−Ｄ変換器６０に出力する。このＡ−Ｄ変換器６０は、電流検出回路５０からの検出電流、ヒータ２６の印加電圧Ｖｎ及びヒータ２６に流れる電流Ｉｎをディジタル変換してマイクロコンピュータ７０に出力する。マイクロコンピュータ７０は、図示せぬＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成されていて、コンピュータプログラムを、Ａ−Ｄ変換器６０との協働により実行し、この実行中において、バイアス制御回路４０、ヒータ制御回路８０及び燃料噴射制御装置（以下、ＥＦＩという）９０を駆動制御するに必要な演算処理を行う。但し、上述のコンピュータプログラムはマイクロコンピュータ７０のＲＯＭに予め記憶されている。
【００１８】
半導体スイッチ５５は、マイクロコンピュータ７０からの信号により通常は導通状態にあって、各直流電源４１、４２からセンサ本体２０への正負のバイアス電圧を供給する。そして、酸素センサＳに限界電流Ｉposが流れている時に、センサ本体２０に発生する起電力を検出するために、マイクロコンピュータ７０からの瞬断信号により半導体スイッチ５５が周期的に瞬断状態になって、正バイアス用直流電源４１からセンサ本体２０へのバイアス電圧の供給を周期的に瞬断する。
【００１９】
また、ヒータ制御回路８０は、マイクロコンピュータ７０による制御のもとに、酸素センサＳの素子温やヒータ２６の温度に応じて、電源をなすバッテリー８１よりヒータ２６に供給される電力をオン、オフ並びに、デューティ制御することによりヒータ２６の加熱制御を行う。また、ヒータ２６に流れる電流Ｉｎは電流検出抵抗８２により検出されて、Ａ−Ｄ変換器６０に供給される。なお、ＥＦＩ９０は、マイクロコンピュータ７０による制御のもとに、内燃機関１０の排気ガス量（空燃比）、回転数、吸入空気流量、吸気管負圧や冷却水温等の内燃機関情報に応じて燃料噴射制御を行う。
【００２０】
図４はバイアス制御回路４０部分の具体電気回路構成を示すもので、基準電圧回路４４は定電圧Ｖｃｃを各分圧抵抗４４ａ、４４ｂにより分圧して一定の基準電圧Ｖａを作成する。第１電圧供給回路４５は基準電圧回路４４の基準電圧Ｖａと同じ電圧Ｖａを酸素センサＳの一方の端子（大気側電極層２４に接続される導線４２ａ）に供給するためのもので、負側入力端子が各分圧抵抗４４ａ、４４ｂの分圧点に接続され正側入力端子が半導体スイッチ５５を介して酸素センサＳの一方の端子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とにより構成されている。
【００２１】
そして、ＮＰＮトランジスタ４５ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃ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及び半導体スイッチ５５を介して酸素センサＳの一方の端子に接続され、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。
【００２２】
Ｄ−Ａ変換器４６はマイクロコンピュータ７０からのバイアス指令信号（ディジタル信号）Ｖｒをアナログ信号電圧Ｖｃに変換する。第２電圧供給回路４７はＤ−Ａ変換器４６の出力電圧Ｖｃと同じ電圧Ｖｃを酸素センサＳの他方の端子（排気ガス側電極層２３に接続される導線４１ａ）に供給するためのもので、負側入力端子がＤ−Ａ変換器４６の出力に接続され正側入力端子が酸素センサＳの他方の端子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とにより構成されている。
【００２３】
そして、ＮＰＮ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を介して酸素センサＳの他方の端子に接続され、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。
これにより、半導体スイッチ５５が導通状態の時には、酸素センサＳの一方の端子には常時一定電圧Ｖａが供給され、この一定電圧Ｖａより低い電圧に相当するバイアス指令信号Ｖｒをマイクロコンピュータ７０からＤ−Ａ変換器４６に供給することにより、酸素センサＳの他方の端子には一定電圧Ｖａより低い電圧Ｖｃが供給されて、酸素センサＳはＶａ−Ｖｃ（Ｖａ＞Ｖｃ）の電圧により正バイアスされ、また、一定電圧Ｖａより高い電圧に相当するバイアス指令信号Ｖｒをマイクロコンピュータ７０からＤ−Ａ変換器４６に供給することにより、酸素センサＳの他方の端子には一定電圧Ｖａより高い電圧Ｖｃが供給されて、酸素センサＳはＶａ−Ｖｃ（Ｖａ＞Ｖｃ）の電圧により負バイアスされることになる。このようにして、酸素センサＳのバイアス電圧はマイクロコンピュータ７０からＤ−Ａ変換器４６に供給されるバイアス指令Ｖｒに基づいて正負の任意の値に制御することが可能となる。
【００２４】
そして、電流検出抵抗５０ａの両端の電圧差（Ｖｂ−Ｖａ）が電流検出回路５０からの検出電流としてＡ−Ｄ変換器６０に入力され、酸素センサＳの両端の電圧差（Ｖａ−Ｖｃ）が酸素センサＳの誘導電圧としてＡ−Ｄ変換器６０に入力される。
このように構成した本第１実施例において、イグニッションスイッチ（図示せぬ）がＯＮされることによりマイクロコンピュータ７０にて実施される酸素濃度（空燃比）判定、素子温度検出ルーチンに関して、図５〜図９のフローチャートを用いて説明する。
【００２５】
図５は２ms毎にマイクロコンピュータ７０にて実行される全体の制御フローを示すもので、ステップ１００で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが０か否かを判断する。ここで温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭはイグニッションスイッチがＯＮされた直後に１に初期設定されるものである。そして、ステップ１００で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが０と判断されるとステップ２００の空燃比（Ａ／Ｆ）検出ルーチンでセンサ電流検出回路５０により検出した酸素センサＳの限界電流に基づき空燃比を検出した後、ステップ３００に進む。また、ステップ１００で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが０でないと判断されるとステップ２００をバイパスしてステップ３００に進む。
【００２６】
ステップ３００では、酸素センサＳの温度検出タイミング周期を決定した後、ステップ４００に進み、ステップ３００で決定された温度検出タイミング周期に基づき、酸素センサＳに印加される電圧を徐々に変化させたり、酸素センサＳの起電力を検出した後、ステップ５００に進んで、酸素センサＳの温度を判定する。
【００２７】
図６は図５のＡ／Ｆ検出ルーチン（ステップ２００）の詳細を示すもので、まず、ステップ２０１でセンサ電流検出回路５０により検出されている酸素センサＳの限界電流Ｉposを、Ａ−Ｄ変換器６０を介して取り込んで検出した後、ステップ２０２で限界電流Ｉposに基づき酸素濃度に対応する内燃機関の空燃比（Ａ／Ｆ）をＲＯＭに予め記憶された特性により判定した後、ステップ２０３に進む。
【００２８】
ステップ２０３ではステップ２０２にて判定された空燃比またはステップ２０１にて検出された限界電流Ｉposと素子内部抵抗ＺＤＣ（ステップ５００にて決定される）とから、図１０に示すようなＲＯＭに予め記憶された特性に基づき所望値の正バイアス電圧（限界電流測定用電圧）Ｖposを算出する（限界電流Ｉposが大きい程、すなわち空燃比が薄い程、所望の正バイアス電圧Ｖposが大きくなり、素子内部抵抗ＺＤＣが大きい程、すなわち素子温が低い程、所望値の正バイアス電圧Ｖposが大きくなるように、例えば２００ｍＶ〜９００ｍＶの範囲で設定されている）。ここで、素子内部抵抗（素子直流インピーダンス）ＺＤＣと素子温との関係は図１１に示すように、素子温が小さくなる程、素子内部抵抗ＺＤＣが飛躍的に大きくなる関係にある。
【００２９】
図７は図５の温度検出タイミング判定ルーチン（ステップ３００）の詳細を示すもので、まず、ステップ３０１で温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣを１減算する。ここで、温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣはイグニッションスイッチがＯＮされた直後に５０、すなわち１００msに初期設定されるものである。次のステップ３０２では温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣが０か否かが判断される。ステップ３０２で温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣが０と判断されると温度検出タイミングであるためステップ３０３に進んで温度検出期間中フラグＸＴＭＰを１にセットした後ステップ３０４に進み、ステップ３０２で温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣが０でないと判断されると温度検出タイミングでないため、以後なにもしないで温度検出タイミングルーチンを抜ける。
【００３０】
また、ステップ３０４では素子内部抵抗ＺＤＣが第１の所定値ＺＤＣ１（例えば、酸素センサＳが十分活性化している温度である７００°Ｃに対応する３０Ω）より大きいか判断する。ステップ３０４で素子内部抵抗ＺＤＣが第１の所定値ＺＤＣ１より大きいと判断されると、ステップ３０５に進み、ステップ３０４で素子内部抵抗ＺＤＣが第１の所定値ＺＤＣ１より大きくないと判断されると、酸素センサＳが十分活性化していることになるため、ステップ３０６に進んで、温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣを５００、すなわち１秒の比較的長い時間に設定した後、温度検出タイミングルーチンを抜ける。
【００３１】
そして、ステップ３０５では素子内部抵抗ＺＤＣが第１の所定値ＺＤＣ１より大きい第２の所定値ＺＤＣ２（例えば、酸素センサＳがある程度、活性化している温度である６００°Ｃに対応する９０Ω）より大きいか判断する。ステップ３０５でで素子内部抵抗ＺＤＣが第２の所定値ＺＤＣ２より大きいと判断されると、酸素センサＳが活性化していないことになるため、ステップ３０８に進んで常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯを１にセットした後、ステップ３１０に進む。ここで、常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯはイグニッションスイッチがＯＮされた直後に１に初期設定されるものである。
【００３２】
また、ステップ３０５で素子内部抵抗ＺＤＣが第２の所定値ＺＤＣ２より大きくないと判断されると、酸素センサＳがある程度、活性化していることになるため、ステップ３０９に進んで、常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯを０にリセットした後、ステップ３１０に進む。ステップ３１０では温度検出タイミングカウント値ＣＺＤＣを５０、すなわち１００msの比較的短い時間に設定した後、温度検出タイミングルーチンを抜ける。
【００３３】
図８は図５の徐変及び起電力判定ルーチン（ステップ４００）の詳細を示すもので、まず、ステップ４０１で温度検出期間中フラグＸＴＭＰが１か否かを判断する。ステップ４０１で温度検出期間中フラグＸＴＭＰが１でないと判断するとステップ４０２に進んで常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯが１か否かを判断する。ステップ４０２で常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯが１でないと判断するとステップ４０３に進み、ステップ４０２で常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯが１であると判断するとなにもしないで徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。
【００３４】
ステップ４０３では酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒが正の所望値の電圧Ｖposと等しいか判断する。ステップ４０３で酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒが正の所望値の電圧Ｖposと等しいと判断された時にはなにもしないで徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。ステップ４０３で酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒが正の所望値の電圧Ｖposと等しくないと判断された時にはステップ４０４に進んで電圧Ｖｒと所望値の電圧Ｖposとの差に応じた電圧を電圧Ｖｒに加算して、次回の供給電圧Ｖｒが所望値の電圧Ｖposとなるように補正した後、徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。
【００３５】
ステップ４０１で温度検出期間中フラグＸＴＭＰが１であると判断するとステップ４１８に進んで温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが１か否かを判断する。ステップ４１８で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが１であると判断すると温度判定タイミングであるため何もしないで徐変及び起電力判定ルーチンを抜け、温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが１でないと判断すると温度判定タイミングでないためステップ４０５に進んで常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯが１か否かを判断する。ステップ４０５で常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯが１でないと判断するとステップ４０６に進んで、温度判定後フラグＸＡＦＴＭＰが１か否かを判断する。ここで、温度判定後フラグＸＡＦＴＭＰはイグニッションスイッチがＯＮされた直後に０に初期設定されるものである。ステップ４０６で温度判定後フラグＸＡＦＴＭＰが１でないと判断されるとステップ４０７に進んで、酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒより微少な所定電圧ＫＶｒ（例えば、０．０１Ｖ）減算して次回の酸素センサ供給電圧Ｖｒとした後、ステップ４０８に進んで電圧瞬断カウント値ＣＰＯＥＮに１を加算した後、ステップ４０９に進む。
【００３６】
ステップ４０９では電圧瞬断カウント値ＣＰＯＥＮが電圧瞬断設定値ＫＣＰＯＥＮ（例えば、４＝８ms）以上か否かを判断する。ステップ４０９で電圧瞬断カウント値ＣＰＯＥＮが電圧瞬断設定値ＫＣＰＯＥＮ以上でないと判断されると、徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。ステップ４０９で電圧瞬断カウント値ＣＰＯＥＮが電圧瞬断設定値ＫＣＰＯＥＮ以上であると判断されると、ステップ４１０に進んで電圧瞬断カウント値ＣＰＯＥＮを０にリセットした後、ステップ４１１の起電力検出ルーチンに進む。
【００３７】
ステップ４１１の起電力検出ルーチンは図１２に示すように、まず、ステップ１２１で半導体スイッチ５５を遮断する指令を出力し、次のステップ１２２で半導体スイッチ５５の遮断により酸素センサＳに発生する起電力を検出した後、ステップ１２３に進んで、半導体スイッチ５５を導通する指令を出力する。この起電力検出ルーチンにより、酸素センサＳに限界電流Ｉposが流れている時に、半導体スイッチ５５を瞬断して、その時に酸素センサＳに図１３に示すごとく誘起される起電力Ｖｅ（酸素センサＳに限界電流Ｉposが流れている時に酸素センサＳに誘起されている起電力Ｖｅと同じ値）を検出することになる。
【００３８】
次のステップ４１２では起電力Ｖｅが微少設定起電力ＫＶｅ（例えば、０．０２Ｖ）以下か否かを判断する。ステップ４１２で起電力Ｖｅが微少設定起電力ＫＶｅ以下であると判断されると、酸素センサＳに印加されている電圧が限界電流領域内の低電圧側の端付近の値であるため、ステップ４１３に進んで温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭを１に設定した後、徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。ここで、温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭはイグニッションスイッチがＯＮされた直後に１に初期設定されるものである。ステップ４１２で起電力Ｖｅが微少設定起電力ＫＶｅ以下でないと判断されると、徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。また、ステップ４０５で常時正バイアス印加フラグＸＴＭＰＴＭＯが１であると判断されるとステップ４１３に進む。
【００３９】
また、ステップ４０６で温度判定後フラグＸＡＦＴＭＰが１であると判断されるとステップ４１４に進んで、酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒに微少な所定電圧ＫＶｒ（例えば、０．０１Ｖ）を加算して次回の酸素センサ供給電圧Ｖｒとした後、ステップ４１５に進む。ステップ４１５では酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒが正の所望値の電圧Ｖpos以上か否か判断する。ステップ４１５で酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒが正の所望値の電圧Ｖposより大きくないと判断された時には徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。ステップ４１５で酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒが正の所望値の電圧Ｖposより大きいと判断された時にはステップ４１６に進んで温度検出期間中フラグＸＴＭＰを０にリセットした後、ステップ４１７に進んで温度判定後フラグＸＡＦＴＭＰを０にリセットして徐変及び起電力判定ルーチンを抜ける。
【００４０】
図９は図５の温度判定ルーチン（ステップ５００）の詳細を示すもので、まず、ステップ５０１で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが１か否かを判断する。ステップ５０１で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが１でないと判断されると何もしないで温度判定ルーチンを抜け、ステップ５０１で温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭが１であると判断されると、ステップ５１０に進んで温度検出ルーチンに入ってから初回の演算が終了したことを示す温度初回演算終了フラグＣＴＭＰＯが０か否かを判定する。
【００４１】
ステップ５１０で温度初回演算終了フラグＣＴＭＰＯが０でないと判定すると温度検出ルーチンに入ってから初回の演算が終了しているためステップ５２０に進み、温度初回演算終了フラグＣＴＭＰＯが０であると判定すると温度検出ルーチンに入ってから初回の演算が終了していないためステップ５０２に進んで現在酸素センサＳに供給されている電圧Ｖｒを測温直前電圧Ｖｐとして記憶すると共に、温度初回演算終了フラグＣＴＭＰＯを１にセットし、さらに温度検出が終了したことを示す温度検出終了フラグＦＰＶを０にリセットした後ステップ５２０に進む。
【００４２】
ステップ５２０では温度検出終了フラグＦＰＶが０か否かを判断し、温度検出終了フラグＦＰＶが０でないと判断するとステップ５３０に進み、温度検出終了フラグＦＰＶが０であると判断するとステップ５０３に進む。ステップ５０３では、酸素センサＳに供給する電圧を負の測温用電圧Ｖneg（例えば−３００ｍＶ）に設定すると共に測温カウント値ＣＴＭＰに１を加算した後、ステップ５０５に進む。
【００４３】
ステップ５０５では測温カウント値ＣＴＭＰが測温設定値ＫＣＴＭＰ（例えば、２＝４ms）以上か否かを判断するもので、測温カウント値ＣＴＭＰが測温設定値ＫＣＴＭＰ以上でないと判断するとそのまま温度判定ルーチンを抜ける。ステップ５０５で測温カウント値ＣＴＭＰが測温設定値ＫＣＴＭＰ以上であると判断するとステップ５０６に進んで、センサ電流検出回路５０により検出されている酸素センサＳの温度電流Ｉ_negを、Ａ−Ｄ変換器６０を介して取り込んで検出すると共に、図１３のセンサ電圧−電流特性に基づき、温度電流Ｉ_negと測温電圧Ｖnegとを用いて、酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣを、ＺＤＣ＝Ｖneg／Ｉ_negにより演算して検出し、さらに、温度検出終了フラグＦＰＶを１にセットすると共に正電圧印加カウント値ＣＰＶを０にリセットする。
【００４４】
次のステップ５３０では正電圧印加カウント値ＣＰＶに１を加算すると共に、酸素センサＳに供給する電圧Ｖｒを、ステップ５０２にて記憶されている測温直前電圧Ｖｐに予め定められた正の電圧Ｖｐｌｕｓを加算した電圧とした後、ステップ５４０に進む。ステップ５４０では正電圧印加カウント値ＣＰＶが所定値ＫＣＰＶ（例えば、１＝２ms）以上か否かを判断するもので、正電圧印加カウント値ＣＰＶが所定値ＫＣＰＶ以上でないと判断するとそのまま温度判定ルーチンを抜け、正電圧印加カウント値ＣＰＶが所定値ＫＣＰＶ以上であると判断するとステップ５０８に進む。
【００４５】
ステップ５０８では酸素センサＳに供給する電圧Ｖｒをステップ５０２にて記憶されている測温直前電圧Ｖｐに設定した後、ステップ５０９に進んで温度判定タイミングフラグＸＴＭＰＴＭを０にリセットし、また温度判定後フラグＸＡＦＴＭＰを１にセットし、さらに測温カウント値ＣＴＭＰを０にリセットすると共に温度初回演算終了フラグＣＴＭＰＯを０にリセットする。
【００４６】
以上の実施例によると、イグニッションスイッチがＯＮされると、最初は酸素センサＳが活性化されていないため、酸素センサＳには常時、負の測温用電圧Ｖneg が供給されて比較的短い１００ms毎の周期にて酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣが検出され、この内部抵抗ＺＤＣに基づいてヒータ制御回路８０によりヒータ２６の電力制御がなされ、酸素センサＳの早期活性化が図られる。
【００４７】
そして、酸素センサＳがある程度、活性化している素子温度６００°Ｃになると、酸素センサＳには正の所望値の限界電流測定用電圧Ｖpos が供給され、２ms毎の周期にて酸素センサＳの限界電流Ｉpos 、すなわち内燃機関の空燃比（排気ガス中の酸素濃度）が検出され、その間に比較的短い１００ms毎の温度検出周期にて、図１４（ａ）に示すごとく、酸素センサＳの供給電圧が正の所望値の電圧Ｖposから２ms毎に０．０１Ｖずつ徐々に低下し、その間、８ms毎に酸素センサＳの供給電圧が瞬断されて、この瞬断中において酸素センサＳに誘起される起電力Ｖｅが検出される。
【００４８】
そしてこの起電力が０．０２Ｖの微少設定電圧以下になると、酸素センサＳに負の測温用電圧Ｖnegが供給されて、その４ms後に酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣ、すなわち素子温度を検出した後、測温用電圧Ｖnegを供給する直前に酸素センサＳに供給されている測温直前電圧Ｖｐに正の電圧Ｖｐｌｕｓを加算した電圧を、２msの短時間酸素センサＳに供給した後、測温直前電圧Ｖｐから２ms毎に０．０１Ｖずつ徐々に正の所望の限界電流測定用電圧Ｖposになるまで酸素センサＳに供給される電圧を増大する。そして、このような酸素センサＳに供給される電圧の制御に伴って、酸素センサＳには図１４（ｂ）に記載されるごとき電流が流れ、その間も２ms毎の周期にて、ほぼ連続的に酸素センサＳの限界電流Ｉpos、すなわち内燃機関の空燃比が検出され、また、１００msの比較的短い周期毎に素子の内部抵抗ＺＤＣ、すなわち素子温度が検出される。ここで、２ms毎の周期にて空燃比が検出できないのは、素子温度検出時の８msの間のみである。
【００４９】
また、酸素センサＳが十分、活性化している素子温度７００°Ｃになると、素子の温度変化が少なくなるため、温度検出周期が１００ms毎から１秒毎の比較的長い周期に変更され、前述と同様にして２ms毎の周期にてほぼ連続的に空燃比が検出される。このように、温度検出周期を長くすることにより、空燃比の検出機会をより増やすことができる。
【００５０】
なお、酸素センサＳの電気的等価回路は図１５のごとく表すことができる。図１５において、Ｒ0は抵抗支配領域（酸素センサＳの電極端子間に印加する電圧Ｖｒに比例して酸素センサＳの両電極間に電流が流れる領域）での内部抵抗に対応しており、Ｒ2は過電圧領域（酸素センサＳの電極端子間に印加する電圧Ｖｒによらず酸素センサＳの両電極間に略一定の限界電流が流れる領域）における電解質と電極との界面に存在する抵抗を表し、Ｃ1は同様に界面の静電容量を表す。したがって、限界電流を測定している時に内部抵抗を測定するために、過電圧領域から抵抗支配領域に切替える時、及び内部抵抗を測定した後、限界電流を測定するために、抵抗支配領域から過電圧領域に切替える時には、界面の静電容量Ｃ1 に蓄えられる電荷の影響により、図１６に示すごとく、センサ電流は正、負の各ピークが発生してから所定時間後に安定値に収束することになる。
【００５１】
ここで、電圧切替え時の各ピーク値は、図８のフローで述べたごとく、酸素センサＳへの印加電圧を徐減及び徐増し、電圧切替え時に酸素センサＳに誘導させ起電力を所定値以下に小さくすることによって小さくすることが可能であり、これによって、センサ電流の安定時間を短縮することが可能である。それに加えて、図９のフローで述べたごとく、抵抗支配領域から過電圧領域に切替える時に、測温直前電圧Ｖｐに所定の正の電圧Ｖｐｌｕｓを加算した電圧を短時間酸素センサＳに供給することにより、界面の静電容量Ｃ1 における電荷の放電、充電が短時間で急速に終了されることにより、センサ電流の安定時間をより短縮することができる。
そして、所定の正の電圧Ｖｐｌｕｓとしては０．２〜０．８Ｖのうちの任意の一定値でよいが、検出限界電流値に応じて変化する値としてもよい。また、測温直前電圧Ｖｐに所定の正の電圧Ｖｐｌｕｓを加算した電圧を酸素センサＳに短時間印加する時間は、１〜２ms程度がよい。しかして、この時間と所定の正の電圧Ｖｐｌｕｓとは、一方を大きくすると他方は小さくできるという関係にあり、両者のバランスをとることにより、検出不可能時間の短縮化を有効に達成することができる。
【００５２】
ここで、図１６は図９のフロー中からステップ５３０、５４０を省略した比較例の場合のセンサ電流、電圧特性であり、抵抗支配領域から過電圧領域に切替えた時にセンサ電流が安定状態に収束するまで５ms以上の時間を有するのに対し、本実施例では図１７および図１の軌跡２で示すごとく、所定の正の電圧Ｖｐｌｕｓの加算を終了したのと略同時にセンサ電流が収束値に安定しており、センサ電流が収束値に安定するまでに要する時間を比較例に対し半分以下に低減することができた。
【００５３】
〔他の実施例〕
なお、上述した実施例においては、酸素センサＳに測温用電圧として図９のステップ５０３にて負の一定電圧を供給するようにしたが、測温電圧供給直前の電圧から所定電圧を減算した電圧を測温用電圧として酸素センサＳに供給するようにしてもよい。
【００５４】
また、上述した実施例においては、測温用電圧を限界電流測定用電圧より低い電圧としたが、逆に高い電圧としてもよく、この場合には測温用電圧から限界電流測定用電圧に切替える際、所定の正の電圧の代わりに所定の負の電圧を短時間加算するようにすればよい。
また、上述した実施例においては、酸素センサＳへの印加電圧を図８の徐変及び起電力ルーチンにて徐減及び徐増し、電圧切替え時に酸素センサＳに誘導させ起電力を所定値以下に小さくすることによってピーク電圧を小さくすることにより、検出不可能時間を短縮するようにしたが、このような図８の徐変及び起電力ルーチンを省略して、米国特許第５４０５５２１号明細書に記載されるごとく、収束途中の電流を検出することにより収束電流を予測するものに本発明を適用するようにしてもよい。
【００５５】
また、上述した実施例においては、図９のステップ５０６において、図１３のセンサ電圧−電流特性に基づき、酸素センサＳに測温用電圧を供給している時の温度電流Ｉ_negと測温用電圧Ｖnegとを用いて、酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣを、ＺＤＣ＝Ｖneg／Ｉ_negにより演算して検出するようにしたが、さらに、測温用電圧印加直前の限界電流測定用電圧Ｖposと測温用電圧印加直前の限界電流Ｉposとを用いて、ＺＤＣ＝（Ｖpos−Ｖneg）／（Ｉpos−Ｉ_neg）により酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣ演算して検出するようにしてもよい。このようにすることにより、図８の徐変及び起電力ルーチンを省略することもできる。
【００５６】
〔実施例と発明との対応〕
なお、バイアス制御回路４０、ステップ２０３が本発明の限界電流測定用電圧供給手段に相当し、バイアス制御回路４０、ステップ５０３が本発明の測温電圧供給手段に相当し、ステップ５０８、５３０、５４０が本発明の電圧切替え制御手段に相当し、ステップ２０１が本発明の限界電流検出手段に相当し、ステップ５０６が本発明の素子温度検出手段および内部抵抗検出手段に相当し、ステップ４０７〜４１２が本発明の電圧低減手段に相当し、ステップ３０１、３０３〜３１０が本発明の周期決定手段に相当する。
【００５７】
〔酸素センサの第２の実施の形態〕
次に、酸素センサ（Ａ／Ｆセンサ）の第２実施の形態を説明する。但し、本実施の形態の構成において、上述したＡ／Ｆセンサの第１の実施の形態と同等であるものについてはその説明を簡略化する。そして、以下にはＡ／Ｆセンサの第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５８】
つまり、上記Ａ／Ｆセンサの第１の実施の形態ではコップ型Ａ／ＦセンサＳを用いて空燃比検出装置を構成し、同センサ３０への電圧の印加に伴い流れる限界電流からＡ／Ｆを検出するようにしていたが、本Ａ／Ｆセンサの実施の形態では、同Ａ／ＦセンサＳに代えて積層型Ａ／ＦセンサＳＡを用いて空燃比検出装置を構成する。以下、積層型Ａ／Ｆセンサの構成及びその特性を図面を用いて説明する。
【００５９】
図１８は積層型Ａ／ＦセンサＳＡの構成を示す断面図である。積層型Ａ／ＦセンサＳＡは、ジルコニアからなる２層の固体電解質層６１，６２を有しており、これら各々は一般にポンピングセル（固体電解質層６１），センシングセル（固体電解質層６２）と称される。固体電解質層６１の下方には酸素濃度判定室としての拡散ギャップ６３が設けられ、他方、固体電解質層６２の下方には大気圧室としての空気ダクト６４が設けられている。固体電解質層６１にはピンホール６５が形成されており、このピンホール６５を介して排気ガスが拡散ギャップ６３内に導入されるようになっている。なお、図中の符号６６はセンサＳＡを加熱するためのヒータである。
【００６０】
固体電解質層６１（ポンピングセル）の上下面には白金電極６７，６８が取り付けられ、固体電解質層６２（センシングセル）の上下面には白金電極６９，７４が取り付けられている。電極６７には端子７１が、電極６８，６９には端子７２が、電極７４には端子７３が、それぞれ接続されている。
この積層型Ａ／ＦセンサＳＡの動作原理を以下に説明する。図１９は端子７２，７３間に発生するセンサ起電力Ｖｓの特性を示すグラフである。このとき、センサ起電力Ｖｓは下記の（１）式に示すように拡散ギャップ６３内の酸素濃度Ｐｖと空気ダクト６４内の酸素濃度（大気中の酸素濃度に等しい）Ｐｏとにより決定される。
【００６１】
【数１】
Ｖｓ＝（ＲＴ／４Ｆ）・ｌｎ（Ｐｏ／Ｐｖ）
但し、同式において、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、Ｆはファラデーの定数である。
また、拡散ギャップ６３内の酸素濃度Ｐｖは、通常は排気ガスの酸素濃度ＰＡに等しくなっている。従って、Ａ／Ｆがリッチになり排気ガス中の酸素濃度ＰＡが減少すると拡散ギャップ６３内の酸素濃度Ｐｖも減少し、センサ起電力Ｖｓは増加する。逆にリーンになると拡散ギャップ６３内の酸素濃度Ｐｖは増加するためセンサ起電力Ｖｓは減少する。そして、このセンサ起電力Ｖｓは端子７３にて検出される。
【００６２】
また、端子７１に電圧Ｖｐを印加し、ポンピング電流Ｉｐを流すことにより、固体電解質層６１内を酸素イオンが通過し、拡散ギャップ６３内の酸素濃度Ｐｖを自由に制御することができる。以上の原理により、センサ起電力Ｖｓを検出し、その値が一定となるように端子７１への印加電圧Ｖｐを制御すれば、ポンピング電流Ｉｐから排気ガスの酸素濃度、即ちＡ／Ｆを検出することができる。
【００６３】
つまり、センサ起電力Ｖｓを一定に制御するには、拡散ギャップ６３内の酸素濃度Ｐｖを常に一定の酸素濃度Ｐｖｏにしなければならず、そのためには、排気ガス中の酸素濃度ＰＡとＰｖｏの差分に相当する酸素量を供給する必要がある。このとき、ＰＡとＰｖｏの差分に相当する酸素供給量はポンピング電流Ｉｐの大きさにより決定される。従って、ポンピング電流Ｉｐから排気ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）が検出できる。そして、図１９に示すように、Ａ／Ｆ＝１４．７（ストイキ，但しエンジンにより若干異なる）の時のセンサ起電力Ｖｓを所定値（Ｖｓ＝０．４５Ｖ）になるように制御すれば、ポンピング電流ＩｐとＡ／Ｆの特性は、図２０に示すようにＡ／Ｆ＝１４．７でＩｐ＝０ｍＡとなる特性が得られる。図２０の特性図では、Ａ／Ｆがリーンになれば正側のポンピング電流Ｉｐが流れ、Ａ／Ｆがリッチになれば負側のポンピング電流Ｉｐが流れるようになっている。
【００６４】
図２１は、本実施の形態におけるバイアス制御回路４０の構成を示す電気回路図である。以下にはコップ型センサを使った実施の形態と相違する部分のみを説明する。
積層型Ａ／ＦセンサＳＡからは素子印加電圧用の端子７１，７２（前記図４の端子４１ａ，４２ａに相当）以外にもう一つ別の起電力検出用の端子７３が設けられいる。かかる場合、端子７３からセンサ起電力Ｖｓを検出し、オペアンプ７５で同センサ起電力Ｖｓと基準電圧Ｖｓｏとを比較する共にその比較結果を増幅して出力する。また、増幅した信号を第２電圧供給回路４７に入力し、Ｄ−Ａ変換器４６からの信号との差をとる。つまり、コップ型センサを使用した第１の実施の形態と比較すれば、第２の電圧供給回路４７がボルテージフォロア回路から差動増幅回路に変更されている。また、図４のものに対し、半導体スイッチ５５が省略され、それに伴って図８の徐変及び起電力ルーチンを用いるとこなく、Ａ／Ｆと素子抵抗とが検出される。
【００６５】
この回路において、オペアンプ７５での比較用基準電圧Ｖｓｏは以下の通りに調整される。つまり、本実施の形態では、Ａ／Ｆ＝１４．７の場合にＩｐ＝０ｍＡとなるように調整される。換言すれば、Ａ／Ｆ＝１４．７では、端子７１の電圧は端子７２と同じ電圧Ｖａにならなければならず、Ｄ−Ａ変換器４６の出力でＡ／Ｆを検出するときの電圧をＶｐとすると、オペアンプ７５の出力Ｖｘが（Ｖｐ−Ｖａ）になるように比較用基準電圧Ｖｓｏが調整される。
【００６６】
この回路を構成することにより、排気ガスがリッチになると、端子７３のセンサ起電力Ｖｓが増加し、オペアンプ７５の出力は増加する。すると、第２の電圧供給回路４７の出力Ｖｃは減少し、端子７１に印加される電圧は減少する。これにより、ポンピング電流Ｉｐは前記図１８で示している方向と逆の方向に流れ（マイナスのポンピング電流Ｉｐが流れる）、酸素が拡散ギャップ６３内に供給される。逆にリーンになると、プラスのポンピング電流Ｉｐが流れる共に、拡散ギャップ６３内の酸素がくみ出される。
【００６７】
そして、上記の如く構成される本実施の形態の空燃比検出装置では、前記第１の実施の形態と同様の手順で積層型Ａ／ＦセンサＳＡの素子温度が検出できる。さらに、素子温度検出後に、測温用電圧から電流測定用電圧に切替える際、第１の実施の形態と同様に、短時間測温用電圧と反対向きの電圧を供給した後に電流測定用電圧に戻すことにより、酸素濃度検出不可能時間の短縮を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）はセンサ印加電圧を示す波形図であり、（ｂ）はセンサ電流を示す波形図であり、（ｃ）は酸素センサの電圧−電流特性図である。
【図２】本発明の第１実施例を示すブロック回路図である。
【図３】（Ａ）は図２の酸素センサ本体の拡大断面図であり、（Ｂ）は酸素センサの電圧−電流特性を温度をパラメータとして示す特性図である。
【図４】上記第１実施例におけるバイアス制御回路の具体電気回路図である。
【図５】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。
【図６】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。
【図７】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。
【図８】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。
【図９】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。
【図１０】素子直流インピーダンス、限界電流と所望電圧との関係を示す特性図である。
【図１１】素子温と素子直流インピーダンスとの関係を示す特性図である。
【図１２】図２のマイクロコンピュータの作用を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第１実施例の作用説明に供する酸素センサの電圧−電流特性図である。
【図１４】上記第１実施例の作用説明に供するタイムチャートである。
【図１５】酸素センサの等価電気回路図である。
【図１６】比較例のセンサ電流、電圧波形図である。
【図１７】上記第１実施例のセンサ電流、電圧波形図である。
【図１８】第２の実施の形態にて用いられる積層型Ａ／Ｆセンサの断面図である。
【図１９】積層型Ａ／ＦセンサのＡ／Ｆと起電力との関係を示す特性図である。
【図２０】積層型Ａ／ＦセンサのＡ／Ｆとポンピング電流との関係を示す特性図である。
【図２１】積層型Ａ／Ｆセンサにおけるバイアス制御回路の構成を示す電気回路図である。
【符号の説明】
Ｓ酸素センサ
２０センサ本体
２６ヒータ
４０バイアス制御回路
５０センサ電流検出回路
７０マイクロコンピュータ
８０ヒータ制御回路

Claims

限界電流式酸素センサと、
前記酸素センサに限界電流を測定するための限界電流測定用電圧を供給する限界電流測定用電圧供給手段と、
前記限界電流測定用電圧と異なる電圧である測温用電圧を前記酸素センサに供給する測温用電圧供給手段と、
前記酸素センサに対する供給電圧を前記測温用電圧から前記限界電流測定用電圧に切替える際、前記限界電流測定用電圧より前記側温電圧が低いときは、電流測定用電圧より高い電圧を、また前記限界電流測定用電圧より前記側温電圧が高いときは、電流測定用電圧より低い電圧を供給した後に、前記限界電流測定用電圧に戻す電圧切替え制御手段と、
前記限界電流測定用電圧が前記酸素センサに供給されいてる時に前記酸素センサに流れる限界電流を検出する限界電流検出手段と、
前記測温用電圧が前記酸素センサに供給されている時に前記酸素センサに流れる電流に基づき前記酸素センサの素子温度を検出する素子温度検出手段とを備える酸素濃度判定装置。
前記限界電流を検出している時に前記限界電流測定用電圧を、所望値より、前記限界電流の発生限界近傍で前記酸素センサに発生する起電力が所定値以下となるまで徐々に減少させる電圧低減手段を備え、
前記測温用電圧供給手段は、前記限界電流発生限界近傍の所定値まで前記酸素センサに供給される電圧が減少すると前記酸素センサに前記測温電圧を短時間供給するものである請求項１記載の酸素濃度判定装置。
前記素子温度検出手段は、酸素センサＳに測温用電圧Ｖｎｅｇを供給している時の温度電流Ｉｎｅｇと測温用電圧Ｖｎｅｇとを用いて、酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣを、ＺＤＣ＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇにより演算する内部抵抗検出手段を含む請求項１または２記載の酸素濃度判定装置。
前記素子温度検出手段は、酸素センサＳに測温用電圧Ｖｎｅｇを供給している時の温度電流Ｉｎｅｇと測温用電圧Ｖｎｅｇと測温用電圧印加直前の限界電流測定用電圧Ｖｐｏｓと測温用電圧印加直前の限界電流Ｉｐｏｓとを用いて、酸素センサＳの内部抵抗ＺＤＣを、ＺＤＣ＝（Ｖｐｏｓ−Ｖｎｅｇ）／（Ｉｐｏｓ−Ｉｎｅｇ）により演算する内部抵抗検出手段を含む請求項１記載の酸素濃度判定装置。
前記限界電流検出手段による限界電流の検出を、前記素子温度検出手段による温度検出より短い周期で繰り返して実行させる周期決定手段を備える請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の酸素濃度判定装置。
電圧の印加に伴い被検出ガス中の酸素濃度に応じた電流を出力する酸素センサと、
前記酸素センサに電流を測定するための電流測定用電圧を供給する電流測定用電圧供給手段と、
前記電流測定用電圧と異なる電圧である測温用電圧を前記酸素センサに供給する測温用電圧供給手段と、
前記酸素センサに対する供給電圧を前記測温用電圧から前記電流測定用電圧に切替える際、前記限界電流測定用電圧より前記側温電圧が低いときは、電流測定用電圧より高い電圧を、また前記限界電流測定用電圧より前記側温電圧が高いときは、電流測定用電圧より低い電圧を供給した後に、前記電流測定用電圧に戻す電圧切替え制御手段と、
前記電流測定用電圧が前記酸素センサに供給されいてる時に前記酸素センサに流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記測温用電圧が前記酸素センサに供給されている時に前記酸素センサに流れる電流に基づき前記酸素センサの素子温度を検出する素子温度検出手段とを備える酸素濃度判定装置。