(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性を有する材料により形成され、排気ガスが拡散層を介して流入するガス室と該ガス室とは遮断された大気室とが設けられたセンサケースと、
該センサケースに設けられ、前記大気室側に配置した第１の電極と前記ガス室側に配置した第２の電極との間で前記各室間の酸素濃度に応じた酸素濃度信号を出力する酸素センサ部と、
前記センサケースに設けられ、前記ガス室側に配置した第３の電極と外部に面して配置した第４の電極との間に酸素ポンプ信号が入力されることにより前記センサケースを透過して前記ガス室に酸素イオンを流入、流出させる酸素ポンプ部と、
前記センサケースに設けられ、外部から給電されることにより前記酸素センサ部と酸素ポンプ部とを加熱するヒータと、
前記第１，第２の電極から出力される酸素濃度信号に応じて前記第３，第４の電極間に前記酸素ポンプ信号を出力し、該酸素ポンプ信号による前記第３，第４の電極間への給電量に応じて前記ガス室の酸素濃度に対応した空燃比信号を出力する空燃比出力手段と、
該空燃比出力手段から入力される空燃比信号側と前記酸素センサ部から入力される酸素濃度信号または前記第１，第４の電極間から入力される暫定酸素濃度信号側とのうち、いずれか一方側の信号を切換えて出力する信号切換手段と、
該信号切換手段に接続して設けられ、前記酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて前記酸素ポンプ部が活性化したことを判定したときに、該信号切換手段に対し空燃比信号を出力させるための切換信号を出力する切換制御手段とから構成してなる空燃比検出装置。
【請求項２】
前記切換制御手段は、前記信号切換手段から出力される酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて前記酸素センサ部が活性化したか否かを判定する活性化判定手段と、該活性化判定手段で前記酸素センサ部が活性化したと判定してから予め定められた時間が経過したときに前記信号切換手段に切換信号を出力する切換信号出力手段とにより構成してなる請求項１に記載の空燃比検出装置。
【請求項３】
酸素イオン伝導性を有する材料により形成され、排気ガスが拡散層を介して流入するガス室と該ガス室とは遮断された大気室とが設けられたセンサケースと、
該センサケースに設けられ、前記大気室側に配置した第１の電極と前記ガス室側に配置した第２の電極との間で前記各室間の酸素濃度に応じた酸素濃度信号を出力する酸素センサ部と、
前記センサケースに設けられ、前記ガス室側に配置した第３の電極と外部に面して配置した第４の電極との間に酸素ポンプ信号が入力されることにより前記センサケースを透過して前記ガス室に酸素イオンを流入、流出させる酸素ポンプ部と、
前記センサケースに設けられ、外部から給電されることにより前記酸素センサ部と酸素ポンプ部とを加熱するヒータと、
前記第１，第２の電極から出力される酸素濃度信号に応じて前記第３，第４の電極間に前記酸素ポンプ信号を出力し、該酸素ポンプ信号による前記第３，第４の電極間への給電量に応じて前記ガス室の酸素濃度に対応した空燃比信号を出力する空燃比出力手段と、
該空燃比出力手段の出力側に設けられ、前記空燃比信号を増幅して増幅空燃比信号を出力する信号増幅手段と、
該信号増幅手段と前記空燃比出力手段とに接続して設けられ、前記増幅空燃比信号側と空燃比信号側のうち、いずれか一方側の信号を切換えて出力する信号切換手段と、
該信号切換手段に接続して設けられ、前記増幅空燃比信号を用いて前記酸素ポンプ部が活性化したことを判定したときに、該信号切換手段に対し空燃比信号を出力させるための切換信号を出力する切換制御手段とから構成してなる空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジンの吸入空気と燃料との混合比（空燃比Ａ／Ｆ）を検出するのに好適に用いられる空燃比検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジン等では、排気管の途中に設けられた空燃比センサにより排気ガス中に残存する酸素濃度を吸入空気の空燃比Ａ／Ｆとして検出し、例えばエンジンのアイドリング運転時には、この空燃比が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に近づくように、エンジン制御用のコントロールユニット等を用いて燃料噴射量の補正制御（いわゆる空燃比制御）を行う構成としている。
【０００３】
この種の従来技術による空燃比検出装置は、エンジンの排気管内に設けられた空燃比センサ等によって構成されている（例えば、特開平３−１６７４６７号公報等）。そして、この空燃比センサは、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性を有する材料により形成されガス室と大気室とが設けられたセンサケースを有している。
【０００４】
ここで、このセンサケースには、大気室側に配置した第１の電極とガス室側に配置した第２の電極との間で前記各室間の酸素濃度に応じた酸素濃度信号を出力する酸素センサ部と、ガス室側に配置した第３の電極と外部に面した第４の電極との間に酸素ポンプ信号が入力されることによりセンサケースを透過してガス室に酸素イオンを流入、流出させる酸素ポンプ部と、外部から給電されることにより酸素センサ部と酸素ポンプ部とを加熱するヒータとが設けられている。
【０００５】
また、空燃比センサには、空燃比出力手段となる信号出力処理回路が付設されている。この場合、信号出力処理回路は、第１，第２の電極から出力される酸素濃度信号に応じて第３，第４の電極間に酸素ポンプ信号を出力し、該酸素ポンプ信号による第３，第４の電極間への給電量に応じてガス室の酸素濃度に対応した空燃比信号をコントロールユニット等に出力するものである。
【０００６】
そして、エンジンの運転中には、その排気ガスがセンサケースのガス室内に流入すると、ガス室と大気室との間の酸素濃度差に応じて酸素イオンが酸素センサ部を透過しつつ移動することにより、第１，第２の電極間には酸素濃度信号となる起電力が発生する。
【０００７】
この結果、信号出力処理回路は、第１，第２の電極間で発生する酸素濃度信号に応じて酸素ポンプ信号となる電圧信号を第３，第４の電極間に印加することにより、ガス室と大気室との間の酸素濃度差を補償するように酸素ポンプ部を透過して酸素イオンを移動させる。この結果、第３，第４の電極間では酸素イオンの移動量に応じて電流が流れ、これによって信号出力処理回路は、この電流（ポンプ電流）値や酸素ポンプ信号の電圧値等を用いて吸入空気の空燃比に対応した空燃比信号を出力する。
【０００８】
従って、コントロールユニットでは、この空燃比信号により吸入空気の空燃比を連続的な値として検出でき、この検出値等を用いて吸入空気の空燃比が理論空燃比に近づくように空燃比制御を高い精度で行うことができる。
【０００９】
また、従来技術による空燃比検出装置は、エンジンの始動時等に酸素センサ部と酸素ポンプ部とを早期に活性化するため、これらの部位をヒータにより加熱する構成としている。この場合、例えばエンジンの始動時には、酸素ポンプ部等を少なくとも１８〜２０秒の時間に亘って約５５０℃程度まで加熱することにより活性化させ、空燃比を検出可能な状態とするものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、例えばエンジンの始動時に酸素センサ部と酸素ポンプ部とをヒータにより加熱して約５５０℃程度まで温度上昇させることにより、これらの部位を活性化させる構成としている。
【００１１】
このため、エンジンの始動時には、ヒータによる加熱を開始してから酸素ポンプ部等が活性化するまでに少なくとも１８〜２０秒程度の時間が必要となる。しかも、酸素ポンプ部が未活性状態であるときには、空燃比が理論空燃比に近いときとほぼ同様の出力状態を有する空燃比信号が信号出力処理回路から出力される構成となっているため、単にこの空燃比信号を用いて酸素ポンプ部が活性化したか否かを早期に判定するのは難しい。
【００１２】
このため、従来技術では、例えばヒータによる加熱を開始してから酸素ポンプ部の活性化が完了すると思われる１８〜２０秒程度の時間だけ待機し、その後に空燃比の検出動作を開始する場合が多いため、エンジン始動時のアイドリング運転等では、空燃比制御を早期に開始することができず、排気ガスの浄化不良等を生じ易いという問題がある。
【００１３】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、例えばエンジンの始動時等に空燃比の検出動作を早期に開始でき、吸入空気の空燃比を安定して検出できると共に、初期状態における検出精度や信頼性を向上できるようにした空燃比検出装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために請求項１の発明は、酸素イオン伝導性を有する材料により形成され、排気ガスが拡散層を介して流入するガス室と該ガス室とは遮断された大気室とが設けられたセンサケースと、該センサケースに設けられ、前記大気室側に配置した第１の電極と前記ガス室側に配置した第２の電極との間で前記各室間の酸素濃度に応じた酸素濃度信号を出力する酸素センサ部と、前記センサケースに設けられ、前記ガス室側に配置した第３の電極と外部に面して配置した第４の電極との間に酸素ポンプ信号が入力されることにより前記センサケースを透過して前記ガス室に酸素イオンを流入、流出させる酸素ポンプ部と、前記センサケースに設けられ、外部から給電されることにより前記酸素センサ部と酸素ポンプ部とを加熱するヒータと、前記第１，第２の電極から出力される酸素濃度信号に応じて前記第３，第４の電極間に前記酸素ポンプ信号を出力し、該酸素ポンプ信号による前記第３，第４の電極間への給電量に応じて前記ガス室の酸素濃度に対応した空燃比信号を出力する空燃比出力手段と、該空燃比出力手段から入力される空燃比信号側と前記酸素センサ部から入力される酸素濃度信号または前記第１，第４の電極間から入力される暫定酸素濃度信号側とのうち、いずれか一方側の信号を切換えて出力する信号切換手段と、該信号切換手段に接続して設けられ、前記酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて前記酸素ポンプ部が活性化したことを判定したときに、該信号切換手段に対し空燃比信号を出力させるための切換信号を出力する切換制御手段とから構成している。
【００１５】
このように構成することにより、エンジンの始動時等にヒータを用いて酸素センサ部と酸素ポンプ部への加熱を開始したときには、信号切換手段により酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を切換制御手段に出力しておく。そして、まず酸素センサ部が加熱により活性化したときには、酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて切換制御手段により空燃比制御等を行うことができる。また、切換制御手段は、これと同時に酸素ポンプ部が活性化したか否かを判定しており、センサケースがさらに温度上昇して酸素ポンプ部も活性化したと判定したときには、切換制御手段は信号切換手段に切換信号を出力する。これにより、信号切換手段は切換制御手段に空燃比信号を出力し、切換制御手段は空燃比信号を用いて空燃比制御等を行うことができる。
【００１６】
また、請求項２の発明によると、切換制御手段は、信号切換手段から出力される酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて酸素センサ部が活性化したか否かを判定する活性化判定手段と、該活性化判定手段で酸素センサ部が活性化したと判定してから予め定められた時間が経過したときに信号切換手段に切換信号を出力する切換信号出力手段とにより構成している。
【００１７】
これにより、ヒータの加熱により最初に酸素センサ部が活性化したときには、この活性化状態を活性化判定手段により酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて判定でき、切換制御手段は、これらの酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて空燃比制御等を行うことができる。次に、酸素センサ部が活性化したと判定されてから一定の時間が経過したときには、酸素ポンプ部も温度上昇して活性化したと判断でき、このとき切換信号出力手段から切換信号を出力することにより、酸素ポンプ部の活性化後には空燃比信号を切換制御手段に入力することができる。
【００１８】
一方、請求項３の発明では、酸素イオン伝導性を有する材料により形成され、排気ガスが拡散層を介して流入するガス室と該ガス室とは遮断された大気室とが設けられたセンサケースと、該センサケースに設けられ、前記大気室側に配置した第１の電極と前記ガス室側に配置した第２の電極との間で前記各室間の酸素濃度に応じた酸素濃度信号を出力する酸素センサ部と、前記センサケースに設けられ、前記ガス室側に配置した第３の電極と外部に面して配置した第４の電極との間に酸素ポンプ信号が入力されることにより前記センサケースを透過して前記ガス室に酸素イオンを流入、流出させる酸素ポンプ部と、前記センサケースに設けられ、外部から給電されることにより前記酸素センサ部と酸素ポンプ部とを加熱するヒータと、前記第１，第２の電極から出力される酸素濃度信号に応じて前記第３，第４の電極間に前記酸素ポンプ信号を出力し、該酸素ポンプ信号による前記第３，第４の電極間への給電量に応じて前記ガス室の酸素濃度に対応した空燃比信号を出力する空燃比出力手段と、該空燃比出力手段の出力側に設けられ、前記空燃比信号を増幅して増幅空燃比信号を出力する信号増幅手段と、該信号増幅手段と前記空燃比出力手段とに接続して設けられ、前記増幅空燃比信号側と空燃比信号側のうち、いずれか一方側の信号を切換えて出力する信号切換手段と、該信号切換手段に接続して設けられ、前記増幅空燃比信号を用いて前記酸素ポンプ部が活性化したことを判定したときに、該信号切換手段に対し空燃比信号を出力させるための切換信号を出力する切換制御手段とから構成している。
【００１９】
これにより、エンジンの始動時等にヒータを用いて酸素センサ部と酸素ポンプ部への加熱を開始したときには、信号増幅手段により空燃比信号を増幅し、この増幅空燃比信号を信号切換手段により切換制御手段に出力しておく。そして、この切換制御手段は、増幅空燃比信号を監視しており、酸素ポンプ部が加熱により活性化を開始したときには、この活性化の開始を増幅空燃比信号を用いて判定することができる。この結果、切換制御手段は、活性化したと判定したときに信号切換手段に切換信号を出力することにより、信号切換手段は、切換信号を受けて切換制御手段に増幅する前の空燃比信号を出力し、切換制御手段は、酸素ポンプ部の活性化が完了する前に空燃比制御等を開始することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による空燃比検出装置として、自動車用エンジン等の空燃比検出装置を例に挙げ、図１ないし図８を参照して詳細に説明する。ここで、図１ないし図５は本発明による第１の実施の形態を示している。
【００２１】
１はエンジンの排気管（図示せず）等に設けられる空燃比センサで、該空燃比センサ１は、従来技術とほぼ同様に、後述のセンサケース２、酸素センサ部８、酸素ポンプ部１２、ヒータ１６等によって構成されている。
【００２２】
２は例えばジルコニア等の酸素イオン伝導性を有する材料により一体に形成されたセンサケースで、該センサケース２は、上層部２Ａ、中間部２Ｂ、連結部２Ｃ、下層部２Ｄ等からなり、上層部２Ａの上面側には後述の電極１４を介して通気性の保護膜３が設けられている。
【００２３】
ここで、上層部２Ａの中央には、排気ガスをセンサケース２内に導くガス導入口４が設けられている。また、上層部２Ａと中間部２Ｂとの間にはガス導入口４を取囲んでガス室５が画成され、該ガス室５は、例えば多孔質のジルコニア等からなる拡散層６を介してガス導入口４と連通している。この場合、拡散層６は、後述の如く酸素ポンプ部１２により上層部２Ａを透過してガス室５に酸素イオンが流入出するときに、その流入出速度と比較してガス導入口４からガス室５に流入する排気ガスの流入速度に一定の遅れを与えることにより、酸素ポンプ信号ＶＰ  等の出力状態を安定化させるものである。
【００２４】
また、上層部２Ａと中間部２Ｂとは、ガス室５の外側で連結部２Ｃによって一体に連結されている。さらに、中間部２Ｂと下層部２Ｄとの間にはガス室５から遮断された大気室７が画成され、該大気室７には排気管の外部から清浄な大気が導入される構成となっている。
【００２５】
８はセンサケース２に設けられた酸素センサ部で、該酸素センサ部８は、センサケース２の中間部２Ｂと、大気室７内に位置して該中間部２Ｂの下面側に固着された第１の電極９と、ガス室５内に位置して中間部２Ｂの上面側に固着された第２の電極１０等とから構成されている。
【００２６】
そして、エンジンの運転中には、その排気ガスが図１中の矢示Ａに示す如くガス導入口４から拡散層６を通過してガス室５に流入すると、矢示Ｂのように酸素イオンがセンサケース２の中間部２Ｂを透過しつつガス室５と大気室７との酸素濃度差に応じて移動し、これによって電極９，１０間には起電力が発生する。そして、酸素センサ部８は、この起電力を酸素濃度信号Ｖｏ  として後述の信号出力処理回路１８に出力するものである。
【００２７】
この場合、図２に示すように、例えばエンジンの吸入空気の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比（＝１４．７）よりも小さくなって所謂リッチ傾向（空気過剰率λ＜１）であるときには、排気ガス中の残留酸素濃度が小さくなることにより、酸素濃度信号Ｖｏ  は１Ｖ程度の電圧値である高レベル電圧ＶＨ  となる。これに対し、空燃比が理論空燃比よりも大きくなって所謂リーン傾向（λ＞１）であるときには、酸素濃度信号Ｖｏ  が０Ｖに近い低レベル電圧ＶＬ  となる。また、酸素濃度信号Ｖｏ  は、空燃比が理論空燃比に近いときに（λ≒１）、例えば４００〜５００ｍＶ程度の中間レベル電圧ＶＭ  に保持される。
【００２８】
また、酸素濃度信号Ｖｏ  は、図４中に特性線１１として示す如く、例えばヒータ１６により常温状態から３００〜３６０℃程度に加熱されることによって、排気ガス中の酸素濃度に応じてリッチ傾向側の特性線１１Ａとリーン傾向側の特性線１１Ｂとが分岐し、これによって酸素センサ部８は活性化した状態となる。従って、後述する酸素センサ部８の活性化判定処理では、酸素濃度信号Ｖｏ  を予め定められた判定値ＳＨ  ，ＳＬ  と比較することにより、酸素センサ部８が活性化したか否かを判定する。
【００２９】
１２はセンサケース２に設けられた酸素ポンプ部で、該酸素ポンプ部１２は、センサケース２の上層部２Ａと、ガス室５内に位置して該上層部２Ａの下面側に設けられた第３の電極１３と、外部に面して上層部２Ａの上面側に固着された第４の電極１４等とから構成されている。
【００３０】
ここで、酸素ポンプ部１２は、後述の如く信号出力処理回路１８から電極１３，１４間に酸素ポンプ信号ＶＰ  が電圧信号として入力されると、例えば図１中の矢示Ｃに示す如くセンサケース２外から上層部２Ａを透過してガス室５に酸素イオンを流入させる。これに対し、酸素ポンプ信号ＶＰ  による電圧の印加方向が逆向きの場合には、矢示Ｄに示すように酸素イオンがガス室５側から上層部２Ａを透過してセンサケース２外に流出する。この場合、上層部２Ａ内を移動する酸素イオンは、ガス室５と大気室７との間の酸素濃度差に応じた移動量となり、この移動量に比例したポンプ電流ＩＰ  を電極１３，１４間に通電する。
【００３１】
そして、これらの酸素ポンプ信号ＶＰ  、ポンプ電流ＩＰ  等を用いて信号出力処理回路１８から出力される空燃比信号ＶＯＵＴ  は、図３に示す如く、吸入空気の空燃比（ガス室５の酸素濃度）に応じて連続的に変化し、空燃比が理論空燃比に近いときには、予め定められた中間レベル電圧Ｖ１  となる。この場合、中間レベル電圧Ｖ１  は、例えば１．５〜２．５Ｖの大きさをもつ一定の電圧値として設定されている。
【００３２】
また、酸素ポンプ部１２は、図４中に特性線１５として示す如く、ヒータ１６により例えば５５０℃程度に加熱されることによって活性化する。即ち、酸素ポンプ部１２が未活性状態にあるときには、空燃比信号ＶＯＵＴ  がガス室５の酸素濃度と関係なく、中間レベル電圧Ｖ１  とほぼ等しい一定の電圧（例えば１．５Ｖまたは２．５Ｖの一定電圧値）として出力される。これに対し、酸素ポンプ部１２が活性化したときには、排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比信号ＶＯＵＴ  がリッチ傾向側の特性線１５Ａとリーン傾向側の特性線１５Ｂとに分岐する。
【００３３】
一方、酸素ポンプ部１２の電極１４と酸素センサ部８の電極９とは、センサケース２の上層部２Ａ、中間部２Ｂ、連結部２Ｃ等を介して互いに対向している。このため、これらの電極９，１４間には、センサケース２外の排気ガスと大気室７との酸素濃度差に応じて図１中の矢示Ｅに示す如く酸素イオンが移動することにより、酸素濃度信号Ｖｏ  とほぼ同様に変化する暫定酸素濃度信号Ｖｔ  が発生し、この暫定酸素濃度信号Ｖｔ  は後述の信号切換器１９に出力される。
【００３４】
１６はセンサケース２の下層部２Ｄ内に絶縁層１７を介して埋設されたヒータで、該ヒータ１６は例えば白金等の金属材料からなり、後述のコントロールユニット２０から給電されることによって酸素センサ部８と酸素ポンプ部１２とを加熱するものである。
【００３５】
１８は電極９，１０，１３，１４にそれぞれ接続された空燃比出力手段としての信号出力処理回路で、該信号出力処理回路１８は、酸素センサ部８から出力される酸素濃度信号Ｖｏ  に応じた電圧の印加方向と電圧値とを有する酸素ポンプ信号ＶＰ  を酸素ポンプ部１２に出力する。この場合、酸素ポンプ信号ＶＰ  による電圧の印加方向と電圧値とは、酸素濃度信号Ｖｏ  が中間レベル電圧ＶＭ  に近づくように、即ち図１に示す矢示Ｃ，Ｄ方向のうちガス室５と大気室７との酸素濃度差を補償する方向へと酸素イオンが移動するように、信号出力処理回路１８によって制御される。
【００３６】
そして、信号出力処理回路１８は、このときの酸素ポンプ信号ＶＰ  と、酸素イオンの移動によるポンプ電流ＩＰ  等とを用いてガス室５の酸素濃度を検出し、この検出結果を、図３に示す如く吸入空気の空燃比に対応して連続的に変化する空燃比信号ＶＯＵＴ  として出力するものである。
【００３７】
１９は信号切換手段としての信号切換器で、該信号切換器１９の入力側には、信号出力処理回路１８と、電極９，１４とが並列に接続されている。そして、信号切換器１９は、コントロールユニット２０から出力される切換信号Ｋ１  に応じて切換えられることにより、信号出力処理回路１８から出力される空燃比信号ＶＯＵＴ  と、電極９，１４から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  のうちいずれか一方の信号をコントロールユニット２０に切換えて出力する構成となっている。
【００３８】
２０は信号切換器１９に接続された切換制御手段としてのコントロールユニットで、該コントロールユニット２０は例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる記憶部２０Ａを有し、この記憶部２０Ａには、後述する活性判定処理、空燃比制御等のプログラムと共に、判定値ＳＨ  ，ＳＬ  、中間レベル電圧ＶＭ  ，Ｖ１  、時間Ｔ０  等のデータ値が予め記憶されている。
【００３９】
そして、コントロールユニット２０は、例えばエンジンの始動時に信号切換器１９から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて後述の如く酸素センサ部８の活性化判定処理を行い、酸素センサ部８がヒータ１６により活性化してから例えば４〜５秒程度の時間Ｔ０  が経過するまでは、暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて吸入空気の空燃比制御を行う。
【００４０】
また、酸素センサ部８の活性化後に一定の時間Ｔ０  が経過したときには、コントロールユニット２０が酸素ポンプ部１２も活性化したと判断して切換信号Ｋ１  を信号切換器１９に出力し、これによってコントロールユニット２０は空燃比信号ＶＯＵＴ  を用いて空燃比制御を行う構成となっている。
【００４１】
本実施の形態による空燃比検出装置は上述の如き構成を有するもので、次に図５を参照しつつその作動について説明する。
【００４２】
まず、コントロールユニット２０の電源が投入されると、ステップ１では、電極９，１４から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  がコントロールユニット２０に入力されるように信号切換器１９を初期設定し、ステップ２では、ヒータ１６に給電を開始する。
【００４３】
次に、ステップ３では、信号切換器１９から暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を読込み、ステップ４では、酸素センサ部８がヒータ１６の加熱により活性化したか否かを判定する。そして、この活性化判定処理では、例えば図４中の酸素濃度信号Ｖｏ  とほぼ等しい温度特性を有する暫定酸素濃度信号Ｖｔ  がリッチ側の判定値ＳＨ  を越えるか、または暫定酸素濃度信号Ｖｔ  がリーン側の判定値ＳＬ  を一旦越えた後にこの判定値ＳＬ  よりも小さくなったときに、酸素センサ部８が温度上昇によって活性化したと判定し、それ以外の場合には、酸素センサ部８が未活性状態にあると判定する。
【００４４】
これにより、ステップ４で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ３に戻って酸素センサ部８が活性化するまで待機する。この場合、酸素センサ部８と酸素ポンプ部１２は両方とも未活性状態であるため、暫定酸素濃度信号Ｖｔ  と空燃比信号ＶＯＵＴ  とは、図４中の温度領域（Ｉ）に示すような出力状態である。従って、この温度領域（Ｉ）では空燃比制御を行うことはできない。
【００４５】
一方、ステップ４で「ＹＥＳ」と判定したときには、酸素センサ部８が活性化したから、ステップ５で暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を読込む。この場合、暫定酸素濃度信号Ｖｔ  と空燃比信号ＶＯＵＴ  とは、図４中の温度領域（ＩＩ）に示すような出力状態となる。
【００４６】
また、次のステップ６では、この暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて空燃比制御を行う。即ち、この空燃比制御では、例えば暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を中間レベル電圧ＶＭ  と比較することにより、吸入空気の空燃比がリッチ傾向であるときには燃料の噴射量を減少方向に補正し、空燃比がリーン傾向であるときには燃料の噴射量を増加方向に補正すると共に、これによって例えばアイドリング運転時の空燃比を理論空燃比と近い値に保持する。
【００４７】
次に、ステップ７では、酸素センサ部８が活性化してから例えば予め定められた時間Ｔ０  が４〜５秒経過したか否かを判定する。そして、ステップ７で「ＮＯ」と判定したときには、まだ酸素ポンプ部１２が未活性状態であると判断し、ステップ５，６で暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて空燃比制御を続行する。
【００４８】
また、ステップ７で「ＹＥＳ」と判定したときには、酸素ポンプ部１２もヒータ１６の加熱により活性化したと判断し、ステップ８で信号切換器１９に切換信号Ｋ１  を出力する。そして、このとき酸素センサ部８と酸素ポンプ部１２は両方とも活性化した状態となり、暫定酸素濃度信号Ｖｔ  と空燃比信号ＶＯＵＴ  とは、図４中の温度領域（ＩＩＩ）  に示すような出力状態となる。
【００４９】
これにより、コントロールユニット２０は、信号出力処理回路１８から信号切換器１９を介して空燃比信号ＶＯＵＴ  を受けるようになるので、ステップ９では空燃比信号ＶＯＵＴ  を読込み、ステップ１０では、この空燃比信号ＶＯＵＴ  を用いて空燃比制御を行う。そして、ステップ１１では、例えば電源オフ等によってコントロールユニット２０による制御処理を終了するまでステップ９，１０の空燃比制御を繰返し、終了時にはステップ１２でヒータ１６への給電を停止した後にステップ１３へと移る。
【００５０】
かくして、本実施の形態では、空燃比検出装置を、空燃比センサ１、信号出力処理回路１８、信号切換器１９、コントロールユニット２０等により構成したので、例えばエンジンの始動時には、ヒータ１６により酸素センサ部８と酸素ポンプ部１２とを加熱しつつ、酸素センサ部８による酸素濃度信号Ｖｏ  とほぼ等しい暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いてコントロールユニット２０により酸素センサ部８が活性化したか否かを判定することができる。
【００５１】
そして、酸素センサ部８が活性化したと判定したときには、例えば図４に示す温度領域（ＩＩ）において暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いた空燃比制御を開始することができる。また、この暫定酸素濃度信号Ｖｔ  による空燃比制御の開始から例えば予め定められた時間Ｔ０  が４〜５秒経過した後には、酸素ポンプ部１２が温度領域（ＩＩＩ）に達して活性化したと判断でき、これによって空燃比信号ＶＯＵＴ  を用いた空燃比制御を開始することができる。
【００５２】
然るに、従来技術では、ヒータ１６による加熱を開始してから温度領域（ＩＩＩ）に達するまでの間、例えば１８〜２０秒程度の時間に亘って空燃比制御を行うことができなかったのに対し、本実施の形態では、加熱の開始から温度領域（ＩＩ）に達するまでの例えば６〜７秒間を待機するだけで済み、エンジンの始動時等における空燃比制御を早期に開始できることが確認できた。
【００５３】
また、酸素ポンプ部１２が未活性状態であるときには、電極９，１４から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて酸素センサ部８の活性化判定と空燃比制御とを行うので、拡散層６を通過してガス室５に流入する排気ガスを用いることなく、センサケース２外の排気ガスと大気室７との間の酸素濃度差を暫定酸素濃度信号Ｖｔ  として直接的に検出でき、この検出動作の応答性を向上させることができる。
【００５４】
即ち、酸素センサ部８が未活性状態である場合には、排気ガスが拡散層６を通過するときの時間的な遅れによりガス室５の酸素濃度変化に対して酸素濃度信号Ｖｏ  の応答性が低下し易いのに対し、本実施の形態では、このときに暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて酸素センサ部８の活性化判定を行うことができ、暫定酸素濃度信号Ｖｔ  を用いて酸素センサ部８の活性化判定や温度領域（ＩＩ）における空燃比制御を精度よく行うことができる。
【００５５】
従って、本実施の形態によれば、エンジンの始動時等に空燃比の検出動作を早期に開始でき、その検出結果を用いて空燃比制御を安定的に行うことができると共に、排気ガスの浄化性能や空燃比検出装置としての信頼性を向上させることができる。
【００５６】
次に、図６ないし図８は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。しかし、本実施の形態による空燃比検出装置の特徴は、酸素ポンプ部から出力される空燃比信号を増幅することにより、この増幅空燃比信号を用いて酸素ポンプ部の活性化判定を行う構成としたことにある。
【００５７】
３１は空燃比センサ１に接続された空燃比出力手段としての信号出力処理回路で、該信号出力処理回路３１は、第１の実施の形態による信号出力処理回路１８とほぼ同様に、空燃比センサ１により検出したガス室５の酸素濃度に応じて空燃比信号ＶＯＵＴ  を出力するものである。
【００５８】
ここで、酸素ポンプ部１２は、ヒータ１６による加熱を開始してから図７中に示す時間ｔ１  までの間、例えば４秒程度の間に亘って未活性状態にある。従って、未活性な状態では、信号出力処理回路３１から出力される空燃比信号ＶＯＵＴ  は、中間レベル電圧Ｖ１  とほぼ等しい大きさの電圧値、例えば１．５Ｖまたは２．５Ｖ程度に保持される。
【００５９】
次に、酸素ポンプ部１２は、加熱開始から例えば５秒程度の時間ｔ２  が経過したときに活性化を開始する。これにより、空燃比信号ＶＯＵＴ  は、排気ガス中の空燃比の変動等に対して僅かに反応し、中間レベル電圧Ｖ１  を約１．５Ｖに設定している場合に、この電圧Ｖ１  を挟んで約１．２２５〜１．７２５Ｖの微小な範囲で変動する。
【００６０】
そして、酸素ポンプ部１２は、加熱開始から例えば１０秒程度の時間ｔ３  が経過したときに活性化を完了し、空燃比信号ＶＯＵＴ  は、排気ガス中の酸素濃度に応じてリッチ傾向側の出力値とリーン傾向側の出力値が安定的に分岐した状態となる。
【００６１】
３２は信号出力処理回路３１の出力側に接続された信号増幅手段としての信号増幅器で、該信号増幅器３２は、空燃比信号ＶＯＵＴ  を、例えば２倍程度の予め定められた増幅率αと、一定のオフセット電圧β、例えばβ＝３．４５Ｖとをもって下記数１の式に示す如く増幅し、増幅空燃比信号Ｖａ  を出力するものである。
【００６２】
【数１】
Ｖａ  ＝−α×ＶＯＵＴ  ＋β
【００６３】
この場合、増幅率αは、例えば空燃比信号ＶＯＵＴ  が１．２２５〜１．７２５Ｖの範囲で変動するときに、増幅空燃比信号Ｖａ  が約１Ｖ程度の比較的大きな変動幅ΔＶで変化するように定められる。また、オフセット電圧βは、増幅空燃比信号Ｖａ  が１Ｖ程度の範囲で変化するときに、その中間値が例えば４００〜５００ｍＶ程度、好ましくは４５０ｍＶ程度の大きさとなるように信号電圧をオフセットするものである。
【００６４】
そして、オフセット電圧βを３．４５Ｖに設定することにより、図８に示す増幅空燃比信号Ｖａ  は、排気ガスがリッチ傾向とリーン傾向のいずれの状態にあるかに応じて、前記第１の実施の形態における酸素センサ部８の酸素濃度信号Ｖｏ（または暫定酸素濃度信号Ｖｔ  ）とほぼ同様の範囲で変動する。これにより、後述の如く酸素ポンプ部１２の活性化を判定するときには、第１の実施の形態で酸素センサ部８の活性化判定処理に用いた判定値ＳＨ  ，ＳＬ  とほぼ同様の判定値ＳＨ  ′，ＳＬ  ′を用いて判定処理を行うことができる。
【００６５】
即ち、空燃比信号ＶＯＵＴ  が約１．２２５〜１．７２５Ｖ程度の幅で変動するときには、前記数１の式に増幅率α＝２、オフセット電圧β＝３．４５Ｖを代入すると、増幅空燃比信号Ｖａ  は、例えば４００〜５００ｍＶ程度、好ましくは４５０ｍＶ程度の予め定められた中間レベル電圧Ｖ２  を挟んで上，下約０〜１Ｖ程度（変動幅ΔＶ＝１Ｖ）の範囲で変化する。
【００６６】
３３は信号出力処理回路３１と信号増幅器３２の出力側に接続された信号切換手段としての信号切換器で、該信号切換器３３は、後述のコントロールユニット３４から出力される切換信号Ｋ２  に応じて切換えられることにより、信号出力処理回路３１から出力される空燃比信号ＶＯＵＴ  と、信号増幅器３２から出力される増幅空燃比信号Ｖａ  のうちいずれか一方の信号をコントロールユニット３４に切換えて出力する構成となっている。
【００６７】
３４は切換制御手段としてのコントロールユニットで、該コントロールユニット３４の記憶部３４Ａには、後述する判定値ＳＨ  ′，ＳＬ  ′のデータ値が活性化判定処理用のプログラム等と共に予め記憶されている。
【００６８】
そして、例えばエンジンの始動時には、まずコントロールユニット３４がヒータ１６により酸素センサ部８、酸素ポンプ部１２等を加熱しつつ、信号切換器３３から出力される増幅空燃比信号Ｖａ  を用いて酸素ポンプ部１２の活性化判定処理を行う。この場合、酸素ポンプ部１２が図７中の時間ｔ１  で活性化を開始すると、空燃比信号ＶＯＵＴ  が例えば１．２２５〜１．７２５Ｖ程度の僅かな範囲で変動するときに、増幅空燃比信号Ｖａ  は図８に示す特性線となり、約１Ｖ程度の大きな変動幅ΔＶに増幅される。
【００６９】
従って、コントロールユニット３４は、増幅空燃比信号Ｖａ  を予め定められた判定値ＳＨ  ′，ＳＬ  ′と比較し、例えば増幅空燃比信号Ｖａ  のリッチ側の出力値が判定値ＳＨ  ′を越えるか、または増幅空燃比信号Ｖａ  のリーン側の出力値が判定値ＳＬ  ′よりも小さくなったときには、酸素ポンプ部１２が活性化を開始したと判定する。
【００７０】
そして、この活性化の開始を判定すると、コントロールユニット３４から切換信号Ｋ２  が信号切換器３３に出力される。これにより、信号切換器３３は切換えられて空燃比信号ＶＯＵＴ  をコントロールユニット３４に出力し、コントロールユニット３４は、酸素ポンプ部１２が活性化を完了する時間ｔ３  よりも例えば５秒程度の時間差Δｔだけ早い時間ｔ２  に達したときに、空燃比信号ＶＯＵＴ  を用いて空燃比制御を開始することができる。
【００７１】
なお、本実施の形態では、信号出力処理回路３１から出力される中間レベル電圧Ｖ１  を約１．５Ｖに設定した場合を例に挙げ、空燃比信号ＶＯＵＴ  が１．２２５〜１．７２５Ｖの範囲で変動するものとして説明したが、本発明はこれに限らず、中間レベル電圧Ｖ１  を必要に応じて約２．５Ｖに設定してもよい。この場合、空燃比信号ＶＯＵＴ  は、約２．２２５〜２．７２５Ｖ程度の範囲で変動するようになるので、前記数１の式においてオフセット電圧β＝５．４５Ｖと変更することにより、本実施の形態とほぼ同様に、増幅空燃比信号Ｖａ  を中間レベル電圧Ｖ２  を挟んで上，下約０〜１Ｖ程度の範囲で変化させることができる。
【００７２】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、空燃比信号ＶＯＵＴ  を増幅した増幅空燃比信号Ｖａ  を用いることにより、例えばエンジンの始動時等に酸素ポンプ部１２が活性化を開始したか否かを増幅空燃比信号Ｖａ  によって精度よく判定でき、この判定結果に応じて空燃比信号ＶＯＵＴ  を用いた空燃比制御を、例えば従来技術よりも５秒程度の時間差Δｔだけ早い時間ｔ２  で、速やかに開始することができる。
【００７３】
そして、活性化の開始を判定した後には、コントロールユニット３４への入力信号を信号切換器３３によって空燃比信号ＶＯＵＴ  に切換えることができ、この状態で空燃比制御を行うときには、空燃比信号ＶＯＵＴ  に大きな検出範囲（出力レンジ）を与えつつ、そのデータ量を小さく抑えることができる。
【００７４】
なお、前記第１の実施の形態では、図５中に示すステップ４が活性化判定手段の具体例を示し、ステップ７，８が切換信号出力手段の具体例を示している。
【００７５】
また、前記第１の実施の形態では、酸素ポンプ部１２から出力される空燃比信号ＶＯＵＴ  と、電極９，１４から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  のうちいずれか一方の信号を信号切換器１９から切換えて出力する構成としたが、本発明はこれに限らず、例えば図９に示す変形例のように構成してもよい。
【００７６】
即ち、電極９，１４から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  に代えて酸素センサ部８の電極９，１０から出力される酸素濃度信号Ｖｏ  を信号切換器１９′に入力し、この酸素濃度信号Ｖｏ  と空燃比信号ＶＯＵＴ  のうちいずれか一方の信号を信号切換器１９′からコントロールユニット２０に出力する構成としてもよい。この場合、図５に示すコントロールユニット２０の制御処理では、ステップ３，５に代えてステップ３′，５′で酸素濃度信号Ｖｏ  を読込み、ステップ６に代えてステップ６′で酸素濃度信号Ｖｏ  を用いて空燃比制御を行う構成とすればよい。
【００７７】
また、前記各実施の形態では、コントロールユニット２０，３４の外部に接続して信号切換器１９，３３、信号増幅器３２等を設ける構成としたが、本発明はこれに限らず、例えば信号出力処理回路１８，３１から出力される空燃比信号ＶＯＵＴ  や電極９，１４から出力される暫定酸素濃度信号Ｖｔ  等をコントロールユニットに直接入力する構成としてもよい。そして、この場合には、コントロールユニットのソフトウェア処理によって空燃比信号ＶＯＵＴ  と暫定酸素濃度信号Ｖｔ  との信号切換処理や、空燃比信号ＶＯＵＴ  の増幅処理等を行う構成とすればよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１の発明によれば、酸素ポンプ部から空燃比出力手段を介して出力される空燃比信号と酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号のうち、いずれか一方の信号を信号切換手段により切換えて切換制御手段に出力する構成としたので、空燃比検出装置の作動開始時には、酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて切換制御手段により酸素センサ部と酸素ポンプ部が活性化したか否かを判定することができる。これにより、酸素センサ部が活性化してから酸素ポンプ部が活性化するまでの間には、空燃比信号の出力状態が安定する前であっても、酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて例えばエンジンの空燃比制御等を従来技術よりも早期に開始することができる。従って、エンジン始動時等における排気ガスの浄化性能や空燃比検出装置としての信頼性を向上させることができる。
【００７９】
特に、酸素ポンプ部の活性化前に第１，第４の電極から出力される暫定酸素濃度信号を用いる場合には、拡散層を通過してガス室に流入する排気ガスではなく、センサケース外の排気ガスと大気室との間の酸素濃度差を暫定酸素濃度信号として直接的に検出でき、排ガス中の酸素濃度変化に対し高い応答性をもった暫定酸素濃度信号を用いて活性化判定や空燃比制御等を精度よく行うことができる。
【００８０】
また、請求項２の発明によれば、切換制御手段を、酸素センサ部の活性化判定を行う活性化判定手段と、この活性化判定後に一定時間が経過してから切換信号を出力する切換信号出力手段とにより構成したので、酸素濃度信号または暫定酸素濃度信号を用いて酸素センサ部が活性化したことを判定したときには、この判定後に一定の時間が経過してから酸素ポンプ部も活性化したと判断でき、信号切換手段から空燃比信号を切換制御手段に出力できると共に、この出力タイミングで空燃比信号を用いた空燃比制御等を開始することができる。
【００８１】
一方、請求項３の発明によれば、酸素ポンプ部から空燃比出力手段を介して出力される空燃比信号と該空燃比信号を増幅した増幅空燃比信号のうち、いずれか一方の信号を信号切換手段により切換えて切換制御手段に出力する構成としたので、例えばエンジンの始動時等に酸素ポンプ部の活性化が開始したか否かを増幅空燃比信号を用いて精度よく判定でき、空燃比信号を用いた空燃比制御を、酸素ポンプ部が活性化を開始する前の適切なタイミングで早期に開始することができる。そして、活性化の開始を判定した後には、切換制御手段への入力信号を信号切換手段によって空燃比信号に切換えることができ、この状態で空燃比制御を行うときには、空燃比信号に大きな検出範囲（出力レンジ）を与えつつ、そのデータ量を小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による空燃比検出装置を示す全体構成図である。
【図２】酸素センサ部から出力される酸素濃度信号と空気過剰率との関係を示す特性線図である。
【図３】酸素ポンプ部から出力される空燃比信号と空気過剰率との関係を示す特性線図である。
【図４】酸素濃度信号と空燃比信号と始動後の加熱温度との関係を示す特性線図である。
【図５】コントロールユニットによる制御処理を示す流れ図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態による空燃比検出装置を示す全体構成図である。
【図７】空燃比信号の出力状態と加熱時間との関係を示す特性線図である。
【図８】図７中のａ部の空燃比信号を増幅して示す増幅空燃比信号の特性線図である。
【図９】第１の実施の形態の変形例を示す空燃比検出装置の全体構成図である。
【符号の説明】
２  センサケース
５  ガス室
６  拡散層
７  大気室
８  酸素センサ部
９，１０，１３，１４  第１〜第４の電極
１２  酸素ポンプ部
１６  ヒータ
１８，３１  信号出力処理回路（空燃比出力手段）
１９，３３  信号切換器（信号切換手段）
２０，３４  コントロールユニット（切換制御手段）
３２  信号増幅器（信号増幅手段）
ＶＯＵＴ    空燃比信号
Ｖｏ    酸素濃度信号
Ｖｔ    暫定酸素濃度信号
Ｖａ    増幅空燃比信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003552951.tif 000007
【図７】
0003552951.tif 000008
【図８】
0003552951.tif 000009
【図９】
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