(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度検出素子に電圧を印加することにより被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流を該酸素濃度検出素子から検出する空燃比センサの制御装置において、
前記酸素濃度検出素子に複数の周波数の交流電圧を印加し、該周波数の各々に対する該酸素濃度検出素子の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された高周波数側の高周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の素子温度を目標温度に調整する温度調整手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された低周波数側の低周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の特性変化を検出する特性変化検出手段と、
を備え、
前記特性変化検出手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記酸素濃度検出素子の出力値を補正する出力値補正手段を備える、
ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
【請求項２】
前記特性変化検出手段は、前記酸素濃度検出素子の故障を判定する故障判定手段を備える、
請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項３】
前記故障判定手段は、前記酸素濃度検出素子の故障を判定する故障判定値を前記高周波インピーダンスに応じて設定する、
請求項２に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項４】
前記故障判定手段により前記酸素濃度検出素子が故障したと判定されたとき、その故障を警報する警報手段を備えた、
請求項２または３に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項５】
前記出力値補正手段は、前記低周波インピーダンスの初期値と学習値とに基づいて前記酸素濃度検出素子の出力値を補正する補正係数を算出する、
請求項４に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項６】
前記温度調整手段は、前記高周波インピーダンスと前記酸素濃度検出素子の目標温度とに基づいて、該素子に付設されたヒータを通電することにより該素子を加熱し該素子の温度を制御する、
請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項７】
前記温度調整手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記目標温度を変更する、
請求項１乃至６の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項８】
前記酸素濃度検出素子の温度が第１所定温度から第２所定温度に至るまでの第１温度範囲では前記低周波インピーダンスに基づき前記空燃比を算出し、前記酸素濃度検出素子の温度が前記第２所定温度以上の第２温度範囲では前記高周波インピーダンスに基づき前記空燃比を算出する空燃比算出手段を、
備えた請求項１乃至７の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項９】
前記空燃比算出手段により算出された空燃比をフィードバックして前記酸素濃度検出素子の出力値を用いて空燃比を制御する機関の空燃比制御手段を備え、
前記空燃比制御手段は、前記第１の温度範囲では前記第２の温度範囲より低い空燃比フィードバック制御ゲインを有する請求項８に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１０】
酸素濃度検出素子に電圧を印加することにより被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流を該酸素濃度検出素子から検出する空燃比センサの制御装置において、
前記酸素濃度検出素子に複数の周波数の交流電圧を印加し、該周波数の各々に対する該酸素濃度検出素子の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された高周波数側の高周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の素子温度を目標温度に調整する温度調整手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された低周波数側の低周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の特性変化を検出する特性変化検出手段と、
を備え、
前記温度調整手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記目標温度を変更する、
ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
【請求項１１】
前記酸素濃度検出素子の温度が第１所定温度から第２所定温度に至るまでの第１温度範囲では前記低周波インピーダンスに基づき前記空燃比を算出し、前記酸素濃度検出素子の温度が前記第２所定温度以上の第２温度範囲では前記高周波インピーダンスに基づき前記空燃比を算出する空燃比算出手段を、
備えた請求項１０に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１２】
前記空燃比算出手段により算出された空燃比をフィードバックして前記酸素濃度検出素子の出力値を用いて空燃比を制御する機関の空燃比制御手段を備え、
前記空燃比制御手段は、前記第１の温度範囲では前記第２の温度範囲より低い空燃比フィードバック制御ゲインを有する請求項１１に記載の空燃比センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は空燃比センサの制御装置に関し、特に、内燃機関の排気空燃比を検出する酸素濃度検出素子のような空燃比センサ素子のインピーダンスを精度よく短時間に検出し、検出したインピーダンスに基づき、空燃比センサの故障や活性状態の判定および空燃比センサの出力値からの空燃比の算出を正確に行う空燃比センサの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の機関の空燃比制御においては、機関の排気系に空燃比センサと触媒とを配設し、触媒により排気ガス中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ  等）を最大限浄化するため、空燃比センサにより検出される機関の排気空燃比が目標空燃比、例えば理論空燃比になるようにフィードバック制御されている。この空燃比センサとして、機関から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度に比例して限界電流を出力する限界電流式の酸素濃度検出素子が用いられている。限界電流式酸素濃度検出素子は、酸素濃度から機関の排気空燃比を広域かつリニアに検出するものであり、空燃比制御精度を向上させたり、リッチ〜理論空燃比（ストイキ）〜リーンの広域空燃比の間で機関の排気空燃比を目標空燃比にするよう制御するために有用である。
【０００３】
上記酸素濃度検出素子は、空燃比の検出精度を維持するため活性状態に保たれることが不可欠であり、通常、機関始動時から同素子に付設されたヒータを通電することにより同素子を加熱し、早期活性化させてその活性状態を維持するようヒータの通電制御を行っている。
図４５は酸素濃度検出素子の温度とインピーダンスの相関関係を示す図である。上記酸素濃度検出素子（以下、単に素子と記す）の温度とインピーダンスとの間には図４５に太線で示すような相関関係、すなわち素子温度の上昇に連れて素子のインピーダンスが減衰するという関係がある。この関係に着目し、上記のようなヒータの通電制御においては、素子のインピーダンスを検出して素子温度を導き出し、その素子温度が所望の活性化温度、例えば７００°Ｃになるようにフィードバック制御されている。例えば、図４５の太線に示すように、素子のインピーダンスＺａｃが、初期制御素子温７００°Ｃに相当する素子のインピーダンス３０Ω以上とき（Ｚａｃ≧３０）、すなわち素子温が７００°Ｃ以下のとき、ヒータに通電し、Ｚａｃが３０Ωより小のとき（Ｚａｃ＜３０）、すなわち素子温が７００°Ｃを超えるとき、ヒータの通電を解除する制御を行うことで、素子の温度を活性化温度７００°Ｃ以上に保ち、素子の活性状態を維持している。また、ヒータ通電時は、素子のインピーダンスとその目標値との偏差（Ｚａｃ−３０）をなくすために必要な通電量を求め、その通電量を供給するようデューティ制御を行っている。
【０００４】
従来技術によれば、例えば特開平９−２９２３６４号公報に開示されているように、上記酸素濃度検出素子のインピーダンスを検出するに際し、同素子温度を検出するために好ましい１つの周波数の交流電圧を印加し、そのインピーダンスの検出を行っている。この周波数の電圧の印加により、同素子の電解質部の抵抗を測定することはできる。しかしながら、この電解質部の抵抗は経年変化により顕著に変化しないので同素子のインピーダンスも大きく変化せず、図４５の太線で示す同素子の温度とインピーダンスの関係は経年変化に関わらず略維持されるものと考えられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記酸素濃度検出素子が耐久し経時劣化した後では、同素子の温度とインピーダンスの相関関係は図４５において破線で示すようになる。
ここで、空燃比センサ素子の構造、等価回路およびインピーダンス特性について以下に説明する。
図４６は空燃比センサ素子の構造を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は電解質部の部分拡大図である。
【０００６】
図４７は空燃比センサ素子の等価回路を示す図である。図４７において、Ｒ１は例えばジルコニアからなる電解質のバルク抵抗（図４６の  ｇｒａｉｎ部）、Ｒ２は電解質の粒界抵抗（図４６の  ｇｒａｉｎ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  部）、Ｒ３は例えば白金からなる電極の界面抵抗を示し、Ｃ２は電解質の粒界の容量成分、Ｃ３は電極界面の容量成分を示し、Ｚ（Ｗ）は交流による分極が行われると周期的に界面濃度が変化するために生じるインピーダンス分（ワールブルインピーダンス）を示す。
【０００７】
図４８は空燃比センサ素子のインピーダンス特性を示す図である。横軸はインピーダンスＺの実部Ｚ’  、縦軸は虚部Ｚ”  を示す。空燃比センサ素子のインピーダンスＺはＺ＝Ｚ’＋ｊＺ”で表される。図４８から、電極界面抵抗Ｒ３は、周波数が１〜１０ＫＨｚに近づくにつれて０に収束することが判る。また、破線で示す曲線は、空燃比センサ素子が劣化したときに変化したインピーダンスを示す。この破線で示されるインピーダンス特性の部分からＲ３が経年変化により特に変化することが判る。また、空燃比センサ素子により検出されるガスの酸素濃度が急激に変化するときもインピーダンス特性は破線で示すように変化する。
【０００８】
図４９は空燃比センサ素子への交流印加電圧の周波数と同素子インピーダンスとの関係を示す図である。図４９は図４８について横軸を周波数ｆに、縦軸をインピーダンスＺａｃに変換したものである。図４８から、周波数１〜１０ＫＨｚ付近〜１０ＭＨｚではインピーダンスＺａｃが所定値（Ｒ１＋Ｒ２）に収束し、１０ＭＨｚより高周波側ではインピーダンスＺａｃは減少し、Ｒ１に収束することが判る。このことから、インピーダンスＺａｃを安定した状態で検出するためには、Ｚａｃが周波数によらず一定値となる１〜１０ＫＨｚ付近〜１０ＭＨｚ付近が望ましいことが判る。また、破線で示す曲線は、経年変化により特に変化するＲ３を測定可能な低い周波数（１ＫＨｚ未満）の交流電圧を印加したときのインピーダンスを示す。この低周波インピーダンスから空燃比センサ素子の劣化の度合いが判る。
【０００９】
ところで、図４５に破線で示すように、空燃比センサ素子である酸素濃度検出素子の温度と１〜１０ＫＨｚ付近〜１０ＭＨｚのインピーダンスの相関関係は、素子劣化後において新品時と比して大きく変化する。
【００１０】
しかしながら、特開平９−２９２３６４号公報によれば、空燃比センサ素子のＲ１＋Ｒ２の抵抗分のみを測定しているので、空燃比センサ素子の特性変化を捕らえることができない。したがって、素子温制御目標値としての素子インピーダンスＺａｃを３０Ωに維持したままヒータの通電制御を継続すると素子劣化後の制御素子温度は徐々に増大し、例えば８００°Ｃに設定されてしまうので、素子は過加熱され、劣化が促進され、寿命が低下するという問題が生じる。
【００１１】
また、図４８、図４９に破線で示すように、空燃比センサに１〜１０ＫＨｚ付近までの低周波数の交流電圧を印加したとき検出される低周波インピーダンスは、素子劣化後において新品時と比して大きく変化する。
しかしながら、特開平９−２９２３６４号公報によれば、空燃比センサ素子のＲ１＋Ｒ２の抵抗分のみを測定しているので、空燃比センサ素子の特性変化を捕らえることができない。したがって、素子温あるいは素子特性が変化し空燃比センサの出力値からの空燃比の算出が不正確になり、機関のエミッションが悪化するという問題が生じる。あるいは、このような素子温あるいは素子特性が変化している状態で検出された素子インピーダンスに基づき空燃比センサの故障や活性状態の判定を行うので、これらの正確な判定ができないという問題がある。
【００１２】
本願出願人は、平成１０年１２月２８日に出願した特許出願（特願平１０−３７４５４３）に記載の発明により上記問題を解決する技術を提案している。特願平１０−３７４５４３に記載の発明は、空燃比センサ素子に複数、例えば高周波数と低周波数の２つの周波数の交流電圧を印加し、各周波数に対する交流インピーダンスを検出し、検出した高周波数インピーダンスと低周波数インピーダンスの差に基づき、素子温制御目標値を変更し、素子劣化後の制御素子温度を７００°Ｃに維持することにより、素子の過加熱や劣化を防止し、素子の長寿命化を実現するとともに、上記インピーダンス差に基づき、空燃比センサの出力補正および空燃比センサの故障や活性状態の判定を行うものである。
【００１３】
しかしながら、上記特願平１０−３７４５４３に記載の発明は、空燃比センサ素子の特性変化を考慮しているものの、劣化後のセンサ素子の出力特性およびセンサ素子が新品時に作成したマップ等を用いて、空燃比センサの出力値から空燃比の算出を行うとともに空燃比センサの故障や活性状態の判定を行っているので、空燃比センサ素子の特性変化を正確に検出することができず、高精度な空燃比センサの制御ができず、空燃比センサの出力値から正確な空燃比が得られず、かつ空燃比センサの故障や活性状態の判定も正確に行えないという問題がある。
また、上記特願平１０−３７４５４３に記載の発明は、空燃比センサ素子の温度をセンサ素子の活性状態を維持する一定、例えば７００°Ｃに維持しているので、センサ素子の劣化後の特性、例えばセンサ素子の出力特性は新品時の特性から変化し、それゆえ空燃比センサの出力値から正確な空燃比が得られないという問題がある。
【００１４】
それゆえ、本発明は上記問題を解決し、空燃比センサ素子の特性変化を正確に検出することにより、空燃比センサの出力値から空燃比を高精度に検出し、かつ空燃比センサの故障や活性状態の判定をより正確に行う空燃比センサの制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明は空燃比センサの出力特性が経年変化による影響を受けないように空燃比センサの出力特性を一定に維持することにより、空燃比センサの出力値から高精度に空燃比を検出する空燃比センサの制御装置を提供することを他の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記問題を解決する本発明による空燃比センサの制御装置は、酸素濃度検出素子に電圧を印加することにより被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流を該酸素濃度検出素子から検出する空燃比センサの制御装置において、
前記酸素濃度検出素子に複数の周波数の交流電圧を印加し、該周波数の各々に対する該酸素濃度検出素子の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された高周波数側の高周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の素子温度を目標温度に調整する温度調整手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された低周波数側の低周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の特性変化を検出する特性変化検出手段と、
を備え、
前記特性変化検出手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記酸素濃度検出素子の出力値を補正する出力値補正手段を備える、ことを特徴とする。
上記構成により、空燃比センサ素子の劣化に応じたセンサ素子の特性変化を正確に検出する。
【００１６】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記特性変化検出手段は、前記酸素濃度検出素子の故障を判定する故障判定手段を備える。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記故障判定手段は、前記酸素濃度検出素子の故障を判定する故障判定値を前記高周波インピーダンスに応じて設定する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記故障判定手段により前記酸素濃度検出素子が故障したと判定されたとき、その故障を警報する警報手段を備える。
【００１７】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記特性変化検出手段は、前記酸素濃度検出素子の出力値を補正する出力値補正手段を備える。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記出力値補正手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記酸素濃度検出素子の出力値を補正する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記出力値補正手段は、前記低周波インピーダンスの初期値と学習値とに基づいて前記酸素濃度検出素子の出力値を補正する補正係数を算出する。
【００１８】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記温度調整手段は、前記高周波インピーダンスと前記酸素濃度検出素子の目標温度とに基づいて、該素子に付設されたヒータを通電することにより該素子を加熱し該素子の温度を制御する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記温度調整手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記目標温度を変更する。
【００１９】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記酸素濃度検出素子の温度Ｔが、前記低周波インピーダンスから前記被検出ガスの空燃比を検出し得る例えば５００°Ｃの第１所定温度から前記酸素濃度検出素子の活性状態を判定する例えば７００°Ｃの第２所定温度に至るまでの第１温度範囲（５００°Ｃ≦Ｔ＜７００°Ｃ）では前記低周波インピーダンスに基づき前記空燃比を算出し、前記酸素濃度検出素子の温度が前記第２所定温度以上の第２温度範囲（Ｔ≧７００°Ｃ）では前記高周波インピーダンスに基づき前記空燃比を算出する空燃比算出手段を、備える。
上記構成により、空燃比センサの出力信号を空燃比センサ素子の活性前の低温から空燃比フィードバック制御に使用できる。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記空燃比算出手段により算出された空燃比をフィードバックして前記酸素濃度検出素子の出力値を用いて空燃比を制御する機関の空燃比制御手段を備え、
前記空燃比制御手段は、前記第１の温度範囲では前記第２の温度範囲より低い空燃比フィードバック制御ゲインを有する。
上記構成により、空燃比センサの活性状態に応じて空燃比フィードバック制御ゲインが選択され、空燃比センサ素子の活性／非活性に応じた空燃比フィードバック制御が行われる。
前記問題を解決する本発明による空燃比センサの制御装置は、酸素濃度検出素子に電圧を印加することにより被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流を該酸素濃度検出素子から検出する空燃比センサの制御装置において、
前記酸素濃度検出素子に複数の周波数の交流電圧を印加し、該周波数の各々に対する該酸素濃度検出素子の交流インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された高周波数側の高周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の素子温度を目標温度に調整する温度調整手段と、
前記インピーダンス検出手段により検出された低周波数側の低周波インピーダンスに基づいて前記酸素濃度検出素子の特性変化を検出する特性変化検出手段と、
を備え、
前記温度調整手段は、前記低周波インピーダンスに応じて前記目標温度を変更する、
ことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明による空燃比センサ制御装置の一実施形態の概略構成図である。図１以降、同一のものは同一符号で示す。図示しない内燃機関の排気通路に配設され機関の排気空燃比を検出する空燃比センサ１は、空燃比センサ素子（以下、センサ素子と記す）２とヒータ４とからなり、センサ素子２には空燃比センサ回路（以下、センサ回路と記す）３から電圧が印加され、ヒータ２にはバッテリ５からヒータ制御回路６の制御にしたがって電力が供給される。センサ回路３はマイクロコンピュータからなる空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０からアナログの印加電圧をローパスフィルタ（ＬＰＦ）７を介して受けセンサ素子２に印加する。
【００２１】
Ａ／ＦＣＵ１０はセンサ回路３、ヒータ制御回路６およびＬＰＦ７と共に電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００の一部をなし、後述の処理にしたがって算出したデジタルデータを内部に設けられたＤ／Ａ変換器により矩形状のアナログ電圧に変換した後ＬＰＦ７を介してセンサ回路３へ出力する。ＬＰＦ７は矩形状のアナログ電圧信号の高周波成分を除去したなまし信号を出力し、高周波ノイズによるセンサ素子２の出力電流の検出エラーを防止している。このなまし信号の電圧のセンサ素子２への印加に伴いＡ／ＦＣＵ１０は被検出ガス中、すなわち排気ガス中の酸素濃度に比例して変化するセンサ素子２を流れる電流およびその時のセンサ素子２への印加電圧を検出する。Ａ／ＦＣＵ１０はこれらの電流および電圧を検出するため内部に設けられたそれぞれのＡ／Ｄ変換器によりセンサ回路３からセンサ素子２に流れる電流に相当するアナログ電圧およびセンサ素子２への印加電圧を受けデジタルデータに変換してこれらのデジタルデータを後述する処理に使用する。
【００２２】
ＬＰＦ７はフィルタ定数を切換える機能を有する。空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０はマイクロコンピュータ１１、Ｄ／Ａ変換器１２およびＡ／Ｄ変換器１３〜１６を有する。マイクロコンピュータ１１はセンサ素子２に印加する交流電圧の周波数に応じてＬＰＦ７のフィルタ定数を切換え、センサ素子２へ印加する電圧およびセンサ素子から出力される電流から、センサ素子のインピーダンスを高精度に検出する処理を実行する。
【００２３】
空燃比センサ１はセンサ素子２が活性状態にならないとその出力を空燃比制御に使用できない。このため、Ａ／ＦＣＵ１０は機関始動時にバッテリ５からセンサ素子２に内蔵されたヒータ４へ電力供給してヒータ４を通電し、センサ素子２の早期活性化を行い、センサ素子２が活性化された後はその活性状態を維持するようヒータ４へ電力供給する。
【００２４】
しかるに、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の温度に依存すること、すなわちセンサ素子温度の増大に連れて減衰することに着目し、センサ素子２の抵抗がセンサ素子２の活性状態を維持する温度に相当する抵抗値、例えば３０Ωとなるようヒータ４へ電力供給することによりセンサ素子２の温度を目標温度、例えば７００°Ｃに維持する制御が行われている。また、空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は内部に設けられたＡ／Ｄ変換器によりセンサ素子２を加熱するヒータ制御回路６からヒータ４の電圧と電流に相当するアナログ電圧を受けデジタルデータに変換してこのデジタルデータを後述する処理に使用する。例えば、ヒータ４の抵抗値を算出し、この抵抗値に基づき機関の運転状態に応じた電力供給をヒータ４に行うとともにヒータ４の過昇温（ＯＴ）を防止するようヒータ４の温度制御を行う。
【００２５】
空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備し、後述する本発明の空燃比センサ１の制御を行う。
図２は空燃比センサの入出力信号を示す図であり、（Ａ）は空燃比センサへ印加する入力電圧の波形を示す図であり、（Ｂ）は空燃比センサから検出される出力電流の波形を示す図である。横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図２の（Ａ）に示すように、空燃比センサに印加する入力電圧Ｖｍとして、常時直流電圧０．３Ｖが印加されている。センサ素子のインピーダンスを測定するため、後述するルーチンの実行により、空燃比センサに±０．２Ｖの第１周波数のパルス電圧が上記直流電圧０．３Ｖに重畳して印加される。
【００２６】
一方、図２の（Ｂ）に示すように、空燃比センサから検出される出力電流Ｉｍは、空燃比センサに直流電圧０．３Ｖのみを印加している間はその時々の被測定ガスの酸素濃度に応じた値を示すが、空燃比センサに上記パルス電圧±０．２Ｖを直流電圧０．３Ｖに重畳して印加すると印加直前の値を変化させる。このときの空燃比センサへの印加電圧および空燃比センサからの出力電流の変化を検出してセンサ素子のインピーダンスを算出する。この空燃比センサのセンサ素子のインピーダンス特性については図４８および図４９に示す通りである。
【００２７】
図３は空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。横軸に空燃比センサへの印加電圧Ｖ、縦軸に空燃比センサの出力電流Ｉを示す。図３から判るように、印加電圧Ｖと出力電流Ｉとは略比例関係にあり、空燃比がリーンであれば正側に、空燃比がリッチであれば負側へ電流値が変化する（図３に１点鎖線で示す特性線Ｌ１を参照）。つまり、空燃比がリーン側になる程限界電流は増大し、空燃比がリッチ側になる程限界電流は減少する。また、出力電流Ｉが０ｍＡのとき、空燃比は理論空燃比（＝１４．５）になる。
【００２８】
図４は図１における空燃比制御ユニット１０の説明図である。以下、図１と図４を相互に参照しつつ説明する。空燃比制御ユニット１０は、マイクロコンピュータ１１、Ｄ／Ａ変換器１２およびＡ／Ｄ変換器１３〜１６を有する。マイクロコンピュータ１１は、双方向性バス２１により相互に接続されたＣＰＵ２２、ＲＯＭ２３、ＲＡＭ２４、Ｂ．（バッテリバックアップ）ＲＡＭ２５、入力ポート２６および出力ポート２７を具備し、後述する本発明の空燃比センサの制御を行う。
【００２９】
Ｄ／Ａ変換器１２は出力ポート２７に接続されＣＰＵ２２により演算されたデジタルデータをアナログ電圧に変換する。Ａ／Ｄ変換器１３、１４はそれぞれ入力ポート２６に接続され、センサ回路３に印加されたアナログ電圧、センサ回路３におけるＡ／Ｆセンサ電流検出回路により検出された電流に比例するアナログ電圧をそれぞれデジタルデータに変換する。
【００３０】
同様に、Ａ／Ｄ変換器１５、１６はヒータ制御回路６を介してヒータ４の電圧、電流をデジタルデータに変換する。ＣＰＵ２２はこれらデジタルデータをセンサ素子２の電圧値、電流値およびヒータ４の電圧値、電流値として読取る。また、出力ポート２７からＬＰＦ７へはＬＰＦ７のフィルタ定数を切換える信号が出力され、出力ポート２７からヒータ制御回路６へはヒータ４への電力供給量を制御するＤＵＴＹ信号が出力される。
【００３１】
図５は図１におけるＬＰＦ７の説明図である。Ａ／ＦＣＵ１０におけるマイクロコンピュータ１１からセンサ回路３への印加電圧を変更する指令がＤ／Ａ変換器１２に出力され、Ｄ／Ａ変換器１２から矩形状パルスが出力される。ＬＰＦ７はこれを受けて高周波成分を除去したなまし信号の電圧を出力しセンサ回路３へ印加する。ＬＰＦ７は、抵抗３１、３２、コンデンサ３３、３４、３５、演算増幅器（ＯＰアンプ）３６および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３７からなる。ＦＥＴ３７にはマイクロコンピュータ１１から低周波時にオンとし高周波時にオフとする信号が送られ、これによりＬＰＦ７のフィルタ定数（抵抗３１、３２の値とコンデンサ３３〜３５の容量で定まる時定数）が第１（高周波数）交流電圧印加時に時定数小となり第２（低周波数）交流電圧印加時に時定数大となるように切換えられる。
【００３２】
図６は図１における空燃比センサ回路３の説明図である。センサ回路３は大別して基準電圧回路４１、第１電圧供給回路４２、第２電圧供給回路４３および電流検出回路４４からなる。基準電圧回路４１は、定電圧ＶＤＣを抵抗４５、４６で分圧した電圧Ｖａ  、例えば０．６Ｖを基準電圧とする。第１電圧供給回路４２は、電圧フォロアとして構成されＡ／Ｆセンサ１の一方の端子４７に基準電圧Ｖａ  を供給する。第２電圧供給回路４３は、ＬＰＦ７に接続され、第１と同様に電圧フォロアとして構成されＡ／Ｆセンサ１のもう一方の端子４８にＬＰＦ７の出力電圧Ｖｃ  （０．３±０．２（Ｖ））を供給する。ＬＰＦ７の出力電圧Ｖｃ  は、通常０．３（Ｖ）であるが、マイクロコンピュータ１１によりＡ／Ｆセンサ１の素子インピーダンスを測定する際に±０．２（Ｖ）が０．３（Ｖ）に重畳されて出力され、それゆえＡ／Ｆセンサ１には０．１〜０．５（Ｖ）の電圧が印加されることになる。電流検出回路４４は、抵抗４９からなり、抵抗４９の両端電圧（｜Ｖｂ  −Ｖａ  ｜）をＡ／Ｄ変換器１３を介して読取ることによりＡ／Ｆセンサ１に流れる電流を検出する。
【００３３】
次に、図１に示す本発明の一実施形態に係る空燃比センサ制御装置によるセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンについて以下に詳細に説明する。
図７は本発明の第１形態に係るセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンの前半フローチャートであり、図８〜図１３は同ルーチンの後半フローチャートである。より詳しくは、図８はセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンにおける第１（高）周波数重畳処理のフローチャートであり、図９と図１０は第１周波数重畳処理を遂行するために必要な割込処理ルーチンのフローチャートであり、図１１はセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンにおける第２（低）周波数重畳処理のフローチャートであり、図１２と図１３は第２周波数重畳処理を遂行するために必要な割込処理ルーチンのフローチャートである。図７、図８および図１１に示すルーチンは、所定の周期、例えば１００μｓｅｃ  毎に実行される。
【００３４】
図１４は本発明の第１形態に係るセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンを説明するタイムチャートである。横軸は時間を示す。上段はセンサ素子２への印加電圧を示し、下段はＬＰＦ７のフィルタ定数の設定を切換えるＬＰＦ切換信号のオンオフ状態を示す。センサ素子２に流れる電流変化も上記印加電圧変化と略同様である。図１４のタイムチャートに示す本発明の第１形態に係るセンサ素子２のインピーダンスの算出は次の様に行われる。通常、センサ素子２の電極間には０．３Ｖの直流電圧が印加されており、１２８ｍｓ毎に第１の周波数（高周波数）例えば２．５ＫＨｚ  の高周波パルスをセンサ素子２に印加し、高周波パルスの印加後６４ｍｓ経過する毎に第１の周波数（低周波数）例えば５００Ｈｚ  の低周波パルスをセンサ素子２に印加する。第１（高周波）インピーダンスＺａｃ１  は高周波パルス印加後、例えば８５μｓ経過後にセンサ素子２を流れる電流Ｉｍ１を検出してセンサ素子印加電圧の増分ΔＶｍ（０．３−０．１＝０．２（Ｖ））と電流の増分ΔＩｍ（Ｉｍ１−Ｉｍｓ）から次式により算出する。
Ｚａｃ１  ＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉｍ１−Ｉｍｓ）
ここで、Ｉｍｓは４ｍｓ毎に検出されるセンサ素子の限界電流である。
【００３５】
第２（低周波）インピーダンスＺａｃ２  は低周波パルス印加後、例えば０．９５ｍｓ経過後にセンサ素子２を流れる電流Ｉｍ２を検出してセンサ素子印加電圧の増分ΔＶｍ（０．３−０．１＝０．２（Ｖ））と電流の増分ΔＩｍ（Ｉｍ２−Ｉｍｓ）から次式により算出する。
Ｚａｃ２  ＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉｍ２−Ｉｍｓ）
ＬＰＦ切換信号のオンオフタイミングは、高周波パルス印加後、例えば５００μｓ経過後にオンとされ、高周波パルス印加後６４ｍｓ経過後に低周波パルスが印加された後３ｍｓ経過後にオフとされ、低周波パルスの周期２ｍｓとその収束時間１ｍｓを含めた低周波パルスの印加時間帯はフィルタ定数が大とされる。
上述のタイムチャートにしたがったセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンを図７〜図１３を用いて以下に詳細に説明する。
【００３６】
先ず、ステップ７０１では、イグニッションスイッチＩＧＳＷ（図示せず）がオンかオフかを判別し、ＩＧＳＷがオンのときはステップ７０２へ進み、ＩＧＳＷがオフのときは本ルーチンを終了する。ステップ７０２では、空燃比センサ１にＶｍ＝０．３Ｖの直流電圧がすでに印加されているか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ７０３へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ７０４へ進む。ステップ７０４では空燃比センサ１に０．３Ｖの直流電圧を印加する。
ステップ７０３では、Ｖｍ  の印加から５００μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ７０５に進み、その判別結果がＮＯのときはステップ７０６に進む。ステップ７０５ではマイクロコンピュータ１１からＬＰＦ７にフィルタ定数を増大する切換え信号を出力する。
【００３７】
ステップ７０６では、ステップ７０４で空燃比センサ１に０．３Ｖの直流電圧を印加してから４ｍｓｅｃが経過した時期か否か、あるいは本ルーチンの前回処理周期に空燃比センサ１の電流Ｉｍｓを読込んでから４ｍｓｅｃが経過した時期か否かを、例えばカウンタにより判別し、これらの判別結果の何れか一方がＹＥＳのときはステップ７０７へ進み、その判別結果の両方がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ステップ７０７では、空燃比センサ１の電流Ｉｍｓを読込む。これらのステップから判るように電流Ｉｍｓは４ｍｓｅｃ毎に読込まれる。
【００３８】
ステップ７０８では、後述する空燃比センサの劣化補正処理を実行し、ステップ７０９では、後述する空燃比センサの故障判定処理を実行し、ステップ７１０では、後述する空燃比センサの活性判定処理を実行する。
【００３９】
次に、図８〜図１０を相互に参照しつつ、センサ素子のインピーダンス算出ルーチンの第１周波数重畳処理のフローチャートを説明する。第１周波数として５ＫＨｚを用いた例で説明する。
図８〜図１０に示すフローチャートは、Ａ／Ｆセンサ１の出力を図３に示すダイナミックレンジ内に維持するための処理に関する。この処理はＡ／Ｆセンサ１の出力をダイナミックレンジ内に維持することにより絶えずセンサ素子２の限界電流を検出できるようにするものである。このため、機関の排気空燃比に応じてセンサ素子２に印加する電圧を、Ａ／Ｆがリーンのときは負側（ステップ８０５）から正側（ステップ９０７）に、Ａ／Ｆがストイキまたはリッチのときは正側（ステップ８０４）から負側（ステップ９０６）に印加している。次に、図８〜図１０のフローチャートを個々に説明する。
【００４０】
先ず、ステップ８０１では、今回処理周期が本ルーチン開始からｋ×６４ｍｓｅｃ（ｋは奇数１、３、５、…）経過した時期か否かを、例えばカウンタにより判別し、これらの判別結果がＹＥＳ、すなわち今回処理周期が本ルーチン開始から６４ｍｓｅｃ、１９２ｍｓｅｃ、３２０ｍｓｅｃ、…のときはステップ８０２へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ１１０１（図１１参照）へ進む。
ステップ８０２では、空燃比センサ１の出力から空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンか否（ストイキまたはリッチ）かを判別し、Ａ／Ｆがリーンと判別されたときはステップ８０３に進み、ステップ８０３でリーン判定フラグＬＦＬＧを１にセットし、ステップ８０５に進む。ステップ８０２でＡ／Ｆがストイキまたはリッチと判別されたときはステップ８０４に進み、ステップ８０４では、空燃比センサ１への印加電圧Ｖｍ（＝０．３Ｖ）に＋０．２Ｖのパルス電圧を重畳する。したがって、このときの空燃比センサ１への印加電圧Ｖｍ１は０．５Ｖとなる。ステップ８０５では、空燃比センサ１への印加電圧Ｖｍ（＝０．３Ｖ）に−０．２Ｖのパルス電圧を重畳する。したがって、このときの空燃比センサ１への印加電圧Ｖｍ１は０．１Ｖとなる。また、ステップ８０４およびステップ８０５では図９に示す第１タイマ割込が起動される。
【００４１】
ここで、図９の第１タイマ割込処理について説明する。ステップ９０１では、上記第２タイマ割込の起動後８５μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ９０２へ進み、空燃比センサ１の出力電流Ｉｍ１を読込み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ９０１へ戻る。
ステップ９０３では、上記第２タイマ割込の起動後１００μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ９０４へ進み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ９０１へ戻る。
ステップ９０４では、図８のステップ８０３でリーン判定フラグＬＦＬＧがセットされたか否かを判別し、ＬＦＬＧ＝１と判別されたときはステップ９０５に進み、ステップ９０５でリーン判定フラグＬＦＬＧを０にリセットし、ステップ９０７に進む。ステップ９０４でＬＦＬＧ＝０と判別されたときはステップ９０６に進み、ステップ９０６では、図１０に示す第２タイマ割込が軌道され、空燃比センサ１にＶｍ２’  ＝０．１Ｖを印加する。ステップ９０７では、図１０に示す第２タイマ割込が起動され、空燃比センサ１にＶｍ２＝０．５Ｖを印加する。
【００４２】
ここで、図１０の第２タイマ割込処理について説明する。ステップ１００１では、上記第１タイマ割込の起動後１００μｓが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１００２へ進み、空燃比センサ１にＶｍ＝０．３Ｖの電圧を印加して通常の空燃比検出状態に戻し、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１００１へ戻る。
【００４３】
再び、図８へ戻る。ステップ８０６では、今回処理周期が本ルーチン開始から（ｋ×６４＋４）ｍｓｅｃ（ｋは奇数１、３、５、…）経過した時期か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ８０７へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
ステップ８０７では、第１周波数電圧印加時の第１（高周波）インピーダンスＺａｃ１  を次式から計算する。
【００４４】
Ｚａｃ１  ＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉｍ１−Ｉｍｓ）
次いでステップ８０８では、Ｚａｃ１  のガード処理、すなわちＺａｃ１  を下限ガード値ＫＲＥＬ１と上限ガード値ＫＲＥＨ１との間に収めるＫＲＥＬ１≦Ｚａｃ１  ≦ＫＲＥＨ１とする処理を実行する。具体的には、Ｚａｃ１  がＫＲＥＬ１≦Ｚａｃ１  ≦ＫＲＥＨ１のときはそのままとし、Ｚａｃ１  ＜ＫＲＥＬ１のときはＺａｃ１  ＝ＫＲＥＬ１＝１（Ω）とし、ＫＲＥＨ１＜Ｚａｃ１  のときはＺａｃ１  ＝ＫＲＥＨ１＝２００（Ω）とする処理を実行する。なお、ガード処理は通常外乱やＡ／Ｄ変換誤差等によるデータを無視するために行う。
【００４５】
図１１〜図１３に示すフローチャートは、Ａ／Ｆセンサ１の出力を図３に示すダイナミックレンジ内に維持するための処理に関する。この処理は空燃比センサ１の出力をダイナミックレンジ内に維持することにより絶えずセンサ素子２の限界電流を検出できるようにするものである。このため、機関の排気空燃比に応じて空燃比センサ１に印加する電圧を、Ａ／Ｆがリーンのときは負側（ステップ１１０５）から正側（ステップ１２０７）に印加し、Ａ／Ｆがストイキまたはリッチのときは正側（ステップ１１０４）から負側（ステップ１２０６）に印加している。
【００４６】
次に、図１１〜図１３を相互に参照しつつ、センサ素子のインピーダンス算出ルーチンの第２周波数重畳処理のフローチャートを説明する。第２周波数として５００Ｈｚを用いた例で説明する。図８のフローチャートにおけるステップ８０１でＮＯと判定されたときステップ１１０１が実行される。ステップ１１０１では、本ルーチン開始からｋ×６４ｍｓｅｃ（ｋは偶数２、４、６、…）が経過した時期か否かを、例えばカウンタにより判別し、これらの判別結果がＹＥＳ、すなわち１２８ｍｓｅｃ、２５６ｍｓｅｃ、３８４ｍｓｅｃ、…のときはステップ１１０２へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
【００４７】
ステップ１１０２では、空燃比センサ１の出力から空燃比（Ａ／Ｆ）がリーンか否（ストイキまたはリッチ）かを判別し、Ａ／Ｆがリーンと判別されたときはステップ１１０３に進み、ステップ１１０３でリーン判定フラグＬＦＬＧを１にセットし、ステップ１１０５に進む。ステップ１１０２でＡ／Ｆがストイキまたはリッチと判別されたときはステップ１１０４に進み、ステップ１１０４で空燃比センサ１にＶｍ１’  ＝０．５Ｖを印加する。
【００４８】
ステップ１１０５では、空燃比センサ１への印加電圧Ｖｍ（＝０．３Ｖ）に−０．２Ｖのパルス電圧を重畳する。したがって、このときの空燃比センサ１への印加電圧Ｖｍ１は０．１Ｖとなる。また、ステップ１１０４およびステップ１１０５では第３タイマ割込が起動される。
【００４９】
ここで、図１２の第３タイマ割込処理について説明する。ステップ１２０１では、上記第３タイマ割込の起動後０．９５ｍｓｅｃが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１２０２へ進み空燃比センサ１の出力電流Ｉｍ２を読込み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１２０１へ戻る。
【００５０】
ステップ１２０３では、上記第３タイマ割込の起動後１ｍｓｅｃが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１２０４へ進み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１２０１へ戻る。
ステップ１２０４では、図１１のステップ１１０３でリーン判定フラグＬＦＬＧがセットされたか否かを判別し、ＬＦＬＧ＝１と判別されたときはステップ１２０５に進み、ステップ１２０５でリーン判定フラグＬＦＬＧを０にリセットし、ステップ１２０７に進む。ステップ１２０４でＬＦＬＧ＝０と判別されたときはステップ１２０６に進み、ステップ１２０６で空燃比センサ１にＶｍ２’  ＝０．１Ｖを印加する。ステップ１２０７では、空燃比センサ１にＶｍ２＝０．５Ｖを印加する。また、ステップ１２０６およびステップ１２０７では図１５に示す第４タイマ割込が起動される。
【００５１】
ここで、図１３の第４タイマ割込処理について説明する。ステップ１３０１では、上記第４タイマ割込の起動後１ｍｓｅｃが経過したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのとき、ステップ１３０２へ進み、空燃比センサ１にＶｍ＝０．３Ｖの電圧を印加して通常の空燃比検出状態に戻し、その判別結果がＮＯのとき、ステップ１３０１へ戻る。
【００５２】
再び、図１１へ戻る。ステップ１１０６では、今回処理周期が本ルーチン開始から（ｋ×６４＋４）ｍｓｅｃ（ｋは偶数２、４、６、…）経過した時期か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ１１０７へ進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。ここで、３ｍｓｅｃは低周波パルス周期の２ｍｓｅｃにパルス収束時間１ｍｓｅｃを加算した値を示す。
ステップ１１０７では、マイクロコンピュータ１１により図７のステップ７０５で切換えたＬＰＦ切換え信号をオフにし、ＬＰＦ７にフィルタ定数を高周波インピーダンス検出用に戻す切換え信号を出力する。
ステップ１１０８では、第２周波数電圧印加時の第２（低周波）インピーダンスＺａｃ２  を次式から計算する。
【００５３】
Ｚａｃ２  ＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉｍ２−Ｉｍｓ）
ステップ１１０９では、Ｚａｃ２  のガード処理、すなわちＺａｃ２  を下限ガード値ＫＲＥＬ２と上限ガード値ＫＲＥＨ２との間に収めるＫＲＥＬ２≦Ｚａｃ２  ≦ＫＲＥＨ２とする処理を実行する。具体的には、Ｚａｃ２  がＫＲＥＬ２≦Ｚａｃ２  ≦ＫＲＥＨ２のときはそのままとし、Ｚａｃ２  ＜ＫＲＥＬ２のときはＺａｃ２  ＝ＫＲＥＬ２＝１（Ω）とし、ＫＲＥＨ２＜Ｚａｃ２  のときはＺａｃ２  ＝ＫＲＥＨ２＝２００（Ω）とする処理を実行する。
【００５４】
以上説明した実施の形態において、１２８ｍｓ毎に高周波パルスを印加する中間に低周波パルスを印加したのは、ＣＰＵの負荷バランスを平均化するためであるが、他の実施の形態として、高周波パルスを印加した後すぐに、例えば４ｍｓ経過後に低周波パルスを印加して低周波インピーダンスを検出してもよい。また、第２（低周波）インピーダンスの検出処理を、第１（高周波）インピーダンス検出処理１０回に１回実行するようにしてもよい。さらに、低周波インピーダンスの検出処理を、機関がアイドリング状態のとき等、空燃比センサ１の雰囲気が安定した状態のときにのみ実行するようにしてもよい。
以上説明した実施の形態では、低周波インピーダンスを検出する低周波パルス印加からの４ｍｓ間は空燃比センサ１からの空燃比検出を不能にしている。これは図７のステップ７０７によるセンサ素子２の限界電流Ｉｍｓの読込みをステップ７０６が示すように４ｍｓ毎に行っていることから判る。
【００５５】
以上説明した本発明の実施の形態では、第１の周波数に５ＫＨｚ、第２の周波数に５００Ｈｚを用いたが、本発明はこれに限定されない。空燃比センサの電解質、電極等の材料、センサ回路の特性、印加電圧、使用温度等を考慮してこれら周波数は適宜選択できる。なお、第１の周波数としては図４７におけるＲ１（電解質のバルク抵抗）＋Ｒ２（電解質の粒界抵抗）の交流インピーダンスを検出可能な周波数、例えば１ＫＨｚ〜１０ＫＨｚ程度の範囲が使用可能である。また、第２周波数としては第１周波数より低周波数で、しかもＲ１＋Ｒ２＋Ｒ３（電極界面抵抗）までのインピーダンスが検出可能な周波数であればよい。
【００５６】
また、上述の実施の形態では、２つの周波数のみを使用する例を示したが、３周波数以上の複数の交流電圧を印加し、検出された複数のセンサ出力電圧値や電流値からインピーダンスを検出してもよい。もちろん、複数のインピーダンスの中から最適な２つを選択する方法、または複数のインピーダンスに基づいて統計的な手法、例えば平均値からインピーダンスを算出する方法であってもよい。
【００５７】
図１５は空燃比センサの直流抵抗に対する低周波インピーダンスおよび高周波インピーダンスの相関関係を示す図である。ここで、低周波インピーダンスは所定温度下で２５Ｈｚの交流電圧をセンサ素子に印加したときに検出されたものであり、高周波インピーダンスは所定温度下で２．５ＫＨｚの交流電圧をセンサ素子に印加したときに検出されたものである。直流抵抗と低周波インピーダンスとの相関関係を黒丸●で示し、直流抵抗と高周波インピーダンスとの相関関係を白丸○で示す。直流抵抗と低周波インピーダンスとの相関関係を示す黒丸●を結ぶ線１５１はセンサ素子の新品時と耐久劣化時で略同じである。一方、直流抵抗と高周波インピーダンスとの相関関係を示す白丸○を結ぶ線はセンサ素子の新品時で１５２、耐久劣化時で１５３となり、直流抵抗Ｒｉ  は耐久劣化後の方が新品時より増大していることが判る。これは、高周波インピーダンスがジルコニア電解質の抵抗を検出しており電極界面抵抗を検出していないからである。
【００５８】
一方、電極界面抵抗を検出する低周波インピーダンスはセンサ素子が新品時から耐久劣化に至るまで変化する直流抵抗Ｒｉ  を反映している。それゆえ、本発明は空燃比センサの直流抵抗と低周波インピーダンスとの相関関係は新品時も耐久劣化後もリニアであるという点に着目し、低周波インピーダンスＺａｃ２  を検出してＺａｃ２  から空燃比センサの劣化度合いを空燃比センサの直流抵抗Ｒｉ  として捕らえ、劣化後変化したＲｉ  に応じて空燃比センサの出力を補正して空燃比を高精度に検出しようとするものである。
【００５９】
図１６および図１７は酸素濃度検出素子の劣化に応じて変化する同素子の温度とインピーダンスの第１の相関関係および第２の相関関係を示す図である。図１６、図１７において、横軸はセンサ素子の温度、縦軸はセンサ素子のインピーダンスを示し、高周波インピーダンスＺａｃ１  を実線で、低周波数インピーダンスＺａｃ２  を破線でそれぞれ示す。
【００６０】
先ず、図１６について説明する。図１６に実線で示すように、耐久劣化後のセンサ素子の温度とＺａｃ１  の相関関係を示す曲線は新品時と比して右側にシフトしている。したがって、センサ素子の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを新品時の値Ｚａｃｔｇｉ  に保持していると、耐久劣化後の素子温は新品時の７００°Ｃから７３０°Ｃに上昇する。また、図１６に破線で示すように、耐久劣化後のセンサ素子の温度とＺａｃ２  の相関関係を示す曲線も同様、新品時と比して右側にシフトしている。この相関関係は、後述するが、電極凝集等によるセンサ素子の電極界面抵抗が増大するような劣化が進行したときに生じる。したがって、センサ素子の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを新品時の値Ｚａｃｔｇｉ  に保持していると、新品時のＺａｃ２ｉは耐久劣化後の素子温７３０°ＣのときにＺａｃ２ｄとなる。
【００６１】
なお、ここで耐久劣化とは、耐久試験によるセンサ素子の劣化を意味し、経時劣化とは、通常使用条件下でのセンサ素子の経時的劣化を意味する。
本発明は、Ｚａｃ２  の値を新品時の値Ｚａｃ２ｉに保持することにより、換言すればセンサ素子の直流抵抗Ｒｓ  を初期値に維持することにより、センサ素子劣化後の空燃比センサの出力特性を新品時の特性に維持し、この出力値から空燃比を高精度に検出しようとするものである。それゆえ、Ｚａｃ２  の耐久劣化時の値Ｚａｃｔｇｄ  を新品時の値Ｚａｃ２ｉとするように素子温を７４０°Ｃにし、素子温が７４０°ＣのときのＺａｃ１  、すなわちＺａｃｔｇｄ  を耐久劣化後の素子温制御目標値とするものである。このＺａｃ１  とＺａｃ２  に対する耐久劣化後のセンサ素子の温度の相違は、図１５に示すセンサ素子の直流抵抗Ｒｉ  のＺａｃ１  とＺａｃ２  に対する相違から生じるものである。図１５から明白なようにＺａｃ２  によるセンサ素子の温度補正の方がＺａｃ１  による補正よりセンサ素子の出力特性を維持できる。
【００６２】
次に、図１７について説明する。図１７に実線で示すように、耐久劣化後のセンサ素子の温度とＺａｃ１  の相関関係を示す曲線は新品時と比して右側にシフトしている。したがって、センサ素子の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを新品時の値Ｚａｃｔｇｉ  に保持していると、耐久劣化後の素子温は新品時の７００°Ｃから７３０°Ｃに上昇する。一方、図１７に破線で示すように、耐久劣化後のセンサ素子の温度とＺａｃ２  の相関関係を示す曲線は、新品時と比して左側にシフトしている。この相関関係は、後述するが、ヒータの過加熱等によりセンサ素子の拡散層が破壊するような劣化が進行したときに生じる。したがって、センサ素子の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを新品時の値Ｚａｃｔｇｉ  に保持していると、新品時のＺａｃ２ｉは耐久劣化後の素子温７３０°ＣのときにＺａｃ２ｄとなる。
【００６３】
本発明は、Ｚａｃ２  の値を新品時の値Ｚａｃ２ｉに保持することにより、換言すればセンサ素子の直流抵抗Ｒｓ  を初期値に維持することにより、センサ素子劣化後の空燃比センサの出力特性を新品時の特性に維持し、この出力値から空燃比を高精度に検出しようとするものである。しかしながら、拡散層クラックは、センサ素子が略破壊したものであり、空燃比センサの出力特性の維持は、できなくなる。また、Ｚａｃ２  の耐久劣化時の値Ｚａｃｔｇｄ  を新品時の値Ｚａｃ２ｉとするように素子温を６９０°Ｃにし、素子温が６９０°ＣのときのＺａｃ１  、すなわちＺａｃｔｇｄ  を耐久劣化後の素子温制御目標値とすると、センサ素子を活性状態に維持できなくなる。
しかしながら、耐久劣化時の値Ｚａｃｔｇｄ  が新品時の値Ｚａｃ２ｉより大となったときには空燃比センサは故障したと判定され、空燃比フィードバック制御は中止される。
図１６、図１７を用いて説明したように、本発明によればセンサ素子の耐久劣化度合いに応じて素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを可変するのでセンサ素子の特性を耐久劣化後も一定に保つことができる。
【００６４】
次に、図１６、図１７を用いて上述したように、耐久劣化後のセンサ素子の特性を新品時同様に維持するように素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを補正しつつ、前述した図７のフローチャートにおけるステップ７０８による空燃比センサの劣化補正処理をどのように実行するかについて以下に説明する。
【００６５】
図１８は空燃比センサの劣化補正ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば４ｍｓｅｃ毎に実行される。本ルーチンは低周波インピーダンスＺａｃ２  に基づいてＺａｃｔｇの補正を行うものである。
先ず、ステップ１８０１では、劣化補正条件が成立したか否かを下記の１〜５の条件を全て満たしたか否かにより判定し、その判定結果がＹＥＳのときはステップ１８０２へ進み、その判定結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
【００６６】
１．機関の回転数ＮＥ≦１０００ＲＰＭ
２．車速ＶＳ≦３Ｋｍ／ｈ
３．アイドルスイッチオン
４．空燃比フィードバック制御実行中で空燃比Ａ／Ｆが１４．５付近
５．機関の冷却水温ＴＨＷ≧８５°Ｃ（機関暖機状態）
ステップ１８０２では、第１（高周波）インピーダンスＺａｃ１  と第２（低周波）インピーダンスＺａｃ２  を読込み、Ｚａｃ２  をセンサ素子の特性変化、特に経年変化を示すパラメータとして求める。
【００６７】
図１９は空燃比センサの全素子抵抗Ｒｓ（＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）と素子温度との関係を示す図であり、図２０は素子温制御目標値の補正量Ｚａｃｔｇｇｋと低周波インピーダンスＺａｃ２  との関係を示す図であり、図２１は空燃比センサの出力特性を示す図である。
図１９から判るように経時劣化品は新品時より同一素子温度でＲｓ  が増大する。センサ素子が経時劣化しＲｓ  が増大すると、空燃比センサの出力特性は、図２１に破線で示すように、新品時の直流抵抗を示す直線ＬｉがＬｄに変化し、同一空燃比に対する限界電流値が低下し、その結果空燃比の検出に誤差が生じる。
【００６８】
前述した図７のフローチャートにおけるステップ７０９による空燃比センサの故障判定処理は図１８に示すステップ１８０３〜１８１０の実行により次のように達成される。ステップ１８０３では、センサ素子の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇがセンサ素子の特性ばらつきを含めた上限値Ｚａｃｔｇｍａｘ  と下限値Ｚａｃｔｇｍｉｎ  の範囲内か否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのとき（Ｚａｃｔｇｍｉｎ  ≦Ｚａｃｔｇ≦Ｚａｃｔｇｍａｘ  ）は、素子温制御目標値の補正が可能であると判定してステップ１８０４に進み、その判定結果がＮＯのときはステップ１８０５に進む。ステップ１８０４では、Ｚａｃ２  から素子温制御目標値Ｚａｃｔｇの補正量Ｚａｃｔｇｇｋを図２０に示すマップから算出する。この補正量Ｚａｃｔｇｇｋは、Ｚａｃ２  が、１０〜２０Ω程度になるように設定される。このマップは予めＲＯＭに格納されている。この素子温制御目標値Ｚａｃｔｇとは、空燃比センサの素子温度が目標温度になったときの素子のインピーダンスを言う。次いで、ステップ１８０６では素子温制御目標値Ｚａｃｔｇ（ｉ）  （今回値）を下式から平均値として算出する。
Ｚａｃｔｇｔ  ＝Ｚａｃｔｇ（ｉ−１）  （前回値）−Ｚａｃｔｇｇｋ
Ｚａｃｔｇ（ｉ）  （今回値）＝（Ｚａｃｔｇ（ｉ−１）  （前回値）×３１＋Ｚａｃｔｇｔ  ）／３２
空燃比センサ１のヒータ制御において、このように算出されたＺａｃｔｇ（ｉ）  （今回値）をセンサ素子２の高周波インピーダンスＺａｃ１  の素子温制御目標値に設定し、センサ素子インピーダンスがＺａｃｔｇ（ｉ）  となるようにセンサ素子温度の制御を行う。
【００６９】
図２０のマップが示すように、この素子温制御目標値の補正量Ｚａｃｔｇｇｋは、センサ素子の低周波インピーダンスＺａｃ２  に比例して増大する。したがって、ステップ１８０６においてＺａｃｔｇｇｋで補正して求めたＺａｃｔｇ（ｉ）  は、Ｚａｃ２  が増大する程低い値となり素子温は上昇する。一方、Ｚａｃ２  が所定値まで減少したとき素子温が低下するように補正する。このように、センサ素子の劣化状態に応じてセンサ素子の温度は新品時と異なった温度に制御され、センサ特性は新品同様に保持される。電極凝集等によるセンサ素子の電極界面抵抗が増大するような劣化が進行したときは、劣化後のセンサ素子のＺａｃ２  は増大するのでＺａｃｔｇｇｋも増大し、それゆえＺａｃｔｇ（ｉ）  は減少し、素子温は上昇する。一方、センサ素子の拡散層が破壊するような劣化が進行したときは、劣化後のセンサ素子のＺａｃ２  は減少するのでＺａｃｔｇｇｋも減少し、それゆえＺａｃｔｇ（ｉ）  は増大するが、このときステップ１８０５、１８０９、１８１０で空燃比センサは故障したと判定され、空燃比フィードバック制御は中止される。
【００７０】
また、ステップ１８０７では、素子温制御目標値ＺａｃｔｇはバックアップＲＡＭにＺａｃｔｇｂ  として記憶させる。次回の機関始動時のイニシャルルーチンにてＺａｃｔｇｂ  がＺａｃｔｇに取り込まれ、次回の機関始動時も素子温が目標温度付近になるように制御される。次いで、ステップ１８０８では、空燃比算出ルーチンを実行する。この空燃比算出ルーチンについては後で説明する。
しかるに、ステップ１８０５では、図３４〜図４４を用いて後述する空燃比センサの故障判定処理ルーチンを実行する。ステップ１８０９では、ステップ１８０５の故障判定結果に応じて、その判定結果がＹＥＳのときは本ルーチンを終了し、その判定結果がＮＯのときはステップ１８１０へ進む。ステップ１８１０では空燃比センサ故障フラグＸＦＡＦＳを立てる。
【００７１】
空燃比センサ１のヒータ制御において、センサ素子２の素子インピーダンスがこの素子温制御目標値Ｚａｃｔｇとなるように素子温度を制御する。図２０のマップが示すように、この素子温制御目標値補正量Ｚａｃｔｇｇｋは、センサ素子の特性パラメータとしての低周波数インピーダンスＺａｃ２  の増大、すなわちセンサ素子２の劣化度合いの増大に伴って大きくなるので、前回の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇにこの補正量を減算した今回の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇもこれに伴って小さく設定される。したがって、劣化後の素子温は許容範囲内で新品時より高い目標温度に設定される。何故ならば、劣化後は図１９に示すように同素子温度でのＲｓ  が増大し、センサ素子の特性が低下するので、新品時の特性を保持するためにＲｓ  を小さくするためセンサ素子の素子温度を高い側に補正するのである。
次に、本発明による空燃比算出ルーチンについて以下に説明する。
【００７２】
図２２〜図２４を用いて以下に説明する本発明の一実施例の空燃比算出ルーチンは、上述したように低周波インピーダンスが空燃比センサの特性を示すので、低周波インピーダンスを学習し、その学習値によりセンサ素子の出力値を補正して空燃比を精度よく算出するものである。
図２２は低周波インピーダンス学習値の算出ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは所定周期、例えば１００ｍｓ毎に実行される。ステップ２２０１ではセンサ素子の特性が劣化したか否かを判定するため下記の１〜４のセンサ素子の特性劣化検出条件が全て成立したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ２２０２に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
１．ホットアイドル停止
２．空燃比センサが活性状態
３．空燃比フィードバック中
４．所定空燃比内（理論空燃比付近）
ステップ２２０２では、所定回転数における低周波インピーダンスＺａｃＬ  を積算し、その平均値を学習値ＺａｃＬＧとして算出する。
【００７３】
図２３は本発明による第１実施例の空燃比算出ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは所定周期、例えば１ｍｓ毎に実行される。ステップ２３０１では空燃比センサの限界電流値Ｉｍ  に相当する空燃比センサの電流値ＡＦＩを読取る。ステップ２３０２およびステップ２３０３では、素子温制御目標値Ｚａｃｔｇである高周波インピーダンス値ＺａｃＨＴＧ  から適合により予め設定されたセンサ素子新品時の低周波インピーダンス値ＺａｃＬＩＮＩＴ  と低周波インピーダンス学習値ＺａｃＬＧとからステップ２３０１で読取ったセンサ素子の限界電流値Ｉｍ  に相当する空燃比センサの電流値ＡＦＩを補正する。
【００７４】
図２４は素子温制御目標値Ｚａｃｔｇに対応する高周波インピーダンスＺａｃＨＴＧ  から低周波インピーダンスの初期値ＺａｃＬＩＮＩＴ  を算出するマップである。低周波インピーダンスの初期値ＺａｃＬＩＮＩＴ  は複数のセンサ素子の新品時における低周波インピーダンスの平均値として求められる。ステップ２３０２では図２４に示すマップから高周波インピーダンス値ＺａｃＨＴＧ  に応じて低周波インピーダンスの初期値ＺａｃＬＩＮＩＴ  を算出する。
次に、ステップ２３０３では、ステップ２３０１で読取った空燃比センサの電流値ＡＦＩを下式により補正する。
ＡＦＩ＝ＡＦＩ×（ＺａｃＬＧ／ＺａｃＬＩＮＩＴ  ）×ｋ
ここで、ｋは適合による補正係数である。
次に、ステップ２３０４では、予めＲＯＭに格納したマップに基づき、補正した空燃比センサの電流値ＡＦＩから空燃比を算出する。
【００７５】
次に、前述した図７のフローチャートにおけるステップ７１０の空燃比センサ活性判定処理について図２５〜図２７を用いて以下に説明する。
図２５は空燃比センサの故障判定後の処理ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは所定の周期、例えば１ｍｓｅｃ毎に実行される。ステップ２５０１では、空燃比センサ故障フラグＸＦＡＦＳが立てられたか否かを判別し、ＸＦＡＦＳ＝１のときは、空燃比センサが故障と判定されたのでステップ２５０２へ進む。ステップ２５０２では、空燃比フィードバック制御を続行すると排気エミッションが悪化するので、空燃比フィードバック制御を停止し、ステップ２５０３でヒータの過昇温を防止するためヒータの通電を停止し、ステップ２５０４で警告ランプ（図示せず）を点灯する。一方、ステップ２５０１でＸＦＡＦＳ＝０のときは、空燃比センサは故障していないと判定されたので本ルーチンを終了する。
【００７６】
図２６は空燃比センサの活性判定ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１ｍｓｅｃ毎に実行される。先ず、ステップ２６０１では、空燃比センサ故障フラグＸＦＡＦＳが立てられたか否かを判別し、素子異常と判定されたＸＦＡＦＳ＝１のときは、ステップ２６０２へ進み、素子異常でないと判定されたＸＦＡＦＳ＝０のときは、ステップ２６０３へ進む。
【００７７】
ステップ２６０２では、空燃比活性フラグＸＡＦＳＡＣＴをオフにする。ステップ２６０３では、図２７に示すマップから劣化補正後の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇに対応する活性判定値Ｚａｃａｃｔ  を算出する。図２７に示すように、素子温制御目標値に余裕をもたせるため、すなわち目標温度より多少低い温度でセンサ素子の活性判定をするように、活性判定値Ｚａｃａｃｔ  は素子温制御目標値Ｚａｃｔｇより多少大きく設定される。
【００７８】
ステップ２６０４では、高周波インピーダンスＺａｃ１  が活性判定値Ｚａｃａｃｔ  より小さいか否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのとき（Ｚａｃ１  ＜Ｚａｃａｃｔ  ）は空燃比センサは活性状態であると見なしステップ２６０５へ進み、その判定結果がＮＯのとき（Ｚａｃ１  ≧Ｚａｃａｃｔ  ）は空燃比センサは非活性状態であると見なしステップ２６０２へ進む。ステップ２６０５では、空燃比活性フラグＸＡＦＳＡＣＴをオンにする。
【００７９】
上述したように、上記活性判定は、センサ素子の低周波インピーダンスＺａｃ２  から算出した劣化後の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇから活性判定値Ｚａｃａｃｔ  を算出し、これを高周波インピーダンスＺａｃ１  と比較して判定を行っている。
図２８はヒータ制御ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、所定の周期、例えば１２８ｍｓｅｃ毎に実行される。本ルーチンは、空燃比センサ１の高周波インピーダンスＺａｃ１  と素子温制御目標値Ｚａｃｔｇとの偏差Ｚａｃｅｒｒ  （＝Ｚａｃｔｇ−Ｚａｃ１  ）に基づいて、ヒータ４への通電のデューティ比のＰＩＤ制御を行う。ここで、素子温制御目標値Ｚａｃｔｇは、低周波インピーダンスＺａｃ２  から算出され、空燃比センサ１の電極凝集等による劣化に伴ない変化するものである。先ず、ステップ２８０１では、比例項ＫＰを次式から算出する。
【００８０】
ＫＰ＝Ｚａｃｅｒｒ  ×Ｋ１  （Ｋ１  ：定数）
ステップ２８０２では、積分項ＫＩを次式から算出する。
ＫＩ＝ΣＺａｃｅｒｒ  ×Ｋ２  （Ｋ２  ：定数）
ステップ２８０３では、微分項ＫＤを次式から算出する。
ＫＤ＝（ΔＺａｃｅｒｒ  ／Δｔ）×Ｋ３  （Ｋ３  ：定数）
ステップ２８０４では、ＰＩＤゲインＫＰＩＤを次式から算出する。
【００８１】
ＫＰＩＤ＝ＫＰ＋ＫＩ＋ＫＤ
ステップ２８０５では、出力デューティ比を次式から算出する。
ＤＵＴＹ（ｉ）  ＝ＤＵＴＹ（ｉ−１）  ×ＫＰＩＤ
ステップ２８０６では、出力デューティ比ＤＵＴＹ（ｉ）  のガード処理を行い、ＤＵＴＹ（ｉ）  を下限値ＫＤＵＴＹＬと上限値ＫＤＵＴＹＨとの間ＫＤＵＴＹＬ≦ＤＵＴＹ（ｉ）  ≦ＫＤＵＴＹＨに収める処理を実行する。具体的には、ＫＤＵＴＹＬ≦ＤＵＴＹ（ｉ）  ≦ＫＤＵＴＹＨのときはそのままとし、ＤＵＴＹ（ｉ）  ＜ＫＤＵＴＹＬのときはＤＵＴＹ（ｉ）  ＝ＫＤＵＴＹＬとし、ＫＤＵＴＹＨ＜ＤＵＴＹ（ｉ）  のときはＤＵＴＹ（ｉ）  ＝ＫＤＵＴＹＨとする処理を実行する。
【００８２】
また、図２８に示したヒータ制御において、本発明はヒータ４およびセンサ素子２の過昇温（Ｏｖｅｒ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を防止するため、高周波数に対するセンサ素子のインピーダンスＺａｃ１  が劣化補正後の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇより所定値、例えば５Ωを超えるか否か（Ｚａｃ１  ≦Ｚａｃｔｇ−５（Ω））を判別し、その判別結果がＹＥＳのときは正常、すなわちヒータ４およびセンサ素子２は過昇温になっていないものと判定し図２８のフローチャートで示したヒータ制御ルーチンを実行し、その判別結果がＮＯのときは異常、すなわちヒータ４およびセンサ素子２は過昇温になっていると判定し、ＤＵＴＹ（ｉ）  ＝０に設定する処理を行う。ここで、素子温制御目標値Ｚａｃｔｇは、図２０に示すマップからセンサ素子の低周波インピーダンスＺａｃ２  に応じて算出される。
【００８３】
次に、空燃比センサが活性状態に至る前のセンサ素子温度が７００°Ｃ以下の低温時に空燃比を検出する制御について以下に説明する。
図２９は高周波インピーダンスと低周波インピーダンスの温度特性および空燃比との関係を示す図である。図２９において横軸はセンサ素子温度、縦軸は素子インピーダンスを示す。図２９から、太線２８０で示す高周波インピーダンスの温度特性はセンサ素子の雰囲気の空燃比に実質的に無関係であり、細線２９１、２９２、２９３で示す低周波インピーダンスの温度特性はセンサ素子の雰囲気のそれぞれの空燃比Ａ／Ｆ＝１２、１４．５、１８に関係することが判る。このような関係が実験的に確かめられた。
この関係に着目すれば、高周波インピーダンスからセンサ素子温度を検出し、センサ素子温度が低い空燃比センサの非活性状態のときには低周波インピーダンスから空燃比を算出し、空燃比制御を早期に開始することが可能となることが判る。
【００８４】
以下、図３０〜図３３を用いて、センサ素子が非活性状態のときに低周波インピーダンスから空燃比を算出する制御について説明する。
図３０は本発明による第２実施例の空燃比算出ルーチンのフローチャートであり、図３１は空気量から低周波インピーダンスを補正するためのマップを示す図であり、図３２は高周波インピーダンスと低周波インピーダンスの２次元マップから空燃比を算出するマップであり、図３３は空燃比フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御ゲインの設定ルーチンのフローチャートである。
【００８５】
図３０に示す空燃比算出ルーチンは所定の周期、例えば１ｍｓ毎に実行される。まず、ステップ３００１ではセンサ素子２の高周波インピーダンスＺａｃ１  、低周波インピーダンスＺａｃ２  、限界電流Ｉｍｓおよび機関のエアフローメータ（図示せず）から吸入空気量ｇａ（ｇ／ｓｅｃ  ）を読込む。次いでステップ３００２ではＺａｃ１  と素子温５００°Ｃに相当する第１素子温制御目標値Ｚａｃｔｇ１  とを比較し、Ｚａｃ１  ≦Ｚａｃｔｇ１  のとき、すなわち素子温が５００°Ｃ以下と判断されたときは本ルーチンを終了し、Ｚａｃ１  ＞Ｚａｃｔｇ１  、すなわち素子温が５００°Ｃを超えたと判断されたときはステップ３００３へ進む。
【００８６】
ステップ３００２で判断された素子温５００°Ｃ以下では低周波インピーダンスから空燃比を検出する検出精度が不十分であるので、このときは空燃比フィードバック制御を実行しない。ステップ３００３ではＺａｃ１  と素子温７００°Ｃに相当する第２素子温制御目標値Ｚａｃｔｇ２  とを比較し、Ｚａｃ１  ＜Ｚａｃｔｇ２  のとき、すなわち素子温が活性状態を示す７００°Ｃ未満と判断されたときはステップ３００４に進み、Ｚａｃ１  ≧Ｚａｃｔｇ２  、すなわち素子温が７００°Ｃ以上と判断されたときはステップ３００５へ進む。
【００８７】
ステップ３００４では、センサ素子の低周波インピーダンスＺａｃ２  に基づいて空燃比を算出中であることを示すフラグＸＩＭＰＡＦを１にセットする。次いでステップ３００６では図３１に示す吸入空気量ｇａと低周波インピーダンス補正率ｋｇａｚ（％）との関係を示すマップからステップ３００１で読込んだｇａに対応するｋｇａｚを算出し、算出したｋｇａｚとステップ３００１で読込んだＺａｃ２  とからその時点の低周波インピーダンスＺａｃ２  を次式から算出する。
Ｚａｃ２    ＝  Ｚａｃ２  （１＋ｋｇａｚ／１００）
次いでその算出値をバックアップＲＡＭに格納する（Ｚａｃ２ｂ←Ｚａｃ２  ）。上式は吸入空気量が２０（ｇ／ｓｅｃ  ）を超えるとセンサ素子の電極界面抵抗Ｒ３は増大し始め、したがって低周波インピーダンスＺａｃ２  は増大し始めるので、Ｚａｃ２  を吸入空気量に応じて補正することを示す。
【００８８】
次に、ステップ３００７では図３２に示す高周波インピーダンスＺａｃ１  と低周波インピーダンスＺａｃ２  から空燃比を算出する２次元マップから空燃比を算出する。この２次元マップにおいてＺａｃ１  はセンサ素子の温度特性を示すものであり、したがってＺａｃ１  が大な程、素子温は低いことを示している。素子温が一定のときは図２９からも判るようにＺａｃ２  が大な程、空燃比は小、すなわちリッチになる。このように、本発明の上記実施形態では、高周波インピーダンスからセンサ素子温度を検出し、センサ素子温度が低い空燃比センサの非活性状態のときでも低周波インピーダンスから空燃比を算出し、空燃比制御を早期に開始する。
一方、ステップ３００５では、センサ素子２の限界電流から空燃比を算出中であることを示すフラグＸＬＭＴＡＦを１にセットする。次いでステップ３００８ではＺａｃ２  に基づいて空燃比を算出中であることを示すフラグＸＩＭＰＡＦを０にリセットする。次いでステップ３００９では前述した空燃比算出ルーチンを実行する。
【００８９】
次に図３３に示す空燃比フィードバック制御ゲインの設定ルーチンのフローチャートについて以下に説明する。本ルーチンは、センサ素子２が低温のときに空燃比センサ１の出力応答が遅くなるので、低周波インピーダンスに基づいて空燃比フィードバック制御を実行する（ステップ３３０１でＹＥＳの）ときは、ステップ３３０２で空燃比フィードバック制御における比例項Ｐ、積分項Ｉ、微分項Ｄの各ゲインを低いＬＯＷゲインに設定し、センサ素子２が活性化した後の限界電流に基づいて空燃比フィードバック制御が実行中であることを示すフラグＸＬＭＴＡＦがセットされている（ステップ３３０１でＮＯかつステップ３３０３でＹＥＳの）ときはステップ３３０４で上記ＰＩＤの各ゲインをＨＩＧＨゲインに設定するものである。ステップ３３０１に示すフラグＸＩＭＴＡＦには、センサ素子２の低周波インピーダンスＺａｃ２  から空燃比を算出中であるときセットされるフラグである。なお、ステップ３３０１でＮＯかつステップ３３０３でＮＯのときはセンサ素子温が５００°Ｃ以下で空燃比が検出不能なのでステップ３３０５で空燃比フィードバック制御禁止フラグＸＰＨＡＦを１にセットする。ステップ３３０２および３３０４で空燃比制御ゲインはＬＯＷおよびＨＩＧＨに設定した後、ステップ３３０６では空燃比フィードバック制御禁止フラグＸＰＨＡＦを０にリセットする。
【００９０】
次に、前述した図１８のフローチャートにおけるステップ１８０５による空燃比センサの故障判定処理について図３４〜図４４を用いて以下に説明する。
図３４は所定温度下における空燃比センサの直流抵抗と低周波インピーダンスとの相関関係を示す図である。図３４に示すようにセンサ素子の直流抵抗Ｒｉ  は低周波インピーダンスＺａｃＬ  に比例する。したがって、空燃比センサの特性を示すセンサ素子の直流抵抗Ｒｉ  を低周波インピーダンスＺａｃＬ  として求め、ＺａｃＬ  から空燃比センサの特性劣化を検出しようとするものである。
【００９１】
図３５は劣化した空燃比センサにおける低周波インピーダンスの特性変化を示す図である。図３５において、横軸はセンサ素子の温度を示し、縦軸はセンサ素子のインピーダンスを示す。センサ素子の温度に対する高周波インピーダンスＺａｃＨ  の特性は曲線３５０に示すように、センサ素子の劣化状態に関わらず、すなわち新品時から耐久劣化時まで変化が小さい。したがって、高周波インピーダンスＺａｃＨ  はセンサ素子の温度を示すパラメータとして利用できる。一方、低周波インピーダンスＺａｃＬ  の特性はセンサ素子の劣化状態に応じて変化が大きくなり、曲線３５１に示すように例えばヒータ過加熱により拡散層にクラック等が生じセンサ素子の内部抵抗が減少したものから曲線３５２に示すように電極凝集等によりセンサ素子の内部抵抗が増大したものまで種々異なる。曲線３５３は新品時のセンサ素子の温度に対する低周波インピーダンスＺａｃＬ  の特性を示す。公差を含めると曲線３５３は曲線３５３ａから曲線３５３ｂの範囲内にある。
【００９２】
素子温制御目標値Ｚａｃｔｇはセンサ素子の活性化温度７００°Ｃに対応する高周波インピーダンスＺａｃＨ  として決定される。センサ素子の温度が７００°Ｃとなるようにセンサ素子のヒータ制御が行われているとき、低周波インピーダンスＺａｃＬ  は、センサ素子の劣化に応じて、拡散層にクラック等が生じたときはセンサ素子の内部抵抗が減少するので空燃比センサの出力は増大し応答性が早くなる方向に変化しＺａｃＬ１となるが、一方電極凝集等が生じたときはセンサ素子の内部抵抗が増大するので空燃比センサの出力は減少し応答性が遅くなる方向に変化しＺａｃＬ２となる。
【００９３】
図３６は空燃比センサの出力のばらつきと高周波インピーダンス一定下での低周波インピーダンスとの相関関係を示す図である。図３６に示す相関関係はセンサ素子の温度、すなわち高周波インピーダンスに応じて変化する。図３５を用いて説明したように、センサ素子の高周波インピーダンスＺａｃＨ  がセンサ素子温７００°Ｃに対応する素子温制御目標値Ｚａｃｔｇのときの低周波インピーダンスはＺａｃＬ１からＺａｃＬ２まで変化する。低周波インピーダンスＺａｃＬ  が耐久劣化後小さくなったときは（ＺａｃＬ１）直流抵抗Ｒｉ  も小さくなり、空燃比センサの出力はプラス側にシフトし（＋Ｘ，Ｘ＞０）、一方ＺａｃＬ  が耐久劣化後大きくなったときは（ＺａｃＬ２）直流抵抗Ｒｉ  も大きくなり、空燃比センサの出力はマイナス側にシフトする（−Ｘ）。この空燃比センサの出力のばらつきが＋Ｘを越えてさらにプラス側にシフトしたとき、センサ素子は拡散層クラック等により劣化したものと判定し、一方、−Ｘを越えてさらにマイナス側にシフトしたとき、センサ素子は電極凝集等により劣化したものと判定する。空燃比センサの出力劣化が許容される低周波インピーダンスＺａｃＬ  の平均値ＺａｃＬａｖ  の最小許容値がａｆｖｍｉｎであり最大許容値がａｆｖｍａｘである。また、ＺａｃＬａｖ  がａｆｖｍｉｎのとき空燃比センサの出力のばらつきは−Ｘであり、ＺａｃＬａｖ  がａｆｖｍａｘのとき空燃比センサの出力のばらつきは＋Ｘである。
【００９４】
図３７は空燃比センサの応答性のばらつきと高周波インピーダンス一定下での低周波インピーダンスとの相関関係を示す図である。図３７に示す相関関係はセンサ素子の温度、すなわち高周波インピーダンスに応じて変化する。低周波インピーダンスＺａｃＬ  が耐久劣化後小さくなったときは（ＺａｃＬ１）直流抵抗Ｒｉ  も小さくなり、空燃比センサの応答性はマイナス側、すなわち応答が早くなる方向にシフトし（−Ｙ，Ｙ＞０）、一方ＺａｃＬ  が耐久劣化後大きくなったときは（ＺａｃＬ２）直流抵抗Ｒｉ  も大きくなり、空燃比センサの応答性はプラス側、すなわち応答が遅くなる方向にシフトする（＋Ｙ）。この空燃比センサの応答性のばらつきが−Ｙを越えてさらにマイナス側にシフトしたとき、センサ素子は拡散層クラック等により劣化したものと判定し、一方、＋Ｙを越えてさらにプラス側にシフトしたとき、センサ素子は電極凝集等により劣化したものと判定する。空燃比センサの応答性劣化が許容される低周波インピーダンスＺａｃＬ  の平均値ＺａｃＬａｖ  の最小許容値がａｆｒｍｉｎであり最大許容値がａｆｒｍａｘである。また、ＺａｃＬａｖ  がａｆｒｍｉｎのとき空燃比センサの応答性のばらつきは−Ｙであり、ＺａｃＬａｖ  がａｆｒｍａｘのとき空燃比センサの応答性のばらつきは＋Ｙである。
【００９５】
次に、図３４〜図３７を用いて説明した低周波インピーダンスから空燃比センサの劣化を判定する具体的処理について、図３８〜図４４を用いて以下に説明する。
図３８は空燃比センサの特性劣化検出ルーチンのフローチャートである。本ルーチンは所定周期、例えば１００ｍｓ毎に実行される。ステップ３８０１ではセンサ素子の特性が劣化したか否かを判定するため下記の１〜４の特性劣化検出条件が全て成立したか否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときはステップ３８０２に進み、その判別結果がＮＯのときは本ルーチンを終了する。
１．ホットアイドル停止
２．空燃比センサが活性状態
３．空燃比フィードバック中
４．所定空燃比内（理論空燃比付近）
ステップ３８０２では、機関が所定回転数のときの低周波インピーダンスＺａｃＬ  を積算し、その平均値ＺａｃＬａｖ  を学習値ＺａｃＬＧとして算出する。
【００９６】
次に、ステップ３８０３ではセンサ出力劣化検出ルーチン（図３９）を実行し、ステップ３８０４ではセンサ応答劣化検出ルーチン（図４２）を実行する。
図３９は空燃比センサの出力劣化検出ルーチンのフローチャートであり、図４０は素子温制御目標値から空燃比センサの出力劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の下限値を算出するマップであり、図４１は素子温制御目標値から空燃比センサの出力劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の上限値を算出するマップである。図３９に示すルーチンは高周波インピーダンスＺａｃＨ  である素子温制御目標値Ｚａｃｔｇと図３８のステップ３８０２で算出した低周波インピーダンスの平均値ＺａｃＬａｖ  とから空燃比センサの出力異常の判定を行うものである。
【００９７】
先ず、ステップ３９０１では図４０に示すマップに基づき高周波インピーダンスに相当する素子温制御目標値Ｚａｃｔｇから空燃比センサの出力劣化が許容されるＺａｃＬａｖ  の下限値ａｆｖｍｉｎを算出する。ステップ３９０２ではＺａｃＬａｖ  がステップ３９０１で算出したａｆｖｍｉｎより大か否かを判別し、ＺａｃＬａｖ  ＜ａｆｖｍｉｎのときはセンサ素子が異常と判定してステップ３９０３に進み、ＺａｃＬａｖ  ≧ａｆｖｍｉｎのときはステップ３９０４に進む。ステップ３９０４では図４１に示すマップに基づき高周波インピーダンスに相当する素子温制御目標値Ｚａｃｔｇから空燃比センサの出力劣化が許容されるＺａｃＬａｖ  の上限値ａｆｖｍａｘを算出する。ステップ３９０２ではＺａｃＬａｖ  がステップ３９０１で算出したａｆｖｍａｘより小か否かを判別し、ＺａｃＬａｖ  ＞ａｆｖｍａｘのときはセンサ素子が異常と判定してステップ３９０３に進み、ＺａｃＬａｖ  ≦ａｆｖｍａｘのときは本ルーチンを終了する。ステップ３９０３では空燃比センサの出力が劣化したことを示すフラグＸＡＦＶを１にセットする。
【００９８】
上述したように、空燃比センサ出力劣化検出ルーチンにおいて、空燃比センサの故障判定値ａｆｖｍｉｎおよびａｆｖｍａｘは素子温制御目標値Ｚａｃｔｇ、すなわち高周波インピーダンスに応じて設定される。
図４２は空燃比センサの応答性劣化検出ルーチンのフローチャートであり、図４３は素子温制御目標値から空燃比センサの応答性劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の下限値を算出するマップであり、図４４は素子温制御目標値から空燃比センサの応答性劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の上限値を算出するマップである。図４２に示すルーチンは高周波インピーダンスＺａｃＨ  である素子温制御目標値Ｚａｃｔｇと図３８のステップ３８０２で算出した低周波インピーダンスの平均値ＺａｃＬａｖ  とから空燃比センサの応答性異常の判定を行うものである。
【００９９】
先ず、ステップ４２０１では図４３に示すマップに基づき高周波インピーダンスに相当する素子温制御目標値Ｚａｃｔｇから空燃比センサの応答性劣化が許容されるＺａｃＬａｖ  の下限値ａｆｒｍｉｎを算出する。ステップ４２０２ではＺａｃＬａｖ  がステップ４２０１で算出したａｆｒｍｉｎより大か否かを判別し、ＺａｃＬａｖ  ＜ａｆｒｍｉｎのときはセンサ素子が異常と判定してステップ４２０３に進み、ＺａｃＬａｖ  ≧ａｆｒｍｉｎのときはステップ４２０４に進む。ステップ４２０４では図４４に示すマップに基づき高周波インピーダンスに相当するＺａｃｔｇから空燃比センサの応答性劣化が許容されるＺａｃＬａｖ  の上限値ａｆｒｍａｘを算出する。ステップ４２０２ではＺａｃＬａｖ  がステップ４２０１で算出したａｆｒｍａｘより小か否かを判別し、ＺａｃＬａｖ  ＞ａｆｒｍａｘのときはセンサ素子が異常と判定してステップ４２０３に進み、ＺａｃＬａｖ  ≦ａｆｒｍａｘのときは本ルーチンを終了する。ステップ４２０３では空燃比センサの応答性が劣化したことを示すフラグＸＡＦＲを１にセットする。
【０１００】
上述したように、空燃比センサ応答性劣化検出ルーチンにおいて、空燃比センサの故障判定値ａｆｒｍｉｎおよびａｆｒｍａｘは素子温制御目標値Ｚａｃｔｇ、すなわち高周波インピーダンスに応じて設定される。
空燃比センサの劣化判定後の処理ルーチンのフローチャートは図２５に示す通りである。図２５に示すルーチンは所定の周期、例えば１ｍｓｅｃ毎に実行され、ステップ２５０１では、空燃比センサが故障か否かを空燃比センサの出力劣化判定ＸＡＦＶまたは応答性劣化判定フラグＸＡＦＲが立てられたか否かにより判定し、ＸＡＦＶ＝１またはＸＡＦＲ＝１のときＸＦＡＦＳ  を１にセット、空燃比センサは劣化したと判定する。以下ステップ２５０２〜２５０４が実行される。
【０１０１】
図３８〜図４４を用いて説明した本発明による空燃比センサの特性劣化の検出によれば、従来技術のように、空燃比センサ素子の過昇温を検出しその過昇温から空燃比センサの特性劣化を検出するため、空燃比センサのヒータへの通電電力量を算出する必要もなく、また機関の所定運転条件下での空燃比センサの出力の軌跡から空燃比センサの特性劣化を検出する必要もなしで、それゆえ機関の運転条件に左右されることなく、空燃比センサのみからその劣化を判定することができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の空燃比センサの制御装置によれば、空燃比センサ素子の特性変化を正確に検出することにより、空燃比センサの出力値から空燃比を高精度に検出し、かつ空燃比センサの故障や活性状態の判定をより正確に行う空燃比センサの制御装置を提供することができる。
【０１０３】
また、本発明によれば、空燃比センサの出力特性が経年変化による影響を受けないように空燃比センサの出力特性を一定に維持するので、空燃比センサの出力値から高精度に空燃比を検出する空燃比センサの制御装置を提供することができる。
【０１０４】
また、本発明によれば、空燃比センサの出力信号を空燃比センサ素子の活性前の低温から空燃比フィードバック制御に使用できるので、機関始動時の排気エミッションが良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空燃比センサ制御装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】空燃比センサの入出力信号を示す図であり、（Ａ）は空燃比センサへ印加する入力電圧の波形を示す図であり、（Ｂ）は空燃比センサから検出される出力電流波形を示す図である。
【図３】空燃比センサの電圧−電流特性を示す図である。
【図４】図１における空燃比制御ユニット２０の説明図である。
【図５】図１におけるＬＰＦ７の説明図である。
【図６】図１における空燃比センサ回路３の説明図である。
【図７】本発明の第２形態に係るセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンの前半フローチャートである。
【図８】センサ素子のインピーダンス算出ルーチンにおける第１周波数重畳処理のフローチャートである。
【図９】第１周波数重畳処理を遂行するために必要な第１割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図１０】第１周波数重畳処理を遂行するために必要な第２割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図１１】センサ素子のインピーダンス算出ルーチンにおける第２周波数重畳処理のフローチャートである。
【図１２】第２周波数重畳処理を遂行するために必要な第３割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図１３】第２周波数重畳処理を遂行するために必要な第４割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図１４】本発明の第１形態に係るセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンを説明するタイムチャートである。
【図１５】空燃比センサの直流抵抗に対する低周波インピーダンスおよび高周波インピーダンスの相関関係を示す図である。
【図１６】酸素濃度検出素子の劣化に応じて変化する同素子の温度とインピーダンスの第１の相関関係を示す図である。
【図１７】酸素濃度検出素子の劣化に応じて変化する同素子の温度とインピーダンスの第２の相関関係を示す図である。
【図１８】空燃比センサの劣化補正ルーチンのフローチャートである。
【図１９】空燃比センサの全素子抵抗Ｒｓと素子温度との関係を示すマップである。
【図２０】素子温制御目標値の補正量Ｚａｃｇｋと低周波インピーダンスＺａｃ２  との関係を示すマップである。
【図２１】空燃比センサの出力特性を示す図である。
【図２２】低周波インピーダンス学習値の算出ルーチンのフローチャートである。
【図２３】本発明による第１実施例の空燃比算出ルーチンのフローチャートである。
【図２４】素子温制御目標値に対応する高周波インピーダンスＺａｃＨＴＧ  から低周波インピーダンスの初期値ＺａｃＬＩＮＩＴ  を算出するマップである。
【図２５】空燃比センサの故障判定後の処理ルーチンのフローチャートである。
【図２６】空燃比センサの活性判定ルーチンのフローチャートである。
【図２７】素子温制御目標値Ｚａｃｔｇから活性判定値Ｚａｃａｃｔ  を算出するマップである。
【図２８】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図２９】高周波インピーダンスと低周波インピーダンスの温度特性および空燃比との関係を示す図である。
【図３０】本発明による第２実施例の空燃比算出ルーチンのフローチャートである。
【図３１】空気量から低周波インピーダンスを補正するためのマップを示す図である。
【図３２】高周波インピーダンスと低周波インピーダンスの２次元マップから空燃比を算出するマップである。
【図３３】空燃比フィードバック制御ゲインの設定ルーチンのフローチャートである。
【図３４】所定温度下における空燃比センサの直流抵抗と低周波インピーダンスとの相関関係を示す図である。
【図３５】劣化した空燃比センサにおける低周波インピーダンスの特性変化を示す図である。
【図３６】空燃比センサの出力のばらつきと高周波インピーダンス一定下での低周波インピーダンスとの相関関係を示す図である。
【図３７】空燃比センサの応答性のばらつきと高周波インピーダンス一定下での低周波インピーダンスとの相関関係を示す図である。
【図３８】空燃比センサの特性劣化検出ルーチンのフローチャートである。
【図３９】空燃比センサの出力劣化検出ルーチンのフローチャートである。
【図４０】素子温制御目標値から空燃比センサの出力劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の下限値を算出するマップである。
【図４１】素子温制御目標値から空燃比センサの出力劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の上限値を算出するマップである。
【図４２】空燃比センサの応答性劣化検出ルーチンのフローチャートである。
【図４３】素子温制御目標値から空燃比センサの応答性劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の下限値を算出するマップである。
【図４４】素子温制御目標値から空燃比センサの応答性劣化が許容される低周波インピーダンスの平均値の上限値を算出するマップである。
【図４５】酸素濃度検出素子の温度とインピーダンスの相関関係を示す図である。
【図４６】空燃比センサ素子の構造を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は電解質部の部分拡大図である。
【図４７】空燃比センサ素子の等価回路を示す図である。
【図４８】空燃比センサ素子のインピーダンス特性を示す図である。
【図４９】空燃比センサ素子への交流印加電圧の周波数と同素子インピーダンスとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１…空燃比センサ
２…センサ素子
３…センサ制御回路
４…ヒータ
５…バッテリ
６…ヒータ制御回路
７、１７…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１０…空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）
１１…マイクロコンピュータ
１２…Ｄ／Ａ変換器
１３〜１６…Ａ／Ｄ変換器
１００…電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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