(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、
周波数が異なる第１と第２の少なくとも二つの周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に印加し、該印加した各周波数の交流電圧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前記複数の周波数の各交流インピーダンスに基づき、前記酸素濃度検出素子の特性変化を示すパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
を備えたことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
【請求項２】
前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の劣化特性を示し、該パラメータに応じて該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】
前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の出力値を示し、該パラメータに応じて該前記被検出ガスの空燃比を算出する空燃比算出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４】
前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の活性状態を示し、該パラメータに応じて該酸素濃度検出素子が活性状態であるか否かを判定する活性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５】
前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の温度を示し、該パラメータに応じて該酸素濃度検出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素子温制御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６】
前記インピーダンス検出手段が、前記酸素濃度検出素子に印加する前記複数の各周波数の交流電圧は、単発的なものである、請求項１乃至５の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項７】
前記パラメータ算出手段は、前記複数の周波数の内、２つの異なる周波数に対する前記酸素濃度検出素子の各交流インピーダンスの差から前記パラメータを算出する請求項５または６に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項８】
前記２つの異なる周波数の内、第１の周波数は、前記酸素濃度検出素子の電解質の抵抗を検出する周波数帯域から選択され、第２の周波数は、該酸素濃度検出素子の電極界面抵抗を含むインピーダンスを検出する周波数帯域から選択される請求項５または６に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項９】
前記インピーダンス検出手段は、前記複数の異なる周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に印加する際、所定の順序で前記周波数を切り換える請求項５または６に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１０】
前記インピーダンス検出手段は、前記複数の異なる周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に印加する際、該周波数に応じてフィルタ定数が切換えられるフィルタを介して前記交流電圧を印加する請求項５または６に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１１】
前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧が前記酸素濃度検出素子に印加されその印加が終了してから該酸素濃度検出素子から検出される電流値が収束するまでの間、前記フィルタのフィルタ定数を当該周波数に対応するものに設定する請求項１０に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１２】
前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧が前記酸素濃度検出素子に印加されその印加が終了してから該酸素濃度検出素子から検出される電流値が収束するまでの間、前記所定周波数と異なる周波数の交流電圧への切換えを禁止する請求項９乃至１１の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１３】
前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧が前記酸素濃度検出素子に印加されてから該酸素濃度検出素子から検出される電流値が収束するまでの間、前記酸素濃度検出素子の出力値からの前記被検出ガスの空燃比の算出を禁止する請求項９乃至１１の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１４】
前記空燃比算出手段は、前記複数の周波数の内、最も高い周波数に対する前記酸素濃度検出素子の交流インピーダンスに基づき前記空燃比を算出する請求項３に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１５】
前記活性判定手段は、前記複数の周波数の内、最も高い周波数に対する前記酸素濃度検出素子の交流インピーダンスに基づき前記酸素濃度検出素子が活性状態であるか否かを判定する請求項４に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１６】
前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に１サイクル分印加する際、該交流電圧の第１半サイクルの途中で第２半サイクルに切換え該第２半サイクルの途中で該交流電圧の印加を解除し、前記第１半サイクル中に前記酸素濃度検出素子へ印加される電圧とその時に該酸素濃度検出素子を流れる電流とを測定して前記交流インピーダンスを算出する請求項１乃至５、７、１０乃至１３の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１７】
前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に１サイクル分印加する際、該交流電圧の第１半サイクルの途中で第２半サイクルに切換え該第２半サイクルの途中で該交流電圧の印加を解除し、前記第１半サイクル中に前記酸素濃度検出素子を流れる電流を少なくとも２回測定して前記交流電圧の印加による前記酸素濃度検出素子の収束電流値を算出し、前記交流電圧と該収束電流値とから前記交流インピーダンスを算出する請求項１乃至５、７、１０乃至１３の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１８】
前記インピーダンス検出手段は、低周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に１サイクル分印加した直後に前記低周波数より高周波数の交流電圧を１サイクル分印加する請求項１乃至５、７、１０乃至１３、１６または１７の何れか１項に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項１９】
前記インピーダンス検出手段は、前記酸素濃度検出素子が設置されるガス雰囲気が安定した状態のときにのみ、低周波数のインピーダンスを検出する請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
【請求項２０】
前記酸素濃度検出素子が設置されるガス雰囲気が安定した状態は、前記酸素濃度検出素子を用いて空燃比が制御される機関が暖機され排気の流速の変化が少ないときである請求項１９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、空燃比センサの出力値からの空燃比の算出および空燃比センサ素子の活性状態を維持するためヒータ通電により加熱される空燃比センサ素子の目標温度の補正を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１９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１９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１９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１９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１９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２０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２１は空燃比センサ素子の等価回路を示す図である。図２１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２０の  ｇｒａｉｎ部）、Ｒ２は電解質の粒界抵抗（図２０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２２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２２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２３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２３は図２２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２２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。この低周波数における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。
ところで、図１９の破線で示すように、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。
【０００９】
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。
【００１０】
また、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ると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し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とこれらの正確な判定ができないという問題がある。
【００１１】
それゆえ、本発明はこれら問題を解決し、空燃比センサ素子のインピーダンスを正確に短時間で検出し、検出したインピーダンスに基づき、空燃比センサ素子の特性変化を考慮して、空燃比センサの故障や活性状態の判定、空燃比センサの出力値からの空燃比の算出および空燃比センサ素子の目標温度の補正を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。
【００１２】
【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、周波数が異なる第１と第２の少なくとも二つの周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に印加し、該印加した各周波数の交流電圧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前記複数の周波数の各交流インピーダンスに基づき、前記酸素濃度検出素子の特性変化を示すパラメータを算出するパラメータ算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、空燃比センサ素子の複数の交流インピーダンスを検出し、検出した各交流インピーダンスに基づき、空燃比センサ素子の特性の変化を示す特性パラメータが求められるので、このパラメータを用いて種々の制御が可能となる。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の劣化特性を示し、該パラメータに応じて該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。
【００１４】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の出力値を示し、該パラメータに応じて該前記被検出ガスの空燃比を算出する空燃比算出手段を備える。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の活性状態を示し、該パラメータに応じて該酸素濃度検出素子が活性状態であるか否かを判定する活性判定手段を備える。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記パラメータ算出手段により算出された前記パラメータは、前記第１と第２の周波数の各交流インピーダンスから算出され、前記酸素濃度検出素子の温度を示し、該パラメータに応じて該酸素濃度検出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素子温制御手段を備える。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段が、前記酸素濃度検出素子に印加する前記複数の各周波数の交流電圧は、単発的なものである。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記パラメータ算出手段は、前記複数の周波数の内、２つの異なる周波数に対する前記酸素濃度検出素子の各交流インピーダンスの差から前記パラメータを算出する。
【００１５】
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２つの異なる周波数の内、第１の周波数は、前記酸素濃度検出素子の電解質の抵抗を検出する周波数帯域から選択され、第２の周波数は、該酸素濃度検出素子の電極界面抵抗を含むインピーダンスを検出する周波数帯域から選択される。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、前記複数の異なる周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に印加する際、所定の順序で前記周波数を切り換える。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、前記複数の異なる周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に印加する際、該周波数に応じてフィルタ定数が切換えられるフィルタを介して前記交流電圧を印加する。
上記構成により、インピーダンスの検出精度が向上する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧が前記酸素濃度検出素子に印加されその印加が終了して該酸素濃度検出素子から検出される電流値が収束するまでの間、前記フィルタのフィルタ定数を当該周波数に対応するものに設定する。
上記構成により、インピーダンスの検出精度が向上する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧が前記酸素濃度検出素子に印加されその印加が終了してから該酸素濃度検出素子から検出される電流値が収束するまでの間、前記所定周波数と異なる周波数の交流電圧への切換えを禁止する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧が前記酸素濃度検出素子に印加されてから該酸素濃度検出素子から検出される電流値が収束するまでの間、前記酸素濃度検出素子の出力値からの前記被検出ガスの空燃比の算出を禁止する。
より具体的に説明すると、例えば低周波数のインピーダンスを検出する際、印加電圧が振幅している間に酸素濃度検出素子の出力（限界電流）値から被検出ガス中の空燃比を算出すると空燃比を正確に算出することができないので、上記構成により、この間の空燃比の算出を禁止する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記空燃比算出手段は、前記複数の周波数の内、最も高い周波数に対する前記酸素濃度検出素子の交流インピーダンスに基づき前記空燃比を算出する。
【００１６】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記活性判定手段は、前記複数の周波数の内、最も高い周波数に対する前記酸素濃度検出素子の交流インピーダンスに基づき前記前記酸素濃度検出素子が活性状態であるか否かを判定する。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に１サイクル分印加する際、該交流電圧の第１半サイクルの途中で第２半サイクルに切換え該第２半サイクルの途中で該交流電圧の印加を解除し、前記第１半サイクル中に前記酸素濃度検出素子へ印加される電圧とその時に該酸素濃度検出素子を流れる電流とを測定して前記交流インピーダンスを算出する。
上記構成により、インピーダンスの検出精度が向上するとともに検出時間が短縮し、直流電圧印加時にセンサ電流から検出される空燃比の算出不能時間が短縮され、空燃比フィードバック制御不能時間が短縮される。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、所定周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に１サイクル分印加する際、該交流電圧の第１半サイクルの途中で第２半サイクルに切換え該第２半サイクルの途中で該交流電圧の印加を解除し、前記第１半サイクル中に前記酸素濃度検出素子を流れる電流を少なくとも２回測定して前記交流電圧の印加による前記酸素濃度検出素子の収束電流値を算出し、前記交流電圧と該収束電流値とから前記交流インピーダンスを算出する。
上記構成により、インピーダンスの検出精度が向上するとともに検出時間が短縮する。
【００１７】
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、低周波数の交流電圧を前記酸素濃度検出素子に１サイクル分印加した直後に前記低周波数より高周波数の交流電圧を１サイクル分印加する。
上記構成により、交流電圧パルス印加終了後のセンサ素子の容量成分における電荷の放電を短時間に終了させ、センサ素子を流れる電流を短時間に収束させ、空燃比算出不能時間を短縮できる。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記インピーダンス検出手段は、前記酸素濃度検出素子の雰囲気、例えば排気流速や空燃比が安定した状態のときにのみ、前記複数の周波数の内、低周波数のインピーダンスを検出する。
上記構成により、低周波数のインピーダンスを検出する頻度が少なくなるので、機関の空燃比フィードバック制御の制御不能時間も少なくなる。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、上記酸素濃度検出素子の雰囲気が安定した状態は、前記酸素濃度検出素子を用いて空燃比が制御される機関が暖機され排気の流速の変化が少ないときである。
上記構成により、低周波数のインピーダンスの検出精度が向上し、センサ素子の劣化や活性判定の信頼性が向上し、空燃比センサが活性状態に至るまでの低温時の空燃比の算出および空燃比センサ素子の目標温度の補正の精度が向上する。
【００１８】
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１つの周波数の交流電圧を印加し該周波数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前記交流インピーダンスに応じて前記被検出ガスの空燃比を算出する空燃比算出手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明はまた、上記空燃比センサの制御装置において、前記周波数は１〜１０ＫＨｚの周波数帯域の中から選択される。
上記構成により、１つの周波数、例えば１〜１０ＫＨｚから選択された周波数の交流電圧を印加して検出された交流インピーダンスから算出される空燃比は、酸素濃度検出素子の出力の温度依存性が補正されたものとなるので、空燃比の検出精度が向上する。また、上記構成により、酸素濃度検出素子が劣化したとき、酸素濃度検出素子のインピーダンスが新品時より大きい値で同素子は活性化されるので、活性化に要する時間が短くなり、空燃比フィードバック制御を早期に開始でき、機関始動時の排気エミッションが向上する。
【００１９】
【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。
【００２０】
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。
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。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（限界電流値）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素子抵抗値に応じてセンサ電流が変化する。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。この空燃比センサ素子のインピーダンス特性については図２２および図２３に示す通りである。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、このセンサ素子のインピーダンスの算出ルーチンについて以下に詳細に説明する。
図４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５〜図１０にセンサ素子のインピーダンス算出ルーチンの後半フローチャートを示す。より詳しくは、図５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６と図７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２（低）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４、図５および図８に示すルーチンは、所定の周期、例えば１ｍｓｅｃ毎に実行される。
【００２５】
先ず、ステップ４０１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４０２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４０２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４０３へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ４０４へ進む。ステップ４０４では空燃比センサに０．３Ｖの直流電圧を印加する。
【００２６】
ステップ４０３では、ステップ４０４で空燃比センサに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４０５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４０５では、空燃比センサの電流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。
【００２７】
ステップ４０６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４０７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４０８では、後述する空燃比センサの活性判定処理を実行する。
次に、図５〜図７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。先ず、ステップ５０１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５０２へ進み、その判別結果がＮＯのときはステップ８０１（図８参照）へ進む。ステップ５０２では、空燃比センサへの印加電圧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への印加電圧Ｖｍ１は０．１Ｖとなる。また、ステップ５０２では図６に示す第１タイマ割込が起動される。
【００２８】
ここで、図６の第１タイマ割込処理について説明する。ステップ６０１では、上記第１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６０２へ進み空燃比センサの出力電流Ｉｍ１を読込み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ６０１へ戻る。
ステップ６０３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６０４へ進み空燃比センサにＶｍ２＝０．５Ｖの電圧を印加し、その判別結果がＮＯのとき、ステップ６０１へ戻る。また、ステップ６０４では図７に示す第２タイマ割込が起動される。
【００２９】
ここで、図７の第２タイマ割込処理について説明する。ステップ７０１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７０２へ進み、空燃比センサに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７０１へ戻る。
【００３０】
再び、図５へ戻る。ステップ５０３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５０４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５０４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。
【００３１】
Ｚａｃ１  ＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉｍ１−Ｉｍｓ）
ステップ５０５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。
【００３２】
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５のフローチャートにおけるステップ５０１でＮＯと判定されたときステップ８０１が実行される。ステップ８０１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８０２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８０２では、空燃比センサへの印加電圧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への印加電圧Ｖｍ１は０．１Ｖとなる。また、ステップ８０２では第３タイマ割込が起動される。
【００３３】
ここで、図９の第３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９０２へ進み空燃比センサの出力電流Ｉｍ２を読込み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ９０１へ戻る。
ステップ９０３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９０４へ進み空燃比センサにＶｍ２＝０．５Ｖの電圧を印加し、その判別結果がＮＯのとき、ステップ９０１へ戻る。また、ステップ９０４では図１０に示す第４タイマ割込が起動される。
【００３４】
ここで、図１０の第４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１００２へ進み、空燃比センサに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。
【００３５】
再び、図８へ戻る。ステップ８０３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８０４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８０４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。
【００３６】
Ｚａｃ２  ＝ΔＶｍ／ΔＩｍ＝０．２／（Ｉｍ２−Ｉｍｓ）
ステップ８０５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。
【００３７】
次に、前述した図４のフローチャートにおけるステップ４０６による空燃比センサの劣化補正処理について以下に説明する。
図１１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。先ず、ステップ１１０１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１１０２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。
【００３８】
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１１０２では、第１インピーダンスＺａｃ１  と第２インピーダンスＺａｃ２  の差Ｚａｃ３  （＝Ｚａｃ２  −Ｚａｃ１  ）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。以下、このパラメータＺａｃ３  をセンサ素子特性パラメータと呼ぶことにする。
図１２の（Ａ）は空燃比センサの全素子抵抗Ｒｓ（＝Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）とＺａｃ３  （≒Ｒ３）との関係を示す図であり、図１２の（Ｂ）は空燃比センサの素子温度とＺａｃ３  との関係を示す図である。図１２の（Ａ）から判るように、新品と経時劣化品は、ともにＲｓとＺａｃ３  との間に略同一の相関関係を有する。これは空燃比センサの全素子抵抗Ｒｓの内、電極界面部の抵抗成分Ｒ３、すなわちＺａｃ３  の割合が多く、かつ電極界面部の抵抗成分がセンサ素子の特性を反映するからである。また図１２の（Ｂ）から判るように、新品と経時劣化品は、ともに素子温とＺａｃ３  との間に略同一の相関関係を有する。このことから、電極界面抵抗Ｒ３、すなわちＺａｃ３  から空燃比センサの素子温度を推定できることが判る。
【００３９】
前述した図４のフローチャートにおけるステップ４０７による空燃比センサの故障判定処理はステップ１１０３〜１１０９の実行により次のように達成される。ステップ１１０３では、センサ素子温制御目標値がセンサ素子の特性ばらつきを含めた下限値Ｚａｃｔｇｍａｘ  以下か否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのとき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１１０４に進み、その判定結果がＮＯのときはステップ１１０５に進む。ステップ１１０４では、Ｚａｃ３  から素子温制御目標値Ｚａｃｔｇの補正量Ｚａｃｔｇｇｋを図１３に示すマップから算出する。このマップは予めＲＯＭに格納される。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１１０６では素子温制御目標値Ｚａｃｔｇ（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（今回値）をセンサ素子インピーダンス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（今回値）となるようにセンサ素子温度の制御を行う。
【００４０】
図１３のマップが示すように、この素子温制御目標値Ｚａｃｔｇは、センサ素子の特性パラメータＺａｃ３  が所定値以下になると素子温が上昇したと判定し、Ｚａｃｔｇを増大させ、逆にＺａｃ３  が所定値以上になると素子温が低下したと判定し、Ｚａｃｔｇを減少させる。すなわち、Ｚａｃ３  が所定値となるように素子温制御目標値Ｚａｃｔｇをフィードバック制御する。したがって、センサが劣化した後の素子温も新品時と変わらない温度で制御される。その結果、センサ劣化後の素子温度上昇によるセンサ素子の劣化促進や短寿命化を防止することができる。
【００４１】
また、ステップ１１０７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。
次に、ステップ１１０８では、第１インピーダンスＺａｃ１  と空燃比センサの出力電流Ｉｍｓとの２次元マップ（図１４）から空燃比Ａ／Ｆを算出する。図１４のマップから、第１インピーダンスＺａｃ１  が小となる程、Ｉｍｓが負のときは理論空燃比からリッチ空燃比側へ向かい、Ｉｍｓが正のときはリーン空燃比側から理論空燃比へ向かうことが判る。また、Ｉｍｓが０のときは、第１インピーダンスＺａｃ１  に係わらず、理論空燃比１４．５を示すことが判る。
一方、ステップ１１０５では、図１２の（Ｂ）に示すように、センサ素子特性パラメータＺａｃ３  が空燃比センサの故障判定値ＫＦＺＡＣ以下（Ｚａｃ３  ≦ＫＦＺＡＣ）か否かを判別し、その判別結果がＹＥＳのときは空燃比センサは正常であると判断して本ルーチンを終了し、その判別結果がＮＯのときは空燃比センサは故障していると判断してステップ１１０９へ進み、ステップ１１０９では空燃比センサ故障フラグＸＦＡＦＳを立てる。なお、図１２の（Ｂ）に示す故障判定値ＫＦＺＡＣは、センサ素子の特性が変化し素子温が上昇し過ぎたことを判定する値に設定される。
次に、図１４に示すマップを用いる理由を以下に述べる。
【００４２】
前述したように、２つの周波数に対する素子インピーダンスの差Ｚａｃ３  （＝Ｚａｃ２  −Ｚａｃ１  ）から素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを算出し、素子のインピーダンスＺａｃをＺａｃｔｇとするようにセンサ素子の加熱制御が行われる。すると、素子劣化後は素子温制御目標値Ｚａｃｔｇは新品時の３０Ωより高く、例えば４０Ω、５０Ωと設定され、劣化後の素子インピーダンスＺａｃも４０Ω、５０Ωで安定する。このとき、空燃比センサが新品時の素子インピーダンスが３０Ωのときの素子電流に対するマップから空燃比Ａ／Ｆを算出したのでは、空燃比を正確に求めることはできない。それゆえ、本発明は図１４に示すようなマップを設け、劣化後の素子インピーダンスＺａｃ、すなわち４０Ω、５０Ωに応じて空燃比を精度よく算出するのである。
【００４３】
また、本発明の他の実施形態として、２つの周波数を用いずに素子インピーダンスを正確に検出することのできる１つの高い周波数、例えば１〜１０ＫＨｚから選択された周波数のみを素子に印加して素子インピーダンスＺａｃ１  を算出し、Ｚａｃ１  に応じて図１４に示すマップから空燃比を算出してもよい。これにより、素子が劣化により新品時より高いインピーダンスで活性したと見なされるとき、図１４のマップからこの高くなったインピーダンスに応じて空燃比を算出できる。すなわち、新品時に空燃比センサが活性状態に至ったとみなした低いインピーダンスになるのを待たずに新品時より高いインピーダンスで活性化され活性化に要する時間が短かくなる。その結果、空燃比制御を早期に開始でき、機関始動時の排気エミッションが向上する。
【００４４】
次に、前述した図４のフローチャートにおけるステップ４０８による空燃比センサの活性判定処理について以下に説明する。
図１５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１５０１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１５０２へ進む。ステップ１５０２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１５０３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１５０４で警告ランプ（図示せず）を点灯する。一方、ステップ１５０１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。
【００４５】
図１６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１６０１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１６０２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１６０３へ進む。
ステップ１６０２では、空燃比活性フラグＸＡＦＳＡＣＴをオフにする。ステップ１６０３では、劣化補正後の素子温制御目標値Ｚａｃｔｇから活性判定値Ｚａｃａｃｔ  を図１７に示すマップから算出する。図１７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素子の活性判定をすべく活性判定値Ｚａｃａｃｔ  は素子温制御目標値Ｚａｃｔｇより多少大きく設定される。
【００４６】
ステップ１６０４では、第１インピーダンスＺａｃ１  がＺａｃａｃｔ  より小さいか否かを判定し、その判定結果がＹＥＳのときは空燃比センサは活性状態であると見なしステップ１６０５へ進み、その判定結果がＮＯのときは空燃比センサは非活性状態であると見なしステップ１６０２へ進む。ステップ１６０５では、空燃比活性フラグＸＡＦＳＡＣＴをオンにする。
【００４７】
上述したように、上記活性判定は、２つの周波数に対する素子インピーダンスの差Ｚａｃ３  （＝Ｚａｃ２  −Ｚａｃ１  ）から素子温制御目標値Ｚａｃｔｇを算出し、Ｚａｃｔｇから活性判定値Ｚａｃａｃｔ  を算出し、これを第１インピーダンスＺａｃ１  、すなわち高周波数の素子インピーダンスＺａｃ１  と比較して判定を行っている。
図１８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、高周波数に対する空燃比センサ１のインピーダンス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。先ず、ステップ１８０１では、比例項ＫＰを次式から算出する。
【００４８】
ＫＰ＝Ｚａｃｅｒｒ  ×Ｋ１  （Ｋ１  ：定数）
ステップ１８０２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１８０３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１８０４では、ＰＩＤゲインＫＰＩＤを次式から算出する。
【００４９】
ＫＰＩＤ＝ＫＰ＋ＫＩ＋ＫＤ
ステップ１８０５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１８０６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。
【００５０】
また、図１８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、高周波数に対する空燃比インピーダンス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１８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、２つの周波数に対する素子インピーダンスの差Ｚａｃ３  （＝Ｚａｃ２  −Ｚａｃ１  ）から算出される。
【００５１】
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２１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。
【００５２】
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。
【００５３】
次に、第１（高周波数）と第２（低周波数）でＬＰＦのフィルタ定数を切換える本発明の他の実施形態について以下に詳細に説明する。
図２４は図１に示す本発明による空燃比センサ制御装置の他の実施形態のブロック構成図である。図２４に示す空燃比センサ制御装置は、図１に示す空燃比センサ制御装置と比して、図１のＬＰＦ７に代えてフィルタ定数を切換えることのできるＬＰＦ１７を設けた点と、そのフィルタ定数の切換えに応じてセンサ素子２の電圧、電流からインピーダンスを高精度に検出するための以下に記す処理を実行するマイクロコンピュータ１１を設けた点とが主に異なる。また、図１の空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）１０はセンサ回路３用やヒータ制御回路６用のＤ／Ａ変換器とＡ／Ｄ変換器を内部に設けたものとして示されているが、図２４の空燃比制御ユニット（Ａ／ＦＣＵ）２０において図１のＡ／ＦＣＵ１０を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に分けて示してある。
【００５４】
図２５は図２４における空燃比制御ユニット２０の説明図である。以下、図２４と図２５を相互に参照しつつ説明する。空燃比制御ユニット２０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。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。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ＬＰＦ１７へはＬＰＦ１７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。
【００５５】
図２６は図２４におけるＬＰＦ１７の説明図である。Ａ／ＦＣＵ２０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。ＬＰＦ１７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。ＬＰＦ１７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ＬＰＦ１７のフィルタ定数が第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小となるように切換えられる。
【００５６】
図２７は図２４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、ＬＰＦ１７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ＬＰＦ１７の出力電圧Ｖｃ  （０．３±０．２（Ｖ））を供給する。ＬＰＦ１７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０．３Ｖ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。
次に、図２４に示す本発明の第２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。
【００５７】
図２８は本発明の第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り、図２９〜図３４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２９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周波数重畳処理のフローチャートであり、図３０と図３１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３２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周波数重畳処理のフローチャートであり、図３３と図３４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２８、図２９および図３２に示すルーチンは、所定の周期、例えば１００μｓｅｃ  毎に実行される。
【００５８】
図３５は本発明の第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ＬＰＦ１７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３５のタイムチャートに示す本発明の第２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２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。
【００５９】
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２８〜図３４を用いて以下に詳細に説明する。
【００６０】
図２８に示すフローチャートは、図４に示すフローチャートと比して、図４のステップ４０１、４０２、４０３、４０４および４０５〜４０８は、それぞれ図２８のステップ２８０１、２８０２、２８０６、２８０４および２８０７〜２８１０に実質的に対応し同一処理が実行されるので説明を省略し、図４のフローチャートに追加されたステップ２８０３および２８０５についてのみ以下に説明する。
ステップ２８０３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２８０５に進み、その判別結果がＮＯのときはステップ２８０６に進む。ステップ２８０５ではマイクロコンピュータ１１からＬＰＦ１７にフィルタ定数を増大する切換え信号を出力する。
【００６１】
図２９、図３０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２９０５）から正側（ステップ３００７）に、Ａ／Ｆがストイキまたはリッチのときは正側（ステップ２９０４）から負側（ステップ３００６）に印加している。次に、図２９、図３０のフローチャートを個々に説明する。
【００６２】
図２９に示すフローチャートは、図５に示すフローチャートと比して、図５のステップ５０１および５０３〜５０５は、それぞれ図２９のステップ２９０１および２９０６〜２９０８に実質的に対応し同一処理が実行されるので説明を省略し、図５のフローチャートに追加したステップ２９０２〜２９０４および変更したステップ２９０５についてのみ以下に説明する。
ステップ２９０２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２９０３に進み、ステップ２９０３でリーン判定フラグＬＦＬＧを１にセットし、ステップ２９０５に進む。ステップ２９０２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２９０４に進み、ステップ２９０４で空燃比センサ１にＶｍ１’  ＝０．５Ｖを印加する。ステップ２９０５では、空燃比センサ１にＶｍ１＝０．１Ｖを印加する。
【００６３】
図３０に示すフローチャートは、図６に示すフローチャートと比して、図６のステップ６０１〜６０３および６０４は、それぞれ図３０のステップ３００１〜３００３および３００７に実質的に対応し同一処理が実行されるので説明を省略し、図６のフローチャートに追加したステップ３００４〜３００６についてのみ以下に説明する。
ステップ３００４では、図２９のステップ２９０３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３００５に進み、ステップ３００５でリーン判定フラグＬＦＬＧを０にリセットし、ステップ３００７に進む。ステップ３００４でＬＦＬＧ＝０と判別されたときはステップ３００６に進み、ステップ３００６で空燃比センサ１にＶｍ２’  ＝０．１Ｖを印加する。ステップ３００７では、空燃比センサ１にＶｍ２＝０．５Ｖを印加する。
【００６４】
図３１に示すフローチャートは、図７に示すフローチャートと略同一であり、図７のステップ７０１および７０２は、それぞれ図３１のステップ３１０１および３１０２に対応し同一処理が実行されるので説明を省略する。
図３２、図３３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３２０５）から正側（ステップ３３０７）に、Ａ／Ｆがストイキまたはリッチのときは正側（ステップ３２０４）から負側（ステップ３３０６）に印加している。次に、図３２、図３３のフローチャートを個々に説明する。
【００６５】
図３２に示すフローチャートは、図８に示すフローチャートと比して、図８のステップ８０１、８０２、８０４および８０５は、それぞれ図３２のステップ３２０１、３２０５、３２０８および３２０９に実質的に対応し同一処理が実行されるので説明を省略し、図８のフローチャートに追加されたステップ３２０２〜３２０４、３２０６および３２０７についてのみ以下に説明する。
ステップ３２０２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３２０３に進み、ステップ３２０３でリーン判定フラグＬＦＬＧを１にセットし、ステップ３２０５に進む。ステップ３２０２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３２０４に進み、ステップ３２０４で空燃比センサ１にＶｍ１’  ＝０．５Ｖを印加する。ステップ３２０５では、空燃比センサ１にＶｍ１＝０．１Ｖを印加する。
ステップ３２０６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３２０７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。図３５に示す３ｍｓｅｃは低周波パルス周期の２ｍｓｅｃにパルス収束時間１ｍｓｅｃを加算した時間を示し、空燃比センサの電流Ｉｍｓの読取り周期、４ｍｓｅｃより短かい。
ステップ３２０７では、マイクロコンピュータ１１により図２８のステップ２８０５で切換えたＬＰＦ切換え信号をオフにし、ＬＰＦ１７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。
【００６６】
図３３に示すフローチャートは、図９に示すフローチャートと比して、図９のステップ９０１〜９０３および９０４は、それぞれ図３３のステップ３３０１〜３３０３および３３０７に実質的に対応し同一処理が実行されるので説明を省略し、図９のフローチャートに追加したステップ３３０４〜３３０６についてのみ以下に説明する。
ステップ３３０４では、図３２のステップ３２０３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３３０５に進み、ステップ３３０５でリーン判定フラグＬＦＬＧを０にリセットし、ステップ３３０７に進む。ステップ３３０４でＬＦＬＧ＝０と判別されたときはステップ３３０６に進み、ステップ３３０６で空燃比センサ１にＶｍ２’  ＝０．１Ｖを印加する。ステップ３３０７では、空燃比センサ１にＶｍ２＝０．５Ｖを印加する。
【００６７】
図３４に示すフローチャートは、図１０に示すフローチャートと略同一であり、図１０のステップ１００１および１００２は、それぞれ図３４のステップ３４０１および３４０２に対応し同一処理が実行されるので説明を省略する。
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。
【００６８】
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２８のステップ２８０７によるセンサ素子２の限界電流Ｉｍｓの読込みをステップ２８０６が示すように４ｍｓ毎に行っていることから判る。しかるに、低周波インピーダンスの測定は直流に近い低周波パルスを印加する程安定した出力が得られることが実験的に確かめられている。それゆえ、上述の実施形態で使用した低周波パルスの周波数５００Ｈｚを、例えば２５Ｈｚに変更することが望ましい。しかしながら、この場合周期２０ｍｓの他に収束時間もセンサ素子２の電極界面の静電容量により例えば８ｍｓと長くなり合計２８ｍｓの間は空燃比センサの出力は低周波インピーダンス検出のために使用され、したがってこの間を空燃比検出不能時間としなければならない。この間の空燃比は低周波パルスを印加したときに検出した値を保持して空燃比制御に用いているので不正確となり機関の排気エミッションが悪化する恐れがある。
【００６９】
そこで、この問題を解決する、すなわち直流に近い例えば２５Ｈｚの低周波パルスをセンサ素子２に印加してセンサ素子２の低周波インピーダンスを検出するとともに、センサ素子２の低周波インピーダンスの検出時間を短縮する処理、換言すれば空燃比制御における空燃比センサの空燃比検出不能時間を短縮する処理に係る本発明の他の実施形態ついて図３６〜図３８および図３９〜図４０を用いて以下に説明する。
【００７０】
図３６は１点検出法による低周波インピーダンス測定時のセンサ素子の出力を示す図であり、（Ａ）はセンサ素子の印加電圧を示す図であり、（Ｂ）はセンサ素子の電流を示す図である。図３６に示すように、時刻ｔ１に２５Ｈｚの正側の低周波パルスをＬＰＦ１７を介してセンサ素子２に印加した後１ｍｓ経過後の時刻ｔ２にセンサ素子２の電流を検出する。時刻ｔ１から１．５ｍｓ経過後の時刻ｔ３に負側の低周波パルスをＬＰＦ１７を介してセンサ素子２に印加し、時刻ｔ１から３ｍｓ経過後の時刻ｔ４にＬＰＦ１７への負側の低周波パルスの印加を解除する。センサ素子２への印加電圧は時刻ｔ４以降１ｍｓ程度で収束する。
【００７１】
ところで、時刻ｔ１に２５Ｈｚの正側の低周波パルスをＬＰＦ１７を介してセンサ素子２に印加した後時刻ｔ３に負側の低周波パルスを印加しなかった場合、センサ素子２の印加電圧は、時刻ｔ１から２０ｍｓ経過した時刻ｔ１０に正側の低周波パルス幅、すなわち時刻ｔ１時の印加電圧０．３Ｖに増分ΔＶ（０．２Ｖ）を加算した０．５Ｖに収束する。低周波インピーダンスＺａｃ２  は、図３２のステップ３２０８で時刻ｔ２に測定したセンサ素子２の電流値と印加電圧値とに基づき算出される。この１点検出法によれば、低周波印加パルスの時定数は大であるが時刻ｔ４までに低周波パルスの印加を解除することによりセンサ素子２の低周波インピーダンスの検出時間を短縮することができる。しかしながら、センサ素子２の電流値は低周波印加パルスが収束する時刻ｔ１０より相当前の時刻ｔ２に検出され不安定となり低周波インピーダンスの検出精度が不十分となる。この問題を解決するため、低周波印加パルスの収束時のセンサ素子２の電流値を算出する方法が好ましいことが判った。この２点検出法について以下に説明する。
【００７２】
図３７は２点検出法による低周波インピーダンス測定時のセンサ素子の出力を示す図であり、（Ａ）はセンサ素子の印加電圧を示す図であり、（Ｂ）はセンサ素子の電流を示す図である。図３８は図３７の（Ｂ）の拡大図である。図３７、図３８に示すように、時刻ｔ１より以前では４ｍｓ毎に、例えば時刻ｔ０にセンサ素子２の電流ＡＦＩ１を検出し、時刻ｔ１に２５Ｈｚの正側の低周波パルスをＬＰＦ１７を介してセンサ素子２に印加した後１ｍｓおよび２ｍｓ経過後の時刻ｔ２、ｔ３にセンサ素子２の電流ＡＦＩ２、ＡＦＩ３をそれぞれ検出する。時刻ｔ１から２．５ｍｓ経過後の時刻ｔ４に負側の低周波パルスをＬＰＦ１７を介してセンサ素子２に印加し、時刻ｔ１から５ｍｓ経過後の時刻ｔ５にＬＰＦ１７への負側の低周波パルスを解除する。センサ素子２への印加電圧は時刻ｔ５以降１ｍｓ程度で収束する。
【００７３】
ところで、時刻ｔ１に２５Ｈｚの正側の低周波パルスをＬＰＦ１７を介してセンサ素子２に印加した後時刻ｔ４に負側の低周波パルスを印加しなかった場合、センサ素子２の印加電圧は、時刻ｔ１から２０ｍｓ経過した時刻ｔ１０に正側の低周波パルス幅、すなわち時刻ｔ１時の印加電圧０．３Ｖに増分ΔＶ（０．２Ｖ）を加算した０．５Ｖに収束する。この２点検出法もまた、低周波印加パルスの時定数は大であるが時刻ｔ５までに低周波パルスの印加を解除することによりセンサ素子２の低周波インピーダンスの検出時間を短縮することができる。そして、低周波印加パルスが収束する時刻ｔ１０より相当前の時刻ｔ０、ｔ２、ｔ３に検出したセンサ素子２の電流値ＡＦＩ１、ＡＦＩ２、ＡＦＩ３を用いて、時刻ｔ１０に収束するセンサ素子２の電流値ＡＦＩＳを次のように算出する。センサ素子２に低周波パルスを印加した後のセンサ素子２に流れる電流は次式で表される。
ｉ  ＝  Ｉ０    ＋  （ＩＳ  −  Ｉ０  ）ｅ（−ｔ／Ｔ）
ここで、ｉは低周波パルス印加後の素子電流値、Ｉ０  は低周波パルス印加前の初期電流値、ＩＳ  は収束電流値、ｔは低周波パルス印加後の経過時間およびＴはＬＰＦの時定数ＣＲをそれぞれ示す。上式にセンサ素子２の電流値ＡＦＩ１、ＡＦＩ２、ＡＦＩ３を代入すると下記の連立方程式が得られる。
ＡＦＩ２  ＝ＡＦＩ１  ＋（ＩＳ  −  ＡＦＩ１）ｅ（−ｔ１／Ｔ）  
ＡＦＩ３  ＝ＡＦＩ１  ＋（ＩＳ  −  ＡＦＩ１）ｅ（−ｔ２／Ｔ）  
上記連立方程式を解くことにより収束電流値ＩＳ  を求めることができる。低周波インピーダンスＺａｃ２  は、図３２のステップ３２０８で上記のように算出したセンサ素子２の電流値ＩＳ  と印加電圧の増分ΔＶとに基づき算出される。この２点検出法によれば低周波インピーダンスの検出精度が向上する。
次に、低周波パルス印加後におけるセンサ素子電流の収束時間ｔＬＰを短縮する処理について図３９、４０および図４１〜図４４を用いて以下に説明する。
【００７４】
図３９は低周波パルス印加時のセンサ電流波形を示す図であり、図４０は低周波パルス印加直後に高周波パルスを印加したときのセンサ電流波形を示す図である。図３９と図４０とを比較すると、図４０に示す低周波パルス印加直後に高周波パルスを印加したときの低周波パルスの印加後に高周波パルスの印加に切換えてからセンサ素子２の電流が収束するまでの時間ｔＨＰの方が図３９に示す低周波パルスの印加を解除してからセンサ素子２の電流が収束するまでの時間ｔＬＰより短いことが判る。すなわち、第２（低）周波数重畳処理を遂行した直後に第１（高）周波数重畳処理を再度遂行することにより低周波パルス印加後におけるセンサ素子電流の収束時間ｔＬＰを短縮できることが判る。次に、この処理について以下に説明する。
【００７５】
図４１は第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度遂行するために必要な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４１に示すフローチャートは、図３２に示すフローチャートにおけるステップ３２０７を削除したものである。図４１のステップ４１０１〜４１０６および４１０７、４１０８は図３２のステップ３２０１〜３２０６および３２０８、３２０９にそれぞれ対応し同一処理が実行されるので説明を省略する。
【００７６】
図４２は第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度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４２に示すフローチャートは、図３３に示すフローチャートにおけるステップ３２０５を削除したものである。図４２のステップ４２０１〜４２０４および４２０５、４２０６は図３３のステップ３３０１〜３３０４および３３０７、３３０６にそれぞれ対応し同一処理が実行されるので説明を省略する。
図４３は第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度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４３のステップ４３０１および４３０２は図３４のステップ３４０１および３４０２にそれぞれ対応し同一処理が実行されるので説明を省略する。
【００７７】
図４４は第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度遂行するために必要な第５割込処理ルーチンのフローチャートである。先ず、ステップ４４０１では、上記第４タイマ割込の起動後２ｍｓｅｃ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４４０２へ進み、その判別結果がＮＯのとき、ステップ４４０１へ戻る。
ステップ４４０２では、図４１のステップ４１０３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４４０３に進み、ステップ４４０３で空燃比センサ１にＶｍ１＝０．１Ｖを印加する。ステップ４４０２でＬＦＬＧ＝０と判別されたときはステップ４４０４に進み、ステップ４４０４で空燃比センサ１にＶｍ１’  ＝０．５Ｖを印加する。
次に、ステップ４４０５ではリーン判定フラグＬＦＬＧを０にリセットし、ステップ４４０６ではＬＰＦ切換信号をオフにし、ステップ４４０７に進む。ステップ４４０７では、上記第４タイマ割込の起動後３ｍｓｅｃ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４４０８に進み、ステップ４４０８で空燃比センサにＶｍ２＝０．５Ｖの電圧を印加する。ステップ４４０７の判別結果がＮＯのとき、ステップ４４０９へ進み、ステップ４４０９で空燃比センサにＶｍ２’  ＝０．１Ｖの電圧を印加し、ステップ４４１０へ進む。ステップ４４１０では、空燃比センサにＶｍ＝０．３Ｖの電圧を印加して通常の空燃比検出状態に戻す。
【００７８】
次に図４５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４５０１でＹＥＳの）ときは、ステップ４５０２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４５０１でＮＯかつステップ４５０３でＹＥＳの）ときはステップ４５０４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４５０１に示すフラグＸＩＭＰＡＦ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４５０１でＮＯかつステップ４５０３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４５０５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４５０２および４５０４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４５０６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。
【００７９】
次に、低周波インピーダンスの算出処理に係る空燃比制御不能時間を極力少なくしかつＣＰＵの負担を軽減するために低周波インピーダンスの算出をアイドリング時のような所定の条件下に限定するための第３実施形態のインピーダンス算出ルーチンについいて図４６、図４７を用いて以下に説明する。
【００８０】
図４６は本発明の第３実施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４６のステップ番号は図２８におけるステップ番号の上２桁の２８を４６に置き換えたものであり、図４６のステップ４６０３Ａのみ図２８のステップ２８０３と２８０５の間に挿入したものである。ステップ４６０３Ａは低周波インピーダンスの算出を実行するか否かを判定するステップであり、センサ素子２の劣化補正条件が成立したか否かによってその判定を行う。劣化補正条件は、機関が暖機かつ排気流速の変化が小さくなるような下記の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４６０５へ進み、その判定結果がＮＯのときはステップ４６０６へ進む。
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４６１０に続く第１（高）周波数インピーダンス算出ルーチンは図２９〜図３１にしたがって実行される。
【００８１】
図４７が本発明の第３実施形態に係る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る。図４７のステップ番号は図３２におけるステップ番号の上２桁の３２を４７に置き換えたものであり、図４７のステップ４７００のみ図３２のステップ３２０１と図２９のステップ２９０１の判定結果ＮＯの間に挿入したものである。ステップ４７００は低周波インピーダンスの算出を実行するか否かを判定するステップであり、図４６に示すステップ４６０３Ａと同様にセンサ素子２の劣化補正条件が成立したか否かによってその判定を行う。ステップ４７００では、上記劣化補正条件が全て満たされ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４７０１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。
【００８２】
【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インピーダンスを正確に検出し、検出したインピーダンスに基づき、空燃比センサ素子の特性変化を示すパラメータを求めることにより、このパラメータにしたがって、空燃比センサの故障や活性状態の判定、空燃比センサの出力値からの空燃比の算出および空燃比センサ素子の目標温度の補正を行う空燃比センサの制御装置を提供することができる。
また、上記パラメータにしたがって、空燃比センサの経年変化に応じた空燃比センサの出力値の補正ができ空燃比フィードバック制御の精度を向上でき機関の排気エミッションの悪化を防止できる。さらに、上記パラメータにしたがって、空燃比センサの経年変化に応じて空燃比センサの素子温制御目標値を可変するので、過昇温によるヒータの断線や空燃比センサ素子の短寿命化を防止できる。
【００８３】
また、本発明の空燃比センサの制御装置によれば、空燃比センサ素子に印加する交流電圧の周波数およびその交流電圧の収束時間に応じてフィルタ定数およびその定数の設定期間を変更するので、空燃比センサ素子のインピーダンスの検出精度を向上できる。
【００８４】
また、本発明の空燃比センサの制御装置によれば、空燃比センサ素子に印加する交流電圧の印加時間を短縮するので、空燃比センサ素子のインピーダンスの検出時間を短縮でき、直流電圧印加時に空燃比センサの電流から検出される空燃比の算出不能時間を短縮でき、空燃比フィードバック制御不能時間を短縮できる。
【００８５】
また、本発明の空燃比センサの制御装置によれば、インピーダンス検出手段が空燃比センサ素子の雰囲気状態が安定したときにのみ低周波数のインピーダンスを検出するので、低周波数のインピーダンスを検出する頻度が少なくなり、機関の空燃比フィードバック制御の制御不能時間を短縮することができる。
また、本発明の空燃比センサの制御装置によれば、インピーダンス検出手段により低周波数のインピーダンスを検出するとき、空燃比センサ素子の雰囲気状態の安定を機関が暖機され排気の流速の変化が少ないときとしているので、低周波数のインピーダンスの検出精度が向上し、センサ素子の劣化や活性判定の信頼性を向上でき、空燃比センサが活性状態に至るまでの低温時に算出される空燃比の精度や空燃比センサ素子の目標温度の補正精度を向上できる。
【００８６】
本発明はまた、空燃比センサ素子に１つの周波数の交流電圧を印加し該周波数対する空燃比センサ素子の交流インピーダンスを検出し、検出した交流インピーダンスに応じて被検出ガスの空燃比をマップから算出するので、算出された空燃比は空燃比センサ素子の出力の温度依頼性が補正されたものとなり、空燃比の検出精度が向上する。また、空燃比センサ素子が劣化したとき、同素子のインピーダンスが新品時より大きい値で活性化されるので、活性化に要する時間が短かくなり、空燃比制御が早期に開始でき、機関始動時のエミッションも良好になる。
【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】本発明の第１実施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５】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６】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７】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２周波数重畳処理のフローチャートである。
【図９】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１０】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１１】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１２】（Ａ）は空燃比センサの全素子抵抗ＲｓとＺａｃ３  との関係を示す図であり、（Ｂ）は空燃比センサの素子温度とＺａｃ３  との関係を示す図である。
【図１３】空燃比センサの素子温制御目標値ＺａｃｔｇとＺａｃ３  との関係を示すマップである。
【図１４】第１インピーダンスＺａｃ１  とセンサの電流Ｉｍｓとの２次元マップである。
【図１５】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１６】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１７】素子温制御目標値Ｚａｃｔｇと活性判定値Ｚａｃａｃｔ  との関係を示すマップである。
【図１８】ヒータ制御ルーチンのフローチャートである。
【図１９】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２０】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２１】空燃比センサ素子の等価回路を示す図である。
【図２２】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２３】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２４】図１に示す本発明による空燃比センサ制御装置の他の実施形態のブロック構成図である。
【図２５】図２４における空燃比制御ユニット２０の説明図である。
【図２６】図２４におけるＬＰＦ１７の説明図である。
【図２７】図２４における空燃比センサ回路３の説明図である。
【図２８】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２９】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３０】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３１】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３２】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３３】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３４】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３５】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を説明するタイムチャートである。
【図３６】１点検出法による低周波インピーダンス測定時のセンサ素子の出力を示す図であり、（Ａ）はセンサ素子の印加電圧を示す図であり、（Ｂ）はセンサ素子の電流を示す図である。
【図３７】２点検出法による低周波インピーダンス測定時のセンサ素子の出力を示す図であり、（Ａ）はセンサ素子の印加電圧を示す図であり、（Ｂ）はセンサ素子の電流を示す図である。
【図３８】図３７の（Ｂ）の拡大図である。
【図３９】低周波パルス印加時のセンサ電流波形を示す図である。
【図４０】低周波パルス印加直後に高周波パルスを印加したときのセンサ電流波形を示す図である。
【図４１】第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度遂行するために必要な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４２】第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度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４３】第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度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４４】第２周波数重畳処理を遂行した直後に第１周波数重畳処理を再度遂行するために必要な第５割込処理ルーチンのフローチャートである。
【図４５】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４６】本発明の第３実施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４７】本発明の第３実施形態に係る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。
【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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