(57)【要約】      （修正有）【課題】排ガスの硫黄酸化物濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出、を精度良く行うことができるガス検出装置を提供する。【解決手段】ガス検出装置は、電気化学セルの第１電極と第２電極との間に印加する電圧を制御すると共に第１電極と第２電極との間に流れる出力電流を取得し、出力電流に基づいて内燃機関の排ガスの硫黄酸化物濃度が所定値よりも高いか否かを判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出を行う。ガス検出装置の電圧制御部は、硫黄酸化物濃度の判定又は検出に際して印加電圧を第１電圧から第２電圧まで徐々に増加させる昇圧処理、及び、印加電圧を第３電圧まで徐々に減少させる降圧処理を行う。電圧制御部は、水の電気分解によって出力電流が急激に上昇する電圧よりも低い電圧を第２電圧として採用するように構成されている。【選択図】図２
2018096842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物イオン伝導性を有し、第１表面が拡散抵抗体を経由して導入される内燃機関の排ガスに曝され、前記第１表面とは異なる第２表面が大気に曝される固体電解質体、前記固体電解質体の前記第１表面に配設された第１電極、及び、前記固体電解質体の前記第２表面に配設された第２電極を含む電気化学セルと、
前記第２電極の電位が前記第１電極の電位よりも高いときに正の値となる印加電圧を前記第２電極と前記第１電極との間に印加する電圧印加部と、
前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流である出力電流を検出する電流検出部と、
前記排ガスに含まれる硫黄酸化物の還元分解が発生する電圧である特定電圧よりも低い所定の第１電圧から前記特定電圧よりも高い所定の第２電圧まで前記印加電圧を徐々に増加させる昇圧処理を行い、前記昇圧処理の完了後、前記特定電圧よりも低い所定の第３電圧まで前記印加電圧を徐々に減少させる降圧処理を行う電圧制御部と、
前記硫黄酸化物の還元分解によって発生した硫黄が前記降圧処理の実行中に前記第１電極において硫黄酸化物に戻ることによって生じる前記出力電流の変化の程度に相関を有する特定パラメータに基づいて、前記排ガスの硫黄酸化物濃度が所定値よりも高いか否かの判定、又は、前記排ガスの硫黄酸化物濃度の検出を行う測定部と、
を備えるガス検出装置において、
前記電圧制御部は、
前記印加電圧を徐々に増加させたときに前記排ガスに含まれる水の還元分解によって前記出力電流の急激な上昇が発生する電圧よりも低い電圧を前記第２電圧として採用するように構成されたガス検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス検出装置であって、
前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を取得する空燃比取得部を備え、
前記電圧制御部は、
前記空燃比取得部によって取得された前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比が大きくなるほど前記第２電圧を高くするように構成されたガス検出装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置であって、
前記電気化学セルの温度を取得する温度取得部を備え、
前記電圧制御部は、
前記温度取得部によって取得された前記電気化学セルの温度が高くなるほど前記第２電圧を低くするように構成されたガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関が排出する排ガス（被検ガス）の硫黄酸化物濃度が所定値よりも高いか否かの判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出、を行うガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関を制御するため、排気中に含まれる酸素（Ｏ２）の濃度に基づいて燃焼室内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を取得する空燃比センサ（以下、「Ａ／Ｆセンサ」とも称呼される。）が広く使用されている。このような空燃比センサの一つに限界電流式ガスセンサがある。
【０００３】
更に、限界電流式ガスセンサを応用した、被検ガス中の硫黄酸化物（以下、「ＳＯｘ」とも称呼される。）の濃度を検出するＳＯｘ濃度検出装置（以下、「従来装置」とも称呼される。）が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
従来装置は、酸素イオン伝導性固体電解質の酸素ポンピング作用を利用したポンプセル（電気化学セル）を含んでいる。従来装置は、ポンプセルに対して電圧を印加して被検ガス中のガス成分（酸素又は酸素含有成分（例えばＳＯｘ及びＨ２Ｏ等））を分解することによって酸化物イオン（Ｏ２−）を発生させる。更に、従来装置は、各ガス成分の分解によって生じた酸化物イオンがポンプセルの電極間を移動すること（酸素ポンピング作用）によって当該電極間を流れる電流（以下、「出力電流」とも称呼される。）の特性を検出するようになっている。
【０００５】
より具体的に述べると、従来装置は、ＳＯｘ濃度を検出する際、ポンプセルの印加電圧を０．４Ｖから０．８Ｖまで徐々に昇圧する昇圧処理を実行し、その後、印加電圧を０．８Ｖから０．４Ｖまで徐々に降圧する降圧処理を実行する。更に、従来装置は、印可電圧が０．８Ｖに達した時点の出力電流である「参照電流」と、印加電圧が０．８Ｖから０．４Ｖまで低下させられた期間の出力電流の最小値である「ピーク値」と、の差を用いてＳＯｘ濃度を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１７９３１号公報
【発明の概要】
【０００７】
ところで、上記ピーク値の発現（即ち、出力電流の一時的な低下）は、ポンプセルの電極の一方（陰極）に吸着（堆積）していた硫黄（Ｓ）が再酸化によってＳＯｘに変化するときに発生する酸化物イオンの電極間の移動に起因している。陰極における硫黄の吸着は、印加電圧がＳＯｘの分解開始電圧よりも高いときに発生するＳＯｘの還元分解に伴って発生する。
【０００８】
ＳＯｘ濃度を精度良く検出するためには、排ガスのＳＯｘ濃度が高いほどピーク値が小さくなることが望ましい。そのため、印加電圧をＳＯｘの分解開始電圧よりも高い範囲にてなるべく高い電圧まで上昇させ、ＳＯｘ濃度に応じた充分な量のＳＯｘを還元分解させることにより、硫黄を陰極に吸着させておく必要がある。
【０００９】
しかしながら、印加電圧が水の分解開始電圧よりも高くなると、ＳＯｘに加えて排ガス中の水が還元分解される。更に、排ガスの水濃度はＳＯｘ濃度と比較して非常に高い。そのため、印加電圧が水の分解開始電圧よりも高くなると、大量の水の還元分解によって出力電流が急激に増加する。その後、印加電圧が水の分解開始電圧よりも低くなると、出力電流が大幅に減少する。この出力電流が大幅に減少する現象は、印加電圧が水の分解開始電圧よりも高い電圧から水の分解開始電圧よりも低い電圧へ変化したときにポンプセルの電極間を移動する酸化物イオンの量が急激に減少するために発生すると推定される。この出力電流の大幅な減少によって「陰極に吸着していた硫黄が再酸化するときに発生する出力電流の変化」が影響を受け、その結果、ピーク値が変化してＳＯｘ濃度の検出精度が低下する虞がある。
【００１０】
本発明は上述した課題に対応するためになされた。即ち、本発明の目的の一つは、排ガスの硫黄酸化物濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出、を排ガス中の水の影響を少しでも排除することにより精度良く行うことができるガス検出装置を提供することである。
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係るガス検出装置（以下、「本発明装置」とも称呼される。）は、電気化学セル、電圧印加部、電流検出部、電圧制御部、及び、測定部を備える。
【００１２】
前記電気化学セルは、
酸化物イオン伝導性を有し、第１表面が拡散抵抗体を経由して導入される内燃機関の排ガスに曝され、前記第１表面とは異なる第２表面が大気に曝される固体電解質体、
前記固体電解質体の前記第１表面に配設された第１電極、及び、
前記固体電解質体の前記第２表面に配設された第２電極を含む。
【００１３】
前記電圧印加部は、
前記第２電極の電位が前記第１電極の電位よりも高いときに正の値となる印加電圧を前記第２電極と前記第１電極との間に印加する。
【００１４】
前記電流検出部は、
前記第１電極と前記第２電極との間に流れる電流である出力電流を検出する。
【００１５】
前記電圧制御部は、
前記排ガスに含まれる硫黄酸化物の還元分解が発生する電圧である特定電圧よりも低い所定の第１電圧から前記特定電圧よりも高い所定の第２電圧まで前記印加電圧を徐々に増加させる昇圧処理を行い、
前記昇圧処理の完了後、前記特定電圧よりも低い所定の第３電圧まで前記印加電圧を徐々に減少させる降圧処理を行う。
【００１６】
前記測定部は、
前記硫黄酸化物の還元分解によって発生した硫黄が前記降圧処理の実行中に前記第１電極において硫黄酸化物に戻ることによって生じる前記出力電流の変化の程度に相関を有する特定パラメータに基づいて、前記排ガスの硫黄酸化物濃度が所定値よりも高いか否かの判定、又は、前記排ガスの硫黄酸化物濃度の検出を行う。
【００１７】
更に、前記電圧制御部は、
前記印加電圧を徐々に増加させたときに前記排ガスに含まれる水の還元分解によって前記出力電流の急激な上昇が発生する電圧よりも低い電圧を前記第２電圧として採用する。
【００１８】
例えば、上記特定パラメータは、昇圧処理の開始前に取得される「所定の印加電圧に対応する出力電流（基準電流）」と、降圧処理の実行中に取得される「印加電圧がＳＯｘの分解開始電圧よりも小さいときの出力電流の最小値（電流極小値）」と、の差分である。即ち、特定パラメータは、ＳＯｘの還元分解が発生する前に取得される電流値と、ＳＯｘの再酸化が発生しているときに取得される電流値と、の差分であっても良い。この場合、特定パラメータが大きいほどＳＯｘ濃度が高いと判定される。或いは、特定パラメータが所定の閾値より大きいとＳＯｘ濃度が所定値よりも高いと判定される。
【００１９】
印加電圧を徐々に増加させたときに排ガスに含まれる水の電気分解によって出力電流の急激な上昇が発生する電圧は、「水の分解活性化電圧」とも称呼される。第２電圧は、水の分解活性化電圧よりも低く設定される。そのため、本発明装置によれば、水の還元分解に起因する昇圧処理における出力電流の急激な増加及び降圧処理における出力電流の大幅な減少によって「硫黄酸化物の還元分解によって発生した硫黄が降圧処理の実行中に硫黄酸化物に戻ることによって生じる出力電流の変化（再酸化電流変化）」が影響を受け、その結果、特定パラメータが変化してＳＯｘ濃度の検出精度が低下することを回避できる。従って、本発明装置によれば、排ガスの硫黄酸化物濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出、を精度良く行うことができる。
【００２０】
本発明装置の一態様において、
本発明装置は、
前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比を取得する空燃比取得部を備え、
前記電圧制御部は、
前記空燃比取得部によって取得された前記内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比が大きくなるほど前記第２電圧を高くする。
【００２１】
水の分解活性化電圧は、内燃機関が備える燃焼室内の混合気の空燃比が大きくなるほど高くなる（図７の点Ｐ３ａ乃至点Ｐ３ｃを参照）。そのため、第２電圧を水の分解活性化電圧よりも低い範囲にて空燃比が大きくなるほど高く設定すれば、印加電圧がＳＯｘの分解開始電圧よりも高いときにＳＯｘ濃度に応じた充分な量のＳＯｘを還元分解させ且つ水の還元分解に起因する昇圧処理における出力電流の急激な増加及び降圧処理における出力電流の大幅な減少によって再酸化電流変化が影響を受けることを回避することができる。従って、本態様によれば、排ガスの硫黄酸化物濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出、をより精度良く行うことができる。
【００２２】
本発明装置の他の一態様において、
本発明装置は、
前記電気化学セルの温度を取得する温度取得部を備え、
前記電圧制御部は、
前記温度取得部によって取得された前記電気化学セルの温度が高くなるほど前記第２電圧を低くする。
【００２３】
水の分解活性化電圧は、電気化学セルの温度が高くなるほど低くなる（図８の点Ｐ４ａ乃至点Ｐ４ｃを参照）。そのため、第２電圧を水の分解活性化電圧よりも低い範囲にて電気化学セルの温度が高くなるほど低く設定すれば、印加電圧がＳＯｘの分解開始電圧よりも高いときにＳＯｘ濃度に応じた充分な量のＳＯｘを還元分解させ且つ水の還元分解に起因する昇圧処理における出力電流の急激な増加及び降圧処理における出力電流の大幅な減少によって再酸化電流変化が影響を受けることを回避することができる。従って、本態様によっても、排ガスの硫黄酸化物濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定、又は、排ガスの硫黄酸化物濃度の検出、をより精度良く行うことができる。
【００２４】
上記説明においては、本発明の理解を助けるために、後述する実施形態に対応する発明の構成に対し、その実施形態で用いた名称及び／又は符号を括弧書きで添えている。しかしながら、本発明の各構成要素は、前記名称及び／又は符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係るガス検出装置（本検出装置）が適用される内燃機関（本内燃機関）の概略図である。
【図２】本検出装置の素子部の模式的な断面図である。
【図３】本検出装置の作動の概要を説明するためのタイムチャートである。
【図４】（Ａ）は、上端電圧が水の活性化電圧よりも低い場合の印加電圧の変化に対する出力電流の変化を示している。（Ｂ）は、上端電圧が水の活性化電圧よりも高い場合の印加電圧の変化に対する出力電流の変化を示している。
【図５】（Ａ）は、時間の経過に対する印加電圧の変化の例を示した図である。（Ｂ）は、時間の経過に対する印加電圧の変化の他の例を示した図である。
【図６】（Ａ）は、本検出装置の素子部にて発生するＳＯｘの還元分解を説明するための模式図である。（Ｂ）は、本検出装置の素子部にて発生する硫黄の再酸化反応を説明するための模式図である。
【図７】本内燃機関の燃焼室の混合気の空燃比毎の印加電圧と出力電圧との関係を表したグラフである。
【図８】本検出装置の素子部の温度毎の印加電圧と出力電圧との関係を表したグラフである。
【図９】本内燃機関の燃焼室の混合気の空燃比と、本検出装置の素子部の温度と、に基づいて上端電圧を決定するためのマップの模式図である。
【図１０】本内燃機関の燃焼室の混合気の空燃比、本検出装置の素子部の温度、及び、上端電圧の組合せの例を表した表である。
【図１１】本検出装置が実行する素子温度制御処理ルーチンを表したフローチャートである。
【図１２】本検出装置が実行するＡ／Ｆ検出処理ルーチンを表したフローチャートである。
【図１３】本検出装置が実行するＳＯｘ濃度判定処理ルーチンを表したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態に係るガス検出装置（以下、「本検出装置」とも称呼される。）について図面を参照しながら説明する。本検出装置は、図１に示された内燃機関１０に適用される。内燃機関１０は図示しない車両に搭載される。
【００２７】
内燃機関１０はディーゼルエンジンである。内燃機関１０は、吸気ポート２１ａを含む吸気通路２１、燃焼室２２、排気ポート２３ａを含む排気通路２３、吸気弁２４、排気弁２５、燃料噴射弁２６、排気還流管２７及びＥＧＲ制御弁２８を含んでいる。
【００２８】
吸気弁２４は、シリンダヘッド部に配設され、図示しないインテークカムシャフトによって駆動されることにより「吸気ポート２１ａと燃焼室２２との連通部」を開閉するようになっている。排気弁２５は、シリンダヘッド部に配設され、図示しないエキゾーストカムシャフトによって駆動されることにより「排気ポート２３ａと燃焼室２２との連通部」を開閉するようになっている。
【００２９】
燃料噴射弁２６は、燃焼室２２内に燃料を噴射することができるようにシリンダヘッド部に配設されている。燃料噴射弁２６は、後述するＥＣＵ３０の指示に応答して燃焼室２２内に燃料を直接噴射する。
【００３０】
排気還流管２７とＥＧＲ制御弁２８とは、ＥＧＲ装置を構成している。排気還流管２７は排気通路２３を流れる排ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路２１へ還流させる。ＥＧＲ制御弁２８は、ＥＣＵ３０の指示に応答して排気還流管２７を流れるＥＧＲガスの量を制御する。
【００３１】
排気通路２３には、ＤＯＣ（Diesel Oxidation Catalyst：ディーゼル用酸化触媒）２９ａ及びＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２９ｂが介装されている。
【００３２】
ＤＯＣ２９ａは、排気浄化触媒である。ＤＯＣ２９ａは、白金及びパラジウム等の貴金属を触媒として、排気中の未燃成分（具体的には、ＨＣ及びＣＯ）を酸化し、排気を浄化する。即ち、ＤＯＣ２９ａにより、ＨＣは水とＣＯ２に酸化され、ＣＯはＣＯ２に酸化される。
【００３３】
ＤＰＦ２９ｂは、ＤＯＣ２９ａよりも排気通路２３の下流側に配置されている。ＤＰＦ２９ｂは、排気中の微粒子（パティキュレート）を捕捉するフィルタである。ＤＰＦ２９ｂは、多孔質材料（例えば、セラミックの一種であるコージライトからなる隔壁）によって形成された複数の通路を備えている。ＤＰＦ２９ｂは、隔壁を通過する排ガスに含まれる微粒子を、その隔壁の細孔表面にて捕集する。
【００３４】
ＥＣＵ（電子制御ユニット）３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３及びバックアップＲＡＭ３４を備えている。ＣＰＵ３１は、所定のプログラム（ルーチン）を逐次実行することによってデータの読み込み、数値演算、及び、演算結果の出力等を行う。ＲＯＭ３２は、ＣＰＵが実行するプログラム及びルックアップテーブル（マップ）等を記憶する。ＲＡＭ３３は、データを一時的に記憶する。バックアップＲＡＭ３４は、内燃機関１０が搭載された車両が備えるイグニッション・キー・スイッチ（不図示）がオン状態にあるかオフ状態にあるかに拘わらずデータを記憶することができる。
【００３５】
ＥＣＵ３０は、内燃機関１０の各種アクチュエータ（燃料噴射弁２６及びＥＧＲ制御弁２８等）に接続されている。ＥＣＵ３０は、これらのアクチュエータに駆動（指示）信号を送出し、内燃機関１０を制御するようになっている。更に、ＥＣＵ３０は、クランク角度センサ３５、アクセルぺダル操作量センサ３６、水温センサ３７及びガスセンサ３８と接続されている。
【００３６】
クランク角度センサ３５は、内燃機関１０の図示しないクランクシャフトの回転位置に応じた信号を発生させる。ＥＣＵ３０は、クランク角度センサ３５からの信号に基づいて内燃機関１０の機関回転速度ＮＥを算出する。
【００３７】
アクセルぺダル操作量センサ３６は、内燃機関１０が搭載される車両のアクセルペダル（不図示）の操作量（アクセル開度）を検出し、アクセルペダル操作量Ａｐを表す信号を出力する。水温センサ３７は、内燃機関１０を冷却する冷却水の温度（冷却水温ＴＨＷ）を検出し、冷却水温ＴＨＷを表す信号を出力する。
【００３８】
ガスセンサ３８は、１セル式の限界電流式ガスセンサであり、排気通路２３に配設されている。ガスセンサ３８は、排気通路２３に介装されたＤＯＣ２９ａ及びＤＰＦ２９ｂよりも下流側に配設されている。
【００３９】
（ガスセンサの構成）
次に、ガスセンサ３８の構成について、図２を参照しながら説明する。ガスセンサ３８が備える素子部４０は、固体電解質体４１ｓ、第１アルミナ層５１ａ、第２アルミナ層５１ｂ、第３アルミナ層５１ｃ、第４アルミナ層５１ｄ、第５アルミナ層５１ｅ、拡散抵抗部（拡散律速層）６１及びヒータ７１を備える。固体電解質体４１ｓには、第１電極４１ａ及び第２電極４１ｂが固着されている。
【００４０】
固体電解質体４１ｓは、ジルコニア等を含み、酸化物イオン伝導性を有する薄板体である。固体電解質体４１ｓを形成するジルコニアは、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）及びイットリウム（Ｙ）等の元素を含んでいても良い。
【００４１】
第１アルミナ層５１ａ乃至第５アルミナ層５１ｅは、アルミナを含む緻密（ガス不透過性）の層（緻密な薄板体）である。拡散抵抗部６１は、多孔質の拡散律速層であり、ガス透過性の層（薄板体）である。
【００４２】
ヒータ７１は、白金（Ｐｔ）とセラミックス（例えば、アルミナ等）とを含むサーメットの薄板体であり、通電によって発熱する発熱体である。ヒータ７１は、「ＥＣＵ３０によって通電状態と非通電状態との間で切り替えられる電力供給線（不図示）」によって直流電源（不図示）に接続されている。ヒータ７１は、「通電状態である時間と非通電状態である時間との和」に対する「通電状態である時間」の比であるデューティ比ＲｄがＥＣＵ３０によって制御されることにより発熱量を変更できるようになっている。
【００４３】
素子部４０の各層は、下方から、第５アルミナ層５１ｅ、第４アルミナ層５１ｄ、第３アルミナ層５１ｃ、固体電解質体４１ｓ、拡散抵抗部６１及び第２アルミナ層５１ｂ、第１アルミナ層５１ａの順に積層されている。素子部４０内には内部空間ＳＰ１及び大気導入路ＳＰ２が形成されている。
【００４４】
内部空間ＳＰ１は、第１アルミナ層５１ａ、固体電解質体４１ｓ、拡散抵抗部６１及び第２アルミナ層５１ｂによって形成されている。内部空間ＳＰ１には、拡散抵抗部６１を介して「被検ガスとしての内燃機関１０の排ガス」が排気通路２３から導入されるようになっている。即ち、内部空間ＳＰ１は、拡散抵抗部６１を介して排気通路２３の内部と連通している。
【００４５】
大気導入路ＳＰ２は、固体電解質体４１ｓ、第３アルミナ層５１ｃ及び第４アルミナ層５１ｄによって形成されている。大気導入路ＳＰ２は、内燃機関１０の外部の大気に開放されている。
【００４６】
第１電極４１ａは、固体電解質体４１ｓの一方の側の表面（具体的には、内部空間ＳＰ１を画定する固体電解質体４１ｓの表面）に固着されている。第１電極４１ａは陰極である。第１電極４１ａは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。
【００４７】
第２電極４１ｂは、固体電解質体４１ｓの他方の側の表面（具体的には、大気導入路ＳＰ２を画定する固体電解質体４１ｓの表面）に固着されている。第２電極４１ｂは陽極である。第２電極４１ｂは、白金（Ｐｔ）を主成分として含む多孔質サーメット電極である。
【００４８】
第１電極４１ａと第２電極４１ｂとは、固体電解質体４１ｓを挟んで互いに対向するように配置されている。即ち、第１電極４１ａ、第２電極４１ｂ及び固体電解質体４１ｓは、後述する酸素ポンピング作用による酸素排出能力を有する電気化学セル４１ｃを構成している。電気化学セル４１ｃは、ヒータ７１により、電気化学セル４１ｃの素子温度（センサ素子温度）Ｔｃｌが後述される活性化温度Ｔａｔよりも高くなるように加熱される。
【００４９】
固体電解質体４１ｓ及び第１アルミナ層５１ａ乃至第５アルミナ層５１ｅの各層は、例えばドクターブレード法及び押し出し成形法等により、シート状に成形されている。第１電極４１ａ、第２電極４１ｂ及びこれらの電極に通電するための配線等は、例えばスクリーン印刷法等によって形成されている。これらのシートを上述したように積層して焼成することにより、上記のような構造を有する素子部４０が一体的に製造されている。
【００５０】
なお、第１電極４１ａを構成する材料は、上記の材料に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）及びパラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素又はそれらの合金等を主成分として含む材料から選択することができる。ただし、第１電極４１ａを構成する材料は、第１電極４１ａと第２電極４１ｂとの間に後述されるＳＯｘの分解開始電圧（具体的には、約０．６Ｖ以上の電圧）を印加したときに、拡散抵抗部６１を介して内部空間ＳＰ１に導かれた被検ガスに含まれるＳＯｘを還元分解させることができる限り、特に限定されない。ＳＯｘの分解開始電圧は、便宜上「特定電圧」とも称呼される。
【００５１】
ガスセンサ３８は、更に、電源回路８１及び電流計８２を備える。電源回路８１及び電流計８２は上述したＥＣＵ３０に接続されている。
【００５２】
電源回路８１は、第１電極４１ａと第２電極４１ｂとの間に印加電圧Ｖｍを印加できるようになっている。印加電圧Ｖｍは、第２電極４１ｂの電位が第１電極４１ａの電位よりも高いときに正の値となる。電源回路８１は、ＥＣＵ３０による制御に応じて印加電圧Ｖｍを変更できるようになっている。
【００５３】
電流計８２は、第１電極４１ａと第２電極４１ｂとの間に流れる電流（従って、固体電解質体４１ｓを流れる電流）である出力電流（電極電流）Ｉｍの大きさを計測して、その計測値をＥＣＵ３０に出力するようになっている。出力電流Ｉｍは、第２電極４１ｂから固体電解質体４１ｓを介して第１電極４１ａへ電流が流れたときに正の値となる。
【００５４】
＜作動の概要＞
次に、本検出装置の作動について説明する。本検出装置は、内燃機関１０から排出される排ガス（被検ガス）の酸素濃度を検出する。本検出装置は、被検ガスの酸素濃度に基づいて燃焼室２２内の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を検出する。以下、燃焼室２２内の混合気の空燃比は、「機関の空燃比Ａ／Ｆ」とも称呼される。更に、本検出装置は、被検ガスのＳＯｘ濃度が所定値よりも高いか否かを判定する（ＳＯｘ濃度が所定値よりも高いか否かを判定することは、便宜上「ＳＯｘ濃度の判定」とも称呼される。）。
【００５５】
ＳＯｘ濃度の判定にはある程度の時間（具体的には、数秒）を要する。ＳＯｘ濃度の判定中に機関の空燃比Ａ／Ｆが変化すると、被検ガスのＳＯｘ濃度も変化する。そこで、本検出装置は、機関の空燃比Ａ／Ｆの経時的な変化量が小さいときにＳＯｘ濃度の判定を行う。
【００５６】
内燃機関１０が始動を開始した後、本検出装置が機関の空燃比Ａ／Ｆの検出を開始し、その後、適当なタイミングにてＳＯｘ濃度の判定を行う場合の各種パラメータの変化の例が図３のタイムチャートに表される。
【００５７】
図３（Ａ）の例において、内燃機関１０の作動開始時点である時刻ｔ０にてＥＣＵ３０は、電気化学セル４１ｃを加熱するため、デューティ比Ｒｄを制御してヒータ７１を発熱させる。その結果、電気化学セル４１ｃの素子温度Ｔｃｌが上昇する。その後、時刻ｔ１にて素子温度Ｔｃｌが「電気化学セル４１ｃが酸化物イオン伝導性を発現する温度である活性化温度Ｔａｔ」より大きくなっている。
【００５８】
素子温度Ｔｃｌが活性化温度Ｔａｔよりも高くなり、以て、ガスセンサ３８がセンサ活性の状態になると、ＥＣＵ３０は、酸素濃度の検出、及び、検出された酸素濃度に基づく機関の空燃比Ａ／Ｆの検出（取得）を開始する。
【００５９】
なお、時刻ｔ０と時刻ｔ１との間の時点である時刻ｔｄにてＥＣＵ３０は、印加電圧Ｖｍを酸素濃度検出電圧Ｖｍｏに設定する。本例において、酸素濃度検出電圧Ｖｍｏは、０．３Ｖである。即ち、第１電極４１ａが陰極となり、第２電極４１ｂが陽極となる。酸素濃度検出電圧Ｖｍｏは、第１電極４１ａにおける酸素（Ｏ２）の分解が発生する電圧（酸素の分解開始電圧）よりも高いので、排ガスに含まれる酸素が第１電極４１ａにて還元分解されて酸化物イオン（Ｏ２−）となる。一方、酸素濃度検出電圧Ｖｍｏは、酸素以外の酸素含有成分の分解が発生する電圧よりも低い。
【００６０】
第１電極４１ａにて還元分解された酸化物イオンは、固体電解質体４１ｓを通じて第２電極４１ｂへと伝導され、第２電極４１ｂにて酸素（Ｏ２）となる。酸素は、大気導入路ＳＰ２を通じて大気中へ放出される。陰極（第１電極４１ａ）から陽極（第２電極４１ｂ）への固体電解質体４１ｓを介した酸化物イオンの移動は「酸素ポンピング作用」とも称呼される。
【００６１】
酸素ポンピング作用による酸化物イオンの移動によって、第１電極４１ａと第２電極４１ｂとの間に電流（即ち、出力電流Ｉｍ）が発生する。一般に、印加電圧Ｖｍが大きくなると、第１電極４１ａにて還元分解される酸素の量が増加するので、出力電流Ｉｍが大きくなる。しかし、第１電極４１ａに到達する排ガスの量（従って、排ガスに含まれる酸素の量）が拡散抵抗部６１によって制限されているので、印加電圧Ｖｍがある電圧よりも大きくなっても、出力電流Ｉｍが上昇しなくなる状態が発生する。この状態は、「拡散律速状態」とも称呼される。換言すれば、拡散律速状態は、第１電極４１ａにて酸素を還元分解する能力が第１電極４１ａに酸素を供給する能力を上回っている状態である。
【００６２】
拡散律速状態における出力電流Ｉｍは、「限界電流」とも称呼される。限界電流は、第１電極４１ａに供給される酸素の量が大きくなるほど大きくなる。第１電極４１ａに供給される酸素の量は、排ガスの酸素濃度が大きくなるほど大きくなる。従って、限界電流と排ガスの酸素濃度とは、一対一の関係がある。
【００６３】
そこで、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３２に記憶された「限界電流の値と排ガスの酸素濃度と関係を表すマップ」に限界電流の値を適用することによって排ガスの酸素濃度を取得する。加えて、機関の空燃比Ａ／Ｆは、排ガスの酸素濃度が大きくなるほど大きくなる。そこで、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３２に記憶された「排ガスの酸素濃度と機関の空燃比Ａ／Ｆとの関係を表すマップ」に排ガスの酸素濃度を適用することによって機関の空燃比Ａ／Ｆを取得する。
【００６４】
なお、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３２に記憶された「限界電流の値と機関の空燃比Ａ／Ｆとの関係を表すマップ」に限界電流の値を適用することによって機関の空燃比Ａ／Ｆを直接取得しても良い。
【００６５】
（ＳＯｘ濃度の検出原理）
次に、排ガス（被検ガス）のＳＯｘ濃度の判定方法について説明する。上述した酸素ポンピング作用は、分子中に酸素原子を含む「ＳＯｘ（硫黄酸化物）及びＨ２Ｏ（水）等の酸素含有成分」に対しても発生する。具体的には、印加電圧Ｖｍがこれらの酸素含有成分の何れかの分解開始電圧よりも高くなると、その酸素含有成分が還元分解されて酸化物イオンが発生する。還元分解によって発生した酸化物イオンは、酸素ポンピング作用によって第１電極４１ａから第２電極４１ｂへと伝導される。換言すれば、その酸素含有成分の還元分解に起因して出力電流Ｉｍが増加する。
【００６６】
しかし、一般に、排ガスのＳＯｘ濃度は極めて小さいので、ＳＯｘの還元分解に起因する電流（即ち、出力電流Ｉｍの増加量）は極めて小さい。そのため、印加電圧ＶｍをＳＯｘの分解開始電圧（約０．６Ｖ）よりも上昇させるだけではＳＯｘの還元分解の結果として生じる出力電流Ｉｍの増加量（出力電流ＩｍにおけるＳＯｘの還元分解による寄与分）を精度良く抽出することは困難である。
【００６７】
そこで、本願の発明者は、鋭意検討した結果、印加電圧ＶｍをＳＯｘの分解開始電圧よりも低い第１電圧からＳＯｘの分解開始電圧よりも高い第２電圧まで徐々に増加させる「昇圧処理」を実行し、その後、印加電圧ＶｍをＳＯｘの分解開始電圧よりも低い第３電圧まで徐々に減少させる「降圧処理」を実行することによって排ガスのＳＯｘ濃度を精度良く検出できるとの知見を得た。本実施形態において第１電圧及び第３電圧は互いに等しい。第１電圧及び第３電圧は、以下、「下端電圧Ｖｂｔ」とも称呼される。一方、第２電圧は、以下、「上端電圧Ｖｕｐ」とも称呼される。
【００６８】
昇圧処理及び降圧処理を実行したときの出力電流Ｉｍの変化の例が図４（Ａ）に示される。図４（Ａ）において、排ガスがＳＯｘを含んでいない場合の出力電流Ｉｍの変化が破線Ｌ１ａによって表され、排ガスがＳＯｘを含んでいる場合の出力電流Ｉｍの変化が実線Ｌ１ｂによって表される。図４（Ａ）の例において、下端電圧Ｖｂｔは電圧Ｖａ（約０．２７Ｖ）であり、上端電圧Ｖｕｐは電圧Ｖｂ１（約０．７８Ｖ）である。
【００６９】
図４（Ａ）の破線Ｌ１ａ及び実線Ｌ１ｂに示される出力電流Ｉｍの変化が発生したときの印加電圧Ｖｍの波形（時間の経過に対する印加電圧Ｖｍの変化）が、図５（Ａ）に示される。図５（Ａ）から理解されるように、昇圧処理及び降圧処理における印加電圧Ｖｍの波形は、正弦波の一周期である。本例において、印加電圧Ｖｍの波形（正弦波）の周期は、０．５Ｈｚ乃至５Ｈｚに含まれる値である。
【００７０】
なお、昇圧処理及び降圧処理における印加電圧Ｖｍの波形は、図５（Ｂ）に示される波形であっても良い。即ち、昇圧処理における印加電圧Ｖｍの波形が、コンデンサが充電されるときのコンデンサの端子間電圧の波形に類似し、降圧処理における印加電圧Ｖｍの波形が、コンデンサが放電するときのコンデンサの端子間電圧の波形に類似していても良い。この場合、昇圧処理及び降圧処理のそれぞれに要する時間Ｔ１は、１００ｍ秒乃至１０秒に含まれる値である。
【００７１】
昇圧処理の実行中、印加電圧ＶｍがＳＯｘの分解開始電圧よりも大きくなると、図６（Ａ）に示されるように、排ガス中のＳＯｘが第１電極４１ａ（陰極）においてＳとＯ２−とに還元分解される。その結果、ＳＯｘの還元分解生成物（即ち、硫黄（Ｓ））が第１電極４１ａに吸着（堆積）する。
【００７２】
その後、降圧処理の実行中、印加電圧ＶｍがＳＯｘの分解開始電圧よりも小さくなると、図６（Ｂ）に示されるように、「第１電極４１ａに吸着していたＳ」とＯ２−とが結合してＳＯｘが生成される反応（以下、「Ｓの再酸化反応」とも称呼される。）が起こる。このとき、Ｓの再酸化反応に起因して出力電流Ｉｍが変化（減少）する。以下、この「Ｓの再酸化反応に起因する出力電流Ｉｍの変化」は、「再酸化電流変化」とも称呼される。
【００７３】
具体的には、排ガスがＳＯｘを含んでいれば（即ち、図４（Ａ）の実線Ｌ１ｂの場合）、降圧処理において印加電圧ＶｍがＳＯｘの分解開始電圧よりも小さくなると、Ｓの再酸化反応の反応速度（単位時間あたりに再酸化する硫黄の分子数）が一旦上昇する。その後、Ｓの再酸化反応の反応速度は、第１電極４１ａに吸着していたＳの減少に伴って低下する。その結果、実線Ｌ１ｂから理解されるように、出力電流Ｉｍが電流極小値Ｉｍｉｎ１となるように変化している。
【００７４】
これに対し、排ガスがＳＯｘを含んでいなければ（即ち、破線Ｌ１ａの場合）、降圧処理おいて印加電圧ＶｍがＳＯｘの分解開始電圧よりも小さくなっても出力電流Ｉｍの一時的な減少は発生していない。従って、排ガスのＳＯｘ濃度と、降圧処理における出力電流Ｉｍの極小値（即ち、再酸化電流変化）と、との相関に基づいてＳＯｘ濃度の判定を行うことができる。具体的なＳＯｘ濃度の判定方法は後述される。
【００７５】
排ガスがＳＯｘを含んでいる場合に降圧処理中の再酸化電流変化を発生させるため、印加電圧ＶｍがＳＯｘの分解開始電圧よりも高いときにＳをＳＯｘ濃度に応じた充分な量だけ第１電極４１ａに吸着（堆積）させておく必要がある。しかし、印加電圧Ｖｍが水の分解開始電圧よりも大きくなると、第１電極４１ａにおいて水の還元分解が発生する。
【００７６】
上端電圧Ｖｕｐが水の分解開始電圧（約０．８Ｖ）よりも高い場合の出力電流Ｉｍの変化の例が図４（Ｂ）に示される。図４（Ｂ）において、排ガスがＳＯｘを含んでいない場合の出力電流Ｉｍの変化が破線Ｌ２ａによって表され、排ガスがＳＯｘを含んでいる場合の出力電流Ｉｍの変化が実線Ｌ２ｂによって表される。図４（Ｂ）の例において、下端電圧Ｖｂｔは電圧Ｖａであり、上端電圧Ｖｕｐは電圧Ｖｂ２（約１．０３Ｖ）である。
【００７７】
排ガスの水濃度は、排ガスのＳＯｘ濃度と比較して非常に高い。そのため、破線Ｌ２ａ及び実線Ｌ２ｂから理解されるように、昇圧処理の際、水の分解開始電圧（約０．８Ｖ）よりも高い範囲において印加電圧Ｖｍが上昇すると、出力電流Ｉｍが急激に上昇する。その後、降圧処理の際、水の分解開始電圧よりも高い範囲において印加電圧Ｖｍが減少すると、出力電流Ｉｍが急激に減少する。昇圧処理において、出力電流Ｉｍが急上昇を開始する電圧は、以下、「水の分解活性化電圧」とも称呼される。
【００７８】
水の還元分解に起因する出力電流Ｉｍの急激な変化に伴い、「Ｓの再酸化反応に起因する再酸化電流変化」が影響を受ける可能性がある。より具体的に述べると、印加電圧Ｖｍが水の分解開始電圧よりも高いとき、水の分解開始電圧はＳＯｘの分解開始電圧よりも高いので、ＳＯｘ及び水が共に還元分解する。上述したように、排ガスの水濃度は排ガスのＳＯｘ濃度よりも非常に高いので、印加電圧Ｖｍが水の分解活性化電圧よりも高いとき、単位時間あたりに還元分解される水の分子数（水の還元分解速度）は、単位時間あたりに還元分解されるＳＯｘの分子数（ＳＯｘの還元分解速度）よりも非常に大きい。そのため、印加電圧Ｖｍが水の分解活性化電圧よりも高くなったときに発生する水の還元分解に伴う出力電流Ｉｍの急激な上昇、及び、印加電圧Ｖｍが水の分解活性化電圧よりも低くなったときに発生する出力電流Ｉｍの大幅な減少によって、降圧処理において発生するＳの再酸化反応のときの出力電流Ｉｍが、水の還元分解が発生しなかった場合と比較して変化する可能性がある。
【００７９】
加えて、水の還元分解速度は、排ガスの水濃度が高いほど大きくなる。従って、印加電圧Ｖｍが水の分解活性化電圧よりも高くなると、ＳＯｘの還元分解速度は、排ガスの水濃度に応じて変化する可能性がある。即ち、第１電極４１ａに吸着するＳの量が、排ガスのＳＯｘ濃度以外の要因（具体的には、排ガスの水濃度）に応じて変化する可能性がある。
【００８０】
まとめると、排ガスのＳＯｘ濃度の判定を精度良く行うためには、排ガスのＳＯｘ濃度に応じた充分な量のＳが第１電極４１ａに吸着されるように上端電圧ＶｕｐをＳＯｘの分解開始電圧よりもある程度高い値に設定する必要がある。一方、上端電圧Ｖｕｐが水の分解活性化電圧よりも高いと、水の還元分解に伴う出力電流Ｉｍの急激な変化が発生し、その結果、再酸化電流変化が影響を受け、以て、ＳＯｘ濃度の判定精度が低下する可能性がある。そこで、ＥＣＵ３０は、上端電圧Ｖｕｐを、水の分解活性化電圧よりも若干小さい値に設定する。
【００８１】
ところで、水の分解活性化電圧は、機関の空燃比Ａ／Ｆ及び電気化学セル４１ｃの素子温度Ｔｃｌに応じて変化する。先ず、機関の空燃比Ａ／Ｆと水の分解活性化電圧との関係について説明する。
【００８２】
排ガスがＳＯｘを含んでいない場合において印加電圧Ｖｍを増加させたときの機関の空燃比Ａ／Ｆ毎の出力電流Ｉｍの変化が、図７の曲線Ｌ３ａ乃至曲線Ｌ３ｃのそれぞれによって表される。図７の点Ｐ３ａ乃至点Ｐ３ｃのそれぞれは、曲線Ｌ３ａ乃至曲線Ｌ３ｃのそれぞれの場合における水の分解活性化電圧を示している。点Ｐ３ａ乃至点Ｐ３ｃのそれぞれから理解されるように、機関の空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど水の分解活性化電圧が高くなっている。
【００８３】
この原因は以下の通りである。即ち、機関の空燃比Ａ／Ｆが小さくなると、内燃機関１０の燃焼行程において燃焼する燃料の量が増加するので、燃焼反応に伴って生成される水の量が増加する。従って、機関の空燃比Ａ／Ｆが小さくなると、排ガスの水濃度が上昇する。排ガスの水濃度が高いと、還元分解される水の分子数が増加するので、排ガスの水濃度が低いときと比較して印加電圧Ｖｍが低い場合であっても多くの水分子が還元分解される。そのため、排ガスの水濃度が高いと、排ガスの水濃度が低いときと比較して出力電流Ｉｍの急上昇が発生する印加電圧Ｖｍが低くなる。換言すれば、排ガスの水濃度が増加するほど（即ち、機関の空燃比Ａ／Ｆが小さくなるほど）、水の分解活性化電圧が低下する。
【００８４】
次に、素子温度Ｔｃｌと水の分解活性化電圧との関係について説明する。印加電圧Ｖｍを増加させたときの素子温度Ｔｃｌ毎の出力電流Ｉｍの変化が、図８の曲線Ｌ４ａ乃至曲線Ｌ４ｃのそれぞれによって表される。図８の点Ｐ４ａ乃至点Ｐ４ｃのそれぞれは、曲線Ｌ４ａ乃至曲線Ｌ４ｃのそれぞれの場合における水の分解活性化電圧を示している。
【００８５】
点Ｐ４ａ乃至点Ｐ４ｃのそれぞれから理解されるように、素子温度Ｔｃｌが高くなるほど水の分解活性化電圧が低くなっている。これは、素子温度Ｔｃｌが高くなるほど第１電極４１ａに含まれる貴金属の触媒活性が向上するからである。
【００８６】
ＥＣＵ３０は、素子温度Ｔｃｌを電気化学セル４１ｃのインピーダンスＲｃに基づいて推定（取得）する。具体的には、素子温度Ｔｃｌが高いほどインピーダンスＲｃが低下する。ＥＣＵ３０は、インピーダンスＲｃを検出するとき、所定の期間、印加電圧Ｖｍを振幅が０．４Ｖである高周波に設定する。なお、図３（Ｄ）に示される印加電圧Ｖｍの波形において、インピーダンスＲｃの検出時に印加される高周波の図示は省略されている。
【００８７】
ＥＣＵ３０は、電気化学セル４１ｃに高周波が印加されたときの出力電流Ｉｍに基づいて周知の方法に則りインピーダンスＲｃを取得する。次いで、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３２に記憶された「インピーダンスＲｃと素子温度Ｔｃｌとの関係を表すマップ」に取得されたインピーダンスＲｃを適用することによって素子温度Ｔｃｌを取得する。
【００８８】
ＥＣＵ３０は、「機関の空燃比Ａ／Ｆ及び素子温度Ｔｃｌ並びに上端電圧Ｖｕｐの関係を表すマップ」に「ガスセンサ３８によって取得された直近の機関の空燃比Ａ／Ｆ」及び「インピーダンスＲｃに基づいて取得された素子温度Ｔｃｌ」を適用することによって上端電圧Ｖｕｐを決定（取得）する。具体的には、ＥＣＵ３０は、機関の空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど上端電圧Ｖｕｐを大きな値に設定する。加えて、ＥＣＵ３０は、素子温度Ｔｃｌが高くなるほど上端電圧Ｖｕｐを小さな値に設定する。このマップ（ルックアップテーブル）が図９に模式的に示される。加えて、図９のマップにより得られる機関の空燃比Ａ／Ｆ、素子温度Ｔｃｌ及び上端電圧Ｖｕｐの組合せの例が図１０に示される。
【００８９】
（ＳＯｘ濃度の判定方法）
上述したように、ＥＣＵ３０は、Ｓの再酸化反応に起因する再酸化電流変化に基づいてＳＯｘ濃度の判定を行う。より具体的に述べると、ＥＣＵ３０は、電流差分Ｉｄｆが所定の電流閾値Ｉｔｈ以上であるとき、ＳＯｘ濃度が所定値以上であると判定する。
【００９０】
ＥＣＵ３０は、電流差分Ｉｄｆを基準電流Ｉｂと電流極小値Ｉｍｉｎとの差分として算出する（即ち、Ｉｄｆ＝Ｉｂ−Ｉｍｉｎ）。基準電流Ｉｂは、昇圧処理が開始される前の印加電圧Ｖｍが酸素濃度検出電圧Ｖｍｏであるときの出力電流Ｉｍである。一方、電流極小値Ｉｍｉｎは、降圧処理において「印加電圧Ｖｍが電流取得開始電圧Ｖｓｅｍよりも小さい期間」における出力電流Ｉｍの最小値である。
【００９１】
電流取得開始電圧Ｖｓｅｍは、下端電圧Ｖｂｔよりも高く且つＳＯｘの分解開始電圧（上述したように、約０．６Ｖ）以下の電圧である。本例において、電流取得開始電圧ＶｓｅｍはＳＯｘの分解開始電圧に設定されている。
【００９２】
（具体的作動）
次に、素子温度Ｔｃｌの制御、機関の空燃比Ａ／Ｆの取得、及び、排ガスのＳＯｘ濃度の判定に係るＥＣＵ３０の具体的作動についてそれぞれ説明する。ＥＣＵ３０のＣＰＵ３１（以下、単に「ＣＰＵ」とも称呼される。）は、図１１にフローチャートにより表された「素子温度制御処理ルーチン」を所定の時間が経過する毎に実行する。
【００９３】
従って、適当なタイミングとなると、ＣＰＵは、図１１のステップ１１００から処理を開始し、ステップ１１０５乃至ステップ１１１５の処理を順に実行し、ステップ１１２０に進む。
【００９４】
ステップ１１０５：ＣＰＵは、上述した処理により電気化学セル４１ｃのインピーダンスＲｃに基づいて電気化学セル４１ｃの素子温度Ｔｃｌを取得する。
ステップ１１１０：ＣＰＵは、素子温度Ｔｃｌが目標温度Ｔｔｇに近づくようにデューティ比Ｒｄを設定する。具体的には、素子温度Ｔｃｌが目標温度Ｔｔｇよりも低ければ、ＣＰＵは、デューティ比Ｒｄの値を上昇させる。一方、素子温度Ｔｃｌが目標温度Ｔｔｇよりも高ければ、ＣＰＵは、デューティ比Ｒｄの値を減少させる。
【００９５】
ステップ１１１５：ＣＰＵは、印加電圧Ｖｍを酸素濃度検出電圧Ｖｍｏに設定する。上述した時刻Ｔｄ（即ち、印加電圧Ｖｍが酸素濃度検出電圧Ｖｍｏに最初に設定される時刻）は、内燃機関１０の始動時（即ち、内燃機関１０が搭載された車両のイグニッション・キー・スイッチがオフ位置からオン位置へと変更されたタイミング）の後、最初に本ステップが実行されたタイミングである。
【００９６】
ステップ１１２０にてＣＰＵは、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値が「０」であり且つＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「０」であるか否かを判定する。Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆ及びＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値は、内燃機関１０の始動時にＣＰＵが実行するイニシャルルーチン（不図示）において「０」にそれぞれ設定される。
【００９７】
現時点が、内燃機関１０の始動直後であれば、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆ及びＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値は共に「０」である。この場合、ＣＰＵは、ステップ１１２０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１２５に進み、素子温度Ｔｃｌが活性化温度Ｔａｔよりも高いか否かを判定する。
【００９８】
素子温度Ｔｃｌが活性化温度Ｔａｔよりも高ければ（即ち、ガスセンサ３８がセンサ活性の状態にあれば）、ＣＰＵは、ステップ１１２５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１３０に進み、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値を「１」に設定する。次いで、ＣＰＵは、ステップ１１９５に進んで本ルーチンを終了する。
【００９９】
一方、素子温度Ｔｃｌが活性化温度Ｔａｔ以下であれば、ＣＰＵは、ステップ１１２５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１１９５に直接進む。
【０１００】
なお、ステップ１１２０における判定条件が成立していなければ（即ち、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆ及び／又はＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「１」であれば）、ＣＰＵは、ステップ１１２０にて「Ｎｏ」と判定してステップ１１９５に直接進む。
【０１０１】
次に、機関の空燃比Ａ／Ｆの取得に係るＥＣＵ３０の具体的作動について説明する。ＣＰＵは、図１２にフローチャートにより表された「Ａ／Ｆ検出処理ルーチン」を所定の時間が経過する毎に実行する。
【０１０２】
従って、適当なタイミングとなると、ＣＰＵは、図１２のステップ１２００から処理を開始してステップ１２０５に進み、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値が「１」であるか否かを判定する。
【０１０３】
Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値が「０」であれば、ＣＰＵは、ステップ１２０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１２９５に直接進んで本ルーチンを終了する。
【０１０４】
一方、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値が「１」であれば、ＣＰＵは、ステップ１２０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１２１０に進み、出力電流Ｉｍに基づいて機関の空燃比Ａ／Ｆを取得する。即ち、ＣＰＵは、上述したように、印加電圧Ｖｍが酸素濃度検出電圧Ｖｍｏであるときの出力電流Ｉｍに基づいて排ガスの酸素濃度を取得し、取得された酸素濃度に基づいて機関の空燃比Ａ／Ｆを取得する。ＣＰＵは、取得された機関の空燃比Ａ／ＦをＲＡＭ３３に記憶させる。
【０１０５】
次いで、ＣＰＵは、ステップ１２１５に進み、ＳＯｘ濃度検出条件が成立しているか否かを判定する。ＳＯｘ濃度検出条件は、以下の条件（ａ）〜条件（ｄ）が全て成立しているときに成立する条件である。
【０１０６】
（ａ）内燃機関１０が暖機後の状態である（具体的には、冷却水温ＴＨＷが所定の暖機温度Ｔｔｈよりも高い）。
（ｂ）ガスセンサ３８がセンサ活性の状態にある。
（ｃ）内燃機関１０が燃料カット（フューエルカット）状態ではない。
（ｄ）機関の空燃比Ａ／Ｆが安定している。具体的には、内燃機関１０の運転状態がアイドル状態である、或いは、内燃機関１０が搭載された車両の運転状態が定常走行状態である。なお、内燃機関１０の運転状態がアイドル状態であるか否かは、「アクセルペダル操作量Ａｐが『０』であり且つ機関回転速度ＮＥが所定の回転速度よりも高い状態」が所定の「アイドル状態判定時間」以上継続しているか否かを判定することにより判定される。車両の運転状態が定常運転状態であるか否かは、「アクセルペダル操作量Ａｐの単位時間あたりの変化量が所定の閾値変化量よりも小さく且つ車速センサ（不図示）により検出される内燃機関１０が搭載される車両の速度の単位時間あたりの変化量が所定の閾値加速度よりも小さい状態」が所定の「定常運転判定時間」以上継続しているか否かを判定することにより判定される。
【０１０７】
なお、ＳＯｘ濃度検出条件を構成する条件として以下の条件（ｅ）が加えられても良い。
（ｅ）内燃機関１０の始動時から現時点まで、ＳＯｘ濃度の判定が行われていない。
【０１０８】
ＳＯｘ濃度検出条件が成立していれば、ＣＰＵは、ステップ１２１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１２２０に進み、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値を「０」に設定し且つＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値を「１」に設定する。次いで、ＣＰＵは、ステップ１２９５に進む。
【０１０９】
なお、ステップ１２１５における判定条件が成立していなければ（即ち、ＳＯｘ濃度検出条件が成立していなければ）、ＣＰＵは、ステップ１２１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１２９５に直接進む。
【０１１０】
次に、ＳＯｘ濃度の判定に係るＥＣＵ３０の具体的作動について説明する。ＣＰＵは、図１３にフローチャートにより表された「ＳＯｘ濃度判定処理ルーチン」を所定の時間が経過する毎に実行する。なお、図１３のフローチャートに示されたステップであって図１１のフローチャートに示されたステップと同様の処理が実行されるステップには図１１と同一のステップ符号が付されている。
【０１１１】
従って、適当なタイミングとなると、ＣＰＵは、図１３のステップ１３００から処理を開始してステップ１３０５に進み、既にＳＯｘ濃度判定処理（具体的には、昇圧処理及び降圧処理の何れか）が実行されているか否かを判定する。
【０１１２】
（Ａ）ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「０」である場合
いま、ＳＯｘ濃度判定処理が実行されおらず且つＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「０」であると仮定する（例えば、内燃機関１０の始動直後である場合）。
この場合、ＣＰＵは、ステップ１３０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３７５に進み、ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「１」であるか否かを判定する。前述の仮定によれば、ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値は「０」であるので、ＣＰＵは、ステップ１３７５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３９５に直接進み本ルーチンを終了する。
【０１１３】
（Ｂ）ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「１」となった直後である場合
いま、ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「０」から「１」に変更された後、最初に本ルーチンが実行されていると仮定する。
この場合、ＣＰＵは、ステップ１３０５からステップ１３７５に進んだとき、ステップ１３７５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１１０５に進む。ステップ１１０５にて素子温度Ｔｃｌを取得する処理の後、ＣＰＵは、ステップ１３８０乃至ステップ１３９２の処理を順に実行し、ステップ１３９５に進む。
【０１１４】
ステップ１３８０：ＣＰＵは、図１２のルーチンにおいてＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「０」から「１」へと最後に変更される直前に取得された機関の空燃比Ａ／Ｆと、図１３のステップ１１０５の処理にて取得された素子温度Ｔｃｌと、を図９に表されるマップに適用することによって上端電圧Ｖｕｐを取得する。
ステップ１３８５：ＣＰＵは、「昇圧処理が開始される前の印加電圧Ｖｍが酸素濃度検出電圧Ｖｍｏであるときの出力電流Ｉｍ」を基準電流Ｉｂとして取得する。
【０１１５】
ステップ１３９０：ＣＰＵは、電流極小値Ｉｍｉｎの値を基準電流Ｉｂに設定する。
ステップ１３９２：ＣＰＵは、印加電圧Ｖｍを下端電圧Ｖｂｔ（本例において、０．２７Ｖ）に設定する。即ち、この時点から昇圧処理が開始され、その後、徐々に印加電圧Ｖｍが上昇する。
【０１１６】
（Ｃ）ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「１」となった後、２回目に本ルーチンが実行される場合
いま、ＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値が「１」となった後、２回目に本ルーチンが実行されている（即ち、昇圧処理が開始された後、最初に本ルーチンが実行されている）と仮定する。
この場合、ＣＰＵは、即ち、１３０５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３１０に進み、昇圧処理が実行中であるか否かを判定する。
【０１１７】
前述の仮定によれば、昇圧処理が実行中であるので、ＣＰＵは、ステップ１３１０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３１５に進み、印加電圧Ｖｍが上端電圧Ｖｕｐ未満であるか否かを判定する。現時点は昇圧処理が開始された直後であるので、印加電圧Ｖｍは上端電圧Ｖｕｐ未満である。従って、ＣＰＵは、ステップ１３１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３２０に進み、印加電圧Ｖｍを図５（Ａ）の波形に従って所定量だけ増加させる。更に、ＣＰＵは、ステップ１３９５に進む。
【０１１８】
（Ｄ）昇圧処理が完了した直後である場合
いま、昇圧処理が完了した直後であり（即ち、印加電圧Ｖｍが上端電圧Ｖｕｐ以上となった後、最初に本ルーチンが実行されており）且つ降圧処理の開始前であると仮定する。
この場合、ＣＰＵは、ステップ１３１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３２５に進み、印加電圧Ｖｍを図５（Ａ）の波形に従って所定量だけ減少させる（即ち、降圧処理が開始される。）。次いで、ＣＰＵは、ステップ１３３０に進み、印加電圧Ｖｍが電流取得開始電圧Ｖｓｅｍより小さいか否かを判定する。現時点は降圧処理が開始された直後であるので、印加電圧Ｖｍは電流取得開始電圧Ｖｓｅｍよりも高い。従って、ＣＰＵは、ステップ１３３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３９５に進む。
【０１１９】
この次に本ルーチンが実行されるとき、ＣＰＵは、昇圧処理の実行中ではないので（降圧処理の実行中であるので）、ステップ１３１０にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３２５に進む。
【０１２０】
（Ｅ）降圧処理により印加電圧Ｖｍが電流取得開始電圧Ｖｓｅｍより小さくなった場合
いま、降圧処理の実行中に印加電圧Ｖｍが電流取得開始電圧Ｖｓｅｍより小さくなり且つ印加電圧Ｖｍが下端電圧Ｖｂｔよりも高いと仮定する。
この場合、ＣＰＵは、ステップ１３３０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３３５に進み、出力電流Ｉｍが電流極小値Ｉｍｉｎよりも低いか否かを判定する。出力電流Ｉｍが電流極小値Ｉｍｉｎよりも低ければ、ＣＰＵは、ステップ１３３５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３４０に進み電流極小値Ｉｍｉｎを出力電流Ｉｍに設定する。次いで、ＣＰＵは、ステップ１３４５に進む。
【０１２１】
一方、出力電流Ｉｍが電流極小値Ｉｍｉｎ以上であれば、ＣＰＵは、ステップ１３３５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３４５に直接進む。
【０１２２】
ステップ１３４５にてＣＰＵは、印加電圧Ｖｍが下端電圧Ｖｂｔ以下であるか否かを判定する。前述の仮定によれば、印加電圧Ｖｍは下端電圧Ｖｂｔよりも高いので、ＣＰＵは、ステップ１３４５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３９５に進む。
【０１２３】
（Ｆ）降圧処理によって印加電圧Ｖｍが下端電圧Ｖｂｔ以下となった場合
いま、降圧処理によって印加電圧Ｖｍが下端電圧Ｖｂｔ以下となったと仮定する。
この場合、ＣＰＵは、ステップ１３４５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３５０に進み、電流差分Ｉｄｆを基準電流Ｉｂと電流極小値Ｉｍｉｎとの差分として算出（取得）する。次いで、ＣＰＵは、ステップ１３５５に進み、電流差分Ｉｄｆが電流閾値Ｉｔｈ以上であるか否かを判定する。
【０１２４】
電流差分Ｉｄｆが電流閾値Ｉｔｈ以上であれば、ＣＰＵは、ステップ１３５５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ１３６０に進み、排ガスのＳＯｘ濃度が所定値以上であると判定し、その旨をバックアップＲＡＭ３４に書きこむ。この場合、ＣＰＵは、内燃機関１０が搭載された車両が備える警告灯（不図示）を点灯させる。
【０１２５】
次いで、ＣＰＵは、ステップ１３６５に進み、印加電圧Ｖｍを酸素濃度検出電圧Ｖｍｏに設定する。更に、ＣＰＵは、ステップ１３７０に進み、Ａ／Ｆ検出フラグＸａｆの値を「１」に設定し且つＳＯｘ判定フラグＸｓｘの値を「０」に設定する。次いで、ＣＰＵは、ステップ１３９５に進む。
【０１２６】
一方、ステップ１３５５における判定条件が成立していなければ（即ち、電流差分Ｉｄｆが電流閾値Ｉｔｈより小さければ）、ＣＰＵは、ステップ１３５５にて「Ｎｏ」と判定してステップ１３６２に進み、排ガスのＳＯｘ濃度が所定値よりも低いと判定し、その旨をバックアップＲＡＭ３４に書きこむ。次いでＣＰＵは、ステップ１３６５に進む。
【０１２７】
以上説明したように、本検出装置によれば、昇圧処理及び降圧処理のとき、水の還元分解によって出力電流Ｉｍが急上昇することを回避することができ、以て、電流極小値Ｉｍｉｎの値が水の還元分解によって変化することを回避することができる。従って、本検出装置によれば、排ガスのＳＯｘ濃度が所定の閾値よりも高いか否かの判定を精度良く行うことができる。加えて、本検出装置によれば、上端電圧Ｖｕｐが必要以上に高い値とはならないので、昇圧処理及び降圧処理に要する時間が必要以上に長くなることを回避できる。
【０１２８】
以上、本発明に係るガス検出装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、電流差分Ｉｄｆを電流閾値Ｉｔｈと比較することによって排ガスのＳＯｘ濃度が所定値よりも高いか否かを判定していた。しかし、ＥＣＵ３０は、排ガスのＳＯｘ濃度を検出（取得）しても良い。例えば、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３２に記憶された「電流差分ＩｄｆとＳＯｘ濃度との関係を表すマップ」に電流差分Ｉｄｆを適用することによってＳＯｘ濃度を検出しても良い。この場合、ＥＣＵ３０は、電流差分Ｉｄｆが大きいほどＳＯｘ濃度が高くなるようにＳＯｘ濃度を検出する。
【０１２９】
加えて、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、昇圧処理が開始される前の印加電圧Ｖｍが酸素濃度検出電圧Ｖｍｏであるときの出力電流Ｉｍを基準電流Ｉｂとして取得していた。しかし、基準電流Ｉｂは、これとは異なる値（電流値）であっても良い。例えば、基準電流Ｉｂは、昇圧処理及び降圧処理における出力電流Ｉｍの平均値であっても良い。加えて、基準電流Ｉｂは、昇圧処理を開始する時点における（即ち、印加電圧Ｖｍが下端電圧Ｖｂｔであるときの）出力電流Ｉｍであっても良い。更に、基準電流Ｉｂは、昇圧処理が終了した時点における（即ち、印加電圧Ｖｍが上端電圧Ｖｕｐであるときの）出力電流Ｉｍであっても良い。或いは、基準電流Ｉｂは、昇圧処理及び降圧処理における印加電圧Ｖｍが特定の電圧であるときの出力電流Ｉｍであっても良い。
【０１３０】
加えて、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、電流差分Ｉｄｆに基づいて排ガスのＳＯｘ濃度が所定値よりも高いか否かを判定していた。しかし、ＥＣＵ３０は、電流極小値Ｉｍｉｎに基づいて排ガスのＳＯｘ濃度が所定値よりも高いか否かを判定しても良い。或いは、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭ３２に記憶された「電流極小値ＩｍｉｎとＳＯｘ濃度との関係を表すマップ」に電流極小値Ｉｍｉｎを適用することによってＳＯｘ濃度を検出（取得）しても良い。この場合、ＥＣＵ３０は、電流極小値Ｉｍｉｎが小さくなるほどＳＯｘ濃度が高くなるようにＳＯｘ濃度を検出する。
【０１３１】
加えて、本実施形態における第１電圧及び第３電圧は互いに等しく下端電圧Ｖｂｔであった。しかし、第１電圧と第３電圧は、互いに異なる値であっても良い。
【０１３２】
加えて、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、機関の空燃比Ａ／Ｆが大きくなるほど上端電圧Ｖｕｐを大きな値に設定していた。しかし、この処理は割愛されても良い。即ち、ＥＣＵ３０は、機関の空燃比Ａ／Ｆに応じて上端電圧Ｖｕｐを変化させなくても良い。一方、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、素子温度Ｔｃｌが高くなるほど上端電圧Ｖｕｐを小さな値に設定していた。しかし、この処理は割愛されても良い。即ち、ＥＣＵ３０は、素子温度Ｔｃｌに応じて上端電圧Ｖｕｐを変化させなくても良い。
【符号の説明】
【０１３３】
１０…内燃機関、２１…吸気通路、２１ａ…吸気ポート、２２…燃焼室、２３…排気通路、２３ａ…排気ポート、２４…吸気弁、２５…排気弁、２６…燃料噴射弁、２７…排気還流管、２８…ＥＧＲ制御弁、２９ｂ…ＤＰＦ、２９ａ…ＤＯＣ、３０…ＥＣＵ、４０…素子部、４１ａ…第１電極、４１ｂ…第２電極、４１ｃ…電気化学セル、４１ｓ…固体電解質体、５１ａ…第１アルミナ層、５１ｂ…第２アルミナ層、５１ｃ…第３アルミナ層、５１ｄ…第４アルミナ層、５１ｅ…第５アルミナ層、６１…拡散抵抗部、７１…ヒータ、８１…電源回路、８２…電流計。
【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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