(57)【要約】【課題】第２固体電解質体にブラックニングが発生することに起因する空燃比センサにおける酸素分圧の検出精度の悪化を抑制する。【解決手段】空燃比センサ５０は、被測定ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部６０と、センサセル部６０側に酸素を供給、又はセンサセル部６０側から酸素を排出する酸素セル部７０とを備えている。センサセル部６０は、検出電極部６２と第１基準電極部６３とに挟まれた第１固体電解質体６１を備えている。酸素セル部７０は、第２基準電極部７２と酸素電極部７３とに挟まれた第２固体電解質体７１を備えている。第２固体電解質体７１における第２基準電極部７２と酸素電極部７３とに挟まれた部分の厚みは、第１固体電解質体６１における検出電極部６２と第１基準電極部６３とに挟まれた部分の厚みよりも薄くなっている。【選択図】図２
2019020165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部と、
前記センサセル部側に酸素を供給する酸素セル部とを備えている空燃比センサであって、
前記センサセル部は、被測定ガスに晒される検出電極部及び被測定ガスに晒されない基準電極部に挟まれ、前記検出電極部及び前記基準電極部から電圧が印加される第１固体電解質体を備え、
前記酸素セル部は、一対の電極部に挟まれ、当該一対の電極部から電圧が印加される第２固体電解質体を備え、
前記第２固体電解質体における前記一対の電極部に挟まれた部分の厚みは、前記第１固体電解質体における前記検出電極部及び前記基準電極部に挟まれた部分の厚みよりも薄い
ことを特徴とする空燃比センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空燃比センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１の空燃比センサは、被測定ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部を備えている。また、特許文献１の空燃比センサは、センサセル部側に酸素を供給、又はセンサセル部側から酸素を排出する酸素セル部を備えている。
【０００３】
特許文献１の空燃比センサにおいてセンサセル部は、被測定ガスに晒される検出電極部及び被測定ガスに晒されない基準電極部に挟まれた第１固体電解質体を備えている。第１固体電解質体には検出電極部及び基準電極部から一定の電圧が印加されており、被測定ガスの酸素分圧に応じて第１固体電解質体内を酸素イオンが移動する。これにより第１固体電解質体に被測定ガスの酸素分圧に応じた電流が流れる。
【０００４】
特許文献１の空燃比センサにおいて酸素セル部は、一対の電極部に挟まれた第２固体電解質体を備えている。第２固体電解質体には、第１固体電解質体に流れる電流と同じ電流が流れるように、一対の電極部から電圧が印加される。これにより、酸素セル部では、第１固体電解質体内を移動する酸素イオンの量に合わせて、第２固体電解質体内を酸素イオンが移動する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−０７２４７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の空燃比センサにおいては、一対の電極部から第２固体電解質体に対して高電圧が印加されることがある。例えば、特許文献１の空燃比センサのように第２固体電解質体を挟み込む一対の電極部のうちの一方が被測定ガスに晒されている構造であると、内燃機関の気筒に供給される混合気がリッチの場合は、混合気の空燃比がリーンの場合に比べて、第２固体電解質体に対して高電圧を印加する必要がある。第２固体電解質体に対して過度に高い電圧が印加されると、第２固体電解質体が還元されて変質する現象、いわゆるブラックニングが発生しやすい。そして、第２固体電解質体にブラックニングが発生すると、第２固体電解質体における酸素イオンの透過性が低下するため、空燃比センサ全体としても酸素分圧の検出精度が悪化するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための空燃比センサは、被測定ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部と、前記センサセル部側に酸素を供給する酸素セル部とを備えている空燃比センサであって、前記センサセル部は、被測定ガスに晒される検出電極部及び被測定ガスに晒されない基準電極部に挟まれ、前記検出電極部及び前記基準電極部から電圧が印加される第１固体電解質体を備え、前記酸素セル部は、一対の電極部に挟まれ、当該一対の電極部から電圧が印加される第２固体電解質体を備え、前記第２固体電解質体における前記一対の電極部に挟まれた部分の厚みは、前記第１固体電解質体における前記検出電極部及び前記基準電極部に挟まれた部分の厚みよりも薄い。
【０００８】
上記構成では、第２固体電解質体を挟み込む一対の電極部間の電気抵抗は、例えば、第２固体電解質体における一対の電極部に挟まれた部分の厚みを第１固体電解質体における検出電極部及び基準電極部に挟まれた部分の厚みと同じ厚みとした場合に比較して、小さくなる。これにより、第２固体電解質体に、必要な電流を流すのに必要な電圧を低くすることができ、第２固体電解質体に過度に高い電圧が印加されることを抑制できる。その結果、第２固体電解質体にブラックニングが発生することに起因するセンサセル部における酸素分圧の検出精度の悪化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】内燃機関の概略図。
【図２】空燃比センサの断面図。
【図３】空燃比センサの分解斜視図。
【図４】空燃比センサの部分断面図。
【図５】ＥＣＵが実行する印加電圧の上限値規制制御のフローチャート。
【図６】ブラックニング電圧と温度との関係を示すグラフ。
【図７】変更例の空燃比センサを示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図１〜図７にしたがって説明する。先ず、内燃機関Ｅの概略構成について説明する。
図１に示すように、内燃機関Ｅは、外部から吸気を導入するための吸気通路１１を備えている。吸気通路１１には、燃料と吸気との混合気を燃焼させる気筒１０が接続されている。気筒１０には、排気を外部に排出するための排気通路２１が接続されている。
【００１１】
吸気通路１１には、吸気通路１１に導入される空気を濾過するエアクリーナ１２が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ１２よりも下流側には、通路面積を可変とするスロットルバルブ１３が設けられている。吸気通路１１におけるエアクリーナ１２とスロットルバルブ１３との間には、吸気通路１１に導入された空気の流量を検出するエアフロメータ１４が設けられている。エアフロメータ１４は、検出した空気の流量値を、内燃機関Ｅの制御装置である電子制御ユニット３０（以下、ＥＣＵ３０と略記する。）に出力する。吸気通路１１におけるスロットルバルブ１３よりも下流側には、燃料を噴射するインジェクタ１５が設けられている。
【００１２】
排気通路２１には、排気中の成分を浄化する触媒２２が設けられている。排気通路２１における触媒２２よりも上流側には、被測定ガスである排ガス中の酸素分圧を検出する空燃比センサ５０が設けられている。空燃比センサ５０は、排ガス中の酸素分圧を検出し、検出した酸素分圧に応じた電流値をＥＣＵ３０に出力する。
【００１３】
ＥＣＵ３０は、空燃比センサ５０が検出した電流値に基づいて、排気通路２１における触媒２２の上流部分の酸素分圧を算出する。そして、ＥＣＵ３０は、算出した酸素分圧に基づいて、気筒１０に供給された混合気の空燃比を演算する。また、ＥＣＵ３０には、エアフロメータ１４、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ、機関回転速度を検出する回転速度センサ等の各種センサの検出値が入力される。ＥＣＵ３０は、各種センサの検出値から把握される内燃機関Ｅの状況に応じて、スロットルバルブ１３やインジェクタ１５等を制御して空燃比制御を行う。
【００１４】
次に、空燃比センサ５０の具体的な構成について説明する。
図３に示すように、空燃比センサ５０は、長方形板状のヒータ支持部５１を備えている。なお、本実施形態では、ヒータ支持部５１の長辺方向を長さ方向とし、長辺方向に直交する短辺方向を幅方向として説明する。また、ヒータ支持部５１の面方向に直交する方向を上下方向として説明する。
【００１５】
ヒータ支持部５１の内部には、空燃比センサ５０の温度を調整するヒータ部５２が埋設されている。図４に示すように、ヒータ部５２は電熱線であり、空燃比センサ５０を上側から平面視したときに、略Ｍ字形状に延びている。ヒータ部５２の両端は、図示しないヒータ用電源に接続されており、当該ヒータ用電源からの給電によりヒータ部５２が発熱する。ヒータ部５２は、空燃比センサ５０の温度がおよそ６５０〜７５０℃になるように加熱制御されている。
【００１６】
図２に示すように、ヒータ部５２の上面には全体として長方形板状をなす第１隔壁部５３が固定されている。図３に示すように、第１隔壁部５３には、四角形状の貫通孔５３ａが上下方向に貫通している。第１隔壁部５３には、当該第１隔壁部５３の上面から下側に窪んだ凹条部５３ｃが設けられている。凹条部５３ｃは、第１隔壁部５３の貫通孔５３ａから第１隔壁部５３の長さ方向の一端まで延びている。
【００１７】
図３に示すように、第１隔壁部５３には、貫通孔５３ａを囲む壁部のうちの一部が幅方向に開放された開放部５３ｂが設けられている。第１隔壁部５３の開放部５３ｂには、四角柱状の拡散抵抗部５４が嵌め込まれている。上下方向における拡散抵抗部５４の寸法は、第１隔壁部５３の厚みと同じになっている。拡散抵抗部５４は、気体が通過可能な多孔質性の材質で形成されており、例えば、アルミナ製である。
【００１８】
図３に示すように、空燃比センサ５０は、被測定ガスである排気ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部６０を備えている。センサセル部６０は、第１隔壁部５３及び拡散抵抗部５４の上面に固定された長方形板状の第１固体電解質体６１を備えている。図２に示すように、第１隔壁部５３の貫通孔５３ａの内面、ヒータ支持部５１の上面、及び第１固体電解質体６１の下面によってガス室５８が区画されている。ガス室５８には、拡散抵抗部５４を介して排ガスが流入する。なお、拡散抵抗部５４のうちの幅方向の一面は空燃比センサ５０の外面の一部を構成しており、排ガスは拡散抵抗部５４を介してガス室５８に流入する。そして、拡散抵抗部５４を通過する際に排ガスの流速が低下する。そのため、排気通路２１を通過する排ガスの流速に脈動が生じても、ガス室５８に流入する排ガスの流入速度はほぼ一定になる。
【００１９】
図２に示すように、第１固体電解質体６１の下面には、検出電極部６２が固定されている。図３に示すように、検出電極部６２は、正方形板状の本体部６２ａと、本体部６２ａから長さ方向に延びている接続部６２ｂとを備えている。検出電極部６２の接続部６２ｂは、第１隔壁部５３の凹条部５３ｃに嵌め込まれている。図２に示すように、検出電極部６２の本体部６２ａは、ガス室５８内に配置されており、ガス室５８に排ガスが流入すると排ガスに晒される。
【００２０】
図２に示すように、第１固体電解質体６１の上面には、第１基準電極部６３が固定されている。図３に示すように、第１基準電極部６３は、正方形板状の本体部６３ａと、本体部６３ａから長さ方向に延びている接続部６３ｂとを備えている。第１基準電極部６３の本体部６３ａの幅方向の寸法は、検出電極部６２の本体部６２ａの幅方向の寸法と同じになっている。また、第１基準電極部６３の本体部６３ａの長さ方向の寸法は、検出電極部６２の本体部６２ａの長さ方向の寸法と同じになっている。図４に示すように、空燃比センサ５０を上側から平面視したときに、第１基準電極部６３の本体部６３ａは、検出電極部６２の本体部６２ａと上下方向に重なっている。本実施形態では、第１固体電解質体６１が検出電極部６２の本体部６２ａと第１基準電極部６３の本体部６３ａとに挟まれており、検出電極部６２及び第１基準電極部６３が第１固体電解質体６１を挟んでいる電極部である。
【００２１】
図２に示すように、第１固体電解質体６１の上面には全体として長方形板状をなす第２隔壁部５５が固定されている。図３に示すように、第２隔壁部５５には、四角形状の貫通孔５５ａが上下方向に貫通している。第２隔壁部５５には、当該第２隔壁部５５の下面から上側に窪んだ下側凹条部５５ｄが設けられている。下側凹条部５５ｄは、第２隔壁部５５の貫通孔５５ａから第２隔壁部５５の長さ方向の一端まで延びている。第２隔壁部５５の下側凹条部５５ｄには、第１基準電極部６３の接続部６３ｂが嵌め込まれている。また、第２隔壁部５５には、当該第２隔壁部５５の上面から下側に窪んだ上側凹条部５５ｃが設けられている。上側凹条部５５ｃは、第２隔壁部５５の貫通孔５５ａから第２隔壁部５５の長さ方向の一端まで延びている。
【００２２】
図３に示すように、空燃比センサ５０は、センサセル部６０側に酸素を供給、又はセンサセル部６０側から酸素を排出する酸素セル部７０を備えている。酸素セル部７０は、第２隔壁部５５の上面に固定された長方形板状の第２固体電解質体７１を備えている。図２に示すように、第２固体電解質体７１の厚みＨ２は、第１固体電解質体６１の厚みＨ１のおよそ半分の厚みになっている。すなわち、第２固体電解質体７１の厚みＨ２は、第１固体電解質体６１の厚みＨ１よりも薄くなっている。
【００２３】
図２に示すように、第２隔壁部５５の貫通孔５５ａの内面、第１固体電解質体６１の上面、及び第２固体電解質体７１の下面によって大気室５９が区画されている。大気室５９には、基準ガスとして大気が導入される。すなわち、第１基準電極部６３の本体部６３ａは、大気室５９内に配置されており、大気室５９に導入された大気に晒される。
【００２４】
図２に示すように、第２固体電解質体７１の下面には、第２基準電極部７２が固定されている。図３に示すように、第２基準電極部７２は、長方形板状の本体部７２ａと、本体部７２ａから長さ方向に延びている接続部７２ｂとを備えている。第２基準電極部７２の接続部７２ｂは、第２隔壁部５５の上側凹条部５５ｃに嵌め込まれている。図２に示すように、第２基準電極部７２の本体部７２ａは、大気室５９内に配置されており、大気室５９に導入された大気に晒される。
【００２５】
図３に示すように、第２基準電極部７２の本体部７２ａの幅方向の寸法は、検出電極部６２の本体部６２ａの幅方向の寸法のおよそ２倍の長さになっている。また、第２基準電極部７２の本体部７２ａの長さ方向の寸法は、検出電極部６２の本体部６２ａの長さ方向の寸法とほぼ同じになっている。
【００２６】
図２に示すように、第２固体電解質体７１の上面には、酸素電極部７３が固定されている。図３に示すように、酸素電極部７３は、長方形板状の本体部７３ａと、本体部７３ａから長さ方向に延びている接続部７３ｂとを備えている。なお、空燃比センサ５０の外部には排ガスが流通するため、酸素電極部７３の本体部７３ａは、排ガスに晒される。
【００２７】
図３に示すように、酸素電極部７３の本体部７３ａの幅方向の寸法は、第２基準電極部７２の本体部７２ａの幅方向の寸法と同じになっている。また、酸素電極部７３の本体部７３ａの長さ方向の寸法は、第２基準電極部７２の本体部７２ａの長さ方向の寸法と同じになっている。図４に示すように、空燃比センサ５０を上側から平面視したときに、酸素電極部７３の本体部７３ａは、第２基準電極部７２の本体部７２ａと上下方向に重なっている。本実施形態では、第２固体電解質体７１が第２基準電極部７２の本体部７２ａと酸素電極部７３の本体部７３ａとに挟まれており、第２基準電極部７２及び酸素電極部７３が第２固体電解質体７１を挟んでいる一対の電極部である。
【００２８】
図４に示すように、第２固体電解質体７１における第２基準電極部７２の本体部７２ａと酸素電極部７３の本体部７３ａとに挟まれた部分である第２挟持領域Ｃの面積は、第１固体電解質体６１における検出電極部６２の本体部６２ａと第１基準電極部６３の本体部６３ａとに挟まれた部分である第１挟持領域Ｂの面積のおよそ２倍の面積になっている。すなわち、第２挟持領域Ｃの面積は、第１挟持領域Ｂの面積よりも大きくなっている。
【００２９】
図４に示すように、空燃比センサ５０を上側から平面視したときに、第１挟持領域Ｂ及び第２挟持領域Ｃは、ヒータ部５２によって囲まれるようになっており、ヒータ部５２によって温度が調整される。ヒータ部５２のＭ字部分の幅方向の寸法は、第１挟持領域Ｂ及び第２挟持領域Ｃの幅方向の寸法よりも大きくなっている。また、ヒータ部５２のＭ字部分の長さ方向の寸法は、第１挟持領域Ｂ及び第２挟持領域Ｃの長さ方向の寸法よりも大きくなっている。すなわち、第１挟持領域Ｂ及び第２挟持領域Ｃの全領域は、ヒータ部５２のＭ字部分に囲まれた加熱領域Ａの領域内に位置している。
【００３０】
図２に示すように、検出電極部６２及び第１基準電極部６３には、これらの間に一定の電圧を印加する第１電源８１が接続されている。第１電源８１の正極は第１基準電極部６３側に接続され、第１電源８１の負極は検出電極部６２側に接続されている。これにより、第１固体電解質体６１を介して検出電極部６２と第１基準電極部６３との間に電流が流れる。
【００３１】
図２に示すように、第１基準電極部６３と第１電源８１との間には、第１固体電解質体６１内を流れる電流値を検出する電流検出装置８３が接続されている。電流検出装置８３が検出した電流値は、気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比である場合に「０」となる。また、電流検出装置８３が検出した電流値は、気筒１０に供給される混合気の空燃比がリーンになるにつれて正の方向に大きくなり、空燃比がリッチになるにつれて負の方向に大きくなる。
【００３２】
第１電源８１及び電流検出装置８３は、空燃比センサ５０の温度を測定するための温度センサとしても機能する。空燃比センサ５０の温度を測定する際には、第１電源８１から第１固体電解質体６１に交流電圧を一時的（例えば数百ミリ秒の間）に印加する。比較的に短周期の交流電圧を第１固体電解質体６１に印加した場合には、排ガスの酸素分圧に拘わらず、第１固体電解質体６１の抵抗値に応じた所定の電流が第１固体電解質体６１に流れる。そして、第１固体電解質体６１の抵抗値は、主として温度によって決定される。そこで、第１固体電解質体６１に流れる電流値を電流検出装置８３によって検出するとともにその電流値から第１固体電解質体６１の抵抗値を算出し、さらに、その抵抗値に基づいて空燃比センサ５０の温度を算出する。
【００３３】
図２に示すように、第２基準電極部７２及び酸素電極部７３には、これらの間に印加される電圧を可変制御する第２電源８２が接続されている。第２電源８２は、第２基準電極部７２及び酸素電極部７３を介して第２固体電解質体７１に電圧を印加する。
【００３４】
第１固体電解質体６１は、当該第１固体電解質体６１の上下面間の電位差が大きいほど、上下面間に多くの酸素イオンを移動させる性質を備えている。具体的には、第１電源８１の負極側である検出電極部６２側から第１電源８１の正極側である第１基準電極部６３側に向かって酸素イオンを移動させる。
【００３５】
また、第１固体電解質体６１は、ヒータ部５２によって加熱されて温度が上昇することで活性化状態となる。第１固体電解質体６１は、活性化状態で第１固体電解質体６１の上下面間に酸素分圧の差が生じると、酸素分圧の差に応じて酸素イオンを移動させる性質を備えている。具体的には、第１固体電解質体６１の上下面間の酸素分圧の差が大きいほど、大気室５９において大気に晒される第１基準電極部６３側からガス室５８において排ガスに晒される検出電極部６２側に向かって多くの酸素イオンを移動させる。
【００３６】
気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリーンの場合、第１固体電解質体６１の上下面間の酸素分圧の差が小さくなるため、第１電源８１の負極側である検出電極部６２側から第１電源８１の正極側である第１基準電極部６３側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第１電源８１の正極側である第１基準電極部６３側から第１電源８１の負極側である検出電極部６２側に向かって電流が流れる。
【００３７】
一方、気筒１０に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりもリッチの場合、第１固体電解質体６１の上下面間の酸素分圧の差が大きくなるため、第１電源８１の正極側である第１基準電極部６３側から第１電源８１の負極側である検出電極部６２側に向かって酸素イオンが移動する。そして、第１電源８１の負極側である検出電極部６２側から第１電源８１の正極側である第１基準電極部６３側に向かって電流が流れる。
【００３８】
第２固体電解質体７１は、第１固体電解質体６１と同様に、上下面間に電位差が与えられると、電位差に応じて酸素イオンを移動させる性質を備えている。第２電源８２は、第１固体電解質体６１内に流れる電流と同じ電流が第２固体電解質体７１内に流れるように、印加電圧が制御される。具体的には、混合気の空燃比がリーンであって第１固体電解質体６１内を第１基準電極部６３側から検出電極部６２側に向かって電流が流れている場合、第２固体電解質体７１内を酸素電極部７３側から第２基準電極部７２側に向かって電流が流れるように第２電源８２が制御される。これにより、第１固体電解質体６１内を検出電極部６２側から第１基準電極部６３側に向かって移動する酸素イオンの量に合わせて、第２固体電解質体７１内を第２基準電極部７２側から酸素電極部７３側に向かって酸素イオンが移動する。
【００３９】
一方、混合気の空燃比がリッチであって第１固体電解質体６１内を検出電極部６２側から第１基準電極部６３側に向かって電流が流れている場合、第２固体電解質体７１内を第２基準電極部７２側から酸素電極部７３側に向かって電流が流れるように第２電源８２が制御される。これにより、第１固体電解質体６１内を第１基準電極部６３側から検出電極部６２側に向かって移動する酸素イオンの量に合わせて、第２固体電解質体７１内を酸素電極部７３側から第２基準電極部７２側に向かって酸素イオンが移動する。
【００４０】
次に、図５及び図６を参照して、ＥＣＵ３０が実行する第２電源８２の印加電圧の上限値規制制御について説明する。ＥＣＵ３０は、内燃機関Ｅの始動時から停止時までの間において、第２電源８２の印加電圧の上限値規制制御を繰り返し実行する。内燃機関Ｅが始動されると、図５に示すように、ステップＳ１１において、ＥＣＵ３０は、電流検出装置８３から出力される電流値に基づいて排ガスの酸素分圧を算出し、その酸素分圧に基づいて気筒１０に供給された混合気の空燃比を算出する。ステップＳ１２において、ＥＣＵ３０は、算出した空燃比に基づいて該当する空燃比マップ等を選択する。具体的には、図６に示すように、ＥＣＵ３０には、空燃比センサ５０の温度とその温度において第２固体電解質体７１にブラックニングが生じるブラックニング電圧との関係性（関係式やマップなど）が、空燃比（Ａ／Ｆ）毎に記憶されている。そして、ＥＣＵ３０は、例えば、空燃比が「１１」である場合には、Ａ／Ｆ１１の温度とブラックニング電圧との関係性を参照する。なお、空燃比センサ５０の温度と第２固体電解質体７１にブラックニングが生じるブラックニング電圧との関係性は、ＥＣＵ３０の記憶部に予め記憶されているものである。
【００４１】
図５に示すように、ステップＳ１３において、ＥＣＵ３０は、ヒータ部５２の加熱状況に応じた第２固体電解質体７１の温度を推定する。具体的には、第１電源８１から検出電極部６２及び第１基準電極部６３を介して第１固体電解質体６１に交流電圧を一時的に印加する。これにより、第１固体電解質体６１における検出電極部６２と第１基準電極部６３との間には、ガス室５８の酸素分圧と大気室５９の酸素分圧の差に依らない電流が流れる。そして、その際に第１固体電解質体６１に流れる電流値を電流検出装置８３によって検出して、第１固体電解質体６１の抵抗値を算出する。第１固体電解質体６１の抵抗値は当該第１固体電解質体６１の温度が高くなるほど低くなるという相関関係があるため、第１固体電解質体６１の抵抗値から当該第１固体電解質体６１の温度を推定できる。また、第１固体電解質体６１の温度と第２固体電解質体７１の温度とはほぼ同じであるため、第１固体電解質体６１の温度から第２固体電解質体７１の温度を推定できる。
【００４２】
図５に示すように、ステップＳ１４において、ＥＣＵ３０は、推定した第２固体電解質体７１の温度に基づき、ブラックニング電圧を算出する。図６に示すように、例えば、第２固体電解質体７１の温度が温度Ｘ１である場合、ブラックニング電圧は電圧Ｖ１となる。図５に示すように、ステップＳ１５において、ＥＣＵ３０は、第２電源８２の印加電圧の上限値として、算出した電圧Ｖ１の値よりも１０％低い値の電圧Ｖ０を設定する。ＥＣＵ３０は、ステップＳ１５を終了すると１サイクルの上限値規制制御を終了してステップＳ１１に戻り、第２電源８２の印加電圧の上限値規制制御を繰り返し実行する。
【００４３】
次に、本実施形態の効果を作用とともに説明する。
酸素セル部７０では、第２基準電極部７２及び酸素電極部７３から第２固体電解質体７１に対して高電圧が印加されることがある。具体的には、気筒１０に供給される混合気の空燃比がリーン側であるほど、排ガス中の酸素量が多くなる。このように、排ガス中にある程度の酸素が存在していれば、酸素セル部７０がセンサセル部６０側に酸素を供給する場合でも容易に酸素を供給できる。一方、気筒１０に供給される混合気の空燃比がリッチの場合、排ガス中の酸素量が少なくなるため、酸素セル部７０では排ガス中に含まれる水分を電気分解してセンサセル部６０側に酸素を供給することになる。ここで、排ガス中に含まれる水分量が少ないと、第２固体電解質体７１に高電圧を印加してセンサセル部６０側に十分な酸素量を供給することになる。そのため、空燃比がリッチの場合は、空燃比がリーンの場合に比べて、第２固体電解質体７１に対して高電圧を印加する必要がある。第２固体電解質体７１に対して過度に高い電圧が印加されると、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生しやすい。そして、図６に示すように、リッチ雰囲気ではリーンの場合に比べてブラックニングが発生する電圧であるブラックニング電圧が低くなるため、リッチ雰囲気ではブラックニングが特に発生しやすい。そして、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生すると、第２固体電解質体７１における酸素イオンの透過性が低下するため、空燃比センサ５０全体としても酸素分圧の検出精度が悪化するおそれがある。
【００４４】
これに対して、本実施形態では、第２固体電解質体７１の厚みＨ２は、第１固体電解質体６１の厚みＨ１よりも薄くなっている。そのため、第２固体電解質体７１を挟み込む第２基準電極部７２と酸素電極部７３との間の電気抵抗は、例えば、第２固体電解質体７１の厚みＨ２を第１固体電解質体６１の厚みＨ１と同じ厚みとした場合に比較して、小さくなる。これにより、第２固体電解質体７１に、必要な電流を流すのに必要な電圧を低くすることができ、第２固体電解質体７１に過度に高い電圧が印加されることを抑制できる。その結果、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生することに起因するセンサセル部６０における酸素分圧の検出精度の悪化を抑制できる。
【００４５】
また、本実施形態では、第２固体電解質体７１における第２挟持領域Ｃの面積は、第１固体電解質体６１における第１挟持領域Ｂの面積よりも大きくなっている。そのため、第２固体電解質体７１を挟み込む第２基準電極部７２と酸素電極部７３との間の電気抵抗は、例えば、第２固体電解質体７１における第２挟持領域Ｃの面積を第１固体電解質体６１における第１挟持領域Ｂの面積と同じとした場合に比較して、小さくなる。
【００４６】
さらに、本実施形態では、第２固体電解質体７１における第２挟持領域Ｃの全領域は、ヒータ部５２のＭ字部分に囲まれた加熱領域Ａの領域内に位置している。そのため、第２固体電解質体７１における第２挟持領域Ｃは、当該第２挟持領域Ｃの一部が加熱領域Ａの領域外に位置している場合に比較して、第２挟持領域Ｃの全領域がヒータ部５２によって加熱されやすい。そして、第２固体電解質体７１は温度が上昇するほど抵抗値が低下する性質を備えているため、第２固体電解質体７１を挟み込む第２基準電極部７２と酸素電極部７３との間の電気抵抗は、より小さくなる。
【００４７】
また、第２固体電解質体７１の厚みＨ２は第１固体電解質体６１の厚みＨ１よりも薄くなっているため、例えば、第２固体電解質体７１の厚みＨ２を第１固体電解質体６１の厚みＨ１と同じ厚みとした場合に比較して、ヒータ部５２によって第２固体電解質体７１の温度が上昇しやすい。これにより、第２固体電解質体７１を挟み込む第２基準電極部７２と酸素電極部７３との間の電気抵抗は、速やかに小さくなる。その結果、第２固体電解質体７１の抵抗が大きくて高い電圧が印加される期間を短くできるため、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生することをさらに抑制できる。
【００４８】
ところで、図６に示すように、第２固体電解質体７１のブラックニング電圧は、気筒１０に供給される混合気の空燃比や第２固体電解質体７１の温度によって変化する。そのため、例えば、空燃比が「１１」であって第２固体電解質体７１の温度が温度Ｘ１の場合、第２電源８２の印加電圧がブラックニング電圧Ｖ１以上の電圧になると、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生するおそれがある。
【００４９】
これに対して、本実施形態では、排ガス中の酸素分圧に基づいた空燃比や第２固体電解質体７１の温度に応じたブラックニング電圧を算出し、そのブラックニング電圧Ｖ１よりも低い電圧Ｖ０を、第２電源８２の印加電圧の上限値として設定する上限値規制制御を行っている。これにより、第２固体電解質体７１に対して、ブラックニング電圧Ｖ１以上の電圧が印加されることが抑制される。結果的に、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生することがより確実に抑制される。
【００５０】
なお、上記の実施形態は、以下のように変更できる。
・上記実施形態では、空燃比センサ５０内に大気室５９が区画されていたが、大気室５９が区画されていなくてもよい。例えば、図７に示すように、第２隔壁部５５を省略して、第１固体電解質体６１の上面に、長方形板状の第２固体電解質体１７１が固定されていればよい。この変更例の場合、第２固体電解質体１７１には、当該第２固体電解質体１７１の下面から上側に窪んだ凹部１７１ａが設けられている。凹部１７１ａには、第２基準電極部７２が嵌め込まれている。また、検出電極部６２及び第２基準電極部７２には、一定の電圧を印加する第１電源８１が接続されている。
【００５１】
この変更例では、第２固体電解質体１７１が第２基準電極部７２の本体部７２ａと酸素電極部７３の本体部７３ａとに挟まれており、第２基準電極部７２及び酸素電極部７３が第２固体電解質体１７１を挟んでいる一対の電極部である。また、第１固体電解質体６１が検出電極部６２の本体部６２ａと第２基準電極部７２の本体部７２ａとに挟まれており、検出電極部６２及び第２基準電極部７２が第１固体電解質体６１を挟んでいる電極部である。図７に示すように、第２固体電解質体１７１における第２基準電極部７２の本体部７２ａと酸素電極部７３の本体部７３ａとに挟まれた部分の厚みＨ１２は、第１固体電解質体６１における検出電極部６２の本体部６２ａと第２基準電極部７２の本体部７２ａとに挟まれた部分の厚みＨ１１よりも薄くなっている。
【００５２】
・上記実施形態では、空燃比センサ５０内にガス室５８が区画されていたが、ガス室５８が区画されていなくてもよい。例えば、検出電極部６２は、気体が通過可能な拡散抵抗部で覆われていてもよい。この場合にも、検出電極部６２の本体部６２ａには、拡散抵抗部を介して排ガスが供給されることになる。
【００５３】
・上記実施形態では、第２電源８２によって第２固体電解質体７１内を流れる電流値の向きが変わるように制御されていたが、これに限らない。例えば、第２固体電解質体７１内を常に第２基準電極部７２側から酸素電極部７３側に向かって一定の電流が流れるように第２電源８２が制御されていてもよい。これにより、第２固体電解質体７１内を常に酸素電極部７３側から第２基準電極部７２側に向かって酸素イオンが移動する。この場合には、大気室５９に常に酸素が導入されるようになるため、大気室５９の酸素が不足することは抑制される。なお、常に大気室５９内に酸素が供給されると、大気室５９内の酸素分圧が大気よりも多少濃くなることがあり得る。しかし、このように一時的に酸素が過度になる場合でも、内燃機関Ｅの停止時等において酸素が第１基準電極部６３の接続部６３ｂや第２基準電極部７２の接続部７２ｂを介して排出されることで、大気室５９内の酸素分圧は、大気の酸素分圧に近くなっていく。
【００５４】
また、上記変更例においては、第２電源８２によって第２固体電解質体７１内を流れる電流値が一定値に制御されていてもよい。この場合にも、第２電源８２の印加電圧の上限値を設定する上限値規制制御を行うとよい。
【００５５】
・上記実施形態では、第２電源８２の印加電圧の上限値を設定する上限値規制制御を行っていたが、第２固体電解質体７１の厚みＨ２が薄く、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生するおそれが小さいのであれば、第２電源８２の印加電圧の上限値規制制御を行わなくてもよい。
【００５６】
・上記実施形態では、第２固体電解質体７１における第２挟持領域Ｃの面積が第１固体電解質体６１における第１挟持領域Ｂの面積よりも大きくなっていたが、これに限らない。例えば、第２固体電解質体７１の厚みＨ２が薄く、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生するおそれが小さいのであれば、第２挟持領域Ｃの面積は、第１挟持領域Ｂの面積と同じ面積であったり、第１挟持領域Ｂの面積よりも小さい面積であったりしてもよい。
【００５７】
・上記実施形態では、第１挟持領域Ｂ及び第２挟持領域Ｃの全領域がヒータ部５２のＭ字部分に囲まれた加熱領域Ａの領域内に位置していたが、これに限らない。例えば、第２固体電解質体７１の厚みＨ２が薄く、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生するおそれが小さいのであれば、第１挟持領域Ｂ及び第２挟持領域Ｃの一部が加熱領域Ａの領域外に位置していてもよい。
【００５８】
・上記実施形態では、第１基準電極部６３の本体部６３ａの幅方向の寸法及び長さ方向の寸法は、検出電極部６２の本体部６２ａの幅方向の寸法及び長さ方向の寸法とそれぞれ同じになっていたが、異なっていてもよい。
【００５９】
また、酸素電極部７３の本体部７３ａの幅方向の寸法及び長さ方向の寸法は、第２基準電極部７２の本体部７２ａの幅方向の寸法及び長さ方向の寸法とそれぞれ同じになっていたが、異なっていてもよい。
【００６０】
・上記実施形態では、ヒータ部５２の形状が空燃比センサ５０を上側から平面視したときに、略Ｍ字形状に延びていたが、これに限らない。例えば、ヒータ部５２の形状は、図４の上下方向に複数回折り返されている形状であってもよい。この場合にも、空燃比センサ５０を上側から平面視したときに、ヒータ部５２によって囲まれた領域が加熱領域Ａである。
【００６１】
・上記実施形態では、上限値規制制御における第２電源８２の印加電圧の上限値として、算出したブラックニング電圧Ｖ１の値よりも１０％低い値の電圧Ｖ０を設定していたが、これに限らない。例えば、ブラックニング電圧Ｖ１よりも５％低い電圧や２０％低い電圧を設定してもよい。また、例えば、第２電源８２の印加電圧の上限値としてブラックニング電圧Ｖ１よりも所定の値低い値の上限値を設定してもよい。
【００６２】
・場合によっては、第２固体電解質体７１における第２基準電極部７２及び酸素電極部７３に挟まれている部分の厚みを、第１固体電解質体６１における検出電極部６２及び第１基準電極部６３に挟まれている部分の厚み以上にすることも可能である。例えば、第２固体電解質体７１における第２挟持領域Ｃの面積を第１固体電解質体６１における第１挟持領域Ｂの面積よりも大きくすることで、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生するおそれを小さくしてもよい。また、第２電源８２の印加電圧の上限値を設定する上限値規制制御を行うことで、第２固体電解質体７１にブラックニングが発生するおそれを小さくしてもよい。
【００６３】
次に、上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）被測定ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部と、前記センサセル部側に酸素を供給する酸素セル部とを備えている空燃比センサであって、前記センサセル部は、被測定ガスに晒される検出電極部及び被測定ガスに晒されない基準電極部に挟まれ、前記検出電極部及び前記基準電極部から電圧が印加される第１固体電解質体を備え、前記酸素セル部は、一対の電極部に挟まれ、当該一対の電極部から電圧が印加される第２固体電解質体を備え、前記第２固体電解質体における前記一対の電極部に挟まれた部分の面積は、前記第１固体電解質体における前記検出電極部及び前記基準電極部に挟まれた部分の面積よりも大きいことを特徴とする空燃比センサ。
【００６４】
（ロ）被測定ガスの酸素分圧を検出するセンサセル部と、前記センサセル部側に酸素を供給する酸素セル部とを備えている空燃比センサに適用される制御装置であって、前記センサセル部は、被測定ガスに晒される検出電極部及び被測定ガスに晒されない基準電極部に挟まれ、前記検出電極部及び前記基準電極部から電圧が印加される第１固体電解質体を備え、前記酸素セル部は、一対の電極部に挟まれ、当該一対の電極部から電圧が印加される第２固体電解質体を備え、前記制御装置は、被測定ガスの酸素分圧に応じた前記第２固体電解質体のブラックニング電圧を算出し、前記ブラックニング電圧よりも低い電圧を、前記第２固体電解質体における前記一対の電極部から印加される電圧の上限値として設定する上限値規制制御を行うことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
【符号の説明】
【００６５】
Ａ…加熱領域、Ｂ…第１挟持領域、Ｃ…第２挟持領域、Ｅ…内燃機関、１０…気筒、１１…吸気通路、１２…エアクリーナ、１３…スロットルバルブ、１４…エアフロメータ、１５…インジェクタ、２１…排気通路、２２…触媒、３０…電子制御ユニット、３０…ＥＣＵ、５０…空燃比センサ、５１…ヒータ支持部、５２…ヒータ部、５３…第１隔壁部、５３ａ…貫通孔、５３ｂ…開放部、５３ｃ…凹条部、５４…拡散抵抗部、５５…第２隔壁部、５５ａ…貫通孔、５５ｃ…上側凹条部、５５ｄ…下側凹条部、５８…ガス室、５９…大気室、６０…センサセル部、６１…第１固体電解質体、６２…検出電極部、６２ａ…本体部、６２ｂ…接続部、６３…第１基準電極部、６３ａ…本体部、６３ｂ…接続部、７０…酸素セル部、７１…第２固体電解質体、７２…第２基準電極部、７２ａ…本体部、７２ｂ…接続部、７３…酸素電極部、７３ａ…本体部、７３ｂ…接続部、８１…第１電源、８２…第２電源、８３…電流検出装置、１７１…第２固体電解質体、１７１ａ…凹部。
【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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