(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な制御で検知素子の検知電極への炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができるガスセンサ制御システムを提供する。【解決手段】ガスセンサ制御システム１は、内部抵抗検知手段とヒータ通電制御手段とを備え、検知時間ＴＭは、１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、目標抵抗値Ｒｔは、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で、検知電極温度Ｔｄが、検知電極３Ｎに排気ガスＥＧ中の炭素が析出しない所定の非析出温度Ｔｄｎであるときに、検知される内部抵抗Ｒｉであるリッチ内部抵抗Ｒｉｒの値に定められており、ヒータ通電制御手段は、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下及びリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下のいずれでも、目標抵抗値Ｒｔを用いてフィードバック制御を行う。【選択図】図１
2015230166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを含み、これを制御するガスセンサ制御システムであって、
上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、
上記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
上記検知時間は、
１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、
上記目標抵抗値は、
リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、
上記ヒータ通電制御手段は、
上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行う
ガスセンサ制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサ制御システムであって、
前記リッチ雰囲気の排気ガス下で、前記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない前記検知電極温度の温度範囲を非析出温度範囲とし、
前記リーン雰囲気の排気ガス下で、前記内部抵抗が前記目標抵抗値となっているときの上記検知電極温度をリーン下温度としたとき、
前記検知時間及び前記目標抵抗値を、
上記リーン下温度が上記非析出温度範囲よりも低い温度となる値に定めてなる
ガスセンサ制御システム。
【請求項３】
請求項２に記載のガスセンサ制御システムであって、
前記検知時間を、
前記非析出温度と前記リーン下温度との差が１０℃以上となる値に定めてなる
ガスセンサ制御システム。
【請求項４】
酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを制御するガスセンサ制御装置であって、
上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、
上記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
上記検知時間は、
１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、
上記目標抵抗値は、
リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、
上記ヒータ通電制御手段は、
上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行う
ガスセンサ制御装置。
【請求項５】
酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを制御するガスセンサの制御方法であって、
上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて検知した上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御ステップを備え、
上記検知時間は、
１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、
上記目標抵抗値は、
リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、
上記ヒータ通電制御ステップで、
上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行う
ガスセンサの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ制御システム、ガスセンサ制御装置及びガスセンサの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体からなる検知素子を備えるガスセンサとして、内燃機関の排気ガスがリッチ雰囲気であるかリーン雰囲気であるかを検知する酸素センサが知られており、内燃機関の空燃比制御に用いられている。
なお、リッチ雰囲気の排気ガスは、理論空燃比よりも燃料が多い（リッチな）ため、燃焼後の排気ガス中に酸素をほとんど含まない状態（例えば、１体積％以下）の排気ガスであり、リーン雰囲気の排気ガスは、理論空燃比よりも燃料が少ない（リーンな）ため、燃焼後の排気ガス中に酸素を多く含む（例えば、１０〜２０体積％）状態の排気ガスである。
このガスセンサの検知素子を構成する固体電解質体は、おおむね６００℃以上の高温状態（活性化状態）で良好な酸素イオン伝導性を示す。そこでガスセンサに、検知素子を加熱するヒータを設け、検知素子を活性化状態とするべく加熱する。しかも、検知素子の内部抵抗が、その素子温度に応じて変化することを利用して、検知素子の内部抵抗が目標抵抗値になるように、ヒータへの通電をフィードバック制御することが行われている。
【０００３】
ところで、このガスセンサにおいては、検知素子の内部抵抗の大きさは、排気ガスの雰囲気の違いの影響を受ける。具体的には、リッチ雰囲気の排気ガス下で検知される内部抵抗の値は、リーン雰囲気の排気ガス下で検知される内部抵抗の値に比べて大きくなる。排気ガスに晒される検知素子の検知電極の電極界面抵抗（検知電極の電極表面に酸素分子が吸着・拡散するときの抵抗、及び、固体電解質体と検知電極と気相との三相界面で生じる酸素分子と酸素イオンとの間の分解・生成反応の抵抗）の大きさが、リッチ雰囲気の排気ガス下とリーン雰囲気の排気ガス下とで異なるためと考えられる。そこで、例えば、特許文献１では、ガスセンサを制御するにあたり、リッチ雰囲気とリーン雰囲気との相違に起因して生じる内部抵抗の変動の影響を抑える制御を行うことが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−１９０２９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した排気ガスの雰囲気の違いに起因する内部抵抗の変動の影響を抑えるためには、例えば、リッチ雰囲気の排気ガス下とリーン雰囲気の排気ガス下とで異なる補正係数を用いたり、リッチ雰囲気の排気ガス下とリーン雰囲気の排気ガス下とで、制御フローを異ならせる必要があり、制御が複雑になる。
【０００６】
また、低酸素濃度となるリッチ雰囲気の排気ガス下では、排気ガスに晒されている検知素子の検知電極の温度（以下、検知電極温度という）が、特定の温度以下（例えば、約６７０℃以下）になると、多孔質の検知電極の内部や表面上に排気ガス中の炭素が析出することがある。そして、検知電極に炭素が析出すると、検知素子の固体電解質体から検知電極が剥離するなどして、ガスセンサの特性劣化を招くおそれがある。このため、リッチ雰囲気の排気ガス下では、検知電極への炭素の析出を防ぐために、検知素子の検知電極の検知電極温度を、炭素が析出し始める上述の特定の温度（例えば６７０℃）よりも高い温度、即ち、炭素が析出しない温度範囲内の温度に保つことが求められる。ただし、検知電極の検知電極温度を高くしすぎると、検知素子が過昇温になったり、ヒータへの投入電力が大きくなって、ヒータ通電による電力消費が大きくなる点で好ましくない。
一方、酸素濃度が高いリーン雰囲気の排気ガス中には、検知電極の検知電極温度が、もし、リッチ雰囲気の排気ガス下ならば炭素が析出し始める温度（例えば６７０℃）以下になっても、化学平衡の観点から析出炭素の起源となるＣＯが含まれないため、検知電極に炭素が析出しない。
【０００７】
本発明は、かかる知見に鑑みてなされたものであって、簡易な制御で検知素子の検知電極への炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができるガスセンサ制御システム、ガスセンサ制御装置及びガスセンサの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その一態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを含み、これを制御するガスセンサ制御システムであって、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、上記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、上記検知時間は、１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、上記目標抵抗値は、リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、上記ヒータ通電制御手段は、上記排気ガスがリッチ雰囲気及びリーン雰囲気のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行うガスセンサ制御システムである。
【０００９】
このガスセンサ制御システムでは、まず、内部抵抗検知手段における検知時間を、１．０ｍｓｅｃよりも長い時間（例えば、３．０ｍｓｅｃ、５．０ｍｓｅｃ、１０．０ｍｓｅｃなど）としている。これにより、検知される内部抵抗に検知電極の電極界面抵抗の成分が含まれるため、排気ガスがリッチ雰囲気であるかリーン雰囲気であるかによって、検知される内部抵抗の値に差が現れる。さらに、ヒータ通電制御手段で用いる目標抵抗値を、リッチ雰囲気の排気ガス下で、検知電極温度が、所定の非析出温度（炭素が析出し始める温度（例えば６７０℃）よりも高い温度、例えば７００℃）であるときに、検知される内部抵抗（リッチ内部抵抗）の値に定めてある。具体的には、例えば、リッチ雰囲気の排気ガス下で、検知電極温度を７００℃（非析出温度）としたときに、検知される内部抵抗（リッチ内部抵抗）が９００Ωである素子の場合、目標抵抗値＝９００Ω（＝リッチ内部抵抗）に定めてある。そして、リッチ雰囲気及びリーン雰囲気のいずれでも、同じ目標抵抗値（例えば９００Ω）を用いてヒータへの通電のフィードバック制御を行う。
【００１０】
このため、このガスセンサ制御システムによると、リッチ雰囲気の排気ガス下では、ヒータ通電制御手段のフィードバック制御によって、検知電極の検知電極温度が所定の非析出温度（例えば７００℃）となるように制御されるので、検知電極に炭素が析出しない。
一方、リーン雰囲気の排気ガス下では、リッチ雰囲気よりも電極界面抵抗が小さく、検知される内部抵抗の値も小さくなるので、内部抵抗から換算される検知電極の検知電極温度は逆に高く見える。したがって、リーン雰囲気では、リッチ雰囲気と同じ目標抵抗値を用いてフィードバック制御を行うと、リッチ雰囲気の場合に比べ、検知電極の検知電極温度を低くする方向に制御がされる。但し、酸素濃度が高いリーン雰囲気では、検知電極の検知電極温度が、リッチ雰囲気で炭素が析出しない温度範囲内の温度であればもちろん、リッチ雰囲気ならば炭素が析出し始める温度（例えば６７０℃）よりも低い温度になった場合でも、検知電極に炭素が析出しない。しかも、リーン雰囲気では、検知電極の検知電極温度が低くなるように制御されることで、ヒータへの投入電力も低下するので、省電力となる。また、リッチ雰囲気及びリーン雰囲気のいずれでも、同じ目標抵抗値を用いて制御するので、簡易な制御となる。
このように、簡易な制御で検知電極への炭素の析出を防ぎ、しかも、全体としてヒータ通電における省電力化を図ることができる。
【００１１】
さらに、上述のガスセンサ制御システムであって、前記リッチ雰囲気の排気ガス下で、前記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない前記検知電極温度の温度範囲を非析出温度範囲とし、前記リーン雰囲気の排気ガス下で、前記内部抵抗が前記目標抵抗値となっているときの上記検知電極温度をリーン下温度としたとき、前記検知時間及び前記目標抵抗値を、上記リーン下温度が上記非析出温度範囲よりも低い温度となる値に定めてなるガスセンサ制御システムとすると良い。
【００１２】
このガスセンサ制御システムでは、検知時間及び目標抵抗値を、リーン下温度が非析出温度範囲（その下限は、リッチ雰囲気で炭素が析出し始める温度、例えば６７０℃）よりも低い温度（例えば、６４０℃）となる値に定めてある。このような検知時間及び目標抵抗値を用いて、フィードバック制御を行うことで、リッチ雰囲気の排気ガス下での検知電極への炭素の析出を防ぎつつ、ヒータへの投入電力を小さくすることができ、より効果的に省電力化を図ることができる。
【００１３】
さらに、上述のガスセンサ制御システムであって、前記検知時間を、前記非析出温度と前記リーン下温度との差が１０℃以上となる値に定めてなるガスセンサ制御システムとすると良い。
【００１４】
このガスセンサ制御システムでは、検知時間を、リッチ雰囲気下で制御される非析出温度（例えば、７００℃）とリーン下温度（例えば、６４０℃）との差が１０℃以上（この例では、７００℃−６４０℃＝６０℃）となる値に定めてある。これにより、リッチ雰囲気では、検知電極温度を炭素が析出しない非析出温度としつつ、リーン雰囲気では、この非析出温度に対してリーン下温度を十分低くすることができ、ヒータへの投入電力をさらに小さくして、より一層の省電力化を図ることができる。
【００１５】
また、他の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを制御するガスセンサ制御装置であって、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、上記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、上記検知時間は、１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、上記目標抵抗値は、リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、上記ヒータ通電制御手段は、上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行うガスセンサ制御装置である。
【００１６】
このガスセンサ制御装置によれば、ガスセンサの制御にあたり、既に説明したように、簡易な制御で検知電極への炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができる。
【００１７】
また、他の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、排気ガスに晒される検知電極及び基準雰囲気に晒される基準電極を有する検知素子と、上記検知素子を加熱するヒータとを備えるガスセンサを制御するガスセンサの制御方法であって、上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の電圧及びこれらの電極間に流れる電流の少なくともいずれかを所定の検知時間にわたって一時的に変化させて検知した上記検知素子の上記検知電極と上記基準電極との間の内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御ステップを備え、上記検知時間は、１．０ｍｓｅｃよりも長い時間であり、上記目標抵抗値は、リッチ雰囲気の排気ガス下で、上記検知素子の上記検知電極の検知電極温度が、上記検知電極に上記排気ガス中の炭素が析出しない所定の非析出温度であるときに、検知される上記内部抵抗であるリッチ内部抵抗の値に定められており、上記ヒータ通電制御ステップで、上記リッチ雰囲気の排気ガス下及びリーン雰囲気の排気ガス下のいずれでも、上記目標抵抗値を用いて上記フィードバック制御を行うガスセンサの制御方法である。
【００１８】
このガスセンサの制御方法により、ガスセンサを制御すれば、前述したように、簡易な制御で検知電極への炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態に係るガスセンサ制御システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】ギブスの自由エネルギーと検知電極温度の関係を示すグラフである。
【図３】リーン雰囲気下で目標抵抗値を設定して、リーン雰囲気の排気ガス下及びリッチ雰囲気の排気ガス下で内部抵抗が目標抵抗値となるようにフィードバック制御を行ったときの検知電極温度の違いを、検知時間を変化させて示したグラフである。
【図４】実施形態に係るガスセンサ制御システムのうち、ガスセンサ制御装置のマイクロプロセッサの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るガスセンサ２及びこれを制御するガスセンサ制御装置２０を含むガスセンサ制御システム１の概略構成を示す図である。
ガスセンサ２は、内燃機関の排気ガスＥＧがリッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒであるかリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌであるかを検知する酸素センサであり、ガスセンサ制御システム１は、ガスセンサ２が、図示しない車両の内燃機関の排気管に装着され、内燃機関の空燃比制御に用いられる。
また、ガスセンサ制御装置２０は、マイクロプロセッサ１０のほか、後述するパルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１２、出力検出回路１３及びヒータ制御回路１４を備えている。
【００２１】
ガスセンサ２は、ジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性の固体電解質体からなる検知素子３と、この検知素子３を加熱するヒータ４とを備えている。また、検知素子３は、排気ガスＥＧに晒される検知電極３Ｎ及び基準雰囲気ＡＲに晒される基準電極３Ｐを有している。より具体的には、検知電極３Ｎは、ＰｔあるいはＰｔ合金からなる多孔質で、有底筒状（図示しない）をなした固体電解質体からなる検知素子３の外周面上に形成されており、排気管内を流通する排気ガスＥＧに晒される。一方、基準電極３Ｐは、検知電極３Ｎと同様に、ＰｔあるいはＰｔ合金からなる多孔質で、有底筒状の検知素子３の内周面上に形成され、外部の大気を導入した基準雰囲気ＡＲに晒されている。さらに、検知素子３の有底筒状の内部空間には、棒状のヒータ４が内挿されている。この固体電解質体からなる検知素子３は、ヒータ４及び排気ガスＥＧで加熱されて、６００℃を越える活性化温度になると、良好な酸素イオン伝導性を示し、検知電極３Ｎと基準電極３Ｐとの間に、酸素濃度に応じた起電力（センサ出力Ｖｏｕｔ）を生じる。そして、このガスセンサ制御システム１のガスセンサ制御装置２０は、検知素子３が活性化温度を維持するように、ガスセンサ２の検知素子３の内部抵抗Ｒｉ（後述する）を用いて、ヒータ４への通電をフィードバック制御する。
なお、ガスセンサ２（酸素センサ）は、検知素子３が活性化温度とされたときに、センサ出力Ｖｏｕｔ（起電力）が、理論空燃比（λ＝１）を境にして、リッチ雰囲気とリーン雰囲気との間で二値的に急峻に変化し、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では約５０ｍＶ、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では約９００ｍＶを示す特性を有する。
【００２２】
ヒータ４は、タングステンあるいは白金を主体とした発熱抵抗体５を有し、ヒータ制御回路１４に接続されている。また、ヒータ制御回路１４は、マイクロプロセッサ１０のＰＷＭ出力ポート１７に接続されており、ヒータ４は、このヒータ制御回路１４によって、ＰＷＭ制御による通電が行われ、これにより、検知素子３が加熱される。検知素子３を活性化温度に維持するにあたり、マイクロプロセッサ１０によるフィードバック制御（ＰＩＤ制御またはＰＩ制御）で、ＰＷＭ制御に用いるパルスのデューティ比が決定される。
【００２３】
検知素子３は、内部抵抗Ｒｉを有しており、その抵抗値は、検知素子３の温度が上昇すると低下する特性を有する。即ち、この内部抵抗Ｒｉと検知素子３の素子温度との間には、所定の負の相関関係があるので、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値Ｒｔとなるようにフィードバック制御することにより、素子温度を所定の温度に維持することが可能である。
【００２４】
また、検知素子３は、活性化温度において酸素イオン伝導性を示して酸素濃淡電池となり、検知電極３Ｎと基準電極３Ｐとの間の酸素濃度差に応じた起電力ＥＶを発生する。このため、検知素子３の等価回路は、図１に示すように、検知電極３Ｎと基準電極３Ｐとの間に、起電力ＥＶを発生する電池（酸素濃淡電池）と内部抵抗Ｒｉとが直列接続された回路で表すことができる。
【００２５】
そして、検知素子３の検知電極３Ｎ及び基準電極３Ｐは、それぞれ出力検出回路１３に接続している。この出力検出回路１３は、検知素子３のセンサ出力Ｖｏｕｔを検知して、マイクロプロセッサ１０のＡ／Ｄ入力ポート１６に入力する。なお、検知素子３の検知電極３Ｎ及び基準電極３Ｐのうち、検知電極３Ｎは、出力検出回路１３の基準電位（ＧＮＤ）に接続されており、基準電極３Ｐは、検知電極３Ｎよりも高電位となる。
【００２６】
また、検知素子３の基準電極３Ｐには、出力検出回路１３のほかに、基準電極３Ｐを基準抵抗器Ｒ１及びスイッチング素子Ｔｒを介して電源電圧Ｖｃｃに接続する電圧シフト回路１２が接続している。この電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒには、パルス信号出力回路１１が接続している。このパルス信号出力回路１１は、マイクロプロセッサ１０のＩ／Ｏポート１５に接続されており、マイクロプロセッサ１０からの指令により、電圧シフト回路１２を駆動して、検知素子３の基準電極３Ｐと検知電極３Ｎとの間を流れる電流を所定の検知時間ＴＭにわたって一時的に変化させる。具体的には、所定の検知時間ＴＭにわたって、電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒをオンすることにより、電源電圧Ｖｃｃから、基準抵抗器Ｒ１及び検知素子３に電流Ｉを流し、検知素子３の基準電極３Ｐと検知電極３Ｎとの間に流れる電流を、ほぼ０からＩに変化させる。すると、センサ出力Ｖｏｕｔが、検知素子３の内部抵抗Ｒｉに生じる電圧降下に応じて変化する。
そして、電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒをオンする直前のセンサ出力Ｖｏｕｔと、電圧シフト回路１２のスイッチング素子Ｔｒをオンして所定の検知時間ＴＭが経過した後（スイッチング素子Ｔｒをオフする直前）のセンサ出力Ｖｏｕｔとの差分から、内部抵抗Ｒｉによる電圧降下を算出して、検知素子３の内部抵抗Ｒｉを検知する。
【００２７】
具体的には、検知素子３がなす酸素濃淡電池の起電力をＥＶとし、スイッチング素子Ｔｒがオフのときに出力検出回路１３で測定されるセンサ出力ＶｏｕｔをＶｏ(OFF)とすると、このセンサ出力Ｖｏ(OFF)は、次式（１）で与えられる。なお、検知素子３から出力検出回路１３へ流れる電流は無視する。
Ｖｏ(OFF)＝ＥＶ  …（１）
一方、スイッチング素子Ｔｒをオンすることにより基準抵抗器Ｒ１及び検知素子３を流れる電流の大きさをＩとし、スイッチング素子Ｔｒをオンしたときに出力検出回路１３で測定されるセンサ出力ＶｏｕｔをＶｏ(ON)とすると、このセンサ出力Ｖｏ(ON)は、起電力ＥＶと内部抵抗Ｒｉに生じる電圧降下Ｒｉ・Ｉとの和となる（式（２）参照）。
Ｖｏ(ON)＝ＥＶ＋Ｒｉ・Ｉ  …（２）
なお、このときの電流Ｉの大きさは、次式（３）で与えられる。
Ｉ＝（Ｖｃｃ−ＥＶ）／（Ｒ１＋Ｒｉ）  …（３）
【００２８】
従って、センサ出力Ｖｏ(OFF)及びセンサ出力Ｖｏ(ON)を取得すれば、式（１）〜（３）から得られる次式（４）を用いて検知素子３の内部抵抗Ｒｉを検知することができる。
Ｒｉ＝Ｒ１（Ｖｏ(ON)−Ｖｏ(OFF)）／（Ｖｃｃ−Ｖｏ(ON)）  …（４）
【００２９】
ところで、このようにして検知した検知素子３の内部抵抗Ｒｉの値は、排気ガスＥＧの雰囲気の違いの影響を受ける。具体的には、検知素子３が同一温度であっても、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で検知される内部抵抗Ｒｉの値は、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下で検知される内部抵抗Ｒｉの値に比べて大きくなる。検知素子３の排気ガスＥＧに晒される検知電極３Ｎの電極界面抵抗Ｒｅ（検知電極３Ｎの電極表面に酸素分子が吸着・拡散するときの抵抗、及び、固体電解質体と検知電極３Ｎと気相との三相界面で生じる酸素分子と酸素イオンとの間の分解・生成反応の抵抗）の大きさが、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下とリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下とで異なるからであると考えられる。このため、内部抵抗Ｒｉは、これを検知する際の検知時間ＴＭの長さによっても変動する。後述するように、検知時間ＴＭを１．０ｍｓｅｃよりも短くすると、検知される内部抵抗Ｒｉ中に含まれる検知電極３Ｎの電極界面抵抗Ｒｅの成分が少なくなって、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で検知される内部抵抗Ｒｉとリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下で検知される内部抵抗Ｒｉとの値の差が小さくなる。
【００３０】
このため、内部抵抗Ｒｉを用いて素子温度を適切に制御するには、このような排気ガスＥＧの雰囲気の違いに起因する内部抵抗Ｒｉの変動の影響を抑えるべく、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下とリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下とで異なる補正係数を用いたり、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下とリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下とで、制御フローを異ならせる必要があり、制御が複雑になる。
【００３１】
また、酸素をほとんど含まない低酸素濃度（例えば、１体積％以下）であるリッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では、検知素子３の検知電極３Ｎの温度（検知電極温度Ｔｄ）が、特定の温度以下（本例では、約６７０℃以下）になると、多孔質の検知電極３Ｎの内部や表面上に排気ガスＥＧ中の炭素が析出することがある。検知電極３Ｎに炭素が析出すると、検知電極３Ｎが形成された検知素子３の固体電解質体から検知電極３Ｎが剥離するなどして、ガスセンサの特性劣化を招くおそれがある。
【００３２】
なお、次の式（５）及び式（６）から導かれる式（７）において、（２ΔＧ１＋ΔＧ２）の項（ギブスの自由エネルギー）が正の値となる領域では、式（７）の右辺から左辺に向かう反応が生じ、検知電極３Ｎへの炭素の析出が発生する。
また、表１は、ギブスの自由エネルギー（式（７）の（２ΔＧ１＋ΔＧ２）の値）と検知電極温度Ｔｄの関係を示したものであり、検知電極温度Ｔｄが約６７０℃（正確には、６７１．１３℃）のときに、（２ΔＧ１＋ΔＧ２）の値が０となる。また、図２は、この表１の関係をグラフに示したものである。
【００３３】
式（５）：  Ｈ2Ｏ＝Ｈ2＋１／２Ｏ2＋ΔＧ１
式（６）：  ２Ｃ＋Ｏ2＝２ＣＯ＋ΔＧ２
式（７）：  式（５）×２＋式（６）
２Ｃ＋２Ｈ2Ｏ＝２Ｈ2＋２ＣＯ＋（２ΔＧ１＋ΔＧ２）
【００３４】
【表１】
2015230166.tif 000003
【００３５】
そこで、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では、検知電極３Ｎへの炭素の析出を防ぐために、検知素子３の検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄを、検知電極３Ｎに炭素が析出し始める上述の約６７０℃（非析出下限温度Ｔｄｂ：図２参照）よりも高い温度、即ち、炭素が析出しない非析出温度範囲ＴｄｎＲ（図２参照）内の温度に保つことが求められる。ただし、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄを高くしすぎると、検知素子３が過昇温になって検知電極３Ｎが劣化したり、ヒータ４への投入電力が大きくなって、ヒータ通電による電力消費が大きくなる点で好ましくない。一方、酸素濃度が高い（例えば、１０〜２０体積％）リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ中には、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄが、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下ならば炭素が析出し始める非析出下限温度Ｔｄｂ（約６７０℃）以下（非析出温度範囲ＴｄｎＲよりも低い温度）になっても、化学平衡の観点から析出炭素の起源となるＣＯが存在しないため、検知電極３Ｎに炭素が析出しない。
【００３６】
表２及び図３は、リーン雰囲気下で、検知電極温度Ｔｄが６４０℃となるように目標抵抗値Ｒｔを設定して、リーン雰囲気（λ＝１．０９８）の排気ガスＥＧｌ下及びリッチ雰囲気（λ＝０．８９８）の排気ガスＥＧｒ下で、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値Ｒｔとなるようにフィードバック制御を行ったときの検知電極温度Ｔｄの違いを、検知時間ＴＭを変化させて示したものである。
【００３７】
【表２】
2015230166.tif 000004
【００３８】
表２及び図３から判るように、同じ検知時間ＴＭで比べると、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下の検知電極温度Ｔｄは、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下の検知電極温度Ｔｄよりも高くなるようにフィードバック制御される。また、検知時間ＴＭが長いほど、リッチ雰囲気下とリーン雰囲気下との検知電極温度Ｔｄの差が大きくなる。さらに、この検知電極温度Ｔｄの差は、検知時間ＴＭが１．０ｍｓｅｃよりも長くなると顕著に現れる。逆に検知時間ＴＭが１．０ｍｓｅｃよりも短い場合には、検知電極温度Ｔｄの差が僅かになる。これは、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では、検知時間ＴＭの長さを変化させても、検知される内部抵抗Ｒｉはほとんど変化しないのに対し、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では、検知時間ＴＭが長くなるほど検知される内部抵抗Ｒｉが大きくなるからである。このようになるのは、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ中では、検知電極３Ｎ上に酸素分子が多く存在しているので、酸素分子の電極表面への吸着・拡散、及び酸素分子の酸素イオン化が容易であり、電極界面抵抗Ｒｅが相対的に小さい。これに対し、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ中では、検知電極３Ｎ上に酸素分子は殆ど存在していないため、酸素分子の電極表面への吸着・拡散、及び酸素分子の酸素イオン化が困難となり、その結果、検知時間ＴＭが長くなるほど、電極界面抵抗Ｒｅが大きくなるためである。
そこで、本実施形態では、検知時間ＴＭを１．０ｍｓｅｃよりも長い時間、具体的には、ＴＭ＝１０．０ｍｓｅｃとしている。これにより、排気ガスＥＧがリッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒであるかリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌであるかによって、検知される内部抵抗Ｒｉの値が大きく異なることになる。
【００３９】
さらに、本実施形態では、ヒータ４の通電制御で用いる目標抵抗値Ｒｔを、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で、検知電極温度Ｔｄが、検知電極３Ｎに炭素が析出しない所定の非析出温度Ｔｄｎであるときに、検知される内部抵抗Ｒｉ（以下、リッチ内部抵抗Ｒｉｒという）に設定する。
本実施形態では、非析出温度Ｔｄｎとして、炭素が析出し始める非析出下限温度Ｔｄｂ（約６７０℃）よりも高い、非析出温度範囲ＴｄｎＲ（６７０℃以上）内の温度のＴｄｎ＝７０８℃とする。本実施形態の検知素子３において、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で、検知電極温度Ｔｄがこの非析出温度Ｔｄｎ（＝７０８℃）であるときに、検知されるリッチ内部抵抗Ｒｉｒは、８８０Ωである。そこで、本実施形態では、目標抵抗値Ｒｔを、Ｒｔ＝８８０Ω（＝リッチ内部抵抗Ｒｉｒ）に設定している（表２参照）。
【００４０】
そして、本実施形態のガスセンサ制御システム１では、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下及びリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下のいずれでも、同じ目標抵抗値Ｒｔ（＝８８０Ω（＝リッチ内部抵抗Ｒｉｒ））を用いてヒータ４への通電のフィードバック制御を行う。
表３に、検知時間ＴＭ＝１０．０ｍｓｅｃ、目標抵抗値Ｒｔ＝８８０Ω（＝リッチ内部抵抗Ｒｉｒ）として、ヒータ４をフィードバック通電制御した場合において、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ及びリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下での検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄとヒータ４への投入電力との関係を示す。
【００４１】
【表３】
2015230166.tif 000005
【００４２】
表３に示すように、本実施形態のガスセンサ制御システム１では、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値Ｒｔ（＝８８０Ω）となっているときの検知電極温度Ｔｄは、７０８℃となっており、これは、前述した炭素が析出しない非析出温度Ｔｄｎである（非析出温度Ｔｄｎ＝７０８℃）。
【００４３】
これに対し、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値Ｒｔ（＝８８０Ω）となっているときの検知電極温度Ｔｄ（以下、リーン下温度Ｔｄｌという）は、６４１℃となっている（リーン下温度Ｔｄｌ＝６４１℃）。
なお、この非析出温度Ｔｄｎとリーン下温度Ｔｄｌとの関係は、表２の最下段と同じ関係である。また、リーン下温度Ｔｄｌは、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下ならば炭素が析出し始める非析出下限温度Ｔｄｂ（約６７０℃）よりも低いが、前述したように、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄが、非析出下限温度Ｔｄｂ以下になっても、検知電極３Ｎに炭素が析出しない。
【００４４】
次いで、本実施形態に係るガスセンサ制御システム１のうち、ガスセンサ制御装置２０のマイクロプロセッサ１０の動作について、図４のフローチャートを参照して説明する。
この図４に示すフローチャートは、マイクロプロセッサ１０が実行するプログラムのうち、センサ出力Ｖｏｕｔの取得のほか、内部抵抗Ｒｉを検知し、ヒータ４の通電制御を行う処理のフローを示している。
【００４５】
先ず、ステップＳ１では、ガスセンサ２のセンサ出力Ｖｏｕｔを所定の周期（例えば、２０ｍｓｅｃ）毎に取得する。このセンサ出力Ｖｏｕｔによって、空燃比の制御がなされる。なお、前述したように、このセンサ出力Ｖｏｕｔは、検知素子３が活性化温度とされたときに、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では約５０ｍＶ、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では約９００ｍＶとなる。
【００４６】
次いで、ステップＳ２では、内部抵抗Ｒｉの検知タイミングであるか否かを判断する。内部抵抗Ｒｉの検知は、センサ出力Ｖｏｕｔの取得周期（２０ｍｓｅｃ）よりも長い周期（例えば、５００ｍｓｅｃ）で行うため、ステップＳ２でこの検知タイミングの到来を判断する。そして、検知タイミングでない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ４に進み、ヒータ４の通電制御を行う。一方、検知タイミングが到来した場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ３に進む。
【００４７】
ステップＳ３では、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１２及び出力検出回路１３を用いて、検知素子３の基準電極３Ｐと検知電極３Ｎとの間を流れる電流を検知時間ＴＭ＝１０．０ｍｓｅｃにわたって一時的に変化させて、検知素子３の最新の内部抵抗Ｒｉを取得（検知）する。
【００４８】
次いで、ステップＳ４に進み、検知した内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値Ｒｔとなるように、ヒータ４の通電制御（フィードバック制御）を行う。本実施形態では、排気ガスＥＧが、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒであるかリーン雰囲気の排気ガスＥＧｌであるかによらず、同じ目標抵抗値Ｒｔ（＝８８０Ω（＝リッチ内部抵抗Ｒｉｒ））を用いて、フィードバック制御を行う。
これにより、表３に示すように、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では、検知電極温度Ｔｄが、非析出下限温度Ｔｄｂ（約６７０℃）よりも高い７０８℃（＝非析出温度Ｔｄｎ）となるように制御される。一方、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では、検知電極温度Ｔｄが、非析出温度範囲ＴｄｎＲの下限の非析出下限温度Ｔｄｂ（約６７０℃）よりも低い６４１℃（＝リーン下温度Ｔｄｌ）となるように制御される。
【００４９】
続くステップＳ５では、車両のＥＣＵ（図示しない）からのヒータ制御の終了指示が有るか否かを判断する。終了指示が無い場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、センサ出力Ｖｏｕｔの取得からの処理を再度実行する。一方、ＥＣＵからの終了指示が有った場合は（Ｙｅｓ）、ヒータ４の通電制御を終了する。
【００５０】
このように、本実施形態のガスセンサ制御システム１によると、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下では、ヒータ４への通電のフィードバック制御によって、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄが所定の非析出温度Ｔｄｎ（＝７０８℃）となるように制御されるので、検知電極３Ｎに炭素が析出しない。
一方、リーン雰囲気の排気ガスＥＧｌ下では、リッチ雰囲気と同じ目標抵抗値Ｒｔ（＝８８０Ω）を用いてフィードバック制御を行うと、リッチ雰囲気の場合に比べ、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄを低くする方向に制御がされる。そして、酸素濃度が高いリーン雰囲気では、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄが、リッチ雰囲気で炭素が析出しない非析出温度範囲ＴｄｎＲ内の温度であればもちろん、リッチ雰囲気ならば炭素が析出し始める非析出下限温度Ｔｄｂよりも低い温度になった場合でも、検知電極３Ｎに炭素が析出しない。しかも、リーン雰囲気では、検知電極３Ｎの検知電極温度Ｔｄが低くなるように制御されることで、ヒータ４への投入電力も低下する（表３参照）ので、省電力となる。また、リッチ雰囲気及びリーン雰囲気のいずれでも、同じ目標抵抗値Ｒｔを用いて制御するので、簡易な制御となる。
このように、簡易な制御で検知電極３Ｎへの炭素の析出を防ぎ、しかも、全体としてヒータ通電における省電力化を図ることができる。
【００５１】
また、本実施形態のガスセンサ制御装置２０によれば、ガスセンサ２の制御にあたり、簡易な制御で検知電極３Ｎへの炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができる。
また、本実施形態に示したガスセンサ２の制御方法により、ガスセンサ２を制御すれば、簡易な制御で検知電極３Ｎへの炭素の析出を防ぎ、しかも、ヒータ通電における省電力化を図ることができる。
【００５２】
さらに、本実施形態のガスセンサ制御システム１では、検知時間ＴＭ及び目標抵抗値Ｒｔを、リーン下温度Ｔｄｌが、非析出温度範囲ＴｄｎＲ（その下限の非析出下限温度Ｔｄｂ）よりも低い温度（本例では、６４１℃）となる値（ＴＭ＝１０．０ｍｓｅｃ、Ｒｔ＝８８０Ω）に定めてある。このような検知時間ＴＭ及び目標抵抗値Ｒｔを用いて、フィードバック制御を行うことで、リッチ雰囲気の排気ガスＥＧｒ下で検知電極３Ｎへの炭素の析出を防ぎつつ、ヒータ４への投入電力を小さくすることができ、より効果的に省電力化を図ることができる。
【００５３】
さらに、本実施形態のガスセンサ制御システム１では、検知時間ＴＭを、リッチ雰囲気下で制御される非析出温度Ｔｄｎとリーン下温度Ｔｄｌとの差が１０℃以上（本例では、７０８℃−６４１℃＝６７℃）となる値（ＴＭ＝１０．０ｍｓｅｃ）に定めてある。これにより、リッチ雰囲気では、検知電極温度Ｔｄを炭素が析出しない非析出温度Ｔｄｎ（＝７０８℃）としつつ、リーン雰囲気では、この非析出温度Ｔｄｎに対してリーン下温度Ｔｄｌを十分低くすることができ、ヒータ４への投入電力をさらに小さくして、より一層の省電力化を図ることができる。
【００５４】
なお、本実施形態において、ガスセンサ制御装置２０のパルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１２、出力検出回路１３及びステップＳ３を実行しているマイクロプロセッサ１０が、内部抵抗検知手段に相当する。また、ガスセンサ制御装置２０のヒータ制御回路１４及びステップＳ３を実行しているマイクロプロセッサ１０が、ヒータ通電制御手段に相当する。
また、本実施形態において、検知した内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値Ｒｔとなるように、ヒータ４への通電をフィードバック制御するマイクロプロセッサ１０の実行ステップ（即ち、ステップＳ３，Ｓ４を実行しているマイクロプロセッサ１０）が、ヒータ通電制御ステップに相当する。
【００５５】
以上において、本発明を実施形態のガスセンサ制御システム１に即して説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施形態では、パルス信号出力回路１１及び電圧シフト回路１２（図１参照）を用いて、スイッチング素子Ｔｒ及び基準抵抗器Ｒ１を介し、検知素子３に電流Ｉを流すことで、検知素子３の基準電極３Ｐと検知電極３Ｎとの間を流れる電流をほぼ０からＩに一時的に変化させて、内部抵抗Ｒｉを検知する構成とした。しかし、例えば、検知素子３の基準電極３Ｐに外部の電圧を一時的に印加する回路（例えば、電圧シフト回路１２の基準抵抗器Ｒ１に代えて、電流計を介在させて、電源電圧Ｖｃｃを印加する回路）を用いることで、検知素子３の検知電極３Ｎと基準電極３Ｐとの間の電圧（センサ出力Ｖｏｕｔ）を一時的に変化させて、内部抵抗Ｒｉを検知する構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００５６】
１  ガスセンサ制御システム
２  ガスセンサ（酸素センサ）
３  検知素子
３Ｎ  検知電極
３Ｐ  基準電極
４  ヒータ
ＥＧ  排気ガス
ＥＧｒ  リッチ雰囲気の排気ガス
ＥＧｌ  リーン雰囲気の排気ガス
ＡＲ  基準雰囲気
Ｒｉ  内部抵抗
Ｒｔ  目標抵抗値
Ｖｏｕｔ  センサ出力
Ｉ  電流
１０  マイクロプロセッサ
１１  パルス信号出力回路（内部抵抗検知手段）
１２  電圧シフト回路（内部抵抗検知手段）
１３  出力検出回路（内部抵抗検知手段）
１４  ヒータ制御回路（ヒータ通電制御手段）
２０  ガスセンサ制御装置
Ｓ３  内部抵抗検知手段
Ｓ４  ヒータ通電制御手段
Ｓ３，Ｓ４  ヒータ通電制御ステップ
【図１】
2015230166.tif 000006
【図２】
2015230166.tif 000007
【図３】
2015230166.tif 000008
【図４】
2015230166.tif 000009