(57)【要約】【課題】被測定ガス中の酸素濃度を安定して検出し、酸素濃度の検出精度を向上できるようにする。【解決手段】被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子１と、疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ０  を検出素子１に印加する電源部３と、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  を検出する検出器４と、この検出器４で検出した内部抵抗Ｒｉ  に従って電源部３からのポンピング電圧Ｖ０  を可変に調整する調整回路５とを備えている。そして、調整回路５は、補正電圧設定器６、目標電圧部７および差動増幅器８等からなり、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  に従って調整されたポンピング電圧Ｖ０  を電源部３から検出素子１に印加することにより、出力端子２からの出力電圧Ｖｓ  （酸素濃度の検出信号）にバラツキが生じるのを防止する。【選択図】        図１
2004156916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子と、該検出素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記検出素子から出力される検出信号を基準電圧と比較することにより前記被測定ガスの空燃比がリッチであるかリーンであるかを判別してなる酸素センサにおいて、
前記検出素子の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、該抵抗検出手段で検出した内部抵抗に従って前記電圧印加手段の印加電圧を可変に調整する印加電圧調整手段とを備える構成としたことを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】
被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子と、該検出素子に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記検出素子から出力される検出信号を基準電圧と比較することにより前記被測定ガスの空燃比がリッチであるかリーンであるかを判別してなる酸素センサにおいて、
前記検出素子の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、該抵抗検出手段で検出した内部抵抗に従って前記基準電圧の電圧レベルを可変に調整する基準電圧調整手段とを備える構成としたことを特徴とする酸素センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジン等の空燃比（燃料と吸入空気との混合比）を排気ガス中の酸素濃度として検出するのに好適に用いられる酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジン等の内燃機関では、例えば排気管の途中に酸素センサを設け、排気ガス中に残留した酸素の濃度を酸素センサにより検出する構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特表平１０−５０９２４２号公報
【０００４】
この種の従来技術による酸素センサは、排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子と、該検出素子にポンピング電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記検出素子から出力される検出信号が、予め決められた基準電圧（例えば、４５０ｍＶ）に対して高い電圧値か、低い電圧値かを比較することにより、排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に対しリッチ（過濃）状態であるか、リーン（希薄）状態であるかを判別する構成としている。
【０００５】
そして、自動車用エンジンの制御装置は、酸素センサから出力される酸素濃度の検出信号がリッチ状態であるか、リーン状態であるかに応じて燃料噴射量をフィードバック制御し、燃料と空気との混合比（空燃比Ａ／Ｆ）を、例えば理論空燃比またはリーン空燃比（Ａ／Ｆ≧１５）等に近付けることによって、エンジンの燃焼効率や燃料消費量（燃費）等を向上させるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術による酸素センサは、酸素濃度の検出素子が高温の排気ガス等にさらされるから、検出素子の素子温度が排気温度に影響されて変動すると、検出素子の内部抵抗が素子温度の変動により変化してしまう。
【０００７】
このため、従来技術の酸素センサは、検出素子の内部抵抗の変化によって酸素濃度の検出信号にバラツキが生じることがあり、排気ガス中に残留した酸素の濃度測定（空燃比がリッチであるか、リーンであるかの判定）を安定して行うのが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、被測定ガス中の酸素濃度を安定して検出することができ、検出精度を向上できるようにした酸素センサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、被測定ガス中の酸素濃度を検出する検出素子と、例えば疑似参照極用のポンピング電圧を該検出素子に印加する電圧印加手段とを備え、前記検出素子から出力される検出信号を基準電圧と比較することにより前記被測定ガスの空燃比がリッチであるかリーンであるかを判別してなる酸素センサに適用される。
【００１０】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記検出素子の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、該抵抗検出手段で検出した内部抵抗に従って前記電圧印加手段の印加電圧を可変に調整する印加電圧調整手段とを備える構成としたことにある。
【００１１】
このように構成することにより、検出素子の内部抵抗が素子温度の変動により変化しても、抵抗検出手段を用いて検出素子の内部抵抗をモニタ（監視）することができ、印加電圧調整手段は、このときの内部抵抗に従って調整された電圧（例えば、ポンピング電圧）を検出素子に印加することにより、酸素濃度の検出信号にバラツキが生じるのを防止できる。
【００１２】
このため、素子温度の変動による内部抵抗の変化分を、印加電圧の調整により相殺して検出信号のバラツキを吸収することができ、被測定ガスの空燃比がリッチ状態にあるか、リーン状態にあるかを安定して判別できると共に、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【００１３】
また、請求項２の発明が採用する構成の特徴は、前記検出素子の内部抵抗を検出する抵抗検出手段と、該抵抗検出手段で検出した内部抵抗に従って前記基準電圧の電圧レベルを可変に調整する基準電圧調整手段とを備える構成としたことにある。
【００１４】
この場合にも、抵抗検出手段を用いて検出素子の内部抵抗をモニタ（監視）することができ、基準電圧調整手段は、このときの内部抵抗に従って基準電圧の電圧レベル（スライスレベル）を可変に調整することにより、素子温度の変動による内部抵抗の変化分を吸収することができる。従って、被測定ガスの空燃比がリッチ状態にあるか、リーン状態にあるかを安定して判別でき、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態による酸素センサを、自動車用エンジン等に適用した場合を例に挙げ、添付図面に従って詳細に説明する。
【００１６】
ここで、図１ないし図５は本発明の第１の実施の形態を示している。図中、１は酸素センサの主要部となる検出素子で、該検出素子１は、例えばジルコニア等の材料からなる酸素イオン伝導性の固体電解質（図示せず）と、この固体電解質の表面等に形成された複数の電極（図示せず）を含んで構成されるものである。
【００１７】
そして、検出素子１は、被測定ガス（排気ガス）の酸素濃度に対応した起電力Ｅを発生すると共に、内部抵抗Ｒｉ  を有し、後述の電源部３から流込み電流としてのポンピング電流Ｉ０  が供給されるときには、出力端子２から下記の数１式による検出信号としての出力電圧Ｖｓ  を出力するものである。
【００１８】
【数１】
Ｖｓ  ＝Ｅ＋（Ｒｉ  ×Ｉ０  ）
【００１９】
この場合、検出素子１からの出力電圧Ｖｓ  は、図５中に示す特性線のように排気ガス中の酸素濃度に応じて変動する。即ち、空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比となる状態（Ａ／Ｆ＝１４，７）を、図５に示す空燃比（λ＝１）として定義すると、このときの出力電圧Ｖｓ  は、基準電圧Ｖｓａ（例えば、Ｖｓａ＝４５０ｍＶ）となる。
【００２０】
そして、空燃比λがリッチ状態（例えば、Ａ／Ｆ＜１４，７）のときには、出力電圧Ｖｓ  が基準電圧Ｖｓａよりも高い電圧値となり、空燃比λがリーン状態（例えば、Ａ／Ｆ≧１５）となったときには、出力電圧Ｖｓ  が基準電圧Ｖｓａよりも高い電圧値をとるものである。
【００２１】
また、検出素子１には、前述した固体電解質を活性化するためのヒータ（図示せず）が付設されている。そして、このヒータは、外部からヒータ電源（図示せず）により電圧を印加されると、検出素子１を予め決められた温度まで加熱するものである。
【００２２】
しかし、検出素子１は、例えば自動車用エンジンの排気管（図示せず）に取付けられ、高温の排気ガス等にさらされる。このため、検出素子１の素子温度は排気温度に影響されて変動し、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  は、図４に示す特性線の如く素子温度の変動により変化するものである。
【００２３】
３は検出素子１に直流電圧を印加する電圧印加手段としての電源部で、該電源部３は、図１に示すように受け抵抗と呼ばれる調整抵抗Ｒ０  を介して検出素子１に接続されている。そして、電源部３は、後述の調整回路５により可変に調整される直流電圧Ｖ０  （例えば、疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ０  ）を、調整抵抗Ｒ０  を介して検出素子１に印加するものである。
【００２４】
そして、検出素子１には、電源部３からのポンピング電圧Ｖ０  によりポンピング電流Ｉ０  が供給され、これにより検出素子１からは、出力端子２において上記の数１式による出力電圧Ｖｓ  が出力される。なお、このポンピング電圧Ｖ０  は、例えば２〜３Ｖ程度であり、調整抵抗Ｒ０  は検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  よりも十分に大きい抵抗値を有するものである。
【００２５】
４は検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  を検出する抵抗検出手段としての検出器で、該検出器４は、図１に示すように検出素子１の両端に、例えば２〜３ｋＨｚ  の交流電圧（５０ｍＶ程度）を印加して検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  を検出するものである。これにより、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  は、例えば２００〜３００Ω（オーム）程度の抵抗値として検出される。
【００２６】
５は内部抵抗Ｒｉ  の検出値に従って電源部３によるポンピング電圧Ｖ０  を可変に調整する印加電圧調整手段としての調整回路で、該調整回路５は、後述の補正電圧設定器６、目標電圧部７および差動増幅器８等によって構成されるものである。
【００２７】
６は内部抵抗Ｒｉ  の検出器４に接続された補正電圧設定器で、該補正電圧設定器６は、検出器４で検出した検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  に従って図２に示す特性線から補正電圧ＶＲ  を演算して求めるものである。そして、補正電圧設定器６による補正電圧ＶＲ  は、図２に示す特性線の如く検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が増加するに応じて漸次減少する電圧値として可変に設定されている。
【００２８】
ここで、検出素子１は、その素子温度が図４に示す特性線の如く目標素子温度（例えば、７５０℃）となるときに、内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａ（Ｒｉ＝Ｒｉａ）となる。そして、補正電圧設定器６による補正電圧ＶＲ  は、例えば検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が抵抗値Ｒｉａのときに、図２に示す如く電圧値ＶＲａに設定され、これは後述の目標電圧値ＶＲａと等しい電圧値となるものである。
【００２９】
７は目標電圧値ＶＲａを設定する目標電圧部で、該目標電圧部７は、前述の如く検出素子１が本来の抵抗値Ｒｉａとなったときに、前記設定器６による電圧値ＶＲａを目標電圧値ＶＲａとして設定し、この目標電圧値ＶＲａを後述の差動増幅器８に出力するものである。
【００３０】
８は電源部３によるポンピング電圧Ｖ０  を可変に設定する差動増幅器で、該差動増幅器８は、その反転入力端子が目標電圧部７に接続され、非反転入力端子が補正電圧設定器６に接続されている。そして、差動増幅器８は、その出力端子が電源部３に接続され、この電源部３から図３に示す特性線に沿ったポンピング電圧Ｖ０  を可変に出力させるものである。
【００３１】
即ち、差動増幅器８は、目標電圧部７からの目標電圧値ＶＲａと補正電圧設定器６からの補正電圧ＶＲ  とを比較し、その比較結果に応じた出力信号を電源部３に出力することにより、この電源部３からは、図３に示す特性線に沿ったポンピング電圧Ｖ０  が可変に出力される。
【００３２】
この場合、電源部３からのポンピング電圧Ｖ０  は、図３に示す特性線の如く補正電圧設定器６の補正電圧ＶＲ  に対応して比例的増減する電圧値として可変に設定されている。そして、差動増幅器８は、補正電圧設定器６による補正電圧ＶＲ  が図３中に示すように、例えば目標電圧値ＶＲａと一致するときに、電源部３からのポンピング電圧Ｖ０  を本来の基準となる電圧値Ｖ０ａとして出力させる。
【００３３】
本実施の形態による酸素センサは上述の如き構成を有するもので、次に、その検出動作について説明する。
【００３４】
まず、当該酸素センサの検出素子１は、例えば自動車用エンジンの排気管等に取付けられ、排気管内を流れる排気ガス中のの酸素濃度に対応した起電力Ｅを発生する。
【００３５】
そして、検出素子１は、図１に示すように内部抵抗Ｒｉ  を有し、電源部３からポンピング電流Ｉ０  が供給されると、上記数１の式による出力電圧Ｖｓ  を、酸素濃度の検出信号として図５中に実線で示す特性線９の如く出力するものである。
【００３６】
この場合、検出素子１からの出力電圧Ｖｓ  は、空燃比（λ）が理論空燃比となる状態（λ＝１）では、基準電圧Ｖｓａ（例えば、Ｖｓａ＝４５０ｍＶ）となり、空燃比λがリッチ状態のときには、出力電圧Ｖｓ  が基準電圧Ｖｓａよりも高い電圧値となる。
【００３７】
また、空燃比λがリーン状態となったときには、出力電圧Ｖｓ  が基準電圧Ｖｓａよりも低い電圧値となる。これにより、当該酸素センサは、検出素子１からの出力電圧Ｖｓ  を基準電圧Ｖｓａと比較することによって、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを判別することができる。
【００３８】
ところで、このような酸素濃度の検出素子１は、高温の排気ガス等にさらされているので、検出素子１の素子温度が排気ガスの温度等に影響されて変動することがあり、これによって、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が図４に示す特性線の如く変化してしまう。
【００３９】
そして、上記数１の式による出力電圧Ｖｓ  は、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａよりも減少すると、図５中に一点鎖線で示す特性線１０の如く減少方向にオフセットされ、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａよりも増加すると、図５中に二点鎖線で示す特性線１１の如く増加方向にオフセットされてしまう。
【００４０】
このため、酸素濃度の検出信号である出力電圧Ｖｓ  が、図５中に実線で示す本来の特性線９から一点鎖線で示す特性線１０（または二点鎖線で示す特性線１１）に変動すると、理論空燃比（λ＝１）の基準点から出力電圧Ｖｓ  の特性がずれてしまい、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態か、リーン状態であるかを正確に判定することが難しくなる。
【００４１】
そこで、本実施の形態によれば、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  を、図１に示す交流式の検出器４で検出し、該検出器４で検出した検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  に基づき、図２に示す特性線の如く内部抵抗Ｒｉ  が増加するに応じて漸次減少する補正電圧ＶＲ  を、補正電圧設定器６により可変に設定する構成としている。
【００４２】
そして、検出素子１が本来の抵抗値Ｒｉａとなったときに補正電圧設定器６から出力される電圧値ＶＲａを、目標電圧部７に予め目標電圧値ＶＲａとして設定しておき、この目標電圧値ＶＲａと補正電圧設定器６による補正電圧ＶＲ  を差動増幅器８で比較し、その比較結果に応じた出力信号を差動増幅器８から電源部３に出力して、この電源部３から図３に示す特性線に沿ったポンピング電圧Ｖ０  を可変に出力する構成としている。
【００４３】
このため、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａよりも増加して、例えば抵抗値Ｒｉｂとなったときには、補正電圧設定器６による補正電圧ＶＲ  を図２に示す特性線に沿って、目標電圧値ＶＲａよりも低い電圧値ＶＲｂに補正することができ、このときに電源部３からのポンピング電圧Ｖ０  を図３に示す特性線に沿って、本来の電圧値Ｖ０ａよりも低い電圧値Ｖ０ｂまで下げることができる。
【００４４】
この結果、検出素子１に供給されるポンピング電流Ｉ０  は、ポンピング電圧Ｖ０  の減少に伴って低下するので、上記数１の式による出力電圧Ｖｓ  を自動的に下げることができ、この出力電圧Ｖｓ  を図５中に二点鎖線で例示した特性線１１から、実線で示す特性線９の位置に戻すように補正することができる。
【００４５】
また、検出素子１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａよりも減少して、例えば抵抗値Ｒｉｃとなったときには、補正電圧設定器６による補正電圧ＶＲ  を図２に示す特性線に沿って、目標電圧値ＶＲａよりも高い電圧値ＶＲｃに補正することができ、このときに電源部３からのポンピング電圧Ｖ０  を図３に示す特性線に沿って、本来の電圧値Ｖ０ａよりも高い電圧値Ｖ０ｃまで上げることができる。
【００４６】
この結果、検出素子１に供給されるポンピング電流Ｉ０  は、ポンピング電圧Ｖ０  の増加に伴って上昇するので、上記数１の式による出力電圧Ｖｓ  を自動的に上げることができ、この出力電圧Ｖｓ  を図５中に一点鎖線で例示した特性線１０から実線で示す特性線９の位置に戻すように補正することができる。
【００４７】
かくして、本実施の形態によれば、検出素子１の素子温度が変動することによる内部抵抗Ｒｉ  の変化を、ポンピング電圧Ｖ０  の調整によって相殺し、出力電圧Ｖｓ  （酸素濃度の検出信号）のバラツキを吸収することができる。
【００４８】
従って、検出素子１からの出力電圧Ｖｓ  を図５中に実線で示す特性線９の如く常に安定して出力でき、酸素濃度の検出精度を向上することができると共に、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態にあるか、リーン状態にあるかを正確に判別することができる。
【００４９】
また、検出素子１の素子温度に従って前記ヒータへの通電量を制御し、これによって出力電圧Ｖｓ  のバラツキを補正する方法があるが、この場合に比較して、本実施の形態による酸素センサは、ポンピング電圧Ｖ０  の調整により出力電圧Ｖｓ  のバラツキを吸収できるので、補正処理を短時間で行うことができ、過渡応答性等を確実に向上することができる。
【００５０】
次に、図６ないし図９は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、検出素子の内部抵抗に従って基準電圧の電圧レベル（スライスレベル）を可変に調整する構成したことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００５１】
図中、２１は酸素センサの主要部となる検出素子で、該検出素子２１は、第１の実施の形態で述べた検出素子１とほぼ同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質と、この固体電解質の表面等に形成された複数の電極（いずれも図示せず）を含んで構成されている。
【００５２】
しかし、この場合の検出素子２１は、図６に示すようにネルンストセル２２とポンプセル２３とを有し、その具体的構成は従来技術（例えば、前述した特許文献１）による酸素センサの検出素子とほぼ同様のものである。そして、検出素子２１のネルンストセル２２は、被測定ガス（排気ガス）の酸素濃度に対応した起電力Ｅを発生すると共に、内部抵抗Ｒｉ  を有している。
【００５３】
そして、検出素子２１のネルンストセル２２は、後述の直流電源２４からポンピング電流Ｉ０  が供給されるときに、第１の実施の形態で述べた検出素子１とほぼ同様に、上記の数１式による出力電圧Ｖｓ  を出力端子２から出力し、この出力電圧Ｖｓ  は、図９中に示す特性線の如く排気ガス中の酸素濃度（空燃比λ）に応じて変動するものである。
【００５４】
また、検出素子２１には、前述した固体電解質を活性化するためのヒータ（図示せず）が付設されている。そして、このヒータは、外部からヒータ電源（図示せず）により電圧を印加されると、検出素子２１を予め決められた温度まで加熱するものである。
【００５５】
２４は検出素子２１に直流電圧を印加する電圧印加手段としての直流電源で、該直流電源２４は、図６に示すように受け抵抗と呼ばれる調整抵抗Ｒ０  を介して検出素子２１に接続されている。そして、直流電源２４は、例えば２〜３Ｖ程度の予め決められた直流電圧Ｖ０  （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ０  ）を、調整抵抗Ｒ０  を介して検出素子２１に印加するものである。
【００５６】
２５は検出素子２１の内部抵抗Ｒｉ  を検出する抵抗検出手段としての検出器を示し、該検出器２５は、第１の実施の形態で述べた検出器４と同様に構成され、検出素子２１のネルンストセル２２に交流電圧を印加してネルンストセル２２の内部抵抗Ｒｉ  を検出するものである。
【００５７】
２６は内部抵抗Ｒｉ  の検出値に従って後述の基準電源Ｖｓｘを可変に調整する基準電圧調整手段としての調整回路で、該調整回路２６は、後述の補正電圧設定器２７、目標電圧部２８および差動増幅器２９等により構成されるものである。
【００５８】
２７は内部抵抗Ｒｉ  の検出器２５に接続された補正電圧設定器で、該補正電圧設定器２７は、第１の実施の形態で述べた補正電圧設定器６と同様に構成され、検出器２５で検出したネルンストセル２２の内部抵抗Ｒｉ  に従って、前述した図２に示す特性線から補正電圧ＶＲ  を演算して求めるものである。
【００５９】
２８は目標電圧値ＶＲａを設定する目標電圧部で、該目標電圧部２８も、第１の実施の形態で述べた目標電圧部７と同様に構成され、目標電圧値ＶＲａを後述の差動増幅器２９に出力するものである。そして、この目標電圧値ＶＲａは、ネルンストセル２２が本来の抵抗値Ｒｉａとなったときに、前記設定器２７によって設定される電圧値ＶＲａ（図２参照）に等しい電圧である。
【００６０】
２９は図７に示す調整電圧Ｖｔ  を可変に設定する差動増幅器で、該差動増幅器２９は、図６に示す如く非反転入力端子が目標電圧部２８に接続され、反転入力端子が補正電圧設定器２７に接続されている。そして、差動増幅器２９は、その出力端子が調整抵抗Ｒｔ  を介して後述する他の差動増幅器３２に接続され、図７に示す特性線に沿った調整電圧Ｖｔ  を可変に出力するものである。
【００６１】
即ち、差動増幅器２９は、目標電圧部２８からの目標電圧値ＶＲａと補正電圧設定器２７からの補正電圧ＶＲ  とを比較し、その比較結果に応じた出力信号を調整電圧Ｖｔ  として出力する。この調整電圧Ｖｔ  は、図７に示す特性線の如く補正電圧設定器２７からの補正電圧ＶＲ  が増加するに応じて漸次減少する電圧値として可変に設定されるものである。
【００６２】
そして、差動増幅器２９は、補正電圧設定器２７による補正電圧ＶＲ  が図７中に示すように、例えば目標電圧値ＶＲａと一致するときに、出力側の調整電圧Ｖｔ  を本来の基準となる電圧値Ｖｔａとして出力し、補正電圧ＶＲ  が目標電圧値ＶＲａよりも低い電圧値（例えば、電圧値ＶＲｂ）、または高い電圧値（例えば、電圧値ＶＲｃ）になると、調整電圧Ｖｔ  を電圧値Ｖｔｂに増大、または電圧値Ｖｔｃに減少させる。
【００６３】
また、この場合の調整電圧Ｖｔ  は、調整抵抗Ｒｔ  により図８に示す特性線の如く基準電圧Ｖｓｘとして電圧調整される。この基準電圧Ｖｓｘは、検出素子２１から図９に示す如く出力される出力電圧Ｖｓ  と比較され、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを判別する上での基準となるもので、このために調整電圧Ｖｔ  を、調整抵抗Ｒｔ  により図８に示す特性線の如く基準電圧Ｖｓｘとして電圧調整している。
【００６４】
この結果、出力電圧Ｖｓ  が内部抵抗Ｒｉ  の影響で図９中に示す特性線９，１０，１１の如く上，下に変動しても、これに対応して基準電圧Ｖｓｘの電圧レベル（スライスレベル）が可変に調整され、これによって、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを後述の如く正確に判別することが可能となるものである。
【００６５】
そして、この基準電圧Ｖｓｘは、調整電圧Ｖｔ  が本来の基準となる電圧値Ｖｔａときに、本来の基準電圧である電圧値Ｖｓａとして出力される。また、調整電圧Ｖｔ  が本来の電圧値Ｖｔａよりも高い電圧値（例えば、電圧値Ｖｔｂ）のときには、基準電圧Ｖｓｘが電圧値Ｖｓｂに設定され、調整電圧Ｖｔ  が本来の電圧値Ｖｔａよりも低い、例えば電圧値Ｖｔｃに減少したときに、基準電圧Ｖｓｘは、本来の電圧値Ｖｓａよりも低い電圧値Ｖｓｃに設定されるものである。
【００６６】
３０は検出素子２１のネルンストセル２２、ポンプセル２３間から出力される参照電圧Ｖｒｅｆの入力端子で、該入力端子３０は、抵抗Ｒｆ  を介して接続点３１に接続され、この接続点３１は、後述する差動増幅器３２の非反転入力端子に接続されている。
【００６７】
そして、この接続点３１は、図６に示す如く差動増幅器２９の出力端子にも調整抵抗Ｒｔ  を介して接続されている。これにより、差動増幅器３２の非反転入力端子には、入力端子３０からの参照電圧Ｖｒｅｆに対して前記調整電圧Ｖｔ  が加算された電圧信号が入力されるものである。
【００６８】
３２は図６に示す端子３３，３４間で空燃比信号を出力させるための差動増幅器で、該差動増幅器３２は、非反転入力端子が接続点３１に接続され、反転入力端子が図６に示す出力電圧Ｖｓ  の出力端子２（調整抵抗Ｒ０  とネルンストセル２２との間に位置する出力端子２）側に接続されている。
【００６９】
また、差動増幅器３２の出力端子は、ポンプセル２３の低圧側に他の抵抗Ｒｐ  を介して接続され、この抵抗Ｒｐ  の両端に接続された端子３３，３４間には、空燃比信号をポンプ電流として検出する電流検出器（図示せず）が設けられるものである。
【００７０】
そして、差動増幅器３２は、接続点３１の電圧（例えば、基準電圧Ｖｓｘと参照電圧Ｖｒｅｆとを加算した電圧）と出力端子２からの出力電圧Ｖｓ  とを比較し、その比較結果に応じた信号を空燃比検出用の信号として端子３３，３４側に出力するものである。
【００７１】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様に、交流式の検出器２５を用いて検出素子２１におけるネルンストセル２２の内部抵抗Ｒｉ  を検出すると、補正電圧設定器２７により内部抵抗Ｒｉ  に基づいた補正電圧ＶＲ  を、図２に例示した特性線に沿って可変に設定する。
【００７２】
そして、目標電圧部２８からの目標電圧値ＶＲａと補正電圧設定器２７による補正電圧ＶＲ  とを差動増幅器２９で比較し、その比較結果に応じた出力信号を図７に示す特性線に沿った調整電圧Ｖｔ  として差動増幅器２９から出力する。次に、この調整電圧Ｖｔ  を調整抵抗Ｒｔ  により、図８に示す特性線の如く基準電圧Ｖｓｘとして電圧調整する。
【００７３】
これより基準電圧Ｖｓｘを、検出素子２１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａのときには、補正電圧ＶＲ  の本来の電圧値ＶＲａ、調整電圧Ｖｔ  の本来の電圧値Ｖｔａに従って本来の基準電圧である電圧値Ｖｓａに設定することができ、この場合の電圧値Ｖｓａを基準電圧Ｖｓｘの電圧レベル（スライスレベル）として用いることができる。
【００７４】
そして、検出素子２１から図９中に実線で示す特性線９の如く本来の出力電圧Ｖｓ  が出力されるときには、この出力電圧Ｖｓ  を基準電圧Ｖｓｘの電圧値Ｖｓａと比較することによって、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを正確に判別することができる。
【００７５】
一方、検出素子２１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａよりも増加して、例えば抵抗値Ｒｉｂとなったときには、出力電圧Ｖｓ  が図９中に実線で示す特性線９から二点鎖線で例示した特性線１１の如く上方にオフセットされて変動する。しかし、この場合には、補正電圧設定器２７により補正電圧ＶＲ  を図２に例示した特性線に沿って、目標電圧値ＶＲａよりも低い電圧値ＶＲｂに補正することができる。
【００７６】
そして、差動増幅器２９では、補正電圧設定器２７からの補正電圧ＶＲ  が目標電圧値ＶＲａよりも低い電圧値ＶＲｂになると、調整電圧Ｖｔ  を図７に示す特性線に沿って電圧値Ｖｔｂに増大でき、このときの調整電圧Ｖｔ  （例えば、電圧値Ｖｔｂ）に従って、基準電圧Ｖｓｘを図８に示す特性線の如く電圧値Ｖｓｂに設定することができる。
【００７７】
このため、検出素子２１の内部抵抗Ｒｉ  が増加して、出力電圧Ｖｓ  が図９中に実線で示す特性線９から二点鎖線で示す特性線１１のように変動した場合でも、このときの出力電圧Ｖｓ  を基準電圧Ｖｓｘの電圧値Ｖｓｂと比較することにより、この電圧値Ｖｓｂをスライスレベルとして排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを、図９中に二点鎖線で示す特性線１１から空燃比λが１以上であるか、否かとして正確に判別することができる。
【００７８】
また、検出素子２１の内部抵抗Ｒｉ  が本来の抵抗値Ｒｉａよりも減少して、例えば抵抗値Ｒｉｃとなったときには、出力電圧Ｖｓ  が図９中に実線で示す特性線９から一点鎖線で例示した特性線１０のように下向きにオフセットされて変動する。しかし、この場合には、補正電圧設定器２７により補正電圧ＶＲ  を図２に例示した特性線に沿って、目標電圧値ＶＲａよりも高い電圧値ＶＲｃに補正することができる。
【００７９】
そして、差動増幅器２９では、補正電圧設定器２７からの補正電圧ＶＲ  が目標電圧値ＶＲａよりも高い電圧値ＶＲｃになると、調整電圧Ｖｔ  を図７に示す特性線に沿って電圧値Ｖｔｃに低下させることができ、このときの調整電圧Ｖｔ  （例えば、電圧値Ｖｔｃ）に従って、基準電圧Ｖｓｘを図８に示す特性線の如く電圧値Ｖｓｃに設定することができる。
【００８０】
このため、検出素子２１の内部抵抗Ｒｉ  が減少して、出力電圧Ｖｓ  が図９中に実線で示す特性線９から一点鎖線で示す特性線１０のように変動した場合でも、このときの出力電圧Ｖｓ  を基準電圧Ｖｓｘの電圧値Ｖｓｃと比較することにより、この電圧値Ｖｓｃをスライスレベルとして排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを、空燃比（λ＝１）を判定基準として図９中の特性線１０から正確に判別することができる。
【００８１】
従って、本実施の形態によれば、検出素子２１の素子温度が変動することによる内部抵抗Ｒｉ  の変化で出力電圧Ｖｓ  （酸素濃度の検出信号）が変動するのを、基準電圧Ｖｓｘのスライスレベルを調整することにより吸収することができ、酸素濃度の検出精度を向上することができる。
【００８２】
また、図６中の差動増幅器３２には、可変に電圧調整される基準電圧Ｖｓｘが参照電圧Ｖｒｅｆと共に非反転入力端子側に入力されるので、差動増幅器３２からの出力信号を、内部抵抗Ｒｉ  の変化分を相殺した信号として出力でき、例えば端子３３，３４間で安定した空燃比信号（ポンプ電流）を検出することができる。
【００８３】
次に、図１０ないし図１２は本発明の第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、検出素子の内部抵抗に従って基準電圧のスライスレベルを可変に調整することにより、空燃比の判別制御を安定して実行できるように構成したことにある。なお、本実施の形態では前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００８４】
図中、４１は酸素センサの主要部となる検出素子で、該検出素子４１は、第１の実施の形態で述べた検出素子１とほぼ同様に構成され、排気ガスの酸素濃度に対応した起電力Ｅを発生すると共に、内部抵抗Ｒｉ  を有している。そして、検出素子４１は、出力端子２から上記の数１式による出力電圧Ｖｓ  を出力し、この出力電圧Ｖｓ  は、図９中に例示した特性線の如く排気ガス中の酸素濃度（空燃比λ）に応じて変動するものである。
【００８５】
また、検出素子４１には、前述した固体電解質を活性化するためのヒータ（図示せず）が付設されている。そして、このヒータは、外部からヒータ電源（図示せず）により電圧を印加されると、検出素子４１を予め決められた温度まで加熱するものである。
【００８６】
４２は検出素子４１に直流電圧を印加する電圧印加手段としての直流電源で、該直流電源４２は、図１０に示すように受け抵抗と呼ばれる調整抵抗Ｒ０  を介して検出素子４１に接続されている。そして、直流電源４２は、例えば２〜３Ｖ程度の予め決められた直流電圧Ｖ０  （疑似参照極用のポンピング電圧Ｖ０  ）を、調整抵抗Ｒ０  を介して検出素子４１に印加するものである。
【００８７】
４３は検出素子４１の内部抵抗Ｒｉ  を検出する抵抗検出手段としての検出器を示し、該検出器４３は、第１の実施の形態で述べた検出器４と同様に構成され、検出素子４１の両端に交流電圧を印加して検出素子４１の内部抵抗Ｒｉ  を検出するものである。
【００８８】
４４は内部抵抗Ｒｉ  の検出値に従って空燃比λの判定制御等を行う基準電圧調整手段としての制御装置を示し、該制御装置４４は、例えばマイクロコンピュータ等によって構成され、その入力側が検出器４３等に接続されると共に、出力側は端子４５等に接続されている。
【００８９】
また、制御装置４４は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ等の記憶部４４Ａを有し、この記憶部４４Ａ内には、図２に例示した内部抵抗Ｒｉ  に対する補正電圧ＶＲ  の演算用マップ、図１１に示す補正電圧ＶＲ  に対する基準電圧Ｖｓｘの算定マップおよび図１２に示すプログラム等が更新可能に格納されている。
【００９０】
そして、制御装置４４は、図１２に示すプログラムに従って検出素子４１の内部抵抗Ｒｉ  により基準電圧Ｖｓｘを可変に調整する基準電圧調整処理、この基準電圧Ｖｓｘに基づいた空燃比の判定処理等を行うものである。
【００９１】
即ち、制御装置４４は、処理動作がスタートすると、ステップ１で検出器４３から検出素子４１の内部抵抗Ｒｉ  を読込み、ステップ２では、このときの内部抵抗Ｒｉ  に従った補正電圧ＶＲ  を、図２に例示した特性線により演算して求める。
【００９２】
次に、ステップ３では、このときの補正電圧ＶＲ  に対応した基準電圧Ｖｓｘを、図１１に示す特性マップから読出す。この場合の基準電圧Ｖｓｘは、図１１に示す特性線の如く補正電圧ＶＲ  が増加するに応じて漸次減少する電圧値として設定され、前記第２の実施の形態で述べたように出力電圧Ｖｓ  が内部抵抗Ｒｉ  の影響で図９中に示す特性線９，１０，１１の如く上，下に変動しても、これに対応して基準電圧Ｖｓｘの電圧レベル（スライスレベル）が可変に調整されるものである。
【００９３】
そして、次なるステップ４では、検出素子４１からの出力電圧Ｖｓ  を基準電圧Ｖｓｘ（例えば、電圧値Ｖｓａ，Ｖｓｂ，Ｖｓｃ）と比較し、この電圧値Ｖｓａ，ＶｓｂまたはＶｓｃをスライスレベルとして排気ガス中の酸素濃度（空燃比λ）がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを判定する。
【００９４】
次に、このときの判定信号は、図１０に示す端子４５側から外部に出力され、例えば自動車用エンジンの空燃比制御等に用いられる。そして、その後はステップ５でリターンし、ステップ１以降の処理を続行する。
【００９５】
かくして、このように構成される本実施の形態では、前記第２の実施の形態とほぼ同様に、出力電圧Ｖｓ  が内部抵抗Ｒｉ  の影響で図９中に示す特性線９，１０，１１の如く上，下に変動しても、これに対応して基準電圧Ｖｓｘのスライスレベル（例えば、電圧値Ｖｓａ，Ｖｓｂ，Ｖｓｃ）を可変に調整することによって、排気ガス中の酸素濃度がリッチ状態であるか、リーン状態であるかを正確に判別することができる。
【００９６】
なお、前記第２の実施の形態では、ネルンストセル２２およびポンプセル２３からなる検出素子２１を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限るものではなく、第１の実施の形態で述べた検出素子１についても、例えば図６に示す調整回路２６を用いて基準電圧Ｖｓｘを可変に調整する構成としてもよい。
【００９７】
また、これとは逆に、第２の実施の形態で述べた検出素子２１に対しても、例えば図１に示す調整回路５を用いて印加電圧（ポンピング電圧Ｖ０  ）を可変に調整する構成としてもよいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による酸素センサを示す電気回路図である。
【図２】検出素子の内部抵抗と補正電圧との関係を示す特性線図である。
【図３】補正電圧とポンピング電圧との関係を示す特性線図である。
【図４】検出素子の素子温度と内部抵抗との関係を示す特性線図である。
【図５】酸素センサの出力電圧と空燃比との関係を示す特性線図である。
【図６】第２の実施の形態による酸素センサを示す電気回路図である。
【図７】補正電圧と調整電圧との関係を示す特性線図である。
【図８】調整電圧と基準電圧との関係を示す特性線図である。
【図９】酸素センサの出力電圧と空燃比との関係を示す特性線図である。
【図１０】第３の実施の形態による酸素センサを示す電気回路図である。
【図１１】補正電圧と基準電圧との関係を示す特性線図である。
【図１２】図１０中の制御装置による基準電圧調整処理等を示す流れ図である。
【符号の説明】
１，２１，４１  検出素子
２  出力端子
３  電源部（電圧印加手段）
４，２５，４３  検出器（内部抵抗検出手段）
５  調整回路（印加電圧調整手段）
６，２７  補正電圧設定器
７，２８  目標電圧部
８，２９  差動増幅器
２２  ネルンストセル
２３  ポンプセル
２４，４２  直流電源（電圧印加手段）
２６  調整回路（基準電圧調整手段）
４４  制御装置（基準電圧調整手段）
Ｒｉ    内部抵抗
Ｖ０    ポンピング電圧（印加電圧）
Ｖｓｘ，Ｖｓａ，Ｖｓｂ，Ｖｓｃ  基準電圧
【図１】
2004156916.tif 000003
【図２】
2004156916.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004156916.tif 000006
【図５】
2004156916.tif 000007
【図６】
2004156916.tif 000008
【図７】
2004156916.tif 000009
【図８】
2004156916.tif 000010
【図９】
2004156916.tif 000011
【図１０】
2004156916.tif 000012
【図１１】
2004156916.tif 000013
【図１２】
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