(57)【要約】【課題】酸素濃度センサのインピーダンスを精度良く検出することのできる酸素濃度センサの制御装置を提供する。【解決手段】酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置１００であって、前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノードＡ，Ｂ間の電圧（ＡＤＣ１−ＡＤＣ２）に基づいて前記酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが算出され、前記酸素濃度センサの前記インピーダンスが相対的に大きいときには、前記酸素濃度センサの制御装置に前記電圧が印加される時間ＴONが相対的に大きく設定されるとともに、前記第１及び第２のノード間の電圧の読み込みタイミングＴADが相対的に遅く設定される。前記算出されたインピーダンスに基づいて、前記酸素濃度センサの制御装置に前記電圧が印加される時間、及び前記第１及び第２のノード間の電圧の読み込みタイミングが決定される。【選択図】        図４
2005227013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、
前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、
前記酸素濃度センサの前記インピーダンスが相対的に大きいときには、前記酸素濃度センサの制御装置に前記電圧が印加される時間が相対的に大きく設定されるとともに、前記第１及び第２のノード間の電圧の読み込みタイミングが相対的に遅く設定される
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項２】
酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、
前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、
第１の読み込みタイミングにて検出された前記第１及び第２のノード間の電圧が設定値よりも小さい場合には、前記第１の読み込みタイミングよりも遅い第２の読み込みタイミングにて検出された前記第１及び第２のノード間の電圧に基づいて、前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出される
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項３】
酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、
前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、
前記算出されたインピーダンスに基づいて、前記酸素濃度センサの制御装置に前記電圧が印加される時間、及び前記第１及び第２のノード間の電圧の読み込みタイミングが決定される
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項４】
酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、
前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、
複数の回路定数を有し、
前記第１及び第２のノード間の電圧が相対的に大きくなる前記回路定数に切り替えられる
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項５】
酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、
前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、
複数の回路定数を有し、
前記第１のノードの電圧が相対的に大きくなる前記回路定数に切り替えられる
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の酸素濃度センサの制御装置において、
前記インピーダンスに基づいて、前記回路定数が切り替えられる
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか１項に記載の酸素濃度センサの制御装置において、
抵抗とコンデンサから構成されるＲＣ回路を備え、
前記回路定数として、前記ＲＣ回路の抵抗成分が切り替えられる
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項８】
請求項７記載の酸素濃度センサの制御装置において、
前記酸素濃度センサを駆動するための電圧が印加される入力部と、
前記入力部に接続された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗の前記入力部と逆側の前記第２のノード及び前記酸素濃度センサに前記第１のノードにて接続された第２の抵抗と、
前記第２のノードの電圧を検出する第１の電圧検出手段と、
前記第１のノードの電圧を検出する第２の電圧検出手段とを備え、
前記第１のノードの電圧及び前記第２のノードの電圧に基づいて、前記インピーダンスが算出される
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項９】
請求項８記載の酸素濃度センサの制御装置において、
前記算出されたインピーダンスが相対的に大きい場合には、前記第２の抵抗の抵抗値が相対的に小さくされ、
前記算出されたインピーダンスが相対的に小さい場合には、前記第１の抵抗の抵抗値が相対的に小さくされる
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１項に記載の酸素濃度センサの制御装置において、
前記抵抗が並列配列に切り替えられる
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか１項に記載の酸素濃度センサの制御装置において、
前記抵抗及び前記コンデンサの定数は、前記回路定数の切り替えの前後で前記ＲＣ回路が所定の時定数を維持するように決定されている
ことを特徴とする酸素濃度センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置に関し、特に、車両用の酸素濃度センサのインピーダンスを精度良く検出することが可能な酸素濃度センサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの車両においては、エンジンから排出される排気ガス中の酸素濃度を、酸素濃度センサなどによって検出し、この検出値に基づいて、燃料噴射量や排気浄化用触媒の制御などを行っている。この酸素濃度センサの特性として、その出力電圧の温度依存性が高いこと（所定温度以上でＯ2センサとして機能すること）が分かっている。これは、温度が上がると、酸素濃度センサ内のジルコニア素子の活性状態が良くなり、所定酸素濃度差が生じた場合に起電力を発生するためである。したがって、酸素濃度センサを、最適に酸素濃度を検出できる温度（以下、この温度を「活性温度」と呼ぶ）に保つための制御を行う必要がある。一般的には、酸素濃度センサにヒータを付設し、ヒータを制御して酸素濃度センサを活性温度付近に維持している。
【０００３】
ここで、上記のように酸素濃度センサをヒータにて活性温度に維持するためには、酸素濃度センサの温度を検出する必要があるが、酸素濃度センサに温度センサを直接配設すると、酸素濃度センサの大型化やコストアップを招いてしまう。そこで、酸素濃度センサの素子インピーダンスが素子温度に応じて変化することに着目して、素子インピーダンスを検出し、この検出値から素子温度を算出することが行われている。
【０００４】
酸素濃度センサのインピーダンスを算出する際に用いるＡＤコンバータに変換誤差があり、これを小さくするのには限界がある。これは、車両用のＡＤコンバータは、コストやプリント基板への実装などの制限があり、精度の高いものを用いることができないからである。このＡＤコンバータの変換誤差が原因で、酸素濃度センサのインピーダンスを精度良く検出することが可能なインピーダンスの範囲は限定されてしまい、その範囲からずれるに従ってインピーダンスの検出精度は低下してしまう。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２９２３６４号公報
【特許文献２】特開平９−２２９９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、酸素濃度センサのインピーダンスを精度良く検出することのできる酸素濃度センサの制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の酸素濃度センサの制御装置は、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、前記酸素濃度センサの前記インピーダンスが相対的に大きいときには、前記酸素濃度センサの制御装置に前記電圧が印加される時間が相対的に大きく設定されるとともに、前記第１及び第２のノード間の電圧の読み込みタイミングが相対的に遅く設定されることを特徴としている。
【０００８】
本発明の酸素濃度センサの制御装置は、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、第１の読み込みタイミングにて検出された前記第１及び第２のノード間の電圧が設定値よりも小さい場合には、前記第１の読み込みタイミングよりも遅い第２の読み込みタイミングにて検出された前記第１及び第２のノード間の電圧に基づいて、前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出されることを特徴としている。
【０００９】
本発明の酸素濃度センサの制御装置は、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、前記算出されたインピーダンスに基づいて、前記酸素濃度センサの制御装置に前記電圧が印加される時間、及び前記第１及び第２のノード間の電圧の読み込みタイミングが決定されることを特徴としている。
【００１０】
本発明の酸素濃度センサの制御装置は、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、複数の回路定数を有し、前記第１及び第２のノード間の電圧が相対的に大きくなる前記回路定数に切り替えられることを特徴としている。
【００１１】
本発明の酸素濃度センサの制御装置は、酸素濃度を検出する酸素濃度センサの制御装置であって、前記酸素濃度センサの制御装置に電圧が印加されたときの第１及び第２のノード間の電圧に基づいて前記酸素濃度センサのインピーダンスが算出され、複数の回路定数を有し、前記第１のノードの電圧が相対的に大きくなる前記回路定数に切り替えられることを特徴としている。
【００１２】
本発明の酸素濃度センサの制御装置において、前記インピーダンスに基づいて、前記回路定数が切り替えられることを特徴としている。
【００１３】
本発明の酸素濃度センサの制御装置において、抵抗とコンデンサから構成されるＲＣ回路を備え、前記回路定数として、前記ＲＣ回路の抵抗成分が切り替えられることを特徴としている。
【００１４】
本発明の酸素濃度センサの制御装置において、前記酸素濃度センサを駆動するための電圧が印加される入力部と、前記入力部に接続された第１の抵抗と、前記第１の抵抗の前記入力部と逆側の前記第２のノード及び前記酸素濃度センサに前記第１のノードにて接続された第２の抵抗と、前記第２のノードの電圧を検出する第１の電圧検出手段と、前記第１のノードの電圧を検出する第２の電圧検出手段とを備え、前記第１のノードの電圧及び前記第２のノードの電圧に基づいて、前記インピーダンスが算出されることを特徴としている。
【００１５】
本発明の酸素濃度センサの制御装置において、前記算出されたインピーダンスが相対的に大きい場合には、前記第２の抵抗の抵抗値が相対的に小さくされ、前記算出されたインピーダンスが相対的に小さい場合には、前記第１の抵抗の抵抗値が相対的に小さくされることを特徴としている。
【００１６】
本発明の酸素濃度センサの制御装置において、前記抵抗が並列配列に切り替えられることを特徴としている。
【００１７】
本発明の酸素濃度センサの制御装置において、前記抵抗及び前記コンデンサの定数は、前記回路定数の切り替えの前後で前記ＲＣ回路が所定の時定数を維持するように決定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の酸素濃度センサの制御装置によれば、酸素濃度センサのインピーダンスを精度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の酸素濃度センサの制御装置の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
まず、本実施形態の概要について説明する。
【００２１】
酸素濃度センサの素子インピーダンスを求める手法として、電極部インピーダンスの影響を受け難い周波数で制御に影響を与えない程度のパルス幅電圧をセンサに印加して求める方法があり、通常パルス電圧印加中の所定の時間後に検出回路の電圧を読み取りインピーダンスの算出を行っている。ところが、センサインピーダンスが大きいと、所定時間後のタイミングでは十分に電圧が飽和していないため、電流検出用のシャント抵抗両端の電圧差が生じ難く、場合によってはその電圧差がＡＤ変換ばらつきの範囲に入り、正確にインピーダンスが測定できない場合がある。この問題を解決するために、センサインピーダンス値によって印加するパルス電圧幅を可変とし、電圧値を読みに行く所定時間も同様に可変にすることで、センサインピーダンス算出精度を確保するものである。
【００２２】
次に、本実施形態の理解を容易にするために、酸素濃度センサの制御装置によるインピーダンス算出の基本原理について説明する。
【００２３】
酸素濃度センサ（以下、「空燃比センサ」とも呼ぶ）は、車両のエンジンから伸びた排気管に取り付けられており、電圧の印加に伴い排気ガス中の酸素濃度に比例した電流が流れる。酸素濃度センサは、通常、ジルコニア素子の内外面に白金がコーティングされている装置が用いられている。この酸素濃度センサは、センサの内外面の酸素濃度差によって電力が発生する仕組みを利用している。つまり、センサ内部に導入されている大気（酸素を多く含む）とセンサ外部に当たる排気ガス（酸素をそれほど含まない）の酸素の濃度差が大きいほど電圧差が生じ、酸素の濃度差がない場合には電圧差が生じない。酸素濃度センサを流れる電流に対応する電圧値などの電気信号は車両内にあるＥＣＵ（Ｅngine Ｃontrol Ｕnit）に供給され、ＥＣＵは、この検出結果に基づいて燃料噴射量などの制御を行う。
【００２４】
ここで、酸素濃度センサの素子温度と素子インピーダンスの関係を、図８を用いて説明する。図８は、横軸に酸素濃度センサの素子温度を示し、縦軸に素子インピーダンスを示している。酸素濃度センサは、特性Ｎに示すように、素子温度に応じて素子インピーダンスが著しく変化する特性を有している。また、酸素濃度センサの出力電圧は、所定温度以上で発生し始め、素子温度により起電力が若干変化するため、素子温度を適温（即ち、活性温度）に維持する必要がある。図８においては、Ｔ１で示す温度は酸素濃度センサが活性し始める温度であり（例えば、４００℃）、Ｔ２で示す温度は酸素濃度センサの活性温度である（例えば、７００℃）。一般的には、酸素濃度センサにヒータを付設し、ヒータを制御して酸素濃度センサが活性温度Ｔ２付近に維持されるように制御している。このとき、酸素温度センサの温度を直接検出するのではなく、図８に示すように酸素濃度センサの素子インピーダンスが素子温度に応じて変化することに注目して、素子インピーダンスを検出し、この検出値から素子温度を算出している。
【００２５】
なお、素子インピーダンスが著しく大きいとき（図８のｘ１で示す領域）、及び素子インピーダンスが著しく小さいとき（図８のｘ２で示す領域）においては、素子インピーダンス値を用いて、酸素濃度センサなどの断線やショートの判定を行うことができる。ただし、その場合は、ｘ１及びｘ２のような領域においても、酸素濃度センサの素子インピーダンスを精度良く算出することが必要である。
【００２６】
次に、図１を用いて、酸素濃度センサの制御装置で採用されている電気的構成について説明する。以下では、主に酸素濃度センサのインピーダンスを検出する方法について述べる。
【００２７】
図１に示す酸素濃度センサの制御装置１００は、主に車載用のＥＣＵ（Ｅngine Ｃontrol Ｕnit）１０と、ＥＣＵ１０に駆動される酸素濃度センサ５から構成されている。酸素濃度センサ５は、電源電圧Ｖｃによって駆動される。この電源電圧Ｖｃの入力部の直下には、スイッチとして機能するＰＮＰ型のトランジスタＴｐが接続されている。トランジスタＴｐは、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳの測定を行う際にＯＮにされ、酸素濃度センサ５などに電圧を印加する。なお、トランジスタＴｐは、ＥＣＵ１０によって制御される。
【００２８】
トランジスタＴｐには抵抗Ｒ１が接続され、抵抗Ｒ１を介して抵抗Ｒ２が接続されている。また、抵抗Ｒ２には酸素濃度センサ５が接続されており、酸素濃度センサ５はグランドに接続されている。この酸素濃度センサ５の素子インピーダンスをＲＳと表記する。そして、抵抗Ｒ２の両端にはＡＤコンバータ１とＡＤコンバータ２が接続されており、これらの出力値はＥＣＵ１０に取り込まれる。ＥＣＵ１０は、これらの出力値に基づいて酸素濃度センサ５内のインピーダンスＲＳを算出する。
【００２９】
一方、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続部には、コンデンサＣ１が接続され、コンデンサＣ１からグランドに接続されている。コンデンサＣ１は、トランジスタＴｐのＯＮによる電圧を所定時定数遅れで酸素濃度センサ５へ印加するために用いられている。この時定数遅れが、印加する電圧の交流周波数に相当し、上記電極部インピーダンスの影響を受け難い周波数に対応している。さらに、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続部には、抵抗ＲＤを介してＮＰＮ型のトランジスタＴｎが接続され、トランジスタＴｎからグランドに接続されている。トランジスタＴｎは、酸素濃度センサ５のインピーダンスの測定の終了時又は開始直後にＯＮにされ、コンデンサＣ１及び酸素濃度センサ５内にたまった電荷を放電するために用いられる。このトランジスタＴｎも、ＥＣＵ１０によって制御される。
【００３０】
ＥＣＵ１０は、上述したようにＡＤコンバータ１とＡＤコンバータ２からの出力値に基づいて酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを算出する。さらに、このインピーダンスＲＳから酸素濃度センサ５の素子温度を算出し、酸素濃度センサ５に付設された図示しないヒータなどを制御する。また、ＥＣＵ１０は、酸素濃度センサ５の出力電圧から排気ガス中の酸素濃度を検出して、空燃比フィードバック制御なども行う。ＥＣＵ１０は、その他にもトランジスタＴｐ及びＴｎの制御や、車両全体の種々の制御を統括して行うことができる。
【００３１】
ここで、電源電圧Ｖｃの電圧値をＶｃ、ＡＤコンバータ１の出力電圧値をＡＤＣ１、ＡＤコンバータ２の出力電圧値をＡＤＣ２、抵抗Ｒ１の抵抗値をＲ１、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ２、酸素濃度センサ５のインピーダンス値をＲＳ、コンデンサＣ１の電気容量をＣ１、と表記して、ＥＣＵ１０にて酸素濃度センサ５のインピーダンス値ＲＳの算出に用いられる演算式について説明する。
【００３２】
トランジスタＴｐをＯＮにしたときに、酸素濃度センサ５に印加される電圧はＡＤＣ２になり、酸素濃度センサ５に流れる電流は（ＡＤＣ１−ＡＤＣ２）／Ｒ２になる。したがって、酸素濃度センサ５のインピーダンス値ＲＳは、下記式１により求められる。
ＲＳ＝ＡＤＣ２／（（ＡＤＣ１−ＡＤＣ２）／Ｒ２）…式１
【００３３】
上記式１より、算出されるＲＳは、ＥＣＵ１０に入力される（ＡＤＣ１−ＡＤＣ２）とＡＤＣ２の影響を受けることが分かる。したがって、ＡＤＣ１とＡＤＣ２の差が微小である場合、又はＡＤＣ２が微小である場合には、回路公差や、ＡＤコンバータ１及び２にて生じるＡＤ変換のばらつきの影響を特に受け易くなってしまい、ＲＳの算出精度は落ちてしまう。
【００３４】
図１を参照して説明したように、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを求めるため、トランジスタＴｐをＯＮさせることにより外部から酸素濃度センサ５にパルス状電圧Ｖｃを印加し、インピーダンスＲＳに印加された電圧ＡＤＣ２・流れる電流値（（ＡＤＣ１−ＡＤＣ２）／Ｒ２）よりインピーダンスＲＳを算出する方法がある。インピーダンスＲＳを求めるために、酸素濃度センサ５へ強制的に外部から電圧Ｖｃを印加する時間（トランジスタＴｐをＯＮにする時間）は、通常制御で用いるセンサ電圧への影響を考慮すると短い方が望ましい。電圧Ｖｃを印加する時間が長いと、コンデンサＣ１や酸素濃度センサ５の容量成分により多くの電荷が蓄積される。そして、トランジスタＴｎをＯＮにして、その蓄積された電荷を放電させても完全には放電されずに、電荷が一部残った状態となる。これにより、電流検出用のシャント抵抗両端の電圧差（ノードＡ、Ｂ間の抵抗値）がドリフトし、酸素濃度センサ５の検出誤差が生じる原因となるためである。
【００３５】
しかしながら、酸素濃度センサ５に電圧Ｖｃを印加する時間を短い時間に設定すると、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きい場合には、トランジスタＴｐのＯＮ時のＡＤコンバータ１、ＡＤコンバータ２のＡＤ読み込みタイミングで両者の差分が十分になく、ＡＤコンバータ１及び２のＡＤ読み取り誤差の範囲内に入ってしまうと、正確なインピーダンス測定ができなくなる。
【００３６】
即ち、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きくない場合には、トランジスタＴｐのＯＮにより電圧を印加した場合の電圧立ち上がり時定数も大きくないため、図２−１に示すように、電圧Ｖｃを酸素濃度センサ５に印加する時間（トランジスタＴｐをＯＮにする時間）が短い時間Ｔ１であっても、ＡＤＣ１とＡＤＣ２が飽和しており、ＡＤＣ１とＡＤＣ２の差分が十分にあるため、高精度に検出可能である。
これに対して、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きい場合には、トランジスタＴｐのＯＮにより電圧を印加した場合の電圧立ち上がり時定数が大きくなり、図２−２に示すように、電圧Ｖｃを酸素濃度センサ５に印加する時間（トランジスタＴｐをＯＮにする時間）が短い時間Ｔ１であると、ＡＤＣ１とＡＤＣ２が飽和する前の状態で読み取ることになり、ＡＤＣ１とＡＤＣ２の差分が十分になく、高精度に検出を行うことができない。換言すれば、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きい場合は、読み取るべき電圧変化が飽和する前のタイミング（Ｔ１）で電圧を読み取るため、対象となる読み取り電圧信号ＡＤＣ１、ＡＤＣ２間の差分が十分に取れない場合があり、その差分がＡＤコンバータの読み取り誤差内に入ってしまうと、ＡＤコンバータによっては正確なインピーダンスが測定できなくなる。
【００３７】
これを回避するために、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きい場合には、ＡＤ読み込みタイミングを遅く（＝電圧Ｖｃを酸素濃度センサ５に印加する時間を長く）して（図２−２のＴ２のタイミング）、ＡＤＣ１とＡＤＣ２の差分を高精度に検出すると共に、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きくない場合には、読み込みタイミングを早く（＝電圧Ｖｃを酸素濃度センサ５に印加する時間を短く）することで（図２−１のＴ１のタイミング）、電圧印加時間以外のセンサ電圧への影響（上記のノードＡ、Ｂ間の抵抗値のドリフトの問題など）を小さくしつつ、センサインピーダンスの算出精度も向上させることができる。
【００３８】
上記の考え方は、図３のフローチャートで表すことが可能である。即ち、電圧Ｖｃを酸素濃度センサ５に印加した後（ステップＳ１）、時間Ｔ１（図２−１及び図２−２参照）が経過した時点で（ステップＳ２−Ｙ）、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２を読み込む（ステップＳ３）。その読み込んだ電圧ＡＤＣ１とＡＤＣ２の差分を求め、その差分が設定値ａよりも大きい場合（ステップＳ４−Ｙ）には電圧Ｖｃの印加を終了し（ステップＳ７）、読み込んだ電圧ＡＤＣ１及びＡＤＣ２に基づいて、インピーダンスＲＳを算出する（ステップＳ８）。一方、上記差分が設定値ａよりも大きくない場合（ステップＳ４−Ｎ）には、分圧比からみてインピーダンスＲＳが大きいことになるので、時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１、図２−１及び図２−２参照）が経過した時点で（ステップＳ５−Ｙ）、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２を読み込み（ステップＳ６）、その後、電圧Ｖｃの印加を終了し（ステップＳ７）、その読み込んだ電圧ＡＤＣ１及びＡＤＣ２に基づいて、インピーダンスＲＳを算出する（ステップＳ８）。
【００３９】
図３では、早いタイミングにてＡＤＣ１とＡＤＣ２の差分が大きい場合には、その時点で電圧Ｖｃの酸素濃度センサ５への印加を終了し、その早いタイミングにてＡＤＣ１とＡＤＣ２の差分が大きくない場合には、電圧Ｖｃの酸素濃度センサ５への印加を継続し、比較的遅いタイミングにてＡＤＣ１とＡＤＣ２の電圧値を読み取った後に、電圧Ｖｃの酸素濃度センサ５への印加を終了する。これにより、通常制御で用いるセンサ電圧への影響の点からセンサへ外部から電圧を印加する時間を短時間に抑えるという要請と、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを高精度に算出するという要請を両立させることができる。
【００４０】
次に、上記本実施形態の考え方を具体的に実現する方法（プログラム）について説明する。図４は、本実施形態の動作を示すフローチャートであり、本実施形態においてプログラムされる内容に対応している。エンジンが始動される度に、図４のフローが繰り返し行われる。
【００４１】
［ステップＳ１］
まず、ステップＳ１に示すように、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが算出済みか否かが判定される。インピーダンスＲＳが算出されている場合には、ステップＳ３に進み、そうでない場合には、ステップＳ２に進む。本フローが実行された最初の段階では、インピーダンスＲＳが算出されていないため、ステップＳ２に進む。
【００４２】
［ステップＳ２］
ステップＳ２では、トランジスタＴｐのＯＮ時間の初期値であるＴON0と、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の読み込みタイミングの初期値であるＴAD0がメモリから読み出され、それぞれ、ＯＮ時間ＴON、読み込みタイミングＴADにセットされる。ステップＳ２の次に、ステップＳ４が行われる。
【００４３】
［ステップＳ３］
ステップＳ３では、セットされているＯＮ時間ＴONと、セットされている読み込みタイミングＴADが読み出される。ステップＳ３では、前回のフローのステップＳ６にてセットされたＯＮ時間ＴONと、読み込みタイミングＴAD、即ち、前回のフローで算出されたインピーダンスＲＳに基づいて求められたＯＮ時間ＴON’と、読み込みタイミングＴAD’が読み出される。ステップＳ３の次に、ステップＳ４が行われる。
【００４４】
［ステップＳ４］
ステップＳ４では、セットされているＯＮ時間ＴONの間だけ、トランジスタＴｐがＯＮとされ、セットされている読み込みタイミングＴADにてＡＤＣ１及びＡＤＣ２の電圧値が読み込まれ、その読み込まれたＡＤＣ１及びＡＤＣ２に基づいて、インピーダンスＲＳ（Ｚ）が算出される。本フローが実行された最初の段階では、セットされているＯＮ時間ＴON、及び読み込みタイミングＴADは、初期値である（ステップＳ２）ため、初期値の条件でトランジスタＴｐがＯＮされるとともに、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の電圧値が読み込まれることで、インピーダンスＲＳが算出される。ステップＳ４の次に、ステップＳ５が行われる。
【００４５】
［ステップＳ５］
ステップＳ５では、算出されたインピーダンスＲＳ（Ｚ）に基づいて、トランジスタＴｐのＯＮ時間ＴON’と、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の読み込みタイミングＴAD’が求められる。ステップＳ５の次に、ステップＳ６が行われる。
【００４６】
［ステップＳ６］
ステップＳ６では、上記ステップＳ５で求められたＴON’と、ＴAD’が、それぞれ、ＯＮ時間ＴON、読み込みタイミングＴADにセットされる。
【００４７】
エンジンの始動直後の暖機前の状態の酸素濃度センサ５の温度が低い場合には、インピーダンスＲＳの値が大きく、暖機されて酸素濃度センサ５の温度が上昇するに連れてインピーダンスＲＳの値が次第に小さくなる。このことから、暖機前の初回（第１回目、ステップＳ１−Ｎ）のインピーダンスＲＳの算出に際しては、インピーダンスＲＳが大きな値であることに対応して、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の読み込みタイミングＴAD及びトランジスタＴｐのＯＮ時間ＴONの初期値（ＴAD0、ＴON0）は、大きな値に設定されている（ステップＳ２）。これにより、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の立ち上がり時定数が大きくても電圧が飽和する前に電圧が読み取られることが防止され、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の差分として十分な大きさの値が検出されることができる。
【００４８】
その初期値の読み込みタイミングＴAD0及びＯＮ時間ＴON0の条件下で、初回のインピーダンスＲＳが算出される（ステップＳ４）と、その算出されたインピーダンスＲＳの値に基づいて、読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'が求められ（ステップＳ５）、初回に続く第２回目には、その求められた読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'の条件下で、インピーダンスＲＳが算出される（ステップＳ６→ステップＳ１−Ｙ→ステップＳ３→ステップＳ４）。ステップＳ５では、インピーダンスＲＳの値に応じて、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２が飽和するに十分な大きさの読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'が求められるように予め用意されたマップが用いられる。
【００４９】
第２回目に算出されたインピーダンスＲＳの値に基づいて、第３回目の測定用の読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'が求められ（ステップＳ５）、その第３回目の測定用の読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'の条件下で、第３回目のインピーダンスＲＳが算出される。
【００５０】
以下同様に、第３回目に算出されたインピーダンスＲＳの値に基づいて、第４回目の測定用の読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'が求められ、その第４回目の測定用の読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'の条件下で、第４回目のインピーダンスＲＳが算出される。ここで、暖機が時間の経過と共に進行するため、第３回目に算出されたインピーダンスＲＳは、第２回目に算出されたインピーダンスＲＳよりも小さな値である。よって、第２回目に算出されたインピーダンスＲＳの値に基づいて、第３回目の測定用の読み込みタイミングＴAD'及びＯＮ時間ＴON'を求めれば、第３回目のインピーダンスＲＳの算出に際して、読み込みタイミングＴAD及びＯＮ時間ＴONが短過ぎる（電圧ＡＤＣ１、ＡＤＣ２が飽和する前の状態で電圧ＡＤＣ１、ＡＤＣ２を読み取る）ということがない。
【００５１】
以上述べた第１実施形態によれば、通常制御で用いるセンサ電圧への影響の点からセンサへ外部から電圧を印加する時間を短時間に抑えるという要請と、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを高精度に算出するという要請を両立させることができる。
【００５２】
次に、図５を参照して、第２実施形態について説明する。
【００５３】
図５に示した第２実施形態に係る電気的構成図を用いて、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳの算出方法について説明する。図５に示す酸素濃度センサの制御装置２００は、算出された酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳに基づいて、インピーダンスＲＳを算出するための電気回路の回路定数を切り替えることによって、インピーダンスＲＳの算出精度の向上を図っている。
【００５４】
その具体的な酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳの算出方法について説明する。酸素濃度センサの制御装置２００内の酸素濃度センサ５は、電源電圧Ｖｃによって駆動される。この電源電圧Ｖｃの入力部の直下には、ＰＮＰ型のトランジスタＴｐが接続されている。トランジスタＴｐは、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳの測定を行う際にＯＮにされ、酸素濃度センサ５に電圧を印加する。なお、トランジスタＴｐは、ＥＣＵ１０によって制御される。
【００５５】
トランジスタＴｐからは、抵抗Ｒ１と、スイッチＳＷ１と、スイッチＳＷ１を介して抵抗Ｒ１１と、が接続されている。スイッチＳＷ１をＯＮにすると、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ１１の並列回路が形成される。また、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ１１から、抵抗Ｒ２と、スイッチＳＷ２と、スイッチＳＷ２を介して抵抗Ｒ２２と、が接続されている。スイッチＳＷ２をＯＮにすると、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ２２の並列回路が形成される。なお、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２は、ＥＣＵ１０にて制御される。
【００５６】
このように、本実施形態に係る酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを算出するための電気回路は、スイッチにて抵抗値を切り替えることが可能な構成を採用している。これにより、回路定数を切り替えることを可能にしている。なお、上記のスイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２の制御は、ＥＣＵ１０にて算出される酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳに基づいて行われる。その具体的な制御については、後述する。
【００５７】
また、図５において、抵抗Ｒ２又は抵抗Ｒ２２の直下には、酸素濃度センサ５が接続され、酸素濃度センサ５からグランドに接続されている。酸素濃度センサ５は、先に述べた装置と同様のものを用いている。さらに、抵抗Ｒ２又は抵抗Ｒ２２の両端には、ＡＤコンバータ１とＡＤコンバータ２が接続されている。これらＡＤコンバータ１及び２の出力値は、ＥＣＵ１０に取り込まれる。ＥＣＵ１０は、これらの出力値に基づいて酸素濃度センサ５内のインピーダンスＲＳを算出する。
【００５８】
一方、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ１１と、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ２２との接続部には、コンデンサＣ１と、抵抗ＲＤとが接続されている。コンデンサＣ１は、トランジスタＴｐのＯＮによる電圧を所定時定数遅れで酸素濃度センサ５へ印加するために用いられている。抵抗ＲＤからはＮＰＮ型のトランジスタＴｎが接続されている。トランジスタＴｎは、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳの測定の終了時又は開始直後にＯＮにされ、コンデンサＣ１などにたまった電荷を放電するために用いられる。このトランジスタＴｎも、ＥＣＵ１０によって制御される。なお、コンデンサＣ１及びトランジスタＴｎからグランドに接続されている。
【００５９】
ＥＣＵ１０は、上述したＡＤコンバータ１とＡＤコンバータ２からの出力値に基づいて、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを算出する。さらに、このインピーダンスＲＳから酸素濃度センサ５の素子温度を算出し、酸素濃度センサ５に付設された図示しないヒータなどを制御する。また、ＥＣＵ１０は、酸素濃度センサ５の出力電圧から排気ガス中の酸素濃度を検出して、空燃比フィードバック制御なども行う。ＥＣＵ１０は、その他にもトランジスタＴｐ及びＴｎの制御や、車両全体の種々の制御を統括して行うことができる。
【００６０】
ここで、ＡＤコンバータ１の出力電圧をＡＤＣ１、ＡＤコンバータ２の出力電圧をＡＤＣ２、抵抗Ｒ１の抵抗値をＲ１、抵抗Ｒ２の抵抗値をＲ２、酸素濃度センサ５のインピーダンス値をＲＳ、コンデンサＣ１の電気容量をＣ１、スイッチＳＷ１をＯＮしたときの抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ１１における合成抵抗値をＲ１’（１／Ｒ’＝１／Ｒ１＋１／Ｒ１１）、スイッチＳＷ２をＯＮしたときの抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ２２における合成抵抗値をＲ２’（１／Ｒ２’＝１／Ｒ２＋１／Ｒ２２）と表記する。このとき、上記の抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ１１、抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ２２、コンデンサＣ１の時定数τは以下の式２を満たすような値に設定するものとする。
【００６１】
τ＝（Ｒ１’×（Ｒ２’＋ＲＳ））／（Ｒ１’＋Ｒ２’＋ＲＳ）×Ｃ１…式２
このようにするのは、スイッチをＯＮ・ＯＦＦに切り替えて抵抗値を変更したときに算出されるインピーダンスＲＳの値が、車両の通常走行時に使用する温度（例えば、７００℃）付近で、ずれないようにするためのものである。なお、Ｒ１及びＲ２に関しては、式２のＲ１’にＲ１を、Ｒ２’にＲ２を代入したときに満たすべき時定数τになるものとする。
【００６２】
次に、上記のスイッチＳＷ１又はスイッチＳＷ２をＯＮにしたときの、ＡＤコンバータ１の出力電圧ＡＤＣ１及びＡＤコンバータ２の出力電圧ＡＤＣ２と、酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳとの関係について説明する。
【００６３】
図６は、スイッチＳＷ１のみをＯＮにしたときの、インピーダンスＲＳと、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の関係を示す。横軸に酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳを示し、縦軸にＡＤＣ１とＡＤＣ２を示す。横軸において、右に行くほどＲＳの値は大きくなり、左に行くほどＲＳの値は小さくなる。スイッチＳＷ１をＯＮすると、Ｒ１とＲ１１の並列回路になるため、ＡＤコンバータ１の直前の抵抗値（Ｒ１’）が小さくなる。そのため、ＡＤコンバータ１の出力電圧ＡＤＣ１は大きくなり（すなわち、ＡＤＣ２の増分よりも大きくなる）、ＡＤコンバータ２の出力電圧ＡＤＣ２との差が顕著になる。したがって、ＥＣＵ１０にて算出されたインピーダンスＲＳの値が大きいときでも、（ＡＤＣ１−ＡＤＣ２）の値を確保することができる（図６において、符号ｂ１で示した領域）。よって、ＲＳ値が大きい場合でもスイッチＳＷ１をＯＮにすることにより、算出されるインピーダンスＲＳはばらつきの影響を受け難くなる。
【００６４】
図７には、スイッチＳＷ２のみをＯＮしたときの、インピーダンスＲＳとＡＤＣ１及びＡＤＣ２の関係を示す。横軸、縦軸は図６と同様の値を取ってある。スイッチＳＷ２をＯＮすると、Ｒ２とＲ２２の並列回路になるため、ＡＤコンバータ２の直前の抵抗値（Ｒ２’）が小さくなる。ここで、式１を変形してＡＤＣ２について記述すると、式３のようになる。
【００６５】
ＡＤＣ２＝ＡＤＣ１×ＲＳ／（Ｒ２’＋ＲＳ）…式３
式３より、Ｒ２’は小さい値なので、インピーダンスＲＳが小さい場合でもＡＤＣ２の値を確保することができることが分かる（図７において、符号ｂ２で示した領域）。よって、ＲＳ値が小さい場合でも、スイッチＳＷ２をＯＮにすることにより、算出されるＲＳは、ばらつきの影響を受け難くなる。
【００６６】
以上から、算出された酸素濃度センサ５のインピーダンスＲＳが大きい場合には、スイッチＳＷ１のみをＯＮにし、算出されたインピーダンスＲＳが小さい場合には、スイッチＳＷ２のみをＯＮにすることが最適である。これにより、酸素濃度センサ５のインピーダンスを精度良く算出することができる（上記式１参照）。このように、第２実施形態では、上記第１実施形態のようにトランジスタＴｐのＯＮ時間ＴONやＡＤＣ１及びＡＤＣ２の読み込みタイミングＴADを調整することなく、高精度にインピーダンスＲＳを算出することが可能である。
【００６７】
なお、上記第２実施形態においては、回路定数を並列回路に切り替えて抵抗値を可変にした構成を採用したが、その他の実施形態として、コンデンサの電気容量の値を可変（例えば回路定数の切り替えなど）にして時定数を揃える構成を採用してもよい。即ち、上記第１実施形態では、インピーダンスＲＳの大きさに応じて時定数が変わり、ＡＤＣ１及びＡＤＣ２の電圧の立ち上がりに差が生じることに対応して、トランジスタＴｐのＯＮ時間ＴONやＡＤＣ１及びＡＤＣ２の読み込みタイミングＴADを調整する構成であったのに対し、その他の実施形態としては、インピーダンスＲＳの大きさに応じてコンデンサの電気容量の値を調整し、インピーダンスＲＳの大きさに依らず、常に一定の時定数となるようにしてＡＤＣ１及びＡＤＣ２の電圧の立ち上がりに差が生じないようにすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】酸素濃度センサのインピーダンス算出の基本原理を説明するための酸素濃度センサの制御装置の構成を示す図である。
【図２−１】酸素濃度センサのインピーダンスが小さい場合のＡＤコンバータの電圧の立ち上がりと電圧読み込みタイミングとの関係を示す図である。
【図２−２】酸素濃度センサのインピーダンスが大きい場合のＡＤコンバータの電圧の立ち上がりと電圧読み込みタイミングとの関係を示す図である。
【図３】本発明の酸素濃度センサの制御装置の第１実施形態の考え方を示すフローチャートである。
【図４】本発明の酸素濃度センサの制御装置の第１実施形態における動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の酸素濃度センサの制御装置の第２実施形態の構成を示す図である。
【図６】本発明の酸素濃度センサの制御装置の第２実施形態の効果の一つを示す図である。
【図７】本発明の酸素濃度センサの制御装置の第２実施形態の効果の他の一つを示す図である。
【図８】酸素濃度センサの素子温度とインピーダンスとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１、２  ＡＤコンバータ
５  酸素濃度センサ
１０  ＥＣＵ
１００、２００  酸素センサの制御装置
Ｒ１、Ｒ１１、Ｒ２、Ｒ２２、ＲＤ  抵抗
Ｃ１  コンデンサ
Ｔｐ、Ｔｎ  トランジスタ
ＳＷ１、ＳＷ２  スイッチ
【図１】
2005227013.tif 000003
【図２−１】
2005227013.tif 000004
【図２−２】
2005227013.tif 000005
【図３】
2005227013.tif 000006
【図４】
2005227013.tif 000007
【図５】
2005227013.tif 000008
【図６】
2005227013.tif 000009
【図７】
2005227013.tif 000010
【図８】
2005227013.tif 000011