(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、前記固体電解質体の他方の面に基準ガス室と対面するように設けた基準ガス側電極と、一端が前記各電極に接続され他端が信号取出し用端子に各々接続される一対のリード部とを具備するガスセンサにおいて、
固体電解質体、電極及びリード部からなる電気経路におけるセンサ活性状態での全抵抗値をＡ、常温での前記一対のリード部の抵抗値をＢとした場合に、
Ｂ／Ａ＜０．５
となるよう構成するとともに、
前記一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その幅方向の断面積をその対応する電極の幅方向の断面積に対して１／２〜５倍としたことを特徴とする積層型ガスセンサ。
【請求項２】
前記センサ活性状態での全抵抗値Ａは、センサ活性制御で目標とする目標抵抗値である請求項１に記載の積層型ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の積層型ガスセンサにおいて、前記電極に対してその対応するリード部の厚さを大きくした積層型ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１または２に記載の積層型ガスセンサにおいて、前記電極に対してその対応するリード部の幅を大きくした積層型ガスセンサ。
【請求項５】
前記信号取出し用端子を、前記固体電解質体の中間位置に設けた請求項１または２に記載の積層型ガスセンサ。
【請求項６】
密着性改善のためにセラミック材料を添加して前記リード部を形成したガスセンサにおいて、少なくとも何れか一方のリード部について前記セラミック材料の添加量を１２．５ｗｔ％以下とした請求項１または２に記載の積層型ガスセンサ。
【請求項７】
前記一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その形成材料として抵抗温度係数が３×１０−３／℃以下の導電材料を用いた請求項１または２に記載の積層型ガスセンサ。
【請求項８】
前記固体電解質体の表面に前記電極を接合する一方、絶縁層を設けて前記固体電解質体と前記リード部とを隔離した積層型ガスセンサにおいて、前記絶縁層として、イットリアＹ2 Ｏ3 をドープしないジルコニアＺｒＯ2 を用いた請求項１または２に記載の積層型ガスセンサ。
【請求項９】
酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面
に設けた被測定ガス側電極と、前記固体電解質体の他方の面に基準ガス室と対面するように設けた基準ガス側電極と、一端が前記各電極に接続され他端が信号取出し用端子に各々接続される一対のリード部と、主に前記各電極付近を加熱するヒータとを具備するガスセンサにおいて、
固体電解質体、電極及びリード部からなる電気経路におけるセンサ活性状態での全抵抗値をＡ、常温での前記一対のリード部の抵抗値をＢとした場合に、
Ｂ／Ａ＜０．５
となるよう構成するとともに、
前記一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その対応する電極近くに設けられる低抵抗部と、前記信号取出し用端子近くに設けられる高抵抗部とを有することを特徴とする積層型ガスセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の積層型ガスセンサにおいて、前記高抵抗部は、幅方向の断面積が前記低抵抗部よりも小さいものである積層型ガスセンサ。
【請求項１１】
酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、前記固体電解質体の他方の面に基準ガス室と対面するように設けた基準ガス側電極と、一端が前記各電極に接続され他端が信号取出し用端子に各々接続される一対のリード部と、主に前記各電極付近を加熱するヒータとを具備するガスセンサにおいて、
固体電解質体、電極及びリード部からなる電気経路におけるセンサ活性状態での全抵抗値をＡ、常温での前記一対のリード部の抵抗値をＢとした場合に、
Ｂ／Ａ＜０．５
となるよう構成するとともに、
前記一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その対応する電極に近づくほど単位長さあたりの抵抗値が小さく、同じく電極から遠ざかるほど単位長さあたりの抵抗値が大きくなるよう構成されることを特徴とする積層型ガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の積層型ガスセンサを用いたガス濃度検出装置において、前記信号取出し用端子から取り出される電気信号により固体電解質体の抵抗値を検出する抵抗検出手段と、前記検出した固体電解質体の抵抗値に基づいて、前記固体電解質体を加熱するためのヒータの通電を制御するヒータ制御手段とを備えるガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層型ガスセンサ及びそれを用いたガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガスセンサでは、固体電解質体等からなるセンサ素子の温度（素子温度）を所定の高温域に制御することにより当該センサ素子の適正な活性状態が維持できる。そのため、素子温度を随時モニタし、この素子温度が所定温度になるようヒータの通電を制御している。また一般には、素子温度を直接モニタするのではなく、センサ素子への印加電圧とその時のセンサ電流との関係から素子インピーダンス（素子抵抗）を求め、この素子インピーダンスから間接的に素子温度を求めるようにしていた。この場合、センサ素子は、図１０に示す温度特性を有する。つまり、図１０に示すように、素子温度が高くなるほど、素子インピーダンスは小さくなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の如く求められる素子インピーダンスは、固体電解質体の抵抗分とリード部の抵抗分とを含む。この場合、固体電解質体は負の温度特性、すなわち高温になるほど抵抗値が低下する特性を有するのに対し、リード部は正の温度特性、すなわち高温になるほど抵抗値が上昇する特性を有する（図１７参照）。図１７中、丸数字１は固体電解質体の抵抗変化を、丸数字２はリード部の抵抗変化を、丸数字３は素子インピーダンス（ＺＡＣ）の変化をそれぞれ示す。従って、素子インピーダンスとしては本来固体電解質体の抵抗分を検出したいのであるが、実際に検出される素子インピーダンスは、固体電解質体の抵抗変化に相反するリード分の抵抗を含む。この場合、ガスセンサが活性状態となる高温域ではそのリード部抵抗が原因で全抵抗値の感度が低下する。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、センサ活性状態での全抵抗値の感度を向上させることができる積層型ガスセンサと、そのガスセンサを用い、温度制御性を改善したガス濃度検出装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の積層型ガスセンサでは、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の一方の面に設けた被測定ガス側電極と、前記固体電解質体の他方の面に基準ガス室と対面するように設けた基準ガス側電極と、一端が前記各電極に接続され他端が信号取出し用端子に各々接続される一対のリード部とを具備することを前提とする。そして、請求項１に記載のガスセンサではその特徴として、固体電解質体、電極及びリード部からなる電気経路におけるセンサ活性状態での全抵抗値をＡ、常温での前記一対のリード部の抵抗値をＢとした場合に、
Ｂ／Ａ＜０．５
となるよう構成するとともに、前記一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その幅方向の断面積を電極の幅方向の断面積に対して１／２〜５倍とするようにした。加えて、前記一対のリード部のうち少なくとも何れか一方の抵抗値が占める割合を低減させるべく、すなわち当該リード部の抵抗値そのものを低減させるべく、その手段として、請求項１に記載の発明では、リード部の幅方向の断面積をその対応する電極の幅方向の断面積に対して１／２〜５倍とするようにした。なお、リード部の幅方向の断面積とは、電流の流れを横切る方向の断面積のことである。なおこの場合、請求項２に記載したように、前記センサ活性状態での全抵抗値Ａは、センサ活性制御（インピーダンス制御）で目標とする目標抵抗値であると良い。
【０００６】
要するに、全抵抗値Ａに対して一対のリード部の抵抗値Ｂが占める割合「Ｂ／Ａ」を０．５未満に制限した。この場合、リード部は固体電解質体とは逆の温度特性（正の温度特性）を持つため、センサ活性状態（ガスセンサの高温域）ではそのリード部抵抗が原因で全抵抗値の感度が低下するが、本発明ではリード部の抵抗値が占める割合を制限したので、固体電解質体の抵抗値と全抵抗値との相関が強まり、センサ活性状態における全抵抗値の感度が上昇する。従って、ガスセンサとしての温度特性が改善され、例えば素子インピーダンスを検出する場合、その検出値が固体電解質体の抵抗変化をより良く反映したものとなる。なおより望ましくは、上記の割合「Ｂ／Ａ」を０．３未満に制限すると良い。
【０００７】
なお、上記請求項１または２に記載の発明では、請求項３に記載したように、前記電極に対してその対応するリード部の厚さを大きくしたり、請求項４に記載したように、前記電極に対してその対応するリード部の幅を大きくしたりすると良い。
【０００８】
因みに、前記一対のリード部の抵抗値が占める割合を低減させるには、リード部の抵抗値を低減させる他に、固体電解質体の抵抗値を増加させることも考えられるが、これではガスセンサとしての温度特性が改善されるものの、センサ活性化の時間が増大する。それ故、センサ活性化の時間短縮を考慮すると、固体電解質体の抵抗値を増加させるよりもリード部の抵抗値を低減させる方が望ましい。
【０００９】
また、請求項５に記載の発明では、前記信号取出し用端子を、前記固体電解質体の中間位置に設けている。この場合、被測定ガス側電極又は基準ガス側電極に対して信号取出し用端子が近づけられることとなる。従って、固体電解質体の端部に信号取出し用端子を設ける従来構成と比較して、リード部の長さが短縮され、結果としてリード部の抵抗値が低減される。
【００１０】
また、以下の請求項６，請求項７に記載の発明であってもやはり、リード部の低抵抗化が実現できる。つまり、請求項６に記載の発明では、密着性改善のためにセラミック材料を添加して前記リード部を形成したガスセンサにおいて、少なくとも何れか一方のリード部について前記セラミック材料の添加量を少なくした。具体的には、該添加量を１２．５ｗｔ％以下とした。また、請求項７に記載の発明では、前記一対のリードのうち少なくとも何れか一方は、その形成材料として抵抗温度係数が３×１０−３／℃以下の導電材料を用いた。なおより望ましくは、上記の抵抗温度係数を２．５×１０−３／℃以下にすると良い。
【００１１】
請求項８に記載の発明では、前記固体電解質体の表面に前記電極を接合する一方、絶縁層を設けて前記固体電解質体と前記リード部とを隔離した積層型ガスセンサにおいて、前記絶縁層として熱伝導性の低い材料を用いた。具体的には、該熱伝導性の低い材料として、イットリアＹ2 Ｏ3 をドープしないジルコニアＺｒＯ2 を用いた。これにより、センサ活性状態では固体電解質体が高温となり、それに伴い電極やリード部も同様に温度上昇するが、上記の通り熱伝導性の低い絶縁層でリード部を隔離することにより、リード部だけを比較的低温とすることができる。従って、リード部における正の温度特性の影響が少なくなり、ガスセンサとしての温度特性が改善されるようになる。
【００１２】
ところで、主に各電極付近を加熱するためのヒータを備えるガスセンサでは、電極付近が高温、その周囲が比較的低温になり、電極から信号取出し用端子へと延びるリード部も同様の温度分布となる。この場合、電極近くではリード部が高温となるためにその抵抗値を低減させることが必要となるが、信号取出し用端子近くではリード部が比較的低温であるため、その抵抗値を低減させる必要はあまりない。
【００１３】
そこで、請求項９に記載の発明では、固体電解質体、電極及びリード部からなる電気経路におけるセンサ活性状態での全抵抗値をＡ、常温での前記一対のリード部の抵抗値をＢとした場合に、
Ｂ／Ａ＜０．５
となるよう構成し、リード部の抵抗値が占める割合を制限する。なおこの場合、前記センサ活性状態での全抵抗値Ａは、センサ活性制御（インピーダンス制御）で目標とする目標抵抗値であると良い。
加えて、一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その対応する電極近くに設けられる低抵抗部と、前記信号取出し用端子近くに設けられる高抵抗部とを有する構成とした。すなわち、電極近くのリード部は、単位長さあたりの抵抗値を小さくし、信号取り出し用端子近くのリード部は、単位長さあたりの抵抗値を大きくした。これにより、電極近くの必要部分（高温部分）のみリード部が低抵抗化されることとなる。この場合にも、センサ活性状態においてリード部の抵抗値が占める割合を低減させることができ、全抵抗値の感度が上昇する。従って、ガスセンサとしての温度特性が改善され、例えば素子インピーダンスを検出する場合、その検出値が固体電解質体の抵抗変化をより良く反映したものとなる。
【００１４】
かかる場合、請求項１０に記載したように、前記高抵抗部は、幅方向の断面積が前記低抵抗部よりも小さいものであると良い。これにより、リード部全てを低抵抗化する（すなわち全て低抵抗部とする）場合と比べて、リード部材料の必要量が減る。リード部は電極と共に白金等の高価な材料で形成されることがあるので、材料量の低減によりコスト削減を図ることが可能となる。
【００１５】
また、請求項１１に記載の発明では、上記請求項９と同様に、固体電解質体、電極及びリード部からなる電気経路におけるセンサ活性状態での全抵抗値をＡ、常温での前記一対のリード部の抵抗値をＢとした場合に、
Ｂ／Ａ＜０．５
となるよう構成し、リード部の抵抗値が占める割合を制限するとともに、一対のリード部のうち少なくとも何れか一方は、その対応する電極に近づくほど単位長さあたりの抵抗値が小さく、同じく電極から遠ざかるほど単位長さあたりの抵抗値が大きくなる構成とした。この場合にも、電極近くの必要部分（高温部分）のみリード部が低抵抗化されるので、センサ活性状態においてリード部の抵抗値が占める割合を低減させることができ、全抵抗値の感度が上昇する。従って、ガスセンサとしての温度特性が改善され、例えば素子インピーダンスを検出する場合、その検出値が固体電解質体の抵抗変化をより良く反映したものとなる。
【００１７】
請求項１２は、前記ガスセンサを用いたガス濃度検出装置に関する発明であり、信号取出し用端子から取り出される電気信号により固体電解質体の抵抗値が検出される（抵抗検出手段）。また、前記検出した固体電解質体の抵抗値に基づいて、前記固体電解質体を加熱するためのヒータの通電が制御される（ヒータ制御手段）。この場合、上記の通りセンサ活性状態における全抵抗値の感度が上昇し、ガスセンサとしての温度特性が改善されるので、固体電解質体の温度制御性が向上する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を空燃比検出装置として具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載されるガソリンエンジンに適用されるものであって、空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比にて制御する。以下、詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す全体構成図である。図１において、空燃比検出装置１５は、その内部演算の中枢をなすマイクロコンピュータ（以下、マイコン２０という）を備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのエンジン制御ＥＣＵ１６に対して相互に通信可能に接続されている。限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサ３０という）は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられており、マイコン２０から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。
【００２０】
マイコン２０は、各種の演算処理を実行するための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御回路２４やヒータ制御回路２６を制御する。マイコン２０は、バッテリ電源＋Ｂの給電を受けて動作する。
【００２１】
次に、Ａ／Ｆセンサ３０の全体構成を図２を用いて説明する。図２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１を有し、そのハウジング３１の下側開口部には、有底二重構造をなす素子カバー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、長板状のセンサ素子５０の先端（下端）が配設されている。素子カバー３２は、排ガスをカバー内部に取り込むための複数の排ガス口３２ａを有しており、ここから排ガスが導入されて素子カバー３２内部が排ガス雰囲気となる。
【００２２】
絶縁部材３３には積層型のセンサ素子５０が挿通されており、絶縁部材３３とセンサ素子５０との間はガラス封止材４１にて封止固定されている。また、絶縁部材３３の上方には別の絶縁部材３４が設けられ、その絶縁部材３４内部においてセンサ素子５０と４本のリード線３５とが接続されている。すなわち、センサ素子５０はヒータ内蔵素子であり、該センサ素子５０に対してセンサ出力取出し用の２本のリード線及びヒータ通電用の２本のリード線、合計４本のリード線３５が接続されている。リード線３５は、コネクタ部３６を介して外部信号線３７に接続されている。
【００２３】
ハウジング３１の上端には本体カバー３８が溶接されている。また、本体カバー３８の上方にはダストカバー３９が取り付けられ、これら本体カバー３８及びダストカバー３９の二重構造によりセンサ上部が保護される。なお、本体カバー３８及びダストカバー３９の間には撥水フィルタ４０が設けられている。また、各カバー３８，３９には、カバー内部に大気を取り込むための複数の大気口３８ａ，３９ａが設けられている。
【００２４】
次に、センサ素子５０の構成を図３〜図６を用いて説明する。ここで、図３は、センサ素子５０の構成を示す平面図、図４は、センサ素子５０の電極回りの構成を拡大して示す平面図である。また、図５は、センサ素子５０の要部断面図であり、（ａ）は図３のＡ−Ａ線断面、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ線断面である。図６は、センサ素子５０の詳細な構成を示す分解斜視図である。
【００２５】
図３に示すように、センサ素子５０は主要な構成として、部分安定化ジルコニアよりなる酸素イオン導電性の固体電解質体５１を有し、その一方の面には排ガス側電極５２が設けられ、他方の面には基準ガス室６５と対面する基準ガス側電極５３が設けられている。また、各電極５２，５３には、センサ素子５０の基端側（図の上側）に延びるリード部５４，５５が一体的に設けられている。リード部５４，５５に各々接続される一対の端子部５６，５７は固体電解質体５１上に並べて設けられており、一方の端子部５６はリード部５４に一体的に設けられ、他方の端子部５７はリード部５５とは固体電解質体５１を隔てて設けられている。また、センサ素子５０の先端部（図の下部）には、少なくとも排ガス側電極５２を覆うように、被覆部５９が設けられている。
【００２６】
図３には便宜上図示しないが、排ガス側電極５２及びリード部５４からなる導電体と固体電解質体５１との間には、アルミナよりなり緻密でガスを透過しない絶縁層５８が設けられている。ここで、図４はセンサ素子５０より被覆部５９を剥がした状態を示す図面であり、同図４に示すように、絶縁層５８には窓部５８ａが設けられている。この場合、絶縁層５８の窓部５８ａを介して前記導電体の一部が固体電解質体５１に接合されて排ガス側電極５２となっている。また、それ以外の導電体、すなわち固体電解質体５１に対して絶縁層５８にて絶縁隔離された部位がリード部となっている。つまり、図３のＬ１で示す部位がリード部５４に相当する。なお、図４には、排ガス側電極５２に相当する部位をハッチングを付して示している。
【００２７】
以下、より詳細に説明する。図５及び図６に示すように、固体電解質体５１の表面には前述の通り絶縁層５８が設けられ、更にその表面には白金よりなる排ガス側電極５２とこれに一体化されたリード部５４及び端子部５６が設けられている。被覆部５９は、電気絶縁性を有し且つ緻密でガスを透過させないアルミナセラミックよりなるスペーサ６０と、気孔率１０％程度のアルミナセラミックよりなる多孔質拡散抵抗層６１と、緻密でガスシール性のアルミナセラミックよりなるガス遮蔽層６２とを積層して構成されている。スペーサ６０には、前記絶縁層５８の窓部５８ａと同一形状の窓部６０ａが設けられている。この場合、絶縁層５８とスペーサ６０に設けられた窓部５８ａ，６０ａにより、固体電解質体５１と多孔質拡散抵抗層６１との間に空間部６３が形成される。
【００２８】
また、固体電解質体５１の排ガス側電極５２とは反対側の面には、白金よりなる基準ガス側電極５３とこれに一体化されたリード部５５とが設けられている。なお、リード部５５は、導体が充填されたスルーホール５１ａ，５８ｂを介して端子部５７と導通されている。
【００２９】
この固体電解質体５１に対して、電気絶縁性を有し且つ緻密でガスを透過させないアルミナセラミックよりなるスペーサ６４が積層されている。スペーサ６４には基準ガス室６５として機能する溝部６４ａが設けられている。そして、スペーサ６４にヒータ基板６６が積層される。ヒータ基板６６には通電により発熱する発熱体（ヒータ）６７と、該発熱体６７を通電するためのリード部６８とが設けられており、またこれら発熱体６７やリード部６８を設けた面とは反対面には端子部６９が設けられている。端子部６９とリード部６８とは導体を充填したスルーホール６６ａを介して導通されている。
【００３０】
前記図１の説明に戻る。図１において、Ａ／Ｆセンサ３０（センサ素子５０）に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒはマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。そして、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃはバイアス制御回路２４に入力される。バイアス制御回路２４では、Ａ／Ｆ検出時には所定の印加電圧特性に基づきその時のＡ／Ｆ値に対応した電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印加され、素子インピーダンス検出時には所定周波数信号よりなる単発的で且つ所定の時定数を持った電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印加されるようになっている。
【００３１】
バイアス制御回路２４内の電流検出回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電流値を検出する。当該電流検出回路２５にて検出された電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。センサ素子５０に設けられた発熱体６７は、ヒータ制御回路２６によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路２６は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子インピーダンスに応じて発熱体６７への通電をデューティ制御する。
【００３２】
次に、上記の如く構成される空燃比検出装置１５の作用を説明する。
図７は、マイコン２０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン２０への電源投入に伴い起動される。
【００３３】
図７において、先ずステップ１００では、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ値の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓ程度に設定される。そして、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にステップ１１０に進み、Ａ／Ｆ値の検出処理を実施する。すなわち、その時々のセンサ電流に応じた印加電圧を設定すると共に、その電圧をＡ／Ｆセンサ３０のセンサ素子５０に印加し、その時のセンサ電流を電流検出回路２５により検出する。そして、該検出したセンサ電流をＡ／Ｆ値に変換する。
【００３４】
Ａ／Ｆ値の検出後、ステップ１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓ、２ｓ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステップ１３０で素子インピーダンスＺＡＣを検出すると共に、続くステップ１４０でヒータ通電制御を実施する。素子インピーダンスＺＡＣの検出処理については後述する。また、ステップ１４０では、その概要として素子インピーダンスＺＡＣの検出値が素子活性化のための目標値に一致するよう、ＰＩＤ手法等を用いたフィードバック制御が実施される。なお本実施の形態では、ステップ１３０が抵抗検出手段に相当し、ステップ１４０がヒータ制御手段に相当する。
【００３５】
次に、前記図７のステップ１３０における素子インピーダンスＺＡＣの検出手順を図８を用いて説明する。なお本実施の形態では、素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、掃引法を用いていわゆる「交流インピーダンス」を求めることとしている。
【００３６】
図８において、先ずステップ１３１では、バイアス指令信号Ｖｒを操作し、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電圧を正側に数１０〜１００μｓ程度の時間で単発的に変化させる。その後、ステップ１３２では、その時の電圧変化量ΔＶと電流検出回路２５により検出されたセンサ電流の変化量ΔＩとを読み取る。また、続くステップ１３３では、前記ΔＶ値及びΔＩ値から素子インピーダンスＺＡＣを算出し（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図７のルーチンに戻る。
【００３７】
上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２２並びにバイアス制御回路２４を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加される。その結果、図９に示されるように、当該電圧の印加からｔ時間経過後にピーク電流ΔＩ（電流変化量）が検出され、その時の電圧変化量ΔＶとピーク電流ΔＩとから素子インピーダンスＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、信頼性の高い素子インピーダンスＺＡＣが検出できる。上記の如く求められる素子インピーダンスＺＡＣは、素子温に対して図１０に示す関係を有する。すなわち、素子温が低いほど、素子インピーダンスＺＡＣは飛躍的に大きくなる。
【００３８】
ところで、Ａ／Ｆセンサ３０のセンサ素子５０では、固体電解質体５１が負の温度特性、すなわち高温になるほど抵抗値が低下する特性を有するのに対し、リード部５４，５５が正の温度特性、すなわち高温になるほど抵抗値が上昇する特性を有する。図１１で説明すれば、図中実線で示すように、素子温の上昇に対して固体電解質体５１の抵抗値は右下がりで変化し（丸数字１）、リード部５４，５５の抵抗値は逆に右上がりで変化する（丸数字２）。この場合、素子インピーダンスＺＡＣとして検出される値（丸数字３）は、固体電解質体５１の抵抗値の他に、その固体電解質体５１の抵抗値とは反対の正の温度特性を有するリード部５４，５５の抵抗値を含むことから、センサ活性状態（高温状態）での素子インピーダンスＺＡＣ（全抵抗値）の感度が低下する。素子インピーダンスＺＡＣの感度が低下すると、ヒータ通電制御によるセンサ素子５０の温度制御性が悪化してしまう。
【００３９】
そこで本実施の形態では、センサ活性状態において素子インピーダンスＺＡＣの感度を上昇させるべく、素子インピーダンスＺＡＣの中で、リード部５４，５５の抵抗値が占める割合を制限することを考える。すなわち、常温でのリード部５４，５５の抵抗値（両リード部を含むもの）をＲＬとし、センサ活性状態での素子インピーダンスＺＳ（目標とするＺＡＣ）との比率「ＲＬ／ＺＳ」を制限する。
【００４０】
発明者らは、素子温が６５０℃から７５０℃に変化する時の素子インピーダンスＺＡＣの増加率を評価の指標とし、前記「ＲＬ／ＺＳ」がどの程度であればセンサ素子５０の温度制御性が確保できるかを確認した。その結果を図１２に示す。なお図１２では、
インピーダンス増加率（％）＝（Ｚ650 ／Ｚ750 −１）×１００
とし、素子温６５０℃の時の素子インピーダンスＺ650 に対して素子温７５０℃の時の素子インピーダンスＺ750 が１／２になれば、インピーダンス増加率＝１００％であるとしている。またここでは、第１の評価基準をインピーダンス増加率＝７０％とし、第２の評価基準をインピーダンス増加率＝１００％としている。
【００４１】
図１２では、「ＲＬ／ＺＳ」が０．５未満で制限されれば、素子インピーダンスＺＡＣの感度が上昇し、インピーダンス増加率が第１の評価基準（７０％）を超える。これにより、センサ素子５０の温度制御性が確保できるものと判断できる。また、「ＲＬ／ＺＳ」が０．３未満で制限されれば、素子インピーダンスＺＡＣの感度がより一層上昇し、インピーダンス増加率が第２の評価基準（１００％）を超える。
【００４２】
また実際のところ、リード部５４，５５の抵抗値が占める割合を制限するには、リード部５４，５５を低抵抗化させるのが良く、そのためのセンサ素子５０の構成を図１３により説明する。図１３では、排ガス側電極５２方向から見たセンサ素子５０の構成を示し、便宜上、前記被覆部５９を取り除いた状態を示す。なお既述の通り、排ガス側電極５２とリード部５４とは絶縁層５８の窓部５８ａにより区画されている。また、排ガス側電極５２の幅をＷ１、厚さをＴ１とし、リード部５４の幅をＷ２、厚さをＴ２としている。
【００４３】
この場合、図１３では一例として、排ガス側電極５２の幅Ｗ１とリード部５４の幅Ｗ２とを同一にし（Ｗ１＝Ｗ２）、排ガス側電極５２の厚さＴ１に対してリード部５４の厚さＴ２を２倍にしている。つまり、リード部５４の幅方向の断面積（Ｗ２×Ｔ２）を、排ガス側電極５２の幅方向の断面積（Ｗ１×Ｔ１）の２倍にしている。図１３の構成を採用することにより、リード部５４の低抵抗化が実現できる。本実施の形態では、前記の比率「ＲＬ／ＺＳ」を０．１程度とした。従って、前述の図１１において、リード部５４，５５の温度特性を図の実線から二点鎖線に移行させることができる。
【００４４】
図１３は一例に過ぎず、任意に、リード部５４の幅Ｗ２を大きくしたり、リード部５４の厚さＴ２を大きくしたりすることができる。勿論、リード部５４の幅Ｗ２及び厚さＴ２を共に、排ガス側電極５２の幅Ｗ１及び厚さＴ１よりも大きくしても良い。但しこの場合、リード部５４の幅方向の断面積（Ｗ２×Ｔ２）を電極５２の幅方向の断面積（Ｗ１×Ｔ１）に対して１／２〜５倍の範囲とすると良い。
【００４５】
以上、排ガス側電極５２の構成のみ説明したが、基準ガス側電極５３についても同様に構成すれば良い。但し、排ガス側電極５２及び基準ガス側電極５３は同一構成に合わせる必要はなく、何れか一方のみを低抵抗化する構成であっても良い。重要なことは、両リード部５４，５５の常温での抵抗値ＲＬとセンサ活性状態での素子インピーダンスＺＳとの比率ＲＬ／ＺＳを所定範囲（例えば０．３未満）に制限することである。
【００４６】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
本実施の形態のＡ／Ｆセンサ３０では、素子インピーダンスＺＡＣ（全抵抗値）に対して、リード部５４，５５の抵抗値が占める割合を制限したので、固体電解質体５１の抵抗値と素子インピーダンスＺＡＣ（全抵抗値）との相関が強まり、センサ活性状態における素子インピーダンスＺＡＣの感度が上昇する。従って、Ａ／Ｆセンサ３０としての温度特性が改善され、素子インピーダンスＺＡＣが固体電解質体５１の抵抗変化をより良く反映したものとなる。
【００４７】
また、空燃比検出装置としては、上記の通りセンサ活性状態におけるＡ／Ｆセンサ３０の温度特性が改善されるので、センサ素子５０（固体電解質体５１）の温度制御性が向上する。その結果、Ａ／Ｆセンサ３０として良好なる昇温特性が実現できると共に、常に所望の活性状態が維持できるようになる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態を前記第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００４９】
要するに、Ａ／Ｆセンサ３０では、発熱体６７が各電極５２，５３を中心に固体電解質体５１を加熱するため、電極５２，５３付近が高温、その周囲が比較的低温になり、電極５２，５３から端子部５６，５７へと延びるリード部５４，５５も同様の温度分布となる。この場合、電極５２，５３近くではリード部５４，５５が高温となるためにその抵抗値を低減させることが必要となるが、端子部５６，５７近くではリード部５４，５５が比較的低温であるため、その抵抗値を低減させる必要はあまりない。
【００５０】
そこで本実施の形態では、リード部５４，５５の温度分布に応じてその形状を決定することを考える。図１４は、リード部５４の形状を各種示す図面である。すなわち、図１４（ａ），（ｂ）では、リード部５４において、単位長さあたりの抵抗値が比較的小さい低抵抗部７１を排ガス側電極５２近くに設けると共に、単位長さあたりの抵抗値が比較的大きい高抵抗部７２を端子部５６近くに設けている。これら低抵抗部７１及び高抵抗部７２は、幅方向の断面積を変えることで実現され、低抵抗部７１よりも幅方向の断面積を小さくして高抵抗部７２が構成される。
【００５１】
また、図１４（ｃ），（ｄ）では、排ガス側電極５２に近づくほど、単位長さあたりの抵抗値が小さくなるようリード部５４の幅方向の断面積を大きくすると共に、排ガス側電極５２から遠ざかるほど、単位長さあたりの抵抗値が大きくなるようリード部５４の幅方向の断面積を小さくしている。勿論、基準ガス側電極５３も、上記図１４（ａ）〜（ｄ）と同様に構成しても良い。
【００５２】
上記図１４の構成によれば、電極近くの必要部分（高温部分）のみリード部５４，５５が低抵抗化される。この場合にも、センサ活性状態においてリード部５４，５５の抵抗値が占める割合を低減させることができ、素子インピーダンスＺＡＣ（全抵抗値）の感度が上昇する。従って、Ａ／Ｆセンサ３０としての温度特性が改善され、素子インピーダンスＺＡＣが固体電解質体５１の抵抗変化をより良く反映したものとなる。
【００５３】
また図１４の構成では、リード部全てを低抵抗化する（すなわち全て低抵抗部とする）場合と比べて、リード部材料の必要量が減る。リード部５４，５５は電極と共に白金等の高価な材料で形成されるので、材料量の低減によりコスト削減を図ることが可能となる。
【００５４】
上記図１４の構成においても前述の通り、素子インピーダンスＺＡＣ（全抵抗値）に対して、リード部５４，５５の抵抗値が占める割合を制限すると良い。すなわち、常温でのリード部５４，５５の抵抗値ＲＬと、センサ活性状態での素子インピーダンスＺＳとの比率「ＲＬ／ＺＳ」を０．５未満で制限する。またより望ましくは、「ＲＬ／ＺＳ」を０．３未満で制限する（前記図１２参照）。
【００５５】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
リード部５４，５５の低抵抗化を図るための手段として、以下の構成が適用できる。
【００５６】
（１）密着性改善のために例えばＺｒＯ2 のセラミック材料を添加してリード部５４，５５を形成したＡ／Ｆセンサ３０において、ＺｒＯ2 の添加量を少なくする。具体的には、１２．５ｗｔ％以下とする。
【００５７】
（２）リード部５４，５５の形成材料として、抵抗温度係数が３×１０−３／℃以下の導電材料を用いる。この場合、抵抗温度係数とインピーダンス増加率との関係を図１５に示す。図１５では、前記図１２と同様、第１の評価基準（インピーダンス増加率＝７０％）と、第２の評価基準（インピーダンス増加率＝１００％）とを設定している。図１５において、抵抗温度係数が３×１０−３／℃未満であれば、素子インピーダンスＺＡＣの感度が上昇し、インピーダンス増加率が第１の評価基準（７０％）を超える。これにより、センサ素子５０の温度制御性が確保できるものと判断できる。また、抵抗温度係数が２．５×１０−３／℃未満であれば、素子インピーダンスＺＡＣの感度がより一層上昇し、インピーダンス増加率が第２の評価基準（１００％）を超える。
【００５８】
（３）信号取出し用の端子部５６，５７を、固体電解質体５１の中間位置に設ける。具体的には、図１６に示すように、リード部５４，５５の長さを短縮すべく、端子部５６，５７の位置を固体電解質体５１の端部より中央寄りに変更する。この場合、電極に対して端子部５６，５７が近づけられることとなる。従って、固体電解質体５１の端部に端子部を設ける従来構成と比較して、リード部５４，５５の長さが短縮され、結果としてリード部５４，５５の抵抗値が低減される。
【００５９】
また、固体電解質体５１とリード部５４とを絶縁隔離するための絶縁層５８として熱伝導性の低い材料を用いる。例えば、ジルコニアＺｒＯ2 にて絶縁層５８を形成し、更にその場合、ＺｒＯ2 にイットリアＹ2 Ｏ3 をドープせずに用いる。この場合、熱伝導性の低い絶縁層５８でリード部５４を隔離することにより、電極は高温状態であってもリード部５４だけが比較的低温となる。従って、Ａ／Ｆセンサ３０としての温度特性が改善されるようになる。なお、基準ガス側電極５３に接続されるリード部５５も同様の構成としても良い。
【００６０】
排ガス側電極５２及び基準ガス側電極５３と、それに接続されるリード部５４，５５とを別材料にて形成しても良い。例えば、リード部５４，５５の材料として、白金（電極材料）よりも抵抗値が小さい金等を用いる。
【００６１】
ガスセンサとして、排ガス中の酸素濃度を検出する既述のＡ／Ｆセンサ以外に、例えば、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ、ＣＯ濃度を検出するＣＯセンサ等が適用できる。その場合、検出セルは複数個有するものであっても良い。更に、排ガス以外のガスを被測定ガスとすることも可能である。ガス濃度検出装置としても、空燃比検出装置以外の適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの全体構成を示す断面図。
【図３】センサ素子の構成を示す平面図及び側面図。
【図４】センサ素子の電極回りの構成を示す平面図。
【図５】センサ素子の要部断面図。
【図６】センサ素子の詳細な構成を示す分解斜視図。
【図７】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図８】素子インピーダンスの検出手順を示すフローチャート。
【図９】素子インピーダンスの検出時における電圧変化と電流変化とを示す波形図。
【図１０】素子インピーダンスと素子温との関係を示す図。
【図１１】素子インピーダンスと素子温との関係を示す図。
【図１２】抵抗値の比率ＲＬ／ＺＳとインピーダンス増加率との関係を示す図。
【図１３】センサ素子の特徴的な構成を説明するための平面図。
【図１４】センサ素子の特徴的な構成を説明するための平面図。
【図１５】抵抗温度係数とインピーダンス増加率との関係を示す図。
【図１６】センサ素子の特徴的な構成を説明するための平面図。
【図１７】素子インピーダンスと素子温との関係を示す図。
【符号の説明】
３０…ガスセンサとしてのＡ／Ｆセンサ、５０…センサ素子、５１…固体電解質体、５２…排ガス側電極、５３…基準ガス側電極、５４，５５…リード部、５６，５７…信号取出し用端子としての端子部、５８…絶縁層、６５…基準ガス室、２０…マイコン。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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