(57)【要約】【課題】ブラックニングの発生を抑制できるガス濃度湿度検出装置及びガス濃度湿度検出方法を提供すること。【解決手段】全領域空燃比センサ９のＶｓセル９１及びＩｐセル９３を用いて被検出ガス中の酸素濃度の検出を行い、また、Ｉｐセル９３を用いて湿度の検出を行う。湿度を検出する場合は、Ｉｐセル９３の一対の第２電極７７、７９に、被検出ガス中の水分を電気分解する第１電圧Ｖ１を印加し、また、第１電圧Ｖ１より電圧の低い第２電圧Ｖ２を印加する。そして、第１電圧Ｖ１を印加した際にＩｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１と、第２電圧Ｖ２を印加した際にＩｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐに基づいて、被検出ガスの湿度を検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１固体電解質体及び該第１固体電解質体に形成された一対の第１電極を有し該第１電極間に起電力を発生させることが可能な起電力セルと、第２固体電解質体及び該第２固体電解質体に形成された一対の第２電極を有し該第２電極間にて酸素のポンピングが可能な酸素ポンプセルと、を備えるガスセンサ素子に接続され、
前記起電力セル及び前記酸素ポンプセルを用いた被検出ガス中の特定成分のガス濃度の検出に相当するガス濃度検出と、前記被検出ガスの湿度の検出に相当する湿度検出と、を行うガス濃度湿度検出装置であって、
前記起電力セル又は前記酸素ポンプセルの一対の電極に、前記被検出ガス中の水分を電気分解する第１電圧と、該第１電圧より低い第２電圧とをそれぞれ印加する電圧印加手段と、
前記第１電圧を印加した際に該第１電圧を印加したセルの前記一対の電極間に流れる第１電流と前記第２電圧を印加した際に該第２電圧を印加したセルの前記一対の電極間に流れる第２電流との差に基づいて、前記被検出ガスの湿度を検出する湿度検出手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度湿度検出装置。
【請求項２】
前記ガス濃度検出又は前記湿度検出のいずれを行うか判定する条件が満たされたか否かを判定する制御判定手段を備え、
前記制御判定手段による判定結果に基づいて、前記条件が満たされた制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度湿度検出装置。
【請求項３】
前記制御判定手段は、前記ガス濃度検出から前記湿度検出への切り替えの条件として、前記ガス濃度検出の結果を用いることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度湿度検出装置。
【請求項４】
前記ガスセンサ素子内に前記被検出ガスが導入される検出室を備えるとともに、前記起電力セルは、前記一対の第１電極のうちの一方の電極が前記検出室内に配置され、他方の第１電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される構成を有しており、
更に、前記湿度検出を行っている際に、前記起電力セルによって、前記検出室内の前記被検出ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
前記制御判定手段は、前記湿度検出から前記ガス濃度検出への切り替えの条件として、前記酸素濃度検出手段によって検出された前記酸素濃度の検出結果を用いることを特徴とする請求項２又は３に記載のガス濃度湿度検出装置。
【請求項５】
前記被検出ガスは内燃機関から排出されるガスであり、前記被検出ガスが大気又はストイキ状態の排ガスである場合には、どちらか一方又は両方の場合にて、前記被検出ガスの湿度を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス濃度湿度検出装置。
【請求項６】
第１固体電解質体及び該第１固体電解質体に形成された一対の第１電極を有し該第１電極間に起電力を発生させることが可能な起電力セルと、第２固体電解質体及び該第２固体電解質体に形成された一対の第２電極を有し該第２電極間にて酸素のポンピングが可能な酸素ポンプセルと、を備えるガスセンサ素子を用い、
前記起電力セル及び前記酸素ポンプセルを用いた被検出ガス中の特定成分のガス濃度の検出に相当するガス濃度検出と、前記被検出ガスの湿度の検出に相当する湿度検出と、を行うガス濃度湿度検出方法であって、
前記起電力セル又は前記酸素ポンプセルの一対の電極に、前記被検出ガス中の水分を電気分解する第１電圧と、該第１電圧より低い第２電圧とをそれぞれ印加する電圧印加工程と、
前記第１電圧を印加した際に該第１電圧を印加したセルの前記一対の電極間に流れる第１電流と前記第２電圧を印加した際に該第２電圧を印加したセルの前記一対の電極間に流れる第２電流との差に基づいて、前記被検出ガスの湿度を検出する湿度検出工程と、
を有することを特徴とするガス濃度湿度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するためのガスセンサ素子を用いて、被検出ガスの湿度を検出するガス濃度湿度検出装置及びガス濃度湿度検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車に使用されるセンサの一つとして、自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている。この酸素センサは、ガスセンサ素子を流れる電流の大きさが排ガス中の酸素濃度に応じて変化することを利用して、酸素濃度の検出、ひいては排ガスの空燃比を検出するものである。
【０００３】
この酸素センサの駆動を制御するセンサ制御装置は、ガスセンサ素子を通電制御すると共に、ガスセンサ素子に流れる電流を電圧変換して電子制御装置（ＥＣＵ）に出力する機能を有しており、ＥＣＵはセンサ制御装置からの出力に基づき排ガスの酸素濃度や空燃比を求めている。そして、得られた排ガスの酸素濃度や空燃比は、ＥＣＵにおいて、燃料噴射量の調整等の空燃比フィードバック制御に利用される。
【０００４】
また、自動車に搭載された酸素センサは、経時劣化や耐久劣化などによって特性が変化すると、同一条件下でのセンサ出力がシフトするおそれがある。そのため、酸素センサに生じた特性変化を、大気雰囲気中でのセンサ出力に基づいて補正することが知られている。
【０００５】
ところが、大気雰囲気中に曝された酸素センサは、その大気雰囲気中の湿度の影響によって同一条件下でのセンサ出力が変化する場合がある。そのため、酸素センサに生じた特性変化を大気雰囲気中でのセンサ出力に基づいて補正しても、酸素濃度の検出時における湿度がその補正時の湿度と異なる場合には、その湿度差に起因してセンサ出力の検出精度が低下するおそれがある。
【０００６】
この対策として、大気雰囲気中の湿度を検出し、その湿度に応じて大気条件出力を補正して大気校正値とし、その大気校正値を大気の酸素分圧に対応させてセンサ特性を補正することが考えられる。ところが、この方法では、大気雰囲気中の湿度を検出するための湿度センサを別途設ける場合には、装置構成が複雑となり製造コストが大きくなる。
【０００７】
そこで、近年では、一対の第１電極を有する固体電解質体を備えた酸素濃度検出セル（起電力セル）と、一対の第２電極を有する固体電解質体を備えた酸素ポンプセルとを備えるガスセンサを有するガス濃度湿度検出装置を用いて、被検出ガスの湿度を検出する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００８】
この技術では、酸素濃度検出セルの一対の第１電極間に生じる電圧が制御目標電圧となるように、酸素ポンプセルの一対の第２電極間に流れる電流を制御する。また、制御目標電圧は、第１電圧に設定される一方、第１電圧より高電圧の第２電圧に設定される。そして、被検出ガスが大気であると判別されているときに酸素ポンプセルにて検出される（第１電圧の印加時の）第１電流と、（第２電圧印加時の）第２電流とに基づいて、被検出ガスの湿度を検出する。
【０００９】
これにより、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するためのガスセンサを用いた簡易な装置構成によって、湿度センサを別途に設けることなく、被検出ガスが大気であるときの湿度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２８１７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このようなガス濃度湿度検出装置では、酸素濃度検出セルの制御電圧を段階的に持ち上げることで湿度検知を行っているが、その場合には、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとの間の制御をＰＩＤ制御で行うために問題が生ずることがあった。
【００１２】
詳しくは、酸素濃度検出セルの制御電圧（Ｖｓ）を変更する際の変化率が大きい場合には（図１１（ａ）参照）、ＰＩＤ制御の追従ずれによって、酸素ポンプセルの電圧（Ｖｐ電圧）や酸素ポンプセルを流れる電流（Ｉｐ電流）がオーバーシュートすることがあった（図１１（ｂ）、（ｃ）参照）。
【００１３】
ところが、このようにＶｐ電圧がオーバーシュートして一定電圧を超えると、酸素ポンプセルの固体電解質体中の酸素が電流として引き抜かれて、ブラックニングが生じるという問題があった。
【００１４】
このブラックニングとは、固体電解質体に含まれる金属酸化物が還元され金属が生成される現象であり、ブラックニングが発生すると固体電解質体の特性（特にイオン伝導性）が劣化してしまう。
【００１５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、ブラックニングの発生を抑制できるガス濃度湿度検出装置及びガス濃度湿度検出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】
【００１６】
（１）本発明の第１局面のガス濃度湿度検出装置は、第１固体電解質体及び第１固体電解質体に形成された一対の第１電極を有し第１電極間に起電力を発生させることが可能な起電力セルと、第２固体電解質体及び第２固体電解質体に形成された一対の第２電極を有し第２電極間にて酸素のポンピングが可能な酸素ポンプセルと、を備えるガスセンサ素子に接続される。このガス濃度湿度検出装置では、起電力セルと酸素ポンプセルとを用いて被検出ガス中の特定成分のガス濃度の検出を行う。また、ガス濃度の検出とは別に、被検出ガスの湿度の検出を行う。
【００１７】
そして、湿度を検出する場合には、電圧印加手段によって、起電力セル又は酸素ポンプセルの一対の電極に、被検出ガス中の水分を電気分解する第１電圧を印加し、これとは別に、第１電圧より低い第２電圧を印加する。そして、湿度検出手段によって、第１電圧を印加した際に第１電圧を印加したセルの一対の電極間に流れる第１電流と、第２電圧を印加した際に第２電圧を印加したセルの一対の電極間に流れる第２電流との差に基づいて、被検出ガスの湿度を検出する。
【００１８】
つまり、第１電流と第２電流との差は、被検出ガスの湿度に対応しているので、第１電流と第２電流との差から、湿度を求めることができる。
このように、本第１局面では、従来のように、ＰＩＤ制御を利用して被検出ガスの湿度検出を行うのでなく、起電力セル又は酸素ポンプセルに印加する電圧を制御して湿度検出を行うので、ＰＩＤ制御に伴うＩｐ電流、Ｖｐ電圧のオーバーシュートが発生せず、固体電解質体にブラックニングが生じにくい。その結果、固体電解質体の特性が劣化しにくいので、ガス濃度湿度検出装置の耐久性が向上するという顕著な効果を奏する。
【００１９】
また、本第１局面では、被検出ガスの湿度だけなく被検出ガス中の特定ガスのガス濃度（例えば酸素濃度）を検出することができる。
更に、例えば内燃機関にて燃料を燃焼させる場合に、燃焼後の排ガス（燃焼排ガス）を浄化する上で最適な燃焼点として、ストイキ状態の燃焼点（ストイキ点）が挙げられる。このストイキ点は、大気中の湿度や燃料中の不純物の水分量によって変化する。よって、大気や燃焼排ガスの湿度を測定することによって、最適なストイキ点を推定することができる。その結果、この推定したストイキ点に基づいて、燃料噴射量等のフィードバック制御を好適に行うことができる。
【００２０】
ここで、被検出ガスの湿度を検出する原理を簡単に説明する。
湿度を検出する起電力セル又は酸素ポンプセル（以下湿度検出セルと称することもある）に電圧を印加する場合、湿度検出セルに被検出ガス中の水分を電気分解する第１電圧を印加したときに流れる第１電流と、その第１電圧より低い第２電圧（例えば実質的に水分を電気分解しない電圧）を印加したときに流れる第２電流とには違いがある。
【００２１】
詳しくは、第１電圧が印加されると、水分の分解に伴い水分量の程度（従って湿度）に応じて第２電流より多くの電流（第２電流）が流れる。そして、その電流の差は、被検出ガスの湿度と対応関係がある。よって、この電流の差に基づいて被検出ガスの湿度を求めることができる。
【００２２】
（２）本発明の第２局面では、ガス濃度検出又は湿度検出のいずれを行うか判定する条件が満たされたか否かを判定する制御判定手段を備え、制御判定手段による判定結果に基づいて、前記条件が満たされた制御を行う。
【００２３】
本第２局面では、ガス濃度検出を行う条件が満たされた場合にガス濃度検出を行うことができ、湿度検出を行う条件が満たされた場合に湿度検出を行うことができる。
（３）本発明の第３局面では、制御判定手段は、ガス濃度検出から湿度検出への切り替えの条件として、ガス濃度検出の結果を用いる。
【００２４】
本第３局面では、ガス濃度検出の結果に応じて、ガス濃度検出から湿度検出への切り替えを行うことができる。
例えば燃料がカットされた状態（例えば大気）に対応したガス濃度となった場合に、ガス濃度検出から湿度検出へ切り替えることができる。
【００２５】
（４）本発明の第４局面では、ガスセンサ素子内に被検出ガスが導入される検出室を備えるとともに、起電力セルは、一対の第１電極のうちの一方の第１電極が検出室内に配置され、他方の第１電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される構成を有している。更に、湿度検出を行っている際に、起電力セルによって検出室内の被検出ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備えている。そして、制御判定手段は、湿度検出からガス濃度検出への切り替えの条件として、酸素濃度検出手段によって検出された酸素濃度の検出結果を用いる。
【００２６】
本第４局面では、湿度検出を行っている際に、検出室内の被検出ガスの酸素濃度を検出することができ、この酸素濃度に基づいて、湿度検出からガス濃度検出への切り替えを行うことができる。
【００２７】
（５）本発明の第５局面では、被検出ガスは内燃機関から排出されるガスであり、被検出ガスの湿度を検出する状態が、被検出ガスが大気又はストイキ状態の排ガスである場合には、どちらか一方又は両方の状態の場合にて、被検出ガスの湿度を検出する。
【００２８】
本第５局面では、被検出ガスが大気やストイキ（理論空燃比）状態の排ガスである場合に、被検出ガスの湿度を検出することができる。
従って、各状態において検出した湿度に基づいて、例えば酸素センサの出力の補正を精度良く行うことができるので、酸素センサの出力に基づいて行われる例えばエンジンの動作の制御を好適に行うことができる。
【００２９】
（６）本発明の第６局面のガス濃度湿度検出方法では、 第１固体電解質体及び第１固体電解質体に形成された一対の第１電極を有し第１電極間に起電力を発生させることが可能な起電力セルと、第２固体電解質体及び第２固体電解質体に形成された一対の第２電極を有し第２電極間にて酸素のポンピングが可能な酸素ポンプセルと、を備えるガスセンサ素子を用いる。このガス濃度湿度検出方法では、起電力セルと酸素ポンプセルとを用いて被検出ガス中の特定成分のガス濃度の検出を行う。また、ガス濃度の検出とは別に、被検出ガスの湿度の検出を行う。
【００３０】
そして、湿度の検出を行う場合には、電圧印加工程にて、起電力セル又は酸素ポンプセルの一対の電極に、被検出ガス中の水分を電気分解する第１電圧と、第１電圧より低い第２電圧とをそれぞれ印加する。湿度検出工程では、第１電圧を印加した際に第１電圧を印加したセルの一対の電極間に流れる第１電流と第２電圧を印加した際に第２電圧を印加したセルの一対の電極間に流れる第２電流との差に基づいて、被検出ガスの湿度を検出する。
【００３１】
本第６局面は、前記第１局面と同様な効果を奏する。
ここで、本発明の各構成について説明する。
・ガス濃度湿度検出装置及びガス濃度湿度検出方法とは、上述したように、起電力セルや酸素ポンプセルを備えたガスセンサ素子を用いて、被検出ガスの特定成分のガス濃度や湿度を検出する装置及び方法である。
【００３２】
・ガス検出素子とは、起電力セルや酸素ポンプセルを備え、被検出ガスの特定成分のガス濃度や湿度検出に用いられる素子である。
・固体電解質体とは、固体電解質としての特性（外部から加えられた電場によってイオン（例えば酸素イオン）を移動させることができる特性：イオン伝導性）を有する部材である。固体電解質の材料としては、例えばジルコニア（特にイットリア部分安定化ジルコニア、マグネシア部分安定化ジルコニア）、セリア（特にガドリニウムドープセリア、サマリウムドープセリア）等が挙げられる。
【００３３】
・起電力セルとは、ガス濃度を検出する際には、一対の第１電極間の特定成分のガス濃度に応じて起電力が生じるセルである。酸素ポンプセルとは、ガス濃度を検出する際には、一対の第２電極間で酸素（酸素イオン）のポンピングを行うセルである。
【００３４】
なお、起電力セル又は酸素ポンプセルを用いて湿度を検出する際には、湿度検出に使用するセルの一対の電極間に第１電圧と第２電圧とを印加して、その際に流れる第１電流と第２電流とを測定する。
【００３５】
・酸素ポンプセルのポンピング動作としては、酸素ポンプセルの一方の第２電極から他方の第２電極側に酸素（酸素イオン）を移動させる動作（酸素の汲み出しや汲み入れの動作）が挙げられる。
【００３６】
・被検出ガスとしては、例えば、内燃機関から排出される排ガス、燃料電池システムから排出される排ガス等が挙げられる。
・特定ガスとしては、酸素、ＮＯｘ等が挙げられる。
【００３７】
なお、前記ガス濃度湿度検出装置の前提となる基本的な構成として、「第１固体電解質体及び該第１固体電解質体に形成された一対の第１電極を有し、該一対の第１電極のうちの一方の電極が、被検出ガスが導入される検出室内に配置され、他方の電極が基準となる酸素濃度雰囲気に晒される起電力セル（酸素濃度検出セル）と、第２固体電解質体及び該第２固体電解質体に形成された一対の第２電極を有し、該一対の第２電極のうちの一方の電極が前記検出室内に配置され、該一対の第２電極間に流れる電流に応じて、前記検出室に導入された前記被検出ガスに含まれる酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素ポンプセルとを備えるガスセンサ素子に接続され、前記起電力セル及び酸素ポンプセルを用いた前記被検出ガス中の特定成分のガス濃度の検出と、前記被検出ガスの湿度の検出と、を行うガス濃度湿度検出装置」の構成を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】内燃機関の排気系周りの概略的な構成を示す図である。
【図２】全領域空燃比センサ９の概略的な構造を示す図である。
【図３】第１実施形態のセンサ制御装置及びガスセンサを備えたセンサユニット等を酸素濃度検出（２セル制御）の際の回路状態と共に示す図である。
【図４】第１実施形態のセンサ制御装置及びガスセンサを備えたセンサユニット等を湿度検出（１セル制御）の際の回路状態と共に示す図である。
【図５】第１実施形態のセンサ制御装置で実行される制御処理のフローチャートである。
【図６】第２実施形態のセンサ制御装置及びガスセンサを備えたセンサユニット等を湿度検出（１セル制御）の際の回路状態と共に示す図である。
【図７】第２実施形態のセンサ制御装置で実行される制御処理のフローチャートである。
【図８】第３実施形態のセンサ制御装置で実行される制御処理のフローチャートである。
【図９】第４実施形態のセンサ制御装置で実行される制御処理のフローチャートである。
【図１０】第５実施形態のセンサ制御装置及びガスセンサを備えたセンサユニット等を湿度検出（１セル制御）の際の回路状態と共に示す図である。
【図１１】従来技術を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明を具体化したガス濃度湿度検出装置及びガス濃度湿度検出方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、以下では、本発明に係るガス濃度湿度検出装置の一例として、ガスセンサの出力する検出信号に基づき、被検出ガス中の酸素濃度及び被検出ガスの湿度を検出することが可能なセンサ制御装置を例に説明する。また、ガスセンサとしては、酸素濃度に応じてセンサ電流がリニアに変化する全領域空燃比センサを例に説明する。
【００４０】
［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
まず、図１に基づいて、第１実施形態のガス濃度湿度検出装置であるセンサ制御装置１が取り付けられる内燃機関３の概略的なシステム構成について説明する。
【００４１】
内燃機関３は、自動車を駆動するためのエンジン５を有する。エンジン５には、エンジン５から排出される排ガスを車外に放出するための排気管７が接続されている。排気管７の経路上には、全領域空燃比センサ９が配設されている。
【００４２】
より詳細には、全領域空燃比センサ９は、排気管７の排気通路を流通する排ガス中の特定成分（本第１実施形態では酸素）のガス濃度（酸素濃度）を検出するガスセンサである。全領域空燃比センサ９は、自身とは離れた位置に配設されるセンサ制御装置１とハーネス１１を介して電気的に接続されており、センサ制御装置１によって通電制御されて酸素濃度を検出する。なお、後述するように、本第１実施形態では、この全領域空燃比センサ９を用いて排ガス中の湿度を検出する。
【００４３】
このうち、ハーネス１１で接続された全領域空燃比センサ９とセンサ制御装置１からセンサユニット１３が構成されている。つまり、センサユニット１３では、全領域空燃比センサ９は、ハーネス１１を介して、全領域空燃比センサ９とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置１と電気的に接続されている。
【００４４】
このセンサ制御装置１は、バッテリ１５から電力の供給を受けて駆動し、全領域空燃比センサ９を用いて検出した酸素濃度の検出信号をエンジン制御装置（ＥＣＵ）１７に出力する。ＥＣＵ１７では、全領域空燃比センサ９の出力に基づき、エンジン５の空燃比フィードバック制御が行われる。
【００４５】
なお、センサ制御装置１の配設態様は適宜変更可能であり、例えばセンサ制御装置１をＥＣＵ１７に組み込み、全領域空燃比センサ９とＥＣＵ１７とによってセンサユニットとしてもよい。
【００４６】
本第１実施形態では、エンジン５に燃料供給が行われているときは、上記のように排ガスが全領域空燃比センサ９の検出対象となる。一方、エンジン５への燃料供給が停止された状態（フューエルカット期間）では、排気管７内に大気が流通するため、排気管７内を流通する大気が全領域空燃比センサ９の検出対象となる。以下では、全領域空燃比センサ９の検出対象となる「被検出ガス」は、排ガス及び大気のいずれも包含するものとして説明する。
【００４７】
［１−２．全領域空燃比センサ９］
次に、図２に基づいて、全領域空燃比センサ９について簡単に説明する。
全領域空燃比センサ９は、筒状の主体金具２３と、軸線Ｏ方向（図２の上下方向）に延びる板状形状のガスセンサ素子２５と、ガスセンサ素子２５の周囲を取り囲む筒状のセラミックスリーブ２７と、ガスセンサ素子２５の後端部（図２の上方）の周囲を取り囲む筒状の第１セパレータ３１と、ガスセンサ素子２５と第１セパレータ３１との間に配置される複数個の接続端子３３と、を主に備えている。
【００４８】
ガスセンサ素子２５は、その先端側に、排ガスに含まれる酸素の濃度を検出する検出部３５を備えており、後端側の外表面のうち表裏の位置関係となる各主面には、複数の電極パッド３７が形成されている。
【００４９】
接続端子３３は、ガスセンサ素子２５の電極パッド３７にそれぞれ電気的に接続されるとともに、外部から全領域空燃比センサ９の内部に配設されるリード線３９に電気的に接続されている。なお、リード線３９が束ねられてハーネス１１が構成される。
【００５０】
主体金具２３は、貫通孔４１に挿通されたガスセンサ素子２５を保持するよう構成されている。つまり、主体金具２３の貫通孔４１には、ガスセンサ素子２５の周囲を取り囲む状態で、セラミックホルダ４３と滑石リング４５、４７とセラミックスリーブ２７が積層されている。なお、主体金具２３の先端側には、プロテクタ４９が取り付けられている。
【００５１】
一方、主体金具２３の後端側外周には、外筒５１が固定されており、外筒５１の後端側にはグロメット５３が配置され、グロメット５３と第１セパレータ３１との間には第２セパレータ５５が配置されている。
【００５２】
［１−３．ガスセンサ素子］
次に、図３に基づいて、ガスセンサ素子２５の構造について説明する。
ガスセンサ素子２５は、ジルコニアを主体とする第１固体電解質体６１及び第２固体電解質体６３と、アルミナを主体とする第１絶縁基体６５、第２絶縁基体６７、第３絶縁基体６９、第４絶縁基体７１とを備えている。
【００５３】
なお、ガスセンサ素子２５では、図３の下方より、第１、第２絶縁基体６５、６７、第１固体電解質体６１、第３絶縁基体６９、第２固体電解質体６３、第５絶縁基体７１の順に積層されている。
【００５４】
第１固体電解質体６１の両面（図３の上下方向）には、白金を主体とする一対の第１電極７３、７５がそれぞれ形成されており、同様に、第２固体電解質体６３の両面にも、一対の第２電極７７、７９がそれぞれ形成されている。そのうちの一方の第１電極７３は、第１固体電解質体６１と第２絶縁基体６７との間に挟まれて埋設されている。
【００５５】
なお、第１、第２固体電解質体６１、６３及び第１〜第５絶縁基体６５〜７１は、いずれも図３の紙面と垂直の方向に細長い板状に形成されており、図３ではその長手方向と直交する断面（即ち検出部３５の断面）を示している。
【００５６】
第３絶縁基体６９の長手方向の一端側（即ち検出部３５）には、第１、第２固体電解質体６１、６３を一壁面としつつ、排ガスを導入可能な中空の検出室８１が形成されている。検出室８１の幅方向（図３の左右方向）の両端には、外部より検出室８１内に排ガスを導入する際の流入量を規制するための多孔質状の拡散律速部８３が設けられている。
【００５７】
なお、第１固体電解質体６１上の内側の第１電極７５と、第２固体電解質体６３上の内側の第２電極７７とは、検出室８１内にそれぞれ露出されている。
また、第１、第２絶縁基体６５、６７の間には、白金を主体とする発熱抵抗体８５が埋設されている。第１、第２絶縁基体６５、６７及び発熱抵抗体８５は、第１、第２固体電解質体６１、６３を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。
【００５８】
第２固体電解質体６３上の外側の第２電極７９は、その表面がセラミックス（例えば、アルミナ）からなる多孔質性の保護層８７に覆われている。つまり、排ガスに含まれるシリコン等の被毒成分によって劣化しないように、第２電極７９が保護層８７によって保護されている。なお、第２固体電解質体６３上に積層された第５絶縁基体７１には、第２電極７９を覆わないように開口８９が設けられており、保護層８７はその開口８９内に配設されている。
【００５９】
このように構成されたガスセンサ素子２５において、第１固体電解質体６１とその両面に設けられた一対の第１電極７３、７５は、両第１電極７３、７５間の酸素濃度の差に応じて起電力を発生させる酸素濃度検出セル（即ち起電力セル：以下、「Ｖｓセル」ともいう。）９１として機能する。なお、一方の第１電極７３は、検出室８１内の酸素濃度の検出のための基準となる酸素濃度を維持する酸素基準電極として機能する。
【００６０】
同様に、第２固体電解質体６３とその両面に設けられた一対の第２電極７７、７９は、外部から検出室８１内に酸素を汲み入れ、あるいは検出室８１から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル（以下、「Ｉｐセル」ともいう。）９３として機能する。なお、Ｉｐセル９３及びＶｓセル９１の詳細な機能については後述する。
【００６１】
［１−４．センサ制御装置］
次に、図３に基づいて、センサ制御装置１の構成について説明する。
センサ制御装置１は、マイクロコンピュータ１０１及び電気回路部１０３を構成主体としている。マイクロコンピュータ１０１は、公知の構成のＣＰＵ１０１ａ、ＲＯＭ１０１ｂ、ＲＡＭ１０１ｃ、不揮発性メモリ（図示せず）等を搭載したマイコンチップである。
【００６２】
なお、ＲＯＭ１０１ｂには、ＣＰＵ１０１ａに各処理を実行させるための制御プログラムや、後述する電流差ΔＩｐと湿度との関係を示すテーブルや湿度補正を行うための湿度補正テーブルなどが記憶されている。
【００６３】
電気回路部１０３は、ヒータ電圧供給回路１０５、起電力測定回路１０７、微小電流供給回路１０９、電圧出力回路１１１、基準電圧比較回路１１３、ポンプ電流駆動回路１１５、ポンプ電流検出回路１１７から構成される。
【００６４】
また、起電力測定回路１０７と第１電極７３との間には回路をオン（接続）・オフ（遮断）する第１スイッチ１２１が設けられ、起電力測定回路１０７と第２電極７７との間には回路をオン・オフする第２スイッチ１２３が設けられている。微小電流供給回路１０９と第１回路１２５との間には回路をオン・オフする第３スイッチ１２７が設けられ、電圧出力回路１１１と第１回路１２５との間には回路をオン・オフする第４スイッチ１２９が設けられている。更に、第１回路１２５には、第１回路１２５と第１電極７３と間の接続と第１回路１２５と第２電極７９と間の接続を切り替える切替スイッチ１３１が設けられている。
【００６５】
ヒータ電圧供給回路１０５は、発熱抵抗体８５の両端に供給される電圧ＶｈをＰＷＭ制御して発熱抵抗体８５を発熱させ、Ｉｐセル９３及びＶｓセル９１の加熱を行う。
起電力測定回路１０７は、Ｖｓセル９１の一対の第１電極７３、７５間に発生する起電力Ｖｓを測定する。この測定結果は、マイクロコンピュータ１０１に出力される。なお、起電力測定回路１０７は、湿度検出の際に、雰囲気（具体的には検出室８１内の酸素濃度）が変化してないかをモニタする回路として用いることができるが、第１実施形態では省略してもよい。
【００６６】
微小電流供給回路１０９は、Ｖｓセル９１の一方の第１電極７３から他方の第１電極７５側へ微小電流Ｉｃｐを流し、第１電極７３側に酸素イオンを移動させて基準となる酸素濃度雰囲気を生成する。これにより、第１電極７３は、被検出ガス中の酸素濃度を検出するための基準となる酸素基準電極として機能する。
【００６７】
電圧出力回路１１１は、酸素濃度を検出する際に、Ｖｓセル９１の一対の第１電極７３、７５間に生ずる起電力Ｖｓを検出する。また、湿度を検出する際に、Ｉｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に生ずる起電力Ｖｐを検出する。そして、その検出結果を基準電圧比較回路１１３に出力する。
【００６８】
基準電圧比較回路１１３は、予め定められた基準電圧と、電圧出力回路１１１にて検出した起電力Ｖｓ又は起電力Ｖｐとの比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路１１５にフィードバックする。
【００６９】
ポンプ電流駆動回路１１５は、基準電圧比較回路１１３から得られた比較結果に基づき、Ｉｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。これにより、Ｉｐセル９３による検出室８１内への酸素の汲み入れや検出室８１からの酸素の汲み出しが行われる。
【００７０】
ポンプ電流検出回路１１７は、Ｉｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に流れるポンプ電流Ｉｐを検出して電圧変換し、検出信号としてマイクロコンピュータ１０１に出力する。
【００７１】
本第１実施形態では、基準電圧比較回路１１３によって起電力Ｖｓ又は起電力Ｖｐと比較される基準電圧として、２つの基準電圧（第１電圧Ｖ１及び第２電圧Ｖ２：第１電圧Ｖ１＞第２電圧）を有する。
【００７２】
このうち、第１電圧より低電圧の第２電圧Ｖ２は、後述するように、酸素濃度を検出する際と湿度を検出する際に用いられる。この第２電圧Ｖ２は、電圧出力回路１１１にて検出されたＶｓセル９１における起電力Ｖｓ又はＩｐセル９３における起電力Ｖｐと比較するために用いられる。
【００７３】
つまり、酸素濃度を検出する場合には、起電力Ｖｓが第２電圧Ｖ２となるように、ポンプ電流駆動回路１１５の動作が制御される。詳しくは、起電力Ｖｓと比較する基準電圧として、常時は第２電圧Ｖ２が用いられて排ガス中の酸素濃度がポンプ電流Ｉｐに基づいて算出される。なお、この第２電圧Ｖ２は、検出室８１内に導入された排ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）が実質的に解離しないような電圧値（例えば４５０ｍＶ）に設定される。
【００７４】
一方、第２電圧より高電圧の第１電圧Ｖ１は、第２電圧Ｖ２とともに、後述するように、湿度を検出する際に用いられる電圧であり、電圧出力回路１１１にて検出されたＩｐセル９３における起電力Ｖｐと比較するために用いられる。
【００７５】
つまり、湿度を検出する場合には、起電力Ｖｐが第１電圧Ｖ１となるように、ポンプ電流駆動回路１１５の動作が制御され、また、起電力Ｖｐが第２電圧Ｖ２となるように、ポンプ電流駆動回路１１５の動作が制御される。
【００７６】
なお、この第１電圧Ｖ１は、検出室８１内に導入された排ガス中の水分（Ｈ２Ｏ）が解離するような高い電圧値（例えば１０００ｍＶ）に設定される。
［１−５．ＥＣＵ］
次に、ＥＣＵ１７の構成について説明する。
【００７７】
ＥＣＵ１７は、自動車のエンジン５の駆動等を電子的に制御するための装置である。ＥＣＵ１７には公知の構成のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を搭載したマイコンチップが用いられ、制御プログラムの実行にしたがって燃料の噴射タイミングや点火時期の制御が行われる。
【００７８】
かかる制御を行うための情報として、センサ制御装置１から排ガス中の酸素濃度に応じた出力（検出信号）が入力される。また、その他の情報として、その他のセンサからの信号（例えば、エンジン５のピストン位置や回転数を検出できるクランク角、冷却水の水温、燃焼圧などの情報）も入力される。
【００７９】
［１−６．ガス濃度湿度検出方法］
次に、センサ制御装置１にて行われるガス濃度湿度検出方法、即ち、酸素濃度の検出方法と湿度の検出方法とについて説明する。
【００８０】
＜酸素濃度の検出方法＞
最初に、全領域空燃比センサ９を用いて排ガスの酸素濃度（従って排ガスの空燃比）を検出する動作について簡単に説明する。なお、排ガスの酸素濃度を検出する際には、上述したように、基準電圧比較回路１１３で比較対象となる基準電圧として、第２電圧Ｖ２（例えば４５０ｍＶ）が設定される。
【００８１】
酸素濃度を検出する場合には、図３に示すように回路が接続される。即ち、第１、第２スイッチ１２１、１２３はオフ、第３、第４スイッチ１２７、１２９はオンに設定され、切替スイッチ１３１によって、第１回路１２５と電極７３とが接続される。
【００８２】
この回路の接続状態において、まず、微小電流供給回路１０９によりＶｓセル９１の一方の第１電極７３から他方の第１電極７５に向けて微小電流Ｉｃｐを流す。この通電より、他方の第１電極７５側から一方の第１電極７３側に、第１固体電解質体６１を介して排ガス中の酸素が汲み込まれ、第１電極７３が酸素基準電極として機能する。
【００８３】
そして、電圧出力回路１１１により両第１電極７３、７５間に発生する起電力Ｖｓを検出し、この起電力Ｖｓを基準電圧比較回路１１３で第２電圧Ｖ２と比較する。ポンプ電流駆動回路１１５では、基準電圧比較回路１１３による比較結果に基づいて、起電力Ｖｓが第２電圧Ｖ２となるようにＩｐセル９３の第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御する。
【００８４】
なお、検出室８１内に流入した排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであった場合、排ガス中の酸素濃度が薄いため、Ｉｐセル９３において外部から検出室８１内に酸素を汲み入れるように、第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。一方、検出室８１内に流入した排ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであった場合、排ガス中には多くの酸素が存在するため、Ｉｐセル９３において検出室８１から外部へ酸素を汲み出すように、第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。
【００８５】
このときのポンプ電流Ｉｐが、ポンプ電流検出回路１１７にて電圧変換されて全領域空燃比センサ９の出力（検出信号）としてマイクロコンピュータ１０１に出力される。マイクロコンピュータ１０１では、全領域空燃比センサ９から出力されるポンプ電流Ｉｐの大きさと向きに基づいて、排ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排ガスの空燃比を特定できる。
【００８６】
つまり、上述したように、本第１実施形態では、センサユニット１３（全領域空燃比センサ９及びセンサ制御装置１）が、従来のセンサユニットと同様の構成を有しており、排ガスの酸素濃度（排ガスの空燃比）の検出動作も従来と同様である。
【００８７】
＜湿度の検出方法＞
本第１実施形態では、以下に詳述するように、全領域空燃比センサ９の構成のうち、単一の湿度検出セルとして例えばＩｐセル９３を用いて、エンジン５から排出されるガスの湿度を検出する。
【００８８】
まず、湿度検出の基本的な原理について詳しく説明する。
例えば特開昭６３−８５３５１号公報に開示されているように、排ガスの成分が、水蒸気（水分）、酸素、窒素の場合において、Ｉｐセル９３に印加する電圧によって、Ｉｐセル９３に流れるポンプ電流Ｉｐが変化する。
【００８９】
具体的には、酸素ガスのみが酸素イオンとして、Ｉｐセル９３を構成する第２固体電解質体６３を通過する場合と、酸素ガスのみならず水分を電気分解して、Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２で示される酸素イオンをも第２固体電解質体６３を通過する場合がある。そのため、ポンプ電流Ｉｐは、排ガスに含まれる水分量が同じであっても、Ｉｐセル９３の印加電圧によって変化する。
【００９０】
詳しくは、水分を電気分解する第１電圧Ｖ１（例えば１０００ｍＶ）にてＩｐセル９３を駆動すると、Ｉｐセル９３に第１ポンプ電流Ｉｐ１が流れ、第１電圧Ｖ１より低い（水分を実質的に電気分解しない）第２電圧Ｖ２（例えば４５０ｍＶ）でＩｐセル９３を駆動すると、Ｉｐセル９３に第１ポンプ電流Ｉｐ１より小さな第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。
【００９１】
このときの水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏは、気相平衡状態において、第１ポンプ電流Ｉｐ１と第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐに比例することが知られている。
従って、第１ポンプ電流Ｉｐ２と第２ポンプ電流Ｉｐ１との電流差ΔＩｐ（＝Ｉｐ１−Ｉｐ２）から、水蒸気の分圧ＰＨ２Ｏを求めることができる。つまり、排ガスの湿度を求めることができる。
【００９２】
そして、本第１実施形態において、上述した原理に基づいて湿度を検出する場合には、Ｖｓセル９１を動作させずにＩｐセル９３のみを動作させるように、図４に示すように回路が接続される。
【００９３】
即ち、第１、第２、第３スイッチ１２１、１２３、１２７はオフ、第４スイッチ１２９はオンに設定され、切替スイッチ１３１によって、第１回路１２５と第２電極７９とが接続される。
【００９４】
この回路の接続状態において、まず、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間に例えば４５０ｍＶの第２電圧Ｖ２を印加するように、ポンプ電流駆動回路１１５の動作を制御する。
【００９５】
詳しくは、ポンプ電流駆動回路１１５によってＩｐセル９３の両第２電極７７、７９間にポンプ電流Ｉｐを流すとともに、その際に、電圧出力回路１１１により、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間に発生する起電力（ポンプ電圧）Ｖｐを検出し、このポンプ電圧Ｖｐを基準電圧比較回路１１３で第２電圧Ｖ２と比較する。
【００９６】
なお、ポンプ電流Ｉｐを流すことによって、両第２電極７７、７９間に酸素濃度の差が生じるので、この酸素濃度の差によって起電力Ｖｐが発生する。
ポンプ電流駆動回路１１５では、基準電圧比較回路１１３による比較結果に基づいて、ポンプ電圧Ｖｐが第２電圧Ｖ２となるようにＩｐセル９３の両第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさを制御する。
【００９７】
このときのポンプ電流Ｉｐが、ポンプ電流検出回路１１７にて電圧変換されて、第２ポンプ電流Ｉｐ２としてマイクロコンピュータ１０１に出力される。
次に、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間に例えば１０００ｍＶの第１電圧Ｖ１を印加するように、ポンプ電流駆動回路１１５の動作を制御する。
【００９８】
詳しくは、ポンプ電流駆動回路１１５によってＩｐセル９３の両第２電極７７、７９間にポンプ電流Ｉｐを流すとともに、その際に、電圧出力回路１１１により、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間に発生する起電力（ポンプ電圧）Ｖｐを検出し、このポンプ電圧Ｖｐを基準電圧比較回路１１３で第１電圧Ｖ１と比較する。
【００９９】
ポンプ電流駆動回路１１５では、基準電圧比較回路１１３による比較結果に基づいて、ポンプ電圧Ｖｐが第１電圧Ｖ１となるようにＩｐセル９３の両第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさを制御する。
【０１００】
このときのポンプ電流Ｉｐが、ポンプ電流検出回路１１７にて電圧変換されて、第１ポンプ電流Ｉｐ１としてマイクロコンピュータ１０１に出力される。
マイクロコンピュータ１０１では、第１ポンプ電流Ｉｐ１と第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐを求める。そして、ＲＯＭ１０１ｂに記憶された電流差ΔＩｐと湿度との関係を示すテーブルを用いて、電流差ΔＩｐから排ガスの湿度を求める。
【０１０１】
［１−７．制御処理］
次に、センサ制御装置１において実行されるガス濃度湿度検出処理について、図５を参照して説明する。図５に示す各処理を実行させるプログラムも、先述のＲＯＭ１０１ｂに記憶されており、ＣＰＵ１０１ａが実行する。
【０１０２】
本ガス濃度湿度検出処理は、エンジン５の始動時に湿度検出を行い、その後は、酸素濃度の検出を行うものである。
なお、エンジン５の始動直後にエンジン５から排出されるガスは、大気でもストイキ状態の排ガス（燃焼排ガス）でもないため、エンジン５が始動してから排ガスがストイキとなるように、所定の時間がたってから湿度検出を行うことが好ましい。
【０１０３】
図５のフローチャートに示すように、センサ制御装置１においてガス濃度湿度検出処理が起動されると、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、各種の初期設定を行う。例えば前回の湿度検知実行時に不揮発性メモリに保存された大気の湿度、及びストイキ時の湿度を不揮発性メモリから消去する処理等を行う。
【０１０４】
続くステップ１１０では、湿度検出のタイミングか否かを判定する。つまり、エンジン５が始動されてから所定の時間（即ち酸素濃度の検出を開始するまでの初期時間：例えば３００秒以上）経過か否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１２０に進み、一方否定判断されるとステップ１６０に進む。
【０１０５】
ステップ１２０では、湿度検出を行うために、１セル制御に切り替える処理を行う。具体的には、Ｖｓセル９１を使用せずに、Ｉｐセル９３のみを使用して湿度検出を行うために、前記図４に示すような各スイッチの接続状態を設定する。
【０１０６】
続くステップ１３０では、前記図４に示す回路に設定されたセンサユニット１３を用いて、Ｉｐセル９３を湿度検出セルとして用いて、上述した「湿度検出方法」の手順によって湿度検出を行う。
【０１０７】
つまり、上述したように、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間が４５０ｍＶの第２電圧Ｖ２となるように、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐを制御し、このときのポンプ電流Ｉｐを第２ポンプ電流Ｉｐ２として求める。また、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間が１０００ｍＶの第１電圧Ｖ１となるように、Ｉｐセル９３の両第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐを制御し、このときにポンプ電流Ｉｐを第１ポンプ電流Ｉｐ１として求める。そして、第１ポンプ電流Ｉｐ１と第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐを求め、この電流差ΔＩｐから排ガスの湿度を求める。
【０１０８】
なお、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とを印加する順番、すなわち第１ポンプ電流Ｉｐ１と第２ポンプ電流Ｉｐ２とを検出する順番は、どちらを先に行ってもよい。
続くステップ１４０では、今回湿度検出を行う場合に、同じ排ガスの状態（雰囲気）が維持されているか否かを判定する。これは、車両の走行中にはドライバが加速・減速を任意に行うため、燃料噴射・燃料カットがランダムに起こり排ガスも一定ではない。すると、湿度検出の途中で測定雰囲気が変わってしまう可能性があるため、同じ雰囲気で湿度を検出するためにこの判定を加えている。
【０１０９】
ここでは、例えば燃料カット（フューエルカット信号）に基づいて、フューエルカットがなされた場合には、雰囲気が変化したと判定する。ここで否定判断されると前記ステップ１１０に戻り、一方肯定判断されるとステップ１５０に進む。
【０１１０】
ステップ１５０では、同じ雰囲気にて適切に湿度が検出されたとして、この湿度をＲＡＭ１０１ｃに記憶し、前記ステップ１１０に戻る。
なお、その後、同じ処理によって複数回湿度が検出された場合には、例えばその平均値を湿度として採用できる。
【０１１１】
ここで、検出された湿度や湿度の平均値は、不揮発性メモリにも記憶される（以下同様）。
また、前記ステップ１１０にて否定判断されて進むステップ１６０では、酸素濃度の検出を行うために、２セル制御に切り替える処理を行う。具体的には、Ｖｓセル９１及びＩｐセル９３を使用して、通常のように酸素濃度の検出を行うために、前記図３に示すような各スイッチの接続状態を設定する。
【０１１２】
続くステップ１７０では、前記図３に示す回路に設定されたセンサユニット１３を用いて、上述した「酸素濃度の検出方法」の手順によって酸素濃度の検出を行う。
つまり、上述したように、Ｖｓセル９１とＩｐセル９３とを用い、Ｖｓセル９１の起電力Ｖｓが第２電圧（４５０ｍＶ）となるように、Ｉｐセル９３の第２電極７７、７９間に流すポンプ電流Ｉｐの大きさや向きを制御し、このときのポンプ電流Ｉｐに基づいて酸素濃度を求め、一旦本処理を終了する。
【０１１３】
［１−８．効果］
本第１実施形態では、センサとして全領域空燃比センサ９を用いて、Ｖｓセル９１及びＩｐセル９３を用いて排ガス中の酸素濃度の検出を行うことができ、また、Ｉｐセル９３を用いて湿度の検出を行うことができる。
【０１１４】
具体的には、エンジン５の始動から所定時間経過した後に、Ｉｐセル９３の一対の第２電極７７、７９に、被検出ガス中の水分を電気分解する例えば１０００ｍＶの第１電圧Ｖ１を印加し、また、第１電圧Ｖ１より電圧の低い例えば４５０ｍＶの第２電圧Ｖ２を印加する。そして、第１電圧Ｖ１を印加した際にＩｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１と、第２電圧Ｖ２を印加した際にＩｐセル９３の一対の第２電極７７、７９間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐに基づいて、排ガスの湿度を検出することができる。
【０１１５】
つまり、本第１実施形態では、従来のように、Ｖｓセル９１及びＩｐセル９３を用いるとともにＰＩＤ制御を行って排ガスの湿度検出を行うのでなく、Ｉｐセル９３に印加する電圧を制御して湿度検出を行うので、ＰＩＤ制御に伴うＩｐ電流やＶｐ電圧のオーバーシュートが発生せず、第２固体電解質体６３にブラックニングが生じにくい。その結果、第２固体電解質体６３の特性が劣化しにくいので、全領域空燃比センサ９の耐久性が向上するという顕著な効果を奏する。
【０１１６】
なお、本第１実施形態では、Ｉｐセル９３を用いて湿度検出を行ったが、Ｉｐセル９３を使用せずに、Ｖｓセル９１を用いて湿度検出を行ってもよい。
［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡易化して説明する。なお、第１実施形態と同様な構成には同様な番号を付して説明する。
【０１１７】
本第２実施形態では、Ｉｐセル９３を用いて湿度検出を行う際に、同時に、Ｖｓセル９１を用いてＶｓセル９１の起電力（従って酸素濃度）を測定（モニター）する。
［２−１．構成及び基本的な動作］
まず、第２実施形態における構成及び基本的な動作について説明する。
【０１１８】
図６に示すように、本第２実施形態におけるシステム構成では、第１実施形態と同様に、全領域空燃比センサ９及びセンサ制御装置１等を備えており、センサ制御装置１には、マイクロコンピュータ１０１及び電気回路部１０３を備えている。また、電気回路部１０３は、第１実施形態と同様に、各回路１０５〜１１７及び各スイッチ１２１、１２３、１２７、１２９、１３１を備えている。
【０１１９】
また、第２実施形態においては、図６に示すように回路が接続される。即ち、第１、第２スイッチ１２１、１２３はオン、第３スイッチ１２７はオフ、第４スイッチ１２９はオンに設定され、切替スイッチ１３１によって、第１回路１２５と第２電極７９とが接続される。
【０１２０】
この回路の接続状態において、Ｉｐセル９３を用いて湿度を検出する場合には、第１実施形態と同様に行うことができる。  
つまり、Ｉｐセル９３の一対の第２電極７７、７９に、例えば１０００ｍＶの第１電圧Ｖ１を印加し、また、例えば４５０ｍＶの第２電圧Ｖ２を印加する。そして、第１電圧Ｖ１を印加した際にＩｐセル９３の第２電極７７、７９間に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１と、第２電圧Ｖ２を印加した際にＩｐセル９３の第２電極７７、７９間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐに基づいて、排ガスの湿度を検出する。
【０１２１】
また、本第２実施形態では、上述した湿度検出の際に、Ｖｓセル９１にて排ガスの酸素濃度の変化を検出する。
具体的には、起電力測定回路１０７を用いて、Ｖｓセル９１の第１電極７３、７５間の電圧Ｖｓを測定する。この測定結果は、マイクロコンピュータ１０１に送られ、マイクロコンピュータにて、電圧の変化から排ガスの酸素濃度を検出することができる。
【０１２２】
従って、排ガスの酸素濃度が変化した場合には、湿度検出を行っている排ガスの状態（雰囲気：成分）が変化したと見なすことができる。その場合には、そのまま、湿度検出を行うことは適当ではないとして、２セル制御による酸素濃度の検出に切り替える。
【０１２３】
ここで、排ガスが大気の場合（例えばエンジン５に燃料が供給されていないフューエルカットの状態）では、酸素濃度が高く、一方、エンジン５に燃料が供給されて燃焼している場合には、排ガス中の酸素濃度は大気よりも低くなる。
【０１２４】
従って、例えば、Ｖｓセル９１の電圧Ｖｓにより、排ガスが大気か燃焼後の排ガスか（例えば理論空燃比（ストイキ）の状態の排ガスか）を判定することができる。よって、現在測定中の湿度が、大気の湿度か排ガス（例えばストイキ）の湿度かを判断することができる。
【０１２５】
［２−２．制御処理］
次に、第２実施形態におけるガス濃度湿度検出処理について説明する。
図７のフローチャートに示すように、エンジン５が燃料の供給を受けて燃焼して作動している場合に、湿度検出の条件が満たされたとき（例えば大気：フューエルカットされたとき）には、湿度を検出するために、ステップ２００にて、前記ステップ１２０と同様に、前記図４に示す１セル制御の状態に設定する。
【０１２６】
続くステップ２１０では、前記ステップ１３０と同様にし、１セル制御にて湿度を検出する。
続くステップ２２０では、前記ステップ１４０と同様に、同じ雰囲気が維持されているか否かを判定する。例えば、湿度検出開始時からモニタしているＶｓセル９１の第１電極７３、７５間の電圧Ｖｓが、雰囲気に変化がないことを示す所定範囲内に保たれているか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ２３０に進み、一方否定判断されると一旦本前記ステップ２１０に戻る。
【０１２７】
ステップ２３０では、前記ステップ１５０と同様に、湿度を記憶する。
続くステップ２４０では、酸素濃度検出を行う状態であるか否かを判定する。例えばフューエルカットから燃料供給の状態に切り替わったことを（従って酸素濃度が大気から変化したことを）、前記Ｖｓセル９１の第１電極７３、７５間の電圧Ｖｓが、前記所定範囲から外れたか否かによって判定する。ここで肯定判断されるとステップ２５０に進み、一方否定判断されると一旦本処理を終了する。
【０１２８】
ステップ２５０では、酸素濃度検出を行うために、前記ステップ１６０と同様に、２セル制御の状態に設定する。
続くステップ２６０では、前記ステップ１７０と同様に、２セル制御にて酸素濃度を検出し、一旦本処理を終了する。
【０１２９】
なお、その後は、湿度検出の条件が満たされるまでは、酸素濃度の検出を行う。
従って、本第２実施形態では、第１実施形態と同様な効果を奏するとともに、上述した制御処理によって、例えば大気の湿度の検出中に、酸素濃度検出の条件が満たされた場合には、酸素濃度検出に切り替えて酸素濃度を検出することができる。つまり、大気の湿度を精度良く検出することができる。
【０１３０】
［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡易化して説明する。なお、第１実施形態と同様な構成には同様な番号を付して説明する。
【０１３１】
本第３実施形態では、装置構成等は第１実施形態と同様であり、制御処理のみが異なるので、異なる制御処理のみを説明する。
本第３実施形態では、２セル制御にて酸素濃度を検出している場合に、湿度検出の条件が満たされたときに、酸素濃度検出から湿度検出に切り替えるものである。
【０１３２】
図８のフローチャートに示すように、エンジン５が燃料の供給を受けて燃焼して作動している場合には、ステップ３００にて、前記ステップ１６０と同様に、前記図３に示す２セル制御の状態に設定する。
【０１３３】
続くステップ３１０では、前記ステップ１７０と同様にし、２セル制御にて酸素濃度を検出する。
続くステップ３２０では、湿度検出を行うタイミングであるか否かを判定する。例えば排ガスが大気となった場合に湿度検出を行う場合には、例えばフューエルカット信号が検出された場合に、湿度検出を行うタイミングであると判定する。ここで肯定判断されるとステップ３３０に進み、一方否定判断されると前記ステップ３１０に戻って、酸素濃度の検出を継続する。
【０１３４】
ステップ３３０では、湿度検出を行うために、前記ステップ１２０と同様に、（Ｉｐセル９３を用いた）１セル制御の状態に設定する。
続くステップ３４０では、前記ステップ１３０と同様に、１セル制御にて湿度を検出する。
【０１３５】
続くステップ３５０では、前記ステップ１４０と同様に、同じ雰囲気が維持されているか否かを判定する。例えばフューエルカット信号が出力されて燃料カットが維持されているか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ３６０に進み、一方否定判断されると一旦本処理を終了する。
【０１３６】
なお、Ｉｐセル９３を用いて湿度検出を行う際に、前記第２実施態様のようにＶｓセル９１を用いて酸素濃度を検出する場合には、この酸素濃度に基づいて雰囲気の変化を判定してもよい。
【０１３７】
ステップ３６０では、前記ステップ１５０と同様に、今回検出された湿度を記憶し、一旦本処理を終了する。
なお、本処理が終了した後にも、再度同様な処理が繰り返されて、酸素濃度の検出が実施される。
【０１３８】
従って、本第３実施形態では、第１実施形態と同様な効果を奏するとともに、上述した制御処理によって、酸素濃度の検出中に、湿度検出の条件が満たされた場合には、湿度検出に切り替えて湿度を検出することができる。
【０１３９】
［４．第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡易化して説明する。なお、第１実施形態と同様な構成には同様な番号を付して説明する。
【０１４０】
本第４実施形態では、装置構成等は第１実施形態と同様であり、制御処理のみが異なるので、異なる制御処理のみを説明する。
本第４実施形態では、２セル制御にて酸素濃度を検出している場合に、大気の湿度を検出する条件とストイキ状態の排ガスの湿度を検出する条件とが満たされたときに、それぞれ湿度の検出を行うものである。
【０１４１】
図９のフローチャートに示すように、エンジン５が燃料の供給を受けて燃焼して作動している場合には、ステップ４００にて、前記ステップ１６０と同様に、前記図３に示す２セル制御の状態に設定する。
【０１４２】
続くステップ４１０では、前記ステップ１７０と同様にし、２セル制御にて酸素濃度を検出する。
続くステップ４２０では、大気における湿度検出を行うタイミングであるか否かを判定する。つまり、排出されるガスが大気か否かを判定する。ここで、肯定判断されるとステップ４２０に進み、一方否定判断されるとステップ４７０に進む。
【０１４３】
ここで、エンジン５から排出されるガスが大気か否かは、例えばステップ４１０にて検出される酸素濃度を用いて判断できる。つまり、酸素濃度が大気を示す濃度である場合には、大気であると判定できる。また、燃料カットされた場合（フューエルカット信号が検知された場合）に、大気であると判定してもよい。
【０１４４】
ステップ４３０では、湿度検出を行うために、前記ステップ１２０と同様に、（Ｉｐセル９３を用いた）１セル制御の状態に設定する。
続くステップ４４０では、前記ステップ１３０と同様に、１セル制御にて湿度を検出する。
【０１４５】
続くステップ４５０では、前記ステップ１４０と同様に、同じ雰囲気が維持されているか否かを判定する。例えばフューエルカット信号が出力されて燃料カットが維持されているか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ４６０に進み、一方否定判断されると一旦本処理を終了する。
【０１４６】
なお、Ｉｐセル９３を用いて湿度検出を行う際に、前記第２実施態様のようにＶｓセル９１を用いて酸素濃度を検出する場合には、この酸素濃度に基づいて雰囲気の変化を判定してもよい。
【０１４７】
ステップ４６０では、前記ステップ１５０と同様に、今回検出された湿度を大気の湿度として記憶し、一旦本処理を終了する。
また、前記ステップ４２０で否定判断されて進むステップ４７０では、ストイキ状態の排ガスにおける湿度検出を行うタイミングであるか否かを判定する。つまり、排ガスがストイキであるか否かを判定する。ここで、肯定判断されるとステップ４８０に進み、一方否定判断されると前記ステップ４１０に進む。
【０１４８】
つまり、エンジン５から排出されるガスが大気でもなくストイキ状態の排ガスでも無い場合には、湿度を検出する状態ではないとして、２セル制御による酸素濃度の検出を継続する。
【０１４９】
なお、エンジン５から排出されるガスがストイキ状態の排ガスか否かは、例えばステップ４１０にて検出される酸素濃度を用いて判断できる。つまり、酸素濃度がストイキを示す濃度である場合には、ストイキ状態の排ガスであると判定できる。
【０１５０】
ステップ４８０では、湿度検出を行うために、前記ステップ１２０と同様に、（Ｉｐセル９３を用いた）１セル制御の状態に設定する。
続くステップ４９０では、前記ステップ１３０と同様に、１セル制御にて湿度を検出する。
【０１５１】
続くステップ５００では、前記ステップ１４０と同様に、同じ雰囲気が維持されているか否かを判定する。例えば、Ｉｐセル９３を用いて湿度検出を行う際に、前記第２実施態様のようにＶｓセル９１を用いて酸素濃度を検出する場合には、この酸素濃度に基づいて雰囲気の変化を判定することができる。
【０１５２】
ステップ５１０では、前記ステップ１５０と同様に、今回検出された湿度をストイキ状態の排ガスの湿度として記憶し、一旦本処理を終了する。
なお、本処理が終了した後にも、再度同様な処理が繰り返されて、酸素濃度の検出が実施される。
【０１５３】
従って、本第４実施形態では、第１実施形態と同様な効果を奏するとともに、上述した制御処理によって、大気の湿度とストイキ状態の排ガスの湿度とを検出することができる。
【０１５４】
［５．第５実施形態］
次に、第５実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略又は簡易化して説明する。なお、第１実施形態と同様な構成には同様な番号を付して説明する。
【０１５５】
［５−１．制御処理］
本第５実施形態では、１セル制御にて湿度検出を行う場合には、Ｉｐセルの機能を停止して、Ｖｓセルにて湿度検出を行う。
【０１５６】
図１０に示すように、第５実施形態におけるシステム構成では、第１実施形態と同様に、全領域空燃比センサ９及びセンサ制御装置１等を備えており、センサ制御装置１には、マイクロコンピュータ１０１及び電気回路部１０３を備えている。また、電気回路部１０３は、第１実施形態と同様に、各回路１０５、１０９〜１１７及び各スイッチ１２１、１２３、１２７、１２９、１３１を備えている。
【０１５７】
特に、第５実施形態では、第１実施形態の起電力測定回路に代えてＶｓセル９１の一対の第１電極７３、７５間に流す電流Ｉｓを制御するＩｓ電流駆動回路１０６を備えている。
【０１５８】
従って、ここでは、Ｉｓ電流駆動回路１０６と第１電極７３との間に第１スイッチ１２１が設けられ、Ｉｓ電流駆動回路１０６と第１電極７５との間に第２スイッチ１２３が設けられている。
【０１５９】
また、第５実施形態においては、図１０に示すように回路が接続される。即ち、第１、第２スイッチ１２１、１２３はオン、第３スイッチ１２７はオフ、第４スイッチ１２９はオンに設定され、切替スイッチ１３１によって、第１回路１２５と第２電極７９とが接続される。
【０１６０】
この回路の接続状態において、Ｖｓセル９１を用いて湿度を検出する場合には、第１実施形態で用いるＩｐセル９３をＶｓセル９１に代えて、同様にＶｓセル９１にそれぞれ第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２と印加することによって実施できる。  
【０１６１】
つまり、Ｖｐ電流駆動回路１０６によって、Ｖｓセル９１の一対の第１電極７３、７５に、例えば１０００ｍＶの第１電圧Ｖ１を印加し、また、例えば４５０ｍＶの第２電圧Ｖ２を印加する。そして、第１電圧Ｖ１を印加した際Ｖｓセル９１の第１電極７３、７５間に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１と、第２電圧Ｖ２を印加した際にＶｓセル９１の第１電極７３、７５間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２との電流差ΔＩｐに基づいて、排ガスの湿度を検出する。
【０１６２】
このように、第５実施形態は、第１実施形態とは使用する湿度検出セルは異なるが、第１実施形態と同様な効果を奏する。
［５−２．湿度検出後の処理］
ここで、湿度検出後の処理について簡単に説明する。なお、この湿度検出後の処理については、前記第１〜第４実施形態に適用することができる。
【０１６３】
ａ）大気の湿度のみを用いる場合
大気の湿度と最適ストイキ燃焼点（ストイキ点）（従って最適燃料噴射量）との関係を示すテーブル（マップデータ）が、ＥＣＵ１７に組み込まれている。
【０１６４】
従って、大気（フューエルカット時）に検出された湿度から、前記テーブルに基づいて、排ガスの浄化に適した最適燃料噴射量を求めることができる。
ｂ）ストイキ状態の排ガスの湿度のみを用いる場合
ストイキの排ガスの湿度と最適ストイキ燃焼点（ストイキ点）（従って最適燃料噴射量）との関係を示すテーブル（マップデータ）が、ＥＣＵ１７に組み込まれている。
【０１６５】
従って、ストイキ時に検出された湿度から、前記テーブルに基づいて、排ガスの浄化に適した最適燃料噴射量を求めることができる。
ｃ）大気の湿度とストイキ状態の排ガスの湿度を用いる場合
大気の湿度とストイキの排ガスの湿度と差（湿度差）と最適ストイキ燃焼点（ストイキ点）（従って最適燃料噴射量）との関係を示すテーブル（マップデータ）が、ＥＣＵ１７に組み込まれている。
【０１６６】
従って、検出された大気の湿度とストイキ状態の排ガスの湿度の湿度差を求め、前記テーブルに基づいて、湿度差から排ガスの浄化に適した最適燃料噴射量を求めることができる。
【０１６７】
なお、ガソリンＣＨ１．８５の完全燃焼の場合を想定すると、燃焼前と燃焼後との関係は下記の式（１）で示される。
ＣＨ１．８５＋１．４６２５×Ｏ２＝ＣＯ２＋０．９２５×Ｈ２Ｏ・・（１）
また、大気中の酸素と窒素の割合は、「酸素：窒素＝２１：７６」である。
【０１６８】
従って、これらの関係を考慮して、最適燃料噴射量が設定されている。
［３．実施形態と特許請求の範囲との対応関係］
上記実施形態において、Ｓ１３０等を実行するセンサ制御装置が本発明の「電圧印加手段（電圧印加工程）」及び「湿度検出手段（湿度検出工程）」に相当し、Ｓ２４０、Ｓ３２０、Ｓ４２０、Ｓ４７０等を実行するセンサ制御装置が本発明の「制御判定手段」に相当し、起電力測定回路１０７等が本発明の「酸素濃度検出手段」に相当し、ポンプ電流検出回路３６及びＳ９を実行するＣＰＵ６が本発明の「第２電流検出手段」に相当する。
【０１６９】
尚、本発明は、以上詳述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
例えば、上記実施形態では、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガスセンサとして、被検出ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比センサを用いた場合を例示したが、これに限定されない。例えば、被検出ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを用いても、上記と同様に湿度補正を行うことができる。
【０１７０】
つまり、周知の起電力セルと酸素ポンプセルを備えたＮＯｘセンサのように、起電力セル及び酸素ポンプセルを駆動してＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサにおいて、前記実施形態と同様に、起電力セル又は酸素ポンプセルに第１電圧と第２電圧とを印加し、各電圧の印加時の各電流の差に基づいて、被検出ガス中の湿度を求めてよい。
【符号の説明】
【０１７１】
１…センサ制御装置
５…エンジン
９…全領域空燃比センサ
１３…センサユニット
２５…ガスセンサ素子
６１…第１固体電解質体
６３…第２固体電解質体
７３、７５…第１電極
７７、７９…第２電極
８１… 検出室
９１…酸素濃度検出セル（起電力セル：Ｖｓセル）
９３…酸素ポンプセル（Ｉｐセル）
１０１…マイクロコンピュータ
【図１】
2017053802.tif 000003
【図５】
2017053802.tif 000004
【図７】
2017053802.tif 000005
【図８】
2017053802.tif 000006
【図９】
2017053802.tif 000007
【図２】
2017053802.tif 000008
【図３】
2017053802.tif 000009
【図４】
2017053802.tif 000010
【図６】
2017053802.tif 000011
【図１０】
2017053802.tif 000012
【図１１】
2017053802.tif 000013