(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質を用いたセンサ素子と、該センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータとを有して、燃焼機関から排出される排ガス中、若しくは燃焼機関に吸入される吸入ガス中の特定成分から空燃比を検出するガス濃度センサに適用され、
前記ガス濃度センサによる空燃比の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御の実行時に、同ガス濃度センサにより検出される空燃比に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する設定手段と、
前記設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段と
を備えることを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項２】
前記設定手段は、前記ガス濃度センサにより検出される空燃比が理論空燃比よりもリーンであれば、理論空燃比の検出時よりもセンサ素子又はヒータの目標温度を高くする請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項３】
前記設定手段は、前記ガス濃度センサにより検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチであれば、理論空燃比の検出時よりもセンサ素子又はヒータの目標温度を高くする請求項１又は２に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項４】
固体電解質を用いたセンサ素子と、該センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータとを有して、燃焼機関から排出される排ガス中、若しくは燃焼機関に吸入される吸入ガス中の特定成分から空燃比を検出するガス濃度センサに適用され、
前記ガス濃度センサによる空燃比の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御における空燃比の制御領域に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する設定手段と、
前記設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段と
を備えるガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項５】
固体電解質を用いたセンサ素子と、該センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータとを有するとともに、被検出ガス中の特定成分濃度の検出時における出力信号として、理論空燃比を基準とする被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力信号と、被検出ガスの空燃比をリニアに検出する限界電流信号とを選択的に出力するガス濃度センサに適用され、
センサ出力が起電力信号である時と、センサ出力が限界電流信号である時とでセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する設定手段と、
前記設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段と
を備えることを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項６】
固体電解質を用いたセンサ素子と、該センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータとを有するとともに、被検出ガス中の特定成分濃度の検出時における出力信号として、理論空燃比を基準とする被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力信号と、被検出ガスの空燃比をリニアに検出する限界電流信号とを選択的に出力するガス濃度センサに適用され、
前記起電力信号を用いた理論空燃比での空燃比制御が実施される時と、前記理論空燃比をも含んでこれよりもリーンである領域及びリッチである領域での限界電流信号を用いた空燃比制御が実施される時とでセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する設定手段と、
前記設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段と
を備えることを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項７】
固体電解質を用いたセンサ素子と、該センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータとを有して、被検出ガス中の複数種のガス成分から各々のガス濃度に応じた信号を出力可能な複合型ガスセンサに適用され、
該複合型ガスセンサが如何なる信号出力を行うかを判定する出力判定手段と、
前記出力判定手段による判定結果に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する設定手段と、
前記設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段と
を備えることを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項８】
当該ヒータ制御装置は内燃機関の出力とモータ出力とを併用して走行するハイブリッド車の内燃機関に設けられて被検出ガス中の特定成分濃度を検出するガス濃度センサに適用されるものであり、
前記設定手段は、前記内燃機関の運転が停止され且つ前記モータのみが駆動される時に、前記センサ素子又は前記ヒータの目標温度を前記内燃機関の運転時よりも低く設定するとともに、
前記ヒータ制御手段は、前記モータのみが駆動される時にも前記ヒータへの通電を維持しつつ、前記設定した目標温度に応じて前記ヒータへの通電を制御する請求項１〜７のいずれか一項に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサのヒータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の従来技術として、例えば特開昭６１−１３２８５１号公報に開示されているように、限界電流式酸素センサの内部抵抗やヒータの抵抗値が温度に応じて変化することに着目し、同酸素センサの活性化に必要な電力を内燃機関の運転条件により決定してヒータに供給すると共に、酸素センサの内部抵抗やヒータの抵抗値に応じてヒータへの供給電力を補正するものがある。
【０００３】
また、特開昭６３−２４９０４６号公報に開示されているように、ヒータへの通電を開始してから酸素センサの内部抵抗やヒータの抵抗値が所定温度に対応する所定値になるまで、電源よりヒータに全電力を供給し、その後、センサの内部抵抗値が所定温度に対応する所定値になるように、ヒータへの供給電力を制御するものがある。
【０００４】
さらに、特開平８−２７８２７９号公報に開示されているように、ヒータ温が所定の初期加熱温度に到達するまで電源よりヒータに全電力を投入し、到達後にヒータ温に応じてヒータへの通電を制御し、素子温が所定値に達すると検出された素子温に応じてヒータへの通電を制御するものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では何れも、内燃機関の運転状態等、各種条件に関係なくセンサ素子が所定の活性化温度（約７００℃）に維持できるようヒータへ電力を供給している。そのため、近年の自動車技術において各種電気機器の省電力化が要求されている中で、ヒータへ大きな電力を供給することは、この要求に応えることができない。
【０００６】
例えば自動車の使用電力は燃費にも影響するため、自動車の燃費改善のためには各種電気系の省電力化が必要であると考えられる。特にハイブリッド車のように電気モータを使用する車両においては、使用電力が燃費に及ぼす影響がガソリン車よりも一層増大する。
【０００７】
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、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
例えば、内燃機関から排出される排ガス中の酸素濃度を検出する装置では、機関運転状態に応じて正確なセンサ出力が要求される場合と、正確なセンサ出力が必ずしも要求されない場合とがある。実際には、センサ出力が内燃機関の制御に使用されるか否か、空燃比フィードバック制御が実施されるか否かといった条件に応じてセンサ出力への精度要求が相違する。また、ガス濃度センサは、センサ出力値に応じてその精度を確保するための温度条件が異なる。そのため、センサ出力値が如何なる領域にあるかといった条件に応じて、センサ温度をどの温度域で保持すればよいかが相違する。
また、図１３や図１７に示されるように、排ガスの空燃比（酸素濃度）が同一であってもセンサ素子の温度に応じてセンサ出力が異なる。この場合、検出すべき空燃比によってセンサ出力の温度勾配が相違し、そのセンサ出力は素子温が空燃比毎の所定温度を超える状態でなければ適正値とならない。従って、適正なセンサ出力を確保するには、その時々の空燃比レベルに応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を設定するのが望ましい。またこのとき、適正なセンサ出力を得るための温度範囲の中で必要最小限の目標温度を設定すれば、省電力化を併せて実現できる。
【０００９】
そこで請求項１に記載の発明では、ガス濃度センサによる空燃比の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御の実行時に、ガス濃度センサにより検出される空燃比に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する設定手段と、この設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段とを備える。実際には、請求項２や請求項３のように前記設定手段が構成されるとよい。つまり、
・請求項２に記載の発明では、ガス濃度センサにより検出される空燃比が理論空燃比よりもリーンであれば、理論空燃比の検出時よりもセンサ素子又はヒータの目標温度を高くする。
・請求項３に記載の発明では、ガス濃度センサにより検出される空燃比が理論空燃比よりもリッチであれば、理論空燃比の検出時よりもセンサ素子又はヒータの目標温度を高くする。
請求項２，３の構成によれば、リーン制御時或いはリッチ制御時において、センサ素子又はヒータの目標温度を高くすることで、理論空燃比を基準とする広域な空燃比検出範囲内で高精度なセンサ出力が得られる。その結果、空燃比検出範囲が拡張できる。また、理論空燃比の検出時には他よりも目標温度が低く設定されるため、ヒータ電力が低減され、省電力化が実現でき、ひいては内燃機関の燃費改善も実現可能となる。
【００１１】
なお本明細書において、「センサ素子又はヒータの目標温度を可変に設定してヒータを通電する」とは、センサ素子又はヒータの温度を直接的に制御することを含む他に、当該温度に係わる抵抗等の要因により温度を間接的に制御することをも含むこととしている。
【００１８】
また、請求項４に記載したように、ガス濃度センサによる空燃比の検出結果に基づく空燃比フィードバック制御における空燃比の制御領域に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定してもよい。かかる場合にも、広域な空燃比範囲内で高精度なセンサ出力が得られる等の優れた効果が得られる。なおこの場合、空燃比の制御領域がリーンであれば、或いは空燃比の制御領域がリッチであれば、制御領域が理論空燃比である時よりもセンサ素子又はヒータの目標温度を高くするとよい。
【００１９】
一方、ガス濃度センサの出力信号として、理論空燃比を基準とする被検出ガス中の酸素濃度に応じた起電力信号と、被検出ガスの空燃比をリニアに検出する限界電流信号とを選択的に出力するガス濃度検出装置において、請求項５に記載の発明では、センサ出力が起電力信号である時と、センサ出力が限界電流信号である時とでセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する。また、請求項６に記載の発明では、起電力信号を用いた理論空燃比での空燃比制御が実施される時と、前記理論空燃比をも含んでこれよりもリーンである領域及びリッチである領域での限界電流信号を用いた空燃比制御が実施される時とでセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定する。
【００２０】
要するに、起電力信号を出力する場合と、限界電流信号を出力する場合とを比較すると、前者の方が適正なセンサ出力を得るためのガス濃度センサの活性温度が低い。そのため、請求項５又は６の発明によれば、上記の如くセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定することにより、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。また、空燃比制御の最適化を図ることができる。
【００２１】
請求項７に記載の発明では、被検出ガス中の複数種のガス成分から各々のガス濃度に応じた信号を出力可能な、複合型ガスセンサにてガス濃度センサが構成され、この複合型ガスセンサが如何なる信号出力を行うかを判定する出力判定手段と、同判定手段による判定結果に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を可変に設定する設定手段と、この設定した目標温度に応じてヒータを通電するヒータ制御手段とを備える。
【００２２】
かかる場合、ガス濃度センサ（複合型ガスセンサ）による信号出力の種類に応じて適正なセンサ出力を得るための活性温度が相違しても、センサ出力が何れによるものであるかに応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を変えて設定することにより、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。
【００２３】
請求項８に記載の発明では、当該ヒータ制御装置は内燃機関の出力とモータ出力とを併用して走行するハイブリッド車の内燃機関に設けられて被検出ガス中の特定成分濃度を検出するガス濃度センサに適用されるものであり、前記設定手段は、前記内燃機関の運転が停止され且つモータのみが駆動される時に、前記センサ素子又は前記ヒータの目標温度を前記内燃機関の運転時よりも低く設定するとともに、前記ヒータ制御手段は、前記モータのみが駆動される時にも前記ヒータへの通電を維持しつつ、前記設定した目標温度に応じて前記ヒータへの通電を制御するようにしている。請求項６の構成でも既述の通り、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。特にハイブリッド車の場合、使用電力が燃費に及ぼす影響がより一層増大するが、省電力化に伴い燃費改善が実現できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を車両用空燃比制御システムに具体化した第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制御システムでは、エンジンの排気管に設けられた空燃比センサの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フィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。以下の記載では、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手順、センサ素子の内部抵抗検出手順、さらに同センサに設けられたヒータの通電制御手順を詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す構成図である。図１において、エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成されている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設されている。また、排気管１３には限界電流式空燃比センサからなるコップ型のＡ／Ｆセンサ３０が配設されており、同センサ３０は排気中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する。
【００２８】
Ａ／Ｆセンサ３０は、センサ素子を構成する固体電解質３１及び拡散抵抗層３２と、固体電解質３１の内外（大気側及び排気側）に設けられた電極３３，３４と、センサ素子を加熱するためのヒータ３５とを備える。ここで、固体電解質３１は酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなり、拡散抵抗層３２は耐熱性無機物質からなる。また、電極３３，３４は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。
【００２９】
一方、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１５は、インジェクタ１２による燃料噴射量を最適に制御するためのエンジン制御用マイコン１６を備える。エンジン制御用マイコン１６は、図示しないセンサ群から各種エンジン運転情報を取り込み、これらのセンサ検出結果からエンジン回転数、吸気圧、水温、スロットル開度などのエンジン運転状態を検知する。
【００３０】
エンジン制御用マイコン１６には空燃比検出用マイコン２０が相互に通信可能に接続されている。空燃比検出用マイコン２０は、所定の制御プログラムに従いヒータ制御回路２５及びバイアス制御回路４０を操作する。例えば電圧印加に伴いＡ／Ｆセンサ３０に流れる電流値を計測すると共にその計測した電流値を図３の関係を用いて空燃比（Ａ／Ｆ）に変換し、そのＡ／Ｆ値をエンジン制御用マイコン１６に出力する。また、同空燃比検出用マイコン２０は、Ａ／Ｆセンサ３０が活性状態で維持されるようヒータ制御回路２５を操作し、必要に応じてヒータ３５を通電する。
【００３１】
ここで、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒは空燃比検出用マイコン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。また、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４０に入力される。バイアス制御回路４０は、空燃比検出用又は素子抵抗検出用の電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加する。この場合、空燃比検出時には、その時々の空燃比に対応した所定の印加電圧が設定されるのに対し、素子抵抗検出時には、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印加される。
【００３２】
その時々の空燃比（酸素濃度）に対応するＡ／Ｆセンサ３０の限界電流出力は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にて検出される。また、Ａ／Ｆセンサ３０が理論空燃比を境にリッチか又はリーンかで異なる起電力を出力する際、その起電力が起電力検出回路５５にて検出される。電流検出回路５０及び起電力検出回路５５の検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介して空燃比検出用マイコン２０に入力される。ヒータ制御回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子温やヒータ温等に応じてヒータ３５への通電量をデューティ制御し、同ヒータ３５の加熱制御を行う。
【００３３】
なお、エンジン制御用マイコン１６による空燃比Ｆ／Ｂ制御については、本案の要旨ではなく且つその制御内容が周知であるため、ここではその詳細な説明を省略するが、簡単に述べると、エンジン制御用マイコン１６は、Ａ／Ｆセンサ３０による空燃比の検出結果やその他、各種センサの検出結果を取り込むと共に、それらの検出結果に基づき現代制御或いはＰＩ制御といった制御アルゴリズムに則って、リーン領域を含む広域な空燃比検出範囲にて空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。或いは、ストイキ（理論空燃比）を目標値として実空燃比を目標値に対してＦ／Ｂ制御する。要は、その時々の空燃比が目標空燃比に一致するよう、インジェクタ１２からエンジン１０の各気筒に噴射供給される燃料量を制御する。
【００３４】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０は、図２（ａ）及び（ｂ）の出力特性を持ち、空燃比リーン領域を含む広域で空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施される時には図２（ａ）の特性に応じた限界電流信号Ｉｐを出力する。また、ストイキ（λ＝１）近傍での空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施される時には図２（ｂ）の特性に応じた起電力電圧信号ＶＯＸ２を出力する。
【００３５】
つまり、Ａ／Ｆセンサ３０に所定電圧が印加される時、図２（ａ）に示されるように同センサ３０は空燃比λに対応してリニアに変化する限界電流信号Ｉｐ〔ｍＡ〕を出力する。限界電流信号Ｉｐの増減は空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの度合）に対応しており、空燃比がリーン側になるほど限界電流は増大し、空燃比がリッチ側になるほど限界電流は減少する。また、図２（ｂ）に示されるように、Ａ／Ｆセンサ３０は理論空燃比λ＝１を境にして大きく変化する電圧信号ＶＯＸ２〔Ｖ〕を出力する。このとき、電圧信号ＶＯＸ２は、大気中の酸素濃度と排ガス中の酸素濃度との差に応じた起電力に相当し、その値はリッチ側で約１Ｖの電圧値となり、リーン側で約０Ｖの電圧値となる。
【００３６】
次に、上記の如く構成される空燃比制御システムの作用を説明する。先ず始めに、空燃比検出用マイコン２０により実施されるメインルーチンを図４のフローチャートを用いて説明する。なお本実施の形態では、素子抵抗値の検出に際し、掃引法を用いて「交流素子インピーダンスＺａｃ」を求めることとしている。
【００３７】
図４において、先ずステップ１００では、前回の空燃比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、空燃比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。前回の空燃比検出時から所定時間Ｔａが経過していれば（ステップ１００がＹＥＳ）、ステップ１１０に進んで空燃比検出処理を実施する。ステップ１００がＮＯであれば、そのまま本ルーチンを一旦終了する。
【００３８】
ステップ１１０での空燃比検出に際し、空燃比検出用マイコン２０は、電圧印加に伴い固体電解質３１に流れる電流値、すなわち電流検出回路５０により検出されるセンサ出力（限界電流信号Ｉｐ）を読み込み、次の空燃比検出のためにその時々のセンサ出力に対応する電圧をＡ／Ｆセンサ３０の両電極３３，３４に印加しておく。さらに、図３に示す電流−Ａ／Ｆ変換マップを用いてその時々のセンサ出力（限界電流信号Ｉｐ）をＡ／Ｆ値に変換し、そのＡ／Ｆ値をエンジン制御用マイコン１６に対して出力する。
【００３９】
その後、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選択的に設定される。本実施の形態では、空燃比の変化が比較的小さい通常時（エンジン１０の定常運転時）にはＴｂ＝２ｓ（秒）に、空燃比の急変時（エンジン１０の始動時や過渡運転時）にはＴｂ＝１２８ｍｓ（ミリ秒）に、というように所定時間Ｔｂが可変に設定されるようになっている。
【００４０】
ステップ１２０がＹＥＳであれば、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３５の通電制御を実施する。上記ステップ１３０，１４０の処理はそれぞれ、後述する図５，図６に従い実施される。上記ステップ１２０がＮＯであれば、そのまま本ルーチンを一旦終了する。
【００４１】
次に、前記図４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（掃引法による検出手順）を図５を用いて説明する。
図５において、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印加電圧Ｖｐ（空燃比検出用の電圧）に対して電圧を正側に単発的に変化させる。素子インピーダンス検出用電圧の印加時間は、Ａ／Ｆセンサ３０の周波数特性を考慮して数１０〜１００μｓ程度とする。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５０により検出されたセンサ出力の変化量ΔＩとを読み取る。また、ステップ１３３では、前記ΔＶ，ΔＩから素子インピーダンスＺａｃを算出する（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。
【００４２】
続くステップ１３４では、前記算出した素子インピーダンスＺａｃを素子温Ｔｓに変換し、その後本ルーチンを終了して元の図４のルーチンに戻る。ここで、上記の如く求められる素子インピーダンスＺａｃは、素子温Ｔｓに対して図９に示す関係を有する。すなわち、素子温Ｔｓ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。
【００４３】
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４０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８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、素子インピーダンスＺａｃの検出精度が向上する。
【００４４】
次に、前記図４のステップ１４０におけるヒータ通電の制御手順を図６を用いて説明する。
図６において、ステップ１４１では、今現在がエンジン冷間始動時等の昇温途中であるか否かを判別する。そして、昇温途中であることを条件にステップ１４２に進む。
【００４５】
ステップ１４２では、前記図５で算出した素子温Ｔｓが固体電解質３１（センサ素子）の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態ではＺａｃ＝２００Ω相当の値）以上であるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動時にはステップ１４２がＮＯとなり、ステップ１４３に進んでヒータ３５の「１００％通電制御」を実施する。１００％通電制御では、ヒータ３５へのデューティ比制御信号Ｄｕｔｙが１００％に維持される。
【００４６】
次にステップ１４６では、Ｄｕｔｙ＝１００％の制御信号によりヒータ通電を行い、その後本ルーチンを終了して元の図４のルーチンに戻る。こうした１００％通電制御は、素子温Ｔｓが上昇してステップ１４２が肯定判別されるまで継続して実施される。
【００４７】
そして、ヒータ３５の加熱作用により素子温が上昇し、ステップ１４２が肯定判別されると、ステップ１４４に進んで素子温Ｔｓが素子温Ｆ／Ｂ制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態ではＺａｃ＝４０Ω相当の値）以上であるか否かを判別する。
【００４８】
センサ活性前であってステップ１４４が否定判別されると、ステップ１４５に進んで「電力制御」によりヒータ３５の通電制御を実施し、続くステップ１４６でヒータ通電を行った後、本ルーチンを終了して元の図４のルーチンに戻る。この電力制御では、素子温Ｔｓが小さいほど（Ｚａｃが大きいほど）大きな電力指令値が決定され、その電力指令値に応じてデューティ比制御信号Ｄｕｔｙが算出される。
【００４９】
センサ活性化が完了し前記ステップ１４４が肯定判別されると、ステップ２００に進んで「素子温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。素子温Ｆ／Ｂ制御の詳細については図７を用いて後述する。その後、ステップ１４６では、素子温Ｆ／Ｂ制御の処理にて演算したデューティ比制御信号Ｄｕｔｙに基づいてヒータ通電を行い、その後本ルーチンを終了して元の図４のルーチンに戻る。
【００５０】
なおエンジン始動後には、ステップ１４１が毎回否定判別され、ステップ１４２，１４４の判別を行うことはない。従って、暖機完了後に１００％通電制御や電力制御（ステップ１４３，１４５）が実行されることはない。
【００５１】
素子温Ｆ／Ｂ制御の詳細な手順を図７のフローチャートを用いて説明する。図７において、先ずステップ２０１では、Ａ／Ｆセンサ３０の出力が使用される状態か否かを判別する。例えばエンジン停止時や、空燃比制御系に何らかの異常が発生してＦ／Ｂ制御が中断される場合等においては、ステップ２０１を否定判別してステップ２０２に進む。そして、ステップ２０２でヒータ通電のためのデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを強制的に「０％」にし、その後本ルーチンを終了して元の図６のルーチンに戻る。但しステップ２０２の処理において、Ｄｕｔｙ＝０％とするのではなく、微少なＤｕｔｙを設定し、小電力でヒータ通電を継続するようにしてもよい。
【００５２】
また、ステップ２０１が肯定判別されるとステップ２０３に進み、空燃比Ｆ／Ｂ制御の実施条件が成立するか否かを判別する。この実施条件とは例えば、
（１）エンジン冷却水の温度条件が満たされること（例えば水温≧４０℃）。
（２）高負荷・高回転状態でないこと。
（３）燃料カット中でないこと。
等の各条件の全て若しくは少なくとも一つを含み、当該条件が成立すればステップ２０４に進み、不成立であればステップ２０５に進む。この条件適否の判定は、エンジン制御用マイコン１６から送信されるエンジン運転情報に基づき実施される。
【００５３】
ステップ２０４では素子温目標値Ｔｓｒｅｆを、通常の目標値である「７００℃」とし、ステップ２０５では素子温目標値Ｔｓｒｅｆを、通常の目標値よりも低い「６００℃」とする。つまり、センサ出力が空燃比Ｆ／Ｂ制御に使用される場合には、Ａ／Ｆセンサ３０を所定の活性状態に維持するための温度により素子温目標値Ｔｓｒｅｆを設定する。これに対しセンサ出力が空燃比Ｆ／Ｂ制御に使用されない場合には、仮にセンサが活性化温度以下になっても支障無いため、省電力化を図るべく素子目標温度を比較的低い温度とする。
【００５４】
その後、ステップ２０６では、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化度合に応じた劣化補正係数Ｋｓを求め、続くステップ２０７では、劣化補正係数Ｋｓを用いて前記設定した素子温目標値Ｔｓｒｅｆを補正する（Ｔｓｒｅｆ＝Ｋｓ・Ｔｓｒｅｆ）。劣化補正係数Ｋｓは例えば図１０の関係を用いて求められる。この場合、Ａ／Ｆセンサ３０の出力が標準値よりも大きくなるように劣化していれば、Ｋｓ＜１の劣化補正係数Ｋｓが設定され、これにより素子温目標値Ｔｓｒｅｆが下げられる。逆にＡ／Ｆセンサ３０の出力が標準値よりも小さくなるように劣化していれば、Ｋｓ＞１の劣化補正係数Ｋｓが設定され、これにより素子温目標値Ｔｓｒｅｆが上げられる。
【００５５】
その後、ステップ２０８では、以下の手順にて素子温Ｔｓを目標値ＴｓｒｅｆにＦ／Ｂ制御するためのデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを算出する。本実施の形態では、その一例としてＰＩＤ制御手順を用いることとしている。
【００５６】
つまり、次の各式により比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。
Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｔｓ−Ｔｓｒｅｆ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（Ｔｓ−Ｔｓｒｅｆ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｔｓ−Ｔｓ０）
但し上式において、Ｋｐは比例定数、Ｋｉは積分定数、Ｋｄは微分定数、Ｔｓ０は前回処理時の素子温を示す。
【００５７】
その後、ステップ２０９では、その時の素子温Ｔｓを前回値Ｔｓ０として記憶し、続くステップ２１０では、上記比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを算出する（Ｄｕｔｙ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）。
【００５８】
さらにステップ２１１では、前記算出したデューティ比制御信号Ｄｕｔｙに対してバッテリ電圧に応じた補正を行い、その後、本ルーチンを終了して元の図６のルーチンに戻る。ステップ２１１では例えば図１１の関係を用い、バッテリ電圧（＋Ｂ）の標準値からの変化に応じて補正を行う。上述したヒータ制御手順は、上記のＰＩＤ制御に限定されるものではなく、ＰＩ制御やＰ制御等、他の制御を実施するようにしてもよい。
【００５９】
なお本実施の形態では、空燃比検出用マイコン２０により請求項記載の設定手段、ヒータ制御手段、条件判定手段及び劣化検出手段が構成される。
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。
【００６０】
（ａ）空燃比Ｆ／Ｂ制御の実施条件が成立するか否かを判定し、空燃比Ｆ／Ｂ制御の実施条件の成立時と不成立時とで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変えて設定するようにした（図７のステップ２０３〜２０５）。上記構成によれば、ヒータ使用時における省電力化を達成しつつ、必要に応じてＡ／Ｆセンサ３０を所望の活性状態で維持することで適正なセンサ出力を確保することができる。また、省電力化が実現できることから、エンジンの燃費改善も併せて実現できる。
【００６１】
因みに、素子温目標値Ｔｓｒｅｆを７００℃とした時には、１４．５Ｗ程度の電力が必要となるのに対し、素子温目標値Ｔｓｒｅｆを６００℃とした時には、８．５Ｗ程度の電力が必要となる。この場合、約６Ｗの電力削減が実現できる。
【００６２】
（ｂ）センサ出力が使用されるか否かを判別し、使用されない場合にはデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを強制的に「０％」とした（図７のステップ２０１，２０２）。そのため、不要な電力を削減し、より一層の省電力化を図ることができる。
【００６３】
（ｃ）Ａ／Ｆセンサ３０の劣化度合に応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを補正するようにした（図７のステップ２０６，２０７）。この場合、例えばセンサ出力が低下する方向に劣化しても素子温目標値Ｔｓｒｅｆを上昇側に補正することで、適正なセンサ出力が確保できる。また逆に、センサ出力が増大する方向に劣化しても、素子温目標値Ｔｓｒｅｆを降下側に補正することで、ヒータ３５への供給電力を必要最小限に抑え、省電力化を図ることができる。
【００６４】
（ｄ）バッテリ電圧に応じてデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを増減補正した（図７のステップ２１１）。そのため、バッテリ電圧の変動に係わりなく常に適正なヒータ通電制御が実施できる。
【００６５】
（ｅ）本実施の形態のようにコップ型のＡ／Ｆセンサ３０を適用した場合、熱伝導性に優れた積層型Ａ／Ｆセンサに比べてヒータに大電力が供給されるが、上記構成によれば電力の絶対量が削減できる。そのため、コップ型Ａ／Ｆセンサにおいて特に有効となる。
【００６６】
次に、本発明における第２〜第６の実施の形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００６７】
（第２の実施の形態）
ところで、素子温とＡ／Ｆ検出範囲とは図１２のような関係があり、素子温に応じてＡ／Ｆ検出範囲が変化する。実際には、素子温が低いとリーン側及びリッチ側の空燃比が殆ど検出できないが、素子温が上昇するとＡ／Ｆ検出範囲が拡張される。
【００６８】
また、図１３の関係に示されるように、同一の空燃比であってもその時々の素子温に応じてセンサ出力（ｍＡ）が相違する。例えばＡ／Ｆ＝１８の場合には、素子温が６５０℃程度まで上昇しないとセンサ出力が本来の電流値（図では約７ｍＡ）に到達せず、素子温＜６５０℃の領域では正確なリーン空燃比（Ａ／Ｆ＝１８）が検出できない。また、Ａ／Ｆ＝１３の場合には、素子温が６３０℃程度まで上昇しないとセンサ出力が本来の電流値（図では約−６ｍＡ）に到達せず、素子温＜６３０℃の領域では正確なリッチ空燃比（Ａ／Ｆ＝１３）が検出できない。
【００６９】
またこのことから、空燃比毎（Ａ／Ｆ＝１３，１８）に正常な出力を得るための必要素子温が相違することが分かる。因みに、ストイキ空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）ではセンサ出力が元々０ｍＡであるため、素子温＝６００℃程度でも正常なセンサ出力が得られる。そこで本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の出力範囲がストイキ値、リーン値又はリッチ値の何れであるかに応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変更する。
【００７０】
またそれに加え、Ａ／Ｆセンサ３０は、広域な空燃比に応じたリニアな限界電流信号（Ａ／Ｆ出力）と、空燃比がリッチかリーンかに応じた起電力信号（Ｏ2 出力）とを選択的に出力でき、起電力信号を使う場合には、限界電流信号を使う場合に比べ適正なセンサ活性温度が低く、素子温を３５０℃程度に保持すればよい。そして、エンジン制御用マイコン１６は、前者の限界電流信号を用いることでリーン及びリッチ領域を含む比較的広い空燃比範囲で空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施し、後者の起電力信号を用いることでストイキ近傍の比較的狭い空燃比範囲で空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する。つまり、上述の限界電流信号は、比較的広範囲の空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する場合にＡ／Ｆセンサ３０に所定の電圧を印加し、それにより生じるセンサ出力である。これに対し、起電力信号は、ストイキ近傍範囲の空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する場合にＡ／Ｆセンサ３０に電圧を印加せず、起電力により生じる電圧出力である。実際には、限界電流信号（Ａ／Ｆ出力）は図２中の限界電流信号Ｉｐに相当し、起電力信号（Ｏ2 出力）は図２中の電圧信号ＶＯＸ２に相当する。
【００７１】
そこで本実施の形態では、エンジン制御用マイコン１６はどのような空燃比制御を実施するかに応じて適正なセンサ活性温度を判断し、素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変更する。
【００７２】
図１４は、本実施の形態における素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャートであり、この図１４の処理は前記図７の処理に置き換えて実行される。図１４において、先ずステップ３０１では、エンジン制御用マイコン１６から送信される空燃比制御データを読み取り、同マイコン１６が比較的広範囲な空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施するのか否かを判別する。例えば、エンジン制御用マイコン１６がストイキ近傍の比較適狭い範囲で空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する場合、ステップ３０１を否定判別してステップ３０２に進む。ステップ３０２では、Ａ／Ｆセンサ３０の出力が「Ｏ2 出力」であるとみなし、素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「３５０℃」とする。
【００７３】
また、エンジン制御用マイコン１６が比較的広範囲な空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施する場合、ステップ３０３に進む。ステップ３０３では、エンジン制御用マイコン１６の空燃比制御データに基づき、空燃比Ｆ／Ｂ制御がストイキ、リーン域、リッチ域のどの制御域で実施されるのかを判定する。そして、ストイキでの空燃比制御が実施されるのであれば、ステップ３０４で素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「６５０℃」とし、リーン域での空燃比制御が実施されるのであれば、ステップ３０５で素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７２０℃」とし、リッチ域での空燃比制御が実施されるのであれば、ステップ３０６で素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７００℃」とする。
【００７４】
なお、ステップ３０４〜３０６のＴｓｒｅｆ値は前記図１３の関係に基づいて設定される。実際には、各空燃比で正常なセンサ出力が得られる温度領域内において、幾分の余裕を持って素子温目標値Ｔｓｒｅｆが設定される。
【００７５】
その後、ステップ３０７〜３０９では、比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄの和からデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを求める。ステップ３０７〜３０９の処理は前記図７のステップ２０８〜２１０に準ずるためここではその説明を省略する。但し、前記ステップ３０２でＴｓｒｅｆ＝３５０℃が設定される場合には、素子温が低いことから素子インピーダンスが検出できないため、この状態では電力一定制御を行うこととする。
【００７６】
また図示は省略するが、図１４の処理においても、前記図７の処理と同様に、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化度合を反映した素子温目標値の補正（図７のステップ２０６，２０７）や、バッテリ電圧に応じた素子温目標値の補正（図７のステップ２１１）を適宜実施してもよい。
【００７７】
以上本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、ヒータ使用時における省電力化を達成しつつ、必要に応じてＡ／Ｆセンサ３０を所望の活性状態で維持することで適正なセンサ出力を確保することができる等の優れた効果が得られる。
【００７８】
またそれに加え、空燃比の制御領域に応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変えて設定するようにした（図１４のステップ３０３〜３０６）。実際には、リーン域或いはリッチ域の空燃比制御時に、ストイキ制御時よりも素子温目標値Ｔｓｒｅｆを高くした。本構成によれば、如何なる空燃比制御時にも高精度なセンサ出力が得られ、その制御精度が向上する。また、ストイキ制御時には他よりも素子温目標値Ｔｓｒｅｆが低く設定されるため、ヒータ電力が低減され、省電力化が実現できる。またこのとき、適正なセンサ出力を得るための温度範囲の中で必要最小限の目標温度を設定することで、より一層の省電力化が実現できる。
【００７９】
さらに、起電力信号を用いて比較的狭い空燃比範囲で空燃比制御が実現される時と、限界電流信号を用いて比較的広い空燃比範囲で空燃比制御が実施される時とで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変えて設定するようにした（図１４のステップ３０１〜３０６）。従って、Ｏ2 出力時とＡ／Ｆ出力時とで適正なセンサ出力を得るための活性温度が相違する場合において、その時々の適正なセンサ出力を確保しながら、ヒータ使用時における省電力化を図ることができる。また、空燃比制御の最適化を図ることができる。
【００８０】
なお、上記図１４のステップ３０１において、センサ出力信号をモニタして同出力信号がＯ2 出力かＡ／Ｆ出力かを判別し、その結果に応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変更するよう構成してもよい。また、ステップ３０３において、その時々のＡ／Ｆ出力がストイキ値、リーン値又はリッチ値の何れであるかを判別し、その結果に応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変更するよう構成してもよい。実際には、センサ出力が「Ｏ2 出力」の場合、Ｔｓｒｅｆ＝３５０℃とする。また、センサ出力が「Ａ／Ｆ出力」の場合、
・Ａ／Ｆ出力＝ストイキ値であればＴｓｒｅｆ＝６５０℃とし、
・Ａ／Ｆ出力＝リーン値であればＴｓｒｅｆ＝７２０℃とし、
・Ａ／Ｆ出力＝リッチ値であればＴｓｒｅｆ＝７００℃とする。
【００８１】
本構成においても、広域な空燃比検出範囲内で高精度なセンサ出力が得られる、ヒータ電力が低減され省電力化が実現できる、等々の優れた効果が得られることに変わりない。
【００８２】
（第３の実施の形態）
図１５は第３の実施の形態における素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャートであり、この図１５では既述の素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチン（図７，図１４）との共通部分を省略し、変更部分のみを示す。図１５のステップ４０１〜４０３は、例えば前記図１４のステップ３０３〜３０６の処理に置き換えて実行される。なお、図１５の処理はリーン空燃比制御を前提としており、リッチ域での空燃比制御については省略している。
【００８３】
図１５において、ステップ４０１では、Ａ／Ｆセンサ３０のＡ／Ｆ出力レンジを判別する。Ａ／Ｆ出力に基づいてストイキ近傍領域での空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施される場合には、ステップ４０２に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７００℃」とする。また、Ａ／Ｆ出力に基づいてリーン領域でのリーンＦ／Ｂ制御が実施される場合には、ステップ４０３に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７２０℃」とする。
【００８４】
以上第３の実施の形態によれば、上記各実施の形態と同様に、ヒータ使用時における省電力化を達成しつつ、必要に応じてＡ／Ｆセンサ３０を所望の活性状態で維持することで適正なセンサ出力を確保することができる等の優れた効果が得られる。
【００８５】
（第４の実施の形態）
上記第２の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０によるＡ／Ｆ出力を用いて空燃比制御を実施する場合に、その制御域に応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを可変に設定したが、その他に、同Ａ／Ｆ出力により燃料カット（Ｆ／Ｃ）時における極リーン状態を検出することがあり、る。その場合にもＦ／Ｃ時の本来のセンサ出力を得るにはその状態に即した素子温目標値を設定する必要がある。
【００８６】
つまり、図１７に示されるように、Ｆ／Ｃ時において大気状態を検出する際には、通常リーン領域（Ａ／Ｆ＝１８〜２３付近）での目標温度よりも高い所定温度まで素子温を上昇させないと本来のセンサ出力が得られない。換言すれば、大気検出時には排ガス成分のリーン度合が非常に大きいため、正常出力を得るための目標温度を比較的高温に設定する必要がある。
【００８７】
図１６は本実施の形態における素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャートであり、この図１６では既述の素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチン（図７，図１４）との共通部分を省略し、変更部分のみを示す。図１６のステップ５０１〜５０４は、例えば前記図１４のステップ３０３〜３０６の処理に置き換えて実行される。
【００８８】
図１６において、ステップ５０１では、Ａ／Ｆセンサ３０の出力信号の形態を判定する。この場合、エンジン制御用マイコン１６から送信される空燃比制御データやＦ／Ｃ制御データ等に基づき、センサ出力が「Ａ／Ｆ検出状態」、「Ｆ／Ｃ検出状態」又は「Ｆ／Ｃ非検出状態」の何れに相当するかを判別する。そして、Ａ／Ｆ検出状態であれば、ステップ５０２で素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７００℃」とし、Ｆ／Ｃ検出状態であれば、ステップ５０３で素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７５０℃」とし、Ｆ／Ｃ非検出状態であれば、ステップ５０４で素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「６００℃」とする。
【００８９】
なおＦ／Ｃ非検出状態とは、Ａ／Ｆ検出状態でなく且つＦ／Ｃ検出状態でもない状態のことを言い、詳しくは、Ｆ／Ｃ制御などによりＡ／Ｆセンサ３０の出力電流が大きくなった場合に、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧を抑制してＦ／Ｃ検出を停止し、出力電流をＡ／Ｆ出力とＦ／Ｃ出力との間の電流値に制御することを言う。これにより、この電流信号が電流検出回路５０に長時間入力されて内部回路が発熱したり、Ａ／Ｆセンサ３０からの信号が電圧検出回路５０の検出範囲を超えたりするといった不都合な事態が回避される。
【００９０】
以上第４の実施の形態によれば、上記各実施の形態と同様に、ヒータ使用時における省電力化を達成しつつ、必要に応じてＡ／Ｆセンサ３０を所望の活性状態で維持することで適正なセンサ出力を確保することができる等の優れた効果が得られる。また、Ｆ／Ｃ時の空燃比が正確に検出できるようになる。
【００９１】
（第５の実施の形態）
本実施の形態では、ＮＯｘ濃度の検出と同時に酸素濃度の検出が可能な、いわゆる複合型ガスセンサとしてのガス濃度センサ（ＮＯｘセンサ）への適用例について説明する。
【００９２】
先ずは図１８を用いてガス濃度センサの構成を説明する。図１８のガス濃度センサ１００は、酸素濃度を検出するためのポンプセル１１０と、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセル１２０とを有し、２セル構造を持つものとして構成される。
【００９３】
図１８において、ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１０、多孔質拡散層１０１、センサセル１２０、大気ダクト１０２及びヒータ１０３を要件とし、これら各部材が積層されて成る。なお、同センサ１００は図の右端部にてエンジン排気管に取り付けられ、その上下面及び左面が排ガスに晒されるようになっている。
【００９４】
より詳細には、ポンプセル１１０は多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設置される。ポンプセル１１０の排ガス側（図の上側）にはポンプ第１電極１１１が設置され、多孔質拡散層１０１側（図の下側）にはポンプ第２電極１１２が設置される。また、センサセル１２０は多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に設置される。センサセル１２０の多孔質拡散層１０１側（図の上側）にはセンサ第１電極１２１が設置され、大気ダクト１０２側（図の下側）にはセンサ第２電極１２２が設置される。そして、多孔質拡散層１０１には図の左側から排ガスが導入されて図の右方へと流通する。
【００９５】
ポンプセル１１０及びセンサセル１２０は積層して形成された固体電解質を有し、これら固体電解質はＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼成体からなる。また、多孔質拡散層１０１は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。
【００９６】
ポンプセル１１０の排ガス側のポンプ第１電極１１１と、センサセル１２０のセンサ第１，第２電極１２１，１２２とは、白金Ｐｔ等の触媒活性の高い貴金属からなる。一方、ポンプセル１１０の多孔質拡散層１０１側のポンプ第２電極１１２は、ＮＯｘガスに不活性な（ＮＯｘガスを分解し難い）Ａｕ−Ｐｔ等の貴金属からなる。
【００９７】
ヒータ１０３は絶縁層１０４に埋設され、この絶縁層１０４とセンサセル１２０との間に大気ダクト１０２が構成される。基準ガス室を構成する大気ダクト１０２には外部から大気が導入され、その大気は酸素濃度の基準となる基準ガスとして用いられる。絶縁層１０４はアルミナ等にて形成され、ヒータ１０３は白金とアルミナ等のサーメットにて形成される。ヒータ１０３はポンプセル１１０やセンサセル１２０を含めセンサ全体（電極含む）を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。
【００９８】
上記構成のガス濃度センサ１００においては、多孔質拡散層１０１に図の左側から排ガス成分が導入され、その排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、当該ポンプセル１１０に電圧を印加することで分解反応が起こる。このとき、既述の通りポンプセル１１０のポンプ第２電極１１２がＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）で形成されるため、排ガス中の酸素のみがポンプセル１１０で分解され、ポンプ第１電極１１１から排ガス中に排出される。そして、ポンプセル１１０に流れた電流が排ガス中に含まれる酸素濃度として検出され、その検出値が例えばＥＣＵ１５（空燃比検出用マイコン２０）に入力される。
【００９９】
また、排ガス中の酸素はポンプセル１１０で完全に分解されず、その一部はそのままセンサセル近傍まで流通する。そして、センサセル１２０に電圧を印加することにより、残留酸素とＮＯｘとが反応してＮＯｘが分解される。つまり、ＮＯｘがセンサセル１２０のセンサ第１電極１２１で分解され、センサセル１２０を介してセンサ第２電極１２２から大気ダクト１０２の大気中に排出される。このとき、センサセル１２０に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として検出され、その検出値が例えばＥＣＵ１５（空燃比検出用マイコン２０）に入力される。
【０１００】
上記構成のセンサ１００を備えるガス濃度検出装置において、ＥＣＵ１５（空燃比検出用マイコン２０）は以下のようにヒータ通電を制御する。
図１９は本実施の形態における素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャートであり、この図１９では既述の素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチン（図７，図１４等）との共通部分を省略し、変更部分のみを示す。図１９のステップ６０１〜６０４は、例えば前記図１４のステップ３０１〜３０６の処理に置き換えて実行される。
【０１０１】
図１９において、ステップ６０１では、ガス濃度センサ１００の出力信号の形態を判定する。この場合、エンジン制御用マイコン１６から送信される空燃比制御データ等に基づき、「Ｏ2 出力」であるか、「Ａ／Ｆ出力」であるか、又は「ＮＯｘ出力」であるかを判別する。そして、センサ出力が「Ｏ2 出力」であれば、ステップ６０２に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「３５０℃」とし、センサ出力が「Ａ／Ｆ出力」であれば、ステップ６０３に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７００℃」とし、センサ出力が「ＮＯｘ出力」であれば、ステップ６０４に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７８０℃」とする。但し、Ａ／Ｆ出力とＮＯｘ出力とがセンサから同時に取得できる場合には、高い方の素子温目標値Ｔｓｒｅｆ（すなわち、７８０℃）を使う。
【０１０２】
以上第５の実施の形態によれば、ガス濃度センサ１００による信号出力の種類に応じて適正なセンサ出力を得るための活性温度が相違しても、センサ出力が何れであるかに応じて素子温目標値Ｔｓｒｅｆを変えて設定することにより、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。なお本実施の形態では、ＥＣＵ１５（空燃比検出用マイコン２０）により出力判定手段が構成される。
【０１０３】
一方、前記図１８のガス濃度センサ（ＮＯｘセンサ）１００は２セル構造であったが、勿論３セル構造のセンサでもよい。３セル構造のガス濃度センサ（ＮＯｘセンサ）２００を図２０を参照して説明する。図２０のガス濃度センサ２００において、酸素ポンプセル２１０は固体電解質ＳＥＡとその両面の一対の電極２１１，２１２とからなる。固体電解質ＳＥＡ及び電極２１１，２１２には所定寸法のピンホール２１３が形成されている。符号２１４は多孔質保護層である。
【０１０４】
酸素検知セル２２０は固体電解質ＳＥＢとその両面の一対の電極２２１，２２２からなる。電極２２１は例えば多孔質Ｐｔ電極からなり、電極２２２は酸素ポンプセル２１０の電極２１２と同様、ＮＯｘの還元に対して不活性で且つ酸素の還元に対して活性であるように電極活性が調整されている。また、ＮＯｘ検知セル２３０は前記酸素検知セル２２０と共通の固体電解質ＳＥＢとその両面の一対の電極２３１，２３２からなる。電極２３１は例えば多孔質Ｐｔ電極からなり、電極２３２はＮＯｘの還元に対して活性な例えば多孔質Ｐｔ電極からなる。
【０１０５】
固体電解質ＳＥＡ，ＳＥＢの間には、連通孔２４３を介して隣接する第１内部空間２４１及び第２内部空間２４２が形成されている。固体電解質ＳＥＢの裏面側には大気通路２４４が形成され、さらに各セルを加熱するためのヒータ２４５が積層されている。
【０１０６】
上記構成のガス濃度センサ２００において、排ガスはピンホール２１３を通って第１内部空間２４１に導入される。酸素検知セル２２０では電極２２１，２２２の両側の酸素濃度差に基づく起電力が発生する。この起電力の大きさを測定することで、第１の内部空間２４１内の酸素濃度が検出される。
【０１０７】
酸素ポンプセル２１０では電極２１１，２１２間に電圧が印加されることで、第１内部空間２４１内の酸素が出し入れされて同内部空間２４１内の酸素濃度が所定の低濃度に制御される。酸素ポンプセル２１０への通電量は、酸素検知セル２２０の電極２２１，２２２間に発生する起電力が所定の一定値となるようにフィードバック制御される。ここで、第１内部空間２４１に面する電極２１２，２２２はＮＯｘの還元に対しては不活性であるため、第１内部空間２４１内ではＮＯｘは分解されず、第１内部空間２４１内のＮＯｘ量が変化することはない。
【０１０８】
酸素ポンプセル２１０及び酸素検知セル２２０により一定の低酸素濃度となった排ガスは、連通孔２４３を通って第２内部空間２４２内に導入される。第２内部空間２４２に面するＮＯｘ検知セル２３０は、ＮＯｘに対して活性であるので、電極２３１，２３２間に所定の電圧が印加されると電極２３２上でＮＯｘが還元分解され、酸素イオン電流が流れる。この電流値が測定されることで排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【０１０９】
以上図２０の構成のガス濃度センサ２００においても、前記図１９のような処理を実行することにより、既述通りの優れた効果が得られる。すなわち、センサ出力の種類に応じて適正なセンサ出力を得るための活性温度が相違しても、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。
【０１１０】
（第６の実施の形態）
本発明のガス濃度検出装置をハイブリッド車に適用する。ハイブリッド車は、例えばパラレル方式又はシリアル方式で駆動連結されるエンジンとモータとを備え、それら両方の出力を併用して車両が走行されるよう構成される。また、エンジンの排気管には前述のＡ／Ｆセンサ３０が配設され、そのセンサ出力がコントローラに取り込まれて空燃比Ｆ／Ｂ制御が実施されるようになっている。
【０１１１】
図２１は本実施の形態における素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャートであり、この図２１では既述の素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチン（図７，図１４等）との共通部分を省略し、変更部分のみを示す。図２１のステップ７０１〜７０３は、例えば前記図１４のステップ３０３〜３０６の処理に置き換えて実行される。
【０１１２】
図２１において、ステップ７０１では、ハイブリッド車の運転状態を判定する。そして、エンジンとモータとが共に運転される場合には、ステップ７０２に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「７００℃」とする。また、エンジンが停止されてモータのみが駆動される場合には、ステップ７０３に進んで素子温目標値Ｔｓｒｅｆを「６００℃」とする。
【０１１３】
以上第６の実施の形態によれば、既述の各実施の形態と同様に、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。特にハイブリッド車の場合、使用電力が燃費に及ぼす影響がより一層増大するが、省電力化に伴い燃費改善が実現できる。因みに、エンジン停止時に素子温目標値Ｔｓｒｅｆを低下させる構成以外に、アイドル運転時など空燃比Ｆ／Ｂ制御を実施しない時に同様に素子温目標値Ｔｓｒｅｆを低下させたり、ヒータ通電を停止させたりしてもよい（Ｄｕｔｙ＝０％とする）。
【０１１４】
なお、本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記各実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０（或いはガス濃度センサ１００，２００）の素子温Ｔｓに応じてヒータのＦ／Ｂ制御を実施したが、これを以下のように変更する。
【０１１５】
（イ）センサ素子の内部抵抗に応じてヒータのＦ／Ｂ制御を実施する。この場合、例えば空燃比Ｆ／Ｂの実施時には内部抵抗の目標値を比較的低くして適正なセンサ出力を確保し、空燃比Ｆ／Ｂの非実施時には内部抵抗の目標値を比較的高くして省電力化を図る。或いは、リーン制御時又はリッチ制御時には内部抵抗の目標値を比較的低くし、ストイキ制御時には内部抵抗の目標値を比較的高くする。
【０１１６】
（ロ）ヒータの温度又は抵抗値に応じてヒータのＦ／Ｂ制御を実施する。この場合、例えば空燃比Ｆ／Ｂの実施時にはヒータ温度又は抵抗値の目標値を比較的高くして適正なセンサ出力を確保し、空燃比Ｆ／Ｂの非実施時にはヒータ温度又は抵抗値の目標値を比較的低くして省電力化を図る。或いは、リーン制御時又はリッチ制御時にはヒータ温度又は抵抗値の目標値を比較的高くし、ストイキ制御時にはヒータ温度又は抵抗値の目標値を比較的低くする。因みに、ヒータは通常、温度が上昇するほど抵抗値が大きくなる特性を有する。
【０１１７】
（ハ）ヒータの供給電力に応じてヒータのＦ／Ｂ制御を実施する。この場合、例えば空燃比Ｆ／Ｂの実施時にはヒータ電力の目標値を比較的高くして適正なセンサ出力を確保し、空燃比Ｆ／Ｂの非実施時にはヒータ電力の目標値を比較的低くして省電力化を図る。或いは、リーン制御時又はリッチ制御時にはヒータ電力の目標値を比較的高くし、ストイキ制御時にはヒータ電力の目標値を比較的低くする。
【０１１８】
（ニ）例えば空燃比Ｆ／Ｂの実施時か否か、或いはストイキ制御時か否か等の条件に応じて、デューティ比制御信号Ｄｕｔｙを可変に設定し、該設定したＤｕｔｙ信号に基づいてヒータ制御を実行する。
【０１１９】
上記（イ）〜（ニ）の何れの構成においても、センサの使用温度を変えることにより、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。
【０１２０】
また上記実施の形態では、掃引法を用いて交流素子インピーダンスＺａｃを検出したが、この構成を変更する。例えば交流素子インピーダンスＺａｃに代えて直流素子抵抗Ｒｉを検出し、そのＲｉ値に応じてヒータのＦ／Ｂ制御を実施してもよい。
【０１２１】
Ａ／Ｆセンサの出力（限界電流信号）又は空燃比の制御域がストイキ、リーン、リッチの何れであるかに応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を可変に設定する際、例えば図２２の関係を用いて当該目標温度をマップ検索して求める。図２２によれば、ストイキ近傍で最も目標温度が低く、リーン側へ又はリッチ側へストイキから離れるほど、目標温度が高くなる。こうした構成においても、既述通りの優れた効果が得られる。
【０１２２】
上記第１〜第６の各実施の形態では、ガス濃度センサの使用環境や用途に応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を可変に設定する手法として、
（１）空燃比Ｆ／Ｂ制御の実施条件の成立時と不成立時とで目標温度を変えて設定する。
（２）センサ出力が使用されるか否かに応じて目標温度を変えて設定する。
（３）センサ劣化度合に応じて目標温度を補正する。
（４）バッテリ電圧に応じて目標温度（Ｄｕｔｙ）を補正する。
（５）センサ出力に対応する空燃比（検出レンジ）に応じて目標温度を変えて設定する。
（６）センサ出力がＯ2 出力、Ａ／Ｆ出力、ＮＯｘ出力の何れであるかに応じて目標温度を変えて設定する。
（７）ハイブリッド車において、エンジンの空燃比Ｆ／Ｂ制御が有用か否かに応じて目標温度を変えて設定する。
といった各手法を適宜組み合わせて実施したが、その組み合わせは任意であり、既述した構成以外にも上記（１）〜（７）を必要に応じて組み合わせて実現してもよい。何れにしても本発明によれば、ヒータ使用時における省電力化を達成しつつ、必要に応じてガス濃度センサを所望の活性状態で維持することで適正なセンサ出力を確保することができる。また、省電力化が実現できることから、エンジンの燃費改善も併せて実現できる。
【０１２３】
またその他に、エンジンの冷間始動時における暖機当初からセンサ出力が必要であるか否かを判別し、暖機当初からセンサ出力が必要であれば、センサ素子又はヒータの目標温度を高くして昇温速度を大きくし、そうでなければセンサ素子又はヒータの目標温度を低くして昇温速度を小さくする（排気温による加熱を利用する）、といった構成も可能である。
【０１２４】
上記第１の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の劣化状態に応じてデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを補正する際、センサ出力が標準値に対して増大しているか又は減少しているかに応じて劣化補正係数を設定したが（図７のステップ２０６，２０７、図１０）、これを変更する。例えば排気温が安定した状態下でその時の素子内部抵抗とヒータ供給電力との関係からＡ／Ｆセンサ３０の劣化度合を判定する。そして、同一のヒータ供給電力に対して素子内部抵抗が過大になるようなセンサ劣化時にはその時のデューティ比制御信号Ｄｕｔｙを増大側に補正する。
【０１２５】
勿論、素子温目標値Ｔｓｒｅｆは上記具体値に限定されずその都度、変更して設定されればよい。
上記第１〜第４の実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０として１セル式の限界電流式酸素濃度センサを用いたが、これに限定されず２セル式の酸素濃度センサでもよい。また、コップ型の酸素濃度センサに限定されず積層型の酸素濃度センサでもよい。
【０１２６】
ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、空燃比をフィードバック制御する構成としてもよい。つまり、ＮＯｘセンサの信号出力に基づいて現状の空燃比をモニタし、その空燃比が目標値に一致するようフィードバック制御を行う。この場合にも同様に、フィードバック制御を実施するか否かに応じてセンサ素子又はヒータの目標温度を可変に設定すればよい。
【０１２７】
上述した空燃比制御システムでは、エンジンの排気管にＡ／Ｆセンサを配設し、該Ａ／Ｆセンサにより排ガス中の酸素濃度を検出したが、この構成を変更する。上記排気側のＡ／Ｆセンサに代えて又はそれに加えて、エンジンの吸気管にＡ／Ｆセンサを配設し、該Ａ／Ｆセンサにより吸入ガス中の酸素濃度を検出する。そして、吸入ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比をフィードバック制御する。
【０１２８】
より具体的には、排ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）を備える車両において、吸気側に配設されたＡ／Ｆセンサの検出結果によりＥＧＲ装置を制御し、その制御結果を反映して空燃比を制御する。この場合、Ａ／Ｆセンサの信号出力を使用する時（ＥＧＲ制御を行う時）と使用しない時（ＥＧＲ制御を行わない時）とでセンサ素子又はヒータの目標温度を変更することとし、後者の場合にはセンサ素子又はヒータの目標温度を低めに設定する。特にハイブリッド車では、エンジンが運転停止してモータ駆動だけを行う場合にＥＧＲ制御を必要としないため、その場合にセンサ素子又はヒータの目標温度を低くする。或いは、ＥＧＲ制御しない時に、ヒータ通電自体を停止してもよい。
【０１２９】
また、燃料タンクでの燃料蒸気（エバポガス）をキャニスタに一旦蓄え、その後、エンジンの吸気管に放出する、いわゆるエバポパージ制御を行う装置では、吸気管に設けられたＡ／Ｆセンサによりエバポガスのリッチ度合いを監視し、それに応じて燃料噴射量を補正する。かかる装置において、エバポパージを行う時はＡ／Ｆセンサのヒータを比較的高い温度で制御し、エバポパージを行わない時はＡ／Ｆセンサのヒータを低い温度で制御する、或いはヒータ通電を停止する。何れにしても、ヒータ使用時における省電力化を図りつつ、適正なセンサ出力を確保することができる。
【０１３０】
ガス濃度検出装置に用いるガス濃度センサとして、酸素濃度を検出するＡ／Ｆセンサ３０と、窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するガス濃度センサ１００，２００とについて述べたが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その他、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）等のガス濃度を検出するガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置にも同様に適用することができる。
【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センサの出力特性を示す図。
【図３】センサ電流とＡ／Ｆとの関係を示す図。
【図４】メインルーチンを示すフローチャート。
【図５】素子インピーダンス検出ルーチンを示すフローチャート。
【図６】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。
【図７】素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャート。
【図８】インピーダンス検出時の電圧及び電流の変化を示す波形図。
【図９】素子温と素子インピーダンスとの関係を示す図。
【図１０】劣化補正係数を設定するための図。
【図１１】＋Ｂ補正ゲインを設定するための図。
【図１２】素子温とＡ／Ｆ検出範囲との関係を示す図。
【図１３】素子温と所定のＡ／Ｆに対応するセンサ出力との関係を示す図。
【図１４】第２の実施の形態において素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンを示すフローチャート。
【図１５】第３の実施の形態において素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンの一部を示すフローチャート。
【図１６】第４の実施の形態において素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンの一部を示すフローチャート。
【図１７】素子温と所定のＡ／Ｆに対応するセンサ出力との関係を示す図。
【図１８】第５の実施の形態において２セル構造のガス濃度センサの構成を示す要部断面図。
【図１９】第５の実施の形態において素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンの一部を示すフローチャート。
【図２０】３セル構造のガス濃度センサの構成を示す要部断面図。
【図２１】第６の実施の形態において素子温Ｆ／Ｂ制御サブルーチンの一部を示すフローチャート。
【図２２】Ａ／Ｆとセンサ素子又はヒータの目標温度との関係を示す図。
【符号の説明】
１０…燃焼機関としてのエンジン、１３…排気管、１５…ＥＣＵ、２０…設定手段，ヒータ制御手段，条件判定手段，出力判定手段，劣化検出手段を構成する空燃比検出用マイコン、３０…ガス濃度センサ（酸素センサ）としてのＡ／Ｆセンサ、３１…固体電解質、３５…ヒータ、１００，２００…ガス濃度センサ（複合型ガスセンサ）、１０３，２４５…ヒータ。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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