JP2004251891A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたってガス濃度の検出精度の向上を図ること。
【解決手段】Ａ／Ｆセンサのセンサ素子１０はガス拡散律速部、固体電解質体及び一対の電極を有し、該センサ素子１０への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流が流れる。印加電圧制御回路３０は、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいてセンサ素子１０に対する印加電圧を制御する。この場合、広域の空燃比検出範囲内において各空燃比での限界電流域の幅に基づき印加電圧特性が設定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被検出ガス中の特定成分濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。

例えば車両用エンジンより排出される排ガスを被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。当該Ａ／Ｆセンサの出力特性を図３に示す。図３によれば、電圧軸に対して平行な平坦領域、すなわち素子電流Ｉｐ（限界電流）が一定となる限界電流域が存在し、この限界電流域は概ね酸素濃度が高くなるほど高電圧側にシフトする。

ここで、空燃比を正確に検出するには、センサ素子に対する印加電圧Ｖｐを限界電流域上で正しく制御する必要があり、一般には、一次直線よりなる印加電圧線（図３のＲＧ）を設定しておき、印加電圧線ＲＧ上でその都度の素子電流Ｉｐに応じて印加電圧Ｖｐを決定することとしていた。なお、限界電流域を外れてセンサ素子に電圧が印加される場合、低電圧側に外れると空燃比が小さい値に誤認されるおそれが生じ、高電圧側に外れると固体電解質体（ジルコニアＺｒＯ₂）の破損のおそれが生じる。

一方で、印加電圧制御回路にて印加電圧Ｖｐを制御する場合、回路構成上のゲインが「１」を超えると印加電圧Ｖｐが発振し、ひいては空燃比の検出精度に悪影響を及ぼす可能性があった。つまり、印加電圧特性は素子電流Ｉｐが増加すると印加電圧Ｖｐが増加するといった正帰還フィードバックとなっていること、ノイズなどの高周波数成分がセンサに加わるとセンサ固有のインピーダンス特性によりインピーダンス値が変化し、センサ素子のゲインが大きくなること、等が原因で印加電圧Ｖｐが発振してしまう。

この問題を解消すべく、例えば特許文献１に開示されたガス濃度検出装置が提案されている。このガス濃度検出装置では、印加電圧線ＲＧの傾きをセンサ素子の交流インピーダンスにて規定される傾きよりも大きくしたり（すなわち印加電圧線ＲＧを立たせたり）、同印加電圧線ＲＧを直流内部抵抗Ｒｉによる傾き（いわゆる抵抗支配域の傾き）に対して平行に設定したりする手法が提案されている。これにより、印加電圧制御回路及びセンサを含むフィードバック系全体でゲインを１以下にし、印加電圧の発振を防ぐようにしている。なお、センサ素子の直流内部抵抗と交流インピーダンスとは、「直流内部抵抗＞素子インピーダンス」の関係があることが一般に知られている。
特開２０００−８１４１３号公報

近年では、例えば自動車の排ガス規制や異常検出規制（ＯＢＤ等）が益々強化されつつあり、それらの要請から空燃比検出範囲のリーン側を大気状態にまで拡張させる必要が生じている。また、排気系に装備したＮＯｘ吸蔵還元型触媒に関してＮＯｘ吸蔵能力の回復や硫黄被毒再生等を図るべくリッチ燃焼制御を精度良く実施することや、燃費向上を目的としてエンジン高負荷時のリッチ燃焼制御を精度良く実施することも重要になってきている。こうした実情から、空燃比検出範囲を拡張して広域での空燃比検出を可能とし、更に同検出範囲内における空燃比の検出精度を高めることが強く要望されている。

しかしながら、上記の如く空燃比検出範囲を広域に設定する場合、当該検出範囲の上限付近又は下限付近での検出精度が低下するという問題が生ずる。特に大気状態やＡ／Ｆ１０のようにストイキから著しく離れた領域では印加電圧を前記の如く制御していては空燃比を精度良く検出できないことがある。つまり、広域の空燃比検出範囲では、限界電流域の幅が必ずしも一定でないことが本願発明者らにより今回確認され、これが原因で空燃比の検出精度が低下すると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたってガス濃度の検出精度の向上を図ることができるガス濃度検出装置を提供することである。

請求項１に記載のガス濃度検出装置では、限界電流式のガス濃度センサを適用しており、そのガス濃度センサによれば、センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流（限界電流）が流れる。また、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧が制御されると共に、ガス濃度センサの限界電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度が広域に検出される。また特に、ガス濃度検出範囲において各濃度レベルでの限界電流域の幅に基づき前記印加電圧特性が設定されている。

要するに、広域なガス濃度検出範囲内でガス濃度が変化すると、一次直線的に規定した印加電圧特性（センサ印加電圧と素子電流との関係を規定した印加電圧特性）に基づいて印加電圧を制御する際、限界電流域から外れて印加電圧が設定されることが起こりえる。かかる事態に対し、本願発明者らは濃度レベルに応じて限界電流域の幅（電圧軸上の幅）が相違することを確認したことから、各濃度レベルでの限界電流域の幅に基づき印加電圧特性を設定することとした。これにより、広域なガス濃度検出範囲内でガス濃度が変化しても、限界電流域から外れて印加電圧が設定されることはない。その結果、印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたってガス濃度の検出精度の向上を図ることができる。

また、請求項２に記載のガス濃度検出装置では、センサ素子の電極に印加電圧制御部と素子電流検出部とが接続されており、印加電圧制御部により、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧が制御され、素子電流検出部により、広域に設けたガス濃度検出範囲で被検出ガス中の特定成分濃度に応じた素子電流出力が検出される。また特に、印加電圧制御部には、ガス濃度検出範囲において各濃度レベルでの限界電流域の幅に基づき前記印加電圧特性が設定されている。

請求項２の発明においても前記請求項１と同様に、広域なガス濃度検出範囲内でガス濃度が変化しても、限界電流域から外れて印加電圧が設定されることはない。その結果、印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたってガス濃度の検出精度の向上を図ることができる。

印加電圧特性としての印加電圧線を設定する場合、請求項３又は４の如く構成されると良い。
・請求項３に記載の発明では、ガス濃度検出範囲において上限又はその付近で限界電流域上の１点を指定すると共に下限又はその付近で限界電流域上の１点を指定し、それぞれ指定した各点を通るようにして印加電圧特性としての印加電圧線を設定した。
・請求項４に記載の発明では、ガス濃度検出範囲を複数に区分し、該区分した各々の検出範囲において上限又はその付近で限界電流域上の１点を指定すると共に下限又はその付近で限界電流域上の１点を指定し、それぞれ指定した各点を通るようにして印加電圧特性としての印加電圧線を設定した。

上記請求項３，４の発明では、広域なガス濃度検出範囲内において限界電流域を確実に通る印加電圧線が設定できるようになる。

特定成分以外が分解等されると、その影響で素子電流が変化することが考えられる。そこで、請求項５に記載したように、電流変化量を規制して前記限界電流域を決め、当該限界電流域の中間点を通るようにして印加電圧特性を設定すると良い。これにより、特定成分以外の成分の反応による影響が排除でき、適正なる印加電圧制御が実施できる。

センサ出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を詳しく解析すると、印加電圧を上昇させるのに伴い、ガス拡散が制約されつつ当該印加電圧とセンサ素子の起電力とがバランスして素子電流が一定となり始める点と、特定成分に加えてガス中の水までもが分解され、その水分解により素子電流が増加し始める点が存在する。そこで、請求項６に記載したように、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する第１電圧点と被検出ガスに含まれる水の分解が始まる第２電圧点との間を限界電流域とすると良い。

また、請求項７に記載したように、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する第１電圧点と、被検出ガスに含まれる未燃成分のうち反応しにくい成分の残留により素子電流が増加する第２電圧点との間を限界電流域とすると良い。未燃成分には組成の異なる様々な成分が含まれ、成分毎に反応（分解）のしやすさが異なる。故に、未燃成分の残留により、限界電流域の終点付近（高電圧側）で素子電流が増加する。

上記請求項６又は７においては請求項８に記載したように、前記第１電圧点及び第２電圧点の中間点を指定して印加電圧特性としての印加電圧線を設定すると良い。この場合、第１電圧点と第２電圧点との間を通るようにして印加電圧線が設定され、その結果、限界電流域にて確実に印加電圧が制御されるようになる。

また、水の分解による素子電流の増加は水の量等により決まるが、水の分解電流も含めて素子電流が検出されるとその分検出誤差が発生する。故に、請求項９に記載したように、センサ出力特性上、印加電圧に対して素子電流がほぼ一定となる電圧範囲のうち、被検出ガスに含まれる水が分解される電圧範囲を除いた電圧範囲を限界電流域とすると良い。

センサ素子の出力特性を示すＶ−Ｉ座標上においては、センサ素子の直流内部抵抗に応じて抵抗支配域の傾き（Ｉ／Ｖ）が決まり、従来一般にはこの抵抗支配域の傾きに一致させるようにして印加電圧線が設定される。これに対して、請求項１０に記載の発明では、抵抗支配域の傾き（Ｉ／Ｖ）よりも、印加電圧特性としての印加電圧線の傾き（Ｉ／Ｖ）を小さくした。すなわち、横軸を電圧、縦軸を電流とするＶ−Ｉ座標上において、抵抗支配域よりも印加電圧線を寝かせるようにした。素子電流出力（Ｉ）が大きい領域では限界電流域の幅が広く、素子電流出力（Ｉ）が小さい領域では限界電流域の幅が狭くなる傾向にあるため、上記の如く印加電圧線の傾きを小さくすれば、限界電流域を確実に通るようにして印加電圧線を設定することができる。

ガス濃度検出範囲内には、限界電流域の幅がほぼ均等となる範囲と、相違する範囲とが存在することも考えられる。そこで、請求項１１に記載したように、限界電流域の幅がほぼ均等となるガス濃度検出範囲と同限界電流域の幅が相違するガス濃度検出範囲とで、各々異なる印加電圧特性を設定すると良い。

請求項１２に記載の発明では、前記センサ素子の温度条件が相違する複数のセンサ出力特性において限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線を設定した。つまり、温度環境等によりセンサ素子が加熱又は冷却されてその温度条件が相違すると、Ｖ−Ｉ座標上におけるセンサ出力特性が立った状態又は寝た状態となり、限界電流域も電圧軸に沿ってシフトする。かかる実状において本発明によれば、どの素子温でも共通となる限界電流域を通して印加電圧線を設定することができ、素子温の変化に関わらず常に限界電流域を外さない印加電圧制御が可能となる。また、印加電圧線を１本設定するだけで、素子温の変化に対応させることができるため、素子温に対応させて複数の印加電圧線を用意する場合に比べて回路構成の簡略化等が実現できる。

上記請求項１２の発明では請求項１３に記載したように、前記センサ素子の使用環境において実際とりうる温度範囲内の最低温度の出力特性と最高温度の出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線を設定すると良い。

センサ素子の特性は使用に伴い経時変化するため、この経時変化を予め考慮して印加電圧特性を規定しておくと良い。つまり、請求項１４に記載したように、前記センサ素子の初期出力特性と経時変化後の推定出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線を設定しておく。これにより、経時変化後にも適正なる印加電圧制御が可能となり、長期にわたってガス濃度の検出精度を維持することができる。

上記請求項１４の発明では請求項１５に記載したように、経時変化後の推定出力特性は、素子電流出力の使用が許容される劣化許容限界での推定出力特性であると良い。

請求項１６に記載の発明では、予め規定したガス濃度検出範囲より外れた領域において、センサ特性線と印加電圧線とが交差しないようにしている。これにより、ガス濃度の誤検出や固体電解質体（ジルコニア）の破損を防止することができる。

請求項１７に記載の発明では、前記素子電流が予め規定した規定範囲外となることを検出する過電流検出手段を設け、該過電流検出手段により規定範囲外の素子電流が検出された時に前記印加電圧特性を変更する。これにより、ノイズや一時的な短絡、地絡等により素子電流が予め規定した規定範囲外となった場合において、センサ素子に対する過剰な電圧印加を抑制することが可能となり、センサ保護を図ることができる。なお、前記規定範囲は、ガス濃度検出範囲に対応するよう設定されると良い。

規定範囲外の素子電流が検出された場合、前記印加電圧特性を、センサ素子への過剰な電圧印加を抑制するための電圧制限用の印加電圧特性に変更すれば、センサ保護を図る上で望ましいが、ノイズや一時的な短絡、地絡等により瞬間的に素子電流が変化する際に不用意に印加電圧特性が変更されると、急激な印加電圧の変更等によってガス濃度の検出精度が低下するおそれがある。そこで、請求項１８に記載したように、前記規定範囲外の素子電流が検出された時に前記印加電圧特性の変更タイミングを遅らせると良い。これにより、瞬間的な（極短時間の）素子電流変化では印加電圧特性が変更されず、結果的にガス濃度の検出精度が維持できる。

請求項１９に記載の発明では、印加電圧制御回路により素子電流に基づいて印加電圧がフィードバック制御される。この場合特に、前記設定した印加電圧特性に基づき印加電圧が制御されるため、ガス濃度や素子温等の条件が変化しても、限界電流域から外れて印加電圧が設定されることはなく、広域なガス濃度検出範囲にわたって印加電圧制御を精度良く実施することができる。

上記の如く印加電圧特性（印加電圧線）を設定すると、場合によってはセンサ素子の直流内部抵抗により規定される傾きよりも印加電圧線が寝た状態となることから、印加電圧制御回路においてフィードバックゲインが１を超え、印加電圧が発振してしまうことも考えられる。そこで、請求項２０に記載したように、印加電圧の変化を規制するための電圧変化規制手段を設け、印加電圧の発振を防止する構成としても良い。この場合要は、印加電圧制御回路のゲインを１以下にすれば良く、その手段としてローパスフィルタ（ＬＰＦ）を設けること等が考えられる。

一方、請求項２１，２２に記載の発明では、所定の濃度範囲において各濃度レベルでの限界電流域の低電圧側の端点を結ぶ低電圧側特性と、同限界電流域の高電圧側の端点を結ぶ高電圧側特性とを規定し、これら各特性の傾きの中間となる傾きにより前記印加電圧特性を設定した。本発明でも請求項１の発明と同様に、広域なガス濃度検出範囲内でガス濃度が変化しても、限界電流域から外れて印加電圧が設定されることはない。その結果、印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたってガス濃度の検出精度の向上を図ることができるようになる。

また、請求項２３に記載の発明では、前記低電圧側特性は、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点により規定され、前記高電圧側特性は、被検出ガスに含まれる水の分解が始まる電圧点により規定される。この場合、水の分解領域を含まない領域で素子電流が検出でき、その検出精度が向上する。

請求項２４に記載の発明では、燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として特定成分濃度を検出するガス濃度検出装置であって、前記低電圧側特性は、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点により規定され、前記高電圧側特性は、被検出ガスに含まれる未燃成分のうち反応しにくい成分の残留により素子電流が増加する電圧点により規定される。この場合、反応せずに残留した未燃成分の分解領域を含まない領域で素子電流が検出でき、その検出精度が向上する。

請求項２５に記載の発明では、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点と被検出ガスに含まれる水の分解が始まる電圧点との間で、前記センサ素子に対する印加電圧を制御する。この場合やはり、水の分解領域を含まない領域で素子電流が検出でき、その検出精度が向上する。

請求項２６に記載の発明では、センサ出力特性上、印加電圧に対して素子電流がほぼ一定となる電圧範囲のうち、被検出ガスに含まれる水が分解される電圧範囲を除いた電圧範囲を限界電流域とし、該限界電流域上で印加電圧を制御する。水の分解領域を含まない領域で素子電流が検出でき、その検出精度が向上する。

請求項２７に記載の発明では、前記センサ素子の温度条件が相違する複数のセンサ出力特性において限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御するようにした。つまり、温度環境等によりセンサ素子が加熱又は冷却されてその温度条件が相違すると、Ｖ−Ｉ座標上におけるセンサ出力特性が立った状態又は寝た状態となり、限界電流域も電圧軸に沿ってシフトする。かかる実状において本発明によれば、どの素子温でも共通となる限界電流域を用いて印加電圧制御を実施することができ、素子温の変化に関わらず常に限界電流域を外さない印加電圧制御が可能となる。

上記請求項２７の発明では請求項２８に記載したように、前記センサ素子の使用環境において実際とりうる温度範囲内の最低温度の出力特性と最高温度の出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御すると良い。

また、請求項２９に記載の発明では、前記センサ素子の初期出力特性と経時変化後の推定出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御するようにした。これにより、経時変化後にも適正なる印加電圧制御が可能となり、長期にわたってガス濃度の検出精度を維持することができる。

上記請求項２９の発明では請求項３０に記載したように、経時変化後の推定出力特性は、素子電流出力の使用が許容される劣化許容限界での推定出力特性であると良い。

燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として排ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するガス濃度検出装置では、以下に示す領域で空燃比検出範囲が拡張される。請求項３１の発明では、空燃比検出範囲のリーン側限界をＡ／Ｆ２０以上とし、請求項３２の発明では、空燃比検出範囲のリーン側限界を大気とし、請求項３３の発明では、空燃比検出範囲のリッチ側限界をＡ／Ｆ１１以下とする。つまり、リーン燃焼エンジンではＡ／Ｆ２０以上の領域で空燃比検出が必要となる一方、ＯＢＤ等の規制下では大気状態での空燃比検出が必要となる。また、高負荷運転時やリッチスパイク時においてＡ／Ｆ１１以下（Ａ／Ｆ１０近傍）の空燃比検出が必要となる。これらのことから、広域の空燃比検出が必要となるが、上述した本発明によれば、所望とする空燃比域で好適な空燃比検出が可能となる。

補足説明すると、ストイキ近傍での空燃比制御が実施されるストイキ燃焼エンジンでは、空燃比検出を要する範囲は概ねＡ／Ｆ１２〜Ａ／Ｆ１８であり、この範囲内であれば、センサ出力特性（Ｖ−Ｉ特性）における抵抗支配域の傾きに一致させて印加電圧線を設定する構成であっても空燃比の検出精度が確保できる。しかしながら、上記の如く空燃比検出範囲をリーン側、リッチ側に拡張した場合、センサ出力特性における抵抗支配域の傾きに一致させて印加電圧線を設定すると、例えば大気やＡ／Ｆ１０で印加電圧線が限界電流域から外れてしまい空燃比の検出精度が低下するおそれがあった。これに対して上述した各発明によれば、各空燃比での限界電流域に合わせて印加電圧制御が行われるため、何れの空燃比域であっても好適な空燃比検出が実現できる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムに用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実現される。また本実施の形態では、近年又は将来の排ガス規制や異常検出規制（ＯＢＤ）に対応する広域の空燃比検出や、排気系に設置されたＮＯｘ吸蔵還元型触媒の吸蔵ＮＯｘ放出、硫黄被毒再生等の制御を実施すべく、リッチ域（例えばＡ／Ｆ１１）から大気状態までの広い範囲で空燃比を検出可能としている。

先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質１１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２（ガス拡散律速部）は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。なお以下の説明では場合によって、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。

上記センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。

図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。本実施の形態では、一例としてＡ／Ｆ１０〜大気（酸素濃度：２０．９％）の範囲で広域な空燃比検出範囲を規定している。

このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧線（印加電圧特性）を表している。

図１は、センサ素子１０に対しての印加電圧制御系の構成を示す電気回路図である。図１において、センサ素子１０の＋端子（大気側電極１６）にはオペアンプ２１及び電流検出抵抗２２（抵抗値＝Ｒ１）を介して基準電源２３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の−端子（拡散層側電極１５）には印加電圧制御回路３０が接続されている。この場合、電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗２２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。このＢ点電圧が、空燃比の出力であるＡ／Ｆ出力として図示しないマイクロコンピュータ等に出力される。ストイキでは素子電流Ｉｐが流れないため（Ｉｐ＝０ｍＡ）、Ｂ点電圧が基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧となる。また、排ガスがリーンの場合、センサ素子１０の＋端子から同−端子に電流が流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子１０の−端子から同＋端子に電流が流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路３０は、Ｂ点電圧（Ａ／Ｆ出力）をモニタしつつその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の上昇時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。具体的には、印加電圧制御回路３０は、オペアンプ３１及び抵抗３２，３３（抵抗値＝Ｒ２，Ｒ３）よりなる反転増幅器と、オペアンプ３４及び抵抗３５，３６（抵抗値＝Ｒ４，Ｒ５）よりなる反転増幅器と、基準電圧Ｒｅｆ２を発生する基準電源３７と、オペアンプ３１の出力部に設けられたＬＰＦ３８とを有する。

上記構成において、印加電圧制御回路３０により印加電圧特性が規定され、該印加電圧特性としての印加電圧線ＲＧの傾きは「Ｒ１×Ｒ３／Ｒ２×２」で規定される。なお、Ｒ４＝Ｒ５である。ＬＰＦ３８は抵抗３８ａ及びコンデンサ３８ｂにて構成され、このＬＰＦ３８を通過することによりセンサ素子１０への印加電圧出力の変化がなまされるようになっている。

また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子１０の交流インピーダンスＺａｃが検出され、その交流インピーダンスＺａｃに基づいて素子温度が一定に制御されるようになっている。すなわち、図示しないマイクロコンピュータからの指令に基づいて印加電圧制御回路３０によりセンサ印加電圧が一時的に交流的に変化させられ、その際の印加電圧の変化量と素子電流の変化量とに基づいて交流インピーダンスＺａｃが検出される。そして、交流インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電が制御される。これにより、センサ素子１０が一定の目標温度（例えば７５０℃）に保持されるようになる。

ところで、本願発明者らは、現実のセンサ出力特性において限界電流域の幅（電圧の絶対幅）がガス雰囲気に応じて相違することを確認した。概ねリーン領域では限界電流域の幅が広く、逆にリッチ領域では限界電流域の幅が狭くなる。以下、限界電流域の幅がガス雰囲気により相違することを詳しく説明する。

図４の（ａ）は、センサ素子１０と印加電圧Ｖｐとを示す等価回路であり、センサ素子１０は、直流内部抵抗Ｒｉと起電力Ｖｋとを直列に接続したもので表される。また、図４の（ｂ）にはセンサ素子１０の起電力特性を示しており、起電力Ｖｋはλ＝１（Ａ／Ｆ１４．５）で０．４５Ｖであり、これを基準にリーン側、すなわちλ＞１では急激に低下し、リッチ側、すなわちλ＜１では急激に上昇する特性となっている。

図５は、限界電流域の幅がガス雰囲気により相違することを示すセンサ出力特性（Ｖ−Ｉ特性）である。限界電流域の幅は以下の各要因により決定されると考えられる。
（１）センサ素子１０の有する起電力Ｖｋ
（２）排ガス中に含まれる水（Ｈ₂Ｏ）の分解
（３）排ガス中に含まれる未燃成分の分解易さが異なること
以下、上記の各要因について詳述する。

図５に示すＶ−Ｉ特性について、先ずは抵抗支配域（限界電流域より低電圧側）で印加電圧Ｖｐを徐々に上昇させていく場合を考えると、素子電流Ｉｐは直流内部抵抗Ｒｉにより制約されながら増加する。このとき、排ガスがリーンであれば、拡散層側電極１５上で酸素が十分に分解、排出されないため拡散層側電極近傍がリーン状態となる。また、排ガスがリッチ（又はストイキ）であれば、負の電圧Ｖｐが印加されることで負電流が流れ、酸素が大気側電極から拡散層側電極に移動する。よって、拡散層側電極付近で酸素過剰となり、やはり拡散層側電極近傍がリーン状態になる。従って、抵抗支配域では何れの空燃比においてもセンサ素子１０の起電力Ｖｋがほぼ０Ｖとなる。

印加電圧Ｖｐを更に上昇させていくと、拡散抵抗層１２によりガスの拡散が制約される。このとき、排ガスがリーンの場合であっても次第に拡散層側電極１５の近傍で酸素が欠乏してくる。よって、起電力Ｖｋが上昇することとなり、印加電圧Ｖｐと起電力Ｖｋとが均衡をとりながら上昇し（Ｖｐ−Ｖｋ＝一定）、素子電流Ｉｐを一定とする限界電流域が形成される。ストイキの場合は、Ｖｐ＝Ｖｋの条件でＶｐ、Ｖｋが上昇し、素子電流Ｉｐ＝０ｍＡとする限界電流域が形成される。また、リッチの場合でも同様に、印加電圧Ｖｐと起電力Ｖｋとが均衡をとりながら共に上昇するため（Ｖｐ−Ｖｋ＝一定）、素子電流Ｉｐを一定とする限界電流域が形成される。但し、リッチ時には素子電流Ｉｐが負となるため、限界電流域ではＶｐ＜Ｖｋの関係となっている。

限界電流域を越えて更に印加電圧Ｖｐを上昇させる場合には、排ガス中に含まれる酸素以外の成分が素子電流Ｉｐの変化に大いに影響を及ぼす。具体的には、排ガス中に含まれる水（Ｈ₂Ｏ）の分解電圧が空燃比に応じて相違すること、未燃成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ₂等）は成分毎に分解易さが相違することが要因となり、素子電流Ｉｐの変化に影響が及ぶ。これにより、限界電流域が終わる電圧点が空燃比毎に相違し、結果として限界電流域の幅が空燃比毎に相違することとなる。

先ずストイキ〜極リーン（大気）の場合を説明する。限界電流域を越えて更に印加電圧Ｖｐを上昇させると、排ガス中の水が電気エネルギにより拡散層側電極１５で分解され始め、素子電流Ｉｐが増加していく。この場合、空燃比に応じて排ガス中に含まれる水の量が相違するため、水の分解が始まる電圧点（水の分解電圧）が相違する。燃焼状況の違い等から大気相当のガス雰囲気では排ガス中の水が少なく、ストイキに近づくほど水が多くなるため、水の分解電圧は大気では比較的高く、ストイキでは比較的低いものとなる。従って、リーン度合が大きくなるほど、限界電流域の幅が広くなる。

一方、リッチの場合は、拡散層側電極近傍で排ガス中の未燃成分の触媒反応が進行するため、大気環境のような酸素の反応とは異なり、ガス成分毎の反応しやすさの違いで限界電流域の幅が相違する。つまり、印加電圧Ｖｐの上昇に伴い大気側電極１６から拡散層側電極１５へ汲み出される酸素量が不足してくる。このとき、拡散層側電極１５において排ガス中のＣＯ等の反応しやすいガスは分解されるが、ＨＣの中でもＣ₃Ｈ₈（プロパン）のような反応しにくいガスは分解されずに残る。以降、印加電圧Ｖｐの上昇に伴い、反応しにくい成分が徐々に分解され、その結果として素子電流Ｉｐが増加する。リッチガスの深さにより未燃成分の量が異なると、それに応じて素子電流Ｉｐが増加し始める電圧点（限界電流域の終点）が相違するため、限界電流域の幅が相違することとなる。なお、限界電流域のガス反応の制約を越えて更に印加電圧Ｖｐを上昇させると、素子電流Ｉｐは０ｍＡに近づき、更に電圧上昇させると、ストイキと同様に排ガス中の水が電気エネルギにより拡散層側電極１５で分解され、素子電流Ｉｐが増加する。

因みに、水の分解領域を越えて過剰に印加電圧Ｖｐを上昇させた場合には電気エネルギにより固体電解質（ジルコニア）が分解されてしまい、センサ素子１０の破損を招くおそれが生じる。故に、この過剰電圧域では、酸素が大気ダクト１７に排出されて素子電流Ｉｐが増加することが考えられる。

以上のように、限界電流域は、センサ素子１０の起電力や、水又は未燃成分の反応による影響を受けて形成され、その結果、限界電流域の幅が空燃比毎に相違することとなる。

そこで本実施の形態では、限界電流域の幅が空燃比に応じて相違することをふまえ、限界電流域の幅を考慮して印加電圧特性を設定することとしている。それを図６を用いて説明する。図６に示す特性自体は、上述した図５の特性と同様のものである。

図６に示すセンサ出力特性では、空燃比検出範囲内における下限たるリッチ限界（Ａ／Ｆ１０）で限界電流域の幅が最も狭く、上限たるリーン限界（大気状態）で限界電流域の幅が最も広くなる。故に、リッチ限界及びリーン限界での限界電流域の幅に基づいて印加電圧特性（印加電圧線ＲＧ）を設定する。具体的には、リッチ限界（Ａ／Ｆ１０）における限界電流域で低電圧側、高電圧側の端点ａ１，ａ２からその中間点ａ３を求めると共に、リーン限界（大気状態）における限界電流域で低電圧側、高電圧側の端点ｂ１，ｂ２からその中間点ｂ３を求め、各々の中間点ａ３，ｂ３を結ぶようにして直線的に印加電圧線ＲＧを引く。

この場合、図７に示すように、空燃比の要求精度から許容される検出誤差内であること、言い換えれば素子電流Ｉｐの変化が所定量以内であることを条件に、限界電流域の端点（図７のａ１，ａ２）を決め、ａ１，ａ２の中間点ａ３を通るようにして印加電圧線ＲＧを決めると良い。素子電流Ｉｐの変化が所定量以内であることは、特定成分（ここでは酸素）以外が分解等されていないことにも相当する。

なお、限界電流域における低電圧側の端点（例えば図６のａ１，ｂ１）は、印加電圧Ｖｐを上昇させた際において当該印加電圧Ｖｐと均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点であり、これが第１電圧点に相当する。また、高電圧側の端点（例えば図６のａ２，ｂ２）は、排ガスに含まれる水の分解が始まる電圧点か、又は排ガスに含まれる未燃成分のうち反応しにくい成分の残留により素子電流Ｉｐが増加する電圧点であり、これが第２電圧点に相当する。

印加電圧線ＲＧの傾きが上記設定したものとなるよう、図１の回路構成において抵抗値Ｒ１〜Ｒ３が調整される。そして、この印加電圧線ＲＧ上で印加電圧Ｖｐが制御されることにより、空燃比が変化しても限界電流域から外れないようにして電圧が印加され、空燃比が正確に検出できる。

上記の如く印加電圧特性を設定した場合、印加電圧線ＲＧは直流内部抵抗Ｒｉで決まる抵抗支配域の傾きよりも寝た状態となり、故に、印加電圧制御回路３０においてフィードバックゲインが１を超えることから印加電圧Ｖｐの発振が起こりやすくなる。発振しないためには印加電圧Ｖｐの変更速度を遅くしなければならない。そこで本実施の形態では、図１に示した通り、印加電圧制御回路３０中に電圧変化規制手段としてのＬＰＦ３８を設けている。

但し、ＬＰＦ３８の時定数を大きくしすぎると、印加電圧Ｖｐの変化が印加電圧線ＲＧから大きく外れてしまい、一時的に限界電流域外の電圧がセンサ素子１０に印加される。この場合、空燃比の検出精度の悪化やセンサ素子１０（ジルコニア）の破損を招くことが考えられる。特に空燃比が急激に変化する場合に、印加電圧Ｖｐの変化が過剰に遅れ、こうした事態が生じうる。故に、空燃比の過渡的な変化を考慮してＬＰＦ３８の時定数を決定しておくのが望ましい。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

限界電流域の幅に基づき印加電圧線ＲＧを設定したので、広域な空燃比検出範囲内で空燃比が変化しても、限界電流域から外れて印加電圧Ｖｐが設定されることはない。その結果、印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたって空燃比の検出精度の向上を図ることができる。

特に、センサ素子１０の起電力に基づく第１電圧点（例えば図６のａ１，ｂ１）と、水又は未燃成分の反応により基づく第２電圧点（例えば図６のａ２，ｂ２）とから限界電流域を決め、更にその中間点を指定して印加電圧線ＲＧを設定したので、水の分解領域を含まない領域、或いは反応せずに残留した未燃成分の分解領域を含まない領域で素子電流Ｉｐが検出できる。これにより、限界電流域にて確実に印加電圧Ｖｐが制御され、素子電流Ｉｐの検出精度が向上する。

印加電圧線ＲＧは直流内部抵抗Ｒｉで決まる抵抗支配域の傾きよりも寝た状態となるが、印加電圧制御回路３０にＬＰＦ３８を設けて印加電圧Ｖｐの変化を規制するようにしたため、印加電圧Ｖｐの発振が防止できる。

図６において、限界電流域の低電圧側の端点（図６のａ１，ｂ１等）を結ぶ低電圧側特性と、同限界電流域の高電圧側の端点（図６のａ２，ｂ２等）を結ぶ高電圧側特性とを規定し、これら各特性の傾きの中間となる傾きにより印加電圧特性を設定することも可能である。かかる場合にも上記同様、印加電圧制御を精度良く実施し、ひいては広範囲にわたって空燃比の検出精度の向上を図ることができる。

（第２の実施の形態）
本空燃比検出装置では、センサ素子１０の温度（素子温）が一定に保持されるようヒータ制御が実施されるが、外部要因により素子温が不用意に変化する場合がある。例えば、エンジン運転状態の変化により排ガスの温度が上昇することで素子温が上昇したり、燃料カットが行われることで素子温が低下したりすることが考えられる。素子温が変化すると直流内部抵抗Ｒｉが変化し、ひいてはセンサ出力特性の変化を招くため、限界電流域が電圧軸方向に沿ってシフトする。ここでは、素子温の変化も考慮した印加電圧特性の設定手順について説明する。要は、センサ素子１０の温度条件が相違する複数のセンサ出力特性において限界電流域が重複する領域で印加電圧特性を設定し、そして印加電圧制御を実施する。

例えば、素子温の目標値が７５０℃であって、排ガス加熱等により素子温が最大１０００℃程度まで上昇し、逆に燃料カット等により素子温が最低７００℃程度まで低下する場合を想定する。図８には、素子温＝７００℃、７５０℃、１０００℃でのそれぞれのセンサ出力特性を示しており、実線で示す素子温７５０℃の特性線Ｌ１に対して、点線で示す素子温７００℃の特性線Ｌ２は寝た状態となり、二点鎖線で示す素子温１０００℃の特性線Ｌ３は立った状態となっている。

この場合、実際取り得る温度範囲内で常に精度の良い印加電圧制御を実施するには、何を基準に印加電圧特性（印加電圧線ＲＧ）を設定すれば良いかが問題となる。本実施の形態では、素子温条件が相違する複数のセンサ出力特性（使用温度範囲内の最低温度の出力特性と、最高温度の出力特性）において限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線ＲＧを設定することとする。図９には、特性線Ｌ１〜Ｌ３のうち、最も寝ている素子温７００℃での特性線Ｌ２と、最も立っている素子温１０００℃での特性線Ｌ３とを示している。

図９に示すように、素子温７００℃での特性線Ｌ２から限界電流域の低電圧側の端点ａ１，ｂ１（ａ１はＡ／Ｆ１０での端点、ｂ１は大気での端点）を抽出すると共に、素子温１０００℃での特性線Ｌ３から限界電流域の高電圧側の端点ａ２，ｂ２（ａ２はＡ／Ｆ１０での端点、ｂ２は大気での端点）を抽出する。そして、前記第１の実施の形態と同様に、Ａ／Ｆ１０における限界電流域の端点ａ１，ａ２からその中間点ａ３を求めると共に、大気状態における限界電流域の端点ｂ１，ｂ２からその中間点ｂ３を求め、各々の中間点ａ３，ｂ３を結ぶようにして印加電圧線ＲＧを引く。こうして印加電圧線ＲＧが設定される。

以上第２の実施の形態によれば、どの素子温でも共通となる限界電流域を通して印加電圧線ＲＧを設定するため、素子温の変化に関わらず常に限界電流域を外さない印加電圧制御が可能となる。また、印加電圧線ＲＧを１本設定するだけで、素子温の変化に対応させることができるため、素子温に対応させて複数の印加電圧線を用意する場合に比べて回路構成の簡略化等が実現できる。

（第３の実施の形態）
本空燃比検出装置では、結果的に印加電圧線ＲＧが直流内部抵抗Ｒｉにより規定される傾きよりも寝た状態となるため、以下の不都合が発生することも考えられる。

図１０に示すように、大気雰囲気において印加電圧線ＲＧ上のＡ１点で電圧を印加している場合、外乱のノイズ等により素子電流Ｉｐが増加すると、一時的に印加電圧Ｖｐが上昇する。仮にＡ２点を越えるほど印加電圧Ｖｐが上昇すると、Ａ１点同様にＡ２点も大気状態でのセンサ出力特性を呈するためにＡ２点での状態に固定されてしまい、限界電流域上のＡ１点に戻らなくなる。そのため、センサ素子１０には過剰な電流が加わり、固体電解質の損傷によるセンサ破壊や空燃比の誤検出等が懸念されることとなる。図１０は、素子温の上昇等によりセンサ特性が比較的立った状態を示しており、この状態では上記不都合が生じるおそれがあった。極リッチ雰囲気にあっても同様にノイズ等により印加電圧が変動し、限界電流域上のＢ１点からＢ２点に移行してしまい、やはりセンサ破壊の懸念が生じる。

そこで、空燃比検出範囲外となる領域、すなわち大気よりも更にリーン側、又はＡ／Ｆ１０よりも更にリッチ側で、センサ出力特性線と交差しないようにするため印加電圧線ＲＧの傾きを大きくする（ＲＧを立てる）こととする。

例えば、図１１に示すように印加電圧線ＲＧを設定する。図１１では、空燃比検出範囲（Ａ／Ｆ１０〜大気）と当該検出範囲から外れた領域とで印加電圧線ＲＧの傾きを変え、空燃比検出範囲外では当該検出範囲内よりも立てた状態の印加電圧線を設定することとしている。図１１の印加電圧線ＲＧを設定するための回路構成を図１２に示す。

図１２では、前記図１の構成との相違点として、図中のＢ点電圧（すなわちＡ／Ｆ出力）により過電流を監視する過電流監視回路４０を設けると共に、印加電圧制御回路３０の反転増幅器を構成する帰還抵抗３３に並列に、スイッチ４５及び抵抗４６を接続している。詳しくは、過電流監視回路４０は、２つの比較器４１，４２と論理回路（ＮＡＮＤ回路）４３とよりなり、比較器４１の＋端子には基準電圧Ｒｅｆ１＋Ｒｅｆ３が入力され、同−端子にはＢ点電圧が入力される。また、比較器４２の−端子には基準電圧Ｒｅｆ１−Ｒｅｆ４が入力され、同＋端子にはＢ点電圧が入力される。論理回路４３は、比較器４１，４２の何れかの出力がＬである場合に出力をＨとする。そして、この論理回路４３の出力（過電流監視回路４０の出力）に応じてスイッチ４５がＯＮ又はＯＦＦされることで、印加電圧線ＲＧの傾きが切り替えられるようになっている。

この場合、Ｂ点電圧がＲｅｆ１−Ｒｅｆ４〜Ｒｅｆ１＋Ｒｅｆ３の範囲にあれば比較器４１，４２の出力が共にＨとなり、結果として論理回路４３の出力がＬとなる。従って、スイッチ４５がＯＦＦし、帰還抵抗の値が抵抗３３の抵抗値Ｒ３となる。すなわちこれが、空燃比検出範囲（Ａ／Ｆ１０〜大気）での状態である。

これに対し、リーン雰囲気でＢ点電圧がＲｅｆ１＋Ｒｅｆ３以上に上昇すれば比較器４１の出力がＬになり、論理回路４３の出力がＨとなる。従って、スイッチ４５がＯＮし、帰還抵抗の値が抵抗３３，４６の合成抵抗の値となる。また、リッチ雰囲気でＢ点電圧がＲｅｆ１−Ｒｅｆ４以下に下降すれば比較器４２の出力がＬになり、論理回路４３の出力がＨとなる。従って、スイッチ４５がＯＮし、帰還抵抗の値が抵抗３３，４６の合成抵抗の値となる。

以上により、空燃比検出範囲より外れセンサ素子１０に過電流が流れるような場合に、立った状態の印加電圧線ＲＧが設定され、センサ特性線と印加電圧線とが交差しないようになる。つまり、過電流の検出時において印加電圧特性が変更され、ノイズによる過剰な電圧印加が抑制される。また、ノイズの発生時以外にも、センサ回路に一時的な短絡（＋Ｂショート）、地絡（ＧＮＤショート）が生じた場合にも過電流が検出され、それに伴い印加電圧特性が変更され、ノイズによる過剰な電圧印加が抑制される。従って、空燃比の誤検出や固体電解質体（ジルコニア）の破損を防止することができる。

また、センサ素子１０に接続されるコネクタ等に一時的な接触不良が生じる場合、センサ素子１０が開状態（０Ｖ）になり、その後閉状態に戻ると急激に印加電圧が変化し、素子電流も変化する。このとき、急激な電圧変化により、センサ素子１０の交流特性に応じた素子電流が流れる。このセンサ交流特性に応じた素子電流は、その時の空燃比相当の限界電流よりも大きくなるため、同素子電流に基づいて印加電圧制御を実施すると過剰な電圧が印加されるおそれが生じる。かかる場合にも、前記の如く過電流が検出されることで、過剰な電圧印加が抑制される。これは、エンジン再始動のための電源投入時にも同様であり、車両でエンジンの運転を停止した後直ぐに再始動する場合、素子温が高い状態で電源が投入されることになり急激な電圧変化が生じ同様の事態が起こる。かかる場合にも、前記の如く過電流が検出されることで、過剰な電圧印加が抑制される。

なお、印加電圧制御回路３０にはＬＰＦ３８が設けられているため、過電流監視回路４０の動作が解除された時（すなわち、スイッチ４５が切り替えられた時）にも急激な印加電圧変化が抑制されるようになっている。

また、図１３では、空燃比検出範囲（Ａ／Ｆ１０〜大気）から外れた領域で印加電圧を固定としている。この場合、センサ素子１０に過電流が流れても、抵抗支配域で電圧が印加されるだけであり、安全側の領域で電圧が印加されることとなる。図１３の印加電圧線ＲＧを設定するための回路構成を図１４に示す。

図１４において、過電流監視回路４０は、前記図１２で説明した通り図中のＢ点電圧（すなわちＡ／Ｆ出力）により過電流を監視するものであり、過電流監視回路４０の出力に応じてスイッチ５１がＯＮ又はＯＦＦされる。これにより、空燃比検出範囲（Ａ／Ｆ１０〜大気）から外れて過電流が流れるような場合に、印加電圧が２×（Ｒｅｆ１−Ｒｅｆ２）に固定されることとなる（Ｒ９＝Ｒ１０の場合、前記計算式で印加電圧が算出できる）。これは、過電流が検出された場合、印加電圧特性が、センサ素子１０への過剰な電圧印加を抑制するための電圧制限用の印加電圧特性に変更されることに該当する。

上記のように、過電流の検出時には、スイッチ５１の切替により印加電圧特性が変更されるが、ノイズや一時的な短絡、地絡等により瞬間的に素子電流が変化する際に不用意に印加電圧特性が変更されると、印加電圧が限界電流域から急激に抵抗支配域等に変更されるために急激に印加電圧が変化し、空燃比の検出精度が低下するおそれがある。そこで、過電流の検出時において印加電圧特性の変更タイミングを遅らせるようにする。具体的には、例えば図１５に示すように、過電流監視回路４０の信号出力部にＬＰＦ６０を設ける。これにより、瞬間的な（極短時間の）素子電流変化では印加電圧特性が変更されず、結果的に空燃比の検出精度が維持できる。ＬＰＦ６０に代えてタイマ（遅延回路）を設けることによりスイッチ５１を一定時間ＯＮさせないようにすることも可能である。一定時間スイッチをＯＮさせないことにより、瞬間的なノイズに対して印加電圧の急変が抑制できる。

なお、図１３に示す印加電圧線ＲＧは、図１２の回路で抵抗４６の抵抗値Ｒ６を０Ωとすることでも実現できる。

上記図１１，図１３のように印加電圧特性を設定する他、空燃比検出範囲外において印加電圧線ＲＧの端点からそのまま当該印加電圧線ＲＧの傾きを大きくする、又は直立させるといった構成とすることも可能である。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

センサ素子１０の特性は使用に伴い経時変化するため、この経時変化を予め考慮して印加電圧特性を規定しておくと良い。つまり、センサ素子１０が劣化すると、直流内部抵抗Ｒｉが大きくなり、抵抗支配域の傾きが小さくなる。また、センサ素子１０の周波数特性が変化する（センサ内部のコンデンサ分が少なくなるなどによって周波数特性が変化する）。この場合、センサ素子１０の初期出力特性と経時変化後の推定出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線ＲＧを設定しておく。経時変化後の推定出力特性は、素子電流出力の使用が許容される劣化許容限界で前記直流内部抵抗Ｒｉや周波数特性の変化を考慮した上で推定する。かかる構成によれば、経時変化後にも適正なる印加電圧制御が可能となり、長期にわたって空燃比の検出精度を維持することができる。当然センサ個体間でも差があるためそのことも考慮すると良い。なお、初期特性と劣化特性とを考慮して印加電圧線を設定する上で、印加電圧の発振を防止するために抑制手段を適切に設定することが重要である。また、センサの周波数特性も変化するので十分考慮する必要がある。

空燃比検出範囲内には、限界電流域の幅がほぼ均等となる領域と、限界電流域の幅が相違する領域とが存在することも考えられる。例えば、リッチ〜ストイキ近傍の領域で限界電流域の幅がほぼ均等となり、ストイキ近傍を越えて極リーン（大気）までの領域で限界電流域の幅が徐々に広くなる場合が考えられる。この場合、例えば図１６に示すように、空燃比領域に応じて印加電圧線ＲＧの傾き（印加電圧特性）を一部変更する。図１６では、Ａ／Ｆ１８を境にしてリッチ側ではセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉに応じた傾き（抵抗支配域の傾き）に平行に印加電圧線ＲＧを設定し、同リーン側では印加電圧線ＲＧを寝かしている。

また、空燃比検出範囲を複数に区分し、該区分した各々の検出範囲において個別に印加電圧線ＲＧの傾きを設定することも可能である。この場合、各検出範囲毎に上限又はその付近で限界電流域上の１点を指定すると共に下限又はその付近で限界電流域上の１点を指定し、それぞれ指定した各点を通るようにして印加電圧線ＲＧを設定する。各検出範囲の印加電圧線ＲＧの設定手法は、図６等で説明した通りである。Ａ／Ｆ１０〜大気の全空燃比検出範囲を例えば３領域に区分する場合、Ａ／Ｆ１０〜ストイキ、ストイキ〜Ａ／Ｆ１８、Ａ／Ｆ１８〜大気の３領域に区分し、各々に領域限定の印加電圧線を設定すると共にそれらを接続して１本の印加電圧線ＲＧを設定する。又は、Ａ／Ｆ１０〜Ａ／Ｆ１２、Ａ／Ｆ１２〜Ａ／Ｆ１８、Ａ／Ｆ１８〜大気の３領域に区分し、各々に領域限定の印加電圧線を設定すると共にそれらを接続して１本の印加電圧線ＲＧを設定する。ストイキ近傍領域（Ａ／Ｆ１２〜Ａ／Ｆ１８）を区分して範囲設定することにより、特にストイキ燃焼の制御精度が確保できる。勿論、その区分の仕方は任意である。本形態によれば、印加電圧制御の精度がより一層向上する。

上記実施の形態では、印加電圧制御回路３０により印加電圧をフィードバック制御する構成としていたが、マイクロコンピュータ等により印加電圧指令値を出力し、その指令値により印加電圧制御を実施することも可能である。この場合にも同様に、限界電流域の幅を考慮してその都度の印加電圧値を決めれば良く、例えばマイクロコンピュータが次の（１），（２）ように印加電圧制御を実施する。

（１）印加電圧を上昇させた際において印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点と被検出ガスに含まれる水の分解が始まる電圧点との間で、センサ素子に対する印加電圧を制御する。この場合、センサ出力特性上、印加電圧に対して素子電流がほぼ一定となる電圧範囲のうち、被検出ガスに含まれる水が分解される電圧範囲を除いた電圧範囲が限界電流域とされると良い。本構成においても、水の分解領域を含まない領域で素子電流が検出でき、その検出精度が向上する。

（２）センサ素子１０の温度条件が相違する複数のセンサ出力特性において限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御する。この場合、センサ素子１０の使用環境において実際とりうる温度範囲内の最低温度の出力特性と最高温度の出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御すると良い。本構成によれば、素子温の変化に関わらず常に限界電流域を外さない印加電圧制御が可能となる。

また、Ｖ−Ｉ座標上に設定される印加電圧線ＲＧを１本にすれば、コスト面でのメリットが得られるが、本発明ではこれに限定されるものではなく、複数の印加電圧線を設定することも可能である。

電圧変化規制手段として、ＬＰＦ３８以外の構成を用いることも可能である。要は、印加電圧制御回路３０のゲインを１以下にする構成であれば良い。

上記実施の形態では、図２のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサについて説明してきたが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質体を有する構成に限らず、２層の固体電解質体を有する構成や、３層の固体電解質体を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。

例えば２セルタイプのＡ／Ｆセンサとして、酸素ポンプセルと酸素検知セルとを有するものが知られている。このＡ／Ｆセンサでは、ガス通路を介して測定ガス室に排ガスが導入され、酸素ポンプセルが測定ガス室内の酸素濃度に応じた電流を出力する。これにより、排ガスの酸素濃度が検出される。また、酸素検知セルは測定ガス室に導入した排ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生し、その起電力が一定となるようにして酸素ポンプセルの印加電圧が制御される。上記構成のＡ／Ｆセンサでは、一般に酸素検知セルの起電力が０．４５Ｖに保持されるようポンプセル電流が制御されるが、既述したように各Ａ／Ｆによって限界電流域（フラット域）の幅が異なるため、Ａ／Ｆ域に応じて酸素検知セルの起電力を変更すると良い。具体的には、制御電圧としての酸素検知セルの起電力を０．４５Ｖ±０．１Ｖ程度の範囲内で変更する。これにより、空燃比の検出精度の向上を図ることができる。

また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外にも、他のガス濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分のガス濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用によりＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。かかる場合において、ポンプセルの印加電圧特性を上記の如く設定し、その印加電圧特性を用いて印加電圧制御を実施すると良い。

ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分のガス濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。

発明の実施の形態における空燃比検出装置の構成を示す回路図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 （ａ）はセンサ素子の等価回路図であり、（ｂ）は起電力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 限界電流域を決める手順を説明するための図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 空燃比検出装置の構成を示す回路図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 空燃比検出装置の構成を示す回路図である。 空燃比検出装置の構成を示す回路図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質、１２…拡散抵抗層、１５，１６…電極、２２…素子電流検出部としての電流検出抵抗、３０…印加電圧制御部としての印加電圧制御回路、４０…過電流検出手段としての過電流監視回路。

Claims (33)

1. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御すると共に素子電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度を広域に検出するガス濃度検出装置であって、
   ガス濃度検出範囲において各濃度レベルでの限界電流域の幅に基づき前記印加電圧特性を設定したことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の電極に接続され、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御する印加電圧制御部と、同じく前記センサ素子の電極に接続され、広域に設けたガス濃度検出範囲で被検出ガス中の特定成分濃度に応じた素子電流出力を検出する素子電流検出部とを備えたガス濃度検出装置であって、
   前記印加電圧制御部には、前記ガス濃度検出範囲において各濃度レベルでの限界電流域の幅に基づき前記印加電圧特性を設定したことを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 前記ガス濃度検出範囲において上限又はその付近で限界電流域上の１点を指定すると共に下限又はその付近で限界電流域上の１点を指定し、それぞれ指定した各点を通るようにして印加電圧特性としての印加電圧線を設定した請求項１又は２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記ガス濃度検出範囲を複数に区分し、該区分した各々の検出範囲において上限又はその付近で限界電流域上の１点を指定すると共に下限又はその付近で限界電流域上の１点を指定し、それぞれ指定した各点を通るようにして印加電圧特性としての印加電圧線を設定した請求項１又は２記載のガス濃度検出装置。
5. 素子電流の変化が所定量以内であることを条件に前記限界電流域を決め、当該限界電流域の中間点を通るようにして印加電圧特性を設定した請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
6. 前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する第１電圧点と、被検出ガスに含まれる水の分解が始まる第２電圧点との間を限界電流域とした請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
7. 燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として特定成分濃度を検出するガス濃度検出装置であって、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する第１電圧点と、被検出ガスに含まれる未燃成分のうち反応しにくい成分の残留により素子電流が増加する第２電圧点との間を限界電流域とした請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
8. 前記第１電圧点及び第２電圧点の中間点を指定して印加電圧特性としての印加電圧線を設定した請求項６又は７記載のガス濃度検出装置。
9. センサ出力特性上、印加電圧に対して素子電流がほぼ一定となる電圧範囲のうち、被検出ガスに含まれる水が分解される電圧範囲を除いた電圧範囲を限界電流域とする請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
10. 前記センサ素子の印加電圧と素子電流との関係を規定したＶ−Ｉ座標上において当該センサ素子の直流内部抵抗に応じて決まる抵抗支配域の傾き（Ｉ／Ｖ）よりも、前記印加電圧特性としての印加電圧線の傾き（Ｉ／Ｖ）を小さくした請求項１乃至９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
11. 限界電流域の幅がほぼ均等となるガス濃度検出範囲と同限界電流域の幅が相違するガス濃度検出範囲とで、各々異なる印加電圧特性を設定した請求項１乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
12. 前記センサ素子の温度条件が相違する複数のセンサ出力特性において限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線を設定した請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。
13. 前記センサ素子の使用環境において実際とりうる温度範囲内の最低温度の出力特性と最高温度の出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線を設定した請求項１２記載のガス濃度検出装置。
14. 前記センサ素子の初期出力特性と経時変化後の推定出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域を通すようにして印加電圧線を設定した請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。
15. 前記経時変化後の推定出力特性は、素子電流出力の使用が許容される劣化許容限界での推定出力特性である請求項１４記載のガス濃度検出装置。
16. 予め規定したガス濃度検出範囲より外れた領域において、センサ特性線と印加電圧線とが交差しないようにした請求項１乃至１５の何れかに記載のガス濃度検出装置。
17. 前記素子電流が予め規定した規定範囲外となることを検出する過電流検出手段を設け、該過電流検出手段により規定範囲外の素子電流が検出された時に前記印加電圧特性を変更する請求項１乃至１６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
18. 前記規定範囲外の素子電流が検出されると、前記印加電圧特性を、センサ素子への過剰な電圧印加を抑制する電圧制限用の印加電圧特性に変更する構成であって、前記規定範囲外の素子電流が検出された時に前記印加電圧特性の変更タイミングを遅らせるようにした請求項１７記載のガス濃度検出装置。
19. 素子電流に基づいて印加電圧をフィードバック制御する印加電圧制御回路を備え、該印加電圧制御回路において前記設定した印加電圧特性に基づき印加電圧を制御する請求項１乃至１８の何れかに記載のガス濃度検出装置。
20. 前記印加電圧制御回路には、印加電圧の変化を規制するための電圧変化規制手段を設けた請求項１９記載のガス濃度検出装置。
21. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御すると共に素子電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度を広域に検出するガス濃度検出装置であって、
    所定の濃度範囲において各濃度レベルでの限界電流域の低電圧側の端点を結ぶ低電圧側特性と、同限界電流域の高電圧側の端点を結ぶ高電圧側特性とを規定し、これら各特性の傾きの中間となる傾きにより前記印加電圧特性を設定したことを特徴とするガス濃度検出装置。
22. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の電極に接続され、一次直線的に規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御する印加電圧制御部と、同じく前記センサ素子の電極に接続され、広域に設けたガス濃度検出範囲で被検出ガス中の特定成分濃度に応じた素子電流出力を検出する素子電流検出部とを備えたガス濃度検出装置であって、
    前記印加電圧制御部には、所定の濃度範囲において各濃度レベルでの限界電流域の低電圧側の端点を結ぶ低電圧側特性と、同限界電流域の高電圧側の端点を結ぶ高電圧側特性とを規定し、これら各特性の傾きの中間となる傾きにより前記印加電圧特性を設定したことを特徴とするガス濃度検出装置。
23. 前記低電圧側特性は、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点により規定され、前記高電圧側特性は、被検出ガスに含まれる水の分解が始まる電圧点により規定される請求項２１又は２２記載のガス濃度検出装置。
24. 燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として特定成分濃度を検出するガス濃度検出装置であって、前記低電圧側特性は、前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点により規定され、前記高電圧側特性は、被検出ガスに含まれる未燃成分のうち反応しにくい成分の残留により素子電流が増加する電圧点により規定される請求項２１乃至２３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
25. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、予め規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御すると共に素子電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度を広域に検出するガス濃度検出装置であって、
    前記センサ素子に対する印加電圧を上昇させた際において当該印加電圧と均衡をとる起電力の出力を開始する電圧点と被検出ガスに含まれる水の分解が始まる電圧点との間で、前記センサ素子に対する印加電圧を制御することを特徴とするガス濃度検出装置。
26. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、予め規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御すると共に素子電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度を広域に検出するガス濃度検出装置であって、
    センサ出力特性上、印加電圧に対して素子電流がほぼ一定となる電圧範囲のうち、被検出ガスに含まれる水が分解される電圧範囲を除いた電圧範囲を限界電流域とし、該限界電流域上で印加電圧を制御することを特徴とするガス濃度検出装置。
27. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、予め規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御すると共に素子電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度を広域に検出するガス濃度検出装置であって、
    前記センサ素子の温度条件が相違する複数のセンサ出力特性において限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御するようにしたことを特徴とするガス濃度検出装置。
28. 前記センサ素子の使用環境において実際とりうる温度範囲内の最低温度の出力特性と最高温度の出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御するようにした請求項２７記載のガス濃度検出装置。
29. 固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じた素子電流を流すよう構成した限界電流式のガス濃度センサに適用され、予め規定した印加電圧特性に基づいて印加電圧を制御すると共に素子電流出力により被検出ガス中の特定成分濃度を広域に検出するガス濃度検出装置であって、
    前記センサ素子の初期出力特性と経時変化後の推定出力特性とを用い、それらの限界電流域が重複する領域で印加電圧を制御するようにしたことを特徴とするガス濃度検出装置。
30. 前記経時変化後の推定出力特性は、素子電流出力の使用が許容される劣化許容限界での推定出力特性である請求項２９記載のガス濃度検出装置。
31. 燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として排ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するガス濃度検出装置であって、空燃比検出範囲のリーン側限界をＡ／Ｆ２０以上とする請求項１乃至３０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
32. 燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として排ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するガス濃度検出装置であって、空燃比検出範囲のリーン側限界を大気とする請求項１乃至３０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
33. 燃焼機関より排出される排ガスを検出対象として排ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出するガス濃度検出装置であって、空燃比検出範囲のリッチ側限界をＡ／Ｆ１１以下とする請求項１乃至３２の何れかに記載のガス濃度検出装置。

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