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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024158357
(43)【公開日】2024-11-08
(54)【発明の名称】ガスセンサユニット
(51)【国際特許分類】
G01N 27/409 20060101AFI20241031BHJP
【ＦＩ】
G01N27/409 100
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023073503
(22)【出願日】2023-04-27
(71)【出願人】
【識別番号】000004547
【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001036
【氏名又は名称】弁理士法人暁合同特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】中西 敏郎
(72)【発明者】
【氏名】水野 将成
【テーマコード（参考）】
2G004
【Ｆターム（参考）】
2G004BB04
2G004BJ03
2G004BK05
2G004BL08
(57)【要約】
【課題】酸素イオンの移動に伴う起電力変化を考慮してインピーダンスを精度よく検出する。
【解決手段】本開示のガスセンサユニット１０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に一対の電極を設けた検出セル２１を有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニット１０であって、検出セル２１に対して、パルス信号を印加するパルス印加手段と、パルス信号の印加時の第１電圧V o u t 1を取得する第１電圧取得手段と、パルス信号の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V o u t 2を取得する第２電圧取得手段と、第２電圧V o u t 2を用いて第１電圧V o u t 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するインピーダンス算出手段と、を備え、パルス信号の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う検出セル２１の起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、時間t aは時間t bよりも短い。
【選択図】図３
【解決手段】本開示のガスセンサユニット１０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に一対の電極を設けた検出セル２１を有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニット１０であって、検出セル２１に対して、パルス信号を印加するパルス印加手段と、パルス信号の印加時の第１電圧V o u t 1を取得する第１電圧取得手段と、パルス信号の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V o u t 2を取得する第２電圧取得手段と、第２電圧V o u t 2を用いて第１電圧V o u t 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するインピーダンス算出手段と、を備え、パルス信号の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う検出セル２１の起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、時間t aは時間t bよりも短い。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に一対の電極を設けたセルを有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニットであって、
前記セルに対して、パルス信号を印加するパルス印加手段と、
前記パルス信号印加時の第１電圧V 1を取得する第１電圧取得手段と、
前記パルス信号の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V 2を取得する第２電圧取得手段と、
前記第２電圧V 2を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するインピーダンス算出手段と、を備え、
前記パルス信号の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う前記セルの起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、前記時間t aは前記時間t bよりも短い、ガスセンサユニット。
前記セルに対して、パルス信号を印加するパルス印加手段と、
前記パルス信号印加時の第１電圧V 1を取得する第１電圧取得手段と、
前記パルス信号の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V 2を取得する第２電圧取得手段と、
前記第２電圧V 2を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するインピーダンス算出手段と、を備え、
前記パルス信号の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う前記セルの起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、前記時間t aは前記時間t bよりも短い、ガスセンサユニット。
【請求項2】
前記パルス信号を印加する通電時間Tは前記時間t bよりも短く、前記時間t aは前記通電時間Tよりも短い、請求項１に記載のガスセンサユニット。
【請求項3】
前記時間t aよりも長く前記時間t bよりも短い時間をt a′とし、前記パルス信号の印加を終了してから、前記時間t a′経過時の第３電圧V 3を取得する第３電圧取得手段をさらに備え、
前記インピーダンス算出手段は、前記第２電圧V 2と前記第３電圧V 3を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出する、請求項１または請求項２に記載のガスセンサユニット。
前記インピーダンス算出手段は、前記第２電圧V 2と前記第３電圧V 3を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出する、請求項１または請求項２に記載のガスセンサユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガスセンサユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサやＡ／Ｆセンサ等の空燃比センサが知られている。また、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯＸ）量の低減が要求されており、ＮＯＸ濃度を直接測定できるＮＯＸセンサが開発されている。これらのガスセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなるセルを有し、このセルからの出力に基づいて特定ガスの濃度検出を行っている。
【0003】
これらのガスセンサとして、固体電解質体の外面に測定対象ガスに晒される測定電極を形成し、その固体電解質体の内面に基準ガスに晒される基準電極を形成した構成をなし、測定対象ガス中の酸素濃度を基準ガス中の酸素濃度との差に基づいて検出する酸素センサが知られている。固体電解質体を用いた酸素センサを適正に使用するためには、酸素センサ内に搭載したヒータを制御して酸素センサが酸素濃度を正しく測定できる温度（活性化温度）に制御する必要がある。このため、内燃機関動作中は酸素センサが目標とする制御温度を維持するようにヒータを制御する必要がある。
【0004】
一般に固体電解質体の温度とインピーダンスとには相関性があるため、インピーダンス測定によって目標温度で安定しているかどうかを判断してヒータを制御する。インピーダンス測定は、パルス電圧の印加により生じる電位の変化とパルス電流値から算出する方法が用いられる。例えば、特開２０００－２５８３８７号公報（下記特許文献１）には、インピーダンス検出手段により検出された高周波インピーダンスに基づいてセル温度を目標温度に調整する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０００－２５８３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、固体電解質体にパルス電圧を印加すると、それによるパルス電流が流れることで酸素イオンの移動が生じることから、酸素分圧の変化が生じ、固体電解質体の起電力が変化する。そのため、このときの起電力変化も含んだ電位をインピーダンス算出に用いると、正しいインピーダンスを測定できなくなってしまう。特に、理論空燃比（以下「ストイキ」という）近傍で起電力が大きく変化するようなバイナリタイプのセンサでは、ストイキ近傍で過大または過小なインピーダンスが算出されることとなり、これが温度制御に大きく影響することがある。
【0007】
本開示は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、酸素イオンの移動に伴う起電力変化を考慮してインピーダンスを精度よく検出できるガスセンサユニット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】
【0008】
本開示のガスセンサユニットは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に一対の電極を設けたセルを有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニットであって、前記セルに対して、パルス信号を印加するパルス印加手段と、前記パルス信号印加時の第１電圧V 1を取得する第１電圧取得手段と、前記パルス信号の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V 2を取得する第２電圧取得手段と、前記第２電圧V 2を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するインピーダンス算出手段と、を備え、前記パルス信号の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う前記セルの起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、前記時間t aは前記時間t bよりも短い、ガスセンサユニットである。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、酸素イオンの移動に伴う起電力変化を考慮してインピーダンスを精度よく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
【0012】
［１］本開示のガスセンサユニットは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体に一対の電極を設けたセルを有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニットであって、前記セルに対して、パルス信号を印加するパルス印加手段と、前記パルス信号印加時の第１電圧V 1を取得する第１電圧取得手段と、前記パルス信号の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V 2を取得する第２電圧取得手段と、前記第２電圧V 2を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するインピーダンス算出手段と、を備え、前記パルス信号の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う前記セルの起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、前記時間t aは前記時間t bよりも短い、ガスセンサユニットである。
【0013】
セルに対してパルス信号が印加されると、信号印加による電位変化に、酸素イオンの移動に伴う起電力変化Δ 1が加わることになる。一方、パルス信号の印加が終了すると、信号印加による電位変化はすぐにゼロになるものの、酸素イオンの移動に伴う起電力変化Δ 1は時間t bをかけながらゼロになる。上記の構成によると、時間t bよりも短い時間t a経過時の第２電圧V 2を用いて第１電圧V 1を補正しているから、補正しない場合に比べて起電力変化Δ 1による影響を抑制でき、インピーダンスR iを精度よく検出できる。
【0014】
［２］前記パルス信号を印加する通電時間Tは前記時間t bよりも短く、前記時間t aは前記通電時間Tよりも短いことが好ましい。
【0015】
時間t aは通電時間Tよりも短いから、インピーダンスR iをさらに精度よく検出できる。
【0016】
［３］前記時間t aよりも長く前記時間t bよりも短い時間をt a′とし、前記パルス信号の印加を終了してから、前記時間t a′経過時の第３電圧V 3を取得する第３電圧取得手段をさらに備え、前記インピーダンス算出手段は、前記第２電圧V 2と前記第３電圧V 3を用いて前記第１電圧V 1を補正することによりインピーダンスR iを算出することが好ましい。
【0017】
第２電圧V 2と第３電圧V 3を用いて第１電圧V 1を補正しているから、第２電圧V 2だけを用いて第１電圧V 1を補正するよりも精度よくインピーダンスR iを検出できる。
【0018】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示のガスセンサユニットの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については各図面で異なる場合がある。また、本明細書における「平行」や「垂直」や「直交」は、厳密に平行や垂直や直交の場合のみでなく、本実施形態における作用ならびに効果を奏する範囲内で概ね平行や垂直や直交の場合も含まれる。
本開示のガスセンサユニットの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。各図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張または簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率については各図面で異なる場合がある。また、本明細書における「平行」や「垂直」や「直交」は、厳密に平行や垂直や直交の場合のみでなく、本実施形態における作用ならびに効果を奏する範囲内で概ね平行や垂直や直交の場合も含まれる。
【0019】
（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態に係るガスセンサユニット１０の構成を示す概略図である。ガスセンサユニット１０は、ガスセンサ２０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００と、を備える。電子制御ユニット１００はガスセンサ２０に接続され、ガスセンサ２０はエンジンの排気管に取り付けられている。本実施形態では、排気ガスが流れる流路として排気管を挙げているが、その他にも、排気ガスの一部を吸気管に戻し、新気と排気ガスとを混ぜて燃焼室にガスを供給する流路にガスセンサ２０を取り付けてもよい。ガスセンサ２０は、測定対象ガス（排気ガス）中の酸素濃度を検出する検出セル２１と、検出セル２１を活性化温度に保つためのヒータ２２と、を備え、いわゆるλセンサとして空燃比に応じた出力信号を出力する。
図１は、本開示の実施形態に係るガスセンサユニット１０の構成を示す概略図である。ガスセンサユニット１０は、ガスセンサ２０と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００と、を備える。電子制御ユニット１００はガスセンサ２０に接続され、ガスセンサ２０はエンジンの排気管に取り付けられている。本実施形態では、排気ガスが流れる流路として排気管を挙げているが、その他にも、排気ガスの一部を吸気管に戻し、新気と排気ガスとを混ぜて燃焼室にガスを供給する流路にガスセンサ２０を取り付けてもよい。ガスセンサ２０は、測定対象ガス（排気ガス）中の酸素濃度を検出する検出セル２１と、検出セル２１を活性化温度に保つためのヒータ２２と、を備え、いわゆるλセンサとして空燃比に応じた出力信号を出力する。
【0020】
検出セル２１は、図２に示すように、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質体２３、および、固体電解質体２３の両側に設けられた一対の電極（酸素基準電極２４および検知電極２５）を備えている。各電極２４，２５は例えば主として白金で形成することができる。そして、固体電解質体２３の内面に形成されるとともに基準ガス（具体的には大気）に晒された酸素基準電極２４と、固体電解質体２３の外面に形成されるとともに測定対象ガスに晒された検知電極２５と、の間で酸素濃度差に応じて起電力が生じ、この起電力を検知することで酸素濃度、ひいては空燃比を検出することができる。
【0021】
ヒータ２２は、検出セル２１の内側（酸素基準電極２４を基準として検知電極２５と反対側）に配置されている。ヒータ２２は、例えばアルミナ層の内部に白金を主体とする材料にて形成されたヒータ配線（図示せず）を備えて構成されている。ヒータ２２は、ヒータ制御回路６０から供給される電力により、検出セル２１の温度が目標の活性化温度となるように制御される。また、ヒータ配線の一端は、ヒータ制御回路６０に電気的に接続され、ヒータ配線の他端はバッテリ５０に接続されている。そして、ヒータ２２による加熱によって検出セル２１が活性化し、酸素濃度検出（空燃比検出）が早期に可能となる。
【0022】
電子制御ユニット１００は、ガスセンサ２０（検出セル２１）からのセンサ出力を検出する出力検出回路３０、パルス打ち込み回路（パルス印加手段の一例）４０、ヒータ２２を制御するヒータ制御回路６０、および電子制御ユニット１００全体を制御するマイクロコンピュータ（マイコン）７０を備えている。マイコン７０は、ヒータ制御回路６０に接続され、検出セル２１の温度が活性化温度となるようにヒータ制御回路６０を制御する。マイコン７０は、出力検出回路３０、パルス打ち込み回路４０にもそれぞれ接続されている。マイコン７０は、第１電圧取得手段、第２電圧取得手段、第３電圧取得手段、およびインピーダンス算出手段の一例である。
【0023】
出力検出回路３０は、検出セル２１からのセンサ出力（起電力、電圧）を検出する回路であり、抵抗器等を用いた公知の回路構成からなる。出力検出回路３０は、検出したセンサ出力をマイコン７０に出力する。
【0024】
マイコン７０は、中央演算処理装置としてのＣＰＵ７１と、データやプログラム等を格納する記憶部（ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３）と、外部機器との間で信号の入出力を行う各種入出力ポート７４，７５，７６と、を備える公知のマイクロコンピュータで構成することができる。マイコン７０は、記憶部に格納されたプログラムに基づいてＣＰＵ７１が各種演算を実行し、演算やデータ転送等の命令の実行を制御する。また、マイコン７０は、入力ポート（Ａ／Ｄポート７５）に入力された信号を、入力ポート用レジスタの内容に反映し、出力ポート用レジスタに格納された内容を、出力ポート（Ｉ／Ｏポート７４、ＰＷＭポート７６）に信号として出力する。
【0025】
そして、マイコン７０は、出力検出回路３０を介して得られたセンサ出力（起電力、電圧）に基づき、酸素濃度、ひいては空燃比を演算する。マイコン７０は、空燃比がリッチであるかリーンであるかを判定し、エンジンの燃焼制御等を実行することで、内燃機関の運転状態を制御する。
【0026】
また、マイコン７０は、後述する起電力の計算式に基づいてインピーダンスR iを算出し、このインピーダンスR iに応じて、ヒータ２２の通電指令をヒータ制御回路６０に出力してヒータ通電制御処理を実行する。
【0027】
ヒータ制御回路６０はトランジスタを備え、トランジスタのコレクタはヒータ２２の一端に接続され、エミッタが所定の抵抗を介して接地され、ベースがマイコン７０に接続されている。このため、トランジスタをONにする電圧レベルの信号をマイコン７０がトランジスタのベースへ出力している間は、バッテリ５０から電圧が供給されヒータ２２が発熱する。一方、マイコン７０がON信号の出力を停止すると、トランジスタがオフ状態となりヒータ２２の加熱が停止される。なお、マイコン７０は、通電率で決まる上記ON信号をＰＷＭポート７６からヒータ制御回路６０に出力し、ヒータ制御回路６０がON信号に従ってON・OFFすることで、ヒータ２２への通電量がＰＷＭ制御されている。なお、ヒータ制御回路６０は、トランジスタで構成されるものに限定されず、ＦＥＴ等を用いて構成してもよい。
【0028】
（検出セルの検出原理）
図２を参照しながら検出セル２１の検出原理を説明する。検出セル２１は、固体電解質体２３と、それを挟むように配置された酸素基準電極２４および検知電極２５と、を備えている。両電極２４，２５間に、酸素濃度に応じた起電力が発生する。検出セル２１は、大気中のＣＯ２やＨ２Ｏから酸素を汲み入れ、または大気へ酸素を汲み出すように機能する。このようなガスセンサ２０では、検出セル２１の両電極２４，２５間にポンプ電流I c pが流れると、検知電極２５側から酸素基準電極２４側に向けてＯ２－イオン（酸素イオン）が移動する。そして検知電極２５側と酸素基準電極２４側との間に酸素濃度差が生じる。マイコン７０は、この酸素濃度差によって生じる起電力に基づいて、排気ガス中の酸素濃度や空燃比λを算出する。
図２を参照しながら検出セル２１の検出原理を説明する。検出セル２１は、固体電解質体２３と、それを挟むように配置された酸素基準電極２４および検知電極２５と、を備えている。両電極２４，２５間に、酸素濃度に応じた起電力が発生する。検出セル２１は、大気中のＣＯ２やＨ２Ｏから酸素を汲み入れ、または大気へ酸素を汲み出すように機能する。このようなガスセンサ２０では、検出セル２１の両電極２４，２５間にポンプ電流I c pが流れると、検知電極２５側から酸素基準電極２４側に向けてＯ２－イオン（酸素イオン）が移動する。そして検知電極２５側と酸素基準電極２４側との間に酸素濃度差が生じる。マイコン７０は、この酸素濃度差によって生じる起電力に基づいて、排気ガス中の酸素濃度や空燃比λを算出する。
【0029】
（起電力の計算式）
検出セル２１から出力される起電力は下記計算式（ネルンストの式）にしたがって算出される。
E M F = ( R T / n F ) * l n ( P R / P M )
R：気体定数［ J / m o l / K ］
T：絶対温度［ K ］
n：反応に含まれる電子数
F：ファラデー定数［ C / m o l ］
P R：酸素基準電極側の酸素濃度［ % ］
P M：検知電極側の酸素濃度［ % ］
検出セル２１から出力される起電力は下記計算式（ネルンストの式）にしたがって算出される。
E M F = ( R T / n F ) * l n ( P R / P M )
R：気体定数［ J / m o l / K ］
T：絶対温度［ K ］
n：反応に含まれる電子数
F：ファラデー定数［ C / m o l ］
P R：酸素基準電極側の酸素濃度［ % ］
P M：検知電極側の酸素濃度［ % ］
【0030】
（インピーダンスR iの算出方法）
次に、図３および図４を参照し、検出セル２１のインピーダンスR iを検出するための波形およびインピーダンスR iの算出方法について説明する。なお、図３の横軸は時間を示し、縦軸は起電力（電圧）を示す。
次に、図３および図４を参照し、検出セル２１のインピーダンスR iを検出するための波形およびインピーダンスR iの算出方法について説明する。なお、図３の横軸は時間を示し、縦軸は起電力（電圧）を示す。
【0031】
まず、単一パルス電圧（パルス信号の一例であって、以下「パルス電圧」という）は、通電時間T（パルスON）にわたって印加される矩形波である。すなわち、通電時間Tはパルス電圧を印加する時間のことである。マイコン７０で算出したデジタルデータは、Ｉ／Ｏポート７４からパルス打ち込み回路４０に出力（パルス出力）される。これにより、矩形状のパルス電圧が、パルス打ち込み回路４０によって、出力検出回路３０を介して検出セル２１に印加される。
【0032】
図３では、パルス電圧印加開始前の状態をS 0とし、パルス電圧印加開始後、時間t 1経過時の状態をS 1とし、パルス電圧印加終了後、時間t a経過時の状態をS 2とし、パルス電圧印加終了後、時間t b経過時の状態をS 3とし、その後、パルス電圧印加開始前の状態をS 4とし、パルス電圧印加終了直前の状態をS 5とする。状態S 0と状態S 3と状態S 4の起電力はいずれもE M F 0で同じである。また、状態S 0と状態S 4は同じで、状態S 1と状態S 5は同じである。
【0033】
状態S 0では、排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力E M F 0が発生しており、図４(A)は状態S 0での検出セル２１の状態を示しており、検知電極２５側と酸素基準電極２４側の酸素濃度が安定している。排気ガス中の酸素が検知電極２５に取り込まれるとともに、起電力E M F 0（ポンプ電流I c p）により酸素イオンが検知電極２５側から酸素基準電極２４側に移動している。排気ガス中のＣＯ２とＨ２Ｏから検知電極２５に酸素が取り込まれて増加した分と、検知電極２５側から酸素基準電極２４側に酸素イオンが移動して減少した分と、がつり合っているため、検知電極２５側の酸素濃度は一定となっている。
【0034】
パルス電圧の印加を開始すると、パルス電圧とガスセンサ２０のインピーダンスに基づいてパルス電流I r iが流れ、パルス電流I r iにより検知電極２５側から大量の酸素イオンが酸素基準電極２４側へと移動するため、検知電極２５側の酸素濃度P M 1は徐々に低くなる。状態S 1は、パルス電圧がONになってから、通電時間Tよりも短い時間t 1経過時（パルス電圧印加時）の状態である。図４(B)は状態S 1での検出セル２１の状態を示しており、検知電極２５側から酸素基準電極２４側へと大量の酸素イオンが移動した状態となっている。
【0035】
ネルンストの式によると、状態S 1の起電力E M F 1は以下の式(1)のとおりである。
式(1)：E M F 1 = ( R T / n F ) * l n ( P R / P M 1 )
P M 1の値が小さくなるとl n ( P R / P M 1 )の値は大きくなる。したがって、起電力E M F 1はパルス電圧の印加開始直後から徐々に高くなる。図３では、状態S 1における、酸素イオンの移動に伴う起電力上昇分をΔ 1と記載している。状態S 1の電圧を第１電圧V o u t 1とし、インピーダンスをR iとしたとき、第１電圧V o u t 1は以下の式(2)のように表すことができる。
式(2)：V o u t 1 = E M F 0 + Δ 1 + R i * I r i
パルス電圧の印加を終了すると、まずパルス電流I r iに基づく電圧がなくなることで電位が大きく下がる。パルス電圧がOFFになると（パルス電圧の印加を終了すると）、排気ガスから酸素が生成され、検知電極２５側の三相界面に酸素が徐々に到達し、検知電極２５側の酸素濃度は徐々に回復する。状態S 2は、パルス電圧がOFFになってから、時間t a経過時の状態であり、図４(C)は状態S 2での検出セル２１の状態を示している。ネルンストの式によると、状態S 2の起電力E M F 2は以下の式(3)のとおりである。
式(3)：E M F 2 = ( R T / n F ) * l n ( P R / P M 2 )
P M 2の値が大きくなるとl n ( P R / P M 2 )の値は小さくなる。したがって、起電力E M F 2はパルス電圧の印加終了直後から徐々に低くなる。これにより、起電力E M F 2は徐々に下がっていき、状態S 0の起電力E M F 0に戻ることになる。パルス電圧がOFFになってから、状態S 0の起電力E M F 0に戻るまでの時間をt bとすると、時間t aは時間t bよりも短い。時間t aは時間t bの１０分の１であることが好ましい。
式(1)：E M F 1 = ( R T / n F ) * l n ( P R / P M 1 )
P M 1の値が小さくなるとl n ( P R / P M 1 )の値は大きくなる。したがって、起電力E M F 1はパルス電圧の印加開始直後から徐々に高くなる。図３では、状態S 1における、酸素イオンの移動に伴う起電力上昇分をΔ 1と記載している。状態S 1の電圧を第１電圧V o u t 1とし、インピーダンスをR iとしたとき、第１電圧V o u t 1は以下の式(2)のように表すことができる。
式(2)：V o u t 1 = E M F 0 + Δ 1 + R i * I r i
パルス電圧の印加を終了すると、まずパルス電流I r iに基づく電圧がなくなることで電位が大きく下がる。パルス電圧がOFFになると（パルス電圧の印加を終了すると）、排気ガスから酸素が生成され、検知電極２５側の三相界面に酸素が徐々に到達し、検知電極２５側の酸素濃度は徐々に回復する。状態S 2は、パルス電圧がOFFになってから、時間t a経過時の状態であり、図４(C)は状態S 2での検出セル２１の状態を示している。ネルンストの式によると、状態S 2の起電力E M F 2は以下の式(3)のとおりである。
式(3)：E M F 2 = ( R T / n F ) * l n ( P R / P M 2 )
P M 2の値が大きくなるとl n ( P R / P M 2 )の値は小さくなる。したがって、起電力E M F 2はパルス電圧の印加終了直後から徐々に低くなる。これにより、起電力E M F 2は徐々に下がっていき、状態S 0の起電力E M F 0に戻ることになる。パルス電圧がOFFになってから、状態S 0の起電力E M F 0に戻るまでの時間をt bとすると、時間t aは時間t bよりも短い。時間t aは時間t bの１０分の１であることが好ましい。
【0036】
厳密には図５に示すように、パルスONからOFFに切り替わった直後では、ローパスフィルターの時定数に対応する時間（時間t ′と時間 tとの差）が存在する。時間tは通電時間Tに等しく、時間t ′は時間tよりも長い。このため、時間t aは時間t ′よりも後に設定することになる。
【0037】
図３では、状態S 2の電圧を第２電圧V o u t 2とし、第２電圧V o u t 2（起電力E M F 2）と起電力E M F 0との差をΔ 2と記載している。第２電圧V o u t 2は以下の式(4)のように表すことができる。
式(4)：V o u t 2 = E M F 0 + Δ 2
第１電圧V o u t 1と第２電圧V o u t 2との差Δ V o u tを計算すると、以下の式(5)のようになる。
式(5)：Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2 = ( E M F 0 + Δ 1 + R i * I r i ) － (E M F 0 + Δ 2 )
= (Δ 1 － Δ 2 + R i * I r i )
ここで、時間t a＜＜時間t bの場合、P M 1≒P M 2となり、Δ 1≒Δ 2となるから、以下の式(6)のとおりになる。
式(6)：Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2 = R i * I r i
したがって、インピーダンスR iは以下の式(7)で算出できることになる。
式(7)：R i = Δ V o u t / I r i
（インピーダンスR iの算出方法）
次に、図６のフローチャートを参照し、インピーダンスR iの算出方法について説明する。マイコン７０は、パルス出力をパルス打ち込み回路４０に出力する。これにより、単一パルス電圧が検出セル２１に印加され、パルスONとなる（ステップＳ１）。マイコン７０は、パルスONになってから時間t 1が経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２で「YES」であれば、マイコン７０は、出力検出回路３０を介して第１電圧V o u t 1を取得する（読み取る）（ステップＳ３）。一方、ステップＳ２で「NO」であれば、時間t 1が経過するまでステップＳ２の処理を繰り返す。
式(4)：V o u t 2 = E M F 0 + Δ 2
第１電圧V o u t 1と第２電圧V o u t 2との差Δ V o u tを計算すると、以下の式(5)のようになる。
式(5)：Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2 = ( E M F 0 + Δ 1 + R i * I r i ) － (E M F 0 + Δ 2 )
= (Δ 1 － Δ 2 + R i * I r i )
ここで、時間t a＜＜時間t bの場合、P M 1≒P M 2となり、Δ 1≒Δ 2となるから、以下の式(6)のとおりになる。
式(6)：Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2 = R i * I r i
したがって、インピーダンスR iは以下の式(7)で算出できることになる。
式(7)：R i = Δ V o u t / I r i
（インピーダンスR iの算出方法）
次に、図６のフローチャートを参照し、インピーダンスR iの算出方法について説明する。マイコン７０は、パルス出力をパルス打ち込み回路４０に出力する。これにより、単一パルス電圧が検出セル２１に印加され、パルスONとなる（ステップＳ１）。マイコン７０は、パルスONになってから時間t 1が経過したか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２で「YES」であれば、マイコン７０は、出力検出回路３０を介して第１電圧V o u t 1を取得する（読み取る）（ステップＳ３）。一方、ステップＳ２で「NO」であれば、時間t 1が経過するまでステップＳ２の処理を繰り返す。
【0038】
次に、マイコン７０は、通電時間Tが経過すると、パルス出力のパルス打ち込み回路４０への出力を停止し、単一パルス電圧の検出セル２１への印加を停止し、パルスOFFとなる（ステップＳ４）。マイコン７０は、パルスOFFになってから時間t aが経過したか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５で「YES」であれば、マイコン７０は、出力検出回路３０を介して第２電圧V o u t 2を取得する（読み取る）（ステップＳ６）。一方、ステップＳ５で「NO」であれば、時間t aが経過するまでステップＳ５の処理を繰り返す。
【0039】
次に、マイコン７０は、Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2の算出を行い（ステップＳ７）、続けてR i = Δ V o u t / I r iの算出を行うことでインピーダンスR iを算出する（ステップＳ８）。
【0040】
（実施形態の効果確認）
図７と図８は、Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 0の算出を行い、R i = Δ V o u t / I r iの算出を行うことでインピーダンスR iを算出したものである。インピーダンスR iの算出は、パルス幅を６０μs、２５０μs、５００μs、１０００μsの４種類の条件で行った。図７は、インピーダンスR iの実測値を示したグラフであり、図８は、各条件におけるインピーダンスR iの平均値からのずれ量を示したグラフである。
図７と図８は、Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 0の算出を行い、R i = Δ V o u t / I r iの算出を行うことでインピーダンスR iを算出したものである。インピーダンスR iの算出は、パルス幅を６０μs、２５０μs、５００μs、１０００μsの４種類の条件で行った。図７は、インピーダンスR iの実測値を示したグラフであり、図８は、各条件におけるインピーダンスR iの平均値からのずれ量を示したグラフである。
【0041】
これらのグラフから、リッチ側（λ＜１）では、リーン側（λ＞１）に比べてインピーダンスR iが大きくなっており、パルス幅が長いほど、インピーダンスR iの変動が増大していることがわかる。つまり、パルス幅が長いほど、パルス電圧の印加時間（通電時間T）が長くなり、酸素イオンの移動量が大きくなり、酸素イオンの移動に伴う起電力上昇分が大きくなっていることを示している。
【0042】
図９と図１０は、Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2の算出を行い、R i = Δ V o u t / I r iの算出を行うことでインピーダンスR iを算出したものである。インピーダンスR iの算出は、パルス幅を６０μs、２５０μs、５００μs、１０００μsの４種類の条件で行った。図９は、インピーダンスR iの実測値を示したグラフであり、図１０は、各条件におけるインピーダンスR iの平均値からのずれ量を示したグラフである。
【0043】
これらのグラフから、リッチ側（λ＜１）では、リーン側（λ＞１）に比べてインピーダンスR iがわずかに大きくなっているものの、図７と図８のグラフに比べると、インピーダンスR iの変動が大きく低減していることがわかる。また、パルス幅が長くなるに伴ってインピーダンスR iの変動が増大する様子は確認されなかった。これは、パルス電圧の印加時間（通電時間T）が長くなっても、Δ V o u t = V o u t 1 － V o u t 2の算出を行うことで酸素イオンの移動に伴う起電力上昇分V o u t 2をキャンセルできていることを示している。
【0044】
（実施形態２）
実施形態２は、インピーダンスR iの算出方法が実施形態１とは異なっており、実施形態１よりも精度よくインピーダンスR iを算出する方法について説明する。実施形態１と重複する説明については省略するものとし、実施形態１と同じ状態S 0 ～ S 5については実施形態１と同じ符号を用いるものとする。
実施形態２は、インピーダンスR iの算出方法が実施形態１とは異なっており、実施形態１よりも精度よくインピーダンスR iを算出する方法について説明する。実施形態１と重複する説明については省略するものとし、実施形態１と同じ状態S 0 ～ S 5については実施形態１と同じ符号を用いるものとする。
【0045】
図１３に示すように、パルス電圧印加終了後、時間t a′経過時の状態をS 2′とする。時間t a′は時間t aよりも長く、時間t bよりも短い。状態S 2′における電圧をV o u t 2′とする。状態S 2と状態S 2′を直線で結んだ一次関数を直線L 1とし、パルス波形のうちパルス電圧印加終了時の直線（詳細には図５参照）を直線L 2とする。ここで、直線L 1と直線L 2の交点の状態をS 2″とする。状態S 2″の起電力E M F 2″から状態S 0の起電力E M F 0を減じたものをΔ 2″として算出する。
【0046】
実施形態２では、インピーダンスR iの算出においてΔ 2の代わりにΔ 2″を用いる。状態S 2″の電圧を第３電圧V o u t 2″とし、第３電圧V o u t 2″と起電力E M F 0との差をΔ 2″としている。第３電圧V o u t 2″は以下の式(4)″のように表すことができる。
式(4)″：V o u t 2″ = E M F 0 + Δ 2″
第１電圧V o u t 1と第３電圧V o u t 2″との差ΔV o u t″を計算すると、以下の式(5)″のようになる。
式(5)″：Δ V o u t″ = V o u t 1 － V o u t 2″ = ( E M F 0 + Δ 1 + R i * I r i ) － (E M F 0 + Δ 2″ )
= (Δ 1 － Δ 2″ + R i * I r i )
ここで、時間t a＜＜時間t bの場合、Δ 1≒Δ 2″となるから、以下の式(6)″のとおりになる。
式(6)″：Δ V o u t″ = V o u t 1 － V o u t 2″ = R i * I r i
したがって、インピーダンスR iは以下の式(7)″で算出できることになる。
式(7)″：R i = Δ V o u t″ / I r i
このようにすれば、実施形態１よりも酸素イオンの移動に伴う起電力上昇分V o u t 2″を精度よく算出できるため、実施形態１よりもインピーダンスR iを精度よく算出できる。
式(4)″：V o u t 2″ = E M F 0 + Δ 2″
第１電圧V o u t 1と第３電圧V o u t 2″との差ΔV o u t″を計算すると、以下の式(5)″のようになる。
式(5)″：Δ V o u t″ = V o u t 1 － V o u t 2″ = ( E M F 0 + Δ 1 + R i * I r i ) － (E M F 0 + Δ 2″ )
= (Δ 1 － Δ 2″ + R i * I r i )
ここで、時間t a＜＜時間t bの場合、Δ 1≒Δ 2″となるから、以下の式(6)″のとおりになる。
式(6)″：Δ V o u t″ = V o u t 1 － V o u t 2″ = R i * I r i
したがって、インピーダンスR iは以下の式(7)″で算出できることになる。
式(7)″：R i = Δ V o u t″ / I r i
このようにすれば、実施形態１よりも酸素イオンの移動に伴う起電力上昇分V o u t 2″を精度よく算出できるため、実施形態１よりもインピーダンスR iを精度よく算出できる。
【0047】
（実施形態１，２の作用効果）
（１）本開示のガスセンサユニット１０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２３に一対の電極２４，２５を設けた検出セル２１を有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニット１０であって、検出セル２１に対して、通電時間Tにわたって単一パルス電圧を印加するパルス打ち込み回路４０と、単一パルス電圧印加時の第１電圧V o u t 1を取得するマイコン７０の第１電圧取得手段と、単一パルス電圧の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V o u t 2を取得するマイコン７０の第２電圧取得手段と、第２電圧V o u t 2を用いて第１電圧V o u t 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するマイコン７０のインピーダンス算出手段と、を備え、単一パルス電圧の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う検出セル２１の起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、時間t aは時間t bよりも短い、ガスセンサユニット１０である。
（１）本開示のガスセンサユニット１０は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２３に一対の電極２４，２５を設けた検出セル２１を有し、特定ガス濃度に応じた起電力を出力するガスセンサユニット１０であって、検出セル２１に対して、通電時間Tにわたって単一パルス電圧を印加するパルス打ち込み回路４０と、単一パルス電圧印加時の第１電圧V o u t 1を取得するマイコン７０の第１電圧取得手段と、単一パルス電圧の印加を終了してから、時間t a経過時の第２電圧V o u t 2を取得するマイコン７０の第２電圧取得手段と、第２電圧V o u t 2を用いて第１電圧V o u t 1を補正することによりインピーダンスR iを算出するマイコン７０のインピーダンス算出手段と、を備え、単一パルス電圧の印加を終了してから、酸素イオンの移動に伴う検出セル２１の起電力変化Δ 1がゼロになるまでの時間をt bとしたときに、時間t aは時間t bよりも短い、ガスセンサユニット１０である。
【0048】
検出セル２１に対して単一パルス電圧が印加されると、電圧印加による電位変化に、酸素イオンの移動に伴う起電力変化Δ 1が加わることになる。一方、単一パルス電圧の印加が終了すると、電圧印加による電位変化はすぐにゼロになるものの、酸素イオンの移動に伴う起電力変化Δ 1は時間t bをかけながらゼロになる。上記の構成によると、時間t bよりも短い時間t a経過時の第２電圧V o u t 2を用いて第１電圧V o u t 1を補正しているから、補正しない場合に比べて起電力変化Δ 1による影響を抑制でき、インピーダンスR iを精度よく検出できる。
【0049】
（２）単一パルス電圧を印加する通電時間Tは時間t bよりも短く、時間t aは通電時間Tよりも短いことが好ましい。
【0050】
時間t aは通電時間Tよりも短いから、インピーダンスR iをさらに精度よく検出できる。
【0051】
（３）時間t aよりも長く時間t bよりも短い時間をt a′とし、単一パルス電圧の印加を終了してから、時間t a′経過時の第３電圧V o u t 2′を取得するマイコン７０の第３電圧取得手段をさらに備え、マイコン７０のインピーダンス算出手段は、第２電圧V o u t 2と第３電圧V o u t 2′を用いて第１電圧V o u t 1を補正することによりインピーダンスR iを算出することが好ましい。
【0052】
第２電圧V o u t 2と第３電圧V o u t 2′を用いて第１電圧V o u t 1を補正しているから、第２電圧V o u t 2だけを用いて第１電圧V o u t 1を補正するよりも精度よくインピーダンスR iを検出できる。
【0053】
（他の実施形態）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【0054】
・上記実施形態では電子制御ユニット１００としてＥＣＵを例示したが、ＥＣＵとは別体に電子制御ユニットを設けてもよい。例えば、ガスセンサとＥＣＵとの間に、出力検出回路、パルス打ち込み回路、ヒータ制御回路、およびマイクロコンピュータを回路基板に搭載した別体の電子制御ユニットを設置してもよい。
【0055】
・上記実施形態ではパルス信号としてパルス電圧を印加していたが、パルス電流を印加してもよい。
【符号の説明】
【0056】
１０：ガスセンサユニット
２０：ガスセンサ ２１：検出セル（セル） ２２：ヒータ ２３：固体電解質体 ２４：酸素基準電極（電極） ２５：検知電極（電極）
３０：出力検出回路
４０：パルス打ち込み回路（パルス印加手段）
５０：バッテリ
６０：ヒータ制御回路
７０：マイコン（第１電圧取得手段、第２電圧取得手段、第３電圧取得手段、インピーダンス算出手段） ７１：ＣＰＵ ７２：ＲＯＭ ７３：ＲＡＭ ７４：Ｉ／Ｏポート ７５：Ａ／Ｄポート ７６：ＰＷＭポート
１００：電子制御ユニット
I c p：ポンプ電流 I r i：パルス電流 R i：インピーダンス
T：通電時間 t 1，t a，t a′，t b：時間
V o u t 1：第１電圧（V 1） V o u t 2：第２電圧（V 2） V o u t 2′：第３電圧（V 3）
Δ 1，Δ 2，Δ 2″：起電力変化
２０：ガスセンサ ２１：検出セル（セル） ２２：ヒータ ２３：固体電解質体 ２４：酸素基準電極（電極） ２５：検知電極（電極）
３０：出力検出回路
４０：パルス打ち込み回路（パルス印加手段）
５０：バッテリ
６０：ヒータ制御回路
７０：マイコン（第１電圧取得手段、第２電圧取得手段、第３電圧取得手段、インピーダンス算出手段） ７１：ＣＰＵ ７２：ＲＯＭ ７３：ＲＡＭ ７４：Ｉ／Ｏポート ７５：Ａ／Ｄポート ７６：ＰＷＭポート
１００：電子制御ユニット
I c p：ポンプ電流 I r i：パルス電流 R i：インピーダンス
T：通電時間 t 1，t a，t a′，t b：時間
V o u t 1：第１電圧（V 1） V o u t 2：第２電圧（V 2） V o u t 2′：第３電圧（V 3）
Δ 1，Δ 2，Δ 2″：起電力変化
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】