特許 7430116 ガスセンサユニット、内燃機関制御システム及び酸素情報取得方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-01

(45)【発行日】2024-02-09

(54)【発明の名称】ガスセンサユニット、内燃機関制御システム及び酸素情報取得方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/419 20060101AFI20240202BHJP

   G01N 27/41 20060101ALI20240202BHJP

【ＦＩ】

G01N27/419 327N

G01N27/419 327P

G01N27/41 325N

G01N27/41 325P

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2020118449

(22)【出願日】2020-07-09

(65)【公開番号】P2022015533

(43)【公開日】2022-01-21

【審査請求日】2023-01-10

(73)【特許権者】

【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】伊藤 哲哉

(72)【発明者】

【氏名】寺本 諭司

(72)【発明者】

【氏名】久保 尚也

【審査官】小澤 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０９０２６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２１２９５０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－０５３８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０００３２４９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

Ｇ０１Ｎ ２７／４１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する第１固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されかつ他方が基準雰囲気に晒されるように前記第１固体電解質体上に配置された一対の第１電極を含む酸素濃度検出セルと、前記検出室に面する第２固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記第２固体電解質体上に配置された一対の第２電極を含み、前記第２電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサと、
前記検出室内の酸素濃度を前記基準雰囲気の酸素濃度との差異に応じて前記第１電極間に生じる電圧が基準電圧となるように、前記第２電極間に電流を印加する電流印加部と、を備えるガスセンサユニットであって、
前記基準電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１基準電圧と、前記第１基準電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２基準電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、
前記基準電圧が前記第１基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第１電流と、前記基準電圧が前記第２基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備え、
前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出されるガスセンサユニット。

【請求項2】

前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、
前記電圧設定部は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態の場合に、前記基準電圧を、前記第１基準電圧から前記第２基準電圧へ、又は前記第２基準電圧から前記第１基準電圧へ切り替える請求項１に記載のガスセンサユニット。

【請求項3】

前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している請求項１又は請求項２に記載のガスセンサユニット。

【請求項4】

内燃機関の運転状態を制御する内燃機関制御装置と、
外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する第１固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されかつ他方が基準雰囲気に晒されるように前記第１固体電解質体上に配置された一対の第１電極を含む酸素濃度検出セルと、前記検出室に面する第２固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記第２固体電解質体上に配置された一対の第２電極を含み、前記第２電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサと、
前記検出室内の酸素濃度を前記基準雰囲気の酸素濃度との差異に応じて前記第１電極間に生じる電圧が基準電圧となるように、前記第２電極間に電流を印加する電流印加部と、を備える内燃機関制御システムであって、
前記基準電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１基準電圧と、前記第１基準電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２基準電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、
前記基準電圧が前記第１基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第１電流と、前記基準電圧が前記第２基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備え、
前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される内燃機関制御システム。

【請求項5】

前記内燃機関制御装置は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断部を有し、
前記電圧設定部は、前記駆動状態判断部が安定状態と判断した場合に、前記基準電圧を、前記第１基準電圧から前記第２基準電圧へ、又は前記第２基準電圧から前記第１基準電圧へ切り替える請求項４に記載の内燃機関制御システム。

【請求項6】

前記検出室は、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との間に介在され、かつ外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している請求項４又は請求項５に記載の内燃機関制御システム。

【請求項7】

外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する第１固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されかつ他方が基準雰囲気に晒されるように前記第１固体電解質体上に配置された一対の第１電極を含む酸素濃度検出セルと、前記検出室に面する第２固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記第２固体電解質体上に配置された一対の第２電極を含み、前記第２電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサにおいて、前記検出室内の酸素濃度を前記基準雰囲気の酸素濃度の差異に応じて前記第１電極間に生じる電圧が基準電圧となるように、前記第２電極間に電流を印加する電流印加工程と、
前記基準電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１基準電圧と、前記第１基準電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２基準電圧とに、交互に設定する電圧設定工程と、
前記基準電圧が前記第１基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第１電流と、前記基準電圧が前記第２基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得工程とを備え、
前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される酸素情報取得方法。

【請求項8】

前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、
前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断工程を備え、
前記電圧設定工程は、前記駆動状態判断工程において前記内燃機関の駆動状態が安定状態と判断された場合に、前記基準電圧を、前記第１基準電圧から前記第２基準電圧へ、又は前記第２基準電圧から前記第１基準電圧へ切り替える請求項７に記載の酸素情報取得方法。

【請求項9】

前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している請求項７又は請求項８に記載の酸素情報取得方法。

【請求項10】

外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記固体電解質体上に配置された一対の電極を含み、前記電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサと、
前記電極間に印加電圧を印加する電圧印加部と、を備えるガスセンサユニットであって、
前記印加電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１印加電圧と、前記第１印加電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２印加電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、
前記印加電圧が前記第１印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第１電流と、前記印加電圧が前記第２印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備え、
前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出されるガスセンサユニット。

【請求項11】

前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、
前記電圧設定部は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態の場合に、前記印加電圧を、前記第１印加電圧から前記第２印加電圧へ、又は前記第２印加電圧から前記第２印加電圧から前記第１印加電圧へ切り替える請求項１０に記載のガスセンサユニット。

【請求項12】

前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している請求項１０又は請求項１１に記載のガスセンサユニット。

【請求項13】

内燃機関の運転状態を制御する内燃機関制御装置と、
外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記固体電解質体上に配置された一対の電極を含み、前記電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガスの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有するガスセンサと、
前記電極間に印加電圧を印加する電圧印加部と、を備える内燃機関制御システムであって、
前記印加電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１印加電圧と、前記第１印加電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２印加電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、
前記印加電圧が前記第１印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第１電流と、前記印加電圧が前記第２印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備え、
前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される内燃機関制御システム。

【請求項14】

前記内燃機関制御装置は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断部を有し、
前記電圧設定部は、前記駆動状態判断部が安定状態と判断した場合に、前記印加電圧を、前記第１印加電圧から前記第２印加電圧へ、又は前記第２印加電圧から前記第１印加電圧へ切り替える請求項１３に記載の内燃機関制御システム。

【請求項15】

前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している請求項１３又は請求項１４に記載の内燃機関制御システム。

【請求項16】

外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記固体電解質体上に配置された一対の電極を含み、前記電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサにおいて、前記電極間に印加電圧を印加する電圧印加工程と、
前記印加電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１印加電圧と、前記第１印加電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２印加電圧とに、交互に設定する電圧設定工程と、
前記印加電圧が前記第１印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第１電流と、前記印加電圧が前記第２印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得工程を備え、
前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される酸素情報取得方法。

【請求項17】

前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、
前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断工程を備え、
前記電圧設定工程は、前記駆動状態判断工程において前記内燃機関の駆動状態が安定状態と判断された場合に、前記印加電圧を、前記第１印加電圧から前記第２印加電圧へ、又は前記第２印加電圧から前記第１印加電圧へ切り替える請求項１６に記載の酸素情報取得方法。

【請求項18】

前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している請求項１６又は請求項１７に記載の酸素情報取得方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセンサユニット、内燃機関制御システム及び酸素情報取得方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車に使用されるセンサの一つとして、自動車エンジン等の内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気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。この種の酸素センサは、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとの間に、排気ガス中の酸素濃度を検出するためのガス検出室を有するガスセンサ素子を備えている。

【0003】

酸素濃度検出セルは、固体電解質体と、それを挟むように配置された一対の電極とを備えており、両電極間には、酸素濃度に応じた起電力が発生する。また、酸素ポンプセルは、固体電解質体と、それを挟むように配置された一対の電極とを備えており、外部からガス検出室内に酸素を汲み入れ、又はガス検出室内から外部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素子では、酸素濃度検出セルの両電極間に生じる起電力と、予め定められた基準電圧（例えば、４５０ｍＶ）とを比較し、その比較結果に基づいて、酸素ポンプセルの両電極間に流す電流の大きさや向きが制御される。酸素センサは、その電流（ポンプ電流Ｉｐ）に基づいて、排気ガス中の酸素濃度や空燃比を検出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】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】

【0005】

酸素センサのガスセンサ素子は、構造（製造）上の都合で、通常、個体差がある。例えば、ガス検出室と外部とを隔てる多孔質状の拡散律速部の寸法誤差の影響により、ガス検出室に導入される排気ガスの量（導入量）に、ある程度のばらつきが発生することがある。排気ガスの導入量にばらつきがあると、酸素センサの出力にもばらつきが発生する虞があった。

【0006】

従来の酸素センサでは、ガス検出室内がストイキとなるような、１種類の基準電圧（例えば、４５０ｍＶ）を使用して、ポンプ電流を検出し、そのポンプ電流に基づいて、排気ガス中の酸素濃度を検出していた。なお、特許文献１には、２種類の基準電圧を使用することは開示されているものの、それ２つの基準電圧に基づいて測定された各ポンプ電流を利用して、排気ガス中の酸素濃度や空燃比を検出することは開示されていない。

【0007】

本発明の目的は、構造上のばらつきに因るガスセンサの出力誤差が抑制されたガスセンサユニット等を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するための手段は、以下の通りである。即ち、
＜１＞ 外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する第１固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されかつ他方が基準雰囲気に晒されるように前記第１固体電解質体上に配置された一対の第１電極を含む酸素濃度検出セルと、前記検出室に面する第２固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記第２固体電解質体上に配置された一対の第２電極を含み、前記第２電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサと、前記検出室内の酸素濃度を前記基準雰囲気の酸素濃度との差異に応じて前記第１電極間に生じる電圧が基準電圧となるように、前記第２電極間に電流を印加する電流印加部と、を備えるガスセンサユニットであって、前記基準電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１基準電圧と、前記第１基準電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２基準電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、前記基準電圧が前記第１基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第１電流と、前記基準電圧が前記第２基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備えるガスセンサユニット。

【0009】

＜２＞ 前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、前記電圧設定部は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態の場合に、前記基準電圧を、前記第１基準電圧から前記第２基準電圧へ、又は前記第２基準電圧から前記第１基準電圧へ切り替える前記＜１＞に記載のガスセンサユニット。

【0010】

＜３＞ 前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している前記＜１＞又は＜２＞に記載のガスセンサユニット。

【0011】

＜４＞ 前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される前記＜１＞から＜３＞の何れか１つに記載のガスセンサユニット。

【0012】

＜５＞ 内燃機関の運転状態を制御する内燃機関制御装置と、外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する第１固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されかつ他方が基準雰囲気に晒されるように前記第１固体電解質体上に配置された一対の第１電極を含む酸素濃度検出セルと、前記検出室に面する第２固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記第２固体電解質体上に配置された一対の第２電極を含み、前記第２電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサと、前記検出室内の酸素濃度を前記基準雰囲気の酸素濃度との差異に応じて前記第１電極間に生じる電圧が基準電圧となるように、前記第２電極間に電流を印加する電流印加部と、を備える内燃機関制御システムであって、前記基準電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１基準電圧と、前記第１基準電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２基準電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、前記基準電圧が前記第１基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第１電流と、前記基準電圧が前記第２基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備える内燃機関制御システム。

【0013】

＜６＞ 前記内燃機関制御装置は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断部を有し、前記電圧設定部は、前記駆動状態判断部が安定状態と判断した場合に、前記基準電圧を、前記第１基準電圧から前記第２基準電圧へ、又は前記第２基準電圧から前記第１基準電圧へ切り替える前記＜４＞に記載の内燃機関制御システム。

【0014】

＜７＞ 前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している前記＜５＞又は＜６＞に記載の内燃機関制御システム。

【0015】

＜８＞ 前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される前記＜５＞から＜７＞の何れか１つに記載の内燃機関制御システム。

【0016】

＜９＞ 外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する第１固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されかつ他方が基準雰囲気に晒されるように前記第１固体電解質体上に配置された一対の第１電極を含む酸素濃度検出セルと、前記検出室に面する第２固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記第２固体電解質体上に配置された一対の第２電極を含み、前記第２電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサにおいて、前記検出室内の酸素濃度を前記基準雰囲気の酸素濃度の差異に応じて前記第１電極間に生じる電圧が基準電圧となるように、前記第２電極間に電流を印加する電流印加工程と、前記基準電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１基準電圧と、前記第１基準電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２基準電圧とに、交互に設定する電圧設定工程と、前記基準電圧が前記第１基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第１電流と、前記基準電圧が前記第２基準電圧に設定された場合に前記第２電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得工程とを備える酸素情報取得方法。

【0017】

＜１０＞ 前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断工程を備え、前記電圧設定工程は、前記駆動状態判断工程において前記内燃機関の駆動状態が安定状態と判断された場合に、前記基準電圧を、前記第１基準から前記第２基準電圧へ、又は前記第２基準電圧から前記第１基準電圧へ切り替える前記＜９＞に記載の酸素情報取得方法。

【0018】

＜１１＞ 前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している前記＜９＞又は＜１０＞に記載の酸素情報取得方法。

【0019】

＜１２＞ 前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される前記＜９＞から＜１１＞の何れか１つに記載の酸素情報取得方法。

【0020】

＜１３＞ 外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記固体電解質体上に配置された一対の電極を含み、前記電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサと、前記電極間に印加電圧を印加する電圧印加部と、を備えるガスセンサユニットであって、前記印加電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１印加電圧と、前記第１印加電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２印加電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、前記印加電圧が前記第１印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第１電流と、前記印加電圧が前記第２印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備えるガスセンサユニット。

【0021】

＜１４＞ 前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、前記電圧設定部は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態の場合に、前記印加電圧を、前記第１印加電圧から前記第２印加電圧へ、又は前記第２印加電圧から前記第２印加電圧から前記第１印加電圧へ切り替える前記＜１３＞に記載のガスセンサユニット。

【0022】

＜１５＞ 前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している前記＜１３＞又は＜１４＞に記載のガスセンサユニット。

【0023】

＜１６＞ 前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される前記＜１３＞から＜１５＞の何れか１つに記載のガスセンサユニット。

【0024】

＜１７＞ 内燃機関の運転状態を制御する内燃機関制御装置と、外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記固体電解質体上に配置された一対の電極を含み、前記電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガスの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有するガスセンサと、前記電極間に印加電圧を印加する電圧印加部と、を備える内燃機関制御システムであって、前記印加電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１印加電圧と、前記第１印加電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２印加電圧とに、交互に設定する電圧設定部と、前記印加電圧が前記第１印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第１電流と、前記印加電圧が前記第２印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得部を備える内燃機関制御システム。

【0025】

＜１８＞ 前記内燃機関制御装置は、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断部を有し、前記電圧設定部は、前記駆動状態判断部が安定状態と判断した場合に、前記印加電圧を、前記第１印加電圧から前記第２印加電圧へ、又は前記第２印加電圧から前記第１印加電圧へ切り替える前記＜１７＞に記載の内燃機関制御システム。

【0026】

＜１９＞ 前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している前記＜１７＞又は＜１８＞に記載の内燃機関制御システム。

【0027】

＜２０＞ 前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される前記＜１７＞から＜１９＞の何れか１つに記載の内燃機関制御システム。

【0028】

＜２１＞ 外部から被検出ガスが導入される検出室と、前記検出室に面する固体電解質体、一方が前記検出室内に収容されるように前記固体電解質体上に配置された一対の電極を含み、前記電極間を流れる電流に応じて、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中の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有するガスセンサにおいて、前記電極間に印加電圧を印加する電圧印加工程と、前記印加電圧を、前記検出室内に導入された前記被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しない第１印加電圧と、前記第１印加電圧よりも大きくかつ前記Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離する第２印加電圧とに、交互に設定する電圧設定工程と、前記印加電圧が前記第１印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第１電流と、前記印加電圧が前記第２印加電圧に設定された場合に前記電極間を流れる第２電流とに基づいて、前記被検出ガス中の前記酸素の濃度に関する情報を取得する酸素情報取得工程を備える酸素情報取得方法。

【0029】

＜２２＞ 前記ガスセンサは、内燃機関の排気側に設置され、前記内燃機関から排出された排気ガスを前記被検出ガスとし、前記内燃機関の駆動状態が安定している安定状態であるか否かを判断する駆動状態判断工程を備え、前記電圧設定工程は、前記駆動状態判断工程において前記内燃機関の駆動状態が安定状態と判断された場合に、前記印加電圧を、前記第１印加電圧から前記第２印加電圧へ、又は前記第２印加電圧から前記第１印加電圧へ切り替える前記＜２１＞に記載の酸素情報取得方法。

【0030】

＜２３＞ 前記検出室は、外部から前記検出室に導入される被測定ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部に面している前記＜２１＞又は＜２２＞に記載の酸素情報取得方法。

【0031】

＜２４＞ 前記酸素の濃度に関する情報は、前記第１電流及び前記第２電流の比に基づいて算出される前記＜２１＞から＜２３＞の何れか１つに記載の酸素情報取得方法。

【発明の効果】

【0032】

本発明によれば、構造上のばらつきに因るガスセンサの出力誤差が抑制されたガスセンサユニット等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施形態１に係るガスセンサシステムの概略構成を示す説明図

【図2】ガスセンサ及びガスセンサ制御装置を備えるガスセンサユニットの概略構成を示す説明図

【図3】ガスセンサが有するガスセンサ素子を先端側から見た斜視図

【図4】図３のＡ－Ａ線断面図

【図5】ガスセンサ素子の出力のばらつきを説明するグラフ

【図6】基準電圧とポンプ電流との関係を模式的に表したグラフ

【図7】ＥＣＵにおいて実行される駆動状態判断処理のフローチャート

【図8】ガスセンサ制御装置において実行される空気過剰率λを算出する処理のフローチャート

【図9】実施形態２に係る空燃比システムの概略構成を示す説明図

【図10】ガスセンサ制御装置において実行される第１電流と第２電流とを検出する処理のフローチャート

【図11】ＥＣＵにおいて実行される空気過剰率を算出する処理のフローチャート

【図12】実施形態３に係る空燃比システムの概略構成を示す説明図

【図13】実施形態３に係るガスセンサ及びガスセンサ制御装置を備えるガスセンサユニットの概略構成を示す説明図

【図14】ガスセンサ制御装置において実行される空気過剰率λを算出する処理のフローチャート

【図15】実施形態４に係る空燃比システムの概略構成を示す説明図

【図16】ガスセンサ制御装置において実行される第１電流と第２電流とを検出する処理のフローチャート

【発明を実施するための形態】

【0034】

＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を、図１～図８を参照しつつ説明する。図１は、実施形態１に係る空燃比システム１００の概略構成を示す説明図である。空燃比システム（内燃機関制御システムの一例）１００は、ガスセンサユニット３、ＥＣＵ５、エンジン（内燃機関の一例）１０１、排気管１０２、吸気管１０３等を備えている。

【0035】

エンジン１０１は、直列４気筒４サイクルの火花点火式として構成されており、エンジン１０１の上流側には、外部から吸入された空気が流通する吸気管１０３が接続され、また、エンジン１０１の下流側には、燃料の燃焼により生じた排気ガスが流通する排気管１０２が接続されている。吸気管１０３には、図示されない複数のインジェクタ（燃料噴射弁）が設置されている。インジェクタは、燃料タンク（不図示）に接続され、エンジン１０１の上流側において、複数の気筒のそれぞれに設けられており、ＥＣＵ５からの制御信号に応じて燃料を噴射する。なお、インジェクタよりも上流側の吸気管１０３には、エンジン１０１への空気の吸気量を調整するスロットル弁（不図示）が設けられており、その開度は、ＥＣＵ５からの制御信号により制御される。

【0036】

エンジン１０１の近傍には、冷却水１０４の水温を検出するための水温センサ１０５が設置されている。また、エンジン１０１のクランク軸１０１ａには、所定のクランク角度毎にパルス信号を出力する回転角度センサ１０６が設置されている。この回転角度センサ１０６により、エンジン１０１の回転数が検出される。水温センサ１０５及び回転角度センサ１０６の各検出信号は、適宜、ＥＣＵ５に出力される。

【0037】

ガスセンサユニット３は、ガスセンサ１と、ガスセンサ制御装置２とを有する。ガスセンサ１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（リニアラムダセンサ）であり、エンジン１０１の排気側（つまり、排気管１０２の経路上）に設置されて、排気管１０２内を流通する排気ガス中の酸素濃度（酸素情報の一例）を検出する。なお、ガスセンサ１は、排気管１０２の途中に設置された三元触媒４の上流側に設置されている。三元触媒４は、エンジン１０１から排出され、排気管１０２内を流通する排気ガス（例えば、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等）を浄化する。

【0038】

ガスセンサ１は、それから離れた位置に配設されるガスセンサ制御装置２とハーネス（信号線）９１を介して電気的に接続されており、ガスセンサ制御装置２によって通電制御されて酸素濃度を検出する。ガスセンサ１を用いて検出された酸素濃度に応じた検出信号は、後述するように、ガスセンサ制御装置２において、排気ガス中の空燃比（空気過剰率）を取得するために利用される。ガスセンサ制御装置２は、バッテリ８０から電力の供給を受けて駆動する。

【0039】

ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５は、自動車のエンジン１０１の駆動等を電子的に制御するための装置であり、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３等を搭載したマイコンチップにより構成される。ＥＣＵ５では、ＣＰＵ５１がＲＯＭ５２に記憶された各種プログラムを実行し、各種センサ（ガスセンサ１、水温センサ１０５、回転角度センサ１０６等）からの検出信号が入力されると共に、インジェクタ等を作動させるための制御信号を出力する。このようなＥＣＵ５では、ガスセンサ１の出力に基づいて、エンジン１０１の空燃比フィードバック制御が行われる。後述するように、ＥＣＵ５には、ガスセンサ制御装置２により取得された、被検出ガス（排気ガス）中の空燃比に関する情報が入力される。また、ＥＣＵ５では、エンジン１０１の駆動状態の判断が行われる。

【0040】

次に、図２～図４等を参照しつつ、ガスセンサ１及びガスセンサ制御装置２の詳細を説明する。図２は、ガスセンサ１及びガスセンサ制御装置２を備えるガスセンサユニット３の概略構成を示す説明図であり、図３は、ガスセンサ１が有するガスセンサ素子１０を先端側から見た斜視図であり、図４は、図３のＡ－Ａ線断面図である。

【0041】

ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０と、そのガスセンサ素子１０を内部で保持するハウジング（不図示）とを備えている。本実施形態のガスセンサ素子１０は、２セル式であり、後述するように、酸素ポンプセル４０と、酸素濃度検出セル５０とを備えている。ガスセンサ１は、ガスセンサ素子１０の出力信号を取り出すためのハーネス９１を介して、ガスセンサ１から離れた位置に設置されたガスセンサ制御装置２に対して電気的に接続されている（図１参照）。

【0042】

なお、本実施形態では、ガスセンサ１とＥＣＵ５との間に、ガスセンサ制御装置２が配設されると共に、ガスセンサ１及びガスセンサ制御装置２によってセンサユニット３が構成される場合が例示される。

【0043】

ここで、ガスセンサ素子１０の構造について説明する。ガスセンサ素子１０は、図３に示されるように、全体的には細長の板状をなしており、その先端側に、被検出ガス中の酸素濃度を検出する検出部が設けられている。ガスセンサ素子１０の先端側は、多孔質体からなる保護層Ｍ（図３参照）によって覆われている。なお、保護層Ｍは、説明の便宜上、図４等において適宜、省略されている。

【0044】

ガスセンサ素子１０は、ジルコニアを主体とする固体電解質体１１，１３と、アルミナを主体とする絶縁基体１２，１７，１８，２４とを備える。それらは、いずれも細長い板状に形成されており、絶縁基体１８、絶縁基体１７、固体電解質体１３、絶縁基体１２、固体電解質体１１、及び絶縁基体２４の順に積層された構造となっている。なお、固体電解質体１３は、「第１固体電解質体」に対応し、固体電解質体１１は、「第２固体電解質体」に対応する。

【0045】

固体電解質体１１の両面に、白金を主体とする一対の電極１９，２０がそれぞれ形成されている。また、同様に、固体電解質体１３の両面にも一対の電極２１，２２がそれぞれ形成されている。電極２２は、固体電解質体１３と絶縁基体１７との間で挟まれた状態で埋設されている。

【0046】

絶縁基体１２の長手方向の一端側には、固体電解質体１１，１３を一壁面としつつ、被検出ガス（排気ガス）を導入可能な中空のガス検出室（検出室）２３が形成されている。なお、ガス検出室（検出室）２３は、固体電解質体１３（第１固体電解質体）と、固体電解質体１１（第２固体電解質体）との間に形成される。ガス検出室２３の幅方向の両端には、ガス検出室２３内に被検出ガス（排気ガス）を導入する際の導入量（流入量）を規制するための多孔質状の拡散律速部１５が設けられている。拡散律速部１５は、固体電解質体１３と固体電解質体１１との間に介在されている。ガス検出室２３は、拡散律速部１５に面しており、外部の被検出ガス（排気ガス）が、拡散律速部１５を通過して、ガス検出室２３内に導入される。なお、固体電解質体１１上の電極２０と、固体電解質体１３上の電極２１とは、ガス検出室２３内にそれぞれ露出されている。

【0047】

また、絶縁基体１７，１８の間には、白金を主体とする発熱抵抗体２６がそれらに挟まれた状態で埋設されている。絶縁基体１７，１８及び発熱抵抗体２６は、固体電解質体１１，１３を加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。

【0048】

固体電解質体１１上の電極１９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２５によって覆われている。電極１９は、排気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、保護層２５によって保護されている。固体電解質体１１上に積層された絶縁基体２４は、電極１９を覆わないように開口２４ａが設けられており、その開口２４ａ内に保護層２５が配設されている。

【0049】

このように構成されたガスセンサ素子１０において、固体電解質体１１とその両面に設けられた一対の電極１９，２０は、外部からガス検出室２３内に酸素を汲み入れ、或いはガス検出室２３から外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル４０として機能する。本明細書において、酸素ポンプセル４０の一対の電極１９，２０が、「一対の第２電極」に対応する。一対の電極１９，２０は、固体電解質体１１（第２固体電解質体）を挟む形で配置される。一方の電極２０は、ガス検出室２３に配置され、他方の電極１９は、絶縁基体２４の開口２４ａ内に配置されている。

【0050】

また、固体電解質体１３とその両面に設けられた一対の電極２１，２２は、両電極間の酸素濃度に応じて起電力を発生させる酸素濃度検出セル５０として機能する。電極２２は、ガス検出室２３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。本明細書において、酸素濃度検出セル５０の一対の電極２１，２２が、「一対の第１電極」に対応する。一対の電極２１，２２は、固体電解質体１３（第１固体電解質体）を挟む形で配置される。一方の電極２１は、ガス検出室２３に配置され、他方の電極２２は、後述する基準雰囲気に晒される。

【0051】

なお、ガスセンサ素子１０には、構造（製造）上の都合で、通常、ガス検出室２３内に導入される被検出ガスの量（流入量）に個体差がある。具体的には、図４に示されるように、ガス検出室２３の幅方向両端に設置される拡散律速部１５の大きさにばらつきが（誤差）がある。また、固体電解質体１３の抵抗値と温度の間には一定の関係があるため、固体電解質体１３の抵抗値を一定にするようにヒータ通電制御回路３１によってガスセンサ素子１０の温度を制御している。しかしながら、固体電解質体１３の抵抗値と温度の関係にもばらつきがあるため、温度制御の目標とする温度と実際のガスセンサの温度との間にもばらつきがある。そのような個体差が原因で、製品間で、ガスセンサ１の出力（ポンプ電流Ｉｐ）にばらつきが発生する虞がある。図４に示されるように、本明細書において、ガスセンサ素子１０の幅方向における拡散律速部１５の長さをＬと表す。また、ガスセンサ素子１０の幅方向から見た拡散律速部１５の断面積を、Ｓと表す。

【0052】

図５は、ガスセンサ素子１０の出力のばらつきを説明するグラフである。図５には、３つのガスセンサ素子が示されている。図５中には、実線で示される本実施形態のガスセンサ素子１０と、破線Ｃ１で示される比較例１のガスセンサ素子と、破線Ｃ２で示される比較例２のガスセンサ素子とが示されている。空気過剰率λが１の場合、それらのガスセンサ素子の出力（ポンプ電流Ｉｐ）は、何れも０となる。本実施形態のガスセンサ素子１０、比較例１のガスセンサ素子、及び比較例２のガスセンサ素子は、何れも基本的な構成は互いに同じである。しかしながら、それらのガスセンサ素子は、拡散律速部の大きさ等が互いに若干、異なっている。そのため、比較例１のガスセンサ素子は、λ＞１の場合に、ガスセンサ素子１０よりも出力が高くなり、比較例２のガスセンサ素子は、λ＞１の場合に、ガスセンサ素子１０よりも出力が低くなっている。比較例１のガスセンサ素子及び比較例２のガスセンサ素子において、例えば、それぞれ仮に、Ｉｐｘ（＞０）の出力が得られたとすると、比較例１のガスセンサ素子では、空気過剰率がλａとなり、比較例２のガスセンサ素子では、空気過剰率がλｂ（＞λａ）となる。図５に示されるように、ガスセンサ素子が同じ出力を示した場合でも、拡散律速部の大きさ等の影響で、空気過剰率の値が互いに大きく異なることがある。しかしながら、本実施形態のガスセンサユニット３では、ガスセンサ素子１０の拡散律速部１５の大きさ等のばらつきによる影響が、抑制されている。その詳細は、後述する。

【0053】

次に、ガスセンサ１のガスセンサ素子１０に接続されるガスセンサ制御装置２について説明する。ガスセンサ制御装置２は、マイクロコンピュータ９及び電気回路部３０を構成主体としている。マイクロコンピュータ９は、ＣＰＵ６、ＲＯＭ７、ＲＡＭ８等を搭載した公知の構成のマイコンチップからなる。なお、ＲＯＭ７には、ＣＰＵ６に各処理を実行させるための制御プログラムや、後述する基準電圧（第１基準電圧、第２基準電圧）等が記憶されている。

【0054】

電気回路部３０は、ヒータ通電制御回路３１、ポンプ電流駆動回路３２、電圧出力回路３３、微小電流供給回路３４、基準電圧比較回路３５、及びポンプ電流検出回路３６を備えている。

【0055】

ヒータ通電制御回路３１は、発熱抵抗体２６の両端に供給される電圧ＶｈをＰＷＭ通電することで、発熱抵抗体２６を発熱させ、酸素ポンプセル４０及び酸素濃度検出セル５０の加熱を行う。

【0056】

微小電流供給回路３４は、酸素濃度検出セル５０の一方の電極２２から他方の電極２１側へ微小電流Ｉｃｐを流し、電極２２側に酸素イオンを移動させて基準となる基準雰囲気を生成する。これにより、電極２２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。

【0057】

電圧出力回路３３は、ガス検出室２３内の酸素濃度と、上記基準雰囲気の酸素濃度との差異に応じて、酸素濃度検出セル５０の電極２１，２２間に生じる起電力Ｖｓを検出する。

【0058】

基準電圧比較回路（電圧比較部）３５は、予め定められた基準電圧と、電圧出力回路３３が検出した起電力Ｖｓとの比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路３２にフィードバックする。

【0059】

ポンプ電流駆動回路（電流印加部）３２は、基準電圧比較回路３５から得られた比較結果に基づいて、酸素ポンプセル４０の電極１９，２０間に、大きさや向きが制御されたポンプ電流Ｉｐを印加する（流す）。これにより、酸素ポンプセル４０によるガス検出室２３内への酸素の汲み入れやガス検出室２３からの酸素の汲み出しが行われる。

【0060】

ポンプ電流検出回路３６は、酸素ポンプセル４０の電極１９，２０間に流れるポンプ電流Ｉｐを電圧変換し、検出信号としてマイクロコンピュータ９に出力する。

【0061】

本実施形態の場合、基準電圧比較回路３５によって起電力Ｖｓと比較される基準電圧として、２種類用意されている。１つ目の基準電圧は、ガス検出室２３内に流入した被検出ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）やＣＯ_２が解離しないような電圧値であり、「第１基準電圧（Ｖｓ１）」と称する。第１基準電圧（Ｖｓ１）は、例えば、４５０ｍＶに設定される。２つ目の基準電圧は、ガス検出室２３内に流入した被検出ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）やＣＯ_２が解離するような電圧値であり、「第２基準電圧（Ｖｓ２）」と称する。第２基準電圧（Ｖｓ２）は、例えば、１１８０ｍＶに設定される。

【0062】

例えば、上記基準電圧が第１基準電圧（例えば、Ｖｓ１＝４５０ｍＶ）の場合、ガス検出室２３内に流入した排気ガス（被検出ガス）の空燃比が、理論空燃比よりもリッチであった場合、排気ガス中の酸素が少ないため、酸素ポンプセル４０において外部からガス検出室２３内に酸素を汲み入れるように、電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。これに対して、ガス検出室２３内に流入した排気ガスの空燃比が、理論空燃比よりもリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、酸素ポンプセル４０においてガス検出室２３から外部へ酸素を汲み出すように、電極１９，２０間に流すポンプ電流Ｉｐが制御される。

【0063】

本明細書において、基準電圧が第１基準電圧（例えば、Ｖｓ１＝４５０ｍＶ）の場合におけるポンプ電流Ｉｐを、「第１電流Ｉｐ１」と称し、基準電圧が第２基準電圧（例えば、Ｖｓ２＝１１８０ｍＶ）の場合におけるポンプ電流Ｉｐを、「第２電流Ｉｐ２」と称する場合がある。

【0064】

図６は、基準電圧とポンプ電流との関係を模式的に表したグラフである。図６の横軸は、基準電圧であり、縦軸は、ポンプ電流である。例えば、基準電圧が第１基準電圧（Ｖｓ１＝４５０ｍＶ）の場合、ガス検出室２３内に流入した被検出ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）及びＣＯ_２は解離せず、ガス検出室２３から外部への酸素の汲み出しには、被検出ガス中に含まれる酸素が利用される。なお、基準電圧が第１基準電圧でありかつ、被検出ガス（排気ガス）がリッチの状態（つまり、酸素が少ない状態）にある場合、ガス検出室２３への酸素の汲み入れに、被検出ガス中の酸素は利用されない。その代わりに、電極１９上のＨ_２ＯやＣＯ_２が解離することで生じた酸素が、ガス検出室２３へ汲み入れられる。

【0065】

これに対して、例えば、基準電圧が第２基準電圧（Ｖｓ２＝１１８０ｍＶ）の場合、ガス検出室２３内に流入した被検出ガス中に含まれる酸素濃度は、第１基準電圧の場合と比べて、非常に少なく、ガス検出室２３内に流入した被検出ガス中の水分（Ｈ_２Ｏ）及びＣＯ_２には、それぞれ以下に示される化学式のような解離反応が進行する。そのため、基準電圧が第２基準電圧の場合における、ガス検出室２３から外部への酸素の汲み出しには、主として、Ｈ_２ＯやＣＯ_２の解離反応によって生じた酸素が利用される。なお、本実施形態において、第２基準電圧は、ガス検出室２３内の電極２１と基準雰囲気に晒される電極２２との間の起電力が、第１基準電圧の場合の起電力よりも大きく、ガス検出室２３内の雰囲気がリッチ雰囲気となるような目標電圧であるため、ガス検出室２３への酸素の汲み入れは行われない。そのため、被検出ガス（排気ガス）がリッチの状態（つまり、酸素が少ない状態）の際、ガス検出室２３から外部への汲み出しが行われ、また、被検出ガス（排気ガス）がリーンの状態（つまり、酸素が多い状態）の際も、ガス検出室２３から外部への汲み出しが行われる。ただし、被検出ガスがリーンの状態の場合は、リッチの状態の場合と比べて、ガス検出室２３から外部への汲み出しが勢いよく（強めに）行われる。

【0066】

【化1】

【0067】

【化2】

【0068】

本実施形態のガスセンサユニット３では、後述するように、第１電流Ｉｐ１（大きさ及び向き）と、第２電流Ｉｐ２（大きさ及び向き）とを利用して、被検出ガス中の酸素濃度に対応した空燃比（空気過剰率）λが算出される。

【0069】

次いで、ガスセンサユニット３が、被検出ガスの空燃比（空気過剰率）λを算出する動作（酸素情報取得方法）を説明する。なお、基準電圧比較回路３５において、電圧出力回路３３が検出した起電力Ｖｓと比較される基準電圧は、エンジン１０１の駆動状態に基づいて設定される。エンジン１０１の駆動状態の判断は、ＥＣＵ５（駆動状態判断部５４）により行われる。ここで、先ず、ＥＣＵ５におけるエンジン１０１の駆動状態を判断する処理（以下、「駆動状態判断処理」と称する場合がある。）について、図７を参照しつつ説明する。

【0070】

図７は、ＥＣＵ５において実行される駆動状態判断処理のフローチャートである。駆動状態判断処理を実行させるプログラム等は、ＥＣＵ５のＲＯＭ５２に記憶されており、ＣＰＵ５１（駆動状態判断部５４）が実行する。この駆動状態判断処理（駆動状態判断工程）は、エンジン１０１の駆動中に、予め定められたタイミング毎に定期的に実行される。なお、本実施形態の場合、エンジン１０１の駆動開始後であって、駆動状態判断処理が最初に実行される前段階では、ガスセンサ制御装置２において、基準電圧比較回路３５で使用される基準電圧は第１基準電圧（Ｖｓ１）に設定される。

【0071】

図７に示されるように、ＥＣＵ５において駆動状態判断処理が起動されると、回転角度センサ１０６から入力された、エンジン１０１（クランク軸１０１ａ）の回転数に応じた検出信号に基づいて、単位時間当たりの回転数の変動が所定の範囲内であるか否かが判断される。エンジン１０１の駆動が開始されると、ＥＣＵ５には、回転角度センサ１０６から前記検出信号が常時入力されている。ＥＣＵ５の駆動状態判断部５４は、そのような検出信号に基づいて、単位時間当たりの回転数の変動が所定の範囲内であるか否かを判断する。前記回転数の変動が所定の範囲外であると判断された場合、処理を終了する。

【0072】

これに対して、前記回転数の変動が所定の範囲内であると判断された場合、その状態が継続している間、別途実行されるタイマ更新プログラムにより、タイマ（不図示）が所定期間毎に更新され、その更新内容がＲＡＭ５３に記憶される。前記タイマの更新内容は、前記回転数の変動が所定の範囲内である状態が継続している期間の長さ、つまり、駆動状態判断処理の開始時点からの経過時間ｔを示す。

【0073】

上記のように、前記回転数の変動が所定の範囲内であると判断された場合、駆動状態判断処理開始時点から、予め定められた所定時間ｔ１を経過したか否かが判断される。ここでは、ＲＡＭ８に記憶された前記経過時間ｔが、予めＲＯＭ５２に記憶されている所定時間ｔ１（例えば、５秒）を経過したか否かが判断される。経過時間ｔが所定時間ｔ１を経過したと判断された場合、エンジン１０１の駆動状態は安定状態であり、排気管１０２内を流通する排気ガス（被検出ガス）の濃度が、急激な変化をしない安定した状態となっている。この場合、駆動状態判断部５４は、ガスセンサ制御装置２に対して、基準電圧比較回路３５で使用される基準電圧を、第２基準電圧（Ｖｓ２）へ切り替えるための切替信号を出力する。出力された切替信号は、ガスセンサ制御装置２のＲＡＭ８に記憶される。なお、経過時間ｔが所定時間ｔ１を経過していないと判断された場合、処理を終了する。このようにして、基準電圧比較回路３５で使用される基準電圧の切り替えが、エンジン１０１の駆動状態に基づいて、行われる。

【0074】

次に、図８を参照しつつ、ガスセンサユニット３が、２種類の基準電圧（第１基準電圧、第２基準電圧）を使用して、２種類のポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１、第２電流Ｉｐ２）を検出すると共に、それらのポンプ電流Ｉｐを利用して、被検出ガスの空気過剰率（空燃比）λを算出する処理について説明する。

【0075】

図８は、ガスセンサ制御装置２において実行される空気過剰率λを算出する処理のフローチャートである。エンジン１０１の駆動が開始されると、図８のＳ１１に示されるように、ガスセンサ制御装置２の電圧設定部６１（ＣＰＵ６）が、基準電圧として、第１基準電圧（Ｖｓ１）を設定する。第１基準電圧（Ｖｓ１）は、予めＲＯＭ７に記憶されている。

【0076】

なお、基準電圧が設定された後、先ず、微小電流供給回路３４により、酸素濃度検出セル５０の電極２２から電極２１に向けて微小電流Ｉｃｐが流される。この通電により、電極２１側から電極２２側に固体電解質体１３を介して被検出ガス中の酸素が汲み込まれ、電極２２が酸素基準電極として機能する。そして、電圧出力回路（電圧検出部）３３により両電極２１，２２間に発生する起電力Ｖｓを検出し（電圧検出工程）、この起電力Ｖｓを基準電圧比較回路３５で、第１基準電圧Ｖｓ１と比較する（電圧比較工程）。ポンプ電流駆動回路３２は、基準電圧比較回路３５による比較結果に基づいて、起電力Ｖｓが第１基準電圧Ｖｓ１となるように酸素ポンプセル４０の電極１９，２０間に、大きさや向きが制御されたポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）を印加する（電流印加工程）。

【0077】

そして、Ｓ１２に示されるように、ポンプ電流検出回路（電流検出部）３６が、ポンプ電流駆動回路３２により制御されたポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）を検出する（電流検出工程）。検出結果（第１電流Ｉｐ１の情報）は、検出時間と共にＲＡＭ８に記憶される。

【0078】

次いで、Ｓ１３に示されるように、電圧設定部６１（ＣＰＵ６）により、ＥＣＵ５からの切替信号が受信されているか否かが判断される。ここでは、切替信号がＲＡＭ８に記憶されているか否かに基づいて、切替信号の受信の有無が判断される。Ｓ１３において、切替信号が受信されていないと判断された場合、再びＳ１２へ戻り、ポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）の検出が行われる。そして、ポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）の検出が行われる度に、検出結果は、検出時間と共にＲＡＭ８に記憶される。

【0079】

Ｓ１３において、切替信号が受信されていると判断された場合、Ｓ１４に示されるように、電圧設定部６１（ＣＰＵ６）は、基準電圧として、第２基準電圧Ｖｓ２を設定する。つまり、電圧設定部６１は、ＥＣＵ５からの切替信号を受けて、基準電圧を、第１基準電圧Ｖｓ１から第２基準電圧Ｖｓ２へ切り替える処理を実行する（電圧設定工程）。

【0080】

基準電圧が第２基準電圧Ｖｓ２に設定された後、Ｓ１５に示されるように、ポンプ電流検出回路（電流検出部）３６が、ポンプ電流駆動回路３２により制御されたポンプ電流Ｉｐ（第２電流Ｉｐ２）を検出する（電流検出工程）。その際、電圧出力回路（電圧検出部）３３は、両電極２１，２２間に発生する起電力Ｖｓを検出し（電圧検出工程）、この起電力Ｖｓが、基準電圧比較回路３５により、第２基準電圧Ｖｓ２と比較される（電圧比較工程）。そして、ポンプ電流駆動回路３２は、基準電圧比較回路３５による比較結果に基づいて、起電力Ｖｓが第２基準電圧Ｖｓ２となるように酸素ポンプセル４０の電極１９，２０間に、大きさや向きが制御されたポンプ電流Ｉｐ（第２電流Ｉｐ２）を印加する（電流印加工程）。ポンプ電流検出回路（電流検出部）３６の検出結果（第２電流Ｉｐ２の情報）は、検出時間と共にＲＡＭ８に記憶される。

【0081】

なお、ポンプ電流検出回路（電流検出部）３６が、ポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１又は第２電流Ｉｐ２）を検出するタイミング（間隔）は、予め定められている（例えば、１秒間隔）。そのため、ポンプ電流検出回路（電流検出部）３６は、所定の時間間隔で、連続的に、処理が終了するまで、ポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１又は第２電流Ｉｐ２）を検出する。

【0082】

第２電流Ｉｐ２が検出された後、Ｓ１６に示されるように、酸素情報取得部６２（ＣＰＵ６）により、基準電圧の切り替え直前に検出された第１電流Ｉｐ１と、第２電流Ｉｐ２とに基づいて、空気過剰率λ（被検出ガス中の酸素濃度に関する情報の一例）が算出される（酸素情報取得工程）。空気過剰率λの算出には、以下に示される計算式（７）が利用される。計算式（７）は、予めマイクロコンピュータ９のＲＯＭ７に記憶されている。計算式（７）は、以下に示される数式（１）～（６）に基づいて導出される。ここで、計算式（７）の導出方法等について説明する。

【0083】

燃料と空気の燃焼を表す一般式は、下記の数式（１）で表される。

【0084】

【数1】

【0085】

なお、式（１）中のλは、空気過剰率であり、ｎは、Ｈ／Ｃ比であり、ｙはＯ／Ｃ比であり、βは空気のＮ_２／Ｏ_２比（＝３．７８５）である。

【0086】

また、燃焼後の酸素濃度（［Ｏ_２］）は、上記式（１）の右辺の係数の和に対するＯ_２の係数の比であるため、下記の数式（２）で表される。

【0087】

【数2】

ここで、基準電圧（制御電圧）として、Ｈ_２ＯとＣＯ_２が解離しない第１基準電圧（Ｖｓ１）を設定し、その際のポンプ電流Ｉｐを、Ｉｐ１とした場合、Ｉｐ１は、下記の数式（３）で表される。

【0088】

【数3】

【0089】

なお、式（３）中において、Ｆはファラデー定数であり、Ｄ_Ｏ２は酸素の拡散係数であり、Ｓは拡散律速部の断面積（図４参照）であり、Ｐｔは全圧であり、Ｒは気体定数であり、Ｔは温度であり、Ｌは拡散律速部の幅方向の長さ（図４参照）である。

【0090】

また、基準電圧（制御電圧）として、Ｈ_２ＯとＣＯ_２が解離する第２基準電圧（Ｖｓ２）を設定し、その際のポンプ電流Ｉｐを、Ｉｐ２とする。この場合、上述した化学式に示されるように、Ｈ_２Ｏの解離反応により、１ｍｏｌのＨ_２Ｏから、１／２ｍｏｌのＯ_２が生成し、ＣＯ_２の解離反応により、１ｍｏｌのＣＯ_２から１／２ｍｏｌのＯ_２が生成する。したがって、Ｈ_２ＯとＣＯ_２に由来する酸素濃度（［Ｏ_２］’）は、下記の数式（４）で表される。

【0091】

【数4】

【0092】

Ｉｐ２とＩｐ１の差は、Ｈ_２Ｏ及びＣＯ_２から解離した酸素濃度[Ｏ_２]’に由来するため、下記の数式（５）で表される。

【0093】

【数5】

【0094】

なお、式（５）中において、Ｆはファラデー定数であり、Ｄ’はＨ_２ＯとＣＯ_２の合成拡散係数であり、Ｓは拡散律速部の断面積（図４参照）であり、Ｐｔは全圧であり、Ｒは気体定数であり、Ｔは温度であり、Ｌは拡散律速部の幅方向の長さ（図４参照）である。

【0095】

ここでＩｐ１と、（Ｉｐ２－Ｉｐ１）の比を取ると、下記の数式（６）で表される。

【0096】

【数6】

【0097】

この式（６）をλについて解くと、下記の計算式（７）が得られる。

【0098】

【数7】

【0099】

以上のようにして、計算式（７）を導出することができる。なお、一般的なガソリン燃料の場合、ｎ＝１．８５、ｙ＝０（０．５％以下）と既知である。また、式（７）中のＢ／Ａを、予めガスセンサ１（ガスセンサ素子１０）を用いた実験によって求めておき、その実験結果であるＢ／Ａの値は、ガスセンサ制御装置２（マイクロコンピュータ９）のＲＯＭ７に記憶される。そして、上述したように、第１電流Ｉｐ１、及び第２電流Ｉｐ２を検出することで、被検出ガスの空気過剰率λを算出することができる。

【0100】

本実施形態の場合、ガスセンサ素子１０のばらつき要因であるＴ（温度）、Ｌ（拡散律速部の長さ）、Ｓ（拡散律速部の断面積）が、仮にそれぞれの基準値からばらついた値であっても、式（７）中のＢ／Ａでは、そのようなばらつきの影響が解消されている。したがって、本実施形態では、被検出ガス中の酸素情報である空気過剰率λを精度良く求めることができる。

【0101】

酸素情報取得部６２により取得された空気過剰率λ（算出結果）は、ＣＰＵ６の指示により、ＥＣＵ５へ送信される。ＥＣＵ５は、このようなガスセンサ１からの出力（空気過剰率λ）を利用して、エンジン１０１の空燃比フィードバック制御を行う。

【0102】

なお、本実施形態の空気過剰率の算出処理は、通常の運転状態に使用しても良いが、他の実施形態においては、例えば、三元触媒４の劣化診断の際に行ってもよい。三元触媒４の劣化診断は、三元触媒４よりも下流側に配置された下流側ガスセンサ（不図示）のセンサ出力を用いて行われる。ＥＣＵ５からの指示により、三元触媒４を流れる排気ガスの組成が変化され、それに応じた下流側ガスセンサのセンサ出力の変化を計測することで、三元触媒４の劣化を診断することができる。このような診断時に、上述したような本実施形態の空気過剰率の算出処理を実行することで、空気過剰率をより精度よく算出することができ、三元触媒４の劣化診断の精度を向上させることができる。また、三元触媒４の劣化診断中は、内燃機関の駆動状態が安定しているため、基準電圧を、第１基準電圧と第２基準電圧とに切り替える動作を安定して行うことができる点も好適である。

【0103】

＜実施形態２＞
次いで、本発明の実施形態２を、図９～図１１を参照しつつ説明する。図９は、実施形態２に係る空燃比システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。本実施形態の空燃比システム１００Ａにおける基本的な構成は、上述した実施形態１と同様であり、ガスセンサユニット３Ａ、ＥＣＵ５Ａ、エンジン１０１、排気管１０２、吸気管１０３等を備えている。ただし、本実施形態の空燃比システム１００Ａでは、酸素情報取得部５５Ａが、ガスセンサ制御装置２Ａではなく、ＥＣＵ５ＡのＣＰＵにより構成される点が異なっている。

【0104】

ガスセンサユニット３Ａは、実施形態１と同様、ガスセンサ１Ａとガスセンサ制御装置２Ａとを備えている。ガスセンサ１Ａは、排気管１０２の経路上に設置されている。なお、ガスセンサ１Ａは、実施形態１と同様、三元触媒４の上流側に設置されている。

【0105】

ＥＣＵ（内燃機関制御装置の一例）５Ａは、実施形態１と同様、エンジン１０１の駆動状態の判断を行う駆動状態判断部５４Ａを備えている。駆動状態判断部５４Ａによる処理内容は、実施形態１と同様である。また、ＥＣＵ５Ａは、上述したように、酸素情報取得部５５Ａを備えている。酸素情報取得部５５Ａにおける処理内容は、基本的に、実施形態１の酸素情報取得部６２と同じである。つまり、ＥＣＵ５Ａの酸素情報取得部５５Ａでは、実施形態１と同様、被検出ガスの空気過剰率λが算出される。

【0106】

図１０は、ガスセンサ制御装置２Ａにおいて実行される第１電流Ｉｐ１と第２電流Ｉｐ２とを検出する処理のフローチャートである。エンジン１０１の駆動が開始されると、図１０のＳ２１に示されるように、ガスセンサ制御装置２Ａの電圧設定部６１Ａが、基準電圧として、第１基準電圧（Ｖｓ１）を設定する。第１基準電圧（Ｖｓ１）は、予めガスセンサ制御装置が備えるＲＯＭに記憶されている。

【0107】

そして、Ｓ２２に示されるように、実施形態１と同様、ポンプ電流検出回路（電流検出部）が、ポンプ電流駆動回路により制御されたポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）を検出する。検出結果（第１電流Ｉｐ１の情報）は、検出時間と共にガスセンサ制御装置２Ａが備えるＲＡＭに記憶される。

【0108】

次いで、Ｓ２３に示されるように、電圧設定部６１Ａにより、ＥＣＵ５Ａからの切替信号が受信されているか否かが判断される。ここでは、切替信号がガスセンサ制御装置２ＡのＲＡＭに記憶されているか否かに基づいて、切替信号の受信の有無が判断される。Ｓ２３において、切替信号が受信されていないと判断された場合、再びＳ２２へ戻り、ポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）の検出が行われる。そして、ポンプ電流Ｉｐ（第１電流Ｉｐ１）の検出が行われる度に、検出結果は、検出時間と共にガスセンサ制御装置２Ａが備えるＲＡＭに記憶される。

【0109】

Ｓ２３において、切替信号が受信されていると判断された場合、Ｓ２４に示されるように、電圧設定部６１Ａは、基準電圧として、第２基準電圧Ｖｓ２を設定する。

【0110】

基準電圧が第２基準電圧Ｖｓ２に設定された後、Ｓ２５に示されるように、実施形態１と同様、ポンプ電流検出回路（電流検出部）が、ポンプ電流駆動回路により制御されたポンプ電流Ｉｐ（第２電流Ｉｐ２）を検出する。検出結果（第２電流Ｉｐ２の情報）は、検出時間と共にガスセンサ制御装置２Ａが備えるＲＡＭに記憶される。

【0111】

第２電流Ｉｐ２が検出された後、Ｓ２６に示されるように、ガスセンサ制御装置２Ａが備えるＣＰＵは、基準電圧の切り替え直前に検出された第１電流Ｉｐ１の情報と、第２電流Ｉｐ２の情報とを、それぞれＥＣＵ５Ａへ送信する。

【0112】

図１１は、ＥＣＵ５Ａにおいて実行される空気過剰率λを算出する処理のフローチャートである。図１１のＳ３１に示されるように、ガスセンサ制御装置２Ａから送信された第１電流Ｉｐ１及び第２電流Ｉｐ２の各情報は、ＥＣＵ５Ａに入力される。ＥＣＵ５Ａの酸素情報取得部５５Ａは、Ｓ３２に示されるように、入力された第１電流Ｉｐ１及び第２電流Ｉｐ２の各情報に基づいて、空気過剰率λを算出する。空気過剰率λの算出は、実施形態１と同様、上述した計算式（７）が利用される。本実施形態の場合、計算式（７）等は、予めＥＣＵ５ＡのＲＯＭに記憶されている。このようにして、本実施形態においても、第１電流Ｉｐ１、及び第２電流Ｉｐ２を検出することで、被検出ガスの空気過剰率λを算出することができる。このような本実施形態では、被検出ガス中の酸素情報である空気過剰率λを精度良く求めることができる。

【0113】

なお、酸素情報取得部５５Ａにより取得された空気過剰率λ（算出結果）は、ＥＣＵ５Ａが実行するエンジン１０１の空燃比フィードバック制御に利用される。

【0114】

本実施形態の空気過剰率の算出処理は、通常の運転状態に使用しても良いが、他の実施形態においては、例えば、三元触媒４の劣化診断の際に行ってもよい。三元触媒４の劣化診断は、三元触媒４よりも下流側に配置された下流側ガスセンサ（不図示）のセンサ出力を用いて行われる。ＥＣＵ５Ａからの指示により、三元触媒４を流れる排気ガスの組成が変化され、それに応じた下流側ガスセンサのセンサ出力の変化を計測することで、三元触媒４の劣化を診断することができる。このような診断時に、上述したような本実施形態の空気過剰率の算出処理を実行することで、空気過剰率をより精度よく算出することができ、三元触媒４の劣化診断の精度を向上させることができる。また、三元触媒４の劣化診断中は、内燃機関の駆動状態が安定しているため、基準電圧を、第１基準電圧と第２基準電圧とに切り替える動作を安定して行うことができる点も好適である。

【0115】

＜実施形態３＞
次いで、本発明の実施形態３を、図１２～図１４を参照しつつ説明する。図１２は、実施形態３に係る空燃比システム１００Ｂの概略構成を示す説明図であり、図１３は、実施形態３に係るガスセンサ１Ｂ及びガスセンサ制御装置２Ｂを備えるガスセンサユニット３Ｂの概略構成を示す説明図である。

【0116】

本実施形態では、上述した実施形態１，２とは異なり、１セル式のガスセンサ素子１０Ｂを含むガスセンサ１Ｂが利用される。なお、空燃比システム１００Ｂにおけるガスセンサ１Ｂ以外の基本的な構成は、上述した実施形態１と同様であり、ガスセンサユニット３Ｂ、ＥＣＵ５Ｂ、エンジン１０１、排気管１０２、吸気管１０３等を備えている。本実施形態の空燃比システム１００Ｂでは、実施形態１と同様、酸素情報取得部６２Ｂが、ガスセンサ制御装置２Ｂ（ＣＰＵ６Ｂ）により構成される場合を例示する。実施形態１と同様の構成については、図中において実施形態１と同じ符号を付す。

【0117】

ガスセンサ１Ｂは、所謂、限界電流式センサであり、内部に細長で長尺な板状のガスセンサ素子１０Ｂを備えている。ガスセンサ素子１０Ｂは、所定のハウジング（不図示）内で保持された構成を備えている。ガスセンサ１Ｂは、ガスセンサ素子１０Ｂの出力信号を取り出すためのハーネス（信号線）９１を介して、ガスセンサ１Ｂとは離れた位置に設置されたガスセンサ制御装置２Ｂと電気的に接続されている。

【0118】

本実施形態では、ガスセンサ１ＢとＥＣＵ５Ｂとの間に、ガスセンサ制御装置２Ｂが配設されると共に、ガスセンサ１Ｂ及びガスセンサ制御装置２Ｂとによってセンサユニット３Ｂが構成される場合が例示される。

【0119】

ガスセンサ素子１０Ｂは、ジルコニアを主体とする固体電解質体４１Ｂと、アルミナを主体とする絶縁基体４４Ｂ，４３Ｂ、１７Ｂ、１８Ｂとを、絶縁基体１８Ｂ、絶縁基体１７Ｂ、絶縁基体４３Ｂ、固体電解質体４１Ｂ、絶縁基体４４Ｂの順に積層した構造を有する。固体電解質体４１Ｂの両面には、白金を主体とする一対の電極４６Ｂ，４７Ｂがそれぞれ形成されている。固体電解質体４１Ｂ、及び各絶縁基体４４Ｂ、４３Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂは、何れも細長い板状に形成されており、図１３では、その長手方向と直交する方向における断面が示されている。

【0120】

絶縁基体の長手方向の一端側には、固体電解質体４１Ｂを一壁面としつつ、被測定ガス（排気ガス）を導入可能な中空のガス検出室（検出室）４２Ｂが形成されている。ガス検出室４２Ｂの幅方向の両端には、ガス検出室４２Ｂ内に被検出ガス（排気ガス）を導入する際の導入量（流入量）を規制するための多孔質状の拡散律速部１５Ｂが設けられている。拡散律速部１５Ｂは、固体電解質体４１Ｂと絶縁基体１７Ｂとの間に介在されている。ガス検出室４２Ｂは、拡散律速部１５Ｂに面しており、外部の被検出ガス（排気ガス）が、拡散律速部１５Ｂを通過して、ガス検出室４２Ｂに導入される。なお、固体電解質体４１Ｂ上の電極４７Ｂは、ガス検出室４２Ｂ内に露出されている。

【0121】

また、絶縁基体１７Ｂ，１８Ｂの間には、白金を主体とする発熱抵抗体２６Ｂがそれらに挟まれた状態で埋設されている。絶縁基体１７Ｂ，１８Ｂ及び発熱抵抗体２６Ｂは、固体電解質体４１Ｂを加熱して活性化させるためのヒータとして機能する。

【0122】

固体電解質体４１Ｂ上の電極４６Ｂ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４５Ｂによって覆われている。つまり、被検出ガス（排気ガス）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、電極４６Ｂが保護層４５Ｂによって保護されている。固体電解質体４１Ｂ上に積層された絶縁基体４４Ｂは、電極４６Ｂを覆わないように開口が設けられており、保護層４５Ｂはその開口内に配設されている。

【0123】

このように構成されたセンサ素子１０Ｂにおいて、固体電解質体４１Ｂとその両面に設けられた一対の電極４６Ｂ，４７Ｂは、外部からガス検出室４２Ｂ内に酸素を汲み入れ、或いはガス検出室４２Ｂから外部へ酸素を汲み出す酸素ポンプセル４０Ｂとして機能する。

【0124】

次に、ガスセンサ１Ｂのセンサ素子１０Ｂに接続されるガスセンサ制御装置２Ｂについて説明する。ガスセンサ制御装置２Ｂは、実施形態１と同様、マイクロコンピュータ９Ｂ及び電気回路部３０Ｂを構成主体としている。マイクロコンピュータ９Ｂは、ＣＰＵ６Ｂ、ＲＯＭ７Ｂ、ＲＡＭ８Ｂ等を搭載した公知の構成のマイコンチップからなる。なお、ＲＯＭ７Ｂには、ＣＰＵ６Ｂに各処理を実行させるための制御プログラム等が記憶されている。

【0125】

電気回路部３０Ｂは、ヒータ通電制御回路３１Ｂ、ポンプ電圧印加回路（電圧印加部）３７Ｂ、ポンプ電流検出回路３６Ｂから構成される。

【0126】

ヒータ通電制御回路３１Ｂは、発熱抵抗体２６Ｂの両端に供給される電圧ＶｈをＰＷＭ通電することで、発熱抵抗体２６Ｂを発熱させ、酸素ポンプセル４０Ｂの加熱を行う。ポンプ電圧印加回路（電圧印加部）３７Ｂは、酸素ポンプセル４０Ｂの電極４６Ｂ，４７Ｂ間に所定の電圧を印加する。ポンプ電流検出回路３６Ｂは、所定の電圧が印加された時に酸素ポンプセル４０Ｂの電極４６Ｂ，４７Ｂ間に流れるポンプ電流を電圧変換し、検出信号としてマイクロコンピュータ９Ｂに出力する。

【0127】

本実施形態の場合、ポンプ電圧印加回路（電圧印加部）３７Ｂにより印加される電圧（印加電圧）として、２種類の印加電圧（第１印加電圧、第２印加電圧）を有する。第１印加電圧は、ガス検出室２３Ｂ内に導入された被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離しないような電圧値であり、ガス検出室４２Ｂ中の酸素濃度に応じた限界電流を測定できる電圧値（例えば、４００ｍＶ）に設定される。

【0128】

第２印加電圧は、ガス検出室４２Ｂ内に導入された被検出ガス中のＨ_２Ｏ及びＣＯ_２が解離するような電圧値であり、ガス検出室４２Ｂ中の水分濃度に応じた限界電流を測定できる電圧値（例えば、１１３０ｍＶ）に設定される。

【0129】

例えば、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが印加する電圧（印加電圧）が、第１印加電圧（例えば、４００ｍＶ）の場合に、電極４６Ｂ，４７Ｂ間を流れる電流（ポンプ電流）を、「第１電流Ｉｐ’１」と称し、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが印加する電圧（印加電圧）が、第２印加電圧（例えば、１１３０ｍＶ）の場合に、電極４６Ｂ，４７Ｂ間を流れる電流（ポンプ電流）を、「第２電流Ｉｐ’２」と称する。

【0130】

本実施形態のガスセンサユニット３Ｂでは、第１電流Ｉｐ’１（大きさ及び向き）と、第２電流Ｉｐ’２（大きさ及び向き）とを利用して、被検出ガス中の酸素濃度に対応した空燃比（空気過剰率）λが算出される。

【0131】

次いで、ガスセンサユニット３Ｂが、被検出ガスの空燃比（空気過剰率）λを算出する動作（酸素情報取得方法）を説明する。なお、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが印加する電圧（印加電圧）は、エンジン１０１の駆動状態に基づいて設定される。エンジン１０１の駆動状態の判断は、ＥＣＵ５Ｂ（駆動状態判断部５４Ｂ）により行われる。ＥＣＵ５Ｂにおけるエンジン１０１の駆動状態を判断する処理（駆動状態判断処理）の内容は、上述した実施形態１と同様であり、その詳細説明は省略する。

【0132】

なお、本実施形態の場合、エンジン１０１の駆動開始後であって、駆動状態判断処理が最初に実行される前段階では、ガスセンサ制御装置２Ｂにおいて、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが印加する電圧（印加電圧）は、第１印加電圧に設定される。

【0133】

次いで、図１４を参照しつつ、ガスセンサユニット３Ｂが、２種類の印加電圧（第１印加電圧、第２印加電圧）が印加された際に、検出される２種類のポンプ電流（第１電流、第２電流）を利用して、被検出ガス中の空気過剰率（空燃比）λを算出する処理について説明する。

【0134】

図１４は、ガスセンサ制御装置２Ｂにおいて実行される空気過剰率λを算出する処理のフローチャートである。エンジン１０１の駆動が始動されると、図１４のＳ４１に示されるように、ガスセンサ制御装置２Ｂの電圧設定部６１Ｂ（ＣＰＵ６Ｂ）が、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが電極４６Ｂ，４７Ｂ間に印加する電圧が第１印加電圧となるように設定する（電圧設定工程）。ポンプ電圧印加回路３７Ｂに第１印加電圧を印加させるための情報等は、予めＲＯＭ７Ｂに記憶されている。

【0135】

次いで、Ｓ４２に示されるように、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが電極４６Ｂ，４７Ｂ間に、印加電圧として、第１印加電圧を印加する。

【0136】

そして、Ｓ４３に示されるように、ポンプ電流検出回路３６Ｂが、電極４６Ｂ，４７Ｂ間を流れるポンプ電流（第１電流Ｉｐ’１）を検出する（電流検出工程）。検出結果（第１電流Ｉｐ’１の情報）は、検出時間と共にＲＡＭ８Ｂに記憶される。

【0137】

次いで、Ｓ４４に示されるように、電圧設定部６１Ｂ（ＣＰＵ６Ｂ）により、ＥＣＵ５Ｂからの切替信号が受信されているか否かが判断される。切替信号の受信の有無は、実施形態１と同様の方法で判断される。Ｓ４４において、切替信号が受信されていないと判断された場合、再びＳ４３へ戻り、ポンプ電流（第１電流Ｉｐ’１）の検出が行われる。そして、ポンプ電流（第１電流Ｉｐ’１）の検出が行われる度に、検出結果は、検出時間と共にＲＡＭ８Ｂに記憶される。

【0138】

Ｓ４４において、切替信号が受信されていると判断された場合、Ｓ４５に示されるように、電圧設定部６１Ｂ（ＣＰＵ６Ｂ）は、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが電極４６Ｂ，４７Ｂ間に印加する電圧が、第１印加電圧から第２印加電圧へ切り替える処理を実行する（電圧設定工程）。

【0139】

次いで、Ｓ４６に示されるように、ポンプ電圧印加回路３７Ｂが電極４６Ｂ，４７Ｂ間に、印加電圧として、第２印加電圧を印加する。

【0140】

そして、Ｓ４７に示されるように、ポンプ電流検出回路３６Ｂが、電極４６Ｂ，４７Ｂ間を流れるポンプ電流（第２電流Ｉｐ’２）を検出する（電流検出工程）。検出結果（第２電流Ｉｐ’２の情報）は、検出時間と共にＲＡＭ８Ｂに記憶される。

【0141】

なお、ポンプ電流検出回路３６Ｂが、ポンプ電流（第１電流Ｉｐ’１又は第２電流Ｉｐ’２）を検出するタイミング（間隔）は、上述した実施形態１の場合と同様、予め定められている（例えば、１秒間隔）。

【0142】

第２電流Ｉｐ’２が検出された後、Ｓ４８に示されるように、酸素情報取得部６２Ｂ（ＣＰＵ６Ｂ）により、印加電圧の切り替え直前に検出された第１電流Ｉｐ’１と、第２電流Ｉｐ’２とに基づいて、空気過剰率λ（被検出ガス中の酸素濃度に関する情報の一例）が算出される（酸素情報取得工程）。

【0143】

空気過剰率λの算出には、実施形態１と同様、計算式（７）が利用される。本実施形態の場合、式（７）中のＩｐ１に、第１電流Ｉｐ’１が代入され、式（７）中のＩｐ２に、第２電流Ｉｐ’２が代入される。なお、本実施形態においても、式（７）中のＢ／Ａは、予めガスセンサ１Ｂ（ガスセンサ素子１０Ｂ）を用いた実験によって求めておき、その実験結果であるＢ／Ａの値は、ガスセンサ制御装置２Ｂ（マイクロコンピュータ９Ｂ）のＲＯＭ７Ｂに記憶される。

【0144】

本実施形態の場合も、実施形態１と同様、ガスセンサ素子１０Ｂのばらつき要因である温度、拡散律速部１５Ｂの長さ、拡散律速部１５Ｂの断面積が、仮にそれぞれの基準値からばらついた値であっても、式（７）中のＢ／Ａでは、そのようなばらつきの影響が解消されている。したがって、本実施形態においても、被検出ガス中の酸素情報である空気過剰率λを精度良く求めることができる。

【0145】

本実施形態においても、酸素情報取得部６２Ｂにより取得された空気過剰率λ（算出結果）は、ＣＰＵ６Ｂの指示により、ＥＣＵ５Ｂへ送信される（図１４のＳ４９参照）。ＥＣＵ５Ｂは、このようなガスセンサ１Ｂからの出力（空気過剰率λ）を利用して、エンジン１０１の空燃比フィードバック制御を行う。

【0146】

＜実施形態４＞
次いで、本発明の実施形態４を、図１５及び図１６を参照しつつ説明する。図１５は、実施形態４に係る空燃比システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。本実施形態も、実施形態３と同様、１セル式のガスセンサ素子を含むガスセンサ１Ｃが利用される。本実施形態の空燃比システム１００Ｃにおける基本的な構成は、実施形態３と同様、ガスセンサ１Ｃ及びガスセンサ制御装置２Ｃを有するガスセンサユニット３Ｃ、ＥＣＵ５Ｃ、エンジン１０１、排気管１０２、吸気管１０３等を備えている。ただし、本実施形態の空燃比システム１００Ｃでは、酸素情報取得部５５Ｃが、ガスセンサ制御装置２Ｃではなく、ＥＣＵ５ＣのＣＰＵにより構成される点が、実施形態３と異なっている。

【0147】

ガスセンサユニット３Ｃのガスセンサ１Ｃは、排気管１０２の経路上に設置されている。このガスセンサ１は、実施形態１等と同様、三元触媒４の上流側に設置されている。

【0148】

ＥＣＵ５Ｃは、実施形態３等と同様、エンジン１０１の駆動状態の判断を行う駆動状態判断部５４Ｃを備えている。駆動状態判断部５４Ｃによる処理内容は、実施形態１等と同様である。また、ＥＣＵ５Ｃは、上述したように、酸素情報取得部５５Ｃを備えている。酸素情報取得部５５Ｃにおける処理内容は、基本的に、実施形態３の酸素情報取得部６２Ｂと同じである。つまり、ＥＣＵ５Ｃの酸素情報取得部５５Ｃでは、実施形態３と同様、被検出ガスの空気過剰率λが算出される。

【0149】

図１６は、ガスセンサ制御装置２Ｃにおいて実行される第１電流Ｉｐ’１と第２電流Ｉｐ’２とを検出する処理のフローチャートである。エンジン１０１の駆動が開始されると、図１６のＳ５１に示されるように、ガスセンサ制御装置２Ｃの電圧設定部６１Ｃ（ＣＰＵ）が、ポンプ電圧印加回路がガスセンサ素子の電極間に印加する電圧が第１印加電圧となるように設定する（電圧設定工程）。

【0150】

次いで、Ｓ５２に示されるように、ポンプ電圧印加回路が前記電極間に、印加電圧として、第１印加電圧を印加する。

【0151】

そして、Ｓ５３に示されるように、ポンプ電流検出回路が、前記電極間を流れるポンプ電流（第１電流Ｉｐ’１）を検出する（電流検出工程）。検出結果（第１電流Ｉｐ’１の情報）は、検出時間と共にガスセンサ制御装置２Ｃが備えるマイクロコンピュータのＲＡＭに記憶される。

【0152】

次いで、Ｓ５４に示されるように、電圧設定部６１Ｃ（ＣＰＵ）により、ＥＣＵ５Ｃからの切替信号が受信されているか否かが判断される。Ｓ５４において、切替信号が受信されていないと判断された場合、再びＳ５３へ戻り、ポンプ電流（第１電流Ｉｐ’１）の検出が行われる。

【0153】

Ｓ５４において、切替信号が受信されていると判断された場合、Ｓ５５に示されるように、電圧設定部６１Ｃ（ＣＰＵ）は、ポンプ電圧印加回路が前記電極間に印加する電圧が、第１電圧から第２電圧へ切り替える処理を実行する（電圧設定工程）。

【0154】

次いで、Ｓ５６に示されるように、ポンプ電圧印加回路が前記電極間に、印加電圧として、第２印加電圧を印加する。

【0155】

そして、Ｓ５７に示されるように、ポンプ電流検出回路が、前記電極間を流れるポンプ電流（第２電流Ｉｐ’２）を検出する（電流検出工程）。

【0156】

第２電流Ｉｐ’２が検出された後、Ｓ５８に示されるように、ガスセンサ制御装置２Ｃが備えるＣＰＵは、印加電圧の切り替え直前に検出された第１電流Ｉｐ’１の情報と、第２電流Ｉｐ’２の情報とを、それぞれＥＣＵ５Ｃへ送信する。ガスセンサ制御装置２Ｃから送信された第１電流Ｉｐ’１及び第２電流Ｉｐ’２の各情報は、ＥＣＵ５Ｃに入力される。そして、ＥＣＵ５Ｃの酸素情報取得部５５Ｃは、第１電流Ｉｐ’１及び第２電流Ｉｐ’２の各情報に基づいて、空気過剰率λを算出する。空気過剰率λの算出方法は、実施形態３と同様である。このように本実施形態においても、第１電流Ｉｐ’１及び第２電流Ｉｐ’２を検出することで、被検出ガスの空気過剰率λを精度の良い値として算出することができる。なお、酸素情報取得部５５Ｃにより取得された空気過剰率λ（算出結果）は、ＥＣＵ５Ｃが実行するエンジン１０１の空燃比フィードバックに利用される。

【0157】

なお、本実施形態の空気過剰率の算出処理は、通常の運転状態に使用しても良いが、他の実施形態においては、例えば、三元触媒４の劣化診断の際に行ってもよい。三元触媒４の劣化診断は、三元触媒４よりも下流側に配置された下流側ガスセンサ（不図示）のセンサ出力を用いて行われる。ＥＣＵ５Ｃからの指示により、三元触媒４を流れる排気ガスの組成が変化され、それに応じた下流側ガスセンサのセンサ出力の変化を計測することで、三元触媒４の劣化を診断することができる。このような診断時に、上述したような本実施形態の空気過剰率の算出処理を実行することで、空気過剰率をより精度よく算出することができ、三元触媒４の劣化診断の精度を向上させることができる。また、三元触媒４の劣化診断中は、内燃機関の駆動状態が安定しているため、基準電圧を、第１基準電圧と第２基準電圧とに切り替える動作を安定して行うことができる点も好適である。

【0158】

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【0159】

（１）他の実施形態においては、基準電圧である第１基準電圧Ｖｓ１と、第２基準電圧Ｖｓ２との切り替え、又は印加電圧である第１印加電圧と、第２印加電圧との切り替えを、予め定められた周期（例えば、５秒周期）で繰り返し、各基準電圧の下、又は各印加電圧の下で、第１電流Ｉｐ１や第２電流Ｉｐ２の検出、又は第１電流Ｉｐ’１や第２電流Ｉｐ’２の検出をそれぞれ行ってもよい。

【0160】

（２）他の実施形態においては、ＥＣＵ５（駆動状態判断部５４）において実行される駆動状態判断処理が、エンジンの回転数ではなく、例えば、車速、吸気圧、冷却水１０４の水温、燃料噴射量等が、一定（単位時間当たりの変化量が所定範囲内）であるか否かに基づいて、行われてもよい。

【0161】

（３）他の実施形態においては、エンジン（内燃機関）が安定状態の場合に、電圧設定部が、ＥＣＵ５からの切替信号を受けて、基準電圧を、第２基準電圧Ｖｓ２から第１基準電圧Ｖｓ１へ切り替える処理、又は印加電圧を、第２印加電圧から第１印加電圧へ切り替える処理を実行してもよい。

【符号の説明】

【0162】

１…ガスセンサ、２…ガスセンサ制御装置、３…ガスセンサユニット、４…三元触媒、５…ＥＣＵ（内燃機関制御装置）、９…マイクロコンピュータ、１０…ガスセンサ素子、１１…固体電解質体、１２…絶縁基体、１３…固体電解質体、１５…拡散律速部、１７…絶縁基体、１８…絶縁基体、１９，２０…一対の電極、２１，２２…一対の電極、２３…ガス検出室、２４…絶縁基体、２４ａ…開口、２５…保護層、２６…発熱抵抗体、３０…電気回路部、３１…ヒータ通電制御回路、３２…ポンプ電流駆動回路（電流印加部）、３３…電圧出力回路（電圧検出部）、３４…微小電流供給回路、３５…基準電圧比較回路（電圧比較部）、３６…ポンプ電流検出回路（電流検出部）、４０…酸素ポンプセル、５０…酸素濃度検出セル、５４…駆動状態判断部、６１…電圧設定部、６２…酸素情報取得部、８０…バッテリ、９１…ハーネス、１００…空燃比システム（内燃機関制御システム）、１０１…エンジン、１０１ａ…クランク軸、１０２…排気管、１０３…吸気管、１０４…冷却水、１０５…水温センサ、１０６…回転角度センサ

【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】

【図14】

【図15】

【図16】