JP2017207396A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限界電流式のガス濃度センサを用いてガス濃度を検出する場合に、精度良くガス濃度を検出できるガス濃度検出装置を提供すること。【解決手段】ステップ１６０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが０［ｍＡ］以上であるか否かを判定する。ステップ１７０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが空燃比のリーンを示す０［ｍＡ］以上であるので、抵抗Ｒとしてリーン用の抵抗Ｒ１を設定し、ステップ１３０に戻る。つまり、リーンにおける印加電圧線ＩＤとして、補正式（１）を用いるために、抵抗Ｒとしてリーン用の抵抗Ｒ１を設定する。一方、ステップ１８０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが空燃比のリッチを示す０［ｍＡ］未満であるので、抵抗Ｒとしてリッチ用の抵抗Ｒ２を設定し、ステップ１３０に戻る。つまり、リッチにおける印加電圧線ＩＤとして、補正式（２）を用いるために、抵抗Ｒとしてリッチ用の抵抗Ｒ２（但しＲ１＜Ｒ２）を設定する。【選択図】図６

Description

本発明は、測定対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。

従来、例えば車両のエンジンから排出される排ガス中の酸素濃度（従って空燃比：Ａ／／Ｆ）を検出する装置として、限界電流式の空燃比センサが知られている。
この種の空燃比センサは、センサ素子として、例えば固体電解質体と固体電解質体に設けられた一対の電極とを備えており、一対の電極間に電圧（印加電圧Ｖｐ）を印加することによって、酸素濃度に応じた電流（ポンプ電流Ｉｐ）が流れるように構成されている。

このセンサ素子のポンプ電流Ｉｐと印加電圧Ｖｐとの関係を示す出力特性を図４（ａ）に示すが、出力特性として、電圧軸に対して平行で平坦な領域、即ちポンプ電流Ｉｐが一定となる限界電流の領域（限界電流域）ＧＤがあることが知られている。また、この限界電流域ＧＤのポンプ電流Ｉｐは、酸素濃度が高くなるほど大きくなることが知られている。

従って、従来では、センサ素子に対して、限界電流域ＧＤに応じた印加電圧Ｖｐを付与し、それによって得られるポンプ電流Ｉｐから酸素濃度を検出していた。即ち、いわゆる限界電流方式により、酸素濃度（従って空燃比）を検出していた。

上述した技術では、空燃比を正確に検出するために、印加電圧Ｖｐを限界電流域ＧＤに対応した範囲にて制御する必要があるので、通常、直線を示す一次関数にて、（印加電圧Ｖｐを決めるための）印加電流Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係を示す印加電圧線ＩＤを設定して、この印加電圧線ＩＤを用いて印加電圧Ｖｐを決定していた。

ところが、図４（ｂ）に示すように、前記出力特性や前記限界電流域ＧＤは、温度によって変化するので（高温側Ｈ、低温側Ｌ）、近年では、印加電圧線ＩＤの新しい設定方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

この設定方法とは、温度条件が相違する複数の出力特性（高温側Ｈ、低温側Ｌ）において、限界電流域ＧＤが重複する領域を通すようにして、１本の直線（一次関数）にて印加電圧線ＩＤを設定するものである。

特許第４１２４１１９号公報

しかしながら、上述したように、単に温度条件を加味して１本の直線にて印加電圧線ＩＤを設定する従来技術では、必ずしも十分ではない。
つまり、実際には、ガス雰囲気（即ち酸素濃度）や各センサ素子に応じて、それぞれ固体電解質体の抵抗値が変わるため、酸素濃度の検出精度が低下する恐れがある。

例えば、温度条件を加味した場合でも、酸素濃度によっては（例えば燃料がストイキより多いリッチの場合などでは）、１本の直線の印加電圧線ＩＤでは限界電流域ＧＤから外れる状態があり、そのときには、この印加電圧線ＩＤを用いた制御を行っても、酸素濃度を精度よく検出できないという問題があった。

そこで、本発明は、限界電流式のガス濃度センサを用いてガス濃度を検出する場合に、精度良くガス濃度を検出できるガス濃度検出装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の第１局面は、酸素イオン導電性を有する固体電解質体と該固体電解質体上に形成された一対の電極とを有するセンサ素子を備えたガス濃度センサに対し、所定の電圧値を切片とする一次関数の印加電圧線に基づいて、前記一対の電極間に電圧を印加するとともに、該電圧に応じて前記一対の電極間に流れる限界電流を検出し、該限界電流に基づいて、測定対象ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。

このガス濃度検出装置では、前記ガス濃度を検出する検出範囲にて、前記印加電圧線を、前記ガス濃度が異なる場合のそれぞれの限界電流域と、前記センサ素子の温度条件が異なる場合のそれぞれの前記限界電流域が重複する領域と、の複数の限界電流域を通すように設定する。しかも、前記印加電圧線における前記電圧の変化に対する前記電流の変化の割合として、前記ガス濃度に対応した空燃比がリーンの場合にリーン用割合を設定し、前記空燃比がリッチの場合に前記リーン用割合とは異なるリッチ用割合を設定する。

このように、第１局面では、基本的な構成として、印加電圧線を、ガス濃度が異なる場合のそれぞれの限界電流域を通すとともに、センサ素子の温度条件が異なる場合のそれぞれの限界電流域の重複する領域を通すように設定している。

しかも、本第１局面では、上述した基本的な構成において、さらに、（１次関数である）印加電圧線における電圧の変化に対する電流の変化の割合として、ガス濃度に対応した空燃比がリーンの場合に対応したリーン用割合を設定し、空燃比がリッチの場合に対応したリーン用割合とは異なるリッチ用割合を設定しているので、精度良くガス濃度（詳しくは空燃比）を検出することができる。

つまり、温度条件を加味した場合でも、例えば酸素濃度等によっては、１本の直線の印加電圧線ではいくつかの限界電流域から外れることがあり、そのときには、この印加電圧線を用いた制御を行っても、例えば酸素濃度を精度よく検出できないことがある。

これに対して、本第１局面では、リーンとリッチとに応じて異なる割合（即ち電圧の変化に対する電流の変化の割合）を設定することにより、印加電圧線が限界電流域から外れることを抑制できる。よって、このように設定された印加電圧線を用いることにより、一層精度良くガス濃度（詳しくは空燃比）を検出することができる。

（２）本発明の第２局面では、前記リーン用割合を前記リッチ用割合より大きく設定する。
第２局面は、電圧の変化に対する電流の変化の割合の好ましい設定方法を例示したものである。このように、リーン用割合とリッチ用割合とを設定することにより、実際の電圧電流特性に合致したより好ましい印加電圧線（即ち限界電流域から外れにくい印加電圧線）を設定できる。

（３）本発明の第３局面では、前記一対の電極間に流れる限界電流に基づいて、前記リッチ用割合と前記リーン用割合とを切り替える。
第３局面は、電圧の変化に対する電流の変化の割合の好ましい設定方法を例示したものである。一対の電極間に流れる限界電流は、ガス濃度（詳しくは空燃比）に対応したものであるので、その限界電流に応じてリーン用割合とリッチ用割合とを切り替えることにより、限界電流域から外れにくい印加電圧線を設定できる。

（４）本発明の第４局面では、前記空燃比が前記リーンの場合に前記リーン用割合を用いるとともに、前記空燃比がリーンからリッチに変化した場合には、ストイキから所定のリッチ側の範囲に設定されたリッチ側のヒステリシスの範囲では、前記リーン用割合を用いる。

第４局面は、リーン用割合とリッチ用割合とを切り替えるタイミングにヒステリシスを設定したものであり、空燃比がリーンからリッチに変化した場合には、リッチ側のヒステリシスの範囲では、リーン用割合を用いる。そして、このリッチ側のヒステリシスの範囲を（リッチ側にて）超えた場合には、リッチ用割合に切り替える。

例えば空燃比がストイキになった場合に、直ちにリーン用割合とリッチ用割合とを切り替えるのではなく、切り替えるタイミングをずらしているので、ストイキにて頻繁にリーン用割合とリッチ用割合とが切り替わることを抑制できる。

特に、目標空燃比をストイキに設定している場合には、上述のようにヒステリシスを設定することにより、前記割合が頻繁に切り替えられることを抑制できるので、安定して目標空燃比に制御できるという利点がある。

（５）本発明の第５局面では、前記空燃比が前記リッチの場合に前記リッチ用割合を用いるとともに、前記空燃比がリッチからリーンに変化した場合には、ストイキから所定のリーン側の範囲に設定されたリーン側のヒステリシスの範囲では、前記リッチ用割合を用いる。

第５局面は、第４局面と同様に、リーン用割合とリッチ用割合とを切り替えるタイミングにヒステリシスを設定したものであり、空燃比がリッチからリーンに変化した場合には、リーン側のヒステリシスの範囲では、リッチ用割合を用いる。そして、このリーン側のヒステリシスの範囲を（リーン側にて）超えた場合には、リーン用割合に切り替える。

第５局面は、第４局面と同様な効果を奏する。
＜以下、本発明の各構成について説明する＞
・前記限界電流とは、周知のように、一対の電極間に印加する電圧が変化しても一対の電極間に流れる電流の値が実質的に変化しない領域（限界電流域）の電流値であり、この限界電流がガス濃度（例えば酸素濃度や空燃比）に対応している。

・空燃比とは、燃料（Ｆ）に対する空気（Ａ）の質量の割合（Ａ／Ｆ）である。ここで、空燃比がリーンとは、空気／燃料の割合が理論空燃比（ストイキ）よりも燃料が少ない状態を示し、空燃比がリッチとは、空気／燃料の割合がストイキよりも燃料が多い状態を示している。

・印加電圧線とは、所定の電圧値を切片とし、一対の電極間に印加される電圧と（その電圧が印加されたときに）一対の電極間に流れる電流との関係を、一次関数にて規定したものであり、複数のガス濃度（詳しくは空燃比）に対応した複数の限界電流域を通るように設定されている。

従って、この印加電圧線を用いて、例えば電流を設定することにより、一対の電極間に印加される電圧を求めることができる。
なお、印加電圧線を示す式としては、（ｘ−ｙ座標系のように）電圧−電流座標系で表現する場合には、下記式（Ａ）を用いることができる。

電圧Ｖｐ＝電流Ｉｐ×α＋固定値ａ・・・（Ａ）
ここで、αとしては、センサ素子（詳しくは固定電解質体）の直流の内部抵抗Ｒｉを用いることができる。なお、固定値ａは、（電流Ｉｐ＝０の場合の）電圧値の切片である。

また、前記式（Ａ）を変形して、下記式（Ｂ）とすることもできる。
電流Ｉｐ＝電圧Ｖｐ×β＋固定値ｂ・・・（Ｂ）
ここで、βはαの逆数であり、（１／Ｒｉ）として表現することができる。なお、固定値ｂは、（電圧Ｖｐ＝０とした場合の）電流値の切片である。

なお、前記「電圧の変化（ΔＶｐ）に対する電流の変化（ΔＩｐ）の割合（ΔＩｐ／ΔＶｐ）」とは、例えば前記式（Ｂ）のβに該当するものである。つまり、例えば図４（ａ）のような電圧−電流座標系にて印加電圧線ＩＤを示す場合には、前記βが印加電圧線ＩＤの傾きである。

・リッチ側のヒステリシスは、空燃比がリーン側からリッチ側に変化したときに、所定の期間、リーン用割合を保持する履歴効果（履歴現象）である。また、リーン側のヒステリシスは、空燃比がリッチ側からリーン側に変化したときに、所定の期間、リッチ用割合を保持する履歴効果（履歴現象）である。

これらのヒステリシスは、例えば、一対の電極間に流れる限界電流に基づいて設定することができる。また、例えば、ストイキからの経過時間に対応して変化するカウンタに基づいて設定することができる。

本発明のガス濃度検出装置によれば、測定対象ガス中の特定ガスの濃度の検出精度が高いという効果がある。

第１実施形態における空燃比センサ及びガス濃度検出装置のシステム構成を示す説明図である。 第１実施形態におけるセンサ素子を厚み方向に（即ち図３のＡ−Ａ断面にて）破断し、電気的構成とともに示す説明図である。 第１実施形態におけるセンサ素子の一部を破断し、厚み方向から示す説明図である。 空燃比センサの基本的な電圧と電流との関係（Ｖ−Ｉ特性）を示すグラフであり、（ａ）は空燃比に応じて変化する限界電流域を示すグラフ、（ｂ）は素子温に応じて変化する抵抗支配域や限界電流域を示すグラフである。 第１実施形態にて補正式（１）及び補正式（２）にて設定する印加電圧線を示すグラフである。 第１実施形態における空燃比検出の制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の補正式（１）及び補正式（２）を切り替えるタイミングのヒステリシスを示すグラフである。 第２実施形態における空燃比検出の制御処理を示すフローチャートである。 第３実施形態における空燃比検出の制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、ガス濃度センサの一種である空燃比センサを用いてガス濃度を測定するガス濃度検出装置を例に挙げる。

［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
まず、第１実施形態のガス濃度検出装置に関するシステムの全体の構成について説明する。

図１に示す様に、第１実施形態では、例えば車両のエンジン１の排気管３に、空燃比センサ５が取り付けられており、ガス濃度検出装置７は、この空燃比センサ５からの出力に基づいて、エンジン１から排出される排ガスの酸素濃度（従って空燃比）を検出する。

図２及び図３に示すように、空燃比センサ５は、酸素濃度を検出する積層型のセンサ素子９を備えている。このセンサ素子９は、長尺の素子であり、図示しないハウジング等に収容されている。

詳しくは、センサ素子９は、層状の固体電解質体（固体電解質層）１１と拡散抵抗層１３と中間絶縁層１５と第１外側絶縁層１７と第２外側絶縁層１９を備えるとともに、測定室２１と基準酸素室２３とを備えている。

このうち、固体電解質層１１は、例えば部分安定化ジルコニアからなる矩形の板材であり、その測定室２１に面する表面には第１電極２５が配置され、基準酸素室２３に面する表面には、第２電極２７が配置されている。つまり、一対の第１電極２５及び第２電極２７は、固体電解質層１１を挟んで対向して配置されている。なお、両電極２５、２７は、例えば白金からなる。ここで、両電極２５、２７を備えた固体電解質層１１を素子部１０と称する。

拡散抵抗層１３は、固体電解質層１１と第１外側絶縁層１７との間に配置された多孔質層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。この拡散抵抗層１３により、外部（排気管３内の空間）から測定室２１内に排ガスが導入されるとともに、排ガスの拡散が律速される。

中間絶縁層１５は、固体電解質層１１と第１外側絶縁層１７との間に配置された緻密な層（ガスの透過ができないように形成された層）であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。この中間絶縁層１５は、拡散抵抗層１３とともに、測定室２１の周囲を囲むように配置されている。

第１外側絶縁層１７は、測定室２１、中間絶縁層１５、拡散抵抗層１３を、図２の上方より覆うように配置された緻密な層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。
第２外側絶縁層１９は、基準酸素室２３の周囲を覆うように配置された緻密な層であり、例えばアルミナ、ジルコニア等からなる。なお、図示しないが、第２外側絶縁層１９には、センサ素子９を加熱するヒータが埋設されている。

測定室２１は、外部から拡散抵抗層１３を介して排ガスが導入される直方体形状の空間であり、その内部の固体電解質層１１に、第１電極２５が配置されている。
基準酸素室２３は、大気が導入される長尺の空間であり、図３の上方に開口している。なお、その内部の固体電解質層１１に、第２電極２７が配置されている。

次に、ガス濃度検出装置７の電気的構成について説明する。
図２に示すように、ガス濃度検出装置７は、センサ素子９（従って空燃比センサ５）の動作を制御して、排ガスの酸素濃度（従って空燃比）を検出する装置であり、マイクロコンピュータ（マイコン）３１と電気制御回路３３とを備えている。

マイコン３１は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えた電子制御装置である。なお、ＲＯＭには、印加電圧線やヒステリシスなど、制御に必要なデータが記憶されている。
電気制御回路３３は、マイコン３１によって制御されて、両電極２５、２７間に電圧（印加電圧Ｖｐ）を印加するとともに、両電極２５、２７間に流れる電流（ポンプ電流Ｉｐ）を測定することができる周知の回路である。

［１−２．基本動作］
次に、空燃比センサ５の基本的な動作のうち酸素のポンピングについて説明する。
図２に示すように、前記センサ素子９では、その周囲の排ガスは、拡散抵抗層１３を介して測定室２１内に導入される。なお、ここでは、第１電極２５が正、第２電極２５が負となるように電圧を印加する場合を説明する。

まず、排ガス中の燃料がストイキ（理論空燃比：Ａ／Ｆ＝１４．７）より少ない場合（いわゆるリーンの場合）には、排ガス中の酸素は、両電極２５、２７間に電圧（印加電圧Ｖｐ）を印加することにより、第１電極２５にて酸素イオンに分解される。

これにより、酸素イオンは、第１電極２５から固体電解質層１１を通過して第２電極２７に供給され、第２電極２７から酸素として基準酸素室２３に排出される。いわゆる、測定室２１からの酸素の汲み出しが行われる。これにより、第２電極２７側から第１電極２５側に正電流である電流（ポンプ電流Ｉｐ）が流れる。

一方、排ガス中の燃料がストイキより多い場合（いわゆるリッチの場合）には、リーンの場合とは逆に、基準酸素室２３内の酸素は、第２電極２７にて酸素イオン分解される。
そして、分解された酸素イオンは、第２電極２７から固体電解質層１１を通過して第１電極２５に供給され、第１電極２５から酸素として測定室２１に排出される。いわゆる、測定室２１への酸素の汲み入れが行われる。これにより、第１電極２５側から第２電極２７側に負電流である電流が流れる。

従って、後に詳述するように、上述したポンプ電流Ｉｐに基づいて、排ガスの空燃比を検出することができる。
［１−３．電圧と電流との関係］
次に、印加電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係や、ガス濃度検出の際に用いる印加電圧線ＩＤについて説明する。

図４（ａ）に示すように、印加電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係を示すグラフ（特性ラインＴＬ）は、印加電圧Ｖｐの増加に比例してポンプ電流Ｉｐが変化する比例部分ＨＢと、電圧軸に平行な平坦部分とを有している。

このうち、比例部分ＨＢは、センサ素子９の素子部１０（詳しくは固体電解質層１１）の直流内部抵抗Ｒｉ（以下単に抵抗Ｒと記すこともある）に影響される抵抗支配域である。つまり、抵抗支配領域では、印加電圧Ｖｐが増加すると、それに比例してポンプ電流Ｉｐが増加する。この抵抗Ｒは、後述するように、センサ素子９（詳しくは固体電解質層１１）の温度（素子温）に応じて変化する。

また、平坦部分は、印加電圧Ｖｐが変化してもポンプ電流Ｉｐが実質的に変化せず一定の値（限界電流）を保つ部分である。この平坦部分は、酸素濃度（即ち空燃比）に対応したポンプ電流Ｉｐを示す限界電流域ＧＤであり、限界電流の変化が、空燃比の変化に対応している。

つまり、空燃比がリーン側になるほど、ポンプ電流Ｉｐの限界電流は増加し、空燃比がリッチになるほど、限界電流は減少するので、限界電流から空燃比を求めることができる。

例えば図４（ａ）に示すような単純な特性ラインＴＬを考えた場合には、各空燃比に応じて各限界電流域ＧＤを通るように、印加電圧特性を示す１本の直線状の印加電圧線ＩＤを設定し、この印加電圧線ＩＤを用いて、空燃比の検出を行うことが考えられる。つまり、印加電圧線ＩＤに従って所定の電圧を印加し、その際に得られる（限界電流を示す）ポンプ電流Ｉｐに基づいて、空燃比を求めることが考えられる。

しかし、前記特性ラインＴＬは、上述したように、限界電流域ＧＤよりも低電圧側（図４（ａ）の左側）は、固体電解質層１１の抵抗Ｒの影響を受ける抵抗支配域であり、素子温に応じて変化するという特性がある。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、素子温が低下する（低温側Ｌの場合）と、抵抗Ｒが増加し、直線状の比例部分ＨＢの傾きが小さくなる。一方、素子温が上昇する（低温側Ｌより温度が高い高温側Ｈの場合）と、抵抗Ｒが小さくなり、直線状の比例部分ＨＢの傾きが大きくなる。

しかも、このように素子温が変化する場合には、同図４（ｂ）に示すように、特性ラインＴＬの傾き（比例部分ＨＢの傾き）だけではなく、限界電流域ＧＤも電圧軸の方向に沿って変化する（例えば大気における高温側Ｈと低温側Ｌの限界電流ＧＤ参照）。

従って、この素子温に伴う限界電流域ＧＤの変化も考慮して、印加電圧線ＩＤを設定する必要がある。
そこで、本第１実施形態では、図５に示すように、ストイキにて（電圧の変化に対して電流の変化が異なるように）折れ曲がった１本の印加電圧線ＩＤを設定している。

詳しくは、この印加電圧線ＩＤは、リーンとリッチとでは、異なる下記補正式（１）、（２）により設定される。つまり、印加電圧線ＩＤは、リーンでは、下記の補正式（１）により、所定値（Ｒ１）を有する直線として設定されており、リッチでは、下記補正式（２）により、Ｒ１とは異なる所定値（Ｒ２）を有する直線として設定されている。

なお、各補正式（１）、（２）における単位は、印加電圧Ｖｐ［ｍＶ］、ポンプ電流Ｉｐ［ｍＡ］、抵抗Ｒ１［Ω］、抵抗Ｒ２［Ω］、電圧値の切片４００［ｍＶ］である。
Ｖｐ＝Ｉｐ×Ｒ１＋４００・・（１）
Ｖｐ＝Ｉｐ×Ｒ２＋４００・・（２）
なお、補正式（１）、（２）を変形すると、それぞれ下記補正式（１）‘、（２）’となる。

Ｉｐ＝Ｖｐ×（１／Ｒ１）−（４００／Ｒ１）・・（１）‘
Ｉｐ＝Ｖｐ×（１／Ｒ２）−（４００／Ｒ２）・・（２）‘
ここで、抵抗Ｒ１は、ストイキから大気雰囲気における固体電解質層１１の抵抗値の平均値であり、例えば６０［Ω］である。抵抗Ｒ２は、ストイキからリッチ雰囲気における固体電解質層１１の抵抗値の平均値であり、例えば１００［Ω］である。なお、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２には、Ｒ１＜Ｒ２の関係がある。

つまり、前記印加電圧線ＩＤは、ストイキを境にて折れ曲がっており、Ｒ１＜Ｒ２であるので、図５の電圧−電流座標系において各印加電圧線ＩＤを示した場合には、その傾きは、補正式（１）‘の傾き（１／Ｒ１）＞補正式（２）’の傾き（１／Ｒ２）となる。

詳しくは、図５では、リーンの場合の補正式（１）‘のグラフの傾き（１／Ｒ１）は大きいので急勾配であり、リッチの場合の補正式（２）’のグラフの傾き（１／Ｒ２）は、補正式（２）より小さいので、勾配は緩やかになっている。

そして、抵抗Ｒ１は、リーン及びストイキにおいて、印加電圧線ＩＤが、特性ラインＴＬにおける限界電流域ＧＤを通るように設定されている。
一方、抵抗Ｒ２は、リッチ及びストイキにおいて、印加電圧線ＩＤが、特性ラインＴＬにおける限界電流域ＧＤを通るように設定されている。

さらに、補正式（１）及び（２）において、印加電圧Ｖｐの電圧値の切片である４００［ｍＶ］は、特性ラインＴＬがストイキを示すポンプ電流Ｉｐが０［ｍＡ］を示す固定値である。ここで、その値を４００［ｍＶ］と設定した理由は、空燃比がストイキである場合の限界電流域ＧＤの中心が４００［ｍＶ］となるセンサ素子９の特性のためである。

なお、この補正式（１）、（２）は、使用されるセンサ素子９の特性に基づいて、実験等に基づいて設定することができる。
また、図５では、所定の温度（例えば７５０℃）における、大気の場合と空燃比１３の場合との特性ラインＴＬを示しているが、本第１実施形態では、前記補正式（１）、（２）（従って前記補正式（１）‘、（２）’）にて規定される印加電圧線ＩＤは、所定の空燃比の検出範囲（Ａ／Ｆ１０〜大気）において、所定の温度の範囲（例えば６３０℃〜１０５０℃）における特性ラインＴＬの限界電流域ＧＤを通るように設定されている。

［１−４．制御］
次に、マイコン３１にて、印加電圧線ＩＤを用いて行われる酸素濃度（空燃比）を検出する処理について説明する。

図６に示すように、まず、ステップ（Ｓ）１００にて、印加電圧Ｖｐの初期値として、４００［ｍＶ］を設定する。なお、このとき、抵抗Ｒの初期値Ｒ０として、所定の固定値（例えば６０［Ω］）を設定する。

続くステップ１１０では、ヒータに電圧を印加して、センサ素子９の温度（素子温）を上昇させる制御を行う。なお、その後、周知のように、素子温を目標温度に保つように、ヒータの制御を行う。

続くステップ１２０では、目標温度において、電気制御回路３３を用いて、一対の電極２５、２７間に、前記ステップ１００にて設定した４００［ｍＶ］の電圧を印加し、そのときに一対の電極２５、２７間に流れるポンプ電流Ｉｐを測定する。

続くステップ１３０では、例えば前記補正式（１）に（但し抵抗Ｒとしては初期値Ｒ０を用いる）、前記ステップ１２０で測定したポンプ電流Ｉｐの測定値（Ｉｐ電流測定値）を用いて、印加電圧Ｖｐを算出する。

続くステップ１４０では、印加電圧Ｖｐの持ち替えを行う。つまり、一対の電極２５、２７間に印加する電圧を、前記ステップ１３０算出した印加電圧Ｖｐとする。
続くステップ１５０では、前記ステップ１４０にて持ち替えた印加電圧Ｖｐを、一対の電流２５、２７間に印加し、それによって一対の電極２５、２７間に流れるポンプ電流Ｉ'ｐを測定する。

この測定されたポンプ電流Ｉ'ｐは、酸素濃度に対応したものであるので、このポンプ電流Ｉ'ｐから酸素濃度を求めることができる。なお、酸素濃度は空燃比に対応したものであるので、マップ等を用いて、ポンプ電流Ｉ'ｐから空燃比を求めることができる。

続くステップ１６０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが０［ｍＡ］以上であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１７０に進み、一方否定判断されるとステップ１８０に進む。

ステップ１７０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが空燃比のリーンを示す０［ｍＡ］以上であるので、抵抗Ｒとしてリーン用の抵抗Ｒ１を設定し、前記ステップ１３０に戻る。
つまり、リーンにおける印加電圧線ＩＤとして前記図５に示す前記補正式（１）を用いるために、抵抗Ｒとしてリーン用の抵抗Ｒ１を設定する。

一方、ステップ１８０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが空燃比のリッチを示す０［ｍＡ］未満であるので、抵抗Ｒとしてリッチ用の抵抗Ｒ２を設定し、前記ステップ１３０に戻る。
つまり、リッチにおける印加電圧線ＩＤとして前記図５に示す前記補正式（２）を用いるために、抵抗Ｒとしてリッチ用の抵抗Ｒ２（但しＲ１＜Ｒ２）を設定する。

［１−５．効果］
・第１実施形態では、基本的な構成として、印加電圧線ＩＤを、酸素濃度（従って空燃比）が異なる場合のそれぞれの限界電流域ＧＤを通すとともに、センサ素子９（詳しくは素子部１０）の温度条件が異なる場合のそれぞれの限界電流域ＧＤの重複する領域を通すように設定している。

しかも、第１実施形態では、上述した基本的な構成において、さらに、（１次関数である）印加電圧線ＩＤにおける電圧の変化に対する電流の変化の割合を、空燃比がリーンの場合とリッチの場合とで切り替える。

具体的には、印加電圧線ＩＤとして、リーンの場合には補正式（１）を用い、リッチの場合には補正式（２）を用いる。即ち、補正式（１）、（２）に用いる抵抗Ｒとして、リーンではＲ１、リッチではＲ２（但しＲ１＜Ｒ２）を用いる。

つまり、補正式（１）‘、（２）’を用いて説明すると、リーンの場合には、リーン用割合としてその値が大きな（１／Ｒ１）を用い、リッチの場合には、リッチ用割合としてその値が小さな（１＜Ｒ２）を用いる。なお、Ｒ１＜Ｒ２であるので、１／Ｒ１＞１／Ｒ２である。これにより、一層精度良く空燃比を検出することができる。

つまり、温度条件を加味した場合でも、例えば酸素濃度等によっては、１本の直線の印加電圧線ＩＤではいくつかの限界電流域ＧＤから外れることがあり、そのときには、この印加電圧線ＩＤを用いた制御を行っても、空燃比を精度よく検出できないことがあるが、第１実施形態では、リーンとリッチとに応じて異なる変化の割合（即ち１／Ｒ１、１／Ｒ２）を設定することにより、印加電圧線ＩＤが限界電流域ＧＤから外れることを抑制できる。

よって、このように設定された印加電圧線ＩＤを用いることにより、一層精度良く空燃比を検出することができる。
・また、第１実施形態では、一対の電極２５、２７間に流れる電流に基づいて、抵抗Ｒ１、Ｒ２（従ってリーン用割合（１／Ｒ１）、リッチ用割合（１／Ｒ２）を切り替える。

つまり、一対の電極２５、２７間に流れるポンプ電流Ｉｐは、空燃比に対応したものであるので、そのポンプ電流Ｉｐに応じて抵抗Ｒ１、Ｒ２を切り替えることにより、限界電流域ＧＤから外れにくい印加電圧線ＩＤを設定できる。

［１−６．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と第１実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
第１実施形態の、固体電解質層１１、電極２５、２７、空燃比センサ５、ガス濃度検出装置７が、それぞれ、本発明の、固体電解質体、電極、ガス濃度センサ、ガス濃度検出装置の一例に相当する。

［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第１実施形態と同様な構成の番号については、第１実施形態と同様な番号を使用する。

本第２実施形態は、第１実施形態とは、制御処理が異なるので、異なる点を説明する。
つまり、本第２実施形態は、補正式（１）と補正式（２）とを切り替える際に、図７に破線で示すようなヒステリシスを設定して、ストイキ近傍にて頻繁に切り替えることを抑制するものである。以下、その制御処理について、詳細に説明する。

図８に示すように、まず、ステップ２００〜ステップ２５０の処理は、前記第１実施形態のステップ１００〜１５０の処理と同様である。
つまり、ステップ２００にて、印加電圧Ｖｐとして、４００［ｍＶ］を設定する。

続くステップ２１０では、センサ素子９の温度（素子温）を制御する。
続くステップ２２０では、一対の電極２５、２７間に４００［ｍＶ］の電圧を印加し、そのときのポンプ電流Ｉｐを測定する。

続くステップ２３０では、例えば前記補正式（１）に、前記ステップ２２０で測定したＩｐ電流測定値を用いて、印加電圧Ｖｐを算出する。
続くステップ２４０では、印加電圧Ｖｐの持ち替えを行う。

続くステップ２５０では、前記持ち替えた印加電圧Ｖｐを一対の電流２５、２７間に印加して、ポンプ電流Ｉ'ｐを測定する。
そして、ステップ２６０では、前記ステップ２５０にて測定されたポンプ電流Ｉ'ｐが、０．１［ｍＡ］を上回るか否かを判定し、ここで肯定判断されるとステップ２７０に進み、一方否定判断されるとステップ２７０に進む。

ステップ２７０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが０．１［ｍＡ］を上回るので、補正式（１）の抵抗Ｒとして、リーン用の抵抗Ｒ１を設定し、前記ステップ２３０に戻る。
従って、この場合は、ステップ２３０にて、補正式（１）を用いて印加電圧Ｖｐを算出する。

一方、ステップ２８０では、前記ステップ２５０にて測定されたポンプ電流Ｉ'ｐが、−０．１［ｍＡ］を下回る状態になったか否かを判定し、ここで肯定判断されるとステップ２９０に進み、一方否定判断されると前記ステップ２３０に進む。

ステップ２９０では、ポンプ電流Ｉ'ｐが−０．１［ｍＡ］を下回るので、補正式（２）の抵抗Ｒとして、リッチ用の抵抗Ｒ２を設定し、前記ステップ２３０に戻る。
従って、この場合は、ステップ２３０にて、補正式（２）を用いて印加電圧Ｖｐを算出する。

なお、ステップ２８０で否定判断されて、前記ステップ２３０に戻った場合には、抵抗Ｒを切り替えることなく、前回の抵抗（Ｒ１又はＲ２）を適用した前回の補正式（１）又は（２）を用いて、印加電圧Ｖｐを算出する。

上述した構成によって、本第２実施形態では、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。また、上述したように、ストイキにて直ちに抵抗Ｒ１、Ｒ２を持ち替えて補正式（１）、（２）を切り替えるのではなく、ヒステリシスを設定して、補正式（１）、（２）を切り替えるタイミングをずらしているので、ストイキにて直ぐに補正式が切り替わることを抑制できる。

特に、目標空燃比をストイキに設定している場合には、上述のようにヒステリシスを設定することにより、補正式（１）、（２）が頻繁に切り替えられることを抑制できるので、安定して目標空燃比に制御できるという利点がある。

［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、前記第２実施形態と同様な内容の説明は省略する。なお、第２実施形態と同様な構成の番号については、第２実施形態と同様な番号を使用する。

本第３実施形態は、第２実施形態とは、制御処理が異なるので、異なる点を説明する。
つまり、本第３実施形態では、補正式（１）と補正式（２）とを切り替える際に、カウンタを用いてヒステリシスを設定している。以下、その制御処理について、詳細に説明する。

図９に示すように、まず、ステップ３００〜ステップ３５０の処理は、前記第２実施形態のステップ１００〜１５０の処理と同様である。
つまり、ステップ３００にて、印加電圧Ｖｐとして、４００［ｍＶ］を設定する。

続くステップ３１０では、センサ素子９の温度（素子温）を制御する。
続くステップ３２０では、一対の電極２５、２７間に４００［ｍＶ］の電圧を印加し、そのときのポンプ電流Ｉｐを測定する。

続くステップ３３０では、例えば前記補正式（１）に、前記ステップ３２０で測定したＩｐ電流測定値を用いて、印加電圧Ｖｐを算出する。
続くステップ３４０では、印加電圧Ｖｐの持ち替えを行う。

続くステップ３５０では、前記持ち替えた印加電圧Ｖｐを一対の電流２５、２７間に印加して、ポンプ電流Ｉ'ｐを測定する。
そして、ステップ３６０では、前記ステップ３５０にて測定されたポンプ電流Ｉ'ｐが、０［ｍＡ］以上か否かを判定し、ここで肯定判断されるとステップ３７０に進み、一方否定判断されるとステップ４００に進む。

ステップ３７０では、カウンタＡに１を加算し、また、カウンタＢをクリアする。
続くステップ３８０では、カウンタＡが１０以上か否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ３９０に進み、一方否定判断されると前記ステップ３３０に戻る。

ステップ３９０では、（ポンプ電流Ｉ'ｐが、０［ｍＡ］以上となってから）カウンタＡが１０以上に相当する所定の時間が経過したので、補正式（１）の抵抗Ｒとして、リーン用の抵抗Ｒ１を設定し、前記ステップ３３０に戻る。また、図示しないが、ステップ３９０で、カウンタＡをクリアする。

従って、この場合は、ステップ３３０にて、補正式（１）を用いて印加電圧Ｖｐを算出する。
なお、ステップ３８０にて否定判断された場合には、まだ、ヒステリシスに対応した時間が経過していないので、再度ステップ３３０に戻って同様な処理を繰り返す。

一方、ステップ３６０で否定判断されて進むステップ４００では、カウンタＢに１を加算し、また、カウンタＡをクリアする。
続くステップ４１０では、カウンタＢが１０以上か否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ４２０に進み、一方否定判断されると前記ステップ３３０に戻る。

ステップ４２０では、（ポンプ電流Ｉ'ｐが、０［ｍＡ］未満となってから）カウンタＢが１０以上に相当する所定の時間が経過したので、補正式（２）の抵抗Ｒとして、リッチ用の抵抗Ｒ２を設定し、前記ステップ３３０に戻る。また、図示しないが、ステップ４２０で、カウンタＢをクリアする。

従って、この場合は、ステップ３３０にて、補正式（２）を用いて印加電圧Ｖｐを算出する。
なお、ステップ４１０にて否定判断された場合には、まだ、ヒステリシスに対応した時間が経過していないので、再度ステップ３３０に戻って同様な処理を繰り返す。

上述した構成によって、本第３実施形態では、前記第２実施形態と同様な効果を奏する。つまり、上述したように、ストイキにて直ちに抵抗Ｒ１、Ｒ２を持ち替えて補正式（１）、（２）を切り替えるのではなく、ヒステリシスを設定して、補正式（１）、（２）を切り替えるタイミングをずらしているので、ストイキにて直ぐに補正式が切り替わることを抑制できる。よって、例えば目標空燃比をストイキに設定している場合でも、安定して目標空燃比に制御できるという利点がある。

［４．その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（１）例えば、前記実施形態では、補正式の印加電圧の切片として、所定の固定値（４００［ｍＶ］）を用いたが、他の値（例えば４５０［ｍＶ］）を用いてもよい。
（２）また、補正式（１）、（２）の抵抗Ｒとして、それぞれＲ１（例えば６０［Ω］）、Ｒ２（例えば１００［Ω］）を用いたが、Ｒ１＜Ｒ２となるような他の値を用いてもよい。

（３）さらに、前記実施形態では、ガス濃度検出装置として、酸素濃度を検出する酸素センサ（空燃比センサ）を用いて、酸素濃度を検出するガス濃度検出装置を挙げたが、本発明は、例えば、ＮＯ_ｘ、Ｈ_２Ｏ等のガス濃度を検出するガス濃度検出装置にも適用することができる。

（４）なお、上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

５…空燃比センサ
９…センサ素子
７…ガス濃度検出装置
１１…固体電解質層
２１…測定室
２３…基準酸素室
２５…第１電極
２７…第２電極

Claims (5)

1. 酸素イオン導電性を有する固体電解質体と該固体電解質体上に形成された一対の電極とを有するセンサ素子を備えたガス濃度センサに対し、
   所定の電圧値を切片とする一次関数の印加電圧線に基づいて、前記一対の電極間に電圧を印加するとともに、該電圧に応じて前記一対の電極間に流れる限界電流を検出し、該限界電流に基づいて、測定対象ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   前記ガス濃度を検出する検出範囲にて、
   前記印加電圧線を、前記ガス濃度が異なる場合のそれぞれの限界電流域と、前記センサ素子の温度条件が異なる場合のそれぞれの前記限界電流域が重複する領域と、の複数の前記限界電流域を通すように設定し、
   前記印加電圧線における前記電圧の変化に対する前記電流の変化の割合として、前記ガス濃度に対応した空燃比がリーンの場合にリーン用割合を設定し、前記空燃比がリッチの場合に前記リーン用割合とは異なるリッチ用割合を設定することを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記リーン用割合を前記リッチ用割合より大きく設定することを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記一対の電極間に流れる限界電流に基づいて、前記リッチ用割合と前記リーン用割合とを切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記空燃比が前記リーンの場合に前記リーン用割合を用いるとともに、前記空燃比がリーンからリッチに変化した場合には、ストイキから所定のリッチ側の範囲に設定されたリッチ側のヒステリシスの範囲では、前記リーン用割合を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記空燃比が前記リッチの場合に前記リッチ用割合を用いるとともに、前記空燃比がリッチからリーンに変化した場合には、ストイキから所定のリーン側の範囲に設定されたリーン側のヒステリシスの範囲では、前記リッチ用割合を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。

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