JP5648001B2 - ガスセンサ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、特定ガスのガス濃度を検出するガスセンサの出力を処理するガスセンサ処理装置に関する。

従来より、車両の内燃機関の排気管に設置し、空燃比を制御するためなどの目的で、排気ガス中の特定ガスのガス濃度を検出するガスセンサが用いられており、例えば、酸素濃度を検出する酸素センサや窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘセンサなどが知られている。これらのガスセンサでは、ジルコニア（酸化ジルコニウム）を主体とした固体電解質体を検出素子として用いることが多い。この固体電解質体は、おおむね６００℃以上の高温状態（活性化状態）で良好な酸素イオン伝導性を示す。また、検出素子の素子インピーダンス（内部抵抗）が、その素子温度に応じて変化することを利用して、検出素子の温度を検出したり、検出素子を活性化状態内の一定温度に維持すべく、素子インピーダンスが目標インピーダンスになるように、別途設けたヒータへの通電をフィードバック制御することが行われている。

特開平１０−２６５９９号公報

ところで、このようなガスセンサの検出素子では、使用等による劣化で素子インピーダンス（内部抵抗）が徐々に増加する。このため、劣化した検出素子では、劣化前に比して、同一温度とした場合の素子インピーダンス（内部抵抗）が相対的に高くなる。従って、正確に温度を検知することが難しい。また、上述のヒータへのフィードバック制御を行うと、素子インピーダンスを目標インピーダンスに近づけるべく、素子インピーダンスを下げる方向、即ち、素子温度を上げる方向に制御がなされる。このため、素子温度が素子インピーダンスの増加に伴って上昇しこの温度上昇により、検出素子の劣化が促進されるなどの問題があった。

この問題を解決するため、例えば、特許文献１には、検出素子の素子インピーダンスが増加した劣化状態を判定する劣化判定手段と、検出素子が劣化状態であると判定されたときに目標インピーダンスを増加させる目標インピーダンス変更手段とを備えた酸素濃度検出装置が開示されている。そして、具体的な劣化判定手段として、ヒータに供給されるヒータ供給電力と所定の判定値とを比較するヒータ供給電力比較手段が示されている。
しかしながら、ガスセンサの構成上、ヒータが必須となるうえに、ヒータ供給電力の変化は、検出素子の劣化による素子インピーダンスの増加のみで決まるものではなく、様々な外乱の影響を受けやすいため、検出素子の劣化の程度を適切に検知することが難しかった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、ガスセンサの検出素子の劣化の程度を適切に検知することができるガスセンサ処理装置を提供するものである。

その一態様は、ジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、一対の電極を有し、特定ガスのガス濃度を検出する検出素子を有するガスセンサの出力を処理するガスセンサ処理装置であって、上記検出素子の上記電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧から、これと異なるシフト後電圧までシフトさせる電圧シフト手段と、上記電圧シフト手段による電圧シフト期間の終了に続いて、上記検出素子の内部抵抗及び内部容量による自己放電により、上記検出素子電圧を、上記シフト後電圧から上記シフト前電圧に戻す回復手段と、上記回復手段による回復期間に生じる電圧変化に基づいて、上記検出素子の劣化の程度を示す劣化指標を検知する劣化指標検知手段と、を備えるガスセンサ処理装置である。

固体電解質体からなる検出素子は、概略４００℃以上で、酸素イオン伝導性を示す。この状態の検出素子を等価回路で表すと、その電極間に、酸素など特定ガスのガス濃度に応じて起電力を発生する電池（濃淡電池）と、素子温度の温度上昇に応じてその大きさが小さくなる特性を持つ内部インピーダンスが直列接続された回路を有していると見なすことができる。さらに、この内部インピーダンスは、純抵抗の内部抵抗のみならず、これに内部容量が並列接続されていると見なすことができる。

そこで、このガスセンサ処理装置では、電圧シフト手段によって、検出素子の電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧からシフト後電圧に電圧をシフトさせる。例えば、起電力を生じている検出素子の電極間に、これよりも大きい電圧を外部から印加するなどして、検出素子の電極間に生じている検出素子電圧を強制的に変化させる。すると、電圧シフトで上乗せされた電圧により、検出素子の内部抵抗に電流が流れて電圧降下が生じる。このとき、検出素子の起電力が一定であるとすれば、電圧シフトで上乗せされた電圧が、検出素子の内部抵抗による電圧降下分に相当する。そして、この電圧シフトを行っている電圧シフト期間において、上乗せされた電圧によって、内部抵抗に電流が流れると共に、検出素子がなす内部容量に電荷が蓄積される。

さらに、電圧シフト期間の終了に続いて、検出素子電圧をシフト後電圧からシフト前電圧に戻す。そして、劣化指標検知手段では、検出素子電圧がシフト後電圧からシフト前電圧に向かって戻る回復期間に生じる電圧変化に基づいて、検出素子の劣化の程度を示す劣化指標を検知する。回復期間では、電圧シフトで上乗せされた電圧により検出素子がなす内部容量に蓄積された電荷は、検出素子の内部抵抗を通じて自己放電される。これにより、検出素子の電極間には、おおむね検出素子の内部抵抗及び内部容量で決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧からシフト前電圧に戻る電圧変化を生じる。

ところで、検出素子が劣化すると、検出素子の素子インピーダンスが増加傾向となり、同一温度における内部抵抗が増加すると共に、内部容量も変化する。このため、劣化の進行程度により、上述の指数関数的な電圧変化のしかた（傾向）に差（違い）が生じる。また、この電圧変化は、外乱の影響を受け難く、検出素子の素子インピーダンスによりほぼ定まる。従って、この電圧変化に基づいて、劣化指標を検知するこのガスセンサ処理装置では、ガスセンサの検出素子の劣化の程度を適切に検知することができる。換言すると、本発明では、内部抵抗と内部容量の影響によって、自己放電時の電荷の放電の様子（上述の電圧変化）に違いが生じるという特性を利用して、劣化判定を行う。

なお、検出素子電圧を、シフト前電圧から、これと異なるシフト後電圧にシフトさせる手法としては、例えば、検出素子の電極間に、トランジスタやＦＥＴ等のスイッチング素子を介して定電圧を印加する手法や、スイッチング素子と検出素子との間にさらに外部抵抗を介して、抵抗分圧の形態で定電圧を印加する手法、また、定電流源により検出素子に定電流を流して、内部抵抗に電圧降下を生じさせる手法などが挙げられる。
また、検出素子の自己放電により、検出素子電圧をシフト後電圧からシフト前電圧に戻す手法としては、例えば、検出素子の電極間を通じて流れる外部電流あるいは外部から印加される外部電圧を無くす（遮断する）手法が挙げられる。

また、回復期間に生じる電圧変化に基づいて、検出素子の劣化の程度を示す劣化指標を検知する手法としては、例えば、電圧シフト期間内の所定のタイミングにおける検出素子電圧と、電圧シフト期間終了後の回復期間内の所定のタイミングにおける検出素子電圧とをそれぞれ計測し、これらの差を、劣化指標として検知する手法が挙げられる。また、回復期間内の２つの所定のタイミングにおける検出素子電圧をそれぞれ計測し、これらの差を、劣化指標として検知する手法も挙げられる。さらに、回復期間内に検出素子の電極間に生じる検出素子電圧を逐次計測し、その変化曲線から、この曲線に近似する指数関数の時定数を劣化指標として検知する手法も挙げられる。劣化指標の検知にあたっては、検出素子の内部抵抗が予め定められた値であるときに行うなど、検知時の条件を揃えるのが好ましい。

さらに、上述のガスセンサ処理装置であって、前記ガスセンサは、前記検出素子を加熱するヒータを有し、前記ガス濃度を検出する際の上記検出素子の内部抵抗である第１内部抵抗を検知する第１内部抵抗検知手段と、上記第１内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御する第１ヒータ通電制御手段と、前記劣化指標検知手段により検知された前記劣化指標に応じて、上記目標抵抗値を補正する目標抵抗値補正手段と、を備えるガスセンサ処理装置とすると良い。

このガスセンサ処理装置では、検出素子の劣化状態に応じて目標抵抗値を変化させて、ヒータへの通電を適切にフィードバック制御できるので、素子温度を適切な活性化温度に保つことができる。加えて、素子温度の上昇による劣化の促進を防止することができる。

さらに、上述のガスセンサ処理装置であって、前記劣化指標検知手段により、前記劣化指標を検知するのに先立ち、前記検出素子の内部抵抗、及び、上記内部抵抗によって生じる内部抵抗分電圧のいずれかである抵抗指標を検知する抵抗指標検知手段を備え、前記劣化指標検知手段は、上記抵抗指標が、予め定めた検知許容値であるときに、前記劣化指標を検知するガスセンサ処理装置とすると良い。

このガスセンサ処理装置では、抵抗指標が検知許容値となっている期間に劣化指標を検知する。これにより、劣化指標の検知にあたって、検知時の条件を揃えることができ、適切に劣化指標を検知することができる。

さらに、上述のガスセンサ処理装置であって、前記ガスセンサは、前記検出素子を加熱するヒータを有し、前記抵抗指標検知手段により検知された前記抵抗指標が、前記検知許容値となるように、前記ヒータへの通電をフィードバック制御する第２ヒータ通電制御手段を備えるガスセンサ処理装置とすると良い。

このガスセンサ処理装置では、抵抗指標が検知許容値となっているタイミングで、確実に劣化指標を検知することができる。

さらに、上述のガスセンサ処理装置であって、前記劣化指標検知手段は、前記劣化指標として、前記電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける前記検出素子電圧である第１電圧と、上記電圧シフト期間終了後の前記回復期間内の第２検知タイミングにおける上記検出素子電圧である第２電圧との差である１−２電圧差を検知するガスセンサ処理装置とすると良い。

このガスセンサ処理装置では、電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける第１電圧及び電圧シフト期間終了後の回復期間内の第２検知タイミングにおける第２電圧の２つの電圧を計測すれば良く、簡易に劣化指標としての１−２電圧差を得ることができる。

なお、第１検知タイミングは、電圧シフト期間内の適宜のタイミングを選択すれば良い。好ましくは、電圧シフト期間のうちでも、検出素子電圧がシフト後電圧に近づく後期の期間内、さらに好ましくは、検出素子電圧がシフト後電圧となる電圧シフト期間の終期（終了時）のタイミングを選択すると良い。
また、第２検知タイミングは、回復期間内の適宜のタイミングを選択すれば良いが、好ましくは、回復期間のうちでも、検出素子電圧がシフト前電圧に収束するよりも早い段階を選択すると良い。さらに好ましくは、劣化の進行度合いの違いによって、検知される検出素子電圧の差異がなるべく大きくなるタイミングを選択すると良い。

さらに、上述のガスセンサ処理装置であって、前記抵抗指標検知手段と、前記電圧シフト手段とは、前記検出素子の前記検出素子電圧を、前記シフト前電圧から前記シフト後電圧までシフトさせる回路を兼用してなるガスセンサ処理装置とすると良い。

このガスセンサ処理装置では、抵抗指標検知手段と電圧シフト手段とで別々の回路を用意する必要がなく、安価且つコンパクトな処理装置とすることができる。

さらに、上述のガスセンサ処理装置であって、前記劣化指標検知手段は、前記検出素子の内部抵抗が、前記ガス濃度を検出する際の上記内部抵抗である第１内部抵抗よりも大きい期間に、前記劣化指標を検知するガスセンサ処理装置とすると良い。

特定ガスのガス濃度を検出する際には、検出素子は十分高温とされ活性化されて、その内部抵抗は、例えば、１００Ω以下の低い値に制御される。このため、このような状態の検出素子について、劣化指標検知手段で劣化指標を検知しようとしても、回復期間に生じる電圧変化が小さく且つ変化が早いため、精度良く劣化指標を検知しにくい。

これに対し、このガスセンサ処理装置によれば、回復期間に生じる検出素子電圧の電圧変化が大きく、緩やかになるので、劣化指標を適切に検知できる。

実施形態に係る酸素センサ制御装置の回路を含む概略構成を示す説明図である。 実施形態に係る酸素センサ制御装置により、検出素子について電圧シフトをさせたときの検出素子電圧の変化波形を示す図である。 実施形態に係る酸素センサ制御装置のうち、マイクロプロセッサの処理動作を示すフローチャートである。 劣化検知処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。 電圧シフトサブルーチンの内容を示すフローチャートである。 劣化指標検知サブルーチンの内容を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、ガスセンサ処理装置である酸素センサ制御装置１の概略構成を示す図である。酸素センサ制御装置１は、図示しないエンジンを備える車両（図示しない）に搭載され、酸素センサ２と共に用いて、これを制御し、エンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出する。

この酸素センサ２は、ジルコニアを主体とした酸素イオン伝導体である固体電解質体に一対の電極３Ｐ，３Ｎを形成した検出素子３と、この検出素子３を加熱するヒータ４を有している。より具体的には、有底筒状をなした固体電解質体からなる検出素子３の外周面に形成した一方の電極３Ｎは排気ガスに晒され、内周面に形成した他方の電極３Ｐは基準ガス（大気）に晒されている。そして、検出素子３の有底筒状の内部空間には、棒状のヒータ４を内挿されて酸素センサ２が構成されている。この固体電解質体からなる検出素子３は、活性化状態となる６００℃を越える活性化温度に、ヒータ４で加熱されることで、良好な酸素イオン伝導性を示し、これにより、酸素濃度の検出が可能となっている。そして、酸素センサ２は、酸素センサ制御装置１により、検出素子３が活性化温度内の一定温度を維持するように、ヒータ４への通電が制御される。

ヒータ４は、タングステンあるいは白金を主体とした発熱抵抗体５と、この発熱抵抗体５に繋がる端子４Ｐ，４Ｎを有する。ヒータ４の一方の端子４Ｐは、バッテリ２０の＋極に接続されている。なお、このバッテリ２０の−極は、車両のシャーシＧＮＤである基準電位（以下、ＧＮＤという）に接続されている。さらに、ヒータ４のもう一方の端子４Ｎは、ヒータ制御回路１３のうち、図示しない電流制限抵抗を介して、スイッチング素子であるＮＰＮ型のトランジスタＴｒ１のコレクタ出力に接続されている。また、トランジスタＴｒ１のエミッタは、ＧＮＤに接続されており、ベースは、マイクロプロセッサ１０のＰＷＭ出力ポート１８に接続されている。そして、ヒータ４は、このヒータ制御回路１３によって、ＰＷＭ制御による通電が行われ、これにより、検出素子３が加熱される。また、検出素子３を活性化温度内の一定温度に維持する際には、マイクロプロセッサ１０によるＰＩＤ制御またはＰＩ制御で、ＰＷＭ制御のデューティ比が決定される。なお、ヒータ制御回路１３を構成するスイッチング素子は、トランジスタＴｒ１に限らず、ＦＥＴ等を用いて構成しても良い。なお、バッテリ２０からは、図示しない電源回路により、酸素センサ制御装置１で用いる＋５Ｖ電源やマイクロプロセッサ１０のＶＣＣ電源（図示しない）が生成されている。

検出素子３は、内部抵抗Ｒｉを有しており、その抵抗値は、固体電解質体の温度上昇に応じて低下する特性を有する。そして、この内部抵抗Ｒｉと検出素子３の素子温度との間には、所定の相関関係があることが知られており、内部抵抗Ｒｉが目標抵抗値となるように制御することにより、素子温度を所定の温度に維持することが可能である。

また、固体電解質体からなる検出素子３は、概略４００℃以上で、酸素イオン伝導性を示し、電極３Ｎと電極３Ｐとの間の酸素濃度の違いにより、酸素濃淡電池となって、酸素濃度差に応じた起電力ＥＶを発生する。このため、検出素子３の等価回路は、図１に示すように、電極３Ｐ，３Ｎ間に、起電力ＥＶを発生する電池（酸素濃淡電池）と内部インピーダンスとが直列接続された回路を有していると見なすことができる。なお、内部インピーダンスは、純抵抗の内部抵抗Ｒｉのみならず、これに内部容量Ｃｉが並列接続されていると見なすことができる。

ところで、前述の通り、検出素子３を構成する固体電解質体は、固体電解質体の温度上昇に応じて内部抵抗Ｒｉが低下する特性を有するが、非活性時のうち、固体電解質体の温度が低いときは、内部抵抗Ｒｉが高く、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間は、ほぼ絶縁状態となる。そして、固体電解質体の温度が上昇するに伴い内部抵抗Ｒｉは低下し、検出素子３が活性化した場合（活性時）には、内部抵抗Ｒｉは低い値を示す。また、固体電解質体の温度上昇に伴って、検出素子３が、電極３Ｐ，３Ｎ間に酸素濃度差に応じた起電力ＥＶを示すようになる。活性時における起電力ＥＶは、素子温度により異なるが、具体的には、排気ガスの空燃比がリッチ側にある場合には約９００ｍＶ前後を示し、リーン側にある場合には約５０ｍＶ前後を示す。そして、リッチ側とリーン側の間の理論空燃比となるλ＝１付近を境に、起電力ＥＶは、急峻に変化する。

酸素センサ制御装置１（図１参照）の説明に戻る。抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との直列回路で構成されて、＋５Ｖ電源をこの抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分圧するバイアス回路１４は、本実施形態では、具体的には、Ｒ１＝１００ｋΩ，Ｒ２＝１０ｋΩとされており、＋５Ｖ電源を抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分圧したＰ点の電位が約４５０ｍＶとなるように設定されている。このＰ点の電位は、上述した、リッチ側の約９００ｍＶとリーン側の約５０ｍＶのおおよそ中間の電圧値となるように選択したものである。そして、このＰ点の電位が、電流制限抵抗である抵抗器Ｒ３（具体的には、Ｒ３＝１０ｋΩ）を介して、Ｑ点で、検出素子３の電極３Ｐに接続されている。また、検出素子３のもう一方の電極３Ｎは、ＧＮＤに接続されている。

さらにＱ点は、抵抗器Ｒ４（具体的には、Ｒ４＝８．２５ｋΩ）及びスイッチング素子であるＰＮＰ型のトランジスタＴｒ２を介して、＋５Ｖ電源に接続されている。なお、スイッチング素子は、トランジスタＴｒ２に限らず、ＦＥＴ等を用いても良い。一方、Ｑ点は、抵抗器Ｒ５とコンデンサＣ１からなるノイズ除去用のローパスフィルタ回路１５（具体的には、Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｃ１＝０．０３３μＦ）にも接続されており、このローパスフィルタ回路１５の出力であるＳ点が、出力検出回路１２に接続されている。出力検出回路１２は、図示しないサンプルホールド回路を内蔵し、その出力がマイクロプロセッサ１０のＡ／Ｄ入力ポート１７に接続されている。

また、上述のトランジスタＴｒ２は、エミッタが＋５Ｖに接続され、コレクタが抵抗器Ｒ４に接続されている。そして、トランジスタＴｒ２のベースには、ベース−エミッタ間抵抗の抵抗器Ｒ７とベース入力抵抗の抵抗器Ｒ６が接続されており、これら抵抗器Ｒ６，Ｒ７、トランジスタＴｒ２及び抵抗器Ｒ４で、電圧シフト回路１９を構成している。また、この電圧シフト回路１９のうち、抵抗器Ｒ６の一方端であるＴ点には、パルス信号出力回路１１が接続されている。パルス信号出力回路１１は、マイクロプロセッサ１０のＩ／Ｏ出力ポート１６に接続されており、このＩ／Ｏ出力ポート１６の出力が、パルス信号出力回路１１を通して、Ｔ点にパルス信号ＳＰとして出力される。パルス信号ＳＰは、通常は、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２をオフするため、トランジスタＴｒ２のエミッタ電位と同じ＋５Ｖとされており、トランジスタＴｒ２をオンとする期間だけ一時的に０Ｖに下がって、再び＋５Ｖに戻る負論理の矩形状パルス電圧である。そして、このパルス信号ＳＰを出力するパルス信号出力回路１１と電圧シフト回路１９により、後述する電圧シフトが行われる。

なお、パルス信号出力回路１１は、具体的には、マイクロプロセッサ１０のＩ／Ｏ出力ポート１６の出力を反転または非反転でバッファすると共に、出力電圧をマイクロプロセッサ１０のＶＣＣ電源から＋５Ｖにレベル変換するための回路がレベル変換用のバッファＩＣやトランジスタなどで構成されている。本実施形態では、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力がＬレベルのとき、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点が＋５Ｖとなり、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力がＨレベルのとき、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点が０Ｖとなる反転型のバッファ回路とされている。

これらの回路の動作について、まず、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２がオフの場合について考える。トランジスタＴｒ２がオフのときは、抵抗器Ｒ４には電流が流れない。そして、検出素子３は、非活性時のうち、固体電解質体の温度が低いときには、起電力ＥＶが発生しない（ＥＶ＝０Ｖ）。また、その内部抵抗Ｒｉは、絶縁状態に近く、抵抗器Ｒ２の１０ｋΩよりも十分に大きい。このため、検出素子３には電流が流れず、電流制限抵抗Ｒ３にも電流が流れないので、固体電解質体の温度が低いときには、Ｐ点の電位は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との分圧による約４５０ｍＶとなる。そして、Ｑ点及びＳ点もＰ点と同電位となり、出力検出回路１２には、約４５０ｍＶが入力される。一方、固体電解質体の温度が十分高くなった活性時には、例えば、検出素子３の素子温度が約７００℃のときには、検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、１００Ω以下となり、抵抗器Ｒ２や抵抗器Ｒ３に比べて十分に小さい値となる。この活性時においては、検出素子３に起電力ＥＶも発生する（リッチ側で約９００ｍＶ前後、リーン側で約５０ｍＶ前後）が、内部抵抗Ｒｉが上述のように十分に小さいので、Ｑ点の電位は、抵抗器Ｒ２や抵抗器Ｒ３を流れる電流にほとんど影響を受けず、ほぼ起電力ＥＶが示す値となる。そして、このＱ点の電位が、ローパスフィルタ回路１５を通して、Ｓ点で出力検出回路１２に入力されており、出力検出回路１２で検出素子３の起電力ＥＶを検出することが可能となっている。

次に、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２がオンの場合について考える。トランジスタＴｒ２がオフしている間は、前述の通り、抵抗器Ｒ４に電流が流れない。一方、トランジスタＴｒ２がオンすると、抵抗器Ｒ４に電流Ｉが流れる。そして、検出素子３が活性時においては、検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、抵抗器Ｒ３や抵抗器Ｒ２に比べて十分に小さいので、電流Ｉのほとんどは、検出素子３に流れる。従って、次述する内部容量Ｃｉに流れる電流が収束してほとんど無くなった状態では、電流Ｉの大きさは、＋５Ｖから検出素子３の起電力ＥＶとトランジスタＴｒ２のエミッタ−コレクタ間電圧（≒０Ｖ）を引いた値を、抵抗器Ｒ４と検出素子３の内部抵抗Ｒｉとの和（直列合成抵抗）で除した値となる（Ｉ≒（５−ＥＶ）／（Ｒ４＋Ｒｉ））。トランジスタＴｒ２がオフの間もオンの間も、電極３Ｐ，３Ｎ間の酸素濃度差に変化がなく、起電力ＥＶが一定であるとすると、トランジスタＴｒ２がオンの間の検出素子電圧ＶＥは、オフの間の検出素子電圧ＶＥに対して、内部抵抗Ｒｉに生じる電圧降下Ｒｉ×Ｉだけ上乗せさることとなる。即ち、トランジスタＴｒ２がオンすることにより、検出素子電圧ＶＥが、オフの時点でのシフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）からシフト後電圧ＶＥ２（＝ＥＶ＋Ｒｉ×Ｉ）までシフトされる、電圧シフトを生じさせることができる。

これによって生じる、シフト後電圧ＶＥ２とシフト前電圧ＶＥ１との差分（ＶＥ２−ＶＥ１）をシフト電圧ＶＳとする。すると、シフト前電圧ＶＥ１は、トランジスタＴｒ２がオフのため、検出素子３の発生する起電力ＥＶとなるので、シフト電圧ＶＳは、内部抵抗Ｒｉに電流が流れることによって生じる電圧降下に相当する内部抵抗分電圧Ｖｉとなる。この内部抵抗分電圧Ｖｉは、Ｖｉ＝Ｒｉ×（５−ＥＶ）／（Ｒ４＋Ｒｉ）として与えられる。従って、出力検出回路１２で、シフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）及びシフト後電圧ＶＥ２（＝ＶＥ１＋ＶＳ＝ＥＶ＋Ｖｉ）をそれぞれ検知することで、シフト電圧ＶＳ、即ち、内部抵抗分電圧Ｖｉの大きさが分かる。またさらに、抵抗器Ｒ４の大きさとの比から、内部抵抗Ｒｉの大きさを求めることができる。

ところで、トランジスタＴｒ２をオンして、シフト前電圧ＶＥ１からシフト後電圧ＶＥ２への電圧シフトを行っている期間を電圧シフト期間ＴＳとする（図２参照）と、この電圧シフト期間ＴＳには、内部抵抗Ｒｉに電流が流れると共に、検出素子３がなす内部容量Ｃｉに、時定数Ｃｉ・Ｒｉに従って、電荷が蓄積される。
一方、その後トランジスタＴｒ２をオフさせて、電圧シフト期間ＴＳを終了させる。すると、検出素子３（その電極３Ｐ，３Ｎ間）には、外部から電流が流れ込まなくなると共に、外部電圧が印加されなくなる。すると、内部容量Ｃｉに蓄積された電荷が、内部抵抗Ｒｉを通じて自己放電される。これにより、検出素子電圧ＶＥは、回復期間ＴＫに亘り、おおむね検出素子３の内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉで決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻る電圧変化を生じる。

ところで、検出素子３が劣化すると、検出素子３の素子インピーダンスが増加傾向となって、同一温度における検出素子の内部抵抗Ｒｉが増加すると共に、内部容量Ｃｉも変化する。このため、劣化の進行程度により、上述の指数関数的な電圧変化のしかた（傾向）に差（違い）が生じる。また、この電圧変化は、外乱の影響を受け難く、検出素子３の素子インピーダンス（内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉ）によりほぼ定まる。従って、この電圧変化に基づいて、検出素子３の劣化の程度を示す劣化指標ＩＤ（後述する）を検知することができる。

なお、前述の通り、酸素濃度（特定ガスのガス濃度）を検出する際には、検出素子３を酸素濃淡電池として十分機能させるため、６００℃を越える活性化温度（例えば、上述の約７００℃）にまで素子温度を上げて使用する。検出素子３の素子温度が約７００℃のときは、検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、１００Ω以下の小さな値となる。しかるに、本実施形態では、抵抗器Ｒ４は、これより遥かに大きいＲ４＝８．２５ｋΩであるので、トランジスタＴｒ２をオンした場合に、内部抵抗Ｒｉによって生じる内部抵抗分電圧Ｖｉ（シフト電圧ＶＳ）も小さな値となる。このため、回復期間ＴＫに生じる電圧変化も小さく、上述の劣化指標ＩＤを精度良く検知しにくい。

しかしながら、酸素濃度の検出時には、検出素子３の素子温度を高く（例えば７００℃）保つ必要があるが、劣化指標ＩＤを検知する場合は、素子温度をこれほど高く保つ必要は無い。検出素子３を構成する固体電解質体は、４００℃程度で酸素イオン伝導性を示しはじめる。また、同時に検出素子３の内部抵抗Ｒｉも、絶縁状態に比べて十分低い値を示す一方、上述の活性化状態（例えば７００℃）に比して十分高い値となる。例えば、本実施形態では、素子温度が４００℃のときの検出素子３の内部抵抗Ｒｉは、約２５６０Ωとなり、７００℃の場合の数１０倍の大きさとなり、抵抗器Ｒ４の１／３程度の大きさとなる。従って、この状態で、劣化指標ＩＤを検知すれば、内部抵抗Ｒｉに比例するシフト電圧ＶＳも大きくでき、回復期間ＴＫに生じる電圧変化も大きくできる。

そこで、劣化指標ＩＤを検知するに当たり、本実施形態では、検出素子の内部抵抗Ｒｉが、特定ガスのガス濃度を検出する際（特定ガスのガス濃度を検出可能な期間）の内部抵抗Ｒｉ（第１内部抵抗Ｒｉ１）よりも大きい状態で検知する。具体的には、素子温度が約４００℃で、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωのときに劣化指標ＩＤを検知するようにする。更に具体的には、車両の運転を終了し（従って、検出素子３が活性化状態とされる酸素センサ２による酸素濃度の検知を終了し）、エンジンの停止と共に、酸素センサ２のヒータ４への通電を停止し、１０分間の待ち時間を設けて、検出素子３が冷却するのを待つ。その後、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように目標抵抗値を定めて、ヒータ４の通電制御を再度行い、内部抵抗Ｒｉを２５６０Ωとしてから、劣化指標ＩＤを検知する。

図２に、本実施形態の酸素センサ制御装置１により、劣化指標ＩＤを検知するにあたり、検出素子３について電圧シフトをさせたときの、電圧シフト期間ＴＳ及び回復期間ＴＫにおける、検出素子電圧ＶＥの変化波形を示す。なお、劣化指標ＩＤの検知にあたり、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように、ヒータ４を通電制御している。
この図２においては、電圧をシフトさせる以前（時刻ｔ＝０以前）には、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２がオフとされており、検出素子電圧ＶＥは、１．０２Ｖになっている。この検出素子電圧ＶＥは、素子温度約４００℃のときの検出素子３の起電力ＥＶを示している。これをシフト前電圧ＶＥ１（＝ＥＶ）とする。

その後、時刻ｔ＝０で、電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２をオンさせ、電圧シフトを開始する（電圧シフト期間ＴＳの開始）と、検出素子３に電流が流れて、検出素子３の内部抵抗Ｒｉに電圧降下を生じると共に、内部容量Ｃｉに電荷を蓄積しつつ、検出素子電圧ＶＥが立ち上がる。本実施形態では、電圧シフト期間ＴＳは３ｍｓｅｃとした。この電圧シフト期間ＴＳのうち、その終期（終了時）である第１検知タイミングｔ１（時刻ｔ＝ｔ１）には、検出素子電圧ＶＥは、ほぼ平衡状態に近づいて、シフト後電圧ＶＥ２となる。そこで、この第１検知タイミングｔ１で、検出素子電圧ＶＥを検知して、これを第１電圧Ｖ１（＝シフト後電圧ＶＥ２）とする。

内部抵抗Ｒｉが一定値（本実施形態では、Ｒｉ＝２５６０Ω）となるように制御されている条件の下で、電圧シフト期間ＴＳ（本実施形態では３ｍｓｅｃ）を時定数Ｃｉ・Ｒｉよりも十分長くすれば（例えば、３倍以上）、シフト後電圧ＶＥ２（第１電圧Ｖ１）は、内部抵抗Ｒｉで定まる値に収束し、劣化の程度によらず、ほぼ同じ値となる。また、時刻ｔ＝ｔ１では、シフト後電圧ＶＥ２とシフト前電圧ＶＥ１との差分（ＶＥ２−ＶＥ１）であるシフト電圧ＶＳが、内部抵抗Ｒｉによって生じる内部抵抗分電圧Ｖｉとなり、シフト後電圧ＶＥ２＝起電力ＥＶ＋内部抵抗分電圧Ｖｉ（シフト電圧ＶＳ）となる。

トランジスタＴｒ２をオフさせ、電圧シフト期間ＴＳを終了させると、これに続いて、検出素子電圧ＶＥを、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻す回復期間ＴＫとなる。この回復期間ＴＫには、トランジスタＴｒ２がオフとなっているので、図１から容易に理解できるように、シフト電圧ＶＳにより内部容量Ｃｉに蓄積された電荷は、内部抵抗Ｒｉを通じて自己放電される。これにより、検出素子３の電極間３Ｐ，３Ｎには、おおむね検出素子３の内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉで決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻る電圧変化を生じる（図２参照）。本実施形態では、この回復期間ＴＫのうち、電圧シフト期間ＴＳの終了から３ｍｓｅｃ後である第２検知タイミングｔ２（時刻ｔ＝ｔ２）で、検出素子電圧ＶＥを検知して、これを第２電圧Ｖ２とする。

前述したように、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが２５６０Ωとなるように制御されているので、シフト後電圧ＶＥ２（第１電圧Ｖ１）は、劣化の程度によらずほぼ同じ値となる。回復期間ＴＫに生じる電圧変化は、劣化の程度により異なり、劣化が進行するほど電圧がゆっくり減衰して、第２電圧Ｖ２は大きな値となる。即ち、第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差である１−２電圧差Ｖ１−２（＝Ｖ１−Ｖ２）は、劣化の程度により異なり、劣化が進行するほど小さな値となる。従って、検出素子３の劣化の程度を示す劣化指標ＩＤとして、この１−２電圧差Ｖ１−２を用いることができる。

なお、本実施形態では、内部抵抗Ｒｉが２５６０Ω（素子温度は約４００℃）のときの、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を検知するようにした。しかし、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）を検知する際の内部抵抗Ｒｉの値は、検出素子３の劣化の程度の違いが、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）の違いとして判別可能な範囲で、適宜決めれば良い。

次いで、本実施形態に係る酸素センサ制御装置１の制御を、特にそのマイクロプロセッサ１０の動作を中心に、図３のフローチャートを参照して説明する。
図３に示す制御プログラムは、マイクロプロセッサ１０が実行するプログラムの１つとして、ヒータ４の通電制御のためのＰＷＭ出力ポート１８の出力更新タイミング毎に（従って、一定周期毎に）繰り返し呼び出される。また、必要な初期設定は、このプログラムが呼び出される前に別途実行されており、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＬレベルとされている。これにより、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖとなっており、トランジスタＴｒ２はオフしている。

先ず、ステップＳ１では、エンジンが停止しているか否かを判断する。そして、エンジンが停止していない場合（Ｎｏ、即ち、エンジンの運転中）には、ステップＳ２に進む。これ以降は、酸素濃度を検出する際（酸素濃度を検出可能な期間）の検出素子３の内部抵抗Ｒｉである第１内部抵抗Ｒｉ１の検知、ヒータ通電制御のＰＷＭデューティ出力及び酸素濃度検出を行う。先ず、ステップＳ２では、第１内部抵抗Ｒｉ１を検知する。

次いで、ステップＳ３では、先回のエンジン運転後に、後述する劣化検知処理ルーチンにより、劣化指標ＩＤとして検知され、不揮発性メモリ（図示しない）に記憶されていた１−２電圧差Ｖ１−２（図６参照：ステップＳ１０７８）が読み出される。

次いで、ステップＳ４では、１−２電圧差Ｖ１−２（劣化指標ＩＤ）の値に応じて、目標抵抗値ＲＴを補正して補正後目標抵抗値ＲＴｈを得る。検出素子３の素子温度を７００℃一定に制御するため、補正後目標抵抗値ＲＴｈは、１−２電圧差Ｖ１−２の値が小さい（劣化が進行している）ほど、大きな値に補正される。これは、検出素子３の劣化が進行するほど、同一温度での第１内部抵抗Ｒｉ１が大きくなるためであり、素子温度を一定に制御するためには、この第１内部抵抗Ｒｉ１の増加に合わせて、補正後目標抵抗値ＲＴｈを大きくする必要がある。

次いで、ステップＳ５では、補正された補正後目標抵抗値ＲＴｈと第１内部抵抗Ｒｉ１とを用いて、第１内部抵抗Ｒｉ１が補正後目標抵抗値ＲＴｈとなるように、ヒータ４を通電制御する。具体的には、ＰＩＤ制御またはＰＩ制御によりヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比を決定し、ＰＷＭ出力ポート１８からＰＷＭパルスを出力する。これにより、ヒータ４は、ＰＷＭ制御され、検出素子３の素子温度が、検出素子３の劣化の程度に拘わらず、７００℃一定に制御される。

次いで、ステップＳ６では、酸素濃度検出タイミングであるか否かを判断する。本実施形態では、ステップＳ２〜ステップＳ５によるヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比の更新回数１０回に対して、酸素濃度の検出を１回の割合で実行する。ステップＳ６では、このタイミングを判断する。酸素濃度検出タイミングではない場合（Ｎｏ）は、そのまま処理を終了する。また、酸素濃度検出タイミングの場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、第１内部抵抗Ｒｉ１が補正後目標抵抗値ＲＴｈとなっているか否かを判断する。酸素濃度を検出する際には、検出素子３の素子温度が所定の活性化温度（本実施形態では７００℃）となっている（従って、第１内部抵抗Ｒｉが補正後目標抵抗値ＲＴｈとなっている）必要がある。よって、酸素濃度を検出する前に、ステップＳ７で、これを判断する。ステップＳ７で、第１内部抵抗Ｒｉ１が補正後目標抵抗値ＲＴｈでない場合（Ｎｏ）は、そのまま処理を終了する。一方、第１内部抵抗Ｒｉ１が補正後目標抵抗値ＲＴｈである場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ８に進む。そして、ステップＳ８で、酸素濃度を検出した後、処理を終了する。

一方、ステップＳ１において、エンジンが停止している場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ９に進む。そして、ステップＳ９では、エンジン停止後、１０分が経過したか否かを判断する。１０分経過していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１３に進み、ヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比を０％として、ＰＷＭ出力ポート１８から出力した後に、処理を終了する。これにより、エンジン停止後１０分間は、ヒータ４に通電されないため、検出素子３の素子温度は徐々に低下する。

エンジン停止から１０分が経過すると、ステップＳ９でＹｅｓとなり、ステップＳ１０に進み、劣化検知処理ルーチンを実行する。この劣化検知処理ルーチン（ステップＳ１０）の終了後は、ステップＳ１１に進む。このステップＳ１１で、後述する検知完了フラグ（図４参照：ステップＳ１０８）がオフの場合（即ち、劣化指標ＩＤの検知が完了していない場合）には（Ｎｏ）、そのまま処理を終了する。一方、検知完了フラグがオンの場合（即ち、劣化指標ＩＤの検知が完了している場合）には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に進み、ヒータ４の通電を完全に停止した後、処理を終了する。
そして、以上の一連の処理は、一定周期毎に再度プログラムが呼び出されて、ステップＳ１から実行される。ただし、エンジンが停止し、検知完了フラグがオンとなってこの処理を終了した後は、再びエンジンが始動するまで、このプログラムの呼び出しは停止される。

次いで、ステップＳ１０で示した劣化検知処理ルーチンについて、図４のフローチャートを参照して説明する。
先ず、ステップＳ１０１では、後述する電圧シフトサブルーチンを実行する（詳細は後述する。）。この電圧シフトサブルーチンでは、検出素子電圧ＶＥの電圧シフトを行うと共に、シフト前電圧ＶＥ１、シフト後電圧ＶＥ２及びシフト電圧ＶＳを取得する。また、この電圧シフトサブルーチンの終了時点で、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＨレベルとされ、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は０Ｖとなって、トランジスタＴｒ２はオンしている。

次いで、ステップＳ１０２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルに戻す。すると、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖとなり、トランジスタＴｒ２はオフにされる。

次いで、ステップＳ１０３に進み、電圧シフトサブルーチン（ステップＳ１０１）で取得したシフト電圧ＶＳ（内部抵抗分電圧Ｖｉ）及びシフト前電圧ＶＥ１（起電力ＥＶ）を用いて内部抵抗Ｒｉを計算する。そして、続くステップＳ１０４では、得られた内部抵抗Ｒｉが目標の第２目標抵抗値ＲＵ（本実施形態では、ＲＵ＝２５６０Ω）となるように、ヒータ４を通電制御する。具体的には、ＰＩＤ制御またはＰＩ制御によりヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比を決定し、ＰＷＭ出力ポート１８からＰＷＭパルスを出力する。これにより、ヒータ４は、ＰＷＭ制御され、検出素子３の温度が、約４００℃に制御される。

次いで、ステップＳ１０５では、劣化指標検知タイミングであるか否かが判断される。そして、続くステップＳ１０６では、劣化指標ＩＤを検知する前に、取得した内部抵抗Ｒｉが第２目標抵抗値ＲＵ（＝２５６０Ω）であるか否かが判断される。本実施形態では、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０４によるヒータ通電制御のＰＷＭデューティ比の更新回数１０回に対して、ステップＳ１０５の判断を１回の割合で実行する。劣化指標検知タイミングでない場合（Ｎｏ）は、そのままこの劣化検知処理ルーチンを終了する。また、劣化指標検知タイミングの場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０６に進んで、内部抵抗Ｒｉが第２目標抵抗値ＲＵであるか否かを判断する。ステップＳ１０６で、内部抵抗Ｒｉが第２目標抵抗値ＲＵでないと判断された場合（Ｎｏ）は、そのままこの劣化検知処理ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１０６で、内部抵抗Ｒｉが第２目標抵抗値ＲＵであると判断された場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ１０７に進み、劣化指標ＩＤを検知する劣化指標検知サブルーチン（詳細は後述する。）を実行する。そして、その終了後、ステップＳ１０８で、劣化指標ＩＤの検知が完了したことを示す検知完了フラグをオンして、この劣化検知処理ルーチンを終了する。

次いで、ステップＳ１０１の電圧シフトサブルーチンについて、図５のフローチャートを参照して説明する。この電圧シフトサブルーチンは、前述したように、電圧シフト回路１９を用いて、検出素子電圧ＶＥをシフトさせると共に、シフト前電圧ＶＥ１、シフト後電圧ＶＥ２及びシフト電圧ＶＳを取得する。

先ず、ステップＳ１０１１において、マイクロプロセッサ１０は、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通じて、出力検出回路１２により、次述する電圧シフト前のＳ点の電位、従って、ローパスフィルタ回路１５を介してＱ点の電位（シフト前電圧ＶＥ１）を測定する。この際、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＬレベルとされており、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖに、トランジスタＴｒ２はオフにされている。このため、抵抗器Ｒ４には電流が流れず、Ｑ点（及びＳ点）の電位は、検出素子３自身の起電力ＥＶを示す値となっている。従って、このステップＳ１０１１で測定するＳ点（Ｑ点）の電位の値（シフト前電圧ＶＥ１）は、起電力ＥＶの値となる（ＶＥ１＝ＥＶ）。

次いで、ステップＳ１０１２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＨレベルとする。すると、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は０Ｖとなり、トランジスタＴｒ２がオンする。なお、このタイミングは、図２における時刻ｔ＝０に該当する。更に引き続いて、ステップＳ１０１３に進み、３ｍｓｅｃの時間を計時するタイマをスタートさせる。
トランジスタＴｒ２がオンすると、抵抗器Ｒ４に電流Ｉが流れ、この電流Ｉが検出素子３に流れ込む。すると、この電流Ｉにより、内部抵抗Ｒｉに電圧降下を生じさせると共に、内部容量Ｃｉに電荷が徐々に蓄積される。このため、Ｑ点の電位は、起電力ＥＶから開始し、内部容量Ｃｉへの電荷蓄積の進行と共に上昇する。Ｑ点の電位において、起電力ＥＶに上乗せされる電圧分は、内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉの端子間電圧である。

続くステップＳ１０１４では、ステップＳ１０１３の３ｍｓｅｃのタイマがタイムアップするのを待つ。即ち、タイマがタイムアップしていない間（Ｎｏ）は、ステップＳ１０１４を繰り返す。従って、この間、内部容量Ｃｉへの電荷の蓄積が進み、Ｑ点の電位は上昇すると共に、平衡状態に近づく。そして、３ｍｓｅｃ経過し、タイマがタイムアップする（Ｙｅｓ）と、ステップＳ１０１５に進む。

ステップＳ１０１５では、トランジスタＴｒ２をオンしてから、３ｍｓｅｃ経過した第１検知タイミングｔ１（時刻ｔ＝ｔ１＝３ｍｓｅｃ，図２参照）で、再び、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通じて出力検出回路１２により、Ｓ点の電位（従って、ローパスフィルタ回路１５を通じたＱ点の電位）を測定する。Ｑ点の電位は、時刻ｔ＝０の立ち上がり開始後、３ｍｓｅｃの期間（電圧シフト期間ＴＳ）が経過する間に、概略平衡状態に達しており（図２参照）、このステップＳ１０１５で測定した、時刻ｔ＝ｔ１の時点の値をシフト後電圧ＶＥ２とする。

次いで、ステップＳ１０１６に進み、シフト電圧ＶＳを、既に取得したシフト後電圧ＶＥ２とシフト前電圧ＶＥ１との差分（ＶＥ２−ＶＥ１）として求めて、電圧シフトサブルーチンを終了する。

次いで、ステップＳ１０７の劣化指標検知サブルーチンについて、図６のフローチャートを参照して説明する。なお、この劣化指標検知サブルーチン（ステップＳ１０７）は、前述したように、ステップＳ１０６で、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが、第２目標内部抵抗値ＲＵ（＝２５６０Ω）に等しいと判断された場合（Ｙｅｓ）に、実行される。

先ず、ステップＳ１０７１では、劣化検知処理ルーチン（ステップＳ１０）におけるステップＳ１０１と同じ電圧シフトサブルーチンを実行する。この電圧シフトサブルーチンの終了時点（ステップＳ１０１６の終了時点）で、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力はＨレベルとされ、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は０Ｖとなって、トランジスタＴｒ２はオンしている。

次いで、ステップＳ１０７２に進み、Ｉ／Ｏ出力ポート１６の出力をＬレベルに戻す。すると、パルス信号出力回路１１の出力のＴ点は＋５Ｖとなり、トランジスタＴｒ２はオフにされる。これにより、電圧シフト期間ＴＳが終了し、これに引き続いて、回復期間ＴＫが開始される。

続くステップＳ１０７３では、電圧シフトサブルーチンのステップＳ１０１５（第１検知タイミングｔ１）で取得したシフト後電圧ＶＥ２を、第１電圧Ｖ１として取得（コピー）する（Ｖ１＝ＶＥ２）。
次いで、ステップＳ１０７４に進み、３ｍｓｅｃの計時を行うタイマをスタートさせる。
トランジスタＴｒ２をオフさせたため、検出素子３に、＋５Ｖ電源を通じて外部電圧は印加されず、電流も流れない。このため、検出素子３では、内部容量Ｃｉに蓄積された電荷を、内部抵抗Ｒｉを通じて自己放電する。このため、Ｑ点の電位は、おおむね内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉで決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻る電圧変化を生じる。

続くステップＳ１０７５では、ステップＳ１０７４のタイマがタイムアップするのを待つ。即ち、タイマがタイムアップしていない間（Ｎｏ）は、ステップＳ１０７５を繰り返す。そして、３ｍｓｅｃ経過し、タイマがタイムアップする（Ｙｅｓ）と、ステップＳ１０７６に進む。

ステップＳ１０７６では、トランジスタＴｒ２をオフしてから、３ｍｓｅｃ経過した第２検知タイミングｔ２（時刻ｔ＝ｔ２＝６ｍｓｅｃ，図２参照）で、Ａ／Ｄ入力ポート１７を通して出力検出回路１２により、Ｓ点の電位（ローパスフィルタ回路１５を通じて、Ｑ点の電位）を測定する。このステップＳ１０７６で測定した、時刻ｔ＝ｔ２の時点の値を第２電圧Ｖ２とする。

次いで、ステップＳ１０７７に進み、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を、既に取得した第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）として求める。
さらに、ステップＳ１０７８に進み、取得した１−２電圧差Ｖ１−２を、不揮発性メモリに保存して、この劣化指標検知サブルーチンを終了する。

なお、本実施形態において、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９、ローパスフィルタ回路１５、出力検出回路１２及びステップＳ１０１〜Ｓ１０３を実行しているマイクロプロセッサ１０が、抵抗指標検知手段に相当し、ここで検知する内部抵抗Ｒｉが抵抗指標ＩＲに相当する。また、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９及びステップＳ１０７１を実行しているマイクロプロセッサ１０が、電圧シフト手段に相当する。さらに、パルス信号出力回路１１、電圧シフト回路１９及びステップＳ１０７２を実行しているマイクロプロセッサ１０が、回復手段に相当する。

ここで、抵抗指標検知手段と電圧シフト手段とは、電圧シフトに用いるパルス信号出力回路１１及び電圧シフト回路１９を兼用している。なお、本実施形態では、抵抗指標検知手段と電圧シフト手段とで、電圧シフトサブルーチン（ステップＳ１０１，Ｓ１０７１）を兼用し、抵抗指標検知手段で、電圧シフト手段の電圧シフト期間ＴＳと同様に、３ｍｓｅｃ間の電圧シフトを行った。しかし、抵抗指標検知手段で抵抗指標ＩＲを検知する際の電圧シフトの期間は、劣化指標ＩＤを検知する際の、電圧シフト手段による電圧シフト期間ＴＳと異なっていても良く、実行するサブルーチンは別々でも良い。また、電圧シフト手段で電圧シフト回路１９のトランジスタＴｒ２をオンにし、回復手段でこれをオフにしており、電圧シフト手段と回復手段は、同一の回路（パルス信号出力回路１１及び電圧シフト回路１９）を用いている。

また、ステップＳ１０６〜Ｓ１０７を実行しているマイクロプロセッサ１０が、劣化指標検知手段に相当し、内部抵抗Ｒｉが第２目標抵抗値ＲＵ（＝２５６０Ω）であるときに、劣化指標ＩＤである１−２電圧差Ｖ１−２を検知する。また、第２目標抵抗値ＲＵ（＝２５６０Ω）が検知許容値ＩＰに相当する。
さらに、ステップＳ２を実行しているマイクロプロセッサ１０が、第１内部抵抗検知手段に相当し、ステップＳ４を実行しているマイクロプロセッサ１０が、目標抵抗値補正手段に相当する。
また、ヒータ制御回路１３及びステップＳ５を実行しているマイクロプロセッサ１０が、第１ヒータ通電制御手段に相当し、ヒータ制御回路１３及びステップＳ１０４を実行しているマイクロプロセッサ１０が、第２ヒータ通電制御手段に相当する。

以上で説明したように、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、検出素子電圧ＶＥを、シフト前電圧ＶＥ１からシフト後電圧ＶＥ２までシフトさせる電圧シフト手段（図６参照：ステップＳ１０７１）と、電圧シフト手段による電圧シフト期間ＴＳの終了に続いて、検出素子電圧ＶＥを、検出素子３の内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉによる自己放電により、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に戻す回復手段（図６参照：ステップＳ１０７２）とを備えている。そしてさらに、回復手段による回復期間ＴＫに生じる検出素子電圧ＶＥの電圧変化に基づいて、検出素子３の劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）を検知する劣化指標検知手段（図４参照：ステップＳ１０７）を備えている。回復期間ＴＫでは、検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間には、おおむね検出素子３の内部抵抗Ｒｉ及び内部容量Ｃｉで決定される時定数によって指数関数的に減衰して、シフト後電圧ＶＥ２からシフト前電圧ＶＥ１に向かって戻る電圧変化を生じる。さらに、検出素子３が劣化すると、検出素子３の素子インピーダンスが増加傾向となり、同一温度における内部抵抗Ｒｉが増加すると共に、内部容量Ｃｉも変化する。このため、劣化の進行程度により、上述の指数関数的な電圧変化のしかたに差が生じる。また、この電圧変化の差は、外乱の影響を受け難く、検出素子３の素子インピーダンスによりほぼ定まる。従って、この電圧変化に基づいて、劣化指標を検知する本実施形態の酸素センサ制御装置１では、酸素センサ２の検出素子３の劣化の程度を適切に検知することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、第１内部抵抗検知手段（図３参照：ステップＳ２）と第１ヒータ通電制御手段（ステップＳ５）に加えて、劣化指標検知手段により検知された劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）に応じて、フィードバック制御の目標抵抗値ＲＴを補正して補正後目標電圧値ＲＴｈとする目標抵抗値補正手段（ステップＳ４）を備えている。これにより、検出素子３の劣化状態に応じて目標抵抗値ＲＴを変化させて、ヒータ４への通電を適切にフィードバック制御できるので、素子温度を適切な活性化温度に保つことができる。加えて、素子温度の上昇による劣化の促進を防止することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）を検知するのに先立ち、内部抵抗Ｒｉ（抵抗指標ＩＲ）を検知する抵抗指標検知手段（図４参照：ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）を備え、劣化指標検知手段（ステップＳ１０６〜Ｓ１０７）は、この内部抵抗Ｒｉ（抵抗指標ＩＲ）が第２目標抵抗値ＲＵ（＝２５６０Ω：検知許容値ＩＰ）であるとき（ステップＳ１０６で判定）に劣化指標ＩＤを検知する。これにより、劣化指標ＩＤの検知にあたって、検知時の条件を揃えることができ、適切に劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）を検知することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、内部抵抗Ｒｉ（抵抗指標ＩＲ）が第２目標抵抗値ＲＵ（検知許容値ＩＰ）となるように、ヒータ４への通電をフィードバック制御する（第２ヒータ通電制御手段、図４参照：ステップＳ１０４）。これにより、内部抵抗Ｒｉ（抵抗指標ＩＲ）が第２目標抵抗値ＲＵ（検知許容値ＩＰ）となっているタイミングで、確実に劣化指標ＩＤ（１−２電圧差Ｖ１−２）を検知することができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、内部抵抗Ｒｉ（抵抗指標ＩＲ）が第２目標抵抗値ＲＵ（検知許容値ＩＰ）であるときに、電圧シフト期間ＴＳ内の第１検知タイミングｔ１（図５参照：ステップＳ１０１５）における第１電圧Ｖ１（＝シフト後電圧ＶＥ２）及び電圧シフト期間ＴＳ終了後の回復期間ＴＫ内の第２検知タイミングｔ２（図６参照：ステップＳ１０７６）における第２電圧Ｖ２の２つの電圧を計測すれば良く、簡易に劣化指標ＩＤとしての１−２電圧差Ｖ１−２を得ることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、抵抗指標検知手段（図４参照：ステップＳ１０１〜Ｓ１０３）は、電圧シフト手段（図６参照：ステップＳ１０７１）と同様に、検出素子電圧ＶＥをシフト前電圧ＶＥ１からシフト後電圧ＶＥ２までシフトさせており（ステップＳ１０１）、これに用いるパルス信号出力回路１１及び電圧シフト回路１９を電圧シフト手段と兼用している。このため、抵抗指標検知手段と電圧シフト手段とで別々の回路を用意する必要がなく、安価且つコンパクトな処理装置とすることができる。

さらに、本実施形態の酸素センサ制御装置１では、エンジン停止後１０分以上が経過して、劣化指標ＩＤ（内部抵抗Ｒｉ）を検知しており、劣化指標検知手段は、検出素子３の内部抵抗Ｒｉが、特定ガスのガス濃度（酸素濃度）を検出する際の内部抵抗Ｒｉである第１内部抵抗Ｒｉ１（１００Ω以下）よりも大きい期間（内部抵抗Ｒｉ＝２５６０Ω）に、劣化指標ＩＤを検知する。これにより、回復期間ＴＫに生じる検出素子電圧ＶＥの電圧変化が大きくなるので、劣化指標ＩＤを適切に検知できる。

以上において、本発明のガスセンサ処理装置を、本実施形態の酸素センサ２の酸素センサ制御装置１に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、本発明における「ガスセンサ」は、酸素濃度を検出する酸素センサに限られず、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘセンサ、炭化水素の濃度を検出するＨＣセンサなどであっても良い。
また、本発明は、ヒータを有さないガスセンサの出力を処理するガスセンサ処理装置に適用しても良い。
また、本実施形態では、抵抗指標ＩＲとして、内部抵抗Ｒｉを用いたが、内部抵抗分電圧Ｖｉに相当するシフト電圧ＶＳを抵抗指標ＩＲとして用いても良い。
また、本実施形態では、劣化指標ＩＤとして、前述の１−２電圧差Ｖ１−２を取得し、これを用いて、目標抵抗値ＲＴを補正した。しかし、劣化指標ＩＤとしては、これに限らない。例えば、本実施形態では、１−２電圧差Ｖ１−２を得るに当たり、第２電圧Ｖ２として、時刻ｔ２＝３ｍｓｅｃにおけるシフト後電圧ＶＥ２を用いた（Ｖ１＝ＶＥ２）が、回復期間ＴＫ内の２つの所定のタイミング（例えば、図２における時刻ｔ３＝３．５ｍｓｅｃと、ｔ４＝６．５ｍｓｅｃ）における検出素子電圧ＶＥ（ＶＥ３，ＶＥ４）をそれぞれ計測し、これらの差を、劣化指標ＩＤとしても良い。また、回復期間ＴＫ内に検出素子３の電極３Ｐ，３Ｎ間に生じる検出素子電圧ＶＥを逐次計測し、その変化曲線から、この曲線に近似する指数関数の時定数を取得して、これを劣化指標ＩＤとすることもできる。

また、本実施形態では、劣化指標ＩＤを検知する際の内部抵抗Ｒｉを、検出素子温度が約４００℃となったときに相当する第２目標抵抗値ＲＵ＝２５６０Ωに等しくなったときとした。しかし、第２目標抵抗値ＲＵは、劣化指標ＩＤを適切に検知できる範囲で適宜選択すれば良い。
また、電圧シフト期間ＴＳを３ｍｓｅｃ、第１検知タイミングｔ１から第２検知タイミングｔ２までの期間を３ｍｓｅｃとしたが、これらの値も、劣化指標ＩＤが適切に検知できる範囲で適宜選択すれば良い。

１ 酸素センサ制御装置（ガスセンサ処理装置）
２ 酸素センサ（ガスセンサ）
３ 検出素子
３Ｐ，３Ｎ 電極
４ ヒータ
ＥＶ （酸素濃淡電池の）起電力
Ｒｉ 内部抵抗
Ｃｉ 内部容量
１０ マイクロプロセッサ
１１ パルス信号出力回路（抵抗指標検知手段、電圧シフト手段、回復手段）
１２ 出力検出回路（抵抗指標検知手段）
１３ ヒータ制御回路（第１ヒータ通電制御手段、第２ヒータ通電制御手段）
１５ ローパスフィルタ回路（抵抗指標検知手段）
１９ 電圧シフト回路（抵抗指標検知手段、電圧シフト手段、回復手段）
２０ バッテリ
ＶＥ 検出素子電圧
ＶＥ１ シフト前電圧
ＶＥ２ シフト後電圧
ＴＳ 電圧シフト期間
ＴＫ 回復期間
ＩＤ 劣化指標
Ｒｉ１ 第１内部抵抗
ＲＴ 目標抵抗値
ＲＴｈ 補正後目標抵抗値
ＲＵ 第２目標抵抗値（検知許容値）
ＩＲ 抵抗指標
ｔ１ 第１検知タイミング
ｔ２ 第２検知タイミング
Ｖ１ 第１電圧
Ｖ２ 第２電圧
Ｖ１−２ １−２電圧差（劣化指標）
Ｓ２ 第１内部抵抗検知手段
Ｓ４ 目標抵抗値補正手段
Ｓ５ 第１ヒータ通電制御手段
Ｓ１０１〜Ｓ１０３ 抵抗指標検知手段
Ｓ１０４ 第２ヒータ通電制御手段
Ｓ１０６〜Ｓ１０７ 劣化指標検知手段
Ｓ１０７１ 電圧シフト手段
Ｓ１０７２ 回復手段

Claims (7)

1. ジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性の固体電解質体からなり、一対の電極を有し、特定ガスのガス濃度を検出する検出素子を有するガスセンサの出力を処理するガスセンサ処理装置であって、
   上記検出素子の上記電極間に生じている検出素子電圧を、シフト前電圧から、これと異なるシフト後電圧までシフトさせる電圧シフト手段と、
   上記電圧シフト手段による電圧シフト期間の終了に続いて、上記検出素子の内部抵抗及び内部容量による自己放電により、上記検出素子電圧を、上記シフト後電圧から上記シフト前電圧に戻す回復手段と、
   上記回復手段による回復期間に生じる電圧変化に基づいて、上記検出素子の劣化の程度を示す劣化指標を検知する劣化指標検知手段と、を備える
   ガスセンサ処理装置。
2. 請求項１に記載のガスセンサ処理装置であって、
   前記ガスセンサは、前記検出素子を加熱するヒータを有し、
   前記ガス濃度を検出する際の上記検出素子の内部抵抗である第１内部抵抗を検知する第１内部抵抗検知手段と、
   上記第１内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御する第１ヒータ通電制御手段と、
   前記劣化指標検知手段により検知された前記劣化指標に応じて、上記目標抵抗値を補正する目標抵抗値補正手段と、を備える
   ガスセンサ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサ処理装置であって、
   前記劣化指標検知手段により、前記劣化指標を検知するのに先立ち、前記検出素子の内部抵抗、及び、上記内部抵抗によって生じる内部抵抗分電圧のいずれかである抵抗指標を検知する抵抗指標検知手段を備え、
   前記劣化指標検知手段は、
   上記抵抗指標が、予め定めた検知許容値であるときに、前記劣化指標を検知する
   ガスセンサ処理装置。
4. 請求項３に記載のガスセンサ処理装置であって、
   前記ガスセンサは、前記検出素子を加熱するヒータを有し、
   前記抵抗指標検知手段により検知された前記抵抗指標が、前記検知許容値となるように、上記ヒータへの通電をフィードバック制御する第２ヒータ通電制御手段を備える
   ガスセンサ処理装置。
5. 請求項３または請求項４に記載のガスセンサ処理装置であって、
   前記劣化指標検知手段は、
   前記劣化指標として、前記電圧シフト期間内の第１検知タイミングにおける前記検出素子電圧である第１電圧と、上記電圧シフト期間終了後の前記回復期間内の第２検知タイミングにおける上記検出素子電圧である第２電圧との差である１−２電圧差を検知する
   ガスセンサ処理装置。
6. 請求項３〜請求項５のいずれか一項に記載のガスセンサ処理装置であって、
   前記抵抗指標検知手段と、
   前記電圧シフト手段とは、
   前記検出素子の前記検出素子電圧を、前記シフト前電圧から前記シフト後電圧までシフトさせる回路を兼用してなる
   ガスセンサ処理装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のガスセンサ処理装置であって、
   前記劣化指標検知手段は、
   前記検出素子の内部抵抗が、前記ガス濃度を検出する際の上記内部抵抗である第１内部抵抗よりも大きい期間に、前記劣化指標を検知する
   ガスセンサ処理装置。

Images