抵抗型酸素センサ、空燃比制御装置および輸送機器
【課題】センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサを提供する。
【解決手段】本発明による抵抗型酸素センサは、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部１を備えた抵抗型酸素センサであって、それぞれが酸素濃度検出部１に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと、酸素濃度検出部１の温度に応じて、酸素濃度検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御する制御部３とを備える。
【解決手段】本発明による抵抗型酸素センサは、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部１を備えた抵抗型酸素センサであって、それぞれが酸素濃度検出部１に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと、酸素濃度検出部１の温度に応じて、酸素濃度検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御する制御部３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサに関し、特に、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部を備えた抵抗型酸素センサに関する。また、本発明は、抵抗型酸素センサを備えた空燃比制御装置や輸送機器にも関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。
【０００３】
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が相対的に高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（燃料の濃度が相対的に低い）場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素量あるいは酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。
【０００４】
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、特許文献１に開示されているような固体電解質を用いた酸素センサや、特許文献２に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。
【０００５】
固体電解質を用いた酸素センサは、基準極および測定極間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。このため、この方式の酸素センサでは、測定極および基準極を排気ガスおよび空気にそれぞれ曝す必要がある。従って、酸素センサ自体の構造が複雑になるとともに、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も複雑化してしまう。また、構造が複雑になるために、酸素センサを小型化し難いという問題も生じる。
【０００６】
これに対して、抵抗型酸素センサは、排気ガスに接するように設けられた酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出する。排気ガス中の酸素分圧が変化すると、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変動するので、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。従って、この抵抗率の変化を検出することにより、酸素濃度を測定することができる。抵抗型酸素センサは、基準極を必要としないため、酸素センサ自体の構造を簡単にすることができる。また、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も簡単にすることができる。抵抗型酸素センサに用いられる酸化物半導体としては、耐久性や安定性の点から酸化セリウムが有望視されている。
【０００７】
しかしながら、酸化物半導体層の抵抗率は、酸素分圧だけでなく、温度に対しても強い依存性を示す。図１７に、酸化物半導体層の抵抗率と温度との関係の一例を示す。図１７に示すように、温度が高いほど抵抗率は低くなる。例えば６００℃と１０００℃とで比較した場合、リッチ領域では約１０倍、リーン領域では１００倍以上抵抗率が異なっており、抵抗率が非常に大きな温度依存性を有していることがわかる。このように、酸化物半導体層の抵抗率が温度依存性を有しているので、従来の抵抗型酸素センサは、センサ出力の温度依存性が極めて大きいという問題を有していた。
【０００８】
この問題を解決するために、特許文献３には、センサ出力の温度依存性を低減させるための温度補償機構を有する抵抗型酸素センサが提案されている。図１８および図１９に、特許文献３に開示されている酸素センサ８１０を示す。図１８（ａ）および（ｂ）は、酸素センサ８１０を模式的に示す上面図および断面図であり、図１９は、酸素センサ８１０の等価回路図である。
【０００９】
酸素センサ８１０は、基板８０１と、基板８０１上に設けられたガス検出部分８０２および温度補償部分８０３と、ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３に接触するように設けられた電極８０４とを有している。
【００１０】
酸化物半導体から形成されたガス検出部分８０２の抵抗率は、温度と酸素分圧の両方に依存性を有している。これに対し、酸素イオン伝導体から形成された温度補償部分８０３の抵抗率は、温度には依存性を有しているが、酸素分圧には依存性をほとんど有していない。ガス検出部分８０２の抵抗率の温度依存性と、温度補償部分８０３の抵抗率の温度依存性とができるだけ同じになるように、ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３の材料が選択される。
【００１１】
ガス検出部分８０２と温度補償部分８０３とは、図１９に示すように、電気的に直列に接続されている。ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３に所定の電圧Ｖが印加され、ガス検出部分８０２にかかる電圧Ｖoutの入力電圧Ｖに対する比Ｖout／Ｖがセンサ出力となる。
【００１２】
ガス検出部分８０２の抵抗率ｒgは、次式で表される。
ｒg＝ｒg0・Ｐ1/n・ｅｘｐ（Ｅg／ｋＴ）
ここで、ｒg0は温度にも酸素分圧にも依存しないガス検出部分８０２固有の定数、Ｐは酸素分圧、ｎは４〜６の値、Ｅgはガス検出部分８０２の活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である。
【００１３】
一方、温度補償部分８０３の抵抗率ｒnは、次式で表される。
ｒn＝ｒn0・ｅｘｐ（Ｅn／ｋＴ）
ここで、ｒn0は温度にも酸素分圧にも依存しない温度補償部分８０３固有の定数、Ｅnは温度補償部分８０３の活性化エネルギーである。
【００１４】
ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３に所定の電圧Ｖが印加されたとき、ガス検出部分８０２にかかる分圧電圧Ｖoutは、次式で表される。
Ｖout＝ｒg／（ｒg＋ｒn）・Ｖ
＝ｒg0・Ｐ1/n・ｅｘｐ（Ｅg／ｋＴ）／｛ｒg0・Ｐ1/n・ｅｘｐ（Ｅg／ｋＴ）＋ｒn0・ｅｘｐ（Ｅn／ｋＴ）｝・Ｖ
【００１５】
ガス検出部分８０２の活性化エネルギーＥgと温度補償部分８０３の活性化エネルギーＥnが等しいならば、上式において温度に依存する項が消え、センサ出力Ｖout／Ｖは、次式で表される。
Ｖout／Ｖ＝（ｒg0・Ｐ1/n）／（ｒg0・Ｐ1/n＋ｒn0）
【００１６】
このように、センサ出力は、温度に依存しない値となる。なお、ガス検出部分８０２の活性化エネルギーＥgと温度補償部分８０３の活性化エネルギーＥnとが異なっている場合にはセンサ出力は温度依存性を示すが、ＥgとＥnとができるだけ一致するようにガス検出部分８０２と温度補償部分８０３の材料を選択することにより、センサ出力の温度依存性を十分に低減することができる。
【特許文献１】特開平８−１１４５７１号公報
【特許文献２】特開平５−１８９２１号公報
【特許文献３】特開２００４−８５５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献３に開示されているような温度補償部分を設ける場合、温度補償部分を形成するための工程を追加する必要があり、製造時の工程数が増加してしまう。また、ガス検出部分が設けられた基板上に温度補償部分を配置する必要があるために、酸素センサの大型化を招いてしまう。酸素センサが大型化すると、電極や触媒層、ヒータなどを形成するための材料（白金などの貴金属が用いられることが多い。）の量も増加するので、製造コストも増加してしまう。さらに、ガス検出部分と温度補償部分のそれぞれの抵抗率のばらつき（製造時の寸法精度のばらつきに起因して設計値からばらつく）が、センサ出力のばらつきとして現れるため、信頼性の確保が難しい。
【００１８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による抵抗型酸素センサは、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部を備えた抵抗型酸素センサであって、それぞれが前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子と、前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部と前記複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する制御部とを備える。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記制御部は、前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる。
【００２１】
ある好適な実施形態において、動作中には常に、前記酸素濃度検出部に前記複数の固定抵抗素子のうちの少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されている。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記酸素濃度検出部および前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている前記少なくとも１つの固定抵抗素子に基準電圧が印加され、前記酸素濃度検出部または前記少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧の、前記基準電圧に対する比がセンサ出力とされる。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記複数の固定抵抗素子は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいる。
【００２４】
本発明による空燃比制御装置は、上記構成を有する抵抗型酸素センサを備えている。
【００２５】
ある好適な実施形態において、本発明による空燃比制御装置は、前記抵抗型酸素センサに接続された電子制御ユニットをさらに備えており、前記複数の固定抵抗素子は、前記電子制御ユニット内に設けられている。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記電子制御ユニットが前記抵抗型酸素センサの制御部としても機能する。
【００２７】
本発明による輸送機器は、上記構成を有する空燃比制御装置を備えている。
【００２８】
本発明による抵抗型酸素センサは、それぞれが酸素濃度検出部に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子と、酸素濃度検出部の温度に応じて、酸素濃度検出部と複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する制御部とを備えている。従って、酸素濃度検出部に直列に接続されている抵抗要素の抵抗率を、酸素濃度検出部の温度に応じて変化させることができる。そのため、上記の抵抗要素（すなわち酸素濃度検出部に直列に接続された少なくとも１つの固定抵抗素子）に、酸素濃度検出部の抵抗率の温度依存性と類似した傾向の温度依存性を持たせることができる。それ故、センサ出力の温度依存性を低減することができる。また、複数の固定抵抗素子は、酸素濃度検出部に近接して配置する（例えば同じ基板上に設ける）必要はないので、特許文献３に開示されているような温度補償部分を設ける場合に比べ、製造工程数の削減や酸素センサの小型化、低コスト化を図ることができる。さらに、温度補償部分を設けた場合のようなセンサ出力のばらつきも抑制されるため、高い信頼性が得られる。このように、本発明によれば、センサ出力の温度依存性を簡便に（つまり小型化、低コスト化、高信頼性を実現できる簡易な構成で）低減することができる。
【００２９】
制御部は、例えば、酸素濃度検出部の温度に応じて、酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる（つまり複数段階で切り替える）。このような制御を行う制御部は、比較的簡易な構成で実現できる。
【００３０】
本発明による抵抗型酸素センサでは、典型的には、動作中には常に、酸素濃度検出部に複数の固定抵抗素子のうちの少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されている。
【００３１】
本発明による抵抗型酸素センサでは、具体的には、酸素濃度検出部および酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子に基準電圧を印加し、酸素濃度検出部または少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧（分配電圧）の、基準電圧に対する比をセンサ出力とすることが好ましい。このような電圧比は、温度依存性が低減されたセンサ出力として好適に用いられる。
【００３２】
センサ出力の温度依存性を十分に低減するためには、酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている抵抗要素の抵抗率を３段階以上で切り替え得ることが好ましく、複数の固定抵抗素子は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいることが好ましい。
【００３３】
本発明による酸素センサは、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に好適に用いられる。複数の固定抵抗素子は、例えば、空燃比制御装置の電子制御ユニット内に設けることができる。また、空燃比制御装置の電子制御ユニットが抵抗型酸素センサの制御部としても機能する構成を採用してもよい。
【００３４】
本発明による酸素センサを備えた空燃比制御装置は、各種の輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によると、センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
図１は、本実施形態における抵抗型酸素センサ（以下では単に「酸素センサ」とも呼ぶ。）１０の構成を示す回路図である。酸素センサ１０は、図１に示すように、酸素濃度検出部１と、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと、酸素濃度検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御する制御部３とを備えている。
【００３８】
酸素濃度検出部（以下では単に「検出部」とも呼ぶ。）１は、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じてその抵抗率が変化する。本実施形態における検出部１は、酸化物半導体から形成されている。多孔質構造を有する酸化物半導体は、雰囲気の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体中の酸素濃度が変化し、酸化物半導体の抵抗率が変化する。酸化物半導体としては、例えばチタニア（二酸化チタン）やセリア（酸化セリウム）を用いることができる。酸化物半導体は５０ｗｔ％以上のセリアを含むことが好ましい。図２に、検出部１とその近傍の構造の一例を示す。
【００３９】
検出部１は、図２に示すように、基板１１によって支持されている。基板１１は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から形成されている。基板１１は、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有しており、主面１１ａ上に検出部（酸化物半導体層）１が設けられている。絶縁体は、好ましくはセラミックス材料から構成される。
【００４０】
また、主面１１ａ上には、検出部１に電圧を印加するための電極１２が形成されている。電極１２は、導電性を有する材料から形成されており、例えば、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。
【００４１】
なお、ここでは図示しないが、検出部１上には、触媒層が設けられている。触媒層は、触媒金属を含んでおり、触媒金属の触媒作用によって、検出すべきガス（つまり酸素）以外の少なくとも１種の物質を分解する。具体的には、検出部１による酸素の検出に悪影響を及ぼすガスや微粒子（例えば完全には燃焼しなかった炭化水素や炭素、窒素酸化物など）を分解し、そのようなガスや微粒子が検出部１の表面に付着するのを防止する。触媒金属としては、例えば白金が用いられる。
【００４２】
基板１１の裏面１１ｂ側には、検出部１を昇温させるためのヒータ１３が設けられている。ヒータ１３は、例えば図示しているような抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の素子である。抵抗加熱型のヒータ１３は、白金やタングステンなどの金属材料や、酸化レニウムなどの良導体酸化物から形成されている。ヒータ１３によって検出部１を昇温させることにより、検出部１を速やかに活性化させることができる。
【００４３】
ヒータ１３の両端は、図２に示されているように電極１４ａ〜１４ｄに接続されている。４つの電極１４ａ〜１４ｄのうち、例えば電極１４ａおよび１４ｄはヒータ１３に電力を供給するため（加熱のための通電）に用いられ、電極１４ｂおよび１４ｃはヒータ１３の抵抗率を測定してヒータ１３の温度を検出するために用いられる。ヒータ１３と検出部１とは薄い絶縁体（基板１１）を介して熱的に接触しているので、ヒータ１３の温度を検出することにより、検出部１の温度も検出できる。つまり、ヒータ１３は、検出部１を昇温させる「加熱素子」として用いられるだけでなく、検出部１の温度を検出する「温度検出素子」としても用いられる。なお、２つの電極（例えば電極１４ａおよび１４ｄ）のみを設け、これらの電極を加熱および抵抗測定の両方に兼用してもよい。電極１４ａ〜１４ｄは、好適にはヒータ１３と一体に形成される。
【００４４】
固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、固定された抵抗率を有する抵抗素子である。固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれは、検出部１に対して電気的に直列に接続され得る。固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、特許文献３に開示されているような温度補償部分とは異なり、検出部１に近接して配置されている（例えば同じ基板１１上に設けられている）必要はない。つまり、固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、図２に示すような酸素センサ基板（基板１１と、基板１１上に設けられた検出部１、電極１２などを包括的にこう呼ぶ。）の外部に設けることができる。酸素センサ１０が空燃比制御装置に用いられる場合、例えば、空燃比制御装置の電子制御ユニット（ＥＣＵ）内に固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃを設けておくことができる。
【００４５】
制御部３は、検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃ（以下ではそれぞれ「第１抵抗素子」、「第２抵抗素子」、「第３抵抗素子」とも呼ぶ。）との電気的な接続関係を、検出部１の温度に応じて制御する。制御部３は、具体的には、検出部１の温度（例えば上述したようにヒータ１３の抵抗率を測定することにより検出できる。）に応じて、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる（つまり複数段階で切り替える）。
【００４６】
制御部３は、より具体的には、検出部１の温度Ｔが第１の温度Ｔ1未満（つまりＴ＜Ｔ1）の場合には第１抵抗素子２Ａのみを、第１の温度Ｔ1以上第２の温度Ｔ2未満（つまりＴ1≦Ｔ＜Ｔ2）の場合には第１抵抗素子２Ａおよび第２抵抗素子２Ｂを、そして、第２の温度Ｔ2以上（Ｔ2≦Ｔ）の場合には第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃのすべてを検出部１に接続する。つまり、酸素センサ１０の動作中には常に、検出部１に少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されており、検出部１の温度が高くなるにつれて、接続されている固定抵抗素子の数が多くなる。
【００４７】
制御部３のこのような機能は、図１の回路には、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続をＴ1≦Ｔの場合にオンするスイッチ４Ａ、および、第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続をＴ2≦Ｔの場合にオンするスイッチ４Ｂとして模式的に示されている。第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃの一端は、いずれも検出部１に接続されている。また、第２抵抗素子２Ｂの他端とグランドとの間、および、第３抵抗素子２Ｃの他端とグランドとの間にはそれぞれスイッチ４Ａおよび４Ｂが設けられているのに対し、第１抵抗素子２Ａの他端とグランドとの間にはそのようなスイッチは設けられておらず、第１抵抗素子２Ａの他端は常にグランドに接続されている。
【００４８】
Ｔ＜Ｔ1の場合、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続および第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続はスイッチ４Ａおよび４Ｂによってオフされている。そのため、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのうちの第１抵抗素子２Ａのみが検出部１に電気的に直列に接続されている。
【００４９】
これに対し、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続はスイッチ４Ａによってオンされ、第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続はスイッチ４Ｂによってオフされている。そのため、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのうちの第１抵抗素子２Ａおよび第２抵抗素子２Ｂが検出部１に電気的に直列に接続されている。このとき、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとは互いに電気的に並列に接続されている。
【００５０】
また、Ｔ2≦Ｔの場合、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続および第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続はスイッチ４Ａおよび４Ｂによってオンされている。そのため、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのすべてが検出部１に電気的に直列に接続されている。このとき、第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃは、互いに電気的に並列に接続されている。
【００５１】
このように、検出部１の温度Ｔに応じ、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数が３段階で変化する。なお、制御部３がこのような切り替えを実現するためのより具体的な構成については後述する。また、図示している例では、固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、検出部１に同時に２つ以上の固定抵抗素子が接続されているときに、固定抵抗素子同士が電気的に並列に接続されるように設けられているが、後述するように、固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃの配置はこれに限定されるものではない。
【００５２】
次に、本実施形態におけるセンサ出力を説明する。本実施形態では、酸素濃度検出部１の抵抗率そのものがセンサ出力とされるわけではない。酸素センサ１０では、図３に示すように、検出部１およびこれに電気的に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子（図３では集合的に１つの固定抵抗として示されている。）に基準電圧Ｖinputが印加され、少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧（つまり少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率と検出部１の抵抗率との比に応じて分配された電圧）Ｖoutputが測定される。そして、分配電圧Ｖoutput（図１中には単にＶと示されている。）の基準電圧Ｖinput（図１中にはＶｒと示されている。）に対する比Ｖoutput／Ｖinputがセンサ出力とされる。
【００５３】
本実施形態における酸素センサ１０は、上述したように、それぞれが検出部１に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと、検出部１の温度に応じて、検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御する制御部３とを備えており、そのことによってセンサ出力の温度依存性が低減される。以下、この理由を説明する。
【００５４】
第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂ、第３抵抗素子２Ｃの抵抗率をそれぞれＲｓ１、Ｒｓ２、Ｒｓ３とすると、検出部１の抵抗率Ｒｇおよび検出部１に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓと、検出部１の温度Ｔとの関係は、例えば図４に示す通りとなる。
【００５５】
図４に示されているように、検出部１の抵抗率Ｒｇは、リーン領域およびリッチ領域のそれぞれについて、温度Ｔが高くなるほど小さくなる。また、検出部１に直列に接続されている固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓは、温度Ｔが高くなるにつれて段階的に小さくなる。具体的には、抵抗率Ｒｓは、Ｔ＜Ｔ1の場合には第１抵抗素子２Ａの抵抗率Ｒｓ１であり、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２であり、Ｔ2≦Ｔの場合には第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３である。
【００５６】
ここで、センサ出力Ｖoutput／Ｖinputは、下記式（１）で表される。
Ｖoutput／Ｖinput＝Ｒｓ／（Ｒｇ＋Ｒｓ）・・・（１）
【００５７】
そのため、Ｔ＜Ｔ1、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2、Ｔ2≦Ｔの場合におけるセンサ出力は、それぞれ下記式（２）、（３）、（４）で表される。
Ｖoutput／Ｖinput＝Ｒｓ１／（Ｒｇ＋Ｒｓ１）・・・（２）
Ｖoutput／Ｖinput＝Ｒｓ１//Ｒｓ２／（Ｒｇ＋Ｒｓ１//Ｒｓ２）・・・（３）
Ｖoutput／Ｖinput＝
Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３／（Ｒｇ＋Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３）・・・（４）
【００５８】
なお、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３は、それぞれ下記式（５）、（６）で表される。
Ｒｓ１//Ｒｓ２＝（Ｒｓ１・Ｒｓ２）／（Ｒｓ１＋Ｒｓ２）・・・（５）
Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３＝
（Ｒｓ１・Ｒｓ２・Ｒｓ３）／（Ｒｓ１＋Ｒｓ２＋Ｒｓ３）・・・（６）
【００５９】
上記式（２）、（３）および（４）のように表されるセンサ出力と温度との関係をシミュレーションした結果（実施例）を図５に示す。図５には、比較のために、特許文献３に開示されているような温度補償部分を備えた酸素センサにおけるセンサ出力（比較例）も示している。
【００６０】
図５に示すように、リッチ領域とリーン領域の両方について、センサ出力の温度依存性が低減されており、温度補償部分を設けた場合と同程度に広い温度範囲（例えば６００℃〜９００℃）で、リッチ出力とリーン出力とのギャップを確保することができる。そのため、広い温度範囲でリッチ・リーンの検出が可能となる。本実施形態の酸素センサ１０においてセンサ出力の温度依存性が低減されるのは、制御部３で検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御することにより、検出部１に直列に接続された抵抗要素の抵抗率（検出部１に直列に接続された少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率）に、検出部１の抵抗率の温度依存性と類似した傾向の温度依存性を持たせているからである。つまり、本実施形態の酸素センサ１０では、特許文献３における温度補償部分の抵抗率のような温度依存性を、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと制御部３との組み合わせによって擬似的につくり出しているとも言える。
【００６１】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１０では、センサ出力の温度依存性が低減される。また、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、検出部１に近接して配置する（例えば同じ基板１１上に設ける）必要はないので、特許文献３に開示されているような温度補償部分を設ける場合に比べ、製造工程数の削減や、酸素センサ１０の小型化（酸素センサ基板の小型化）、低コスト化を図ることができる。さらに、温度補償部分を設けた場合のようなセンサ出力のばらつきも抑制されるため、高い信頼性が得られる。このように、本発明によれば、センサ出力の温度依存性を簡便に（つまり小型化、低コスト化、高信頼性を実現できる簡易な構成で）低減することができる。
【００６２】
図６に、制御部３の具体的な構成の一例を示す。図６に示す構成では、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃは、それぞれ第１入出力ポートＰ１および第２入出力ポートＰ２を介してマイクロコンピュータ（制御部３として機能する）に接続されている。マイクロコンピュータは、例えば、空燃比制御装置のＥＣＵに搭載されている。第１入出力ポートＰ１および第２入出力ポートＰ２のそれぞれには、３ステート出力バッファＯＢおよび入力バッファＩＢが接続されている。
【００６３】
出力バッファＯＢは、出力制御信号の論理レベルが１（ＯＣ＝１）のときに出力状態となり、出力制御信号の論理レベルが０（ＯＣ＝０）のときにオープン状態となる。第１入出力ポートＰ１の出力バッファＯＢには、Ｔ＜Ｔ1の場合に論理レベル０の出力制御信号が入力され、Ｔ1≦Ｔの場合に論理レベル１の出力制御信号が入力される。これに対し、第２入出力ポートＰ２の出力バッファＯＢには、Ｔ＜Ｔ2の場合に論理レベル０の出力制御信号が入力され、Ｔ2≦Ｔの場合に論理レベル１の出力制御信号が入力される。また、いずれの出力バッファＯＢにも出力信号として常に論理レベル０の信号が入力される。このような構成により、Ｔ＜Ｔ1の場合には１つの固定抵抗素子２Ａ、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には２つの固定抵抗素子２Ａおよび２Ｂ、Ｔ2≦Ｔの場合には３つの固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃが検出部１に直列に接続される。
【００６４】
なお、図６には、マイクロコンピュータの入出力ポートを利用して切り替えを行う構成を例示したが、勿論本発明はこれに限定されるものではない。例えば図７に示すように、マイクロコンピュータの外部に形成された半導体スイッチング素子を用いて、検出部１に接続されている固定抵抗素子の数を切り替えてもよい。
【００６５】
図７に示す構成では、ソースが第２抵抗素子２Ｂに接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ａと、ソースが第３抵抗素子２Ｃに接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ｂとが設けられている。前者のＭＯＳ型トランジスタ５ＡがＴ1≦Ｔのときに導通し、後者のＭＯＳ型トランジスタ５ＢがＴ2≦Ｔのときに導通することによって、検出部１に接続されている固定抵抗素子の数の切り替えが行われる。図８に、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタ５Ａおよび５Ｂの導通・非導通（オン・オフ）を切り替えるためのより具体的な構成の一例を示す。
【００６６】
図８に示す構成では、トランジスタ５Ａおよび５Ｂのゲートがそれぞれコンパレータ６Ａおよび６Ｂに接続されている。第２抵抗素子２Ｂに接続されたトランジスタ５Ａに対応するコンパレータ６Ａは、ヒータ１３の温度を示す電圧（ヒータ温度電圧）Ｖｈと、第１の温度Ｔ1に対応した電圧ＶT1とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ａのゲートにオン電圧が供給される。また、第３抵抗素子２Ｃに接続されたトランジスタ５Ｂに対応するコンパレータ６Ｂは、ヒータ温度電圧Ｖｈと、第２の温度Ｔ2に対応した電圧ＶT2とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ｂのゲートにオン電圧が供給される。このような構成により、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタ５Ａおよび５Ｂの導通・非導通を切り替えることができる。
【００６７】
また、ここまでは、検出部１に２つ以上の固定抵抗素子が接続されているときに固定抵抗素子同士が電気的に並列に接続される例を挙げたが、固定抵抗素子の配置はこれに限定されるものではない。図９に示すように、固定抵抗素子同士が電気的に直列に接続されてもよい。
【００６８】
図９に示す構成では、制御部３は、Ｔ＜Ｔ1の場合には第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃのすべてを、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には、第１抵抗素子２Ａおよび第２抵抗素子２Ｂを、そしてＴ2≦Ｔの場合には第１抵抗素子２Ａのみを、検出部１に電気的に直列に接続する。ただし、図１および図６〜図８に示した構成とは異なり、固定抵抗素子同士は、電気的に直列に接続される。そのため、検出部１に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓは、Ｔ＜Ｔ1の場合にはＲｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２＋Ｒｓ３、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合にはＲｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２、Ｔ2≦Ｔの場合にはＲｓ＝Ｒｓ１と表される。従って、図９の構成でも、検出部１に直列に接続された抵抗要素の抵抗率Ｒｓを、検出部１の温度Ｔに応じて変化させることができる。
【００６９】
図９に示した構成では、具体的には、検出部１とグランドとの間に、第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃが検出部１側からこの順で直列的に配置されている。また、第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとの間にマイクロコンピュータの第１入出力ポートＰ１が接続され、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとの間に第２入出力ポートＰ２が接続されている。第１入出力ポートＰ１および第２入出力ポートＰ２には、それぞれ３ステート出力バッファＯＢと入力バッファＩＢが接続されており、出力バッファＯＢには、図６に示した出力バッファＯＢと同様に出力信号や出力制御信号が入力される。このような構成により、Ｔ＜Ｔ1の場合には３つの固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃ、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には２つの固定抵抗素子２Ａおよび２Ｂ、Ｔ2≦Ｔの場合には１つの固定抵抗素子２Ａが検出部１に直列に接続される。
【００７０】
なお、図９には、マイクロコンピュータの入出力ポートを利用して切り替えを行う構成を例示したが、勿論本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１０に示すように、マイクロコンピュータの外部に形成された半導体スイッチング素子を用いてもよい。
【００７１】
図１０に示す構成では、ソースが第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとの間に接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ａと、ソースが第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとの間に接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ｂとが設けられている。前者のＭＯＳ型トランジスタ５ＡがＴ1≦Ｔのときに導通し、後者のＭＯＳ型トランジスタ５ＢがＴ2≦Ｔのときに導通することによって、検出部１に接続されている固定抵抗素子の数の切り替えが行われる。図１１に、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタの導通・非導通（オン・オフ）を切り替えるためのより具体的な構成の一例を示す。
【００７２】
図１１に示す構成では、トランジスタ５Ａおよび５Ｂのゲートがコンパレータ６Ａおよび６Ｂに接続されている。トランジスタ５Ａに対応するコンパレータ６Ａは、ヒータ温度電圧Ｖｈと、第１の温度Ｔ1に対応した電圧ＶT1とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ａのゲートにオン電圧が供給される。また、トランジスタ５Ｂに対応するコンパレータ６Ｂは、ヒータ温度電圧Ｖｈと、第２の温度Ｔ2に対応した電圧ＶT2とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ｂのゲートにオン電圧が供給される。このような構成により、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタ５Ａおよび５Ｂの導通・非導通を切り替えることができる。
【００７３】
図１２に、ヒータ１３に対し加熱のための通電と抵抗測定とを行うための具体的な構成の一例を示す。図１２に示すように、ヒータ１３には、抵抗−電圧変換回路７と、定電流回路８とが接続されている。
【００７４】
抵抗−電圧変換回路７は、ヒータ１３の抵抗率を計測し、計測した抵抗率に応じた電圧をマイクロコンピュータに出力する（抵抗−電圧変換）。ヒータ１３の抵抗率は、ヒータ１３に所定の大きさの電流（定電流）を供給しているときに生じるヒータ１３の電圧降下として検知される。ヒータ１３の抵抗率は、温度に依存するため、計測した抵抗率からヒータ１３の温度を検知することができる。ヒータ１３は検出部１と薄い絶縁体（基板１１）を介して熱的に接触しているため、ヒータ１３の温度を検知してヒータ１３の温度を所定範囲内に制御すれば、検出部１の温度も適切な範囲内に制御することができる。
【００７５】
ヒータ１３は、スイッチ９の切り替えにより、図２に示した電極１７ａ、１７ｄを介して電源または定電流回路８に選択的に接続される。ヒータ１３を加熱するときは、ヒータ１３と電源とが接続され、ヒータ１３には電源電圧ＶBATが印加される。これに対し、ヒータ１３の温度を計測するときには、スイッチ９により、ヒータ１３の接続先が電源から定電流回路８に切り替えられる。つまり、定電流回路８がヒータ１３に供給する電流は、ヒータ１３を加熱するための電流ではなく、ヒータ１３の抵抗率を計測するために用いられる電流である。
【００７６】
ヒータ１３が定電流回路８に接続されると、定電流回路８から電極１７ａ、１７ｄを介してヒータ１３に所定の大きさを有する電流が流れる。このとき、電極１７ｂ、１７ｃに接続された抵抗−電圧変換回路７内の差動増幅回路により、ヒータ１３の両端における電圧が測定される。この電圧とヒータ１３の抵抗率との間には、所定の関係が存在するため、測定された電圧に基づいて、ヒータ１３の温度（検出部１の温度にも対応する。）を検知することができる。
【００７７】
マイクロコンピュータは、定電流回路８に入力される電圧を生成するＤＡコンバータ（ＤＡＣ）１５や、抵抗−電圧変換回路７の出力（ヒータ１３の抵抗率に対応する電圧）を受け取って対応するデジタル値を生成するＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１６を含んでいる。また、マイクロコンピュータは、検出部１に電気的に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧（分配電圧）を受け取って、対応するデジタル値を生成するＡＤＣ１７も含んでいる。分配電圧は、直列に接続された抵抗とコンデンサとから構成されるローパスフィルタ１８を介してＡＤＣ１７に出力される。
【００７８】
なお、ここまでの説明では、酸素センサ１０が３つの固定抵抗素子を有する場合を例示したが、固定抵抗素子の数は２つ以上であればよく、３つに限定されるものではない。ただし、センサ出力の温度依存性を十分に小さくするためには、検出部１に電気的に直列に接続されている抵抗要素の抵抗率を３段階以上に切り替えられることが好ましく、酸素センサ１０は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいることが好ましい。複数の固定抵抗素子の抵抗率は、相互に同じであってもよいし、異なってもよく、各固定抵抗素子の抵抗率の具体的な値は、検出部１の温度依存性に応じて適宜設定すればよい。
【００７９】
また、制御部３が、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。制御部３は、検出部１の温度に応じて検出部１と複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する機能を有していればよい。例えば、相互に抵抗率の異なる複数の固定抵抗素子を設けておき、制御部３は、検出部１の温度に応じていずれか１つの固定抵抗素子を検出部１に直列に接続してもよい。なお、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる制御部３は、図６などに示したように比較的簡便な構成で実現される点で優れている。
【００８０】
また、本実施形態では、検出部１に電気的に直列に接続されている抵抗要素（少なくとも１つの固定抵抗素子）にかかる電圧Ｖoutputの、基準電圧Ｖinputに対する比Ｖoutput／Ｖinputをセンサ出力としたが、これに代えて、検出部１にかかる（つまり検出部１に分配された）電圧Ｖoutput’を測定し、この分配電圧Ｖoutput’の基準電圧Ｖinputに対する比Ｖoutput’／Ｖinputをセンサ出力としてもよい。いずれの比をセンサ出力として用いても、センサ出力の温度依存性を好適に低減することができる。
【００８１】
次に、図１３（ａ）、（ｂ）および図１４を参照しながら、酸素センサ１０を実際に内燃機関の排気管に取り付けるための構成を説明する。
【００８２】
酸素センサ１０は、図１３（ａ）および図１４に示すように、その基端部において第１のハウジング２０に保持されている。第１のハウジング２０は、例えば、セラミックから形成されたセラミックガイドである。酸素センサ１０は、さらに、第１のハウジング２０ごと第２のハウジング２１に保持されている。第２のハウジング２１は、例えば、ステンレスから形成された金属ケースである。第２のハウジング２１の表面には、ねじが切られており、第２のハウジング２１は、このねじに螺合するナット２２によって排気管に固定される。
【００８３】
実際の使用に際しては、図１３（ｂ）に示すように、酸素センサ１０を覆うように保護キャップ２５が設けられる。酸素センサ１０による検出結果は、検出線２４を介して制御装置に出力される。第１のハウジング２０内は、充填材（例えばタルク粉末）２３によって気密封止がなされている。
【００８４】
続いて、本実施形態における酸素センサ１０を備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図１５に、酸素センサ１０を備えた自動二輪車３００を模式的に示す。
【００８５】
自動二輪車３００は、図１５に示すように、本体フレーム３０１とエンジン（内燃機関）１００とを備える。本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２にはフロントフォーク３０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク３０３の下端に前輪３０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ３０２の上端にはハンドル３０５が取り付けられている。
【００８６】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１の上部には燃料タンク３０７が設けられ、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。また、本体フレーム３０１の後端に後方へ伸びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能に支持されている。
【００８７】
本体フレーム３０１の中央部にはエンジン１００が保持されている。エンジン１００の前部にはラジエター３１１が取り付けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されている。以下において詳細に説明するように、排気管にはエンジン１００に近い順に酸素センサ１０、三元系触媒１０４および消音器１０６が設けられている。酸素センサ１０の先端部は排気管３１２の排気ガスが通過する通路内に露出しており、酸素センサ１０は排気ガス中の酸素を検出する。酸素センサ１０には、図２などに示したヒータ１３が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはヒータ１３により検出部１が昇温される（例えば５秒で７００℃まで昇温される）ことによって、酸化物半導体から形成された検出部１の検出感度が高められる。
【００８８】
エンジン１００には、変速機３１５が連結されており、変速機３１５の出力軸３１６は駆動スプロケット３１７に取り付けられている。駆動スプロケット３１７はチェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。
【００８９】
図１６は、エンジン１００の制御系の主要な構成を示している。エンジン１００のシリンダ１０１には吸気弁１１０、排気弁１０６および点火プラグ１０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ１１６が設けられている。吸気弁１１０は、空気吸入口をもつ吸気管１２２に接続されている。吸気管１２２にはエアーフローメータ１１２、スロットルバルブ１１４、スロットルセンサ１１４ａおよび燃料噴射装置１１１が設けられている。エアーフローメータ１１２の代わりにスロットルバルブ１１４と吸気弁１１０との間に負圧センサを設けて吸気量を測定してもよい。
【００９０】
エアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４ａ、燃料噴射装置１１１、水温センサ１１６、点火プラグ１０８および酸素センサ１０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１１８に接続されている。ＥＣＵ１１８には自動二輪車３００の速度を示す車速信号１２０も入力される。
【００９１】
図示しないセルモータによって、ライダーがエンジン１００を始動させると、ＥＣＵ１１８はエアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４ａおよび水温センサ１１６から得られる検出信号および車速信号１２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置１１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置１１１から噴射される燃料は、吸気管１２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ１１０を介してシリンダ１０１へ噴出される。シリンダ１０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁１０６を介して排気管３１２へ導かれる。
【００９２】
酸素センサ１０は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をＥＣＵ１１８へ出力する。ＥＣＵ１１８は、酸素センサ１０からの信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、エアーフローメータ１１２およびスロットルセンサ１１４ａから得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置１１１から噴出する燃料量を制御する。このように、酸素センサ１０と、酸素センサ１０に接続されたＥＣＵ１１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
【００９３】
なお、ＥＣＵ１１８は、酸素センサ１０の制御部３としても機能してもよい。つまり、図６などに示したマイクロコンピュータは、ＥＣＵ１１８に搭載されているものであってよいし、図７や図８などに示したトランジスタ５Ａおよび５Ｂやコンパレータ６Ａおよび６Ｂなどは、ＥＣＵ１１８内に設けられていてもよい。また、既に述べたように、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２ＣもＥＣＵ１１８内に設けることができる。
【００９４】
本実施形態における酸素センサ１０を備えた自動二輪車３００では、センサ出力の温度依存性が低減されており、広い温度範囲でリッチ・リーンの検出を高精度で行うことができる。そのため、適切な空燃比で燃料および空気を混合し、最適な条件で燃料を燃焼させることができ、排気ガス中のＮＯｘをはじめ規制物質の濃度を低減することができる。また、燃費の向上をはかることも可能である。
【００９５】
なお、ここでは自動二輪車を例示したが、本発明は四輪自動車などの他の輸送機器にも好適に用いられる。また、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明によると、センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサが提供される。本発明による酸素センサは、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の好適な実施形態における抵抗型酸素センサ１０の構成を示す回路図である。
【図２】酸素センサ１０が備える酸素濃度検出部およびその近傍の構造を示す分解斜視図である。
【図３】酸素センサ１０のセンサ出力を説明するための図である。
【図４】酸素濃度検出部の抵抗率Ｒｇおよび酸素濃度検出部に直列に接続されている固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓと、酸素濃度検出部の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【図５】酸素センサ１０のセンサ出力と温度との関係を示すグラフである。
【図６】酸素センサ１０が備える制御部の具体的な構成の例を示す回路図である。
【図７】酸素センサ１０が備える制御部の具体的な構成の例を示す回路図である。
【図８】酸素センサ１０が備える制御部の具体的な構成の例を示す回路図である。
【図９】酸素センサ１０の他の構成例を示す回路図である。
【図１０】酸素センサ１０の他の構成例を示す回路図である。
【図１１】酸素センサ１０の他の構成例を示す回路図である。
【図１２】酸素センサ１０が備えるヒータに対し加熱のための通電と抵抗測定とを行うための具体的な構成の例を示す回路図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は保護キャップを外した状態を示し、（ｂ）は保護キャップを付けた状態を示している。
【図１４】酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す断面図である。
【図１５】酸素センサ１０を備えた自動二輪車の例を模式的に示す図である。
【図１６】図１５に示す自動二輪車におけるエンジンの制御系を模式的に示す図である。
【図１７】酸化物半導体層の抵抗率と温度との関係を示すグラフである。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は、特許文献３に開示されている酸素センサ８１０を模式的に示す上面図および断面図である。
【図１９】酸素センサ８１０の等価回路図である。
【符号の説明】
【００９８】
１ 酸素濃度検出部
２Ａ 固定抵抗素子（第１抵抗素子）
２Ｂ 固定抵抗素子（第２抵抗素子）
２Ｃ 固定抵抗素子（第３抵抗素子）
３ 制御部
４Ａ、４Ｂ スイッチ
５Ａ、５Ｂ トランジスタ
６Ａ、６Ｂ コンパレータ
７ 抵抗−電圧変換回路
８ 定電流回路
１０ 抵抗型酸素センサ
１１ 基板
１２ 電極
１３ ヒータ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 電極
１５ ＤＡコンバータ
１６、１７ ＡＤコンバータ
１００ エンジン
１１８ ＥＣＵ（制御部）
３００ 自動二輪車
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサに関し、特に、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部を備えた抵抗型酸素センサに関する。また、本発明は、抵抗型酸素センサを備えた空燃比制御装置や輸送機器にも関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。
【０００３】
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が相対的に高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（燃料の濃度が相対的に低い）場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素量あるいは酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。
【０００４】
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、特許文献１に開示されているような固体電解質を用いた酸素センサや、特許文献２に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。
【０００５】
固体電解質を用いた酸素センサは、基準極および測定極間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。このため、この方式の酸素センサでは、測定極および基準極を排気ガスおよび空気にそれぞれ曝す必要がある。従って、酸素センサ自体の構造が複雑になるとともに、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も複雑化してしまう。また、構造が複雑になるために、酸素センサを小型化し難いという問題も生じる。
【０００６】
これに対して、抵抗型酸素センサは、排気ガスに接するように設けられた酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出する。排気ガス中の酸素分圧が変化すると、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変動するので、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。従って、この抵抗率の変化を検出することにより、酸素濃度を測定することができる。抵抗型酸素センサは、基準極を必要としないため、酸素センサ自体の構造を簡単にすることができる。また、排気管に酸素センサを取り付けるための構造も簡単にすることができる。抵抗型酸素センサに用いられる酸化物半導体としては、耐久性や安定性の点から酸化セリウムが有望視されている。
【０００７】
しかしながら、酸化物半導体層の抵抗率は、酸素分圧だけでなく、温度に対しても強い依存性を示す。図１７に、酸化物半導体層の抵抗率と温度との関係の一例を示す。図１７に示すように、温度が高いほど抵抗率は低くなる。例えば６００℃と１０００℃とで比較した場合、リッチ領域では約１０倍、リーン領域では１００倍以上抵抗率が異なっており、抵抗率が非常に大きな温度依存性を有していることがわかる。このように、酸化物半導体層の抵抗率が温度依存性を有しているので、従来の抵抗型酸素センサは、センサ出力の温度依存性が極めて大きいという問題を有していた。
【０００８】
この問題を解決するために、特許文献３には、センサ出力の温度依存性を低減させるための温度補償機構を有する抵抗型酸素センサが提案されている。図１８および図１９に、特許文献３に開示されている酸素センサ８１０を示す。図１８（ａ）および（ｂ）は、酸素センサ８１０を模式的に示す上面図および断面図であり、図１９は、酸素センサ８１０の等価回路図である。
【０００９】
酸素センサ８１０は、基板８０１と、基板８０１上に設けられたガス検出部分８０２および温度補償部分８０３と、ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３に接触するように設けられた電極８０４とを有している。
【００１０】
酸化物半導体から形成されたガス検出部分８０２の抵抗率は、温度と酸素分圧の両方に依存性を有している。これに対し、酸素イオン伝導体から形成された温度補償部分８０３の抵抗率は、温度には依存性を有しているが、酸素分圧には依存性をほとんど有していない。ガス検出部分８０２の抵抗率の温度依存性と、温度補償部分８０３の抵抗率の温度依存性とができるだけ同じになるように、ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３の材料が選択される。
【００１１】
ガス検出部分８０２と温度補償部分８０３とは、図１９に示すように、電気的に直列に接続されている。ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３に所定の電圧Ｖが印加され、ガス検出部分８０２にかかる電圧Ｖoutの入力電圧Ｖに対する比Ｖout／Ｖがセンサ出力となる。
【００１２】
ガス検出部分８０２の抵抗率ｒgは、次式で表される。
ｒg＝ｒg0・Ｐ1/n・ｅｘｐ（Ｅg／ｋＴ）
ここで、ｒg0は温度にも酸素分圧にも依存しないガス検出部分８０２固有の定数、Ｐは酸素分圧、ｎは４〜６の値、Ｅgはガス検出部分８０２の活性化エネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度である。
【００１３】
一方、温度補償部分８０３の抵抗率ｒnは、次式で表される。
ｒn＝ｒn0・ｅｘｐ（Ｅn／ｋＴ）
ここで、ｒn0は温度にも酸素分圧にも依存しない温度補償部分８０３固有の定数、Ｅnは温度補償部分８０３の活性化エネルギーである。
【００１４】
ガス検出部分８０２および温度補償部分８０３に所定の電圧Ｖが印加されたとき、ガス検出部分８０２にかかる分圧電圧Ｖoutは、次式で表される。
Ｖout＝ｒg／（ｒg＋ｒn）・Ｖ
＝ｒg0・Ｐ1/n・ｅｘｐ（Ｅg／ｋＴ）／｛ｒg0・Ｐ1/n・ｅｘｐ（Ｅg／ｋＴ）＋ｒn0・ｅｘｐ（Ｅn／ｋＴ）｝・Ｖ
【００１５】
ガス検出部分８０２の活性化エネルギーＥgと温度補償部分８０３の活性化エネルギーＥnが等しいならば、上式において温度に依存する項が消え、センサ出力Ｖout／Ｖは、次式で表される。
Ｖout／Ｖ＝（ｒg0・Ｐ1/n）／（ｒg0・Ｐ1/n＋ｒn0）
【００１６】
このように、センサ出力は、温度に依存しない値となる。なお、ガス検出部分８０２の活性化エネルギーＥgと温度補償部分８０３の活性化エネルギーＥnとが異なっている場合にはセンサ出力は温度依存性を示すが、ＥgとＥnとができるだけ一致するようにガス検出部分８０２と温度補償部分８０３の材料を選択することにより、センサ出力の温度依存性を十分に低減することができる。
【特許文献１】特開平８−１１４５７１号公報
【特許文献２】特開平５−１８９２１号公報
【特許文献３】特開２００４−８５５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献３に開示されているような温度補償部分を設ける場合、温度補償部分を形成するための工程を追加する必要があり、製造時の工程数が増加してしまう。また、ガス検出部分が設けられた基板上に温度補償部分を配置する必要があるために、酸素センサの大型化を招いてしまう。酸素センサが大型化すると、電極や触媒層、ヒータなどを形成するための材料（白金などの貴金属が用いられることが多い。）の量も増加するので、製造コストも増加してしまう。さらに、ガス検出部分と温度補償部分のそれぞれの抵抗率のばらつき（製造時の寸法精度のばらつきに起因して設計値からばらつく）が、センサ出力のばらつきとして現れるため、信頼性の確保が難しい。
【００１８】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明による抵抗型酸素センサは、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部を備えた抵抗型酸素センサであって、それぞれが前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子と、前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部と前記複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する制御部とを備える。
【００２０】
ある好適な実施形態において、前記制御部は、前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる。
【００２１】
ある好適な実施形態において、動作中には常に、前記酸素濃度検出部に前記複数の固定抵抗素子のうちの少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されている。
【００２２】
ある好適な実施形態において、前記酸素濃度検出部および前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている前記少なくとも１つの固定抵抗素子に基準電圧が印加され、前記酸素濃度検出部または前記少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧の、前記基準電圧に対する比がセンサ出力とされる。
【００２３】
ある好適な実施形態において、前記複数の固定抵抗素子は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいる。
【００２４】
本発明による空燃比制御装置は、上記構成を有する抵抗型酸素センサを備えている。
【００２５】
ある好適な実施形態において、本発明による空燃比制御装置は、前記抵抗型酸素センサに接続された電子制御ユニットをさらに備えており、前記複数の固定抵抗素子は、前記電子制御ユニット内に設けられている。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記電子制御ユニットが前記抵抗型酸素センサの制御部としても機能する。
【００２７】
本発明による輸送機器は、上記構成を有する空燃比制御装置を備えている。
【００２８】
本発明による抵抗型酸素センサは、それぞれが酸素濃度検出部に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子と、酸素濃度検出部の温度に応じて、酸素濃度検出部と複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する制御部とを備えている。従って、酸素濃度検出部に直列に接続されている抵抗要素の抵抗率を、酸素濃度検出部の温度に応じて変化させることができる。そのため、上記の抵抗要素（すなわち酸素濃度検出部に直列に接続された少なくとも１つの固定抵抗素子）に、酸素濃度検出部の抵抗率の温度依存性と類似した傾向の温度依存性を持たせることができる。それ故、センサ出力の温度依存性を低減することができる。また、複数の固定抵抗素子は、酸素濃度検出部に近接して配置する（例えば同じ基板上に設ける）必要はないので、特許文献３に開示されているような温度補償部分を設ける場合に比べ、製造工程数の削減や酸素センサの小型化、低コスト化を図ることができる。さらに、温度補償部分を設けた場合のようなセンサ出力のばらつきも抑制されるため、高い信頼性が得られる。このように、本発明によれば、センサ出力の温度依存性を簡便に（つまり小型化、低コスト化、高信頼性を実現できる簡易な構成で）低減することができる。
【００２９】
制御部は、例えば、酸素濃度検出部の温度に応じて、酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる（つまり複数段階で切り替える）。このような制御を行う制御部は、比較的簡易な構成で実現できる。
【００３０】
本発明による抵抗型酸素センサでは、典型的には、動作中には常に、酸素濃度検出部に複数の固定抵抗素子のうちの少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されている。
【００３１】
本発明による抵抗型酸素センサでは、具体的には、酸素濃度検出部および酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子に基準電圧を印加し、酸素濃度検出部または少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧（分配電圧）の、基準電圧に対する比をセンサ出力とすることが好ましい。このような電圧比は、温度依存性が低減されたセンサ出力として好適に用いられる。
【００３２】
センサ出力の温度依存性を十分に低減するためには、酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている抵抗要素の抵抗率を３段階以上で切り替え得ることが好ましく、複数の固定抵抗素子は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいることが好ましい。
【００３３】
本発明による酸素センサは、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に好適に用いられる。複数の固定抵抗素子は、例えば、空燃比制御装置の電子制御ユニット内に設けることができる。また、空燃比制御装置の電子制御ユニットが抵抗型酸素センサの制御部としても機能する構成を採用してもよい。
【００３４】
本発明による酸素センサを備えた空燃比制御装置は、各種の輸送機器に好適に用いられる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によると、センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３７】
図１は、本実施形態における抵抗型酸素センサ（以下では単に「酸素センサ」とも呼ぶ。）１０の構成を示す回路図である。酸素センサ１０は、図１に示すように、酸素濃度検出部１と、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと、酸素濃度検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御する制御部３とを備えている。
【００３８】
酸素濃度検出部（以下では単に「検出部」とも呼ぶ。）１は、雰囲気ガス中の酸素分圧に応じてその抵抗率が変化する。本実施形態における検出部１は、酸化物半導体から形成されている。多孔質構造を有する酸化物半導体は、雰囲気の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体中の酸素濃度が変化し、酸化物半導体の抵抗率が変化する。酸化物半導体としては、例えばチタニア（二酸化チタン）やセリア（酸化セリウム）を用いることができる。酸化物半導体は５０ｗｔ％以上のセリアを含むことが好ましい。図２に、検出部１とその近傍の構造の一例を示す。
【００３９】
検出部１は、図２に示すように、基板１１によって支持されている。基板１１は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から形成されている。基板１１は、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有しており、主面１１ａ上に検出部（酸化物半導体層）１が設けられている。絶縁体は、好ましくはセラミックス材料から構成される。
【００４０】
また、主面１１ａ上には、検出部１に電圧を印加するための電極１２が形成されている。電極１２は、導電性を有する材料から形成されており、例えば、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。
【００４１】
なお、ここでは図示しないが、検出部１上には、触媒層が設けられている。触媒層は、触媒金属を含んでおり、触媒金属の触媒作用によって、検出すべきガス（つまり酸素）以外の少なくとも１種の物質を分解する。具体的には、検出部１による酸素の検出に悪影響を及ぼすガスや微粒子（例えば完全には燃焼しなかった炭化水素や炭素、窒素酸化物など）を分解し、そのようなガスや微粒子が検出部１の表面に付着するのを防止する。触媒金属としては、例えば白金が用いられる。
【００４２】
基板１１の裏面１１ｂ側には、検出部１を昇温させるためのヒータ１３が設けられている。ヒータ１３は、例えば図示しているような抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の素子である。抵抗加熱型のヒータ１３は、白金やタングステンなどの金属材料や、酸化レニウムなどの良導体酸化物から形成されている。ヒータ１３によって検出部１を昇温させることにより、検出部１を速やかに活性化させることができる。
【００４３】
ヒータ１３の両端は、図２に示されているように電極１４ａ〜１４ｄに接続されている。４つの電極１４ａ〜１４ｄのうち、例えば電極１４ａおよび１４ｄはヒータ１３に電力を供給するため（加熱のための通電）に用いられ、電極１４ｂおよび１４ｃはヒータ１３の抵抗率を測定してヒータ１３の温度を検出するために用いられる。ヒータ１３と検出部１とは薄い絶縁体（基板１１）を介して熱的に接触しているので、ヒータ１３の温度を検出することにより、検出部１の温度も検出できる。つまり、ヒータ１３は、検出部１を昇温させる「加熱素子」として用いられるだけでなく、検出部１の温度を検出する「温度検出素子」としても用いられる。なお、２つの電極（例えば電極１４ａおよび１４ｄ）のみを設け、これらの電極を加熱および抵抗測定の両方に兼用してもよい。電極１４ａ〜１４ｄは、好適にはヒータ１３と一体に形成される。
【００４４】
固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、固定された抵抗率を有する抵抗素子である。固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのそれぞれは、検出部１に対して電気的に直列に接続され得る。固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、特許文献３に開示されているような温度補償部分とは異なり、検出部１に近接して配置されている（例えば同じ基板１１上に設けられている）必要はない。つまり、固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、図２に示すような酸素センサ基板（基板１１と、基板１１上に設けられた検出部１、電極１２などを包括的にこう呼ぶ。）の外部に設けることができる。酸素センサ１０が空燃比制御装置に用いられる場合、例えば、空燃比制御装置の電子制御ユニット（ＥＣＵ）内に固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃを設けておくことができる。
【００４５】
制御部３は、検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃ（以下ではそれぞれ「第１抵抗素子」、「第２抵抗素子」、「第３抵抗素子」とも呼ぶ。）との電気的な接続関係を、検出部１の温度に応じて制御する。制御部３は、具体的には、検出部１の温度（例えば上述したようにヒータ１３の抵抗率を測定することにより検出できる。）に応じて、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる（つまり複数段階で切り替える）。
【００４６】
制御部３は、より具体的には、検出部１の温度Ｔが第１の温度Ｔ1未満（つまりＴ＜Ｔ1）の場合には第１抵抗素子２Ａのみを、第１の温度Ｔ1以上第２の温度Ｔ2未満（つまりＴ1≦Ｔ＜Ｔ2）の場合には第１抵抗素子２Ａおよび第２抵抗素子２Ｂを、そして、第２の温度Ｔ2以上（Ｔ2≦Ｔ）の場合には第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃのすべてを検出部１に接続する。つまり、酸素センサ１０の動作中には常に、検出部１に少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されており、検出部１の温度が高くなるにつれて、接続されている固定抵抗素子の数が多くなる。
【００４７】
制御部３のこのような機能は、図１の回路には、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続をＴ1≦Ｔの場合にオンするスイッチ４Ａ、および、第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続をＴ2≦Ｔの場合にオンするスイッチ４Ｂとして模式的に示されている。第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃの一端は、いずれも検出部１に接続されている。また、第２抵抗素子２Ｂの他端とグランドとの間、および、第３抵抗素子２Ｃの他端とグランドとの間にはそれぞれスイッチ４Ａおよび４Ｂが設けられているのに対し、第１抵抗素子２Ａの他端とグランドとの間にはそのようなスイッチは設けられておらず、第１抵抗素子２Ａの他端は常にグランドに接続されている。
【００４８】
Ｔ＜Ｔ1の場合、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続および第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続はスイッチ４Ａおよび４Ｂによってオフされている。そのため、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのうちの第１抵抗素子２Ａのみが検出部１に電気的に直列に接続されている。
【００４９】
これに対し、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続はスイッチ４Ａによってオンされ、第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続はスイッチ４Ｂによってオフされている。そのため、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのうちの第１抵抗素子２Ａおよび第２抵抗素子２Ｂが検出部１に電気的に直列に接続されている。このとき、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとは互いに電気的に並列に接続されている。
【００５０】
また、Ｔ2≦Ｔの場合、第２抵抗素子２Ｂとグランドとの接続および第３抵抗素子２Ｃとグランドとの接続はスイッチ４Ａおよび４Ｂによってオンされている。そのため、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃのすべてが検出部１に電気的に直列に接続されている。このとき、第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃは、互いに電気的に並列に接続されている。
【００５１】
このように、検出部１の温度Ｔに応じ、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数が３段階で変化する。なお、制御部３がこのような切り替えを実現するためのより具体的な構成については後述する。また、図示している例では、固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、検出部１に同時に２つ以上の固定抵抗素子が接続されているときに、固定抵抗素子同士が電気的に並列に接続されるように設けられているが、後述するように、固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃの配置はこれに限定されるものではない。
【００５２】
次に、本実施形態におけるセンサ出力を説明する。本実施形態では、酸素濃度検出部１の抵抗率そのものがセンサ出力とされるわけではない。酸素センサ１０では、図３に示すように、検出部１およびこれに電気的に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子（図３では集合的に１つの固定抵抗として示されている。）に基準電圧Ｖinputが印加され、少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧（つまり少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率と検出部１の抵抗率との比に応じて分配された電圧）Ｖoutputが測定される。そして、分配電圧Ｖoutput（図１中には単にＶと示されている。）の基準電圧Ｖinput（図１中にはＶｒと示されている。）に対する比Ｖoutput／Ｖinputがセンサ出力とされる。
【００５３】
本実施形態における酸素センサ１０は、上述したように、それぞれが検出部１に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと、検出部１の温度に応じて、検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御する制御部３とを備えており、そのことによってセンサ出力の温度依存性が低減される。以下、この理由を説明する。
【００５４】
第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂ、第３抵抗素子２Ｃの抵抗率をそれぞれＲｓ１、Ｒｓ２、Ｒｓ３とすると、検出部１の抵抗率Ｒｇおよび検出部１に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓと、検出部１の温度Ｔとの関係は、例えば図４に示す通りとなる。
【００５５】
図４に示されているように、検出部１の抵抗率Ｒｇは、リーン領域およびリッチ領域のそれぞれについて、温度Ｔが高くなるほど小さくなる。また、検出部１に直列に接続されている固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓは、温度Ｔが高くなるにつれて段階的に小さくなる。具体的には、抵抗率Ｒｓは、Ｔ＜Ｔ1の場合には第１抵抗素子２Ａの抵抗率Ｒｓ１であり、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２であり、Ｔ2≦Ｔの場合には第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３である。
【００５６】
ここで、センサ出力Ｖoutput／Ｖinputは、下記式（１）で表される。
Ｖoutput／Ｖinput＝Ｒｓ／（Ｒｇ＋Ｒｓ）・・・（１）
【００５７】
そのため、Ｔ＜Ｔ1、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2、Ｔ2≦Ｔの場合におけるセンサ出力は、それぞれ下記式（２）、（３）、（４）で表される。
Ｖoutput／Ｖinput＝Ｒｓ１／（Ｒｇ＋Ｒｓ１）・・・（２）
Ｖoutput／Ｖinput＝Ｒｓ１//Ｒｓ２／（Ｒｇ＋Ｒｓ１//Ｒｓ２）・・・（３）
Ｖoutput／Ｖinput＝
Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３／（Ｒｇ＋Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３）・・・（４）
【００５８】
なお、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとを並列に接続したときの抵抗率Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３は、それぞれ下記式（５）、（６）で表される。
Ｒｓ１//Ｒｓ２＝（Ｒｓ１・Ｒｓ２）／（Ｒｓ１＋Ｒｓ２）・・・（５）
Ｒｓ１//Ｒｓ２//Ｒｓ３＝
（Ｒｓ１・Ｒｓ２・Ｒｓ３）／（Ｒｓ１＋Ｒｓ２＋Ｒｓ３）・・・（６）
【００５９】
上記式（２）、（３）および（４）のように表されるセンサ出力と温度との関係をシミュレーションした結果（実施例）を図５に示す。図５には、比較のために、特許文献３に開示されているような温度補償部分を備えた酸素センサにおけるセンサ出力（比較例）も示している。
【００６０】
図５に示すように、リッチ領域とリーン領域の両方について、センサ出力の温度依存性が低減されており、温度補償部分を設けた場合と同程度に広い温度範囲（例えば６００℃〜９００℃）で、リッチ出力とリーン出力とのギャップを確保することができる。そのため、広い温度範囲でリッチ・リーンの検出が可能となる。本実施形態の酸素センサ１０においてセンサ出力の温度依存性が低減されるのは、制御部３で検出部１と複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃとの電気的な接続関係を制御することにより、検出部１に直列に接続された抵抗要素の抵抗率（検出部１に直列に接続された少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率）に、検出部１の抵抗率の温度依存性と類似した傾向の温度依存性を持たせているからである。つまり、本実施形態の酸素センサ１０では、特許文献３における温度補償部分の抵抗率のような温度依存性を、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃと制御部３との組み合わせによって擬似的につくり出しているとも言える。
【００６１】
上述したように、本実施形態における酸素センサ１０では、センサ出力の温度依存性が低減される。また、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃは、検出部１に近接して配置する（例えば同じ基板１１上に設ける）必要はないので、特許文献３に開示されているような温度補償部分を設ける場合に比べ、製造工程数の削減や、酸素センサ１０の小型化（酸素センサ基板の小型化）、低コスト化を図ることができる。さらに、温度補償部分を設けた場合のようなセンサ出力のばらつきも抑制されるため、高い信頼性が得られる。このように、本発明によれば、センサ出力の温度依存性を簡便に（つまり小型化、低コスト化、高信頼性を実現できる簡易な構成で）低減することができる。
【００６２】
図６に、制御部３の具体的な構成の一例を示す。図６に示す構成では、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃは、それぞれ第１入出力ポートＰ１および第２入出力ポートＰ２を介してマイクロコンピュータ（制御部３として機能する）に接続されている。マイクロコンピュータは、例えば、空燃比制御装置のＥＣＵに搭載されている。第１入出力ポートＰ１および第２入出力ポートＰ２のそれぞれには、３ステート出力バッファＯＢおよび入力バッファＩＢが接続されている。
【００６３】
出力バッファＯＢは、出力制御信号の論理レベルが１（ＯＣ＝１）のときに出力状態となり、出力制御信号の論理レベルが０（ＯＣ＝０）のときにオープン状態となる。第１入出力ポートＰ１の出力バッファＯＢには、Ｔ＜Ｔ1の場合に論理レベル０の出力制御信号が入力され、Ｔ1≦Ｔの場合に論理レベル１の出力制御信号が入力される。これに対し、第２入出力ポートＰ２の出力バッファＯＢには、Ｔ＜Ｔ2の場合に論理レベル０の出力制御信号が入力され、Ｔ2≦Ｔの場合に論理レベル１の出力制御信号が入力される。また、いずれの出力バッファＯＢにも出力信号として常に論理レベル０の信号が入力される。このような構成により、Ｔ＜Ｔ1の場合には１つの固定抵抗素子２Ａ、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には２つの固定抵抗素子２Ａおよび２Ｂ、Ｔ2≦Ｔの場合には３つの固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃが検出部１に直列に接続される。
【００６４】
なお、図６には、マイクロコンピュータの入出力ポートを利用して切り替えを行う構成を例示したが、勿論本発明はこれに限定されるものではない。例えば図７に示すように、マイクロコンピュータの外部に形成された半導体スイッチング素子を用いて、検出部１に接続されている固定抵抗素子の数を切り替えてもよい。
【００６５】
図７に示す構成では、ソースが第２抵抗素子２Ｂに接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ａと、ソースが第３抵抗素子２Ｃに接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ｂとが設けられている。前者のＭＯＳ型トランジスタ５ＡがＴ1≦Ｔのときに導通し、後者のＭＯＳ型トランジスタ５ＢがＴ2≦Ｔのときに導通することによって、検出部１に接続されている固定抵抗素子の数の切り替えが行われる。図８に、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタ５Ａおよび５Ｂの導通・非導通（オン・オフ）を切り替えるためのより具体的な構成の一例を示す。
【００６６】
図８に示す構成では、トランジスタ５Ａおよび５Ｂのゲートがそれぞれコンパレータ６Ａおよび６Ｂに接続されている。第２抵抗素子２Ｂに接続されたトランジスタ５Ａに対応するコンパレータ６Ａは、ヒータ１３の温度を示す電圧（ヒータ温度電圧）Ｖｈと、第１の温度Ｔ1に対応した電圧ＶT1とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ａのゲートにオン電圧が供給される。また、第３抵抗素子２Ｃに接続されたトランジスタ５Ｂに対応するコンパレータ６Ｂは、ヒータ温度電圧Ｖｈと、第２の温度Ｔ2に対応した電圧ＶT2とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ｂのゲートにオン電圧が供給される。このような構成により、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタ５Ａおよび５Ｂの導通・非導通を切り替えることができる。
【００６７】
また、ここまでは、検出部１に２つ以上の固定抵抗素子が接続されているときに固定抵抗素子同士が電気的に並列に接続される例を挙げたが、固定抵抗素子の配置はこれに限定されるものではない。図９に示すように、固定抵抗素子同士が電気的に直列に接続されてもよい。
【００６８】
図９に示す構成では、制御部３は、Ｔ＜Ｔ1の場合には第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃのすべてを、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には、第１抵抗素子２Ａおよび第２抵抗素子２Ｂを、そしてＴ2≦Ｔの場合には第１抵抗素子２Ａのみを、検出部１に電気的に直列に接続する。ただし、図１および図６〜図８に示した構成とは異なり、固定抵抗素子同士は、電気的に直列に接続される。そのため、検出部１に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓは、Ｔ＜Ｔ1の場合にはＲｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２＋Ｒｓ３、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合にはＲｓ＝Ｒｓ１＋Ｒｓ２、Ｔ2≦Ｔの場合にはＲｓ＝Ｒｓ１と表される。従って、図９の構成でも、検出部１に直列に接続された抵抗要素の抵抗率Ｒｓを、検出部１の温度Ｔに応じて変化させることができる。
【００６９】
図９に示した構成では、具体的には、検出部１とグランドとの間に、第１抵抗素子２Ａ、第２抵抗素子２Ｂおよび第３抵抗素子２Ｃが検出部１側からこの順で直列的に配置されている。また、第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとの間にマイクロコンピュータの第１入出力ポートＰ１が接続され、第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとの間に第２入出力ポートＰ２が接続されている。第１入出力ポートＰ１および第２入出力ポートＰ２には、それぞれ３ステート出力バッファＯＢと入力バッファＩＢが接続されており、出力バッファＯＢには、図６に示した出力バッファＯＢと同様に出力信号や出力制御信号が入力される。このような構成により、Ｔ＜Ｔ1の場合には３つの固定抵抗素子２Ａ〜２Ｃ、Ｔ1≦Ｔ＜Ｔ2の場合には２つの固定抵抗素子２Ａおよび２Ｂ、Ｔ2≦Ｔの場合には１つの固定抵抗素子２Ａが検出部１に直列に接続される。
【００７０】
なお、図９には、マイクロコンピュータの入出力ポートを利用して切り替えを行う構成を例示したが、勿論本発明はこれに限定されるものではない。例えば図１０に示すように、マイクロコンピュータの外部に形成された半導体スイッチング素子を用いてもよい。
【００７１】
図１０に示す構成では、ソースが第２抵抗素子２Ｂと第３抵抗素子２Ｃとの間に接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ａと、ソースが第１抵抗素子２Ａと第２抵抗素子２Ｂとの間に接続され、ドレインがグランドに接続されたＭＯＳ型トランジスタ５Ｂとが設けられている。前者のＭＯＳ型トランジスタ５ＡがＴ1≦Ｔのときに導通し、後者のＭＯＳ型トランジスタ５ＢがＴ2≦Ｔのときに導通することによって、検出部１に接続されている固定抵抗素子の数の切り替えが行われる。図１１に、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタの導通・非導通（オン・オフ）を切り替えるためのより具体的な構成の一例を示す。
【００７２】
図１１に示す構成では、トランジスタ５Ａおよび５Ｂのゲートがコンパレータ６Ａおよび６Ｂに接続されている。トランジスタ５Ａに対応するコンパレータ６Ａは、ヒータ温度電圧Ｖｈと、第１の温度Ｔ1に対応した電圧ＶT1とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ａのゲートにオン電圧が供給される。また、トランジスタ５Ｂに対応するコンパレータ６Ｂは、ヒータ温度電圧Ｖｈと、第２の温度Ｔ2に対応した電圧ＶT2とを比較し、ヒータ温度電圧Ｖｈの方が高い場合に、トランジスタ５Ｂのゲートにオン電圧が供給される。このような構成により、検出部１の温度Ｔに応じてトランジスタ５Ａおよび５Ｂの導通・非導通を切り替えることができる。
【００７３】
図１２に、ヒータ１３に対し加熱のための通電と抵抗測定とを行うための具体的な構成の一例を示す。図１２に示すように、ヒータ１３には、抵抗−電圧変換回路７と、定電流回路８とが接続されている。
【００７４】
抵抗−電圧変換回路７は、ヒータ１３の抵抗率を計測し、計測した抵抗率に応じた電圧をマイクロコンピュータに出力する（抵抗−電圧変換）。ヒータ１３の抵抗率は、ヒータ１３に所定の大きさの電流（定電流）を供給しているときに生じるヒータ１３の電圧降下として検知される。ヒータ１３の抵抗率は、温度に依存するため、計測した抵抗率からヒータ１３の温度を検知することができる。ヒータ１３は検出部１と薄い絶縁体（基板１１）を介して熱的に接触しているため、ヒータ１３の温度を検知してヒータ１３の温度を所定範囲内に制御すれば、検出部１の温度も適切な範囲内に制御することができる。
【００７５】
ヒータ１３は、スイッチ９の切り替えにより、図２に示した電極１７ａ、１７ｄを介して電源または定電流回路８に選択的に接続される。ヒータ１３を加熱するときは、ヒータ１３と電源とが接続され、ヒータ１３には電源電圧ＶBATが印加される。これに対し、ヒータ１３の温度を計測するときには、スイッチ９により、ヒータ１３の接続先が電源から定電流回路８に切り替えられる。つまり、定電流回路８がヒータ１３に供給する電流は、ヒータ１３を加熱するための電流ではなく、ヒータ１３の抵抗率を計測するために用いられる電流である。
【００７６】
ヒータ１３が定電流回路８に接続されると、定電流回路８から電極１７ａ、１７ｄを介してヒータ１３に所定の大きさを有する電流が流れる。このとき、電極１７ｂ、１７ｃに接続された抵抗−電圧変換回路７内の差動増幅回路により、ヒータ１３の両端における電圧が測定される。この電圧とヒータ１３の抵抗率との間には、所定の関係が存在するため、測定された電圧に基づいて、ヒータ１３の温度（検出部１の温度にも対応する。）を検知することができる。
【００７７】
マイクロコンピュータは、定電流回路８に入力される電圧を生成するＤＡコンバータ（ＤＡＣ）１５や、抵抗−電圧変換回路７の出力（ヒータ１３の抵抗率に対応する電圧）を受け取って対応するデジタル値を生成するＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１６を含んでいる。また、マイクロコンピュータは、検出部１に電気的に直列に接続されている少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧（分配電圧）を受け取って、対応するデジタル値を生成するＡＤＣ１７も含んでいる。分配電圧は、直列に接続された抵抗とコンデンサとから構成されるローパスフィルタ１８を介してＡＤＣ１７に出力される。
【００７８】
なお、ここまでの説明では、酸素センサ１０が３つの固定抵抗素子を有する場合を例示したが、固定抵抗素子の数は２つ以上であればよく、３つに限定されるものではない。ただし、センサ出力の温度依存性を十分に小さくするためには、検出部１に電気的に直列に接続されている抵抗要素の抵抗率を３段階以上に切り替えられることが好ましく、酸素センサ１０は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいることが好ましい。複数の固定抵抗素子の抵抗率は、相互に同じであってもよいし、異なってもよく、各固定抵抗素子の抵抗率の具体的な値は、検出部１の温度依存性に応じて適宜設定すればよい。
【００７９】
また、制御部３が、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる場合を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。制御部３は、検出部１の温度に応じて検出部１と複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する機能を有していればよい。例えば、相互に抵抗率の異なる複数の固定抵抗素子を設けておき、制御部３は、検出部１の温度に応じていずれか１つの固定抵抗素子を検出部１に直列に接続してもよい。なお、検出部１に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる制御部３は、図６などに示したように比較的簡便な構成で実現される点で優れている。
【００８０】
また、本実施形態では、検出部１に電気的に直列に接続されている抵抗要素（少なくとも１つの固定抵抗素子）にかかる電圧Ｖoutputの、基準電圧Ｖinputに対する比Ｖoutput／Ｖinputをセンサ出力としたが、これに代えて、検出部１にかかる（つまり検出部１に分配された）電圧Ｖoutput’を測定し、この分配電圧Ｖoutput’の基準電圧Ｖinputに対する比Ｖoutput’／Ｖinputをセンサ出力としてもよい。いずれの比をセンサ出力として用いても、センサ出力の温度依存性を好適に低減することができる。
【００８１】
次に、図１３（ａ）、（ｂ）および図１４を参照しながら、酸素センサ１０を実際に内燃機関の排気管に取り付けるための構成を説明する。
【００８２】
酸素センサ１０は、図１３（ａ）および図１４に示すように、その基端部において第１のハウジング２０に保持されている。第１のハウジング２０は、例えば、セラミックから形成されたセラミックガイドである。酸素センサ１０は、さらに、第１のハウジング２０ごと第２のハウジング２１に保持されている。第２のハウジング２１は、例えば、ステンレスから形成された金属ケースである。第２のハウジング２１の表面には、ねじが切られており、第２のハウジング２１は、このねじに螺合するナット２２によって排気管に固定される。
【００８３】
実際の使用に際しては、図１３（ｂ）に示すように、酸素センサ１０を覆うように保護キャップ２５が設けられる。酸素センサ１０による検出結果は、検出線２４を介して制御装置に出力される。第１のハウジング２０内は、充填材（例えばタルク粉末）２３によって気密封止がなされている。
【００８４】
続いて、本実施形態における酸素センサ１０を備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図１５に、酸素センサ１０を備えた自動二輪車３００を模式的に示す。
【００８５】
自動二輪車３００は、図１５に示すように、本体フレーム３０１とエンジン（内燃機関）１００とを備える。本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２にはフロントフォーク３０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク３０３の下端に前輪３０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ３０２の上端にはハンドル３０５が取り付けられている。
【００８６】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１の上部には燃料タンク３０７が設けられ、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。また、本体フレーム３０１の後端に後方へ伸びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能に支持されている。
【００８７】
本体フレーム３０１の中央部にはエンジン１００が保持されている。エンジン１００の前部にはラジエター３１１が取り付けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されている。以下において詳細に説明するように、排気管にはエンジン１００に近い順に酸素センサ１０、三元系触媒１０４および消音器１０６が設けられている。酸素センサ１０の先端部は排気管３１２の排気ガスが通過する通路内に露出しており、酸素センサ１０は排気ガス中の酸素を検出する。酸素センサ１０には、図２などに示したヒータ１３が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはヒータ１３により検出部１が昇温される（例えば５秒で７００℃まで昇温される）ことによって、酸化物半導体から形成された検出部１の検出感度が高められる。
【００８８】
エンジン１００には、変速機３１５が連結されており、変速機３１５の出力軸３１６は駆動スプロケット３１７に取り付けられている。駆動スプロケット３１７はチェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。
【００８９】
図１６は、エンジン１００の制御系の主要な構成を示している。エンジン１００のシリンダ１０１には吸気弁１１０、排気弁１０６および点火プラグ１０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ１１６が設けられている。吸気弁１１０は、空気吸入口をもつ吸気管１２２に接続されている。吸気管１２２にはエアーフローメータ１１２、スロットルバルブ１１４、スロットルセンサ１１４ａおよび燃料噴射装置１１１が設けられている。エアーフローメータ１１２の代わりにスロットルバルブ１１４と吸気弁１１０との間に負圧センサを設けて吸気量を測定してもよい。
【００９０】
エアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４ａ、燃料噴射装置１１１、水温センサ１１６、点火プラグ１０８および酸素センサ１０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１１８に接続されている。ＥＣＵ１１８には自動二輪車３００の速度を示す車速信号１２０も入力される。
【００９１】
図示しないセルモータによって、ライダーがエンジン１００を始動させると、ＥＣＵ１１８はエアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４ａおよび水温センサ１１６から得られる検出信号および車速信号１２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置１１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置１１１から噴射される燃料は、吸気管１２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ１１０を介してシリンダ１０１へ噴出される。シリンダ１０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁１０６を介して排気管３１２へ導かれる。
【００９２】
酸素センサ１０は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をＥＣＵ１１８へ出力する。ＥＣＵ１１８は、酸素センサ１０からの信号に基づき、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、エアーフローメータ１１２およびスロットルセンサ１１４ａから得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置１１１から噴出する燃料量を制御する。このように、酸素センサ１０と、酸素センサ１０に接続されたＥＣＵ１１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
【００９３】
なお、ＥＣＵ１１８は、酸素センサ１０の制御部３としても機能してもよい。つまり、図６などに示したマイクロコンピュータは、ＥＣＵ１１８に搭載されているものであってよいし、図７や図８などに示したトランジスタ５Ａおよび５Ｂやコンパレータ６Ａおよび６Ｂなどは、ＥＣＵ１１８内に設けられていてもよい。また、既に述べたように、複数の固定抵抗素子２Ａ〜２ＣもＥＣＵ１１８内に設けることができる。
【００９４】
本実施形態における酸素センサ１０を備えた自動二輪車３００では、センサ出力の温度依存性が低減されており、広い温度範囲でリッチ・リーンの検出を高精度で行うことができる。そのため、適切な空燃比で燃料および空気を混合し、最適な条件で燃料を燃焼させることができ、排気ガス中のＮＯｘをはじめ規制物質の濃度を低減することができる。また、燃費の向上をはかることも可能である。
【００９５】
なお、ここでは自動二輪車を例示したが、本発明は四輪自動車などの他の輸送機器にも好適に用いられる。また、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明によると、センサ出力の温度依存性を簡便に低減し得る抵抗型酸素センサが提供される。本発明による酸素センサは、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器用の内燃機関に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の好適な実施形態における抵抗型酸素センサ１０の構成を示す回路図である。
【図２】酸素センサ１０が備える酸素濃度検出部およびその近傍の構造を示す分解斜視図である。
【図３】酸素センサ１０のセンサ出力を説明するための図である。
【図４】酸素濃度検出部の抵抗率Ｒｇおよび酸素濃度検出部に直列に接続されている固定抵抗素子の合計の抵抗率Ｒｓと、酸素濃度検出部の温度Ｔとの関係を示すグラフである。
【図５】酸素センサ１０のセンサ出力と温度との関係を示すグラフである。
【図６】酸素センサ１０が備える制御部の具体的な構成の例を示す回路図である。
【図７】酸素センサ１０が備える制御部の具体的な構成の例を示す回路図である。
【図８】酸素センサ１０が備える制御部の具体的な構成の例を示す回路図である。
【図９】酸素センサ１０の他の構成例を示す回路図である。
【図１０】酸素センサ１０の他の構成例を示す回路図である。
【図１１】酸素センサ１０の他の構成例を示す回路図である。
【図１２】酸素センサ１０が備えるヒータに対し加熱のための通電と抵抗測定とを行うための具体的な構成の例を示す回路図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は保護キャップを外した状態を示し、（ｂ）は保護キャップを付けた状態を示している。
【図１４】酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す断面図である。
【図１５】酸素センサ１０を備えた自動二輪車の例を模式的に示す図である。
【図１６】図１５に示す自動二輪車におけるエンジンの制御系を模式的に示す図である。
【図１７】酸化物半導体層の抵抗率と温度との関係を示すグラフである。
【図１８】（ａ）および（ｂ）は、特許文献３に開示されている酸素センサ８１０を模式的に示す上面図および断面図である。
【図１９】酸素センサ８１０の等価回路図である。
【符号の説明】
【００９８】
１ 酸素濃度検出部
２Ａ 固定抵抗素子（第１抵抗素子）
２Ｂ 固定抵抗素子（第２抵抗素子）
２Ｃ 固定抵抗素子（第３抵抗素子）
３ 制御部
４Ａ、４Ｂ スイッチ
５Ａ、５Ｂ トランジスタ
６Ａ、６Ｂ コンパレータ
７ 抵抗−電圧変換回路
８ 定電流回路
１０ 抵抗型酸素センサ
１１ 基板
１２ 電極
１３ ヒータ
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 電極
１５ ＤＡコンバータ
１６、１７ ＡＤコンバータ
１００ エンジン
１１８ ＥＣＵ（制御部）
３００ 自動二輪車
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部を備えた抵抗型酸素センサであって、
それぞれが前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子と、
前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部と前記複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する制御部と、
を備える抵抗型酸素センサ。
【請求項２】
前記制御部は、前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる請求項１に記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項３】
動作中には常に、前記酸素濃度検出部に前記複数の固定抵抗素子のうちの少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されている請求項１または２に記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項４】
前記酸素濃度検出部および前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている前記少なくとも１つの固定抵抗素子に基準電圧が印加され、
前記酸素濃度検出部または前記少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧の、前記基準電圧に対する比がセンサ出力とされる、請求項３に記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項５】
前記複数の固定抵抗素子は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいる、請求項１から４のいずれかに記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の抵抗型酸素センサを備えた空燃比制御装置。
【請求項７】
前記抵抗型酸素センサに接続された電子制御ユニットをさらに備え、
前記複数の固定抵抗素子は、前記電子制御ユニット内に設けられている請求項６に記載の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記電子制御ユニットが前記抵抗型酸素センサの制御部としても機能する請求項７に記載の空燃比制御装置。
【請求項９】
請求項６から８のいずれかに記載の空燃比制御装置を備えた輸送機器。
【請求項１】
雰囲気ガス中の酸素分圧に応じて抵抗率が変化する酸素濃度検出部を備えた抵抗型酸素センサであって、
それぞれが前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続され得る複数の固定抵抗素子と、
前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部と前記複数の固定抵抗素子との電気的な接続関係を制御する制御部と、
を備える抵抗型酸素センサ。
【請求項２】
前記制御部は、前記酸素濃度検出部の温度に応じて、前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている固定抵抗素子の数を変化させる請求項１に記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項３】
動作中には常に、前記酸素濃度検出部に前記複数の固定抵抗素子のうちの少なくとも１つの固定抵抗素子が電気的に直列に接続されている請求項１または２に記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項４】
前記酸素濃度検出部および前記酸素濃度検出部に電気的に直列に接続されている前記少なくとも１つの固定抵抗素子に基準電圧が印加され、
前記酸素濃度検出部または前記少なくとも１つの固定抵抗素子にかかる電圧の、前記基準電圧に対する比がセンサ出力とされる、請求項３に記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項５】
前記複数の固定抵抗素子は、少なくとも３つの固定抵抗素子を含んでいる、請求項１から４のいずれかに記載の抵抗型酸素センサ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の抵抗型酸素センサを備えた空燃比制御装置。
【請求項７】
前記抵抗型酸素センサに接続された電子制御ユニットをさらに備え、
前記複数の固定抵抗素子は、前記電子制御ユニット内に設けられている請求項６に記載の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記電子制御ユニットが前記抵抗型酸素センサの制御部としても機能する請求項７に記載の空燃比制御装置。
【請求項９】
請求項６から８のいずれかに記載の空燃比制御装置を備えた輸送機器。
【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】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【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】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００９−１４６１０（Ｐ２００９−１４６１０Ａ）
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１７８５９９（Ｐ２００７−１７８５９９）
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月２２日（２００９．１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月６日（２００７．７．６）
【出願人】（００００１００７６）ヤマハ発動機株式会社 (3,045)
【Ｆターム（参考）】
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