JP2007278802A - 排気ガスセンサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスセンサのヒータ加熱の最適化を図り、消費電力の抑制による燃費向上とと排気管の水被りによる素子割れ防止を行う。
【解決手段】ウォームアップ通電中において、センサ素子の理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になれば、ヒータに対する通電を、ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。
【選択図】図７

Description

本発明は、排気ガスセンサのヒータ制御装置に係り、特に、内燃機関の排気系に設置される排気ガスセンサのセンサ素子を加熱するヒータの通電制御を行うヒータ制御装置に関する。

内燃機関のガス燃焼における排気ガス有害成分の低減には、燃焼ガスの空燃比を、より精密に制御することが効果的である。このため、燃焼ガスの空燃比をリッチとリーンの２値でのみ検出する酸素濃度センサ（以降、Ｏ_２センサ）に代えて、リニアに空燃比測定が可能なリニア空燃比センサ（以降、ＬＡＦセンサ）が多くの内燃機関に採用されるようになってきている。

しかし、ＬＡＦセンサによる空燃比測定時は、センサ内の酸素イオンの移動量を高めるために、従来のＯ_２センサと同様に、センサ素子を所定の高温状態に保つ必要がある。また、この高温状態は、従来のＯ_２センサ（約３００℃前後）に対して、より高温な状態（約６００℃〜８００℃程度）を要求されている。このため、ＬＡＦセンサに用いられるヒータは、Ｏ_２センサに用いられるヒータよりも、より発熱量の大きいものが設定されることとなる。

一方、ＬＡＦセンサにおけるセンサ素子とヒータの構造では、センサ素子とヒータがプレート状態で並列に配置されたものがある。このような構成では、Ｏ_２センサに増して、センサ素子ヒートアップ時のセンサ素子に発生する熱応力の影響を考慮したヒータ制御が要請される。

さらに、排気管内で発生、付着している水分もセンサ素子加熱時の障害（センサ素子割れの原因）となっており、現在、このような問題に対処すべく、ＬＡＦセンサの熱応力を考慮したヒータ制御装置の技術が提案されている。

その一つとして、リニア空燃比センサに設けられたプロテクタカバ−の穴から排気管内面に付着した水分が始動等で飛散して侵入し、ヒータで加熱された高温のセンサ素子に被水することによってセンサ素子が割れることに着目し、これを防止するためのヒータ制御装置の技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

また、機関始動時に、排気管内やセンサ内部に、液状の水分が存在に液状の水分が存在している場合、機関始動から所定期間経過するまで、リニア空燃比センサがセンサ活性化に至る温度まで昇温可能な電力よりも低い電力でヒータを制御し、排気管内の水分を沸騰させないように蒸発させるヒータ制御装置の技術が提案されている（例えば、特許文献２）。

特開２００１−４１９２３号公報 特開２００４−６９６４４号公報

しかしながら、特許文献１では、排気管内に存在する液状の水分がプロテクタカバーの穴からプロテクタカバー内に侵入してセンサ素子に直接かかり、センサ素子が割れることを防止するために、ヒータの通電を制限するが、水分によるセンサ素子割れは、プロテクタカバーの穴からプロテクタカバー内に水が侵入するケース以外にも、プロテクタカバー内で排気管内の水蒸気が結露し、センサ素子表面に水分が付着するケースがあり、この点については考慮されていない。

例えば、機関停止後、１０分間から１時間程度の如く、比較的短時間の放置後に機関を再始動する場合には、内燃機関の冷却水温はあまり下がらないものの、排気管の温度は該排気管周囲の外気温度と同等程度までに冷却されることから、排気管内に溜まった水蒸気が結露し、リニア空燃比センサの内部にも結露が生じる。そして、結露水はセンサ素子及びヒータの各表面に付着する。この状態で、ヒータの温度を直ぐに６００℃に達するようなヒータ制御を行なうと、センサ素子におけるヒータからの熱を受ける面側とその面の反対面側との間には大きい温度差が生じ、センサ素子には過大な熱応力が生じることになり、センサ素子が破損してしまう虞れがある。

特許文献２に示されている技術は、センサ内部に液状の水分が存在した場合に、センサ活性化に至る温度まで昇温可能な電力よりも低い電力でヒータを制御し、センサ内部の水分を沸騰させることなく緩慢に蒸発させる技術であるが、センサ本体内の水分がなくなった時にヒータを活性化通電制御に切り換えることに関する提案がされておらず、排気管内やセンサ内に存在する水分を測定する事は困難と思われ、実用化の面に大きな課題があった。

このため、活性化通電制御に切り換える条件を設定する手段としては、予め実験で始動後の排気管壁面の温度変化から間接的に水分がなくなるまでの期間（始動後経過時間等）を運転条件や環境条件の組合せ毎に測定し、実際の運転では、運転条件、環境条件に応じて実験で測定した期間が経過した後に、活性化通電制御に切り換える方法が考えられる。

しかし、この方法では、実験で測定できるのは、限られた運転条件や環境条件の組合せとなるので、実際の運転で水分が存在する間にヒータを活性化通電制御に切り換わることがないように、ワーストケースの最長期間、または測定した期間にマージンを加算した期間が経過した後に活性化通電制御へ切り換えることになる。

また、何れの従来技術も、ヒータ加熱の最適な時期については、考慮されておらず、触媒が不活性で、ＬＡＦセンサが活性状態であるようなエネルギの無駄な状態の発生が危惧される。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排気ガスセンサの活性化時期を最適化して排気性能を悪化させることなく燃費向上が図られると共に、排気ガスセンサのセンサ素子に付着する水分の存在による当該センサ素子の破損を防止することができる排気ガスセンサのヒータ制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第１ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第１期間を設定し、前記第１期間では前記ヒータに対する通電を前記第１ウォームアップ通電とし、前記第１期間が経過、あるいは前記第１期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第１ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。

また、前記目的を達成するために、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第１ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第１期間と、前記第１期間経過後に前記第１期間よりも更に低い温度で加熱を行う第２ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第２期間を設定し、前記第１期間では前記ヒータに対する通電を前記第１ウォームアップ通電とし、前記第期間では前記ヒータに対する通電を前記第２ウォームアップ通電とし、前記第２期間が経過、あるいは前記第１期間あるいは前記第２期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前第１ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。

また、前記目的を達成するために、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、センサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第１ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第１期間と、前記第１期間よりも更に低い温度で加熱を行う第２ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第２期間とを設定し、ヒータ通電開始後に前記第１期間による第１ウォームアップ通電と前記第２期間による第２ウォームアップ通電を繰返し行い、その繰返し回数が所定値になるか、あるいは前記第１期間あるいは前記第２期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第１ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換える。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第１期間に行なう第１ヒータウォームアップ通電は、前記センサ素子が昇温する温度が２５０℃から３００℃の範囲である。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第２期間に行なう第２ヒータウォームアップ通電は、前記センサ素子が昇温する温度が５０℃から１００℃の範囲である。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第１期間中に前記判別手段が肯定判定した時には、前記第１期間を開始してから前記判定手段が肯定判定するまでの期間を記憶する記憶手段を設け、前記記憶手段に記憶された期間情報を基づいて前記第１期間を可変設定する。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記記憶手段に記憶された前記期間情報が所定範囲外である場合には、前記第１期間を所定範囲内の値に設定する。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、ヒータ通電切換時のヒータ通電を所定量ずつ徐々に変化させる。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第１期間あるいは前記第２期間が経過したことを判定するパラメータが経過時間である。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第１期間あるいは前記第２期間が経過したことを判定するパラメータが内燃機関に吸入される吸入空気量の積算値である。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記第１期間あるいは前記第２期間が経過したことを判定するしきい値を内燃機関の運転状態に応じて設定する。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置は、好ましくは、前記ヒータはデューティ信号によって駆動され、デューティ比制御によってヒータ通電を制御する。

排気ガスセンサのヒータ加熱の最適化が図られ、消費電力の抑制による燃費向上効果、排気管の水被りによる素子割れ防止効果が期待できる。

本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態を、図を参照して説明する。
図１は、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置を適用される内燃機関及びその制御システムの全体構成を示している。

内燃機関１０は、多気筒機関として、複数個の気筒１１を有する。気筒１１は、各々、往復運動するピストン１２と燃焼室１３とで構成されている。

内燃機関１０には、各気筒１１毎に、点火コイル・パワースイッチ手段１４と接続された点火プラグ１５が配置されると共に、吸気ポート１６を開閉する吸気弁１７と、排気ポート１８を開閉する排気弁１９とが設けられている。

吸気ポート１６には、吸気管２０、エアクリーナ２１が順に接続されている。吸気管２０には、吸気ポート１６へ向けて燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）２２が設けられていると共に、燃焼室１３に吸入される吸入空気量を計量するエアフローセンサ２３、スロットルバルブ２４の開度を計測するスロットル開度センサ２５、アイドル時のエンジン回転数が目標回転数になるように制御するアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ）２６が各々の適宜位置に配置されている。インジェクタ２２は、各気筒１１毎に配置され、マルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）システム化された燃料噴射方式を採用している。

排気ポート１８には、排気管２９、触媒コンバータ３０、マフラ３１が順に接続されている。

内燃機関１０には、冷却水温を計測する冷却水温センサ２７、エンジン回転数を計測するクランク角センサ２８が各々の適宜位置に配置されている。

吸気管２０の上流部に設けられたエアクリーナ２１から吸入された空気は、スロットルバルブ２４によって流量を調節された後、インジェクタ（燃料噴射弁）２２から所定のタイミングで噴射されたガソリンと混合されて各燃焼室１３内に供給される。

一方、燃料タンク３３からの燃料は、燃料ポンプ３４によって吸引・加圧された後、プレッシャレギュレータ３５を備えた燃料管３６を通ってインジェクタ２２の燃料入口部に導かれ、余分な燃料は燃料タンク３３に戻される態様で、インジェクタ２２に供給される。

燃焼室１３内に供給された混合気は点火プラグ１５によって点火され、混合気の燃焼による生じる排気ガスは、排気管２９を通って触媒コンバータ３０に導かれ、触媒コンバータ３０によって浄化された後、大気中に排出される。

排気管２９には排気空燃比（酸素濃度）に対してリニアな空燃比信号を出力する排気ガスセンサの一態様であるリニア空燃比センサ３２が適宜位置に配置されている。

エアフローセンサ２３から得られる吸入空気量を示す出力信号とスロットル開度センサ２５からの出力信号と、冷却水温センサ２７、クランク角センサ２８及びリニア空燃比センサ３２からの各出力信号は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４０に入力される。

ＥＣＵ４０は、コンピュータ式のものであり、車室あるいはエンジンルーム内に配置され、前述した各種のセンサから出力される内燃機関１０の運転状態を示す電気的な信号に基づいて、所定の演算処理を行ない、運転状態に応じた最適制御を行うべく、燃料を噴射供給するインジェクタ２２の開閉、点火プラグ１５の駆動、及びアイドルスピードコントロールバルブ２６の開閉を行う信号を各々出力し、併せて燃料ポンプ３４の制御を行う。そして、ＥＣＵ４０は、各気筒１１の吸気行程と燃料噴射タイミングを合わせて各気筒毎にインジェクタ２２から燃料を噴射する制御を行う。

ＥＣＵ４０は、演算処理を行うＣＰＵ４１と、基準となる時間（クロック信号）を生成するクロック発生器４２と、多数の制御プログラムを記憶するＲＯＭ４３及びＲＡＭ４４と、タイマカウンタ４５と、入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）４６と、出力回路４７と、デジタル入力回路４８と、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器４９と、アナログ入力回路５０とを有している。

ＥＣＵ４０は、具体的には、吸入空気量及び設定された空燃比に基づいてインジェクタ２２から各気筒１１に供給すべき要求燃料量を算出すると共に、該要求燃料量と、インジェクタ２２の噴射量特性である流量傾斜及び無効噴射パルス幅とに基づいて要求噴射パルス幅（インジェクタ２２の開弁時間）を演算し、該要求燃料噴射パルス幅に基づいてインジェクタ２２が噴射パルスの時間分の開弁を行う指令信号（駆動信号）を生成する。また、吸入空気量及びエンジン回転数等に基づいてインジェクタ２２の噴射時期を演算し、吸気行程に同期させると共に、吸気行程中の燃料噴射時期を最適なタイミングに設定し、該タイミングに基づいてインジェクタ２２、点火コイル・パワースイッチ手段１４に駆動信号を出力する。

図２（ａ）は、リニア空燃比センサ３２の構成例を示している。リニア空燃比センサ３２は、ジルコニア固体電解質等により構成された排気ガスセンサ素子（以下、センサ素子）３２Ｓと、センサ素子３２Ｓを加熱するヒータ３２Ｈとを有し、これらが共にプレート状である、いわゆる板型の排気ガスセンサであり、センサ素子３２Ｓとヒータ３２Ｈとは所定の間隔をおいて平行配置されている。

センサ素子３２Ｓは、Ｉｐセル部３２Ｓ−Ｉｐと、Ｖｓセル部（理論空燃比検出部）３２Ｓ−Ｖｓとを有し、Ｖｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの両側に、排気ガスを導入する測定室３２Ａと大気を導入する大気室（酸素基準室）３２Ｂとを画定している。

リニア空燃比センサ３２は、排気管２９の排気ガス中に含まれる残存酸素量を検出して排気ガスの実空燃比を測定し、その酸素濃度に応じた電気信号をＥＣＵ４０に出力する。

つまり、リニア空燃比センサ３２では、測定される空燃比に対してセンサ素子３２ＳのＩｐセル部３２Ｓ−Ｉｐに流れる空燃比測定電流Ｉｐが変化し、この空燃比測定電流Ｉｐを、センサ電圧制御部（空燃比検出部）４０１の測定用抵抗に流し、当該測定用抵抗の両端に生じるセンサ電圧を測定し、当該センサ電圧から排気ガスの実空燃比が換算される。排気ガスの実空燃比Ａ／Ｆと空燃比測定電流Ｉｐとの関係を、図２（ｂ）に示す。

センサ電圧制御部４０１は、測定室３２Ａに導入される排気ガスが理論空燃比より薄い場合には測定室３２Ａ内の酸素を排気ガス中に放出するように、逆に測定室３２Ａに導入される排気ガスが理論空燃比より濃い場合には測定室３２Ａ内に酸素を取り込むように空燃比測定電流Ｉｐを流す方向、大きさを調整する。

Ｖｓセル部３２Ｓ−Ｖｓは、測定室３２Ａに接する面と大気室３２Ｂに接する面に各々電極を設けられていて、構造的には従来からある排気ガスセンサとして用いられているＯ_２センサと同様の形態であり、電極の両端には測定室３２Ａの酸素濃度（空燃比Ａ／Ｆ）に応じて図２（ｃ）に示されているような特性の起電力Ｖｓを生じ、当該起電力Ｖｓを起電力検出部４０２によって検出される。

Ｖｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓはセンサ素子温度に依存し、約３００℃付近ではリッチ（濃い）／リーン（薄い）を判別するのに十分な起電力Ｖｓを生じるが、センサ素子温度が低い（１００℃付近）ほど生じる起電力Ｖｓは小さくなる。起電力検出部４０２によって検出される起電力Ｖｓよりセンサ電圧制御部４０１が測定室３２Ｓ内のリッチ（濃い）／リーン（薄い）の状態を判定し、これに基づいて空燃比測定電流Ｉｐの極性（流れ方向）を制御する。

ヒータ３２Ｈは、セラミックヒータ等により構成され、ヒータ通電制御部４０３によって、エンジン回転数、冷却水温に応じて通電状態を制御される。

本実施形態では、センサ電圧制御部４０１、起電力検出部４０２、ヒータ通電制御部４０３は、コンピュータ式のＥＣＵ４０によって具現化される。

図３（ａ）、（ｂ）は、リニア空燃比センサ３２を保護するプロテクタ構造を示している。このプロテクタ構造は、内側プロテクタチューブ３２１と外側プロテクタチューブ３２２との二重構造となっていて、内側プロテクタチューブ３２１に設けられた穴３２３と外側プロテクタチューブ３２２に設けられた穴３２４とが重ならないように、若しくはセンサ素子３２Ｓの配置位置には穴を設けないようにされている。

これにより、排気管２９の内壁表面の結露水が、排気ガスの流れに乗って外側プロテクタチューブ３２２、内側プロテクタチューブ３２１にかかっても、これらプロテクタチューブに設けられた穴３２３、３２４からの結露水が、直接、センサ素子３２Ｓにかからないようになっている。

しかし、このような構造がとられても、センサ素子３２Ｓ自体が露点温度以下になれば、別の問題が生じる。なぜならば、排気ガス中の水蒸気が内側プロテクタチューブ３２１の内部で結露するからである。

特に、エンジン始動時には、最初の爆発が起こるまでは、吸気効率を上げ、かつ、必要な空燃比を１４．７以下にして回転が維持されるので、吸入空気量はアイドル時よりも大きくなる。ここで、エンジン水温が１０℃以下の場合には、内燃機関１０の暖気を促進するために、通常のアイドル回転数よりも回転数を１０００〜１５００ｒ／ｍｉｎ程度に高く設定し、また空燃比を若干濃く設定するので、通常のアイドル時よりも多くの燃料が噴射され、排気ガス中の水蒸気も５〜１０ｇ／ｍｉｎ程度発生する。さらに、水温１０℃以下での場合には、リニア空燃比センサ３２付近の排気管２９の温度は外気温度に相当するので、水蒸気が冷却され、リニア空燃比センサ３２の内部にも結露水が付着してしまう。

図４（ａ）は、リニア空燃比センサ３２のセンサ素子３２Ｓの結露水付着状態を、図４（ｂ）、（ｃ）は、リニア空燃比センサ３２のセンサ素子３２Ｓの温度変化を示している。図４（ａ）に示されているように、リニア空燃比センサ３２は、センサ素子３２Ｓと該センサ素子３２Ｓを加熱するヒータ３２Ｈとが共にプレート状に所定間隔で配列されているから、センサ素子３２Ｓは、ヒータ３２Ｈに対面するヒータ面３２Ｓａと、ヒータ３２Ｈから遠い側の面（結露水付着面）３２Ｓｂとを有する。

排気管２９が外気温度によって冷却され、センサ素子３２Ｓ、ヒータ３２Ｈに結露水が存在する状態で内燃機関１０を始動させ、ヒータ３２Ｈがセンサ素子３２Ｓの活性化温度（６００℃）に設定される（以下、活性化通電とする）と、図４（ｂ）に示されているように、センサ素子３２Ｓのうち、ヒータ面３２Ｓａではヒータ３２Ｈの輻射熱によって急速に温度上昇し、結露水が蒸発し、ヒータ３２Ｈとほぼ同じ温度になる。

一方で、ヒータ３２Ｈから遠い側の面３２Ｓｂでは、熱伝達の遅れによって結露水が未だ蒸発されず、結露水が蒸発されるまでの時間は、水の沸点である１００℃の表面温度に維持され、その蒸発後に活性化温度（６００℃）に達することになる。

つまり、ヒータ３２Ｈから遠い側の面３２Ｓｂでは、結露水の蒸発後に急激に活性化温度に達することから、図４（ｃ）に示されているように、単位時間当りの温度上昇率も高くなるので、センサ素子３２Ｓ内部には、大きな熱応力が生じ、センサ素子３２Ｓの破損の原因となる。

このため、結露水がセンサ素子３２Ｓの表面から全て蒸発するまでの間は、センサ素子３２Ｓの温度を低く、例えば、１００℃に保ち、素子表面の結露水を蒸発させながら、しかも、センサ素子３２Ｓに熱応力が生じないよう、ヒータ３２Ｈの通電を制御する（以下、この通電制御をウォームアップ通電と云う）ことで、センサ素子３２Ｓの破損を防止する必要がある。

しかしながら、センサ素子３２Ｓが活性化しない状態では、排気ガスの空燃比を目標値に保つ空燃比制御が行なえず、排気ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ成分の量が増加するという問題がある。

このことに対して、本実施形態の排気ガスセンサのヒータ制御装置では、このようなセンサ素子３２Ｓの破損を防止しつつ、センサ素子３２Ｓに付着した結露水が全て蒸発した時点を適切に判定し、ウォームアップ通電を終了して活性化通電に切り換えるために、該リニア空燃比センサ３２のＶｓセル部（理論空燃比検出部）３２Ｓ−Ｖｓが従来のＯ_２センサと同等の構造であり、リニア空燃比センサ３２の活性化温度（６００℃）よりも低い（３００℃）で起電力が生じることに着目して、以下のようにヒータ制御を行う。

図５は、ヒータ制御装置（ＥＣＵ４０に内蔵）の一つの実施形態を示している。ヒータ制御装置は、判定手段４０４と、前回のヒータ通電時に判定手段４０４が肯定判定するまでの期間（時間）を記憶する記憶手段４０５と、記憶手段４０５に記憶されている情報の異常を判定する照合手段４０６とを有する。判定手段４０４は、センサ素子３２ＳのＶｓセル部（理論空燃比検出部）３２Ｓ−Ｖｓが生じる起電力Ｖｓまたは起電力変化量が所定値以上になったか否やを判別する判別手段である。さらに、運転状態検出手段４０７によってヒータ制御に必要なパラメータを求め、ヒータ通電制御部４０３による通電制御によってヒータ３２Ｈの温度制御を行なっている。

図６は本発明の実施形態１を示すタイミングチャートである。実施形態１では、センサ素子３２Ｓを３００℃相当まで昇温できるように、ヒータ３２Ｈを通電（第１ウォームアップ通電）して加熱した時、Ｖｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓがヒータ通電開始後に所定量の変化があれば、センサ素子３２Ｓの表面に結露水が付着していないためセンサ素子３２Ｓが昇温したと判断できるので、この場合には、ヒータ３２Ｈに対する通電を活性化通電に切り換える。

これに対し、Ｖｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓがヒータ通電開始時点から変化がない場合は、結露水がセンサ素子３２Ｓの表面に付着し蒸発している過程のためにセンサ素子３２Ｓが昇温しない（図４（ｂ）の１００℃に停滞している状態）と判断してヒータ通電開始時点から第１期間（３００℃保持時間Ｔ１）が経過するまで、活性化通電の開始を遅延させることで、センサ素子３２Ｓ表面の結露水の有無を判定する。

第１期間に行う第１ウォームアップ通電は、センサ素子３２Ｓが昇温する温度が２５０℃から３００℃程度の範囲の通電でよい。

図７のフローチャートを用いて実施形態１の動作について説明する。
まず、ステップＳ７０１では、内燃機関１０の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップＳ７０３に進み、ステップＳ７０１が否定であれば、ステップＳ７０２でヒータ３２Ｈをオフして終了する。

ステップＳ７０３では、３００℃保持時間Ｔ１（第１期間）を計測するタイマを初期化し、３００℃保持時間Ｔ１を設定する。

つぎに、ステップＳ７０４では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を３００℃相当の第１ウォームアップ通電（以下、第１ヒータ通電と云う）に設定し、ヒータ３２Ｈに対してヒータ通電を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。

つぎに、ステップＳ７０５では、リニア空燃比センサ３２のＶｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓを測定した起電力検出部４０２の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値ＳＬ１を判定手段４０４によって比較判定する。図６の例では、起電力Ｖｓが生じると、起電力検出部４０２の電圧が低下する検出回路の構成となっている。

ステップＳ７０５が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ７０６へ進み、３００℃保持時間Ｔ１が経過するまでの間、ステップＳ７０４の第１ヒータ通電と、ステップＳ７０５の判定を繰返し実施する。

これに対し、ステップＳ７０５が肯定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１であれば、ステップＳ７０７へ進む。また、３００℃保持時間Ｔ１が経過してもステップＳ７０５が否定ならば（ステップＳ７０６肯定）、ステップＳ７０７へ進む。

ステップＳ７０７では、ヒータ目標温度を６００℃相当のヒータ通電（活性化通電）を実施し、第１ウォームアップ通電を終了する。

上述の制御により、結露水がセンサ素子３２Ｓの表面から全て蒸発するまでの間は、センサ素子３２Ｓの温度が、例えば、１００℃に保たれ、素子表面の結露水を蒸発させながら、しかも、センサ素子３２Ｓに熱応力が生じないよう、ヒータ３２Ｈに対して第１ウォームアップ通電（第１ヒータ通電）が行われ、Ｖｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓが変化すれば、素子表面の結露水がすべて蒸発として、直ちに第１ウォームアップ通電を終了し、活性化通電が開始されることになる。これにより、素子表面の結露水によるセンサ素子３２Ｓの破損が防止される共に、センサ活性化時期が最適化され、排気性能を悪化させることなく燃費向上が図られる。

また、ヒータ機能の故障等の理由により、ヒータ通電開始後、予め設定された３００℃保持時間Ｔ１を経過してしまう場合には、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１にならなくても、第１ウォームアップ通電を終了して活性化通電へ遷移し、その後、故障診断等を実施する。

図８は、本発明の実施形態２を示すタイミングチャートである。実施形態２では、センサ素子３２Ｓ表面に結露水が付着していない場合は、第１ヒータ通電（第１ウォームアップ通電）を開始した後に、起電力検出部電圧変化量＜ＳＬ１となるまでの時間は、ほぼ一定（水の蒸発がないので、ヒータ３２Ｈが発生する熱量が同一ならセンサ素子３２Ｓが３００℃相当に昇温する時間は、はぼ再現性がある）であることに着目し、このことに基づいて３００℃保持時間Ｔ１Ａ（第１期間）を設定し、３００℃保持時間Ｔ１Ａの間は、第１ヒータ通電を実施し、３００℃保持時間Ｔ１Ａが経過した時点で、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１であれば、最初からセンサ素子３２Ｓ表面に結露水が付着していなかったと判断して、第１ウォームアップ通電を直ちに終了して活性化通電を開始する。

なお、３００℃保持時間Ｔ１Ａは、センサ素子３２Ｓに結露水が付着していない状態で第１ヒータ通電を実施した時に、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１になる時間にマージンを加算して設定する。

センサ素子３２Ｓ表面に結露水がある場合は、結露水が蒸発するためセンサ素子３２Ｓの温度は１００℃付近で一時的に停滞するので、３００℃保持時間Ｔ１Ａが経過しても、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、センサ素子３２Ｓ表面に結露水が付着していると判断でき、この場合には、ヒータ目標温度１００℃相当の第２ウォームアップ通電（以下、第２ヒータ通電と云う）へ切り換え、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１になることを判定し、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１になれば、第２ウォームアップ通電を終了して活性化通電を開始する。

これにより、センサ素子３２Ｓ表面に付着した結露水が蒸発している間は、ヒータ目標温度１００℃に下げてセンサ素子３２Ｓ内部に熱応力がかからないように、ヒータ通電が行われる。

また、第２ヒータ通電を開始してから第２期間（１００℃保持時間Ｔ２）を経過しても、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１にならない場合には、第２ウォームアップ通電を終了して活性化通電を開始する。

第１期間に行う第１ウォームアップ通電は、センサ素子３２Ｓが昇温する温度が２５０℃から３００℃程度の範囲の通電、第２期間に行う第２ウォームアップ通電は、センサ素子３２Ｓが昇温する温度が５０℃から１００℃程度の範囲の通電でよい。

図９のフローチャートを用いて実施形態２の動作について説明する。
まず、ステップＳ９０１では、内燃機関１０の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップＳ９０３に進み、ステップＳ９０１が否定であれば、ステップＳ９０２でヒータ３２Ｈをオフして終了する。

ステップＳ９０３では、３００℃保持時間Ｔ１Ａ（第１期間）を計測するタイマを初期化し、３００℃保持時間Ｔ１Ａを設定する。

ステップＳ９０４では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を３００℃相当の第１ウォームアップ通電（第１ヒータ通電）に設定し、ヒータ３２Ｈに対して第１ヒータ通電を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。

つぎに、ステップＳ９０５では、リニア空燃比センサ３２のＶｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓを測定した起電力検出部４０２の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値ＳＬ１を判定手段４０４によって比較判定する。図８の例でも、起電力Ｖｓが生じると、起電力検出部４０２の電圧が低下する検出回路の構成となっている。

ステップＳ９０５が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ９０６へ進み、３００℃保持時間Ｔ１Ａが経過するまでの間、ステップＳ９０４の第１ヒータ通電と、ステップＳ９０５の判定を繰返し実施する。

３００℃保持時間Ｔ１Ａが経過してもステップＳ９０５が否定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ９０７へ進む。

これに対し、３００℃保持時間Ｔ１Ａ中に、ステップＳ９０５が肯定になれば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１になれば、直ちにステップＳ９１１へ進む。

ステップＳ９０７では、１００℃保持時間Ｔ２（第２期間）を計測するタイマを初期化し、１００℃保持時間Ｔ２を設定する。

つぎに、ステップＳ９０８では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を１００℃相当の第２ウォームアップ通電（以下、第２ヒータ通電と云う）に設定し、ヒータ３２Ｈに対して第２ヒータ通電を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。

つぎに、ステップＳ９０９では、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１の判定を行い、肯定ならば、ステップＳ９１１へ進み、否定ならば、ステップＳ９１０へ進む。

ステップＳ９１０では、１００℃保持時間Ｔ２が経過するまでの間、ステップＳ９０８の第２ヒータ通電と、ステップＳ９０９の判定を繰返し実施する。

センサ素子３２Ｓは、常に高温の排気ガスに曝されているから、１００℃保持時間Ｔ２の間にセンサ素子３２Ｓ表面の結露水が全て蒸発した後、排気ガスからの受熱によりセンサ素子３２Ｓが暖められて昇温し、ステップＳ９０９が肯定判定となることがあるので、本実施形態では、第２ヒータ通電中も、ステップＳ９０９の判定を行っている。

１００℃保持時間Ｔ２内においてステップＳ９０９が肯定、あるいは１００℃保持時間Ｔ２が経過しても、ステップＳ９０９が否定ならば、ステップＳ９１１へ進む。

ステップＳ９１１では、ヒータ目標温度を６００℃相当のヒータ通電（活性化通電）を実施し、第１あるいは第２ウォームアップ通電を終了する。

図１０は、本発明の実施形態３を示すタイミングチャートである。
実施形態３では、図４（ｃ）で説明したように、センサ素子３２Ｓの昇温速度が高いと、センサ素子内部に熱応力が生じることから、ヒータ目標温度を瞬時に切り換えるのではなく、所定値ずつ徐々に変化させることで、センサ素子３２Ｓの昇温速度を緩やかにし、熱応力を抑えたヒータ制御を行う。

図１１のフローチャートを用いて実施形態３の動作について説明する。
まず、ステップＳ１１０１では、内燃機関１０の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップＳ１１０３に進み、ステップＳ１１０１が否定であれば、ステップＳ１１０２でヒータ３２Ｈをオフして終了する。

ステップＳ１１０３では、３００℃保持時間Ｔ１Ａ（第１期間）を計測するタイマを初期化し、３００℃保持時間Ｔ１Ａを設定する。

ステップＳ１１０４では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を現在のヒータ目標温度に対して所定値（例えば１０℃）を加算した温度であって３００℃を超えない温度に設定し、ヒータ３２Ｈに対してヒータ目標温度に応じた第１ウォームアップ通電（第１ヒータ通電）を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。これにより、ヒータ目標温度が急激に変化することがなく、センサ素子３２Ｓの加熱温度が３００℃に向けて徐々に上昇する。

つぎに、ステップＳ１１０５では、リニア空燃比センサ３２のＶｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓを測定した起電力検出部４０２の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値ＳＬ１を判定手段４０４によって比較判定する。図１０の例でも、起電力Ｖｓが生じると、起電力検出部４０２の電圧が低下する検出回路の構成となっている。

ステップＳ１１０５が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ１１０６へ進み、３００℃保持時間Ｔ１Ａが経過するまでの間、ステップＳ１１０４の第１ヒータ通電と、ステップＳ１１０５の判定を繰返し実施する。

３００℃保持時間Ｔ１Ａが経過してもステップＳ１１０５が否定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ１１０７へ進む。

これに対し、３００℃保持時間Ｔ１Ａ中に、ステップＳ１１０５が肯定になれば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１になれば、直ちにステップＳ１１１１へ進む。

ステップＳ１１０７では、１００℃保持時間Ｔ２（第２期間）を計測するタイマを初期化し、１００℃保持時間Ｔ２を設定する。

つぎに、ステップＳ１１０８では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を現在のヒータ目標温度から所定値（例えば１０℃）を減算した値で１００℃より大きい温度に設定し、ヒータ３２Ｈに対してヒータ目標温度に応じた第２ウォームアップ通電（第２ヒータ通電）を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。これにより、ヒータ目標温度が急激に変化することがなく、センサ素子３２Ｓの加熱温度が１００℃に向けて徐々に降下する。

つぎに、ステップＳ１１０９では、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１の判定を行い、肯定ならば、ステップＳ１１１１へ進み、否定ならば、ステップＳ１１１０へ進む。

ステップＳ１１１０では、１００℃保持時間Ｔ２が経過するまでの間、ステップＳ１１０８の第２ヒータ通電と、ステップＳ１１０９の判定を繰返し実施する。

１００℃保持時間Ｔ２内においてステップＳ１１０９が肯定、あるいは１００℃保持時間Ｔ２が経過しても、ステップＳ１１０９が否定ならば、ステップＳ１１１１へ進む。

ステップＳ１１１１では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を現在のヒータ目標温度に対して所定値（例えば１０℃）を加算した温度であって６００℃を超えない温度に設定し、ヒータ３２Ｈに対してヒータ目標温度に応じたヒータ通電（活性化通電）を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。これにより、ヒータ目標温度が急激に変化することがなく第１あるいは第２ウォームアップ通電が終了し、センサ素子３２Ｓの加熱温度が６００℃に向けて徐々に上昇する。

上述のステップＳ１１０４、Ｓ１１０８、Ｓ１１１１では、ヒータ目標温度を所定値ずつ変化させているが、ヒータ目標温度を徐々に変化させる値は、固定値、所定比率もしくは運転状態に応じて可変設定されてもよい。

図１２は、本発明の実施形態４を示すタイミングチャートである。

第４の実施形態は、図８及び図９で説明した実施形態２で、１００℃保持時間Ｔ２が経過する前に、センサ素子３２Ｓ表面の結露水が全て蒸発しても、排気ガスの温度が低い状況、例えば、内燃機関１０がアイドル状態で放置された状況では、センサ素子３２Ｓが昇温しないので、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１とならず、１００℃保持時間Ｔ２が経過するまで活性化通電に切り換えられないことを改善している。
点に着目したものである。

すなわち、実施形態４では、第１ヒータ通電（ヒータ目標温度３００℃）を実施する３００℃保持時間Ｔ１Ｂ（第１期間）を、ヒータ通電開始後、複数回設ける構成とした。この場合、第１ヒータ通電を実施する比較的短い３００℃保持時間Ｔ１Ｂ（第１期間）と、第２ヒータ通電を実施する比較的短い１００℃保持時間Ｔ２Ｂ（第２期間）を交互に複数回繰り返すので、センサ素子３２Ｓ表面の水が全て蒸発した後にも第１ヒータ通電が行われ、排気ガスの温度が低い状況でも、ヒータ３２Ｈからの受熱でセンサ素子３２Ｓが昇温し、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１となって、活性化通電に切り換えることができる。

図１３は、排気ガスセンサのヒータ制御装置のフローチャートであり、該フローチャートを用いて実施形態４の動作について説明する。

まず、ステップＳ１３０１では、内燃機関１０の回転数から完爆状態か否かを判定し、完爆状態であれば、ステップＳ１３０３に進み、ステップＳ１３０１が否定であれば、ステップＳ１３０２でヒータ３２Ｈをオフして終了する。

ステップＳ１３０３では、３００℃保持時間Ｔ１Ｂ（第１期間）を計測するタイマを初期化し、３００℃保持時間Ｔ１Ｂを設定する。

ステップＳ１３０４では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を３００℃相当の第１ウォームアップ通電（第１ヒータ通電）に設定し、ヒータ３２Ｈに対して第１ヒータ通電を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。

つぎに、ステップＳ１３０５では、リニア空燃比センサ３２のＶｓセル部３２Ｓ−Ｖｓの起電力Ｖｓを測定した起電力検出部４０２の電圧のヒータ通電開始時からの変化量としきい値ＳＬ１を判定手段４０４によって比較判定する。図１２の例でも、起電力Ｖｓが生じると、起電力検出部４０２の電圧が低下する検出回路の構成となっている。

ステップＳ１３０５が否定なら、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ１３０６へ進み、３００℃保持時間Ｔ１Ｂが経過するまでの間、ステップＳ１３０４の第１ヒータ通電と、ステップＳ１３０５の判定を繰返し実施する。

３００℃保持時間Ｔ１Ｂが経過してもステップＳ１３０５が否定ならば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１でなければ、ステップＳ１３０７へ進む。

これに対し、３００℃保持時間Ｔ１Ｂ中に、ステップＳ１３０５が肯定になれば、つまり、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１になれば、直ちにステップＳ１３１２へ進む。

ステップＳ１３０７では、１００℃保持時間Ｔ２Ｂ（第２期間）を計測するタイマを初期化し、１００℃保持時間Ｔ２Ｂを設定する。

つぎに、ステップＳ１３０８では、ヒータ通電制御部４０３によりヒータ目標温度を１００℃相当の第２ウォームアップ通電（以下、第２ヒータ通電と云う）に設定し、ヒータ３２Ｈに対して第２ヒータ通電を行い、センサ素子３２Ｓの加熱を行なう。

つぎに、ステップＳ１３０９では、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１の判定を行い、肯定ならば、ステップＳ１３１２へ進み、否定ならば、ステップＳ１３１０へ進む。

ステップＳ１３１０では、１００℃保持時間Ｔ２Ｂが経過するまでの間、ステップＳ１３０８の第２ヒータ通電と、ステップＳ１３０９の判定を繰返し実施する。

１００℃保持時間Ｔ２Ｂが経過しても、ステップＳ１３０９が否定ならば、ステップＳ１３１１へ進む。

ステップ１３１１では、ステップＳ１３０３からステップＳ１３１０を実施した回数がＫＮ回未満ならば、ステップＳ１３０３へ戻り、ステップＳ１３０３からステップＳ１３１０を繰り返し実施する。これに対し、繰返し回数がＫＮ回となったら、ステップＳ１３１２へ進む。

ステップＳ１３１２では、ヒータ目標温度を６００℃相当のヒータ通電（活性化通電）を実施し、第１あるいは第２ウォームアップ通電を終了する。

ここで、ステップＳ１３０４で設定されるヒータ目標温度は３００℃固定または繰返し回数に応じて変えてもよい。例えば、図１２に示すように、ヒータ通電開始後の初回はヒータ目標温度は３００℃、２回目以降は３００℃よりも低い温度（例えば２５０℃）としている。これは、初回はセンサ素子３２Ｓが冷えている状態から昇温するのに対し、２回目以降はセンサ素子が１００℃相当の状態から昇温するので、初回よりもヒータの発熱量は小さく設定している例を示している。

以下に、本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の他の実施形態について説明する。

（１）第１ヒータ通電（ヒータ目標温度３００℃）を実施する３００℃保持時間Ｔ１、Ｔ１Ａは、センサの生産ばらつきや経時劣化によるばらつきを考慮してワーストケースの最長期間を設定する必要がある。

しかしながら、センサ素子３２Ｓに水が付着していた場合、センサ素子３２Ｓに水が付着した状態で、第１ヒータ通電（ヒータ目標温度３００℃）が行われる期間が長くなり、図４（ｃ）で説明したセンサ素子３２Ｓ内部に熱応力を生じさせるので、センサ素子個々に応じた適切な期間を設定することが望ましい。

そこで、第１ヒータ通電を開始してから、起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１となるまでの時間（例えば、経過時間Ｔ１ＢＣＴとする）を不揮発性のメモリ（例えば、バッテリバックアップしたＲＡＭ４４＝記憶手段４０５）に記憶し、次回のヒータ通電開始時には記憶手段４０５に記憶した経過時間Ｔ１ＢＣＴから、３００℃保持時間Ｔ１、Ｔ１Ａを設定する構成としてもよい。

また、実測した値を記憶手段４０５に記憶するので、記憶手段４０５の故障や、起電力検出部４０２とセンサ素子３２Ｓをつなぐ信号線に電気ノイズが混入した場合に、誤って起電力検出部電圧変化量＞しきい値ＳＬ１の肯定判定される場合も考えられるので、記憶手段４０５に記憶した経過時間Ｔ１ＢＣＴは、予めＲＯＭ４３に記憶された上下限の範囲外（例えばＴ１ＢＣＴＭＮからＴ１ＢＣＴＭＸ）であれば、所定値（例えば、Ｔ１ＢＣＴＭＸ）を３００℃保持時間Ｔ１、Ｔ１Ａに設定してもよい。

（２）第１期間あるいは第２期間が経過したことを判定するパラメータ、つまり、第１ヒータ通電または第２ヒータ通電を行う期間は、各々のヒータ通電が開始してからの経過時間以外に、内燃機関１０が始動してからの吸入空気量の積算値が所定値に達するまでの期間としてもよい。吸入空気量は内燃機関１０が発生する熱量に相当するので、吸入空気量の積算値を使ってヒータ３２Ｈを通電する期間を設定することで、排気ガスからの受熱によりセンサ素子３２Ｓや排気管が昇温状況にあった期間を設定できる。なお、ヒータ３２Ｈの発熱量は電源であるバッテリ電圧やヒータを流れる電流を検出することで求めることができるので、センサ素子の昇温状態にあった期間を設定できる。

（３）第１ヒータ通電または第２ヒータ通電を行う期間（時間）が経過したことを判定するしきい値は、内燃機関１０の運転状態から求めてもよい。例えば、外気温が低い場合は排気管内に発生する結露水の量が多くなるので、センサ素子表面に付着した水が全て蒸発するまでの期間が長くなるので、低外気温ほど期間（時間）を長く設定できる。

（４）ヒータ３２Ｈの通電を制御する手段として、デューティ信号を使い、第１ヒータ通電、第２ヒータ通電、活性化通電で設定するヒータ目標温度は、デューティ値で設定するような構成としてもよい。つまり、デューティ比制御によってヒータ通電を制御してもよい。デューティ信号は、コントロールユニット４０内のクロック発生器４２を使って生成できるので、コントロールユニット４０に設けるヒータ通電制御部４０３を簡素化できる。

（５）リニア空燃比センサ３２のＶｓセル部（理論空燃比検出部）３２Ｓ−Ｖｓの起電力を測定する起電力検出部４０２の電圧のヒータ通電開始からの変化量としきい値ＳＬ１を比較した判定結果により活性化通電へ切り換える際、該判定結果が肯定となってから活性化通電へ切り換えるまでに所定の遅延時間（例えば２秒）を設ける、または、該判定結果が肯定となった状態が所定時間（例えば２秒）連続した時に活性化通電へ切り換える構成としてもよい。

図４で説明したように、センサ素子３２Ｓ表面の結露水が全て蒸発したときに、ヒータ面と結露水付着面との間に温度差があると、温度上昇率が高くなる（図４（ｂ）、（ｃ））要因になることから、例えば、コントロールユニット４０の起電力検出部４０２に接続された信号線にノイズが混入し、判定結果が誤って肯定判定するような誤動作を回避できる。

以上説明した実施形態は、図２で説明した構造のリニア空燃比センサ３２に限定されるものではなく、図１４に示す構造のリニア空燃比センサ３２０にも適用できる。なお、図１４において、図２に対応する部分は、図２に付した符号と同一の符号を付けて、その説明を省略する。

リニア空燃比センサ３２０は、空燃比測定電流Ｉｐを検出する信号線と、起電力Ｖｓを検出する信号線を共有する構造となっている。空燃比測定電流Ｉｐを停止した状態では、大気室３２Ｂと排気ガスと接するセンサ素子面側との酸素濃度差に応じた起電力Ｖｓのみが信号線に現れるので、ＥＣＵ４０の起電力検出部４０２で起電力Ｖｓを検出できる。

前述の実施形態で説明したヒータ制御は、何れも機関始動からセンサが活性化温度に至るまでのセンサが活性していない状態についてのヒータ制御であり、空燃比測定電流は停止した状態であることから、図１４に示す構造のリニア空燃比センサ３２０にも適用できる。

以上の説明から理解できるように、本発明による排気ガスヒータ制御装置は、センサ素子に結露水が付着している場合に、該センサ素子に生じる熱応力が過大にならないよう、結露水が蒸発する間、ヒータ又はセンサ素子の温度を、センサが活性化する温度よりも低く設定してヒータの通電を行なうことで、センサ素子の破損を防止することを目的としたウォームアップ通電を実施している期間中に、センサ素子表面の結露水が蒸発したことを的確に判定し、ウォームアップ通電から活性化通電へ切り換えて排気ガスセンサが活性化する温度まで昇温させることが可能である。

これにより、排気ガスセンサの活性化をより確実に、かつ従来に比較して早期に行なうことができるので、排気ガスを目標空燃比に制御可能な範囲が拡大できる。従って、ウォームアップ通電による排気ガスセンサの破損防止を行ないつつ、より一層の排気レベルの低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるものである。

本発明の排気ガスセンサのヒータ制御装置を備えたエンジン制御システムの全体構成図。 （ａ）は本発明によるヒータ制御装置が適用されるリニア空燃比センサの一つの実施形態を示す構成図、（ｂ）はリニア空燃比センサの空燃比測定電流特性を示すグラフ、（ｃ）はリニア空燃比センサの起電力特性を示すグラフ。 （ａ）、（ｂ）は本発明によるヒータ制御装置が適用されるリニア空燃比センサのプロテクタ構造を示す説明図。 （ａ）は本発明によるヒータ制御装置が適用されるリニア空燃比センサの結露水付着を示す説明図、（ｂ）、（ｃ）はセンサ素子の温度変化、温度上昇率を示すグラフ。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の一つの実施形態を示す制御ブロック図。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態１を示すタイミングチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態１を示すフローチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態２を示すタイミングチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態２を示すフローチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態３を示すタイミングチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態３を示すフローチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態４を示すタイミングチャート。 本発明による排気ガスセンサのヒータ制御装置の実施形態４を示すフローチャート。 本発明によるヒータ制御装置が適用されるリニア空燃比センサの他の実施形態を示す構成図。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ 気筒
１２ ピストン
１３ 燃焼室
１４ 点火コイル・パワースイッチ手段
１５ 点火プラグ
１６ 吸気ポート
１７ 吸気弁
１８ 排気ポート
１９ 排気弁
２０ 吸気管
２１ エアクリーナ
２２ インジェクタ
２３ エアフローセンサ
２４ スロットルバルブ
２５ スロットル開度センサ
２６ アイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳＣ）
２７ 冷却水温センサ
２８ クランク角センサ
２９ 排気管
３０ 触媒コンバータ
３１ マフラ
３２ リニア空燃比センサ
３２０ リニア空燃比センサ
３２Ｓ センサ素子
３２Ｈ ヒータ
３２Ｓ−Ｉｐ Ｉｐセル部
３２Ｓ−Ｖｓ Ｖｓセル部（理論空燃比検出部）
３２１ 内側プロテクタチューブ
３２２ 外側プロテクタチューブ
３２３、３２４ 穴
３３ 燃料タンク
３４ 燃料ポンプ
３５ プレッシャレギュレータ
３６ 燃料管
４０ コントロールユニット（ＥＣＵ）
４０１ センサ電圧制御部
４０２ 起電力検出部
４０３ ヒータ通電制御部
４０４ 判定手段
４０５ 記憶手段
４０６ 照合手段
４２ クロック発生器
４３ ＲＯＭ
４４ ＲＡＭ
４５ タイマカウンタ
４６ 入出力インターフェイス（Ｉ／Ｏ）
４７ 出力回路
４８ デジタル入力回路
４９ Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器
５０ アナログ入力回路

Claims (12)

1. 理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、
   前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、
   ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第１ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第１期間を設定し、前記第１期間では前記ヒータに対する通電を前記第１ウォームアップ通電とし、前記第１期間が経過、あるいは前記第１期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第１ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
2. 理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、
   前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、
   ヒータ通電開始後にセンサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第１ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第１期間と、前記第１期間経過後に前記第１期間よりも更に低い温度で加熱を行う第２ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第２期間を設定し、前記第１期間では前記ヒータに対する通電を前記第１ウォームアップ通電とし、前記第期間では前記ヒータに対する通電を前記第２ウォームアップ通電とし、前記第２期間が経過、あるいは前記第１期間あるいは前記第２期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第１ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
3. 理論空燃比検出部を含むセンサ素子と、前記センサ素子を加熱するヒータとを有する排気ガスセンサのヒータ制御装置であって、
   前記センサ素子の前記理論空燃比検出部が生じる起電力または起電力変化量が所定値以上になったか否かを判別する判別手段を有し、
   センサ活性温度よりも低い温度で加熱を行う第１ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第１期間と、前記第１期間よりも更に低い温度で加熱を行う第２ウォームアップ通電を前記ヒータに対して行なう第２期間とを設定し、ヒータ通電開始後に前記第１期間による第１ウォームアップ通電と前記第２期間による第２ウォームアップ通電を繰返し行い、その繰返し回数が所定値になるか、あるいは前記第１期間あるいは前記第２期間において前記判別手段が肯定判定した時には、前記ヒータに対する通電を、前記第１ウォームアップ通電の加熱温度より高温の加熱を行う活性化通電に切り換えることを特徴とする排気ガスセンサのヒータ制御装置。
4. 前記第１期間に行なう第１ヒータウォームアップ通電は、前記センサ素子が昇温する温度が２５０℃から３００℃の範囲であることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
5. 前記第２期間に行なう第２ヒータウォームアップ通電は、前記センサ素子が昇温する温度が５０℃から１００℃の範囲であることを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
6. 前記第１期間中に前記判別手段が肯定判定した時に前記第１期間を開始してから前記判定手段が肯定判定するまでの期間を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段に記憶された期間情報を基づいて前記第１期間を可変設定することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
7. 前記記憶手段に記憶された前記期間情報が所定範囲外である場合には、前記第１期間を所定範囲内の値に設定することを特徴とする請求項６に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
8. ヒータ通電切換時のヒータ通電を所定量ずつ徐々に変化させることを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
9. 前記第１期間あるいは前記第２期間が経過したことを判定するパラメータが経過時間であることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
10. 前記第１期間あるいは前記第２期間が経過したことを判定するパラメータが内燃機関に吸入される吸入空気量の積算値であることを特徴とする請求項１から８の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
11. 前記第１期間あるいは前記第２期間が経過したことを判定するしきい値を内燃機関の運転状態に応じて設定することを特徴とする請求項１から１０の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。
12. 前記ヒータはデューティ信号によって駆動され、デューティ比制御によってヒータ通電を制御することを特徴とする請求項１から１１の何れか一項に記載の排気ガスセンサのヒータ制御装置。

Images