JPH1073565A - 全領域空燃比センサ、全領域空燃比センサの温度制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 起電力セルに電流または電圧を印加すること
で、起電力セルのみならずポンプセルの温度をも測定で
きる全領域空燃比センサ、全領域空燃比センサの温度制
御方法及び装置を提供する。 【解決手段】 起電力セル２４のプラス端子へ温度測定
用定電流−Ｉconst が印加されている間においても、ス
イッチＳＷ１がオフとなりコンデンサＣ１にてＰＩＤ回
路の出力値が一定に維持されるため、オペアンプＯＰ２
が、該ＰＩＤ回路に抵抗Ｒ１を介して接続されたＶCENT
の電位を一定に保つようにポンプセル１４のプラス端子
へ電流を印加する。即ち、オペアンプＯＰ２が、起電力
セル２４側へ印加された温度測定用定電流−Ｉconst
と、逆極性の電流をポンプセル１４側へ印加する。この
ため、ヒータ制御回路６０が、起電力セル２４への温度
測定用定電流−Ｉconst の印加時に、該起電力セル２４
の電位を測定して温度を求めるのと同時に、該ヒータ制
御回路６０が、ポンプセル１４の電位を測定して温度を
求め得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気ガ
ス中に含まれる酸素の濃度を検出する全領域空燃比セン
サの温度制御方法及び温度制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】エンジンに供給する混合気の空燃比を目
標値に制御し、排気ガス中のＣＯ、ＮＯx 、ＨＣを軽減
するために、排気系に酸素センサを設け、空燃比と相関
関係を持つ排気中の酸素濃度に応じて、燃料供給量をフ
ィードバック制御することが知られている。このフィー
ドバック制御に用いられる酸素センサとしては、特定の
酸素濃度（特に理論空燃比雰囲気）で出力がステップ状
に変化するλセンサと、リーン領域からリッチ領域まで
連続的に出力が変化する全領域空燃比センサとが主に用
いられている。全領域空燃比センサは、上述したように
排気ガス中の酸素濃度を連続的に測定でき、フィードバ
ック制御の速度及び精度を向上させ得るため、より高速
な高精度制御が要求される際に用いられている。

【０００３】全領域空燃比センサは、酸素イオン伝導性
固体電解質体の２つのセルを間隙（測定室）を介して対
向配設し、一方のセルを間隙内の酸素を周囲にくみ出す
もしくは周囲から酸素をくみ込むポンプセルとして用
い、また、他方のセルを酸素基準室と間隙との酸素濃度
差によって電圧を生じる起電力セルとして用い、起電力
セルの出力が一定になるようにポンプセルを動作させ、
その時に該ポンプセルに流す電流を、測定酸素濃度比例
値として測定する。この全領域空燃比センサの動作原理
は、本出願人の出願に係る特開昭６２−１４８８４９号
中に詳述されている。

【０００４】この全領域空燃比センサを動作させるため
には、該ポンプセル及び起電力セルを所定温度以上に加
熱し、酸素イオン伝導性固体電解質体の活性を高める必
要がある。このため、全領域空燃比センサには、加熱用
のヒータがポンプセル及び起電力セルの近傍に取り付け
られている。

【０００５】現在、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、ＨＣ等
の有害ガス成分を更に低減することが求められている。
この有害ガスの除去には、酸素センサにて排気ガス中の
酸素濃度を更に正確に測定し、空燃比のフィードバック
制御を高速で行う必要がある。ここで、酸素センサの精
度を高めるためには、酸素センサの温度を一定に保つこ
とが要求される。一定温度を実現するために、ヒータの
抵抗値を測定することにより、温度を測定し、測定温度
をセル温度とほぼ等しいと見なして、ヒータの温度を一
定に保つ方法が取られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では、排気ガスの温度が低いときや、ガスの流速が高
いときには、セル温度とヒータ温度が一致しなくなり、
高精度でセル温度を制御することができなかった。この
ため、本発明者は、全領域空燃比センサ（以下単にセン
サと言う）による酸素濃度の測定を一時中断し、起電力
セルに測定用の電流を流して、該素子の内部抵抗を測定
することで、直接温度を測定し、その温度が所定値にな
るようにセンサの加熱用ヒータを請求項する方法を案出
した。しかし、この方法では、例えば、排気ガス流が早
いときや、センサの暖機開始直後などでは、起電力セル
とポンプセルの温度が異なる場合があり、起電力セルの
みの温度が所定の温度になっても、センサ全体としては
十分に機能しないケースが見られた。

【０００７】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、センサ
自体に温度分布が有る場合でも、センサが十分に機能す
るようにヒータを制御することができる全領域空燃比セ
ンサ、全領域空燃比センサの温度制御方法及び装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１の全領域空燃比センサの温度制御方法で
は、加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電
力セルを間隔を介して対向配設し、酸素濃度を検出する
全領域空燃比センサの温度制御方法であって、前記起電
力セル及びポンプセルの両方の内部抵抗を検出すること
を技術的特徴とする。

【０００９】また請求項２の全領域空燃比センサの温度
制御方法では、請求項１において、前記起電力セルの内
部抵抗及びポンプセルの内部抵抗からそれぞれの温度を
検出し、何れかの温度が上限規定温度よりも高いときに
はヒータの通電を抑える方向に制御することを技術的特
徴とする。

【００１０】また請求項３では、請求項１又は２におい
て、前記起電力セルの内部抵抗及びポンプセルの内部抵
抗からそれぞれの温度を検出し、何れかの温度が下限規
定温度よりも低いときにはヒータの通電を高める方向に
制御することを技術的特徴とする。

【００１１】上記の目的を達成するため、請求項４は、
加熱用ヒータによって加熱されるポンプセルと起電力セ
ルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃度を測定する全
領域空燃比センサの温度制御装置であって、前記起電力
セルのマイナス端子と、前記ポンプセルとのマイナス端
子との共通端子に接続されたノードと、該ノードの電位
を一定に保つように前記ポンプセルのプラス端子へ電流
を印加する定電流手段と、前記ノードに抵抗を介して出
力端子が接続され、該抵抗を介して流れる電流によって
起電力セルの電位を一定に保つＰＩＤ回路と、前記ＰＩ
Ｄ回路の出力電圧、又は、前記定電流手段の出力電流に
基づき、酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記
起電力セルのプラス端子に起電力セルの温度検出用電流
もしくは電圧を印加する印加手段と、前記起電力セルの
プラス端子と前記ＰＩＤ回路の入力との間に介在し、前
記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もしく
は電圧の印加時に、該ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保
つホールド手段と、前記印加手段による起電力セルへの
温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該起電力セル
のプラス端子の電位を測定し、起電力セルの温度を検出
する起電力セル温度測定手段と、前記ポンプセルのプラ
ス端子の電位を測定し、該ポンプセルの温度を測定する
ポンプセル温度測定手段と、前記起電力セルの温度と前
記ポンプセルの温度のいずれか高い方の温度が上記規定
温度よりも高いときには、加熱用ヒータの通電を抑え、
いずれか低い方の温度が下限規定温度よりも低いときに
は、加熱用ヒータの通電を高める方向に制御する加熱用
ヒータ制御手段と、から成ることを技術的特徴とする。

【００１２】上記の目的を達成するため、請求項５の全
領域空燃比センサは、請求項４の温度制御装置を備えた
ことを技術的特徴とする。

【００１３】請求項１の発明では、起電力セルの温度だ
けでなく、ポンプセルの温度も同時に検出するので、セ
ンサ自体が温度分布を有していても、その温度分布を正
確に把握する事が出来るので、センサの温度がより正確
に制御できる。請求項２の発明では、起電力セルとポン
プセルの温度の何れかの温度が上限規定温度を越えない
ようにセンサの温度を制御するので、起電力セルの温度
よりもポンプセルの温度が高い場合に、起電力セルの温
度を所定の温度以上にしようと制御して、ポンプセルの
温度がセンサの耐熱性に対して問題の無い温度範囲の上
限である上限規定温度を越えてしまうような不具合を防
止する事が出来る。請求項３の発明では、起電力セルと
ポンプセルの温度の何れかの温度が下限規定温度よりも
低くならないようにセンサの温度を制御するので、起電
力セルの温度よりもポンプセルの温度が低い場合に、起
電力セルのみの温度で、その温度に達したと判断しヒー
タの通電を抑えてしまうと、ポンプセルの温度がまだ十
分に高くなっておらず結果としてセンサが十分に機能し
ないといった不具合を防止する事が出来る。

【００１４】請求項２、及び請求項３の発明において
は、起電力セルとポンプセルのそれぞれに上限規定温
度、下限規定温度を規定する事が出来る。例えば、セン
サの暖機時などでは、起電力セルは比較的低い温度で機
能しはじめるのに対して、ポンプセルはそれよりもかな
り温度を上げないとセンサとして機能しないケースが有
るが、その様な場合では、起電力セルが既に下限規定温
度に達していても、ポンプセルの温度がポンプセルの下
限規定温度に達するまでヒータの通電を高める方向に制
御するので、センサが適正に機能する状態に早く活性化
する事が出来る。請求項４及び５の発明は、請求項１乃
至３の発明を実際の装置として構成した発明であるが、
本発明の構成では、起電力セルとポンプセルの温度を検
出するために２つのセルに流す電流を共通にしているの
で、極めて簡単な構成で２つのセルの内部抵抗が検出で
き、２つのセルの温度が検出できる。

【００１５】請求項５の発明では、印加手段が、起電力
セルのプラス端子へ温度検出用電流もしくは電圧を印加
した際に、起電力セルのプラス端子とＰＩＤ回路の入力
との間に介在しているホールド手段が、該ＰＩＤ回路の
入力電位を一定に保ち、該ＰＩＤ回路の出力値を一定に
維持する。このため、起電力セルの温度測定中において
も、酸素濃度検出手段が前記ＰＩＤ回路の出力電圧に基
づき、一定の酸素濃度を出力することができる。

【００１６】また、起電力セルのプラス端子へ温度検出
用電流もしくは電圧が印加されている間においても、Ｐ
ＩＤ回路の出力値が一定に維持されるため、定電流手段
が、該ＰＩＤ回路に抵抗を介して接続された該ノードの
電位を一定に保つようにポンプセルのプラス端子へ電流
を印加する。即ち、該定電流手段が、起電力セル側へ印
加された温度検出用電流もしくは電圧と、逆極性の電流
もしくは電圧をポンプセル側へ印加する。このため、起
電力セル温度測定手段が、前記印加手段による起電力セ
ルへの温度検出用電流もしくは電圧の印加時に、該起電
力セルの電位を測定して起電力セルの温度を測定するの
と同時に、ポンプセル温度測定手段が、前記ポンプセル
の電位を測定し、該ポンプセルの温度を測定できる。即
ち、新たにポンプセル側へ測定電流または電圧を印加す
る装置を付加することなく、起電力セルとポンプセルの
温度を同時に測定することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施態
様について図を参照して説明する。図１は、本発明の一
実施態様に係る全領域空燃比センサを示している。セル
１０は排気ガス系に配設される。該セル１０は、排気ガ
ス中の酸素濃度を測定すると共に該セル１０の温度を測
定するコントローラ５０に接続されている。このセル１
０には、ヒータ制御回路６０にて制御される加熱用ヒー
タ７０（以下単にヒータと言う）が、図示しないセラミ
ック製接合剤を介して取り付けられている。ヒータ７０
は、絶縁材料としてアルミナ等のセラミックから成りそ
の内部にヒータ配線７２が配設されている。ヒータ制御
回路６０は、コントローラ５０により測定されるセル１
０の温度を、目標値に保つようヒータ７０へ電力を印加
し、該セル１０の温度を設定値に維持する。

【００１８】セル１０は、ポンプセル１４と、多孔質拡
散層１８と、起電力セル２４と、補強板３０とを積層す
ることにより構成されている。ポンプセル１４は、酸素
イオン伝導性固体電解質材料である安定化または部分安
定化ジルコニア（ＺｒＯ₂ )により形成され、その表面
と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電
極１２、１６を有している。測定ガスに晒される表面側
の多孔質電極１２は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ＋電圧
が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また、裏
面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−
電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。

【００１９】起電力セル２４も同様に安定化または部分
安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）により形成され、その表
面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質
電極２２、２８を有している。拡散室（測定室）２０側
に配設された多孔質電極２２は、起電力セル２４の起電
力の−電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、ま
た、基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、
起電力セル２４の起電力の＋電圧が生じるためＶｓ＋電
極として参照する。なお、基準酸素室２６の基準酸素は
多孔質電極２２から一定酸素を多孔質電極２８にポンピ
ングする事により生成する。ポンプセル１４と起電力セ
ル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された
間隙２０が形成されている。即ち、該間隙２０は、多孔
質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されてい
る。なお、本実施態様では、多孔質物質を充填して成る
多孔質拡散層１８を用いるが、この代わりに小孔を配設
することも可能である。

【００２０】ここで、測定ガスの酸素濃度と間隙２０の
酸素濃度との差に応じた酸素が、間隙２０側に多孔質拡
散層１８を介して拡散して行く。ここで、間隙２０内の
雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一
定に保たれている基準酸素室２６との間で、起電力セル
２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約
０．４５ｖの電位が発生する。コントローラ５０は、ポ
ンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記起電力セル電位２
４の起電力Ｖｓが０．４５ｖとなるように調整すること
で、間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論
空燃比に保つためのポンプセル電流量Ｉｐに基づき、測
定ガス中の酸素濃度を測定する。

【００２１】引き続き、コントローラ５０の構成を示す
図２を参照して制御動作について述べる。コントローラ
５０は、セル１０により酸素濃度を測定する動作と、セ
ル１０の起電力セル２４及びポンプセル１４のバルク抵
抗を測定することで温度を測定する動作とを行ってい
る。ここでは、まず、酸素濃度測定について説明する。

【００２２】オペアンプＯＰ２は、一方の入力端子に＋
４Ｖが印加され、他方の入力端子はＶCENT点に接続され
ており、出力端子にて、ポンプセル１４を介して流れる
Ｉｐ電流が変化しても、ＶCENT点に於いて４Ｖに保っよ
うに動作する。ＰＩＤ制御を行うＰＩＤ回路は、起電力
セル２４の起電力を検出し、抵抗Ｒ１を介して流すＩｐ
電流によって該起電力を一定（０．４５Ｖ）に保つよう
にポンプセル１４の電流Ｉｐを決定する動作を行う。こ
のように、ＰＩＤ回路にて起電力セル２４の起電力が
０．４５Ｖに保持された状態で、ポンプセル１４に流さ
れる電流Ｉｐの量に比例する電圧ＶPID がＰＩＤ回路の
出力端に現れ、この電圧を酸素濃度検出回路５２で、図
示しないＡ／Ｄ回路にてデジタル値に変換した後、保持
しているマップから対応する酸素濃度値を検索し、この
値を図示しないエンジン制御装置側へ出力する。即ち、
上記ＰＩＤ回路の出力電圧ＶPID は、起電力セル２４の
電位Ｖｓの目標値（０．４５Ｖ）との差で決まり、測定
ガス雰囲気に応じた次式のＩPID が抵抗Ｒ１へ流れる。

【数１】

【００２３】なお、この実施態様では、ＰＩＤ回路の出
力電圧ＶPID から酸素濃度値を測定しているが、この代
わりに、オペアンプＯＰ２の電流又は電圧から酸素濃度
を測定することも可能である。

【００２４】引き続き、コントローラ５０の起電力セル
２４の温度（抵抗）検出動作について説明する。オペア
ンプＯＰ１は、コンデンサＣ１と共にサンプルホールド
回路を形成し、起電力セル２４の温度測定のための電圧
印加中において電圧印加直前の、該起電力セル２４の起
電力を保持してＶ０としてＰＩＤ回路に入力する役割を
果たす。オペアンプＯＰ３は、オペアンプＯＰ１に保持
されているホールド値（抵抗値検出用電圧印加直前の起
電力セル２４の両面の電極間電圧）と、起電力セル２４
に抵抗値測定用の電流−Ｉconst を印加した際の電位値
との差分をＡ／Ｄ回路へ出力する。

【００２５】スイッチＳＷ１は、オペアンプＯＰ１、即
ち、サンプルホールド回路の電圧ホールド動作を制御す
る。また、スイッチＳＷ２は、起電力セル２４の抵抗値
測定用の一定電流−Ｉconst をオン・オフし、スイッチ
ＳＷ３は、スイッチＳＷ２にて流される抵抗値測定用の
電流−Ｉconst とは逆極性の一定電流＋Ｉconst をオン
・オフする。これらスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３
は、相補型の電界効果トランジスタ回路から成る。

【００２６】スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のタイミ
ングチャートと共に起電力セル２４の両面の電極間電圧
を図３に示す。スイッチＳＷ１は、上述したように所定
のインターバルＴ５（約１秒）毎に設定された時間Ｔ６
（約５００μｓ）に渡りオフし、起電力セル２４の抵抗
（温度）測定を可能ならしめる。なお、このオフ時間Ｔ
６においては、オペアンプＯＰ１から成るサンプルホー
ルド回路にて、ＰＩＤ回路への入力値は０．４５Ｖに維
持される。なおここで、本実施態様の全領域空燃比セン
サの温度変化は、通常の使用条件では３°Ｃ／秒程度で
あるため、１秒周期で測定することで温度を十分に管理
できる。また、該１秒の内の５００μｍは、酸素濃度が
測定できなくなるが、エンジンの空燃比を制御する上で
十分に短い時間である。

【００２７】スイッチＳＷ１がオフされてから時間Ｔ１
（スイッチＳＷ１を構成するＣＭＯＳのディレイ時間で
あり約１μｓ）が経過した後、スイッチＳＷ２が時間Ｔ
３（約１００μｓ）に渡りオンし、抵抗値測定用の一定
電流−Ｉconst （−４．８８mA）を起電力セル２４側に
流す。この電流−Ｉconst の極性は、起電力セル２４に
生じる内部起電力と逆極性であって、この電流−Ｉcons
t によって起電力セル２４の両端の電圧が、図中に示す
ようにΔＶｓ分低下する。

【００２８】スイッチＳＷ２が、起電力セル２４のプラ
ス端子へ温度測定用定電流−Ｉconst を印加している間
は、スイッチＳＷ１がオフとなり、コンデンサＣ１の一
定電位が、ＰＩＤ回路の入力電位を一定に保ち、該ＰＩ
Ｄ回路の出力電圧ＶPID を一定に維持する。ここで、該
定電流−Ｉconst は、＋８Ｖが印加されている数１００
ＫΩの高い値を有する抵抗Ｒ３側には流れ込まない。ま
た、オペアンプＯＰ２の入力端子には、高インピーダン
スのため流れ込まない。従って、該定電流−Ｉconst
は、抵抗Ｒ１を介してＰＩＤ回路側へ流れようとする
が、上述したようにＰＩＤ回路は、一定の出力電圧ＶPI
D を維持している。

【００２９】このため、オペアンプＯＰ２が、ＶCENTの
電位を一定に保つように前記ポンプセル１４のプラス端
子へ電流を印加する。即ち、該オペアンプＯＰ２が、起
電力セル２４側へ印加された温度測定用定電流−Ｉcons
t と、逆極性の電流をポンプセル１４側へ印加する。図
３中に、該逆極性の電流によって発生したポンプセル１
４側の電位Ｖｐを示す。

【００３０】本実施態様では、起電力セル２４側に定電
流−Ｉconst を印加して抵抗値を測定する際に、ポンプ
セル１４側にも逆極性の電流が同時に印加されることと
なる。ここで、理論空燃比に保たれている間隙（測定
室）２０の酸素濃度は、ポンプセル１４へ電流を流すと
酸素のくみ込み、また、くみ出しが生じて変化しようと
するが、逆極性の電流−Ｉconst を起電力セル２４側に
流しているので、該起電力セル２４によって酸素がくみ
出され、或いは、くみ込まれ、これにより酸素の出入り
が相殺されて、該間隙（測定室）２０の酸素濃度が理論
空燃比に保たれる。このため、後述するように抵抗値
（温度）の測定終了後に、該全領域空燃比センサにて直
ちに酸素濃度の測定を再開できる。

【００３１】ここで、電流−Ｉconst の印加を開始した
後、時間Ｔ２（約６０μｓ）が経過してから、当該時点
（印加開始から６０μｓ経過時）でのオペアンプＯＰ３
の出力を、Ａ／Ｄ変換回路がアナログ値からデジタル値
に変換してヒータ制御回路側６０へ出力する。ヒータ制
御回路６０は、この測定された値から起電力セル２４の
バルク抵抗値と相関する値、即ち、該起電力セル２４の
温度を把握する。この起電力セル２４の温度測定と同時
に、上述したように電流−Ｉconst と逆極性の電流がポ
ンプセル１４側へも流れているため、該ヒータ制御回路
６０は、この電流により生じるポンプセル１４の電圧値
Ｖｐ（図３参照）からポンプセル１４の温度を把握す
る。

【００３２】このように、本実施態様においては、ポン
プセル１４側に温度測定用の電源装置を別途設けること
なく、酸素濃度測定用に配設されたオペアンプＯＰ１か
ら電流を流すことで、起電力セル２４の温度測定用の装
置スイッチＳＷ２を設けることのみで、ポンプセル１４
側へ逆極性の電流を印加し得ると共に温度を併せて測定
することができる。また、この実施態様では、ポンプセ
ル１４と起電力セル２４との温度を別々に測定するた
め、いずれか一方の温度のみが上昇しても、これを検出
し故障を未然に防ぐことが可能となる。

【００３３】ヒータ制御回路６０は、この測定された
値、即ち、起電力セル２４及びポンプセル１４の抵抗値
が目標値となるようにヒータ７０への通電を制御する。
この制御は実質的に、起電力セル２４又はポンプセル１
４の温度が目標値よりも高いときには、電圧を下げ、ま
た、目標値よりも低いときには、電圧を上げることによ
り、全領域空燃比センサ素子１０の温度を正確に目標値
（８００°Ｃ）に保つよう機能する。

【００３４】なお、ここで、電流−Ｉconst の印加開始
から６０μｓ経過時の値を測定するのは、測定された抵
抗値に前記多孔質電極と前記固体電解質体の界面におけ
る抵抗成分が含まれないようにするためである。即ち、
時間Ｔ２は、短時間であるほど温度を正確に反映する起
電力セル２４のバルク抵抗値に近い値を測定し得るが、
スイッチＳＷ２の切り換え後、−Ｉconst を出力する図
示しない定電流回路が安定するのに十分な時間を取るた
め、上記６０μｍを設定してある。言い換えるなら、時
間が経過してから測定を行うと起電力セル２４の多孔質
電極２２、２８と固体電解質体との界面の劣化等による
該界面における抵抗成分の変化分を含む値が検出され、
この変化分によって正確に測定が行い得なくなるので、
回路構成上の最短時間である６０μｓ後に測定を行って
いる。

【００３５】そして、時間Ｔ３（約１００μｓ）の経過
により、スイッチＳＷ２をオフすると同時に、スイッチ
ＳＷ３をオンする。ここで、スイッチＳＷ１の切り換え
時間を１００μｓ（Ｔ３）としたのは、上記６０μｓ経
過後に取り込んだ値を、Ａ／Ｄ変換回路がデジタル値に
変換するのに約２０μｓかかり、図示しないＣＰＵは、
データを取り込んだ後に、スイッチＳＷ３をオンにする
ため、余裕を見て１００μｓに設定してある。そして、
スイッチＳＷ３をオンした後、スイッチＳＷ２をオンし
た時間とほぼ等しい時間Ｔ３に渡り、抵抗値測定用の上
記電流−Ｉconst とは逆極性の一定電流＋Ｉconst （＋
４．８８mA）を起電力セル２４側に印加する。

【００３６】これは、起電力セル２４を構成する酸素イ
オン伝導性固体電解質体の配向現象によって内部起電力
が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値
を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復
帰時間を短縮させ、抵抗値の測定後に酸素濃度の測定を
短時間で再開し得るようにするためである。

【００３７】そして、スイッチＳＷ３をオフした後、時
間Ｔ４（約３００μｓ）経過した後、スイッチＳＷ１を
オンにして、全領域空燃比センサによる酸素濃度の測定
を再開する。ここで、３００μｓのディレイ時間を持た
せているのは、上述したように電流−Ｉconst とは逆極
性の一定電流＋Ｉconst （＋４．８８mA）を起電力セル
２４に印加しても、起電力セル２４の両面の電極間電圧
Ｖｓは直ぐには初期値に戻らないため、この時点でスイ
ッチＳＷ１をオンにしてサンプルホールドを解除する
と、ＰＩＤ回路の出力電位ＶPID が変化し、排気ガス中
の酸素濃度が温度測定開始以前と同じでも酸素濃度出力
が変化するからである。この３００μｓのディレイ時間
は、余裕を見て設定してあるため、更に短くすることは
可能である。

【００３８】なお、上述した実施態様では、ポンプセル
１４及び起電力セル２４の温度測定のために定電流を流
したが、この代わりに、電圧を印加することで温度測定
を行い得ることは言うまでもない。

【００３９】次に、検出された起電力セルの温度ｔｓと
ポンプセルの温度ｔｐを用いてヒータを制御する方法を
説明する。図４はヒータ制御のプラグラムのフローチャ
ートである。まず、所定のタイミング毎にこのヒータ制
御のプログラムが起動する。このプログラムはヒータの
制御の為の制御フロー（ａ）とセンサの機能を正常に復
帰させるための制御フロー（ｂ）からなる。最初に制御
フロー（ａ）が開始され、ＳＷ１をＯＦＦにしコントロ
ーラ５０のＡ／Ｆを検出するための制御を一時停止する
（Ｓ００）。また同時にタイマ３をセットし、時間Ｔ３
の計測を開始する（Ｓ０５）。次にＳＷ２をＯＮにして
温度検出用の−Ｉｃｏｎｓｔ電流を起電力セル及びポン
プセルに印加する（Ｓ１０）。（なお、本願では電流を
強制的に流す事を、実質的に電圧を印加する事と等価で
あると看做し、電流を印加するとも表現する。）続い
て、タイマ２をセットし時間Ｔ２が経過するまで待機す
る（Ｓ１５）。本実施例ではＴ２は６０μｓに設定して
いる。時間Ｔ２が経過した段階で、ＯＰ２及びＯＰ３の
出力電圧Ｖ２、Ｖ３をＡ／Ｄコンバータを介して検出す
る（Ｓ２０）。

【００４０】次にＶ２、Ｖ３から起電力セルとポンプセ
ルの温度ｔｓとｔｐをそれぞれマップから取得する（Ｓ
２５）。続いて、ｔｓを起電力セルの下限規定温度ｔｓ
１と比較しｔｓがｔｓ１よりも低い時はヒータの通電に
関する制御フラッグＦＨを１にセットする（Ｓ３０）。
次にｔｐをポンプセルの下限規定温度ｔｐ１と比較しｔ
ｐがｔｐ１よりも低い時はヒータの通電に関する制御フ
ラッグＦＨを１にセットする（Ｓ３５）。続いてｔｓを
起電力セルの上限規定温度ｔｓ２と比較しｔｓがｔｓ２
よりも高い時はヒータの通電に関する制御フラッグＦＨ
を０にセットする（Ｓ４０）。次にｔｐをポンプセルの
下限規定温度ｔｐ２と比較しｔｐがｔｐ２よりも高い時
はヒータの通電に関する制御フラッグＦＨを０にセット
する（Ｓ４５）。最後に制御フラッグＦＨが１の時は通
電を実行し、制御フラッグＦＨが０の時は通電を停止す
る（Ｓ５０）。その後時間Ｔ３の経過を待ち、制御フロ
ー（ａ）は終了し、代わって図５に示す制御フロー
（ｂ）が開始する。

【００４１】制御フロー（ｂ）では最初にＳＷ２をＯＦ
Ｆにし（Ｓ６０）、ほぼ同時にＳＷ３をＯＮにしてセン
サを正常に復帰させるために＋Ｉｃｏｎｓｔ電流を起電
力セル及びポンプセルに印加する（Ｓ６５）。その後タ
イマ３をセットし、時間Ｔ３が経過するのを待つ（Ｓ７
０）。時間Ｔ３が経過した時点でＳＷ３をＯＦＦにする
（Ｓ８０）。その後、タイマ４をセットし、時間Ｔ４が
経過するのを待つ（Ｓ９０）。この時間待機は、センサ
が正常な状態に復帰するまでの待機時間である。時間Ｔ
４が経過した段階で、ＳＷ１をＯＮにしてセンサを正常
な制御に復帰させる（Ｓ１００）。このようにして、起
電力セルとポンプセルの温度を検出しながらヒータを制
御することで、２つのセルの温度が異なる場合でも、セ
ンサが適正に機能する温度範囲に２つのセルの温度を制
御する事が出来る。

【００４２】ところで、上記制御に於いては、例えば起
電力セルの温度ｔｓがその下限規定温度ｔｓ１よりも低
い場合でもポンプセルの温度ｔｐがその上限規定温度ｔ
ｐ１よりも高い場合はヒータを通電しない制御をしてい
る。これは一方のセルのの機能が不十分であっても、も
う一方のセルを更に加熱する事でセルが劣化する事を防
止する事を優先しているためである。このような場合は
例えば、起電力セルが十分に機能しない事を図４のフロ
ーチャートのＳ３０で検出できるので、その時点で機能
不全である事を何らかのフラッグに記録しておき、セン
サの検出のための制御を停止したり、起電力セルの温度
でセンサ出力を補正したりする事も可能である。

【００４３】

【効果】以上説明したように、請求項１の発明では、前
記２つのセルの温度に違いが有る場合でも、それぞれの
温度を検出する事でセンサが適正に機能する制御をする
事が出来る。請求項２の発明では前記２つのセルに温度
差が有る場合でも、何れのセルもヒータによる過熱でセ
ルの機能が劣化する事を防止する事が出来る。請求項３
の発明では、前記２つのセルのうち一方の温度が所定の
下限規定温度よりも低い場合にヒータによる加熱を高め
るので、暖機時や、排ガスによって冷却されている場合
でも、センサが適正に機能する温度にセンサ温度を制御
をする事が出来る。

【００４４】また、請求項４又は５の発明では、スイッ
チＳＷ２が、起電力セルのプラス端子へ温度測定用定電
流を印加した際に、スイッチＳＷ１がオフとなりコンデ
ンサＣ１に保持されている電圧が、ＰＩＤ回路の入力電
位を一定に保ち、該ＰＩＤ回路の出力値を一定に維持す
る。このため、起電力セルの温度測定中においても、酸
素濃度検出回路がＰＩＤ回路の出力電圧に基づき、一定
の酸素濃度を出力することができる。

【００４５】また、起電力セルのプラス端子へ温度測定
用定電流が印加されている間においても、ＰＩＤ回路の
出力値が一定に維持されるため、オペアンプＯＰ２が、
該ＰＩＤ回路に抵抗Ｒ１を介して接続されたＶCENTの電
位を一定に保つようにポンプセルのプラス端子へ電流を
印加する。即ち、オペアンプＯＰ２が、起電力セル側へ
印加された温度測定用定電流と、逆極性の電流をポンプ
セル側へ印加する。このため、ヒータ制御回路が、起電
力セルへの温度測定用定電流の印加時に、該起電力セル
の電位を測定して温度を求めるのと同時に、該ヒータ制
御回路が、ポンプセルの電位を測定して温度を求め得
る。即ち、新たにポンプセル側へ測定電流を印加する装
置を付加することなく、起電力セルとポンプセルの温度
を同時に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る全領域空燃比センサ
構成を示す説明図である。

【図２】図１に示すコントローラの回路図である。

【図３】スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３のタイミング
チャートである。

【図４】ヒータ制御のプラグラムのフローチャートであ
る。

【図５】ヒータ制御のプラグラムのフローチャートであ
る。

【符号の説明】

１０ セル １４ ポンプセル ２０ 拡散室 ２４ 起電力セル ５０ コントローラ ６０ ヒータ制御回路 ７０ ヒータ Ｖｓ 起電力セル電圧 Ｉｐ ポンプセル電流

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 茂樹 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 寺本 諭司 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 松岡 俊也 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加熱用ヒータによって加熱されるポンプ
   セルと起電力セルを間隔を介して対向配設し、酸素濃度
   を検出する全領域空燃比センサの温度制御方法であっ
   て、 前記起電力セル及びポンプセルの両方の内部抵抗を検出
   する事を特徴とする全領域空燃比センサの温度制御方
   法。
2. 【請求項２】 前記起電力セルの内部抵抗及びポンプセ
   ルの内部抵抗からそれぞれの温度を検出し、何れかの温
   度が上限規定温度よりも高いときにはヒータの通電を抑
   える方向に制御する事を特徴とする請求項１の全領域空
   燃比センサの温度制御方法。
3. 【請求項３】 前記起電力セルの内部抵抗及びポンプセ
   ルの内部抵抗からそれぞれの温度を検出し、何れかの温
   度が下限規定温度よりも低いときにはヒータの通電を高
   める方向に制御する事を特徴とする請求項１又は請求項
   ２の全領域空燃比センサの温度制御方法。
4. 【請求項４】 加熱用ヒータによって加熱されるポンプ
   セルと起電力セルとを間隙を介して対向配設し、酸素濃
   度を測定する全領域空燃比センサの温度制御装置であっ
   て、 前記起電力セルのマイナス端子と、前記ポンプセルとの
   マイナス端子との共通端子に接続されたノードと、 該ノードの電位を一定に保つように前記ポンプセルのプ
   ラス端子へ電流を印加する定電流手段と、 前記ノードに抵抗を介して出力端子が接続され、該抵抗
   を介して流れる電流によって起電力セルの電位を一定に
   保つＰＩＤ回路と、 前記ＰＩＤ回路の出力電圧、又は、前記定電流手段の出
   力電流に基づき、酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段
   と、 前記起電力セルのプラス端子に起電力セルの温度検出用
   電流もしくは電圧を印加する印加手段と、 前記起電力セルのプラス端子と前記ＰＩＤ回路の入力と
   の間に介在し、前記印加手段による起電力セルへの温度
   検出用電流もしくは電圧の印加時に、該ＰＩＤ回路の入
   力電位を一定に保つホールド手段と、 前記印加手段による起電力セルへの温度検出用電流もし
   くは電圧の印加時に、該起電力セルのプラス端子の電位
   を測定し、起電力セルの温度を検出する起電力セル温度
   測定手段と、 前記ポンプセルのプラス端子の電位を測定し、該ポンプ
   セルの温度を検出するポンプセル温度測定手段と、 前記起電力セルの温度と前記ポンプセルの温度のいずれ
   か高い方の温度が上記規定温度よりも高いときには、加
   熱用ヒータの通電を抑え、いずれか低い方の温度が下限
   規定温度よりも低いときには、加熱用ヒータの通電を高
   める方向に制御する加熱用ヒータ制御手段と、から成る
   ことを特徴とする全領域空燃比センサの温度制御装置。
5. 【請求項５】 請求項４の温度制御装置を備えた全領域
   空燃比センサ。