JPH11344466A - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構成の簡素化を図りつつ、良好なるヒータ制御
を実施する。 【解決手段】Ａ／Ｆセンサ３０のセンサ素子部６０は、
固体電解質とヒータ６４とを積層し、それらを一体化し
て構成される。Ａ／Ｆセンサ３０は、電圧の印加に伴い
排ガス中の酸素濃度に比例したリニアなＡ／Ｆ検出信号
を出力する。マイコン２０は、ヒータ制御回路２５を介
してヒータ６４を加熱させ、それによりセンサ素子部６
０（固体電解質）を所定の活性温度に保持する。この場
合、マイコン２０は、センサ素子部６０への印加電圧と
それに伴って流れるセンサ電流とに基づいて素子抵抗を
検出し、その素子抵抗に基づいてヒータ６４の通電制御
を実施する。つまり、有効な素子抵抗が検出可能になる
までは、ヒータ通電量をヒータ昇温能力に応じてオープ
ン制御し、有効な素子抵抗が検出可能になると、素子抵
抗を目標値にフィードバック制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス濃度センサの
ヒータ制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば排ガス中の酸素濃度（空燃比）を
検出するための酸素濃度センサでは、電圧の印加に伴い
酸素濃度に応じたセンサ電流が流れ、そのセンサ電流に
より酸素濃度又は空燃比がリニアに検出できる。また、
同センサにおいては、固体電解質からなるセンサ素子を
所定の活性温度に維持する必要があり、通常は同センサ
にヒータを付設しヒータの通電量を制御する。こうした
ヒータ制御の一手法として、ヒータ抵抗を検出し、その
ヒータ抵抗が所定値になるようヒータへの供給電力を制
御するものがある。

【０００３】例えば特開平８−２７８２７９号公報の
「酸素センサのヒータ制御装置」では、ヒータ抵抗に基
づいてヒータの温度（ヒータ温）を検出し、そのヒータ
温がヒータの初期加熱温度に到達するまでは全電力を投
入する。また、初期加熱温度に到達した後には、その時
々のヒータ温に応じてヒータへの通電を制御する。さら
に、センサ素子の抵抗値に基づいて素子温を検出し、そ
の素子温が所定値に達すると、センサ素子温に応じてヒ
ータへの通電を制御する。なお、上記制御装置では、ヒ
ータ電圧とヒータ電流とを検出するための検出回路を有
し、それらヒータ電圧とヒータ電流とからヒータ抵抗が
検出されるようになっていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、センサ素子
を比較的高温の活性温度に維持するには、ヒータに対し
て多大な電流を流さなければならない。この場合、ヒー
タ電流を精度良く且つ効率的に検出するには、上記検出
回路内において高精度で低抵抗なヒータ電流検出用抵抗
を必要とし、このような要求により構成の煩雑化を招
く。また、ヒータ電流を検出するための抵抗体は発熱体
であるために、回路内の熱容量を考慮しなければならず
回路設計の自由度が妨げられるという問題が生ずる。

【０００５】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、構成の簡素化を
図りつつ、良好なるヒータ制御を実施することができる
ガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明におけるガス濃度
センサのヒータ制御装置では、被検出ガス中の特定成分
濃度を検出するためのセンサ素子と、電源電圧の通電に
より発熱して前記センサ素子を所定の活性温度に加熱す
るためのヒータとを有し、前記センサ素子と前記ヒータ
とが間近に配置されてそれら両者の温度差が常に所定値
以下となるガス濃度センサに適用されることを前提とす
る。

【０００７】そして、請求項１に記載の発明では、前記
センサ素子に電圧を印加し、その際に被検出ガス中の特
定成分濃度に応じて流れる電流値を検出する電流検出手
段と、前記検出した電流値に基づいてセンサ素子の素子
抵抗又は素子温を求め、該求めた素子抵抗又は素子温に
基づいて前記ヒータの通電量を制御するヒータ制御手段
とを備える。

【０００８】要するに、本発明では、センサ素子とヒー
タとが間近に配置されてそれら両者の温度差が常に所定
値以下となることを前提とし、素子抵抗又は素子温の何
れかのみを使ってヒータの通電制御を実施する。つま
り、従来装置のように、ヒータ制御に際してヒータ抵抗
の検出を要件としない。かかる場合、多大なヒータ電流
が流れる抵抗体を不要とし、それに伴い回路構成の簡素
化が実現できる。また、発熱体としての抵抗体が削除で
きることから、当該抵抗体による発熱の影響が抑制で
き、回路設計の自由度が向上する。その結果、構成の簡
素化を図りつつ、良好なるヒータ制御を実施するという
本発明の目的が達せられる。

【０００９】固体電解質を有するセンサ素子にヒータを
積層して配置し、固体電解質とヒータとを一体化してな
る積層型センサ（請求項５）において、本発明は特に有
効となる。つまり、こうした積層型のセンサでは固体電
解質とヒータとが近接して設けられるため、例えばセン
サ冷間状態からの始動時においてヒータ温の変化に追従
して素子温が変化する。この場合、ヒータ温を監視しな
くとも、素子温（又は素子抵抗）を監視することで適正
なヒータ制御が実施可能となる。

【００１０】実際には、請求項２に記載したように、前
記ヒータ制御手段は、素子抵抗又は素子温を目標値にフ
ィードバック制御するとよい。この場合、精度が良く信
頼性の高いヒータ制御が実現できる。

【００１１】請求項３に記載の発明では、前記センサ素
子の有効な素子抵抗又は素子温が検出可能になるまでは
前記ヒータの通電量をヒータ昇温能力に応じてオープン
制御する。この場合、センサ素子の昇温特性を向上させ
つつ、センサ素子の過昇温による素子割れを抑制するこ
とができる。センサ素子の昇温特性が向上することで、
センサ冷間状態から活性化までの時間が短縮でき、早期
にセンサ出力が使用可能となる。

【００１２】請求項４に記載の発明では、前記ヒータに
電力を供給するための電源の電圧値を求め、その電圧値
に応じてヒータ通電量を補正する。実際には、電源電圧
が高いほどヒータ通電量を減少側に補正し、電源電圧が
低いほどヒータ通電量を増加側に補正するとよい。この
場合、電源電圧の変動時にも過不足のないヒータ通電を
実施することが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した一実
施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけ
る空燃比検出装置は、自動車に搭載されるガソリン噴射
エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃
比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結
果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比にて制
御する。以下の記載では、空燃比制御システムの概要構
成、空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手
順、並びに同センサに設けられたヒータの通電制御手順
を詳細に説明する。

【００１４】図１は、本実施の形態における空燃比制御
システムの概要を示す全体構成図である。図１におい
て、空燃比検出装置１５は、その内部演算の中枢をなす
マイクロコンピュータ（以下、マイコン２０という）を
備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現
するためのエンジン制御ＥＣＵ１６に対して相互に通信
可能に接続されている。限界電流式空燃比センサ（以
下、Ａ／Ｆセンサ３０という）は、エンジン１０のエン
ジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられてお
り、マイコン２０から指令される電圧の印加に伴い、排
ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号
（センサ電流信号）を出力する。

【００１５】マイコン２０は、各種の演算処理を実行す
るための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成さ
れ、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御
回路４０やヒータ制御回路２５を制御する。マイコン２
０は、バッテリ電源＋Ｂの給電を受けて動作する。

【００１６】Ａ／Ｆセンサ３０は、積層型のセンサ素子
部（セル）６０を有するものであって、その構成を図２
〜図４を用いて説明する。ここで、図２は、Ａ／Ｆセン
サ３０の全体構成を示す断面図、図３は、Ａ／Ｆセンサ
３０を構成するセンサ素子部６０の断面図、図４は、セ
ンサ素子部６０の詳細な構成を示す分解斜視図である。

【００１７】図２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ３０
は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１
を有し、そのハウジング３１の下側開口部には素子カバ
ー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、
長板状のセンサ素子部６０の先端（下端）が配設されて
いる。素子カバー３２は有底二重構造をなし、排ガスを
カバー内部に取り込むための複数の排気口３２ａを有す
る。

【００１８】センサ素子部６０は、ハウジング３１内に
配設された絶縁部材３３を貫通するように図の上方に延
び、その上端部には一対のリード線３４が接続されてい
る。ハウジング３１の上端には本体カバー３５がカシメ
着されている。また、本体カバー３５の上方にはダスト
カバー３６が取り付けられ、これら本体カバー３５及び
ダストカバー３６の二重構造によりセンサ上部が保護さ
れる。各カバー３５，３６には、カバー内部に大気を取
り込むための複数の大気口３５ａ，３６ａが設けられて
いる。

【００１９】次に、センサ素子部６０の構成を図３及び
図４を用いて説明する。センサ素子部６０は大別して、
固体電解質６１、ガス拡散抵抗層６２、大気導入ダクト
６３及びヒータ６４からなり、これら各部材を積層して
構成されている。また、各部材の周囲には保護層６５が
設けられている。

【００２０】長方形板状の固体電解質６１は部分安定化
ジルコニア製のシートであり、その上面（ガス拡散抵抗
層６２側）には白金等からなる多孔質の計測電極６６が
スクリーン印刷法等により形成されると共に、下面（大
気導入ダクト６３側）には同じく白金等からなる多孔質
の大気側電極６７がスクリーン印刷法等により形成され
ている。計測電極６６及び大気側電極６７には、リード
線６６ａ，６７ａが接続されている。

【００２１】ガス拡散抵抗層６２は、計測電極６６へ排
ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層
６２ａと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からな
るガス遮蔽層６２ｂとを有する。ガス透過層６２ａ及び
ガス遮蔽層６２ｂは何れも、アルミナ、スピネル、ジル
コニア等のセラミックスをシート成形法等により成形し
たものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違
いによりガス透過率が相違するものとなっている。

【００２２】大気導入ダクト６３はアルミナ等の高熱伝
導性セラミックスからなり、同ダクト６３により大気室
６８が形成されている。この大気導入ダクト６３は大気
室６８内の大気側電極６７に大気を導入する役割をな
す。因みに、大気室６８は、前記図２に示すカバー３
５，３６の大気口３５ａ，３６ａに連通している。

【００２３】大気導入ダクト６３の下面にはヒータ６４
が取り付けられている。ヒータ６４は、バッテリ電源＋
Ｂからの通電により発熱する発熱体６４ａと、それを覆
う絶縁シート６４ｂとからなり、発熱体６４ａの両端に
はリード線６４ｃが接続されている。但し、図３の構成
以外に、発熱体６４ａを固体電解質６１に埋設したり、
発熱体６４ａをガス拡散抵抗層６２に埋設したりする構
成も可能である。

【００２４】なお上記センサ素子部６０において、計測
電極６６に達する排ガスは、ガス透過層６２ａの鉛直方
向（図の上下方向）からは侵入せず、ガス透過層６２ａ
の側方から侵入する。すなわち、ガス透過層６２ａの表
面はガス遮蔽層６２ｂに被われているため、排ガスは鉛
直方向からは侵入できず、その方向と直交する側面方向
から該透過層６２ａの内部に侵入する。かかる場合、ガ
ス透過層６２ａのガス拡散量は、同透過層６２ａの左右
方向の寸法（実際には、ガス透過層６２ａの側面と計測
電極６６との距離）に依存するが、この寸法が容易に且
つ自在に設定できることから、ガス透過層６２ａの孔径
がばらついても均一で安定したセンサ出力が得られるよ
うになる。

【００２５】上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、セ
ンサ素子部６０は理論空燃比点よりリーン領域では酸素
濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、センサ素
子部６０（固体電解質６１）は酸素濃度を直線的特性に
て検出し得るものであるが、センサ素子部６０を活性化
するには約６００℃以上の高温が必要とされ、且つ同セ
ンサ素子部６０の活性温度範囲が狭いため、エンジン１
０の排ガスのみによる加熱では活性状態を維持できな
い。そのため、本実施の形態では、ヒータ６４（発熱体
６４ａ）の加熱制御によりセンサ素子部６０を活性温度
域で保持する。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域
では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空
燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ素子部６０は
ＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。

【００２６】Ａ／Ｆセンサ３０の電圧−電流特性につい
て図５を用いて説明する。図５によれば、センサ素子部
６０の固体電解質６１への流入電流と、同固体電解質６
１への印加電圧とがリニアな特性を有することが分か
る。かかる場合、電圧軸（横軸）に平行な直線部分がセ
ンサ素子部６０の限界電流を特定するものであって、こ
の限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆ値の増減（す
なわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つま
り、Ａ／Ｆ値がリーン側になるほど限界電流は増大し、
Ａ／Ｆ値がリッチ側になるほど限界電流は減少する。

【００２７】この電圧−電流特性において電圧軸に平行
な直線部分よりも小さい電圧域は抵抗支配領域となって
おり、その抵抗支配領域における一次直線部分の傾き
は、センサ素子部６０における固体電解質６１の内部抵
抗（これを素子抵抗という）により特定される。この素
子抵抗は温度変化に伴い変化し、例えばセンサ素子部６
０の温度が低下すると素子抵抗の増大により上記傾きが
小さくなる。

【００２８】図６は、限界電流値を横軸に、その限界電
流値に対応するＡ／Ｆ値を縦軸にして、両者の関係を示
すグラフである。また一例として、Ａ／Ｆセンサ３０の
耐熱特性の具体的数値を示せば、 ・素子耐熱温度＝９００〜９５０℃、 ・ヒータ耐熱温度＝１０００〜１１００℃、 ・素子温変化速度の最大値＝１５０〜２００℃／ｓ、 ・ヒータ温変化速度の最大値＝２００℃／ｓ、 ・素子−ヒータの温度差の最大値＝２００℃、 となっている。

【００２９】また、前記図１において、Ａ／Ｆセンサ３
０（センサ素子部６０）に電圧を印加するためのバイア
ス指令信号Ｖｒはマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に
入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに
変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力
される。そして、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高
周波成分が除去された出力電圧Ｖｃは、Ａ／Ｆ検出用又
は素子抵抗検出用の電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加する
ためのバイアス制御回路４０に入力される。Ａ／Ｆ検出
時には、前記図５の特性線Ｌ１を用いてその時のＡ／Ｆ
値に対応した印加電圧Ｖｐが設定されるのに対し、素子
抵抗検出時には、所定周波数信号よりなる単発的で且つ
所定の時定数を持った電圧が印加される。

【００３０】バイアス制御回路４０内の電流検出回路５
０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電
流値を検出する。当該電流検出回路５０にて検出された
電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマ
イコン２０に入力される。Ａ／Ｆセンサ３０に設けられ
たヒータ６４（発熱体６４ａ）は、ヒータ制御回路２５
によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路
２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗に応じたデューテ
ィ比信号によりヒータ６４への通電量を制御する。

【００３１】次に、バイアス制御回路４０の構成を図７
の電気回路図を用いて説明する。図７において、バイア
ス制御回路４０は基準電圧回路４４を有し、その基準電
圧回路４４は、分圧抵抗４４ａ，４４ｂにより定電圧Ｖ
ｃｃを分圧して一定の基準電圧Ｖａを生成する。

【００３２】増幅回路４５内のオペアンプ４５ａの非反
転入力端子には、基準電圧Ｖａに保持される基準電圧回
路４４の分圧点が接続され、同オペアンプ４５ａの出力
端子には、センサ電流検出回路５０を介してセンサ素子
部６０（Ａ／Ｆセンサ３０）の一方の端子４２が接続さ
れている。端子４２は、センサ素子部６０の大気側電極
６７に接続される端子であり、同端子４２には常に基準
電圧回路４４の基準電圧Ｖａと同じ電圧Ｖａが印加され
る。また、端子４２はオペアンプ４５ａの反転入力端子
に接続されると共に、この端子４２の電圧ＶａはＡ／Ｄ
変換器２３に取り込まれる。

【００３３】センサ電流検出回路５０は、オペアンプ４
５ａの出力端子とＡ／Ｆセンサ３０の端子４２との間に
接続される電流検出用抵抗５０ａを備え、その時々のＡ
／Ｆ値に応じたセンサ電流Ｉｐを検出する。オペアンプ
４５ａと電流検出用抵抗５０ａとの接続点の電圧Ｖｄは
Ａ／Ｄ変換器２３に取り込まれる。

【００３４】一方、増幅回路４７内のオペアンプ４７ａ
の非反転入力端子にはＬＰＦ２２が接続されている。オ
ペアンプ４７ａの出力端子には同オペアンプ４７ａの反
転入力端子が接続されると共に、センサ素子部６０の他
方の端子４１が接続されている。端子４１は、センサ素
子部６０の計測電極６６に接続される端子であり、同端
子４１にはＬＰＦ２２通過後の出力である指令電圧Ｖｃ
と同じ電圧Ｖｃが印加される。

【００３５】上記構成により、センサ素子部６０の一方
の端子４２には常時一定電圧Ｖａが供給される。そし
て、ＬＰＦ２２を経由してセンサ素子部６０の他方の端
子４１に一定電圧Ｖａよりも低い電圧Ｖｃが供給される
と、当該センサ素子部６０が正バイアスされる。また、
ＬＰＦ２２を経由してセンサ素子部６０の他方の端子４
１に一定電圧Ｖａよりも高い電圧Ｖｃが供給されると、
当該センサ素子部６０が負バイアスされる。

【００３６】次に、上記の如く構成される空燃比検出装
置１５の作用を説明する。図８は、マイコン２０による
メインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同
ルーチンはマイコン２０への電源投入に伴い起動され
る。

【００３７】図８において、マイコン２０は、先ずステ
ップ１００で前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経
過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ値の
検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓ
程度に設定される。前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔ
ａが経過していれば（ステップ１００がＹＥＳ）、マイ
コン２０はステップ１１０に進み、後述する図９に従
い、Ａ／Ｆ値の検出処理を実施する。ステップ１００が
ＮＯであれば、マイコン２０はそのまま本ルーチンを一
旦終了する。

【００３８】ここで、図９のＡ／Ｆ検出ルーチンを説明
すれば、マイコン２０は、先ずステップ１１１でＡ／Ｆ
センサ３０のセンサ素子部６０に電圧Ｖｐを印加する。
印加電圧Ｖｐは、その時々のＡ／Ｆ値（限界電流値Ｉ
ｐ）に応じて例えば図５の特性線Ｌ１上の値として設定
される。

【００３９】その後、マイコン２０は、ステップ１１２
でＶｐ印加時にセンサ素子部６０に流れる電流値、すな
わち電流検出回路５０により検出された限界電流値（セ
ンサ電流）Ｉｐを読み込む。さらに、マイコン２０は、
ステップ１１３で図６に示す限界電流値−Ａ／Ｆマップ
を用いてその時々の限界電流値ＩｐをＡ／Ｆ値に変換す
る。また、マイコン２０は、続くステップ１１４で上記
の如く得られたＡ／Ｆ値をエンジン制御ＥＣＵ１６に出
力した後、元の図８のルーチンに戻る。

【００４０】Ａ／Ｆ値の検出後、マイコン２０は、図８
のステップ１２０で前回の素子抵抗検出時から所定時間
Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素
子抵抗ＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例え
ばエンジン運転状態に応じて選択的に設定される。本実
施の形態では、Ａ／Ｆ値の変化が比較的小さい通常時
（エンジン１０の定常運転時）にはＴｂ＝２ｓ（秒）
に、Ａ／Ｆ値の急変時（エンジン１０の始動時や過渡運
転時）にはＴｂ＝１２８ｍｓ（ミリ秒）に、というよう
に所定時間Ｔｂが可変に設定される。

【００４１】ステップ１２０がＹＥＳであれば、マイコ
ン２０は、ステップ１３０で素子抵抗ＺＡＣを検出する
と共に、続くステップ１４０でヒータ６４の通電制御を
実施する。上記ステップ１３０，１４０の処理はそれぞ
れ、後述する図１０，図１１に従い実施される。上記ス
テップ１２０がＮＯであれば、マイコン２０はそのまま
本ルーチンを一旦終了する。

【００４２】次に、前記図８のステップ１３０における
素子抵抗ＺＡＣの検出手順を図１０を用いて説明する。
なお本実施の形態では、素子抵抗ＺＡＣの検出に際し、
掃引法を用いて、いわゆる「交流インピーダンス」を求
めることとしている。

【００４３】図１０において、マイコン２０は、先ずス
テップ１３１でバイアス指令信号Ｖｒを操作し、それま
での印加電圧Ｖｐ（Ａ／Ｆ検出用電圧）に対して電圧を
正側に単発的に変化させる。素子抵抗検出用の電圧印加
時間は数１０〜１００μｓ程度とする。その後、マイコ
ン２０は、ステップ１３２でその時の電圧変化量ΔＶと
電流検出回路５０により検出されたセンサ電流の変化量
ΔＩとを読み取る。また、マイコン２０は、続くステッ
プ１３３で前記ΔＶ値，ΔＩ値から素子抵抗ＺＡＣを算
出し（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図８のルーチ
ンに戻る。

【００４４】上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２
２並びにバイアス制御回路４０を介し、所定の時定数を
持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加され
る。その結果、図１２に示されるように、当該電圧の印
加からｔ時間経過後にピーク電流ΔＩ（電流変化量）が
検出され、その時の電圧変化量ΔＶとピーク電流ΔＩと
から素子抵抗ＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／Δ
Ｉ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧を
Ａ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク
電流の発生が抑制され、信頼性の高い素子抵抗ＺＡＣが
検出できる。

【００４５】上記の如く求められる素子抵抗ＺＡＣは、
素子温に対して図１３に示す関係を有する。すなわち、
素子温が低いほど、素子抵抗ＺＡＣは飛躍的に大きくな
る。因みにＡ／Ｆセンサ３０の活性温度（約７００℃）
は、素子抵抗ＺＡＣ≒９０Ωに相応する。

【００４６】次に、前記図８のステップ１４０における
ヒータ通電の制御手順を図１１を用いて説明する。マイ
コン２０は、先ずステップ１４１で前記検出した素子抵
抗ＺＡＣが所定値（本実施の形態では、５００Ω）に達
したか否かを判別する。ここで、所定値＝５００Ωは、
有効な素子抵抗ＺＡＣが検出可能になったことを判別す
るための値である。エンジン１０の低温始動当初におい
ては、素子抵抗ＺＡＣが検出できないほど大きく、マイ
コン２０は「ＺＡＣ＞５００Ω」である旨を判別する。

【００４７】ＺＡＣ＞５００Ωの場合、マイコン２０
は、ステップ１４２で例えば図１４の関係に従い、ヒー
タ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを決定する。この
ステップ１４２によれば、ヒータ通電がオープン制御さ
れることとなる。図１４では、ヒータ６４の昇温能力に
応じてデューティ比Ｄｕｔｙが設定され、基本的にヒー
タ昇温能力が高いほどデューティ比Ｄｕｔｙが低い値に
設定される。また、ヒータ昇温能力がＰ１値よりも低け
ればＤｕｔｙ＝１００％が設定され、ヒータ昇温能力が
Ｐ２値よりも高ければＤｕｔｙ＝５０％が設定される。

【００４８】因みに、ヒータ昇温応力とは、エンジン１
０の低温始動時からの昇温速度に相当する。そのため、
昇温速度によりヒータ昇温能力を推定し、その推定値か
らヒータ昇温能力を求めればよい。昇温速度は、前回の
車両走行時のヒータ昇温過程における昇温データから算
出する方法や、エンジン１０の総運転時間（或いは、車
両の総走行距離）から推定する方法などが適用できる。

【００４９】一方、ＺＡＣ≦５００Ωの場合、マイコン
２０はステップ１４３〜１４６で素子抵抗ＺＡＣを所定
値に保持するようフィードバック制御を実施する。すな
わち、その時々の素子抵抗ＺＡＣとその目標値ＺＡＣｒ
ｅｆとが一致するようＰＩＤ制御手法などを用いてヒー
タ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを決定する。

【００５０】具体的には、マイコン２０は、ステップ１
４３で前回処理時の素子抵抗ＺＡＣを前回値「ＺＡＣ
０」とし、続くステップ１４４で前記検出した素子抵抗
ＺＡＣ（前記図１０による今回検出値）を読み出す。ま
たマイコン２０は、ステップ１４５で下記の数式により
比例項Ｇｐ，積分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを算出する。

【００５１】Ｇｐ＝Ｋｐ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ） Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ） Ｇｄ＝Ｋｄ・（ＺＡＣ−ＺＡＣ０） 但し、上記各式において、「Ｋｐ」は比例定数、「Ｋ
ｉ」は積分定数、「Ｋｄ」は微分定数を表す。そして、
マイコン２０は、ステップ１４６で上記比例項Ｇｐ，積
分項Ｇｉ，微分項Ｇｄを加算してデューティ比Ｄｕｔｙ
を算出する（Ｄｕｔｙ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）。

【００５２】上記の如くデューティ比Ｄｕｔｙを決定し
た後、マイコン２０はステップ１４７に進み、前記デュ
ーティ比Ｄｕｔｙを補正して最終デューティ比Ｄｆｎを
算出する。具体的には、バッテリ電源＋Ｂの電圧値に応
じた補正値ＦＫを用い、 Ｄｆｎ＝Ｄｕｔｙ＋ＦＫ として最終デューティ比Ｄｆｎを算出する。補正値ＦＫ
は、例えば図１５の関係に基づいて設定される。図１５
によれば、バッテリ電源＋Ｂ（実際には、オルタネータ
の発電電圧）＝１３Ｖを基準にして、＋Ｂ≧１３Ｖでは
「１」未満の補正値ＦＫが設定され、＋Ｂ＜１３Ｖでは
「１」以上の補正値ＦＫが設定される。なお、デューテ
ィ比の補正に際しては上記＋Ｂ補正に加え、排気温補正
を行うようにしてもよく、この排気温補正では排気温が
高いと推定されるほど、小さな補正値が与えられる。

【００５３】また、マイコン２０は、続くステップ１４
８で素子温を最大許容値でガードし、その後、ヒータ通
電のためのデューティ比信号を前記図１のヒータ制御回
路２５に出力する。上記ステップ１４８では、前記算出
した最終デューティ比Ｄｆｎによるヒータ通電に伴い、
素子温が最大許容値の「９００℃」、又は素子温変化速
度の最大許容値の「１５０℃／ｓ」を越えるかどうかを
判断する。そして、これら最大許容値を越えると想定さ
れる場合には、通電デューティを「０」若しくは素子温
が確実に下がる値（約０．１〜１％程度）で規制する。
但し、この規制されるデューティ比はＡ／Ｄ変換器の変
換速度に応じて設定されるとよい。

【００５４】上記の通り本実施の形態では、ヒータ制御
に際し、ヒータ温（或いはヒータ抵抗）に依存しない通
電量オープン制御と、同じくヒータ温に依存しない素子
抵抗フィードバック制御とを実施したが、こうした制御
は、本実施の形態にように積層型Ａ／Ｆセンサ３０を適
用する場合に有効となる。すなわち、積層型Ａ／Ｆセン
サ３０の場合、シート状の素子部とヒータとが積層して
配置されるため、ヒータの発熱が素子部に伝わりやす
く、素子温とヒータ温との温度差が小さい。そのため、
ヒータ温或いはヒータ抵抗を検出しなくてもヒータの通
電制御が実施できる。

【００５５】図１６は、本実施の形態における特徴的な
作用をより具体的に示すタイムチャートである。ここ
で、図１６（ａ）は本実施の形態のように積層型センサ
で構成され、素子温とヒータ温との温度差が比較的少な
いＡ／Ｆセンサについて示し、同図（ｂ）は積層型でな
いセンサで構成され、素子温とヒータ温との温度差が比
較的大きなＡ／Ｆセンサについて示す。なお図１６で
は、エンジン１０の低温始動時においてＡ／Ｆセンサ３
０が冷間状態から昇温される過程を表しており、ヒータ
通電の開始初期（エンジン始動当初）の素子抵抗ＺＡＣ
は検出できないほど高い値にある。

【００５６】図１６（ａ）において、ヒータ温と素子温
とは最大でも２００℃程度の温度差を持って変化する。
この場合、ＺＡＣ＞５００Ωとなる時刻ｔ１以前には、
ヒータ６４の通電デューティ比Ｄｕｔｙがオープン制御
される（図１１のステップ１４２）。また、ＺＡＣ≦５
００Ωとなる時刻ｔ１以降は、素子抵抗ＺＡＣが目標値
ＺＡＣｒｅｆに一致するよう、フィードバック制御が実
施される（図１１のステップ１４３〜１４６）。その結
果、ヒータ温は約７８０℃に収束し、素子温は約７００
℃に収束する。

【００５７】これに対し図１６（ｂ）では、同図（ａ）
と同様の素子温や素子抵抗ＺＡＣの推移を得るべく、エ
ンジン始動当初において急峻なヒータ温の上昇が要求さ
れる。そのため、ヒータ温がオーバーシュートして、素
子温とヒータ温との温度差が非常に大きくなる。またさ
らに、センサ素子部の活性状態を維持するために、ヒー
タ温が比較的高い温度で維持される（例えば８５０℃程
度）。

【００５８】上記図１６（ａ），（ｂ）を比較した場
合、（ａ）ではヒータ温の変化に追従して素子温が変化
する。従って、ヒータ温を監視しなくとも、素子温（素
子抵抗）を監視することで適正なヒータ制御が実施可能
となることが分かる。

【００５９】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 （イ）本実施の形態では、固体電解質６１（センサ素
子）とヒータ６４とが間近に配置されてそれら両者の温
度差が常に所定値以下となる積層型のＡ／Ｆセンサ３０
を用い、センサ電流から求めた素子抵抗ＺＡＣに基づい
てヒータ６４の通電制御を実施するようにした。つま
り、従来装置のように、ヒータ制御に際してヒータ抵抗
の検出を要件としない。かかる場合、多大なヒータ電流
が流れる抵抗体を不要とし、それに伴い回路構成の簡素
化が実現できる。また、発熱体としての抵抗体が削除で
きることから、当該抵抗体による発熱の影響が抑制で
き、回路設計の自由度が向上する。その結果、構成の簡
素化を図りつつ、良好なるヒータ制御を実施するという
本発明の目的が達せられる。

【００６０】（ロ）有効な素子抵抗ＺＡＣが検出可能に
なるまでは、ヒータ通電量をヒータ昇温能力に応じてオ
ープン制御するようにした。この場合、センサ素子部６
０の昇温特性を向上させつつ、同素子部６０の過昇温に
よる素子割れを抑制することができる。センサ素子部６
０の昇温特性が向上することで、センサ冷間状態から活
性化までの時間が短縮でき、早期にセンサ出力が使用可
能となる。

【００６１】（ハ）有効な素子抵抗ＺＡＣが検出可能に
なると、素子抵抗ＺＡＣを目標値ＺＡＣｒｅｆにフィー
ドバック制御するようにした。そのため、精度が良く信
頼性の高いヒータ制御が実現できるようになる。

【００６２】（ニ）バッテリ電源＋Ｂに応じてヒータ通
電量（Ｄｕｔｙ）を補正するようにした。この場合、バ
ッテリ電源＋Ｂの変動時にも過不足のないヒータ通電を
実施することが可能となる。

【００６３】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて具体化できる。上記実施の形態では、有効
な素子抵抗ＺＡＣが検出可能になると、素子抵抗ＺＡＣ
のフィードバック制御を実施したが（前記図１１のステ
ップ１４３〜１４６）、これを変更する。例えば素子抵
抗ＺＡＣを素子温に変換し、その素子温を目標値にフィ
ードバック制御するようにしてもよい。かかる場合に
も、上記実施の形態と同様、構成の簡素化を図りつつ、
良好なるヒータ制御を実施することが可能となる。

【００６４】上記実施の形態では、有効な素子抵抗ＺＡ
Ｃが検出可能になるまでの期間において、ヒータ６４の
昇温能力に応じてデューティ比Ｄｕｔｙを決定したが
（前記図１４）、これを変更する。例えばセンサ素子部
６０又はヒータ６４の劣化度合を求め、その劣化度合に
応じてデューティ比Ｄｕｔｙを決定する。つまり、ヒー
タ６４の劣化が進行すると、ヒータ抵抗が高くなり昇温
速度が小さくなる。そこで、ヒータ６４の劣化度合が大
きいほど、デューティ比Ｄｕｔｙを大きい値とする。

【００６５】上記実施の形態では、素子抵抗ＺＡＣの検
出に際し、掃引法を用いて「交流インピーダンス」を求
めたが、これを変更し、「直流インピーダンス」を検出
する。具体的には、限界電流発生域にかからない抵抗支
配域の「負の電圧Ｖｎ」をＡ／Ｆセンサ３０に印加し、
その時の電流値Ｉｎ（負の電流値）に基づいて素子抵抗
Ｒｉを検出する（Ｒｉ＝Ｖｎ／Ｉｎ）。こうして直流イ
ンピーダンスを検出する場合、所定の周波数域の単発的
な交流電圧をセンサ素子部６０に印加するための構成が
不要となり、前記図１のＬＰＦ２２などが省略できる。

【００６６】上記実施の形態では、素子抵抗又は素子温
のフィードバック制御に際し、ＰＩＤ制御を実施した
が、これをＰＩ制御やＰ制御など他の制御に変更しても
よい。上記実施の形態では、板状の固体電解質層、拡散
抵抗層、ヒータをそれぞれ積層し、それにより積層型Ａ
／Ｆセンサを構成したが、この構成を変更する。例え
ば、断面コップ状のセンサ素子部（固体電解質及び拡散
抵抗層）にシート状のヒータを貼り合わせたようなセン
サで具体化してもよい。要は、センサ素子部とヒータと
の温度差が所定温度以下となるように、センサ素子部と
ヒータとが近接位置に配置される構成であればよい。

【００６７】また、本発明は、Ａ／Ｆセンサを用いた空
燃比検出装置以外にも適用できる。つまり、ＮＯｘ，Ｈ
Ｃ，ＣＯ等のガス濃度成分が検出可能なガス濃度センサ
を用いたガス濃度検出装置にも適用できる。当該他のガ
ス濃度検出装置においても上記実施の形態と同様の手法
を用いることで、構成の簡素化を図りつつ、良好なるヒ
ータ制御を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における空燃比制御システム
の概要を示す全体構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの全体構成を示す断面図。

【図３】センサ素子部の断面図。

【図４】センサ素子部を構成する各部材の分解斜視図。

【図５】Ａ／ＦセンサのＶ−Ｉ特性図。

【図６】Ａ／Ｆセンサの限界電流値と空燃比との関係を
示すグラフ。

【図７】バイアス制御回路の詳細な構成を示す電気回路
図。

【図８】空燃比検出装置内のマイコンによるメインルー
チンを示すフローチャート。

【図９】Ａ／Ｆ値の検出手順を示すフローチャート。

【図１０】素子抵抗の検出手順を示すフローチャート。

【図１１】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャー
ト。

【図１２】素子抵抗の検出時におけるセンサ電圧とセン
サ電流とを示す波形図。

【図１３】素子抵抗と素子温との関係を示すグラフ。

【図１４】ヒータ昇温能力と通電デューティ比との関係
を示す図。

【図１５】バッテリ電源＋Ｂと補正値ＦＫとの関係を示
す図。

【図１６】実施の形態における特徴的な作用をより具体
的に示すタイムチャート。

【符号の説明】

１０…エンジン、１５…空燃比検出装置、２０…ヒータ
制御手段としてのマイコン（マイクロコンピュータ）、
３０…ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流
式空燃比センサ）、４０…バイアス制御回路、５０…電
流検出手段としての電流検出回路、６０…センサ素子
部、６１…固体電解質、６４…ヒータ、６４ａ…発熱
体、＋Ｂ…バッテリ電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 敏行 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検出ガス中の特定成分濃度を検出するた
   めのセンサ素子と、電源電圧の通電により発熱して前記
   センサ素子を所定の活性温度に加熱するためのヒータと
   を有し、前記センサ素子と前記ヒータとが間近に配置さ
   れてそれら両者の温度差が常に所定値以下となるガス濃
   度センサに適用され、 前記センサ素子に電圧を印加し、その際に被検出ガス中
   の特定成分濃度に応じて流れる電流値を検出する電流検
   出手段と、 前記検出した電流値に基づいてセンサ素子の素子抵抗又
   は素子温を求め、該求めた素子抵抗又は素子温に基づい
   て前記ヒータの通電量を制御するヒータ制御手段とを備
   えることを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装
   置。
2. 【請求項２】前記ヒータ制御手段は、素子抵抗又は素子
   温を目標値にフィードバック制御する請求項１に記載の
   ガス濃度センサのヒータ制御装置。
3. 【請求項３】前記センサ素子の有効な素子抵抗又は素子
   温が検出可能になるまでは前記ヒータの通電量をヒータ
   昇温能力に応じてオープン制御する請求項１又は請求項
   ２に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
4. 【請求項４】前記ヒータに電力を供給するための電源の
   電圧値を求め、その電圧値に応じてヒータ通電量を補正
   する請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガス濃度セ
   ンサのヒータ制御装置。
5. 【請求項５】前記ガス濃度センサは、固体電解質を有す
   るセンサ素子にヒータを積層して配置し、固体電解質と
   ヒータとを一体化してなる請求項１〜請求項４のいずれ
   かに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。