JPH11344466A - Heater control device of gas concentration sensor - Google Patents

Heater control device of gas concentration sensor

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JPH11344466A
JPH11344466A JP10150290A JP15029098A JPH11344466A JP H11344466 A JPH11344466 A JP H11344466A JP 10150290 A JP10150290 A JP 10150290A JP 15029098 A JP15029098 A JP 15029098A JP H11344466 A JPH11344466 A JP H11344466A
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JP
Japan
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heater
sensor
temperature
current
value
Prior art date
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Pending
Application number
JP10150290A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Haneda
聡 羽田
Hidekazu Kurokawa
英一 黒川
Tomoo Kawase
友生 川瀬
Toshiyuki Suzuki
敏行 鈴木
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Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH11344466A publication Critical patent/JPH11344466A/en
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1456Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor output signal being linear or quasi-linear with the concentration of oxygen

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  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To well control a heater while simplifying constitution. SOLUTION: The sensor element part 60 of an A/F(air/fuel ratio) sensor 30 is constituted by laminating a solid electrolyte and a heater 64 to integrate them. The A/F sensor 30 outputs a linear A/F detection signal proportional to the concn. of oxygen in exhaust gas accompanied by the application of voltage. A microcomputer 20 operates the heater 64 through a heater control circuit 25 to hold the sensor element part 60 (solid electrolyte) to predetermined active temp. In this case, the microcomputer 20 detects element resistance on the basis of the voltage applied to the sensor element part 60 and the sensor current flowing accompanied by the applied voltage, and controls the supply of a current to the heater 64 on the basis of the element resistance. That is, the open control of heater working current is performed corresponding to the temp. rising capacity of the heater until effective element resistance becomes detectable, and the control for feeding back element resistance to an objective value is performed when the effective element resistance becomes detectable.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
The present invention relates to a heater control device for a gas concentration sensor.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art For example, in an oxygen concentration sensor for detecting the oxygen concentration (air-fuel ratio) in exhaust gas, a sensor current corresponding to the oxygen concentration flows with the application of a voltage, and the oxygen concentration or the air-fuel ratio is determined by the sensor current. It can be detected linearly. Also,
In this sensor, it is necessary to maintain a sensor element made of a solid electrolyte at a predetermined activation temperature. Usually, a heater is attached to the sensor to control the amount of electricity supplied to the heater. As one method of such heater control, there is a method of detecting a heater resistance and controlling power supplied to the heater so that the heater resistance becomes a predetermined value.

【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。
[0003] For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-278279, "a heater control device for an oxygen sensor", a heater temperature (heater temperature) is detected based on a heater resistance, and the heater temperature reaches an initial heating temperature of the heater. Until all power is turned on. After reaching the initial heating temperature, the power supply to the heater is controlled according to the heater temperature at that time. Further, an element temperature is detected based on the resistance value of the sensor element, and when the element temperature reaches a predetermined value, energization to the heater is controlled according to the sensor element temperature. The control device has a detection circuit for detecting the heater voltage and the heater current, and the heater resistance is detected from the heater voltage and the heater current.

【0004】[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。
In order to maintain the sensor element at a relatively high activation temperature, a large current must be supplied to the heater. In this case, in order to accurately and efficiently detect the heater current, a high-precision and low-resistance heater current detection resistor is required in the detection circuit, and such a request causes a complicated configuration. Further, since the resistor for detecting the heater current is a heating element, the heat capacity in the circuit must be taken into consideration, which causes a problem that the degree of freedom in circuit design is hindered.

【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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a heater for a gas concentration sensor capable of performing good heater control while simplifying the configuration. It is to provide a control device.

【0006】[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。
In the heater control apparatus for a gas concentration sensor according to the present invention, a sensor element for detecting the concentration of a specific component in a gas to be detected and a sensor element which generates heat when a power supply voltage is applied to heat the sensor element. It has a heater for heating to a predetermined activation temperature, and it is assumed that the sensor element and the heater are arranged close to each other and applied to a gas concentration sensor in which the temperature difference between them is always equal to or less than a predetermined value. And

【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。
According to the first aspect of the present invention, a current detecting means for applying a voltage to the sensor element and detecting a value of a current flowing according to a concentration of a specific component in a gas to be detected at the time, Heater control means for determining the element resistance or the element temperature of the sensor element based on the obtained current value, and controlling the amount of power to the heater based on the obtained element resistance or element temperature.

【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。
In short, the present invention is based on the premise that the sensor element and the heater are arranged close to each other and the temperature difference between them is always equal to or less than a predetermined value, and the heater is used by using only one of the element resistance and the element temperature. Is performed. That is, unlike the conventional device, the detection of the heater resistance is not required in the heater control. In such a case, a resistor through which a large amount of heater current flows becomes unnecessary, and accordingly, the circuit configuration can be simplified. Further, since the resistor as the heating element can be eliminated, the influence of heat generated by the resistor can be suppressed, and the degree of freedom in circuit design is improved. As a result, the object of the present invention is to achieve good heater control while simplifying the configuration.

【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。
The present invention is particularly effective in a laminated sensor in which a heater is stacked on a sensor element having a solid electrolyte and the solid electrolyte and the heater are integrated (claim 5). That is, in such a stacked sensor, the solid electrolyte and the heater are provided close to each other, so that, for example, when the sensor is started from a cold state, the element temperature changes following the change in the heater temperature. In this case, appropriate heater control can be performed by monitoring the element temperature (or element resistance) without monitoring the heater temperature.

【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。
In practice, the heater control means may feedback control the element resistance or the element temperature to a target value. In this case, highly accurate and highly reliable heater control can be realized.

【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。
According to the third aspect of the present invention, the amount of current supplied to the heater is controlled to be open in accordance with the heater temperature raising capability until an effective element resistance or element temperature of the sensor element can be detected. In this case, it is possible to suppress element cracking due to excessive temperature rise of the sensor element while improving the temperature rising characteristic of the sensor element. By improving the temperature rise characteristics of the sensor element,
The time from the sensor cold state to the activation can be shortened, and the sensor output can be used early.

【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。
According to the present invention, a voltage value of a power supply for supplying electric power to the heater is obtained, and a heater power supply amount is corrected according to the voltage value. In practice, the heater power supply amount may be corrected to decrease as the power supply voltage increases, and the heater power supply amount may be corrected to increase as the power supply voltage decreases. In this case, even when the power supply voltage fluctuates, it is possible to carry out heater energization without excess and deficiency.

【0013】[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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The air-fuel ratio detection device according to the present embodiment is applied to a gasoline injection engine mounted on an automobile. In the air-fuel ratio control system of the engine, the air-fuel ratio detection device detects the air-fuel ratio based on the detection result of the air-fuel ratio detection device. The fuel injection amount is controlled at a desired air-fuel ratio. In the following description, a schematic configuration of an air-fuel ratio control system, a procedure for detecting an air-fuel ratio (A / F) using an air-fuel ratio sensor, and a procedure for controlling energization of a heater provided in the sensor will be described in detail.

【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。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an outline of an air-fuel ratio control system according to the present embodiment. In FIG. 1, the air-fuel ratio detection device 15 includes a microcomputer (hereinafter, referred to as a microcomputer 20) which is a center of the internal calculation, and the microcomputer 20 controls an engine control ECU 16 for realizing fuel injection control, ignition control, and the like. And are communicably connected to each other. A limiting current type air-fuel ratio sensor (hereinafter, referred to as an A / F sensor 30) is attached to an exhaust pipe 12 extending from an engine main body 11 of the engine 10. It outputs a linear air-fuel ratio detection signal (sensor current signal) proportional to the oxygen concentration.

【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。
The microcomputer 20 includes a well-known CPU, ROM, RAM, and the like for executing various arithmetic processes, and controls a bias control circuit 40 and a heater control circuit 25, which will be described later, according to a predetermined control program. Microcomputer 2
0 operates with power supplied by the battery power supply + B.

【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。
The A / F sensor 30 has a stacked sensor element portion (cell) 60, and its structure is shown in FIG.
This will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the A / F sensor 30, FIG. 3 is a cross-sectional view of a sensor element section 60 constituting the A / F sensor 30, and FIG. FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a configuration.

【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。
As shown in FIG. 2, the A / F sensor 30
Is a cylindrical metal housing 31 screwed to the exhaust pipe wall.
The element cover 32 is attached to the lower opening of the housing 31. In the element cover 32,
The distal end (lower end) of the long plate-shaped sensor element section 60 is provided. The element cover 32 has a bottomed double structure, and has a plurality of exhaust ports 32a for taking exhaust gas into the inside of the cover.

【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。
The sensor element section 60 extends upward in the drawing so as to penetrate the insulating member 33 provided in the housing 31, and a pair of lead wires 34 is connected to its upper end. A body cover 35 is swaged to the upper end of the housing 31. Further, a dust cover 36 is attached above the main body cover 35, and the upper part of the sensor is protected by the double structure of the main body cover 35 and the dust cover 36. Each cover 35, 36 is provided with a plurality of air ports 35a, 36a for taking air into the covers.

【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。
Next, the configuration of the sensor element section 60 will be described with reference to FIGS. The sensor element unit 60 is roughly divided into
It comprises a solid electrolyte 61, a gas diffusion resistance layer 62, an air introduction duct 63, and a heater 64, and is formed by laminating these respective members. A protective layer 65 is provided around each member.

【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。
The rectangular plate-shaped solid electrolyte 61 is a sheet made of partially stabilized zirconia, and a porous measurement electrode 66 made of platinum or the like is formed on the upper surface (gas diffusion resistance layer 62 side) by a screen printing method or the like. At the same time, a porous atmosphere-side electrode 67 also made of platinum or the like is formed on the lower surface (at the side of the air introduction duct 63) by a screen printing method or the like. Lead wires 66 a and 67 a are connected to the measurement electrode 66 and the atmosphere-side electrode 67.

【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。
The gas diffusion resistance layer 62 has a gas permeable layer 62a made of a porous sheet for introducing exhaust gas to the measurement electrode 66, and a gas shielding layer 62b made of a dense layer for suppressing the transmission of exhaust gas. . Each of the gas permeable layer 62a and the gas shielding layer 62b is formed by molding a ceramic such as alumina, spinel, or zirconia by a sheet molding method or the like, but the gas permeability is different due to a difference in porosity average pore diameter and porosity. It has become something.

【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。
The air introduction duct 63 is made of a ceramic having a high thermal conductivity such as alumina, and an air chamber 68 is formed by the duct 63. The air introduction duct 63 plays a role of introducing air into the atmosphere-side electrode 67 in the atmosphere chamber 68. Incidentally, the atmosphere chamber 68 is provided with the cover 3 shown in FIG.
The air ports 5a and 36a communicate with the air ports 35a and 36a.

【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。
A heater 64 is provided on the lower surface of the air introduction duct 63.
Is attached. The heater 64 is connected to a battery power source +
A heating element 64a that generates heat when energized from B and an insulating sheet 64b that covers the heating element 64a are provided. Lead wires 64c are connected to both ends of the heating element 64a. However, in addition to the configuration of FIG. 3, the heating element 64a may be embedded in the solid electrolyte 61,
A configuration in which the heating element 64a is embedded in the gas diffusion resistance layer 62 is also possible.

【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。
In the sensor element section 60, the exhaust gas reaching the measuring electrode 66 does not enter the gas permeable layer 62a from the vertical direction (up and down direction in the drawing), but the gas permeable layer 62a
Invading from the side of That is, since the surface of the gas permeable layer 62a is covered with the gas shielding layer 62b, the exhaust gas cannot enter from the vertical direction, but enters the inside of the transmission layer 62a from a side surface direction orthogonal to the direction. In such a case, the gas diffusion amount of the gas permeable layer 62a depends on the horizontal dimension of the gas permeable layer 62a (actually, the distance between the side surface of the gas permeable layer 62a and the measurement electrode 66). Therefore, a uniform and stable sensor output can be obtained even if the hole diameter of the gas permeable layer 62a varies.

【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。
In the A / F sensor 30 having the above-described configuration, the sensor element section 60 generates a limit current corresponding to the oxygen concentration in a lean region from the stoichiometric air-fuel ratio point. In this case, the sensor element section 60 (solid electrolyte 61) can detect the oxygen concentration with linear characteristics, but a high temperature of about 600 ° C. or more is required to activate the sensor element section 60, In addition, since the activation temperature range of the sensor element section 60 is narrow, the engine 1
The active state cannot be maintained by heating only with the exhaust gas of 0. Therefore, in the present embodiment, the sensor element section 60 is maintained in the active temperature range by controlling the heating of the heater 64 (the heating element 64a). In the region richer than the stoichiometric air-fuel ratio, the concentration of unburned gas such as carbon monoxide (CO) changes almost linearly with respect to the air-fuel ratio. Generates a limiting current.

【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。
The voltage-current characteristics of the A / F sensor 30 will be described with reference to FIG. According to FIG. 5, the current flowing into the solid electrolyte 61 of the sensor element unit 60 and the solid electrolyte 6
It can be seen that the applied voltage to 1 has a linear characteristic. In such a case, the straight line parallel to the voltage axis (horizontal axis) specifies the limit current of the sensor element unit 60, and the increase / decrease of this limit current (sensor current) depends on the increase / decrease of the A / F value (that is, lean).・ Degree of richness). In other words, the limit current increases as the A / F value becomes leaner,
The limit current decreases as the A / F value becomes richer.

【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。
In this voltage-current characteristic, a voltage range smaller than a linear portion parallel to the voltage axis is a resistance dominant region, and the inclination of the primary linear portion in the resistance dominant region is equal to the solid electrolyte 61 in the sensor element section 60. (Referred to as element resistance). This element resistance changes with the temperature change.
When the temperature of 0 decreases, the slope decreases due to an increase in element resistance.

【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。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the limiting current value on the horizontal axis and the A / F value corresponding to the limiting current value on the vertical axis. As an example, the specific numerical values of the heat resistance of the A / F sensor 30 are as follows: element heat resistance = 900 to 950 ° C., heater heat resistance = 1000 to 1100 ° C., maximum element temperature change rate = 150 200200 ° C./s, maximum value of heater temperature change rate = 200 ° C./s, maximum value of element-heater temperature difference = 200 ° C.

【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。
In FIG. 1, the A / F sensor 3
A bias command signal Vr for applying a voltage to 0 (sensor element unit 60) is input from the microcomputer 20 to the D / A converter 21 and is converted into an analog signal Vb by the D / A converter 21. The signal is input to an LPF (low-pass filter) 22. The output voltage Vc from which the high-frequency component of the analog signal Vb has been removed by the LPF 22 is input to a bias control circuit 40 for applying a voltage for A / F detection or element resistance detection to the A / F sensor 30. You. At the time of A / F detection, the A / F at that time is determined using the characteristic line L1 in FIG.
While the applied voltage Vp corresponding to the value is set, a single-shot voltage having a predetermined time constant consisting of a predetermined frequency signal is applied during element resistance detection.

【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。
The current detection circuit 5 in the bias control circuit 40
0 detects the value of the current flowing with the application of the voltage to the A / F sensor 30. The analog signal of the current value detected by the current detection circuit 50 is input to the microcomputer 20 via the A / D converter 23. The heater 64 (heating element 64 a) provided in the A / F sensor 30 includes a heater control circuit 25.
Controls its operation. That is, the heater control circuit 25 controls the amount of power to the heater 64 by the duty ratio signal corresponding to the element resistance of the A / F sensor 30.

【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。
Next, the configuration of the bias control circuit 40 is shown in FIG.
This will be described with reference to the electric circuit diagram of FIG. In FIG. 7, the bias control circuit 40 has a reference voltage circuit 44. The reference voltage circuit 44 has a constant voltage V
cc is divided to generate a constant reference voltage Va.

【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。
A non-inverting input terminal of an operational amplifier 45a in the amplifier circuit 45 is connected to a voltage dividing point of a reference voltage circuit 44 held at a reference voltage Va, and an output terminal of the operational amplifier 45a is connected to a sensor current detecting circuit. One terminal 42 of the sensor element unit 60 (A / F sensor 30) is connected via 50. The terminal 42 is a terminal connected to the atmosphere-side electrode 67 of the sensor element section 60, and the same voltage Va as the reference voltage Va of the reference voltage circuit 44 is always applied to the terminal 42. The terminal 42 is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 45a, and the voltage Va of the terminal 42 is A / D
The data is taken into the converter 23.

【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。
The sensor current detection circuit 50 includes an operational amplifier 4
A current detection resistor 50a connected between the output terminal of the A / F sensor 30 and the terminal 42 of the A / F sensor 30;
The sensor current Ip corresponding to the / F value is detected. The voltage Vd at the connection point between the operational amplifier 45a and the current detection resistor 50a is taken into the A / D converter 23.

【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。
On the other hand, the operational amplifier 47a in the amplifier circuit 47
The LPF 22 is connected to the non-inverting input terminal. The output terminal of the operational amplifier 47a is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 47a and the other terminal 41 of the sensor element unit 60. The terminal 41 is a terminal connected to the measurement electrode 66 of the sensor element unit 60. The terminal 41 has a command voltage Vc which is an output after passing through the LPF 22.
The same voltage Vc is applied.

【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。
With the above configuration, a constant voltage Va is always supplied to one terminal 42 of the sensor element section 60. When a voltage Vc lower than the constant voltage Va is supplied to the other terminal 41 of the sensor element unit 60 via the LPF 22, the sensor element unit 60 is positively biased. Also,
The other terminal 4 of the sensor element unit 60 via the LPF 22
1 is supplied with a voltage Vc higher than the constant voltage Va,
The sensor element unit 60 is negatively biased.

【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。
Next, the operation of the air-fuel ratio detecting device 15 configured as described above will be described. FIG. 8 is a flowchart showing an outline of a main routine performed by the microcomputer 20. The routine is started when the microcomputer 20 is powered on.

【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。
In FIG. 8, the microcomputer 20 first determines in step 100 whether or not a predetermined time Ta has elapsed since the previous A / F detection. The predetermined time Ta is a time corresponding to an A / F value detection cycle, and is, for example, Ta = 4 ms.
Set to about. A predetermined time T from the previous A / F detection
If a has elapsed (YES in step 100), the microcomputer 20 proceeds to step 110, and executes an A / F value detection process according to FIG. 9 described later. If step 100 is NO, the microcomputer 20 ends this routine once.

【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。
Here, the A / F detection routine shown in FIG. 9 will be described.
The voltage Vp is applied to the sensor element unit 60 of the sensor 30.
The applied voltage Vp depends on the A / F value (limit current value I
For example, it is set as a value on the characteristic line L1 in FIG. 5 according to p).

【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。
Thereafter, the microcomputer 20 proceeds to step 112
Then, a current value flowing through the sensor element section 60 when Vp is applied, that is, a limit current value (sensor current) Ip detected by the current detection circuit 50 is read. Further, the microcomputer 20
In step 113, the limit current value Ip at each time is converted into an A / F value using the limit current value-A / F map shown in FIG. Further, the microcomputer 20 outputs the A / F value obtained as described above to the engine control ECU 16 in the subsequent step 114, and then returns to the original routine of FIG.

【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。
After detecting the A / F value, the microcomputer 20 returns to FIG.
In step 120, it is determined whether or not a predetermined time Tb has elapsed since the previous detection of the element resistance. The predetermined time Tb is a time corresponding to a detection cycle of the element resistance ZAC, and is selectively set according to, for example, an engine operating state. In the present embodiment, Tb = 2 s (second) in a normal state where the change in the A / F value is relatively small (during a steady operation of the engine 10).
When the A / F value changes suddenly (when the engine 10 is started or when it is in a transient operation), the predetermined time Tb is variably set to Tb = 128 ms (millisecond).

【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。
If step 120 is YES, the microcomputer 20 detects the element resistance ZAC in step 130, and controls energization of the heater 64 in step 140. The processes of steps 130 and 140 are respectively performed according to FIGS. 10 and 11 described later. If step 120 is NO, the microcomputer 20 ends this routine once.

【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。
Next, the procedure for detecting the element resistance ZAC in step 130 of FIG. 8 will be described with reference to FIG.
In this embodiment, when detecting the element resistance ZAC,
The so-called "AC impedance" is determined using a sweep method.

【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。
In FIG. 10, the microcomputer 20 first operates the bias command signal Vr in step 131, and changes the applied voltage Vp (A / F detection voltage) up to that point in a one-time change to the positive side. . The voltage application time for detecting the element resistance is about several tens to 100 μs. Thereafter, the microcomputer 20 reads the voltage change amount ΔV at that time and the sensor current change amount ΔI detected by the current detection circuit 50 in step 132. Further, in the following step 133, the microcomputer 20 calculates the element resistance ZAC from the ΔV value and ΔI value (ZAC = ΔV / ΔI), and thereafter returns to the original routine of FIG.

【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。
According to the above processing, the LPF 2 shown in FIG.
A voltage having a predetermined time constant is applied to the A / F sensor 30 one by one via the bias control circuit 40. As a result, as shown in FIG. 12, a peak current ΔI (current change amount) is detected after a lapse of t time from the application of the voltage, and an element resistance ZAC is detected from the voltage change amount ΔV and the peak current ΔI at that time. (ZAC = ΔV / Δ
I). In such a case, by applying a one-shot voltage to the A / F sensor 30 via the LPF 22, the occurrence of an excessive peak current is suppressed, and a highly reliable element resistance ZAC can be detected.

【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。
The element resistance ZAC obtained as described above is
FIG. 13 shows the relationship with the element temperature. That is,
As the element temperature is lower, the element resistance ZAC is dramatically increased. Incidentally, the activation temperature of the A / F sensor 30 (about 700 ° C.)
Corresponds to the element resistance ZAC ≒ 90Ω.

【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。
Next, the procedure for controlling the energization of the heater in step 140 of FIG. 8 will be described with reference to FIG. The microcomputer 20 first determines in step 141 whether or not the detected element resistance ZAC has reached a predetermined value (500 Ω in the present embodiment). Here, the predetermined value = 500Ω is
This is a value for determining that the effective element resistance ZAC can be detected. At the beginning of the low temperature start of the engine 10, the element resistance ZAC is so large that it cannot be detected, and the microcomputer 20 determines that “ZAC> 500Ω”.

【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。
If ZAC> 500Ω, the microcomputer 20
Determines the duty ratio Duty for heater energization in step 142 according to, for example, the relationship of FIG. According to step 142, the heater energization is controlled to be open. In FIG. 14, the duty ratio Duty is set according to the temperature raising capability of the heater 64, and the duty ratio Duty is basically set to a lower value as the heater temperature raising capability is higher. If the heater temperature raising ability is lower than the P1 value, Duty = 100% is set, and if the heater temperature raising ability is higher than the P2 value, Duty = 50% is set.

【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。
By the way, the heater heating stress refers to the engine 1
0 corresponds to the temperature increase rate from the low temperature start. for that reason,
The heater temperature raising capability may be estimated based on the temperature raising speed, and the heater temperature raising capability may be obtained from the estimated value. As the heating rate, a method of calculating from the heating data in the heater heating process at the time of the previous running of the vehicle, a method of estimating from the total operating time of the engine 10 (or the total running distance of the vehicle), and the like can be applied.

【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。
On the other hand, if ZAC ≦ 500Ω, the microcomputer 20 performs feedback control in steps 143 to 146 so as to maintain the element resistance ZAC at a predetermined value. That is, the current element resistance ZAC and its target value ZACr
The duty ratio Duty for energizing the heater is determined by using a PID control method or the like so that ef matches.

【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。
Specifically, the microcomputer 20 executes step 1
At 43, the element resistance ZAC at the previous processing is set to the previous value "ZAC
In step 144, the detected element resistance ZAC (the current detection value in FIG. 10) is read. Further, the microcomputer 20 calculates a proportional term Gp, an integral term Gi, and a differential term Gd by the following formula at step 145.

【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)。
Gp = Kp · (ZAC−ZACref) Gi = Gi + Ki · (ZAC−ZACref) Gd = Kd · (ZAC−ZAC0) where “Kp” is a constant of proportionality and “Kp”
“i” represents an integration constant, and “Kd” represents a differentiation constant. And
The microcomputer 20 adds the proportional term Gp, the integral term Gi, and the differential term Gd in step 146 to add the duty ratio Duty.
Is calculated (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。
After determining the duty ratio Duty as described above, the microcomputer 20 proceeds to step 147, and calculates the final duty ratio Dfn by correcting the duty ratio Duty. Specifically, the final duty ratio Dfn is calculated by using Dfn = Duty + FK, using a correction value FK corresponding to the voltage value of the battery power supply + B. Correction value FK
Is set, for example, based on the relationship in FIG. FIG.
According to the above, based on the battery power supply + B (actually, the voltage generated by the alternator) = 13 V, a correction value FK of less than “1” is set for + B ≧ 13 V, and a correction value of “1” or more for + B <13 V The value FK is set. When correcting the duty ratio, an exhaust gas temperature correction may be performed in addition to the above + B correction. In this exhaust gas temperature correction, a smaller correction value is given as the exhaust gas temperature is estimated to be higher.

【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。
The microcomputer 20 proceeds to step 14
At 8, the element temperature is guarded by the maximum allowable value, and then a duty ratio signal for energizing the heater is output to the heater control circuit 25 of FIG. In step 148, the heater is energized by the calculated final duty ratio Dfn.
It is determined whether the element temperature exceeds the maximum allowable value of “900 ° C.” or the maximum allowable value of the element temperature change rate of “150 ° C./s”. If it is assumed that the maximum allowable value is exceeded, the energization duty is regulated to “0” or a value (approximately 0.1 to 1%) at which the element temperature is surely reduced.
However, the restricted duty ratio may be set according to the conversion speed of the A / D converter.

【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。
As described above, in the present embodiment, in the heater control, the energization amount open control independent of the heater temperature (or the heater resistance) and the element resistance feedback control similarly independent of the heater temperature are performed. Is effective when the stacked A / F sensor 30 is applied as in the present embodiment. That is, in the case of the stacked A / F sensor 30, since the sheet-shaped element portion and the heater are arranged in a stacked manner, the heat generated by the heater is easily transmitted to the element portion, and the temperature difference between the element temperature and the heater temperature is small. . for that reason,
Even if the heater temperature or the heater resistance is not detected, the heater energization control can be performed.

【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。
FIG. 16 is a time chart more specifically showing the characteristic operation of the present embodiment. Here, FIG. 16A shows an A / F sensor constituted by a stacked sensor as in the present embodiment, in which the temperature difference between the element temperature and the heater temperature is relatively small, and FIG. An A / F sensor constituted by a non-type sensor and having a relatively large temperature difference between the element temperature and the heater temperature will be described. Note that, in FIG. 16, the A / F sensor 3
0 indicates a process of increasing the temperature from the cold state, and the element resistance ZAC at the initial stage of the heater energization start (initial engine start).
Is too high to detect.

【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。
In FIG. 16A, the heater temperature and the element temperature change with a maximum temperature difference of about 200 ° C.
In this case, before time t1 when ZAC> 500Ω,
The energization duty ratio Duty of the heater 64 is controlled to be open (step 142 in FIG. 11). Also, ZAC ≦ 5
After the time t1 at which 00Ω is reached, feedback control is performed so that the element resistance ZAC matches the target value ZACref (steps 143 to 146 in FIG. 11). As a result, the heater temperature converges to about 780 ° C. and the element temperature becomes about 700
Converges to ° C.

【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)。
On the other hand, in FIG. 16B, FIG.
In order to obtain the same transition of the element temperature and the element resistance ZAC as in the above, a sharp rise in the heater temperature is required at the beginning of the engine start. Therefore, the heater temperature overshoots, and the temperature difference between the element temperature and the heater temperature becomes very large. Furthermore, the heater temperature is maintained at a relatively high temperature (for example, about 850 ° C.) in order to maintain the active state of the sensor element unit.

【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。
When comparing FIGS. 16A and 16B, in FIG. 16A, the element temperature changes following the change in the heater temperature. Therefore, it is understood that proper heater control can be performed by monitoring the element temperature (element resistance) without monitoring the heater temperature.

【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。
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained. (A) In the present embodiment, the solid electrolyte 61 (sensor element) and the heater 64 are arranged close to each other, and the temperature difference between them is always equal to or less than a predetermined value.
And the energization control of the heater 64 is performed based on the element resistance ZAC obtained from the sensor current. That is, unlike the conventional device, the detection of the heater resistance is not required in the heater control. In such a case, a resistor through which a large amount of heater current flows becomes unnecessary, and accordingly, the circuit configuration can be simplified. Further, since the resistor as the heating element can be eliminated, the influence of heat generated by the resistor can be suppressed, and the degree of freedom in circuit design is improved. As a result, the object of the present invention is to achieve good heater control while simplifying the configuration.

【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。
(B) Until the effective element resistance ZAC can be detected, the heater power supply is open-controlled in accordance with the heater temperature raising capability. In this case, the sensor element unit 6
The element cracking due to excessive temperature rise of the element portion 60 can be suppressed while improving the temperature rise characteristic of 0. Sensor element 6
By improving the temperature rise characteristic of 0, the time from the cold state of the sensor to the activation can be shortened, and the sensor output can be used early.

【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。
(C) When the effective element resistance ZAC can be detected, the element resistance ZAC is feedback-controlled to the target value ZACref. Therefore, highly accurate and highly reliable heater control can be realized.

【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。
(D) The heater power supply (Duty) is corrected according to the battery power supply + B. In this case, even when the battery power supply + B fluctuates, it is possible to carry out the heater energization without excess and deficiency.

【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。
The embodiment of the present invention can be embodied in the following forms other than the above. In the above embodiment, when the effective element resistance ZAC can be detected, the element resistance ZAC
(Steps 143 to 146 in FIG. 11), this is changed. For example, the element resistance ZAC may be converted into an element temperature, and the element temperature may be feedback-controlled to a target value. In such a case, as in the above embodiment, while simplifying the configuration,
Good heater control can be performed.

【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。
In the above embodiment, the effective element resistance ZA
In the period until C can be detected, the duty ratio Duty is determined according to the temperature raising capability of the heater 64 (FIG. 14), but this is changed. For example, the degree of deterioration of the sensor element unit 60 or the heater 64 is obtained, and the duty ratio Duty is determined according to the degree of deterioration. In other words, as the deterioration of the heater 64 progresses, the heater resistance increases and the heating rate decreases. Therefore, as the degree of deterioration of the heater 64 increases, the duty ratio Duty is set to a larger value.

【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。
In the above-described embodiment, the "AC impedance" is obtained by using the sweep method when detecting the element resistance ZAC. However, this is changed and the "DC impedance" is detected. Specifically, a “negative voltage Vn” in a resistance dominant region that does not affect the limit current generation region is applied to the A / F sensor 30,
The element resistance Ri is detected based on the current value In (negative current value) at that time (Ri = Vn / In). When the DC impedance is detected in this way, a configuration for applying a single alternating voltage in a predetermined frequency range to the sensor element unit 60 becomes unnecessary, and the LPF 22 in FIG. 1 and the like can be omitted.

【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。
In the above embodiment, the PID control is performed in the feedback control of the element resistance or the element temperature. However, this may be changed to another control such as PI control or P control. In the above embodiment, the plate-shaped solid electrolyte layer, the diffusion resistance layer, and the heater are respectively laminated, and
Although the / F sensor is configured, this configuration is changed. For example, the sensor may be embodied as a sensor in which a sheet-like heater is attached to a sensor element portion (solid electrolyte and diffusion resistance layer) having a cup-shaped cross section. In short, any configuration may be used as long as the sensor element unit and the heater are arranged at close positions so that the temperature difference between the sensor element unit and the heater is equal to or lower than a predetermined temperature.

【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。
The present invention can be applied to devices other than the air-fuel ratio detecting device using the A / F sensor. That is, NOx, H
The present invention is also applicable to a gas concentration detection device using a gas concentration sensor capable of detecting gas concentration components such as C and CO. By using the same method as that of the above-described embodiment also in the other gas concentration detecting device, it is possible to perform excellent heater control while simplifying the configuration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing an outline of an air-fuel ratio control system according to an embodiment of the present invention.

【図2】A/Fセンサの全体構成を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the overall configuration of the A / F sensor.

【図3】センサ素子部の断面図。FIG. 3 is a sectional view of a sensor element unit.

【図4】センサ素子部を構成する各部材の分解斜視図。FIG. 4 is an exploded perspective view of each member constituting the sensor element unit.

【図5】A/FセンサのV−I特性図。FIG. 5 is a VI characteristic diagram of the A / F sensor.

【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。
FIG. 6 is a graph showing a relationship between a limit current value of an A / F sensor and an air-fuel ratio.

【図7】バイアス制御回路の詳細な構成を示す電気回路
図。
FIG. 7 is an electric circuit diagram showing a detailed configuration of a bias control circuit.

【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。
FIG. 8 is a flowchart showing a main routine by a microcomputer in the air-fuel ratio detection device.

【図9】A/F値の検出手順を示すフローチャート。FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for detecting an A / F value.

【図10】素子抵抗の検出手順を示すフローチャート。FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for detecting element resistance.

【図11】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャー
ト。
FIG. 11 is a flowchart showing a control procedure of heater energization.

【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。
FIG. 12 is a waveform chart showing a sensor voltage and a sensor current when detecting an element resistance.

【図13】素子抵抗と素子温との関係を示すグラフ。FIG. 13 is a graph showing a relationship between element resistance and element temperature.

【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。
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between a heater temperature raising capacity and a power supply duty ratio.

【図15】バッテリ電源+Bと補正値FKとの関係を示
す図。
FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a battery power supply + B and a correction value FK.

【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。
FIG. 16 is a time chart more specifically showing a characteristic operation in the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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。
10: engine, 15: air-fuel ratio detection device, 20: microcomputer (microcomputer) as heater control means,
Reference numeral 30: A / F sensor (limit current type air-fuel ratio sensor) as a gas concentration sensor; 40, bias control circuit; 50, current detection circuit as current detection means; 60, sensor element portion; 61, solid electrolyte; Heater, 64a heating element, + B battery power supply.

───────────────────────────────────────────────────── 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 ──────────────────────────────────────────────────の Continuing from the front page (72) Inventor Toshiyuki Suzuki 1-1-1, Showa-cho, Kariya-shi, Aichi Prefecture Inside DENSO Corporation

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A sensor element for detecting a concentration of a specific component in a gas to be detected, and a heater for generating heat by energizing a power supply voltage to heat the sensor element to a predetermined activation temperature, The present invention is applied to a gas concentration sensor in which a sensor element and the heater are disposed close to each other and a temperature difference between the two is always equal to or less than a predetermined value. Current detection means for detecting a current value flowing in accordance with the concentration; obtaining an element resistance or an element temperature of the sensor element based on the detected current value; and supplying a current to the heater based on the obtained element resistance or the element temperature. And a heater control means for controlling the temperature of the gas concentration sensor.
【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。
2. A heater control device for a gas concentration sensor according to claim 1, wherein said heater control means performs feedback control of an element resistance or an element temperature to a target value.
【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。
3. The gas according to claim 1, wherein the amount of current supplied to the heater is controlled to be open in accordance with the heater temperature raising capacity until an effective element resistance or element temperature of the sensor element can be detected. Heater control device for density sensor.
【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。
4. The gas concentration sensor according to claim 1, wherein a voltage value of a power supply for supplying electric power to said heater is obtained, and a heater power supply amount is corrected according to the voltage value. Heater control device.
【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。
5. The gas concentration sensor according to claim 1, wherein the gas concentration sensor is formed by stacking a heater on a sensor element having a solid electrolyte, and integrating the solid electrolyte and the heater. Heater control device for density sensor.
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