JP2002048762A

JP2002048762A - ガス濃度センサのヒータ制御装置

Info

Publication number: JP2002048762A
Application number: JP2000238832A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Okamoto; 岡本　　喜之
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-02-15
Anticipated expiration: 2020-08-07
Also published as: JP3692914B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子を適正
に活性化させること。【解決手段】Ａ／Ｆセンサ３０は、エンジン排出ガス中
の酸素濃度にほぼ比例した限界電流を出力する検出素子
６１と該検出素子６１を加熱するヒータ６４とを有す
る。マイコン２１内のＣＰＵ２２は、検出素子６１のイ
ンピーダンスが目標値に一致するようヒータ６４への通
電をフィードバック制御する。また、ＣＰＵ２２は、エ
ンジン１０の低温始動時において、検出素子６１の検出
インピーダンスと素子温度との相関を崩す要因（リード
部温度）に基づき、目標インピーダンスを補正する。具
体的には、エンジン始動開始からの積算空気量に応じて
目標インピーダンスを補正し、検出インピーダンスと素
子温度との相関ズレによる問題を解消する。

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
ヒータ制御装置に係り、詳しくは、ガス濃度センサを活
性化するためのヒータの通電を好適に制御するための技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のガス濃度センサとして、例え
ば、エンジンの排出ガス中の酸素濃度を検出する限界電
流式空燃比センサが知られており、当該センサのヒータ
制御装置として、特開平８−２７８２７９号公報、特開
平１０−３００７１６号公報などの技術が開示されてい
る。

【０００３】また、空燃比センサは一般に、断面コップ
状を成すコップ型構造のものと、板状の検出素子やヒー
タ部材等を積層して構成される積層型構造のものとが知
られており、近年では、小型化、低コスト化に適し、且
つ検出素子の昇温特性に優れる積層型構造のものが多用
されつつある。この積層型構造の空燃比センサは、例え
ば特開平１１−３４４４６６号公報に開示されており、
検出素子とヒータとが間近に配置され、素子温度とヒー
タ温度との差が比較的小さいことから、ヒータ抵抗の検
出値によるヒータ電力制御に代えて、検出素子の内部抵
抗（インピーダンス）によるヒータ通電制御が実施され
る。つまり、検出素子のインピーダンスが所定の目標値
になるよう、ヒータ通電量がフィードバック制御され
る。ここで、このヒータ通電制御では、検出素子のイン
ピーダンスと素子温度とが相関を持つことを前提に、活
性温度相当のインピーダンスを目標値として、掃引法等
により検出したインピーダンスがその目標値になるよう
ヒータ通電量を制御していた。一般には、素子温度が上
昇すればインピーダンスが小さくなることが知られてお
り、一例として、検出素子の活性温度が７５０℃の場
合、インピーダンスの目標値は３０Ω程度となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、空燃比セン
サの構造として通常は、固体電解質等から成る検出素子
がセンサ先端部に配され、リード部を介して検出素子の
出力が取り出されるようになっている。従って、検出素
子の出力（電流信号）を取り出し、その出力からインピ
ーダンスを検出する場合には、その検出値は検出素子の
抵抗成分と、リード部の抵抗成分とを含むことになる。
かかる場合、検出素子の温度に対してリード部の温度が
大きく相違すると、検出素子としてのインピーダンス検
出に影響が出てしまい、それによりヒータ通電の制御性
が悪化する。

【０００５】具体的には、例えば、エンジンの低温始動
時等において検出素子が比較的早く昇温するのに対して
リード部の昇温が遅い場合、インピーダンスの検出値が
本来の値（検出素子単体の値）よりも小さくなり、素子
温度が昇温途中であるにも拘わらずあたかも目標値（活
性温度）に達したかのように間違えてしまう。実際に
は、検出素子はヒータによる加熱に加えて排出ガスから
の受熱により早く昇温するのに対し、リード部はハウジ
ングや排気管壁への放熱等により昇温が遅れる。そし
て、検出素子が活性化したと間違えて判断することによ
り、素子温度の上昇が制約されてしまい実際の素子活性
化が遅れる。

【０００６】特に、積層型構造の空燃比センサでは、検
出素子と出力取り出し用のリード部とが一体にして作り
込まれ、リード部の影響が大きいことから、上記した不
都合が生じ易く、制御性悪化を招く可能性が高いと考え
られる。

【０００７】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、ヒータ通電の制
御性を改善し、検出素子を適正に活性化させることがで
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ガス濃度センサは、素子
抵抗（検出素子のインピーダンス）の検出値が目標値に
一致するようヒータ通電量がフィードバック制御される
（ヒータ制御手段）。そして、このヒータ通電制御にて
検出素子が活性化されることにより、検出素子は、被検
出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流を出力
する。特に請求項１に記載の発明では、素子抵抗の検出
値と素子温度との相関を崩す要因に基づき、素子抵抗の
検出値又は目標値の少なくとも何れか一方を補正する
（補正手段）。ここで、素子抵抗の検出値と素子温度と
の相関を崩す要因とは、センサ出力を取り出すためのリ
ード部の温度であり（請求項２）、前記補正手段は、前
記リード部の温度が低いほど、素子抵抗の検出値を増加
側に補正する或いは素子抵抗の目標値を減少側に補正す
ると良い（請求項３）。

【０００９】要するに、リード部温度等を要因として素
子抵抗の検出値又は目標値の何れかを補正することによ
り、素子抵抗の検出値と素子温度との相関ズレによる問
題を解消することが可能となる。その結果、ヒータ通電
の制御性を改善し、検出素子を適正に活性化させること
ができる。因みに、リード部の温度が低いほど、素子抵
抗の検出値を増加側に補正する或いは素子抵抗の目標値
を減少側に補正することは、何れの補正の場合にも、ヒ
ータのフィードバック制御における素子抵抗の偏差を故
意に大きくし、ヒータ通電量を増加させることを意味す
る。

【００１０】特に、固体電解質を有する検出素子にヒー
タを積層して配置した、いわゆる積層型構造のガス濃度
センサ（請求項８）では、検出素子と出力取り出し用の
リード部とが一体にして作り込まれ、リード部の影響が
大きいことから相関ズレが生じ易いが、本発明では、上
記の通り適正な補正を行うことにより相関ズレの影響が
排除できる。故に、検出素子が適正に活性化できるとい
った効果がより一層有効的に得られることとなる。

【００１１】また、以下の請求項４〜６の如く前記補正
手段を具体化することにより、リード部温度を間接的に
モニタすることができ、抵抗値の補正が簡易に実施でき
る。すなわち、・請求項４に記載の発明では、内燃機関の始動開始から
の吸入空気量の積算値に応じて抵抗値の補正を行う。・請求項５に記載の発明では、内燃機関からの排出ガス
の温度に応じて抵抗値の補正を行う。・請求項６に記載の発明では、内燃機関の始動当初に抵
抗値の補正値を初期設定し、その初期設定した補正値を
時間の経過に従い減衰させる。

【００１２】また、請求項７に記載の発明では、内燃機
関の低温始動時にのみ、前記補正手段による補正を実施
する。すなわち、内燃機関の低温始動時には、素子温度
とリード部温度との温度差が生じ、素子抵抗の検出値と
素子温度との相関が崩れがちになる。この場合、上記の
如く補正を行うことにより、目標温度に対して検出素子
がいち早く昇温されるようになり、内燃機関の冷間始動
に際し、検出素子の早期活性化が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明を車載エンジンの
空燃比制御システムに具体化した一実施の形態を図面に
従って説明する。本制御システムは、空燃比センサ（Ａ
／Ｆセンサ）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ものであり、本実施の
形態では特に、Ａ／Ｆセンサを良好に活性化するための
ヒータ通電制御の内容を中心に以下に詳しく説明する。

【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、限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサとい
う）３０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、電子制御ユニット
（以下、ＥＣＵという）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】ＥＣＵ２０は、各種制御の中枢をなすマイ
クロコンピュータ（以下、マイコンという）２１を備え
ており、マイコン２１は、各種の演算プログラムを実行
するＣＰＵ２２と、各種プログラムや制御データを予め
記憶するＲＯＭ２３と、演算データを一時的に記憶する
ＮＲＡＭ（ノーマルＲＡＭ）２４と、電源遮断時にも記
憶内容を保持するデータバックアップ用のＳＲＡＭ（ス
タンバイＲＡＭ）２５等により構成されている。マイコ
ン２１は、エンジン１０の燃料噴射制御や点火制御を実
施する他に、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧制御や同セ
ンサ３０のヒータ通電制御を実施する。

【００１６】Ａ／Ｆセンサ３０に関する制御を略述すれ
ば、マイコン２１は、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加す
るためのバイアス指令信号Ｖｒを、Ｄ／Ａ変換器２６及
びＬＰＦ（ローパスフィルタ）２７を介してバイアス制
御回路４０に出力する。このとき、Ｄ／Ａ変換器２６に
てバイアス指令信号Ｖｒがアナログ信号Ｖｂに変換さ
れ、更にＬＰＦ２７にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分
が除去された後、出力電圧Ｖｃがバイアス制御回路４０
に入力される。

【００１７】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２８を介してマ
イコン２１に入力される。マイコン２１は、所定の時間
周期（例えば数ミリ秒毎）でセンサ電流を取り込み、そ
の電流値をＡ／Ｆに変換する。また、Ａ／Ｆセンサ３０
のインピーダンス検出に際しては、マイコン２１から出
力される矩形状のバイアス指令信号Ｖｒにより、単発的
で且つ所定の時定数を持った電圧がＡ／Ｆセンサ３０に
印加される。

【００１８】更に、マイコン２１は、ヒータ制御回路２
９に対してヒータ制御信号を出力する。これにより、Ａ
／Ｆセンサ３０に設けられたヒータ６４の通電がデュー
ティ制御される。

【００１９】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
及び図３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の断面図である。

【００２０】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。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部３４が接続されている。

【００２１】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。

【００２２】次に、センサ素子部６０の構成を図３を用
いて説明する。センサ素子部６０は大別して、固体電解
質からなる検出素子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。

【００２３】長方形板状の検出素子（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、リード部６６ａ，６７ａが接続されており、
その先はＥＣＵ２０に接続されている。

【００２４】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。この
場合、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、センサ素子部周囲の排ガスはガス透過
層６２ａの側方（図の左右方向）から侵入し、計測電極
６６に達する。

【００２５】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。

【００２６】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、車載バッテリか
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
ード部６４ｃが接続されている。但し、図３の構成以外
に、発熱体６４ａを検出素子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。

【００２７】上記構成のＡ／Ｆセンサ３０は、図４に示
す電圧−電流特性を持つ。すなわち、センサ素子部６０
（検出素子６１）は、酸素濃度を直線的特性にて検出し
得るものであり、酸素濃度に応じた限界電流を発生す
る。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）に対応しており、
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。ここ
で、検出素子６１のインピーダンス（素子抵抗）と同素
子６１の温度（素子温度）とは相関があり、素子温度が
上昇するほど、インピーダンスが低下する傾向にある。
この場合、検出素子６１のインピーダンスが目標値（例
えば３０Ω）になるようヒータ通電をＦ／Ｂ制御するこ
とにより、素子温度が目標温度（例えば７５０℃）に保
持される。

【００２８】次に、ヒータ通電制御の概要について説明
する。本実施の形態のヒータ通電制御では、エンジン１
０の低温始動時等、検出素子６１のインピーダンス（検
出値）と素子温度との相関が崩れる場合において目標イ
ンピーダンスＺｔｇの補正を行うことを特徴としてお
り、先ず始めにその概要を説明する。

【００２９】要するに、検出素子６１のインピーダンス
と素子温度とは図６に実線で示す相関を持っており、掃
引法等により検出される検出インピーダンスＺｒｅが検
出素子６１単体のインピーダンスに一致していれば、上
記相関により適正なヒータＦ／Ｂ制御が可能となる。と
ころが、検出インピーダンスＺｒｅとして検出される値
は、検出素子６１の抵抗成分のみならずリード部（図２
ではセンサ素子部６０に接続されたリード部３４、図３
ではリード部６６ａ，６７ａ）の抵抗成分を含む。それ
故に、エンジン１０の低温始動時においては、上記した
相関が図６の二点差線のように崩れてしまう。これは、
Ａ／Ｆセンサ３０おいて、リード部の温度上昇速度と検
出素子６１の温度速度とが一致せず、実際の素子温度が
上昇していても、リード部の影響により検出インピーダ
ンスＺｒｅが実際の素子温度相当の値よりも低い値にな
ってしまうからである。更に言えば、これは、検出素子
６１はヒータ６４による過熱と排気熱により比較的早く
昇温されるのに対し、リード部はハウジングや排気管壁
等への放熱により昇温が比較的遅いことに起因する。

【００３０】本願発明者によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の
リード部温度と検出インピーダンスＺｒｅとは図７に示
す関係を持つことが判明している。図７では、リード部
温度が高く素子温度とほぼ一致する場合（図のＡの場
合）、検出インピーダンスが所定の目標値（３０Ω）に
なることで、素子温度が所定の活性温度（７５０℃）に
達する。これに対して、リード部温度が低い場合（図の
Ｂの場合）には、検出インピーダンスが２２Ωになるこ
とで、素子温度が所定の活性温度（７５０℃）に達する
ことが分かる。そこで、エンジン１０の低温始動時に
は、検出素子６１の検出インピーダンスと素子温度との
相関が崩れることを考慮し、図７の関係に基づいて目標
インピーダンスＺｔｇの補正を行う。

【００３１】具体的には本実施の形態では、リード部温
度を簡易的に推定する手法として、エンジン始動開始か
らの吸入吸気量の積算値（積算空気量ｓｕｍｑ）を求
め、その積算空気量ｓｕｍｑに基づいてＺｔｇ補正を行
う。図８は、エンジン始動開始からの積算空気量ｓｕｍ
ｑと検出インピーダンスＺｒｅとの関係を示す図であ
る。図８では、積算空気量ｓｕｍｑが例えば比較的小さ
いＱ１であれば検出インピーダンスＺｒｅが２２Ωにな
ることで、素子温度が活性温度（７５０℃）に達し、積
算空気量ｓｕｍｑがＱ２付近になると、検出インピーダ
ンスが３０Ωになることで、素子温度が活性温度（７５
０℃）に達する。またより詳しくは、積算空気量ｓｕｍ
ｑが小さい領域では、インピーダンス変化の勾配は比較
的大きく、同ｓｕｍｑが大きくなると、次第にインピー
ダンス変化の勾配が緩やかになる。

【００３２】ここで、検出素子６１を早期に活性温度ま
で昇温するには、積算空気量ｓｕｍｑに応じて目標イン
ピーダンスＺｔｇをマイナス側に補正し、その補正後の
Ｚｔｇによりヒータ通電をＦ／Ｂ制御する。この場合、
目標インピーダンスＺｔｇの補正量Ｚｈは図９の関係に
基づいて設定される。図９の関係は、前記図８に基づい
て与えられるものであり、図９によれば、エンジン始動
開始からの積算空気量ｓｕｍｑが大きくなるほど、すな
わち暖機が進むほど、インピーダンス補正量Ｚｈが小さ
くなる。

【００３３】図１０は、マイコン２１内のＣＰＵ２２に
より実施されるヒータ制御量算出ルーチンを示すフロー
チャートであり、例えば１３１ミリ秒毎に実行される。
図１０では、大きくは全通電制御、第１のヒータＦ／Ｂ
制御、第２のヒータＦ／Ｂ制御が順次実施されるように
なっており、概略として、エンジンの始動当初には全通
電制御が実施され、その全通電制御ではヒータ制御量
（Ｄｕｔｙ）が１００％で制御される。また、全通電制
御に引き続き第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、この
第１のヒータＦ／Ｂ制御では、インピーダンスの偏差に
応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜８０％の範囲内
で制御される。更に、第１のヒータＦ／Ｂ制御に引き続
き第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、この第２のヒー
タＦ／Ｂ制御では、インピーダンスの偏差に応じてヒー
タ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜６０％の範囲内で制御され
る。

【００３４】具体的には、センサ新品時のインピーダン
ス特性を示す図１２において、検出インピーダンスＺｒ
ｅと素子温度とが図の実線の関係にあり、目標インピー
ダンスＺｔｇが素子温度７５０℃相当の「３０Ω」であ
る場合、インピーダンスの偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚｔ
ｇ）が所定値Ｋ１（例えば、２０Ω）よりも大きけれ
ば、全通電制御が実施される。また、インピーダンスの
偏差ΔＺが所定値Ｋ２〜Ｋ３の範囲内（例えば、１０〜
２０Ω）にあれば、第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施さ
れ、ΔＺが所定値Ｋ２（例えば、１０Ω）よりも小さけ
れば、第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施される。

【００３５】なおここで、検出インピーダンスＺｒｅ
は、周知の掃引法により検出されるようになっており、
詳しくは図５に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０の印加電
圧を一時的に正方向及び負方向に変化させる。そして、
この電圧変化時における正負何れか一方の電圧変化量Δ
Ｖと電流変化量ΔＩとから検出インピーダンスＺｒｅを
算出する（Ｚｒｅ＝ΔＶ／ΔＩ）。このインピーダンス
検出の処理は、ＣＰＵ２２により実施され、これが「素
子抵抗検出手段」に相当する（但し、詳細な処理につい
て図示を略す）。

【００３６】以下には、ヒータ通電の詳しい内容を図１
０に従い説明する。先ず図１０のステップ１０１では、
目標インピーダンスＺｔｇの設定を行う。このとき、例
えばＺｔｇ＝３０Ωが設定される。その後、ステップ１
０２〜１０４では、必要に応じて目標インピーダンスＺ
ｔｇの補正を実施する。つまり、ステップ１０２では、
今回がエンジン１０の低温始動時であるか否かを判別す
る。例えば、（１）その時点のエンジン水温が６０℃未
満であること、（２）その時点のエンジン水温が、前回
のエンジン停止時における水温よりも３０℃以上低い温
度であること、といった条件を判別し、上記（１），
（２）が共に満たされる場合、低温始動時であると判別
する。但し、それ以外に、吸気温度、外気温度、ソーク
時間（車両放置時間）等を考慮してエンジン１０の低温
始動判定を行うようにしても良い。

【００３７】低温始動時である場合ステップ１０３に進
み、前述の図９の関係を用い、エンジン始動開始からの
積算空気量ｓｕｍｑに基づいてインピーダンス補正量Ｚ
ｈを算出する。そしてその後、ステップ１０４では、イ
ンピーダンス補正量Ｚｈにより目標インピーダンスＺｔ
ｇを補正する（Ｚｔｇ＝Ｚｔｇ−Ｚｈ）。これにより、
積算空気量ｓｕｍｑが小さいほど（すなわちリード部温
度が低いほど）、目標インピーダンスＺｔｇが小さな値
に補正されることとなる。

【００３８】上記ステップ１０３，１０４のインピーダ
ンス補正は、エンジン１０の低温始動時に繰り返し実施
されるようになっており、例えば、ステップ１０２がＹ
ＥＳの時に「補正実行フラグ」がセットされ、補正実行
フラグがセットされている期間でインピーダンス補正
（ステップ１０３，１０４）が行われる。そして、イン
ピーダンス補正量Ｚｈが０まで減衰した時に補正実行フ
ラグがクリアされ、インピーダンス補正が終了されるよ
うになっている。なお、エンジン始動後の所定時間（例
えば３６０秒）で区切ってインピーダンス補正を終了す
るようにしても良い。

【００３９】因みに、積算空気量ｓｕｍｑは、例えば図
１１の処理により４ｍｓ毎に算出される。つまり、図１
１において、ステップ２０１では、エアフロメータ等の
検出値によりその時の吸入空気量を算出し、続くステッ
プ２０２では、始動開始からの積算空気量ｓｕｍｑを算
出する。

【００４０】その後、ステップ１０５では、検出インピ
ーダンスＺｒｅと目標インピーダンスＺｔｇとから偏差
ΔＺを算出する（ΔＺ＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）。次に、ステ
ップ１０６では、ヒータ制御の許可条件が成立するか否
かを判別する。この許可条件としては、・エンジン始動後にエンジン回転数が所定値（例えば２
００ｒｐｍ）以上に上昇したこと、・バッテリ電圧が低下していないこと、・ヒータ制御に関与するその他のセンサの異常がないこ
と、等を含み、これらが成立する場合にヒータ制御が許可さ
れる。ヒータ制御の許可条件が不成立の場合、ステップ
１０７に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を０％とす
る。

【００４１】また、ヒータ制御の許可条件が成立した場
合はステップ１０８に進み、ヒータ全通電を実施するか
否かを判別する。ヒータ全通電の実施条件としては、全
通電の開始後の経過時間が所定時間（例えば１０秒）以
内であり、且つインピーダンス偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚ
ｔｇ）が所定値Ｋ１以上であることを含み、エンジンの
低温始動時等においては検出インピーダンスＺｒｅが非
常に大きな値であることから、ステップ１０８がＹＥＳ
となり、ヒータ全通電を実施する。つまり、ステップ１
０９に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を１００％とす
る。

【００４２】また、ステップ１０８がＮＯであればステ
ップ１１０に進み、インピーダンスの偏差ΔＺが所定値
Ｋ２よりも大きいか否かを判別する。そして、ステップ
１１０がＹＥＳであればステップ１１１に進み、第１の
ヒータＦ／Ｂ制御を実施する。このとき、前述した通り
０〜８０％の範囲でＤｕｔｙが設定される。但し実際に
は、エンジンの始動直後はインピーダンスの偏差ΔＺが
未だ大きいため、８０％付近のＤｕｔｙが設定されるこ
ととなる。

【００４３】また、ステップ１１０がＮＯの場合、ステ
ップ１１２に進み、第２のヒータＦ／Ｂ制御を実施す
る。このとき、前述した通り０〜６０％の範囲でＤｕｔ
ｙが設定される。本実施の形態の場合、インピーダンス
の偏差ΔＺに応じて、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０
％，２０％，４０％，６０％の何れかに設定されるよう
になっている（但し、第１のヒータＦ／Ｂ制御では、こ
れに８０％が加わる）。図１２を用いて具体的に説明す
れば、・素子温度が目標値よりも高温の場合において、
ΔＺ＜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝０％とし、ΔＺ＝−
Ｋ３〜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝２０％とする。・素
子温度が目標値付近にあれば、すなわち、｜ΔＺ｜≦Ｋ
３であれば、この温度が保持できるようＤｕｔｙ＝４０
％とする。・素子温度が目標値よりも低温の場合におい
て、ΔＺ＝Ｋ３〜Ｋ２であれば、Ｄｕｔｙ＝６０％とす
る。

【００４４】最後に、ステップ１１３では、ヒータ制御
量の急変を防止すべく、今回設定したヒータ制御量（Ｄ
ｕｔｙ）になまし処理を実施する。例えば、Ｄｕｔｙ＝（３×Ｄｕｔｙ（ｉ−１）＋今回Ｄｕｔｙ）
／４といった演算によりＤｕｔｙを設定する。なお本実施の
形態では、ステップ１１０〜１１２が本発明の「ヒータ
制御手段」に相当し、ステップ１０３，１０４が「補正
手段」に相当する。

【００４５】次に、ヒータ通電制御についてより具体的
な動作を図１３のタイムチャートを用いて説明する。な
お、図１３は、エンジン１０の低温始動時におけるヒー
タ通電の様子を示しており、目標インピーダンス補正有
りの場合を実線、補正無しの場合を１点鎖線で図示す
る。

【００４６】エンジン始動後、Ａ／Ｆセンサ３０のヒー
タ通電が開始されると、素子温度が次第に上昇し、それ
に伴い検出インピーダンスＺｒｅが低下する。また、エ
ンジン始動後、時間の経過に伴い積算空気量ｓｕｍｑが
増加していく。このＡ／Ｆセンサ３０の暖機（活性化）
過程において、前述の通り検出インピーダンスＺｒｅと
素子温度との相関が崩れる。従って、目標インピーダン
スＺｔｇの補正を行わず、設定当初の目標値（３０Ω）
をそのまま使う従来制御（１点鎖線）では、素子温度が
活性温度（７５０℃）に達していなくても検出インピー
ダンスＺｒｅが目標値（３０Ω）に収束する。そしてそ
れ以降、インピーダンス一定で制御される。この場合、
素子温度が目標温度（７５０℃）に達していなくても制
御Ｄｕｔｙが小さくなることから、検出素子６１の実際
の活性化が遅れてしまう。

【００４７】これに対して本実施の形態では、上記した
通り積算空気量ｓｕｍｑに応じてインピーダンス補正量
Ｚｈが設定され、そのＺｈにより目標インピーダンスＺ
ｔｇが補正される。これにより、目標インピーダンスＺ
ｔｇは当初設定した目標値（３０Ω）に対してマイナス
側に補正され、その補正後の目標値に対してヒータ通電
がフィードバック制御される。検出インピーダンスＺｒ
ｅは、当初設定した目標値（３０Ω）に対してマイナス
側に一旦オーバーシュートし、その後、補正後のＺｔｇ
の動きに沿って徐々に上昇していく。この場合、Ｚｔｇ
補正を行わない従来技術に比べて検出素子６１の活性化
が早くなり、早期に目標温度でのヒータ制御が開始でき
るようになる。

【００４８】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。エンジン始動開始からの積算空
気量ｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正
するので、検出インピーダンスＺｒｅと素子温度との相
関ズレによる問題を解消することが可能となる。その結
果、ヒータ通電の制御性を改善し、検出素子６１を適正
に活性化させることができる。

【００４９】特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０で
は、検出素子６１と出力取り出し用のリード部とが一体
にして作り込まれ、リード部の影響が大きいことから相
関ズレが生じ易いが、上記の通り適正な補正を行うこと
により相関ズレの影響が排除できる。故に、検出素子６
１が適正に活性化できるといった効果がより一層有効的
に得られることとなる。

【００５０】また、エンジン１０の低温始動時に目標イ
ンピーダンスＺｔｇを補正するので、目標とする活性温
度に対して検出素子６１が昇温されるようになり、エン
ジン１０の冷間始動に際し、検出素子６１の早期活性化
が可能となる。

【００５１】また、本実施の形態では、空燃比制御シス
テムの設計にあたりばらつき項目の削減が可能となる。
つまり、システム設計では、様々なセンサ系や制御系の
ばらつきを考慮してＡ／Ｆセンサの温度補償範囲を満足
させなくてはならないが、この際、既述の通りヒータ通
電の制御性が改善されればその分設計の適正化が容易と
なる。

【００５２】加えて、空燃比制御システムとしては、上
記の通り検出素子６１の早期活性化が可能となることか
ら、エンジン始動後早期にＡ／Ｆ検出が可能となり、い
ち早く適正な空燃比Ｆ／Ｂ制御が開始できる。故に、排
気エミッションが改善できるようになる。

【００５３】なお本発明は、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、エンジン始動開始か
らの積算空気量ｓｕｍｑを算出すると共に、図９の関係
に基づきｓｕｍｑに応じて目標インピーダンスＺｔｇを
補正したが、これを以下のように変更する。（１）前記図９の関係に代えて、図１４の関係を用い
る。図１４では、積算空気量ｓｕｍｑに加えて始動時水
温の高低に応じてインピーダンス補正量Ｚｈを設定して
おり、始動時水温が低いほど、インピーダンス補正量Ｚ
ｈが大きな値に設定される。言い換えれば、始動時水温
が低いほど、目標インピーダンスＺｔｇが小さい値に補
正される。この場合、始動時水温に応じて、インピーダ
ンス補正量の設定マップを複数設けても良い。また、図
９の関係により設定したインピーダンス補正量（基本
値）に対して水温補正係数を乗算し、インピーダンス補
正量Ｚｈを算出するようにしても良い。（２）排気温センサ等により排気温度を検出し、その排
気温度に応じて目標インピーダンスＺｔｇを補正する。
この場合、排気温度は、検出素子６１やヒータ６４の昇
温速さに関係し、排気温度が低いほど昇温が遅い。そこ
で、図１５に示すように、エンジン始動当初に設定した
初期値に対し、排気温度に応じてインピーダンス補正量
Ｚｈを変更する。（３）エンジン始動当初に、所定のインピーダンス補正
量Ｚｈの初期値を設定し、時間経過に従い補正量Ｚｈを
次第に減衰させるようにする。上記（２），（３）の場
合、補正量Ｚｈの初期値は、エンジン始動当初における
エンジン水温に応じて設定されると良い。

【００５４】上記実施の形態では、検出インピーダンス
Ｚｒｅと素子温度との相関を崩す要因（リード部温度）
に基づき目標インピーダンスＺｔｇを補正したが、この
構成を変更する。例えば、目標インピーダンスＺｔｇの
補正に代えて、検出インピーダンスＺｒｅを補正した
り、或いは検出インピーダンスＺｒｅと目標インピーダ
ンスＺｔｇの両方を補正したりしても良い。検出インピ
ーダンスＺｒｅを補正する場合には、リード部温度が低
いほど（例えば、ｓｕｍｑが小さいほど）、Ｚｒｅを増
加側に補正する。何れにしろ、エンジンの低温始動時に
おいてインピーダンス偏差を故意に大きくし、ヒータ制
御量（Ｄｕｔｙ）を増加させるよう補正するのであれば
良い。

【００５５】素子抵抗として、インピーダンスを検出す
る他、インピーダンスの逆数であるアドミタンスを検出
するようにしても良い。この場合、検出素子６１の目標
温度はアドミタンスの目標値で制御される。

【００５６】上記実施の形態では、積層型Ａ／Ｆセンサ
を用いて空燃比制御システムを具体化したが、断面コッ
プ状の検出素子を持つ、いわゆるコップ型Ａ／Ｆセンサ
を用いても良い。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、ＮＯ
ｘ，ＨＣ，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、ヒータ通電の制御性を改善し、
検出素子を適正に活性化させることができる。

【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
の概要を示す構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの構造を示す断面図。

【図３】センサ素子部の断面図。

【図４】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図。

【図５】インピーダンス検出時における電圧及び電流の
波形図。

【図６】検出素子のインピーダンス特性を示す図。

【図７】リード部温度と検出インピーダンスとの関係を
示す図。

【図８】積算空気量と検出インピーダンスとの関係を示
す図。

【図９】インピーダンス補正量を設定するための図。

【図１０】ヒータ制御量算出ルーチンを示すフローチャ
ート。

【図１１】積算空気量の算出ルーチンを示すフローチャ
ート。

【図１２】検出素子のインピーダンス特性を示す図。

【図１３】エンジン始動時におけるヒータ通電の様子を
示すタイムチャート。

【図１４】他の形態においてインピーダンス補正量を設
定するための図。

【図１５】他の形態においてインピーダンス補正量を設
定するための図。

【符号の説明】

１０…エンジン（内燃機関）、１２…排気管、２０…Ｅ
ＣＵ、２１…マイコン、２２…ＣＰＵ、３０…Ａ／Ｆセ
ンサ（ガス濃度センサ）、３４…リード部、６１…検出
素子、６４…ヒータ、６６ａ，６７ａ…リード部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３３１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被検出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例し
た限界電流を出力する検出素子と該検出素子を加熱する
ヒータとを有し、リード部を介して前記検出素子の出力
が取り出されるガス濃度センサと、前記ガス濃度センサの素子抵抗を検出する素子抵抗検出
手段と、素子抵抗の検出値が目標値に一致するようヒータへの通
電をフィードバック制御するヒータ制御手段と、素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩す要因に基づ
き、素子抵抗の検出値又は目標値の少なくとも何れか一
方を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とするガ
ス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項２】素子抵抗の検出値と素子温度との相関を崩
す要因とは、前記リード部の温度である請求項１に記載
のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項３】請求項２に記載のヒータ制御装置におい
て、前記補正手段は、前記リード部の温度が低いほど、素子
抵抗の検出値を増加側に補正する或いは素子抵抗の目標
値を減少側に補正するガス濃度センサのヒータ制御装
置。
【請求項４】内燃機関の排気管に前記ガス濃度センサが
配設され、同センサは内燃機関からの排出ガス中の特定
成分濃度を検出する装置であって、前記補正手段は、内燃機関の始動開始からの吸入空気量
の積算値に応じて抵抗値の補正を行う請求項１に記載の
ガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項５】内燃機関の排気管に前記ガス濃度センサが
配設され、同センサは内燃機関からの排出ガス中の特定
成分濃度を検出する装置であって、前記補正手段は、内燃機関からの排出ガスの温度に応じ
て抵抗値の補正を行う請求項１に記載のガス濃度センサ
のヒータ制御装置。
【請求項６】前記補正手段は、内燃機関の始動当初に抵
抗値の補正値を初期設定し、その初期設定した補正値を
時間の経過に従い減衰させる請求項１に記載のガス濃度
センサのヒータ制御装置。
【請求項７】内燃機関の低温始動時にのみ、前記補正手
段による補正を実施する請求項１〜６の何れかに記載の
ガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項８】前記ガス濃度センサは、固体電解質を有す
る検出素子にヒータを積層して配置した積層型構造を持
つ請求項１〜７の何れかに記載のガス濃度センサのヒー
タ制御装置。