JP2002257779A - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割
れなどの不具合を抑制すること。 【解決手段】Ａ／Ｆセンサ３０は、固体電解質体を用い
たセンサ素子５０を具備し、該センサ素子５０がヒータ
６７により活性状態に加熱される。昇温時ヒータ制御
（全通電制御）に際し、マイコン２０は、ヒータ６７に
基準電圧（１３Ｖ固定）を印加し且つデューティ比１０
０％とした条件下で規定した電力プロフィールを用い、
ヒータ通電を制御する。つまり、制御ベース値であるデ
ューティ比１００％に対し、電力プロフィール上に設定
される目標電力とその都度算出されるヒータ電力（＝ヒ
ータ電圧×ヒータ電流）との比に応じた補正を行い、昇
温時Ｄｕｔｙを算出する。

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】例えば自動車用エンジンにおいては、一
般にＡ／Ｆセンサ等のガス濃度センサによる検出結果に
基づき空燃比制御が実施される。ガス濃度センサはジル
コニア製の固体電解質体を用いたセンサ素子を有し、こ
のセンサ素子により空燃比（酸素濃度）を精度良く検出
するにはセンサ素子の温度を所定の活性温度に維持する
必要がある。通常は同センサにヒータを内蔵しヒータの
通電量（デューティ比）を制御している。こうしたヒー
タ制御の手法として、例えばヒータへの供給電力を制御
したり、センサ素子の温度を所定の活性温度にフィード
バック制御したりするものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来既
存の技術では、例えばエンジンの低温始動時にセンサ素
子を冷間状態から昇温させる際において、いち早く昇温
させることが望まれるものの、その反面、センサ素子を
急速に昇温させると、素子割れ、ヒータ割れ、素子とヒ
ータとの接合面の剥離などの不具合を生じるおそれがあ
った。

【０００４】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、センサの昇温特
性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制す
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。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、昇温時ヒータ制御手段は、センサ素子を活性温度に
昇温する昇温時において、所定デューティ比で設定した
制御ベース値によりヒータ通電を制御する。この場合特
に、前記制御ベース値でのヒータ電力の変化を電力プロ
フィールとして予め規定しておき、この電力プロフィー
ルを用いてヒータ通電を制御する。

【０００６】要するに、センサ素子の昇温時には早期活
性化を図るべく所定デューティ比（例えば１００％）で
ヒータ通電が行われる。この場合、比較的低温の状態か
らヒータに多大な電力が供給されると、素子割れ等の不
具合が発生することが懸念される。これに対して本発明
では、予め規定した電力プロフィールに従いヒータへの
供給電力が制御されるので、必要量を超えて電力が過剰
供給されることはなく、電力の過剰供給に起因する素子
割れ等の不具合が防止できる。これにより、センサの昇
温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑
制するという優れた効果が得られる。

【０００７】特に、センサ素子の固体電解質体にヒータ
を積層して配置し、固体電解質体とヒータとを一体化し
てなる積層型構造のガス濃度センサの場合（請求項１６
の場合）、固体電解質体とヒータとが近接して設けられ
るため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすい
が、本発明によれば上記の問題が確実に抑制できる。

【０００８】前記昇温時ヒータ制御手段としてより具体
的には、以下の請求項２〜請求項６に記載したようにヒ
ータ通電を制御すると良く、これらの何れにおいても電
力の過剰供給が抑制できる。つまり、 ・請求項２の発明では、前記制御ベース値に対し、電力
プロフィール上に設定される目標電力とその都度算出さ
れるヒータ電力との関係（例えば、目標電力と算出電力
との比）に応じた補正を行い、その補正後のデューティ
比によりヒータ通電を制御する。 ・請求項３の発明では、前記電力プロフィール上に目標
電力を設定し、該目標電力とその都度算出されるヒータ
電力との偏差に応じてヒータ通電をフィードバック制御
する。 ・請求項４の発明では、前記電力プロフィールをマップ
化したデータを用い、制御開始からの経過時間又は積算
電力に基づいてヒータ通電を制御する。 ・請求項５の発明では、前記電力プロフィールにより目
標電力を設定し、制御開始からの経過時間と積算電力と
の関係、又は目標電力とヒータ電力との関係が規定の関
係からずれた場合にそのズレ分に応じて目標電力を修正
する。 ・請求項６の発明では、前記電力プロフィールで規定さ
れる電力値以下となるようヒータ通電量を制限する。

【０００９】また実際には、請求項７に記載したよう
に、デューティ比１００％を制御ベース値として全通電
制御を実施する場合に、デューティ比１００％の条件下
で規定した電力プロフィールを用いてヒータ通電量を制
御すると良い。これにより、素子割れ等の不具合を招く
ことなく、全通電制御が好適に実施できる。

【００１０】請求項８に記載の発明では、前記電力プロ
フィールは、前記ヒータへの印加電圧を所定の基準電圧
固定とした条件下で設定したものであるとしている。こ
の場合、電力プロフィールの設定条件としてヒータ印加
電圧の条件を加えることで、より信頼性の高いヒータ通
電制御が実現できる。また更に、前記基準電圧が通常の
使用電圧よりも低い電圧とすることを要件にすれば、ヒ
ータ印加電圧が低くなる分、素子割れ発生までの時間が
長くなり、素子割れに対して余裕を持ったヒータ通電制
御が実現できる。

【００１１】また、請求項９に記載の発明では、前記ヒ
ータへの印加電圧を所定の基準電圧固定とした条件下で
電力プロフィールを規定し、前記昇温時ヒータ制御手段
は、前記制御ベース値に対し、前記基準電圧とその都度
検出されるヒータ電圧との関係に応じた補正を行い、そ
の補正後のデューティ比によりヒータ通電を制御する。
これにより、仮にヒータ電圧が基準電圧からずれたとし
ても、電力プロフィールを超えて電力が過剰供給される
といった不都合が抑制できる。特に、請求項１０に記載
したように、前記制御ベース値に対し、前記基準電圧と
その都度検出されるヒータ電圧との比に応じた補正を行
うと良い。

【００１２】上述の各発明では、電力プロフィールを用
いてヒータ通電制御を実施する旨説明したが、電力プロ
フィールに代えて、電流プロフィールを用いてヒータ通
電制御を実施することも可能である。つまり、請求項１
１に記載の発明では、前記制御ベース値でのヒータ電流
の変化を「電流プロフィール」として予め規定し、前記
昇温時ヒータ制御手段は、電力プロフィールに代えて、
電流プロフィールを用いてヒータ通電を制御する。この
場合にも既述の通り、必要量を超えて電力が過剰供給さ
れることはなく、電力の過剰供給に起因する素子割れ等
の不具合が防止できる。これにより、センサの昇温特性
を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制する
という優れた効果が得られる。

【００１３】ガス濃度センサが車載エンジンの排ガス成
分を検出するセンサであり、センサ内蔵のヒータに車載
バッテリが接続される場合、車載バッテリの電圧が変動
すると、ヒータへの供給電力が前記電力プロフィールか
ら外れてしまうことが考えられる。この場合、請求項１
２に記載したように、車載バッテリの電圧変動に応じた
ガード値により制御デューティ比を制限すれば、バッテ
リ電圧の変動時に電力プロフィールを超えて電力が過剰
供給されるといった不都合が抑制できる。

【００１４】請求項１３に記載の発明では、前記昇温時
ヒータ制御手段による昇温時ヒータ制御の開始当初にお
いて、ヒータの初期抵抗値を算出し、その初期抵抗値に
応じて昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御時間
を設定する。つまり、例えばガス濃度センサが極低温状
態にあり、ヒータ抵抗が小さい場合には、素子割れ発生
の可能性が高いため昇温制御時間を短くする。こうした
制御により、素子割れ等、不具合の発生がより一層確実
に抑制できる。

【００１５】また、請求項１４に記載の発明では、前記
昇温時ヒータ制御手段による昇温時ヒータ制御の開始当
初において、前記ヒータへの印加電圧が基準電圧よりも
低いほど、昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御
時間を長くする。これにより、ヒータ電圧が低い場合に
も良好なるセンサ昇温特性が得られるようになる。

【００１６】請求項１５に記載の発明では、前記ガス濃
度センサの始動後であり且つ、センサ素子又はヒータの
抵抗値に応じてヒータ通電量を制御する前の少なくとも
一定の期間において、前記昇温時ヒータ制御手段による
ヒータ通電を実施する。これにより、センサ始動直後に
おいてセンサの早期活性化の効果と素子割れ防止の効果
とが両立できるようになる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明を空燃比検出装置
として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エンジンに適用されるものであっ
て、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。また、空燃比制御装置においては、限
界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の検出結果を用
い排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出することとして
おり、該Ａ／Ｆセンサを活性状態に保つべく、素子イン
ピーダンスを検出すると共にセンサ内蔵のヒータを通電
制御する。以下、詳細に説明する。

【００１８】図１は、本実施の形態における空燃比検出
装置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。Ａ／Ｆセンサ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、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。

【００１９】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２４やヒータ制御回路２６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。

【００２０】次に、Ａ／Ｆセンサ３０の全体構成を図２
を用いて説明する。図２に示すように、Ａ／Ｆセンサ３
０は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３
１を有し、そのハウジング３１の下側開口部には、有底
二重構造をなす素子カバー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５０の先端
（図の下端）が配設されている。素子カバー３２は、排
ガスをカバー内部に取り込むための複数の排ガス口３２
ａを有しており、ここから排ガスが導入されて素子カバ
ー３２内部が排ガス雰囲気となる。

【００２１】絶縁部材３３には積層型のセンサ素子５０
が挿通されており、絶縁部材３３とセンサ素子５０との
間はガラス封止材４１にて封止固定されている。また、
絶縁部材３３の上方には別の絶縁部材３４が設けられ、
その絶縁部材３４内部においてセンサ素子５０と４本の
リード線３５とが接続されている。すなわち、センサ素
子５０はヒータ内蔵素子であり、該センサ素子５０に対
してセンサ出力取出し用の２本のリード線及びヒータ通
電用の２本のリード線、合計４本のリード線３５が接続
されている。リード線３５は、コネクタ部３６を介して
外部信号線３７に接続されている。

【００２２】ハウジング３１の上端には本体カバー３８
が溶接されている。また、本体カバー３８の上方にはダ
ストカバー３９が取り付けられ、これら本体カバー３８
及びダストカバー３９の二重構造によりセンサ上部が保
護される。なお、本体カバー３８及びダストカバー３９
の間には撥水フィルタ４０が設けられている。また、各
カバー３８，３９には、カバー内部に大気を取り込むた
めの複数の大気口３８ａ，３９ａが設けられている。

【００２３】次に、センサ素子５０の要部構成を図３を
用いて説明する。センサ素子５０において、部分安定化
ジルコニアよりなる酸素イオン導電性の固体電解質体５
１は長方形板状をなしており、その一方の面には排ガス
側電極５２が設けられ、他方の面には基準ガス室６５と
対面する基準ガス側電極５３が設けられている。固体電
解質体５１には、気孔率１０％程度のアルミナセラミッ
クよりなる多孔質拡散抵抗層５４と、緻密でガスシール
性のアルミナセラミックよりなるガス遮蔽層５５とが積
層されている。

【００２４】また、固体電解質体５１には、電気絶縁性
を有し且つ緻密でガスを透過させないアルミナセラミッ
クよりなるスペーサ６４が積層されており、スペーサ６
４には、基準ガス室６５として機能する溝部６４ａが設
けられている。また、スペーサ６４にはヒータ基板６６
が積層され、そのヒータ基板６６に、通電により発熱す
るヒータ（発熱体）６７が設けられている。

【００２５】前記図１の説明に戻る。図１において、Ａ
／Ｆセンサ３０（センサ素子５０）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はバイア
ス制御回路２４に入力される。バイアス制御回路２４で
は、Ａ／Ｆ検出時には所定の印加電圧特性に基づきその
時々のＡ／Ｆ値に対応した電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印
加され、素子インピーダンス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Ａ／
Ｆセンサ３０に印加されるようになっている。

【００２６】バイアス制御回路２４内の電流検出回路２
５は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧印加時にそれに伴って
流れる電流値を検出する。電流検出回路２５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。センサ素子５０に設けら
れたヒータ６７は、ヒータ制御回路２６によりその動作
が制御される。つまり、ヒータ制御回路２６は、Ａ／Ｆ
センサ３０の素子インピーダンスに応じてヒータ６７へ
の通電をデューティ制御する。

【００２７】図４は、ヒータ制御回路２６の構成を示す
回路図である。図４において、ヒータ６７の一端はバッ
テリ電源＋Ｂに接続され、他端はトランジスタ２６ａの
コレクタに接続されている。同トランジスタ２６ａのエ
ミッタはヒータ電流検出用抵抗２６ｂを介して接地され
ている。ヒータ電圧Ｖｈはヒータ６７の両端電位差によ
り検出され、その検出結果はオペアンプ２６ｃ並びにＡ
／Ｄ変換器２７を介してマイコン２０に入力される。ま
た、ヒータ電流Ｉｈはヒータ電流検出用抵抗２６ｂの両
端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２
６ｄ並びにＡ／Ｄ変換器２８を介してマイコン２０に入
力される。

【００２８】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５は、マイコン２０により
実施され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。

【００２９】図５において、先ずステップ１００では、
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＝４ｍｓｅｃ程度に設
定される。そして、ステップ１００がＹＥＳであること
を条件にステップ１１０に進み、Ａ／Ｆ値の検出処理を
実施する。すなわち、その時々のセンサ電流に応じた印
加電圧を設定すると共に、その電圧をＡ／Ｆセンサ３０
のセンサ素子５０に印加し、その時のセンサ電流を電流
検出回路２５により検出する。そして、該検出したセン
サ電流をＡ／Ｆ値に変換する。

【００３０】Ａ／Ｆ値の検出後、ステップ１２０では、
前回の素子インピーダンス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、素子インピ
ーダンス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１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅ
ｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップ１
２０がＹＥＳであることを条件に、ステップ１３０で素
子インピーダンスＺＡＣを検出すると共に、続くステッ
プ１４０でヒータ通電制御を実施する。素子インピーダ
ンスＺＡＣの検出処理、ヒータ通電制御については後で
詳しく説明する。

【００３１】次に、前記図５のステップ１３０における
素子インピーダンスＺＡＣの検出手順を図６を用いて説
明する。なお本実施の形態では、素子インピーダンスＺ
ＡＣ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。

【００３２】図６において、先ずステップ１３１では、
バイアス指令信号Ｖｒを操作し、それまでのＡ／Ｆ検出
用の印加電圧に対して電圧を正側に数１０〜１００μｓ
ｅｃ程度の時間で単発的に変化させる。その後、ステッ
プ１３２では、その時の電圧変化量ΔＶと電流検出回路
２５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、続くステップ１３３では、前記ΔＶ値及び
ΔＩ値から素子インピーダンスＺＡＣを算出し（ＺＡＣ
＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図５のルーチンに戻る。

【００３３】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２４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８に示すように、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
子インピーダンスＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／
ΔＩ）。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、信頼性の高い素子インピーダ
ンスＺＡＣが検出できる。上記の如く求められる素子イ
ンピーダンスＺＡＣは、素子温に対して図９に示す関係
を有する。すなわち、素子温が低いほど、素子インピー
ダンスＺＡＣは飛躍的に大きくなる。

【００３４】ところで、本実施の形態では、センサ素子
５０の昇温特性を改善し、且つセンサ素子５０の割れを
防止すべく、予め規定された電力プロフィールに沿って
ヒータ通電を制御することを要旨としており、その通電
制御の概要をここで説明する。

【００３５】つまり、ヒータ６７に印加される電圧を所
定の基準電圧（例えば１３Ｖ固定）とし、所定のデュー
ティ比で設定した制御ベース値によりヒータ通電を制御
する場合を考える。図１０は、（ａ）ヒータ電力、
（ｂ）ヒータ電流、（ｃ）ヒータ抵抗の変化を各々示す
タイムチャートである。図１０において、通電時間の経
過に伴いヒータ温度が例えば常温付近から上昇し、それ
と共にヒータ抵抗が上昇する。そのため、ヒータ電流が
次第に減少すると共に、ヒータ電力が減少する。

【００３６】ここで、「Ｐ１」は、デューティ比１００
％とした時の電力プロフィールであり、デューティ比１
００％でヒータ通電制御を実施する場合（全通電制御を
実施する場合）には、この電力プロフィールＰ１に沿っ
てヒータ６７への供給電力が制御される。これにより、
ヒータ６７に対して電力が過剰供給されることはなく、
電力の過剰供給に起因する素子割れ等の不具合が防止で
きるようになっている。なお、「Ｐ２」は、デューティ
比８０％とした時の電力プロフィールであり、デューテ
ィ比８０％でヒータ通電制御を実施する場合には、この
電力プロフィールＰ２に沿ってヒータ６７への供給電力
が制御されるようになっている。

【００３７】次に、前記図５のステップ１４０における
ヒータ通電の制御手順を図７を用いて説明する。図７に
おいて、先ずステップ１４１では、昇温時ヒータ制御の
実施条件を判定し、昇温時ヒータ制御（ステップ１４２
以降）を実施するか、或いは素子インピーダンスのＦ／
Ｂ制御（ステップ１４６以降）を実施するかを判別す
る。ここで、昇温時ヒータ制御の実施条件としては、 ・素子インピーダンスＺＡＣが所定の判定値（例えば、
５０Ω）以上であること、 ・後述する昇温制御時間Ｔｚに達していないこと、など
がある。例えば、エンジン始動直後であり未だ暖機途中
である場合には、素子インピーダンスＺＡＣが大きく、
昇温時ヒータ制御を行う旨が判別される（ステップ１４
１がＹＥＳ）。

【００３８】ステップ１４１がＹＥＳの場合、ステップ
１４２以降の処理において昇温時ヒータ制御を実施す
る。この昇温時ヒータ制御では基本的に、制御ベース値
＝デューティ比１００％の全通電制御が実施され、その
際、前記図１０（ａ）の電力プロフィールＰ１に沿って
ヒータ電力が推移するよう、デューティ比Ｄｕｔｙが適
宜補正される。

【００３９】以下詳述すれば、ステップ１４２では、昇
温時ヒータ制御の初回時であるか否かを判別し、初回で
あればステップ１４３に進む。ステップ１４３では、ヒ
ータ制御回路２６にて計測されるヒータ電圧Ｖｈとヒー
タ電流Ｉｈとを読み込み、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉを算出
する（Ｒｈｉ＝Ｖｈ／Ｉｈ）。また、続くステップ１４
４では、例えば図１１（ａ）の関係を用い、昇温時ヒー
タ制御を継続するための昇温制御時間Ｔｚを算出する。
図１１（ａ）によれば、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉが小さい
ほど、すなわちヒータ６７（センサ素子５０）が低温で
あるほど短い昇温制御時間Ｔｚが設定され、初期ヒータ
抵抗Ｒｈｉが大きいほど、すなわちヒータ６７（センサ
素子５０）が高温であるほど長い昇温制御時間Ｔｚが設
定される。

【００４０】図１１（ａ）に代えて、図１１（ｂ），
（ｃ）の関係を用いて昇温制御時間Ｔｚを設定しても良
い。図１１（ｂ）の関係を用いる場合、初期ヒータ抵抗
Ｒｈｉに代えて、ヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとか
らヒータ６７の初期電力が算出される。そして、初期電
力に応じて昇温制御時間Ｔｚが設定される。また、図１
１（ｃ）の関係を用いる場合、ヒータ電圧Ｖｈに応じて
昇温制御時間Ｔｚが設定される。なお、上記図１１
（ａ）〜（ｃ）により昇温制御時間Ｔｚを設定する際、
図７に示すように初回時のみ昇温制御時間Ｔｚを設定し
ても良いし、初回時だけでなく複数回にわたって繰り返
し昇温制御時間Ｔｚを設定をしても良い。また、図１１
（ｃ）の横軸はバッテリ電圧であっても良い。

【００４１】また、ステップ１４５では、ヒータ通電の
ための制御デューティ比Ｄｕｔｙ（昇温時Ｄｕｔｙ）を
算出する。このとき、制御ベース値であるデューティ比
１００％に対し、電力プロフィールＰ１上に設定される
目標電力とその都度算出されるヒータ電力（＝ヒータ電
圧Ｖｈ×ヒータ電流Ｉｈ）との比に応じた補正を行い、
昇温時Ｄｕｔｙを算出する。より具体的には、図１２
（ａ）の関係を用い、目標電力に対するヒータ電力の変
動分に応じてＤｕｔｙ補正値を設定する。そして、「１
００％×Ｄｕｔｙ補正値」により昇温時Ｄｕｔｙを決定
する。この場合、目標電力に対してヒータ電力が大きく
なるほど、デューティ比が減少側に補正される。昇温時
Ｄｕｔｙの算出後、元の図５の処理に戻る。そして、ヒ
ータ制御回路２６は、上記の昇温時Ｄｕｔｙによりヒー
タ６７の通電を制御する。

【００４２】上記ステップ１４５によれば、その都度算
出されるヒータ電力が目標電力から変動した場合、その
変動分に応じてデューティ比１００％が補正される。こ
れにより、ヒータ６７への供給電力が常に電力プロフィ
ールＰ１に沿って制御されるようになる。

【００４３】なお、上記ステップ１４５では、 昇温時Ｄｕｔｙ＝目標電力／ヒータ電力（算出値）×１
００％ として、昇温時Ｄｕｔｙを算出しても良い。この場合に
も電力プロフィールＰ１上の目標電力に対するヒータ電
力の変動分が補正され、電力プロフィールＰ１に沿って
ヒータ６７への供給電力が制御されるようになる。

【００４４】上記説明では、目標電力とその都度算出さ
れるヒータ電力との関係に応じて補正を行う旨説明した
が、これを変更し、ヒータ基準電圧とその都度検出され
るヒータ電圧Ｖｈとの関係に応じた補正を行うようにし
ても良い。具体的には、図１２（ｂ）の関係を用い、基
準電圧に対するヒータ電圧Ｖｈの変動分に応じてＤｕｔ
ｙ補正値を設定する。そして、「１００％×Ｄｕｔｙ補
正値」により昇温時Ｄｕｔｙを決定する。或いは、 昇温時Ｄｕｔｙ＝基準電圧^2／ヒータ電圧^2（検出値）
×１００％ として、昇温時Ｄｕｔｙを算出しても良い。これら何れ
の場合にも電力プロフィールＰ１上の目標電力に対する
ヒータ電力の変動分が補正され、電力プロフィールＰ１
に沿ってヒータ６７への供給電力が制御されるようにな
る。図１２（ｂ）の横軸はバッテリ電圧であっても良
い。

【００４５】一方、ステップ１４１がＮＯの場合、ステ
ップ１４６では、前回処理時の素子インピーダンスＺＡ
Ｃを前回値「ＺＡＣ０」とし、続くステップ１４７で
は、素子インピーダンスの今回値ＺＡＣ（前記図６によ
る検出値）を読み出す。また、ステップ１４８では、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。 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。

【００４６】そして、ステップ１４９では、上記比例項
Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを加算して制御デューテ
ィ比Ｄｕｔｙを算出し（Ｄｕｔｙ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇ
ｄ）、その後元の図５の処理に戻る。なお本実施の形態
では、ステップ１４５が特許請求の範囲に記載の「昇温
時ヒータ制御手段」に相当する。

【００４７】上記の如くヒータ通電制御が実施される様
子を図１３のタイムチャートに示す。図１３では、タイ
ミングｔ１において、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉに応じて昇
温制御時間Ｔｚが設定され、その昇温制御時間Ｔｚが経
過するまでのｔ１〜ｔ２の期間で昇温時ヒータ制御が実
施される。このとき、基本的にはＤｕｔｙ＝１００％の
全通電制御が実施され、その際、電力プロフィールＰ１
上の目標電力からヒータ電力が変動すれば、その分Ｄｕ
ｔｙ（１００％）が補正される。なおヒータ電力を逐次
積算した積算電力は図示の如く推移する。また、タイミ
ングｔ２以降は、素子インピーダンスＺＡＣのＦ／Ｂ制
御が実施される。

【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。ヒータ６７に基準電圧を印加し
且つデューティ比１００％とした条件下で規定した電力
プロフィールを用い、昇温時ヒータ制御（全通電制御）
を実施したので、必要量を超えて電力が過剰供給される
ことはなく、電力の過剰供給に起因する素子割れ等の不
具合が防止できる。本実施の形態の装置によれば、Ａ／
Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れ
などの不具合を抑制するという優れた効果が得られる。

【００４９】かかる場合、電力プロフィールの設定条件
である基準電圧が通常の使用電圧（１４Ｖ）よりも低い
電圧（例えば１３Ｖ）であれば、ヒータ印加電圧が低く
なる分、割れ発生までの時間が長くなり、素子割れに対
して余裕を持ったヒータ通電制御が実現できる。

【００５０】特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０の場
合、固体電解質体５１とヒータ６７とが近接して設けら
れるため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやす
いが、本実施の形態によれば上記の問題が確実に抑制で
きる。

【００５１】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、図７のステップ１４
５において、目標電力に対するヒータ電力の変動分に応
じてデューティ比の制御ベース値（１００％）を補正し
昇温時Ｄｕｔｙを算出したが、この構成を以下のように
変更する。つまり、電力プロフィールＰ１上に設定した
目標電力と、昇温時ヒータ制御に際してその都度算出さ
れるヒータ電力との偏差に応じてヒータ通電をＦ／Ｂ制
御する。例えば、目標電力とヒータ電力（算出値）との
偏差ΔＱを算出すると共に（偏差ΔＱ＝目標電力−ヒー
タ電力）、本ヒータ制御の比例項（Ｐ項）、積分項（Ｉ
項）及び微分項（Ｄ項）を求める。そして、 昇温時Ｄｕｔｙ＝Ｋｐ・ΔＱ＋ΣＫｉ・ΔＱ＋Ｋｄ（Δ
Ｑ−前回ΔＱ） として昇温時Ｄｕｔｙを算出する。

【００５２】前記図１０（ａ）の電力プロフィールＰ１
を予めマップ化し、マイコン２０に記憶しておくのが望
ましく、そのマップ値を用い、制御開始からの経過時間
に基づいて昇温時ヒータ制御を実施する。なお因みに、
制御開始からの時間経過に対応して積算電力が増加す
る。そこで、時間に代えて積算電力をパラメータにして
電力プロフィールを規定し、積算電力に基づいてヒータ
通電を制御しても良い。

【００５３】ヒータ電圧やヒータ電流の低下すると、そ
れに伴い始動時からの積算電力が減少する場合が考えら
れる。この場合、制御開始からの経過時間と積算電力と
の関係が規定の関係からずれるため、そのズレ分に応じ
て目標電力を修正する。その内容を図１４のタイムチャ
ートを用いて説明する。図１４において、本来は、時間
軸（図の横軸）に対して積算電力が図の実線の如く増加
し、その際、電力プロフィールＰ１に沿って目標電力が
設定される。これに対し、積算電力が図の二点鎖線の如
く増加する場合、積算電力の増加が遅れ、例えば積算電
力がＡ１値に達するタイミングがｔ１１からｔ１２に遅
れる。この場合、センサ素子の昇温性を確保するにはヒ
ータ電力を上昇させる必要があり、タイミングｔ１１で
のマップ値（電力プロフィールＰ１上の目標電力Ｂ１）
にてヒータ制御を実施する。すなわち、タイミングｔ１
２での目標電力を図のＢ２からＢ１に修正する。本構成
によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温性が確保でき、早期
活性化が可能となる。

【００５４】また、ヒータ電圧やヒータ電流の低下に伴
い目標電力とヒータ電力との関係が規定の関係からずれ
た場合において、そのズレ分に応じて目標電力を修正す
る構成としても良い。

【００５５】また、電力プロフィールＰ１で規定される
電力値以下となるようヒータ通電のためのデューティ比
を制御する。これは実質上、電力プロフィールＰ１で電
力ガードを行うことを意味する。この場合にも、電力の
過剰供給が抑制できる。

【００５６】デューティ比１００％とした時の電力プロ
フィール（図１０のＰ１）を用いること以外に、例え
ば、デューティ比８０％とした時の電力プロフィール
（図１０のＰ２）を用い、昇温時ヒータ制御を実施す
る。これは、制御ベース値をデューティ比８０％とし、
そのデューティ比８０％で通電制御を実施する場合を想
定したものであり、かかる場合、電力プロフィールＰ２
に沿ってヒータ６７への供給電力が制御される。

【００５７】また、所定デューティ比による通電制御
（昇温時ヒータ制御）を実施する場合において、その所
定デューティ比を変更する構成としても良い。例えば、
昇温時ヒータ制御の途中でデューティ比１００％の制御
からデューティ比８０％の制御に変更する。この場合に
は、ヒータ制御の基準となる電力プロフィールをＰ１か
らＰ２に切り替えるようにする。或いはその逆に、デュ
ーティ比８０％（電力プロフィールＰ２）の制御からデ
ューティ比１００％（電力プロフィールＰ１）の制御に
変更する。電力プロフィールをＰ２からＰ１に切り替え
る場合、デューティ比が低から高へ変更されるため、素
子低温時の熱衝撃が緩和されるようになる。

【００５８】一方、電力プロフィールは、Ａ／Ｆセンサ
と制御機器（空燃比検出装置）とを接続するためのワイ
ヤハーネスによる電圧降下分を考慮して設定されると良
い。例えば、ワイヤハーネスが長くなると、それだけ電
圧降下が大きくなる。そのため、その電圧降下分だけヒ
ータ電力が増加側にシフトするよう、電力プロフィール
を設定しておくと良い。但し、ワイヤハーネスによる電
圧降下分だけ昇温時Ｄｕｔｙを補正する構成であっても
良い。

【００５９】基準電圧に対して現在の使用電圧が変動し
た時、その変動量に応じてヒータ電力のガード値を補正
するようにしても良い。この場合、ワイヤハーネスの電
圧降下分を考慮してガード値を補正するようにしても良
い。

【００６０】また、ヒータ６７に基準電圧を印加し且つ
所定デューティ比（例えば１００％）とした条件下での
ヒータ電流の変化を「電流プロフィール」として規定
し、前記電力プロフィールに代えて、電流プロフィール
を用いてヒータ通電を制御する。この場合、前記図１０
（ｂ）に示すように、ヒータ通電開始からの時間の経過
に伴いヒータ電流が次第に減少し、その変化が電流プロ
フィールとして規定される。そして、昇温時ヒータ制御
においては、電流プロフィールに沿ってヒータ６７への
供給電力が制御される。より具体的には、制御ベース値
である所定デューティ比（例えば１００％）に対し、電
流プロフィール上に設定される目標電流とその都度検出
されるヒータ電流との比に応じた補正が行われ、昇温時
Ｄｕｔｙが算出される。例えば、 昇温時Ｄｕｔｙ＝目標電流^2／ヒータ電流（検出値）^2
×１００％ として、昇温時Ｄｕｔｙが算出される。この場合、電流
プロフィール上の目標電流に対するヒータ電流の変動分
が補正され、電流プロフィールに沿ってヒータ６７への
供給電力が制御されるようになる。なお、電流プロフィ
ールはマップとして予めマイコン２０に記憶され、制御
開始からの経過時間に基づいて目標電流の値が適宜読み
出される構成であると良い。

【００６１】また、電流プロフィール上に設定した目標
電流と、昇温時ヒータ制御に際してその都度検出される
ヒータ電流との偏差に応じて、ＰＩＤ手法等によりヒー
タ通電をＦ／Ｂ制御しても良い。更には、電流プロフィ
ール上に設定した電流値以下になるよう、ヒータ通電量
（Ｄｕｔｙ）を制限する構成であっても良い。

【００６２】前記電力プロフィール又は電流プロフィー
ルを規定する際、ヒータへの印加電圧は必ずしも基準電
圧固定でなくても良い。仮にヒータ印加電圧（基準電
圧）が多少変動しても、ヒータ電力又はヒータ電流の変
化は概ねヒータ抵抗の変化に追従する。従って、素子割
れ等の不具合が生じない範囲で電力プロフィール又は電
流プロフィールが規定できる。電力プロフィール又は電
流プロフィールは、要はヒータ通電量（Ｄｕｔｙ）を所
定の制御ベース値とした条件下で規定されるものであれ
ば良い。

【００６３】ガス濃度センサとして、排ガス中の酸素濃
度を検出する既述のＡ／Ｆセンサ以外に、例えば、ＮＯ
ｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ、ＨＣ濃度を検出するＨ
Ｃセンサ、ＣＯ濃度を検出するＣＯセンサ等が適用でき
る。その場合、検出セルは複数個有するものであっても
良い。更に、排ガス以外のガスを被測定ガスとすること
も可能である。ガス濃度検出装置としても、空燃比検出
装置以外の適用が可能である。

【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検出装置の概
要を示す構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの全体構成を示す断面図。

【図３】センサ素子の要部断面図。

【図４】ヒータ制御回路の構成を示す回路図。

【図５】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６】素子インピーダンスの検出手順を示すフローチ
ャート。

【図７】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。

【図８】インピーダンス検出時における電圧変化と電流
変化とを示す波形図。

【図９】素子インピーダンスと素子温との関係を示す
図。

【図１０】電力プロフィールを説明するためのタイムチ
ャート。

【図１１】昇温制御時間を設定するための図。

【図１２】Ｄｕｔｙ補正値を設定するための図。

【図１３】素子昇温時の動作を示すタイムチャート。

【図１４】素子昇温時の動作を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…マイコ
ン、３０…Ａ／Ｆセンサ、５０…センサ素子、５１…固
体電解質体、６７…ヒータ。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質体を用いたセンサ素子と該セン
   サ素子を活性状態に加熱するためのヒータとを有するガ
   ス濃度センサと、 前記センサ素子を活性温度に昇温する昇温時に、所定デ
   ューティ比で設定した制御ベース値によりヒータ通電を
   制御する昇温時ヒータ制御手段とを備え、 前記制御ベース値でのヒータ電力の変化を電力プロフィ
   ールとして予め規定し、 前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィールを
   用いてヒータ通電を制御す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】前記昇温時ヒータ制御手段は、前記制御ベ
   ース値に対し、電力プロフィール上に設定される目標電
   力とその都度算出されるヒータ電力との関係に応じた補
   正を行い、その補正後のデューティ比によりヒータ通電
   を制御する請求項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】前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プ
   ロフィール上に目標電力を設定し、該目標電力とその都
   度算出されるヒータ電力との偏差に応じてヒータ通電を
   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。
4. 【請求項４】前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プ
   ロフィールをマップ化したデータを用い、制御開始から
   の経過時間又は積算電力に基づいてヒータ通電を制御す
   る請求項１〜３の何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】前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プ
   ロフィールにより目標電力を設定し、制御開始からの経
   過時間と積算電力との関係、又は目標電力とヒータ電力
   との関係が規定の関係からずれた場合にそのズレ分に応
   じて目標電力を修正する請求項１〜４の何れかに記載の
   ガス濃度センサのヒータ制御装置。
6. 【請求項６】前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プ
   ロフィールで規定される電力値以下となるようヒータ通
   電量を制限する請求項１〜５の何れかに記載のガス濃度
   センサのヒータ制御装置。
7. 【請求項７】前記昇温時ヒータ制御手段は、デューティ
   比１００％を制御ベース値として全通電制御を実施する
   場合に、デューティ比１００％の条件下で規定した電力
   プロフィールを用いてヒータ通電を制御する請求項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。
8. 【請求項８】前記電力プロフィールは、前記ヒータへの
   印加電圧を所定の基準電圧固定とした条件下で設定した
   ものである請求項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。
9. 【請求項９】前記ヒータへの印加電圧を所定の基準電圧
   固定とした条件下で電力プロフィールを規定し、前記昇
   温時ヒータ制御手段は、前記制御ベース値に対し、前記
   基準電圧とその都度検出されるヒータ電圧との関係に応
   じた補正を行い、その補正後のデューティ比によりヒー
   タ通電を制御する請求項１に記載のガス濃度センサのヒ
   ータ制御装置。
10. 【請求項１０】請求項９に記載のガス濃度センサのヒー
    タ制御装置において、前記昇温時ヒータ制御手段は、前
    記制御ベース値に対し、前記基準電圧とその都度検出さ
    れるヒータ電圧との比に応じた補正を行うガス濃度セン
    サのヒータ制御装置。
11. 【請求項１１】前記制御ベース値でのヒータ電流の変化
    を電流プロフィールとして予め規定し、前記昇温時ヒー
    タ制御手段は、前記電力プロフィールに代えて、前記電
    流プロフィールを用いてヒータ通電を制御する請求項１
    〜１０の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装
    置。
12. 【請求項１２】前記ガス濃度センサは車載エンジンの排
    ガス成分を検出するセンサであり、センサ内蔵のヒータ
    に車載バッテリが接続されるヒータ制御装置に適用さ
    れ、前記昇温時ヒータ制御手段は、車載バッテリの電圧
    変動に応じたガード値により制御デューティ比を制限す
    る請求項１〜１１の何れかに記載のガス濃度センサのヒ
    ータ制御装置。
13. 【請求項１３】前記昇温時ヒータ制御手段による昇温時
    ヒータ制御の開始当初において、前記ヒータの初期抵抗
    値を算出し、その初期抵抗値に応じて昇温時ヒータ制御
    を継続するための昇温制御時間を設定する請求項１〜１
    ２の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
14. 【請求項１４】前記昇温時ヒータ制御手段による昇温時
    ヒータ制御の開始当初において、前記ヒータへの印加電
    圧が基準電圧よりも低いほど、昇温時ヒータ制御を継続
    するための昇温制御時間を長くする請求項１〜１２の何
    れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
15. 【請求項１５】前記ガス濃度センサの始動後であり且
    つ、センサ素子又はヒータの抵抗値に応じてヒータ通電
    量を制御する前の少なくとも一定の期間において、前記
    昇温時ヒータ制御手段によるヒータ通電を実施する請求
    項１〜１４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制
    御装置。
16. 【請求項１６】前記ガス濃度センサはセンサ素子の固体
    電解質体にヒータを積層して配置し、固体電解質体とヒ
    ータとを一体化してなる積層型構造のセンサである請求
    項１〜１５の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制
    御装置。