JP2003166966A - ヒータ付き空燃比センサおよびヒータ付き空燃比センサの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 専用の抵抗素子の組み込みやヒータ電流測定
回路等を必要とすることなく、簡単かつ安価な構成で、
ヒータ抵抗値のばらつきによるセンサ活性化時間のばら
つきの補正を行えるようにする。 【解決手段】 抵抗素子６８のようなセンサ特性表示素
子に設定される電気的物理量（抵抗値等）を空燃比検出
特性を示す成分とヒータの抵抗値を示す成分とを含んだ
ものに設定し、これよりセンサ信号ランクとヒータ抵抗
ランクの２つの補正値を得ることにより、ヒータ抵抗ラ
ンクに応じたヒータ出力信号を補正し、ヒータ抵抗値の
ばらつきによるヒータの発熱量ばらつきを抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ヒータ付き空燃比
センサおよびヒータ付き空燃比センサの制御装置に係
り、特に、内燃機関の空燃比を検出するヒータ付き空燃
比センサおよびヒータ付き空燃比センサの制御装置にに
関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気管に空燃比センサを設
け、空燃比センサにより検出される空燃比が所定値（例
えば理論空燃比）となるよう、内燃機関に供給する燃料
量を調整する閉ループ式の空燃比制御（以下、空燃比フ
ィードバック制御）は、自動車等に用いられる内燃機関
の空燃比制御として広く採用されている。

【０００３】空燃比センサは、ジルコニア等の固体電解
質等によるセンサ素子の温度（センサ素子温度）が所定
温度以上の状態で空燃比が計測可能な特性を有している
ので、精度よく空燃比を計測するには、センサ素子温度
を常に所定温度範囲内に保つ必要がある。

【０００４】このことに対して、空燃比センサが配置さ
れる内燃機関の排気管内の温度は運転状態によって変化
する。一般的には、アイドル状態では温度が低く、スロ
ットル全開走行時には温度が高くなる。このため、空燃
比センサを加熱するセラミックヒータ等の電気的なヒー
タを設け、センサ素子温度が所定温度（以下、センサ活
性化温度と云う）になるよう、ヒータの通電を制御する
温度調整手段が併用されている。

【０００５】ヒータは、製造上、抵抗値にばらつきが生
じることを避けることが難しい。このため、ヒータに同
一の電圧を印加しても、ヒータの抵抗値のばらつきによ
り、ヒータに流れる電流値が変化、ついては、ヒータに
供給される電圧×電流＝電力が変化するので、結果とし
て、電力で決まるヒータの発熱量がばらつき、ヒータに
通電を開始してからセンサ素子温度がセンサ活性化温度
になって空燃比フィードバック制御を開始するまでの時
間（以下、センサ活性化時間と云う）がばらついてしま
う問題があった。

【０００６】上記問題に対し、従来例１として、空燃比
センサに組み込まれるヒータの抵抗値を測定してヒータ
抵抗値のランク分けを行い、ランク分けされたランクに
応じて予め定義された抵抗値の抵抗素子を空燃比センサ
に組み込み、この抵抗素子の抵抗値に応じてヒータ抵抗
値の個体誤差を補正すること、従来例２として、ヒータ
に電圧を印加した直後の印加電圧と突入電流の測定値か
らヒータ抵抗値を求め、求められたヒータ抵抗値に応じ
てヒータ抵抗値の個体誤差を補正すること（特開２００
０−２６７８号公報）等が、既に提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来例１では、ヒータ
抵抗値の個体誤差を補正するための専用の抵抗素子を空
燃比センサに組み込む必要があり、コスト高になる。こ
の抵抗素子とは別に、空燃比検出特性のばらつきを補正
するための抵抗素子（補正抵抗）を組み込まれた空燃比
センサでは、抵抗素子の配置スペースの増大、電気接続
コネクタ部の接続端子数の増加を招き、小型化設計の自
由度が低下する。従来例２では、ヒータに流れる電流値
を測定するための回路（電流検出回路）等を設ける必要
があり、回路が複雑化し、コストアップを伴なうことを
避けられない。

【０００８】本発明は、上述の如き問題点を解消するた
めになされたもので、その目的とするところは、専用の
抵抗素子の組み込みやヒータ電流測定回路等を必要とす
ることなく、簡単かつ安価な構成で、センサの小型化設
計の自由度を低下することもなく、ヒータ抵抗値のばら
つきによるセンサ活性化時間のばらつきの補正を行うこ
とができるヒータ付き空燃比センサおよびヒータ付き空
燃比センサの制御装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明によるヒータ付き空燃比センサは、空燃比
検出を行うセンサ素子部の加熱を行うヒータを有し、外
部より検出可能な電気的物理量を設定された一つのセン
サ特性表示素子を有し、前記センサ特性表示素子に設定
された電気的物理量が空燃比検出特性を示す成分と前記
ヒータの抵抗値を示す成分とを含んでいるものである。

【００１０】上述の如く構成されたヒータ付き空燃比セ
ンサによれば、センサに組み込まれた一つのセンサ特性
表示素子に設定された電気的物理量のうちの空燃比検出
特性を示す成分より空燃比検出特性を示す情報を獲得で
き、ヒータの抵抗値を示す成分よりヒータの抵抗値を示
す情報を獲得できる。センサに組み込まれるセンサ特性
表示素子は、空燃比検出特性を示す抵抗値と前記ヒータ
の抵抗値を示す抵抗値とを含んだ抵抗値による一つの抵
抗素子によって構成することができる。

【００１１】本発明によるヒータ付き空燃比センサの前
記センサ特性表示素子は、予め複数個にランク付けされ
た空燃比検出特性のランクを示すための電気的物理量
と、予め複数個にランク付けされた前記ヒータの抵抗値
のランクを示すための電気的物理量とを含むものとする
ことができ、空燃比検出特性、ヒータの抵抗値の各々の
ランク情報を得ることができる。本発明によるヒータ付
き空燃比センサは、詳細構造として、前記センサ特性表
示素子の電気的物理量を取り出すための接続端子がヒー
タ付き空燃比センサの電気接続用コネクタ部分に設けら
れていてよい。

【００１２】また、上述の目的を達成するために、本発
明によるヒータ付き空燃比センサの制御装置は、空燃比
検出を行うセンサ素子部の加熱を行うヒータを有するヒ
ータ付き空燃比センサの制御装置において、前記ヒータ
付き空燃比センサに設けられているセンサ特性表示素子
の電気的物理量を検出する電気的物理量検出手段と、前
記電気的物理量検出手段によって検出された電気的物理
量より空燃比検出特性を示す電気的物理量と前記ヒータ
の抵抗値を示す電気的物理量とを分離する電気的物理量
分離手段と、前記電気的物理量分離手段によって分離さ
れた空燃比検出特性を示す電気的物理量に基づいて空燃
比検出値を補正する空燃比検出値補正手段と、前記電気
的物理量分離手段によって分離された前記ヒータの抵抗
値を示す電気的物理量に基づいて前記ヒータに対する通
電量を補正するヒータ通電量補正手段とを有している。

【００１３】上述の如く構成された本発明によるヒータ
付き空燃比センサの制御装置によれば、電気的物理量検
出手段によってヒータ付き空燃比センサに設けられてい
るセンサ特性表示素子の電気的物理量が検出され、この
電気的物理量が電気的物理量分離手段によって空燃比検
出特性を示す電気的物理量とヒータの抵抗値を示す電気
的物理量とに分離され、空燃比検出値補正手段が分離さ
れた空燃比検出特性を示す電気的物理量に基づいて空燃
比検出値（空燃比センサ信号）を補正し、ヒータ通電量
補正手段が分離されたヒータの抵抗値を示す電気的物理
量に基づいてヒータに対する通電量を補正する。

【００１４】従って、空燃比センサ製造時に空燃比セン
サの空燃比検出のばらつきレベルとヒータ抵抗値のばら
つきレベルの組合せに応じた電気的物理量によるセンサ
特性表示素子を選定して空燃比センサに組込み、センサ
使用時には、ヒータへ通電を行う際にセンサ特性表示素
子から得られたヒータ抵抗値ばらつきレベルと空燃比検
出のばらつきレベルに応じて、それぞれ空燃比センサ信
号、ヒータ通電量を補正することが実施される。

【００１５】本発明によるヒータ付き空燃比センサの制
御装置は、前記ヒータ付き空燃比センサに設けられてい
るセンサ特性表示素子が空燃比検出特性を示す抵抗値と
前記ヒータの抵抗値を示す抵抗値とを含んだ抵抗値によ
る一つの抵抗素子であり、前記電気的物理量検出手段は
前記センサ特性表示素子の抵抗値を検出し、前記電気的
物理量分離手段は前記電気的物理量検出手段によって検
出された抵抗値より空燃比検出特性を示す抵抗値と前記
ヒータの抵抗値を示す抵抗値とに分離するものとして構
成することができる。

【００１６】また、本発明によるヒータ付き空燃比セン
サの制御装置では、センサ特性表示素子は、予め複数個
にランク付けされた空燃比検出特性のランクを示すため
の電気的物理量と、予め複数個にランク付けされた前記
ヒータの抵抗値のランクを示すための電気的物理量とを
含むものとすることができる。

【００１７】この場合、前記電気的物理量分離手段は、
センサ特性表示素子の電気的物理量が複数個に区分した
領域のどの領域に属すかを判定する第１の判定手段と、
センサ特性表示素子の電気的物理量が前記第１の判定手
段により判定される個々の領域をさらに複数個に区分し
た領域のどの領域に属すかを判定する第２の判定手段と
を有し、前記第１の判定手段の判定結果と前記第２の判
定手段の判定結果から、空燃比検出特性のランクと前記
ヒータの抵抗値のランクを得るものとすることができ
る。

【００１８】また、空燃比検出特性のランク数がＮ個、
前記ヒータの抵抗値のランク数がＭ個の場合、前記電気
的物理量分離手段は、センサ特性表示素子の電気的物理
量がＮ×Ｍに区分した領域のどの領域に属すかを判定す
る判定手段を有し、前記判定手段の判定結果の判定結果
から、空燃比検出特性のランクと前記ヒータの抵抗値の
ランクを得るものとすることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に添付の図を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施の
形態によるヒータ付き空燃比センサおよび制御装置が適
用されるエンジン制御システムの全体構成を示してい
る。内燃機関１０は、多気筒機関として複数個の気筒１
１を有している。気筒１１内にはピストン１２が往復動
可能に設けられ、燃焼室１３が形成されている。内燃機
関１０には、各気筒毎に、点火コイル・パワースイッチ
１４と接続された点火プラグ１５が配置されると共に、
吸気ポート１６を開閉する吸気弁１７と、排気ポート１
８を開閉する排気弁１９とが設けられている。

【００２０】吸気ポート１６には、吸気管２０、エアク
リーナ２１が順に接続されている。吸気管２０には、吸
気ポート１６へ向けて燃料を噴射するインジェクタ（燃
料噴射弁）２２が設けられていると共に、吸気管２０内
の圧力を計測する吸気管圧力センサ２３、スロットルバ
ルブ２４の開度を計測するスロットル開度センサ２５、
アイドル時のエンジン回転数が目標回転数になるように
制御するアイドルスピードコントロールバルブ（ＩＳ
Ｃ）２６が各々の適宜位置に配置されている。インジェ
クタ２２は、各気筒毎に配置され、マルチポイントイン
ジェクション（ＭＰＩ）システム化された燃料噴射方式
を採用している。

【００２１】内燃機関１０には、冷却水温を計測する冷
却水温センサ２7、エンジン回転数を計測するクランク
角センサ２８が各々の適宜位置に配置されている。排気
ポート１８には、排気管２９、触媒コンバータ３０、マ
フラー３１が順に接続されている。吸気管２０の上流部
に設けられたエアクリーナ２１から吸入された空気は、
スロットルバルブ２４によって流量を調節された後、イ
ンジェクタ２２から所定のタイミングで噴射されたガソ
リンと混合されて各燃焼室１３内に供給される。

【００２２】燃料タンク３３からの燃料は、燃料ポンプ
３４によって吸引・加圧された後、プレッシャレギュレ
ータ３５を備えた燃料管３６を通ってインジェクタ２２
の燃料入口部に導かれ、余剰の燃料は燃料タンク３３に
戻される態様で、インジェクタ２２に供給される。

【００２３】燃焼室１３内に供給された混合気は点火プ
ラグ１５によって点火され、混合気の燃焼による生じる
排気ガスは、排気管２９を通って触媒コンバータ３０に
導かれ、触媒コンバータ３０によって浄化された後、マ
フラー３１より大気中に排出される。

【００２４】吸気管圧力センサ２３から得られる吸気管
圧力を示す出力信号と、スロットル開度センサ２５から
の出力信号と、冷却水温センサ２７、クランク角センサ
２８及び空燃比センサ３２からの各出力信号は、コント
ロールユニット（制御装置）４０に入力される。

【００２５】コントロールユニット４０は、コンピュー
タ式のものであり、車体あるいはエンジンルーム内に配
置され、前述した各種のセンサから出力される内燃機関
１０の運転状態を示す電気的な信号に基づいて、所定の
演算処理を行ない、運転状態に応じた最適制御を行うべ
く、燃料を噴射供給するインジェクタ２２の開閉、点火
プラグ１５の駆動、アイドルスピードコントロールバル
ブ２６の開閉の各々を行う信号を各部に出力し、併せて
燃料ポンプ３４の制御を行う。そして、コントロ−ルユ
ニット４０は、各気筒の吸気行程と燃料噴射タイミング
を合わせて各気筒毎にインジェクタ２２から燃料を噴射
する制御を行う。

【００２６】コントロールユニット４０は、演算処理を
行うＣＰＵ４１と、基準となる時間（クロック信号）を
生成するクロック発生器４２と、多数の制御プログラム
を記憶するＲＯＭ４３及びＲＡＭ４４と、タイマーカウ
ンタ４５と、入出力インターフェイス回路（Ｉ／Ｏ）４
６と、出力回路４７と、デジタル入力回路４８と、Ａ／
Ｄ（アナログ／デジタル）変換器４９と、アナログ入力
回路５０とを有している。

【００２７】コントロールユニット４０は、具体的に
は、吸気管内圧力及び設定された空燃比に基づいてイン
ジェクタ２２から各気筒に供給すべき要求燃料量を算出
すると共に、該要求燃料量と、インジェクタ２２の噴射
量特性である流量傾斜及び無効噴射パルス幅とに基づい
て要求噴射パルス幅（インジェクタ２２の開弁時間）を
演算し、該要求燃料噴射パルス幅に基づいてインジェク
タ２２が噴射パルスの時間分の開弁を行う指令信号（駆
動信号）を生成する。また、吸気管内圧力及びエンジン
回転数等に基づいてインジェクタ２２の噴射時期を演算
し、吸気行程に同期させると共に、吸気行程中の燃料噴
射時期を最適なタイミングに設定し、該タイミングに基
づいてインジェクタ２２、点火コイル・パワースイッチ
１４に駆動信号を出力する。

【００２８】コントロールユニット４０は、コントロー
ルユニット４０に接続されている各センサ、インジェク
タ２２等の出力デバイスの故障有無を判定する診断プロ
グラムを実行し、これにより得られた診断結果に基づい
て警報ランプ５１の状態（点灯／消灯）を制御すること
で、運転者に故障の有無を伝える機能を有する。空燃比
センサ３２は、図２に示されているように、内燃機関１
０の排気管２９に配置され、触媒コンバータ３０の上流
側の排気ガスの空燃比に応じた空燃比信号を出力する。

【００２９】空燃比センサ３２の構成を図３を参照して
説明する。空燃比センサ３２は、ジルコニア等の固体電
解質等によるセンサ素子６１と、センサ素子６１の外側
面と内側面とに貼り付けられた電極６２、６３と、セン
サ素子６１を取り囲むようにに設けられたプロテクタ６
４と、センサ素子６１とプロテクタ６４とを機械的に接
続するセンサ本体部６５と、センサ素子６１の加熱を行
うセラミックヒータ等によるヒータ６６と、電極６２、
６３およびヒータ６６のリード線の電気接続用コネクタ
６７とを有している。

【００３０】空燃比センサ３２は、プロテクタ６４の孔
から流れ込む排気ガスの酸素濃度に応じた空燃比信号を
電極６２、６３より出力し、コントロールユニット４０
に入力する。ヒータ６６はコントロールユニット４０か
らのヒータ駆動信号により空燃比センサが所定温度とな
るよう発熱量を制御される。

【００３１】空燃比センサ３２の電気接続用コネクタ６
７内にはセンサ特性表示素子をなす一つの抵抗素子（補
正抵抗）６８が組み込まれている。抵抗素子６８の電気
的物理量である抵抗値を外部に取り出すための接続端子
６８ａ、６８ｂは、センサ素子６１の電極６２、６３用
の接続端子６１ａ、６１ｂやヒータ６６の接続端子６６
ａ、６６ｂと共に、電気接続用コネクタ６７に設けられ
ている。

【００３２】抵抗素子６８は、空燃比検出特性を示す抵
抗値とヒータ６６の抵抗値を示す抵抗値とを含んだ抵抗
値による抵抗素子であり、例えば、予め複数個にランク
付けされた空燃比検出特性のランク（空燃比センサラン
ク）を示すための抵抗値と、予め複数個にランク付けさ
れたヒータ抵抗値のランク（ヒータ抵抗ランク）を示す
ための抵抗値とを含む抵抗値のものをセンサ出荷検査時
等に選定される。抵抗素子６８の抵抗値は、補正信号と
して、接続端子６１ａ、６１ｂに接続される制御系の補
正信号補正手段７１（図４参照）によって検出される。

【００３３】つぎに、抵抗素子６８の抵抗値を表す補正
信号を元に空燃比信号とヒータ駆動信号を補正する制御
系を図４を参照して説明する。空燃比センサ３２に設け
られた抵抗素子６８の抵抗値は電気的物理量検出手段を
なす補正信号検出手段７１によって補正信号として読込
まれる。補正信号は、電気的物理量分離手段をなす補正
信号分離手段７２に入力され、例えば、図５から図１０
で説明する手順によって空燃比センサランクとヒータ抵
抗ランクの２つの情報に分離し、認識される。

【００３４】補正信号分離手段７２が出力する空燃比セ
ンサランクを示す信号はセンサ補正値演算手段７３に入
力され、センサ補正値演算手段７３は入力した空燃比セ
ンサランク情報に基づいて空燃比信号を補正するセンサ
補正値を求める。空燃比センサ３２よりの空燃比信号は
空燃比信号検出手段７５に入力される。空燃比信号補正
手段７６は、センサ補正値演算手段７３より与えられる
センサ補正値により補正を加えた補正後空燃比信号を生
成し、補正後空燃比信号を空燃比補正手段７７に出力す
る。空燃比補正手段７７は、補正後空燃比信号が所定の
空燃比となるようインジェクタ２２（図１参照）から機
関へ供給する燃料量を調整する空燃比フィードバック制
御を行う。

【００３５】補正信号分離手段７２が出力するもう一つ
の信号であるヒータ抵抗ランクを示す信号はヒータ補正
値演算手段７４に入力され、ヒータ補正値演算手段７４
は、入力したヒータ抵抗ランク情報に基づいてヒータ制
御デューティ信号を補正するヒータ補正値を求める。

【００３６】基本デューティ演算手段７８では、例え
ば、バッテリ電圧からヒータ制御の基本デューティ値を
求め、デューティ補正手段７９ではヒータ補正値演算手
段７４からのヒータ補正値によって補正を行った出力デ
ューティ信号が求めらる。出力デューティ信号はデュー
ティ出力手段８０に入力され、デューティ出力手段８０
は、出力デューティ信号に応じてスイッチングトランジ
スタ等で構成されたヒータ駆動手段８１を駆動し、ヒー
タ駆動信号によってヒータ６６の通電を制御する。ヒー
タ駆動は、所定周期毎にヒータの通電と非通電時間を繰
返すデューティ制御方式で行われる。このように、補正
信号を元に空燃比信号とヒータ駆動信号が補正される。

【００３７】つぎに、補正信号検出手段７１と補正信号
分離手段７２で行われる信号検出・分離処理を行う回路
例を図５を参照して説明する。補正信号検出手段７１は
アナログ入力回路５０（図１参照）とＡ／Ｄ変換器４９
（図１参照）で構成され、空燃比センサ３２に設けられ
た抵抗素子（補正抵抗）６８の一端（接続端子６８ａ）
が基準抵抗素子９０を介して電源に接続され、もう一端
（接続端子６８ｂ）はグランド接続されている。抵抗素
子（補正抵抗）６８と基準抵抗素子９０の間の電圧レベ
ルをＡ／Ｄ変換器４９により測定することで抵抗素子６
８の抵抗値（補正抵抗値）に対応した電圧値（以下、補
正信号レベルと云う）を測定する。補正信号レベルは、
補正信号分離手段７２に入力され、空燃比センサランク
とヒータ抵抗ランクの２つの情報に分離・認識される。

【００３８】図６に補正抵抗値と補正信号レベルの関
係、及び空燃比センサランクとヒータ抵抗ランクを判定
するしきい値の一例を示している。具体的な判定手順
（補正信号処理ルーチン）を図７に示されるフロチャー
トを参照して説明する。補正信号処理ルーチンは、空燃
比センサ３２が交換された後、少なくとも１回実行され
れるものであり、例えば、コントロールユニット４０の
電源オン後に１回実行される。まず、補正信号検出手段
７１によって補正信号レベルＶＬを測定する（ステップ
Ｓ１０１）。

【００３９】つぎに、補正信号の電気的な故障の有無を
判定する。図６に示されているように、予め定められた
範囲の補正抵抗値（Ｒ０〜Ｒ９）の抵抗素子６８が正常
に取付けられている場合には、補正信号レベルはｖＭｎ
〜ｖ４Ｈの範囲内となる。従って補正信号レベルＶＬと
しきい値ｖＭｎとを比較し（ステップＳ１０２）、ＶＬ
＜ｖＭｎであれば（ステップＳ１０２肯定）、グランド
へのショート故障と考えられるので、故障フラグをセッ
トし（ステップＳ１０４）、処理を終了する。

【００４０】ＶＬ≧ｖＭｎであれば（ステップＳ１０２
否定）、補正信号レベルＶＬとしきい値ｖ４Ｈとを比較
し（ステップＳ１０３）、ＶＬ≧ｖ４Ｈであれば（ステ
ップＳ１０３否定）、断線あるいは電源系へのショート
が考えられるので、故障フラグをセットし（ステップＳ
１０４）、処理を終了する。

【００４１】ＶＬ＜ｖ４Ｈであれば（ステップＳ１０３
肯定）、補正信号レベルＶＬとしきい値ｖ３Ｈとを比較
し（ステップＳ１０５）、ＶＬ≧ｖ３Ｈであれば（ステ
ップＳ１０５否定）、ｖ３Ｈ≦ＶＬ＜ｖ４Ｈなので、空
燃比センサレベルＳＲ＝４とする（ステップＳ１０
６）。

【００４２】さらに、補正信号レベルＶＬとしきい値ｖ
４Ｌを比較し（ステップＳ１０７）、ＶＬ＜ｖ４Ｌであ
れば（ステップＳ１０７肯定）、ｖ３Ｈ≦ＶＬ＜ｖ４Ｌ
なので、ヒータ抵抗値レベルＨＲ＝Ｌ（低抵抗品）とし
（ステップＳ１０８）、これに対し、ＶＬ≧ｖ４Ｌであ
れば（ステップＳ１０７否定）、ｖ４Ｌ≦ＶＬ＜ｖ４Ｈ
なので、ヒータ抵抗値レベルＨＲ＝Ｈ（高抵抗品）とし
（ステップＳ１０９）、この後に故障フラグをクリアし
（Ｓ１１０）、処理を終了する。

【００４３】以下、同様に、ｖ２Ｈ≦ＶＬ＜ｖ３Ｈであ
れば（ステップＳ１０５肯定かつステップＳ１１１否
定）、ＳＲ＝３とし（ステップＳ１１２）、ＶＬ≧ｖ３
Ｌｖであれば（ステップＳ１１３否定）、ＨＲ＝Ｈ（ス
テップＳ１０９）、ＶＬ＜ｖ３Ｌであれば（ステップＳ
１１３肯定）、ＨＲ＝Ｌ（ステップＳ１０８）とする。
また、ｖ１Ｈ≦ＶＬ＜ｖ２Ｈであれば（ステップＳ１１
１肯定かつステップＳ１１４否定）、ＳＲ＝２とし（ス
テップＳ１１５）、ＶＬ≧ｖ２Ｌｖであれば（ステップ
Ｓ１１６否定）、ＨＲ＝Ｈ（ステップＳ１０９）、ＶＬ
＜ｖ２Ｌであれば（ステップＳ１１６肯定）、ＨＲ＝Ｌ
（ステップＳ１０８）とする。

【００４４】また、ｖ０Ｈ≦ＶＬ＜ｖ１Ｈであれば（ス
テップＳ１１４肯定かつステップＳ１１７否定）、ＳＲ
＝１（ステップＳ１１８）とし、ＶＬ≧ｖ１Ｌｖであれ
ば（ステップＳ１１９否定）、ＨＲ＝Ｈ（ステップＳ１
０９）、ＶＬ＜ｖ１Ｌであれば（ステップＳ１１９肯
定）、ＨＲ＝Ｌ（ステップＳ１０８）とする。また、Ｖ
Ｌ＜ｖ０Ｈであれば（ステップＳ１１７肯定）、ＳＲ＝
０（ステップＳ１２０）とし、ＶＬ≧ｖ０Ｌｖであれば
（ステップＳ１２１否定）、ＨＲ＝Ｈ（ステップＳ１０
９）、ＶＬ＜ｖ０Ｌであれば（ステップＳ１２１肯
定）、ＨＲ＝Ｌ（ステップＳ１０８）とする。

【００４５】図７では、空燃比センサランクを０〜４の
５段階、ヒータ抵抗ランクをＨ、Ｌ２段階とした例を説
明したが、各々の段階数は説明した例の段階数に限定す
るものではなく、より多く、あるいは少ない段階数を設
けて同様に処理を行うことも可能である。補正信号分離
手段７２の別の例を図８を参照し説明する。図８に示さ
れている例は、補正信号レベルを高低の２つのグループ
に別け、低域側をヒータ抵抗ランクＬ（低抵抗品）、高
域側をＨ（高抵抗品）とし、さらに低域、高域を各々を
５つに分離し、それぞれ空燃比センサランク０〜４に割
付けたものである。

【００４６】この場合も、図６及び図７で説明した手順
と同様の手順で、補正信号レベルＶＬとしきい値（ｖ０
Ｌ〜ｖ４Ｈ，ｖＭｎ）を比較することで、空燃比センサ
ランクとヒータ抵抗ランクの２つの情報を得ることがで
きる。上述した２つの例は、抵抗素子６８の抵抗値（補
正信号レベル）が複数個に区分した領域のどの領域に属
すかを判定し、さらに、判定された個々の領域をさらに
複数個に区分した領域のどの領域に属すかを判定し、そ
の２つの判定結果から、空燃比センサランクとヒータ抵
抗ランクの２つの情報を得るものである。

【００４７】また、別の例として、空燃比センサランク
のランク数がＮ個、ヒータ抵抗ランクランク数がＭ個の
場合、補正信号分離手段７２は、抵抗素子６８の抵抗値
（補正信号レベル）がＮ×Ｍに区分した領域のどの領域
に属すかを判定し、その判定結果の判定結果から、空燃
比センサランクとヒータ抵抗ランクの２つの情報を得る
こともできる。

【００４８】例えば、空燃比センサランクのランク数Ｍ
＝５、ヒータ抵抗ランクランク数Ｎ＝２個、Ｎ×Ｍ＝１
０で、図９に示されているように、補正信号レベルＶＬ
としきい値（ｖ０〜ｖ９，ｖＭｎ）からランク指標０〜
９を判定し、ランク指標を使って図１０に示されている
ような変換テーブルから空燃比センサランクＳＲとヒー
タ抵抗ランクＨＲを判定する。

【００４９】図１１に示すような空燃比センサランクＳ
Ｒとヒータ抵抗ランクＨＲの組合せに応じてセンサ製造
時に抵抗素子６８を組込むことで、図６、図７で説明し
た例に比べ判定の処理が容易になる。つぎに、ヒータ出
力デューティ演算の具体的な手順の一例を、図１２に示
されているフローチャートを参照して説明する。

【００５０】ヒータ出力デューティ演算ルーチンは、所
定時間毎、例えば５００ｍｓ毎に繰返し実行される。ま
ず、バッテリ電圧ＶＢを測定し（ステップＳ２０１）、
基本デューティ演算手段７８で、例えば、図１３に示さ
れているように、バッテリ電圧ＶＢから基本デューティ
Ｄｂｓ（％）を求める（ステップＳ２０２）。つぎに、
デューティ補正値演算手段７９で、例えば、図１４に示
されるようにヒータ抵抗ランクＨＲからヒータ補正値Ｋ
ＨＲを求める（ステップＳ２０３）。

【００５１】図１４に示されている例では、ヒータ抵抗
ランクＨＲ＝Ｌのヒータ補正値ＫＨＲを１．０としてい
るので、図１３に示されているバッテリ電圧ＶＢと基本
デューティＤｂｓの関係は、ヒータ抵抗ランクＨＲ＝Ｌ
（低抵抗値品）を使用した場合に最適な発熱量となるよ
う設定されている。従って、ヒータ抵抗ランクＨＲ＝Ｈ
（高抵抗品）の場合には、ヒータ出力デューティＤｂｓ
を延長するよう補正することで、ヒータ抵抗値の差（低
抵抗／高抵抗）によらず発熱量が同等となるような補正
値を設定する。

【００５２】つぎに、デューティ補正手段７９によっ
て、以下のように出力デューティＤｏｕｔを求める（ス
テップＳ２０４）。 ＤＯｕｔ＝Ｄｂｓ×ＫＨＲ つぎに、ヒータ駆動信号出力ルーチンの具体的な手順の
一例を図１５に示されているフローチャートを参照して
説明する。ヒータ駆動信号出力ルーチンは、所定時間
毎、例えば１０ｍｓ毎に実行される。

【００５３】まず、周期タイマＴｍをカウントアップし
（ステップＳ３０１）、その後に、周期タイマＴｍと周
期時間ＴＰｒｄ（図１６参照）とを比較する（ステップ
Ｓ３０２）。Ｔｍ＜ＴＰｒｄであれば（ステップＳ３０
２肯定）、ステップＳ３０５に進み、これに対し、Ｔｍ
≧ＴＰｒｄであれば（ステップＳ３０２否定）、周期タ
イマＴｍ＝０とし（ステップＳ３０３）、ヒータ通電時
間Ｔｏｎを以下のように求める（ステップＳ３０４）。

【００５４】Ｔｏｎ（ｍｓ）＝ＴＰｒｄ（ｍｓ）×Ｄｏ
ｕｔ（％）／１００ つぎに、周期タイマＴｍとヒータ通電時間Ｔｏｎを比較
し（ステップＳ３０５）、Ｔｍ＜Ｔｏｎであれば（ステ
ップＳ３０５肯定）、ヒータ駆動手段８１のヒータ出力
を通電状態とし（ステップＳ３０６）、処理を終了す
る。これに対し、Ｔｍ≧Ｔｏｎであれば（ステップＳ３
０５否定）、ヒータ出力を非通電状態とし（ステップＳ
３０７）、処理を終了する。以上のような処理により、
コントロールユニット４０から出力されるヒータ駆動信
号の信号波形は図１６に示されているにようになる。

【００５５】つぎに、空燃比信号検出手段７５および空
燃比信号補正手段７６で行われる空燃比演算ルーチンの
具体的な手順の一例を図１７に示されているフローチャ
ートを参照して説明する。まず、空燃比信号検出手段７
５によって空燃比信号ＶＬＦを測定し（ステップＳ４０
１）、センサ補正値演算手段７３によって図１８に示さ
れているように空燃比センサランクＳＲからセンサ補正
値ＫＬＦを求める（ステップＳ４０２）。

【００５６】つぎに、空燃比信号補正手段７６によっ
て、以下のように補正後センサ信号ＶＬＦＳを算出する
（ステップＳ４０３）。 ＶＬＦＳ＝ＶＬＦ×ＫＬＦ 補正後センサ信号ＶＬＦＳは、図１９に示されているよ
うな特性をもって空燃比指標ＲＡＢＦに変換される（ス
テップＳ４０４）。空燃比指標ＲＡＢＦは、空燃比調整
手段７７に入力され、吸気ポート１６に配置されたイン
ジェクタ２２から噴射・供給される燃料量の演算に用い
られる。

【００５７】図２０は、ヒータへの通電を開始した後、
空燃比センサ３２の温度が所定温度に達するまでの様子
を示したタイミングチャートである。このタイミングチ
ャートにおける空燃比センサ温度曲線は、図２１に示す
条件で測定を行ったものであり、（ａ）はヒータが低抵
抗品（ＨＲ＝Ｌ）、（ｂ）はヒータが高抵抗品（ＨＲ＝
Ｈ）で、ヒータ出力デューティが（ａ）と同一のもの
（ヒータ出力デューティの補正なし）、（ｃ）はヒータ
が高抵抗品（ＨＲ＝Ｈ）で、ヒータ出力デューティをヒ
ータ抵抗ランクにより補正を行ったものを示す。

【００５８】ヒータへの通電を開始した時点（Ａ点）か
らセンサ活性化温度に達するまでの所要時間を比較する
と、基準となる（ａ）がＴａ時間に対し、（ｂ）はヒー
タが高抵抗品であり、（ａ）と同一のヒータ出力デュー
ティでは、ヒータの発熱量が（ａ）に比べ低いのでＴｂ
時間がかってしまい、（ａ）に比べセンサ活性化温度に
達する時間が大幅に遅れてしまう。これは、空燃比調整
手段７７で行われる空燃比フィードバック制御の開始が
遅れることになり、例えば、排気ガスの有害成分がもっ
とも少なくなる空燃比に達するまでの所要時間が（ａ）
に比べ（ｂ）は長くなるので、排気ガスの有害成分の排
出量が（ａ）に比べ増加するという問題を生じる。

【００５９】一方、（ｃ）は（ｂ）と同じヒータが高抵
抗品であるが、ヒータ抵抗ランクによる補正値（ＫＨ
Ｒ）によりヒータ出力デューティが（ａ）、（ｂ）に比
べ増加方向に補正されるので、ヒータの発熱量が（ｂ）
に比べ多くなることから、Ｔｂ時間よりも短い時間Ｔｃ
でセンサ活性化温度に達する。ここで、（ｃ）のヒータ
補正値ＫＨＲの値を適切に設定することで、（ａ）と
（ｃ）のセンサ活性化温度に達する時間（センサ活性化
時間）を同等にすることができることから、ヒータの抵
抗値にばらつきがあっても、センサ活性化時間をほぼ同
一の所用時間内に収めることが可能である。

【００６０】

【発明の効果】以上の説明から理解される如く、本発明
によるヒータ付き空燃比センサおよびヒータ付き空燃比
センサの制御装置によれば、抵抗素子のようなセンサ特
性表示素子に設定される電気的物理量（抵抗値等）が空
燃比検出特性を示す成分とヒータの抵抗値を示す成分と
を含んだものに設定されるから、１つのセンサ特性表示
素子が空燃比検出特性を示す表示素子とヒータの抵抗値
を示す表示素子とを兼ね、専用の抵抗素子の組み込みや
ヒータ電流測定回路等を必要とすることなく、簡単かつ
安価な構成で、センサの小型化設計の自由度を低下する
こともなく、ヒータ抵抗値のばらつきによるセンサ活性
化時間のばらつきの補正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるヒータ付き空燃比センサおよび制
御装置が適用されるエンジン制御システムの全体構成を
示す図である。

【図２】ヒータ付き空燃比センサの配置位置を示す断面
図である。

【図３】ヒータ付き空燃比センサの構造を示す断面図で
ある。

【図４】ヒータ付き空燃比センサに付随する各信号によ
り空燃比信号及びヒータ出力デューティの補正を行う制
御系を示すブロック図である。

【図５】ヒータ付き空燃比センサに付随する信号処理系
のブロック図である。

【図６】ヒータ付き空燃比センサに付随する補正抵抗値
とヒータ付き空燃比センサランク、ヒータ抵抗ランクの
関係の一例を示すグラフである。

【図７】補正信号処理ルーチンを示すフローチャートで
ある。

【図８】ヒータ付き空燃比センサに付随する補正抵抗値
とヒータ付き空燃比センサランク、ヒータ抵抗ランクの
関係の他の例を示すグラフである。

【図９】ヒータ付き空燃比センサに付随する補正抵抗値
とランク指標との関係例を示すグラフである。

【図１０】ランク指標とヒータ付き空燃比センサラン
ク、ヒータ抵抗ランクの関係を示す表である。

【図１１】ヒータ付き空燃比センサに付随する抵抗素子
の選定方法を示す表である。

【図１２】ヒータ出力デューティ演算ルーチンを示すフ
ローチャートである。

【図１３】バッテリ電圧と基本デューティの関係を示す
グラフである。

【図１４】ヒータ抵抗ランクとヒータ補正値の関係を示
す表である。

【図１５】ヒータ駆動信号出力ルーチンを示すフローチ
ャートである。

【図１６】周期タイマとヒータ駆動信号を示すタイミン
グチャートである。

【図１７】空燃比演算ルーチンを示すフローチャートで
ある。

【図１８】ヒータ付き空燃比センサランクとセンサ補正
値の関係を示す表である。

【図１９】補正後センサ信号と空燃比指標の関係を示す
グラフである。

【図２０】ヒータの通電開始からヒータ付き空燃比セン
サ素子温度を示すタイミングチャートである。

【図２１】ヒータ付き空燃比センサの仕様例を示す表で
ある。

【符号の説明】

１０ 内燃機関 １３ 燃焼室 ２２ インジェクタ ３２ ヒータ付き空燃比センサ ４０ コントロールユニット ６６ ヒータ ６８ 抵抗素子（センサ特性表示素子） ７１ 補正信号検出手段 ７２ 補正信号分離手段 ７３ センサ補正値演算手段 ７４ ヒータ補正値演算手段 ７５ 空燃比信号検出手段 ７６ 空燃比信号補正手段 ７７ 空燃比調整手段 ７８ 基本デューティ演算手段 ７９ デューティ補正手段 ８０ デューティ出力手段 ８１ ヒータ駆動手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤木 工三 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 2G004 BB01 BJ02 BL08 2G060 AA03 AB05 AE19 AF07 BB09 BC02 HC01 HC07 HC13 KA02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空燃比検出を行うセンサ素子部の加熱を
   行うヒータを有するヒータ付き空燃比センサであって、 外部より検出可能な電気的物理量を設定された一つのセ
   ンサ特性表示素子を有し、前記センサ特性表示素子に設
   定された電気的物理量が空燃比検出特性を示す成分と前
   記ヒータの抵抗値を示す成分とを含んでいることを特徴
   とするヒータ付き空燃比センサ。
2. 【請求項２】 前記センサ特性表示素子は、空燃比検出
   特性を示す抵抗値と前記ヒータの抵抗値を示す抵抗値と
   を含んだ抵抗値による一つの抵抗素子であることを特徴
   とする請求項１に記載のヒータ付き空燃比センサ。
3. 【請求項３】 前記センサ特性表示素子は、予め複数個
   にランク付けされた空燃比検出特性のランクを示すため
   の電気的物理量と、予め複数個にランク付けされた前記
   ヒータの抵抗値のランクを示すための電気的物理量とを
   含むものであることを特徴とする請求項１または２に記
   載のヒータ付き空燃比センサ。
4. 【請求項４】 前記センサ特性表示素子の電気的物理量
   を取り出すための接続端子が、電気接続用コネクタ部分
   に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れ
   か１項記載のヒータ付き空燃比センサ。
5. 【請求項５】 空燃比検出を行うセンサ素子部の加熱を
   行うヒータを有するヒータ付き空燃比センサの制御装置
   であって、 前記ヒータ付き空燃比センサに設けられているセンサ特
   性表示素子の電気的物理量を検出する電気的物理量検出
   手段と、 前記電気的物理量検出手段によって検出された電気的物
   理量より空燃比検出特性を示す電気的物理量と前記ヒー
   タの抵抗値を示す電気的物理量とを分離する電気的物理
   量分離手段と、 前記電気的物理量分離手段によって分離された空燃比検
   出特性を示す電気的物理量に基づいて空燃比検出値を補
   正する空燃比検出値補正手段と、 前記電気的物理量分離手段によって分離された前記ヒー
   タの抵抗値を示す電気的物理量に基づいて前記ヒータに
   対する通電量を補正するヒータ通電量補正手段と、 を有していることを特徴とするヒータ付き空燃比センサ
   の制御装置。
6. 【請求項６】 前記ヒータ付き空燃比センサに設けられ
   ているセンサ特性表示素子が空燃比検出特性を示す抵抗
   値と前記ヒータの抵抗値を示す抵抗値とを含んだ抵抗値
   による一つの抵抗素子であり、前記電気的物理量検出手
   段は前記センサ特性表示素子の抵抗値を検出し、前記電
   気的物理量分離手段は前記電気的物理量検出手段によっ
   て検出された抵抗値より空燃比検出特性を示す抵抗値と
   前記ヒータの抵抗値を示す抵抗値とに分離するものであ
   ることを特徴とする請求項５に記載のヒータ付き空燃比
   センサの制御装置。
7. 【請求項７】 前記センサ特性表示素子は、予め複数個
   にランク付けされた空燃比検出特性のランクを示すため
   の電気的物理量と、予め複数個にランク付けされた前記
   ヒータの抵抗値のランクを示すための電気的物理量とを
   含むものであることを特徴とする請求項５または６に記
   載のヒータ付き空燃比センサの制御装置。
8. 【請求項８】 前記電気的物理量分離手段は、センサ特
   性表示素子の電気的物理量が複数個に区分した領域のど
   の領域に属すかを判定する第１の判定手段と、センサ特
   性表示素子の電気的物理量が前記第１の判定手段により
   判定される個々の領域をさらに複数個に区分した領域の
   どの領域に属すかを判定する第２の判定手段とを有し、
   前記第１の判定手段の判定結果と前記第２の判定手段の
   判定結果から、空燃比検出特性のランクと前記ヒータの
   抵抗値のランクを得ることを特徴とする請求項７に記載
   のヒータ付き空燃比センサの制御装置。
9. 【請求項９】 空燃比検出特性のランク数がＮ個、前記
   ヒータの抵抗値のランク数がＭ個の場合、前記電気的物
   理量分離手段は、センサ特性表示素子の電気的物理量が
   Ｎ×Ｍに区分した領域のどの領域に属すかを判定する判
   定手段を有し、前記判定手段の判定結果の判定結果か
   ら、空燃比検出特性のランクと前記ヒータの抵抗値のラ
   ンクを得ることを特徴とする請求項７に記載のヒータ付
   き空燃比センサの制御装置。