JP2004077328A - ガスセンサのヒータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】セルの固体電解質材を活性温度まで高めるためのヒータを備えたガスセンサにおいて、固体電解質材の温度状態を示すアドミタンスを速やかに目標アドミタンスまで昇温するともに、スムーズに目標アドミタンスに維持することである。
【解決手段】マイクロコンピュータ２８におけるヒータ１３の通電制御を、目標アドミタンスよりも低い所定値までは１００％等の固定デューティで一気に加熱し、目標アドミタンスに近づいてくるとＰＩ制御とする。ＰＩ制御では、目標アドミタンスに達するまでは高ゲインとしてアドミタンスの落ち込みを回避し、目標アドミタンスに達すると低ゲインとして目標アドミタンスへの収束性を向上させる。
【選択図】 図１
【解決手段】マイクロコンピュータ２８におけるヒータ１３の通電制御を、目標アドミタンスよりも低い所定値までは１００％等の固定デューティで一気に加熱し、目標アドミタンスに近づいてくるとＰＩ制御とする。ＰＩ制御では、目標アドミタンスに達するまでは高ゲインとしてアドミタンスの落ち込みを回避し、目標アドミタンスに達すると低ゲインとして目標アドミタンスへの収束性を向上させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサのヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気管にはガスセンサが設けられており、内燃機関本体から排出される排気ガス中の酸素等のガス濃度を検出して、その検出信号を機関本体各部の制御に供するようになっている。
【０００３】
ガスセンサは、今日、ジルコニア等の酸素イオン導電性の固体電解質材を用いたものが一般的である。例えば、被測定ガスが存在するガスセンサ外部とガスセンサ内部とで酸素が行き来可能にチャンバーを形成し、固体電解質材に１対の電極を形成したセルによりチャンバー内の酸素を汲み出し可能としたものがある。このものでは、電極間に電圧を印加して酸素を汲み出すことで電極間に限界電流を流し、限界電流の値から酸素濃度が知られる。また、このような構成のセルを複数設けて、ＮＯｘやＣＯを検出可能としたものもある。
【０００４】
固体電解質材が用いられるガスセンサは、ガス濃度を検出可能な状態とすべく固体電解質材を活性温度まで上昇させる必要があり、固体電解質材を活性温度まで高めるための電気式のヒータが通常一体的に設けられている。ヒータの通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置は、固体電解質材の温度状態と相関のある固体電解質材のアドミタンスを検出して、アドミタンスが、活性温度域のアドミタンスに対応する目標値に向けて上昇するように、上昇した後は目標値に維持されるように、通電量の指令値を演算する。通電量の指令値には電流や電力を規定するパラメータが用いられ、ＰＷＭ制御で通電するものでは駆動デューティが用いられる。ヒータへの通電パターンとしては、従来、最初は速やかに固体電解質材が加熱されるようにヒータに最大電流が与えられ、そして、目標値に到達するやや手前でＰＩ制御に切り換えて固体電解質材の温度状態が目標値に収束、維持されるように通電していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ＰＩ制御においては、比例項や積分項の利得を小さくした方が分解能力が高く、ハンチングのないスムーズな制御が可能であり、望ましいが、次の問題がある。
【０００６】
すなわち、ガスセンサが検出可能になるまでの時間は短い方がよく、例えば前記内燃機関においては、排気管を流通する排気ガスを速やかに監視下におくことが要請されている。このためには、ＰＩ制御への切り換えは温度状態が十分に目標値に近づいてからの方がよい。しかしながら、一般的なガスセンサの形状は細長であり、同一体積でも相対的に表面積が大きくなり、熱が逃げやすい。また、複数セルからなるガスセンサではガスセンサの基部側にもセルが配置されることになるので、ハウジングからの熱引けの影響をセルが受けやすい。このため、十分に温度状態が目標値に近づいてからＰＩ制御に切り換えるようにすると、切り換えた直後では温度状態の検出値と目標値との偏差が小さいことで、比例項や積分項が不足し、固体電解質材の温度状態が落ち込むおそれがある。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、固体電解質材の温度状態に落ち込みを生じることなく、しかも、ハンチングのないスムーズな通電制御が可能なガスセンサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度にするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、検出値と前記目標値との偏差に基づいて少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから該所定値よりも大なる別の所定値に達するまでの第１の期間よりも、前記別の所定値に達してからの第２の期間の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定する。
【０００９】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大電流に設定されて、固体電解質材の温度状態が目標値に向けて速やかに上昇する。そして温度状態の検出値が所定値に達すると、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、比例項の利得を大きくとることでアンダーシュートを防止することができる。そして、温度状態の検出値が別の所定値に達して、検出値を目標値に収束、維持する段階に移行すると、利得は小さな値に切り換えられるから、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に収束、維持することができる。なお、温度状態の検出値が別の所定値に達し、利得が小さくなっても、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから前記別の所定値に達するまでの期間において積分項がある程度、蓄積されているから、アンダーシュートは回避される。
【００１０】
前記別の所定値は、請求項２記載の発明のように前記目標値とし、前記第１の期間を、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから前記目標値に達するまでの期間となるように設定する。
【００１１】
請求項３記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値が所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値に達すると、検出値と前記目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値に達してから所定の期間内よりも、該所定期間以降の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定する。
【００１２】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大電流に設定されて、固体電解質材の温度状態が目標値に向けて速やかに上昇する。そして、温度状態の検出値が所定値に達すると、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、最初は、利得が高めに設定されるから通電量が不足せず、温度状態の検出値が所定値に達した直後の温度状態の落ち込みが回避される。その後、積分項の利得は小さめに設定されるから、ハンチングを生じるとなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に収束、維持することができる。
【００１３】
前記所定値は、請求項４の発明のように、温度状態の検出値の目標値とする。
【００１４】
請求項５記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度にするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値を越えて前記フィードバック制御が開始された時に、前記積分項に、通電量を増大する方向の所定の初期値を与えるように設定する。
【００１５】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大駆動電流でヒータに通電されて、固体電解質材の温度状態を目標値に向けて速やかに上昇せしめる。そして、温度状態の検出値が目標値に近づくと、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、積分項に０ではない所定の初期値が与えられるので、利得が小さくとも、検出値が所定値を越えた直後に通電量が不足せず、アンダーシュートを防止することができる。そして、温度状態の検出値が目標値に達し、検出値を目標値に維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に維持することができる。
【００１６】
請求項６記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記比例項と積分項とを含む演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、前記積分項の演算を、温度状態の検出値が前記所定値に達するよりも前から開始するように設定する。
【００１７】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大電流に設定されて、固体電解質材の温度状態を目標値に向けて速やかに上昇せしめる。そして、温度状態の検出値が所定値を越えると、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、積分項の演算が、温度状態の検出値が所定値に達するよりも前から開始されているから、利得が小さくとも通電量が不足せず、温度状態の落ち込みを防止することができる。したがって、利得を抑えることで、温度状態の検出値が目標値に達して検出値を目標値に維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に維持することができる。
【００１８】
請求項７記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記目標値に達するまでの期間よりも、前記目標値に達してからの期間の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定する。
【００１９】
先ず、高利得にて通電量の指令値が求められるから、温度状態の検出値が目標値に近づくまでは最大駆動電流に近い通電量でヒータに通電されて、固体電解質材の温度状態が目標値に向けて上昇する。そして、温度状態の検出値が目標値に達すると、低利得に切り換わることになるが、その時点で積分項にある程度、蓄積がなされているから、アンダーシュートを防止することができる。また、低利得であるから、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に維持することができる。
【００２０】
前記所定値は、請求項８の発明のように、温度状態の検出値の目標値とする。
【００２１】
請求項１ないし８の発明は、請求項９記載の発明のように、前記ヒータはガスセンサと一体に設けられるガスセンサのヒータ制御装置に好適に適用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第１実施形態になるガス濃度検出装置を示す。本実施形態は例えば自動車の内燃機関用に適用したものである。
【００２３】
ガスセンサ１は例えばエンジンから排出される排気ガスが流通する排気管に設けられ、車室側に設けられたガスセンサ１の制御回路２と配線用のケーブルにより接続される。制御回路２を構成するマイクロコンピュータ２８では、ガスセンサ１からの各信号に基づいて排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度（以下、適宜、ガス濃度という）を演算処理し、その結果を出力する。
【００２４】
ガスセンサ１は図２、図３、図４に示すように、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質材である固体電解質層１１１，１１２、アルミナ等の絶縁材料からなる絶縁層１１３，１１４，１１５等が板厚方向に積層する積層構造を有し、面方向に細長の全体形状が与えられている。固体電解質層１１１，１１２で挟まれた絶縁層１１４は一部が板厚方向に打ち抜かれており、固体電解質層１１１，１１２の間に、絞り部１０３を介して互いに連通する２つのチャンバー１０１，１０２が形成されている。チャンバー１０１，１０２はガスセンサ１の長手方向に配置され、ガスセンサ１の先端側の第１のチャンバー１０１よりもガスセンサ１の基端側の第２のチャンバー１０２は２倍程度幅広である。
【００２５】
各固体電解質層１１１，１１２をそれぞれ挟んでチャンバー１０１，１０２と反対側には各固体電解質層１１１，１１２をダクト壁の一部とする大気ダクト１０４，１０５がそれぞれ形成されている。各大気ダクト１０４，１０５はガスセンサ１の基端で大気に開放している。第１の大気ダクト１０４は固体電解質層１１２を挟んで第１チャンバー１０４と対向する位置まで伸びており、第２のダクト１０５は固体電解質層１１１を挟んで第２チャンバー１０２と対向する位置まで伸びている。ガスセンサ１が内燃機関に適用される場合には、ガスセンサ１はこれを保持するホルダ部材等とともに排気管の管壁を貫通して設けられて、大気ダクト１０４，１０５は排気管外部と連通する。
【００２６】
第１のチャンバー１０１位置で、図２中、上側の固体電解質層１１１には、これを板厚方向に貫通するピンホール１０６が形成されており、ピンホール１０６を介して当該ガスセンサ１の周囲の排気ガスが第１チャンバー１０１内に導入される。ピンホール１０６の開口端は多孔質拡散層１１６により覆われており、排気微粒子のチャンバー１０１内への侵入を防止している。
【００２７】
第１チャンバー１０１位置で固体電解質層１１２の上下面には固体電解質層１１２を挟んで対向する１対の電極１２１，１２２が形成されており、固体電解質層１１２と電極１２１，１２２とでポンプセル１ａが構成される。ポンプセル１ａを構成する電極１２１，１２２のうち、チャンバー１０１に面した電極１２１はＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。
【００２８】
第２チャンバー１０２位置で固体電解質層１１１の上下面には、大気ダクト１０５に面した電極１２５を共通として、固体電解質層１１１を挟んで対向する１対の電極が２組形成されている。固体電解質層１１１と電極１２３，１２５とでモニタセル１ｂが構成される。また、固体電解質層１１１と電極１２４，１２５とでセンサセル１ｃが構成される。チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、モニタセル１ｂの電極１２３がＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ 等の貴金属により構成され、センサセル１ｃの電極１２４がＮＯｘ の分解（還元）に活性なＰｔ 等の貴金属により構成される。
【００２９】
また、固体電解質層１１２とともに大気ダクト１０４のダクト壁をなす絶縁層１１５には、Ｐｔ等の線パターンが埋設されて、ガスセンサ１全体を加熱するヒータ１３としてある。ヒータ１３は通電によりジュール熱を発生する電気式のものである。
【００３０】
ガスセンサ１において、ガスセンサ１の周囲を流れる排気ガスが多孔質拡散層１１６およびピンホール１０６を通って第１チャンバー１０１に導入されるが、ポンプセル１ａに大気ダクト１０４に面した電極１２２側を正として電極１２１，１２２間に電圧を印加すると、排気ガス中の酸素が電極１２２で分解、イオン化して固体電解質層１１２を通り大気ダクト１０４へと排出される。このとき、印加電圧を限界電流域に設定すればその電流値から排気ガス中の酸素濃度が知られる。電極１２１がＮＯｘ の分解に不活性であるからＮＯｘ はチャンバー１０１内に残留する。
【００３１】
排気ガスは第１チャンバー１０１から第２チャンバー１０２へと拡散するから、第２チャンバー１０２には酸素濃度が低下した排気ガスが存在している。モニタセル１ｂ、センサセル１ｃに、大気ダクト１０５に面した電極１２５側を正として電圧を印加すると、各セル１ｂ，１ｃではチャンバー１０２内の余剰酸素が大気ダクト１０５へと排出され、限界電流が流れる。ここで、第２チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、センサセル１ｃの電極１２４のみがＮＯｘ の分解に対して活性であるから、センサセル１ｃを流れる電流の方がモニタセル１ｂを流れる電流よりも、センサセル１ｃの電極１２４においてＮＯｘ の分解で生じる酸素イオンの分、多くなる。モニタセル１ｂに流れる電流とセンサセル１ｃに流れる電流との差に基づいて排気ガスのＮＯｘ 濃度が得られることになる。
【００３２】
次にガス濃度検出装置の電気的構成について説明する。制御回路２は、ＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２）、Ｉ／Ｏポート（Ｉ／Ｏ０，Ｉ／Ｏ１）等を備えた一般的な構成のマイクロコンピュータ２８を有しており、セル１ａ，１ｂ，１ｃの印加電圧をＤ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２より適宜、出力する。また、マイクロコンピュータ２８は、各セル１ａ〜１ｃに流れる電流を検出すべく、検出信号をＡ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５から取り込む。そして、セル１ａ〜１ｃでの検出電流に基づいて排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ 濃度を演算し、その結果をＤ／Ａ４，Ｄ／Ａ５より外部出力する。また、マイクロコンピュータ２８はＩ／Ｏ０，Ｉ／Ｏ１から制御信号を出力する。
【００３３】
ポンプセル１ａの大気ダクト１０４側の電極１２２には基準電圧源２１１の出力が入力する電圧フォロア用のオペアンプ２１２から基準電圧Ｖａ が印加され、第１チャンバー１０１に面した電極１２１には、マイクロコンピュータ２８のＤ／Ａ１から出力される指令電圧が入力する電圧フォロア用のオペアンプ２３１から、電流検出用の抵抗器２３２を介して、電圧Ｖｂ が印加される。電圧Ｖｂ およびオペアンプ２３１の出力電圧Ｖｄ はマイクロコンピュータ２８のＡ／Ｄ２、Ａ／Ｄ３を介してＣＰＵに取り込まれる。これにより、ポンプセル１ａの両電極１２１，１２２間には電圧（以下、ポンプセル印加電圧という）（Ｖａ −Ｖｂ ）が印加され、ポンプセル１ａに電流（以下、適宜、ポンプ電流という）Ｉｐ が流れると、これが抵抗器２３２の電圧降下（Ｖｂ −Ｖｄ ）として検出されることになる。
【００３４】
モニタセル１ｂ、センサセル１ｃに対しても同様の検出回路が設けられている。すなわち、モニタセル１ｂ、センサセル１ｃの共通の電極１２５には、基準電圧源２２１の出力が入力する電圧フォロアのオペアンプ２２２から基準電圧Ｖｆ が印加されている。モニタセル１ｂのチャンバ１０２に面した電極１２３には、マイクロコンピュータ２８のＤ／Ａ０から出力された指令電圧がローパスフィルタ（以下、適宜、ＬＰＦという）２４１を介して入力する電圧フォロアのオペアンプ２４２から、電流検出用の抵抗器２４３を介して電圧Ｖｃ が印加される。電圧Ｖｃ およびオペアンプ２４２の出力電圧Ｖｅ はマイクロコンピュータ２８のＡ／Ｄ０、Ａ／Ｄ１を介してＣＰＵに取り込まれる。これにより、モニタセル１ａの両電極１２３，１２５間には電圧（Ｖｆ −Ｖｃ ）が印加され、モニタセル１ｂにモニタ電流Ｉｍ が流れると、これが抵抗器２４３の電圧降下（Ｖｃ −Ｖｅ ）として検出されることになる。前記ＬＰＦ２４１は、例えば抵抗器およびコンデンサからなる一次フィルタとして構成される。ＬＰＦ２４１の目的は後述する。
【００３５】
一方、センサセル１ｃのチャンバ１０２に面した電極１２４には、マイクロコンピュータ１のＤ／Ａ２から出力される指令電圧により、オペアンプ２５１から電流検出用の抵抗器２５２を介して、電圧Ｖｇが印加される。オペアンプ２５１の出力電圧Ｖｈ、および電圧Ｖｇはマイクロコンピュータ２８のＡ／Ｄ４、Ａ／Ｄ５を介してＣＰＵに取り込まれる。これにより、センサセル１ｃの両電極１２４，１２５間には電圧（以下、適宜、センサセル印加電圧という）（Ｖｆ −Ｖｇ）が印加され、電流（以下、適宜、センサ電流という）Ｉｓ が流れると、これが抵抗器２５２の電圧降下（Ｖｇ−Ｖｈ）として検出されることになる。
【００３６】
また、制御回路２では、セル１ａ〜１ｃのアドミタンスが検出されるようになっている。アドミタンスの検出は、代表としてモニタセル１ｂを対象としてなされ、検出されるアドミタンスは両電極１２３，１２５間のアドミタンスである（以下、適宜、モニタアドミタンスという）。すなわち、アドミタンス検出時には、Ｄ／Ａ０からの指令電圧が正側または負側に瞬間的に変化せしめられる。この電圧変化はＬＰＦ２４１でなまされて、モニタセル１ｂの電極１２３への印加電圧Ｖｃ 、したがってポンプセル印加電圧（Ｖａ −Ｖｃ ）に、正弦波状の交流成分が含められる。この交流成分は、１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦの時定数は５μｓｅｃ程度に設定される。マイクロコンピュータ２８では、この時の電圧Ｖｃ の電圧変化量およびモニタ電流Ｉｍ の電流変化量に基づいてアドミタンスが求められる。
【００３７】
なお、モニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器２４３と並列に別のモニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器２４４が設けられており、抵抗器２４４はスイッチ２４５により断接切り換え自在である。スイッチ２４５はマイクロコンピュータ２８のＩ／Ｏ１からの制御信号で切り換えられ、オン時にはモニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器の抵抗値を小さくすることができる。スイッチ２４５のオンによりモニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器の抵抗値を減少するのは、アドミタンスの検出時であるが、これは、濃度検出時に比してモニタ電流Ｉｍ が多くなるため、アドミタンスの検出時とガス濃度検出時とで電圧（Ｖｃ −Ｖｅ ）がアンバランスにならないようにしたものである。
【００３８】
次にヒータ１３の駆動系について説明する。ヒータ１３はバッテリ２６から通電されるようになっており、通電はＭＯＳＦＥＴ２７２によりオンとオフとに切り換えられるようになっている。ＭＯＳＦＥＴ２７２のゲートには、マイクロコンピュータ２８のＩ／Ｏ０からＭＯＳＦＥＴドライバ２７１を介して駆動信号が入力するようになっており、前記オンとオフとを切り換えられる。ヒータ１３の通電制御はパルス状に電圧を印加するＰＷＭ制御でなされ、駆動電流（駆動電力）の調整が、所定周期内の前記パルスのオン期間の長さ（駆動デューティ）を増減することでなされる。
【００３９】
図５、図６、図７のフローチャートにより、マイクロコンピュータ２８で実行される制御プログラムとともに本ガス濃度検出装置の作動について説明する。
【００４０】
図５はメインルーチンの概要を示すもので、制御回路２の電源オンにより起動する。先ずステップＳ１０１では前回のガス濃度の検出時から所定時間Ｔａ が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔａ はガス濃度検出の周期に相当する時間であり、例えば４ｍｓ程度に設定される。
【００４１】
ステップＳ１０１が肯定判断されるとステップＳ１０２に進み、ガス濃度の検出処理を実行する。ガス濃度の検出処理では、その時々のポンプ電流Ｉｐ に応じた指令電圧を設定するとともに、その指令電圧出力時のポンプ電流Ｉｐ を検出する。そして、ポンプ電流Ｉｐ を酸素濃度に換算する。さらに、その時々のモニタセル印加電圧、センサセル印加電圧を規定する指令電圧を設定するとともに、その電圧出力時のモニタ電流Ｉｍ 、センサ電流Ｉｓ を検出する。そして、モニタ電流Ｉｍ 、センサセル電流Ｉｓ をＮＯｘ 濃度に換算する。
【００４２】
続くステップＳ１０３では、前回のアドミタンスの検出時から所定時間Ｔｂ が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔｂ はアドミタンス検出の周期に相当する時間であり、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。
【００４３】
ステップＳ１０３が肯定判断されるとステップＳ１０４に進んでアドミタンスの検出処理を実行し、ステップＳ１０５で検出アドミタンスに基づいてヒータ１３の通電制御を実行する。
【００４４】
アドミタンスの検出処理（ステップＳ１０４）は、図６に示すように、ステップＳ２０１で、Ｄ／Ａ０からの指令電圧を例えば正側にごく短時間（数十〜数百μｓｅｃ）シフトし、モニタセル１ｂの印加電圧を変化させるとともに、ステップＳ２０２で、このときのモニタセル印加電圧の変化量ΔＶｍ と、モニタ電流の変化量ΔＩｍ とを計測する。計測結果に基づいてステップＳ２０３でアドミタンスを算出する。すなわち、モニタ電流の変化量ΔＩｍ とモニタセル印加電圧の変化量ΔＶｍ との比（ΔＩｍ ／ΔＶｍ ）を算出して、これをアドミタンスとする。前記印加電圧の変化はＬＰＦ２４１の作用で立ち上がりと立ち下がりがなまされたものとなり、モニタセル１ｂのリアクタンス成分の影響でモニタ電流Ｉｍ に過大な尖頭成分が現れるを防止し、アドミタンスの検出精度を高めている。このアドミタンスは固体電解質層１１１，１１２の温度に依存し、温度が高いほど大きくなる。活性温度まで上昇すると、良好に酸素イオンが流れ得る。
【００４５】
ヒータ通電制御（ステップＳ１０５）は、図７に示すように、ステップＳ３０１で、モニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの７５％以上か否かを判定する。目標アドミタンスは、固体電解質材１１１，１１２の活性温度域に対応するアドミタンスである。内燃機関始動直後であればガスセンサ１は未だ温まっておらず、モニタアドミタンスは目標アドミタンスの７５％に到達していないから、始動後しばらくはステップＳ３０１は否定判断されることになる。
【００４６】
ステップＳ３０１が否定判断されるとステップＳ３０２で駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。そして、ステップＳ３０１が肯定判断されることになる。
【００４７】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％を越えて、ステップＳ３０１が肯定判断されるとステップＳ３０３でモニタアドミタンスが目標値である目標アドミタンスの１００％以上か否かを判定する。否定判断されると、ステップＳ３０４でＰＩ制御を実行する。ＰＩ制御では、モニタアドミタンスと目標アドミタンスとの偏差に利得（ゲイン）を乗じた比例項、および前記偏差にゲインを乗じたものを積算した積分項を演算し、駆動デューティの指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする。このときのＰＩ制御では後述するステップＳ３０５のＰＩ制御よりも高いゲインに設定される。例えば、比例項（以下、適宜、Ｐ項という）のゲインを８０と、積分項（以下、適宜、Ｉ項という）のゲインを３とする。
【００４８】
ステップＳ３０３が肯定判断されるとステップＳ３０５でＰＩ制御を実行するが、このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とし、低めに切り換えられる。
【００４９】
したがって、本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達するまでは固定デューティ制御の期間であり、目標アドミタンスの７５％から目標アドミタンスの１００％までは第１の期間である高ゲインでのＰＩ制御の期間であり、目標アドミタンスに到達すると、第２の期間である低ゲインでのＰＩ制御の期間となる。目標アドミタンスの７５％という十分に目標アドミタンスに近い値まで１００％の固定デューティ制御となるので、ガスセンサ１の昇温に要する時間は短縮される。
【００５０】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は本ガス濃度検出装置と従来のものとを比較するためのタイミングチャートであり、モニタアドミタンスの経時変化を示している。図８（Ａ）が本ガス濃度検出装置のものである。図８（Ｂ）は、アドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達するまでは固定デューティ制御で、以降はＰＩ制御に切り換わるが、そのゲインを小さめに設定している（例えばＰ項ゲイン＝２、Ｉ項ゲイン＝３）。図８（Ｃ）は、アドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達するまでは固定デューティ制御で、以降はＰＩ制御に切り換わるが、そのゲインを高めに設定している（例えばＰ項ゲイン＝８０、Ｉ項ゲイン＝３）。
【００５１】
図８（Ｂ）のものでは、ＰＩ制御が低ゲインに設定してあるため、アドミタンスがある程度、目標アドミタンスに近づいてからＰＩ制御に切り換わると、切り換わりの直後においてアドミタンスの検出値と目標値との偏差が小さいことで、Ｐ項、Ｉ項も小さな値しかとることができない。このため、１００％の固定デューティからＰＩ制御に切り換わった直後にモニタアドミタンスに落ち込みが生じることになる。
【００５２】
また、図８（Ｃ）のものでは、ＰＩ制御が高ゲインに設定してあるため、ＰＩ制御に切り換わっても、アドミタンスに落ち込みが生じることはないが、ゲインが大きいために目標アドミタンスに到達後、収束が困難でハンチングが生じる。
【００５３】
これらに対して、本発明を示す図８（Ａ）では、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％から目標アドミタンスの１００％までの期間は高ゲインであるから、モニタアドミタンスと目標アドミタンスとの偏差が小さくとも落ち込みが生じることなく目標アドミタンスに向けて緩やかに上昇する。そして、目標アドミタンスに到達以後は、低いゲインのＰＩ制御に切り換わるから、駆動デューティの調整が分解能よくなされ、ハンチングを生じることなく、スムーズにモニタアドミタンスが目標アドミタンスに維持される。このように、モニタアドミタンスをスムーズに目標アドミタンスに維持することと、ＰＩ制御に切り換わった直後のモニタアドミタンスの落ち込みの回避とを両立することができる。
【００５４】
なお、各制御期間におけるＰＩ制御のゲインは、具体的なガスセンサの仕様等に基づいて適宜設定することになるのは勿論である。また、ステップＳ３０３ではモニタアドミタンスを目標アドミタンスの１００％と比較しているが、必ずしも厳密に１００％である必要はなく、例えば９０％程度とし得る。
【００５５】
（第２実施形態）
図９に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータ通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００５６】
ステップＳ４０１では、モニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの１００％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ４０２で駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。
【００５７】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達し、ステップＳ４０１が肯定判断されるとステップＳ４０３で所定期間が経過したか否かを判定する。経過時間はステップＳ４０１が肯定判断された時点でスタートするタイマによりカウントされる。否定判断されると、ステップＳ４０４でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では後述するステップＳ４０５のＰＩ制御よりも高いゲインに設定される。例えば、Ｐ項ゲインを８０と、Ｉ項ゲインを３とする。したがって、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達した直後は、ＰＩ制御は高ゲインである。
【００５８】
ステップＳ４０３が肯定判断されるとステップＳ４０５でＰＩ制御を実行するが、このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とし、低めに切り換えられる。
【００５９】
したがって、本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達するまでは固定デューティ制御の期間であり、その直後は高ゲインでのＰＩ制御の期間であり、所定時間が経過すると、低ゲインでのＰＩ制御の期間となる。
【００６０】
本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達した直後は、ＰＩ制御のゲインが高めに設定されるから、ガスセンサ１からの放熱が多くとも、駆動電力が不足しない。固定デューティ制御が終了する、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達した直後において、モニタアドミタンスの落ち込みが回避される。その後、ＰＩ項のゲインは小さめに設定されるから、ハンチングを生じるとなくスムーズにモニタアドミタンスを目標アドミタンスに維持することができる。
【００６１】
なお、ステップＳ４０１ではモニタアドミタンスを目標アドミタンスの１００％と比較しているが、必ずしも厳密に１００％である必要はなく、例えば９０％程度とし得る。
【００６２】
（第３実施形態）
図１０に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータの通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００６３】
ステップＳ５０１では、前記ステップＳ３０１のごとくモニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの７５％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ５０２で駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。
【００６４】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達し、ステップＳ５０１が肯定判断されるとステップＳ５０３でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とする。アドミタンスを目標値にスムーズに維持するのに適した低めに設定される。そして、ＰＩ制御におけるＩ項は固定デューティ制御からＰＩ制御に切り換わった直後の初期値に０ではない値が与えられる。この値の符号は、駆動デューティが増大する方向の値が与えられる。
【００６５】
本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達すると、低ゲインのＰＩ制御に切り換わることになるが、Ｉ項に０ではない所定の初期値が与えられるので、ゲインが小さくともＰＩ制御に切り換わった直後においても、Ｉ項が不足せず、モニタアドミタンスの落ち込みが回避される。そして、モニタアドミタンスが目標アドミタンスに達し、モニタアドミタンスを目標アドミタンスに維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに目標値に維持することができる。
【００６６】
なお、Ｉ項の初期値は、ＰＩ制御に切り換わった直後にモニタアドミタンスの落ち込みを回避するのに必要な駆動デューティや、目標アドミタンスに到達するまでに蓄積されるＩ項によって目標アドミタンス到達直後にオーバーシュートが生じるのを回避可能な、許容されるＩ項の値を考慮して設定する。
【００６７】
（第４実施形態）
図１１に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータの通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００６８】
ステップＳ６０１では、前記ステップＳ３０１のごとくモニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの７５％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ６０２で、Ｉ項に、モニタアドミタンスＹと目標アドミタンスＹ０ との偏差にゲインＫｉ を乗じたものを加算して、加算したものによりＩ項を更新する。これは始動時を初期値（＝０）として求められる。
【００６９】
続くステップＳ６０３では、駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。
【００７０】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達し、ステップＳ６０１が肯定判断されるとステップＳ６０４でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とする。アドミタンスを目標値にスムーズに維持するのに適した低めに設定される。このときの、Ｉ項の算出は、前記ステップＳ６０２の算出結果を引き継いでなされる。
【００７１】
本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達すると、低ゲインのＰＩ制御に切り換わることになるが、切り換わり直後においては、Ｉ項にステップＳ６０２で算出した値が与えられている。したがって、第３実施形態と同様に、ゲインが小さくともＰＩ制御に切り換わった直後においてＩ項が不足せず、モニタアドミタンスの落ち込みを防止することができる。そして、モニタアドミタンスが目標アドミタンスに達し、モニタアドミタンスを目標アドミタンスに維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに目標アドミタンスに維持することができる。
【００７２】
なお、Ｉ項の算出を開始する時期は始動時に限られず、例えば、モニタアドミタンスが予め設定した所定値を越えたら開始するようにしてもよい。
【００７３】
（第５実施形態）
図１２に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータの通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００７４】
ステップＳ７０１では、モニタアドミタンスが目標値である目標アドミタンスの１００％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ７０２でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば高めに設定される。
【００７５】
そして、ステップＳ７０１が肯定判断されるとステップＳ７０３でＰＩ制御のゲインを低めに切り換える。
【００７６】
本ガス濃度検出装置によれば、先ず、高ゲインにて駆動デューティが求められる。ここで、Ｐ項のゲインを、目標アドミタンスに到達するまでの期間において駆動デューティが１００％もしくはこれに準ずる程度に高いものとなるように設定する。Ｉ項のゲインは、目標アドミタンスに到達時のＩ項の値がモニタアドミタンスに落ち込みを生じない程度に抑制されるように設定する。これにより、目標アドミタンスに到達するまでは、実質的に固定デューティ制御のごとく昇温速度が速い通電制御となる。そして、目標アドミタンスに達すると、低ゲインに切り換わるから、ハンチングを生じるとなくスムーズに目標値に維持することができる。目標アドミタンスに達した時点でＩ項にはそれまでの蓄積があるので、モニタアドミタンスに落ち込みが生じることもない。なお、高ゲイン時のゲインは、目標アドミタンスに達した直後にアドミタンスがオーバーシュートしないように最適化される。
【００７７】
なお、ステップＳ７０１ではモニタアドミタンスを目標アドミタンスの１００％と比較しているが、必ずしも厳密に１００％である必要はなく、例えば９０％程度とし得る。
【００７８】
なお、前記各実施形態ではアドミタンスを検出しているが、アドミタンスの逆数であるインピーダンスを検出するようにしてもよい。実質的に等価だからである。その他、固体電解質層の温度状態が知られるものであれば、駆動デューティの指令値の演算に利用することができる。
【００７９】
また、ヒータ通電がＰＷＭ制御によるものでなくとも本発明は好適に適用することができる。
【００８０】
また、アドミタンス検出時にモニタセルへの印加電圧を変化させているが、電流を変化させてもよい。電流変化に対してアドミタンスに応じた電圧変化が生じるからである。
【００８１】
また、本発明は３セル構造のガスセンサに限らず、１セル構造、２セル構造のものにも適用することができ、ガスセンサの形状も任意である。被測定ガスの温度や流速により、ガスセンサから放熱する熱は異なり、ガスセンサの形状や内部構造が相対的に放熱しにくいものであっても、本発明が解決しようとした課題が依然として存在するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第１のガス濃度検出装置の構成図である。
【図２】前記ガスセンサの要部断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】前記ガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示す第１のフローチャートである。
【図６】前記ガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示す第２のフローチャートである。
【図７】前記ガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示す第３のフローチャートである。
【図８】（Ａ）は前記ガス濃度検出装置におけるモニタアドミタンスの経時変化を示す図であり、（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ、前記ガス濃度検出装置と比較する従来例におけるモニタアドミタンスの経時変化を示す図である。
【図９】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第２のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図１０】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第３のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図１１】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第４のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図１２】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第５のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ガスセンサ
１ａ ポンプセル
１ｂ モニタセル
１ｃ センサセル
１３ ヒータ
１１１，１１２ 固体電解質層（固体電解質材）
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５ 電極
２４３ 抵抗器（温度状態検出手段）
２８ マイクロコンピュータ（指令値演算手段、温度状態検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサのヒータ制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気管にはガスセンサが設けられており、内燃機関本体から排出される排気ガス中の酸素等のガス濃度を検出して、その検出信号を機関本体各部の制御に供するようになっている。
【０００３】
ガスセンサは、今日、ジルコニア等の酸素イオン導電性の固体電解質材を用いたものが一般的である。例えば、被測定ガスが存在するガスセンサ外部とガスセンサ内部とで酸素が行き来可能にチャンバーを形成し、固体電解質材に１対の電極を形成したセルによりチャンバー内の酸素を汲み出し可能としたものがある。このものでは、電極間に電圧を印加して酸素を汲み出すことで電極間に限界電流を流し、限界電流の値から酸素濃度が知られる。また、このような構成のセルを複数設けて、ＮＯｘやＣＯを検出可能としたものもある。
【０００４】
固体電解質材が用いられるガスセンサは、ガス濃度を検出可能な状態とすべく固体電解質材を活性温度まで上昇させる必要があり、固体電解質材を活性温度まで高めるための電気式のヒータが通常一体的に設けられている。ヒータの通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置は、固体電解質材の温度状態と相関のある固体電解質材のアドミタンスを検出して、アドミタンスが、活性温度域のアドミタンスに対応する目標値に向けて上昇するように、上昇した後は目標値に維持されるように、通電量の指令値を演算する。通電量の指令値には電流や電力を規定するパラメータが用いられ、ＰＷＭ制御で通電するものでは駆動デューティが用いられる。ヒータへの通電パターンとしては、従来、最初は速やかに固体電解質材が加熱されるようにヒータに最大電流が与えられ、そして、目標値に到達するやや手前でＰＩ制御に切り換えて固体電解質材の温度状態が目標値に収束、維持されるように通電していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ＰＩ制御においては、比例項や積分項の利得を小さくした方が分解能力が高く、ハンチングのないスムーズな制御が可能であり、望ましいが、次の問題がある。
【０００６】
すなわち、ガスセンサが検出可能になるまでの時間は短い方がよく、例えば前記内燃機関においては、排気管を流通する排気ガスを速やかに監視下におくことが要請されている。このためには、ＰＩ制御への切り換えは温度状態が十分に目標値に近づいてからの方がよい。しかしながら、一般的なガスセンサの形状は細長であり、同一体積でも相対的に表面積が大きくなり、熱が逃げやすい。また、複数セルからなるガスセンサではガスセンサの基部側にもセルが配置されることになるので、ハウジングからの熱引けの影響をセルが受けやすい。このため、十分に温度状態が目標値に近づいてからＰＩ制御に切り換えるようにすると、切り換えた直後では温度状態の検出値と目標値との偏差が小さいことで、比例項や積分項が不足し、固体電解質材の温度状態が落ち込むおそれがある。
【０００７】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、固体電解質材の温度状態に落ち込みを生じることなく、しかも、ハンチングのないスムーズな通電制御が可能なガスセンサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度にするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、検出値と前記目標値との偏差に基づいて少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから該所定値よりも大なる別の所定値に達するまでの第１の期間よりも、前記別の所定値に達してからの第２の期間の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定する。
【０００９】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大電流に設定されて、固体電解質材の温度状態が目標値に向けて速やかに上昇する。そして温度状態の検出値が所定値に達すると、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、比例項の利得を大きくとることでアンダーシュートを防止することができる。そして、温度状態の検出値が別の所定値に達して、検出値を目標値に収束、維持する段階に移行すると、利得は小さな値に切り換えられるから、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に収束、維持することができる。なお、温度状態の検出値が別の所定値に達し、利得が小さくなっても、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから前記別の所定値に達するまでの期間において積分項がある程度、蓄積されているから、アンダーシュートは回避される。
【００１０】
前記別の所定値は、請求項２記載の発明のように前記目標値とし、前記第１の期間を、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから前記目標値に達するまでの期間となるように設定する。
【００１１】
請求項３記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値が所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値に達すると、検出値と前記目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値に達してから所定の期間内よりも、該所定期間以降の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定する。
【００１２】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大電流に設定されて、固体電解質材の温度状態が目標値に向けて速やかに上昇する。そして、温度状態の検出値が所定値に達すると、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、最初は、利得が高めに設定されるから通電量が不足せず、温度状態の検出値が所定値に達した直後の温度状態の落ち込みが回避される。その後、積分項の利得は小さめに設定されるから、ハンチングを生じるとなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に収束、維持することができる。
【００１３】
前記所定値は、請求項４の発明のように、温度状態の検出値の目標値とする。
【００１４】
請求項５記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度にするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値を越えて前記フィードバック制御が開始された時に、前記積分項に、通電量を増大する方向の所定の初期値を与えるように設定する。
【００１５】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大駆動電流でヒータに通電されて、固体電解質材の温度状態を目標値に向けて速やかに上昇せしめる。そして、温度状態の検出値が目標値に近づくと、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、積分項に０ではない所定の初期値が与えられるので、利得が小さくとも、検出値が所定値を越えた直後に通電量が不足せず、アンダーシュートを防止することができる。そして、温度状態の検出値が目標値に達し、検出値を目標値に維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に維持することができる。
【００１６】
請求項６記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記比例項と積分項とを含む演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、前記積分項の演算を、温度状態の検出値が前記所定値に達するよりも前から開始するように設定する。
【００１７】
先ず、通電量の指令値が固定値、例えば最大電流に設定されて、固体電解質材の温度状態を目標値に向けて速やかに上昇せしめる。そして、温度状態の検出値が所定値を越えると、通電量の指令値が、比例項および積分項を含む演算結果に基づくフィードバック値とされ、調整される。ここで、積分項の演算が、温度状態の検出値が所定値に達するよりも前から開始されているから、利得が小さくとも通電量が不足せず、温度状態の落ち込みを防止することができる。したがって、利得を抑えることで、温度状態の検出値が目標値に達して検出値を目標値に維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に維持することができる。
【００１８】
請求項７記載の発明では、ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記目標値に達するまでの期間よりも、前記目標値に達してからの期間の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定する。
【００１９】
先ず、高利得にて通電量の指令値が求められるから、温度状態の検出値が目標値に近づくまでは最大駆動電流に近い通電量でヒータに通電されて、固体電解質材の温度状態が目標値に向けて上昇する。そして、温度状態の検出値が目標値に達すると、低利得に切り換わることになるが、その時点で積分項にある程度、蓄積がなされているから、アンダーシュートを防止することができる。また、低利得であるから、ハンチングを生じることなくスムーズに固体電解質材の温度状態を目標値に維持することができる。
【００２０】
前記所定値は、請求項８の発明のように、温度状態の検出値の目標値とする。
【００２１】
請求項１ないし８の発明は、請求項９記載の発明のように、前記ヒータはガスセンサと一体に設けられるガスセンサのヒータ制御装置に好適に適用することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第１実施形態になるガス濃度検出装置を示す。本実施形態は例えば自動車の内燃機関用に適用したものである。
【００２３】
ガスセンサ１は例えばエンジンから排出される排気ガスが流通する排気管に設けられ、車室側に設けられたガスセンサ１の制御回路２と配線用のケーブルにより接続される。制御回路２を構成するマイクロコンピュータ２８では、ガスセンサ１からの各信号に基づいて排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ 濃度（以下、適宜、ガス濃度という）を演算処理し、その結果を出力する。
【００２４】
ガスセンサ１は図２、図３、図４に示すように、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質材である固体電解質層１１１，１１２、アルミナ等の絶縁材料からなる絶縁層１１３，１１４，１１５等が板厚方向に積層する積層構造を有し、面方向に細長の全体形状が与えられている。固体電解質層１１１，１１２で挟まれた絶縁層１１４は一部が板厚方向に打ち抜かれており、固体電解質層１１１，１１２の間に、絞り部１０３を介して互いに連通する２つのチャンバー１０１，１０２が形成されている。チャンバー１０１，１０２はガスセンサ１の長手方向に配置され、ガスセンサ１の先端側の第１のチャンバー１０１よりもガスセンサ１の基端側の第２のチャンバー１０２は２倍程度幅広である。
【００２５】
各固体電解質層１１１，１１２をそれぞれ挟んでチャンバー１０１，１０２と反対側には各固体電解質層１１１，１１２をダクト壁の一部とする大気ダクト１０４，１０５がそれぞれ形成されている。各大気ダクト１０４，１０５はガスセンサ１の基端で大気に開放している。第１の大気ダクト１０４は固体電解質層１１２を挟んで第１チャンバー１０４と対向する位置まで伸びており、第２のダクト１０５は固体電解質層１１１を挟んで第２チャンバー１０２と対向する位置まで伸びている。ガスセンサ１が内燃機関に適用される場合には、ガスセンサ１はこれを保持するホルダ部材等とともに排気管の管壁を貫通して設けられて、大気ダクト１０４，１０５は排気管外部と連通する。
【００２６】
第１のチャンバー１０１位置で、図２中、上側の固体電解質層１１１には、これを板厚方向に貫通するピンホール１０６が形成されており、ピンホール１０６を介して当該ガスセンサ１の周囲の排気ガスが第１チャンバー１０１内に導入される。ピンホール１０６の開口端は多孔質拡散層１１６により覆われており、排気微粒子のチャンバー１０１内への侵入を防止している。
【００２７】
第１チャンバー１０１位置で固体電解質層１１２の上下面には固体電解質層１１２を挟んで対向する１対の電極１２１，１２２が形成されており、固体電解質層１１２と電極１２１，１２２とでポンプセル１ａが構成される。ポンプセル１ａを構成する電極１２１，１２２のうち、チャンバー１０１に面した電極１２１はＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属により構成されている。
【００２８】
第２チャンバー１０２位置で固体電解質層１１１の上下面には、大気ダクト１０５に面した電極１２５を共通として、固体電解質層１１１を挟んで対向する１対の電極が２組形成されている。固体電解質層１１１と電極１２３，１２５とでモニタセル１ｂが構成される。また、固体電解質層１１１と電極１２４，１２５とでセンサセル１ｃが構成される。チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、モニタセル１ｂの電極１２３がＮＯｘ の分解（還元）に不活性なＡｕ−Ｐｔ 等の貴金属により構成され、センサセル１ｃの電極１２４がＮＯｘ の分解（還元）に活性なＰｔ 等の貴金属により構成される。
【００２９】
また、固体電解質層１１２とともに大気ダクト１０４のダクト壁をなす絶縁層１１５には、Ｐｔ等の線パターンが埋設されて、ガスセンサ１全体を加熱するヒータ１３としてある。ヒータ１３は通電によりジュール熱を発生する電気式のものである。
【００３０】
ガスセンサ１において、ガスセンサ１の周囲を流れる排気ガスが多孔質拡散層１１６およびピンホール１０６を通って第１チャンバー１０１に導入されるが、ポンプセル１ａに大気ダクト１０４に面した電極１２２側を正として電極１２１，１２２間に電圧を印加すると、排気ガス中の酸素が電極１２２で分解、イオン化して固体電解質層１１２を通り大気ダクト１０４へと排出される。このとき、印加電圧を限界電流域に設定すればその電流値から排気ガス中の酸素濃度が知られる。電極１２１がＮＯｘ の分解に不活性であるからＮＯｘ はチャンバー１０１内に残留する。
【００３１】
排気ガスは第１チャンバー１０１から第２チャンバー１０２へと拡散するから、第２チャンバー１０２には酸素濃度が低下した排気ガスが存在している。モニタセル１ｂ、センサセル１ｃに、大気ダクト１０５に面した電極１２５側を正として電圧を印加すると、各セル１ｂ，１ｃではチャンバー１０２内の余剰酸素が大気ダクト１０５へと排出され、限界電流が流れる。ここで、第２チャンバー１０２に面した電極１２３，１２４のうち、センサセル１ｃの電極１２４のみがＮＯｘ の分解に対して活性であるから、センサセル１ｃを流れる電流の方がモニタセル１ｂを流れる電流よりも、センサセル１ｃの電極１２４においてＮＯｘ の分解で生じる酸素イオンの分、多くなる。モニタセル１ｂに流れる電流とセンサセル１ｃに流れる電流との差に基づいて排気ガスのＮＯｘ 濃度が得られることになる。
【００３２】
次にガス濃度検出装置の電気的構成について説明する。制御回路２は、ＣＰＵ、Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）、Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２）、Ｉ／Ｏポート（Ｉ／Ｏ０，Ｉ／Ｏ１）等を備えた一般的な構成のマイクロコンピュータ２８を有しており、セル１ａ，１ｂ，１ｃの印加電圧をＤ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２より適宜、出力する。また、マイクロコンピュータ２８は、各セル１ａ〜１ｃに流れる電流を検出すべく、検出信号をＡ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５から取り込む。そして、セル１ａ〜１ｃでの検出電流に基づいて排気ガス中の酸素濃度やＮＯｘ 濃度を演算し、その結果をＤ／Ａ４，Ｄ／Ａ５より外部出力する。また、マイクロコンピュータ２８はＩ／Ｏ０，Ｉ／Ｏ１から制御信号を出力する。
【００３３】
ポンプセル１ａの大気ダクト１０４側の電極１２２には基準電圧源２１１の出力が入力する電圧フォロア用のオペアンプ２１２から基準電圧Ｖａ が印加され、第１チャンバー１０１に面した電極１２１には、マイクロコンピュータ２８のＤ／Ａ１から出力される指令電圧が入力する電圧フォロア用のオペアンプ２３１から、電流検出用の抵抗器２３２を介して、電圧Ｖｂ が印加される。電圧Ｖｂ およびオペアンプ２３１の出力電圧Ｖｄ はマイクロコンピュータ２８のＡ／Ｄ２、Ａ／Ｄ３を介してＣＰＵに取り込まれる。これにより、ポンプセル１ａの両電極１２１，１２２間には電圧（以下、ポンプセル印加電圧という）（Ｖａ −Ｖｂ ）が印加され、ポンプセル１ａに電流（以下、適宜、ポンプ電流という）Ｉｐ が流れると、これが抵抗器２３２の電圧降下（Ｖｂ −Ｖｄ ）として検出されることになる。
【００３４】
モニタセル１ｂ、センサセル１ｃに対しても同様の検出回路が設けられている。すなわち、モニタセル１ｂ、センサセル１ｃの共通の電極１２５には、基準電圧源２２１の出力が入力する電圧フォロアのオペアンプ２２２から基準電圧Ｖｆ が印加されている。モニタセル１ｂのチャンバ１０２に面した電極１２３には、マイクロコンピュータ２８のＤ／Ａ０から出力された指令電圧がローパスフィルタ（以下、適宜、ＬＰＦという）２４１を介して入力する電圧フォロアのオペアンプ２４２から、電流検出用の抵抗器２４３を介して電圧Ｖｃ が印加される。電圧Ｖｃ およびオペアンプ２４２の出力電圧Ｖｅ はマイクロコンピュータ２８のＡ／Ｄ０、Ａ／Ｄ１を介してＣＰＵに取り込まれる。これにより、モニタセル１ａの両電極１２３，１２５間には電圧（Ｖｆ −Ｖｃ ）が印加され、モニタセル１ｂにモニタ電流Ｉｍ が流れると、これが抵抗器２４３の電圧降下（Ｖｃ −Ｖｅ ）として検出されることになる。前記ＬＰＦ２４１は、例えば抵抗器およびコンデンサからなる一次フィルタとして構成される。ＬＰＦ２４１の目的は後述する。
【００３５】
一方、センサセル１ｃのチャンバ１０２に面した電極１２４には、マイクロコンピュータ１のＤ／Ａ２から出力される指令電圧により、オペアンプ２５１から電流検出用の抵抗器２５２を介して、電圧Ｖｇが印加される。オペアンプ２５１の出力電圧Ｖｈ、および電圧Ｖｇはマイクロコンピュータ２８のＡ／Ｄ４、Ａ／Ｄ５を介してＣＰＵに取り込まれる。これにより、センサセル１ｃの両電極１２４，１２５間には電圧（以下、適宜、センサセル印加電圧という）（Ｖｆ −Ｖｇ）が印加され、電流（以下、適宜、センサ電流という）Ｉｓ が流れると、これが抵抗器２５２の電圧降下（Ｖｇ−Ｖｈ）として検出されることになる。
【００３６】
また、制御回路２では、セル１ａ〜１ｃのアドミタンスが検出されるようになっている。アドミタンスの検出は、代表としてモニタセル１ｂを対象としてなされ、検出されるアドミタンスは両電極１２３，１２５間のアドミタンスである（以下、適宜、モニタアドミタンスという）。すなわち、アドミタンス検出時には、Ｄ／Ａ０からの指令電圧が正側または負側に瞬間的に変化せしめられる。この電圧変化はＬＰＦ２４１でなまされて、モニタセル１ｂの電極１２３への印加電圧Ｖｃ 、したがってポンプセル印加電圧（Ｖａ −Ｖｃ ）に、正弦波状の交流成分が含められる。この交流成分は、１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦの時定数は５μｓｅｃ程度に設定される。マイクロコンピュータ２８では、この時の電圧Ｖｃ の電圧変化量およびモニタ電流Ｉｍ の電流変化量に基づいてアドミタンスが求められる。
【００３７】
なお、モニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器２４３と並列に別のモニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器２４４が設けられており、抵抗器２４４はスイッチ２４５により断接切り換え自在である。スイッチ２４５はマイクロコンピュータ２８のＩ／Ｏ１からの制御信号で切り換えられ、オン時にはモニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器の抵抗値を小さくすることができる。スイッチ２４５のオンによりモニタ電流Ｉｍ 検出用の抵抗器の抵抗値を減少するのは、アドミタンスの検出時であるが、これは、濃度検出時に比してモニタ電流Ｉｍ が多くなるため、アドミタンスの検出時とガス濃度検出時とで電圧（Ｖｃ −Ｖｅ ）がアンバランスにならないようにしたものである。
【００３８】
次にヒータ１３の駆動系について説明する。ヒータ１３はバッテリ２６から通電されるようになっており、通電はＭＯＳＦＥＴ２７２によりオンとオフとに切り換えられるようになっている。ＭＯＳＦＥＴ２７２のゲートには、マイクロコンピュータ２８のＩ／Ｏ０からＭＯＳＦＥＴドライバ２７１を介して駆動信号が入力するようになっており、前記オンとオフとを切り換えられる。ヒータ１３の通電制御はパルス状に電圧を印加するＰＷＭ制御でなされ、駆動電流（駆動電力）の調整が、所定周期内の前記パルスのオン期間の長さ（駆動デューティ）を増減することでなされる。
【００３９】
図５、図６、図７のフローチャートにより、マイクロコンピュータ２８で実行される制御プログラムとともに本ガス濃度検出装置の作動について説明する。
【００４０】
図５はメインルーチンの概要を示すもので、制御回路２の電源オンにより起動する。先ずステップＳ１０１では前回のガス濃度の検出時から所定時間Ｔａ が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔａ はガス濃度検出の周期に相当する時間であり、例えば４ｍｓ程度に設定される。
【００４１】
ステップＳ１０１が肯定判断されるとステップＳ１０２に進み、ガス濃度の検出処理を実行する。ガス濃度の検出処理では、その時々のポンプ電流Ｉｐ に応じた指令電圧を設定するとともに、その指令電圧出力時のポンプ電流Ｉｐ を検出する。そして、ポンプ電流Ｉｐ を酸素濃度に換算する。さらに、その時々のモニタセル印加電圧、センサセル印加電圧を規定する指令電圧を設定するとともに、その電圧出力時のモニタ電流Ｉｍ 、センサ電流Ｉｓ を検出する。そして、モニタ電流Ｉｍ 、センサセル電流Ｉｓ をＮＯｘ 濃度に換算する。
【００４２】
続くステップＳ１０３では、前回のアドミタンスの検出時から所定時間Ｔｂ が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔｂ はアドミタンス検出の周期に相当する時間であり、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。
【００４３】
ステップＳ１０３が肯定判断されるとステップＳ１０４に進んでアドミタンスの検出処理を実行し、ステップＳ１０５で検出アドミタンスに基づいてヒータ１３の通電制御を実行する。
【００４４】
アドミタンスの検出処理（ステップＳ１０４）は、図６に示すように、ステップＳ２０１で、Ｄ／Ａ０からの指令電圧を例えば正側にごく短時間（数十〜数百μｓｅｃ）シフトし、モニタセル１ｂの印加電圧を変化させるとともに、ステップＳ２０２で、このときのモニタセル印加電圧の変化量ΔＶｍ と、モニタ電流の変化量ΔＩｍ とを計測する。計測結果に基づいてステップＳ２０３でアドミタンスを算出する。すなわち、モニタ電流の変化量ΔＩｍ とモニタセル印加電圧の変化量ΔＶｍ との比（ΔＩｍ ／ΔＶｍ ）を算出して、これをアドミタンスとする。前記印加電圧の変化はＬＰＦ２４１の作用で立ち上がりと立ち下がりがなまされたものとなり、モニタセル１ｂのリアクタンス成分の影響でモニタ電流Ｉｍ に過大な尖頭成分が現れるを防止し、アドミタンスの検出精度を高めている。このアドミタンスは固体電解質層１１１，１１２の温度に依存し、温度が高いほど大きくなる。活性温度まで上昇すると、良好に酸素イオンが流れ得る。
【００４５】
ヒータ通電制御（ステップＳ１０５）は、図７に示すように、ステップＳ３０１で、モニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの７５％以上か否かを判定する。目標アドミタンスは、固体電解質材１１１，１１２の活性温度域に対応するアドミタンスである。内燃機関始動直後であればガスセンサ１は未だ温まっておらず、モニタアドミタンスは目標アドミタンスの７５％に到達していないから、始動後しばらくはステップＳ３０１は否定判断されることになる。
【００４６】
ステップＳ３０１が否定判断されるとステップＳ３０２で駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。そして、ステップＳ３０１が肯定判断されることになる。
【００４７】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％を越えて、ステップＳ３０１が肯定判断されるとステップＳ３０３でモニタアドミタンスが目標値である目標アドミタンスの１００％以上か否かを判定する。否定判断されると、ステップＳ３０４でＰＩ制御を実行する。ＰＩ制御では、モニタアドミタンスと目標アドミタンスとの偏差に利得（ゲイン）を乗じた比例項、および前記偏差にゲインを乗じたものを積算した積分項を演算し、駆動デューティの指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする。このときのＰＩ制御では後述するステップＳ３０５のＰＩ制御よりも高いゲインに設定される。例えば、比例項（以下、適宜、Ｐ項という）のゲインを８０と、積分項（以下、適宜、Ｉ項という）のゲインを３とする。
【００４８】
ステップＳ３０３が肯定判断されるとステップＳ３０５でＰＩ制御を実行するが、このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とし、低めに切り換えられる。
【００４９】
したがって、本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達するまでは固定デューティ制御の期間であり、目標アドミタンスの７５％から目標アドミタンスの１００％までは第１の期間である高ゲインでのＰＩ制御の期間であり、目標アドミタンスに到達すると、第２の期間である低ゲインでのＰＩ制御の期間となる。目標アドミタンスの７５％という十分に目標アドミタンスに近い値まで１００％の固定デューティ制御となるので、ガスセンサ１の昇温に要する時間は短縮される。
【００５０】
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）は本ガス濃度検出装置と従来のものとを比較するためのタイミングチャートであり、モニタアドミタンスの経時変化を示している。図８（Ａ）が本ガス濃度検出装置のものである。図８（Ｂ）は、アドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達するまでは固定デューティ制御で、以降はＰＩ制御に切り換わるが、そのゲインを小さめに設定している（例えばＰ項ゲイン＝２、Ｉ項ゲイン＝３）。図８（Ｃ）は、アドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達するまでは固定デューティ制御で、以降はＰＩ制御に切り換わるが、そのゲインを高めに設定している（例えばＰ項ゲイン＝８０、Ｉ項ゲイン＝３）。
【００５１】
図８（Ｂ）のものでは、ＰＩ制御が低ゲインに設定してあるため、アドミタンスがある程度、目標アドミタンスに近づいてからＰＩ制御に切り換わると、切り換わりの直後においてアドミタンスの検出値と目標値との偏差が小さいことで、Ｐ項、Ｉ項も小さな値しかとることができない。このため、１００％の固定デューティからＰＩ制御に切り換わった直後にモニタアドミタンスに落ち込みが生じることになる。
【００５２】
また、図８（Ｃ）のものでは、ＰＩ制御が高ゲインに設定してあるため、ＰＩ制御に切り換わっても、アドミタンスに落ち込みが生じることはないが、ゲインが大きいために目標アドミタンスに到達後、収束が困難でハンチングが生じる。
【００５３】
これらに対して、本発明を示す図８（Ａ）では、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％から目標アドミタンスの１００％までの期間は高ゲインであるから、モニタアドミタンスと目標アドミタンスとの偏差が小さくとも落ち込みが生じることなく目標アドミタンスに向けて緩やかに上昇する。そして、目標アドミタンスに到達以後は、低いゲインのＰＩ制御に切り換わるから、駆動デューティの調整が分解能よくなされ、ハンチングを生じることなく、スムーズにモニタアドミタンスが目標アドミタンスに維持される。このように、モニタアドミタンスをスムーズに目標アドミタンスに維持することと、ＰＩ制御に切り換わった直後のモニタアドミタンスの落ち込みの回避とを両立することができる。
【００５４】
なお、各制御期間におけるＰＩ制御のゲインは、具体的なガスセンサの仕様等に基づいて適宜設定することになるのは勿論である。また、ステップＳ３０３ではモニタアドミタンスを目標アドミタンスの１００％と比較しているが、必ずしも厳密に１００％である必要はなく、例えば９０％程度とし得る。
【００５５】
（第２実施形態）
図９に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータ通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００５６】
ステップＳ４０１では、モニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの１００％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ４０２で駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。
【００５７】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達し、ステップＳ４０１が肯定判断されるとステップＳ４０３で所定期間が経過したか否かを判定する。経過時間はステップＳ４０１が肯定判断された時点でスタートするタイマによりカウントされる。否定判断されると、ステップＳ４０４でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では後述するステップＳ４０５のＰＩ制御よりも高いゲインに設定される。例えば、Ｐ項ゲインを８０と、Ｉ項ゲインを３とする。したがって、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達した直後は、ＰＩ制御は高ゲインである。
【００５８】
ステップＳ４０３が肯定判断されるとステップＳ４０５でＰＩ制御を実行するが、このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とし、低めに切り換えられる。
【００５９】
したがって、本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達するまでは固定デューティ制御の期間であり、その直後は高ゲインでのＰＩ制御の期間であり、所定時間が経過すると、低ゲインでのＰＩ制御の期間となる。
【００６０】
本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達した直後は、ＰＩ制御のゲインが高めに設定されるから、ガスセンサ１からの放熱が多くとも、駆動電力が不足しない。固定デューティ制御が終了する、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの１００％に到達した直後において、モニタアドミタンスの落ち込みが回避される。その後、ＰＩ項のゲインは小さめに設定されるから、ハンチングを生じるとなくスムーズにモニタアドミタンスを目標アドミタンスに維持することができる。
【００６１】
なお、ステップＳ４０１ではモニタアドミタンスを目標アドミタンスの１００％と比較しているが、必ずしも厳密に１００％である必要はなく、例えば９０％程度とし得る。
【００６２】
（第３実施形態）
図１０に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータの通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００６３】
ステップＳ５０１では、前記ステップＳ３０１のごとくモニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの７５％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ５０２で駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。
【００６４】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達し、ステップＳ５０１が肯定判断されるとステップＳ５０３でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とする。アドミタンスを目標値にスムーズに維持するのに適した低めに設定される。そして、ＰＩ制御におけるＩ項は固定デューティ制御からＰＩ制御に切り換わった直後の初期値に０ではない値が与えられる。この値の符号は、駆動デューティが増大する方向の値が与えられる。
【００６５】
本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達すると、低ゲインのＰＩ制御に切り換わることになるが、Ｉ項に０ではない所定の初期値が与えられるので、ゲインが小さくともＰＩ制御に切り換わった直後においても、Ｉ項が不足せず、モニタアドミタンスの落ち込みが回避される。そして、モニタアドミタンスが目標アドミタンスに達し、モニタアドミタンスを目標アドミタンスに維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに目標値に維持することができる。
【００６６】
なお、Ｉ項の初期値は、ＰＩ制御に切り換わった直後にモニタアドミタンスの落ち込みを回避するのに必要な駆動デューティや、目標アドミタンスに到達するまでに蓄積されるＩ項によって目標アドミタンス到達直後にオーバーシュートが生じるのを回避可能な、許容されるＩ項の値を考慮して設定する。
【００６７】
（第４実施形態）
図１１に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータの通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００６８】
ステップＳ６０１では、前記ステップＳ３０１のごとくモニタアドミタンスが所定値である目標アドミタンスの７５％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ６０２で、Ｉ項に、モニタアドミタンスＹと目標アドミタンスＹ０ との偏差にゲインＫｉ を乗じたものを加算して、加算したものによりＩ項を更新する。これは始動時を初期値（＝０）として求められる。
【００６９】
続くステップＳ６０３では、駆動デューティを１００％に固定する固定デューティ制御を実行しリターンに抜ける。これにより、ガスセンサ１の温度が速やかに上昇する。
【００７０】
モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達し、ステップＳ６０１が肯定判断されるとステップＳ６０４でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば、Ｐ項ゲインを２と、Ｉ項ゲインを３とする。アドミタンスを目標値にスムーズに維持するのに適した低めに設定される。このときの、Ｉ項の算出は、前記ステップＳ６０２の算出結果を引き継いでなされる。
【００７１】
本ガス濃度検出装置によれば、モニタアドミタンスが目標アドミタンスの７５％に到達すると、低ゲインのＰＩ制御に切り換わることになるが、切り換わり直後においては、Ｉ項にステップＳ６０２で算出した値が与えられている。したがって、第３実施形態と同様に、ゲインが小さくともＰＩ制御に切り換わった直後においてＩ項が不足せず、モニタアドミタンスの落ち込みを防止することができる。そして、モニタアドミタンスが目標アドミタンスに達し、モニタアドミタンスを目標アドミタンスに維持する段階に移行しても、ハンチングを生じることなくスムーズに目標アドミタンスに維持することができる。
【００７２】
なお、Ｉ項の算出を開始する時期は始動時に限られず、例えば、モニタアドミタンスが予め設定した所定値を越えたら開始するようにしてもよい。
【００７３】
（第５実施形態）
図１２に本発明の別のガス濃度検出装置のマイクロコンピュータで実行されるヒータの通電制御のフローを示す。本実施形態は、基本的な構成は第１形態のものと同じで、第１実施形態において、ヒータ通電制御を別の内容に変えたもので、第１実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して説明する。
【００７４】
ステップＳ７０１では、モニタアドミタンスが目標値である目標アドミタンスの１００％以上か否かを判定し、否定判断されるとステップＳ７０２でＰＩ制御を実行する。このときのＰＩ制御では、ゲインが例えば高めに設定される。
【００７５】
そして、ステップＳ７０１が肯定判断されるとステップＳ７０３でＰＩ制御のゲインを低めに切り換える。
【００７６】
本ガス濃度検出装置によれば、先ず、高ゲインにて駆動デューティが求められる。ここで、Ｐ項のゲインを、目標アドミタンスに到達するまでの期間において駆動デューティが１００％もしくはこれに準ずる程度に高いものとなるように設定する。Ｉ項のゲインは、目標アドミタンスに到達時のＩ項の値がモニタアドミタンスに落ち込みを生じない程度に抑制されるように設定する。これにより、目標アドミタンスに到達するまでは、実質的に固定デューティ制御のごとく昇温速度が速い通電制御となる。そして、目標アドミタンスに達すると、低ゲインに切り換わるから、ハンチングを生じるとなくスムーズに目標値に維持することができる。目標アドミタンスに達した時点でＩ項にはそれまでの蓄積があるので、モニタアドミタンスに落ち込みが生じることもない。なお、高ゲイン時のゲインは、目標アドミタンスに達した直後にアドミタンスがオーバーシュートしないように最適化される。
【００７７】
なお、ステップＳ７０１ではモニタアドミタンスを目標アドミタンスの１００％と比較しているが、必ずしも厳密に１００％である必要はなく、例えば９０％程度とし得る。
【００７８】
なお、前記各実施形態ではアドミタンスを検出しているが、アドミタンスの逆数であるインピーダンスを検出するようにしてもよい。実質的に等価だからである。その他、固体電解質層の温度状態が知られるものであれば、駆動デューティの指令値の演算に利用することができる。
【００７９】
また、ヒータ通電がＰＷＭ制御によるものでなくとも本発明は好適に適用することができる。
【００８０】
また、アドミタンス検出時にモニタセルへの印加電圧を変化させているが、電流を変化させてもよい。電流変化に対してアドミタンスに応じた電圧変化が生じるからである。
【００８１】
また、本発明は３セル構造のガスセンサに限らず、１セル構造、２セル構造のものにも適用することができ、ガスセンサの形状も任意である。被測定ガスの温度や流速により、ガスセンサから放熱する熱は異なり、ガスセンサの形状や内部構造が相対的に放熱しにくいものであっても、本発明が解決しようとした課題が依然として存在するからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第１のガス濃度検出装置の構成図である。
【図２】前記ガスセンサの要部断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【図４】図２におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】前記ガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示す第１のフローチャートである。
【図６】前記ガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示す第２のフローチャートである。
【図７】前記ガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示す第３のフローチャートである。
【図８】（Ａ）は前記ガス濃度検出装置におけるモニタアドミタンスの経時変化を示す図であり、（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ、前記ガス濃度検出装置と比較する従来例におけるモニタアドミタンスの経時変化を示す図である。
【図９】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第２のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図１０】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第３のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図１１】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第４のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【図１２】本発明のガスセンサのヒータ制御装置を適用した第５のガス濃度検出装置を構成するマイクロコンピュータで実行される制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ ガスセンサ
１ａ ポンプセル
１ｂ モニタセル
１ｃ センサセル
１３ ヒータ
１１１，１１２ 固体電解質層（固体電解質材）
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５ 電極
２４３ 抵抗器（温度状態検出手段）
２８ マイクロコンピュータ（指令値演算手段、温度状態検出手段）
Claims (9)
- ガスセンサの固体電解質材を活性温度にするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、検出値と前記目標値との偏差に基づいて少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから該所定値よりも大なる別の所定値に達するまでの第１の期間よりも、前記別の所定値に達してからの第２の期間の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定したことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。 - 請求項１記載のガスセンサのヒータ制御装置において、前記別の所定値は前記目標値であり、前記第１の期間が、温度状態の検出値が前記所定値を越えてから前記目標値に達するまでの期間であるガスセンサのヒータ制御装置。
- ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値が所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値に達すると、検出値と前記目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値に達してから所定の期間内よりも、該所定期間以降の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定したことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。 - 請求項３記載のガスセンサのヒータ制御装置において、前記所定値は温度状態の検出値の目標値であるガスセンサのヒータ制御装置。
- ガスセンサの固体電解質材を活性温度にするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値を越えてフィードバック制御が開始された時に、前記積分項に、通電量を増大する方向の所定の初期値を与えるように設定したことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。 - ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、温度状態の検出値がその目標値よりも低い所定値に達するまでの期間においては、通電量の指令値を固定値とし、温度状態の検出値が前記所定値を越えると、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記比例項と積分項とを含む演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が前記所定値に達するよりも前から、前記積分項の演算を開始するように設定したことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。 - ガスセンサの固体電解質材を活性温度とするヒータに対し、通電の制御を実行するガスセンサのヒータ制御装置において、
前記固体電解質材の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
通電量の指令値を演算する指令値演算手段であって、前記温度状態の検出値とその目標値との偏差に基づいて、少なくとも該偏差に比例する比例項および前記偏差の積算値に比例する積分項を演算し、通電量の指令値を、前記演算の結果に基づくフィードバック値とする指令値演算手段とを具備し、
該指令値演算手段を、温度状態の検出値が所定値に達するまでの期間よりも、該所定値に達してからの期間の方が、前記比例項の利得が小さくなるように設定したことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。 - 請求項７記載のガスセンサのヒータ制御装置において、前記所定値は温度状態の検出値の目標値であるガスセンサのヒータ制御装置。
- 請求項１ないし８いずれか記載のガスセンサのヒータ制御装置において、前記ヒータはガスセンサと一体に設けられるガスセンサのヒータ制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002239115A JP2004077328A (ja) | 2002-08-20 | 2002-08-20 | ガスセンサのヒータ制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2002239115A JP2004077328A (ja) | 2002-08-20 | 2002-08-20 | ガスセンサのヒータ制御装置 |
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| JP2004077328A true JP2004077328A (ja) | 2004-03-11 |
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ID=32022302
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2002239115A Pending JP2004077328A (ja) | 2002-08-20 | 2002-08-20 | ガスセンサのヒータ制御装置 |
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|---|---|
| JP (1) | JP2004077328A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014122956A1 (ja) * | 2013-02-08 | 2014-08-14 | ボッシュ株式会社 | ラムダセンサ予熱制御方法及びラムダセンサ駆動制御装置 |
| CN106588703A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-04-26 | 山东天化学股份有限公司 | 一种高纯度的4,4’‑氧代双苯磺酰氯的制备方法 |
| JP7452323B2 (ja) | 2020-08-18 | 2024-03-19 | 株式会社デンソー | ガス濃度検出装置 |
-
2002
- 2002-08-20 JP JP2002239115A patent/JP2004077328A/ja active Pending
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| CN106588703A (zh) * | 2016-10-26 | 2017-04-26 | 山东天化学股份有限公司 | 一种高纯度的4,4’‑氧代双苯磺酰氯的制备方法 |
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