JP2005055395A - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外乱が加わってもセンサ素子の温度状態を高精度に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度向上に貢献し得ること。
【解決手段】 ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０よりなるセンサ素子とヒータ１５２とを備える。センサＥＣＵ１０は、センサ素子の温度状態を検出して該温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいてフィードバック項を算出し、そのフィードバック項を用いてヒータ１５２の通電をフィードバック制御する。また、目標値を基準とする前記温度状態の変化の状況に応じてフィードバック項のゲインを大小可変に設定する。
【選択図】 図１

Description

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。

例えば自動車用エンジンにおいては、当該エンジンより排出される排ガスの特定成分濃度がガス濃度センサにより検出され、その検出結果に応じて排気エミッション低減等のための各種制御が実施されるようになっている。一般に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特定のガス濃度が検出される。また、センサ素子によりガス濃度を精度良く検出するにはセンサ素子を所定の温度状態に維持する必要があり、通常は同センサにヒータを内蔵し当該ヒータへの通電を制御するようにしている。ヒータ通電制御の手法として、センサ素子を構成するセルの内部抵抗を検出し、該検出した内部抵抗が目標値に一致するようヒータ通電量をフィードバック制御するものが知られている（例えば特許文献１等）。

ところで、ガス濃度センサでは、周辺雰囲気の温度変化など、外乱の影響を受けてセンサ素子の温度状態が変動することが考えられる。上記の如く自動車用エンジンに適用される場合には、排ガスの温度変化や流量変化に伴いセンサ素子の温度状態が変動する。センサ素子の温度状態が変動すると、当該素子の活性状態が変わるため、ガス濃度の検出精度が悪化することが懸念される。特に、ガス濃度として排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する場合には、その検出電流が微弱電流（ｎＡ〜μＡオーダ）であり、センサ素子の温度状態の変動により検出精度に大きな影響が現れるおそれがあった。
特開２０００−１７１４３９号公報

本発明は、外乱が加わってもセンサ素子の温度状態を高精度に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度向上に貢献し得るガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明のガス濃度センサのヒータ制御装置では、温度状態検出手段によりセンサ素子の温度状態を検出する一方、ヒータ通電制御手段により前記温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいてフィードバック項を算出し、更にそのフィードバック項を用いてヒータの通電をフィードバック制御することを前提としている。また特に請求項１に記載の発明では、ヒータ通電制御手段により、前記目標値を基準とする前記温度状態の変化の状況に応じてフィードバック項のゲインを大小可変に設定する。前記フィードバック項は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいて算出される比例項、積分項の少なくとも何れかである（請求項１１）。なお、センサ素子の温度状態は素子の内部抵抗により検出することが可能であり、前記温度状態検出手段は素子抵抗を検出するものであっても良い。

要するに、ガス濃度センサを構成するセンサ素子では、その使用環境における温度変化等が生じると、それが外乱となり温度状態が変動する。かかる事態に対して本発明では、目標値を基準とする温度変化の状況に応じてフィードバック項のゲインを大小可変に設定するため、目標値付近でフィードバック項のゲインを小さくすれば温度状態を細かい分解能で制御することができる。また、目標値から離れた状態でフィードバック項のゲインを大きくすれば温度状態の変化に対して目標値に対する収束性を向上させることができる。以上により、外乱が加わってもセンサ素子の温度状態を高精度に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が所定のしきい値より大きければ前記フィードバック項のゲインを大きくするので、センサ素子の温度状態が目標値から大きく離れた場合にのみゲインが大きくなる。例えば、定常値としてのゲインからそれよりも大きなゲインに切り替えられる。これにより、センサ素子の温度状態が目標値から大きく離れても比較的早いタイミングで目標値への復帰を果たすことができる。

請求項３に記載の発明では、前記温度状態の検出値が目標値から離れる場合にフィードバック項のゲインを切り替えるためのしきい値と、同検出値が目標値に近づく場合にフィードバック項のゲインを切り替えるためのしきい値とを各々設定し、前者の方を大きい値としている。すなわち、しきい値にヒステリシスを持たせている。これにより、不必要にゲインが切り替えられることが抑制でき、制御上のハンチングが防止できる。

請求項４に記載の発明では、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が大きくなるほど、前記フィードバック項のゲインを連続的に大きくするので、段階的にゲインを変更する場合に比べて急激な挙動の変化を抑制することができる。

請求項５に記載の発明では、前記温度状態の検出値が前記目標値から離れる際その変化率が所定のしきい値よりも大きければ前記フィードバック項のゲインを大きくする。前記温度状態の検出値が目標値から離れる際その変化率が所定のしきい値よりも大きいと、その後センサ素子の温度状態が目標値から大きく離れる可能性がある。そこで、かかる場合にフィードバック項のゲインを大きくすることにより、センサ素子の温度状態が目標値から大きく離れる可能性があっても比較的早いタイミングで目標値への復帰を果たすことができる。またこの場合、センサ素子の温度状態が所定のしきい値以上に離れるまでゲイン変更を待たなくても良いため、より一層制御性が向上する。

請求項６に記載の発明では、前記温度状態の検出値が前記目標値に近づく際その変化率が所定のしきい値よりも小さければ前記フィードバック項のゲインを大きくする。前記温度状態の検出値が目標値に近づく際その変化率が所定のしきい値よりも小さいと、その後センサ素子の温度状態が目標値に達するまでの時間が長引く可能性がある。そこで、かかる場合にフィードバック項のゲインを大きくすることにより、センサ素子の温度状態が目標値に達するまでの時間を短縮させることができる。なお、請求項５，６の場合、ゲインを連続的に変化させる構成とすれば、急激な挙動の変化を抑制することも可能となる。

内燃機関の排気系に設けられ、該内燃機関から排出される排ガスを被検出ガスとするガス濃度センサの場合、内燃機関の運転状態に応じて排ガスの温度や流量が変化し、センサ素子の温度制御においてはこれが外乱となる。かかる場合、内燃機関の運転状態に応じて素子温度の変化がある程度予測できるため、温度変化の予測結果に応じて前記フィードバック項のゲインを大小可変に設定することが可能となる（請求項７）。

また、請求項８に記載の発明では、ヒータ通電制御手段により、前記温度状態の検出値が前記目標値を含む目標値近傍領域にあればフィードバック項のゲインを定常値とし、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域外にあれば、又は同検出値が目標値近傍領域外になると予測されるような変化率で変化していればフィードバック項のゲインを前記定常値よりも大きくする。前記フィードバック項は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいて算出される比例項、積分項の少なくとも何れかである（請求項１１）。

要するに、ガス濃度センサを構成するセンサ素子では、その使用環境における温度変化等が生じると、それが外乱となり温度状態が変動する。かかる事態に対して本発明では、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域外にあれば、又は同検出値が目標値近傍領域外になると予測されるような変化率で変化していればフィードバック項のゲインを前記定常値よりも大きくするため、温度状態の変化に対して目標値に対する収束性を向上させることができる。また、前記温度状態の検出値が前記目標値を含む目標値近傍領域にあればフィードバック項のゲインを大きくせず定常値とするため、温度状態を細かい分解能で制御することができる。以上により、外乱が加わってもセンサ素子の温度状態を高精度に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができる。

請求項９に記載の発明では、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域から離れるほど、前記フィードバック項のゲインを連続的に大きくするので、段階的にゲインを変更する場合に比べて急激な挙動の変化を抑制することができる。

請求項１０に記載の発明では、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域外となった後に目標値近傍領域内に戻る際、当該検出値の変化率が所定のしきい値よりも大きければ前記フィードバック項のゲインを前記定常値に戻すようにしている。前記温度状態の検出値が目標値近傍領域の外から内へ変化する場合、当該検出値の変化率が大きければその後センサ素子の温度状態が目標値に達するまでにさほど時間を要しないと考えられる。そこで、かかる場合にフィードバック項のゲインを定常値に戻すことでそれ以降の制御性が向上する。また逆に、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域内に戻る際、当該検出値の変化率が所定のしきい値よりも小さければ前記フィードバック項のゲインが大きいままとされるため、センサ素子の温度状態が目標値に達するまでの時間を短縮させることができる。

また、請求項１２，１３に記載の発明では、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が所定のしきい値よりも大きければ、前記比例項、積分項の少なくとも何れかに加え、微分項を用いて前記ヒータの通電を制御する。前記温度状態の検出値と目標値との偏差が大きくなる場合に、新たに微分項を用いたフィードバック制御を実施することにより、センサ素子の温度変化を妨げるようにヒータの通電が制御され、センサ素子の温度状態の変動が抑制できる。

請求項１４に記載の発明では、前記ガス濃度センサのセンサ素子は、各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有するものとし、これら各セルに所定電圧を印加した状態で、第１セルでガス室に導入した被検出ガス中の酸素量を所定の低濃度レベルに調整すると共に、第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分のガス濃度を検出するようにしている。例えば、自動車用内燃機関から排出される排ガスを被検出ガスとする場合、前記センサ素子により特定成分のガス濃度としてＮＯｘ濃度が検出される。かかる場合、特定成分のガス濃度（ＮＯｘ濃度）は微弱電流により検出され、センサ素子の温度状態が目標値に維持できないとガス濃度の検出精度が確保できないが、上述した各請求項の発明によれば、センサ素子の温度状態が高精度に制御されるため、ガス濃度の検出精度が確保できる。なお、更に前記ガス室内の残留酸素濃度を検出するための第３セルを構成要件とするガス濃度センサにも適用できる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では自動車用ガソリンエンジンの制御システムに用いられるガス濃度検出装置に本発明を具体化しており、エンジンより排出された排ガスの特定成分濃度がガス濃度センサにより検出される。特に本実施の形態では、限界電流式ガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガスから、少なくとも特定成分濃度としてのＮＯｘ濃度を検出することとしている。

先ずはじめに、ガス濃度センサ１００の構成を図１を用いて説明する。図１には、ガス濃度センサ１００を構成するセンサ素子の先端部構造を断面図により示している。センサ素子は、いわゆる３セル構造を有し、「第１セル」としてのポンプセル、「第２セル」としてのセンサセル、及び「第３セル」としてのモニタセルを具備する。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第２のポンプセルと称される場合もある。

ガス濃度センサ１００において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質１４１，１４２は長尺シート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１には排ガス導入口１４１ａが形成されており、この排ガス導入口１４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通している。固体電解質１４１の図の上面には、排ガスを所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１４７が設けられると共に、大気通路１５５を区画形成するための絶縁層１５４が設けられている。

図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に対面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に導入された排ガス中の酸素を出し入れして残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）となっている。ポンプセル１１０は、電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐが印加された状態で、第１チャンバ１４４内に存在する酸素を分解して電極１１２より大気通路１５１側に排出する。

また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に対面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０は、前記ポンプセル１１０により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

モニタセル１２０及びセンサセル１３０は近接した位置に並べて配置されると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１５５側の電極が共通電極１２２となっている。すなわち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とにより構成され、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とにより構成されている。モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図１ではモニタセル１２０及びセンサセル１３０を排ガスの流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、図２（モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置を示す平断面図）に示すように、排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう各セル１２０，１３０が配置されるようになっている。

固体電解質１４２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層１５０が設けられ、この絶縁層１５０により大気通路１５１が形成されている。絶縁層１５０には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）１５２が埋設されている。ヒータ１５２はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ素子全体を活性状態にすべく、バッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。

上記構成のガス濃度センサ１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及び排ガス導入口１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐを印加することで分解反応が起こり、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極１１２から第１大気通路１５１に排出される。こうしたポンプセル１１０の働きにより、第１チャンバ１４４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。

ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、モニタセル電極１２１，１２２間に所定の電圧Ｖｍを印加することでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極１３１，１２２間に所定の電圧Ｖｓを印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極１２２から第２大気通路１５５に排出される。このとき、センサセル１３０に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。

センサＥＣＵ１０はガス濃度センサ１００の制御や濃度演算を実施するものであり、センサＥＣＵ１０により排ガス中の酸素濃度（空燃比）やＮＯｘ濃度が演算され、その演算結果が図示しないエンジンＥＣＵ等に適宜出力されるようになっている。すなわち、センサＥＣＵ１０はセンサ制御の主体となるマイコン１１を有しており、このマイコン１１により、ポンプセル１１０に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル１２０に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル１３０に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン１０にはポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力され、当該マイコン１１ではそれらの入力値に基づいて酸素濃度値やＮＯｘ濃度値が演算される。

また、センサＥＣＵ１０にはヒータ制御回路１２が設けられており、このヒータ制御回路１２によりヒータ１５２への通電がＯＮ／ＯＦＦ制御される。すなわちこのヒータ制御では、基本的に比例項（Ｐ項）や積分項（Ｉ項）といったフィードバック項を用いてＰＩ制御が実施されるようになっており、ガス濃度センサ１００の素子温に対応する素子抵抗の検出値と目標値との偏差に応じて比例項（Ｐ項）と積分項（Ｉ項）とが算出されると共に、これら比例項及び積分項により設定されたヒータ制御量（制御デューティ比）に基づいてヒータ１５２の通電がフィードバック制御される。こうしたヒータ制御により、センサ素子の温度状態が所定の目標温度に制御され、当該センサ素子が最適なる活性状態で維持できるようになる。

素子抵抗値の検出に関しては、いわゆる掃引法を用い、モニタセル１２０を対象に素子アドミタンス（以下、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍという）が算出される。つまり、モニタセルアドミタンス検出時において、モニタセル電圧Ｖｓが正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に（例えば数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で）切り替えられ、その時の電圧変化量と電流変化量とからモニタセルアドミタンスＭＡｄｍが算出される（ＭＡｄｍ＝電流変化量／電圧変化量）。なお、素子抵抗値として、素子アドミタンスに代えてその逆数である素子インピーダンスを検出する構成であっても良い。また、モニタセルアドミタンス（又はインピーダンス）を検出することに代えて、ポンプセル１１０のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出する構成や、センサセル１３０のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出する構成としても良い。

ところで、本実施の形態のガス濃度センサ１００では、排ガスの温度変化や流量変化といった外乱の影響により素子温が変動すること、素子温の変動によりＮＯｘ濃度の検出精度が低下することが懸念される。すなわち、図３の概略図に示すように、センサ素子Ａは、その構造上長尺状のセルＢを有するために素子表面から熱が逃げやすく、更に、センサ素子Ａの基端部が金属製のハウジングＣに連結されると共にハウジングＣ近くにまでセルＢが延びているためにハウジングＣへの熱引けの影響も大きくなる。故に、外乱等による素子温の変動が生じやすい。また、前記図１で説明したように、本ガス濃度センサ１００ではヒータ１５２とモニタセル１２０とが離れているため、センサ素子の温度状態をモニタセルアドミタンスＭＡｄｍで検出する本構成にあってはヒータ１５２とモニタセル１２０との間の温度勾配が大きくなり、これが温度制御性の悪化を招く原因となっている。図４で説明すると、タイミングｔ１でヒータ通電量を増加側に変更した場合、それに伴いヒータ抵抗値は直ちに上昇し始めるのに対し、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍは時間Ｔだけ遅れて上昇し始める。かかる場合、排ガスの温度変化や流量変化といった外乱の発生時にモニタセル１２０による温度制御が遅れてしまい、結果として素子温の変動を招く。ＮＯｘ濃度を検出する場合にはｐｐｍオーダの濃度検出が必要であり、検出すべきセンサ電流はｎＡ〜μＡであることから、素子温の変動によりＮＯｘ濃度の検出精度悪化が生じるおそれがあった。

一方で、ガス濃度センサ１００の素子温を制御する場合、外乱に対してはフードバックゲインを極力大きくして常に目標値付近から素子温度が外れないようにする必要がある。但しその反面、フィードバックゲインが高いと目標値付近での分解能が粗くなるため、目標値を挟んで素子温が常に細かく変動している状態となり、ｐｐｍオーダでみると検出精度を満足できなくなる。このため、目標値付近ではフードバックゲインを極力小さくして分解能を細かくすることで、素子温の変動を抑える必要がある。図５は、フィードバックゲインが大小異なる場合のモニタセルアドミタンス、ヒータ通電のための制御デューティ比、ＮＯｘ濃度検出値の各変化を示すタイムチャートであり、同図の（ａ），（ｂ）から分かるように、フィードバックゲインが大きい場合には小さい場合に比べて制御デューティ比の変動幅が大きく、ＮＯｘ濃度の検出値も変動が大きくなる。それ故、ＮＯｘ濃度の検出精度を高める上でフィードバックゲインを不必要に大きくするのは得策ではない。

本実施の形態では、目標値を基準とする素子温度（モニタセルアドミタンスＭＡｄｍ）の変化の状況に応じてフィードバックゲイン、すなわちＰ項、Ｉ項ゲインを大小可変に設定することとする。具体的には、温度状態の検出値と目標値との偏差が所定のしきい値以下であればＰ項、Ｉ項ゲインを小さくし、同偏差がしきい値より大きければＰ項、Ｉ項ゲインを大きくする。

次に、センサＥＣＵ１０内のマイコン１１により実施される制御処理について説明する。図６は、マイコン１１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１１への電源投入に伴い起動される。

図６において、先ずステップＳ１１０では、前回のＮＯｘ濃度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ＮＯｘ濃度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Ｓ１１０がＹＥＳであることを条件に、後続のステップＳ１２０ではＮＯｘ濃度の検出処理を実施する。なおこのとき、センサセル電流Ｉｓの計測値とモニタセル電流Ｉｍの計測値がそれぞれ取り込まれ、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差分値（Ｉｓ−Ｉｍ）がＮＯｘ検出電流とされる。そして、ＮＯｘ検出電流がＮＯｘ濃度値に換算され、これが図示しないエンジンＥＣＵ等に適宜出力される。

ＮＯｘ濃度の検出後、ステップＳ１３０では、前回のモニタセルアドミタ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はモニタセルアドミタンス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、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップＳ１３０がＹＥＳであることを条件に、ステップＳ１４０ではモニタセルアドミタンスＭＡｄｍを検出し、更に続くステップＳ１５０では、後述する図７の処理を呼び出してヒータ通電制御を実施する。なお本実施の形態では、ステップＳ１４０が「温度状態検出手段」に相当し、ステップＳ１５０（図７の処理）が「ヒータ通電制御手段」に相当する。

次に、ヒータ通電制御の詳細を図７のフローチャートに基づいて説明する。

図７において、先ずステップＳ２０１では、昇温時ヒータ制御の実施条件を判定する。具体的には、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが所定のしきい値以上であるか否か、或いはエンジン始動時からの経過時間が所定時間前であるか否かを判別する。例えば、エンジン始動直後でありガス濃度センサ１００の素子温が未だ低い場合には、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍがしきい値未満となりステップＳ２０１がＹＥＳとなる。この場合、ステップＳ２０２に進んで昇温時ヒータ制御を実施し、その後元の図６のルーチンに戻る。ステップＳ２０２では基本的に、デューティ比１００％の全通電制御が実施される。

素子温が上昇するとステップＳ２０１がＮＯとなり、それ以後ＰＩ制御によるヒータフィードバック制御に移行する。ステップＳ２０３では、その時のモニタセルアドミタンスＭＡｄｍの検出値と目標値との偏差ΔＡｄｍを算出し（ΔＡｄｍ＝｜ＭＡｄｍ検出値−ＭＡｄｍ目標値｜）、続くステップＳ２０４では、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍが所定のしきい値Ｋ１未満であるか否かを判別する。この場合、ステップＳ２０４の判別結果に応じてＰ項、Ｉ項ゲインが大小異なる値に設定変更されるようになっており、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍの検出値が目標値付近にあれば、素子温の制御精度が優先されてＰ項、Ｉ項ゲインが定常値（小さい値）とされ、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍの検出値が目標値から離れていれば、素子温の収束性を優先してＰ項、Ｉ項ゲインが大きい値とされる。

すなわち、ΔＡｄｍ＜Ｋ１であればステップＳ２０５に進み、比較的小さいＰ項、Ｉ項ゲイン（定常値）を用いてＰＩ制御を実施する。また、ΔＡｄｍ≧Ｋ１であればステップＳ２０６に進み、比較的大きいＰ項、Ｉ項ゲインを用いてＰＩ制御を実施する。特にステップＳ２０６では、Ｐ項、Ｉ項ゲインを規定の値に変更すればよいが、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍに応じて可変設定することも可能である。具体的には、図８の関係を用い、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍが大きいほど、Ｐ項、Ｉ項ゲインを大きい値とする。図８中、ΔＡｄｍ＜ａではＰ項、Ｉ項ゲインが定常値とされ、ΔＡｄｍ≧ａでＰ項、Ｉ項ゲインが徐々に増大する。

上記ヒータ通電制御によるＰ項、Ｉ項ゲインの設定変更を図９のタイムチャートを参照しながらより具体的に説明する。図９では、排ガスの温度変化や流量変化といった外乱により素子温が上昇（すなわちモニタセルアドミタンスＭＡｄｍが増加）する事例を示している。なおここでは、説明の便宜上、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍがしきい値Ｋ１よりも大きいか否かで、大小２段のゲイン値を切り替える事例で説明する。

前記図７の説明では省略したが、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍを判定するためのしきい値Ｋ１にはヒステリシスが設けられており、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から離れていく場合と目標値に近づく場合とでＫ１値が変更されるようになっている。つまり、図９に示すように、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から離れる場合、しきい値Ｋ１ａ（例えば目標値の±０．８％）が用いられ、目標値に近づく場合、しきい値Ｋ１ｂ（例えば目標値の±０．４％）が用いられる。

さて、図９では、タイミングｔ１１でモニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍがしきい値Ｋ１ａを越えると、Ｐ項、Ｉ項ゲインが定常値から大きい値に切り替えられる。その後、タイミングｔ１２で、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値に対して収束し偏差ΔＡｄｍがしきい値Ｋ１ｂよりも小さくなると、Ｐ項、Ｉ項ゲインが元の定常値に戻される。つまり、図のｔ１１〜ｔ１２の期間において大ゲインによるＰＩ制御が実施される。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

目標値を基準とする素子温変化（モニタセルアドミタンスＭＡｄｍの変化）の状況に応じてヒータ通電制御に用いるＰ項、Ｉ項ゲインを大小可変に設定するようにしたため、外乱が加わってもセンサ素子の温度状態を高精度に制御し、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。

モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍに応じて該偏差ΔＡｄｍが所定のしきい値Ｋ１より大きければＰ項、Ｉ項ゲインを大きくし、更に該偏差ΔＡｄｍが大きくなるほどＰ項、Ｉ項ゲインを連続的に大きくしたので、センサ素子の温度状態が目標値から大きく離れても比較的早いタイミングで目標値への復帰を果たすことができる。またその際、急激な挙動の変化を抑制することができる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値を含む目標値近傍領域にあればヒータ通電制御のＰ項、Ｉ項ゲインを定常値とすると共に、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値近傍領域外にあれば、又は同ＭＡｄｍが目標値近傍領域外になると予測されるような変化率で変化していればＰ項、Ｉ項ゲインを定常値よりも大きくする。

図１０は、本実施の形態におけるヒータ通電制御処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図７に置き換えて実施される。

図１０において、先ずステップＳ３０１，Ｓ３０２では、昇温時ヒータ制御の実施条件が成立するエンジン始動直後等において昇温時ヒータ制御を実施する（前記図７のステップＳ２０１，Ｓ２０２と同様）。そして、素子温の上昇に伴い、ステップＳ３０３以後のＰＩ制御によるヒータフィードバック制御に移行する。ステップＳ３０３では、その時のモニタセルアドミタンスＭＡｄｍの検出値と目標値との偏差ΔＡｄｍを算出すると共に（ΔＡｄｍ＝｜ＭＡｄｍ検出値−ＭＡｄｍ目標値｜）、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍの変化率ＸＡｄｍを算出する。特に変化率ＸＡｄｍの算出について説明すれば、次のなまし演算式（１）により変化率ＸＡｄｍを算出する。（１）式中、添え字ｉ，ｉ−１は今回値、前回値であり、ｎはなまし係数である。
ＸＡｄｍｉ＝ＸＡｄｍｉ−１＊（ｎ−１）／ｎ＋ＭＡｄｍ＊１／ｎ …（１）
その後、ステップＳ３０４では、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍが所定のしきい値Ｋ１未満であるか否かを判別する。そして、ΔＡｄｍ≧Ｋ１であれば、ステップＳ３０５に進み、比較的大きいＰ項、Ｉ項ゲインを用いてＰＩ制御を実施する（前記図７のステップＳ２０６と同様）。

また、ΔＡｄｍ＜Ｋ１であればステップＳ３０６に進み、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から離れていく状況にあるか否かを判別する。モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から離れていく場合、ステップＳ３０７に進み、モニタセルアドミタンスの変化率ＸＡｄｍが所定のしきい値Ｋ２よりも大きいか否かを判別する。この場合、前記ステップＳ３０４でΔＡｄｍ＜Ｋ１が満たされた状態であっても、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から離れるように変化しており且つ変化率ＸＡｄｍ＝大であれば（ステップＳ３０６，Ｓ３０７が共にＹＥＳ）、ステップＳ３０５で比較的大きいＰ項、Ｉ項ゲインを用いてＰＩ制御を実施する。但しこの場合、前記図８の関係を用いたのではゲインの切替が行えないため、これに代えて別にゲインの切替を行うようにしている。具体的には、Ｐ項、Ｉ項ゲインを定常値より大きな規定の値に変更する。或いは、Ｐ項、Ｉ項ゲインを変化率ＸＡｄｍに応じて可変設定する。ＸＡｄｍ≦Ｋ２であればステップＳ３１０に進み、比較的小さいＰ項、Ｉ項ゲイン（定常値）を用いてＰＩ制御を実施する（前記図７のステップＳ２０５と同様）。

一方、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値に対して近づいていく場合、ステップＳ３０８に進み、今現在Ｐ項、Ｉ項ゲインを大きくした状態でＰＩ制御を実施しているか否かを判別する。Ｐ項、Ｉ項ゲインが大きいことは、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍが一旦はしきい値Ｋ１以上となり、ステップＳ３０５による大ゲインのＰＩ制御が実施されている状態であることを示す。ステップＳ３０８がＹＥＳであれば、ステップＳ３０９でモニタセルアドミタンスの変化率ＸＡｄｍが所定のしきい値Ｋ３未満であるか否かを判別する。この場合、前記ステップＳ３０４でΔＡｄｍ＜Ｋ１が満たされた状態であっても、Ｐ項、Ｉ項ゲインが大きい状態でモニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値に近づいており、更に変化率ＸＡｄｍ＝小であれば（ステップＳ３０６がＮＯ，ステップＳ３０８，Ｓ３０９が共にＹＥＳ）、ステップＳ３０５で比較的大きいＰ項、Ｉ項ゲインを用いてＰＩ制御を実施する。ステップＳ３０８，Ｓ３０９がＮＯであればステップＳ３１０に進み、比較的小さいＰ項、Ｉ項ゲイン（定常値）を用いてＰＩ制御を実施する。

上記図１０のヒータ通電制御によるＰ項、Ｉ項ゲインの設定変更を図１１，図１２のタイムチャートを参照しながらより具体的に説明する。図１１，図１２では、第１の実施の形態で説明した図９と同様、排ガスの温度変化や流量変化といった外乱により素子温が上昇（すなわちモニタセルアドミタンスＭＡｄｍが増加）し、大小２段のゲイン値を切り替える事例で説明する。また、図１１，図１２では、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍを判定するためのしきい値Ｋ１はヒステリシスを持たず、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から離れていく場合と目標値に近づく場合とで同じＫ１値としている（但し、前記図９同様、ヒステリシスを持つ構成でも可）。

さて、図１１において、タイミングｔ２１では偏差ΔＡｄｍ＜Ｋ１であるが、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍ（検出値）が目標値から離れていく際の変化率ＸＡｄｍが比較的大きいことから、Ｐ項、Ｉ項ゲインが定常値から大きい値に切り替えられる（図示は省略するが、ＸＡｄｍ＞Ｋ２である）。図中、変化率ＸＡｄｍはＭＡｄｍ値の傾きである。これにより、大ゲインによるＰＩ制御が開始される。つまりこの場合、モニタセルアドミタンスの変化率ＸＡｄｍが大きければ、その後モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値から大きく離れる可能性がある。そこで、かかる場合にＰ項、Ｉ項ゲインを大きくする。その後、変化率ＸＡｄｍは小さくなるが、偏差ΔＡｄｍ≧Ｋ１となることから大ゲインによるＰＩ制御が継続される。

タイミングｔ２２では、偏差ΔＡｄｍがしきい値Ｋ１未満となる。このとき、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値に対して近づく際の変化率ＸＡｄｍがしきい値Ｋ３よりも小さければ、そのまま大ゲインによるＰＩ制御が継続されるが、変化率ＸＡｄｍがしきい値Ｋ３以上であれば、図示の如く定常値のゲインによるＰＩ制御に戻される。つまり、変化率ＸＡｄｍが大きければその後モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値に達するまでにさほど時間を要しないと考えられる。そこで、かかる場合にＰ項、Ｉ項ゲインを定常値に戻すことでそれ以降の制御性が向上する。図１１ではｔ２１〜ｔ２２の期間において大ゲインによるＰＩ制御が実施される。

また、図１２において、タイミングｔ３１では偏差ΔＡｄｍ＜Ｋ１であるが、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍ（検出値）が目標値から離れていく際の変化率ＸＡｄｍが比較的大きいことから、Ｐ項、Ｉ項ゲインが定常値から大きい値に切り替えられる（図示は省略するが、ＸＡｄｍ＞Ｋ２である）。これにより、大ゲインによるＰＩ制御が開始される。その後、偏差ΔＡｄｍがしきい値Ｋ１に達することのないまま変化率ＸＡｄｍが小さくなると、モニタセルアドミタンスＭＡｄｍが目標値に対して近づき始めるタイミングｔ３２で、定常値のゲインによるＰＩ制御に戻される。つまり、図１２ではｔ３１〜ｔ３２の期間において大ゲインによるＰＩ制御が実施される。

以上第２の実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様に、外乱が加わってもセンサ素子の温度状態を高精度に制御し、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。

目標値から離れる時のモニタセルアドミタンスの変化率ＸＡｄｍによりゲインの切替を行うため、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍがしきい値Ｋ１に達するのを待たなくても大ゲインのＰＩ制御が開始できる。そのため、より一層制御性が向上する。

なお、本発明は上記各実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

モニタアドミタンスの偏差ΔＡｄｍがしきい値以上となること、又は同変化率ＸＡｄｍがしきい値以上となることに伴いＰ項、Ｉ項ゲインを大きくした後、所定時間が経過したことを条件に当該ゲインを定常値に戻すようにしても良い。この場合、前記所定時間は固定値でも良いし、変化率ＸＡｄｍ等によりその都度設定しても良い。

エンジンの運転状態に応じて排ガスの温度や流量が変化し、センサ素子の温度制御においてはこれが外乱となる。かかる場合、エンジンの運転状態に応じて素子温度の変化がある程度予測できるため、温度変化の予測結果に応じてＰ項、Ｉ項ゲインを大小可変に設定する。具体的には、エンジン負荷（例えば吸気管負圧やアクセル開度）に応じて素子温の変化（モニタセルアドミタンスＭＡｄｍの変化）を予測し、その予測結果をゲイン切替に反映させるようにすると良い。

ヒータ通電制御として、通常実施するＰＩ制御をＰＩＤ制御に適宜切り替える構成とする。具体的には、図１３のフローチャートに示すように、ステップＳ４０１では、モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍが所定のしきい値Ｋ４未満であるか否かを判別し、ΔＡｄｍ＜Ｋ４であればステップＳ４０２に進み、通常通りにＰＩ制御を実施する。また、ΔＡｄｍ≧Ｋ４であればステップＳ４０３に進み、ＰＩ制御＋Ｉ制御を実施する。なお図１３の処理は、前記図７、図１０の処理と組み合わせて実施されても良い。これにより、センサ素子の温度変化を妨げるようにヒータの通電が制御され、センサ素子の温度状態の変動が抑制できる。

ガス濃度センサとして、３つのセルを有するセンサ構造以外に、４つ以上のセルを有するセンサ構造を採用しても良く、このセンサを用いる場合にも既述の優れた効果を奏することができる。具体的には、ポンプセルを２つ以上に分割して設ける構造等であっても良い。ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分のガス濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の酸素を排出し、センサセルにて酸素排出後のガス成分からＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。かかる構成においても、本発明を適用することによりガス濃度の検出精度が向上する。

排ガス中の酸素濃度を検出する空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）にも適用でき、そのセンサ構造は１セル構造、２セル構造のものなどが適用できる。また、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。

発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概略を示す構成図である。 モニタセル及びセンサセルの電極配置を示す平断面図である。 センサ素子の概略図である。 ヒータ通電量の変化に伴うヒータ抵抗値、モニタセルアドミタンスの変化を示すタイムチャートである。 ゲインの違いによるＮＯｘ濃度変動等を示す図である。 センサＥＣＵによるメインルーチンを示すフローチャートである。 ヒータ通電制御処理を示すフローチャートである。 モニタセルアドミタンスの偏差ΔＡｄｍとＰ項、Ｉ項ゲインとの関係を示す図である。 Ｐ項、Ｉ項ゲインの設定変更を具体的に示すタイムチャートである。 ヒータ通電制御処理を示すフローチャートである。 Ｐ項、Ｉ項ゲインの設定変更を具体的に示すタイムチャートである。 Ｐ項、Ｉ項ゲインの設定変更を具体的に示すタイムチャートである。 ヒータ通電制御処理の一部を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…センサＥＣＵ、
１１…マイコン、
１００…ガス濃度センサ、
１１０…ポンプセル、
１２０…モニタセル、
１３０…センサセル、
１４１，１４２…固体電解質、
１４４…第１チャンバ、
１４６…第２チャンバ、
１５２…ヒータ。

Claims (14)

1. 固体電解質体を用いたセンサ素子及び該センサ素子を活性状態に加熱するためのヒータを有するガス濃度センサと、
   前記センサ素子の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
   該温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいてフィードバック項を算出し、そのフィードバック項を用いて前記ヒータの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
   前記ヒータ通電制御手段は、前記目標値を基準とする前記温度状態の変化の状況に応じて前記フィードバック項のゲインを大小可変に設定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. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が所定のしきい値より大きければ前記フィードバック項のゲインを大きくする請求項１記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
3. 前記温度状態の検出値が目標値から離れる場合にフィードバック項のゲインを切り替えるためのしきい値と、同検出値が目標値に近づく場合にフィードバック項のゲインを切り替えるためのしきい値とを各々設定し、前者の方を大きい値とした請求項２記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
4. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が大きくなるほど、前記フィードバック項のゲインを連続的に大きくする請求項１乃至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. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値が前記目標値から離れる際その変化率が所定のしきい値よりも大きければ前記フィードバック項のゲインを大きくする請求項１乃至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. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値が前記目標値に近づく際その変化率が所定のしきい値よりも小さければ前記フィードバック項のゲインを大きくする請求項１乃至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. 内燃機関の排気系に設けられ、該内燃機関から排出される排ガスを被検出ガスとするガス濃度センサに適用され、内燃機関の運転状態に基づいて前記センサ素子の温度状態の変化を予測する手段を備え、前記ヒータ通電制御手段は、温度変化の予測結果に応じて前記フィードバック項のゲインを大小可変に設定する請求項１乃至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. 固体電解質体を用いたセンサ素子及び該センサ素子を活性状態に加熱するためのヒータを有するガス濃度センサと、
   前記センサ素子の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
   該温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいてフィードバック項を算出し、そのフィードバック項を用いて前記ヒータの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
   前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値が前記目標値を含む目標値近傍領域にあれば前記フィードバック項のゲインを定常値とし、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域外にあれば、又は同検出値が目標値近傍領域外になると予測されるような変化率で変化していれば前記フィードバック項のゲインを前記定常値よりも大きく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。
9. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域から離れるほど、前記フィードバック項のゲインを連続的に大きくする請求項８記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
10. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値が目標値近傍領域外となった後に目標値近傍領域内に戻る際、当該検出値の変化率が所定のしきい値よりも大きければ前記フィードバック項のゲインを前記定常値に戻す請求項８又は９記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
11. 前記フィードバック項は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいて算出される比例項、積分項の少なくとも何れかである請求項１乃至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. 前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が所定のしきい値よりも大きければ、前記比例項、積分項の少なくとも何れかに加え、微分項を用いて前記ヒータの通電を制御する請求項１１記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
13. 固体電解質体を用いたセンサ素子及び該センサ素子を活性状態に加熱するためのヒータを有するガス濃度センサと、
    前記センサ素子の温度状態を検出する温度状態検出手段と、
    該温度状態の検出値と目標値との偏差に基づいて比例項、積分項の少なくとも何れかを算出し、その比例項、積分項の少なくとも何れかを用いて前記ヒータの通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段とを備え、
    前記ヒータ通電制御手段は、前記温度状態の検出値と目標値との偏差が所定のしきい値よりも大きければ、前記比例項、積分項の少なくとも何れかに加え、微分項を用いて前記ヒータの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。
14. 前記ガス濃度センサのセンサ素子は、各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有し、これら各セルに所定電圧を印加した状態で、第１セルでガス室に導入した被検出ガス中の酸素量を所定の低濃度レベルに調整すると共に、第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分のガス濃度を検出するものである請求項１乃至１３の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
    

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