JP2009133871A

JP2009133871A - 排気ガスセンサ用ヒータ制御装置

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Publication number: JP2009133871A
Application number: JP2009058339A
Authority: JP
Inventors: Koji Hashimoto; 光司橋本; Katsuya Nakamoto; 勝也中本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2020-07-03
Also published as: JP4545215B2

Abstract

【課題】過電圧時にも焼損トラブルを生じない、予防安全処置の施された小型で安価な排気ガスセンサ用ヒータ制御装置を得る。
【解決手段】回路異常検出手段の異常検出信号と過電圧検出素子の異常検出信号に応動して第一の開閉素子と第二の開閉素子のうちの少なくとも一方を直接遮断して前記ヒータに対する通電を停止するとともに、マイクロプロセッサは開閉素子及び第二の開閉素子に対する通電指令を解除するようにした排気ガスセンサ用ヒータ制御装置であって、異常検出信号により第一の開閉素子または第二の開閉素子を駆動停止するゲート素子を備え、異常検出信号が前記制御手段を介することなく直接ゲート素子に加えられ、ゲート素子の動作により第一の開閉素子または第二の開閉素子が電流を遮断するように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素濃度センサ加熱用のヒータ制御装置に関するものである。

内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出し、検出された酸素濃度に応じて内燃機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御することにより、排気ガスの浄化と燃費の改善とを行う技術はよく知られており、車両用内燃機関には広く用いられている。酸素濃度を検出する排気ガスセンサは、温度を活性化領域に維持することにより酸素濃度の検出特性を安定化させる必要があり、このためにセンサに内蔵されたヒータに通電し、通電電流を制御してセンサの温度を所定値に保つヒータ制御装置が用いられ、この制御法には様々な技術が開示されている。

例えば、特許文献１には、ヒータの電圧と電流値とからヒータの抵抗値を検出し、この抵抗値からヒータの温度を演算して排気ガスセンサの活性化状態を知ると共に、温度管理のために通電電流をデューティ制御し、内燃機関の始動時など低温時には連続通電にて活性化を速めるようにした技術が開示されている。また、特開平９−２９２３６４号公報には、排気ガスセンサ自体の抵抗値を精度良く検出して温度を検出すると共に、この検出時間を短縮するために、酸素濃度検出時に排気ガスセンサに印可していた電圧を所定の時定数で抵抗検出用電圧に切り替え、そのときの電圧と電流の変化状態から排気ガスセンサの内部抵抗値を検出する技術が開示されている（特許文献１参照。

さらに、特許文献２には、ヒータをオン・オフさせて排気ガスセンサの温度管理を行うに際し、オン・オフ制御に遅延時間を設け、回転速度など内燃機関の運転状態をパラメータとして遅延時間を操作してヒータのオン・オフ動作回数を低減させることにより、ヒータの寿命を延長すると共に排気ガスセンサの素子温度の安定化と空燃比制御の精度を向上させる技術が開示されている。また、特開平１−１７２７４６号公報には、ヒータの消費電力と排気ガス流量とに応じたヒータ抵抗の目標値を設定し、ヒータの抵抗値がこの目標値に等しくなるように印可電圧を制御することにより、ヒータ温度の精度を保ち、耐久性と酸素濃度検出精度とを向上させる技術が開示されている。

特開平８−３１３４７６号公報特公平７−１１９７３６号公報

以上の各従来例に示したように、ヒータに対する通電管理を行うことにより温度を制御して耐久性と酸素濃度検出精度とを向上させると共に、始動時に活性化を速める技術は多々開示されているが、車両に使用される排気ガスセンサのヒータを加熱する電源は車両に搭載されたバッテリであり、車両の運転中においてはこのバッテリの電圧変動が大であるため、低電圧時には初期加熱に時間を要することになり、これに対処するために加熱能力を向上させると高電圧時にはヒータや駆動素子の焼損を招いたり、従来の通電制御による温度管理ではトラブルが避けられなかった。特に、バッテリとこれを充電する充電用発電機との接続状態が悪化した場合には過渡的に充電発電機の電圧が上昇し、この充電発電機からの比較的高い電圧がヒータに加わる場合があり、このような場合にはヒータや駆動素子の焼損事故は避けきれないものであった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、加熱能力の高いヒータを使用しても過電圧時に焼損などのトラブルを生じない、充分な予防安全処置の施された小型で安価な排気ガスセンサ用ヒータ制御装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る排気ガスセンサ用ヒータ制御装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、前記排気ガスセンサを所定の温度に加熱するヒータ、前記ヒータに加熱電力を供給するバッテリと前記バッテリを充電する充電発電機とからなる電源、前記電源から前記ヒータに電力を供給する回路に挿入された第一の開閉素子、前記排気ガスセンサの温度を所定値に維持するように前記第一の開閉素子を通電制御するマイクロプロセッサよりなる制御手段、前記ヒータに対する通電回路の短絡事故などの回路異常を検出して異常検出信号を出力する回路異常検出手段、前記電源のバッテリ外れなどにより前記充電発電機の電圧が上昇して所定値を越えたとき、異常検出信号を出力する過電圧検出素子、前記電源から前記ヒータに電力供給する回路に挿入され、前記回路異常検出手段の異常検出信号に応動すると共に、前記過電圧検出素子の異常検出信号に応動して前記ヒータに流れる電流を遮断する第二の開閉素子を備え、前記回路異常検出手段の異常検出信号と前記過電圧検出素子の異常検出信号に応動して前記第一の開閉素子と前記第二の開閉素子のうちの少なくとも一方を直接遮断して前記ヒータに対する通電を停止するとともに、前記マイクロプロセッサは前記開閉素子及び前記第二の開閉素子に対する通電指令を解除するようにしたことを特徴とする排気ガスセンサ用ヒータ制御装置であって、
前記異常検出信号により前記第一の開閉素子または前記第二の開閉素子を駆動停止するゲート素子を備え、前記異常検出信号が前記制御手段を介することなく直接前記ゲート素子に加えられ、前記ゲート素子の動作により前記第一の開閉素子または前記第二の開閉素子が電流を遮断するように構成したものである。

以上に説明したようにこの発明の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置によれば、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、前記排気ガスセンサを所定の温度に加熱するヒータ、前記ヒータに加熱電力を供給するバッテリと前記バッテリを充電する充電発電機とからなる電源、前記電源から前記ヒータに電力を供給する回路に挿入された第一の開閉素子、前記排気ガスセンサの温度を所定値に維持するように前記第一の開閉素子を通電制御するマイクロプロセッサよりなる制御手段、前記ヒータに対する通電回路の短絡事故などの回路異常を検出して異常検出信号を出力する回路異常検出手段、前記電源のバッテリ外れなどにより前記充電発電機の電圧が上昇して所定値を越えたとき、異常検出信号を出力する過電圧検出素子、前記電源から前記ヒータに電力供給する回路に挿入され、前記回路異常検出手段の異常検出信号に応動すると共に、前記過電圧検出素子の異常検出信号に応動して前記ヒータに流れる電流を遮断する第二の開閉素子を備え、前記回路異常検出手段の異常検出信号と前記過電圧検出素子の異常検出信号に応動して前記第一の開閉素子と前記第二の開閉素子のうちの少なくとも一方を直接遮断して前記ヒータに対する通電を停止するとともに、前記マイクロプロセッサは前記開閉素子及び前記第二の開閉素子に対する通電指令を解除するようにしたことを特徴とする排気ガスセンサ用ヒータ制御装置であって、前記異常検出信号により前記第一の開閉素子または前記第二の開閉素子を駆動停止するゲート素子を備え、前記異常検出信号が前記制御手段を介することなく直接前記ゲート素子に加えられ、前記ゲート素子の動作により前記第一の開閉素子または前記第二の開閉素子が電流を遮断するように構成したので、ヒータは確実に保護され、正常時にはヒータを最大限の能力で使用することができ、焼損などのトラブルを生じず、加熱能力の高いヒータを使用して排気ガスセンサの活性化を速め得るヒー
タ制御装置を得ることができるものである。

この発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の回路図である。この発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の動作を説明するフローチャートである。この発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の動作を説明するフローチャートである。この発明の実施の形態２による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の回路図である。この発明の実施の形態２による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の動作を説明するフローチャートである。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の回路図、図２と図３はその動作を説明するフローチャートである。図１において、１はヒータ制御装置、２はキースイッチ３を介してヒータ制御装置１などに電力を供給するバッテリ、４はバッテリ２を充電する車載用の充電発電機、５はヒータ制御装置１に通電制御されるヒータ、６はヒータ５と一体化または近接配置されて加熱されるように構成されると共に、内部抵抗７を有する排気ガスセンサ、８は抵抗９を介してヒータ制御装置１から駆動される表示手段としての発光ダイオードである。

１０はヒータ制御装置１の回路内の電源線、１１は制御手段としてのマイクロプロセッサ（以下ＣＰＵと称す）１２に定電圧（例えばＤＣ５Ｖ）を供給する定電圧電源、１３は電源線１０からヒータ５の一方の端子５ａに接続された第二の開閉素子を構成するトランジスタであり、第二の開閉素子１３はＣＰＵ１２の出力端子ＤＲ３から抵抗１４とトランジスタ１５とを介して駆動され、トランジスタ１５のオンにより第二の開閉素子１３もオンするように構成されている。１６はトランジスタ１５のコレクタと第二の開閉素子１３のベースとを接続する抵抗であり、１７は第二の開閉素子１３のベースとエミッタ間を接続する安定抵抗、１８はトランジスタ１５のベースとエミッタ間を接続する安定抵抗である。

１９はヒータ５の他方の端子５ｂと電流検出抵抗２０との間に接続され、ヒータ５に対する通電をオン・オフ制御する第一の開閉素子としてのトランジスタであり、ＣＰＵ１２の出力端子ＤＲ４からゲート素子２１と抵抗２２とを介して駆動されるように構成されている。なお、２３は第一の開閉素子１９のベースに接続された安定抵抗である。また、２４は電源線１０からの電圧が抵抗２５と２６とにより分圧されて（−）端子に入力され、（＋）端子にはヒータ５の他方の端子５ｂに接続されたプルダウン抵抗２７の電圧、および、電流検出抵抗２０の電圧を入力する回路異常検出素子であり、その出力はＣＰＵ１２の入力端子ＥＭ１に入力される。

２８は電源線１０からの電圧が抵抗２９と３０とにより分圧されて（−）端子に入力され、電源線１０から抵抗３１を介して接続された定電圧ダイオード３２の電圧を（＋）端子に入力する過電圧検出素子であり、その出力端子はゲート素子２１の一方の入力端子に接続されると共に、高抵抗３３を介してＣＰＵ１２の入力端子ＥＭ２に接続されている。また、このＥＭ２端子にはコンデンサ３４が接続されており、コンデンサ３４は過電圧検出素子２８がＨレベルのとき高抵抗３３を介して充電されると共に、Ｌレベルに転じたときには高抵抗３３とは並列に接続されたダイオード３５と低抵抗３６の直列接続よりなる
放電経路を通じて放電されるように構成されている。

また、３７は増幅器であり、排気ガスセンサ６の出力電圧を増幅してＣＰＵ１２のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ２に入力する。トランジスタ３８はＣＰＵ１２の出力端子ＤＲ１からの信号電圧により抵抗３９を介して駆動され、排気ガスセンサ６に負荷抵抗４０を接続する。４１はトランジスタ３８のベースとエミッタ間に接続された安定抵抗である。４２と４３とは分圧抵抗であり、バッテリ２から供給される電源電圧を分圧してＣＰＵ１２のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ１に入力する。また、発光ダイオード８はＣＰＵ１２の出力端子ＤＲ２からの信号により抵抗９を介して駆動される。

このように構成されたこの発明の実施の形態１による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置において、ＣＰＵ１２は図２および図３のフローチャートに示すように動作する。図２において、ステップ２００にて動作を開始すると、ステップ２０１においてＣＰＵ１２は出力端子ＤＲ１の信号によりトランジスタ３８を所定の時間オフさせ、排気ガスセンサ６の無負荷時出力電圧を増幅器３７を介してＣＰＵ１２の入力端子ＡＤ２に取り込む。このＡＤ２の入力電圧は排気ガスに含まれた酸素濃度に対応した電圧となる。

続いてステップ２０２では出力端子ＤＲ１の信号によりトランジスタ３８を所定の時間オンさせ、排気ガスセンサ６の内部抵抗７と負荷抵抗４０とにより分圧された負荷時出力電圧を増幅器３７を介して入力端子ＡＤ２に取り込み、内部抵抗７の抵抗値を演算する。ここで、ステップ２０１での排気ガスセンサ６の無負荷時出力電圧をＥ０、ステップ２０２での排気ガスセンサ６の負荷時出力電圧をＥ１、負荷抵抗４０の抵抗値をＲ１、排気ガスセンサ６の内部抵抗７の抵抗値をＲ０とすると、Ｅ１＝Ｅ０×Ｒ１／（Ｒ１＋Ｒ０）の関係が得られ、Ｒ０が演算される。なお、このＲ０の値は、排気ガスセンサ６の絶対温度の逆数の指数関数として変化するものであり、排気ガスセンサ６の製品間バラツキや経年変化により変動するものである。

次に、ステップ２０３ではこのルーチンの動作が初回であるかどうかを判定する。このステップで初回動作であると判定されるとステップ２０４に進み、ここでは内燃機関が長時間にわたって停止されており、排気ガスセンサ６の温度が外気温まで低下しているかどうかを図示しない外気温センサなどと比較して判定する。ステップ２０４で排気ガスセンサ６の温度が外気温まで低下していると判定されるとステップ２０５に進み、ステップ２０２で得た内部抵抗７の抵抗値Ｒ０を記憶し、外気温センサによる外気温を読み込んで記憶する。ステップ２０５での処理が完了するとステップ２０６に進み、ここでは記憶された内部抵抗７の抵抗値Ｒ０と外気温度とから内部抵抗値対温度のテーブルを作成し、ステップ２０１に戻ってこのルーチンを繰り返す。

第二回目以降はステップ２０３にて初回動作でないと判定されるので、ステップ２０３からステップ２０７に進むことになる。また、ステップ２０４にて排気ガスセンサ６の温度が低下しきるほどの停止時間でないと判定された場合もステップ２０７に進み、ここではステップ２０２で得た内部抵抗７の抵抗値Ｒ０の最新情報と、ステップ２０６にて作成した内部抵抗値対温度のテーブルとから排気ガスセンサ６の現在の温度を算出する。この温度が算出されるとステップ２０８に進み、ルーチンを終了するが、ここから再びステップ２０１に戻り、ステップ２０１からステップ２０８までのルーチンを所定時間毎に繰り返すことにより、常に排気ガスセンサ６の現時点での温度を算出し、この値は後述する図３のステップ３０３に与えられる。

図３の動作では、まずステップ３００にて動作を開始すると、ステップ３０１においてＣＰＵ１２は出力端子ＤＲ３の信号によりトランジスタ１５をオンさせることにより、第二の開閉素子であるトランジスタ１３を導通させ、続いてステップ３０２ではＣＰＵ１２
の入力端子ＡＤ１に入力された信号から電源電圧を測定する。次にステップ３０３に進んで上記のステップ２０７で得た排気ガスセンサ６の現時点での温度と、ステップ３０２で得た電源電圧とからヒータ５に対する通電のオン・オフ時間比率、所謂デューティ比を演算し決定する。ここでは排気ガスセンサ６の現時点での温度が低いほどデューティが高く、また、電源電圧が低いほどデューティが高く設定され、加熱時間の短縮が図られる。さらに、ステップ３０４ではこの演算された通電のオン時間幅によりＣＰＵ１２のＤＲ４から信号を出力し、ゲート素子２１を介して第一の開閉素子であるトランジスタ１９を導通させる。

以上までのステップで第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とが導通することにより、ヒータ５には通電がなされ、電流検出抵抗２０の両端には電圧が発生する。ステップ３０５は、回路異常検出素子２４からの信号をＣＰＵ１２の入力端子ＥＭ１が入力して判定を行うステップであり、ヒータ５や外部配線の短絡事故などにより、電流検出抵抗２０の電圧が過大になれば回路異常検出素子２４の（＋）端子電圧が大となり、回路異常検出素子２４の出力、すなわち、ＥＭ１端子に対する入力がＨレベルとなり、ステップ３０５ではＮＯと判定され、短絡事故などがなくて電流値が正常であれば回路異常検出素子２４の（＋）端子電圧は小であり、ＥＭ１端子の入力はＬレベルとなってステップ３０５ではＹＥＳと判定される。

ステップ３０５での判定がＮＯであれば、すなわち、過電流が検出されればステップ３０６に進み、ＣＰＵ１２のＤＲ３とＤＲ４との出力が停止され、第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とがオフ状態となってヒータ５に対する通電が停止されると共に、ＤＲ２端子から信号が出力されて発光ダイオード８が動作し、異常警報がなされる。ここで、第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とは、いずれか一方が過電流により短絡破損状態になっていても他方の動作で通電停止ができ、二重安全対策が講じられており、さらに、このステップでは異常状態に対するコード番号がＣＰＵ１２の記憶手段に記憶され、必要に応じて異常原因を読み出すことを可能にする。

ステップ３０５での判定がＹＥＳであればステップ３０７に進み、ステップ３０３にて設定した通電のオン時間幅が経過したかどうかを判定し、この時間幅が経過していなければステップ３０４に戻り、ステップ３０７までのルーチンを繰り返す。ステップ３０７で所定のオン時間が経過しておればステップ３０８に進み、ＣＰＵ１２のＤＲ４の信号を停止して第一の開閉素子１９をオフする。第一の開閉素子１９がオフされると回路異常検出素子２４の（＋）端子電圧には電源電圧を受けたプルダウン抵抗２７の電圧が加わり、正常であれば出力電圧はＨレベルになるが、ヒータ５や外部回路に断線や接触不良など、異常があれば回路異常検出素子２４の出力電圧はＬレベルとなる。

ステップ３０９はこれを判定するもので、異常がある場合にはステップ３１０にてＣＰＵ１２のＤＲ２端子から信号が出力されて発光ダイオード８が動作し、異常警報がなされると共に断線トラブルに対するコード番号が記憶され、必要に応じて異常原因を読み出すことを可能にする。このように回路異常検出素子２４は第一の開閉素子１９のオン時とオフ時との双方の異常監視機能を有している。ステップ３１１はステップ３０３にて演算した第一の開閉素子１９のデューティ制御のオン・オフ合計時間が経過したかどうかを判定し、経過していなければステップ３０８からのルーチンを繰り返し、時間が経過しておればステップ３１２からステップ３００に戻って次のルーチンに入る。

ステップ３１３は定期割り込みルーチンであり、ＣＰＵ１２の入力端子ＥＭ２の論理レベルを判定するものである。過電圧検出素子２８の（＋）入力端子の電圧は定電圧ダイオード３２の電圧が分圧抵抗２９と３０により分圧された電圧より高電圧に設定されており、通常時には過電圧検出素子２８の出力はＨレベルである。バッテリ２の端子に緩みなどが発生した場合、充電発電機４が軽負荷となるため、電圧制御に要する過渡時間の間には発電電圧が異常上昇する。このような過電圧がヒータ制御装置１やヒータ５に加わった場合、分圧抵抗２９と３０による分圧電圧が定電圧ダイオード３２の電圧より高くなり、ＥＭ２端子の入力がＬレベルに転じ、ステップ３１４にてＤＲ３とＤＲ４との信号により直ちに第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とがオフ状態となってヒータ５と第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とに過大電流が流れることを防止する。また、このルーチンとは別に過電圧検出素子２８の出力がゲート素子２１に加わり、第一の開閉素子１９は時間遅れなく直ちに遮断され、回路を保護する。

ＥＭ２端子に接続されたコンデンサ３４は、充電回路が高抵抗３３にて構成され、放電回路が低抵抗３６にて構成されているため、過電圧検出素子２８の論理レベルがＨからＬに転じた場合には直ちに電圧が低下し、ＬからＨに転じた場合には電圧上昇に所定の時間を要することになり、短時間の異常にも反応して通電は停止され、回復時間には所定の時定数を持たせることにより安全性を保っている。なお、この論理判定は電源投入後、所定の時間は解除され、電源投入時の誤動作を防いでいる。また、ステップ３１３による過電圧異常の検知時にはステップ３１４にてＤＲ２端子から信号が出力されて発光ダイオード８が動作し、異常状態に対するコード番号が記憶される。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による排気ガスセンサ用ヒータ制御装置の回路図、図５は、動作を説明するフローチャートであり、上記実施の形態１と同一部品には同一符号を付与している。図４において、５０はヒータ制御装置、２はキースイッチ３を介してヒータ制御装置５０などに電力を供給するバッテリ、４はバッテリ２を充電する車載用の充電発電機、５はヒータ制御装置５０に通電制御されるヒータで、図４には図示しない排気ガスセンサと一体化または近接配置されている。８は抵抗９を介してヒータ制御装置５０から駆動される表示手段としての発光ダイオードである。

１０はヒータ制御装置５０の回路内の電源線、１１はＣＰＵ５１に定電圧（例えばＤＣ５Ｖ）を供給する定電圧電源、１３は電源線１０からヒータ５の一方の端子５ａに直列接続された第二の開閉素子を構成するトランジスタであり、この実施の形態では第二の開閉素子１３はＣＰＵ１２の出力端子ＤＲ３からゲート素子２１と抵抗１４とトランジスタ１５とを介して駆動され、トランジスタ１５のオンにより抵抗１６を介して第二の開閉素子１３もオンするように構成されている。また、１７と１８とは安定抵抗である。

１９はヒータ５の他方の端子５ｂと電流検出抵抗２０との間に接続され、ヒータ５に対する通電をオン・オフ制御する第一の開閉素子を構成するトランジスタであり、この実施の形態ではＣＰＵ５１の出力端子ＤＲ４から抵抗２２を介して駆動されるように構成されている。なお、２３は安定抵抗である。２８は電源線１０からの電圧が抵抗２９と３０とにより分圧されて（−）端子に入力され、電源線１０から抵抗３１を介して接続された定電圧ダイオード３２の電圧を（＋）端子に入力する過電圧検出素子であり、その出力はゲート素子２１の一方の入力端子に接続されると共に、高抵抗３３を介してＣＰＵ５１の入力端子ＥＭ２に接続され、また、ＥＭ２端子にはコンデンサ３４が接続されており、コンデンサ３４は過電圧検出素子２８がＨレベルのときには高抵抗３３を介して充電されると共に、Ｌレベルに転じたときには高抵抗３３とは並列に接続されたダイオード３５と低抵抗３６の直列接続よりなる放電経路を通じて放電されるように構成されている。

５２は第一の開閉素子を構成するトランジスタ１９のコレクタとエミッタ間に接続された分圧抵抗５３と５４との中間接続点から抵抗５５を介して入力され、出力がＣＰＵ５１のＡ／Ｄ変換用入力端子ＡＤ３に与えられる増幅器であり、分圧抵抗５３と５４は抵抗５３がヒータ５の抵抗値より充分大きな値とされ、抵抗５３の値と抵抗５４の値との比がヒータ５の抵抗値と電流検出抵抗２０の抵抗値との比とほぼ等しくなるように選定されている。また、後述するように、これらでヒータ５に対する通電回路の回路異常検出手段をも構成している。

以上のように構成されたこの発明の実施の形態２の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置において、ＣＰＵ５１は図５のフローチャートに示すように動作する。まず、ステップ５００にて動作を開始すると、ステップ５０１においてＣＰＵ５１は出力端子ＤＲ３の信号によりゲート素子２１を介してトランジスタ１５をオンさせることにより第二の開閉素子であるトランジスタ１３を導通させる。続いてステップ５０２ではＣＰＵ５１の入力端子ＡＤ３に入力された信号から電源電圧を測定する。この電源電圧の測定は第二の開閉素子１３がオンし、第一の開閉素子１９がオフの状態においては、分圧抵抗５３と５４との中間接続点に電源電圧に比例した電圧が加わることになり、この電圧が増幅器５２を介してＡＤ３端子に入力されることにより得られる。

続いてステップ５０３にて上記のステップ５０２で得た電源電圧と後述するステップ５０９により得られるヒータ５の温度とからヒータ５に対する通電のオン・オフ時間比率が演算されるが、ここでも実施の形態１と同様、排気ガスセンサの温度と電源電圧値とからヒータ５に対する通電のデューティ比が決定される。さらにステップ５０４ではこの演算された通電のオン時間幅によりＣＰＵ５１のＤＲ４から信号を出力し、抵抗２２を介して第一の開閉素子であるトランジスタ１９を導通させる。以上までのステップで第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とが導通することにより、ヒータ５には通電がなされ、電流検出抵抗２０の両端には電圧が発生する。ステップ５０５ではこの電流検出抵抗２０の両端電圧を分圧抵抗５３と５４との中間接続点から得、増幅器５２を介してＣＰＵ５１の入力端子ＡＤ３に取り込むことにより、ヒータ５に流れる電流値を測定する。

次にステップ５０６に進み、ステップ５０５で得たヒータ５の電流が適正であるかどうかを判定する。ここではヒータ５や外部回路の短絡事故などによりヒータ５の電流が増加し、電流検出抵抗２０の電圧が所定値より大であれば適正電流でないと判断してステップ５０７に進み、適正電流であると判断すればステップ５０８に進む。ステップ５０７ではＣＰＵ５１のＤＲ３とＤＲ４の出力端子の信号を停止し、第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とをオフしてヒータ５の電流を遮断すると共に、ＤＲ２端子から信号を出力して発光ダイオード８を動作させ、異常警報を行う。ここで、第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３は、いずれか一方が短絡破損状態になっていても他方の動作で通電停止ができ、二重安全対策が講じられており、さらに、このステップでは異常状態に対するコード番号がＣＰＵ５１の記憶手段に記憶され、必要に応じて異常原因を読み出すことを可能にする。

また、電流値が正常であればステップ５０８に進み、ステップ５０３にて設定した通電のオン時間幅が経過したかどうかを判定し、この時間幅が経過するまではステップ５０４に戻り、ステップ５０８までのルーチンを繰り返す。所定の時間幅が経過したと判断されるとステップ５０９に進み、ステップ５０２で得た電源電圧とステップ５０５で得た電流値とからヒータ５の抵抗値を算出し、予め記憶されたヒータ５の抵抗値対温度特性テーブルによりヒータ５の現時点での温度を演算すると共に、このヒータ５の温度から所定の関数に基づいて排気ガスセンサの温度を演算する。そして所定のオン時間幅が経過しているのでステップ５１０にてＣＰＵ５１のＤＲ４端子の出力を停止して第一の開閉素子１９をオフさせる。

続いてステップ５１１に進み、ＣＰＵ５１のＡＤ３入力端子に増幅器５２からの信号があるかどうかを判定する。ヒータ５や外部配線に断線事故が発生すれば第一の開閉素子１９のオフ状態においても分圧抵抗５３と５４との中間接続点に電圧が発生しないため、Ａ
Ｄ３入力端子には信号が入力されず、この信号入力がなければステップ５１２に進み、ＤＲ２端子から信号を出力して発光ダイオード８を動作させて断線警報を出力すると共に、断線異常に対するコード番号を記憶し、必要に応じて異常原因の読み出しを可能にする。このようにＣＰＵ５１のＡＤ３端子に対する増幅器５２からの信号入力は、第一の開閉素子１９のオン時とオフ時との双方での異常監視機能を有しており、回路異常検出手段としても機能する。

ステップ５１１にて増幅器５２からの信号があればステップ５１３に進み、ここではステップ５０３にて演算した第一の開閉素子１９に対するデューティ制御のオン・オフ合計時間が経過したかどうかを判定し、経過していなければステップ５１３からステップ５１０に戻ってルーチンを繰り返し、時間が経過しておればステップ５１４からステップ５００に戻って次のルーチンに入る。

ステップ５１５は定期割り込みルーチンであり、ＣＰＵ５１の入力端子ＥＭ２の論理レベルを判定するものである。過電圧検出素子２８の（＋）入力端子に入力される定電圧ダイオード３２の電圧は、（−）入力端子に入力される分圧抵抗２９と３０とによる電圧より高電圧に設定されており、通常時には過電圧検出素子２８の出力はＨレベルである。実施の形態１の場合と同様に、バッテリ２の端子に緩みなどが発生した場合、過渡時間の間には充電発電機４の発生電圧が異常上昇し、ヒータ制御装置１やヒータ５に異常電圧が加わるが、このような場合には分圧抵抗２９と３０による電圧が定電圧ダイオード３２の電圧より高くなるため、ＥＭ２端子の入力がＬレベルに転じ、このＬレベルが検出されるとステップ５１６においてＤＲ３とＤＲ４との信号停止により直ちに第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とがオフされてヒータ５と第一の開閉素子１９と第二の開閉素子１３とに過大電流が流れることを防止する。また、実施の形態１の場合と同様に、このルーチンとは別に過電圧検出素子２８の出力がゲート素子２１に加わり、第二の開閉素子１３は時間遅れなく直ちに遮断され、回路を保護するように構成されている。

また、ＣＰＵ５１のＥＭ２端子に接続されたコンデンサ３４に対する動作も実施の形態１と同様であり、充電経路が高抵抗３３により、放電経路が低抵抗３６により構成されているため、過電圧検出素子２８の論理レベルがＨからＬに転じた場合には直ちに電圧が低下し、ＬからＨに転じた場合には電圧上昇に所定の時間を要することになり、短時間の異常にも反応して通電停止し、回復時間には所定の時定数を持たせることにより安全性を保っている。また、この論理判定は電源投入後所定の時間は解除されて電源投入時の誤動作を防ぎ、ステップ５１５による過電圧異常の検知時にはステップ５１６にてＤＲ２端子から信号が出力されて発光ダイオード８が動作し、異常状態に対するコード番号が記憶される。

なお、以上に示した実施の形態１および実施の形態２の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置では、排気ガスセンサ６あるいはその近傍の温度を検出し、排気ガスセンサ６の温度が所定値になるようにフィードバック制御したものであるが、例えば、内燃機関の始動後、排気ガスセンサの出力が所定値に達するまでの間において、冷却水温の低い状態では１００％通電にてヒータを加熱し、冷却水温が所定値以上で軽負荷運転時にはデューティ比３０％で加熱し、内燃機関の高負荷時には加熱を停止するように、内燃機関の運転状態に応じて加熱制御するようにＣＰＵをプログラムすることもでき、また、第一、第二の開閉素子にはバイポーラ型トランジスタを使用して説明したが、ドレーン／ソース／ゲートを有するＭＯＳトランジスタを使用することもできるものである。

１、５０ヒータ制御装置、２バッテリ、３キースイッチ、
４充電発電機、５ヒータ、６排気ガスセンサ、
８発光ダイオード（表示手段）、
１２、５１マイクロプロセッサ（制御手段）、
１３第二の開閉素子、１９第一の開閉素子、２０電流検出抵抗、
２１ゲート素子、２４回路異常検出素子（回路異常検出手段）、
２８過電圧検出素子、３２定電圧ダイオード、５２増幅器。

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する排気ガスセンサ、前記排気ガスセンサを所定の温度に加熱するヒータ、前記ヒータに加熱電力を供給するバッテリと前記バッテリを充電する充電発電機とからなる電源、前記電源から前記ヒータに電力を供給する回路に挿入された第一の開閉素子、前記排気ガスセンサの温度を所定値に維持するように前記第一の開閉素子を通電制御するマイクロプロセッサよりなる制御手段、前記ヒータに対する通電回路の短絡事故などの回路異常を検出して異常検出信号を出力する回路異常検出手段、前記電源のバッテリ外れなどにより前記充電発電機の電圧が上昇して所定値を越えたとき、異常検出信号を出力する過電圧検出素子、前記電源から前記ヒータに電力供給する回路に挿入され、前記回路異常検出手段の異常検出信号に応動すると共に、前記過電圧検出素子の異常検出信号に応動して前記ヒータに流れる電流を遮断する第二の開閉素子を備え、前記回路異常検出手段の異常検出信号と前記過電圧検出素子の異常検出信号に応動して前記第一の開閉素子と前記第二の開閉素子のうちの少なくとも一方を直接遮断して前記ヒータに対する通電を停止するとともに、前記マイクロプロセッサは前記開閉素子及び前記第二の開閉素子に対する通電指令を解除するようにしたことを特徴とする排気ガスセンサ用ヒータ制御装置であって、
前記異常検出信号により前記第一の開閉素子または前記第二の開閉素子を駆動停止するゲート素子を備え、前記異常検出信号が前記制御手段を介することなく直接前記ゲート素子に加えられ、前記ゲート素子の動作により前記第一の開閉素子または前記第二の開閉素子が電流を遮断するように構成したことを特徴とする排気ガスセンサ用ヒータ制御装置。
前記制御手段が、電源電圧の値に応じた開閉比率で前記第一の開閉素子を通電制御することを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置。
前記制御手段が、前記排気ガスセンサの無負荷時の内部抵抗値と負荷時の内部抵抗値とを計測して、この両抵抗値の比から前記排気ガスセンサの温度を演算し、この温度に応じた開閉比率で前記開閉素子を通電制御することを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置。
前記制御手段が、前記開閉素子の開路時における前記開閉素子の両端電圧値と、閉路時に前記開閉素子に流れる電流値とを時分割読み込みし、この電圧値と電流値とから前記ヒータの抵抗値を演算し、このヒータの抵抗値の関数として前記排気ガスセンサの温度を演算して、このセンサの温度に応じた開閉比率で前記開閉素子を通電制御することを特徴とする請求項１に記載の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置。
前記過電圧検出素子または前記回路異常検出手段が異常検出信号を出力したとき、この異常検出信号の信号内容をコード化して記憶する記憶手段と、前記異常検出信号が出力されたことを表示する表示手段とが付加されたことを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の排気ガスセンサ用ヒータ制御装置。