JP2014190863A - センサ温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみがヒータ部に流れながらも、センサ素子部の温度が目標温度付近の温度である状態を適切に検知できるセンサ温度制御装置を提供する。
【解決手段】センサ温度制御装置１は、スイッチング素子５１と、センサ素子部３が目標温度となるようにデューティ比ＤＴを制御する通電制御手段Ｓ１〜Ｓ２と、第１デューティ比ＤＴ１を予め記憶した記憶手段７５と、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度になっているか否かを判断する素子温度判断手段Ｓ３と、センサ素子部３が第１温度範囲内の温度になっている状態で、現在デューティ比ＤＴ２を第１デューティ比ＤＴ１と比較することにより、スイッチング素子５１を流れる電流のうち一部のみがヒータ部４に流れ、かつ、センサ素子部３が第１温度範囲内の温度である略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知する略短絡検知手段Ｓ４〜Ｓ６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ素子部及びヒータ部を有するセンサにおけるヒータ部へのパルス通電を制御して、センサ素子部の温度を制御するセンサ温度制御装置に関する。

センサ素子部及びヒータ部を有するセンサとして、例えば、排気ガス中の特定ガスのガス濃度を検出する酸素センサや窒素酸化物（ＮＯｘ）センサなどのガスセンサが知られている。これらのガスセンサでは、ジルコニアを主体とした固体電解質体からなるセンサ素子部、及びこのセンサ素子部を活性化状態に加熱するヒータ部を有しており、センサ素子部を活性化状態にすべく、センサ温度制御装置により、ヒータ部へのパルス通電を制御して、センサ素子部の温度を制御する。
センサ温度制御装置は、ヒータ部への通電をオンオフするスイッチング素子を備えており、センサ素子部が目標温度となるように、スイッチング素子に入力する通電制御パルスのデューティ比をフィードバック制御する。
なお、センサ温度制御装置のスイッチング素子には、電源（電源電位）とヒータ部との間に介在するハイサイド型と、ヒータ部と接地電位との間に介在するローサイド型があり、例えば、特許文献１には、ガス濃度センサを用いるガス濃度検出装置として、このようなハイサイド型（図１０）及びローサイド型（図１１）のスイッチング素子（スイッチ）を備えたヒータ制御回路が開示されている。

特開２０００−２９２４１１号公報

ところで、このようなセンサ温度制御装置において、ヒータ部とスイッチング素子とを接続する接続路が、接地電位または電源電位へ接触し導通することにより、いわゆる短絡状態になる場合がある。例えば、ハイサイド型のスイッチング素子を用いたセンサ温度制御装置において、ヒータ部とスイッチング素子とを結ぶケーブルが接地電位の部材に接触し導通する場合や、ローサイド型のスイッチング素子を用いたセンサ温度制御装置において、ヒータ部とスイッチング素子とを結ぶケーブルが電源電位を持つ部材に接触し導通する場合が挙げられる。このような短絡状態が生じたまま、ヒータ部への通電を続けると、エネルギーのロスである上、スイッチング素子の故障にも繋がるため、センサ温度制御装置には、このような短絡状態の発生を適切に検知できることが求められている。

しかしながら、このような短絡状態が発生した場合に、ヒータ部とスイッチング素子とを接続する接続路と、接地電位または電源電位との間の短絡した接続経路の抵抗値は、必ずしも低い値であるとは限らず、接触抵抗や配線抵抗などの存在によって、ある程度の大きさの抵抗を有する接続経路を介して接地電位または電源電位へ導通した状態になる場合がある。この状態では、スイッチング素子をオンすると、スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみがヒータ部に流れ、残りが抵抗を有する接続経路に流れる。そして、これらヒータ部及び抵抗を有する接続経路に流れる電流が、スイッチング素子に流し得る上限に達していると、スイッチング素子を流れる電流が制限され、スイッチング素子に損失電圧が生じて、ヒータ部に掛かる電圧が低下する。

すると、センサ温度制御装置は、フィードバック制御により、スイッチング素子に入力する通電制御パルスのデューティ比を大きくする。このため、ヒータ部に掛かる電圧低下の程度によっては、上述の抵抗を有する接続経路が生じたまま、ヒータ部に与えられる電力が維持されて、センサ素子部の温度を所定の目標温度付近の温度に維持できる場合がある。つまり、この場合には、抵抗を有する接続経路が生じていながらも、センサ素子部の温度からは、これを異常として検知することができない。従って、この抵抗を有する接続経路が生じたまま、センサの温度制御が継続されることがあった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみがヒータ部に流れながらも、センサ素子部の温度が目標温度付近の温度である状態を適切に検知できるセンサ温度制御装置を提供するものである。

その一態様は、センサ素子部及び上記センサ素子部を加熱するヒータ部を有するセンサにおける上記ヒータ部へのパルス通電を制御して、上記センサ素子部の温度を制御するセンサ温度制御装置であって、上記ヒータ部への通電をオンオフするスイッチング素子と、上記センサ素子部が目標温度となるように、上記スイッチング素子に入力する通電制御パルス信号のデューティ比をフィードバック制御する通電制御手段と、上記スイッチング素子を流れる電流がすべて上記ヒータ部に流れ、かつ、上記センサ素子部が上記目標温度となっている非短絡定温状態における上記デューティ比である第１デューティ比を予め記憶した記憶手段と、上記センサ素子部が上記目標温度を含む第１温度範囲内の温度になっているか否かを判断する素子温度判断手段と、上記センサ素子部が上記第１温度範囲内の温度になっている状態で、現在の上記デューティ比である現在デューティ比を、予め記憶した上記第１デューティ比と比較することにより、上記スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみが上記ヒータ部に流れ、かつ、上記センサ素子部が上記第１温度範囲内の温度である略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知する略短絡検知手段と、を備えるセンサ温度制御装置である。

前述したように、ヒータ部とスイッチング素子とを接続する接続路に、接地電位または電源電位に抵抗を有しつつ接続する接続経路が生じた状態となって、ヒータ部に掛かる電圧が低下すると、フィードバック制御により、スイッチング素子に入力される通電制御パルスのデューティ比が大きくなる。このため、抵抗を有する接続経路が生じたために、スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみがヒータ部に流れる状態（以下、略短絡状態という）でありながらも、センサ素子部が目標温度を含む第１温度範囲内の温度である略短絡第１温度範囲状態では、スイッチング素子を流れる電流がすべてヒータ部に流れ、かつ、センサ素子部が目標温度となっている非短絡定温状態に比べて、通電制御パルスのデューティ比が大きくなっている。

これに対し、このセンサ温度制御装置では、非短絡定温状態におけるデューティ比である第１デューティ比を記憶手段で予め記憶している。
そして、センサ素子部が第１温度範囲内の温度になっている状態で、現在デューティ比を第１デューティ比と比較することにより、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知する。
これにより、抵抗を有する接続経路を生じ、スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみがヒータ部に流れながらも、センサ素子部の温度が目標温度付近の温度になっている状態を適切に検知することができる。

なお、スイッチング素子としては、パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのディスクリートのスイッチング素子のほか、過電流や過電圧の保護回路等をスイッチング素子と共に集積したデバイスであるＩＰＤ（Intelligent Power Device）などが挙げられる。また、これらのスイッチング素子には、電源電位とヒータ部との間に介在するハイサイド型のものと、ヒータ部と接地電位との間に介在するローサイド型のものとがあり、それぞれの接続経路の生じ方が異なる。

また、通電制御手段で、センサ素子部が目標温度となるように、ヒータ部への通電をフィードバック制御する方法としては、例えば、センサ素子部の温度に応じて、センサ素子部の素子抵抗が変化する特性を有するセンサについて、センサ素子部の素子抵抗を検知して、検知した素子抵抗が目標温度に対応する目標抵抗値となるようにフィードバック制御する方法が挙げられる。
また、センサ素子部の素子温度を温度センサで検知して、この検知した素子温度が所定の温度となるようにフィードバック制御する方法も挙げられる。

また、記憶手段に記憶する第１デューティ比としては、固定のデューティ比を第１デューティ比として予め記憶しておき、これを継続的に用いても良く、また、前回の運転時に得た非短絡定温状態におけるデューティ比を第１デューティ比として記憶しておき、これを次回の運転時に用いても良い。前回の運転時のデューティ比を用いることにより、劣化等による素子抵抗の変化に応じて、第１デューティ比を適切に変化させることが可能である。

また、略短絡検知手段で、現在デューティ比と第１デューティ比とを比較し、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知するための具体的な判定手法としては、例えば、現在デューティ比から第１デューティ比を差し引いた値を算出し、この値が予め定めた閾値よりも大きいか否かを判定する手法が挙げられる。また、第１デューティ比に対する現在デューティ比の比を算出し、この値が予め定めた閾値よりも大きいか否かを判定する手法なども挙げられる。

さらに、上述のセンサ温度制御装置であって、前記スイッチング素子は、電源電位と前記ヒータ部との間に介在するハイサイド型のスイッチング素子であり、前記略短絡検知手段は、前記現在デューティ比を前記第１デューティ比と比較して、上記スイッチング素子と上記ヒータ部の電源側端子とを接続する第１接続路が、抵抗を生じた抵抗接続路を介して接地電位に導通し、前記略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する第１判断手段を含むセンサ温度制御装置とすると良い。

このセンサ温度制御装置では、スイッチング素子は、ハイサイド型のスイッチング素子である。そして、略短絡検知手段は、第１判断手段を備え、現在デューティ比を第１デューティ比と比較して、センサ、センサ温度制御装置及び抵抗接続路が略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する。これにより、ハイサイド型のスイッチング素子を用いたセンサ温度制御装置において、略短絡第１温度範囲状態の発生を適切に判断することができる。

また、前述のセンサ温度制御装置であって、前記スイッチング素子は、前記ヒータ部と接地電位との間に介在するローサイド型のスイッチング素子であり、前記略短絡検知手段は、前記現在デューティ比を前記第１デューティ比と比較して、上記ヒータ部の接地側端子と上記スイッチング素子とを接続する第２接続路が、抵抗を生じた抵抗接続路を介して電源電位に導通し、前記略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する第２判断手段を備えるセンサ温度制御装置とすると良い。

このセンサ温度制御装置では、スイッチング素子は、ローサイド型のスイッチング素子である。そして、略短絡検知手段は、第２判断手段を備え、現在デューティ比を第１デューティ比と比較して、センサ、センサ温度制御装置及び抵抗接続路が略短絡第１温度状態となっているか否かを判断する。これにより、ローサイド型のスイッチング素子を用いたセンサ温度制御装置において、略短絡第１温度範囲状態の発生を適切に判断することができる。

さらに、上述のいずれかのセンサ温度制御装置であって、前記センサ素子部は、その温度によって、自身の素子抵抗が変化する特性を有し、前記通電制御手段は、上記センサ素子部の上記素子抵抗を検知する素子抵抗検知手段と、検知した上記素子抵抗が目標抵抗値となるように、前記デューティ比をフィードバック制御する素子抵抗制御手段と、を含み、前記素子温度判断手段は、上記素子抵抗が上記目標抵抗値を含む第１抵抗範囲内の抵抗値になっているか否かを判断する素子抵抗判断手段であり、前記略短絡検知手段は、上記素子抵抗が上記第１抵抗範囲内の抵抗値になっている状態で、前記現在デューティ比を前記第１デューティ比と比較して、前記略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知する手段であるセンサ温度制御装置とすると良い。

このセンサ温度制御装置では、通電制御手段は、素子抵抗検知手段と素子抵抗制御手段とを含み、略短絡検知手段は、素子抵抗が第１抵抗範囲内の抵抗値になっている状態で、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知している。
これにより、素子抵抗を用いて、適切に略短絡第１温度範囲状態を検知することができる。

実施形態１に係るガスセンサ制御装置の概略構成を示す説明図である。 実施形態１に係るガスセンサ制御装置におけるパルス駆動信号、ヒータドライバの出力端電圧及びセンサ素子部の素子抵抗の関係を示すタイミングチャートである。 実施形態１，２に係るガスセンサ制御装置のうち、マイクロプロセッサのヒータ制御及び略短絡第１温度範囲状態の検知処理を示すフローチャートである。 実施形態２に係るガスセンサ制御装置の概略構成を示す説明図である。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態１に係るセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１の概略構成を示す図である。ガスセンサ制御装置１は、マイクロプロセッサ７０、センサ素子部制御回路４０及びヒータ部制御回路５０を備え、ガスセンサ２に接続して、これを制御する。
なお、ガスセンサ２は、図示しない車両の内燃機関の排気管に装着され、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出して、内燃機関における空燃比フィードバック制御に用いる空燃比センサ（全領域酸素センサ）である。このガスセンサ２は、酸素濃度を検知するセンサ素子部３、及びセンサ素子部３を加熱するヒータ部４を有する。

ガスセンサ２のセンサ素子部３は、ポンプセル１４と起電力セル２４とを、排気ガスを導入可能な中空の測定室（図示しない）を構成するスペーサを介して積層した構成を有し、起電力セル２４のうち測定室に面する側とは逆側に位置する電極を遮蔽層（図示しない）により閉塞した公知の構成を有するものである。ポンプセル１４及び起電力セル２４は、それぞれ、板状でジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を基体とし、その両面には多孔質の白金により一対の電極１２，１６及び一対の電極２２，２８が、それぞれ形成されている。ポンプセル１４の一方の電極１６と、起電力セル２４の一方の電極２２とは、互いに導通すると共に、センサ素子部３の端子ＣＯＭに接続している。また、ポンプセル１４の他方の電極１２は、センサ素子部３の端子Ｉｐ＋に接続し、起電力セル２４の他方の電極２８は、センサ素子部３の端子Ｖｓ＋に接続している。

また、センサ素子部３は、端子Ｖｓ＋，Ｉｐ＋，ＣＯＭにそれぞれ接続された３本のリード線４１，４２，４３を介して、ガスセンサ制御装置１のセンサ素子部制御回路４０に接続されている。センサ素子部制御回路４０は、ＡＳＩＣを中心に構成され、センサ素子部３の起電力セル２４に微小電流Ｉｃｐを流しつつ、起電力セル２４の両端に発生する起電力セル電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル１４に流すポンプセル電流Ｉｐを制御して、測定室に導入された排気ガス中の酸素の汲み入れ汲み出しを行う。なお、ポンプセル１４に流れるポンプセル電流Ｉｐの電流値及び電流の方向は、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化することから、このポンプセル電流Ｉｐに基づいて排気ガス中の酸素濃度を算出することが可能である。

このセンサ素子部制御回路４０では、ポンプセル電流Ｉｐの大きさは、アナログの電圧信号に変換されたガス検出信号Ｖｉｐとして検出され、出力端子４４から出力される。また、センサ素子部制御回路４０は、ガス検出信号Ｖｉｐの検出の他に、センサ素子部３の起電力セル２４の素子抵抗Ｒｐｖｓに応じて変化する電圧変化量ΔＶｓを検出する機能を有する。マイクロプロセッサ７０のシリアル送信ポート７３は、センサ素子部制御回路４０のコマンド受信ポート４６と接続されており、センサ素子部制御回路４０は、マイクロプロセッサ７０からの指示により、起電力セル２４に一時的に定電流を流して、電圧変化量ΔＶｓを検出し、出力端子４５から出力する。そして、マイクロプロセッサ７０は、ガス検出信号Ｖｉｐ及び電圧変化量ΔＶｓを、Ａ／Ｄ入力ポート７１，７２を通じて入力可能とされている。

マイクロプロセッサ７０は、電圧変化量ΔＶｓから、起電力セル２４の素子抵抗Ｒｐｖｓを算出すると共に、この算出した素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（例えばＲＴ＝７５Ω）となるように、次述するヒータ部制御回路５０により、ヒータ部４への通電をフィードバック制御する。なお、ガス検出信号Ｖｉｐ及び電圧変化量ΔＶｓを検出するためのセンサ素子部制御回路４０の回路構成やその動作については、例えば、特開２００８−２０３１９０に開示されており、公知のものであるため、詳細については説明を省略する。

次いで、ヒータ部制御回路５０について説明する。
図１に示すように、ヒータ部制御回路５０は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴを内蔵するヒータドライバ５１を備えており、このヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄは、リード線５２を介して、ガスセンサ２のヒータ部４の電源側端子４Ｐに接続されている。また、ヒータドライバ５１のソース５１Ｓは、電源電位ＶＢを出力する電源ＢＴの＋端子に接続されている。なお、電源ＢＴは１２Ｖ仕様のバッテリである。
一方、ヒータ部４の接地側端子４Ｎは、リード線５３を介してヒータ部制御回路５０に接続され、このヒータ部制御回路５０内で接地電位ＧＮＤに接続されている。すなわち、ヒータドライバ５１は、電源ＢＴ（電源電位ＶＢ）とヒータ部４との間に介在するハイサイド型のスイッチング素子である。
また、ヒータドライバ５１のゲート５１Ｇは、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７４に接続されており、このＰＷＭ出力ポート７４から出力されるパルス駆動信号ＰＳに従って、ヒータドライバ５１がオンオフされて、ヒータ部４への通電が制御される。なお、ヒータドライバ５１は、図示しないが、パワーＭＯＳ−ＦＥＴのゲートドライブ回路を内蔵しており、パルス駆動信号ＰＳがＨレベルのときに、ヒータドライバ５１がオンし、パルス駆動信号ＰＳがＬレベルのときに、ヒータドライバ５１がオフする。
また、ヒータ部４は、ガスセンサ２のセンサ素子部３に一体化されており、ヒータ部４による加熱で、センサ素子部３のポンプセル１４及び起電力セル２４を活性化させることで、酸素濃度の検出が可能となる。

なお、ヒータ部４への通電を行っているときに、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄとヒータ部４の電源側端子４Ｐとを接続するリード線５２が、図１に破線で示すように、ある程度の大きさの抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＧを介して接地電位ＧＮＤに導通し、ヒータドライバ５１を流れる電流のうち一部のみがヒータ部４に流れ、残りは抵抗接続路ＲＲＧに流れる状態（以下、略短絡状態ともいう）が発生することがある。
以下、図２のタイミングチャートを参照しつつ、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（ＲＴ＝７５Ω）となるように、ヒータ部４の通電制御が行われている状態で、リード線５２が接地電位ＧＮＤに対して、略短絡状態になった場合を考える。なお、図２のタイミングチャートは、内燃機関の運転状態が安定した状況下において、リード線５２が接地電位ＧＮＤに対して、略短絡状態になった場合を表したものである。
図２において、（ａ）は、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７４から出力されるパルス駆動信号ＰＳ〔ＨまたはＬ〕を表し、また、（ｂ）は、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄの電圧レベルである出力端電圧ＶＯ〔Ｖ〕を、（ｃ）は、センサ素子部３（起電力セル２４）の素子抵抗Ｒｐｖｓ〔Ω〕をそれぞれ表す。また、（ａ）〜（ｃ）の横軸は、いずれも時間（時刻）ｔ〔ｓｅｃ〕を表す。

この図２中、Ａの期間は、抵抗接続路ＲＲＧが存在しておらず、ヒータドライバ５１を流れる電流がすべてヒータ部４に流れる状態（以下、非短絡状態ともいう）である。そして、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（ＲＴ＝７５Ω）となるように、正常にヒータ部４の通電制御が行われて、センサ素子部３が目標抵抗値ＲＴが対応する目標温度（具体的には、この目標温度を含む後述する第１温度範囲内の温度）に維持されている。すなわち、Ａの期間は、ヒータドライバ５１を流れる電流がすべてヒータ部４に流れる状態（非短絡状態）で、かつ、センサ素子部３が目標温度となっている状態（非短絡定温状態）である。このとき、この非短絡定温状態におけるパルス駆動信号ＰＳのデューティ比ＤＴ（パルス駆動信号ＰＳの周期Ｔに対するオン期間ｄ１の比）を、第１デューティ比ＤＴ１とする（ＤＴ＝ＤＴ１（＝ｄ１／Ｔ））。また、この非短絡定温状態において、出力端電圧ＶＯのうち、ヒータドライバ５１がオンしている期間のパルス電圧の高さはＶ１となっており、これは電源電位ＶＢにほぼ等しい（Ｖ１≒ＶＢ）。

次いで、図２の時刻ｔ＝Ｓにおいて、リード線５２が、図１に破線で示すように、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＧを介して接地電位ＧＮＤに導通し、略短絡状態になったとする。この略短絡状態では、前述したように、ヒータドライバ５１を流れる電流のうち一部のみがヒータ部４に流れ、残りは抵抗接続路ＲＲＧに流れる。このため、ヒータドライバ５１がオンしたときに、このヒータドライバ５１を通じてヒータ部４及び抵抗接続路ＲＲＧに流れる電流が、ヒータドライバ５１が流し得る上限に達していると、ヒータドライバ５１に流れる電流が制限され、出力端電圧ＶＯのパルス電圧の高さがＶ１からＶ２に低下する。

すると、図２のＢの期間では、出力端電圧ＶＯが下がったことにより、ヒータ部４に供給される電力が低下し、これと共にセンサ素子部３の温度が低下して、素子抵抗Ｒｐｖｓが上昇する。しかし、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（ＲＴ＝７５Ω）となるようにフィードバック制御されているので、Ｂの期間の後半に示すように、パルス駆動信号ＰＳのデューティ比ＤＴが大きくされ、再びセンサ素子部３の温度が上昇して素子抵抗Ｒｐｖｓが下がる。そして、Ｃの期間に示すように、略短絡状態でありながら、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（具体的には、この目標抵抗値ＲＴを含む第１温度範囲に対応する第１抵抗範囲ＲＲ１（目標抵抗値ＲＴ±α）内の抵抗値）となり、センサ素子部３が目標温度（具体的には、この目標温度を含む第１温度範囲内の温度）を維持している状態（略短絡第１温度範囲状態）で再び安定する。なお、この略短絡第１温度範囲状態となったＣの期間でのパルス駆動信号ＰＳのデューティ比ＤＴ（周期Ｔに対するオン期間ｄ２の比）を、現在デューティ比ＤＴ２とすると（ＤＴ＝ＤＴ２（＝ｄ２／Ｔ））、この現在デューティ比ＤＴ２は、非短絡定温状態の第１デューティ比ＤＴ１に比べて大きな値となっている。

なお、ヒータドライバ５１を流れる電流のうち一部のみがヒータ部４に流れる略短絡状態のうちでも、図２のＣの期間のようにはならず、出力端電圧ＶＯが大きく低下し、センサ素子部３の温度が低下して、たとえ、デューティ比ＤＴを上限（１００％近く）まで上昇させても、目標温度を含む第１温度範囲内の温度（素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α）を維持出来ない場合がある。この場合には、この第１温度範囲内の温度を維持出来ないことをもって、何らかの異常が発生したことが検知できる。しかし、図２のＣの期間のように、略短絡状態でありながら、素子抵抗Ｒｐｖｓが第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（目標抵抗値ＲＴ±α）となり、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度を維持している略短絡第１温度範囲状態では、異常の発生を検知できないまま、ヒータ部４への通電制御が継続されてしまう。しかるに、このような略短絡第１温度範囲状態のまま通電を続けると、ヒータドライバ５１には、流し得る上限の電流が流れ続けた状態となり、エネルギーのロスである上、ヒータドライバ５１の故障にも繋がる。

そこで、本実施形態１のガスセンサ制御装置１では、ヒータドライバ５１を流れる電流がすべてヒータ部４に流れ、かつ、素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴとなり、センサ素子部３が目標温度となっている非短絡定温状態におけるデューティ比ＤＴである第１デューティ比ＤＴ１（固定値）を不揮発性メモリ７５に予め記憶している。そして、素子抵抗Ｒｐｖｓが、素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α（例えば、α＝２５Ω）となる第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（５０〜１００Ω）となり、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度を維持している状態で、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７４から出力されているパルス駆動信号ＰＳの現在のデューティ比ＤＴである現在デューティ比ＤＴ２を、記憶した第１デューティ比ＤＴ１と比較する。そして、現在デューティ比ＤＴ２が第１デューティ比ＤＴ１よりも十分に大きい場合、具体的には、現在デューティ比ＤＴ２から第１デューティ比ＤＴ１を差し引いた値が所定の閾値よりも大きい場合には、リード線５２が、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＧを介して接地電位ＧＮＤに導通し、略短絡第１温度範囲状態となっていると判断する。
これにより、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度に維持された状態で、ガスセンサ２、ガスセンサ制御装置１及び抵抗接続路ＲＲＧが略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを適切に検知することができる。

次いで、本実施形態１に係るガスセンサ制御装置１のうち、マイクロプロセッサ７０による略短絡第１温度範囲状態の検知処理を、図３のフローチャートを参照して説明する。
本実施形態１では、図３に示すように、ヒータ部を通電制御するヒータ制御ルーチンの中で、略短絡第１温度範囲状態の検知を行う。
まず、ステップＳ１では、センサ素子部制御回路４０の出力端子４５から出力され、Ａ／Ｄ入力ポート７２を通じてマイクロプロセッサ７０に入力される電圧変化量ΔＶｓから、素子抵抗Ｒｐｖｓを検知（算出）する。続くステップＳ２では、検知した素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（＝７５Ω）となるように、ヒータ部制御回路５０により、ヒータ部４への通電をフィードバック制御する。

次いで、ステップＳ３では、検知した素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴ（＝７５Ω）を含む第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α）となっているか否かを判断する（例えば、α＝２５Ω）。
素子抵抗Ｒｐｖｓが第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（５０〜１００Ω）になっていない場合（Ｎｏ）には、略短絡第１温度範囲状態の検知を飛ばして、ステップＳ７に進む。一方、素子抵抗Ｒｐｖｓが第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（５０〜１００Ω）になっている場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ４に進み、略短絡第１温度範囲状態の検知を行う。

ステップＳ４では、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７４から出力されているパルス駆動信号ＰＳの現在デューティ比ＤＴ２を取得する。
次いで、ステップＳ５では、ステップＳ４で取得した現在デューティ比ＤＴ２と不揮発性メモリ７５に記憶した第１デューティ比ＤＴ１とを比較する。具体的には、現在デューティ比ＤＴ２から第１デューティ比ＤＴ１を差し引いた値（ＤＴ２−ＤＴ１）を算出し、この値が予め定めた閾値よりも大きいか否かを判定する。そして、（ＤＴ２−ＤＴ１）が閾値よりも大きい場合には、Ｙｅｓとなって、ステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、リード線５２が、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＧを介して接地電位ＧＮＤに導通し、略短絡第１温度範囲状態となっていると判断できるので、この略短絡第１温度範囲状態の発生を外部（ＥＣＵ）に通知する。
そして、続くステップＳ７では、外部（ＥＣＵ）からのヒータ制御終了の指示を確認し、終了指示がなければ（Ｎｏ）、ステップＳ１に戻ってヒータ部の通電制御を継続する。一方、ヒータ制御終了の指示があれば（Ｙｅｓ）、本ヒータ制御ルーチンを終了する。

本実施形態１において、ヒータドライバ５１がスイッチング素子に相当する。また、このヒータドライバ５１を含むヒータ部制御回路５０のほか、ＰＷＭ出力ポート７４、センサ素子部制御回路４０、Ａ／Ｄ入力ポート７２、及びステップＳ１〜Ｓ２を実行しているマイクロプロセッサ７０が通電制御手段に相当する。さらに、この通電制御手段のうち、センサ素子部制御回路４０、Ａ／Ｄ入力ポート７２、及びステップＳ１を実行しているマイクロプロセッサ７０が素子抵抗検知手段に相当し、ステップＳ２を実行しているマイクロプロセッサ７０が素子抵抗制御手段に相当する。
また、不揮発性メモリ７５が記憶手段に相当し、ステップＳ３を実行しているマイクロプロセッサ７０が素子抵抗判断手段（素子温度判断手段）に相当する。また、ステップＳ４〜Ｓ６を実行しているマイクロプロセッサ７０が略短絡検知手段に相当し、このうち、ステップＳ６を実行しているマイクロプロセッサ７０が第１判断手段に相当する。
また、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄとヒータ部４の電源側端子４Ｐとを接続するリード線５２が第１接続路に相当する。

以上で説明したように、本実施形態１のセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１では、ヒータドライバ５１を流れる電流がすべてヒータ部４に流れ（非短絡状態）、かつ、センサ素子部３が目標温度となっている非短絡定温状態におけるデューティ比ＤＴである第１デューティ比ＤＴ１を不揮発性メモリ７５（記憶手段）に予め記憶している。
そして、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴを含む第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α（５０〜１００Ω））となっている状態（ステップＳ３でＹｅｓのとき）で、現在デューティ比ＤＴ２を、予め記憶した第１デューティ比ＤＴ１と比較することにより、略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを検知する。
これにより、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度に維持された状態で、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを適切に検知することができる。

さらに、本実施形態１のガスセンサ制御装置１では、ヒータドライバ５１は、電源ＢＴ（電源電位ＶＢ）とヒータ部４との間に介在するハイサイド型のスイッチング素子である。そして、略短絡検知手段は、第１判断手段を備え、現在デューティ比ＤＴ２を第１デューティ比ＤＴ１と比較して、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄとヒータ部４の電源側端子４Ｐとを接続するリード線５２（第１接続路）が、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＧを介して接地電位ＧＮＤに導通し、ガスセンサ２、ガスセンサ制御装置１及び抵抗接続路ＲＲＧが略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する。これにより、ハイサイド型のスイッチング素子を用いたセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１において、略短絡第１温度範囲状態の発生を適切に判断することができる。

さらに、本実施形態１のガスセンサ制御装置１では、通電制御手段（ステップＳ１〜Ｓ２）は、素子抵抗検知手段（ステップＳ１）と素子抵抗制御手段（ステップＳ２）とを含み、検知した素子抵抗Ｒｐｖｓが目標温度に対応する目標抵抗値ＲＴとなるように、通電パルスＰＳのデューティ比ＤＴをフィードバック制御している。また、素子温度判断手段である素子抵抗判断手段（ステップＳ３）は、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴを含む第１温度範囲に対応する第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α（５０〜１００Ω））になっているか否かを判断している。そして、略短絡検知手段（ステップＳ４〜Ｓ６）は、素子抵抗Ｒｐｖｓが第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（５０〜１００Ω）になっている状態で、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知している。
これにより、素子抵抗Ｒｐｖｓを用いて、適切に略短絡第１温度範囲状態を検知することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図４を参照して説明する。実施形態１に係るセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１では、ヒータ部制御回路５０が備えるヒータドライバ５１は、電源ＢＴ（電源電位ＶＢ）とヒータ部４との間に介在するハイサイド型のスイッチング素子であった。
これに対し、本実施形態２に係るセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１Ａでは、ヒータ部制御回路１５０が備えるヒータドライバ１５１は、ヒータ部４と接地電位ＧＮＤとの間に介在するローサイド型のスイッチング素子である点が異なる。

図４に示すように、ヒータ部制御回路１５０は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴを内蔵するヒータドライバ１５１を備えており、このヒータドライバ１５１のドレイン１５１Ｄは、リード線１５３を介して、ガスセンサ２のヒータ部４の接地側端子４Ｎに接続されている。また、ヒータドライバ１５１のソース１５１Ｓは、接地電位ＧＮＤに接続されている。
一方、ヒータ部４の電源側端子４Ｐは、リード線１５２を介してヒータ部制御回路１５０に接続され、このヒータ部制御回路１５０内で電源電位ＶＢを出力する電源ＢＴの＋端子に接続されている。なお、電源ＢＴは１２Ｖ仕様のバッテリである。すなわち、ヒータドライバ１５１は、ヒータ部４と接地電位ＧＮＤとの間に介在するローサイド型のスイッチング素子である。
また、ヒータドライバ１５１のゲート１５１Ｇは、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７４に接続されており、このＰＷＭ出力ポート７４から出力されるパルス駆動信号ＰＳに従って、ヒータドライバ１５１がオンオフされて、ヒータ部４への通電が制御される。

本実施形態２のガスセンサ制御装置１Ａでは、ヒータ部４への通電を行っているときに、ヒータドライバ１５１のドレイン１５１Ｄとヒータ部４の接地側端子４Ｎとを接続するリード線１５３が、図４に点線で示すように、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＶを介して電源電位ＶＢに導通し、ヒータドライバ１５１を流れる電流のうち一部のみがヒータ部４に流れ、残りは抵抗接続路ＲＲＶに流れる略短絡状態が発生することがある。
そこで、本実施形態２のガスセンサ制御装置１Ａでは、実施形態１と同様に、第１デューティ比ＤＴ１（固定値）を不揮発性メモリ７５に予め記憶し、素子抵抗Ｒｐｖｓが、素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±αとなる第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（５０〜１００Ω）となり、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度を維持している状態で、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７４から出力されているパルス駆動信号ＰＳの現在のデューティ比ＤＴである現在デューティ比ＤＴ２を、記憶した第１デューティ比ＤＴ１と比較する。そして、現在デューティ比ＤＴ２が第１デューティ比ＤＴ１よりも十分に大きい場合、具体的には、現在デューティ比ＤＴ２から第１デューティ比ＤＴ１を差し引いた値が所定の閾値よりも大きい場合には、リード線１５３が、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＶを介して電源電位ＶＢに導通し、略短絡第１温度範囲状態となっていると判断する。
これにより、センサ素子部３が目標温度に維持された状態で、ガスセンサ２、ガスセンサ制御装置１Ａ及び抵抗接続路ＲＲＶが略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを適切に検知することができる。

また、本実施形態２に係るガスセンサ制御装置１Ａのうち、マイクロプロセッサ７０による略短絡第１温度範囲状態の検知処理動作は、図３に示した実施形態１のフローチャートと同様である。
本実施形態２では、ステップＳ６において、リード線１５３が、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＶを介して電源電位ＶＢに導通し、略短絡第１温度状態となっていると判断でき、この略短絡第１温度範囲状態の発生を外部（ＥＣＵ）に通知する。

本実施形態２において、ヒータドライバ１５１がスイッチング素子に相当する。また、このヒータドライバ１５１を含むヒータ部制御回路１５０のほか、ＰＷＭ出力ポート７４、センサ素子部制御回路４０、Ａ／Ｄ入力ポート７２、及びステップＳ１〜Ｓ２を実行しているマイクロプロセッサ７０が通電制御手段に相当する。さらに、この通電制御手段のうち、センサ素子部制御回路４０、Ａ／Ｄ入力ポート７２、及びステップＳ１を実行しているマイクロプロセッサ７０が素子抵抗検知手段に相当し、ステップＳ２を実行しているマイクロプロセッサ７０が素子抵抗制御手段に相当する。
また、不揮発性メモリ７５が記憶手段に相当し、ステップＳ３を実行しているマイクロプロセッサ７０が素子抵抗判断手段（素子温度判断手段）に相当する。また、ステップＳ４〜Ｓ６を実行しているマイクロプロセッサ７０が略短絡検知手段に相当し、このうち、ステップＳ６を実行しているマイクロプロセッサ７０が第２判断手段に相当する。
ヒータドライバ１５１のドレイン１５１Ｄとヒータ部４の接地側端子４Ｎとを接続するリード線１５３が第２接続路に相当する。

以上で説明したように、本実施形態２のセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１Ａは、実施形態１のガスセンサ制御装置１と同様に、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴを含む第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α（５０〜１００Ω））となっている状態で、現在デューティ比ＤＴ２を、予め記憶した第１デューティ比ＤＴ１と比較することにより、略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを検知する。
これにより、実施形態１と同様に、センサ素子部３が目標温度を含む第１温度範囲内の温度に維持された状態で、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを適切に検知することができる。

さらに、本実施形態２のガスセンサ制御装置１Ａでは、ヒータドライバ１５１は、ヒータ部４と接地電位ＧＮＤとの間に介在するローサイド型のスイッチング素子である。そして、略短絡検知手段は、第２判断手段を備え、現在デューティ比ＤＴ２を第１デューティ比ＤＴ１と比較して、ヒータドライバ１５１のドレイン１５１Ｄとヒータ部４の接地側端子４Ｎとを接続するリード線１５３（第２接続路）が、抵抗を生じた抵抗接続路ＲＲＶを介して電源電位ＶＢに導通し、ガスセンサ２、ガスセンサ制御装置１Ａ及び抵抗接続路ＲＲＶが略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する。これにより、ローサイド型のスイッチング素子を用いたセンサ温度制御装置であるガスセンサ制御装置１Ａにおいて、略短絡第１温度範囲状態の発生を適切に判断することができる。

さらに、本実施形態２のガスセンサ制御装置１Ａでは、実施形態１と同様に、通電制御手段（ステップＳ１〜Ｓ２）は、素子抵抗検知手段（ステップＳ１）と素子抵抗制御手段（ステップＳ２）とを含み、検知した素子抵抗Ｒｐｖｓが目標温度に対応する目標抵抗値ＲＴとなるように、通電パルスＰＳのデューティ比ＤＴをフィードバック制御している。また、素子温度判断手段である素子抵抗判断手段（ステップＳ３）は、素子抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値ＲＴを含む第１温度範囲に対応する第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（素子抵抗Ｒｐｖｓ＝目標抵抗値ＲＴ±α（５０〜１００Ω））になっているか否かを判断している。そして、略短絡検知手段（ステップＳ４〜Ｓ６）は、素子抵抗Ｒｐｖｓが第１抵抗範囲ＲＲ１内の抵抗値（５０〜１００Ω）になっている状態で、略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知している。
これにより、素子抵抗Ｒｐｖｓを用いて、適切に略短絡第１温度範囲状態を検知することができる。

以上において、本発明のセンサ温度制御装置を、実施形態１，２のガスセンサ制御装置１，１Ａに即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態１，２では、センサ素子部及びヒータ部を有するセンサとして、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサであるガスセンサ２を用いた。しかし、ヒータ部を有するセンサは、これに限られず、酸素濃度の濃淡（リッチ／リーン）を検出する酸素センサ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘセンサなどであっても良い。

また、実施形態１，２では、不揮発性メモリ７５（記憶手段）に第１デューティ比ＤＴ１として、固定値を記憶し、これを継続的に用いた。しかし、これに代えて、前回の運転時に得た非短絡定温状態の正常なデューティ比ＤＴを第１デューティ比ＤＴ１として記憶しておき、これを次回の運転時に用いても良い。前回の運転時のデューティ比ＤＴを用いることにより、劣化等による素子抵抗Ｒｐｖｓの変化に応じて、第１デューティ比ＤＴ１を変化させることが可能である。

１，１Ａ ガスセンサ制御装置（センサ温度制御装置）
２ ガスセンサ
３ センサ素子部
４ ヒータ部
４Ｐ 電源側端子
４Ｎ 接地側端子
Ｒｐｖｓ 素子抵抗
ＲＴ 目標抵抗値
４０ センサ素子部制御回路（素子抵抗検知手段，通電制御手段）
５０，１５０ ヒータ部制御回路（通電制御手段）
５１，１５１ ヒータドライバ（スイッチング素子）
５２，１５２ リード線（第１接続路）
５３，１５３ リード線（第２接続路）
７０ マイクロプロセッサ
７２ Ａ／Ｄ入力ポート（素子抵抗検知手段，通電制御手段）
７４ ＰＷＭ出力ポート（通電制御手段）
７５ 不揮発性メモリ（記憶手段）
ＢＴ 電源（バッテリ）
ＰＳ パルス駆動信号
ＤＴ デューティ比
ＤＴ１ 第１デューティ比
ＤＴ２ 現在デューティ比
ＲＲ１ 第１抵抗範囲
Ｓ１ 素子抵抗検知手段（通電制御手段）
Ｓ２ 素子抵抗制御手段（通電制御手段）
Ｓ３ 素子抵抗判断手段（素子温度判断手段）
Ｓ４〜Ｓ６ 略短絡検知手段
Ｓ６ 第１判断手段，第２判断手段

Claims (4)

1. センサ素子部及び上記センサ素子部を加熱するヒータ部を有するセンサにおける上記ヒータ部へのパルス通電を制御して、上記センサ素子部の温度を制御するセンサ温度制御装置であって、
   上記ヒータ部への通電をオンオフするスイッチング素子と、
   上記センサ素子部が目標温度となるように、上記スイッチング素子に入力する通電制御パルス信号のデューティ比をフィードバック制御する通電制御手段と、
   上記スイッチング素子を流れる電流がすべて上記ヒータ部に流れ、かつ、上記センサ素子部が上記目標温度となっている非短絡定温状態における上記デューティ比である第１デューティ比を予め記憶した記憶手段と、
   上記センサ素子部が上記目標温度を含む第１温度範囲内の温度になっているか否かを判断する素子温度判断手段と、
   上記センサ素子部が上記第１温度範囲内の温度になっている状態で、現在の上記デューティ比である現在デューティ比を、予め記憶した上記第１デューティ比と比較することにより、上記スイッチング素子を流れる電流のうち一部のみが上記ヒータ部に流れ、かつ、上記センサ素子部が上記第１温度範囲内の温度である略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知する略短絡検知手段と、を備える
   センサ温度制御装置。
2. 請求項１に記載のセンサ温度制御装置であって、
   前記スイッチング素子は、電源電位と前記ヒータ部との間に介在するハイサイド型のスイッチング素子であり、
   前記略短絡検知手段は、
   前記現在デューティ比を前記第１デューティ比と比較して、上記スイッチング素子と上記ヒータ部の電源側端子とを接続する第１接続路が、抵抗を生じた抵抗接続路を介して接地電位に導通し、前記略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する第１判断手段を含む
   センサ温度制御装置。
3. 請求項１に記載のセンサ温度制御装置であって、
   前記スイッチング素子は、前記ヒータ部と接地電位との間に介在するローサイド型のスイッチング素子であり、
   前記略短絡検知手段は、
   前記現在デューティ比を前記第１デューティ比と比較して、上記ヒータ部の接地側端子と上記スイッチング素子とを接続する第２接続路が、抵抗を生じた抵抗接続路を介して電源電位に導通し、前記略短絡第１温度範囲状態となっているか否かを判断する第２判断手段を備える
   センサ温度制御装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のセンサ温度制御装置であって、
   前記センサ素子部は、その温度によって、自身の素子抵抗が変化する特性を有し、
   前記通電制御手段は、
   上記センサ素子部の上記素子抵抗を検知する素子抵抗検知手段と、
   検知した上記素子抵抗が目標抵抗値となるように、前記デューティ比をフィードバック制御する素子抵抗制御手段と、を含み、
   前記素子温度判断手段は、
   上記素子抵抗が上記目標抵抗値を含む第１抵抗範囲内の抵抗値になっているか否かを判断する素子抵抗判断手段であり、
   前記略短絡検知手段は、
   上記素子抵抗が上記第１抵抗範囲内の抵抗値になっている状態で、前記現在デューティ比を前記第１デューティ比と比較して、前記略短絡第１温度範囲状態が生じているか否かを検知する手段である
   センサ温度制御装置。

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