JP3372150B2 - Oxygen concentration detector - Google Patents

Oxygen concentration detector

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JP3372150B2
JP3372150B2 JP28610795A JP28610795A JP3372150B2 JP 3372150 B2 JP3372150 B2 JP 3372150B2 JP 28610795 A JP28610795 A JP 28610795A JP 28610795 A JP28610795 A JP 28610795A JP 3372150 B2 JP3372150 B2 JP 3372150B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、周囲雰囲気中の酸
素濃度に応じて抵抗値が変化するセンサ素子を用いて酸
素濃度を検出する抵抗値検出型の酸素濃度検出装置に関
し、特に、内燃機関等の各種燃焼機器の排気中の酸素濃
度から燃焼機器に供給された燃料混合気の空燃比を検出
するのに好適な酸素濃度検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a resistance value detecting type oxygen concentration detecting device for detecting an oxygen concentration using a sensor element whose resistance value changes according to the oxygen concentration in an ambient atmosphere, and more particularly to an internal combustion engine. The present invention relates to an oxygen concentration detection device suitable for detecting the air-fuel ratio of a fuel mixture supplied to a combustion device from the oxygen concentration in the exhaust gas of various combustion devices such as.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の装置では、センサ素子と
して、チタニア等からなる金属酸化物半導体が使用され
ているが、このセンサ素子は、周囲の酸素濃度によって
抵抗値が変化するのと同時に、それ自身の温度によって
も抵抗値が変化する。即ち、負の温度係数を有して、そ
の温度(以下、素子温度という)が高いと抵抗値が低
く、逆に素子温度が低いと抵抗値が高くなる。従って、
この種の装置では、検出信号に対して何の補償もしない
場合には、酸素濃度を正確に検出することができないと
いった問題があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, in this type of device, a metal oxide semiconductor made of titania or the like has been used as a sensor element. However, this sensor element has a resistance value which changes at the same time as an ambient oxygen concentration. , The resistance value also changes depending on the temperature of itself. That is, the resistance value is low when the temperature has a negative temperature coefficient (hereinafter referred to as element temperature), and conversely, the resistance value increases when the element temperature is low. Therefore,
This type of device has a problem that the oxygen concentration cannot be accurately detected unless the detection signal is compensated.

【0003】そこで、こうした抵抗値検出型の酸素濃度
検出装置を用いて内燃機関に供給された燃料混合気の空
燃比がリッチかリーンかを判定する空燃比検出装置にお
いては、従来より、例えば特公昭61−33127号公
報に開示されているように、空燃比の判定基準を、検出
信号の最大値と最小値との中間値にセットして、空燃比
を正確に判定できるようにすると共に、その中間値に基
づき、センサ素子に直列接続される素子抵抗検出用の基
準抵抗器の抵抗値を変化させることにより、検出信号の
振れ幅(最大値−最小値)を大きくして、空燃比の検出
精度を向上するとか、例えば特開平1−267449号
公報に開示されているように、排気温度が高いときには
素子抵抗検出用の基準抵抗器の抵抗値を小さくし、排気
温度が低いときには基準抵抗器の抵抗値を大きくするこ
とにより、基準抵抗器の抵抗値を、素子温度の変化に伴
う素子抵抗の変化に応じて変化させ、検出信号が素子温
度の変化によって大きく変化しないようにする、といっ
たことが提案されている。
Therefore, in the air-fuel ratio detecting device for determining whether the air-fuel ratio of the fuel mixture supplied to the internal combustion engine is rich or lean using such a resistance value detecting type oxygen concentration detecting device, conventionally, for example, As disclosed in Japanese Patent Publication No. 61-33127, the air-fuel ratio determination standard is set to an intermediate value between the maximum value and the minimum value of the detection signal so that the air-fuel ratio can be accurately determined. Based on the intermediate value, by changing the resistance value of the reference resistor for detecting the element resistance connected in series to the sensor element, the fluctuation range (maximum value-minimum value) of the detection signal is increased to increase the air-fuel ratio. For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-267449, the resistance value of the reference resistor for detecting element resistance is reduced when the exhaust temperature is high, and when the exhaust temperature is low, the detection accuracy is improved. By increasing the resistance value of the reference resistor, the resistance value of the reference resistor is changed according to the change of the element resistance accompanying the change of the element temperature so that the detection signal does not change greatly due to the change of the element temperature. , Have been proposed.

【0004】しかし、特公昭61−33127号公報に
開示された装置は、検出信号の最大値と最小値との中間
値が素子温度に対応しているものとして、空燃比の判定
基準や基準抵抗器の抵抗値を変化させるものであるた
め、素子温度が安定している場合には、ある程度の効果
は得られるものの、素子温度(延いてはその抵抗値)が
変化すると、そのときの素子温度に対応した検出信号の
中間値を得ることができず、内燃機関の運転状態等によ
り素子温度が急変した場合には、正確な検出信号を得る
ことができないといった問題があった。
However, in the device disclosed in Japanese Patent Publication No. 61-33127, it is assumed that the intermediate value between the maximum value and the minimum value of the detection signal corresponds to the element temperature. Since the resistance value of the device is changed, some effect can be obtained when the element temperature is stable, but when the element temperature (and by extension its resistance value) changes, the element temperature at that time is changed. There is a problem in that it is not possible to obtain an intermediate value of the detection signal corresponding to, and when the element temperature suddenly changes due to the operating state of the internal combustion engine, it is not possible to obtain an accurate detection signal.

【0005】また、特開平1−267449号公報に開
示された装置では、排気温度が素子温度に対応している
ものとして、基準抵抗器の抵抗値を変化させるものであ
るが、センサ素子は排気温度の影響を受けるものの、素
子温度と排気温度とは一致しないことから、基準抵抗器
の抵抗値を素子温度に応じて正確に変化させることがで
きず、正確な検出信号を得ることはできないといった問
題があった。また特に、この装置では、センサ素子に直
列接続される基準抵抗器として、抵抗値の異なる抵抗器
を複数(実施例では2個)設け、排気温度に応じて基準
抵抗器としてセンサ素子に接続する抵抗器を切り替える
ようにしているので、基準抵抗器の抵抗値を段階的にし
か変化させることはできず、排気温度と素子温度とが一
致している場合であっても、酸素濃度に対応した正確な
検出信号を得ることはできない。
Further, in the device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-267449, it is assumed that the exhaust temperature corresponds to the element temperature, and the resistance value of the reference resistor is changed. Although it is affected by temperature, the element temperature and the exhaust temperature do not match, so the resistance value of the reference resistor cannot be changed accurately according to the element temperature, and an accurate detection signal cannot be obtained. There was a problem. Further, in particular, in this device, a plurality of resistors (two in the embodiment) having different resistance values are provided as reference resistors connected in series to the sensor element, and are connected to the sensor element as reference resistors according to the exhaust temperature. Since the resistors are switched, it is only possible to change the resistance value of the reference resistor in steps, and even if the exhaust temperature and the element temperature match, it is possible to correspond to the oxygen concentration. It is not possible to obtain an accurate detection signal.

【0006】一方、こうした問題を解決し得る装置とし
て、例えば、特開平3−180748号公報に開示され
ているように、センサ素子と同一基板上にヒータを積層
し、そのヒータを通電してセンサ素子を加熱することに
より、素子温度を積極的に安定化させるようにしたもの
や、例えば、特開平5−288711号公報に開示され
ているように、素子温度を一定に保つために、ヒータに
正の温度係数の金属抵抗体を用いて、ヒータの抵抗値が
一定となるように(換言すれば素子温度が目標温度とな
るように)、ヒータの通電電流を制御するようにしたも
の、が提案されている。そして、この種の装置によれ
ば、ヒータを用いて素子温度を安定化させるので、酸素
濃度に対応した高精度の検出信号が得られるようにな
る。
On the other hand, as an apparatus capable of solving such a problem, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-180748, a heater is laminated on the same substrate as the sensor element, and the heater is energized to provide a sensor. A device for actively stabilizing the element temperature by heating the element, or a heater for keeping the element temperature constant as disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-288711. A metal resistor having a positive temperature coefficient is used so that the resistance value of the heater becomes constant (in other words, the element temperature becomes the target temperature), and the energizing current of the heater is controlled. Proposed. Further, according to this type of device, since the element temperature is stabilized by using the heater, a highly accurate detection signal corresponding to the oxygen concentration can be obtained.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この種の装置
では、ヒータによる加熱によって素子温度を安定化させ
るので、周囲雰囲気の温度上昇に伴い、素子温度が、ヒ
ータの通電制御による目標温度を越えてしまうと、検出
信号を温度補償することができなくなり、検出信号が実
際の酸素濃度とは異なる値になってしまうといった問題
があった。
However, in this type of device, since the element temperature is stabilized by heating by the heater, the element temperature exceeds the target temperature due to the energization control of the heater as the temperature of the surrounding atmosphere rises. If this happens, there is a problem in that the detection signal cannot be temperature-compensated, and the detection signal has a value different from the actual oxygen concentration.

【0008】例えば、内燃機関の空燃比制御に用いられ
る酸素濃度検出装置では、その始動特性を向上するため
に、センサ素子を内燃機関に極めて近い位置に配置され
るようになってきており、内燃機関の運転条件によって
は、センサ素子に直接当たる排気の温度やセンサ素子が
取り付けられた排気管の温度が、センサ素子の目標温度
よりも高い高温に達することがある。そして、このよう
な場合には、ヒータによって素子温度を制御できなくな
るので、検出信号から排気中の酸素濃度(換言すれば空
燃比)を正確に検出することができなくなってしまうの
である。
For example, in an oxygen concentration detecting device used for air-fuel ratio control of an internal combustion engine, a sensor element has been placed very close to the internal combustion engine in order to improve its starting characteristics. Depending on the operating conditions of the engine, the temperature of the exhaust gas directly hitting the sensor element and the temperature of the exhaust pipe to which the sensor element is attached may reach a high temperature higher than the target temperature of the sensor element. Then, in such a case, the element temperature cannot be controlled by the heater, so that the oxygen concentration in the exhaust gas (in other words, the air-fuel ratio) cannot be accurately detected from the detection signal.

【0009】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
ので、センサ素子をヒータにより温度制御するようにし
た酸素濃度検出装置において、素子温度がヒータにより
制御可能な温度を越えた場合でも、その素子温度に影響
されることなく安定した検出信号が得られるようにする
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of these problems, and in an oxygen concentration detecting device in which the temperature of a sensor element is controlled by a heater, even if the element temperature exceeds a temperature controllable by the heater, the element It is an object to obtain a stable detection signal without being affected by temperature.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項1に記載の発明は、負の温度係数を
有し、周囲雰囲気中の酸素濃度に応じて抵抗値が変化す
るセンサ素子と、正の温度係数を有し、該センサ素子を
加熱するヒータとを、同一基板上に積層してなる検出素
子部と、前記ヒータの抵抗値を検出し、該抵抗値が所定
の目標温度に対応した所定値となるように前記ヒータの
通電電流を制御して、前記検出素子部を目標温度に制御
するヒータ制御手段と、前記センサ素子に直列接続され
た基準抵抗器と、該センサ素子と基準抵抗器との直列回
路に直流電圧を印加する定電圧源とを備え、該センサ素
子と基準抵抗器との接続点電圧を、酸素濃度を表わす検
出信号として出力する検出手段と、を備えた酸素濃度検
出装置において、前記検出手段の基準抵抗器に補正抵抗
器を並列接続するスイッチング素子と、該スイッチング
素子を、所定デューティ比のパルス幅変調信号にてON
・OFF制御するPWM制御手段と、前記ヒータ制御手
段にて検出された前記ヒータの抵抗値に基づき、該抵抗
値が高くなるほど前記スイッチング素子のON時間が長
くなるよう、前記パルス幅変調信号のデューティ比を設
定するデューティ比設定手段と、前記パルス幅変調信号
の周波数よりも低いカットオフ周波数を有し、前記検出
手段から出力される検出信号を信号処理するローパスフ
ィルタと、を設けたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 has a negative temperature coefficient, and the resistance value changes according to the oxygen concentration in the ambient atmosphere. An element and a heater for heating the sensor element, which has a positive temperature coefficient, are laminated on the same substrate, and the resistance value of the heater is detected, and the resistance value is a predetermined target. Heater control means for controlling the detection element part to a target temperature by controlling the energization current of the heater so as to have a predetermined value corresponding to the temperature, a reference resistor connected in series with the sensor element, and the sensor. A constant voltage source for applying a DC voltage to the series circuit of the element and the reference resistor, the detection means for outputting the connection point voltage between the sensor element and the reference resistor as a detection signal representing the oxygen concentration, In the equipped oxygen concentration detector, A switching element connected in parallel correction resistor to the reference resistor of the serial detection means, said switching element, ON during the pulse width modulation signal having a predetermined duty ratio
Based on the resistance value of the heater detected by the heater control means and the PWM control means for OFF control, the duty of the pulse width modulation signal is set so that the ON time of the switching element becomes longer as the resistance value becomes higher. A duty ratio setting means for setting a ratio, and a low-pass filter having a cutoff frequency lower than the frequency of the pulse width modulation signal and processing the detection signal output from the detection means. And

【0011】このように構成された請求項1に記載の酸
素濃度検出装置においては、ヒータ制御手段が、ヒータ
の抵抗値が所定の目標温度に対応した所定値となるよう
にヒータの通電電流を制御することにより、検出素子部
(延いてはセンサ素子)の温度を目標温度に制御する。
このため、センサ素子の温度(素子温度)は、通常、ヒ
ータの通電制御によって目標温度に制御され、検出手段
から出力される検出信号は、酸素濃度に対応した値とな
る。
In the oxygen concentration detecting device according to the present invention thus constructed, the heater control means controls the energizing current of the heater so that the resistance value of the heater becomes a predetermined value corresponding to a predetermined target temperature. By controlling, the temperature of the detection element unit (and thus the sensor element) is controlled to the target temperature.
Therefore, the temperature of the sensor element (element temperature) is usually controlled to the target temperature by the energization control of the heater, and the detection signal output from the detection means has a value corresponding to the oxygen concentration.

【0012】一方、検出素子部が配置される周囲温度が
高くなり、それに応じて検出素子部の温度が目標温度を
越えると、ヒータ制御手段によるヒータの通電制御で
は、もはや検出信号を温度補償することができなくな
り、検出手段から出力される検出信号は、素子温度に応
じて変化する。
On the other hand, when the ambient temperature around which the detection element section is disposed becomes high and the temperature of the detection element section exceeds the target temperature accordingly, the heater control means compensates the temperature of the detection signal by the heater energization control. It becomes impossible, and the detection signal output from the detection means changes according to the element temperature.

【0013】しかし、本発明では、センサ素子に直列接
続される素子抵抗検出用の基準抵抗器とは別に、スイッ
チング素子を介して並列接続可能な、基準抵抗器より低
い抵抗値をもつ補正抵抗器が設けられ、PWM制御手段
が、このスイッチング素子を、所定デューティ比のパル
ス幅変調信号にてON・OFF制御し、デューティ比設
定手段が、そのパルス幅変調信号のデューティ比を、ヒ
ータ制御手段にて検出されたヒータの抵抗値に基づき、
ヒータの抵抗値が高くなるほどスイッチング素子のON
時間が長くなるように設定する。
However, according to the present invention, in addition to the reference resistor for detecting the element resistance which is connected in series to the sensor element, the correction resistor which can be connected in parallel via the switching element and has a resistance value lower than that of the reference resistor. Is provided, the PWM control means controls ON / OFF of the switching element with a pulse width modulation signal having a predetermined duty ratio, and the duty ratio setting means sends the duty ratio of the pulse width modulation signal to the heater control means. Based on the resistance value of the heater detected by
The higher the resistance value of the heater, the more the switching element turns on.
Set it so that the time is long.

【0014】従って、センサ素子には、パルス幅変調信
号のデューティ比に応じて、基準抵抗器と、基準抵抗器
及び補正抵抗器の並列回路とが、交互に直列接続される
ことになり、その抵抗値の平均(以下、比較抵抗とい
う)は、基準抵抗器の抵抗値を上限として、その上限値
から、基準抵抗器及び補正抵抗器の並列回路の抵抗値ま
での値となる。また、この比較抵抗は、パルス幅変調信
号のデューティ比により決定されるが、このデューティ
比は、デューティ比設定手段によって、ヒータの抵抗値
(延いてはセンサ素子の温度)が高くなるほど、スイッ
チング素子のON時間が長くなるように設定されるた
め、比較抵抗は、センサ素子の温度が高くなるほど(換
言すれば素子抵抗が小さくなるほど)小さくなる。つま
り、比較抵抗は、PWM制御手段及びデューティ比設定
手段の動作により、センサ素子の素子抵抗に応じて変化
する。
Therefore, the reference resistor and the parallel circuit of the reference resistor and the correction resistor are alternately connected in series to the sensor element according to the duty ratio of the pulse width modulation signal. The average of resistance values (hereinafter referred to as comparative resistance) is a value from the upper limit value of the resistance value of the reference resistor to the resistance value of the parallel circuit of the reference resistor and the correction resistor. The comparison resistance is determined by the duty ratio of the pulse width modulation signal. The duty ratio is set by the duty ratio setting means as the resistance value of the heater (and the temperature of the sensor element) increases. Is set to be long, the comparative resistance becomes smaller as the temperature of the sensor element becomes higher (in other words, as the element resistance becomes smaller). That is, the comparison resistance changes according to the element resistance of the sensor element by the operations of the PWM control means and the duty ratio setting means.

【0015】このため、本発明によれば、検出素子部が
温度上昇して、ヒータ制御手段によるヒータの通電制御
では素子温度を制御できなくなったとしても、検出手段
から出力される検出信号の平均値を、実際の酸素濃度に
対応した値に制御することができる。
Therefore, according to the present invention, even if the temperature of the detection element portion rises and the element temperature cannot be controlled by the heater energization control of the heater control means, the average of the detection signals output from the detection means is obtained. The value can be controlled to a value corresponding to the actual oxygen concentration.

【0016】また、このように検出手段から出力される
検出信号の平均値は、酸素濃度に対応した値となるが、
この検出信号はパルス幅変調信号の周波数に応じて脈動
することから、その検出信号の絶対値からは酸素濃度を
検出することができない。そこで更に本発明では、パル
ス幅変調信号の周波数よりも低いカットオフ周波数を有
するローパスフィルタを設け、このローパスフィルタに
て、検出手段から出力される検出信号を信号処理するよ
うにしている。
Further, the average value of the detection signals output from the detecting means in this manner is a value corresponding to the oxygen concentration,
Since this detection signal pulsates according to the frequency of the pulse width modulation signal, the oxygen concentration cannot be detected from the absolute value of the detection signal. Therefore, in the present invention, a low-pass filter having a cutoff frequency lower than the frequency of the pulse width modulated signal is provided, and the low-pass filter processes the detection signal output from the detection means.

【0017】従って、本発明の酸素濃度検出装置によれ
ば、センサ素子の温度変化に影響されることなく、常に
酸素濃度に対応した検出信号を得ることができる。また
特に、本発明では、従来装置のように、センサ素子に直
列接続される基準抵抗器自体を変更したり、基準抵抗器
に補正抵抗器を単に並列接続するのではなく、基準抵抗
器に対する補正抵抗器の並列接続を、パルス幅変調信号
を用いたパルス幅変調制御(PWM制御)によって行
い、しかも、パルス幅変調信号のデューティ比の設定に
は、素子温度に対応したヒータの抵抗値を用いるので、
センサ素子に直列接続される抵抗器の抵抗値(比較抵
抗)を、素子抵抗に対応した値に正確且つ応答遅れなく
設定することができ、酸素濃度を極めて高精度に検出す
ることができる。このため、本発明の酸素濃度検出装置
を、内燃機関等の空燃比制御装置に用いれば、空燃比の
制御精度を向上することが可能になる。
Therefore, according to the oxygen concentration detecting device of the present invention, the detection signal corresponding to the oxygen concentration can always be obtained without being affected by the temperature change of the sensor element. Further, in particular, in the present invention, unlike the conventional device, the reference resistor itself connected in series with the sensor element is not changed, or the correction resistor is not simply connected in parallel to the reference resistor, but the correction for the reference resistor is performed. The resistors are connected in parallel by pulse width modulation control (PWM control) using a pulse width modulation signal, and the resistance value of the heater corresponding to the element temperature is used to set the duty ratio of the pulse width modulation signal. So
The resistance value (comparison resistance) of the resistor connected in series with the sensor element can be accurately set to a value corresponding to the element resistance without any response delay, and the oxygen concentration can be detected with extremely high accuracy. Therefore, if the oxygen concentration detection device of the present invention is used in an air-fuel ratio control device such as an internal combustion engine, it becomes possible to improve the control accuracy of the air-fuel ratio.

【0018】なお、このように本発明の酸素濃度検出装
置を、内燃機関等の空燃比制御装置に用いる場合、パル
ス幅変調信号の周波数は、少なくとも、空燃比制御によ
り空燃比がリーン・リッチに反転する制御周波数(自動
車用内燃機関の場合、0.5〜3Hz程度となる)より
も大きくしておく必要があり、好ましくは、その制御周
波数に対して約1000倍程度の周波数に設定すること
が望ましい。
When the oxygen concentration detecting device of the present invention is used in an air-fuel ratio control device such as an internal combustion engine as described above, the frequency of the pulse width modulation signal is at least a lean-rich air-fuel ratio by the air-fuel ratio control. It is necessary to set it higher than the control frequency to be reversed (in the case of an internal combustion engine for an automobile, it is about 0.5 to 3 Hz), and it is preferable to set the frequency about 1000 times the control frequency. Is desirable.

【0019】またこの場合、検出信号をフィルタ処理す
るローパスフィルタは、制御周波数の信号成分をカット
してしまうことのないよう、そのカットオフ周波数を、
制御周波数よりも高くパルス幅変調信号の周波数よりも
低い周波数に設定する必要があり、具体的には、制御周
波数の10〜30倍程度のカットオフ周波数とすること
が望ましい。
Further, in this case, the low-pass filter for filtering the detection signal changes its cutoff frequency so as not to cut the signal component of the control frequency.
It is necessary to set the frequency higher than the control frequency and lower than the frequency of the pulse width modulation signal, and specifically, it is desirable to set the cutoff frequency to about 10 to 30 times the control frequency.

【0020】ところで、本発明の酸素濃度検出装置にお
いて、上記PWM制御手段により基準抵抗器に補正抵抗
器を並列接続する制御(以下、比較抵抗制御という)
は、ヒータの通電制御による検出信号の温度補償を更に
補うものであり、基本的には、ヒータの通電制御によっ
て温度補償できない領域、つまり素子温度が目標温度を
越えた領域、にて実行すればよい。しかし、実際には、
ヒータ通電電流を制御していても、被測定ガスの流れ等
によって、検出素子部の温度が目標温度から一時的に低
下することがある。例えば、検出素子部を内燃機関の排
気管に取り付けて空燃比を検出する場合、内燃機関の加
速時等には、排気の流れが急速になるので、その流れに
よって検出素子部が冷却され、素子温度が一時的に目標
温度から低下することがある。
By the way, in the oxygen concentration detecting device of the present invention, the control for connecting the correction resistor in parallel with the reference resistor by the PWM control means (hereinafter referred to as comparative resistance control).
Is to supplement the temperature compensation of the detection signal by the heater energization control. Basically, if it is executed in a region where the temperature compensation cannot be performed by the heater energization control, that is, in the region where the element temperature exceeds the target temperature. Good. But in reality,
Even if the heater energizing current is controlled, the temperature of the detection element portion may temporarily drop from the target temperature due to the flow of the gas to be measured or the like. For example, when the detection element unit is attached to the exhaust pipe of an internal combustion engine to detect the air-fuel ratio, the flow of exhaust gas becomes rapid during acceleration of the internal combustion engine, etc. The temperature may temporarily drop from the target temperature.

【0021】従って、こうした比較抵抗制御は、検出素
子部の温度が一時的に低下する領域でも実行することが
望ましく、そのためには、請求項2に記載のように、デ
ューティ比設定手段において、ヒータの抵抗値が、目標
温度よりも所定温度だけ低い温度に対応した抵抗値以上
であるときに、その抵抗値に応じてデューティ比を設定
するようにすればよい。つまり、このようにすれば、素
子温度が一時的に低下するような領域でも、比較抵抗制
御によって検出信号を温度補償することができ、酸素濃
度の検出精度をより向上することができるようになる。
Therefore, it is desirable to execute such comparative resistance control even in a region where the temperature of the detecting element portion temporarily drops. For that purpose, as described in claim 2, in the duty ratio setting means, the heater is used. When the resistance value of is equal to or higher than the resistance value corresponding to a temperature lower by a predetermined temperature than the target temperature, the duty ratio may be set according to the resistance value. That is, in this way, the detection signal can be temperature-compensated by the comparative resistance control even in a region where the element temperature temporarily drops, and the oxygen concentration detection accuracy can be further improved. .

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例として、自
動車用内燃機関の排気中の酸素濃度から内燃機関に供給
された燃料混合気の空燃比を検出する空燃比検出装置に
ついて説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION As an embodiment of the present invention, an air-fuel ratio detecting device for detecting the air-fuel ratio of a fuel mixture supplied to an internal combustion engine for an automobile will be described below.

【0023】まず図2は、内燃機関の排気管に図示しな
いハウジング等を介して取り付けられる検出素子部2の
構成を表わす。図2に示す如く、本実施例の検出素子部
2は、アルミナ等からなる平板状の電気絶縁性部材10
の側面に、厚膜技術を用いて、電極パターン12,14
を形成すると共に、その周囲に、加熱用のヒータHTを
構成する発熱抵抗体パターン16を形成し、このパター
ン面上に、電極パターン12,14の先端部を露出させ
るように設けた開口部18aを有し、電気絶縁性部材1
0と同材料でこれより薄肉に形成された平板状の電気絶
縁性部材18を接合し、更に、その開口部18aに、セ
ンサ素子TSを構成するチタニア等からなる金属酸化物
半導体20を充填して、焼成することにより作製され
る。
First, FIG. 2 shows the structure of the detection element portion 2 which is attached to an exhaust pipe of an internal combustion engine via a housing or the like (not shown). As shown in FIG. 2, the detection element portion 2 of the present embodiment includes a flat plate-shaped electrically insulating member 10 made of alumina or the like.
Of the electrode patterns 12, 14 on the side surface of the
And a heating resistor pattern 16 that constitutes a heater HT for heating is formed around it, and an opening 18a is provided on the pattern surface so as to expose the tips of the electrode patterns 12 and 14. And an electrically insulating member 1
A flat plate-like electrically insulating member 18 made of the same material as that of 0 and thinner than this is joined, and the opening 18a is filled with a metal oxide semiconductor 20 made of titania or the like that constitutes the sensor element TS. It is produced by firing.

【0024】なお、発熱抵抗体パターン16は、正の温
度係数を有する金属抵抗体からなり、電極パターン1
2,14は、低抵抗の金属体からなる。また、発熱抵抗
体パターン16の両端、及び電極パターン12,14の
金属酸化物半導体20とは反対側端部には、夫々、外部
装置との接続のための図示しない電極端子が設けられ
る。
The heating resistor pattern 16 is made of a metal resistor having a positive temperature coefficient, and the electrode pattern 1
2 and 14 are made of a low resistance metal body. Further, electrode terminals (not shown) for connection with an external device are provided at both ends of the heating resistor pattern 16 and the end portions of the electrode patterns 12 and 14 opposite to the metal oxide semiconductor 20, respectively.

【0025】次に、図1は、検出素子部2に設けられた
電極端子及びリード線等を介して、ヒータHT及びセン
サ素子TSに接続され、ヒータ通電及び空燃比の検出を
行う制御装置全体の構成を表わす概略構成図である。図
1に示す如く、ヒータHTには、内燃機関のイグニッシ
ョンスイッチIG及びヒータ通電回路4を介してバッテ
リBTが接続され、センサ素子TSには、酸素濃度(換
言すれば空燃比)検出用の検出回路6が接続されてい
る。
Next, FIG. 1 shows the entire control device which is connected to the heater HT and the sensor element TS via the electrode terminals and lead wires provided in the detection element section 2 and which conducts the heater and detects the air-fuel ratio. 3 is a schematic configuration diagram showing the configuration of FIG. As shown in FIG. 1, a battery BT is connected to the heater HT via an ignition switch IG of an internal combustion engine and a heater energizing circuit 4, and a sensor element TS detects oxygen concentration (in other words, air-fuel ratio) for detection. The circuit 6 is connected.

【0026】ヒータ通電回路4は、イグニッションスイ
ッチIGのON時に、内燃機関制御用の電子制御装置
(以下、ECUという)内の中央処理装置(以下、CP
Uという)8から出力される制御信号PWM1によりO
N・OFFされ、バッテリBTの正極側からヒータHT
に至る通電経路を導通・遮断する、バイポーラトランジ
スタ,MOS−FET等からなる半導体スイッチ4a
と、この半導体スイッチ4aからヒータHTに至る通電
経路に設けられ、ヒータHTに流れる電流値を検出する
ための検出抵抗器RSH(抵抗値:100mΩ程度)と、
から構成されている。
The heater energizing circuit 4 is a central processing unit (hereinafter, referred to as CP) in an electronic control unit (hereinafter, referred to as ECU) for controlling the internal combustion engine when the ignition switch IG is turned on.
O by the control signal PWM1 output from 8)
The heater HT is turned off from the positive side of the battery BT when turned off.
Switch 4a consisting of a bipolar transistor, MOS-FET, etc., for connecting / disconnecting the current-carrying path to
And a detection resistor RSH (resistance value: about 100 mΩ) provided in the energization path from the semiconductor switch 4a to the heater HT and for detecting the value of current flowing in the heater HT,
It consists of

【0027】このため、ヒータHTには、内燃機関が運
転されるイグニッションスイッチIGのON時に、半導
体スイッチ4aがON状態にある時、検出抵抗器RSHを
介して電流が流れ、この電流に応じてヒータHTが発熱
して、センサ素子TSを含む検出素子部2全体の温度が
上昇することになる。
Therefore, in the heater HT, when the semiconductor switch 4a is in the ON state when the ignition switch IG for operating the internal combustion engine is ON, a current flows through the detection resistor RSH, and in response to this current. The heater HT generates heat and the temperature of the entire detection element unit 2 including the sensor element TS rises.

【0028】一方、検出回路6は、バッテリ電圧から定
電圧を生成する図示しない定電圧回路からの出力電圧V
cをセンサ素子TSの一端に印加し、他端を基準抵抗器
Rcを介して接地することにより、センサ素子TSに電
流を流すようにされている。また、センサ素子TSと基
準抵抗器Rcとの接続点には、カットオフ周波数50H
z程度のローパスフィルタ(以下、LPFという)6a
が設けられ、その接続点電圧をLPF6aにてフィルタ
処理した検出信号Vsを生成し、これをCPU8に出力
するようにされている。
On the other hand, the detection circuit 6 outputs an output voltage V from a constant voltage circuit (not shown) which generates a constant voltage from the battery voltage.
By applying c to one end of the sensor element TS and grounding the other end through the reference resistor Rc, a current is passed through the sensor element TS. At the connection point between the sensor element TS and the reference resistor Rc, the cutoff frequency 50H
Low-pass filter of about z (hereinafter referred to as LPF) 6a
Is provided, and the connection point voltage is filtered by the LPF 6a to generate a detection signal Vs, which is output to the CPU 8.

【0029】また、センサ素子TSと基準抵抗器Rcと
の接続点には、補正抵抗器RA の一端が接続され、更
に、この補正抵抗器RA の他端には、エミッタ接地され
たNPN型のトランジスタTR1(本発明のスイッチン
グ素子に相当)のコレクタが接続されている。そして、
このトランジスタTR1のベースは、抵抗器R1を介し
てCPU8に接続されると共に、抵抗器R2を介して接
地されている。なお、これは、CPU8から出力される
制御信号PWM2により、トランジスタTR1をON・
OFFさせて、基準抵抗器Rcに対して補正抵抗器RA
を並列接続するか否かを切り替えるためである。
Further, one end of a correction resistor RA is connected to a connection point between the sensor element TS and the reference resistor Rc, and the other end of the correction resistor RA is an NPN type whose emitter is grounded. The collector of the transistor TR1 (corresponding to the switching element of the present invention) is connected. And
The base of the transistor TR1 is connected to the CPU 8 via the resistor R1 and is also grounded via the resistor R2. In addition, the transistor TR1 is turned on by the control signal PWM2 output from the CPU8.
When turned off, the correction resistor RA is added to the reference resistor Rc.
This is to switch whether or not to connect in parallel.

【0030】次に、ECUは、イグニッションスイッチ
IGを介してバッテリBTから電源供給を受けることに
より動作し、例えば、検出回路6から出力される検出信
号Vsに基づき、内燃機関に供給された燃料混合気の空
燃比がリーンかリッチかを判定し、その空燃比が理論空
燃比となるように、内燃機関に噴射供給する燃料量を制
御する空燃比制御等、内燃機関制御のための各種制御処
理を実行する周知のものであり、CPU8及び図示しな
いROM,RAM等からなるマイクロコンピュータを中
心に構成され、更に、上記ヒータ通電回路4,検出回路
6等の機関制御のための各種回路が設けれている。
Next, the ECU operates by being supplied with power from the battery BT through the ignition switch IG, and, for example, based on the detection signal Vs output from the detection circuit 6, the fuel mixture supplied to the internal combustion engine. Various control processes for internal combustion engine control, such as air-fuel ratio control, which determines whether the air-fuel ratio of air is lean or rich, and controls the amount of fuel injected and supplied to the internal combustion engine so that the air-fuel ratio becomes the stoichiometric air-fuel ratio. It is a well-known device for executing the above, and is mainly composed of a microcomputer including a CPU 8 and ROM, RAM and the like (not shown). Further, various circuits for controlling the engine such as the heater energizing circuit 4 and the detecting circuit 6 are provided. ing.

【0031】そして、本実施例では、CPU8は、検出
抵抗器RSHの両端電圧からヒータHTの抵抗値(ヒータ
抵抗)RH を検出し、そのヒータ抵抗RH が目標温度
(例えば700℃)に対応した値となるように、制御信
号PWM1を生成して半導体スイッチ4aをON・OF
F制御することにより、ヒータHTの通電電流を制御す
る、ヒータ制御手段としての制御処理、及び、ヒータ抵
抗RH (延いてはセンサ素子TSの素子温度)に応じて
制御信号PWM2を生成し、この制御信号PWM2にて
トランジスタTR1をON・OFF制御することによ
り、検出信号Vsの温度補償(比較抵抗制御)を行う、
PWM制御手段及びデューティ比設定手段としての制御
処理も実行する。
In this embodiment, the CPU 8 detects the resistance value (heater resistance) RH of the heater HT from the voltage across the detection resistor RSH, and the heater resistance RH corresponds to the target temperature (eg 700 ° C.). Control signal PWM1 is turned on so that the semiconductor switch 4a is turned on / off.
The F control is performed to control the energization current of the heater HT, and the control signal PWM2 is generated according to the control processing as the heater control means and the heater resistance RH (and thus the element temperature of the sensor element TS). By performing ON / OFF control of the transistor TR1 with the control signal PWM2, temperature compensation of the detection signal Vs (comparison resistance control) is performed.
The control processing as the PWM control means and the duty ratio setting means is also executed.

【0032】なお、CPU8から出力される各制御信号
PWM1,PWM2は、共に、デューティ比が制御され
たパルス幅変調信号であり、本実施例では、ヒータ制御
用の制御信号PWM1は、図3に示す如く、50msec.
を1周期(周波数:20Hz)として生成され、比較抵
抗制御用の制御信号PWM2は、図4に示す如く、1m
sec.を1周期(周波数:1kHz)として生成される。
The control signals PWM1 and PWM2 output from the CPU 8 are both pulse width modulation signals whose duty ratio is controlled. In this embodiment, the heater control control signal PWM1 is shown in FIG. As shown, 50msec.
Is generated as one cycle (frequency: 20 Hz), and the control signal PWM2 for controlling the comparative resistance is 1 m as shown in FIG.
It is generated with sec. as one cycle (frequency: 1 kHz).

【0033】そして、この制御信号PWM2にてトラン
ジスタTR1がON・OFFされることにより、センサ
素子TSには、この制御信号PWM2のデューティ比に
応じて、基準抵抗器Rcと、基準抵抗器Rc及び補正抵
抗器RA の並列回路とが、交互に直列接続されることに
なり、その抵抗値の平均(比較抵抗)Rc′は、図5に
示す如く、デューティ比0%のときの基準抵抗器Rcの
抵抗値を上限、デューティ比100%のときの基準抵抗
器Rcと補正抵抗器RA との並列回路の抵抗値を下限、
として、制御信号PWM2のデューティ比(DUTY
比)に応じて変化する。
The transistor TR1 is turned on / off by the control signal PWM2, so that the sensor element TS has the reference resistor Rc, the reference resistor Rc, and the reference resistor Rc in accordance with the duty ratio of the control signal PWM2. The parallel circuit of the correction resistor RA is alternately connected in series, and the average (comparison resistance) Rc 'of the resistance values is, as shown in FIG. 5, the reference resistor Rc when the duty ratio is 0%. The upper limit, the lower limit of the resistance value of the parallel circuit of the reference resistor Rc and the correction resistor RA when the duty ratio is 100%,
As the duty ratio of the control signal PWM2 (DUTY
Ratio).

【0034】次に、CPU8において、ヒータ制御及び
比較抵抗制御のために実行される制御処理について、図
6に示すフローチャートに沿って説明する。図6(a)
に示す如く、CPU8は、ヒータ制御用の制御信号PW
M1の周期と同じ50msec.毎に、ヒータ通電制御処理
を実行する。この処理では、まずS110にて、制御信
号PWM1をHighレベルにすることにより、半導体スイ
ッチ4aをONして、ヒータHTへの通電を開始する。
また、続くS120では、当該処理にて前回算出した通
電時間DH (CPU8の起動直後には初期値が設定され
る)をタイマにセットし、S130にて、制御信号PW
M1をHighレベルにしてから所定時間(本実施例では2
msec.)経過したか否かを判断することにより、所定時
間が経過するのを待つ。そして、所定時間が経過する
と、S140にて、検出抵抗器RSHのバッテリBT側電
圧VH1及びヒータHT側電圧VH2を夫々読み込み、S1
50にて、その読み込んだ各電圧値VH1,VH2と検出抵
抗器RSHの抵抗値とに基づき、次式を用いてヒータ抵抗
RH を算出する。
Next, control processing executed by the CPU 8 for heater control and comparative resistance control will be described with reference to the flowchart shown in FIG. Figure 6 (a)
As shown in, the CPU 8 controls the heater control signal PW.
The heater energization control process is executed every 50 msec., Which is the same as the cycle of M1. In this process, first, in S110, the control signal PWM1 is set to a high level to turn on the semiconductor switch 4a and start energizing the heater HT.
Further, in the subsequent S120, the energization time DH calculated in the previous process in the process (the initial value is set immediately after the CPU 8 is started) is set in the timer, and in S130, the control signal PW is set.
A predetermined time (2 in this embodiment) after M1 is set to High level
msec.) It waits until a predetermined time elapses by judging whether or not it has elapsed. Then, when a predetermined time has elapsed, in S140, the battery BT side voltage VH1 and the heater HT side voltage VH2 of the detection resistor RSH are read, respectively, and S1
At 50, the heater resistance RH is calculated using the following equation based on the read voltage values VH1 and VH2 and the resistance value of the detection resistor RSH.

【0035】RH =RSH・VH2/(VH1−VH2) つまり、本実施例では、図3に示すように、ヒータHT
への通電開始直後の2msec.間をヒータ抵抗測定タイミ
ングとして確保し、通電開始後、2msec.間経過して、
ヒータHTに流れる電流が安定した時点で、検出抵抗器
RSHの両端電圧から、ヒータ抵抗RH を検出するのであ
る。
RH = RSH.VH2 / (VH1-VH2) That is, in this embodiment, as shown in FIG.
The heater resistance measurement timing is secured for 2 msec. Immediately after the start of energization, and after 2 msec. Has passed after the start of energization,
When the current flowing through the heater HT becomes stable, the heater resistance RH is detected from the voltage across the detection resistor RSH.

【0036】こうしてS150にてヒータ抵抗RH が算
出されると、S160に移行して、ヒータHTの通電時
間DH を更新する。この通電時間DH は、図3に示すよ
うに、制御信号PWM1の1周期(50msec.)内での
ON時間、換言すれば制御信号PWM1のデューティ比
を設定するためのものであり、S160では、上記算出
したヒータ抵抗RH と、検出素子部2(延いてはセンサ
素子TS)の温度が目標温度(700℃)であるときの
ヒータ抵抗RHC(予め判定基準値として設定された値)
とを比較し、RH >RHCであるときにはB=0.5mse
c.,RH =RHCである時にはB=0,RH <RHCである
ときにはB=−0.5msec.として、通電時間DH の更
新基準値Bを設定し、この設定した更新基準値Bと、係
数Aと、前回設定した通電時間DH(n-1)とに基づき、次
式を用いて次回の通電時間DH を算出する。
When the heater resistance RH is calculated in S150, the flow advances to S160 to update the energization time DH of the heater HT. As shown in FIG. 3, this energization time DH is for setting the ON time within one cycle (50 msec.) Of the control signal PWM1, in other words, for setting the duty ratio of the control signal PWM1, and in S160, The heater resistance RH calculated above and the heater resistance RHC when the temperature of the detection element section 2 (and by extension the sensor element TS) is the target temperature (700 ° C.) (value set in advance as a judgment reference value)
And RH> RHC, B = 0.5 mse
c., when RH = RHC, B = 0, and when RH <RHC, B = -0.5 msec., the update reference value B of the energization time DH is set, and the set update reference value B and the coefficient are set. Based on A and the previously set energization time DH (n-1), the next energization time DH is calculated using the following equation.

【0037】DH =DH(n-1)+A・B なお、このように算出された通電時間DH は、当該処理
が次に実行されたときにS120にてタイマにセットす
るのに用いられる。そして、S120にて通電時間DH
がセットされると、CPU8に内蔵されたタイマがこの
通電時間DH を計時し、通電時間DH が経過した時点
で、図6(b)に示すDH タイマ割込処理を起動する。
するとこのDH タイマ割込処理では、制御信号PWM1
をLow レベルにすることにより、半導体スイッチ4aを
OFFして、ヒータHTへの通電を停止する(S30
0)。従って、半導体スイッチ4aは、ヒータ通電制御
処理とDH タイマ割込処理とによって、ヒータ抵抗RH
が判定基準値RHCとなるように、50msec.を1周期と
して繰返しON・OFFされることになり、このON・
OFF動作によって、検出素子部2,延いてはセンサ素
子TSの温度が、目標温度(700℃)に制御されるこ
とになる。
DH = DH (n-1) + AB The energization time DH thus calculated is used to set the timer in S120 when the process is executed next time. Then, in S120, the energization time DH
When is set, a timer built in the CPU 8 measures the energization time DH, and when the energization time DH elapses, the DH timer interrupt process shown in FIG. 6B is started.
Then, in this DH timer interrupt process, the control signal PWM1
Is set to the Low level, the semiconductor switch 4a is turned off to stop energizing the heater HT (S30).
0). Therefore, the semiconductor switch 4a performs the heater resistance RH by the heater energization control process and the DH timer interrupt process.
Is turned on and off repeatedly with 50 msec. As one cycle so that becomes the judgment reference value RHC.
By the OFF operation, the temperature of the detection element unit 2, and further, the temperature of the sensor element TS is controlled to the target temperature (700 ° C.).

【0038】次に、S160にて通電時間DH が更新さ
れると、今度は、S170に移行して、上記算出したヒ
ータ抵抗RH が、比較抵抗制御を実行すべき抵抗値(制
御開始抵抗)RHO以上であるか否かを判断する。なお、
この制御開始抵抗RHOには、検出素子部2の温度が目標
温度(700℃)よりも低い所定温度(本実施例では6
50℃)であるときのヒータ抵抗RH が設定されてい
る。
Next, when the energization time DH is updated in S160, this time the process proceeds to S170, in which the calculated heater resistance RH is the resistance value (control start resistance) RHO at which the comparative resistance control should be executed. It is determined whether or not the above. In addition,
The control start resistance RHO has a predetermined temperature (6 in this embodiment) at which the temperature of the detection element section 2 is lower than the target temperature (700 ° C.).
The heater resistance RH at 50 ° C.) is set.

【0039】そして、ヒータ抵抗RH が制御開始抵抗R
HO以上であれば、S180に移行して、比較抵抗(R
c′)の制御のためのデューティ比DT を、図7に示す
マップを用いて算出し、ヒータ抵抗RHが制御開始抵抗
RHOに達していなければ、S190にて、この比較抵抗
制御のためのデューティ比DT を0に設定する。
The heater resistance RH is the control start resistance R
If it is HO or higher, the process proceeds to S180 and the comparison resistance (R
The duty ratio DT for the control of c ') is calculated using the map shown in FIG. 7, and if the heater resistance RH has not reached the control start resistance RHO, the duty for this comparative resistance control is executed in S190. Set the ratio DT to 0.

【0040】なお、図7に示すように、このデューティ
比DT 算出用のマップは、ヒータ抵抗RH が大きいほ
ど、換言すればセンサ素子TSの温度が高いほど、デュ
ーティ比DT が大きくなるように設定されている。これ
は、センサ素子TSは負の温度係数を有し、図8に示す
如く、その温度が高くなるほど、素子抵抗が低くなるた
めであり、本実施例では、センサ素子TSの温度変化に
伴う素子抵抗の変化に対応して、比較抵抗Rc′も同じ
変化割合で変化させることができるように、このマップ
が設定されているのである。
As shown in FIG. 7, the map for calculating the duty ratio DT is set such that the larger the heater resistance RH, in other words, the higher the temperature of the sensor element TS, the larger the duty ratio DT. Has been done. This is because the sensor element TS has a negative temperature coefficient, and as shown in FIG. 8, the element resistance decreases as the temperature rises. In the present embodiment, the element accompanying the temperature change of the sensor element TS. This map is set so that the comparison resistance Rc 'can be changed at the same change rate in response to the change in resistance.

【0041】このように、S180又はS190にてデ
ューティ比DT が設定されると、今度はS200に移行
して、この設定されたデューティ比DT に基づき、比較
抵抗Rc′の制御値TONを更新する。この制御値TON
は、図4に示す如く、制御信号PWM2の1周期(1m
sec.)内でのON時間を表わし、S200では、上記設
定されたデューティ比DT に対応した比率で検出回路6
内のトランジスタTR1をONするための時間TONを算
出するのである。そして、このように比較抵抗制御のた
めのON時間TONが算出されると、当該処理は一旦終了
する。
In this way, when the duty ratio DT is set in S180 or S190, the process proceeds to S200, and the control value TON of the comparison resistor Rc 'is updated based on the set duty ratio DT. . This control value TON
As shown in FIG. 4, one cycle of the control signal PWM2 (1 m
sec.), and in S200, the detection circuit 6 is operated at a ratio corresponding to the duty ratio DT set above.
The time TON for turning on the transistor TR1 therein is calculated. Then, when the ON time TON for the comparative resistance control is calculated in this way, the process is once ended.

【0042】次に、S200にて算出された制御値(O
N時間)TONは、比較抵抗制御のために1msec.毎に実
行される図6(c)に示すRc′制御処理にて、制御信
号PWM2をこのON時間TONだけHighレベルにする
(S400)のに用いられる。この結果、検出回路6内
のトランジスタTR1は、上記デューティ比DT に対応
した比率で、しかも極めて高速にON・OFFされるこ
とになり、センサ素子TSに直列接続される抵抗器の平
均抵抗(つまり比較抵抗Rc′)は、センサ素子TSの
温度に対応して変化することになる。
Next, the control value (O
(N time) TON is set to the high level for the ON time TON in the Rc 'control process shown in FIG. 6C executed every 1 msec. For the comparative resistance control (S400). Used for. As a result, the transistor TR1 in the detection circuit 6 is turned on / off at a very high speed at a ratio corresponding to the duty ratio DT, and the average resistance (that is, the average resistance) of the resistors connected in series to the sensor element TS (that is, The comparison resistance Rc ′) changes according to the temperature of the sensor element TS.

【0043】以上説明したように、本実施例の空燃比検
出装置によれば、センサ素子TSの温度が目標温度(7
00℃)となるようにヒータHTの通電制御を行うだけ
でなく、ヒータ抵抗RH から比較抵抗制御のためのデュ
ーティ比DT を求め、そのデューティ比DT に応じた制
御信号PWM2にてトランジスタTR1をON・OFF
(パルス幅変調制御)することにより、センサ素子TS
に直列接続される比較抵抗Rc′を制御するようにされ
ている。
As described above, according to the air-fuel ratio detecting apparatus of this embodiment, the temperature of the sensor element TS is the target temperature (7
Not only the energization of the heater HT is controlled so that the temperature becomes 00 ° C.), the duty ratio DT for the comparative resistance control is obtained from the heater resistance RH, and the transistor TR1 is turned on by the control signal PWM2 according to the duty ratio DT.・ OFF
By performing (pulse width modulation control), the sensor element TS
It is adapted to control a comparison resistor Rc 'which is connected in series with the.

【0044】このため、本実施例によれば、例えば、セ
ンサ素子TSに直列接続される抵抗器を基準抵抗器Rc
に固定した場合(図9に点線で示す)のように、LPF
6aを介してCPU8に入力される検出信号Vsが、空
燃比が空気過剰率λ=1の理論空燃比となっているにも
かかわらず、センサ素子TSの目標温度(700℃)か
らの温度上昇に伴い、リーン側の値に変化するようなこ
とはなく、図9に実線で示すように、検出信号Vsを、
センサ素子TSの温度変化に影響されることなく、常に
排気中の酸素濃度(空燃比)に対応した値にすることが
できる。従って、本実施例によれば、CPU8におい
て、内燃機関の空燃比制御を、センサ素子TSの温度に
影響されることなく、常に高精度で実行することができ
る。
Therefore, according to the present embodiment, for example, a resistor connected in series with the sensor element TS is a reference resistor Rc.
As shown in the dotted line in Figure 9, the LPF
The detection signal Vs input to the CPU 8 via 6a raises the temperature from the target temperature (700 ° C.) of the sensor element TS even though the air-fuel ratio is the theoretical air-fuel ratio with the excess air ratio λ = 1. Accordingly, the value on the lean side does not change, and as shown by the solid line in FIG.
The value can always be set to a value corresponding to the oxygen concentration (air-fuel ratio) in the exhaust gas without being affected by the temperature change of the sensor element TS. Therefore, according to this embodiment, the CPU 8 can always execute the air-fuel ratio control of the internal combustion engine with high accuracy without being affected by the temperature of the sensor element TS.

【0045】また本実施例では、比較抵抗制御を、セン
サ素子TSの温度に対応したヒータ抵抗RH に基づき行
うので、比較抵抗Rc′をセンサ素子TSの温度変化に
対して応答遅れなく制御できる。そして、特に、本実施
例では、この比較抵抗制御を、目標温度(700℃)よ
りも低い温度(650℃)以上の領域で行うようにして
いるので、センサ素子TSが目標温度以上となってヒー
タHTの通電制御では検出信号Vsを温度補償できなく
なった領域だけでなく、センサ素子TSが一時的に目標
温度を下回った場合にでも、比較抵抗制御によって検出
信号Vsを温度補償することができる。
Further, in this embodiment, since the comparative resistance control is performed based on the heater resistance RH corresponding to the temperature of the sensor element TS, the comparative resistance Rc 'can be controlled with respect to the temperature change of the sensor element TS without a response delay. In particular, in the present embodiment, since the comparative resistance control is performed in the temperature range (650 ° C.) lower than the target temperature (700 ° C.) or higher, the sensor element TS becomes the target temperature or higher. The detection signal Vs can be temperature-compensated by the comparative resistance control not only in the region where the temperature of the detection signal Vs cannot be compensated by the energization control of the heater HT but also when the sensor element TS temporarily falls below the target temperature. .

【0046】従って、本実施例によれば、図10に点線
で示す如く、内燃機関の加速時や減速時等の過渡運転時
に生じるセンサ素子TSの急激な温度変化によって、検
出信号Vsがリッチ又はリーン側に大きく変化するよう
なことはなく、図10に実線で示すように、こうしたセ
ンサ素子TSの過渡的な温度変化があっても、検出信号
Vsを実際の酸素濃度(空燃比)に対応させることがで
きる。
Therefore, according to the present embodiment, as shown by the dotted line in FIG. 10, the detection signal Vs is rich or abrupt due to a rapid temperature change of the sensor element TS that occurs during transient operation such as acceleration or deceleration of the internal combustion engine. There is no large change to the lean side, and as shown by the solid line in FIG. 10, even if there is a transient temperature change of the sensor element TS, the detection signal Vs corresponds to the actual oxygen concentration (air-fuel ratio). Can be made.

【0047】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種
々の態様をとることができる。例えば、上記実施例で
は、自動車用内燃機関の排気中の酸素濃度から空燃比を
検出する空燃比検出装置について説明したが、本発明
は、チタニア等の温度依存正を有する抵抗体からなるセ
ンサ素子を用いて酸素濃度を検出する抵抗値検出型の酸
素濃度検出装置であれば、上記実施例と同様に適用し
て、同様の効果を得ることができる。
Although one embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can take various modes. For example, in the above embodiment, the air-fuel ratio detection device for detecting the air-fuel ratio from the oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine for automobiles has been described, but the present invention is a sensor element made of a resistor having a positive temperature dependence such as titania. If it is a resistance value detection type oxygen concentration detecting device that detects the oxygen concentration using, the same effect can be obtained by applying it in the same manner as the above-mentioned embodiment.

【0048】また例えば、上記実施例では、基準抵抗器
Rcをセンサ素子TSのグランド側に設け、補正抵抗器
RA を所謂ローサイドスイッチとして機能するスイッチ
ング素子(トランジスタTR1)にて基準抵抗器Rcに
並列接続するようにした検出回路6を用いるようにした
が、例えば、図11に示す如く、基準抵抗器Rcをセン
サ素子TSの電源側に設け、これに補正抵抗器RA を並
列接続するように構成した検出回路30を用いても、上
記実施例と同様の効果を得ることができる。
Further, for example, in the above embodiment, the reference resistor Rc is provided on the ground side of the sensor element TS, and the correction resistor RA is connected in parallel with the reference resistor Rc by a switching element (transistor TR1) which functions as a so-called low side switch. Although the detection circuit 6 that is connected is used, for example, as shown in FIG. 11, the reference resistor Rc is provided on the power source side of the sensor element TS, and the correction resistor RA is connected in parallel to this. Even if the detection circuit 30 described above is used, the same effect as that of the above embodiment can be obtained.

【0049】即ち、この検出回路30は、図示しない定
電圧回路からの出力電圧Vcを基準抵抗器Rcを介して
センサ素子TSの一端に印加し、センサ素子TSの他端
を直接接地することにより、センサ素子TSに電流を流
すように構成され、センサ素子TSと基準抵抗器Rcと
の接続点には、図1の検出回路6と同様、その接続点電
圧をフィルタ処理して検出信号Vsを生成するLPF3
0aが接続されている。また、センサ素子TSと基準抵
抗器Rcとの接続点には、補正抵抗器RA の一端が接続
され、この補正抵抗器RA の他端には、エミッタが電源
ラインに接続されたPNP型のトランジスタTR12の
コレクタが接続されている。そして、このトランジスタ
TR12のベース−エミッタ間には抵抗器R14が接続
され、更にこのトランジスタTR12のベースには、抵
抗器R13を介してNPN型のトランジスタTR11の
コレクタが接続されている。このトランジスタTR11
は、CPU8からの制御信号PWM2によりON・OF
Fし、そのON時に、トランジスタTR12のベース電
流を流して、トランジスタTR12をONするためのも
のであり、そのエミッタは接地され、ベースは抵抗器R
11を介してCPU8の制御信号PWM2出力ポートに
接続されると共に抵抗器R12を介して接地されてい
る。
That is, the detection circuit 30 applies the output voltage Vc from a constant voltage circuit (not shown) to one end of the sensor element TS via the reference resistor Rc, and directly grounds the other end of the sensor element TS. , A current is passed through the sensor element TS, and at the connection point between the sensor element TS and the reference resistor Rc, as in the detection circuit 6 of FIG. LPF3 to generate
0a is connected. Further, one end of the correction resistor RA is connected to the connection point between the sensor element TS and the reference resistor Rc, and the other end of the correction resistor RA is connected to the power line with its emitter connected to a PNP type transistor. The collector of TR12 is connected. A resistor R14 is connected between the base and emitter of the transistor TR12, and the base of the transistor TR12 is connected to the collector of an NPN transistor TR11 via a resistor R13. This transistor TR11
Is turned on / off by the control signal PWM2 from the CPU8.
F is for turning on the transistor TR12 by turning on the base current of the transistor TR12 when it is turned on. Its emitter is grounded and its base is a resistor R.
It is connected to the control signal PWM2 output port of the CPU 8 via 11 and is grounded via the resistor R12.

【0050】従って、このように構成された検出回路3
0においても、CPU8から出力される制御信号PWM
2に応じて、基準抵抗器Rcに補正抵抗器RA を並列接
続することができ、センサ素子TSに直列接続される抵
抗器の平均(比較抵抗Rc′)を制御することができ
る。そして、検出信号Vsは、センサ素子TSと基準抵
抗器Rcとの接続点電圧を、LPF30aにてフィルタ
処理することにより生成されるため、トランジスタTR
12のスイッチングにより脈動することは少ない。この
ため、この検出回路30を用いても、制御信号PWM2
を上記実施例と同様に生成することにより、上記実施例
と同様の効果を得ることができるようになるのである。
Therefore, the detection circuit 3 thus constructed
Even at 0, the control signal PWM output from the CPU 8
According to 2, the correction resistor RA can be connected in parallel to the reference resistor Rc, and the average of the resistors (comparison resistance Rc ') connected in series to the sensor element TS can be controlled. Since the detection signal Vs is generated by filtering the connection point voltage between the sensor element TS and the reference resistor Rc with the LPF 30a, the transistor TR is generated.
There is little pulsation due to 12 switching. Therefore, even if this detection circuit 30 is used, the control signal PWM2
Is generated in the same manner as in the above embodiment, it is possible to obtain the same effect as in the above embodiment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 ヒータ通電及び空燃比検出を行う実施例の制
御装置全体の構成を表わす概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an overall configuration of a control device of an embodiment that performs heater energization and air-fuel ratio detection.

【図2】 実施例の検出素子部の構成を表わす分解斜視
図である。
FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating a configuration of a detection element unit according to an embodiment.

【図3】 ヒータ制御のための制御信号PWM1を表わ
す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a control signal PWM1 for controlling a heater.

【図4】 比較抵抗制御のための制御信号PWM2を表
わす説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a control signal PWM2 for comparison resistance control.

【図5】 制御信号PWM2と比較抵抗Rc′との関係
を表わす説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a relationship between a control signal PWM2 and a comparison resistance Rc ′.

【図6】 CPUにて実行される制御処理を表わすフロ
ーチャートである。
FIG. 6 is a flowchart showing a control process executed by a CPU.

【図7】 ヒータ抵抗から制御信号PWM2のデューテ
ィ比DT を設定するのに使用されるマップを表わす説明
図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a map used to set the duty ratio DT of the control signal PWM2 from the heater resistance.

【図8】 センサ素子の温度変化に対応する素子抵抗の
変化を表わす説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing changes in element resistance corresponding to changes in temperature of the sensor element.

【図9】 センサ素子の温度変化に対する検出信号の変
化を表わす説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing changes in the detection signal with respect to changes in the temperature of the sensor element.

【図10】 内燃機関の過渡運転時の検出信号の変化を
表わす説明図である。
FIG. 10 is an explanatory diagram showing changes in a detection signal during transient operation of the internal combustion engine.

【図11】 検出回路の他の構成例を説明する電気回路
図である。
FIG. 11 is an electric circuit diagram illustrating another configuration example of the detection circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…検出素子部 HT…ヒータ TS…センサ素子 4…ヒータ通電回路 4a…半導体スイッチ RSH
…検出抵抗器 6,30…検出回路 Rc…基準抵抗器 RA …補
正抵抗器 TR1,TR12…トランジスタ(スイッチング素子) 6a,30a…ローパスフィルタ(LPF) 8…中
央処理装置(CPU) 10,18…電気絶縁性部材 12…電極パターン 16…発熱抵抗体パターン 20…金属酸化物半導体
2 ... Detection element HT ... Heater TS ... Sensor element 4 ... Heater energizing circuit 4a ... Semiconductor switch RSH
Detecting resistor 6, 30 Detecting circuit Rc Reference resistor RA Compensating resistor TR1, TR12 Transistor (switching element) 6a, 30a Low pass filter (LPF) 8 Central processing unit (CPU) 10, 18 Electrically insulating member 12 ... Electrode pattern 16 ... Heating resistor pattern 20 ... Metal oxide semiconductor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−49818(JP,A) 特開 平3−180748(JP,A) 特開 平1−267449(JP,A) 特開 平5−288711(JP,A) 特開 昭55−2932(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/12 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) Reference JP-A-9-49818 (JP, A) JP-A-3-180748 (JP, A) JP-A-1-267449 (JP, A) JP-A-5- 288711 (JP, A) JP 55-2932 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 27/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 負の温度係数を有し、周囲雰囲気中の酸
素濃度に応じて抵抗値が変化するセンサ素子と、正の温
度係数を有し、該センサ素子を加熱するヒータとを、同
一基板上に積層してなる検出素子部と、 前記ヒータの抵抗値を検出し、該抵抗値が所定の目標温
度に対応した所定値となるように前記ヒータの通電電流
を制御して、前記検出素子部を目標温度に制御するヒー
タ制御手段と、 前記センサ素子に直列接続された基準抵抗器と、該セン
サ素子と基準抵抗器との直列回路に直流電圧を印加する
定電圧源とを備え、該センサ素子と基準抵抗器との接続
点電圧を、酸素濃度を表わす検出信号として出力する検
出手段と、 を備えた酸素濃度検出装置において、 前記検出手段の基準抵抗器に補正抵抗器を並列接続する
スイッチング素子と、 該スイッチング素子を、所定デューティ比のパルス幅変
調信号にてON・OFF制御するPWM制御手段と、 前記ヒータ制御手段にて検出された前記ヒータの抵抗値
に基づき、該抵抗値が高くなるほど前記スイッチング素
子のON時間が長くなるよう、前記パルス幅変調信号の
デューティ比を設定するデューティ比設定手段と、 前記パルス幅変調信号の周波数よりも低いカットオフ周
波数を有し、前記検出手段から出力される検出信号を信
号処理するローパスフィルタと、 を設けたことを特徴とする酸素濃度検出装置。
1. A sensor element which has a negative temperature coefficient and whose resistance value changes in accordance with the oxygen concentration in the ambient atmosphere, and a heater which has a positive temperature coefficient and heats the sensor element are the same. The detection element unit laminated on the substrate and the resistance value of the heater are detected, and the energization current of the heater is controlled so that the resistance value becomes a predetermined value corresponding to a predetermined target temperature, and the detection is performed. A heater control means for controlling the element part to a target temperature, a reference resistor connected in series with the sensor element, and a constant voltage source for applying a DC voltage to a series circuit of the sensor element and the reference resistor, An oxygen concentration detecting device comprising: a detection unit that outputs a connection point voltage between the sensor element and the reference resistor as a detection signal indicating the oxygen concentration, wherein a correction resistor is connected in parallel to the reference resistor of the detection unit. Switching element to Based on a resistance value of the heater detected by the heater control means, a PWM control means for controlling ON / OFF of the switching element with a pulse width modulation signal having a predetermined duty ratio, and the switching element increases as the resistance value increases. Of duty ratio setting means for setting the duty ratio of the pulse width modulation signal so as to increase the ON time of the detection signal, and a detection signal output from the detection means having a cutoff frequency lower than the frequency of the pulse width modulation signal. An oxygen concentration detection device comprising: a low-pass filter that processes a signal.
【請求項2】 前記デューティ比設定手段は、前記ヒー
タの抵抗値が、前記目標温度よりも所定温度だけ低い温
度に対応した抵抗値以上であるときに、該抵抗値に応じ
て前記デューティ比を設定することを特徴とする請求項
1に記載の酸素濃度検出装置。
2. The duty ratio setting means sets the duty ratio according to the resistance value when the resistance value of the heater is equal to or higher than a resistance value corresponding to a temperature lower than the target temperature by a predetermined temperature. The oxygen concentration detection device according to claim 1, wherein the oxygen concentration detection device is set.
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