JP3800068B2 - ガス濃度センサのヒータ制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス濃度センサのヒータ制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車用エンジンにおいては、一般にＡ／Ｆセンサ等のガス濃度センサによる検出結果に基づき空燃比制御が実施される。ガス濃度センサはジルコニア製の固体電解質体を用いたセンサ素子を有し、このセンサ素子により空燃比（酸素濃度）を精度良く検出するにはセンサ素子の温度を所定の活性温度に維持する必要がある。通常は同センサにヒータを内蔵しヒータの通電量（デューティ比）を制御している。こうしたヒータ制御の手法として、例えばヒータへの供給電力を制御したり、センサ素子の温度を所定の活性温度にフィードバック制御したりするものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来既存の技術では、例えばエンジンの低温始動時にセンサ素子を冷間状態から昇温させる際において、いち早く昇温させることが望まれるものの、その反面、センサ素子を急速に昇温させると、素子割れ、ヒータ割れ、素子とヒータとの接合面の剥離などの不具合を生じるおそれがあった。
【０００４】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制することができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明では、昇温時ヒータ制御手段は、センサ素子を活性温度に昇温する昇温時において、所定デューティ比で設定した制御ベース値によりヒータ通電を制御する。この場合特に、前記制御ベース値でヒータ通電を制御する場合の通電時間に対するヒータ電力の変化を電力プロフィールとして予め規定しておき、この電力プロフィールを用いてヒータ通電を制御する。
【０００６】
要するに、センサ素子の昇温時には早期活性化を図るべく所定デューティ比（例えば１００％）でヒータ通電が行われる。この場合、比較的低温の状態からヒータに多大な電力が供給されると、素子割れ等の不具合が発生することが懸念される。これに対して本発明では、予め規定した電力プロフィールに従いヒータへの供給電力が制御されるので、必要量を超えて電力が過剰供給されることはなく、電力の過剰供給に起因する素子割れ等の不具合が防止できる。これにより、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制するという優れた効果が得られる。
【０００７】
特に、センサ素子の固体電解質体にヒータを積層して配置し、固体電解質体とヒータとを一体化してなる積層型構造のガス濃度センサの場合（請求項１６の場合）、固体電解質体とヒータとが近接して設けられるため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすいが、本発明によれば上記の問題が確実に抑制できる。
【０００８】
前記昇温時ヒータ制御手段としてより具体的には、以下の請求項２〜請求項６に記載したようにヒータ通電を制御すると良く、これらの何れにおいても電力の過剰供給が抑制できる。つまり、
・請求項２の発明では、前記制御ベース値に対し、電力プロフィール上に設定される目標電力とその都度算出されるヒータ電力との関係（例えば、目標電力と算出電力との比）に応じた補正を行い、その補正後のデューティ比によりヒータ通電を制御する。
・請求項３の発明では、前記電力プロフィール上に目標電力を設定し、該目標電力とその都度算出されるヒータ電力との偏差に応じてヒータ通電をフィードバック制御する。
・請求項４の発明では、前記電力プロフィールをマップ化したデータを用い、制御開始からの経過時間又は積算電力に基づいてヒータ通電を制御する。
・請求項５の発明では、前記電力プロフィールにより目標電力を設定し、制御開始からの経過時間と積算電力との関係、又は目標電力とヒータ電力との関係が規定の関係からずれた場合にそのズレ分に応じて目標電力を修正する。
・請求項６の発明では、前記電力プロフィールで規定される電力値以下となるようヒータ通電量を制限する。
【０００９】
また実際には、請求項７に記載したように、デューティ比１００％を制御ベース値として全通電制御を実施する場合に、デューティ比１００％の条件下で規定した電力プロフィールを用いてヒータ通電量を制御すると良い。これにより、素子割れ等の不具合を招くことなく、全通電制御が好適に実施できる。
【００１０】
請求項８に記載の発明では、前記電力プロフィールは、前記ヒータへの印加電圧を所定の基準電圧固定とした条件下で設定したものであるとしている。この場合、電力プロフィールの設定条件としてヒータ印加電圧の条件を加えることで、より信頼性の高いヒータ通電制御が実現できる。また更に、前記基準電圧が通常の使用電圧よりも低い電圧とすることを要件にすれば、ヒータ印加電圧が低くなる分、素子割れ発生までの時間が長くなり、素子割れに対して余裕を持ったヒータ通電制御が実現できる。
【００１１】
また、請求項９に記載の発明では、前記ヒータへの印加電圧を所定の基準電圧固定とした条件下で電力プロフィールを規定し、前記昇温時ヒータ制御手段は、前記制御ベース値に対し、前記基準電圧とその都度検出されるヒータ電圧との関係に応じた補正を行い、その補正後のデューティ比によりヒータ通電を制御する。これにより、仮にヒータ電圧が基準電圧からずれたとしても、電力プロフィールを超えて電力が過剰供給されるといった不都合が抑制できる。特に、請求項１０に記載したように、前記制御ベース値に対し、前記基準電圧とその都度検出されるヒータ電圧との比に応じた補正を行うと良い。
【００１２】
上述の各発明では、電力プロフィールを用いてヒータ通電制御を実施する旨説明したが、電力プロフィールに代えて、電流プロフィールを用いてヒータ通電制御を実施することも可能である。つまり、請求項１１に記載の発明では、前記制御ベース値でのヒータ電流の変化を「電流プロフィール」として予め規定し、前記昇温時ヒータ制御手段は、電力プロフィールに代えて、電流プロフィールを用いてヒータ通電を制御する。この場合にも既述の通り、必要量を超えて電力が過剰供給されることはなく、電力の過剰供給に起因する素子割れ等の不具合が防止できる。これにより、センサの昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制するという優れた効果が得られる。
【００１３】
ガス濃度センサが車載エンジンの排ガス成分を検出するセンサであり、センサ内蔵のヒータに車載バッテリが接続される場合、車載バッテリの電圧が変動すると、ヒータへの供給電力が前記電力プロフィールから外れてしまうことが考えられる。この場合、請求項１２に記載したように、車載バッテリの電圧変動に応じたガード値により制御デューティ比を制限すれば、バッテリ電圧の変動時に電力プロフィールを超えて電力が過剰供給されるといった不都合が抑制できる。
【００１４】
請求項１３に記載の発明では、前記昇温時ヒータ制御手段による昇温時ヒータ制御の開始当初において、ヒータの初期抵抗値を算出し、その初期抵抗値に応じて昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御時間を設定する。つまり、例えばガス濃度センサが極低温状態にあり、ヒータ抵抗が小さい場合には、素子割れ発生の可能性が高いため昇温制御時間を短くする。こうした制御により、素子割れ等、不具合の発生がより一層確実に抑制できる。
【００１５】
また、請求項１４に記載の発明では、前記昇温時ヒータ制御手段による昇温時ヒータ制御の開始当初において、前記ヒータへの印加電圧が基準電圧よりも低いほど、昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御時間を長くする。これにより、ヒータ電圧が低い場合にも良好なるセンサ昇温特性が得られるようになる。
【００１６】
請求項１５に記載の発明では、前記ガス濃度センサの始動後であり且つ、センサ素子又はヒータの抵抗値に応じてヒータ通電量を制御する前の少なくとも一定の期間において、前記昇温時ヒータ制御手段によるヒータ通電を実施する。これにより、センサ始動直後においてセンサの早期活性化の効果と素子割れ防止の効果とが両立できるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を空燃比検出装置として具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載されるガソリンエンジンに適用されるものであって、空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果を基にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比にて制御する。また、空燃比制御装置においては、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の検出結果を用い排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出することとしており、該Ａ／Ｆセンサを活性状態に保つべく、素子インピーダンスを検出すると共にセンサ内蔵のヒータを通電制御する。以下、詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す全体構成図である。図１において、空燃比検出装置１５は、その内部演算の中枢をなすマイクロコンピュータ（以下、マイコン２０という）を備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのエンジン制御ＥＣＵ１６に対して相互に通信可能に接続されている。Ａ／Ｆセンサ３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられており、マイコン２０から指令される電圧の印加に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。
【００１９】
マイコン２０は、各種の演算処理を実行するための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御回路２４やヒータ制御回路２６を制御する。マイコン２０は、バッテリ電源＋Ｂの給電を受けて動作する。
【００２０】
次に、Ａ／Ｆセンサ３０の全体構成を図２を用いて説明する。図２に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１を有し、そのハウジング３１の下側開口部には、有底二重構造をなす素子カバー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、長板状のセンサ素子５０の先端（図の下端）が配設されている。素子カバー３２は、排ガスをカバー内部に取り込むための複数の排ガス口３２ａを有しており、ここから排ガスが導入されて素子カバー３２内部が排ガス雰囲気となる。
【００２１】
絶縁部材３３には積層型のセンサ素子５０が挿通されており、絶縁部材３３とセンサ素子５０との間はガラス封止材４１にて封止固定されている。また、絶縁部材３３の上方には別の絶縁部材３４が設けられ、その絶縁部材３４内部においてセンサ素子５０と４本のリード線３５とが接続されている。すなわち、センサ素子５０はヒータ内蔵素子であり、該センサ素子５０に対してセンサ出力取出し用の２本のリード線及びヒータ通電用の２本のリード線、合計４本のリード線３５が接続されている。リード線３５は、コネクタ部３６を介して外部信号線３７に接続されている。
【００２２】
ハウジング３１の上端には本体カバー３８が溶接されている。また、本体カバー３８の上方にはダストカバー３９が取り付けられ、これら本体カバー３８及びダストカバー３９の二重構造によりセンサ上部が保護される。なお、本体カバー３８及びダストカバー３９の間には撥水フィルタ４０が設けられている。また、各カバー３８，３９には、カバー内部に大気を取り込むための複数の大気口３８ａ，３９ａが設けられている。
【００２３】
次に、センサ素子５０の要部構成を図３を用いて説明する。センサ素子５０において、部分安定化ジルコニアよりなる酸素イオン導電性の固体電解質体５１は長方形板状をなしており、その一方の面には排ガス側電極５２が設けられ、他方の面には基準ガス室６５と対面する基準ガス側電極５３が設けられている。固体電解質体５１には、気孔率１０％程度のアルミナセラミックよりなる多孔質拡散抵抗層５４と、緻密でガスシール性のアルミナセラミックよりなるガス遮蔽層５５とが積層されている。
【００２４】
また、固体電解質体５１には、電気絶縁性を有し且つ緻密でガスを透過させないアルミナセラミックよりなるスペーサ６４が積層されており、スペーサ６４には、基準ガス室６５として機能する溝部６４ａが設けられている。また、スペーサ６４にはヒータ基板６６が積層され、そのヒータ基板６６に、通電により発熱するヒータ（発熱体）６７が設けられている。
【００２５】
前記図１の説明に戻る。図１において、Ａ／Ｆセンサ３０（センサ素子５０）に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒはマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。そして、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃはバイアス制御回路２４に入力される。バイアス制御回路２４では、Ａ／Ｆ検出時には所定の印加電圧特性に基づきその時々のＡ／Ｆ値に対応した電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印加され、素子インピーダンス検出時には所定周波数信号よりなる単発的で且つ所定の時定数を持った電圧がＡ／Ｆセンサ３０に印加されるようになっている。
【００２６】
バイアス制御回路２４内の電流検出回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧印加時にそれに伴って流れる電流値を検出する。電流検出回路２５にて検出された電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。センサ素子５０に設けられたヒータ６７は、ヒータ制御回路２６によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路２６は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子インピーダンスに応じてヒータ６７への通電をデューティ制御する。
【００２７】
図４は、ヒータ制御回路２６の構成を示す回路図である。図４において、ヒータ６７の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端はトランジスタ２６ａのコレクタに接続されている。同トランジスタ２６ａのエミッタはヒータ電流検出用抵抗２６ｂを介して接地されている。ヒータ電圧Ｖｈはヒータ６７の両端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２６ｃ並びにＡ／Ｄ変換器２７を介してマイコン２０に入力される。また、ヒータ電流Ｉｈはヒータ電流検出用抵抗２６ｂの両端電位差により検出され、その検出結果はオペアンプ２６ｄ並びにＡ／Ｄ変換器２８を介してマイコン２０に入力される。
【００２８】
次に、上記の如く構成される空燃比検出装置１５の作用を説明する。
図５は、マイコン２０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン２０への電源投入に伴い起動される。
【００２９】
図５において、先ずステップ１００では、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ値の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にステップ１１０に進み、Ａ／Ｆ値の検出処理を実施する。すなわち、その時々のセンサ電流に応じた印加電圧を設定すると共に、その電圧をＡ／Ｆセンサ３０のセンサ素子５０に印加し、その時のセンサ電流を電流検出回路２５により検出する。そして、該検出したセンサ電流をＡ／Ｆ値に変換する。
【００３０】
Ａ／Ｆ値の検出後、ステップ１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステップ１３０で素子インピーダンスＺＡＣを検出すると共に、続くステップ１４０でヒータ通電制御を実施する。素子インピーダンスＺＡＣの検出処理、ヒータ通電制御については後で詳しく説明する。
【００３１】
次に、前記図５のステップ１３０における素子インピーダンスＺＡＣの検出手順を図６を用いて説明する。なお本実施の形態では、素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、掃引法を用いていわゆる「交流インピーダンス」を求めることとしている。
【００３２】
図６において、先ずステップ１３１では、バイアス指令信号Ｖｒを操作し、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電圧を正側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で単発的に変化させる。その後、ステップ１３２では、その時の電圧変化量ΔＶと電流検出回路２５により検出されたセンサ電流の変化量ΔＩとを読み取る。また、続くステップ１３３では、前記ΔＶ値及びΔＩ値から素子インピーダンスＺＡＣを算出し（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図５のルーチンに戻る。
【００３３】
上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２２並びにバイアス制御回路２４を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加される。その結果、図８に示すように、当該電圧の印加からｔ時間経過後にピーク電流ΔＩ（電流変化量）が検出され、その時の電圧変化量ΔＶとピーク電流ΔＩとから素子インピーダンスＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、信頼性の高い素子インピーダンスＺＡＣが検出できる。上記の如く求められる素子インピーダンスＺＡＣは、素子温に対して図９に示す関係を有する。すなわち、素子温が低いほど、素子インピーダンスＺＡＣは飛躍的に大きくなる。
【００３４】
ところで、本実施の形態では、センサ素子５０の昇温特性を改善し、且つセンサ素子５０の割れを防止すべく、予め規定された電力プロフィールに沿ってヒータ通電を制御することを要旨としており、その通電制御の概要をここで説明する。
【００３５】
つまり、ヒータ６７に印加される電圧を所定の基準電圧（例えば１３Ｖ固定）とし、所定のデューティ比で設定した制御ベース値によりヒータ通電を制御する場合を考える。図１０は、（ａ）ヒータ電力、（ｂ）ヒータ電流、（ｃ）ヒータ抵抗の変化を各々示すタイムチャートである。図１０において、通電時間の経過に伴いヒータ温度が例えば常温付近から上昇し、それと共にヒータ抵抗が上昇する。そのため、ヒータ電流が次第に減少すると共に、ヒータ電力が減少する。
【００３６】
ここで、「Ｐ１」は、デューティ比１００％とした時の電力プロフィールであり、デューティ比１００％でヒータ通電制御を実施する場合（全通電制御を実施する場合）には、この電力プロフィールＰ１に沿ってヒータ６７への供給電力が制御される。これにより、ヒータ６７に対して電力が過剰供給されることはなく、電力の過剰供給に起因する素子割れ等の不具合が防止できるようになっている。なお、「Ｐ２」は、デューティ比８０％とした時の電力プロフィールであり、デューティ比８０％でヒータ通電制御を実施する場合には、この電力プロフィールＰ２に沿ってヒータ６７への供給電力が制御されるようになっている。
【００３７】
次に、前記図５のステップ１４０におけるヒータ通電の制御手順を図７を用いて説明する。
図７において、先ずステップ１４１では、昇温時ヒータ制御の実施条件を判定し、昇温時ヒータ制御（ステップ１４２以降）を実施するか、或いは素子インピーダンスのＦ／Ｂ制御（ステップ１４６以降）を実施するかを判別する。ここで、昇温時ヒータ制御の実施条件としては、
・素子インピーダンスＺＡＣが所定の判定値（例えば、５０Ω）以上であること、
・後述する昇温制御時間Ｔｚに達していないこと、
などがある。例えば、エンジン始動直後であり未だ暖機途中である場合には、素子インピーダンスＺＡＣが大きく、昇温時ヒータ制御を行う旨が判別される（ステップ１４１がＹＥＳ）。
【００３８】
ステップ１４１がＹＥＳの場合、ステップ１４２以降の処理において昇温時ヒータ制御を実施する。この昇温時ヒータ制御では基本的に、制御ベース値＝デューティ比１００％の全通電制御が実施され、その際、前記図１０（ａ）の電力プロフィールＰ１に沿ってヒータ電力が推移するよう、デューティ比Ｄｕｔｙが適宜補正される。
【００３９】
以下詳述すれば、ステップ１４２では、昇温時ヒータ制御の初回時であるか否かを判別し、初回であればステップ１４３に進む。ステップ１４３では、ヒータ制御回路２６にて計測されるヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとを読み込み、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉを算出する（Ｒｈｉ＝Ｖｈ／Ｉｈ）。また、続くステップ１４４では、例えば図１１（ａ）の関係を用い、昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御時間Ｔｚを算出する。図１１（ａ）によれば、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉが小さいほど、すなわちヒータ６７（センサ素子５０）が低温であるほど短い昇温制御時間Ｔｚが設定され、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉが大きいほど、すなわちヒータ６７（センサ素子５０）が高温であるほど長い昇温制御時間Ｔｚが設定される。
【００４０】
図１１（ａ）に代えて、図１１（ｂ），（ｃ）の関係を用いて昇温制御時間Ｔｚを設定しても良い。図１１（ｂ）の関係を用いる場合、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉに代えて、ヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとからヒータ６７の初期電力が算出される。そして、初期電力に応じて昇温制御時間Ｔｚが設定される。また、図１１（ｃ）の関係を用いる場合、ヒータ電圧Ｖｈに応じて昇温制御時間Ｔｚが設定される。なお、上記図１１（ａ）〜（ｃ）により昇温制御時間Ｔｚを設定する際、図７に示すように初回時のみ昇温制御時間Ｔｚを設定しても良いし、初回時だけでなく複数回にわたって繰り返し昇温制御時間Ｔｚを設定をしても良い。また、図１１（ｃ）の横軸はバッテリ電圧であっても良い。
【００４１】
また、ステップ１４５では、ヒータ通電のための制御デューティ比Ｄｕｔｙ（昇温時Ｄｕｔｙ）を算出する。このとき、制御ベース値であるデューティ比１００％に対し、電力プロフィールＰ１上に設定される目標電力とその都度算出されるヒータ電力（＝ヒータ電圧Ｖｈ×ヒータ電流Ｉｈ）との比に応じた補正を行い、昇温時Ｄｕｔｙを算出する。より具体的には、図１２（ａ）の関係を用い、目標電力に対するヒータ電力の変動分に応じてＤｕｔｙ補正値を設定する。そして、「１００％×Ｄｕｔｙ補正値」により昇温時Ｄｕｔｙを決定する。この場合、目標電力に対してヒータ電力が大きくなるほど、デューティ比が減少側に補正される。昇温時Ｄｕｔｙの算出後、元の図５の処理に戻る。そして、ヒータ制御回路２６は、上記の昇温時Ｄｕｔｙによりヒータ６７の通電を制御する。
【００４２】
上記ステップ１４５によれば、その都度算出されるヒータ電力が目標電力から変動した場合、その変動分に応じてデューティ比１００％が補正される。これにより、ヒータ６７への供給電力が常に電力プロフィールＰ１に沿って制御されるようになる。
【００４３】
なお、上記ステップ１４５では、
昇温時Ｄｕｔｙ＝目標電力／ヒータ電力（算出値）×１００％
として、昇温時Ｄｕｔｙを算出しても良い。この場合にも電力プロフィールＰ１上の目標電力に対するヒータ電力の変動分が補正され、電力プロフィールＰ１に沿ってヒータ６７への供給電力が制御されるようになる。
【００４４】
上記説明では、目標電力とその都度算出されるヒータ電力との関係に応じて補正を行う旨説明したが、これを変更し、ヒータ基準電圧とその都度検出されるヒータ電圧Ｖｈとの関係に応じた補正を行うようにしても良い。具体的には、図１２（ｂ）の関係を用い、基準電圧に対するヒータ電圧Ｖｈの変動分に応じてＤｕｔｙ補正値を設定する。そして、「１００％×Ｄｕｔｙ補正値」により昇温時Ｄｕｔｙを決定する。或いは、
昇温時Ｄｕｔｙ＝基準電圧^2／ヒータ電圧^2（検出値）×１００％
として、昇温時Ｄｕｔｙを算出しても良い。これら何れの場合にも電力プロフィールＰ１上の目標電力に対するヒータ電力の変動分が補正され、電力プロフィールＰ１に沿ってヒータ６７への供給電力が制御されるようになる。図１２（ｂ）の横軸はバッテリ電圧であっても良い。
【００４５】
一方、ステップ１４１がＮＯの場合、ステップ１４６では、前回処理時の素子インピーダンスＺＡＣを前回値「ＺＡＣ０」とし、続くステップ１４７では、素子インピーダンスの今回値ＺＡＣ（前記図６による検出値）を読み出す。また、ステップ１４８では、下記の数式により比例項Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを算出する。
Ｇｐ＝Ｋｐ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ）
Ｇｉ＝Ｇｉ＋Ｋｉ・（ＺＡＣ−ＺＡＣｒｅｆ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（ＺＡＣ−ＺＡＣ０）
但し、上記各式において、「Ｋｐ」は比例定数、「Ｋｉ」は積分定数、「Ｋｄ」は微分定数を表す。
【００４６】
そして、ステップ１４９では、上記比例項Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを加算して制御デューティ比Ｄｕｔｙを算出し（Ｄｕｔｙ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、その後元の図５の処理に戻る。なお本実施の形態では、ステップ１４５が特許請求の範囲に記載の「昇温時ヒータ制御手段」に相当する。
【００４７】
上記の如くヒータ通電制御が実施される様子を図１３のタイムチャートに示す。図１３では、タイミングｔ１において、初期ヒータ抵抗Ｒｈｉに応じて昇温制御時間Ｔｚが設定され、その昇温制御時間Ｔｚが経過するまでのｔ１〜ｔ２の期間で昇温時ヒータ制御が実施される。このとき、基本的にはＤｕｔｙ＝１００％の全通電制御が実施され、その際、電力プロフィールＰ１上の目標電力からヒータ電力が変動すれば、その分Ｄｕｔｙ（１００％）が補正される。なおヒータ電力を逐次積算した積算電力は図示の如く推移する。また、タイミングｔ２以降は、素子インピーダンスＺＡＣのＦ／Ｂ制御が実施される。
【００４８】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
ヒータ６７に基準電圧を印加し且つデューティ比１００％とした条件下で規定した電力プロフィールを用い、昇温時ヒータ制御（全通電制御）を実施したので、必要量を超えて電力が過剰供給されることはなく、電力の過剰供給に起因する素子割れ等の不具合が防止できる。本実施の形態の装置によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温特性を良好に維持し、且つ素子割れなどの不具合を抑制するという優れた効果が得られる。
【００４９】
かかる場合、電力プロフィールの設定条件である基準電圧が通常の使用電圧（１４Ｖ）よりも低い電圧（例えば１３Ｖ）であれば、ヒータ印加電圧が低くなる分、割れ発生までの時間が長くなり、素子割れに対して余裕を持ったヒータ通電制御が実現できる。
【００５０】
特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０の場合、固体電解質体５１とヒータ６７とが近接して設けられるため、素子割れやヒータ割れなどの問題が生じやすいが、本実施の形態によれば上記の問題が確実に抑制できる。
【００５１】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、図７のステップ１４５において、目標電力に対するヒータ電力の変動分に応じてデューティ比の制御ベース値（１００％）を補正し昇温時Ｄｕｔｙを算出したが、この構成を以下のように変更する。つまり、電力プロフィールＰ１上に設定した目標電力と、昇温時ヒータ制御に際してその都度算出されるヒータ電力との偏差に応じてヒータ通電をＦ／Ｂ制御する。例えば、目標電力とヒータ電力（算出値）との偏差ΔＱを算出すると共に（偏差ΔＱ＝目標電力−ヒータ電力）、本ヒータ制御の比例項（Ｐ項）、積分項（Ｉ項）及び微分項（Ｄ項）を求める。そして、
昇温時Ｄｕｔｙ＝Ｋｐ・ΔＱ＋ΣＫｉ・ΔＱ＋Ｋｄ（ΔＱ−前回ΔＱ）
として昇温時Ｄｕｔｙを算出する。
【００５２】
前記図１０（ａ）の電力プロフィールＰ１を予めマップ化し、マイコン２０に記憶しておくのが望ましく、そのマップ値を用い、制御開始からの経過時間に基づいて昇温時ヒータ制御を実施する。なお因みに、制御開始からの時間経過に対応して積算電力が増加する。そこで、時間に代えて積算電力をパラメータにして電力プロフィールを規定し、積算電力に基づいてヒータ通電を制御しても良い。
【００５３】
ヒータ電圧やヒータ電流の低下すると、それに伴い始動時からの積算電力が減少する場合が考えられる。この場合、制御開始からの経過時間と積算電力との関係が規定の関係からずれるため、そのズレ分に応じて目標電力を修正する。その内容を図１４のタイムチャートを用いて説明する。図１４において、本来は、時間軸（図の横軸）に対して積算電力が図の実線の如く増加し、その際、電力プロフィールＰ１に沿って目標電力が設定される。これに対し、積算電力が図の二点鎖線の如く増加する場合、積算電力の増加が遅れ、例えば積算電力がＡ１値に達するタイミングがｔ１１からｔ１２に遅れる。この場合、センサ素子の昇温性を確保するにはヒータ電力を上昇させる必要があり、タイミングｔ１１でのマップ値（電力プロフィールＰ１上の目標電力Ｂ１）にてヒータ制御を実施する。すなわち、タイミングｔ１２での目標電力を図のＢ２からＢ１に修正する。本構成によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の昇温性が確保でき、早期活性化が可能となる。
【００５４】
また、ヒータ電圧やヒータ電流の低下に伴い目標電力とヒータ電力との関係が規定の関係からずれた場合において、そのズレ分に応じて目標電力を修正する構成としても良い。
【００５５】
また、電力プロフィールＰ１で規定される電力値以下となるようヒータ通電のためのデューティ比を制御する。これは実質上、電力プロフィールＰ１で電力ガードを行うことを意味する。この場合にも、電力の過剰供給が抑制できる。
【００５６】
デューティ比１００％とした時の電力プロフィール（図１０のＰ１）を用いること以外に、例えば、デューティ比８０％とした時の電力プロフィール（図１０のＰ２）を用い、昇温時ヒータ制御を実施する。これは、制御ベース値をデューティ比８０％とし、そのデューティ比８０％で通電制御を実施する場合を想定したものであり、かかる場合、電力プロフィールＰ２に沿ってヒータ６７への供給電力が制御される。
【００５７】
また、所定デューティ比による通電制御（昇温時ヒータ制御）を実施する場合において、その所定デューティ比を変更する構成としても良い。例えば、昇温時ヒータ制御の途中でデューティ比１００％の制御からデューティ比８０％の制御に変更する。この場合には、ヒータ制御の基準となる電力プロフィールをＰ１からＰ２に切り替えるようにする。或いはその逆に、デューティ比８０％（電力プロフィールＰ２）の制御からデューティ比１００％（電力プロフィールＰ１）の制御に変更する。電力プロフィールをＰ２からＰ１に切り替える場合、デューティ比が低から高へ変更されるため、素子低温時の熱衝撃が緩和されるようになる。
【００５８】
一方、電力プロフィールは、Ａ／Ｆセンサと制御機器（空燃比検出装置）とを接続するためのワイヤハーネスによる電圧降下分を考慮して設定されると良い。例えば、ワイヤハーネスが長くなると、それだけ電圧降下が大きくなる。そのため、その電圧降下分だけヒータ電力が増加側にシフトするよう、電力プロフィールを設定しておくと良い。但し、ワイヤハーネスによる電圧降下分だけ昇温時Ｄｕｔｙを補正する構成であっても良い。
【００５９】
基準電圧に対して現在の使用電圧が変動した時、その変動量に応じてヒータ電力のガード値を補正するようにしても良い。この場合、ワイヤハーネスの電圧降下分を考慮してガード値を補正するようにしても良い。
【００６０】
また、ヒータ６７に基準電圧を印加し且つ所定デューティ比（例えば１００％）とした条件下でのヒータ電流の変化を「電流プロフィール」として規定し、前記電力プロフィールに代えて、電流プロフィールを用いてヒータ通電を制御する。この場合、前記図１０（ｂ）に示すように、ヒータ通電開始からの時間の経過に伴いヒータ電流が次第に減少し、その変化が電流プロフィールとして規定される。そして、昇温時ヒータ制御においては、電流プロフィールに沿ってヒータ６７への供給電力が制御される。より具体的には、制御ベース値である所定デューティ比（例えば１００％）に対し、電流プロフィール上に設定される目標電流とその都度検出されるヒータ電流との比に応じた補正が行われ、昇温時Ｄｕｔｙが算出される。例えば、
昇温時Ｄｕｔｙ＝目標電流^2／ヒータ電流（検出値）^2×１００％
として、昇温時Ｄｕｔｙが算出される。この場合、電流プロフィール上の目標電流に対するヒータ電流の変動分が補正され、電流プロフィールに沿ってヒータ６７への供給電力が制御されるようになる。なお、電流プロフィールはマップとして予めマイコン２０に記憶され、制御開始からの経過時間に基づいて目標電流の値が適宜読み出される構成であると良い。
【００６１】
また、電流プロフィール上に設定した目標電流と、昇温時ヒータ制御に際してその都度検出されるヒータ電流との偏差に応じて、ＰＩＤ手法等によりヒータ通電をＦ／Ｂ制御しても良い。更には、電流プロフィール上に設定した電流値以下になるよう、ヒータ通電量（Ｄｕｔｙ）を制限する構成であっても良い。
【００６２】
前記電力プロフィール又は電流プロフィールを規定する際、ヒータへの印加電圧は必ずしも基準電圧固定でなくても良い。仮にヒータ印加電圧（基準電圧）が多少変動しても、ヒータ電力又はヒータ電流の変化は概ねヒータ抵抗の変化に追従する。従って、素子割れ等の不具合が生じない範囲で電力プロフィール又は電流プロフィールが規定できる。電力プロフィール又は電流プロフィールは、要はヒータ通電量（Ｄｕｔｙ）を所定の制御ベース値とした条件下で規定されるものであれば良い。
【００６３】
ガス濃度センサとして、排ガス中の酸素濃度を検出する既述のＡ／Ｆセンサ以外に、例えば、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ、ＨＣ濃度を検出するＨＣセンサ、ＣＯ濃度を検出するＣＯセンサ等が適用できる。その場合、検出セルは複数個有するものであっても良い。更に、排ガス以外のガスを被測定ガスとすることも可能である。ガス濃度検出装置としても、空燃比検出装置以外の適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの全体構成を示す断面図。
【図３】センサ素子の要部断面図。
【図４】ヒータ制御回路の構成を示す回路図。
【図５】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図６】素子インピーダンスの検出手順を示すフローチャート。
【図７】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図８】インピーダンス検出時における電圧変化と電流変化とを示す波形図。
【図９】素子インピーダンスと素子温との関係を示す図。
【図１０】電力プロフィールを説明するためのタイムチャート。
【図１１】昇温制御時間を設定するための図。
【図１２】Ｄｕｔｙ補正値を設定するための図。
【図１３】素子昇温時の動作を示すタイムチャート。
【図１４】素子昇温時の動作を示すタイムチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン、１５…空燃比検出装置、２０…マイコン、３０…Ａ／Ｆセンサ、５０…センサ素子、５１…固体電解質体、６７…ヒータ。

Claims (16)

1. 固体電解質体を用いたセンサ素子と該センサ素子を活性状態に加熱するためのヒータとを有するガス濃度センサと、
   前記センサ素子を活性温度に昇温する昇温時に、所定デューティ比で設定した制御ベース値によりヒータ通電を制御する昇温時ヒータ制御手段とを備え、
   前記制御ベース値でヒータ通電を制御する場合の通電時間に対するヒータ電力の変化を電力プロフィールとして予め規定し、
   前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィールを用いてヒータ通電を制御することを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
2. 前記昇温時ヒータ制御手段は、前記制御ベース値に対し、電力プロフィール上に設定される目標電力とその都度算出されるヒータ電力との関係に応じた補正を行い、その補正後のデューティ比によりヒータ通電を制御する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
3. 前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィール上に目標電力を設定し、該目標電力とその都度算出されるヒータ電力との偏差に応じてヒータ通電をフィードバック制御する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
4. 前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィールをマップ化したデータを用い、制御開始からの経過時間又は積算電力に基づいてヒータ通電を制御する請求項１〜３の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
5. 前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィールにより目標電力を設定し、制御開始からの経過時間と積算電力との関係、又は目標電力とヒータ電力との関係が規定の関係からずれた場合にそのズレ分に応じて目標電力を修正する請求項１〜４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
6. 前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィールで規定される電力値以下となるようヒータ通電量を制限する請求項１〜５の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
7. 前記昇温時ヒータ制御手段は、デューティ比１００％を制御ベース値として全通電制御を実施する場合に、デューティ比１００％の条件下で規定した電力プロフィールを用いてヒータ通電を制御する請求項１〜６の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
8. 前記電力プロフィールは、前記ヒータへの印加電圧を所定の基準電圧固定とした条件下で設定したものである請求項１〜７の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
9. 前記ヒータへの印加電圧を所定の基準電圧固定とした条件下で電力プロフィールを規定し、前記昇温時ヒータ制御手段は、前記制御ベース値に対し、前記基準電圧とその都度検出されるヒータ電圧との関係に応じた補正を行い、その補正後のデューティ比によりヒータ通電を制御する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
10. 請求項９に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置において、前記昇温時ヒータ制御手段は、前記制御ベース値に対し、前記基準電圧とその都度検出されるヒータ電圧との比に応じた補正を行うガス濃度センサのヒータ制御装置。
11. 前記制御ベース値でのヒータ電流の変化を電流プロフィールとして予め規定し、前記昇温時ヒータ制御手段は、前記電力プロフィールに代えて、前記電流プロフィールを用いてヒータ通電を制御する請求項１〜１０の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
12. 前記ガス濃度センサは車載エンジンの排ガス成分を検出するセンサであり、センサ内蔵のヒータに車載バッテリが接続されるヒータ制御装置に適用され、前記昇温時ヒータ制御手段は、車載バッテリの電圧変動に応じたガード値により制御デューティ比を制限する請求項１〜１１の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
13. 前記昇温時ヒータ制御手段による昇温時ヒータ制御の開始当初において、前記ヒータの初期抵抗値を算出し、その初期抵抗値に応じて昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御時間を設定する請求項１〜１２の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
14. 前記昇温時ヒータ制御手段による昇温時ヒータ制御の開始当初において、前記ヒータへの印加電圧が基準電圧よりも低いほど、昇温時ヒータ制御を継続するための昇温制御時間を長くする請求項１〜１２の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
15. 前記ガス濃度センサの始動後であり且つ、センサ素子又はヒータの抵抗値に応じてヒータ通電量を制御する前の少なくとも一定の期間において、前記昇温時ヒータ制御手段によるヒータ通電を実施する請求項１〜１４の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
16. 前記ガス濃度センサはセンサ素子の固体電解質体にヒータを積層して配置し、固体電解質体とヒータとを一体化してなる積層型構造のセンサである請求項１〜１５の何れかに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。

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