JP4071490B2 - ガスセンサの温度制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性化温度以上になることで特定ガスを検出可能となるガス検出部を有するガスセンサにおいて、電力供給によって発熱するヒータを用いて加熱することで、ガス検出部の温度を活性化温度よりも高温の常用温度に維持するためのガスセンサの温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、所定の活性化温度以上となることで特定ガスの検出が可能となるガスセンサが知られており、このようなガスセンサは、起動した後、早期に特定ガスの検出が可能な状態（活性化状態）となるように、ヒータが備えられている。なお、活性化温度以上になることで特定ガスの検出が可能となるガスセンサとしては、例えば、全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサ）、ＮＯｘガスセンサ、ＨＣガスセンサなどが挙げられる。
【０００３】
そして、ガスセンサを加熱するためのヒータは、外部からの電力供給により発熱するものが多く使用されており、このようなヒータは、印加電圧の大きさに応じて発熱量を制御することができる。
また、ガスセンサは、例えば、内燃機関などに備えられて排気ガス中の特定ガス検出などに使用されるが、内燃機関の始動後、特定ガス検出が可能となるまでの時間の短縮に対する要求（早期活性化の要求）が高まっている。このため、ガスセンサの起動直後に、ヒータに対して印加可能な最大電圧を印加することで、ガスセンサを迅速に加熱して早期活性化を実現するガスセンサの温度制御方法が知られている。
【０００４】
ここで、従来の温度制御方法の一例として、全領域空燃比センサにおける温度制御処理を、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、図６に示す温度制御処理は、全領域空燃比センサの起動と同時に実行される。
そして、温度制御処理が起動されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）では、ヒータへの印加電圧値となる印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定する。これにより、全領域空燃比センサのヒータに対して１２［Ｖ］の電圧が印加され、ヒータによる全領域空燃比センサの加熱が開始される。
【０００５】
次のＳ１２０では、全領域空燃比センサの温度測定が可能であるか否かを判断しており、肯定判定した場合にはＳ１３０に移行し、否定判定した場合には、Ｓ１４０に移行する。
ここで、全領域空燃比センサのガス検出部として備えられる酸素濃度測定セルの多孔質電極間の抵抗値Ｒｐｖｓと全領域空燃比センサの温度については、図５に示すような相関関係があるが、このような相関関係は、酸素濃度測定セルの温度が所定温度範囲となる場合にのみ有効となる。つまり、酸素濃度測定セルの温度が所定温度以下である場合には、抵抗値Ｒｐｖｓは無限大となり測定できず、抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて酸素濃度測定セルの温度を測定することはできない。このため、酸素濃度測定セルの多孔質電極間の起電力Ｖｓを検出し、起電力Ｖｓが所定電圧以下（例えば、１．７［Ｖ］以下）であるか否かを判断することで、温度測定の可否判断を行っている。つまり、起電力Ｖｓが所定電圧以下である場合に肯定判定し、起電力Ｖｓが所定電圧よりも大きい場合には否定判定するのである。
【０００６】
そして、Ｓ１２０で肯定判定されて、Ｓ１３０に移行すると、Ｓ１３０では、全領域空燃比センサの温度が、全領域空燃比センサの通常使用時の温度として定められた常用温度になるように、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧値を制御するＰＩＤ制御（ＰＩＤコントロール）を行う。なお、Ｓ１３０で実行されるＰＩＤ制御では、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分における比例成分(Proportinal )、積分成分(lntegral)、微分成分(Derivative)を有する演算式ｆ(ΔＲ)に基づいて、全領域空燃比センサの温度が常用温度となるように、ヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定する制御を行っている。そして、Ｓ１３０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
【０００７】
また、Ｓ１２０で否定判定されて、Ｓ１４０に移行すると、Ｓ１４０では、本温度制御処理の起動から、所定時間（例えば、５［sec］ ）が経過したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ１５０に移行し、否定判定されるとＳ１６０に移行する。なお、本温度制御処理では、開始時点においてタイマカウンタＣｔを初期化（Ｃｔに０を設定）しており、Ｓ１４０では、このタイマカウンタＣｔに基づいて所定時間が経過したか否かを判断している。
【０００８】
そして、Ｓ１４０で肯定判定されて、Ｓ１５０に移行すると、Ｓ１５０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１３［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１３［Ｖ］となる。なお、Ｓ１５０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
【０００９】
また、Ｓ１４０で否定判定されて、Ｓ１６０に移行すると、Ｓ１６０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１２［Ｖ］となる。なお、Ｓ１６０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
【００１０】
つまり、図６に示す処理内容の全領域空燃比センサの温度制御処理によれば、全領域空燃比センサの起動直後の所定期間内は、全領域空燃比センサの温度が低く、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定ができないため、Ｓ１２０で否定判定されて、ヒータへの印加電圧は１２［Ｖ］または１３［Ｖ］の固定電圧に設定される。
【００１１】
そして、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定が可能となると、ＰＩＤ制御によりヒータへの印加電圧が設定されることになり、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧値が制御される。このとき、検出した全領域空燃比センサの温度が常用温度よりも低い場合には、ヒータへの印加電圧を高電圧に設定して、全領域空燃比センサの温度を早期に上昇させるような制御が実行される。そして、全領域空燃比センサの温度が常用温度に達した後は、ＰＩＤ制御により、全領域空燃比センサの温度を常用温度に維持するように、ヒータへの印加電圧が制御される。
【００１２】
このようにしてヒータへの印加電圧を制御することで、全領域空燃比センサを早期に活性化することができ、また、全領域空燃比センサの温度を常用温度に維持することができる。
なお、ヒータへの通電開始直後から高電圧（１３［Ｖ］）を印加した場合には、急激な温度上昇による温度分布のばらつきにより熱衝撃が発生して全領域空燃比センサが破損する虞がある。このため、図６に示す温度制御処理では、起動から所定時間を経過するまで（Ｓ１４０で否定判定されるまで）は、ヒータへの印加電圧を低い電圧（１２［Ｖ］）に設定することで、熱衝撃による全領域空燃比センサの破損を防いでいる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の温度制御処理においては、全領域空燃比センサの温度が常用温度よりも高い温度まで上昇するオーバーシュートが発生する場合があり、オーバーシュートが発生すると、ヒータの寿命やセンサ検出精度に悪影響を及ぼす虞がある。
【００１４】
つまり、上述の温度制御処理では、起動したあと温度測定が可能となるまでは、センサの実際の温度によらず一定電圧をヒータに印加し、そのあと、検出した全領域空燃比センサの温度が常用温度になるようにＰＩＤ制御を行っている。
そして、このＰＩＤ制御では、全領域空燃比センサの温度を安定して常用温度に維持するために、最新の差分のみに基づいてヒータへの印加電圧を設定するのではなく、過去一定期間における差分にも基づいてヒータへの印加電圧を設定している。つまり、過去一定期間における差分を用いることで、抵抗値Ｒｐｖｓの検出値がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００１５】
このような制御は、一定温度を継続して維持する温度制御を行う場合には、ノイズなどの影響を抑えて一定温度を維持できるため適しているが、目標温度から離れた温度から目標温度に向けて温度制御を行う場合には、目標温度に達した後も過去一定期間の差分の影響を受けてしまい、ガスセンサの温度が目標温度を超えるオーバーシュートが発生する虞がある点が問題となる。
【００１６】
とりわけ、ヒータからガスセンサに対して熱が伝導するには、ある程度の時間を要することから、検出したガスセンサの温度と目標温度が一致した時点でヒータの発熱量を低下させたとしても、既にその時点でヒータに発生した熱がガスセンサに伝導することで、ガスセンサの温度が必要以上に上昇することになる。
【００１７】
そして、ガスセンサの活性化に用いるヒータにおいては、オーバーシュートが発生してヒータの耐熱温度を超えてしまうと、耐熱温度を上回る高温によりヒータの劣化が生じて、ヒータ自体の寿命が短くなる虞がある。
また、活性化温度以上となることで特定ガスが検出可能となるガスセンサは、センサ出力値に温度依存性があり、温度変化によって出力値が変動してしまう。このため、オーバーシュートが発生して常用温度から逸脱している期間は、常用温度で出力されるセンサ出力とは異なる大きさのセンサ出力が出力されることになり、ガスセンサのセンサ検出精度が低下する虞がある。
【００１８】
そこで、本発明は、ヒータを用いてガスセンサを活性化温度まで加熱するための温度制御方法として、ガスセンサの起動後におけるオーバーシュートの発生を抑制することができるガスセンサの温度制御方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【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に記載の発明方法は、活性化温度以上になることで特定ガスを検出可能となるガス検出部を有するガスセンサにおいて、電力供給によって発熱するヒータを用いて加熱することで、ガス検出部の温度を活性化温度よりも高温の常用温度に維持するためのガスセンサの温度制御方法であって、ヒータへの通電開始後、ガス検出部の温度が、活性化温度から常用温度までの範囲内で設定された第１目標温度に到達するまでは、ガスセンサの早期活性化ができるよう定められた第１電圧を前記ヒータへの印加電圧として設定し、ガス検出部の温度が第１目標温度を超えた後、ヒータへの印加電圧を第１電圧より小さい第２電圧に変更し、ガス検出部の温度が第１目標温度を超えてから常用温度に達するまでは、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ガス検出部の温度が常用温度になるように、ヒータへの印加電圧を増加させる印加電圧増加制御を行い、印加電圧増加制御において、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、第２電圧に第１積分成分値のみを加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定すること、を特徴とするガスセンサの温度制御方法である。
【００２０】
ここで、第１電圧は、ガスセンサの早期活性化を実現するために、ヒータに対して印加可能な範囲の最大電圧値に設定されており、第１電圧が印加された時のヒータは、発熱量が大きくなり、ガスセンサ（詳細にはガス検出部）を速やかに加熱することができる。
【００２１】
そして、本発明方法においては、ガス検出部の温度が常用温度に達する前に、ヒータへの印加電圧を第１電圧から第２電圧に低下させることで、ヒータの発熱量を低下させ、ガスセンサの温度が常用温度を大幅に超えてしまうオーバーシュートの発生を防止している。
【００２２】
よって、本発明方法（請求項１）によれば、ガスセンサの早期活性化を実現しつつ、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができ、ヒータの寿命やガスセンサの検出精度への悪影響を抑えることができる。
なお、ヒータへの印加電圧の切換時期は、ガス検出部の温度が第１目標温度に到達した時点であるが、この第１目標温度を常用温度の近傍の値に設定すると、ヒータ発熱量の低減時期が遅れてしまい、オーバーシュートの抑制が十分ではなくなる。また、第１目標温度を常用温度から離れた値に設定すると、ヒータ発熱量の低減時期が早すぎるために発熱量が不足し、ガス検出部の温度が常用温度に達するまでの時間（ライトオフ時間）が長くなる虞がある。このため、第１目標温度は、オーバーシュートの抑制およびライトオフ時間の短縮を考慮して、適切な値に設定すると良い。
【００２３】
ところで、ヒータへの印加電圧を第１電圧から第２電圧に低下させることで、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを抑制することができるが、印加電圧の低下に伴いヒータの発熱量が必要以上に低下した場合には、ガスセンサの温度上昇が停滞して、ガスセンサを常用温度まで昇温できなくなる虞がある。とりわけ、印加電圧を低下させた後に、ガスセンサの周囲環境がガスセンサの熱を奪うような環境に変化した場合（例えば、被測定ガスの流速が増加した場合等）には、ガスセンサを良好に温度上昇させることが出来ない可能性が高くなる。
【００２４】
なお、常用温度に到達しなくとも、活性化温度を越えたガスセンサは、少なくとも特定ガス濃度に応じたセンサ出力を出力することは可能である。しかし、センサ出力の大きさには温度依存性があることから、常用温度から離れた温度に設定されたガスセンサのセンサ出力は、常用温度時における大きさとは異なる大きさとなるために、検出精度が低下する虞がある。
【００２５】
そこで、本発明方法では、ガス検出部の温度が第１目標温度を超えてから常用温度に達するまでは、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ガス検出部の温度が常用温度になるように、ヒータへの印加電圧を増加させる印加電圧増加制御を行っている。
【００２６】
つまり、ヒータへの印加電圧を一定値に固定するのではなく、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧を増加させることで、ヒータの発熱量を増大させるのである。これにより、ガスセンサの熱が奪われるような周囲環境となる場合でも、ヒータの発熱量が不足するのを防ぐことができ、ガス検出部の温度が確実に常用温度に到達するように、ガスセンサの温度を制御を行うことができる。
【００２７】
よって、本発明方法（請求項１）によれば、ガスセンサの温度上昇が停滞するのを防止でき、ガス検出部の温度を確実に常用温度に到達させることができ、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００２８】
そして、本発明方法では、印加電圧増加制御において、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、第２電圧に第１積分成分値のみを加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する制御を行う。
【００２９】
つまり、過去一定期間における差分の積分値を用いてヒータの印加電圧を設定する場合には、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分の積分値は大きく変動することが無いため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００３０】
また、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分が大きいほど、ガスセンサに供給する熱量は大きく設定する必要があることから、差分に比例した大きさの電圧をヒータに印加することで、ガスセンサの温度を常用温度に近づけることができる。そして、ガスセンサの温度を常用温度まで上昇させるに際してヒータの印加電圧が適切な値となるように第１積分係数を定めておき、差分の積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、第２電圧に第１積分成分値のみを加算した電圧値をヒータへの印加電圧として設定するのである。これにより、ヒータの発熱量が適切に設定されることになり、ガスセンサの温度上昇に必要な熱量をヒータで発生させることが出来る。
【００３１】
よって、本発明方法（請求項１）によれば、ガスセンサの温度上昇が停滞するのを防いで、ガス検出部の温度を確実に常用温度に到達させることができ、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。また、外部からのノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となることからも、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００３２】
なお、ガスセンサの温度が常用温度に達した後も、印加電圧増加制御を継続した場合、ヒータへの印加電圧が過剰に増加してヒータの発熱量が過剰となり、ガスセンサの温度がオーバーシュートする虞がある。このため、常用温度に到達した後のガスセンサにおいては、温度を一定温度に維持するのに適した温度制御を行うことが必要となる。
そして、常用温度に到達した後のガスセンサを一定温度に安定して維持するためには、ノイズなどの影響を抑えることが重要であることから、最新の差分のみに基づいてヒータへの印加電圧を設定するのではなく、過去一定期間における差分にも基づいてヒータへの印加電圧を設定することが好ましい。
【００３３】
しかし、常用温度に到達する前の期間を含む過去一定期間における差分を用いると、ガスセンサ自体は既に常用温度であるにも拘わらず、ガス検出部が常用温度に到達する前の差分を用いることになり、このときの差分が影響して、ヒータへの印加電圧が適切な値よりも大きくなる虞がある。
【００３４】
そこで、上述（請求項１）の発明方法においては、請求項２に記載のように、ヒータへの通電開始後、ガス検出部の温度が最初に常用温度を超えた後は、この時点よりも後に検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ガス検出部の温度を常用温度に維持するようにヒータへの印加電圧を設定する常用運転制御を行うとよい。
【００３５】
つまり、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち、ガス検出部の温度が常用温度に達する前の差分は用いず、ガス検出部の温度が最初に常用温度を超えた後の差分のみを用いて、ヒータへの印加電圧を設定するのである。これにより、印加電圧を設定するに際し、ガス検出部の温度が常用温度に到達する前の期間における差分の影響を受けることがなくなり、ヒータへの印加電圧が不適切な値に設定されるのを防ぐことが出来る。
【００３６】
よって、本発明方法（請求項２）によれば、ガスセンサが常用温度に到達した後に、ヒータへの印加電圧が不適切な値となることで発熱量が過剰となって、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができる。これにより、オーバーシュートの発生に起因してガスセンサの検出精度が低下するのを防ぐことが出来る。
【００３７】
また、上述した常用運転制御の具体的な制御方法としては、例えば、請求項３に記載のように、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち、ヒータへの通電開始後、ガス検出部の温度が最初に常用温度を超えた後における過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値と、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち最新の差分に第２比例係数を乗じた第２比例成分値とを算出し、第２電圧に対して第２積分成分値および第２比例成分値を加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する制御が挙げられる。
【００３８】
この常用運転制御では、ガスセンサの温度を常用温度で一定に維持するに際して、ヒータの印加電圧が適切な値となるように第２積分係数を定めておき、常用温度に到達した後の過去一定期間内における差分の積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値を算出し、第２電圧に第２積分成分値を加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する。
【００３９】
つまり、この常用運転制御は、上述の印加電圧増加制御と同様に、過去一定期間における差分の積分値を用いてヒータへの印加電圧を設定しており、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分の積分値は大きく変動することが無いため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００４０】
また、この常用運転制御では、ガスセンサの温度を常用温度で一定に維持するに際して、ヒータの印加電圧が適切な値となるように第２比例係数を定めておき、最新の差分に第２比例係数を乗じた第２比例成分値を第２電圧に対して加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する。そして、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち最新の差分は、ガスセンサの最新の状態を表す指数であることから、最新の差分を用いることでガスセンサの最新の状態に適した温度制御が可能となる。
【００４１】
そして、この制御では、第２積分成分値および第２比例成分値を第２電圧に加算した電圧値をヒータへの印加電圧として設定していることから、外部からのノイズによる影響を抑えることができると共に、ガスセンサの最新の状態に適した温度制御を実現することが出来る。これにより、ヒータの発熱量が適切に設定されることになり、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができると共に、ガスセンサの温度を常用温度に維持するために必要な熱量をヒータから発生させることが出来る。
【００４２】
よって、本発明方法（請求項３）によれば、ガスセンサが常用温度に到達した後にヒータでの発熱量が過剰となって、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができ、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
なお、ガスセンサの温度が活性化温度を超えた後に、常用温度まで上昇させるにあたりオーバーシュートを防ぐためには、ガスセンサの温度と常用温度との差分に対するガスセンサへの供給熱量を適切に設定することが望ましく、このためには、ヒータへの印加電圧は微小な単位で変化させることが望ましい。これに対して、ガスセンサの温度が常用温度に達した後に、安定して常用温度を維持するためには、温度変化に対する応答性を良好にすることが望ましく、ガスセンサの温度変化に対してガスセンサに供給するべき熱量が不足しないように、ヒータへの印加電圧を設定することが望ましい。
【００４３】
そこで、上述（請求項３）の発明方法においては、請求項４に記載のように、第１積分係数が第２積分係数よりも小さく設定されているとよい。
つまり、印加電圧増加制御においては、第１積分係数の値が小さい値に設定されることとなり、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分の積分値に対して第１積分係数を乗じた第１積分成分値は小さい値となることから、ヒータへの印加電圧が微小単位で設定されることになる。これにより、印加電圧増加制御を実行するに際して、ヒータの発熱量を微小な単位で設定することが可能となり、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことが出来る。
【００４４】
また、常用運転制御においては、第２積分係数が第１積分係数よりも大きい値に設定されており、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分の積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値は大きい値に設定されることになる。これにより、常用運転制御を実行するに際して、温度変化に対するヒータの発熱量が不足するのを防ぐことができ、ガスセンサの温度を安定して常用温度に維持することが出来る。
【００４５】
よって、本発明方法（請求項４）によれば、差分の積分値に対して乗する積分係数の値を、ガスセンサの状態に応じて適切な値に設定することで、各状態に適した電圧値をヒータの印加電圧として設定することが可能となり、ガスセンサの温度を適切に制御することができる。
【００４６】
ところで、ガスセンサの活性化温度は高温（例えば、全領域空燃比センサの活性化温度は６００℃）であり、実使用環境での設定温度である常用温度はさらに高温（たとえば、全領域空燃比センサでは、８００℃）である。そして、起動前のガスセンサは、一般に常温（２５℃程度）になっていることから、起動直後から急激に温度を上昇させた場合、ガスセンサにおける温度分布のばらつきにより熱衝撃が発生してガスセンサが破損する虞がある。
【００４７】
そこで、上述（請求項１から請求項４のいずれか）の発明方法においては、請求項５に記載のように、ヒータへの通電開始直後の一定期間は、第１電圧よりも小さい第３電圧をヒータへの印加電圧として設定し、一定期間の経過後に、第１電圧をヒータへの印加電圧として設定するとよい。
【００４８】
このように、起動直後におけるヒータへの印加電圧を低く設定し、ヒータの発熱量を少なくすることで、ガスセンサにおける温度分布のばらつきを抑えることができ、熱衝撃の発生によるガスセンサの損傷を防ぐことが出来る。
そして、ガスセンサの温度上昇におけるオーバーシュートを抑える制御に加えて、起動直後の熱衝撃の発生を抑える制御を併せて実行することで、より確実にガスセンサの損傷を防止することが出来る。
【００４９】
よって、本発明方法（請求項５）によれば、ガスセンサを起動したあと常用温度で安定するまでの期間において、ガスセンサが損傷してしまうのをより確実に防ぐことが出来る。
そして、上述（請求項１から請求項５のいずれか）の発明方法においては、請求項６に記載のように、ガス検出部が、固体電解質体表面に一対の電極が形成されてなり、一対の電極間における固体電解質体の電気抵抗値に基づき、ガス検出部の温度を検出するとよい。
【００５０】
つまり、一対の電極が形成された固体電解質体は、活性化温度以上となることで、特定ガスの濃度に応じた起電力を発生することから、ガス検出部として使用することができる。また、固体電解質体に形成された一対の電極間の電気抵抗値は、固体電解質体の温度によって変化することから、電極間の電気抵抗値を用いることで、ガス検出部自体の温度を精度良く検出することが可能である。なお、このようにガス検出部自体の温度が検出可能となることで、ガスセンサが活性化状態であるか否かをより正確に判断することが出来る。
【００５１】
また、ガス検出部を加熱するためのヒータは、ガス検出部に隣接して配置されるが、ヒータの熱がガス検出部に伝導するまでにはある程度の時間を要することから、ヒータの温度とガス検出部の温度とは必ずしも一致しない場合がある。このため、ヒータの温度を検出するよりも、電極間の電気抵抗値に基づいてガス検出部そのものの温度検出をすることで、確実にガス検出部を活性化状態に導くことができる。
【００５２】
一方、ヒータの熱がガス検出部に伝導するまでに時間を要することから、ヒータの温度上昇状態とガス検出部の温度上昇状態には、ある程度の差が生じる事になる。そして、ガス検出部の温度を検出してヒータの発熱量を制御する場合、ガス検出部が常用温度に達した時点でヒータへの印加電圧を低下させたとしても、ガス検出部が常用温度に達するまでに既にヒータで発生した熱が伝導することにより、ガス検出部の温度がオーバーシュートする可能性が高くなる。
【００５３】
このため、このようなガス検出部を備えるガスセンサに対して、オーバーシュートを抑制するための上述の本発明方法を適用することで、オーバーシュートによるガスセンサの損傷を抑えることができ、ガスセンサの温度制御を適切に実行することができる。
【００５４】
よって、本発明方法（請求項６）によれば、ガス検出部自体の温度を精度良く検出できるとともに、オーバーシュートによるガスセンサの損傷を抑えることができるため、安定した温度制御を実現することが出来る。
そして、上述（請求項１から請求項６のいずれか）の発明方法においては、請求項７に記載のように、ガスセンサが、全領域空燃比センサであるとよい。
【００５５】
つまり、全領域空燃比センサは、例えば、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するために使用されるが、起動後早期に活性化状態になることが要求されており、オーバーシュートによる破損が発生しやすい用途に使用されている。
また、全領域空燃比センサは、被測定ガス中の酸素濃度に比例したセンサ出力を出力する必要があり、設置環境の温度変化によるセンサ出力の変動が生じる場合には、検出精度が低下してしまう。
【００５６】
このため、上述（請求項１から請求項６のいずれか）の発明方法を適用することで、全領域空燃比センサにおいて、オーバーシュートによる破損を防ぐことができ、また、温度変化による検出精度の低下を防いで、高い検出精度を維持することが出来る。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガスセンサの温度制御方法を適用した実施例として、全領域空燃比センサの温度制御処理を、図面に基づいて説明する。
そして、図１は、全領域空燃比センサ１、全領域空燃比センサに接続されるインターフェース回路３１、全領域空燃比センサ１を加熱するためのセラミックヒータ４１、およびセラミックヒータ４１に接続されるヒータ電圧供給装置４３の接続状態を表す説明図である。なお、ヒータ電圧供給装置４３およびインターフェース回路３１は、全領域空燃比センサ１の起動時に外部から入力されるセンサ起動信号に同期して、それぞれ動作を開始する。
【００５８】
まず、全領域空燃比センサ１は、図１に示すように、固体電解質体１１ａの両側面に多孔質電極１３ａ，１３ｂを有し、酸素（Ｏ2 ）のポンピングを行う酸素ポンプセル１１（以下、Ｉｐセル１１ともいう）と、固体電解質体１５ａの両側面に多孔質電極１７ａ，１７ｂを有し、酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度測定セル１５（以下、Ｖｓセル１５ともいう）と、この酸素ポンプセル１１と酸素濃度測定セル１５との間に設けられて被測定ガスが導入される空間であるガス検出室１９と、被測定ガスをガス検出室１９に導入するための経路に配置されたガス拡散多孔質層２１と、酸素濃度測定セル１５と遮蔽層２３との間に設けられて酸素を溜め込む空間である酸素基準室２５とを備えている。
【００５９】
次に、インターフェース回路３１は、ポンプ電流駆動回路３３と、電圧出力回路３５と、測定電流供給回路３７と、基準電圧比較回路３９とを備えて構成されている。
このうち、測定電流供給回路３７は、酸素濃度測定セル１５に測定電流Ｉrpvs（例えば、１．２２［ｍＡ］）を供給するものであり、電圧出力回路３５は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間に発生する起電力Ｖｓを検出するものである。また、基準電圧比較回路３９は、予め定められた基準電圧（本実施例では４５０［ｍＶ］）を内部に保持しており、電圧出力回路３５にて検出した起電力Ｖｓと基準電圧との比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路３３に通知するものである。そして、ポンプ電流駆動回路３３は、基準電圧比較回路３９から受け取った比較結果に基づいて、酸素ポンプセル１１に流すポンプ電流Ｉｐを制御するものである。
【００６０】
そして、全領域空燃比センサ１のうち、酸素濃度測定セル１５は、ガス検出室１９の内部の雰囲気をモニタするために備えられている。すると、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間には、ガス検出室１９の内部における酸素濃度に応じた起電力Ｖｓが発生する。また、全領域空燃比センサのうち、酸素ポンプセル１１は、ポンプ電流駆動回路３３から供給されるポンプ電流Ｉｐに応じて、ガス検出室１９に対する酸素（Ｏ2 ）の汲み出し又は汲み入れを行う。
【００６１】
つまり、全領域空燃比センサ１では、酸素濃度測定セル１５の起電力Ｖｓが一定値（４５０［ｍＶ］）となる様に、つまり、ガス検出室１９の空燃比が理論空燃比となるように、酸素ポンプセル１１を用いてガス検出室１９の内部に対する酸素（Ｏ2 ）の汲み出し又は汲み入れを行う。
【００６２】
このように構成される全領域空燃比センサ１では、酸素ポンプセル１１に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値および電流方向が、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化することから、ポンプ電流Ｉｐの測定結果に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００６３】
そして、このような全領域空燃比センサ１は、例えば、内燃機関の排気管に配置されることで排気ガス中の酸素濃度を検出することができ、排気ガス中の酸素濃度と空燃比との相関関係から、検出した酸素濃度に基づいて内燃機関の空燃比を測定することができる。
【００６４】
また、インターフェース回路３１には、図示しない制御部が備えられており、この制御部は、測定電流Ｉrpvsを通電したときの多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の電圧値の変化量に基づいて、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の電気抵抗値Ｒｐｖｓを検出しており、検出した電気抵抗値Ｒｐｖｓに応じた抵抗値信号Ｓｒをヒータ電圧供給装置に対して出力している。
【００６５】
次に、ヒータ電圧供給装置４３は、インターフェース回路３１からの抵抗値信号Ｓｒに基づいて、全領域空燃比センサ１（詳細には、酸素濃度測定セル１５）の温度Ｔｃを検出し、検出した温度Ｔｃに基づいてセラミックヒータ４１への印加電圧を制御している。
【００６６】
ここで、全領域空燃比センサ１のうち、酸素濃度測定セル１５における温度Ｔｃと電気抵抗値Ｒｐｖｓとの間には、図５に示すような相関関係があり、電気抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて全領域空燃比センサの温度Ｔｃを検出することが可能である。なお、図５に示すグラフによれば、酸素濃度測定セル１５の電気抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］の時には温度Ｔｃは６００［℃］であり、また、酸素濃度測定セル１５の電気抵抗値Ｒｐｖｓが７５［Ω］の時には温度Ｔｃは８００［℃］である。
【００６７】
そして、セラミックヒータ４１は、ヒータ電圧供給装置４３から印加電圧ＶＨが印加されると、印加電圧ＶＨの大きさに応じた発熱量を発生し、全領域空燃比センサ１を加熱する。
ここで、ヒータ電圧供給装置４３において実行される温度制御処理の処理内容について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、ヒータ電圧供給装置４３は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンともいう）を備えて構成されており、温度制御処理はマイコンの内部処理として実行される。また、温度制御処理は、ヒータ電圧供給装置４３の起動と共に処理が開始され、すなわち、全領域空燃比センサの起動と共に温度制御処理が開始される。
【００６８】
そして、温度制御処理が開始されると、まずＳ２１０では、セラミックヒータ４１への印加電圧ＶＨの電圧値となる印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定する。これにより、セラミックヒータ４１に対して１２［Ｖ］の電圧が印加され、セラミックヒータ４１による全領域空燃比センサ１の加熱が開始される。
【００６９】
次のＳ２２０では、全領域空燃比センサ１の温度測定が可能であるか否かを判断しており、肯定判定した場合にはＳ２３０に移行し、否定判定した場合には、Ｓ２４０に移行する。
ここで、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓと全領域空燃比センサの温度については、図５に示すような相関関係があるが、このような相関関係は、酸素濃度測定セル１５の温度が所定温度範囲となる場合にのみ有効となる。つまり、酸素濃度測定セル１５の温度が所定温度以下である場合には、抵抗値Ｒｐｖｓは無限大となり測定できず、抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて酸素濃度測定セル１５の温度を測定することはできない。このため、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の起電力Ｖｓを検出し、起電力Ｖｓが所定電圧以下（本実施例では、１．７［Ｖ］以下）であるか否かを判断することで、温度測定の可否判断を行っている。つまり、起電力Ｖｓが所定電圧以下である場合に肯定判定し、起電力Ｖｓが所定電圧よりも大きい場合には否定判定するのである。
【００７０】
そして、Ｓ２２０で肯定判定されて、Ｓ２３０に移行すると、Ｓ２３０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１３［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１３［Ｖ］となる。なお、Ｓ２３０での処理が完了すると、Ｓ２６０に移行する。
【００７１】
また、Ｓ２２０で否定判定されて、Ｓ２４０に移行すると、Ｓ２４０では、本温度制御処理の起動時点から、所定時間（５［sec］ ）が経過したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２３０に移行し、否定判定されるとＳ２５０に移行する。なお、本温度制御処理では、処理開始時点においてタイマカウンタＣｔを初期化（Ｃｔに０を設定）しており、Ｓ２４０では、このタイマカウンタＣｔに基づいて所定時間が経過したか否かを判断している。
【００７２】
そして、Ｓ２４０で肯定判定されて、Ｓ２３０に移行すると、Ｓ２３０では、上述したように、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１３［Ｖ］を設定し、Ｓ２３０での処理が完了すると、Ｓ２６０に移行する。
また、Ｓ２４０で否定判定されて、Ｓ２５０に移行すると、Ｓ２５０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１２［Ｖ］となる。なお、Ｓ２５０での処理が完了すると、Ｓ２６０に移行する。
【００７３】
そして、Ｓ２３０またはＳ２５０での処理が完了してＳ２６０に移行すると、Ｓ２６０では全領域空燃比センサ１（詳細には、酸素濃度測定セル１５）が活性化状態であるか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２７０に移行し、否定判定されるとＳ２２０に移行する。なお、活性化状態であるか否かの判定は、全領域空燃比センサの温度が第１目標温度以上であるか否かにより行っており、全領域空燃比センサの温度は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて判断される。
【００７４】
つまり、Ｓ２６０での判断は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて行っており、具体的には、抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］以下である場合には活性化状態であると判定（肯定判定）し、抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］よりも大きい場合には活性化状態ではないと判定（否定判定）する。なお、抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］となるときの、全領域空燃比センサの温度は、６００［℃］である。
【００７５】
Ｓ２６０で肯定判定されて、Ｓ２７０に移行すると、Ｓ２７０では、全領域空燃比センサ１の温度Ｔｃが、全領域空燃比センサ１の通常使用時の温度として定められた常用温度（８００［℃］）になるように、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧ＶＨを制御する第１ＰＩＤ制御（ＰＩＤコントロール１）を行う。なお、Ｓ２７０で実行される第１ＰＩＤ制御では、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分を一定期間積分した積分成分(lntegral)のみに基づいて、全領域空燃比センサの温度が常用温度となるように、ヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定する制御を行っている。
【００７６】
ここで、第１ＰＩＤ制御においては、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度との差分を、それぞれの温度に対応する抵抗値の差分ΔＲに置き換えて処理を実行しており、差分ΔＲに対するヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定するための演算式ｆ１(ΔＲ)は、［数１］のように表される。
【００７７】
【数１】
なお、演算式ｆ１(ΔＲ)のうち、Ａは第１積分係数であり、積分値ΣΔＲは第１ＰＩＤ制御の開始後における過去一定期間の差分ΔＲを積分した値であり、Ｖｒｅｆは制御基準電圧（本実施例では、１０．５［Ｖ］）である。
【００７８】
また、差分ΔＲは、［数２］に示す数式により定められる。
【００７９】
【数２】
なお、数２に示す数式のうち、Ｒｐｖｓは酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値であり、Ｒｔａは常用温度に対応した抵抗値が設定された目標抵抗値（本実施例では、７５［Ω］）である。
【００８０】
そして、第１ＰＩＤ制御が開始された直後は、積分値ΣΔＲの値はきわめて小さい値となるため、演算式ｆ１(ΔＲ)の値は、約１０．５［Ｖ］に設定される。このあと、差分ΔＲが０より大きい値となる状態で時間が経過していくと、積分値ΣΔＲの値が増大していき、ヒータへの印加電圧ＶＨも増大していく。つまり、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが常用温度に到達しない場合には、その時間経過に伴いヒータの発熱量を増大させるのである。
【００８１】
そして、Ｓ２７０での処理が完了すると、Ｓ２８０に移行し、Ｓ２８０では、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが、目標値（常用温度）に到達したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２９０に移行し、否定判定されると再びＳ２２０に移行する。なお、常用温度に達したか否かの判定は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓを用いて行っており、抵抗値Ｒｐｖｓが７５［Ω］以下である場合には常用温度（本実施例では、８００［℃］）に達したと判定（肯定判定）し、抵抗値Ｒｐｖｓが７５［Ω］よりも大きい場合には常用温度に達していないと判定（否定判定）する。
【００８２】
Ｓ２８０で肯定判定されて、Ｓ２９０に移行すると、Ｓ２９０では、全領域空燃比センサ１の温度Ｔｃが、全領域空燃比センサ１の通常使用時の温度として定められた常用温度（８００［℃］）に維持されるように、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧値を制御する第２ＰＩＤ制御（ＰＩＤコントロール２）を行う。なお、Ｓ２９０で実行される第２ＰＩＤ制御では、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分における比例成分(Proportinal )および積分成分(lntegral)に基づいて、全領域空燃比センサの温度が常用温度に維持されるように、ヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定する制御を行っている。
【００８３】
ここで、第２ＰＩＤ制御においては、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分を、それぞれの温度に対応する抵抗値の差分ΔＲに置き換えて処理を実行しており、差分ΔＲに対するヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定するための演算式ｆ２(ΔＲ)は、［数３］のように表すことができる。
【００８４】
【数３】
なお、数３に示す数式のうち、Ｂは第２比例係数であり、Ｃは第２積分係数であり、積分値ΣΔＲは第２ＰＩＤ制御の開始後における過去一定期間の差分ΔＲを積分した値であり、Ｖｒｅｆは制御基準電圧（本実施例では、１０．５［Ｖ］）である。このうち、第２積分係数Ｃは、第１積分係数Ａよりも大きい値に設定されている。
【００８５】
また、差分ΔＲは、上述した［数２］に示す数式により定められる。
そして、第２ＰＩＤ制御では、積分値ΣΔＲに第２積分係数Ｃを乗じた第２積分成分値（Ｃ×ΣΔＲ）と、差分ΔＲに第２比例係数Ｂを乗じた第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）との和を、制御基準電圧Ｖｒｅｆに加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧ＶＨとして設定する。このように、第２積分成分値（Ｃ×ΣΔＲ）に加えて第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）の値を加算して、印加電圧ＶＨに設定することから、印加電圧ＶＨは、第１ＰＩＤ制御に比べて高い電圧値に設定されるため、全領域空燃比センサに対して供給する熱量が不足するのを防ぐことが出来る。
【００８６】
なお、Ｓ２９０での処理が完了すると、再びＳ２２０に移行する。
そして、図２に示す処理内容の全領域空燃比センサの温度制御処理は、全領域空燃比センサが停止されるまで、上述した処理を実行する。
以上、説明したように、図２に示す処理内容の全領域空燃比センサの温度制御処理によれば、全領域空燃比センサの起動直後の所定期間内は、全領域空燃比センサの温度が低く、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定ができないため、Ｓ２２０で否定判定されて、ヒータへの印加電圧は１２［Ｖ］または１３［Ｖ］の固定電圧に設定される。
【００８７】
また、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定が可能となった場合でも、全領域空燃比センサが活性化状態ではない場合には、Ｓ２６０で否定判定されて、Ｓ２２０，Ｓ２３０およびＳ２６０の処理がこの順に繰り返し実行されることになり、ヒータへの印加電圧は１３［Ｖ］の固定電圧に設定される。
【００８８】
そして、全領域空燃比センサの温度が活性化温度（６００［℃］）に到達すると、Ｓ２７０で実行される第１ＰＩＤ制御により、ヒータへの印加電圧ＶＨが設定されることになり、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度（８００［℃］）との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧ＶＨが制御される。
【００８９】
この第１ＰＩＤ制御が開始された直後は、積分期間が短いことから、差分ΔＲの積分値ΣΔＲの値は小さい値となるため、セラミックヒータ４１への印加電圧ＶＨは、約１０．５［Ｖ］に設定されることになり、第１ＰＩＤ制御が開始される前の印加電圧ＶＨ（１２［Ｖ］または１３［Ｖ］）よりも低い電圧に設定される。これにより、セラミックヒータ４１の発熱量を低減することができ、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができる。
【００９０】
また、第１ＰＩＤ制御では、印加電圧ＶＨを設定するための演算式ｆ１(ΔＲ)に、差分ΔＲの積分値ΣΔＲに第１積分係数Ａを乗じた項を有しており、過去一定期間において差分ΔＲが０より大きい値となる場合には、制御基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い電圧値が印加電圧ＶＨに設定される。このため、全領域空燃比センサの温度が常用温度に到達しない場合には、時間経過に伴い印加電圧ＶＨとして設定される電圧値が徐々に増加していき、セラミックヒータ４１の発熱量が不足するのを防止でき、確実に常用温度まで昇温させることができる。
【００９１】
また、第１ＰＩＤ制御では、過去一定期間における差分ΔＲの積分値を用いてヒータの印加電圧ＶＨを設定しており、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分ΔＲの積分値は大きく変動することが無いため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００９２】
さらに、第１ＰＩＤ制御では、第２積分係数Ｃよりも小さい値に設定された第１積分係数Ａを用いていることから、差分ΔＲの積分値に対する印加電圧ＶＨの変化量は、常用温度を維持する制御における変化量よりも小さく抑えられることになり、セラミックヒータ４１の発熱量が過剰となって、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを抑制できる。
【００９３】
そして、第１ＰＩＤ制御が実行されて全領域空燃比センサの温度が常用温度（８００［℃］）に到達すると、Ｓ２９０で実行される第２ＰＩＤ制御により、ヒータへの印加電圧ＶＨが設定されることになり、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度（８００［℃］）との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧ＶＨが制御される。
【００９４】
この第２ＰＩＤ制御では、差分ΔＲのうち、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが常用温度に達する前の差分ΔＲは用いず、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが最初に常用温度を超えた後の差分ΔＲのみを用いて、ヒータへの印加電圧ＶＨを設定している。このため、印加電圧ＶＨを制御する際に、全領域空燃比センサ１（詳細には、酸素濃度測定セル１５）の温度が常用温度に到達する前の期間における差分ΔＲの影響を受けることがなくなり、ヒータへの印加電圧ＶＨが不適切な値に設定されるのを防ぐことが出来る。
【００９５】
この結果、全領域空燃比センサが常用温度に到達した後に、セラミックヒータ４１への印加電圧ＶＨが不適切となることで発熱量が過剰となって、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができる。これにより、オーバーシュートの発生に起因するガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが可能となる。
【００９６】
また、第２ＰＩＤ制御は、第１ＰＩＤ制御と同様に、過去一定期間における差分ΔＲの積分値ΣΔＲを用いてヒータへの印加電圧ＶＨを設定しており、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分ΔＲの積分値ΣΔＲの値は大きく変動しないため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００９７】
さらに、この第２ＰＩＤ制御では、最新の差分ΔＲに第２比例係数Ｂを乗じた第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）を制御基準電圧Ｖｒｅｆに対して加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧ＶＨとして設定する。そして、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度との差分ΔＲのうち最新の差分ΔＲは、全領域空燃比センサの最新の状態を表す指数であることから、最新の差分ΔＲの値が反映される第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）を用いることで。全領域空燃比センサの最新の状態に適した温度制御が可能となる。
【００９８】
そして、第２ＰＩＤ制御では、第２積分成分値（Ｃ×ΣΔＲ）と第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）との和を制御基準電圧Ｖｒｅｆに加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧ＶＨとして設定していることから、外部からのノイズによる影響を抑えることができると共に、全領域空燃比センサの最新の状態に適した温度制御を実現することが出来る。これにより、セラミックヒータ４１の発熱量が適切に設定されることになり、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができると共に、全領域空燃比センサの温度を常用温度に維持するために必要な熱量をヒータで発生させることが出来る。
【００９９】
よって、第２ＰＩＤ制御によれば、全領域空燃比センサが常用温度に到達した後に、セラミックヒータ４１での発熱量が過剰となって、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができ、全領域空燃比センサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【０１００】
また、本温度制御処理においては、起動直後から印加電圧ＶＨを１３［Ｖ］に設定するのではなく、一旦１２［Ｖ］に設定した後で、１３［Ｖ］に設定していることから、急激な温度上昇によって全領域空燃比センサの温度分布にばらつきが生じるのを防止でき、熱衝撃により全領域空燃比センサが破損するのを防ぐことができる。このように、全領域空燃比センサの温度上昇におけるオーバーシュートを抑える制御に加えて、起動直後の熱衝撃の発生を抑える制御を併せて実行することで、より確実に全領域空燃比センサの損傷を防止することが出来る。
【０１０１】
さらに、本温度制御処理においては、全領域空燃比センサの温度測定を、セラミックヒータ４１の温度測定で代替するのではなく、酸素濃度測定セル１５の抵抗値を用いて実施していることから、全領域空燃比センサ自体の温度を精度良く検出することが可能である。なお、温度測定位置をヒータとは異なる位置に設定する場合、ヒータから温度測定位置までの熱伝導の時間的な遅れが原因となり、ヒータへの印加電圧が不適切な値に設定されてオーバーシュートが発生する虞があるが、本実施例の温度制御処理によれば、オーバーシュートの発生を抑制することができ、好適な温度制御を実現することが出来る。
【０１０２】
ここで、本発明方法を適用した温度制御方法（図２に示す温度制御処理）により全領域空燃比センサの温度を制御したときの測定結果を図３（ａ）に示すと共に、従来の温度制御方法（図１に示す温度制御方法）により全領域空燃比センサの温度を制御した時の測定結果を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）には、（Ａ）ヒータ温度、（Ｂ）素子温度（センサ温度）、（Ｃ）酸素濃度測定セルの抵抗値Ｒｐｖｓ、（Ｄ）ヒータへの印加電圧ＶＨ、をそれぞれ示す。
【０１０３】
まず、図３（ａ）の測定結果においては、ヒータ温度の最高温度は約９７０［℃］であり、素子温度の最高温度は約７３０［℃］であり、また、図３（ｂ）の測定結果においては、ヒータ温度の最高温度は約１０３０［℃］であり、素子温度の最高温度は約７８０［℃］である。つまり、本発明の温度制御方法は、従来の温度制御方法に比べて、ヒータ温度および素子温度ともに最高温度が低くなることから、オーバーシュートを低減できることが判る。
【０１０４】
なお、図３（ａ）、図３（ｂ）ともに、抵抗値Ｒｐｖｓの波形（データ）については、起動から１１［sec ］が経過するまでの期間は、全領域空燃比センサの実際の抵抗値を表しておらず、起動から１１［sec ］経過した後の期間は、全領域空燃比センサの実際の抵抗値を表している。また、本測定では、全領域空燃比センサの常用温度は、約７２０［℃］である。
【０１０５】
また、図４に、本発明の温度制御処理および従来の温度制御処理のそれぞれにおけるヒータ温度および全領域空燃比センサの温度（素子温度）の差異を明確に表すために、ヒータ温度および素子温度を同一座標平面上に記した測定結果を示す。なお、図４では、従来の温度制御処理における素子温度を（Ａ）従来素子温として、従来の温度制御処理におけるヒータ温度を（Ｂ）従来ヒータ温として、本発明の温度制御処理における素子温度を（Ｃ）発明１素子温として、本発明の温度制御処理におけるヒータ温度を（Ｄ）発明１ヒータ温として、それぞれ記載する。
【０１０６】
図４によれば、本発明の温度制御処理において第１ＰＩＤ制御が実行されるまで（起動から１２［sec ］経過するまで）は、本発明および従来ともにヒータ温度，素子温度は、同様の推移を呈するが、起動から１２［sec ］経過した後は、ヒータ温度、素子温度ともに、従来の制御よりも本発明の制御の方が低い値を示すことが判る。
【０１０７】
そして、波形Ｄ（本発明ヒータ温度）が波形Ｂ（従来ヒータ温度）よりも小さい値となることから、本発明の温度制御処理は、従来よりも少ない電力消費量で、全領域空燃比センサを活性化状態とすることができることが判る。
また、起動から活性化温度（６００［℃］）に達するまでの所要時間（ライトオフ時間）について比較すると、本発明の温度制御方法、従来の温度制御方法ともに、約１２［sec ］である。このことから、本発明の温度制御方法は、従来の温度制御方法と同等のライトオフ時間を達成することができ、起動後の早期活性化が実現可能であることが判る。
【０１０８】
さらに、起動から素子温度が制御目標素子温度（常用温度）で安定するまでの所要時間（目標温度収束時間）について比較すると、本発明の温度制御方法、従来の温度制御方法ともに、約３０［sec ］である。このことから、本発明の温度制御方法は、従来の温度制御方法と同等の目標温度収束時間を達成することができ、起動後におけるセンサ出力の安定化を早期に実現することが可能であることが判る。
【０１０９】
なお、図３（ａ）に示す測定結果と図４に示す測定結果とを比較すると、ヒータ温度および素子温度共に波形が若干異なっているが、これは、測定環境（全領域空燃比センサの周囲環境）が異なるために生じたものである。そして、図３（ａ）および図４に示す測定結果によれば、ガスセンサの周囲環境が異なる場合であっても、本発明の温度制御方法を用いることで、オーバーシュートを抑えつつ、ライトオフ時間および目標温度収束時間を従来と同等レベルに維持できることが判る。
【０１１０】
なお、上述の実施例においては、酸素濃度測定セル１５が特許請求の範囲におけるガス検出部に相当し、温度制御処理のＳ２３０で設定される印加電圧ＶＨ（１３［Ｖ］）が、特許請求の範囲における第１電圧に相当するものであり、制御基準電圧Ｖｒｅｆが特許請求の範囲における第２電圧に相当し、温度制御処理のＳ２１０およびＳ２５０で設定される印加電圧ＶＨ（１２［Ｖ］）が、特許請求の範囲における第３電圧に相当し、第１ＰＩＤ制御が特許請求の範囲における印加電圧増加制御に相当し、第２ＰＩＤ制御が特許請求の範囲における常用運転制御に相当する。
【０１１１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、こうした実施例に限定されることなく、種々の態様をとることができる。
例えば、本発明の温度制御方法は、全領域空燃比センサの温度制御に限らず、ＮＯｘガスセンサやＨＣガスセンサなど、ヒータにより活性化温度まで加熱されることで使用可能となるガスセンサの温度制御に適用することができる。
【０１１２】
また、上述の温度制御処理において記載した各数値（例えば、Ｓ２６０での判断基準となる抵抗値（２２０［Ω］）など）は、対象となるガスセンサの種類や設置環境を考慮して、適切な値を適宜設定することができる。つまり、例えば、Ｓ２６０での判断基準は、ガスセンサの活性化温度（６００［℃］）に対応する抵抗値に限らず、活性化温度以上の温度に対応した抵抗値を設定することができる。
【０１１３】
さらに、演算式における各係数（Ａ，Ｂ，Ｃ）についても、対象となるガスセンサの種類や設置環境を考慮して、適切な値を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 全領域空燃比センサ、全領域空燃比センサに接続されるインターフェース回路、セラミックヒータ、およびセラミックヒータに接続されるヒータ電圧供給装置の接続状態を表す説明図である。
【図２】 ヒータ電圧供給装置において実行される温度制御処理の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】 （ａ）は、本発明の温度制御方法により全領域空燃比センサの温度を制御したときの測定結果であり、（ｂ）は、従来の温度制御方法により全領域空燃比センサの温度を制御したときの測定結果である。
【図４】 本発明の温度制御処理および従来の温度制御処理のそれぞれにおけるヒータ温度および全領域空燃比センサの温度（素子温度）を測定したときの測定結果である。
【図５】 酸素濃度測定セルの電極間の抵抗値と全領域空燃比センサの温度についての相関関係を表すグラフである。
【図６】 従来の温度制御処理の処理内容を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１…全領域空燃比センサ、１１…酸素ポンプセル、１１ａ…固体電解質体、１３ａ，１３ｂ…多孔質電極、１５…酸素濃度測定セル、１５ａ…固体電解質体、１７ａ，１７ｂ…多孔質電極、１９…ガス検出室、２１…ガス拡散多孔質層、２３…遮蔽層、２５…酸素基準室、３１…インターフェース回路、３３…ポンプ電流駆動回路、３５…電圧出力回路、３７…測定電流供給回路、３９…基準電圧比較回路、４１…セラミックヒータ、４３…ヒータ電圧供給装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性化温度以上になることで特定ガスを検出可能となるガス検出部を有するガスセンサにおいて、電力供給によって発熱するヒータを用いて加熱することで、ガス検出部の温度を活性化温度よりも高温の常用温度に維持するためのガスセンサの温度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、所定の活性化温度以上となることで特定ガスの検出が可能となるガスセンサが知られており、このようなガスセンサは、起動した後、早期に特定ガスの検出が可能な状態（活性化状態）となるように、ヒータが備えられている。なお、活性化温度以上になることで特定ガスの検出が可能となるガスセンサとしては、例えば、全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサ）、ＮＯｘガスセンサ、ＨＣガスセンサなどが挙げられる。
【０００３】
そして、ガスセンサを加熱するためのヒータは、外部からの電力供給により発熱するものが多く使用されており、このようなヒータは、印加電圧の大きさに応じて発熱量を制御することができる。
また、ガスセンサは、例えば、内燃機関などに備えられて排気ガス中の特定ガス検出などに使用されるが、内燃機関の始動後、特定ガス検出が可能となるまでの時間の短縮に対する要求（早期活性化の要求）が高まっている。このため、ガスセンサの起動直後に、ヒータに対して印加可能な最大電圧を印加することで、ガスセンサを迅速に加熱して早期活性化を実現するガスセンサの温度制御方法が知られている。
【０００４】
ここで、従来の温度制御方法の一例として、全領域空燃比センサにおける温度制御処理を、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、図６に示す温度制御処理は、全領域空燃比センサの起動と同時に実行される。
そして、温度制御処理が起動されると、まずＳ１１０（Ｓはステップを表す）では、ヒータへの印加電圧値となる印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定する。これにより、全領域空燃比センサのヒータに対して１２［Ｖ］の電圧が印加され、ヒータによる全領域空燃比センサの加熱が開始される。
【０００５】
次のＳ１２０では、全領域空燃比センサの温度測定が可能であるか否かを判断しており、肯定判定した場合にはＳ１３０に移行し、否定判定した場合には、Ｓ１４０に移行する。
ここで、全領域空燃比センサのガス検出部として備えられる酸素濃度測定セルの多孔質電極間の抵抗値Ｒｐｖｓと全領域空燃比センサの温度については、図５に示すような相関関係があるが、このような相関関係は、酸素濃度測定セルの温度が所定温度範囲となる場合にのみ有効となる。つまり、酸素濃度測定セルの温度が所定温度以下である場合には、抵抗値Ｒｐｖｓは無限大となり測定できず、抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて酸素濃度測定セルの温度を測定することはできない。このため、酸素濃度測定セルの多孔質電極間の起電力Ｖｓを検出し、起電力Ｖｓが所定電圧以下（例えば、１．７［Ｖ］以下）であるか否かを判断することで、温度測定の可否判断を行っている。つまり、起電力Ｖｓが所定電圧以下である場合に肯定判定し、起電力Ｖｓが所定電圧よりも大きい場合には否定判定するのである。
【０００６】
そして、Ｓ１２０で肯定判定されて、Ｓ１３０に移行すると、Ｓ１３０では、全領域空燃比センサの温度が、全領域空燃比センサの通常使用時の温度として定められた常用温度になるように、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧値を制御するＰＩＤ制御（ＰＩＤコントロール）を行う。なお、Ｓ１３０で実行されるＰＩＤ制御では、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分における比例成分(Proportinal )、積分成分(lntegral)、微分成分(Derivative)を有する演算式ｆ(ΔＲ)に基づいて、全領域空燃比センサの温度が常用温度となるように、ヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定する制御を行っている。そして、Ｓ１３０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
【０００７】
また、Ｓ１２０で否定判定されて、Ｓ１４０に移行すると、Ｓ１４０では、本温度制御処理の起動から、所定時間（例えば、５［sec］ ）が経過したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ１５０に移行し、否定判定されるとＳ１６０に移行する。なお、本温度制御処理では、開始時点においてタイマカウンタＣｔを初期化（Ｃｔに０を設定）しており、Ｓ１４０では、このタイマカウンタＣｔに基づいて所定時間が経過したか否かを判断している。
【０００８】
そして、Ｓ１４０で肯定判定されて、Ｓ１５０に移行すると、Ｓ１５０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１３［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１３［Ｖ］となる。なお、Ｓ１５０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
【０００９】
また、Ｓ１４０で否定判定されて、Ｓ１６０に移行すると、Ｓ１６０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１２［Ｖ］となる。なお、Ｓ１６０での処理が完了すると、再びＳ１２０に移行する。
【００１０】
つまり、図６に示す処理内容の全領域空燃比センサの温度制御処理によれば、全領域空燃比センサの起動直後の所定期間内は、全領域空燃比センサの温度が低く、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定ができないため、Ｓ１２０で否定判定されて、ヒータへの印加電圧は１２［Ｖ］または１３［Ｖ］の固定電圧に設定される。
【００１１】
そして、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定が可能となると、ＰＩＤ制御によりヒータへの印加電圧が設定されることになり、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧値が制御される。このとき、検出した全領域空燃比センサの温度が常用温度よりも低い場合には、ヒータへの印加電圧を高電圧に設定して、全領域空燃比センサの温度を早期に上昇させるような制御が実行される。そして、全領域空燃比センサの温度が常用温度に達した後は、ＰＩＤ制御により、全領域空燃比センサの温度を常用温度に維持するように、ヒータへの印加電圧が制御される。
【００１２】
このようにしてヒータへの印加電圧を制御することで、全領域空燃比センサを早期に活性化することができ、また、全領域空燃比センサの温度を常用温度に維持することができる。
なお、ヒータへの通電開始直後から高電圧（１３［Ｖ］）を印加した場合には、急激な温度上昇による温度分布のばらつきにより熱衝撃が発生して全領域空燃比センサが破損する虞がある。このため、図６に示す温度制御処理では、起動から所定時間を経過するまで（Ｓ１４０で否定判定されるまで）は、ヒータへの印加電圧を低い電圧（１２［Ｖ］）に設定することで、熱衝撃による全領域空燃比センサの破損を防いでいる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の温度制御処理においては、全領域空燃比センサの温度が常用温度よりも高い温度まで上昇するオーバーシュートが発生する場合があり、オーバーシュートが発生すると、ヒータの寿命やセンサ検出精度に悪影響を及ぼす虞がある。
【００１４】
つまり、上述の温度制御処理では、起動したあと温度測定が可能となるまでは、センサの実際の温度によらず一定電圧をヒータに印加し、そのあと、検出した全領域空燃比センサの温度が常用温度になるようにＰＩＤ制御を行っている。
そして、このＰＩＤ制御では、全領域空燃比センサの温度を安定して常用温度に維持するために、最新の差分のみに基づいてヒータへの印加電圧を設定するのではなく、過去一定期間における差分にも基づいてヒータへの印加電圧を設定している。つまり、過去一定期間における差分を用いることで、抵抗値Ｒｐｖｓの検出値がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００１５】
このような制御は、一定温度を継続して維持する温度制御を行う場合には、ノイズなどの影響を抑えて一定温度を維持できるため適しているが、目標温度から離れた温度から目標温度に向けて温度制御を行う場合には、目標温度に達した後も過去一定期間の差分の影響を受けてしまい、ガスセンサの温度が目標温度を超えるオーバーシュートが発生する虞がある点が問題となる。
【００１６】
とりわけ、ヒータからガスセンサに対して熱が伝導するには、ある程度の時間を要することから、検出したガスセンサの温度と目標温度が一致した時点でヒータの発熱量を低下させたとしても、既にその時点でヒータに発生した熱がガスセンサに伝導することで、ガスセンサの温度が必要以上に上昇することになる。
【００１７】
そして、ガスセンサの活性化に用いるヒータにおいては、オーバーシュートが発生してヒータの耐熱温度を超えてしまうと、耐熱温度を上回る高温によりヒータの劣化が生じて、ヒータ自体の寿命が短くなる虞がある。
また、活性化温度以上となることで特定ガスが検出可能となるガスセンサは、センサ出力値に温度依存性があり、温度変化によって出力値が変動してしまう。このため、オーバーシュートが発生して常用温度から逸脱している期間は、常用温度で出力されるセンサ出力とは異なる大きさのセンサ出力が出力されることになり、ガスセンサのセンサ検出精度が低下する虞がある。
【００１８】
そこで、本発明は、ヒータを用いてガスセンサを活性化温度まで加熱するための温度制御方法として、ガスセンサの起動後におけるオーバーシュートの発生を抑制することができるガスセンサの温度制御方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【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に記載の発明方法は、活性化温度以上になることで特定ガスを検出可能となるガス検出部を有するガスセンサにおいて、電力供給によって発熱するヒータを用いて加熱することで、ガス検出部の温度を活性化温度よりも高温の常用温度に維持するためのガスセンサの温度制御方法であって、ヒータへの通電開始後、ガス検出部の温度が、活性化温度から常用温度までの範囲内で設定された第１目標温度に到達するまでは、ガスセンサの早期活性化ができるよう定められた第１電圧を前記ヒータへの印加電圧として設定し、ガス検出部の温度が第１目標温度を超えた後、ヒータへの印加電圧を第１電圧より小さい第２電圧に変更し、ガス検出部の温度が第１目標温度を超えてから常用温度に達するまでは、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ガス検出部の温度が常用温度になるように、ヒータへの印加電圧を増加させる印加電圧増加制御を行い、印加電圧増加制御において、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、第２電圧に第１積分成分値のみを加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定すること、を特徴とするガスセンサの温度制御方法である。
【００２０】
ここで、第１電圧は、ガスセンサの早期活性化を実現するために、ヒータに対して印加可能な範囲の最大電圧値に設定されており、第１電圧が印加された時のヒータは、発熱量が大きくなり、ガスセンサ（詳細にはガス検出部）を速やかに加熱することができる。
【００２１】
そして、本発明方法においては、ガス検出部の温度が常用温度に達する前に、ヒータへの印加電圧を第１電圧から第２電圧に低下させることで、ヒータの発熱量を低下させ、ガスセンサの温度が常用温度を大幅に超えてしまうオーバーシュートの発生を防止している。
【００２２】
よって、本発明方法（請求項１）によれば、ガスセンサの早期活性化を実現しつつ、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができ、ヒータの寿命やガスセンサの検出精度への悪影響を抑えることができる。
なお、ヒータへの印加電圧の切換時期は、ガス検出部の温度が第１目標温度に到達した時点であるが、この第１目標温度を常用温度の近傍の値に設定すると、ヒータ発熱量の低減時期が遅れてしまい、オーバーシュートの抑制が十分ではなくなる。また、第１目標温度を常用温度から離れた値に設定すると、ヒータ発熱量の低減時期が早すぎるために発熱量が不足し、ガス検出部の温度が常用温度に達するまでの時間（ライトオフ時間）が長くなる虞がある。このため、第１目標温度は、オーバーシュートの抑制およびライトオフ時間の短縮を考慮して、適切な値に設定すると良い。
【００２３】
ところで、ヒータへの印加電圧を第１電圧から第２電圧に低下させることで、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを抑制することができるが、印加電圧の低下に伴いヒータの発熱量が必要以上に低下した場合には、ガスセンサの温度上昇が停滞して、ガスセンサを常用温度まで昇温できなくなる虞がある。とりわけ、印加電圧を低下させた後に、ガスセンサの周囲環境がガスセンサの熱を奪うような環境に変化した場合（例えば、被測定ガスの流速が増加した場合等）には、ガスセンサを良好に温度上昇させることが出来ない可能性が高くなる。
【００２４】
なお、常用温度に到達しなくとも、活性化温度を越えたガスセンサは、少なくとも特定ガス濃度に応じたセンサ出力を出力することは可能である。しかし、センサ出力の大きさには温度依存性があることから、常用温度から離れた温度に設定されたガスセンサのセンサ出力は、常用温度時における大きさとは異なる大きさとなるために、検出精度が低下する虞がある。
【００２５】
そこで、本発明方法では、ガス検出部の温度が第１目標温度を超えてから常用温度に達するまでは、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ガス検出部の温度が常用温度になるように、ヒータへの印加電圧を増加させる印加電圧増加制御を行っている。
【００２６】
つまり、ヒータへの印加電圧を一定値に固定するのではなく、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧を増加させることで、ヒータの発熱量を増大させるのである。これにより、ガスセンサの熱が奪われるような周囲環境となる場合でも、ヒータの発熱量が不足するのを防ぐことができ、ガス検出部の温度が確実に常用温度に到達するように、ガスセンサの温度を制御を行うことができる。
【００２７】
よって、本発明方法（請求項１）によれば、ガスセンサの温度上昇が停滞するのを防止でき、ガス検出部の温度を確実に常用温度に到達させることができ、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００２８】
そして、本発明方法では、印加電圧増加制御において、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、第２電圧に第１積分成分値のみを加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する制御を行う。
【００２９】
つまり、過去一定期間における差分の積分値を用いてヒータの印加電圧を設定する場合には、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分の積分値は大きく変動することが無いため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００３０】
また、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分が大きいほど、ガスセンサに供給する熱量は大きく設定する必要があることから、差分に比例した大きさの電圧をヒータに印加することで、ガスセンサの温度を常用温度に近づけることができる。そして、ガスセンサの温度を常用温度まで上昇させるに際してヒータの印加電圧が適切な値となるように第１積分係数を定めておき、差分の積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、第２電圧に第１積分成分値のみを加算した電圧値をヒータへの印加電圧として設定するのである。これにより、ヒータの発熱量が適切に設定されることになり、ガスセンサの温度上昇に必要な熱量をヒータで発生させることが出来る。
【００３１】
よって、本発明方法（請求項１）によれば、ガスセンサの温度上昇が停滞するのを防いで、ガス検出部の温度を確実に常用温度に到達させることができ、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。また、外部からのノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となることからも、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【００３２】
なお、ガスセンサの温度が常用温度に達した後も、印加電圧増加制御を継続した場合、ヒータへの印加電圧が過剰に増加してヒータの発熱量が過剰となり、ガスセンサの温度がオーバーシュートする虞がある。このため、常用温度に到達した後のガスセンサにおいては、温度を一定温度に維持するのに適した温度制御を行うことが必要となる。
そして、常用温度に到達した後のガスセンサを一定温度に安定して維持するためには、ノイズなどの影響を抑えることが重要であることから、最新の差分のみに基づいてヒータへの印加電圧を設定するのではなく、過去一定期間における差分にも基づいてヒータへの印加電圧を設定することが好ましい。
【００３３】
しかし、常用温度に到達する前の期間を含む過去一定期間における差分を用いると、ガスセンサ自体は既に常用温度であるにも拘わらず、ガス検出部が常用温度に到達する前の差分を用いることになり、このときの差分が影響して、ヒータへの印加電圧が適切な値よりも大きくなる虞がある。
【００３４】
そこで、上述（請求項１）の発明方法においては、請求項２に記載のように、ヒータへの通電開始後、ガス検出部の温度が最初に常用温度を超えた後は、この時点よりも後に検出したガス検出部の温度と常用温度との差分に基づいて、ガス検出部の温度を常用温度に維持するようにヒータへの印加電圧を設定する常用運転制御を行うとよい。
【００３５】
つまり、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち、ガス検出部の温度が常用温度に達する前の差分は用いず、ガス検出部の温度が最初に常用温度を超えた後の差分のみを用いて、ヒータへの印加電圧を設定するのである。これにより、印加電圧を設定するに際し、ガス検出部の温度が常用温度に到達する前の期間における差分の影響を受けることがなくなり、ヒータへの印加電圧が不適切な値に設定されるのを防ぐことが出来る。
【００３６】
よって、本発明方法（請求項２）によれば、ガスセンサが常用温度に到達した後に、ヒータへの印加電圧が不適切な値となることで発熱量が過剰となって、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができる。これにより、オーバーシュートの発生に起因してガスセンサの検出精度が低下するのを防ぐことが出来る。
【００３７】
また、上述した常用運転制御の具体的な制御方法としては、例えば、請求項３に記載のように、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち、ヒータへの通電開始後、ガス検出部の温度が最初に常用温度を超えた後における過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値と、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち最新の差分に第２比例係数を乗じた第２比例成分値とを算出し、第２電圧に対して第２積分成分値および第２比例成分値を加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する制御が挙げられる。
【００３８】
この常用運転制御では、ガスセンサの温度を常用温度で一定に維持するに際して、ヒータの印加電圧が適切な値となるように第２積分係数を定めておき、常用温度に到達した後の過去一定期間内における差分の積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値を算出し、第２電圧に第２積分成分値を加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する。
【００３９】
つまり、この常用運転制御は、上述の印加電圧増加制御と同様に、過去一定期間における差分の積分値を用いてヒータへの印加電圧を設定しており、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分の積分値は大きく変動することが無いため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００４０】
また、この常用運転制御では、ガスセンサの温度を常用温度で一定に維持するに際して、ヒータの印加電圧が適切な値となるように第２比例係数を定めておき、最新の差分に第２比例係数を乗じた第２比例成分値を第２電圧に対して加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧として設定する。そして、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分のうち最新の差分は、ガスセンサの最新の状態を表す指数であることから、最新の差分を用いることでガスセンサの最新の状態に適した温度制御が可能となる。
【００４１】
そして、この制御では、第２積分成分値および第２比例成分値を第２電圧に加算した電圧値をヒータへの印加電圧として設定していることから、外部からのノイズによる影響を抑えることができると共に、ガスセンサの最新の状態に適した温度制御を実現することが出来る。これにより、ヒータの発熱量が適切に設定されることになり、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができると共に、ガスセンサの温度を常用温度に維持するために必要な熱量をヒータから発生させることが出来る。
【００４２】
よって、本発明方法（請求項３）によれば、ガスセンサが常用温度に到達した後にヒータでの発熱量が過剰となって、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができ、ガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
なお、ガスセンサの温度が活性化温度を超えた後に、常用温度まで上昇させるにあたりオーバーシュートを防ぐためには、ガスセンサの温度と常用温度との差分に対するガスセンサへの供給熱量を適切に設定することが望ましく、このためには、ヒータへの印加電圧は微小な単位で変化させることが望ましい。これに対して、ガスセンサの温度が常用温度に達した後に、安定して常用温度を維持するためには、温度変化に対する応答性を良好にすることが望ましく、ガスセンサの温度変化に対してガスセンサに供給するべき熱量が不足しないように、ヒータへの印加電圧を設定することが望ましい。
【００４３】
そこで、上述（請求項３）の発明方法においては、請求項４に記載のように、第１積分係数が第２積分係数よりも小さく設定されているとよい。
つまり、印加電圧増加制御においては、第１積分係数の値が小さい値に設定されることとなり、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分の積分値に対して第１積分係数を乗じた第１積分成分値は小さい値となることから、ヒータへの印加電圧が微小単位で設定されることになる。これにより、印加電圧増加制御を実行するに際して、ヒータの発熱量を微小な単位で設定することが可能となり、ガスセンサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことが出来る。
【００４４】
また、常用運転制御においては、第２積分係数が第１積分係数よりも大きい値に設定されており、検出したガス検出部の温度と常用温度との差分の積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値は大きい値に設定されることになる。これにより、常用運転制御を実行するに際して、温度変化に対するヒータの発熱量が不足するのを防ぐことができ、ガスセンサの温度を安定して常用温度に維持することが出来る。
【００４５】
よって、本発明方法（請求項４）によれば、差分の積分値に対して乗する積分係数の値を、ガスセンサの状態に応じて適切な値に設定することで、各状態に適した電圧値をヒータの印加電圧として設定することが可能となり、ガスセンサの温度を適切に制御することができる。
【００４６】
ところで、ガスセンサの活性化温度は高温（例えば、全領域空燃比センサの活性化温度は６００℃）であり、実使用環境での設定温度である常用温度はさらに高温（たとえば、全領域空燃比センサでは、８００℃）である。そして、起動前のガスセンサは、一般に常温（２５℃程度）になっていることから、起動直後から急激に温度を上昇させた場合、ガスセンサにおける温度分布のばらつきにより熱衝撃が発生してガスセンサが破損する虞がある。
【００４７】
そこで、上述（請求項１から請求項４のいずれか）の発明方法においては、請求項５に記載のように、ヒータへの通電開始直後の一定期間は、第１電圧よりも小さい第３電圧をヒータへの印加電圧として設定し、一定期間の経過後に、第１電圧をヒータへの印加電圧として設定するとよい。
【００４８】
このように、起動直後におけるヒータへの印加電圧を低く設定し、ヒータの発熱量を少なくすることで、ガスセンサにおける温度分布のばらつきを抑えることができ、熱衝撃の発生によるガスセンサの損傷を防ぐことが出来る。
そして、ガスセンサの温度上昇におけるオーバーシュートを抑える制御に加えて、起動直後の熱衝撃の発生を抑える制御を併せて実行することで、より確実にガスセンサの損傷を防止することが出来る。
【００４９】
よって、本発明方法（請求項５）によれば、ガスセンサを起動したあと常用温度で安定するまでの期間において、ガスセンサが損傷してしまうのをより確実に防ぐことが出来る。
そして、上述（請求項１から請求項５のいずれか）の発明方法においては、請求項６に記載のように、ガス検出部が、固体電解質体表面に一対の電極が形成されてなり、一対の電極間における固体電解質体の電気抵抗値に基づき、ガス検出部の温度を検出するとよい。
【００５０】
つまり、一対の電極が形成された固体電解質体は、活性化温度以上となることで、特定ガスの濃度に応じた起電力を発生することから、ガス検出部として使用することができる。また、固体電解質体に形成された一対の電極間の電気抵抗値は、固体電解質体の温度によって変化することから、電極間の電気抵抗値を用いることで、ガス検出部自体の温度を精度良く検出することが可能である。なお、このようにガス検出部自体の温度が検出可能となることで、ガスセンサが活性化状態であるか否かをより正確に判断することが出来る。
【００５１】
また、ガス検出部を加熱するためのヒータは、ガス検出部に隣接して配置されるが、ヒータの熱がガス検出部に伝導するまでにはある程度の時間を要することから、ヒータの温度とガス検出部の温度とは必ずしも一致しない場合がある。このため、ヒータの温度を検出するよりも、電極間の電気抵抗値に基づいてガス検出部そのものの温度検出をすることで、確実にガス検出部を活性化状態に導くことができる。
【００５２】
一方、ヒータの熱がガス検出部に伝導するまでに時間を要することから、ヒータの温度上昇状態とガス検出部の温度上昇状態には、ある程度の差が生じる事になる。そして、ガス検出部の温度を検出してヒータの発熱量を制御する場合、ガス検出部が常用温度に達した時点でヒータへの印加電圧を低下させたとしても、ガス検出部が常用温度に達するまでに既にヒータで発生した熱が伝導することにより、ガス検出部の温度がオーバーシュートする可能性が高くなる。
【００５３】
このため、このようなガス検出部を備えるガスセンサに対して、オーバーシュートを抑制するための上述の本発明方法を適用することで、オーバーシュートによるガスセンサの損傷を抑えることができ、ガスセンサの温度制御を適切に実行することができる。
【００５４】
よって、本発明方法（請求項６）によれば、ガス検出部自体の温度を精度良く検出できるとともに、オーバーシュートによるガスセンサの損傷を抑えることができるため、安定した温度制御を実現することが出来る。
そして、上述（請求項１から請求項６のいずれか）の発明方法においては、請求項７に記載のように、ガスセンサが、全領域空燃比センサであるとよい。
【００５５】
つまり、全領域空燃比センサは、例えば、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するために使用されるが、起動後早期に活性化状態になることが要求されており、オーバーシュートによる破損が発生しやすい用途に使用されている。
また、全領域空燃比センサは、被測定ガス中の酸素濃度に比例したセンサ出力を出力する必要があり、設置環境の温度変化によるセンサ出力の変動が生じる場合には、検出精度が低下してしまう。
【００５６】
このため、上述（請求項１から請求項６のいずれか）の発明方法を適用することで、全領域空燃比センサにおいて、オーバーシュートによる破損を防ぐことができ、また、温度変化による検出精度の低下を防いで、高い検出精度を維持することが出来る。
【００５７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガスセンサの温度制御方法を適用した実施例として、全領域空燃比センサの温度制御処理を、図面に基づいて説明する。
そして、図１は、全領域空燃比センサ１、全領域空燃比センサに接続されるインターフェース回路３１、全領域空燃比センサ１を加熱するためのセラミックヒータ４１、およびセラミックヒータ４１に接続されるヒータ電圧供給装置４３の接続状態を表す説明図である。なお、ヒータ電圧供給装置４３およびインターフェース回路３１は、全領域空燃比センサ１の起動時に外部から入力されるセンサ起動信号に同期して、それぞれ動作を開始する。
【００５８】
まず、全領域空燃比センサ１は、図１に示すように、固体電解質体１１ａの両側面に多孔質電極１３ａ，１３ｂを有し、酸素（Ｏ2 ）のポンピングを行う酸素ポンプセル１１（以下、Ｉｐセル１１ともいう）と、固体電解質体１５ａの両側面に多孔質電極１７ａ，１７ｂを有し、酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度測定セル１５（以下、Ｖｓセル１５ともいう）と、この酸素ポンプセル１１と酸素濃度測定セル１５との間に設けられて被測定ガスが導入される空間であるガス検出室１９と、被測定ガスをガス検出室１９に導入するための経路に配置されたガス拡散多孔質層２１と、酸素濃度測定セル１５と遮蔽層２３との間に設けられて酸素を溜め込む空間である酸素基準室２５とを備えている。
【００５９】
次に、インターフェース回路３１は、ポンプ電流駆動回路３３と、電圧出力回路３５と、測定電流供給回路３７と、基準電圧比較回路３９とを備えて構成されている。
このうち、測定電流供給回路３７は、酸素濃度測定セル１５に測定電流Ｉrpvs（例えば、１．２２［ｍＡ］）を供給するものであり、電圧出力回路３５は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間に発生する起電力Ｖｓを検出するものである。また、基準電圧比較回路３９は、予め定められた基準電圧（本実施例では４５０［ｍＶ］）を内部に保持しており、電圧出力回路３５にて検出した起電力Ｖｓと基準電圧との比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路３３に通知するものである。そして、ポンプ電流駆動回路３３は、基準電圧比較回路３９から受け取った比較結果に基づいて、酸素ポンプセル１１に流すポンプ電流Ｉｐを制御するものである。
【００６０】
そして、全領域空燃比センサ１のうち、酸素濃度測定セル１５は、ガス検出室１９の内部の雰囲気をモニタするために備えられている。すると、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間には、ガス検出室１９の内部における酸素濃度に応じた起電力Ｖｓが発生する。また、全領域空燃比センサのうち、酸素ポンプセル１１は、ポンプ電流駆動回路３３から供給されるポンプ電流Ｉｐに応じて、ガス検出室１９に対する酸素（Ｏ2 ）の汲み出し又は汲み入れを行う。
【００６１】
つまり、全領域空燃比センサ１では、酸素濃度測定セル１５の起電力Ｖｓが一定値（４５０［ｍＶ］）となる様に、つまり、ガス検出室１９の空燃比が理論空燃比となるように、酸素ポンプセル１１を用いてガス検出室１９の内部に対する酸素（Ｏ2 ）の汲み出し又は汲み入れを行う。
【００６２】
このように構成される全領域空燃比センサ１では、酸素ポンプセル１１に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値および電流方向が、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化することから、ポンプ電流Ｉｐの測定結果に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００６３】
そして、このような全領域空燃比センサ１は、例えば、内燃機関の排気管に配置されることで排気ガス中の酸素濃度を検出することができ、排気ガス中の酸素濃度と空燃比との相関関係から、検出した酸素濃度に基づいて内燃機関の空燃比を測定することができる。
【００６４】
また、インターフェース回路３１には、図示しない制御部が備えられており、この制御部は、測定電流Ｉrpvsを通電したときの多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の電圧値の変化量に基づいて、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の電気抵抗値Ｒｐｖｓを検出しており、検出した電気抵抗値Ｒｐｖｓに応じた抵抗値信号Ｓｒをヒータ電圧供給装置に対して出力している。
【００６５】
次に、ヒータ電圧供給装置４３は、インターフェース回路３１からの抵抗値信号Ｓｒに基づいて、全領域空燃比センサ１（詳細には、酸素濃度測定セル１５）の温度Ｔｃを検出し、検出した温度Ｔｃに基づいてセラミックヒータ４１への印加電圧を制御している。
【００６６】
ここで、全領域空燃比センサ１のうち、酸素濃度測定セル１５における温度Ｔｃと電気抵抗値Ｒｐｖｓとの間には、図５に示すような相関関係があり、電気抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて全領域空燃比センサの温度Ｔｃを検出することが可能である。なお、図５に示すグラフによれば、酸素濃度測定セル１５の電気抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］の時には温度Ｔｃは６００［℃］であり、また、酸素濃度測定セル１５の電気抵抗値Ｒｐｖｓが７５［Ω］の時には温度Ｔｃは８００［℃］である。
【００６７】
そして、セラミックヒータ４１は、ヒータ電圧供給装置４３から印加電圧ＶＨが印加されると、印加電圧ＶＨの大きさに応じた発熱量を発生し、全領域空燃比センサ１を加熱する。
ここで、ヒータ電圧供給装置４３において実行される温度制御処理の処理内容について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、ヒータ電圧供給装置４３は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンともいう）を備えて構成されており、温度制御処理はマイコンの内部処理として実行される。また、温度制御処理は、ヒータ電圧供給装置４３の起動と共に処理が開始され、すなわち、全領域空燃比センサの起動と共に温度制御処理が開始される。
【００６８】
そして、温度制御処理が開始されると、まずＳ２１０では、セラミックヒータ４１への印加電圧ＶＨの電圧値となる印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定する。これにより、セラミックヒータ４１に対して１２［Ｖ］の電圧が印加され、セラミックヒータ４１による全領域空燃比センサ１の加熱が開始される。
【００６９】
次のＳ２２０では、全領域空燃比センサ１の温度測定が可能であるか否かを判断しており、肯定判定した場合にはＳ２３０に移行し、否定判定した場合には、Ｓ２４０に移行する。
ここで、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓと全領域空燃比センサの温度については、図５に示すような相関関係があるが、このような相関関係は、酸素濃度測定セル１５の温度が所定温度範囲となる場合にのみ有効となる。つまり、酸素濃度測定セル１５の温度が所定温度以下である場合には、抵抗値Ｒｐｖｓは無限大となり測定できず、抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて酸素濃度測定セル１５の温度を測定することはできない。このため、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の起電力Ｖｓを検出し、起電力Ｖｓが所定電圧以下（本実施例では、１．７［Ｖ］以下）であるか否かを判断することで、温度測定の可否判断を行っている。つまり、起電力Ｖｓが所定電圧以下である場合に肯定判定し、起電力Ｖｓが所定電圧よりも大きい場合には否定判定するのである。
【００７０】
そして、Ｓ２２０で肯定判定されて、Ｓ２３０に移行すると、Ｓ２３０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１３［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１３［Ｖ］となる。なお、Ｓ２３０での処理が完了すると、Ｓ２６０に移行する。
【００７１】
また、Ｓ２２０で否定判定されて、Ｓ２４０に移行すると、Ｓ２４０では、本温度制御処理の起動時点から、所定時間（５［sec］ ）が経過したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２３０に移行し、否定判定されるとＳ２５０に移行する。なお、本温度制御処理では、処理開始時点においてタイマカウンタＣｔを初期化（Ｃｔに０を設定）しており、Ｓ２４０では、このタイマカウンタＣｔに基づいて所定時間が経過したか否かを判断している。
【００７２】
そして、Ｓ２４０で肯定判定されて、Ｓ２３０に移行すると、Ｓ２３０では、上述したように、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１３［Ｖ］を設定し、Ｓ２３０での処理が完了すると、Ｓ２６０に移行する。
また、Ｓ２４０で否定判定されて、Ｓ２５０に移行すると、Ｓ２５０では、印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）に１２［Ｖ］を設定し、この結果、ヒータへの印加電圧が１２［Ｖ］となる。なお、Ｓ２５０での処理が完了すると、Ｓ２６０に移行する。
【００７３】
そして、Ｓ２３０またはＳ２５０での処理が完了してＳ２６０に移行すると、Ｓ２６０では全領域空燃比センサ１（詳細には、酸素濃度測定セル１５）が活性化状態であるか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２７０に移行し、否定判定されるとＳ２２０に移行する。なお、活性化状態であるか否かの判定は、全領域空燃比センサの温度が第１目標温度以上であるか否かにより行っており、全領域空燃比センサの温度は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて判断される。
【００７４】
つまり、Ｓ２６０での判断は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて行っており、具体的には、抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］以下である場合には活性化状態であると判定（肯定判定）し、抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］よりも大きい場合には活性化状態ではないと判定（否定判定）する。なお、抵抗値Ｒｐｖｓが２２０［Ω］となるときの、全領域空燃比センサの温度は、６００［℃］である。
【００７５】
Ｓ２６０で肯定判定されて、Ｓ２７０に移行すると、Ｓ２７０では、全領域空燃比センサ１の温度Ｔｃが、全領域空燃比センサ１の通常使用時の温度として定められた常用温度（８００［℃］）になるように、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧ＶＨを制御する第１ＰＩＤ制御（ＰＩＤコントロール１）を行う。なお、Ｓ２７０で実行される第１ＰＩＤ制御では、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分を一定期間積分した積分成分(lntegral)のみに基づいて、全領域空燃比センサの温度が常用温度となるように、ヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定する制御を行っている。
【００７６】
ここで、第１ＰＩＤ制御においては、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度との差分を、それぞれの温度に対応する抵抗値の差分ΔＲに置き換えて処理を実行しており、差分ΔＲに対するヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定するための演算式ｆ１(ΔＲ)は、［数１］のように表される。
【００７７】
【数１】
【００７８】
また、差分ΔＲは、［数２］に示す数式により定められる。
【００７９】
【数２】
【００８０】
そして、第１ＰＩＤ制御が開始された直後は、積分値ΣΔＲの値はきわめて小さい値となるため、演算式ｆ１(ΔＲ)の値は、約１０．５［Ｖ］に設定される。このあと、差分ΔＲが０より大きい値となる状態で時間が経過していくと、積分値ΣΔＲの値が増大していき、ヒータへの印加電圧ＶＨも増大していく。つまり、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが常用温度に到達しない場合には、その時間経過に伴いヒータの発熱量を増大させるのである。
【００８１】
そして、Ｓ２７０での処理が完了すると、Ｓ２８０に移行し、Ｓ２８０では、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが、目標値（常用温度）に到達したか否かを判断しており、肯定判定されるとＳ２９０に移行し、否定判定されると再びＳ２２０に移行する。なお、常用温度に達したか否かの判定は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７ａ−１７ｂ間の抵抗値Ｒｐｖｓを用いて行っており、抵抗値Ｒｐｖｓが７５［Ω］以下である場合には常用温度（本実施例では、８００［℃］）に達したと判定（肯定判定）し、抵抗値Ｒｐｖｓが７５［Ω］よりも大きい場合には常用温度に達していないと判定（否定判定）する。
【００８２】
Ｓ２８０で肯定判定されて、Ｓ２９０に移行すると、Ｓ２９０では、全領域空燃比センサ１の温度Ｔｃが、全領域空燃比センサ１の通常使用時の温度として定められた常用温度（８００［℃］）に維持されるように、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧値を制御する第２ＰＩＤ制御（ＰＩＤコントロール２）を行う。なお、Ｓ２９０で実行される第２ＰＩＤ制御では、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分における比例成分(Proportinal )および積分成分(lntegral)に基づいて、全領域空燃比センサの温度が常用温度に維持されるように、ヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定する制御を行っている。
【００８３】
ここで、第２ＰＩＤ制御においては、検出した全領域空燃比センサの温度と常用温度との差分を、それぞれの温度に対応する抵抗値の差分ΔＲに置き換えて処理を実行しており、差分ΔＲに対するヒータへの印加電圧指令値ＶＨ（ｒｍｓ）を設定するための演算式ｆ２(ΔＲ)は、［数３］のように表すことができる。
【００８４】
【数３】
【００８５】
また、差分ΔＲは、上述した［数２］に示す数式により定められる。
そして、第２ＰＩＤ制御では、積分値ΣΔＲに第２積分係数Ｃを乗じた第２積分成分値（Ｃ×ΣΔＲ）と、差分ΔＲに第２比例係数Ｂを乗じた第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）との和を、制御基準電圧Ｖｒｅｆに加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧ＶＨとして設定する。このように、第２積分成分値（Ｃ×ΣΔＲ）に加えて第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）の値を加算して、印加電圧ＶＨに設定することから、印加電圧ＶＨは、第１ＰＩＤ制御に比べて高い電圧値に設定されるため、全領域空燃比センサに対して供給する熱量が不足するのを防ぐことが出来る。
【００８６】
なお、Ｓ２９０での処理が完了すると、再びＳ２２０に移行する。
そして、図２に示す処理内容の全領域空燃比センサの温度制御処理は、全領域空燃比センサが停止されるまで、上述した処理を実行する。
以上、説明したように、図２に示す処理内容の全領域空燃比センサの温度制御処理によれば、全領域空燃比センサの起動直後の所定期間内は、全領域空燃比センサの温度が低く、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定ができないため、Ｓ２２０で否定判定されて、ヒータへの印加電圧は１２［Ｖ］または１３［Ｖ］の固定電圧に設定される。
【００８７】
また、抵抗値Ｒｐｖｓによる温度測定が可能となった場合でも、全領域空燃比センサが活性化状態ではない場合には、Ｓ２６０で否定判定されて、Ｓ２２０，Ｓ２３０およびＳ２６０の処理がこの順に繰り返し実行されることになり、ヒータへの印加電圧は１３［Ｖ］の固定電圧に設定される。
【００８８】
そして、全領域空燃比センサの温度が活性化温度（６００［℃］）に到達すると、Ｓ２７０で実行される第１ＰＩＤ制御により、ヒータへの印加電圧ＶＨが設定されることになり、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度（８００［℃］）との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧ＶＨが制御される。
【００８９】
この第１ＰＩＤ制御が開始された直後は、積分期間が短いことから、差分ΔＲの積分値ΣΔＲの値は小さい値となるため、セラミックヒータ４１への印加電圧ＶＨは、約１０．５［Ｖ］に設定されることになり、第１ＰＩＤ制御が開始される前の印加電圧ＶＨ（１２［Ｖ］または１３［Ｖ］）よりも低い電圧に設定される。これにより、セラミックヒータ４１の発熱量を低減することができ、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができる。
【００９０】
また、第１ＰＩＤ制御では、印加電圧ＶＨを設定するための演算式ｆ１(ΔＲ)に、差分ΔＲの積分値ΣΔＲに第１積分係数Ａを乗じた項を有しており、過去一定期間において差分ΔＲが０より大きい値となる場合には、制御基準電圧Ｖｒｅｆよりも高い電圧値が印加電圧ＶＨに設定される。このため、全領域空燃比センサの温度が常用温度に到達しない場合には、時間経過に伴い印加電圧ＶＨとして設定される電圧値が徐々に増加していき、セラミックヒータ４１の発熱量が不足するのを防止でき、確実に常用温度まで昇温させることができる。
【００９１】
また、第１ＰＩＤ制御では、過去一定期間における差分ΔＲの積分値を用いてヒータの印加電圧ＶＨを設定しており、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分ΔＲの積分値は大きく変動することが無いため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００９２】
さらに、第１ＰＩＤ制御では、第２積分係数Ｃよりも小さい値に設定された第１積分係数Ａを用いていることから、差分ΔＲの積分値に対する印加電圧ＶＨの変化量は、常用温度を維持する制御における変化量よりも小さく抑えられることになり、セラミックヒータ４１の発熱量が過剰となって、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを抑制できる。
【００９３】
そして、第１ＰＩＤ制御が実行されて全領域空燃比センサの温度が常用温度（８００［℃］）に到達すると、Ｓ２９０で実行される第２ＰＩＤ制御により、ヒータへの印加電圧ＶＨが設定されることになり、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度（８００［℃］）との差分に基づいて、ヒータへの印加電圧ＶＨが制御される。
【００９４】
この第２ＰＩＤ制御では、差分ΔＲのうち、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが常用温度に達する前の差分ΔＲは用いず、全領域空燃比センサの温度Ｔｃが最初に常用温度を超えた後の差分ΔＲのみを用いて、ヒータへの印加電圧ＶＨを設定している。このため、印加電圧ＶＨを制御する際に、全領域空燃比センサ１（詳細には、酸素濃度測定セル１５）の温度が常用温度に到達する前の期間における差分ΔＲの影響を受けることがなくなり、ヒータへの印加電圧ＶＨが不適切な値に設定されるのを防ぐことが出来る。
【００９５】
この結果、全領域空燃比センサが常用温度に到達した後に、セラミックヒータ４１への印加電圧ＶＨが不適切となることで発熱量が過剰となって、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができる。これにより、オーバーシュートの発生に起因するガスセンサの検出精度の低下を防ぐことが可能となる。
【００９６】
また、第２ＰＩＤ制御は、第１ＰＩＤ制御と同様に、過去一定期間における差分ΔＲの積分値ΣΔＲを用いてヒータへの印加電圧ＶＨを設定しており、センサ出力がノイズなどの影響により瞬時的に大きく変動した場合でも、差分ΔＲの積分値ΣΔＲの値は大きく変動しないため、ノイズの影響を抑えることができ、安定した温度制御が可能となる。
【００９７】
さらに、この第２ＰＩＤ制御では、最新の差分ΔＲに第２比例係数Ｂを乗じた第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）を制御基準電圧Ｖｒｅｆに対して加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧ＶＨとして設定する。そして、検出した全領域空燃比センサの温度Ｔｃと常用温度との差分ΔＲのうち最新の差分ΔＲは、全領域空燃比センサの最新の状態を表す指数であることから、最新の差分ΔＲの値が反映される第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）を用いることで。全領域空燃比センサの最新の状態に適した温度制御が可能となる。
【００９８】
そして、第２ＰＩＤ制御では、第２積分成分値（Ｃ×ΣΔＲ）と第２比例成分値（Ｂ×ΔＲ）との和を制御基準電圧Ｖｒｅｆに加算した電圧値を、ヒータへの印加電圧ＶＨとして設定していることから、外部からのノイズによる影響を抑えることができると共に、全領域空燃比センサの最新の状態に適した温度制御を実現することが出来る。これにより、セラミックヒータ４１の発熱量が適切に設定されることになり、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができると共に、全領域空燃比センサの温度を常用温度に維持するために必要な熱量をヒータで発生させることが出来る。
【００９９】
よって、第２ＰＩＤ制御によれば、全領域空燃比センサが常用温度に到達した後に、セラミックヒータ４１での発熱量が過剰となって、全領域空燃比センサの温度がオーバーシュートするのを防ぐことができ、全領域空燃比センサの検出精度の低下を防ぐことが出来る。
【０１００】
また、本温度制御処理においては、起動直後から印加電圧ＶＨを１３［Ｖ］に設定するのではなく、一旦１２［Ｖ］に設定した後で、１３［Ｖ］に設定していることから、急激な温度上昇によって全領域空燃比センサの温度分布にばらつきが生じるのを防止でき、熱衝撃により全領域空燃比センサが破損するのを防ぐことができる。このように、全領域空燃比センサの温度上昇におけるオーバーシュートを抑える制御に加えて、起動直後の熱衝撃の発生を抑える制御を併せて実行することで、より確実に全領域空燃比センサの損傷を防止することが出来る。
【０１０１】
さらに、本温度制御処理においては、全領域空燃比センサの温度測定を、セラミックヒータ４１の温度測定で代替するのではなく、酸素濃度測定セル１５の抵抗値を用いて実施していることから、全領域空燃比センサ自体の温度を精度良く検出することが可能である。なお、温度測定位置をヒータとは異なる位置に設定する場合、ヒータから温度測定位置までの熱伝導の時間的な遅れが原因となり、ヒータへの印加電圧が不適切な値に設定されてオーバーシュートが発生する虞があるが、本実施例の温度制御処理によれば、オーバーシュートの発生を抑制することができ、好適な温度制御を実現することが出来る。
【０１０２】
ここで、本発明方法を適用した温度制御方法（図２に示す温度制御処理）により全領域空燃比センサの温度を制御したときの測定結果を図３（ａ）に示すと共に、従来の温度制御方法（図１に示す温度制御方法）により全領域空燃比センサの温度を制御した時の測定結果を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）には、（Ａ）ヒータ温度、（Ｂ）素子温度（センサ温度）、（Ｃ）酸素濃度測定セルの抵抗値Ｒｐｖｓ、（Ｄ）ヒータへの印加電圧ＶＨ、をそれぞれ示す。
【０１０３】
まず、図３（ａ）の測定結果においては、ヒータ温度の最高温度は約９７０［℃］であり、素子温度の最高温度は約７３０［℃］であり、また、図３（ｂ）の測定結果においては、ヒータ温度の最高温度は約１０３０［℃］であり、素子温度の最高温度は約７８０［℃］である。つまり、本発明の温度制御方法は、従来の温度制御方法に比べて、ヒータ温度および素子温度ともに最高温度が低くなることから、オーバーシュートを低減できることが判る。
【０１０４】
なお、図３（ａ）、図３（ｂ）ともに、抵抗値Ｒｐｖｓの波形（データ）については、起動から１１［sec ］が経過するまでの期間は、全領域空燃比センサの実際の抵抗値を表しておらず、起動から１１［sec ］経過した後の期間は、全領域空燃比センサの実際の抵抗値を表している。また、本測定では、全領域空燃比センサの常用温度は、約７２０［℃］である。
【０１０５】
また、図４に、本発明の温度制御処理および従来の温度制御処理のそれぞれにおけるヒータ温度および全領域空燃比センサの温度（素子温度）の差異を明確に表すために、ヒータ温度および素子温度を同一座標平面上に記した測定結果を示す。なお、図４では、従来の温度制御処理における素子温度を（Ａ）従来素子温として、従来の温度制御処理におけるヒータ温度を（Ｂ）従来ヒータ温として、本発明の温度制御処理における素子温度を（Ｃ）発明１素子温として、本発明の温度制御処理におけるヒータ温度を（Ｄ）発明１ヒータ温として、それぞれ記載する。
【０１０６】
図４によれば、本発明の温度制御処理において第１ＰＩＤ制御が実行されるまで（起動から１２［sec ］経過するまで）は、本発明および従来ともにヒータ温度，素子温度は、同様の推移を呈するが、起動から１２［sec ］経過した後は、ヒータ温度、素子温度ともに、従来の制御よりも本発明の制御の方が低い値を示すことが判る。
【０１０７】
そして、波形Ｄ（本発明ヒータ温度）が波形Ｂ（従来ヒータ温度）よりも小さい値となることから、本発明の温度制御処理は、従来よりも少ない電力消費量で、全領域空燃比センサを活性化状態とすることができることが判る。
また、起動から活性化温度（６００［℃］）に達するまでの所要時間（ライトオフ時間）について比較すると、本発明の温度制御方法、従来の温度制御方法ともに、約１２［sec ］である。このことから、本発明の温度制御方法は、従来の温度制御方法と同等のライトオフ時間を達成することができ、起動後の早期活性化が実現可能であることが判る。
【０１０８】
さらに、起動から素子温度が制御目標素子温度（常用温度）で安定するまでの所要時間（目標温度収束時間）について比較すると、本発明の温度制御方法、従来の温度制御方法ともに、約３０［sec ］である。このことから、本発明の温度制御方法は、従来の温度制御方法と同等の目標温度収束時間を達成することができ、起動後におけるセンサ出力の安定化を早期に実現することが可能であることが判る。
【０１０９】
なお、図３（ａ）に示す測定結果と図４に示す測定結果とを比較すると、ヒータ温度および素子温度共に波形が若干異なっているが、これは、測定環境（全領域空燃比センサの周囲環境）が異なるために生じたものである。そして、図３（ａ）および図４に示す測定結果によれば、ガスセンサの周囲環境が異なる場合であっても、本発明の温度制御方法を用いることで、オーバーシュートを抑えつつ、ライトオフ時間および目標温度収束時間を従来と同等レベルに維持できることが判る。
【０１１０】
なお、上述の実施例においては、酸素濃度測定セル１５が特許請求の範囲におけるガス検出部に相当し、温度制御処理のＳ２３０で設定される印加電圧ＶＨ（１３［Ｖ］）が、特許請求の範囲における第１電圧に相当するものであり、制御基準電圧Ｖｒｅｆが特許請求の範囲における第２電圧に相当し、温度制御処理のＳ２１０およびＳ２５０で設定される印加電圧ＶＨ（１２［Ｖ］）が、特許請求の範囲における第３電圧に相当し、第１ＰＩＤ制御が特許請求の範囲における印加電圧増加制御に相当し、第２ＰＩＤ制御が特許請求の範囲における常用運転制御に相当する。
【０１１１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、こうした実施例に限定されることなく、種々の態様をとることができる。
例えば、本発明の温度制御方法は、全領域空燃比センサの温度制御に限らず、ＮＯｘガスセンサやＨＣガスセンサなど、ヒータにより活性化温度まで加熱されることで使用可能となるガスセンサの温度制御に適用することができる。
【０１１２】
また、上述の温度制御処理において記載した各数値（例えば、Ｓ２６０での判断基準となる抵抗値（２２０［Ω］）など）は、対象となるガスセンサの種類や設置環境を考慮して、適切な値を適宜設定することができる。つまり、例えば、Ｓ２６０での判断基準は、ガスセンサの活性化温度（６００［℃］）に対応する抵抗値に限らず、活性化温度以上の温度に対応した抵抗値を設定することができる。
【０１１３】
さらに、演算式における各係数（Ａ，Ｂ，Ｃ）についても、対象となるガスセンサの種類や設置環境を考慮して、適切な値を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 全領域空燃比センサ、全領域空燃比センサに接続されるインターフェース回路、セラミックヒータ、およびセラミックヒータに接続されるヒータ電圧供給装置の接続状態を表す説明図である。
【図２】 ヒータ電圧供給装置において実行される温度制御処理の処理内容を示すフローチャートである。
【図３】 （ａ）は、本発明の温度制御方法により全領域空燃比センサの温度を制御したときの測定結果であり、（ｂ）は、従来の温度制御方法により全領域空燃比センサの温度を制御したときの測定結果である。
【図４】 本発明の温度制御処理および従来の温度制御処理のそれぞれにおけるヒータ温度および全領域空燃比センサの温度（素子温度）を測定したときの測定結果である。
【図５】 酸素濃度測定セルの電極間の抵抗値と全領域空燃比センサの温度についての相関関係を表すグラフである。
【図６】 従来の温度制御処理の処理内容を表すフローチャートである。
【符号の説明】
１…全領域空燃比センサ、１１…酸素ポンプセル、１１ａ…固体電解質体、１３ａ，１３ｂ…多孔質電極、１５…酸素濃度測定セル、１５ａ…固体電解質体、１７ａ，１７ｂ…多孔質電極、１９…ガス検出室、２１…ガス拡散多孔質層、２３…遮蔽層、２５…酸素基準室、３１…インターフェース回路、３３…ポンプ電流駆動回路、３５…電圧出力回路、３７…測定電流供給回路、３９…基準電圧比較回路、４１…セラミックヒータ、４３…ヒータ電圧供給装置。
Claims (7)
- 活性化温度以上になることで特定ガスを検出可能となるガス検出部を有するガスセンサにおいて、電力供給によって発熱するヒータを用いて加熱することで、前記ガス検出部の温度を前記活性化温度よりも高温の常用温度に維持するためのガスセンサの温度制御方法であって、
前記ヒータへの通電開始後、前記ガス検出部の温度が、前記活性化温度から前記常用温度までの範囲内で設定された第１目標温度に到達するまでは、前記ガスセンサの早期活性化ができるよう定められた第１電圧を前記ヒータへの印加電圧として設定し、
前記ガス検出部の温度が前記第１目標温度を超えた後、前記ヒータへの印加電圧を前記第１電圧より小さい第２電圧に変更し、
前記ガス検出部の温度が前記第１目標温度を超えてから前記常用温度に達するまでは、検出した前記ガス検出部の温度と前記常用温度との差分に基づいて、前記ガス検出部の温度が前記常用温度になるように、前記ヒータへの印加電圧を増加させる印加電圧増加制御を行い、
前記印加電圧増加制御において、検出した前記ガス検出部の温度と前記常用温度との差分のうち過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第１積分係数を乗じた第１積分成分値を算出し、前記第２電圧に前記第１積分成分値のみを加算した電圧値を、前記ヒータへの印加電圧として設定すること、
を特徴とするガスセンサの温度制御方法。 - 前記ヒータへの通電開始後、前記ガス検出部の温度が最初に前記常用温度を超えた後は、
この時点よりも後に検出した前記ガス検出部の温度と前記常用温度との差分に基づいて、前記ガス検出部の温度を前記常用温度に維持するように前記ヒータへの印加電圧を設定する常用運転制御を行うこと、
を特徴とする請求項１に記載のガスセンサの温度制御方法。 - 前記常用運転制御において、
検出した前記ガス検出部の温度と前記常用温度との差分のうち、前記ヒータへの通電開始後、前記ガス検出部の温度が最初に前記常用温度を超えた後における過去一定期間内の差分を積分して得られる積分値に第２積分係数を乗じた第２積分成分値と、検出した前記ガス検出部の温度と前記常用温度との差分のうち最新の差分に第２比例係数を乗じた第２比例成分値とを算出し、前記第２電圧に対して前記第２積分成分値および前記第２比例成分値を加算した電圧値を、前記ヒータへの印加電圧として設定すること、
を特徴とする請求項２に記載のガスセンサの温度制御方法。 - 前記第１積分係数が前記第２積分係数よりも小さいこと、
を特徴とする請求項３記載のガスセンサの温度制御方法。 - 前記ヒータへの通電開始直後の一定期間は、前記第１電圧よりも小さい第３電圧を前記ヒータへの印加電圧として設定し、前記一定期間の経過後に、前記第１電圧を前記ヒータへの印加電圧として設定すること、
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスセンサの温度制御方法。 - 前記ガス検出部は、固体電解質体表面に一対の電極が形成されてなり、
前記一対の電極間における固体電解質体の電気抵抗値に基づき、前記ガス検出部の温度を検出すること、
を特徴とする請求項１から請求項５のいずれか記載のガスセンサの温度制御方法。 - 前記ガスセンサが、全領域空燃比センサであること、
を特徴とする請求項１から請求項６のいずれか記載のガスセンサの温度制御方法。
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