JP4570082B2

JP4570082B2 - ガスセンサの制御装置

Info

Publication number: JP4570082B2
Application number: JP2005013882A
Authority: JP
Inventors: 卓也斉藤; 尊川合; 諭司寺本
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: JP2005308719A

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御等に利用されるガスセンサを備える制御装置に関する。

一般に、内燃機関の排気系には、空燃比制御に利用するためにガスセンサ素子を備えるガスセンサが設置されている。このようなガスセンサ素子としては、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（ジルコニア等）の表面に電極を形成した検出素子と、この検出素子を活性化温度以上に加熱するためのヒータとを有するタイプが広く知られている。このヒータは、外部からの電力供給により発熱するものであり、ヒータへの通電を制御することで発熱量を制御することができる。

ところで、このヒータに通電を行う際には、検出素子の温度を速やかに上昇させ、検出素子のガス検知部の活性化を早期に図ることが、特定ガスの検知を精度良く行う上で好ましい。しかし、内燃機関の冷間始動時といった排気管内の温度（排気管の壁面の温度）が低く、機関から排出される排気ガス中の水分が排気管内にて結露する条件、即ち排気管内に凝縮水が発生する条件にあるときに、ヒータに通電を行って検出素子を高温に加熱すると、凝縮水の付着に起因してガスセンサ素子が割れるという飛水割れが生じることがあった。つまり、高温状態のガスセンサ素子に凝縮水が付着すると、ガスセンサ素子が急冷され、その際の熱衝撃により検出素子に割れが生じることがあった。

そこで、このガスセンサ素子の飛水割れを抑制するために、排気管の壁面に取付けた温度検出手段により排気管内に水が存在するか否かを判断し、水が存在していると判断されたときに、ヒータへの通電を制限する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、凝縮水が排気管内に発生すると判断されるときに、ヒータへの通電を制限し、凝縮水の付着時にガスセンサ素子に生ずる熱衝撃の程度を緩和させている。そして、凝縮水が排気管に発生しないことが判断されると、ヒータへの通電制限を終えてメイン通電に切り替え、検出素子の活性化を図るようにしている。

特開２００１−４１９２３号公報

しかし、本発明者らの検討によれば、ガスセンサ素子の割れが発生する現象として、ガスセンサ素子が高温状態に加熱されている際に、凝縮水の付着に伴った熱衝撃が及んで飛水割れを発生する他、ヒータへの通電開始前から検出素子に予め水が付着していたり、検出素子が１００℃未満に加熱されているときに凝縮水が付着したりすることが原因で生じる割れ（以下、「凝縮水割れ」ともいう）が存在することが分かった。

つまり、内燃機関の冷間始動時には、ガスセンサ素子自体も冷却されているため、検出素子の外表面に最初から凝縮水が付着していることもあり得る。そして、この状態でヒータへの通電が開始されると、ヒータの温度が上昇し続けるのに対して、検出素子の温度は凝縮水が表面に付着しているが故にその凝縮水が蒸発するまでの間１００℃近傍から中々上昇しない。そのために、検出素子の外表面に付着している凝縮水が全て蒸発した瞬間に、ヒータと検出素子との温度差に大きな開きが生じていると、検出素子の温度がヒータの影響により急激に昇温されてしまい、その際の熱衝撃により検出素子に割れ（凝縮水割れ）が生じてしまうのである。

ところで、上記特許文献１の技術では、凝縮水が排気管内に発生すると判断されたときにヒータへの通電を制限するものであるが、ヒータへの通電制限を終了した時点の温度が明確にされていない。それ故、検出素子の温度を１００℃に達しない領域で維持させるようにヒータへの通電を制限することも無論可能である。しかし、検出素子の温度を１００℃に達しない領域で維持させるようにヒータへの通電を制限した後、ヒータの通電状態をメイン通電に切り替えたのでは、ヒータへの通電開始前から検出素子の表面に水が付着していた場合、メイン通電開始後に検出素子の温度が１００℃以上に中々上昇しない一方で、ヒータの温度が上昇を続けるといった現象が生じてしまい、ひいては上記した凝縮水割れを誘発することになる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、内燃機関の冷間始動時において、検出素子の飛水割れのみならず凝縮水割れをも抑制することができるガスセンサの制御装置を提供することを目的とする。

その解決手段は、内燃機関の排気管内を流通する排気ガス中の特定ガスを検知可能な検出素子および該検出素子を加熱するヒータを備えたガスセンサ素子に接続され、該検出素子が活性化温度以上になるように該ヒータに通電を行うヒータ通電手段を備えるガスセンサの制御装置において、前記内燃機関の始動後に前記排気管内に凝縮水が発生する条件にあるか否かを判定する凝縮水判定手段と、前記凝縮水判定手段にて前記排気管内に凝縮水が発生する条件にあると判定されたとき、前記ヒータ通電手段に代えて前記ヒータに通電を行うプレ通電手段であって、前記ヒータに対して、前記検出素子の温度を１００℃以上、凝縮水の飛水によって前記ガスセンサ素子に割れが生じる飛水割れ発生温度以下の範囲内に維持させる電力を供給するプレ通電手段とを備え、前記プレ通電手段は、前記凝縮水判定手段により前記凝縮水が発生する条件にあると判定した後所定期間にわたり、前記ヒータに第１電力を供給し、前記所定期間経過後に前記第１電力よりも小さい第２電力を前記ヒータに供給するガスセンサの制御装置である。

本発明のガスセンサの制御装置では、内燃機関の始動後、凝縮水判定手段にて凝縮水が排気管内に発生する条件にあると判定されたとき、プレ通電手段によって、検出素子の温度が１００℃以上飛水割れ温度以下の範囲内に維持される電力を、ヒータに対し供給することが注目すべき点である。

このように、本発明では、排気管内に凝縮水が発生する条件にあると判定されたとき、プレ通電手段によりヒータに検出素子の温度が１００℃以上となる電力を供給するようにしたので、内燃機関の冷間始動時に検出素子の表面に最初から凝縮水が付着していた場合や冷間始動直後に検出素子の表面に凝縮水が付着した場合にも、プレ通電手段の作動中（プレ通電中）にこの凝縮水の蒸発が促進される。そして、このプレ通電手段では、検出素子の温度を１００℃以上にしつつも、飛水割れ温度以下の範囲内に維持させる電力をヒータに供給するようにしているため、プレ通電中に検出素子に付着した凝縮水が蒸発しても、検出素子とヒータとの間の温度差を小さく抑えることができ、プレ通電中に凝縮水割れが生じることを防ぐことができる。

しかも、このプレ通電手段では、上述したように飛水割れ温度以下の範囲内に維持させる電力をヒータに供給するようにしていることから、排気管内を飛ぶ凝縮水がガスセンサ素子に付着したときに生ずる飛水割れをも抑制することができる。なお、本明細書において、飛水割れ発生温度とは「ヒータに一定の直流電圧を連続的に印加して検出素子の温度を徐々に上昇させていく過程で、ガスセンサ素子の外表面に２μｌの水滴を滴下したときに、ガスセンサ素子にクラックが発生する温度」を指すものとする。検出素子の温度については、排気ガスに晒されることになる検出素子のガス検出部上に熱電対を配置することで測定することができる。また、飛水割れ発生温度としては、具体的に２５０℃以上３５０℃未満の範囲内に、より好ましくは２５０℃以上３００℃以下の範囲内に設定しておくことが、飛水割れを確実に抑える上で好ましい。
また、凝縮水割れは、内燃機関の始動前に検出素子に予め凝縮水が付着していた際に起こる以外に、ヒータへの通電開始後検出素子の温度が１００℃に到達する前に排気管内を飛水する凝縮水が検出素子に付着することによっても誘発されることがある。そこで、本発明では、凝縮水が発生する条件にあると判定した後所定期間にわたり、比較的大きい第１電力をヒータに供給するようにして検出素子の温度を速やかに１００℃に到達させるようにし、その後に第１電力よりも小さい第２電力をヒータに供給させるようにしている。これにより、内燃機関の冷間始動時における検出素子の凝縮水割れの発生をより確実に防ぐことができる。

なお、本発明において、ヒータは、検出素子に近接して設けられればよく、例えば検出素子の形状が有底筒状に形成される場合には、検出素子に内挿させる形態で設けることができる。また、検出素子が長手方向に延びる板状に形成される場合には、この検出素子にヒータを積層させる形態で設けることができる。なお、板状の検出素子にヒータを積層させる形態としては、検出素子とヒータとを一体的に焼成してもよいし、貼り合わせ層を介して検出素子とヒータとを接着させるようにしてもよい。とりわけ、板状をなす検出素子と板状をなすヒータとを積層した構造を有するガスセンサ素子は、筒状のガスセンサ素子（検出素子）に比べて素子形状をコンパクト化でき、プレ通電時に検出素子に付着した凝縮水の蒸発を良好に促すことができる。それより、本発明のガスセンサの制御装置に適用するガスセンサ素子としては、板状の検出素子とヒータとを積層したものを用いることが好ましい。また、プレ通電手段やヒータ通電手段でヒータに電力（所定の電力）を供給するのに際しては、公知の電力制御手法を用いればよく、例えばＰＷＭ制御するものが挙げられる。

また、上記ガスセンサの制御装置であって、前記凝縮水判断手段は、内燃機関の冷却水温に基づいて、前記排気管内に凝縮水が発生する条件であるか否かを判定するガスセンサの制御装置とするとよい。このように、排気管の壁温との相関が高い冷却水温を用いて排気管内に凝縮水が発生する条件を判定することで、凝縮水が発生する条件を正確にかつ簡易に判定することができる。

さらに、上記ガスセンサの制御装置であって、前記プレ通電手段は、前記ヒータに前記第１電力及び第２電力を供給するように、電源電圧の電圧値に基づいて前記ヒータに印加する電圧波形のデューティ比を算出して前記ヒータへの通電をＰＷＭ制御するガスセンサの制御装置とするとよい。ＰＷＭ制御は、デューティ比によりヒータへの供給電力を容易に調整できる利点があることから、プレ通電時に供給する第１電力、第２電力をＰＷＭ制御することで制御形態を複雑化することなく、精度良くヒータ通電制御することができる。

以下に、本発明の実施形態にかかるガスセンサの制御装置を、図１〜図４を参照して説明する。なお、本実施形態では、ガスセンサとして、内燃機関（自動車のエンジン）から排出される排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサを用いており、以下では酸素センサを備える制御装置１００について説明する。

まず、本実施形態の制御装置１００に用いられる酸素センサは、図１および図２に示すように、検出素子１２とヒータ１４とが積層する形で一体焼成された積層型酸素センサ素子１０を有するものである。図１は、本実施形態の積層型酸素センサ素子１０の長手方向に直交する向きの横断面（後述する検知電極１３１を含む横断面）を示すものであり、図２は、図１の積層型酸素センサ素子１０の構造を示す分解斜視図である。なお、この積層型酸素センサ素子１０は、図示しない主体金具の内側に組み付けられており、この主体金具を介して酸素センサ３０を排気管の所定の取付部に装着することで、排気管内の所定位置に配置される。

このうち、検出素子１２は、ジルコニアを主体に構成された固体電解質板１１を備え、固体電解質板１１のうちヒータ１４と面する側に基準電極１３２が形成されると共に、固体電解質板１１自身を介して基準電極１３２と反対側に位置する面に検知電極１３１が形成された構造を有している。また、この検知電極１３１および基準電極１３２には、固体電解質板１１の長手方向に沿って導体リード部１３３および１３４がそれぞれ延設されている。導体リード部１３３の末端は、センサ回路接続用の外部端子（図示せず）と接続される。また、導体リード部１３４の末端は、固体電解質板１１を貫通するスルーホール１３５を介して、センサ回路接続用の外部端子（図示せず）と接続されるための信号取出し用端子１３６と接続される。検知電極１３１の表面上には、検知電極１３１自身を被毒から防護するための多孔質状の電極保護層１５が形成され、導体リード部１３３の表面上には、外部端子と接続される部分を除いて固体電解質板１１を保護するための強化保護層１６が形成されている。

一方、ヒータ１４は、白金を主体に構成される発熱抵抗体２１を有しており、この発熱抵抗体２１は、絶縁性に優れるアルミナを主体にした第１基板２２および第２基板２３により挟み込まれている。この発熱抵抗体２１は、固体電解質板１１のうち検知電極１３１と基準電極１３２に挟まれた部位（いわゆるガス検出部）を集中的に加熱するために、蛇行状にパターン形成された発熱部２１２と、この発熱部２１２の端部とそれぞれ接続され、長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部２１３とを有している。また、ヒータリード部２１３の発熱部２１２と接続される側とは反対側の端部２１１は、第２基板２３を貫通する２つのスルーホール２３１を介して、外部端子と接続される一対のヒータ通電端子２３２とそれぞれ電気的に接続されている。

次に、このような積層型酸素センサ素子１０が組み付けられた酸素センサ３０を備える制御装置１００の概略構成を、図３に示したシステム構成図を参照して説明する。酸素センサ３０は、上述したように検出素子１２、ヒータ１４が積層された積層型酸素センサ素子１０を有するものであり、検出素子１２（詳細には検出素子１２の検知電極１３１、基準電極１３２）にはセンサ回路３２が接続されている。一方、ヒータ１４（詳細にはヒータ１４の発熱抵抗体２１）は、一端がバッテリ（車載用電源）４２に接続されると共に、他端がヒータ制御回路３４に接続されている。このようにしてヒータ１４は、バッテリ４２、ヒータ制御回路３４と共に閉ループを形成している。なお、本実施の形態において、バッテリ４２は、１２Ｖ定格の鉛蓄電池タイプを使用している。

このセンサ回路３２およびヒータ制御回路３４は、それぞれマイクロコンピュータ４４に接続されている。ここで、センサ回路３２、ヒータ制御回路３４は、それぞれ公知の回路構成を有するものであるため詳細は省略するが、ヒータ制御回路３４は、後述するマイクロコンピュータ４４から出力されるパルス信号Ｓｈに基づいて、ヒータ１４をパルス駆動するためのスイッチング素子（例えば、ＦＥＴ）を用いて構成されている。また、マイクロコンピュータ４４についても詳細は図示しないが、公知の構成を有しており、演算を行うマイクロプロセッサ、プログラムやデータを一時記憶しておくＲＡＭ、プログラムやデータを保持するＲＯＭ、Ａ／Ｄ変換器、入力ポート等を含むものである。

このマイクロコンピュータ４４には、センサ回路３２およびヒータ制御回路３４の他、バッテリ４２の電圧値Ｖｂを検出するための電源電圧検出回路３６が接続されている。さらに、マイクロコンピュータ４４には、エンジンのウォータジャケット内に臨んで冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ３８が接続され、水温センサ３８からの信号が入力されるように構成されている。なお、マイクロコンピュータ４４は、バッテリ４２の電圧値Ｖｂ（以下、単にバッテリ電圧Ｖｂともいう）および冷却水温Ｔｗに基づいてヒータ１４（詳細には、発熱抵抗体２１）に印加する電圧波形のデューティ比を算出する機能（この機能は、後述するヒータ通電処理にて実行される）を有しており、その算出されたデューティ比によって、ヒータ１４への通電をＰＷＭ制御するためのパルス信号Ｓｈを出力するためのＰＷＭポートを有している。

ついで、本実施形態の制御装置１００のマイクロコンピュータ４４によるヒータ通電制御（ヒータ制御ルーチン）について、図４を参照して説明する。自動車のエンジンが駆動されると、図示しないレギュレータ回路を介してマイクロコンピュータ４４に一定電圧が投入され、必要なプログラムがＲＯＭから読み込まれて、以下のようにヒータ制御回路３４が制御される。

まず、ステップＳ１において、このプログラムの初期設定を行う。その中で、タイマー変数を初期化し（ＴＩＭＥ＝０）、１１Ｖ電力供給の際のメイン通電時デューティ比Ｄｍを算出するための初期値ＬＬ＝１２１（＝１１^２）、３Ｖ電力供給の際の冷間通電継続デューティ比Ｄｓｋを算出するための初期値ＭＭ＝９（＝３^２）、１０Ｖ電力供給の際に冷間初期通電時デューティ比Ｄｓｓを算出するための初期値ＮＮ＝１００（＝１０^２）を設定する。電圧に対し電力は電圧の２乗の関係を有するからである。

そして、ステップＳ２に進み、入力ポートを通じて水温センサ３８からの信号を入力し、冷却水温Ｔｗを検出する。続いて、ステップＳ３で冷却水温Ｔｗが０℃以下であるか否かを判断する。冷却水温Ｔｗが０℃より大きい場合（Ｎｏ）には、排気管内に凝縮水が発生する条件ではないとして、換言すれば凝縮水の被水により検出素子１２に割れ（飛水割れ）が発生する可能性が無いと判断して、ステップＳ１５に進む。

ここで、本実施の形態では、上述した構成の検出素子１２を用いて酸素センサ３０が構成しているが、この検出素子１２は、その厚みや材質等を考慮したときに、自身の温度が約３００℃以上に加熱されている状況で凝縮水が表面に付着にすると、その際の熱衝撃に起因して割れ（飛水割れ）を生ずることがある。そのため、冷却水温Ｔｗが０℃以下である（Ｙｅｓ）場合には、排気管内に凝縮水が発生する条件にあるとしてステップＳ４に進むようにしている。このステップＳ４では、バッテリ電圧Ｖｂを取得する。

その後、ステップＳ５に進み、冷間初期通電時デューティ比Ｄｓｓを、Ｄｓｓ＝ＮＮ／Ｖｂ^２によって求める。例えば、Ｖｂ＝１２Ｖであった場合には、Ｄｓｓ＝１００／１２^２≒０．６９（＝６９％）が得られる。その後、ステップＳ６において、得られた冷間初期通電時デューティ比Ｄｓｓ（例えば、０．６９）に従うパルス信号ＳｈをＰＷＭポートから出力し、ヒータ制御回路３４を用いてヒータ１４（詳細には発熱抵抗体２１）を冷間初期通電時デューティ比Ｄｓｓでパルス駆動する。このようにしてバッテリ電圧Ｖｂに応じた冷間初期通電時デューティ比Ｄｓｓでヒータ１４をパルス駆動するので、ヒータ１４には、１０Ｖ（ＤＣ１０Ｖ）を印加したのと同様の電力が投入される。

その後、ステップＳ７で所定のサイクルタイム（例えば、０．２５秒）の経過を待ち、ステップＳ８でタイマー変数ＴＩＭＥ≧３秒であるか否かを判断し、経過前の場合（Ｎｏ）には、ステップＳ４に戻る。一方、３秒経過した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ９に進み、タイマー変数を初期化する（ＴＩＭＥ＝０）。こうして３秒経過により冷間初期始動時の１０Ｖ電力の先行投入が終了する。

ついで、ステップＳ１０に進み、ステップＳ４と同様にバッテリ電圧Ｖｂを取得する。そして、ステップＳ１１で、冷間通電継続デューティ比Ｄｓｋを、Ｄｓｋ＝ＭＭ／Ｖｂ^２によって求める。例えば、Ｖｂ＝１２Ｖであった場合には、Ｄｓｋ＝９／１２^２≒０．０６（＝６％）が得られる。その後、ステップＳ１２において、得られた冷間通電継続デューティ比Ｄｓｋ（例えば０．０６）に従うパルス信号ＳｈをＰＷＭポートから出力し、ヒータ制御回路３４を用いてヒータ１４を冷間通電継続デューティ比Ｄｓｋでパルス駆動する。このようにしてバッテリ電圧Ｖｂに応じた冷間通電継続デューティ比Ｄｓｋでヒータ１４をパルス駆動するので、ヒータ１４には、３Ｖ（ＤＣ３Ｖ）を印加したのと同様の電力が投入される。

その後、ステップＳ１３で所定のサイクルタイム（例えば、０．２５秒）の経過を待ち、ステップＳ１４でタイマー変数ＴＩＭＥ≧２７秒であるか否かを判断し、経過前の場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１０に戻る。一方、２７秒経過した場合（Ｙｅｓ）、つまり冷却水温が０℃以下であると判断されてから３０秒経過した場合には、ステップＳ１５に進む。なお、上述したステップＳ４〜Ｓ１４までの処理が、ステップＳ１５以降のメイン通電を行う前のプレ通電に相当する。

ステップＳ１５では、ステップＳ４、Ｓ１０と同様にバッテリ電圧Ｖｂを取得する。そして、ステップＳ１６で、メイン通電時デューティ比Ｄｍを、Ｄｍ＝ＬＬ／Ｖｂ^２によって求める。例えば、Ｖｂ＝１２Ｖであった場合には、Ｄｍ＝１２１／１２^２≒０．８４（＝８４％）が得られる。その後、ステップＳ１６において、得られたメイン通電時デューティ比Ｄｍ（例えば０．８４）に従うパルス信号ＳｈをＰＷＭポートから出力し、ヒータ制御回路３４を用いてヒータ１４をメイン通電時デューティ比Ｄｍでパルス駆動する。このようにしてバッテリ電圧Ｖｂに応じたメイン通電時デューティ比Ｄｍでヒータ１４をパルス駆動するので、ヒータ１４には、１１Ｖ（ＤＣ１１Ｖ）を印加したのと同様の電力が供給される。

その後、ステップＳ１８で所定のサイクルタイム（例えば０．２５秒）の経過を待ちステップＳ１５に戻る。そして、これ以降、ヒータ１４は自動車（エンジン）の運転を停止し、マイクロコンピュータ４４の駆動が停止するまで、ＤＣ１１Ｖを印加したのと同様の電力が投入され続ける。

上述したマイクロコンピュータ４４によるヒータ通電制御のうち、ステップＳ３にて冷却水温Ｔｗの温度が０℃以下である判断された場合に実行されるヒータ通電制御と、その際の検出素子１２の温度の挙動（温度変化）を図５に示す。図５において、ａはヒータ１４（詳細には発熱抵抗体２１）への供給電力のパターンの挙動を表し、ｂはヒータ１４に積層された検出素子１２の検出部における温度変化を表す。なお、検出素子１２の表面には、通電開始前から所定量の水が付着されており、その温度は通電開始前約０℃であった。

マイクロコンピュータ４４により上述したヒータ通電制御が実行されることで、エンジンの駆動開始からヒータ１４には１０Ｖ電力が３秒供給され、その後３Ｖ電力が２７秒供給される。これにより、ヒータ１４の温度は速やかに立ち上がり、３０秒を経過するまでのプレ通電の間に、ヒータ１４の温度は約２００℃で安定する。これに対し、検出素子１２の温度は、ヒータ１４の昇温に追従して上昇することになるが、検出素子１２の表面に水が付着しているが故に約１００℃で一旦飽和する。そして、検出素子１２の温度は、自身の表面に付着した水がヒータ１４の加熱に伴い蒸発するまでの間約１００℃に維持され、この水が蒸発すると再び上昇して約２００℃に安定する。

このように本実施の形態では、排気管内に凝縮水が発生する条件にある（冷却水温Ｔｗが０℃以下である）と判断されたとき、ヒータ１４に検出素子１２の温度が１００℃以上（本実施の形態では約２００℃）となる電力を供給するようにしている。これにより、検出素子１２の表面に最初から水（凝縮水）が付着していたとしても、上記プレ通電中に検出素子１２に付着した水は蒸発されることになる。そして、このプレ通電では、検出素子１２の温度を１００℃以上にしつつも、飛水割れ温度（本実施の形態では、上述したように約３００℃）以下の範囲内に維持させる（本実施の形態では、約２００℃に維持させる）電力をヒータ１４に供給するようにしていることから、プレ通電中に検出素子１２に付着した水が蒸発しても、検出素子１２とヒータ１４との間の温度差を小さく抑えることができる。よって、プレ通電中に、検出素子１２に凝縮水割れが生じることを防ぐことができる。

しかも、本実施の形態では、プレ通電時に積層型酸素センサ素子１０の飛水割れ温度（約３００℃）以下の範囲内に維持させる（本実施の形態では、約２００℃に維持させる）電力をヒータ１４に供給するようにしていることから、飛水割れをも抑制することができる。

図５に戻り、エンジンの駆動開始から３０秒が経過すると、ヒータ１４への通電モードが、プレ通電からメイン通電に移行される。これにより、ヒータ１４には１１Ｖ電力が供給され、ヒータ１４の発熱量が増大することになる。その結果、検出素子１２の温度は、活性化温度以上である約８００℃で安定するように変化する。こうして検出素子１２が活性化され、酸素センサ３０にて酸素濃度の検出が可能となる。なお、内燃機関の冷間始動時においては、エンジンの始動後３０秒経過するまでに飛水が発生しなくなることが一般的に知られていることから、本実施の形態では、エンジンの始動後３０秒経過した時点で、ヒータ１４への通電をメイン通電に移行させている。なお、プレ通電の機関は３０秒に限定されず、それよりも長く設定しても構わない。

ここで、本実施の形態の制御装置１００において、マイクロコンピュータ４４内で処理されるステップＳ２、Ｓ３が特許請求の範囲における「凝縮水判定手段」に相当する。また、ステップＳ６、Ｓ１２が特許請求の範囲における「プレ通電手段」、ステップＳ１７が同「ヒータ通電手段」に相当する。

以上において、本発明を実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上記実施の形態では、水温センサ３８により検出される冷却水温Ｔｗに基づいて排気管内に凝縮水が発生する条件にあるか否かを判定したが、排気管内に凝縮水が発生する条件にあるか否かを判定する手法はこれに限定されない。具体的には、図３中破線で示したように、水温センサ３８により検出される冷却水温Ｔｗに加えて、外気温センサや吸気温センサなどからの情報をも加味して、マイクロコンピュータ４４にて排気管内に凝縮水が発生する条件にあるか否かを判定しても良いし、水温センサ３８に代えて上記外気温センサや吸気温センサをマイクロコンピュータ４４に接続し、その情報に基づいて上記判定を行っても良い。

また、上記実施の形態では、ガスセンサとして１セルタイプの積層型酸素センサ素子１０を有する酸素センサ３０を適用したものを説明したが、ガスセンサはかかる酸素センサ３０に限定されるものではない。例えば、有底筒状をなす検出素子の内側に棒状のヒータを内挿させた酸素センサや、酸素イオンポンプセルと酸素濃度測定セルとを中空の測定室を介在させた形で積層させて検出素子（いわゆる２セルタイプの検出素子）を構成し、その検出素子とヒータとを貼り合わせた全領域空燃比センサを適用して、本発明の制御装置を構成しても良い。また、ヒータ付きのＮＯｘセンサやＨＣセンサを適用して、本発明の制御装置を構成しても良い。

さらに、上記実施の形態では、プレ通電としてヒータ１４に１０Ｖ電力を３秒投入した後、３Ｖ電力を２７秒投入する電力供給パターンを採用したが、電力供給パターンはこれに限定されず、ヒータ１４に対して、検出素子１２の温度を１００℃以上、凝縮水の飛水によって検出素子１２に割れが生じる飛水割れ発生温度未満の範囲内に維持させる電力を供給することができるパターンであれば他のパターンを適宜選択することができる。例えば、３Ｖ電力を常時供給するパターンをプレ通電として採用しても良いし、１０Ｖ電力の供給を開始してから、３Ｖ電力に、徐々に近づけるパターンをプレ通電として採用しても良い。また、メイン通電の電力供給パターンについても、上記実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態におけるガスセンサ（酸素センサ）に組み込まれる積層型酸素センサ素子の長手方向に直交する向きの断面を示す断面図である。実施の形態におけるガスセンサ（酸素センサ）に組み込まれる積層型酸素センサ素子の分解斜視図である。実施の形態におけるガスセンサ（酸素センサ）の制御装置の概略構成図である。実施の形態にて実行されるヒータ通電制御（ヒータ制御ルーチン）のフローチャートである。実施の形態のガスセンサ（酸素センサ）の制御装置にかかり、ヒータへの供給電力のパターンの挙動と、ヒータに積層された検出素子の温度の挙動を示すグラフである。

符号の説明

１００・・・制御装置、１０・・・積層型酸素センサ素子（ガスセンサ素子）、１１・・・固体電解質板、１２・・・検出素子、１３１・・・検知電極、１３２・・・基準電極、１４・・・ヒータ、２１・・・発熱抵抗体、３０・・・ガスセンサ（酸素センサ）、３２・・・センサ回路、３４・・・ヒータ制御回路、３６・・・電源電圧検出回路、３８・・・水温センサ、４２・・・バッテリ、４４・・・マイクロコンピュータ

Claims

内燃機関の排気管内を流通する排気ガス中の特定ガスを検知可能な検出素子および該検出素子を加熱するヒータを備えたガスセンサ素子に接続され、該検出素子が活性化温度以上になるように該ヒータに通電を行うヒータ通電手段を備えるガスセンサの制御装置において、
前記内燃機関の始動後に前記排気管内に凝縮水が発生する条件にあるか否かを判定する凝縮水判定手段と、
前記凝縮水判定手段にて前記排気管内に凝縮水が発生する条件にあると判定したとき、前記ヒータ通電手段に代えて前記ヒータに通電を行うプレ通電手段であって、前記ヒータに対して、前記検出素子の温度を１００℃以上、凝縮水の飛水によって前記ガスセンサ素子に割れが生じる飛水割れ発生温度未満の範囲内に維持させる電力を供給するプレ通電手段と、
を備え、
前記プレ通電手段は、前記凝縮水判定手段により前記凝縮水が発生する条件にあると判定した後所定期間にわたり、前記ヒータに第１電力を供給し、前記所定期間経過後に前記第１電力よりも小さい第２電力を前記ヒータに供給する
ガスセンサの制御装置。
請求項１に記載のガスセンサの制御装置であって、
前記凝縮水判断手段は、内燃機関の冷却水温に基づいて、前記排気管内に凝縮水が発生する条件であるか否かを判定する
ガスセンサの制御装置。
請求項１または請求項２に記載のガスセンサの制御装置であって、
前記プレ通電手段は、前記ヒータに前記第１電力及び前記第２電力を供給するように、電源電圧の電圧値に基づいて前記ヒータに印加する電圧波形のデューティ比を算出して前記ヒータへの通電をＰＷＭ制御する
ガスセンサの制御装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサの制御装置であって、
前記ガスセンサ素子は、板状をなす前記検出素子と板状をなす前記ヒータとを積層した構造を有する
ガスセンサの制御装置。