JP6001411B2 - ヒータ制御装置及びセンサ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ヒータ部を有するセンサのヒータ部の制御に用いるヒータ制御装置、及び、このようなセンサとヒータ制御装置とを備えるセンサ制御システムに関する。

従来、ヒータ部を有するセンサとして、例えば、排気ガス中の特定ガスのガス濃度を検出する酸素センサや窒素酸化物（ＮＯｘ）などのガスセンサが知られている。これらのガスセンサでは、ジルコニアを主体とした固体電解質体からなるセンサ素子部、及びこのセンサ素子部を活性化状態に加熱するヒータ部を有しており、センサ素子部を活性化状態にすべく、ヒータ制御装置によりヒータ部の制御が行われる。例えば、特許文献１には、ヒータ部の通電量をデューティ比で制御するヒータ制御装置が開示されている。

特開２００２−２５７７７９号公報

ところで、このようなヒータ制御装置では、活性化状態においては、一定の活性化温度を維持すべく、センサ素子部の素子インピーダンス等から、素子温度を算出し、これをフィードバックして、ヒータ部の通電量を制御するフィードバック制御が行われる。一方、活性化状態となる前は、センサ素子部を低温状態から活性化状態まで昇温させるべく、所定の通電パターンでヒータ部を通電している。センサ素子部を活性化状態まで加熱するにあたっては、センサ素子部をいち早く昇温させることが望まれるものの、例えば、夜間駐車した後、車を始動させてセンサの使用を開始する場合などでは、始動直後にセンサ素子部を急速に昇温させると、内燃機関の排気管内やセンサ内に付着した水滴がセンサ素子部やヒータ部に付着して、これらに割れが生じる虞がある。そこで、センサ素子部を活性化状態まで加熱するのに先立って、車の始動直後などには、内燃機関の排気管内やセンサ内の各所に付着した水滴が除去されるまでの間、小さな電力のみヒータ部に加え、例えば、センサ素子部等に付着した水分を蒸発させることができる程度の温度にヒータ部及びセンサ素子部を予熱する期間（以下、プリヒート期間という。）を設ける場合もある。

ところで、パルス駆動信号に従って、ヒータドライバをオンオフすると、例えば、ヒータドライバがハイサイドドライバの場合は、ヒータドライバがターンオンするときに、ヒータドライバの出力電圧が立ち上がり、ヒータドライバがターンオフするときに、ヒータドライバの出力電圧が立ち下がる。このとき、このヒータドライバの出力電圧の立ち上がり及び立ち下がりには、それぞれ所定の時間を要する。また、パルス駆動信号が変化してからヒータドライバの出力電圧が実際に変化し始めるまでには遅延時間を生じる。このため、ヒータ部に小電力を加えるため、短時間だけヒータドライバをオンさせるべく、パルス駆動信号のデューティ比（オンデューティ比）を小さくすると、これら出力電圧の立ち上がり及び立ち下がりに要する時間や遅延時間の影響が大きくなり、所定時間内にヒータ部に実際に加えられる電力量（具体的には、パルス駆動信号の周期毎の電力量）が小さくなり過ぎる場合がある。特に、２４Ｖ系のバッテリを使用する車両にセンサを搭載した場合には、同じ電力量を供給する場合のパルス駆動信号のデューティ比が、１２Ｖ系のバッテリを使用する場合に比して小さい値となるので、その影響が大きい。すると、例えば、上述のプリヒート期間を設けても、ヒータ部に適切な電力量を加えることができず、ヒータ部及びセンサ素子部の予熱が適切に行えないことがある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、パルス駆動信号のデューティ比が小さくなる場合でも、ヒータドライバを適切にオンオフさせて、センサのヒータ部に適切な電力量を加えることができるヒータ制御装置、及び、このようなセンサとヒータ制御装置とを備えるセンサ制御システムを提供するものである。

その一態様は、ヒータ部を有するセンサの上記ヒータ部の制御に用いるヒータ制御装置であって、オン信号とオフ信号とが交互に現れるパルス駆動信号に従ってオンオフされ、電源から供給される電力を上記ヒータ部に加えるヒータドライバと、上記パルス駆動信号を上記ヒータドライバに向けて出力し、上記ヒータ部への通電を制御するヒータ通電制御手段と、上記電源の電源電圧を検知する電源電圧検知手段と、上記パルス駆動信号の周期毎に上記ヒータ部に加えるべき理想の電力量である単位理想電力量を取得する理想電力量取得手段と、上記ヒータドライバが実際にオンしてからオフするまでのヒータオン時間を取得するオン時間取得手段と、検知した上記電源電圧及び上記ヒータオン時間を用いて、上記周期毎に上記ヒータ部に実際に加えられた電力量である単位実電力量を算出する実電力量算出手段と、 現在の周期について得た上記単位実電力量と現在の周期についての上記単位理想電力量とに基づいて、次の周期において、上記単位実電力量が上記単位理想電力量に等しくなるように、上記パルス駆動信号のデューティ比を決定するデューティ比決定手段と、を備えるヒータ制御装置である。

このヒータ制御装置では、単位理想電力量を取得する理想電力量取得手段と、オン時間取得手段と、単位実電力量を算出する実電力量算出手段を備え、現在の周期について得た単位実電力量と現在の周期についての単位理想電力量とに基づいて、次の周期において、単位実電力量が単位理想電力量に等しくなるように、パルス駆動信号のデューティ比を決定する。これにより、デューティ比が小さくなる場合であっても、ヒータ部に実際に加えられた単位実電力量が単位理想電力量に等しくなるようにデューティ比が決定されるので、ヒータ部に適切な電力量を加えることができる。このため、例えば、プリヒート期間を設けた場合には、ヒータ部及びセンサ素子部の予熱が適切に行える。
このヒータ制御装置では、ヒータオン時間を取得するオン時間取得手段を備え、検知した電源電圧及びヒータオン時間を用いて、単位実電力量を算出する。なお、単位実電力量を決定するパラメータとしては、この他に、ヒータドライバのターンオン及びターンオフの期間における出力電圧の変化速度（変化時間）が挙げられる。しかし、これらはヒータドライバ固有の値として決定されるので、予め記憶した値を用いることができる。また、電源電圧及びヒータオン時間に応じた単位実電力量を与える参照テーブルを用意しておき、このテーブルを参照することにより、単位実電力量を取得しても良い。したがって、少なくとも、電源電圧及びヒータオン時間を取得することで、単位実電力量を適切に算出することができる。

なお、ヒータドライバとしては、パワートランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＰＤ（Intelligent Power Device）などのスイッチング素子が挙げられる。また、このヒータドライバとしては、電源とヒータ部との間に介在するハイサイドドライバ、または、ヒータ部と基準電位（ＧＮＤ）との間に介在するローサイドドライバのいずれの形式でも良い。ハイサイドドライバの場合は、ヒータドライバがターンオンするときに、ヒータドライバの出力電圧が立ち上がり、ヒータドライバがターンオフするときに、ヒータドライバの出力電圧が立ち下がる。一方、ローサイドドライバの場合は、ヒータドライバがターンオンするときに、ヒータドライバの出力電圧が立ち下がり、ヒータドライバがターンオフするときに、ヒータドライバの出力電圧が立ち上がる。

さらに、上述のヒータ制御装置であって、前記オン時間取得手段は、前記パルス駆動信号を前記オフ信号から前記オン信号に変化させた後、前記ヒータドライバがターンオンする過程で、上記ヒータドライバの出力電圧が予め定めたオン閾電圧に到達したタイミングであるオンタイミングを検知するオンタイミング検知手段と、上記パルス駆動信号を上記オン信号から上記オフ信号に変化させた後、上記ヒータドライバがターンオフする過程で、上記出力電圧が予め定めたオフ閾電圧に到達したタイミングであるオフタイミングを検知するオフタイミング検知手段と、上記オンタイミングから上記オフタイミングまでの経過時間を前記ヒータオン時間として計時する計時手段と、を有するヒータ制御装置とすると良い。

このヒータ制御装置では、オン時間取得手段は、オンタイミング検知手段と、オフタイミング検知手段と、計時手段とを有している。これにより、ヒータオン時間を適切に取得することができる。

なお、オンタイミング検知手段及びオフタイミング検知手段としては、マイクロプロセッサを用いた場合において、ヒータドライバの出力電圧がオン閾電圧あるいはオフ閾電圧となったときに、それぞれマイクロプロセッサに対して割り込みを発生させることにより、オンタイミング及びオフタイミングを検知する構成が挙げられる。また、オンタイミングからオフタイミングまでの経過時間を計時する計時手段としては、オンタイミングで発生した割り込み処理で、タイマをスタートさせる一方、オフタイミングで発生した割り込み処理でこのタイマを停止させて、その間の経過時間を計測する構成が挙げられる。

さらに、上述のヒータ制御装置であって、前記ヒータドライバの前記ターンオンの期間における前記出力電圧の変化速度であるターンオン速度、及び、上記ヒータドライバの前記ターンオフの期間における上記出力電圧の変化速度であるターンオフ速度を記憶した記憶手段を備え、前記実電力量算出手段は、前記電源電圧、前記ヒータオン時間、上記ターンオン速度及び上記ターンオフ速度を用いて、前記単位実電力量を算出するヒータ制御装置とすると良い。

このヒータ制御装置では、検知した電源電圧及びヒータオン時間、並びに記憶されていたターンオン速度及びターンオフ速度を用いて、単位実電力量を算出する。これにより、単位実電力量を適切に算出して、次の周期におけるデューティ比の決定を適切に行うことができる。

さらに、上述のヒータ制御装置であって、前記ヒータドライバは、前記電源と前記ヒータ部との間に介在するハイサイドドライバであり、前記実電力量算出手段は、前記オン閾電圧を前記ターンオン速度で除した値を第１時間とし、前記電源電圧と上記オン閾電圧の差分を上記ターンオン速度で除した値を第２時間とし、前記オフ閾電圧を前記ターンオフ速度で除した値の絶対値を第３時間とし、上記電源電圧と上記オフ閾電圧の差分を上記ターンオフ速度で除した値の絶対値を第４時間とし、上記ヒータオン時間から上記第２時間と上記第４時間とを引いた値をＡとし、上記ヒータオン時間に上記第１時間と上記第３時間とを足した値をＢとし、上記電源電圧を２乗した値をＣとし、上記第１時間と上記第２時間と上記第３時間と上記第４時間とを足した値をＤとし、ＢをＤで除した値と上記電源電圧との積の２乗をＥとしたとき、前記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和よりも大きい場合には、前記単位実電力量を、ＷＡ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ／２により算出し、上記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和以下の場合には、上記単位実電力量を、ＷＡ＝Ｂ×Ｅ／２により算出する手段であるヒータ制御装置とすると良い。

ヒータドライバがハイサイドドライバであるこのヒータ制御装置では、単位実電力量を、上述の演算式によって、簡易に得ることができる。

また、前述のヒータ制御装置であって、前記ヒータドライバは、前記ヒータ部と基準電位との間に介在するローサイドドライバであり、前記実電力量算出手段は、前記電源電圧と前記オン閾電圧の差分を前記ターンオン速度で除した値の絶対値を第１時間とし、上記オン閾電圧を上記ターンオン速度で除した値の絶対値を第２時間とし、上記電源電圧と前記オフ閾電圧の差分を前記ターンオフ速度で除した値を第３時間とし、上記オフ閾電圧を上記ターンオフ速度で除した値を第４時間とし、上記ヒータオン時間から上記第２時間と上記第４時間とを引いた値をＡとし、上記ヒータオン時間に上記第１時間と上記第３時間とを足した値をＢとし、上記電源電圧を２乗した値をＣとし、上記第１時間と上記第２時間と上記第３時間と上記第４時間とを足した値をＤとし、ＢをＤで除した値と上記電源電圧との積の２乗をＥとしたとき、前記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和よりも大きい場合には、前記単位実電力量を、ＷＡ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ／２により算出し、上記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和以下の場合には、上記単位実電力量を、ＷＡ＝Ｂ×Ｅ／２により算出する手段であるヒータ制御装置とすると良い。

ヒータドライバがローサイドドライバであるこのヒータ制御装置では、前述のハイサイドドライバの場合と同様、単位実電力量を、上述の演算式によって、簡易に得ることができる。

さらに、上述のいずれかのヒータ制御装置であって、前記デューティ比決定手段は、現在の周期における前記デューティ比をＤＴ（ｎ）とし、現在の周期についての前記単位理想電力量をＷＡｉ（ｎ）とし、現在の周期について得た前記単位実電力量をＷＡ（ｎ）としたとき、次の周期における上記デューティ比を、ＤＴ（ｎ＋１）＝ＤＴ（ｎ）×ＷＡｉ（ｎ）／ＷＡ（ｎ）（但し、ｎは自然数）により算出する手段であるヒータ制御装置とすると良い。

このヒータ制御装置では、次の周期におけるデューティ比を、上述の演算式により算出する。これにより、簡易な演算により、次の周期におけるデューティ比を適切に決定することができる。

さらに、上述のいずれかのヒータ制御装置であって、最初の周期における前記単位理想電力量を前記電源電圧の２乗で除した値を、前記デューティ比の初期値とする初期デューティ比算出手段を備えるヒータ制御装置とすると良い。

このヒータ制御装置では、パルス駆動信号の最初の周期（ヒータ部への通電の開始時）における単位理想電力量を電源電圧の２乗で除した値を、デューティ比の初期値としている。これにより、デューティ比の初期値を、単位理想電力量に基づいた適切な値にできるので、最初に適切な単位実電力量を得て、その後のデューティ比の決定を適切に行うことができる。

さらに、上述のいずれかのヒータ制御装置であって、前記センサは、固体電解質体からなるセンサ素子部を有し、前記ヒータ部は、上記センサ素子部を加熱するものであり、前記デューティ比決定手段を、上記センサ素子部を活性化状態まで加熱するのに先立って、上記センサ素子部を予熱する期間に用いるヒータ制御装置とすると良い。

このヒータ制御装置では、センサ素子部を活性化状態まで加熱するのに先立って、センサ素子部を予熱する期間に、デューティ比決定手段を用いてデューティ比を決定する。例えば、センサ素子部を予熱する前述のプリヒート期間には、計算上、デューティ比が微小な値となることがあるが、単位実電力量が単位理想電力量に等しくなるように、適切なデューティ比を決定して、センサ素子部の予熱を適切に行うことができる。

また、他の態様は、前記ヒータ部を有する前記センサと、上述のいずれかのヒータ制御装置とを備えるセンサ制御システムである。

このセンサ制御システムは、センサのヒータ部に大小適切な電力量を加えることができるので、センサの制御を適切に行うことができる。

実施形態に係るガスセンサ制御装置及びセンサ制御システムの概略構成を示す説明図である。 実施形態に係るガスセンサ制御装置におけるパルス駆動信号とヒータドライバの出力電圧の関係を示すタイミングチャートである。 図２のパルス駆動信号とヒータドライバの出力電圧の関係のタイミングチャートについて、指示されたデューティ比が微小な場合を示したものである。 実施形態に係る単位実電力量の算出方法についての説明図である。 実施形態に係るガスセンサ制御装置のうち、マイクロプロセッサのヒータオンエッジ割り込み処理を示すフローチャートである。 実施形態に係るガスセンサ制御装置のうち、マイクロプロセッサのヒータオフエッジ割り込み処理を示すフローチャートである。 実施形態に係るガスセンサ制御装置のうち、プリヒート期間におけるマイクロプロセッサの処理動作を示すフローチャートである。 変形形態に係るガスセンサ制御装置及びセンサ制御システムの概略構成を示す説明図である。 変形形態に係る単位実電力量の算出方法についての説明図である。

（実施形態）
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るヒータ制御装置であるガスセンサ制御装置１及びセンサ制御システム１００の概略構成を示す図である。ガスセンサ制御装置１は、マイクロプロセッサ７０、センサ素子部制御回路４０及びヒータ部制御回路５０を備え、ガスセンサ２に接続して、これを制御する。そして、これらガスセンサ２とガスセンサ制御装置１とで、センサ制御システム１００を構成している。
なお、ガスセンサ２は、図示しない車両の内燃機関の排気管に装着され、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出して、内燃機関における空燃比フィードバック制御に用いる空燃比センサ（全領域酸素センサ）である。このガスセンサ２は、酸素濃度を検出するセンサ素子部３、及びセンサ素子部３を加熱するヒータ部４を有する。

ガスセンサ２のセンサ素子部３は、ポンプセル１４と起電力セル２４とを、排気ガスを導入可能な中空の測定室（図示しない）を構成するスペーサを介して積層した構成を有し、起電力セル２４のうち測定室に面する側とは逆側に位置する電極を遮蔽層（図示しない）により閉塞した公知の構成を有するものである。ポンプセル１４及び起電力セル２４は、それぞれ、板状でジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性を有する固体電解質体を基体とし、その両面には多孔質の白金により電極１２，１６及び電極２２，２８が形成されている。ポンプセル１４の一端の電極１６と、起電力セル２４の一端の電極２２とは、互いに導通すると共に、センサ素子部３の端子ＣＯＭに接続している。また、ポンプセル１４の他端の電極１２は、センサ素子部３の端子Ｉｐ＋に接続し、起電力セル２４の他端の電極２８は、センサ素子部３の端子Ｖｓ＋に接続している。

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

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

マイクロプロセッサ７０は、電圧変化量ΔＶｓから、起電力セル２４の素子抵抗Ｒｐｖｓを算出すると共に、算出した素子抵抗Ｒｐｖｓに基づいて、次述するヒータ部制御回路５０により、ガスセンサ２のヒータ部４の通電制御を行う。なお、ガス検出信号Ｖｉｐ及び電圧変化量ΔＶｓを検出するためのセンサ素子部制御回路４０の回路構成やその動作については、例えば、特開２００８−２０３１９０に開示されており、公知のものであるため、詳細については説明を省略する。

次いで、ヒータ部制御回路５０について説明する。
図１に示すように、ヒータ部制御回路５０は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴを内蔵するヒータドライバ５１を備えており、このヒータドライバ５１の出力端子であるドレイン５１Ｄは、リード線５２を介して、ガスセンサ２のヒータ部４の一端に接続されている。また、ヒータ部４の他端は、リード線５３を介してヒータ部制御回路５０に接続され、このヒータ部制御回路５０内で基準電位（ＧＮＤ）に接続されている。また、ヒータドライバ５１のソース５１Ｓは、電源電圧ＶＢを出力する電源ＢＴの＋端子に接続されている。すなわち、ヒータドライバ５１は、電源ＢＴとヒータ部４との間に介在するハイサイドドライバである。また、ヒータドライバ５１のゲート５１Ｇは、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７５に接続されており、このＰＷＭ出力ポート７５から出力されるパルス駆動信号ＰＳに従って、ヒータドライバ５１がオンオフされて、ヒータ部４への通電が制御される。ヒータ部４は、ガスセンサ２のセンサ素子部３に一体化されており、ヒータ部４による加熱で、センサ素子部３のポンプセル１４及び起電力セル２４を活性化させることで、酸素濃度の検出が可能となる。
なお、本実施形態において、電源ＢＴは２４Ｖ仕様のバッテリである。出力される電源電圧ＶＢは標準で２４Ｖであるが、状況により１６Ｖ〜３２Ｖ程度の範囲で変動する。

図２は、パルス駆動信号ＰＳとヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯの関係を示すタイミングチャートである。パルス駆動信号ＰＳは、オン信号ＰＳｏｎとオフ信号ＰＳｏｆｆとが交互に現れ、オン信号ＰＳｏｎの立ち上がりが一定の周期Ｔ（本実施形態では、Ｔ＝１０ｍｓｅｃ）のパルス信号である（図２（ａ）参照）。ところで、パルス駆動信号ＰＳに従って、ヒータドライバ５１がオンオフされると、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄにおける出力電圧ＶＯは、図２に示すように、パルス駆動信号ＰＳの立ち上がり及び立ち下がりにそれぞれ遅れて変化する（図２（ｂ）参照）。具体的には、時刻ｔ₀にパルス駆動信号ＰＳが立ち上がり、オン信号ＰＳｏｎとなった場合、ヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯは、立ち上がり遅延時間Ｔｄｌｕだけ遅れて変化し始め、さらに立ち上がり時間Ｔｕｐを経て電源電圧ＶＢに達する。一方、時刻ｔ₁にパルス駆動信号ＰＳが立ち下がり、オフ信号ＰＳｏｆｆに切り替わった場合、ヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯは、立ち下がり遅延時間Ｔｄｌｄだけ遅れて変化し始め、さらに立ち下がり時間Ｔｄｗを経て０Ｖに戻る。

図３は、図２のパルス駆動信号ＰＳとヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯの関係のタイミングチャートについて、パルス駆動信号ＰＳのデューティ比（オンデューティ比）ＤＴ（＝ＰＳｏｎ／Ｔ）が小さな値である場合を示したものである。図３のうち左側に示すように、パルス駆動信号ＰＳ（図３（ａ）参照）のデューティ比（周期Ｔに対するオン信号ＰＳｏｎのパルス幅）が小さい場合には、ヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯ（図３（ｂ）参照）の波形が三角状になり、出力電圧ＶＯが電源電圧ＶＢに到達できなくなる。即ち、この周期Ｔに、ヒータ部４に実際に加えられた電力量は、デューティ比に従って加えられるべき理想の電力量に比して小さくなっている。
本実施形態では、センサ素子部３を活性化状態まで加熱するのに先立って、センサ素子部３を予熱するプリヒート期間を設けている。このプリヒート期間は、ヒータ部４に小電力を加えるべく、パルス駆動信号ＰＳのデューティ比を小さな値とするので、上述の図３の左側の状態となりやすい。このような場合に、ヒータ部４に理想の電力量を加えるには、図３の右側に示すように、オン信号ＰＳｏｎの時間を長くする、即ち、デューティ比を大きくする補正が必要である。

本実施形態のガスセンサ制御装置１では、ヒータドライバ５１の出力端子であるドレイン５１Ｄは、リード線５２を介してヒータ部４の一端に接続されると共に、抵抗器Ｒ１を介して、マイクロプロセッサ７０の割り込み入力端子７６に接続され、さらに、この割り込み入力端子７６は、抵抗器Ｒ２を介して基準電位（ＧＮＤ）に接続されている。すなわち、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄにおける出力電圧ＶＯが、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とにより分圧され、分圧された電圧ＶＯ２（＝ＶＯ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））が、割り込み入力端子７６に入力されている（図１参照）。
これにより、マイクロプロセッサ７０は、割り込み入力端子７６に入力される電圧ＶＯ２のローレベルからハイレベルへの変化によって、立ち上がりエッジ割り込みを発生させる。また、電圧ＶＯ２のハイレベルからローレベルへの変化によって、立ち下がりエッジ割り込みを発生させる。

なお、図２（ｂ）におけるオン閾電圧Ｖｏｎは、マイクロプロセッサ７０に立ち上がりエッジ割り込みを発生させる出力電圧ＶＯの閾電圧に対応している。また、図２（ｂ）におけるオフ閾電圧Ｖｏｆｆは、マイクロプロセッサ７０に立ち下がりエッジ割り込みを発生させる出力電圧ＶＯの閾電圧に対応している。
すなわち、出力電圧ＶＯが変化して、オン閾電圧Ｖｏｎになったときに、マイクロプロセッサ７０に立ち上がりエッジ割り込みが発生し、オフ閾電圧Ｖｏｆｆになったときに、立ち下がりエッジ割り込みが発生する。

したがって、パルス駆動信号ＰＳをオフ信号ＰＳｏｆｆからオン信号ＰＳｏｎに変化させた後、ヒータドライバ５１がターンオンする過程のうち、出力電圧ＶＯが予め定めたオン閾電圧Ｖｏｎに到達したタイミングで、マイクロプロセッサ７０に立ち上がりエッジ割り込みが発生する。ここで、この立ち上がりエッジ割り込みが発生するタイミングをオンタイミングｔｏｎとする。
また、パルス駆動信号ＰＳをオン信号ＰＳｏｎからオフ信号ＰＳｏｆｆに変化させた後、ヒータドライバ５１がターンオフする過程のうち、出力電圧ＶＯが予め定めたオフ閾電圧Ｖｏｆｆに到達したタイミングで、マイクロプロセッサ７０に立ち下がりエッジ割り込みが発生する。ここで、この立ち下がりエッジ割り込みが発生するタイミングをオフタイミングｔｏｆｆとする。

さらに、マイクロプロセッサ７０は、オンタイミングｔｏｎからオフタイミングｔｏｆｆまでの経過時間であるヒータオン時間ＴＨｏｎをタイマを用いて計時する。具体的には、オンタイミングｔｏｎでマイクロプロセッサ７０内蔵のタイマＴＭをスタートさせて、オフタイミングｔｏｆｆで、タイマＴＭを停止させる。そして、この停止したときのタイマＴＭのカウント値を用いて、オンタイミングｔｏｎからオフタイミングｔｏｆｆまでの経過時間であるヒータオン時間ＴＨｏｎを得る。

また、図２において、ヒータドライバ５１のターンオンの期間における出力電圧ＶＯの変化速度（図２（ｂ）における出力電圧ＶＯのターンオン期間の傾き）をターンオン速度Ａｏｎ（Ｖ／μｓｅｃ）とする。本実施形態では、ターンオン速度Ａｏｎは正の値である。また、ヒータドライバ５１のターンオフの期間における出力電圧ＶＯの変化速度（図２（ｂ）における出力電圧ＶＯのターンオフ期間の傾き）をターンオフ速度Ａｏｆｆ（Ｖ／μｓｅｃ）とする。本実施形態では、ターンオフ速度Ａｏｆｆは負の値である。なお、これらターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆは、ヒータ部制御回路５０及びヒータドライバ５１の特性により定まる。このため、マイクロプロセッサ７０は、予め実測により得たターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆの値を、不揮発性メモリ７７に記憶している（図１参照）。

さらに、電源ＢＴの電源電圧ＶＢは、抵抗器Ｒ３と抵抗器Ｒ４とにより分圧され、分圧された電圧ＶＢ２（＝ＶＢ×Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４））が、マイクロプロセッサ７０のＡ／Ｄ入力ポート７４に入力されている。これにより、マイクロプロセッサ７０は、Ａ／Ｄ入力ポート７４を通じて、電源電圧ＶＢを検知することができる。
そして、マイクロプロセッサ７０は、電源電圧ＶＢ、ヒータオン時間ＴＨｏｎ、ターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆを用いて、周期Ｔ毎に、ヒータ部４に実際に加えられた電力量である単位実電力量ＷＡを算出する。

図４は、本実施形態に係る単位実電力量ＷＡの算出方法についての説明図である。
まず、図４（ａ）において、出力電圧ＶＯがオフ状態から立ち上がりを開始して、オン閾電圧Ｖｏｎに到達するオンタイミングｔｏｎまでの時間は、オン閾電圧Ｖｏｎをターンオン速度Ａｏｎで除した値である。この時間を第１時間Ｔ１（＝Ｖｏｎ／Ａｏｎ）とする。
また、オンタイミングｔｏｎを起点とし、出力電圧ＶＯがオン閾電圧Ｖｏｎからさらに上昇して電源電圧ＶＢに到達するまでの時間は、電源電圧ＶＢとオン閾電圧Ｖｏｎの差分をターンオン速度Ａｏｎで除した値である。この時間を第２時間Ｔ２（＝（ＶＢ−Ｖｏｎ）／Ａｏｎ）とする。
一方、出力電圧ＶＯの立ち下がりについては、オフ閾電圧Ｖｏｆｆをターンオフ速度Ａｏｆｆで除した値の絶対値を、第３時間Ｔ３（＝｜Ｖｏｆｆ／Ａｏｆｆ｜）とし、電源電圧ＶＢとオフ閾電圧Ｖｏｆｆの差分をターンオフ速度Ａｏｆｆで除した値の絶対値を、第４時間Ｔ４（＝｜（ＶＢ−Ｖｏｆｆ）／Ａｏｆｆ｜）とする。ここで、第４時間Ｔ４は、出力電圧ＶＯがオン状態から立ち下がりを開始して、オフ閾電圧Ｖｏｆｆに到達するオフタイミングｔｏｆｆまでの時間である。また、第３時間Ｔ３は、オフタイミングｔｏｆｆを起点とし、出力電圧ＶＯがオフ閾電圧Ｖｏｆｆからさらに下降して基準電位ＧＮＤに到達するまでの時間である。

ここで、図４（ａ）は、ヒータオン時間ＴＨｏｎが、第２時間Ｔ２と第４時間Ｔ４との和よりも大きい場合を示している（ＴＨｏｎ＞Ｔ２＋Ｔ４）。
この場合、単位実電力量ＷＡは、図４（ａ）に示す台形の面積を求める要領で得ることができる。ただし、単位実電力量ＷＡは、周期Ｔ（図４では省略）毎に、ヒータ部４に実際に加えられた電力量であり、印加電圧ではない。ヒータ部４の電気抵抗をＲ〔Ω〕とし、周期Ｔ〔ｓ〕毎にヒータ部４に加えられる電力量をＷ〔Ｗ・ｓ〕、周期Ｔにおける平均の電力をＰ〔Ｗ〕、平均の印加電圧をＶ〔Ｖ〕とすると、電力量Ｗと電力Ｐ、印加電圧Ｖの間には、Ｗ＝Ｐ・Ｔ＝（Ｖ²／Ｒ）・Ｔの関係が成り立つ。つまり、ヒータ部４の電気抵抗Ｒが一定ならば、電力量Ｗは印加電圧Ｖの２乗に比例する。そこで、図４（ａ）の台形の高さとして、電源電圧ＶＢを２乗した値を用いて、単位実電力量ＷＡを求める。なお、以下では、計算の便宜上、ヒータ部４の電気抵抗Ｒを単位実電力量ＷＡの計算に含めないこととする。このため、求まる単位実電力量ＷＡの値は、実際の電力量Ｗにヒータ部４の電気抵抗Ｒを掛けた値に相当する。以下、後述する単位理想電力量ＷＡｉや他の電力の計算についても同様とする。

そして、ヒータオン時間ＴＨｏｎから第２時間Ｔ２及び第４時間Ｔ４を差し引いた値をＡ（＝ＴＨｏｎ−Ｔ２−Ｔ４）とし、ヒータオン時間ＴＨｏｎに第１時間Ｔ１と第３時間Ｔ３とを加えた値をＢ（＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３）とし、電源電圧ＶＢを２乗した値をＣ（＝ＶＢ²）とすると、単位実電力量ＷＡは、下記式（１）により算出できる。
ＷＡ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ／２ …（１）
（ただし、Ａ＝ＴＨｏｎ−Ｔ２−Ｔ４，Ｂ＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３，Ｃ＝ＶＢ²）

一方、デューティ比が小さくなって、オン信号ＰＳｏｎの期間が短くなると、ヒータオン時間ＴＨｏｎが、第２時間Ｔ２と第４時間Ｔ４との和以下となる（ＴＨｏｎ≦Ｔ２＋Ｔ４）。なお、図４（ｂ）は、ＴＨｏｎ＝Ｔ２＋Ｔ４の場合、図４（ｃ）は、ＴＨｏｎ＜Ｔ２＋Ｔ４の場合を示しており、これらの場合、単位実電力量ＷＡは、三角形の面積を求める要領で得ることができる。
ここで、図４（ｂ）と図４（ｃ）の三角形は、相似形であるので、図４（ｃ）の三角形の高さｈを電圧で考えると、上述のＢ（＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３）を用いて、下記式（２），式（３）が成り立つ。
ｈ：ＶＢ＝Ｂ：（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４） …（２）
ｈ＝Ｂ／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）×ＶＢ …（３）
したがって、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２と第３時間Ｔ３と第４時間Ｔ４とを足した値をＤとし、ＢをＤで除した値と電源電圧ＶＢとの積（上述のｈ：電圧で考えたときの三角形の高さ）の２乗をＥ（電力量を求めるときの三角形の高さ）とすると、単位実電力量ＷＡは、下記式（４）により算出できる。
ＷＡ＝Ｂ×Ｅ／２ …（４）
（ただし、Ｂ＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３，Ｄ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４，ｈ＝Ｂ／Ｄ×ＶＢ，Ｅ＝ｈ²）

マイクロプロセッサ７０は、以上のようにして、単位実電力量ＷＡを算出する一方、ヒータ部４に、周期Ｔ毎に加えるべき理想の電力量である単位理想電力量ＷＡｉを別途取得する。
そして、現在の周期Ｔ（ｎ）について得た単位実電力量ＷＡ（ｎ）と現在の周期Ｔ（ｎ）についての単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）とに基づいて、次の周期Ｔ（ｎ＋１）において、単位実電力量ＷＡ（ｎ＋１）が単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ＋１）に等しくなるように、パルス駆動信号ＰＳのデューティ比ＤＴを決定する。なお、ｎは自然数である。
具体的には、現在の周期Ｔ（ｎ）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ）、現在の周期Ｔ（ｎ）についての単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）、及び、現在の周期Ｔ（ｎ）について得た単位実電力量ＷＡ（ｎ）を用いて、次の周期Ｔ（ｎ＋１）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）を、下記式（５）により算出する。
ＤＴ（ｎ＋１）＝ＤＴ（ｎ）×ＷＡｉ（ｎ）／ＷＡ（ｎ） …（５）

本実施形態では、センサ素子部３を活性化状態まで加熱するのに先立って、センサ素子部３を予熱するプリヒート期間に、この単位実電力量ＷＡと単位理想電力量ＷＡｉとによるデューティ比ＤＴの決定を行う。
なお、このプリヒート期間において、単位理想電力量ＷＡｉは、一定電力量とされている。具体的には、出力電圧を３．０Ｖ一定として印加し続けた場合に相当する電力（３Ｖ相当電力）とされている（ＷＡｉ＝３．０²（電力量Ｗにヒータ部４の電気抵抗Ｒを掛けた値））。このため、電源ＢＴの電源電圧ＶＢが、ＶＢ＝２４Ｖ（標準）である場合には、単位理想電力量ＷＡｉに対応する計算上のデューティ比ＤＴは、ＤＴ＝３．０²／２４²＝１．５６％となる。一方、電源電圧ＶＢがＶＢ＝１６Ｖに低下している場合には、単位理想電力量ＷＡｉに対応する計算上のデューティ比ＤＴは、ＤＴ＝３．０²／１６²＝３．５２％になる。また、電源電圧ＶＢがＶＢ＝３２Ｖに上昇している場合には、単位理想電力量ＷＡｉに対応する計算上のデューティ比ＤＴは、ＤＴ＝３．０²／３２²＝０．８８％になる。

本実施形態では、ヒータ部４への通電を開始して、プリヒート期間でセンサ素子部３を予熱するにあたって、このプリヒート期間のデューティ比ＤＴの初期値ＤＴ（１）を、Ａ／Ｄ入力ポート７４を通じて検知した電源電圧ＶＢの２乗で、単位理想電力量ＷＡｉを除した値をとしている（ＤＴ（１）＝ＷＡｉ／ＶＢ²）。すなわち、上述の単位理想電力量ＷＡｉに対応する計算上のデューティ比ＤＴをデューティ比ＤＴの初期値ＤＴ（１）とする。
上述の通り、本実施形態における計算上のデューティ比ＤＴは、微小な値となるので、図３及び図４（ｃ）に示したように、ヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯの波形が三角状になり、そのままでは、ヒータ部４に実際に加えられる電力量が、単位理想電力量ＷＡｉよりも小さな値となってしまう。
しかるに、本実施形態では、デューティ比ＤＴを初期値ＤＴ（１）として出力すると、ヒータ部４に実際に加えられた単位実電力量ＷＡを算出し、その後は、上述の式（５）を用いて、次の周期Ｔ（ｎ＋１）において、単位実電力量ＷＡ（ｎ＋１）が単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ＋１）に等しくなるように、次の周期Ｔ（ｎ＋１）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）を決定するので、以降は、ヒータ部４に適切な単位実電力量ＷＡ（ｎ＋１）を加えることができ、センサ素子部３の予熱を適切に行うことができる。

次いで、本実施形態に係るガスセンサ制御装置１のうち、マイクロプロセッサ７０の処理動作を、図５〜図７のフローチャートを参照して説明する。
まず、図５に示すヒータオンエッジ割り込みルーチンについて説明する。このヒータオンエッジ割り込みルーチンは、マイクロプロセッサ７０の割り込み入力端子７６の立ち上がりエッジで発生する割り込み処理ルーチンである。
ヒータオンエッジ割り込みが発生すると（オンタイミングｔｏｎ）、ステップＳ１０で、マイクロプロセッサ７０に内蔵された計時タイマＴＭをスタートさせて、その後、このヒータオンエッジ割り込みルーチンを終了する。

次いで、図６に示すヒータオフエッジ割り込みルーチンについて説明する。このヒータオフエッジ割り込みルーチンは、マイクロプロセッサ７０の割り込み入力端子７６の立ち下がりエッジで発生する割り込み処理ルーチンである。
ヒータオフエッジ割り込みが発生すると（オフタイミングｔｏｆｆ）と、まず、ステップＳ２０で、ヒータオンエッジ割り込みルーチンのステップＳ１０でスタートさせた計時タイマＴＭを停止させる。
次いで、ステップＳ２１では、停止したタイマＴＭのカウント値を用いて、ヒータオンエッジ割り込みが発生したタイミング（オンタイミングｔｏｎ）から、ヒータオフエッジ割り込みが発生したタイミング（オフタイミングｔｏｆｆ）までの経過時間であるヒータオン時間ＴＨｏｎを得る。そして、このヒータオフエッジ割り込みルーチンを終了する。

次いで、図７に示すプリヒート期間におけるマイクロプロセッサ７０の処理動作について説明する。
プリヒート期間が開始されると、まず、ステップＳ３０で、Ａ／Ｄ入力ポート７４を通じて、電源電圧ＶＢを検知する。
次いで、ステップＳ３１では、マイクロプロセッサ７０のメモリに記録されたパルス駆動信号ＰＳの最初の周期Ｔ（１）（ヒータ部４への通電の開始時）における単位理想電力量ＷＡｉ（１）を取得する。なお、本実施形態において、プリヒート期間中の単位理想電力量ＷＡｉは、３Ｖ相当電力一定である（ＷＡｉ（１）＝ＷＡｉ）。
次いで、ステップＳ３２では、電源電圧ＶＢ及び単位理想電力量ＷＡｉ（１）を用いて、初期デューティ比ＤＴ（１）を算出する（ＤＴ（１）＝ＷＡｉ（１）／ＶＢ²）。
そして、続くステップＳ３３では、初期デューティ比ＤＴ（１）で、ヒータ部４への通電を開始する。また、これ以降、ヒータオンエッジ割り込み及びヒータオフエッジ割り込みが許可される。

次いで、ステップＳ３４では、ヒータオフエッジ割り込みがあったか否か、すなわち、ステップＳ２１で、ヒータオン時間ＴＨｏｎが取得済みであるか否かを判断する。そして、ヒータオフエッジ割り込みがない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ３４を繰り返し、ヒータオフエッジ割り込みがあった場合（Ｙｅｓ）、すなわち、ヒータオン時間ＴＨｏｎが取得済みの場合は、ステップＳ３５に進む。
ステップＳ３５では、ステップＳ３０と同様に、Ａ／Ｄ入力ポート７４を通じて、電源電圧ＶＢを検知する。

次いで、ステップＳ３６では、電源電圧ＶＢ、ヒータオン時間ＴＨｏｎ、不揮発性メモリ７７に記憶されたターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆを用いて、現在の周期Ｔ（ｎ）について単位実電力量ＷＡ（ｎ）を算出する。
続くステップＳ３７では、マイクロプロセッサ７０のメモリに記録された現在の周期Ｔ（ｎ）についての単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）を取得する。なお、前述したように、本実施形態では、プリヒート期間中の単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）は、３Ｖ相当電力（一定）である（ＷＡｉ（ｎ）＝ＷＡｉ（１）＝ＷＡｉ）。
次いで、ステップＳ３８では、現在の周期Ｔ（ｎ）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ）、単位実電力量ＷＡ（ｎ）及び単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）から、次の周期Ｔ（ｎ＋１）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）を、前述の式（５）：ＤＴ（ｎ＋１）＝ＤＴ（ｎ）×ＷＡｉ（ｎ）／ＷＡ（ｎ）により算出する。

次いで、ステップＳ３９では、決定したデューティ比ＤＴ（＝ＤＴ（ｎ＋１））で、ヒータドライバ５１をオンオフさせ、ヒータ部４を通電制御する。
続くステップＳ４０では、プリヒート期間を終了するか否かを確認する。プリヒート期間を終了しない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３４に戻り、プリヒート期間の制御を継続する。一方、プリヒート期間を終了する場合（Ｙｅｓ）は、本プリヒート期間の制御ルーチンを終了する。

本実施形態において、ヒータ部制御回路５０及び、ステップＳ３３，Ｓ３９を実行しているマイクロプロセッサ７０がヒータ通電制御手段に相当する。また、マイクロプロセッサ７０のＡ／Ｄ入力ポート７４及び、ステップＳ３０，Ｓ３５を実行しているマイクロプロセッサ７０が電源電圧検知手段に相当する。
さらに、マイクロプロセッサ７０の割り込み入力端子７６及び、ステップＳ１０を実行しているマイクロプロセッサ７０がオンタイミング検知手段に相当し、マイクロプロセッサ７０の割り込み入力端子７６及び、ステップＳ２０を実行しているマイクロプロセッサ７０がオフタイミング検知手段に相当する。
また、マイクロプロセッサ７０のタイマＴＭ及び、ステップＳ２１を実行しているマイクロプロセッサ７０が計時手段に相当し、マイクロプロセッサ７０の不揮発性メモリ７７が記憶手段に相当する。

さらに、ステップＳ３１，Ｓ３７を実行しているマイクロプロセッサ７０が理想電力量取得手段に相当し、ステップＳ３６を実行しているマイクロプロセッサ７０が実電力量算出手段に相当する。また、ステップＳ３２を実行しているマイクロプロセッサ７０が初期デューティ比算出手段に相当し、ステップＳ３８を実行しているマイクロプロセッサ７０がデューティ比決定手段に相当する。

以上で説明したように、本実施形態のヒータ制御装置であるガスセンサ制御装置１では、単位理想電力量ＷＡｉを取得する理想電力量取得手段と、単位実電力量ＷＡを算出する実電力量算出手段を備え、現在の周期Ｔ（ｎ）について得た単位実電力量ＷＡ（ｎ）と現在の周期Ｔ（ｎ）についての単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）（本実施形態では、３Ｖ相当電力）とに基づいて、次の周期Ｔ（ｎ＋１）において、単位実電力量ＷＡ（ｎ＋１）が単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ＋１）（＝３Ｖ相当電力）に等しくなるように、次の周期Ｔにおけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）を決定する。これにより、計算上、デューティ比ＤＴが小さくなる場合であっても、ヒータ部４に実際に加えられた単位実電力量ＷＡが単位理想電力量ＷＡｉに等しくなるように補正されたデューティ比ＤＴが決定されるので、ヒータ部４に適切な電力量を加えることができる。かくして、プリヒート期間に、ヒータ部４及びセンサ素子部３の予熱を適切に行うことができる。

さらに、本実施形態のガスセンサ制御装置１では、ヒータドライバ５１が実際にオンしてからオフするまでのヒータオン時間ＴＨｏｎを取得するオン時間取得手段を備え、検知した電源電圧ＶＢ及びヒータオン時間ＴＨｏｎを用いて、単位実電力量ＷＡを算出する。本実施形態では、ターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆは別途記憶した値を用いるので、電源電圧ＶＢ及びヒータオン時間ＴＨｏｎを取得することで、単位実電力量ＷＡを適切に算出することができる。

さらに、本実施形態のガスセンサ制御装置１では、オン時間取得手段は、オンタイミング検知手段と、オフタイミング検知手段と、計時手段とを有している。これにより、オンタイミングｔｏｎからオフタイミングｔｏｆｆまでの経過時間をヒータオン時間ＴＨｏｎとして適切に取得することができる。

さらに、本実施形態のガスセンサ制御装置１では、検知した電源電圧ＶＢ及びヒータオン時間ＴＨｏｎ、並びに記憶されていたターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆを用いて、単位実電力量ＷＡ（ｎ）を算出する。これにより、単位実電力量ＷＡ（ｎ）を適切に算出して、次の周期Ｔ（ｎ＋１）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）の決定を適切に行うことができる。

さらに、ヒータドライバ５１がハイサイドドライバである本実施形態のガスセンサ制御装置１では、単位実電力量ＷＡを、前述の式（１）〜（４）によって、簡易に得ることができる。

さらに、本実施形態のガスセンサ制御装置１では、次の周期Ｔ（ｎ＋１）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）を、前述の式（５）により算出する。これにより、簡易な演算により、次の周期Ｔ（ｎ＋１）におけるデューティ比ＤＴ（ｎ＋１）を適切に決定することができる。

さらに、本実施形態のガスセンサ制御装置１では、パルス駆動信号ＰＳの最初の周期Ｔ（１）（ヒータ部４への通電の開始時）における単位理想電力量ＷＡｉ（１）（本実施形態では、３Ｖ相当電力）を電源電圧ＶＢの２乗で除した値を、デューティ比ＤＴの初期値ＤＴ（１）としている。これにより、デューティ比ＤＴの初期値ＤＴ（１）を、単位理想電力量ＷＡｉに基づいた適切な値にできるので、最初に適切な単位実電力量ＷＡを得て、その後のデューティ比ＤＴの決定を適切に行うことができる。

さらに、本実施形態のガスセンサ制御装置１では、センサ素子部３を活性化状態まで加熱するのに先立って、センサ素子部３を予熱するプリヒート期間に、デューティ比決定手段を用いてデューティ比ＤＴを決定する。本実施形態では、プリヒート期間には、計算上、デューティ比ＤＴが微小な値となることがあるが、単位実電力量ＷＡが単位理想電力量ＷＡｉに等しくなるように、適切なデューティ比ＤＴを決定して、センサ素子部３の予熱を適切に行うことができる。

さらに、本実施形態では、ガスセンサ２とガスセンサ制御装置１とで、センサ制御システム１００を構成している。
このセンサ制御システム１００は、ガスセンサ２のヒータ部４に大小適切な電力量を加えることができるので、ガスセンサ２の制御を適切に行うことができる。

（変形形態）
次に、上述の実施形態の変形形態について、図８を参照して説明する。実施形態に係るヒータ制御装置であるガスセンサ制御装置１及びセンサ制御システム１００では、ヒータ部制御回路５０が備えるヒータドライバ５１として、電源ＢＴとヒータ部４との間に介在するハイサイドドライバを用いた。
これに対し、本変形形態に係るヒータ制御装置であるガスセンサ制御装置１Ａ及びセンサ制御システム１００Ａでは、ヒータ部制御回路１５０が備えるヒータドライバ１５１として、ヒータ部４と基準電位ＧＮＤとの間に介在するローサイドドライバを用いる点が異なる。

図８に示すように、ヒータ通電制御手段であるヒータ部制御回路１５０は、パワーＭＯＳ−ＦＥＴを内蔵するヒータドライバ１５１を備えており、このヒータドライバ１５１の出力端子であるドレイン１５１Ｄは、リード線１５３を介して、ガスセンサ２のヒータ部４の一端に接続されている。また、ヒータ部４の他端は、リード線１５２を介してヒータ部制御回路１５０に接続され、このヒータ部制御回路１５０内で電源電圧ＶＢを出力する電源ＢＴの＋端子に接続されている。また、ヒータドライバ１５１のソース１５１Ｓは、基準電位ＧＮＤに接続されている。すなわち、ヒータドライバ１５１は、ヒータ部４と基準電位ＧＮＤとの間に介在するローサイドドライバである。また、ヒータドライバ１５１のゲート１５１Ｇは、マイクロプロセッサ７０のＰＷＭ出力ポート７５に接続されており、このＰＷＭ出力ポート７５から出力されるパルス駆動信号ＰＳに従って、ヒータドライバ１５１がオンオフされて、ヒータ部４への通電が制御される。

また、ヒータドライバ１５１の出力端子であるドレイン１５１Ｄは、リード線１５３を介してヒータ部４の一端に接続されると共に、抵抗器Ｒ１を介して、マイクロプロセッサ７０の割り込み入力端子７６に接続され、さらに、この割り込み入力端子７６は、抵抗器Ｒ２を介して基準電位（ＧＮＤ）に接続されている。すなわち、ヒータドライバ５１のドレイン５１Ｄにおける出力電圧ＶＯが、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とにより分圧され、分圧された電圧ＶＯ２（＝ＶＯ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））が、割り込み入力端子７６に入力されている（図８参照）。
これにより、マイクロプロセッサ７０は、割り込み入力端子７６に入力される電圧ＶＯ２のハイレベルからローレベルへの変化によって、立ち下がりエッジ割り込みを発生させる。また、電圧ＶＯ２のローレベルからハイレベルへの変化によって、立ち上がりエッジ割り込みを発生させる。

本変形形態では、ヒータドライバ１５１が、ローサイドドライバであるため、図９に示すように、ヒータドライバ１５１がターンオンするときに、ヒータドライバ１５１の出力電圧ＶＯが立ち下がり、ヒータドライバ１５１がターンオフするときに、出力電圧ＶＯが立ち上がる。
このため、パルス駆動信号ＰＳをオフ信号ＰＳｏｆｆからオン信号ＰＳｏｎに変化させた後、ヒータドライバ１５１がターンオンする過程のうち、出力電圧ＶＯが電源電圧ＶＢから立ち下がって予め定めたオン閾電圧Ｖｏｎに到達したタイミングで、マイクロプロセッサ７０に立ち下がりエッジ割り込みが発生する。本変形形態では、この立ち下がりエッジ割り込みが、図５のヒータオンエッジ割り込みに相当し、立ち下がりエッジ割り込みが発生するタイミングがオンタイミングｔｏｎである。
また、パルス駆動信号ＰＳをオン信号ＰＳｏｎからオフ信号ＰＳｏｆｆに変化させた後、ヒータドライバ１５１がターンオフする過程のうち、出力電圧ＶＯが立ち上がって予め定めたオフ閾電圧Ｖｏｆｆに到達したタイミングで、マイクロプロセッサ７０に立ち上がりエッジ割り込みが発生する。本変形形態では、この立ち上がりエッジ割り込みが、図６のヒータオフエッジ割り込みに相当し、立ち上がりエッジ割り込みが発生するタイミングがオフタイミングｔｏｆｆである。

図９は、本変形形態に係る単位実電力量ＷＡの算出方法についての説明図である。
まず、図９（ａ）において、ヒータドライバ１５１のターンオンの期間に、出力電圧ＶＯがオフ状態である電源電圧ＶＢから立ち下がりを開始して、オン閾電圧Ｖｏｎに到達するオンタイミングｔｏｎまでの時間は、電源電圧ＶＢとオン閾電圧Ｖｏｎの差分をターンオン速度Ａｏｎで除した値の絶対値である。この時間を第１時間Ｔ１（＝｜（ＶＢ−Ｖｏｎ）／Ａｏｎ｜）とする。
また、オンタイミングｔｏｎを起点とし、出力電圧ＶＯがオン閾電圧Ｖｏｎからさらに下降して基準電位ＧＮＤに到達するまでの時間は、オン閾電圧Ｖｏｎをターンオン速度Ａｏｎで除した値の絶対値である。この時間を第２時間Ｔ２（＝｜Ｖｏｎ／Ａｏｎ｜）とする。
一方、ヒータドライバ１５１のターンオフの期間における出力電圧ＶＯの立ち上がりについては、電源電圧ＶＢとオフ閾電圧Ｖｏｆｆの差分をターンオフ速度Ａｏｆｆで除した値を、第３時間Ｔ３（＝（ＶＢ−Ｖｏｆｆ）／Ａｏｆｆ）とし、オフ閾電圧Ｖｏｆｆをターンオフ速度Ａｏｆｆで除した値を、第４時間Ｔ４（＝Ｖｏｆｆ／Ａｏｆｆ）とする。ここで、第４時間Ｔ４は、出力電圧ＶＯがオン状態である基準電位ＧＮＤから立ち上がりを開始して、オフ閾電圧Ｖｏｆｆに到達するオフタイミングｔｏｆｆまでの時間である。また、第３時間Ｔ３は、オフタイミングｔｏｆｆを起点とし、出力電圧ＶＯがオフ閾電圧Ｖｏｆｆからさらに上昇して電源電圧ＶＢに到達するまでの時間である。

ここで、図９（ａ）は、ヒータオン時間ＴＨｏｎが、第２時間Ｔ２と第４時間Ｔ２との和よりも大きい場合を示している（ＴＨｏｎ＞Ｔ２＋Ｔ４）。
この場合、単位実電力量ＷＡは、図９（ａ）に示す台形の面積を求める要領で得る。ただし、図９（ａ）の台形の高さとして、電源電圧ＶＢをそのまま用いる代わりに、電源電圧ＶＢを２乗した値を用いて、単位実電力量ＷＡを求める。
したがって、ヒータオン時間ＴＨｏｎから第２時間Ｔ２と第４時間Ｔ４とを引いた値をＡ（＝ＴＨｏｎ−Ｔ２−Ｔ４）とし、ヒータオン時間ＴＨｏｎに第１時間Ｔ１と第３時間Ｔ３とを加えた値をＢ（＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３）とし、電源電圧ＶＢを２乗した値をＣ（＝ＶＢ²）とすると、単位実電力量ＷＡは、下記式（６）により算出できる。
ＷＡ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ／２ …（６）
（ただし、Ａ＝ＴＨｏｎ−Ｔ２−Ｔ４，Ｂ＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３，Ｃ＝ＶＢ²）

一方、デューティ比が小さくなって、オン信号ＰＳｏｎの期間が短くなると、ヒータオン時間ＴＨｏｎが、第２時間Ｔ２と第４時間Ｔ２との和以下となる（ＴＨｏｎ≦Ｔ２＋Ｔ４）。なお、図９（ｂ）は、ＴＨｏｎ＝Ｔ２＋Ｔ４の場合、図９（ｃ）は、ＴＨｏｎ＜Ｔ２＋Ｔ４の場合を示しており、これらの場合、単位実電力量ＷＡは、三角形の面積を求める要領で得ることができる。
ここで、図９（ｂ）と図９（ｃ）の三角形は、相似形であるので、図９（ｃ）の三角形の高さｈを電圧で考えると、上述のＢ（＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３）を用いて、下記式（７），式（８）が成り立つ。
ｈ：ＶＢ＝Ｂ：（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４） …（７）
ｈ＝Ｂ／（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）×ＶＢ …（８）
したがって、第１時間Ｔ１と第２時間Ｔ２と第３時間Ｔ３と第４時間Ｔ４とを足した値をＤとし、ＢをＤで除した値と電源電圧ＶＢとの積（上述のｈ：電圧で考えたときの三角形の高さ）の２乗をＥ（電力量を求めるときの三角形の高さ）とすると、単位実電力量ＷＡは、下記式（９）により算出できる。
ＷＡ＝Ｂ×Ｅ／２ …（９）
（ただし、Ｂ＝ＴＨｏｎ＋Ｔ１＋Ｔ３，Ｄ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４，ｈ＝Ｂ／Ｄ×ＶＢ，Ｅ＝ｈ²）

このように、本変形形態では、単位実電力量ＷＡの算出方法において、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の算出方法が実施形態と異なるものの、その他の演算式（６）〜（９）については、実施形態の場合の演算式（１）〜（４）と同じである。
そして、この単位実電力量ＷＡと別途取得した単位理想電力量ＷＡｉとを用いて、実施形態と同様に、センサ素子部３を予熱するプリヒート期間に、式（５）によりデューティ比ＤＴを算出する。
なお、その他、図５〜図７に示したマイクロプロセッサ７０の処理動作のフローチャートや各部の構成等については、実施形態と同様であり、説明を省略する。本変形形態において、単位実電力量ＷＡの算出方法の違いの他、ヒータドライバ１５１がローサイドドライバであること、ヒータ部制御回路１５０がヒータ通電制御手段に相当すること以外は、実施形態と同じである。

以上で説明したように、ヒータドライバ１５１がローサイドドライバである本変形形態のガスセンサ制御装置１Ａは、実施形態の場合と同様、前述の演算式（６）〜（９）によって、単位実電力量ＷＡを簡易に得ることができる。

さらに、この単位実電力量ＷＡを得て、デューティ比ＤＴを決定することにより、ヒータ部４に適切な電力量を加えることができる。かくして、プリヒート期間に、ヒータ部４及びセンサ素子部３の予熱を適切に行うことができる。また、その他、実施形態と同様の作用効果を奏する。

以上において、本発明のヒータ制御装置を、実施形態及び変形形態のガスセンサ制御装置１，１Ａ、並びにセンサ制御システム１００，１００Ａに即して説明したが、本発明は上記実施形態及び変形形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態及び変形形態では、ヒータ部を有するセンサとして、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する空燃比センサであるガスセンサ２を用いた。しかし、ヒータ部を有するセンサは、これに限られず、酸素濃度の濃淡（リッチ／リーン）を検出する酸素センサ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘセンサなどであっても良い。
また、実施形態及び変形形態では、単位理想電力量ＷＡｉをプリヒート期間中一定の値（３Ｖ相当電力）としたが、周期Ｔ（ｎ）についての単位理想電力量ＷＡｉ（ｎ）を予め定めたパターンで時間と共に変化させても良い。

また、実施形態及び変形形態では、検知した電源電圧ＶＢ及びヒータオン時間ＴＨｏｎの他、別途記憶したターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆを用いて、単位実電力量ＷＡ（ｎ）を算出した。しかし、ターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆを用いる代わりに、電源電圧ＶＢ及びヒータオン時間ＴＨｏｎに応じた単位実電力量ＷＡ（ｎ）を与える参照テーブルを用意しておき、このテーブルを参照することにより、単位実電力量ＷＡ（ｎ）を取得しても良い。

また、実施形態及び変形形態では、ヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯの変化で、マイクロプロセッサ７０に立ち上がりエッジ割り込み及び立ち下がりエッジ割り込みを発生させ、立ち上がりエッジ割り込みが発生するオンタイミングｔｏｎから立ち下がりエッジ割り込みが発生するオフタイミングｔｏｆｆまでの経過時間であるヒータオン時間ＴＨｏｎを得て、これと共に別途記憶したターンオン速度Ａｏｎ及びターンオフ速度Ａｏｆｆを用いて、単位実電力量ＷＡ（ｎ）を算出した。
しかし、これに代えて、高速のＡ／Ｄ変換器及び高速処理が可能なＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）などを用いて、ヒータドライバ５１の出力電圧ＶＯの変化をリアルタイムに実測して、単位実電力量ＷＡ（ｎ）を算出しても良い。

１００，１００Ａ センサ制御システム
１，１Ａ ガスセンサ制御装置（ヒータ制御装置）
２ ガスセンサ
３ センサ素子部
４ ヒータ部
４０ センサ素子部制御回路
５０，１５０ ヒータ部制御回路（ヒータ通電制御手段）
５１，１５１ ヒータドライバ
７０ マイクロプロセッサ
７４ Ａ／Ｄ入力ポート（電源電圧検知手段）
７６ 割り込み入力端子（オンタイミング検知手段、オフタイミング検知手段）
７７ 不揮発性メモリ（記憶手段）
ＴＭ タイマ（計時手段）
ＢＴ 電源（バッテリ）
ＶＢ 電源電圧
ＰＳ パルス駆動信号
ＰＳｏｎ オン信号
ＰＳｏｆｆ オフ信号
Ｔ 周期
ＶＯ 出力電圧
Ｖｏｎ オン閾電圧
Ｖｏｆｆ オフ閾電圧
ｔｏｎ オンタイミング
ｔｏｆｆ オフタイミング
ＴＨｏｎ ヒータオン時間
Ａｏｎ ターンオン速度
Ａｏｆｆ ターンオフ速度
Ｔ１ 第１時間
Ｔ２ 第２時間
Ｔ３ 第３時間
Ｔ４ 第４時間
ＷＡｉ 単位理想電力量
ＷＡ 単位実電力量
Ｓ１０ オンタイミング検知手段
Ｓ２０ オフタイミング検知手段
Ｓ２１ 計時手段
Ｓ３０，Ｓ３５ 電源電圧検知手段
Ｓ３１，Ｓ３７ 理想電力量取得手段
Ｓ３２ 初期デューティ比算出手段
Ｓ３６ 実電力量算出手段
Ｓ３８ デューティ比決定手段
Ｓ３３，Ｓ３９ ヒータ通電制御手段

Claims (9)

1. ヒータ部を有するセンサの上記ヒータ部の制御に用いるヒータ制御装置であって、
   オン信号とオフ信号とが交互に現れるパルス駆動信号に従ってオンオフされ、電源から供給される電力を上記ヒータ部に加えるヒータドライバと、
   上記パルス駆動信号を上記ヒータドライバに向けて出力し、上記ヒータ部への通電を制御するヒータ通電制御手段と、
   上記電源の電源電圧を検知する電源電圧検知手段と、
   上記パルス駆動信号の周期毎に上記ヒータ部に加えるべき理想の電力量である単位理想電力量を取得する理想電力量取得手段と、
   上記ヒータドライバが実際にオンしてからオフするまでのヒータオン時間を取得するオン時間取得手段と、
   検知した上記電源電圧及び上記ヒータオン時間を用いて、上記周期毎に上記ヒータ部に実際に加えられた電力量である単位実電力量を算出する実電力量算出手段と、
   現在の周期について得た上記単位実電力量と現在の周期についての上記単位理想電力量とに基づいて、次の周期において、上記単位実電力量が上記単位理想電力量に等しくなるように、上記パルス駆動信号のデューティ比を決定するデューティ比決定手段と、を備える
   ヒータ制御装置。
2. 請求項１に記載のヒータ制御装置であって、
   前記オン時間取得手段は、
   前記パルス駆動信号を前記オフ信号から前記オン信号に変化させた後、前記ヒータドライバがターンオンする過程で、上記ヒータドライバの出力電圧が予め定めたオン閾電圧に到達したタイミングであるオンタイミングを検知するオンタイミング検知手段と、
   上記パルス駆動信号を上記オン信号から上記オフ信号に変化させた後、上記ヒータドライバがターンオフする過程で、上記出力電圧が予め定めたオフ閾電圧に到達したタイミングであるオフタイミングを検知するオフタイミング検知手段と、
   上記オンタイミングから上記オフタイミングまでの経過時間を前記ヒータオン時間として計時する計時手段と、を有する
   ヒータ制御装置。
3. 請求項２に記載のヒータ制御装置であって、
   前記ヒータドライバの前記ターンオンの期間における前記出力電圧の変化速度であるターンオン速度、及び、上記ヒータドライバの前記ターンオフの期間における上記出力電圧の変化速度であるターンオフ速度を記憶した記憶手段を備え、
   前記実電力量算出手段は、
   前記電源電圧、前記ヒータオン時間、上記ターンオン速度及び上記ターンオフ速度を用いて、前記単位実電力量を算出する
   ヒータ制御装置。
4. 請求項３に記載のヒータ制御装置であって、
   前記ヒータドライバは、前記電源と前記ヒータ部との間に介在するハイサイドドライバであり、
   前記実電力量算出手段は、
   前記オン閾電圧を前記ターンオン速度で除した値を第１時間とし、
   前記電源電圧と上記オン閾電圧の差分を上記ターンオン速度で除した値を第２時間とし、
   前記オフ閾電圧を前記ターンオフ速度で除した値の絶対値を第３時間とし、
   上記電源電圧と上記オフ閾電圧の差分を上記ターンオフ速度で除した値の絶対値を第４時間とし、
   上記ヒータオン時間から上記第２時間と上記第４時間とを引いた値をＡとし、
   上記ヒータオン時間に上記第１時間と上記第３時間とを加えた値をＢとし、
   上記電源電圧を２乗した値をＣとし、
   上記第１時間と上記第２時間と上記第３時間と上記第４時間とを足した値をＤとし、
   ＢをＤで除した値と上記電源電圧との積の２乗をＥとしたとき、
   前記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和よりも大きい場合には、
   前記単位実電力量を、ＷＡ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ／２により算出し、
   上記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和以下の場合には、
   上記単位実電力量を、ＷＡ＝Ｂ×Ｅ／２により算出する手段である
   ヒータ制御装置。
5. 請求項３に記載のヒータ制御装置であって、
   前記ヒータドライバは、前記ヒータ部と基準電位との間に介在するローサイドドライバであり、
   前記実電力量算出手段は、
   前記電源電圧と前記オン閾電圧の差分を前記ターンオン速度で除した値の絶対値を第１時間とし、
   上記オン閾電圧を上記ターンオン速度で除した値の絶対値を第２時間とし、
   上記電源電圧と前記オフ閾電圧の差分を前記ターンオフ速度で除した値を第３時間とし、
   上記オフ閾電圧を上記ターンオフ速度で除した値を第４時間とし、
   上記ヒータオン時間から上記第２時間と上記第４時間とを引いた値をＡとし、
   上記ヒータオン時間に上記第１時間と上記第３時間とを加えた値をＢとし、
   上記電源電圧を２乗した値をＣとし、
   上記第１時間と上記第２時間と上記第３時間と上記第４時間とを足した値をＤとし、
   ＢをＤで除した値と上記電源電圧との積の２乗をＥとしたとき、
   前記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和よりも大きい場合には、
   前記単位実電力量を、ＷＡ＝（Ａ＋Ｂ）×Ｃ／２により算出し、
   上記ヒータオン時間が、上記第２時間と上記第４時間との和以下の場合には、
   上記単位実電力量を、ＷＡ＝Ｂ×Ｅ／２により算出する手段である
   ヒータ制御装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のヒータ制御装置であって、
   前記デューティ比決定手段は、
   現在の周期における前記デューティ比をＤＴ（ｎ）とし、
   現在の周期についての前記単位理想電力量をＷＡｉ（ｎ）とし、
   現在の周期について得た前記単位実電力量をＷＡ（ｎ）としたとき、
   次の周期における上記デューティ比を、
   ＤＴ（ｎ＋１）＝ＤＴ（ｎ）×ＷＡｉ（ｎ）／ＷＡ（ｎ）（但し、ｎは自然数）
   により算出する手段である
   ヒータ制御装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のヒータ制御装置であって、
   最初の周期における前記単位理想電力量を前記電源電圧の２乗で除した値を、前記デューティ比の初期値とする初期デューティ比算出手段を備える
   ヒータ制御装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のヒータ制御装置であって、
   前記センサは、固体電解質体からなるセンサ素子部を有し、
   前記ヒータ部は、上記センサ素子部を加熱するものであり、
   前記デューティ比決定手段を、
   上記センサ素子部を活性化状態まで加熱するのに先立って、上記センサ素子部を予熱する期間に用いる
   ヒータ制御装置。
9. 前記ヒータ部を有する前記センサと、
   請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のヒータ制御装置とを備える
   センサ制御システム。

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