JPH11271264A - ガス濃度センサの温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ワイヤハーネスの温度特性に関係なく、精度の
良い温度制御を実施する。 【解決手段】エンジン１０の排気管１３にはＡ／Ｆセン
サ３０が配設されている。Ａ／Ｆセンサ３０は、排ガス
中の酸素濃度を検出するためのセンサ素子部３２と、セ
ンサ素子部３２を加熱するためのヒータ３３とを備え、
ワイヤハーネスＨ１，Ｈ２を介してＥＣＵ１５に接続さ
れている。ＥＣＵ１５内のＣＰＵ２０は、ワイヤハーネ
スＨ１，Ｈ２を介して検出される電圧及び電流値からヒ
ータ３３又はセンサ素子部３２の抵抗値を測定すると共
に、ワイヤハーネスＨ１，Ｈ２の抵抗値を推定する。さ
らに、ＣＰＵ２０は、前記推定したハーネス抵抗値に基
づいて、前記測定したヒータ３３又は素子部３２の抵抗
値を補正すると共に、補正後のヒータ３３又は素子部３
２の抵抗値に基づいてヒータ通電量を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排ガス中の酸素濃
度（空燃比）やＮＯｘ濃度など、被検出ガス中の特定成
分の濃度を検出するためのガス濃度センサに適用され、
当該ガス濃度センサの温度制御装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年では、排ガス法規制の強化に伴い、
有害な排ガス成分の放出を抑制すべく各種の空燃比制御
装置が具体化されている。例えばジルコニア素子（Ｚｒ
Ｏ2 ）等を使った空燃比センサを機関排気管に備える装
置では、センサ出力から空燃比（排ガス中の酸素濃度）
を把握し、その検出空燃比に基づいて空燃比がフィード
バック制御される。かかる場合、ジルコニア素子は所定
の高温域で活性し反応するため、センサによる空燃比検
出の精度を高めるにはジルコニア素子をヒータで加熱す
る必要がある。

【０００３】そこで従来より、（イ）ヒータ抵抗値とヒ
ータ温度とが所定の関係にあることから、ヒータ抵抗値
を測定しそのヒータ抵抗値の測定結果に基づきヒータ温
度を所定の温度に制御する、（ロ）ジルコニア素子の抵
抗値（素子抵抗値）と同素子の温度とが所定の関係にあ
ることから、素子抵抗値を測定しその素子抵抗値の測定
結果に基づき素子温度を所定の温度に制御する、といっ
たセンサの温度制御手法が提案されている。因みに、ヒ
ータ抵抗値は、ヒータにかかる電圧とその際に流れる電
流とから測定され、素子抵抗値は、ジルコニア素子にか
かる電圧とその際に流れる電流とから測定される。

【０００４】上記（イ）の制御手法によれば、ヒータ温
度が上昇しすぎてヒータ自身が高温で断線したり、逆に
ヒータ温度が低すぎてジルコニア素子が活性化しないな
どの不具合が解消される。また、上記（ロ）の制御手法
によれば、素子温度が上昇しすぎてジルコニア素子の劣
化を早めたり、同素子が活性化しないなどの不具合が解
消される。

【０００５】上記の各温度制御を実施することにより、
温度センサにより直接的に温度を測定する場合に比べ、
センサが不要となってコストダウンが可能となり、実用
的な装置が提供できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般に、上記（イ）又
は（ロ）のような空燃比センサの温度制御は、例えば車
両に搭載される電子制御装置により実施される。この場
合、電子制御装置は、空燃比センサのヒータ及びジルコ
ニア素子に対してそれぞれ数メートル程度の長さのワイ
ヤハーネスを介して接続される。そのため、エンジンフ
ード内の温度変化に伴いワイヤハーネス自身の温度が変
動すると、当該ハーネスの抵抗値が標準値に対して変動
し、温度制御に必要なヒータ抵抗や素子抵抗の測定値も
不用意に変動してしまう。つまり、ヒータ抵抗値や素子
抵抗値の測定時には、ヒータやジルコニア素子自身を抵
抗体とすることに加えワイヤハーネスをも抵抗体とし
て、それらを流れる電流を検出して抵抗値が測定され
る。従って、ヒータ抵抗や素子抵抗の測定値に誤差が生
じ、その測定誤差によりヒータ温度や素子温が高すぎた
り低すぎたりするという問題を招く。

【０００７】図１５にはワイヤハーネスの温度特性の一
例を示す。同図によれば、ハーネス温度に応じてハーネ
ス抵抗が変動することが分かる。実際には、ハーネス温
度が２０℃変わると、ハーネス抵抗が約０．１Ω程度変
動する。

【０００８】また、図１６にはワイヤハーネスの温度特
性によりヒータ制御温度が受ける影響の度合を示す。な
お図１６において、縦軸に示す「ヒータ抵抗の測定値」
とは、実際にはヒータ抵抗値とハーネス抵抗値とを含む
ものである。同図によれば、ハーネス温度が変動する
と、ヒータ抵抗の測定値が一定でもヒータ温度が一定値
に制御されないことが分かる。つまり、例えばハーネス
温度が上昇してハーネス抵抗（ヒータ抵抗の測定値）が
大きくなると、ヒータ温度が目標値より低くなり、ハー
ネス温度が低下してハーネス抵抗（ヒータ抵抗の測定
値）が小さくなると、ヒータ温度が目標値よりも高くな
る。

【０００９】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、ワイヤハーネス
の温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施する
ことができるガス濃度センサの温度制御装置を提供する
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、ワイヤハーネスを介して
検出される電圧及び電流値からヒータ又は素子部の抵抗
値を測定する抵抗値測定手段と、ワイヤハーネスの抵抗
値を推定するハーネス抵抗値推定手段と、前記推定した
ハーネス抵抗値に基づいて、前記測定したヒータ又は素
子部の抵抗値を補正する抵抗値補正手段と、前記補正後
のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、ヒータ制御量
を設定する制御量設定手段とを備える。

【００１１】要するに、ガス濃度センサの素子部及びヒ
ータはそれぞれワイヤハーネスを介してセンサ制御回路
に接続される。そして、ワイヤハーネスを介して検出さ
れる電圧及び電流値によりヒータや素子部の抵抗値が測
定される。従来既存の装置では、ワイヤハーネスの雰囲
気温度に応じてハーネス抵抗値が不用意に変動した際
に、その影響を受けてヒータの通電制御にバラツキ（制
御誤差）が生じる。これに対して本発明によれば、ハー
ネス抵抗値に基づいてヒータ又は素子部の抵抗値が補正
され、補正後のヒータ又は素子部の抵抗値によりヒータ
制御が実施される。これにより、ハーネス抵抗値が不用
意に変動しても、ヒータ又は素子部の正確な抵抗値が把
握でき、制御誤差が解消される。その結果、ワイヤハー
ネスの温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施
することができる。

【００１２】上記の通りヒータ又は素子部の正確な抵抗
値を把握するには、請求項２に記載したように、ヒータ
又は素子部とそれに接続されたワイヤハーネスとを含む
全抵抗分から前記推定したハーネス抵抗値を減算し、そ
の減算した値を真のヒータ抵抗値又は素子抵抗値とする
とよい（抵抗値補正手段）。

【００１３】また、請求項３に記載の発明では、その時
々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種の温度
制御を切り換えて実施するガス濃度センサの温度制御装
置において、前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に
基づいて、前記複数種の温度制御を切り換える（制御切
換手段）。例えばヒータを通電し続ける第１の制御と、
ヒータ通電をデューティ制御する第２の制御とを切り換
えて実施する場合に、前記補正後のヒータ又は素子部の
抵抗値に基づいて第１及び第２の制御を切り換える。こ
の場合、温度制御の切り換えが適切なタイミングで実施
できるようになり、ヒータ通電量の過不足が抑制でき
る。

【００１４】請求項４に記載の発明では、その時々のヒ
ータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種の温度制御を
切り換える制御切換手段と、ワイヤハーネスの抵抗値を
推定するハーネス抵抗値推定手段と、前記推定したハー
ネス抵抗値に基づいて、温度制御を切り換えるための判
定値を可変に設定する判定値設定手段とを備える。請求
項４の構成によれば、ハーネス抵抗値に基づき温度制御
を切り換えるための判定値を可変に設定することで、請
求項３の発明と同様に、温度制御の切り換えが適切なタ
イミングで実施できるようになり、ヒータ通電量の過不
足が抑制できる。

【００１５】かかる場合、請求項５に記載したように、
ガス濃度センサの活性判定を行うための判定値を可変に
設定すれば、適切な活性判定とその活性度合に応じた適
切なヒータ制御とが実施できる。

【００１６】請求項６に記載の発明では、ハーネス抵抗
値推定手段は、内燃機関の吸入空気の温度又は機関温度
に応じてハーネス抵抗値を推定する。つまり、吸入空気
の温度や機関温度（冷却水温）が変化すると、それに追
従してハーネス温度が変動する。従って、上記の通りハ
ーネス温度を推定することで、正確且つ簡易的にハーネ
ス温度が認識できる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。本実施の形態は、自動車に搭載されるガソリン噴
射式内燃機関の燃料噴射量を最適に制御するための空燃
比制御システムに具体化したものであって、空燃比制御
を司る電子制御装置（以下、ＥＣＵという）により空燃
比が所望の値に制御される。以下の記載では、ガス濃度
センサとしての限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセン
サ）について、同センサに内蔵されたヒータを通電して
センサ温度を制御する手順を詳細に説明すると共に、そ
の温度制御を実現するための具体的構成について説明す
る。

【００１８】図１は、本実施の形態における空燃比制御
システムの概要を示す全体構成図である。図１におい
て、エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構
成されている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒
に対して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が
配設されている。また、排気管１３には、排ガス中の酸
素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）
に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する、
限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ３０が配
設されている。Ａ／Ｆセンサ３０は、固体電解質等を有
するセンサ素子部３２と、同センサ素子部３２を加熱す
るためのヒータ３３とを備えるものであり、その詳細に
ついては後述する。さらに、排気管１３においてＡ／Ｆ
センサ３０の下流側には、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの有害三
成分を浄化するための三元触媒１４が配設されている。

【００１９】ＥＣＵ１５は、インジェクタ１２による燃
料噴射量を最適に制御するためのエンジン制御用マイコ
ン１６を備える。エンジン制御用マイコン１６は、回転
数センサ１７、吸気圧センサ１８、水温センサ１９な
ど、各種センサからエンジン運転情報を取り込み、これ
らのセンサ検出結果からエンジン回転数Ｎｅ、吸気圧Ｐ
Ｍ、水温Ｔｗなどのエンジン運転状態を検知する。

【００２０】ＥＣＵ１５内に設けられたＣＰＵ２０は、
所定の制御プログラムに従いヒータ駆動回路２５及びバ
イアス制御回路４０を操作し、電圧印加に伴いＡ／Ｆセ
ンサ３０に流れるセンサ電流を測定する。そして、該測
定したセンサ電流から空燃比を検出し、その検出結果
（Ａ／Ｆ値）をエンジン制御用マイコン１６に出力す
る。また、ＣＰＵ２０は、センサ素子部３２が活性状態
で維持されるよう、ヒータ駆動回路２５を操作し必要に
応じてヒータ３３を通電する。

【００２１】ここで、ＣＰＵ２０から出力されるバイア
ス指令信号Ｖｒは、Ｄ／Ａ変換器２１を介してバイアス
制御回路４０に入力される。また、その時々の空燃比
（酸素濃度）に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力は、バ
イアス制御回路４０内の電流検出回路５０にてセンサ電
流として検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介
してＣＰＵ２０に入力される。ヒータ電圧及びヒータ電
流はヒータ駆動回路２５にて検出され、その検出値はＡ
／Ｄ変換器２４を介してＣＰＵ２０に入力される。

【００２２】Ａ／Ｆセンサ３０のセンサ素子部３２は、
ワイヤハーネスＨ２を介してＥＣＵ１５に接続され、同
センサ３０のヒータ３３は、ワイヤハーネスＨ１を介し
てＥＣＵ１５接続されている。ワイヤハーネスＨ１，Ｈ
２はエンジンフード内に設けられ、それらは共に周知の
温度特性（例えば、図１５の特性）を有する。

【００２３】エンジン制御用マイコン１６による空燃比
Ｆ／Ｂ制御については、本案の要旨ではなく且つその制
御内容が周知であるため、ここではその詳細な説明を省
略するが、簡単に述べると、エンジン制御用マイコン１
６は、Ａ／Ｆセンサ３０による空燃比の検出結果（電圧
信号）やその他、前記各センサの検出結果を取り込み、
それらの検出結果に基づいて現代制御或いはＰＩ制御と
いった制御アルゴリズムに則って空燃比をフィードバッ
ク制御する。つまり、その時々の空燃比が目標空燃比に
一致するよう、インジェクタ１２からエンジン１０の各
気筒に噴射供給される燃料量を制御する。本実施の形態
では、三元触媒１４で最も高い浄化率が得られるよう、
理論空燃比（ストイキ）を目標値として空燃比をフィー
ドバック制御する。

【００２４】図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略を示す断
面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は前記排
気管１３の内部に向けて突設されており、同センサ３０
は大別して、カバー３１、センサ素子部３２及びヒータ
３３から構成されている。カバー３１は断面コ字状をな
し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１
ａが形成されている。センサ素子部３２は、空燃比リー
ン領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域に
おける未燃ガス（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する
限界電流を発生する。

【００２５】センサ素子部３２の構成について詳述す
る。センサ素子部３２において、断面コップ状に形成さ
れた固体電解質層３４の外表面には、排ガス側電極層３
６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着され
ている。また、排ガス側電極層３６の外側には、プラズ
マ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固
体電解質層３４は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂ
ｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等
を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結
体からなり、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシ
ャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質
からなる。排ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は
共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面
には多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排ガ
ス側電極層３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2
（平方ミリメートル）及び０．５〜２．０μｍ程度とな
っており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、
１０ｍｍ^2（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．
０μｍ程度となっている。

【００２６】ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容さ
れており、その発熱エネルギによりセンサ素子部３２
（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排ガス側電極
層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３
は、センサ素子部３２を活性化するのに十分な発熱容量
を有している。

【００２７】上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、セ
ンサ素子部３２は理論空燃比点よりリーン領域では酸素
濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度
に対応する限界電流は、排ガス側電極層３６の面積、拡
散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定さ
れる。また、センサ素子部３２は酸素濃度を直線的特性
にて検出し得るものであるが、このセンサ素子部３２を
活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると
共に、同センサ素子部３２の活性温度範囲が狭いため、
エンジン１０の排ガスのみによる加熱では素子温を活性
領域に制御できない。そのため、本実施の形態では、ヒ
ータ３３への供給電力をデューティ制御することによ
り、センサ素子部３２を活性温度域にまで加熱するよう
にしている。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域で
は、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃
比に対してほぼリニアに変化し、センサ素子部３２はＣ
Ｏ等の濃度に応じた限界電流を発生する。

【００２８】センサ素子部３２の電圧−電流特性（Ｖ−
Ｉ特性）について図３を用いて説明する。図３によれ
ば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ素
子部３２の固体電解質層３４への流入電流と、同固体電
解質層３４への印加電圧とがリニアな特性を有すること
が分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直線部分がセ
ンサ素子部３２の限界電流を特定する限界電流検出域で
あって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの
増減（すなわち、リーン・リッチの度合）に対応してい
る。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増
大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少す
る。

【００２９】このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な
直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗
支配域となっており、その抵抗支配域における一次直線
部分の傾きは、センサ素子部３２における固体電解質層
３４の内部抵抗（以下、これを素子インピーダンスとい
う）により特定される。この素子インピーダンスは温度
変化に伴い変化し、センサ素子部３２の温度が低下する
と素子インピーダンスの増大により上記傾きが小さくな
る。

【００３０】図４は、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ３３を
通電するための電気的構成を示す回路図である。同図に
おいて、ヒータ３３の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続さ
れ、他端はワイヤハーネスＨ１を介してＥＣＵ１５に接
続されている。ＥＣＵ１５内のヒータ駆動回路２５は、
電流検出抵抗２５ａとスイッチング素子を構成するトラ
ンジスタ２５ｂとを有する。トランジスタ２５ｂはＣＰ
Ｕ２０によりＯＮ／ＯＦＦ操作され、トランジスタ２５
ｂがＯＮされることによりヒータ３３に電流Ｉｈが流れ
る。電流検出抵抗２５ａの両端の電圧はそれぞれ、Ｖ
１，Ｖ２として検出され、その検出結果はＡ／Ｄ変換器
２４を介してＣＰＵ２０に入力される。なお、電流検出
抵抗２５ａは既知の抵抗値「Ｒｃ」を有する抵抗体とし
て構成されている。

【００３１】次に、本実施の形態の作用を説明する。本
実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の温度制御を適正に
実施することを要旨としており、ここでは、ヒータ抵抗
値Ｒｈをパラメータとして温度制御を実施する。

【００３２】図５はヒータ制御ルーチンを示すフローチ
ャートであり、同ルーチンはＣＰＵ２０により所定間隔
（例えば、１２８ｍｓｅｃ周期）のタイマ割り込みにて
起動される。

【００３３】さて、図５のルーチンがスタートすると、
ＣＰＵ２０は、先ずステップ１０１で前記図４のトラン
ジスタ２５ｂがＯＮしている時のＶＢ（電源電圧），Ｖ
１，Ｖ２の各電圧のＡ／Ｄ変換値を取り込む。また、Ｃ
ＰＵ２０は、続くステップ１０２でヒータ３３とワイヤ
ハーネスＨ１との抵抗分を全て含む抵抗値（以下便宜
上、全抵抗値Ｒｔ１という）を算出する。ここで、全抵
抗値Ｒｔ１は、前記図４のバッテリ電源＋Ｂからヒータ
３３及びワイヤハーネスＨ１を経てＥＣＵ１５に至るま
での全ての抵抗分に相当する。具体的には、 Ｉｈ＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒｃ としてヒータ電流Ｉｈを求め、さらに、 Ｒｔ１＝（ＶＢ−Ｖ１）／Ｉｈ として全抵抗値Ｒｔ１を求める。

【００３４】また、ＣＰＵ２０は、ステップ１０３でワ
イヤハーネスＨ１の抵抗値（ハーネス抵抗値Ｒｄ１）を
次の式（１）から推定する。 Ｒｄ１＝Ｒ0 ｛１＋α0 （Ｔｈ−Ｔｈ0 ）｝ …（１） 式（１）において、Ｔｈはハーネス温度、Ｔｈ0 はハー
ネスの標準温度（例えば、２０℃）、Ｒ0 は標準温度で
のハーネス抵抗値、α0 は係数である。ハーネス温度Ｔ
ｈは、例えば図６の関係に従い推定される。図６では、
水温Ｔｗに応じてハーネス温度Ｔｈが求められるように
なっており、水温Ｔｗが高いほどハーネス温度Ｔｈが高
い値として求められる。

【００３５】さらに、ＣＰＵ２０は、ステップ１０４で
全抵抗値Ｒｔ１からハーネス抵抗値Ｒｄ１を減算し、そ
の差分を真のヒータ抵抗値Ｒｈとする（Ｒｈ＝Ｒｔ１−
Ｒｄ１）。

【００３６】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ１０５で
ヒータ抵抗値Ｒｈがセンサ素子部３２の半活性状態を判
定するための所定の判定値（本実施の形態では、１．９
Ω程度）以上であるか否かを判別する。例えばエンジン
１０の低温始動時等においてはＲｈ＜１．９Ωとなり、
ＣＰＵ２０はステップ１０６に進んでヒータ３３の「１
００％通電制御」を実施する。この１００％通電制御
は、ヒータ３３へのデューティ比制御信号を１００％に
維持する制御であり、ヒータ抵抗値Ｒｈが１．９Ω以上
になりステップ１０５が肯定判別されるまで継続して実
施される。

【００３７】ヒータ３３の通電に伴いＲｈ≧１．９Ωに
なると、ＣＰＵ２０はステップ１０７に進み、ヒータ抵
抗値Ｒｈがフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始するた
めの所定の判定値（本実施の形態では、２．２Ω程度）
以上であるか否かを判別する。ステップ１０７の判定値
は、センサ素子部３２が略活性状態に達したとみなされ
る値である。

【００３８】ステップ１０７が否定判別されると、ＣＰ
Ｕ２０はステップ１０８に進み、「電力制御」によりヒ
ータ３３の通電を制御する。つまり、未だＦ／Ｂ制御が
実施される状態でないとみなし、通電量をオープン制御
する。このとき、図７のマップに示すように、前記ステ
ップ１０４で算出したヒータ抵抗値Ｒｈに応じて電力指
令値が決定され、その電力指令値に応じた制御デューテ
ィ比によりヒータ３３が通電される。

【００３９】一方、ステップ１０７が肯定判別される
と、ＣＰＵ２０はステップ１０９に進み、前記ステップ
１０４で算出したヒータ抵抗値Ｒｈをヒータ温Ｔｈに換
算する。このとき、例えば図８の関係を用いてヒータ温
Ｔｈを算出する。

【００４０】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ１１０で
「ヒータ温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。このヒータ温Ｆ／
Ｂ制御では、その時々のエンジン運転状態に応じた目標
ヒータ温Ｔｈｔｇと前記算出したヒータ温Ｔｈとの偏差
に応じてヒータ３３の通電がデューティ制御される。目
標ヒータ温Ｔｈｔｇは例えば図９の関係に従い設定さ
れ、高回転・高負荷域ほど、高い目標ヒータ温Ｔｈｔｇ
が設定される。

【００４１】本実施の形態では、ヒータ温Ｆ／Ｂ制御の
一例としてＰＩＤ制御手順を用いる。つまり、次の式
（２）〜（４）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項
ＧＤを算出する。

【００４２】 ＧＰ＝ＫＰ・（Ｔｈ−Ｔｈｔｇ） …（２） ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｔｈ−Ｔｈｔｇ） …（３） ＧＤ＝ＫＤ・（Ｔｈ−Ｔｈi-1 ） …（４） 上式において、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定
数、「ＫＤ」は積分定数を表し、添字「ｉ−１」は前回
処理時の値を表す。

【００４３】そして、上記比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微
分項ＧＤを加算してヒータ通電のためのデューティ比Ｄ
ｕｔｙを算出し（Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）、該算
出したデューティ比Ｄｕｔｙによりヒータ３３を通電す
る。

【００４４】なお本実施の形態では、前記図５のステッ
プ１０２が請求項記載の抵抗値測定手段に、同ステップ
１０３がハーネス抵抗値推定手段に、同ステップ１０４
が抵抗値補正手段に、同ステップ１０８，１１０が制御
量設定手段に、同ステップ１０５，１０７が制御切換手
段に、それぞれ相当する。

【００４５】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。 （ａ）本実施の形態では、ヒータ３３とそれに接続され
たワイヤハーネスＨ１とを含む全抵抗値Ｒｔ１を算出す
ると共に、ハーネス抵抗値Ｒｄ１を推定し、全抵抗値Ｒ
ｔ１からハーネス抵抗値Ｒｄ１を減算して真のヒータ抵
抗値Ｒｈを求めた。そして、その真のヒータ抵抗値Ｒｈ
に基づいて電力制御とヒータ温Ｆ／Ｂ制御とを実施する
ようにした。

【００４６】従来既存の装置では、ワイヤハーネスの雰
囲気温度に応じてハーネス抵抗値が不用意に変動するこ
とでヒータの通電制御にバラツキ（制御誤差）が生じた
が、本実施の形態の構成によれば、ハーネス抵抗値が不
用意に変動してもヒータ３３の正確な抵抗値が把握で
き、制御誤差が解消される。その結果、ワイヤハーネス
の温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施する
ことができる。

【００４７】（ｂ）ハーネス抵抗値Ｒｄ１にて補正した
ヒータ抵抗値Ｒｈに基づいて、ヒータ３３の１００％通
電制御と電力制御とヒータ温Ｆ／Ｂ制御とを切り換える
ようにした。この場合、温度制御の切り換えが適切なタ
イミングで実施できるようになり、ヒータ通電量の過不
足が抑制できる。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０が最適
な活性状態で維持できる。

【００４８】（ｃ）水温Ｔｗに応じてハーネス抵抗値Ｒ
ｄ１を推定するようにしたため、正確且つ簡易的にハー
ネス温度を認識できる。 （ｄ）温度特性に優れた高価なワイヤハーネスを使わな
くても精度の良い温度制御が実施できるようになり、コ
ストの高騰が回避できる。

【００４９】（ｅ）上記の通り、Ａ／Ｆセンサ３０の温
度制御が精度良く実施できることから、当該センサ３０
を組み込んだ空燃比制御システムにおいて、高精度な空
燃比制御が実施できる。よって、排気エミッションの低
減を図ることができる。

【００５０】次に、本発明における第２，第３の実施の
形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成にお
いて、上述した第１の実施の形態と同等であるものにつ
いては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化
する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を
中心に説明する。

【００５１】（第２の実施の形態）第２の実施の形態を
図１０〜図１２を用いて説明する。上記第１の実施の形
態では、ヒータ抵抗値Ｒｈに基づいてＡ／Ｆセンサ３０
の温度制御を実施したが、本実施の形態ではこれを変更
し、Ａ／Ｆセンサ３０（固体電解質層３４）の素子イン
ピーダンスＺｓに基づいて同センサ３０の温度制御を実
施する。実際には、前記図５のルーチンに代えて、図１
０のヒータ制御ルーチンを実施する。

【００５２】図１０において、ＣＰＵ２０は、ステップ
２０１でセンサ素子部３２とワイヤハーネスＨ２との抵
抗分を全て含む抵抗値（以下便宜上、全抵抗値Ｒｔ２と
いう）を算出する。具体的には、センサ素子部３２に負
の印加電圧Ｖｎｅｇ、すなわちＡ／Ｆセンサ３０のＶ−
Ｉ特性において限界電流検出域にかからない電圧を印加
し、その時のセンサ電流Ｉｎｅｇを計測する。そして、 Ｒｔ２＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇ として全抵抗値Ｒｔ２を測定する。

【００５３】また、ＣＰＵ２０は、ステップ２０２でワ
イヤハーネスＨ２の抵抗値（ハーネス抵抗値Ｒｄ２）を
次の式（５）から推定する。 Ｒｄ２＝Ｒ0 ｛１＋α0 （Ｔｈ−Ｔｈ0 ）｝ …（５） 式（５）は、前述の式（１）に準ずる。

【００５４】さらに、ＣＰＵ２０は、ステップ２０３で
全抵抗値Ｒｔ２からハーネス抵抗値Ｒｄ２を減算し、そ
の差分を真の素子インピーダンスＺｓとする（Ｚｓ＝Ｒ
ｔ２−Ｒｄ２）。

【００５５】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ２０４で
素子インピーダンスＺｓがセンサ素子部３２の半活性状
態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、
２００Ω程度）以下であるか否かを判別する。例えばエ
ンジン１０の低温始動時等においてはＺｓ＞２００Ωと
なり、ＣＰＵ２０はステップ２０５に進んでヒータ３３
の「１００％通電制御」を実施する（前記図５のステッ
プ１０６に同じ）。この１００％通電制御は、素子イン
ピーダンスＺｓが２００Ω以下になりステップ２０４が
肯定判別されるまで継続して実施される。

【００５６】ヒータ３３の加熱作用により素子温が上昇
し、ステップ２０４が肯定判別されると、ＣＰＵ２０は
ステップ２０６に進み、素子インピーダンスＺｓがＦ／
Ｂ制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態で
は、４０Ω程度）以下であるか否かを判別する。ステッ
プ２０６の判定値は、センサ素子部３２の活性状態を判
定するものであって、目標インピーダンス（本実施の形
態では、３０Ω）に対して「＋１０Ω」程度の値として
設定される。

【００５７】Ａ／Ｆセンサ３０の活性化完了前であっ
て、ステップ２０６が否定判別されると、ＣＰＵ２０は
ステップ２０７に進み、「電力制御」によりヒータ３３
の通電を制御する。このとき、図１１のマップに示すよ
うに素子インピーダンスＺｓに応じて電力指令値が決定
され、その電力指令値に応じた制御デューティ比により
ヒータ３３が通電される。

【００５８】一方、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化が完了
し、ステップ２０６が肯定判別されると、ＣＰＵ２０は
ステップ２０８に進み、前記ステップ２０３で算出した
素子インピーダンスＺｓを素子温Ｔｓに換算する。この
とき、例えば図１２の関係を用いて素子温Ｔｓを算出す
る。

【００５９】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ２０９で
「素子温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。この素子温Ｆ／Ｂ制
御では、前述の図５の処理と同様に、ＰＩＤ制御手順に
従いヒータ通電をデューティ制御する。つまり、その時
々のエンジン運転状態に応じた目標素子温と前記算出し
た素子温Ｔｓとの偏差に応じてヒータ通電のためのデュ
ーティ比Ｄｕｔｙを求め、そのデューティ比Ｄｕｔｙに
よりヒータ３３を通電する。

【００６０】なお本実施の形態では、図１０のステップ
２０１が請求項記載の抵抗値測定手段に、同ステップ２
０２がハーネス抵抗値推定手段に、同ステップ２０３が
抵抗値補正手段に、同ステップ２０７，２０９が制御量
設定手段に、同ステップ２０４，２０６が制御切換手段
に、それぞれ相当する。

【００６１】以上第２の実施の形態によれば、上記第１
の実施の形態と同様に、ワイヤハーネスの温度特性に関
係なく、精度の良い温度制御を実施することができる等
の優れた効果が得られる。

【００６２】（第３の実施の形態）次に、第３の実施の
形態を図１３及び図１４を用いて説明する。本実施の形
態では、Ａ／Ｆセンサ３０の活性判定に用いるヒータ抵
抗値の判定値を、ハーネス抵抗値に基づいて可変に設定
する。実際には、前記図５のルーチンに代えて、図１３
のヒータ制御ルーチンを実施する。

【００６３】図１３において、ＣＰＵ２０は、ステップ
３０１でハーネス抵抗値を推定し（前記式（１）参
照）、続くステップ３０２でハーネス抵抗値に応じて２
つの判定値β１，β２を可変に設定する（但し、β１＜
β２）。判定値β１，β２は、Ａ／Ｆセンサ３０の活性
判定を行うものであって、例えば図１４の関係に従い設
定される。

【００６４】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ３０３で
ヒータ抵抗値Ｒｈがセンサ素子部３２の半活性状態を判
定するための判定値β１以上であるか否かを判別する。
Ｒｈ＜β１の場合、ＣＰＵ２０はステップ１０６に進ん
でヒータ３３の「１００％通電制御」を実施する。ま
た、Ｒｈ≧β１の場合、ＣＰＵ２０はステップ３０４に
進み、ヒータ抵抗値ＲｈがＦ／Ｂ制御を開始するための
判定値β２以上であるか否かを判別する。

【００６５】Ｒｈ＜β２の場合、ＣＰＵ２０はステップ
１０８に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を
制御する。一方、Ｒｈ≧β２の場合、ＣＰＵ２０はステ
ップ１０９，１１０に進み、「ヒータ温Ｆ／Ｂ制御」を
実施する。但し、ステップ１０６，１０８〜１１０の処
理は前記図５の処理と同一であるため、ここではその説
明を省略する。

【００６６】なお本実施の形態では、図１３のステップ
３０３，３０４が制御切換手段に相当し、同ステップ３
０１がハーネス抵抗値推定手段に相当する。また、同ス
テップ３０２が判定値設定手段に相当する。

【００６７】以上第３の実施の形態によれば、温度制御
の切り換えが適切なタイミングで実施できるようにな
り、ヒータ通電量の過不足が抑制できる。また、Ａ／Ｆ
センサ３０の活性判定を行うための判定値β１，β２を
可変に設定することで、適切な活性判定とその活性度合
に応じた適切なヒータ制御とが実施できる。

【００６８】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて具体化できる。上記各実施の形態では、ハ
ーネス抵抗値の推定に際し、水温Ｔｗに基づいてハーネ
ス温度Ｔｈを求めたが、これを変更する。例えば吸入空
気の温度、エンジンフード内の温度又はシリンダ壁面の
温度に基づいてハーネス温度を求め、このハーネス温度
に応じてハーネス抵抗値を推定する。この場合、異なる
温度データを複合的に用いてハーネス温度を求めるよう
にしてもよい。

【００６９】上記各実施の形態では、ヒータ制御に際
し、「１００％通電制御」と「電力制御」と「ヒータ温
（又は素子温）Ｆ／Ｂ制御」とを選択的に実施したが、
この構成を変更する。例えば１００％通電制御又は電力
制御の何れか一方を省略する。この場合、エンジンの始
動当初は１００％通電制御又は電力制御を実施し、その
後、ヒータ温（又は素子温）Ｆ／Ｂ制御を実施する。

【００７０】上記各実施の形態では、ヒータ温Ｆ／Ｂ制
御時或いは素子温Ｆ／Ｂ制御時においてＰＩＤ制御手順
を用いたが、これを変更し例えばＰＩ制御やＰ制御を実
施するようにしてもよい。

【００７１】ヒータ抵抗値Ｒｈをヒータ温Ｔｈに換算し
てヒータ温Ｆ／Ｂ制御を実施したが（図５及び図１３の
ステップ１０９，１１０）、ヒータ温Ｔｈに換算せず
に、ヒータ抵抗値Ｒｈを用いてヒータ抵抗Ｆ／Ｂ制御を
実施してもよい。また、素子インピーダンスＺｓを素子
温Ｔｓに換算して素子温Ｆ／Ｂ制御を実施したが（図１
０のステップ２０８，２０９）、素子温Ｔｓに換算せず
に、素子インピーダンスＺｓを用いて素子インピーダン
スＦ／Ｂ制御を実施してもよい。

【００７２】上記第２の実施の形態では、素子インピー
ダンス（全抵抗値Ｒｔ２）の測定に際し、直流インピー
ダンスを測定したが、交流インピーダンスを測定するよ
うにしてもよい。この場合、Ａ／Ｆセンサ３０の印加電
圧を一時的に正方向及び負方向に変化させる。そして、
この電圧変化時における正負いずれか一方又は両方の電
圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダン
スを測定する（素子インピーダンス＝ΔＶ／ΔＩ）。

【００７３】上記第３の実施の形態では、ハーネス抵抗
値に基づいて、Ａ／Ｆセンサ３０の活性判定に用いる
「ヒータ抵抗値の判定値β１，β２」を可変に設定した
が、「素子インピーダンスの判定値」を可変に設定する
構成としてもよい。この場合、ハーネス抵抗値が大きく
なるほど、素子インピーダンスの判定値（例えば前記図
１０のステップ２０４，２０６の判定値）を大きな値に
設定するとよい。

【００７４】本発明を空燃比リーン領域でのリーン燃焼
を行わせるリーン燃焼制御システムに適用してもよい。
この場合にも同様に、既述の優れた効果が得られる。上
記実施の形態では、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセ
ンサ）に本発明を具体化したが、他のガス濃度センサに
具体化して実現することも可能である。例えば空燃比が
理論空燃比（ストイキ）に対してリッチかリーンかで異
なる電圧信号（起電力）を出力するＯ2 センサや、排ガ
ス中のＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力するＮＯｘセ
ンサなど、他のガス濃度センサにも適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態におけるエンジンの空燃比制
御システムの概要を示す全体構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの要部の構成を示す断面図。

【図３】Ａ／ＦセンサのＶ−Ｉ特性を示すグラフ。

【図４】Ａ／Ｆセンサのヒータを通電するための電気的
構成を示す回路図。

【図５】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。

【図６】水温とハーネス温度との関係を示す図。

【図７】ヒータ抵抗値と電力指令値との関係を示す図。

【図８】ヒータ抵抗値とヒータ温との関係を示す図。

【図９】目標ヒータ温を設定するためのマップを示す
図。

【図１０】第２の実施の形態において、ヒータ制御ルー
チンを示すフローチャート。

【図１１】素子インピーダンスと電力指令値との関係を
示す図。

【図１２】素子インピーダンスと素子温との関係を示す
図。

【図１３】第３の実施の形態において、ヒータ制御ルー
チンの一部を示すフローチャート。

【図１４】ハーネス抵抗値と判定値β１，β２との関係
を示す図。

【図１５】ワイヤハーネスの温度特性を示すグラフ。

【図１６】ワイヤハーネスの温度特性によりヒータ制御
温度が受ける影響の度合を示すグラフ。

【符号の説明】

１０…エンジン（内燃機関）、１３…排気管、１５…セ
ンサ制御回路としてのＥＣＵ（電子制御装置）、２０…
抵抗値測定手段，ハーネス抵抗値推定手段，抵抗値補正
手段，制御量設定手段，制御切換手段，判定値設定手段
を構成するＣＰＵ、２５…ヒータ駆動回路、３０…ガス
濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比セ
ンサ）、３２…センサ素子部、３３…ヒータ、４０…バ
イアス制御回路、Ｈ１，Ｈ２…ワイヤハーネス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 27/41 Ｇ０１Ｒ 27/02 Ｒ Ｇ０１Ｒ 27/02 Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｑ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検出ガス中の特定成分の濃度を検出する
   ための素子部と、前記素子部を加熱するためのヒータと
   を備え、ワイヤハーネスを介してセンサ制御回路に接続
   されるガス濃度センサに適用され、前記ヒータを通電し
   てセンサ温度を制御する温度制御装置において、 前記ワイヤハーネスを介して検出される電圧及び電流値
   から前記ヒータ又は素子部の抵抗値を測定する抵抗値測
   定手段と、 前記ワイヤハーネスの抵抗値を推定するハーネス抵抗値
   推定手段と、 前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、前記測定した
   ヒータ又は素子部の抵抗値を補正する抵抗値補正手段
   と、 前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、ヒ
   ータ制御量を設定する制御量設定手段とを備えることを
   特徴とするガス濃度センサの温度制御装置。
2. 【請求項２】前記抵抗値補正手段は、前記ヒータ又は素
   子部とそれに接続されたワイヤハーネスとを含む全抵抗
   分から前記推定したハーネス抵抗値を減算し、その減算
   した値を真のヒータ抵抗値又は素子抵抗値とする請求項
   １に記載のガス濃度センサの温度制御装置。
3. 【請求項３】その時々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に
   応じて複数種の温度制御を切り換えて実施するガス濃度
   センサの温度制御装置において、 前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、前
   記複数種の温度制御を切り換える制御切換手段を備える
   請求項１又は請求項２に記載のガス濃度センサの温度制
   御装置。
4. 【請求項４】被検出ガス中の特定成分の濃度を検出する
   ための素子部と、前記素子部を加熱するためのヒータと
   を備え、ワイヤハーネスを介してセンサ制御回路に接続
   されるガス濃度センサに適用され、前記ヒータを通電し
   てセンサ温度を制御する温度制御装置において、 その時々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種
   の温度制御を切り換える制御切換手段と、 前記ワイヤハーネスの抵抗値を推定するハーネス抵抗値
   推定手段と、 前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、温度制御を切
   り換えるための判定値を可変に設定する判定値設定手段
   とを備えることを特徴とするガス濃度センサの温度制御
   装置。
5. 【請求項５】前記判定値設定手段は、ガス濃度センサの
   活性判定を行うための判定値を可変に設定するものであ
   る請求項４に記載のガス濃度センサの温度制御装置。
6. 【請求項６】前記ガス濃度センサは内燃機関の排気管に
   配設され、排ガス中の特定成分の濃度を検出するもので
   あって、 前記ハーネス抵抗値推定手段は、前記内燃機関の吸入空
   気の温度又は機関温度に応じてハーネス抵抗値を推定す
   る請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス濃度セン
   サの温度制御装置。