JP2002048763A

JP2002048763A - ガス濃度センサのヒータ制御装置

Info

Publication number: JP2002048763A
Application number: JP2000238833A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Okamoto; 岡本　　喜之
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-08-07
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2002-02-15
Also published as: US20020017285A1; US6696673B2

Abstract

(57)【要約】【課題】検出素子やヒータの保護を図りつつ、検出素子
を適正に活性化させること。【解決手段】Ａ／Ｆセンサ３０は、エンジン排出ガス中
の酸素濃度にほぼ比例した限界電流を出力する検出素子
６１と該検出素子６１を加熱するヒータ６４とを有す
る。マイコン２１内のＣＰＵ２２は、検出素子６１が活
性化するようヒータ６４への通電を制御する。また特
に、ＣＰＵ２２は、エンジン始動時におけるクランキン
グに際して、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を制限しながら
ヒータ通電を開始し、ヒータ６４を予熱させる。このと
き、エンジン水温に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を
設定する。そして、クランキング終了後に通常制御（全
通電＋Ｆ／Ｂ通電）を開始する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス濃度センサの
ヒータ制御装置に係り、詳しくは、内燃機関の排出ガス
中の酸素濃度を検出する空燃比センサ等において、同セ
ンサを活性化するためのヒータの通電を好適に制御する
ための技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のガス濃度センサとして、例え
ば、エンジンの排出ガス中の酸素濃度を検出する限界電
流式空燃比センサが知られており、当該センサのヒータ
制御装置として、特開平８−２７８２７９号公報、特開
平１０−３００７１６号公報などの技術が開示されてい
る。

【０００３】また、空燃比センサは一般に、断面コップ
状を成すコップ型構造のものと、板状の検出素子やヒー
タ部材等を積層して構成される積層型構造のものとが知
られており、近年では、小型化、低コスト化に適し、且
つ検出素子の昇温特性に優れる積層型構造のものが多用
されつつある。この積層型構造の空燃比センサは、例え
ば特開平１１−３４４４６６号公報に開示されており、
検出素子とヒータとが間近に配置され、素子温度とヒー
タ温度との差が比較的小さいことから、ヒータ抵抗の検
出値によるヒータ電力制御に代えて、検出素子の内部抵
抗（インピーダンス）によるヒータ通電制御が実施され
る。つまり、検出素子のインピーダンスが所定の目標値
になるよう、ヒータ通電量がフィードバック制御され
る。なお、積層型構造の空燃比センサでは、ヒータから
検出素子への伝熱効果が良好となるため、ヒータでの発
熱量を抑える、つまり電流値を小さくすることが可能と
なる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た空燃比センサでは、低温時にヒータ抵抗が小さくなる
とヒータへの投入電力が過剰に大きくなり、検出素子の
破損を招くおそれがある。すなわち、ヒータ温度とヒー
タ抵抗とは図１５（ａ）に示す通りほぼ直線関係にあ
り、ヒータ温度が低いほどヒータ抵抗が小さくなる。従
って、ヒータ抵抗が小さい状態（ヒータ低温状態）では
通電電流が大きくなり、ヒータへの投入電力が限界値を
超えてしまう（図１５（ｂ）参照）。この場合、エンジ
ンの低温始動当初において、検出素子の早期活性化を図
るべくヒータの全通電制御（１００％通電）を行うと、
ヒータへの投入電力（積算電力）が限界値を超えてしま
い、その時の熱応力が原因でヒータや検出素子が破損す
るおそれが生じる。この問題は、積層型構造の空燃比セ
ンサで生じ易いものであり、当該センサの保護を図る上
での改良技術が望まれている。

【０００５】また、積層型構造の空燃比センサの場合、
検出素子の温度とヒータの温度とは比較的近いために、
ヒータ電流等によりヒータ抵抗を検出するといった回路
構成が省略されており、ヒータ電力を直接モニタしてヒ
ータ電力を制御することは不可能である。従って、上記
したように電力の過剰投入が問題となる。

【０００６】更に、エンジン水温や吸気温度などにより
ヒータや検出素子の極低温状態を検知し、極低温時には
ヒータ通電を禁止することが考えられるが、例えばデッ
ドソーク後の再始動時には、ヒータや検出素子が低温で
あってもエンジン水温や吸気温度が高温状態となること
がある。従って、これらエンジン水温や吸気温度の情報
だけでは、ヒータ通電を望ましい状態で通電することは
できなかった。

【０００７】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、検出素子やヒー
タの保護を図りつつ、検出素子を適正に活性化させるこ
とができるガス濃度センサのヒータ制御装置を提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ガス濃度センサは、内燃
機関の始動完了後において、検出素子が活性化するよう
ヒータ通電が制御され、検出素子の活性化により内燃機
関の排出ガス中の特定成分濃度にほぼ比例した限界電流
を出力する。特に請求項１に記載の発明では、内燃機関
の始動完了の前にヒータの予熱が行われる（予熱手
段）。この場合、ヒータが予熱されることにより、セン
サ低温時からの昇温に際しヒータへの投入電力が抑制さ
れる。従って、ヒータや検出素子の熱応力が緩和され、
これらヒータや検出素子の保護を図ることができる。ま
た、内燃機関の始動完了後には、ヒータが既に予熱され
た状態で通常の通電制御が開始されるので、ガス濃度セ
ンサの適正なる早期活性化が可能となる。

【０００９】特に、固体電解質を有する検出素子にヒー
タを積層して配置した、いわゆる積層型構造のガス濃度
センサ（請求項１１）では、ヒータ抵抗の検出に代えて
素子抵抗が検出されるので、ヒータ抵抗を直接モニタす
ることはできないが、本発明では、上記の通りヒータの
予熱が行われることにより過剰な電力投入が防止でき
る。故に、ヒータや検出素子の保護を図ることができる
といった効果がより一層有効的に得られることとなる。

【００１０】また、請求項２に記載の発明では、前記予
熱手段は、機関始動時におけるスタータ装置によるクラ
ンキングに際し、ヒータ通電量を制限しながらヒータ通
電を開始する。この場合、クランキング完了後にヒータ
通電を開始する従来既存の技術に比べて、クランキング
時にヒータ通電が開始されるので低温始動時であっても
ヒータ抵抗がいち早く上昇し始める。故に、ヒータが予
熱され、検出素子やヒータの保護が図られる。このと
き、ヒータ通電量が制限されるので、過剰な電力投入が
行われることはなく、また、バッテリの電圧変動が抑え
られ、スタータ装置によるクランキングに影響が及ぶこ
ともない。

【００１１】上記請求項２の制御装置では、下記の請求
項３〜５の発明を適宜用いることにより、その実用性が
向上する。すなわち、・請求項３に記載の発明では、内
燃機関の始動状態に応じてヒータ通電量を変更する。こ
の場合、請求項４に記載したように、機関始動状態が低
温状態であるほど、ヒータ通電量を大きくする。なお、
「機関の低温状態」を知るパラメータとしては、冷却水
温度、吸気温度、外気温度等がある。・請求項５に記載
の発明では、前記予熱手段によるヒータ通電量を、ヒー
タ電力が常に一定になるよう車載バッテリの電圧値に応
じて補正する。なおこの場合、バッテリ電圧が低いほ
ど、ヒータ通電量が大きくなるよう補正すれば良い。

【００１２】一方、請求項６に記載の発明では、前記予
熱手段は、検出素子の活性温度よりも低い温度を目標温
度とし、その目標温度相当の抵抗値になるようヒータ通
電をフィードバック制御する。この場合にもやはり、ヒ
ータが予熱され、検出素子やヒータの保護が図られる。

【００１３】また、請求項７に記載したように、車載バ
ッテリの電圧値が高ければ、前記予熱手段によるヒータ
通電量を減少側に補正すると良い。これにより、バッテ
リが高電圧の状態であっても、ヒータへの投入電力が制
限される。

【００１４】請求項８に記載の発明では、前記予熱手段
は、内燃機関の低温始動時である場合のみヒータ通電を
実施する。つまり、低温始動時でなければ、ヒータ抵抗
値は比較的高く、検出素子に電力が過剰投入される可能
性が低いため、始動完了前（クランキング時）のヒータ
通電を実施しない。かかる場合には、従前通りクランキ
ング完了までヒータ通電の開始を待つこととする。

【００１５】また、請求項９に記載の発明では、スター
タ装置によるクランキングが完了すると、全通電制御
（１００％通電制御）へ移行する。この場合、全通電制
御の開始時には、クランキング時のヒータ通電によりヒ
ータ抵抗が既に上昇しており、この状態で全通電制御を
実施しても投入電力量が限界を超えることはない。それ
故、上記の通り素子破損の問題が解消される。

【００１６】但し全通電制御へ移行する際には、請求項
１０に記載したように、ヒータ通電量を徐変させるよう
構成すると良い。この場合、ヒータ通電量が急変するこ
とがないため、検出素子やヒータの保護をより確実に図
ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を車載エンジンの空燃比制御システムに具体化した
一実施の形態を図面に従って説明する。本制御システム
は、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）による検出結果を基
にエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比にて制御する
ものであり、本実施の形態では特に、Ａ／Ｆセンサを良
好に活性化するためのヒータ通電制御の内容を中心に以
下に詳しく説明する。

【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、限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサとい
う）３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延び
る排気管１２に取り付けられており、電子制御ユニット
（以下、ＥＣＵという）２０から指令される電圧の印加
に伴い、排ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比
検出信号（センサ電流信号）を出力する。

【００１９】エンジン本体１１には、エンジンの初期回
転を付与するためのスタータ（スタータ装置）Ｓが設け
られており、エンジン始動時には図示しないスタータス
イッチがＯＮされる。これにより、スタータＳにバッテ
リ電圧ＶＢが供給され、同スタータＳによるクランキン
グが行われるようになっている。

【００２０】ＥＣＵ２０は、各種制御の中枢をなすマイ
クロコンピュータ（以下、マイコンという）２１を備え
ており、マイコン２１は、各種の演算プログラムを実行
するＣＰＵ２２と、各種プログラムや制御データを予め
記憶するＲＯＭ２３と、演算データを一時的に記憶する
ＮＲＡＭ（ノーマルＲＡＭ）２４と、電源遮断時にも記
憶内容を保持するデータバックアップ用のＳＲＡＭ（ス
タンバイＲＡＭ）２５等により構成されている。マイコ
ン２１は、エンジン１０の燃料噴射制御や点火制御を実
施する他に、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧制御や同セ
ンサ３０のヒータ通電制御を実施する。また、マイコン
２１には、スタータＳのＯＮ／ＯＦＦを表すスタータ信
号が入力されるようになっている。

【００２１】Ａ／Ｆセンサ３０に関する制御を略述すれ
ば、マイコン２１は、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加す
るためのバイアス指令信号Ｖｒを、Ｄ／Ａ変換器２６及
びＬＰＦ（ローパスフィルタ）２７を介してバイアス制
御回路４０に出力する。このとき、Ｄ／Ａ変換器２６に
てバイアス指令信号Ｖｒがアナログ信号Ｖｂに変換さ
れ、更にＬＰＦ２７にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分
が除去された後、出力電圧Ｖｃがバイアス制御回路４０
に入力される。

【００２２】バイアス制御回路４０内の電流検出回路５
０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電
流値を検出する。当該電流検出回路５０にて検出された
電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２８を介してマ
イコン２１に入力される。マイコン２１は、所定の時間
周期（例えば数ミリ秒毎）でセンサ電流を取り込み、そ
の電流値をＡ／Ｆに変換する。また、Ａ／Ｆセンサ３０
のインピーダンス検出に際しては、マイコン２１から出
力される矩形状のバイアス指令信号Ｖｒにより、単発的
で且つ所定の時定数を持った電圧がＡ／Ｆセンサ３０に
印加される。

【００２３】更に、マイコン２１は、ヒータ制御回路２
９に対してヒータ制御信号を出力する。これにより、Ａ
／Ｆセンサ３０に設けられたヒータ６４の通電がデュー
ティ制御される。

【００２４】Ａ／Ｆセンサ３０は、積層型のセンサ素子
部（セル）６０を有するものであって、その構成を図２
及び図３を用いて説明する。ここで、図２は、Ａ／Ｆセ
ンサ３０の全体構成を示す断面図、図３は、Ａ／Ｆセン
サ３０を構成するセンサ素子部６０の断面図である。

【００２５】図２に示されるように、Ａ／Ｆセンサ３０
は、排気管壁に螺着される筒状の金属製ハウジング３１
を有し、そのハウジング３１の下側開口部には素子カバ
ー３２が取り付けられている。素子カバー３２内には、
長板状のセンサ素子部６０の先端（下端）が配設されて
いる。素子カバー３２は有底二重構造をなし、排ガスを
カバー内部に取り込むための複数の排気口３２ａを有す
る。センサ素子部６０は、ハウジング３１内に配設され
た絶縁部材３３を貫通するように図の上方に延び、その
上端部には一対のリード部３４が接続されている。

【００２６】ハウジング３１の上端には本体カバー３５
がカシメ着されている。また、本体カバー３５の上方に
はダストカバー３６が取り付けられ、これら本体カバー
３５及びダストカバー３６の二重構造によりセンサ上部
が保護される。各カバー３５，３６には、カバー内部に
大気を取り込むための複数の大気口３５ａ，３６ａが設
けられている。

【００２７】次に、センサ素子部６０の構成を図３を用
いて説明する。センサ素子部６０は大別して、固体電解
質からなる検出素子６１、ガス拡散抵抗層６２、大気導
入ダクト６３及びヒータ６４からなり、これら各部材を
積層して構成されている。また、各部材の周囲には保護
層６５が設けられている。

【００２８】長方形板状の検出素子（固体電解質）６１
は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その上面
（ガス拡散抵抗層６２側）には白金等からなる多孔質の
計測電極６６が形成されると共に、下面（大気導入ダク
ト６３側）には同じく白金等からなる多孔質の大気側電
極６７が形成されている。計測電極６６及び大気側電極
６７には、リード部６６ａ，６７ａが接続されており、
その先はＥＣＵ２０に接続されている。

【００２９】ガス拡散抵抗層６２は、計測電極６６へ排
ガスを導入するための多孔質シートからなるガス透過層
６２ａと、排ガスの透過を抑制するための緻密層からな
るガス遮蔽層６２ｂとを有する。ガス透過層６２ａ及び
ガス遮蔽層６２ｂは何れも、アルミナ、スピネル、ジル
コニア等のセラミックスをシート成形法等により成形し
たものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違
いによりガス透過率が相違するものとなっている。この
場合、ガス透過層６２ａの表面はガス遮蔽層６２ｂに被
われているため、センサ素子部周囲の排ガスはガス透過
層６２ａの側方（図の左右方向）から侵入し、計測電極
６６に達する。

【００３０】大気導入ダクト６３はアルミナ等の高熱伝
導性セラミックスからなり、同ダクト６３により大気室
６８が形成されている。この大気導入ダクト６３は大気
室６８内の大気側電極６７に大気を導入する役割をな
す。因みに、大気室６８は、前記図２に示すカバー３
５，３６の大気口３５ａ，３６ａに連通している。

【００３１】大気導入ダクト６３の下面にはヒータ６４
が取り付けられている。ヒータ６４は、車載バッテリか
らの通電により発熱する発熱体６４ａと、それを覆う絶
縁シート６４ｂとからなり、発熱体６４ａの両端にはリ
ード部６４ｃが接続されている。但し、図３の構成以外
に、発熱体６４ａを検出素子６１に埋設したり、発熱体
６４ａをガス拡散抵抗層６２に埋設したりする構成も可
能である。

【００３２】上記構成のＡ／Ｆセンサ３０は、図４に示
す電圧−電流特性を持つ。すなわち、センサ素子部６０
（検出素子６１）は、酸素濃度を直線的特性にて検出し
得るものであり、酸素濃度に応じた限界電流を発生す
る。限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆ値の増減
（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応しており、
Ａ／Ｆ値がリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／
Ｆ値がリッチ側になるほど限界電流は減少する。ここ
で、検出素子６１のインピーダンス（素子抵抗）と同素
子６１の温度（素子温度）とは相関があり、素子温度が
上昇するほど、インピーダンスが低下する傾向にある。
この場合、検出素子６１のインピーダンスが目標値（例
えば３０Ω）になるようヒータ通電をＦ／Ｂ制御するこ
とにより、素子温度が目標温度（例えば７５０℃）に保
持される。

【００３３】次に、ヒータ通電制御の概要について説明
する。図６は、ヒータ通電手順を示すフローチャートで
あり、この処理は、例えば１３１ｍｓｅｃ毎にマイコン
２１内のＣＰＵ２２により実行される。

【００３４】さて図６がスタートすると、先ずステップ
１０１では、ヒータ通常制御が許可されるか否かを判別
する。この場合、ヒータ通常制御の許可条件として、・
エンジン始動後にエンジン回転数が所定値（例えば８０
０ｒｐｍ）以上に上昇したか、・バッテリ電圧が所定値
（例えば１０Ｖ）以上であるか、等々を判定し、これら
条件が満たされればヒータ通常制御を許可する。

【００３５】エンジンの始動当初は、上記許可条件が不
成立となるので、ステップ１０２に進み、スタータ信号
によりスタータＳのＯＮ／ＯＦＦを判別する。そして、
スタータＯＦＦであればステップ１０３に進み、ヒータ
制御量（Ｄｕｔｙ）を０％としヒータ通電を実施しな
い。また、スタータＯＮであればステップ１０４に進
み、エンジン始動状態に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔ
ｙ）を設定する。なお、このステップ１０４の処理が
「予熱手段」に相当する。

【００３６】具体的には、例えば図７及び図８の関係を
用いてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が設定されるようにな
っており、図７では、エンジン水温に応じて「クランキ
ング時Ｄｕｔｙ」が設定され、図８では、バッテリ電圧
に応じて「Ｄｕｔｙ補正値」が設定される。そして、ク
ランキング時ＤｕｔｙとＤｕｔｙ補正値との積により、
ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が算出される。図７によれ
ば、所定範囲（本実施の形態では０〜６０％）でクラン
キング時Ｄｕｔｙが設定され、エンジン水温が低いほど
大きなＤｕｔｙが設定される。このとき、上限Ｄｕｔｙ
は６０％で制限されるようになっている。また、図８に
よれば、バッテリ電圧の変動時にもその影響を受けず所
望の電力をヒータ６４を供給することができるよう、バ
ッテリ電圧が低いほど大きくなるＤｕｔｙ補正値が設定
される。

【００３７】こうして、エンジン１０のクランキング時
には、前記ステップ１０４で設定したヒータ制御量（Ｄ
ｕｔｙ）によりヒータ通電が実施される（ステップ１０
８）。

【００３８】因みに、低温始動時でなければ、ヒータ抵
抗値は比較的高く、検出素子６１に電力が過剰投入され
る可能性が低い。そのため、図７では、エンジン水温が
Ｔ１以上であればクランキング時Ｄｕｔｙが「０」とな
り、ヒータ通電が実施されないようになっている。かか
る場合には、従前通りクランキング完了までヒータ通電
の開始が待たされる。

【００３９】一方、ヒータ通常制御が許可されると、ス
テップ１０５に進み、実インピーダンスＺｒｅが所定値
（例えば、４０Ω）よりも大きいか否かを判別する。こ
の場合、検出素子６１が未だ活性化しておらずＺｒｅ＞
所定値であれば、ステップ１０６に進み、ヒータ全通電
（Ｄｕｔｙ＝１００％）の制御を実施する。また、素子
温度の上昇に伴いＺｒｅ≦所定値になると、ステップ１
０７に進んでインピーダンス偏差に応じてヒータ制御量
（Ｄｕｔｙ）を設定し、実Ｚｒｅインピーダンスが目標
値に一致するようヒータ通電を実施する。つまり、実イ
ンピーダンスと目標値との偏差に応じてヒータ通電をＦ
／Ｂ制御する。

【００４０】なお、クランキング時Ｄｕｔｙから全通電
ＤｕｔｙへとＤｕｔｙ設定が変更される時や、全通電Ｄ
ｕｔｙからＦ／Ｂ通電時のＤｕｔｙへとＤｕｔｙ設定が
変更される時、１／４なまし等の徐変処理が行われ、ヒ
ータ制御量（Ｄｕｔｙ）の急変が抑制されるようになっ
ている。

【００４１】次に、ヒータ通電制御についてより具体的
な動作を図９のタイムチャートを用いて説明する。な
お、図９は、エンジン１０の低温始動時におけるヒータ
通電の様子を示しており、時刻ｔ１でクランキングが開
始された後、時刻ｔ２〜ｔ３の期間ではヒータ６４の全
通電が実施され、時刻ｔ３以降は、ヒータＦ／Ｂ制御が
実施される。図中、実線は本実施の形態の事例を示し、
１点鎖線はクランキング完了後にヒータの全通電制御を
開始する従来技術の事例を示す。

【００４２】さて、時刻ｔ１ではスタータ信号のＯＮ操
作により、スタータＳによるクランキングが開始され、
クランキング期間においてバッテリ電圧が一時的に落ち
込む。このエンジン始動当初において、ヒータ制御量
（Ｄｕｔｙ）が所定値（図では５０％）に設定され、ヒ
ータ通電が開始される。これにより、始動当初は極小さ
なヒータ抵抗が上昇し始める。

【００４３】そして、時刻ｔ２では、エンジン１０の回
転数が上昇し始動が完了することからヒータ６４の通常
制御条件が成立し、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が徐変さ
れつつ全通電制御へと移行される。この時刻ｔ２では既
に、始動当初に比べてヒータ抵抗が上昇しているので、
全通電制御への移行に際し電力投入量が過剰になること
はない。これにより、急激なる熱応力が抑制され、ヒー
タ６４や検出素子６１の保護が図られるようになる。

【００４４】因みに、１点鎖線で示す従来技術では、ク
ランキング中は排気からの受熱により極僅かヒータ抵抗
が上昇するだけで殆ど抵抗値が変わらない（低いままと
なる）。従って、クランキング直後に全通電制御を開始
することにより、検出素子内部に大きな熱応力が溜ま
り、検出素子が破損に至る原因となっていた。これに対
し、上記の通りクランキング時にヒータ通電を開始する
ことによりヒータ６４が予熱され、こうした不都合が解
消される。

【００４５】図１０は、エンジンの低温始動時における
ヒータ温度とヒータ投入電力（積算電力）との関係を示
す図であり、従来技術の場合、ヒータ温度が極低温域に
あるとヒータ投入電力が限界値を超えるが、本実施の形
態の場合、極低温域においてもヒータ投入電力が限界値
未満で抑制される。

【００４６】その後、インピーダンスが所定値に達する
図９の時刻ｔ３では、全通電制御からインピーダンスＦ
／Ｂ制御へと移行し、以降、検出素子６１が目標温度で
維持されるようにヒータ制御量が制御される。

【００４７】図１１は、エンジン水温とクランキングの
所要時間との関係を示す図であり、同図によれば、エン
ジン水温が低いと、エンジンフリクションが増大するこ
とからクランキングの所要時間（始動完了までの時間）
が長くなることが分かる。本実施の形態では、クランキ
ングの所要時間が長いほどヒータ抵抗の上昇分が大きく
なるので、極低温状態でのエンジン始動に際し特に投入
電力抑制の効果が顕著となる。

【００４８】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。エンジン始動時のクランキング
に際し、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を制限しながらヒー
タ通電を開始し、ヒータ６４を予熱させるようにした。
そして、クランキング終了後に通常制御（全通電＋Ｆ／
Ｂ通電）を開始するようにした。この場合、全通電開始
時には、クランキング時のヒータ通電によりヒータ抵抗
が既に上昇しており、この状態で全通電制御を実施して
も投入電力量（積算電力）が限界を超えることはない。
従って、検出素子６１やヒータ６４の熱応力が緩和さ
れ、これら検出素子６１やヒータ６４の保護を図ること
ができる。またこのとき、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が
制限されているので、過剰な電力投入が行われることは
なく、また、バッテリの電圧変動が抑えられ、スタータ
Ｓによるクランキングに影響が及ぶこともない。また、
クランキング完了後には、ヒータ６４が既に予熱されて
いるので、Ａ／Ｆセンサ３０の早期活性化が可能とな
る。

【００４９】全通電制御へ移行する際に、ヒータ制御量
（Ｄｕｔｙ）を徐変させるようにしたので、ヒータ制御
量（Ｄｕｔｙ）の急変が防止でき、検出素子６１やヒー
タ６４の保護をより確実に図ることができる。

【００５０】特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０で
は、ヒータ抵抗の検出に代えて素子抵抗が検出されるの
で、ヒータ抵抗を直接モニタすることはできないが、上
記の通りヒータ６４の予熱が行われることにより過剰な
電力投入が防止できる。故に、検出素子６１やヒータ６
４の保護を図ることができるといった効果がより一層有
効的に得られることとなる。

【００５１】エンジン始動時のエンジン水温に応じてヒ
ータ制御量（Ｄｕｔｙ）を変更すると共に、ヒータ電力
が常に一定になるようバッテリ電圧に応じてヒータ制御
量（Ｄｕｔｙ）を補正するようにしたので、エンジン１
０の冷間状態に則したヒータ通電が可能となり、その実
用性が向上する。

【００５２】（第２の実施の形態）本実施の形態では、
通常のＦ／Ｂ制御時における目標インピーダンス（以
下、第１目標インピーダンスＺｔｇ１と言う）とは異な
る別の目標インピーダンス（以下、第２目標インピーダ
ンスＺｔｇ２と言う）を設定し、エンジン始動時におけ
るヒータ６４の予熱を目的として、第２目標インピーダ
ンスＺｔｇ２によるＦ／Ｂ制御を実施するよう構成す
る。

【００５３】一例として、図１３に示すように、Ｚｔｇ
１＝３０Ω、Ｚｔｇ２＝１０００Ωとし、第１目標イン
ピーダンスＺｔｇ１によるヒータ制御では、素子温度が
７５０℃（素子の活性温度）になるようＦ／Ｂ制御を行
い、第２目標インピーダンスＺｔｇ２によるヒータ制御
では、素子温度が５００℃になるようＦ／Ｂ制御を行う
こととする。

【００５４】図１２は、本実施の形態におけるヒータ制
御量算出ルーチンを示すフローチャートであり、この処
理は、ＩＧスイッチ＝ＯＮの状態で、例えば１３１ミリ
秒毎にマイコン２１内のＣＰＵ２２により実施される。

【００５５】図１２において、先ずステップ２０１で
は、ヒータ通常制御条件が成立しているか否かを判別す
る。この通常制御条件としては、エンジン回転数やバッ
テリ電圧の項目を含み、例えば、ＩＧスイッチがＯＮさ
れただけで未だスタータＳがＯＮされていない場合（ク
ランキング前の場合）や、クランキング途中の場合に
は、ステップ２０１がＮＯとなる。

【００５６】つまり、ステップ２０１がＮＯの場合ステ
ップ２０２に進み、Ｆ／Ｂ通電の目標値として第２目標
インピーダンスＺｔｇ２（＝１０００Ω）を設定する。
また、ステップ２０３では、インピーダンス偏差（＝Ｚ
ｒｅ−Ｚｔｇ２）に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を
設定し、続くステップ２０４では、バッテリ電圧補正を
行う。このバッテリ電圧補正では、例えば図１４の関係
を用いてバッテリ補正係数が求められ、Ｄｕｔｙが補正
される。

【００５７】上記ステップ２０２〜２０４によれば、通
常の目標素子温度（７５０℃）よりも低い温度（５００
℃）を目標温度として、ヒータ通電が制御される。また
この場合、バッテリ電圧が高ければ、急激な電力投入を
抑制すべくＤｕｔｙが減少側に補正される（図１４）。
なお本実施の形態では、上記ステップ２０２，２０３が
「予熱手段」に相当する。

【００５８】また、クランキング完了後にはステップ２
０１がＹＥＳとなり、ステップ２０５では、Ｆ／Ｂ通電
の目標値として第１目標インピーダンスＺｔｇ１（＝３
０Ω）を設定する。その後、ステップ２０６では、検出
素子６１の活性状態等による全通電条件が成立するか否
かを判別し、ＹＥＳであればステップ２０７に進み、Ｄ
ｕｔｙ＝１００％とする全通電制御を実施する。また、
ステップ２０６がＮＯであればステップ２０８に進み、
インピーダンス偏差（＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ１）に応じてヒ
ータ制御量（Ｄｕｔｙ）を設定する。

【００５９】以上第２の実施の形態によれば、ＩＧスイ
ッチのＯＮ当初からヒータＦ／Ｂ通電が開始され、それ
は少なくともクランキング完了時まで継続される。この
場合にもやはり、ヒータ６４が予熱され、検出素子６１
やヒータ６４の保護を図ることができる。

【００６０】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記実施の形態では、エンジン水温により
低温始動の状態を把握し、そのエンジン水温に応じてヒ
ータ制御量（Ｄｕｔｙ）を変更したが、これに代えて、
吸気温度又は外気温度により低温始動の状態を把握し、
その吸気温度又は外気温度に応じてヒータ制御量（Ｄｕ
ｔｙ）を変更するようにしても良い。この場合にも、エ
ンジン１０の冷間状態に則したヒータ通電が可能とな
り、その実用性が向上する。

【００６１】上記実施の形態では、積層型Ａ／Ｆセンサ
を用いて空燃比制御システムを具体化したが、断面コッ
プ状の検出素子を持つ、いわゆるコップ型Ａ／Ｆセンサ
を用いても良い。また、本発明は、Ａ／Ｆセンサを用い
た空燃比検出装置以外にも適用できる。つまり、ＮＯ
ｘ，ＨＣ，ＣＯ等のガス濃度成分が検出可能なガス濃度
センサを用いたガス濃度検出装置にも適用できる。当該
他のガス濃度検出装置においても上記実施の形態と同様
の手法を用いることで、検出素子やヒータの保護を図り
つつ、検出素子を適正に活性化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における空燃比制御システム
の概要を示す構成図。

【図２】Ａ／Ｆセンサの構造を示す断面図。

【図３】センサ素子部の断面図。

【図４】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図。

【図５】インピーダンス検出時における電圧及び電流の
波形図。

【図６】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。

【図７】エンジン水温とクランキング時Ｄｕｔｙとの関
係を示す図。

【図８】バッテリ電圧とＤｕｔｙ補正値との関係を示す
図。

【図９】エンジン始動時におけるヒータ通電の様子を示
すタイムチャート。

【図１０】ヒータ温度とヒータ投入電力との関係を示す
図。

【図１１】エンジン水温とクランキング時間との関係を
示す図。

【図１２】第２の実施の形態においてヒータ制御量算出
ルーチンを示すフローチャート。

【図１３】検出素子のインピーダンス特性を示す図。

【図１４】バッテリ補正係数を設定するための図。

【図１５】ヒータの温度特性を示す図。

【符号の説明】

１０…エンジン（内燃機関）、１２…排気管、２０…Ｅ
ＣＵ、２１…マイコン、２２…ＣＰＵ、３０…Ａ／Ｆセ
ンサ（ガス濃度センサ）、６１…検出素子、６４…ヒー
タ、Ｓ…スタータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３３１

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排出ガス中の特定成分濃度にほ
ぼ比例した限界電流を出力する検出素子と該検出素子を
加熱するヒータとを有するガス濃度センサを備え、内燃
機関の始動完了後に検出素子が活性化するようヒータへ
の通電を制御するヒータ制御装置において、内燃機関の始動完了の前にヒータの予熱を行う予熱手段
を備えたことを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御
装置。
【請求項２】前記予熱手段は、機関始動時におけるスタ
ータ装置によるクランキングに際し、ヒータ通電量を制
限しながらヒータ通電を開始する請求項１に記載のガス
濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項３】請求項２に記載のヒータ制御装置におい
て、前記予熱手段は、内燃機関の始動状態に応じてヒータ通
電量を変更するガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項４】請求項３に記載のヒータ制御装置におい
て、前記予熱手段は、機関始動状態が低温状態であるほど、
ヒータ通電量を大きくするガス濃度センサのヒータ制御
装置。
【請求項５】請求項２〜４の何れかに記載のヒータ制御
装置において、前記予熱手段によるヒータ通電量を、ヒータ電力が常に
一定になるよう車載バッテリの電圧値に応じて補正する
ガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項６】前記予熱手段は、検出素子の活性温度より
も低い温度を目標温度とし、その目標温度相当の抵抗値
になるようヒータ通電をフィードバック制御する請求項
１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項７】請求項６に記載のヒータ制御装置におい
て、車載バッテリの電圧値が高ければ、前記予熱手段による
ヒータ通電量を減少側に補正するガス濃度センサのヒー
タ制御装置。
【請求項８】前記予熱手段は、内燃機関の低温始動時で
ある場合のみヒータ通電を実施する請求項１〜７の何れ
かに記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項９】スタータ装置によるクランキングが完了す
ると、全通電制御へ移行する請求項１〜８の何れかに記
載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項１０】請求項９に記載のヒータ制御装置におい
て、クランキング時の通電制御から全通電制御へ移行する
際、ヒータ通電量を徐変させるガス濃度センサのヒータ
制御装置。
【請求項１１】前記ガス濃度センサは、固体電解質を有
する検出素子にヒータを積層して配置した積層型構造を
持つ請求項１〜１０の何れかに記載のガス濃度センサの
ヒータ制御装置。