JP2002048761A

JP2002048761A - ガス濃度センサのヒータ制御装置

Info

Publication number: JP2002048761A
Application number: JP2000238831A
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

Abstract

(57)【要約】【課題】検出素子の劣化を好適に検出し、ひいては当該
検出素子の保護を図ること。【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のイ
ンピーダンスが目標値に一致するよう予め規定した通電
量の範囲内でヒータ６４への通電をフィードバック制御
する。また、ＣＰＵ２２は、ヒータ通電のフィードバッ
ク制御が実施される場合に、ヒータ通電量が規定範囲の
上限値又はその近傍に達しているかどうかを判定し、ヒ
ータ通電量が規定範囲の上限値又はその近傍に達しその
状態が所定時間以上継続されると、検出素子６１が劣化
している旨を判定する。ＣＰＵ２２は、検出素子６１が
劣化している旨判定された場合、インピーダンスの目標
値を補正する。

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、検出素
子は、ヒータによる長時間の加熱やガソリン成分の被毒
などが原因で劣化し、インピーダンス特性が変化するお
それがある。この場合、インピーダンス特性の変化が原
因で素子温度が上昇し、この状態でヒータ通電を継続す
ることにより更なる熱劣化を助長するおそれがあった。
また、この状態で内燃機関から高温の排出ガスが排出さ
れると、素子温度がより一層上昇するおそれもある。

【０００５】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、検出素子の劣化
を好適に検出し、ひいては当該検出素子の保護を図るこ
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。

【０００６】

【課題を解決するための手段】ガス濃度センサは、素子
抵抗（検出素子のインピーダンス）が目標値に一致する
よう予め規定した通電量の範囲内でヒータ通電量がフィ
ードバック制御される（ヒータ制御手段）。そして、こ
のヒータ通電制御にて検出素子が活性化されることによ
り、検出素子は、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、ヒータ通電のフィードバック制御が実施
される場合に、ヒータ通電量が規定範囲の上限値又はそ
の近傍にあれば、その状態から検出素子の劣化を判定す
る（劣化判定手段）。

【０００７】要するに、検出素子が劣化すると素子抵抗
が大きくなるために目標値との偏差が大きくなり、その
偏差をなくすようなフィードバック制御を継続すると、
ヒータ通電量が大きくなってフィードバック制御の規定
範囲の上限値に達する。それ故に、ヒータ通電量が規定
範囲の上限値又はその付近にあれば、検出素子の劣化が
好適に検出できる。この場合、検出素子の劣化が正しく
検出できれば、それ以降のヒータ通電を制限したりする
ことにより検出素子の更なる劣化進行が抑制される。従
って、検出素子の保護を図ることが可能となる。

【０００８】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、温度特性に優れる反面、素
子割れ等の不具合が生じ易いが、本発明では、上記の通
り劣化判定を好適に行うことにより上記不具合が解消さ
れる。故に、素子保護等の効果がより一層有効的に得ら
れることとなる。

【０００９】また、前記劣化判定手段としては、以下の
請求項２又は３の如く具体化されるのが望ましい。つま
り、・請求項２に記載の発明では、ヒータ通電量が規定範囲
の上限値又はその近傍に達しているかどうかを判定し、
ヒータ通電量が規定範囲の上限値又はその近傍に達しそ
の状態が所定時間以上継続されると、検出素子が劣化し
ている旨を判定する。・請求項３に記載の発明では、アイドル運転時における
ヒータ通電量の平均値が前記規定範囲の上限値又はその
近傍にあれば、検出素子が劣化している旨を判定する。これら何れの場合にも、検出素子が劣化していることが
正しく検出できる。

【００１０】また、請求項４に記載の発明では、検出素
子が劣化している旨判定された場合、素子抵抗の目標値
を補正するので、検出素子の劣化状態（劣化の程度）に
応じたヒータ通電制御を実施することができる。この場
合、素子劣化時にも、検出素子の温度を望み通りに制御
することが可能となる。これにより、検出素子の過剰な
温度上昇が抑制され、検出素子が保護できる。

【００１１】かかる場合、請求項５に記載したように、
前記補正手段は、素子抵抗の偏差をなくすようにその目
標値を徐変させると良い。このとき、素子抵抗の偏差を
なましつつ補正したり、比較的小さな所定値にて補正し
たりすると良い。

【００１２】更に、請求項６に記載したように、前記補
正手段は、素子抵抗の目標値を増加側にのみ補正すると
良い。つまり、ガス濃度センサ（検出素子）が内燃機関
の排出ガスに晒される場合、排出ガスの温度が高いと、
排出ガスからの受熱により素子抵抗の偏差が一時的に小
さくなり、素子劣化に伴い一旦増加側に補正された素子
抵抗の目標値が誤って減少側に再補正されてしまうこと
が懸念される。しかしながら、目標値の補正を増加側に
限定することにより、素子抵抗の目標値が誤って補正さ
れるといった不都合が防止される。

【００１３】また、上記請求項６に代えて、請求項７に
記載したように、内燃機関からの排出ガスが比較的低い
状態である場合にのみ、素子抵抗の目標値を補正するよ
うにしても良い。例えば、内燃機関のアイドル時には排
出ガスの温度が低く、排出ガスの温度による影響が少な
いと考えられる。故に、こうしたアイドル運転時などに
限定して補正を行うことにより、誤った補正が防止でき
る。

【００１４】請求項８に記載の発明では、前記補正手段
により補正する毎に該補正した素子抵抗の目標値を一時
記憶メモリに記憶し、それよりも長い時間間隔で、前記
一時記憶メモリに記憶した素子抵抗の目標値をバックア
ップ用メモリに記憶する。本発明では、素子抵抗の目標
値が誤って補正されたとしても、それは一時記憶メモリ
（ノーマルＲＡＭ）に一旦記憶され、直ぐにバックアッ
プ用メモリ（スタンバイＲＡＭ）に記憶されることはな
い。それ故、素子抵抗の目標値が誤学習されるといった
不都合は生じない。

【００１５】請求項９に記載の発明では、内燃機関の始
動に伴うヒータ通電の開始当初には、バックアップ用メ
モリに記憶された目標値を読み出し、それをヒータ通電
のフィードバック制御に用いる。これにより、内燃機関
の始動当初から前回学習した目標値を用いて好適なヒー
タ通電制御を実施することができる。

【００１６】また、請求項１０に記載したように、内燃
機関の空燃比制御システムに適用する場合には、上記し
た通りガス濃度センサのヒータ通電が好適に実施される
ことにより、ガス濃度センサ（空燃比センサ）の適正な
活性状態が維持され、空燃比を正しく検出することが可
能となる。故に、空燃比制御を精度良く実施することが
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】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】次に、ヒータ通電制御の概要について説明
する。ここで、図６〜図８は、何れもマイコン２１内の
ＣＰＵ２２により実施される制御プログラムを示すフロ
ーチャートであり、このうち図６は、エンジン始動時に
イニシャルルーチンとして実行される。また、図７はヒ
ータ制御量算出ルーチンであり、例えば１３１ミリ秒毎
に実行される。図８は目標インピーダンス更新処理であ
り、例えば１秒毎に実行される。

【００３３】さて、エンジン始動に伴い図６の処理が起
動すると、ステップ１０１では、ＳＲＡＭ２５に既に記
憶されている目標インピーダンスＺｔｇ（前回までの学
習値）を読み出し、そのＺｔｇをＮＲＡＭ２４に記憶す
る。以降、ＮＲＡＭ２４のＺｔｇ値を用いたヒータ６４
の通電制御が可能となり、前回運転時までの学習結果を
反映したヒータ制御が実施されるようになる。

【００３４】一方、図７では、大きくは全通電制御、第
１のヒータＦ／Ｂ制御、第２のヒータＦ／Ｂ制御が順次
実施されるようになっており、概略として、エンジンの
始動当初には全通電制御が実施され、その全通電制御で
はヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が１００％で制御される。
また、全通電制御に引き続き第１のヒータＦ／Ｂ制御が
実施され、この第１のヒータＦ／Ｂ制御では、インピー
ダンスの偏差に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜
８０％の規定範囲内で制御される。更に、第１のヒータ
Ｆ／Ｂ制御に引き続き第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施さ
れ、この第２のヒータＦ／Ｂ制御では、インピーダンス
の偏差に応じてヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０〜６０％
の規定範囲内で制御される。

【００３５】具体的には、センサ新品時のインピーダン
ス特性を示す図１０において、実インピーダンスＺｒｅ
と素子温度とが図の実線の関係にあり、目標インピーダ
ンスＺｔｇが素子温度７５０℃相当の「３０Ω」である
場合、インピーダンスの偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）
が所定値Ｋ１（例えば、２０Ω）よりも大きければ、全
通電制御が実施される。また、インピーダンスの偏差Δ
Ｚが所定値Ｋ２〜Ｋ１の範囲内（例えば、１０〜２０
Ω）にあれば、第１のヒータＦ／Ｂ制御が実施され、Δ
Ｚが所定値Ｋ２（例えば、１０Ω）よりも小さければ、
第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施される。

【００３６】更に、第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施され
るとき、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）がＦ／Ｂ制御範囲の
上限値（６０％）のまま継続されると、検出素子６１が
劣化している旨が判定される。つまり、検出素子６１が
劣化すると目標値に対するインピーダンスの偏差が大き
くなり、その偏差をなくすようなＦ／Ｂ制御を継続する
と、Ｄｕｔｙが大きくなってＦ／Ｂ制御範囲の上限値に
達する。このことから、検出素子６１の劣化が検出され
るようになっている。

【００３７】なおここで、実インピーダンスＺｒｅは、
周知の掃引法により検出されるようになっており、詳し
くは図５に示すように、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何れか一方の電圧変化量ΔＶと
電流変化量ΔＩとから実インピーダンスＺｒｅを算出す
る（Ｚｒｅ＝ΔＶ／ΔＩ）。以下、ヒータ通電の詳しい
内容を図７に従い説明する。

【００３８】先ず図７のステップ２０１では、検出素子
６１の劣化判定を行う。ここで、劣化判定は、第２のヒ
ータＦ／Ｂ制御が実施される場合に、ヒータ制御量（Ｄ
ｕｔｙ）が上限値（６０％）のまま所定時間以上継続さ
れているかどうかにより行い、実際には、エンジン始動
後３００秒が経過していることを前提に、後述するカウ
ンタＣｍａｘの値が所定時間（例えば２０秒）以上であ
れば、検出素子６１が劣化している旨を判定する。

【００３９】素子劣化でなければ、そのままステップ２
０４に進む。また、素子劣化であればステップ２０２に
進み、目標インピーダンスＺｔｇの補正を行う。つま
り、ステップ２０２では、インピーダンスの偏差ΔＺに
応じて、ＮＲＡＭ値である目標インピーダンスＺｔｇを
補正する。但し、目標インピーダンスＺｔｇ（ＮＲＡＭ
値）の補正は増加側にのみ限って行うこととしており、
その理由については後述する。

【００４０】この目標インピーダンスＺｔｇの補正に際
し、なまし演算等の手法を用いて補正を行うのが望まし
く、一例として、Ｚｔｇ＝Ｚｔｇ（ｉ−１）＋ΔＺ／４といった演算により目標インピーダンスの前回値Ｚｔｇ
（ｉ−１）を補正し、今回値を算出する。なお、上記補
正には、前回処理時のΔＺ値を用いればよい。勿論、比
較的小さな一定の更新量αで目標インピーダンスＺｔｇ
を補正する構成でも良い（Ｚｔｇ＝Ｚｔｇ（ｉ−１）＋
αとする）。目標インピーダンスＺｔｇの補正後、ステ
ップ２０３では、カウンタＣｍａｘをクリアする。

【００４１】その後、ステップ２０４では、実インピー
ダンスＺｒｅと目標インピーダンスＺｔｇとから偏差Δ
Ｚを算出する（ΔＺ＝Ｚｒｅ−Ｚｔｇ）。次に、ステッ
プ２０５では、ヒータ制御の許可条件が成立するか否か
を判別する。この許可条件としては、・エンジン始動後
にエンジン回転数が所定値（例えば２００ｒｐｍ）以上
に上昇したこと、・バッテリ電圧が低下していないこと、・ヒータ制御に関与するその他のセンサの異常がないこ
と、等を含み、これらが成立する場合にヒータ制御が許可さ
れる。ヒータ制御の許可条件が不成立の場合、ステップ
２０６に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を０％とす
る。

【００４２】また、ヒータ制御の許可条件が成立した場
合はステップ２０７に進み、ヒータ全通電を実施するか
否かを判別する。ヒータ全通電の実施条件としては、全
通電の開始後の経過時間が所定時間（例えば１０秒）以
内であり、且つインピーダンス偏差ΔＺ（＝Ｚｒｅ−Ｚ
ｔｇ）が所定値Ｋ１以上であることを含み、エンジンの
低温始動時等においては実インピーダンスＺｒｅが非常
に大きな値であることから、ステップ２０７がＹＥＳと
なり、ヒータ全通電を実施する。つまり、ステップ２０
８に進み、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）を１００％とす
る。

【００４３】また、ステップ２０７がＮＯであればステ
ップ２０９に進み、インピーダンスの偏差ΔＺが所定値
Ｋ２よりも大きいか否かを判別する。そして、ステップ
２０９がＹＥＳであればステップ２１０に進み、第１の
ヒータＦ／Ｂ制御を実施する。このとき、前述した通り
０〜８０％の範囲でＤｕｔｙが設定される。但し実際に
は、エンジンの始動直後はインピーダンスの偏差ΔＺが
未だ大きいため、８０％付近のＤｕｔｙが設定されるこ
ととなる。

【００４４】また、ステップ２０９がＮＯの場合、ステ
ップ２１１に進み、第２のヒータＦ／Ｂ制御を実施す
る。このとき、前述した通り０〜６０％の範囲でＤｕｔ
ｙが設定される。本実施の形態の場合、インピーダンス
の偏差ΔＺに応じて、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が０
％，２０％，４０％，６０％の何れかに設定されるよう
になっている（但し、第１のヒータＦ／Ｂ制御では、こ
れに８０％が加わる）。図１０を用いて具体的に説明す
れば、・素子温度が目標値よりも高温の場合において、
ΔＺ＜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝０％とし、ΔＺ＝−
Ｋ３〜−Ｋ４であれば、Ｄｕｔｙ＝２０％とする。・素
子温度が目標値付近にあれば、すなわち、｜ΔＺ｜≦Ｋ
３であれば、この温度が保持できるようＤｕｔｙ＝４０
％とする。・素子温度が目標値よりも低温の場合におい
て、ΔＺ＝Ｋ３〜Ｋ２であれば、Ｄｕｔｙ＝６０％とす
る。

【００４５】その後、ステップ２１２では、その時のＤ
ｕｔｙが上限（６０％又はその近傍）にあるか否かを判
別する。そして、ＹＥＳであればステップ２１３に進
み、カウンタＣｍａｘをインクリメントする。また、ス
テップ２１２がＮＯであればステップ２１４に進み、カ
ウンタＣｍａｘをクリアする（ステップ２０８，２１０
の処理後も同様）。上記ステップ２１２，２１３によれ
ば、第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施される場合において
ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が上限値のまま継続される
と、その継続時間が計測される。Ａ／Ｆセンサ３０の劣
化時には、ステップ２１２がＹＥＳとなる状態が続くた
め、カウンタＣｍａｘがカウントアップされていく。

【００４６】最後に、ステップ２１５では、ヒータ制御
量の急変を防止すべく、今回設定したヒータ制御量（Ｄ
ｕｔｙ）になまし処理を実施する。例えば、Ｄｕｔｙ＝（３×Ｄｕｔｙ（ｉ−１）＋今回Ｄｕｔｙ）
／４といった演算によりＤｕｔｙを設定する。

【００４７】なお本実施の形態では、ステップ２０９〜
２１１が本発明の「ヒータ制御手段」に相当し、ステッ
プ２０１が「劣化判定手段」に相当し、ステップ２０２
が「補正手段」に相当する。

【００４８】一方、図８に示す目標インピーダンス更新
処理では、例えば３０分間隔でＳＲＡＭ２５の更新を実
施する。すなわち、１秒周期で図８の処理がスタートす
ると、先ずステップ３０１では、ＳＲＡＭ値の更新間隔
を計測するためのカウンタＣｉｍｐが３０分相当の値に
達したか否かを判別し、ＮＯであればステップ３０２に
進み、カウンタＣｉｍｐのインクリメントを継続する。

【００４９】また、ステップ３０１がＹＥＳであればス
テップ３０３に進み、目標インピーダンスＺｔｇのＳＲ
ＡＭ値を更新する。つまり、前記図７の処理において、
目標インピーダンスＺｔｇが補正されてその値がＮＲＡ
Ｍ２４に一時記憶されている場合、ＮＲＡＭ値（補正後
Ｚｔｇ）をＳＲＡＭ２５に書き込む。但しこのとき、そ
れまでのＳＲＡＭ値に対してなまし処理を実施するのが
望ましく、例えば、ＳＲＡＭ値＝（７×ＳＲＡＭ値（ｉ
−１）＋ＮＲＡＭ値）／８といった演算により新たなＳ
ＲＡＭ値（Ｚｔｇ）を求め、それをＳＲＡＭ２５に書き
込む。そしてその後、ステップ３０４では、カウンタＣ
ｉｍｐをクリアする。

【００５０】要するに、目標インピーダンスＺｔｇのＮ
ＲＡＭ値は、補正により変更されるとその都度更新され
るため、最新値が素早くヒータ制御に反映される。これ
に対し、目標インピーダンスＺｔｇのＳＲＡＭ値は、比
較的長い時間間隔でゆっくり更新されるため、誤学習な
どが抑制できる。

【００５１】ここで、素子劣化時における目標インピー
ダンスＺｔｇの補正を増加側にのみ実施する理由を説明
する。Ａ／Ｆセンサ３０の新品時と劣化時とでインピー
ダンス特性を比較すると、図１１に示すように、総じて
劣化時のインピーダンスが大きくなり、同じ目標インピ
ーダンスＺｔｇ（例えば３０Ω）でヒータ通電を制御し
たとしても、センサ劣化時には素子温度が高くなる。こ
の場合、目標インピーダンスＺｔｇを引き上げることに
より、素子温度の上昇が抑制される。また、エンジンの
排気温度はエンジン運転状態に応じて変化し、アイドル
運転時のように排気温度が低い場合と高速走行時のよう
に排気温度が高い場合とを比べると、それが原因で素子
温度が変わる。つまり、図１２に示すように、同じＤｕ
ｔｙでヒータ通電を制御したとしても、排気温度が高い
方が素子温度が高くなる。それ故、排気温度が高ければ
実インピーダンスが小さくなり、センサ劣化時における
インピーダンス偏差ΔＺが小さくなる。逆に、排気温度
が低ければ実インピーダンスが大きくなり、センサ劣化
時におけるインピーダンス偏差ΔＺが大きくなる。

【００５２】この場合、排気温度に関係なく一様に、イ
ンピーダンス偏差ΔＺにより目標インピーダンスＺｔｇ
の補正を行うと、劣化状態が同じであっても排気温度の
違いに応じて目標インピーダンスＺｔｇの補正量が相違
してしまい、アイドル時に増加側に補正された目標イン
ピーダンスＺｔｇが、走行時（排気温度上昇時）に減少
側に誤って再補正されるといった不都合が生じる。図１
３によれば、排気温度が低いアイドル時と排気温度が高
い状態とを比較した場合に、前者の方が素子劣化の状態
が顕著となることが分かる（劣化に伴うインピーダンス
増加の程度が大きい）。

【００５３】本実施の形態では、目標インピーダンスＺ
ｔｇの補正を増加側にのみ限定することにより、実質
上、エンジンの全運転期間内において最も排気温度の低
いアイドル運転時、すなわちインピーダンス偏差が最も
大きくなる条件でのみ、目標インピーダンスＺｔｇの補
正が行われることとなる。このとき、Ａ／Ｆセンサ３０
が劣化している場合において、その劣化状態に則したイ
ンピーダンス補正を行わなければならないのにその適正
な補正が行われない、といった不都合が解消される。

【００５４】また、排気温度が高い場合には、Ａ／Ｆセ
ンサ３０が劣化していても、排気からの受熱により実イ
ンピーダンスＺｒｅが目標インピーダンスＺｔｇにほぼ
一致し、素子温度が高い状態であるにも関わらずヒータ
制御量（Ｄｕｔｙ）が低下することが考えられる。それ
故に、素子劣化に伴うインピーダンス補正ができなくな
るが、上記の通りアイドル運転時にインピーダンス補正
を行っていれば、排気温度が高くても素子温上昇が抑制
できるようになる。

【００５５】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
通電の様子を示す。

【００５６】さて、エンジン始動直後にヒータ制御が許
可されると、ヒータ６４の全通電制御が開始される。こ
のとき、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）は１００％で制御さ
れる。その後、素子温度の上昇に伴い次第に実インピー
ダンスＺｒｅが低下し、時刻ｔ１で、インピーダンス偏
差ΔＺが所定値Ｋ１を下回ると（或いは、全通電開始後
１０秒が経過すると）、Ｄｕｔｙ＝０〜８０％を制御範
囲とする第１のヒータＦ／Ｂ制御が開始される。このと
き、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）はほぼ８０％で制御さ
れ、素子昇温を優先したヒータ制御が実施される。

【００５７】その後、時刻ｔ２では、インピーダンス偏
差ΔＺが所定値Ｋ２まで減少し、Ｄｕｔｙ＝０〜６０％
を制御範囲とする第２のヒータＦ／Ｂ制御が開始され
る。或いは、始動後３００秒が経過すると、第２のヒー
タＦ／Ｂ制御が開始される。このとき、検出素子６１が
劣化していれば、インピーダンス偏差ΔＺが大きいまま
となるので、ＤｕｔｙがＦ／Ｂ制御範囲の上限値（６０
％）に張り付き、その状態が継続される。故に、カウン
タＣｍａｘがカウントアップされていく。

【００５８】その後、その状態のままＣｍａｘ値が２０
秒相当の値になると、検出素子６１が劣化しているとの
判定が下される。そして、インピーダンス偏差ΔＺに応
じて目標インピーダンスＺｔｇが増加側に補正される。
また、Ｚｔｇ値の補正後もインピーダンス偏差ΔＺが大
きく、Ｄｕｔｙが上限値（６０％）に張り付いたままな
らば、カウンタＣｍａｘがカウントし直され、その値が
再び２０秒相当の値になると、再びインピーダンス偏差
ΔＺに応じて目標インピーダンスＺｔｇが増加側に補正
される。なお、補正された目標インピーダンスＺｔｇ
は、その都度ＮＲＡＭ値として更新される。

【００５９】こうしてＺｔｇ値の補正が繰り返されるこ
とによりインピーダンス偏差ΔＺが次第に小さくなり、
ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）の上限値張り付きの状態が解
消されると（時刻ｔ３）、それ以降、実インピーダンス
Ｚｒｅが目標インピーダンスＺｔｇに一致するよう、偏
差ΔＺに応じてヒータ通電がフィードバック制御され
る。

【００６０】また、エンジン始動後、カウンタＣｉｍｐ
がカウントアップされ、Ｃｉｍｐ値が３０分相当の値に
なると、ＮＲＡＭ２４内の目標インピーダンスＺｔｇが
ＳＲＡＭ２５に書き込まれる（時刻ｔ４）。つまり、３
０分間隔でＳＡＲＭ値の更新が繰り返し行われる。そし
て、次のエンジン始動時には、今回更新したＺｔｇ値が
ＳＲＡＭ２５からＮＲＡＭ２４に読み出され、始動当初
よりヒータ制御に用いられる。

【００６１】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。ヒータ通電のＦ／Ｂ制御が実施
される場合に、ヒータ制御量（Ｄｕｔｙ）が規定範囲の
上限値に達しその状態が所定時間以上継続されると、検
出素子６１が劣化している旨を判定するようにした。ま
た、検出素子６１の劣化時には目標インピーダンスＺｔ
ｇを補正するようにした。この場合、検出素子６１の劣
化が正しく検出できると共に、その劣化状態（劣化の程
度）に応じたヒータ通電制御を実施することができる。
従って、素子劣化時にも、素子温度を望み通りに制御す
ることが可能となる。これにより、検出素子６１の過剰
な温度上昇が抑制され、同検出素子６１の更なる劣化進
行が抑制される。

【００６２】特に、積層型構造のＡ／Ｆセンサ３０で
は、温度特性に優れる反面、素子割れ等の不具合が生じ
易いが、上記の通り劣化判定を好適に行うことにより素
子割れ等の不具合が解消される。故に、素子保護等の効
果がより一層有効的に得られることとなる。

【００６３】素子劣化に伴うＺｔｇ補正時において、な
まし処理により目標インピーダンスＺｔｇを徐変させる
ようにしたので、Ｚｔｇ値の誤った補正が防止される。
また、インピーダンス偏差ΔＺに応じて補正を行うよう
にしたので、インピーダンス偏差ΔＺが大きい場合や、
バッテリ交換時などＳＲＡＭ２５のデータがクリアされ
る場合にその収束性が向上する。

【００６４】更に、目標インピーダンスＺｔｇを増加側
にのみ補正する構成としたので、排気温度の影響による
誤ったＺｔｇ補正が防止される。その結果、ヒータ通電
の制御精度が向上する。

【００６５】目標インピーダンスＺｔｇを補正する毎に
補正後のＺｔｇ値をＮＲＡＭ（一時記憶メモリ）２４に
記憶し、それよりも長い時間間隔で、ＮＲＡＭ２４のＺ
ｔｇ値をＳＲＡＭ（バックアップ用メモリ）２５に記憶
するようにしたので、Ｚｔｇ値が誤って補正されたとし
ても、それはＮＲＡＭ２４に一旦記憶され、直ぐにＳＲ
ＡＭ２５に記憶されることはない。それ故、Ｚｔｇ値が
誤学習されるといった不都合は生じない。

【００６６】エンジン始動に伴うヒータ通電の開始当初
は、ＳＲＡＭ２５に記憶されたＺｔｇ値を読み出し、そ
れをヒータ通電制御に用いるので、エンジン始動当初か
ら前回学習した目標値を用いて好適なヒータ通電制御を
実施することができる。

【００６７】検出素子６１の冷間状態からの昇温に際
し、通電開始当初はヒータ６４を全通電制御し、その
後、検出素子６１の昇温に伴い、第１のヒータＦ／Ｂ制
御、第２のヒータＦ／Ｂ制御を順次実施するようにし
た。これにより、ＤｕｔｙのＦ／Ｂ制御範囲が検出素子
６１の暖機状態に応じて変更され、検出素子６１の暖機
促進（早期活性化）と素子保護とを共に図ることができ
る。

【００６８】エンジンの空燃比制御システムにおいて、
上記した通りＡ／Ｆセンサ３０のヒータ通電が好適に実
施されるので、Ａ／Ｆセンサ３０の適正な活性状態が維
持され、空燃比を正しく検出することが可能となる。故
に、空燃比制御を精度良く実施することができる。

【００６９】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形
態との相違点を中心に説明する。上記実施の形態では、
第２のヒータＦ／Ｂ制御が実施されるとき、ヒータ制御
量（Ｄｕｔｙ）がＦ／Ｂ制御範囲の上限値（６０％）の
まま継続されると、検出素子６１が劣化しているとみな
して目標インピーダンスＺｔｇを補正したが、これを以
下のように変更する。図１４は、Ｚｔｇ補正の手順を示
すフローチャートであり、これは、前記図７のフローチ
ャートにおいてステップ２０１〜２０３に代えて実施さ
れる。なおこれに伴い、同図７のステップ２１２〜２１
４が削除される。

【００７０】図１４において、ステップ４０１では、今
現在アイドル運転状態であるか否かを判別し、ＹＥＳで
あればステップ４０２に進み、その時のヒータ制御量の
平均値（アイドル制御量平均値Ｄａｖ）を算出する。ま
た、ステップ４０３では、前記算出したアイドル制御量
平均値Ｄａｖが所定値よりも大きいか否かを判別する。
ここで、アイドル制御量平均値Ｄａｖを判定するための
前記所定値は、Ｆ／Ｂ通電制御における上限Ｄｕｔｙ
（６０％）又はそれ近傍の値であり、ステップ４０３が
ＹＥＳであれば素子劣化とみなし、目標インピーダンス
Ｚｔｇを補正する。すなわち、ステップ４０４では、イ
ンピーダンスの偏差ΔＺに応じて目標インピーダンスＺ
ｔｇ（ＮＲＡＭ値）を補正する。このＺｔｇ補正に際し
ては、前述の通りなまし演算等の手法を用いるのが望ま
しい。また、ステップ４０５では、アイドル制御量平均
値Ｄａｖをクリアする。なお本実施の形態では、ステッ
プ４０３が「劣化判定手段」に相当し、ステップ４０４
が「補正手段」に相当する。

【００７１】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、検出素子６１の劣化が正しく検
出できると共に、その劣化状態（劣化の程度）に応じた
ヒータ通電制御を実施することができる。従って、素子
劣化時にも、素子温度を望み通りに制御することが可能
となる。これにより、検出素子６１の過剰な温度上昇が
抑制され、同検出素子６１の更なる劣化進行が抑制され
る。

【００７２】また、アイドル運転時のヒータ制御量（Ｄ
ｕｔｙ）をモニタして劣化判定を行うので、排気温度の
影響による誤った劣化判定やＺｔｇ補正が防止される。
その結果、ヒータ通電の制御精度が向上する。

【００７３】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記第１の実施の形態（図７の処理）で
は、目標インピーダンスＺｔｇ（ＮＲＡＭ値）の補正を
増加側に限定して実施したが、これを以下のように変更
する。つまり、Ｚｔｇ補正を増加側に限定した理由は、
アイドル運転時以外（排出ガスの高温状態）での誤った
補正を排除するためであった。そこで、Ｚｔｇ補正を増
加側に限定する代わりに、補正の実施条件として、「排
気温度が低いか？」或いは「アイドル運転時か？」とい
った要件を加える。そして、排気温度が低い時又はアイ
ドル運転時（但し、高速走行直後に排出ガスが高温とな
る状態は除く）にのみＺｔｇ補正を許可する。この場合
にも排気温度の影響による誤ったＺｔｇ補正が防止され
る。その結果、ヒータ通電の制御精度が向上する。

【００７４】上記第１の実施の形態では、ヒータ制御量
（Ｄｕｔｙ）が規定範囲の上限値（６０％）にあれば、
カウンタＣｍａｘを作動させて劣化判定を実施したが、
必ずしも上限値（６０％）になくとも、ヒータ制御量
（Ｄｕｔｙ）が上限値付近（例えば５５〜６０％）にあ
れば、カウンタＣｍａｘを作動させて劣化判定を実施す
るように変更しても良い。

【００７５】上記実施の形態の装置では、素子劣化の有
無を判定し、素子劣化している場合には目標インピーダ
ンスＺｔｇを補正したが、これを変更する。例えば、単
に検出素子６１の劣化の有無を判定する劣化判定装置と
して具体化しても良い。また、素子劣化時には、ヒータ
通電を禁止したり、素子劣化の旨を表すコード情報をメ
モリに記憶したり、素子劣化の旨をドライバ等に警告し
たりするようにしても良い。

【００７６】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、検出素子の劣化を好適に検出
し、ひいては当該検出素子の保護を図ることができる。

【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】イニシャルルーチンを示すフローチャート。

【図７】ヒータ制御量算出ルーチンを示すフローチャー
ト。

【図８】目標インピーダンス更新処理を示すフローチャ
ート。

【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】検出素子のインピーダンス特性を示す図。

【図１１】素子劣化時におけるインピーダンス特性を示
す図。

【図１２】排気温度の違いによる素子温度の違いを示す
図。

【図１３】排気温度の違いによるインピーダンス特性の
違いを示す図。

【図１４】他の形態において目標インピーダンスの補正
手順を示すフローチャート。

【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、２４…ＮＲＡＭ
（一時記憶メモリ）、２５…ＳＲＡＭ（バックアップ用
メモリ）、３０…Ａ／Ｆセンサ（ガス濃度センサ）、６
１…検出素子、６４…ヒータ。

───────────────────────────────────────────────────── 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と、前記ガス濃度センサの素子抵抗が目標値に一致するよう
予め規定した通電量の範囲内でヒータへの通電をフィー
ドバック制御するヒータ制御手段と、ヒータ通電のフィードバック制御が実施される場合に、
ヒータ通電量が規定範囲の上限値又はその近傍にあれ
ば、その状態から検出素子の劣化を判定する劣化判定手
段と、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】前記劣化判定手段は、ヒータ通電量が規定
範囲の上限値又はその近傍に達しているかどうかを判定
し、ヒータ通電量が規定範囲の上限値又はその近傍に達
しその状態が所定時間以上継続されると、検出素子が劣
化している旨を判定する請求項１に記載のガス濃度セン
サのヒータ制御装置。
【請求項３】内燃機関のアイドル運転時におけるヒータ
通電量をモニタして所定期間内での平均値を算出する手
段を備え、前記劣化判定手段は、アイドル運転時におけるヒータ通
電量の平均値が前記規定範囲の上限値又はその近傍にあ
れば、検出素子が劣化している旨を判定する請求項１に
記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項４】前記劣化判定手段により検出素子が劣化し
ている旨判定された場合、素子抵抗の目標値を補正する
補正手段を更に備える請求項１〜３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５】請求項４に記載のヒータ制御装置におい
て、前記補正手段は、素子抵抗の偏差をなくすようにその目
標値を徐変させるガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項６】請求項４又は５に記載のヒータ制御装置に
おいて、前記補正手段は、素子抵抗の目標値を増加側にのみ補正
するガス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項７】請求項４又は５に記載のヒータ制御装置に
おいて、前記補正手段は、内燃機関からの排出ガスが比較的低い
状態である場合にのみ、素子抵抗の目標値を補正するガ
ス濃度センサのヒータ制御装置。
【請求項８】請求項４〜７の何れかに記載のヒータ制御
装置において、前記補正手段により補正する毎に該補正した素子抵抗の
目標値を一時記憶メモリに記憶し、それよりも長い時間
間隔で、前記一時記憶メモリに記憶した素子抵抗の目標
値をバックアップ用メモリに記憶するガス濃度センサの
ヒータ制御装置。
【請求項９】請求項８に記載のヒータ制御装置におい
て、内燃機関の始動に伴うヒータ通電の開始当初には、前記
バックアップ用メモリに記憶された目標値を読み出し、
それをヒータ通電のフィードバック制御に用いるガス濃
度センサのヒータ制御装置。
【請求項１０】内燃機関に供給する混合気の空燃比を制
御する空燃比制御システムに適用され、前記ガス濃度セ
ンサは、内燃機関の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空燃比センサである請求項１〜９
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。