JP2018141718A - 酸素濃度センサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度センサのインピーダンスを高精度に演算できるようにした電子制御装置を提供する。
【解決手段】マイコン６は、掃引電圧印加部１５により１つの電源電圧源ＶＣＣを通じて複数の掃引モードのうち何れかの掃引モードに応じた電圧を掃引して酸素濃度センサ２のセンサ素子３に印加する。マイコン６は、掃引電圧印加部１５により掃引された印加電圧によりセンサ素子３に生じる電圧に応じてセンサ素子３のインピーダンスをインピーダンス演算部１４により演算する。マイコン６は、切替部１８により複数の掃引モードを切替える。
【選択図】図２

Description

本発明は、酸素濃度センサ制御装置に関する。

近年、車両技術分野では排気ガスの排出規制が強化推進されており、排気ガス中の有害物質をより削減することが求められている。酸素濃度センサは、内燃機関の排気ガス中の空気過剰率を検出するために設けられているが、このような排気ガス中の有害物質を削減するためには酸素濃度センサの検出精度を高めることが必要となる。

酸素濃度センサの検出精度を高めるためには、酸素濃度センサが活性する温度に早期に到達させると共に当該活性する温度に保持することが求められる。このため、従来より酸素濃度センサの温度を検出し、ヒータを用いて酸素濃度センサの温度を活性温度に保持するようにしている。

酸素濃度センサの温度と、酸素濃度センサを構成する素子のインピーダンスとは相関関係があるため、酸素濃度センサのインピーダンスを検出することに応じて当該酸素濃度センサの温度を検出する方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１記載の技術によれば、酸素濃度センサに任意の固定電圧を印加し、このとき電流検出抵抗に流れる電流値と酸素濃度センサの端子間電圧とを測定し、これらの値に応じてインピーダンスを演算している。

特開２０１６−１０５０６５号公報

前述の特許文献１記載の技術を採用したときには、使用する酸素濃度センサ毎に印加可能な電圧上限値が異なることになってしまうため、電源電圧は様々なバリエーションを必要としてしまい実用性に欠けることになり好ましくない。

本発明の目的は、酸素濃度センサのインピーダンスを高精度に演算できるようにした電子制御装置を提供することにある。

請求項１記載の発明によれば、掃引電圧印加部は、１つの電源電圧源を通じて複数の掃引モードのうち何れかの掃引モードに応じた電圧を酸素濃度センサのセンサ素子に印加し、インピーダンス演算部はこのときセンサ素子に生じる電圧に応じてセンサ素子のインピーダンスを演算し、切替部は複数の掃引モードを切替えることで掃引電圧印加部による印加電圧を切替えている。このため、駆動用の電源電圧源を１つとしながらセンサ素子の印加電圧を調整することで当該センサ素子の温度を制御でき、酸素濃度センサのインピーダンスを高精度に演算できる。しかも酸素濃度センサ毎に電源電圧源を用意しなくても良くなる。

第１実施形態の酸素濃度センサ制御装置を概略的に示す電気的構成図 第１実施形態における全体の動作を説明するフローチャート 第１実施形態におけるプレ掃引モード（第１掃引モード）の処理動作を概略的に説明するフローチャート 第１実施形態におけるプレ掃引モードの処理の流れを説明するタイミングチャート 第１実施形態におけるプレ掃引モードのセンサ素子の端子電圧の変化を示す拡大図（その１） 第１実施形態におけるプレ掃引モードのセンサ素子の端子電圧の変化を示す拡大図（その２） 第１実施形態においてセンサ素子の温度と掃引モードとの対応関係を示す説明図 第１実施形態における通常掃引モード（第２掃引モード）の処理動作を概略的に説明するフローチャート 第１実施形態における通常掃引モードの処理の流れを説明するタイミングチャート 第１実施形態における通常掃引モードのセンサ素子の端子電圧の変化を示す拡大図 第２実施形態においてセンサ素子の温度と掃引モードとの対応関係を示す説明図

以下、酸素濃度センサ制御装置の幾つかの実施形態を説明する。以下の実施形態中では、各実施形態間で同一機能または類似機能を備えた部分に同一符号を付して説明を行い、第２実施形態以降の各実施形態では、それ以前に説明した実施形態と同一又は類似機能を備えた構成及びその作用、連携動作説明等を必要に応じて省略する。

（第１実施形態）
図１から図１０は第１実施形態の説明図を示す。図１には、酸素濃度センサの電子制御装置１０１の電気的構成を概略的なブロック図により示している。

図１に示す電子制御装置１０１は、被検出ガスとしての排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ２の制御ブロックを備えている。酸素濃度センサ２は、センサ素子３にヒータ４を内蔵した構成とされており、内燃機関の排気経路（図示せず）に配置されている。この酸素濃度センサ２は、燃焼噴射システムのフィードバック制御を実現するためのセンサとして利用される。センサ素子３はジルコニア抵抗５などを材料とする固体電解質層を備え、排気ガス中の酸素濃度に応じた起電力を生じる。したがって電子制御装置１０１が、センサ素子３の端子間に生じる起電力を検出することで排気ガス中の酸素濃度を検出できる。電子制御装置１０１は、マイコン６と、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、電流検出抵抗７と、起電力検出用のコンデンサ８及び抵抗９と、ヒータ４の通電制御用の制御スイッチ１０と、を備える。

図１に示すように、電子制御装置１０１のマイコン６は、図示しないがＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、非遷移的実体的記録媒体としてのＲＯＭに格納されたプログラムを実行する。マイコン６が、プログラムを実行することでプログラムに対応した機能が実現されるが、図１にはこの機能をブロック的に記載している。図１に示すように、マイコン６は、電流取得部としての電流検出部１１、電圧取得部としての電圧検出部１２、Ａ／Ｄ変換部１３、インピーダンス演算部１４、掃引電圧印加部１５、推定部１６、ヒータ制御部１７、及び、切替部１８としての機能を備える。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、電源電圧ＶＣＣの供給ノードとグランドノードとの間に接続されており、それぞれ例えばデジタルトランジスタにより構成される。スイッチＳＷ１は、酸素濃度センサ２のセンサ素子３に電圧印加・停止切替えするための電圧印加用スイッチとして構成される。スイッチＳＷ２は、センサ素子３に印加された電荷を放電するための電荷放電用スイッチとして構成される。

マイコン６は、ヒータ制御部１７により制御スイッチ１０を通じてヒータ４の通電をオン・オフ制御可能になっている。ヒータ４は、酸素濃度センサ２のセンサ素子３の素子温度を活性温度に保持するために設けられている。酸素濃度センサ２のセンサ素子３のインピーダンスとセンサ素子３の温度との間には所定の相関関係を備えることが知られており、例えば、センサ素子３の素子温度が上昇するとインピーダンスが低下し、素子温度が下降するとインピーダンスが上昇する。簡潔に言い換えると、センサ素子３の素子温度が変化するとインピーダンスが変化することになる。

酸素濃度センサ２のセンサ素子３は、図１に示すように、温度変化に応じて変化するジルコニア抵抗５の抵抗成分と当該ジルコニア抵抗５の素子と電極との間の界面抵抗成分５ａとに分けて等価回路上で記載できる。また図１には、センサ素子３に発生する起電力５ｂも図示している。酸素濃度センサ２は、その設置場所の温度／湿度の環境が変化すると共に排気ガスなどに晒されるため、それらの影響からその等価回路も経時変化し、経時変化に応じてセンサ素子３の容量成分が増加する。

さてマイコン６の内部の掃引電圧印加部１５は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をそれぞれオン・オフ駆動可能となっており、酸素濃度センサ２のセンサ素子３に印加する掃引電圧を変化させることでセンサ素子３に電荷を印加・保持・放出可能になっている。

マイコン６は、切替部１８により複数の掃引モードの何れかの掃引モードに切替可能になっており、掃引電圧印加部１５はこれらの複数の掃引モードでセンサ素子３の印加電圧を掃引可能になっている。マイコン６は、切替部１８により何れかの掃引モードに切替え、この掃引モードに応じて掃引電圧印加部１５によりスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン・オフ駆動して掃引電圧を印加する。このとき、各掃引モードにおいて、センサ素子３に対する印加電圧が所定電圧以上（後述図７のＶｚ以上）に印加されない条件で飽和するように、電子制御装置１０１の内部の回路構成の各素子値が調整されている。

本実施形態では、掃引モードとして、プレ掃引モード（第１掃引モード相当）と通常掃引モード（第２掃引モード相当）が用意されている。プレ掃引モードは、スイッチＳＷ２をオフに保持したままスイッチＳＷ１をオン・オフパルス制御して酸素濃度センサ２のセンサ素子３への印加電圧を変化させるモードである。また、通常掃引モードは、スイッチＳＷ２をオフに保持したままスイッチＳＷ１をオン制御して酸素濃度センサ２のセンサ素子３に所定電圧に達するように電圧を印加するモードである。これにより、何れのモードにおいても、センサ素子３のインピーダンス及び温度Ｔを調整できる。

電子制御装置１０１の内部にはセンサ素子３と並列にコンデンサ８及び抵抗９が接続されており、抵抗９の端子電圧を検出することでセンサ素子３の印加電圧を検出できる。マイコン６内の電圧検出部１２はセンサ素子３の端子間電圧を検出し、この検出電圧を波形成形してＡ／Ｄ変換部１３に出力し、Ａ／Ｄ変換部１３はこの検出電圧をアナログデジタル変換する。

他方、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の共通接続点とセンサ素子３との間の通電経路には電流検出抵抗７が接続されている。マイコン６内の電流検出部１１は、この電流検出抵抗７の両端子間電圧を入力し、この端子間電圧を波形成形してＡ／Ｄ変換部１３に出力し、Ａ／Ｄ変換部１３はこの出力信号をアナログデジタル変換する。これによりマイコン６は、電圧検出部１２の検出電圧及び電流検出部１１の検出電流を取得でき、電圧検出部１２の検出電圧により酸素濃度センサ２に生じる電圧を取得できる。

マイコン６は、例えばプレ掃引モードにおいて、掃引電圧印加部１５により掃引された印加電圧により酸素濃度センサ２のセンサ素子３に生じる電圧に応じて、インピーダンス演算部１４により酸素濃度センサ２のセンサ素子３のインピーダンスを演算するように構成されている。

またマイコン６は、例えば通常掃引モードにおいて、掃引電圧印加部１５により掃引された印加電圧により酸素濃度センサ２のセンサ素子３に生じる電圧、及び、センサ素子３に流れる電流、に応じて、インピーダンス演算部１４によりセンサ素子３のインピーダンスを演算するように構成されている。

そしてマイコン６は、インピーダンス演算部１４により演算されたインピーダンスに応じて、推定部１６により酸素濃度センサ２のセンサ素子３の温度Ｔを推定するように構成されている。またマイコン６は、切替部１８による掃引モードの切替処理、インピーダンス演算部１４によるインピーダンスの演算処理、を繰り返すことで、センサ素子３の温度Ｔを適切な温度に調整制御するように構成されている。

上記構成の作用について説明する。イグニッションキースイッチ等の電源スイッチがオンされることで、動作用のバッテリ電源電圧が電子制御装置１０１に投入されると、図示しない電源回路がセンサ素子３の印加用電圧として電源電圧ＶＣＣを生成しスイッチＳＷ１の一端子に印加する。またマイコン６は起動し図２のように処理する。

図２は全体の流れをフローチャートにより概略的に示している。内燃機関が冷えているときには、電源投入直後において内燃機関の温度が所定温度より低く、このため、酸素濃度センサ２のセンサ素子３のインピーダンスが所定のインピーダンス値よりも高いことが想定される。このためマイコン６は、車両のイグニッションスイッチがオンされた電源投入直後の１回目においては、図２のＳ１にてＹＥＳと判定し、Ｓ２において第１掃引モードとしてのプレ掃引モードに切替設定し、プレ掃引モードにて動作する。

図３はプレ掃引モードにおける処理内容を概略的に示しており、図４はプレ掃引モードにおける全体の流れをタイミングチャートにより概略的に示している。
なお、酸素濃度センサ２のセンサ信号の変動周期は、概ね数秒（例えば４〜５秒）単位であり、本実施形態で説明する各掃引モード（プレ掃引モード、通常掃引モード）における掃引周期（＝数十ｍ秒）に比較して大幅に長い周期となる。説明を理解し易くするため、図４等のタイミングチャートでは、センサ信号が無信号となるときの波形例を示している。

マイコン６は、プレ掃引モードで動作し始めると、まず図３のＳ１０においてヒータ制御部１７によりヒータ４を常時オン制御する。ヒータ４に通電されることで、センサ素子３の温度を上昇させることができる。そしてマイコン６は、Ｓ１１においてＡ／Ｄ変換部１３によりセンサ素子３の端子間電圧の初期電圧を取得する。この取得する初期電圧は、掃引電圧印加部１５によりセンサ素子３に電圧を印加する直前におけるセンサ素子３の端子電圧を示している。

次に、マイコン６は駆動信号を各スイッチＳＷ１、ＳＷ２に出力し、スイッチＳＷ１をオン・オフ繰り返すようにパルス制御（例えばＰＷＭ制御）を実施する。この間、スイッチＳＷ２はオフ制御する（図４のＳＷ１のパルス制御期間参照）。これにより、センサ素子３の端子間への充電が開始される。マイコン６は、電圧検出部１２により端子電圧を検出し、Ａ／Ｄ変換部１３を通じて酸素濃度センサ２のセンサ素子３の端子電圧の情報を入力する。

図５はスイッチＳＷ１がオン・オフを繰り返したときのセンサ素子３の端子電圧の変化を拡大図で示しており、図６はセンサ素子３の端子電圧の情報を１回取得する際の流れを詳細にタイミングチャートで示している。

図５に示すように、期間Ｔ１においてスイッチＳＷ１がオンしているときにセンサ素子３及びコンデンサ８に充電され、期間Ｔ２においてスイッチＳＷ１がオフしているときにこれらの充電電荷が抵抗９を通じて放電される。このため、センサ素子３の端子電圧は上下に変動しながら上昇する。この処理は、所定のオン・オフ期間だけ繰り返される。

次にマイコン６は、図３のＳ１３においてスイッチＳＷ１のオン・オフ期間を経過したか否かを判定する。このスイッチＳＷ１のオン・オフ期間は、スイッチＳＷ１をオン・オフ制御する一周期の期間を示すもので、制御開始当初は予め定められた所定値を用いるが、その後は、後述のＳ１７で設定されるオン・オフ期間を用いることになる。

図５に示したように、センサ素子３の端子電圧は上下動しながら徐々に増加するものの、図６に示すように時間経過に伴い上下動変化の最大値Ｖmax1及び最小値Ｖmin1が安定化する。上下動変化の最大値Ｖmax1及び最小値Ｖmin1が安定化する時間は、酸素濃度センサ２の種類やその個体差に応じて定められる。このため、このＳ１３におけるスイッチＳＷ１のオン・オフ期間は、例えば、シミュレーションや実験などを用いて酸素濃度センサ２の種類等に応じて予め飽和することが想定される時間を所定値として設定しておき、マイコン６がこの時間を経過したか否かを例えば内蔵タイマなどを用いて判定すると良い。

また図５及び図６には、センサ素子３の端子電圧の保持タイミングｔａをも示している。マイコン６は、図３のＳ１３においてオン・オフ期間を経過したと判定すると、図３のＳ１４においてスイッチＳＷ１をオンからオフに変化させる直前のオン時のＡ／Ｄ変換部１３のサンプリングタイミングを取得タイミングｔａとし、このタイミングｔａにおけるセンサ素子３の端子電圧を保持する。

また、スイッチＳＷ１をオンからオフに変化させた直後のＡ／Ｄ変換部１３のサンプリングタイミングを取得タイミングｔａとして保持するようにしても良い。センサ素子３の端子電圧が極力最大値Ｖmax1に近くなるタイミングであれば、どのようなタイミングを取得タイミングｔａとしても良い。

その後、マイコン６は、スイッチＳＷ１のオフ状態を保持したまま、図３のＳ１５においてスイッチＳＷ２をオフ→オン→オフすることでコンデンサ８の蓄積電荷を放電させる（図６の期間Ｔ３参照）。このときのスイッチＳＷ２のオン期間Ｔ３は、コンデンサ８に蓄積された電荷を全て抵抗９等から放電可能にする時間に設定される。すなわちマイコン６は、充電時間が長ければ放電時間も長く設定し充電時間が短ければ放電時間を短く設定すると良いが放電時間は適宜調整すれば良い。

次にマイコン６は、図３のＳ１６においてインピーダンス演算部１４によりセンサ素子３のインピーダンスを演算する。電流検出抵抗７の抵抗値は、センサ素子３に直列接続される抵抗の抵抗値、及び、センサ素子３の抵抗成分の抵抗値に比べて十分に小さいため、ここでは無視できる。このため、マイコン６は、電圧検出部１２の検出電圧を用いてインピーダンス演算部１４によりインピーダンスを演算できる。ここで、インピーダンスを極力素早く算出するためには、電圧検出部１２により検出された電圧に基づいて一意的に決定されるインピーダンスを用いることが望ましい。

図７はセンサ素子３のインピーダンスの温度依存性を概略的に示している。酸素濃度センサ２のセンサ素子３は、例えば、４００℃以下のときにはインピーダンスが１０ｋΩ以上になるが、５００℃であれば１３０Ω、６００℃で６４Ω、７００℃で２０Ω、８００℃で１５Ω、９００℃で１２Ω、程度となる。

例えば、内燃機関の始動前において、センサ素子３の温度が例えば常温（例えば２５℃）程度であれば、センサ素子３のジルコニア抵抗５のインピーダンスは１０ｋΩを超える。酸素濃度センサ２のセンサ素子３の使用温度範囲は、所定の温度範囲Ｔａ（例えば、４５０℃〜９５０℃）であり、酸素濃度センサ２のセンサ素子３の目標制御温度をそれらの間の目標温度範囲Ｔｂ（例えば５３０℃〜７２０℃）に定めているが、このときのインピーダンスは数Ω〜数十Ωである。このため、センサ素子３の温度が所定の温度範囲Ｔａを下回る温度（例えば〜４５０℃）となる場合、センサ素子３のインピーダンスは数百Ω程度以上となるが、この場合には、インピーダンスの算出精度が必要以上に要求されることはない。

このような場合、マイコン６のインピーダンス演算部１４は、電流検出部１１による検出電流を用いることなく電圧検出部１２から一意にインピーダンスを算出すると良い。このとき、インピーダンス演算部１４は例えば電流値を固定値とし、電圧検出部１２の検出電圧を当該電流固定値で除することに応じて演算しても良いし、予め電圧値に一意に対応づけられたインピーダンスをテーブルとしてマイコン６の内部に記憶しておきこのテーブルを参照してインピーダンスを演算するようにしても良い。またマイコン６は、Ａ／Ｄ変換部１３により電圧を取得したタイミングｔａと同様のタイミングにおいて電流検出部１１から電流を検出し、電圧検出部１２の検出電圧を電流検出部１１の検出電流で除することに応じてインピーダンスを演算するようにしても良い。

マイコン６は、図３のＳ１６においてインピーダンス演算部１４によりインピーダンスを演算すると、推定部１６によりインピーダンスに応じた温度Ｔを推定できる。その後、マイコン６は、図３のＳ１７においてスイッチＳＷ１の次回のオン・オフ期間を設定する。例えばマイコン６は、センサ素子３のインピーダンスが比較的高く温度Ｔが低く推定されるほどオン・オフ期間を長くし、センサ素子３のインピーダンスが比較的低く温度Ｔが高く推定されるほどオン・オフ期間を短く設定する（後述の図７参照）。なお、プレ掃引モードに維持されている間には、温度Ｔが目標温度範囲Ｔｂより低いため、オン・オフ期間を所定値のまま一定にしても良い。

その後、マイコン６は、図２に示す処理に戻してセンサ素子３のインピーダンスに応じて掃引モードを切替える。図２に示すように、マイコン６は、Ｓ３においてインピーダンスが所定のインピーダンス値以上（本実施形態では第１及び第２インピーダンス値Ｒａ以上）となる間、Ｓ３にてＮＯと判定し、Ｓ２においてプレ掃引モードに設定し、前述した図３のＳ１０〜Ｓ１７の処理を繰り返す。

すなわちマイコン６は、Ｓ１２においてインピーダンス演算部１４により演算されたセンサ素子３のインピーダンス値が所定の第１インピーダンス値以上（すなわちＲａ以上）のときに掃引電圧印加部１５によりスイッチＳＷ１をオン・オフパルス制御してセンサ素子３への印加電圧を変化させ、Ｓ１６においてインピーダンス演算部１４によりインピーダンスを演算させる。これらの処理は繰り返される。

また例えば、センサ素子３の初期温度が常温（例えば２５℃）付近となっているときには、前述したように、イグニッションスイッチ等の電源スイッチがオンされ電子制御装置１０１に電源電圧が供給されると、マイコン６はプレ掃引モードにおいてヒータ制御部１７によりヒータ４を常時オン制御している。

言い換えると、マイコン６は、プレ掃引モードにおいてインピーダンス演算部１４により演算されたセンサ素子３のインピーダンス値が所定の第２インピーダンス値以上（すなわちＲａ以上）のときにヒータ制御部１７によりヒータ４を常時オン制御している。

ヒータ４が常時オン制御されると、センサ素子３の温度Ｔは徐々に上昇する。センサ素子３の温度Ｔが上昇すると、センサ素子３のインピーダンスは徐々に低下する。この結果、マイコン６が、インピーダンス演算部１４によりインピーダンスを演算することでセンサ素子３の温度上昇を検出できる。

またマイコン６は、図２のＳ３においてインピーダンス演算部１４により演算されたインピーダンスが所定のインピーダンス値Ｒａ（温度Ｔｒａ相当）よりも低くなったと判定すると、Ｓ４において第２掃引モードとしての通常掃引モードに移行する。

図８は通常掃引モードにおける処理内容を概略的に示しており、図９は通常掃引モードにおける全体の流れをタイミングチャートにより概略的に示しており、図１０はその一部の拡大図を示している。通常掃引モードに移行すると、マイコン６のヒータ制御部１７は、Ｓ２０においてヒータ４をオン・オフ制御する。言い換えると、マイコン６は、インピーダンス演算部１４により演算されたセンサ素子３のインピーダンス値が第２インピーダンス値Ｒａよりも低いときにヒータ制御部１７によりヒータ４をオン・オフ制御する。このときヒータ４のオン・オフ制御は、例えばＰＷＭ制御することで行われるものである。このとき、例えばＰＷＭ周期は数百ｍ秒程度に設定される。

そしてマイコン６は、Ｓ２１においてＡ／Ｄ変換部１３によりセンサ素子３の端子電圧の初期電圧を取得する。この初期電圧は、掃引電圧印加部１５により電圧を印加する直前のセンサ素子３の端子電圧を示している。電圧印加直後に取得しても良い。

次に、マイコン６は駆動信号を各スイッチＳＷ１、ＳＷ２に出力し、スイッチＳＷ２をオフしたままスイッチＳＷ１をオン制御する。マイコン６の掃引電圧印加部１５がスイッチＳＷ１をオンに継続制御すると、図９及び図１０に示すように酸素濃度センサ２のセンサ素子３の端子電圧は所定の時定数に応じて増加する。

マイコン６は、電圧検出部１２により端子電圧を検出し、Ａ／Ｄ変換部１３を通じてセンサ素子３の端子電圧を取得する。そしてマイコン６は、Ｓ２３においてオン期間経過したか否かを判定する。このオン期間は、制御開始当初は予め定められた所定値を用いるが、その後は、後述のＳ２８にて設定されるオン期間を用いることになる。センサ素子３の端子電圧は所定の時定数に応じて増加するものの、図１０に示すように時間経過に伴い端子電圧は安定化する。

図１０には電圧の取得タイミングｔｂをも示している。マイコン６は、図８のＳ２３においてオン期間が経過したと判定するとＳ２３でＹＥＳと判定し、Ｓ２４においてスイッチＳＷ１をオンからオフに変化させる直前におけるＡ／Ｄ変換部１３のサンプリングタイミングを取得タイミングｔｂとし、このタイミングｔｂにおける端子電圧を取得し、そしてＳ２５においてスイッチＳＷ１をオフする。

なお、スイッチＳＷ１をオンからオフに変化させた直後の時点を取得タイミングｔｂとしても良い。このときセンサ素子３の端子電圧を極力最大化できるタイミングであれば、どのようなタイミングを取得タイミングｔｂとしても良い。マイコン６は、このタイミングｔｂにおいて取得した電圧を最大値Ｖmax2と見做す。

図７には、プレ掃引モードにおけるセンサ素子３の端子電圧の最大値Ｖmax1、通常掃引モードにおけるセンサ素子３の端子電圧の最大値Ｖmax2、をインピーダンス及び温度との相関関係で示している。この図７に示すように、通常掃引モードにおいては、スイッチＳＷ２をオフ制御したままスイッチＳＷ１をオン継続制御しているため、プレ掃引モードに比較して最大値Ｖmax2が高くなる。

逆に、プレ掃引モードにおいては、マイコン６はスイッチＳＷ２をオフ制御したままスイッチＳＷ１をオン・オフパルス制御しているため、通常掃引モードの最大値Ｖmaxに比較して最大値Ｖmax1を抑制できる。温度Ｔが比較的低いときにはインピーダンスが比較的高くなるため、センサ素子３の端子電圧も高くなる傾向があるが、図７に示したように、インピーダンスが比較的高いときにはプレ掃引モードにおいてスイッチＳＷ１をオン・オフパルス制御しているため最大値Ｖmax1を抑制できる。このため、たとえセンサ素子３の端子電圧の定格電圧に対応した規定範囲Ｖｚが予め定められていたとしても、何れのモードにおいてもセンサ素子３の端子電圧の最大値Ｖmax1、Ｖmax2を規定範囲Ｖｚに抑えることができる。

その後、マイコン６は、図８のＳ２６において掃引電圧印加部１５によりスイッチＳＷ２をオフ→オン→オフすることでコンデンサ８の蓄積電荷を放電させる（図１０のオン期間Ｔ４参照）。このとき、スイッチＳＷ２のオン期間Ｔ４は、コンデンサ８に蓄積された電荷を全て放電可能にする時間に設定される。すなわちマイコン６は、コンデンサ８の充電時間が長ければ放電時間も長く設定し、充電時間が短ければ放電時間を短く設定する。なおコンデンサ８の放電時間は適宜調整すれば良い。

また、マイコン６は、図８のＳ２７においてインピーダンス演算部１４によりセンサ素子３のインピーダンスを演算する。ここでは、前述したように電流検出部１１の検出電流を用いることなく電圧検出部１２による検出電圧に基づいて一意に決定されるインピーダンスをインピーダンス演算部１４の演算結果として用いても良いが、インピーダンス演算精度を高めるため、電流検出部１１により検出される電流を用いて、電圧検出部１２の検出電圧を電流検出部１１の検出電流で除算することに応じて極力正確に演算することが望ましい。すなわち、センサ素子３の温度が閾値温度（例えば、４５０℃）を超えることが想定されるときには、インピーダンスの算出精度は相応に要求されることになるためである。

例えば、目標温度範囲（例えば５３０℃〜７２０℃）の間の所定目標温度（例えば６００℃）とするためには、数Ω、０．数Ω単位の変動を正確に検出しなければ精度よく所定目標温度（例えば６００℃）に制御できないが、このようなときには、電流検出部１１による検出電流、及び、電圧検出部１２による検出電圧を用いてインピーダンスを演算することが望ましい。これによりインピーダンス演算精度を向上できると共に温度Ｔの推定精度も向上できる。

そしてマイコン６は、図８のＳ２８において演算されたインピーダンスに応じてスイッチＳＷ１のオン期間を設定する。図７に示すように、例えばマイコン６は、インピーダンスが比較的低くセンサ素子３の温度Ｔが例えば目標温度範囲Ｔｂの中の所定値（例えば所定目標温度又は上限値Ｔｕ）よりも高いときには、掃引電圧印加部１５によるスイッチＳＷ１のオン期間を短くし、インピーダンスが比較的高く温度Ｔが目標温度範囲Ｔｂの中の所定値（例えば所定目標温度又は下限値Ｔｄ）よりも低いときにはスイッチＳＷ１のオン期間を長く設定する。

また、マイコン６は、図８のＳ２９においてヒータ制御部１７によりヒータ４を例えばオン・オフＰＷＭ制御する際のデューティ比を設定する。例えばマイコン６は、温度Ｔが目標温度範囲Ｔｂの中の所定値（例えば所定目標温度または上限値Ｔｕ）よりも高いときには、デューティ比を低く設定し、温度Ｔが目標温度範囲Ｔｂの中の所定値（例えば所定目標温度または下限値Ｔｄ）よりも低いときには、デューティ比を高く設定する。

またマイコン６は、図２に示すように、電源投入直後でなくても（Ｓ１でＮＯ）、仮にセンサ素子３のインピーダンスが所定のインピーダンス値以上となることで（Ｓ３でＮＯ）、当該センサ素子３の温度が所定の温度Ｔｒａよりも低いときには、Ｓ２においてプレ掃引モードに切替えて処理を実行する。すなわち、マイコン６は、切替部１８による掃引モードの切替処理、及びインピーダンス演算部１４によるインピーダンスの演算処理を繰り返すことで、センサ素子３のインピーダンスを目標範囲に調整することができ、当該センサ素子３の温度Ｔを目標温度範囲Ｔｂ、ひいては目標温度範囲Ｔｂの中の所定目標温度に制御できるようになる。

＜本実施形態に係る概念的なまとめ＞
マイコン６は、掃引電圧印加部１５により１つの電源電圧ＶＣＣからスイッチＳＷ１を通じてセンサ素子３に電圧を印加しており、そして酸素濃度センサ２のセンサ素子３のインピーダンスに応じて掃引モードを切替えることで、スイッチＳＷ１のオン・オフ制御及びオン制御を選択してセンサ素子３に掃引する電圧を切替えている。このため、駆動用の電源電圧ＶＣＣの電圧源を１つにしながらセンサ素子３の印加電圧を調整することでセンサ素子３の温度Ｔを制御できるようになり、酸素濃度センサ２毎に電源電圧源を用意しなくても良くなる。これにより、電源電圧に様々なバリエーションを要することなく、インピーダンスを演算できる。

しかも、酸素濃度センサ２のセンサ素子３が活性するための目標温度範囲Ｔｂに早期に到達させることができ、かつ到達後は、一定の目標温度範囲Ｔｂに保持できる。またマイコン６は、インピーダンス演算部１４により演算されたインピーダンスに応じて推定部１６により酸素濃度センサ２のセンサ素子３の温度Ｔを推定できる。

マイコン６が、切替部１８により電源投入直後にプレ掃引モードに切替え、掃引電圧印加部１５によりスイッチＳＷ１をオン・オフパルス制御してセンサ素子３への印加電圧を変化させるようにしているため、電源投入直後にたとえセンサ素子３のインピーダンスが極端に高くなっていたとしても当該センサ素子３の印加電圧の最大値Ｖmax1を抑制でき、センサ素子３への印加電圧を規定範囲Ｖｚに抑制できる。

また、センサ素子３のインピーダンスが所定の第１インピーダンス値Ｒａ以上のときにプレ掃引モードに切替えるようにしているため、センサ素子３の印加電圧の最大値Ｖmax1を同様に抑制でき、センサ素子３の端子電圧を規定範囲Ｖｚに抑制できる。

センサ素子３のインピーダンスが所定の第１インピーダンス値Ｒａよりも低いときに通常動作モードに切替えるようにしているため、通常動作モードに移行したときにおいてもセンサ素子３の印加電圧の最大値Ｖmax2が高くなることがなくなり、センサ素子３への印加電圧を規定範囲Ｖｚに抑制できる。このように図１に示したハードウェア構成を利用しつつセンサ素子３への印加電圧を調整できるようになり利便性を向上できる。また、たとえ環境の急激な変化を生じた場合においても、演算されたインピーダンスに応じて制御することでセンサ素子３の端子電圧を規定範囲Ｖｚに抑制できる。

マイコン６がインピーダンス演算部１４により電圧検出部１２の検出値に応じてインピーダンスを演算するときには、センサ素子３のインピーダンスを素早く演算処理できる。
マイコン６がインピーダンス演算部１４により電圧検出部１２の検出値と電流検出部１１の検出値とに応じてインピーダンスを演算するときには当該インピーダンスを正確に演算でき温度Ｔを正確に導出できる。

マイコン６は、センサ素子３のインピーダンスが所定のインピーダンス値以上（すなわちＲａ以上）のときには、ヒータ制御部１７によりヒータ４を常時オン制御し、インピーダンス値Ｒａよりも低いときには、ヒータ制御部１７によりヒータ４への通電をオン・オフパルス制御するようにしている。このため、インピーダンス値Ｒａに対応した所定の閾値温度Ｔｒａよりも低温となるときには温度Ｔを素早く上昇させることができ、目標温度範囲Ｔｂに近接しているときには温度Ｔを正確に制御できる。

（第２実施形態）
図１１は第２実施形態の追加説明図を示している。図１１は第１実施形態の図７に代わるタイミングチャートを示しているが、ここで第１実施形態と異なるところは、ヒータ４の制御切替条件である。前述実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

第１実施形態では、プレ掃引モードではヒータ４を常時オン制御し、通常掃引モードではヒータ４をオン・オフ制御する形態を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図１１に示すように、目標温度範囲Ｔｂの下限値Ｔｄを跨いだときに、ヒータ４の常時オン制御とオン・オフ制御とを切り替えるようにしても良い。

特に、酸素濃度センサ２のセンサ素子３の温度が目標温度範囲Ｔｂの下限値Ｔｄより低いときには、目標温度範囲Ｔｂに達するまでヒータ４を常時オン制御することが望ましい。すなわち温度Ｔとインピーダンス値とを対応づけて説明すると、マイコン６は、インピーダンス演算部１４により演算されたセンサ素子３のインピーダンス値が所定の第２インピーダンス値以上（すなわちＲａａ以上）のときにヒータ制御部１７によりヒータ４を常時オン制御し、所定の第２インピーダンス値Ｒａａよりも低いときにヒータ制御部１７によりヒータ４をオン・オフパルス（例えばオンオフデューティ）制御すると良い。ここで、図１１に示すように、第２インピーダンス値Ｒａａは第１インピーダンス値Ｒａよりも小さい値に設定されている。

逆に、酸素濃度センサ２の温度が目標温度範囲Ｔｂの上限値Ｔｕより高いときには、目標温度範囲Ｔｂに達するまでヒータ４を常時オフ制御するようにしても良い。
本実施形態においても、前述実施形態と同様の作用効果を奏する。また、第２インピーダンス値Ｒａａは第１インピーダンス値Ｒａよりも小さく設定されているため、第２インピーダンス値Ｒａａよりも低い範囲でヒータ４を常時オン制御することでセンサ素子３の温度Ｔを素早く目標温度範囲Ｔｂに調整できるようになる。

（他の実施形態）
本開示は、前述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができ、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。例えば以下に示す変形又は拡張が可能である。

前述実施形態では、イグニッションスイッチ等の電源スイッチがオンされたときに、センサ素子３の温度が温度Ｔｒａ（例えば４００℃）よりも十分に低い値（例えば２５℃）となる環境下から上昇する形態を説明したが、これに限定されるものではなく、例えばイグニッションスイッチがオンされて内燃機関が動作し始め、これによりセンサ素子３の温度が十分に高温（例えば６００℃）とされた状態から、電源スイッチがオフされ、その後、直ぐに再度オンされたときの動作にも適用できる。

すなわち、例えば第１実施形態の処理内容に照らし合わせて説明すれば、イグニッションスイッチがオフされ再度オンされ再度電源投入されたときにも、電子制御装置１０１は、図２、図３、図８のフローチャートに基づき処理を行う。このとき電源投入直後の１回目には図２のＳ２においてプレ掃引モードにて処理するが、マイコン６がＳ１５においてインピーダンスを演算処理した結果、インピーダンスが十分に低く温度Ｔが十分に高いと判定されたときには、マイコン６は、２回目以降、図２のＳ３において所定のインピーダンス値よりも低いと判定することになり通常掃引モードにて処理することになる。これにより、前述実施形態と同様の効果が得られる。説明は省略するが、第２実施形態でも同様に適用できる。

電圧取得部として、センサ素子３の端子電圧を検出する電圧検出部１２を適用した形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、センサ素子３の端子電圧の分圧抵抗（図示せず）により分圧電圧を取得するようにしても良いし、センサ素子３に生じる電圧に応じて何らかの値（取得値相当）を取得できるのであれば回路はどのように構成しても良い。

電流取得部として、電流検出抵抗７に流れる電流を検出する電流検出部１１を適用した形態を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、センサ素子３に流れる電流に応じて何らかの値（取得値相当）を取得できるのであれば回路はどのように構成しても良い。

また、ヒータ４のオン制御とオン・オフ制御との切替タイミングを、第１実施形態ではプレ掃引モードと通常掃引モードとを切替えるタイミングと一致させると共に、第２実施形態では、目標温度範囲Ｔｂの下限値Ｔｄを跨ぐタイミングと一致させている形態を示しているが、これらは特に一致させる必要はない。すなわち、酸素濃度センサ２のセンサ素子３のインピーダンスの値に応じて定められたタイミングでも良く、また、前述の目標温度範囲Ｔｂの下限値Ｔｄとは独立して定められた所定温度又はこれに対応するインピーダンスの値を跨ぐタイミングを切替タイミングとしても良い。

推定部１６が、インピーダンス演算部１４により演算されたインピーダンスに応じて酸素濃度センサ２のセンサ素子３の温度Ｔを推定するようにした形態を示したが、例えばセンサ素子３のインピーダンスと温度Ｔとが一意に対応づけられる場合等には温度Ｔを推定しなくても良く、推定部１６は必要に応じて設ければ良い。

電源電圧ＶＣＣの供給端子及びグランドノード間に接続されたスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン・オフに切替えることで酸素濃度センサ２のセンサ素子３の印加電圧を変化させる形態を示したが、このスイッチＳＷ１、ＳＷ２の回路構成に限定されるものではない。

マイコン６を構成する機能の一部又は全部を、一つあるいは複数のＩＣ等により構成しても良いし、特にマイコン６以外のロジック回路等により構成しても良い。
特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、本発明の一つの態様として前述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。前述実施形態の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略した態様も実施形態と見做すことが可能である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において、考え得るあらゆる態様も実施形態と見做すことが可能である。

また本発明は、前述した実施形態に準拠して記述したが、本発明は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本発明は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範畴や思想範囲に入るものである。

図面中、１０１は電子制御装置、２は酸素濃度センサ、３はセンサ素子、４はヒータ、１１は電流検出部（電流取得部）、１２は電圧検出部（電圧取得部）、１４はインピーダンス演算部、１５は掃引電圧印加部、１６は推定部、１７はヒータ制御部、１８は切替部、を示す。

Claims (12)

1. １つの電源電圧源（ＶＣＣ）を通じて複数の掃引モードのうち何れかの掃引モードに応じた電圧を内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサ（２）のセンサ素子（３）に印加する掃引電圧印加部（１５）と、
   前記掃引電圧印加部により掃引された印加電圧により前記酸素濃度センサのセンサ素子に生じる電圧に応じて前記センサ素子のインピーダンスを演算するインピーダンス演算部（１４）と、
   前記複数の掃引モードを切替えることで前記掃引電圧印加部による印加電圧を切替える切替部（１８）と、を備える電子制御装置。
2. 前記インピーダンス演算部により算出されたインピーダンスに応じて前記酸素濃度センサのセンサ素子の温度（Ｔ）を推定する推定部（１６）、をさらに備える請求項１記載の電子制御装置。
3. 前記切替部は、前記掃引電圧印加部により前記酸素濃度センサのセンサ素子に電圧印加・停止切替えするための電圧印加用スイッチ（ＳＷ１）をオン・オフパルス制御して前記酸素濃度センサのセンサ素子への印加電圧を変化させる第１掃引モードに切替可能に構成されている請求項１または２記載の電子制御装置。
4. 前記切替部は、電源投入直後に前記第１掃引モードに切替える請求項３記載の電子制御装置。
5. 前記切替部は、前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第１インピーダンス値（Ｒａ）以上のときに前記第１掃引モードに切替える請求項３記載の電子制御装置。
6. 前記切替部は、前記酸素濃度センサに電圧印加・停止切替えするための電圧印加用スイッチ（ＳＷ１）をオン制御して前記酸素濃度センサのセンサ素子に所定電圧を印加する第２掃引モードに切替可能に構成されている請求項１から５の何れか一項に記載の電子制御装置。
7. 前記切替部は、前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが、所定の第１インピーダンス値（Ｒａ）よりも低いときに前記第２掃引モードに切替える請求項６記載の電子制御装置。
8. 前記センサ素子に生じる電圧に応じた値を取得する電圧取得部（１２）をさらに備え、
   前記インピーダンス演算部は、前記電圧取得部の取得値に応じてインピーダンスを演算する請求項１から７の何れか一項に記載の電子制御装置。
9. 前記センサ素子に流れる電流に応じた値を取得する電流取得部（１１）をさらに備え、
   前記インピーダンス演算部は、前記電圧取得部の取得値と前記電流取得部の取得値とに応じてインピーダンスを演算する請求項８記載の電子制御装置。
10. 前記複数の掃引モードに応じて前記酸素濃度センサのセンサ素子の温度を調整するためのヒータ（４）を制御するヒータ制御部（１７）、をさらに備える請求項１から９の何れか一項に記載の電子制御装置。
11. 前記酸素濃度センサのセンサ素子の温度を調整するためのヒータ（４）を制御するヒータ制御部（１７）をさらに備え、
    前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第２インピーダンス値以上のときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータを常時オン制御し、
    前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第２インピーダンス値よりも低いときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータへの通電をオン・オフパルス制御する請求項１から９の何れか一項に記載の電子制御装置。
12. 前記酸素濃度センサの温度を調整するためのヒータを制御するヒータ制御部（１７）をさらに備え、
    前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第２インピーダンス値（Ｒａ、Ｒａａ）以上のときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータを常時オン制御し、
    前記インピーダンス演算部により演算されたインピーダンスが所定の第２インピーダンス値よりも低いときには、前記ヒータ制御部は前記ヒータへの通電をオン・オフパルス制御するものであり、
    前記第２インピーダンス値は前記第１インピーダンス値よりも低く設定されている請求項５または７記載の電子制御装置。

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