JP3985590B2

JP3985590B2 - ガス濃度センサのヒータ制御装置

Info

Publication number: JP3985590B2
Application number: JP2002169060A
Authority: JP
Inventors: 聡羽田; 英一黒川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-06-10
Also published as: US20030019486A1; JP2003107041A; US6578563B2; DE10234199B4; DE10234199A1

Description

【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関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば自動車用エンジンにおいては、一般にＡ／Ｆセンサ等のガス濃度センサによる検出結果に基づき空燃比制御が実施される。ガス濃度センサはジルコニア製の固体電解質体を用いたセンサ素子を有し、このセンサ素子により空燃比（酸素濃度）を精度良く検出するにはセンサ素子の温度を所定の活性温度に維持する必要がある。通常は同センサにヒータを内蔵しヒータの通電量（デューティ比）を制御している。こうしたヒータ制御の手法として、例えばヒータへの供給電力を制御したり、センサ素子の活性温度相当の目標値に素子抵抗をフィードバック制御したりするものが知られている。
【０００３】
より具体的には、ガス濃度センサの早期活性のために、エンジン始動当初は最大通電量（例えばデューティ比１００％）でヒータを通電し、その後、素子抵抗の検出値と目標値との偏差に応じてフィードバック制御を実施するものが知られている。フィードバック制御としては一般に、比例項や積分項等を用いた制御が実施される。この場合、ガス濃度センサの活性途中（昇温途中）では素子抵抗の偏差が大きく、積分項が次第に増大する。従って、素子抵抗が目標値に到達した時には、過剰な積分値の蓄積により素子抵抗が目標値に対してオーバーシュートする。オーバーシュートが発生すると、その分センサ素子の温度が過剰に上昇する。これにより、センサ素子が過熱に至り、素子の損傷を招くおそれが生ずる。
【０００４】
また、ガス濃度センサが一旦活性化した後でも、排ガス温度の変化などの温度環境の急激な変化が生じると、フィードバック制御が追従できず、やはりセンサ素子の過熱やそれに伴う素子損傷のおそれが生ずる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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、センサ素子の過剰な温度上昇を抑制し、ひいてはセンサ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】
請求項１に記載の発明では、素子抵抗検出手段によりガス濃度センサの素子抵抗が検出される。ヒータ制御量算出手段により、素子抵抗の検出値と目標値との偏差に基づき積分項が算出され、更にその積分項を用いてヒータ制御量が算出される。そして、前記算出されたヒータ制御量によりヒータ通電が制御される。また特に、前記ヒータ制御量算出手段によれば、センサ活性化に際し素子抵抗が活性途中の所定値に達するまでは積分項の増加を抑えるよう制限を加えてヒータ制御量が算出され、素子抵抗が前記所定値に達した以後、積分項の制限を解除しヒータ制御量が算出される。
【０００７】
要するに、例えばガス濃度センサの冷間状態からヒータ通電が開始される場合、前述の通り積分項が過剰に蓄積されると、素子抵抗が目標値に到達する際にオーバーシュートを招き、センサ素子の過熱により素子破壊等を招くおそれが生じる。これに対し本発明では、センサ活性途中において積分項の算出が制限されるため、素子抵抗が目標値に到達する際のオーバーシュートが防止できる。その結果、センサ素子の過剰な温度上昇を抑制し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。
【０００８】
なお本明細書において、「ガス濃度センサの活性途中」とは、ガス濃度センサが冷間状態から活性化される途中を意味するだけでなく、ガス濃度センサが一旦活性化されたものの素子温低下により非活性となり、再度活性化される途中をも意味するものである。
【０００９】
ヒータ制御量算出手段としてより具体的には、以下の請求項２〜６の発明が適用できる。すなわち、
・請求項２の発明では、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達するまでは積分項を使わずにヒータ制御量を算出する。
・請求項３の発明では、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達するまでは素子抵抗の偏差に応じた比例項を用いてヒータ制御量を算出し、前記所定値に達した後は比例項及び積分項を用いてヒータ制御量を算出する。
・請求項４の発明では、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達するまでは積分項のゲインを０の値に制限する。
・請求項５の発明では、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達した時に積分項のリセットを行う。
・請求項６の発明では、積分項の最大値を所定のガード値で制限する。
【００１０】
上記請求項２〜６の発明では何れも、センサ活性途中において適切なヒータ通電制御が実施できる。因みに、上記請求項５では、積分項を０又は０付近の値にリセットすれば良い。
【００１１】
また、請求項７に記載の発明では、ガス濃度センサの起動当初にヒータを最大通電量又はその付近で通電する昇温時ヒータ制御手段を備え、この昇温時ヒータ制御手段による通電制御の後、前記ヒータ制御量算出手段により算出したヒータ制御量での通電制御に移行する。これにより、ガス濃度センサの早期活性化を図ることができる。
【００１２】
また、請求項８に記載の発明では、前記ヒータ制御量算出手段は、素子抵抗の目標値付近に設定した制御範囲に対し素子抵抗の検出値が素子温上昇側に外れた場合、積分項のゲイン又は比例項のゲインの少なくとも何れかを上げる。この場合、前記制御範囲よりも高温側領域において素子抵抗値の収束性が向上し、センサ素子の過剰な温度上昇が抑制できる。故に本発明では、センサ活性時におけるセンサ素子の過熱防止に加え、活性後のセンサ素子の過熱防止も図ることができる。
【００１５】
また、ガス濃度センサは、図７に示す温度特性を有し、素子抵抗（素子インピーダンス）はその大小に応じて素子温度に対する感度が相違する。そこで、請求項９に記載したように、素子抵抗の偏差に基づくフィードバック制御範囲内において、センサ素子の温度特性に基づき、素子抵抗が小さいほど積分項のゲイン又は比例項のゲインの少なくとも何れかを上げると良い。
【００２０】
特に、前記ガス濃度センサが車載エンジンから排出される排ガス成分を検出するための排ガスセンサである場合（請求項１０）、エンジン運転状態に応じて排ガス温度が変動し、ガス濃度センサの温度環境が大きく変わる。かかる場合、本発明が特に有効に活用でき、所望のセンサ活性化制御が実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を空燃比検出装置として具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載されるガソリンエンジンに適用されるものであって、空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置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。また、空燃比制御装置においては、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の検出結果を用い排ガス中の酸素濃度から空燃比を検出することとしており、該Ａ／Ｆセンサを活性状態に保つべく、素子インピーダンス（素子抵抗）を検出すると共にセンサ内蔵のヒータを通電制御する。以下、詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す全体構成図である。図１において、空燃比検出装置１５は、その内部演算の中枢をなすマイクロコンピュータ（以下、マイコン２０という）を備え、マイコン２０は燃料噴射制御や点火制御等を実現するためのエンジン制御ＥＣＵ１６に対して相互に通信可能に接続されている。Ａ／Ｆセンサ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、マイコン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。
【００２３】
マイコン２０は、各種の演算処理を実行するための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御回路２４やヒータ制御回路２６を制御する。マイコン２０は、バッテリ電源＋Ｂの給電を受けて動作する。
【００２４】
Ａ／Ｆセンサ３０は、固体電解質体を有するセンサ素子にヒータを積層して配置し、これら固体電解質体とヒータとを一体化してなる、いわゆる積層型センサにて構成されている。以下、Ａ／Ｆセンサ３０のセンサ素子構造について図２を用いて説明する。なお、センサ素子は長尺状をなし、図２には長手方向に直交する方向での断面構造を示す。
【００２５】
Ａ／Ｆセンサ３０において、部分安定化ジルコニアよりなる酸素イオン導電性の固体電解質体３１は長方形板状をなしており、その一方の面には排ガス側電極３２が設けられ、他方の面には基準ガス室３７と対面する基準ガス側電極３３が設けられている。固体電解質体３１には、気孔率１０％程度のアルミナセラミックよりなる多孔質拡散抵抗層３４と、緻密でガスシール性のアルミナセラミックよりなるガス遮蔽層３５とが積層されている。
【００２６】
また、固体電解質体３１には、電気絶縁性を有し且つ緻密でガスを透過させないアルミナセラミックよりなるスペーサ３６が積層されており、スペーサ３６には、基準ガス室３７として機能する溝部３６ａが設けられている。また、スペーサ３６にはヒータ基板３８が積層され、そのヒータ基板３８に、通電により発熱するヒータ（抵抗素子）３９が設けられている。
【００２７】
前記図１の説明に戻る。図１において、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はマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換された後、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２２に入力される。そして、ＬＰＦ２２にてアナログ信号Ｖｂの高周波成分が除去された出力電圧Ｖｃはバイアス制御回路２４に入力される。バイアス制御回路２４は、Ａ／Ｆ検出時には所定の印加電圧特性に基づきその時々のＡ／Ｆ値に対応した電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加し、素子インピーダンス検出時には所定周波数信号よりなる単発的で且つ所定の時定数を持った電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加する。
【００２８】
バイアス制御回路２４内の電流検出回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧印加時にそれに伴って流れる電流値を検出する。電流検出回路２５にて検出された電流値のアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。また、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ３９は、ヒータ制御回路２６によりその動作が制御される。つまり、ヒータ制御回路２６は、マイコン２０からの指令に従い、Ａ／Ｆセンサ３０の素子インピーダンスに応じてヒータ３９への通電をデューティ制御する。
【００２９】
次に、上記の如く構成される空燃比検出装置１５の作用を説明する。
図３は、マイコン２０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン２０への電源投入に伴い起動される。
【００３０】
図３において、先ずステップ１００では、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ値の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にステップ１１０に進み、Ａ／Ｆ値の検出処理を実施する。このＡ／Ｆ値の検出処理では、その時々のセンサ電流に応じた印加電圧を設定すると共に、その電圧をＡ／Ｆセンサ３０の電極３２，３３間に印加し、その時のセンサ電流を電流検出回路２５により検出する。そして、該検出したセンサ電流をＡ／Ｆ値に変換する。
【００３１】
Ａ／Ｆ値の検出後、ステップ１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＺＡＣの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステップ１３０で素子インピーダンスＺＡＣを検出すると共に、続くステップ１４０でヒータ通電制御を実施する。素子インピーダンスＺＡＣの検出処理、ヒータ通電制御については後で詳しく説明する。
【００３２】
次に、前記図３のステップ１３０における素子インピーダンスＺＡＣの検出手順を図４を用いて説明する。なお本実施の形態では、素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、掃引法を用いていわゆる「交流インピーダンス」を求めることとしている。
【００３３】
図４において、先ずステップ１３１では、バイアス指令信号Ｖｒを操作し、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対して電圧を正側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で単発的に変化させる。また、ステップ１３２では、その時の電圧変化量ΔＶと電流検出回路２５により検出したセンサ電流の変化量ΔＩとを読み取る。続くステップ１３３では、前記ΔＶ値及びΔＩ値から素子インピーダンスＺＡＣを算出し（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）、その後元の図３のルーチンに戻る。
【００３４】
上記の処理によれば、前記図１のＬＰＦ２２並びにバイアス制御回路２４を介し、所定の時定数を持たせた電圧が単発的にＡ／Ｆセンサ３０に印加される。その結果、当該電圧の印加から所定時間経過後に電流変化量ΔＩ（ピーク電流）が検出され、その時の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスＺＡＣが検出される（ＺＡＣ＝ΔＶ／ΔＩ）。かかる場合、ＬＰＦ２２を介して単発的な電圧をＡ／Ｆセンサ３０に印加することにより、過度なピーク電流の発生が抑制され、信頼性の高い素子インピーダンスＺＡＣが検出できる。
【００３５】
上記の如く求められる素子インピーダンスＺＡＣは、素子温に対して図７に示す関係を有する。すなわち、素子温が低いほど、素子インピーダンスＺＡＣは飛躍的に大きくなる。なお上記構成では、インピーダンス検出に際し、センサ印加電圧を一時的に切り換えたが、これに代えて、センサ素子に流れる電流を一時的に切り換えても良く、何れにしてもその都度の電流変化量と電圧変化量とから素子インピーダンスが検出される。
【００３６】
次に、ヒータ通電制御の概要を説明する。本実施の形態では、素子インピーダンスＺＡＣの検出値と目標値との偏差に応じてヒータ通電をＦ／Ｂ制御することとしており、基本的には、比例項（Ｐ項）と積分項（Ｉ項）とを算出しその算出値に基づいてＰＩ制御を実施する。また特に素子インピーダンスＺＡＣに応じて比例項・積分項のゲインを可変に設定する。なお、制御手法としては上記比例項、積分項に微分項を加えたＰＩＤ制御手法を用いることも可能であるが、本実施の形態では便宜上、ＰＩ制御手法を用いた適用例を説明する。
【００３７】
ここで、積分項ゲインと比例項ゲインの設定の概要を図８を用いて説明する。つまり、図８（ａ），（ｂ）に示すように、素子インピーダンスＺＡＣの目標値を「ＺＡＣｔｇ」とした時、その目標値付近にはインピーダンス制御範囲が設定されている。例えば、目標値ＺＡＣｔｇを２８Ωとした時、インピーダンス制御範囲は２６〜３０Ωの範囲（ＺＡＣｔｇ±２Ω）で設定される。この場合、インピーダンス制御範囲よりも低インピーダンス側（高温側）では、素子温の過剰な上昇を抑えるべく積分項ゲイン、比例項ゲインが大きな値に設定される。図のＴＨ１は、インピーダンス制御範囲の下限値であり、ゲイン切り替えのしきい値でもある（本実施の形態では、ＴＨ１＝２６Ω）。但し、ＰＩ制御に際し、積分項ゲイン、比例項ゲインの少なくとも何れか一方を大きくすれば良い。
【００３８】
また、図８（ａ）中のしきい値ＴＨ２は、センサ活性途中のインピーダンス降下時（すなわち、素子温上昇時）に通過するインピーダンス値であり、このしきい値ＴＨ２よりも高インピーダンス側（低温側）では積分項ゲインが０若しくは極小さな値に制限される（本実施の形態では、ＴＨ２＝４８Ω）。
【００３９】
要するに、本実施の形態では上記図８の関係を考慮してヒータ通電のＦ／Ｂ制御を実施し、センサ起動時を含め素子インピーダンスＺＡＣが変化する際、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の形態でヒータＦ／Ｂ制御が適宜実施される。但し下記の数式においてＫｐ１，Ｋｐ２は比例定数（比例項ゲイン）であり、Ｋｐ２はＫｐ１の約２倍程度の定数である。Ｋｉは積分定数（積分項ゲイン）である。
（Ａ）素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ２（４８Ω）以上の場合、積分項は使わず比例項のみでヒータ３９の駆動Ｄｕｔｙ（ヒータ制御量）が算出される。つまり、
【００４０】
【数１】

により駆動Ｄｕｔｙが算出される。
（Ｂ）素子インピーダンスＺＡＣがＴＨ１〜ＴＨ２（２６〜４８Ω）の場合、比例定数Ｋｐ１、積分定数Ｋｉを用いて駆動Ｄｕｔｙが算出される。つまり、
【００４１】
【数２】

により駆動Ｄｕｔｙが算出される。
（Ｃ）素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ１（２６Ω）以下の場合、比例定数Ｋｐ２、積分定数Ｋｉを用いて駆動Ｄｕｔｙが算出される。つまり、
【００４２】
【数３】

により駆動Ｄｕｔｙが算出される。
【００４３】
次いで、マイコン２０によるヒータ通電の制御手順を図５のフローチャートを用いて説明する。なおこの図５の処理は、前記図３のステップ１４０で呼び出されるサブルーチンである。
【００４４】
図５において、先ずステップ１４１では、昇温時ヒータ制御の実施条件を判定する。具体的には、素子インピーダンスＺＡＣが所定のしきい値ＴＨ３（例えば６５Ω）以上であるか否か、或いはエンジン始動時からの経過時間が所定時間前であるか否かを判別する。例えば、エンジン始動直後でありＡ／Ｆセンサ３０の素子温が未だ低い場合には、素子インピーダンスＺＡＣがＴＨ３以上でありステップ１４１がＹＥＳとなる。この場合、ステップ１４２に進んで昇温時ヒータ制御を実施し、その後元の図３のルーチンに戻る。ステップ１４２では基本的に、デューティ比１００％の全通電制御が実施される。
【００４５】
また、素子温が上昇すると、ステップ１４１がＮＯとなる。この場合、ステップ１４３では、その時の素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ２（４８Ω）よりも小さいか否かを判別し、続くステップ１４４では、同じく素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ１（２６Ω）よりも小さいか否かを判別する。
【００４６】
ＺＡＣ≧ＴＨ２の場合、ステップ１４５に進み、積分項を使わずに駆動Ｄｕｔｙを算出する。すなわち、上記（１）式を用いて駆動Ｄｕｔｙを算出する。その後、ステップ１４９では、駆動Ｄｕｔｙのガード処理を実施し、元の図３のルーチンに戻る。駆動Ｄｕｔｙのガード処理では、図６（ｂ）に示すように、駆動Ｄｕｔｙが所定のガード値以上であるか否かを判別し（ステップ１４９ａ）、ＹＥＳであれば、駆動Ｄｕｔｙをガード値で制限する（ステップ１４９ｂ）。
【００４７】
また、ＴＨ１≦ＺＡＣ＜ＴＨ２の場合には、ステップ１４６で上記（２）式を用いて駆動Ｄｕｔｙを算出し、ＺＡＣ＜ＴＨ１の場合には、ステップ１４７で上記（３）式を用いて駆動Ｄｕｔｙを算出する。その後、ステップ１４８では、上記（２）式又は（３）式により算出した駆動Ｄｕｔｙのうち、積分項Ｄｕｔｙの値（ΣＫｉ（ＺＡＣｔｇ−ＺＡＣ））を対象にガード処理を実施する。更に続くステップ１４９では、駆動Ｄｕｔｙのガード処理を実施し、元の図３のルーチンに戻る。積分項Ｄｕｔｙのガード処理では、図６（ａ）に示すように、積分項Ｄｕｔｙの値が所定のガード値以上であるか否かを判別し（ステップ１４８ａ）、ＹＥＳであれば、積分項Ｄｕｔｙをガード値で制限する（ステップ１４８ｂ）。駆動Ｄｕｔｙ処理は、前述した図６（ｂ）の通りである。
【００４８】
上記ステップ１４８，１４９で使うガード値は、その都度の素子温のレベルに応じて個々に設定されると良い。一例として、素子インピーダンスＺＡＣが制御範囲から低インピーダンス側（高温側）に外れた場合（ステップ１４４がＹＥＳの場合）、ガード値を下げると良い。
【００４９】
因みに、Ａ／Ｆセンサ３０が一旦活性化された後に、排ガス温度の低下等により素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ２（４８Ω）以上に増大する場合、すなわち不活性状態となる場合も考えられる。かかる場合、ヒータ通電によるＡ／Ｆセンサ３０の再活性化に際し、素子インピーダンスＺＡＣが再度しきい値ＴＨ２（４８Ω）未満となる時に、それまで蓄積されている積分項をリセットすると良い。具体的には、ＺＡＣ＜ＴＨ２となった時点で（ステップ１４３がＹＥＳとなる初回に）、積分項を０又は０付近の値にリセットする。
【００５０】
なお本実施の形態では、図３のステップ１３０（図４の処理）が特許請求の範囲に記載した「素子抵抗検出手段」に、図５のステップ１４５〜１４７が同「ヒータ制御量算出手段」に、図５のステップ１４２が同「昇温時ヒータ制御手段」にそれぞれ相当する。また、しきい値ＴＨ２が「センサ活性途中の所定値」に相当する。
【００５１】
図９は、エンジン始動時（センサ起動時）における駆動Ｄｕｔｙ、積分項Ｄｕｔｙ、素子インピーダンスＺＡＣの変化を示すタイムチャートである。
さて図９では、エンジン始動当初は駆動Ｄｕｔｙ＝１００％の全通電制御が実施され、ＺＡＣ≦ＴＨ３（６５Ω）となるｔ１のタイミング以降、ヒータ通電Ｆ／Ｂ制御が開始される。詳しくは、ｔ１直後には比例項のみを用いて駆動Ｄｕｔｙが算出され、積分項Ｄｕｔｙは０のまま保持される。そして、ＺＡＣ＜ＴＨ２となるｔ２のタイミングでは、積分項の算出が開始される。つまり、ｔ２以降、比例項及び積分項によるＰＩ制御が開始される。また、ｔ１〜ｔ３の期間では駆動Ｄｕｔｙがガードされ、ｔ３のタイミングでは素子インピーダンスＺＡＣが目標値ＺＡＣｔｇを下回るため偏差の向きが変わり、それ以降駆動Ｄｕｔｙがガード値から離れる。
【００５２】
かかる場合、センサ活性途中（昇温途中）では積分項が過剰に増え、素子インピーダンスＺＡＣが目標値ＺＡＣｔｇに到達する際にオーバーシュートを招く原因となるが、本実施の形態では、積分項の算出が制限されるために目標到達時のオーバーシュートが防止できる。
【００５３】
なお、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化後に燃料カットが行われると、排気温の低下に伴い一時的に素子温が低下するが、その際にはそれまでの積分項と比例項とによりＤｕｔｙの算出が行われる。それ故、こうした一時的な温度変化時にもヒータ制御性が確保できる。
【００５４】
以上詳述した本実施の形態によれば、Ａ／Ｆセンサ３０が活性化される際のセンサ素子の過剰な温度上昇を抑制し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。
【００５５】
また、Ａ／Ｆセンサ３０が一旦活性化された後に、例えば排ガス温度（センサ周辺温度）の上昇等により素子インピーダンスＺＡＣが制御範囲を外れる場合、比例項のゲインを上げることで素子インピーダンスＺＡＣが目標値にいち早く復帰する。故に本実施の形態では、センサ活性時におけるセンサ素子の過熱防止に加え、活性化後のセンサ素子の過熱防止も図ることができる。
【００５６】
（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。図１０は、本実施の形態におけるヒータ制御手順を示すフローチャートであり、この処理は前述の図５の処理に置き換えて実施される。
【００５７】
図１０において、先ずステップ１６１，１６２では、前記図５同様、昇温時ヒータ制御の実施条件が成立することを条件に昇温時ヒータ制御（デューティ比１００％の全通電制御）を実施する。
【００５８】
また、昇温時制御を抜けると、ステップ１６３では、その時の素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ１（２６Ω）よりも小さいか否かを判別する。ＺＡＣ≧ＴＨ１の場合には、ステップ１６４で上記（２）式を用いて駆動Ｄｕｔｙを算出し、ＺＡＣ＜ＴＨ１の場合には、ステップ１６５で上記（３）式を用いて駆動Ｄｕｔｙを算出する。
【００５９】
その後、ステップ１６６では、上記算出した駆動Ｄｕｔｙのうち、積分項Ｄｕｔｙの値（ΣＫｉ（ＺＡＣｔｇ−ＺＡＣ））を対象にガード処理を実施する。続くステップ１６７では、駆動Ｄｕｔｙのガード処理を実施する。ステップ１６６，１６７の詳細は、前記図６に示す通りである。なお本実施の形態では、図１０のステップ１６４，１６５が特許請求の範囲に記載した「ヒータ制御量算出手段」に相当し、ステップ１６２が同「昇温時ヒータ制御手段」に相当する。
【００６０】
図１１は、エンジン始動時（センサ起動時）における駆動Ｄｕｔｙ、積分項Ｄｕｔｙ、素子インピーダンスＺＡＣの変化を示すタイムチャートである。
さて図１１では、前記図９と同様、エンジン始動当初は駆動Ｄｕｔｙ＝１００％の全通電制御が実施され、ＺＡＣ≦ＴＨ３（６５Ω）となるｔ１１のタイミング以降、ヒータ通電Ｆ／Ｂ制御が開始される。この場合、ｔ１１のタイミングでは積分項（積分項Ｄｕｔｙ）の算出が開始され、比例項及び積分項によるＰＩ制御が開始される。但し、目標到達時のオーバーシュートの発生を抑制すべく、積分項Ｄｕｔｙの最大値は所定のガード値で制限される。ｔ１２のタイミングでは素子インピーダンスＺＡＣが目標値ＺＡＣｔｇを下回るため偏差の向きが変わり、それ以降積分項Ｄｕｔｙ、駆動Ｄｕｔｙがガード値から離れる。
【００６１】
以上詳述した本実施の形態によれば、前述の第１の実施の形態と同様に、Ａ／Ｆセンサ３０が活性化される際のセンサ素子の過剰な温度上昇を抑制し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。
【００６２】
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０が非活性状態から活性状態に移行する際に、素子インピーダンスの目標値を２段階に設定するものであり、その２つの目標値は、「最終的な目標値ＴＧ１」と「別の目標値ＴＧ２」である。実際には、ＴＧ１＝２８Ω程度であるのに対し、目標値ＴＧ２は、目標値ＴＧ１よりも高インピーダンス側（すなわち低温側）に設定され、例えばＴＧ２＝ＴＧ１＋５Ω程度、すなわちＴＧ２＝３３Ω程度である。なお、本実施の形態においても既述の構成が適用できる（図１，図２等）。
【００６３】
図１２は、エンジン始動時における素子インピーダンスＺＡＣの変化を示すタイムチャートである。
図１２において、センサ素子の昇温に際し当初は目標値としてＴＧ２が設定され、素子インピーダンスＺＡＣは目標値ＴＧ２になるよう昇温される。このとき、素子インピーダンスＺＡＣが目標値ＴＧ２に到達すると、一旦オーバーシュートし、再度目標値ＴＧ２に達する（タイミングｔａ，ｔｂ）。タイミングｔｂでは、目標値がＴＧ２からＴＧ１に切り替えられる。これにより、タイミングｔｂ以後、素子インピーダンスＺＡＣが目標値ＴＧ１に収束する。
【００６４】
なお、目標値をＴＧ２からＴＧ１に切り替えるタイミングは、素子インピーダンスＺＡＣがＴＧ２に達した後、所定時間（例えば数秒程度）が経過したタイミングであっても良い。
【００６５】
以上第３の実施の形態によれば、素子インピーダンスＺＡＣは別の目標値ＴＧ２に対してオーバーシュートするが、最終的な目標値ＴＧ１に対してはオーバーシュートすることなく収束する。従って、上記実施の形態と同様に、Ａ／Ｆセンサ３０が活性化される際のセンサ素子の過剰な温度上昇を抑制し、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができるようになる。
【００６６】
前記別の目標値ＴＧ２は、最終的な目標値ＴＧ１に対して＋１０Ωの範囲内にあれば良い。最終的な目標値ＴＧ１に対してどれだけ離して別の目標値ＴＧ２を設定するかは、オーバーシュート量などを考慮して定められれば良い。
【００６７】
また、別の目標値ＴＧ２として、２つ以上の目標値を設定することも可能である。例えば、最終的な目標値が２８Ωの場合に、３４Ω→３１Ω→２８Ωの順に目標値を切り替えることなどが可能である。
【００６８】
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の実施の形態では、センサ活性化に際し素子インピーダンスＺＡＣが所定のしきい値ＴＨ２に達するまでは積分項を使わずに駆動Ｄｕｔｙを算出することとし、これは積分項ゲインを０にすることと同意であるが、これに代えて、積分項ゲインを０付近の値に制限するようにしても良い。かかる場合にも、センサ活性化時において積分項に制限を加えられ、所望の効果が達せられる。
【００６９】
上記第１の実施の形態では、センサ活性化に際し比例項だけのＰ制御の開始後、素子インピーダンスＺＡＣがしきい値ＴＨ２に達したことを判定して比例項及び積分項によるＰＩ制御を開始したが、この構成を変更する。例えば、比例項だけのＰ制御の開始後、一定時間の経過後にＰＩ制御を開始する。ＰＩ制御を開始するタイミングは、実験結果等による見込みで行う。
【００７０】
上記各実施の形態では、インピーダンス制御範囲よりも低インピーダンス側（高温側）で比例項ゲインを上げるよう構成したが（上記図５のステップ１４６，１４７）、これに代えて、積分項ゲインを上げるようにしても良い。又は、比例項ゲイン及び積分項ゲインを共に上げるようにしても良い。
【００７１】
また、Ａ／Ｆセンサ３０において、素子インピーダンスＺＡＣはその大小に応じて素子温度に対する感度が相違する（図７参照）。そこで、素子インピーダンスのＦ／Ｂ制御範囲内において、センサ素子の温度特性に基づき、素子インピーダンスＺＡＣが小さいほど積分項のゲイン又は比例項のゲインの少なくとも何れかを上げるようにしても良い。つまりこのとき、積分項のゲイン、比例項のゲイン、又は積分項のゲイン＋比例項のゲインの何れかを上げる。図７で言えば、積分項ゲイン、比例項ゲインが総じて左上がりの特性を持つよう構成すれば良い。
【００７２】
駆動Ｄｕｔｙを算出するための演算式として、素子インピーダンスＺＡＣをパラメータとする基本項を用いるようにしても良い。すなわち、素子インピーダンスＺＡＣが低いほど大きく、逆に素子インピーダンスＺＡＣが高いほど小さくなるようマップ或いは演算式にて基本項（基本Ｄｕｔｙ）を算出し、その基本項に比例項・積分項を加算して駆動Ｄｕｔｙを算出する（駆動Ｄｕｔｙ＝基本項＋比例項＋積分項）。
【００７３】
かかる場合、センサ活性化に際し素子インピーダンスが活性途中の所定値に達するまでは、基本項のみで駆動Ｄｕｔｙを算出し、その後、素子インピーダンスが前記所定値に達すると、基本項に積分項を加算して駆動Ｄｕｔｙを算出するようにしても良い。
【００７４】
本発明に適用可能なガス濃度センサは上記図２のＡ／Ｆセンサに限定されず、それ以外に図１３や図１４の構成のセンサを適用する。この場合、検出セルは複数個有するものであっても良い。また、排ガス中のＮＯｘ濃度、ＨＣ濃度、ＣＯ濃度等を検出するガス濃度センサであっても良い。
【００７５】
図１３のＡ／Ｆセンサ１００は、酸素ポンプセル１０１、酸素センサセル１０２及び加熱シート１０３を有し、それらが適宜スペーサ１０４，１０５等を介して積層配置されている。酸素ポンプセル１０１は、シート状の固体電解質体１２１と、その両面に配置された一対のポンプ電極１２２，１２３とから構成される。また、酸素センサセル１０２は、同様にシート状の固体電解質体１２４と、その両面に配置された一対のセンサ電極１２５，１２６とから構成される。
【００７６】
スペーサ１０４，１０５はセラミック等の絶縁材料にて形成され、各々に排ガスを導入する測定ガス室１２７と、大気を導入する基準ガス室１２８とが形成されている。加熱シート１０３は、図の上下２枚の絶縁シート１３１，１３２とその間に印刷されたヒータ（抵抗素子）１３３とを有する。
【００７７】
上記構成のＡ／Ｆセンサ１００では、拡散通路１２９を介して測定ガス室１２７内に排ガスが導入され、酸素ポンプセル１０１は測定ガス室１２７内の酸素濃度に応じた電流を出力する。これにより、排ガスの酸素濃度が検出される。また、酸素センサセル１０２は、測定ガス室１２７に導入した排ガスの酸素濃度に応じた起電力を発生し、その起電力が一定となるように、ポンプ電極１２２，１２３間に電圧が印加される。
【００７８】
別のセンサ構造を図１４に示す。図１４では、センサ素子の縦断面を（ａ）に示し、（ａ）のＢ−Ｂ線断面を（ｂ）に示す。図１４のガスセンサ１５０は、酸素ポンプセル１５１、酸素センサセル１５２及び酸素濃淡電池１５３を備えており、酸素ポンプセル１５１を構成する固体電解質体１５４と、酸素センサセル１５２及び酸素濃淡電池１５３を構成する固体電解質体１５５とが積層配置されている。また更に、固体電解質体１５５には別の固体電解質体１５６が積層されている。固体電解質体１５４，１５５の間には拡散抵抗層１５７が設けられ、固体電解質体１５４，１５５と拡散抵抗層１５７とに囲まれて測定ガス室１５８が形成されている。測定ガス室１５８には拡散抵抗層１５７を介して排ガスが導入される。
【００７９】
酸素ポンプセル１５１は、固体電解質体１５４の両面に形成された一対の電極１６１，１６２を有し、酸素センサセル１５２は、固体電解質体１５５の両面に形成された一対の電極１６３，１６４を有する。また、酸素濃淡電池１５３は、固体電解質体１５５上で何れも測定ガス室１５８側に形成された一対の電極１６５，１６６を有する。つまり、図１４（ｂ）に示すように、電極１６３，１６５，１６６は同一の固体電解質体１５５上に形成されている。但し、酸素濃淡電池１５３の電極１６５，１６６は、一方が触媒活性度の高い活性電極であり、他方が触媒不活性である不活性電極である。ヒータユニット１７０は、抵抗素子であるヒータ１７１を有し、酸素ポンプセル１５１の外側に接合される。
【００８０】
上記図１４のガスセンサ１５０では、酸素ポンプセル１５１にて排ガス中の酸素濃度が検出される。酸素センサセル１５２には測定ガス室１５８内の酸素濃度に応じた起電力が発生し、この起電力が一定となるように、酸素ポンプセル１５１の電極１６１，１６２間に電圧が印加される。このとき、酸素濃淡電池１５３では、酸素消費量が活性電極１６５側で大きいことから、不活性電極１６６近傍における酸素濃度は活性電極１６５近傍の酸素濃度より高くなる。そのため、酸素濃淡電池１５３を構成する一対の電極１６５，１６６間には、不活性電極１６６側を正とし、排ガス中の所定可燃性ガスの濃度に応じた濃淡電池起電力が発生する。これにより、排ガス中の所定の可燃性ガス濃度が検出できる。
【００８１】
また、排ガス以外のガスを被測定ガスとすることも可能である。何れにしても、固体電解質体を用いたセンサ素子と、該センサ素子を活性状態に過熱するためのヒータを有するガス濃度センサであれば本発明が適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図。
【図２】センサ素子の要部断面図。
【図３】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図４】素子インピーダンスの検出手順を示すフローチャート。
【図５】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図６】（ａ），（ｂ）はＤｕｔｙガード処理を示すフローチャート。
【図７】素子インピーダンスと素子温との関係を示す図。
【図８】（ａ）は積分項ゲインを、（ｂ）は比例項ゲインを示す図。
【図９】エンジン始動時におけるＤｕｔｙ及び素子インピーダンスの推移を示すタイムチャート。
【図１０】第２の実施の形態におけるヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図１１】エンジン始動時におけるＤｕｔｙ及び素子インピーダンスの推移を示すタイムチャート。
【図１２】エンジン始動時における素子インピーダンスの推移を示すタイムチャート。
【図１３】別のガス濃度センサを示す断面図。
【図１４】（ａ），（ｂ）は別のガス濃度センサを示す断面図。
【符号の説明】
１０…エンジン、１５…空燃比検出装置、２０…マイコン、３０…Ａ／Ｆセンサ、３１…固体電解質体、３９…ヒータ、１００…Ａ／Ｆセンサ、１３３…ヒータ、１５０…ガスセンサ、１７１…ヒータ。

Claims

固体電解質体を用いたセンサ素子、並びに該センサ素子を活性状態に加熱するためのヒータ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を検出する素子抵抗検出手段と、
素子抵抗の検出値と目標値との偏差に基づき積分項を算出し、その積分項を用いてヒータ制御量を算出するヒータ制御量算出手段とを備え、前記算出したヒータ制御量によりヒータ通電を制御するガス濃度センサのヒータ制御装置において、
前記ヒータ制御量算出手段は、センサ活性化に際し素子抵抗が活性途中の所定値に達するまでは積分項の増加を抑えるよう制限を加えてヒータ制御量を算出し、素子抵抗が前記所定値に達した以後、積分項の制限を解除しヒータ制御量を算出することを特徴とするガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ヒータ制御量算出手段は、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達するまでは積分項を使わずにヒータ制御量を算出する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ヒータ制御量算出手段は、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達するまでは素子抵抗の偏差に応じた比例項を用いてヒータ制御量を算出し、前記所定値に達した後は比例項及び積分項を用いてヒータ制御量を算出する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ヒータ制御量算出手段は、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達するまでは積分項のゲインを０の値に制限する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ヒータ制御量算出手段は、素子抵抗がセンサ活性途中の所定値に達した時に積分項のリセットを行う請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ヒータ制御量算出手段は、積分項の最大値を所定のガード値で制限する請求項１に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
ガス濃度センサの起動当初にヒータを最大通電量又はその付近で通電する昇温時ヒータ制御手段を備え、この昇温時ヒータ制御手段による通電制御の後、前記ヒータ制御量算出手段により算出したヒータ制御量での通電制御に移行する請求項１〜６の何れか一項に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ヒータ制御量算出手段は、素子抵抗の目標値付近に設定した制御範囲に対し素子抵抗の検出値が素子温上昇側に外れた場合、積分項のゲイン又は比例項のゲインの少なくとも何れかを上げる請求項１〜７の何れか一項に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
素子抵抗の偏差に基づくフィードバック制御範囲内において、センサ素子の温度特性に基づき、素子抵抗が小さいほど積分項のゲイン又は比例項のゲインの少なくとも何れかを上げる請求項１〜８の何れか一項に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。
前記ガス濃度センサは、車載エンジンから排出される排ガス成分を検出するための排ガスセンサである請求項１〜９の何れか一項に記載のガス濃度センサのヒータ制御装置。