JP3372150B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周囲雰囲気中の酸
素濃度に応じて抵抗値が変化するセンサ素子を用いて酸
素濃度を検出する抵抗値検出型の酸素濃度検出装置に関
し、特に、内燃機関等の各種燃焼機器の排気中の酸素濃
度から燃焼機器に供給された燃料混合気の空燃比を検出
するのに好適な酸素濃度検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置では、センサ素子と
して、チタニア等からなる金属酸化物半導体が使用され
ているが、このセンサ素子は、周囲の酸素濃度によって
抵抗値が変化するのと同時に、それ自身の温度によって
も抵抗値が変化する。即ち、負の温度係数を有して、そ
の温度（以下、素子温度という）が高いと抵抗値が低
く、逆に素子温度が低いと抵抗値が高くなる。従って、
この種の装置では、検出信号に対して何の補償もしない
場合には、酸素濃度を正確に検出することができないと
いった問題があった。

【０００３】そこで、こうした抵抗値検出型の酸素濃度
検出装置を用いて内燃機関に供給された燃料混合気の空
燃比がリッチかリーンかを判定する空燃比検出装置にお
いては、従来より、例えば特公昭６１−３３１２７号公
報に開示されているように、空燃比の判定基準を、検出
信号の最大値と最小値との中間値にセットして、空燃比
を正確に判定できるようにすると共に、その中間値に基
づき、センサ素子に直列接続される素子抵抗検出用の基
準抵抗器の抵抗値を変化させることにより、検出信号の
振れ幅（最大値−最小値）を大きくして、空燃比の検出
精度を向上するとか、例えば特開平１−２６７４４９号
公報に開示されているように、排気温度が高いときには
素子抵抗検出用の基準抵抗器の抵抗値を小さくし、排気
温度が低いときには基準抵抗器の抵抗値を大きくするこ
とにより、基準抵抗器の抵抗値を、素子温度の変化に伴
う素子抵抗の変化に応じて変化させ、検出信号が素子温
度の変化によって大きく変化しないようにする、といっ
たことが提案されている。

【０００４】しかし、特公昭６１−３３１２７号公報に
開示された装置は、検出信号の最大値と最小値との中間
値が素子温度に対応しているものとして、空燃比の判定
基準や基準抵抗器の抵抗値を変化させるものであるた
め、素子温度が安定している場合には、ある程度の効果
は得られるものの、素子温度（延いてはその抵抗値）が
変化すると、そのときの素子温度に対応した検出信号の
中間値を得ることができず、内燃機関の運転状態等によ
り素子温度が急変した場合には、正確な検出信号を得る
ことができないといった問題があった。

【０００５】また、特開平１−２６７４４９号公報に開
示された装置では、排気温度が素子温度に対応している
ものとして、基準抵抗器の抵抗値を変化させるものであ
るが、センサ素子は排気温度の影響を受けるものの、素
子温度と排気温度とは一致しないことから、基準抵抗器
の抵抗値を素子温度に応じて正確に変化させることがで
きず、正確な検出信号を得ることはできないといった問
題があった。また特に、この装置では、センサ素子に直
列接続される基準抵抗器として、抵抗値の異なる抵抗器
を複数（実施例では２個）設け、排気温度に応じて基準
抵抗器としてセンサ素子に接続する抵抗器を切り替える
ようにしているので、基準抵抗器の抵抗値を段階的にし
か変化させることはできず、排気温度と素子温度とが一
致している場合であっても、酸素濃度に対応した正確な
検出信号を得ることはできない。

【０００６】一方、こうした問題を解決し得る装置とし
て、例えば、特開平３−１８０７４８号公報に開示され
ているように、センサ素子と同一基板上にヒータを積層
し、そのヒータを通電してセンサ素子を加熱することに
より、素子温度を積極的に安定化させるようにしたもの
や、例えば、特開平５−２８８７１１号公報に開示され
ているように、素子温度を一定に保つために、ヒータに
正の温度係数の金属抵抗体を用いて、ヒータの抵抗値が
一定となるように（換言すれば素子温度が目標温度とな
るように）、ヒータの通電電流を制御するようにしたも
の、が提案されている。そして、この種の装置によれ
ば、ヒータを用いて素子温度を安定化させるので、酸素
濃度に対応した高精度の検出信号が得られるようにな
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この種の装置
では、ヒータによる加熱によって素子温度を安定化させ
るので、周囲雰囲気の温度上昇に伴い、素子温度が、ヒ
ータの通電制御による目標温度を越えてしまうと、検出
信号を温度補償することができなくなり、検出信号が実
際の酸素濃度とは異なる値になってしまうといった問題
があった。

【０００８】例えば、内燃機関の空燃比制御に用いられ
る酸素濃度検出装置では、その始動特性を向上するため
に、センサ素子を内燃機関に極めて近い位置に配置され
るようになってきており、内燃機関の運転条件によって
は、センサ素子に直接当たる排気の温度やセンサ素子が
取り付けられた排気管の温度が、センサ素子の目標温度
よりも高い高温に達することがある。そして、このよう
な場合には、ヒータによって素子温度を制御できなくな
るので、検出信号から排気中の酸素濃度（換言すれば空
燃比）を正確に検出することができなくなってしまうの
である。

【０００９】本発明は、こうした問題に鑑みなされたも
ので、センサ素子をヒータにより温度制御するようにし
た酸素濃度検出装置において、素子温度がヒータにより
制御可能な温度を越えた場合でも、その素子温度に影響
されることなく安定した検出信号が得られるようにする
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１に記載の発明は、負の温度係数を
有し、周囲雰囲気中の酸素濃度に応じて抵抗値が変化す
るセンサ素子と、正の温度係数を有し、該センサ素子を
加熱するヒータとを、同一基板上に積層してなる検出素
子部と、前記ヒータの抵抗値を検出し、該抵抗値が所定
の目標温度に対応した所定値となるように前記ヒータの
通電電流を制御して、前記検出素子部を目標温度に制御
するヒータ制御手段と、前記センサ素子に直列接続され
た基準抵抗器と、該センサ素子と基準抵抗器との直列回
路に直流電圧を印加する定電圧源とを備え、該センサ素
子と基準抵抗器との接続点電圧を、酸素濃度を表わす検
出信号として出力する検出手段と、を備えた酸素濃度検
出装置において、前記検出手段の基準抵抗器に補正抵抗
器を並列接続するスイッチング素子と、該スイッチング
素子を、所定デューティ比のパルス幅変調信号にてＯＮ
・ＯＦＦ制御するＰＷＭ制御手段と、前記ヒータ制御手
段にて検出された前記ヒータの抵抗値に基づき、該抵抗
値が高くなるほど前記スイッチング素子のＯＮ時間が長
くなるよう、前記パルス幅変調信号のデューティ比を設
定するデューティ比設定手段と、前記パルス幅変調信号
の周波数よりも低いカットオフ周波数を有し、前記検出
手段から出力される検出信号を信号処理するローパスフ
ィルタと、を設けたことを特徴とする。

【００１１】このように構成された請求項１に記載の酸
素濃度検出装置においては、ヒータ制御手段が、ヒータ
の抵抗値が所定の目標温度に対応した所定値となるよう
にヒータの通電電流を制御することにより、検出素子部
（延いてはセンサ素子）の温度を目標温度に制御する。
このため、センサ素子の温度（素子温度）は、通常、ヒ
ータの通電制御によって目標温度に制御され、検出手段
から出力される検出信号は、酸素濃度に対応した値とな
る。

【００１２】一方、検出素子部が配置される周囲温度が
高くなり、それに応じて検出素子部の温度が目標温度を
越えると、ヒータ制御手段によるヒータの通電制御で
は、もはや検出信号を温度補償することができなくな
り、検出手段から出力される検出信号は、素子温度に応
じて変化する。

【００１３】しかし、本発明では、センサ素子に直列接
続される素子抵抗検出用の基準抵抗器とは別に、スイッ
チング素子を介して並列接続可能な、基準抵抗器より低
い抵抗値をもつ補正抵抗器が設けられ、ＰＷＭ制御手段
が、このスイッチング素子を、所定デューティ比のパル
ス幅変調信号にてＯＮ・ＯＦＦ制御し、デューティ比設
定手段が、そのパルス幅変調信号のデューティ比を、ヒ
ータ制御手段にて検出されたヒータの抵抗値に基づき、
ヒータの抵抗値が高くなるほどスイッチング素子のＯＮ
時間が長くなるように設定する。

【００１４】従って、センサ素子には、パルス幅変調信
号のデューティ比に応じて、基準抵抗器と、基準抵抗器
及び補正抵抗器の並列回路とが、交互に直列接続される
ことになり、その抵抗値の平均（以下、比較抵抗とい
う）は、基準抵抗器の抵抗値を上限として、その上限値
から、基準抵抗器及び補正抵抗器の並列回路の抵抗値ま
での値となる。また、この比較抵抗は、パルス幅変調信
号のデューティ比により決定されるが、このデューティ
比は、デューティ比設定手段によって、ヒータの抵抗値
（延いてはセンサ素子の温度）が高くなるほど、スイッ
チング素子のＯＮ時間が長くなるように設定されるた
め、比較抵抗は、センサ素子の温度が高くなるほど（換
言すれば素子抵抗が小さくなるほど）小さくなる。つま
り、比較抵抗は、ＰＷＭ制御手段及びデューティ比設定
手段の動作により、センサ素子の素子抵抗に応じて変化
する。

【００１５】このため、本発明によれば、検出素子部が
温度上昇して、ヒータ制御手段によるヒータの通電制御
では素子温度を制御できなくなったとしても、検出手段
から出力される検出信号の平均値を、実際の酸素濃度に
対応した値に制御することができる。

【００１６】また、このように検出手段から出力される
検出信号の平均値は、酸素濃度に対応した値となるが、
この検出信号はパルス幅変調信号の周波数に応じて脈動
することから、その検出信号の絶対値からは酸素濃度を
検出することができない。そこで更に本発明では、パル
ス幅変調信号の周波数よりも低いカットオフ周波数を有
するローパスフィルタを設け、このローパスフィルタに
て、検出手段から出力される検出信号を信号処理するよ
うにしている。

【００１７】従って、本発明の酸素濃度検出装置によれ
ば、センサ素子の温度変化に影響されることなく、常に
酸素濃度に対応した検出信号を得ることができる。また
特に、本発明では、従来装置のように、センサ素子に直
列接続される基準抵抗器自体を変更したり、基準抵抗器
に補正抵抗器を単に並列接続するのではなく、基準抵抗
器に対する補正抵抗器の並列接続を、パルス幅変調信号
を用いたパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）によって行
い、しかも、パルス幅変調信号のデューティ比の設定に
は、素子温度に対応したヒータの抵抗値を用いるので、
センサ素子に直列接続される抵抗器の抵抗値（比較抵
抗）を、素子抵抗に対応した値に正確且つ応答遅れなく
設定することができ、酸素濃度を極めて高精度に検出す
ることができる。このため、本発明の酸素濃度検出装置
を、内燃機関等の空燃比制御装置に用いれば、空燃比の
制御精度を向上することが可能になる。

【００１８】なお、このように本発明の酸素濃度検出装
置を、内燃機関等の空燃比制御装置に用いる場合、パル
ス幅変調信号の周波数は、少なくとも、空燃比制御によ
り空燃比がリーン・リッチに反転する制御周波数（自動
車用内燃機関の場合、０．５〜３Ｈｚ程度となる）より
も大きくしておく必要があり、好ましくは、その制御周
波数に対して約１０００倍程度の周波数に設定すること
が望ましい。

【００１９】またこの場合、検出信号をフィルタ処理す
るローパスフィルタは、制御周波数の信号成分をカット
してしまうことのないよう、そのカットオフ周波数を、
制御周波数よりも高くパルス幅変調信号の周波数よりも
低い周波数に設定する必要があり、具体的には、制御周
波数の１０〜３０倍程度のカットオフ周波数とすること
が望ましい。

【００２０】ところで、本発明の酸素濃度検出装置にお
いて、上記ＰＷＭ制御手段により基準抵抗器に補正抵抗
器を並列接続する制御（以下、比較抵抗制御という）
は、ヒータの通電制御による検出信号の温度補償を更に
補うものであり、基本的には、ヒータの通電制御によっ
て温度補償できない領域、つまり素子温度が目標温度を
越えた領域、にて実行すればよい。しかし、実際には、
ヒータ通電電流を制御していても、被測定ガスの流れ等
によって、検出素子部の温度が目標温度から一時的に低
下することがある。例えば、検出素子部を内燃機関の排
気管に取り付けて空燃比を検出する場合、内燃機関の加
速時等には、排気の流れが急速になるので、その流れに
よって検出素子部が冷却され、素子温度が一時的に目標
温度から低下することがある。

【００２１】従って、こうした比較抵抗制御は、検出素
子部の温度が一時的に低下する領域でも実行することが
望ましく、そのためには、請求項２に記載のように、デ
ューティ比設定手段において、ヒータの抵抗値が、目標
温度よりも所定温度だけ低い温度に対応した抵抗値以上
であるときに、その抵抗値に応じてデューティ比を設定
するようにすればよい。つまり、このようにすれば、素
子温度が一時的に低下するような領域でも、比較抵抗制
御によって検出信号を温度補償することができ、酸素濃
度の検出精度をより向上することができるようになる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例として、自
動車用内燃機関の排気中の酸素濃度から内燃機関に供給
された燃料混合気の空燃比を検出する空燃比検出装置に
ついて説明する。

【００２３】まず図２は、内燃機関の排気管に図示しな
いハウジング等を介して取り付けられる検出素子部２の
構成を表わす。図２に示す如く、本実施例の検出素子部
２は、アルミナ等からなる平板状の電気絶縁性部材１０
の側面に、厚膜技術を用いて、電極パターン１２，１４
を形成すると共に、その周囲に、加熱用のヒータＨＴを
構成する発熱抵抗体パターン１６を形成し、このパター
ン面上に、電極パターン１２，１４の先端部を露出させ
るように設けた開口部１８ａを有し、電気絶縁性部材１
０と同材料でこれより薄肉に形成された平板状の電気絶
縁性部材１８を接合し、更に、その開口部１８ａに、セ
ンサ素子ＴＳを構成するチタニア等からなる金属酸化物
半導体２０を充填して、焼成することにより作製され
る。

【００２４】なお、発熱抵抗体パターン１６は、正の温
度係数を有する金属抵抗体からなり、電極パターン１
２，１４は、低抵抗の金属体からなる。また、発熱抵抗
体パターン１６の両端、及び電極パターン１２，１４の
金属酸化物半導体２０とは反対側端部には、夫々、外部
装置との接続のための図示しない電極端子が設けられ
る。

【００２５】次に、図１は、検出素子部２に設けられた
電極端子及びリード線等を介して、ヒータＨＴ及びセン
サ素子ＴＳに接続され、ヒータ通電及び空燃比の検出を
行う制御装置全体の構成を表わす概略構成図である。図
１に示す如く、ヒータＨＴには、内燃機関のイグニッシ
ョンスイッチＩＧ及びヒータ通電回路４を介してバッテ
リＢＴが接続され、センサ素子ＴＳには、酸素濃度（換
言すれば空燃比）検出用の検出回路６が接続されてい
る。

【００２６】ヒータ通電回路４は、イグニッションスイ
ッチＩＧのＯＮ時に、内燃機関制御用の電子制御装置
（以下、ＥＣＵという）内の中央処理装置（以下、ＣＰ
Ｕという）８から出力される制御信号ＰＷＭ１によりＯ
Ｎ・ＯＦＦされ、バッテリＢＴの正極側からヒータＨＴ
に至る通電経路を導通・遮断する、バイポーラトランジ
スタ，ＭＯＳ−ＦＥＴ等からなる半導体スイッチ４ａ
と、この半導体スイッチ４ａからヒータＨＴに至る通電
経路に設けられ、ヒータＨＴに流れる電流値を検出する
ための検出抵抗器ＲSH（抵抗値：１００ｍΩ程度）と、
から構成されている。

【００２７】このため、ヒータＨＴには、内燃機関が運
転されるイグニッションスイッチＩＧのＯＮ時に、半導
体スイッチ４ａがＯＮ状態にある時、検出抵抗器ＲSHを
介して電流が流れ、この電流に応じてヒータＨＴが発熱
して、センサ素子ＴＳを含む検出素子部２全体の温度が
上昇することになる。

【００２８】一方、検出回路６は、バッテリ電圧から定
電圧を生成する図示しない定電圧回路からの出力電圧Ｖ
ｃをセンサ素子ＴＳの一端に印加し、他端を基準抵抗器
Ｒｃを介して接地することにより、センサ素子ＴＳに電
流を流すようにされている。また、センサ素子ＴＳと基
準抵抗器Ｒｃとの接続点には、カットオフ周波数５０Ｈ
ｚ程度のローパスフィルタ（以下、ＬＰＦという）６ａ
が設けられ、その接続点電圧をＬＰＦ６ａにてフィルタ
処理した検出信号Ｖｓを生成し、これをＣＰＵ８に出力
するようにされている。

【００２９】また、センサ素子ＴＳと基準抵抗器Ｒｃと
の接続点には、補正抵抗器ＲA の一端が接続され、更
に、この補正抵抗器ＲA の他端には、エミッタ接地され
たＮＰＮ型のトランジスタＴＲ１（本発明のスイッチン
グ素子に相当）のコレクタが接続されている。そして、
このトランジスタＴＲ１のベースは、抵抗器Ｒ１を介し
てＣＰＵ８に接続されると共に、抵抗器Ｒ２を介して接
地されている。なお、これは、ＣＰＵ８から出力される
制御信号ＰＷＭ２により、トランジスタＴＲ１をＯＮ・
ＯＦＦさせて、基準抵抗器Ｒｃに対して補正抵抗器ＲA
を並列接続するか否かを切り替えるためである。

【００３０】次に、ＥＣＵは、イグニッションスイッチ
ＩＧを介してバッテリＢＴから電源供給を受けることに
より動作し、例えば、検出回路６から出力される検出信
号Ｖｓに基づき、内燃機関に供給された燃料混合気の空
燃比がリーンかリッチかを判定し、その空燃比が理論空
燃比となるように、内燃機関に噴射供給する燃料量を制
御する空燃比制御等、内燃機関制御のための各種制御処
理を実行する周知のものであり、ＣＰＵ８及び図示しな
いＲＯＭ，ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータを中
心に構成され、更に、上記ヒータ通電回路４，検出回路
６等の機関制御のための各種回路が設けれている。

【００３１】そして、本実施例では、ＣＰＵ８は、検出
抵抗器ＲSHの両端電圧からヒータＨＴの抵抗値（ヒータ
抵抗）ＲH を検出し、そのヒータ抵抗ＲH が目標温度
（例えば７００℃）に対応した値となるように、制御信
号ＰＷＭ１を生成して半導体スイッチ４ａをＯＮ・ＯＦ
Ｆ制御することにより、ヒータＨＴの通電電流を制御す
る、ヒータ制御手段としての制御処理、及び、ヒータ抵
抗ＲH （延いてはセンサ素子ＴＳの素子温度）に応じて
制御信号ＰＷＭ２を生成し、この制御信号ＰＷＭ２にて
トランジスタＴＲ１をＯＮ・ＯＦＦ制御することによ
り、検出信号Ｖｓの温度補償（比較抵抗制御）を行う、
ＰＷＭ制御手段及びデューティ比設定手段としての制御
処理も実行する。

【００３２】なお、ＣＰＵ８から出力される各制御信号
ＰＷＭ１，ＰＷＭ２は、共に、デューティ比が制御され
たパルス幅変調信号であり、本実施例では、ヒータ制御
用の制御信号ＰＷＭ１は、図３に示す如く、５０ｍsec.
を１周期（周波数：２０Ｈｚ）として生成され、比較抵
抗制御用の制御信号ＰＷＭ２は、図４に示す如く、１ｍ
sec.を１周期（周波数：１ｋＨｚ）として生成される。

【００３３】そして、この制御信号ＰＷＭ２にてトラン
ジスタＴＲ１がＯＮ・ＯＦＦされることにより、センサ
素子ＴＳには、この制御信号ＰＷＭ２のデューティ比に
応じて、基準抵抗器Ｒｃと、基準抵抗器Ｒｃ及び補正抵
抗器ＲA の並列回路とが、交互に直列接続されることに
なり、その抵抗値の平均（比較抵抗）Ｒｃ′は、図５に
示す如く、デューティ比０％のときの基準抵抗器Ｒｃの
抵抗値を上限、デューティ比１００％のときの基準抵抗
器Ｒｃと補正抵抗器ＲA との並列回路の抵抗値を下限、
として、制御信号ＰＷＭ２のデューティ比（ＤＵＴＹ
比）に応じて変化する。

【００３４】次に、ＣＰＵ８において、ヒータ制御及び
比較抵抗制御のために実行される制御処理について、図
６に示すフローチャートに沿って説明する。図６（ａ）
に示す如く、ＣＰＵ８は、ヒータ制御用の制御信号ＰＷ
Ｍ１の周期と同じ５０ｍsec.毎に、ヒータ通電制御処理
を実行する。この処理では、まずＳ１１０にて、制御信
号ＰＷＭ１をHighレベルにすることにより、半導体スイ
ッチ４ａをＯＮして、ヒータＨＴへの通電を開始する。
また、続くＳ１２０では、当該処理にて前回算出した通
電時間ＤH （ＣＰＵ８の起動直後には初期値が設定され
る）をタイマにセットし、Ｓ１３０にて、制御信号ＰＷ
Ｍ１をHighレベルにしてから所定時間（本実施例では２
ｍsec.）経過したか否かを判断することにより、所定時
間が経過するのを待つ。そして、所定時間が経過する
と、Ｓ１４０にて、検出抵抗器ＲSHのバッテリＢＴ側電
圧ＶH1及びヒータＨＴ側電圧ＶH2を夫々読み込み、Ｓ１
５０にて、その読み込んだ各電圧値ＶH1，ＶH2と検出抵
抗器ＲSHの抵抗値とに基づき、次式を用いてヒータ抵抗
ＲH を算出する。

【００３５】ＲH ＝ＲSH・ＶH2／（ＶH1−ＶH2） つまり、本実施例では、図３に示すように、ヒータＨＴ
への通電開始直後の２ｍsec.間をヒータ抵抗測定タイミ
ングとして確保し、通電開始後、２ｍsec.間経過して、
ヒータＨＴに流れる電流が安定した時点で、検出抵抗器
ＲSHの両端電圧から、ヒータ抵抗ＲH を検出するのであ
る。

【００３６】こうしてＳ１５０にてヒータ抵抗ＲH が算
出されると、Ｓ１６０に移行して、ヒータＨＴの通電時
間ＤH を更新する。この通電時間ＤH は、図３に示すよ
うに、制御信号ＰＷＭ１の１周期（５０ｍsec.）内での
ＯＮ時間、換言すれば制御信号ＰＷＭ１のデューティ比
を設定するためのものであり、Ｓ１６０では、上記算出
したヒータ抵抗ＲH と、検出素子部２（延いてはセンサ
素子ＴＳ）の温度が目標温度（７００℃）であるときの
ヒータ抵抗ＲHC（予め判定基準値として設定された値）
とを比較し、ＲH ＞ＲHCであるときにはＢ＝０．５ｍse
c.，ＲH ＝ＲHCである時にはＢ＝０，ＲH ＜ＲHCである
ときにはＢ＝−０．５ｍsec.として、通電時間ＤH の更
新基準値Ｂを設定し、この設定した更新基準値Ｂと、係
数Ａと、前回設定した通電時間ＤH(n-1)とに基づき、次
式を用いて次回の通電時間ＤH を算出する。

【００３７】ＤH ＝ＤH(n-1)＋Ａ・Ｂ なお、このように算出された通電時間ＤH は、当該処理
が次に実行されたときにＳ１２０にてタイマにセットす
るのに用いられる。そして、Ｓ１２０にて通電時間ＤH
がセットされると、ＣＰＵ８に内蔵されたタイマがこの
通電時間ＤH を計時し、通電時間ＤH が経過した時点
で、図６（ｂ）に示すＤH タイマ割込処理を起動する。
するとこのＤH タイマ割込処理では、制御信号ＰＷＭ１
をLow レベルにすることにより、半導体スイッチ４ａを
ＯＦＦして、ヒータＨＴへの通電を停止する（Ｓ３０
０）。従って、半導体スイッチ４ａは、ヒータ通電制御
処理とＤH タイマ割込処理とによって、ヒータ抵抗ＲH
が判定基準値ＲHCとなるように、５０ｍsec.を１周期と
して繰返しＯＮ・ＯＦＦされることになり、このＯＮ・
ＯＦＦ動作によって、検出素子部２，延いてはセンサ素
子ＴＳの温度が、目標温度（７００℃）に制御されるこ
とになる。

【００３８】次に、Ｓ１６０にて通電時間ＤH が更新さ
れると、今度は、Ｓ１７０に移行して、上記算出したヒ
ータ抵抗ＲH が、比較抵抗制御を実行すべき抵抗値（制
御開始抵抗）ＲHO以上であるか否かを判断する。なお、
この制御開始抵抗ＲHOには、検出素子部２の温度が目標
温度（７００℃）よりも低い所定温度（本実施例では６
５０℃）であるときのヒータ抵抗ＲH が設定されてい
る。

【００３９】そして、ヒータ抵抗ＲH が制御開始抵抗Ｒ
HO以上であれば、Ｓ１８０に移行して、比較抵抗（Ｒ
ｃ′）の制御のためのデューティ比ＤT を、図７に示す
マップを用いて算出し、ヒータ抵抗ＲHが制御開始抵抗
ＲHOに達していなければ、Ｓ１９０にて、この比較抵抗
制御のためのデューティ比ＤT を０に設定する。

【００４０】なお、図７に示すように、このデューティ
比ＤT 算出用のマップは、ヒータ抵抗ＲH が大きいほ
ど、換言すればセンサ素子ＴＳの温度が高いほど、デュ
ーティ比ＤT が大きくなるように設定されている。これ
は、センサ素子ＴＳは負の温度係数を有し、図８に示す
如く、その温度が高くなるほど、素子抵抗が低くなるた
めであり、本実施例では、センサ素子ＴＳの温度変化に
伴う素子抵抗の変化に対応して、比較抵抗Ｒｃ′も同じ
変化割合で変化させることができるように、このマップ
が設定されているのである。

【００４１】このように、Ｓ１８０又はＳ１９０にてデ
ューティ比ＤT が設定されると、今度はＳ２００に移行
して、この設定されたデューティ比ＤT に基づき、比較
抵抗Ｒｃ′の制御値ＴONを更新する。この制御値ＴON
は、図４に示す如く、制御信号ＰＷＭ２の１周期（１ｍ
sec.）内でのＯＮ時間を表わし、Ｓ２００では、上記設
定されたデューティ比ＤT に対応した比率で検出回路６
内のトランジスタＴＲ１をＯＮするための時間ＴONを算
出するのである。そして、このように比較抵抗制御のた
めのＯＮ時間ＴONが算出されると、当該処理は一旦終了
する。

【００４２】次に、Ｓ２００にて算出された制御値（Ｏ
Ｎ時間）ＴONは、比較抵抗制御のために１ｍsec.毎に実
行される図６（ｃ）に示すＲｃ′制御処理にて、制御信
号ＰＷＭ２をこのＯＮ時間ＴONだけHighレベルにする
（Ｓ４００）のに用いられる。この結果、検出回路６内
のトランジスタＴＲ１は、上記デューティ比ＤT に対応
した比率で、しかも極めて高速にＯＮ・ＯＦＦされるこ
とになり、センサ素子ＴＳに直列接続される抵抗器の平
均抵抗（つまり比較抵抗Ｒｃ′）は、センサ素子ＴＳの
温度に対応して変化することになる。

【００４３】以上説明したように、本実施例の空燃比検
出装置によれば、センサ素子ＴＳの温度が目標温度（７
００℃）となるようにヒータＨＴの通電制御を行うだけ
でなく、ヒータ抵抗ＲH から比較抵抗制御のためのデュ
ーティ比ＤT を求め、そのデューティ比ＤT に応じた制
御信号ＰＷＭ２にてトランジスタＴＲ１をＯＮ・ＯＦＦ
（パルス幅変調制御）することにより、センサ素子ＴＳ
に直列接続される比較抵抗Ｒｃ′を制御するようにされ
ている。

【００４４】このため、本実施例によれば、例えば、セ
ンサ素子ＴＳに直列接続される抵抗器を基準抵抗器Ｒｃ
に固定した場合（図９に点線で示す）のように、ＬＰＦ
６ａを介してＣＰＵ８に入力される検出信号Ｖｓが、空
燃比が空気過剰率λ＝１の理論空燃比となっているにも
かかわらず、センサ素子ＴＳの目標温度（７００℃）か
らの温度上昇に伴い、リーン側の値に変化するようなこ
とはなく、図９に実線で示すように、検出信号Ｖｓを、
センサ素子ＴＳの温度変化に影響されることなく、常に
排気中の酸素濃度（空燃比）に対応した値にすることが
できる。従って、本実施例によれば、ＣＰＵ８におい
て、内燃機関の空燃比制御を、センサ素子ＴＳの温度に
影響されることなく、常に高精度で実行することができ
る。

【００４５】また本実施例では、比較抵抗制御を、セン
サ素子ＴＳの温度に対応したヒータ抵抗ＲH に基づき行
うので、比較抵抗Ｒｃ′をセンサ素子ＴＳの温度変化に
対して応答遅れなく制御できる。そして、特に、本実施
例では、この比較抵抗制御を、目標温度（７００℃）よ
りも低い温度（６５０℃）以上の領域で行うようにして
いるので、センサ素子ＴＳが目標温度以上となってヒー
タＨＴの通電制御では検出信号Ｖｓを温度補償できなく
なった領域だけでなく、センサ素子ＴＳが一時的に目標
温度を下回った場合にでも、比較抵抗制御によって検出
信号Ｖｓを温度補償することができる。

【００４６】従って、本実施例によれば、図１０に点線
で示す如く、内燃機関の加速時や減速時等の過渡運転時
に生じるセンサ素子ＴＳの急激な温度変化によって、検
出信号Ｖｓがリッチ又はリーン側に大きく変化するよう
なことはなく、図１０に実線で示すように、こうしたセ
ンサ素子ＴＳの過渡的な温度変化があっても、検出信号
Ｖｓを実際の酸素濃度（空燃比）に対応させることがで
きる。

【００４７】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種
々の態様をとることができる。例えば、上記実施例で
は、自動車用内燃機関の排気中の酸素濃度から空燃比を
検出する空燃比検出装置について説明したが、本発明
は、チタニア等の温度依存正を有する抵抗体からなるセ
ンサ素子を用いて酸素濃度を検出する抵抗値検出型の酸
素濃度検出装置であれば、上記実施例と同様に適用し
て、同様の効果を得ることができる。

【００４８】また例えば、上記実施例では、基準抵抗器
Ｒｃをセンサ素子ＴＳのグランド側に設け、補正抵抗器
ＲA を所謂ローサイドスイッチとして機能するスイッチ
ング素子（トランジスタＴＲ１）にて基準抵抗器Ｒｃに
並列接続するようにした検出回路６を用いるようにした
が、例えば、図１１に示す如く、基準抵抗器Ｒｃをセン
サ素子ＴＳの電源側に設け、これに補正抵抗器ＲA を並
列接続するように構成した検出回路３０を用いても、上
記実施例と同様の効果を得ることができる。

【００４９】即ち、この検出回路３０は、図示しない定
電圧回路からの出力電圧Ｖｃを基準抵抗器Ｒｃを介して
センサ素子ＴＳの一端に印加し、センサ素子ＴＳの他端
を直接接地することにより、センサ素子ＴＳに電流を流
すように構成され、センサ素子ＴＳと基準抵抗器Ｒｃと
の接続点には、図１の検出回路６と同様、その接続点電
圧をフィルタ処理して検出信号Ｖｓを生成するＬＰＦ３
０ａが接続されている。また、センサ素子ＴＳと基準抵
抗器Ｒｃとの接続点には、補正抵抗器ＲA の一端が接続
され、この補正抵抗器ＲA の他端には、エミッタが電源
ラインに接続されたＰＮＰ型のトランジスタＴＲ１２の
コレクタが接続されている。そして、このトランジスタ
ＴＲ１２のベース−エミッタ間には抵抗器Ｒ１４が接続
され、更にこのトランジスタＴＲ１２のベースには、抵
抗器Ｒ１３を介してＮＰＮ型のトランジスタＴＲ１１の
コレクタが接続されている。このトランジスタＴＲ１１
は、ＣＰＵ８からの制御信号ＰＷＭ２によりＯＮ・ＯＦ
Ｆし、そのＯＮ時に、トランジスタＴＲ１２のベース電
流を流して、トランジスタＴＲ１２をＯＮするためのも
のであり、そのエミッタは接地され、ベースは抵抗器Ｒ
１１を介してＣＰＵ８の制御信号ＰＷＭ２出力ポートに
接続されると共に抵抗器Ｒ１２を介して接地されてい
る。

【００５０】従って、このように構成された検出回路３
０においても、ＣＰＵ８から出力される制御信号ＰＷＭ
２に応じて、基準抵抗器Ｒｃに補正抵抗器ＲA を並列接
続することができ、センサ素子ＴＳに直列接続される抵
抗器の平均（比較抵抗Ｒｃ′）を制御することができ
る。そして、検出信号Ｖｓは、センサ素子ＴＳと基準抵
抗器Ｒｃとの接続点電圧を、ＬＰＦ３０ａにてフィルタ
処理することにより生成されるため、トランジスタＴＲ
１２のスイッチングにより脈動することは少ない。この
ため、この検出回路３０を用いても、制御信号ＰＷＭ２
を上記実施例と同様に生成することにより、上記実施例
と同様の効果を得ることができるようになるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 ヒータ通電及び空燃比検出を行う実施例の制
御装置全体の構成を表わす概略構成図である。

【図２】 実施例の検出素子部の構成を表わす分解斜視
図である。

【図３】 ヒータ制御のための制御信号ＰＷＭ１を表わ
す説明図である。

【図４】 比較抵抗制御のための制御信号ＰＷＭ２を表
わす説明図である。

【図５】 制御信号ＰＷＭ２と比較抵抗Ｒｃ′との関係
を表わす説明図である。

【図６】 ＣＰＵにて実行される制御処理を表わすフロ
ーチャートである。

【図７】 ヒータ抵抗から制御信号ＰＷＭ２のデューテ
ィ比ＤT を設定するのに使用されるマップを表わす説明
図である。

【図８】 センサ素子の温度変化に対応する素子抵抗の
変化を表わす説明図である。

【図９】 センサ素子の温度変化に対する検出信号の変
化を表わす説明図である。

【図１０】 内燃機関の過渡運転時の検出信号の変化を
表わす説明図である。

【図１１】 検出回路の他の構成例を説明する電気回路
図である。

【符号の説明】

２…検出素子部 ＨＴ…ヒータ ＴＳ…センサ素子 ４…ヒータ通電回路 ４ａ…半導体スイッチ ＲSH
…検出抵抗器 ６，３０…検出回路 Ｒｃ…基準抵抗器 ＲA …補
正抵抗器 ＴＲ１，ＴＲ１２…トランジスタ（スイッチング素子） ６ａ，３０ａ…ローパスフィルタ（ＬＰＦ） ８…中
央処理装置（ＣＰＵ） １０，１８…電気絶縁性部材 １２…電極パターン １６…発熱抵抗体パターン ２０…金属酸化物半導体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−49818（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−180748（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−267449（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−288711（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−2932（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負の温度係数を有し、周囲雰囲気中の酸
   素濃度に応じて抵抗値が変化するセンサ素子と、正の温
   度係数を有し、該センサ素子を加熱するヒータとを、同
   一基板上に積層してなる検出素子部と、 前記ヒータの抵抗値を検出し、該抵抗値が所定の目標温
   度に対応した所定値となるように前記ヒータの通電電流
   を制御して、前記検出素子部を目標温度に制御するヒー
   タ制御手段と、 前記センサ素子に直列接続された基準抵抗器と、該セン
   サ素子と基準抵抗器との直列回路に直流電圧を印加する
   定電圧源とを備え、該センサ素子と基準抵抗器との接続
   点電圧を、酸素濃度を表わす検出信号として出力する検
   出手段と、 を備えた酸素濃度検出装置において、 前記検出手段の基準抵抗器に補正抵抗器を並列接続する
   スイッチング素子と、 該スイッチング素子を、所定デューティ比のパルス幅変
   調信号にてＯＮ・ＯＦＦ制御するＰＷＭ制御手段と、 前記ヒータ制御手段にて検出された前記ヒータの抵抗値
   に基づき、該抵抗値が高くなるほど前記スイッチング素
   子のＯＮ時間が長くなるよう、前記パルス幅変調信号の
   デューティ比を設定するデューティ比設定手段と、 前記パルス幅変調信号の周波数よりも低いカットオフ周
   波数を有し、前記検出手段から出力される検出信号を信
   号処理するローパスフィルタと、 を設けたことを特徴とする酸素濃度検出装置。
2. 【請求項２】 前記デューティ比設定手段は、前記ヒー
   タの抵抗値が、前記目標温度よりも所定温度だけ低い温
   度に対応した抵抗値以上であるときに、該抵抗値に応じ
   て前記デューティ比を設定することを特徴とする請求項
   １に記載の酸素濃度検出装置。