JP3840104B2

JP3840104B2 - 湿度センサの制御装置及び湿度センサの制御方法

Info

Publication number: JP3840104B2
Application number: JP2001366911A
Authority: JP
Inventors: 聡菅谷; 隆治井上; 昇石田; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-11-30
Also published as: JP2003166964A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガス雰囲気内で使用されるインピーダンス変化式の湿度センサの制御装置及び湿度センサの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガスを浄化するために、排気ガス中の炭化水素及び水分を吸着する吸着材を利用した三元触媒等の浄化材が使用されている。
ところが、この浄化材は、長期間使用するとその浄化性能が劣化するため、例えばＥＰ１１３２５８９Ａ１号公報に記載されている様に、浄化材の状態を、浄化材の下流側に配置した湿度センサによって検出する方法が知られている。
【０００３】
具体的には、この方法は、浄化材が劣化すると、内燃機関の始動後における湿度（絶対湿度）が急上昇するタイミングが変化（早まる）するので、このセンサ出力の変化から浄化材の劣化の状態を検出するものである。
上述した技術においては、湿度センサにより湿度を検出するために、湿度センサの感湿素子（即ち湿度が変化すると抵抗が変化する素子）と比較抵抗を直列に配置し、それらに高周波の交流電圧を印加することにより感湿素子の交流分圧を検出し、その交流分圧から感湿素子の抵抗（従って湿度）を求めている。
【０００４】
また、前記湿度センサは、抵抗とコンデンサーを並列に接続した等価回路として表現でき、この等価回路のインピーダンスＺは、下記式（１）にて示すことができる。
Ｚ＝Ｒ／（１＋ω²Ｃ²Ｒ²）−ｉ（ωＣＲ²／（１＋ω²Ｃ²Ｒ²）・・（１）
但しｉ：虚数
ω：２πｆ
第１項（実数項）：抵抗成分（Ｒ成分）
第２項（虚数項）：コンデンサによるリアクタンス成分（Ｃ成分）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構成の湿度センサを、自動車等の内燃機関に装着した場合には、還元性雰囲気による劣化、各種コンタミネーション成分、化学吸着水の付着等によって、湿度センサのＣ成分、Ｒ成分が大きくなる方向に変化してしまう。
【０００６】
そこで、前記湿度センサを使用する際には、Ｃ成分によるインピーダンスが０になるように、制御周波数を例えば５００Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定するが、その場合でも、湿度センサが劣化すると、どうしてもＣ成分が変化して位相がずれてしまう。そのため、例えば交流分圧を検出するためにマイコン等を使用する場合には、交流電圧のピーク値がとれず、結果として正確に交流分圧を検出できないという問題があった。
【０００７】
例えば図１４にインピーダンス特性模式図を示す様に、従来の高周波の交流電圧を印加する湿度センサでは、使用しているうちに、特にＣ成分の影響を受けて、新品センサと比べてその特性が変化してしまう。
その結果、排気ガスの湿度を正確に求めることができず、それにより、浄化材の劣化の判定を正しく行うことができないという問題があった。
【０００８】
また、これとは別に、通常の排煙装置などに用いられる湿度センサとして、湿度センサに一定期間（例えば十数秒〜数十秒間）直流電圧を印加して湿度を検出する方法も考えられるが、計測に数十秒要するような検出方法では、自動車等の内燃機関における湿度計測には不適であるという問題があった。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、長期に渡り高精度な湿度検出ができる湿度センサの制御装置及び湿度センサの制御方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、内燃機関の排気ガス雰囲気中に配置されるインピーダンス変化式の湿度センサを制御し、前記内燃機関の始動直後から、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側への急激な出力の変化までの期間に基づいて、前記排気ガスの浄化に用いられる浄化材の劣化の状態を検出するために用いられる湿度センサの制御装置であって、酸化物セラミックス系材料で形成され湿度によりインピーダンスが変化する感湿素子部と、前記感湿素子部と直列に接続された比較抵抗と、前記感湿素子部及び比較抵抗に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、前記感湿素子部に印加されている直流分圧を検知する直流分圧検知手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明は、内燃機関の排気ガス中に配置された浄化材（例えば排気ガス中の炭化水素や水分を吸着する吸着材）の劣化を、排気ガスの湿度の変化により検出できるものである。
本発明では、酸化物セラミックス系材料で形成された感湿素子部と比較抵抗を直列に接続し、感湿素子部と比較抵抗に直流電圧を印加して、感湿素子部の直流分圧を測定するので、上述した高周波の交流を印加した場合に生ずる位相のずれを無くすることができる。
【００１２】
これにより、排気ガスにおける湿度の変化のタイミングを正確に求めることができるので、浄化材の劣化を的確に検出することができる。
尚、後述する様に、直流電圧を印加する場合には、インピーダンスのうちの抵抗成分の変化を利用するので、その場合の湿度センサは、いわゆる抵抗変化式の湿度センサである。
【００１５】
また、本発明では、内燃機関の始動直後から、湿度センサの低湿度側から高湿度側への急激な出力の変化までの期間に基づいて、排気ガスの浄化に用いられる浄化材の劣化の状態を検出する。
【００１６】
つまり、後述する図６に示す様に、浄化材が劣化すると、例えば、内燃機関の始動直後から、湿度センサの低湿度側から高湿度側への急激な出力の変化（図６の立ち下がり）までの期間が変化する（即ち短くなる）ので、この期間を測定することによって、浄化材の劣化を検出することができる。
また、本発明では、感湿素子部の材料として、湿度により抵抗が変化する（例えば湿度が上昇すると抵抗が低下する）例えばＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −ＴｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −ＴｉＯ ₂ −ＳｎＯ ₂ などの酸化物セラミックス系材料が用いられる。
【００１７】
（２）請求項２の発明は、前記内燃機関の始動直後における、前記湿度センサの低湿度側への変化の程度に基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする。
湿度センサは、長期間使用すると、排気ガス中のカーボン、結晶水、各種コンタミネーション等の汚れ物質が感湿素子部などに付着し、その特性が変化（高抵抗化：劣化）する。
【００１８】
そして、後述する図１２に示す様に、湿度センサが劣化した場合には、劣化していない場合と比べて、内燃機関の始動直後における湿度センサの低湿度側への変化の程度（例えばセンサ出力の傾き：立ち上がり特性）が異なる。例えば劣化が進んでいるほどセンサ出力の傾きが大である。従って、この出力の変化の程度を求めることにより、湿度センサの劣化の程度を検出することができる。
【００１９】
（３）請求項３の発明は、前記内燃機関の始動直後における、前記湿度センサの低湿度側への出力の値の大きさに基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする。
図１２に示す様に、湿度センサが劣化した場合には、劣化していない場合と比べて、内燃機関の始動直後における湿度センサの低湿度側への出力の値の大きさ（例えば絶対値：上限の２Ｖに張り付いた値）が異なる。例えば劣化が進んでいるほどセンサ出力の上限値が大である。従って、この出力の大きさを求めることにより、湿度センサの劣化の程度を検出することができる。
【００２０】
（４）請求項４の発明は、前記内燃機関の始動後における、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した出力の値の大きさに基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする。
図１２に示す様に、湿度センサが劣化した場合には、劣化していない場合と比べて、内燃機関の始動後における湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した出力の値の大きさ（例えば立ち下がりの場合の下限値）が異なる。例えば劣化が進んでいるほどセンサ出力の下限値が大きくなる。従って、この出力の大きさを求めることにより、湿度センサの劣化の程度を検出することができる。
【００２１】
（５）請求項５の発明は、前記内燃機関の始動後における、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した後の分極反応による出力増加の程度に基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする。
図１２に示す様に、湿度センサが劣化した場合には、劣化していない場合と比べて、内燃機関の始動後における湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した後の分極反応による出力増加の程度（例えば立ち下がりの後の増加の勾配）が異なる。例えば制御方法によって異なるが、後述する図４に基づく実施の形態では、劣化が進んでいるほどセンサ出力の増加の勾配が急になる。従って、この出力の増加の程度を求めることにより、湿度センサの劣化の程度を検出することができる。
【００２２】
尚、分極反応とは、直流電圧を印加することによる一方向の電気の流れのために、電荷が偏ることにより抵抗が徐々に増加する現象のことである。
（６）請求項６の発明は、前記感湿素子部を加熱するヒータを備え、前記内燃機関中の作動中又は停止後に、所定期間にわたり前記感湿素子部の加熱クリーニングを実施することを特徴とする。
【００２３】
湿度センサに汚れ物質が付着した場合には、湿度センサの性能が低下（高抵抗化）するが、本発明では、ヒータにより加熱クリーニングを行うので、汚れ物質を除去して性能を回復することができる。
（７）請求項７の発明は、前記湿度センサの出力に基づいて、前記加熱クリーニングの実施内容を設定する。
【００２４】
湿度センサの出力は、前記図１２に示す様に、劣化の状態に応じて変化するので、湿度センサの出力に応じて劣化の程度を検出し、例えば劣化の程度が大きな場合には、加熱温度を高くしたり加熱時間を長くすることにより、十分に且つ効率よく汚れ物質を除去することができる。
【００２５】
（８）請求項８の発明は、前記加熱クリーニングの実施内容は、前記請求項１〜５のいずれかに記載の前記湿度センサの検出した劣化の状態に応じて行うことを特徴とする。
本発明は、加熱クリーニングを実施するための劣化の検出の手順を例示したものである。
【００２６】
（９）請求項９の発明は、前記湿度センサの出力に基づいて、前記湿度センサの故障の状態を判定することを特徴とする。
湿度センサの出力は、湿度の状態に応じて変動するが、正常と異なるセンサ出力となった場合には、湿度センサの故障が発生したと見なすことができる。これにより、湿度センサの故障を検出することができる。
【００２７】
（１０）請求項１０の発明は、前記内燃機関の始動直後における前記湿度センサの出力が、高湿度側又は低湿度側に張り付いた状態となった場合には、前記湿度センサに故障が発生したと判定することを特徴とする。
後述する図７に例示する様に、センサ出力が、例えば内燃時間の始動時から変動がなく、低湿度側を示す上限値に張り付いている場合には、断線（オープン）していると判定することができる。
【００２８】
また、逆に、センサ出力が、高湿度側を示す下限値に張り付いている場合には、短絡（ショート）又はヒータの断線により加熱ができない状態であると判定することができる。
更に、加熱クリーニングを実施する際に、ヒータに電流が流れない場合には、ヒータ断線と判定することができるので、ヒータが断線でないにもかかわらず、センサ出力が下限値に張り付いている場合には、湿度センサのショートであると判定することができる。
【００２９】
（１１）請求項１１〜２０の湿度センサの制御方法の発明は、それぞれ順次対応する前記請求項１〜１０の湿度センサの制御装置の発明と、同様な作用効果を奏する。
尚、上述した各発明において、直流電圧を印加する場合には、インピーダンスの抵抗成分（Ｒ成分）の変化を用いて湿度を検出する、いわゆる抵抗変化式の湿度センサを示している。この抵抗変化式の湿度センサとしては、感湿素子部の抵抗の変化に基づいて湿度（相対湿度及び／又は絶対湿度）を測定するものが挙げられる。
【００３０】
一方、交流電圧を印加する場合には、インピーダンスの抵抗成分（Ｒ成分）だけでなく、リアクタンス成分（Ｃ成分）の変化をも用いて湿度を検出することができる。
【００３１】
更に、感湿素子部の抵抗は、経時変化等により抵抗が大きくなる方向に変化するので、比較抵抗を複数用意しておいて、大きい抵抗に順次切り替えてゆくと、経時変化の影響を低減することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の湿度センサの制御装置及び湿度センサの制御方法の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
ａ）まず、本実施例の湿度センサの構成について説明する。尚、図１は湿度センサの全体及びその分解した状態を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００３３】
図１に示す様に、本実施例の湿度センサ１は、抵抗変化式の湿度センサ１であり、その要部を構成する感湿素子部３は、アルミナ製の絶縁基板５上に、一対のリード部７、９が配置されるとともに、一方のリード部７と接するように下部電極１１が配置され、この下部電極１１の上に感湿材料からなる感湿層１３が配置され、更に感湿層１３の上に他方のリード部９と接触して上部電極１５が配置されたものである。
【００３４】
また、図２に示す様に、絶縁基板５内には、感湿素子部３を加熱するヒータ１７が配置されている。尚、図示しないが、絶縁基板５内に測温抵抗体である温度センサを配置してもよい。
前記下部電極１１及び上部電極１５は、厚膜印刷により形成された膜厚約１５μｍの主として白金からなる層である。感湿層１３は、厚膜印刷により形成された膜厚約３０μｍの主としてＡｌ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂−ＴｉＯ₂の感湿材料からなる層であり、この感湿材料は、周囲の雰囲気の湿度が変化すると、その抵抗値が変化する（即ち湿度が増加すると抵抗が低下する）ものである。また、ヒータ１７は主として白金からなる。
【００３５】
ｂ）次に、上述した構成の湿度センサ１を制御する制御装置について説明する。
図３に湿度を測定するための回路構成を示す様に、湿度センサ１の感湿素子部３は、マイコン２１に接続されて、その出力が取り出されるように構成されている。尚、この出力とは、感湿素子部３の抵抗値に対応した値であり、抵抗値が増加するとセンサ出力が増加するように設定されている。
【００３６】
具体的には、（例えば２ＭΩの）第１比較抵抗２３と（湿度センサ１の）感湿素子部３と（例えば２ＭΩの）第２比較抵抗２５とが直列に接続され、この第１比較抵抗２３と感湿素子部３と第２比較抵抗２５とには、バッファ２７を介して、マイコン２１のＤ／Ａ部（デジタルアナログ変換部）から、例えば２Ｖの直流電圧が印加される。また、感湿素子部３の両端間の直流電圧出力（直流分圧）は、オペアンプ２９を介して、マイコン２１のＡ／Ｄ部（アナログデジタル変換部）に入力される。更に、マイコン２１からは、Ｄ／Ａコンバータ３１を介してセンサ出力が取り出される。
【００３７】
つまり、図４に湿度を測定するための回路構成の要部を模式的に示す様に、第１比較抵抗２３と感湿素子部３と第２比較抵抗２５とを直列に接続した回路に、直流電圧を印加し、この際の感湿素子部３の両端間における直流分圧を、例えばマルチメータやマイコン２１等による電圧検出手段により電圧を測定し、これにより排気ガスの湿度を求める。
【００３８】
更に、図５にヒータ１７を制御するための回路構成を示す様に、マイコン２１には、スイッチ素子３７を介してヒータ１７が接続されており、マイコン２１の信号出力部（ＰＷＭ）からの信号により、ヒータ１７をオン・オフする。このヒータ１７のオン・オフのタイミングは、例えば３０ｍｓの周期にて、９０％以下の範囲のデューティ比により設定することができる。
【００３９】
尚、ここでは、説明のために、マイコン２１を図３、図５の様に分けて記載したが、通常は同一のマイコン２１にて湿度の計測とヒータ１７の制御を行う。また、それぞれ異なるマイコン２１を使用してもよい。
ｃ）次に、前記湿度センサ１の基本的な使用方法について説明する。
【００４０】
(1)排気ガス浄化用付帯装置の劣化検知方法
本実施例では、車両の排気管の排気ガス浄化用付帯装置の下流側に湿度センサ１を取り付け、その排気ガスの湿度を検出する。
排気管内は、通常低湿度であり、例えば内燃機関が始動すると燃焼によって水分が生じるため、高湿度に推移する。この状態は、内燃機関の始動毎に繰り返し行われる現象である。
【００４１】
そして、内燃機関が始動する際に、排気ガス浄化用付帯装置が正常である場合には、排気ガス浄化用付帯装置を構成する吸着材にて、炭化水素や水分が所定の範囲内で吸着されるので、排気ガス浄化用付帯装置の下流では、特に始動直後の所定の期間では、排気ガス中の水分量が極めて少ない。つまり、吸着し切れなくなって排気ガス浄化用付帯装置から水分が流出するタイミングが遅い。
【００４２】
それに対して、排気ガス浄化用付帯装置が劣化している場合には、吸着し切れなくなって排気ガス浄化用付帯装置から水分が流出するタイミングが早く、排気ガス浄化用付帯装置の下流の排気ガス中には水分量が早めに多くなる。
従って、内燃機関を始動した際に、排気ガス浄化用付帯装置の下流側の排気ガスの水分の状態を湿度センサ１によって検出することによって、排気ガス浄化用付帯装置の劣化の状態を検出することができる。
【００４３】
上述した水分の状態に対応した湿度センサ１のセンサ出力（即ち感湿素子部３の抵抗値）の変化を図６に示す。排気ガス浄化用付帯装置が劣化していない場合（同図の実線）には、内燃機関の始動直後に湿度センサ１をオンして作動させると、始動直後は、排気ガス浄化用付帯装置にて水分が十分に吸着されて、湿度センサ１までに殆ど到らないので高い抵抗値となる。その後、吸着する限界に達すると、排気ガス中の水分量が増加して結露するので、時点ｔ０にて、抵抗値が急減する（センサ出力が急激に立ち下がる）。
【００４４】
それに対して、排気ガス浄化用付帯装置が劣化している場合（同図の破線）には、始動直後は、排気ガス浄化用付帯装置にて水分が吸着されるが、劣化していない場合と比べてその吸着量が少ないので、吸着する限界により早く達し、そのため早い時点ｔ１にて結露し、抵抗値が急減する。
【００４５】
従って、例えば内燃機関が始動してから抵抗値が急減するまでの時間を測定することにより、排気ガス浄化用付帯装置の劣化を検出することができる。
(2)湿度センサ１の劣化検知
湿度センサ１の抵抗特性が高抵抗化する現象（湿度センサ１の劣化）は、湿度センサ１の感湿素子部３及び各リード部７、９等に付着した不純物成分（汚れ物質）が堆積し、従来の加熱クリーニングを実施しても完全に焼失できないために生じる現象である。
【００４６】
後述する実験例の結果を示す図１２から明らかな様に、湿度センサ１が汚れ物質により劣化していない場合には（同図の実線）、湿度センサ１のセンサ出力（即ち感湿素子部３の抵抗に対応した値）は、内燃機関の始動後、速やかに増加し、その後急に立ち下がる。
【００４７】
一方、湿度センサ１が劣化している場合には、同図の破線で示す様に、ある程度似た変化はするものの、その数値等は大きく異なっている。
具体的には、劣化した湿度センサ１の出力は、比較抵抗２３、２５に対して非常に高抵抗化しているため、劣化していない正常な湿度センサ１の出力に比べて、急速に立ち上がり、印加電圧にほぼ張り付くような出力となり、立ち下がりの下限値が大きく、その後生じる分極反応による抵抗増加の勾配が大きい等の明らかな違いがある。
【００４８】
従って、この様なセンサ出力の違いにより、湿度センサ１の劣化の程度を検出することができる。
ｄ）次に、本実施例の湿度センサの制御装置の動作及びそれによる効果について説明する。
【００４９】
・本実施例では、第１比較抵抗２３と感湿素子部３と第２比較抵抗２５と直列に接続し、それらに例えば２Ｖの直流電圧を印加し、その際の感湿素子部３の両端の（感湿素子部３の抵抗を示す）直流分圧を検出し、この直流分圧に基づいて排気ガスの湿度を求めることができる。
【００５０】
この方法では、従来の高周波の交流電圧を印加する方法のように、センサの劣化によって生じる位相の変化が生じない。そのため、排気ガスにおける湿度の変化のタイミング、具体的には、図６に示す様に、内燃機関の始動直後から湿度センサ１の低湿度側から高湿度側への急激な出力の立ち下がりまでの期間を正確に求めることができるので、浄化材の劣化を的確に検出することができる。
【００５１】
・また、本実施例では、既に図１２を参照して説明した様に、湿度センサ１のセンサ出力を、正常な湿度センサ１のセンサ出力と比較することにより、湿度センサ１の劣化の状態を、下記(1) 〜 (4)の様にして検出することができる。
(1)具体的には、湿度センサ１の劣化が進んでいるほど、内燃機関の始動直後における湿度センサ１の立ち上がりの勾配が急であるので、その勾配の程度により、劣化の程度を検出することができる。例えばある勾配以上の場合を、劣化と判定することができる。
【００５２】
(2)湿度センサ１の劣化が進んでいるほど、内燃機関の始動直後に張り付いた上限値が大きいので、この出力の大きさにより、劣化の程度を検出することができる。例えばセンサ出力がある値以上の場合を、劣化と判定することができる。
(3)湿度センサ１の劣化が進んでいるほど、立ち下がりの下限値が大きいので、この立ち下がりの下限値等の大きさにより、劣化の程度を検出することができる。例えばある値以下にならない場合を、劣化と判定することができる。
【００５３】
(4)湿度センサ１の劣化が進んでいるほど、立ち下がり後の分極反応によって生じる出力増加の勾配が大きいので、この増加の勾配により、劣化の程度を判定することができる。例えば増加の勾配が所定値以上の場合に、劣化と判定することができる。
【００５４】
・更に、本実施例では、感湿素子部３を加熱するヒータ１７を備えおり、内燃機関中の作動中又は停止後に、例えばヒータ１７の抵抗値を所定値に保つフィードバック制御を所定期間にわたって行うことにより、感湿素子部３の加熱クリーニングを実施する。
【００５５】
これにより、湿度センサ１に付着した汚れ物質を焼きとばすことができるので、常に湿度センサ１の高い性能を維持することができる。
この場合に、例えば前記(1) 〜 (4)の方法で検出した湿度センサ１の劣化の程度に応じ、劣化の程度が進んでいるほど加熱温度を高くしたり加熱時間を長くするように、加熱クリーニングの実施内容を設定するので、効率良く且つ十分に加熱クリーニングを実施することができる。
【００５６】
・その上、本実施例では、湿度センサ１の出力に基づいて、湿度センサ１の故障の状態を的確に判定することができる。
具体的には、図７に示す様に、センサ出力が、例えば内燃時間の始動時から変動がなく上限値（例えば２Ｖ）に張り付いている場合には、断線（オープン）していると判定することができる。また、逆に、センサ出力が、下限値（例えば０Ｖ）に張り付いている場合には、短絡（ショート）又はヒータ１７の断線により加熱ができない状態であると判定することができる。
【００５７】
更に、加熱クリーニングを実施する際に、ヒータ１７に電流が流れない場合には、ヒータ１７を断線と判定することができるので、ヒータ１７が断線でないにもかかわらず、センサ出力が下限値に張りついている場合には、湿度センサ１のショートであると判定することができる。
【００５８】
尚、直流電圧を印加する場合に、直流分圧をマルチメータやマイコン等の電圧検出手段で測定するときには、電圧検出手段の入力インピーダンスが、例えば１ＧΩ程度であるが、交流分圧を測定する場合には、入力インピーダンスは例えば１ＭΩ程度である。つまり、同じ抵抗を検出するにも、直流は入力インピーダンスが１ＧΩあるので、（電圧検出手段自身が抵抗となる）交流の場合と比べて、電圧検出手段の誤差が生じにくく、コスト的にも有利であるという利点がある。
（参考例）
次に、参考例の湿度センサの制御装置及び湿度センサの制御方法について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
【００５９】
本参考例は、図８に示す様に、第１比較抵抗４１と感湿素子部４３と第２比較抵抗４５とを直列に接続したものであるが、前記実施例１とは異なり、第１比較抵抗４１と感湿素子部４３と第２比較抵抗４５とに、１００Ｈｚ以下の交流電圧を印加し、その際に感湿素子部４３の両端の交流分圧を測定する。
【００６０】
本参考例は、直流電圧を印加するものではないが、低い周波数を交流電圧を印加するので、上述した位相のずれは少なく、好適に排気ガスの湿度を検出することができる。
（実験例１）
本実験例は、湿度センサのインピーダンスを調べたものである。
【００６１】
ａ）本実験例では、前記参考例と同様な構造の湿度センサを用い、下記の条
件や手順にて、応答特性を調べた。
・評価装置：Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ社製、インピーダンスアナライザー、
印加電圧：ＡＣ２Ｖ、制御周波数：１．５Ｍ〜１Ｈｚ
・評価環境：大気中、２０℃、２０ＲＨ％
・試験手順：
(1)実車試験前の湿度センサのインピーダンス特性を計測。
【００６２】
(2)自動車の排気管に湿度センサを装着し、実走試験（シャーシダイナモ上
にて、市街地走行、高速道路走行を想定した約５００ｋｍの走行パター
ン）を実施。
(3)走行後、７５０℃にて２分間加熱クリーニング実施し、その後で、
湿度センサのインピーダンスを計測。
【００６３】
ｂ）この実験の結果を、図９（実車試験前のインピーダンス特性）及び図１０（実車試験後のインピーダンス特性）に示す。
尚、横軸のｚ’は、湿度センサの抵抗成分（Ｒ成分）、縦軸のｚ”は、リアクタンス成分（Ｃ成分）。
【００６４】
図９に示す様に、実車試験前の湿度センサのインピーダンス特性は、制御周波数が５００Ｈｚ、１００Ｈｚであっても、Ｃ成分が小さいが、図１０に示す様に、実車試験後のインピーダンス特性は、加熱クリーニングが十分でないことにより、Ｃ成分、Ｒ成分が大きくなり、制御周波数を５００Ｈｚとした場合、Ｃ成分の影響を大きく受け位相ずれを起こす。
【００６５】
つまり、（劣化前及び劣化後に対応する）試験前後によって位相が変化することにより、実際のインピーダンス特性よりも低い値を出力するため、劣化判定時間（内燃機関の始動から高湿度側への立ち下がりまでの時間）を正確に検知できなくなることが分かる。
【００６６】
また、１００Ｈｚ以下を制御点とすると、比較的Ｃ成分の影響を受けないので、前記参考例の様に、印加する交流電圧の周波数を１００Ｈｚ以下とすると良いことが分かる。
（実験例２）
本実験例は、湿度センサの応答特性を調べたものである。
【００６７】
ａ）本実験例では、前記実施例及び参考例と同様な構造の湿度センサを用い、
下記の装置や手順で、応答特性を調べた。
・評価方法：「ＪＩＳＺ８８０６」の規定による分流式評価法を用いて、
初期の感湿特性を計測した。
【００６８】
この分流式評価法を、図１１に模式的に示すが、測定温度を２０℃に設定し、評価ガスのＡｉｒを５Ｌ／分供給し、加える水分量を調節して、測定湿度を２０ＲＨ％（１０sec間）から８０ＲＨ％（１０sec間）に変化させ、その際の湿度センサの出力を測定した。尚、正確な温度及び湿度は、周知の温湿度測定器により計測した。
【００６９】
・試験手順：
(1)実車試験前の湿度センサの２０→８０ＲＨ％に変化した際の応答特性を
計測。
(2)自動車の排気管に湿度センサを装着し、実走試験（シャーシダイナモ上
にて、市街地走行、高速道路走行を想定した約５００ｋｍの走行パター
ン）を実施。
【００７０】
(3)走行後、７５０℃にて２分間加熱クリーニング実施し、その後で、
湿度センサの応答特性を計測。
尚、応答特性は、直流電圧と交流電圧とを加えた場合の応答特性をそれぞれ調べた。
【００７１】
ｂ）この実験の結果を、図１２（正常及び劣化した湿度センサの応答特性）及び図１３（直流電圧及び交流電圧を印加した応答特性）に示す。
尚、図１２の実線は実車試験前の（正常な）湿度センサのセンサ出力を示し、破線は実車試験後の（劣化した）湿度センサのセンサ出力を示す。
【００７２】
図１２に、実施例１と同様な構成の湿度センサに直流を印加した場合における実車試験前後の湿度センサの応答特性を示す。同図に示す様に、実車試験前の湿度センサの応答特性は、電圧印加と同時に急激に立ち上がり、その後分極反応が生じるため徐々に出力増加（抵抗増加）して、湿度が急変した時点でほぼ垂直に立ち下がる特性である。一方、実車試験後の応答特性では、電圧印加と同時に印加電圧近傍まで急激に立ち上がり、湿度が急変した時点では、試験前同様ほぼ垂直に立ち下がる特性であった。
【００７３】
この結果、湿度が急変するような条件での出力特性は、試験前後で同様であり、実車試験による影響を受けないことが分かった。
また、電圧印加された直後、湿度急変時の立ち上がり、立ち下がり後のセンサ出力は、実施試験前後によって、大きく変化するので、このセンサ出力の変化により、湿度センサの劣化の状態を検出できることが分かる。
【００７４】
従って、センサ出力に応じて、加熱クリーニングの条件を設定することにより、汚れ物質を好適に除去することが可能である。
また、図１３は、実車試験後の湿度センサを用いて、直流電圧制御、および交流電圧制御を実施したときの応答特性を示すが、同図より、直流電圧制御と交流電圧制御を比較した場合、印加電圧等の違い、分極の有無によって絶対値の違いは見られるが、湿度急変時の応答性に変化（グラフの形状の変化）は無く、互いの制御方法も有効であることが分かる。但し、交流電圧制御の場合、検出精度を高めるためには、１００Ｈｚ以下の制御周波数を用いる必要がある。
【００７５】
更に、図１３に示す様に、直流電圧制御の場合、上限の２Ｖに張り付いているときには、印加電圧近傍まで抵抗上昇しているので、分極が見えないだけであり、立ち下がり後の部分にて、分極のための出力増加が現れる。
この様に、単に直流電圧を印加した場合、分極反応が生じるため、湿度計測に支障が生ずることがあるが、上述した様に、例えば「内燃機関の始動直後における湿度センサの低湿度側への変化の程度に基づいて、湿度センサの劣化の状態を検出する」などの手法により、湿度センサの劣化の程度を的確に検出することができる。
【００７６】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば前記本実施例１及び参考例では、第１比較抵抗及び第２比較抵抗を、感湿素子部の両端に配置して耐ノイズ性を高めているが、特にこの配列に限定されるものではない。
【００７７】
（２）また、前記図４に示す回路にて、そのセンサ出力を取り出す部分（マルチメータ等の入力部分）に、バッファ回路を配置してよい。例えばオペアンプを配置することにより、インピーダンス成分をキャンセルすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の湿度センサの感湿素子部の全体及び分解した状態を示す説明図である。
【図２】感湿素子部の図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】湿度センサの湿度を検出するための電気的構成を示す説明図である。
【図４】実施例１の湿度センサの概略の回路構成を示す説明図である。
【図５】ヒータ制御のための電気的構成を示す説明図である。
【図６】内燃機関の始動直後の感湿素子部の抵抗の変化を示すグラフである。
【図７】内燃機関の始動直後の湿度センサの出力の変化を示すグラフである。
【図８】参考例の湿度センサの概略の回路構成を示す説明図である。
【図９】実験例１における正常な湿度センサのインピーダンス特性を示すグラフである。
【図１０】実験例１における劣化した湿度センサのインピーダンス特性を示すグラフである。
【図１１】分流式評価法に用いる実験装置を示す説明図である。
【図１２】実験例２における正常及び劣化した湿度センサの出力特性を示すグラフである。
【図１３】実験例２における直流及び交流を印加した場合の湿度センサの出力特性を示すグラフである。
【図１４】従来技術等を示す説明図である。
【符号の説明】
１…湿度センサ
３、４３…感湿素子部
５…絶縁基板
７、９…リード部
１１…下部電極
１３…感湿層
１５…上部電極
２１…マイコン

Claims

内燃機関の排気ガス雰囲気中に配置されるインピーダンス変化式の湿度センサを制御し、前記内燃機関の始動直後から、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側への急激な出力の変化までの期間に基づいて、前記排気ガスの浄化に用いられる浄化材の劣化の状態を検出するために用いられる湿度センサの制御装置であって、
酸化物セラミックス系材料で形成され湿度によりインピーダンスが変化する感湿素子部と、
前記感湿素子部と直列に接続された比較抵抗と、
前記感湿素子部及び比較抵抗に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、
前記感湿素子部に印加されている直流分圧を検知する直流分圧検知手段と、
を備えたことを特徴とする湿度センサの制御装置。
前記内燃機関の始動直後における、前記湿度センサの低湿度側への変化の程度に基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１に記載の湿度センサの制御装置。
前記内燃機関の始動直後における、前記湿度センサの低湿度側への出力の値の大きさに基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１に記載の湿度センサの制御装置。
前記内燃機関の始動後における、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した出力の値の大きさに基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１に記載の湿度センサの制御装置。
前記内燃機関の始動後における、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した後の分極反応による出力増加の程度に基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１に記載の湿度センサの制御装置。
前記感湿素子部を加熱するヒータを備え、
前記内燃機関中の作動中又は停止後に、所定期間にわたり前記感湿素子部の加熱クリーニングを実施することを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の湿度センサの制御装置。
前記湿度センサの出力に基づいて、前記加熱クリーニングの実施内容を設定することを特徴とする前記請求項６に記載の湿度センサの制御装置。
前記加熱クリーニングの実施内容は、前記請求項１〜５のいずれかに記載の前記湿度センサの検出した劣化の状態に応じて行うことを特徴とする前記請求項７に記載の湿度センサの制御装置。
前記湿度センサの出力に基づいて、前記湿度センサの故障の状態を判定することを特徴とする前記請求項１〜８のいずれかに記載の湿度センサの制御装置。
前記内燃機関の始動直後における前記湿度センサの出力が、高湿度側又は低湿度側に張り付いた状態となった場合には、前記湿度センサに故障が発生したと判定することを特徴とする前記請求項９に記載の湿度センサの制御装置。
内燃機関の排気ガス雰囲気中に配置されるインピーダンス変化式の湿度センサを制御し、前記内燃機関の始動直後から、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側への急激な出力の変化までの期間に基づいて、前記排気ガスの浄化に用いられる浄化材の劣化の状態を検出するために用いられる湿度センサの制御方法であって、
酸化物セラミックス系材料で形成され湿度によりインピーダンスが変化する感湿素子部と比較抵抗とを直列に接続し、前記感湿素子部及び比較抵抗に直流電圧を印加することにより、前記感湿素子部に印加されている直流分圧を検知することを特徴とする湿度センサの制御方法。
前記内燃機関の始動直後における、前記湿度センサの低湿度側への変化の程度に基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１１に記載の湿度センサの制御方法。
前記内燃機関の始動直後における、前記湿度センサの低湿度側への出力の値の大きさに基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１１のいずれかに記載の湿度センサの制御方法。
前記内燃機関の始動後における、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した出力の値の大きさに基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１１に記載の湿度センサの制御方法。
前記内燃機関の始動後における、前記湿度センサの低湿度側から高湿度側へ急変した後の分極反応による出力増加の程度に基づいて、前記湿度センサの劣化の状態を検出することを特徴とする前記請求項１１に記載の湿度センサの制御方法。
前記感湿素子部を加熱するヒータを用い、
前記内燃機関中の作動中又は停止後に、所定期間にわたり前記感湿素子部の加熱クリーニングを実施することを特徴とする前記請求項１１〜１５のいずれかに記載の湿度センサの制御方法。
前記湿度センサの出力に基づいて、前記加熱クリーニングの実施内容を設定することを特徴とする前記請求項１６に記載の湿度センサの制御方法。
前記加熱クリーニングの実施内容は、前記請求項１２〜１５のいずれかに記載の前記湿度センサの検出した劣化の状態に応じて行うことを特徴とする前記請求項１７に記載の湿度センサの制御方法。
前記湿度センサの出力に基づいて、前記湿度センサの故障の状態を判定することを特徴とする前記請求項１１〜１８のいずれかに記載の湿度センサの制御方法。
前記内燃機関の始動直後における前記湿度センサの出力が、高湿度側又は低湿度側に張り付いた状態となった場合には、前記湿度センサに故障が発生したと判定することを特徴とする前記請求項１９に記載の湿度センサの制御方法。