JP4894847B2 - ヒータ劣化検出装置およびグロープラグ通電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒータの劣化を検出するヒータ劣化検出装置、特にディーゼルエンジン等に設けられるグロープラグに内蔵されるヒータの劣化を検出するグロープラグ通電制御装置に関する。

従来より、金属またはセラミックで構成されるヒータの断線を検出するヒータ断線検出システムが知られている。

ヒータ断線検出システムとして具体的には、特許文献１に開示されるように、ディーゼルエンジンの燃焼室内に突出するようにして設けられるグロープラグ内のヒータの断線を検出するシステムがある。ディーゼルエンジンは、外気の温度が低く、燃焼室内の温度が低い状態でエンジンを始動する場合、燃焼室内の空気を圧縮しても燃料着火温度まで到達せず、正常な燃焼が実現されないおそれがある。そこで、ディーゼルエンジンの燃焼室内の正常な燃焼を補助するため、つまり、燃焼室内をエンジン始動前に予め燃焼着火温度まで昇温するためにグロープラグが用いられる。そして、当該グロープラグ内に設けられるヒータは、経時劣化等によってしばしば断線するため、ヒータ両端の電圧差をモニタリングし、当該電圧差が所定の値以上になれば、ヒータは断線したものと判断するヒータ断線検出システムが用いられる。
特開平１１−１８２４００号公報

しかしながら、従来のヒータ断線検出システムでは、ヒータの断線を検出することはできたが、ヒータの劣化を検出することはできなかった。そのため、ヒータへの度重なる通電により、ヒータが劣化してヒータの抵抗値が上昇または低下し、ヒータが所望の性能を発揮できなくなった時点から断線するまでの間、従来のヒータ断線検出システムでは、ヒータが正常に動作しているものと誤認識してしまう。よって、たとえばグロープラグに内蔵されるヒータに関しては、グロープラグのヒータの抵抗値が上昇して所望の性能を発揮できなくなった時点から、断線するまでの間は、グロープラグによる燃焼室の昇温が不十分なために、燃焼室の温度が低い状態でエンジンが始動され、多量の炭化水素が外部に排出されるなどして、エミッションが悪化するおそれがある。

また、近年グロープラグは、始動時のみならず、アフターグロー、ポストグロー等の始動時以外に用いられることから、従来始動時のみ使用されていたグロープラグに比して過酷な使用環境に曝されるため、従来よりも早期に劣化するおそれがある。

加えて、上記ヒータの劣化をマイコン等の高価な半導体を用いることなく、簡素な構成で実現するヒータ劣化検出装置が望まれていた。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、ヒータの劣化を検出できるヒータ劣化検出装置およびグロープラグ通電制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載のヒータ劣化検出装置は、ヒータに流れる電流を電圧に変換して第一電圧値を出力する第一電圧出力手段と、電源に接続されて、電源の電圧に対応する第二電圧値を出力する第二電圧出力手段と、第一電圧出力手段および第二電圧出力手段からそれぞれ出力される第一電圧値と第二電圧値とを比較することで、ヒータの劣化の有無を判別する比較判別手段とを備え、ヒータへの通電は、スイッチング素子のパルス幅変調により制御され、第一電圧出力手段には、第一電圧値を増幅する増幅手段が設けられ、第二電圧出力手段には、応答性調整手段が設けられている。

つまり、本発明は、第一電圧出力手段から出力される第一電圧値と、第二電圧出力手段から出力される第二電圧値とを比較判別手段にて演算し、ヒータが劣化していると判断した場合に劣化を示す信号を出力する構成を有する。これにより、ヒータの劣化を検出することができる。

また、第一電圧出力手段および第二電圧出力手段は共に電源の電圧に応じた信号を出力するため、たとえば、低温時およびクランキング時等の大電流通電時、または電源の経時劣化によって電源電圧が変動したとしても、第一電圧出力手段および第二電圧出力手段からそれぞれ比較判別手段に出力される第一電圧値および第二電圧値はいずれも電源電圧と相関関係を有する。これにより、電源電圧の変動に依らず、比較判別手段はヒータの劣化を検出することができる。
さらに、ヒータへの通電は、スイッチング素子によるパルス幅変調により制御され、第一電圧出力手段には、第一電圧値を増幅する増幅手段が設けられており、第二電圧出力手段には、たとえば低域通過フィルタ等の応答性調整手段が設けられている。仮に、第二電圧出力手段に応答性調整手段が設けられていない場合には、増幅手段の設けられる第一電圧出力手段は、第二電圧出力手段に比べて応答性が遅くなる。そのため、第一電圧値と第二電圧値とが比較判別手段に出力される過渡状態には、互いの応答性の差異に起因するズレにより、比較判別手段がヒータの劣化を精度良く判別できない虞がある。そこで、本発明では第二電圧出力手段に応答性調整手段を設けることにより、第一電圧出力手段と第二電圧出力手段との応答性を揃えることで、上記過渡状態においても比較判別手段はヒータの劣化を精度良く判別することが可能となる。

請求項２に記載のヒータ劣化検出装置は、ヒータに流れる電流を電圧に変換して第一電圧値を出力する第一電圧出力手段と、ヒータに接続されて、ヒータに印加される電圧に対応する第二電圧値を出力する第二電圧出力手段と、第一電圧出力手段および第二電圧出力手段からそれぞれ出力される第一電圧値と第二電圧値とを比較することで、ヒータの劣化の有無を判別する比較判別手段とを備え、ヒータへの通電は、スイッチング素子のパルス幅変調により制御され、第一電圧出力手段には、第一電圧値を増幅する増幅手段が設けられ、第二電圧出力手段には、応答性調整手段が設けられている。

つまり、本発明は、第一電圧出力手段から出力される第一電圧値と、第二電圧出力手段から出力される第二電圧値とを比較判別手段にて演算し、ヒータが劣化していると判断した場合に劣化を示す信号を出力する構成を有する。これにより、ヒータの劣化を検出することができる。

また、第一電圧出力手段および第二電圧出力手段は共にヒータに印加される電圧に応じた信号を出力するため、たとえば、低温時およびクランキング時等の大電流通電時、または電源や電気素子の経時劣化によってヒータに印加される電圧が変動したとしても、第一電圧出力手段および第二電圧出力手段から比較判別手段に出力される第一電圧値および第二電圧値はいずれもヒータに印加される電圧に比例する。これにより、比較判別手段はヒータに印加される電圧の変動の影響を受けることなく、ヒータの劣化を検出することができる。
さらに、ヒータへの通電は、スイッチング素子によるパルス幅変調により制御され、第一電圧出力手段には、第一電圧値を増幅する増幅手段が設けられており、第二電圧出力手段には、たとえば低域通過フィルタ等の応答性調整手段が設けられている。仮に、第二電圧出力手段に応答性調整手段が設けられていない場合には、増幅手段の設けられる第一電圧出力手段は、第二電圧出力手段に比べて応答性が遅くなる。そのため、第一電圧値と第二電圧値とが比較判別手段に出力される過渡状態には、互いの応答性の差異に起因するズレにより、比較判別手段がヒータの劣化を精度良く判別できない虞がある。そこで、本発明では第二電圧出力手段に応答性調整手段を設けることにより、第一電圧出力手段と第二電圧出力手段との応答性を揃えることで、上記過渡状態においても比較判別手段はヒータの劣化を精度良く判別することが可能となる。

請求項３に記載の発明によると、第一電圧出力手段は、センスＭＯＳを有し、ヒータに流れる電流の一部を電圧に変換して第一電圧値を出力する。ヒータに流れる電流はセンスＭＯＳにより分流されて、第一電圧値を調整することが可能となる。これにより、第一電圧出力手段における発熱を低減することができる。

請求項４に記載の発明によると、第一電圧出力手段は、シャント抵抗器を有し、第一電圧値は、シャント抵抗器における電圧降下として出力される。シャント抵抗器は温度特性が低いため、第一電圧出力手段が高温になった場合にも、精度良く第一電圧値を出力することができる。

請求項５に記載の発明によると、第二電圧出力手段は、直列に設けられる複数の抵抗器を有し、第二電圧値は、複数の抵抗器により分圧された電圧値として出力される。これにより、第二電圧出力手段から出力される第二電圧値は、複数の抵抗器の抵抗値によって所望の値をとることが可能となると同時に、第二電圧出力手段から比較判別手段に入力される第二電圧値は、電源電圧に対応させることが可能となる。

また、近年、世界各国における車載式故障診断装置の装着義務の法制化に伴って、ヒータを内蔵し、ディーゼル車に搭載されるグロープラグにあっては、グロープラグの劣化をインストルメンタルパネル等に設けられる警告灯にて運転者に知らせる必要がある。そこで、請求項６に記載の発明は、ヒータがグロープラグに内蔵され、且つヒータ劣化検出装置をグロープラグ通電制御装置に適用する。これにより、グロープラグに内蔵されるヒータの劣化をグロープラグ通電制御装置によって検出することが可能となり、上述の法規制に首尾よく対応することが可能となる。

（第一実施形態）
本発明のヒータ劣化検出装置は、ディーゼルエンジン等に設けられるグロープラグに内蔵されるヒータの劣化を検出するために好適に用いられる。以下、グロープラグ内のヒータの劣化を検出するとともに、グロープラグへの通電を制御するグロープラグ通電制御装置６（以下、ＧＣＵ６と称す。）について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態のＧＣＵ６を含むグロープラグ通電制御システムの構成を示す模式図である。図１に示すように、グロープラグ通電制御システムは主として、キースイッチ２、バッテリー３、グロープラグ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、電子制御装置５（以下、ＥＣＵ５と称す。）、およびＧＣＵ６で構成される。ここで、バッテリー３は、本願請求項に記載の電源に相当し、ＧＣＵ６は、本願請求項に記載のヒータ劣化検出装置に相当する。

本実施形態のエンジン１は、たとえば四気筒を備え、各気筒にはグロープラグ４ａ〜４ｄが各燃焼室内にそれぞれ突出するようにして取り付けられている。キースイッチ２がオンされると、ＧＣＵ６は、ＥＣＵ５が発する制御信号に基づいてグロープラグ４ａ〜４ｄへの通電、非通電を制御する。

グロープラグ４ａ〜４ｄには、それぞれセラミックヒータ４０ａ〜４０ｄが内蔵されており、当該セラミックヒータ４０ａ〜４０ｄが通電により加熱されて、燃焼室内が昇温される。ここで、セラミックヒータ４０ａ〜４０ｄは、本願請求項に記載のヒータに相当する。

ＥＣＵ５には、バッテリー３の電圧、燃焼室の温度、キースイッチ２のオン／オフ信号等の車両情報が伝達され、ＥＣＵ５は、これらの車両情報に基づいて、グロープラグ４ａ〜４ｄへの通電を制御する。この制御は、たとえばパルス幅変調制御にて行なうことが好ましい。

ＧＣＵ６は、キースイッチ２がオンされるとＥＣＵ５から発せられるパルス幅変調信号（以下、ＰＷＭ信号と称す。）に基づいて、グロープラグ４ａ〜４ｄに通電する。具体的には、エンジン始動前、燃焼室内の温度が低く燃焼室内の昇温が必要な場合には、バッテリー３からグロープラグ４ａ〜４ｄにたとえば実効電圧１１Ｖを印加して昇温する。

また、エンジン１始動後には、エンジン１の燃焼安定性を向上させるために、アフターグローを１０分以上実行して燃焼室内の温度をたとえば９００℃に保つことが好ましい。具体的に、アフターグロー制御でグロープラグ４ａ〜４ｄに通電する場合、たとえば実効電圧７Ｖを印加して２０〜３０分程度燃焼室内を９００℃に保つ。

また、エンジン１始動後において、図示しないＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルター）に詰まったＰＭ（粒子状物質）を燃焼させてＤＰＦを再生するために、アフターグロー制御と同様にして、ＥＣＵ５のＰＷＭ信号に基づきポストグロー制御を実行してもよい。ポストグロー制御においては、燃焼室内の温度を一時的に９００℃に引き上げて高温の排気ガスを発生させる。これにより、当該高温の排気ガスがＤＰＦを通過することによって、ＰＭが燃焼しＤＰＦが再生、浄化される。このポストグロー制御においても、バッテリー３からグロープラグ４ａ〜４ｄに、実効電圧７Ｖが印加される。

キースイッチ２がオフされると、ＧＣＵ６は、グロープラグ４ａ〜４ｄへの通電を終了する。

以下、ＧＣＵ６の構造および電気回路について説明する。

図２は、ＧＣＵ６の外観を示す斜視図である。ＧＣＵ６の外郭をなすハウジング１０は、ＰＰＳ，ＰＢＴ等の硬質樹脂からなる樹脂部１１０と、アルミ等の金属よりなり、複数のフィンを備える放熱部１２０とからなる。

図２に示すように、ハウジング１０の外周面からは、バッテリー３とＧＣＵ６とを接続するための第一コネクタ部１１１、四つのグロープラグ４a〜４ｄとＧＣＵ６とを接続するための第二コネクタ部１１２、ＥＣＵ５とＧＣＵ６とを接続するための第三コネクタ部１１３がそれぞれ突出している。なお、これらコネクタ部１１１〜１１３と樹脂部１１０とは上記硬質樹脂によって一体に成型されている。

上述のハウジング１０の内側には空間が設けられており、当該空間には、後述する本実施形態の特徴的作動を実現する電気回路Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１が内蔵されている。電気回路Ａ１〜Ｄ１で発生する熱は、図２に示す放熱板１２０を介してハウジング１０の外側に放射される。また、ハウジング１０内には、電気回路Ａ１〜Ｄ１を防水、防湿するために、ゲル状シリコン系樹脂等が封入されている。

図３は、バッテリー３、グロープラグ４ａ〜４ｄ、および図２中、ハウジング１０の内側の空間に内蔵される電気回路Ａ１〜Ｄ１の電気的な接続を示したものである。ＧＣＵ６の電気回路Ａ１〜Ｄ１は、バッテリー３から通電され、また、制御チップ２１からＰＷＭ信号が入力される。そして、電気回路Ａ１〜Ｄ１が後述する作動を実行しながら、グロープラグ４ａ〜４ｄに適宜通電される。

グロープラグ４ａ〜４ｄに対して、電気回路Ａ１〜Ｄ１には、パワーチップ２２、シャント抵抗器２３、抵抗器２４、抵抗器２５、差動増幅器２６、コンパレータ２７、がそれぞれ一つずつと、また、ＧＣＵ６全体で一つの制御チップ２１とにより構成されている。本実施形態においては、電気回路Ａ１〜Ｄ１は全て同様の構成にて同様の制御を実現するものである。よって、簡単のため、グロープラグ４ａに通電するＧＣＵ６の電気回路Ａ１を例にとって、以下、本実施形態の特徴的構成および特徴的作動を詳細に説明する。

図４は、ＧＣＵ６の電気回路Ａ１の模式図である。経路Ｘに設けられたパワーチップ２２、シャント抵抗器２３を介して、バッテリー３からグロープラグ４ａに通電される。このとき、シャント抵抗器２３の両端をクランプした電圧は差動増幅器２６を経てコンパレータ２７に第一電圧値を出力する。ここで、シャント抵抗器２６および差動増幅器２６は、本願請求項に記載の第一電圧出力手段に相当し、コンパレータ２７は、本願請求項に記載の比較判別手段に相当する。

また、経路Ｙに設けられた抵抗器２４、２５を介して接地されており、これら抵抗器２４、２５の抵抗分圧により出力される第二電圧値は、コンパレータ２７に出力される。ここで、抵抗器２４および抵抗器２５は、本願請求項に記載の第二電圧出力手段に相当する。

以下、図４に示される電気回路Ａ１の構成要素、作動について詳細に説明する。

図４に示されるＧＣＵ６に内蔵される制御チップ２１は、図３に示す電気回路Ａ１〜Ｄ１、およびＥＣＵ５と電気的に接続され、ＥＣＵ５から発せられるＰＷＭ信号に基づいて、パワーチップ２２に信号を伝達する。制御チップ２１は、パワーチップ２２のスイッチング時期を制御する集積回路である。

パワーチップ２２は、スイッチング素子である、たとえば３端子の縦型のＭＯＳ−ＦＥＴで構成され、制御チップ２１とボンディングワイヤによって電気的に接続されている。パワーチップ２２は、バッテリー３からグロープラグ４への通電、非通電をスイッチングする。なお、パワーチップ２２は、ＯＮ抵抗Ｒｏｎを有する。

シャント抵抗器２３は、バッテリー３からパワーチップ２２を介してグロープラグ４ａに接続される電気的な経路Ｘに直列に設けられる。通電開始時、シャント抵抗器２３を含む経路Ｘには、数１０Ａ、たとえば５０Ａもの大電流が流れるため、シャント抵抗器２３の抵抗値Ｒｓを５ｍΩ以下とすることで、シャント抵抗器２３の発熱によるエネルギー損失を抑制することが好ましい。なお、シャント抵抗器２３は、温度特性が小さいため、発熱によりシャント抵抗器２３の温度が上昇したとしても、シャント抵抗器２３の抵抗値は殆ど変化しない。

パワーチップ２２の上流側の地点ｘからは、経路Ｘと並列で、且つ抵抗器２４，２５を介してグランドに接続される経路Ｙが設けられている。抵抗器２４，２５はそれぞれ抵抗値Ｒ１，Ｒ２を有する。抵抗器２４は経路Ｙにて抵抗器２５よりも上流側に設けられている。

経路Ｘにおいて、シャント抵抗器２３の両端ｓ，ｔがクランプされ、オペアンプ等の差動増幅器２６または差動増幅回路に電気的に接続されている。差動増幅器２６からは後述するコンパレータ２７にシャント抵抗器２３を流れた電流による電圧降下Ｖｉが出力される。ここで、電圧降下Ｖｉは、本願請求項に記載の第一電圧値に相当する。なお、本実施形態では、差動増幅器２６の利得Ｇを１０としている。 また、経路Ｙにおいて、抵抗器２５の上流側で、且つ抵抗器２４の下流側の地点ｙはコンパレータ２７に接続されている。なお、地点ｙは、バッテリー電圧ＶＢが抵抗器２４，２５によって分圧され算出される基準電圧Ｖｒｅｆを示す。そして、地点ｙからは、下流側のコンパレータ２７に、バッテリー３電圧ＶＢに対応する基準電圧Ｖｒｅｆが出力される。ここで、基準電圧Ｖｒｅｆは、本願請求項に記載の第二電圧値に相当する。

上述のＶｉおよびＶｒｅｆが入力されるコンパレータ２７では、ＶｉとＶｒｅｆとを比較し、たとえば、Ｖｉ＞Ｖｒｅｆのときは、Ｈｉｇｈの信号を出力し、Ｖｉ≦Ｖｒｅｆのときは、Ｌｏｗの信号を出力する。

上述の電気回路Ａ１は、以下のようにして、グロープラグ４ａの劣化を検出する。

図５および図７は、本実施形態におけるセラミックヒータ４０ａの経時劣化を示すものである。縦軸は、セラミックヒータ４０ａの抵抗値Ｒｇ、横軸は時間である。図５および図７から、セラミックヒータ４０ａは度重なる通電によって劣化し、正常動作時と比べて抵抗値Ｒｇが増加することがわかる。このように、セラミックヒータ４０ａが劣化することによって抵抗値Ｒｇの増加は、マイグレーション現象によりひき起こされ、セラミックヒータ４０内の導電性セラミックが減少することによって起こる。

マイグレーション現象によって、セラミックヒータ４０ａの抵抗値Ｒｇが増加する本実施形態において、コンパレータ２７から制御チップ２１に、Ｌｏｗの信号が入力された場合、すなわち、Ｖｉ≦Ｖｒｅｆの場合には、グロープラグ４ａの劣化、すなわち、セラミックヒータ４０ａが劣化していると判断し、車両の故障を運転者に知らせる。なお、グロープラグ４ａが外因によって劣化することなく突如断線した場合であっても、上記の劣化検出と同様にして、車両の故障として運転者に知らせる。

続いて、図６および図８は、時間変化に対するＶＢ、Ｖｉ、Ｖｒｅｆの変化を示したものである。縦軸は、電圧［Ｖ］、横軸は、時間である。上述のセラミックヒータ４０ａの経時劣化による抵抗値Ｒｇの増加に伴って、経路Ｘを流れる電流が減少し、シャント抵抗器２３における電圧降下Ｖｉも減少する。ここで、経路Ｘに設けられるシャント抵抗器２３による電圧降下から、差動増幅器２６が出力する電圧Ｖｉは、

［数１］
Ｖｉ＝Ｇ×ＶＢ×Ｒｓ／（Ｒｏｎ＋Ｒｓ＋Ｒｇ）
と表される。

また、上述したように、セラミックヒータ４０ａは経時劣化し、その抵抗値Ｒｇは増加する。そして、この抵抗値Ｒｇがある閾値Ｋを越えた場合には、セラミックヒータ４０の発熱が不十分となり、グロープラグ４ａが所望の性能を発揮することができなくなるとする。つまり、Ｒｇ≧Ｋの場合に、グロープラグ４ａが劣化したものとみなされ、数１は、

［数２］
Ｖｉ≦Ｇ×ＶＢ×Ｒｓ／（Ｒｏｎ＋Ｒｓ＋Ｋ）
と表される。

また、経路Ｙにおいて、基準電圧Ｖｒｅｆは、ＶＢを抵抗器２４および抵抗器２５で分圧した値であるから、

［数３］
Ｖｒｅｆ＝ＶＢ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
と表される。

コンパレータ２７は、ＶｉとＶｒｅｆとを比較し、Ｖｉ≦Ｖｒｅｆの場合にセラミックヒータ４０ａが劣化したものと判断し、制御チップ２１にＬｏｗの信号を出力する。このとき、Ｖｉ＝Ｖｒｅｆが成立するとき、セラミックヒータ４０ａの抵抗値の閾値Ｋは、数１〜３より、

［数４］
Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）＝Ｇ×Ｒｓ／（Ｒｏｎ＋Ｒｓ＋Ｋ）
より導出される。

数４において、まず、セラミックヒータ４０ａの抵抗値Ｒｇの閾値Ｋを性能評価試験に基づいて設定し、その後、数４を満たすような抵抗値Ｒ１およびＲ２をそれぞれ有する抵抗器２４，２５を決定すればよい。具体的には、たとえば、Ｋを１Ωと設定し、Ｒ１を１９ｋΩ、Ｒ２を１ｋΩとする。これにより、グロープラグ４ａが劣化または断線といった異常事態に陥ったとき、換言すると、セラミックヒータ４０ａの抵抗値Ｒｇが閾値Ｋ以上の値になったときには、コンパレータ２７に入力されるＶｉとＶｒｅｆとの間に、Ｖｉ≦Ｖｒｅｆという関係が成り立ち、コンパレータ２７からはＬｏｗの信号が制御チップ２１に入力される。すなわち、制御チップ２１からＥＣＵ５に劣化を含む異常を示す信号が入力され、ＥＣＵ５にて、たとえば車両のインストルメンタルパネル（図示せず）の警告用ランプを点灯させ、運転者に車両の故障を知らせる。

なお、パワーチップ２２、シャント抵抗器２３、抵抗器２４、２５の各抵抗値Ｒｏｎ，Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２も、セラミックヒータ４０ａの抵抗値Ｒｇと同様に劣化して変化する。しかし、Ｒｓ，Ｒｏｎ，Ｒ１，Ｒ２の劣化度合いは、Ｒｇの劣化度合いと比べて無視できるほどに小さく、本実施形態ではＲｓ，Ｒｏｎ，Ｒ１，Ｒ２は、劣化しない、つまり、経時劣化することなく略一定の抵抗値を示すものと仮定している。よって、いっそう精度良くグロープラグ４ａの劣化を検出するためには、これら抵抗値Ｒｏｎ，Ｒｓ，Ｒ１，Ｒ２の経時劣化を考慮してＫの値を算定することが好ましい。

またさらに、以上の説明は、図８に示すように、バッテリー３が経時劣化しないものと仮定している。しかし実際は、長期間に亘るバッテリー３の使用により、バッテリー３電圧ＶＢは徐々に低下し、これにともなって、ＶｉおよびＶｒｅｆも低下する。しかし、ＶｒｅｆとＶＢとの関係を示した図９、および数４から分かるように、たとえＶＢが低下したとしても、パワーチップ２２のＯＮ抵抗Ｒｏｎおよびシャント抵抗器２３の抵抗値Ｒｓが略一定の値をとり、また、閾値Ｋが、ＶＢ，Ｖｉ，Ｖｒｅｆに依存しないため、グロープラグ４ａの劣化を精度良く検出することができる。

なお、グロープラグ４ａへの通電開始および通電終了時においては、Ｖｉ≦Ｖｒｅｆという関係がグロープラグ４ａの劣化の有無に拘わらず成立する。その結果、通電開始および通電終了時には、コンパレータ２７から制御チップ２１にＬｏｗの信号が入力されることとなり、実際グロープラグ４ａが正常に作動している場合においても、グロープラグ４ａが劣化したと誤判断するおそれがある。そこで、このような事態を防止するために、通電開始時における所定の時間、たとえば５秒程度、および非通電時には、コンパレータ２７にてＶｉとＶｒｅｆとの大小を比較しない、といった制御がＥＣＵ５で実行される。

上述の実施形態においては、グロープラグ４ａの劣化を検出する電気回路Ａ１について説明したが、他のグロープラグ４ｂ〜４ｄにも図３に示す電気回路Ａ１と同様の電気回路Ｂ１〜Ｄ１が設けられており、上述の電気回路Ａ１と同様にしてグロープラグ４ｂ〜４ｄの劣化を検出することが可能である。なお、詳しくは、ＥＣＵ５から制御チップ２１に伝達されるＰＷＭ信号は、指令デューティ信号と呼ばれ、該指令デューティ信号は、制御チップ２１にて演算される。その後、制御チップ２１から電気回路Ａ１〜Ｄ１に各々設けられるパワーチップ２２には、チャネルデューティ信号として各パワーチップ２２にそれぞれ異なる位相にてグロープラグ４ａ〜４ｄの通電を制御する。
（第二実施形態）
以下、第二実施形態について述べるが、基本的な構成は上記第一実施形態と同様であるから、特徴部分についてのみ説明する。また、上記第一実施形態と同一の部材に関しては、第一実施形態と同一の符合を付すものとする。

上記第一実施形態においては、グロープラグ４ａ〜４ｄは、それぞれセラミックヒータ４０ａ〜４０ｄを内蔵するセラミックグロープラグを用い、セラミックヒータ４０ａ〜４０ｄがマイグレーション現象により、劣化に伴って抵抗値が増加する特性に基づいてグロープラグ４ａ〜４ｄの劣化を検出した。実際には、セラミックグロープラグであっても、劣化に伴ってセラミック導電部、配線部とケースとの接触によりレアショートと呼ばれる部分的短絡が発生するなど、図１０に示すようにして、劣化により抵抗値が減少する場合もある。また、セラミックグロープラグに代えてニクロム線等よりなる金属グロープラグを用いた場合であっても、劣化により、抵抗値が増加することもあれば減少することも考えられる。具体的には、金属グロープラグを用いた場合には、内部の金属製ヒータ線が縮径して抵抗値が増加する場合、または、上記金属製ヒータ線とケースとの接触によるレアショートにより抵抗値が減少する場合とが考えられる。

上述のように、グロープラグ４ａの種類、複数の劣化モードによって、グロープラグ４ａの抵抗値は増減するため、本実施形態のＧＣＵ６は、上記の様々なグロープラグ４ａの劣化モードに対応して劣化検出可能な電気回路Ａ２を採用する。つまり、劣化によって抵抗値が変化するグロープラグ４ａであれば、金属グロープラグ、セラミックグロープラグを問わずＧＣＵ６にて確実にグロープラグ４ａの劣化を検出することができる。

具体的には、図１１に示すように、上記第一実施形態の電気回路Ａ１を示す図４にコンパレータ２８を追加した電気回路Ａ２をＧＣＵ６に適用する。コンパレータ２８には、オペアンプ２６の出力側とコンパレータ２７の入力側との間から分岐してＶｉが入力される。

次に基準電圧Ｖｒｅｆに関して、異なる二つの基準電圧Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２をそれぞれコンパレータ２７、２８に出力する。ここで、コンパレータ２７、２８は本願請求項に記載の比較判別手段に相当する。

経路Ｙには、抵抗値の異なる三つの抵抗器が、グランド側から上流側に向かって２５、２４、２９の順に直列に接続されている。ここで、抵抗器２４、２５、２９は、本願請求項に記載の第二電圧出力手段に相当する。

基準電圧Ｖｒｅｆ１は、これら三つの抵抗器２４、２５、２９により分圧され、

［数５］
Ｖｒｅｆ１＝ＶＢ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）
で求められる。

同様にして、基準電圧Ｖｒｅｆ２は、

［数６］
Ｖｒｅｆ２＝ＶＢ×（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３）
で求められる。

上記Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２は、それぞれコンパレータ２７、２８に出力される。ここで、たとえば、抵抗器２４、２５、２９の抵抗値をそれぞれ２ｋΩ、１ｋΩ、１７ｋΩとして、Ｖｒｅｆ１がＶｒｅｆ２よりも小さくなるようにするとしたときには、グロープラグ４ａの抵抗値変化を示すＶｉに関して、

［数７］
Ｖｒｅｆ１＜Ｖｉ＜Ｖｒｅｆ２
を満たす場合について以下言及する。

図１２は、上記第一実施形態の図８に対応する本実施形態におけるグロープラグ４の劣化検出のメカニズムを示したものである。図１２に示されるように、グロープラグ４aの状態により、Ｖｒｅｆ１＜Ｖｉとなるときには、コンパレータ２７がＨｉｇｈ（劣化なし）の信号を制御チップ２１に出力する。また、グロープラグ４ａの状態により、Ｖｉ＜Ｖｒｅｆ２となるときには、コンパレータ２８がＨｉｇｈ（劣化なし）の信号を制御チップ２１に出力する。つまり、Ｖｉが数７に示す範囲内にある場合には、グロープラグ４ａの劣化はないものと判断し、Ｖｉが数７の範囲から外れた場合には、グロープラグ４ａが劣化したものと判断する。このように、抵抗器２４、２５、２９およびコンパレータ２７、２８により、Ｖｉの上限値および下限値を規定することで、グロープラグ４ａの種類、および上記複数の劣化モードに対応するグロープラグ４ａの劣化を検出することが可能となる。

なお、抵抗器２４、２５、２９の抵抗値は、グロープラグ４ａの種類、特性に応じて適宜変更することが好ましい。
（第三実施形態）
以下、第三実施形態について述べるが、基本的な構成は上記第一および第二実施形態と同様であるから、特徴部分についてのみ説明する。また、上記第一および第二実施形態と同一の部材に関しては、第一実施形態と同一の符合を付すものとする。

図１３は本実施形態の電気回路Ａ３を示したものである。図１３に示すように、グロープラグ４のバッテリー３側にグロープラグ４ａへの通電を制御するためのセンスＭＯＳ３０を設ける。センスＭＯＳ３０は、メイン素子３１とセンス素子３２とからなり、バッテリー３から流れる負荷電流Ｉを、メイン素子３１を流れるメイン電流Ｉｍとセンス素子３２を流れるセンス電流Ｉｓとに分流する。メイン素子３１は、グロープラグ４ａへの通電を制御し、一方、センス素子３２は、センスＭＯＳ３０に流れる負荷電流Ｉの一部が流れることで、メイン素子３１を流れるメイン電流Ｉｍをモニタリングする役割を担う。つまり、センスＭＯＳ３０において、メイン素子３１に流れるメイン電流Ｉｍに対して一定の比率でセンス素子３２に流れるセンス電流Ｉｓにミラーする。

また、メイン素子３１のゲートは、センス素子３２のゲートと共通に接続されている。なお、メイン素子３１とセンス素子３２とのサイズ比はｎ対１であり、本実施形態においては１５００対１である。

センス素子３２の下流側には、オペアンプ３３とトランジスタ３４とが設けられ、フィードバック回路が構成される。ここで、オペアンプ３３は、本願請求項に記載の増幅手段に相当する。このフィードバック回路により、メイン素子３１、センス素子３２それぞれの端子電圧（ドレイン・ソース間電圧、以下、Ｖｄｓと称す。）が一定化される。即ち、オペアンプ３３の反転入力端子（−）がメイン素子３１のソースに接続され、非反転入力端子（＋）がセンス素子３２のソースに接続され、下流側の出力端子がトランジスタ３４のゲートに接続されている。このトランジスタ３４のドレインはセンス素子３２のソースに接続され、トランジスタ３４のＧＮＤ側にシャント抵抗器３５が介挿される。ここで、シャント抵抗器３５は、本願請求項に記載の第一電圧出力手段に相当する。

オペアンプ３３とトランジスタ３４とを設けることでフィードバック回路を構成し、メイン素子３１のＶｄｓとセンス素子３２のＶｄｓとが等しくなるよう制御することで、メイン素子３１とセンス素子３２との上記サイズ比で電流をミラーすることができる。すなわち、メイン素子３１とセンス素子３２とのサイズ比がｎ対１のときには、センス素子３２側にメイン素子３１のメイン電流Ｉｍの１／ｎのセンス電流Ｉｓを安定的に流すことができる。

そして、トランジスタ３４のソース側に接続されるシャント抵抗器３５により、センス電流ＩｓからＶｉを検出し、コンパレータ２７にＶｉが入力される。その後、コンパレータ２７にてＶｉを、ＶＢに対応するＶｒｅｆと比較することで、グロープラグ４ａの劣化の有無を検出する。このように、メイン素子３１を流れるＩｍを分流し、相対的に小さなセンス電流Ｉｓを用いてグロープラグ４ａの劣化を検出することにより、シャント抵抗器３５における発熱が抑制される。
（第四実施形態）
以下、第四実施形態について述べるが、基本的な構成は上記第一〜第三実施形態と同様であるから、特筆すべき相違点についてのみ説明する。また、上記第三実施形態と同一の部材に関しては、第三実施形態と同一の符号を付すものとする。

本実施形態は、上記第一実施形態と上記第三実施形態とを組み合わせたものであって電気回路Ａ４を有する。

具体的に本実施形態は、図１４に示すように、グロープラグ４ａへの通電を制御するスイッチング素子として、センスＭＯＳ３０を用いる。センスＭＯＳ３０は、そのソース側に並列に接続されるシャント抵抗器２３を流れるセンス電流Ｉｓとグロープラグ４ａを流れるメイン電流Ｉｍとを１：１０００のセンス比で分流する。この構成においては、精度良くグロープラグ４ａの劣化を検出することが可能な上、シャント抵抗器２３に流れる電流は上述の第一実施形態に比して十分に小さくなるため、シャント抵抗器２３での発熱によるエネルギー損失を抑制することができる。なお、メイン素子３１およびセンス素子３２は電界効果トランジスタである。
（第五実施形態）
以下、第五実施形態について述べるが、基本的な構成は上記第一〜第四実施形態と同様であるから、特筆すべき相違点についてのみ説明する。また、上記第一実施形態と同一の部材に関しては、第一実施形態と同一の符号を付すものとする。

図１５に示すように、本実施形態の電気回路Ａ５は、上記第一実施形態における地点ｘを、地点ｔの下流側で、且つグロープラグ４ａの上流側に設けられる。よって、地点ｘおよび地点ｔが略等電位となることから、経路Ｙにおける基準電圧Ｖｒｅｆに関し、パワーチップ２２およびシャント抵抗器２３の電圧降下等による素子２２、２３の抵抗値変化が基準電圧Ｖｒｅｆに与える影響を取り除くことができる。これにより、制御チップ２１のＰＷＭ制御によりパワーチップ２２がオンされている期間、コンパレータ２７にて、より精度よくグロープラグ４ａの劣化を検出することができる。
（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種々の実施形態に適用することが出来る。

上記第一〜第五実施形態においては、Ｖｉはバッテリーから流れる負荷電流Ｉをシャント抵抗器２３または抵抗器３５によって電圧値に変換して、Ｖｒｅｆは抵抗器２４、２５、２９を用いて電圧値に変換してコンパレータ２７に出力し、グロープラグ４ａの劣化検出を行った。しかし、コンパレータ２７に出力される信号としては、電圧値Ｖｉ、Ｖｒｅｆに限らず、後述する電流比較回路に出力される電流値Ｉｉ、Ｉｒｅｆを上記信号として適用してもよい。

電流比較回路は、具体的に、図１６に示すように、図４中の電気回路Ａ１の経路Ｙに設けられる抵抗器２４、２５に代えて、カレントミラー回路５０と抵抗器５１を直列に挿入しＩｒｅｆを出力する。また、シャント抵抗器２３に代えてカレントミラー回路６０を接続してＩｉを出力する。このような、電気回路Ｅ１によっても、上記実施形態と同様にして、グロープラグ４ａの劣化を検出することができる。

なお、カレントミラー回路５０、６０は、電気回路Ｅ１の小型化のため、半導体チップで構成することが好ましい。図１６中、カレントミラー回路６０では、グロープラグ４ａに通電される電流を１：１でミラーしているが、たとえば、１：３でミラーして、Ｉｉの出力値を減少させてもよい。これにより、ＩＩを出力する導線、コンパレータ２７における発熱量を抑制することができる。

また、同様にして、図１７に示すような電気回路Ｅ２を用いても上記実施形態と同様の効果を得ることができる。具体的には、図１３に示される抵抗器３５に代えて、カレントミラー回路７０を接続するとともに、オペアンプ３３に代えて電流調整器５２を接続する。電流調整器５２は、差動増幅するものではなく、センス電流Ｉｓを一定に保つ機能を有する。そして、Ｉｉ、Ｉｒｅｆをコンパレータ２７にて比較判別することで、グロープラグ４ａの劣化を検出することができる。

上記第一〜第五実施形態において、コンパレータ２７に入力されるＶｉの時定数とＶｒｅｆの時定数とが異なる。これは、Ｖｉ側には差動増幅器、オペアンプ等の演算手段が設けられているためであり、図１８（ａ）に示すように、Ｖｉの時定数は、Ｖｒｅｆの時定数に比べて緩慢になる。そのため、ＶｉとＶｒｅｆとが定常状態のときにコンパレータ２７で比較判別するときには、グロープラグ４ａの劣化を正しく判定することが可能であるが、Ｖｒｅｆの緩慢な曲線部分（過渡状態）において、ＶｒｅｆとＶｉとをコンパレータ２７で比較したときには、グロープラグ４ａの劣化を誤判定するおそれがある。そこで、図１８（ｂ）に示すように、Ｖｉの時定数とＶｒｅｆの時定数とを揃えるために、図１９に示す電気回路Ａ６のように、コンパレータ２７へのＶｒｅｆの出力経路に、たとえば抵抗器４０とコンデンサ４１とからなるＲＣ回路を設けてもよい。これにより、Ｖｉの時定数とＶｒｅｆの時定数とが揃い、両者の定常状態だけでなく、過渡状態のときにコンパレータ２７におけるグロープラグ４ａの劣化判定も精度の良いものとなる。このように、ＲＣ回路等の所謂、低域通過フィルタにより、一次遅れを解消して応答性を揃えることのほかに、たとえば、無駄時間を解消して応答性を揃えるデジタルフィルタを用いてもよい。ここで、抵抗器４０およびコンデンサ４１は本願請求項に記載の応答性調整手段に相当する。

またさらに、上記第一〜第五実施形態においては、ＶＢとＶｒｅｆとが比例関係を有していたが、ＶＢとＶｒｅｆとの間に相関関係がありさえすれば、ＶＢとＶｒｅｆとの対応関係は特に限定されない。すなわち、図２０（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＶＢとＶｒｅｆとの対応関係は、曲線、折れ線の関係を有するものであってもよい。

また、上記実施形態では、電気回路を用いて所望の制御を実現したが、上述した劣化検出制御を安価な電子回路、ソフトウェアを用いて実現してもよい。これにより、ＧＣＵ６を小型、軽量化することが可能となる。

またさらに、ＧＣＵ６の電気回路はグロープラグの数と同数設けられていればよく、エンジン３の気筒数によって制限を受けない。

なお、上述の実施形態は全て本発明のヒータ劣化検出装置をＧＣＵ６に適用したものであるが、たとえば、セラミックファンヒータ等のヒータを内蔵するものに本発明のヒータ劣化検出装置を設けてもよい。

また、上記第一〜第五実施形態では、電気回路Ａ１〜Ａ６について述べたが、たとえば四気筒エンジンの場合には、電気回路Ｂ〜Ｄは、電気回路Ａ１〜Ａ６または、Ｅ１、Ｅ２のいずれかを適宜選択して適用すれば良い。

以上の他、請求項に規定する範囲内であれば、ヒータ劣化検出装置の構造は、適宜変更可能である。

本実施形態のグロープラグ通電制御装置の構成を模式的に示す構成図である。 本実施形態のグロープラグ通電制御装置の外観図である。 本形態のグロープラグ通電制御装置およびその周辺の接続を示す構成図である。 第一実施形態のグロープラグ通電制御装置の電気回路Ａ１を示す回路図である。 本実施形態のセラミックヒータの経時劣化劣化（マイグレーション現象）を表すグラフである。 本実施形態の時間変化に対するＶＢ、Ｖｉ、Ｖｒｅｆの変化を示したグラフである。 本実施形態のセラミックヒータの経時劣化（マイグレーション現象）を表すグラフである。 本実施形態に関して、時間変化に対するＶＢ、Ｖｉ、Ｖｒｅｆの変化を示したグラフである。 本実施形態のＶｒｅｆとＶＢとの関係を示したグラフである。 本実施形態に係るグロープラグの劣化モードを示すグラフである。 第二実施形態のグロープラグ通電制御装置の電気回路Ａ２を示す回路図である。 第二実施形態に関して、時間変化に対するＶＢ、Ｖｉ、Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２の変化を示したグラフである。 第三実施形態のグロープラグ通電制御装置の電気回路Ａ３を示す回路図である。 第四実施形態のグロープラグ通電制御装置の電気回路Ａ４を示す回路図である。 第五実施形態のグロープラグ通電制御装置の電気回路Ａ５を示す回路図である。 図４の変形例を示すグラフである。 図１３の変形例を示すグラフである。 本実施形態に関して、（ａ）Ｖｉおよび（ｂ）Ｖｒｅｆの時定数を示す模式図である。 変形例である電気回路Ａ６を示す回路図である。 図９の変形例を示すグラフである。

符号の説明

１…エンジン
２…キースイッチ
３…バッテリー（電源）
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ…グロープラグ
４０，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…セラミックヒータ
５…電子制御装置
６…グロープラグ通電制御装置
１０…ハウジング
１１０…樹脂部
１１１…第一コネクタ部
１１２…第二コネクタ部
１１３…第三コネクタ部
１２０…放熱部
２１…制御チップ
２２…パワーチップ
２３…シャント抵抗器（第一電圧出力手段）
２４…抵抗器
２５…抵抗器
２６…差動増幅器（第一電圧出力手段）
２７…コンパレータ（比較判別手段）
２８…コンパレータ（比較判別手段）
２９…抵抗器
３０…センスＭＯＳ
３１…メイン素子
３２…センス素子
３３…オペアンプ（増幅手段）
３４…トランジスタ
３５…シャント抵抗器
４０…抵抗器（応答性調整手段）
４１…コンデンサ（応答性調整手段）
５０…カレントミラー回路（第二電流出力手段）
５１…電圧検出抵抗（抵抗器）
５２…電流調整器（電流調整手段）
６０、７０…カレントミラー回路（電流調整手段）

Claims (6)

1. ヒータに流れる電流を電圧に変換して第一電圧値を出力する第一電圧出力手段と、
   電源に接続されて、前記電源の電圧に対応する第二電圧値を出力する第二電圧出力手段と、
   前記第一電圧出力手段および前記第二電圧出力手段からそれぞれ出力される第一電圧値と第二電圧値とを比較することで、前記ヒータの劣化の有無を判別する比較判別手段とを備え、
   前記ヒータへの通電は、スイッチング素子のパルス幅変調により制御され、
   前記第一電圧出力手段には、前記第一電圧値を増幅する増幅手段が設けられ、前記第二電圧出力手段には、応答性調整手段が設けられていることを特徴とするヒータ劣化検出装置。
2. ヒータに流れる電流を電圧に変換して第一電圧値を出力する第一電圧出力手段と、
   前記ヒータに接続されて、前記ヒータに印加される電圧に対応する第二電圧値を出力する第二電圧出力手段と、
   前記第一電圧出力手段および前記第二電圧出力手段からそれぞれ出力される第一電圧値と第二電圧値とを比較することで、前記ヒータの劣化の有無を判別する比較判別手段とを備え、
   前記ヒータへの通電は、スイッチング素子のパルス幅変調により制御され、
   前記第一電圧出力手段には、前記第一電圧値を増幅する増幅手段が設けられ、前記第二電圧出力手段には、応答性調整手段が設けられていることを特徴とするヒータ劣化検出装置。
3. 前記第一電圧出力手段は、センスＭＯＳを有し、前記ヒータに流れる電流の一部を電圧に変換して前記第一電圧値を出力することを特徴とする請求項１または２に記載のヒータ劣化検出装置。
4. 前記第一電圧出力手段は、シャント抵抗器を有し、前記第一電圧値は、前記シャント抵抗器における電圧降下として出力されることを特徴とする請求項１または２に記載のヒータ劣化検出装置。
5. 前記第二電圧出力手段は、直列に設けられる複数の抵抗器を有し、前記第二電圧値は、前記複数の抵抗器により分圧された電圧値として出力されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のヒータ劣化検出装置。
6. 前記ヒータをグロープラグに内蔵し、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載のヒータ劣化検出装置を用いたグロープラグ通電制御装置。

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