JP5001086B2 - センサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ素子と、そのガスセンサ素子を加熱する発熱抵抗体とを制御するセンサ制御装置に関する。

従来、所定の活性化温度以上に加熱されることで、検出対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出することが可能となるガスセンサ素子が知られている。そして、このようなガスセンサ素子は、起動した後に、早期に特定ガス成分の濃度の検出が可能な状態（活性化状態）となるように、ヒータが備えられている。なお、活性化温度以上になることで特定ガス成分の濃度の検出が可能となるガスセンサ素子としては、例えば、酸素センサ、全領域空燃比センサ、ＮＯｘガスセンサなどが挙げられる。

また、固体電解質体を備えて形成されるガスセンサ素子のインピーダンス（以下、素子インピーダンスという）は、ガスセンサ素子の温度と相関関係を有する形で変化する特性を有する。このため、ガスセンサ素子を制御するセンサ制御装置は、素子インピーダンスを検出し、検出された素子インピーダンスを用いて測定された温度に基づいてヒータを駆動することにより、ガスセンサ素子の温度を制御することができる（例えば特許文献１を参照）。
特開平１０−４８１８０号公報

ところで、ガスセンサ素子の素子インピーダンスを精度良く検出するには、ガスセンサ素子が加熱されてある程度にまで素子インピーダンスが低下するのを待つ必要がある。そこで、従来のセンサ制御装置においては、ガスセンサ素子の起動時に、予め設定された投入電力量をヒータに投入してガスセンサ素子の温度を早期に高めるようにしている。このとき、ヒータに投入する投入電力量は、ガスセンサ素子の始動時に温度が冷えている（例えば、常温）ことを想定して大きめに設定されていた。

一方、ガスセンサ素子が活性化温度以上に加熱された状態で、ガスセンサ素子（センサ制御装置）の駆動が停止されるとガスセンサ素子の温度は徐々に低下することになるが、短時間内にガスセンサ素子（センサ制御装置）が再起動された場合には、ガスセンサ素子の温度がまだ高い場合である。このような場合に、大きめに設定された投入電力量をヒータに投入してガスセンサ素子を加熱すると、ガスセンサ素子が破損する領域まで過度に加熱してしまうおそれがあった。

なお、ガスセンサ素子の起動直後に、ガスセンサ素子の素子インピーダンスを検出するようにして、ガスセンサ素子の温度が温まった状態で起動したか否かを検出してヒータの通電を制御する手法が考えられるが、ガスセンサ素子とセンサ制御装置との間の電流経路で断線が発生していると、センサ制御装置は素子インピーダンスを測定することができないため、ガスセンサ素子を活性化させるべく大きめに設定された投入電力量をヒータに投入してしまうことになる。そのため、上記の手法を用いたとしても、ガスセンサ素子の過剰な加熱を防ぎきることができないという問題がある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、活性化温度以上に加熱されたガスセンサ素子の駆動が停止され、短期間内にガスセンサ素子（センサ制御装置）が再起動された場合にも、ガスセンサ素子を適正に加熱することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記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、固体電解質体を備え、予め設定された活性化温度まで加熱されることで、検出対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出することが可能となるガスセンサ素子と、通電により発熱して該ガスセンサ素子を加熱する発熱素子とを制御するセンサ制御装置であって、発熱素子への通電が停止されたときのガスセンサ素子の温度である通電停止時センサ素子温度を測定するガスセンサ素子温度測定手段と、発熱素子への通電が停止されてから、発熱素子への通電が開始されるまでに経過した通電停止時間を測定する通電停止時間測定手段と、ガスセンサ素子温度測定手段により測定された通電停止時センサ素子温度と、通電停止時間測定手段により測定された通電停止時間とに基づいて、発熱素子への通電が開始されるときのガスセンサ素子の温度である通電開始時センサ素子温度を推定するガスセンサ素子温度推定手段と、ガスセンサ素子温度推定手段により推定された通電開始時センサ素子温度に応じて、ガスセンサ素子が活性化温度となるように予め設定された活性化電力量を発熱素子に投入する発熱制御手段とを備え、さらに、ガスセンサ素子のインピーダンスを検出し、記憶するインピーダンス検出手段を備えており、ガスセンサ素子温度測定手段は、インピーダンス検出手段により発熱素子への通電が停止される直前に記憶されたインピーダンスに基づいて通電停止時センサ素子温度を測定することを特徴とするセンサ制御装置である。

このように構成されたセンサ制御装置では、まず、ガスセンサ素子温度測定手段が、インピーダンス検出手段により発熱素子への通電が停止される直前に記憶されたインピーダンスに基づいて発熱素子への通電が停止されたときのガスセンサ素子の温度（通電停止時センサ素子温度）を測定する。その後に通電停止時間測定手段が、発熱素子への通電が停止されてから、発熱素子への通電が開始されるまでに経過した通電停止時間を測定する。更にガスセンサ素子温度推定手段が、ガスセンサ素子温度測定手段により測定された通電停止時センサ素子温度と、通電停止時間測定手段により測定された通電停止時間とに基づいて、発熱素子への通電が開始されるときのガスセンサ素子の温度（通電開始時センサ素子温度）を推定する。そして発熱制御手段が、ガスセンサ素子温度推定手段により推定された通電開始時センサ素子温度に応じて、ガスセンサ素子が活性化温度となるように予め設定された活性化電力量を発熱素子に投入する。

即ち、ガスセンサ素子の温度（以下、センサ素子温度ともいう）は、発熱素子への電力の投入（通電）が停止された時点から低下し、上記の通電停止時間が長くなるほどセンサ素子温度の低下が大きくなる。このため、ガスセンサ素子温度推定手段は、上記通電停止時センサ素子温度から、通電停止時間に応じたセンサ素子温度の低下分を減算することにより、発熱素子への通電が開始されるときのガスセンサ素子の温度（通電開始時センサ素子温度）を推定することができる。そして発熱制御手段は、ガスセンサ素子がこの推定した通電開始時センサ素子温度から活性化温度になるまでに必要な電力量をヒータ素子に投入する。

なお、発熱素子への通電が開始されるときのガスセンサ素子の温度（通電開始時素子温度）を推定するために、通電停止時センサ素子温度と通電停止時間とをパラメータとして通電開始時素子温度を求めるマップや計算式を用いるようにしてもよい。

従って、請求項１に記載のセンサ制御装置によれば、ガスセンサ素子の再起動時（即ち、発熱素子への通電を再開する時）におけるガスセンサ素子の温度を推定することができるので、ガスセンサ素子が温まった状態で起動（再起動）された場合にも、ガスセンサ素子を活性化温度以上にするために必要かつ適正な発熱素子への投入電力量を特定することができる。これにより、ガスセンサ素子とセンサ制御装置との間の電流経路で断線が発生した場合であっても、例えば、活性化温度まで温度を上昇させるのに要する電力量を投入することができずにガスセンサ素子を活性化させることができない事態や、ガスセンサ素子を過剰に加熱させてガスセンサ素子を破損させてしまう事態が発生するのを抑制することができる。

また、請求項１に記載のセンサ制御装置においては、請求項２に記載のように、発熱制御手段は、ガスセンサ素子温度推定手段により推定された通電開始時センサ素子温度が低いほど活性化電力量が大きくなるように活性化電力量を設定するとよい。これにより、ガスセンサ素子の再起動時におけるセンサ素子温度に適した活性化電力量を発熱素子に投入することができる。

また、請求項２に記載のセンサ制御装置においては、請求項３に記載のように、発熱制御手段は、ガスセンサ素子温度推定手段により推定された通電開始時センサ素子温度が予め設定された判定用温度より高い場合には、活性化電力量を、判定用温度に応じて予め設定された第１電力量に設定し、ガスセンサ素子温度推定手段により推定された通電開始時センサ素子温度が判定用温度以下の場合には、活性化電力量を、判定用温度に応じて第１電力量より大きく設定された第２電力量に設定するようにしてもよい。

このように構成されたセンサ制御装置では、発熱制御手段が、ガスセンサ素子温度推定手段により推定された通電開始時センサ素子温度が判定用温度より高い場合には、ガスセンサ素子を活性化温度以上にするために第１電力量を発熱素子に供給し、通電開始時センサ素子温度が判定用温度以下の場合には、判定用温度に応じて第１電力量より大きく設定された第２電力量を発熱素子に供給する。

即ち、請求項３に記載のセンサ制御装置によれば、発熱制御手段により供給される活性化電力量を、第１電力量または第２電力量に設定する。このため、通電開始時センサ素子温度に応じて、活性化電力量についての多くの選択肢（３つ以上）の中から１つを選択する場合と比較して、発熱制御手段の制御を簡略化することができる。

また、請求項１〜請求項３の何れかに記載のセンサ制御装置においては、請求項４に記載のように、発熱制御手段は、発熱素子に活性化電力量を投入した後、インピーダンス検出手段により検出されるインピーダンスに基づいて発熱素子の通電を制御するようにするとよい。

発熱素子に予め設定された活性化電力量を投入することで、ガスセンサ素子の素子インピーダンスは低下することになる。ここで、ガスセンサ素子の温度を検出するにあたっては、発熱素子の抵抗値により推定することは前述の通りできるが、ガスセンサ素子の温度を直接的に検出する訳ではないため、ガスセンサ素子の素子インピーダンスに基づいて温度を検出する方が精度は良好なものとなる。

そこで、このように構成されたセンサ制御装置では、発熱制御手段が、発熱素子に活性化電力量を投入した後に、インピーダンス検出手段により検出されるインピーダンス（素子インピーダンス）に基づいて発熱素子の通電を制御するようにしているため、ガスセンサ素子の起動後において、精度良くガスセンサ素子の温度を活性化温度以上に維持することができる。

また、請求項４に記載のセンサ制御装置においては、請求項５に記載のように、インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンスに基づいてガスセンサ素子が異常であるか否かを判断する異常判断手段を備え、発熱制御手段は、異常判断手段によりガスセンサ素子が異常でないと判断された場合に、インピーダンスに基づいて発熱素子の通電を制御するようにするとよい。

即ち、発熱制御手段により活性化電力量が発熱素子に加えられた後であるので、ガスセンサ素子が正常であれば、素子インピーダンスはガスセンサ素子の活性化温度に対応した値になっているはずである。このため、発熱制御手段によりガスセンサ素子に活性化電力量が加えられた後に素子インピーダンスが活性化温度に対応した値になっていない場合には、ガスセンサ素子に異常が発生しているという判断基準で異常の判断をすることが可能となる。例えば、ガスセンサ素子とセンサ制御装置との間の、素子インピーダンスの信号を伝達する経路で断線が発生した場合には、素子インピーダンスが活性化温度に対応した値にならないため、当該経路で断線が発生したと判断することができる。そして、発熱制御手段は、ガスセンサ素子が異常でないと判断された場合にインピーダンスに基づいて発熱素子の通電を制御することで、ガスセンサ素子を安定して活性化温度に加熱することができる。

尚、素子インピーダンスは、ガスセンサ素子の温度が高くなるほど低くなる特性を有している。このため異常判断手段は、例えば、素子インピーダンス検出手段により検出された素子インピーダンスの値が予め設定された判定用インピーダンス値より大きい場合に、ガスセンサ素子が異常であると判断するようにしてもよい。

以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
図１は本発明が適用されたセンサ制御装置１の概略構成図、図２はガスセンサ素子５の概略構成図である。

センサ制御装置１は、図１に示すように、測定対象ガス（排気ガスなど）における特定ガス濃度（酸素濃度など）を検出するガスセンサ素子５と、ガスセンサ素子５を加熱するヒータ８０と、ガスセンサ素子５の各種特性を検出するセンサ特性検出回路３と、ヒータ８０の通電を制御するヒータ通電制御回路６と、センサ特性検出回路３及びヒータ通電制御回路６に接続されて各種制御処理を実行する中央演算処理装置２とを備えている。

センサ特性検出回路３は、内燃機関の排気管に設けられるガスセンサ素子５に接続されている。そしてセンサ特性検出回路３は、ガスセンサ素子５の素子インピーダンスに応じて変化する素子インピーダンス信号を検出し、検出した素子インピーダンス信号を中央演算処理装置２に対して出力する。またセンサ特性検出回路３は、素子インピーダンス信号の他に、ガスセンサ素子５からガス検出信号Ｖｉｐを検出し、検出したガス検出信号Ｖｉｐを中央演算処理装置２に対して出力する機能を有している。なおガス検出信号Ｖｉｐは、ガスセンサ素子５が検出する特定ガスのガス濃度に応じて変化する。

中央演算処理装置２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等を備えるマイクロコンピュータを主体として構成されている。そして中央演算処理装置２は、各部から受信した各種情報を用いて各種制御処理を実行する。

例えば中央演算処理装置２は、センサ特性検出回路３から受信した素子インピーダンス信号を用いてガスセンサ素子５の温度を検出する温度検出処理や、ガスセンサ素子５を目標温度に設定するためにヒータ８０への投入電力量を制御するヒータ制御処理などを実行する。また中央演算処理装置２は、センサ特性検出回路３から受信したガス検出信号に基づき、測定対象ガス（排気ガスなど）における特定ガス濃度（酸素濃度など）を検出するガス濃度検出処理を実行する。

ヒータ８０は、後述するようにヒータ抵抗８７を備え、そのヒータ抵抗８７の一端が直流電源ＶＢ（本実施形態では、＋１２Ｖ）に接続され、他端がヒータ通電制御回路６に接続されている。

ヒータ通電制御回路６は、コレクタがヒータ抵抗８７の他端に接続され、エミッタが抵抗Ｒｈを介して接地され、ベースが中央演算処理装置２に接続されたトランジスタＴｒとを備えている。

このため、トランジスタＴｒをオン状態にする電圧レベルの信号（以下、ヒータ・オン信号という）を中央演算処理装置２がトランジスタＴｒのベースへ出力している間はヒータ抵抗８７に電流が流れて、ヒータ８０が発熱する。一方、中央演算処理装置２がヒータ・オン信号の出力を停止するとトランジスタＴｒがオフ状態となるため、ヒータ抵抗８７に電流が流れず、ヒータ８０の発熱が停止される。つまりヒータ通電制御回路６は、中央演算処理装置２から入力されるヒータ・オン信号によってトランジスタＴｒのオン状態とオフ状態とを切り換えることで、ヒータ８０を発熱制御するように動作する。

またヒータ通電制御回路６では、抵抗ＲｈにおけるトランジスタＴｒと接続されている側の端部Ｒｅで、中央演算処理装置２と接続されている。
ガスセンサ素子５は、図２に示すように、ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、起電力セル２４と、補強板３０と、ヒータ８０とを積層することにより構成されている。

ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性固体電解質体である部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２，１６を有している。なお多孔質電極１２は、多孔質状の保護層１５に覆われており、保護層１５は、多孔質電極１２の被毒を防止するための被毒防止層として備えられている。

また起電力セル２４は、同じく酸素イオン伝導性固体電解質体である部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂）により形成され、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２，２８を有している。

ポンプセル１４のうちで中空の拡散室２０に臨む多孔質電極１６と、起電力セル２４のうちで中空の拡散室２０に臨む多孔質電極２２とは、互いに導通されるとともに、ガスセンサ素子５の端子ＣＯＭに接続されている。なお端子ＣＯＭは、通電経路４２および抵抗器Ｒを介して、センサ特性検出回路３のＶｃｅｎｔ点に接続されている（図１参照）。

またポンプセル１４の多孔質電極１２は、ガスセンサ素子５の端子Ｉｐ＋に接続され、起電力セル２４の多孔質電極２８は、ガスセンサ素子５の端子Ｖｓ＋に接続されている。なお端子Ｉｐ＋は、センサ特性検出回路３における第２オペアンプＯＰ２の出力端子に接続され、端子Ｖｓ＋は、通電経路４０を介して、センサ特性検出回路３における第４オペアンプＯＰ４の非反転入力端子＋に接続されている（図１参照）。

また補強板３０は、起電力セル２４の多孔質電極２８を閉塞しつつ、多孔質電極２８の内部に基準酸素室２６を形成するように、起電力セル２４に積層されている。
またポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された拡散室２０が形成されている。即ち、この拡散室２０は、多孔質拡散層１８を介して測定ガス雰囲気と連通されている。

またヒータ８０は、補強板３０に積層され、ポンプセル１４、起電力セル２４、補強板３０と共に一体化されている。このヒータ８０は、導体からなるヒータ抵抗８７を一対のアルミナシート８３，８５にて挟み込んだ構成をなしており、ヒータ８０（詳細には、発熱抵抗体パターン８７）の一端が直流電源ＶＢに接続され、他端がヒータ通電制御回路６に接続されている。そして、自身が発熱することにより、ポンプセル１４及び起電力セル２４が活性化することで、ガス検出（酸素濃度検出）が可能となる。

次に、ガスセンサ素子５を用いて酸素濃度を測定する際の、センサ特性検出回路３における動作について説明する。
図１に示すように、センサ特性検出回路３は、定電流源回路６２より起電力セル２４に一定の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐを制御して、拡散室２０における酸素の汲み入れ、または汲み出しを行う。つまり、起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、拡散室２０の酸素濃度をポンプセル１４を用いて調整する。

そして、ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値及び電流方向は、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐに基づいて排気ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、起電力セル２４に対して、拡散室２０の酸素を多孔質電極２８の側に汲み出す方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室２６は内部酸素基準源として機能する。

またセンサ特性検出回路３は、定電流源回路６２のほか、第１オペアンプＯＰ１から第５オペアンプＯＰ５、第１スイッチＳＷ１から第３スイッチＳＷ３、ＰＩＤ制御回路６９などを備えて構成されている。そして、定電流源回路６２、起電力セル２４、抵抗器Ｒは、この順に接続されて、微小電流Ｉｃｐを流す電流路を構成している。

第２オペアンプＯＰ２は、一方の入力端子がＶｃｅｎｔ点に接続され、他方の入力端子には基準電圧＋３．６Ｖが印加され、出力端子はポンプセル１４の端子Ｉｐ＋に接続されている。ＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された起電力セル２４の端子Ｖｓ＋の電位とＶｃｅｎｔ点における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ制御回路６９にて、目標制御電圧（４５０ｍＶ）と起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓとの偏差がＰＩＤ演算され、第２オペアンプＯＰ２にフィードバックされることで、第２オペアンプＯＰ２は、ポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。

さらにセンサ特性検出回路３は、ポンプ電流Ｉｐの大きさを検出し、電圧信号に変換する検出抵抗Ｒ１と、この検出抵抗Ｒ１の両端電圧（電位Ｖｃｅｎｔと電位Ｖｐｉｄとの差分）を差動増幅してガス検出信号（Ｖｉｐ信号）として出力する差動増幅回路６１とを備えている。このガス検出信号（Ｖｉｐ信号）は、ガス検出信号出力端子４３（図１参照）から中央演算処理装置２に対して出力される。

そして中央演算処理装置２は、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）を図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、ガス検出信号（Ｖｉｐ信号）に対応する酸素濃度値を算出する酸素濃度算出処理を実行する。

次に、センサ特性検出回路３における起電力セル２４の素子インピーダンス（温度）測定動作について説明する。
センサ特性検出回路３において、第１オペアンプＯＰ１は、第１コンデンサＣ１、第１スイッチＳＷ１とともにサンプルホールド回路を形成している。このサンプルホールド回路は、起電力セル２４のインピーダンス測定時に第１スイッチＳＷ１をオンからオフ状態とし、起電力セル２４の素子インピーダンス測定のための電流通電直前の起電力セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓを保持することにより、素子インピーダンス測定直前の電圧ＶｓをＰＩＤ制御回路６９に入力する役割を果たす。

第３オペアンプＯＰ３は、第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値（インピーダンス測定用の電流を通電する直前の起電力セル２４の電圧Ｖｓ）と、起電力セル２４にインピーダンス測定用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位（第４オペアンプＯＰ４の出力電位）との差分に応じた電圧変化量ΔＶｓを出力する。この電圧変化量ΔＶｓは、起電力セル２４のバルク抵抗値に比例することから、起電力セル２４の素子インピーダンスを表す素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓとして利用可能である。

つまり第３オペアンプＯＰ３は、電圧変化量ΔＶｓを出力するとともに、起電力セル２４のバルク抵抗値に比例する素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを出力する。なお、素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓは、起電力セル２４のバルク抵抗値に比例する特性を有している。

そして、第３オペアンプＯＰ３から出力された素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓ（電圧変化量ΔＶｓ）は、第５オペアンプＯＰ５を介して、中央演算処理装置２に出力される。
第５オペアンプＯＰ５は、第２コンデンサＣ２、第２スイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２と共に信号ホールド回路を形成している。この信号ホールド回路は、まず、起電力セル２４のインピーダンス測定時に第２スイッチＳＷ２がオフからオン状態になると、第３オペアンプＯＰ３から電圧変化量ΔＶｓが入力される。そのあと、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、この信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３から出力された電圧変化量ΔＶｓを第２コンデンサＣ２にて保持するとともに、電圧変化量ΔＶｓを表す素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを素子インピーダンス信号出力端子４１を介して中央演算処理装置２に対して出力する。

このようにしてセンサ特性検出回路３は、素子インピーダンス信号出力端子４１から中央演算処理装置２に対して電圧変化量ΔＶｓを表す素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを出力する。

なおセンサ特性検出回路３において、第１スイッチＳＷ１は、第１オペアンプＯＰ１、即ち、サンプルホールド回路における電圧ホールド動作を制御する。また、第２スイッチＳＷ２は、３個備えられており、起電力セル２４の抵抗値測定用（インピーダンス検出用）の一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源６３，６５をオン・オフ制御するための２個と、信号ホールド回路における信号ホールド動作を制御するための１個である。さらに、第３スイッチＳＷ３は、２個備えられており、第２スイッチＳＷ２にて流される抵抗値測定用の電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源６４，６６をオン・オフ制御するための２個である。

そしてスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３は、制御部５９からの指令に基づいて状態（オン状態、オフ状態）が制御される。
なお制御部５９は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインタフェース等を備えるマイクロコンピュータを主体として構成されている。そして制御部５９は、中央演算処理装置２からの指令に基づき、スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の状態を制御するスイッチ制御処理を実行する。

次に、中央演算処理装置２の起動直後にヒータ８０を用いてガスセンサ素子５を加熱するために中央演算処理装置２が実行するヒータ制御処理の手順を図３を用いて説明する。図３はヒータ制御処理を示すフローチャートである。

このヒータ制御処理が開始されると、中央演算処理装置２は、まずＳ１０にて、ガスセンサ素子５の温度（以下、素子温度ともいう）を推定する素子温度推定処理（後述）を行う。

その後Ｓ２０にて、Ｓ１０で推定された素子温度が、予め設定された素子温度判定値（本実施形態では、例えば２００℃）より大きいか否かを判断する。ここで、素子温度が素子温度判定値より大きい場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、Ｓ３０にて、第１加熱時間（本実施形態では、例えば３秒間）の間ヒータ・オン信号を出力し、その後、Ｓ５０に移行する。これにより、ヒータ８０は第１加熱時間ガスセンサ素子５を加熱する。

一方、素子温度が素子温度判定値以下の場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、Ｓ４０にて、第１加熱時間より長くなるように設定された第２加熱時間（本実施形態では、例えば９秒間）の間ヒータ・オン信号を出力し、その後、Ｓ５０に移行する。これにより、ヒータ８０は第２加熱時間ガスセンサ素子５を加熱する。

そしてＳ５０に移行すると、起電力セル２４の素子インピーダンスの測定を開始する。
具体的には、センサ特性検出回路３に対して、素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓ（電圧変化量ΔＶｓ）の測定の開始を指示するための測定指示信号Ｓｒを出力する処理を実行、Ｓ６０に移行する。

なお、センサ特性検出回路３の制御部５９は、中央演算処理装置２から測定指示信号Ｓｒを受け取ると、電圧変化量測定処理を実行する。これにより、センサ特性検出回路３は、素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを出力する。

ここで、センサ特性検出回路３の制御部５９が実行する電圧変化量測定処理の手順を図５を用いて説明する。図５は電圧変化量測定処理を示すフローチャートである。なお、この電圧変化量測定処理は、一度開始されると、センサ制御装置１が起動している間、定期的に実行される。

この電圧変化量測定処理が開始されると、制御部５９は、まずＳ２１０にて、第１スイッチＳＷ１をオフ状態に設定し、第２スイッチＳＷ２をオン状態に設定することで、ガスセンサ素子５の起電力セル２４に対して素子インピーダンス検出電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する処理と、時間計測タイマを起動する処理とを実行する。

つまり、第２スイッチＳＷ２をオン状態に設定することで、電流源６５から第２スイッチＳＷ２、端子ＣＯＭ、起電力セル２４、端子Ｖｓ＋、第２スイッチＳＷ２、電流源６３という電流経路を形成することができ、起電力セル２４に対して素子インピーダンス検出電流を通電することができる。

また、第１スイッチＳＷ１をオフ状態に設定することで、第１オペアンプＯＰ１および第１コンデンサＣ１を備えるサンプルホールド回路は、素子インピーダンス検出電流を通電する直前の起電力セル２４の両端電圧Ｖｓを保持する。

その後Ｓ２２０にて、Ｓ２１０で起動した時間計測タイマによるカウント値に基づいて、予め設定された検出待機時間（本実施形態では、６０μｓ）が経過したか否かを判断する。ここで、検出待機時間が経過していない場合には（Ｓ２２０：ＮＯ）、Ｓ２２０の処理を繰り返すことで、検出待機時間が経過するまで待機する。一方、検出待機時間が経過した場合には（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、Ｓ２３０にて、第２スイッチＳＷ２をオフ状態に設定することで、ガスセンサ素子５の起電力セル２４に対する素子インピーダンス検出電流の通電を停止する処理を実行する。

また、第２スイッチＳＷ２をオフ状態にすることで、第３オペアンプＯＰ３から第２スイッチＳＷ２および抵抗素子を介して第５オペアンプに至る通電経路が遮断されて、第２コンデンサＣ２に電圧変化量ΔＶｓが保持される。つまり、第５オペアンプＯＰ５および第２コンデンサＣ２を備える信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３から出力された素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを保持する。さらに信号ホールド回路は、保持している素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓを素子インピーダンス信号出力端子４１を介して中央演算処理装置２に対して出力する。

次にＳ２４０にて、第３スイッチＳＷ３をオン状態に設定することで、ガスセンサ素子５の起電力セル２４に対して、素子インピーダンス検出電流とは極性が異なる逆極性電流（＋Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する処理と、時間計測タイマを起動する処理とを実行する。

つまり、第３スイッチＳＷ３をオン状態に設定することで、電流源６４から第３スイッチＳＷ３、端子Ｖｓ＋、起電力セル２４、端子ＣＯＭ、第３スイッチＳＷ３、電流源６６という電流経路を形成することができ、起電力セル２４に対して逆極性電流を通電することができる。このように逆極性電流を通電するのは、起電力セル２４を構成する酸素イオン伝導性固体電解質体の配向現象によって内部起電力が影響を受け本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させ、素子インピーダンス信号の測定後に酸素濃度の測定を短時間で再開し得るようにするためである。

更にＳ２５０にて、Ｓ２４０で起動した時間計測タイマによるカウント値に基づいて、予め設定された逆極性通電時間（本実施形態では、６０μｓ）が経過したか否かを判断する。なお本実施形態では、逆極性通電時間は、Ｓ２２０の処理に用いられる検出待機時間と等しい値に設定されている。

ここで、逆極性通電時間が経過していない場合には（Ｓ２５０：ＮＯ）、Ｓ２５０の処理を繰り返すことで、逆極性通電時間が経過するまで待機する。一方、逆極性通電時間が経過した場合には（Ｓ２５０：ＹＥＳ）、Ｓ２６０にて、第３スイッチＳＷ３をオフ状態に設定することで、ガスセンサ素子５の起電力セル２４に対する逆極性電流の通電を停止する処理と、時間計測タイマを起動する処理とを実行する。

そしてＳ２７０にて、Ｓ２６０で起動した時間計測タイマによるカウント値に基づいて、予め設定された安定化待機時間（本実施形態では、６００μｓ）が経過したか否かを判断する。なお、安定化待機時間は、素子インピーダンス信号の測定が終了した後、本来の酸素濃度差が反映された内部起電力値を起電力セル２４が出力する正常な状態に復帰するまでの復帰時間よりも長い時間に設定されている。

ここで、安定化待機時間が経過していない場合には（Ｓ２７０：ＮＯ）、Ｓ２７０の処理を繰り返すことで、安定化待機時間が経過するまで待機する。一方、安定化待機時間が経過した場合には（Ｓ２７０：ＹＥＳ）、Ｓ２８０にて、第１スイッチＳＷ１をオン状態に設定する処理を実行する。

第１スイッチＳＷ１をオン状態に設定することで、起電力セル２４における端子Ｖｓ＋の電位が第１オペアンプＯＰ１に入力されるとともに、その電位が第１オペアンプＯＰ１からＰＩＤ制御回路６９に入力される。そしてＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された起電力セル２４の端子Ｖｓ＋の電位とＶｃｅｎｔ点における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの大きさをＰＩＤ制御する。

そしてＳ２８０の処理が終了すると、電圧変化量測定処理を終了する。なお、電圧変化量測定処理が終了した後は、第５オペアンプＯＰ５および第２コンデンサＣ２を備える信号ホールド回路が、保持している素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓ（電圧変化量ΔＶｓ）の出力を継続して行う。

次に、中央演算処理装置２におけるヒータ制御処理の説明に戻る。
図３に示すように、Ｓ５０にて素子インピーダンスの測定を開始した後に、Ｓ６０に移行すると、素子インピーダンスの測定開始または前回の素子インピーダンスの測定から、予め設定されたインピーダンス測定待機時間（本実施形態では、例えば１００ｍｓ）が経過したか否かを判断する。ここで、インピーダンス測定待機時間が経過していない場合には（Ｓ６０：ＮＯ）、Ｓ６０の処理を繰り返すことで、インピーダンス測定待機時間が経過するまで待機する。一方、インピーダンス測定待機時間が経過した場合には（Ｓ６０：ＹＥＳ）、Ｓ７０にて、センサ特性検出回路３から出力された素子インピーダンス信号Ｒｐｖｓ（電圧変化量ΔＶｓ）を入力し、これに基づいて、素子インピーダンスを測定し、この測定値を中央演算処理装置２のＲＡＭに記憶する。

その後Ｓ８０にて、Ｓ７０で測定された素子インピーダンスが、予め設定された素子インピーダンス判定値（本実施形態では、例えば２２０Ω）より小さいか否かを判断する。即ち、ガスセンサ素子５の端子Ｖｓ＋とセンサ特性検出回路３との間の電流経路（以下、Ｖｓ＋配線という）が正常であるか否かを判断する。

ここで、素子インピーダンスがインピーダンス判定値より小さい場合には、Ｖｓ＋配線が正常であると判断し（Ｓ８０：ＹＥＳ）、Ｓ９０に移行してヒータ制御処理を開始して、Ｓ１１０に移行する。一方、素子インピーダンスがインピーダンス判定値以上である場合には、Ｖｓ＋配線が断線していると判断し（Ｓ８０：ＮＯ）、Ｓ１００にて、ヒータ・オン信号を出力することを禁止して、Ｓ１１０に移行する。なお、Ｓ９０にて実行されるヒータ制御処理は、Ｓ７０にて検出された素子インピーダンスが予め設定された目標インピーダンスになるように、ヒータ８０の通電制御（具体的にはＰＷＭ制御）を行うようにしている。このヒータ制御処理は公知であるため、詳述は省略する。

そしてＳ１１０に移行すると、外部（例えば、エンジンＥＣＵ）からヒータ通電停止信号を受信したか否かを判断する。尚、このヒータ通電停止信号はエンジンの停止時等に受信される。

ここで、ヒータ通電停止信号を受信していない場合には（Ｓ１１０：ＮＯ）、Ｓ６０に移行し、上述の処理を繰り返す。一方、ヒータ通電停止信号を受信した場合には（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、Ｓ１２０にて、時間計測タイマを起動する処理を実行する。

その後Ｓ１３０にて、ヒータ８０への通電を開始するタイミングになったか否かを判断する。ここで、通電を開始するタイミングになったと判断した場合には（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、Ｓ１４０にて、Ｓ１２０で起動した時間計測タイマによるカウント値を取得して、Ｓ１０に移行する。

一方、通電を開始するタイミングになっていないと判断した場合には（Ｓ１３０：ＮＯ）、Ｓ１５０にて、Ｓ１２０で起動した時間計測タイマによるカウント値に基づいて、予め設定された再通電待機時間（本実施形態では、２００ｓ）が経過したか否かを判断する。ここで、再通電待機時間が経過していない場合には（Ｓ１５０：ＮＯ）、Ｓ１３０に移行し、上述の処理を繰り返す。一方、再通電待機時間が経過した場合には（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、ヒータ制御処理を終了する。

次に、Ｓ１０にて行われる素子温度推定処理を、図６を用いて説明する。図６は素子温度推定処理を示すフローチャートである。
この素子温度推定処理が実行されると、中央演算処理装置２は、まずＳ４１０にて、Ｓ１１０の処理で記憶した素子インピーダンスの値に基づいてガスセンサ素子５の温度（素子温度）を算出する。尚、ここで算出された素子温度は、ヒータ８０への通電が停止された時点における素子温度（以下、通電停止時素子温度ともいう）を示すものである。

そしてＳ４２０にて、Ｓ１３０で起動した時間計測タイマによるカウント値（以下、タイマ値ともいう）を取得したか否かを判断する。即ち、Ｓ１５０の処理を実行したか否かを判断する。ここで、タイマ値を取得したと判断した場合には（Ｓ４２０）、Ｓ４３０にて、取得したタイマ値と、Ｓ４１０で算出した通電停止時素子温度とに基づいて、素子温度推定マップを参照して、現時点での素子温度を推定する。その後、素子温度推定処理を終了する。この素子温度推定マップは、中央演算処理装置２のＲＯＭに記憶され、複数種類の通電停止時素子温度（本実施形態では、９００℃，８３０℃，８００℃，７００℃，６００℃，５００℃，４００℃）ごとに存在して、ヒータ８０への通電が停止されてから経過した時間（以下、通電停止時間ともいう）をパラメータとした素子温度の変化を示すマップである（図７を参照）。

例えば、通電停止時素子温度が７００℃の場合には、通電停止時素子温度が７００℃のマップを参照し、タイマ値に相当する通電停止時間から素子温度を推定する。また、Ｓ４１０で算出した通電停止時素子温度がマップに存在しない温度である場合には、例えば、その通電停止時素子温度に近い素子温度のマップを用いて線形補間することにより素子温度を推定する。例えば、Ｓ４１０で算出した通電停止時素子温度が７３０℃の場合には、８００℃のマップを用いて算出した素子温度と、７００℃のマップを用いて算出した素子温度とで線形補間して推定する。

一方、タイマ値を取得していないと判断した場合には（Ｓ４２０）、Ｓ４４０にて、素子温度推定マップにおける通電停止時間の上限値（本実施形態では、２００ｓ）に相当する値にタイマ値を設定して、このタイマ値と、Ｓ４１０で算出した通電停止時素子温度とに基づいて、素子温度推定マップを参照して、現時点での素子温度を推定する。その後、素子温度推定処理を終了する。尚、タイマ値を取得していない場合とは、Ｓ１６０の処理で再通電待機時間が経過して、タイマ値を取得することなくヒータ制御処理を終了した場合のことをいう。

このように構成されたセンサ制御装置１では、まず、ヒータ８０への通電が停止されたときのガスセンサ素子５の温度（通電停止時素子温度）を測定する（Ｓ５０〜Ｓ１１０）。その後に、ヒータ８０への通電が停止されてから、ヒータ８０への通電が開始されるまでに経過した時間（通電停止時間）を測定する（Ｓ１２０〜Ｓ１４０）。更に、測定された通電停止時素子温度と通電停止時間とに基づいて、ヒータ８０への通電が開始されるときのガスセンサ素子５の温度（通電開始時素子温度）を推定する（Ｓ１０）。そして、推定した通電開始時素子温度に基づいて、ガスセンサ素子５を活性化温度にするために電開始時素子温度に応じて予め設定された熱量をガスセンサ素子５に加えるように、ヒータ８０を発熱させる（Ｓ３０，Ｓ４０）。

従って、センサ制御装置１によれば、ガスセンサ素子５の再起動時（即ち、発熱素子への通電を再開する時）におけるガスセンサ素子５の温度を推定することができるので、ガスセンサ素子５が温まった状態で起動（再起動）された場合にも、ガスセンサ素子５を活性化温度以上にするために必要かつ適正なヒータ８０への投入電力量を特定することができる。これにより、ガスセンサ素子５とセンサ制御装置１との間の電流経路で断線が発生した場合であっても、例えば、活性化温度まで温度を上昇させるのに要する電力量を投入することができずにガスセンサ素子５を活性化させることができない事態や、ガスセンサ素子５を過剰に加熱させてガスセンサ素子５を破損させてしまう事態が発生するのを抑制することができる。

またセンサ制御装置１では、素子温度が素子温度判定値より大きい場合には（Ｓ２０：ＹＥＳ）、第１加熱時間ガスセンサ素子５を発熱させ（Ｓ３０）、素子温度が素子温度判定値以下の場合には（Ｓ２０：ＮＯ）、第１加熱時間より長く設定された第２加熱時間ガスセンサ素子５を発熱させる（Ｓ４０）。

即ち、センサ制御装置１は、第１加熱時間発熱させる場合、または第２加熱時間発熱させる場合の何れかを選択する。このため、推定したガスセンサ素子の温度に応じて、上記の投入電力量についての多くの選択肢(３つ以上)の中から１つを選択する場合と比較して、ヒータ８０の制御を簡略化することができる。

またセンサ制御装置１では、ヒータ８０がガスセンサ素子５を加熱した後に（Ｓ３０，Ｓ４０）、ガスセンサ素子５の素子インピーダンスを測定する（Ｓ７０）。そして、素子インピーダンスの値に基づいて、Ｖｓ＋配線が正常であるか否かを判断する（Ｓ８０）。

即ち、ガスセンサ素子５が活性化温度になるようにヒータ８０がガスセンサ素子５を加熱した後であるので、ガスセンサ素子５が正常であれば、素子インピーダンスはガスセンサ素子５の活性化温度に対応した値になっているはずである。このため、素子インピーダンスが活性化温度に対応した値になっていない場合には、ガスセンサ素子５に異常が発生しているという判断基準で異常の判断をすることが可能となる。そして、ガスセンサ素子５が異常でないと判断された場合にインピーダンスに基づいてヒータ抵抗８７の通電を制御することで、ガスセンサ素子５を安定して活性化温度に加熱することができる。

以上説明した実施形態において、ヒータ８０は本発明における発熱素子、Ｓ１１０及びＳ１２０の処理は本発明におけるガスセンサ素子温度測定手段、Ｓ１３０〜Ｓ１５０の処理は本発明における通電停止時間測定手段、Ｓ１０の処理は本発明におけるガスセンサ素子温度推定手段、Ｓ３０及びＳ４０とヒータ通電制御回路６の処理は本発明における発熱制御手段、第１加熱時間及び第２加熱時間にわたり、直流電源ＶＢの電圧値をヒータ８０に供給するときの投入エネルギーは本発明における活性化電力量、素子温度判定値は本発明における判定用温度、第１加熱時間にわたり、直流電源ＶＢの電圧値をヒータ８０に供給するときの投入エネルギーは本発明における第１電力量、第２加熱時間にわたり、直流電源ＶＢの電圧値をヒータ８０に供給するときの投入エネルギーは本発明における第２電力量、Ｓ７０の処理は本発明における素子インピーダンス検出手段、Ｓ８０の処理は本発明における異常判断手段である。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態では、ヒータ８０への投入電力量として、第１加熱時間発熱させる場合と、第２加熱時間発熱させる場合との何れか一方を選択するものを示したが、これに限られるものではなく、より多くの投入電力量の選択肢の中から選択できるようにしてもよい。例えば、素子温度と、ヒータ８０に供給する投入電力量との相関関係を示すマップまたは計算式を予め保持しており、ヒータ抵抗８７の抵抗値から素子温度を算出した後に、このマップまたは計算式を用いて求められた投入電力量をヒータ８０に加えるようにしてもよい。

また上記実施形態では、センサ素子は、ポンプセル１４及び起電力セル２４を備える２セルタイプのものを示したが、これに限られるものではなく、３つ以上のセルを有するセンサ素子であってもよく、限界電流方式の１セルタイプのセンサ素子であってもよい。

センサ制御装置１の概略構成図である。 ガスセンサ素子５の概略構成図である。 ヒータ制御処理の前半部分を示すフローチャートである。 ヒータ制御処理の後半部分を示すフローチャートである。 電圧変化量測定処理を示すフローチャートである。 素子温度推定処理を示すフローチャートである。 素子温度推定マップを示す図である。

符号の説明

１…センサ制御装置、２…中央演算処理装置、３…センサ特性検出回路、５…ガスセンサ素子、６…ヒータ通電制御回路、１２…多孔質電極、１４…ポンプセル、１５…保護層、１６…多孔質電極、１８…多孔質拡散層、２０…拡散室、２２…多孔質電極、２４…起電力セル、２６…基準酸素室、２８…多孔質電極、３０…補強板、４０…通電経路、４１…素子インピーダンス信号出力端子、４２…通電経路、４３…ガス検出信号出力端子、５９…制御部、６１…差動増幅回路、６２…定電流源回路、６３〜６６…電流源、６９…ＰＩＤ制御回路、８０…ヒータ、８７…ヒータ抵抗

Claims (5)

1. 固体電解質体を備え、予め設定された活性化温度まで加熱されることで、検出対象ガス中の特定ガス成分の濃度を検出することが可能となるガスセンサ素子と、通電により発熱して該ガスセンサ素子を加熱する発熱素子とを制御するセンサ制御装置であって、
   前記発熱素子への通電が停止されたときの前記ガスセンサ素子の温度である通電停止時センサ素子温度を測定するガスセンサ素子温度測定手段と、
   前記発熱素子への通電が停止されてから、前記発熱素子への通電が開始されるまでに経過した通電停止時間を測定する通電停止時間測定手段と、
   前記ガスセンサ素子温度測定手段により測定された前記通電停止時センサ素子温度と、前記通電停止時間測定手段により測定された前記通電停止時間とに基づいて、前記発熱素子への通電が開始されるときの前記ガスセンサ素子の温度である通電開始時センサ素子温度を推定するガスセンサ素子温度推定手段と、
   前記ガスセンサ素子温度推定手段により推定された前記通電開始時センサ素子温度に応じて、前記ガスセンサ素子が前記活性化温度となるように予め設定された活性化電力量を前記発熱素子に投入する発熱制御手段とを備え、
   さらに、前記ガスセンサ素子のインピーダンスを検出し、記憶するインピーダンス検出手段を備えており、
   前記ガスセンサ素子温度測定手段は、前記インピーダンス検出手段により前記発熱素子への通電が停止される直前に記憶された前記インピーダンスに基づいて前記通電停止時センサ素子温度を測定する
   を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
2. 前記発熱制御手段は、
   前記ガスセンサ素子温度推定手段により推定された前記通電開始時センサ素子温度が低いほど前記活性化電力量が大きくなるように前記活性化電力量を設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ制御装置。
3. 前記発熱制御手段は、
   前記ガスセンサ素子温度推定手段により推定された前記通電開始時センサ素子温度が予め設定された判定用温度より高い場合には、前記活性化電力量を、前記判定用温度に応じて予め設定された第１電力量に設定し、前記ガスセンサ素子温度推定手段により推定された前記通電開始時センサ素子温度が前記判定用温度以下の場合には、前記活性化電力量を、前記判定用温度に応じて前記第１電力量より大きく設定された第２電力量に設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ制御装置。
4. 前記発熱制御手段は、前記発熱素子に活性化電力量を投入した後、前記インピーダンス検出手段により検出される前記インピーダンスに基づいて前記発熱素子の通電を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のセンサ制御装置。
5. 前記インピーダンス検出手段により検出されたインピーダンスに基づいて前記ガスセンサ素子が異常であるか否かを判断する異常判断手段を備え、
   前記発熱制御手段は、前記異常判断手段により前記ガスセンサ素子が異常でないと判断された場合に、前記インピーダンスに基づいて前記発熱素子の通電を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載のセンサ制御装置。

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