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【発明の名称】 ガス濃度センサの温度制御装置
【発明者】 【氏名】山田 裕彦

【氏名】荘田 裕史

【氏名】鈴木 淳志
【要約】 【課題】ワイヤハーネスの温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施する。

【解決手段】エンジン１０の排気管１３にはＡ／Ｆセンサ３０が配設されている。Ａ／Ｆセンサ３０は、排ガス中の酸素濃度を検出するためのセンサ素子部３２と、センサ素子部３２を加熱するためのヒータ３３とを備え、ワイヤハーネスＨ１，Ｈ２を介してＥＣＵ１５に接続されている。ＥＣＵ１５内のＣＰＵ２０は、ワイヤハーネスＨ１，Ｈ２を介して検出される電圧及び電流値からヒータ３３又はセンサ素子部３２の抵抗値を測定すると共に、ワイヤハーネスＨ１，Ｈ２の抵抗値を推定する。さらに、ＣＰＵ２０は、前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、前記測定したヒータ３３又は素子部３２の抵抗値を補正すると共に、補正後のヒータ３３又は素子部３２の抵抗値に基づいてヒータ通電量を制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するための素子部と、前記素子部を加熱するためのヒータとを備え、ワイヤハーネスを介してセンサ制御回路に接続されるガス濃度センサに適用され、前記ヒータを通電してセンサ温度を制御する温度制御装置において、前記ワイヤハーネスを介して検出される電圧及び電流値から前記ヒータ又は素子部の抵抗値を測定する抵抗値測定手段と、前記ワイヤハーネスの抵抗値を推定するハーネス抵抗値推定手段と、前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、前記測定したヒータ又は素子部の抵抗値を補正する抵抗値補正手段と、前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、ヒータ制御量を設定する制御量設定手段とを備えることを特徴とするガス濃度センサの温度制御装置。
【請求項２】前記抵抗値補正手段は、前記ヒータ又は素子部とそれに接続されたワイヤハーネスとを含む全抵抗分から前記推定したハーネス抵抗値を減算し、その減算した値を真のヒータ抵抗値又は素子抵抗値とする請求項１に記載のガス濃度センサの温度制御装置。
【請求項３】その時々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種の温度制御を切り換えて実施するガス濃度センサの温度制御装置において、前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、前記複数種の温度制御を切り換える制御切換手段を備える請求項１又は請求項２に記載のガス濃度センサの温度制御装置。
【請求項４】被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するための素子部と、前記素子部を加熱するためのヒータとを備え、ワイヤハーネスを介してセンサ制御回路に接続されるガス濃度センサに適用され、前記ヒータを通電してセンサ温度を制御する温度制御装置において、その時々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種の温度制御を切り換える制御切換手段と、前記ワイヤハーネスの抵抗値を推定するハーネス抵抗値推定手段と、前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、温度制御を切り換えるための判定値を可変に設定する判定値設定手段とを備えることを特徴とするガス濃度センサの温度制御装置。
【請求項５】前記判定値設定手段は、ガス濃度センサの活性判定を行うための判定値を可変に設定するものである請求項４に記載のガス濃度センサの温度制御装置。
【請求項６】前記ガス濃度センサは内燃機関の排気管に配設され、排ガス中の特定成分の濃度を検出するものであって、前記ハーネス抵抗値推定手段は、前記内燃機関の吸入空気の温度又は機関温度に応じてハーネス抵抗値を推定する請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス濃度センサの温度制御装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、排ガス中の酸素濃度（空燃比）やＮＯｘ濃度など、被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するためのガス濃度センサに適用され、当該ガス濃度センサの温度制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年では、排ガス法規制の強化に伴い、有害な排ガス成分の放出を抑制すべく各種の空燃比制御装置が具体化されている。例えばジルコニア素子（ＺｒＯ2 ）等を使った空燃比センサを機関排気管に備える装置では、センサ出力から空燃比（排ガス中の酸素濃度）を把握し、その検出空燃比に基づいて空燃比がフィードバック制御される。かかる場合、ジルコニア素子は所定の高温域で活性し反応するため、センサによる空燃比検出の精度を高めるにはジルコニア素子をヒータで加熱する必要がある。
【０００３】そこで従来より、（イ）ヒータ抵抗値とヒータ温度とが所定の関係にあることから、ヒータ抵抗値を測定しそのヒータ抵抗値の測定結果に基づきヒータ温度を所定の温度に制御する、（ロ）ジルコニア素子の抵抗値（素子抵抗値）と同素子の温度とが所定の関係にあることから、素子抵抗値を測定しその素子抵抗値の測定結果に基づき素子温度を所定の温度に制御する、といったセンサの温度制御手法が提案されている。因みに、ヒータ抵抗値は、ヒータにかかる電圧とその際に流れる電流とから測定され、素子抵抗値は、ジルコニア素子にかかる電圧とその際に流れる電流とから測定される。
【０００４】上記（イ）の制御手法によれば、ヒータ温度が上昇しすぎてヒータ自身が高温で断線したり、逆にヒータ温度が低すぎてジルコニア素子が活性化しないなどの不具合が解消される。また、上記（ロ）の制御手法によれば、素子温度が上昇しすぎてジルコニア素子の劣化を早めたり、同素子が活性化しないなどの不具合が解消される。
【０００５】上記の各温度制御を実施することにより、温度センサにより直接的に温度を測定する場合に比べ、センサが不要となってコストダウンが可能となり、実用的な装置が提供できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】一般に、上記（イ）又は（ロ）のような空燃比センサの温度制御は、例えば車両に搭載される電子制御装置により実施される。この場合、電子制御装置は、空燃比センサのヒータ及びジルコニア素子に対してそれぞれ数メートル程度の長さのワイヤハーネスを介して接続される。そのため、エンジンフード内の温度変化に伴いワイヤハーネス自身の温度が変動すると、当該ハーネスの抵抗値が標準値に対して変動し、温度制御に必要なヒータ抵抗や素子抵抗の測定値も不用意に変動してしまう。つまり、ヒータ抵抗値や素子抵抗値の測定時には、ヒータやジルコニア素子自身を抵抗体とすることに加えワイヤハーネスをも抵抗体として、それらを流れる電流を検出して抵抗値が測定される。従って、ヒータ抵抗や素子抵抗の測定値に誤差が生じ、その測定誤差によりヒータ温度や素子温が高すぎたり低すぎたりするという問題を招く。
【０００７】図１５にはワイヤハーネスの温度特性の一例を示す。同図によれば、ハーネス温度に応じてハーネス抵抗が変動することが分かる。実際には、ハーネス温度が２０℃変わると、ハーネス抵抗が約０．１Ω程度変動する。
【０００８】また、図１６にはワイヤハーネスの温度特性によりヒータ制御温度が受ける影響の度合を示す。なお図１６において、縦軸に示す「ヒータ抵抗の測定値」とは、実際にはヒータ抵抗値とハーネス抵抗値とを含むものである。同図によれば、ハーネス温度が変動すると、ヒータ抵抗の測定値が一定でもヒータ温度が一定値に制御されないことが分かる。つまり、例えばハーネス温度が上昇してハーネス抵抗（ヒータ抵抗の測定値）が大きくなると、ヒータ温度が目標値より低くなり、ハーネス温度が低下してハーネス抵抗（ヒータ抵抗の測定値）が小さくなると、ヒータ温度が目標値よりも高くなる。
【０００９】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、ワイヤハーネスの温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施することができるガス濃度センサの温度制御装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ワイヤハーネスを介して検出される電圧及び電流値からヒータ又は素子部の抵抗値を測定する抵抗値測定手段と、ワイヤハーネスの抵抗値を推定するハーネス抵抗値推定手段と、前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、前記測定したヒータ又は素子部の抵抗値を補正する抵抗値補正手段と、前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、ヒータ制御量を設定する制御量設定手段とを備える。
【００１１】要するに、ガス濃度センサの素子部及びヒータはそれぞれワイヤハーネスを介してセンサ制御回路に接続される。そして、ワイヤハーネスを介して検出される電圧及び電流値によりヒータや素子部の抵抗値が測定される。従来既存の装置では、ワイヤハーネスの雰囲気温度に応じてハーネス抵抗値が不用意に変動した際に、その影響を受けてヒータの通電制御にバラツキ（制御誤差）が生じる。これに対して本発明によれば、ハーネス抵抗値に基づいてヒータ又は素子部の抵抗値が補正され、補正後のヒータ又は素子部の抵抗値によりヒータ制御が実施される。これにより、ハーネス抵抗値が不用意に変動しても、ヒータ又は素子部の正確な抵抗値が把握でき、制御誤差が解消される。その結果、ワイヤハーネスの温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施することができる。
【００１２】上記の通りヒータ又は素子部の正確な抵抗値を把握するには、請求項２に記載したように、ヒータ又は素子部とそれに接続されたワイヤハーネスとを含む全抵抗分から前記推定したハーネス抵抗値を減算し、その減算した値を真のヒータ抵抗値又は素子抵抗値とするとよい（抵抗値補正手段）。
【００１３】また、請求項３に記載の発明では、その時々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種の温度制御を切り換えて実施するガス濃度センサの温度制御装置において、前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて、前記複数種の温度制御を切り換える（制御切換手段）。例えばヒータを通電し続ける第１の制御と、ヒータ通電をデューティ制御する第２の制御とを切り換えて実施する場合に、前記補正後のヒータ又は素子部の抵抗値に基づいて第１及び第２の制御を切り換える。この場合、温度制御の切り換えが適切なタイミングで実施できるようになり、ヒータ通電量の過不足が抑制できる。
【００１４】請求項４に記載の発明では、その時々のヒータ抵抗値又は素子抵抗値に応じて複数種の温度制御を切り換える制御切換手段と、ワイヤハーネスの抵抗値を推定するハーネス抵抗値推定手段と、前記推定したハーネス抵抗値に基づいて、温度制御を切り換えるための判定値を可変に設定する判定値設定手段とを備える。請求項４の構成によれば、ハーネス抵抗値に基づき温度制御を切り換えるための判定値を可変に設定することで、請求項３の発明と同様に、温度制御の切り換えが適切なタイミングで実施できるようになり、ヒータ通電量の過不足が抑制できる。
【００１５】かかる場合、請求項５に記載したように、ガス濃度センサの活性判定を行うための判定値を可変に設定すれば、適切な活性判定とその活性度合に応じた適切なヒータ制御とが実施できる。
【００１６】請求項６に記載の発明では、ハーネス抵抗値推定手段は、内燃機関の吸入空気の温度又は機関温度に応じてハーネス抵抗値を推定する。つまり、吸入空気の温度や機関温度（冷却水温）が変化すると、それに追従してハーネス温度が変動する。従って、上記の通りハーネス温度を推定することで、正確且つ簡易的にハーネス温度が認識できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、自動車に搭載されるガソリン噴射式内燃機関の燃料噴射量を最適に制御するための空燃比制御システムに具体化したものであって、空燃比制御を司る電子制御装置（以下、ＥＣＵという）により空燃比が所望の値に制御される。以下の記載では、ガス濃度センサとしての限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）について、同センサに内蔵されたヒータを通電してセンサ温度を制御する手順を詳細に説明すると共に、その温度制御を実現するための具体的構成について説明する。
【００１８】図１は、本実施の形態における空燃比制御システムの概要を示す全体構成図である。図１において、エンジン１０は多気筒４サイクル内燃機関として構成されている。吸気管１１には、エンジン１０の各気筒に対して燃料を噴射供給するためのインジェクタ１２が配設されている。また、排気管１３には、排ガス中の酸素濃度（或いは、未燃ガス中の一酸化炭素などの濃度）に比例して広域で且つリニアな空燃比信号を出力する、限界電流式空燃比センサからなるＡ／Ｆセンサ３０が配設されている。Ａ／Ｆセンサ３０は、固体電解質等を有するセンサ素子部３２と、同センサ素子部３２を加熱するためのヒータ３３とを備えるものであり、その詳細については後述する。さらに、排気管１３においてＡ／Ｆセンサ３０の下流側には、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの有害三成分を浄化するための三元触媒１４が配設されている。
【００１９】ＥＣＵ１５は、インジェクタ１２による燃料噴射量を最適に制御するためのエンジン制御用マイコン１６を備える。エンジン制御用マイコン１６は、回転数センサ１７、吸気圧センサ１８、水温センサ１９など、各種センサからエンジン運転情報を取り込み、これらのセンサ検出結果からエンジン回転数Ｎｅ、吸気圧ＰＭ、水温Ｔｗなどのエンジン運転状態を検知する。
【００２０】ＥＣＵ１５内に設けられたＣＰＵ２０は、所定の制御プログラムに従いヒータ駆動回路２５及びバイアス制御回路４０を操作し、電圧印加に伴いＡ／Ｆセンサ３０に流れるセンサ電流を測定する。そして、該測定したセンサ電流から空燃比を検出し、その検出結果（Ａ／Ｆ値）をエンジン制御用マイコン１６に出力する。また、ＣＰＵ２０は、センサ素子部３２が活性状態で維持されるよう、ヒータ駆動回路２５を操作し必要に応じてヒータ３３を通電する。
【００２１】ここで、ＣＰＵ２０から出力されるバイアス指令信号Ｖｒは、Ｄ／Ａ変換器２１を介してバイアス制御回路４０に入力される。また、その時々の空燃比（酸素濃度）に対応するＡ／Ｆセンサ３０の出力は、バイアス制御回路４０内の電流検出回路５０にてセンサ電流として検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２３を介してＣＰＵ２０に入力される。ヒータ電圧及びヒータ電流はヒータ駆動回路２５にて検出され、その検出値はＡ／Ｄ変換器２４を介してＣＰＵ２０に入力される。
【００２２】Ａ／Ｆセンサ３０のセンサ素子部３２は、ワイヤハーネスＨ２を介してＥＣＵ１５に接続され、同センサ３０のヒータ３３は、ワイヤハーネスＨ１を介してＥＣＵ１５接続されている。ワイヤハーネスＨ１，Ｈ２はエンジンフード内に設けられ、それらは共に周知の温度特性（例えば、図１５の特性）を有する。
【００２３】エンジン制御用マイコン１６による空燃比Ｆ／Ｂ制御については、本案の要旨ではなく且つその制御内容が周知であるため、ここではその詳細な説明を省略するが、簡単に述べると、エンジン制御用マイコン１６は、Ａ／Ｆセンサ３０による空燃比の検出結果（電圧信号）やその他、前記各センサの検出結果を取り込み、それらの検出結果に基づいて現代制御或いはＰＩ制御といった制御アルゴリズムに則って空燃比をフィードバック制御する。つまり、その時々の空燃比が目標空燃比に一致するよう、インジェクタ１２からエンジン１０の各気筒に噴射供給される燃料量を制御する。本実施の形態では、三元触媒１４で最も高い浄化率が得られるよう、理論空燃比（ストイキ）を目標値として空燃比をフィードバック制御する。
【００２４】図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略を示す断面図である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は前記排気管１３の内部に向けて突設されており、同センサ３０は大別して、カバー３１、センサ素子部３２及びヒータ３３から構成されている。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。センサ素子部３２は、空燃比リーン領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における未燃ガス（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生する。
【００２５】センサ素子部３２の構成について詳述する。センサ素子部３２において、断面コップ状に形成された固体電解質層３４の外表面には、排ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質層３４は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなり、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。排ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排ガス側電極層３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2（平方ミリメートル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ^2（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。
【００２６】ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容されており、その発熱エネルギによりセンサ素子部３２（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３は、センサ素子部３２を活性化するのに十分な発熱容量を有している。
【００２７】上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ素子部３２は理論空燃比点よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ素子部３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ素子部３２を活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ素子部３２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１０の排ガスのみによる加熱では素子温を活性領域に制御できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３３への供給電力をデューティ制御することにより、センサ素子部３２を活性温度域にまで加熱するようにしている。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ素子部３２はＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００２８】センサ素子部３２の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）について図３を用いて説明する。図３によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ素子部３２の固体電解質層３４への流入電流と、同固体電解質層３４への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ素子部３２の限界電流を特定する限界電流検出域であって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（すなわち、リーン・リッチの度合）に対応している。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００２９】このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗支配域となっており、その抵抗支配域における一次直線部分の傾きは、センサ素子部３２における固体電解質層３４の内部抵抗（以下、これを素子インピーダンスという）により特定される。この素子インピーダンスは温度変化に伴い変化し、センサ素子部３２の温度が低下すると素子インピーダンスの増大により上記傾きが小さくなる。
【００３０】図４は、Ａ／Ｆセンサ３０のヒータ３３を通電するための電気的構成を示す回路図である。同図において、ヒータ３３の一端はバッテリ電源＋Ｂに接続され、他端はワイヤハーネスＨ１を介してＥＣＵ１５に接続されている。ＥＣＵ１５内のヒータ駆動回路２５は、電流検出抵抗２５ａとスイッチング素子を構成するトランジスタ２５ｂとを有する。トランジスタ２５ｂはＣＰＵ２０によりＯＮ／ＯＦＦ操作され、トランジスタ２５ｂがＯＮされることによりヒータ３３に電流Ｉｈが流れる。電流検出抵抗２５ａの両端の電圧はそれぞれ、Ｖ１，Ｖ２として検出され、その検出結果はＡ／Ｄ変換器２４を介してＣＰＵ２０に入力される。なお、電流検出抵抗２５ａは既知の抵抗値「Ｒｃ」を有する抵抗体として構成されている。
【００３１】次に、本実施の形態の作用を説明する。本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の温度制御を適正に実施することを要旨としており、ここでは、ヒータ抵抗値Ｒｈをパラメータとして温度制御を実施する。
【００３２】図５はヒータ制御ルーチンを示すフローチャートであり、同ルーチンはＣＰＵ２０により所定間隔（例えば、１２８ｍｓｅｃ周期）のタイマ割り込みにて起動される。
【００３３】さて、図５のルーチンがスタートすると、ＣＰＵ２０は、先ずステップ１０１で前記図４のトランジスタ２５ｂがＯＮしている時のＶＢ（電源電圧），Ｖ１，Ｖ２の各電圧のＡ／Ｄ変換値を取り込む。また、ＣＰＵ２０は、続くステップ１０２でヒータ３３とワイヤハーネスＨ１との抵抗分を全て含む抵抗値（以下便宜上、全抵抗値Ｒｔ１という）を算出する。ここで、全抵抗値Ｒｔ１は、前記図４のバッテリ電源＋Ｂからヒータ３３及びワイヤハーネスＨ１を経てＥＣＵ１５に至るまでの全ての抵抗分に相当する。具体的には、Ｉｈ＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｒｃとしてヒータ電流Ｉｈを求め、さらに、Ｒｔ１＝（ＶＢ−Ｖ１）／Ｉｈとして全抵抗値Ｒｔ１を求める。
【００３４】また、ＣＰＵ２０は、ステップ１０３でワイヤハーネスＨ１の抵抗値（ハーネス抵抗値Ｒｄ１）を次の式（１）から推定する。
Ｒｄ１＝Ｒ0 ｛１＋α0 （Ｔｈ−Ｔｈ0 ）｝ …（１）
式（１）において、Ｔｈはハーネス温度、Ｔｈ0 はハーネスの標準温度（例えば、２０℃）、Ｒ0 は標準温度でのハーネス抵抗値、α0 は係数である。ハーネス温度Ｔｈは、例えば図６の関係に従い推定される。図６では、水温Ｔｗに応じてハーネス温度Ｔｈが求められるようになっており、水温Ｔｗが高いほどハーネス温度Ｔｈが高い値として求められる。
【００３５】さらに、ＣＰＵ２０は、ステップ１０４で全抵抗値Ｒｔ１からハーネス抵抗値Ｒｄ１を減算し、その差分を真のヒータ抵抗値Ｒｈとする（Ｒｈ＝Ｒｔ１−Ｒｄ１）。
【００３６】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ１０５でヒータ抵抗値Ｒｈがセンサ素子部３２の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、１．９Ω程度）以上であるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動時等においてはＲｈ＜１．９Ωとなり、ＣＰＵ２０はステップ１０６に進んでヒータ３３の「１００％通電制御」を実施する。この１００％通電制御は、ヒータ３３へのデューティ比制御信号を１００％に維持する制御であり、ヒータ抵抗値Ｒｈが１．９Ω以上になりステップ１０５が肯定判別されるまで継続して実施される。
【００３７】ヒータ３３の通電に伴いＲｈ≧１．９Ωになると、ＣＰＵ２０はステップ１０７に進み、ヒータ抵抗値Ｒｈがフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態では、２．２Ω程度）以上であるか否かを判別する。ステップ１０７の判定値は、センサ素子部３２が略活性状態に達したとみなされる値である。
【００３８】ステップ１０７が否定判別されると、ＣＰＵ２０はステップ１０８に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を制御する。つまり、未だＦ／Ｂ制御が実施される状態でないとみなし、通電量をオープン制御する。このとき、図７のマップに示すように、前記ステップ１０４で算出したヒータ抵抗値Ｒｈに応じて電力指令値が決定され、その電力指令値に応じた制御デューティ比によりヒータ３３が通電される。
【００３９】一方、ステップ１０７が肯定判別されると、ＣＰＵ２０はステップ１０９に進み、前記ステップ１０４で算出したヒータ抵抗値Ｒｈをヒータ温Ｔｈに換算する。このとき、例えば図８の関係を用いてヒータ温Ｔｈを算出する。
【００４０】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ１１０で「ヒータ温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。このヒータ温Ｆ／Ｂ制御では、その時々のエンジン運転状態に応じた目標ヒータ温Ｔｈｔｇと前記算出したヒータ温Ｔｈとの偏差に応じてヒータ３３の通電がデューティ制御される。目標ヒータ温Ｔｈｔｇは例えば図９の関係に従い設定され、高回転・高負荷域ほど、高い目標ヒータ温Ｔｈｔｇが設定される。
【００４１】本実施の形態では、ヒータ温Ｆ／Ｂ制御の一例としてＰＩＤ制御手順を用いる。つまり、次の式（２）〜（４）により比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを算出する。
【００４２】
ＧＰ＝ＫＰ・（Ｔｈ−Ｔｈｔｇ） …（２）
ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｔｈ−Ｔｈｔｇ） …（３）
ＧＤ＝ＫＤ・（Ｔｈ−Ｔｈi-1 ） …（４）
上式において、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定数、「ＫＤ」は積分定数を表し、添字「ｉ−１」は前回処理時の値を表す。
【００４３】そして、上記比例項ＧＰ，積分項ＧＩ，微分項ＧＤを加算してヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを算出し（Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）、該算出したデューティ比Ｄｕｔｙによりヒータ３３を通電する。
【００４４】なお本実施の形態では、前記図５のステップ１０２が請求項記載の抵抗値測定手段に、同ステップ１０３がハーネス抵抗値推定手段に、同ステップ１０４が抵抗値補正手段に、同ステップ１０８，１１０が制御量設定手段に、同ステップ１０５，１０７が制御切換手段に、それぞれ相当する。
【００４５】以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、ヒータ３３とそれに接続されたワイヤハーネスＨ１とを含む全抵抗値Ｒｔ１を算出すると共に、ハーネス抵抗値Ｒｄ１を推定し、全抵抗値Ｒｔ１からハーネス抵抗値Ｒｄ１を減算して真のヒータ抵抗値Ｒｈを求めた。そして、その真のヒータ抵抗値Ｒｈに基づいて電力制御とヒータ温Ｆ／Ｂ制御とを実施するようにした。
【００４６】従来既存の装置では、ワイヤハーネスの雰囲気温度に応じてハーネス抵抗値が不用意に変動することでヒータの通電制御にバラツキ（制御誤差）が生じたが、本実施の形態の構成によれば、ハーネス抵抗値が不用意に変動してもヒータ３３の正確な抵抗値が把握でき、制御誤差が解消される。その結果、ワイヤハーネスの温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施することができる。
【００４７】（ｂ）ハーネス抵抗値Ｒｄ１にて補正したヒータ抵抗値Ｒｈに基づいて、ヒータ３３の１００％通電制御と電力制御とヒータ温Ｆ／Ｂ制御とを切り換えるようにした。この場合、温度制御の切り換えが適切なタイミングで実施できるようになり、ヒータ通電量の過不足が抑制できる。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０が最適な活性状態で維持できる。
【００４８】（ｃ）水温Ｔｗに応じてハーネス抵抗値Ｒｄ１を推定するようにしたため、正確且つ簡易的にハーネス温度を認識できる。
（ｄ）温度特性に優れた高価なワイヤハーネスを使わなくても精度の良い温度制御が実施できるようになり、コストの高騰が回避できる。
【００４９】（ｅ）上記の通り、Ａ／Ｆセンサ３０の温度制御が精度良く実施できることから、当該センサ３０を組み込んだ空燃比制御システムにおいて、高精度な空燃比制御が実施できる。よって、排気エミッションの低減を図ることができる。
【００５０】次に、本発明における第２，第３の実施の形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００５１】（第２の実施の形態）第２の実施の形態を図１０〜図１２を用いて説明する。上記第１の実施の形態では、ヒータ抵抗値Ｒｈに基づいてＡ／Ｆセンサ３０の温度制御を実施したが、本実施の形態ではこれを変更し、Ａ／Ｆセンサ３０（固体電解質層３４）の素子インピーダンスＺｓに基づいて同センサ３０の温度制御を実施する。実際には、前記図５のルーチンに代えて、図１０のヒータ制御ルーチンを実施する。
【００５２】図１０において、ＣＰＵ２０は、ステップ２０１でセンサ素子部３２とワイヤハーネスＨ２との抵抗分を全て含む抵抗値（以下便宜上、全抵抗値Ｒｔ２という）を算出する。具体的には、センサ素子部３２に負の印加電圧Ｖｎｅｇ、すなわちＡ／Ｆセンサ３０のＶ−Ｉ特性において限界電流検出域にかからない電圧を印加し、その時のセンサ電流Ｉｎｅｇを計測する。そして、Ｒｔ２＝Ｖｎｅｇ／Ｉｎｅｇとして全抵抗値Ｒｔ２を測定する。
【００５３】また、ＣＰＵ２０は、ステップ２０２でワイヤハーネスＨ２の抵抗値（ハーネス抵抗値Ｒｄ２）を次の式（５）から推定する。
Ｒｄ２＝Ｒ0 ｛１＋α0 （Ｔｈ−Ｔｈ0 ）｝ …（５）
式（５）は、前述の式（１）に準ずる。
【００５４】さらに、ＣＰＵ２０は、ステップ２０３で全抵抗値Ｒｔ２からハーネス抵抗値Ｒｄ２を減算し、その差分を真の素子インピーダンスＺｓとする（Ｚｓ＝Ｒｔ２−Ｒｄ２）。
【００５５】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ２０４で素子インピーダンスＺｓがセンサ素子部３２の半活性状態を判定するための所定の判定値（本実施の形態では、２００Ω程度）以下であるか否かを判別する。例えばエンジン１０の低温始動時等においてはＺｓ＞２００Ωとなり、ＣＰＵ２０はステップ２０５に進んでヒータ３３の「１００％通電制御」を実施する（前記図５のステップ１０６に同じ）。この１００％通電制御は、素子インピーダンスＺｓが２００Ω以下になりステップ２０４が肯定判別されるまで継続して実施される。
【００５６】ヒータ３３の加熱作用により素子温が上昇し、ステップ２０４が肯定判別されると、ＣＰＵ２０はステップ２０６に進み、素子インピーダンスＺｓがＦ／Ｂ制御を開始するための所定の判定値（本実施の形態では、４０Ω程度）以下であるか否かを判別する。ステップ２０６の判定値は、センサ素子部３２の活性状態を判定するものであって、目標インピーダンス（本実施の形態では、３０Ω）に対して「＋１０Ω」程度の値として設定される。
【００５７】Ａ／Ｆセンサ３０の活性化完了前であって、ステップ２０６が否定判別されると、ＣＰＵ２０はステップ２０７に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を制御する。このとき、図１１のマップに示すように素子インピーダンスＺｓに応じて電力指令値が決定され、その電力指令値に応じた制御デューティ比によりヒータ３３が通電される。
【００５８】一方、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化が完了し、ステップ２０６が肯定判別されると、ＣＰＵ２０はステップ２０８に進み、前記ステップ２０３で算出した素子インピーダンスＺｓを素子温Ｔｓに換算する。このとき、例えば図１２の関係を用いて素子温Ｔｓを算出する。
【００５９】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ２０９で「素子温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。この素子温Ｆ／Ｂ制御では、前述の図５の処理と同様に、ＰＩＤ制御手順に従いヒータ通電をデューティ制御する。つまり、その時々のエンジン運転状態に応じた目標素子温と前記算出した素子温Ｔｓとの偏差に応じてヒータ通電のためのデューティ比Ｄｕｔｙを求め、そのデューティ比Ｄｕｔｙによりヒータ３３を通電する。
【００６０】なお本実施の形態では、図１０のステップ２０１が請求項記載の抵抗値測定手段に、同ステップ２０２がハーネス抵抗値推定手段に、同ステップ２０３が抵抗値補正手段に、同ステップ２０７，２０９が制御量設定手段に、同ステップ２０４，２０６が制御切換手段に、それぞれ相当する。
【００６１】以上第２の実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、ワイヤハーネスの温度特性に関係なく、精度の良い温度制御を実施することができる等の優れた効果が得られる。
【００６２】（第３の実施の形態）次に、第３の実施の形態を図１３及び図１４を用いて説明する。本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ３０の活性判定に用いるヒータ抵抗値の判定値を、ハーネス抵抗値に基づいて可変に設定する。実際には、前記図５のルーチンに代えて、図１３のヒータ制御ルーチンを実施する。
【００６３】図１３において、ＣＰＵ２０は、ステップ３０１でハーネス抵抗値を推定し（前記式（１）参照）、続くステップ３０２でハーネス抵抗値に応じて２つの判定値β１，β２を可変に設定する（但し、β１＜β２）。判定値β１，β２は、Ａ／Ｆセンサ３０の活性判定を行うものであって、例えば図１４の関係に従い設定される。
【００６４】その後、ＣＰＵ２０は、ステップ３０３でヒータ抵抗値Ｒｈがセンサ素子部３２の半活性状態を判定するための判定値β１以上であるか否かを判別する。Ｒｈ＜β１の場合、ＣＰＵ２０はステップ１０６に進んでヒータ３３の「１００％通電制御」を実施する。また、Ｒｈ≧β１の場合、ＣＰＵ２０はステップ３０４に進み、ヒータ抵抗値ＲｈがＦ／Ｂ制御を開始するための判定値β２以上であるか否かを判別する。
【００６５】Ｒｈ＜β２の場合、ＣＰＵ２０はステップ１０８に進み、「電力制御」によりヒータ３３の通電を制御する。一方、Ｒｈ≧β２の場合、ＣＰＵ２０はステップ１０９，１１０に進み、「ヒータ温Ｆ／Ｂ制御」を実施する。但し、ステップ１０６，１０８〜１１０の処理は前記図５の処理と同一であるため、ここではその説明を省略する。
【００６６】なお本実施の形態では、図１３のステップ３０３，３０４が制御切換手段に相当し、同ステップ３０１がハーネス抵抗値推定手段に相当する。また、同ステップ３０２が判定値設定手段に相当する。
【００６７】以上第３の実施の形態によれば、温度制御の切り換えが適切なタイミングで実施できるようになり、ヒータ通電量の過不足が抑制できる。また、Ａ／Ｆセンサ３０の活性判定を行うための判定値β１，β２を可変に設定することで、適切な活性判定とその活性度合に応じた適切なヒータ制御とが実施できる。
【００６８】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に次の形態にて具体化できる。上記各実施の形態では、ハーネス抵抗値の推定に際し、水温Ｔｗに基づいてハーネス温度Ｔｈを求めたが、これを変更する。例えば吸入空気の温度、エンジンフード内の温度又はシリンダ壁面の温度に基づいてハーネス温度を求め、このハーネス温度に応じてハーネス抵抗値を推定する。この場合、異なる温度データを複合的に用いてハーネス温度を求めるようにしてもよい。
【００６９】上記各実施の形態では、ヒータ制御に際し、「１００％通電制御」と「電力制御」と「ヒータ温（又は素子温）Ｆ／Ｂ制御」とを選択的に実施したが、この構成を変更する。例えば１００％通電制御又は電力制御の何れか一方を省略する。この場合、エンジンの始動当初は１００％通電制御又は電力制御を実施し、その後、ヒータ温（又は素子温）Ｆ／Ｂ制御を実施する。
【００７０】上記各実施の形態では、ヒータ温Ｆ／Ｂ制御時或いは素子温Ｆ／Ｂ制御時においてＰＩＤ制御手順を用いたが、これを変更し例えばＰＩ制御やＰ制御を実施するようにしてもよい。
【００７１】ヒータ抵抗値Ｒｈをヒータ温Ｔｈに換算してヒータ温Ｆ／Ｂ制御を実施したが（図５及び図１３のステップ１０９，１１０）、ヒータ温Ｔｈに換算せずに、ヒータ抵抗値Ｒｈを用いてヒータ抵抗Ｆ／Ｂ制御を実施してもよい。また、素子インピーダンスＺｓを素子温Ｔｓに換算して素子温Ｆ／Ｂ制御を実施したが（図１０のステップ２０８，２０９）、素子温Ｔｓに換算せずに、素子インピーダンスＺｓを用いて素子インピーダンスＦ／Ｂ制御を実施してもよい。
【００７２】上記第２の実施の形態では、素子インピーダンス（全抵抗値Ｒｔ２）の測定に際し、直流インピーダンスを測定したが、交流インピーダンスを測定するようにしてもよい。この場合、Ａ／Ｆセンサ３０の印加電圧を一時的に正方向及び負方向に変化させる。そして、この電圧変化時における正負いずれか一方又は両方の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスを測定する（素子インピーダンス＝ΔＶ／ΔＩ）。
【００７３】上記第３の実施の形態では、ハーネス抵抗値に基づいて、Ａ／Ｆセンサ３０の活性判定に用いる「ヒータ抵抗値の判定値β１，β２」を可変に設定したが、「素子インピーダンスの判定値」を可変に設定する構成としてもよい。この場合、ハーネス抵抗値が大きくなるほど、素子インピーダンスの判定値（例えば前記図１０のステップ２０４，２０６の判定値）を大きな値に設定するとよい。
【００７４】本発明を空燃比リーン領域でのリーン燃焼を行わせるリーン燃焼制御システムに適用してもよい。この場合にも同様に、既述の優れた効果が得られる。上記実施の形態では、限界電流式空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）に本発明を具体化したが、他のガス濃度センサに具体化して実現することも可能である。例えば空燃比が理論空燃比（ストイキ）に対してリッチかリーンかで異なる電圧信号（起電力）を出力するＯ2 センサや、排ガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力するＮＯｘセンサなど、他のガス濃度センサにも適用できる。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成１０年（１９９８）３月２３日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
【公開番号】 特開平１１−２７１２６４
【公開日】 平成１１年（１９９９）１０月５日
【出願番号】 特願平１０−７４１８８