(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度を検出する検出素子及び該検出素子を加熱するためのヒータを備えたヒータ付き酸素センサと、該酸素センサのヒータを発熱させるために該ヒータへの通電を制御する通電制御手段とからなるヒータ付き酸素センサの制御装置において、
前記通電制御手段は、前記検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を可変に制御し、前記ヒータは高容量状態のときに前記検出素子を８００℃以上の温度まで加熱する構成とし、
かつ前記通電制御手段は、前記検出素子がヒータからの熱で劣化するのを避けるために、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としたことを特徴とするヒータ付き酸素センサの制御装置。
【請求項２】
前記ヒータ付き酸素センサはエンジンの排気管途中に設け、前記通電制御手段は、前記エンジンの排気管内を流れる排気ガスの温度を基準にして前記ヒータを少なくとも低容量状態と高容量状態とに切換制御する構成としてなる請求項１に記載のヒータ付き酸素センサの制御装置。
【請求項３】
前記通電制御手段は、前記排気ガスの温度が基準温度に達したときに所定時間だけヒータを高容量状態に制御し、これ以外のときには前記ヒータを低容量状態の発熱量以下に抑える構成としてなる請求項２に記載のヒータ付き酸素センサの制御装置。
【請求項４】
エンジンの排気管途中に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子及び該検出素子を加熱するためのヒータを備えたヒータ付き酸素センサと、
前記エンジンから排気管内に向けて排出される排気ガスの温度を検出するため前記エンジンの回転数と負荷状態とに従って前記排気ガスの温度を検出する排温検出マップを有した排温検出手段と、
該排温検出手段からの信号に従って前記ヒータへの通電を制御し、前記検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を切換える通電制御手段とを備え、
該通電制御手段は、前記排温検出マップによる排気ガスの温度の検出結果に従って前記ヒータへの通電を制御し、かつ前記検出素子がヒータからの熱で劣化するのを避けるために、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としてなるヒータ付き酸素センサの制御装置。
【請求項５】
前記排温検出マップは、前記エンジンの回転数と負荷状態とに対応して予め複数の温度領域に分割された特性マップからなり、前記通電制御手段は、それぞれの温度領域毎に前記ヒータへの通電量を切換制御してヒータの発熱量を変化させる構成としてなる請求項４に記載のヒータ付き酸素センサの制御装置。
【請求項６】
エンジンの排気管途中に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子及び該検出素子を加熱するためのヒータを備えたヒータ付き酸素センサと、
前記エンジンから排気管内に向けて排出される排気ガスの温度を検出するため前記排気管内に設けられた温度センサと、
該温度センサからの信号に従って前記ヒータへの通電を制御し、前記検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を切換える通電制御手段とを備え、
該通電制御手段は、前記温度センサで検出した排気ガスの温度が予め決められた基準温度に達したときに、前記ヒータを所定時間だけ高容量状態に制御し、これ以外のときには前記ヒータを低容量状態の発熱量以下に抑える構成としてなるヒータ付き酸素センサの制御装置。
【請求項７】
前記ヒータは窒化珪素材料を用いて形成してなる請求項１，２，３，４，５または６に記載のヒータ付き酸素センサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば排気ガス中の酸素濃度を検出するのに好適に用いられるヒータ付き酸素センサの制御装置に関し、特に、検出素子に対する被毒物等の焼切り制御を行うようにしたヒータ付き酸素センサの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ターボチャージャ等の過給機を搭載した自動車用エンジンでは、排気管側にヒータ付き酸素センサを設け、該酸素センサで排気ガス中の酸素濃度を検出することにより、その検出信号に従ってエンジンの空燃比制御を行うようにしている。
【０００３】
この場合、過給機付きエンジンにあっては、空燃比をリッチ傾向にしてエンジンを作動させることが多く、これによって排気ガスの温度は、例えば２８０℃程度まで低下する。一方、酸素センサに設ける酸素濃度の検出素子は、例えば３５０℃程度の温度下で活性化され正常に動作するようになっている。このため、過給機付きエンジン等ではヒータ付き酸素センサを用い、酸素濃度の検出素子をヒータによって加熱する構成としている。
【０００４】
そして、この種の従来技術によるヒータ付き酸素センサでは、センサケーシングの先端側にジルコニアチューブからなる酸素濃度の検出素子を設けると共に、該検出素子内にはセラミック材料からなるロッド状のヒータを挿入し、該ヒータによって検出素子を内側から加熱する構成としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、エンジンの排気管途中に酸素センサを取付け、酸素濃度の検出素子を排気管内ヘと突出させる構成としているから、エンジンからの排気ガス中に含まれる不純物が検出素子の外側面に付着し、例えば検出素子の保護層等がこれらの不純物（以下、被毒物という）によって目詰まりを起こし、酸素濃度を検出するための応答性が低下するという問題がある。
【０００６】
これに対し、実開平６−８６０６７号公報には、検出素子の突出端側を保護するためにセンサケーシングの先端側に設けるプロテクタを二重筒構造に形成し、該プロテクタ内に円筒状のセラミックヒータを設けることにより、検出素子の外側面に付着した鉛等の被毒物をヒータからの熱で焼き飛ばす構成とした酸素センサ（以下、他の従来技術という）が記載されている。
【０００７】
しかし、他の従来技術による酸素センサは、検出素子を外側から取囲むプロテクタ内に円筒状のセラミックヒータを設ける構成としているに過ぎず、該ヒータの発熱量（容量）を可変に制御する制御装置等の構成が開示されていない。
【０００８】
また、他の従来技術では、排気ガス中の被毒物として鉛等が例に挙げられているに過ぎず、検出素子をどの程度の温度までヒータによって加熱するかが具体的には開示されていない。
【０００９】
一方、本発明者は、排気ガス中に含まれる不純物のうち、酸素センサの応答性に悪影響を与える被毒物を詳らかに調べた結果、特に、シリコン（珪素）Ｓi 等の被毒物質が検出素子の表面（外側面）に付着することにより応答性が低下することを確認した。
【００１０】
そして、シリコン等の被毒物質を検出素子の表面から焼切るようにして除去するためには、例えば８００℃以上の温度、好ましくは９００〜９３０℃程度の温度まで検出素子を加熱する必要があるとの知見を得たものである。
【００１１】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明はヒータの発熱量を増大させることによってシリコン等の被毒物を検出素子の表面から焼き飛ばすことができ、酸素濃度を高い応答性をもって検出できると共に、その検出信号を長期に亘り安定させて出力でき、信頼性を向上できるようにしたヒータ付き酸素センサの制御装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、酸素濃度を検出する検出素子及び該検出素子を加熱するためのヒータを備えたヒータ付き酸素センサと、該酸素センサのヒータを発熱させるために該ヒータへの通電を制御する通電制御手段とからなるヒータ付き酸素センサの制御装置に適用される。
【００１３】
そして、請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記通電制御手段は、前記検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を可変に制御し、前記ヒータは高容量状態のときに前記検出素子を８００℃以上の温度まで加熱する構成とし、かつ前記通電制御手段は、前記検出素子がヒータからの熱で劣化するのを避けるために、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としている。
【００１４】
このように構成することにより、ヒータの容量を低容量状態に設定したときにはヒータを低容量で発熱させることができ、酸素濃度の検出素子を活性化するのに適した温度まで加熱することによって、例えば排気ガスの温度が低い場合でも排気ガス中の酸素濃度を検出素子により良好に検出できる。一方、ヒータの容量を高容量状態に設定したときには、ヒータによって８００℃以上の温度まで検出素子を加熱でき、検出素子の表面等に付着した被毒物をヒータからの熱によって焼き飛ばすことが可能となる。
【００１５】
そして、通電制御手段は、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としているので、例えばエンジンを始動して停止させるまでの間に１回だけ所定時間の範囲内でヒータを高容量状態に制御でき、検出素子がヒータからの熱影響で過剰に加熱され、熱的に劣化するのを防止できる。
【００１７】
また、請求項２の発明では、ヒータ付き酸素センサをエンジンの排気管途中に設け、通電制御手段は、前記エンジンの排気管内を流れる排気ガスの温度を基準にして前記ヒータを少なくとも低容量状態と高容量状態とに切換制御する構成としている。
【００１８】
これにより、排気ガスの温度が低いときには排気ガス中に含まれる被毒物の量も少ないので、基準温度に達するまではヒータ容量を低容量に設定し、検出素子の活性化を図ることができる。そして、排気ガスの温度が基準温度以上まで上昇し、排気ガス量の増大に伴って被毒物の量が増えてきたときには、ヒータ容量を高容量状態に切換えることにより、例えば８００℃以上の温度まで検出素子を加熱でき、被毒物の焼切り制御を所定時間の範囲で行うことができる。
【００１９】
さらに、請求項３の発明では、通電制御手段は、排気ガスの温度が基準温度に達したときに所定時間だけヒータを高容量状態に制御し、これ以外のときには前記ヒータを低容量状態の発熱量以下に抑える構成としている。
【００２０】
これにより、エンジンを始動して停止させるまで間に、例えば１回だけ所定時間の範囲内でヒータを高容量状態に制御でき、検出素子が９００〜１０００℃程度の高温状態に長い間（例えば１０分以上の間）さらされるのを回避でき、検出素子の熱的な劣化防止を図ることができる。
【００２１】
一方、請求項４の発明は、エンジンの排気管途中に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子及び該検出素子を加熱するためのヒータを備えたヒータ付き酸素センサと、前記エンジンから排気管内に向けて排出される排気ガスの温度を検出するため前記エンジンの回転数と負荷状態とに従って前記排気ガスの温度を検出する排温検出マップを有した排温検出手段と、該排温検出手段からの信号に従って前記ヒータへの通電を制御し、前記検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を切換える通電制御手段とを備え、該通電制御手段は、前記排温検出マップによる排気ガスの温度の検出結果に従って前記ヒータへの通電を制御し、かつ前記検出素子がヒータからの熱で劣化するのを避けるために、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としている。
【００２２】
このように構成することにより、排気ガスの温度状態に応じてヒータ容量を可変に制御でき、ヒータ容量を低容量に切換えているときには検出素子の活性化を図ることができる。そして、排気ガスの温度が上昇してきたときにはヒータ容量を高容量状態に切換え、例えば８００℃以上の温度まで検出素子を加熱することによって、検出素子の表面に付着した被毒物をヒータからの高熱で焼き飛ばすことができる。
【００２３】
そして、排温検出手段は、エンジンの回転数と負荷状態とに従って排気ガスの温度を検出する排温検出マップを有し、通電制御手段は、該排温検出マップによる検出結果に従ってヒータへの通電を制御し、かつ前記検出素子がヒータからの熱で劣化するのを避けるために、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としているので、エンジンの回転数と負荷状態を逐次検出することにより排温検出マップを用いて排気ガスの温度状態をモニタ（監視）でき、この検出結果に従ってヒータ容量を低容量と高容量との少なくとも２段階で可変に制御することができる。そして、エンジンを始動して停止させるまで間に所定時間の範囲内だけヒータを高容量状態に制御することにより、検出素子がヒータからの熱影響で熱的に劣化したりするのを防止できる。
【００２５】
また、請求項５の発明では、排温検出マップは、エンジンの回転数と負荷状態とに対応して予め複数の温度領域に分割された特性マップからなり、通電制御手段は、それぞれの温度領域毎に前記ヒータへの通電量を切換制御してヒータの発熱量を変化させる構成としている。
【００２６】
これにより、エンジンの回転数と負荷状態とから導かれる排気ガスの各温度領域毎に、ヒータへの通電量を可変に切換制御でき、ヒータの発熱量を排気ガスの温度状態に対応させて変化させることができる。
【００２７】
一方、請求項６の発明は、エンジンの排気管途中に設けられ、排気ガス中の酸素濃度を検出する検出素子及び該検出素子を加熱するためのヒータを備えたヒータ付き酸素センサと、前記エンジンから排気管内に向けて排出される排気ガスの温度を検出するため前記排気管内に設けられた温度センサと、該温度センサからの信号に従って前記ヒータへの通電を制御し、前記検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を切換える通電制御手段とを備え、該通電制御手段は、前記温度センサで検出した排気ガスの温度が予め決められた基準温度に達したときに、前記ヒータを所定時間だけ高容量状態に制御し、これ以外のときには前記ヒータを低容量状態の発熱量以下に抑える構成としている。
【００２８】
これにより、温度センサを用いて排気ガスの温度をモニタ（監視）することができる。そして、エンジンの始動後に排気ガスの温度が基準温度に達したときには、所定時間だけヒータを高容量状態に制御することにより、例えば検出素子が９００〜１０００℃程度の高温状態に長い間さらされるのを回避でき、検出素子の熱的な劣化防止を図ることができる。
【００２９】
さらに、請求項７の発明では、ヒータを窒化珪素材料を用いて形成する構成としている。これにより、高い耐熱特性をヒータに与えることができ、ヒータを高容量状態に切換えたときには、例えば５０Ｗ（ワット）を越える電力をヒータに給電することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態によるヒータ付き酸素センサの制御装置を添付図面に従って詳細に説明する。
【００３１】
ここで、図１ないし図７は本発明の第１の実施の形態を示している。図中、１は排気管で、該排気管１はエンジン本体の排気ポート（図示せず）側から排出される排気ガスを矢示Ａ方向に導出させるものである。そして、排気管１の途中部位には、後述のヒータ付き酸素センサ２を取付けるためのねじ穴１Ａが径方向に穿設されている。
【００３２】
また、排気管１には、ねじ穴１Ａよりも下流側に位置して三元触媒等からなる触媒装置（図示せず）が設けられ、この触媒装置は排気ガス中の有害成分等に触媒反応を生じさせることにより、大気中に排出される有害成分の量を低減させる機能を有している。
【００３３】
２は排気管１の途中に設けられたヒータ付き酸素センサ、３は該酸素センサ２のセンサケーシングで、該センサケーシング３は段付の筒形ホルダ４を含んで構成され、該筒形ホルダ４の一端側外周には取付部としてのおねじ部４Ａが形成されている。そして、酸素センサ２は、筒形ホルダ４のおねじ部４Ａを排気管１のねじ穴１Ａ内にワッシャ５等を介して螺着させることにより排気管１に取付けられ、このときに後述のジルコニアチューブ６を排気管１内に向けて突出させる構成となっている。
【００３４】
６は酸素濃度の検出素子を構成するジルコニアチューブで、該ジルコニアチューブ６は酸化ジルコニウム等のセラミック材料によって有底筒状に形成され、その内、外面には内側電極と外側電極（いずれも図示せず）が設けられている。そして、ジルコニアチューブ６は、外側の排気ガスと内側の大気との間で酸素濃度に差が生じると、内側電極と外側電極との間に起電力を発生させ、この起電力を検出信号として後述のコンタクトプレート１１側に出力するものである。
【００３５】
７はジルコニアチューブ６を内側から加熱するためのヒータで、該ヒータ７は高い耐熱特性等を有する窒化珪素等のセラミック材料によって小径のロッド状に成形され、その外周側にはタングステン等の材料からなるヒータパターン（図示せず）が形成されている。そして、ヒータ７は絶縁筒体８側からジルコニアチューブ６内へと挿入され、該ジルコニアチューブ６を内側から加熱する構成となっている。
【００３６】
９はヒータ７に給電を行うためにセンサケーシング３内に設けた一対の端子ピン（一方のみ図示）で、該各端子ピン９はばね性を有する細長の金属棒を、図１に示すように折曲げることにより形成され、略Ｕ字状に屈曲した一端側がヒータ７の突出端側にそれぞれロー付け等の手段を用いて接続されている。また、各端子ピン９の他端側は絶縁カバー１０内から後述のキャップ１２側ヘと突出し、外部の各リード線１４を通じてヒータ７に給電を行うものである。
【００３７】
１１はジルコニアチューブ６から出力される酸素濃度の検出信号を外部に導出するためのコンタクトプレートで、該コンタクトプレート１１は、絶縁筒体８内に挿入した状態でセンサケーシング３内に取付けられ、一端側が絶縁筒体８とジルコニアチューブ６の開口端との間で挟持されることにより、前記内側電極に接続される。また、コンタクトプレート１１の他端側は絶縁カバー１０を通して外部に突出し、その突出端側は後述のリード線１５に接続されている。
【００３８】
１２はセンサケーシング３の他端側にカシメ等の手段を用いて固着された段付筒状のキャップ、１３は該キャップ１２内に設けられた絶縁性のシール体で、該シール体１３は、例えば耐熱性を有するフッ素系樹脂材料等により形成され、後述の各リード線１４，１５をキャップ１２内で液密にシールする構成となっている。
【００３９】
１４，１４はヒータ７に外部から給電を行う給電用のリード線で、該各リード線１４はシール体１３内で各端子ピン９に、例えば圧着端子等を用いて接続されている。
【００４０】
１５はジルコニアチューブ６からの検出信号を外部に導出する信号出力用のリード線で、該リード線１５はシール体１３内でコンタクトプレート１１の他端側に圧着端子等を用いて接続されている。
【００４１】
１６は筒形ホルダ４の一端側に設けた筒状のプロテクタで、該プロテクタ１６はジルコニアチューブ６と共に排気管１内へと突出し、排気管１内でジルコニアチューブ６を外側から保護するものである。
【００４２】
次に、１７はエンジンの始動スイッチで、該始動スイッチ１７は図２に示すように後述のコントロールユニット２６に接続されている。１８はクランク角センサで、該クランク角センサ１８はエンジン回転数Ｎを検出し、その検出信号をコントロールユニット２６に出力するものである。
【００４３】
１９はエアフローメータとしての流量計で、該流量計１９はエンジンの吸入空気量Ｑを検出し、その検出信号をコントロールユニット２６に出力するものである。
【００４４】
２０はコントロールユニット２６と共にヒータ７への通電制御手段を構成するヒータ制御スイッチで、該ヒータ制御スイッチ２０は、図３に示すように電源２１とヒータ７との間に設けられ、可動接点２０Ａを固定接点２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆのいずれかに選択的に接続する構成となっている。
【００４５】
ここで、ヒータ制御スイッチ２０は、固定接点２０Ｃとヒータ７との間に抵抗２２が設けられ、固定接点２０Ｄとヒータ７との間には抵抗２３が設けられている。また、固定接点２０Ｅとヒータ７との間には抵抗２４が設けられ、固定接点２０Ｆとヒータ７との間に抵抗２５が設けられている。
【００４６】
そして、ヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｃに接続したときには、ヒータ７が電源２１から抵抗２２を通じて給電されることにより、容量Ｗ0 （例えば１３ワット程度）の低容量状態に制御され、このときにヒータ７の発熱量は、ジルコニアチューブ６を活性化するのに適した温度に設定されるものである。
【００４７】
また、ヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｃから固定接点２０Ｄに切換えたときには、ヒータ７が電源２１から抵抗２３を通じて給電されることにより、容量Ｗ1 （例えば５０ワット程度）の高容量状態に制御され、このときにヒータ７は前記容量Ｗ0 の低容量状態よりも高い発熱量をもってジルコニアチューブ６を内側から加熱する。
【００４８】
また、可動接点２０Ａを固定接点２０Ｅに接続したときには、ヒータ７が電源２１から抵抗２４を通じて給電されることにより、容量Ｗ2 （例えば６０ワット程度）の高容量状態に制御され、このときにヒータ７は前記容量Ｗ1 の状態よりも高い発熱量をもってジルコニアチューブ６を内側から加熱する。さらに、可動接点２０Ａを固定接点２０Ｆに接続したときには、ヒータ７が電源２１から抵抗２５を通じて給電されることにより、容量Ｗ3 （例えば７０ワット程度）の高容量状態に制御され、このときにヒータ７は前記容量Ｗ2 の状態よりもさらに高い発熱量をもってジルコニアチューブ６を内側から加熱する。
【００４９】
この場合、ヒータ７は容量Ｗ0 のときには低容量状態となるのに対し、高容量状態では３段階に切換えられ、それぞれの容量Ｗ1 ，Ｗ2 ，Ｗ3 は、例えば５０ワットと７０ワットとの間で、
【００５０】
【数１】
５０≦Ｗ1 ＜Ｗ2 ＜Ｗ3 ≦７０
なる関係に設定されるものである。
【００５１】
一方、ヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｂに切換えたときには、ヒータ７が電源２１から遮断されて作動停止状態に保持され、ヒータ７によるジルコニアチューブ６への加熱を停止させる。
【００５２】
さらに、２６はマイクロコンピュータ等によって構成されるコントロールユニットで、該コントロールユニット２６は入力側が始動スイッチ１７、クランク角センサ１８及び流量計１９等に接続され、出力側はヒータ制御スイッチ２０等に接続されている。そして、コントロールユニット２６はヒータ制御スイッチ２０と共に通電制御手段を構成し、図６及び図７に示すプログラムに従ってヒータ７の制御処理を行うようになっている。
【００５３】
また、コントロールユニット２６はＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる記憶部２６Ａを有し、該記憶部２６Ａ内には図６、図７に示すプログラムと共に、図４に示す排温検出マップ、焼切り制御フラグＦ、タイマＴ及び設定時間Ｔk1（例えば１０分程度の時間）等が格納されている。そして、焼切り制御フラグＦはエンジンの始動時に後述のステップ１で、Ｆ＝０に設定され、エンジンの始動後に後述の焼切り制御が実行されると、Ｆ＝１に切換えられものである。また、設定時間Ｔk1はヒータ７の熱的な劣化を避けるために、実験データ等によって予め一定時間として求められる。
【００５４】
一方、図４に示す排温検出マップは、エンジン回転数Ｎと基本噴射量Ｔp とに従って５段階の温度領域Ｉ，II，III ，IV，Ｖに予め分割された特性マップとして作成され、これはエンジンの排気ガス温度（以下、排温という）とエンジン回転数Ｎ、基本噴射量Ｔp との関係を実験データ等に基づいて求めたものである。そして、図４に示す領域Ｉは、例えば６００℃以下の排温領域となり、エンジン回転数Ｎが回転数Ｎ1 （例えば３０００ｒｐｍ程度）と回転数Ｎ2 （例えば４０００ｒｐｍ程度）との間での領域IIは、例えば６００℃以上で、７００℃以下の排温領域を表している。
【００５５】
また、エンジン回転数Ｎが回転数Ｎ2 と回転数Ｎ3 （例えば４５００ｒｐｍ程度）との間での領域 IIIは、例えば７００℃以上で、８００℃以下の排温領域を表し、回転数Ｎ3 と回転数Ｎ4 （例えば５０００ｒｐｍ程度）との間での領域IVは、例えば８００℃以上で、９００℃以下の排温領域を表し、回転数Ｎ4 を越える領域Ｖは、例えば９００℃以上となる排温領域を表している。
【００５６】
さらに、コントロールユニット２６は、クランク角センサ１８からのエンジン回転数Ｎと、流量計１９からの吸入空気量Ｑとに基づいて基本噴射量Ｔp を、
【００５７】
【数２】
Ｔp ＝Ｋ×Ｑ／Ｎ
但し  Ｋ：定数
として演算する機能を有している。そして、基本噴射量Ｔp はエンジンの負荷状態に対応して燃料の噴射量を増減させるために、エンジンの作動中は常に演算処理されるものである。
【００５８】
本実施の形態によるヒータ付き酸素センサ２の制御装置は上述の如き構成を有するもので、次にその動作について説明する。
【００５９】
まず、自動車用エンジン等の空燃比制御を行う場合に、センサケーシング３は図１に如く筒形ホルダ４のおねじ部４Ａを介して車両の排気管１に螺着され、ジルコニアチューブ６の先端側を排気管１内へと突出させた状態で固定される。そして、エンジン作動によって、排気管１内を矢示Ａ方向に流れる排気ガスがジルコニアチューブ６の周囲に導入されると、ジルコニアチューブ６には外側の排気ガスと内側の大気との間で酸素濃度に大きな濃度差が生じる。
【００６０】
これにより、ジルコニアチューブ６には内側電極と外側電極との間に起電力が発生し、この起電力が酸素濃度の検出信号としてコンタクトプレート１１、リード線１５を介して外部のコントロールユニット２６等へと出力される。そして、コントロールユニット２６側では検出信号に従って燃料噴射量を補正演算し、エンジンの空燃比をフィードバック制御させるものである。
【００６１】
また、ヒータ７は各リード線１４側から各端子ピン９を通じて給電が行われ、例えばヒータ７を容量Ｗ0 の低容量状態で発熱させることにより、前記ヒータパターンが発熱源となってジルコニアチューブ６を内部から加熱し、エンジンの低温始動時等でもジルコニアチューブ６を早期に活性化させて、酸素濃度の検出信号を安定した状態で出力させる。
【００６２】
そこで、本実施の形態の特徴であるコントロールユニット２６のヒータ制御処理について、図６及び図７を参照して説明する。
【００６３】
まず、始動スイッチ１７によりエンジンを始動させて処理動作がスタートすると、ステップ１で焼切り制御フラグＦを、Ｆ＝０に設定し、次なるステップ２でエンジン回転数Ｎと基本噴射量Ｔp とを読込む。そして、ステップ３では図４に示す排温検出マップを読出し、このときのエンジン回転数Ｎと基本噴射量Ｔp とに対応した排温領域が領域Ｉとなっているか否かを判定する。
【００６４】
そして、ステップ３で「ＹＥＳ」と判定したときには、例えば排温が６００℃以下となる領域Ｉとして検出（推定）できるから、ステップ４に移ってヒータ７を容量Ｗ0 で作動させるため、図３に示すようにヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｃに接続し、電源２１から抵抗２２を通じてヒータ７への給電を行う。なお、この間はタイマＴは停止状態に保持される。
【００６５】
次に、ステップ５ではエンジンの停止操作が行われたか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、処理動作を終了させる。また、ステップ５で「ＮＯ」と判定する間はステップ２に戻り、これ以降の処理を繰返す。
【００６６】
一方、ステップ３で「ＮＯ」と判定したときには、次なるステップ６に移って前記排温領域が図４中の領域Ｖとなっているか否かを判定する。そして、ステップ６で「ＹＥＳ」と判定したときには、例えば排温が９００℃を越える高温状態となり、ジルコニアチューブ６が熱的に劣化する可能性があるために、ステップ７に移ってヒータ７への通電を停止すべく、図３に示すヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｂへと矢示Ｂ方向に切換え、ヒータ７を電源２１に対して遮断する。なお、この間もタイマＴは停止状態に保持される。
【００６７】
また、ステップ６で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ８に移って焼切り制御フラグＦが、Ｆ＝１に切換えられているか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、エンジンの始動後に後述の焼切り制御が既に行われているから、ジルコニアチューブ６が熱的に劣化するの避けるために、これ以上の焼切り制御を禁止させ、これ以降はエンジンが停止されるまでステップ２〜７に亘る制御処理のみを繰返させるものである。
【００６８】
次に、ステップ８で「ＮＯ」と判定したときには焼切り制御フラグＦが、Ｆ＝０となって、エンジンの始動後に未だ焼切り制御は実行されていない状態であるから、図７に示すステップ９に移ってタイマＴを作動（スタート）させる。そして、ステップ１０で前記排温領域が領域IIとなっているか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、例えば排温が６００℃以上で、７００℃以下の状態であると検出できるから、ステップ１１に移ってヒータ７を容量Ｗ3 で作動させるため、図３に示すヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｆへと矢示Ｃ方向に回動して切換え、電源２１から抵抗２５を通じてヒータ７への給電を行う。
【００６９】
これにより、排温が６００℃以上となって排気ガス量の増大に伴い、排気ガス中に含まれるシリコンＳi 等の被毒物が増加した状態で、例えば７０ワット程度の高い容量Ｗ3 をもってヒータ７を発熱させることができ、ジルコニアチューブ６を内側のヒータ７と外側の排温とによって、例えば８００℃以上の温度、好ましくは９００〜９３０℃程度の温度まで加熱できる。
【００７０】
そして、ジルコニアチューブ６の表面に前記被毒物が付着しているときには、ジルコニアチューブ６を内，外から加熱することにより、その表面側から被毒物を焼き飛ばすように焼切り制御を行うことができる。この結果、図５に示す特性線のように、ジルコニアチューブ６の素子温度を一時的に、例えば８００℃以上（好ましくは９００〜９３０℃程度）まで温度上昇させる焼切り制御を実行できるため、ジルコニアチューブ６による酸素濃度検出時の応答性を、例えば１．５Ｈz （ヘルツ）程度の周波数ｆ1 以上、好ましくは２Ｈz 程度の周波数ｆ2 レベルまで向上させることができる。
【００７１】
また、ステップ１２ではタイマＴが、例えば１０分程度の設定時間Ｔk1以上となったか否かを、
【００７２】
【数３】
Ｔ≧Ｔk1
として判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、これ以上の時間に亘って前記焼切り制御を続行すると、ジルコニアチューブ６を熱的に劣化させる可能性があるので、ステップ１３に移って焼切り制御フラグＦを、Ｆ＝１に切換えることにより、前述の如くこれ以降の焼切り制御を禁止させる。なお、ステップ１３でタイマＴを、Ｔ＝０としてリセットさせた状態で停止させるのがよい。
【００７３】
また、ステップ１２で「ＮＯ」と判定する間は、図６に示すステップ５以降の処理を繰返す。そして、ステップ１０で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ１４に移って前記排温領域が領域III となっているか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、例えば排温が７００℃以上で、８００℃以下の状態であると検出できるから、ステップ１５に移ってヒータ７を容量Ｗ2 で作動させるため、図３に示すヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｅへと切換え、電源２１から抵抗２４を通じてヒータ７への給電を行う。
【００７４】
これにより、排温が７００℃以上の高温となった状態で、例えば６０ワット程度の高い容量Ｗ2 をもってヒータ７を発熱させることができ、ジルコニアチューブ６を内側のヒータ７と外側の排温とによって、例えば８００℃以上の温度、好ましくは９００〜９３０℃程度の温度まで加熱できる。そして、この場合には排温が、例えば７００℃以上まで上昇しているので、ヒータ７の容量を６０ワット程度の容量Ｗ2 に切換えた状態でステップ１５による被毒物の焼切り制御を実行し、その後はステップ１２以降の処理を繰返すものである。
【００７５】
また、ステップ１４で「ＮＯ」と判定したときには、前記排温領域が領域IVになって、例えば排温が８００℃以上で、９００℃以下の状態であると検出できるから、ステップ１６に移ってヒータ７を容量Ｗ1 で作動させるため、図３に示すヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｄへと切換え、電源２１から抵抗２３を通じてヒータ７への給電を行う。
【００７６】
これにより、排温が８００℃以上の高温となった状態で、例えば５０ワット程度の高い容量Ｗ1 をもってヒータ７を発熱させることができ、ジルコニアチューブ６を内側のヒータ７と外側の排温とによって、例えば８００℃以上の温度、好ましくは９００〜９３０℃程度の温度まで加熱できる。そして、この場合には排温が、例えば８００℃以上まで上昇しているので、ヒータ７の容量を５０ワット程度の容量Ｗ1 に切換えた状態でステップ１６による被毒物の焼切り制御を実行し、その後はステップ１２以降の処理を繰返すものである。
【００７７】
かくして、本実施の形態によれば、エンジンを始動させた後に排温が、例えば６００℃以上で、９００℃以下となるエンジンの運転領域（図４中に示す領域II，III ，IV）において、ヒータ７を高い容量Ｗ3 ，Ｗ2 ，Ｗ1 のいずれかで発熱させることにより被毒物の焼切り制御を実行でき、例えば排気ガス中に含まれるシリコンＳi 等の被毒物がジルコニアチューブ６の表面側に付着して応答性が低下する等の問題を、焼切り制御によって解消することができる。
【００７８】
この場合、図５に示す特性線のように、ジルコニアチューブ６の素子温度を一時的に、例えば８００℃以上（好ましくは９００〜９３０℃程度）まで温度上昇させる焼切り制御を実行できるため、ジルコニアチューブ６による酸素濃度検出時の応答性を、例えば１．５Ｈz （ヘルツ）程度の周波数ｆ1 以上、好ましくは２Ｈz 程度の周波数ｆ2 レベルまで向上させることができる。
【００７９】
また、前述の焼切り制御はエンジンの始動後に、例えば１０分程度の設定時間Ｔk1の範囲で、１回のみ行うようにしたから、ジルコニアチューブ６がヒータ７からの熱で劣化されるような事態を回避でき、ジルコニアチューブ６の耐久性や寿命を延ばすことができる。
【００８０】
さらに、ヒータ７を高容量に設定する場合には、排温との関係でヒータ容量を容量Ｗ3 ，Ｗ2 ，Ｗ1 のいずれかに選択的に切換える構成としているから、これによってもジルコニアチューブ６の熱的な劣化を防止することができる。
【００８１】
従って、本実施の形態によれば、車両の走行途中等にヒータ７の発熱量を排温との関係で容量Ｗ1 ，Ｗ2 ，Ｗ3 のいずれかまで増大させる焼切り制御を実行することにより、シリコンＳi 等の被毒物をジルコニアチューブ６の表面側から焼き飛ばすことができ、酸素センサ２による酸素濃度の検出性能を高め、応答性を向上させることができる。
【００８２】
そして、酸素センサ２から酸素濃度の検出信号を長期に亘り安定させて出力することが可能となり、空燃比のフィードバック制御等を高い信頼性をもって行うことができ、エンジンの運転性能を確実に向上できる。
【００８３】
また、図４に示す排温検出マップを用いて排気ガスの温度状態を検出することにより、現行のエンジン制御機器（例えばクランク角センサ１８、流量計１９）を利用して、エンジン回転数Ｎと基本噴射量Ｔp とから排温を高精度にモニタ（監視）することができ、例えば排気管１の途中に専用の温度センサ等を設ける必要がなく、部品点数を減らして組立性を向上できる等の効果を奏する。
【００８４】
次に、図８ないし図１０は本発明の第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、排気ガスの温度を温度センサにより検出し、その検出結果に従って被毒物の焼切り制御を行う構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。
【００８５】
図中、３１は排温検出手段としての温度センサで、該温度センサ３１は、例えば半導体式の温度センサまたは熱電対等によって構成され、図１に示す排気管１の途中部位に設けられるものである。そして、温度センサ３１はエンジン本体から排気管１内に排出される排気ガスの温度ｔを検出し、その検出信号を後述のコントロールユニット３３に出力するものである。なお、この場合の温度センサ３１は、排気管１の下流側に通常設けられる触媒装置等に内蔵した温度センサと兼用してよいものである。
【００８６】
３２はコントロールユニット３３と共にヒータ７への通電制御手段を構成するヒータ制御スイッチで、該ヒータ制御スイッチ３２は、図９に示すように電源２１とヒータ７との間に設けられ、可動接点３２Ａを固定接点３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄのいずれかに選択的に接続する構成となっている。また、ヒータ制御スイッチ３２の固定接点３２Ｃとヒータ７との間には抵抗２２が設けられ、固定接点３２Ｄとヒータ７との間には抵抗２３が設けられている。
【００８７】
そして、ヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｃに接続したときには、ヒータ７が電源２１から抵抗２２を通じて給電されることにより、容量Ｗ0 （例えば１３ワット程度）の低容量状態に制御される。また、ヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｃから固定接点３２Ｄに切換えたときには、ヒータ７が電源２１から抵抗２３を通じて給電されることにより、容量Ｗ1 （例えば５０ワット程度）の高容量状態に制御される。
【００８８】
一方、ヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｂに切換えたときには、ヒータ７が電源２１から遮断されて作動停止状態に保持され、ヒータ７によるジルコニアチューブ６への加熱を停止させるものである。
【００８９】
さらに、３３はヒータ制御スイッチ３２と共に通電制御手段を構成するコントロールユニットで、該コントロールユニット３３は前記第１の実施の形態で述べたコントロールユニット２６とほぼ同様に構成され、その入力側には始動スイッチ１７、クランク角センサ１８及び温度センサ３１等に接続され、出力側にはヒータ制御スイッチ３２等がに接続されている。そして、コントロールユニット３３はＲＯＭ，ＲＡＭ等からなる記憶部３３Ａ内に、図１０に示すプログラム等を格納し、ヒータ７の制御処理を行うようになっている。
【００９０】
また、コントロールユニット３３の記憶部３３Ａ内には、例えば６００℃程度の基準温度ｔ0 、エンジン回転数Ｎの判定値Ｎk （例えばＮk ＝３６００ｒｐｍ程度）、焼切り制御フラグＦ、タイマＴ及び設定時間Ｔk2（例えば１０分程度の時間）等が格納されている。なお、設定時間Ｔk2はヒータ７の熱的な劣化を避けるために、実験データ等によって予め一定時間として求められるものである。
【００９１】
次に、本実施の形態によるコントロールユニット３３のヒータ制御処理について図１０を参照して説明する。
【００９２】
まず、始動スイッチ１７によりエンジンを始動させて処理動作がスタートすると、ステップ２１で焼切り制御フラグＦを、Ｆ＝０に設定し、次なるステップ２２ではヒータ７を容量Ｗ0 で作動させるため、図９に示すようにヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｃに接続し、電源２１から抵抗２２を通じてヒータ７への給電を行う。
【００９３】
次に、ステップ２３ではエンジンの停止操作が行われたか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、処理動作を終了させる。また、ステップ２３で「ＮＯ」と判定する間は、ステップ２４に移って温度センサ３１から排気ガスの温度ｔを読込む。そして、ステップ２５では温度ｔが、例えば６００℃程度の基準温度ｔ0 以上となっているか否かを、
【００９４】
【数４】
ｔ≧ｔ0
として判定し、「ＮＯ」と判定する間は、ステップ２２に戻ってヒータ７を容量Ｗ0 で作動させ、ジルコニアチューブ６をヒータからの熱で活性化させる。
【００９５】
また、ステップ２５で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ２６に移って焼切り制御フラグＦが、Ｆ＝１に切換えられているか否かを判定する。そして、ステップ２６で「ＮＯ」と判定したときには焼切り制御フラグＦが、Ｆ＝０となって、エンジンの始動後に未だ焼切り制御は実行されていない状態であるから、ステップ２７に移ってタイマＴを作動（スタート）させ、次なるステップ２８ではヒータ７を容量Ｗ1 で作動させるため、図９に示すヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｄへと矢示Ｃ方向に回動して切換え、電源２１から抵抗２３を通じてヒータ７への給電を行う。
【００９６】
これにより、排温が６００℃以上となって排気ガス量の増大に伴い、排気ガス中に含まれるシリコンＳi 等の被毒物が増加した状態で、例えば５０ワット程度の高い容量Ｗ1 をもってヒータ７を発熱させることができ、ジルコニアチューブ６を内側のヒータ７と外側の排温とによって、例えば８００℃以上の温度、好ましくは９００〜９３０℃程度の温度まで加熱できる。
【００９７】
そして、ジルコニアチューブ６の表面に前記被毒物が付着しているときには、ジルコニアチューブ６を内，外から加熱することにより、その表面側から被毒物を焼き飛ばすように焼切り制御を行うことができる。
【００９８】
次に、ステップ２９ではタイマＴが、例えば１０分程度の所定時間Ｔk2以上となったか否かを、
【００９９】
【数５】
Ｔ≧Ｔk2
として判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ２８により焼切り制御を続行させる。
【０１００】
そして、ステップ２９で「ＹＥＳ」と判定したときには、これ以上の時間に亘って焼切り制御を続行すると、ジルコニアチューブ６を熱的に劣化させる可能性があるので、ステップ３０に移ってタイマＴを、Ｔ＝０としてリセットした状態で停止させる。そして、ステップ３１では焼切り制御フラグＦを、Ｆ＝１に切換えることにより、これ以降の焼切り制御を禁止させる。
【０１０１】
次に、ステップ２６で「ＹＥＳ」と判定したときには、前記ステップ３１の処理により、これ以上の焼切り制御が禁止された状態であるから、ステップ３２に移ってクランク角センサ１８からエンジン回転数Ｎを読込む。そして、次なるステップ３３ではエンジン回転数Ｎが、例えば３６００ｒｐｍ程度の判定値Ｎk 以上であるか否かを、
【０１０２】
【数６】
Ｎ≧Ｎk
として判定する。
【０１０３】
そして、ステップ３３で「ＹＥＳ」と判定したときには、エンジン回転数Ｎの増加に伴って排気ガスの温度が上昇することにより、ジルコニアチューブ６も十分に活性化され、ジルコニアチューブ６をヒータ７によって加熱する必要がない上に、排気ガスから熱でジルコニアチューブ６が熱的に劣化する可能性もある。そこで、ステップ３４ではヒータ７への通電を停止するため、図９に示すヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｂへと矢示Ｂ方向に切換え、ヒータ７を電源２１に対して遮断する。
【０１０４】
一方、ステップ３３で「ＮＯ」と判定したときにはステップ２２に戻り、これ以降はエンジンが停止されるまで、ステップ２２〜２６及びステップ３２〜３４に亘る制御処理のみを繰返すようにする。
【０１０５】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果をうることができるが、特に本実施の形態では、温度センサ３１により排気ガスの温度ｔを直接的に検出でき、その検出結果に応じて被毒物の焼切り制御を実行できると共に、ジルコニアチューブ６の熱的な劣化も防止することができる。
【０１０６】
なお、前記第２の実施の形態では、図１０に示すステップ３２〜３４の処理により、エンジン回転数Ｎに基づいてヒータ７への通電，停止を判定処理するものとして述べたが、これに替えて、例えば排気ガスの温度状態等に応じてヒータ７への通電，停止を判定処理する構成としてもよいものである。
【０１０７】
次に、図１１は本発明の第３の実施の形態を示し、本実施の形態では前記第２の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。しかし、本実施の形態の特徴は、エンジンの始動直後にヒータ７を高容量状態に制御することにより、エンジンの低温始動時等におけるジルコニアチューブ６の活性時間を短縮させる構成としたことにある。
【０１０８】
ここで、本実施の形態にあっては、前記第２の実施の形態で用いた図８に示すコントロールユニット３３の記憶部３３Ａ内に、図１１に示すプログラムを格納し、ヒータ７の制御処理を行うようにしている。
【０１０９】
即ち、図１１に示すヒータ制御処理では、始動スイッチ１７によりエンジンを始動させて処理動作がスタートさせた後に、ステップ４１でエンジンの停止操作が行われたか否かを判定し、「ＮＯ」と判定する間は、ステップ４２に移ってヒータ７を容量Ｗ1 の高容量状態で作動させるため、図９に例示したヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｄへと切換え、電源２１から抵抗２３を通じてヒータ７への給電を行う。
【０１１０】
これにより、エンジンの始動直後からヒータ７を、例えば５０ワット程度の高容量で発熱量を増大させ、排気ガスの温度が低い状態でもヒータ７によりジルコニアチューブ６を、例えば３５０℃以上の温度に速やかに加熱でき、エンジンの低温始動時等におけるジルコニアチューブ６の活性時間を大幅に短縮することができる。
【０１１１】
次に、ステップ４３では温度センサ３１から排気ガスの温度ｔを読込み、ステップ４４に移って温度ｔが、例えば６００℃程度の基準温度ｔ0 以上となっているか否かを前記数４の式の如く判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ４１に戻ってこれ以降の処理を繰返す。
【０１１２】
そして、ステップ４４で「ＹＥＳ」と判定したときには、次なるステップ４５に移ってタイマＴを作動（スタート）させる。そして、次なるステップ４６ではタイマＴが、例えば１０分程度の設定時間Ｔk3以上となったか否かを、
【０１１３】
【数７】
Ｔ≧Ｔk3
として判定し、「ＮＯ」と判定する間はステップ４１に戻り、再びステップ４２により被毒物の焼切り制御を続行させる。なお、所定時間Ｔk3は予め実験データ等に基づいて決められる時間である。
【０１１４】
これにより、排気ガス温度が６００℃以上となって排気ガス量の増大に伴い、排気ガス中に含まれるシリコンＳi 等の被毒物が増加した状態で、例えば５０ワット程度の高い容量Ｗ1 をもってヒータ７を発熱させることができ、ジルコニアチューブ６を内側のヒータ７と外側の排温とによって、例えば８００℃以上の温度、好ましくは９００〜９３０℃程度の温度まで加熱できる。
【０１１５】
そして、ジルコニアチューブ６の表面に前記被毒物が付着しているときには、ジルコニアチューブ６を内，外から加熱することにより、その表面側から被毒物を焼き飛ばすように焼切り制御を行うことができる。
【０１１６】
次に、ステップ４６で「ＹＥＳ」と判定したときには、これ以上の時間に亘って焼切り制御を続行すると、ジルコニアチューブ６を熱的に劣化させる可能性があるので、ステップ４７に移ってタイマＴを、Ｔ＝０としてリセットした状態で停止させる。そして、エンジンの始動直後にステップ４２による焼切り制御を実行させた後には、後述するステップ４８〜５２に亘る処理のみを行わせ、これ以降の焼切り制御を禁止させるものである。
【０１１７】
次に、ステップ４８ではヒータ７を容量Ｗ0 で作動させるため、図９に例示したようにヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｃに接続し、電源２１から抵抗２２を通じてヒータ７への給電を行う。そして、ステップ４８ではヒータ７を、例えば１３ワット程度の容量Ｗ0 で作動させることにより、ジルコニアチューブ６をヒータからの熱で活性化させる。
【０１１８】
次に、ステップ４９ではエンジンの停止操作が行われたか否かを判定し、「ＹＥＳ」と判定したときには、処理動作を終了させる。また、ステップ４９で「ＮＯ」と判定する間は、ステップ５０に移ってエンジン回転数Ｎを読込み、次なるステップ５１ではエンジン回転数Ｎが、例えば３６００ｒｐｍ程度の判定値Ｎk 以上であるか否かを、前記数６の式に従って判定する。
【０１１９】
そして、ステップ５１で「ＹＥＳ」と判定したときには、エンジン回転数Ｎの増加に伴って排気ガスの温度が上昇することにより、ジルコニアチューブ６も十分に活性化され、ジルコニアチューブ６をヒータ７によって加熱する必要がない上に、排気ガスから熱でジルコニアチューブ６が熱的に劣化する可能性もある。そこで、ステップ５２ではヒータ７への通電を停止するため、図９に例示したヒータ制御スイッチ３２の可動接点３２Ａを固定接点３２Ｂへと切換え、ヒータ７を電源２１に対して遮断する。
【０１２０】
一方、ステップ５１で「ＮＯ」と判定したときにはステップ４８に戻り、これ以降はエンジンが停止されるまで、ステップ４８〜５２に亘る制御処理のみを繰返すようにする。
【０１２１】
かくして、このように構成される本実施の形態でも、前記第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果をうることができるが、特に本実施の形態では、エンジンの始動直後からヒータ７を、例えば５０ワット程度の高容量で作動させることによって、排気ガスの温度が低い状態でもヒータ７によりジルコニアチューブ６を速やかに加熱でき、エンジンの低温始動時等におけるジルコニアチューブ６の活性時間を大幅に短縮できると共に、ジルコニアチューブ６の熱的な劣化も防止することができる。
【０１２２】
なお、前記第２，第３の実施の形態では、ヒータ７を高容量状態で例えば５０ワット程度の容量Ｗ1 に設定するものとして述べたが、本発明はこれに限るものではなく、例えば第１の実施の形態で述べた６０ワット程度の容量Ｗ2 等にヒータ容量を切換えてもよく、要はヒータ７を高容量状態に切換えたときに被毒物の焼切り制御が実行できる程度の容量であればよいものである。
【０１２３】
また、前記第２，第３の実施の形態では、温度センサ３１を用いて排気ガスの温度ｔを検出するものとして述べたが、これに替えて、例えば第１の実施の形態と同様に図４に示した排温検出マップを用いて、排気ガスの温度を検出する構成としてもよい。
【０１２４】
一方、前記第１の実施の形態では、図４に示す排温検出マップを用いて排気ガスの温度を検出するものとして述べたが、これに替えて、例えば第２の実施の形態で述べた温度センサ３１と同様のものを用いて、排温の領域Ｉ，II，III ，IV，Ｖ等を検出し、これによってヒータの容量制御を行う構成としてもよい。
【０１２５】
また、前記第１の実施の形態では、ヒータ制御スイッチ２０の可動接点２０Ａを固定接点２０Ｂ〜２０Ｆのいずれかに選択的に切換接続することにより、ヒータ７への通電を停止したり、またはヒータ容量を容量Ｗ0 ，Ｗ1 ，Ｗ2 ，Ｗ3 のいずれかに切換制御する構成として述べたが、本発明はこれに限らず、例えば電源２１とヒータ７との間に電力制御用のパワートランジスタ等からなる通電制御手段を設け、これによってヒータ容量を連続的に変化させる構成としてもよいものである。
【０１２６】
そして、前記第２，第３の実施の形態にあっても、ヒータ制御スイッチ３２等に替えて、電力制御用のパワートランジスタ等からなる通電制御手段を設ける構成としてもよい。
【０１２７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１に記載の発明によれば、通電制御手段によりヒータの容量を、検出素子を活性化するための発熱量に対応した低容量状態と該低容量状態よりも高い発熱量を有する高容量状態との少なくとも２段階で可変に制御し、ヒータを高容量状態としたときには検出素子を８００℃以上の温度まで加熱する構成とし、かつ前記通電制御手段は、前記検出素子がヒータからの熱で劣化するのを避けるために、予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としているので、例えば車両の走行途中等にヒータの発熱量を増大させて被毒物の焼切り制御を実行でき、シリコン等の被毒物を検出素子の表面側から焼き飛ばすことができると共に、ヒータ付き酸素センサによる酸素濃度の検出性能を高め、応答性を向上させることができる。従って、酸素センサから酸素濃度の検出信号を長期に亘り安定させて出力することが可能となり、空燃比のフィードバック制御等を高い信頼性をもって行うことができ、エンジンの運転性能を確実に向上できる。
【０１２８】
そして、通電制御手段は、所定時間の範囲内でヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときにはヒータを低容量状態に切換える構成としているから、例えばエンジンを始動して停止させるまで間に所定時間の範囲内でヒータを高容量状態とする被毒物の焼切り制御を実行でき、検出素子がヒータからの熱影響で過剰に加熱され、熱的に劣化するのを防止できる。
【０１２９】
また、請求項２に記載の発明では、エンジンの排気管内を流れる排気ガスの温度を基準にしてヒータを少なくとも低容量状態と高容量状態とに切換制御する構成としたから、排気ガスの温度が基準温度以上まで上昇し、排気ガス中に含まれる被毒物の量が増えたときに、ヒータ容量を高容量状態に切換えることにより、例えば８００℃以上の温度まで検出素子を加熱して被毒物の焼切り制御を有効に実行でき、検出素子の応答性を確実に向上させることができる。
【０１３０】
さらに、請求項３に記載の発明では、排気ガスの温度が基準温度に達したときに所定時間だけヒータを高容量状態に制御し、これ以外のときには前記ヒータを低容量状態の発熱量以下に抑える構成としているから、エンジンを始動して停止させるまで間に、例えば１回だけ所定時間の範囲内で被毒物の焼切り制御を実行でき、検出素子が９００〜１０００℃程度の高温状態に長い間さらされるのを防止し、検出素子の熱的な劣化防止を図ることができる。
【０１３１】
一方、請求項４に記載の発明は、ヒータ付き酸素センサと、エンジンの回転数と負荷状態とに従って排気ガスの温度を検出する排温検出マップを有した排温検出手段と、低容量状態と高容量状態との少なくとも２段階でヒータの容量を切換える通電制御手段とを備え、該通電制御手段は、前記排温検出マップによる排気ガスの温度の検出結果に従って前記ヒータへの通電を制御し、かつ予め決められた所定時間の範囲内で前記ヒータを高容量状態に制御し、所定時間を越えたときには前記ヒータを低容量状態に切換える構成としているから、排気ガスの温度状態に応じてヒータ容量を可変に制御でき、ヒータ容量を低容量に切換えているときには検出素子の活性化を図ることができる。そして、排気ガスの温度が上昇してきたときにはヒータ容量を高容量状態に切換えることによって、検出素子の表面に付着した被毒物をヒータからの高熱で焼き飛ばすことができると共に、ヒータ付き酸素センサによる酸素濃度の検出性能を高め、応答性を向上できる。従って、酸素センサから酸素濃度の検出信号を長期に亘り安定させて出力でき、空燃比のフィードバック制御等を高い信頼性をもって行うことができる。
【０１３２】
そして、排温検出手段は、エンジンの回転数と負荷状態とに従って排気ガスの温度を検出する排温検出マップを用い、前記通電制御手段は、該排温検出マップによる検出結果に従ってヒータへの通電を制御する構成としたから、エンジンの回転数と負荷状態を検出することにより排気ガスの温度状態をモニタ（監視）でき、この検出結果に従ってヒータ容量を低容量と高容量との少なくとも２段階で可変に制御することができる。そして、エンジンを始動して停止させるまで間に所定時間の範囲内だけヒータを高容量状態に制御することにより、検出素子がヒータからの熱影響で劣化したりするのを防止できる。
【０１３３】
また、請求項５に記載の発明では、エンジンの回転数と負荷状態とに対応して予め複数の温度領域に分割された特性マップにより排温検出マップを構成し、通電制御手段によりそれぞれの温度領域毎にヒータへの通電量を切換制御する構成としているから、排温検出マップによる排気ガスの各温度領域毎にヒータの発熱量を変化させ、被毒物の焼切り制御等を高い信頼性をもって実行できると共に、検出素子の熱的な劣化を防止でき、耐久性や寿命を向上させることができる。
【０１３４】
そして、この場合には排温検出マップを用いて排気ガスの温度状態を検出するから、現行のエンジン制御機器（例えばクランク角センサ、流量計等）を利用して、エンジンの回転数と負荷状態を検出することにより排気ガスの温度を知ることができ、排気管の途中に専用の温度センサ等を設ける必要がなく、部品点数を減らして組立性を向上できる等の効果を奏する。
【０１３５】
また、請求項６に記載の発明は、ヒータ付き酸素センサと、排気ガスの温度を検出するため排気管内に設けられた温度センサと、該温度センサからの信号に従ってヒータへの通電を制御し、低容量状態と高容量状態との少なくとも２段階で前記ヒータの容量を切換える通電制御手段とを備え、該通電制御手段は、前記温度センサで検出した排気ガスの温度が基準温度に達したときに前記ヒータを所定時間だけ高容量状態に制御し、これ以外のときにはヒータを低容量状態の発熱量以下に抑える構成としているから、前記温度センサを用いて排気ガスの温度を検出し、エンジンの始動後に排気ガスの温度が基準温度に達したときには、所定時間だけヒータを高容量状態に制御することにより、例えば検出素子が９００〜１０００℃程度の高温状態に長い間さらされるのを回避でき、検出素子の熱的な劣化防止を図ることができる。従って、酸素センサから酸素濃度の検出信号を長期に亘り安定させて出力でき、空燃比のフィードバック制御等を高い信頼性をもって行うことができる。
【０１３６】
さらに、請求項７に記載の発明では、ヒータを窒化珪素材料を用いて形成する構成としているから、高い耐熱特性をヒータに与えることができ、ヒータを高容量状態に切換えたときに、検出素子を高い温度まで加熱して被毒物の焼切り制御を安定させて実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるヒータ付き酸素センサを排気管に取付けた状態を示す縦断面図である。
【図２】第１の実施の形態によるヒータ付き酸素センサの制御装置を示す制御ブロック図である。
【図３】図２中のヒータ制御スイッチ等を具体化して示す電気回路図である。
【図４】コントロールユニットの記憶部内に格納した排温検出マップを示す特性線図である。
【図５】被毒物の焼切り制御を行った状態での素子温度と応答性との関係を示す特性線図である。
【図６】コントロールユニットによるヒータ制御処理を示す流れ図である。
【図７】図６に続く流れ図である。
【図８】第２の実施の形態によるヒータ付き酸素センサの制御装置を示す制御ブロック図である。
【図９】図８中のヒータ制御スイッチ等を具体化して示す電気回路図である。
【図１０】第２の実施の形態によるヒータ制御処理を示す流れ図である。
【図１１】第３の実施の形態によるヒータ制御処理を示す流れ図である。
【符号の説明】
１  排気管
２  ヒータ付き酸素センサ
３  センサケーシング
６  ジルコニアチューブ（検出素子）
７  ヒータ
１７  始動スイッチ
１８  クランク角センサ
１９  流量計
２０，３２  ヒータ制御スイッチ（通電制御手段）
２１  電源
２６，３３  コントロールユニット
３１  温度センサ
【図１】
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【図２】
0003650266.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003650266.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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