(57)【要約】【課題】  ガスセンサ内の温度推定部位の部位温度を適切に推定できる温度推定システム、及び、これを用いたガスセンサの温度制御システムを提供する。【解決手段】ガスセンサ1の温度推定システム100,PC,200は、有底筒状で接ガス部2dを先端側PDに含む筒状センサ素子2と、素子2内で発熱部15aが接ガス部2dの内壁面2diに接するヒータ15とを備えるセンサ1に関し、部位温度Txを推定するシステムであり、発熱部15aと接触部2eとの間の熱伝導、発熱部15aから非接触部2fに向けた熱放射R1を考慮したモデルデータNDを用いて、部位温度Txを推定する部位温度推定手段102、を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側が閉じた有底筒状であり、被測定ガスが接する接ガス部を自身の先端側に含む筒状センサ素子と、
棒状で、先端部分に通電により発熱する発熱部を有し、上記筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、上記発熱部の少なくとも一部が上記筒状センサ素子の上記接ガス部の内壁面に接して配置されてなるヒータと、を備える
ガスセンサに関し、
上記ガスセンサ内の温度推定部位の温度である部位温度を推定する温度推定システムであって、
上記ヒータの上記発熱部と上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記ヒータの上記発熱部が接触する接触部との間の熱伝導、及び、
上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を考慮したモデルデータを用いて上記部位温度を推定する部位温度推定手段、を有する
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ヒータの前記発熱部と前記筒状センサ素子の前記接ガス部の前記接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路、及び、
上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路、を含む
上記ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを記憶する熱回路網データ記憶手段を有し、
前記部位温度推定手段は、
前記モデルデータである上記熱回路網データを用い、熱回路網法によって、上記部位温度を推定する
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項３】
請求項２に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ガスセンサは、
前記筒状センサ素子の前記接ガス部のうち基端側の基端接ガス部の周囲を離間しつつ取り囲み、上記接ガス部よりも基端側で上記筒状センサ素子を間接的に保持すると共に、自身を外部部材に結合する結合部を有する保持金具と、
上記保持金具の先端側に上記筒状センサ素子の上記接ガス部から離間して配置されると共に、上記保持金具に接続され、上記接ガス部との間に前記被測定ガスが流通可能に、上記接ガス部を覆うプロテクタと、を備えてなり、
前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、
上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路、及び、
上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記プロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路をも含む
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項４】
請求項３に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記外部部材は、
前記被測定ガスが流通する金属製の通気管であり、
自身を貫通する貫通孔の周囲に形成された被結合部を有し、
前記ガスセンサは、
上記筒状センサ素子の前記接ガス部が上記貫通孔を通して上記通気管内に配置される
形態で、上記ガスセンサの前記保持金具の前記結合部が上記通気管の上記被結合部に結合されてなり、
前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、
上記保持金具の上記結合部と上記通気管の上記被結合部との間の熱伝導を記述する第５熱回路を含む
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ガスセンサは、
筒状で、前記外部部材の外部に位置し、前記保持金具の前記結合部よりも基端側で上記保持金具に接続し基端側に延びる外筒を有し、
前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、
上記保持金具と上記外筒との間の熱伝導を記述する第６熱回路、及び、
上記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する第７熱回路をも含む
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項６】
請求項５に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ガスセンサは車両に搭載される車載用ガスセンサであり、
前記第７熱回路は、
前記車両の車速に応じた、前記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変第７熱回路である
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項７】
請求項２〜請求項６のいずれか１項に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記温度推定部位は、前記筒状センサ素子の前記接ガス部のうち前記内壁面に前記ヒータの前記発熱部に接触している前記接触部であり、
前記部位温度は、上記接触部における接触部温度であり、
前記部位温度推定手段は、上記接触部温度を推定する接触部温度推定手段である
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項８】
請求項２〜請求項７のいずれか１項に記載のガスセンサの温度推定システムと、
前記部位温度推定手段で推定した前記部位温度に基づき、この部位温度が目標温度になるように、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段を有する
ガスセンサの温度制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱放射を考慮したモデルデータを用いた、ガスセンサの温度推定システム、及び、温度推定システムを用いたガスセンサの温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素センサなどのガスセンサを用いて、排気ガスなどの被測定ガスにおける測定対象ガス（酸素など）の濃度を検知することが行われている。このようなガスセンサを用いるに当たり、例えば、ジルコニア固体電解質からなるセンサ素子を用いる場合、その温度を数１００度以上とする必要がある。このために、センサ素子を有底筒状とし、その内部にヒータを挿入してセンサ素子を加熱する形態としたガスセンサが知られている。
そして、特許文献１には、素子部（センサ素子）と素子部に接触する排ガスとの間の熱伝達に伴う素子部の温度変化を表現するように予め定められた素子温モデルに基づいて、素子部の温度を逐次推定する温度推定手段と、この推定値を用いて、素子部の温度が所定の目標値になるようにヒータを制御するヒータ制御手段とを有する温度制御装置等が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、素子部（センサ素子の接ガス部）と排ガスとの間の熱伝達については考慮しているが、例えば、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部に向けた熱放射など、各部材間の熱放射の影響について考慮されていない。このため、特許文献１の技術では、素子部（センサ素子の接ガス部）の温度が比較的安定している場合（例えば、７００±５０℃の範囲内の場合）には、その素子部の温度を適切に推定することはできると考えられる。
ところで、ガスセンサにおいては、素子部（センサ素子の接ガス部）の温度が大きく変化する場合がある。例えば、内燃機関及びガスセンサの駆動開始直後には、センサ素子の接ガス部の温度が急激に上昇する。また、アクセルを離してエンジンブレーキを効かせている、いわゆるフューエルカット時には、排気管内に燃焼ガスではなく外気が流通するためセンサ素子の接ガス部が冷却される。従って、フューエルカット中には、センサ素子の接ガス部の温度が急激に低下し、及びフューエルカット後は、温度が上昇する。
しかるに、センサ素子の接ガス部について、このような過渡的な温度変化が生じる場合、特許文献１の技術では、センサ素子の接ガス部の温度を適切に推定することができない。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、過渡的な温度変化が生じる場合も含めて、ガスセンサ内の温度推定部位の部位温度を適切に推定できる温度推定システム、及び、部位温度を用いてヒータへの通電を制御するガスセンサの温度制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の一態様は、先端側が閉じた有底筒状であり、被測定ガスが接する接ガス部を自身の先端側に含む筒状センサ素子と、棒状で、先端部分に通電により発熱する発熱部を有し、上記筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、上記発熱部の少なくとも一部が上記筒状センサ素子の上記接ガス部の内壁面に接して配置されてなるヒータと、を備えるガスセンサに関し、上記ガスセンサ内の温度推定部位の温度である部位温度を推定する温度推定システムであって、上記ヒータの上記発熱部と上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記ヒータの上記発熱部が接触する接触部との間の熱伝導を、及び、上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を考慮したモデルデータを用いて上記部位温度を推定する部位温度推定手段、を有するガスセンサの温度推定システムである。
【０００７】
このガスセンサの温度推定システムでは、筒状センサ素子と、棒状で、筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、筒状センサ素子の接ガス部の内壁面に接して配置されたヒータとを備えるガスセンサに関して、ガスセンサ内の温度推定部位の温度である部位温度を推定する。
【０００８】
通常、このガスセンサでは、ヒータの発熱部の温度が最も高くなる。そして、ヒータの発熱部で発生した熱は、先ず、この発熱部と接触している筒状センサ素子の接触部に、熱伝導の形態で伝えられる。併せて、この発熱部と非接触の筒状センサ素子の非接触部に、熱放射の形態で伝えられる。この熱放射を考慮することで、過渡的な熱解析（温度推定）をより適切に行いうる。かくして、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、適切に部位温度の推定が可能となる。
【０００９】
温度推定部位としては、ガスセンサのいずれの部位でも良いが、例えば、筒状センサ素子の接ガス部、接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位、あるいはこれに隣接する部位、ヒータの発熱部、筒状センサを保持している金具が挙げられる。特に、接ガス部の温度、さらには、接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位の温度は、ガスセンサのセンサ感度やセンサ抵抗値などに大きな影響を及ぼすものであるので、これらの情報を得ることは、ガスセンサの制御やガスセンサの状態の検知、センサ出力補正等に有用である。
ガスセンサとしては、例えば、ジルコニア固体電解質からなる筒状センサ素子を用いて、被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素センサが挙げられる。
【００１０】
また、温度推定システムとしては、ガスセンサのうち、特定の温度推定部位（例えば、「接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位」）の温度を推定する温度推定システムとすることができる。このほか、複数の特定の温度推定部位（例えば、「接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位」と、「筒状センサを保持している金具」）の温度を推定する温度推定システムとしても良い。あるいは、ガスセンサの適宜の位置を随時選択し、選択された当該部位についての温度を推定する温度推定システムとしても良い。
この温度推定システムとしては、ガスセンサの各部の温度についての挙動解析（温度推定）のために、現実のガスセンサ等とは別に、熱解析プログラム及びデータをパーソナルコンピュータにインストールしたものとして実現することができる。
あるいは、ガスセンサ（筒状センサ素子やヒータ）を通電制御する通電制御装置を有し、これとは別の制御装置（電子制御装置：ＥＣＵ）の指示に従って、この通電制御装置でガスセンサを制御する場合において、通電制御装置をなすマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータに、温度を推定する熱解析プログラム及びガスセンサ等のモデルデータを記憶させて、これを温度推定システムとして実現することもできる。あるいは、上述の別の制御装置（例えばＥＣＵ）をなすマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータに、熱解析プログラム及びガスセンサ等のモデルデータを記憶させて、これを温度推定システムとして実現することもできる。
なお後二者の場合には、ガスセンサ（筒状センサ素子、ヒータ）の駆動の際に、例えば、「接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位」などの特定の温度推定部位の温度をリアルタイムに推定することができる。さらに、この推定温度を用いて（温度センサなどを用いたフィードバック制御を行わずに）、ヒータを通電制御して（通電制御装置にヒータを通電制御させて）、ガスセンサの温度制御システムとすることもできる。
【００１１】
また上述のガスセンサの温度推定システムであって、前記ヒータの前記発熱部と前記筒状センサ素子の前記接ガス部の前記接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路、及び、上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路、を含む上記ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを記憶する熱回路網データ記憶手段を有し、前記部位温度推定手段は、前記モデルデータである上記熱回路網データを用い、熱回路網法によって、上記部位温度を推定するガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００１２】
このガスセンサの温度推定システムでは、ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを用いて、熱回路網法によって、部位温度を推定する。
熱回路網法を用いることで、ガスセンサの温度、例えば、筒状センサ素子の接ガス部の温度が比較的安定している場合のみならず、過渡的に変化している場合でも、その温度推定部位の部位温度を適切に推定することができる。
【００１３】
しかも、熱回路網データには、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接ガス部のうち発熱部が接触する接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路のほか、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部のうち非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路を含む熱回路網のデータも含んでいる。
ガスセンサを熱回路網法を用いて、例えば筒状センサ素子の接ガス部など、所定の温度推定部位の部位温度を推定するに当たっては、まず熱回路網として、各部位における部材等の  間の熱伝達等を考慮した熱回路網を構築する。
ところで前述したように、上述のガスセンサは筒状センサ素子のほかにヒータを有する。しかも、通常、このガスセンサでは、ヒータの発熱部の温度が最も高くなる。そして、ヒータの発熱部で発生した熱は、先ず、この発熱部と接触している筒状センサ素子の接触部に、熱伝導の形態で伝えられる。併せて、この発熱部と非接触の筒状センサ素子の非接触部に、熱放射の形態で伝えられる。この熱放射を考慮することで、過渡的な熱解析（温度推定）をより適切に行いうる。
そこで、このシステムでは、上述のように、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接触部との間の熱伝導を示す第１熱回路に加え、発熱部から非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路を含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、熱回路網がより現実に近いものとなり、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、適切に部位温度の推定が可能となる。
【００１４】
第２熱回路としては、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部のうち非接触部に向けた熱放射を記述するもの（熱回路素子）のほか、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の非接触部に向けた、筒状センサ素子内の気体を介した熱伝達を記述するもの（熱回路素子）を含めることもできる。
【００１５】
この温度推定システムとしては、ガスセンサの各部の温度についての挙動解析（温度推定）のために、現実のガスセンサ等とは別に、熱解析プログラム及びデータをパーソナルコンピュータにインストールしたものとして実現することができる。
あるいは、ガスセンサ（筒状センサ素子やヒータ）を通電制御する通電制御装置を有し、これとは別の制御装置（電子制御装置：ＥＣＵ）の指示に従って、この通電制御装置でガスセンサを制御する場合において、通電制御装置をなすマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータに、熱回路網法を用いた温度推定の熱解析プログラム及びガスセンサ等の熱回路網データを記憶させて、これを温度推定システムとして実現することもできる。あるいは、上述の別の制御装置（例えばＥＣＵ）をなすマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータに、熱回路網法を用いた温度推定の熱解析プログラム及びガスセンサ等の熱回路網データを記憶させて、これを温度推定システムとして実現することもできる。
【００１６】
上述のガスセンサの温度推定システムであって、前記ガスセンサは、前記筒状センサ素子の前記接ガス部のうち基端側の基端接ガス部の周囲を離間しつつ取り囲み、上記接ガス部よりも基端側で上記筒状センサ素子を間接的に保持すると共に、自身を外部部材に結合する結合部を有する保持金具と、上記保持金具の先端側に上記筒状センサ素子の上記接ガス部から離間して配置されると共に、上記保持金具に接続され、上記接ガス部との間に前記被測定ガスが流通可能に、上記接ガス部を覆うプロテクタと、を備えてなり、前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路、及び、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記プロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路をも含むガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００１７】
ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部に伝えられた熱は、熱放射によって、上述の保持金具及びプロテクタに伝えられる。
前述したように、熱放射の考慮することで、過渡的な熱解析（温度推定）をより適切に行いうることから、このシステムでは、上述のように、筒状センサ素子の接ガス部から保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路、及び、筒状センサ素子の接ガス部からプロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路をも含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００１８】
なお、保持金具とプロテクタの接続手法としては、溶接などによる固着のほか、保持金具に設けた凸部とプロテクタに設けた凹部との係合、あるいはこの逆に保持金具に設けた凹部とプロテクタに設けた凸部との係合などによる接続が含まれる。
また、保持金具が結合する外部部材としては、内燃機関の排気管、吸気管、あるいはこれらにガスセンサ（保持金具）を取り付けるためのセンサ取付部材、ガスチャンバにガスセンサを取り付けるための取付部材などが挙げられる。
【００１９】
さらに、上述のガスセンサの温度推定システムであって、前記外部部材は、前記被測定ガスが流通する金属製の通気管であり、自身を貫通する貫通孔の周囲に形成された被結合部を有し、前記ガスセンサは、上記筒状センサ素子の前記接ガス部が上記貫通孔を通して上記通気管内に配置される形態で、上記ガスセンサの前記保持金具の前記結合部が上記通気管の上記被結合部に結合されてなり、前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、上記保持金具の上記結合部と上記通気管の上記被結合部との間の熱伝導を記述する第５熱回路を含むガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２０】
ガスセンサが被測定ガスが流通する通気管に接続される場合がある。例えば、内燃機関の排気管（被測定ガスは排気ガス）や、内燃機関の吸気管（被測定ガスは外気や外気と排気ガスとの混合）に、ガスセンサが接続される場合がある。
この場合、筒状センサ素子の接ガス部から保持金具に伝えられた熱の一部は、その結合部から通気管の被結合部を通じて排気管に伝えられる。なお、通気管が排気管であり、高温の排気ガスによって排気管が高温になった場合には、上記とは逆に、通気管の被結合部から保持金具の結合部を通じて、保持金具に熱が伝えられる場合もある。
そこで、このシステムでは、上述のように、保持金具の結合部と通気管の被結合部との間の熱伝導を記述する第５熱回路をも含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、通気管への放熱（あるいは通気管からの熱の流入）の影響を含めて熱挙動の解析ができ、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００２１】
さらに、上記２項に記載のガスセンサの温度推定システムであって、前記ガスセンサは、筒状で、前記外部部材の外部に位置し、前記保持金具の前記結合部よりも基端側で上記保持金具に接続し基端側に延びる外筒を有し、前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、上記保持金具と上記外筒との間の熱伝導を記述する第６熱回路、及び、上記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する第７熱回路をも含むガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２２】
ガスセンサが上述の外筒を有する場合、保持金具から外筒に伝えられた熱の一部は、外筒を包囲する外気を通じて放散される。
そこで、このシステムでは、上述のように、保持金具と外筒との間の熱伝導を記述する第６熱回路、及び、外筒とこれを包囲する外気との間の熱伝導を記述する第７熱回路をも含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、外筒を通じた外気への熱放散の影響を含めた熱挙動の解析ができ、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００２３】
さらに上述のガスセンサの温度推定システムであって、前記ガスセンサは車両に搭載されてなり、前記第７熱回路は、前記車両の車速に応じた、前記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変第７熱回路であるガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２４】
ガスセンサが車両に搭載されている場合、外筒とこれを囲む外気との間の熱伝達は、車速が低い場合（低速の場合）には、熱伝達が比較的少ない。一方、車速が高い場合（高速の場合）には、熱伝達が比較的多い。即ち、車両の車速に応じて変化する。
そこで、このシステムでは、上述のように、外筒と外気との間の熱伝導を記述する第７熱回路について、車両の車速に応じた、外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変第７熱回路とし、この第７熱回路を含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、外筒を通じた外気への熱放散の影響を、車速による影響の変化を含めた熱挙動の解析ができ、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００２５】
前述のいずれか１項に記載のガスセンサの温度推定システムであって、前記温度推定部位は、前記筒状センサ素子の前記接ガス部のうち前記内壁面に前記ヒータの前記発熱部に接触している前記接触部であり、前記部位温度は、上記接触部における接触部温度であり、前記部位温度推定手段は、上記接触部温度を推定する接触部温度推定手段であるガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２６】
筒状センサ素子の接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部に接触している接触部は、接ガス部のうちでも最も温度が高くなる部位であり、この接触部の温度は、ガスセンサのセンサ感度やセンサ抵抗値などに大きな影響を及ぼす。
従って、接触部の温度を検知することは、ガスセンサの制御やセンサ出力の処理に重要である。
このシステムでは、接触部温度推定手段で、接触部温度を推定するので、過渡的に変化している場合も含めて、ガスセンサの制御やセンサ出力の処理に重要な情報を容易に得ることができる。
【００２７】
他の態様は、前述のいずれか１項に記載のガスセンサの温度推定システムと、前記部位温度推定手段で推定した前記部位温度に基づき、この部位温度が目標温度になるように、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段を有するガスセンサの温度制御システムである。
【００２８】
このガスセンサの温度制御システムでは、ガスセンサの温度推定部位の部位温度を目標温度に制御すべくヒータ制御を行うに当たり、ガスセンサをモデル化した熱回路網を用いて、ガスセンサ内の温度推定部位の部位温度を推定すれば良く、温度センサなどを用いて温度推定部位の部位温度を実際に測定する必要が無い。このため、温度制御システムの構成を簡易にできる。
【００２９】
さらに、先端側が閉じた有底筒状であり、被測定ガスが接する接ガス部を自身の先端側に含む筒状センサ素子と、棒状で、先端部分に通電により発熱する発熱部を有し、上記筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、上記発熱部の少なくとも一部が上記筒状センサ素子の上記接ガス部の内壁面に接して配置されてなるヒータと、を備えるガスセンサを、熱回路網法を用いて解析可能にモデル化した熱回路網の熱回路網データであって、上記ヒータの上記発熱部と上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記ヒータの上記発熱部が接触する接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路のデータ、及び、上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路のデータ、を含むガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データとすると好ましい。
【００３０】
この熱回路網データには、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接触部との間の熱伝導を示す第１熱回路に加え、発熱部から非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路を含む熱回路網のデータを含んでいる。
このため、この熱回路網データを用いて、熱回路網法を用いて熱解析（温度推定）を行うことで、熱回路網がより現実に近いものとなり、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、適切に部位温度の推定が可能となる。
【００３１】
さらに、上述のガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データであって、前記ガスセンサは、前記筒状センサ素子の前記接ガス部のうち基端側の基端接ガス部の周囲を離間しつつ取り囲み、上記接ガス部よりも基端側で上記筒状センサ素子を間接的に保持すると共に、自身を外部部材に結合する結合部を有する保持金具と、上記保持金具の先端側に上記筒状センサ素子の上記接ガス部から離間して配置されると共に、上記保持金具に接続され、上記接ガス部との間に前記被測定ガスが流通可能に、上記接ガス部を覆うプロテクタと、を備えてなり、前記熱回路網データは、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路のデータ、及び、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記プロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路のデータをも含むガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データとすると好ましい。
【００３２】
この熱回路網データには、筒状センサ素子の接ガス部から保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路、及び、筒状センサ素子の接ガス部からプロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路を含む熱回路網のデータを含んでいる。
このため、この熱回路網データを用いて、熱回路網法を用いて熱解析（温度推定）を行うことで、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態１に係り、酸素センサの温度推定システムをなすパーソナルコンピュータの構成を示す説明図である。
【図２】排気管に取り付けた状態の酸素センサの構造を示す縦断面図である。
【図３】排気管に取り付けた酸素センサにおける熱の流れを示す説明図である。
【図４】排気管に取り付けた酸素センサを模擬した熱回路網の概略図である。
【図５】熱回路網に用いた記号の凡例を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係り、図４に示す、排気管に取り付けた酸素センサを模擬した熱回路網の詳細図である。
【図７】実施形態２，３及び比較形態１，２に係り、排気管に取り付けた酸素センサを模擬した熱回路網の概略図である。
【図８】酸素センサを常温から昇温させた場合に生じる、センサ素子の接ガス部のうちヒータ発熱部に接触する接触部の温度変化について、実測結果、及び、熱回路網法を用いた推定結果を示すグラフである。（ａ）は、実測結果を示す。（ｂ）は、実施形態１に係り、熱放射素子（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）をいずれも考慮した（存在させた）場合の推定結果を示す。（ｃ）は比較形態１に係り、熱放射素子（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）のうち、ヒータ発熱部からセンサ素子の接ガス部の非接触部への熱放射素子（Ｒ１）のみを考慮しなかった場合の結果を示す。
【図９】酸素センサを駆動する通電制御装置を、この酸素センサの温度推定システムとして実現した変形形態にかかり、車両に搭載された通電制御装置付き酸素センサを説明する説明図である。
【図１０】変形形態に係り、通電制御装置の構成及び酸素センサ等との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（実施形態１）
本発明の実施の形態を図１〜図８を参照して説明する。図１は、本実施形態１にかかり、酸素センサ１の温度推定システム１００をなすパーソナルコンピュータＰＣの構成を示す説明図である。本システム１００は、マイクロプロセッサ１０２、ＲＯＭ１０３、ＲＡＭ１０４、外部記憶装置１０５、モニタ１０６、プリンタ１０７を備えており、これらは、バス１０１を通じて相互に通信可能となっている。このパーソナルコンピュータＰＣの外部記憶装置１０５には、熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ１、及び、後述する熱回路網データＮＤが記憶されている。このパーソナルコンピュータＰＣでは、熱解析プログラムＰＧ１及び熱回路網データＮＤを外部記憶装置１０５から、ＲＡＭ１０４に読み込み、マイクロプロセッサ１０２で処理し、その解析（温度推定）結果を、モニタ１０６に表示する。また、必要に応じて、外部記憶装置１０５に記憶させ、プリンタ１０７を用いて印刷する。これにより本システム１００，ＰＣでは、熱回路網法を用いた、酸素センサ１の各部位の温度の推定が可能となっている。
【００３５】
次に、熱解析の対象である酸素センサ１及び排気管ＥＰについて説明する。図２は、本実施形態１にかかり、酸素センサ１を排気管ＥＰに取り付けた状態の縦断面図であり、酸素センサ１の内部構造を示す。酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の酸素センサ素子２と、酸素センサ素子２の有底孔２ａに挿入されたヒータ１５とを備える。酸素センサ素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により中空軸状に形成されている。
【００３６】
この酸素センサ素子２の有底孔２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成されたセンサ内部電極層２ｃが、形成されている。一方、酸素センサ素子２の外面のうち先端部には同様な多孔質のセンサ外部電極層２ｂがそれぞれ設けられている。また、この酸素センサ素子２の軸方向の中間部には、径方向外側に突出する係合フランジ部２ｓが設けられている。絶縁性セラミックからなるセラミックホルダ５，７及びタルクから形成されたセラミック粉末６によって係合フランジ部２ｓが係合保持されることにより、酸素センサ素子２は中心にこの酸素センサ素子２を挿通する挿通孔を有する筒状の主体金具３に気密に保持されている。そして、酸素センサ素子２の係合フランジ部２Ｓよりも先端部は、排気ガスに接する接ガス部２ｄを構成する。なお、本明細書において、酸素センサ素子２の軸に沿う方向（図２中、上下方向）のうち、先端部（閉じている側、図２中下方）に向かう側を「先端側」ＰＤとし、これと反対方向（図２中上方）に向かう側を「基端側」ＢＤということとする。
【００３７】
主体金具３は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部３ｂや六角部３ｃを有し、プロテクタ４がプロテクタ接続部３ａにレーザ溶接で接続されている。このプロテクタ４は、主体金具３の先端側開口部から突出する酸素センサ素子２の先端部を覆うように取り付けられている。この酸素センサ１は、主体金具３のねじ部３ｂより先端側ＰＤが排気管ＥＰ内に配置され、それより基端側ＢＤは外部の大気中に配置されて使用される。プロテクタ４には、排気ガスを透過させる複数のガス透過孔４ａが形成されている。
【００３８】
一方、主体金具３の基端部３ｅは、セラミックホルダ７との間にリングパッキン９を介して加締められて気密保持されている。また六角部３ｃの基端側ＢＤの接続部３ｄには、筒状で金属からなる外筒２１のうち第１外筒部２２の先端部２２ａが、外側からレーザ溶接により固着されている。一方、この外筒２１の基端側開口部２１ａは、ゴム等で構成されたグロメット５１が嵌入され閉塞され、外周から加締めることにより気密に封止されている。グロメット５１の中心部には、大気を外筒２１内に導入する一方、水分の進入を防ぐフィルタ部材５２が配置されている。またこのグロメット５１の先端側ＰＤには、絶縁性のアルミナセラミックからなるセパレータ３１が設けられている。そして、セパレータ３１及びグロメット５１を貫通してセンサ出力リード線１３，１４及びヒータリード線１８，１９が外部に延出している（図２参照）。
【００３９】
このセパレータ３１は、基端側部３２、先端側部３３、及びこれらの間に位置し、これらよりも大径の鍔部３４とを有する。セパレータ３１内には、リード線１３，１４及びこれらに接続する第１，第２センサ端子金具１１，１２のうち基端側ＢＤの部位、リード線１８，１９及びこれらに接続するヒータ端子金具１６，１７が互いに絶縁されつつセパレータ３１内に保持されている。
なお、ヒータ１５はその基端面１５ｄが、セパレータ３１のヒータ当接面３１ｅに当接することで、セパレータ３１に対するヒータ１５の軸線方向（図中上下方向）の位置決めがなされている。
【００４０】
また、次述するように、ヒータ１５は、酸素センサ素子２の有底孔２ａの軸線に対して、発熱部１５ａが偏心する（傾く）ように酸素センサ２内に挿入されている。これにより、発熱部１５ａが酸素センサ素子２の有底孔２ａの内周面の一部に接することとなる。つまり、発熱部１５ａから、素子２のうちでも小さな容積の部位（接触部２ｅ）に熱エネルギーを集中して伝えることができるので、酸素センサ１の活性化時間を短縮する上で効果的である。
【００４１】
ヒータ１５は、棒状のセラミックヒータであり、その先端部分は、アルミナを主とする芯材の周囲に抵抗発熱体（図示せず）を形成した発熱部１５ａとなっている。また基端部分には、電極パッド１５ｅ，１５ｆが設けられ、ヒータ端子金具１６，１７にロウ付け接続されている。このヒータ端子金具１６，１７及びヒータリード線１８，１９を通じて、ヒータ駆動電源Ｓ１からこのヒータ１５に通電すると、発熱部１５ａが発熱し、酸素センサ素子２の先端部が加熱される。ヒータ端子金具１７には、ヒータリード線１８の芯線を把持して、このヒータ端子金具１７とヒータリード線１８を電気的に接続するコネクタ部（図示しない）を有している。また、ヒータ端子金具１６にも同様にヒータリード線１９の芯線を把持するコネクタ部を有している。また、このヒータ１５は、中央より基端寄りの部位で、第１センサ端子金具１１の保持挿入部１１ａに保持されている。
【００４２】
外筒２１は、金属製で略円筒形状を成し、先端側ＰＤ（図中下側）に位置し、上述したようにその先端側ＰＤの先端部２２ａが主体金具３と接合される第１外筒部２２と、これよりも基端側ＢＤに位置し第１外筒部よりも小径の第２外筒部２３とを有している。この第２外筒部２３の軸方向中間部分には、周方向に均等に４箇所、径方向内側に向けて突出する内側凸部２４が形成されている。この内側凸部２４は、セパレータ３１の鍔部３４と斜めに当接している。
さらに、セパレータ３１の先端側部３３の周囲には、付勢金具４１が装着されている。この付勢金具４１は、その基端部４１ａがＪ字状に内側に曲げ返された形状をなして、セパレータ３１の鍔部３４に当接している。そして後述するようにして、金属外筒２１の第２外筒部２３に変形部２３ｂを成形するのに伴って、付勢金具４１の基端部４１ａが、セパレータ３１の鍔部３４を、従って、セパレータ３１を基端側ＢＤ（図中上方）に向けて付勢している。
【００４３】
この酸素センサ１は、以下のようにして製造される。予め、第１，第２センサ端子金具１１，１２のコネクタ部にそれぞれセンサ出力リード１３，１４を接続しておく。また、ヒータ端子金具１６，１７のコネクタ部（図示しない）にヒータリード線１８，１９を接続しておく。そして、ヒータ１５を第１センサ端子金具１１に保持させた状態で、各リード線１３，１４，１８，１９をセパレータ３１に挿通し、このセパレータ３１ｄ内に、第１，第２センサ端子金具１１，１２の一部、ヒータ端子金具１６，１７の全体、及びヒータ１５の後端部１５ｃが互いに絶縁して保持された状態としておく。
【００４４】
また、セパレータ３１の鍔部３４に、付勢金具４１のＪ字状の基端部４１ａが当接するようにして、セパレータ３１の先端側部３３の外周に付勢金具４１を装着しておく。
次いで、内部にリード線１３等を挿通し、第１センサ端子金具１１等を保持したセパレータ３１を、金属外筒２１に遊挿し、各リード線１３等をグロメット５１に挿通する。
【００４５】
また別途、セラミックホルダ５，７及びセラミック粉末６を用い、主体金具３の基端部３ｅを加締めて、酸素センサ素子２を主体金具３に組み付け、また、主体金具３のプロテクタ接続部３ａにプロテクタ４を溶接しておく。
酸素センサ素子２の軸線と、金属外筒２１の軸線が一致するように両者の位置を調整しておき、外筒２１を先端側ＰＤ（図中下方）に移動させ、セパレータ３１の鍔部３４と外筒２１の内側凸部２４とが斜めに当接し、かつセパレータ３１が外筒２１内に遊挿された状態とし、外筒２１の基端側開口部２１ａにグロメット５１を嵌め込む。さらに、外筒２１を先端側ＰＤ（図中下方）に移動させる。そして、ヒータ１５が酸素センサ素子２の有底孔２ａ内に挿入され、外筒２１の先端部２２ａが主体金具３の六角部３ｃに当接するまで外筒２１を先端側ＰＤに移動させる。
【００４６】
これにより、ヒータ１５と共に、これを保持している第１センサ端子金具１１の保持挿入部１１ａも酸素センサ素子２の有底孔２ａに挿入され、センサ内側電極層２ｃと導通する。また、保持挿入部１１ａが酸素センサ素子２の有底孔２ａ内に挿入されることにより、ヒータ１５の軸線が酸素センサ素子２の軸線に対して傾きかつ偏心して、ヒータ１５の発熱部１５ａが有底孔２ａの内壁のうち一部（この部位を接触部２ｅとする）に接するように調整される。従って、酸素センサ素子２の接触部２ｅには、ヒータ１５の発熱部１５ａから、接触による熱伝導によって、熱が伝えられる。
【００４７】
なお、本実施形態１では、ヒータ１５の基端面１５ｄがセパレータ３１のヒータ当接面３１ｅに当接した状態で、ヒータ１５を酸素センサ素子２の有底孔２ａ内に挿入しているので、ヒータ１５の酸素センサ素子２の有底孔２ａへの挿入深さが、金属外筒２１，セパレータ３１及びヒータ１５の寸法で一意に決められる。
【００４８】
その後、主体金具３の接続部３ｄとこの外周側に位置する外筒２１の先端部２２ａとを、外筒２１を先端側ＰＤ（図中下方）に押圧しながら、径方向に加締めて仮接続する。
さらに、外筒２１の第２外筒部２３のうち、付勢金具４１の外周に位置する部位の一部を環状に押圧して、凹形状に変形（縮径）させて、変形部２３ｂを環状に形成する。これに伴い、外筒２１の変形部２３ｂが付勢金具４１に密着し、付勢金具４１が外筒２１に保持、固定される。さらにこのようにして付勢金具４１を径方向に押圧することで、この付勢金具４１のＪ字状の基端部４１ａが若干基端側ＢＤ（図中上方）に移動する。このため、基端部４１ａで、セパレータ３１の鍔部３４を基端側ＢＤ（図中上方）に付勢することとなる。かくして、セパレータ３１の鍔部３４が、外筒２１の内側凸部２４と付勢金具４１の基端部４１ａとの間に挟まれて、セパレータ３１が外筒２１に固定される。
【００４９】
次いで、外筒２１の第２外筒部２３のうち、グロメット５１の周囲に位置する部分（基端側開口部２１ａ）を加締め、外筒２１及び各リード線１３等を気密に封止する。さらに、仮接続してあった主体金具３の接続部３ｄと外筒２１の先端部２２ａとをレーザ溶接により気密に接続して、酸素センサ１を完成させる。
【００５０】
この酸素センサ１は、内燃機関の排気管ＥＰに接続して用いられる。具体的には、排気管ＥＰに設けた取付孔ＥＰＨと、主体金具３のねじ部３ｂを用いて締結される。なお、排気管ＥＰと六角部３ｃとの間には、ガスケット８が介在している。
【００５１】
次いで、この排気管ＥＰに取り付けられた酸素センサ１の熱挙動を後述する熱回路網法を用いて熱解析（温度推定）するため、酸素センサ１内のほか、酸素センサ１、排気管ＥＰ、排気管ＥＰ内を流れる排気ガスＥＧ、及び、排気管ＥＰ外の外気ＯＧの間の熱の移動について、図２のほか図３を参照して考察する。図３は、酸素センサ１、排気管ＥＰ、排気ガスＥＧ及び外気ＯＧにおける熱の流れの概略を示す説明図である。なお、この図３において、黒矢印は、主に熱伝導により伝えられる熱の経路を示す。また、白抜き矢印は、主に熱放射により伝えられる熱の経路を示す。
【００５２】
この酸素センサ１では、前述したように、ヒータ１５に通電し、電気エネルギを注入すると、このヒータ１５の先端部分の発熱部１５ａが主として発熱し高温となる。すると、この発熱部１５ａで発生した熱は、ヒータ１５のうち、基端側ＢＤの非発熱部１５ｂに熱伝導により伝えられる。また、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄのうち、この発熱部１５ａが接触している接触部２ｅにも、熱伝導により伝えられる。加えて、発熱部１５ａからの熱放射により、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄのうち、この発熱部１５ａが接触していない非接触部２ｆにも、熱が伝えられる。
【００５３】
このうち、ヒータ１５の非発熱部１５ｂに伝えられた熱は、ヒータ１５の基端面１５ｄを通じて、あるいは、ヒータ１５の電極パッド１５ｅ，１５ｆ、ヒータ端子金具１６，１７を通じて、セパレータ３１に熱伝導により伝えられる。さらに、セパレータ３１から外筒２１（そのうち基端側ＢＤの第２外筒部２３）に伝えられ、外気ＯＧに放熱される。
【００５４】
また、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの非接触部２ｆに、接触部２ｅあるいは発熱部１５ａから伝えられた熱は、酸素センサ素子２の基端側ＢＤに伝えられ、セラミックホルダ５，７及びセラミック粉末６を通じて、主体金具３に伝えられる。またこれと並行して、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの非接触部２ｆから、主体金具３のうちこれに近接している先端部分（例えば、プロテクタ接続部３ａ）へは、非接触部２ｆからの熱放射により、熱が伝えられる。主体金具３に伝えられた熱は、外筒２１（第１外筒部２２）を通じて、外気ＯＧに放熱される。
【００５５】
また、主体金具３は、その先端側ＰＤに取り付けられたプロテクタとの間でも、熱伝導により熱の移動が生じる。加えて、主体金具３には、そのねじ部３ｂを通じて、排気管ＥＰとの間で熱を伝える。なお、主体金具３とプロテクタ４、主体金具３と排気管ＥＰとの間では、相互の温度差により、熱の移動が相互間で行われる。
【００５６】
プロテクタ４には、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄのうち、特に高温となりやすい接触部２ｅから、熱放射により直接熱が伝えられる。また、プロテクタ４は、排気管ＥＰ内を流れる排気ガスＥＧからも熱を受ける。なお、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄも、排気ガスＥＧから熱を受ける。
さらに排気管ＥＰは、排気ガスＥＧから熱を受けると共に、外気ＯＧに接触して、放熱している。
【００５７】
排気管ＥＰに取り付けられた酸素センサ１は、概略、上述のような熱の経路を有していると考えられる。そこで、この経路を熱回路網として示したのが、図４の熱回路網ＨＣ１である。なお、その記号の凡例を、図５に示す。この熱回路網ＨＣ１では、酸素センサ１及び排気管ＥＰを、１０ヶの熱伝導素子Ｅ１〜Ｅ１０に区分し、熱回路Ｃ２、Ｃ４〜Ｃ７、Ｃ９、Ｃ１１〜〜Ｃ１４を通じて相互の熱伝導を考慮すると共に、熱回路Ｃ１６〜Ｃ２０を通じた排気ガスＦ１〜Ｆ３との熱伝達、及び、熱回路Ｃ２１〜Ｃ２４を通じた外気Ｆ４，Ｆ５との間の熱伝達、さらに、熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０を通じた熱放射素子Ｒ１〜Ｒ３による熱放射を想定した。
【００５８】
具体的には、この熱回路網ＨＣ１では、電源Ｓ１から熱回路Ｃ１を通じて流入したヒータエネルギは、ヒータ発熱部である素子Ｅ１で熱となる。さらに、素子Ｅ１からは、熱回路Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を通じて、熱伝導素子Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４（ヒータ非発熱部１５ｂ、ヒータ基端面１５ｄ及びセパレータ３１、外筒２１）に伝えられる。
また、ヒータ発熱部である素子Ｅ１からは、熱回路Ｃ２を通じて、ガスセンサ素子２の接触部２ｅである素子Ｅ５に熱が伝えられ、さらに、熱回路Ｃ７，Ｃ９，Ｃ１１を通じて、熱伝導素子Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８（酸素センサ素子２の非接触部２ｂ、セラミックホルダ５，７及びセラミック粉末６、主体金具３）に熱が伝えられる。主体金具３である素子Ｅ８は、素子Ｅ４（外筒２１）、素子Ｅ９（プロテクタ４）、素子Ｅ１０（排気管ＥＰ）とも、熱回路Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４で接続されている。
【００５９】
加えて、発熱部１５ａである素子Ｅ１から素子Ｅ６（非接触部２ｆ）へは、熱放射素子Ｒ１を介して熱回路Ｃ３によっても、直接熱が伝えられる構成とした。また、接触部２ｅである素子Ｅ５から素子Ｅ９（プロテクタ４）へは、熱放射素子Ｒ２を介して熱回路Ｃ８によっても、直接熱が伝えられる構成とした。さらに、非接触部２ｆである素子Ｅ６から素子Ｅ８（主体金具３）へは、熱放射素子Ｒ３を介して熱回路Ｃ１０によっても、直接熱が伝えられる構成とした。
【００６０】
また、排気ガスＥＧを示す素子Ｖ１と、酸素センサ素子２の接ガス部（素子Ｅ６）、プロテクタ４（素子Ｅ９）及び排気管ＥＰ（素子Ｅ１０）との間の熱伝達を記述するため、これらの間に、排気ガスＥＧを示す素子Ｆ１〜Ｆ３を介在させ、これらの間を熱回路Ｃ１５〜Ｃ２０で接続している。
また、外気ＯＧを示す素子Ｖ２と、外筒２１（素子Ｅ４）及び排気管ＥＰ（素子Ｅ１０）との間の熱伝達を記述するため、これらの間に、外気ＯＧを示す素子Ｆ１〜Ｆ３を介在させ、これらの間を熱回路Ｃ２１〜Ｃ２４で接続している。
【００６１】
この熱回路網ＨＣ１を、電気回路網に近似する、さらに詳細な熱回路網として記述すると、図６のように表わされる。ここで、図５の凡例に示すように、図４において矩形箱状で示される熱伝導素子（例えば素子Ｅ１）は、他の熱伝導素子に熱を伝える際の熱抵抗素子（電気抵抗素子に相当）と熱を蓄える熱容量素子（接地されたコンデンサに相当）を示す素子（例えばＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１３）とを組み合わせた、Ｔ型の回路で表される。また、図４において平行四辺形箱で示される熱伝達素子（素子Ｆ１〜Ｆ５）は、例えば排気ガスＥＧの流速やガス温度、外気ＯＧの温度や流速（車速）によって、熱伝達の様子が変化するので、可変抵抗で示される。また、熱放射素子（例えば素子Ｒ１）は、温度によって値が変化する可変電流源として示される。
そのほか、ヒータの駆動電源は、ヒータ１５に注入するヒータエネルギを可変し得るので、可変電流源（素子Ｓ１）として示した。また、排気ガスＥＧ、外気ＯＣは、その温度自身が変化するので、可変電圧源（素子Ｖ１，Ｖ２）として示される。
そして、これらの熱回路網ＨＣ１を、熱回路網法の熱解析プログラムＰＧ１において解析（温度推定）可能に表現された熱回路網データ（モデルデータ）ＮＤに変換する。
【００６２】
なお、ヒータ発熱部である素子Ｅ１とガスセンサ素子２の接触部２ｅである素子Ｅ５との間の熱回路Ｃ２が、第１熱回路に相当する。また、発熱部１５ａである素子Ｅ１から素子Ｅ６（非接触部２ｆ）への熱放射素子Ｒ１を介する熱回路Ｃ３が、第２熱回路に相当する。また、非接触部２ｆである素子Ｅ６から素子Ｅ８（主体金具３）への熱放射素子Ｒ３を介する熱回路Ｃ１０が、第３熱回路に相当する。さらに、接触部２ｅである素子Ｅ５から素子Ｅ９（プロテクタ４）への熱放射素子Ｒ２を介する熱回路Ｃ８が、第４熱回路に相当する。さらに、主体金具３である素子Ｅ８とは、素子Ｅ９（プロテクタ４）とを接続する熱回路Ｃ１３が、第５熱回路に相当する。また、素子Ｅ８（主体金具３）と素子Ｅ４（外筒２１）とを結ぶ熱回路Ｃ１２が、第６熱回路に相当する。加えて、素子Ｅ４（外筒２１）と素子Ｆ４（外気ＯＧ）とを結ぶ熱回路Ｃ２１が、第７熱回路及び可変第７熱回路に相当する。
【００６３】
この熱回路網データＮＤを、パーソナルコンピュータＰＣの外部記憶装置１０５に記憶させ、マイクロプロセッサ１０２に熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ１を実行させ、熱回路網ＨＣ１を解析する。これにより、初期状態、ヒータ駆動電源Ｓ１からの通電（ヒータエネルギ）パターン、車速、排気ガスＥＧの温度・流速、及び、外気ＯＧの温度を変化させて、各素子Ｅ１〜Ｅ１０における温度（部位温度）及び温度変化を、熱回路網法により、解析、取得することができる。
なお、本実施形態１においては、パーソナルコンピュータＰＣの外部記憶装置１０５が、熱回路網データ記憶手段に相当する。また、熱解析プログラムＰＧ１を実行しているマイクロプロセッサ１０２が、部位温度推定手段に相当する。さらに、パーソナルコンピュータＰＣが、温度推定システム１００に相当する。
【００６４】
例えば、素子Ｅ５で示される、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）についての解析結果の例を、図８における実線のグラフ（ｂ）で示す。併せて、接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）の実測結果を、一点鎖線のグラフ（ａ）で示す。なお、この例では、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの接触部２ｅが、温度推定部位Ｘに相当し、解析してグラフ（ａ）として得られた、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ及びＴｓ（ｔ）が、温度推定部位Ｘの部位温度Ｔｘ及びＴｘ（ｔ）に相当する。
この解析では、初期状態を常温（２５℃）とし、外気ＯＧの温度を２５℃、車速（外気の流速）を５０ｋｍ／ｈ、排気ガスＥＧの温度を５００℃、排気ガス流速を３０ｍ／ｓに変化させた。また、バッテリＢＴを含むヒータ駆動電源Ｓ１からヒータ１５に、８Ｖの直流電圧を印加し続けた。
【００６５】
これにより、実測した酸素センサ１では、接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）は、図８に一点鎖線のグラフ（ａ）で示すように、約２００秒間に亘り温度上昇し、その後、なだらかに一定値（本例では、通電開始から８００秒の時点で、Ｔｓ(800)＝６６０℃）に近づく結果となった。
【００６６】
これに対して、前述した熱回路網ＨＣ１（熱回路網データＮＤ）を熱解析して得た接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）の推定結果は、図８に実線（ｂ）で示すように、実測（一点鎖線のグラフ（ａ）)とほぼ同じ様に変化し、最終的に通電開始から８００秒の時点での温度（推定温度）Ｔｓ(800)は、Ｔｓ(800)＝６７０℃となった。即ち、実測値との差異は、１０degであった。この結果から、本実施形態１の熱回路網ＨＣ１（熱回路網データＮＤ）を用いた、酸素センサ１及び排気管ＥＰの熱回路網法による熱解析（温度推定）が、有効であることが判る。また、温度Ｔｓが過渡的に変化する期間も含め、全期間（図８では、０〜８００秒）に亘って、適切な温度の推定が可能であることが判る。
【００６７】
次いで、図７に示す熱回路網ＨＣ２，ＨＣ３，ＨＲ１，ＨＲ２を用いて、実施形態２，３及び比較形態１，２について説明する。このうち、実施形態２の熱回路網ＨＲ２は、図４に示す実施形態１にかかる熱回路網ＨＣ１とほぼ同じであるが、図７において破線で示すように、熱放射素子Ｒ２（熱回路Ｃ８）を除外した点でのみ異なる。また、実施形態３の熱回路網ＨＣ３は、実施形態１の熱回路網ＨＣ１とほぼ同じであるが、熱放射素子Ｒ３（熱回路Ｃ１０）を除外した点でのみ異なる。同様に、比較形態１の熱回路網ＨＲ１は、熱放射素子Ｒ１（熱回路Ｃ３）を除外した点でのみ、熱回路網ＨＣ１と異なる。さらに、比較形態２の熱回路網ＨＲ２は、熱放射素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０）の３者とも除外した点で、熱回路網ＨＣ１と異なる。
【００６８】
これら実施形態２，３及び比較形態１，２の熱回路網ＨＣ２，ＨＣ３，ＨＲ１，ＨＲ２についても、同様にして熱解析（温度推定）を行った。その結果を、実施形態１と共に、表１に示す。また、比較形態１において得られた接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）を、図８に破線のグラフ（ｃ）として示す。
先ず、比較形態１について検討する。比較形態１の熱回路網ＨＲ１を解析して得た接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）の推定結果（図８（ｃ））は、実測（一点鎖線のグラフ（ａ）)と同様、急速に温度が上昇し、その後、なだらかに一定値に近づく結果となった。しかしながら、通電開始から８００秒の時点の温度（推定温度）Ｔｓ(800)は、Ｔｓ(800)＝７２７℃（実測値＋６７deg）となり、グラフ（ｃ）も、実測のグラフ（ａ）及び実施形態１のグラフ（ｂ）に比して、高温側に偏った形態となった。
この結果から、実施形態１における熱回路網ＨＣ１において、少なくとも熱放射素子Ｒ１を考慮することが必要であり、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析（温度推定）において、大きな役割を果たしていることが判る。
【００６９】
【表１】
2014238424.tif 000003
【００７０】
次いで、実施形態２について検討する。実施形態２の熱回路網ＨＣ２を熱解析（温度推定）して得た接触部２ｅの温度変化の推定結果（表１参照）から、通電から８００秒後の温度（６９９℃）と、実測値（６６０℃）との差異が３９degであり、比較形態１に比して、良好な結果となったものの、実測及び実施形態１に比して、高温側に偏ることが判る。
この結果からも、熱放射素子Ｒ１を考慮することが重要であることが判る。また、この実施形態２の結果から、熱回路網において、熱放射素子Ｒ２を考慮することも、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析において、大きな要素であることが判る。
【００７１】
次いで、実施形態３について検討する。実施形態３の熱回路網ＨＣ３を熱解析して得た接触部２ｅの温度変化の推定結果（表１参照）から、通電から８００秒後の温度（７０４℃）と、実測値（６６０℃）との差異が４４degであり、比較形態１に比して、良好な結果となったものの、実測及び実施形態１に比して、高温側に偏ることが判る。
この結果からも、熱放射素子Ｒ１を考慮することが重要であることが判る。また、この実施形態３の結果から、熱回路網において、熱放射素子Ｒ３を考慮することも、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析において、大きな要素であることが判る。
【００７２】
さらに、比較形態２について検討する。比較形態２の熱回路網ＨＲ２を熱解析して得た接触部２ｅの温度変化の推定結果（表１参照）も、図示しないが、実測（一点鎖線のグラフ（ａ）)と同様、当初急速に温度が上昇し、その後、なだらかに一定値に近づく結果となった。しかしながら、実測及び実施形態１に比して、高温側に大きく偏り、通電から８００秒後の温度（８０３℃）が非常に高い値となり、かつ、実測値（６６０℃）との差異も１４３degという非常に大きな値となった。
この結果から、実施形態１における熱回路網ＨＣ１において、熱放射素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０）の三者は、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析において、極めて大きな役割を果たしていることが判る。
逆に、熱放射素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０）のすべてを考慮しない、比較形態２の熱回路網ＨＲ２は、酸素センサ１の各部における熱放射を全く考慮していない点で、従来の熱解析に近似している。そして、比較形態２の結果は、このように熱放射を考慮に入れないで酸素センサ１及び排気管ＥＰについて熱解析を行っても、過渡的な温度変化を伴う熱解析では、適切な温度の推定が困難であることを示している。
例えば、８００秒の時点での推定温度（８０３℃）が、実測値（６６０℃）となるように、熱回路網ＨＲ２の各部の素子（Ｅ１１，Ｅ１２，…など。図６参照）の定数を、この時点での推定温度を１４０deg程度引き下げるように調整したとする。するとこれにより、例えば通電開始から３００秒以降の安定した状態での温度については、実測に近い推定温度が得られることになる。しかし、通電初期には、逆に、推定温度が実測値よりも大幅に低く算出されることになり、結局、全期間に亘って適切に温度の推定は出来ないと推測できるからである。
【００７３】
（変形形態）
次いで、実施形態１，２，３の変形形態について、図９及び図１０を参照して説明する。前述の実施形態１等（図１参照）では、熱回路網ＨＣ１〜ＨＣ３（熱回路網データＮＤ）を用いた、酸素センサ１の温度推定システム１００を、パーソナルコンピュータＰＣで実現した。
これに対し、本変形形態では、車載した酸素センサ１の通電制御を行う通電制御装置６１に内蔵するマイクロコンピュータ７０において、熱回路網ＨＣ１等（熱回路網データＮＤ）を熱回路網法に従って熱解析し、所定部位（例えば、接触部２ｅ）の部位温度Ｔｘ（ｔ）（接触部温度（Ｔｓ（ｔ）））を推定する。さらに推定した部位温度Ｔｘ（ｔ）を用いて、ヒータ１５の温度制御を行う温度制御システム２１０をも構成している。
【００７４】
本変形形態における、酸素センサ１の温度推定システム２００および温度制御システム２１０について説明する（図９参照）。車両ＡＭは、エンジンＥＮＧを搭載している。エンジンＥＮＧは、電子制御装置ＥＣＵによって制御されている。また、電子制御装置ＥＣＵは、図示しない速度計、回転計、アクセル開度センサ、外気温センサ、排気温センサなどによって、車両ＡＭの車速や外気ＯＧの気温、排気ガスＥＧの温度などを検知しており、必要に応じて、これらの情報を次述する通電制御装置６１に送信する。
エンジンＥＮＧの排気管ＥＰには、前述した酸素センサ１が装着されている。この酸素センサ１は、センサ出力リード線１３，１４及びヒータリード線１８，１９を介して、通電制御装置６１に接続しており、両者を併せて、制御回路付き酸素センサ６０となっている。
【００７５】
通電制御装置６１は、電子制御装置ＥＣＵとシリアルバスＢＳを介して接続されており、相互にデータの通信が可能となっている。図１０に示すように、通電制御装置６１は、マイクロコンピュータ７０、センサ出力検知回路６２、ヒータ駆動回路６３を有している。このうち、マイクロコンピュータ７０は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、インターフェイス回路７５，７６，７７のほか、補助記憶装置として、ＥＰＲＯＭ７４を備えている。このＥＰＲＯＭには、熱回路網ＨＣ１（熱回路網データＮＤ）を熱回路網法によって解き、所定の温度推定部位Ｘの部位温度ＴｘあるいはＴｘ（ｔ）（例えば、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ））を推定する、熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ２、及び、熱回路網データＮＤが記憶されている。
【００７６】
一方、センサ出力検知回路６２は、酸素センサ１０の酸素センサ素子２に、センサ出力リード線１３，１４を介して接続しており、酸素センサ素子２の出力を検知し、インターフェイス回路７５を通じて、マイクロコンピュータ７０に入力する。また、ヒータ駆動回路６３は、酸素センサ１のヒータリード線１８，１９を介してヒータ１５に接続するとともに、バッテリＢＴに接続しており、マイクロコンピュータ７０の指示に従って、バッテリＢＴの出力電圧をオンオフし、ヒータ１５への通電電力をデューティ比制御する。
【００７７】
この制御回路付き酸素センサ６０では、車両ＡＭの起動（キースイッチＯＮ）により、マイクロコンピュータ７０が起動され、ヒータ駆動回路６３が駆動されて、バッテリＢＴからの電力が、酸素センサ１のヒータ１５に通電される。
さらにこれと並行して、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）で、ＥＰＲＯＭ７４に記憶されていた、熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ２を実行し、同じくＥＰＲＯＭ７４に記憶されていた熱回路網ＨＣ１等の熱回路網データＮＤ（図４、図６参照）を解いて、温度推定部位Ｘの部位温度ＴｘあるいはＴｘ（ｔ）（具体的には、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ））を逐次推定する。これにより、この制御回路付き酸素センサ６０では、酸素センサ素子２の接触部２ｅの温度を、何等かの温度センサなどを用いることなく、精度良く推定することが出来る。
【００７８】
酸素センサ素子２（接ガス部２ｄ）が十分昇温されて活性化したら、酸素センサ１（素子２）の出力をセンサ出力検知回路６２で検知し、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）により排気ガスＥＧ中の酸素濃度に換算し、電子制御装置ＥＣＵに送信する。
【００７９】
なお、酸素センサ１のヒータ１５は、排気ガスＥＧが高温となったために素子２の加熱が不要である場合を除き、エンジンＥＮＧの駆動中は、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの温度（特に、接触部２ｅの温度Ｔｓ）が一定（目標温度Ｔｏ：例えばＴｏ＝６６０）になるように、ヒータ駆動回路６３を通じてヒータ１５の通電制御するのが好ましい。
この通電制御にあたり、本変形形態では、熱回路網データＮＤを解いて接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ）を推定し、この推定された接触部温度Ｔｓが、目標温度Ｔｏとなるように、ヒータ駆動回路６３におけるヒータ１５の駆動を、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）で制御する。具体的には、ヒータ１５に通電する電力を、デューティ比制御する。なお、素子Ｖ２に関係する外気ＯＧの外気温、車速、素子Ｖ１に関係する排気ガスＥＧの温度、流速などは、電子制御装置ＥＣＵから得た情報に基づいて、熱回路網データＮＤに反映させる。また、ヒータ駆動電源Ｓ１（バッテリＢＴ及びヒータ駆動回路６３）からヒータ１５に供給するエネルギーの大きさは、バッテリＢＴの電圧及びヒータ駆動回路６３で制御するデューティ比などに基づいて反映させる。
【００８０】
実施形態においても説明したように、本変形形態でも、酸素センサ１及び排気管ＥＰ前述の熱回路網ＨＣ１を熱回路網法によって解くため、ヒータ１５による急加熱、排気ガスＥＧによる急冷却（フューエルカット時の外気導入）、急加熱（高負荷、高回転の運転）などが生じても、現実に良く適合して、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓの過渡的な変化をも適切に推定することができる。
【００８１】
本変形形態においては、通電制御装置６１のマイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）が、部位温度推定手段，接触部温度推定手段に相当する。また、ＥＰＲＯＭ７４が熱回路網データ記憶手段に該当する。マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）及びヒータ制御回路６３が、ヒータ制御手段に相当する。
【００８２】
以上において、本発明を実施形態１〜３及び変形形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、変形形態では、制御回路付き酸素センサ６０の内のマイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）で熱回路網法による熱解析を行ない、接触部温度Ｔｓなどを推定した例を示した。これに対し、電子制御装置ＥＣＵで、具体的には内蔵されたマイクロコンピュータ（図示しない）で、熱回路網法による熱解析を行ない、接触部温度Ｔｓなどを推定することもできる。この場合には、電子制御装置ＥＣＵから得た情報（接触部温度Ｔｓなど）に従って、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）及びヒータ制御回路６３でヒータ１５の制御を行う。この例では、電子制御装置ＥＣＵが部位温度推定手段，接触部温度推定手段に相当する。
【符号の説明】
【００８３】
ＰＣ  パーソナルコンピュータ（コンピュータ）
１００，２００  温度推定システム
１０２  マイクロプロセッサ（部位温度推定手段，接触部温度推定手段）
１０５  外部記憶装置（熱回路網データ記憶手段）
ＰＧ１，ＰＧ２  熱回路網法による熱解析プログラム
ＮＤ  熱回路網データ（モデルデータ）
２１０  温度制御システム
６０  制御回路付き酸素センサ
６１  （酸素センサの）通電制御装置
６３  ヒータ駆動回路（ヒータ制御手段）
７０  マイクロコンピュータ（部位温度推定手段，接触部温度推定手段，ヒータ制御手段）
７１  ＣＰＵ（部位温度推定手段，接触部温度推定手段，ヒータ制御手段）
７４  ＥＰＲＯＭ（熱回路網データ記憶手段）
ＡＭ  車両
ＥＮＧ  エンジン
ＥＣＵ  電子制御装置
ＥＰ  排気管（外部部材）
ＥＰＨ  取付孔
ＥＰＳ  センサ取付部（被結合部）
ＥＧ  排気ガス（被測定ガス）
ＯＧ  外気
ＢＤ  基端側
ＰＤ  先端側
Ｘ  温度推定部位
Ｔｘ，Ｔｘ（ｔ）  （温度推定部位の）部位温度
Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ）  （接触部の）接触部温度
Ｔｏ  目標温度
ＨＣ１〜ＨＣ３，ＨＲ１，ＨＲ２  熱回路網
Ｓ１  可変電流源（ヒータ駆動電源）
Ｅ１〜Ｅ１０  熱伝導素子
Ｆ１〜Ｆ５  熱伝達素子
Ｒ１〜Ｒ３  熱放射素子
Ｖ１，Ｖ２  可変電圧源
Ｃ１〜Ｃ２４  熱回路
Ｃ２  第１熱回路
Ｃ３  第２熱回路
Ｃ１０  第３熱回路
Ｃ８  第４熱回路
Ｃ１３  第５熱回路
Ｃ１２  第６熱回路
Ｃ２１  第７熱回路、可変第７熱回路
１  酸素センサ（ガスセンサ、車載用ガスセンサ）
２  酸素センサ素子（筒状センサ素子）
２ｄ  接ガス部
２ｄｉ  （接ガス部の）内壁面
２ｅ  （接ガス部のうちの）接触部
２ｆ  （接ガス部のうちの）非接触部
２ｇ  基端接ガス部
３  主体金具（保持金具）
３ｂ  ねじ部（結合部）
４  プロテクタ
５，７  セラミックホルダ
６  セラミック粉末
１５  ヒータ
１５ａ  発熱部
１５ｂ  非発熱部
２１  外筒
３１  セパレータ
【図１】
2014238424.tif 000004
【図２】
2014238424.tif 000005
【図３】
2014238424.tif 000006
【図４】
2014238424.tif 000007
【図５】
2014238424.tif 000008
【図６】
2014238424.tif 000009
【図７】
2014238424.tif 000010
【図８】
2014238424.tif 000011
【図９】
2014238424.tif 000012
【図１０】
2014238424.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月23日(2014.9.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱放射を考慮したモデルデータを用いた、ガスセンサの温度推定システム、及び、温度推定システムを用いたガスセンサの温度制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素センサなどのガスセンサを用いて、排気ガスなどの被測定ガスにおける測定対象ガス（酸素など）の濃度を検知することが行われている。このようなガスセンサを用いるに当たり、例えば、ジルコニア固体電解質からなるセンサ素子を用いる場合、その温度を数１００度以上とする必要がある。このために、センサ素子を有底筒状とし、その内部にヒータを挿入してセンサ素子を加熱する形態としたガスセンサが知られている。
そして、特許文献１には、素子部（センサ素子）と素子部に接触する排ガスとの間の熱伝達に伴う素子部の温度変化を表現するように予め定められた素子温モデルに基づいて、素子部の温度を逐次推定する温度推定手段と、この推定値を用いて、素子部の温度が所定の目標値になるようにヒータを制御するヒータ制御手段とを有する温度制御装置等が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１５３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の技術では、素子部（センサ素子の接ガス部）と排ガスとの間の熱伝達については考慮しているが、例えば、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部に向けた熱放射など、各部材間の熱放射の影響について考慮されていない。このため、特許文献１の技術では、素子部（センサ素子の接ガス部）の温度が比較的安定している場合（例えば、７００±５０℃の範囲内の場合）には、その素子部の温度を適切に推定することはできると考えられる。
ところで、ガスセンサにおいては、素子部（センサ素子の接ガス部）の温度が大きく変化する場合がある。例えば、内燃機関及びガスセンサの駆動開始直後には、センサ素子の接ガス部の温度が急激に上昇する。また、アクセルを離してエンジンブレーキを効かせている、いわゆるフューエルカット時には、排気管内に燃焼ガスではなく外気が流通するためセンサ素子の接ガス部が冷却される。従って、フューエルカット中には、センサ素子の接ガス部の温度が急激に低下し、及びフューエルカット後は、温度が上昇する。
しかるに、センサ素子の接ガス部について、このような過渡的な温度変化が生じる場合、特許文献１の技術では、センサ素子の接ガス部の温度を適切に推定することができない。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、過渡的な温度変化が生じる場合も含めて、ガスセンサ内の温度推定部位の部位温度を適切に推定できる温度推定システム、及び、部位温度を用いてヒータへの通電を制御するガスセンサの温度制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための本発明の一態様は、先端側が閉じた有底筒状であり、被測定ガスが接する接ガス部を自身の先端側に含む筒状センサ素子と、上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち基端側の基端接ガス部の周囲を離間しつつ取り囲み、上記接ガス部よりも基端側で上記筒状センサ素子を間接的に保持すると共に、自身を外部部材に結合する結合部を有する保持金具と、上記保持金具の先端側に上記筒状センサ素子の上記接ガス部から離間して配置されると共に、上記保持金具に接続され、上記接ガス部との間に上記被測定ガスが流通可能に、上記接ガス部を覆うプロテクタと、を備えるガスセンサに関し、上記ガスセンサ内の温度推定部位の温度である部位温度を推定する温度推定システムであって、上記外部部材は、上記被測定ガスが流通する金属製の通気管であり、自身を貫通する貫通孔の周囲に形成された被結合部を有し、上記ガスセンサは、上記筒状センサ素子の上記接ガス部が上記貫通孔を通して上記通気管内に配置される形態で、上記ガスセンサの上記保持金具の前記結合部が上記通気管の上記被結合部に結合されてなり、上記ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを記憶する熱回路網データ記憶手段と、上記熱回路網データを用い、熱回路網法によって、上記部位温度を推定する部位温度推定手段と、を有し、上記ガスセンサをモデル化した上記熱回路網は、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記保持金具に向けた熱放射を記述する熱回路、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記プロテクタに向けた熱放射を記述する熱回路、及び、上記保持金具の上記結合部と上記通気管の上記被結合部との間の熱伝導を記述する熱回路を含むガスセンサの温度推定システムである。
【０００７】
このガスセンサの温度推定システムでは、筒状センサ素子を備えるガスセンサに関して、ガスセンサ内の温度推定部位の温度である部位温度を推定する。
【０００８】
【０００９】
温度推定部位としては、ガスセンサのいずれの部位でも良いが、例えば、筒状センサ素子の接ガス部、接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位、あるいはこれに隣接する部位、ヒータの発熱部、筒状センサを保持している金具が挙げられる。特に、接ガス部の温度、さらには、接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位の温度は、ガスセンサのセンサ感度やセンサ抵抗値などに大きな影響を及ぼすものであるので、これらの情報を得ることは、ガスセンサの制御やガスセンサの状態の検知、センサ出力補正等に有用である。
ガスセンサとしては、例えば、ジルコニア固体電解質からなる筒状センサ素子を用いて、被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素センサが挙げられる。
【００１０】
また、温度推定システムとしては、ガスセンサのうち、特定の温度推定部位（例えば、「接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位」）の温度を推定する温度推定システムとすることができる。このほか、複数の特定の温度推定部位（例えば、「接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位」と、「筒状センサを保持している金具」）の温度を推定する温度推定システムとしても良い。あるいは、ガスセンサの適宜の位置を随時選択し、選択された当該部位についての温度を推定する温度推定システムとしても良い。
この温度推定システムとしては、ガスセンサの各部の温度についての挙動解析（温度推定）のために、現実のガスセンサ等とは別に、熱解析プログラム及びデータをパーソナルコンピュータにインストールしたものとして実現することができる。
あるいは、ガスセンサ（筒状センサ素子やヒータ）を通電制御する通電制御装置を有し、これとは別の制御装置（電子制御装置：ＥＣＵ）の指示に従って、この通電制御装置でガスセンサを制御する場合において、通電制御装置をなすマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータに、熱回路網法を用いた温度を推定する熱解析プログラム及びガスセンサ等のモデルデータを記憶させて、これを温度推定システムとして実現することもできる。あるいは、上述の別の制御装置（例えばＥＣＵ）をなすマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータに、熱回路網法を用いた熱解析プログラム及びガスセンサ等のモデルデータを記憶させて、これを温度推定システムとして実現することもできる。
なお後二者の場合には、ガスセンサ（筒状センサ素子、ヒータ）の駆動の際に、例えば、「接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部が接触している部位」などの特定の温度推定部位の温度をリアルタイムに推定することができる。さらに、この推定温度を用いて（温度センサなどを用いたフィードバック制御を行わずに）、ヒータを通電制御して（通電制御装置にヒータを通電制御させて）、ガスセンサの温度制御システムとすることもできる。
【００１１】
【００１２】
加えて、このガスセンサの温度推定システムでは、ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを用いて、熱回路網法によって、部位温度を推定する。
熱回路網法を用いることで、ガスセンサの温度、例えば、筒状センサ素子の接ガス部の温度が比較的安定している場合のみならず、過渡的に変化している場合でも、その温度推定部位の部位温度を適切に推定することができる。
【００１３】
なお、ガスセンサを熱回路網法を用いて、例えば筒状センサ素子の接ガス部など、所定の温度推定部位の部位温度を推定するに当たっては、まず熱回路網として、各部位における部材等の間の熱伝達等を考慮した熱回路網を構築する。
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
筒状センサ素子の接ガス部に伝えられた熱は、熱放射によって、上述の保持金具及びプロテクタに伝えられる。
前述したように、熱放射の考慮することで、過渡的な熱解析（温度推定）をより適切に行いうることから、さらに加えて、このシステムでは、上述のように、筒状センサ素子の接ガス部から保持金具に向けた熱放射を記述する熱回路、及び、筒状センサ素子の接ガス部からプロテクタに向けた熱放射を記述する熱回路をも含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００１８】
なお、保持金具とプロテクタの接続手法としては、溶接などによる固着のほか、保持金具に設けた凸部とプロテクタに設けた凹部との係合、あるいはこの逆に保持金具に設けた凹部とプロテクタに設けた凸部との係合などによる接続が含まれる。
また、保持金具が結合する外部部材としては、内燃機関の排気管、吸気管、あるいはこれらにガスセンサ（保持金具）を取り付けるためのセンサ取付部材、ガスチャンバにガスセンサを取り付けるための取付部材などが挙げられる。
【００１９】
【００２０】
ガスセンサが被測定ガスが流通する通気管に接続される場合がある。例えば、内燃機関の排気管（被測定ガスは排気ガス）や、内燃機関の吸気管（被測定ガスは外気や外気と排気ガスとの混合）に、ガスセンサが接続される場合がある。
この場合、筒状センサ素子の接ガス部から保持金具に伝えられた熱の一部は、その結合部から通気管の被結合部を通じて排気管に伝えられる。なお、通気管が排気管であり、高温の排気ガスによって排気管が高温になった場合には、上記とは逆に、通気管の被結合部から保持金具の結合部を通じて、保持金具に熱が伝えられる場合もある。
そこで、このシステムでは、上述のように、保持金具の結合部と通気管の被結合部との間の熱伝導を記述する熱回路をも含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、通気管への放熱（あるいは通気管からの熱の流入）の影響を含めて熱挙動の解析ができ、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００２１】
さらに、上述のガスセンサの温度推定システムであって、前記ガスセンサは、筒状で、前記外部部材の外部に位置し、前記保持金具の前記結合部よりも基端側で上記保持金具に接続し基端側に延びる外筒を有し、前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、上記保持金具と上記外筒との間の熱伝導を記述する熱回路、及び、上記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する熱回路をも含むガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２２】
ガスセンサが上述の外筒を有する場合、保持金具から外筒に伝えられた熱の一部は、外筒を包囲する外気を通じて放散される。
そこで、このシステムでは、上述のように、保持金具と外筒との間の熱伝導を記述する熱回路、及び、外筒とこれを包囲する外気との間の熱伝導を記述する熱回路をも含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、外筒を通じた外気への熱放散の影響を含めた熱挙動の解析ができ、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００２３】
さらに上述のガスセンサの温度推定システムであって、前記ガスセンサは車両に搭載されてなり、前記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する熱回路は、上記車両の車速に応じた、上記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変熱回路であるガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２４】
ガスセンサが車両に搭載されている場合、外筒とこれを囲む外気との間の熱伝達は、車速が低い場合（低速の場合）には、熱伝達が比較的少ない。一方、車速が高い場合（高速の場合）には、熱伝達が比較的多い。即ち、車両の車速に応じて変化する。
そこで、このシステムでは、上述のように、外筒と外気との間の熱伝導を記述する熱回路について、車両の車速に応じた、外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変熱回路とし、この熱回路を含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、外筒を通じた外気への熱放散の影響を、車速による影響の変化を含めた熱挙動の解析ができ、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【００２５】
前述のいずれか１項に記載のガスセンサの温度推定システムであって、前記ガスセンサは、棒状で、先端部分に通電により発熱する発熱部を有し、上記筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、上記発熱部の少なくとも一部が上記筒状センサ素子の上記接ガス部の内壁面に接して配置されてなるヒータを備え、前記温度推定部位は、上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記内壁面に上記ヒータの上記発熱部に接触している前記接触部であり、前記部位温度は、上記接触部における接触部温度であり、前記部位温度推定手段は、上記接触部温度を推定する接触部温度推定手段であるガスセンサの温度推定システムとすると良い。
【００２６】
筒状センサ素子の接ガス部のうち内壁面にヒータの発熱部に接触している接触部は、接ガス部のうちでも最も温度が高くなる部位であり、この接触部の温度は、ガスセンサのセンサ感度やセンサ抵抗値などに大きな影響を及ぼす。
従って、接触部の温度を検知することは、ガスセンサの制御やセンサ出力の処理に重要である。
このシステムでは、接触部温度推定手段で、接触部温度を推定するので、過渡的に変化している場合も含めて、ガスセンサの制御やセンサ出力の処理に重要な情報を容易に得ることができる。
なお、上記ヒータの上記発熱部と上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記ヒータの上記発熱部が接触する接触部との間の熱伝導、及び、上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を考慮したモデルデータを用いて上記部位温度を推定する部位温度推定手段、を有するガスセンサの温度推定システムとするのが好ましい。
通常、このガスセンサでは、ヒータの発熱部の温度が最も高くなる。そして、ヒータの発熱部で発生した熱は、先ず、この発熱部と接触している筒状センサ素子の接触部に、熱伝導の形態で伝えられる。併せて、この発熱部と非接触の筒状センサ素子の非接触部に、熱放射の形態で伝えられる。この熱放射を考慮することで、過渡的な熱解析（温度推定）をより適切に行いうる。かくして、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、適切に部位温度の推定が可能となる。
具体的には、前記ヒータの前記発熱部と前記筒状センサ素子の前記接ガス部の前記接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路、及び、上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路、を含む上記ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを記憶する熱回路網データ記憶手段を有するガスセンサの温度推定システムとするのが好ましい。
この熱回路網データには、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接ガス部のうち発熱部が接触する接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路のほか、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部のうち非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路を含む熱回路網のデータも含んでいる。
ガスセンサを熱回路網法を用いて、例えば筒状センサ素子の接ガス部など、所定の温度推定部位の部位温度を推定するに当たっては、まず熱回路網として、各部位における部材等の間の熱伝達等を考慮した熱回路網を構築する。
ところで前述したように、上述のガスセンサは筒状センサ素子のほかにヒータを有する。しかも、通常、このガスセンサでは、ヒータの発熱部の温度が最も高くなる。そして、ヒータの発熱部で発生した熱は、先ず、この発熱部と接触している筒状センサ素子の接触部に、熱伝導の形態で伝えられる。併せて、この発熱部と非接触の筒状センサ素子の非接触部に、熱放射の形態で伝えられる。この熱放射を考慮することで、過渡的な熱解析（温度推定）をより適切に行いうる。
そこで、このシステムでは、上述のように、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接触部との間の熱伝導を示す第１熱回路に加え、発熱部から非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路を含む熱回路網のデータを用いて、熱回路網法を適用する。
これにより、熱回路網がより現実に近いものとなり、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、適切に部位温度の推定が可能となる。
第２熱回路としては、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部のうち非接触部に向けた熱放射を記述するもの（熱回路素子）のほか、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の非接触部に向けた、筒状センサ素子内の気体を介した熱伝達を記述するもの（熱回路素子）を含めることもできる。
【００２７】
他の態様は、上述のガスセンサの温度推定システムと、前記部位温度推定手段で推定した前記部位温度に基づき、この部位温度が目標温度になるように、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段を有するガスセンサの温度制御システムである。
【００２８】
このガスセンサの温度制御システムでは、ガスセンサの温度推定部位の部位温度を目標温度に制御すべくヒータ制御を行うに当たり、ガスセンサをモデル化した熱回路網を用いて、ガスセンサ内の温度推定部位の部位温度を推定すれば良く、温度センサなどを用いて温度推定部位の部位温度を実際に測定する必要が無い。このため、温度制御システムの構成を簡易にできる。
【００２９】
さらに、先端側が閉じた有底筒状であり、被測定ガスが接する接ガス部を自身の先端側に含む筒状センサ素子と、棒状で、先端部分に通電により発熱する発熱部を有し、上記筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、上記発熱部の少なくとも一部が上記筒状センサ素子の上記接ガス部の内壁面に接して配置されてなるヒータと、を備えるガスセンサを、熱回路網法を用いて解析可能にモデル化した熱回路網の熱回路網データであって、上記ヒータの上記発熱部と上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記ヒータの上記発熱部が接触する接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路のデータ、及び、上記ヒータの上記発熱部から上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路のデータ、を含むガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データとすると好ましい。
【００３０】
この熱回路網データには、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接触部との間の熱伝導を示す第１熱回路に加え、発熱部から非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路を含む熱回路網のデータを含んでいる。
このため、この熱回路網データを用いて、熱回路網法を用いて熱解析（温度推定）を行うことで、熱回路網がより現実に近いものとなり、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、適切に部位温度の推定が可能となる。
【００３１】
さらに、上述のガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データであって、前記ガスセンサは、前記筒状センサ素子の前記接ガス部のうち基端側の基端接ガス部の周囲を離間しつつ取り囲み、上記接ガス部よりも基端側で上記筒状センサ素子を間接的に保持すると共に、自身を外部部材に結合する結合部を有する保持金具と、上記保持金具の先端側に上記筒状センサ素子の上記接ガス部から離間して配置されると共に、上記保持金具に接続され、上記接ガス部との間に前記被測定ガスが流通可能に、上記接ガス部を覆うプロテクタと、を備えてなり、前記熱回路網データは、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路のデータ、及び、上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記プロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路のデータをも含むガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データとすると好ましい。
【００３２】
この熱回路網データには、筒状センサ素子の接ガス部から保持金具に向けた熱放射を記述する第３熱回路、及び、筒状センサ素子の接ガス部からプロテクタに向けた熱放射を記述する第４熱回路を含む熱回路網のデータを含んでいる。
このため、この熱回路網データを用いて、熱回路網法を用いて熱解析（温度推定）を行うことで、上述の筒状センサ素子とヒータとを備えるガスセンサの所定の温度推定部位について、過渡応答の場合も含め、さらに適切に部位温度の推定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態１に係り、酸素センサの温度推定システムをなすパーソナルコンピュータの構成を示す説明図である。
【図２】排気管に取り付けた状態の酸素センサの構造を示す縦断面図である。
【図３】排気管に取り付けた酸素センサにおける熱の流れを示す説明図である。
【図４】排気管に取り付けた酸素センサを模擬した熱回路網の概略図である。
【図５】熱回路網に用いた記号の凡例を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係り、図４に示す、排気管に取り付けた酸素センサを模擬した熱回路網の詳細図である。
【図７】実施形態２，３及び比較形態１，２に係り、排気管に取り付けた酸素センサを模擬した熱回路網の概略図である。
【図８】酸素センサを常温から昇温させた場合に生じる、センサ素子の接ガス部のうちヒータ発熱部に接触する接触部の温度変化について、実測結果、及び、熱回路網法を用いた推定結果を示すグラフである。（ａ）は、実測結果を示す。（ｂ）は、実施形態１に係り、熱放射素子（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）をいずれも考慮した（存在させた）場合の推定結果を示す。（ｃ）は比較形態１に係り、熱放射素子（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３）のうち、ヒータ発熱部からセンサ素子の接ガス部の非接触部への熱放射素子（Ｒ１）のみを考慮しなかった場合の結果を示す。
【図９】酸素センサを駆動する通電制御装置を、この酸素センサの温度推定システムとして実現した変形形態にかかり、車両に搭載された通電制御装置付き酸素センサを説明する説明図である。
【図１０】変形形態に係り、通電制御装置の構成及び酸素センサ等との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（実施形態１）
本発明の実施の形態を図１〜図８を参照して説明する。図１は、本実施形態１にかかり、酸素センサ１の温度推定システム１００をなすパーソナルコンピュータＰＣの構成を示す説明図である。本システム１００は、マイクロプロセッサ１０２、ＲＯＭ１０３、ＲＡＭ１０４、外部記憶装置１０５、モニタ１０６、プリンタ１０７を備えており、これらは、バス１０１を通じて相互に通信可能となっている。このパーソナルコンピュータＰＣの外部記憶装置１０５には、熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ１、及び、後述する熱回路網データＮＤが記憶されている。このパーソナルコンピュータＰＣでは、熱解析プログラムＰＧ１及び熱回路網データＮＤを外部記憶装置１０５から、ＲＡＭ１０４に読み込み、マイクロプロセッサ１０２で処理し、その解析（温度推定）結果を、モニタ１０６に表示する。また、必要に応じて、外部記憶装置１０５に記憶させ、プリンタ１０７を用いて印刷する。これにより本システム１００，ＰＣでは、熱回路網法を用いた、酸素センサ１の各部位の温度の推定が可能となっている。
【００３５】
次に、熱解析の対象である酸素センサ１及び排気管ＥＰについて説明する。図２は、本実施形態１にかかり、酸素センサ１を排気管ＥＰに取り付けた状態の縦断面図であり、酸素センサ１の内部構造を示す。酸素センサ１は、先端が閉じた中空軸状の酸素センサ素子２と、酸素センサ素子２の有底孔２ａに挿入されたヒータ１５とを備える。酸素センサ素子２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により中空軸状に形成されている。
【００３６】
この酸素センサ素子２の有底孔２ａの内面には、そのほぼ全面を覆うように、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成されたセンサ内部電極層２ｃが、形成されている。一方、酸素センサ素子２の外面のうち先端部には同様な多孔質のセンサ外部電極層２ｂがそれぞれ設けられている。また、この酸素センサ素子２の軸方向の中間部には、径方向外側に突出する係合フランジ部２ｓが設けられている。絶縁性セラミックからなるセラミックホルダ５，７及びタルクから形成されたセラミック粉末６によって係合フランジ部２ｓが係合保持されることにより、酸素センサ素子２は中心にこの酸素センサ素子２を挿通する挿通孔を有する筒状の主体金具３に気密に保持されている。そして、酸素センサ素子２の係合フランジ部２Ｓよりも先端部は、排気ガスに接する接ガス部２ｄを構成する。なお、本明細書において、酸素センサ素子２の軸に沿う方向（図２中、上下方向）のうち、先端部（閉じている側、図２中下方）に向かう側を「先端側」ＰＤとし、これと反対方向（図２中上方）に向かう側を「基端側」ＢＤということとする。
【００３７】
主体金具３は、酸素センサ１を排気管等の取付部に取り付けるためのねじ部３ｂや六角部３ｃを有し、プロテクタ４がプロテクタ接続部３ａにレーザ溶接で接続されている。このプロテクタ４は、主体金具３の先端側開口部から突出する酸素センサ素子２の先端部を覆うように取り付けられている。この酸素センサ１は、主体金具３のねじ部３ｂより先端側ＰＤが排気管ＥＰ内に配置され、それより基端側ＢＤは外部の大気中に配置されて使用される。プロテクタ４には、排気ガスを透過させる複数のガス透過孔４ａが形成されている。
【００３８】
一方、主体金具３の基端部３ｅは、セラミックホルダ７との間にリングパッキン９を介して加締められて気密保持されている。また六角部３ｃの基端側ＢＤの接続部３ｄには、筒状で金属からなる外筒２１のうち第１外筒部２２の先端部２２ａが、外側からレーザ溶接により固着されている。一方、この外筒２１の基端側開口部２１ａは、ゴム等で構成されたグロメット５１が嵌入され閉塞され、外周から加締めることにより気密に封止されている。グロメット５１の中心部には、大気を外筒２１内に導入する一方、水分の進入を防ぐフィルタ部材５２が配置されている。またこのグロメット５１の先端側ＰＤには、絶縁性のアルミナセラミックからなるセパレータ３１が設けられている。そして、セパレータ３１及びグロメット５１を貫通してセンサ出力リード線１３，１４及びヒータリード線１８，１９が外部に延出している（図２参照）。
【００３９】
このセパレータ３１は、基端側部３２、先端側部３３、及びこれらの間に位置し、これらよりも大径の鍔部３４とを有する。セパレータ３１内には、リード線１３，１４及びこれらに接続する第１，第２センサ端子金具１１，１２のうち基端側ＢＤの部位、リード線１８，１９及びこれらに接続するヒータ端子金具１６，１７が互いに絶縁されつつセパレータ３１内に保持されている。
なお、ヒータ１５はその基端面１５ｄが、セパレータ３１のヒータ当接面３１ｅに当接することで、セパレータ３１に対するヒータ１５の軸線方向（図中上下方向）の位置決めがなされている。
【００４０】
また、次述するように、ヒータ１５は、酸素センサ素子２の有底孔２ａの軸線に対して、発熱部１５ａが偏心する（傾く）ように酸素センサ２内に挿入されている。これにより、発熱部１５ａが酸素センサ素子２の有底孔２ａの内周面の一部に接することとなる。つまり、発熱部１５ａから、素子２のうちでも小さな容積の部位（接触部２ｅ）に熱エネルギーを集中して伝えることができるので、酸素センサ１の活性化時間を短縮する上で効果的である。
【００４１】
ヒータ１５は、棒状のセラミックヒータであり、その先端部分は、アルミナを主とする芯材の周囲に抵抗発熱体（図示せず）を形成した発熱部１５ａとなっている。また基端部分には、電極パッド１５ｅ，１５ｆが設けられ、ヒータ端子金具１６，１７にロウ付け接続されている。このヒータ端子金具１６，１７及びヒータリード線１８，１９を通じて、ヒータ駆動電源Ｓ１からこのヒータ１５に通電すると、発熱部１５ａが発熱し、酸素センサ素子２の先端部が加熱される。ヒータ端子金具１７には、ヒータリード線１８の芯線を把持して、このヒータ端子金具１７とヒータリード線１８を電気的に接続するコネクタ部（図示しない）を有している。また、ヒータ端子金具１６にも同様にヒータリード線１９の芯線を把持するコネクタ部を有している。また、このヒータ１５は、中央より基端寄りの部位で、第１センサ端子金具１１の保持挿入部１１ａに保持されている。
【００４２】
外筒２１は、金属製で略円筒形状を成し、先端側ＰＤ（図中下側）に位置し、上述したようにその先端側ＰＤの先端部２２ａが主体金具３と接合される第１外筒部２２と、これよりも基端側ＢＤに位置し第１外筒部よりも小径の第２外筒部２３とを有している。この第２外筒部２３の軸方向中間部分には、周方向に均等に４箇所、径方向内側に向けて突出する内側凸部２４が形成されている。この内側凸部２４は、セパレータ３１の鍔部３４と斜めに当接している。
さらに、セパレータ３１の先端側部３３の周囲には、付勢金具４１が装着されている。この付勢金具４１は、その基端部４１ａがＪ字状に内側に曲げ返された形状をなして、セパレータ３１の鍔部３４に当接している。そして後述するようにして、金属外筒２１の第２外筒部２３に変形部２３ｂを成形するのに伴って、付勢金具４１の基端部４１ａが、セパレータ３１の鍔部３４を、従って、セパレータ３１を基端側ＢＤ（図中上方）に向けて付勢している。
【００４３】
この酸素センサ１は、以下のようにして製造される。予め、第１，第２センサ端子金具１１，１２のコネクタ部にそれぞれセンサ出力リード１３，１４を接続しておく。また、ヒータ端子金具１６，１７のコネクタ部（図示しない）にヒータリード線１８，１９を接続しておく。そして、ヒータ１５を第１センサ端子金具１１に保持させた状態で、各リード線１３，１４，１８，１９をセパレータ３１に挿通し、このセパレータ３１ｄ内に、第１，第２センサ端子金具１１，１２の一部、ヒータ端子金具１６，１７の全体、及びヒータ１５の後端部１５ｃが互いに絶縁して保持された状態としておく。
【００４４】
また、セパレータ３１の鍔部３４に、付勢金具４１のＪ字状の基端部４１ａが当接するようにして、セパレータ３１の先端側部３３の外周に付勢金具４１を装着しておく。
次いで、内部にリード線１３等を挿通し、第１センサ端子金具１１等を保持したセパレータ３１を、金属外筒２１に遊挿し、各リード線１３等をグロメット５１に挿通する。
【００４５】
また別途、セラミックホルダ５，７及びセラミック粉末６を用い、主体金具３の基端部３ｅを加締めて、酸素センサ素子２を主体金具３に組み付け、また、主体金具３のプロテクタ接続部３ａにプロテクタ４を溶接しておく。
酸素センサ素子２の軸線と、金属外筒２１の軸線が一致するように両者の位置を調整しておき、外筒２１を先端側ＰＤ（図中下方）に移動させ、セパレータ３１の鍔部３４と外筒２１の内側凸部２４とが斜めに当接し、かつセパレータ３１が外筒２１内に遊挿された状態とし、外筒２１の基端側開口部２１ａにグロメット５１を嵌め込む。さらに、外筒２１を先端側ＰＤ（図中下方）に移動させる。そして、ヒータ１５が酸素センサ素子２の有底孔２ａ内に挿入され、外筒２１の先端部２２ａが主体金具３の六角部３ｃに当接するまで外筒２１を先端側ＰＤに移動させる。
【００４６】
これにより、ヒータ１５と共に、これを保持している第１センサ端子金具１１の保持挿入部１１ａも酸素センサ素子２の有底孔２ａに挿入され、センサ内側電極層２ｃと導通する。また、保持挿入部１１ａが酸素センサ素子２の有底孔２ａ内に挿入されることにより、ヒータ１５の軸線が酸素センサ素子２の軸線に対して傾きかつ偏心して、ヒータ１５の発熱部１５ａが有底孔２ａの内壁のうち一部（この部位を接触部２ｅとする）に接するように調整される。従って、酸素センサ素子２の接触部２ｅには、ヒータ１５の発熱部１５ａから、接触による熱伝導によって、熱が伝えられる。
【００４７】
なお、本実施形態１では、ヒータ１５の基端面１５ｄがセパレータ３１のヒータ当接面３１ｅに当接した状態で、ヒータ１５を酸素センサ素子２の有底孔２ａ内に挿入しているので、ヒータ１５の酸素センサ素子２の有底孔２ａへの挿入深さが、金属外筒２１，セパレータ３１及びヒータ１５の寸法で一意に決められる。
【００４８】
その後、主体金具３の接続部３ｄとこの外周側に位置する外筒２１の先端部２２ａとを、外筒２１を先端側ＰＤ（図中下方）に押圧しながら、径方向に加締めて仮接続する。
さらに、外筒２１の第２外筒部２３のうち、付勢金具４１の外周に位置する部位の一部を環状に押圧して、凹形状に変形（縮径）させて、変形部２３ｂを環状に形成する。これに伴い、外筒２１の変形部２３ｂが付勢金具４１に密着し、付勢金具４１が外筒２１に保持、固定される。さらにこのようにして付勢金具４１を径方向に押圧することで、この付勢金具４１のＪ字状の基端部４１ａが若干基端側ＢＤ（図中上方）に移動する。このため、基端部４１ａで、セパレータ３１の鍔部３４を基端側ＢＤ（図中上方）に付勢することとなる。かくして、セパレータ３１の鍔部３４が、外筒２１の内側凸部２４と付勢金具４１の基端部４１ａとの間に挟まれて、セパレータ３１が外筒２１に固定される。
【００４９】
次いで、外筒２１の第２外筒部２３のうち、グロメット５１の周囲に位置する部分（基端側開口部２１ａ）を加締め、外筒２１及び各リード線１３等を気密に封止する。さらに、仮接続してあった主体金具３の接続部３ｄと外筒２１の先端部２２ａとをレーザ溶接により気密に接続して、酸素センサ１を完成させる。
【００５０】
この酸素センサ１は、内燃機関の排気管ＥＰに接続して用いられる。具体的には、排気管ＥＰに設けた取付孔ＥＰＨと、主体金具３のねじ部３ｂを用いて締結される。なお、排気管ＥＰと六角部３ｃとの間には、ガスケット８が介在している。
【００５１】
次いで、この排気管ＥＰに取り付けられた酸素センサ１の熱挙動を後述する熱回路網法を用いて熱解析（温度推定）するため、酸素センサ１内のほか、酸素センサ１、排気管ＥＰ、排気管ＥＰ内を流れる排気ガスＥＧ、及び、排気管ＥＰ外の外気ＯＧの間の熱の移動について、図２のほか図３を参照して考察する。図３は、酸素センサ１、排気管ＥＰ、排気ガスＥＧ及び外気ＯＧにおける熱の流れの概略を示す説明図である。なお、この図３において、黒矢印は、主に熱伝導により伝えられる熱の経路を示す。また、白抜き矢印は、主に熱放射により伝えられる熱の経路を示す。
【００５２】
この酸素センサ１では、前述したように、ヒータ１５に通電し、電気エネルギを注入すると、このヒータ１５の先端部分の発熱部１５ａが主として発熱し高温となる。すると、この発熱部１５ａで発生した熱は、ヒータ１５のうち、基端側ＢＤの非発熱部１５ｂに熱伝導により伝えられる。また、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄのうち、この発熱部１５ａが接触している接触部２ｅにも、熱伝導により伝えられる。加えて、発熱部１５ａからの熱放射により、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄのうち、この発熱部１５ａが接触していない非接触部２ｆにも、熱が伝えられる。
【００５３】
このうち、ヒータ１５の非発熱部１５ｂに伝えられた熱は、ヒータ１５の基端面１５ｄを通じて、あるいは、ヒータ１５の電極パッド１５ｅ，１５ｆ、ヒータ端子金具１６，１７を通じて、セパレータ３１に熱伝導により伝えられる。さらに、セパレータ３１から外筒２１（そのうち基端側ＢＤの第２外筒部２３）に伝えられ、外気ＯＧに放熱される。
【００５４】
また、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの非接触部２ｆに、接触部２ｅあるいは発熱部１５ａから伝えられた熱は、酸素センサ素子２の基端側ＢＤに伝えられ、セラミックホルダ５，７及びセラミック粉末６を通じて、主体金具３に伝えられる。またこれと並行して、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの非接触部２ｆから、主体金具３のうちこれに近接している先端部分（例えば、プロテクタ接続部３ａ）へは、非接触部２ｆからの熱放射により、熱が伝えられる。主体金具３に伝えられた熱は、外筒２１（第１外筒部２２）を通じて、外気ＯＧに放熱される。
【００５５】
また、主体金具３は、その先端側ＰＤに取り付けられたプロテクタとの間でも、熱伝導により熱の移動が生じる。加えて、主体金具３には、そのねじ部３ｂを通じて、排気管ＥＰとの間で熱を伝える。なお、主体金具３とプロテクタ４、主体金具３と排気管ＥＰとの間では、相互の温度差により、熱の移動が相互間で行われる。
【００５６】
プロテクタ４には、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄのうち、特に高温となりやすい接触部２ｅから、熱放射により直接熱が伝えられる。また、プロテクタ４は、排気管ＥＰ内を流れる排気ガスＥＧからも熱を受ける。なお、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄも、排気ガスＥＧから熱を受ける。
さらに排気管ＥＰは、排気ガスＥＧから熱を受けると共に、外気ＯＧに接触して、放熱している。
【００５７】
排気管ＥＰに取り付けられた酸素センサ１は、概略、上述のような熱の経路を有していると考えられる。そこで、この経路を熱回路網として示したのが、図４の熱回路網ＨＣ１である。なお、その記号の凡例を、図５に示す。この熱回路網ＨＣ１では、酸素センサ１及び排気管ＥＰを、１０ヶの熱伝導素子Ｅ１〜Ｅ１０に区分し、熱回路Ｃ２、Ｃ４〜Ｃ７、Ｃ９、Ｃ１１〜〜Ｃ１４を通じて相互の熱伝導を考慮すると共に、熱回路Ｃ１６〜Ｃ２０を通じた排気ガスＦ１〜Ｆ３との熱伝達、及び、熱回路Ｃ２１〜Ｃ２４を通じた外気Ｆ４，Ｆ５との間の熱伝達、さらに、熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０を通じた熱放射素子Ｒ１〜Ｒ３による熱放射を想定した。
【００５８】
具体的には、この熱回路網ＨＣ１では、電源Ｓ１から熱回路Ｃ１を通じて流入したヒータエネルギは、ヒータ発熱部である素子Ｅ１で熱となる。さらに、素子Ｅ１からは、熱回路Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６を通じて、熱伝導素子Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４（ヒータ非発熱部１５ｂ、ヒータ基端面１５ｄ及びセパレータ３１、外筒２１）に伝えられる。
また、ヒータ発熱部である素子Ｅ１からは、熱回路Ｃ２を通じて、ガスセンサ素子２の接触部２ｅである素子Ｅ５に熱が伝えられ、さらに、熱回路Ｃ７，Ｃ９，Ｃ１１を通じて、熱伝導素子Ｅ６，Ｅ７，Ｅ８（酸素センサ素子２の非接触部２ｂ、セラミックホルダ５，７及びセラミック粉末６、主体金具３）に熱が伝えられる。主体金具３である素子Ｅ８は、素子Ｅ４（外筒２１）、素子Ｅ９（プロテクタ４）、素子Ｅ１０（排気管ＥＰ）とも、熱回路Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４で接続されている。
【００５９】
加えて、発熱部１５ａである素子Ｅ１から素子Ｅ６（非接触部２ｆ）へは、熱放射素子Ｒ１を介して熱回路Ｃ３によっても、直接熱が伝えられる構成とした。また、接触部２ｅである素子Ｅ５から素子Ｅ９（プロテクタ４）へは、熱放射素子Ｒ２を介して熱回路Ｃ８によっても、直接熱が伝えられる構成とした。さらに、非接触部２ｆである素子Ｅ６から素子Ｅ８（主体金具３）へは、熱放射素子Ｒ３を介して熱回路Ｃ１０によっても、直接熱が伝えられる構成とした。
【００６０】
また、排気ガスＥＧを示す素子Ｖ１と、酸素センサ素子２の接ガス部（素子Ｅ６）、プロテクタ４（素子Ｅ９）及び排気管ＥＰ（素子Ｅ１０）との間の熱伝達を記述するため、これらの間に、排気ガスＥＧを示す素子Ｆ１〜Ｆ３を介在させ、これらの間を熱回路Ｃ１５〜Ｃ２０で接続している。
また、外気ＯＧを示す素子Ｖ２と、外筒２１（素子Ｅ４）及び排気管ＥＰ（素子Ｅ１０）との間の熱伝達を記述するため、これらの間に、外気ＯＧを示す素子Ｆ１〜Ｆ３を介在させ、これらの間を熱回路Ｃ２１〜Ｃ２４で接続している。
【００６１】
この熱回路網ＨＣ１を、電気回路網に近似する、さらに詳細な熱回路網として記述すると、図６のように表わされる。ここで、図５の凡例に示すように、図４において矩形箱状で示される熱伝導素子（例えば素子Ｅ１）は、他の熱伝導素子に熱を伝える際の熱抵抗素子（電気抵抗素子に相当）と熱を蓄える熱容量素子（接地されたコンデンサに相当）を示す素子（例えばＥ１１，Ｅ１２，Ｅ１３）とを組み合わせた、Ｔ型の回路で表される。また、図４において平行四辺形箱で示される熱伝達素子（素子Ｆ１〜Ｆ５）は、例えば排気ガスＥＧの流速やガス温度、外気ＯＧの温度や流速（車速）によって、熱伝達の様子が変化するので、可変抵抗で示される。また、熱放射素子（例えば素子Ｒ１）は、温度によって値が変化する可変電流源として示される。
そのほか、ヒータの駆動電源は、ヒータ１５に注入するヒータエネルギを可変し得るので、可変電流源（素子Ｓ１）として示した。また、排気ガスＥＧ、外気ＯＣは、その温度自身が変化するので、可変電圧源（素子Ｖ１，Ｖ２）として示される。
そして、これらの熱回路網ＨＣ１を、熱回路網法の熱解析プログラムＰＧ１において解析（温度推定）可能に表現された熱回路網データ（モデルデータ）ＮＤに変換する。
【００６２】
なお、ヒータ発熱部である素子Ｅ１とガスセンサ素子２の接触部２ｅである素子Ｅ５との間の熱回路Ｃ２が、ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接ガス部の接触部との間の熱伝導を記述する第１熱回路に相当する。また、発熱部１５ａである素子Ｅ１から素子Ｅ６（非接触部２ｆ）への熱放射素子Ｒ１を介する熱回路Ｃ３が、ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部のうち接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路に相当する。また、非接触部２ｆである素子Ｅ６から素子Ｅ８（主体金具３）への熱放射素子Ｒ３を介する熱回路Ｃ１０が、第３熱回路（筒状センサ素子の接ガス部から、保持金具に向けた熱放射を記述する熱回路）に相当する。さらに、接触部２ｅである素子Ｅ５から素子Ｅ９（プロテクタ４）への熱放射素子Ｒ２を介する熱回路Ｃ８が、第４熱回路（筒状センサ素子の接ガス部から、プロテクタに向けた熱放射を記述する熱回路）に相当する。さらに、主体金具３である素子Ｅ８とは、素子Ｅ９（プロテクタ４）とを接続する熱回路Ｃ１３が、第５熱回路（保持金具の結合部と通気管の被結合部との間の熱伝導を記述する熱回路）に相当する。また、素子Ｅ８（主体金具３）と素子Ｅ４（外筒２１）とを結ぶ熱回路Ｃ１２が、第６熱回路（保持金具と外筒との間の熱伝導を記述する熱回路）に相当する。加えて、素子Ｅ４（外筒２１）と素子Ｆ４（外気ＯＧ）とを結ぶ熱回路Ｃ２１が、第７熱回路（外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する熱回路）及び可変第７熱回路（車両の車速に応じた、外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変熱回路）に相当する。
【００６３】
この熱回路網データＮＤを、パーソナルコンピュータＰＣの外部記憶装置１０５に記憶させ、マイクロプロセッサ１０２に熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ１を実行させ、熱回路網ＨＣ１を解析する。これにより、初期状態、ヒータ駆動電源Ｓ１からの通電（ヒータエネルギ）パターン、車速、排気ガスＥＧの温度・流速、及び、外気ＯＧの温度を変化させて、各素子Ｅ１〜Ｅ１０における温度（部位温度）及び温度変化を、熱回路網法により、解析、取得することができる。
なお、本実施形態１においては、パーソナルコンピュータＰＣの外部記憶装置１０５が、熱回路網データ記憶手段に相当する。また、熱解析プログラムＰＧ１を実行しているマイクロプロセッサ１０２が、部位温度推定手段に相当する。さらに、パーソナルコンピュータＰＣが、温度推定システム１００に相当する。
【００６４】
例えば、素子Ｅ５で示される、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）についての解析結果の例を、図８における実線のグラフ（ｂ）で示す。併せて、接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）の実測結果を、一点鎖線のグラフ（ａ）で示す。なお、この例では、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの接触部２ｅが、温度推定部位Ｘに相当し、解析してグラフ（ａ）として得られた、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ及びＴｓ（ｔ）が、温度推定部位Ｘの部位温度Ｔｘ及びＴｘ（ｔ）に相当する。
この解析では、初期状態を常温（２５℃）とし、外気ＯＧの温度を２５℃、車速（外気の流速）を５０ｋｍ／ｈ、排気ガスＥＧの温度を５００℃、排気ガス流速を３０ｍ／ｓに変化させた。また、バッテリＢＴを含むヒータ駆動電源Ｓ１からヒータ１５に、８Ｖの直流電圧を印加し続けた。
【００６５】
これにより、実測した酸素センサ１では、接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）は、図８に一点鎖線のグラフ（ａ）で示すように、約２００秒間に亘り温度上昇し、その後、なだらかに一定値（本例では、通電開始から８００秒の時点で、Ｔｓ(800)＝６６０℃）に近づく結果となった。
【００６６】
これに対して、前述した熱回路網ＨＣ１（熱回路網データＮＤ）を熱解析して得た接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）の推定結果は、図８に実線（ｂ）で示すように、実測（一点鎖線のグラフ（ａ）)とほぼ同じ様に変化し、最終的に通電開始から８００秒の時点での温度（推定温度）Ｔｓ(800)は、Ｔｓ(800)＝６７０℃となった。即ち、実測値との差異は、１０degであった。この結果から、本実施形態１の熱回路網ＨＣ１（熱回路網データＮＤ）を用いた、酸素センサ１及び排気管ＥＰの熱回路網法による熱解析（温度推定）が、有効であることが判る。また、温度Ｔｓが過渡的に変化する期間も含め、全期間（図８では、０〜８００秒）に亘って、適切な温度の推定が可能であることが判る。
【００６７】
次いで、図７に示す熱回路網ＨＣ２，ＨＣ３，ＨＲ１，ＨＲ２を用いて、参考形態、実施形態３、実施形態４、及び比較形態２について説明する。このうち、参考形態の熱回路網ＨＲ２は、図４に示す実施形態１にかかる熱回路網ＨＣ１とほぼ同じであるが、図７において破線で示すように、熱放射素子Ｒ２（熱回路Ｃ８）を除外した点でのみ異なる。また、実施形態３の熱回路網ＨＣ３は、実施形態１の熱回路網ＨＣ１とほぼ同じであるが、熱放射素子Ｒ３（熱回路Ｃ１０）を除外した点でのみ異なる。同様に、実施形態４の熱回路網ＨＲ１は、熱放射素子Ｒ１（熱回路Ｃ３）を除外した点でのみ、熱回路網ＨＣ１と異なる。さらに、比較形態２の熱回路網ＨＲ２は、熱放射素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０）の３者とも除外した点で、熱回路網ＨＣ１と異なる。
【００６８】
これら参考形態、実施形態３、実施形態４、及び比較形態２の熱回路網ＨＣ２，ＨＣ３，ＨＲ１，ＨＲ２についても、同様にして熱解析（温度推定）を行った。その結果を、実施形態１と共に、表１に示す。また、実施形態３において得られた接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）を、図８に破線のグラフ（ｃ）として示す。
先ず、実施形態４について検討する。実施形態４の熱回路網ＨＲ１を解析して得た接触部２ｅの温度Ｔｓ（ｔ）の推定結果（図８（ｃ））は、実測（一点鎖線のグラフ（ａ）)と同様、急速に温度が上昇し、その後、なだらかに一定値に近づく結果となった。しかしながら、通電開始から８００秒の時点の温度（推定温度）Ｔｓ(800)は、Ｔｓ(800)＝７２７℃（実測値＋６７deg）となり、グラフ（ｃ）も、実測のグラフ（ａ）及び実施形態１のグラフ（ｂ）に比して、高温側に偏った形態となった。
この結果から、実施形態１における熱回路網ＨＣ１において、少なくとも熱放射素子Ｒ１を考慮することが必要であり、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析（温度推定）において、大きな役割を果たしていることが判る。
【００６９】
【表１】
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【００７０】
次いで、参考形態について検討する。参考形態の熱回路網ＨＣ２を熱解析（温度推定）して得た接触部２ｅの温度変化の推定結果（表１参照）から、通電から８００秒後の温度（６９９℃）と、実測値（６６０℃）との差異が３９degであり、実施形態４に比して、良好な結果となったものの、実測及び実施形態１に比して、高温側に偏ることが判る。
この結果からも、熱放射素子Ｒ１を考慮することが重要であることが判る。また、この比較形態３の結果から、熱回路網において、熱放射素子Ｒ２を考慮することも、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析において、大きな要素であることが判る。
【００７１】
次いで、実施形態３について検討する。実施形態３の熱回路網ＨＣ３を熱解析して得た接触部２ｅの温度変化の推定結果（表１参照）から、通電から８００秒後の温度（７０４℃）と、実測値（６６０℃）との差異が４４degであり、実施形態４に比して、良好な結果となったものの、実測及び実施形態１に比して、高温側に偏ることが判る。
この結果からも、熱放射素子Ｒ１を考慮することが重要であることが判る。また、この実施形態３の結果から、熱回路網において、熱放射素子Ｒ３を考慮することも、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析において、大きな要素であることが判る。
【００７２】
さらに、比較形態２について検討する。比較形態２の熱回路網ＨＲ２を熱解析して得た接触部２ｅの温度変化の推定結果（表１参照）も、図示しないが、実測（一点鎖線のグラフ（ａ）)と同様、当初急速に温度が上昇し、その後、なだらかに一定値に近づく結果となった。しかしながら、実測及び実施形態１に比して、高温側に大きく偏り、通電から８００秒後の温度（８０３℃）が非常に高い値となり、かつ、実測値（６６０℃）との差異も１４３degという非常に大きな値となった。
この結果から、実施形態１における熱回路網ＨＣ１において、熱放射素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０）の三者は、酸素センサ１の熱回路網法による熱解析において、極めて大きな役割を果たしていることが判る。
逆に、熱放射素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３（熱回路Ｃ３，Ｃ８，Ｃ１０）のすべてを考慮しない、比較形態２の熱回路網ＨＲ２は、酸素センサ１の各部における熱放射を全く考慮していない点で、従来の熱解析に近似している。そして、比較形態２の結果は、このように熱放射を考慮に入れないで酸素センサ１及び排気管ＥＰについて熱解析を行っても、過渡的な温度変化を伴う熱解析では、適切な温度の推定が困難であることを示している。
例えば、８００秒の時点での推定温度（８０３℃）が、実測値（６６０℃）となるように、熱回路網ＨＲ２の各部の素子（Ｅ１１，Ｅ１２，…など。図６参照）の定数を、この時点での推定温度を１４０deg程度引き下げるように調整したとする。するとこれにより、例えば通電開始から３００秒以降の安定した状態での温度については、実測に近い推定温度が得られることになる。しかし、通電初期には、逆に、推定温度が実測値よりも大幅に低く算出されることになり、結局、全期間に亘って適切に温度の推定は出来ないと推測できるからである。
【００７３】
（変形形態）
次いで、実施形態１，２，３の変形形態について、図９及び図１０を参照して説明する。前述の実施形態１等（図１参照）では、熱回路網ＨＣ１〜ＨＣ３（熱回路網データＮＤ）を用いた、酸素センサ１の温度推定システム１００を、パーソナルコンピュータＰＣで実現した。
これに対し、本変形形態では、車載した酸素センサ１の通電制御を行う通電制御装置６１に内蔵するマイクロコンピュータ７０において、熱回路網ＨＣ１等（熱回路網データＮＤ）を熱回路網法に従って熱解析し、所定部位（例えば、接触部２ｅ）の部位温度Ｔｘ（ｔ）（接触部温度（Ｔｓ（ｔ）））を推定する。さらに推定した部位温度Ｔｘ（ｔ）を用いて、ヒータ１５の温度制御を行う温度制御システム２１０をも構成している。
【００７４】
本変形形態における、酸素センサ１の温度推定システム２００および温度制御システム２１０について説明する（図９参照）。車両ＡＭは、エンジンＥＮＧを搭載している。エンジンＥＮＧは、電子制御装置ＥＣＵによって制御されている。また、電子制御装置ＥＣＵは、図示しない速度計、回転計、アクセル開度センサ、外気温センサ、排気温センサなどによって、車両ＡＭの車速や外気ＯＧの気温、排気ガスＥＧの温度などを検知しており、必要に応じて、これらの情報を次述する通電制御装置６１に送信する。
エンジンＥＮＧの排気管ＥＰには、前述した酸素センサ１が装着されている。この酸素センサ１は、センサ出力リード線１３，１４及びヒータリード線１８，１９を介して、通電制御装置６１に接続しており、両者を併せて、制御回路付き酸素センサ６０となっている。
【００７５】
通電制御装置６１は、電子制御装置ＥＣＵとシリアルバスＢＳを介して接続されており、相互にデータの通信が可能となっている。図１０に示すように、通電制御装置６１は、マイクロコンピュータ７０、センサ出力検知回路６２、ヒータ駆動回路６３を有している。このうち、マイクロコンピュータ７０は、ＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、ＲＡＭ７３、インターフェイス回路７５，７６，７７のほか、補助記憶装置として、ＥＰＲＯＭ７４を備えている。このＥＰＲＯＭには、熱回路網ＨＣ１（熱回路網データＮＤ）を熱回路網法によって解き、所定の温度推定部位Ｘの部位温度ＴｘあるいはＴｘ（ｔ）（例えば、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ））を推定する、熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ２、及び、熱回路網データＮＤが記憶されている。
【００７６】
一方、センサ出力検知回路６２は、酸素センサ１０の酸素センサ素子２に、センサ出力リード線１３，１４を介して接続しており、酸素センサ素子２の出力を検知し、インターフェイス回路７５を通じて、マイクロコンピュータ７０に入力する。また、ヒータ駆動回路６３は、酸素センサ１のヒータリード線１８，１９を介してヒータ１５に接続するとともに、バッテリＢＴに接続しており、マイクロコンピュータ７０の指示に従って、バッテリＢＴの出力電圧をオンオフし、ヒータ１５への通電電力をデューティ比制御する。
【００７７】
この制御回路付き酸素センサ６０では、車両ＡＭの起動（キースイッチＯＮ）により、マイクロコンピュータ７０が起動され、ヒータ駆動回路６３が駆動されて、バッテリＢＴからの電力が、酸素センサ１のヒータ１５に通電される。
さらにこれと並行して、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）で、ＥＰＲＯＭ７４に記憶されていた、熱回路網法による熱解析プログラムＰＧ２を実行し、同じくＥＰＲＯＭ７４に記憶されていた熱回路網ＨＣ１等の熱回路網データＮＤ（図４、図６参照）を解いて、温度推定部位Ｘの部位温度ＴｘあるいはＴｘ（ｔ）（具体的には、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ））を逐次推定する。これにより、この制御回路付き酸素センサ６０では、酸素センサ素子２の接触部２ｅの温度を、何等かの温度センサなどを用いることなく、精度良く推定することが出来る。
【００７８】
酸素センサ素子２（接ガス部２ｄ）が十分昇温されて活性化したら、酸素センサ１（素子２）の出力をセンサ出力検知回路６２で検知し、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）により排気ガスＥＧ中の酸素濃度に換算し、電子制御装置ＥＣＵに送信する。
【００７９】
なお、酸素センサ１のヒータ１５は、排気ガスＥＧが高温となったために素子２の加熱が不要である場合を除き、エンジンＥＮＧの駆動中は、酸素センサ素子２の接ガス部２ｄの温度（特に、接触部２ｅの温度Ｔｓ）が一定（目標温度Ｔｏ：例えばＴｏ＝６６０）になるように、ヒータ駆動回路６３を通じてヒータ１５の通電制御するのが好ましい。
この通電制御にあたり、本変形形態では、熱回路網データＮＤを解いて接触部２ｅの接触部温度Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ）を推定し、この推定された接触部温度Ｔｓが、目標温度Ｔｏとなるように、ヒータ駆動回路６３におけるヒータ１５の駆動を、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）で制御する。具体的には、ヒータ１５に通電する電力を、デューティ比制御する。なお、素子Ｖ２に関係する外気ＯＧの外気温、車速、素子Ｖ１に関係する排気ガスＥＧの温度、流速などは、電子制御装置ＥＣＵから得た情報に基づいて、熱回路網データＮＤに反映させる。また、ヒータ駆動電源Ｓ１（バッテリＢＴ及びヒータ駆動回路６３）からヒータ１５に供給するエネルギーの大きさは、バッテリＢＴの電圧及びヒータ駆動回路６３で制御するデューティ比などに基づいて反映させる。
【００８０】
実施形態においても説明したように、本変形形態でも、酸素センサ１及び排気管ＥＰ前述の熱回路網ＨＣ１を熱回路網法によって解くため、ヒータ１５による急加熱、排気ガスＥＧによる急冷却（フューエルカット時の外気導入）、急加熱（高負荷、高回転の運転）などが生じても、現実に良く適合して、接触部２ｅの接触部温度Ｔｓの過渡的な変化をも適切に推定することができる。
【００８１】
本変形形態においては、通電制御装置６１のマイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）が、部位温度推定手段，接触部温度推定手段に相当する。また、ＥＰＲＯＭ７４が熱回路網データ記憶手段に該当する。マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）及びヒータ制御回路６３が、ヒータ制御手段に相当する。
【００８２】
以上において、本発明を実施形態１，３，４及び変形形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、変形形態では、制御回路付き酸素センサ６０の内のマイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）で熱回路網法による熱解析を行ない、接触部温度Ｔｓなどを推定した例を示した。これに対し、電子制御装置ＥＣＵで、具体的には内蔵されたマイクロコンピュータ（図示しない）で、熱回路網法による熱解析を行ない、接触部温度Ｔｓなどを推定することもできる。この場合には、電子制御装置ＥＣＵから得た情報（接触部温度Ｔｓなど）に従って、マイクロコンピュータ７０（ＣＰＵ７１）及びヒータ制御回路６３でヒータ１５の制御を行う。この例では、電子制御装置ＥＣＵが部位温度推定手段，接触部温度推定手段に相当する。
【符号の説明】
【００８３】
ＰＣ  パーソナルコンピュータ（コンピュータ）
１００，２００  温度推定システム
１０２  マイクロプロセッサ（部位温度推定手段，接触部温度推定手段）
１０５  外部記憶装置（熱回路網データ記憶手段）
ＰＧ１，ＰＧ２  熱回路網法による熱解析プログラム
ＮＤ  熱回路網データ（モデルデータ）
２１０  温度制御システム
６０  制御回路付き酸素センサ
６１  （酸素センサの）通電制御装置
６３  ヒータ駆動回路（ヒータ制御手段）
７０  マイクロコンピュータ（部位温度推定手段，接触部温度推定手段，ヒータ制御手段）
７１  ＣＰＵ（部位温度推定手段，接触部温度推定手段，ヒータ制御手段）
７４  ＥＰＲＯＭ（熱回路網データ記憶手段）
ＡＭ  車両
ＥＮＧ  エンジン
ＥＣＵ  電子制御装置
ＥＰ  排気管（外部部材）
ＥＰＨ  取付孔
ＥＰＳ  センサ取付部（被結合部）
ＥＧ  排気ガス（被測定ガス）
ＯＧ  外気
ＢＤ  基端側
ＰＤ  先端側
Ｘ  温度推定部位
Ｔｘ，Ｔｘ（ｔ）  （温度推定部位の）部位温度
Ｔｓ，Ｔｓ（ｔ）  （接触部の）接触部温度
Ｔｏ  目標温度
ＨＣ１〜ＨＣ３，ＨＲ１，ＨＲ２  熱回路網
Ｓ１  可変電流源（ヒータ駆動電源）
Ｅ１〜Ｅ１０  熱伝導素子
Ｆ１〜Ｆ５  熱伝達素子
Ｒ１〜Ｒ３  熱放射素子
Ｖ１，Ｖ２  可変電圧源
Ｃ１〜Ｃ２４  熱回路
Ｃ２  第１熱回路（ヒータの発熱部と筒状センサ素子の接ガス部の接触部との間の熱伝導を記述する熱回路）
Ｃ３  第２熱回路（ヒータの発熱部から筒状センサ素子の接ガス部のうち接触部以外の非接触部に向けた熱放射を記述する第２熱回路）
Ｃ１０  第３熱回路（筒状センサ素子の接ガス部から、保持金具に向けた熱放射を記述する熱回路）
Ｃ８  第４熱回路（筒状センサ素子の接ガス部から、プロテクタに向けた熱放射を記述する熱回路）
Ｃ１３  第５熱回路（保持金具の結合部と通気管の被結合部との間の熱伝導を記述する熱回路）
Ｃ１２  第６熱回路（保持金具と外筒との間の熱伝導を記述する熱回路）
Ｃ２１  第７熱回路（外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する熱回路）、可変第７熱回路（車両の車速に応じた、外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変熱回路）
１  酸素センサ（ガスセンサ、車載用ガスセンサ）
２  酸素センサ素子（筒状センサ素子）
２ｄ  接ガス部
２ｄｉ  （接ガス部の）内壁面
２ｅ  （接ガス部のうちの）接触部
２ｆ  （接ガス部のうちの）非接触部
２ｇ  基端接ガス部
３  主体金具（保持金具）
３ｂ  ねじ部（結合部）
４  プロテクタ
５，７  セラミックホルダ
６  セラミック粉末
１５  ヒータ
１５ａ  発熱部
１５ｂ  非発熱部
２１  外筒
３１  セパレータ
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側が閉じた有底筒状であり、被測定ガスが接する接ガス部を自身の先端側に含む筒状センサ素子と、
上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち基端側の基端接ガス部の周囲を離間しつつ取り囲み、上記接ガス部よりも基端側で上記筒状センサ素子を間接的に保持すると共に、自身を外部部材に結合する結合部を有する保持金具と、
上記保持金具の先端側に上記筒状センサ素子の上記接ガス部から離間して配置されると共に、上記保持金具に接続され、上記接ガス部との間に上記被測定ガスが流通可能に、上記接ガス部を覆うプロテクタと、を備える
ガスセンサに関し、
上記ガスセンサ内の温度推定部位の温度である部位温度を推定する温度推定システムであって、
上記外部部材は、
上記被測定ガスが流通する金属製の通気管であり、
自身を貫通する貫通孔の周囲に形成された被結合部を有し、
上記ガスセンサは、
上記筒状センサ素子の上記接ガス部が上記貫通孔を通して上記通気管内に配置される形態で、上記ガスセンサの上記保持金具の前記結合部が上記通気管の上記被結合部に結合されてなり、
上記ガスセンサをモデル化した熱回路網の熱回路網データを記憶する熱回路網データ記憶手段と、
上記熱回路網データを用い、熱回路網法によって、上記部位温度を推定する部位温度推定手段と、を有し、
上記ガスセンサをモデル化した上記熱回路網は、
上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記保持金具に向けた熱放射を記述する熱回路、
上記筒状センサ素子の上記接ガス部から、上記プロテクタに向けた熱放射を記述する熱回路、及び、
上記保持金具の上記結合部と上記通気管の上記被結合部との間の熱伝導を記述する熱回路を含む
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ガスセンサは、
筒状で、前記外部部材の外部に位置し、前記保持金具の前記結合部よりも基端側で上記保持金具に接続し基端側に延びる外筒を有し、
前記ガスセンサをモデル化した前記熱回路網は、
上記保持金具と上記外筒との間の熱伝導を記述する熱回路、及び、
上記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する熱回路をも含む
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項３】
請求項２に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ガスセンサは車両に搭載される車載用ガスセンサであり、
前記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達を記述する熱回路は、
上記車両の車速に応じた、上記外筒とこの外筒を包囲する外気との熱伝達の変化をも記述する可変熱回路である
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサの温度推定システムであって、
前記ガスセンサは、
棒状で、先端部分に通電により発熱する発熱部を有し、上記筒状センサ素子の内部に遊嵌状に挿入され、上記発熱部の少なくとも一部が上記筒状センサ素子の上記接ガス部の内壁面に接して配置されてなるヒータを備え、
前記温度推定部位は、上記筒状センサ素子の上記接ガス部のうち上記内壁面に上記ヒータの上記発熱部に接触している前記接触部であり、
前記部位温度は、上記接触部における接触部温度であり、
前記部位温度推定手段は、上記接触部温度を推定する接触部温度推定手段である
ガスセンサの温度推定システム。
【請求項５】
請求項４に記載のガスセンサの温度推定システムと、
前記部位温度推定手段で推定した前記部位温度に基づき、この部位温度が目標温度になるように、前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段を有する
ガスセンサの温度制御システム。