(57)【要約】【課題】ヒータの温度制御に伴うノイズが発生しても、ガスセンサの検出誤差を防止する。【解決手段】本発明のガス検出装置の制御装置は、ガスセンサ部１２と、ヒータ１５と、ガスセンサ部１２とヒータ１５との間に配置された絶縁層（基板１１）とを備える。このガス検出装置の制御装置は、ガスセンサ部１２およびヒータ１５の動作を制御するエンジン制御装置３０を更に備え、このエンジン制御装置３０は、ヒータ１５に供給する電流の変化のタイミングとガスセンサ部１２による検出動作とを同期させる。【選択図】図３
2007024539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサ部と、
ヒータと、
前記ガスセンサ部と前記ヒータとの間に配置された絶縁層とを有するガス検出装置の制御装置であって、
前記ガスセンサ部および前記ヒータの動作を制御し、前記ヒータに供給する電流の変化のタイミングと前記ガスセンサ部による検出動作とを同期させる制御部を備えるガス検出装置の制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記ガスセンサ部による検出動作を実行する期間以外の期間に前記ヒータに供給する電流の大きさを変化させる請求項１に記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記ヒータへの加熱のための通電を行うＯＮ動作と前記ヒータへの加熱のための通電を停止するＯＦＦ動作とを選択的に実行し、ＯＮ／ＯＦＦ動作の切り替えのタイミングは、前記ガスセンサ部による検出動作のタイミングから時間軸上でシフトしている、請求項２に記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記ヒータの温度を上昇させる加熱モードにおいて前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを周期的に行い、前記ヒータの温度を低下させる冷却モードにおいて前記ＯＦＦ動作を実行する、請求項３に記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項５】
前記加熱モードにおける前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えの周期は５０ミリ秒以下である、請求項４に記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記ガスセンサ部による検出動作を周期的に実行し、かつ、前記検出動作を行っていないときに前記ヒータに対する前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを実行する、請求項３から５のいずれかひとつに記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項７】
前記制御部は、周期的に発生する信号に応答して前記ガスセンサ部による検出動作を実行し、前記信号の発生タイミングから所定時間経過後に前記ヒータに対する前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを実行する、請求項６に記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項８】
前記ガスセンサ部による検出動作の周期は１０ミリ秒以下である、請求項６または７に記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項９】
前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを実行したときから、次に前記ガスセンサ部による検出動作が実行されるまで時間が、５００マイクロ秒以上２ミリ秒以下に設定されている、請求項３から８のいずれかひとつに記載のガス検出装置の制御装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかひとつに記載のガス検出装置の制御装置を備える空燃比制御装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれかひとつに記載のガス検出装置の制御装置を備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検出装置の制御装置に関し、特にガスセンサ部を昇温するためのヒータを備えたガス検出装置の制御装置に関する。また、本発明は、ガス検出装置の制御装置を備えた空燃比制御装置や、そのような空燃比制御装置を備えた内燃機関にも関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は、理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。
【０００３】
理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（燃料の濃度が低い）場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素量あるいは酸素濃度を計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。
【０００４】
排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、例えば、抵抗型の酸素センサを備えるガス検出装置が知られている。このような酸素センサが動作するには、５００℃以上の高温が必要であるため、酸素センサの近傍にはヒータが配置されている。
【０００５】
例えば、特許文献１はガスセンサ部とヒータとを備える酸素センサを開示している。
【特許文献１】特許第３５２３９３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸素センサには、動作温度に依存して検出特性が大きく変動するものがある。そのような酸素センサでは、ヒータに供給する電力を調節することにより、センサ温度を所定範囲内に制御する必要がある。しかしながら、本発明者の検討によると、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ制御によってセンサ温度を調整しようとすると、ガス検出装置に検出エラーが発生しやすくなることが判明した。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出エラーを回避しながら高い検出精度で動作するガス検出装置の制御装置、および当該ガス検出装置の制御装置を備えた空燃比制御装置などを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のガス検出装置の制御装置は、ガスセンサ部と、ヒータと、前記ガスセンサ部と前記ヒータとの間に配置された絶縁層と、前記ガスセンサ部および前記ヒータの動作を制御する制御部であって、前記ヒータに供給する電流の変化のタイミングと前記ガスセンサ部による検出動作とを同期させる制御部とを備える。
【０００９】
好ましい実施形態において、前記制御部は、前記ガスセンサ部による検出動作を実行する期間以外の期間に前記ヒータに供給する電流の大きさを変化させる。
【００１０】
好ましい実施形態において、前記制御部は、前記ヒータへの加熱のための通電を行うＯＮ動作と前記ヒータへの加熱のための通電を停止するＯＦＦ動作とを選択的に実行し、ＯＮ／ＯＦＦ動作の切り替えのタイミングは、前記ガスセンサ部による検出動作のタイミングから時間軸上でシフトしている。
【００１１】
好ましい実施形態において、前記制御部は、前記ヒータの温度を上昇させる加熱モードにおいて前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを周期的に行い、前記ヒータの温度を低下させる冷却モードにおいて前記ＯＦＦ動作を実行する。
【００１２】
好ましい実施形態において、前記加熱モードにおける前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えの周期は５０ミリ秒以下である。
【００１３】
好ましい実施形態において、前記制御部は、前記ガスセンサ部による検出動作を周期的に実行し、かつ、前記検出動作を行っていないときに前記ヒータに対する前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを実行する。
【００１４】
好ましい実施形態において、前記制御部は、周期的に発生する信号に応答して前記ガスセンサ部による検出動作を実行し、前記信号の発生タイミングから所定時間経過後に前記ヒータに対する前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを実行する。
【００１５】
好ましい実施形態において、前記ガスセンサ部による検出動作の周期は１０ミリ秒以下である。
【００１６】
好ましい実施形態において、前記ＯＮ動作と前記ＯＦＦ動作の切り替えを実行したときから、次に前記ガスセンサ部による検出動作が実行されるまで時間が、５００マイクロ秒以上２ミリ秒以下に設定されている。
【００１７】
本発明の空燃比制御装置は、上記いずれかのガス検出装置の制御装置を備える。
【００１８】
本発明の内燃機関は、上記のいずれかのガス検出装置の制御装置を備える内燃機関。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ヒータに供給する電流の変化のタイミングとガスセンサ部による検出動作とが同期しているため、両者の間に時間的なずれを設けることが可能になる。このため、ヒータの供給する電流が変化するときに発生する電気ノイズがガスセンサ部による検出エラーを生じさせないようにすることができる。したがって、本発明のガス検出装置の制御装置によれば、ヒータ温度を適切な範囲に制御しつつ、高い精度でガス濃度測定を実行することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明者は、前述したガス検出装置に生じる検出エラーの原因が、ヒータの通電状態（ＯＮ／ＯＦＦ）を頻繁に切り替えるときに発生する電気ノイズにあることを見出し、本発明を完成した。
【００２１】
特許文献１に開示されている公知のガスセンサでは、ガスセンサ部とヒータとが基板を介して対向するように配置され、ヒータの温度は外部から供給される電流（以下、簡単に「ヒータ電流」と称する場合がある。）のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより制御される。
【００２２】
図９は、ヒータ電流のＯＮ／ＯＦＦの切り替えタイミングと、ガスセンサ部に接続された電極や配線に誘起される電気ノイズとの関係を模式的に示すタイミングチャートである。図９からわかるように、ヒータがＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移するとき、および、ＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移するときにノイズの発生が観察される。
【００２３】
このような電気ノイズは、ヒータ電流が定常的であるときには発生せず、電流の大きさが急激に変化するときに発生する。ガスセンサ部とヒータとが薄い誘電体基板（絶縁層）を介して配置される場合、寄生的なコンデンサが形成され、基板の両側に位置する電極どうしが容量的に結合することになる。このような容量結合は、ヒータ電流が急激に変化するときに強くなり、ガスセンサ部に電気ノイズを誘起する。
【００２４】
本発明のガス検出装置の制御装置では、このような電気ノイズが発生する期間を避けてガスセンサ部による計測動作を実行する。
【００２５】
なお、ガス濃度の検出精度を高めるためには、ガスセンサ部またはヒータの温度を正確に検知し、検知した温度に応じてヒータの通電状態を制御することが好ましい。本発明の好ましい実施形態では、温度に応じて抵抗値が変化するヒータを用いて、ヒータの温度を検知する。
【００２６】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照しながら、本発明によるガス検出装置の制御装置の実施形態を説明する。まず、図１および図２を参照しながら、本実施形態のガス検出装置の制御装置に用いる酸素センサ１０を説明する。図１は、酸素センサ１０を模式的に示す分解斜視図であり、図２は、酸素センサ１０の断面図である。
【００２７】
酸素センサ１０は、図１に示すように、互いに対向する主面１１ａおよび裏面１１ｂを有する基板１１と、基板１１の主面１１ａ上に設けられたガスセンサ部１２とを備えている。
【００２８】
基板１１は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体から好適に形成され、絶縁性の表面を備えている。この基板１１の先端部に、ガスセンサ部１２が設けられている。また、基板１１の基端部は、後述するように、酸素センサ１０を排気管に固定するための部材（例えばハウジング）によって保持される。
【００２９】
絶縁層として機能する基板１１に求められる絶縁性とは、基板１１の主面１１ａと裏面１１ｂとの間に１０Ｖ程度の電圧を印加したとき、１ｍＡ以下の電流しか流れない状態を言うものとする。なお、絶縁層は、全体が絶縁物から構成されている必要はなく、導電体や半導体の表面が絶縁物で被覆されたものであってもよい。
【００３０】
ガスセンサ部１２は、ガスセンサ部１２に接する雰囲気ガス中に含まれる所定のガスの濃度や量を検出する。本実施形態におけるガスセンサ部１２は、いわゆる抵抗型のセンサ部であり、雰囲気ガスに含まれる所定のガス（ここでは酸素）との接触により抵抗率が変化するガス感応層１４と、ガス感応層１４に接触するように設けられた電極１３ａ、１３ｂとを有している。
【００３１】
ガス感応層１４は、例えば酸化物半導体層から好適に形成される。酸化物半導体層は、雰囲気の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体層中の酸素空孔濃度が変化し、酸化物半導体層の抵抗率が変化する。この抵抗率の変化を、電極１３ａ、１３ｂを介して計測することにより、酸素濃度を検出することができる。ガス感応層１４に用いられる酸化物半導体層は、例えば、酸化セリウム、酸化チタン、酸化ガリウムなどの材料から好適に形成される。
【００３２】
電極１３ａ、１３ｂは、基板１１の主面１１ａ上に設けられており、ガス感応層１４によって覆われている。電極１３ａ、１３ｂは、ガス感応層１４の抵抗率の変化を効率よく計測するため、対向して形成されていることが好ましい。電極１３ａ、１３は、導電性を有し、基板１１と同程度の耐熱性を有する材料から形成される。特にガス感応層１４を形成する際の熱処理温度よりも融点が高い材料を用いることが好ましく、例えば白金や白金ロジウム合金、金などから好適に形成される。電極１３ａ、１３ｂの形成方法としては、スクリーン印刷法を用いることができる。他の形成方法としては、気相成長法などによって主面１１ａの全面に上述した材料の膜を形成した後、その膜をパターニングしてもよい。
【００３３】
基板１１の裏面１１ｂ側には、ガスセンサ部１２を昇温させるためのヒータ１５が設けられている。図２（ａ）に示すように、ヒータ１５は、ガスセンサ部１２に対応する位置に設けられている。すなわち、ヒータ１５は、基板１１を介してガスセンサ部１２にほぼ重なるように設けられている。なお、基板１１は、ヒータ１５で発生した熱をスムーズにガスセンサ部１２に伝搬させ得る厚さを有していることが好ましい。ただし、ガスセンサ部１２やヒータ１５などを保持する剛性および強度を有する必要があるため、基板１１の厚さは、例えば１００μｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲に形成される。
【００３４】
なお、図２（ａ）に示す構成を採用する代わりに、図２（ｂ）に示すように、基板１１上に絶縁層（１０μｍ〜５００μｍ）を介してヒータ１５およびガスセンサ部１２を積層してもよい。この場合、ヒータ１５とガスセンサ部１２との間には基板が存在しないが、薄い絶縁層が介在している。この絶縁層は、薄膜堆積技術を用いてヒータ１５を覆うように基板１１上に堆積される。この絶縁層は、基板１１のように強い剛性を有する必要がないため、より薄く形成され得る。
【００３５】
本実施形態におけるヒータ１５は、抵抗体に電流を通したときの抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の加熱素子である。ヒータ１５は、典型的には、白金やタングステンなどの金属材料や、酸化レニウムなどの良導体酸化物などから形成され、温度に応じて抵抗値が変化する。
【００３６】
ヒータ１５の両端は図１に示される電極１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄに接続されている。４端子に分かれた電極１７ａ〜１７ｄのうち、例えば電極１７ａ、１７ｄはヒータ１５に電力を供給するため（加熱のための通電）に使用され、電極１７ｂ、１７ｃはヒータ１５の抵抗値を測定してヒータ温度を計測するために使用される（４端子法）。なお、２本の電極（例えば電極１７ａ、１７ｄ）のみを設け、これらの電極を加熱および抵抗測定の両方に兼用しても良い。電極１７ａ〜１７ｄは、好適にはヒータ１５と一体的に形成される。
【００３７】
電極１７ａ、１７ｄに電圧が印加され、加熱のための電流がヒータ１５を流れると、ヒータ１５が発熱してガスセンサ部１２が加熱される。ヒータ１５によってガスセンサ部１２を昇温させ、ガスセンサ部１２を速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動時における検出精度を向上させることができる。ガスセンサ部１２の検出感度は温度に応じて変動するため、本実施形態では、後述する方法によりガスセンサ部１２の温度を所定範囲内に制御し、ガス濃度の検出精度を高いレベルに維持している。
【００３８】
図１の酸素センサ１０は、電極１３ａ、１３ｂ、１７ａ〜１７ｄを介して、図１に示されていないエンジン制御装置に電気的に接続される。エンジン制御装置は、酸素センサ１０におけるガスセンサ部１２およびヒータ１５の動作を制御し、ガスセンサ部１２が適切に動作する温度に制御しながら、ガス濃度の測定に必要な各種の全体動作を制御する。
【００３９】
次に、図３を参照しつつ、本実施形態のガス検出装置の制御装置の構成を説明する。
【００４０】
本実施形態のガス検出装置の制御装置は、図３に示すように、前述したガスセンサ部１２およびヒータ１５の動作を制御する制御部（エンジン制御装置）３０を備えている。ガスセンサ部１２およびヒータ１５は、図１に示すように、基板１１を介して対向し、酸素センサ１０を構成している。図３からわかるように、ガスセンサ部１２は電極１３ａ、１３ｂにより、ヒータ１５は電極１７ａ〜１７ｄにより、エンジン制御装置３０と電気的に接続されている。
【００４１】
エンジン制御装置３０は、ヒータ１５に接続された抵抗−電圧変換回路３２と、ガスセンサ部１２に接続された抵抗測定回路３４と、抵抗−電圧変換回路３２および抵抗測定回路３４の出力を受け取るコントローラ３６とを備えている。本実施形態のコントローラ３６は、１チップマイクロコンピュータによって構成されている。
【００４２】
このエンジン制御装置３０は、更に、不図示の各種センサ（スロットルセンサや水温センサなど）に接続されたセンサ入力回路３８を有しており、このセンサ入力回路３８の出力もコントローラ３６に入力される。エンジン制御装置３０は、コントローラ３６に接続されたアクチュエータ回路４０を備えており、アクチュエータ回路４０の出力により、エンジン各部の動作が制御される。
【００４３】
ヒータ１５に接続された抵抗−電圧変換回路３２は、ヒータ１５の抵抗値を計測し、計測した抵抗値に応じた電圧を出力する（抵抗−電圧変換）。ヒータ１５の抵抗値は、ヒータ１５に所定の大きさの電流（定電流）を供給しているときに生じるヒータ１５の電圧降下として検知される。ヒータ１５の抵抗値は、温度に依存するため、計測した抵抗値からヒータ１５の温度を検知することができる。ヒータ１５はガスセンサ部１２と薄い絶縁層（基板１１）を介して熱的に接触しているため、ヒータ１５の温度を検知してヒータ温度を所定範囲内に制御すれば、ガスセンサ部１２の温度も適切な範囲内に制御することができる。
【００４４】
図３に示されるように、エンジン制御装置３０は、ヒータ１５に定電流を供給する定電流回路４２と、エンジン制御装置３０内における各電子回路の動作に必要な電源電圧を生成する電源回路４４とを備えており、これらの回路は＋１２Ｖの電源（例えばバッテリ）に接続されている。定電流回路４２がヒータ１５に供給する電流は、ヒータ１５を加熱するための電流ではなく、ヒータ１５の抵抗値を計測するために用いられる電流である。
【００４５】
ヒータ１５は、コントローラ３６のポート４６がスイッチ４８を切り替えることにより、図１に示す電極１７ａ、１７ｄを介して＋１２Ｖの電源または定電流回路４２に選択的に接続される。ヒータ１５を加熱するときは、ヒータ１５と＋１２Ｖの電源とを接続するが、ヒータ１５の温度を計測するときには、スイッチ４８により、ヒータ１５の接続先を電源から定電流回路４２に切り替える。
【００４６】
ヒータ１５が定電流回路４２に接続されると、定電流回路４２から電極１７ａ、１７ｄを介してヒータ１５に所定の大きさを有する電流（例えば５〜５０ｍＡ）が流れる。このとき、電極１７ｂ、１７ｃに接続された抵抗−電圧変換回路３２内の差動増幅回路（図３において不図示）により、ヒータ１５の両端における電圧が測定される。この電圧とヒータ１５の抵抗値との間には、後述する関係が存在するため、求めた電圧に基づいて、ヒータ１５の温度（センサ部の温度に対応）を検知することができる。
【００４７】
なお、本明細書において「ヒータ温度を検知する」とは、必ずしもヒータ温度が何度（℃）であるかを数値として知ることを意味するものではなく、温度に対応して変化する物理量（例えば電圧）を検知することにより、その温度に関する情報を得ることを広く意味するものとする。
【００４８】
本実施形態では、ヒータ１５の抵抗値が温度に依存して変化する性質を利用し、ヒータ１５の抵抗値をまず電圧に変換する。そして、その電圧に基づいて、必要な演算および制御を実行する。予めヒータ１５の「温度」および「抵抗値」、ならびに抵抗−電圧変換回路３２によって出力される「電圧」の大きさの相互関係を求めておけば、ヒータ１５の実際の温度が何℃であるかを求めることができる。
【００４９】
電極１７ｂ、１７ｃを介してヒータ１５に接続された抵抗−電圧変換回路３２の出力（ヒータ１５の抵抗値に対応する電圧）は、セレクタ５０を介して、コントローラ３６のＡＤコンバータ（ＡＤＣ）５２に入力される。ＡＤＣ５２は、抵抗−電圧変換回路３２から出力された電圧（アナログ値）に対応するデジタル値を生成し、コントローラ３６内のデータバスライン５６に出力する。コントローラ３６は、前述したように１チップマイクロコンピュータから構成されており、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、タイマー、センサＩ／Ｆ（インターフェース）回路、およびアクチュエータＩ／Ｆ回路などを備えている。ＣＰＵからの指令やＲＯＭから読み出されたデータなどのやり取りは、データバスライン５６を介して行われる。センサＩ／Ｆ回路およびアクチュエータＩ／Ｆ回路は、ＡＤコンバータおよびタイマーポートなどを含み、それぞれ、センサ入力回路３８およびアクチュエータ回路４０に接続されている。
【００５０】
ヒータ１５による加熱を行うときは、スイッチ４８により、ヒータ１５を電源（＋１２Ｖ）に接続し、加熱のため電流をヒータ１５に供給する。このように、本実施形態におけるヒータ１５は、「加熱素子」として用いられるだけではなく、「温度検出素子」としても活用される。
【００５１】
一方、酸素ガス濃度の検出は、ガスセンサ部１２の抵抗値（正確にはガス感応層１４の抵抗値）を抵抗測定回路３４によって測定することによって求めることができる。ガスセンサ部１２に接続された抵抗測定回路３４の出力（電圧）は、コントローラ３６のセレクタ５０を介してＡＤＣ５２に入力される。ＡＤＣ５２からは、抵抗測定回路３４の出力（アナログデータ）に対応するデジタル値（酸素濃度を示す値）がデータバスライン５６に出力される。
【００５２】
本実施形態では、１つのＡＤＣ５２により、抵抗−電圧変換回路３２および抵抗測定回路３４の両方の出力に対してＡＤ変換を施している。後述するように、本実施形態では、ヒータ１５の抵抗値を測定するタイミングとガスセンサ部１２の抵抗値を測定するタイミングをずらしているため、セレクタ５０による切り替え動作により、１つのＡＤＣ５２を用いて効率よく種々のＡＤ変換が可能になる。
【００５３】
次に、図４を参照しながら、ガスセンサ部１２の抵抗値（Ｒｓ）の検知に用いられる抵抗測定回路３４の構成と動作をより詳細に説明する。
【００５４】
本実施形態のガスセンサ部１２は、前述のように、酸素ガスの濃度に応じて抵抗値Ｒｓが変化するガス感応層１４を備えており、このガス感応層１４の抵抗値Ｒｓに基づいて酸素ガス濃度を検出することができる。抵抗型ガスセンサにおけるガス感応層１４の抵抗値Ｒｓは、酸素ガスの濃度に応じて広い範囲で大きく変化する。しかし、ＡＤＣ５２の入力側におけるダイナミックレンジは限られているため、ＡＤＣ５２の出力分解能を高めるためには、抵抗測定回路３４からＡＤＣ５２に入力される電圧（アナログ値）を適切な範囲に調節することが好ましい。このため、本実施形態の抵抗測定回路３４では、複数個の基準抵抗から、適宜、最適な基準抵抗を選択することにより、ＡＤＣ５２の出力分解能を向上させている。
【００５５】
抵抗測定回路３４は、図４に示されるように、ガスセンサ部１２（抵抗値Ｒｓ）の一端に所定の電位（Ｖｃｃ）を与え、他端を複数の規準抵抗から選択した１つの基準抵抗と電気的に接続する。本実施形態における３つの基準抵抗は、それぞれ、２００ｋΩ、２０ｋΩ、および１ｋΩの抵抗値を有しているが、採用可能な抵抗値の組み合わせは、これらに限定されない。
【００５６】
各基準抵抗は、ポートＰ１、Ｐ２、Ｐ３（図３のポート５４に対応）を介してコントローラ３６に接続されている。図４に示される３つのＭＯＳ型トランジスタのゲートには、コントローラ３６の内部で生成された３ビットのデータが与えられる。この３ビットのデータに応じて、３つのＭＯＳ型トランジスタの１つだけが導通するため、導通したＭＯＳ型トランジスタに接続された１つの基準抵抗を選択することができる。
【００５７】
このようにして選択された基準抵抗を通じてガスセンサ部１２（抵抗値Ｒｓ）を電流が流れる。電位Ｖｃｃは、基準抵抗が有する抵抗値Ｒと酸素センサが有する抵抗値Ｒｓとで分配されるため、基準抵抗とガスセンサ部１２との接続点における電位を「Ｙ」とすると、以下の式が成立する。
【００５８】
Ｙ＝Ｖｃｃ・Ｒ／（Ｒｓ＋Ｒ）    ・・・（式１）
【００５９】
ここで、Ｒｓは、前述の通りガスセンサ部１２の抵抗値であり、Ｒは選択された基準抵抗の抵抗値（２００ｋΩ、２０ｋΩ、または１ｋΩ）である。
【００６０】
電位Ｙは、図４に示すように、バッファとして機能するオペアンプ３４ａおよびローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４ｂを介してＡＤＣ５２に入力される。上記の式１は、以下の式２に変形できるため、電位Ｙの大きさから抵抗値Ｒｓを求めることができる。
【００６１】
Ｒｓ＝Ｒ・（Ｖｃｃ−Ｙ）／Ｙ      ・・・（式２）
【００６２】
Ｖｃｃを「１０２３＝２10−１」に対応づけ、電位ＹがＡＤＣ５２のＡＤ変換によってデジタル値Ｘに変換されるとすると、以下の式３が成立する。
【００６３】
Ｒｓ＝Ｒ・（１０２４−Ｘ）／Ｘ    ・・・（式３）
【００６４】
この式からわかるように、ＡＤＣ５２の出力（デジタル値Ｘ）が求まると、選択された基準抵抗の抵抗値Ｒに応じて抵抗値Ｒｓを決定することができる。また、抵抗値Ｒｓが決まると、酸素濃度を得ることができる。
【００６５】
図５Ａは、抵抗計測のフローチャートであり、図５Ｂは、基準抵抗の切り替えを示すフローチャートである。
【００６６】
まず、図５Ａに示すように、最初は２０ｋΩの基準抵抗を選択する（ステップＳ１）。具体的には、図４に示すポートＰ１に０Ｖの電位を与えるとともに、ポートＰ２のＭＯＳ型トランジスタを導通させ、ポートＰ３のＭＯＳ型トランジスタは非導通にする。これにより、２０ｋΩの基準抵抗を選択することができる。電流は、選択された２０ｋΩの基準抵抗とガスセンサ部１２の抵抗値Ｒｓとを流れ、これらの抵抗の間で電位Ｖｃｃの分配が行われる。ガスセンサ部１２と基準抵抗との接続点における電位Ｙは、図４に示すように、バッファ３４ａおよびＬＰＦ３４ｂを介してＡＤＣ５２に入力され、デジタル値に変換される（ＡＤ変換）。ＡＤ変換よるデジタル値としては、抵抗値Ｒｓの計測動作開始後、所定の時間が経過した後に得られる値を採用することが好ましい。本実施形態では、抵抗値Ｒｓの計測動作開始後、５００マイクロ秒（μｓ）の時間が経過した後の値を採用する。
【００６７】
次に、ステップＳ２では、ＡＤ変換によって得られたデジタル値（ＡＤＣ５２の出力Ｘ）が１７１よりも小さいか否かが判定される。ＡＤＣ５２の出力Ｘが１７１よりも小さい場合（ＹＥＳ）、ステップＳ３に進み、２０ｋΩの基準抵抗を２００ｋΩの基準抵抗に切り替える。具体的には、図４に示すポートＰ１に０Ｖの電位を与えるとともに、ポートＰ２のＭＯＳ型トランジスタを非導通にし、ポートＰ３のＭＯＳ型トランジスタを導通させる。これにより、２００ｋΩの基準抵抗を選択することができる。電流は、選択された２００ｋΩの基準抵抗とガスセンサ部１２の抵抗値Ｒｓとを流れ、これらの抵抗の間で電位Ｖｃｃの分配が行われる。その後、ＡＤＣ５２によるＡＤ変換を実行し、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、ＡＤＣ５２の出力Ｘに基づいてセンサ抵抗値Ｒｓを決定する。
【００６８】
一方、ステップＳ２でＡＤＣ５２の出力Ｘが１７１以上であると判定された場合（ＮＯ）、ステップＳ４でＡＤＣ５２の出力Ｘが８２０以上か否かが判定される。ＡＤＣ５２の出力Ｘが８２０以上であると判定された場合（ＹＥＳ）、ステップＳ５に進み、２０ｋΩの基準抵抗を１ｋΩの基準抵抗に切り替えた上で、ＡＤＣ５２によるＡＤ変換を実行する。具体的には、図４に示すポートＰ１に５Ｖの電位を与えるとともに、ポートＰ２およびＰ３のＭＯＳ型トランジスタをいずれも非導通にする。これにより、１ｋΩの基準抵抗を選択することができる。電流は、選択された１ｋΩの基準抵抗とガスセンサ部１２の抵抗値Ｒｓとを流れ、これらの抵抗の間で電位Ｖｃｃの分配が行われる。その後、ステップＳ６に進み、ＡＤＣ５２の出力Ｘに基づいてセンサ抵抗値Ｒｓを決定する。
【００６９】
なお、ステップＳ４でＡＤＣ５２の出力Ｘが８２０よりも小さいと判定された場合（ＮＯ）、ステップＳ６に進み、ＡＤＣ５２の出力Ｘに基づいてセンサ抵抗値Ｒｓを決定する。
【００７０】
図５Ｂに示すように、ＡＤＣ５２の出力Ｘの大きさに基づいて、適切な大きさの基準抵抗を選択することができる。本実施形態の場合、抵抗値Ｒｓが１００Ωより大きく５ｋΩ未満の場合は、１ｋΩの基準抵抗が選択され、抵抗値Ｒｓが５ｋΩ以上１００ｋΩ未満の場合は、２０ｋΩの基準抵抗が選択され、抵抗値Ｒｓが１００Ω以上２ＭΩ未満の場合は、２００ｋΩの基準抵抗が選択されることになる。
【００７１】
このように本実施形態では、ガスセンサ部１２の抵抗値Ｒｓが１００Ωから２ＭΩまでの範囲で大きく変化しても、１つのＡＤＣ５２を用いて分解能の高いＡＤ変換を適切に行うことができるため、抵抗値Ｒｓを高い精度で検知することが可能である。
【００７２】
次に、図６（ａ）から（ｄ）を参照しながら、ヒータ温度の測定について説明する。
【００７３】
ヒータの抵抗値Ｒｈとヒータの温度との間には、図６（ｂ）に示すような関係がある。図６（ａ）に示すように、抵抗値Ｒｈを有するヒータに定電流Ｉを流すと、ヒータの両端に抵抗値Ｒｈに応じた電圧（Ｒｈ・Ｉ）が発生する。この電圧は第１段目のオペアンプに入力されてＡ１倍に増幅された後、一次遅れフィルタによってノイズが除去される。Ａ１・Ｒｈ・Ｉで表される大きさを有する電圧は、Ｖoffのオフセット電圧を与えられて第２段目のオペアンプに入力される。第２段目のオペアンプではＡ２倍に増幅されるため、その出力は、以下の式で表される大きさを有することになる。
【００７４】
Ａ２・（Ａ１・Ｒｈ・Ｉ−Ｖoff）  ・・・（式４）
【００７５】
抵抗値Ｒｈが図６（ｂ）に示す温度依存性を示すため、第２のオペアンプの出力は、図６（ｃ）に示す温度依存性を示すことになる。この例では、ヒータ温度が２００℃のときに第２段目のオペアンプの出力がゼロになるようにオフセット電圧Ｖoffの大きさが設定されている。
【００７６】
温度に応じて図６（ｃ）に示すように大きさが変化する電圧がコントローラ３６のＡＤＣ５２に入力され、ＡＤ変換される。図６（ｃ）は、ＡＤ変換された値（ＡＤ変換値）とヒータ温度との関係を示している。
【００７７】
本実施形態では、ＡＤ変換値から温度を求めるためには、変換テーブルを用いる。変換テーブルは、ＡＤ変換値と温度との対応関係を前もって求め、ルックアップテーブルとしてＲＯＭに記憶されているデータである。本実施形態では、取り得る全てのＡＤ変換値に対して温度のデータを割り当てる代わりに、特定のＡＤ変換値を温度データに割り当てている。このため、特定のＡＤ変換値から外れた中間的なＡＤ変化値については、補間計算によって適切な温度データを算出する。
【００７８】
図６（ｄ）は、ＡＤ変換値と温度との対応関係を示すグラフである。グラフ中の破線は、変換テーブルとして記録されたＡＤ変換値と、これに対応する温度との関係を模式的に示している。
【００７９】
なお、ヒータ抵抗Ｒｈの温度依存性は、図６（ｂ）に示す場合に限定されず、ヒータ抵抗Ｒｈから一義的に温度が定まるものであれば、どのようなものでもよい。例えば、ヒータ抵抗Ｒｈが温度の上昇にしたがって低下するような関係を有していてもよい。
【００８０】
次に、図７（ａ）から（ｄ）を参照しながら、ガスセンサ部１２の抵抗測定とヒータ１５の抵抗値計測・温度制御について、その詳細を説明する。
【００８１】
図７（ａ）は、本実施形態におけるヒータ温度の時間変化を模式的に示している。図７（ａ）からわかるように、本実施形態では、設定値（例えば７３０℃）よりも２０℃高い温度（「上限温度」）と、設定値よりも２０℃低い温度（「下限温度」）とによって規定される温度範囲からヒータ温度が外れないようにヒータの二位置制御を行っている。温度制御の方法は、二位置制御に限定されず、他の制御方法であってもよい。なお、上限温度および下限温度と設定値（中心値）との差は、上記の値に限定されない。
【００８２】
図７（ｂ）は、酸素濃度を計測するために行うガスセンサ部１２の抵抗測定タイミングを示している。ガスセンサ部１２の抵抗測定は、前述したように、図４の抵抗測定回路３４によって実行するが、この抵抗計測は所定の周期（本実施形態では５ｍｓ）で繰り返し実行する。
【００８３】
図７（ｃ）は、ヒータ１５のＯＮ／ＯＦＦ動作を示している。ヒータ１５を加熱してヒータ温度を上昇させるとき、ヒータ１５には電源（＋１２Ｖ）から加熱のための電流（加熱電流）が供給される（加熱モード）。一方、ヒータ１５の加熱を停止し、ヒータ温度を低下させるときは、ヒータ１５への加熱電流の供給は停止する（冷却モード）。加熱・冷却モードの切り替えは、図３に示すスイッチ４８によって行われる。
【００８４】
図７（ａ）および図７（ｃ）を比較するとわかるように、動作開始後、ヒータ１５には加熱電流が供給され、ヒータ１５は主としてＯＮ状態を取り、ヒータ温度が上昇してゆく（加熱モード）が、ヒータ温度が上限温度に達すると、ヒータ１５への加熱電流の供給を停止し、ヒータ１５をＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移させる（冷却モード）。その後、ヒータ温度が低下して下限温度に達したときは、ヒータ１５に対する加熱電流の供給を再開する（加熱モード）。このように加熱モードと冷却モードとを繰り返す温度制御を実行することにより、図７（ａ）に示す所定温度範囲内にヒータ温度を保持することができる。
【００８５】
なお、本実施形態では、ヒータ温度を上昇させる場合（加熱モード）でも、加熱電流の供給を周期的かつ短期的（本実施形態では１．３ｍｓ以下）に遮断している。このように加熱モードにおいてヒータ１５を周期的にＯＦＦする理由は、加熱モードにおけるヒータ温度を測定するためである。前述したように、ヒータ温度を測定するためには、ヒータ１５に定電流（例えば２０ｍＡの電流）を供給することによってヒータ１５の抵抗値を測定する必要がある。このため、ヒータ１５に対する加熱電流の供給を周期的に停止し、その停止期間内にヒータ温度を測定する。なお、ヒータ温度の測定に必要な時間は短く、本実施形態では０．３ｍｓ以下である。ヒータ１５への加熱電流の供給を停止している時間を充分短い値に設定できるため、加熱モードにおけるヒータ温度は周期的なＯＮ／ＯＦＦ動作の切り替えに影響されずに上昇し続ける。
【００８６】
一方、冷却モードでは、図７（ｃ）に示すように、ヒータは継続的にＯＦＦ状態にあるため、ヒータ１５の抵抗値は、任意の時間に測定することができる。ただし、本実施形態では、冷却モードにおいても所定の周期（５ｍｓ）でヒータ温度を検知している。ヒータ温度を計測するためには、ヒータ１５に定電流を流す必要があるが、この定電流の大きさは、加熱のための電流の比べて格段に小さく（１０％以下）、冷却モードの期間中に常にヒータ１５を流れていても、冷却作用に悪影響は及ばない。このため、本実施形態では、冷却モードの期間中、ヒータ１５の抵抗値を測定しないときでも常にヒータ１５に定電流を供給し続ける。
【００８７】
図７（ｅ）、（ｆ）、および（ｇ）は、図７（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）の図における一部を時間的に拡大して表示した図である。図７（ｅ）、（ｆ）、および（ｇ）からわかるように、本実施形態では、ガスセンサ部１２の抵抗値を計測するタイミング、ヒータのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミング、ヒータ１５の温度（抵抗値）を計測するタイミングが相互に時間軸上でシフトしている。この効果については、後に説明する。
【００８８】
次に、主として図８を参照しながら、本実施形態におけるガスセンサ抵抗およびヒータ温度計測のフローを詳しく説明する。
【００８９】
図８に示すように、本実施形態では、５ｍｓ毎に割り込みをかけることにより、ガスセンサ部１２の抵抗値を測定し、その後、以下に説明する一連の動作を実行する。「割り込み」は、コントローラ３６（図３参照）が基準クロック信号に同期して生成する割り込み信号によって行われる。
【００９０】
図８に示すように、割り込みがかかると、ステップＳ１１においてガスセンサ部１２の抵抗値が計測される（酸素センサ抵抗計測）。ガスセンサ部１２の抵抗値は、前述したように抵抗測定回路３４の働きによって計測される。その後、ステップＳ１２でヒータ１５の制御状態（加熱モードまたは冷却モード）が判定される。冷却モードにあるときは、ステップＳ１３に進み、ヒータ１５の抵抗値を計測することにより、ヒータ温度を決定する（温度変換）。ヒータ１５の抵抗値は、前述のように抵抗−電圧変換回路３２の働きによって計測される。図７（ｅ）および（ｇ）の右半分に示されるように、酸素センサの抵抗計測の後、ヒータの温度計測が実行される。
【００９１】
その後、図８に示すステップＳ１４において、ヒータ温度が予め設定された下限温度よりも低いか否かを判定し、ヒータ温度が下限温度よりも低くない場合（ＮＯ）は、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、ヒータをＯＦＦにしたまま、制御状態を「冷却モード」に設定し、割り込み回数をゼロにセットする。
【００９２】
冷却モードでは、５ｍｓ間隔で割り込みがなされるため、ヒータ温度が下限温度よりも小さくならない限り、上記の動作が５ｍｓの周期で繰り返されることになる。すなわち、冷却モードでは、５ｍｓ間隔でヒータ温度が測定されることになる（図７（ｄ）参照）
ステップＳ１４において、ヒータ温度が下限温度よりも低いと判定された場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０における動作は、後に説明する。
【００９３】
次に、ステップＳ１２でヒータの制御状態が「加熱モード」であると判定された場合のフローを説明する。この場合、ステップＳ１６に進み、割り込み回数のカウンタ値に対するインクリメントを行う。この後、ステップＳ１７において、割り込み回数が予め設定されている規定値以上に増加したか否かが判定される。規定値は例えば「６」に設定される。割り込み回数が規定値より小さいと判定された場合は、「ＥＮＤ」に進み、次の割り込みを待つことになる。この処理を繰り返すことにより、割り込み回数のカウンタ値が１ずつ増加し、やがて規定値に達することになる。
【００９４】
ステップＳ１７で割り込み回数が規定値以上であると判定されたときは、ステップＳ１８に進む。ステップＳ１８では、ヒータ１５を一時的にＯＦＦする。ヒータ１５をＯＦＦした時から１ｍｓの遅延時間が経過した後、ヒータ１５の抵抗値を計測し、ヒータ温度のデータに変換する。図７（ｅ）から（ｇ）の左半分を参照すると、加熱モードにおけるヒータ１５のＯＮ／ＯＦＦ切り替えのタイミングと、ヒータ温度計測のタイミングとの間に１ｍｓのズレがあることがわかる。ヒータ１５の温度計測・制御に要する時間は、せいぜい０．３ｍｓであるため、ヒータ１５をＯＦＦする期間を１．３ｍｓ以下に抑えることが可能である。
【００９５】
次に、図８に示すステップＳ１９において、ヒータ温度が上限温度を超えているか否かが判定される。ヒータ温度が上限温度を超えていないと判定された場合（ＮＯ）、ステップＳ２０に進み、ヒータ１５の制御状態を「加熱モード」に設定し、割り込み回数のカウンタ値をゼロに設定する。その後、上述の規定値に達するまで割り込みを受けた後、同様の処理（ヒータ温度の測定など）を行うことになる。本実施形態では、規定値を「６」に設定しているため、５ｍｓ×６＝３０ｍｓの周期で、ヒータ１５の温度計測が実行されることになる。規定値は他の整数に設定されていてもよい。
【００９６】
このように加熱モードにあるときは、周期的にヒータをＯＦＦ状態にし、ヒータがＯＦＦ状態にある短い間にヒータ温度を計測する。加熱モードにおいてヒータ温度を計測する周期は、冷却モードにおいてヒータ温度を計測する周期（５ｍｓ）と一致している必要は無く、本実施形態では上述のように３０ｍｓである。
【００９７】
ステップＳ１９でヒータ温度が上限を超えていると判定された場合（ＹＥＳ）はステップＳ１５に進み、ヒータの制御状態を「冷却モード」に切り替える。なお、前述した冷却モードのステップＳ１４において、ヒータ温度が下限温度よりも低いと判定された場合（ＹＥＳ）にはステップＳ２０に進み、ヒータの制御状態が「加熱モード」に設定される。こうして、ヒータ温度の二位置制御が行われ、ヒータ温度は上限温度と下限温度との間に適切に調節されることになる。
【００９８】
本実施形態では、５ｍｓ周期で発生する割り込み信号に同期して、ガスセンサ部１２による酸素濃度測定とヒータ１５の温度計測とを実行している。ただし、図７（ｅ）から（ｇ）に示すように、ガスセンサ抵抗計測（酸素濃度測定）のタイミングとヒータのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミングとの間に時間差を設けているため、図９に示すようにヒータのＯＮ／ＯＦＦ切り替えに伴う電気ノイズが発生しても、ガスセンサ部１２による計測に悪影響を及ぼすことが無い。この結果、精度の高い酸素濃度の測定が可能になる。
【００９９】
特に本実施形態のように、ヒータ１５の抵抗値計測のため、加熱モードでもヒータ１５のＯＮ／ＯＦＦ切り替えを周期的に行う場合には電気ノイズが頻繁に発生するため、ガスセンサ部１２によるガス濃度計測のタイミングとヒータ１５のＯＮ／ＯＦＦ切り替えタイミングとをずらすことによる効果が顕著に現れる。ガスセンサ部１２によるガス濃度計測のタイミングとヒータ１５のＯＮ／ＯＦＦ切り替えタイミングとの間の時間的なずれは、５００マイクロ秒（μｓ）以上２ミリ秒（ｍｓ）以下の範囲に設定されることが好ましい。
【０１００】
前述のように本実施形態では、加熱モードにおいて３０ｍｓ間隔でヒータ温度を計測しているが、冷却モードにおいては５ｍｓ間隔でヒータ温度を計測している。これらの時間間隔（計測周期）は、割り込み信号の周期の整数倍であれば、上記の値以外の値をとってもよい。なお、本実施形態における割り込み信号の周期は、酸素濃度計測の周期（測定インターバル）に相当しており、例えば３ｍｓ〜１０ｍｓの範囲内の値に設定され得る。
【０１０１】
温度制御を本実施形態のように高い精度で実行するためには、ヒータ温度の計測周期（測定インターバル）を５０ｍｓ以下に設定することが好ましい。ヒータ温度の計測周期は、加熱モードと冷却モードで等しい大きさに設定されている必要は無いが、加熱モードでは、ヒータ温度の計測周期を短くしすぎると、加熱モードにおけるヒータの発熱時間が相対的に短くなる（ＯＮデューティ比が短くなる）ため好ましくない場合がある。
【０１０２】
以上詳しく説明してきたように、本実施形態では、ヒータ１５に供給する電流の変化のタイミングとガスセンサ部１２による検出動作とが同期しており、しかも、両者の間に時間的なずれが存在するため、ヒータ１５のＯＮ／ＯＦＦ動作に切り替えに伴って電気ノイズが頻繁に発生しても、ガスセンサ部１２による検出エラーが生じない。このため、ヒータ温度を適切な範囲に制御しつつ、高い精度でガス濃度測定を実行できる。
【０１０３】
また、本実施形態のガス検出装置の制御装置は、特別な温度検出素子を用いることなくヒータ温度を検知し、センサ温度を適切に制御するため、高い検出精度で動作することができる。ヒータやガスセンサの抵抗値を測定するため、本実施形態では、抵抗−電圧回路３２や抵抗測定回路３４を用いているが、その構成は図面を参照しながら説明した具体例に限定されない。また、温度に応じて変化するヒータの抵抗値は、一定の電圧をヒータに印加した状態でヒータを流れる電流を測定しても測定することができる。このため、図３に示す抵抗−電圧変換回路３２に代えて抵抗−電流変換回路を用いるように構成を変更しても良い。そのほか、図３から図８を参照しつつ説明した構成は、本発明の好ましい実施形態の一例であり、公知技術を用いて種々に改変することが可能である。
【０１０４】
次に、図１０（ａ）、（ｂ）および図１１を参照しながら、酸素センサ１０を実際に内燃機関の排気管に取り付けるための構成を説明する。
【０１０５】
酸素センサ１０は、図１０（ａ）および図１１に示すように、基板１１の基端部において第１のハウジング２０に保持されている。基板１１を保持する（固定する）ためのこの第１のハウジング１０は、例えばセラミックから形成されている。酸素センサ１０は、さらに、第１のハウジング２０ごと第２のハウジング２１に保持されている。第２のハウジング２１は、例えばステンレスから形成されている。第２のハウジング２１の表面には、ねじが切られており、第２のハウジング２１は、このねじに螺合するナット２２によって排気管に固定される。実際の使用に際しては、図１０（ｂ）に示すように、酸素センサ１０を覆うように保護キャップ２５が設けられる。酸素センサ１０による検出結果は、検出線２４を介して制御装置に出力される。第１のハウジング２０内は、充填材（例えばタルク粉末）２３によって気密封止がなされている。
【０１０６】
なお、本実施形態では、抵抗型のセンサを例として本発明を説明したが、本発明は、これに限定されず、種々のセンサに用いられる。例えば、特開平８−１１４５７１号公報に開示されているような、固体電解質を用いたセンサにも用いられる。抵抗型のセンサは、動作温度に敏感であるため、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ動作を頻繁に切り替えることにより、測定精度を向上させる必要があり、ノイズによる検出誤差が発生しやすくなるため、本発明による効果が顕著に発揮されることになる。したがって、本発明は、特に抵抗型のセンサに用いるとその効果が高い。
【０１０７】
また、本発明は、酸素センサに限定されず、種々のガスを検出するためのセンサに用いられる。例えば、特開２００３−２６２５９９号公報に開示されているような、水素ガスセンサ、ＮＯｘ、炭化水素、有機化合物センサにも好適に用いられる。
【０１０８】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明したガス検出装置の制御装置を備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図１２は、本実施形態による自動二輪車の模式図である。自動二輪車３００は、本体フレーム３０１と内燃機関としてのエンジン１００とを備える。本体フレーム３０１の前端にヘッドパイプ３０２が設けられている。ヘッドパイプ３０２にはフロントフォーク３０３が左右方向に揺動可能に設けられている。また、フロントフォーク３０３の下端に前輪３０４が回転可能に支持されている。ヘッドパイプ３０２の上端にはハンドル３０５が取り付けられている。
【０１０９】
本体フレーム３０１の後端上部から後方に伸びるようにシートレール３０６が取り付けられている。本体フレーム３０１の上部には燃料タンク３０７が設けられ、シートレール３０６上にメインシート３０８ａおよびタンデムシート３０８ｂが設けられている。また、本体フレーム３０１の後端に後方へ伸びるリアアーム３０９が取り付けられている。リアアーム３０９の後端に後輪３１０が回転可能に支持されている。
【０１１０】
本体フレーム３０１の中央部にはエンジン１００が保持されている。エンジン１００の前部にはラジエター３１１が取り付けられている。エンジン１００の排気ポートには排気管３１２が接続されている。以下において詳細に説明するように、排気管にはエンジン１００に近い順に酸素センサ１０２、三元系触媒１０４および消音器１０６が設けられている。酸素センサ１０２には、第１の実施形態で説明した酸素センサ１０が用いられる。酸素センサ１０２のセンサ部の表面は排気管３１２の排気ガスが通過する通路内に露出しており、排気ガス中の酸素を検出する。酸素センサ１０２には、図１に示すヒータ１５が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはこれらのヒータ１５によりガスセンサ部１２が昇温されることによって、ガスセンサ部１２の検出感度が高められる。また、前述した制御方法により、ガスセンサ部１２の温度が所定範囲内に維持されるため、検出制度が向上する。
【０１１１】
エンジン１００には、変速機３１５が連結されており、変速機３１５の出力軸３１６は駆動スプロケット３１７に取り付けられている。駆動スプロケット３１７はチェーン３１８を介して後輪３１０の後輪スプロケット３１９に連結されている。
【０１１２】
図１３は、エンジン１００の制御系の主要な構成を示している。エンジン１００のシリンダ１０１には吸気弁１１０、排気弁１０６および点火プラグ１０８が設けられている。またエンジンを冷却する冷却水の水温を計測する水温センサ１１６が設けられている。吸気弁１１０は、空気吸入口をもつ吸気管１２２に接続されている。吸気管にはエアーフローメータ１１２、スロットルバルブのスロットルセンサ１１４および燃料噴射装置１１１が設けられている。このように燃焼室ではなく吸気管１２２内に燃料を噴射する場合には、始動時の空燃比を適切にコントロールすることが難しくなる。
【０１１３】
エアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４、燃料噴射装置１１１、水温センサ１１６、点火プラグ１０８およびガスセンサ１０２は、マイクロコンピュータを内蔵するエンジン制御装置１１８に接続されている。エンジン制御装置１１８には自動二輪車３００の速度を示す車速信号１２０も入力される。
【０１１４】
図示しないセルモータによって、ライダーがエンジン１００を始動させると、コンピュータはエアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４および水温センサ１１６から得られる検出信号および車速信号１２０に基づき、最適な燃料量を計算し、計算結果に基づいて、燃料噴射装置１１１へ制御信号を出力する。燃料噴射装置１１１から噴射される燃料は、吸気管１２２から供給される空気と混合され、適切なタイミングで開閉される吸気バルブ１１０を介してシリンダ１０１へ噴出される。シリンダ１０１において噴出された燃料は燃焼し、排気ガスとなって排気弁１０６を介して排気管３１２へ導かれる。
【０１１５】
排気ガス中の酸素は、酸素センサ１０２により、エンジン制御装置１１８の抵抗測定回路が検出する。エンジン制御装置１１８は、酸素センサ１０２の抵抗値に基づいて酸素濃度を求め、空燃比が理想空燃比からどの程度ずれているかを判断する。そして、フローメター１１２およびスロットルセンサ１１４から得られる信号によって定まる空気量に対して、理想空燃比となるように燃料噴射装置１１１から噴出する燃料量を制御する。
【０１１６】
本実施形態の自動二輪車によれば、適切な温度範囲に制御されるヒータを備え、かつ、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ切り替えに伴う電気ノイズによってガス検出にエラーが生じることを抑制できるため、エンジンの始動時において排気ガスの温度が低い場合や、排気ガスの温度が変動した場合においても、優れた検出精度で排気ガス中の酸素濃度およびその変化を検出することができる。このため、常に適切な空燃比で燃料および空気を混合し、最適な条件で燃料を燃焼させることができ、排気ガス中のＮＯｘをはじめ規制物質の濃度を低減することができる。また、燃費の向上をはかることも可能である。
【０１１７】
なお、本実施形態では、自動二輪車を例示して説明を行ったが、本発明の車両は四輪自動車などの他の自動車両であってもよい。また、内燃機関はガソリンエンジンに限られず、ディーゼルエンジンであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明によると、ヒータの温度制御に伴うノイズが発生しても、センサの検出誤差を防止することができ、ガス濃度の高精度測定が可能になる。このため、本発明によるガス検出装置の制御装置、空燃比制御装置、および内燃機関は、測定対象となるガスの温度が大きく変化し得る用途に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明によるガス検出装置の制御装置の実施形態に用いられる酸素センサ素子の一例を示す分解斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す酸素センサの模式断面図であり、（ｂ）は、酸素センサの他の断面構成を示す模式断面図である。
【図３】本発明によるガス検出装置の制御装置の実施形態におけるエンジン制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】上記実施形態における抵抗測定回路３４の構成を示す回路図である。
【図５Ａ】上記実施形態で行うセンサ抵抗の計測手順を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】抵抗測定回路３４の基準抵抗切り替えアルゴリズムを示す図である。
【図６】（ａ）は、上記実施形態における抵抗−電圧変換回路３２の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、ヒータ１５の抵抗値とヒータ温度との関係を示すグラフであり、（ｃ）は、ＡＤＣ５２に入力される電圧（抵抗−電圧変換回路３２の出力）と温度との関係を示すグラフであり、（ｄ）は、ヒータ温度（温度データ）とＡＤＣ５２の出力（Ａ変換値）との関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）は、上記実施形態におけるヒータ温度の時間変化を示すグラフであり、（ｂ）は、ガスセンサの抵抗値を計測するタイミングを示す図であり、（ｃ）は、ヒータのＯＮ／ＯＦＦを示す図であり、（ｄ）は、ヒータ温度を計測するタイミングを示す図である。（ｅ）、（ｆ）、および（ｇ）は、上記（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）の図における一部を時間的に拡大して表示した図である。
【図８】図７に示す動作の制御手順を示すフローチャートである。
【図９】ヒータのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるタイミングと、ガスセンサ部の抵抗値を計測するタイミングとを示す図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す斜視図であり、（ａ）は保護キャップを外した状態を示し、（ｂ）は保護キャップを付けた状態を示している。
【図１１】酸素センサ１０を排気管に固定するための構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明の好適な実施形態の自動二輪車の例を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す自動二輪車におけるエンジンの制御系を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１０、１０２    酸素センサ（ガスセンサ）
１１            基板
１２            センサ部
１３ａ、１３ｂ  電極
１４            ガス感応層（酸化物半導体層）
１５            ヒータ
１７ａ〜１７ｄ  電圧印加用の電極
２０            第１のハウジング
２１            第２のハウジング
２２            ナット
２３            充填材
２４            検出線
２５            保護キャップ
３０            エンジン制御装置
３２            抵抗−電圧変換回路（ヒータ抵抗測定回路）
３４            抵抗測定回路（ガスセンサ抵抗測定回路）
３４ａ          オペアンプ（増幅回路）
３４ｂ          ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
３６            コントローラ
３８            センサ入力回路
４０            アクチュエータ出力回路
４２            定電流回路
４４            電源回路
４６            ポート
４８            スイッチ
５０            セレクタ
５２            ＡＤコンバータ（ＡＤＣ）
５４            ポート
５６            データバスライン
１００            エンジン
３００          自動二輪車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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