(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のガス通路に設けられ、固体電解質体を有してなるセンサ素子をヒータにより加熱して活性状態とするガスセンサのヒータ制御装置であって、
前記ガスセンサについて工場出荷前か工場出荷後かを判定し、その際、工場出荷後には生じ得ない特定信号を入力することで工場出荷前であるものと判定する判定手段と、
該判定の結果に基づいて、工場出荷前と工場出荷後とで異なるヒータ通電制御を実行する制御手段と、
を備えることを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、工場出荷前であれば、前記センサ素子の早期活性化を優先する第１通電制御を実行し、工場出荷後であれば、前記センサ素子の保護を優先する第２通電制御を実行することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項３】
前記第１通電制御は、ヒータ通電の開始当初から制限なく前記ヒータに電力を投入するものであり、
前記第２通電制御は、ヒータ通電の開始当初に電力制限を行うものであることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記特定信号を、該特定信号を出力する外部装置から入力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項５】
前記ガスセンサは、シート状の固体電解質層にヒータ層を積層配置した積層型ガスセンサであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガスセンサのヒータ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のガス通路に設けられるガスセンサのヒータ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関のガス通路（例えば排気管など）には、Ｏ2センサなどのガスセンサが設けられている。ガスセンサは、例えば数１００℃まで昇温されることで活性状態となり、この活性状態でガス濃度を高い精度で検出可能になる。このため、ガスセンサにおいては、一般に電気式ヒータが付設されており、ヒータの発熱によりセンサ素子を活性状態とするとともに、その活性状態を保持する。
【０００３】
その一方、センサ素子の活性化にあたり、内燃機関の始動時において低温環境下では、ガス通路内で生じる水が原因で、加熱開始当初に素子割れが発生するおそれがある。そこで、素子割れを防止するために、ガスセンサのヒータ通電制御では、被水対策として、センサ素子の活性化が完了するまでの間にセンサ素子が急激に加熱されないよう、内燃機関の始動時にヒータ投入電力の制限が行われている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１０６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ガスセンサの工場出荷前には、センサ出力特性等の検査が行われることがある。この検査工程では、一般に温度管理された状態下で行われるため、センサ素子の被水は起こりにくい。このように被水対策が不要な状況下においてヒータ投入電力の制限を行うとすると、センサ活性終了までに無駄に時間がかかってしまい、検査工程が長引いてしまう。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、工場出荷前におけるガスセンサの検査工程において、該検査工程の時間短縮を図ることができるガスセンサのヒータ制御装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【０００７】
本発明のガスセンサのヒータ制御装置は、内燃機関のガス通路に設けられ、固体電解質体を有してなるセンサ素子をヒータにより加熱して活性状態とするガスセンサのヒータ制御装置である。また、第１の構成では特に、前記ガスセンサについて工場出荷前か工場出荷後かを判定し、該判定の結果に基づいて、工場出荷前と工場出荷後とで異なるヒータ通電制御を実行する。
【０００８】
要するに、工場出荷後に市場に出回ったガスセンサは、その使用環境が都度異なる。例えば低温環境下では、内燃機関のガス通路内（例えば排気管内）に水が生じ、その水がガスセンサに付着することがある。ガスセンサが被水した場合にセンサ素子を急速に加熱すると、その水が原因で、内燃機関の始動時等の加熱開始当初において素子割れが発生するおそれがある。これを防止するために、ガスセンサのヒータ制御では、被水対策として、内燃機関の始動時等にヒータ投入電力の制限が行われる。一方、工場出荷前には、一般に温度管理された一定の環境下で、センサ出力特性等の検査工程が行われる。この場合、被水対策が不要であるのにもかかわらず被水対策を行うとすると、不要な行為のために時間を要してしまうことになる。第１の構成では、工場出荷前には、工場出荷後とは異なるヒータ通電を行うことで、センサ活性完了までの時間の短縮を実現することができる。
【０００９】
なお、ここでいう「工場出荷」は、単体部品としてのガスセンサが製品として部品製造工場から出荷されることである以外に、ガスセンサが搭載された車両等が製品として車両製造工場から出荷されることである。
【００１０】
第２の構成では、工場出荷前であれば、前記センサ素子の早期活性化を優先する第１通電制御を実行し、工場出荷後であれば、前記センサ素子の保護を優先する第２通電制御を実行する。この場合、工場出荷前にはセンサ素子の早期活性が行われるため、センサ活性完了までの時間を短縮するのに好適である。
【００１１】
第３の構成では、前記第１通電制御は、ヒータ通電の開始当初から制限なく前記ヒータに電力を投入するものであり、前記第２通電制御は、ヒータ通電の開始当初に電力制限を行うものである。こうすることで、工場出荷前の検査工程等における時間短縮を容易に実現することができる。また、工場出荷前では、ヒータ通電の開始当初から制限なく電力投入することで、センサ活性状態で行われるセンサ出力特性の検査等を、過剰に時間をかけることなくいち早く実施できる点で好適である。
【００１２】
第４の構成では、工場出荷後には生じ得ない特定信号を入力することで工場出荷前であるものと判定することを特徴とする。こうすれば、ガスセンサについて工場出荷前か工場出荷後かを容易に区別することができる。また、特定信号を、通常制御で用いられる各種信号を組み合わせたものとした場合には、ガスセンサのヒータ制御装置に新たに特別な入力端子を設ける必要がなく好適である。特に、内燃機関のガス通路にガスセンサが配設されている（すなわち完成品としての車両に搭載されている）場合に、特定信号として通常制御で用いられる各種信号を組み合わせて利用することにより、工場出荷前と工場出荷後との区別を容易に行うことができ、実用上好ましい。
【００１３】
上記のように特定信号により工場出荷前か否かを判定する構成では、第５の構成のように、前記特定信号を、該特定信号を出力する外部装置から入力するものとしてもよい。本構成によれば、制御装置に対し、特定信号としての擬似的な信号を簡易にかつ迅速に入力させることができる。特に、ガスセンサが未だ内燃機関に取り付けられていない単品の状態で検査等を行う場合、特定信号を生成する手段として外部装置を好適に用いることができる。ここで、外部装置とは、例えばパーソナルコンピュータ等を挙げることができる。
【００１４】
第６の構成のように、前記ガスセンサは、シート状の固体電解質層にヒータ層を積層配置した積層型ガスセンサであることが望ましい。積層型ガスセンサの場合、内燃機関の始動時におけるセンサ活性時間が短く実用的である一方、急速な温度上昇により素子割れが発生しやすい。そこで、積層型ガスセンサに本発明を適用することで、上記効果を好適に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を具体化した実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態は、エンジンのガス通路（例えば排気管）にＯ2センサが設けられたシステムにおいて、そのＯ2センサに内蔵されるヒータの通電制御を実行するヒータ制御装置を具体化している。図１は、本実施形態におけるＯ2センサのヒータ制御装置の全体概略構成図である。ヒータ制御装置は、作動デューティによるヒータ投入電力の可変制御によりヒータの通電制御を実行する。
【００１６】
まずＯ2センサについて説明する。Ｏ2センサ２０は、ジルコニア（ＺｒＯ2）等の固体電解質層２１や絶縁層２２を積層してなる積層型のセンサ素子２３を有するλセンサである。センサ素子２３には一対の電極２４（詳しくは、固体電解質層を挟んで両側に設けた一対の電極）が設けられており、この電極間において大気中と排ガス中との酸素濃度の差により起電力を発生する。また、絶縁層２２にはヒータ２５が埋設されている。ヒータ２５は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体からなり、その発熱により素子全体を加熱する。これにより、センサ素子２３の活性化を図るとともに、センサ素子２３を所定の活性状態に保持する。
【００１７】
Ｏ2センサ２０におけるヒータ２５の通電制御は、電子制御ユニット１０（以下、ＥＣＵ１０という）により実行される。ＥＣＵ１０は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等よりなるマイクロコンピュータを主体として構成されており、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、その都度に入力される各種信号に応じた各種制御を実施する。具体的には、ＥＣＵ１０は、エンジン運転中にセンサ素子２３のインピーダンスを逐次算出し、その素子インピーダンス（すなわちセンサ素子２３の活性状態）に基づいてヒータ２５の通電制御を実施する。このとき、素子インピーダンスは、例えば掃引法を用いて算出される。具体的には、センサ素子２３の電極２４に電圧を印加するとともに、その印加電圧を一時的に正側又は負側に変化させ、その時の電流変化量を計測する。そして、電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスを算出する。
【００１８】
また、ＥＣＵ１０は、エンジンの通常制御に用いる各種信号を入力する。具体的には、ＥＣＵ１０は、エンジンに取り付けられたクランク角センサ３１からのエンジン回転速度ＮＥや、スロットル開度センサ３２からのスロットル開度、シフトポジションセンサ３３からのシフトポジション、Ｏ2センサ２０からのリーン又はリッチ信号などといった、各種センサから各種の検出信号を入力する。また、ＥＣＵ１０は、スタータスイッチ３４からのスタータ信号、イグニッションスイッチ３５からのオン信号、クラッチスイッチ３６からのオン信号などの各種動作信号等を入力する。
【００１９】
次に、ヒータ通電制御における基本制御について図２を用いて説明する。図２は、ヒータ通電の基本制御を示すタイムチャートであり、同図において（ａ）はイグニッションスイッチ３５からのオン／オフ信号を示し、（ｂ）はヒータ２５の通電パターンを示し、（ｃ）はヒータ通電の開始当初におけるセンサ素子２３の温度推移を示す。図２（ｂ）において、時刻ｔ１１でイグニッションスイッチ３５からのオン信号がＥＣＵ１０に入力されてバッテリ電源からヒータ２５への通電が開始されると、図２（ｃ）に示すように、ヒータ２５が昇温される。このとき、センサ素子２３が被水していると、センサ素子２３での急激な温度上昇に起因して素子割れが発生する。そこで、素子割れを防止するための被水対策として、時刻ｔ１１から規定時間Ｔ１（例えば１０秒）の間は、ヒータ通電に際し電力制限を行う。これにより、センサ素子２３は比較的緩やかに昇温される。ここで、電力制限としては、本実施形態では、ヒータ２５の作動デューディ比を小さくする（例えば作動デューティ比１００％（いわゆる全通電制御）を基準としてそれよりも小さい値にする）ことにより行う。
【００２０】
そして、規定時間Ｔ１が経過した後の時刻ｔ１２で、ヒータ通電での電力制限を解除し、ヒータ２５に対して制限なく電力投入する（例えば、全通電とする）ことで、素子温を活性化温度ＴＭＰ（例えば７００℃程度）まで昇温させ、センサ素子を活性状態とする。このように、基本制御では、センサ素子２３の被水対策として、通電開始当初は電力制限を行うことで、センサ素子２３の早期活性化よりもセンサ素子２３の保護を優先する。なお、センサ素子２３の活性化が一旦完了した後は、ヒータ２５が適宜通電されてその活性状態が保持される。このとき、活性状態を保持するには、作動デューティ比１００％（最大電力）でヒータ通電を継続して行ってもよいし、素子インピーダンスの目標値と実測値との偏差に基づいてヒータ通電量のフィードバック制御を行ってもよい。
【００２１】
ところで、車両の部品としてのＯ2センサ２０が製品として工場から出荷される前や、Ｏ2センサ２０が搭載された車両等が製品として工場から出荷される前に、Ｏ2センサ２０の出力特性等の検査が行われる場合がある。この場合、一般には工場内の温度管理された状態下で検査が行われるため、センサ素子２３の被水を考慮する必要がない。このような場合にまで、被水対策としてヒータ通電の開始当初に電力制限を行うとすると、センサ素子２３の活性化完了までの時間が長引いてしまい、検査に過剰な時間を要してしまう。
【００２２】
そこで、本実施形態では、Ｏ2センサ２０について工場出荷前か工場出荷後かを判定し、その結果に基づいて工場出荷前と工場出荷後とで異なるヒータ通電制御を実行する。これにより、工場出荷前に行うＯ2センサ２０の検査工程において、その検査工程の時間短縮を図る。具体的には、工場出荷後のようにセンサ素子２３の被水対策が必要な場合には、ヒータ通電の開始当初に電力制限を行うのに対し、工場出荷前のようにセンサ素子２３の被水対策が必ずしも必要でない場合には、ヒータ通電の開始当初から制限なくヒータ２５に電力を投入する。
【００２３】
図３は、Ｏ2センサ２０の工場出荷前におけるヒータ通電制御を示すタイムチャートである。図３のうち（ａ）はイグニッションスイッチ３５からのオン／オフ信号を示し、（ｂ）はヒータ２５の通電パターンを示し、（ｃ）はヒータ通電の開始当初におけるセンサ素子２３の温度推移を示す。なお、図３（ｃ）中、実線は工場出荷前のヒータ通電制御であり、二点鎖線は基本制御である。図３（ｂ）に示すように、工場出荷前のヒータ通電制御（以下、出荷前制御ともいう）においては、バッテリ電源からヒータ２５への通電開始タイミングである時刻ｔ２１から、ヒータ２５に対して制限なく電力投入される。ここでは、ヒータ２５に対し全通電制御を実施する。これにより、図３（ｃ）に示すように、ヒータ通電の開始当初での素子温は、出荷前制御では基本制御に比べて急激に上昇する。また、出荷前制御では、被水対策に要する図２の時間Ｔ１が短縮される分、センサ素子２３が速やかに活性状態とされる。
【００２４】
続いて、本実施形態のヒータ通電の処理手順を、図４のフローチャートを用いて説明する。この処理は、ＥＣＵ１０に電源が投入された状態で、同ＥＣＵ１０により所定の時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）で繰り返し実行される。具体的には、本実施形態におけるＯ2センサ２０及びＥＣＵ１０は、製造工場での検査時点で車両（例えば自動二輪車）に搭載されている。そして、図４のヒータ通電処理は、車両製造工場での最終検査工程における電源投入状態、及び車両完成後に伴う工場出荷後における車両運転時の電源投入状態にて実行される。
【００２５】
この一連の処理では、まずステップＳ１０１で、Ｏ2センサ２０について工場出荷前か否かを判定する。ここでいう工場出荷前とは、Ｏ2センサ２０及びＥＣＵ１０が搭載された車両が製品として車両製造工場から出荷される前のことをいう。ステップＳ１０１では、工場出荷前か否かの判断は、特定条件が成立しているか否かにより行う。特定条件とは、工場出荷後の車両において車両運転中に成立する可能性が極めて低いものと考えられる運転条件であり、通常のエンジン運転制御においてＥＣＵ１０に入力される各種信号を組み合わせたものとして設定されている。このため、特定条件が成立した場合には、この特定条件に関連する特定信号がＥＣＵ１０に入力される。つまり、通常のエンジン運転制御においてＥＣＵ１０に入力される信号の組み合わせとしてあり得ない信号情報を特定信号とし、その特定信号をＥＣＵ１０が入力することで、ＥＣＵ１０は、そのＯ2センサが工場出荷前のものであると判断する。特定条件としては、具体的には、例えば、
・所定のシフトポジション（例えば５速や６速）にある場合に、スタータスイッチ３４のオンオフの切り替えが所定時間内（例えば数秒内）に所定回数（例えば５回や６回）以上あったこと
・所定のシフトポジション（例えば５速や６速）にある場合に所定のスロットル操作が行われたこと
・所定のシフトポジション（例えば５速や６速）及び所定のエンジン回転速度（例えば数百ｒｐｍ）にある場合に、クラッチスイッチ３６のオンオフの切り替えが所定時間内（例えば数秒内）に所定回数（例えば５回や６回）以上あったこと
などのいずれかの条件とすることができる。
【００２６】
ステップＳ１０１で特定条件が成立しない場合には、Ｏ2センサ２０について工場出荷後であると判断し、ステップＳ１０２へ進み、イグニッションスイッチ３５のオン時から規定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。イグニッションオンから規定時間Ｔ１が経過していない場合には、ステップＳ１０３へ進み、センサ素子２３の被水対策として、全通電を基準にした電力制限を行いながら通電制御を実施する。そして、イグニッションオンから規定時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ１０２で肯定判定がなされ、ステップＳ１０４へ進み、ヒータ２５の全通電制御を実施する。このように、特定条件が不成立の場合には、ヒータ２５への通電開始当初に電力制限を行うことで、センサ素子２３の保護を図る。
【００２７】
これに対し、ステップＳ１０１で特定条件が成立した場合には、Ｏ2センサ２０について工場出荷前であると判断し、ステップＳ１０２及びＳ１０３の処理を実行することなくステップＳ１０４へ移行する。このように、工場出荷前にイグニッションオンされた場合（例えば、センサ出力特性等の最終検査工程時）には、ヒータ２５に対し、通電開始当初から全通電の状態とすることで、センサ素子２３の早期活性化を図る。なお、工場出荷前の最終検査工程で特定条件を成立させるには、Ｏ2センサ２０の検査者が車両を操作することで実現できる。
【００２８】
以上説明した本実施形態によれば、次の優れた効果が得られる。
【００２９】
Ｏ2センサ２０のヒータ通電制御においては、センサ素子２３の被水対策としてヒータ通電の開始当初に電力制限が行われており、従来は工場出荷前においても同様の電力制限が行われていた。しかしながら、工場出荷前のように、温度管理された環境下であるために被水のおそれがない場合にまで被水対策を行うものとすると、不要な行為のために時間を要してしまうことになる。これに対し、本実施形態では、Ｏ2センサ２０について工場出荷前であれば、ヒータ通電の開始当初から制限なくヒータ２５に電力を投入するため、センサ素子２３の活性化が完了するまでの時間を短縮することができる。
【００３０】
Ｏ2センサ２０における工場出荷前のヒータ通電制御では、ヒータ通電の開始当初から制限なくヒータ２５に電力を投入するため、センサ素子２３の活性化を速やかに行うことができる。これにより、工場出荷前の最終検査工程おける時間短縮を好適に図ることができる。
【００３１】
Ｏ2センサ２０について工場出荷前か工場出荷後かの判定は、例えばシフトポジション信号やスロットル開度センサ３２からの検出信号、スタータ信号、クラッチスイッチ３６のオン／オフ信号などといった、エンジンの通常制御でＥＣＵ１０に入力され得る各種信号を複数組み合わせることでその組み合わせとしてあり得ない信号（特定信号）を用いる構成としたため、両者の区別を容易に行うことができる。また、特定信号はエンジンの通常制御でＥＣＵ１０に入力される各種信号を組み合わせたものであることから、ＥＣＵ１０に新たに特別な入力端子を設ける必要がない。さらに、エンジンの排気管にＯ2センサを搭載した後であっても、通常制御で用いられる各種信号であればＥＣＵ１０がその信号を認識できるため、工場出荷前と工場出荷後との区別を容易に行うことができ、実用上好ましい。
【００３２】
積層型Ｏ2センサの場合、エンジンの始動後におけるセンサ活性時間が短く実用的である一方、急速な昇温により素子割れが発生しやすい。本実施形態では、積層型Ｏ2センサに適用したことから、上記の各種の効果を好適に得ることができる。
【００３３】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
【００３４】
上記実施形態では、製造工場での検査工程でＯ2センサ２０及びＥＣＵ１０が車両に搭載されていることを想定し、その状態でヒータ制御が実施されることを説明したが、車両に搭載される前の単体部品としてのＯ2センサ２０について本発明のヒータ制御を実施してもよい。こうすれば、Ｏ2センサ２０が製品として工場出荷される前に行われるセンサ出力特性等の検査工程においても、時間の短縮を図ることができる。
【００３５】
上記実施形態では、工場出荷前の検査工程で特定条件を成立させるには、Ｏ2センサ２０の検査者が車両を操作することにより行うものとしたが、これに限定しない。例えば、図５に示すように、特定条件を成立させるための特定信号を、パーソナルコンピュータ等の外部装置４０からＥＣＵ１００に入力させてもよい。ＥＣＵ１００においては、外部装置４０用の接続端子が設けられている。パーソナルコンピュータ等からなる外部装置４０であれば、特定信号すなわちエンジンの通常制御でＥＣＵ１００に入力され得る複数信号を組み合わせたものを、実際に車両を操作することなく容易に作り出すことが可能である。したがって、上記構成とすることで、特定条件を成立させるための車両の操作を実際に行うことなく、該操作をしているのと同様の信号を擬似的な信号として外部装置４０からＥＣＵ１００に入力させることができる。これにより、ＥＣＵ１００への特定信号の入力を、煩雑な操作を必要とすることなく簡易にかつ迅速に行うことができる。特に、Ｏ2センサ２０が未だエンジンに取り付けられていない単品の状態で検査工程を実施する場合、特定信号を生成する手段として外部装置４０を好適に用いることができる。
【００３６】
上記実施形態では、特定信号として、通常のエンジン運転制御においてＥＣＵ１０に入力される種々の信号を組み合わせたものを用いて工場出荷前か否かを判断したが、このような特定信号の代わりに、工場出荷前の検査工程で入力される信号として予め規定された専用信号により工場出荷前か否かを判断してもよい。特定信号が専用信号であれば、工場出荷後に入力される可能性が上記実施形態の特定信号よりも低いため、工場出荷前と工場出荷後とをより確実に区別することができる。
【００３７】
上記実施形態では、ガスセンサとしてＯ2センサ２０を適用したが、一対の電極に電圧が印加された状態で排ガス中の酸素濃度に応じた電流を流す広域検出タイプのＡ／Ｆセンサ（Ａ／Ｆ：空燃比）に適用してもよい。また、Ｏ2センサ以外のガスセンサ（例えばＣＯセンサやＮＯｘセンサなど）に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】Ｏ2センサのヒータ制御装置の全体概略構成図。
【図２】ヒータ通電の基本制御を示すタイムチャート。
【図３】Ｏ2センサの工場出荷前におけるヒータ通電制御を示すタイムチャート。
【図４】ヒータ通電処理のフローチャート。
【図５】別の実施形態におけるＯ2センサのヒータ制御装置の全体概略構成図。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１００…ヒータ制御装置としてのＥＣＵ、２０…Ｏ2センサ、２３…センサ素子、２５…ヒータ、４０…外部装置。
【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５】
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