(57)【要約】【課題】センサ素子の各セルの温度を好適に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させる。【解決手段】ＮＯｘセンサは、ポンプセル４１、モニタセル４４及びセンサセル４５を有するセンサ素子２０を備え、かつ、ポンプセル４１でガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を所定濃度レベルに調整するとともにセンサセル４５でポンプセルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度を検出する。センサ素子２０は、ポンプセル４１を加熱する第１ヒータ３３と、センサセル４５を加熱する第２ヒータ３４とを有する。マイコン５１は、第１ヒータ３３の通電と第２ヒータ３４の通電とを各々制御する。【選択図】      図１
2009145235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有するセンサ素子を備え、かつ、前記第１セルでガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を所定濃度レベルに調整するとともに前記第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度を検出するガスセンサに適用されるヒータ制御装置において、
前記センサ素子に、前記第１セルを加熱する第１ヒータ部と、前記第２セルを加熱する第２ヒータ部とが設けられる一方、
前記第１ヒータ部の通電と前記第２ヒータ部の通電とを各々制御する通電制御手段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】
前記ガスセンサは、前記センサ素子が排気管内中央部に突き出るようにして内燃機関の排気管に取り付けられ、
前記センサ素子には、同素子の先端側と排気管取り付け側とのそれぞれ異なる位置に前記第１セルと前記第２セルとが設けられ、
前記第１セルと前記第２セルとにそれぞれ対向させて前記第１ヒータ部と前記第２ヒータ部とが設けられている請求項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セルのインピーダンスを検出する手段と、
前記第２セルのインピーダンスを検出する手段と、を備え、
前記通電制御手段は、前記第１セルのインピーダンス検出値に基づいて前記第１ヒータ部の通電を制御するとともに、前記第２セルのインピーダンス検出値に基づいて前記第２ヒータ部の通電を制御する請求項１又は２に記載のガスセンサのヒータ制御装置。
【請求項４】
前記通電制御手段は、前記ガスセンサの使用開始当初の所定始動期間において、前記第１セルの通常の活性温度よりも高温側の目標温度に基づいて前記第１ヒータ部の通電を制御する請求項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】
前記第１ヒータ部及び前記第２ヒータ部にそれぞれヒータ駆動回路が接続され、
前記通電制御手段は、前記第１ヒータ部用の駆動回路、及び前記第２ヒータ部用の駆動回路に対してそれぞれ通電制御信号を出力して各ヒータ部の通電を制御する請求項１乃至４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６】
前記第１ヒータ部と前記第２ヒータ部とが直列に接続され、その直列回路の両端間にヒータ駆動回路が接続される一方、前記第１ヒータ部及び前記第２ヒータ部の少なくともいずれかに並列に電流調整回路が接続され、
前記通電制御手段は、前記ヒータ駆動回路に対して通電制御信号を出力するとともに、前記電流調整回路に対して電流調整信号を出力して各ヒータ部の通電を制御する請求項１乃至４のいずれか一項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、ガスセンサのヒータ制御装置に関するものであり、特に、ガス室（チャンバ）内の酸素量を所定濃度レベルに調整する酸素ポンプセルと、その酸素量調整後のガスから特性成分の濃度（例えばＮＯｘ濃度）を検出するセンサセルとを有するガスセンサについて同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】
従来から、例えば、車載エンジンの排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出する限界電流式のＮＯｘセンサが知られている。このＮＯｘセンサは、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる３セル構造（又は、ポンプセル及びセンサセルの２セル構造）を有し、ポンプセルでは、ガス室内に導入した排気中の酸素の排出又は汲み込みが行われ、センサセルでは、ポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度が検出される。また、モニタセルでは、ガス室内の余剰酸素量が検出される。さらに、ＮＯｘセンサにおいては、上記の各セルを所定の活性温度に保持するためのヒータが設けられている。この場合、各セルが設けられる固体電解質素子の抵抗値（素子インピーダンス）が検出され、その素子インピーダンスが活性温度相当の値になるようヒータの通電が制御される。より具体的には、ポンプセル又はモニタセルの何れかについて素子インピーダンスが検出され、その素子インピーダンスの検出値と目標値との偏差に応じてヒータ通電がフィードバック制御される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−３７２５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、センサ素子では、同素子のセンサ取り付け部位で排気管への熱放出がなされること等に起因して温度勾配が生じる。すなわち、センサ素子の先端側に比して、それよりも基端側（排気管取り付け部位側）は低温となる。加えて、その温度勾配は、エンジン始動に伴う排気管温度の上昇時などにおいてその温度変化に依存して変動することも考えられる。それゆえに、上記のとおりポンプセル又はモニタセルの素子インピーダンスに基づいてヒータ通電制御を実行し、それにより各セルを一様に加熱する構成では、各セルの温度にばらつきが生じることが懸念される。
【０００４】
かかる場合、ポンプセルの温度を一定に保つようヒータ通電制御を実行すると、センサ素子の温度勾配変化に伴いモニタセル温度にばらつきが生じる。他方、モニタセルの温度を一定に保つようヒータ通電制御を実行すると、センサ素子の温度勾配変化に伴いポンプセル温度にばらつきが生じる。センサ素子の出力特性は温度特性を有するため、ポンプセル温度又はモニタセル温度がばらつくと、センサ出力に誤差が生じ、ガス濃度の検出精度低下を招くおそれがあった。
【０００５】
本発明は、センサ素子の各セルの温度を好適に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させ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ものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
【０００７】
本発明におけるガスセンサは、第１セル及び第２セルを有してなるセンサ素子を備え、これら各セルの働きにより被検出ガス中の特定成分の濃度が検出される。また、請求項１に記載の発明では、センサ素子に、第１セルを加熱する第１ヒータ部と、第２セルを加熱する第２ヒータ部とが設けられており、それら各ヒータ部の通電を制御する通電制御手段を備えることを特徴としている。
【０００８】
上記構成によれば、センサ素子の第１，第２セルが各々個別のヒータ部により加熱されるため、各セルの温度を任意に調整することができる。したがって、セルごとに温度変動要因が存在していても、各セルをそれぞれ所望の温度に加熱することができる。すなわち、単一のヒータにより各セルを一様に加熱する従来技術では、センサ素子の温度勾配変化に対処できず、少なくともいずれかのセルで温度ずれ（温度誤差）が生じるが、本発明によれば、各セルでの温度ずれを抑制できる。その結果、センサ素子の各セルの温度を好適に制御し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができる。
【０００９】
内燃機関の排気管に設けられ、排気中の特定成分の濃度（ＮＯｘ濃度等）を検出するガスセンサでは、同ガスセンサが、センサ素子が排気管内中央部に突き出るようにして内燃機関の排気管に取り付けられる。そして、センサ素子に、同素子の先端側と排気管取り付け側とのそれぞれ異なる位置に第１セルと第２セルとが設けられる構成において、第１セルと第２セルとにそれぞれ対向させて第１ヒータ部と第２ヒータ部とが設けられているとよい。センサ素子が長尺状をなす場合には、その長手方向に並べて第１，第２ヒータ部がそれぞれ設けられる。
【００１０】
要するに、第１ヒータ部、第２ヒータ部は、第１セル、第２セルにそれぞれ近接した位置に対向配置される。したがって、第１ヒータ部による第１セルの加熱、及び第２ヒータ部による第２セルの加熱をそれぞれ好適に行わせることができる。
【００１１】
なお、第１ヒータ部及び第２ヒータ部は、別々に設けられた熱線にてそれぞれ構成されているとよい。又は、同一の（１本の）熱線のうち一部が第１ヒータ部、他部が第２ヒータ部とされて構成されていてもよい。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、第１セルのインピーダンスと第２セルのインピーダンスとがそれぞれ検出される。そして、第１セルのインピーダンス検出値に基づいて第１ヒータ部の通電が制御され、第２セルのインピーダンス検出値に基づいて第２ヒータ部の通電が制御される。
【００１３】
上記構成によれば、センサ取り付け相手である排気管などに対する熱伝導が原因で、特定のセルについて温度が低下し、それに伴い同セルのインピーダンス増加が生じる場合にも、その変化を逐次検出してインピーダンス値を適正値に制御することができる。したがって、上記のとおりガス濃度の検出精度を向上させることができる。
【００１４】
センサ素子においては、センサ使用開始時にガス室内に酸素が残留していると、その残留酸素が原因でセンサ出力にオフセット誤差が生じる。そのため、センサ出力が安定するまでの時間が長引いてしまう。その対策として、請求項４に記載の発明では、ガスセンサの使用開始当初の所定始動期間において、第１セルの通常の活性温度よりも高温側の目標温度に基づいて第１ヒータ部の通電を制御することとしている。第１セルを通常の活性状態よりも高温状態とすることにより、ガス室の酸素排出が促進され、センサ出力のオフセット誤差を早期に解消することができる。したがって、センサ出力をいち早く安定させることができる。
【００１５】
第２セルの電極として白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等、酸素吸着能力を有する材料を用いている場合には、センサ使用開始時に同第２セルの電極に酸素が吸着しており、その吸着酸素によってもセンサ出力にオフセット誤差が生じる。この点、上記のとおりガスセンサの使用開始当初の所定始動期間において、第１セルの通常の活性温度よりも高温側の目標温度に基づいて第１ヒータ部の通電を制御することにより、吸着酸素の排出も早期に行われ、やはりセンサ出力のオフセット誤差を早期に解消することができる。
【００１６】
ちなみに、固体電解質体と一対の電極とよりなる第１セルは、いわゆる限界電流特性を有し、印加電圧に対して酸素濃度に応じた一定の電流信号を出力するフラット域（限界電流域）を有する。また、フラット域よりも高電圧側は、固体電解質体内の電子が強制的に流れる領域（電子伝導領域）となっており、同領域を用いて第１セルへの電圧印加を行うことで酸素の強制排出が可能となる。一方で、第１セルの温度が上昇すると、素子内部抵抗の低下に伴い出力特性（Ｖ−Ｉ特性）自体が立ち上がり、電子伝導領域での電圧印加が行われやすくなる。それゆえに、前記所定始動期間において、第１セル出力特性のフラット域よりも高電圧側で電圧印加が行われるように前記目標温度が高温側に設定されるとよい。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明では、第１ヒータ部及び第２ヒータ部にそれぞれヒータ駆動回路が接続されており、第１ヒータ部用の駆動回路、及び第２ヒータ部用の駆動回路に対してそれぞれ通電制御信号が出力されて各ヒータ部の通電が制御される。本構成によれば、例えば各ヒータ部に供給される電力が、ヒータ部ごとの駆動回路にて調整される。これにより、ヒータ部ごとに通電制御を実現でき、各セルの温度を好適に制御できる。
【００１８】
請求項６に記載の発明では、第１ヒータ部と第２ヒータ部とが直列に接続されるとともに、その直列回路の両端間にヒータ駆動回路が接続され、さらに第１ヒータ部及び第２ヒータ部の少なくともいずれかに並列に電流調整回路が接続されている。そして、ヒータ駆動回路に対して通電制御信号が出力されるとともに、電流調整回路に対して電流調整信号が出力されて各ヒータ部の通電が制御される。
【００１９】
上記構成によれば、例えば第１，第２ヒータ部に供給される電力がヒータ駆動回路により調整される。またこのとき、第１ヒータ部及び第２ヒータ部の少なくともいずれかに並列に接続された電流調整回路の電流値が適宜調整されることで、第１ヒータ部及び第２ヒータ部にそれぞれ流れる電流が調整され、結果として、ヒータ部ごとに個別に通電制御を実行できる。したがって、各セルの温度を好適に制御できる。電流調整回路としては、可変抵抗器や電流シンク回路が用いられるとよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジンの排気管に設けられたＮＯｘセンサを用い、そのＮＯｘセンサの出力に基づいて排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等）について、ＮＯｘセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサが設けられ、同ＮＯｘセンサの出力から算出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ浄化率）が所定の異常判定値を上回る場合に、ＮＯｘ浄化触媒が異常である旨診断される。
【００２１】
ＮＯｘセンサ１０の構成を図１〜図３を用いて説明する。ここではまず、図３を用いて、ＮＯｘセンサ１０の全体構成を説明する。
【００２２】
図３に示すように、ＮＯｘセンサ１０は、先端側カバー１１とハウジング１２と基端側カバー１３とを有し、全体として略円柱状をなす。そして、その内部に長尺状のセンサ素子２０が収容されている。ＮＯｘセンサ１０は、ハウジング１２にて排気管ＥＰの壁部に取り付けられるようになっており、その取り付けられた状態では先端側カバー１１が排気管ＥＰ内に配され、先端側カバー１１に設けられた複数の小孔（通気孔）１１ａを通じて排気がセンサ素子２０に供給されるようになっている。つまり、ＮＯｘセンサ１０は、センサ素子２０が排気管内中央部に突き出るようにして排気管ＥＰに取り付けられている。図中、「ＰＳ」は後述するポンプセルを示し、「ＳＳ」は後述するセンサセルを示す。センサ素子２０は、いわゆる積層型構造を有するものである。なお、図示は省略するが、先端側カバー１１は内外二重構造となっており、内外の各カバーには、センサ素子２０の被水防止対策として、その内外に互い違いとなる位置に、すなわち迷路状に複数の小孔１１ａが設けられている。
【００２３】
次に、センサ素子２０の構成を図１を用いて説明する。図１には、センサ素子２０の内部構造を示しており、図の左右方向が同素子の長手方向に相当する。すなわち、図の右側が素子基端側（排気管取り付け部位側）であり、図の左側が素子先端側となっている。センサ素子２０は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。
【００２４】
センサ素子２０において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体２１，２２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ２３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質体２１には排気導入口２１ａが形成されており、この排気導入口２１ａを介して当該センサ素子周囲の排気が第１チャンバ２４内に導入される。第１チャンバ２４は、絞り部２５を介して第２チャンバ２６に連通している。固体電解質体２１の図の上面には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層２７が設けられるとともに、大気通路２８を区画形成するための絶縁層２９が設けられている。
【００２５】
また、固体電解質体２２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層３１が設けられ、この絶縁層３１により大気通路３２が形成されている。
【００２６】
図の下側の固体電解質体２２には、第１チャンバ２４に対面するようにしてポンプセル４１が設けられており、ポンプセル４１は、第１チャンバ２４内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ２４内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル４１は、固体電解質体２２を挟んで設けられる上下一対の電極４２，４３を有し、そのうち特に第１チャンバ２４側の電極４２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘを分解し難い電極）となっている。ポンプセル４１は、電極４２，４３間に電圧が印加された状態で、第１チャンバ２４内に存在する酸素を分解して電極４３より大気通路３２側に排出する。
【００２７】
また、図の上側の固体電解質体２１には、第２チャンバ２６に対面するようにしてモニタセル４４及びセンサセル４５が設けられている。モニタセル４４は、上述したポンプセル４１により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ２６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル４５は、第２チャンバ２６内のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００２８】
モニタセル４４及びセンサセル４５は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第２チャンバ２６側に電極４６，４７を有するとともに、大気通路２８側に共通電極４８を有する構成となっている。すなわち、モニタセル４４は、固体電解質体２１とそれを挟んで対向配置された電極４６及び共通電極４８とにより構成され、センサセル４５は、同じく固体電解質体２１とそれを挟んで対向配置された電極４７及び共通電極４８とにより構成されている。モニタセル４４の電極４６（第２チャンバ２６側の電極）はＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル４５の電極４７（第２チャンバ２６側の電極）はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル４４及びセンサセル４５を排気の流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル４４，４５は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。
【００２９】
ここで、ポンプセル４１と、モニタセル４４及びセンサセル４５とは、センサ素子２０の長手方向に並べて設けられており、センサ素子２０の先端側にポンプセル４１が設けられ、同基端側（排気管取り付け側）にモニタセル４４及びセンサセル４５が設けられている。
【００３０】
また、絶縁層３１には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）が埋設されている。特に本実施形態では、各々別の熱線を用いて２つのヒータ３３，３４を設ける構成としている。この場合、一方のヒータ３３（以下、第１ヒータ３３ともいう）により、主としてポンプセル４１が加熱され、同ポンプセル４１の活性化が促進される。また、他方のヒータ３４（以下、第２ヒータ３４ともいう）により、主としてモニタセル４４及びセンサセル４５が加熱され、これら各セル４４，４５の活性化が促進される。ヒータ３３，３４は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。
【００３１】
ヒータ３３，３４の設置構造について図２により補足説明する。図２（ａ）（ｂ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図であり、それぞれの断面部位においてヒータ３３，３４が個別に設けられている。詳しくは、図２（ａ）に示すように、第１ヒータ３３は、通電により発熱する発熱部３３ａと、これに電気的に接続されたリード部３３ｂとを有し、これらがヒータ基材である絶縁層３１に埋設されている。また、図２（ｂ）に示すように、第２ヒータ３４は、通電により発熱する発熱部３４ａと、これに電気的に接続されたリード部３４ｂとを有し、これらがヒータ基材である絶縁層３１に埋設されている。
【００３２】
第１，第２ヒータ３３，３４は、各発熱部３３ａ，３４ａの素子長手方向における位置が相違し、発熱部３３ａはセンサ素子２０の先端側に、発熱部３４ａはセンサ素子２０の基端側に設けられている。この場合、発熱部３３ａはポンプセル４１に対向する位置に設けられるのに対し、発熱部３４ａはモニタセル４４及びセンサセル４５に対向する位置に設けられることとなっている。
【００３３】
上記構成のセンサ素子２０（ＮＯｘセンサ１０）では、排気は多孔質拡散層２７及び排気導入口２１ａを通って第１チャンバ２４に導入される。そして、この排気がポンプセル４１近傍を通過する際、ポンプセル電極４２，４３間にポンプセル印加電圧Ｖｐが印加されることで分解反応が起こり、第１チャンバ２４内の酸素濃度に応じてポンプセル４１を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ２４側の電極４２がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル４１では排気中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極４３から大気通路３２に排出される。こうしたポンプセル４１の働きにより、第１チャンバ２４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。
【００３４】
ポンプセル４１近傍を通過したガスは第２チャンバ２６に流れ込み、モニタセル４４では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル４４の出力は、モニタセル電極４６，４８間に所定のモニタセル印加電圧Ｖｍが印加されることでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極４７，４８間に所定のセンサセル印加電圧Ｖｓが印加されることでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極４８から大気通路２８に排出される。このとき、センサセル４５に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排気中のＮＯｘ濃度が検出される。
【００３５】
センサ制御回路５０はセンサ制御の主体となるマイコン５１を有しており、このマイコン５１により、ポンプセル４１の電極４２，４３間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル４４の電極４６，４８間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル４５の電極４７，４８間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン５１には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力され、マイコン５１は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。
【００３６】
上述したようにセンサ素子２０に２つのヒータ３３，３４を設けているのは、（１）センサ素子２０においてその長手方向に温度勾配（温度分布）が存在することと、（２）各セルで理想とする活性温度が相違することとを理由としている。特に（１）について補足説明する。
【００３７】
すなわち、上記のとおりＮＯｘセンサ１０は排気管に取り付けられており、センサ素子２０の熱がその基端側から排気管に放出されるため、センサ素子２０の先端側に対して同基端側が低温となる。したがって、上記（１）に記載したようにセンサ素子２０の長手方向において温度勾配が存在し、それに起因して、センサ素子２０の先端側のポンプセル４１が比較的高温となり、同基端側のモニタセル４４及びセンサセル４５とが比較的低温となる。
【００３８】
加えて、エンジンの冷間始動後には排気管の温度が徐々に上昇し、始動直後と暖機後とでは排気管の温度が相違する。この場合、素子基端側のモニタセル４４及びセンサセル４５の温度は排気管の温度に依存したものとなる。そのため、エンジン始動直後に排気管の温度が比較的低温であれば、モニタセル４４及びセンサセル４５も比較的低温となり、エンジンの暖機に伴い排気管の温度が上昇すれば、それに伴いモニタセル４４及びセンサセル４５の温度も上昇する。その結果、センサ素子２０においてその長手方向の温度勾配が変化する。
【００３９】
図４は、エンジン始動開始からの時間経過に伴うポンプセル温度、モニタセル温度、排気管温度の推移を示すタイムチャートである。なお図４には、既存のセンサ素子のようにセンサ素子に１つのヒータが設けられ、同ヒータについて、ポンプセル温度を一定に保つよう通電制御が実行される事例について図示している。
【００４０】
エンジン始動後、ヒータの通電制御が実行されることで、ポンプセル温度、モニタセル温度がそれぞれ上昇する。また、排気熱で加熱されることで、排気管の温度も常温付近から次第に上昇する。このとき、排気管温度の変化によってモニタセル温度が変化し、それに伴いポンプセルとセンサセルとの温度差（すなわち、センサ素子の温度勾配）が変動する。
【００４１】
本実施形態では、２つのヒータ３３，３４について各々独立して通電制御を実行することとしており、図１に示すように、センサ制御回路５０には、第１ヒータ３３を通電するための第１ヒータ駆動回路５３と、第２ヒータ３４を通電するための第２ヒータ駆動回路５４とが設けられている。これら各ヒータ駆動回路５３，５４は、それぞれヒータ印加電圧を可変とする印加電圧可変回路（可変電源）により構成されており、マイコン５１からの通電制御信号に応じてヒータ印加電圧が可変調整される。これにより、各ヒータ３３，３４について各々独立して通電制御が実行される。
【００４２】
マイコン５１は、ポンプセル４１とモニタセル４４とについて各々素子インピーダンスを検出する。そして、ポンプセルインピーダンスに基づいて第１ヒータ３３の通電制御を実行するとともに、モニタセルインピーダンスに基づいて第２ヒータ３４の通電制御を実行する。このとき、素子インピーダンスの検出値が目標値に一致するようインピーダンスフィードバック制御が実行される。ただし、エンジンの冷間始動当初（ＮＯｘセンサ１０のヒータ通電開始当初）においては、一時的にデューティ比＝１００％の全通電制御が実行され、それに引き続いてインピーダンスフィードバック制御が実行されるようになっている。
【００４３】
ちなみに、モニタセル４４とセンサセル４５とは近接配置されることから、素子インピーダンスが概ね同一であり、「第２セルのインピーダンス検出」として、モニタセル４４のインピーダンス検出を実施することとしている。ただし、モニタセルインピーダンスの検出に代えてセンサセルインピーダンスを検出する構成としてもよい。
【００４４】
本実施形態では、ポンプセル４１とモニタセル４４（及びセンサセル４５）とでそれぞれ目標とする活性温度を個別に設定している。ポンプセル４１については、目標の活性温度を７５０℃とし、その目標温度に相当するインピーダンス値を制御目標値としている。また、モニタセル４４（及びセンサセル４５）については、目標の活性温度を７００℃とし、その目標温度に相当するインピーダンス値を制御目標値としている。なお、ポンプセル４１の目標温度を７５０℃±１００℃とし、モニタセル４４（及びセンサセル４５）の目標温度を７００℃±１００℃とするのが好ましい。
【００４５】
また、ＮＯｘセンサ１０のセンサ素子２０では、エンジン停止中にチャンバ２４，２６内に酸素が残留するとともにセンサセル電極に酸素が吸着し、こうした残留酸素やセンサセル電極の吸着酸素が原因で、エンジン始動直後においてＮＯｘセンサ出力にオフセット誤差が生じるという問題がある。すなわち、センサセル４５において第２チャンバ２６側の電極４７（ＮＯｘ活性電極）は、白金ＰｔやロジウムＲｈ等、酸素吸着能力を有する材料を用いて構成されており、同電極４７にはエンジン停止後において酸素が吸着する。また、エンジン停止中には、チャンバ２４，２６内に、通常のセンサ使用状態に比して過剰に酸素が存在する。この場合、エンジン始動直後には、チャンバ２４，２６内の残留酸素やセンサセル電極の吸着酸素が排除できるまでの期間においてＮＯｘセンサ出力の精度が低下する。
【００４６】
そこで本実施形態では、エンジン始動直後において、ポンプセル４１による酸素くみ出しを促進することで、残留酸素やセンサセル電極の吸着酸素をいち早く排出し、それによってＮＯｘセンサ出力のオフセット誤差をいち早く解消することとしている。具体的には、エンジン始動直後において一時的に、ポンプセル４１を加熱するための第１ヒータ３３を通常の目標温度（例えば７５０℃）よりも高い温度で通電制御し、ポンプセル４１を通常時よりも高温状態とする。例えば、エンジン始動開始（ヒータ通電開始）から１〜３分程度の期間で、ポンプセル温度を「７５０＋５℃〜７５０＋５０℃程度」とする。かかる場合、ポンプセル４１が通常時よりも高温状態となることで、ポンプセル電流Ｉｐが増加し、残留酸素やセンサセル電極の吸着酸素がいち早く排出される。これは、図５のポンプセル出力特性（Ｖ−Ｉ特性）に示すように、ポンプセル４１を高温化することで限界電流域のフラット性が向上し、それに伴いポンプセル電流Ｉｐの増加が見込めるためである。上記のとおり残留酸素やセンサセル電極の吸着酸素がいち早く排出されることで、オフセット誤差の解消が図られる。
【００４７】
ポンプセル４１及びモニタセル４４の素子インピーダンスの算出手法については既存の技術を用いればよいため、図面を用いた詳細な説明を割愛し、以下に略述する。本実施形態では、いわゆる掃引法を用いて素子インピーダンスを算出するようにしており、マイコン５１は、ポンプセル電極の印加電圧、及びモニタセル電極の印加電圧を一時的に交流的に変化させる旨指令し、その際の電流変化量に基づいて、ポンプセル４１及びモニタセル４４の素子インピーダンスを算出する。このとき、掃引回路（図示略）によってセンサ印加電圧を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側（又は正負いずれか一方）に変化させるとともに、その印加電圧変化に伴う素子電流の変化を計測する。そして、その時の印加電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスを算出する（インピーダンス＝ΔＶ／ΔＩ）。なお、インピーダンス検出に際し、センサ素子２０に流す電流を交流的に変化させ、その際の電流又は電圧の変化量から素子インピーダンスを演算する構成とすることも可能である。
【００４８】
図６は、ヒータ通電の制御手順を示すフローチャートであり、本処理は、マイコン５１により所定の時間周期で繰り返し実行される。
【００４９】
図６において、ステップＳ１１では、今現在、エンジン始動直後のポンプセル高温化期間であるか否かを判定する。例えば、エンジン始動（すなわちヒータ通電開始）から所定時間が経過するまでを「ポンプセル高温化期間」として定めておき、同高温化期間であれば、ステップＳ１１をＹＥＳとする。ポンプセル高温化期間は、例えば、エンジン始動開始から１〜３分程度の期間である。
【００５０】
ステップＳ１１がＹＥＳであればステップＳ１２に進み、ポンプセル高温化制御におけるポンプセル４１の目標インピーダンスを設定する。このとき、目標インピーダンスは、通常時よりもポンプセル４１を高温状態とするための制御目標値であり、例えばポンプセル温度＝８００℃に相当するインピーダンス値である。また、ステップＳ１１がＮＯであればステップＳ１３に進み、通常制御におけるポンプセル４１の目標インピーダンスを設定する。このとき、目標インピーダンスは、例えばポンプセル温度＝７５０℃に相当するインピーダンス値である。
【００５１】
その後、ステップＳ１４では、ポンプセルインピーダンス（別の掃引処理に基づく算出値）を取得し、続くステップＳ１５では、そのポンプセルインピーダンスに基づいて第１ヒータ３３の通電制御を実行する。このとき、ＰＩＤ、ＰＩ等によるインピーダンスフィードバック制御が実行される。すなわち、ステップＳ１２又はＳ１３で設定した目標インピーダンスと、ステップＳ１４で取得したポンプセルインピーダンスとの偏差に基づいてヒータデューティが算出され、そのヒータデューティに基づいて第１ヒータ３３の通電が実行される。
【００５２】
その後、ステップＳ１６では、モニタセル４４の目標インピーダンスを設定する。このとき、目標インピーダンスは、例えばモニタセル温度＝７００℃に相当するインピーダンス値である。
【００５３】
その後、ステップＳ１７では、モニタセルインピーダンス（別の掃引処理に基づく算出値）を取得し、続くステップＳ１８では、そのモニタセルインピーダンスに基づいて第２ヒータ３４の通電制御を実行する。このとき、ＰＩＤ、ＰＩ等によるインピーダンスフィードバック制御が実行される。すなわち、ステップＳ１６で設定した目標インピーダンスと、ステップＳ１７で取得したモニタセルインピーダンスとの偏差に基づいてヒータデューティが算出され、そのヒータデューティに基づいて第２ヒータ３４の通電が実行される。
【００５４】
図７は、エンジン始動後におけるポンプセル等の温度推移と、ＮＯｘセンサ出力の推移とを示すタイムチャートである。
【００５５】
図７（ａ）に示すように、エンジン始動からポンプセル高温化期間（図のＴ１）が経過するまでは、ポンプセル温度が通常よりも高温（図のＴｅｍｐｔｇ）とされる。これにより、ポンプセル４１によるチャンバ内酸素の排出が促進され、残留酸素やセンサセル電極の吸着酸素がいち早く排出される。こうして酸素排出が促進されることで、ＮＯｘセンサ出力がいち早く正常値（すなわち、都度のＮＯｘ濃度に見合う値）に収束する。また、ポンプセル４１とは別に、モニタセル温度が管理されることから、モニタセル温度が排気管温度の変化に依存することなく安定する。したがって、同様にセンサセル温度も安定することとなる。
【００５６】
（ｂ）において、実線は本実施形態におけるＮＯｘセンサ出力の推移を示し、一点鎖線は従来技術におけるＮＯｘセンサ出力の推移を示している。本実施形態では、ＮＯｘセンサ出力が正常値になるまでの時間が大幅に短縮される（図のＴＡ→ＴＢに短縮される）。これにより、エンジン始動後において、ＮＯｘセンサ出力が早期に使用可能となる。
【００５７】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００５８】
ＮＯｘセンサ１０のセンサ素子２０は、ポンプセル４１を加熱する第１ヒータ３３と、モニタセル４４及びセンサセル４５を加熱する第２ヒータ３４とを有しており、それら各ヒータ３３，３４の通電を各々個別に制御する構成としたため、各セルの温度を任意に調整することができる。したがって、セルごとに温度変動要因が存在していても、各セルをそれぞれ所望の温度に加熱することができる。すなわち、単一のヒータにより各セルを一様に加熱する従来技術では、センサ素子の温度勾配変化に対処できず、少なくともいずれかのセルで温度ずれ（温度誤差）が生じるが、本実施形態によれば、各セルでの温度ずれを抑制できる。その結果、センサ素子２０の各セルの温度を好適に制御し、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
【００５９】
センサ素子２０において、ポンプセル４１と、モニタセル４４及びセンサセル４５との配置に合わせて２つのヒータ３３，３４を配置したため、第１ヒータ３３によるポンプセル４１の加熱、及び第２ヒータ３４によるモニタセル４４及びセンサセル４５の加熱をそれぞれ好適に行わせることができる。
【００６０】
ポンプセルインピーダンスとモニタセルインピーダンスとをそれぞれ取得し、それら各インピーダンスに基づいて各ヒータ３３，３４の通電を制御する構成としたため、センサ取り付け相手である排気管などに対する熱伝導が原因で、特定のセル（ここではモニタセル４４及びセンサセル４５）について温度が低下し、それに伴い同セルのインピーダンス増加が生じる場合にも、そのインピーダンス変化を逐次検出してインピーダンス値を適正値に制御することができる。したがって、上記のとおりＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
【００６１】
エンジン始動直後のポンプセル高温化期間（ＮＯｘセンサの使用開始当初の所定始動期間）において、ポンプセル４１の通常の活性温度よりも高温側の目標温度に基づいて第１ヒータ３３の通電を制御する構成としたため、チャンバ内の酸素排出や吸着酸素の排出が促進され、センサ出力のオフセット誤差を早期に解消することができる。したがって、センサ出力をいち早く安定させることができる。
【００６２】
なお、ポンプセル４１を高温化すると、センサ耐久性の低下が懸念されるが、その高温化はエンジン始動直後の一時的な期間に限られるため、センサ耐久性の低下を抑制できる。
【００６３】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８には、本実施形態におけるセンサ素子６０の構成を示しており、（ａ）は内部構造を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。なお、図８のセンサ素子６０において、上述した図１のセンサ素子２０と共通の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
【００６４】
図８に示すセンサ素子６０では、図１のセンサ素子２０との相違点として、同一断面部分に、第１ヒータ部６２と第２ヒータ部６３とからなるヒータ６１が設けられている。第１ヒータ部６２はポンプセル４１に対向する位置に設けられ、第２ヒータ部６３はモニタセル４４及びセンサセル４５に対向する位置に設けられている。ゆえに、第１ヒータ部６２により主としてポンプセル４１が加熱され、第２ヒータ部６３により主としてモニタセル４４及びセンサセル４５が加熱される。
【００６５】
各ヒータ部６２，６３はリード部６２ａ，６３ａを有しており、絶縁層３１の図の右端部には、各ヒータ部６２，６３のリード部６２ａ，６３ａに接続される３つの端子部６５，６６，６７が設けられている。３つの端子部６５〜６７のうち、端子部６５，６６は第１ヒータ部６２用の端子部であり、端子部６６，６７は第２ヒータ部６３用の端子部である。つまり、端子部６５，６６間に第１ヒータ部６２が設けられ、端子部６６，６７間に第２ヒータ部６３が設けられている。端子部６６は、各ヒータ部６２，６３の共通端子である。
【００６６】
次に、ヒータ制御系の構成を説明する。図９（ａ）（ｂ）は、本実施形態におけるヒータ制御系の構成を示す回路図である。なお、図中のＮ１，Ｎ２，Ｎ３は、図８（ｂ）の端子部６５，６６，６７にそれぞれ相当する。
【００６７】
図９（ａ）に示すように、第１ヒータ部６２と第２ヒータ部６３とは直列に接続されている。また、第１ヒータ部６２に直列に第１ヒータ駆動回路７１が接続されるとともに、第２ヒータ部６３に直列に第２ヒータ駆動回路７２が接続されている。ヒータ駆動回路７１，７２は、それぞれヒータ印加電圧を可変とする印加電圧可変回路（可変電源）により構成されており、マイコン５１からの通電制御信号に応じて各ヒータ部６２，６３の印加電圧が可変調整される。
【００６８】
上記構成では、第１ヒータ部６２に流れるヒータ電流ｉ１と、第２ヒータ部６３に流れるヒータ電流ｉ２とがそれぞれ個別に調整される。つまり、第１ヒータ部６２と第２ヒータ部６３とが各々独立して通電制御され、結果として、ポンプセル４１の温度制御と、モニタセル４４（及びセンサセル４５）の温度制御とを個別に実施できる。
【００６９】
また、ヒータ制御系の他の回路例を図９（ｂ）に示す。すなわち、図９（ｂ）に示すように、第１ヒータ部６２と第２ヒータ部６３とは直列に接続されている。また、その直列回路の両端間（図のＮ１−Ｎ３間）にヒータ駆動回路７３が接続され、さらに第２ヒータ部６３に並列に電流調整回路としての可変抵抗器７４が接続されている。ヒータ駆動回路７３は、ヒータ印加電圧を可変とする印加電圧可変回路（可変電源）により構成されている。
【００７０】
かかる場合、マイコン５１からの通電制御信号に応じて、ヒータ駆動回路７３でヒータ印加電圧が可変調整される。また、マイコン５１からの抵抗可変信号に応じて、可変抵抗器７４で抵抗値（第２ヒータ部６３の並列抵抗の値）が可変調整される。ヒータ駆動回路７３での電圧調整と可変抵抗器７４での抵抗調整とにより、第１ヒータ部６２に流れるヒータ電流ｉ１と、第２ヒータ部６３に流れるヒータ電流ｉ２とがそれぞれ個別に調整される。つまり、第１ヒータ部６２と第２ヒータ部６３との各々独立した通電制御が可能となり、結果として、ポンプセル４１の温度制御と、モニタセル４４（及びセンサセル４５）の温度制御とを個別に実施できる。
【００７１】
（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。
【００７２】
・上記実施形態では、ポンプセル４１と、モニタセル４４及びセンサセル４５とを各々異なる目標温度に加熱する構成としたが、これを変更し、各セルを同一温度に加熱する構成としてもよい。要するに、長尺状のセンサ素子では、排気管への放熱等に起因して先端側が高温、基端側が低温となり、温度勾配が生じるが、上記のとおりポンプセル４１と、モニタセル４４及びセンサセル４５とで各々個別にヒータ通電制御を実行することにより、排気管への放熱等に起因する温度勾配にかかわらず、各セルの温度を任意に制御できる。つまり、各セルを同一温度に加熱することも可能となる。
【００７３】
・上記実施形態では、センサ素子に２つのヒータ部を設ける構成としたが、これを変更し、３つ以上のヒータ部を設ける構成であってもよい。この場合、３つ以上のヒータ部ごとにヒータ駆動回路が設けられるのが望ましい。
【００７４】
・ポンプセルは、いわゆる限界電流特性を有しており、図１０のＶ−Ｉ特性図に示すように、印加電圧Ｖｐに対して酸素濃度に応じた一定の電流信号（素子電流Ｉｐ）を出力するフラット域（限界電流域：図のＡ１）を有する。また、フラット域よりも高電圧側は、固体電解質体内の電子が強制的に流れる領域（電子伝導領域：図のＡ２）となっており、同領域を用いてポンプセルへの電圧印加を行うことで酸素の強制排出が可能となる。一方で、ポンプセルの温度が上昇すると、素子内部抵抗の低下に伴い出力特性自体が立ち上がり、電子伝導領域での電圧印加が行われやすくなる。
【００７５】
こうした前提の下、エンジン始動直後のポンプセル高温化期間（ＮＯｘセンサの使用開始当初の所定始動期間）において、ポンプセル出力特性のフラット域よりも高電圧側で電圧印加が行われるように目標温度が高温側に設定されるとよい。すなわち、高温化した目標温度下でのＶ−Ｉ特性を想定し、そのＶ−Ｉ特性において電子伝導領域でポンプセル印加電圧を設定する。具体的には、図１０に示すように、ポンプセル印加電圧をＶｘとする。
【００７６】
上記の構成によれば、所定始動期間において、ポンプセル電流を強制的に大きくすることができる。したがって、チャンバの酸素排出が促進され、センサ出力のオフセット誤差を早期に解消することができる。
【００７７】
・上記実施形態では、ヒータ駆動回路（例えば、図１のヒータ駆動回路５３，５４）を印加電圧可変回路（可変電源）により構成したが、これを変更し、同ヒータ駆動回路をパルス変調回路により構成してもよい。この場合、マイコンからのパルス変調信号に応じて、各ヒータへの供給電力が可変調整される。これにより、センサ素子の各ヒータについて各々独立して通電制御が実行される。
【００７８】
・上述した第２の実施形態において、図９（ｂ）の回路構成では、第２ヒータ部６３に並列に可変抵抗器７４を接続する構成としたが、これを変更し、第１ヒータ部６２に並列に可変抵抗器を接続する構成としてもよい。又は、第１ヒータ部６２及び第２ヒータ部６３のそれぞれに並列に可変抵抗器を接続する構成としてもよい。いずれにしても、マイコンからの抵抗可変信号に応じて、可変抵抗器の抵抗値が可変調整されことで、各セルの温度を個別に調整することが可能となる。
【００７９】
また、同じく図９（ｂ）の回路では、電流調整回路として可変抵抗器７４を設ける構成としたが、これを変更し、電流調整回路として、電流経路を流れる電流を引き込む電流シンク回路を設ける構成としてもよい。この場合、マイコンからの制御信号に応じて、電流シンク回路の電流引き込み量が可変に調整され、結果として、各ヒータ部６２，６３に流れるヒータ電流がそれぞれ個別に調整される。
【００８０】
・上記実施形態では、センサ素子として、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものを適用したが、これを変更しても良い。例えば、センサ素子として、ポンプセル及びセンサセルからなる、いわゆる２セル構造を有するものを適用する。
【００８１】
・検出対象の特定成分がＮＯｘ以外であってもよい。例えば、排気中のＨＣやＣＯを検出対象とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。
【００８２】
・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排気以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】センサ素子の内部構造とセンサ制御回路とを示す構成図。
【図２】ヒータの設置構造を示す図。
【図３】ＮＯｘセンサの全体構成を示す図。
【図４】エンジン始動開始からの時間経過に伴うポンプセル温度、モニタセル温度、排気管温度の推移を示すタイムチャート。
【図５】ポンプセルのＶ−Ｉ特性を示す図。
【図６】ヒータ通電の制御手順を示すフローチャート。
【図７】エンジン始動後におけるポンプセル等の温度推移と、ＮＯｘセンサ出力の推移とを示すタイムチャート。
【図８】第２の実施形態におけるセンサ素子の内部構造を示す図。
【図９】第２の実施形態におけるヒータ制御系の構成を示す回路図。
【図１０】ポンプセルのＶ−Ｉ特性を示す図。
【符号の説明】
【００８４】
１０…ＮＯｘセンサ（ガスセンサ）、２０…センサ素子、２１…固体電解質体、２４…第１チャンバ（ガス室）、２６…第２チャンバ（ガス室）、３３，３４…ヒータ（第１ヒータ部、第２ヒータ部）、４１…ポンプセル（第１セル）、４２，４３…電極、４４…モニタセル、４５…センサセル（第２セル）、４６〜４８…電極、５０…センサ制御回路、５１…マイコン（通電制御手段）、５３…第１ヒータ駆動回路、５４…第２ヒータ駆動回路、６０…センサ素子、６１…ヒータ、６２…第１ヒータ部、６３…第２ヒータ部、７１〜７３…ヒータ駆動回路、７４…可変抵抗器（電流調整回路）、ＥＰ…排気管。
【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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【図６】
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【図７】
2009145235.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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