(57)【要約】【課題】ヒータの電気抵抗値の誤差を正確且つ簡便に補償し得るガスセンサを提供する。【解決手段】本発明によるガスセンサは、ガス検出部１と、温度に応じて電気抵抗値が変化するヒータ２と、ヒータ２の動作を制御し、ヒータ２への加熱のための通電を行う制御部３とを備える。制御部３は、ヒータ２への加熱のための通電が停止されている期間にヒータ２へ電流を供給する電流供給部６と、電流供給部６からヒータ２に電流が供給されているときのヒータ２の両端電圧を検知する電圧検知部７と、ヒータ２の冷間時に、周囲の温度および電圧検知部７によって検知されるヒータ２の両端電圧に基づいて、電流供給部６から供給される電流の大きさを調整する電流調整部８と、を有する。【選択図】図１
2009058501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス検出部と、
温度に応じて抵抗値が変化するヒータと、
前記ヒータの動作を制御し、前記ヒータへの加熱のための通電を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記ヒータへの加熱のための通電が停止されている期間に前記ヒータへ予め設定された大きさの電流を供給する電流供給部と、
前記電流供給部から前記ヒータに電流が供給されているときの前記ヒータの両端電圧を検知する電圧検知部と、
前記ヒータの冷間時に、周囲の温度および前記電圧検知部によって検知される前記ヒータの両端電圧に基づいて、前記電流供給部から供給される電流の大きさを調整する電流調整部と、を有する、ガスセンサ。
【請求項２】
前記電流調整部は、周囲の温度に応じて決定される目標電圧と前記ヒータの両端電圧とが実質的に一致するように前記電流供給部から供給される電流の大きさを調整する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記制御部は、周囲の温度を検出する周囲温度検出部をさらに有する、請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記制御部は、前記電流調整部によって調整された大きさの電流が前記ヒータに供給されているときに検知された前記ヒータの両端電圧に基づいて前記ヒータの温度を決定し、前記ヒータの温度が所定範囲内の値を有するように前記ヒータの通電状態を調節する、請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記制御部は、前記ヒータの二次以上の抵抗温度係数を含む補正式を用いて前記ヒータの温度を決定する、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記補正式は、温度誤差を正負に略均等に振り分けるための補正係数を含む、請求項５に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記ガス検出部が酸素を検出する請求項１から６のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のガスセンサを備えた空燃比制御装置。
【請求項９】
前記ガスセンサに接続された電子制御ユニットをさらに備え、
前記電子制御ユニットが前記ガスセンサの前記制御部としても機能する請求項８に記載の空燃比制御装置。
【請求項１０】
内燃機関と、
前記内燃機関の空燃比を制御する請求項８または９に記載の空燃比制御装置を備えた輸送機器。
【請求項１１】
前記ガスセンサの前記ヒータは、前記内燃機関からの排気ガスに晒されるように配置されている請求項１０に記載の輸送機器。
【請求項１２】
前記電流調整部は、前記内燃機関の始動時に電流調整を実行する請求項１０または１１に記載の輸送機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、特に、ガス検出部を昇温させるヒータを備えたガスセンサに関する。また、本発明は、そのようなガスセンサを備えた空燃比制御装置や輸送機器にも関する。
【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、燃料の濃度が相対的に高い場合には、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（燃料の濃度が相対的に低い）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には、酸素センサが用いられる。酸素センサを好適に動作させるためには、３００℃以上の高温が必要であるため、酸素センサにはヒータが設けられている。ヒータを備えた酸素センサの一例を図１４に示す。なお、図１４では、わかりやすさのために酸素センサ５１０を分解して示している。
【０００５】
酸素センサ５1０は、アルミナなどの絶縁体から形成された基板５３１と、基板５３１の主面５３１ａ上に設けられたガス検出部５０１とを備えている。ガス検出部５０１は、酸化物半導体から形成されており、雰囲気中に含まれる酸素の分圧に応じてその抵抗値が変化する。基板５３１の主面５３１ａ上には、ガス検出部５０１の抵抗値を検出するための電極５３２がガス検出部５０１に接触するように設けられている。なお、ガス検出部５０１は、上述したような抵抗型ではなく、固体電解質を用いた起電力型であってもよい。
【０００６】
基板５３１の裏面５３１ｂ側には、ガス検出部５０１に対応する位置にヒータ５０２が配置されている。ヒータ５０２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５０２から引き延ばされた電極５３３に所定の電圧を印加すると、所定の形状に形成された抵抗体に電流が流れて抵抗体が発熱し、そのことによって加熱が行われる。ヒータ５０２は、白金などの金属材料を用いてスクリーン印刷法などにより形成されている。ヒータ５０２によってガス検出部５０１を昇温させ、ガス検出部５０１を速やかに活性化させることにより、内燃機関の始動直後における検出精度を向上させることができる。
【０００７】
また、ヒータ５０２の抵抗値はその温度に応じて変化するので，ヒータ５０２の抵抗値を測定することで、ヒータ５０２の温度や、ヒータ５０２と薄い絶縁体（基板５３１）を介して熱的に接触しているガス検出部５０１の温度（以下では「センサ温度」とも呼ぶ。）を推定することができる。推定されたセンサ温度に基づいて、ヒータ５０２の温度を制御することにより、センサ温度を適切な範囲内に制御することができる。
【０００８】
しかしながら、ヒータ５０２の抵抗体は、製造プロセスにおける寸法精度に依存してその線幅や厚さがばらついてしまうので、ヒータ５０２の抵抗値が設計値からずれ、ばらついてしまうことがある。また、ヒータ５０２の抵抗値は、抵抗体の材料が経時劣化することによっても変動してしまう。このように、ヒータ５０２の抵抗値は誤差（設計値からのずれ）を有する。
【０００９】
このため、設計値通りの抵抗値を用いて制御を行うと、ガスセンサごと（つまりヒータごと）に、あるいは使用時間によって、抵抗値−センサ温度特性にばらつきが生じ、推定されたセンサ温度と実際のセンサ温度とにずれが生じることがある。そのため、センサ温度を所望の範囲内に制御できないという不具合が発生してしまう。抵抗型のガス検出部を用いる場合、センサ出力の温度依存性が高いので、このような不具合が発生すると、空燃比を高精度で制御することが難しい。また、近年では、空燃比をいっそう高精度で制御することが要求されているので、起電力型のガス検出部を用いる場合についても、センサ温度を正確に推定することが望まれる。さらに、推定されたセンサ温度よりも実際のセンサ温度が高い場合、例えば７００℃で一定になるようにセンサ温度を制御しても、実際のセンサ温度がそれ以上になるので、ガスセンサの寿命が短くなってしまう可能性がある。
【００１０】
例えば、温度Ｔと、その温度Ｔにおけるヒータ５０２の抵抗値Ｒとは、ヒータ５０２の０℃における抵抗値Ｒ0、ヒータ５０２の抵抗温度係数（抵抗体材料に固有の係数）α、抵抗値の誤差δを用いて式（１）のように表される。
【００１１】
R=R0・(1+δ)・(1+α・T)       ・・・（１）
【００１２】
そのため、誤差δがゼロである（δ＝０）ときの温度Ｔ（つまり真の温度）は、式（２）で表される。
【００１３】
T=｛(R/R0)-1｝/α      ・・・（２）
【００１４】
これに対し、誤差δがゼロでない（δ≠０）ときの温度Ｔ’（つまり推定される誤った温度）は、式（３）で表される。
【００１５】
T'=｛R0・(1+δ)・(1+α・T)/R0-1｝/α
=｛(1+δ)・(1+α・T)-1｝/α
=T+δ・(1/α+T)      ・・・（３）
【００１６】
従って、温度誤差ΔＴは、式（４）で表される。
【００１７】
ΔT=T'-T=δ・(1/α+T)      ・・・（４）
【００１８】
例えばヒータ５０２の材料が白金であるとき、抵抗温度係数αは０．４％／℃であるので、式（４）から、誤差δ（例えば製造プロセスに起因するばらつきつまりヒータ５０２の個体差）が±５％程度であっても、真の温度Ｔが７００℃の場合、温度誤差ΔＴは±３５℃と非常に大きくなってしまう。
【００１９】
上述したような推定温度と実温度とのずれを小さくするため、特許文献１は、ヒータの抵抗値が設計値通りの抵抗値となるように、ヒータに補正抵抗を直列または並列に接続したり、ヒータをレーザトリミングしたりする技術を開示している。
【００２０】
また、特許文献２は、ヒータに電圧を印加した直後にヒータに流れる突入電流と印加電圧とから、常温におけるヒータの抵抗値を算出し、算出された抵抗値に基づいて制御を行う技術を開示している。
【特許文献１】特開２０００−１８０４０６号公報
【特許文献２】特開２０００−２６７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、特許文献１に開示されているようにガスセンサごとに補正を施すことは、製造工程の複雑化を招き、製造コストが増加してしまう。また、特許文献２に開示されている技術を用いる場合には、突入電流を計測する手段と、印加電圧を計測する手段の両方を設ける必要があり、また、実際にはこれらを計測するわずかな時間にヒータ温度が上昇してしまうので、常温におけるヒータの抵抗値を正確に算出することが難しい。
【００２２】
また、ガスセンサごとにそれぞれ異なるヒータの抵抗値（常温時の抵抗値）に対応した計算プログラムをマイクロコンピュータに搭載することも考えられるが、そのような手法は非常に煩雑であり、現実的ではない。
【００２３】
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、ヒータの抵抗値の誤差を正確且つ簡便に補償し得るガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明によるガスセンサは、ガス検出部と、温度に応じて抵抗値が変化するヒータと、前記ヒータの動作を制御し、前記ヒータへの加熱のための通電を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記ヒータへの加熱のための通電が停止されている期間に前記ヒータへ予め設定された大きさの電流を供給する電流供給部と、前記電流供給部から前記ヒータに電流が供給されているときの前記ヒータの両端電圧を検知する電圧検知部と、前記ヒータの冷間時に、周囲の温度および前記電圧検知部によって検知される前記ヒータの両端電圧に基づいて、前記電流供給部から供給される電流の大きさを調整する電流調整部と、を有する。
【００２５】
ある好適な実施形態において、前記電流調整部は、周囲の温度に応じて決定される目標電圧と前記ヒータの両端電圧とが実質的に一致するように前記電流供給部から供給される電流の大きさを調整する。
【００２６】
ある好適な実施形態において、前記制御部は、周囲の温度を検出する周囲温度検出部をさらに有する。
【００２７】
ある好適な実施形態において、前記制御部は、前記電流調整部によって調整された大きさの電流が前記ヒータに供給されているときに検知された前記ヒータの両端電圧に基づいて前記ヒータの温度を決定し、前記ヒータの温度が所定範囲内の値を有するように前記ヒータの通電状態を調節する。
【００２８】
ある好適な実施形態において、前記制御部は、前記ヒータの二次以上の抵抗温度係数を含む補正式を用いて前記ヒータの温度を決定する。
【００２９】
ある好適な実施形態において、前記補正式は、温度誤差を正負に略均等に振り分けるための補正係数を含む。
【００３０】
ある好適な実施形態において、前記ガス検出部は酸素を検出する。
【００３１】
本発明による空燃比制御装置は、上記構成を有するガスセンサを備える。
【００３２】
ある好適な実施形態において、本発明による空燃比制御装置は、前記ガスセンサに接続された電子制御ユニットをさらに備え、前記電子制御ユニットが前記ガスセンサの前記制御部としても機能する。
【００３３】
本発明による輸送機器は、内燃機関と、前記内燃機関の空燃比を制御する上記構成を有する空燃比制御装置を備える。
【００３４】
ある好適な実施形態において、前記ガスセンサの前記ヒータは、前記内燃機関からの排気ガスに晒されるように配置されている。
【００３５】
ある好適な実施形態において、前記電流調整部は、前記内燃機関の始動時に電流調整を実行する。
【００３６】
本発明によるガスセンサは、ヒータの動作を制御し、ヒータへの加熱のための通電を行う制御部を備えている。ヒータへの加熱のための通電は、オン動作とオフ動作とを交互に繰り返すことによって間欠的に行われる。制御部は、ヒータへの加熱のための通電が停止されている期間にヒータへ予め設定された大きさの電流を供給する電流供給部と、電流供給部からヒータに電流が供給されているときのヒータの両端電圧を検知する電圧検知部とを有しているので、電圧検知部によって検知された電圧（ヒータの抵抗値に依存して変化するので、ヒータの温度に対応した値となる）に応じてヒータの温度を制御することができる。制御部は、さらに、ヒータの冷間時に、周囲の温度および電圧検知部によって検知されるヒータの両端電圧に基づいて、電流供給部から供給される電流の大きさを調整する電流調整部を有するので、この電流調整部によって、電流供給部から供給される電流の大きさが、抵抗値の誤差を相殺するように（すなわち抵抗値の誤差の大きさによらず温度と両端電圧とが一定の関係を有するように）調整される。つまり、電流調整部により、ヒータの抵抗値の誤差（製造時のばらつきや経時劣化による変動に起因した設計値からのずれ）が補償される。そのため、ヒータの抵抗値の誤差に依存しない、正確な温度測定を行うことができる。
【００３７】
電流調整部は、典型的には、周囲の温度に応じてある目標電圧を決定し、この目標電圧とヒータの両端電圧とが実質的に一致するように電流供給部から供給される電流の大きさを調整する。
【００３８】
制御部は、周囲の温度を検出する周囲温度検出部を含んでいてもよい。周囲温度検出部（例えば周囲温度検出回路）は、具体的には、ガス検出部を支持する基板の温度や内燃機関の吸入空気の温度などを計測することにより、周囲温度を検出することができる。
【００３９】
制御部は、典型的には、電流調整部によって調整された大きさの電流がヒータに供給されているときに検知された両端電圧に基づいてヒータの温度を決定（推定）し、ヒータの温度が所定範囲内の値を有するようにヒータの通電状態を調節する。より正確な温度測定を行うためには、制御部がヒータの二次以上の抵抗温度係数を含む補正式を用いてヒータの温度を決定することが好ましく、補正式が、温度誤差を正負に略均等に振り分けるための補正係数を含むことがさらに好ましい。
【００４０】
本発明によるガスセンサは、例えば、ガス検出部が酸素を検出する酸素センサとして好適に用いられる。
【００４１】
本発明によるガスセンサは、内燃機関の空燃比を制御する空燃比制御装置に好適に用いられる。この場合、空燃比制御装置の電子制御ユニットがガスセンサの制御部としても機能する構成を採用してもよい。
【００４２】
本発明によるガスセンサを備えた空燃比制御装置は、各種の輸送機器に好適に用いられる。ガスセンサのヒータが内燃機関からの排気ガスに晒されるように配置されている構成においては、ヒータの経時劣化が激しいので、本発明を用いる意義が大きい。また、電流調整部は、例えば、内燃機関の始動時に電流調整を実行する。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によると、ヒータの抵抗値のばらつきを正確且つ簡便に補償し得るガスセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、以下では酸素を検出するための酸素センサを例示するが、本発明は酸素センサに限定されず、ヒータを備えたガスセンサ全般に好適に用いられる。
【００４５】
図１は、本実施形態における酸素センサ１０の構成を示す回路図である。酸素センサ１０は、図１に示すように、ガス検出部１と、ガス検出部１を昇温させるヒータ２と、ヒータ２の動作を制御する制御部３とを備える。
【００４６】
ガス検出部１は、ガス検出部１に接する雰囲気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検出部１は、いわゆる抵抗型であり、雰囲気中に含まれる所定のガス（ここでは酸素）の分圧に応じてその抵抗値が変化する。
【００４７】
抵抗型のガス検出部１は、例えば酸化物半導体から好適に形成される。多孔質構造を有する酸化物半導体は、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、酸化物半導体中の酸素濃度が変化し、酸化物半導体の抵抗値が変化する。酸化物半導体としては、例えばチタニア（二酸化チタン）やセリア（酸化セリウム）を用いることができる。酸化物半導体は５０ｗｔ％以上のセリアを含むことが好ましい。なお、ガス検出部１として、固体電解質を用いた起電力型のガス検出部を用いてもよい。起電力型のガス検出部は、例えば特開平８−１１４５７１号公報に開示されている。
【００４８】
ヒータ２は、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２は、具体的には、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から形成された抵抗体から構成されている。ヒータ２によってガス検出部１を昇温させることにより、ガス検出部１を速やかに活性化させることができる。
【００４９】
また、ヒータ２は、温度に応じてその抵抗値（電気抵抗値）が変化する。そのため、ヒータ２の抵抗値を測定することにより、ヒータ２の温度を検出できる。ヒータ２とガス検出部１とは薄い絶縁体（後述するような基板）を介して熱的に接触しているので、ヒータ２の温度を検出することにより、ガス検出部１の温度も検出できる。つまり、ヒータ２は、ガス検出部１を昇温させる「加熱素子」として用いられるだけでなく、ヒータ２やガス検出部１の温度を検出する「温度検出素子」としても用いられる。
【００５０】
図２に、ガス検出部１およびヒータ２とその近傍の構造の一例を示す。ガス検出部１は、図２に示すように、基板３１によって支持されている。基板３１は、アルミナやマグネシアなどの絶縁体（好ましくはセラミックス材料）から形成されている。基板３１は、互いに対向する主面３１ａおよび裏面３１ｂを有しており、主面３１ａ上にガス検出部（酸化物半導体層）１が設けられている。
【００５１】
また、主面３１ａ上には、ガス検出部１の抵抗値を検出するための電極３２が形成されている。電極３２は、導電性を有する材料から形成されており、例えば、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。電極３２は、ガス検出部１の抵抗値の変化を効率よく計測できるよう、櫛歯状に形成されていることが好ましい。
【００５２】
なお、ここでは図示しないが、ガス検出部１上には、触媒層が設けられている。触媒層は、触媒金属を含んでおり、触媒金属の触媒作用によって、検出すべきガス（つまり酸素）以外の少なくとも１種の物質を分解する。具体的には、ガス検出部１による酸素の検出に悪影響を及ぼすガスや微粒子（例えば雰囲気が排気ガスである場合には完全には燃焼しなかった炭化水素や炭素、窒素酸化物など）を分解し、そのようなガスや微粒子がガス検出部１の表面に付着するのを防止する。触媒金属としては、例えば白金が用いられる。
【００５３】
基板３１の裏面３１ｂ側に、ヒータ２が設けられている。ヒータ２の両端は、図２に示されているように電極３３ａおよび３３ｂに接続されている。電極３３ａおよび３３ｂは、ヒータ２に電力を供給するため（加熱のための通電）にも用いられるし、ヒータ２の抵抗値を測定してヒータ２の温度を検出するためにも用いられる。電極３３ａおよび３３ｂは、好適にはヒータ２と一体に形成される。後述するように輸送機器に酸素センサ１０を設けた場合、ヒータ２は排ガス雰囲気に晒されるので、経時劣化はいっそう激しくなる。
【００５４】
続いて、制御部３の機能を説明する。制御部３は、ヒータ２への加熱のための通電を行う。制御部３は、より具体的には、ヒータ２への加熱のための通電を行うオン動作と、ヒータ２への加熱のための通電を停止するオフ動作とを選択的に実行する。オン動作を実行することにより、ヒータ２の温度を上昇させることができ（加熱モード）、オフ動作を実行することにより、ヒータ２の温度を低下させることができる（冷却モード）。ただし、本実施形態では、加熱モードにおいて、オン動作が行われるだけでなく、オフ動作も周期的且つ短期的に行われる。つまり、ヒータ２の温度を上昇させる加熱モードにおいてオン動作とオフ動作との切り替えが周期的に行われ、ヒータ２の温度を低下させる冷却モードにおいてオフ動作が実行される。オン動作の実行時間およびオフ動作の実行時間は、それぞれ例えば５ｍｓｅｃ〜５０ｍｓｅｃ程度である。なお、ヒータ２の温度の調節は、単なるオン・オフ制御（２値制御）でなくともよく、ヒータ２への印加電圧を多段階に制御してもよい。
【００５５】
加熱モードにおいてオフ動作が実行されるのは、加熱モードにおけるヒータ２の温度を測定するためである。本実施形態における制御部３は、オフ動作を実行している期間（つまりヒータ２への加熱のための通電が停止されている期間）にヒータ２へ予め設定された大きさの電流を供給する電流供給部（例えば後述する定電流回路６）と、電流供給部からヒータ２に電流が供給されているときのヒータ２の両端電圧を検知する電圧検知部（例えば後述する両端電圧検知回路７）とを有している。そのため、制御部３は、ヒータ２へ電流を供給することによって、ヒータ２の抵抗値に依存して変化するヒータ２の両端電圧を検知する動作（以下では「電圧検知動作」と呼ぶ。）を行い、この電圧検知動作によって検知された電圧に応じてヒータ２の温度を制御することができる。より具体的には、制御部３は、電圧検知動作によって検知された電圧に基づいてヒータ２の温度を決定し、ヒータ２の温度が所定範囲内の値を有するようにヒータ２の通電状態を調節することができる。
【００５６】
本実施形態における制御部３は、さらに、ヒータ２が常温にあるときからオン動作が開始されるまでの間（つまりヒータ２の冷間時）に、ヒータ２の抵抗値の誤差（製造時のばらつきや経時劣化による変動に起因した設計値からのずれ）を補償するための動作を行う補償部を有している。この補償部は、具体的には、周囲の温度および電圧検知部によって検知されるヒータの両端電圧に基づいて、電流供給部から供給される電流の大きさを調整する電流調整部（例えば後述するコントローラ８）である。電流調整部は、例えば、周囲の温度に応じて決定される目標電圧にヒータ２の両端電圧が実質的に一致するように、電流供給部から供給される電流の大きさを調整する。電流調整部の上述したような動作（電流調整動作）によって調整された大きさの電流を用いて電圧検知動作を行うことにより、ヒータ２の抵抗値の誤差に依存しない、正確な温度測定を行うことができる。以下、上述した電流調整動作によってヒータ２の抵抗値の誤差が補償される理由を説明する。
【００５７】
まず、ヒータ２に微弱な電流Ｉ（典型的にはヒータ２を加熱するための電流の１／３０以下）を流したときのヒータ２の両端電圧ＶRは、ヒータ２の温度Ｔ、０℃におけるヒータ２の抵抗値Ｒ0、ヒータ２の抵抗温度係数（抵抗体材料に固有の係数）α、ヒータ２の抵抗値の誤差（抵抗値の設計値からのずれ）δを用いて式（５）で表される。
【００５８】
VR=I・R0・(1+δ)・(1+α・T)      ・・・（５）
【００５９】
電流調整動作では、両端電圧ＶRが周囲温度（冷間時の温度）Ｔaに応じて設定される目標電圧Ｖsetに一致するように、ヒータ２に流れる電流Ｉの大きさが調整される。目標電圧Ｖsetは、式（６）で表される。
【００６０】
Vset=V0+Va      ・・・（６）
【００６１】
ここで、Ｖ0は、周囲温度Ｔaが０℃のときの目標電圧であり、電流Ｉが十分に微弱となるような適当な値（例えば０．１Ｖ程度）に設定される。また、Ｖaは、周囲温度Ｔaの高さに応じた目標電圧の増分（周囲温度Ｔaが０℃のときからの増分）である。
【００６２】
周囲温度Ｔaが０℃のときに両端電圧ＶRを目標電圧Ｖset＝Ｖ0に設定したとすると、式（５）から、周囲温度Ｔaが０℃のときの目標電圧Ｖ0は、式（７）のように表される。
【００６３】
V0=I・R0・(1+δ)      ・・・（７）
【００６４】
式（５）で表される両端電圧ＶRを、式（６）で表される目標電圧Ｖsetに設定すると、式（８）が導かれる。
【００６５】
V0+Va= I・R0・(1+δ)・(1+α・Ta)
=V0・(1+α・Ta)                ・・・（８）
【００６６】
そのため、増分Ｖaは、式（９）のように、Ｖ0に抵抗温度係数αと周囲温度Ｔaとを乗じた値として表される。
【００６７】
Va= V0・α・Ta      ・・・（９）
【００６８】
従って、周囲温度Ｔaに応じて設定される目標電圧Ｖsetは、式（１０）のように、Ｖ0、抵抗温度係数αおよび周囲温度Ｔaによって表される。
【００６９】
Vset=V0+Va=V0+V0・α・Ta=V0・(1+α・Ta)      ・・・（１０）
【００７０】
上記式群から、結局、ヒータ２の両端電圧ＶRは、周囲温度Ｔa＝０に対応する目標電圧Ｖ0（ヒータ２の実際の抵抗値に関係なく予め設定された値である）、抵抗温度係数α、温度Ｔのみをパラメータとして含み、誤差δを含まない式（１１）で表される。
【００７１】
VR=V0・(1+α・T)      ・・・（１１）
【００７２】
上述したように、電流調整動作によって設定された大きさの電流を用いて電圧検知動作を行うことにより、ヒータ２の抵抗値の誤差に依存しない、正確な温度測定を行うことができる。このように電流調整動作によりヒータ２の抵抗値の誤差が補償されるのは、電流調整動作によって、電圧検知動作で用いられる電流の大きさが、抵抗値の誤差δを相殺するように（つまり抵抗値の誤差δの大きさによらず温度Ｔと両端電圧ＶRとが一定の関係を有するように）調整されるからである。
【００７３】
次に、上述の電流調整動作を実行するタイミングを説明する。
【００７４】
例えば、エンジン（内燃機関）を備えた輸送機器に酸素センサ１０を搭載する場合、電流調整動作は、操作者によるエンジン始動動作に対応して、つまり、エンジンのメインスイッチをオンした直後で、かつ、周囲温度Ｔa（つまり排気官内の温度）が室温程度に低いときに実行すればよい。エンジンのメインスイッチをオフした直後や、すぐにまた再始動したときなどの周囲温度Ｔaが高いときには実行しなくてよい。
【００７５】
図３は、電流調整動作を実行するタイミングを説明するためのフローチャートである。エンジンを始動させると、まず、周囲温度Ｔaの計測が行われる（ステップＳ１）。次に、計測された周囲温度Ｔaと所定値Ａ（例えば５０℃）との比較が行われる（ステップＳ２）。周囲温度Ｔaが所定値Ａ未満（Ｔa＜Ａ）である場合、電流調整動作が実行され（ステップＳ３）、ヒータ２に通電される電流値が更新される（ステップＳ４）。一方、周囲温度Ｔaが所定値Ａ以上（Ｔa≧Ａ）である場合、電流調整動作は実行されない。
【００７６】
なお、電流調整動作は、必ずしもエンジンを始動させる度に実行する必要はない。前回の電流調整動作から所定時間が経過した後のエンジン始動時に電流調整動作を実行してもよく、例えば、週に１回あるいは月に１回程度の頻度で定期的に実行してもよい。始動時に電流調整動作を実行しない場合には、電圧検知動作を実行するときの電流値は、前回の設定値（あるいは規定値）を採用すればよい。さらに、エンジンの運転時間を積算し、積算値が所定値になるごとに電流調整動作を実行してもよい。一回目の電流調整動作によって、ヒータ２の抵抗値の、製造プロセスに起因したばらつきが補償される。また、２回目以降の電流調整動作によって、ヒータ２の抵抗値の、経時劣化に起因した変動が補償される。
【００７７】
続いて、再び図１を参照しながら、制御部３の具体的な構成を説明する。本実施形態では、輸送機器のエンジン制御装置が酸素センサ１０の制御部３としても機能するが、本発明は勿論このような構成に限定されるものではない。ガス検出部１は、電極３２を介して制御部３に電気的に接続されており、ヒータ２は、電極３３ａおよび３３ｂを介して制御部３に電気的に接続されている。
【００７８】
制御部３は、図１に示すように、周囲温度検出回路４と、ガス検出部１に接続された抵抗−電圧変換回路５と、ヒータ２に接続された定電流回路６および両端電圧検知回路７と、周囲温度検出回路４、抵抗−電圧変換回路５および両端電圧検知回路７の出力を受け取るコントローラ８とを備えている。本実施形態のコントローラ８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。定電流回路６、両端電圧検知回路７およびコントローラ８は、既に述べた電流供給部、電圧検知部および電流調整部としてそれぞれ機能する。
【００７９】
制御部３は、さらに、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９を有しており、このセンサ入力回路９の出力もコントローラ８に入力される。また、コントローラ８には、アクチュエータ出力回路１１が接続されており、アクチュエータ出力回路１１の出力により、エンジン各部の動作が制御される。
【００８０】
周囲温度検出回路４は、酸素センサ１０の周囲の温度Ｔaを検出する。周囲温度検出回路（周囲温度検出部）４は、例えばサーミスタを含んでおり、基板３１の温度や内燃機関の吸入空気の温度などを計測することにより、周囲温度Ｔaを検出することができる。なお、周囲温度Ｔaは、必ずしもサーミスタで検出する必要はなく、内燃機関の冷却水の温度を測定する水温センサや排気ガスの温度を測定する排気温度センサの出力を用いて検出しても（つまりこれらを周囲温度検出部として機能させても）よい。
【００８１】
周囲温度検出回路４の出力は、コントローラ８のセレクタ１２を介してアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）１３に入力される。ＡＤＣ１３からは、周囲温度検出回路４の出力（アナログ値）に対応するデジタル値（周囲温度Ｔaを示す値）がコントローラ８内のデータバスライン１４に出力される。コントローラ８は、既に述べたように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）１５、ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）１６、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１７およびタイマー１８、センサインターフェース（ＳＩＦ）回路１９、アクチュエータインターフェース（ＡＩＦ）回路２０などを備えている。ＣＰＵ１５からの指令やＲＯＭ１６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１４を介して行われる。ＳＩＦ回路１９は、ＡＤＣ、タイマー、ポートなどを含み、センサ入力回路９に接続されている。ＡＩＦ回路２０は、ＤＡＣ、タイマー、ポートなどを含み、アクチュエータ出力回路１１に接続されている。
【００８２】
抵抗−電圧変換回路５は、ガス検出部１の抵抗値Ｒｇを計測し、計測した抵抗値Ｒｇに応じた電圧を出力する（抵抗−電圧変換）。抵抗−電圧変換回路５は、コントローラ８の内部で生成されてポート２１から与えられるデータ（例えば２ビットのデータ）によって制御される。抵抗−電圧変換回路５によってガス検出部１の抵抗値Ｒｇを計測することにより、雰囲気ガス中の酸素濃度を求めることができる。ガス検出部１に接続された抵抗−電圧変換回路５の出力（電圧）は、セレクタ１２を介してＡＤＣ１３に入力される。ＡＤＣ１３からは、抵抗−電圧変換回路５の出力（アナログ値）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１４に出力される。
【００８３】
両端電圧検知回路７は、ヒータ２に所定の大きさの電流Ｉが供給されているときのヒータ２の両端に印加されている電圧（両端電圧）ＶRを検知する。ヒータ２の両端電圧ＶRは、式（１１）にも示されているように温度に依存するため、検知された電圧の値からヒータ２の温度を決定することができる。ヒータ２はガス検出部１と薄い絶縁層（基板３１）を介して熱的に接触しているため、ヒータ２の温度を検出してヒータ２の温度を所定範囲内に制御すれば、ガス検出部１の温度も適切な範囲内に制御することができる。
【００８４】
制御部３は、ヒータ２へ電流を供給する定電流回路（電流供給部）６に加え、制御部３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２２を備えており、電源回路２２は＋１２Ｖの電源（バッテリー）に接続されている。電源からヒータ２に供給される電流がヒータ２を加熱するために用いられるのに対し、定電流回路６からヒータ２に供給される電流は、ヒータ２の抵抗値を計測するために用いられる。
【００８５】
ヒータ２は、コントローラ８のポート２３がゲートドライブ２４を介して半導体スイッチング素子２５のオン・オフを切り替えることにより、図２に示す電極３３ａおよび３３ｂを介して＋１２Ｖの電源または定電流回路６に選択的に接続される。ヒータ２を加熱するときは、ヒータ２と電源とを接続するが、ヒータ２の温度を計測するときには、半導体スイッチング素子２５により、ヒータ２の接続先を電源から定電流回路６に切り替える。なお、ヒータ２を加熱するときに定電流回路６に電源からの電流が流れ込まないように、ダイオード２６を設けることによって電流に方向性が付与されている。定電流回路６から供給される微弱な電流の大きさは、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２７の出力電圧によって制御される。定電流回路６は、電流調整動作によって電流の大きさが調整されない限り、一定の大きさの電流をヒータ２に供給する。
【００８６】
ヒータ２が定電流回路６に接続されると、定電流回路６から電極３３ｂおよび３３ｃを介してヒータ２に所定の大きさを有する電流Ｉが流れ、電極３３ｂおよび３３ｃに接続された両端電圧検知回路７により、ヒータ２の両端電圧ＶRが検知される。定電流回路６から供給される電流Ｉは、ヒータ２が実質的に加熱されないような大きさ（例えば１０ｍＡ以上５０ｍＡ以下）の微弱なものである。両端電圧ＶRの検知は、短時間（例えば１ｍｓ〜５ｍｓ程度）で行うことができる。ヒータ２の両端電圧ＶRと温度との間には、所定の関係が存在するため、検知された電圧の値に基づいて、ヒータ２の温度（ガス検出部１の温度にも対応する。）を推定することができる。
【００８７】
具体的には、ヒータ２の両端電圧ＶRと０℃時の両端電圧ＶTとを差動増幅（A倍）した電圧ＶｈをＡＤＣ１３でアナログ−デジタル変換し、コントローラ８（１チップマイクロコンピュータ）のプログラムで温度を計算する。0℃時の両端電圧ＶTは、コントローラ８のポート２８の出力電圧を分圧して得る。
【００８８】
なお、本実施形態では、１つのＡＤＣ１３により、周囲温度検出回路４、抵抗−電圧変換回路５および両端電圧検知回路７のいずれの出力に対してもアナログ−デジタル変換を施している。周囲温度Ｔaを検出するタイミング、ガス検出部１の抵抗値Ｒｇを計測するタイミングおよびヒータ２の両端電圧ＶRを検知するタイミングは相互にずれているため、セレクタ１２による切り替え動作により、１つのＡＤＣ１３を用いて効率よく種々のアナログ−デジタル変換を行うことができる。
【００８９】
ここで、再び図３を参照しながら、電流調整動作を実行するタイミングをより具体的に説明する。エンジンを始動させると、まず、周囲温度検出回路４により周囲温度Ｔaの計測が行われる（ステップＳ１）。周囲温度検出回路４の出力は、セレクタ１２を介してＡＤＣ１３に入力され、ＡＤＣ１３からは、周囲温度Ｔaを示すデジタル信号がコントローラ８内のデータバスライン１４に出力される。次に、ＣＰＵ１５により、計測された周囲温度Ｔaと所定値Ａ（例えば５０℃であり、ＲＯＭ１６に記憶されている）との比較が行われる（ステップＳ２）。ＣＰＵ１５により周囲温度Ｔaが所定値Ａ未満（Ｔa＜Ａ）であると判断された場合、コントローラ８による電流調整動作が実行される（ステップＳ３）。電流調整動作が実行されると、ＲＡＭ１７に記憶されていたヒータ２への通電電流値が書き換えられ、通電電流値が更新される（ステップＳ４）。一方、ＣＰＵ１５により周囲温度Ｔaが所定値Ａ以上（Ｔa≧Ａ）であると判断された場合、電流調整動作は実行されない。
【００９０】
次に、図４を参照しながら、制御部３の電流調整動作をより具体的に説明する。
【００９１】
まず、エンジンのメインスイッチをオンした時点で、ヒータ２に加熱のための通電を開始する前（つまりヒータ２の冷間時）に、コントローラ８のポート２８からの出力電圧を０Ｖにし、両端電圧検知回路７内の分圧器２９からの出力電圧ＶTを０Ｖに設定する。このとき、両端電圧検知回路７内の差動増幅器３０からの出力電圧Ｖｈは、ヒータ２に流れる微弱電流Ｉ、冷間時のヒータ２の抵抗値Ｒｈおよび差動増幅器３０の増幅度Ａを用いて式（１２）で表される。
【００９２】
Vh=A・I・Rh    ・・・（１２）
【００９３】
ここで、冷間時のヒータ２の抵抗値Ｒｈは、ヒータ２の抵抗温度係数α、０℃におけるヒータ２の抵抗値Ｒ0、周囲温度Ｔaを用いて式（１３）で表される。
【００９４】
Rh=R0・(1+α・Ta)      ・・・（１３）
【００９５】
そのため、差動増幅器３０からの出力電圧Ｖｈは、式（１４）で表される。
【００９６】
Vh=A・I・R0・(1+α・Ta)      ・・・（１４）
【００９７】
ＤＡＣ２７の出力を調整することによって、Ｖ−Ｉ変換回路（定電流回路）６の出力である微弱電流Ｉを変化させ、差動増幅器３０からの出力電圧Ｖｈが目標電圧Ｖsetになる（つまりＶｈ＝Ｖset）ようにすると、そのときの電流Ｉは、式（１５）で表される。
【００９８】
I=Vset/{A・R0・(1+α・Ta)}      ・・・（１５）
【００９９】
このようにして設定された微弱な電流Ｉを保持しつつ、コントローラ８のポート２８の出力電圧を電源電圧（ＶDD）にし、0℃におけるＶｈが０Ｖになるようにしてヒータ２への加熱のための通電を開始し、温度制御および温度計測（電圧検知動作）を行う。
【０１００】
電圧検知動作時の差動増幅器３０からの出力電圧Ｖｈは、式（１６）で表される。
【０１０１】
Vh=A・(I・Rh-VT)
=A・{I・R0・(1+α・T)-VT}      ・・・（１６）
【０１０２】
0℃のときのＶｈを０Ｖにするためには、分圧器２９の分圧比Ｄは、式（１７）の関係を満足する必要がある。
【０１０３】
VT=VDD・D=I・R0      ・・・（１７）
【０１０４】
そのため、式（１６）は、式（１８）のように変形される。
【０１０５】
Vh=A・{I・R0・(1+α・T)-I・R0}
=A・I・{R0・(1+α・T)-R0}
=[Vset・{R0・(1+α・T)-R0}]/{R0・(1+α・Ta)}          ・・（１８）
【０１０６】
目標電圧Ｖsetは、周囲温度Ｔa＝０に対応する目標電圧Ｖ0、抵抗温度係数αおよび冷間時の周囲温度Ｔaを用いて式（１０）のように表されるので、差動増幅器３０からの出力電圧Ｖｈは、式（１９）に示すように、Ｖ0、抵抗温度係数α、温度Ｔのみをパラメータとして含むものである。
【０１０７】
Vh=[V0・(1+α・Ta)・{R0・(1+α・T)-R0}]/{R0・(1+α・Ta)}
=V0・α・T        ・・・（１９）
【０１０８】
このように、本実施形態の酸素センサ１０によれば、ヒータ２の冷間時に電流調整部によって行われる電流調整動作によってヒータ２の抵抗値の誤差が補償されるので、ヒータ２の抵抗値の誤差に影響されない正確な温度を電圧検知動作によって推定（決定）することができる。なお、ヒータ２の「冷間時」とは、文字通りヒータ２が十分に冷えているときを指し、ヒータ２の温度が酸素センサ１０の動作温度（ガス検出部１が十分に活性化され、酸素濃度の検出を実際に行う温度）よりも十分に低い所定温度以下（例えば既に例示したような５０℃以下）のときを指す。
【０１０９】
Ｖ−Ｉ変換回路（定電流回路）６の具体的な構成の一例を図５に示す。図５に示すＶ−Ｉ変換回路６は、複数の抵抗素子Ｒ１〜Ｒ９、容量素子Ｃ１、増幅素子Ａ１およびトランジスタＴ１によって構成されている。これらの回路素子によって、Ｖ−Ｉ変換回路６は、ＤＡＣ２７からの入力電圧を、所定の大きさの電流に変換してダイオード２６を通してヒータ２に出力する。勿論、Ｖ−Ｉ変換回路６を構成する回路素子の種類や個数、配置などは、図５に例示したものに限定されない。
【０１１０】
図６および図７に、目標電圧Ｖsetの設定手順および電流調整動作の実行手順のフローチャートを示す。
【０１１１】
目標電圧Ｖsetを設定する際には、図６に示すように、まず、周囲温度Ｔaの検出を行う（ステップＳ１１）。次に、検出された周囲温度Ｔaから目標電圧調整式（例えば式（１０））に基づいて目標電圧Ｖsetの値を決定する（ステップＳ１２）。その後、決定された目標電圧Ｖsetの値を保持する（ステップＳ１３）。
【０１１２】
また、電流調整動作を実行する際には、図７に示すように、まず、分圧器２９からの出力電圧ＶTを０Ｖに設定し（ステップＳ２１）、調整回数Ｎのカウントを１とする（ステップＳ２２）。次に、ヒータ２への通電を行う（ステップＳ２３）。このときの電流の大きさΔＩは、最大値ＩMAXの半分（ＩMAX／２）である。
【０１１３】
続いて、差動増幅器３０からの出力電圧（以下では「ヒータ電圧」とも呼ぶ。）Ｖｈを計測し（ステップＳ２４）、ヒータ電圧Ｖｈと目標電圧Ｖsetとを比較する（ステップＳ２５）。ヒータ電圧Ｖｈが目標電圧Ｖset未満である場合（Ｖｈ＜Ｖset）には、通電電流の大きさΔＩをＩMAX／（２・Ｎ）だけ大きくする（ステップＳ２６）。一方、ヒータ電圧Ｖｈが目標電圧Ｖset以上である場合（Ｖｈ≧Ｖset）には、通電電流の大きさΔＩをＩMAX／（２・Ｎ）だけ小さくする（ステップＳ２７）。
【０１１４】
次に、調整回数Ｎのカウントを１増やし（ステップＳ２８）、調整回数Ｎが所定値Ｎset以上であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。調整回数Ｎが所定値Ｎset未満である場合（Ｎ＜Ｎset）には、ヒータ電圧Ｖｈの計測（ステップＳ２４）から調整回数Ｎと所定値Ｎsetとの比較判定（ステップＳ２９）までの一連のステップを繰り返す。また、調整回数Ｎが所定値Ｎset以上である場合（Ｎ≧Ｎset）には、そのときの通電電流の大きさΔＩを保持し（ステップＳ３０）、分圧器２９からの出力電圧ＶTを所定値（０℃におけるＶｈが０Ｖになるような値）に設定する（ステップＳ３１）。
【０１１５】
通電電流の大きさΔＩの調整（ステップＳ２６またはステップＳ２７のような増減）を例えば８回行えば（つまり所定値Ｎsetを８とすれば）、ヒータ電圧Ｖｈを目標電圧Ｖsetに十分近付けることができるので、電流調整動作は、数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃ程度の非常に短い時間で完了することができる。
【０１１６】
本実施形態における酸素センサ１０では、ヒータ２の抵抗値の誤差を上述したような電流調整動作によって補償する。そのため、特許文献１に開示されている手法のように、ガスセンサごとに個別に補正（実際に製造されたヒータの抵抗値に応じた補正）を施す必要がない。また、特許文献２に開示されている手法では、突入電流および印加電圧の計測中にヒータの温度が上昇してしまい、そのために正確な補償を行うことが困難であったが、本実施形態の酸素センサ１０では、補償のための電流調整動作によってはヒータ２の温度はほとんど上昇しないので、そのような問題が発生することもない。このように、本実施形態における酸素センサ１０では、ヒータ２の抵抗値の誤差（製造時のばらつきや経時劣化による変動）を正確且つ簡便に補償することができる。
【０１１７】
続いて、ヒータ２の温度の推定誤差をより小さくするための手法を説明する。既に述べたように、本実施形態の酸素センサ１０では、電流調整動作を行うことにより、ヒータ２の抵抗値の誤差に起因した推定誤差を低減することができる。ただし、ヒータ２の抵抗値と温度との関係をどのように近似するか（つまりどのような関係式で表現するか）によって、推定される温度と実際の温度とに多少の誤差が生じることがある。以下に説明するような手法により、そのような推定誤差を小さくすることができる。
【０１１８】
ヒータ２の抵抗温度係数は、温度に依存するため、ヒータ２の抵抗値と温度との関係は、直線的ではない。そのため、ヒータ２の抵抗値を単純に温度の一次式で近似（つまり直線近似）すると、推定誤差が大きくなることがある。この問題を解決するために、ヒータ２の抵抗値と温度との関係を折れ線特性で近似したり（アナログ回路の場合）、ヒータ２の抵抗値と温度との関係を不揮発性メモリに詳細にマッピングしたり（デジタル回路の場合）することが考えられるが、以下に説明する手法を用いることにより、より簡単に推定誤差を小さくできる。
【０１１９】
制御部３は、具体的には、ヒータ２の二次以上の抵抗温度係数を含む補正式を用いてヒータ２の温度を決定することが好ましい。このようにして温度を決定することにより、実温度と推定温度との差を小さく（例えば±５℃以内に）することができる。以下、より具体的に説明する。
【０１２０】
ヒータ２の温度Ｔと抵抗値Ｒｈとの関係を、式（２０）のように温度Ｔの一次の項と二次の項とを含む多項式で表現する。式（２０）において、αはヒータ２の一次の抵抗温度係数、βはヒータ２の二次の抵抗温度係数である。α、βとしては、理論値を用いてもよいし、実測値を用いてもよい。
【０１２１】
Rh=R0・(1+α・T-β・T2)      ・・・（２０）
【０１２２】
式（２０）を、差動増幅器３０からの出力電圧Ｖｈと温度Ｔとの関係式に変換すると、式（２１）となる。
【０１２３】
Vh=I・A・{R0・(1+α・T-β・T2)-R0}=V0・(α・T-β・T2)      ・・・（２１）
【０１２４】
なお、式（２１）中のＶ0は、Ｔ＝０℃のときの出力電圧であり、式（２２）で表される。
【０１２５】
V0=I・A・R0      ・・・（２２）
【０１２６】
式（２１）に基づいて、出力電圧Ｖｈを温度Ｔに変換するための逆関数を作る。具体的には、図８に示すように、十分に大きなある温度Ｔｐにおける出力電圧ＶｈをＶｐとし、Ｖｈ＝０の点とＶｈ＝Ｖｐの点とを結ぶ直線を仮想すると、この仮想直線の傾きｋは、式（２３）で表される。なお、出力電圧Ｖｈと温度Ｔとの実際の関係は、図８中に示しているように、直線的ではない。
【０１２７】
k=Vp/Tp={V0・(α・Tp-β・Tp2)}/Tp
=V0・(α-β・Tp)      ・・・（２３）
【０１２８】
また、この仮想直線は、出力電圧Ｖｈと温度Ｔとの関係を一次式で表現したときの推定温度をＴEとすると、式（２４）で表される。
【０１２９】
Vh=k・TE    ・・・（２４）
【０１３０】
式（２１）、（２３）および（２４）に基づいて、ＴEからＴを求める式を作ると、まず、下記の式（２５）が得られる。
【０１３１】
V0・(α-β・Tp)・TE=V0・(α・T-β・T2)      ・・・（２５）
【０１３２】
式（２５）の両辺からV0を除し（式（２６））、さらに変形すると式（２７）が得られる。
【０１３３】
(α-β・Tp)・TE=(α・T-β・T2)      ・・・（２６）
【０１３４】
T=[α-√{α2-4・β・(α-β・Tp)・TE}]/(2・β)
=[1-√{1-4・(β/α)・(1-(β/α)・Tp)・TE}]/{2・(β/α)}  ・・・（２７）
【０１３５】
式（２７）から、TEの多項式でTを表すと、式（２８）のようになる。
【０１３６】
T≒[2・(β/α)・{1-(β/α)・Tp}/{2・(β/α)}]・TE
+[2・(β/α)2・{1-(β/α)・Tp}2/{2・(β/α)}]・TE2
+[4・(β/α)3・{1-(β/α)・Tp}3/{2・(β/α)}]・TE3+・・・
={1-(β/α)・Tp}・TE+(β/α)・{1-(β/α)・Tp}2・TE2
+2・(β/α)2・{1-(β/α)・Tp}3・TE3+・・・
=TE-(β/α)・(Tp-TE)・TE-2・(β/α)2・(Tp-TE)・TE2+δ  ・・・（２８）
【０１３７】
式（２８）の右辺の第１項TEは、単純な一次式（仮想直線）から推定される温度であり、第２項以降が補正項である。第２項での補正不足分を第３項で補正することを式（２８）は意味している。なお、T＝０とT＝Tpのときに仮想直線と実際の特性曲線とが交わるため、誤差がゼロとなる。そのため、（Tｐ−TE）・TEおよび（Tｐ−TE）・TE2を多項式の変数としている。
【０１３８】
式（２８）のような補正式を用いることによって得られる効果（シミュレーション結果）を図９に示す。図９から、補正しない場合、つまり一次式で温度を推定した場合に比べ、二次の補正項（式（２８）の右辺第２項）を追加した場合には誤差が小さくなり、三次の補正項（式（２８）の右辺第３項）を追加した場合にはさらに誤差が小さくなる（具体的には５℃以下になる）ことがわかる。
【０１３９】
上述したように、制御部３は、ヒータ２の二次以上の抵抗温度係数を含む補正式を用いてヒータ２の温度を決定することにより、推定誤差をいっそう小さくすることができる。なお、上記の説明では、補正式が一次の抵抗温度係数αに加えて二次の抵抗温度係数βを含む場合を例示したが、三次以上の抵抗温度係数をさらに含む補正式を用いてもよい。
【０１４０】
また、図９に示したように、補正後の誤差は全て正である。そのため、補正後の誤差を正負に振り分ければ誤差をより小さくすることができる。例えば、誤差を正負に略均等に振り分ければ、誤差を約半分にできる。
【０１４１】
誤差を正負に振り分けるためには、二次の補正項や三次の補正項の係数を本来よりも大きくして過補償させればよい。例えば、三次の補正項まで含む補正式を用いて、三次の補正項の係数を約１．２２倍すると、図１０に示すように、０〜１０００℃の範囲で誤差を±２℃以内にすることができる。
【０１４２】
このように、補正式が温度誤差を正負に略均等に振り分けるための補正係数を含むことにより、温度の推定誤差をいっそう小さくすることができる。式（２８）を式（２９）のように表した場合、三次の補正項に含まれる補正係数ｐは、具体的には２〜２．５であることが好ましい。
【０１４３】
T≒TE-(β/α)・(Tp-TE)・TE-ｐ・(β/α)2・(Tp-TE)・TE2      ・・・（２９）
【０１４４】
なお、式（２９）では、簡略化のために式（２８）における微小部分δを省略しているが、その分は補正係数ｐの調整により補うことができる。
【０１４５】
図１１に、上述した温度誤差補正の実行手順のフローチャートを示す。まず、Ｔ＝０℃のときのヒータ電圧（差動増幅器３０からの出力電圧）Ｖ0のデータ「０」を取得し（ステップＳ４１）、続いて、Ｔ＝Ｔｐ℃のときのヒータ電圧Ｖｐのデータ「ｐ」を取得する（ステップＳ４２）。
【０１４６】
次に、取得したデータ０、ｐから、直線近似で温度を推定する式ＴE＝Ｖｈ／ｋ（式（２４）を変形したもの）を作成する（ステップＳ４３）。続いて、ある温度のときのヒータ電圧Ｖｈを検出し（ステップＳ４４）、式ＴE＝Ｖｈ／ｋからそのときの温度ＴEを推定（算出）する（ステップＳ４５）。
【０１４７】
その後、ＴE、Ｔｐ、抵抗温度係数α、βから温度補正を実施し、実温度Ｔを算出する（ステップＳ４６）。このようにして、温度誤差の補正を実行することができる。
【０１４８】
続いて、本実施形態における酸素センサ１０を備え、内燃機関を駆動源とする車両を説明する。図１２に、酸素センサ１０を備えた自動二輪車３００を模式的に示す。
【０１４９】
自動二輪車３００は、図１２に示すように、本体フレーム３０１とエンジン（内燃機関）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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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１０、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１０の先端部は排気管３１２の排気ガスが通過する通路内に露出しており、酸素センサ１０は排気ガス中の酸素を検出する。酸素センサ１０には、図２などに示したヒータ２が取り付けられており、エンジン１００の始動時にはヒータ２によりガス検出部１が昇温される（例えば５秒で７００℃まで昇温される）ことによって、酸化物半導体から形成されたガス検出部１の検出感度が高められる。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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１２２にはエアーフローメータ１１２、スロットルバルブ１１４、スロットルセンサ１１４ａおよび燃料噴射装置１１１が設けられている。エアーフローメータ１１２の代わりにスロットルバルブ１１４と吸気弁１１０との間に負圧センサを設けて吸気量を測定してもよい。
【０１５４】
エアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４ａ、燃料噴射装置１１１、水温センサ１１６、点火プラグ１０８および酸素センサ１０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）１１８に接続されている。ＥＣＵ１１８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。
【０１５５】
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、ＥＣＵ１１８はエアーフローメータ１１２、スロットルセンサ１１４ａ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。
【０１５６】
酸素センサ１０は排気ガス中の酸素を検出し、検出信号をＥＣＵ１１８へ出力する。ＥＣＵ１１８は、酸素センサ１０からの信号に基づき、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、エアーフローメータ１１２およびスロットルセンサ１１４ａ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。このように、酸素センサ１０と、酸素センサ１０に接続されたＥＣＵ１１８とを含む空燃比制御装置によって、内燃機関の空燃比が適切に制御される。
【０１５７】
なお、ＥＣＵ１１８は、酸素センサ１０の制御部３としても機能してもよい。つまり、図１などに示した制御部３を構成する構成要素（コントローラ８を構成するマイクロコンピュータなど）は、ＥＣＵ１１８に搭載されているものであってよい。
【０１５８】
本実施形態における酸素センサ１０を備えた自動二輪車３００では、センサ温度を正確に測定することができるので、センサ温度を所望の範囲内に好適に制御できる。そのため、酸素センサ１０の寿命が長く、長期間にわたって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る。また、センサ温度を狭い範囲で制御できるので、抵抗型のガス検出部１のようなセンサ特性の温度依存性が大きなガス検出部を用いた場合でも、温度変動がセンサ特性に与える影響を小さくし、正確な空燃比を検出することが可能となる。
【０１５９】
なお、ここでは自動二輪車を例示したが、本発明は四輪自動車などの他の輸送機器にも好適に用いられる。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。
【０１６０】
さらに、本発明は、酸素センサに限定されず、種々のガスセンサに用いられる。例えば、水素センサ、ＮＯｘセンサ、炭化水素センサ、有機化合物センサなどにも好適に用いられる。
【産業上の利用可能性】
【０１６１】
本発明によると、ヒータの電気抵抗値のばらつきを正確且つ簡便に補償し得るガスセンサが提供される。本発明は、種々のガスセンサに好適に用いられ、本発明によるガスセンサは、乗用車、バス、トラック、オートバイ、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器の空燃比制御装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】本発明の好適な実施形態における酸素センサ（ガスセンサ）１０を模式的に示すブロック図である。
【図２】酸素センサ１０が備えるガス検出部およびヒータとその近傍の構造を示す分解斜視図である。
【図３】電流調整動作を実行するタイミングを説明するためのフローチャートである。
【図４】電流調整動作を具体的に説明するための図である。
【図５】Ｖ−Ｉ変換回路の具体的な構成の一例を示す回路図である。
【図６】電流調整動作における目標電圧の設定手順を示すフローチャートである。
【図７】電流調整動作の実行手順を示すフローチャートである。
【図８】差動増幅器からの出力電圧と温度との関係を示すグラフである。
【図９】好ましい補正式（ヒータの高次の抵抗温度係数を含む補正式）を用いてヒータ温度を推定した場合の誤差を示すグラフである。
【図１０】温度誤差を正負に略均等に振り分ける補正係数を含む補正式を用いた場合の誤差を示すグラフである。
【図１１】温度誤差補正の実行手順を示すフローチャートである。
【図１２】酸素センサ１０を備えた自動二輪車の例を模式的に示す図である。
【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模式的に示す図である。
【図１４】従来の酸素センサ５００を模式的に示す分解斜視図である。
【符号の説明】
【０１６３】
１    ガス検出部
２    ヒータ
３    制御部
４    周囲温度検出回路（周囲温度検出部）
５    抵抗−電圧変換回路
６    定電流回路（定電流供給部）
７    両端電圧検知回路（電圧検知部）
８    コントローラ（電流調整部）
９    センサ入力回路
１０    酸素センサ（ガスセンサ）
１１    アクチュエータ出力回路
１２    セレクタ
１３    アナログーデジタル変換器（ＡＤＣ）
１４    データバスライン
１５    ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）
１６    ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）
１７    ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）
１８    タイマー
１９    センサインタフェース（ＳＩＦ）回路
２０    アクチュエータインタフェース（ＡＩＦ）回路
２１、２３、２８    ポート
２２    電源回路
２４    ゲートドライブ
２５    半導体スイッチング素子
２６    ダイオード
２７    デジタルーアナログ変換器（ＤＡＣ）
２９    分圧器
３０    差動増幅器
【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】
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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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【図１４】
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