JP5925225B2

JP5925225B2 - ガスセンサのヒータ制御方法およびヒータ制御装置

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Publication number: JP5925225B2
Application number: JP2014030210A
Authority: JP
Inventors: 愛五十嵐; 智久照井; 裕之林; 薫久田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-02-20
Also published as: US20140238973A1; JP2014194409A; CN104007160B; DE102014102476A1; US9386633B2; CN104007160A

Description

本発明は、ガスセンサの検出素子を活性化するヒータへの通電を制御するためのヒータ制御方法およびヒータ制御装置に関する。

固体電解質体および一対の電極からなるセルを少なくとも１つ以上備える検出素子を有し、酸素等の特定ガスの濃度を検出するガスセンサが知られている。検出素子は温度が上昇すると活性化し、固体電解質体に隔てられた２つの雰囲気間の酸素濃度差に応じて一対の電極間に起電力を生ずるようになる。検出素子は、内燃機関から排出される排気ガスの熱によって加熱される一方、検出素子の早期活性化のため、ガスセンサにはヒータが設けられる。ヒータには電源電圧が印加されるが、電源電圧が高いと単位時間あたりの温度上昇幅が大きく、検出素子に負荷がかかりクラック等を発生する虞がある。

そこで、ヒータへの通電をＰＷＭ制御によって行うものが知られている（例えば特許文献１参照）。ＰＷＭ制御によってヒータに印加する実効電圧を制御すれば、ヒータの温度上昇における単位時間あたりの温度上昇カーブを適正な温度上昇カーブに近づけることができる。ゆえに、検出素子への負荷を低減しつつも、効率よく、ヒータの昇温速度を確保することができる。

特開平９−１２７０３５号公報

ところで、電源電圧が従来よりも高い車両（例えば、１６Ｖを超える電源電圧を有する車両）にガスセンサを用いたいという要望がある。この場合に、ＰＷＭ制御によってヒータに印加する実効電圧が、従来の実効電圧と同様になるように、電源電圧に合わせたｄｕｔｙ比を設定して通電したところ、検出素子にクラックを生ずる虞があることが分かった。発明者らによる検討の結果、ＰＷＭ制御の１周期におけるＯＮタイム（通電期間）が従来よりも短くなったとしても、ＯＮタイム中にヒータに印加される電圧（以下、「印加電圧」ともいう。）が従来よりも高くなったことから、ＯＮタイム中のヒータの温度上昇が従来よりも急峻になってしまうことがわかった。これに対し、ＯＮタイム中のヒータの温度上昇を低減するために、ＯＮタイムが短くなるようにｄｕｔｙ比を下げると、ヒータに印加される実効電圧が低くなるので、ヒータの温度上昇カーブが従来よりも緩やかになってしまい、検出素子の活性化に時間がかかるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、ヒータに印加する電源電圧が従来よりも高くとも、加熱による検出素子にかかる負荷を抑制しつつ、検出素子の早期活性化を図ることができるガスセンサのヒータ制御方法およびヒータ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様によれば、固体電解質体および前記固体電解質体に設けられた一対の電極を有する少なくとも一つ以上のセルを備えるガス検出素子と、電源装置から電源電圧が印加されて発熱し、前記ガス検出素子を加熱して活性化させるヒータとを備えるガスセンサの前記ヒータへの通電を制御するためのガスセンサのヒータ制御方法において、前記ヒータは１６Ｖより高い電源電圧を有する電源装置に接続され、前記ヒータへの電源電圧の印加を通電または非通電の状態に切り換え可能なスイッチング手段を用いて、３０Ｈｚ以上のＰＷＭ周波数で前記ヒータへの通電をＰＷＭ制御するにあたり、前記ヒータに印加される実効値が、常温からガス検知可能となる温度までの時間が１５秒未満となる電圧値であり、且つ１６Ｖ未満となる電圧値となるように、１００％未満のｄｕｔｙ比であって、前記ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となる前記ｄｕｔｙ比を前記スイッチング手段に設定して前記ＰＷＭ制御を行うガスセンサのヒータ制御方法が提供される。

第１態様に係るガスセンサのヒータ制御方法によれば、ＰＷＭ周波数を３０Ｈｚ以上に設定している。これにより、１周期あたりのＯＮタイムを短くでき、１６Ｖよりも高い電源電圧をヒータに印加しても、ＯＮタイム中のヒータの温度上昇幅を低く抑えることができる。よって、３０Ｈｚ以上のＰＷＭ周波数で、ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となるｄｕｔｙ比に設定してＰＷＭ制御を行えば、検出素子にかかる負荷を抑制できる。その上、ＯＮタイムを短くしたとしても、ヒータに印加される電圧の実効値は維持できるため、検出素子の早期活性化を図ることができる。

本発明の第２態様によれば、固体電解質体および前記固体電解質体に設けられた一対の電極を有する少なくとも一つ以上のセルを備えるガス検出素子と、電源装置から電源電圧が印加されて発熱し、前記ガス検出素子を加熱して活性化させるヒータとを備えるガスセンサの前記ヒータへの通電を制御するためのガスセンサのヒータ制御装置であって、前記ヒータは１６Ｖより高い電源電圧を有する電源装置に接続され、前記ヒータへの電源電圧の印加を通電または非通電の状態に切り換え可能なスイッチング手段と、前記スイッチング手段を３０Ｈｚ以上のＰＷＭ周波数で駆動し、前記ヒータへの通電をＰＷＭ制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記ヒータに印加される実効値が、常温からガス検知可能となる温度までの時間が１５秒未満となる電圧値であり、且つ１６Ｖ未満となる電圧値となるように、１００％未満のｄｕｔｙ比であって、前記ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となる前記ｄｕｔｙ比を前記スイッチング手段に設定して前記ＰＷＭ制御を行うガスセンサのヒータ制御装置が提供される。

第２態様に係るガスセンサのヒータ制御装置は、制御手段がスイッチング手段を駆動するＰＷＭ周波数を３０Ｈｚ以上に設定している。これにより、１周期あたりのＯＮタイムを短くでき、１６Ｖよりも高い電源電圧をヒータに印加しても、ＯＮタイム中のヒータの温度上昇幅を低く抑えることができる。よって、３０Ｈｚ以上のＰＷＭ周波数で、ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となるｄｕｔｙ比に設定してＰＷＭ制御を行えば、検出素子にかかる負荷を抑制できる。その上、ＯＮタイムを短くしたとしても、ヒータに印加される電圧の実効値は維持できるため、検出素子の早期活性化を図ることができる。

ヒータ素子７を備える全領域空燃比センサ２とセンサ制御装置１の電気的な構成を示すブロック図である。ヒータ素子７の温度上昇と通電時間との関係を表す昇温カーブを示すグラフである。電源電圧１６Ｖ、ＰＷＭ周波数１０Ｈｚでヒータ素子７に通電した場合の温度変化について説明する図である。電源電圧３２Ｖ、ＰＷＭ周波数１０Ｈｚでヒータ素子７に通電した場合の温度変化について説明する図である。電源電圧３２Ｖ、ＰＷＭ周波数１００Ｈｚでヒータ素子７に通電した場合の温度変化について説明する図である。

以下、本発明を具体化したガスセンサのヒータ制御方法およびヒータ制御装置の一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１を参照し、ヒータ制御装置の一例として、全領域空燃比センサ２の駆動を制御するセンサ制御装置１を挙げ、その電気的な構成について説明する。

図１に示す、センサ制御装置１は、車両に搭載される電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、全領域空燃比センサ２と電気的に接続する。本実施の形態におけるガスセンサは、エンジンから排出される排気ガスに含まれる酸素濃度に応じて出力値（検出信号の値）がリニアに変化する、いわゆる全領域空燃比センサ２を、その一例とする。なお、全領域空燃比センサ２については公知のものを使用しているため、その構造等の詳細については説明を省略し、概略的な構成について、以下に説明する。

全領域空燃比センサ２は、図示外のハウジング内に、細長で長尺な板状をなすセンサ素子５を保持した構造を有する。全領域空燃比センサ２からは、このセンサ素子５が出力する信号を取り出すための信号線が引き出されており、全領域空燃比センサ２とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置１と電気的に接続されている。

センサ素子５は、公知のように、排気ガス中の酸素濃度を検出するためのガス検出素子６と、ガス検出素子６を加熱するためのヒータ素子７とが一体となった素子である。ガス検出素子６は、ジルコニアを主体とし酸素イオン伝導性を有する固体電解質体の両面にＰｔを主体とする電極を形成した２種類のセル（Ｖｓセル６１、Ｉｐセル６２）を内蔵する。ガス検出素子６は、上記のＶｓセル６１およびＩｐセル６２を積層しつつ排気ガスを導入可能な小部屋であるガス検出室（図示外）を形成し、そのガス検出室内に両セルの一方の電極をそれぞれ露出した構造をなす。この両セルの一方の電極は互いに導通し、図示しない信号線を介してセンサ制御装置１が備えるＡＳＩＣ２０（後述）のＣＯＭポートに接続される。また、Ｖｓセル６１の他方の電極は、上記ガス検出室内に導入される排気ガス中の酸素濃度を検出する際に基準となる酸素基準電極として機能するものであり、図示しない信号線を介してＡＳＩＣ２０のＶｓ＋ポートに接続される。そしてＩｐセル６２の他方の電極は、ガス検出室内と外気との間での酸素交換を行うためガス検出素子６の外気に曝されており、電気的にはＡＳＩＣ２０のＩｐ＋ポートに接続される。

ヒータ素子７は、ガス検出素子６の固体電解質体を加熱して早期活性化を図り、活性化後には、固体電解質体の温度を維持してガス検出素子６の動作の安定性を確保する。ヒータ素子７は、アルミナを主体とする２枚の絶縁基体間に、白金を主体とする発熱抵抗体７１を挟んで配設した構造を有する。なお、センサ素子５の具体的な構造については公知であり、図１では全領域空燃比センサ２を電気的な回路構成として示している。

次に、全領域空燃比センサ２が接続されるセンサ制御装置１の概略的な構成について説明する。センサ制御装置１は、マイクロコンピュータ１０、ＡＳＩＣ２０、およびヒータ制御回路３０を有する。また、図示しないが、他にもエンジンの制御に関わる様々な回路（装置）を有する。マイクロコンピュータ１０は、ＡＳＩＣ２０およびヒータ制御回路３０を介して全領域空燃比センサ２への電力の供給を制御するとともに、ガス検出素子６から排気ガス中の酸素濃度に応じた電流値を電圧信号として得る。

マイクロコンピュータ１０は、自動車のエンジンの駆動等を電子的に制御するための装置である。マイクロコンピュータ１０は、各種の制御プログラムの実行に従い、ＡＳＩＣ２０を含む、自身に接続される各回路（装置）を制御して、燃料の噴射タイミングや点火時期を制御する。そのためにマイクロコンピュータ１０は、図示外の信号入出力部を介して、全領域空燃比センサ２に対する電力の供給を制御するための信号を、ＡＳＩＣ２０やヒータ制御回路３０に出力する。また、マイクロコンピュータ１０は、ＡＳＩＣ２０を介し、全領域空燃比センサ２の出力（検出信号）を取得する。さらに、マイクロコンピュータ１０には、エンジンのピストン位置や回転数を検出できるクランク角や、燃焼圧などの情報も入力される。

このマイクロコンピュータ１０には、公知の構成のＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２、およびＲＡＭ１３が搭載されている。ＣＰＵ１１は、上記の制御を含む各種制御を実行し、ＲＯＭ１２には、これらの各種制御を行うためのプログラムや初期値等が記憶されている。ＲＡＭ１３には、プログラムの実行に使用される各種変数やフラグ、カウンタ等が一時的に記憶される。

次に、ＡＳＩＣ２０は、全領域空燃比センサ２の駆動制御を行うための回路を集積して１チップ化し、センサ制御装置１に容易に組み込めるようにした特定用途向け集積回路である。ＡＳＩＣ２０は、マイクロコンピュータ１０から入力される信号に応じてガス検出素子６に電力を供給するとともに、ガス検出素子６による酸素濃度の検出結果をマイクロコンピュータ１０に出力する。具体的に、ＡＳＩＣ２０は、ガス検出素子６のＶｓセル６１に微小な定電流Ｉｃｐを流し、上記他方の電極側に酸素イオンを移動させて酸素を溜め込ませ、酸素基準電極として機能させる。また、Ｖｓセル６１の一対の電極間に生ずる起電力Ｖｓを検出し、あらかじめ定められた基準電圧（例えば４５０ｍＶ）との比較を行う。この比較結果に基づき、Ｉｐセル６２の一対の電極間に流すポンプ電流Ｉｐの向きや大きさを制御することで、Ｉｐセル６２によるガス検出室への酸素の汲み入れやガス検出室からの酸素の汲み出しが行われるようにする。また、Ｖｓセル６１、Ｉｐセル６２は内部抵抗を有するが、その抵抗値（内部抵抗値、インピーダンス）は、固体電解質体の温度上昇に応じて低下する特性を有し、内部抵抗値とＶｓセル６１、Ｉｐセル６２の温度との間に所定の相関関係があることが知られている。ＡＳＩＣ２０は、Ｖｓセル６１の内部抵抗値の変化を別途検出し、マイクロコンピュータ１０に出力する。

ヒータ制御回路３０は、センサ素子５に設けられたヒータ素子７の発熱抵抗体７１の両端に、バッテリ８からの電圧Ｖｈを印加する。詳細には、ヒータ制御回路３０は、発熱抵抗体７１への通電をＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）によって行うためのスイッチング素子３１（例えばトランジスタ）を備えている。発熱抵抗体７１の両端に印加する電圧Ｖｈの電圧波形のｄｕｔｙ比は、マイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１が算出する。具体的には、ＡＳＩＣ２０がＶｓセル６１の加熱状態に応じた内部抵抗値を検出し、ＣＰＵ１１が、その内部抵抗値の変化に基づき、公知の演算式、またはあらかじめ作成したテーブルに従って、ｄｕｔｙ比を求める。ヒータ制御回路３０は、ＣＰＵ１１が出力するパルス信号に乗せ、ｄｕｔｙ比に応じた電圧波形をなす電圧Ｖｈを発熱抵抗体７１に印加する。発熱抵抗体７１は発熱し、Ｉｐセル６１およびＶｓセル６２を加熱する。なお、ヒータ制御回路３０のスイッチング素子３１として、上記のトランジスタに限らず、ＦＥＴ等を用いてもよい。

ところで、図２に示すように、発熱抵抗体７１に通電した場合のヒータ素子７の温度上昇と通電時間との関係を表す温度上昇カーブ（以下、「昇温カーブ」ともいう。）は、発熱抵抗体７１への電力に応じたカーブ（温度の変動態様）を描くことが知られている。ガス検出素子６の早期活性化のためにはヒータ素子７（発熱抵抗体７１）に供給する電力を増やし、ヒータ素子７の温度をより短時間で活性化可能な温度に到達させることが好ましい。しかし、ガス検出素子６は、短時間での温度上昇幅が大きいとクラックや割れを生ずる虞がある。

本実施形態では、固体電解質体にかかる負荷を抑制しつつもガス検出素子６の早期活性化を図ることができるような昇温カーブとして、ヒータ素子７へ印加される実効電圧が１２Ｖとなる昇温カーブ（以下、「１２Ｖ昇温カーブ」ともいう。なお、図２において、１２Ｖ昇温カーブを点線で示す。）を設定している。もっとも、センサ制御装置１を搭載する車両によって、バッテリ８の電源電圧が異なる場合がある。ゆえにセンサ制御装置１は、ヒータ素子７の温度上昇が１２Ｖ昇温カーブを描くようにＰＷＭ制御を行っている。

具体的に、本実施形態では、特に電源電圧が１６Ｖより高いバッテリ８に接続した場合に、ＣＰＵ１１がヒータ制御回路３０に対して出力するパルス信号について、そのＰＷＭ周波数を３０Ｈｚ以上、例えば１００Ｈｚに設定している。すなわち、センサ制御装置１のＣＰＵ１１は、ＰＷＭ周期の１周期においてｄｕｔｙ比によって設定されるタイミングでスイッチング素子３１の１回のＯＮ／ＯＦＦを行うが、そのＰＷＭ周期の１周期を０．０１秒（１００Ｈｚの場合）とし、ＰＷＭ制御を行う。その上、ヒータ素子７の温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となるｄｕｔｙ比に設定している。この２つの設定により、ヒータ素子７に印加するバッテリ８の電源電圧が１６Ｖよりも高くとも、ガス検出素子６にかかる負荷を抑制することができる。

ヒータ素子７に対するＰＷＭ制御を上記の設定に基づいて行う理由について、以下に説明する。なお、ヒータ素子７へ印加される実効電圧が１２Ｖとなる場合に描く１２Ｖ昇温カーブにおいて、通電を開始して所定時間が経過したときのヒータ素子７の温度をＴ１℃、その０．１秒後におけるヒータ素子７の温度をＴ２℃とする。

例えば、センサ制御装置１を電源電圧１６Ｖのバッテリ８に接続し、ＰＷＭ周波数を１０Ｈｚに設定し、１２Ｖ昇温カーブを目標にｄｕｔｙ比を設定したＰＷＭ制御を行う場合について考える。ＰＷＭ周波数が１０Ｈｚであるので、ＰＷＭ周期の１周期は０．１秒である。図３に示すように、通電を開始して所定時間が経過したときから０．１秒後におけるヒータ素子７（発熱抵抗体７１）の温度がＴ２℃になるように、ＣＰＵ１１は、Ｖｓセル６１の内部抵抗値に基づく演算によりｄｕｔｙ比を求める。通電開始から所定時間後のヒータ素子７（発熱抵抗体７１）の温度が、１２Ｖの電源電圧を印加した場合と同じくＴ１℃であれば、ＣＰＵ１１は、電圧実効値が１２Ｖとなるようにｄｕｔｙ比を設定する。この場合、０秒からＰ秒までスイッチング素子３１がＯＮとなり、ヒータ素子７に１６Ｖが印加され、Ｐ秒から０．１秒までスイッチング素子３１がＯＦＦとなる。ヒータ素子７（発熱抵抗体７１）は、スイッチング素子３１がＯＮの間（以下、「ＯＮタイム」ともいう。）に１６Ｖの電圧の印加によって温度がＴｘ℃上昇し、スイッチング素子３１がＯＦＦの間（以下、「ＯＦＦタイム」ともいう。）に自然冷却により温度が低下して、所定時間の０．１秒後の温度がＴ２℃になる。

なお、図３とは異なり、図２に示す１２Ｖ昇温カーブにおいてＯＦＦタイム中も温度上昇がみられる点について説明する。なお、図２において、ヒータ素子７の温度は、ヒータ素子７の表面でヒータ素子７の内部に形成した発熱抵抗体７１のパターンに対応する位置に、熱電対を接触させて配置し、温度検出器で測定した実測値である。ゆえに、昇温カーブにおいては、温度検出器の分解能に起因して、ＰＷＭ周期よりも細かい段状の温度変化を示す場合がある。ＯＮタイム中には、発熱抵抗体７１の発熱によって、ヒータ素子７の温度が上昇する。その後、ＯＦＦタイムとなると、図３のように発熱抵抗体７１の温度は低下するが、ヒータ素子７の表面の温度よりも発熱抵抗体７１の温度がまだ高いため、ヒータ素子７の温度は上昇する。その後、ヒータ素子７の表面の温度が上昇し、発熱抵抗体７１の温度に近づいた時には、温度上昇幅は小さくなるが、ヒータ素子７表面の温度上昇は継続する。よって、図３において、ヒータ素子７の温度はＯＮタイムに上昇し、ＯＦＦタイムに下降するとしたが、説明の便宜によるものであり、発熱抵抗体７１そのものの温度を測定した場合やＰＷＭ周波数が非常に低い場合には反映される場合がある。一方、ヒータ素子７の表面温度を測定した場合は、図２に示すように、ＰＷＭ周期の１周期ごとに温度上昇幅に変化を生じながらも温度が上昇する状態を継続する場合がある。

ここで発明者らは、バッテリ８の電源電圧を１６Ｖより高い３２Ｖとし、センサ制御装置１が１２Ｖ昇温カーブを目標にＰＷＭ制御を行った場合に、ガス検出素子６にクラックや割れを生ずる場合があることを確認した。

なお、図２に示すように、１２Ｖ昇温カーブは、単位時間当たりの温度上昇幅が通電開始から経過した時期によって異なる。１２Ｖ昇温カーブにおいて、単位時間当たりの温度上昇幅は、通電の初期において大きい。発明者らは、この通電の初期における単位時間当たりの温度上昇幅を制御することにより、ガス検出素子６に負荷がかかるとクラックや割れを生じやすい時期、例えばヒータ素子７の温度が上昇した時期であっても、ガス検出素子６のクラックや割れを抑制できる知見を得た。

そこで、センサ制御装置１に電源電圧３２Ｖのバッテリ８を接続し、ＰＷＭ周波数を上記同様１０Ｈｚに設定して、図２に示すように、１２Ｖ昇温カーブを目標にｄｕｔｙ比を設定したＰＷＭ制御を行う場合について考える。図４に示すように、ＰＷＭ周期の１周期は０．１秒である。通電開始から所定時間経過後におけるヒータ素子７（発熱抵抗体７１）の温度がＴ１℃であるので、ＣＰＵ１１は、ヒータ素子７に印加する電圧の実効値が１２Ｖとなるようにｄｕｔｙ比を設定する。ヒータ素子７には０秒からＱ秒までのＯＮタイムにおいて３２Ｖが印加され、Ｑ秒から０．１秒までのＯＦＦタイムを経て１周期が経過する。３２Ｖが印加されるＯＮタイムにおけるヒータ素子７（発熱抵抗体７１）の温度上昇率（傾き）は、電源電圧が１６Ｖの場合よりも大きい。ヒータ素子７（発熱抵抗体７１）は、ＯＮタイムに３２Ｖの電圧の印加によって温度がＴｙ℃上昇し、ＯＦＦタイムに自然冷却により温度が低下して、上記同様、所定時間の０．１秒後の温度がＴ２℃になる。ＰＷＭ周波数が１０Ｈｚで電源電圧が３２Ｖの場合においてＯＮタイムに上昇するヒータ素子７の温度Ｔｙ℃は、ＰＷＭ周波数が１０Ｈｚで電源電圧が１６Ｖの場合においてＯＮタイムに上昇する温度Ｔｘ℃よりも高い。

なお、図２において、ＰＷＭ周波数が１０Ｈｚで電源電圧が３２Ｖの場合（この場合の昇温カーブを一点鎖線で示す。）、ヒータ素子７の温度上昇幅は、最大で、０．１秒当たり２５．５℃であった。

このように、センサ制御装置１に接続するバッテリ８の電源電圧が３２Ｖである場合、ＰＷＭ周波数が１０Ｈｚであるため、ＯＮタイム中の温度上昇がＴｙ℃と比較的高くなっており、ガス検出素子６に負荷がかかりやすくなる。その結果、ガス検出素子６に、クラックや割れが発生する虞がある。

そして、バッテリ８の電源電圧が１６Ｖより高い３２Ｖの場合のＰＷＭ制御において、センサ制御装置１が１２Ｖ昇温カーブを目標とした場合に固体電解質体にかかる負荷を抑制するには、ヒータ素子７への電力を低減することが考えられる。もっとも、電力の低減によってヒータ素子７の温度上昇が遅くなると、ガス検出素子６の早期活性化に影響が出る。そこで発明者らは、ＰＷＭ周波数に注目し、ＰＷＭ周波数を高くすることで１周期あたりの温度上昇幅を抑えつつ、ガス検出素子６の早期活性化を図ることを考えた。

センサ制御装置１を電源電圧３２Ｖのバッテリ８に接続し、ＰＷＭ周波数を１００Ｈｚに設定し、１２Ｖ昇温カーブを目標にｄｕｔｙ比を設定したＰＷＭ制御を行う場合について考える。図５に示すように、ＰＷＭ周期の１周期は０．０１秒である。通電開始から所定時間経過後におけるヒータ素子７（発熱抵抗体７１）の温度がＴ１℃であるので、ＣＰＵ１１は、ヒータ素子７に印加する電圧の実効値が１２Ｖとなるようにｄｕｔｙ比を設定する。ヒータ素子７には０秒からＲ秒までのＯＮタイムにおいて３２Ｖが印加され、Ｒ秒から０．１秒までのＯＦＦタイムを経て１周期が経過する。３２Ｖが印加されるＯＮタイムにおけるヒータ素子７（発熱抵抗体７１）の温度上昇率（傾き）は、図４の場合と同様であり、電源電圧が１６Ｖの場合よりも大きい。ヒータ素子７は、ＯＮタイムに３２Ｖの電圧の印加によって温度がＴｚ℃上昇し、ＯＦＦタイムに自然冷却により温度が低下する。このような温度上昇と下降を１０周期繰り返し、ヒータ素子７は、上記同様、所定時間の０．１秒後の温度がＴ２℃になる。ＰＷＭ周波数が１００Ｈｚで電源電圧が３２Ｖの場合においてＯＮタイムに上昇するヒータ素子７の温度Ｔｚ℃は、ＰＷＭ周波数が１０Ｈｚで電源電圧が３２Ｖの場合においてＯＮタイムに上昇する温度Ｔｙ℃よりも低い。

なお、図２において、ＰＷＭ周波数が１００Ｈｚで電源電圧が３２Ｖの場合（この場合の昇温カーブを実線で示す。）、ヒータ素子７の温度上昇幅は、最大で、０．１秒当たり１８．３℃であった。

このように、センサ制御装置１に接続するバッテリ８の電源電圧が３２Ｖである場合、ＰＷＭ周波数が１００Ｈｚとすることで、ＯＮタイム中の温度上昇がＴｚ℃と比較的低くなっている。上記した電源電圧が３２ＶでＰＷＭ周波数が１０Ｈｚの場合にはＴｙ℃であった温度上昇と比べて確実に低くなっており、その結果、ガス検出素子６に負荷がかかりにくく、クラックや割れを抑制することができる。

つまり、ＰＷＭ周波数を高く設定し、ＰＷＭ周波数の１周期の時間を短くすれば、１周期あたりのＯＮタイムも短くできる。ゆえに、１６Ｖよりも高い電源電圧をヒータ素子７に印加しても、ＯＮタイム中のヒータの温度上昇幅を低く抑えることができる。よって、３２Ｖのバッテリ８に接続し、１００ＨｚのＰＷＭ周波数で、ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となるｄｕｔｙ比に設定してＰＷＭ制御を行えば、検出素子にかかる負荷を抑制できる。その上、ＯＮタイムを短くしたとしても、ヒータに印加される電圧の実効値は維持できる。よって、ガス検出素子６の早期活性化のため１２Ｖ昇温カーブを目標にヒータ素子７に印加する電圧の実効値を制御してＰＷＭ制御を行えば、ヒータ素子７（発熱抵抗体７１）に供給する電力を従来通りに確保でき、早期活性化を図ることができる。

電源電圧が３２Ｖの場合にＰＷＭ周波数を３０Ｈｚ以上とし、１２Ｖ昇温カーブを目標にｄｕｔｙ比を設定してＰＷＭ制御を行っても、ガス検出素子６にクラックや割れは生じなかった。発明者らは、バッテリ８の電源電圧が１６Ｖより高い場合の１２Ｖ昇温カーブを目標とするＰＷＭ制御において、ＰＷＭ周波数が３０Ｈｚ以上であればガス検出素子６にクラックや割れが生じないことを確認した。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。センサ制御装置１は自動車のＥＣＵを例としたが、ＥＣＵとは独立の制御装置を設けてもよい。ガスセンサの一例として全領域空燃比センサを挙げたが、本発明は、固体電解質体を基体とするガス検出素子と、固体電解質体を加熱して早期活性化を図るヒータ素子を備えるガスセンサ、例えば、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、エアクオリティセンサ、ＨＣセンサ等に適用してもよい。また、センサ制御装置１では、ヒータ素子７へ印加される実行電圧が１２Ｖとなる昇温カーブ（つまり、１２Ｖ昇温カーブ）を描くようにＰＷＭ制御を行っていたが、これに限られず、例えば、ヒータ素子に印加される実行電圧が１０Ｖとなる昇温カーブ（つまり、１０Ｖ昇温カーブ）や、８Ｖとなる昇温カーブ（つまり、８Ｖ昇温カーブ）を描くようにＰＷＭ制御を行っても良い。つまり、実行電圧としては、常温からガス検知可能となる温度までの時間が１５秒未満となる電圧値であり、且つ１６Ｖ未満となる電圧値であればよい。

１センサ制御装置
２全領域空燃比センサ
６ガス検出素子
７ヒータ素子
８バッテリ
１１ＣＰＵ
３１スイッチング素子
６１Ｖｓセル
６２Ｉｐセル

Claims

固体電解質体および前記固体電解質体に設けられた一対の電極を有する少なくとも一つ以上のセルを備えるガス検出素子と、電源装置から電源電圧が印加されて発熱し、前記ガス検出素子を加熱して活性化させるヒータとを備えるガスセンサの前記ヒータへの通電を制御するためのガスセンサのヒータ制御方法において、
前記ヒータは１６Ｖより高い電源電圧を有する電源装置に接続され、前記ヒータへの電源電圧の印加を通電または非通電の状態に切り換え可能なスイッチング手段を用いて、３０Ｈｚ以上のＰＷＭ周波数で前記ヒータへの通電をＰＷＭ制御するにあたり、
前記ヒータに印加される実効値が、常温からガス検知可能となる温度までの時間が１５秒未満となる電圧値であり、且つ１６Ｖ未満となる電圧値となるように、１００％未満のｄｕｔｙ比であって、前記ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となる前記ｄｕｔｙ比を前記スイッチング手段に設定して前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とするガスセンサのヒータ制御方法。
固体電解質体および前記固体電解質体に設けられた一対の電極を有する少なくとも一つ以上のセルを備えるガス検出素子と、電源装置から電源電圧が印加されて発熱し、前記ガス検出素子を加熱して活性化させるヒータとを備えるガスセンサの前記ヒータへの通電を制御するためのガスセンサのヒータ制御装置であって、
前記ヒータは１６Ｖより高い電源電圧を有する電源装置に接続され、前記ヒータへの電源電圧の印加を通電または非通電の状態に切り換え可能なスイッチング手段と、
前記スイッチング手段を３０Ｈｚ以上のＰＷＭ周波数で駆動し、前記ヒータへの通電をＰＷＭ制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記ヒータに印加される実効値が、常温からガス検知可能となる温度までの時間が１５秒未満となる電圧値であり、且つ１６Ｖ未満となる電圧値となるように、１００％未満のｄｕｔｙ比であって、前記ヒータの温度変化が０．１秒当たり２５℃未満となる前記ｄｕｔｙ比を前記スイッチング手段に設定して前記ＰＷＭ制御を行うことを特徴とするガスセンサのヒータ制御装置。