ガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法
【課題】被測定ガスに含まれる煤等の有機成分によるプロテクタの目詰まりを除去し、検出素子の出力異常を防止したガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法を提供する。
【解決手段】ポンプセル１４を備えた検出素子１０と検出素子を加熱するヒータ７０とを有するガスセンサ素子２００と、検出素子の先端部を取り囲み、通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサに接続され、ポンプセルの出力値を取得する出力値取得手段５０と、検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、ヒータへ通電してガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御手段５０と、を有するガスセンサ制御装置１００であって、さらに出力値がヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断手段５０を備え、出力値がヒータ切替閾値未満と判断されたとき、ヒータ通電制御手段は、ガスセンサ素子を第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータを通電する。
【解決手段】ポンプセル１４を備えた検出素子１０と検出素子を加熱するヒータ７０とを有するガスセンサ素子２００と、検出素子の先端部を取り囲み、通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサに接続され、ポンプセルの出力値を取得する出力値取得手段５０と、検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、ヒータへ通電してガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御手段５０と、を有するガスセンサ制御装置１００であって、さらに出力値がヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断手段５０を備え、出力値がヒータ切替閾値未満と判断されたとき、ヒータ通電制御手段は、ガスセンサ素子を第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータを通電する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるポンプセルを少なくとも有するガスセンサの通電状態を制御するセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
これらのガスセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えた検出素子とヒータとを有するガスセンサ素子を有し、セルの１つは酸素ポンプセルである。そして、酸素ポンプセルはガスセンサの測定室に酸素を汲み入れ又は汲み出し、測定室内の酸素濃度を一定に保っている。
又、ガスセンサ素子の検出素子はプロテクタで取り囲まれ、プロテクタには被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔が設けられている。
【０００３】
これらのガスセンサとして、２つのセル（酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセル）を測定室を挟むように配置し、測定室に拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入して被測定ガスに含まれる酸素を検知する全領域空燃比センサ（以下、ＵＥＧＯセンサともいう）が知られている。さらに、２つのセル（酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセル）に加え、ＮＯｘガス濃度を検知するセルを配置し、合計３つのセルを有するＮＯｘセンサも知られている。
【０００４】
ところで、ガスセンサを内燃機関の吸気管や排気管に取り付けると、排気ガス（排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）により再循環される排気ガスも含む）中の煤等の有機成分によりプロテクタの通気孔が目詰まりし、プロテクタ内では酸素が欠乏して極端なリッチ雰囲気になり、異常に低いセンサ出力を示して正常な測定が行えなくなる。
このようなことから、ＥＧＲが動作しない時のガスセンサのヒータ温度を、ＥＧＲ動作時のヒータ温度より高くし、プロテクタに堆積される付着物を燃焼させる技術が開発されている（特許文献１参照）。
又、機関始動直後の低温時には排気中の水分が凝縮してガスセンサ素子に付着し、この状態でヒータを加熱すると素子が破損するおそれがある。一方で、水分が蒸発するまでヒータを非通電にすると、排気中の煤がガスセンサ素子に付着する。そこで、排気通路の温度を測定し、その温度が閾値以下であれば排気通路に水分が付着しているとみなし、ヒータを低温で通電させる技術が開発されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２６０１５２号公報
【特許文献２】特開２００３−８３１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２記載の技術の場合、ＥＧＲの動作の有無や排気通路の温度といった、プロテクタの目詰まりとは直接関係しないパラメータをもとにヒータの制御を行っており、プロテクタの目詰まりを除去する点で有効な手法とは言い難い。
すなわち、本発明は、被測定ガスに含まれる煤等の有機成分によるプロテクタ通気孔の目詰まりを除去し、検出素子の出力異常を防止したガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタを備えるガスセンサに接続され、前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得手段と、前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御手段と、を有するガスセンサ制御装置であって、さらに前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断手段を備え、前記出力値判断手段によって前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満と判断されたとき、前記ヒータ通電制御手段は、前記ガスセンサ素子を前記第１温度よりも高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電する。
このガスセンサ制御装置によれば、プロテクタの目詰まりと直接関係するパラメータであるセンサ出力（ポンプセルの出力値）の低下を検知して、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に維持される第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータを通電してガスセンサ素子（プロテクタ）を加熱し、プロテクタの通気孔に詰まった有機成分を燃焼させるので、プロテクタの目詰まりを除去して検出素子の出力異常を防止することができる。
【０００８】
前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した後に再び前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満であると前記出力値判断手段が判断したとき、前記ヒータ通電制御手段は、所定の待ち時間待機してもよい。
このガスセンサ制御装置によれば、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを再使用することができる。
【０００９】
さらに、前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した回数をカウントし、当該カウント数が所定の故障閾値を超えたときに故障と判定する故障判定手段を備えてもよい。
このガスセンサ制御装置によれば、 プロテクタの高温加熱を何回か行った後に目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを故障と判定せずに再使用することができる。
【００１０】
本発明のガスセンサ制御方法は、固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサの制御方法であって、前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得過程と、前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御過程と、前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断過程と、前記出力値判断手段によって前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満と判断されたとき、前記第１温度より高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電するヒータ高温通電制御過程と、を有する。
このガスセンサ制御方法によっても、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを再使用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、被測定ガスに含まれる煤等の有機成分によるガスセンサのプロテクタの目詰まりを除去し、検出素子の出力異常を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置及びガスセンサ素子の構成を示すブロック図である。
【図２】ガスセンサ素子の固体電解質体の内部抵抗とガスセンサ素子の温度との関係を示す図である。
【図３】通電制御処理のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施態様に係るガスセンサ制御装置１００、及びガスセンサ制御装置１００に接続されるガスセンサ素子２００を示す。ガスセンサ素子２００はガスセンサに組み付けられ、内燃機関を備える自動車等の排気ガス系に取り付けられている。なお、本実施例では被測定ガス中の特定ガスとして酸素を例示して説明する。
ガスセンサ制御装置１００は、コントローラ５０と、アナログ回路であるヒータ制御回路６０とを備えている。コントローラ５０は、マイクロコンピュータ、メモリ、入出力インタフェース、及びガスセンサ素子２００を有するガスセンサの駆動制御を行うための電気回路等を備え、メモリに内蔵された制御プログラムにより所定の制御処理を実行し得るように構成されている。そして、コントローラ５０は、ガスセンサの通電制御やヒータの通電制御を行うと共に、ガスセンサから得られる出力に基づき酸素濃度（空燃比）を検出し、その検出結果をもとにしてエンジンの空燃比フィードバック制御を含めたエンジンの駆動等の制御を行う。
【００１４】
マイクロコンピュータには、公知の構成のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭが搭載されている。ＣＰＵは、後述する制御を含む各種制御を実行し、ＲＯＭ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。ＲＡＭ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。
上記した電気回路は、例えば特定用途向け集積回路であるＡＳＩＣとして構成され、検出素子１０の通電制御を行うとともに、検出素子１０を介して検出された酸素濃度を表す検出信号をマイクロコンピュータに出力する公知の構成をなしている。詳細は後述するが、この電気回路は、起電力セル２４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。そして、電気回路は、この比較結果に基づき、酸素ポンプセル１４の一対の電極間に流すポンプ電流（Ｉｐ電流）の向きや大きさを制御することで、酸素ポンプセル１４による間隙２０への酸素の汲み入れや間隙２０からの酸素の汲み出しが行われるようにする。また、この電気回路は、酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流を電圧変換し、酸素濃度を表す検出信号としてマイクロコンピュータに出力する。さらに、電気回路は、温度に応じて変化する検出素子１０（起電力セル２４）の内部抵抗Ｒpvs（インピーダンス）を別途検出し、マイクロコンピュータに出力する。
なお、コントローラ５０が、特許請求の範囲の「出力値取得手段」、「ヒータ通電制御手段」、「出力値判断手段」、「故障判定手段」に相当する。
ている。
【００１５】
ガスセンサ素子２００は細長で長尺な板状をなし、被測定ガス中の酸素濃度を測定する検出素子１０と、検出素子１０を加熱するヒータ７０とを有し、図１は、ガスセンサ素子２００の長手方向と直交する断面を示している。ガスセンサ素子２００は、自身の径方向周囲を主体金具（図示せず）で取り囲まれ、さらに主体金具の先端には検出素子１０の先端部を囲むプロテクタ（図示せず）が設置されてガスセンサ（全領域酸素センサ）を構成している。ガスセンサからは、ガスセンサ素子２００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、この信号線を介してコントローラ５０及びヒータ制御回路６０と電気的に接続されている。
又、プロテクタは、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を複数設けた有底筒状に形成された外部プロテクタと、外部プロテクタの内側に離間して配置されて同様に通気孔を複数設けた筒状の内部プロテクタとから成る公知の構成をなしている。
【００１６】
検出素子１０は、酸素ポンプセル１４及び起電力セル２４の２つのセルを有し、酸素ポンプセル１４、多孔質拡散層１８、起電力セル２４及びアルミナを主体とする補強板３０をこの順で積層することにより構成されている。酸素ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性の固体電解質体である安定化又は部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２、１６とを有している。そして、酸素ポンプセル１４は、外部から間隙（測定室）２０内に酸素を汲み入れ、あるいは間隙２０から外部へ酸素を汲み出す。このとき、被測定ガスに晒される表面側の多孔質電極１２は、Ｉｐ電流（多孔質電極１２、１６間に流れる電流、特許請求の範囲の「出力値」に相当）を流すためにＩｐ＋電圧が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また裏面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。
なお、多孔質電極１２の表面がセラミックスからなる多孔質性の保護層に覆われ、排気ガスに含まれるシリコン等の被毒成分から保護されている。
【００１７】
起電力セル２４も同様に安定化又は部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）からなる固体電解質体と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２、２８とを有している。酸素ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された間隙（測定室）２０が形成されている。そして、間隙２０は、多孔質拡散層１８を介して被測定ガス雰囲気と連通されている。
間隙２０側に配設された多孔質電極２２は、起電力セル２４の起電力のマイナス電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、また基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、起電力セル２４の起電力のプラス電圧が生じるためＶｓ＋電極として参照する。基準酸素室２６の基準酸素は多孔質電極２２から一定量の酸素を多孔質電極２８にポンピングすることにより生成する。
なお、多孔質電極１２、１６が特許請求の範囲の「一対の電極」に相当する。
【００１８】
ここで、被測定ガスの酸素濃度と間隙２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、多孔質拡散層１８を介して間隙２０側に拡散して行く。間隙２０内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室２６との間の酸素濃度差により、起電力セル２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約４５０ｍＶの電位差が生じる。このため、コントローラ５０は、酸素ポンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記起電力セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように調整することで、間隙２０への酸素の汲み入れや間隙２０からの酸素の汲み出しを調整して間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つための酸素ポンプセルのポンプ電流Ｉｐに基づき、被測定ガス中の酸素濃度を測定する。
具体的には、間隙２０内に流入した被測定ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであった場合、排気ガス中の酸素濃度が薄いため、外部から間隙２０内に酸素を汲み入れるように、ポンプ電流Ｉｐが制御される。一方、間隙２０内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、間隙２０から外部へ酸素を汲み出すように、ポンプ電流Ｉｐが制御される。
【００１９】
一方、ヒータ７０は、セラミック系接合剤を介して検出素子１０の固体電解質体１４側の外層に取り付けられている。ヒータ７０は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミックの内部に、白金を主体とする発熱抵抗体であるヒータ配線７２を埋設してなる。
ここで、ジルコニアからなる固体電解質体は、常温では絶縁性を示すが高温環境下（例えば、７５０℃以上）では活性化されて酸素イオン導電性を示すことが知られている。そこで、ヒータ７０により、固体電解質体１４，２４を加熱して活性化させ、酸素ポンプセル１４による酸素の汲み入れ及び汲み出し、並びに起電力セル２４による酸素濃度の測定といった、検出素子１０による被測定ガス中の酸素濃度の検出動作を行えるようにしている。具体的には、コントローラ５０により検出素子１０の温度を測定し、ヒータ制御回路６０はこの温度が目標値を保つようにヒータ７０へ電力を供給する。
【００２０】
なお、公知のように固体電解質体の内部抵抗は温度によって変化するので、コントローラ５０は固体電解質体の内部抵抗、即ち起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvsを測定し、内部抵抗Ｒpvsと検出素子１０の温度との関係（例えば、図２）から検出素子１０（ガスセンサ素子２００）の温度を算出する。
又、内部抵抗Ｒpvs は次のように測定することができる。まず、起電力セル２４に所定方向の測定電流（既知）を所定期間供給し、この測定電流の供給前後に発生する起電力セル２４の電位差ΔＶｓを測定する。そして、この測定した電位差ΔＶｓを既知である測定電流値で割ることにより、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を算出する。
【００２１】
そして、ヒータ制御回路６０がヒータ７０のヒータ配線７２の両端に接続され、ヒータ配線７２の一端をバッテリ（図示せず）に電気的に接続させると共に、ヒータ配線７２の他端をグランド電位に電気的に接続させる構成をなしている。このヒータ制御回路６０は、バッテリとヒータ配線７２の一端との間に配置されると共に、ヒータ配線７２への通電をＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）するためのスイッチング素子（図示せず）を備えている。そして、ヒータ配線７２の両端に印加する電圧の電圧波形のデューティ比はコントローラ５０において算出される。
具体的なデューティ比の算出にあたっては、コントローラ５０は、内部抵抗Ｒpvsが目標の抵抗値（以下、適宜「目標Ｒpvs」と称する）となるようにデューティ比を演算し、スイッチング素子のオン、オフ制御を行うことで、デューティ比に応じた電圧（実効電圧）がヒータ配線７２に印加され、ヒータ７０の通電制御が行われる。例えば、図２の例では、目標Ｒpvsが７５Ω（ガスセンサ素子２００の温度が８００℃に相当）に設定され、この設定値になるようにヒータ配線７２に電圧が印加される。この目標Ｒpvsのもとで、上記した検出素子１０による被測定ガス中の酸素濃度の検出動作が行われることとなる。なお、目標Ｒpvsが７５Ω時のガスセンサ素子２００の温度が特許請求の範囲の「第１温度」に相当する。
なお、本発明において、内部抵抗Ｒpvsと検出素子１０の温度が図２の具体的な値に限定されないことはいうまでもない。
【００２２】
次に、本発明の特徴部分である、プロテクタの目詰まりを除去するためのコントローラ５０によるヒータ通電制御処理について、図３を参照して説明する。図３は、ヒータ通電制御処理のフローチャートである。
ここで、既に述べたように、排気ガス（排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）により再循環される排気ガスも含む）中の煤等の有機成分がプロテクタの通気孔を目詰まりさせると、プロテクタ内の検出素子１０の雰囲気の酸素が欠乏して極端なリッチ雰囲気になり、異常に低いセンサ出力を示す。
このようなことから、本発明では、センサ出力（酸素ポンプセル１４のＩｐ電流）が所定のヒータ切替閾値以下になったとき、センサ出力が低くなってプロテクタの通気孔が目詰まりしたと判断している。
【００２３】
図３に示すように、ヒータ通電制御処理を実行するプログラムは、自動車がキーオンされてコントローラ５０の駆動が開始すると、内燃機関を制御するための他のプログラムと共に、ＣＰＵによって実行される。まず、イニシャライズ（初期化）が実施され、ＲＡＭ上にヒータ通電制御プログラムで使用されるフラグや変数、カウンタ等の領域の確保、リセット、初期値の設定等が行われる。また、経過時間に応じた判断処理において利用されるカウンタがスタートされる。さらに、後述するガスセンサの故障判定処理を行うために用い、プロテクタの目詰まりを除去するために第２温度に維持するようにヒータ７０を通電した回数を示すカウンタ（高温通電回数カウンタ）ｎを０にリセットする。
【００２４】
次に、コントローラ５０は、酸素ポンプセル１４のＩｐ電流が所定のヒータ切替閾値Ａ未満であるか否かを判断する（ステップＳ２）。このヒータ切替閾値Ａは、プロテクタが目詰まりしていない通常の状態での検出動作で検出されるＩｐ電流の最小値よりも小さい値とする。
ステップＳ２で「Ｙｅｓ」の場合、コントローラ５０は、プロテクタが目詰まりしてセンサ出力が異常を示したとみなし、第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータの高温加熱を開始する（ステップＳ４）。例えば図２の例では、検出動作時の目標Ｒpvsは７５Ω（ガスセンサ素子２００の温度が第１温度の８００℃に相当）であるのに対し、目標Ｒpvsは５０Ωに切替設定され、このときのガスセンサ素子２００の温度は９００℃（第２温度に相当）と、第１温度の８００℃を超える高温になる。そして、ステップＳ４が続いている間、ガスセンサ素子２００及びこれを取り囲むプロテクタが高温となり、プロテクタの通気孔に詰まった煤等の付着物が燃焼し、目詰まりが除去される。
一方、ステップＳ２で「Ｎｏ」の場合、コントローラ５０は、高温通電回数カウンタｎを０にリセットし（ステップＳ２０）、通常制御へ移行する（ステップＳ２２）。通常制御では、ガスセンサ素子２０の温度が第１温度を維持するようにヒータ７０が制御される。
【００２５】
ステップＳ４に続いて、コントローラ５０は、ステップＳ４の開始時を基準とした時間ｔが、ヒータの高温加熱を続ける時間として設定された継続時間Ｂ（例えば、５分間）を過ぎたか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０はＳ６に戻ってヒータの高温加熱を継続する。ステップＳ６で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、ヒータの高温加熱を終了する（ステップＳ８）。
ステップＳ８に続いて、ステップＳ１０でコントローラ５０は、酸素ポンプセル１４のＩｐ電流が所定のヒータ切替閾値Ａ未満であるか否かを再び判断する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されたとみなし、ステップＳ２０に移行する。
【００２６】
一方、ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されなかったとみなし、ステップＳ１０の開始時を基準とした時間ｔが、設定された待ち時間Ｃを過ぎたか否かを判定する（ステップＳ１２）。この待ち時間Ｃを設けた理由は、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去されることがあるからである。
そして、ステップＳ１２で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０はＳ１２に戻って待ち時間Ｃの待機を継続する。ステップＳ１２で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、酸素ポンプセル１４のＩｐ電流が所定の閾値Ａ未満であるか否かを再び判断する（ステップＳ１３）。
【００２７】
ステップＳ１３で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されたとみなし、ステップＳ２０に移行する。
一方、ステップＳ１３で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されなかったとみなし、高温通電回数カウンタｎをインクリメントし（ステップＳ１４）、
その後にｎ＞５か否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の「５」は故障閾値であり、Ｓ１６でＹＥＳであれば、コントローラ５０は高温通電を所定回数（５回）繰り返してもプロテクタの目詰まりが除去されなかったとみなして、ガスセンサが故障したと判定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８では、例えばセンサ故障ランプを点灯させる等の処理を行う。
一方、ステップＳ１８でＮＯであれば、故障であると判定せずにＳ２へ戻る。
【００２８】
なお、特許請求の範囲の「出力値取得過程」は、ガスセンサが駆動している間、一定タイミングで実行される。又、「ヒータ通電制御過程」は、検出素子１０による被測定ガス中の酸素濃度の検出動作中、常に実行される。そして、ステップＳ２、Ｓ４がそれぞれ特許請求の範囲の「出力値判断過程」、「ヒータ高温通電制御過程」に相当する。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置１００によれば、プロテクタの目詰まりと直接関係するパラメータであるセンサ出力（酸素ポンプセル１４のＩｐ電流）の低下を検知して、第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータを通電してガスセンサ素子（プロテクタ）を加熱し、プロテクタの通気孔に詰まった有機成分を燃焼させるので、プロテクタの目詰まりを除去して検出素子の出力異常を防止することができる。
又、ステップＳ１２で待ち時間Ｃを設けると、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを再使用することができる。
又、ステップＳ１６で高温通電回数カウンタと故障閾値を比較して故障判定を行うと、プロテクタの高温加熱を何回か行った後に目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを故障と判定せずに再使用することができる。
【００３０】
なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。本実施の形態の全領域空燃比センサ１０は、酸素ポンプセル１４と、酸素濃度検出セルである起電力セル２４とを備えた２セル式のガスセンサであるが、その他のタイプのガスセンサ（１セルタイプの酸素センサや３セルタイプのＮＯｘセンサなど）に対し、本発明を適用してもよい。
プロテクタについても、二重プロテクタに限らず、一重のプロテクタであってもよい。
また、本実施の形態ではＡＳＩＣをコントローラ５０に組み込んだ構成としたが、コントローラ５０とは別体にセンサ駆動回路を設けてもよい。ヒータ制御回路６０についても同様であり、コントローラ５０に組み込んでもよいし、あるいはヒータ制御装置として単体に設けてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 検出素子
１４ ポンプセル（固体電解質体）
１２，１６ 一対の電極
５０ コントローラ（出力値取得手段、ヒータ通電制御手段、出力値判断手段、故障判定手段）
６０ ヒータ制御回路
７０ ヒータ
１００ センサ制御装置
２００ ガスセンサ素子
Ｃ 待ち時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるポンプセルを少なくとも有するガスセンサの通電状態を制御するセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
これらのガスセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えた検出素子とヒータとを有するガスセンサ素子を有し、セルの１つは酸素ポンプセルである。そして、酸素ポンプセルはガスセンサの測定室に酸素を汲み入れ又は汲み出し、測定室内の酸素濃度を一定に保っている。
又、ガスセンサ素子の検出素子はプロテクタで取り囲まれ、プロテクタには被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔が設けられている。
【０００３】
これらのガスセンサとして、２つのセル（酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセル）を測定室を挟むように配置し、測定室に拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入して被測定ガスに含まれる酸素を検知する全領域空燃比センサ（以下、ＵＥＧＯセンサともいう）が知られている。さらに、２つのセル（酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセル）に加え、ＮＯｘガス濃度を検知するセルを配置し、合計３つのセルを有するＮＯｘセンサも知られている。
【０００４】
ところで、ガスセンサを内燃機関の吸気管や排気管に取り付けると、排気ガス（排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）により再循環される排気ガスも含む）中の煤等の有機成分によりプロテクタの通気孔が目詰まりし、プロテクタ内では酸素が欠乏して極端なリッチ雰囲気になり、異常に低いセンサ出力を示して正常な測定が行えなくなる。
このようなことから、ＥＧＲが動作しない時のガスセンサのヒータ温度を、ＥＧＲ動作時のヒータ温度より高くし、プロテクタに堆積される付着物を燃焼させる技術が開発されている（特許文献１参照）。
又、機関始動直後の低温時には排気中の水分が凝縮してガスセンサ素子に付着し、この状態でヒータを加熱すると素子が破損するおそれがある。一方で、水分が蒸発するまでヒータを非通電にすると、排気中の煤がガスセンサ素子に付着する。そこで、排気通路の温度を測定し、その温度が閾値以下であれば排気通路に水分が付着しているとみなし、ヒータを低温で通電させる技術が開発されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２６０１５２号公報
【特許文献２】特開２００３−８３１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、２記載の技術の場合、ＥＧＲの動作の有無や排気通路の温度といった、プロテクタの目詰まりとは直接関係しないパラメータをもとにヒータの制御を行っており、プロテクタの目詰まりを除去する点で有効な手法とは言い難い。
すなわち、本発明は、被測定ガスに含まれる煤等の有機成分によるプロテクタ通気孔の目詰まりを除去し、検出素子の出力異常を防止したガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタを備えるガスセンサに接続され、前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得手段と、前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御手段と、を有するガスセンサ制御装置であって、さらに前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断手段を備え、前記出力値判断手段によって前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満と判断されたとき、前記ヒータ通電制御手段は、前記ガスセンサ素子を前記第１温度よりも高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電する。
このガスセンサ制御装置によれば、プロテクタの目詰まりと直接関係するパラメータであるセンサ出力（ポンプセルの出力値）の低下を検知して、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に維持される第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータを通電してガスセンサ素子（プロテクタ）を加熱し、プロテクタの通気孔に詰まった有機成分を燃焼させるので、プロテクタの目詰まりを除去して検出素子の出力異常を防止することができる。
【０００８】
前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した後に再び前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満であると前記出力値判断手段が判断したとき、前記ヒータ通電制御手段は、所定の待ち時間待機してもよい。
このガスセンサ制御装置によれば、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを再使用することができる。
【０００９】
さらに、前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した回数をカウントし、当該カウント数が所定の故障閾値を超えたときに故障と判定する故障判定手段を備えてもよい。
このガスセンサ制御装置によれば、 プロテクタの高温加熱を何回か行った後に目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを故障と判定せずに再使用することができる。
【００１０】
本発明のガスセンサ制御方法は、固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサの制御方法であって、前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得過程と、前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御過程と、前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断過程と、前記出力値判断手段によって前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満と判断されたとき、前記第１温度より高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電するヒータ高温通電制御過程と、を有する。
このガスセンサ制御方法によっても、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを再使用することができる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、被測定ガスに含まれる煤等の有機成分によるガスセンサのプロテクタの目詰まりを除去し、検出素子の出力異常を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置及びガスセンサ素子の構成を示すブロック図である。
【図２】ガスセンサ素子の固体電解質体の内部抵抗とガスセンサ素子の温度との関係を示す図である。
【図３】通電制御処理のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施態様に係るガスセンサ制御装置１００、及びガスセンサ制御装置１００に接続されるガスセンサ素子２００を示す。ガスセンサ素子２００はガスセンサに組み付けられ、内燃機関を備える自動車等の排気ガス系に取り付けられている。なお、本実施例では被測定ガス中の特定ガスとして酸素を例示して説明する。
ガスセンサ制御装置１００は、コントローラ５０と、アナログ回路であるヒータ制御回路６０とを備えている。コントローラ５０は、マイクロコンピュータ、メモリ、入出力インタフェース、及びガスセンサ素子２００を有するガスセンサの駆動制御を行うための電気回路等を備え、メモリに内蔵された制御プログラムにより所定の制御処理を実行し得るように構成されている。そして、コントローラ５０は、ガスセンサの通電制御やヒータの通電制御を行うと共に、ガスセンサから得られる出力に基づき酸素濃度（空燃比）を検出し、その検出結果をもとにしてエンジンの空燃比フィードバック制御を含めたエンジンの駆動等の制御を行う。
【００１４】
マイクロコンピュータには、公知の構成のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭが搭載されている。ＣＰＵは、後述する制御を含む各種制御を実行し、ＲＯＭ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。ＲＡＭ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。
上記した電気回路は、例えば特定用途向け集積回路であるＡＳＩＣとして構成され、検出素子１０の通電制御を行うとともに、検出素子１０を介して検出された酸素濃度を表す検出信号をマイクロコンピュータに出力する公知の構成をなしている。詳細は後述するが、この電気回路は、起電力セル２４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。そして、電気回路は、この比較結果に基づき、酸素ポンプセル１４の一対の電極間に流すポンプ電流（Ｉｐ電流）の向きや大きさを制御することで、酸素ポンプセル１４による間隙２０への酸素の汲み入れや間隙２０からの酸素の汲み出しが行われるようにする。また、この電気回路は、酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流を電圧変換し、酸素濃度を表す検出信号としてマイクロコンピュータに出力する。さらに、電気回路は、温度に応じて変化する検出素子１０（起電力セル２４）の内部抵抗Ｒpvs（インピーダンス）を別途検出し、マイクロコンピュータに出力する。
なお、コントローラ５０が、特許請求の範囲の「出力値取得手段」、「ヒータ通電制御手段」、「出力値判断手段」、「故障判定手段」に相当する。
ている。
【００１５】
ガスセンサ素子２００は細長で長尺な板状をなし、被測定ガス中の酸素濃度を測定する検出素子１０と、検出素子１０を加熱するヒータ７０とを有し、図１は、ガスセンサ素子２００の長手方向と直交する断面を示している。ガスセンサ素子２００は、自身の径方向周囲を主体金具（図示せず）で取り囲まれ、さらに主体金具の先端には検出素子１０の先端部を囲むプロテクタ（図示せず）が設置されてガスセンサ（全領域酸素センサ）を構成している。ガスセンサからは、ガスセンサ素子２００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、この信号線を介してコントローラ５０及びヒータ制御回路６０と電気的に接続されている。
又、プロテクタは、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を複数設けた有底筒状に形成された外部プロテクタと、外部プロテクタの内側に離間して配置されて同様に通気孔を複数設けた筒状の内部プロテクタとから成る公知の構成をなしている。
【００１６】
検出素子１０は、酸素ポンプセル１４及び起電力セル２４の２つのセルを有し、酸素ポンプセル１４、多孔質拡散層１８、起電力セル２４及びアルミナを主体とする補強板３０をこの順で積層することにより構成されている。酸素ポンプセル１４は、酸素イオン伝導性の固体電解質体である安定化又は部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2）と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極１２、１６とを有している。そして、酸素ポンプセル１４は、外部から間隙（測定室）２０内に酸素を汲み入れ、あるいは間隙２０から外部へ酸素を汲み出す。このとき、被測定ガスに晒される表面側の多孔質電極１２は、Ｉｐ電流（多孔質電極１２、１６間に流れる電流、特許請求の範囲の「出力値」に相当）を流すためにＩｐ＋電圧が印加されるのでＩｐ＋電極として参照する。また裏面側の多孔質電極１６は、Ｉｐ電流を流すためにＩｐ−電圧が印加されるのでＩｐ−電極として参照する。
なお、多孔質電極１２の表面がセラミックスからなる多孔質性の保護層に覆われ、排気ガスに含まれるシリコン等の被毒成分から保護されている。
【００１７】
起電力セル２４も同様に安定化又は部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）からなる固体電解質体と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された多孔質電極２２、２８とを有している。酸素ポンプセル１４と起電力セル２４との間には、多孔質拡散層１８により包囲された間隙（測定室）２０が形成されている。そして、間隙２０は、多孔質拡散層１８を介して被測定ガス雰囲気と連通されている。
間隙２０側に配設された多孔質電極２２は、起電力セル２４の起電力のマイナス電圧が生じるためＶｓ−電極として参照し、また基準酸素室２６側に配設された多孔質電極２８は、起電力セル２４の起電力のプラス電圧が生じるためＶｓ＋電極として参照する。基準酸素室２６の基準酸素は多孔質電極２２から一定量の酸素を多孔質電極２８にポンピングすることにより生成する。
なお、多孔質電極１２、１６が特許請求の範囲の「一対の電極」に相当する。
【００１８】
ここで、被測定ガスの酸素濃度と間隙２０の酸素濃度との差に応じた酸素が、多孔質拡散層１８を介して間隙２０側に拡散して行く。間隙２０内の雰囲気が理論空燃比に保たれるとき、ほぼ酸素濃度が一定に保たれている基準酸素室２６との間の酸素濃度差により、起電力セル２４のＶｓ＋電極２８とＶｓ−電極２２との間には、約４５０ｍＶの電位差が生じる。このため、コントローラ５０は、酸素ポンプセル１４に流す電流Ｉｐを、上記起電力セル２４の起電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように調整することで、間隙２０への酸素の汲み入れや間隙２０からの酸素の汲み出しを調整して間隙２０内の雰囲気を理論空燃比に保ち、この理論空燃比に保つための酸素ポンプセルのポンプ電流Ｉｐに基づき、被測定ガス中の酸素濃度を測定する。
具体的には、間隙２０内に流入した被測定ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであった場合、排気ガス中の酸素濃度が薄いため、外部から間隙２０内に酸素を汲み入れるように、ポンプ電流Ｉｐが制御される。一方、間隙２０内に流入した排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリーンであった場合、排気ガス中には多くの酸素が存在するため、間隙２０から外部へ酸素を汲み出すように、ポンプ電流Ｉｐが制御される。
【００１９】
一方、ヒータ７０は、セラミック系接合剤を介して検出素子１０の固体電解質体１４側の外層に取り付けられている。ヒータ７０は、絶縁材料であるアルミナ等のセラミックの内部に、白金を主体とする発熱抵抗体であるヒータ配線７２を埋設してなる。
ここで、ジルコニアからなる固体電解質体は、常温では絶縁性を示すが高温環境下（例えば、７５０℃以上）では活性化されて酸素イオン導電性を示すことが知られている。そこで、ヒータ７０により、固体電解質体１４，２４を加熱して活性化させ、酸素ポンプセル１４による酸素の汲み入れ及び汲み出し、並びに起電力セル２４による酸素濃度の測定といった、検出素子１０による被測定ガス中の酸素濃度の検出動作を行えるようにしている。具体的には、コントローラ５０により検出素子１０の温度を測定し、ヒータ制御回路６０はこの温度が目標値を保つようにヒータ７０へ電力を供給する。
【００２０】
なお、公知のように固体電解質体の内部抵抗は温度によって変化するので、コントローラ５０は固体電解質体の内部抵抗、即ち起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvsを測定し、内部抵抗Ｒpvsと検出素子１０の温度との関係（例えば、図２）から検出素子１０（ガスセンサ素子２００）の温度を算出する。
又、内部抵抗Ｒpvs は次のように測定することができる。まず、起電力セル２４に所定方向の測定電流（既知）を所定期間供給し、この測定電流の供給前後に発生する起電力セル２４の電位差ΔＶｓを測定する。そして、この測定した電位差ΔＶｓを既知である測定電流値で割ることにより、起電力セル２４の内部抵抗Ｒpvs を算出する。
【００２１】
そして、ヒータ制御回路６０がヒータ７０のヒータ配線７２の両端に接続され、ヒータ配線７２の一端をバッテリ（図示せず）に電気的に接続させると共に、ヒータ配線７２の他端をグランド電位に電気的に接続させる構成をなしている。このヒータ制御回路６０は、バッテリとヒータ配線７２の一端との間に配置されると共に、ヒータ配線７２への通電をＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）するためのスイッチング素子（図示せず）を備えている。そして、ヒータ配線７２の両端に印加する電圧の電圧波形のデューティ比はコントローラ５０において算出される。
具体的なデューティ比の算出にあたっては、コントローラ５０は、内部抵抗Ｒpvsが目標の抵抗値（以下、適宜「目標Ｒpvs」と称する）となるようにデューティ比を演算し、スイッチング素子のオン、オフ制御を行うことで、デューティ比に応じた電圧（実効電圧）がヒータ配線７２に印加され、ヒータ７０の通電制御が行われる。例えば、図２の例では、目標Ｒpvsが７５Ω（ガスセンサ素子２００の温度が８００℃に相当）に設定され、この設定値になるようにヒータ配線７２に電圧が印加される。この目標Ｒpvsのもとで、上記した検出素子１０による被測定ガス中の酸素濃度の検出動作が行われることとなる。なお、目標Ｒpvsが７５Ω時のガスセンサ素子２００の温度が特許請求の範囲の「第１温度」に相当する。
なお、本発明において、内部抵抗Ｒpvsと検出素子１０の温度が図２の具体的な値に限定されないことはいうまでもない。
【００２２】
次に、本発明の特徴部分である、プロテクタの目詰まりを除去するためのコントローラ５０によるヒータ通電制御処理について、図３を参照して説明する。図３は、ヒータ通電制御処理のフローチャートである。
ここで、既に述べたように、排気ガス（排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）により再循環される排気ガスも含む）中の煤等の有機成分がプロテクタの通気孔を目詰まりさせると、プロテクタ内の検出素子１０の雰囲気の酸素が欠乏して極端なリッチ雰囲気になり、異常に低いセンサ出力を示す。
このようなことから、本発明では、センサ出力（酸素ポンプセル１４のＩｐ電流）が所定のヒータ切替閾値以下になったとき、センサ出力が低くなってプロテクタの通気孔が目詰まりしたと判断している。
【００２３】
図３に示すように、ヒータ通電制御処理を実行するプログラムは、自動車がキーオンされてコントローラ５０の駆動が開始すると、内燃機関を制御するための他のプログラムと共に、ＣＰＵによって実行される。まず、イニシャライズ（初期化）が実施され、ＲＡＭ上にヒータ通電制御プログラムで使用されるフラグや変数、カウンタ等の領域の確保、リセット、初期値の設定等が行われる。また、経過時間に応じた判断処理において利用されるカウンタがスタートされる。さらに、後述するガスセンサの故障判定処理を行うために用い、プロテクタの目詰まりを除去するために第２温度に維持するようにヒータ７０を通電した回数を示すカウンタ（高温通電回数カウンタ）ｎを０にリセットする。
【００２４】
次に、コントローラ５０は、酸素ポンプセル１４のＩｐ電流が所定のヒータ切替閾値Ａ未満であるか否かを判断する（ステップＳ２）。このヒータ切替閾値Ａは、プロテクタが目詰まりしていない通常の状態での検出動作で検出されるＩｐ電流の最小値よりも小さい値とする。
ステップＳ２で「Ｙｅｓ」の場合、コントローラ５０は、プロテクタが目詰まりしてセンサ出力が異常を示したとみなし、第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータの高温加熱を開始する（ステップＳ４）。例えば図２の例では、検出動作時の目標Ｒpvsは７５Ω（ガスセンサ素子２００の温度が第１温度の８００℃に相当）であるのに対し、目標Ｒpvsは５０Ωに切替設定され、このときのガスセンサ素子２００の温度は９００℃（第２温度に相当）と、第１温度の８００℃を超える高温になる。そして、ステップＳ４が続いている間、ガスセンサ素子２００及びこれを取り囲むプロテクタが高温となり、プロテクタの通気孔に詰まった煤等の付着物が燃焼し、目詰まりが除去される。
一方、ステップＳ２で「Ｎｏ」の場合、コントローラ５０は、高温通電回数カウンタｎを０にリセットし（ステップＳ２０）、通常制御へ移行する（ステップＳ２２）。通常制御では、ガスセンサ素子２０の温度が第１温度を維持するようにヒータ７０が制御される。
【００２５】
ステップＳ４に続いて、コントローラ５０は、ステップＳ４の開始時を基準とした時間ｔが、ヒータの高温加熱を続ける時間として設定された継続時間Ｂ（例えば、５分間）を過ぎたか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０はＳ６に戻ってヒータの高温加熱を継続する。ステップＳ６で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、ヒータの高温加熱を終了する（ステップＳ８）。
ステップＳ８に続いて、ステップＳ１０でコントローラ５０は、酸素ポンプセル１４のＩｐ電流が所定のヒータ切替閾値Ａ未満であるか否かを再び判断する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されたとみなし、ステップＳ２０に移行する。
【００２６】
一方、ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されなかったとみなし、ステップＳ１０の開始時を基準とした時間ｔが、設定された待ち時間Ｃを過ぎたか否かを判定する（ステップＳ１２）。この待ち時間Ｃを設けた理由は、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去されることがあるからである。
そして、ステップＳ１２で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０はＳ１２に戻って待ち時間Ｃの待機を継続する。ステップＳ１２で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、酸素ポンプセル１４のＩｐ電流が所定の閾値Ａ未満であるか否かを再び判断する（ステップＳ１３）。
【００２７】
ステップＳ１３で「Ｎｏ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されたとみなし、ステップＳ２０に移行する。
一方、ステップＳ１３で「Ｙｅｓ」であれば、コントローラ５０は、プロテクタの目詰まりが除去されなかったとみなし、高温通電回数カウンタｎをインクリメントし（ステップＳ１４）、
その後にｎ＞５か否かを判定する（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の「５」は故障閾値であり、Ｓ１６でＹＥＳであれば、コントローラ５０は高温通電を所定回数（５回）繰り返してもプロテクタの目詰まりが除去されなかったとみなして、ガスセンサが故障したと判定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８では、例えばセンサ故障ランプを点灯させる等の処理を行う。
一方、ステップＳ１８でＮＯであれば、故障であると判定せずにＳ２へ戻る。
【００２８】
なお、特許請求の範囲の「出力値取得過程」は、ガスセンサが駆動している間、一定タイミングで実行される。又、「ヒータ通電制御過程」は、検出素子１０による被測定ガス中の酸素濃度の検出動作中、常に実行される。そして、ステップＳ２、Ｓ４がそれぞれ特許請求の範囲の「出力値判断過程」、「ヒータ高温通電制御過程」に相当する。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置１００によれば、プロテクタの目詰まりと直接関係するパラメータであるセンサ出力（酸素ポンプセル１４のＩｐ電流）の低下を検知して、第１温度よりも高い第２温度に維持するようにヒータを通電してガスセンサ素子（プロテクタ）を加熱し、プロテクタの通気孔に詰まった有機成分を燃焼させるので、プロテクタの目詰まりを除去して検出素子の出力異常を防止することができる。
又、ステップＳ１２で待ち時間Ｃを設けると、ヒータの高温加熱によりプロテクタが高温となってしばらく時間が経過してから、プロテクタの通気孔に付着していた煤等が剥離して目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを再使用することができる。
又、ステップＳ１６で高温通電回数カウンタと故障閾値を比較して故障判定を行うと、プロテクタの高温加熱を何回か行った後に目詰まりが除去される場合に、ガスセンサを故障と判定せずに再使用することができる。
【００３０】
なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。本実施の形態の全領域空燃比センサ１０は、酸素ポンプセル１４と、酸素濃度検出セルである起電力セル２４とを備えた２セル式のガスセンサであるが、その他のタイプのガスセンサ（１セルタイプの酸素センサや３セルタイプのＮＯｘセンサなど）に対し、本発明を適用してもよい。
プロテクタについても、二重プロテクタに限らず、一重のプロテクタであってもよい。
また、本実施の形態ではＡＳＩＣをコントローラ５０に組み込んだ構成としたが、コントローラ５０とは別体にセンサ駆動回路を設けてもよい。ヒータ制御回路６０についても同様であり、コントローラ５０に組み込んでもよいし、あるいはヒータ制御装置として単体に設けてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０ 検出素子
１４ ポンプセル（固体電解質体）
１２，１６ 一対の電極
５０ コントローラ（出力値取得手段、ヒータ通電制御手段、出力値判断手段、故障判定手段）
６０ ヒータ制御回路
７０ ヒータ
１００ センサ制御装置
２００ ガスセンサ素子
Ｃ 待ち時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサに接続され、
前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得手段と、
前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御手段と、
を有するガスセンサ制御装置であって、
さらに前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断手段を備え、
前記出力値判断手段によって前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満と判断されたとき、前記ヒータ通電制御手段は、前記ガスセンサ素子を前記第１温度よりも高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電するガスセンサ制御装置。
【請求項２】
前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した後に再び前記出力値が前記閾値未満であると前記出力値判断手段が判断したとき、前記ヒータ通電制御手段は、所定の待ち時間待機する請求項１記載のガスセンサ制御装置。
【請求項３】
さらに、前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した回数をカウントし、当該カウント数が所定の故障閾値を超えたときに故障と判定する故障判定手段を備えた請求項１又は２記載のガスセンサ制御装置。
【請求項４】
固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサの制御方法であって、
前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得過程と、
前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御過程と、
前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断過程と、
前記出力値判断手段によって前記出力値が前記閾値未満と判断されたとき、前記第１温度より高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電するヒータ高温通電制御過程と、を有するガスセンサ制御方法。
【請求項１】
固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサに接続され、
前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得手段と、
前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御手段と、
を有するガスセンサ制御装置であって、
さらに前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断手段を備え、
前記出力値判断手段によって前記出力値が前記ヒータ切替閾値未満と判断されたとき、前記ヒータ通電制御手段は、前記ガスセンサ素子を前記第１温度よりも高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電するガスセンサ制御装置。
【請求項２】
前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した後に再び前記出力値が前記閾値未満であると前記出力値判断手段が判断したとき、前記ヒータ通電制御手段は、所定の待ち時間待機する請求項１記載のガスセンサ制御装置。
【請求項３】
さらに、前記第２温度に維持するように前記ヒータを通電した回数をカウントし、当該カウント数が所定の故障閾値を超えたときに故障と判定する故障判定手段を備えた請求項１又は２記載のガスセンサ制御装置。
【請求項４】
固体電解質体と該固体電解質体の表面に設けられた一対の電極とを有するポンプセルを備えた検出素子と、前記検出素子を加熱するヒータとを有するガスセンサ素子と、前記ガスセンサ素子の径方向周囲を取り囲む主体金具と、前記主体金具の先端に設置されて前記検出素子の先端部を取り囲み、被測定ガスを自身の内部に出入させる通気孔を設けたプロテクタとを備えるガスセンサの制御方法であって、
前記ポンプセルの出力値を取得する出力値取得過程と、
前記検出素子による被測定ガス中の特定ガス濃度の検出時に、前記ヒータへ通電して前記ガスセンサ素子を第１温度に維持するヒータ通電制御過程と、
前記出力値が所定のヒータ切替閾値未満か否かを判断する出力値判断過程と、
前記出力値判断手段によって前記出力値が前記閾値未満と判断されたとき、前記第１温度より高い第２温度に維持するように前記ヒータを通電するヒータ高温通電制御過程と、を有するガスセンサ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−６４６０４（Ｐ２０１３−６４６０４Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０１８４７（Ｐ２０１１−２０１８４７）
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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