ヒータ駆動装置
【課題】ヒータ温度の調整精度を向上させることが可能なヒータ駆動装置を提供する。
【解決手段】センサ制御装置２０は、ヒータ部９をＰＷＭ駆動するためにヒータ部９への通電状態のオンまたはオフの切り替えを行うヒータ駆動部２６と、ＰＷＭ駆動のデューティ比を設定し、そのデューティ比に基づいてヒータ駆動部２６を制御する処理を行うマイコン４３を有する制御部２４とを備え、ヒータ駆動部２６及び制御部２４が互いに系統の異なるグランドラインに接続されて構成される。このうち、制御部２４は、センサ制御装置２０とヒータ部９とを接続する二線間（ＨＴＲ＋端子３３とＨＴＲ−端子３４との間）の電圧（電位差）をヒータ電圧として測定する測定回路４２を有する。このため、周囲の温度変化などによって駆動系経路の線路抵抗が変化する場合であっても、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づいてデューティ比を設定することができる。
【解決手段】センサ制御装置２０は、ヒータ部９をＰＷＭ駆動するためにヒータ部９への通電状態のオンまたはオフの切り替えを行うヒータ駆動部２６と、ＰＷＭ駆動のデューティ比を設定し、そのデューティ比に基づいてヒータ駆動部２６を制御する処理を行うマイコン４３を有する制御部２４とを備え、ヒータ駆動部２６及び制御部２４が互いに系統の異なるグランドラインに接続されて構成される。このうち、制御部２４は、センサ制御装置２０とヒータ部９とを接続する二線間（ＨＴＲ＋端子３３とＨＴＲ−端子３４との間）の電圧（電位差）をヒータ電圧として測定する測定回路４２を有する。このため、周囲の温度変化などによって駆動系経路の線路抵抗が変化する場合であっても、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づいてデューティ比を設定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータの通電制御を行うヒータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、通電により発熱するヒータと、このヒータに電力を供給する電源装置（バッテリ）とにそれぞれ二線接続され、バッテリ−ヒータ間の通電状態をオン／オフに切り替えることにより、バッテリからヒータへ供給される電力量（供給電力量）を調整可能なヒータ駆動装置が知られている。
【０００３】
また、この種のヒータ駆動装置としては、所定の目標温度となるようにヒータ温度を制御するマイコンを備え、バッテリ−ヒータ間の通電状態をオンにする場合をＨレベル、オフにする場合をＬレベルとして、マイコンが所定の一定周期（以下、単位周期という）内におけるパルス幅のＨレベルとＬレベルとの比（以下、デューティ比という）を設定することが通常である。そして、マイコンが、このＨレベルまたはＬレベルを反映した出力信号（パルス幅変調信号）をヒータへの経路（通電経路）上に設置されるスイッチング素子に供給することにより、ヒータをＰＷＭ駆動させるヒータ駆動装置（以下、ヒータをＰＷＭ駆動させるヒータ駆動装置を、ＰＷＭ駆動装置ともいう）が知られている。
【０００４】
具体的に、ＰＷＭ駆動装置では、ヒータへの印加電圧（以下、ヒータ電圧という）に基づいて、バッテリ−ヒータ間における単位周期内の通電時間（電流量）を可変設定することにより、印加電圧と電流量の積としての供給電力量を、ヒータ温度が目標温度となるように調整している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、以下では、バッテリからＰＷＭ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系経路とし、駆動系経路のうち、バッテリのグランド端子からＰＷＭ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系グランドライン、バッテリの他方側端子（プラス端子）からＰＷＭ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系プラスラインとする。
【０００６】
ここで、例えば、ＰＷＭ駆動装置が車両に搭載される場合、バッテリと当該ＰＷＭ駆動装置との接続に用いられる電線（以下、駆動系電線という）には、バッテリからヒータ以外にも各種の車載機器（例えば、モータ等）に電力が供給されるため、これら車載機器の使用状況によっては大量の電流が流れることになる。その結果、駆動系電線の線路抵抗と大電流とによって、駆動系グランドラインのうち駆動系電線を構成する経路（以下、対象グランドラインという）上において、バッテリ側端とＰＷＭ駆動装置側端との間に電位差（電圧降下）が生じる。
【０００７】
このため、バッテリのグランド端子に駆動系グランドラインを介して接続される端子の電位を、ヒータを含む各種の車載機器の制御に必要なグランド（以下、制御用グランドという）として用いると、駆動系グランドライン上に電圧降下が生じた場合に、制御用グランドが変動することになり、各種の車両制御が不安定になってしまう。
【０００８】
よって、車両に搭載されるＰＷＭ駆動装置では、駆動系グランドラインとは別に、バッテリのグランド端子に接続される制御系統の経路（以下、制御系経路という）を設け、制御系経路のうちのグランドライン（以下、制御系グランドラインという）の電位を制御用グランドとして用いることにより、マイコンの制御を安定させている。即ち、制御系経路に接続される各種の制御装置の消費電力が、駆動系経路に接続される各種の車載機器の消費電力に比べて非常に小さいため、制御系経路に流れる電流が少量であり、その結果、制御系経路における電圧降下がマイコンの制御に影響を与えない大きさとなるからである。
【０００９】
また、ＰＷＭ駆動装置では、マイコンを有する制御部にてヒータ電圧を測定する場合、当該ＰＷＭ駆動装置内における制御系グランドラインの電位（即ち、制御用グランド）を利用して、当該ＰＷＭ駆動装置内における駆動系プラスラインの電位と制御用グランドとの電位差（以下、ＨＴＲ＋電圧という）をヒータ電圧として測定し、マイコンがその測定結果に基づいてデューティ比を設定するように構成されているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３０８７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、対象グランドライン上に電圧降下が生じると、マイコンを有する制御部にて測定されるＨＴＲ＋電圧が、実際にヒータに印加される電圧（実際値）よりも見かけ上高くなり、その電圧差分だけ通電時間（電流量）が短く設定されることになるため、実際にヒータに供給される電力量が、ヒータ温度を目標温度に維持するために必要とされる電力量を下回ってしまうという問題がある。
【００１２】
これに対して、対象グランドライン上に生じる電圧降下分を既知の固定値（以下、電圧降下値という）として、ＨＴＲ＋電圧の測定値にその電圧降下値を減算した電圧値をヒータ電圧の測定値とみなしてデューティ比を設定することにより、ヒータ温度の調整精度を向上させることが考えられる。
【００１３】
しかし、ＰＷＭ駆動装置では、経時的な変化や周囲の温度変化などによって駆動系経路における線路抵抗が変化する場合に、対象グランドライン上に生じる電圧降下分が変動するため、ヒータ電圧の測定値と実際値とに誤差が生じることにより、ヒータ温度の調整精度が低下する可能性を否定できないという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するために、ヒータ電圧の測定値に誤差が生じるのを抑制し、ヒータ温度の調整精度を向上させることが可能なヒータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載のヒータ駆動装置は、電源装置からの通電により発熱するヒータと、ヒータをＰＷＭ駆動するためにヒータへの通電状態のオンまたはオフの切り替えを行う駆動部と、ヒータへの印加電圧（以下、ヒータ電圧という）を測定し、その測定結果に基づいて駆動部によるＰＷＭ駆動のデューティ比を設定し、そのデューティ比を反映した信号を駆動部に出力して、駆動部の切り替えを制御する制御部とを備え、駆動部および制御部が互いに系統の異なるグランドラインに接続されて構成されている。
【００１６】
なお、以下では、電源装置から当該ヒータ駆動装置を介してヒータに接続される駆動系統の経路を駆動系経路とし、その駆動系経路のうち、電源装置のグランド端子から当該ヒータ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系グランドライン、電源装置の他方側端子であるプラス端子から当該ヒータ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系プラスラインとする。
【００１７】
ここで、本発明のヒータ駆動装置では、駆動部および制御部が互いに系統の異なるグランドラインに接続された構成を前提にし、制御部が、当該ヒータ駆動装置内における駆動系プラスライン上の電位（以下、ＨＴＲ＋電位という）と駆動系グランドライン上の電位（以下、駆動用グランドという）との電位差を、ヒータ電圧として測定することを要旨とする。
【００１８】
このように構成されたヒータ駆動装置では、制御部が、当該ヒータ駆動装置内において、駆動系統のグランドライン（即ち、駆動系グランドライン）とは別に設けられた制御系統のグランドライン（以下、制御系グランドラインという）の電位（以下、制御用グランドという）を用いずに、駆動用グランドを用いてヒータ電圧を測定している。
【００１９】
つまり、本発明のヒータ駆動装置では、電源装置と当該ヒータ駆動装置との接続に用いられる電線を駆動系電線として、駆動系グランドラインのうち駆動系電線を構成する経路（以下、対象グランドラインという）上に生じる電圧降下分が、駆動用グランドに反映されるため、ＨＴＲ＋電位と駆動用グランドとの電位差をヒータ電圧として測定することにより、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果を得ることができる。
【００２０】
このため、本発明のヒータ駆動装置では、制御部が実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づいてデューティ比を設定することができると共に、そのデューティ比を反映した信号を駆動部に出力して、駆動部の切り替えを適正に制御することができる。
【００２１】
したがって、本発明のヒータ駆動装置によれば、経時的な変化や周囲の温度変化などによって駆動系経路の線路抵抗が変化する場合に、対象グランドライン上に生じる電圧降下分の変動による影響を抑制し、ヒータへの供給電力量を適切に調整することが可能となり、ひいてはヒータ温度の調整精度を向上させることができる。また、対象グランドラインが、ヒータ以外の他のデバイスのグランドと共通して用いられた場合であっても、駆動系グランドライン（対象グランドライン）とは別に設けられた制御系グランドラインの電位を用いずにヒータ電圧を測定しているため、ヒータ電圧の測定精度が高く、その観点からもヒータへの供給電力量を適切に調整することができる。
【００２２】
なお、本発明のヒータ駆動装置において、駆動部は、駆動系プラスライン及び駆動系グランドラインの少なくとも一方の経路上に設けられる。そこで、請求項２に記載のように、制御部は、駆動部が設けられている経路（以下、対象経路という）のうち、駆動部よりもヒータ側の電位を対象経路上の電位として用いてもよい。
【００２３】
例えば、このように構成されたヒータ駆動装置では、駆動部が当該ヒータ駆動装置における駆動系グランドライン上に設けられている場合、制御部は、駆動系グランドのうち駆動部に対してよりヒータに近い箇所の電位（以下、ＨＴＲ−電位という）を用いてヒータ電圧を測定している。
【００２４】
つまり、本発明のヒータ駆動装置では、対象経路のうち駆動部よりも電源装置側の経路上に生じる電圧降下分が、ＨＴＲ−電位に反映されるため、ＨＴＲ＋電位とＨＴＲ−電位との電位差をヒータ電圧として測定することにより、実際にヒータに印加される電圧により近い測定結果を得ることができる。なお、駆動部が、当該ヒータ駆動装置における駆動系プラスライン上に設けられている場合や、駆動系プラスライン上および駆動系グランドライン上の両方に設けられている場合であっても、駆動系グランドライン上に設けられている場合と同等の効果を得ることができる。
【００２５】
したがって、本発明のヒータ駆動装置によれば、周囲の温度変化などによって駆動系経路の線路抵抗が変化する場合に、対象経路のうち駆動部よりも電源装置側の経路上に生じる電圧降下分の変動による影響を抑制し、ヒータへの供給電力量を適切に調整することが可能となり、ひいてはヒータ温度の調整精度をより向上させることができる。
【００２６】
また具体的に、請求項３に記載のように、本発明のヒータ駆動装置において、ヒータがセンサ素子を加熱するために用いられる場合、制御部に接続されるグランドラインの電位（即ち、制御用グランド）は、制御部がセンサ素子の電気的変化を読み込むときの基準として使用されていればよい。なお、センサ素子とは、測定対象物の状態量の変化に応じて電気的特性が変化する素子をいう。
【００２７】
つまり、本発明のヒータ駆動装置では、駆動系電線の線路抵抗が変化する場合に、駆動系グランドライン上に生じる電圧降下分の変動による影響を受けずに、制御部がセンサ素子の電気的変化を好適に読み込むことができる。
【００２８】
なお、請求項４に記載のように、本発明のヒータ駆動装置において、センサ素子およびヒータは、積層一体化されていてもよい。この場合、ヒータによって加熱されているセンサ素子に水が付着することで生じる熱衝撃によってセンサ素子に割れが生じないように、ヒータ温度の調整精度がより厳しく要求される使用環境においても、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づきデューティ比を設定することにより、被水によるセンサ素子の割れが生じる可能性を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態のエンジン制御システムの概略を示す構成図。
【図２】本実施形態のＮＯｘセンサ及びセンサ制御装置の概略を示す構成図。
【図３】本実施形態のセンサ制御装置の詳細を示す構成図。
【図４】本実施形態のヒータ駆動部の配置を示す説明図。
【図５】他の実施形態のヒータ駆動部の配置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜全体構成＞
図１は、本発明のヒータ駆動装置が適用されたエンジン制御システムの概略を示す構成図である。なお、後述するように、本実施形態のエンジン制御システムでは、ヒータ駆動装置が、ヒータ、及びそのヒータにより加熱されるセンサ素子を制御するセンサ制御装置の一部として構成されている。
【００３１】
図１に示すように、エンジン制御システム１は、車両の内燃機関（例えば、ガソリン直噴エンジン）２の排気管４に設けられて排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するＮＯｘセンサ１０と、このＮＯｘセンサ１０の駆動制御を行うセンサ制御装置２０と、内燃機関２の吸気管３に設けられたスロットルバルブ５やインジェクタ６を駆動して、内燃機関２の運転状態を制御する電子制御装置（以下、エンジンＥＣＵという）３０と、これら制御装置２０，３０を含む各種の車載機器（図示せず）に電線７を介して電力を供給する電源装置としてのバッテリ４０とを備えている。
【００３２】
このうち、エンジンＥＣＵ３０は、図示を省略するが、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に構成されたマイクロコンピュータからなり、スロットルバルブ５の開度量を検出するセンサや、ＮＯｘセンサ１０を含む各種センサからの出力に基づき、内燃機関２に供給する燃料混合気の空燃比を可変設定する空燃比制御を行ったり、排気管４に設置される触媒（図示せず）の異常診断を行ったりするように構成されている。
【００３３】
＜ＮＯｘセンサ及びセンサ制御装置の概略構成＞
次に、図２は、本実施形態のＮＯｘセンサ１０及びセンサ制御装置２０の概略を示す構成図である。なお、図２では、ＮＯｘセンサ１０がその内部構造を示す断面図として記載されている。
【００３４】
図２に示すように、ＮＯｘセンサ１０は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のある固体電解質層に、その固体電解質層を挟み込むように多孔質電極（例えば、白金，白金合金，白金とセラミックスを含むサーメット等）が配置されてなる第１酸素ポンプセル１１、及び酸素分圧検知セル１２、さらには固体電解質層の一面に一対の電極が配置された第２酸素ポンプセル１３を、絶縁層１４を介して積層した構造を有するセンサ本体部８を備えている。
【００３５】
また、ＮＯｘセンサ１０は、例えばアルミナ等の絶縁性セラミックスからなるシート状の絶縁層１５を介して、センサ本体部８と積層一体化されることにより構成され、これら絶縁層１５の間に設けられたＰｔを主体として、バッテリ４０との通電により発熱し、センサ本体部８を加熱するヒータ部９を備えている。つまり、ヒータ部９及び絶縁層１５によって構成されたヒータが、センサ本体部８に積層一体化されている。
【００３６】
センサ本体部８は、多孔質状の第１拡散経路１６を介して被測定ガス空間（排気経路内）に連通する第１測定室２１、及び、多孔質状の第２拡散経路１７を介して第１測定室２１に連通する第２測定室２２を有し、第１酸素ポンプセル１１及び第２酸素ポンプセル１３により、第１測定室２１及び第２測定室２２内の酸素のポンピング（汲み出し，汲み入れ）をそれぞれ可能にする。そして、酸素分圧検知セル１２により、酸素濃度を一定に制御された酸素基準室１８と第１測定室２１との酸素濃度差、つまり第１測定室２１内の酸素濃度の測定を可能とするように構成されている。
【００３７】
一方、センサ制御装置２０は、第１酸素ポンプセル１１，酸素分圧検知セル１２，第２酸素ポンプセル１３を駆動させる駆動部としてのセンサ駆動部２３と、センサ駆動部２３を制御する制御部２４とを備えている。
【００３８】
具体的に、センサ制御装置２０の制御部２４は、センサ駆動部２３を介して酸素分圧検知セル１２の両端電圧Ｖｓが予め設定された一定電圧（例えば、４２５ｍＶ）となるように第１酸素ポンプセル１１に流す第１ポンプ電流Ｉp1を制御する。すると、第１酸素ポンプセル１１を介して第１測定室２１内の酸素濃度が所定の低濃度（≒０％）に保持される。このときに流れる第１ポンプ電流Ｉp1が、被測定ガス中の酸素濃度に応じた大きさとなり、またこの電流値Ｉp1に応じて、第１酸素ポンプセル１１に印加される第１ポンプ電圧Ｖp1も変化する。
【００３９】
これと共に、センサ制御装置２０の制御部２４は、センサ駆動部２３を介して第２酸素ポンプセル１３に、第２測定室２２から酸素を汲み出す方向に一定の第２ポンプ電圧Ｖp2（例えば、４５０ｍＶ）を印加する。つまり、第１測定室２１内の酸素濃度を所定の低濃度に保持し、且つ第２ポンプ電圧Ｖp2を所定の電圧に保持すると、第２測定室２２では、第２酸素ポンプセル１３を構成する多孔質電極の触媒作用によって、被測定ガス中のＮＯｘが窒素と酸素とに分解され、その分解により得られた酸素が第２測定室２２から抜き取られる。このときに流れる第２ポンプ電流Ｉp2が、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応した大きさとなる。
【００４０】
そして、制御部２４では、第１ポンプ電流Ｉp1に基づいて排気ガス中の酸素濃度を、第２ポンプ電流Ｉp2に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度をそれぞれ算出し、これら濃度に関する情報（酸素濃度情報，ＮＯｘ濃度情報）をＣＡＮ通信によりエンジンＥＣＵ３０に出力する。
【００４１】
＜センサ制御装置の詳細構成＞
次に、図３は、本実施形態のセンサ制御装置２０の詳細を示す構成図である。なお、センサ制御装置２０は、図示しないケーシング内に、センサ駆動部２３や制御部２４、後述するヒータ駆動部２６などを実装した回路基板５０を収容した構成を有している。
【００４２】
図３に示すように、センサ制御装置２０を構成する回路基板５０上には、センサ駆動部２３と制御部２４の他に、第１ポンプ電流Ｉp1に基づいて算出された酸素濃度情報及び第２ポンプ電流Ｉp2に基づいて算出されたＮＯｘ濃度情報をエンジンＥＣＵ３０に出力するためのＣＡＮ回路２５と、ヒータ部９をＰＷＭ駆動するために当該ヒータ部９への通電のオンまたはオフの切り替えを行うヒータ駆動部２６と、センサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５に必要な電力を供給するための電源回路２７とが実装されている。つまり、センサ制御装置２０は、これら各部及び回路２３〜２７が同一の回路基板５０上に実装されることにより構成されている。
【００４３】
そして、回路基板５０上には、バッテリ４０と当該センサ制御装置２０とを二線接続するためのバッテリ端子３１，３２や、ヒータ部９と当該センサ制御装置２０とを二線接続するためのヒータ端子３３，３４、バッテリ４０のグランド端子５１と当該回路基板５０上のグランド導体２８とに接続された制御用ＧＮＤ端子３５等が配置されている。ちなみに、制御用ＧＮＤ端子３５は、バッテリ４０以外のエンジンＥＣＵ３０や他の制御装置の異なるグランドラインに接続されてもよい。
【００４４】
なお、以下では、バッテリ端子３１，３２及びヒータ端子３３，３４を介してバッテリ４０とヒータ部９とが接続される駆動系統の経路を駆動系経路とし、この駆動系経路のうち、バッテリ４０のグランド端子５１とヒータ部９とが接続される経路を駆動系グランドライン、バッテリ４０の他方側端子であるプラス端子５２とヒータ部９とが接続される経路を駆動系プラスラインとする。
【００４５】
また、センサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５を介して制御用ＧＮＤ端子３５とグランド導体２８とが接続される制御系統の経路を制御系グランドラインとし、電源回路２７と、センサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５とがそれぞれ接続される制御系統の経路、及び、制御部２４と、センサ駆動部２３，ＣＡＮ回路２５，ヒータ駆動部２６とがそれぞれ接続される制御系統の経路を制御系プラスラインとする。
【００４６】
そして、バッテリ端子３１，３２のうち、駆動系プラスラインに接続された端子をＢＡＴ端子３１、駆動系グランドラインに接続された端子を駆動用ＧＮＤ端子３２とし、ヒータ端子３３，３４のうち、ＢＡＴ端子３１側に接続された端子をＨＴＲ＋端子３３、他方側でヒータ部９に接続された端子をＨＴＲ−端子３４とする。
【００４７】
つまり、回路基板５０上のＢＡＴ端子３１には、駆動系プラスラインを介して電源回路２７が接続され、この電源回路２７に制御系プラスラインを介して接続されたセンサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５が、制御系グランドラインを介して制御用ＧＮＤ端子３５に接続されている。そして、回路基板５０上のＢＡＴ端子３１には、駆動系プラスラインを介してヒータ駆動部２６が接続され、このヒータ駆動部２６がさらに駆動系プラスラインを介してＨＴＲ＋端子３３に接続されている。
【００４８】
また、ＨＴＲ＋端子３３には、駆動系プラスラインを介してヒータ部９が接続され、このヒータ部９がさらに駆動系グランドラインを介してＨＴＲ−端子３４に接続されている。なお、ＨＴＲ−端子３４には、駆動系グランドラインを介して駆動用ＧＮＤ端子３２に接続され、この駆動用ＧＮＤ端子３２がさらに駆動系グランドラインを介してバッテリ４０のグランド端子５１に接続されている。
【００４９】
具体的に、ヒータ駆動部２６は、ＢＡＴ端子３１とＨＴＲ＋端子３３との間に接続され、バッテリ４０とヒータ部９との通電状態を切り替える、例えばＦＥＴからなる周知のスイッチング素子５３を有し（図４参照）、制御部２４から後述するデューティ比を反映した信号（パルス幅変調信号）を受け取ると、そのデューティ比に従ってスイッチング素子５３をＯＮ／ＯＦＦに切り替えることにより、ヒータ部９の通電状態のオンまたはオフを切り替え、バッテリ４０とヒータ部９との通電期間を変更可能に構成されている。
【００５０】
制御部２４は、センサ駆動部２３を介して第１ポンプ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2を検出する検出回路４１と、バッテリ４０からヒータ部９に印加された電圧（以下、ヒータ電圧という）を測定する測定回路４２と、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に構成されたマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）４３とを備えている。
【００５１】
このうち、マイコン４３のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムに基づいて、ＲＡＭを作業エリアとして、検出回路４１による検出結果（酸素濃度、ＮＯｘ濃度に関する両情報）をエンジンＥＣＵ３０にＣＡＮ回路２５を介して出力する濃度検出処理を実行する他に、測定回路４２にて測定されたヒータ電圧に基づいて、ヒータ駆動部２６によるＰＷＭ駆動のデューティ比を設定するＰＷＭ制御処理を実行する。
【００５２】
なお、デューティ比とは、バッテリ４０とヒータ部９との通電状態をオンにする場合をＨレベル、オフにする場合をＬレベルとして、所定の一定周期（単位周期）内におけるパルス幅のＨレベルとＬレベルとの比を示す。つまり、ＰＷＭ制御処理では、バッテリ４０とヒータ部９との通電時間（電流量）を可変設定することにより、ヒータ電圧と電流量との積として表されるヒータ部９への電力供給量を調整している。
【００５３】
また、ＰＷＭ制御処理および濃度検出処理では、マイコン４３が測定回路４２及び検出回路４１を介して測定値（ヒータ電圧）及び検出値（第１ポンプ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2）を読み込むときの基準として、制御用ＧＮＤ端子３５の電位が用いられている。即ち、回路基板５０上の制御系グランドラインに接続される端子（制御用ＧＮＤ端子３５）の電位を、マイコンの制御に必要なグランド（以下、制御用グランドという）として用いている。
【００５４】
ここで、本実施形態の測定回路４２は、ＨＴＲ＋端子３３の電位（以下、ＨＴＲ＋電位という）と、ＨＴＲ−端子３４の電位（以下、ＨＴＲ−電位という）との電位差を、ヒータ電圧として測定するように構成されている。
【００５５】
＜効果＞
以上説明したように、本実施形態のセンサ制御装置２０では、回路基板５０上において、駆動系プラスラインのうちヒータ部９に近い箇所の電位（ＨＴＲ＋電位）と、駆動系グランドラインのうちヒータ部９に近い箇所の電位（ＨＴＲ−電位）との電位差をヒータ電圧として測定回路４２が測定し、マイコン４３がその測定結果を用いてＰＷＭ制御処理を行っている。
【００５６】
つまり、本実施形態のセンサ制御装置２０では、駆動系グランドラインのうちＨＴＲ−端子３４よりもバッテリ４０側の経路上に生じる電圧降下分がＨＴＲ−電位に反映されると共に、駆動系プラスラインのうちＨＴＲ＋端子３３よりもバッテリ４０側の経路上に生じる電圧降下分がＨＴＲ＋電位に反映される。このため、ＨＴＲ＋電位とＨＴＲ−電位との電位差をヒータ電圧として測定することにより、実際にヒータ部９に印加される電圧により近い測定結果を得ることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態のセンサ制御装置２０によれば、経時的な変化や周囲の温度変化などによって駆動系経路上の線路抵抗が変化する場合に、駆動系経路のうちＨＴＲ−端子３４及びＨＴＲ＋端子３３よりもバッテリ４０側の経路上に生じる電圧降下分の変動による影響を抑制し、ヒータ部９への供給電力量を適切に調整することができる。
【００５８】
また、センサ制御装置２０では、濃度検出処理により、マイコン４３が測定回路４２及び検出回路４１を介して検出値（第１ポンプ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2）を読み込むときの基準として、駆動系グランドラインとは別に設けられた制御系グランドラインの電位が用いられる。このため、センサ制御装置２０によれば、駆動系グランドライン上に生じる電圧降下の影響を受けずに、マイコン４３が濃度検出処理といった各種制御を好適に行うことができる。
【００５９】
なお、センサ制御装置２０は、ＮＯｘセンサ１０のヒータ部９に対してＰＷＭ制御処理を行うため、被水に伴う熱衝撃によってセンサ本体部８に割れが生じないように、ヒータ温度の温度管理がより厳しく要求される使用環境において、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づきデューティ比を設定することにより、被水によるセンサ本体部８及びヒータ部９の割れが生じる可能性を低減することができる。
【００６０】
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
【００６１】
例えば、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、図３に示すように、測定回路４２が、ＨＴＲ＋端子３３の電位とＨＴＲ−端子３４の電位との電位差をヒータ電圧として測定するように構成されているが、これに限定されるものではなく、ＨＴＲ＋端子３３の電位と駆動用ＧＮＤ端子３２との電位差、あるいは、ＢＡＴ端子３１の電位と駆動用ＧＮＤ端子３２との電位差をヒータ電圧として測定してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、測定回路４２がヒータ電圧を測定するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、測定回路４２が、ＨＴＲ＋端子３３の電位と制御用ＧＮＤ端子３５の電位との電位差をＨＴＲ＋電圧、ＨＴＲ−端子３４の電位と制御用ＧＮＤ端子３５の電位との電位差をＨＴＲ−電圧としてそれぞれ測定し、マイコン４３が、測定回路４２にて測定されたＨＴＲ＋電圧とＨＴＲ−電圧との電圧差をヒータ電圧として算出するようにしてもよい。このように、マイコン４３にヒータ電圧を測定するための処理を行わせることにより、測定回路４２の設計に係る自由度を向上させることができる。なお、マイコン４３がＰＷＭ制御処理や濃度検出処理以外にも各種の制御処理を実行し、なお且つ、これら制御処理の中でＨＴＲ＋電圧やＨＴＲ−電圧の測定結果を用いるように構成されている場合に、ＰＷＭ制御処理を行うために測定回路４２を別途設けることなく、既存の構成により得られる電圧値を利用してヒータ電圧を測定することが可能である。これにより、物理的な端子の数に制限がある場合であっても、ヒータ電圧を精度よく測定することができる。
【００６３】
また、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、図４に示すように、ヒータ駆動部２６（スイッチング素子５３）が、ＢＡＴ端子３１とＨＴＲ＋端子３３とに接続されているが、図５に示すように、ＨＴＲ−端子３４と駆動用ＧＮＤ端子３２とに接続されてもよい。また、一方のヒータ駆動部を、ＢＡＴ端子３１とＨＴＲ＋端子３３とに接続し、他方のヒータ駆動部を、ＨＴＲ−端子３４と駆動用ＧＮＤ端子３２とに接続した上で、両方のヒータ駆動部を、制御部２４によって同時にオンまたはオフに切り替える制御を行うように構成してもよい。
また、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、図３に示すように、当該センサ制御装置２０を構成する各部及び回路２３〜２７が、同一の回路基板５０上に設けられているが、これに限定されるものではなく、複数の回路基板５０上で接続されてもよい。
なお、上記実施形態のセンサ制御装置２０は、マイコン４３が、ＰＷＭ制御処理および濃度検出処理を行うように構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば制御対象が一般的なヒータである場合、ＰＷＭ制御処理のみを行うように構成されていればよい。つまり、上記実施形態のセンサ制御装置２０は、本発明のヒータ駆動装置が適用される一例であり、その制御対象がＮＯｘセンサ１０のヒータ部９に限らず、一般的なヒータ等にも適用され得る。
【符号の説明】
【００６４】
１…エンジン制御システム、８…センサ本体部、９…ヒータ部、１０…ＮＯｘセンサ、１１…第１酸素ポンプセル、１２…酸素分圧検知セル、１３…第２酸素ポンプセル、２０…センサ制御装置、２３…センサ駆動部、２４…制御部、２５…ＣＡＮ回路、２６…ヒータ駆動部、２７…電源回路、３０…エンジンＥＣＵ、４０…バッテリ、４１…検出回路、４２…測定回路、４３…マイコン、５３…スイッチング素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータの通電制御を行うヒータ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、通電により発熱するヒータと、このヒータに電力を供給する電源装置（バッテリ）とにそれぞれ二線接続され、バッテリ−ヒータ間の通電状態をオン／オフに切り替えることにより、バッテリからヒータへ供給される電力量（供給電力量）を調整可能なヒータ駆動装置が知られている。
【０００３】
また、この種のヒータ駆動装置としては、所定の目標温度となるようにヒータ温度を制御するマイコンを備え、バッテリ−ヒータ間の通電状態をオンにする場合をＨレベル、オフにする場合をＬレベルとして、マイコンが所定の一定周期（以下、単位周期という）内におけるパルス幅のＨレベルとＬレベルとの比（以下、デューティ比という）を設定することが通常である。そして、マイコンが、このＨレベルまたはＬレベルを反映した出力信号（パルス幅変調信号）をヒータへの経路（通電経路）上に設置されるスイッチング素子に供給することにより、ヒータをＰＷＭ駆動させるヒータ駆動装置（以下、ヒータをＰＷＭ駆動させるヒータ駆動装置を、ＰＷＭ駆動装置ともいう）が知られている。
【０００４】
具体的に、ＰＷＭ駆動装置では、ヒータへの印加電圧（以下、ヒータ電圧という）に基づいて、バッテリ−ヒータ間における単位周期内の通電時間（電流量）を可変設定することにより、印加電圧と電流量の積としての供給電力量を、ヒータ温度が目標温度となるように調整している（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
なお、以下では、バッテリからＰＷＭ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系経路とし、駆動系経路のうち、バッテリのグランド端子からＰＷＭ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系グランドライン、バッテリの他方側端子（プラス端子）からＰＷＭ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系プラスラインとする。
【０００６】
ここで、例えば、ＰＷＭ駆動装置が車両に搭載される場合、バッテリと当該ＰＷＭ駆動装置との接続に用いられる電線（以下、駆動系電線という）には、バッテリからヒータ以外にも各種の車載機器（例えば、モータ等）に電力が供給されるため、これら車載機器の使用状況によっては大量の電流が流れることになる。その結果、駆動系電線の線路抵抗と大電流とによって、駆動系グランドラインのうち駆動系電線を構成する経路（以下、対象グランドラインという）上において、バッテリ側端とＰＷＭ駆動装置側端との間に電位差（電圧降下）が生じる。
【０００７】
このため、バッテリのグランド端子に駆動系グランドラインを介して接続される端子の電位を、ヒータを含む各種の車載機器の制御に必要なグランド（以下、制御用グランドという）として用いると、駆動系グランドライン上に電圧降下が生じた場合に、制御用グランドが変動することになり、各種の車両制御が不安定になってしまう。
【０００８】
よって、車両に搭載されるＰＷＭ駆動装置では、駆動系グランドラインとは別に、バッテリのグランド端子に接続される制御系統の経路（以下、制御系経路という）を設け、制御系経路のうちのグランドライン（以下、制御系グランドラインという）の電位を制御用グランドとして用いることにより、マイコンの制御を安定させている。即ち、制御系経路に接続される各種の制御装置の消費電力が、駆動系経路に接続される各種の車載機器の消費電力に比べて非常に小さいため、制御系経路に流れる電流が少量であり、その結果、制御系経路における電圧降下がマイコンの制御に影響を与えない大きさとなるからである。
【０００９】
また、ＰＷＭ駆動装置では、マイコンを有する制御部にてヒータ電圧を測定する場合、当該ＰＷＭ駆動装置内における制御系グランドラインの電位（即ち、制御用グランド）を利用して、当該ＰＷＭ駆動装置内における駆動系プラスラインの電位と制御用グランドとの電位差（以下、ＨＴＲ＋電圧という）をヒータ電圧として測定し、マイコンがその測定結果に基づいてデューティ比を設定するように構成されているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３０８７１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、対象グランドライン上に電圧降下が生じると、マイコンを有する制御部にて測定されるＨＴＲ＋電圧が、実際にヒータに印加される電圧（実際値）よりも見かけ上高くなり、その電圧差分だけ通電時間（電流量）が短く設定されることになるため、実際にヒータに供給される電力量が、ヒータ温度を目標温度に維持するために必要とされる電力量を下回ってしまうという問題がある。
【００１２】
これに対して、対象グランドライン上に生じる電圧降下分を既知の固定値（以下、電圧降下値という）として、ＨＴＲ＋電圧の測定値にその電圧降下値を減算した電圧値をヒータ電圧の測定値とみなしてデューティ比を設定することにより、ヒータ温度の調整精度を向上させることが考えられる。
【００１３】
しかし、ＰＷＭ駆動装置では、経時的な変化や周囲の温度変化などによって駆動系経路における線路抵抗が変化する場合に、対象グランドライン上に生じる電圧降下分が変動するため、ヒータ電圧の測定値と実際値とに誤差が生じることにより、ヒータ温度の調整精度が低下する可能性を否定できないという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記問題点を解決するために、ヒータ電圧の測定値に誤差が生じるのを抑制し、ヒータ温度の調整精度を向上させることが可能なヒータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載のヒータ駆動装置は、電源装置からの通電により発熱するヒータと、ヒータをＰＷＭ駆動するためにヒータへの通電状態のオンまたはオフの切り替えを行う駆動部と、ヒータへの印加電圧（以下、ヒータ電圧という）を測定し、その測定結果に基づいて駆動部によるＰＷＭ駆動のデューティ比を設定し、そのデューティ比を反映した信号を駆動部に出力して、駆動部の切り替えを制御する制御部とを備え、駆動部および制御部が互いに系統の異なるグランドラインに接続されて構成されている。
【００１６】
なお、以下では、電源装置から当該ヒータ駆動装置を介してヒータに接続される駆動系統の経路を駆動系経路とし、その駆動系経路のうち、電源装置のグランド端子から当該ヒータ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系グランドライン、電源装置の他方側端子であるプラス端子から当該ヒータ駆動装置を介してヒータに接続される経路を駆動系プラスラインとする。
【００１７】
ここで、本発明のヒータ駆動装置では、駆動部および制御部が互いに系統の異なるグランドラインに接続された構成を前提にし、制御部が、当該ヒータ駆動装置内における駆動系プラスライン上の電位（以下、ＨＴＲ＋電位という）と駆動系グランドライン上の電位（以下、駆動用グランドという）との電位差を、ヒータ電圧として測定することを要旨とする。
【００１８】
このように構成されたヒータ駆動装置では、制御部が、当該ヒータ駆動装置内において、駆動系統のグランドライン（即ち、駆動系グランドライン）とは別に設けられた制御系統のグランドライン（以下、制御系グランドラインという）の電位（以下、制御用グランドという）を用いずに、駆動用グランドを用いてヒータ電圧を測定している。
【００１９】
つまり、本発明のヒータ駆動装置では、電源装置と当該ヒータ駆動装置との接続に用いられる電線を駆動系電線として、駆動系グランドラインのうち駆動系電線を構成する経路（以下、対象グランドラインという）上に生じる電圧降下分が、駆動用グランドに反映されるため、ＨＴＲ＋電位と駆動用グランドとの電位差をヒータ電圧として測定することにより、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果を得ることができる。
【００２０】
このため、本発明のヒータ駆動装置では、制御部が実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づいてデューティ比を設定することができると共に、そのデューティ比を反映した信号を駆動部に出力して、駆動部の切り替えを適正に制御することができる。
【００２１】
したがって、本発明のヒータ駆動装置によれば、経時的な変化や周囲の温度変化などによって駆動系経路の線路抵抗が変化する場合に、対象グランドライン上に生じる電圧降下分の変動による影響を抑制し、ヒータへの供給電力量を適切に調整することが可能となり、ひいてはヒータ温度の調整精度を向上させることができる。また、対象グランドラインが、ヒータ以外の他のデバイスのグランドと共通して用いられた場合であっても、駆動系グランドライン（対象グランドライン）とは別に設けられた制御系グランドラインの電位を用いずにヒータ電圧を測定しているため、ヒータ電圧の測定精度が高く、その観点からもヒータへの供給電力量を適切に調整することができる。
【００２２】
なお、本発明のヒータ駆動装置において、駆動部は、駆動系プラスライン及び駆動系グランドラインの少なくとも一方の経路上に設けられる。そこで、請求項２に記載のように、制御部は、駆動部が設けられている経路（以下、対象経路という）のうち、駆動部よりもヒータ側の電位を対象経路上の電位として用いてもよい。
【００２３】
例えば、このように構成されたヒータ駆動装置では、駆動部が当該ヒータ駆動装置における駆動系グランドライン上に設けられている場合、制御部は、駆動系グランドのうち駆動部に対してよりヒータに近い箇所の電位（以下、ＨＴＲ−電位という）を用いてヒータ電圧を測定している。
【００２４】
つまり、本発明のヒータ駆動装置では、対象経路のうち駆動部よりも電源装置側の経路上に生じる電圧降下分が、ＨＴＲ−電位に反映されるため、ＨＴＲ＋電位とＨＴＲ−電位との電位差をヒータ電圧として測定することにより、実際にヒータに印加される電圧により近い測定結果を得ることができる。なお、駆動部が、当該ヒータ駆動装置における駆動系プラスライン上に設けられている場合や、駆動系プラスライン上および駆動系グランドライン上の両方に設けられている場合であっても、駆動系グランドライン上に設けられている場合と同等の効果を得ることができる。
【００２５】
したがって、本発明のヒータ駆動装置によれば、周囲の温度変化などによって駆動系経路の線路抵抗が変化する場合に、対象経路のうち駆動部よりも電源装置側の経路上に生じる電圧降下分の変動による影響を抑制し、ヒータへの供給電力量を適切に調整することが可能となり、ひいてはヒータ温度の調整精度をより向上させることができる。
【００２６】
また具体的に、請求項３に記載のように、本発明のヒータ駆動装置において、ヒータがセンサ素子を加熱するために用いられる場合、制御部に接続されるグランドラインの電位（即ち、制御用グランド）は、制御部がセンサ素子の電気的変化を読み込むときの基準として使用されていればよい。なお、センサ素子とは、測定対象物の状態量の変化に応じて電気的特性が変化する素子をいう。
【００２７】
つまり、本発明のヒータ駆動装置では、駆動系電線の線路抵抗が変化する場合に、駆動系グランドライン上に生じる電圧降下分の変動による影響を受けずに、制御部がセンサ素子の電気的変化を好適に読み込むことができる。
【００２８】
なお、請求項４に記載のように、本発明のヒータ駆動装置において、センサ素子およびヒータは、積層一体化されていてもよい。この場合、ヒータによって加熱されているセンサ素子に水が付着することで生じる熱衝撃によってセンサ素子に割れが生じないように、ヒータ温度の調整精度がより厳しく要求される使用環境においても、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づきデューティ比を設定することにより、被水によるセンサ素子の割れが生じる可能性を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態のエンジン制御システムの概略を示す構成図。
【図２】本実施形態のＮＯｘセンサ及びセンサ制御装置の概略を示す構成図。
【図３】本実施形態のセンサ制御装置の詳細を示す構成図。
【図４】本実施形態のヒータ駆動部の配置を示す説明図。
【図５】他の実施形態のヒータ駆動部の配置を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜全体構成＞
図１は、本発明のヒータ駆動装置が適用されたエンジン制御システムの概略を示す構成図である。なお、後述するように、本実施形態のエンジン制御システムでは、ヒータ駆動装置が、ヒータ、及びそのヒータにより加熱されるセンサ素子を制御するセンサ制御装置の一部として構成されている。
【００３１】
図１に示すように、エンジン制御システム１は、車両の内燃機関（例えば、ガソリン直噴エンジン）２の排気管４に設けられて排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を検出するＮＯｘセンサ１０と、このＮＯｘセンサ１０の駆動制御を行うセンサ制御装置２０と、内燃機関２の吸気管３に設けられたスロットルバルブ５やインジェクタ６を駆動して、内燃機関２の運転状態を制御する電子制御装置（以下、エンジンＥＣＵという）３０と、これら制御装置２０，３０を含む各種の車載機器（図示せず）に電線７を介して電力を供給する電源装置としてのバッテリ４０とを備えている。
【００３２】
このうち、エンジンＥＣＵ３０は、図示を省略するが、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に構成されたマイクロコンピュータからなり、スロットルバルブ５の開度量を検出するセンサや、ＮＯｘセンサ１０を含む各種センサからの出力に基づき、内燃機関２に供給する燃料混合気の空燃比を可変設定する空燃比制御を行ったり、排気管４に設置される触媒（図示せず）の異常診断を行ったりするように構成されている。
【００３３】
＜ＮＯｘセンサ及びセンサ制御装置の概略構成＞
次に、図２は、本実施形態のＮＯｘセンサ１０及びセンサ制御装置２０の概略を示す構成図である。なお、図２では、ＮＯｘセンサ１０がその内部構造を示す断面図として記載されている。
【００３４】
図２に示すように、ＮＯｘセンサ１０は、ジルコニア等の酸素イオン伝導性のある固体電解質層に、その固体電解質層を挟み込むように多孔質電極（例えば、白金，白金合金，白金とセラミックスを含むサーメット等）が配置されてなる第１酸素ポンプセル１１、及び酸素分圧検知セル１２、さらには固体電解質層の一面に一対の電極が配置された第２酸素ポンプセル１３を、絶縁層１４を介して積層した構造を有するセンサ本体部８を備えている。
【００３５】
また、ＮＯｘセンサ１０は、例えばアルミナ等の絶縁性セラミックスからなるシート状の絶縁層１５を介して、センサ本体部８と積層一体化されることにより構成され、これら絶縁層１５の間に設けられたＰｔを主体として、バッテリ４０との通電により発熱し、センサ本体部８を加熱するヒータ部９を備えている。つまり、ヒータ部９及び絶縁層１５によって構成されたヒータが、センサ本体部８に積層一体化されている。
【００３６】
センサ本体部８は、多孔質状の第１拡散経路１６を介して被測定ガス空間（排気経路内）に連通する第１測定室２１、及び、多孔質状の第２拡散経路１７を介して第１測定室２１に連通する第２測定室２２を有し、第１酸素ポンプセル１１及び第２酸素ポンプセル１３により、第１測定室２１及び第２測定室２２内の酸素のポンピング（汲み出し，汲み入れ）をそれぞれ可能にする。そして、酸素分圧検知セル１２により、酸素濃度を一定に制御された酸素基準室１８と第１測定室２１との酸素濃度差、つまり第１測定室２１内の酸素濃度の測定を可能とするように構成されている。
【００３７】
一方、センサ制御装置２０は、第１酸素ポンプセル１１，酸素分圧検知セル１２，第２酸素ポンプセル１３を駆動させる駆動部としてのセンサ駆動部２３と、センサ駆動部２３を制御する制御部２４とを備えている。
【００３８】
具体的に、センサ制御装置２０の制御部２４は、センサ駆動部２３を介して酸素分圧検知セル１２の両端電圧Ｖｓが予め設定された一定電圧（例えば、４２５ｍＶ）となるように第１酸素ポンプセル１１に流す第１ポンプ電流Ｉp1を制御する。すると、第１酸素ポンプセル１１を介して第１測定室２１内の酸素濃度が所定の低濃度（≒０％）に保持される。このときに流れる第１ポンプ電流Ｉp1が、被測定ガス中の酸素濃度に応じた大きさとなり、またこの電流値Ｉp1に応じて、第１酸素ポンプセル１１に印加される第１ポンプ電圧Ｖp1も変化する。
【００３９】
これと共に、センサ制御装置２０の制御部２４は、センサ駆動部２３を介して第２酸素ポンプセル１３に、第２測定室２２から酸素を汲み出す方向に一定の第２ポンプ電圧Ｖp2（例えば、４５０ｍＶ）を印加する。つまり、第１測定室２１内の酸素濃度を所定の低濃度に保持し、且つ第２ポンプ電圧Ｖp2を所定の電圧に保持すると、第２測定室２２では、第２酸素ポンプセル１３を構成する多孔質電極の触媒作用によって、被測定ガス中のＮＯｘが窒素と酸素とに分解され、その分解により得られた酸素が第２測定室２２から抜き取られる。このときに流れる第２ポンプ電流Ｉp2が、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応した大きさとなる。
【００４０】
そして、制御部２４では、第１ポンプ電流Ｉp1に基づいて排気ガス中の酸素濃度を、第２ポンプ電流Ｉp2に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度をそれぞれ算出し、これら濃度に関する情報（酸素濃度情報，ＮＯｘ濃度情報）をＣＡＮ通信によりエンジンＥＣＵ３０に出力する。
【００４１】
＜センサ制御装置の詳細構成＞
次に、図３は、本実施形態のセンサ制御装置２０の詳細を示す構成図である。なお、センサ制御装置２０は、図示しないケーシング内に、センサ駆動部２３や制御部２４、後述するヒータ駆動部２６などを実装した回路基板５０を収容した構成を有している。
【００４２】
図３に示すように、センサ制御装置２０を構成する回路基板５０上には、センサ駆動部２３と制御部２４の他に、第１ポンプ電流Ｉp1に基づいて算出された酸素濃度情報及び第２ポンプ電流Ｉp2に基づいて算出されたＮＯｘ濃度情報をエンジンＥＣＵ３０に出力するためのＣＡＮ回路２５と、ヒータ部９をＰＷＭ駆動するために当該ヒータ部９への通電のオンまたはオフの切り替えを行うヒータ駆動部２６と、センサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５に必要な電力を供給するための電源回路２７とが実装されている。つまり、センサ制御装置２０は、これら各部及び回路２３〜２７が同一の回路基板５０上に実装されることにより構成されている。
【００４３】
そして、回路基板５０上には、バッテリ４０と当該センサ制御装置２０とを二線接続するためのバッテリ端子３１，３２や、ヒータ部９と当該センサ制御装置２０とを二線接続するためのヒータ端子３３，３４、バッテリ４０のグランド端子５１と当該回路基板５０上のグランド導体２８とに接続された制御用ＧＮＤ端子３５等が配置されている。ちなみに、制御用ＧＮＤ端子３５は、バッテリ４０以外のエンジンＥＣＵ３０や他の制御装置の異なるグランドラインに接続されてもよい。
【００４４】
なお、以下では、バッテリ端子３１，３２及びヒータ端子３３，３４を介してバッテリ４０とヒータ部９とが接続される駆動系統の経路を駆動系経路とし、この駆動系経路のうち、バッテリ４０のグランド端子５１とヒータ部９とが接続される経路を駆動系グランドライン、バッテリ４０の他方側端子であるプラス端子５２とヒータ部９とが接続される経路を駆動系プラスラインとする。
【００４５】
また、センサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５を介して制御用ＧＮＤ端子３５とグランド導体２８とが接続される制御系統の経路を制御系グランドラインとし、電源回路２７と、センサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５とがそれぞれ接続される制御系統の経路、及び、制御部２４と、センサ駆動部２３，ＣＡＮ回路２５，ヒータ駆動部２６とがそれぞれ接続される制御系統の経路を制御系プラスラインとする。
【００４６】
そして、バッテリ端子３１，３２のうち、駆動系プラスラインに接続された端子をＢＡＴ端子３１、駆動系グランドラインに接続された端子を駆動用ＧＮＤ端子３２とし、ヒータ端子３３，３４のうち、ＢＡＴ端子３１側に接続された端子をＨＴＲ＋端子３３、他方側でヒータ部９に接続された端子をＨＴＲ−端子３４とする。
【００４７】
つまり、回路基板５０上のＢＡＴ端子３１には、駆動系プラスラインを介して電源回路２７が接続され、この電源回路２７に制御系プラスラインを介して接続されたセンサ駆動部２３，制御部２４，ＣＡＮ回路２５が、制御系グランドラインを介して制御用ＧＮＤ端子３５に接続されている。そして、回路基板５０上のＢＡＴ端子３１には、駆動系プラスラインを介してヒータ駆動部２６が接続され、このヒータ駆動部２６がさらに駆動系プラスラインを介してＨＴＲ＋端子３３に接続されている。
【００４８】
また、ＨＴＲ＋端子３３には、駆動系プラスラインを介してヒータ部９が接続され、このヒータ部９がさらに駆動系グランドラインを介してＨＴＲ−端子３４に接続されている。なお、ＨＴＲ−端子３４には、駆動系グランドラインを介して駆動用ＧＮＤ端子３２に接続され、この駆動用ＧＮＤ端子３２がさらに駆動系グランドラインを介してバッテリ４０のグランド端子５１に接続されている。
【００４９】
具体的に、ヒータ駆動部２６は、ＢＡＴ端子３１とＨＴＲ＋端子３３との間に接続され、バッテリ４０とヒータ部９との通電状態を切り替える、例えばＦＥＴからなる周知のスイッチング素子５３を有し（図４参照）、制御部２４から後述するデューティ比を反映した信号（パルス幅変調信号）を受け取ると、そのデューティ比に従ってスイッチング素子５３をＯＮ／ＯＦＦに切り替えることにより、ヒータ部９の通電状態のオンまたはオフを切り替え、バッテリ４０とヒータ部９との通電期間を変更可能に構成されている。
【００５０】
制御部２４は、センサ駆動部２３を介して第１ポンプ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2を検出する検出回路４１と、バッテリ４０からヒータ部９に印加された電圧（以下、ヒータ電圧という）を測定する測定回路４２と、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に構成されたマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）４３とを備えている。
【００５１】
このうち、マイコン４３のＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムに基づいて、ＲＡＭを作業エリアとして、検出回路４１による検出結果（酸素濃度、ＮＯｘ濃度に関する両情報）をエンジンＥＣＵ３０にＣＡＮ回路２５を介して出力する濃度検出処理を実行する他に、測定回路４２にて測定されたヒータ電圧に基づいて、ヒータ駆動部２６によるＰＷＭ駆動のデューティ比を設定するＰＷＭ制御処理を実行する。
【００５２】
なお、デューティ比とは、バッテリ４０とヒータ部９との通電状態をオンにする場合をＨレベル、オフにする場合をＬレベルとして、所定の一定周期（単位周期）内におけるパルス幅のＨレベルとＬレベルとの比を示す。つまり、ＰＷＭ制御処理では、バッテリ４０とヒータ部９との通電時間（電流量）を可変設定することにより、ヒータ電圧と電流量との積として表されるヒータ部９への電力供給量を調整している。
【００５３】
また、ＰＷＭ制御処理および濃度検出処理では、マイコン４３が測定回路４２及び検出回路４１を介して測定値（ヒータ電圧）及び検出値（第１ポンプ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2）を読み込むときの基準として、制御用ＧＮＤ端子３５の電位が用いられている。即ち、回路基板５０上の制御系グランドラインに接続される端子（制御用ＧＮＤ端子３５）の電位を、マイコンの制御に必要なグランド（以下、制御用グランドという）として用いている。
【００５４】
ここで、本実施形態の測定回路４２は、ＨＴＲ＋端子３３の電位（以下、ＨＴＲ＋電位という）と、ＨＴＲ−端子３４の電位（以下、ＨＴＲ−電位という）との電位差を、ヒータ電圧として測定するように構成されている。
【００５５】
＜効果＞
以上説明したように、本実施形態のセンサ制御装置２０では、回路基板５０上において、駆動系プラスラインのうちヒータ部９に近い箇所の電位（ＨＴＲ＋電位）と、駆動系グランドラインのうちヒータ部９に近い箇所の電位（ＨＴＲ−電位）との電位差をヒータ電圧として測定回路４２が測定し、マイコン４３がその測定結果を用いてＰＷＭ制御処理を行っている。
【００５６】
つまり、本実施形態のセンサ制御装置２０では、駆動系グランドラインのうちＨＴＲ−端子３４よりもバッテリ４０側の経路上に生じる電圧降下分がＨＴＲ−電位に反映されると共に、駆動系プラスラインのうちＨＴＲ＋端子３３よりもバッテリ４０側の経路上に生じる電圧降下分がＨＴＲ＋電位に反映される。このため、ＨＴＲ＋電位とＨＴＲ−電位との電位差をヒータ電圧として測定することにより、実際にヒータ部９に印加される電圧により近い測定結果を得ることができる。
【００５７】
したがって、本実施形態のセンサ制御装置２０によれば、経時的な変化や周囲の温度変化などによって駆動系経路上の線路抵抗が変化する場合に、駆動系経路のうちＨＴＲ−端子３４及びＨＴＲ＋端子３３よりもバッテリ４０側の経路上に生じる電圧降下分の変動による影響を抑制し、ヒータ部９への供給電力量を適切に調整することができる。
【００５８】
また、センサ制御装置２０では、濃度検出処理により、マイコン４３が測定回路４２及び検出回路４１を介して検出値（第１ポンプ電流Ｉp1及び第２ポンプ電流Ｉp2）を読み込むときの基準として、駆動系グランドラインとは別に設けられた制御系グランドラインの電位が用いられる。このため、センサ制御装置２０によれば、駆動系グランドライン上に生じる電圧降下の影響を受けずに、マイコン４３が濃度検出処理といった各種制御を好適に行うことができる。
【００５９】
なお、センサ制御装置２０は、ＮＯｘセンサ１０のヒータ部９に対してＰＷＭ制御処理を行うため、被水に伴う熱衝撃によってセンサ本体部８に割れが生じないように、ヒータ温度の温度管理がより厳しく要求される使用環境において、実際にヒータに印加される電圧に近い測定結果に基づきデューティ比を設定することにより、被水によるセンサ本体部８及びヒータ部９の割れが生じる可能性を低減することができる。
【００６０】
［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。
【００６１】
例えば、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、図３に示すように、測定回路４２が、ＨＴＲ＋端子３３の電位とＨＴＲ−端子３４の電位との電位差をヒータ電圧として測定するように構成されているが、これに限定されるものではなく、ＨＴＲ＋端子３３の電位と駆動用ＧＮＤ端子３２との電位差、あるいは、ＢＡＴ端子３１の電位と駆動用ＧＮＤ端子３２との電位差をヒータ電圧として測定してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、測定回路４２がヒータ電圧を測定するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、測定回路４２が、ＨＴＲ＋端子３３の電位と制御用ＧＮＤ端子３５の電位との電位差をＨＴＲ＋電圧、ＨＴＲ−端子３４の電位と制御用ＧＮＤ端子３５の電位との電位差をＨＴＲ−電圧としてそれぞれ測定し、マイコン４３が、測定回路４２にて測定されたＨＴＲ＋電圧とＨＴＲ−電圧との電圧差をヒータ電圧として算出するようにしてもよい。このように、マイコン４３にヒータ電圧を測定するための処理を行わせることにより、測定回路４２の設計に係る自由度を向上させることができる。なお、マイコン４３がＰＷＭ制御処理や濃度検出処理以外にも各種の制御処理を実行し、なお且つ、これら制御処理の中でＨＴＲ＋電圧やＨＴＲ−電圧の測定結果を用いるように構成されている場合に、ＰＷＭ制御処理を行うために測定回路４２を別途設けることなく、既存の構成により得られる電圧値を利用してヒータ電圧を測定することが可能である。これにより、物理的な端子の数に制限がある場合であっても、ヒータ電圧を精度よく測定することができる。
【００６３】
また、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、図４に示すように、ヒータ駆動部２６（スイッチング素子５３）が、ＢＡＴ端子３１とＨＴＲ＋端子３３とに接続されているが、図５に示すように、ＨＴＲ−端子３４と駆動用ＧＮＤ端子３２とに接続されてもよい。また、一方のヒータ駆動部を、ＢＡＴ端子３１とＨＴＲ＋端子３３とに接続し、他方のヒータ駆動部を、ＨＴＲ−端子３４と駆動用ＧＮＤ端子３２とに接続した上で、両方のヒータ駆動部を、制御部２４によって同時にオンまたはオフに切り替える制御を行うように構成してもよい。
また、上記実施形態のセンサ制御装置２０では、図３に示すように、当該センサ制御装置２０を構成する各部及び回路２３〜２７が、同一の回路基板５０上に設けられているが、これに限定されるものではなく、複数の回路基板５０上で接続されてもよい。
なお、上記実施形態のセンサ制御装置２０は、マイコン４３が、ＰＷＭ制御処理および濃度検出処理を行うように構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば制御対象が一般的なヒータである場合、ＰＷＭ制御処理のみを行うように構成されていればよい。つまり、上記実施形態のセンサ制御装置２０は、本発明のヒータ駆動装置が適用される一例であり、その制御対象がＮＯｘセンサ１０のヒータ部９に限らず、一般的なヒータ等にも適用され得る。
【符号の説明】
【００６４】
１…エンジン制御システム、８…センサ本体部、９…ヒータ部、１０…ＮＯｘセンサ、１１…第１酸素ポンプセル、１２…酸素分圧検知セル、１３…第２酸素ポンプセル、２０…センサ制御装置、２３…センサ駆動部、２４…制御部、２５…ＣＡＮ回路、２６…ヒータ駆動部、２７…電源回路、３０…エンジンＥＣＵ、４０…バッテリ、４１…検出回路、４２…測定回路、４３…マイコン、５３…スイッチング素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源装置からの通電により発熱するヒータと、
前記ヒータに接続され、該ヒータをＰＷＭ駆動するために前記ヒータへの通電状態のオンまたはオフの切り替えを行う駆動部と、
前記ヒータへの印加電圧を測定し、該測定結果に基づいて前記ＰＷＭ駆動のデューティ比を設定し、当該デューティ比を反映した信号を前記駆動部に出力して、該駆動部の前記切り替えを制御する制御部と、
を備え、前記駆動部および前記制御部が互いに系統の異なるグランドラインに接続されて構成されたヒータ駆動装置において、
前記電源装置のグランド端子から当該ヒータ駆動装置を介して前記ヒータに接続される経路を駆動系グランドライン、前記電源装置のプラス端子から当該ヒータ駆動装置を介して前記ヒータに接続される経路を駆動系プラスラインとして、
前記制御部は、当該ヒータ駆動装置内における前記駆動系プラスライン上の電位と前記駆動系グランドライン上の電位との電位差を、前記印加電圧として測定することを特徴とするヒータ駆動装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記駆動系プラスライン及び前記駆動系グランドラインの少なくとも一方の経路上に設けられ、
前記制御部は、前記駆動部が設けられている経路である対象経路のうち、前記駆動部よりも前記ヒータ側の電位を、該対象経路上の電位として用いることを特徴とする請求項１に記載のヒータ駆動装置。
【請求項３】
前記ヒータは、センサ素子を加熱するために用いられ、
前記制御部に接続されるグランドラインの電位は、該制御部が前記センサ素子の電気的変化を読み込むときの基準として使用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ駆動装置。
【請求項４】
前記センサ素子および前記ヒータは、積層一体化されていることを特徴とする請求項３に記載のヒータ制御装置。
【請求項１】
電源装置からの通電により発熱するヒータと、
前記ヒータに接続され、該ヒータをＰＷＭ駆動するために前記ヒータへの通電状態のオンまたはオフの切り替えを行う駆動部と、
前記ヒータへの印加電圧を測定し、該測定結果に基づいて前記ＰＷＭ駆動のデューティ比を設定し、当該デューティ比を反映した信号を前記駆動部に出力して、該駆動部の前記切り替えを制御する制御部と、
を備え、前記駆動部および前記制御部が互いに系統の異なるグランドラインに接続されて構成されたヒータ駆動装置において、
前記電源装置のグランド端子から当該ヒータ駆動装置を介して前記ヒータに接続される経路を駆動系グランドライン、前記電源装置のプラス端子から当該ヒータ駆動装置を介して前記ヒータに接続される経路を駆動系プラスラインとして、
前記制御部は、当該ヒータ駆動装置内における前記駆動系プラスライン上の電位と前記駆動系グランドライン上の電位との電位差を、前記印加電圧として測定することを特徴とするヒータ駆動装置。
【請求項２】
前記駆動部は、前記駆動系プラスライン及び前記駆動系グランドラインの少なくとも一方の経路上に設けられ、
前記制御部は、前記駆動部が設けられている経路である対象経路のうち、前記駆動部よりも前記ヒータ側の電位を、該対象経路上の電位として用いることを特徴とする請求項１に記載のヒータ駆動装置。
【請求項３】
前記ヒータは、センサ素子を加熱するために用いられ、
前記制御部に接続されるグランドラインの電位は、該制御部が前記センサ素子の電気的変化を読み込むときの基準として使用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ駆動装置。
【請求項４】
前記センサ素子および前記ヒータは、積層一体化されていることを特徴とする請求項３に記載のヒータ制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−８９４８（Ｐ２０１１−８９４８Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４８６８１（Ｐ２００９−１４８６８１）
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【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２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２３日（２００９．６．２３）
【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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