JP3914044B2

JP3914044B2 - Gas sensor control device and gas sensor control method

Info

Publication number: JP3914044B2
Application number: JP2001381736A
Authority: JP
Inventors: 隆治井上; 昇石田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: JP2003185614A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば排煙装置や排気ダクト、或いは内燃機関の排気ガス雰囲気内で使用されるガスセンサの制御装置及びガスセンサの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の排気ガス雰囲気中で使用されるガスセンサとして、例えば排気を浄化する浄化装置の劣化状態を検出するために、排気ガス中の湿度を測定する湿度センサが知られている。
【０００３】
また、この種の湿度センサに関する技術として、例えばＥＰ１１３２５８９号公報には、排気ガス用湿度センサのヒータ制御方法が開示されている。
この公報によれば、結露による影響を排除して湿度センサの性能を確保するために、吸気温センサにより吸気温を測定し、吸気温が所定の温度より低い場合には、ヒータを所定時間作動させて、（結露によって発生した）水滴を湿度センサの感湿素子から除去している。また、アイドリングが所定時間継続すると、湿度センサが結露する可能性があるため、アイドリング時間によりヒータを作動させて結露を防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したヒータ制御を、例えば内燃機関の排気ガス雰囲気中にて結露が生じている条件で実施すると、ヒータによる急激な加熱によって、湿度センサの感湿素子が割れてしまうことがあるという問題があった。
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、ヒータによる加熱を実施しても、感湿素子等のセンサ素子に割れが発生することを防止できるガスセンサの制御装置及びガスセンサの制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、ガスセンサの素子部を、ヒータにより加熱することができるガスセンサの制御装置において、前記ガスセンサは、インピーダンス変化式の湿度センサであり、その素子部は感湿素子部であって、前記ガスセンサが配置される周囲の結露状態を検出し、前記結露が検出されない状態にて、前記感湿素子部を前記ヒータにより加熱することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、ヒータによりガスセンサ（即ちインピーダンス変化式の湿度センサ）の素子部（即ち感湿素子部）の加熱を行う。この加熱は、例えば感湿素子部に付着した汚れ物質（例えば粉塵、デポジット成分、カーボン、結晶水等）を焼き飛ばしてその性能を回復させるために実施される。
特に本発明では、湿度センサの周囲の結露状態を検出し、結露がない状態でヒータの加熱を行うので、結露下におけるヒータの加熱（即ちヒートショック）に起因する感湿素子部の割れを防止することができる。
【０００８】
このインピーダンス変化式の湿度センサとしては、感湿素子部の抵抗の変化に基づいて湿度（相対湿度及び／又は絶対湿度）を測定する抵抗変化式湿度センサが挙げられる。
また、感湿素子部の材料としては、湿度によりインピーダンスが変化する（例えば湿度が上昇すると抵抗が低下する）例えばＡｌ ₂ Ｏ ₃ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −ＴｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ −ＴｉＯ ₂ −ＳｎＯ ₂ などの酸化物セラミックス系材料が挙げられる。
（２）請求項２の発明は、結露状態を、ガスセンサ（即ちインピーダンス変化式の湿度センサ）の出力又は他の結露検出手段の出力に基づいて行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明は、結露状態を検出する手段を例示したものである。
結露が発生するとセンサ出力が変化するガスセンサの場合には、ガスセンサ自身の出力に基づいて結露状態を検出することができる。また、ガスセンサとは別に結露検出手段を用いる場合には、結露検出手段の出力に基づいて結露の状態を検出することができる。
【００１０】
尚、他の結露検出手段としては、例えばチタニアを用いた酸素センサなどが挙げられる。
【００１２】
（３）請求項３の発明は、湿度センサのインピーダンスが、結露により急激に小さくなった後に復帰し始める時間を、ヒータに通電を開始することが可能な時間とすることを特徴とする。
【００１３】
結露が発生すると、湿度センサのインピーダンス（例えば抵抗成分）が小さくなり、その後復帰し始めるとき（即ち結露の消滅に伴う復帰：例えば図７における約２２０秒以降の出力状態）には、結露の状態が改善されつつある状況にある。従って、このときにヒータによる加熱を開始しても、素子部等が割れることはなく好適である。
【００１４】
（４）請求項４の発明は、湿度センサは、内燃機関の排気ガス中で用いるものであることを特徴とする。
本発明は、湿度センサが使用される対象を例示したものである。
自動車の排気ガス中にて使用される湿度センサは、様々なガス成分、エンジンオイル等から排出されるＣａ，Ｐ，Ｍｏ等のデポジット成分、ガソリン成分、カーボン、水等が多量に排出される極めて過酷な環境に曝されるが、上述した加熱を行うことにより、汚れ物質を除去して、長期間にわたり高精度な湿度計測が可能である。
【００１５】
尚、本発明の湿度センサは、排気ガス中以外に、排煙装置や排気ダクトなどに適用して、その雰囲気中の湿度を検出するために用いることができる。また、例えば低酸素濃度や還元性ガスが含まれる雰囲気の湿度を検出するために用いることができる。
【００１６】
（５）請求項５の発明は、湿度センサは、内燃機関の排気ガス浄化用付帯装置（例えば炭化水素及び水分を吸着可能な吸着材、三元触媒等の排気ガスの浄化材、ゼオライト等を用いたＨＣトラップ材等）の状態を、排気ガス中の湿度変化から検出するために用いるものであることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、湿度センサの用途を例示したものである。
この種の排気ガス浄化用付帯装置は、内燃機関の排気ガスを浄化するために使用されるが、例えば吸着材等を含む排気ガス浄化用付帯装置が劣化すると、排気ガス浄化用付帯装置の下流側の水分の状態も変化する。従って、排気ガス浄化用付帯装置の下流側の排気ガスの湿度を測定することにより、排気ガス浄化用付帯装置の劣化の状態を検出することができる。
【００１８】
（６）請求項６の発明は、内燃機関の運転中に、ヒータに通電する場合には、感湿素子部の温度を５００〜８００℃の範囲に保持することを特徴とする。
本発明では、内燃機関の運転中において、結露が無い状態にて、感湿素子部を５００〜８００℃の温度範囲で加熱することにより、汚れ物質を十分に除去することができる。これにより、長期に渡り高精度な湿度検出を行うことができる。
【００１９】
（７）請求項７の発明は、内燃機関の停止後に、結露が無い状態にて、ヒータによる加熱を行うことを特徴とする。
ヒータによる加熱は、内燃機関の作動中に実施し、内燃機関の停止と同時に停止しても効果があるが、内燃機関の停止後に加熱すると一層大きな効果が得られる。これは、内燃機関が停止した直後は、粉塵、デポジット、カーボン、飛散した水等がセンサ付近の雰囲気に存在しているためである。従って、本発明では、内燃機関の停止後に、湿度センサに結露が無い状態にて、感湿素子部を加熱する。
【００２０】
（８）請求項８の発明は、内燃機関の停止後に、感湿素子部を、５００〜１２００℃の温度範囲で加熱する。
本発明は、内燃機関の停止後の加熱温度を例示したものであり、この温度範囲にて加熱することにより、好適に汚れ物質を除去することができる。
【００２１】
（９）請求項９〜１６のガスセンサの制御方法の発明は、それぞれ順次対応する前記請求項１〜８のガスセンサの制御装置の発明と、同様な作用効果を奏する。
尚、前記以外のガスセンサの制御装置（又はガスセンサの制御方法）として、例えば他の温度検出手段によりガスセンサの周囲の温度を検出し、温度検出手段により検出された温度に基づいて、ヒータの制御を行うことを特徴とする構成を採用できる。
【００２２】
この場合、温度が低いときには結露生じ易いという傾向があるので、温度に基づいて結露状態を判断してヒータを制御することにより、素子部の割れを抑制することが可能である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のガスセンサの制御装置及びガスセンサの制御方法の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例）
本実施例では、ガスセンサとして、内燃機関の排気ガス中の湿度を検出する湿度センサを例に挙げて説明する。
【００２４】
ａ）まず、本実施例の湿度センサの構成について説明する。尚、図１は湿度センサの全体及びその分解した状態を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
図１に示す様に、本実施例の湿度センサ１は、抵抗変化式の湿度センサ１であり、その要部を構成する感湿素子部３は、アルミナ製の絶縁基板５上に、一対のリード部７、９が配置されるとともに、一方のリード部７と接するように下部電極１１が配置され、この下部電極１１の上に感湿材料からなる感湿層１３が配置され、更に感湿層１３の上に他方のリード部９と接触して上部電極１５が配置されたものである。
【００２５】
また、図２に示す様に、絶縁基板５内には、感湿素子部３を加熱するヒータ１７と測温抵抗体である温度センサ１９が配置されている。
前記下部電極１１及び上部電極１５は、厚膜印刷により形成された膜厚約１５μｍの主として白金からなる層である。感湿層１３は、厚膜印刷により形成された膜厚約３０μｍの主としてＡｌ₂Ｏ₃−ＳｎＯ₂−ＴｉＯ₂の感湿材料からなる層であり、この感湿材料は、周囲の雰囲気の湿度が変化すると、その抵抗値が変化する（即ち湿度が増加すると抵抗が低下する）ものである。また、ヒータ１７は主として白金からなり、温度センサ１９も主として白金からなる。
【００２６】
ｂ）次に、上述した構成の湿度センサ１を制御する制御装置について説明する。
図３に湿度を測定するための回路構成を示す様に、湿度センサ１の感湿素子部３は、マイコン２１に接続されて、その出力が取り出されるように構成されている。尚、この出力とは、感湿素子部３の抵抗値に対応した値であり、抵抗値が増加するとセンサ出力が増加するように設定されている。
【００２７】
具体的には、第１比較抵抗２３と（湿度センサ１の）感湿素子部３と第２比較抵抗２５とが直列に接続され、この第１比較抵抗２３と感湿素子部３と第２比較抵抗２５とには、バッファ２７を介して、マイコン２１のＤ／Ａ部（デジタルアナログ変換部）から、例えば２Ｖ以下の直流電圧が印加される。また、感湿素子部３の両端間の直流電圧出力（直流分圧）は、オペアンプ２９を介して、マイコン２１のＡ／Ｄ部（アナログデジタル変換部）に入力される。更に、マイコン２１からは、Ｄ／Ａコンバータ３１を介してセンサ出力が取り出される。
【００２８】
更に、図４にヒータ１７を制御するための回路構成を示す様に、温度センサ１９と比較抵抗３３とが直列に接続され、温度センサ１９と比較抵抗３３とには電源３４から基準電圧が印加される。そして、温度センサ１９の電圧（電位差）が、オペアンプ３５を介して、マイコン２１のＡ／Ｄ部（アナログデジタル変換部）に入力される。
【００２９】
また、マイコン２１には、スイッチ素子３７を介してヒータ１７が接続されており、マイコン２１の信号出力部（ＰＷＭ）からの信号により、ヒータ１７に定電圧３６が印加される。このヒータ１７は、デューティ比制御され、ヒータ１７のオフの期間中に、温度センサ１９の抵抗（従って周囲の温度）を計測する。
【００３０】
尚、ここでは、説明のために、マイコン２１を図３、図４の様に分けて記載したが、通常は同一のマイコン２１にて湿度の計測とヒータ１７の制御を行う。また、それぞれ異なるマイコン２１を使用してもよい。
ｃ）次に、前記湿度センサ１の基本的な使用方法について説明する。
【００３１】
▲１▼排気ガス浄化用付帯装置の劣化検知方法
本実施例では、車両の排気管の排気ガス浄化用付帯装置の下流側に湿度センサ１を取り付け、その排気ガスの湿度を検出する。
排気管内は、通常低湿度であり、例えば内燃機関が始動すると燃焼によって水分が生じるため、高湿度に推移する。この状態は、内燃機関の始動毎に繰り返し行われる現象である。
【００３２】
そして、内燃機関が始動する際に、排気ガス浄化用付帯装置が正常である場合には、装置内の触媒、吸着材等にて、炭化水素や水分が所定の範囲内で吸着されるので、排気ガス浄化用付帯装置の下流では、特に始動直後の所定の期間では、排気ガス中の水分量が極めて少ない。つまり、吸着し切れなくなって排気ガス浄化用付帯装置から水分が流出するタイミングが遅い。
【００３３】
それに対して、排気ガス浄化用付帯装置が劣化している場合には、吸着し切れなくなって排気ガス浄化用付帯装置から水分が流出するタイミングが早く、排気ガス浄化用付帯装置の下流の排気ガス中には水分量が早めに多くなる。
従って、内燃機関を始動した際に、排気ガス浄化用付帯装置の下流側の排気ガスの水分の状態を湿度センサ１によって検出することによって、排気ガス浄化用付帯装置の劣化の状態を検出することができる。
【００３４】
上述した水分の状態に対応した湿度センサ１のセンサ出力（即ち感湿素子部３の抵抗値）の変化を図５に示す。排気ガス浄化用付帯装置が劣化していない場合（同図の実線）には、内燃機関の始動直後に湿度センサ１をオンして作動させると、始動直後は、排気ガス浄化用付帯装置にて水分が十分に吸着されて、湿度センサ１までに殆ど到らないので高い抵抗値となる。その後、吸着する限界に達すると、排気ガス中の水分量が増加して結露するので、時点ｔ０にて、抵抗値が急減する。その後、排気ガスの温度が上昇するにつれて結露が解消されるので、抵抗値が徐々に増加する。
【００３５】
それに対して、排気ガス浄化用付帯装置が劣化している場合（同図の破線）には、始動直後は、排気ガス浄化用付帯装置にて水分が吸着されるが、劣化していない場合と比べてその吸着量が少ないので、吸着する限界により早く達し、そのため早い時点ｔ１にて結露し、抵抗値が急減する。
【００３６】
従って、例えば内燃機関が始動してから抵抗値が急減するまでの時間を測定することにより、排気ガス浄化用付帯装置の劣化を検出することができる。
▲２▼湿度センサ１の劣化検知
湿度センサ１の抵抗特性が高抵抗化する現象（湿度センサ１の劣化）は、湿度センサ１の感湿素子部３及びリード部７、９等に付着した不純物成分（汚れ物質）が堆積し、従来の加熱クリーニングを実施しても完全に焼失できないために生じる現象である。
【００３７】
図６に湿度センサ１のセンサ出力（即ち感湿素子部３の抵抗に対応した値）を示す。湿度センサ１が汚れ物質により劣化していない場合には、同図の実線で示す様に、内燃機関の始動後、センサ出力が速やかに増加し、その後急に立ち下がり、その後徐々に増加する。
【００３８】
一方、湿度センサ１が劣化している場合には、同図の破線で示す様に、ある程度似た変化はするものの、その数値等は大きく異なっている。例えば、始動直後では、劣化した湿度センサ１のセンサ出力は、劣化していない湿度センサ１のセンサ出力よりも大きな値となる。
【００３９】
従って、この様なセンサ出力の違いにより、湿度センサ１の劣化の程度を検出することができる。
▲３▼湿度センサ１による結露検知
上述した様に、排気ガス中の湿度が上昇すると感湿素子部３の抵抗値が低下し、特に感湿素子部３の表面等の周囲に結露が発生すると極端に抵抗値が低下するので、湿度センサ１の出力から、結露の発生を検知することができる。
【００４０】
具体的には、内燃機関の始動直後においては、排気ガス中の湿度が上昇し結露が発生することがあるので、前記図５の時点ｔ０、ｔ１、或いは前記図６の１０sec近傍の様に、抵抗値（又はセンサ出力）が急減したときに、結露が発生したと見なすことができる。
【００４１】
従って、センサ出力をモニタし、センサ出力が結露に該当する変化（例えば急減）を示したときに、結露が発生したと判断するのである。
また、内燃機関の始動直後に発生した結露は、後述する図７に示す様に、内燃機関が継続して運転されて排気ガスの温度が上昇すると消滅する。
【００４２】
従って、例えば感湿素子部３の抵抗値が（結露が無い状態に該当する）所定値まで上昇したとき、或いは内燃機関の始動から（結露が無くなるタイミングである）所定時間経過したときに、結露が消滅したと見なすことができる。
ｄ）次に、本実施例の要部である、結露が無い状態にて、ヒータ１７による加熱を行って汚れ物質を除去する手法及びその効果について説明する。
【００４３】
本実施例では、内燃機関の作動中において、湿度センサ１のセンサ出力に基づいて、結露が無い状態か否かを判定する。そして、例えば湿度センサ１のセンサ出力が、結露の状態を示す（低い抵抗値に該当する）センサ出力の期間には、ヒータ１７による加熱を実施しない。
【００４４】
その後、センサ出力が結露が消滅した状態を示す値にまで復帰したとき、或いは、内燃機関の始動から（結露が無くなるタイミングである）所定時間経過した後に、ヒータ１７に通電を開始し、感湿素子部３を５００〜８００℃の温度範囲に加熱する。
【００４５】
これにより、湿度センサ１（特に感湿素子部３）に割れを生ずることなく、感湿素子部３等に付着した汚れ物質を十分に除去することができる。
また、本実施例では、内燃機関の停止後に、湿度センサ１のセンサ出力に基づいて、結露が無い状態か否かを判定し、結露が無いと判断されると、感湿素子部３を５００〜１２００℃の範囲内で、例えば数秒〜１０分程度の所定時間加熱する。
【００４６】
これにより、感湿素子部３等に割れを発生させることなく、一層確実に汚れ物質を除去することができる。
尚、温度が低い場合には結露生じ易いという傾向があるので、温度センサ１９により測定した温度に基づいて、結露状態が発生し易い状態であるならば、ヒータ１７に通電するタイミングを遅くするなどの制御を行ってもよい。
【００４７】
この様に、本実施例では、上述したヒータ制御を行うことにより、感湿素子部３等に割れを発生させることなく、湿度センサ１の汚れ状態がどのようであっても、常に汚れ物質を十分に除去することができる。これにより、湿度センサ１が、自動車の排気管内等の非常に過酷な環境に曝された場合においても、長期間にわたり高精度な湿度計測ができるという顕著な効果を奏する。
【００４８】
尚、本実施例では、湿度センサ１に直流電圧を印加し、感湿素子部３の両端間における直流電圧出力（直流分圧）を測定するようにしたが、それとは別に、湿度センサ１に例えば５００Ｈｚ以下の交流電圧を印加し、感湿素子部３の両端間における交流電圧出力（交流分圧）を測定するようにしてもよい。
【００４９】
この交流電圧を印加するタイプの湿度センサ１は、感湿素子部３のインピーダンス（Ｒ成分、Ｃ成分）の変化に基づいて湿度を検出するインピーダンス変化式の湿度センサ１である。
（実験例）
次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００５０】
ａ）本実験例では、前記実施例と同様な構造の湿度センサを、実車の排気管の触媒の下流に装着した。
そして、所定のモード走行（ＬＡ−４モード：コールドスタート５０５ｓ（始動後５０５秒間測定））を行い、その際の湿度センサの抵抗値を調べた。その結果を図７に示す。同図において、縦軸は速度と抵抗を示している。
【００５１】
図７から明な様に、内燃機関の始動直後は、ドライ雰囲気となり、湿度センサの抵抗は５ＭΩと高い値を示す。その後、排気管の触媒より水分が排出されるため、湿度センサの抵抗は急激に低下する。そして、始動後約２０ｓから２２０ｓの間は、湿度センサの抵抗値が極端に小さく、この間は感湿素子部が結露している状態を示している。
【００５２】
この間にヒータに通電し加熱クリーニングを行うと感湿素子部にクラックが入る可能性があるため、２２０ｓ以降の抵抗値が上昇したとき（即ち結露が消滅したとき）に、加熱クリーニングを実施した。
その結果、感湿素子部にはクラックが発生することがなく、好適であった。
【００５３】
尚、本発明は前記実施例になんら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種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００５４】
（１）例えば、ガスセンサ自身の出力に基づいて結露を検出できない場合には、別途例えば前記湿度センサ等のような結露を検出できるセンサを用いることで、結露を検出して、ヒータ制御を行うことができる。
（２）また、ヒータ制御は、例えば温度センサの抵抗値に基づいて、前記温度範囲内となる様に、ヒータのフィードバック制御を行ってもよく、或いは、ヒータ自身の抵抗値を求め、このヒータの抵抗値に基づいてヒータのフィードバック制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の湿度センサの感湿素子部の全体及び分解した状態を示す説明図である。
【図２】感湿素子部の図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】湿度センサの湿度を検出するための電気的構成を示す説明図である。
【図４】ヒータ制御のための電気的構成を示す説明図である。
【図５】内燃機関の始動直後の感湿素子部の抵抗の変化を示すグラフである。
【図６】内燃機関の始動直後の湿度センサの出力の変化を示すグラフである。
【図７】実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１…湿度センサ
３…感湿素子部
５…絶縁基板
７、９…リード部
１１…下部電極
１３…感湿層
１５…上部電極
２１…マイコン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sensor control device and a gas sensor control method used in, for example, a smoke exhaust device, an exhaust duct, or an exhaust gas atmosphere of an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a gas sensor used in an exhaust gas atmosphere of an internal combustion engine, for example, a humidity sensor that measures humidity in exhaust gas is known in order to detect a deterioration state of a purification device that purifies exhaust gas.
[0003]
Further, as a technique related to this type of humidity sensor, for example, EP1132589 discloses a heater control method for an exhaust gas humidity sensor.
According to this publication, in order to eliminate the influence of condensation and ensure the performance of the humidity sensor, the intake air temperature is measured by the intake air temperature sensor, and when the intake air temperature is lower than the predetermined temperature, the heater is operated for a predetermined time. Thus, water droplets (generated by condensation) are removed from the humidity sensitive element of the humidity sensor. In addition, if the idling continues for a predetermined time, the humidity sensor may condense. Therefore, the heater is operated by the idling time to prevent condensation.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the above-described heater control is performed under the condition that condensation occurs in, for example, the exhaust gas atmosphere of an internal combustion engine, the humidity sensitive element of the humidity sensor may break due to rapid heating by the heater. was there.
[0005]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A gas sensor control device and a gas sensor control capable of preventing a sensor element such as a moisture sensitive element from cracking even when heating is performed by a heater. It aims to provide a method.
[0006]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
(1) The invention of claim 1 is a gas sensor control device capable of heating an element portion of a gas sensor with a heater, wherein the gas sensor is an impedance change type humidity sensor, and the element portion is a moisture sensitive element portion. And the dew condensation state of the circumference | surroundings where the said gas sensor is arrange | positioned is detected, The said moisture sensitive element part is heated with the said heater in the state in which the said dew condensation is not detected.
[0007]
In the present invention, the element part (that is, the humidity sensitive element part) of the gas sensor (that is, the impedance change type humidity sensor) is heated by the heater. This heating is performed, for example , in order to burn off a dirt substance (for example, dust, deposit component, carbon, crystal water, etc.) adhering to the moisture sensitive element portion and restore its performance.
In particular, in the present invention, the dew condensation state around the humidity sensor is detected, and the heater is heated in the absence of dew condensation, so that the moisture sensitive element portion is prevented from cracking due to heating of the heater under dew condensation (ie heat shock). can do.
[0008]
Examples of the impedance change type humidity sensor include a resistance change type humidity sensor that measures humidity (relative humidity and / or absolute humidity) based on a change in resistance of the humidity sensing element portion.
Further, as the material of the moisture sensitive element portion, the impedance changes depending on the humidity (for example, the resistance decreases as the humidity increases). For example, Al ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ —TiO ₂ , Al ₂ O ₃ —TiO ₂ — Examples thereof include oxide ceramic materials such as SnO ₂ .
(2) The invention of claim 2 is characterized in that the dew condensation state is performed based on an output of a gas sensor (that is, an impedance change type humidity sensor) or an output of another dew condensation detection means.
[0009]
The present invention exemplifies means for detecting the dew condensation state.
In the case of a gas sensor in which the sensor output changes when condensation occurs, the dew condensation state can be detected based on the output of the gas sensor itself. In addition, when the dew condensation detection means is used separately from the gas sensor, the dew condensation state can be detected based on the output of the dew condensation detection means.
[0010]
Examples of other dew condensation detection means include an oxygen sensor using titania .
[0012]
(3) The invention of claim 3 is characterized in that the time when the impedance of the humidity sensor begins to return after the impedance has suddenly decreased due to dew condensation is defined as the time during which the heater can be energized.
[0013]
When dew condensation occurs, the impedance (for example, resistance component) of the humidity sensor decreases, and when it begins to recover thereafter (that is, recovery accompanying the disappearance of dew condensation: for example, the output state after about 220 seconds in FIG. 7), the dew condensation state Is being improved. Therefore, even if heating by the heater is started at this time, it is preferable that the element portion and the like are not broken.
[0014]
( 4) The invention of claim 4 is characterized in that the humidity sensor is used in exhaust gas of an internal combustion engine.
The present invention exemplifies an object for which a humidity sensor is used.
Humidity sensors used in automobile exhaust gases emit a large amount of various gas components, deposit components such as Ca, P, and Mo discharged from engine oil, gasoline components, carbon, water, etc. Although it is exposed to a harsh environment, by performing the heating described above, it is possible to remove soiling substances and perform highly accurate humidity measurement over a long period of time.
[0015]
The humidity sensor of the present invention can be used for detecting the humidity in the atmosphere by applying it to a smoke exhaust device, an exhaust duct or the like in addition to the exhaust gas. For example, it can be used to detect the humidity of an atmosphere containing a low oxygen concentration or a reducing gas.
[0016]
( 5) According to the invention of claim 5 , the humidity sensor is an auxiliary device for purifying exhaust gas of an internal combustion engine (for example, an adsorbent capable of adsorbing hydrocarbons and moisture, an exhaust gas purifying material such as a three-way catalyst, zeolite, etc. It is used for detecting the state of the HC trap material used) from the humidity change in the exhaust gas.
[0017]
The present invention illustrates the use of a humidity sensor.
This type of auxiliary device for purifying exhaust gas is used to purify the exhaust gas of the internal combustion engine. However, when the auxiliary device for purifying exhaust gas including, for example, an adsorbent is deteriorated, the auxiliary device for purifying exhaust gas is downstream. The moisture state on the side also changes. Therefore, by measuring the humidity of the exhaust gas on the downstream side of the exhaust gas purification auxiliary device, it is possible to detect the deterioration state of the exhaust gas purification auxiliary device.
[0018]
( 6) The invention of claim 6 is characterized in that when the heater is energized during operation of the internal combustion engine, the temperature of the moisture sensitive element portion is maintained in the range of 500 to 800 ° C.
In the present invention, during operation of the internal combustion engine, the moisture-sensitive element portion is heated in a temperature range of 500 to 800 ° C. in a state where there is no condensation, so that the dirt substance can be sufficiently removed. Thereby, highly accurate humidity detection can be performed over a long period of time.
[0019]
( 7) The invention of claim 7 is characterized in that after the internal combustion engine is stopped, heating is performed with a heater in a state where there is no condensation.
Heating by the heater is effected even when the internal combustion engine is in operation and stopped simultaneously with the stop of the internal combustion engine. However, a greater effect can be obtained by heating after the internal combustion engine is stopped. This is because immediately after the internal combustion engine is stopped, dust, deposit, carbon, scattered water, etc. are present in the atmosphere near the sensor. Therefore, in the present invention, after the internal combustion engine is stopped, the humidity sensing element portion is heated in a state where there is no condensation on the humidity sensor.
[0020]
( 8) The invention of claim 8 heats the moisture sensitive element portion in a temperature range of 500 to 1200 ° C. after the internal combustion engine is stopped.
The present invention exemplifies the heating temperature after the internal combustion engine is stopped. By heating in this temperature range, the dirt substance can be suitably removed.
[0021]
( 9) The invention of the gas sensor control method of claims 9 to 16 has the same effect as the invention of the gas sensor control device of claims 1 to 8 corresponding to the invention.
As a gas sensor control device (or gas sensor control method) other than the above, for example, the temperature around the gas sensor is detected by another temperature detection means, and the heater is controlled based on the temperature detected by the temperature detection means. It is possible to adopt a configuration characterized by performing.
[0022]
In this case, since condensation tends to occur when the temperature is low, it is possible to suppress cracking of the element portion by controlling the heater by determining the dew condensation state based on the temperature.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of embodiments of the gas sensor control device and the gas sensor control method of the present invention will be described below.
(Example)
In this embodiment, a humidity sensor that detects the humidity in the exhaust gas of an internal combustion engine will be described as an example.
[0024]
a) First, the configuration of the humidity sensor of this embodiment will be described. 1 is a perspective view showing the whole humidity sensor and its disassembled state, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
As shown in FIG. 1, the humidity sensor 1 of the present embodiment is a resistance change type humidity sensor 1, and a humidity sensitive element portion 3 that constitutes a main part thereof is formed on a pair of insulating substrates 5 made of alumina. The lead portions 7 and 9 are disposed, a lower electrode 11 is disposed so as to be in contact with one lead portion 7, and a moisture sensitive layer 13 made of a moisture sensitive material is disposed on the lower electrode 11. An upper electrode 15 is disposed on the layer 13 in contact with the other lead portion 9.
[0025]
Further, as shown in FIG. 2, a heater 17 that heats the moisture sensitive element unit 3 and a temperature sensor 19 that is a resistance temperature detector are disposed in the insulating substrate 5.
The lower electrode 11 and the upper electrode 15 are layers mainly made of platinum having a film thickness of about 15 μm formed by thick film printing. The moisture-sensitive layer 13 is a layer mainly made of Al ₂ O ₃ —SnO ₂ —TiO ₂ having a thickness of about 30 μm formed by thick film printing, and this moisture-sensitive material is the humidity of the surrounding atmosphere. Changes the resistance value (that is, the resistance decreases as the humidity increases). The heater 17 is mainly made of platinum, and the temperature sensor 19 is also mainly made of platinum.
[0026]
b) Next, a control device for controlling the humidity sensor 1 having the above-described configuration will be described.
As shown in the circuit configuration for measuring humidity in FIG. 3, the humidity sensitive element portion 3 of the humidity sensor 1 is connected to the microcomputer 21 so that its output is taken out. This output is a value corresponding to the resistance value of the moisture sensitive element unit 3, and is set such that the sensor output increases as the resistance value increases.
[0027]
Specifically, the first comparison resistor 23, the humidity sensing element portion 3 (of the humidity sensor 1), and the second comparison resistor 25 are connected in series, and the first comparison resistor 23, the humidity sensing element portion 3 and the second comparison resistor 25 are connected in series. A DC voltage of, for example, 2 V or less is applied to the comparison resistor 25 from the D / A section (digital / analog conversion section) of the microcomputer 21 via the buffer 27. In addition, a DC voltage output (DC partial pressure) between both ends of the moisture sensitive element unit 3 is input to the A / D unit (analog / digital conversion unit) of the microcomputer 21 via the operational amplifier 29. Further, the sensor output is taken out from the microcomputer 21 via the D / A converter 31.
[0028]
4 shows a circuit configuration for controlling the heater 17, a temperature sensor 19 and a comparison resistor 33 are connected in series, and a reference voltage is applied to the temperature sensor 19 and the comparison resistor 33 from a power source 34. Is done. The voltage (potential difference) of the temperature sensor 19 is input to the A / D unit (analog / digital conversion unit) of the microcomputer 21 via the operational amplifier 35.
[0029]
The heater 21 is connected to the microcomputer 21 via a switch element 37, and a constant voltage 36 is applied to the heater 17 by a signal from a signal output unit (PWM) of the microcomputer 21. The heater 17 is controlled in duty ratio, and measures the resistance (and hence the ambient temperature) of the temperature sensor 19 during the heater 17 off period.
[0030]
Here, for the sake of explanation, the microcomputer 21 is described separately as shown in FIGS. 3 and 4, but normally, the same microcomputer 21 performs humidity measurement and control of the heater 17. Different microcomputers 21 may be used.
c) Next, a basic method of using the humidity sensor 1 will be described.
[0031]
(1) Deterioration detection method of exhaust gas purification accessory device In this embodiment, a humidity sensor 1 is attached to the downstream side of the exhaust gas purification accessory device of a vehicle exhaust pipe, and the humidity of the exhaust gas is detected.
The inside of the exhaust pipe is usually at a low humidity. For example, when the internal combustion engine is started, moisture is generated by combustion, so that the humidity changes to a high humidity. This state is a phenomenon that is repeatedly performed every time the internal combustion engine is started.
[0032]
And when the internal combustion engine is started, if the auxiliary device for exhaust gas purification is normal, hydrocarbons and moisture are adsorbed within a predetermined range by the catalyst, adsorbent, etc. in the device, Downstream of the exhaust gas purification accessory device, the moisture content in the exhaust gas is extremely small, particularly during a predetermined period immediately after startup. That is, the timing at which moisture cannot flow out and the moisture flows out of the auxiliary device for purifying exhaust gas is late.
[0033]
On the other hand, when the exhaust gas purification accessory device is deteriorated, the exhaust gas cannot be completely adsorbed and the timing of moisture flowing out from the exhaust gas purification auxiliary device is early, and the exhaust gas downstream of the exhaust gas purification accessory device Some water content increases early.
Therefore, when the internal combustion engine is started, the state of the exhaust gas purification accessory device is detected by detecting the moisture state of the exhaust gas downstream of the exhaust gas purification accessory device by the humidity sensor 1. Can do.
[0034]
FIG. 5 shows a change in the sensor output of the humidity sensor 1 corresponding to the moisture state described above (that is, the resistance value of the moisture sensitive element unit 3). When the exhaust gas purification accessory device is not deteriorated (solid line in the figure), if the humidity sensor 1 is turned on and operated immediately after the internal combustion engine is started, the exhaust gas purification accessory device is immediately turned on by the exhaust gas purification accessory device. Since moisture is sufficiently adsorbed and hardly reaches the humidity sensor 1, the resistance value is high. Thereafter, when the adsorption limit is reached, the amount of moisture in the exhaust gas increases and condensation occurs, so that the resistance value rapidly decreases at time t0. Thereafter, condensation is eliminated as the temperature of the exhaust gas rises, so that the resistance value gradually increases.
[0035]
On the other hand, when the exhaust gas purification accessory device is deteriorated (broken line in the figure), moisture is adsorbed by the exhaust gas purification accessory device immediately after starting, but there is no deterioration. Since the amount of adsorption is small as compared with the above, it reaches the limit of adsorption earlier, so that condensation occurs at an early time point t1, and the resistance value rapidly decreases.
[0036]
Therefore, for example, by measuring the time from when the internal combustion engine starts until the resistance value suddenly decreases, it is possible to detect the deterioration of the auxiliary device for purifying exhaust gas.
(2) Deterioration detection of the humidity sensor 1 The phenomenon that the resistance characteristic of the humidity sensor 1 is increased (degradation of the humidity sensor 1) is an impurity adhering to the humidity sensing element portion 3 and the lead portions 7, 9 of the humidity sensor 1. This is a phenomenon that occurs because components (dirty substances) are deposited and cannot be completely burned out even if conventional heat cleaning is performed.
[0037]
FIG. 6 shows a sensor output of the humidity sensor 1 (that is, a value corresponding to the resistance of the humidity sensitive element unit 3). When the humidity sensor 1 is not deteriorated by the dirt substance, as indicated by a solid line in the figure, the sensor output increases rapidly after the internal combustion engine is started, then falls rapidly, and then gradually increases.
[0038]
On the other hand, when the humidity sensor 1 is deteriorated, as shown by a broken line in FIG. For example, immediately after starting, the sensor output of the deteriorated humidity sensor 1 has a larger value than the sensor output of the humidity sensor 1 that has not deteriorated.
[0039]
Therefore, the degree of deterioration of the humidity sensor 1 can be detected by such a difference in sensor output.
(3) Condensation detection by the humidity sensor 1 As described above, when the humidity in the exhaust gas increases, the resistance value of the moisture sensitive element portion 3 decreases, and particularly when condensation occurs around the surface of the moisture sensitive element portion 3 and the like. Since the resistance value is extremely lowered, the occurrence of condensation can be detected from the output of the humidity sensor 1.
[0040]
Specifically, immediately after the start of the internal combustion engine, the humidity in the exhaust gas may increase and condensation may occur. Therefore, as shown at time t0, t1 in FIG. 5 or around 10 seconds in FIG. When the resistance value (or sensor output) decreases rapidly, it can be considered that condensation has occurred.
[0041]
Therefore, the sensor output is monitored, and it is determined that condensation has occurred when the sensor output shows a change corresponding to condensation (for example, a rapid decrease).
Further, the dew condensation that occurs immediately after the start of the internal combustion engine disappears when the internal combustion engine is continuously operated and the temperature of the exhaust gas rises as shown in FIG.
[0042]
Therefore, for example, when the resistance value of the moisture-sensitive element unit 3 rises to a predetermined value (corresponding to a state where there is no condensation), or when a predetermined time has elapsed since the start of the internal combustion engine (which is the timing at which condensation does not occur), Can be considered extinguished.
d) Next, a method of removing dirt substances by heating with the heater 17 in a state where there is no condensation, which is a main part of the present embodiment, and its effect will be described.
[0043]
In this embodiment, during operation of the internal combustion engine, it is determined based on the sensor output of the humidity sensor 1 whether there is no condensation. For example, during the sensor output period in which the sensor output of the humidity sensor 1 indicates a dew condensation state (corresponding to a low resistance value), heating by the heater 17 is not performed.
[0044]
Thereafter, when the sensor output returns to a value indicating that the condensation has disappeared, or after a predetermined time has elapsed since the start of the internal combustion engine (at the timing when the condensation disappears), energization of the heater 17 is started and the moisture sensitivity is started. The element part 3 is heated to a temperature range of 500-800 degreeC.
[0045]
Thereby, the dirt substance adhering to the moisture sensitive element part 3 grade | etc., Can fully be removed, without producing a crack in the humidity sensor 1 (especially moisture sensitive element part 3).
Further, in this embodiment, after the internal combustion engine is stopped, it is determined whether or not there is no condensation based on the sensor output of the humidity sensor 1, and if it is determined that there is no condensation, the humidity sensing element unit 3 is set to 500. Heating is performed within a range of ˜1200 ° C. for a predetermined time of, for example, several seconds to 10 minutes.
[0046]
Thereby, a dirt substance can be removed more reliably, without generating a crack in moisture sensing element part 3 grade.
Since the condensation tends to occur when the temperature is low, the timing of energizing the heater 17 is delayed based on the temperature measured by the temperature sensor 19 if the condensation is likely to occur. You may control.
[0047]
As described above, in the present embodiment, by performing the above-described heater control, the moisture sensor 1 is always free of contamination regardless of the contamination state of the humidity sensor 1 without causing cracks in the moisture sensitive element portion 3 and the like. It can be removed sufficiently. Thereby, even when the humidity sensor 1 is exposed to a very harsh environment such as in an exhaust pipe of an automobile, there is a remarkable effect that humidity measurement can be performed with high accuracy over a long period of time.
[0048]
In the present embodiment, a DC voltage is applied to the humidity sensor 1 to measure a DC voltage output (DC partial pressure) between both ends of the humidity sensing element unit 3. For example, an AC voltage of 500 Hz or less may be applied to measure the AC voltage output (AC partial pressure) between both ends of the moisture sensitive element unit 3.
[0049]
The humidity sensor 1 of the type that applies this AC voltage is an impedance change type humidity sensor 1 that detects humidity based on a change in impedance (R component, C component) of the humidity sensing element portion 3.
(Experimental example)
Next, an experimental example performed to confirm the effect of the present embodiment will be described.
[0050]
a) In this experimental example, a humidity sensor having the same structure as that of the above example was mounted downstream of the catalyst in the exhaust pipe of the actual vehicle.
And the predetermined mode driving | running | working (LA-4 mode: Cold start 505s (measurement for 505 seconds after starting)) was performed, and the resistance value of the humidity sensor in that case was investigated. The result is shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents speed and resistance.
[0051]
As is clear from FIG. 7, immediately after the internal combustion engine is started, the atmosphere is dry, and the resistance of the humidity sensor is as high as 5 MΩ. Thereafter, since moisture is discharged from the catalyst in the exhaust pipe, the resistance of the humidity sensor rapidly decreases. Then, the resistance value of the humidity sensor is extremely small for about 20 s to 220 s after the start, and during this period, the moisture sensitive element portion is in a dew condensation state.
[0052]
If the heater is energized during this time and heat cleaning is performed, cracks may occur in the moisture sensitive element portion. Therefore, the heat cleaning was performed when the resistance value after 220 s increased (that is, when the condensation disappeared).
As a result, the moisture sensitive element portion was suitable without cracks.
[0053]
In addition, this invention is not limited to the said Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from the summary of this invention .
[0054]
( 1) For example , when dew condensation cannot be detected based on the output of the gas sensor itself, by using a sensor that can detect dew condensation, such as the humidity sensor, for example, dew condensation is detected and heater control is performed. Can do.
( 2) The heater control may be performed by feedback control of the heater so as to be within the temperature range based on, for example, the resistance value of the temperature sensor, or the resistance value of the heater itself is obtained and the heater is controlled. The feedback control of the heater may be performed based on the resistance value.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram showing an entire humidity sensing element portion and a disassembled state of a humidity sensor according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the moisture sensitive element section taken along the line AA in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing an electrical configuration for detecting the humidity of a humidity sensor.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an electrical configuration for heater control.
FIG. 5 is a graph showing a change in resistance of the humidity sensing element immediately after the internal combustion engine is started.
FIG. 6 is a graph showing a change in output of a humidity sensor immediately after the internal combustion engine is started.
FIG. 7 is a graph showing experimental results.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Humidity sensor 3 ... Humidity sensitive element part 5 ... Insulating substrate 7, 9 ... Lead part 11 ... Lower electrode 13 ... Humidity sensitive layer 15 ... Upper electrode 21 ... Microcomputer

Claims

In the control device of the gas sensor that can heat the element part of the gas sensor with a heater,
The gas sensor is an impedance change type humidity sensor, and its element part is a moisture sensitive element part,
An apparatus for controlling a gas sensor, comprising: detecting a dew condensation state around the gas sensor, and heating the moisture sensitive element unit with the heater in a state where the dew condensation is not detected.

2. The gas sensor control device according to claim 1, wherein the dew condensation state is performed based on an output of the gas sensor or an output of another dew condensation detection means.

3. The time according to claim 1, wherein the time at which the impedance of the humidity sensor starts to return after the impedance suddenly decreases due to the dew condensation is defined as a time during which the heater can be energized. Control device for gas sensor.

The said humidity sensor is used in the exhaust gas of an internal combustion engine, The control apparatus of the gas sensor in any one of the said Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.

5. The gas sensor control device according to claim 4 , wherein the humidity sensor is used to detect the state of the exhaust gas purification accessory device of the internal combustion engine from a change in humidity of the exhaust gas.

6. The gas sensor according to claim 4 , wherein when the heater is energized during operation of the internal combustion engine, the temperature of the humidity sensing element is maintained in a range of 500 to 800 ° C. 6. Control device.

The humidity sensor control device according to any one of claims 4 to 6 , wherein after the internal combustion engine is stopped, heating by the heater is performed in a state where there is no condensation.

8. The humidity sensor control device according to claim 7 , wherein after the internal combustion engine is stopped, the moisture sensitive element portion is heated in a temperature range of 500 to 1200 ° C.

In the gas sensor control method in which the element part of the gas sensor can be heated by the heater,
The gas sensor is an impedance change type humidity sensor, and its element part is a moisture sensitive element part,
A method for controlling a gas sensor, comprising: detecting a dew condensation state around the gas sensor and heating the moisture sensitive element unit with the heater in a state where the dew condensation is not detected.

10. The gas sensor control method according to claim 9 , wherein the dew condensation state is performed based on an output of the gas sensor or an output of another dew condensation detection means.

11. The time according to claim 9 , wherein the time at which the impedance of the humidity sensor begins to return after the impedance has suddenly decreased due to the dew condensation is defined as a time during which the heater can be energized. Gas sensor control method.

The method of controlling a gas sensor according to any one of claims 9 to 11, wherein the humidity sensor is used in exhaust gas of an internal combustion engine.

13. The gas sensor control method according to claim 12 , wherein the humidity sensor is used to detect a state of an auxiliary method for exhaust gas purification of the internal combustion engine from a change in humidity of the exhaust gas.

14. The gas sensor according to claim 12 , wherein when the heater is energized during operation of the internal combustion engine, the temperature of the moisture sensitive element portion is maintained in a range of 500 to 800 ° C. 14. Control method.

The method of controlling a gas sensor according to any one of claims 12 to 14 , wherein after the internal combustion engine is stopped, heating by the heater is performed in a state where there is no condensation.

The method for controlling a gas sensor according to claim 15 , wherein the humidity sensing element portion is heated in a temperature range of 500 to 1200 ° C after the internal combustion engine is stopped.