专利名称：气体检测装置和具备它的空燃比控制装置以及内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体检测装置，特别是涉及具备用于将气体传感器部升温的加热器的气体检测装置。另外，本发明还涉及具备气体检测装置的空燃比控制装置，以及具备这样的空燃比控制装置的内燃机。
背景技术：
从环境问题、能源问题的观点来看，要求提高内燃机的燃料消耗率，或者减少内燃机的废气中所含有的限制物质(NOx等)的排出量。为此，有必要根据燃烧状态适当地控制燃料和空气的比率，以使得能够始终在最适合的条件下进行燃料的燃烧。空气和燃料的比率被称为空燃比(A/F)，在使用三效催化剂的情况下，最适合的空燃比是理论空燃比。所谓的理论空燃比，是空气和燃料没有过与不足(无盈亏)地燃烧的空燃比。
在燃料以理论空燃比燃烧的情况下，在废气中含有一定的氧气。当空燃比小于理论空燃比时，即，当燃料的浓度较高时，废气中的氧气量，比理论空燃比的情况下的氧气量减少。另一方面，当空燃比大于理论空燃比(燃料的浓度较低)时，废气中的氧气量增加。因此，通过计测废气中的氧气量或者氧气浓度，可以推定空燃比从理论空燃比偏离了多少，并调节空燃比，从而以燃料在最适合的条件下燃烧的方式进行控制。
作为用于计测废气中的氧气浓度的氧气传感器，例如，已知有具备电阻型的氧气传感器的气体检测装置。在这种氧气传感器工作时，需要500℃或其以上的高温，因此在氧气传感器的附近配置有加热器。
例如，专利文献1公开了具备气体传感器部和加热器的氧气传感器。
专利文献1日本专利第3523937号说明书
发明内容
在氧气传感器中，有检测特性依赖于工作温度而较大地变动的传感器。在这种氧气传感器中，必须通过调节提供给加热器的电力，将传感器温度控制在规定范围内。但是，根据本发明者的探讨得知，若要通过加热器的ON/OFF控制来调整传感器温度，便容易在气体检测装置上发生检测错误。
本发明是鉴于上述问题而研制成的，其目的在于提供一面避免检测错误，一面以较高的精度动作的气体检测装置，以及具备它的空燃比控制装置等。
本发明的气体检测装置，具备气体传感器部；加热器；配置在所述气体传感器部和所述加热器之间的绝缘层；和控制部，控制所述气体传感器部以及所述加热器的动作，且使提供给所述加热器的电流的变化的定时(タイミング)和所述气体传感器部的检测动作同步。
在优选的实施形态中，所述气体传感器部是电阻型传感器。
在优选的实施形态中，所述控制部，在执行所述气体传感器部的检测动作的期间以外的期间内，使提供给所述加热器的电流的大小变化。
在优选的实施形态中，所述控制部，有选择地执行进行用于加热所述加热器的通电这样的ON动作，和停止用于加热所述加热器的通电这样的OFF动作，ON/OFF动作的切换的定时，在时间轴上从所述气体传感器部的检测动作的定时偏移。
在优选的实施形态中，所述控制部，在使所述加热器的温度上升的加热模式中，周期性地进行所述ON动作和所述OFF动作的切换，在使所述加热器的温度降低的冷却模式中，执行所述OFF动作。
在优选的实施形态中，所述加热模式的所述ON动作和所述OFF动作的切换的周期小于等于50毫秒。
在优选的实施形态中，所述控制部，周期性地执行所述气体传感器部的检测动作，并且，在不进行所述检测动作时，执行对所述加热器的所述ON动作和所述OFF动作的切换。
在优选的实施形态中，所述控制部，应答周期性地发生的信号而执行所述气体传感器部的检测动作，在从所述信号的发生定时开始经过了规定时间后，执行对所述加热器的所述ON动作和所述OFF动作的切换。
在优选的实施形态中，所述气体传感器部的检测动作的周期小于等于10毫秒。
在优选的实施形态中，从执行所述ON动作和所述OFF动作的切换时开始，到下一次执行所述气体传感器部的检测动作为止的时间，设定为500微秒～2毫秒。
本发明的空燃比控制装置，是具备气体检测装置的空燃比控制装置，其中所述的气体检测装置具备气体传感器部；加热器；配置在所述气体传感器部和所述加热器之间的绝缘层；和控制部，该控制部控制所述气体传感器部以及所述加热器的动作，且使提供给所述加热器的电流的变化的定时和所述气体传感器部的检测动作同步。
本发明的内燃机，是具备气体检测装置的内燃机，其中所述的气体检测装置具备气体传感器部；加热器；配置在所述气体传感器部和所述加热器之间的绝缘层；和控制部，该控制部控制所述气体传感器部以及所述加热器的动作，使提供给所述加热器的电流的变化的定时和所述气体传感器部的检测动作同步。
根据本发明，由于提供给加热器的电流的变化的定时和气体传感器部的检测动作同步，因此可以在两者之间设置时间上的偏移。因此，能够使得在加热器的供给电流变化时所产生的电噪音，不会导致气体传感器部的检测错误出现。因而，根据本发明的气体检测装置，可以一面将加热器温度控制在适当的范围内，一面高精度地执行气体浓度测定。
图1是展示本发明的气体检测装置的实施形态所使用的氧气传感器元件的一例的分解立体图。
图2(a)是图1所示的氧气传感器的示意剖面图，(b)是展示氧气传感器的其他的剖面构成的示意剖面图。
图3是展示本发明的气体检测装置的实施形态的发动机控制装置的构成的框图。
图4是展示上述实施形态的电阻测定电路34的构成的电路图。
图5A是展示在上述实施形态中进行的传感器电阻的计测步骤的流程图。
图5B是展示电阻测定电路34的基准电阻切换算法的图。
图6(a)是展示上述实施形态的电阻-电压变换电路32的构成的框图，(b)是展示加热器15的电阻值和加热器温度的关系的图表，(c)是展示输入到ADC52的电压(电阻-电压变换电路32的输出)和温度的关系的图表，(d)是展示加热器温度(温度数据)和ADC52的输出(A变换值)的关系的图表。
图7(a)是展示上述实施形态的加热器温度的时间变化的图表，(b)是展示计测气体传感器的电阻值的时间的图，(c)是展示加热器的ON/OFF的图，(d)是展示计测加热器温度的定时的图。(e)、(f)及(g)是在时间上放大展示上述(a)、(b)及(c)的图的一部分的图。
图8是展示图7所示的动作的控制步骤的流程图。
图9是展示切换加热器的ON/OFF的定时，和计测气体传感器部的电阻值的定时的图。
图10(a)以及(b)是示意性地展示用于将氧气传感器10固定在排气管上的构成的立体图，(a)展示了取下保护罩的状态，(b)展示了带着保护罩的状态。
图11是示意性地展示用于将氧气传感器10固定在排气管上的构成的剖面图。
图12是展示本发明的合适的实施形态的机动两轮车的例子的示意图。
图13是展示图12所示的机动两轮车的发动机的控制系统的示意图。
标号说明10、102 氧气传感器(气体传感器)11基板 12传感器部13a、13b 电极14气体感应层(氧化物半导体层)
15 加热器17a～17d电压附加用的电极20 第1外壳 21 第2外壳22 螺母 23 填充材料24 检测线25 保护罩30 发动机控制装置32 电阻-电压变换电路(加热器电阻测定电路)34 电阻测定电路(气体传感器电阻测定电路)34a运算放大器(放大电路)34b低通滤波器(LPF) 36 控制器38 传感器输入电路40 驱动器输出电路42 恒流电路 44 电源电路46 端口 48 开关50 选择器52 AD变换器54 端口 56 数据总线100发动机300 机动两轮车具体实施方式
本发明人发现，前述气体检测装置出现检测错误的原因，在于频繁切换加热器的通电状态(ON/OFF)时所产生的电噪音，从而完成了本发明。
在专利文献1所公开的已知的气体传感器中，气体传感器部和加热器隔着基板而相对向地配置，加热器的温度，通过切换从外部提供的电流(以下有时简称为“加热器电流”)的ON/OFF来控制。
图9，是示意性地展示加热器电流的ON/OFF的切换定时(即，提供给加热器的电流的变化的定时)，和在与气体传感器部相连接的电极、配线上感应出的电噪音的关系的定时图表。如从图9所知的那样，在加热器从OFF状态转变到ON状态时，以及从ON状态转变到OFF状态时，都能观察到噪音的产生。
这种电噪音，在加热器电流恒定时不发生，当电流的大小急剧地变化时，即在加热器电流的变化的时刻发生。当气体传感器部和加热器隔着较薄的电介质基板(绝缘层)配置时，就会形成寄生性的电容，位于基板两侧的电极之间便容量性地结合。这种容量结合，在加热器电流急剧地变化时变强，并在气体传感器部上感应出电噪音。
在本发明的气体检测装置中，避开产生这样的电噪音的时间(加热器电流的ON/OFF切换时)执行由气体传感器部进行的计测动作。
再者，为了提高气体浓度的检测精度，优选正确地检测气体传感器部或加热器的温度，并根据所检测到的温度控制加热器的通电状态。在本发明的优选的实施形态中，采用电阻值随着温度变化的加热器，检测加热器的温度。
(第1实施形态)以下，参照附图，说明本发明的气体检测装置的实施形态。首先，参照图1以及图2，说明本实施形态的气体检测装置所使用的氧气传感器10。图1是示意性地展示氧气传感器10的分解立体图，图2是氧气传感器10的剖面图。
氧气传感器10，如图1所示，包括具有彼此相对向的主面11a及背面11b的基板11，和设在基板11的主面11a上的气体传感器部12。
基板11，由氧化铝、氧化镁等绝缘体适当地形成，具备绝缘性的表面。在该基板11的前端部，设有气体传感器部12。另外，在基板11的基端部，如后述，由用于将氧气传感器10固定在排气管上的部件(例如外壳)保持。
所谓的作为绝缘层而发挥作用的基板11所要求的绝缘性，是指当在基板11的主面11a和背面11b之间施加10V左右的电压时，只流过1mA或其以下(优选的是1μm或其以下)的电流的状态。再者，绝缘层，没必要整体都由绝缘物构成，也可以是导电体、半导体的表面用绝缘物覆盖的。
气体传感器部12，检测气体传感器部12所接触的环境气体中所含有的规定的气体的浓度、量。本实施形态的气体传感器部12，是所谓的电阻型的传感器部，具有电阻率根据与环境气体中所含有的规定气体(在此是氧气)的接触而变化的气体感应层14，和与气体感应层14相接触地设置的电极13a、13b。
气体感应层14，例如由氧化物半导体层适当地形成。氧化物半导体层，根据环境的氧气分压力放出氧气或吸收氧气。由此，氧化物半导体层中的氧气空穴浓度变化，氧化物半导体层的电阻率变化。通过经由电极13a、13b计测该电阻率的变化，可以检测氧气浓度。气体感应层14所使用的氧化物半导体层，例如，由氧化铈、氧化钛、氧化镓等材料适当地形成。电阻型氧气传感器的构成，例如在US2005/0236271A1中有详细记载。这里沿用US2005/0236271A1的全部公开内容。
电极13a、13b，设在基板11的主面11a上，并被气体感应层14覆盖。为了高效地计测气体感应层14的电阻率的变化，优选将电极13a、13b相对向地形成。电极13a、13b，由具有导电性并且具有与基板11同等程度的耐热性的材料形成。特别是优选使用熔点比形成气体感应层14时的热处理温度高的材料，例如由白金、铂铑合金、金等适当地形成。作为电极13a、13b的形成方法，可以采用网板印刷法。作为其他的形成方法，还可以通过气相生长法等在主面11a的整面上形成上述材料的膜，之后对该膜进行图案成形。
在基板11的背面11b侧，设有用于使气体传感器部12升温的加热器15。如图2(a)所示，加热器15被设置在与气体传感器部12相对应的位置上。即，加热器15，以隔着基板11大致与气体传感器部12重叠的方式被设置。再者，基板11，优选具有能够将由加热器15产生的热顺利地传递给气体传感器部12的厚度。但是，由于必须具有保持气体传感器部12、加热器15等的刚性以及强度，因此基板11的厚度，例如被形成在100μm～1.0mm的范围内。
再者，也可以代替图2(a)所示的构成，如图2(b)所示，以绝缘层(10μm～500μm)介于中间地将加热器15以及气体传感器部12层叠在基板11上。这时，虽然在加热器15和气体传感器部12之间没有基板，但填充有较薄的绝缘层。该绝缘层，用薄膜堆积技术以覆盖加热器15的方式被堆积在基板11上。由于该绝缘层不需要如基板11那样具有较强的刚性，因此可以形成的更薄。
本实施形态的加热器15，是利用在电阻体上通过电流时的电阻损失进行加热的电阻加热型的加热元件。加热器15，典型的是由白金、钨等金属材料，或者氧化铼等良导体氧化物等形成，电阻值随着温度而变化。
加热器15的两端连接在图1所示的电极17a、17b、17c、17d上。被分成为4个端子的电极17a～17d之中，例如电极17a、17d被用于向加热器15供给电力(用于加热的通电)，电极17b、17c被用于测定加热器15的电阻值、计测加热器温度(4端子法)。再者，也可以只设置2根电极(例如电极17a、17d)，并将这些电极兼用作加热以及电阻测定这两方面。电极17a～17d适当地与加热器15形成为一体。
当向电极17a、17d施加电压，在加热器15上流过用于加热的电流时，加热器15发热，从而将气体传感器部12加热。通过由加热器15使气体传感器部12升温，迅速地使气体传感器部活性化，可以提高内燃机的起动时的检测精度。由于气体传感器部12的检测灵敏度随着温度而变动，因此在本实施形态中，通过后述的方法将气体传感器部12的温度控制在规定范围内，并将气体浓度的检测精度维持在较高的水平。
图1的氧气传感器10，经由电极13a、13b、17a～17d，电连接在图1没有示出的发动机控制装置上。发动机控制装置，控制氧气传感器10的气体传感器部12以及加热器15的动作，在将气体传感器部12控制在适当地动作的温度下的同时，还控制气体浓度的测定所必需的各种整体动作。
其次，参照图3，说明本实施形态的气体检测装置的构成。
本实施形态的气体检测装置，如图3所示，具备控制所述的气体传感器部12以及加热器15的动作的控制部(发动机控制装置)30。气体传感器部12以及加热器15，如图1所示，隔着基板11相对，构成氧气传感器10。正如从图3所了解的那样，气体传感器部12通过电极13a、13b电连接在发动机控制装置30上，加热器15通过电极17a～17d电连接在发动机控制装置30上。
发动机控制装置30，具备连接在加热器15上的电阻-电压变换电路32，连接在气体传感器部12上的电阻测定电路34，和接收电阻-电压变换电路32以及电阻测定电路34的输出的控制器36。本实施形态的控制器36，由单芯片微型计算机构成。
该发动机控制装置30，进一步具有连接在图未示的各种传感器(节流传感器、水温传感器等)上的传感器输入电路38，该传感器输入电路38的输出也被输入到控制器36。发动机控制装置30，具备连接在控制器36上的驱动器电路40，由驱动器电路40的输出，控制发动机各部的动作。
连接在加热器15上的电阻-电压变换电路32，计测加热器15的电阻值，并输出与计测的电阻值相对应的电压(电阻-电压变换)。加热器15的电阻值，作为向加热器15提供规定大小的电流(恒流)时所产生的加热器15的电压降而被检测。由于加热器15的电阻值依赖于温度，因此可以根据所计测的电阻值检测加热器15的温度。由于加热器15隔着较薄的绝缘层(基板11)与气体传感器部12热接触，因此只要检测加热器15的温度，将加热器温度控制在规定范围内，就可以将气体传感器部12的温度也控制在适当的范围内。
如图3所示，发动机控制装置30，具备向加热器15提供恒定电流的恒流电路42，和生成发动机控制装置30内的各电子电路的动作所需要的电源电压的电源电路44，这些电路被连接在+12V的电源(例如蓄电池)上。恒流电路42向加热器15提供的电流，并不是用于将加热器15加热的电流，而是为了计测加热器15的电阻值而使用的电流。
加热器15，通过由控制器36的端口46切换开关48，从而经由图1所示的电极17a、17d有选择地连接在+12V的电源或恒流电路42上。当加热该加热器15时，将加热器15和+12V的电源连接，当计测加热器15的温度时，通过开关48将加热器15的连接端从电源切换到恒流电路42。
当将加热器15连接在恒流电路42上时，从恒流电路42经由电极17a、17d向加热器15流过具有规定的大小的电流(例如5～50mA的直流电流)。这时，由连接在电极17b、17c上的电阻-电压变换电路32内的差动放大电路(在图3中未图示)，测定加热器15的两端的电压。由于在该电压和加热器15的电阻值之间存在后述的关系，因此根据求得的电压，可以检测加热器15的温度(与传感器部的温度相对应)。
再者，在本说明书中，所谓的“检测加热器温度”，并不一定意味着作为数值要知道加热器温度是多少度(℃)，而是广义地意味着通过检测与温度相对应地变化的物理量(例如电压)，从而得到与该温度相关的信息的意思。
在本实施形态中，利用加热器15的电阻值依赖于温度而变化的性质，首先将加热器15的电阻值变换成电压。然后，根据该电压，执行所需的演算以及控制。只要预先求出加热器15的“温度”和“电阻值”、以及由电阻-电压变换电路32输出的“电压”的大小之间的相互关系，便可以求出加热器15的实际的温度是多少度。
经由电极17b、17c连接在加热器15上的电阻-电压变换电路32的输出(与加热器15的电阻值相对应的电压)，经由选择器50而被输入到控制器36的AD变换器(ADC)52。ADC52，生成与从电阻-电压变换电路32输出的电压(模拟值)相对应的数字值，并输出给控制器36内的数据总线56。控制器36，如上所述由单芯片微型计算机构成，具备CPU(中央演算处理单元)、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、计时器、传感器I/F(接口)电路、以及驱动器I/F电路等。来自于CPU的指令、从ROM读出的数据等的处理，经由数据总线56进行。传感器I/F电路以及驱动器I/F电路，包括AD变换器以及计时器端口等，并分别连接在传感器输入电路38以及驱动器电路40上。
当进行由加热器15实现的加热时，通过开关48，将加热器15连接在电源(+12V)上，向加热器15提供用于加热的电流。这样，本实施形态的加热器15，不只是作为“加热元件”被使用，还被活用作“温度检测元件”。
另一方面，氧气浓度的检测，可以通过由电阻测定电路34测定气体传感器部12的电阻值(正确地说是气体感应层14的电阻值)而求出。连接在气体传感器部12上的电阻测定电路34的输出(电压)，经由控制器36的选择器50而被输入到ADC52。从ADC52，将与电阻测定电路34的输出(模拟数据)相对应的数字值(表示氧气浓度的值)输出给数据总线56。
在本实施形态中，由1个ADC52，对电阻-电压变换电路32以及电阻测定电路34这两方的输出实施AD变换。如后述那样，在本实施形态中，由于测定加热器15的电阻值的定时和测定气体传感器部12的电阻值的定时错开，因此通过由选择器50进行的切换动作，可以用1个ADC52高效率地进行各种AD变换。
其次，参照图4，更详细地说明气体传感器部12的电阻值(Rs)的检测所使用的电阻测定电路34的构成和动作。
本实施形态的气体传感器部12，如前所述，具备电阻值Rs随着氧气的浓度而变化的气体感应层14，可以根据该气体感应层14的电阻值Rs检测氧气浓度。电阻型气体传感器的气体感应层14的电阻值Rs，随着氧气的浓度而在较大的范围内较大地变化。但是，由于ADC52的输入侧的动态范围收到限制，因此为了提高ADC52的输出分辨能力，优选将从电阻测定电路34向ADC52输入的电压(模拟值)调节在适当的范围内。因此，在本实施形态的电阻测定电路34上，通过从多个基准电阻中适当地选择最合适的基准电阻，提高ADC52的输出分辨能力。
电阻测定电路34，如图4所示，向气体传感器部12(电阻值Rs)的一端施加规定的电位(Vcc)，将另一端与从多个基准电阻中选择出的1个基准电阻电连接。本实施形态的3个基准电阻，分别具有200kΩ、20kΩ、以及1kΩ的电阻值，但可采用的电阻值的组合，不限于此。
各基准电阻，经由端口P1、P2、P3(与图3的端口54相对应)连接在控制器36上。向图4所示的3个MOS型晶体管的栅极，输送在控制器36的内部生成的3比特的数据。由于3个MOS型晶体管中只有1个与该3比特的数据相对应地导通，因此能够选择与导通的MOS型晶体管相连接的1个基准电阻。
电流通过以这种方式选择的基准电阻而流向气体传感器部12(电阻值Rs)。由于电位Vcc由基准电阻所具有的电阻值R和氧气传感器所具有的电阻值Rs分配，因此如果将基准电阻和气体传感器部12的连接点的电位设为“Y”，则以下的式子成立。
Y＝Vcc·R/(Rs+R).....(式1)在此，Rs如前所述是气体传感器部12的电阻值，R是所选择的基准电阻的电阻值(200kΩ、20kΩ、或1kΩ)。
电位Y，如图4所示，经由作为缓冲器发挥作用的运算放大器34a以及低通滤波器(LPF)34b而被输入ADC52。由于上述的式1可以变形为以下的式2，因此可以根据电位Y的大小求出电阻值Rs。
Rs＝R·(Vcc-Y)/Y.....(式2)如果使Vcc与“1023＝210-1”相对应，并设电位Y通过ADC52的AD变换而被变换成数字值X，则以下的式3成立。
Rs＝R·(1024-X)/X.....(式3)如从该式可知的那样，如果求出ADC52的输出(数字值X)，就能够根据所选择的基准电阻的电阻值R确定电阻值Rs。另外，如果确定了电阻值Rs，就可以得到氧气浓度。
图5A是电阻计测的流程图，图5B是展示基准电阻的切换的流程图。
首先，如图5A所示，最初选择20kΩ的基准电阻(步骤S1)。具体地说，对图4所示的端口P1附加0V的电位，同时使端口P2的MOS型晶体管导通，将端口P3的MOS型晶体管设为非导通。由此，就能够选择20kΩ的基准电阻。电流，流过所选择的20kΩ的基准电阻和气体传感器部12的电阻值Rs，在这些电阻之间进行电位Vcc的分配。气体传感器部12和基准电阻的连接点的电位Y，如图4所示，经由缓冲器34a以及LPF34b被输入ADC52，被变换成数字值(AD变换)。作为由AD变换得到的数字值，优选采用在电阻值Rs的计测动作开始后，经过了规定的时间后所得到的值。在本实施形态中，采用在电阻值Rs的计测动作开始后，经过500微秒(μs)的时间后的值。
其次，在步骤S2中，判定由AD变换所得到的数字值(ADC52的输出X)是否小于171。当ADC52的输出X小于171时(是)，前进到步骤S3，将20kΩ的基准电阻切换成200kΩ的基准电阻。具体地说，对图4所示的端口P1施加0V的电位，同时将端口P2的MOS型晶体管设为非导通，并使端口P3的MOS型晶体管导通。由此，就能够选择200kΩ的基准电阻。电流，流过所选择的200kΩ的基准电阻和气体传感器部12的电阻值Rs，在这些电阻之间进行电位Vcc的分配。之后，执行由ADC52进行的AD变换，并前进到步骤S6。在步骤S6中，根据ADC52的输出X确定传感器电阻值Rs。
另一方面，在步骤S2中，当判定为ADC52的输出X大于等于171时(否)，在步骤S4中，判定ADC52的输出X是否大于等于820。当判定为ADC52的输出X大于等于820时(是)，前进到步骤S5，在将20kΩ的基准电阻切换成1kΩ的基准电阻的基础之后，执行由ADC52进行的AD变换。具体地说，对图4所示的端口P1施加5V的电位，同时将端口P2以及P3的MOS型晶体管都设为非导通。由此，就可以选择1kΩ的基准电阻。电流，流过所选择的1kΩ的基准电阻和气体传感器部12的电阻值Rs，并在这些电阻之间进行电位Vcc的分配。之后，前进到步骤S6，根据ADC52的输出X确定传感器电阻值Rs。
再者，在步骤S4中，当判定为ADC52的输出X小于820时(否)，前进到步骤S6，并根据ADC52的输出X确定传感器电阻值Rs。
如图5B所示，可以根据ADC52的输出X的大小来选择适当大小的基准电阻。在本实施形态的情况下，当电阻值Rs大于100Ω而小于5kΩ时，选择1kΩ的基准电阻，当电阻值Rs大于等于5kΩ而小于100kΩ时，选择20kΩ的基准电阻，当电阻值Rs大于等于100Ω而小于2MΩ时，选择200kΩ的基准电阻。
这样，在本实施形态中，即便气体传感器部12的电阻值Rs在从100Ω到2MΩ的范围内较大地变化，也可以用1个ADC52适当地进行高分辨能力的AD变换，因此能够高精度地检测电阻值Rs。
其次，参照图6(a)至(d)，说明加热器温度的测定。
在加热器的电阻值Rh和加热器的温度之间，存在图6(b)所示的关系。如图6(a)所示，当在具有电阻值Rh的加热器中流过恒定电流I时，在加热器的两端上产生与电阻值Rh相对应的电压(Rh·I)。当该电压被输入第1段的运算放大器被放大A1倍之后，由一阶延迟滤波器除去噪音。具有由A1·Rh·I表示的大小的电压，被付与Voff的补偿电压，然后被输入给第2段的运算放大器。由于在第2段的运算放大器被放大A2倍，因此该输出，便具有用以下的式表示的大小。
A2·(A1·Rh·I-Voff).....(式4)由于电阻值Rh呈现出图6(b)所示的温度依赖性，因此第2运算放大器的输出，便展示出图6(c)所示的温度依赖性。在该例子中，以当加热器温度为200℃时，第2段的运算放大器的输出成为零的方式设定补偿电压Voff的大小。
大小如图6(c)所示的那样随着温度而变化的电压，被输入控制器36的ADC52，被AD变换。图6(c)展示了经过AD变换后的值(AD变换值)和加热器温度的关系。
在本实施形态中，为了从AD变换值求出温度，采用了变换表。变换表是预先求出AD变换值和温度的对应关系，作为检查表存储在ROM内的数据。在本实施形态中，代替对能够取得的所有AD变换值都分配温度数据，对特定的AD变换值分配温度数据。因此，对于偏离了特定的AD变换值的中间AD变换值，通过插值计算求出适当的温度数据。
图6(d)是展示AD变换值和温度的对应关系的图表。图表中的虚线，示意性地示出了作为变换表所存储的AD变换值和与其相对应的温度的关系。
再者，加热器电阻Rh的温度依赖性，不限于图6(b)所示的情况，只要是根据加热器电阻Rh唯一地确定温度的，什么样的都可以。例如，也可以具有加热器电阻Rh随着温度的上升而降低的关系。
其次，参照图7(a)至(d)，详细地说明气体传感器部12的电阻测定和加热器15的电阻值计测·温度控制。
图7(a)示意性地展示了本实施形态的加热器温度的时间变化。如从图7(a)可知的那样，在本实施形态中，以加热器温度不会从由比设定值(例如730℃)高20℃的温度(“上限温度”)，和比设定值低20℃的温度(“下限温度”)规定的温度范围脱离的方式，进行加热器的双位控制。温度控制的方法，不限于双位控制，也可以是其他的控制方法。再者，上限温度以及下限温度和设定值(中心值)的差，不限于上述的值。
图7(b)展示了为了计测氧气浓度而进行的气体传感器部12的电阻测定定时。气体传感器部12的电阻测定，如前所述，由图4的电阻测定电路34执行，该电阻计测以规定的周期(在本实施形态中是5ms)重复执行。
图7(c)展示了加热器15的ON/OFF动作。在对加热器15进行加热使加热器温度上升时，从电源(+12V)向加热器15提供用于加热的电流(加热电流)(加热模式)。另一方面，当停止加热器15的加热使加热器温度降低时，停止向加热器15的加热电流的供给(冷却模式)。加热·冷却模式的切换，由图3所示的开关48进行。
如将图7(a)以及图7(c)相比较时可知的那样，动作开始后，向加热器15提供加热电流，加热器15主要取为ON状态，加热器温度不断上升(加热模式)，当加热器温度达到上限温度时，停止向加热器15的加热电流的供给，使加热器15从ON状态转换到OFF状态(冷却模式)。之后，当加热器温度降低达到下限温度时，再次打开对加热器15的加热电流的供给(加热模式)。通过这样执行使加热模式和冷却模式反复交替的温度控制，可以将加热器温度保持在图7(a)所示的固定温度范围内。
再者，在本实施形态中，即使在使加热器温度上升的情况(加热模式)下，也周期性地并且短期地(在本实施形态中小于等于1.3ms)遮断加热电流的供给。这样在加热模式中周期性地OFF加热器15的理由，是为了测定加热模式下的加热器温度。如前所述，为了测定加热器温度，必须通过向加热器15提供恒定电流(例如20mA的电流)来测定加热器15的电阻值。因此，周期性地停止对加热器15的加热电流的供给，并在该停止期间内测定加热器温度。再者，加热器温度的测定所需要的时间较短，在本实施形态中小于等于0.3ms。因为能够将停止向加热器15提供加热电流的时间设定为足够短的值，所以加热模式下的加热器温度能够不受周期性的ON/OFF动作的切换影响地继续上升。
另一方面，在冷却模式中，如图7(c)所示，由于加热器持续处于OFF状态，因此加热器15的电阻值可以在任意的时间测定。但是，在本实施形态中，在冷却模式中，也以规定的周期(5ms)检测加热器温度。为了计测加热器温度，必须向加热器15通入恒定电流，但该恒定电流的大小，与用于加热的电流相比格外小(小于等于10％)，即便在冷却模式的期间中一直流通于加热器15中，也不会给冷却作用造成不好的影响。因此，在本实施形态中，在冷却模式的期间中，即便在不测定加热器15的电阻值时也一直持续向加热器15提供恒定电流。
图7(e)、(f)及(g)，是将图7(a)、(b)及(c)的图中的一部分在时间上放大展示的图。如从图7(e)、(f)及(g)可知的那样，在本实施形态中，计测气体传感器部12的电阻值的定时、切换加热器的ON/OFF的定时、计测加热器15的温度(电阻值)的定时在时间轴上相互错开。在后面说明其效果。
其次，主要参照图8，详细地说明本实施形态的气体传感器电阻以及加热器温度计测的流程。
如图8所示，在本实施形态中，通过每5ms中断一次的方式，测定气体传感器部12的电阻值，之后，执行以下说明的一连串的动作。“中断”，根据控制器36(参照图3)与基准时钟信号同步地生成的中断信号来进行。
如图8所示，当发生中断时，在步骤S11中，计测气体传感器部12的电阻值(氧气传感器电阻计测)。气体传感器部12的电阻值，如前所述的那样通过电阻测定电路34的动作来计测。之后，在步骤S12中，判定加热器15的控制状态(加热模式或冷却模式)。当处于冷却模式时，前进到步骤S13，通过计测加热器15的电阻值，确定加热器温度(温度变换)。加热器15的电阻值，如上述那样由电阻-电压变换电路32的动作来计测。如图7(e)以及(g)的右半部分所示，在氧气传感器的电阻计测之后，执行加热器的温度计测。
之后，在图8所示的步骤S14中，判定加热器温度是否低于预先设定的下限温度，当加热器温度不低于下限温度时(否)，前进到步骤S15。在步骤S15中，维持将加热器设为OFF的状态，将控制状态设定为“冷却模式”，将中断次数设定为零。
在冷却模式中，由于以5ms间隔进行中断，因此只要加热器温度不小于下限温度，上述的动作便以5ms的周期重复进行。即，在冷却模式中，以5ms间隔测定加热器温度(参照图7(d))。
在步骤S14中，当判定为加热器温度低于下限温度时(是)，前进到步骤S20。步骤S20的动作在后面说明。
其次，说明在步骤S12中加热器的控制状态被判定为“加热模式”时的流程。这时，前进到步骤S16，进行相对于中断次数的计数值的增加。之后，在步骤S17中，判定中断次数是否增加到大于等于预先设定的规定值。规定值例如设定为“6”。当判定为中断次数小于规定值时，前进到“END”，等待下一次中断。通过反复进行该处理，中断次数的计数值一个一个地增加，最终达到规定值。
在步骤S17中，当判定为中断次数大于等于规定值时，前进到步骤S18。在步骤S18中，暂时OFF加热器15。在从OFF加热器15时开始经过了1ms的延迟时间后，计测加热器15的电阻值，并变换成加热器温度的数据。如果参照图7(e)至(g)的左半部分即可知，在加热模式下的加热器15的ON/OFF切换的定时，和加热器温度计测的定时之间存在1ms的偏差。由于加热器15的温度计测·控制所需要的时间，充其量是0.3ms，因此可以将OFF加热器15的期间抑制在1.3ms或其以下。
其次，在图8所示的步骤S19中，判定加热器温度是否超过上限温度。当判定为加热器温度没有超过上限温度时(否)，前进到步骤S20，将加热器15的控制状态设定为“加热模式”，并将中断次数的计数值设定为零。之后，接受中断直到达到上述的规定值，之后进行同样的处理(加热器温度的测定等)。在本实施形态中，由于将规定值设定为“6”，因此便以5ms×6＝30ms的周期执行加热器15的温度计测。规定值也可以设定为其它的整数。
当这样处于加热模式时，周期性地将加热器设为OFF状态，在加热器处于OFF状态的很短的时间内计测加热器温度。在加热模式中计测加热器温度的周期，没必要与在冷却模式中计测加热器温度的周期(5ms)相一致，在本实施形态中如上所述是30ms。
在步骤S19中，当判定为加热器温度超过了上限时(是)，前进到步骤S15，将加热器的控制状态切换到“冷却模式”。再者，在所述冷却模式的步骤S14中，当判定为加热器温度低于下限温度时(是)，前进到步骤S20，将加热器的控制状态设定为“加热模式”。这样，进行加热器温度的双位控制，加热器温度就会被适当地调节到上限温度和下限温度之间。
在本实施形态中，与以5ms周期产生的中断信号同步地，执行由气体传感器部12进行的氧气浓度测定和加热器15的温度计测。测定氧气传感器电阻的时间间隔是5ms。该时间间隔，被设定为使得切换加热器的ON/OFF时所产生的噪音的影响变得足够小，并且可以正确地进行氧气传感器电阻的测定。另外，在本实施形态中，如图7(e)至(g)所示，在气体传感器电阻计测(氧气浓度测定)的定时，和切换加热器的ON/OFF的定时之间设有时间差。具体地说，在切换加热器的ON/OFF之前测定氧气传感器电阻，然后在经过5ms之后进行下一次氧气传感器电阻的测定。因而，在从切换加热器的ON/OFF时开始，到下一次测定氧气传感器电阻为止的期间内，经过了足够长的时间，因此即便如图9所示那样产生伴随加热器的ON/OFF切换而来的电噪音，也不会给气体传感器部12的计测造成不良影响。其结果，可以实现高精度的氧气浓度的测定。从以上的说明明显可知，本说明书中的“同步”的词语，不是“同时”的意思，它意味着具有被赋予了规定的时间差那样的特定的时间关系。
特别是如本实施形态这样，在为了加热器15的电阻值计测，即使在加热模式下也周期性地进行加热器15的ON/OFF切换的情况下，电噪音频繁地产生，因此通过使由气体传感器部12进行的气体浓度计测的定时，和加热器15的ON/OFF切换定时错开所得到的效果表现更为显著。由气体传感器部12进行的气体浓度计测的定时，和加热器15的ON/OFF切换定时(加热器电流的变化的定时)之间的时间上的偏移，优选设定在500微秒(μs)～2毫秒(ms)的范围内，更优选的是设定在小于等于1毫秒。
在本实施形态中，虽然先进行氧气传感器电阻测定，但也可以计测从加热器15的ON/OFF切换开始的时间，并在经过规定时间后执行氧气传感器电磁测定。
如上述，在本实施形态中，在加热模式中以30ms间隔计测加热器温度，而在冷却模式中以5ms间隔计测加热器温度。这些时间间隔(计测周期)，只要是中断信号的周期的整数倍，也可以采用上述的值以外的值。再者，本实施形态的中断信号的周期，相当于氧气浓度计测的周期(测定间隔)，例如可以设定为3ms～10ms的范围内的值。
为了如本实施形态这样高精度地执行温度控制，优选将加热器温度的计测周期(测定间隔)设定为小于等于50ms。虽然加热器温度的计测周期，没必要在加热模式和冷却模式中设定为相等的大小，但如果在加热模式中，加热器温度的计测周期过短，加热模式下的加热器的发热时间便相对地变短(ON占空比变短)，因此也不理想。
如以上所详细地说明的那样，在本实施形态中，由于提供给加热器15的电流的变化的时间，和由气体传感器部12进行的检测动作是同步的，并且，在两者之间存在时间上的偏移，因此即便在加热器15的ON/OFF动作中伴随着切换频繁地发生电噪音，也不会发生气体传感器部12的检测错误。因此，可以一面将加热器温度控制在适当的范围内，一面高精度地执行气体浓度检测。
另外，本实施形态的气体检测装置，因为不用特别的温度检测元件地检测加热器温度，适当地控制传感器温度，所以能够高检测精度地进行动作。为了测定加热器、气体传感器的电阻值，在本实施形态中采用了电阻-电压电路32、电阻测定电路34，但其构成不限于参照
的具体例。另外，随着温度而变化的加热器的电阻值，也可以对加热器施加一定的电压，在该状态下测定流过加热器的电流，由此来进行测定。因此，也可以代替图3所示的电阻-电压变换电路32，而变更为采用电阻-电流变换电路的构成。除此之外，参照图3至图8说明的构成，是本发明的优选的实施形态的一例，可以用公知的技术进行各种改变。
其次，参照图10(a)、(b)以及图11，说明用于将氧气传感器10实际地安装在内燃机的排气管上的构成。
氧气传感器10，如图10(a)以及图11所示，在基板11的基端部被保持在第1外壳20上。用于保持(固定)基板11的该第1外壳20，例如由陶瓷形成。氧气传感器10，进而连同该第1外壳20一起被保持在第2外壳21上。第2外壳21例如由不锈钢形成。在第2外壳21的表面上，刻有螺纹，第2外壳21通过与该螺纹相螺合的螺母22而被固定在排气管上。在实际的使用时，如图10(b)所示，设置保护罩25以覆盖氧气传感器10。由氧气传感器10得到的检测结果，经由检测线24被输出给控制装置。第1外壳20内，由填充材料(例如滑石粉)23进行气密密封。
再者，在本实施形态中，虽然以电阻型的传感器为例说明了本发明，但本发明不限于此，可以用于各种传感器。例如，可以用于日本特开平8-114571号公报所公开的、使用了固体电解质的传感器。由于电阻型的传感器对于动作温度很敏感，因此必须通过频繁地切换加热器的ON/OFF动作提高测定精度，而且容易产生由噪音导致的误差，因此就需要显著地发挥本发明的效果。因而，本发明如果特别地应用于电阻型的传感器，其效果较高。
另外，本发明不限于氧气传感器，可以用在用于检测各种气体的传感器上。例如，可以很好地应用于日本特开2003-262599号公报所公开的、氢气传感器、NOx、碳氢化合物、有机化合物传感器。
(第2实施形态)在本实施形态中，说明具备在第1实施形态中所说明的气体检测装置，并以内燃机为驱动源的车辆。图12是本实施形态的机动两轮车的示意图。机动两轮车300，具备本体框架301和作为内燃机的发动机100。在本体框架301的前端设有前管302。在前管302上，可以向左右方向摇动地设有前叉303。另外，在前叉303的下端可旋转地支撑着前轮304。在前管302的上端上安装有车把305。
以从本体框架301的后端上部向后方延伸的方式安装有座椅横挡306。在本体框架301的上部设有燃料箱307，在座椅横挡306上设有主座椅308a以及二人座308b。另外，在本体框架301的后端安装有向后方延伸的后臂309。在后臂309的后端可旋转地支撑着后轮310。
在本体框架301的中央部上保持着发动机100。在发动机100的前部安装有散热器311。在发动机100的排气口上连接有排气管312。如以下详细叙述的那样，在排气管上按照靠近发动机100的顺序设有氧气传感器102、三效催化剂104以及消声器106。在氧气传感器102上，采用在第1实施形态中所说明的氧气传感器10。氧气传感器102的传感器部的表面露出在排气管312的废气通过的通路内，检测废气中的氧气。在氧气传感器102上，安装有图1所示的加热器15，通过在发动机100的起动时，由这些加热器15将气体传感器部12升温，从而提高气体传感器部12的检测灵敏度。另外，由于通过所述控制方法，将气体传感器部12的温度维持在规定范围内，因此检测精度提高。
在发动机100上，连结有变速器315，变速器315的输出轴316安装在驱动链轮317上。驱动链轮317经由链条318连结在后轮310的后轮链轮319上。
图13展示了发动机100的控制系统的主要的构成。在发动机100的汽缸101上设有进气阀110、排气阀106以及火花塞108。另外，设有计测冷却发动机的冷却水的水温的水温传感器116。进气阀110，连接在具有空气吸入口的进气管122上。在进气管上设有空气流量计112、节流阀的节流阀传感器114以及燃料喷射装置111。在这样不是向燃烧室而是向进气管122内喷射燃料的情况下，很难适当地控制起动时的空燃比。
空气流量计112、节流传感器114、燃料喷射装置111、水温传感器116、火花塞108以及气体传感器102，连接在内置有微型计算机的发动机控制装置118上。并向发动机控制装置118输入表示机动两轮车300的速度的车速信号120。
当骑车人通过图未示的起动马达使发动机100起动后，计算机根据从空气流量计112、节流传感器114以及水温传感器116得到的检测信号以及车速信号120，计算最适合的燃料量，并根据计算结果，向燃料喷射装置111输出控制信号。从燃料喷射装置111喷射的燃料，与从进气管122提供的空气混合，经由在适合的时间开关的进气阀110向汽缸101喷出。在汽缸101中，喷出的燃料燃烧变成废气后经排气阀106导向排气管312。
废气中的氧气，通过氧气传感器102，由发动机控制装置118的电阻测定电路检测。发动机控制装置118，根据氧气传感器102的电阻值求出氧气浓度，并判断空燃比从理想空燃比偏离了多少。然后，相对于由流量计112以及节流传感器114得到的信号确定的空气量，控制从燃料喷射装置111喷出的燃料量以达到理想空燃比。
根据本实施形态的机动两轮车，由于具备被控制在适当的温度范围内的加热器，并且可以抑制因伴随加热器的ON/OFF切换的电噪音而在气体检测中出现错误的情况，因此即使在发动机的起动时废气的温度较低的情况下，以及在废气的温度变动的情况下，也能够以良好的检测精度检测废气中的氧气浓度及其变化。因此，可以始终以合适的空燃比混合燃料及空气，以最合适的条件使燃料燃烧，可以降低废气中的以NOx为首的限制物质的浓度。另外，还可以谋求燃料消耗率的提高。
再者，在本实施形态中，虽然以机动两轮车为例进行了说明，但本发明的车辆也可以是四轮机动车等其它的机动车辆。另外，内燃机不限于汽油发动机，也可以是柴油发动机。
产业上的可利用性根据本发明，即便发生伴随加热器的温度控制而来的噪音，也可以防止传感器的检测误差，可以实现气体浓度的高精度测定。因此，本发明的气体检测装置、空燃比控制装置及内燃机，可以很好地用于作为测定对象的气体的温度会较大地变化的用途。
权利要求
1.一种气体检测装置，其具备气体传感器部；加热器；配置在所述气体传感器部和所述加热器之间的绝缘层；和控制所述气体传感器部以及所述加热器的动作的控制部，且该控制部使提供给所述加热器的电流的变化的定时和由所述气体传感器部进行的检测动作同步。
2.如权利要求1所述的气体检测装置，其中，所述气体传感器部是电阻型传感器。
3.如权利要求1所述的气体检测装置，其中，所述控制部，在执行由所述气体传感器部进行的检测动作的期间以外的期间内，使提供给所述加热器的电流的大小变化。
4.如权利要求3所述的气体检测装置，其中，所述控制部，有选择地执行进行用于加热所述加热器的通电的ON动作，和停止用于加热所述加热器的通电的OFF动作，ON/OFF动作的切换的定时，在时间轴上从由所述气体传感器部的进行检测动作的定时偏离。
5.如权利要求4所述的气体检测装置，其中，所述控制部，在使所述加热器的温度上升的加热模式中，周期性地进行所述ON动作和所述OFF动作的切换，在使所述加热器的温度降低的冷却模式中，执行所述OFF动作。
6.如权利要求5所述的气体检测装置，其中，所述加热模式中的所述ON动作和所述OFF动作的切换的周期小于等于50毫秒。
7.如权利要求4所述的气体检测装置，其中，所述控制部，周期性地执行由所述气体传感器部进行的检测动作，并且，在不进行所述检测动作时，执行对所述加热器的所述ON动作和所述OFF动作的切换。
8.如权利要求7所述的气体检测装置，其中，所述控制部，应答周期性地发生的信号而执行所述气体传感器部的检测动作，在从所述信号的发生定时开始经过了规定时间后，执行对所述加热器的所述ON动作和所述OFF动作的切换。
9.如权利要求7所述的气体检测装置，其中，由所述气体传感器部进行的检测动作的周期小于等于10毫秒。
10.如权利要求4所述的气体检测装置，其中，从执行了所述ON动作和所述OFF动作的切换时开始，到下一次执行由所述气体传感器部进行的检测动作为止的时间，被设定为500微秒～2毫秒。
11.一种空燃比控制装置，它是具备气体检测装置的空燃比控制装置，其中，所述气体检测装置具备气体传感器部；加热器；配置在所述气体传感器部和所述加热器之间的绝缘层；和控制所述气体传感器部以及所述加热器的动作的控制部，且该控制部使提供给所述加热器的电流的变化的定时和由所述气体传感器部进行的检测动作同步。
12.一种内燃机，它是具备气体检测装置的内燃机，其中，所述气体检测装置具备气体传感器部；加热器；配置在所述气体传感器部和所述加热器之间的绝缘层；和控制所述气体传感器部以及所述加热器的动作的控制部，且该控制部使提供给所述加热器的电流的变化的定时和由所述气体传感器部进行的检测动作同步。
全文摘要
即便发生伴随加热器的温度控制而来的噪音，也能防止气体传感器的检测误差。本发明的气体检测装置，具备气体传感器部12、加热器15、和配置在气体传感器部12和加热器15之间的绝缘层(基板11)。该气体检测装置，进一步具备控制气体传感器部12以及加热器15的动作的发动机控制装置30，该发动机控制装置30，使提供给加热器15的电流的变化的定时和由气体传感器部12进行的检测动作同步。
文档编号G01N27/12GK1896731SQ20061010187
公开日2007年1月17日 申请日期2006年7月12日 优先权日2005年7月12日
发明者铃木俊夫, 椎典子, 濑户贤治 申请人:雅马哈发动机株式会社