JP4111169B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に関するものであり、特にガス濃度センサの端子間ショート異常を好適に検出することのできる技術に関する。

例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。そして、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果から酸素濃度（空燃比）が検出されるようになっている。

上記Ａ／Ｆセンサでは、何らかの異常が生じると、素子電流を正確に計測することができず、酸素濃度（空燃比）の検出が不可能となる。それ故、従来からＡ／Ｆセンサの異常発生を検出するための技術が数多く提案されている。例えば特許文献１に示す従来技術では、Ａ／Ｆセンサの素子抵抗を検出し、該素子抵抗が所定範囲にあるか否かによりセンサ異常検出を実施している。又は、エンジンへの燃料供給量を増減させた時のセンサ出力によりセンサ異常検出を実施している。

しかしながら、近年では排ガス法規制等が益々厳しくなる実状にあり、より高精度に異常を検出することや、異常箇所を細部まで特定すること等が要求されつつある。この場合、既存の異常検出手法では近時の要求に応えられないという問題があった。特に、異常形態の一つとして、Ａ／Ｆセンサの正負両端子間でショート（短絡）が生じた場合、その異常を特定できる技術は存在していなかった。
特開平８−２７１４７５号公報

本発明は、ガス濃度センサの異常形態を特定すること、特にセンサの正負両端子間のショート異常を特定することができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、センサ素子に流れる素子電流が計測されると共に、ガス濃度センサに接続される正負両側の接続端子の端子電圧がそれぞれ計測される。そして、正負両側の接続端子の端子電圧計測値が同値であること、同端子電圧計測値が印加電圧制御範囲内の値になること、及び素子電流計測値が異常値であることから前記正負両側の接続端子間でのショート異常が検出される。

要するに、正負両側の接続端子間でのショート異常が発生すると、素子電流を流すための素子電流経路に素子電流が過剰に流れることとなるため、素子電流計測値が異常値となる。但し、ショート異常であっても、ガス濃度センサに対して適正に電圧が印加される。この場合、正負両側の接続端子の端子電圧は概ね一致し、その値は印加電圧制御範囲内の値になる。これにより、ガス濃度センサの異常形態を特定すること、特にセンサの正負両端子間のショート異常を特定することができる。

なお、正負何れかの接続端子で電源ショートやグランドショートが生じた場合には、端子間ショート異常と同様に、正負両側の接続端子の端子電圧計測値が同値となり且つ素子電流計測値が異常値となるが、端子電圧計測値が電源電圧かグランド値に張り付き、印加電圧制御範囲内の値にはならない。従って、電源ショートやグランドショートとの差別化ができるようになっている。

ここで、請求項２に記載したように、端子電圧計測値が印加電圧制御範囲内の値になることを判定する際、端子電圧計測値がリーンガス検出時の印加電圧制御範囲範囲内の値になることを判定すると良い。

前記請求項１，２の発明においては、請求項３に記載したように、少なくとも印加電圧制御範囲とそれ以外とを区別可能にしきい値を設定しておき、端子電圧計測値としきい値との大小比較により、端子電圧計測値が印加電圧制御範囲内の値になることを判定すると良い。

また、請求項４に記載の発明では、センサ素子に流れる素子電流が計測されると共に、正負両側の接続端子の端子電圧がそれぞれ計測される。そして、ガス濃度センサの活性前において、正負両側の接続端子の端子電圧計測値が同値であること及び素子電流計測値が異常値であることから前記正負両側の接続端子間でのショート異常が検出される。

要するに、正負両側の接続端子間でのショート異常が発生すると、素子電流を流すための素子電流経路に素子電流が過剰に流れることとなるため、素子電流計測値が異常値となる。また、センサ活性前は、センサ素子の内部抵抗が無限大であるため、接続端子間でのショート異常が発生した場合を除き、正負両側の接続端子の端子電圧が各々異なる値となる。従って、ガス濃度センサの異常形態を特定すること、特にセンサの正負両端子間のショート異常を特定することができる。

以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実現される。

先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質１１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。なお以下の説明では場合によって、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。

上記センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。

図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。

このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。

Ａ／Ｆセンサは、エンジンＥＣＵに設けられたセンサ制御部にて制御されるようになっており、その構成を図１に基づいて説明する。

エンジンＥＣＵ２０において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された＋端子Ｔ１には、オペアンプ２１及び電流検出抵抗２２を介して基準電源２３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された−端子Ｔ２には印加電圧制御回路２５が接続されている。この場合、電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗２２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子１０には＋端子Ｔ１から−端子Ｔ２に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子１０には−端子Ｔ２から＋端子Ｔ１に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路２５は、Ｂ点電圧をモニタすると共にその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図３に示す印加電圧特性ＲＧの如く、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の上昇時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。

また、図のＢ点及び基準電源２３にはオペアンプ（差動増幅器）２６が接続されており、オペアンプ２６の出力ＡＦＯがＡ／Ｆ出力電圧としてＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ１に取り込まれる。ＣＰＵ３０は、ＡＤ１より取り込んだ各Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度のＡ／Ｆ値を算出する。このＡ／Ｆ値は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。

また、ＣＰＵ３０は、センサ素子１０への印加電圧を一時的に交流的に変化させる旨指令し、その際の電流変化量に基づき素子内部抵抗としての素子インピーダンスＺａｃを検出する。より具体的には、インピーダンス検出に際し、印加電圧制御回路２５がＣＰＵ３０からの指令を受け、センサ素子１０への印加電圧を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させる。このとき、センサ印加電圧の変化に伴い、その都度の素子インピーダンスに応じてＢ点電圧が変化する。Ｂ点の電圧変化はインピーダンス電流検出回路２７にてモニタされ、そのインピーダンス電流検出回路２７の出力Ｉｏｕｔがインピーダンス電流信号としてＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ２に取り込まれる。インピーダンス電流検出回路２７は、例えばハイパスフィルタとピークホールド回路とを直列に接続して構成されており、このハイパスフィルタ及びピークホールド回路により、インピーダンス検出期間に対応する所定のゲートオン期間内においてＢ点での交流電流の変化量が計測される。なお、ピークホールドされたＢ点電圧は、ゲートオフ毎にリセットされる。

ＣＰＵ３０は、インピーダンス検出時の電圧変化量ΔＶと、それに伴うインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとから素子インピーダンスＺａｃを算出する。なお、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に流す電流を交流的に変化させ、その際の電流又は電圧の応答変化量から素子インピーダンスＺａｃを演算する構成とすることも可能である。

上記インピーダンス検出は所定周期毎（すなわち、例えば１２８ｍｓｅｃ毎）に実施されるようになっており、その所定周期毎にＣＰＵ３０から印加電圧制御回路２５に対して電圧変化が指令される。また、ＣＰＵ３０は、素子インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０の温度が所定の目標値（例えば７５０℃）に保持され、当該センサ素子１０の活性状態が維持されるようになる。

その他、図１の構成では、Ｔ１端子の電圧（Ｔ１端子電圧ＶＳ＋）がＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ３に取り込まれると共に、Ｔ２端子の電圧（Ｔ２端子電圧ＶＳ−）がＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ４に取り込まれるようになっている。

本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサにて発生する各種異常に関し、その異常を検出することはもとより、その異常形態を特定することができる構成を採用しており、その詳細を以下に説明する。かかる異常検出には、ＣＰＵ３０のＡＤ１〜ＡＤ４に取り込まれる各計測信号が用いられ、それら計測信号が正常時と同じであるかどうかによりセンサ異常発生が検出されると共にその異常形態が特定されるようになっている。

ここで、センサ活性前から活性後にかけてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔ、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋、Ｔ２端子電圧ＶＳ−がどういった値となるのかを説明する。なお本実施の形態では、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが「素子電流計測値」に、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋，Ｔ２端子電圧ＶＳ−が「端子電圧計測値」に、それぞれ相当する。

図４は、Ａ／Ｆセンサ正常時における各計測信号の変化を示すタイムチャートである。図４のタイミングｔ１はセンサ活性完了のタイミング（例えば素子インピーダンスＺａｃが所定の活性判定値に到達するタイミング）を示しており、ｔ１以前を活性前、ｔ１以後を活性後としている。

図４において、センサ活性前は、素子インピーダンスＺａｃが無限大（∞）であり、センサ素子１０に電流が流れない。そのため、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは、基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧（２．２Ｖ）に保持されている。このとき、インピーダンス検出時において印加電圧を交流的に変化させても電流の応答変化はなく、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔは０のままとなる。また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ２．２Ｖ固定となっており、Ｔ２端子電圧ＶＳ−はストイキ時を基準とする所定値（例えば１．８Ｖ）に保持されている。

そして、その後次第にセンサ素子温が上昇し始めると、素子インピーダンスＺａｃが低下し、タイミングｔ１でＺａｃが活性判定値に達することでセンサ活性完了と判定される。センサ活性化に伴い素子電流が流れるようになるため、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがその都度の排ガス雰囲気に応じた値に収束する。図には、排ガス雰囲気が極リーン（大気）の場合と、リーン（例えばＡ／Ｆ＝１８）の場合と、ストイキの場合と、リッチ（例えばＡ／Ｆ＝１２）の場合とを例示しており、ストイキを境に、リーン側ではＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが上昇し、リッチ側ではＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが下降する。Ａ／Ｆ＝１２〜大気をＡ／Ｆ検出範囲とする場合、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは概ね１．６〜４．１Ｖの範囲で変化する。

インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔは、素子インピーダンスＺａｃの低下（センサ素子温の上昇）に伴い変化し、その後所定の活性様態に至ることで所定値に収束する。

また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は、センサ活性後も２．２Ｖのまま固定されるのに対し、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、印加電圧制御回路２５によりその都度の素子電流に応じて制御される。この場合、リーンであるほど、センサ印加電圧を増大させるようにしているため、ストイキ時の所定値（例えば１．８Ｖ）を境にリーン側ではＴ２端子電圧ＶＳ−が下降し、リッチ側ではＴ２端子電圧ＶＳ−が上昇する。

Ａ／Ｆセンサが正常である時は、センサ活性化に伴い前記図４の如くＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−が変化するのに対し、Ａ／Ｆセンサの異常発生時には、同ＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−の変化が正常時とは異なるものとなる。以下には、Ａ／Ｆセンサの異常を代表的な異常形態である次の（１）〜（６）に分別してそれらを順に説明する。
（１）センサ断線異常
（２）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＶＢショート
（３）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＧＮＤショート
（４）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＶＢショート
（５）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＧＮＤショート
（６）Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート
なお、前記（１）はＴ１，Ｔ２端子の何れかで断線が生じた異常を、前記（２），（３）はＴ１端子でバッテリショート、グランドショートがそれぞれ生じた異常を、前記（４），（５）はＴ２端子でバッテリショート、グランドショートがそれぞれ生じた異常を、前記（６）はＴ１，Ｔ２端子間がショートした異常を、それぞれ指す。

本願発明者らは、前記（１）〜（６）の各異常時におけるＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−を各々計測した。その計測結果を図５に示しており、同図５を参照しながら前記（１）〜（６）の各異常時におけるＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−の具体的数値を説明する。図５の最下段には、比較のために正常時の数値を示している。各数値の右横には、異常値であると判定できるものに「×」を、それ以外のものに「○」を付している。なお、図５の各数値は、センサ活性途中における過渡的な数値とならないよう、活性前数値はセンサ起動直後に（エンジン始動直後に）、活性後数値はセンサ起動後、規定時間（例えば１分程度）が経過した時に計測された数値である。

（１）センサ断線異常
センサ断線異常が生じた場合、センサ活性前／活性後を通じてインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔが０のままとなる。この場合、センサ活性前のΔＩｏｕｔは正常値と同じであるが、センサ活性後のΔＩｏｕｔは正常値と異なるものとなる。これは、後述する（２）〜（６）の異常発生時も同様であり、下記の（２）〜（６）説明時にはΔＩｏｕｔには触れないこととする。

Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは、センサ活性前／活性後を通じて基準電圧（２．２Ｖ）で不変となる。この場合、センサ活性前のＡＦＯは正常値と同じであり、センサ活性後のＡＦＯはＡＦＯ正常範囲（１．６〜４．１Ｖ）に含まれる。また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は、センサ活性前／活性後を通じて基準電圧（２．２Ｖ）で不変となり、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前／活性後を通じて所定値（１．８Ｖ）で不変となる。

（２）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＶＢショート
Ｔ１端子がＶＢショート生じた場合、当該Ｔ１端子にバッテリ電圧ＶＢ（例えば１４Ｖ）がかかるため、センサ活性前／活性後を通じてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ及びＴ１端子電圧ＶＳ＋がセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）で固定される。図１の回路構成では、Ｔ１端子がＶＢショートした場合、電流検出抵抗２２の両端子のＡ点電圧とＢ点電圧とが共に上昇する。これにより、ＡＦＯ，ＶＳ＋が５．０Ｖに貼り付く。また、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前は所定値（１．８Ｖ）で保持されるのに対し、センサ活性後は素子インピーダンスＺａｃが低下することでＴ１端子側と同じく電圧が上昇し、センサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。

（３）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＧＮＤショート
Ｔ１端子のＧＮＤショートが生じた場合、当該Ｔ１端子がグランド電位（０Ｖ）となるため、センサ活性前／活性後を通じてＴ１端子電圧ＶＳ＋が０Ｖとなる。この場合、図１の回路構成では、電流検出抵抗２２の一端のＡ点電圧が０Ｖとなり、オペアンプ２１がＡ点電圧を基準電圧（２．２Ｖ）まで引き上げようとして能力最大限の電流を流すためにＢ点電圧が上昇する。従って、センサ活性前／活性後を通じてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前は所定値（１．８Ｖ）で保持されるのに対し、センサ活性後は図１のＢ点電圧＝５．０Ｖとなるために印加電圧制御回路２５により過剰に低減され、回路構成上の出力下限値（０．９Ｖ）となる。

（４）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＶＢショート
Ｔ２端子のＶＢショートが生じた場合、当該Ｔ２端子にバッテリ電圧ＶＢがかかるため、センサ活性前／活性後を通じてＴ２端子電圧ＶＳ−がセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）で固定される。このとき、センサ活性前はＺａｃ＝∞であるため、Ｔ２端子側でＶＢショートが生じてもＴ１端子側では影響が及ばず、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとＴ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧（２．２Ｖ）で保持される。これに対し、センサ活性後は素子インピーダンスＺａｃが低下するため、Ｔ２端子側と同じくＴ１端子側でも電圧が上昇し、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとＴ１端子電圧ＶＳ＋はセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。

（５）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＧＮＤショート
Ｔ２端子のＧＮＤショートが生じた場合、当該Ｔ２端子がグランド電位となるため、センサ活性前／活性後を通じてＴ２端子電圧ＶＳ−が０Ｖで固定される。このとき、センサ活性前はＺａｃ＝∞であるため、Ｔ２端子側でＧＮＤショートが生じてもＴ１端子側では影響が及ばず、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとＴ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧（２．２Ｖ）で保持される。また、センサ活性後は、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧（２．２Ｖ）で保持することができるものの、ＶＳ＋＝２．２Ｖ、ＶＳ−＝０Ｖとなる状態では素子電流が大きくなり、それに伴いＴ１端子電圧ＶＳ＋がセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。

（６）Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート
Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショートが生じた場合、電流検出抵抗２２に過剰に電流が流れるため、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。これはセンサ活性前／活性後何れも同じである。この場合、図１のＢ点電圧が上昇することで、印加電圧制御回路２５がセンサ印加電圧をリーン側限界値に制御する。これにより、Ｔ２端子電圧ＶＳ−が印加電圧制御範囲内のリーン限界値（１．１Ｖ）となる。また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は、Ｔ２端子電圧ＶＳ−と同じ電位（１．１Ｖ）となる。

なお、Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショートの発生時において、ＶＳ＋，ＶＳ−が印加電圧制御範囲内のどの値になるかは、Ｔ１側のオペアンプ２１とＴ２側のオペアンプ（印加電圧制御回路２５内のオペアンプ）との電流制御能力の違いによる。本実施の形態では、Ｔ２側のオペアンプ（印加電圧制御回路２５内のオペアンプ）の電流制御能力が勝っているため、ＶＳ＋，ＶＳ−がその時の印加電圧制御回路２５の制御値（リーン限界値：１．１Ｖ）となる。但し、Ｔ１側のオペアンプ２１が勝っていれば、ＶＳ＋，ＶＳ−が最大２．２Ｖまでの範囲内の電圧値となる。

上記のとおりセンサ異常時には、その異常形態に応じてＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−が正常値と異なり所定の異常値になるため、ＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−のどれが如何なる異常値となるかで異常種別の特定が可能となる。

特に本実施の形態では、前記（６）Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショートを検出することを要旨としており、具体的には、ＣＰＵ３０は、図６に示すフローチャートの処理手順に従い、Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート異常を検出する。

図６において、ステップＳ１０１では、異常検出の実行条件を判別する。異常検出の実行条件として具体的には、バッテリ電圧が所定の正常範囲（例えば１１〜１６Ｖ）であること、ヒータ電源電圧が所定値（例えば１１Ｖ）であること、ＣＰＵ３０の駆動電圧である定電圧及びグランド電位が正常判定されていること等を含み、これら各条件が全て成立している場合に、後続のステップに進む。

ステップＳ１０２では、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋とＴ２端子電圧ＶＳ−とが同電位であるか否かを判別する。この場合実際には、ＶＳ＋，ＶＳ−の差が規定値（例えば０．１Ｖ）以下であるか否かを判別する。また、ステップＳ１０３では、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが異常値（４．７Ｖ以上）であるか否かを判別する。

ステップＳ１０４では、Ｔ２端子電圧ＶＳ−が異常値（３Ｖ以下）であるか否かを判別する。ここで、ステップＳ１０４で用いる異常判定値（３Ｖ）は、Ｔ２端子電圧ＶＳ−が印加電圧制御範囲内（特に、リーンガス検出時の印加電圧制御範囲内）にあることを判別するためのしきい値であり、本実施の形態の場合、当該判定値は、リーン側の印加電圧制御範囲（１．１〜２．２Ｖ）とＴ１，Ｔ２端子のＶＢショート時のＶＳ−値（５．０Ｖ）との間で設定される。ステップＳ１０４では、Ｔ２端子電圧ＶＳ−に代えてＴ１端子電圧ＶＳ＋を判定パラメータとして用いることも可能である。なお、ステップＳ１０２〜Ｓ１０４の判定パラメータ（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）は、センサ活性前／活性後の何れの計測値であっても良い。

ステップＳ１０２〜Ｓ１０４が何れもＹＥＳの場合、ステップＳ１０５に進み、Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート異常であると判定する。但しこの場合、所定回数連続してＴ１，Ｔ２間の端子間ショート異常が検出された場合に、異常発生の最終判定を実施するようにしても良い。異常発生の最終判定時には、故障警告灯を点灯させる、異常情報をバックアップＲＡＭ等に記憶する、Ａ／Ｆセンサのヒータ１８をＯＦＦする等の処置が実施され、次回の電源投入時には再度異常検出が実施される。

なお、前記（１）〜（５）の各異常については、前記図５に示す各異常値から各々異常種別の特定が可能となる。但し本実施の形態では要旨でないため説明を割愛する。

以上詳述した本実施の形態によれば、Ｔ１，Ｔ２端子のＶＢショート等と間違えることなく、Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート異常を好適に検出できる。異常形態の特定が可能となれば、ＥＣＵの検査、ハーネスの検査、センサの検査などの手間を大幅に省くことができ、保守点検が容易となる。

ところで、前記図１の回路構成では、センサ素子１０の正側端子（Ｔ１端子）に電流検出抵抗２２を接続し、同負側端子（Ｔ２端子）に印加電圧制御回路２５を接続したが、この構成を変更する。例えば、図７の回路構成とする。図７の回路構成は、基本的にセンサ制御部のＴ１端子側の構成とＴ２端子側の構成とを入れ替えたものであり、相違点を中心に説明する。

エンジンＥＣＵ４０において、Ｔ２端子には、オペアンプ４１及び電流検出抵抗４２を介して基準電源４３が図示の如く接続され、Ｔ２端子には印加電圧制御回路４５が接続されている。この場合、電流検出抵抗４２の一端のＡ点は基準電源４３の基準電圧（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗４２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子１０にはＴ１端子からＴ２端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が下降し、逆にリッチの場合、センサ素子１０にはＴ２端子からＴ１端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇する。

印加電圧制御回路４５は、Ｂ点電圧をモニタすると共にその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図３に示す印加電圧特性ＲＧの如く、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の下降時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。

また、図のＢ点及び基準電源４３にはオペアンプ（差動増幅器）４６が接続されており、オペアンプ４６の出力ＡＦＯがＡ／Ｆ出力電圧としてＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ１に取り込まれる。ＣＰＵ５０は、ＡＤ１より取り込んだ各Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度のＡ／Ｆ値を算出する。インピーダンス検出に際し、印加電圧制御回路４５はＣＰＵ５０からの指令を受け、センサ素子１０への印加電圧を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させる。このとき、センサ印加電圧の変化に伴うＢ点の電圧変化はインピーダンス電流検出回路４７にてモニタされ、そのインピーダンス電流検出回路４７の出力Ｉｏｕｔがインピーダンス電流信号としてＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ２に取り込まれる。

その他、図７の構成では、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋がＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ３に取り込まれると共に、Ｔ２端子電圧ＶＳ−がＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ４に取り込まれるようになっている。

図８は、前記図７の回路構成において、前記（１）〜（６）の異常発生時にＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−がどのように出力されるかを示した図表である。その内容は概ね前述の図５に準ずるため、詳細な説明は割愛するが、本図８の関係を用いることで、前記同様、Ａ／Ｆセンサの各種異常が好適に検出できる。ここでは特に、
・Ｔ１，Ｔ２の各端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が同値であること、
・ＶＳ＋又はＶＳ−が印加電圧制御範囲内の値になること、
・Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが異常値であること、
からＴ１，Ｔ２間の端子間ショート異常が検出できる。

センサ制御部の更に別の構成として、Ｔ１端子及びＴ２端子の何れか一方に、電流検出抵抗２２と印加電圧制御回路２５を共に設ける構成とすることも可能である。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、
・Ｔ１，Ｔ２の各端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が同値であること、
・ＶＳ＋又はＶＳ−が印加電圧制御範囲内の値になること、
・Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが異常値であること、
からＴ１，Ｔ２間の端子間ショート異常を検出したが、これを以下のように変更する。すなわち、
・センサ活性前において、Ｔ１，Ｔ２の各端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が同値であること、
・同じくセンサ活性前において、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが異常値であること、
からＴ１，Ｔ２間の端子間ショート異常を検出する。

要するに、前記図５又は図８からも分かるように、Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート異常時には、センサ活性前において、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが異常値で、且つＶＳ＋＝ＶＳ−となる。これは、他の異常形態と異なる出力パターンであり、各異常形態からＴ１，Ｔ２間の端子間ショート異常が特定できる。

１セル構造のＡ／Ｆセンサに限らず、２セル又は３セル構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。また、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。排ガス中の酸素濃度に応じてセンサ素子の電極間に起電力を発生させるようにした、いわゆるＯ2センサにも適用できる。

酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外に、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうちポンプセルでは、チャンバ内に導入した被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、センサセルでは酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。これに加え、チャンバ内の残留酸素濃度に応じて起電力信号を出力するモニタセルを有するガス濃度センサであっても良い。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用により、ＮＯｘセンサについても好適なセンサ異常検出が可能となる。

ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。

エンジンＥＣＵ内のセンサ制御部の電気的構成を示す回路図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの各種信号の変化を示すタイムチャートである。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 センサ異常検出処理を示すフローチャートである。 エンジンＥＣＵ内のセンサ制御部の電気的構成を示す回路図である。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質、１５，１６…電極、２２…電流検出抵抗、３０…ＣＰＵ、４２…電流検出抵抗、５０…ＣＰＵ、Ｔ１…＋端子、Ｔ２…−端子。

Claims (4)

1. 固体電解質体と少なくとも一対の電極とからなるセンサ素子を有したガス濃度センサに適用され、前記センサ素子において固体電解質体を挟んで対向配置される一対の電極にそれぞれ正負両側の接続端子を介して接続され、前記センサ素子に電圧を印加しその電圧印加に伴い流れる素子電流からガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   前記センサ素子に流れる素子電流を計測する素子電流計測手段と、
   前記正負両側の接続端子の端子電圧をそれぞれ計測する端子電圧計測手段と、
   前記正負両側の接続端子の端子電圧計測値が同値であること、同端子電圧計測値が印加電圧制御範囲内の値になること、及び素子電流計測値が異常値であることから前記正負両側の接続端子間でのショート異常を検出する異常検出手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記異常検出手段は、端子電圧計測値が印加電圧制御範囲内の値になることを判定する際、端子電圧計測値がリーンガス検出時の印加電圧制御範囲内の値になることを判定する請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 少なくとも前記印加電圧制御範囲とそれ以外とを区別可能にしきい値を設定しておき、前記異常検出手段は、前記端子電圧計測値と前記しきい値との大小比較により、端子電圧計測値が印加電圧制御範囲内の値になることを判定する請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
4. 固体電解質体と少なくとも一対の電極とからなるセンサ素子を有したガス濃度センサに適用され、前記センサ素子において固体電解質体を挟んで対向配置される一対の電極にそれぞれ正負両側の接続端子を介して接続され、前記センサ素子に電圧を印加しその電圧印加に伴い流れる素子電流からガス濃度を検出するガス濃度検出装置において、
   前記センサ素子に流れる素子電流を計測する素子電流計測手段と、
   前記正負両側の接続端子の端子電圧をそれぞれ計測する端子電圧計測手段と、
   前記ガス濃度センサの活性前において、前記正負両側の接続端子の端子電圧計測値が同値であること及び素子電流計測値が異常値であることから前記正負両側の接続端子間でのショート異常を検出する異常検出手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。

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