JP6494570B2 - 空燃比センサの制御装置および異常検出方法 - Google Patents

空燃比センサの制御装置および異常検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、空燃比センサの制御装置および異常検出方法に関する。
車両の燃費向上などを目的として、内燃機関から排出される排気ガス中の空気と燃料の比である空燃比を目標空燃比に近づけるフィードバック制御が広く知られており、かかる空燃比は、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）によって検出される。
空燃比センサとして、ガスセンサ素子に接続される複数の端子への電流および電圧を空燃比の検出のために制御する空燃比センサが知られている。かかる空燃比センサにおいて、ガスセンサ素子に接続される端子の電圧に基づいて、かかる端子が地絡や天絡する異常を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２９１９９１号公報
しかしながら、ガスセンサ素子に接続される端子の電圧の状態を所定時間間隔でサンプリングして地絡や天絡する異常を検出する場合、異常検出のための負荷が大きくなる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ガスセンサ素子に接続される端子が地絡や天絡する異常の検出処理を負荷を抑えつつ精度よく行うことができる空燃比センサの制御装置および異常検出方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る空燃比センサの制御装置は、制御部と、電圧異常検出部と、短絡異常検出部とを備える。前記制御部は、ガスセンサ素子に接続される複数の端子を介して前記ガスセンサ素子の電流および電圧を制御する。前記電圧異常検出部は、前記複数の端子の少なくとも一つの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧の電圧レベルを変化させる。前記短絡異常検出部は、前記出力電圧の電圧レベルが第１の電圧から第２の電圧へ変化したことを検出した場合に、前記制御部から前記複数の端子への電流を抑制する保護動作を前記制御部に所定時間実行させ、前記保護動作の解除後に、前記出力電圧の電圧レベルの状態が前記第２の電圧であることを検出した場合に、短絡異常を検出する。
実施形態の一態様によれば、ガスセンサ素子に接続される端子が地絡や天絡する異常の検出処理を負荷を抑えつつ精度よく行うことができる空燃比センサの制御装置および異常検出方法を提供することができる。
図１は、実施形態に係る空燃比センサの構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示すガスセンサ素子の構成の一例を示す図である。 図３は、図１に示す制御装置の構成の一例を示す図である。 図４は、電圧異常検出部の構成の一例を示す図である。 図５は、短絡異常検出部の構成の一例を示す図である。 図６は、端子が天絡した場合の端子の電圧および出力電圧の変化を示す図である。 図７は、短絡異常検出部が実行する短絡異常検出処理の一例を示すフローチャートである。
以下に、本発明にかかる空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の制御装置および異常検出方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、かかる実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
［１．空燃比センサの構成］
図１は、本発明の実施形態に係る空燃比センサの構成の一例を示す図である。図１に示すように、空燃比センサ１００は、ガスセンサ素子１と、制御装置２とを備え、例えば、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する。
ガスセンサ素子１は、不図示のガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを行うポンプセル４と、ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セル５とを備える。制御装置２は、端子Ｔｉｐと、端子Ｔｃｏｍと、端子Ｔｖｓと、制御部１０と、電圧異常検出部２０と、短絡異常検出部３０とを備える。
端子Ｔｉｐは、ポンプセル４の一端に接続され、端子Ｔｃｏｍは、ポンプセル４の他端と検出セル５の一端とに共通に接続され、端子Ｔｖｓは、検出セル５の他端に接続される。制御部１０は、端子Ｔｉｐ、端子Ｔｃｏｍおよび端子Ｔｖｓを介してガスセンサ素子１の電流および電圧を制御する。
例えば、制御部１０は、端子Ｔｃｏｍの電圧Ｖｃｏｍが一定電圧になるように電圧を出力し、また、端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓが所定電圧になるように、端子Ｔｉｐからガスセンサ素子１のポンプセル４へ電流Ｉｐを供給する。制御部１０は、ポンプセル４への電流Ｉｐに基づき、空燃比（以下、Ａ／Ｆ値と記載する場合がある）を演算する。
電圧異常検出部２０は、複数の端子Ｔｉｐ、Ｔｃｏｍ、Ｔｖｓ（以下、総称して端子Ｔと記載する場合がある）の少なくとも一つの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧Ｖｄの電圧レベルを変化させる。なお、地絡は、例えば、基準電位（例えば、接地電位）に端子Ｔが短絡することを意味し、天絡は、例えば、電源電位に端子Ｔが短絡することを意味する。
短絡異常検出部３０は、電圧異常検出部２０から出力される出力電圧Ｖｄの電圧レベルの変化およびその後の状態に基づいて、各端子Ｔの地絡または天絡の異常（以下、短絡異常と記載する場合がある）を検出する。
かかる短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＨｉｇｈレベル（第１の電圧の一例）からＬｏｗレベル（第２の電圧の一例）へ変化した場合に、所定時間だけ制御部１０に過電流に対する保護動作（以下、過電流保護動作と記載する場合がある）を実行させる。そして、短絡異常検出部３０は、所定時間の過電流保護動作が解除されてから、出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＬｏｗレベルであると判定した場合に、短絡異常を検出する。
スパイクノイズなどのノイズや瞬間的な短絡などによって端子Ｔの電圧が変化した場合に、短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｄの電圧レベルをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させてしまう場合がある。そのため、出力電圧Ｖｄの電圧レベルが変化したことのみで地絡または天絡の異常を検出すると、地絡または天絡を誤検出してしまうおそれがある。そこで、短絡異常検出部３０は、複数回の判定結果に基づき、地絡または天絡の異常を検出しており、これにより、地絡または天絡の異常を精度よく検出できる。
また、出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した後、出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＬｏｗレベルのままである場合、出力電圧Ｖｄの電圧レベルの変化によって短絡異常を判断することが難しい。一方、短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＬｏｗレベルであるか否かのレベル検出を行い、出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＬｏｗレベルである場合に、短絡異常を検出する。これにより、地絡または天絡の異常を精度よく検出できる。
また、スパイクノイズなどのノイズや瞬間的な短絡などによって端子Ｔの電圧が所定時間変動することで出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとの間で変化が連続することがある。そのため、出力電圧Ｖｄの電圧レベルの変化を検出した後すぐに出力電圧Ｖｄの電圧レベルの状態を検出すると、短絡異常を誤検出してしまうおそれがある。
一方、短絡異常検出部３０は、上述したように、出力電圧Ｖｄが変化した場合に制御部１０に所定時間の過電流保護動作を実行させ、かかる過電流保護動作の解除後に出力電圧Ｖｄの電圧レベルがＬｏｗレベルであるか否かのレベル検出を行う。そのため、制御部１０を保護しつつ、出力電圧Ｖｄの電圧レベルが変化してから時間を空けることができ、地絡または天絡の異常を精度よく検出することができる。
また、過電流保護動作が実行されている場合、地絡または天絡していない端子Ｔの電圧が不定になる場合があるため、短絡異常検出部３０は、過電流保護動作中ではなく、過電流保護動作が解除された後の出力電圧Ｖｄに基づいて、短絡異常の検出処理を実行する。これにより、地絡または天絡の異常をさらに精度よく検出することができる。
また、レベル検出のみで短絡異常を精度よく検出しようとする場合、短い時間間隔で出力電圧Ｖｄの電圧レベルを連続して判定することになり処理負荷が大きくなるが、短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｄの電圧レベルの変化を検出するエッジ検出の後に、レベル検出を行う。そのため、レベル検出のみで短絡異常を検出する場合に比べ、処理負荷を軽減することができる。
［２．空燃比センサ１００］
次に、図１に示す空燃比センサ１００の構成の一例について説明する。図２は、ガスセンサ素子１の構成の一例を示す図である。図３は、図１に示す制御装置２の構成の一例を示す図である。なお、空燃比センサ１００の制御装置２は、例えば、車両に設けられたＥＣＵ(Electronic Control Unit)内に設けられ、また、ガスセンサ素子１は、例えば、車両の内燃機関の排気管に配置される。
［２．１．ガスセンサ素子１の構成例］
まず、図２を参照してガスセンサ素子１の構成の一例について説明する。ガスセンサ素子１は、例えば、全領域空燃比ガスセンサ素子であり、図２に示すように、固体電解質体８１、絶縁基体８５、固体電解質体８７、８９を順に積層した構成を有する。
固体電解質体８１、８７、８９は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体であり、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加して構成される。絶縁基体８５は、例えば、アルミナなどによって構成される。
絶縁基体８５にはガス検出室９０が形成され、かかるガス検出室９０の両端には、ガス検出室９０への排気ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部８４が設けられる。
ポンプセル４は、固体電解質体８１と、当該固体電解質体８１の両面に多孔質の白金などにより形成された電極８２、８３とを備え、電極８２、８３間に供給される電流の大きさおよび方向に応じてガス検出室９０への酸素の汲み入れや汲み出しを行う。電極８２は、例えば、多孔質性の保護層８０によって保護される。
検出セル５は、固体電解質体８７と、当該固体電解質体８７の両面に多孔質の白金などにより形成された電極８６、８８とを備える。電極８６、８８間に定電流Ｉｃｐが供給されることにより、ガス検出室９０の酸素濃度に応じた起電力が電極８６、８８間に発生する。
［２．２．制御装置２の構成例］
次に、図３に示す制御装置２の構成の一例について説明する。制御装置２は、上述したように、端子Ｔｉｐ、Ｔｃｏｍ、Ｔｖｓと、制御部１０と、電圧異常検出部２０と、短絡異常検出部３０とを備える。
かかる制御装置２は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現される。なお、制御装置２は、演算処理の一部または全部をＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実行する構成であってもよい。例えば、短絡異常検出部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力（Ｉ／Ｏ）ポートなどを有するマイクロコンピュータで構成してもよい。
［２．２．１．制御部１０］
制御部１０は、電圧制御部１１と、電圧検出部１２と、フィードバック制御部１３と、電流供給部１４と、電流検出部１５と、空燃比演算部１６とを備える。
電圧制御部１１は、ガスセンサ素子１の端子Ｔ２の電圧が一定の電圧になるように電圧を出力する。かかる電圧制御部１１は、オペアンプＯＰ１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３とを備え、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点が一定電圧Ｖａになるように動作し、抵抗Ｒ１を介して端子Ｔｃｏｍへ一定電圧Ｖａを供給する。なお、電圧制御部１１は、端子Ｔ２の電圧が一定の電圧になるように電圧を出力する構成であればよく、図３に示す構成に限定されない。
電圧検出部１２は、電流源４０と、オペアンプＯＰ３とを備える。電流源４０は、検出セル５に定電流Ｉｃｐを流す。オペアンプＯＰ３はボルテージフォロアとして機能し、端子Ｔｖｓの電圧の瞬時値（以下、ＶＳ電圧Ｖｓと記載する）を検出し、かかるＶＳ電圧Ｖｓをフィードバック制御部１３へ出力する。なお、電圧検出部１２は、定電流Ｉｃｐを流し、かつ、ＶＳ電圧Ｖｓを検出する構成であればよく、図３に示す構成に限定されない。
フィードバック制御部１３は、電圧検出部１２によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、かかる制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１４へ出力する。例えば、フィードバック制御部１３は、ＶＳ電圧Ｖｓと基準電圧値Ｖｒｅｆとの差に応じた制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、電流供給部１４へ出力する。
電流供給部１４は、抵抗Ｒ４〜Ｒ８と、オペアンプＯＰ２とを備え、フィードバック制御部１３から出力される制御電圧Ｖｃｎｔと基準電圧Ｖｂとの差に応じた方向および大きさの電流Ｉｐを端子Ｔｉｐからガスセンサ素子１のポンプセル４へ供給する。なお、電流供給部１４は図３に示す回路に限定されるものではなく、フィードバック制御部１３の制御に応じた電流Ｉｐを端子Ｔ１へ供給することができる構成であればよい。
電流検出部１５は、ポンプセル４に流れる電流Ｉｐの瞬時値（以下、ＩＰ電流Ｉｐと記載する）を検出する。かかる電流検出部１５は、オペアンプＯＰ１の出力と一定電圧Ｖａとの差から抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖｒ２の値を検出し、かかる両端電圧Ｖｒ２の値からＩＰ電流Ｉｐ（＝Ｖｒ２／Ｒ２）を検出する。なお、電流検出部１５は、ＩＰ電流Ｉｐを検出する構成であればよく、図３に示す構成に限定されない。
また、図３に示していないが、制御装置２には電流源４０と共に定電流Ｉｃｐを流すための電流源が端子Ｔｃｏｍに設けられており、定電流Ｉｃｐは電流検出部１５によって検出されるＩＰ電流Ｉｐには含まれない。
空燃比演算部１６は、電流検出部１５によって検出されたＩＰ電流Ｉｐに基づいて空燃比（Ａ／Ｆ値）を演算する。このように、制御部１０は、複数の端子Ｔを介してガスセンサ素子１の電流および電圧を制御して空燃比（Ａ／Ｆ値）を検出する。
かかる制御部１０は、短絡異常検出部３０から過電流保護要求が行われた場合、端子Ｔｉｐ、Ｔｃｏｍ、Ｔｖｓへの過電流を抑制する過電流保護動作を実行する。例えば、制御部１０は、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２の出力を高インピーダンス状態にし、また、電流源４０などの電流源を高インピーダンス状態にする過電流保護動作を実行する。
これにより、ガスセンサ素子１の端子Ｔｉｐ、Ｔｃｏｍ、Ｔｖｓが高インピーダンスになり、端子Ｔｉｐ、Ｔｃｏｍ、Ｔｖｓへの過電流が抑制される。なお、電流源４０などの電流源の定電流が小さい場合、電流源４０などの電流源に対してさらにインピーダンスを高くする処理をしなくてもよい。
また、過電流保護動作は、各端子Ｔへの過電流が抑制される動作であればよく、上記構成に限定されない。例えば、短絡異常検出部３０から過電流保護要求が行われた場合に電流制限を行う電流制限回路を電圧制御部１１や電流供給部１４に設ける構成であってもよい。かかる電流制限回路を動作させることで、地絡または天絡時にガスセンサ素子１の外部からみて各端子Ｔを高インピーダンスの状態にすることもできる。
また、制御部１０は、例えば、端子Ｔが地絡した場合に、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２の出力を基準電位（例えば、接地電位）になるように制御し、端子Ｔが天絡した場合に、オペアンプＯＰ１、ＯＰ２の出力を電源電位になるように制御して過電流保護動作を行ってもよい。これによっても、過電流保護を行うことができる。
［２．２．２．電圧異常検出部２０］
電圧異常検出部２０は、電圧異常検出部２１〜２３を備える。電圧異常検出部２１は、端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐが所定範囲外になった場合に、短絡異常検出部３０へ出力する出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させる。
電圧異常検出部２２は、端子Ｔｃｏｍの電圧Ｖｃｏｍが所定範囲外になった場合に、短絡異常検出部３０へ出力する出力電圧Ｖｏ２の電圧レベルをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させる。電圧異常検出部２３は、端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓが所定範囲外になった場合に、短絡異常検出部３０へ出力する出力電圧Ｖｏ３の電圧レベルをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させる。なお、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３は、上述した出力電圧Ｖｄの一例であり、以下、出力電圧Ｖｏと総称する場合がある。
図４は、電圧異常検出部２１の構成の一例を示す図である。図４に示すように、電圧異常検出部２１は、コンパレータ４１、４２と、論理積演算部４３とを備える。コンパレータ４１は、端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐが下限値Ｖｐｍｉｎ以上である場合、Ｈｉｇｈレベルの電圧を出力し、電圧Ｖｐが下限値Ｖｐｍｉｎ未満である場合に、Ｌｏｗレベルの電圧を出力する。
また、コンパレータ４２は、端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐが上限値Ｖｐｍａｘ以下である場合、Ｈｉｇｈレベルの電圧を出力し、電圧Ｖｐが上限値Ｖｐｍａｘを超える場合に、Ｌｏｗレベルの電圧を出力する。なお、下限値Ｖｐｍｉｎは、基準電位（例えば、接地電位）よりも高く、上限値Ｖｐｍａｘは、電源電位よりも低い。
論理積演算部４３は、例えば、ＡＮＤ回路であり、コンパレータ４１の出力と、コンパレータ４２の出力との論理積に応じた出力電圧Ｖｏ１を出力する。例えば、論理積演算部４３は、コンパレータ４１の出力およびコンパレータ４２の出力のいずれかがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した場合、出力電圧Ｖｏ１をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させる。なお、電圧異常検出部２２、２３も電圧異常検出部２１と同様の構成にすることができ、この場合、各端子Ｔに応じた下限値と上限値とが設定される。
このように、電圧異常検出部２１は、端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐが所定範囲（Ｖｍｉｎ≦Ｖｐ≦Ｖｍａｘ）内である場合に、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルをＨｉｇｈレベルにする。また、電圧異常検出部２１は、電圧Ｖｐが所定範囲以外になった場合に、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させる。
なお、電圧異常検出部２１〜２３は、端子Ｔの電圧が下限値未満になったかどうかを示す出力電圧と端子Ｔの電圧が上限値を超えたかどうかを示す出力電圧とを別々に短絡異常検出部３０へ出力する構成であってもよい。
また、電圧異常検出部２２に、電圧異常検出部２１〜２３の出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３を入力する論理積回路を設け、かかる論理積回路の出力を出力電圧Ｖｏとして短絡異常検出部３０へ出力することもできる。これにより、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３のいずれかがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した場合に、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化する出力電圧Ｖｏを短絡異常検出部３０へ出力することができる。
［２．２．３．短絡異常検出部３０］
短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の電圧レベルの変化に基づき、所定時間ＴＡだけ過電流保護動作を制御部１０に実行させ、かかる過電流保護動作の解除後、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の電圧レベルの状態に基づき、短絡異常を検出する。
例えば、短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した場合に、所定時間ＴＡだけ過電流保護動作を制御部１０に実行させ、かかる過電流保護動作の解除後に、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＬｏｗレベルである場合に、端子Ｔｉｐの短絡異常を検出する。短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｏ２、Ｖｏ３についても出力電圧Ｖｏ１と同様に電圧レベルの変化とレベル状態とを検出して端子Ｔｃｏｍ、Ｔｖｓの短絡異常を検出する。
図５は、短絡異常検出部３０の構成の一例を示す図である。図５に示すように、短絡異常検出部３０は、エッジ検出部３１ａ〜３１ｃ（以下、エッジ検出部３１と総称する場合がある）と、レベル検出部３２ａ〜３２ｃ（以下、レベル検出部３２と総称する場合がある）と、制御処理部３３と、短絡判定部３４とを備える。
エッジ検出部３１ａは、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化したことを検出し、かかる検出結果を制御処理部３３へ通知する。エッジ検出部３１ｂは、出力電圧Ｖｏ２の電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化したことを検出し、かかる検出結果を制御処理部３３へ通知する。エッジ検出部３１ｃは、出力電圧Ｖｏ３の電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化したことを検出し、かかる検出結果を制御処理部３３へ通知する。
レベル検出部３２ａは、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルを検出し、かかる検出結果を短絡判定部３４へ通知する。レベル検出部３２ｂは、出力電圧Ｖｏ２の電圧レベルを検出し、かかる検出結果を短絡判定部３４へ通知する。レベル検出部３２ｃは、出力電圧Ｖｏ３の電圧レベルを検出し、かかる検出結果を短絡判定部３４へ通知する。
制御処理部３３は、エッジ検出部３１ａ〜３１ｃによる検出結果に基づき、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の電圧レベルのいずれかがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化したと判定すると、所定時間ＴＡだけ制御部１０に過電流保護動作を実行させるように制御部１０へ過電流保護要求を行う。かかる過電流保護要求は、例えば、制御処理部３３から所定時間ＴＡだけＨｉｇｈレベルになる保護要求信号Ｓｐを制御部１０へ出力することによって行われる。この場合、制御部１０は、保護要求信号ＳｐがＨｉｇｈレベルである場合に、過電流保護動作を実行する。
このように、出力電圧Ｖｏが変化した場合に、過電流保護動作を制御部１０に開始させるため、過電流による故障を防止することができる。また、エッジ検出部３１ａ〜３１ｃを割り込みポートとし、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３の電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した場合に制御処理部３３に対してエッジ検出部３１ａ〜３１ｃから割り込みが発生するように構成することで、短絡異常検出部３０の処理負荷を低減することができる。
短絡判定部３４は、所定時間ＴＡが経過したあと、すなわち、過電流保護動作が解除された後、出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３のうち電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した出力電圧Ｖｏ（以下、検出対象電圧Ｖｏｔと記載する）の電圧レベルがＬｏｗレベルであるか否かを判定する。そして、短絡判定部３４は、検出対象電圧Ｖｏｔの電圧レベルがＬｏｗレベルと判定した場合に、短絡異常が発生したと判定する。
過電流保護動作が制御部１０によって実行される場合、地絡または天絡していない端子Ｔの電圧が不定になる場合がある。例えば、各端子Ｔが過電流保護動作によって高インピーダンス状態になった場合、端子Ｔの電圧は不定になり、地絡または天絡していない端子Ｔに対応する出力電圧Ｖｏの電圧レベルがＬｏｗレベルになってしまう可能性がある。
そのため、ノイズなどの影響により出力電圧ＶｏがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化して過電流保護動作が開始した後、かかる過電流保護動作中に出力電圧Ｖｏの電圧レベルに基づいて短絡異常の判定を行うと、短絡異常の誤検出を行うおそれがある。
一方、短絡異常検出部３０は、過電流保護動作が解除された後の出力電圧Ｖｏ１〜Ｖｏ３に基づいて、短絡異常の検出処理を実行することから、地絡または天絡の異常をさらに精度よく検出することができる。
また、制御処理部３３は、制御部１０が過電流保護動作中には、エッジ検出部３１の検出結果に対する処理も行わない。これにより、例えば、エッジ検出部３１ａ〜３１ｃを割り込みポートとした場合に不要な割り込みによる処理を制御処理部３３に実行させることを防止でき、短絡異常検出部３０の処理負荷を軽減することができ、また、短絡異常の誤検出を防止することができる。
図６は、端子Ｔｉｐが天絡した場合の端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐおよび出力電圧Ｖｏ１の変化を示す図である。図６に示すように、端子Ｔｉｐが天絡して端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐが上限値Ｖｐｍａｘを超えたタイミング（時刻ｔ１）で、電圧異常検出部２１から出力される出力電圧Ｖｏ１がＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化する。そのため、エッジ検出部３１ａによって出力電圧Ｖｏ１の変化が検出され、制御処理部３３は、制御部１０に過電流保護動作を実行させ、所定時間ＴＡ後にタイマトリガが発生するように内部タイマを設定する。
タイマトリガに基づき、出力電圧Ｖｏ１の変化が検出されてから所定時間ＴＡが経過したタイミング（時刻ｔ２）で、制御処理部３３は、過電流保護動作を解除する。短絡判定部３４は、過電流保護動作が解除されたタイミング（時刻ｔ２）から所定時間ＴＢ後のタイミング（時刻ｔ３）で、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＬｏｗレベルであるかを判定する。
なお、所定時間ＴＢは、例えば、過電流保護動作から通常動作への移行が完了するタイミングよりも長い時間であり、また、地絡または短絡による過電流で制御部１０が故障する時間よりも短い時間に設定される。これにより、制御部１０の動作が安定している状態であって過電流によって制御部１０が故障する前までに、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルを確実に検出することができる。
時刻ｔ３において、短絡判定部３４は、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＬｏｗレベルである場合、短絡異常が発生したと判定し、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＨｉｇｈレベルである場合、短絡異常が発生していないと判定する。
このように、短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化した後、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＬｏｗレベルであるかを判定して短絡異常を判定する。そのため、例えば、レベル検出のみを用いた短絡異常検出、すなわち、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルを所定時間間隔で繰り返しサンプリングして短絡異常を判定する場合に比べ短絡異常検出部３０の処理負荷を低減することができる。
また、端子Ｔｉｐが地絡または天絡している場合、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルは過電流保護中もＬｏｗレベルのままであるため、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルの変化によって短絡異常を判断することが難しい。一方、短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルがＬｏｗレベルである場合に、短絡異常を検出するため、地絡または天絡の異常を精度よく検出することができる。
なお、短絡判定部３４は、時刻ｔ３から所定時間ＴＣが経過するまで、所定時間毎に出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルを検出し、かかる電圧レベルが所定回数継続してＬｏｗレベルである場合に、短絡異常が発生していると判定することができる。なお、時刻ｔ２から所定時間ＴＣまでの期間は、地絡または短絡による過電流で制御部１０が故障する時間よりも短い時間である。
また、制御処理部３３は、所定時間ＴＡの過電流保護動作を所定時間ＴＤ（≧ＴＢ）の間隔を空けて繰り返し制御部１０に実行させることができる。この場合、短絡判定部３４は、過電流保護動作が解除してから所定時間ＴＢが経過する毎に、出力電圧Ｖｏ１の電圧レベルを検出し、かかる電圧レベルが所定回数継続してＬｏｗレベルである場合に、短絡異常が発生していると判定することができる。
［３．短絡異常検出部３０の短絡異常検出処理フロー］
次に、フローチャートを用いて、短絡異常検出部３０の短絡異常検出処理の流れの一例を説明する。図７は、短絡異常検出部３０が実行する短絡異常検出処理の一例を示すフローチャートである。
図７に示すように、短絡異常検出部３０の制御処理部３３は、出力電圧Ｖｏのエッジを検出したか否か、すなわち、出力電圧Ｖｏの電圧レベルがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへの変化があるか否かを判定する（ステップＳ１０）。
出力電圧Ｖｏのエッジが発生したと判定した場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、制御処理部３３は、制御部１０に過電流保護動作を開始させ（ステップＳ１１）、電圧異常検出部２１からの割り込みに対する処理を禁止する（ステップＳ１２）。制御処理部３３は、過電流保護動作を開始させてから所定時間ＴＡが経過したか否かを判定し（ステップＳ１３）、所定時間ＴＡが経過したと判定した場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、過電流保護動作を制御部１０に解除させる（ステップＳ１４）。
次に、短絡異常検出部３０の短絡判定部３４は、過電流保護動作を解除してから所定時間ＴＢ後の出力電圧Ｖｏの電圧レベルがＬｏｗレベルであるか否かを判定する（ステップＳ１５）。短絡判定部３４が出力電圧Ｖｏの電圧レベルがＬｏｗレベルであると判定した場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、制御処理部３３は、制御部１０に過電流保護動作を開始させ（ステップＳ１６）、短絡判定部３４は、短絡異常が発生したことを検出する（ステップＳ１７）。
一方、短絡判定部３４が出力電圧Ｖｏの電圧レベルがＬｏｗレベルではないと判定した場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、制御処理部３３は、電圧異常検出部２１からの割り込みに対する処理を許可し（ステップＳ１８）、また、制御部１０に過電流保護動作を解除させる（ステップＳ１９）。
出力電圧Ｖｏのエッジが発生していないと判定した場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、または、ステップＳ１９の処理が終了した場合、短絡異常検出部３０は、図７に示す処理を繰り返し実行する。
なお、上述した電圧異常検出部２０は、端子Ｔの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧ＶｏをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化させるが、かかる例に限定されない。例えば、端子Ｔの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧ＶｏをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ変化させるように電圧異常検出部２０を構成してもよい。
この場合、短絡異常検出部３０は、出力電圧ＶｏがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへ変化した場合に、制御部１０に所定時間ＴＡだけ過電流保護動作を実行させ、過電流保護動作の解除後、出力電圧ＶｏがＨｉｇｈレベルである場合に、短絡異常が発生していると判定する。
また、上述した制御装置２は、３端子のガスセンサ素子１を制御するが、制御装置２は、２端子のガスセンサ素子を制御する構成であってもよい。この場合、制御装置２は、２つの端子Ｔの電圧に対して上記処理を行うことができる。
また、上述した短絡異常検出部３０は、各出力電圧Ｖｏの電圧レベルの変化と状態に基づいて、短絡異常の処理を行うが、かかる例に限定されない。例えば、２つ以上の出力電圧Ｖｏの電圧レベルが同時に変化した場合には、レベル検出部３２での検出結果を判定することなく、短絡異常が発生したと判定することもできる。
以上のように、空燃比センサ１００は、制御部１０と、電圧異常検出部２０と、短絡異常検出部３０とを備える。制御部１０は、ガスセンサ素子１に接続される複数の端子Ｔを介してガスセンサ素子１の電流および電圧を制御する。電圧異常検出部２０は、複数の端子Ｔの少なくとも一つの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧Ｖｏの電圧レベルを変化させる。短絡異常検出部３０は、出力電圧Ｖｏの電圧レベルが第１の電圧（例えば、Ｈｉｇｈレベル）から第２の電圧（例えば、Ｌｏｗレベル）へ変化した場合に、制御部１０から複数の端子Ｔへの電流を抑制する過電流保護動作を制御部１０に所定時間ＴＡ実行させ、この過電流保護動作の解除後に、出力電圧Ｖｏの電圧レベルが第２の電圧である場合に、短絡異常を判定する。これにより、例えば、レベル検出のみで短絡異常を検出する場合に比べ、処理負荷を抑えつつ精度よく短絡異常を検出することができる。また、過電流保護動作を実行させた後に、出力電圧Ｖｏの電圧レベルの状態を検出するため、過電流によって制御部１０が故障する前までに、出力電圧Ｖｏの電圧レベルを確実に検出することができる。
また、制御部１０は、複数の端子Ｔを高インピーダンス状態にすることで過電流保護動作を実行する。これにより、制御部１０の故障をより適切に防止することができ、過電流保護動作の解除後の短絡異常検出を精度よく行うことができる。
また、短絡異常検出部３０は、エッジ検出部３１と、レベル検出部３２と、制御処理部３３と、短絡判定部３４とを備える。エッジ検出部３１は、出力電圧Ｖｏの電圧レベルの変化を検出する。レベル検出部３２は、出力電圧Ｖｏの電圧レベルの状態を検出する。制御処理部３３は、出力電圧Ｖｏの電圧レベルの第１の電圧から第２の電圧への変化がエッジ検出部３１によって検出された場合に、過電流保護動作を制御部１０に所定時間ＴＡ実行させる。短絡判定部３４は、過電流保護動作の解除後に、レベル検出部３２によって出力電圧Ｖｏの電圧レベルが第２の電圧であると判定された場合に、短絡異常があると判定する。これにより、例えば、エッジ検出部３１を割り込みポートとし、出力電圧Ｖｏの電圧レベルが変化した場合に制御処理部３３に対してエッジ検出部３１から割り込みが発生するように構成することで、短絡異常検出部３０の処理負荷を低減することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ ガスセンサ素子
２ 制御装置
１０ ：制御部
２０〜２３ 電圧異常検出部
３０ 短絡異常検出部
３１、３１ａ〜３１ｃ エッジ検出部
３２、３２ａ〜３２ｃ レベル検出部
３３ 制御処理部
３４ 短絡判定部

Claims (4)

  1. ガスセンサ素子に接続される複数の端子を介して前記ガスセンサ素子の電流および電圧を制御する制御部と、
    前記複数の端子の少なくとも一つの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧の電圧レベルを変化させる電圧異常検出部と、
    前記出力電圧の電圧レベルが第１の電圧から第２の電圧へ変化したことを検出した場合に、前記制御部から前記複数の端子への電流を抑制する保護動作を前記制御部に所定時間実行させ、前記保護動作の解除後に、前記出力電圧の電圧レベルの状態が前記第２の電圧であることを検出した場合に、短絡異常を検出する短絡異常検出部と、を備える
    ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
  2. 前記制御部は、
    前記複数の端子を高インピーダンス状態にすることで前記保護動作を実行する
    ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
  3. 前記短絡異常検出部は、
    前記出力電圧の電圧レベルの変化を検出するエッジ検出部と、
    前記出力電圧の電圧レベルの状態を検出するレベル検出部と、
    前記出力電圧の電圧レベルの前記第１の電圧から前記第２の電圧への変化が前記エッジ検出部によって検出された場合に、前記保護動作を前記制御部に前記所定時間実行させる制御処理部と、
    前記保護動作の解除後に、前記レベル検出部によって前記出力電圧の電圧レベルが前記第２の電圧であると判定された場合に、前記短絡異常があると判定する短絡判定部と、を備える
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の空燃比センサの制御装置。
  4. ガスセンサ素子に接続される複数の端子の少なくとも一つの電圧が所定範囲外になった場合に、出力電圧の電圧レベルを変化させる工程と、
    前記出力電圧の電圧レベルが第１の電圧から第２の電圧へ変化したことを検出した場合に、前記複数の端子への電流の抑制を所定時間行い、前記抑制の解除後に、前記出力電圧の電圧レベルの状態が前記第２の電圧であることを検出した場合に、短絡異常を検出する工程と、を含む
    ことを特徴とする空燃比センサの異常検出方法。
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