JPH10206371A - 酸素センサの異常検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】新規な方法で且つ精度良く酸素センサの劣化判
定を行う。 【解決手段】酸素センサ５は、電圧印加に伴い酸素濃度
（空燃比）に対応したほぼ一定の限界電流を出力する検
出素子部６と、同検出素子部６を加熱するヒータ７とを
有している。マイクロコンピュータ２内のＣＰＵ２ａ
は、酸素センサ５の内部抵抗を検出し、その内部抵抗が
目標値に一致するようにヒータ７の通電をフィードバッ
ク制御する。また、ＣＰＵ２ａは、印加電圧を異常検出
用の所定電圧に切り換え、その電圧切り換えに伴う電流
変化の周波数特性を解析する。そして、周波数応答のゲ
イン特性の変局点であるカットオフ周波数ｆｃを異常判
定パラメータとして、そのパラメータが所定の正常域に
なければセンサ異常の旨を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車載用エン
ジンの排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度
センサに係るものであって、当該酸素濃度センサの電流
電圧の周波数特性を用いて酸素センサの異常を検出する
異常検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば自動車用エンジンにおいて
は、排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比をリニアに検
出する酸素センサが採用されている。この酸素センサ
は、例えば図３に示すように適切な印加電圧制御をする
（図３におけるＬ１のＩ軸と平行な直線上に制御する）
ことにより、排気ガス中の酸素濃度に応じた電流を出力
し、前記自動車用エンジンの空燃比制御システムに採用
された場合には、その時のセンサ出力（センサ電流値）
に応じて空燃比が求められる。

【０００３】また、上記酸素センサでは、経時的な劣化
等によるセンサの異常を精度良く検出する技術が要望さ
れており、この種の従来技術として例えば特開平４−２
３３４４７号公報の「排気濃度センサの劣化検知方法」
が開示されている。この公報では、酸素センサに電圧を
印加した時の酸素センサの出力電流から、当該酸素セン
サの内部抵抗を算出し、その内部抵抗値が大きくなると
酸素センサが劣化したと判定するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来公
報の場合、以下に示す問題を生ずる。つまり、上述の酸
素センサの場合、図１２に示すように酸素センサの温度
上昇に伴い内部抵抗が低下するという関係があり、酸素
センサの異常を内部抵抗値から検出するには、酸素セン
サの温度を一定に保つ必要がある（同センサを活性化状
態に保持する）。このため、酸素センサにヒータを内蔵
して、同ヒータをエンジン状態に応じた電力制御又は定
電力制御して酸素センサの温度をほぼ一定に保ち、酸素
センサの内部抵抗から酸素センサの異常を判定する場合
がある。しかし、前記ヒータの電力制御では、エンジン
が過渡状態の時にセンサの温度変動が大きく、また、セ
ンサ温度は外気温度等の影響を受け易いため、正確な異
常判定をすることは難しい。これとは逆に、酸素センサ
の内部抵抗がほぼ一定になるようヒータを制御し、その
時の酸素センサ温度若しくはヒータ電力等から推定した
センサ温度に基づいて異常判定する場合も、前記と同様
に外気温や排気温度等の影響を受け易く、正確な異常判
定をすることは難しい。

【０００５】このように、既存技術では、酸素センサの
内部抵抗値と温度との両方が正確に検出できなければ、
当該センサの異常判定を正確に実施することが困難であ
るという問題があった。

【０００６】この発明は、上記問題に着目してなされた
ものであって、その目的とするところは、新規な方法で
且つ精度良く酸素センサの異常判定を行うことができる
酸素センサの異常検出装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明ではその特徴として、酸素セ
ンサの印加電圧を所定電圧に切り換える電圧切換手段
と、印加電圧の切り換えに伴う前記酸素センサの電流変
化を検出する電流検出手段と、印加電圧の切り換えに伴
う電流変化の周波数特性を異常判定パラメータとして、
そのパラメータに基づいて前記酸素センサの異常を判定
する異常判定手段とを備える。

【０００８】要するに、印加電圧の切り換えに伴う電流
変化の周波数特性に基づいて、酸素センサの異常検出を
行うことは、センサ個々の特性を導き出してそれにより
異常の有無を判断するものであるため、その構成上、酸
素センサを確実に活性状態に保持していなくても異常検
出が可能になる。すなわち、酸素センサはある程度まで
活性化してればよく、従来装置のようにセンサ活性化状
態での内部抵抗値とセンサ温度との両方を要件にして異
常検出処理を実施する必要はない。このとき、外気温や
排気温等の影響を受けずに異常診断が精度良く検出でき
る。このようにして本発明の構成によれば、新規な方法
で且つ精度良く酸素センサの異常判定を行うことができ
るようになる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明では、印加電
圧の切り換えに伴う電流変化の周波数特性を解析する周
波数解析手段を備え、前記異常判定手段は、前記周波数
解析手段による周波数特性の解析結果を前記異常判定パ
ラメータとして、そのパラメータが所定の正常域になけ
ればセンサ異常の旨を判定する。この場合、上記周波数
解析によれば、図１３に示すようなボード線図が得ら
れ、このボード線図のゲイン特性又は位相特性によれ
ば、容易且つ正確に周波数特性に基づく異常検出が実施
できる。

【００１０】より具体的には、 ・請求項３に記載したように、周波数応答のゲイン特性
の変局点を演算し、該演算した変局点を異常判定パラメ
ータとして、そのパラメータが所定の周波数域になけれ
ばセンサ異常の旨を判定するようにしたり、 ・請求項４に記載したように、周波数応答の位相特性に
おいて位相進み角度が所定角度となる周波数を演算し、
該演算した周波数を異常判定パラメータとして、そのパ
ラメータが所定の周波数域になければセンサ異常の旨を
判定するようにしたりする、といった構成が望ましい。

【００１１】かかる場合、センサ異常が発生していれ
ば、図１３に示すゲイン特性の変局点に相当するカット
オフ周波数ｆｃ、或いは同図に示す位相特性の位相進み
角度が所定角度（図では、４５度）となる周波数ｆθが
所定のセンサ正常範囲から外れ、異常領域の数値として
検出される。以上のように、酸素センサの電圧変化に伴
う電流変化の周波数特性がセンサ異常状態に対応するた
め、当該酸素センサの異常が精度良く検出できることに
なる。

【００１２】一方、請求頃５に記載の発明では、所定の
時定数を持たせて酸素センサの印加電圧を切り換えるよ
うにした酸素センサの異常検出装置において、前記所定
の時定数を持たせた電圧を前記酸素センサに印加してか
ら所定時間経過後に流れる第１検出電流と、当該第１検
出電流の検出時刻から所定時間経過後に流れる第２検出
電流とを比較する電流比較手段を備え、前記異常判定手
段は、前記第１検出電流と第２検出電流との比較結果を
前記異常判定パラメータとして、そのパラメータが所定
の正常域になければセンサ異常の旨を判定する。

【００１３】すなわち、所定の時定数を持たせた電圧を
酸素センサに印加すると、酸素センサの周波数特性を反
映したセンサ電流が得られ、図１５のタイムチャートに
おいては、酸素センサの周波数特性変化に対応して第１
検出電流（Ｉｔｐ１）と第２検出電流（Ｉｔｐ２）との
比が変化する。つまり、例えば図１５で「異常センサ」
（図の二点鎖線）として示すように、センサ異常時には
低周波数域における応答性が低下し、センサ電流の減衰
が早くなる。従って、例えば酸素センサが劣化してセン
サ電流の減衰の度合が大きい場合には、その劣化状態が
センサの第１検出電流（電流ピーク値）からの減衰量
（例えば、図１５の「Ｉｔｐ１−Ｉｔｐ２」）により検
出できることになる。その結果、第１検出電流と第２検
出電流とを比較することにより、酸素センサの異常が検
出可能となる。

【００１４】また、かかる構成では、酸素センサの周波
数特性を直接検出せずに同周波数特性を間接的に検出す
ることができるため、電圧切り換えに伴うセンサ電流の
変化を逐次サンプリングして検出したり、その検出結果
を周波数分析したりする等、周波数特性を直接的に検出
するための処理が不要となる。そのため、センサ異常の
判定に際し、その処理が簡便化されるようになる。

【００１５】請求項６に記載の発明では、所定の時定数
を持たせて酸素センサの印加電圧を切り換えるようにし
た酸素センサの異常検出装置において、前記所定の時定
数を持たせた電圧を酸素センサに印加した際の当該電圧
変化に伴う電流変化の比と、前記酸素センサの直流内部
抵抗とを比較する内部抵抗比較手段を備え、前記異常判
定手段は、前記内部抵抗の比較結果を前記異常判定パラ
メータとして、そのパラメータが所定の正常域になけれ
ばセンサ異常の旨を判定する。

【００１６】すなわち、本請求項の構成においても、上
記請求項５の構成と同様に、所定の時定数を持たせた電
圧を酸素センサに印加することにより、酸素センサの周
波数特性を反映したセンサ電流を得るようにしている。
つまり、所定の時定数を持たせた電圧を酸素センサに印
加した際の当該電圧変化に伴う電流変化の比は、当該セ
ンサの内部インピーダンスとして定義でき、この内部イ
ンピーダンスは図１６に示すように、酸素センサの直流
内部抵抗に対して所定の関係を有する。この場合、内部
インピーダンスは酸素センサの正常又は異常状態に対応
する周波数特性を反映するのに対し、酸素センサの直流
内部抵抗は、酸素センサの周波数特性が変化しても変化
しない。そのため、両者（内部インピーダンス及び直流
内部抵抗）を比較することで酸素センサの異常が検出可
能となる。

【００１７】また、本構成でも上記請求項５の構成と同
様に、酸素センサの周波数特性を直接検出せずに同周波
数特性を間接的に検出することができるため、電圧切り
換えに伴うセンサ電流の変化を逐次サンプリングして検
出したり、その検出結果を周波数分析したりする等、周
波数特性を直接的に検出するための処理が不要となる。
そのため、センサ異常の判定に際し、その処理が簡便化
されるようになる。

【００１８】請求項６の具体的な構成として、 ・請求項７に記載の発明では、前記内部抵抗比較手段
は、前記エンジンへの燃料カット時のセンサ電流とその
時の印加電圧とから前記酸素センサの直流内部抵抗を検
出する手段を有し、 ・請求項８に記載の発明では、前記酸素センサへ電圧を
供給するための回路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧及
び電流変化から酸素センサの直流内部抵抗を検出する手
段を有する。

【００１９】これらの構成は、直流内部抵抗を簡易的に
検出する手法であり、請求項７の構成では、図２６に示
すように酸素センサのＶ−Ｉ特性図において、燃料カッ
ト時の電流値Ｉｆｃとその時の印加電圧Ｖｐとから直流
内部抵抗Ｒｄが算出される（Ｒｄ＝Ｖｐ／Ｉｆｃ）。ま
た、請求項８の構成では、図２９に示すように酸素セン
サのＶ−Ｉ特性図において、印加電圧Ｖｐの瞬断時にお
ける電圧変化（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）とその時のセンサ電
流値Ｉｐとから直流内部抵抗が算出される（直流内部抵
抗＝（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）／Ｉｐ）。

【００２０】請求項９に記載の発明では、前記酸素セン
サの内部抵抗若しくは温度を検出し、該検出した酸素セ
ンサの内部抵抗若しくは温度に基づいて前記異常判定パ
ラメータを比較判定するための領域を可変に設定する。
すなわち、本発明の酸素センサでは、図１２に示すよう
に酸素センサの温度上昇に伴い内部抵抗が低下するとい
う関係があり、これに伴い図１４に示すように酸素セン
サの周波数特性も変化する。従って、内部抵抗若しくは
センサ温度に基づいて異常判定パラメータの判定領域を
可変に設定すれば、より高精度な異常判定が可能とな
る。この場合、正常域としての領域を狭めることがで
き、一段と正確な異常判定が可能となる。

【００２１】請求項１０に記載の発明では、前記酸素セ
ンサの内部抵抗若しくは温度に応じて、当該センサに付
設されたヒータを制御するヒータ制御手段を備える。す
なわち、本発明の酸素センサにおいては、前述の如く酸
素センサの温度上昇に伴い内部抵抗が低下するという関
係があり、これに伴い酸素センサの周波数特性も変化す
る。従って、内部抵抗若しくはセンサ温度を一定に制御
すれば、酸素センサの周波数特性の変化を抑えることが
でき、より一層高精度な異常判定が可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、この発明を自動車用内燃機
関（エンジン）の空燃比検出装置にて具体化した第１の
実施の形態を図面に従って説明する。

【００２３】図１は、本実施の形態における空燃比検出
装置の概要を示す電気回路図である。図１において、電
子制御装置（以下、ＥＣＵという）１は、ＣＰＵ（中央
処理装置）２ａ，ＲＯＭ（リードオンリメモリ）２ｂ，
ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２ｃを備えたマイク
ロコンピュータ２を中心に構成されている。このマイク
ロコンピュータ２は、後述する限界電流方式の酸素セン
サ５の電流検出値を入力し、所定の演算プログラムに従
い空燃比を求めて出力する。また、マイクロコンピュー
タ２にはエンジン制御用ＥＣＵ２１が接続されており、
前記マイクロコンピュータで求められた空燃比はエンジ
ン制御用ＥＣＵ２１に出力される。エンジン制御用ＥＣ
Ｕ２１は、上記空燃比やその他内燃機関情報、車両運転
情報に基づいて空燃比フィードバック制御を実施する。

【００２４】一方、マイクロコンピュータ２は、酸素セ
ンサ５の異常を判定し、その異常判定信号をエンジン制
御用ＥＣＵ２１に出力する。エンジン制御用ＥＣＵ２１
は異常判定信号に従い警告灯２２を点灯表示させて、酸
素センサ５の異常の旨をドライバ等に告知する。

【００２５】酸素センサ５は図示しないエンジンの排気
管に設けられており、検出素子部６とヒータ７とを有し
ている。検出素子部６は、空燃比リーン領域における酸
素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における未燃ガス
（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生
し、ヒータ７は検出素子部６を活性温度（例えば、約６
５０℃以上）に加熱する。この場合、ＥＣＵ１に設けら
れたヒータ通電制御回路３がヒータ７への通電電流を制
御し、これにより検出素子部６の温度が活性温度範囲に
保持される。具体的には、ヒータ通電制御回路３はスイ
ッチング素子としてのトランジスタ３ａを有し、同トラ
ンジスタ３ａのコレクタにヒータ７の一端が接続されて
いる。トランジスタ３ａは、マイクロコンピュータ２か
らの通電信号に伴いオン・オフ動作し、ヒータ７の通電
をデューティ制御させる。また、ヒータ７の他端にはバ
ッテリ電源＋Ｂが接続されている。

【００２６】マイクロコンピュータ２と検出素子部６と
の間には、電圧印加部８及び電流測定部１２が接続され
ている。そして、マイクロコンピュータ２にて制御され
る限界電流検出用の印加電圧は、電圧印加部８のＤ／Ａ
変換器９、オペアンプ１０及び抵抗１１を介して検出素
子部６に印加される。また、検出素子部６にて発生する
限界電流の測定値は、電流測定部１２の抵抗１１、オペ
アンプ１３及びＡ／Ｄ変換器１４を介してマイクロコン
ピュータ２に入力される。

【００２７】図２は、酸素センサ５の構造を概略的に示
す断面図である。検出素子部６において、断面カップ状
に形成された固体電解質層１６の外表面には、排気ガス
側電極層１８が固着され、内表面には大気側電極層１９
が固着されている。また、排気ガス側電極層１８の外側
には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１７が形成さ
れている。固体電解質層１６は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、
ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、
Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導
性酸化物焼結体からなり、拡散抵抗層１７は、アルミ
ナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐
熱性無機物質からなる。排気ガス側電極層１８及び大気
側電極層１９は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属か
らなり、多孔質の化学メッキとして固体電解質層１６の
両表面に形成されている。なお、排気ガス側電極層１８
の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2（平方ミリメー
トル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一
方、大気側電極層１９の面積及び厚さは、１０ｍｍ^2
（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度
となっている。

【００２８】ヒータ７は大気側電極層１９内に収容され
ており、その発熱エネルギーにより大気側電極層１９、
固体電極質層１６、排気ガス側電極層１８及び拡散抵抗
層１７を加熱する。ヒータ７は、検出素子部６を活性化
するに十分な発熱容量を有している。

【００２９】そして、上記構成の酸素センサ５におい
て、検出素子部６は理論空燃比点よりリーン側の領域で
は酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸
素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層１８の
面積、拡散抵抗層１７の厚さ、気孔率及び平均孔径によ
り決定される。また、理論空燃比よりもリッチ側の領域
では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）の濃度が空燃
比に対してほぼリニアに変化し、検出素子部６はＣＯ濃
度に応じた限界電流を発生する。

【００３０】ここで、酸素センサ５の電圧−電流特性に
ついて図３を用いて説明する。つまり、図３に示すよう
に特性線Ｌ１は、検出素子部６の固体電解質層１６に印
加される電圧が変化しても同固体電解質層１６に流れる
電流の変化が微小な部分（図のＶ軸に平行な直線部
分）、いわゆる”限界電流発生域”を有している（な
お、この領域を過電圧支配領域とも言う）。そして、こ
の直線部分の限界電流発生域にて限界電流が特定される
ようになっている。酸素センサ５の限界電流値は空燃比
に比例し、空燃比がリーン側になるほど増大し、逆に空
燃比がリッチ側になるほど減少する。

【００３１】また、この電圧−電流特性において限界電
流発生域よりも小さい電圧域は、抵抗支配域となってお
り、その抵抗支配域における特性線Ｌ１の傾きは、検出
素子部６における固体電解質層１６の内部抵抗Ｒｉによ
り特定される。ここで、固体電解質層１６の内部抵抗Ｒ
ｉは温度変化に伴い変化するため（図１２参照）、検出
素子部６の温度が低下すると抵抗の増大により上記傾き
が小さくなる。この場合、温度が低下すると、電圧−電
流特性は図３に破線で示す特性線Ｌ２で特定される。特
性線Ｌ２による限界電流は特性線Ｌ１による限界電流と
ほぼ一致する。

【００３２】次に、上記の如く構成される空燃比検出装
置の作用を説明する。図４のフローチャートは、マイク
ロコンピュータ２内のＣＰＵ２ａにより実行されるメイ
ンルーチンを示しており、ＣＰＵ２ａは数ｍｓ間隔でこ
のルーチンを繰り返し実行する。

【００３３】さて、図４のルーチンがスタートすると、
ＣＰＵ２ａは、先ずステップ１１０で空燃比検出ルーチ
ン（Ａ／Ｆ検出ルーチン）を実行する。通常は、この空
燃比検出ルーチンのみが数ｍｓ間隔で繰り返し実行さ
れ、後述するステップ１２０，１４０，１６０のいずれ
かの条件が成立した場合には、ステップ１３０の内部抵
抗検出ルーチン（Ｒｉ検出ルーチン）、ステップ１５０
のヒータ制御ルーチン、又はステップ１７０のセンサ異
常判定ルーチンのいずれかが実行されるようになってい
る。

【００３４】以下に、図５〜図８のフローチャートを用
いて各処理の内容を詳述する。ここで、図５は図４のス
テップ１１０に相当する空燃比検出ルーチンを、図６は
図４のステップ１３０に相当する内部抵抗検出ルーチン
を、図７は図４のステップ１５０に相当するヒータ制御
ルーチンを、図８は図４のステップ１７０に相当するセ
ンサ異常判定ルーチンを、それぞれ示す。

【００３５】図５の空燃比検出ルーチンにおいて、ＣＰ
Ｕ２ａは、先ずステップ１１１で酸素センサ５の検出素
子部６に正の電圧Ｖｐを印加する。このとき、電圧Ｖｐ
の値は、空燃比（限界電流値Ｉｐ）の検出範囲の全域が
検出可能な値とするのが望ましく、例えば内部抵抗Ｒｉ
＝３０Ωで、且つ空燃比＝１２〜１８が空燃比の検出範
囲とすると、０．３〜０．５〔ボルト〕程度でＶｐ値を
設定すればよい。

【００３６】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１１２で
電圧Ｖｐを印加した時に検出素子部６に流れる電流値、
すなわち限界電流値Ｉｐを検出する。さらに、ＣＰＵ２
ａは、ステップ１１３で図９に示す限界電流値−空燃比
マップを用いてその時の限界電流値Ｉｐを空燃比（Ａ／
Ｆ）に変換する。また、ＣＰＵ２ａは、続くステップ１
１４で上記の如く得られた空燃比をエンジン制御用ＥＣ
Ｕ２１に出力した後、本ルーチンを終了する。

【００３７】一方、空燃比の検出後において、ＣＰＵ２
ａは、図４のステップ１２０に進み、酸素センサ５の内
部抵抗Ｒｉを検出するか否かを条件判別する。このと
き、内部抵抗Ｒｉの検出条件としては排気ガスの温度変
化に従うのがよく、具体的には、機関回転数、吸気管圧
力、吸入空気量、排気ガス量等が急変した際に内部抵抗
Ｒｉの検出が要ると判定する。なお、この判定条件を単
一時間周期を判定するといった条件に変更し、一定周期
で（例えば１秒毎に）内部抵抗Ｒｉを検出するようにし
てもよい。この場合、エンジン制御用ＥＣＵ２１を介し
てマイクロコンピュータ２へ内燃機関情報（機関回転
数、吸気管圧力、吸入空気量、排気ガス量等）を入力す
る必要はない。

【００３８】そして、上記ステップ１２０が肯定判別さ
れれば、ＣＰＵ２ａはステップ１３０に進み、図６の内
部抵抗検出ルーチンを実行する。すなわち、図６におい
て、ＣＰＵ２ａは、ステップ１３１で酸素センサ５の検
出素子部６に負の電圧Ｖｎを印加する。ここで、電圧Ｖ
ｎの値は、図３に示すように限界電流発生域にかからな
い抵抗支配域の電圧であり、具体的には−０．３〜−１
〔ボルト〕程度のＶｎ値を設定すればよい。

【００３９】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１３２で
時間ｔ１だけ待機する。つまり、酸素センサ５の印加電
圧を正の電圧Ｖｐから負の電圧Ｖｎに切り換えると、図
１０に示す如く電圧切り換え直後に急峻な電流変化（ピ
ーク電流）が発生し、その後、静特性上の電流値Ｉｎに
収束する（以下、「Ｉｎ」を収束電流値という）。そこ
で、電圧切り換え後、電流が完全に収束するのに必要な
時間ｔ１（数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）だけその状態を
保持し、時間ｔ１経過後に、ＣＰＵ２ａは、ステップ１
３３で収束電流値Ｉｎを検出すると共に、当該電流値Ｉ
ｎをＲＡＭ２ｃに記憶させる。

【００４０】さらに、ＣＰＵ２ａは、ステップ１３４で
検出素子部６の印加電圧を負の電圧Ｖｎから元の正の電
圧Ｖｐに戻すと共に、ステップ１３５で時間ｔ２だけ待
機する。この時間ｔ２も、図１０に示すように電圧切り
換え時におけるピーク電流を完全に収束させるための待
機時間（数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）であり、電圧切り
換え後にはこの時間ｔ２だけその状態が保持される。

【００４１】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１３６で
ステップ１３１の負の電圧Ｖｎとステップ１３３で検出
した収束電流値Ｉｎ（負の電流値）とからその時の検出
素子部６（固体電解質層１６）の内部抵抗Ｒｉを算出す
る（Ｒｉ＝Ｖｎ／Ｉｎ）。かかる図６では、上記の如く
時間ｔ１，ｔ２だけ待機した後に電流値（Ｉｎ、又は図
５のＩｐ）が検出されることにより、精度の高い検出結
果が得られることとなる。

【００４２】ここで、上記図６の処理（内部抵抗検出処
理）を図１０のタイムチャートを用いてより具体的に説
明する。つまり図１０では、Ｔ１のタイミングで印加電
圧が「Ｖｐ」から「Ｖｎ」に切り換えられ、時間ｔ１
（数１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）が経過したＴ２のタイミ
ングで収束電流値Ｉｎが検出されると共に、印加電圧が
元の電圧Ｖｐに戻される。さらにその後、時間ｔ２（数
１０ｍｓ〜数１００ｍｓ）が経過したＴ３のタイミング
で内部抵抗Ｒｉが算出される。

【００４３】なおここで、検出素子部６の内部抵抗を検
出する他の手法として、 ・酸素センサ５に交流電圧を印加した際のセンサ印加電
圧とセンサ電流とから求める方法、 ・酸素センサ５の印加電圧を瞬断した際のセンサ電圧変
化とセンサ電流変化とから求める方法、 ・前記の時間ｔ２を数ｍｓ程度に短縮し、収束前の電流
値から収束電流値Ｉｎを推定して求める方法、等を用い
る構成としてもよい。

【００４４】また、前記図４のステップ１４０におい
て、ＣＰＵ２ａはヒータ７の通電制御を行うか否かを条
件判別する。このとき、ヒータ制御の実行条件は、前記
ステップ１２０と同様に、機関回転数、吸気管圧力、吸
入空気量、排気ガス量等が急変した際に成立する。な
お、前回のヒータ制御から所定時間が経過したか否かに
応じてヒータ制御の要否を判定してもよく、この場合、
ヒータ制御は一定周期で（例えば１秒毎に）実行され
る。

【００４５】そして、上記ステップ１４０が肯定判別さ
れれば、ＣＰＵ２ａはステップ１５０に進み、ヒータ制
御手段に相当するヒータ制御ルーチンを実行する。ここ
で、同ヒータ制御では、酸素センサ５を活性状態に保持
できることができるようヒータ７を予め設定した固定デ
ューティでその通電を制御したり、又はヒータ７への供
給電力を一定制御したりしてもよいし、或いは機関運転
状態に応じてヒータ７への供給電力を可変制御するよう
にしてもよい。可変制御時の目標電力は、例えば排気温
及び水温に応じて予め設定されたマップ値を用いればよ
い。

【００４６】因みに本実施の形態では、図７に示すヒー
タ制御ルーチンに従って、ＰＷＭ（パルス幅変調）によ
るデューティ比制御によりヒータ７の通電が制御される
ようになっており、その制御デューティＤｕｔｙは以下
の（１），（２），（３）式により算出される。

【００４７】 ＧＰ＝ＫＰ・（Ｒｉ−ＲｉＴ） ・・・（１） ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（Ｒｉ−ＲｉＴ） ・・・（２） Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ ・・・（３） 但し、上記各式において、「ＧＰ」は比例項、「ＧＩ」
は積分項、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定数、
「ＲｉＴ」は目標抵抗値を表している。

【００４８】つまり、図７において、ＣＰＵ２ａは、ス
テップ１５１で上記（１）式を用いて内部抵抗Ｒｉの偏
差に応じた比例項ＧＰを算出し、続くステップ１５２で
上記（２）式を用いて内部抵抗Ｒｉの偏差に応じた積分
項ＧＩを算出する。そして、ＣＰＵ２ａは、ステップ１
５３で上記（３）式を用いてヒータ７の制御デューティ
Ｄｕｔｙを算出し、その後本ルーチンを終了する。こう
してヒータ７は、上記制御デューティＤｕｔｙに基づ
き、図１のヒータ通電制御回路３により通電制御され
る。なお、本実施の形態では、いわゆるＰＩ制御を行っ
ているが、ＰＩＤ制御、Ｐ制御のみ若しくはＩ制御のみ
を行うように変更することも可能である。

【００４９】さらに、前記図４のステップ１６０におい
て、ＣＰＵ２ａは酸素センサ５の異常判定を行うか否か
を条件判別する。このとき、異常判定の実行条件とし
て、車両の走行距離等の運転情報により異常判定の要否
を判断してもよいし、或いは前回の異常判定から所定時
間が経過したか否かに応じて異常判定の要否を判断して
もよい。

【００５０】そして、上記ステップ１６０が肯定判別さ
れた場合には、ＣＰＵ２ａはステップ１７０に進み、図
８のセンサ異常判定ルーチンを実行する。図８において
ＣＰＵ２ａは、先ずステップ１７１でカウンタを「０」
にクリアし、続くステップ１７２で酸素センサ５の検出
素子部６にステップ電圧Ｖｓｔｅｐを印加する。すなわ
ち、印加電圧を酸素濃度検出用の電圧Ｖｐから異常検出
用の電圧Ｖｓｔｅｐに切り換える。この電圧Ｖｓｔｅｐ
の値は、印加電圧の切り換え後も限界電流発生域にかか
る電圧であり、具体的にはＶｐ±０．２〔ボルト〕程度
が望ましい（正負はどちらでもよい）。また、このステ
ップ電圧Ｖｓｔｅｐは、後のステップ１７３〜１７６で
センサ電流をサンプリングする周期に基づき、ナイキス
ト周波数の１／２以上の成分が十分にカットされている
ステップ電圧である。

【００５１】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７３で
センサ電流Ｉｓｔｅｐを検出し、続くステップ１７４で
時間ｔｓだけ待機する。かかる場合、時間ｔｓは、前記
図６のステップ１３２における時間ｔ１（電圧切り換え
時のピーク電流の収束時間）よりも十分に短い時間であ
って（ｔｓ≪ｔ１）、具体的には数１０μｓ未満の時間
でよい。そして、ＣＰＵ２ａは、時間ｔｓだけその状態
を保持した後にステップ１７５に進み、カウンタに
「１」を加算すると共に当該電流値ＩｓｔｅｐをＲＡＭ
２ｃに記憶させる。

【００５２】さらに、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７６で
カウンタの値が予め設定しておいたデータ数Ｎ以上にな
ったか否かを判別する。ここで、データ数Ｎは、後のス
テップ１７７で周波数分析を行い易くするために「２」
のべき乗（６４，１２８，２５６，５１２，１０２４
等）にするのが望ましい。このとき、ステップ１７６が
否定判別されれば、ＣＰＵ２ａはステップ１７３〜１７
６の処理を繰り返し実行する。

【００５３】そして、上記ステップ１７６が肯定判別さ
れれば、ＣＰＵ２ａはステップ１７７に進み、周波数分
析を実施する。周波数分析は、良く知られているＦＦＴ
等により、印加電圧に対するセンサ電流変化のゲイン及
び位相の周波数依存性を求める。具体的には、印加電圧
とセンサ電流とをそれぞれ周波数分析し、それらの比か
ら図１３のボード線図に示すような酸素センサ５の周波
数特性を求める。この際、周波数分析に用いる印加電圧
は、実際の電圧をその都度測定してもよいよいし、予め
ＲＯＭ２ｂ内に設定しておいた設計中央値としてもよ
い。こうして求められた酸素センサ５の周波数特性にお
いて、印加電圧に対するセンサ電流のゲインは、図１３
（ａ）に示すように印加電圧の周波数の上昇に伴って上
昇し、ある周波数の変局点以上で一定になる。この変局
点をカットオフ周波数ｆｃと呼ぶ。ＣＰＵ２ａは、ステ
ップ１７８で上記図１３のボード線図を用いてセンサ周
波数特性のカットオフ周波数ｆｃを検出する。

【００５４】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７９で
センサ周波数特性のカットオフ周波数ｆｃが正常域にあ
るか否かを判別するための判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを
設定する。ここで、判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘは予め設
定しておいた固定値としてもよいし、可変設定するよう
にしてもよい。本実施の形態では、判定値ｆｍｉｎ，ｆ
ｍａｘを可変に設定することとし、その値は予めＲＯＭ
２ｂ内に設定しておいたマップにより算出される。この
場合、センサ周波数特性のカットオフ周波数ｆｃは、図
１４に示すようにセンサ温度に応じて多少変動し、この
センサ温度は図１２に示すように酸素センサ５の内部抵
抗Ｒｉに対して固有な関係を有する。従って、内部抵抗
Ｒｉが大きくなると、判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを減少
側にシフトさせ、内部抵抗Ｒｉが小さくなると、判定値
ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを増加側にシフトさせる。こうして
内部抵抗Ｒｉに応じた判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを用い
ることで、より狭い範囲に判定値を設定することが可能
となり、正確な異常判定が可能となる。

【００５５】なお、判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを固定値
とする場合、当該判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘによる正常
域は１Ｈｚ〜１ｋＨｚとするのがよく、望ましくは数１
０Ｈｚ〜数１００Ｈｚ程度とするとよい。

【００５６】さらにＣＰＵ２ａは、ステップ１８０でセ
ンサ周波数特性のカットオフ周波数ｆｃを前記ステップ
１７９で設定した判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘと比較す
る。そして、ｆｍｉｎ≦ｆｃ≦ｆｍａｘであれば、ＣＰ
Ｕ２ａはセンサ正常であるとみなしてステップ１８０を
肯定判別し、本ルーチンを終了する。

【００５７】一方、ｆｃ＜ｆｍｉｎ又はｆｃ＞ｆｍａｘ
であれば、ＣＰＵ２ａはセンサ異常であるとみなしてス
テップ１８０を否定判別し、ステップ１８１に進む。Ｃ
ＰＵ２ａは、ステップ１８１で異常判定信号をエンジン
制御ＥＣＵ２１に出力した後、本ルーチンを終了する。
かかる場合、エンジン制御ＥＣＵ２１は警告灯２２を点
灯表示させると共に、空燃比フィードバック制御を中断
する。

【００５８】なお、本実施の形態では、上記図８のステ
ップ１７２の処理が請求項記載の電圧切換手段に相当
し、ステップ１７３〜１７８の処理が周波数解析手段に
相当する。また、カットオフ周波数ｆｃが異常判定パラ
メータに相当し、ステップ１８０の処理が異常判定手段
に相当する。さらに、ステップ１７９の処理が領域設定
手段に相当する。

【００５９】ここで、上記図８の処理を図１１のタイム
チャートを用いてより具体的に説明する。図１１におい
て、先ずＴ１１のタイミングでは、印加電圧が酸素濃度
検出用の電圧Ｖｐから異常検出用の電圧Ｖｓｔｅｐに切
り換えられる。図のΔＶｓｔｅｐは電圧変化量を示す。
そして、時間ｔｓ周期（数１０μｓ程度の周期）でＮ
回、センサ電流Ｉｓｔｅｐがサンプリングされる。この
とき、センサ電流Ｉｓｔｅｐは、一旦ピーク値に達した
後、徐々に減少することになる。

【００６０】その後、Ｔ１２のタイミングでは、印加電
圧及びセンサ電流がそれぞれ周波数分析され、それらの
比をパラメータとして周波数伝達関数が演算されると、
図１３のボード線図に示すセンサ周波数特性が得られ
る。また、このＴ１２のタイミングでは、上記図１３の
ボード線図に基づいてカットオフ周波数ｆｃが算出され
ると共に、判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘが設定され、カッ
トオフ周波数ｆｃが判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘにより区
画される正常な周波数域にあるか否かが判別される。こ
のとき、ｆｍｉｎ≦ｆｃ≦ｆｍａｘであれば正常判定さ
れ、ｆｃ＜ｆｍｉｎ又はｆｃ＞ｆｍａｘであれば、異常
判定される。

【００６１】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。 （ａ）本実施の形態では、印加電圧の切り換えに伴う酸
素センサ５の電流変化を検出すると共に、印加電圧の切
り換えに伴う電流変化の周波数特性を異常判定パラメー
タとして、そのパラメータに基づいて酸素センサの異常
を判定するようにした。この場合、従来装置のようにセ
ンサ活性化状態での内部抵抗値とセンサ温度との両方を
要件にして異常検出処理を実施する必要はない。従っ
て、外気温や排気温等の影響を受けずに異常診断が精度
良く検出できる。その結果、新規な方法で且つ精度良く
酸素センサ５の異常判定を行うことができることにな
る。

【００６２】（ｂ）また特に、印加電圧の切り換えに伴
う電流変化の周波数特性を解析し、周波数応答のゲイン
特性の変局点であるカットオフ周波数ｆｃを異常判定パ
ラメータとして、そのパラメータが所定の正常域になけ
ればセンサ異常の旨を判定するようにした。この場合、
図１３に示すボード線図のゲイン特性によれば、容易且
つ正確に周波数特性に基づく異常検出が実施できる。つ
まり、酸素センサ５の電圧変化に伴う電流変化の周波数
特性がセンサ異常状態に対応するため、当該酸素センサ
５の異常が精度良く検出できるようになる。

【００６３】（ｃ）また、本実施の形態の異常判定処理
によれば、エンジン過渡状態での異常判定が実施できる
他、外気温の影響による検出誤差も少なくなるため、異
常検出の頻度を高めることができると共に、必要時に適
宜当該処理を実施することが可能となる。

【００６４】（ｄ）酸素センサ５の内部抵抗Ｒｉを検出
し、該検出した内部抵抗Ｒｉに基づいて異常判定パラメ
ータ（本実施の形態では、カットオフ周波数ｆｃ）を比
較判定するための判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘ（正常領
域）を可変に設定するようにした。従って、判定値ｆｍ
ｉｎ，ｆｍａｘにて区画される正常領域を狭めることが
でき、一段と正確な異常検出が可能となる。

【００６５】（ｅ）また、本実施の形態では、酸素セン
サ５の内部抵抗Ｒｉに応じて、当該センサ５に付設され
たヒータ７をフィードバック制御するようにした。この
場合、内部抵抗Ｒｉに伴い酸素センサ５の周波数特性も
変化するため、内部抵抗Ｒｉを一定に制御すれば、酸素
センサ５の周波数特性の変化を抑えることができ、より
一層高精度な異常検出が可能となる。

【００６６】（ｆ）なお、上記構成において、内部抵抗
Ｒｉの検出処理やそれに伴う判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘ
の可変設定処理は必須要件ではなく、これらの処理を省
略すれば、ソフトウェア上の構成の簡素化が実現できる
ようになる。

【００６７】次に、本発明の第２〜第６の実施の形態を
説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、
上述した第１の実施の形態と同等であるものについては
その説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の
形態との相違点を中心に説明する。

【００６８】（第２の実施の形態）以下に、本発明にお
ける第２の実施の形態について、図１７〜図２１を用い
て説明する。

【００６９】上記第１の実施の形態では、酸素センサ５
の内部抵抗Ｒｉに応じてヒータ７の通電をフィードバッ
ク制御していたが、本実施の形態では、その構成を以下
のように変更する。つまり、上述したように酸素センサ
５の温度と内部抵抗値とは図１２に示すように密接な関
係にある。従って、本実施の形態では、酸素センサ５の
内部抵抗Ｒｉに代えて当該センサ５の温度（センサ温度
Ｔｅｍｐ）を用いて前記ヒータ７の通電をフィードバッ
ク制御する。また、上記実施の形態では、酸素センサ５
の内部抵抗Ｒｉに応じて異常判定時の前記判定値ｆｍｉ
ｎ，ｆｍａｘを可変に設定していたのに対し、本実施の
形態では、センサ温度Ｔｅｍｐに応じて前記判定値ｆｍ
ｉｎ，ｆｍａｘを可変に設定することとしている。

【００７０】図１７は、本実施の形態における空燃比検
出装置の概要を示す回路図である。この図１７は、上記
第１の実施の形態における図１の一部を変更したもので
あり、同図では、酸素センサ５の検出素子部６の温度
（センサ温度Ｔｅｍｐ）を検出するための温度検出手段
３１と、温度検出手段３１の検出信号を取り込むと共に
その検出信号をマイクロコンピュータ２に出力する信号
処理部３２とが追加されている。本実施の形態では、温
度検出手段３１として熱電対を用いており、この熱電対
による熱起電力は、信号処理部３２内のアンプ３３にて
増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３４を介してマイクロコン
ピュータ２に出力される。なお、上述したように、温度
検出手段３１として熱電対を用いることは構成を簡略化
する上で好ましいが、放射温度計等他の検出装置に変更
することも可能である。図１７の他の構成は、既述の図
１と同一であるためここではその説明を省略する。

【００７１】図１８は、本実施の形態における酸素セン
サ５の構造を示す図であり、上記第１の実施の形態にお
ける図２の一部を変更したものである。つまり、同図の
酸素センサ５では、既述の図２との相違点として、検出
素子部６の温度を検出するための熱電対（温度検出手
段）３１が追加されている。

【００７２】次に、上記の如く構成される空燃比検出装
置の作用を説明する。図１９は、本実施の形態における
メインルーチンを示すフローチャートである。このフロ
ーチャートは、上記第１の実施の形態における図４の一
部を変更したものであり、前記図４のステップ１２０、
ステップ１３０及びステップ１５０が、図１９のステッ
プ１２０ａ、ステップ１３０ａ及びステップ１５０ａに
それぞれ変更されている。つまり、図１９において、Ｃ
ＰＵ２ａは、ステップ１２０ａでセンサ温度の検出条件
が成立しているか否かを判別し、その条件成立下にてス
テップ１３０ａに進む。センサ温度の検出条件として
は、排気ガスの温度変化に従うのがよく、具体的には、
機関回転数、吸気管圧力、吸入空気量、排気ガス量等が
急変した際にセンサ温度Ｔｅｍｐの検出が要ると判定す
る。なお、この判定を単一時間毎に実施し、一定周期で
（例えば１秒毎に）センサ温度Ｔｅｍｐを検出するよう
にしてもよい。

【００７３】そして、ステップ１３０ａでは、ＣＰＵ２
ａは図２０に示すセンサ温度検出ルーチンを実行する。
図２０において、ＣＰＵ２ａは、ステップ１３１ａで温
度検出手段の出力（熱電対３１の起電力）を検出する。
その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１３２ａで温度検出手
段（熱電対３１）の出力電圧に応じてマップ値からセン
サ温度Ｔｅｍｐを算出すると共に、当該センサ温度Ｔｅ
ｍｐをＲＡＭ２ｃに記憶して本ルーチンを終了する。

【００７４】また、前記図１９のステップ１４０の条件
成立下において、ＣＰＵ２ａは、ステップ１５０ａに進
む。そして、ステップ１５０ａでは、ＣＰＵ２ａは図２
１に示すヒータ制御ルーチンを実行する。なお、本実施
の形態では、図２１のルーチンがヒータ制御手段に相当
する。このヒータ制御では、上記第１の実施の形態でも
述べたように、酸素センサ５を活性状態に保持できるよ
うヒータ７の通電が制御され、具体的には ・ヒータ７を予め設定した固定デューティで通電制御す
る、 ・ヒータ７を一定電力で制御する、 ・エンジンの運転状態に応じてヒータ７を可変電力制御
する、 といった制御手法が実施される。因みに本実施の形態で
は、図２１に示すヒータ制御ルーチンにおいて、ヒータ
７の制御デューティＤｕｔｙが可変に設定され、同デュ
ーティＤｕｔｙは以下の（４），（５），（６）式によ
り算出されるようになっている。

【００７５】 ＧＰ＝ＫＰ・（ＴｅｍｐＴ−Ｔｅｍｐ） ・・・（４） ＧＩ＝ＧＩi-1 ＋ＫＩ・（ＴｅｍｐＴ−Ｔｅｍｐ） ・・・（５） Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ ・・・（６） 但し、上記各式において、「ＧＰ」は比例項、「ＧＩ」
は積分項、「ＫＰ」は比例定数、「ＫＩ」は積分定数、
「ＴｅｍｐＴ」は目標センサ温度を表している。

【００７６】つまり、図２１において、ＣＰＵ２ａは、
ステップ１５１ａで上記（４）式を用いて酸素センサ５
の温度Ｔｅｍｐの偏差に応じた比例項ＧＰを算出し、続
くステップ１５２ａで上記（５）式を用いて酸素センサ
５の温度Ｔｅｍｐの偏差に応じた積分項ＧＩを算出す
る。そして、ＣＰＵ２ａは、ステップ１５３ａで上記
（６）式を用いてヒータ７の制御ディーティＤｕｔｙを
算出し、その後本ルーチンを終了する。ヒータ７は、上
記制御デューティＤｕｔｙに基づき、図１７のヒータ通
電制御回路３により通電制御される。なお、本実施の形
態では、いわゆるＰＩ制御を行っているが、ＰＩＤ制
御、Ｐ制御のみ若しくはＩ制御のみを行うように変更す
ることも可能である。

【００７７】その後、前記図１９のステップ１６０の条
件成立下において、ＣＰＵ２ａはステップ１７０のセン
サ異常判定ルーチンを実行する。このセンサ異常判定ル
ーチンでは、概ね前記第１の実施の形態における図８の
フローチャートに準じて各ステップの処理が実施される
が、同図８のステップ１７９の内容だけが変更される
（図示略）。つまり、本実施の形態の異常判定処理にお
いても、センサ電流変化の周波数解析結果に基づいてカ
ットオフ周波数ｆｃを検出し、そのカットオフ周波数ｆ
ｃが判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘにより区画される正常な
周波数域にあるか否かにより異常判定を実施する。かか
る場合、既述した図８では、ステップ１７９で酸素セン
サ５の内部抵抗Ｒｉに応じて判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘ
を可変に設定する旨を記載したが、本実施の形態ではこ
の判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘをセンサ温度Ｔｅｍｐに応
じて可変に設定する。なお、判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘ
の設定に際しては、予め設定しておいたＲＯＭ２ｂ内の
マップを用いて各判定値がその都度設定されるが、目標
センサ温度に対応したｆｍｉｎ，ｆｍａｘを固定値とし
て設定するようにしてもよい。

【００７８】以上詳述した本第２の実施の形態によれ
ば、上記第１の実施の形態と同様に、新規な方法で且つ
精度良く酸素センサ５の異常判定を行うことができると
いった本発明の目的が達せられる。また、本実施の形態
では、上記の構成に基づき以下の効果が併せて実現でき
る。

【００７９】（ａ）酸素センサ５の温度Ｔｅｍｐを検出
し、該検出したセンサ温度Ｔｅｍｐに基づいて異常判定
パラメータを比較判定するための判定値ｆｍｉｎ，ｆｍ
ａｘ（正常領域）を可変に設定するようにした。従っ
て、上記第１の実施の形態と同様に、判定値ｆｍｉｎ，
ｆｍａｘにて区画される正常領域を狭めることができ、
一段と正確な異常検出が可能となる。

【００８０】（ｂ）また、本実施の形態では、センサ温
度Ｔｅｍｐに応じて、当該センサ５に付設されたヒータ
７をフィードバック制御するようにした。この場合、セ
ンサ温度Ｔｅｍｐに伴い酸素センサ５の周波数特性も変
化するため、センサ温度Ｔｅｍｐを一定に制御すれば、
上記第１の実施の形態と同様に、酸素センサ５の周波数
特性の変化を抑えることができ、より一層高精度な異常
検出が可能となる。

【００８１】（ｃ）なお、上記構成において、センサ温
度Ｔｅｍｐの検出処理やそれに伴う判定値ｆｍｉｎ，ｆ
ｍａｘの可変設定処理は必須要件ではなく、これらの処
理を省略すれば、ソフトウェア上の構成の簡素化が実現
できるようになる。

【００８２】（第３の実施の形態）次に、本発明におけ
る第３の実施の形態について説明する。上記各実施の形
態では、酸素センサ５の印加電圧変化に対するセンサ電
流変化の周波数特性を求め、図１３（ａ）に示すゲイン
特性の変局点、すなわちカットオフ周波数ｆｃを異常判
定パラメータとしてそのパラメータにより酸素センサ５
の異常を判定していた。これに対して、酸素センサ５の
印加電圧変化に対するセンサ電流変化の周波数特性に
は、図１３（ａ），（ｂ）に示すようにゲイン特性と位
相特性との間に密接な関係があり、酸素センサ５の周波
数特性の位相特性から酸素センサ５の異常を検出するこ
とが可能である。

【００８３】つまり、図１３（ｂ）に示すように、酸素
センサ５の位相特性を見ると、低周波域では約６０度
（ｄｅｇ）以上位相が進んでいるが、カットオフ周波数
ｆｃの近傍では約４５度の位相進みになり、高周波域で
は位相進みはほぼ０度になる。この場合、酸素センサ５
が正常であれば、位相進みが約４５度となる周波数ｆθ
が所定の正常域（図１３のｆｍｉｎとｆｍａｘとの間）
に保持されるのに対し、酸素センサ５が異常になると周
波数ｆθが正常域から外れることになる。従って、位相
進みが約４５度になる周波数ｆθを異常判定パラメータ
として求めれば、この周波数ｆθにより異常判定を実施
することが可能になる。

【００８４】図２２は、本実施の形態におけるセンサ異
常判定ルーチンを示すフローチャートである。さて、図
２２において、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７１〜１７７
で前述した第１の実施の形態（図８）と同様に、異常検
出用電圧の印加時（Ｖｓｔｅｐへの電圧切り換え時）に
酸素センサ５に流れるセンサ電流Ｉｓｔｅｐの変化を求
めると共に、その電流変化を周波数分析してその時のセ
ンサ状態に応じた周波数特性を得る。

【００８５】そして、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７８ａ
で図１３（ｂ）に示す周波数特性の位相特性において位
相進みが所定角度「θｃ」となる周波数ｆθを検出す
る。ここで、位相進み角度θｃは、４０度〜５０度程度
に設定すればよいが、前述のように約４５度にするとカ
ットオフ周波数ｆｃとの相関が良いことが本発明者によ
り確認されている。

【００８６】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７９で
異常判定パラメータとしての周波数ｆθによる異常判定
を行うための判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを設定する。こ
の場合、上記第１の実施の形態で説明したように、内部
抵抗Ｒｉに応じて判定値ｆｍｉｎ，ｆｍａｘを可変に設
定してもよいし、上記第２の実施の形態で説明したよう
に、センサ温度Ｔｅｍｐに応じて判定値ｆｍｉｎ，ｆｍ
ａｘを可変に設定するようにしてもよい。また、同判定
値を固定値としてＲＯＭ２ｂ内に予め設定しておいても
よい。

【００８７】次いで、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８０ａ
で前記ステップ１７８ａで検出した周波数ｆθが判定値
ｆｍｉｎ，ｆｍａｘで区画される正常域にあるか否か、
すなわちｆｍｉｎ≦ｆθ≦ｆｍａｘであるか否かを判別
する。この場合、ｆｍｉｎ≦ｆθ≦ｆｍａｘであれば、
ＣＰＵ２ａはセンサ正常であるとみなしてステップ１８
０を肯定判別し、本ルーチンを終了する。

【００８８】一方、ｆθ＜ｆｍｉｎ又はｆθ＞ｆｍａｘ
であれば、ＣＰＵ２ａはセンサ異常であるとみなしてス
テップ１８０を否定判別し、ステップ１８１へ進む。そ
して、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８１で異常判定信号を
エンジン制御ＥＣＵ２１に出力した後、本ルーチンを終
了する（前記図８と同様）。

【００８９】以上詳述した本第３の実施の形態によれ
ば、上記各実施の形態と同様に、新規な方法で且つ精度
良く酸素センサ５の異常判定を行うことができるといっ
た本発明の目的が達せられる。また、本実施の形態では
特に、印加電圧の切り換えに伴う電流変化の周波数特性
を解析し、周波数応答の位相特性において位相進み角度
が所定角度（４５度）となる周波数ｆθを異常判定パラ
メータとして、そのパラメータが所定の正常域になけれ
ばセンサ異常の旨を判定するようにした。この場合、図
１３に示すボード線図の位相特性によれば、容易且つ正
確に周波数特性に基づく異常検出が実施できる。つま
り、酸素センサの電圧変化に伴う電流変化の周波数特性
がセンサ異常状態に対応するため、当該酸素センサ５の
異常が精度良く検出できることになる。

【００９０】（第４の実施の形態）次に、本発明におけ
る第４の実施の形態について、図２３及び図２４を用い
て説明する。

【００９１】上記各実施の形態では、酸素センサ５の印
加電圧切り換えに対するセンサ電流変化の周波数特性を
求め、その周波数特性から検出された異常判定パラメー
タ（ゲイン特性の変局点であるカットオフ周波数ｆｃ、
又は位相特性で位相進みが所定角度となる周波数ｆθ）
に基づいて酸素センサ５の異常を判定するようにしてい
た。この場合、電圧切り換えに伴うセンサ電流の変化を
逐次検出したり、その検出結果を周波数分析したりする
等、周波数特性を直接的に検出するための処理が不可欠
であった。これに対し、本実施の形態では、酸素センサ
５の周波数特性を直接検出せずに同周波数特性を間接的
に検出し、その検出結果に基づいて酸素センサ５の異常
を判定するようにしている。以下、その詳細を説明す
る。

【００９２】図２３は、本実施の形態における空燃比検
出装置の概要を示す回路図である。この図２３は、上記
第１の実施の形態における図１の一部を変更したもので
あり、同図では、酸素センサ５の印加電圧変化を滑らか
にするために、Ｄ／Ａ変換器９の出力側にＬＰＦ（ロー
パスフィルタ）５１が追加されている。このＬＰＦ５１
の追加により、Ｄ／Ａ変換器９の出力がステップ状に変
化しても（図１１のΔＶｓｔｅｐ）、酸素センサ５の印
加電圧は、図１５に示すように所定の時定数ＴＬＰＦで
なまされて滑らかに変化する。このＬＰＦ５１の時定数
ＴＬＰＦは、酸素センサ５の周波数特性のカットオフ周
波数ｆｃの１０倍以上に設定するとよく、望ましくはカ
ットオフ周波数ｆｃの３０倍以上に設定するとよい。他
の構成は既述の図１と同一である。

【００９３】この場合、ＬＰＦ５１にて印加電圧Ｖｓｔ
ｅｐを所定の時定数ＴＬＰＦでなますことにより、酸素
センサ５の周波数特性を反映したセンサ電流が得られる
ことになる。つまり、例えば図１５で「異常センサ」と
して示すように（図の二点鎖線）、センサ異常時には低
周波数域における応答性が低下し、センサ電流の減衰が
早くなる。従って、例えば酸素センサ５が劣化してセン
サ電流の減衰の度合が大きい場合には、その劣化状態が
センサ電流のピーク値からの減衰量（図１５のＩｔｐ１
−Ｉｔｐ２）により検出できることになる。因みに、セ
ンサ劣化時には、前記図１３のボード線図においてカッ
トオフ周波数ｆθが高周波側にシフトして異常領域に達
することとなり、こうして「ｆθ＞ｆｍａｘ」又は「ｆ
ｃ＞ｆｍａｘ」となることは、ＬＰＦ５１でなました印
加電圧により流れるセンサ電流の減衰量が増大すること
と同意になる。

【００９４】図２４は、本実施の形態におけるセンサ異
常判定ルーチンを示すフローチャートである。図２４の
フローチャートにおいて、ＣＰＵ２ａは、先ずステップ
１７２で酸素センサ５にステップ状の電圧Ｖｓｔｅｐを
印加する。このとき、電圧Ｖｓｔｅｐは、ＬＰＦ５１を
介して酸素センサ５１に印加され、それにより所定の時
定数ＴＬＰＦでなまさた滑らかな波形となっている。

【００９５】次に、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７３ｃで
時間ｔｐ１だけ待機する。この時間ｔｐ１は、図１５に
示すように酸素センサ５の印加電圧変化に伴う電流変化
がピークとなる時間に相当し、例えば以下の（７），
（８）式を用いて算出されるようになっている。

【００９６】 Ｔａ＝１／（２・π・ｆｃ） ・・・（７） ｔｐ１＝｛（Ｔａ・ＴＬＰＦ）／（ＴＬＰＦ−Ｔａ）｝ ・Ｉｎ（Ｔａ／ＴＬＰＦ） ・・・（８） 時間ｔｐ１の経過後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７４ｃ
で酸素センサ５の電流変化のピーク値Ｉｔｐ１を検出す
る。さらに、ＣＰＵ２ａは、続くステップ１７５ｃで時
間ｔｐ２だけ待機する。この時間ｔｐ２は、前述の時間
ｔｐ１よりも長い時間にするのが望ましい。

【００９７】時間ｔｐ２の経過後、ＣＰＵ２ａは、ステ
ップ１７６ｃで再び酸素センサ５の電流Ｉｔｐ２を検出
する。このとき、酸素センサ５の印加電圧が限界電流発
生域に設定されていれば、酸素センサ５の電流変化の周
波数特性は図１３に示す特性となるため、この電流Ｉｔ
ｐ２は必ず前記ピーク値Ｉｔｐ１よりも減衰することに
なる。

【００９８】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７７ｃ
で前述の電流値Ｉｔｐ１，Ｉｔｐ２の差を算出し、その
算出値を「ΔＩｄｉｆｆ」としてＲＡＭ２ｃに保存する
（ΔＩｄｉｆｆ＝Ｉｔｐ１−Ｉｔｐ２）。本実施の形態
では、このΔＩｄｉｆｆ値が異常判定パラメータに相当
する。また、上記ステップ１７７ｃの処理が請求項記載
の電流比較手段に相当し、電流値Ｉｔｐ１が第１検出電
流に、電流値Ｉｔｐ２が第２検出電流に相当する。

【００９９】さらに、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７９ｃ
で前記ΔＩｄｉｆｆ値を比較判定するための判定値Ｉｍ
ｉｎ，Ｉｍａｘを設定する。このとき、判定値Ｉｍｉ
ｎ，Ｉｍａｘは、既述の各実施の形態と同様に、予め設
定されている固定値としてもよいし、或いは酸素センサ
５の内部抵抗Ｒｉ又はセンサ温度Ｔｅｍｐに応じて可変
に設定するようにしてもよい。

【０１００】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８０ｃ
で前記ΔＩｄｉｆｆ値が前記判定値Ｉｍｉｎ，Ｉｍａｘ
により区画される正常域にあるか否か、すなわちＩｍｉ
ｎ≦｜ΔＩｄｉｆｆ｜≦Ｉｍａｘであるか否かを判別す
る。この場合、Ｉｍｉｎ≦｜ΔＩｄｉｆｆ｜≦Ｉｍａｘ
であれば、ＣＰＵ２ａはセンサ正常であるとみなしてス
テップ１８０ｃを肯定判別し、本ルーチンを終了する。
一方、｜ΔＩｄｉｆｆ｜＜Ｉｍｉｎ、又は｜ΔＩｄｉｆ
ｆ｜＞Ｉｍａｘであれば、ＣＰＵ２ａはセンサ異常であ
るとみなしてステップ１８０ｃを否定判別し、ステップ
１８１へ進む。そして、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８１
で異常判定信号をエンジン制御ＥＣＵ２１に出力した
後、本ルーチンを終了する（前記図８又は図２２と同
様）。

【０１０１】以上詳述した本第４の実施の形態によれ
ば、上記各実施の形態と同様に、本発明の目的が達せら
れる。また、既述の効果に加えて、以下の効果が併せて
得られることになる。

【０１０２】（ａ）本実施の形態では、所定の時定数を
持たせて酸素センサ５の印加電圧を切り換えるようにし
たため、当該センサ５の周波数特性を反映したセンサ電
流（Ｉｔｐ１，Ｉｔｐ２）が得られる。この場合、セン
サ異常時にはその一例として低周波数域における応答性
が低下し、センサ電流の減衰が早くなる。従って、例え
ば酸素センサ５が劣化してセンサ電流の減衰の度合が大
きい場合には、その劣化状態がセンサの第１検出電流
（電流ピーク値）からの減衰量（Ｉｔｐ１−Ｉｔｐ２）
により検出できる。その結果、第１検出電流としてのＩ
ｔｐ１値と第２検出電流としてのＩｔｐ２値とを比較す
れば、酸素センサの異常を精度良く検出できることにな
る。

【０１０３】（ｂ）また、かかる構成では、酸素センサ
５の周波数特性を直接検出せずに同周波数特性を間接的
に検出することができるため、電圧切り換えに伴うセン
サ電流の変化を逐次サンプリングして検出したり、その
検出結果を周波数分析したりする等、周波数特性を直接
的に検出するための処理が不要となる（例えば、前記第
１の実施の形態におけるステップ１７１〜１７７の処
理）。そのため、センサ異常の判定に際し、その処理が
簡便化されるようになる。

【０１０４】（第５の実施の形態）次に、本発明におけ
る第５の実施の形態について、図２５及び図２６を用い
て説明する。

【０１０５】本実施の形態では、上記第４の実施の形態
と同様に、酸素センサ５の周波数特性を直接検出せずに
同周波数特性を間接的に検出し、その検出結果に基づい
て酸素センサ５の異常を判定することとしており、空燃
比検出装置の構成は既述の図２３と同一である。つま
り、酸素センサ５の異常判定時においてステップ状の電
圧Ｖｓｔｅｐがマイクロコンピュータ２から出力される
と、その電圧ＶｓｔｅｐはＬＰＦ５１にて所定の時定数
ＴＬＰＦでなまされた後、当該酸素センサ５に印加され
るようになっている。

【０１０６】一方、本実施の形態ではその特徴として、
ＬＰＦ５１によるなまし後の電圧Ｖｓｔｅｐの変化量Δ
Ｖｓｔｅｐと、その電圧印加時に流れるセンサ電流のピ
ーク値Ｉｔｐ１とから酸素センサ５の内部インピーダン
ス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）を求めると共に、例えば
図２６の特性線Ｌ３を用いて直流要素としてのセンサ内
部抵抗（以下、直流内部抵抗Ｒｄという）を求めるよう
にしている。この場合、図２６の特性線Ｌ３は、燃料カ
ット（Ｆ／Ｃ）時の電圧−電流特性を示すものであり、
Ｆ／Ｃ時にセンサ５に流れる電流値Ｉｆｃを特性線Ｌ３
から求めれば直流内部抵抗Ｒｄが容易に検出できる（Ｒ
ｄ＝Ｖｐ／Ｉｆｃ）。また、酸素センサ５の周波数特性
が変化すると、センサの印加電圧を時定数を持たせて変
化した場合のセンサ電流ピーク値Ｉｔｐ１が変化するた
め、内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）の
値も変化する。従って、前記内部インピーダンス（ΔＶ
ｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）と前記直流内部抵抗Ｒｄとのズレ
を異常判定パラメータとして、そのパラメータが正常域
にあるか否かによりセンサ異常を判定するようにすれ
ば、酸素センサ５の周波数特性を直接検出することな
く、酸素センサ５の異常を判定することが可能となる。

【０１０７】ここで、図１６は、酸素センサ６が正常で
あるか又は異常であるかに応じて内部インピーダンスと
直流内部抵抗との関係が推移することを示すグラフであ
る。同図に示すように、内部インピーダンスと直流内部
抵抗との比が適正域になければ、センサ異常である旨が
検出できるようになる。

【０１０８】つまり、本実施の形態では、図示しないメ
インルーチンのセンサ異常判定の実施条件（図４又は図
１９のステップ１６０）として、エンジンがＦ／Ｃ状態
にあるか否かが判別される。そして、Ｆ／Ｃ状態にある
場合には、図２５に示すセンサ異常判定ルーチンが実行
されるようになっている。以下に、図２５の詳細を説明
する。

【０１０９】図２５のフローチャートにおいて、ＣＰＵ
２ａは、先ずステップ１７１ｄで酸素センサ５のＦ／Ｃ
時における電流値Ｉｆｃを検出する。この電流値Ｉｆｃ
は、上述の通り図２６の特性線Ｌ３から求められる。す
なわち、印加電圧Ｖｐを適切な値（例えば０．３〜０．
４Ｖ程度）に設定しておけば、空燃比検出時には例えば
特性線Ｌ１に示すように印加電圧Ｖｐが限界電流発生域
から外れることがなく、他方、Ｆ／Ｃ時には特性線Ｌ３
に示すように印加電圧Ｖｐが抵抗支配域で印加されるこ
とになる。そして、特性線Ｌ３の抵抗支配域により前記
の電流値Ｉｆｃが検出される。

【０１１０】その後、ステップ１７２〜１７４ｃでは、
ＣＰＵ２ａは、ステップ状のセンサ電圧Ｖｓｔｅｐを酸
素センサ５に印加すると共に、Ｖｓｔｅｐ印加から時間
ｔｐ１経過後においてセンサ電流のピーク値Ｉｔｐ１を
検出する（前記図２４と同様）。そして、ＣＰＵ２ａ
は、ステップ１７５ｄで空燃比検出用の電圧ＶｐとＦ／
Ｃ時の電流値Ｉｆｃとから直流内部抵抗Ｒｄを算出し、
その算出値をＲＡＭ２ｃに保存する（Ｒｄ＝Ｖｐ／Ｉｆ
ｃ）。

【０１１１】また、ＣＰＵ２ａは、続くステップ１７７
ｄで内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）と
前記直流内部抵抗Ｒｄとの差を算出し、その算出値を
「ΔＺ」としてＲＡＭ２ｃに保存する。本実施の形態で
は、このΔＺ値が異常判定パラメータに相当し、ステッ
プ１７７ｄの処理が請求項記載の内部抵抗比較手段に相
当する。

【０１１２】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７９ｄ
で前記ΔＺ値が正常域にあるか否かを判別するための判
定値Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘを設定する。このとき、判定値
Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘは、前記各実施の形態と同様に、予
め設定しておいた固定値としてもよいし、或いは酸素セ
ンサ５の内部抵抗値又はセンサ温度に応じて可変に設定
するようにしてもよい。

【０１１３】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８０ｄ
で前記ΔＺ値と判定値Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘとを比較す
る。この場合、Ｚｍｉｎ≦｜ΔＺ｜≦Ｚｍａｘであれ
ば、ＣＰＵ２ａはセンサ正常であるとみなしてステップ
１８０ｄを肯定判別し、本ルーチンを終了する。一方、
｜ΔＺ｜＜Ｚｍｉｎ、又は｜ΔＺ｜＞Ｚｍａｘであれ
ば、ＣＰＵ２ａはセンサ異常であるとみなしてステップ
１８０ｄを否定判別し、ステップ１８１へ進む。そし
て、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８１で異常判定信号をエ
ンジン制御ＥＣＵ２１に出力した後、本ルーチンを終了
する（前記図８又は図２２と同様）。

【０１１４】以上詳述した本第５の実施の形態によれ
ば、上記各実施の形態と同様に、本発明の目的が達せら
れる。また、特に以下の効果が併せて得られることにな
る。 （ａ）本実施の形態では、上記第４の実施の形態と同様
に、所定の時定数を持たせて酸素センサ５の印加電圧を
切り換えるようにし、この電圧を酸素センサ５に印加し
た際の当該電圧変化に伴う電流変化の比（内部インピー
ダンス）と、酸素センサ５の直流内部抵抗とを比較し、
その比較結果を異常判定パラメータとした。そして、そ
のパラメータが所定の正常域になければセンサ異常の旨
を判定するようにした。この場合、内部インピーダンス
は電流変化の周波数特性を反映した要素であるのに対
し、酸素センサ５の直流内部抵抗は、前記周波数特性が
変化しても変化しないため、この両者を比較することで
酸素センサ５の異常が精度良く検出できることになる。

【０１１５】（ｂ）また、本構成でも上記第４の実施の
形態と同様に、酸素センサ５の周波数特性を間接的に検
出することができるため、センサ異常の判定に際し、そ
の処理が簡便化されるようになる。

【０１１６】（ｃ）併せて本実施の形態では、エンジン
への燃料カット時のセンサ電流Ｉｆｃとその時の印加電
圧Ｖｐとから酸素センサ５の直流内部抵抗Ｒｄを検出す
るようにしたため、直流内部抵抗Ｒｄを簡易的に検出す
ることができる。このとき、直流内部抵抗Ｒｄの検出に
要する時間が殆どかからず、異常検出に要する時間が短
縮できる。

【０１１７】（第６の実施の形態）次に、本発明におけ
る第６の実施の形態について、図２７〜図２９を用いて
説明する。

【０１１８】本実施の形態では、上記第４及び第５の実
施の形態と同様に、酸素センサ５の周波数特性を直接検
出せずに同周波数特性を間接的に検出し、その検出結果
に基づいて酸素センサ５の異常を判定することとしてお
り、空燃比検出装置は図２７に示すように構成されてい
る。図２７は、前記第１の実施の形態における図１の一
部を変更したものであり、同図では、酸素センサ５の検
出素子部６と電圧印加部８との間の接続を開閉可能なス
イッチ４１を新たに設け、そのスイッチ４１の開閉をＣ
ＰＵ２ａにより制御するようにしている。さらに、前記
スイッチ４１の開放時における酸素センサ５の起電力を
検出し、その検出値をマイクロコンピュータ２に入力す
るため、検出素子部６とマイクロコンピュータ２との間
にＡ／Ｄ変換器４４を配設している。

【０１１９】また、本実施の形態では、ＬＰＦ５１によ
るなまし後の電圧Ｖｓｔｅｐの変化量ΔＶｓｔｅｐと、
その電圧印加時に流れるセンサ電流のピーク値Ｉｔｐ１
とから酸素センサ５の内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅ
ｐ／Ｉｔｐ１）を求めると共に、前記スイッチ４１の瞬
断時の電圧変化からセンサ５の直流内部抵抗を求めるよ
うにしている。すなわち、スイッチ４１の瞬断時には、
酸素センサ５への電圧印加がなくなるため、図２９に示
すようにセンサ起電力Ｖｏｐｅｎが検出できる。このと
き、（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）／Ｉｐの値は、酸素センサ５
の直流内部抵抗に等しくなることが知られており、印加
電圧Ｖｐ、センサ電流Ｉｐ及びセンサ起電力Ｖｏｐｅｎ
を求めれば、直流内部抵抗が容易に算出できる。

【０１２０】さらに、上記第５の実施の形態にて既述し
たように、酸素センサ５の周波数特性が変化すると、セ
ンサの印加電圧を時定数を持たせて変化した場合のセン
サ電流ピーク値Ｉｔｐ１が変化するため、内部インピー
ダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）の値も変化する。従
って、前記内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ
１）と直流内部抵抗（（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）／Ｉｐ）と
のズレを異常判定パラメータとして、そのパラメータが
正常域にあるか否かによりセンサ異常を判定するように
すれば、酸素センサ５の周波数特性を直接検出すること
なく、酸素センサ５の異常を判定することが可能とな
る。

【０１２１】図２８は、本実施の形態におけるセンサ異
常判定ルーチンを示すフローチャートである。図２８の
フローチャートにおいて、ＣＰＵ２ａは、先ずステップ
１７０１で酸素センサ５の印加電圧Ｖｐを、ステップ１
７０２でセンサ電流Ｉｐをそれぞれ検出し、各検出値Ｖ
ｐ及びＩｐをＲＡＭ２ｃに保存する。

【０１２２】また、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７０３で
スイッチ４１を開放し、続くステップ１７０４で酸素セ
ンサ５の起電力Ｖｏｐｅｎを検出する。この場合、スイ
ッチ４１の開放から再接続までの時間は短ければ短い程
良い。要するに、図２９に示すように、空燃比検出時は
酸素センサ５に限界電流発生域の電圧Ｖｐが印加されて
おり、この時の限界電流値がＩｐである。このとき、前
述のスイッチ４１を開放すると、酸素センサ５には回路
から電圧が印加されなくなるため、センサの起電力Ｖｏ
ｐｅｎが検出可能となる。

【０１２３】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７０５
でスイッチ４１を再び接続する。さらに、後続のステッ
プ１７２〜ステップ１７４ｃでは、ＣＰＵ２ａは、ステ
ップ状のセンサ電圧Ｖｓｔｅｐを酸素センサ５に印加す
ると共に、Ｖｓｔｅｐ印加から時間ｔｐ１経過後におい
てセンサ電流のピーク値Ｉｔｐ１を検出する（前記図２
４，２５と同様）。

【０１２４】その後、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７７ｅ
で内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）と、
直流内部抵抗（（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）／Ｉｐ）との差を
算出し、その算出値を「ΔＺｄ」としてＲＡＭ２ｃに保
存する。本実施の形態では、このΔＺｄ値が異常判定パ
ラメータに相当し、ステップ１７７ｅの処理が請求項記
載の内部抵抗比較手段に相当する。

【０１２５】また、ＣＰＵ２ａは、ステップ１７９ｄで
前記ΔＺｄ値が正常域にあるか否かを判別するための判
定値Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘを設定する。このとき、判定値
Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘは、前記各実施の形態と同様に、予
め設定しておいた固定値としてもよいし、或いは酸素セ
ンサ５の内部抵抗値又はセンサ温度に応じて可変に設定
するようにしてもよい。

【０１２６】そして、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８０ｅ
で前記ΔＺｄ値と判定値Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘとを比較す
る。この場合、Ｚｍｉｎ≦｜ΔＺｄ｜≦Ｚｍａｘであれ
ば、ＣＰＵ２ａはセンサ正常であるとみなしてステップ
１８０ｅを肯定判別し、本ルーチンを終了する。一方、
｜ΔＺｄ｜＜Ｚｍｉｎ、又は｜ΔＺｄ｜＞Ｚｍａｘであ
れば、ＣＰＵ２ａはセンサ異常であるとみなしてステッ
プ１８０ｅを否定判別し、ステップ１８１へ進む。そし
て、ＣＰＵ２ａは、ステップ１８１で異常判定信号をエ
ンジン制御ＥＣＵ２１に出力した後、本ルーチンを終了
する（前記図８又は図２２と同様）。

【０１２７】以上詳述した本第６の実施の形態によれ
ば、上記各実施の形態と同様に、本発明の目的が達せら
れる。また、特に以下の効果が併せて得られることにな
る。 （ａ）本実施の形態では、上記第４及び第５の実施の形
態と同様に、所定の時定数を持たせて酸素センサ５の印
加電圧を切り換えるようにした。そして上記第４の実施
の形態と同様に、酸素センサ５の内部インピーダンスと
直流内部抵抗とを比較し、その比較結果（異常判定パラ
メータ）が所定の正常域になければセンサ異常の旨を判
定するようにした。この場合、内部インピーダンスは電
流変化の周波数特性を反映した要素であるのに対し、酸
素センサ５の直流内部抵抗は、前記周波数特性が変化し
ても変化しないため、この両者を比較することで酸素セ
ンサ５の異常が精度良く検出できることになる。

【０１２８】（ｂ）また、本構成でも上記第４及び第５
の実施の形態と同様に、酸素センサ５の周波数特性を間
接的に検出することができるため、センサ異常の判定に
際し、その処理が簡便化されるようになる。

【０１２９】（ｃ）併せて本実施の形態では、酸素セン
サ５へ電圧を供給する回路を瞬断し、該瞬断する前後の
電圧及び電流変化から当該センサ５の直流内部抵抗を検
出するようにしたため、直流内部抵抗を簡易的に検出す
ることができる。

【０１３０】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次のように具体化してもよい。上記各実施の形態では、
個々の異常判定パラメータが正常域であるか否かを判別
する際に、２つの判定値を設定し、異常判定パラメータ
が２つの判定値内にあればセンサ正常の旨を判定し、そ
れ以外はセンサ異常の旨を判定するようにしていたが、
この構成を変更してもよい。つまり、判定値を１つにし
て正常域と異常域とを区画し、異常判定パラメータがい
ずれの領域にあるかに応じてセンサ異常又はセンサ正常
を判定するようにしてもよい。

【０１３１】この場合、強いて言えば、例えば第１の実
施の形態の異常判定パラメータとしてのカットオフ周波
数ｆｃが判定値ｆｍｉｎよりも小さければ（ｆｃ＜ｆｍ
ｉｎの場合）、固体電解質層の割れ等の異常が検出で
き、他方、カットオフ周波数ｆｃが判定値ｆｍａｘより
も大きけれれば（ｆｃ＜ｆｍｉｎの場合）、センサ劣化
や断線等の異常が検出できる。従って、異常内容の検出
対象に応じて上記判定値の数、すなわち異常判定域を設
定するようにしてもよい。また、判定値を３つ以上設定
して、正常判定域を複数箇所に設けてもよい。

【０１３２】異常判定パラメータが正常域にあるか否か
を判定するための判定値を固定値とする場合において、
その判定値を目標内部抵抗或いは目標センサ温度に対応
した値とし、実際の内部抵抗或いはセンサ温度が当該目
標値の近傍にある時にのみ異常判定の処理を実行するよ
うにしてもよい。

【０１３３】また、上記第４〜第６の実施の形態におい
て、異常判定パラメータの算出に際し、 ・第４の実施の形態では、図２４のステップ１７７ｃで
第１検出電流としてのＩｔｐ１から第２検出電流として
のＩｔｐ２を減算して、その減算値ΔＩｄｉｆｆを異常
判定パラメータとし、 ・第５の実施の形態では、図２５のステップ１７７ｄで
内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）から直
流内部抵抗Ｒｄを減算して、その減算値ΔＺを異常判定
パラメータとし、 ・第６の実施の形態では、図２８のステップ１７７ｅで
内部インピーダンス（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔｐ１）から直
流内部抵抗（（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）／Ｉｐ）を減算し
て、その減算値ΔＺｄを異常判定パラメータとしていた
が、これらの構成を変更してもよい。

【０１３４】例えば、 ・第４の実施の形態において、「Ｉｔｐ１／Ｉｔｐ２」
を異常判定パラメータとしたり、 ・第５の実施の形態において、「（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔ
ｐ１）／Ｒｄ」を異常判定パラメータとしたり、 ・第６の実施の形態において、「（ΔＶｓｔｅｐ／Ｉｔ
ｐ１）／｛（Ｖｐ−Ｖｏｐｅｎ）／Ｉｐ｝」を異常判定
パラメータとしたりしてもよい。かかる構成において
も、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。

【０１３５】上記第５及び第６の実施の形態において、
酸素センサ５の内部インピーダンスと比較するための直
流内部抵抗として、図４のメインルーチン（ステップ１
３０）にて検出した値、若しくは予め算出しておいた固
定値を用いるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態における空燃比検出装置の概
要を示す構成図。

【図２】酸素センサの詳細な構成を示す断面図。

【図３】酸素センサのＶ−Ｉ特性図。

【図４】メインルーチンを示すフローチャート。

【図５】空燃比検出ルーチンを示すフローチャート。

【図６】内部抵抗検出ルーチンを示すフローチャート。

【図７】ヒータ制御ルーチンを示すフローチャート。

【図８】センサ異常判定ルーチンを示すフローチャー
ト。

【図９】限界電流−空燃比マップ。

【図１０】図６の内部抵抗検出ルーチンの作用をより具
体的に説明するためのタイムチャート。

【図１１】図８のセンサ異常判定ルーチンの作用をより
具体的に説明するためのタイムチャート。

【図１２】酸素センサの内部抵抗及び温度の関係を示す
グラフ。

【図１３】酸素センサの周波数特性を示すボード線図。

【図１４】酸素センサの周波数特性の温度依存性を示す
グラフ。

【図１５】時定数を持たせた電圧印加に伴うセンサ電流
の変化を示すタイムチャート。

【図１６】酸素センサの内部インピーダンスと直流内部
抵抗との関係を示すグラフ。

【図１７】第２の実施の形態における空燃比検出装置の
概要を示す構成図。

【図１８】第２の実施の形態における酸素センサの詳細
な構成を示す断面図。

【図１９】第２の実施の形態におけるメインルーチンを
示すフローチャート。

【図２０】温度検出ルーチンを示すフローチャート。

【図２１】第２の実施の形態におけるヒータ制御ルーチ
ンを示すフローチャート。

【図２２】第３の実施の形態におけるセンサ異常判定ル
ーチンを示すフローチャート。

【図２３】第４の実施の形態における空燃比検出装置の
概要を示す構成図。

【図２４】第４の実施の形態におけるセンサ異常判定ル
ーチンを示すフローチャート。

【図２５】第５の実施の形態におけるセンサ異常判定ル
ーチンを示すフローチャート。

【図２６】Ｆ／Ｃ時における酸素センサの電圧−電流特
性を示すＶ−Ｉ特性図。

【図２７】第６の実施の形態における空燃比検出装置の
概要を示す構成図。

【図２８】第６の実施の形態におけるセンサ異常判定ル
ーチンを示すフローチャート。

【図２９】酸素センサと印加電圧部とを開放した状態を
説明するためのＶ−Ｉ特性図。

【符号の説明】

２…マイクロコンピュータ、２ａ…電圧切換手段，電流
検出手段，異常判定手段，周波数解析手段，電流比較手
段，内部抵抗比較手段，検出手段，領域設定手段，ヒー
タ制御手段を構成するＣＰＵ、５…酸素センサ、７…ヒ
ータ、８…電圧印加部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡崎 和弘 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電圧の印加に伴い被検出ガス中の酸素濃度
   に応じた電流信号を出力する酸素センサに適用される異
   常検出装置において、 前記酸素センサの印加電圧を所定電圧に切り換える電圧
   切換手段と、 前記印加電圧の切り換えに伴う前記酸素センサの電流変
   化を検出する電流検出手段と、 前記印加電圧の切り換えに伴う電流変化の周波数特性を
   異常判定パラメータとして、そのパラメータに基づいて
   前記酸素センサの異常を判定する異常判定手段とを備え
   ることを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
2. 【請求項２】印加電圧の切り換えに伴う電流変化の周波
   数特性を解析する周波数解析手段を備え、 前記異常判定手段は、前記周波数解析手段による周波数
   特性の解析結果を前記異常判定パラメータとして、その
   パラメータが所定の正常域になければセンサ異常の旨を
   判定する請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の酸素センサの異常検出装
   置において、 前記周波数解析手段は、周波数応答のゲイン特性の変局
   点を演算する手段からなり、 前記異常判定手段は、前記演算された変局点を前記異常
   判定パラメータとして、そのパラメータが所定の周波数
   域になければセンサ異常の旨を判定する酸素センサの異
   常検出装置。
4. 【請求項４】請求項２に記載の酸素センサの異常検出装
   置において、 前記周波数解析手段は、周波数応答の位相特性において
   位相進み角度が所定角度となる周波数を演算する手段か
   らなり、 前記異常判定手段は、前記演算された周波数を前記異常
   判定パラメータとして、そのパラメータが所定の周波数
   域になければセンサ異常の旨を判定する酸素センサの異
   常検出装置。
5. 【請求項５】所定の時定数を持たせて酸素センサの印加
   電圧を切り換えるようにした酸素センサの異常検出装置
   において、 前記所定の時定数を持たせた電圧を前記酸素センサに印
   加してから所定時間経過後に流れる第１検出電流と、当
   該第１検出電流の検出時刻から所定時間経過後に流れる
   第２検出電流とを比較する電流比較手段を備え、 前記異常判定手段は、前記第１検出電流と第２検出電流
   との比較結果を前記異常判定パラメータとして、そのパ
   ラメータが所定の正常域になければセンサ異常の旨を判
   定する請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
6. 【請求項６】所定の時定数を持たせて酸素センサの印加
   電圧を切り換えるようにした酸素センサの異常検出装置
   において、 前記所定の時定数を持たせた電圧を酸素センサに印加し
   た際の当該電圧変化に伴う電流変化の比と、前記酸素セ
   ンサの直流内部抵抗とを比較する内部抵抗比較手段を備
   え、 前記異常判定手段は、前記内部抵抗の比較結果を前記異
   常判定パラメータとして、そのパラメータが所定の正常
   域になければセンサ異常の旨を判定する請求項１に記載
   の酸素センサの異常検出装置。
7. 【請求項７】エンジンの排気管に配設される酸素センサ
   に適用されるものであって、 前記内部抵抗比較手段は、前記エンジンへの燃料カット
   時のセンサ電流とその時の印加電圧とから前記酸素セン
   サの直流内部抵抗を検出する手段を有する請求項６に記
   載の酸素センサの異常検出装置。
8. 【請求項８】前記酸素センサへ電圧を供給するための回
   路を瞬断し、該瞬断する前後の電圧及び電流変化から酸
   素センサの直流内部抵抗を検出する手段を有する請求項
   ６に記載の酸素センサの異常検出装置。
9. 【請求項９】前記酸素センサの内部抵抗若しくは温度を
   検出する検出手段と、 前記検出手段により検出された酸素センサの内部抵抗若
   しくは温度に基づいて前記異常判定パラメータを比較判
   定するための領域を可変に設定する領域設定手段とを備
   える請求項１〜請求項８のいずれかに記載の酸素センサ
   の異常検出装置。
10. 【請求項１０】前記酸素センサの内部抵抗若しくは温度
    に応じて、当該センサに付設されたヒータを制御するヒ
    ータ制御手段を備える請求項１〜請求項９のいずれかに
    記載の酸素センサの異常検出装置。