(57)【要約】【課題】ガス濃度測定装置１における異常診断を、なるべく小規模の回路構成にて、そのガス濃度測定装置１のガスセンサ２の温度が高い場合でも行うことができるようにする。【解決手段】Ｖｓ＋端子及びＣＯＭ端子の少なくとも何れかにグランドショートが生じている場合において、ＣＯＭ端子を基準電位に設定するためのオペアンプ３４を用いてＣＯＭ端子を介して酸素濃度検知セル２４に比較的大きな電流を供給する。例えばガスセンサ２の温度が高いことなどが原因で酸素濃度検知セル２４の両端電圧が微小なものとなって、ＧＮＤショートが生じた端子の判別が難しくなるような場合でも、上記構成によれば、ＣＯＭ端子が正常か否かで酸素濃度検知セル２４の両端電圧に大きな差が生じる。このため、ＣＯＭ端子の端子電圧に基づき、ＣＯＭ端子が正常か否か及びＶｓ＋端子が正常か否かを判別できる。【選択図】図２
2010210403.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
拡散抵抗体を介して被測定ガスが導入される測定室、
第１固体電解質体及び該第１固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置され、他方の電極が基準酸素分圧雰囲気に設定される基準酸素室に配置されて、その測定室と基準酸素室との間の酸素分圧差に応じた電圧を発生する酸素濃度検知セル、及び、
第２固体電解質体及び該第２固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、自身に流れる駆動電流に応じて前記測定室内に導入された前記被測定ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う酸素ポンプセル、を有するガスセンサと、
前記酸素濃度検知セルの一対の電極のうち前記測定室に面していない電極と接続する第１端子、前記酸素濃度検知セル及び前記酸素ポンプセルそれぞれの一対の電極のうち、前記測定室に面して配置される電極のそれぞれに共用化されて接続する第２端子、及び前記酸素ポンプセルの一対の電極のうち前記測定室に面していない電極と接続する第３端子を備え、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記駆動電流の電流制御を行って、その駆動電流に基づき前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定する測定手段と、
を備えたガス濃度測定装置の異常を診断する異常診断方法であって、
前記測定手段は、前記測定室から前記基準酸素室に酸素を汲み入れるための定電流を前記第１端子を介して前記酸素濃度検知セルに供給する定電流供給手段と、
前記第２端子の電位を基準電位に設定するとともに前記定電流よりも大きい電流を供給可能な基準電位設定手段と、を備え、
前記第１端子の電位及び前記第２端子の電位を検出して、その第１端子の電位及び第２端子の電位の少なくとも何れか一方が予め定められた異常電位になると、前記測定手段の作動モードを、前記駆動電流の前記電流制御を行うモードであるガス濃度検出モードから、前記駆動電流の前記電流制御を行わないモードである異常時モードに移行させ、その異常時モードにおいて、前記定電流供給手段により前記定電流を前記酸素濃度検知セルに供給するとともに、その定電流よりも大きい電流を前記基準電位設定手段により前記第２端子を介して前記酸素濃度検知セルに供給しつつ、前記第２端子の電位を予め定められた判定閾値と比較し、比較結果に基づき、前記第１端子及び前記第２端子の何れの短絡異常であるかを判定することを特徴とする異常診断方法。
【請求項２】
前記測定手段の作動モードが異常時モードである際に前記第２端子の電位を前記判定閾値と比較した結果に基づき、前記第２端子の電位が前記判定閾値より大きければ前記第１端子の短絡異常と判定し、前記第２端子の電位が前記判定閾値以下であればその第２端子の短絡異常と判定することを特徴とする請求項１に記載の異常診断方法。
【請求項３】
前記第１〜第３端子の電位を検出して、その第１〜第３端子の電位の少なくとも何れかが予め定められた異常電位になると、前記測定手段の作動モードを前記異常時モードに移行させ、
異常時モードにおいて、前記第３端子の電位を予め定めた第３端子用の判定閾値と比較して、その比較結果に基づき、前記第３端子の短絡異常を判定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の異常診断方法。
【請求項４】
前記第１〜第３端子の電位の少なくとも何れかが予め定められた異常電位になると、前記測定手段の作動モードを、その測定手段と前記ガスセンサとの間の前記第１〜第３端子を介した電気的な接続を遮断した遮断モードに移行させた後、前記測定手段の作動モードを前記異常時モードに移行させることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の異常診断方法。
【請求項５】
拡散抵抗体を介して被測定ガスが導入される測定室、
第１固体電解質体及び該第１固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置され、他方の電極が基準酸素分圧雰囲気に設定される基準酸素室に配置されて、その測定室と基準酸素室との間の酸素分圧差に応じた電圧を発生する酸素濃度検知セル、及び、
第２固体電解質体及び該第２固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、自身に流れる駆動電流に応じて前記測定室内に導入された前記被測定ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う酸素ポンプセル、を有するガスセンサと、
前記酸素濃度検知セルの一対の電極のうち前記測定室に面していない電極と接続する第１端子、前記酸素濃度検知セル及び前記酸素ポンプセルそれぞれの一対の電極のうち、前記測定室に面して配置される電極のそれぞれに共用化されて接続する第２端子、及び前記酸素ポンプセルの一対の電極のうち前記測定室に面していない電極と接続する第３端子を備え、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記駆動電流の電流制御を行って、その駆動電流に基づき前記被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定する測定手段と、
を備えたガス濃度測定装置であって、
前記測定手段は、
前記測定室から前記基準酸素室に酸素を汲み入れるための定電流を前記第１端子を介して前記酸素濃度検知セルに供給する定電流供給手段と、
前記第２端子の電位を基準電位に設定するとともに前記定電流よりも大きい電流を供給可能な基準電位設定手段と、
前記第１端子の電位及び前記第２端子の電位を検出して、その第１端子の電位及び第２端子の電位の少なくとも何れか一方が予め定められた異常電位になると、当該測定手段の作動モードを、前記駆動電流の前記電流制御を行うモードであるガス濃度検出モードから、前記駆動電流の前記電流制御を行わないモードである異常時モードに移行させるモード切替手段と、
当該測定手段の作動モードが異常時モードの状態において、前記定電流供給手段により前記定電流を前記酸素濃度検知セルに供給させるとともにその定電流よりも大きい電流を前記基準電位設定手段により前記第２端子を介して前記酸素濃度検知セルに供給させつつ、前記第２端子の電位を予め定められた判定閾値と比較し、比較結果に基づき、前記第１端子及び前記第２端子の何れの短絡異常であるかを判定する異常診断手段と、
を備えていることを特徴とするガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼制御に使用されるガス濃度測定装置、及びそのガス濃度測定装置における異常診断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等の内燃機関の燃焼制御においては、内燃機関に供給する空気と燃料との混合気の空燃比を制御して、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ、及びＨＣを低減するために、排気ガス中の所定ガスのガス濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御する燃焼制御方式が知られている。
【０００３】
このような空燃比の制御に用いられるガスセンサとしては、例えば、ジルコニア等を主成分とする固体電解質体の両面に電極を備えたセル（酸素検知セル）を備えて、被測定ガスに含まれる特定成分（酸素など）を検知する酸素センサがある。また、他のガスセンサとしては、ジルコニア等を主成分とする固体電解質体の両面に電極を備えた２つのセル（酸素濃度検知セルおよび酸素ポンプセル）を測定室を挟むように配置し、測定室に拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入して被測定ガスに含まれる特定成分（酸素など）を検知する全領域空燃比センサ（以下、ＵＥＧＯセンサともいう）がある。さらに、２つのセル（酸素濃度検知セルおよび酸素ポンプセル）に加えてもう１つのセルを配置することによって構成されるガスセンサとして、ＮＯｘガス濃度を検知するＮＯｘセンサなどが知られている。
【０００４】
近年の自動車では、それらのガスセンサを使用したエンジンの燃焼制御中に、ガスセンサ及びガスセンサの制御装置の異常診断を自動的に行う（所謂、オンボード自己診断）ガス濃度測定装置が用いられている。異常状態としては、ガスセンサ及び制御装置の接続点がグランドライン（基準電位ライン）に接続されてしまう短絡異常がある。
【０００５】
そして、そのようなガス濃度測定装置における異常診断の方法として、ガスセンサとそのガスセンサの制御装置との接続点を介して各セルに異常診断のための電流を通電し、該電流供給時に検出された各接続点の電位に基づいて短絡異常を診断する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００６】
具体的に、特許文献１，２では、異常診断のための電流を通電した際に各セルに発生する電圧が、被測定ガスの酸素濃度によって各セルに発生する電圧よりも大きくなるように構成し、異常診断のための電流を通電した際の上記各接続点の電圧（電位）の大小を比較して、何れの接続点で短絡異常が生じているか否かを診断する。つまり、例えばガスセンサの温度が高い場合にはそのガスセンサのインピーダンス（セルのインピーダンス）は小さくなり、その結果各セルに発生する電圧は小さくなって、各接続点の短絡異常の判定が困難なものとなっていた。そこで、短絡異常の判定ができる程度に、異常診断のための電流を別途通電するようにしていた。
【０００７】
このような診断方法を実現するため、上記特許文献１，２では、ガスセンサの制御装置において、異常診断用の電流を各セルに通電するための回路が設けられている。尚、制御装置は、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）として実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−０４７２７８号公報
【特許文献２】特開２００６−２０８３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年では、ガス濃度測定装置を実現するための特定用途向集積回路のより一層の小型化・小規模化や、回路を複雑化せずにできるだけ安価に構成したガス濃度測定装置の提供が望まれている。
【００１０】
特許文献１，２の場合では、異常診断用の電流を各セルに通電するための回路を備えているが、このような要求に対応したものとは言い難い側面がある。
本発明は、こうした点に鑑みなされたもので、ガス濃度測定装置における異常診断を、なるべく小規模の回路構成にて行うことができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の異常診断方法は、拡散抵抗体を介して被測定ガスが導入される測定室、第１固体電解質体及び該第１固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置され、他方の電極が基準酸素分圧雰囲気に設定される基準酸素室に配置されて、その測定室と基準酸素室との間の酸素分圧差に応じた電圧を発生する酸素濃度検知セル、及び、第２固体電解質体及び該第２固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置されて、自身に流れる駆動電流に応じて測定室内に導入された被測定ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う酸素ポンプセル、を有するガスセンサと、酸素濃度検知セルの一対の電極のうち測定室に面していない電極（以下、第１検知電極と言う）と接続する第１端子、酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセルそれぞれの一対の電極のうち、測定室に面して配置される電極のそれぞれ（以下、酸素濃度検知セルにおいて測定室に面して配置される電極を第２検知電極と言う）に共用化されて接続する第２端子、及び酸素ポンプセルの一対の電極のうち測定室に面していない電極と接続する第３端子を備え、酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように駆動電流の電流制御を行って、その駆動電流に基づき被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定する測定手段と、を備えたガス濃度測定装置の異常を診断するものである。
【００１２】
上記のガス濃度測定装置において、測定手段は、測定室から基準酸素室に酸素を汲み入れるための定電流を第１端子を介して酸素濃度検知セルに供給する定電流供給手段と、第２端子の電位を基準電位に設定するとともに定電流よりも大きい電流（例えば定電流の１０〜１０００倍程度の電流）を供給可能な基準電位設定手段と、を備えている。この定電流供給手段、及び基準電位設定手段は、ガスセンサの制御のために必要な構成として従来より備えられる趣旨のものである。尚、定電流供給手段により供給される定電流は、微小な大きさ（例えば１５〜２０［μＡ］）のものである。
【００１３】
そして、本異常診断方法では、第１端子の電位及び第２端子の電位を検出して、その第１端子の電位及び第２端子の電位の少なくとも何れか一方が予め定められた異常電位になると、測定手段の作動モードを、駆動電流の電流制御を行うモードであるガス濃度検出モードから、駆動電流の電流制御を行わないモードである異常時モードに移行させ、その異常時モードにおいて、定電流供給手段により定電流を酸素濃度検知セルに供給するとともにその定電流よりも大きい電流を基準電位設定手段により第２端子を介して酸素濃度検知セルに供給しつつ、第２端子の電位を予め定められた判定閾値と比較し、比較結果に基づき、第１端子及び第２端子の何れの短絡異常であるかを判定することを特徴としている。
【００１４】
ところで、例えば第２端子がグランドショートを起こして酸素濃度検知セルに定電流供給手段からの定電流が流れる場合、酸素濃度検知セルの両端電圧は、定電流（以下、Ｉｃｐとも記載する）と酸素濃度検知セルのインピーダンス（以下、Ｒｉｖｓとも記載する）と酸素濃度検知セルの出力電圧（以下、Ｅｖｓとも記載する）とを用いて、「ＩｃｐＸＲｉｖｓ＋Ｅｖｓ」で与えられる。
【００１５】
一方、第１端子がグランドショートを起こして酸素濃度検知セルに基準電位設定手段からの電流が流れる場合、酸素濃度検知セルの両端電圧は、基準電位設定手段からの電流（以下、Ｉｖｓとも記載する）と酸素濃度検知セルのインピーダンスＲｉｖｓと酸素濃度検知セルの出力電圧Ｅｖｓとを用いて、「ＩｖｓＸＲｉｖｓ＋Ｅｖｓ」で与えられる。
【００１６】
そして、例えば、ガスセンサの温度（各セルの温度）が高く、かつ被測定ガスが燃料供給不足（リーン）であるような状況下で排出される排気ガス（理論空燃比のときよりも酸素の割合が過剰である排気ガス）である場合は、前者のガスセンサの温度が高いことに起因してインピーダンスＲｉｖｓは小さくなり、後者の酸素量が過剰であることに起因して酸素濃度検知セルの出力電圧Ｅｖｓは小さい値となる。この場合、定電流Ｉｃｐ、電流Ｉｖｓの大きさによっては、酸素濃度検知セルの両端電圧は非常に小さなものとなってしまい、２つの端子の電位差が小さくなるため、グランドショートを起こしている端子の判別が難しくなる。つまり、２つの端子のうち一方がグランドショートすると他方の端子がほぼ同電位となるため、判別が難しい。
【００１７】
そこで、本発明の異常診断方法では、電流Ｉｖｓとして定電流Ｉｃｐよりも大きい電流を供給することによって、第２端子が正常な場合には酸素濃度検知セルの両端電圧（第２端子に現れる電位）が大きくなるようにし、第２端子の電位に基づき、第１端子及び第２端子の何れが短絡異常（グランドショート）を起こしているかを判定するようにしている。
【００１８】
即ち、第１端子の電位及び第２端子の電位の少なくとも何れかが異常電位となり、その際に第２端子側から酸素濃度検知セルに比較的大きな電流Ｉｖｓを流すことで、第２端子の電位の傾向（大きさ）は、第２端子が正常で第１端子がグランドショートを起こしている場合と、第２端子がグランドショートを起こしており第１端子が正常な場合とで、酸素濃度測定セルのインピーダンスや被測定ガスの雰囲気に依らずに差異が出る。従って、第１端子の電位及び第２端子の電位の少なくとも何れかが異常電位となり、その際に第２端子側から酸素濃度検知セルに比較的大きな電流Ｉｖｓを流したときの当該第２端子の電位を判定閾値と比較することで、第１端子に短絡異常（グランドショート）が生じているか第２端子に短絡異常（グランドショート）が生じているかを容易に判別することができる。
【００１９】
しかも、ガス濃度測定装置が、ガスセンサの制御用として通常備える（或いは標準として備える）定電流供給手段、及び基準電位設定手段を用いて、上述のような構成を実現している。このため、ガス濃度測定装置の回路構成が大きくなってしまうことがなく、従来に比べて安価なガス濃度測定装置にすることができる。
【００２０】
このような本発明では、例えば、請求項２のように構成することによって、第１端子及び第２端子の短絡異常（グランドショート）を判別できる。
つまり、測定手段の作動モードが異常時モードである際に第２端子の電位を判定閾値と比較した結果に基づき、第２端子の電位が判定閾値より大きければ第１端子の短絡異常と判定し、第２端子の電位が判定閾値以下であればその第２端子の短絡異常と判定するようにすると良い。
【００２１】
前述のように、第１端子及び第２端子の少なくとも何れかに短絡異常（グランドショート）が生じている場合において、第１端子に短絡異常（グランドショート）が生じているか第２端子に短絡異常（グランドショート）が生じているかによって、第２端子の電位の大きさが変わる。第２端子に短絡異常（グランドショート）が生じていれば第２端子の電位は０となり、第２端子が正常であれば第２端子には比較的大きな電位が現れる。
【００２２】
つまり、第２端子の電位が判定閾値より大きければ第２端子は正常、ひいては第１端子にグランドショートが生じていると分かり、第２端子の電位が判定閾値以下であれば第２端子にグランドショートが生じていると分かる。
【００２３】
したがって、請求項２のような構成により、第１端子及び第２端子の短絡異常（グランドショート）を判別するようにすればよいわけである。
ところで、上記のようなガス濃度測定装置においては、第３端子の短絡異常も診断するようにすると尚良い。つまり、請求項３に記載のように、第１〜第３端子の電位を検出して、その第１〜第３端子の電位の少なくとも何れかが予め定められた異常電位になると、測定手段の作動モードを異常時モードに移行させ、異常時モードにおいて、第３端子の電位を予め定めた第３端子用の判定閾値と比較して、その比較結果に基づき、第３端子の短絡異常を判定するようにすると良い。これによれば、第３端子における短絡異常も判別することができ、より好ましい。
【００２４】
また、ガス濃度測定装置に異常が生じた場合には、その異常が原因でガスセンサに異常電流が流れる虞があるため、請求項４のように構成すると良い。
具体的に、第１〜第３端子の電位の少なくとも何れかが予め定められた異常電位になると、測定手段の作動モードを、その測定手段とガスセンサとの間の第１〜第３端子を介した電気的な接続を遮断した遮断モードに移行させた後、その測定手段の作動モードを異常時モードに移行させるようにすれば良い。
【００２５】
これによれば、ガス濃度測定装置に異常が生じた場合に、ガスセンサに異常電流が継続して流れてしまうことを防止できる。このため、ガスセンサの破損を防止し得るようになる。
【００２６】
次に、請求項５に記載の発明は、拡散抵抗体を介して被測定ガスが導入される測定室、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置され、他方の電極が基準酸素分圧雰囲気に設定された基準酸素室に配置されて、その測定室と基準酸素室との間の酸素分圧差に応じた電圧を発生する酸素濃度検知セル、及び、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置されて、自身に流れる駆動電流に応じて測定室内に導入された被測定ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う酸素ポンプセル、を有するガスセンサと、酸素濃度検知セルの一対の電極のうち測定室に面していない電極と接続する第１端子、酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセルそれぞれの一対の電極のうち、測定室に面して配置される電極のそれぞれと接続する第２端子、及び酸素ポンプセルの一対の電極のうち測定室に面していない電極と接続する第３端子を介して電気的に接続され、酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように駆動電流の電流制御を行って、その駆動電流に基づき被測定ガス中の所定ガスの濃度を測定する測定手段と、を備えたガス濃度測定装置であって、測定手段は、基準酸素室の酸素濃度を一定に保つための定電流を第１端子を介して酸素濃度検知セルに供給する定電流供給手段と、第２端子の電位を基準電位に設定するとともに定電流よりも大きい電流を供給可能な基準電位設定手段と、第１端子の電位及び第２端子の電位を検出して、その第１端子の電位及び第２端子の電位の少なくとも何れか一方が予め定められた異常電位になると、当該測定手段の作動モードを、駆動電流の電流制御を行うモードであるガス濃度検出モードから、駆動電流の電流制御を行わないモードである異常時モードに移行させるモード切替手段と、当該測定手段の作動モードが異常時モードの状態において、定電流供給手段により定電流を酸素濃度検知セルに供給させるとともにその定電流よりも大きい電流を基準電位設定手段により第２端子を介して酸素濃度検知セルに供給させつつ、第２端子の電位を予め定められた判定閾値と比較し、比較結果に基づき、第１端子及び第２端子の何れの短絡異常であるかを判定する異常診断手段と、を備えていることを特徴とするガス濃度測定装置である。
【００２７】
このようなガス濃度測定装置によれば、請求項１について述べた効果と同じ効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ガス濃度測定装置１の構成図である。
【図２】電子制御ユニット５の概要を示す回路図である。
【図３】センサ素子駆動回路５２の各作動モードにおけるスイッチの状態を示す図である。
【図４】マイクロコンピュータ７で実行される処理の流れを示す主フローチャートである。
【図５】Ｖｓ＋端子及びＣＯＭ端子の端子電圧を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明が適用されたガス濃度測定装置１の構成を示す概略図である。尚、本実施形態のガス濃度測定装置１は、内燃機関（エンジン）の排気ガス中に含まれる酸素濃度を測定するものである。
【００３０】
図１に示すように、本実施形態のガス濃度測定装置１は、ガスセンサ２及び電子制御ユニット（以下、ＥＣＵとも称する）５から構成されている。ＥＣＵ５は、ガスセンサ２に電気的に接続され、被測定ガスの酸素濃度の測定等の機能を備える。尚、ＥＣＵ５が特許請求の範囲における測定手段に相当する。
【００３１】
ガスセンサ２は、排気ガス中の被測定ガスの酸素濃度を検知するセンサ素子１０、及び、センサ素子１０を作動温度に保つためのヒータ７０を備えて構成されている。
センサ素子１０は全領域空燃比センサであり、酸素ポンプセル１４、絶縁層１５、酸素濃度検知セル２４及び補強板３０が、この順に積層されて構成されている。
【００３２】
酸素ポンプセル１４は、薄板状の酸素イオン伝導性の固体電解質体１３の表裏面に、一対の第一ポンプ電極１２及び第二ポンプ電極１６が配置されて構成されている。このうち、第一ポンプ電極１２には、配線Ｌ３の一端が電気的に接続されている。また、第二ポンプ電極１６には、配線Ｌ２の一端が電気的に接続されている。尚、各配線Ｌ３、Ｌ２の他端は、ＥＣＵ５の第三接続端子Ｔ３及び第二接続端子Ｔ２に電気的に接続されている。
【００３３】
酸素濃度検知セル２４は、酸素ポンプセル１４と同様に、薄板状の酸素イオン伝導性の固体電解質体２３の表裏面に、一対の第一検知電極２２及び第二検知電極２８が配置されて構成されている。このうち、第一検知電極２２は、配線Ｌ２を介して上述の第二ポンプ電極１６に電気的に接続されている。つまり、配線Ｌ２の一端には、第二ポンプ電極１６及び第一検知電極２２が共有化されて電気的に接続されている。また、第二検知電極２８には、配線Ｌ１の一端が接続されている。尚、配線Ｌ１の他端は、ＥＣＵ５の第一接続端子Ｔ１に電気的に接続されている。
【００３４】
ここで、各固体電解質体１３、２３は、ジルコニアを主体とする材料にて形成されている。また、第一ポンプ電極１２、第二ポンプ電極１６、第一検知電極２２、及び第二検知電極２８は、白金を主体とする材料にて多孔質状に形成されている。尚、固体電解質体１３が特許請求の範囲における第２固体電解質体に相当し、固体電解質体２３が特許請求の範囲における第１固体電解質体に相当する。
【００３５】
絶縁層１５は、酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４とを電気的に絶縁するために、酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間に積層されている。この絶縁層１５は、アルミナを主体とする材料にて形成されている。
【００３６】
酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間には、絶縁層１５が部分的にくり抜かれて中空の測定室２０が形成されている。そして、酸素ポンプセル１４の第二ポンプ電極１６及び酸素濃度検知セル２４の第一検知電極２２は測定室２０に面して配置されている。尚、絶縁層１５の一部には、測定室２０内に排気ガス中の被測定ガスを導入するために、被測定ガス側及び測定室２０側に連通する多孔質拡散層１８が形成されている。この多孔質拡散層１８は、測定室２０内に導入される被測定ガスの拡散律速を行うものであり、アルミナを主体とする材料にて多孔質状に形成されている。
【００３７】
補強板３０は、酸素濃度検知セル２４の測定室２０側とは反対側の面に、第二検知電極２８を挟み込むようにして密着して配設されている。これにより、センサ素子１０全体の強度を確保している。
【００３８】
また、補強板３０によって、酸素濃度検知セル２４の第二検知電極２８は外部と遮断され、第二検知電極２８の周囲には密閉空間が形成される。このような素子構成において、酸素濃度検知セル２４の第二検知電極２８から第一検知電極２２に向かう方向に微小な定電流Ｉｃｐを流して、第二検知電極２８側に測定室２０内の雰囲気から酸素を汲み入れることにより、第二検知電極２８内及び周囲の密閉空間には略一定濃度の酸素が蓄積されることとなる。この第二検知電極２８内及び周囲の密閉空間に蓄積された酸素は、センサ素子１０において被測定ガスの酸素濃度を検知する際の基準酸素となる。このため、第二検知電極２８は自己生成基準電極とも称される。
【００３９】
尚、補強板３０は、酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４を構成する各固体電解質体１３、１１ｃと略同じ大きさであると共にセラミックを主体とする材料にて板状に形成されている。
【００４０】
ヒータ７０は平板状に形成され、センサ素子１０の酸素ポンプセル１４に対向して配置されている。ヒータ７０はアルミナを主体とする材料にて形成され、その内部には白金を主体とする材料にて形成されたヒータ配線７２を備えている。ヒータ７０は、後述するヒータ制御回路６０から供給される電力により、センサ素子１０の温度が５５０〜９００℃になるように制御される。また、ヒータ配線７２の両端には、各配線Ｌ４、Ｌ５の一端が電気的に接続されている。尚、各配線Ｌ４、Ｌ５の他端は、ＥＣＵ５のヒータ制御回路６０に電気的に接続されている。
【００４１】
ＥＣＵ５は、センサ素子１０と電気的に接続されてそのセンサ素子１０を制御するセンサ素子制御回路５０、ヒータ７０と電気的に接続されてそのヒータ７０を制御するヒータ制御回路６０、センサ素子制御回路５０及びヒータ制御回路６０を制御するマイクロコンピュータ７を備えて構成されている。
【００４２】
このうち、マイクロコンピュータ７は、図示は省略するが、中央演算装置であるＣＰＵと、データやプログラム等を格納するＲＡＭ及びＲＯＭと、外部回路との信号の入出力を行う入力ポート及び出力ポートとを備えている。マイクロコンピュータ７では、ＣＰＵがＲＯＭ等に格納されたプログラムを実行することにより、各種演算やデータ転送等の命令の実行が制御される。また、マイクロコンピュータ７では、入力ポートに入力された信号は、入力ポート用レジスタの内容に反映され、出力ポート用レジスタに格納された内容は、出力ポートに信号として出力される。
【００４３】
センサ素子制御回路５０は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、及び、Ｉｐ＋端子を備えている。尚、Ｖｓ＋端子が特許請求の範囲における第１端子に相当し、ＣＯＭ端子が特許請求の範囲における第２端子に相当し、Ｉｐ＋端子が特許請求の範囲における第３端子に相当する。これら各端子は、ＥＣＵ５の第一〜第三接続端子Ｔ１〜Ｔ３とそれぞれ電気的に接続されている。具体的に、センサ素子１０の第二検知電極２８は、配線Ｌ１及び第一接続端子Ｔ１を介して、Ｖｓ＋端子に電気的に接続されている。また、センサ素子１０の第二ポンプ電極１６及び第一検知電極２２は、配線Ｌ２及び第二接続端子Ｔ２を介して、ＣＯＭ端子に電気的に接続されている。更に、センサ素子１０の第一ポンプ電極１２は、配線Ｌ３及び第三接続端子Ｔ３を介して、Ｉｐ＋端子に電気的に接続されている。
【００４４】
センサ素子１０では、被測定ガス（排気ガス）が、測定室２０内に、多孔質拡散層１８を介して拡散する。このセンサ素子１０は、エンジンに供給される混合気が理論空燃比に保たれている状態では、第一検知電極２２が晒される雰囲気と、第二検知電極２８が晒される雰囲気（基準酸素雰囲気）との酸素分圧差により、酸素濃度検知セル２４に４５０［ｍＶ］の起電力を発生する特性を有する。即ち、第一検知電極２２と第二検知電極２８との間には、４５０［ｍＶ］の電位差が生じることとなる。
【００４５】
ところで、エンジンに供給される混合気の空燃比の変化に応じて、排気ガスに含まれる酸素濃度は変化し、これにより、センサ素子１０の測定室２０内の雰囲気に含まれる酸素濃度も変化する。そこで、本実施形態のガス濃度測定装置１では、後述のセンサ素子制御回路５０によって第一検知電極２２と第二検知電極２８との間の電位差が４５０［ｍＶ］に保たれるように、酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流が制御される。つまり、測定室２０内の雰囲気が理論空燃比と同じ状態となるように、酸素ポンプセル１４によって酸素のポンピングが行われる。そして、このＩｐ電流に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度が測定される。
【００４６】
次に、図２に基づいて、ＥＣＵ５の構成及び動作について説明する。図２は、ＥＣＵ５の概要を示す回路図である。
ＥＣＵ５は、上述したように、センサ素子制御回路５０と、ヒータ制御回路６０と、マイクロコンピュータ７とを備えて構成されている。
【００４７】
センサ素子制御回路５０は、センサ素子駆動回路５２と、異常検出回路５３と、端子電圧出力回路５４とを備えて構成されている。
センサ素子駆動回路５２は、センサ素子１０を構成する酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の駆動制御を行う。
【００４８】
異常検出回路５３は、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２との接続点であるＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子の各端子電圧の何れかが所定の電圧範囲外の異常となったときに異常検出フラグＤＩＡＧ１を、ＤＩＡＧ１＝１（セット状態）としマイクロコンピュータ７に出力する。また、異常検出回路５３は、ＣＯＭ端子の端子電圧が所定の範囲外の異常となったときに異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）としてマイクロコンピュータに出力する。
【００４９】
より具体的に、異常検出フラグＤＩＡＧ１は、Ｖｓ＋端子、及びＣＯＭ端子の何れかの正常／異常を表すものであり、異常検出フラグＤＩＡＧ２は、ＣＯＭ端子の正常／異常を表すものである。そして、Ｖｓ＋端子及びＣＯＭ端子について、端子電圧が閾値１．２［Ｖ］以下になった場合に異常とされる。逆に、Ｖｓ＋端子及びＣＯＭ端子について、端子電圧が閾値１．２［Ｖ］より大きい場合に正常とされる。
【００５０】
端子電圧出力回路５４は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧をマイクロコンピュータ７に出力する。
センサ素子駆動回路５２は、酸素ポンプセル１４を駆動するＩｐ電流を流すためのオペアンプ３２、Ｉｐ電流の制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路部５６、第二検知電極２８の酸素濃度を一定に保つために酸素濃度検知セル２４に定電流Ｉｃｐを流すための定電流源４６、Ｉｐ電流の制御目標電圧を供給する定電圧源４８、を備えている。尚、定電流源４６が特許請求の範囲における定電流供給手段に相当する。
【００５１】
また、センサ素子駆動回路５２は、そのセンサ素子駆動回路５２とセンサ素子１０とを接続するための端子であるＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子、ＰＩＤ制御回路部５６の特性を決める素子を外付けするための端子であるＰ１端子、Ｐ２端子、Ｐｏｕｔ端子、マイクロコンピュータ７から出力された作動モード切り替え信号に応じてセンサ素子駆動回路５２の作動モードを変更するためのスイッチ（以下、ＳＷと記載する）１〜６を備えて構成されている。尚、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子は、それぞれ、第一接続端子Ｔ１、第二接続端子Ｔ２、第三接続端子Ｔ３と導通している。
【００５２】
酸素ポンプセル１４を構成する一対のポンプ電極のうち第一ポンプ電極１２は、Ｉｐ＋端子に配線Ｌ３及び第三接続端子を介して接続されている。また、第二ポンプ電極１６は、センサ素子１０の共通基準電圧を与えるＣＯＭ端子に、配線Ｌ２及び第二接続端子Ｔ２を介して接続されている。また、酸素濃度検知セル２４を構成する一対の検知電極のうち第二検知電極２８は、Ｖｓ＋端子に配線Ｌ１及び第一接続端子Ｔ１を介して接続され、第一検知電極２２は、ＣＯＭ端子に配線Ｌ２及び第二接続端子Ｔ２を介して接続されている。
【００５３】
Ｉｐ＋端子には、抵抗素子Ｒ７、抵抗素子Ｒ８、オペアンプ３２が接続されている。
このうち、抵抗素子Ｒ７の一端はＩｐ＋端子に接続されており、抵抗素子Ｒ７の他端はＳＷ５を介して電源（５Ｖ）に接続されている。また、抵抗素子Ｒ８の一旦はＩｐ＋端子に接続されており、抵抗素子Ｒ８の他端はＳＷ６を介して接地されている。ここで、抵抗素子Ｒ７、Ｒ８の抵抗値は、センサ素子駆動回路５２の作動モードが後述するアクティブモード時にリーク電流が流れることを防ぐため、５０ｋΩ程度であることが好ましい。
【００５４】
オペアンプ３２は、反転入力端子にＰＩＤ制御回路部５６が抵抗素子Ｒ２を介して接続され、非反転入力端子には、基準電圧３．６Ｖが印加され、また、出力端子はＳＷ３を介してＩｐ＋端子に接続されており、これらによって、センサ素子１０を制御する負帰還回路が構成されている。
【００５５】
ＣＯＭ端子には、ＰＩＤ制御回路部５６、オペアンプ３２、３４が接続されている。このうち、ＰＩＤ制御回路部５６は、制御目標電圧の４５０［ｍＶ］と酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓとの偏差量ΔＶｓをＰＩＤ演算し、上述の負帰還制御の制御特性を改善する機能を有している。このＰＩＤ制御回路部５６は、ＰＩＤ制御回路４０、及び、Ｐ１端子及びＰ２端子に装着されＰＩＤ制御回路部５６の制御特性を決める抵抗素子Ｒ３〜Ｒ５とコンデンサＣ１〜Ｃ３とによって構成されている。そして、ＰＩＤ制御回路部５６は、オペアンプ４２を介してＶｓ＋端子に接続され、酸素濃度検知セル２４の出力電圧ＶｓがＰＩＤ制御回路部５６に入力される。また、ＰＩＤ制御回路４０は、ＳＷ２を介してＰｏｕｔ端子に接続されている。そして、Ｐｏｕｔ端子は、抵抗素子Ｒ２を介してＣＯＭ端子に接続され、最終的にオペアンプ３２の反転入力端子に接続されている。尚、ＰＩＤ制御回路部５６の出力は、ＳＷ２によってＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになっている。
【００５６】
定電圧源４８はＰＩＤ制御回路４０に接続されている。この定電圧源４８は、Ｉｐ電流を制御する制御目標となる電圧である４５０［ｍＶ］を、ＰＩＤ制御回路４０に供給するための回路である。
【００５７】
更に、オペアンプ３２は、自身の反転入力端子がＣＯＭ端子に接続されている。
また、ＣＯＭ端子には、オペアンプ３４がＳＷ１を介して接続されている。このオペアンプ３４は、後述するように、センサ素子１０の異常診断を行うために、異常識別用電流を供給するための回路でもある。尚、オペアンプ３４が特許請求の範囲における基準電位設定手段に相当する。
【００５８】
Ｖｓ＋端子には、定電流源４６、オペアンプ４２が接続されている。このうち、定電流源４６は、ＳＷ４を介して、Ｖｓ＋端子に接続されている。この定電流源４６は、酸素濃度検知セル２４の第二検知電極２８周囲の酸素濃度を一定に保つために、酸素濃度検知セル２４に流される定電流Ｉｃｐ（例えば、１７μＡ）を供給する回路である。
【００５９】
また、オペアンプ４２の非反転入力端子は、Ｖｓ＋端子に接続されている。
このように構成されたセンサ素子駆動回路５２においては、被測定ガスの酸素濃度の測定を行うためのアクティブモードにて、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をＯＮとし、ＳＷ１、ＳＷ５、ＳＷ６をＯＦＦとする（例えば、後述する図３参照）。このとき、被測定ガスが燃料供給過剰（リッチ）の状態の場合には、測定室２０内の酸素濃度が理論空燃比での酸素濃度よりも小さくなり、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧である４５０［ｍＶ］よりも高くなる。従って、制御目標電圧と出力電圧Ｖｓとの偏差量ΔＶｓが発生し、その偏差量ΔＶｓがＰＩＤ制御回路部５６によってＰＩＤ演算され、オペアンプ３２によってフィードバックされる。このため、不足分の酸素を酸素ポンプセル１４により測定室２０内に汲み込むためのＩｐ電流が酸素ポンプセル１４に流れることになる。
【００６０】
一方、被測定ガスが燃料供給不足（リーン）であるような状況下で排出される排気ガス（理論空燃比のときよりも酸素の割合が過剰である排気ガス）である場合は、測定室２０内の酸素濃度が理論空燃比での酸素濃度よりも大きくなり、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧４５０［ｍＶ］よりも低くなるので、上述と同様にオペアンプ３２によって偏差量ΔＶｓがフィードバックされて、過剰分の酸素を酸素ポンプセル１４により測定室２０内から汲み出すためのＩｐ電流が酸素ポンプセル１４に流れるようになる。
【００６１】
このようにして、本実施形態のガス濃度測定装置１では、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓが４５０［ｍＶ］となるように酸素ポンプセル１４を制御するＩｐ電流を制御するとともに、そのＩｐ電流の値を測定することで、そのＩｐ電流の大きさと方向に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を測定することが可能となる。尚、本実施形態のガス濃度測定装置１では、酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流を抵抗素子Ｒ２にて電圧変換し、抵抗素子Ｒ２の両端電圧（具体的には、ＣＯＭ端子とＰｏｕｔ端子の両端電圧）が図示しない差動増幅回路を介して、マイクロコンピュータ７の入力ポートに出力されるように構成されている。そして、マイクロコンピュータ７で測定された酸素濃度に基づき、最終的にエンジンの燃焼制御が行われる。
【００６２】
次に、異常検出回路５３は、ウィンドコンパレータ５７、５８とＯＲ回路５１で構成されている。ウィンドコンパレータ５７、５８の出力端子が並列にＯＲ回路５１の入力端子に接続されている。そして、図中では接続ラインが省略されているが、各コンパレータの入力端子は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子にそれぞれ接続されている。尚、ＣＯＭ端子がつながるウィンドコンパレータ５８は、別途マイクロコンピュータ７にも接続されている。
【００６３】
各ウィンドコンパレータ５７、５８は、それぞれ、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子の各端子電圧が所定の電圧範囲内であるとき（所定の閾値より大きいとき）にローレベル信号を出力し、各端子電圧が所定の電圧範囲外であるとき（所定の閾値以下であるとき）にハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００６４】
Ｖｓ＋端子の端子電圧は、通常、ＣＯＭ端子の基準電圧３．６Ｖに酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓ（４５０［ｍＶ］）を加えた値である４．０５Ｖに保たれている。ところが、Ｖｓ＋端子に接続された配線Ｌ１等（Ｖｓ＋ラインとも称する）が何らかの原因によりグランド電位に短絡すると、Ｖｓ＋端子の端子電圧はグランド電位となる。すると、センサ素子１０に過大な異常電流が流れ、センサ素子１０が破損するおそれがある。そこで、ウィンドコンパレータ５７は、Ｖｓ＋端子の端子電圧と予め設定された閾値とを比較し、Ｖｓ＋端子の端子電圧が閾値以下となったときにハイレベル信号を出力するように構成されている。具体的には、ウィンドコンパレータ５７の閾値を１．２［Ｖ］に設定する。そして、Ｖｓ＋端子の端子電圧が閾値の１．２［Ｖ］以下となったとき、ウィンドコンパレータ５７は、ハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００６５】
ＣＯＭ端子の端子電圧は、通常、オペアンプ３２により基準電圧３．６Ｖになるように制御されている。ところが、ＣＯＭ端子に接続された配線Ｌ２等（ＣＯＭラインとも称する）が何らかの原因によりグランド電位に短絡すると、Ｖｓ＋端子と同様、ＣＯＭ端子の端子電圧はグランド電位となる。そこで、ウィンドコンパレータ５８は、ＣＯＭ端子の端子電圧と予め設定された閾値とを比較し、ＣＯＭ端子の端子電圧が閾値以下となったときにハイレベル信号を出力するように構成されている。具体的には、ウィンドコンパレータ５７と同様に、ウィンドコンパレータ５８の閾値を１．２［Ｖ］に設定する。そして、ＣＯＭ端子の電位が閾値の１．２［Ｖ］以下となったときに、ウィンドコンパレータ５８は、ハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００６６】
ＯＲ回路５１は、各ウィンドコンパレータ５７、５８からの信号の論理和を算出し、各ウィンドコンパレータ５７、５８の何れかからハイレベル信号が入力されたときに、異常検出フラグＤＩＡＧ１をＤＩＡＧ１＝１（セット状態）としマイクロコンピュータ７に出力する。尚、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子の各端子電圧が所定の電圧範囲内であるときは、異常検出回路５３は異常検出フラグＤＩＡＧ１及び異常検出フラグＤＩＡＧ２を、ＤＩＡＧ１＝０（リセット状態）及びＤＩＡＧ２＝０（リセット状態）としマイクロコンピュータ７に出力する。このように、異常検出回路５３は、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭラインの何れかで短絡異常が発生して、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子の端子電圧が閾値以下の異常電圧値となった場合（換言すれば、センサ素子１０に異常が発生した場合）に、異常検出フラグＤＩＡＧ１をＤＩＡＧ１＝１（セット状態）とする、或いは異常検出フラグＤＩＡＧ２をＤＩＡＧ２＝１（セット状態）とする機能を有する。
【００６７】
端子電圧出力回路５４は、マイクロコンピュータ７にＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧を出力する回路である。尚、図中では接続ラインが省略されているが、端子電圧出力回路５４の入力端子は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子にそれぞれ接続されている。
【００６８】
マイクロコンピュータ７は、センサ素子駆動回路５２、異常検出回路５３、端子電圧出力回路５４に接続される。詳細には、後述するセンサ素子駆動回路５２の作動モードを切り替える切り替え信号（詳細には、各ＳＷ１〜ＳＷ６のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御信号）は、マイクロコンピュータ７の出力ポートから出力され、異常検出回路５３の異常検出フラグＤＩＡＧ１、ＤＩＡＧ２、端子電圧出力回路５４の出力信号、抵抗素子Ｒ２の両端電圧は、マイクロコンピュータ７の入力ポートに入力されている。このため、マイクロコンピュータ７はセンサ素子駆動回路５２の作動モードを制御することができると共に、センサ素子１０に発生した異常の継続の有無、各端子の端子電圧及び被測定ガスの酸素濃度の測定値を得ることができる。また、マイクロコンピュータ７は、異常検出回路５３、端子電圧出力回路５４からの入力信号に基づき、センサ素子１０の異常診断を行う。更に、マイクロコンピュータ７は、センサ素子１０の温度が５５０〜９００℃となるように、ヒータ制御回路６０を制御する。
【００６９】
本実施形態では、各ＳＷ１〜ＳＷ６のＯＮ／ＯＦＦが切り替わることにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが、アクティブモード、プロテクションモード、ノンアクティブモード、の何れかに切り替わる。
【００７０】
アクティブモードは、エンジンの燃焼制御（ガスの濃度検出）を行う場合の作動モードであり、センサ素子１０に異常が発生していない正常の場合には、センサ素子駆動回路５２をこの作動モードにする。尚、アクティブモードが特許請求の範囲におけるガス濃度検出モードに相当する。
【００７１】
この作動モードでは、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２において、ＳＷ２〜ＳＷ４がＯＮとなり、ＳＷ１、ＳＷ５，ＳＷ６がＯＦＦとなる。
このように、ＳＷ２〜ＳＷ４がＯＮとなり、ＳＷ１、ＳＷ５，ＳＷ６がＯＦＦとなると、上述のように、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓを負帰還電圧として、酸素ポンプセル１４はオペアンプ３２によって負帰還制御され、Ｉｐ電流を測定することで被測定ガス中の酸素濃度が測定される。そして、測定された酸素濃度に基づきエンジンの燃焼制御が行われる。
【００７２】
プロテクションモードは、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の何れかの端子電圧が、所定の電圧範囲外となった場合に、センサ素子駆動回路５２からセンサ素子１０に対する出力を全てＯＦＦにし（換言すれば、センサ素子駆動回路５２とセンサ素子１０とを電気的に遮断し）、センサ素子１０を保護する作動モードである。尚、プロテクションモードが、特許請求の範囲における遮断モードに相当する。
【００７３】
この作動モードでは、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２のＳＷ１〜ＳＷ６の全てがＯＦＦとなるため、オペアンプ３２，３４、定電流源４６からセンサ素子１０に入力される信号はＯＦＦとなり、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２とは電気的に遮断される。従って、センサ素子１０に異常電流が継続して流れることがなくなり、センサ素子１０は電気的に保護されることとなる。
【００７４】
ノンアクティブモードは、センサ素子１０に異常が発生したときに、異常が発生した端子を診断するための作動モードである。尚、ノンアクティブモードが、特許請求の範囲における異常時モードに相当する。
【００７５】
この作動モードでは、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２のＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６がＯＮとなり、ＳＷ２、ＳＷ３がＯＦＦとなる。
このように、ＳＷ３がＯＦＦであるため、酸素ポンプセル１４を駆動しているオペアンプ３２からは電流が供給されなくなり、また、ＳＷ２がＯＦＦのためＰＩＤ制御回路４０からも電流が供給されなくなり、酸素ポンプセル１４に対する電流制御は停止する。従って、酸素ポンプセル１４の負帰還制御は行われなくなる。
【００７６】
そして、ＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６がＯＮであるため、酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４には、オペアンプ３４、定電流源４６、電源（５Ｖ）から電流が供給されることとなる。
【００７７】
これらオペアンプ３４、定電流源４６、電源（５Ｖ）から出力される電流（以下、異常識別用電流とも称する）を各セル１４、２４に流したときに、各端子（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）に発生する各端子電圧が、端子電圧出力回路５４からマイクロコンピュータ７に入力され、また、異常検出回路５３に入力される。
【００７８】
図４は、マイクロコンピュータ７において実行される処理の流れを表すフローチャートである。
マイクロコンピュータ７は、自動車の電源がＯＮされると（より具体的に、自動車のイグニションスイッチがＯＮされると）処理を開始し、まず、Ｓ１１０にて、ヒータ制御回路６０を介してヒータ７０への電源供給（つまり、ヒータ７０への通電）を開始する。
【００７９】
次に、Ｓ１２０に進み、作動モードをアクティブモードに切り替える切替処理を実行する。具体的に、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードをアクティブモードに切り替える信号（アクティブモード切替信号）を出力するようになっている。センサ素子駆動回路５２にアクティブモード切替信号が入力されることにより、ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４がＯＮし、ＳＷ１，ＳＷ５，ＳＷ６がＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがアクティブモードに切り替わる。
【００８０】
次に、Ｓ１３０に進み、被測定ガス中の所定のガス濃度の測定処理（具体的には、酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流に基づく酸素濃度の測定処理）が実行される。
次に、Ｓ１４０に進み、異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）であるか否かを判定する。つまり、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の何れかに短絡異常（ＧＮＤショート）が生じているか否かを判定する。尚、前述のように、センサ素子１０の各端子電圧が所定の電圧範囲内であれば（センサ素子１０に異常が発生していなければ）、異常検出フラグＤＩＡＧ１＝０（リセット状態）となり、逆に、センサ素子１０の各端子電圧が所定の電圧範囲外であれば（センサ素子１０に異常が発生していれば）、異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）となる。
【００８１】
Ｓ１４０で異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）でない（つまり、センサ素子１０に異常が発生していない）と判定すると（Ｓ１４０：ＮＯ）、Ｓ２９０に移行し、異常回数Ｎをリセットする。
【００８２】
Ｓ２９０の後はＳ３００に移行し、Ｉｐ＋端子の端子電圧が所定電圧（例えば１．５［Ｖ］）以下であるか否かを判定し、所定電圧以下であると判定すると（Ｓ３００：ＹＥＳ）、後述するＳ１５０に移行する。
【００８３】
一方、Ｓ３００でＩｐ＋端子の端子電圧が所定電圧以下でないと判定すると（Ｓ３００：ＮＯ）、Ｓ１３０に戻る。
また、Ｓ１４０で異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）である（つまり、センサ素子１０に異常が発生している）と判定すると（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、Ｓ１５０に移行する。
【００８４】
Ｓ１５０では、センサ素子駆動回路５２の作動モードをプロテクションモードに切り替える。具体的に、センサ素子駆動回路５２を介して、ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をＯＦＦする。これにより、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２との電気的接続が遮断される。この場合、センサ素子１０に異常電流が流れないようにできるため、センサ素子１０が破損してしまうことを防止することができる。
【００８５】
次に、Ｓ１６０に進み、センサ素子駆動回路５２の作動モードをノンアクティブモードに切り替える。具体的に、センサ素子駆動回路５２を介して、ＳＷ１，ＳＷ４〜ＳＷ６をＯＮする。尚、マイクロコンピュータ７及びマイクロコンピュータ７において実行されるＳ１４０及びＳ１６０の処理が特許請求の範囲におけるモード切替手段に相当する。
【００８６】
次に、Ｓ１７０に進み、異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）であるか否かを判定する。つまり、Ｖｓ＋端子、及びＣＯＭ端子の何れかの短絡異常（ＧＮＤショート）であるか否かを判定する。Ｓ１７０で異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）でないと判定すると（Ｓ１７０：ＮＯ）、Ｓ１８０に移行する。
【００８７】
Ｓ１８０では、Ｉｐ＋端子の端子電圧が所定電圧以下であるか否かを判定し、所定電圧以下でないと判定すると（Ｓ１８０：ＮＯ）、Ｓ１９０に移行し、図示しないタイマーをリセットする。そしてその後、Ｓ１２０に戻る。
【００８８】
一方、Ｓ１８０にて、Ｉｐ＋端子の端子電圧が所定電圧以下であると判定すると（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、Ｓ２００に移行する。
Ｓ２００では、図示しないタイマーがカウント動作中か否かを判定し、カウント動作中でないと判定すると（Ｓ２００：ＮＯ）、Ｓ２１０に移行し、その図示しないタイマーをスタートする。そしてＳ２２０に移行する。
【００８９】
一方、Ｓ２００において図示しないタイマーがカウント動作中であると判定すると（Ｓ２００：ＹＥＳ）、Ｓ２２０に移行する。
Ｓ２２０では、図示しないタイマーのカウント値に基づき所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間が経過していないと判定すると（Ｓ２２０：ＮＯ）、再びＳ１２０に戻る。
【００９０】
一方、Ｓ２２０にて所定時間が経過したと判定すると（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、Ｓ２３０に移行し、Ｉｐ＋端子の短絡異常（ＧＮＤショート）と判断し、その後当該処理を終了する。
【００９１】
また、Ｓ１７０で異常検出フラグＤＩＡＧ１＝１（セット状態）であると判定すると（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、Ｓ２４０に移行し、異常回数Ｎをインクリメントする。
次に、Ｓ２５０に進み、異常回数Ｎが所定回数以上か否かを判定し、所定回数以上でないと判定すると（Ｓ２５０：ＮＯ）、Ｓ１５０に戻る。
【００９２】
一方、Ｓ２５０で異常回数Ｎが所定回数以上であると判定すると（Ｓ２５０：ＹＥＳ）、Ｓ２６０に移行する。
Ｓ２６０では、異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）であるか否か（言い換えると、ＣＯＭ端子の端子電圧が所定電圧以下か否か）を判定し、異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）である（ＣＯＭ端子の端子電圧が所定電圧以下である）と判定すると（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、Ｓ２７０に移行してＣＯＭ端子のＧＮＤショートと判断する。そしてその後、当該処理を終了する。尚、マイクロコンピュータ７が実行するＳ２６０の処理、及びそのマイクロコンピュータ７が特許請求の範囲における異常診断手段に相当する。
【００９３】
一方、Ｓ２６０にて異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）でない（ＣＯＭ端子の端子電圧が所定電圧以下でない）と判定すると（Ｓ２６０：ＮＯ）、Ｓ２８０に移行してＶｓ＋端子のＧＮＤショートと判断する。そしてその後、当該処理を終了する。
【００９４】
つまり、本実施形態では、Ｉｐ＋端子の電圧が所定電圧以下（Ｓ１８０：ＹＥＳ）である状態が所定時間継続すれば（Ｓ２２０：ＹＥＳ）、Ｉｐ＋端子がＧＮＤショートを起こしていると判定する（Ｓ２３０）。
【００９５】
一方で、Ｖｓ端子、ＣＯＭ端子の何れかにおいてＧＮＤショートが発生した場合に（Ｓ１４０：ＹＥＳ、Ｓ１７０：ＹＥＳ）、異常回数Ｎが所定回数以上となって異常が確定でき（Ｓ２４０→Ｓ２５０：ＹＥＳ）、さらに異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）であれば（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、ＣＯＭ端子がＧＮＤショートを起こしていると判断し（Ｓ２７０）、異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）でなければ（Ｓ２６０：ＮＯ）、Ｖｓ＋端子がＧＮＤショートを起こしていると判断する（Ｓ２８０）。
【００９６】
ここで、図５に示すが、ＣＯＭ端子が正常でＶｓ＋端子がＧＮＤショートを起こしている場合（図５における（Ａ））、酸素濃度検知セル２４には電流Ｉｖｓが流れ、酸素濃度検知セル２４の両端電圧は、「Ｉｖｓ×Ｒｉｖｓ＋Ｅｖｓ」で与えられる。Ｒｉｖｓは酸素濃度検知セル２４のインピーダンスであり、Ｅｖｓは酸素濃度検知セル２４の出力電圧である。尚、Ｖｓ＋端子の端子電圧は０となる。
【００９７】
そして、電流Ｉｖｓ、言い換えるとオペアンプ３４から出力される異常識別用電流は、被測定ガスの酸素濃度によって変化する酸素ポンプセル１４や酸素濃度検知セル２４の出力電圧を考慮して、１５ｍＡ程度と比較的大きなものとなっている。
【００９８】
そうすると、Ｖｓ端子、ＣＯＭ端子の何れかにおいてＧＮＤショートが発生した場合に（Ｓ１４０：ＹＥＳ、Ｓ１７０：ＹＥＳ）、ＣＯＭ端子の端子電圧が所定電圧（例えば１．２［Ｖ］）より大きいことで異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）でなければ（Ｓ２６０：ＮＯ）、ＣＯＭ端子はＧＮＤショートを起こしていない、つまりＶｓ＋端子がＧＮＤショートを起こしていると判定することができる（Ｓ２８０）。
【００９９】
また、Ｖｓ＋端子が正常でＣＯＭ端子がグランドショートを起こしている場合（図５における（Ｂ））、酸素濃度検知セル２４には定電流Ｉｃｐが流れ、酸素濃度検知セル２４の両端電圧は、「Ｉｃｐ×Ｒｉｖｓ＋Ｅｖｓ」で与えられる。尚、ＣＯＭ端子の端子電圧は０となる。この場合、ＣＯＭ端子の端子電圧は確実に所定電圧（１．２［Ｖ］）以下となる。
【０１００】
そして、Ｖｓ端子、ＣＯＭ端子の何れかにおいてＧＮＤショートが発生した場合に（Ｓ１４０：ＹＥＳ、Ｓ１７０：ＹＥＳ）、ＣＯＭ端子の端子電圧が所定電圧（１．２［Ｖ］）以下であることで異常検出フラグＤＩＡＧ２＝１（セット状態）であれば（Ｓ２６０：ＹＥＳ）、ＣＯＭ端子がＧＮＤショートを起こしていると判定することができる（Ｓ２７０）。
【０１０１】
尚、例えば、ガスセンサ２の温度（各セルの温度）が高く、かつ被測定ガスが燃料供給不足（リーン）であるような状況下で排出される排気ガス（理論空燃比のときよりも酸素の割合が過剰である排気ガス）である場合は、前者のガスセンサの温度が高いことに起因してインピーダンスＲｉｖｓは小さくなり、後者の酸素量が過剰であることに起因して酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｅｖｓは所定の基準電圧よりも小さくなるようになっている。この場合、定電流Ｉｃｐ、電流Ｉｖｓの大きさによっては、酸素濃度検知セルの両端電圧は非常に小さなものとなってしまい、ＧＮＤショートを起こしている端子の判別が難しくなる。この点、本実施形態のガス濃度測定装置１では、定電流Ｉｃｐよりも大きい電流Ｉｖｓを供給することによって、Ｖｓ＋端子がＧＮＤショートを起こしている場合とＣＯＭ端子がＧＮＤショートを起こしている場合とで、ＣＯＭ端子の端子電圧に大きな差が生じるようにしている。したがって、ＣＯＭ端子の端子電圧に基づき、Ｖｓ＋端子がＧＮＤショートを起こしているのかＣＯＭ端子がＧＮＤショートを起こしているのかを判別できるようになっている。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度測定装置１では、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２との各接続点（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子）に異常電圧が発生したか否かを各ウィンドコンパレータ５７、５８で検出し、何れかの接続点で異常電圧が発生した場合、センサ素子駆動回路５２の作動モードをプロテクションモードからさらにノンアクティブモードに切り替え、各端子の異常診断を行う。
【０１０３】
具体的に、ＣＯＭ端子の端子電圧を所定電圧（例えば１．２［Ｖ］）と比較することにより、ＣＯＭ端子及びＶｓ＋端子の短絡異常を診断する。例えば、ガスセンサ２の温度（各セルの温度）が高く、かつ被測定ガスが燃料供給不足（リーン）であるような状況下で排出される排気ガス（理論空燃比のときよりも酸素の割合が過剰である排気ガス）である場合は、既に述べたように、酸素濃度検知セル２４の両端電圧は非常に小さなものとなり、ＧＮＤショートを起こしている端子を判別することは難しくなる。この点、本実施形態のガス濃度測定装置１では、前述したように、ＣＯＭ端子の端子電圧に基づき、Ｖｓ＋端子及びＣＯＭ端子の何れにＧＮＤショートが生じているかを判別することができるようになっている。
【０１０４】
また、本実施形態のガス濃度測定装置１では、センサ素子１０の異常診断時に、異常診断に必要となる異常識別用電流を所定の時間だけ通電することによって、センサ素子１０を破損させずに異常診断を行うことが可能となっている。しかも、異常識別用電流を通電するための特別な回路を設けることなく、ガス濃度測定装置１における通常の機能（回路）を利用して、異常診断を行うことが可能となっている。このため、ガス濃度測定装置１の大きさやコストを抑えることができ有利である。
【０１０５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内において種々の形態をとることができる。
例えば、上記実施形態では、センサ素子１０として全領域空燃比センサを取り上げたが、これに限られず、上記センサ素子１０にもう一つのセルを追加して、二つの測定室を備えたＮＯｘセンサに適用することも可能である。
【０１０６】
また、上記実施形態において、図４のＳ２５０の処理で否定判定した後、Ｓ１７０の処理に戻るようにしても良い。
また、上記実施形態において、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子及びＩｐ＋端子の正常／異常を判定する際の閾値としての１．２［Ｖ］、１．５［Ｖ］という数値は一例であり、他の値を用いても良い。また、他の数値についても一例であり、値を限定する趣旨のものではない。
【符号の説明】
【０１０７】
１…ガス濃度測定装置、２…ガスセンサ、５…電子制御ユニット、７…マイクロコンピュータ、１０…センサ素子、１２…第一ポンプ電極、１３…固体電解質体、１４…酸素ポンプセル、１５…絶縁層、１６…第二ポンプ電極、１８…多孔質拡散層、２０…測定室、２２…第一検知電極、２３…固体電解質体、２４…酸素濃度検知セル、２８…第二検知電極、３０…補強板、３２，３４…オペアンプ、４０…ＰＩＤ制御回路、４２…オペアンプ、４６…定電流源、４８…定電圧源、５０…センサ素子制御回路、５１…ＯＲ回路、５２…センサ素子駆動回路、５３…異常検出回路、５４…端子電圧出力回路、５６…ＰＩＤ制御回路部、５７，５８…ウィンドコンパレータ、６０…ヒータ制御回路、７０…ヒータ、７２…ヒータ配線。
【図２】
2010210403.tif 000003
【図３】
2010210403.tif 000004
【図４】
2010210403.tif 000005
【図５】
2010210403.tif 000006
【図１】
2010210403.tif 000007