(57)【要約】【課題】  素子インピーダンスが過大になった場合に、ヒータの過昇温を防止すると共に、ヒータへの通電をオフにせず、ガスセンサに異物が付着するのを防止したガスセンサ制御装置を提供する。【解決手段】  インピーダンス検出対象セル２４を有するガスセンサ８に接続され、ヒータ４３を通電制御するヒータ制御回路６０と、インピーダンスが異常閾値以上か否かを判定するインピーダンス異常判定手段と、インピーダンスが異常の場合、ヒータに最大実効電圧を印加しているか否かを判定する電圧印加判定手段と、最大実効電圧の印加時間がヒータ過昇温防止時間ＴＯＰ、Ｔｃｌ以上になったか否かを判定する電圧印加状態判定手段と、印加時間がヒータ過昇温防止時間以上になった場合に、最大実効電圧未満でかつインピーダンス検出対象セル２４の温度が５００℃以上となる低実効電圧をヒータ４３に印加する指令を出力する指令手段と、を備えたガスセンサ制御装置５である。【選択図】  図１
2010112813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるセルを少なくとも１つ以上有すると共に特定ガスの濃度を検出するためのガスセンサであって、該セルのうちの１つがインピーダンスを検出するためのインピーダンス検出対象セルであるガスセンサに接続され、
前記ガスセンサが有するヒータを通電制御するヒータ制御手段と、
前記インピーダンス検出対象セルからの出力に基づき、前記インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段にて検出された前記インピーダンスが異常閾値以上か否かを判定するインピーダンス異常判定手段と、
前記インピーダンスが前記異常閾値以上と判定した場合に、前記ヒータに最大実効電圧を印加しているか否かを判定する電圧印加判定手段と、
前記最大実効電圧の印加時間が所定のヒータ過昇温防止時間以上になったか否かを判定する電圧印加状態判定手段と、
前記印加時間が前記ヒータ過昇温防止時間以上になった場合に、前記ヒータ制御手段に対し、前記最大実効電圧未満でかつ前記インピーダンス検出対象セルの温度が５００℃以上となる低実効電圧を前記ヒータに印加する指令を出力する指令手段と、
を備えたガスセンサ制御装置。
【請求項２】
前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンスが活性判定閾値以下か否かを判定し、前記活性判定閾値以下のときに前記ガスセンサが活性したと判定する活性判定手段と、
前記活性判定手段により前記インピーダンスが前記活性判定閾値以下と判定された場合には、前記ヒータ過昇温防止時間を第１の到達時間に設定し、前記インピーダンスが前記活性判定しきい閾値より大きいと判定された場合に、前記ヒータ過昇温防止時間を前記第１の到達時間より長い第２の到達時間に設定する時間設定手段と、
を備えた請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項３】
前記低実効電圧は、前記インピーダンス検出対象セルの温度が７００℃以上となる値に設定されている請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
【請求項４】
固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるセルを少なくとも１つ以上有すると共に特定ガスの濃度を検出するためのガスセンサであって、該セルのうちの１つがインピーダンスを検出するためのインピーダンス検出対象セルであり、ヒータを有するガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置の制御方法であって、
前記インピーダンス検出対象セルからの出力に基づき、前記インピーダンスを検出するインピーダンス検出過程と、
前記インピーダンス検出過程にて検出された前記インピーダンスが異常閾値以上か否かを判定するインピーダンス異常判定過程と、
前記インピーダンスが前記異常閾値以上であると判定した場合に、前記ヒータに最大実効電圧を印加しているか否かを判定する電圧印加判定過程と、
前記最大実効電圧の印加時間が所定のヒータ過昇温防止時間以上になったか否かを判定する電圧印加状態判定過程と、
前記印加時間が前記ヒータ過昇温防止時間以上になった場合に、前記ヒータに前記最大実効電圧未満でかつ前記インピーダンス検出対象セルの温度が５００℃以上となる低実効電圧を印加する低実効電圧印加過程と、
を有するガスセンサ制御方法。
【請求項５】
前記インピーダンス検出過程にて検出されたインピーダンスが活性判定閾値以下か否かを判定し、前記活性判定閾値以下のときに前記ガスセンサが活性したと判定する活性判定過程と、
前記活性判定過程により前記インピーダンスが前記活性判定閾値以下と判定された場合には、前記ヒータ過昇温防止時間を第１の到達時間に設定し、前記インピーダンスが前記活性判定閾値より大きいと判定された場合に、前記ヒータ過昇温防止時間を前記第１の到達時間より長い第２の到達時間に設定する時間設定過程と、
を有する請求項４に記載のガスセンサ制御方法。
【請求項６】
前記低実効電圧は、前記インピーダンス検出対象セルの温度が７００℃以上となる値に設定される請求項５に記載のガスセンサ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるセルを少なくとも１つ以上有すると共に特定ガスの濃度を検出するガスセンサに接続され、セルの１つのインピーダンスを検出してガスセンサが有するヒータの通電制御を行うセンサ制御装置およびセンサ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
これらのガスセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備えたガスセンサ素子を有し、このガスセンサ素子からの出力に基づいて特定ガスの濃度検出を行っている。
【０００３】
これらのガスセンサとして、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酸素濃度を検知する全領域空燃比センサ（以下、ＵＥＧＯセンサともいう）が知られている。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、ＮＯｘガス濃度を検知するセルを配置し、合計３つのセルを有するＮＯｘガスセンサも知られている。
【０００４】
これらのガスセンサにはセンサ駆動回路が接続され、センサ駆動回路を介してセルに通電し、セルの出力に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を測定している。そして、固体電解質体からなるセルは活性化温度以上に温められないと酸素イオン伝導性が発揮されないことから、上記ガスセンサにはセル（固体電解質体）を加熱するヒータが備えられ、このヒータを通電制御してセルを加熱することで、セルを活性化温度以上に安定して保つと共に、セルの早期活性化を図るようにしている。
又、セルのインピーダンス（素子インピーダンス）がセルの温度に応じて変化するため、このインピーダンスを検出してセルの温度制御（ヒータの通電制御）を行う装置が知られている（特許文献１参照）。セルの温度制御については、定期的に検出されるセルのインピーダンスが目標インピーダンスになるように、ヒータへの通電量をヒータ制御回路にて制御することで実行することができる。なお、セルのインピーダンスについては、インピーダンス検出対象となるセルに対してインピーダンス検出用の信号を入力し、そのときの出力（応答信号）に基づいてインピーダンスを検出することができる。
【０００５】
一方、センサ駆動回路等におけるセルの配線に、断線等の異常が生じることがある。そして、インピーダンスの検出対象となるセルにつながる配線に断線が生じると、セルにインピーダンス検出用の信号を入力しつつ、そのセルからの出力（応答信号）に基づきインピーダンスを検出した場合に、インピーダンスが無限大ないし非常に大きな値として検出されることになる。そのため、セル（ガスセンサ）が低温であると誤認識され、ヒータに最大実効電圧が通電され続けてしまう。つまり、ヒータに最大の通電量が継続的に投入されることになる。その結果、ガスセンサの温度が異常に上昇して破損に至るおそれがある。
このようなことから、素子インピーダンスの変化に基づいて酸素濃度センサの異常の有無を診断する技術が開示されている（特許文献２参照）。この技術は、ガスセンサ（素子）やヒータの断線、短絡等の異常が発生した場合、素子インピーダンスの変化が通常と異なることを利用して異常を診断し、ヒータの通電制御を行っている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−４８１８０号公報（請求項１、段落００１５）
【特許文献２】特開２０００−１２１６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２記載の技術の場合、上記した異常を検出するとヒータへの通電を禁止するため、ガスセンサが冷えて被測定ガス（排気ガス）中のカーボン等の異物がセンサ表面（センサ素子の表面）に付着するという問題がある。そのため、セルの配線の異常を検出した後に、セルの配線異常が解消あるいは回復して通常のヒータ制御に戻ったとしても、ヒータの通電を禁止していたときにセンサ素子の表面に付着したカーボン等の異物の影響で、センサ素子が特定ガスの濃度に応じた出力を正常に行えないといった問題を引き起こすことがある。
すなわち、本発明は、セルの配線異常等により検出されるガスセンサのインピーダンスが過大になった状態が継続する場合にも、ヒータが過昇温されてガスセンサが高温になり過ぎることを防止すると共に、ヒータへの通電をオフにせず、ガスセンサが冷えてカーボン等の異物がセンサ表面に付着するのを防止したガスセンサ制御装置及びガスセンサ制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるセルを少なくとも１つ以上有すると共に特定ガスの濃度を検出するためのガスセンサであって、、該セルのうちの１つがインピーダンスを検出するためのインピーダンス検出対象セルであるガスセンサに接続され、前記ガスセンサが有するヒータを通電制御するヒータ制御手段と、前記インピーダンス検出対象セルからの出力に基づき、前記インピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記インピーダンス検出手段にて検出された前記インピーダンスが異常閾値以上か否かを判定するインピーダンス異常判定手段と、前記インピーダンスが前記異常閾値以上と判定した場合に、前記ヒータに最大実効電圧を印加しているか否かを判定する電圧印加判定手段と、前記最大実効電圧の印加時間が所定のヒータ過昇温防止時間以上になったか否かを判定する電圧印加状態判定手段と、前記印加時間が前記ヒータ過昇温防止時間以上になった場合に、前記ヒータ制御手段に対し、前記最大実効電圧未満でかつ前記インピーダンス検出対象セルの温度が５００℃以上となる低実効電圧を前記ヒータに印加する指令を出力する指令手段と、を備えている。
このような構成とすると、インピーダンス検出対象セルの配線が断線してインピーダンス検出手段にて検出されるインピーダンスが過大になり、ヒータに最大実効電圧が印加される状態になっても、最大実効電圧の印加時間をヒータ過昇温防止時間内に制限することで、ガスセンサが高温になるのを防止することができる。又、ヒータ過昇温防止時間が経過後は、ヒータへ最大実効電圧より低い低実効電圧を印加することで、異常時にヒータへの通電をオフにする場合に比べて最低限の温度で加熱するため、ガスセンサが冷えて異物がセンサ表面に付着するのを防止することができる。とりわけ、インピーダンス検出対象セルの温度が５００℃以上となり得る低実効電圧をヒータに印加することで、カーボンがセンサ表面に付着するのを効果的に抑制することができる。
【０００９】
なお、ヒータに対してインピーダンス検出対象セルの温度が５００℃以上となる低実効電圧が印加されているか否かは、ガスセンサを常温下に晒した状態でヒータを制御した際に、インピーダンス検出対象セルを介して検出されるインピーダンスの値が５００℃以上のときに取り得る値であるか否かを確認することで特定できる。
【００１０】
上記のガスセンサの制御装置は、前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンスが活性判定閾値以下か否かを判定し、前記インピーダンスが前記活性判定閾値以下のときに前記ガスセンサが活性したと判定する活性判定手段と、前記活性判定手段により前記インピーダンスが前記活性判定閾値以下と判定された場合には、前記ヒータ過昇温防止時間を第１の到達時間に設定し、前記インピーダンスが前記活性判定閾値より大きいと判定された場合に、前記ヒータ過昇温防止時間を前記第１の到達時間より長い第２の到達時間に設定する時間設定手段と、を備えるとよい。
このような構成とすると、インピーダンスが前記活性判定閾値以下か否かに応じて、最適なヒータ過昇温防止時間が設定（選択）されることから、ヒータに最大実効電圧が印加され続ける前のガスセンサの温度状態に対応した形で最適なヒータ過昇温防止時間が設定（選択）される。従って、インピーダンス検出対象セルの配線が断線してインピーダンス検出手段にて検出されるインピーダンスが過大になり、ヒータに最大実効電圧が印加される状態になっても、ガスセンサが高温になるのをより確実に防止することができる。
【００１１】
前記低実効電圧は、前記インピーダンス検出対象セルの温度が７００℃以上となる値に設定されていてもよい。
このような構成とすると、カーボンの他に、りん、珪素、鉛といったガスセンサの正常な駆動に影響を与える物質がセンサ表面に付着しなくなるので好ましい。
【００１２】
本発明のガスセンサ制御方法は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備えるセルを少なくとも１つ以上有すると共に特定ガスの濃度を検出するためのガスセンサであって、該セルのうちの１つがインピーダンスを検出するためのインピーダンス検出対象セルであり、ヒータを有するガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置の制御方法であって、前記インピーダンス検出対象セルからの出力に基づき、前記インピーダンスを検出するインピーダンス検出過程と、前記インピーダンス検出過程にて検出された前記インピーダンスが異常閾値以上か否かを判定するインピーダンス異常判定過程と、前記インピーダンスが前記異常閾値以上であると判定した場合に、前記ヒータに最大実効電圧を印加しているか否かを判定する電圧印加判定過程と、前記最大実効電圧の印加時間が所定のヒータ過昇温防止時間以上になったか否かを判定する電圧印加状態判定過程と、前記印加時間が前記ヒータ過昇温防止時間以上になった場合に、前記ヒータに前記最大実効電圧未満でかつ前記インピーダンス検出対象セルの温度が５００℃以上となる低実効電圧を印加する低実効電圧印加過程と、を有する。
このガスセンサ制御方法によれば、上記のガスセンサの制御装置と同様の効果を得ることができる。
【００１３】
上記のガスセンサの制御方法は、前記インピーダンス検出過程にて検出されたインピーダンスが活性判定閾値以下か否かを判定し、前記活性判定閾値以下のときに前記ガスセンサが活性したと判定する活性判定過程と、前記活性判定過程により前記インピーダンスが前記活性判定閾値以下と判定された場合には、前記ヒータ過昇温防止時間を第１の到達時間に設定し、前記インピーダンスが前記活性判定閾値より大きいと判定された場合に、前記ヒータ過昇温防止時間を前記第１の到達時間より長い第２の到達時間に設定する時間設定過程と、を有するとよい。これにより、ガスセンサが高温になるのをより確実に防止することができる。
【００１４】
また、前記低実効電圧は、前記インピーダンス検出対象セルの温度が７００℃以上となる値に設定されてもよい。これにより、カーボンの他に、りん、珪素、鉛といったガスセンサの正常な駆動に影響を与える物質がセンサ表面に付着しなくなるので好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、セルの配線異常等により検出されるガスセンサのインピーダンスが過大になった状態が継続する場合にも、ヒータが過昇温されてガスセンサが高温になり過ぎることを防止すると共に、ヒータへの通電をオフにせず、ガスセンサが冷えてカーボン等の異物がセンサ表面に付着するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置（電子制御ユニット；ＥＣＵ）５を含む、内燃機関制御システム１の構成を示す概略図である。なお、内燃機関制御システム１は、内燃機関（エンジン）の運転状態を制御するための各種制御処理を実行し、被測定ガス（排気ガス）に含まれる特定ガス（酸素）の濃度を検出する処理を実行している。
内燃機関制御システム１は、電子制御ユニット５、ガスセンサ８を備え、ガスセンサ８はエンジンの排気管に取り付けられている。電子制御ユニット５は、ガスセンサ８（センサ素子１０）を制御するセンサ制御回路２、エンジン制御装置９（以下、「エンジンＣＰＵ」９ともいう）、ヒータ４３を制御するヒータ制御回路６０を備え、センサ制御回路２はセンサ駆動回路５２を含んでいる。エンジン制御装置９は、ヒータ制御回路６０に接続され、センサ素子１０の温度が作動温度（以降、活性化温度ともいう）となるようにヒータ制御回路６０を制御する。又、エンジン制御装置９は、伝送ケーブル７１を介してセンサ制御回路２に接続されてセンサ制御回路２を制御する。
【００１７】
ガスセンサ８は、被測定ガス（排気ガス）中の酸素濃度を広域にわたって検出するセンサ素子１０と、センサ素子１０を作動温度に保つためのヒータ４３とを備え、いわゆる全領域空燃比センサとして動作する。又、センサ素子１０は、酸素ポンプセル１４と、多孔質拡散層１８と、酸素濃度検知セル２４と、補強板３０とを備えている。ガスセンサ８の詳細な構成については後述する。
【００１８】
センサ制御回路２は、ガスセンサ８に電気的に接続されるセンサ駆動回路５２等を備えている。センサ駆動回路５２は、ガスセンサ８（酸素ポンプセル１４および酸素濃度検知セル２４）に通電してこれらの駆動制御を行い、酸素ポンプセル１４の出力（ガス検出信号）や素子インピーダンス（実際は、酸素濃度検知セル２４の素子インピーダンスに応じて変化するインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓ）を検出する。センサ制御回路２は、検出されたガス検出信号およびインピーダンス信号をエンジン制御装置９に出力する。
ここで、本実施形態では、酸素濃度検知セル２４が素子インピーダンスの検出対象のセルであるので、酸素濃度検知セル２４が特許請求の範囲の「インピーダンス検出対象セル」に相当する。
【００１９】
なお、センサ制御回路２は、例えばＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）として実現することができる。又、ガス検出信号は、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化し、酸素濃度を測定するために用いられる。一方、素子インピーダンス（インピーダンス信号）は、ガスセンサ８の電気抵抗値を示し、ガスセンサ８の温度に応じて変化するが、素子インピーダンスに基づくガスセンサ８（ヒータ４３）の制御の詳細については後述する。
【００２０】
センサ制御回路２（センサ駆動回路５２）は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子を備え、これらの各端子は、電子制御ユニット５の第１接続端子１５、第２接続端子１７、第３接続端子１９にそれぞれ電気的に接続されている。そして、第１接続端子１５及び配線６１を介して、後述するセンサ素子１０の第２検知電極２８がセンサ制御回路２のＶｓ＋端子に電気的に接続されている。また、第２接続端子１７及び配線６２を介して、センサ素子１０の第１検知電極２２および第２ポンプ電極１６がセンサ制御回路２のＣＯＭ端子に電気的に接続されている。同様に、第３接続端子１９及び配線６３を介して、センサ素子１０の第１ポンプ電極１２がセンサ制御回路２のＩｐ＋端子に電気的に接続されている。このようにして、ガスセンサ８にセンサ駆動回路５２が電気的に接続され、ガス検出信号やインピーダンス信号を検知するようになっている。
なお、以下の説明では、Ｖｓ＋端子と第１接続端子、ＣＯＭ端子と第２接続端子、及びＩｐ＋端子と第３接続端子とを特に区別せずに用いる。
又、素子インピーダンスを過大にさせる配線異常（断線）が生じる部分を、必要に応じて「Ｖｓ＋ライン」と称する。Ｖｓ＋ラインは、素子インピーダンスを検出する酸素濃度検知セル２４の両電極２８、２２から延びる配線６１、６２、及び配線６１、６２に接続されるセンサ駆動回路５２の配線部分が該当する。
なお、制御部55は、例えばアナログ構成のスイッチング回路として構成することができる。
【００２１】
エンジン制御装置９は、中央演算処理装置としてのＣＰＵと、データやプログラムなどを格納する記憶部（ＲＡＭおよびＲＯＭ）と、外部機器との間で信号の入出力を行う入力ポートおよび出力ポートと、を備えるマイクロコンピュータで構成することができる。エンジン制御装置９は、記憶部に格納されたプログラムに基づいてＣＰＵが各種演算処理を実行し、演算やデータ転送などの命令の実行を制御する。また、エンジン制御装置９は、入力ポートに入力された信号を、入力ポート用レジスタの内容に反映し、出力ポート用レジスタに格納された内容を、出力ポートに信号として出力する。
そして、エンジン制御装置９は、センサ制御回路２から出力されるガス検出信号Ｖｉｐに基づき、後述する酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流の通電状態（通電方向、電流値など）を判定するとともに、Ｉｐ電流の通電状態に基づき酸素濃度を演算する。エンジン制御装置９は、演算により得られた酸素濃度を用いてエンジンの燃焼制御などを実行することで、内燃機関の運転状態を制御する。
【００２２】
さらに、エンジン制御装置９は、センサ制御回路２から出力されるインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓに基づいて酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｐｖｓを算出し、算出したインピーダンスＲｐｖｓに応じたヒータ４３の通電指令をヒータ制御回路６０に出力するヒータ通電制御処理も実行している。
なお、上記したヒータ４３の通電指令が特許請求の範囲の「指令」に相当する。また、エンジン制御装置９が特許請求の範囲の「インピーダンス異常判定手段」、「電圧印加判定手段」、「電圧印加状態判定手段」、「指令手段」、「活性判定手段」、「時間設定手段」に相当する。ヒータ制御回路６０及びエンジン制御装置９が特許請求の範囲の「ヒータ制御手段」に相当する。また、センサ制御回路２及びエンジン制御装置９が特許請求の範囲の「インピーダンス検出手段」に相当する。
【００２３】
次に、ガスセンサ８の構成について、図１を用いて説明する。
酸素ポンプセル１４は、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）により板状に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体１３と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された第１ポンプ電極１２、第２ポンプ電極１６を有している。第１ポンプ電極１２は、配線６３を介して電子制御ユニット５の第３接続端子１９に電気的に接続されており、第２ポンプ電極１６は、配線６２を介して電子制御ユニット５の第２接続端子１７に電気的に接続されている。なお、第１ポンプ電極１２は、多孔質保護層２９に覆われており、多孔質保護層２９により被毒物質などから保護されている。
酸素濃度検知セル２４は、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ2 ）により板状に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体２３と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された第１検知電極２２、第２検知電極２８を有している。第１検知電極２２は、配線６２を介して電子制御ユニット５の第２接続端子１７に電気的に接続されており、第２ポンプ電極１６とも電気的に接続されている。第２検知電極２８は、配線６１を介して電子制御ユニット５の第１接続端子１５に電気的に接続されている。
【００２４】
酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間には、両セル１４，２４を電気的に絶縁し、絶縁性材料（アルミナなど）を主体とする絶縁層（図示せず）が介装され、その絶縁層の一部に多孔質拡散層１８が設けられている。多孔質拡散層１８は、センサ素子１０の内部に導入される被測定ガスの拡散律速を行うため、絶縁性材料（アルミナなど）を主体として多孔質状に形成されている。なお、多孔質拡散層１８の代わりに、上記絶縁層の側壁に拡散律側部として小孔を配設してもよい。
酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間には、多孔質拡散層１８および上記絶縁層（図示省略）により包囲された中空状の測定室２０が形成されている。測定室２０は、多孔質拡散層１８（詳細には、多孔質部）を介して測定ガス雰囲気と連通されている。また、測定室２０の上面に第２ポンプ電極１６が露出し、測定室２０の下面に第１検知電極２２が露出している。
【００２５】
又、酸素濃度検知セル２４のうち測定室２０への対向面と反対側の面に補強板３０が積層され、センサ素子１０の全体的な強度を向上させている。補強板３０は、各固体電解質体１３，２３と略同じ大きさであり、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。
そして、第２検知電極２８は、補強板３０と酸素イオン伝導性固体電解質体２３との間に挟み込まれて外部と遮断され、第２検知電極２８の周囲には密閉空間としての基準酸素室２６が形成されている。従って、第２検知電極２８から第１検知電極２２に向かう方向に微小な定電流Ｉｃｐを通電し、測定室２０から第２検知電極２８の側に酸素をポンピングすることにより、基準酸素室２６に略一定濃度の酸素が蓄積される。このようにして基準酸素室２６の酸素は、酸素濃度を検出する際の基準酸素濃度となる。
【００２６】
一方、センサ素子１０の酸素ポンプセル１４に対向するようにして、平板状のヒータ４３が配置されている。ヒータ４３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４３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の温度が目標の活性化温度（この実施形態では、８３０℃）となるように制御される。また、ヒータ配線７２の一端は、ヒータ制御回路６０に電気的に接続され、ヒータ配線７２の他端はバッテリＶＢ（本実施形態では、１２Ｖバッテリ）に接続されている。そして、ヒータ４３による加熱によって、センサ素子１０（の酸素ポンプセル１４および酸素濃度検知セル２４）が活性化し、ガス検出（酸素検出）が可能となる。
【００２７】
次に、ガスセンサ８（センサ素子１０）の動作について説明する。
まず、被測定ガス（排気ガス）が、多孔質拡散層１８を介して測定室２０に拡散する。このとき、エンジンに供給される混合気（つまり、測定室２０中の被測定ガス）が理論空燃比に保たれている状態では、測定室２０と酸素濃度の基準となる基準酸素室２６との間の酸素濃度差により、酸素濃度検知セル２４に４５０［ｍＶ］の起電力が発生する（第１検知電極２２と第２検知電極２８との間に４５０［ｍＶ］の電位差が生じる）。
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、測定室２０に含まれる被測定ガス中の酸素濃度も変化する。そこで、本実施形態の内燃機関制御システム１では、第１検知電極２２と第２検知電極２８との間の電位差が４５０［ｍＶ］に保たれるように、センサ制御回路２によって酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流を制御する。つまり、測定室２０の雰囲気が理論空燃比と同じ状態になるようにＩｐ電流を制御することで、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。
【００２８】
そして、酸素ポンプセル１４は、一対の電極間（第１ポンプ電極１２，第２ポンプ電極１６）に通電される電流の通電方向に応じて、測定室２０からの酸素の汲み出し、または測定室２０への酸素の汲み入れを切替可能に構成されている。また、酸素ポンプセル１４は、一対の電極間に通電される電流の大きさに応じて、酸素のポンピング量を調整可能に構成されている。このため、このＩｐ電流の通電状態（通電方向、電流値など）に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度を演算することができる。
【００２９】
次に、図２に基づいて、電子制御ユニット５の構成および動作について説明する。図２は、電子制御ユニット５の概略構成を示す回路図である。電子制御ユニット５は、上述したように、センサ制御回路２と、ヒータ制御回路６０と、エンジン制御装置９と、を備えている。
センサ制御回路２は、センサ駆動回路５２及び制御部５５を備えている。
【００３０】
ヒータ制御回路６０は、トランジスタＴｒを備えている。トランジスタＴｒのコレクタは発熱抵抗体７２の一端に接続され、エミッタが抵抗Ｒｈを介して接地され、ベースがエンジン制御装置９に接続されている。このため、トランジスタＴｒをオン状態にする電圧レベルの信号（ヒータオン信号、特許請求の範囲の「指令」に相当）をエンジン制御装置９がトランジスタＴｒのベースへ出力している間は、バッテリＶＢから電圧が供給され発熱抵抗体７２に電流が流れて、ヒータ４３が発熱する。一方、エンジン制御装置９がヒータオン信号の出力を停止すると、トランジスタＴｒがオフ状態となり、発熱抵抗体７２に電流が流れず、ヒータ４３の加熱が停止される。
なお、本実施形態において、ヒータ４３を最大実効電圧（＝バッテリＶＢの電源電圧、本実施形態では１２Ｖ）で印加するときを通電率（デューティ）１００％とし、最大実効電圧以下の電圧を印加する際の通電率を０％〜１００％未満の間で変化させることにより、ヒータ４３への印加電圧を制御している。そして、この制御は、エンジン制御装置９が、通電率で決まる上記ヒータオン信号をヒータ制御回路６０に出力し、ヒータ制御回路６０がヒータオン信号に従ってオン・オフすることで行われる。つまり、本実施形態では、ヒータ４３への通電をＰＷＭ制御している。
【００３１】
次に、センサ駆動回路５２において、酸素濃度の測定に主に用いる回路構成について説明する。
センサ駆動回路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ＯＰ２、Ｉｐ電流の制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路６９、第２検知電極２８の周囲（基準酸素室２６）の酸素濃度を一定に保つよう酸素濃度検知セル２４に定電流Ｉｃｐを流すための定電流回路６２、を備えている。
また、センサ駆動回路５２は、エンジン制御装置９から出力された切替指令に応じてセンサ駆動回路５２の通常状態を変更するためのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を備えている。なお、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフ状態を切替えることにより、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを検出するための検出信号の供給や、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓの検出等を行い、ヒータ４３の通電制御やガスセンサ８の温度検出に必要な各種処理を行うようになっている。
【００３２】
さらに、センサ駆動回路５２はＣＯＭ端子１７に接続されるＶｃｅｎｔ点を備え、Ｖｃｅｎｔ点には、ＰＩＤ制御回路６９の出力端、オペアンプＯＰ２の反転入力端子、差動増幅回路６１の入力端子の一方が接続されている。なお、ＰＩＤ制御回路６９の出力端は検出抵抗Ｒ１を介してＶｃｅｎｔ点に接続されている。又、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子には基準電圧３．６Ｖが印加されている。オペアンプＯＰ２の出力端子はＩｐ＋端子に接続され、これにより、オペアンプＯＰ２は、センサ素子１０（詳細には、酸素ポンプセル１４）への通電電流を制御する負帰還回路の一部を構成している。
又、差動増幅回路６１の入力端子の他方は、ＰＩＤ制御回路６９の出力端（Ｖｐｉｄ点）と検出抵抗Ｒ１の接続点（Ｖｐｉｄ点）に接続され、検出抵抗Ｒ１の両端の電圧の差を増幅可能になっている。
なお、Ｖｃｅｎｔ点には、抵抗Ｒ、配線６２，第２接続端子（ＣＯＭ端子）１７を介して第２ポンプ電極１６が接続されている。
【００３３】
ＰＩＤ制御回路６９は、酸素濃度検知セル２４の制御目標電圧である４５０ｍＶ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。
ＰＩＤ制御回路６９の入力端には、オペアンプＯＰ１を介してオペアンプＯＰ４の出力端子が接続され、オペアンプＯＰ４の非反転入力端子がＶｓ＋端子１５に接続されている。つまり、酸素濃度検知セル２４の出力電圧ＶｓがオペアンプＯＰ４を介してＰＩＤ制御回路６９に入力される。なお、オペアンプＯＰ４の反転入力端子はその出力端子に接続されている。
又、Ｖｓ＋端子１５に接続された定電流回路６２は、定電圧源（図２では８Ｖにて表示）に抵抗を直列に接続した回路からなり、酸素濃度検知セル２４の第２検知電極２８の周囲（基準酸素室２６）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（例えば、１７μＡ）を供給する回路である。
【００３４】
これらの回路により、酸素濃度が次のように測定される。
まず、センサ駆動回路５２は、定電流回路６２より酸素濃度検知セル２４に一定値の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、酸素濃度検知セル２４の両端（端子Ｖｓ＋と端子ＣＯＭ間）に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、酸素ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐを制御して、測定室２０における酸素の汲み入れ、または汲み出しを行う。つまり、酸素濃度検知セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、酸素ポンプセル１４を用いて測定室２０の酸素濃度（酸素分圧）を調整する。
【００３５】
酸素ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値及び通電方向は、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐを検出抵抗Ｒ１にて検出するとともに、この検出抵抗Ｒ１の両端の電圧を差動増幅したガス検知信号Ｖｉｐに基づいて、排気ガス中の酸素濃度を算出することができる。なお、酸素濃度検知セル２４に対して、測定室２０の酸素を多孔質電極２８の側に汲み出す方向に微小電流Ｉｃｐを流すことで、基準酸素室２６は内部酸素基準源として機能する。
ＰＩＤ制御回路６９は、第１オペアンプＯＰ１を介して接続された酸素濃度検知セル２４の端子Ｖｓ＋の電位と端子ＣＯＭ（Ｖｃｅｎｔ点）における電位との電位差が４５０ｍＶとなるように、ポンプ電流Ｉｐの通電状態をＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ制御回路６９にて、目標制御電圧（４５０ｍＶ）と酸素濃度検知セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓとの偏差がＰＩＤ演算され、第２オペアンプＯＰ２にフィードバックされることで、第２オペアンプＯＰ２は酸素ポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。
【００３６】
さらに、検出抵抗Ｒ１は、ポンプ電流Ｉｐの大きさを検出して電圧信号に変換する。この検出抵抗Ｒ１の両端電圧（Ｖｃｅｎｔ点の電位とＶｐｉｄ点の電位との差分）が差動増幅回路６１で所定の増幅度にて差動増幅され、ガス検知信号Ｖｉｐとして信号出力端子４３からエンジン制御装置９に出力される。
そして、エンジン制御装置９は、ガス検知信号Ｖｉｐを図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、ガス検知信号Ｖｉｐに対応する酸素濃度を算出する濃度算出処理を実行する。
【００３７】
次に、センサ駆動回路５２において、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスＲｖｐｓの検出に主に用いる回路構成について説明する。
【００３８】
まず、第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子は、第１コンデンサＣ１、第１スイッチＳＷ１を介して第４オペアンプＯＰ４の出力端子に接続されている。そして、第１オペアンプＯＰ１、第１コンデンサＣ１、第１スイッチＳＷ１はサンプルホールド回路を形成している。このサンプルホールド回路は、酸素濃度検知セル２４のインピーダンス検出時に第１スイッチＳＷ１をオンからオフ状態とし、酸素濃度検知セル２４のインピーダンス検出のため、通電直前の酸素濃度検知セル２４の両端に発生する電圧Ｖｓ（Ｖｓ＋端子の電位）を保持することで、インピーダンス検出直前の電圧ＶｓをＰＩＤ制御回路６９に入力する役割を果たす。
なお、第１コンデンサＣ１の一端は、第１スイッチＳＷ１と第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子の接続点に接続され、第１コンデンサＣ１の他端は接地されている。
【００３９】
第１オペアンプＯＰ１の出力端子は、抵抗Ｒ３を介して第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子（＋端子）に接続されている。さらに、抵抗Ｒ３と第３オペアンプＯＰ３の非反転入力端子の接続点には、抵抗Ｒ５の一端が接続され、抵抗Ｒ５の他端は接地されている。
一方、第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子には、抵抗Ｒ４を介して第４オペアンプＯＰ４の出力端子が接続されるとともに、第３オペアンプＯＰ３自身の出力が抵抗Ｒ６を介して入力されている。従って、第３オペアンプＯＰ３の反転入力端子には、後述するインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを酸素濃度検知セル２４に通電した際のＶｓ＋電位（Ｖｓ＋端子の電位）が入力されることになる。
【００４０】
そして、第３オペアンプＯＰ３は、第１オペアンプＯＰ１に保持されているホールド値（インピーダンス検出用の電流を通電する直前の酸素濃度検知セル２４の電圧Ｖｓ）と、酸素濃度検知セル２４にインピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔを通電した際のＶｓ＋電位（第４オペアンプＯＰ４の出力電位）との差分に応じた電圧変化量ΔＶｓを出力する。この電圧変化量ΔＶｓは、酸素濃度検知セル２４のバルク抵抗値に略比例することから、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスを表すインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓとして利用可能である。つまり、第３オペアンプＯＰ３は、電圧変化量ΔＶｓを出力すると共に、酸素濃度検知セル２４のバルク抵抗値に略比例するインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを出力する。
【００４１】
ここで、本実施形態のセンサ制御装置５では、第３オペアンプＯＰ３、抵抗Ｒ３〜Ｒ６とから差動増幅型の演算増幅回路（即ち、差動増幅回路）９０を構成している。このように、本実施形態では、インピーダンスを検出するために必要となる演算増幅回路９０を差動増幅型としているので、２つの入力端子に共通して侵入するノイズを適切に除去することができるから、ノイズの影響が非常に少ない適切なインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを出力することができる。
【００４２】
演算増幅器９０（第３オペアンプＯＰ３）の出力端子は、第２スイッチＳＷ２及び抵抗Ｒ２を介して第５オペアンプＯＰ５の非反転入力端子に接続されている。又、第５オペアンプＯＰ５の反転入力端子には、第５オペアンプＯＰ５自身の出力が入力されている。なお、抵抗Ｒ２と第５オペアンプＯＰ５の非反転入力端子の接続点には第２コンデンサＣ２の一端が接続され、第２コンデンサＣ２の他端は接地されている。そして、第５オペアンプＯＰ５の出力端子は、信号出力端子４１を介してエンジン制御装置９に接続されている。
ここで、第５オペアンプＯＰ５、第２コンデンサＣ２、第２スイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２が信号ホールド回路を形成している。この信号ホールド回路には、まず、酸素濃度検知セル２４のインピーダンス検出時に第２スイッチＳＷ２がオフからオン状態になると、第３オペアンプＯＰ３から電圧変化量ΔＶｓが入力される。その後、第２スイッチＳＷ２がオンからオフ状態になると、この信号ホールド回路は、第２スイッチＳＷ２がオン状態の時に第３オペアンプＯＰ３から出力された電圧変化量ΔＶｓを第２コンデンサＣ２にて保持すると共に、電圧変化量ΔＶｓを表すインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓをエンジン制御装置９に出力する。
【００４３】
そして、エンジン制御装置９は、インピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを図示しないＡ／Ｄ変換回路にてデジタル値に変換した後に、保持しているマップまたは計算式に基づき、インピーダンス信号に対応する酸素濃度検知セル２４のインピーダンス、ひいてはガスセンサ８の温度を算出する温度検出処理を実行する。
【００４４】
Ｖｓ＋端子１５には第２スイッチＳＷ２を介して電流源６３が接続されている。又、抵抗ＲとＣＯＭ端子１７との接続点にも、別の第２スイッチＳＷ２を介して電流源６５が接続されている。電流源６３、６５は、酸素濃度検知セル２４のインピーダンス検出用の一定の電流値である電流−Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源である。
同様に、Ｖｓ＋端子１５には第３スイッチＳＷ３を介して電流源６４が接続されている。又、抵抗ＲとＣＯＭ端子１７との接続点にも、別の第３スイッチＳＷ３を介して電流源６６が接続されている。電流源６４、６６は、インピーダンス検出用の電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定の電流値である一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔを流すための電流源である。
【００４５】
制御部５５は、上記した第１スイッチＳＷ１〜第３スイッチＳＷ３の状態（オン、オフ状態）を制御する回路である。なお、制御部５５は、温度検出処理が開始されたことを通知する通知信号Ｓｒをエンジン制御装置９から受け取った後、自身に設けられたタイマー回路のタイマカウントに応じて、第１スイッチＳＷ１〜第３スイッチＳＷ３の状態（オン、オフ状態）を制御するように動作する。
ここで、第１スイッチＳＷ１は、第１オペアンプＯＰ１（サンプルホールド回路）における電圧ホールド動作を制御する。第２スイッチＳＷ２は、酸素濃度検知セル２４のインピーダンス検出用の一定電流−Ｉｃｏｎｓｔのオン・オフを制御すると共に、第５オペアンプＯＰ５（信号ホールド回路）における信号ホールド動作を制御する。第３スイッチＳＷ３は、電流−Ｉｃｏｎｓｔと逆極性の一定電流＋Ｉｃｏｎｓｔのオン・オフを制御する。
【００４６】
次に、図３を参照し、本発明の主な特徴部分である、エンジン制御装置９で実行される過昇温防止処理の概要について説明する。
本発明においては、酸素濃度検知セル２４のＶｓ＋ラインの断線等により、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスＲｐｖｓが異常閾値（インピーダンス異常閾値）以上になったときに、１）ヒータ４３への最大実効電圧の印加時間を所定のヒータ過昇温防止時間以下で打ち切った後、２）最大実効電圧未満でかつ酸素濃度検知セル２４の温度が５００℃以上となる（換言すれば、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスＲｖｐｓが５００℃以上に相当する値となる）低実効電圧でヒータ４３を通電する処理を行う。
つまり、図３に示すように、酸素濃度検知セル２４のＶｓ＋ラインが断線すると、インピーダンスが無限大ないし過度に大きくなるため、酸素濃度検知セル２４が低温であると誤認識され、ヒータ４３に最大実効電圧が通電され続けてしまう。その結果、ガスセンサ８の温度が異常に上昇して（１０００℃を超え）、破損に至るおそれがある（図３における一点鎖線にて示したガスセンサの温度推移参照）。
なお、Ｖｓ＋ラインがグランド電位に短絡した場合は、信号自体が検出できないので、異常が生じたことが直ちに判明し、別の方法で対応することができる。
【００４７】
そこで、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスＲｐｖｓが異常閾値（本実施形態では４００Ω）以上になると、ヒータ４３への最大実効電圧の印加時間をヒータ過昇温防止時間（ＴＯＰ、Ｔｃｌ）内に制限することで、ガスセンサ８が高温になるのを防止する（図３における実線にて示したガスセンサの温度推移参照）。
さらに、ヒータ過昇温防止時間が経過した後は、ヒータ４３へ最大実効電圧より低い低実効電圧を印加することで、異常が生じてもヒータ４３への通電をオフにせずにガスセンサ８（センサ素子１０）が冷えて異物（カーボン等）がセンサ素子１０の表面に付着するのを防止する温度で加熱するようにしている。
そして、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスＲｐｖｓが異常閾値未満に低下した場合には、通常のＰＩ演算によるヒータ制御処理に移行する。このＰＩ演算は公知であり、目標とするＲｐｖｓと、ステップＳ１８の処理時におけるＲｐｖｓの差ΔＲｐｖｓから、ガスセンサ８の温度を一定に保つためのヒータ印加電圧が計算される。
【００４８】
ここで、低実効電圧として、酸素濃度検知セル２４の温度が５００℃以上となる電圧(この実施形態では８Ｖ)を採用する理由は、５００℃以上であれば、排気ガス中に含まれるカーボン等がセンサ素子１０の表面に付着するのを防止できるからである。さらに、セル２４の温度が７００℃以上となる電圧を低実効電圧として採用すると、排気ガス中に含まれるりん、珪素、鉛等の物質もセンサ素子１０の表面に付着しなくなるので好ましい。より好ましくは、酸素濃度測定セル２４の温度が７５０〜９００℃となるように、低実効電圧を設定する。
又、酸素濃度検知セル２４の温度は、酸素濃度検知セル２４のインピーダンスＲｐｖｓから測定することができる。
【００４９】
上記したヒータ過昇温防止時間の設定は、予め、ガスセンサ８に最大実効電圧を印加したとき、どの程度の時間で１０００℃に達するかを実験的に求めることで行うことができる。ここで、最大実効電圧を印加する前のガスセンサ８の状態（温度）によっても、許容されるヒータ過昇温防止時間の長さが変化する。このため、本実施形態では、ガスセンサ８が常温にあるときに、その時点から最大実効電圧を印加し、ガスセンサ８が１０００℃に到達するまでの時間をＴＯＰとする（特許請求の範囲の「第２の到達時間」に相当）。同様に、ガスセンサ８が目標の作動温度（ＰＩ制御時の温度；８３０℃）にあるときに、その時点から最大実効電圧を印加し、ガスセンサ８が１０００℃に到達するまでの時間をＴｃｌとする（特許請求の範囲の「第１の到達時間」に相当）。このようにすると、より精度良くガスセンサ８の過昇温を防止することができる。ここで、第１の到達時間より第２の到達時間の方が長い。
なお、本実施形態において、ガスセンサ８が目標の作動温度（本実施形態では８３０℃）にあるときのインピーダンスＲｐｖｓは７５Ω程度である。
【００５０】
次に、図４、図５を参照し、エンジン制御装置９において実行され、本発明の特徴部分を含むヒータ制御処理及び過昇温防止処理のフローについて説明する。なお、本実施形態においては、エンジン制御装置９でメインルーチンであるヒータ制御処理を行い、過昇温防止処理は、サブルーチンとして呼び出されて実行される。
又、ヒータ制御処理の開始と同期して、エンジン制御装置９では、ガスセンサ８の温度検出処理を別途に実行する。この温度検出処理は公知であるが、簡単に説明すると、エンジン制御装置９は、所定の検出タイミングでセンサ駆動回路５２から出力されるインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓを取得する。そして、エンジン制御装置９は、所定の計算式、又はインピーダンス信号Ｖｒｐｖｓと酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｐｖｓとの相関関係を示したデータ（例えば、２次元マップ）を用い、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｐｖｓを算出する。次いで、エンジン制御装置９は、インピーダンスＲｐｖｓに基づき、酸素濃度測定セル２４（ガスセンサ８）の温度を算出し、この温度の情報がヒータ制御処理に用いられることになる。
【００５１】
なお、このインピーダンスＲｐｖｓを検出する際には、第２スイッチＳＷ２をオンして、酸素濃度検知セル２４に一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流す。又、インピーダンスを検出した後、第３スイッチＳＷ３をオン状態に設定することで、酸素濃度測定セル２４に対し、インピーダンス検出電流（−Ｉｃｏｎｓｔ）とは極性が異なる逆極性電流（＋Ｉｃｏｎｓｔ）を通電する。これにより、インピーダンス検出電流によって酸素濃度測定セル２４を構成する固体電解質体が配向して内部起電力が影響を受けた状態（本来の酸素濃度差を反映する内部起電力値を出力しない状態）から、正常な状態に復帰するまでの復帰時間を短縮させる。なお、酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｒｖｓを検出する処理は、制御部５５において、例えば１００ｍｓｅｃ間隔毎に実行される。
【００５２】
まず、図４を参照し、メインルーチンであるヒータ制御処理について説明する。ヒータ制御処理が開始されると、まず、エンジン制御装置９は初期化処理を行う（ステップＳ１０）。この初期化処理では、過昇温防止フラグ、センサ活性経験フラグ、及び過昇温防止カウンタをいずれもオフ（「０」）にセットする。
ここで、過昇温防止フラグがオン（「１」）であると、後述する過昇温防止処理へ直ちに移行する。センサ活性経験フラグは、ガスセンサ８が活性になって正常なガス測定状態（ポンプ電流Ｉｐを流しても良い状態）になっていたかを示し、ガスセンサ８が活性になっているとフラグがオン（「１」）となる。又、過昇温防止カウンタは、図３に示したヒータ過昇温防止時間（ＴＯＰ、Ｔｃｌ）をカウントするために用いられる。
【００５３】
ステップＳ１０からステップＳ１２に移行し、エンジン制御装置９は、センサ駆動回路５２から出力される上述のインピーダンスＲｐｖｓを読み込む。次に、エンジン制御装置９は、過昇温防止フラグがオン（「１」）であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４で「Ｙｅｓ」（過昇温防止フラグがオン）であれば、後述するステップＳ２５のサブルーチン（過昇温防止処理）に直ちに移行し、ステップＳ１４で「Ｎｏ」であればステップＳ１６へ移行する。
【００５４】
ステップＳ１６で、エンジン制御装置９はセンサ活性経験フラグがオン（「１」）であるか否かを判定する。ステップＳ１６で「Ｙｅｓ」（センサ活性経験フラグがオン）であればステップＳ１８へ移行し、ステップＳ１６で「Ｎｏ」であればステップＳ２０へ移行する。
ステップＳ１８で、エンジン制御装置９はＰＩ演算によるヒータ印加電圧（Ｖｈｒｍｓ）の計算を行う。ここで、ＰＩ演算は上述のように公知であり、ガスセンサ８の温度を一定に保つよう、ヒータ印加電圧が計算される。そして、ヒータ４３は、この計算されたヒータ印加電圧（Ｖｈｒｍｓ）に基づき、ヒータ制御回路６を通じて通電制御（ＰＷＭ制御）される。
【００５５】
一方、ステップＳ２０では、エンジン制御装置９は、ステップＳ１２で読み込んだインピーダンスＲｐｖｓが活性判定閾値（本実施形態では、４００Ωに設定）以下であるか否かを判定する。インピーダンスＲｐｖｓが４００Ω以下の場合、エンジン制御装置９は、ガスセンサ８が活性で正常な状態であると判断してセンサ活性経験フラグをオン（「１」）に設定し（ステップＳ２２）、さらにステップＳ１８に移行する。
ステップＳ２０でインピーダンスＲｐｖｓが活性判定閾値よりも大きい場合、エンジン制御装置９は、ヒータ４３への印加電圧（Ｖｈｒｍｓ）を最大実効電圧に設定する（ステップＳ２４）。これは、ステップＳ２４の段階では、インピーダンスＲｐｖｓが断線等による異常を示しているか、又は単にガスセンサ８が低温であるかが不明であるからである。
【００５６】
ステップＳ１８、Ｓ２４からステップＳ２５のサブルーチンである後述の過昇温防止処理に移行し、過昇温防止処理が終了すると、ステップＳ２６により、エンジン制御装置９は、ステップＳ１２のインピーダンスＲｐｖｓの読込タイミング（本実施形態では、１０ｍｓｅｃ）が経過したか否かを判定する。ステップＳ２６で「Ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ２６で「Ｎｏ」であれば待機する。
【００５７】
次に、図５を参照し、サブルーチンである過昇温防止処理の内容について説明する。過昇温防止処理が開始されると、まず、エンジン制御装置９は酸素濃度測定セル２４のインピーダンスＲｐｖｓが異常閾値（本実施形態では、４００Ωに設定）未満であるか否かを判定する（ステップＳ５０）。インピーダンスＲｐｖｓが４００Ω未満の場合、エンジン制御装置９は、過昇温防止カウンタを０にすると共に、過昇温防止フラグをオフ（「０」）にし（ステップＳ５２）、処理を終了する。
一方、ステップＳ５０で「Ｎｏ」である場合、エンジン制御装置９は、ヒータ印加電圧（Ｖｈｒｍｓ）が最大実効電圧であるか否かを判定する（ステップＳ５４）。ステップＳ５４で「Ｎｏ」であれば、処理を終了する。
【００５８】
ステップＳ５４で「Ｙｅｓ」である場合、エンジン制御装置９は、ステップＳ５０で異常が判定されたにも関わらず、ヒータ４３が最大実効電圧で通電されたものと判断し、図３に示すように最大実効電圧の印加時間をヒータ過昇温防止時間以下で打ち切る時間をスタートするため、過昇温防止カウンタをインクリメントする（ステップＳ５６）。
次に、エンジン制御装置９は、センサ活性経験フラグがオン（「１」）であるか否かを判定する（ステップＳ５８）。ステップＳ５８の判定は、センサ活性経験フラグの状態に応じて、ガスセンサ８の温度が異なることが想定され、ガスセンサ８の温度に応じて最適のヒータ過昇温防止時間（上記したＴＯＰ、Ｔｃｌ）を選択するために行われる。
【００５９】
そして、ステップＳ５８で「Ｎｏ」（センサ活性経験フラグがオフ）であればステップＳ６０へ移行する。ステップＳ６０では、センサ活性経験フラグがオフである、つまりガスセンサ８が活性状態の手前で未だ冷えているものと判断し、エンジン制御装置９は、過昇温防止カウンタがＴＯＰ以上になったか否かを判定する。
ステップＳ６０で「Ｙｅｓ」（過昇温防止カウンタがＴＯＰ以上）の場合、最大実効電圧でのヒータへの印加時間がＴＯＰになったことを意味する。従って、エンジン制御装置９は、ヒータ印加電圧を低実効電圧に下げる指令（ヒータオン信号）を所定の通電率（デューティ）でヒータ制御回路６０に出力する（この実施形態では、ヒータ４３への実効電圧が低実効電圧としての８Ｖに設定されるように通電率が設定されている）と共に、過昇温防止フラグをオン（「１」）にする（ステップＳ６２）。ヒータ制御回路６０は、上記ヒータオン信号に基づいてヒータ４３に低実効電圧を印加する。ステップＳ６２を行うと、過昇温防止処理を終了し、メインルーチンに戻る。
なお、ステップＳ６２で過昇温防止フラグをオン（「１」）にすることにより、メインルーチンに戻ったときにステップＳ１４で直ちに過昇温防止処理へ移行し、ヒータの過昇温を引き続き防止することができる。これは、ステップＳ６２まで移行した場合、Ｖｓ＋ラインの断線異常等が継続して生じている可能性があるからである。
【００６０】
一方、ステップＳ５８で「Ｙｅｓ」（センサ活性経験フラグがオン）であればステップＳ６４へ移行する。ステップＳ６４では、センサ活性経験フラグがオンである、つまりガスセンサ８が活性状態でＰＩ制御されており、ガスセンサ８が作動温度（例えば８３０℃）に加熱されているものと判断し、エンジン制御装置９は、過昇温防止カウンタがＴcl以上になったか否かを判定する。
ステップＳ６４で「Ｙｅｓ」（過昇温防止カウンタがＴcl以上）の場合、最大実効電圧でのヒータへの印加時間がＴclになったことを意味する。従って、エンジン制御装置９は、ヒータ印加電圧を低実効電圧に下げる指令（ヒータオン信号）を所定の通電率（デューティ）でヒータ制御回路６０に出力する（この実施形態では、ヒータ４３への実効電圧が低実効電圧としての８Ｖに設定されるように通電率が設定されている）と共に、過昇温防止フラグをオン（「１」）にする（ステップＳ６６）。ヒータ制御回路６０は、上記ヒータオン信号に基づいてヒータ４３に低実効電圧を印加する。ステップＳ６６を行うと、過昇温防止処理を終了し、メインルーチンに戻る。
ステップＳ６６で過昇温防止フラグをオン（「１」）にする理由は、ステップＳ６２で説明したのと同様である。
【００６１】
本実施形態において、ステップＳ１２が特許請求の範囲の「インピーダンス検出過程」に相当し、ステップＳ５０が「インピーダンス異常判定過程」に相当する。ステップＳ５４が特許請求の範囲の「電圧印加判定過程」に相当し、ステップＳ５６、Ｓ５８、Ｓ６０及びＳ６４が特許請求の範囲の「電圧印加状態判定過程」に相当する。ステップＳ６２、Ｓ６４によるエンジン制御装置９の処理、及びステップＳ６２、Ｓ６４の指令に基づくヒータ制御回路６０の処理が特許請求の範囲の「低実効電圧印加過程」に相当する。また、ステップＳ２０が特許請求の範囲の「活性判定過程」に相当し、ステップＳ５８の判定に基づいて、最大実効電圧でのヒータへの印加時間を設定する処理が特許請求の範囲の「時間設定過程」に相当する。
【００６２】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、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１つのセルを追加して、２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。
また、上記実施形態では、本発明のガスセンサ制御装置をＥＣＵ５に組み込んだ構成としたが、ＥＣＵ５とは別体にしてガスセンサ制御装置を設けても良い。つまり、ガスセンサ８とＥＣＵ５との間に、センサ制御回路２、ヒータ制御回路６０、および、上述のヒータ制御処理と過昇温防止処理を実行可能なマイクロコンピュータを回路基板に搭載したガスセンサ制御装置を設置しても良い。
さらに、上記実施形態では、ステップＳ２０における活性判定閾値とステップＳ５０における異常閾値との値を同じ値に設定したが、これら閾値は別々の値に設定しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】電子制御ユニットを備える内燃機関制御システムの概略構成図である。
【図２】電子制御ユニットの概略構成を示す回路図である。
【図３】過昇温防止処理の概要を示す図である。
【図４】ヒータ制御処理のフローチャートを示す図である。
【図５】過昇温防止処理のフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１                                  内燃機関制御システム
２                                  インピーダンス検出手段（センサ制御回路）
５                                  ガスセンサ制御装置（電子制御ユニット）
８                                  ガスセンサ
９                                  インピーダンス検出手段、インピーダンス異常判定手段、電圧印加判定手段、電圧印加状態判定手段、指令手段、活性判定手段、時間設定手段（エンジン制御装置）
１３、２３                          固体電解質体
１４                                セル（酸素ポンプセル）
１２、１６                          一対の電極（第１ポンプ電極、第２ポンプ電極）
２４                                インピーダンス検出対象セル（酸素濃度検知セル）
２２、２８                          一対の電極（第１検知電極、第２検知電極）
４３                                ヒータ
５２                                センサ駆動回路
６０                                ヒータ制御手段（ヒータ制御回路）
ＴＯＰ                                ヒータ過昇温防止時間（第２の到達時間）
Ｔｃｌ                                ヒータ過昇温防止時間（第１の到達時間）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年9月24日(2009.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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