(57)【要約】【課題】酸素ポンプセルへの過電圧の印加を防止することができるガスセンサ制御装置を提供する。【解決手段】固体電解質体１３および一対の電極１２、１６を備える酸素ポンプセル１４を有するガスセンサ８と、ガスセンサに接続され、ガスセンサに通電するセンサ駆動回路５２と、酸素ポンプセルの端子電圧を検出して出力する端子電圧出力手段５４と、端子電圧と第１閾値とを比較し、端子電圧が第１閾値を超えた場合に、電源電圧と電極とのショートを通知するショート異常信号を出力する異常検出手段５８と、端子電圧と第１閾値未満の第２閾値とを比較し、端子電圧が第２閾値を超えた場合に、酸素ポンプセルへの過電圧印加を通知するセル電圧異常信号を生成する制御部５５と、ショート異常信号又はセル電圧異常信号を受信した場合に、センサ駆動回路を非通電に設定するための非通電指令を出力する指令手段９とを備えるガスセンサ制御装置１である。【選択図】図２
2010160010.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酸素ポンプセルを少なくとも有するガスセンサと、
前記ガスセンサに接続され、
前記ガスセンサを駆動するため前記ガスセンサに通電するセンサ駆動回路と、
前記酸素ポンプセルの端子電圧を検出して出力する端子電圧出力手段と、
前記端子電圧と第１閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第１閾値を超えた場合に、前記ガスセンサを駆動する電源電圧と前記電極とのショートを通知するショート異常信号を出力する異常検出手段と、
前記端子電圧と前記第１閾値未満の第２閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第２閾値を超えた場合に、前記酸素ポンプセルへの過電圧印加を通知するセル電圧異常信号を生成する制御部と、
前記ショート異常信号又は前記セル電圧異常信号を受信した場合に、前記センサ駆動回路を非通電に設定するための非通電指令を出力する指令手段とを備えるガスセンサ制御装置。
【請求項２】
前記指令手段は、
前記ショート異常信号を受信してから第１所定時間経過後に、前記非通電指令を出力する一方、
前記セル電圧異常信号を受信してから、第１所定時間より長い第２所定時間経過後に前記非通電指令を出力するよう構成されている請求項１記載のガスセンサ制御装置。
【請求項３】
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酸素ポンプセルを少なくとも有するガスセンサと、
前記ガスセンサに接続され、前記ガスセンサを駆動するため前記ガスセンサに通電するセンサ駆動回路を備えたガスセンサ制御装置の制御方法であって、
前記酸素ポンプセルの端子電圧を検出して出力する端子電圧出力過程と、
前記端子電圧と第１閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第１閾値を超えた場合に、前記ガスセンサを駆動する電源電圧と前記電極とのショートを通知するショート異常信号を出力する異常検出過程と、
前記端子電圧と前記第１閾値未満の第２閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第２閾値を超えた場合に、前記酸素ポンプセルへの過電圧印加を通知するセル電圧異常信号を生成するセル電圧異常信号生成過程と、
前記ショート異常信号又は前記セル電圧異常信号を受信した場合に、前記センサ駆動回路を非通電に設定する非通電設定過程とを有するガスセンサ制御方法。
【請求項４】
前記非通電設定過程において、
前記ショート異常信号を受信してから第１所定時間経過後に、前記センサ駆動回路を非通電に設定する一方、
前記セル電圧異常信号を受信してから、第１所定時間より長い第２所定時間経過後に前記センサ駆動回路を非通電に設定する請求項３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酸素ポンプセルを少なくとも有するガスセンサを制御する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。
又、これらのガスセンサは、固体電解質を活性化させるためのヒータを内蔵している。
【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】
このような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おり、センサ駆動回路を含めてガスセンサ制御装置と称される。又、セルへの通電状態として、ガスセンサを保護するための保護用通電状態、非活性状態のガスセンサに微小電流が通電されている活性前通電状態、特定ガスを検出するためのガス濃度測定用通電状態などがある。
このうち、保護用通電状態は、セルとセンサ駆動回路との間の導通を電気的に遮断して、ガスセンサに電流が流れないようにし、ガスセンサを保護する。又、活性前通電状態は、微小電流を通電することで、例えば酸素濃度検知セルの基準酸素室に基準濃度となる酸素を蓄積し、ガス濃度測定に備えるモードである。
【０００５】
ところで、センサ駆動回路又はガスセンサの配線にバッテリやグランドとの短絡、断線等の異常が生じることがある。そして、かかる配線異常が生じているにも係らず、ガス濃度を測定するガス濃度測定用通電状態が継続すると、ガスセンサに過大な電流が流れてガスセンサが破損する虞がある。
このようなことから、配線異常を検出した場合に、センサ駆動回路側とガスセンサとの接続を電気的に遮断して保護用通電状態とし、その後、異常内容と異常発生箇所とを診断する技術が開発されている（特許文献１参照）。これにより、ガスセンサに異常電流が流れ続けることがなくなり、ガスセンサを破損させないようにしている。
【０００６】
又、配線異常を認識せずに、他の通電状態からガス濃度測定用通電状態に切り替える指令がセンサ駆動回路に出力されると、同様にガスセンサに過大な電流が流れてガスセンサが破損する虞がある。
このようなことから、直前の状態が活性前通電状態であるときにのみ、ガス濃度測定用通電状態への切り替えを許容することで、ガスセンサを破損させずに異常を検出する技術が開発されている（特許文献２参照）。これにより、仮に配線異常が生じていても、ガスセンサに微小電流を流す活性前通電状態であれば、ガスセンサの印加電圧が正常範囲を逸脱することから配線異常を検出できる。
【０００７】
又、従来のガスセンサ制御装置の場合、酸素ポンプセルに流れるＩｐ電流を制御するための目標電圧を印加する定電圧源がセンサ駆動回路に設けられており、この目標電圧がセンサ駆動回路内のＰＩＤ制御回路に供給されている。そして、測定室内の酸素濃度に応じて、酸素濃度検知セルの実際の出力電圧と、上記目標電圧との偏差量がＰＩＤ制御回路でＰＩＤ演算され、この偏差量に応じたＩｐ電流が酸素ポンプセルに流れるようになっている。
そして、酸素ポンプセルの端子電圧がブラックニングを生じさせる過電圧となる閾値を超えた場合に、前記目標電圧を変更して過電圧がかかるのを防止する、Ｖｐリミッタが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３８３３６８７号公報
【特許文献２】特開２００８−７０１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記したＶｐリミッタを設けると、センサ駆動回路が大型になると共に、部品点数が増加してコストアップに繋がる場合がある。
すなわち、本発明は、酸素ポンプセルへの過電圧の印加を防止することができる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】
【００１０】
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酸素ポンプセルを少なくとも有するガスセンサと、前記ガスセンサに接続され、前記ガスセンサを駆動するため前記ガスセンサに通電するセンサ駆動回路と、前記酸素ポンプセルの端子電圧を検出して出力する端子電圧出力手段と、前記端子電圧と第１閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第１閾値を超えた場合に、前記ガスセンサを駆動する電源電圧と前記電極とのショートを通知するショート異常信号を出力する異常検出手段と、前記端子電圧と前記第１閾値未満の第２閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第２閾値を超えた場合に、前記酸素ポンプセルへの過電圧印加を通知するセル電圧異常信号を生成する制御部と、前記ショート異常信号又は前記セル電圧異常信号を受信した場合に、前記センサ駆動回路を非通電に設定するための非通電指令を出力する指令手段とを備える。
このような構成とすると、酸素ポンプセルへの過電圧の印加を有効に防止することができる。
【００１１】
前記指令手段は、前記ショート異常信号を受信してから第１所定時間経過後に、前記非通電指令を出力する一方、前記セル電圧異常信号を受信してから、第１所定時間より長い第２所定時間経過後に前記非通電指令を出力するよう構成されていてもよい。
通常、ガスセンサを上記した活性前通電状態からガス濃度測定用通電状態へ遷移する際には、酸素ポンプセルの抵抗が高い状態でＩｐ電流を流すため、一時的に酸素ポンプセルの電圧が過電圧を超えて高くなるが、ガスセンサが正常であれば、数秒程度で酸素ポンプセルの電圧が過電圧未満に低下する。そこで、第２所定時間を超えてもセル電圧異常信号が生成されたときに、酸素ポンプセルの電圧が異常であると判定すれば、異常を誤検出することを防止できる。
さらに、セルがショートする可能性があるショート異常信号を受信した場合は、非通電指令をすぐに（第１所定時間経過後）出力する必要があるが、緊急性が低いセル電圧異常信号を受信した場合には、第１所定時間より遅い第２所定時間が経過したときに非通電指令を出力すればよい。
【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酸素ポンプセルを少なくとも有するガスセンサと、前記ガスセンサに接続され、前記ガスセンサを駆動するため前記ガスセンサに通電するセンサ駆動回路を備えたガスセンサ制御装置の制御方法であって、前記酸素ポンプセルの端子電圧を検出して出力する端子電圧出力過程と、前記端子電圧と第１閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第１閾値を超えた場合に、前記ガスセンサを駆動する電源電圧と前記電極とのショートを通知するショート異常信号を出力する異常検出過程と、前記端子電圧と前記第１閾値未満の第２閾値とを比較し、前記端子電圧が前記第２閾値を超えた場合に、前記酸素ポンプセルへの過電圧印加を通知するセル電圧異常信号を生成するセル電圧異常信号生成過程と、前記ショート異常信号又は前記セル電圧異常信号を受信した場合に、前記センサ駆動回路を非通電に設定する非通電設定過程とを有する。
【００１３】
前記非通電設定過程において、前記ショート異常信号を受信してから第１所定時間経過後に、前記センサ駆動回路を非通電に設定する一方、前記セル電圧異常信号を受信してから、第１所定時間より長い第２所定時間経過後に前記センサ駆動回路を非通電に設定してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、酸素ポンプセルへの過電圧の印加を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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】一般的なＶｐリミッタの構成を示す図である。
【図４】各通電状態（作動モード）に対する各スイッチの状態を表した説明図である。
【図５】ガスセンサを起動してからの酸素ポンプセルのＩｐ＋電圧の時間変化を示す図である。
【図６】酸素ポンプセル保護処理のフローチャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）５を含む、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置１（内燃機関制御システム）の構成を示す概略図である。なお、ガスセンサ制御装置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（酸素など）の濃度を検出する処理を実行している。
ガスセンサ制御装置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、たとえば５５０〜９００℃）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）や素子抵抗値信号を検出する。センサ制御回路２は、検出されたガス検出信号および素子抵抗値信号をエンジン制御装置９に出力する。
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、素子抵抗値信号は、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、素子抵抗値信号の検出及びガスセンサ８の温度の算出は公知の手法を用いて行うことができるため、詳細は省略する。
【００１９】
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、ガス検出信号や素子抵抗値信号を検知するようになっている。
【００２０】
制御部５５は、センサ制御回路２での各種制御処理を実行するロジック回路で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、電流積算値など）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への後述する通電状態を切り替える指令（以下、適宜「切替指令」という）を出力する指令出力処理、酸素ポンプセル１４に過電圧を生じる電圧が印加された場合に酸素ポンプセル１４の端子電圧を制御する酸素ポンプセル保護処理も実行している。
なお、上記したエンジン制御装置９が特許請求の範囲の「指令手段」に相当する。
【００２３】
次に、ガスセンサ８の構成について説明する。
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則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の両端は、ヒータ制御回路６０に電気的に接続されている。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Ｉｐ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、電流積算値など）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。
なお、酸素ポンプセル１４の「端子電圧」とは、酸素ポンプセル１４が有する一対の電極１２、１６間の電圧、又は、一対の電極１２、１６の一方と、所定の基準電位との間の電圧をいう。この実施形態では酸素ポンプセル１４の端子電圧として、電極１２と基準電位との間の電圧である「Ｉｐ＋端子電圧」、又は電極１２、１６間の電圧である「Ｖｐ電圧」が挙げられる。
【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。
【００３０】
センサ制御回路２は、センサ駆動回路５２、端子電圧出力回路５４、制御部５５、差動増幅回路５７、異常検出回路５８を備えている。
【００３１】
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３２、Ｉｐ電流の制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路５６、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。
また、センサ駆動回路５２は、センサ素子１０との接続端子（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）、ＰＩＤ制御回路５６の特性を決める素子を外付けするための端子（Ｐ１端子、Ｐ２端子、Ｐｏｕｔ端子）、及びエンジン制御装置９から出力された通電状態の切替指令に応じてセンサ駆動回路５２の通電状態（作動モード）を変更するためのスイッチＳＷ１〜ＳＷ５、を備えている。なお、センサ駆動回路５２の作動モードとは、センサ素子１０への通電状態を表す。
【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５６の後述する出力端、オペアンプ３２の反転入力端子、オペアンプ３４の出力端子が接続されている。なお、オペアンプ３４の出力端子はスイッチＳＷ１を介してＶｃｅｎｔ端子に接続されている。又、オペアンプ３４の反転入力端子は出力端子に接続され、オペアンプ３４の非反転入力端子には基準電圧３．６Ｖが印加されている。つまり、オペアンプ３４はＶｃｅｎｔ端子に基準電圧３．６Ｖを印加すると共に、センサ素子１０の異常診断を行う異常診断用電流などを供給する回路である。
なお、Ｖｃｅｎｔ点には、配線６２，第２接続端子１７および抵抗素子Ｒ１を介して第２ポンプ電極１６が接続されている。
【００３３】
Ｉｐ＋端子には、分圧回路６５およびオペアンプ３２の出力端子が接続されている。分圧回路６５は、定電源電圧を分圧する２つの抵抗素子Ｒ７，Ｒ８を備え、抵抗素子Ｒ７，Ｒ８の接続点がスイッチＳＷ４を介してＩｐ＋端子に接続されている。また、オペアンプ３２の出力端子はスイッチＳＷ３を介してＩｐ＋端子に接続されている。なお、抵抗素子Ｒ８の一端は接地されている。
オペアンプ３２の反転入力端子には、Ｖｃｅｎｔ端子および抵抗素子Ｒ２を介してＰＩＤ制御回路５６が接続され、オペアンプ３２の非反転入力端子には基準電圧３．６Ｖが印加されている。つまり、オペアンプ３２は、センサ素子１０（詳細には、酸素濃度検知セル２４）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。
【００３４】
ＰＩＤ制御回路５６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５６は、オペアンプ３６，４０、抵抗Ｒ３〜Ｒ５、コンデンサＣ１〜Ｃ３、を備えている。
ＰＩＤ制御回路５６の入力端（オペアンプ４０の反転入力端子）には、オペアンプ４２の出力端子が接続され、オペアンプ４２の非反転入力端子がＶｓ＋端子に接続されている。つまり、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓがオペアンプ４２を介してＰＩＤ制御回路５６に入力される。なお、オペアンプ４２の反転入力端子は出力端子に接続されている。
又、Ｖｓ＋端子には、スイッチＳＷ５を介して定電流源４６が接続されている。定電流源４６は、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に流される定電流Ｉｃｐ（例えば、１７μＡ）を供給する回路である。
【００３５】
又、オペアンプ４０の反転入力端子には、抵抗素子を介してオペアンプ３８の出力端子が接続されている。オペアンプ３８の非反転入力端子には定電圧源４８が接続され、オペアンプ３８の反転入力端子は出力端子に接続されている。つまり、定電圧源４８の出力は、オペアンプ３８を介してオペアンプ４０の反転入力端子に入力され、Ｉｐ電流を制御する制御目標となる電圧である４５０ｍＶがオペアンプ４０を介してＰＩＤ制御回路５６に供給される。
オペアンプ４０の出力端子はＰ１端子に接続され、オペアンプ４０の非反転入力端子はＶｃｅｎｔ端子に接続されている。又、オペアンプ４０の出力端子と反転入力端子の間に抵抗素子が介装されている。Ｐ１端子には、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ３とコンデンサＣ２との第１直列回路の抵抗Ｒ５側と、抵抗Ｒ４とＲ３との第２直列回路のＲ４側が並列に接続されている。又、第１直列回路のコンデンサＣ３とコンデンサＣ２の接続点がＰ２端子に接続されている。同様に、第２直列回路の抵抗Ｒ４とＲ３の接続点もＰ２端子に接続されている。さらに、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ３はコンデンサＣ１に接続され、コンデンサＣ１はＰｏｕｔ端子に接続されている。
【００３６】
なお、従来のガスセンサにおいては、定電圧源４８とオペアンプ３８との間にＶｐリミッタ４９が接続されている。Ｖｐリミッタ４９は、酸素ポンプセル１４の１対の電極１２、１６間の電圧（Ｖｐ電圧）が、酸素ポンプセル１４に過電圧を生じる所定の閾値を超えた場合に、定電圧源４８の出力（制御目標電圧）をシフトさせ、酸素ポンプセル１４に過電圧がかかるのを防止する。
ここで、酸素ポンプセル１４の「過電圧」とは、酸素ポンプセル１４に過剰電流が流れてブラックニング（酸素イオンの喪失によるセルの黒化現象）が生じ、セルの破損を招く電圧をいう。
【００３７】
図３は、一般的なＶｐリミッタ４９の構成を示す。Ｖｐリミッタ４９は２個のオペアンプ４９ａ、４９ｂ、２個のダイオードＤ１、Ｄ２、コンデンサＣ５，Ｃ６を備えている。オペアンプ４９ａ、４９ｂの非反転入力端子同士は接続されている。又、オペアンプ４９ａ、４９ｂの各反転入力端子は、それぞれコンデンサＣ５，Ｃ６、ダイオードＤ１、Ｄ２を介して各出力端子に接続されてフィードバック制御を行う。
なお、ダイオードＤ１は外部からオペアンプ４９ａの出力端子への電流のみを流す。一方、ダイオードＤ１はオペアンプ４９ａの出力端子から外部への電流のみを流す。
又、オペアンプ４９ａ、４９ｂの各非反転入力端子には所定の電位（Ｖｐ）４９ｄが印加され、オペアンプ４９ａの反転入力端子には所定の電位（上限値）４９ｃが印加され、オペアンプ４９ｂの反転入力端子には所定の電位（下限値）４９ｅが印加されている。
【００３８】
そして、Ｖｐ電圧が上限値４９ｃを超えると、ダイオードＤ１を介して外部からオペアンプ４９ａの出力端子へ電流が流れ、定電圧源４８のＶｓ制御目標電圧を低下させる。一方、Ｖｐ電圧が下限値４９ｅを超えると、ダイオードＤ２を介してオペアンプ４９ａの出力端子から外部へ電流が流れ、定電圧源４８のＶｓ制御目標電圧を上昇させる。
なお、本発明においては、Ｖｐリミッタ４９を設けなくてもよく、この場合は、センサ駆動回路５２がコンパクトになると共に、部品点数が増加せずコストが低減される。
【００３９】
そして、Ｐ２端子はオペアンプ３６の反転入力端子に接続され、ＰＩＤ制御回路５６の出力端（オペアンプ３６の出力端子）は、スイッチＳＷ２を介してＰｏｕｔ端子に接続されている。一方、オペアンプ３６の非反転入力端子には基準電圧３．６Ｖが印加されている。
Ｐｏｕｔ端子は、抵抗素子Ｒ２を介してＶｃｅｎｔ端子に接続され、ＰＩＤ制御回路５６の出力端（コンデンサＣ１）は、抵抗素子Ｒ２及び抵抗素子Ｒ１を介してＣＯＭ端子に接続されている。
なお、抵抗Ｒ３〜Ｒ５、コンデンサＣ１〜Ｃ３は、Ｐ１端子及びＰ２端子に装着されＰＩＤ制御回路５６の制御特性を決めるために備えられている。
又、Ｖｓ＋端子とＩｐ＋端子との間には、センサ駆動回路５２の発振を防止するために、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ４との直列回路からなる発振防止回路５９が挿入されている。
【００４０】
次に、センサ制御回路２が有する他の回路５４、５７、５８について説明する。
端子電圧出力回路５４は制御部５５を介し、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧をエンジン制御装置９に対して出力する。なお、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。
なお、端子電圧出力回路５４が特許請求の範囲の「端子電圧出力手段」に相当する。
差動増幅回路５７は、抵抗素子Ｒ２の両端電圧（具体的には、Ｖｃｅｎｔ点とＰｏｕｔ点の両端電圧）をガス検出信号としてエンジン制御装置９の入力ポートに出力する。この電圧は、酸素ポンプセル１４に流れるＩｐ電流を抵抗素子Ｒ２にて電圧変換したものである。なお、伝送ケーブル７１を介して、ガス検出信号をエンジン制御装置９の入力ポートに出力しても良い。
【００４１】
次に、異常検出回路５８は、ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃとＯＲ回路５８ｄで構成され、各コンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃの出力端子が並列にＯＲ回路５８ｄ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、Ｉｐ＋端子にそれぞれ接続されている。
各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、それぞれ、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧が所定の電圧範囲内である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にハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００４２】
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（４５０ｍＶ）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６１等（Ｖｓ＋ラインとも称する）が何らかの原因により電源電位やグランド電位に短絡すると、Ｖｓ＋端子の端子電圧は電源電位や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５８ａ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を超え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５８ａの閾値の上限を９Ｖ、又は、センサ素子制御回路５０の電源電圧の変動を考慮して、電源電圧から所定値（例えば、１．５Ｖ）減じた所定電圧値に設定すると共に、閾値の下限をグランドレベルの０Ｖにグランド浮きを考慮した１Ｖに設定する。そして、Ｖｓ＋端子の端子電圧が上限値の９Ｖ又は所定電圧値を超えて上昇したとき、或いは、Ｖｓ＋端子の端子電圧が下限値の１Ｖを超えて下降したときに、ウィンドコンパレータ５８ａは、ハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００４３】
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６２等（ＣＯＭラインとも称する）が何らかの原因により電源電圧やグランドレベルに短絡すると、Ｖｓ＋端子と同様、ＣＯＭ端子の端子電圧は電源電位やグランド電位となる。そこで、ウィンドコンパレータ５８ｂ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を超え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５８ａと同様に、ウィンドコンパレータ５８ｂの閾値の上限を９Ｖ又は所定電圧値に設定すると共に、閾値の下限を１Ｖに設定する。そして、ＣＯＭ端子の端子電圧が上限値の９Ｖを超えて上昇したとき、或いは、ＣＯＭ端子の電位が下限値の１Ｖを超えて下降したときに、ウィンドコンパレータ５８ｂは、ハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００４４】
Ｉｐ＋端子においても、Ｉｐ＋端子に接続された配線６３等（Ｉｐ＋ラインとも称する）が何らかの原因により電源電圧やグランドレベルに短絡すると、Ｉｐ＋端子の端子電圧は電源電位やグランド電位となる。そこで、ウィンドコンパレータ５８ｃは、Ｉｐ＋端子の端子電圧と予め設定された閾値とを比較し、Ｉｐ＋端子の端子電圧が閾値を超え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、Ｉｐ＋端子の端子電圧が入力されるウィンドコンパレータ５８ｃにおいても、ウィンドコンパレータ５８ｂと同様に、基準電圧３．６Ｖを挟むように、閾値の上限を９Ｖ又は所定電圧値に設定すると共に、閾値の下限を１Ｖに設定する。そして、Ｉｐ＋端子の端子電圧が上限値の９Ｖ又は所定電圧値を超えて上昇したとき、或いは、Ｉｐ＋端子の端子電圧が下限値の１Ｖを超えて下降したときに、ウィンドコンパレータ５８ｃは、ハイレベル信号を出力するように構成されている。
【００４５】
ここで、上記した上限値は、Ｉｐ＋端子側の配線がガスセンサを駆動する電源（バッテリ）に短絡してＶＢショートを生じ、電源電圧まで上昇するのを検出する閾値である。この上限値を適宜「第１閾値（ＶＢＡＴ）」と称する。ＶＢＡＴは、電源電圧の値、又は電源電圧の変動を考慮し電源電圧から所定値（例えば、１．５Ｖ）減じた値である。
一方、上記した下限値は、Ｉｐ＋端子側の配線がグランドに短絡してＧＮＤショートを生じ、電圧が０になるのを検出する閾値である。この下限値を適宜「グランド閾値（ＶＧＮＤ）」と称する。ＶＧＮＤは、電源電圧の変動を考慮しグランド電位から所定値（例えば、１Ｖ）高くした値である。
そして、Ｉｐ＋端子電圧がＶＢＡＴを超えたり、ＶＧＮＤ未満になると、以下のＯＲ回路５８ｄにより異常が検出される。
【００４６】
ＯＲ回路５８ｄは、各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃからの信号の論理和を算出し、各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃ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ＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１としエンジン制御装置９及び制御部５５に出力する。尚、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋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５８は異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝０とし、エンジン制御装置９及び制御部５５に出力する。このように、異常検出回路５８は、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭライン、Ｉｐ＋ラインの何れかで短絡異常が発生して、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の端子電圧が第１閾値（ＶＢＡＴ）を超えて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ＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１とする機能を有する。
なお、異常検出回路５８が特許請求の範囲の「異常検出手段」に相当する。
【００４７】
以上のように構成されたセンサ駆動回路５２は、エンジン制御装置９からの指令により各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦを切り換えてセンサ駆動回路５２自身の通電状態（作動モード）を、ガス濃度測定用通電状態（以下、適宜「Ａモード」）、センサ保護用通電状態（以下、適宜「Ｐモード」）、活性前通電状態（以下、適宜「ＮＡモード」）のいずれかに設定する。各通電状態については後述する。
なお、エンジン制御装置９は、センサ駆動回路５２の通電状態を切り換えるための指令（詳細には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御信号）を出力ポートから出力し、伝送ケーブル７１を介してセンサ制御回路２（の制御部５５）に対して指令を出力する。そして、制御部５５がセンサ駆動回路５２の通電状態を切り換える（設定する）。
【００４８】
また、抵抗素子Ｒ２の両端電圧を示すガス検出信号は、差動増幅回路５７を介して直接エンジン制御装置９の入力ポートに入力される。さらに、異常検出回路５８からの異常検出フラグＤＩＡＧは、直接エンジン制御装置９の入力ポートに入力されるとともに、制御部５５にも入力される。一方、端子電圧出力回路５４からの出力信号は、制御部５５に入力され、伝送ケーブル７１を介してエンジン制御装置９の入力ポートに入力される。なお、センサ素子１０の電気抵抗値及び温度を示す素子抵抗値信号も、制御部５５に入力され、伝送ケーブル７１を介してエンジン制御装置９の入力ポートに入力される。
このように、エンジン制御装置９は、センサ駆動回路５２の通電状態を制御することができると共に、異常検出回路５８及び端子電圧出力回路５４からの入力信号に基づき、センサ素子１０の異常の有無を検出することができる。具体的には、エンジン制御装置９は、入力された各端子電圧の状態が予め定められた識別条件のうちどの条件に当てはまるかを識別することによって、異常が発生した端子とその異常内容（電源短絡（ＶＢショート）、接地短絡（グランドショート）など）を検出することができる。
又、Ｉｐ＋端子電圧が第１閾値（ＶＢＡＴ）を超えた場合、異常検出回路５８は制御部５５にも異常信号を出力するので、制御部５５はエンジン制御装置９の判断によらずに直接センサ駆動回路５２自身の通電状態をＰモードに切り換えることもできる。
【００４９】
次に、図４を参照して、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦＦを切り換えたときの、センサ駆動回路５２の通電状態（作動モード）を説明する。
【００５０】
ここで、センサ保護用通電状態は、センサ素子１０とセンサ駆動回路５２との電気的接続を遮断し、ガスセンサ８に電流が流れないようにして保護する状態である。
又、ガス濃度測定用通電状態は、酸素濃度検知セル２４の両電極間の電圧が所望の値になるように、酸素ポンプセル１４に流れる電流の値および方向を制御し、ガス濃度測定ができるようにする状態である。
活性前通電状態は、ガスセンサ８（の２つのセル１４、２４）に過電圧が印加されないよう、酸素濃度検知セル２４と酸素ポンプセル１４の少なくとも一方が有する両電極に対し、微小電流通電されている状態である。より具体的な活性前通電状態としては、酸素濃度検知セル２４に設けられた一対の電極のうち、測定室に面しない側の電極２８を外部に対し閉塞した構成のガスセンサである場合において、電極２８を内部酸素基準源として働かせるために、酸素濃度検知セル２４に微小電流を流す通電状態を挙げることができる。
【００５１】
まず、ガス濃度測定用通電状態においては、センサ駆動回路５２のスイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５をＯＮとし、スイッチＳＷ１、ＳＷ４をＯＦＦとする。ガス濃度測定用通電状態は、酸素のポンピングなどのために、ガスセンサ８（詳細には、酸素ポンプセル１４）に対して比較的大きな電流を通電することができる状態に設定する作動モードである。このとき、酸素ポンプセル１４に通電可能な最大電流値は、オペアンプ３２およびオペアンプ３６の電流駆動能力により定められており、本実施形態では、２０［ｍＡ］程度に設定されている。
【００５２】
そして、例えば、被測定ガスが燃料供給過剰（リッチ）となる場合には、測定室２０の酸素濃度が理論空燃比よりも欠乏し、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４５０ｍＶ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。
一方、被測定ガスが燃料供給不足（リーン）となる場合には、測定室２０の酸素濃度が理論空燃比よりも過剰となり、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧４５０ｍＶ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。
このようにして、Ｉｐ電流の通電状態（通電方向、電流積算値など）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。
【００５３】
次に、センサ保護用通電状態では、センサ駆動回路５２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ５の全てがＯＦＦとなる。このため、オペアンプ３２、３４、３６、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、センサ駆動回路５２からセンサ素子１０への通電が遮断される。
従って、配線異常が発生し、ＯＲ回路５８ｄから異常検出フラグＤＩＡＧ（＝１）が出力された場合に、エンジン制御装置９は制御部５５に切替指令を出力し、この指令に基づき、制御部５５がセンサ駆動回路５２をセンサ保護用通電状態に設定することで、センサ素子１０に異常電流が継続して流れるのを防ぐことができ、センサ素子１０を保護できる。
【００５４】
活性前通電状態では、センサ駆動回路５２のスイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ５がＯＮとなり、スイッチＳＷ２、ＳＷ３がＯＦＦとなる。このとき、スイッチ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、スイッチＳＷ２がＯＦＦのため、オペアンプ３６からも電流が供給されなくなるので、酸素ポンプセル１４に対する電流制御は停止する。従って、活性前通電状態では、酸素ポンプセル１４の負帰還制御は行われなくなる。
また、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ５がＯＮであるため、酸素ポンプセル１４および酸素濃度検知セル２４には、オペアンプ３４、定電流源４６、分圧回路６５から微小な定電流Ｉｃｐが供給されることになる。これにより、第１検知電極２２から第２検知電極２８の側に酸素をポンピングし、第２検知電極２８の周囲に形成された基準酸素室２６に略一定濃度の酸素を蓄積する。
【００５５】
このように、活性前通電状態では、センサ素子１０に対して微小な電流しか供給しないことから、配線異常が発生した場合であっても過大な電流が供給されることがないため、センサ素子１０の破損（ブラックニングなど）が発生し難くなる。
又、上記したように、エンジン制御装置９は、入力された各端子電圧の状態に基づいて配線異常を検出するが、活性前通電モードでは各端子電圧が低いため、センサ素子１０が破損することなく、配線異常の検出を行うことができる。
【００５６】
例えば、配線６２が接地短絡（グランドショート）している配線異常の状態で、ガス濃度測定用通電状態に設定すると、オペアンプ３２から酸素ポンプセル１４、配線６２を介してグランドラインに至る通電経路が形成されるとともに、オペアンプ３２における電流駆動能力の最大電流がオペアンプ３２から酸素ポンプセル１４に供給されてしまう。この場合には、酸素ポンプセル１４に過大な電流が通電される状態となり、一瞬でセンサ素子１０の破損（ブラックニングなど）に至ることになる。これに対し、配線６２が接地短絡している場合に、活性前通電状態であれば、分圧回路６５から酸素ポンプセル１４、配線６２を介してグランドラインに至る通電経路が形成されるものの、分圧回路６５から酸素ポンプセル１４に供給される電流は微小である。このため、酸素ポンプセル１４に過大な電流が通電されることはなく、センサ素子１０の破損（ブラックニングなど）に至るのを防止できる。
【００５７】
次に、本発明の特徴部分である、エンジン制御装置９で実行される酸素ポンプセル保護処理の内容について説明する。
本発明は、酸素ポンプセルに過電圧が印加されることを防止できるよう、酸素ポンプセル１４のＩｐ＋端子電圧が上記過電圧（又は、センサ制御回路２の電源電圧の変動を考慮して、上記過電圧から所定値（例えば、８Ｖ）減じた所定電圧値）以上となったときにセル電圧異常信号（例えば、セル電圧異常フラグ）を生成し、Ｐモードへ切り換えるようにしている。
ここで、上記過電圧又は上記所定電圧値が特許請求の範囲の「第２閾値」に相当する。この第２閾値は、酸素ポンプセルに過電圧が印加される（と想定される）電圧である。
【００５８】
なお、上記したように、もともと異常検出回路５８は、Ｉｐ＋端子電圧が第１閾値（ＶＢＡＴ）を超えたり、ＶＧＮＤ未満になると異常を検出し、それに伴ってエンジン制御装置９はガスセンサ８をＰモード（センサ駆動回路５２が非通電の状態）に移行させるように構成されている。従って、Ｉｐ＋端子電圧がＶＢＡＴを超えて上昇した際には異常検出回路５８側で検出するため、以下の酸素ポンプセル保護処理では異常検出回路５８の検出結果に従って処理を行い、自らは異常を検出しない。ここで、Ｉｐ＋端子電圧が第１閾値を超えたとき、異常検出回路５８はショート異常信号（例えば、ショート異常フラグ）を出力する。
そして、酸素ポンプセル保護処理では、Ｉｐ＋端子電圧が第１閾値（ＶＢＡＴ）未満で、かつ第２閾値以上である場合に、セル電圧異常信号を生成するようにすればよい。
【００５９】
又、本発明において、上記セル電圧異常信号が「第２所定時間」経過後も継続した場合に、Ｐモードへ切り換えるようにしてもよい。通常、ＮＡモードからＡモードへ遷移する際には、酸素ポンプセル１４の抵抗が高い状態でＩｐ電流を流すため、一時的にＩｐ＋端子電圧が第２閾値を超えて高くなる。このような場合にも、上記したセル電圧異常信号が生成される。しかしながら、ガスセンサが正常であれば、数秒程度でＩｐ＋端子電圧が第２閾値未満に低下する。
そこで、上記所定時間を、一旦上昇したＩｐ＋端子電圧が下がる時間を見越して「第２所定時間」を設定し、第２所定時間経過後もセル電圧異常信号が生成されたときに、酸素ポンプセル１４の電圧が実際に異常であると判定すれば、異常を誤検出することを防止できる。
【００６０】
図５は、ガスセンサ８を起動してからの酸素ポンプセル１４のＩｐ＋端子電圧の時間変化を模式的に示す。図５において、ガスセンサを起動すると（Ｐ０）、上記したようにＮＡモードからＡモードへ遷移し、酸素ポンプセル１４の抵抗が高い状態でＩｐ電流が流れる。このため、一時的にＩｐ＋端子電圧が第２閾値を超えて高くなる（ＰＨ）。このとき、上記した第２所定時間Ｔ２を、ＰＨで上昇したＩｐ＋端子電圧が下がる時間より長く設定すれば、ＮＡモードからＡモードへの遷移によるＩｐ＋端子電圧の上昇を異常として誤検出することがない。
そして、酸素ポンプセル１４が安定すると、第２閾値とＶＧＮＤの間の安定領域Ｓ０でＡモードでのガス濃度測定が行われる。ところが、Ｐ１で酸素ポンプセル１４に異常が発生し、第１閾値（ＶＢＡＴ）未満で、かつ第２閾値以上の領域Ｓ１に電圧が上昇すると、上記した酸素ポンプセル保護処理によってセル電圧異常信号が生成され、ガスセンサ８をＰモードへ切り換えて保護する。
なお、第１閾値（ＶＢＡＴ）を超える領域Ｓ３にＩｐ＋端子電圧が上昇した場合（Ｐ３）、又はＶＧＮＤ未満となる領域Ｓ４にＩｐ＋端子電圧が低下した場合（Ｐ４）には、従来のガスセンサ制御装置が有する異常検出回路５８が異常を検出し、ガスセンサ８をＰモードへ切り換えることとなる。
このとき、第１閾値を超えてＩｐ＋端子電圧が上昇すると、セルがショートする可能性があるので、ただちにガスセンサ８をＰモードへ切り換えて保護する必要がある。そこで、第１閾値を超えてＩｐ＋端子電圧が上昇した場合には、緊急性が高いと判断して第２所定時間より短い第１所定時間Ｔ１が経過後、すぐにＰモードへ切り換えるよう処理（非通電指令を出力）するとよい。これに対し、緊急性が低いセル電圧異常信号を受信した場合には、第１所定時間より遅い第２所定時間が経過したときに非通電指令を出力すればよい。
【００６１】
なお、本実施形態においては、エンジン制御装置９では、メインルーチンであるセンサ通電制御処理を行い、上記した酸素ポンプセル保護処理は、サブルーチンとして呼び出されて実行される。従って、まず、メインルーチンであるセンサ通電制御処理について説明する。
【００６２】
まず、エンジン制御装置９（およびセンサ制御回路２の制御部５５）は、内燃機関制御システム１の電源ＯＮで起動するとともに初期化処理（内部変数などの初期化など）を実行し、初期化処理が完了した後、以下のような各種制御処理を開始する。
各種制御処理としては、センサ制御回路２からのガス検出信号などに基づき排気ガス中の特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出処理や、センサ制御回路２に対して通電状態の切替指令を出力する指令出力処理や、ガス検出信号に基づき検出した特定ガス濃度（酸素濃度）を用いてエンジンの空燃比制御を行うための空燃比制御処理など、がある。
【００６３】
そして、エンジン制御装置９は、自動車の電源オンで処理を開始し、初期化処理の完了後、各種制御処理の１つとして、センサ素子１０に対する通電状態を制御するためのセンサ通電制御処理を実行する。センサ通電制御処理では、各種条件に基づいてセンサ素子１０への通電状態として最適な通電状態を判定し、判定結果の通電状態に応じた切替指令をセンサ制御回路２に対して出力する処理を実行する。
最適な通電状態の判定方法としては、例えば、センサ起動直後のような条件下では、活性前通電状態を最適な通電状態として判定し、センサ素子１０が活性化状態となる条件下では、ガス濃度測定用通電状態を最適な通電状態として判定する。
なお、エンジン制御装置９は、センサ制御回路２から現在の通電状態を表す現在状態フラグを受信しており、現在状態フラグに基づいて現在の通電状態を知ることができる。
【００６４】
最適な通電状態のより具体的な判定方法としては、ガスセンサの素子抵抗値信号に基づいて、ガスセンサが活性化しているか否かを判定し、活性化していない場合には、活性前通電状態を最適な通電状態として判定し、活性化している場合には、ガス濃度測定用通電状態を最適な通電状態として判定する。そして、異常検出回路５８によってガスセンサまたは通電経路が異常であると判定された場合には、センサ保護用通電状態（Ｐモード）に切替えられる。また、異常検出回路５８によってガスセンサまたは通電経路の異常が解消されたと判定された場合には、ガスセンサの素子抵抗値信号に基づいて最適な通電状態が判定される。さらに、酸素ポンプセル１４のＩｐ＋端子電圧が異常値を示したときには、異常検出回路５８が異常を検出する条件を除き、後述する酸素ポンプセル保護処理を行う。
【００６５】
なお、素子抵抗値信号は、ガスセンサ８を構成する酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４のいずれかに、所定の大きさの電流又は電圧を定期的に供給し、そのときにセルを介して得られる信号を指すものである。なお、この素子抵抗値信号は、公知の手法（回路構成）によって取得することができるものであるため、本実施形態での説明は省略する。但し、具体的には、酸素濃度検知セル２４に対し定期的に所定の大きさの電流を流し、そのときに酸素濃度検知セル２４を介して得られる出力をサンプルホールドし、このサンプルホールドした出力を素子抵抗値信号として、エンジン制御装置９に出力するようにしている。
【００６６】
次に、図６を参照して、本発明の実施形態に係るガスセンサ制御装置において、上記酸素ポンプセル保護処理について説明する。
自動車の電源オンで酸素ポンプセル保護処理が起動されると、まず、エンジン制御装置９は、異常検出回路５８からショート異常フラグを受信したか否かを判定する（ステップＳ１０）。
ステップＳ１０でショート異常フラグを受信すると、エンジン制御装置９はタイマー１をスタート（インクリメント）させ（ステップＳ１２）、ステップＳ１２から第１所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１４）。そして、第１所定時間が経過した場合、エンジン制御装置９は、Ｐモード（センサ保護用通電状態）の切替指令を制御部５５に出力し（ステップＳ１６）、タイマー１をクリアし（ステップ１８）、酸素ポンプセル保護処理のスタートに戻る。
一方、ステップＳ１２から第１所定時間が経過しない場合も、酸素ポンプセル保護処理のスタートに戻る。
【００６７】
一方、ステップＳ１０でショート異常フラグを受信しなかった場合、エンジン制御装置９はタイマー１をクリアし（ステップ２０）、制御部５５からセル電圧異常フラグを受信したか否かを判定する（ステップＳ２２）。
ここで、「セル電圧異常フラグ」は、以下のようにして制御部５５が生成する。まず、制御部５５は端子電圧出力回路５４からＩｐ＋端子の端子電圧を受信する。そして、制御部５５は、第１閾値（ＶＢＡＴ）未満で、かつ第２閾値以上の領域Ｓ１内にＩｐ＋端子電圧が入っているか否かを判定し、肯定判定であれば、セル電圧異常フラグを生成する。なお、制御部５５によるこの判定処理は、比較的短い時間間隔（１ｍ秒程度）で行っており、上記した第１所定時間Ｔ１（通常、３秒程度）に比べて短く、Ｉｐ＋端子電圧の異常を迅速に検出することができる。
【００６８】
ステップＳ２２でセル電圧異常フラグを受信すると、エンジン制御装置９はタイマー２をスタート（インクリメント）させ（ステップＳ２４）、ステップＳ２４から第２所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２６）。そして、第２所定時間が経過した場合、エンジン制御装置９は、Ｐモード（センサ保護用通電状態）の切替指令を制御部５５に出力し（ステップＳ２８）、タイマー２をクリアし（ステップ３０）、酸素ポンプセル保護処理のスタートに戻る。
ステップＳ２６で「Ｙｅｓ」であれば、第２所定時間経過後もセル電圧異常フラグを受信していることから、誤検出やＮＡモードからＡモードへの遷移による過渡現象でないことを意味する。従って、制御部５５は、切替指令に従ってセンサ駆動回路５２をＰモードに切替え、ガスセンサ８（の酸素ポンプセル１４）が保護される。
【００６９】
一方、ステップＳ２６から第２所定時間が経過しない場合、酸素ポンプセル保護処理のスタートに戻る。これは、第２所定時間経過後にＩｐ＋端子電圧が第２閾値未満に低下したことを意味し、ステップＳ２６での異常検出が誤りであるか、ＮＡモードからＡモードへの遷移による過渡現象であることを示す。
これに対し、ステップＳ２２でセル電圧異常フラグを受信しなかった場合、エンジン制御装置９はタイマー２をクリアし（ステップ３２）、酸素ポンプセル保護処理のスタートに戻る。
【００７０】
本実施形態において、端子電圧出力回路５４がＩｐ＋端子の端子電圧を制御部５５に出力する処理、及び制御部５５がこのＩｐ＋端子電圧をエンジン制御装置９に出力する処理が特許請求の範囲の「端子電圧出力過程」に相当する。
又、Ｉｐ＋端子電圧が第１閾値未満で、かつ第２閾値以上であるか否かを制御部５５が判定し、肯定判定であれば、セル電圧異常フラグを生成する処理が特許請求の範囲の「セル電圧異常信号生成過程」に相当する。
ステップＳ１６、Ｓ２８のエンジン制御装置９での処理、及びステップＳ１６、Ｓ２８で送信された切替指令を制御部５５が受信し、制御部５５側でセンサ駆動回路５２をＰモードに設定する処理が特許請求の範囲の「非通電設定過程」に相当する。
さらに、Ｉｐ＋端子電圧が第１閾値以上となったときに、異常検出回路５８でショート異常信号をエンジン制御装置９に出力する処理が特許請求の範囲の「異常検出過程」に相当する。
【００７１】
上記実施形態の他、異常検出回路５８で生成したショート異常信号を、エンジン制御装置９と制御部５５に出力するようにし、かつショート異常信号を受信した制御部５５自身がセンサ駆動回路５２をＰモードに切替え、ガスセンサ８（の酸素ポンプセル１４）を保護してもよい。
このようにすると、エンジン制御装置９からの切替指令を待たずに、センサ駆動回路５２を迅速にＰモードに切替えることができ、センサ素子１０に異常電流が流れるのをより早く防止することができる。
【００７２】
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。
但し、ＮＯｘセンサの場合、ガスセンサの制御を１個のマイクロコンピュータ（コントローラ）が一括して行うので、指令手段、制御部、端子電圧出力手段、センサ駆動回路がいずれも１個のコントローラ上に実現されている。又、コントローラがガスセンサ制御装置に相当する。
【符号の説明】
【００７３】
１                              ガスセンサ制御装置（内燃機関制御システム）
２                              センサ制御回路
５                              電子制御ユニット
８                              ガスセンサ
９                              指令手段（エンジン制御装置）
１３                            固体電解質体
１４                            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）
５２                            センサ駆動回路
５４                            端子電圧出力手段（端子電圧出力回路）
５５                            制御部
５８                            異常検出手段（異常検出回路）
Ｓ１                            第１閾値未満で、かつ第２閾値以上の電圧範囲
Ｔ１                            第１所定時間
Ｔ２                            第２所定時間
【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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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年10月15日(2009.10.15)
【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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【図６】
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