(57)【要約】【課題】  固体電解質体と一対の電極から構成されるセルとセルの温度を活性温度に保つヒータ７０とを有したガスセンサを備えたガス濃度測定装置１に異常が発生した場合に、異常診断を確実に行うことができるようにする。【解決手段】  センサ素子１０が活性化した状態において、センサ素子１０とセンサ素子制御回路５０との接続点の電圧が予め設定された異常電圧値になると、センサ素子制御回路５０と各接続点とを電気的に遮断する。次に、ヒータ７０への供給電力を停止し、各セルの温度を活性温度よりも低くし、各セルの内部抵抗を高くする。その後、センサ素子制御回路５０からセンサ素子１０に、センサ素子１０を破損させない程度の電流を流し、その時の各接続点の電圧を検出する。そして、検出した各接続点の各端子電圧を比較することにより、センサ素子１０の異常内容と異常が発生した箇所とを識別する。【選択図】  図２
2006208363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、
外部から電力供給を受け、前記センサ素子を前記所定ガスの濃度に応じた信号を出力可能な活性温度まで加熱する加熱手段と、
を有するガスセンサと、
該ガスセンサのセンサ素子の各電極に電気的に接続されて、前記センサ素子の出力信号に基づいて前記被測定ガス空間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の異常診断方法であって、
前記センサ素子が前記活性温度に加熱されている状態において、前記測定手段と前記ガスセンサの前記センサ素子との各接続点のうち何れかの接続点の電圧を検出し、
前記接続点の検出電圧が予め設定された異常電圧値になると、前記加熱手段に対する電力供給を抑制して、前記センサ素子の温度を前記活性温度よりも降下させ、
その後、前記ガスセンサの異常診断を行うことを特徴とするガス濃度測定装置の異常診断方法。
【請求項２】
前記センサ素子は、拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、該測定室に面して配設され、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た複数のセルと、から構成され、
前記測定手段は、前記センサ素子の前記複数のセルに電気的に接続され、該複数のセルの出力信号に基づき、前記被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定するように構成され、
前記測定手段と前記ガスセンサの前記複数のセルとの各接続点の電圧を検出する際には、前記測定手段と前記センサ素子の前記複数のセルとの各接続点の電圧を検出し、
前記各接続点のうちの少なくとも１つ何れかの接続点の検出電圧が予め設定された異常電圧値になると、前記加熱手段に対する電力供給を抑制して、前記センサ素子の温度を前記活性温度よりも降下させすることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
【請求項３】
前記異常診断は、
前記測定手段と前記センサ素子の前記各電極との各接続点を介して、前記センサ素子に所定の電流を所定の時間通電すると共に供給し、該電流供給通電時に検出されたの前記各接続点の電圧を検出し、
前記各接続点の検出電圧を比較することによって行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
【請求項４】
前記加熱手段に対する電力供給の抑制は、
前記電力供給を所定時間遮断することによって行うことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
【請求項５】
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、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、
外部から電力供給を受け、前記センサ素子を前記所定のガス濃度に応じた信号を出力可能な活性温度まで加熱する加熱手段と、
を有するガスセンサと、
該ガスセンサのセンサ素子の各電極に電気的に接続されて、前記センサ素子の出力信号に基づいて前記被測定ガス空間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の異常診断装置であって、
前記測定手段と前記ガスセンサ素子との各接続点の電圧を検出する電圧検出が予め設定された異常電圧値か否かを判定する判定手段と、
前記センサ素子が前記活性温度に加熱されている状態において、前記電圧検出判定手段により前記各接続点のうち何れかの接続点ので検出された検出電圧が予め設定された異常電圧値と判定されるになると、記前記加熱手段に対する電力供給を抑制する電力供給制御手段と、
該電力供給制御手段による電力供給の抑制により前記センサ素子の温度を前記活性温度よりも低くした後、前記ガスセンサの異常診断を行う異常診断手段と、
を備えていることを特徴とするガス濃度測定装置の異常診断装置。
【請求項６】
前記センサ素子は、拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、該測定室に面して配設され、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た複数のセルと、から構成され、
前記測定手段は、前記センサ素子の前記複数のセルに電気的に接続され、該複数のセルの出力信号に基づき、前記被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定するように構成され、
前記電圧検出判定手段は、前記測定手段と前記センサ素子の前記複数のセルとの各接続点の電圧を検出が予め設定された異常電圧値か否かを判定し、
前記電力供給制御手段は、前記電圧検出判定手段で検出されたにより前記各接続点の各検出電圧のうち何れかの少なくとも１つの検出接続点の電圧が予め設定された異常電圧値と判定されるになると、前記加熱手段に対する電力供給を抑制することを特徴とする請求項５に記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
【請求項７】
前記測定手段と前記センサ素子の前記各電極との各接続点を介して、前記センサ素子に所定の電流を所定の時間通電供給する通電電流供給手段と、
前記電流供給手段による電流供給時に、前記各接続点の電圧を検出する電圧検出手段と、
を備え、
前記異常診断手段は、前記通電手段による通電時に前記電圧検出手段により検出された前記各接続点の検出電圧を比較することによって、異常診断を行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
【請求項８】
前記電力供給制御手段は、前記加熱手段に対する前記電力供給を所定時間遮断することを特徴とする請求項５〜請求項７の何れかに記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
【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の異常診断方法及びガス濃度測定装置の異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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使用される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セルを片方の電極が被測定ガス、もう一方の電極が大気に晒されるように配設し、被測定ガスと大気との間にできる電位差によって被測定ガスの酸素ガス濃度を測定する酸素センサや、固体電解質体の両面に電極を備えた２つのセルを、測定室を挟むように配設し、測定室に拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入して、被測定ガスのリッチ領域からリーン領域にわたる酸素ガス濃度を検知する全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサとも称する）や、更にもう一つのセルを追加することによって、ＮＯｘガス濃度を測定できるようにしたＮＯｘセンサが知られている。
【０００４】
更に、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、センサ及びセンサの制御装置の異常診断を自動的に行い（所謂、オンボード自己診断）、運転者に知らせるようにしたガス濃度測定装置が用いられている。
【０００５】
これらのガス濃度測定装置では、ガスセンサのセルを排気ガス温度に関係なく作動させるために、セルにヒータを設けてセルを所定の温度（８００°Ｃ程度）に保って活性化（酸素イオンが固体電解質中を十分に伝導可能となるまで温度が上昇している状態）させている。このようなガス濃度測定装置の異常診断を行う方法として、セルが活性化した状態において短絡異常や断線異常を診断する異常診断方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−１０７８３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記の異常診断方法では、ヒータによってセルが所定の温度に保たれた状態（換言すれば、セルが活性化した状態）において異常診断を行っているため、例えば、セルに異常診断のための電流を通電し、その時のセルの両端電圧に基づいて異常診断を行う場合、セルの両端に異常診断を行うために必要な電圧が出力されないことがあるという問題点があった。
【０００７】
つまり、セルが活性化した状態では、セルの内部抵抗が零に近いため、例えば、セルの電極のうち一方の電極がグランド（ＧＮＤとも称する）と短絡した場合には、セルの両端の電位差はほぼ零となって、セルの電極のうちどちら側がＧＮＤに短絡したのかが分からないことになるという問題点があったのである。
【０００８】
この問題を回避するためには、セルが活性化した状態で、セルに流す異常診断のための電流を大きくすることが考えられるが、そのためには、大容量の電流源が必要となりコストアップを招く。また、セルに大電流を流すことによって、セルの劣化を早めることになるという問題がある。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、ガス濃度測定装置に異常が発生した場合に、ガスセンサを破損させることなく、異常診断を確実に行うことができるようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、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、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、外部から電力供給を受け、センサ素子を所定ガスの濃度に応じた信号を出力可能な活性温度まで加熱する加熱手段と、を有するガスセンサと、そのガスセンサのセンサ素子の各電極に電気的に接続されて、センサ素子の出力信号に基づいて被測定ガス空間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の異常診断方法であって、センサ素子が活性温度に加熱されている状態において、測定手段とガスセンサのセンサ素子との各接続点のうち何れかの接続点の電圧を検出し、接続点の検出電圧が予め設定された異常電圧値になると、加熱手段に対する電力供給を抑制して、センサ素子の温度を活性温度よりも降下させ、その後、ガスセンサの異常診断を行うことを特徴とする。
【００１１】
これによれば、ガス濃度測定装置に短絡等の異常が発生した場合に、加熱手段への電力供給を抑制することにより加熱手段の温度が下がり、これに伴い、センサ素子の温度が活性温度よりも下がる。この結果、センサ素子の内部抵抗は増加するので、このようなセンサ素子の内部抵抗が高い状態において異常診断を行うことにより、確実に異常を把握することができる。
【００１２】
従って、例えば、センサ素子に異常診断のための電流を通電し、その時のセンサ素子の両端電圧に基づいて異常診断を行う場合、センサ素子の内部抵抗が高い状態において通電を行うので、センサ素子の両端の電位差が大きくなり、確実に異常診断を行うことができるのである。
【００１３】
ここで、活性温度とは、酸素イオン等のイオンが固体電解質体中を十分に伝導することができる状態の温度を意味する。
ところで、ガス濃度測定装置のガスセンサのセンサ素子として、固体電解質体及びこれに設けられた一対の電極を備えた複数のセルで構成されたセンサ素子を用いる場合がある。そのような複数のセルで構成されたセンサ素子を用いたガス濃度測定装置での異常診断方法は、請求項２に記載のようにするとよい。
【００１４】
すなわち、ガス濃度測定装置において、センサ素子を、拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、その測定室に面して配設され、固体電解質体及び固体電解質体に設けられた一対の電極を備えた複数のセルと、から構成し、測定手段を、センサ素子の複数のセルに電気的に接続され、その複数のセルの出力信号に基づき、被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定するように構成し、測定手段とガスセンサの複数のセルとの各接続点の電圧を検出する際には、測定手段とセンサ素子の複数のセルとの各接続点の電圧を検出し、各接続点のうちの少なくとも１つ何れかの接続点の検出電圧が予め設定された異常電圧値になると、加熱手段に対する電力供給を抑制して、センサ素子の温度を活性温度よりも降下させるようにするとよい。
【００１５】
このように、ガスセンサとして複数のセルから構成されるセンサ素子（例えば、２つのセルからなる全領域空燃比センサや３つのセルからなるＮOｘセンサ）を備えたガス濃度測定装置においても、短絡等の異常が発生した場合に、加熱手段への電力供給を抑制することにより加熱手段の温度が下がり、これに伴い、各セルの温度が活性温度よりも下がる。このため、各セルの内部抵抗は増加するので、このような各セルの内部抵抗が高い状態において異常診断を行うことにより確実に異常を把握することができる。
【００１６】
そして、このようなガスセンサを用いたガス濃度測定装置の異常診断は、請求項３に記載のように、測定手段とセンサ素子の各電極との各接続点を介して、センサ素子に所定の電流を所定の時間通電すると共に供給し、通電電流供給時に検出されたの各接続点の電圧を検出し、各接続点の検出電圧を比較することによって行うようにするとよい。
【００１７】
このようにすると、発生した異常の内容及び異常が発生した箇所を確実に判別することができる。
また、異常診断を実行するにあたり、センサ素子に通電する電流を異常診断に必要な最小限の大きさにすることができるので、センサ素子を劣化させずに異常診断を行うことが可能となる。
【００１８】
ところで、電力供給を抑制して、センサ素子の温度を活性温度よりも降下させるには、請求項４に記載のように、加熱手段に対する電力供給を所定時間遮断するようにするとよい。
【００１９】
このようにすると、加熱手段に対する電力供給を遮断するという簡易な方法でセンサ素子の温度を降下させることができる。
次に、前述の目的を達成するためになされた請求項５に記載の発明では、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、外部から電力供給を受け、センサ素子を所定のガス濃度に応じた信号を出力可能な活性温度まで加熱する加熱手段と、を有するガスセンサと、そのガスセンサのセンサ素子の各電極に電気的に接続されて、センサ素子の出力信号に基づいて被測定ガス空間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の異常診断装置であって、測定手段とガスセンサ素子との各接続点の電圧を検出する電圧検出が予め設定された異常電圧値か否かを判定する判定手段と、センサ素子が活性温度に加熱されている状態において、電圧検出判定手段により各接続点のうち何れかの接続点ので検出された検出電圧が予め設定された異常電圧値と判定されるになると、加熱手段に対する電力供給を抑制する電力供給制御手段と、電力供給制御手段による電力供給の抑制によりセンサ素子の温度を活性温度よりも低くした後、ガスセンサの異常診断を行う異常診断手段と、を備えていることを特徴とする。
【００２０】
これによれば、前述したように、ガス濃度測定装置に短絡等の異常が発生した場合に、加熱手段への電力供給が抑制されるので、センサ素子の温度が活性温度よりも下がり、センサ素子の内部抵抗が増加する。従って、請求項１に記載の異常診断方法に従って確実に異常診断を行うことができる。
【００２１】
ところで、前述のようにガス濃度測定装置には、複数のセルで構成されたセンサ素子を有したガスセンサを用いるものがある。そのように複数のセルで構成されたセンサ素子を用いたガス濃度測定装置は、請求項６に記載のように構成するとよい。
【００２２】
すなわち、ガス濃度測定装置において、センサ素子を、拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、その測定室に面して配設され、固体電解質体及び固体電解質体に設けられた一対の電極を備えた複数のセルと、で構成し、測定手段を、センサ素子の複数のセルに電気的に接続され、その複数のセルの出力信号に基づき、被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定するように構成し、電圧検出判定手段は、測定手段とセンサ素子の複数のセルとの各接続点の電圧を検出が予め設定された異常電圧値か否かを判定し、電力供給制御手段は、電圧検出判定手段で検出されたにより各接続点の各検出電圧のうち何れかの少なくとも１つの検出接続点の電圧が予め設定された異常電圧値と判定されるになると、加熱手段に対する電力供給を抑制するようにするとよい。
【００２３】
ガス濃度測定装置をこのように構成すると、請求項２に記載の異常診断方法に従って、確実に異常診断を行うことができる。
そして、このようなガスセンサを用いたガス濃度測定装置の異常診断を行う異常診断手段に、請求項７に記載のように、測定手段とセンサ素子の各電極との各接続点を介して、センサ素子に所定の電流を所定の時間通電供給する通電電流供給手段と、を設け前記電流供給手段による電流供給時に、各接続点の電圧を検出する電圧検出手段と、を備え、異常診断手段は、通電手段による通電時に電圧検出手段により検出された各接続点の検出電圧を比較することによって、異常診断を行うようにするとよい。
【００２４】
このようにすると、発生した異常の内容及び異常が発生した箇所を確実に判別することができる。
また、異常診断を実行するにあたり、センサ素子に通電する電流を異常診断に必要な最小限の大きさにすることができるので、センサ素子を劣化させずに異常診断を行うことが可能となる。
【００２５】
ところで、センサ素子の温度を活性温度よりも降下させるためには、請求項８に記載のように、電力供給制御手段によって、加熱手段に対する電力供給を所定時間遮断するようにするとよい。
【００２６】
このようにすると、加熱手段に供給している電力を遮断するという簡易な方法でセンサ素子の温度を降下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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と、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電子制御ユニット５（以下、ＥＣＵ５とも称する）と、から構成されている。
【００３０】
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を含んで構成されている。
センサ素子１０は全領域空燃比センサであり、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。
【００３１】
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１１ａの表裏面に、一対の第一ポンプ電極１２ａ及び第二ポンプ電極１２ｂが配置されて構成されている。このうち、第一ポンプ電極１２ａ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１２ｂ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。
【００３２】
酸素濃度検知セル２４は、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１１ｃの表裏面に、一対の第一検知電極１３ａ及び第二検知電極１３ｂが配置されて構成されている。このうち、第一検知電極１３ａは、上述の第二ポンプ電極１２ｂに電気的に接続されている。従って、配線Ｌ２の一端には、第二ポンプ電極１２ｂ及び第一検知電極１３ａが電気的に接続されている。また、第二検知電極１３ｂ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。
ここで、各固体電解質体１１ａ、１１ｃ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、各ポンプ電極１２ａ、１２ｂ及び各検知電極１３ａ、１３ｂ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。
【００３３】
絶縁層１５は、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、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。
【００３４】
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により包囲された測定室２０が形成されている。そして、ポンプセル１４の第二ポンプ電極１２ｂ及び酸素濃度検知セル２４の第一検知電極１３ａ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
【００３５】
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１３ｂ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。
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１３ｂは外部と遮断され、第二検知電極１３ｂ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１３ｂから第一検知電極１３ａに向かう方向に微小な定電流Ｉｃｐを流して、第二検知電極１３ｂ側に酸素をポンピングすることにより、第二検知電極１３ｂ周囲の閉塞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１３ｂ周囲の閉塞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１３ｂは自己生成基準電極１３ｂとも称される。
尚、補強板３０は、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１１ａ、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。
【００３６】
ヒータ７０は平板状に形成され、センサ素子１０のポンプセル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。ここで、ヒータ７０が特許請求の範囲に記載の加熱手段に相当する。
【００３７】
そして、ヒータ７０によって各セルが５５０〜９００℃に保たれることで、各セルの固体電解質層は酸素イオンを十分に伝導できる状態、所謂活性状態となる。これにより、ポンプセル１４は酸素イオンをポンピングすることができ、また、酸素濃度検知セル２４は、測定室２０と自己生成基準電極１３ｂとの間の酸素濃度に応じた電圧を発生することができるようになる。
【００３８】
電子制御ユニット５は、センサ素子１０と電気的に接続され、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、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を含んで構成されている。
【００３９】
このうち、マイクロコンピュータ７は、図示しないが、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を含んでいる。マイクロコンピュータ７では、マイクロコンピュータ７はＲＡＭ等に格納されたプログラムにより、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。
【００４０】
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。これら各端子は、ＥＣＵ５の第一〜第三接続端子Ｔ１〜Ｔ３と電気的に接続されている。従って、センサ素子１０の第二検知電極１３ｂ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１２ｂ及び第一検知電極１３ａ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１２ａ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。
【００４１】
センサ素子１０では、被測定ガスの酸素濃度に応じて、被測定ガス中の酸素が、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、測定室２０と酸素濃度の基準となる第二検知電極１３ｂ周囲の閉塞空間との間の酸素濃度差により、酸素濃度検知セル２４に４５０ｍＶの起電力を発生する特性を有する。即ち、第一検知電極１３ａと第二検知電極１３ｂとの間には、４５０ｍＶの電位差が生じることとなる。
【００４２】
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１３ａと第二検知電極１３ｂとの間の電位差が４５０ｍＶに保たれるように、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、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。
【００４３】
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。
図２に示すように、ＥＣＵ５は、センサ素子１０の制御を行うセンサ素子制御回路５０、ヒータの通電制御を行うヒータ制御回路６０及びセンサ素子制御回路５０及びヒータ制御回路６０とを制御するマイクロコンピュータ７とを含んで構成されている。
【００４４】
センサ素子制御回路５０は、センサ素子１０を構成するポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の駆動制御を行うセンサ素子駆動回路５２、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、Ｉｐ＋端子の各端子電圧が入力され、入力された各端子電圧の何れかが所定の電圧範囲外となったときに異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１としマイクロコンピュータ７に出力する異常検出回路５３、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に出力する端子電圧出力回路５４を含んで構成されている。センサ素子制御回路５０は、例えば、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ＩＣ）で実現されている。
【００４５】
センサ素子駆動回路５２は、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、酸素濃度検知セル２４の電圧を目標制御電圧（例えば、４５０ｍV）に制御するためのＰＩＤ制御回路部５６、自己生成基準電極１３ｂ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、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ＳＷ１〜ＳＷ７を含んで構成されている。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。
【００４６】
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１２ａ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１２ｂ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。尚、第二ポンプ電極１２ｂは、ＣＯＭ端子以外に配線Ｌ２、第二接続端子Ｔ２及び抵抗素子Ｒ１を介してＶｃｅｎｔ端子にも接続されている。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１３ｂ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１３ａ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。
【００４７】
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の他端はスイッチＳＷ６を介して電源５Ｖに接続されている。また、素子抵抗Ｒ８の一端はＩｐ＋端子に接続されており、抵抗素子Ｒ８の他端はスイッチＳＷ７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ガス濃度測定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。更に、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、出力端子はスイッチ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。
【００４８】
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、制御目標電圧（例えば、４５０ｍV）に制御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制御回路部５６は、スイッチ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Ｖｃｅｎｔ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。更に、ＰＩＤ制御回路部５６は、スイッチＳＷ２、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。尚、ＰＩＤ制御回路部５６の出力は、スイッチＳＷ２によってＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになっている。
【００４９】
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４５０ｍＶを、ＰＩＤ制御回路部５６に供給するための回路である。
【００５０】
更に、オペアンプ３２は、ＣＯＭ端子に、抵抗素子Ｒ１を介して自身の反転入力端子が接続されている。
また、Ｖｃｅｎｔ端子には、オペアンプ３４がスイッチ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ある。
【００５１】
Ｖｓ＋端子には、定電流源４６、オペアンプ４２、４４が接続されている。このうち、定電流源４６は、スイッチＳＷ５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の自己生成基準電極１３ｂ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。更に、オペアンプ４４は、スイッチＳＷ４を介して、Ｖｓ＋端子に接続されている。このオペアンプ４４は、上述のオペアンプ３４と同様、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ある。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。
【００５２】
尚、Ｖｓ＋端子とＩｐ＋端子との間には、センサ素子駆動回路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。
【００５３】
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に、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７をＯＮとし、スイッチＳＷ１、ＳＷ４をＯＦＦとする。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電流がポンプセル１４に流れることになる。
【００５４】
一方、被測定ガスが燃料供給不足（リーン）の状況の場合には、測定室２０内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電流がポンプセル１４に流れるようになる。
【００５５】
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４５０ｍＶとなるように、ポンプセル１４を制御するＩｐ電流を測定することで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、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、Ｖｃｅｎｔ端子とＰｏｕｔ端子の両端電圧）を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。
【００５６】
次に、異常検出回路５３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。
【００５７】
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。
【００５８】
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Ｌ１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。
【００５９】
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。
【００６０】
Ｉｐ＋端子においても、Ｉｐ＋端子に接続された配線Ｌ３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。
【００６１】
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としマイクロコンピュータ７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５３は異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝０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、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＋端子の端子電圧が閾値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。ここで、ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃが特許請求の範囲に記載の判定手段に相当する。
【００６２】
端子電圧出力回路５４は、センサ素子駆動回路５２の作動モードが後述する異常診断モードのときに、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。
【００６３】
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、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御信号）は、マイクロコンピュータ７の出力ポートに接続され、異常検出回路５３の異常検出フラグＤＩＡＧ、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の入力ポートに接続されている。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。ここで、マイクロコンピュータ７が特許請求の範囲に記載の、電圧検出手段及び異常診断手段に相当する。
【００６４】
ヒータ制御回路６０は、図示しないヒータ通電用スイッチを備えている。そして、ヒータ制御回路６０は、マイクロコンピュータ７からの信号に基づきヒータ通電用スイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御して、バッテリからの電力をＰＷＭ制御することにより、ヒータ７０への供給電力を制御する。これにより、センサ素子１０の温度が５５０〜９００℃に保たれる。
また、ヒータ制御回路６０は、ヒータ通電用スイッチにおけるＯＮ−ＯＦＦのデューティ比を調整してデューティ比を０％とすることにより、ヒータ７０に対する電力供給を停止する。ここで、ヒータ制御回路６０が特許請求の範囲に記載の電力供給制御手段に相当する。
【００６５】
本実施形態のセンサ素子駆動回路５２では、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、自身の作動モードが、ガス濃度測定モード、プロテクションモード、異常診断モードに切り替わる。
【００６６】
ガス濃度測定モードは、エンジンの燃焼制御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。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、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７がＯＮとなり、スイッチＳＷ１、ＳＷ４がＯＦＦとなる。
【００６７】
このように、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７がＯＮとなり、スイッチＳＷ１、ＳＷ４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、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。
【００６８】
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、上述の異常検出回路５３によって、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。
【００６９】
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のスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の全てがＯＦＦとなるため、オペアンプ３２、３４、４４、ＰＩＤ制御回路４０、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。
【００７０】
異常診断モードは、車両運転中にセンサ素子１０に異常が発生したときに、異常が発生した端子とその異常の内容とを診断するための作動モードである。
この作動モードでは、先ず、ヒータ制御回路６０のヒータ通電用スイッチがデューティ比０％に制御されることにより、ヒータ制御回路６０からヒータ７０への電力供給が停止される。このヒータ７０に対する電力供給の停止により、センサ素子１０の温度は非活性温度（本実施例では５５０℃未満）まで下がり、ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の内部抵抗が増加する。
そして、ヒータ７０への電力供給を停止した後、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２のスイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７がＯＮとなり、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５がＯＦＦとなる。
【００７１】
このように、スイッチＳＷ３がＯＦＦであるため、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ＰＩＤ制御回路４０からも電流が供給されなくなり、ポンプセル１４に対する電流制御は停止する。従って、ポンプセル１４の負帰還制御は行われなくなる。
【００７２】
そして、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７がＯＮであるため、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、４４からに電流が供給されることになる。ここで、オペアンプ３４、４４が特許請求の範囲に記載の電流供給手段に相当する。
【００７３】
マイクロコンピュータ７には、これらオペアンプ３４、４４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（それぞれ、Ｖｓ＋電圧、ＣＯＭ電圧、Ｉｐ＋電圧とも称する）が端子電圧出力回路５４から入力される。そして、マイクロコンピュータ７は、入力された各端子電圧を比較して、各端子電圧の状態が図４に示さ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の内容とを判定している。
【００７４】
具体的には、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭライン、Ｉｐ＋ラインの何れかにおいて、グランド電位との短絡（以下、ＧＮＤショートとも称する）が発生した場合には、各端子の端子電圧が、Ｖｓ＋電圧＜ＣＯＭ電圧、かつ、Ｖｓ＋電圧＜Ｉｐ＋電圧の関係であれば、Ｖｓ＋ラインがＧＮＤショートを起こしており、Ｉｐ＋電圧＜ＣＯＭ電圧、かつ、Ｉｐ＋電圧＜Ｖｓ＋電圧の関係であれば、Ｉｐ＋ラインがＧＮＤショートを起こしており、それ以外の関係であれば、ＣＯＭラインがＧＮＤショートを起こしていると判定する。
【００７５】
また、同様に、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭライン、Ｉｐ＋ラインの何れかにおいて、電源電位との短絡（以下、ＶＢショートとも称する）が発生した場合には、各端子の端子電圧が、Ｖｓ＋電圧＞ＣＯＭ電圧、かつ、Ｖｓ＋電圧＞Ｉｐ＋電圧の関係であれば、Ｖｓ＋ラインがＶＢショートを起こしており、Ｉｐ＋電圧＞ＣＯＭ電圧、かつ、Ｉｐ＋電圧＞Ｖｓ＋電圧の関係であれば、Ｉｐ＋ラインがＶＢショートを起こしており、それ以外の関係であれば、ＣＯＭラインがＶＢショートを起こしていると判定する。
【００７６】
ここで、オペアンプ３４、３７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、５ｍＡ以上とする。この電流は、異常識別用電流を供給したときに各端子に現れる端子電圧が、ポンプセル１４や酸素濃度検知セル２４が被測定ガスの酸素濃度に応じて出力する電圧よりも大きくなるように設定されている。これにより、異常診断を正確に実行することが可能となる。
【００７７】
次に、マイクロコンピュータ７で実行される処理の流れを図５及び図６により説明する。
図５は、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、図６は、図５に示す主フローチャートから呼び出されるサブルーチンのフローチャートである。
【００７８】
図５に示すように、マイクロコンピュータ７は、自動車の電源ＯＮで処理を開始し、マイクロコンピュータ７内部の初期化後、ヒータ制御回路６０からヒータ７０に対して電力を供給する（Ｓ１００）。そして、センサ素子１０の活性化後、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードをガス濃度測定モードに切り替える信号（ガス濃度測定モード切り替え信号）を出力する（Ｓ１０１）。センサ素子駆動回路５２は、ガス濃度測定モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７がＯＮし、スイッチＳＷ１、ＳＷ４がＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがガス濃度測定モードに切り替わる。次いで、Ｓ１０２において、被測定ガス中の酸素濃度の測定処理が実行される。
【００７９】
次いで、Ｓ１０３では、異常検出回路５３から出力される異常検出フラグＤＩＡＧがＤＩＡＧ＝１であるか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１でなければ、即ち、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）、Ｓ１０２に戻って、被測定ガス中の酸素濃度を測定する処理を繰り返し実行する。
【００８０】
一方、Ｓ１０３でＤＩＡＧ＝１であれば、センサ素子駆動回路５２はスイッチＳＷ１〜ＳＷ７をＯＦＦし、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモード（Ｓ１０４）となる。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、異常電流がセンサ素子１０に流れることによりセンサ素子１０が破損することを防止する。
【００８１】
次いで、Ｓ１０５では、ＤＩＡＧ＝１が継続しているか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１が継続していれば、Ｓ１０６に移行して異常回数Ｎをインクリメントし、Ｓ１０８に移行する。一方、ＤＩＡＧ＝１が継続していなければ、Ｓ１０７に移行して異常回数Ｎをディクリメントし、Ｓ１０８に移行する。
【００８２】
Ｓ１０８では、異常回数Ｎが所定回数以上か否かの判定を行う。異常回数Ｎが所定回数以上であれば、センサ素子１０に異常が発生したことを確定し、Ｓ１１０に移行する。一方、異常回数Ｎが所定回数以上でなければ、Ｓ１０９に移行する。
【００８３】
Ｓ１０９では、異常回数ＮがＮ＝０であるか否かを判定する。異常回数Ｎ＝０であれば、センサ素子１０の異常が解消したと判断し、Ｓ１０１に戻る。その後、Ｓ１０２に移行して、被測定ガス中の酸素濃度を測定する処理を繰り返し実行する。一方、Ｓ１０９で異常回数Ｎ＝０でなければ、Ｓ１０５〜Ｓ１０８の処理を繰り返し実行する。
【００８４】
次に、Ｓ１１０では、端子電圧読み込み処理が行われる。この端子電圧読み込み処理について図６を参照して説明する。端子電圧読み込み処理では、まず、ヒータ制御回路６０のヒータ通電用スイッチをデューティ比０％に制御することにより、ヒータ７０に対する電力供給を停止する（Ｓ２００）。次いで、マイクロコンピュータ７が有する図示しないタイマを用いて、所定の期間（１００ｍ秒〜１秒、例えば１秒間）待機する（Ｓ２０１）。この所定期間待機する処理を実行するのは、以下の理由による。ヒータ制御回路６０のヒータ通電用スイッチをデューティ比０％に制御してヒータ７０への電力供給を停止しても、直ちにポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の温度が非活性温度まで下がらない。このため、実際にポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の温度が非活性温度まで下がるまで所定期間待機する処理を実行する。また、センサ素子駆動回路５２には発振防止回路５９が取り付けられている。このため、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して、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２とを電気的に遮断した後の所定期間の間、各端子（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）の端子電圧が過渡的に不安定な状態となる。このような不安定な状態では各端子の正確な電圧値が得られない。そこで、各端子の電圧値が安定状態となるまで待つために、所定期間待機する処理を実行する。そして、所定期間待機後、Ｓ２０２に移行する。
【００８５】
Ｓ２０２では、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードを異常診断モードに切り替える信号（異常診断モード切り替え信号）を出力する。センサ素子駆動回路５２は、異常診断モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７をＯＮし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５をＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。
【００８６】
次いで、Ｓ２０３では、端子電圧出力回路５４から出力されるＶｓ＋端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＶｓ＋端子の端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。
【００８７】
次いで、Ｓ２０４では、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードをプロテクションモードに切り替える信号（プロテクションモード切り替え信号）を出力する。センサ素子駆動回路５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがからプロテクションモードに切り替わる。
【００８８】
次いで、Ｓ２０５では、Ｓ２０１と同様に、所定期間待機した後、Ｓ２０６に移行する。
Ｓ２０６では、Ｓ２０２と同様に、センサ素子駆動回路５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路５２は、異常診断モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６、ＳＷ７をＯＮし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５をＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。
【００８９】
次いで、Ｓ２０７では、端子電圧出力回路５４から出力されるＣＯＭ端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＣＯＭ端子の端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。
【００９０】
次いで、Ｓ２０８では、センサ素子駆動回路５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモード切り替わる。
【００９１】
Ｓ２０９〜Ｓ２１２では、上記と同様に処理が行われる。即ち、Ｓ２０９において所定期間待機した後、Ｓ２１０においてセンサ素子駆動回路５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力することにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。その後、Ｓ２１１においてＩｐ＋端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＩｐ＋端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。次いで、Ｓ２１２では、センサ素子駆動回路５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力することにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。
【００９２】
次いで、主フローチャート（図５）の異常端子識別処理（Ｓ１１１）に移行する。Ｓ１１１では、Ｓ２０３、Ｓ２０７及びＳ２１１において読み込まれマイクロコンピュータ７のＲＡＭに記憶された各端子電圧を図４に示す識別条件に従って識別して、異常の内容及び異常が発生した端子を判定する。尚、識別結果はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。この異常端子識別処理により、センサ素子１０に発生した異常はＧＮＤショート及びＶＢショートのうちどちらか、及び、異常が発生した端子はＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子及びＩｐ＋端子のうちどの端子か、が判定される。
そして、このような処理は、自動車の電源ＯＦＦで終了する。
【００９３】
このように、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、Ｉｐ＋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５８ａ、５８ｂ、５８ｃ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に切り替え、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２とを電気的に遮断する。従って、センサ素子１０に異常電流が流れ続けることがなくなり、センサ素子１０を破損させないようにすることが可能となっている。
【００９４】
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。
【００９５】
更に、本実施形態のガス濃度測定装置１では、異常診断時に、ヒータ７０に対する電力供給を停止しセンサ素子１０の各セル（ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４）の温度を活性温度よりも下げるようにしている。その結果、セルの内部抵抗が上昇する。この状態で、各セルに異常識別用電流を流すと各セルの電極間の電位差が大きくなるため、各セルが活性温度の状態よりも確実に異常診断を行うことができる。
【００９６】
また、本実施形態のガス濃度測定装置１では、Ｉｐ＋端子に対してプルアップ抵抗である抵抗素子Ｒ７及びプルダウン抵抗である抵抗素子Ｒ８が接続されており、異常診断時にＩｐ＋端子に対して所定の電圧（本実施形態では、２．５Ｖ）が印加されるようになっている。このため、Ｖｓ＋ラインがＧＮＤショートしたとしても、異常診断時にセルの内部抵抗が高いためにＩｐ＋電圧が不安定となることがなく、確実に異常診断を行うことができる。
【００９７】
尚、本明細書におけるＯＦＦや遮断とは、完全な非通電状態のみならず、回路動作やセンサ素子等に対して影響を与えない程度の微少電流が流れる状態をも含む。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
【００９８】
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。
【００９９】
また、一つのセルから成る酸素センサに適用することも可能である。
上記実施形態では、異常診断時に、ヒータ通電用スイッチのＯＮ−ＯＦＦのデューティ比０％にしてヒータに対する電力供給を停止することにより、センサ素子の温度を活性温度よりも下げるようにした。しかし、センサ素子の温度を活性温度よりも下げる方法は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、異常診断時のヒータ通電用スイッチのＯＮ−ＯＦＦのデューティ比をセンサ素子の温度を活性温度にするためのデューティ比よりも小さくして、ヒータに対する供給電力をガス濃度測定時よりも小さくすることで、センサ素子の温度を下げるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【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】各端子に発生した異常モードを識別する識別条件を示す図である。
【図５】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６】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サブルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０１】
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
１１ａ、１１ｃ・・・固体電解質体
１２ａ、１２ｂ・・・ポンプ電極
１３ａ、１３ｂ・・・検知電極
１４・・・ポンプセル
１５・・・絶縁層
１８・・・多孔質拡散層
２０・・・測定室
２４・・・酸素濃度検知セル
３０・・・補強板
３２、３４、４２、４４・・・オペアンプ
４０・・・ＰＩＤ制御回路
４６・・・定電流源
４８・・・定電圧源
５０・・・センサ素子制御回路
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
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ・・・ウィンドコンパレータ
５８ｄ・・・ＯＲ回路
５９・・・発振防止回路
６０・・・ヒータ制御回路
７０・・・ヒータ
７２・・・ヒータ配線
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・・コンデンサ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・配線
Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８・・・抵抗素子
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７・・・スイッチ
【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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