(57)【要約】【課題】  酸素センサに係る検出素子のインピーダンス値をより正確に算出可能な酸素センサの異常検出装置を提供する。【解決手段】  第１のガスと第２のガスとの間に配置され、第１のガスと第２のガスとの酸素分圧差に応じた起電力Ｅを発生する検出素子２１を備えた酸素センサ２の異常検出装置１であって、酸素センサ２のプラス端子側の出力Ｖ１を検出する検出部ＡＤ１を備え、酸素センサ２の他方の出力端子側に配設した分割抵抗Ｒ１、Ｒ２間の出力を生成する抵抗Ｒ２に対して並列にコンデンサＣ１を配設する。【選択図】  図５
2006300626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧差に応じた起電力を発生する検出素子を備えた酸素センサの異常検出装置であって、
前記酸素センサの一方の出力端子側の出力を検出する第１の検出部を備え、
前記酸素センサの他方の出力端子側に配設した分割抵抗間の出力を生成する抵抗に対して並列にコンデンサを配設することを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素センサの異常を検出する異常検出装置に関し、特に酸素センサに係る検出素子のインピーダンス値をより正確に算出可能な酸素センサの異常検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関には、排気ガス中に含まれる有害成分を除去するため排気ガス浄化システムが配備されている。この排気ガス浄化システムを有効に機能させるためには、内燃機関で燃焼される大気（空気）と燃料との混合割合、すなわち空燃比を厳密にコントロールすることが重要である。そこで、内燃機関の排気通路中に排気ガスの酸素分圧を検出する酸素センサを設置して理想的な空燃比（ストイキ）が得られるようにフィードバック制御を行っている。
【０００３】
図６（Ａ）は、一般的な酸素センサにおける検出素子部を示した図である。酸素センサ１００は、排気通路１２０内に突出するように配設された筒型の検出素子部１０１を備えている。検出素子部１０１は内面側に大気（空気）Airが導入され、外面側にはセンサカバー１０２を通過した排気ガスＥＧが接触するように形成されている。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）中のＣＲ内の検出素子部１０１の断面構造を示した図である。図６（Ｂ）で示すように、検出素子部１０１は固体電解質１０７を間にして内側に大気電極１０５、外側に排気電極１０６を被覆した構造を有している。固体電解質１０７は酸素（Ｏ２）がイオン化（Ｏ2-）した状態でその内部を移動可能な物質、例えばジルコニアなどによって形成されている。
【０００４】
大気と排気ガスとには酸素分圧差があり、一般に大気側の酸素分圧が高い。その結果、酸素センサ１００内では内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧差が小さくなるように、酸素がイオン化し固体電解質１０７を介して大気側から排気ガス側へと移動する。図６（Ｂ）で図示するように、酸素分子はイオン化する過程で４価の電子（ｅ−）を受け取り、イオン化した状態から分子に戻る過程で４価の電子を放出する。このような酸素の移動に応じて検出素子部１０１の内外表面の電極１０５、１０６で電子の移動が生じて検出素子部１０１に起電力が発生する。このように酸素センサ１００は、大気と排気ガスとの酸素分圧に応じた電圧を出力するので、従来から空燃比制御用のセンサとして使用されている。
【０００５】
ところが、図６（Ａ）で示すように、酸素センサ１００の検出素子部１０１に大気側と排気側とを連通するようなクラック等の異常（以下、単にクラックＣＫという）が発生する場合がある。検出素子部１０１にクラックＣＫがあると、排気ガスＥＧが検出素子部１０１の内側（大気電極１０５の側）に侵入する場合がある。このような状況が発生すると酸素センサ１００が正確に機能しなくなってしまう。
【０００６】
図７は、酸素センサの一般的な電圧検出回路を示した図である。図７に示すように、酸素センサ１００のマイナス端子側はＧＮＤに接続されている。ここで、上述したように排気ガスＥＧが検出素子部１０１の内側に侵入すると、酸素センサ１００の出力（図７において、酸素センサ１００のプラス端子側）が接地電圧未満となる場合がある（図８参照）。しかし、酸素センサ１００の出力を受け取るＣＰＵの判読可能な電圧は接地電圧以上である。そのため、ＣＰＵは酸素センサの出力を接地電圧と誤判読してしまう。
【０００７】
そこで、特許文献１では酸素センサの出力が接地電圧未満である場合でも、センサ出力を判読可能な空燃比検出装置を提案している。特許文献１は、センサ出力に所定のバイアスをかける補正を行うことによって、接地電圧未満の出力を、少なくとも接地電圧を超える電圧として出力する出力補正手段を開示している。この技術によれば、出力特性が変化した酸素センサの出力が接地電圧未満になっても、ＣＰＵは酸素センサの出力を出力補正手段が補正した出力として判読可能である。
【０００８】
【特許文献１】実開平１−１２４３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述したようにセンサ出力に所定のバイアスをかける補正を行った場合には、以下に示す問題がある。酸素センサは活性温度に達している状態で正常に機能する。この活性温度を好適に維持するために、酸素センサはヒータを含むことがある。ここで、酸素センサの検出素子周囲の温度と、検出素子のインピーダンス値には相関関係がある。したがって、検出素子のインピーダンス値を算出すれば、インピーダンス値に基づいてヒータの制御を好適に行える。このインピーダンス値を算出するために、検出素子にインピーダンス算出回路を接続し、この回路を利用してインピーダンス値を算出する。ところが、インピーダンス値を算出する際に酸素センサを流れる電流は、センサ出力に所定のバイアスをかけるために配設した抵抗に流れてしまう。この場合、算出したインピーダンス値にはこの抵抗の影響が含まれる。そのため、上述したようにセンサ出力に所定のバイアスをかけた場合には、正確なインピーダンス値が算出できなくなる。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、酸素センサに係る検出素子のインピーダンス値をより正確に算出可能な酸素センサの異常検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、第１のガスと第２のガスとの間に配置され、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧差に応じた起電力を発生する検出素子を備えた酸素センサの異常検出装置であって、前記酸素センサの一方の出力端子側の出力を検出する第１の検出部を備え、前記酸素センサの他方の出力端子側に配設した分割抵抗間の出力を生成する抵抗に対して並列にコンデンサを配設することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、インピーダンス値を算出する際に酸素センサを流れる電流は、前記抵抗に対して並列に配設したコンデンサを流れる。これによって、酸素センサに係る検出素子のインピーダンス値をより正確に算出することが可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、酸素センサのインピーダンス値をより正確に算出可能な酸素センサの異常検出装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る酸素センサの異常検出装置（以下、単に異常検出装置と称す）の最良の実施形態を図面と共に詳細に説明する。
【００１５】
図１は、検出対象となる酸素センサ２に接続された状態での異常検出装置１を示したブロック図である。また、図２は図１に対応する電気的な構成例を示した図である。
【００１６】
図１に示すように、異常検出装置１は酸素センサ２の検出素子２１に接続される起電力検出回路２５及びインピーダンス算出回路１０と、この起電力検出回路２５によって算出される出力を用いて検出素子２１の欠損の有無を診断する診断手段としてのＣＰＵ（central processing unit）３とを含んでいる。
【００１７】
酸素センサ２は、検出素子２１及びこの検出素子２１を加熱するためのヒータ２２を含んでいる。検出素子２１は従来と同様の構造を有したものでよく、内側では大気（第１のガス）、外側では排気ガス（第２のガス）と接触するようにして排気通路に設置され酸素分圧に応じて後述する仮想ＧＮＤに対する起電力（図２の電池記号で表わす）を発生させる（図６参照）。図７に示す一般的な酸素センサ１００のようにマイナス端子側をＧＮＤに接続せず、仮想ＧＮＤに接続することで、酸素センサ１００の出力を接地電圧を超える出力に補正することが可能になる。なお、図１で示す例ではＣＰＵ３が酸素センサ２の制御も行うように構成されている。酸素センサ２で発生した起電力は起電力検出回路２５を介してＣＰＵ３へ供給される。
【００１８】
図２は、図１で示す２種類の回路、すなわちインピーダンス算出回路１０及び起電力検出回路２５をより詳細に示している。インピーダンス算出回路１０は酸素センサ２の検出素子２１のインピーダンス値を算出するための回路である。このインピーダンス算出回路１０は、スイッチング素子（トランジスタ）Ｔｒ１と共に、電流測定用のシャント抵抗Ｒｓを含んでいる。ここで検出素子２１の内部インピーダンスImpが小さいと大きな電流が流れ、これとは逆に内部インピーダンスImpが大きいと小さな電流が流れる。内部インピーダンスImpは、シャント抵抗Ｒｓの両端（Ｎ１とＮ２）で検出される電圧に基づいて算出できる。具体的には、インピーダンス測定をする時に、ＣＰＵ３がバッテリ２６から所定の電圧Ｖｐを印加すると共に、スイッチング素子Ｔｒ１をオン（ＯＮ）とし、この後にスイッチング素子Ｔｒ１をオフ（ＯＦＦ）させる操作を行う。
【００１９】
ＣＰＵ３は、酸素センサ２のプラス端子側に接続された検出部ＡＤ１（第１の検出部）からの出力を検出する。さらに、ＣＰＵ３は、シャント抵抗Ｒｓの両端の電圧を検出する検出部ＡＤ３及びＡＤ４からの出力を検出する。また、ＣＰＵ３は、双方向バス４によってＲＯＭ５、ＲＡＭ６と接続されている。ＲＯＭ５には起電力検出回路２５によって算出される出力に基づいて検出素子２１の異常の有無を診断するためのプログラム等、ＣＰＵ３が実行する種々のプログラムやデータが格納されている。ＲＡＭ６はＣＰＵ３がプログラムを実行するための処理領域を提供する。
【００２０】
起電力検出回路２５は抵抗Ｒ３を含み、端子ＴＥ１及びＴＥ２を介して酸素センサ２に接続されている。酸素センサ２のマイナス端子側には電圧Ｖ２を印加する。この電圧Ｖ２は、所定の電圧Ｖｐを抵抗Ｒ１とＲ２とで抵抗分割することで分割部に生じる電圧である。この分割部の電圧Ｖ２を印加することで、酸素センサ２のマイナス端子側に仮想ＧＮＤを生成する。
【００２１】
ところで、図１で示したように酸素センサ２はヒータ２２を備えている。このヒータ２２は、５００℃を越える程度にまで検出素子２１を加熱して活性化させるために配置されている。ＣＰＵ３は、検出素子２１の周囲温度が活性温度に維持されるようにヒータ２２を駆動制御する。このような検出素子２１の活性を維持するために温度制御が必要である。また、検出素子２１の周囲温度が上昇すると、図１に示すインピーダンス算出回路１０が算出するインピーダンス値が低下し、これとは逆に検出素子２１の周囲温度が低下するとインピーダンス値が上昇する。このような温度と内部インピーダンスImpとの相関関係に基づいて、検出素子２１の温度制御を行える。
【００２２】
なお、図２において、上記インピーダンス算出回路１０、起電力検出回路２５、ＣＰＵ３、ＲＯＭ５、ＲＡＭ６等を含んで酸素センサ２用のＥＣＵ（electronic control unit:電子制御装置）７を形成した場合には、異常検出装置１はこのＥＣＵ７の一部によって実現できることになる。
【００２３】
上述した回路構成で酸素センサ２の起電力をＥ、検出部ＡＤ１が検出する酸素センサ２のプラス端子側の出力をＶ１とすると、これらと仮想ＧＮＤにおける電圧Ｖ２との関係は次式で示される。
Ｖ１＝Ｅ＋Ｖ２・・・・・・・・・（Ａ）
【００２４】
酸素センサ２が正常な場合には、起電力Ｅは次式に示す範囲に含まれる値である。
０＜Ｅ＜１（Ｖ）・・・・・・・・（Ｂ）
一方、検出素子２１に欠損が生じている場合には、検出素子２１内に排気ガス、検出素子２１外に大気が接触する状態が発生する。正常な酸素センサ２における酸素濃度と逆転したようなこの状態においても、酸素センサ２の起電力Ｅは（Ｂ）式に示す最大出力値に基づき、次式に示す範囲に含まれる値となる。
−１＜Ｅ＜０（Ｖ）・・・・・・・（Ｃ）
したがって、仮想ＧＮＤにおける電圧Ｖ２が、式（Ｖ２＞１（Ｖ））に示すように１Ｖよりも大きくなるよう分割抵抗Ｒ１及びＲ２の抵抗値を設定すれば、（Ａ）式及び（Ｃ）式によりセンサ出力Ｖ１は、次式に示す範囲に含まれる出力となる。
Ｖ１＞０（Ｖ）・・・・・・・・・（Ｄ）
これにより、酸素センサ２の起電力ＥがＣ式に含まれるような負電圧であっても、ＣＰＵ３は起電力Ｅの代わりに補正したセンサ出力Ｖ１を検出することができる。
【００２５】
図３は、酸素センサ２から検出した負電圧の例を示す図である。本例では、酸素センサ２を車両に備える内燃機関の排気通路に配設している。図３は、縦軸が酸素センサ２の電圧、横軸が時間を示している。図３では、正常な酸素センサ２の電圧３１とともに、φ０．４ｍｍの欠損を有する酸素センサ２の電圧３２を破線で示している。また、走行時の車両の車速３４も併せて示している。本例では、酸素センサ２から負電圧を検出するために、内燃機関において燃料カット（Ｆ／Ｃともいう）制御を、Ｆ／Ｃフラグ３３に示すタイミングで実行する。車両中低速時に燃料カット制御を実行した場合、すなわちＦ／Ｃフラグ３３ａ及びＦ／Ｃフラグ３３ｂに示すタイミングでは、電圧は低下しているものの負電圧発生までには至っていない。これは、燃料カット制御実行前に、欠損を通じて検出素子２１内に排気ガスが十分侵入していないためである。一方、車両高速時に燃料カット制御を実行した場合、すなわちＦ／Ｃフラグ３３ｃ及びＦ／Ｃフラグ３３ｄに示すタイミングでは、欠損を有する酸素センサ２の電圧３２は負電圧になっている。これは、車両の継続的な高速走行に伴い、内燃機関からより高圧の排気ガスが排気され、その結果、燃料カット制御実行前に検出素子２１内に多量の排気ガスが侵入したためである。なお、Ｆ／Ｃフラグ３３ｅに示すタイミングで負電圧が発生していないのは、燃料カット制御を実行したＦ／Ｃフラグ３３ｄに示すタイミングからの経過時間が短く、検出素子２１内への排気ガスの侵入が不十分なためである。本実施例では、このような負電圧を上述したセンサ出力Ｖ１として検出可能である。また、（Ａ）式及び（Ｃ）式により、センサ出力Ｖ１と印加した電圧Ｖ２との差が０（ゼロ）Ｖ未満、すなわち式（Ｖ１−Ｖ２＜０（Ｖ））を満たせば、ＣＰＵ３は、酸素センサ２が異常であると診断できる。以上によって、酸素センサ２の異常を検出可能である。
【００２６】
図２に示す回路構成の場合、仮想ＧＮＤにおける電圧は、電圧Ｖｐと抵抗Ｒ１及びＲ２により電圧Ｖ２として一義的に決定可能である。ここで、抵抗には温度特性があるため、仮想ＧＮＤにおける実際の電圧は抵抗Ｒ１及びＲ２の温度変化に伴い変動する。また、抵抗が劣化した場合にも、仮想ＧＮＤにおける実際の電圧は抵抗Ｒ１及びＲ２の劣化に伴い変動する。このような仮想ＧＮＤにおける電圧の変動は、（Ａ）式に基づく酸素センサ２の起電力Ｅの検出精度に影響する。この場合に、より精度の高い酸素センサ２の起電力を検出するため、図４に示すような回路を構成してもよい。図４は、より精度の高い酸素センサ２の起電力を検出するための図１に対応する電気的な構成例を示した図である。本回路構成では、仮想ＧＮＤに検出部ＡＤ２を接続する。検出部ＡＤ２が検出する仮想ＧＮＤにおける電圧をＶ２’とすると、ＣＰＵ３は検出部ＡＤ１及び検出部ＡＤ２からの出力に基づき、次式によって酸素センサ２の起電力Ｅ’を検出できる。
Ｅ’＝Ｖ１−Ｖ２’（Ｖ）・・・・（Ｅ）
このように仮想ＧＮＤにおける電圧を電圧Ｖ２’として検出すれば、抵抗Ｒ１及びＲ２の温度特性や劣化により仮想ＧＮＤにおける電圧が変動しても、式（Ｅ）により、変動した電圧Ｖ２’に基づいた起電力Ｅ’を検出可能である。
【００２７】
また、インピーダンス値を算出するためには、インピーダンス算出回路１０において、ＣＰＵ３は電圧Ｖｐを印加すると共に、スイッチング素子Ｔｒ１をオン（ＯＮ）とし、この後にスイッチング素子Ｔｒ１をオフ（ＯＦＦ）させる操作を行う。ところが、このようにしてインピーダンス値を算出する際に酸素センサ２を流れる電流は、矢印Ａに示すように仮想ＧＮＤを生成するために配設した抵抗Ｒ２を流れる。その結果、算出したインピーダンス値にはこの抵抗Ｒ２の影響が含まれてしまう。このような状況に対して、より正確なインピーダンス値を検出するため、図５に示すような回路構成が可能である。図５は、より正確なインピーダンス値を検出するための図１に対応する電気的な構成例を示した図である。本回路構成では、抵抗Ｒ２に対して並列にコンデンサＣ１を配設する。これによって、インピーダンス値を算出する際に酸素センサ２を流れる電流は、矢印Ｂに示すようにコンデンサＣ１を流れる。すなわち、インピーダンス値を算出する際に抵抗Ｒ２の影響を排除することができる。これによって、酸素センサ２に係る検出素子２１のインピーダンス値をより正確に算出することが可能である。
【００２８】
なお、図４及び図５に示した回路構成は、検出する酸素センサ２の出力に対する要求精度によって、図２に示した回路構成のように検出部ＡＤ２を配設しないようにすることも可能である。また、温度制御を行わない場合や算出するインピーダンス値に対する要求精度によっては図２に示した回路構成を選択してもよい。以上により、酸素センサ２のインピーダンス値をより正確に算出可能な酸素センサ２の異常検出装置１を実現することができる。
【００２９】
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】検出対象となる酸素センサ２に接続された状態での異常検出装置１を示したブロック図である。
【図２】図１に対応する電気的な構成例を示した図である。
【図３】酸素センサ２から検出した負電圧の例を示す図である。
【図４】より精度の高い酸素センサ２の起電力を検出するための図１に対応する電気的な構成例を示した図である。
【図５】より正確なインピーダンス値を検出するための図１に対応する電気的な構成例を示した図である。
【図６】一般的な酸素センサにおける検出素子部を示した図である。
【図７】一般的な酸素センサの電圧検出回路を示した図である。
【図８】酸素センサから負電圧が発生する様子を示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  異常検出装置
２  酸素センサ
３  ＣＰＵ
４  双方向バス
５  ＲＯＭ
６  ＲＡＭ
７  ＥＣＵ
１０  インピーダンス算出回路
２１  検出素子
２２  ヒータ
２５  起電力検出回路
３１  正常な酸素センサ２の電圧
３２  欠損を有する酸素センサ２の電圧
３３  Ｆ／Ｃフラグ
３４  車速
【図１】
2006300626.tif 000003
【図２】
2006300626.tif 000004
【図３】
2006300626.tif 000005
【図４】
2006300626.tif 000006
【図５】
2006300626.tif 000007
【図６】
2006300626.tif 000008
【図７】
2006300626.tif 000009
【図８】
2006300626.tif 000010