(57)【要約】【課題】  新たな回路を追加せずリーン雰囲気の割合が多い運転状態でも検出素子部のクラック有無を判断できる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、前記第１のガスと前記第２のガスとの酸素分圧に応じた起電力を発生する検出素子部２１を備えた酸素センサ２の異常を検出する装置であって、前記検出素子部２１に接続され、該検出素子部のインピーダンス値を算出するインピーダンス算出回路１０と、前記インピーダンス算出回路が算出するインピーダンス値の変化に基づいて、前記検出素子部の異常の有無を判断する判断手段３とを備えた酸素センサの異常検出装置１である。この異常検出装置１の判断手段はリーン雰囲気が多い運転状態でもインピーダンス値の変化に基づいた検出素子部の異常有無判断を行える。【選択図】        図１
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【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に応じた起電力を発生する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する装置であって、
前記検出素子部に接続され、該検出素子部のインピーダンス値を算出するインピーダンス算出回路と、
前記インピーダンス算出回路が算出するインピーダンス値の変化に基づいて、前記検出素子部の異常の有無を判断する判断手段とを備えたことを特徴とする酸素センサの異常検出装置。
【請求項２】
前記判断手段は、前記インピーダンス算出回路が算出したインピーダンス値の規定時間内での変化量が所定値以上となったときに、前記検出素子部に異常ありとの判断を行うことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項３】
前記第１のガスが大気、前記第２のガスが排気ガスである場合において、前記排気ガスの雰囲気がよりリーンとなったときに前記インピーダンス値が変化したことに基づいて、前記判断手段が前記検出素子部に異常ありとの判断を行うことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項４】
前記インピーダンス算出回路は前記検出素子部のインピーダンスを測定するための抵抗を含み、該抵抗の両端で検出される電圧に基づいて前記インピーダンス値を算出することを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項５】
前記インピーダンス算出回路は前記電圧の変化を示す信号を所定の周波数で出力するように形成され、前記判断手段は前記信号から求められるインピーダンス値を用いて前記判断を行うことを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項６】
前記インピーダンス算出回路は前記電圧の変化を示す信号の周波数を変更可能に形成され、前記判断手段は所定の周波数の信号から求められるインピーダンス値を用いて前記判断を行うことを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項７】
前記インピーダンス算出回路は前記電圧の変化を示す低周波数及び高周波数の信号を出力するように形成され、前記判断手段は前記低周波数の信号から求められるインピーダンス値と前記高周波数の信号から求められるインピーダンス値との比を用いて前記判断を行うことを特徴とする請求項４に記載の酸素センサの異常検出装置。
【請求項８】
前記インピーダンス算出回路として、前記検出素子部の加熱用ヒータの温度制御で使用するインピーダンス算出回路を兼用することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の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１２（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１２（Ｂ）は、図１２（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１２（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１２（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１２（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】
そこで、特許文献１では酸素センサの検出子欠損（検出素子部のクラック）の有無判定する異常診断装置を提案している。この診断装置は、酸素センサの検出信号の出力分布に基づき検出素子部のクラック有無を判定して酸素センサの異常を診断する。特許文献１が提案する技術は、検出素子部にクラックが生じたときの酸素センサの出力パターンが正常時とは異なることに着目し、検出信号の出力分布を比較することで検出素子部のクラックの有無を判定している。
【０００７】
また、上記特許文献１では、検出素子部にクラックがあると排気ガスが大気側に侵入する場合があり、通常とは逆方向に電流が流れることに着目した第３実施形態を開示している。排気ガスが大気側に侵入すると、図１３において矢印で示すように酸素センサから正常時とは反対の負電圧（逆電圧）が出力される場合がある。第３実施形態はこの負電圧に基づいて検出素子部のクラックの有無を判断して、酸素センサの異常診断を行う技術を開示する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−１４６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の異常診断装置は、検出素子部にクラックがあるときに空燃比が理論空燃比よりもリーンであることを示す低い電圧域に偏る傾向があることを利用して正常時との区別を行っている。しかし、内燃機関の運転状態によってはリーン雰囲気に偏って（所定時間に対してリーン運転時間の割合が多い状態）運転するという状況がある。このような場合には特許文献１の装置では検出素子部のクラック有無判断を行うことが困難となる。また、特許文献１の異常診断装置では出力パターンを確認するため酸素センサから検出信号を一定時間以上に取得することが必要であり、診断に一定時間を要してしまう。
【００１０】
また、本来の酸素センサは大気側と排気ガス側との酸素分圧に応じて生じる正の起電力を出力するものであり、図１２（Ｂ）で示すように酸素分圧に応じた電流が一方向に流れることを前提にして設計されている。これに対して上記特許文献１は負電圧を利用して検出素子部のクラック有無の判断を行えることを記載しているが負電圧を検出するためには新たなＥＣＵ回路の追加が必要になってしまう。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、新たな回路を追加せずリーン雰囲気の割合が多い運転状態でも検出素子部のクラック有無を判断できる酸素センサの異常検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的は、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に応じた起電力を発生する検出素子部を備えた酸素センサの異常を検出する装置であって、前記検出素子部に接続され、該検出素子部のインピーダンス値を算出するインピーダンス算出回路と、前記インピーダンス算出回路が算出するインピーダンス値の変化に基づいて、前記検出素子部の異常の有無を判断する判断手段とを備えた酸素センサの異常検出装置によって達成できる。
【００１３】
本発明によると、インピーダンス算出回路は検出素子部が負電圧を出力する状態において、負電圧に対応したインピーダンス値を算出するので、判断手段はリーン雰囲気が多い運転状態でも負電圧検出回路を追加せずインピーダンス値の変化に基づいて検出素子部の異常有無判断を行える。
【００１４】
また、前記判断手段は、前記インピーダンス算出回路が算出したインピーダンス値の規定時間内での変化量が所定値以上となったときに、前記検出素子部に異常ありとの判断を行うことができる。また、前記第１のガスが大気、前記第２のガスが排気ガスである場合において、前記排気ガスの雰囲気がよりリーンとなったときに前記インピーダンス値が変化したことに基づいて、前記判断手段が前記検出素子部に異常ありとの判断を行うようにしてもよい。
【００１５】
そして、前記インピーダンス算出回路は前記検出素子部のインピーダンスを測定するための抵抗を含み、該抵抗の両端で検出される電圧に基づいて前記インピーダンス値を算出することができる。
【００１６】
また、前記インピーダンス算出回路は前記電圧の変化を示す信号を所定の周波数で出力するように形成され、前記判断手段は前記信号から求められるインピーダンス値を用いて前記判断を行うこととしてもよい。
【００１７】
また、前記インピーダンス算出回路は前記電圧の変化を示す信号の周波数を変更可能に形成され、前記判断手段は所定の周波数の信号から求められるインピーダンス値を用いて前記判断を行うこととしてもよい。
【００１８】
さらに、前記インピーダンス算出回路は前記電圧の変化を示す低周波数及び高周波数の信号を出力するように形成され、前記判断手段は前記低周波数の信号から求められるインピーダンス値と前記高周波数の信号から求められるインピーダンス値との比を用いて前記判断を行うこととしてもよい。
【００１９】
そして、前記インピーダンス算出回路として、前記検出素子部の加熱用ヒータの温度制御で使用するインピーダンス算出回路を兼用すると上記酸素センサの異常検出装置を簡易に実現できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、リーン雰囲気の割合が多い運転状態でも負電圧検出回路を追加せず検出素子部のクラック有無を判断できる異常検出装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態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）を図を参照して説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１から図７を参照して第１の実施例を説明する。図１は、検出対象となる酸素センサ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。
【００２３】
図１に示すように、異常検出装置１は酸素センサ２の検出素子部２１に接続されるインピーダンス算出回路１０と、このインピーダンス算出回路１０によって算出されるインピーダンス値を用いて検出素子部２１のクラックの有無を判断する判断手段としてのＣＰＵ（central processing unit）３とを含んでいる。
【００２４】
酸素センサ２は、検出素子部２１及びこの検出素子部２１を加熱するためのヒータ２２を含んでいる。検出素子部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グランドに対する起電力（図２の電池記号で表わす）を発生させる（図１２参照）。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。また、酸素センサ２がヒータ２２を備えていることに関しては後述する。
【００２５】
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。酸素センサ２の起電力をモニタする起電力検出回路２５は抵抗Ｒ１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の一端はグランド（ＧＮＤ）に接続されており基準電圧が０（ゼロ）に設定されている。よって、正常に機能した酸素センサ２は酸素分圧に応じた起電力を発生させるので正の電圧（OXV）がＣＰＵ３へ供給される。
【００２６】
ＣＰＵ３は、双方向バス４によってＲＯＭ５、ＲＡＭ６と接続されている。ＲＯＭ５にはインピーダンス値に基づいて検出素子部２１のクラック有無を判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。
【００２７】
インピーダンス算出回路１０は酸素センサ２の検出素子部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、２つのスイッチング素子（トランジスタ）Ｔｒ１、Ｔｒ２、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ１を含むと共に、電流測定用のシャント抵抗Ｒｓを含んでいる。ここで検出素子部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からバッテリ電圧Ｖｐを印加すると共に、スイッチング素子Ｔｒ１をオン（ＯＮ）、スイッチング素子Ｔｒ２をオフ（ＯＦＦ）とし、この後にスイッチング素子Ｔｒ１をオフ（ＯＦＦ）、スイッチング素子Ｔｒ２をオン（ＯＮ）させる操作を行う。
【００２８】
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。この場合にはＣＰＵ３に接続されているＲＯＭ５に酸素センサ２の異常検出用のプログラムを格納すればよい。
【００２９】
図３は、ＣＰＵ３がインピーダンス算出のために上記スイッチング操作を行ったときの電圧OXI、電圧OXVが変化する様子を示した図である。なお、図２で示すように電圧OXIはシャント抵抗Ｒｓの左側の接点Ｎ１での値であり、電圧OXVはシャント抵抗Ｒｓの右側の接点Ｎ２での値である。図３で示した各値を次式（Ａ）に代入することで、シャント抵抗Ｒｓの電圧印加前後の両端の電位差から検出素子部２１の内部インピーダンス（Imp）を算出できる。
【００３０】
Ｉｍｐ＝（Ｖ１ｂ−Ｖ１ａ）／｛（Ｖ２ｂ−Ｖ１ｂ）−（Ｖ２ａ−Ｖ１ａ）｝
＝（Ｖ１ｂ−Ｖ１ａ）／｛（Ｖ２ｂ−Ｖ２ａ）−（Ｖ１ｂ−Ｖ１ａ）｝
＝ΔＶ／（ΔＩ−ΔＶ）・・・・・・・・・（Ａ）
つまり、検出素子部２１の内部インピーダンスImpは、スイッチング素子Ｔｒ１をオフからオンしたときの接点Ｎ１の電圧変化ΔＩと、接点Ｎ２の電圧変化ΔＶとから算出できる。
【００３１】
図３は、酸素センサ２の検出素子部２１にクラックが無く正常に動作したときの電圧OXI、電圧OXVの変化を示している。次に示す図４は、検出素子部２１にクラックが発生していた場合の電圧OXI、電圧OXVの変化を示した図である。検出素子部２１にクラックが発生している場合でも、ＣＰＵ３が上記スイッチング操作を行うとインピーダンス値が算出される。しかし、先に説明したように検出素子部２１にクラックが発生していると排気ガスが大気極側に流入することがあり、このときには大気極側が排気極側よりもリッチな状態（酸素分圧が低い状態）となり酸素センサ２から負電圧が発生する(図１３参照)。
【００３２】
ところが、図２で示す回路では、ＣＰＵ３は電圧OXV,OXIの両方について０（ゼロ）Ｖ以上の電圧を取り込むように設計されている。よって、図４で示すように本来、マイナスの電位からプラスの電位への変化分であるΔＶ、ΔＩが、ＣＰＵ３が０（ゼロ）Ｖ未満の電圧を取り込まないため底上げされてΔＶ’、ΔＩ’と算出されてしまう。その結果として、式（Ａ）で求められるインピーダンス値が正常の場合と比較して小さくなる。
【００３３】
上記のように検出素子部２１にクラックが存在していても排気ガスが大気極側に侵入しなければ、酸素センサ２は正常のときと同様に起電力を発生させる。よって、このときに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も正常時と同様となる。ところが、排気ガスが大気極側へ侵入して負電圧を発生させる状況となったときには、急にインピーダンス値が小さくなる。本異常検出装置１は、上記のようにインピーダンス値が急変すること（小さくなること）に基づいてクラック（異常）有無の判断を行う。
【００３４】
例えば、クラックの無い正常な検出素子部２１について規定時間内でのインピーダンス値の変化量として基準インピーダンス変化量ＳＡImpを設定し、この基準インピーダンス変化量ＳＡImp以上にインピーダンス値が変化したときに検出素子部２１に異常ありとの判断を行うことができる。この基準インピーダンス変化量ＳＡImpは予めＲＯＭ５に記憶しておき、クラック有無の判断をするときにＣＰＵ３が読み出して使用できる様にしておけばよい。
【００３５】
異常検出装置１のＣＰＵ３は、検出素子部２１にクラックが発生して負電圧が発生する状態となっているときに、これと対応するインピーダンス値の変化に基づいて検出素子部２１のクラック発生を判断する。よって、クラック検出用の負電検出回路を追加することなく負電圧を検出する場合と同等の精度で酸素センサ２でのクラック発生を検出できる。
【００３６】
ところで、上記のようにインピーダンス値が急変する場合としては、リッチ雰囲気であった排気ガスが検出素子部２１の大気極側に入った後に、リーン雰囲気となった場合に限るものではない。検出素子部２１の大気極側の酸素分圧が排気極側よりも相対的に低くなればインピーダンス値は同様に変化する。具体的には、排気ガスがリーン雰囲気からよりリーンな雰囲気（より燃料が少ない雰囲気）に変化した場合、或いはあるリーン雰囲気から燃料供給がカットされた雰囲気（燃料が存在しない状態）に変化した場合にも前述したと同様にインピーダンス値が変化することになる。よって、本異常検出装置１によるとリーン雰囲気の割合が多くなる運転状態であってもクラックを検出できる。また、異常検出装置１では排気ガスがよりリーン雰囲気となったときにインピーダンス値が変化した（或いは、小さいインピーダンス値に急変した）ことに基づいて、ＣＰＵ３がクラック（異常）有りとの判断を行うようにしてもよい。
【００３７】
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部２１を加熱して活性化させるために配置されている。ＣＰＵ３は、検出素子部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部２１の活性を維持するために温度制御が必要である。また、検出素子部２１の周囲温度が上昇するとインピーダンス値Impが低下し、これとは逆に検出素子部２１の周囲温度が低下するとインピーダンス値Impが上昇する。このような温度とインピーダンスとの相関関係に基づいて、検出素子部２１の温度制御を行える。すなわち、上記インピーダンス算出回路１０は検出素子部２１のクラック有無の判断及び検出素子部２１の温度制御で兼用できる。
【００３８】
図５は、異常検出装置１のＣＰＵ３が検出素子部２１のクラック有無判断の際に実行するルーチン例を示したフローチャートである。このルーチンは例えばエンジンがスタートしたときに起動される。ＣＰＵ３はスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２を周期的に駆動してインピーダンス算出回路１０で算出されるインピーダンス値を監視する（Ｓ１０１）。そして、インピーダンス算出回路１０で算出されたインピーダンス値の変化量が基準変化量ＳＡImpより大きいか否かを確認する（Ｓ１０２）。インピーダンスの変化量が基準変化量ＳＡImpより大きい場合には、ＣＰＵ３は検出素子部２１にクラックあり（異常あり）との判断を行って（Ｓ１０３）本ルーチンを終了する。
【００３９】
上記のように実行される異常検出装置１のＣＰＵ３によるクラック有無の判断は、負電圧が発生したときに対応して現れるインピーダンスの変化に基づくのでリーン雰囲気の割合が多い状態であってもクラック有無の判断を行える。
【００４０】
（具体例１）
さらに、上記異常検出装置１によりクラック有無判断がされる具体例を説明する。図６は、車両に搭載されたエンジン（内燃機関）への燃料供給がカット（Ｆ／Ｃ）とされた時のインピーダンス変化について示した図である。この図は、車両がある程度、高負荷で走行を継続した後にＦ／Ｃが発生した状況でのインピーダンス値の変化を示している。
【００４１】
エンジンが高負荷で駆動されたときには、排気ガスの圧力が高くなるので検出素子部２１にクラックがあると大気側に排気ガスが侵入し易い。このような状況でＦ／Ｃが発生すると、検出素子部２１の大気電極側にリッチな排気ガスが存在し、排気電極側にリーンな排気ガスが存在するという状態となる。図６ではＦ／Ｃ領域とした部分でＦ／Ｃが発生している。
【００４２】
前述したように、実際には矢印で示すＰＴ-1部分で負電圧（逆電圧）が発生しているが、ＣＰＵ３は負電圧を取り込まない。よって、酸素センサ２の出力（Ｖ）は、ＰＴ-1でゼロとなる。しかし、負電圧が発生した部分と対応する部分ＰＴ-2でインピーダンス値Impが急に小さくなっている。よって、異常検出装置１のＣＰＵ３は、このインピーダンス値Impの変化量が基準インピーダンス変化量ＳＡImpよりも大きくなったことに基づいて検出素子部２１にクラックありとの判断を行ことができる。
【００４３】
（具体例２）
さらに、上記異常検出装置１によりクラック有無判断がされる他の具体例を説明する。エンジンに設けられている触媒やセンサの機能確認のために強制的に目標Ａ／Ｆ（空燃比）にするリッチ・リーン制御（アクティブ制御）を行う場合がある。図７は、アクティブ制御中でのインピーダンス変化について示した図である。アクティブ制御が実施されると、交互にリーン状態とリッチ状態とになる。検出素子部２１にクラックがあると、リッチ状態で大気極側にリッチな排ガスが侵入し、その後に排気極側がリーン状態となるので負電圧が発生する状況となる。よって、図７で示すようにリーンとなったときにインピーダンス値が大きく落ち込む（ＰＴ-2）。異常検出装置１のＣＰＵ３は、具体例１の場合と同様に急に低下するインピーダンス値に基づいて検出素子部２１のクラック有無の判断を行うことができる。なお、図７の場合も酸素センサ出力波形でＰＴ-1の部分では負電圧が発生している。
【００４４】
以上説明した異常検出装置１は、新たな回路を追加することなく簡単な構成で、リーン雰囲気の割合が多い運転状態であっても検出素子部２１で発生する負電圧に対応して算出されるインピーダンス値に基づいてクラックの有無を判断できる。また、基準インピーダンス変化量を予め設定しておくことでクラックの有無を短時間に判断できる。
【実施例２】
【００４５】
さらに図８〜図１０を参照して第２の実施例について説明する。この実施例は、前記第１の実施例でインピーダンスを算出するために検出している前記シャント抵抗Ｒｓ前後の電圧信号の周波数（以下、掃引周波数という）を変更すると、インピーダンス変化をより明確に確認できるという知見に基づくものである。第１の実施例は単に前記シャント抵抗Ｒｓの前後の電圧を用いてインピーダンスを求めてクラックの有無判断を行っていたが、本実施例は掃引周波数を変更することで、さらに正確にクラックを検出する。なお、本実施例に係る異常検出装置は、図１及び図２に示した構成と同様であるがインピーダンス算出回路１０内の構成に変更が加えられている。この点については後述する。
【００４６】
図８を参照して掃引周波数を変更するとさらに精度良くクラックを検出できることに関して説明する。図８（Ａ）は、小さなクラックが発生しているセンサを排気通路中に配置してＡ／Ｆ（空燃比）をリッチ・リーンにアクティブ制御したときの信号を示した図である。この図では上側にＡ／Ｆ値の信号ＧＳ、下側に酸素センサ出力（Ｖ）の信号ＳＳを示している。アクティブ制御が実施された以後でリッチからリーンになる箇所（符号ＰＤで示す）では酸素センサ出力（Ｖ）が低下する。そして、実際には円で示す部分で大気極側に排気ガスが入ったことにより負電圧が生じているが０Ｖ以下を取り込まないようにしているので０Ｖとなっている。この部分では前述したようにインピーダンス値が急変している（小さくなる）。
【００４７】
図８の下段（Ｂ）では前記シャント抵抗Ｒｓの前後の電圧から求めた図８（Ａ）に対応するインピーダンス値を示している。この図８（Ｂ）は掃引周波数の周期を相対的に高くした場合の信号ＨＦ（以下、高周波信号ＨＦ）と低くした場合の信号ＬＦ（以下、低周波信号ＬＦ）とを比較して示している。ここで図８（Ａ）の円内の部分、すなわち負電圧が発生してインピーダンスが急変する部分について図８（Ｂ）を見ると高周波信号ＨＦより低周波信号ＬＦでのインピーダンス変化が大きいことが分かる。すなわち、この図８から掃引周波数を低周波側に設定するとインピーダンス値がより小さくなることを確認できる。
【００４８】
本実施例の基本構成は実施例１の異常検出装置と同様であるが、インピーダンス算出回路１０に掃引周波数を変化させるための構成が追加されている。図９は、第２実施例の異常検出装置の電気的な構成例を示した図である。この図９は第１の実施例について示した図２と対応するものであり、同じ部位には同一の符号を付している。図９で示す回路では既存のコンデンサＣ１と並列に新たなコンデンサＣ２及び抵抗Ｒ３が付加されている。このように回路を変更することにより静電容量が増加するので信号周期を長くできる。すなわち図２で示した回路構成よりも図９の回路構成では掃引周波数の周期を相対的に長くしてＣＰＵ３に供給できる。
【００４９】
図９で示した回路構成では図２のスイッチング素子Ｔｒ２がスイッチＳＷに変更されている。ＣＰＵ３がスイッチング素子Ｔｒ１をオン（ＯＮ）からオフ（ＯＦＦ）に操作したときにスイッチＳＷをオン状態に維持すると掃引周波数を低周波数にできる。また、ＣＰＵ３がスイッチング素子Ｔｒ１をオン（ＯＮ）からオフ（ＯＦＦ）に操作したときに、スイッチＳＷをオフ（ＯＦＦ）からオン（ＯＮ）に操作すると掃引周波数を高周波数にできる。
【００５０】
図１０はＣＰＵ３が掃引周波数を低周波数にしてインピーダンス算出するスイッチング操作を行ったときの電圧OXI、電圧OXVが変化する様子を示した図である。図１０（Ａ）は酸素センサ２の検出素子部２１にクラックが無く正常に動作したときの電圧OXI、電圧OXVの変化を示している。同（Ｂ）は検出素子部にクラックが発生していた場合の電圧OXI、電圧OXVの変化を示している。図１０（Ａ）は前述した図３に対応しており、図１０は（Ｂ）は前述した図４に対応している。図１０おいても負電圧が発生した場合における変化の様子は同様であり、ΔＶとΔＩと算出されるべき電流値の変化がΔＶ´、Δ´と算出されるのでインピーダンスが同様に小さくなっている。
【００５１】
ところが、図１０と図３及び図４とを比較すると、図１０で示す方が周期が長くなっている。よって、図１０の場合には電流の上昇が遅いため負電圧発生時におけるΔＶ→ΔＶ´及びΔＩ→ΔＩ´への変化の影響が大きくなる。その結果として算出されるインピーダンスの変化が大きくなる。図１０から理解できるように掃引周波数を低周波数（所定の周波数）に設定することにより、インピーダンスの変化が顕著となるのでクラックをより正確に検出できることになる。よって、本実施例の異常検出装置ではより小さなクラックも検出できる。
【００５２】
なお、インピーダンスは検出素子部温度により変化するので、誤判定が発生しないように検出素子部の温度が安定した条件下で判定を実行することが好ましい。例えば、センサ暖機後やエンジン状態が安定してからアクティブ制御中やＦ／Ｃ（燃料カット）を実行した際に、ＣＰＵ３が掃引周波数を高周波から低周波に変更してクラック判断を実行することが好ましい。そして、掃引周波数を低周波側へ変更した後において規定時間Ｔｍ内でのインピーダンス値の変化（低下）が設定値より大きくなった場合に検出素子部にクラック有りとの判断を行うことができる。また、この第２の実施例の異常検出装置も第１の実施例と同様にインピーダンスを用いてクラックの判断を行うので、排気ガスの雰囲気がよりリーンに変化する状況でクラックの検出を行える。
【実施例３】
【００５３】
上記のように掃引周波数を低周波数に設定することにより検出素子部に発生したクラックをより精度良く検出することが可能となる。しかし、前述したようにインピーダンスが検出素子部温度により変化するので温度が安定した条件で判定を行うことが求められる。この点について実施例２を改善して実効性を高めたのが第３の実施例である。この実施例では掃引周波数を変更したときに得られる複数のインピーダンスの比を用いることにより温度の影響を排除する。
【００５４】
本実施例ではインピーダンスの変化ではなく、異なる掃引周波数で求めた複数のインピーダンスの比をクラックの判定に利用する。このように複数のインピーダンスの比をとることによって温度による影響を排除できる。具体的には、掃引周波数を低周波数に設定したときに得られるインピーダンス（低周波インピーダンス）と掃引周波数を高周波数に設定したときに得られるインピーダンス（高周波インピーダンス）との比を検出素子部のクラック判定に利用する。なお、この第３実施例の異常検出装置も基本構成は第２実施例と同様であるが、掃引周波数を低周波数及び高周波数に設定して同時に複数のインピーダンスを算出できるようにインピーダンス算出回路１０が変更される点が異なる。また、ＣＰＵ３がインピーダンスの比で検出素子部のクラック判定を行う点が異なる。
【００５５】
前述したように負電圧が発生した場合には、高周波インピーダンスも低周波インピーダンスも小さく算出される。しかし、高周波インピーダンスよりも低周波インピーダンスの方が大きく低下する。よって、負電圧が発生する前と負電圧が発生した後では、比の値が大きく変化する。例えば次式（Ｂ）によって２周波のインピーダンス比を求めると、図１１で示すように、通常時では１に近いが負電圧発生時になると比の値が通常時より顕著に小さくなる（式（Ｂ）の分母分子を逆にした場合には顕著に大きくなる）。
２周波インピーダンス比  ＝  低周波インピーダンス／高周波インピーダンス・・（Ｂ）
【００５６】
上記から理解できるように掃引周波数を変更したときに得られるインピーダンスの比が大きく変化したことに基づいて負電圧が発生したこと、すなわち検出素子部２１にクラックが発生していることを検出できる。このようにインピーダンスの比を用いると温度による影響を抑制できるので、センサ暖機中或いはセンサ温度が安定する条件下でなくともクラック有無の判断を行うことができる。
【００５７】
上記のよう第３実施例の異常検出装置は低周波インピーダンス及び高周波インピーダンスを求め、これらの比を算出して規定値より小さい場合にはクラック有りとの判断を行える。よって、汎用性の高い異常検出装置として提供できる。また、この第３の実施例の異常検出装置も第１の実施例と同様にインピーダンスを用いてクラックの判断を行うので、排気ガスの雰囲気がよりリーンに変化する状況でクラックの検出を行える。また、第３実施例では２種類の掃引周波数から求めた２個のインピーダンスを比較する例を示しているが、３種類以上の掃引周波数から求めた複数のインピーダンスを比較してクラック検出に使用するようにしてもよい。
【００５８】
なお、上記第２の実施例では掃引周波数を変更できるようにインピーダンス算出回路１０が形成され、また第３の実施例では低周波数及び高周波数とした掃引周波数で同時の２種類のインピーダンスを算出できるようにインピーダンス算出回路１０が形成されている。しかし、インピーダンス算出回路１０は掃引周波数をクラック判断に有効な所定の周波数に設定してインピーダンスを算出するようにしてもよい。この場合にはインピーダンス算出回路１０の構成を簡素化できる。
【００５９】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】検出対象となる酸素センサに接続された状態での異常検出装置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】異常検出装置のＣＰＵがインピーダンス算出のためにスイッチング操作を行ったときの電圧OXI、電圧OXVが変化する様子を示した図である。
【図４】検出素子部にクラックが発生していた場合の電圧OXI、電圧OXVの変化を示した図である。
【図５】異常検出装置のＣＰＵが検出素子部のクラック有無判断をするときのルーチン例を示したフローチャートである。
【図６】車両に搭載されたエンジンへの燃料供給がカットとされた時のインピーダンス変化について示した図である。
【図７】アクティブ制御中でのインピーダンス変化について示した図である。
【図８】（Ａ）は小さなクラックが発生しているセンサを排気通路中に配置してＡ／Ｆを強制的にリッチ・リーンにアクティブ制御したときの信号を示した図である。（Ｂ）はシャント抵抗の前後の電圧変化から求めたインピーダンス値の信号を示した図である。
【図９】第２実施例の異常検出装置の電気的な構成例を示した図である。
【図１０】掃引周波数を低周波数にしてインピーダンス算出するスイッチング操作を行ったときの電圧OXI、電圧OXVが変化する様子を示した図である。（Ａ）は検出素子部にクラックが無く正常に動作したときの電圧OXI、電圧OXVの変化を示した図であり、同（Ｂ）は検出素子部にクラックが発生していた場合の電圧OXI、電圧OXVの変化を示した図である。
【図１１】第３実施例の異常検出装置の負電圧発生時での２周波のインピーダンス比の変化について示している図である。
【図１２】（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、（Ｂ）は（Ａ）におけるＣＲ内の検出素子部の断面構造を示した図である。
【図１３】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】
【００６１】
１                異常検出装置
２                酸素センサ
３                ＣＰＵ（判断手段）
１０              インピーダンス算出回路
２１              検出素子部
２２              ヒータ
２５              起電力検出回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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