(57)【要約】【課題】構成の煩雑化を招くことなく、センサ制御系の異常を好適に検出すること。【解決手段】センサ素子１０にはセンサ制御回路１００が接続されており、センサ制御回路１００はセンサ素子１０の一対の電極に接続された正負各端子への印加電圧を制御し、その電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じて流れる素子電流を検出する。また、センサ制御回路１００は、センサ印加電圧を交流的に変化させた時にそれに伴う電流値の変化量を計測する。マイコン２００は、電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値を算出すると共に、素子抵抗の算出時に計測した、印加電圧の変化に応答する電流値をモニタし、該モニタした電流値に基づいてセンサ制御系の異常を検出する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体と該固体電解質体上に配置された少なくとも一対の電極とよりなるセンサ素子を有したガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の電極に接続された正負各端子の少なくとも何れかへの印加電圧を制御して電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じて流れる素子電流を計測するか、若しくはその都度の特定成分濃度に応じて前記センサ素子の電極間に発生する起電力を計測するようにしたガス濃度検出装置において、
センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時にそれに伴う電流値又は電圧値の変化量を変化量計測部にて計測し、電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値を算出する手段と、
素子抵抗の算出時に計測した、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値の変化量をモニタし、該モニタした電流値又は電圧値の変化量に基づいてセンサ制御系の異常を検出する手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
素子抵抗の算出時に計測した、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値の変化量が０又はほぼ０の場合に、センサ制御系の異常発生であると判定することを特徴とする請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記センサ素子の正負各端子に帰還増幅回路を介して所定電圧を印加すると共に、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値を前記帰還増幅回路の出力側にて計測する構成にあって、前記帰還増幅回路の出力側にて計測した電流値又は電圧値が当該帰還増幅回路の作動範囲の境界値又はそれ付近で固定されている場合に、センサ制御系の異常発生であると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記帰還増幅回路は、予め規定した範囲内で出力を制限する出力制限機能を有するものである請求項３記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時の当該印加電圧又は電流の実操作量を操作量計測部にて計測する構成を有し、前記変化量計測部にて計測した電流値又は電圧値の変化量に加え、前記操作量計測部にて計測した印加電圧又は電流の実操作量に基づいてセンサ制御系の異常を検出する請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
固体電解質体と該固体電解質体上に配置された少なくとも一対の電極とよりなるセンサ素子を有したガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の電極に接続された正負各端子の少なくとも何れかへの印加電圧を制御して電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じて流れる素子電流を計測するか、若しくはその都度の特定成分濃度に応じて前記センサ素子の電極間に発生する起電力を計測するようにしたガス濃度検出装置において、
センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時にそれに伴う電流値又は電圧値の変化量を変化量計測部にて計測し、電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値を算出する手段と、
前記算出した素子抵抗値に基づいてセンサ制御系の異常を検出する手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項７】
素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時の当該印加電圧又は電流の実操作量を操作量計測部にて計測し、該計測した印加電圧又は電流の実操作量を用いて素子抵抗値を算出するガス濃度検出装置であって、前記計測した印加電圧又は電流の実操作量が異常値である場合に、その印加電圧又は電流の実操作量を予め規定した所定値に変更すると共に当該所定値を用いて算出された素子抵抗値に基づいてセンサ制御系の異常を検出することを特徴とする請求項６記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
前記印加電圧又は電流の実操作量が所定のしきい値を超えない場合に異常値である旨判定する手段を備え、当該異常値である場合、実操作量を前記しきい値に変更する請求項７記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
前記算出した素子抵抗値によりセンサ制御系の異常発生が検出された場合に、前記実操作量も異常値であれば、前記センサ素子の各端子においてショート系の異常が生じていると判定する手段を更に備えた請求項７又は８記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
前記センサ素子の正負各端子に帰還増幅回路を介して所定電圧を印加すると共に、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値を前記帰還増幅回路の出力側にて計測する構成にあって、前記帰還増幅回路は、予め規定した範囲内で出力を制限する出力制限機能を有するものである請求項６乃至９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１１】
固体電解質体と該固体電解質体上に配置された少なくとも一対の電極とよりなるセンサ素子を有したガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の電極に接続された正負各端子の少なくとも何れかへの印加電圧を制御して電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じて流れる素子電流を計測するか、若しくはその都度の特定成分濃度に応じて前記センサ素子の電極間に発生する起電力を計測するようにしたガス濃度検出装置において、
センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時にそれに伴う電流値又は電圧値の変化量を変化量計測部にて計測し、電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値を算出する手段と、
素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時の当該印加電圧又は電流の実操作量を操作量計測部にて計測し、該計測した印加電圧又は電流の実操作量に基づいてセンサ制御系の異常を検出する手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項１２】
前記操作量計測部にて計測した印加電圧又は電流の実操作量が０又はほぼ０の場合に、センサ制御系の異常発生であると判定することを特徴とする請求項１１記載のガス濃度検出装置。
【請求項１３】
前記センサ素子の正負各端子に帰還増幅回路を介して所定電圧を印加すると共に、センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時に前記帰還増幅回路の出力側にて当該印加電圧又は電流を計測する構成にあって、前記帰還増幅回路の出力側にて計測した印加電圧又は電流が当該帰還増幅回路の作動範囲の境界値又はそれ付近で固定されている場合に、センサ制御系の異常発生であると判定することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度センサによる検出結果に基づいて特定成分濃度を検出するガス濃度検出装置にかかるものであって、特にセンサ制御系の異常を好適に検出するための改良技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。そして、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果から酸素濃度（空燃比）が検出されるようになっている。
【０００３】
上記Ａ／Ｆセンサでは、センサ素子の両端子において電源との短絡（電源ショート）、グランドとの短絡（ＧＮＤショート）、両端子間の短絡（端子間ショート）等の異常が生じると、素子電流を正確に計測することができず、酸素濃度（空燃比）の検出が不可能となる。故に、従来はセンサ素子の両端子の電圧値をマイコンのＡ／Ｄ入力として取り込み、そのＡ／Ｄ入力が規定の範囲外となった場合に異常発生の旨を検出するようにしていた。しかしながら、上記の通りセンサ素子の両端子電圧をＡ／Ｄ入力として取り込む場合には、センサ端子分だけ余分のＡ／Ｄ変換器が必要となる。この場合、構成上の煩雑化を招くことから、その改良技術が望まれている。
【０００４】
一方、例えば特許文献１に示す従来技術では、Ａ／Ｆセンサの活性状態をモニタすることによりセンサ異常を検出するようにしている。具体的には、Ａ／Ｆセンサの素子抵抗を検出して該素子抵抗が所定範囲にあるか否かにより、又は素子活性化のためのヒータへの供給電力が所定範囲内にあるか否かによりＡ／Ｆセンサの異常を検出するようにしていた。つまり、センサ素子が正常に活性化しているかどうかを判断基準としてセンサ異常を検出していた。
【０００５】
しかしながら、前記特許文献１の異常検出手法では、センサ素子が当然に活性化している筈の状態であることを判定し、かかる状態下でセンサ素子が活性化していなければセンサ素子の異常を検出する。つまり、現実にセンサ素子が活性化している状態下、又は活性化していると確実に判断できる状態下でないと正確な異常検出が実施できない。従って、センサ素子の異常検出を実施する上で多くの制約が生じる。また、ヒータへの供給電力に基づいてセンサ異常を検出する手法では、ヒータ電力を計測するための回路構成やＡ／Ｄ変換器等が必要となり、構成の簡素化を実現することはできない。こうした実状から、センサ制御系の異常検出手法としてより好ましい技術が望まれている。
【特許文献１】特開平８−２７１４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構成の煩雑化を招くことなく、センサ制御系の異常を好適に検出することができるガス濃度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】
【０００７】
本発明のガス濃度検出装置は前提として、固体電解質体と該固体電解質体上に配置された少なくとも一対の電極とよりなるセンサ素子を有したガス濃度センサに適用される。そして、前記センサ素子の電極に接続された正負各端子の少なくも何れかへの印加電圧が制御されて電圧印加に伴いその都度の特定成分濃度に応じて流れる素子電流が計測される。若しくは、その都度の特定成分濃度に応じて前記センサ素子の電極間に発生する起電力が計測される。また特に、請求項１に記載の発明では、センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時にそれに伴う電流値又は電圧値の変化量が変化量計測部にて計測され、その時の電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値が算出される。また、素子抵抗の算出時に計測した、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値の変化量がモニタされ、該モニタされた電流値又は電圧値の変化量に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。
【０００８】
要するに、センサ素子の正負各端子のうち少なくとも何れかでの電源ショートやＧＮＤショート、正負両端子間での端子間ショートなど、センサ制御系の異常が生じた場合には、素子抵抗算出に際して、例えばセンサ素子の印加電圧に変化を付与してもそれに応答した素子電流の変化が無く、素子電流変化がモニタできない。また、印加電圧に代えて素子電流に変化を付与した場合には、電流変化に応答した印加電圧の変化が無く、印加電圧変化がモニタできない。こうして印加電圧又は電流の変化に対する電流又は電圧の応答が無いことを判断基準とすることにより、電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショート、断線などのセンサ制御系の異常が一つの異常検出手法により好適に検出できるようになる。上記異常検出手法によれば、素子抵抗算出に用いる計測データ（電流変化量、又は電圧変化量）により異常検出を行うため、異常検出のためにＡ／Ｄ変換器（マイコンのＡ／Ｄ入力）を増設する必要がなく、構成の煩雑化が防止できる。
【０００９】
なお、センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与して素子抵抗を算出する手法として、当該印加電圧又は電流を一時的に変化させた時のそれに伴う電流値又は電圧値の変化量に基づいて素子抵抗を算出する、いわゆる掃引法による素子抵抗算出手法があり、かかる算出手法によれば、センサ印加電圧をＶ−Ｉ特性（図３参照）上の抵抗支配域へ変更する必要がないため、ガス濃度の不検出時間が短くなることが知られている。その他、センサ素子の印加電圧又は電流を交流的に、又は連続的に変化させることで、当該印加電圧又は電流に変化を付与することも可能である。素子抵抗値は、インピーダンスの他、インピーダンスの逆数であるアドミタンスとして算出されても良い。
【００１０】
異常検出の手段として具体的には、請求項２に記載したように、素子抵抗の算出時に計測した、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値の変化量が０又はほぼ０の場合に、センサ制御系の異常発生であると判定すると良い。
【００１１】
また、センサ素子の正負各端子に帰還増幅回路を介して所定電圧を印加すると共に、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値を前記帰還増幅回路の出力側にて計測する構成にあっては、請求項３に記載したように、前記帰還増幅回路の出力側にて計測した電流値又は電圧値が当該帰還増幅回路の作動範囲の境界値又はそれ付近で固定されている場合に、センサ制御系の異常発生であると判定すると良い。
【００１２】
請求項４に記載の発明では、前記帰還増幅回路は、予め規定した範囲内で出力を制限する出力制限機能を有するものであるため、仮にセンサ素子の各端子で電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショートなどが生じた場合には帰還増幅回路の出力が制限され、規定範囲を越えて電圧や電流が応答変化することは無い。従って、該制限された出力に基づき、センサ制御系の状態を明確に知り得ることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時の当該印加電圧又は電流の実操作量が操作量計測部にて計測される。そして、変化量計測部にて計測された電流値又は電圧値の変化量に加え、操作量計測部にて計測された印加電圧又は電流の実操作量に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。すなわち、印加電圧又は電流の操作側、応答側の両方の計測結果に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。この場合、電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショートといったショート系の異常が発生していれば、印加電圧又は電流の少なくとも操作側又は応答側で電圧や電流の変化が計測できない。従って、ショート系異常が確実に検出できる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明では、センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時にそれに伴う電流値又は電圧値の変化量が変化量計測部にて計測され、電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値が算出される。また、該算出された素子抵抗値に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。
【００１５】
前述した通り、センサ素子の正負各端子のうち少なくとも何れかでの電源ショートやＧＮＤショート、正負両端子間での端子間ショートなど、センサ制御系の異常が生じた場合には、素子抵抗算出に際して、印加電圧又は電流の変化に対する電流又は電圧の応答が無い。そのため、素子抵抗の算出値も正常なものにならず、電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショート、断線などのセンサ制御系の異常が好適に検出できるようになる。上記異常検出手法によれば、異常検出のためにＡ／Ｄ変換器（マイコンのＡ／Ｄ入力）を増設する必要がなく、構成の煩雑化が防止できる。
【００１６】
なお、素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時、その印加電圧又は電流の操作側においてセンサ素子の正負両端子に接続したセンサ制御回路上で印加電圧又は電流の操作量を実測し、その実測値を用いて素子抵抗を算出すると良い。或いは、印加電圧又は電流に変化を付与するための切替指令手段による指令変化量を用いて素子抵抗を算出すると良い。
【００１７】
請求項７に記載の発明では、素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時の当該印加電圧又は電流の実操作量が操作量計測部にて計測される。そして、該計測された印加電圧又は電流の実操作量が異常値である場合に、その印加電圧又は電流の実操作量が予め規定した所定値に変更されると共に当該所定値を用いて算出された素子抵抗値に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。素子抵抗の検出時において、操作すべき印加電圧又は電流は予め決められているが、実際の操作量（実操作量）には誤差等が生じ、その誤差が素子抵抗の検出誤差となる。そこで、実操作量を適宜計測し、該計測値を用いて素子抵抗を算出する構成とする。但しこの場合、電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショートといったショート系の異常が発生していれば、印加電圧又は電流の少なくとも操作側又は応答側で電圧や電流の変化が計測できず、素子抵抗の算出が困難となることが考えられる。かかる事態において、印加電圧又は電流の実操作量が予め規定した所定値に変更されれば、素子抵抗の算出が可能となる。素子抵抗は異常値として算出されるため、素子抵抗値による異常検出が好適に実施できる。
【００１８】
前記請求項７の発明では請求項８に記載したように、印加電圧又は電流の実操作量が所定のしきい値を超えない場合に異常値である旨判定し、当該異常値である場合、実操作量を前記しきい値に変更すると良い。
【００１９】
また、請求項９に記載したように、前記算出した素子抵抗値によりセンサ制御系の異常発生が検出された場合に、実操作量も異常値であれば、センサ素子の各端子においてショート系の異常が生じていると判定すると良い。
【００２０】
センサ素子の正負各端子に帰還増幅回路を介して所定電圧を印加すると共に、印加電圧又は電流の変化に応答する電流値又は電圧値を前記帰還増幅回路の出力側にて計測する構成にあっては、請求項１０に記載したように、前記帰還増幅回路は、予め規定した範囲内で出力を制限する出力制限機能を有するものであると良い。これにより、仮にセンサ素子の各端子で電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショートなどが生じた場合には帰還増幅回路の出力が制限され、規定範囲を越えて電圧や電流が応答変化することは無い。従って、素子抵抗が誤って算出されることが防止でき、センサ制御系の状態を明確に知り得ることができる。
【００２１】
一方、請求項１１に記載の発明では、センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時にそれに伴う電流値又は電圧値の変化量が変化量計測部にて計測され、その時の電圧変化量と電流変化量との比からセンサ素子の抵抗値が算出される。また、素子抵抗算出に際してセンサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時の当該印加電圧又は電流の実操作量が操作量計測部にて計測され、該計測された印加電圧又は電流の実操作量に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。
【００２２】
本請求項１１の発明にあっても、センサ素子の正負各端子のうち少なくとも何れかでの電源ショートやＧＮＤショート、正負両端子間での端子間ショートなど、センサ制御系の異常が生じた場合には、素子抵抗算出に際して、センサ素子の印加電圧や電流に変化を付与しようとしても正常な変化が無く、印加電圧又は電流の操作量が正常に計測できない。このことから、電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショート、断線など、センサ制御系の異常が好適に検出できる。上記異常検出手法によれば、素子抵抗算出に用いる計測データ（電流変化量、又は電圧変化量）により異常検出を行うため、異常検出のためにＡ／Ｄ変換器（マイコンのＡ／Ｄ入力）を増設する必要がなく、構成の煩雑化が防止できる。
【００２３】
異常検出の手段として具体的には、請求項１２に記載したように、前記操作量計測部にて計測した印加電圧又は電流の実操作量が０又はほぼ０の場合に、センサ制御系の異常発生であると判定すると良い。
【００２４】
また、センサ素子の正負各端子に帰還増幅回路を介して所定電圧を印加すると共に、センサ素子の印加電圧又は電流に変化を付与した時に前記帰還増幅回路の出力側にて当該印加電圧又は電流を計測する構成にあっては、請求項１３に記載したように、前記帰還増幅回路の出力側にて計測した印加電圧又は電流が当該帰還増幅回路の作動範囲の境界値又はそれ付近で固定されている場合に、センサ制御系の異常発生であると判定すると良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１の実施の形態）
以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムに用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実現される。
【００２６】
先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。
【００２７】
センサ素子１０は、固体電解質１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質１１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。
【００２８】
絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。なお以下の説明では場合によって、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。
【００２９】
上記センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。
【００３０】
図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。
【００３１】
このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。
【００３２】
図１は、センサ制御回路１００の構成を示す電気回路図である。図１において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された＋端子Ｔ１には、オペアンプ２１及び電流検出抵抗２２を介して基準電源２３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された−端子Ｔ２にはオペアンプ２４及び抵抗２５を介して印加電圧制御回路３０が接続されている。オペアンプ２１，２４が「帰還増幅回路」に相当する。電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗２２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子１０には＋端子Ｔ１から−端子Ｔ２に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子１０には−端子Ｔ２から＋端子Ｔ１に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。このＢ点電圧が、素子電流出力回路３１を介して空燃比の検出結果であるＡ／Ｆ出力としてマイコン２００に出力される。マイコン２００では、取り込まれたＡ／Ｆ出力がＡ／Ｄ変換される。素子電流出力回路３１は例えばＳ／Ｈ（サンプルホールド）回路により構成されており、空燃比検出時におけるＢ点電圧がサンプルされ、所定のゲートオン期間内においてサンプル値が逐次更新されて出力される。このＡ／Ｆ出力は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。
【００３３】
印加電圧制御回路３０は、Ａ／Ｆ出力（Ｂ点電圧のサンプルホールド値）をモニタしつつその値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図３に示す印加電圧特性ＲＧの如く、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の上昇時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。
【００３４】
また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子１０の素子インピーダンスが検出されるようになっている。すなわち、電圧切替回路３５は、マイコン２００からの電圧切替信号に基づいてセンサ印加電圧を交流的に変化させる。電圧切替信号は定期的にマイコン２００から電圧切替回路３５に出力され、例えば１２８ｍｓｅｃ毎に、センサ印加電圧が通常の空燃比検出用の印加電圧（印加電圧制御回路３０による制御電圧）からインピーダンス検出用の印加電圧に一時的に切り替えられるようになっている。
【００３５】
かかる場合、前記Ｂ点が「変化量計測部」に相当し、Ｂ点電圧が、インピーダンス検出電流出力回路３２を介してインピーダンス検出電流出力としてマイコン２００に出力される。マイコン２００では、取り込まれたインピーダンス検出電流出力がＡ／Ｄ変換される。インピーダンス検出電流出力回路３２は、例えばＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とＰ／Ｈ（ピークホールド）回路とを直列に接続して構成されており、このＨＰＦ及びＰ／Ｈ回路により、インピーダンス検出期間に対応する所定のゲートオン期間内においてＢ点での交流電流の変化量が計測される。なお、ピークホールドされたＢ点電圧は、ゲートオフ毎にリセットされる。
【００３６】
また、図１のＣ点電圧は、印加電圧制御回路３０又は電圧切替回路３５の出力電圧と同じ電圧となり、そのＣ点電圧が、電圧操作量出力回路３６を介して電圧操作量出力としてマイコン２００に出力される。マイコン２００では、取り込まれた電圧操作量出力がＡ／Ｄ変換される。電圧操作量出力回路３６は、例えばＨＰＦとＳ／Ｈ回路とを直列に接続して構成されている。Ｃ点が「操作量計測部」に相当する。従って、インピーダンス検出時には、電圧切替回路３５によるセンサ印加電圧の変化量（実操作量としての電圧操作量ΔＶ）がＣ点での交流電圧の変化量として検出され、マイコン２００に取り込まれるようになっている。
【００３７】
マイコン２００では、インピーダンス検出時の交流的な電圧変化量とそれに伴う素子電流Ｉｐの変化量とに基づいて素子インピーダンスが算出される。そして、素子インピーダンスが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電が制御される。これにより、センサ素子１０が一定の目標温度（例えば７５０℃）に保持されるようになる。
【００３８】
本実施の形態では、素子インピーダンスの検出時に得られる電流変化量や電圧操作量等に応じてセンサ制御系の異常を検出することとしており、その異常検出手順を以下に説明する。センサ制御系の異常としては、センサ素子１０の＋端子Ｔ１又は−端子Ｔ２での電源ショートやＧＮＤショート、＋端子Ｔ１及び−端子Ｔ２間での端子間ショート、断線などが考えられる。本実施の形態の異常検出手法は、前記何れの異常も検出を可能とするものである。
【００３９】
マイコン２００による素子インピーダンスの算出手順と異常検出手順とを図４及び図５のフローチャートに基づいて説明する。まず図４は素子インピーダンスの算出処理を示すフローチャートであり、この処理はマイコン２００により所定時間毎（例えば１２８ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００４０】
図４において、ステップＳ１０１では、センサ制御回路１００の電圧切替回路３５に対して電圧切替信号を出力する。この電圧切替信号を受けて、センサ制御回路１００では、センサ印加電圧をそれまでの空燃比検出用の電圧値からインピーダンス検出用の電圧値に交流的に切り替える。例えば、印加電圧切替の交流周波数は１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度である。その後、ステップＳ１０２では、印加電圧切替時の電圧操作量ΔＶを検出し、続くステップＳ１０３では、印加電圧の切替に応答する素子電流の変化量ΔＩを検出する。
【００４１】
このとき、図６に示すように、センサ印加電圧に対して交流的な変化が付与され、この交流的な電圧変化に対して素子電流が応答して変化する。前記ステップＳ１０２では、図１の電圧操作量出力回路３６を介してマイコン２００に入力されるＣ点電圧（電圧操作量出力）に基づいて電圧操作量ΔＶが検出され、前記ステップＳ１０３では、図１のインピーダンス検出電流出力回路３２を介してマイコン２００に入力されるＢ点電圧（インピーダンス検出電流出力）に基づいて電流変化量ΔＩが検出される。
【００４２】
その後、ステップＳ１０４では、前記ステップＳ１０３で検出した電流変化量ΔＩを異常検出用データとしてＲＡＭ等に保存する。また、ステップＳ１０５では、前記検出した電圧操作量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子インピーダンスを算出する（素子インピーダンス＝ΔＶ／ΔＩ）。なお、切替指令手段としての電圧切替回路３５により指令される電圧変化量は予め定められた値であり、電圧操作量ΔＶに代えて、電圧切替回路３５による電圧変化量を用いて素子インピーダンスを算出することも可能である。素子抵抗値として、素子インピーダンスの他、素子インピーダンスの逆数である素子アドミタンスを算出する構成とすることも可能である。
【００４３】
図５は異常検出処理を示すフローチャートであり、この処理はマイコン２００により前記図４の処理に引き続いて実行される。
【００４４】
図５において、ステップＳ２０１では、異常検出用データとして前記図４のステップＳ１０４で保存した電流変化量ΔＩを読み出し、続くステップＳ２０２では、前記読み出した電流変化量ΔＩに基づいてセンサ制御系の異常の有無を検出する。このとき、電流変化量ΔＩが予め規定した所定範囲内にあれば、センサ制御系が正常である旨判定し（ステップＳ２０３）、電流変化量ΔＩが所定範囲内になければ、センサ制御系が異常である旨判定する（ステップＳ２０４）。例えば、電流変化量ΔＩが０又はほぼ０の場合に、センサ制御系が異常である旨判定する。
【００４５】
具体的には、例えばセンサ素子１０の＋端子Ｔ１が電源ショートした場合、バッテリ電源からオペアンプ２１に流入する電流により当該オペアンプ２１が電流飽和の状態となる。この場合、電流検出抵抗２２に流れる素子電流は回路構成上制約される固定電流となり、センサ印加電圧を交流的に切り替えてもそれに応答してＢ点電圧が変化することはない。それ故、電流変化量ΔＩがほぼ０となり、異常発生の旨が判定できる。なお、回路構成上制約される固定電流とは、オペアンプ２１が有する出力制限機能にて制限される電流である。その他、電流制限回路を設けることで出力制限したり、出力素子（トランジスタ等）の出力容量で出力制限したりすることも可能である。簡易には抵抗を組み入れて出力制限することも可能である。
【００４６】
また、センサ素子１０の＋端子Ｔ１がＧＮＤショートした場合にも、やはり電流検出抵抗２２に流れる素子電流は固定電流となり、センサ印加電圧を交流的に切り替えてもそれに応答してＢ点電圧が変化することはない。それ故、電流変化量ΔＩがほぼ０となり、異常発生の旨が判定できる。その他、センサ素子１０の−端子Ｔ２が電源ショート又はＧＮＤショートした場合や、＋端子Ｔ１及び−端子Ｔ２間で端子間ショートした場合、各端子Ｔ１，Ｔ２に通じる配線経路が断線した場合にも同様に、センサ印加電圧を交流的に切り替えてもそれに応答してＢ点電圧が変化することはない。それ故、電流変化量ΔＩがほぼ０となり、異常発生の旨が判定できる。以上により、センサ制御系の異常が何れも検出できるようになる。なおこのとき、センサ素子１０自体の異常も同様に検出できる。
【００４７】
以上詳述した本実施の形態によれば、素子インピーダンス検出に用いる計測データ（電流変化量）によりセンサ制御系の異常検出を行うため、異常検出のためにＡ／Ｄ変換器（マイコンのＡ／Ｄ入力）を増設する必要がなく、構成の煩雑化が防止できる。また、センサ素子１０の活性状態に関係なく異常検出できるため、センサ素子１０の活性化を待たずともＡ／Ｆセンサの始動直後にいち早く異常検出を開始することができる。実際には、素子インピーダンスが計測可能となれば良く（待ち時間は長くても数秒程度）、異常検出開始までの待ち時間が大幅に短縮できる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について、前記第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。本実施の形態では、異常検出用データとしてセンサ印加電圧の切替に応答する電流変化量ΔＩ（インピーダンス検出電流出力）を用いたが、この構成を変更し、本実施の形態では、異常検出用データとして、素子アドミタンスの算出値を用いる（素子アドミタンス＝ΔＩ／ΔＶ）。要するに、センサ素子１０の＋−各端子のうち少なくとも何れかでの電源ショートやＧＮＤショート、正負両端子間での端子間ショートなど、センサ制御系の異常が生じた場合には、素子アドミタンス検出に際して、印加電圧の変化に対する電流の応答が無く、素子アドミタンスの算出値も正常なものにならない。故に、センサ制御系の異常が検出できるようになる。つまり、異常発生時には電流変化量ΔＩが０又はほぼ０になるため、素子アドミタンスの算出値が規定値よりも大きくなった場合に異常発生であると判定する。
【００４９】
ここで、例えばセンサ素子１０の＋−各端子の何れかが電源ショートしていると、電圧操作量ΔＶが異常値（０又はほぼ０）となり、この異常値をそのまま用いて素子アドミタンスを算出しようとしても、その算出ができない又は算出値が過剰に大きな値となることが考えられる。そこで本実施の形態では、電圧操作量出力回路３６にて出力される電圧操作量ΔＶが異常値である場合に、当該電圧操作量ΔＶを予め規定した所定値（≠０）で置き換えることにより、素子アドミタンスの算出を可能とし、その素子アドミタンスの算出値に基づいてセンサ制御系の異常を検出する。この場合特に、電圧操作量ΔＶが所定値に置き換えられた場合には、当該電圧操作量ΔＶも異常値であることから、異常内容が、センサ素子１０の＋−各端子の何れかの電源ショート又はＧＮＤショートであると特定する。
【００５０】
図７は、本実施の形態における素子アドミタンスの算出処理を示すフローチャートであり、この処理は前記図４に置き換えて実行される。
【００５１】
図７において、ステップＳ３０１〜Ｓ３０３では、前記図４のステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様に、電圧切替信号の出力、印加電圧切替時の電圧操作量ΔＶの検出、印加電圧の切替に応答する素子電流の変化量ΔＩの検出、をそれぞれ実施する。
【００５２】
その後、ステップＳ３０４では、前記ステップＳ３０２で検出した電圧操作量ΔＶが所定のしきい値Ｖｔｈ以上であるか否かを判別する。しきい値Ｖｔｈは、印加電圧の操作に伴い、本来変化する筈である電圧変化量を基に決められており、「本来の電圧変化量×０．９」程度に設定される。ΔＶ≧Ｖｔｈであれば、正常な電圧操作が行われたとみなしてステップＳ３０６に進む。そして、ステップＳ３０６では、電圧操作量ΔＶと電流変化量ΔＩとから素子アドミタンスを算出する（素子アドミタンス＝ΔＩ／ΔＶ）。
【００５３】
一方、前記ステップＳ３０４でΔＶ＜Ｖｔｈである場合、電圧操作量ΔＶが異常値であるとみなされ、ステップＳ３０５で電圧操作量ΔＶのガード処理を実施した後、ステップＳ３０６で素子アドミタンスを算出する。ステップＳ３０５のガード処理では、電圧操作量ΔＶを「Ｖｔｈ」で置き換える処理を実施する。最後に、ステップＳ３０７では、前記算出した素子アドミタンスを異常検出用データとしてＲＡＭ等に保存する。
【００５４】
図８は異常検出処理を示すフローチャートであり、この処理は前記図５に置き換えて実行される。
【００５５】
図８において、ステップＳ４０１では、異常検出用データとして前記図７で算出した素子アドミタンスを読み出し、続くステップＳ４０２では、前記読み出した素子アドミタンスに基づいてセンサ制御系の異常の有無を検出する。このとき、素子アドミタンスが予め規定した所定範囲内にあれば、センサ制御系が正常である旨判定する（ステップＳ４０３）。
【００５６】
また、素子アドミタンスが所定範囲内になければ、センサ制御系が異常である旨判定する（ステップＳ４０４）。例えば、素子アドミタンスが０又はほぼ０の場合に、センサ制御系が異常である旨判定する。続いて、ステップＳ４０５では、今回のアドミタンス算出に際し、電圧操作量ΔＶが異常値であったか、すなわち電圧操作量ΔＶがしきい値Ｖｔｈに置き換えられていたか否かを判別する。電圧操作量ΔＶが異常値であったなら、ステップＳ４０６で、今回の異常がセンサ素子１０の各端子の電源ショート、ＧＮＤショートなど、ショート系異常であると特定する。つまり、センサ素子１０の各端子Ｔ１，Ｔ２において電源ショート、ＧＮＤショート、端子間ショートが発生していれば、センサ印加電圧を交流的に操作しようとしてもその操作が不可能であり、更に電流変化量ΔＩも０となるためである。以上第２の実施の形態によれば、センサ素子１０のショート系異常が好適に検出できる。
【００５７】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。
【００５８】
上記第１の実施の形態では、インピーダンス検出時の電流変化量ΔＩに基づいてセンサ制御系の異常検出を実施したが、これに代えて、オペアンプ２１の出力側にて計測した素子電流値に基づいてセンサ制御系の異常検出を実施しても良い。この場合、オペアンプ２１の出力側にて計測した素子電流値が当該オペアンプ２１の作動範囲の境界値又はそれ付近（例えば５Ｖ駆動の場合、５Ｖ又はそれ付近相当）で固定されている場合に、センサ制御系の異常発生であると判定する。
【００５９】
センサ制御回路１００の構成を図９，図１０のように変更する。図９の構成では、前記図１との相違点として、センサ素子１０の＋端子Ｔ１側に印加電圧制御回路３０と電圧切替回路３５とが設けられ、−端子Ｔ２側に基準電源２３が設けられている。＋端子Ｔ１側において、電流検出抵抗２２の両端子Ａ，Ｂには差動増幅器等よりなる素子電流出力回路４１とインピーダンス検出電流出力回路４２とが接続され、これら素子電流出力回路４１とインピーダンス検出電流出力回路４２との出力がそれぞれＡ／Ｆ出力、インピーダンス検出電流出力となっている。また、Ａ点電圧が電圧操作量出力回路４３に取り込まれ、その出力が電圧操作量出力となっている。かかる構成においても、インピーダンス検出電流出力に基づいてセンサ制御系の異常が検出できる。
【００６０】
また、図１０の構成では、前記図１との相違点として、センサ素子１０の＋端子Ｔ１側に印加電圧制御回路３０が設けられている。同じく＋端子Ｔ１側において、電流検出抵抗２２の両端子Ａ，Ｂには素子電流出力回路４１が接続され、この素子電流出力回路４１の出力がＡ／Ｆ出力となっている。また、センサ素子１０の−端子Ｔ２側には基準電源２３と電圧切替回路３５とが設けられている。同じく−端子Ｔ２側において、電流検出抵抗２５の両端子Ｃ，Ｄにはインピーダンス検出電流出力回路４２が接続され、このインピーダンス検出電流出力回路４２の出力がインピーダンス検出電流出力となっている。また、Ｃ点電圧が電圧操作量出力回路４３に取り込まれ、その出力が電圧操作量出力となっている。かかる構成においても、インピーダンス検出電流出力に基づいてセンサ制御系の異常が検出できる。
【００６１】
上記各実施の形態では、異常検出用データとしてセンサ印加電圧の切替に応答する電流変化量ΔＩ（インピーダンス検出電流出力）、又は素子アドミタンスの検出値を用いたが、これを変更し、異常検出用データとして、素子インピーダンス検出時に計測した電圧操作量ΔＶを用いる。センサ素子１０の＋−各端子のうち少なくとも何れかでの電源ショートやＧＮＤショート、正負両端子間での端子間ショートなど、センサ制御系の異常が生じた場合には、素子インピーダンス検出に際して、センサ印加電圧を交流的に変化させようとしても正常な変化が無く、電圧操作量ΔＶが正常に計測できない。このことから、センサ制御系の異常が検出できる。このとき、電圧操作量ΔＶが０又はほぼ０の場合にセンサ制御系の異常発生であると判定したり、電圧操作量ΔＶが電圧切替回路３５より出力される変化量よりも小さい場合にセンサ制御系の異常発生であると判定したりすると良い。又は、センサ印加電圧の切替時に帰還増幅回路（例えばオペアンプ２１）の出力側にて計測した電圧値が当該帰還増幅回路の作動範囲の境界値又はそれ付近で固定されている場合に、センサ制御系の異常発生であると判定すると良い。
【００６２】
上記各実施の形態では、素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）の算出に際し、センサ印加電圧を交流的に変化させてその時の電流応答を計測したが、これを変更し、センサ素子電流を交流的に変化させてその時の電圧応答を計測するように構成する。その構成を図１１を用いて説明する。図１１の構成では、前記図１との相違点として、センサ素子１０の＋端子Ｔ１にスイッチ回路５３が接続され、該スイッチ回路５３の一方の切替端子に電流検出抵抗２２が接続され、他方の切替端子に電流切替回路５１が接続されている。この電流切替回路５１は、素子インピーダンスの算出時にマイコン等から出力されてくる電流切替信号に基づいて素子電流を交流的に変化させる。また、Ｃ点には、インピーダンス検出電圧出力回路５２が接続され、このインピーダンス検出電圧出力回路５２の出力がインピーダンス検出電圧出力となっている。かかる構成では、素子インピーダンスの算出時に計測した、電流変化に応答する電圧変化（インピーダンス検出電圧出力）がモニタされ、該モニタされた電圧変化に基づいてセンサ制御系の異常が検出される。つまり、センサ素子１０の＋−各端子のうち少なくとも何れかでの電源ショートやＧＮＤショート、正負両端子間での端子間ショートなど、センサ制御系の異常が生じた場合には、素子インピーダンス検出に際して、電流変化に対する電圧応答が無く、このことからセンサ制御系の異常が検出できる。その他、センサ素子電流を交流的に変化させた時に得られる素子インピーダンスの算出値や、素子電流計測値によりセンサ制御系の異常検出を実施することも可能である。
【００６３】
ショート系異常の発生時には、例えば、図１におけるインピーダンス検出電流出力回路３２の出力が変化しなくなるため、マイコン２００のＡ／Ｄ入力が変化しなくなる。従って、このＡ／Ｄ入力の変化が無いことからセンサ制御系の異常検出を実施することも可能である。
【００６４】
上記実施の形態では、図２のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサについて説明してきたが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質体を有する構成に限らず、２層の固体電解質体を有する構成や、３層の固体電解質体を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。また、排ガス中の酸素濃度に応じてセンサ素子の電極間に起電力を発生させるようにした、いわゆるＯ2 センサにも適用できる。
【００６５】
他のセンサ具体例を説明する。図１２に示すセンサ素子６０では、２層の固体電解質６１，６２を有しており、一方の固体電解質６１には一対の電極６３，６４が対向配置され、他方の固体電解質６２には一対の電極６５，６６が対向配置されている。なお、電極６３〜６５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子６０では、固体電解質６１及び電極６３，６４によりポンプセル７１が構成され、固体電解質６２及び電極６５，６６により酸素検知セル７２が構成されている。各電極６３〜６６はセンサ制御回路８０に接続されている。センサ素子６０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０と同じである。図１２において、符号６７はガス導入孔、符号６８は多孔質拡散層、符号６９は大気ダクト、符号７０はヒータである。酸素検知セル７２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。
【００６６】
上記センサ素子構造のＡ／Ｆセンサにおいて、酸素検知セル７２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル７２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、酸素検知セル７２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、酸素検知セル７２の起電力出力がストイキ値（０．４５Ｖ）になるようにポンプセル７１の印加電圧が制御される。
【００６７】
図１３にはセンサ制御回路８０の構成を示す。この回路例では、酸素検知セル７２に流れる電流を正負両側に操作し、その際のポンプセル７１の端子電圧と酸素検知セル７２の端子電圧とから、ポンプセル７１の素子インピーダンスと酸素検知セル７２の素子インピーダンスとをそれぞれ算出する構成としている。
【００６８】
図１３において、ポンプセル７１の一方の端子（図１２の電極６３）にはオペアンプ８１が接続され、該オペアンプ８１には、基準電圧を生成する基準電圧部８２と、酸素検知セル７２の起電力を検出する起電力検出部８３とが接続されている。この場合、酸素検知セル７２の起電力を一定（０．４５Ｖ）とするようにポンプセル７１に流れる電流（ポンプセル電流）が制御され、そのポンプセル電流に応じて変化する図のＡ点の電圧がＡ／Ｆ検出値として出力される。これにより、その時の排ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じたＡ／Ｆ出力が得られる。
【００６９】
また、オペアンプ８４はコンデンサ８５と共にサンプルホールド回路を構成しており、酸素検知セル７２のインピーダンス検出直前における酸素検知セル７２の起電力を記憶保持する。スイッチ回路８６は、通常の酸素濃度検出状態と素子インピーダンスの検出状態とで回路を切り替えるものであり、図示のようにＢ点に接続された状態では、前述の通り酸素検知セル７２の起電力が検出されて排ガスの酸素濃度に応じたＡ／Ｆ出力が得られるのに対し、Ｃ点側に接続が切り替えられると、電流切替回路８７により交流的に変化する電流が酸素検知セル７２に供給される。電流切替回路８７では、正極性及び負極性の一定電流をそれぞれ出力できる構成となっており、数ｋＨｚ程度の周波数で電流が交流的に切り替えられる。電流切替回路８７の電流操作量は電流操作量出力として検知されるようになっている。
【００７０】
スイッチ回路８６がＣ点側に切り替えられた状態で、ポンプセル７１の端子電圧がポンプセルインピーダンス出力として検知されると共に、酸素検知セル７２の端子電圧が酸素検知セルインピーダンス出力として検知される。そして、ポンプセル７１の端子電圧と電流切替回路８７の電流操作量とからポンプセル７１の素子インピーダンスが算出される。また、酸素検知セル７２の端子電圧と電流切替回路８７の電流操作量とから酸素検知セル７２の素子インピーダンスが算出される。
【００７１】
上記構成において、例えば、ポンプセル７１の各端子又は酸素検知セル７２の各端子の少なくとも何れかで電源ショートが発生していれば、電流切替回路８７で操作できる電流量よりも電源からの電流供給が大きくなるため端子電圧は変化しない。この場合、電流操作量を規定値に変更した後、該変更後の値を用いて素子インピーダンスを算出する。すると、素子インピーダンスは通常よりも明らかに小さい算出値として求められ、この算出値からセンサ制御系の異常発生が判定できる。また、電流操作量を既定値に変更したことから、ショート系異常であることも判定できる。その他、ポンプセル７１の各端子又は酸素検知セル７２の各端子の少なくとも何れかでＧＮＤショートや端子間ショートが発生した場合にも同様に異常検出が可能である。
【００７２】
以上の通り前記図１２の構成のセンサ素子と前記図１３の構成のセンサ制御回路を用いた場合であっても、センサ素子の各端子におけるショート系異常が好適に検出できる。
【００７３】
図１４に示すセンサ素子構造であっても良い。図１４のセンサ素子９０では、３層の固体電解質１０１，１０２，１０３を有し、固体電解質１０１には一対の電極１０４，１０５が対向配置され、固体電解質１０２には一対の電極１０６，１０７が対向配置されている。本センサ素子９０では、固体電解質１０１及び電極１０４，１０５によりポンプセル１１１が構成され、固体電解質１０２及び電極１０６，１０７により酸素検知セル１１２が構成されている。また、固体電解質１０３は、酸素基準室１０８を確保するための壁材を構成している。センサ素子９０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０等と同じである。図１４において、符号１０９は多孔質拡散層、符号１１０はガス検出室である。なお、酸素検知セル１１２は、前記図１２の酸素検知セル７２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。このセンサ素子９０用の回路構成は概ね前記図１３の通りであり、その説明は省略する。
【００７４】
また、図１５は、センサ素子に対して継続的に交流電圧を印加してインピーダンス検出を行うセンサ制御回路の構成例である。センサ素子１０には、直流電圧源１３１、交流電圧源１３２及び抵抗１３３よりなる直列回路が接続されている。抵抗１３３の両端子は差動増幅器１３４の入力端子に接続され、同差動増幅器１３４の出力端子はＬＰＦ（ローパスフィルタ）１３５とＨＰＦ（ハイパスフィルタ）１３７にそれぞれ接続されている。ＬＰＦ１３５は、抵抗１３３による検出信号の交流成分を除去し、排ガス中の酸素濃度（空燃比）に応じた信号成分を抽出してＡ／Ｆ検出部１３６に出力する。Ａ／Ｆ検出部１３６では、ＬＰＦ通過後の信号から酸素濃度を検出する。また、ＨＰＦ１３７は、抵抗１３３による検出信号の交流成分のみを抽出し、この抽出した信号をインピーダンス検出部１３８に出力する。インピーダンス検出部１３８は、ＨＰＦ通過後の信号から素子インピーダンスを検出する。
【００７５】
上記図１５の構成のセンサ制御回路を用いた場合であっても、電圧操作側とそれに応答する応答側とにおける変化量を各々モニタすることにより、センサ素子の各端子におけるショート系異常が好適に検出できる。
【００７６】
Ｏ2センサの場合には、例えば、センサ素子の一方の端子側に印加電圧（又は電流）の切替回路を設け、他方の端子側に印加電圧（又は電流）の切替に伴う電流変化量（又は電圧変化量）の検出回路を設ける。そして、印加電圧（又は電流）の操作信号とそれに応答する応答信号とから素子インピーダンスを算出すると共に、センサ制御系の異常検出を実施すると良い。
【００７７】
また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外にも、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用により、ＮＯｘセンサについても好適なセンサ制御系の異常検出が可能となる。このとき、第１セル、第２セル等の何れかのセルを対象に素子インピーダンスが検出されると良い。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。
【００７８】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】発明の実施の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。
【図２】センサ素子の構成を示す断面図である。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。
【図４】素子インピーダンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図５】異常検出処理を示すフローチャートである。
【図６】印加電圧の切替とそれに伴う素子電流の変化とを示すタイムチャートである。
【図７】第２の実施の形態における素子アドミタンスの算出処理を示すフローチャートである。
【図８】第２の実施の形態における異常検出処理を示すフローチャートである。
【図９】別の形態においてセンサ制御回路を示す構成図である。
【図１０】別の形態においてセンサ制御回路を示す構成図である。
【図１１】別の形態においてセンサ制御回路を示す構成図である。
【図１２】別のセンサ素子の構成を示す断面図である。
【図１３】別の形態においてセンサ制御回路を示す構成図である。
【図１４】別のセンサ素子の構成を示す断面図である。
【図１５】別の形態においてセンサ制御回路を示す構成図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０…センサ素子、１１…固体電解質、１５，１６…電極、２１，２４…オペアンプ、６０…センサ素子、６１，６２…固体電解質、６３〜６６…電極、９０…センサ素子、１００…センサ制御回路、１０１〜１０３…固体電解質、１０４〜１０７…電極、２００…マイコン、Ｔ１…＋端子、Ｔ２…−端子。
【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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【図１４】
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【図１５】
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