(57)【要約】【課題】検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供する。【解決手段】検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流電流、および、検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する。検出された少なくとも一方の変化率に基づき、酸素センサが正常か異常かを判定する。検出素子自体のバラツキ等に起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差を低減できる。【選択図】図５
2012068150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流電流、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流電流および複数の負の直流電流の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項２】
前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第１閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項１に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項３】
前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第２閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項４】
前記検出手段は、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第１閾値以上であり、且つ、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第２閾値以下であるとき、前記酸素センサを正常と判定する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項５】
前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項６】
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流抵抗、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流抵抗および複数の負の直流抵抗の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置。
【請求項７】
前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第３閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する
ことを特徴とする請求項６に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項８】
前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第４閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する
ことを特徴とする請求項６または７に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項９】
前記検出手段は、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第３閾値以下であり、且つ、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第４閾値以上であるとき、前記酸素センサを正常と判定する
ことを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【請求項１０】
前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する
ことを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の酸素センサの異常診断装置。
【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診断装置に係り、特に、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒を利用した排気ガス浄化システムを備える内燃機関では、触媒による排気ガスの有害成分の浄化を有効に行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが不可欠である。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に、排気ガスの酸素濃度を検出する酸素センサを設け、その検出結果より空燃比を求めて、検出された空燃比を所定の目標空燃比に近づける空燃比フィードバック制御を実施するようにしている。
【０００３】
典型的な酸素センサは、排気通路内に突出するように配設された筒型の検出素子を備えている。検出素子は、その内面を大気に露呈するとともに、その外面は排気ガスに曝されている。また検出素子は、内外の表面に電極が被覆された固体電解質を有している。固体電解質は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアが利用されている。
【０００４】
検出素子の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気ガス側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、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。そのため、上記の酸素の移動に応じて検出素子の内外表面の電極で電子の移動が生じ、その結果、検出素子に起電力が発生する。
【０００５】
こうして酸素センサは、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。
【０００６】
一方、自動車の分野では、排気エミッションが悪化した車両の走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で触媒やセンサの異常を診断することが各国法規等で要請されている。そこで酸素センサについても様々な診断装置が提案されるに至っている。
【０００７】
例えば特許文献１には、検出素子の交流インピーダンスに基づいて抵抗成分と静電容量成分とを算出し、算出された抵抗成分と静電容量成分とを個別に基準値と比較し、この比較結果の組み合わせに基づいて検出素子の異常を診断する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２５１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
酸素センサの中には、検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有するものがある。本発明者らは、鋭意研究の結果、このような酸素センサの異常時に発生する固有の現象を利用して、酸素センサの異常診断を行えることを見出した。
【００１０】
そこで本発明の目的は、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流電流、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流電流および複数の負の直流電流の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
【００１２】
ここで、複数の正の直流電流の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。また、複数の負の直流電流の変化率とは、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。
【００１３】
好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第１閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００１４】
好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流電流を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第２閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する。
【００１５】
好ましくは、前記検出手段は、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流電流の変化率が所定の第１閾値以上であり、且つ、前記複数の負の直流電流の変化率が所定の第２閾値以下であるとき、前記酸素センサを正常と判定する。
【００１６】
好ましくは、前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流電流および前記複数の負の直流電流の少なくとも一方を検出する。
【００１７】
本発明の他の形態によれば、
検出素子の外層部に、ガスの拡散速度を律速する拡散層を有した酸素センサの異常診断装置であって、
前記検出素子に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加したときに得られる複数の正の直流抵抗、および、前記検出素子に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加したときに得られる複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された複数の正の直流抵抗および複数の負の直流抵抗の少なくとも一方の変化率に基づき、前記酸素センサが正常か異常かを判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする酸素センサの異常診断装置が提供される。
【００１８】
ここで、複数の正の直流抵抗の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。また、複数の負の直流抵抗の変化率とは、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。
【００１９】
好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の正の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第３閾値より大きいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記拡散層の目詰まりを特定する。
【００２０】
好ましくは、前記検出手段は、少なくとも前記複数の負の直流抵抗を検出し、
前記判定手段は、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第４閾値より小さいとき、前記酸素センサを異常と判定すると共に、その異常の種類として前記検出素子の割れを特定する。
【００２１】
好ましくは、前記検出手段は、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の両方を検出し、
前記判定手段は、前記複数の正の直流抵抗の変化率が所定の第３閾値以下であり、且つ、前記複数の負の直流抵抗の変化率が所定の第４閾値以上であるとき、前記酸素センサを正常と判定する。
【００２２】
好ましくは、前記酸素センサが内燃機関の排気通路に設けられ、
前記検出手段は、前記内燃機関の燃焼室に対する燃料供給が停止され且つ前記検出素子の温度が所定の基準温度よりも昇温されているとき、または、前記内燃機関がアイドル運転状態にあり且つ空燃比が理論空燃比よりもリーンに制御されているとき、前記複数の正の直流抵抗および前記複数の負の直流抵抗の少なくとも一方を検出する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、検出素子の外層部に拡散層を有する酸素センサに好適な異常診断装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関を示す概略図である。
【図２】酸素センサの取付状態を示す部分断面図である。
【図３】酸素センサの検出素子の拡大断面図である。
【図４】酸素センサの出力特性を示すグラフである。
【図５】図３のＶ部詳細図であり、検出素子に対する電源回路の構成を模式的に示す。
【図６】正の直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。
【図７】負の直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。
【図８】第１実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。
【図９】正の直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。
【図１０】負の直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。
【図１１】印加電圧と抵抗変化率との関係を示すグラフである。
【図１２】第２実施例の異常診断処理に関するフローチャートである。
【図１３】正の直流電圧印加時における印加電圧と電流の関係を示すイメージ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態に係る内燃機関の構成を図１を参照して説明する。本実施形態の内燃機関（エンジン）１０は自動車用であり、火花点火式内燃機関、具体的にはガソリンエンジンである。内燃機関１０の吸気通路１１には、その通路面積を可変とするスロットルバルブ１５（本実施形態では電子制御式）が設けられ、その開度制御により、エアクリーナ１４を通じて吸入される空気の量が調整される。吸入された空気の量（吸入空気量）はエアフローメータ１６により検出される。吸気通路１１に吸入された空気は、スロットルバルブ１５下流に設けられたインジェクタ１７より噴射された燃料と混合された後、エンジン本体１２内の燃焼室に送られ、そこで燃焼される。
【００２６】
燃焼室での燃焼により生じた排気ガスが送られる排気通路１３には、排気ガス中の有害成分を浄化する三元触媒１８が設けられ、その上流側に酸素センサ１９が設けられている。
【００２７】
三元触媒１８は、これに供給される排気ガスの空燃比が理論空燃比（ストイキ）近傍の狭い範囲（ウインドウ）でのみ、排気ガス中の主要有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）のすべてを効率的に浄化する。こうした三元触媒１８を有効に機能させるには、燃焼室に供給される混合気の空燃比を上記ウインドウの中心に合わせこむ、厳密なコントロールが必要となる。
【００２８】
この空燃比の制御は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２２により行われる。ＥＣＵ２２は、例えば図示しない双方向性バスにより相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｂ（バッテリバックアップ）．ＲＡＭ、不揮発性メモリ、入力ポート、出力ポート、Ａ／Ｄ変換器およびＤ／Ａ変換器を具備する。ＥＣＵ２２には、上記エアフローメータ１６や酸素センサ１９、及びアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２１、機関回転速度を検出する回転速度センサ２３を始めとする各種センサ類の検出信号が入力されている。そしてＥＣＵ２２は、それらセンサ類の検出信号より把握される内燃機関１０や車両の運転状況に応じて、上記スロットルバルブ１５やインジェクタ１７等を駆動制御して、上記の空燃比フィードバック制御を行っている。空燃比フィードバック制御の概要は次の通りである。
【００２９】
まずＥＣＵ２２は、アクセル開度や機関回転速度の検出結果に応じて把握される吸入空気量の要求量を求め、それに応じた吸入空気量が得られるようにスロットルバルブ１５の開度を調整する。その一方、エアフローメータ１６により検出される吸入空気量の実測値に対して、理論空燃比が得られるだけの燃料量を求め、それによりインジェクタ１７からの燃料噴射量を調整する。これにより、燃焼室１２で燃焼される混合気の空燃比を、ある程度に理論空燃比に近づけることはできる。ただし、それだけでは上記要求される高精度の空燃比制御には不十分である。
【００３０】
そこでＥＣＵ２２は、上記酸素センサ１９の検出結果より把握される空燃比の実測値に基づいて、インジェクタ１７からの燃料噴射量をフィードバック補正し、要求される空燃比制御の精度を確保している。
【００３１】
以上のように、この排気ガス浄化システムでは、酸素センサ１９の検出結果に応じて燃料噴射量をフィードバック補正する、いわゆる空燃比フィードバック制御を実施することで、混合気の空燃比を理論空燃比近傍に保持し、高い排気ガス浄化率を確保している。
【００３２】
図２及び図３に示すように、酸素センサ１９は、排気通路１３内に突出するように配設された筒型の検出素子３１を備えている。検出素子３１は、その内面を大気（空気）に露呈するとともに、その外面は、穿孔されたセンサカバー３２を通して流過する排気ガスに曝される。また検出素子３１は、内外の表面に電極３３Ａ，３３Ｂが被覆された固体電解質３７を有する。すなわち検出素子３１は、固体電解質３７を一対の電極３３Ａ，３３Ｂで挟んでなる。固体電解質３７は、酸素がイオン化した状態でその内部を移動可能な固形物質であり、酸素センサ用としては例えばジルコニアが利用されている。また電極３３Ａ，３３Ｂは白金等の多孔質から形成されている。
【００３３】
検出素子３１の内側の大気室３４は、センサ内に設けられた図示しない大気通路と、センサボディに形成された大気穴３５とを通じて外部と連通され、且つ大気が導出入可能となっている。大気室３４には、検出素子３１を加熱して早期に活性化させるためのヒータ３６が設けられ、ヒータ３６はＥＣＵ２２によって通電制御される。
【００３４】
検出素子３１の内側の大気と外側の排気ガスとの酸素分圧に差が生じると、その分圧の差を縮小すべく、酸素分圧の高い側（通常は大気側）の酸素がイオン化して固体電解質３７を通り、酸素分圧の低い側（通常は排気側）へと移動する。酸素分子はイオン化する過程で４価の電子を受け取り、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。そのため、上記の酸素の移動に応じて内外の電極間で電子の移動が生じ、その結果、検出素子３１に起電力が発生する。
【００３５】
こうして酸素センサ１９は、大気と排気ガスとの酸素分圧の差に応じて起電力を発生し、より具体的には、排気ガスの酸素濃度が少なくなるほど（つまり検出素子３１外部の排気ガスの空燃比がリッチであるほど）大きな起電力を発生する。ここで酸素イオンが内側の電極３３Ａから検出素子３１を通って外側の電極３３Ｂに向かうことから、電流の向きは逆となり、両電極に接続された外部装置に対しては内側の電極３３Ａが正極、外側の電極３３Ｂが負極となる。以下、内側の電極３３Ａを大気電極、外側の電極３３Ｂを排気電極ともいう。
【００３６】
ちなみに、酸素センサには他にも、板形状の検出素子を用いたものや、検出素子にジルコニア以外の素材を用いたものなど、様々なタイプの酸素センサがある。そしてその多くは、上記例示したセンサと同様の検出原理により排気ガスの酸素分圧を検出する構成となっている。すなわち、基準ガス（大気）と排気ガスとを隔離するよう配設された検出素子が、基準ガスに対する排気ガスの酸素分圧の差に応じて起電力を発生する構成となっている。本発明はこのような様々なタイプの酸素センサに適用可能である。
【００３７】
酸素センサ１９の出力特性を図４に例示する。示されるように、酸素センサ１９の出力電圧は理論空燃比Ａ／Ｆｓ（例えば１４．６）を境にスイッチング的に変化し、酸素センサ１９に供給される排気ガス（雰囲気ガス）の空燃比Ａ／Ｆが理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリーンな領域（Ａ／Ｆ＞Ａ／Ｆｓ、以下リーン空燃比ともいう）では０．１Ｖ程度の小さい電圧を示し、理論空燃比Ａ／Ｆｓよりもリッチな領域（Ａ／Ｆ＜Ａ／Ｆｓ、以下リッチ空燃比ともいう）では０．９Ｖ程度の比較的高い電圧を示す。ここでは、０．４５Ｖのセンサ出力をリッチ・リーン判定閾値として予め定め、実際のセンサ出力電圧を当該閾値と比較して空燃比がリッチかリーンかを判断している。なお、酸素センサ１９の上記各領域でのセンサ出力電圧の大きさは、検出素子３１の温度状態に応じて変化することがある。
【００３８】
なお、理論空燃比での燃焼（ストイキ燃焼）のみを目的とした空燃比フィードバック制御を行う内燃機関では、本実施形態のように、理論空燃比を境に出力電圧がスイッチング的に変化する特性の酸素センサが用いられることが多い。こうしたセンサは、理論空燃比よりもリッチ、及び理論空燃比よりもリーンのいずれかといった低い分解能しか持たないものの、上記ストイキ燃焼のみを行うには、それで十分なことが多い。一方、希薄空燃比での燃焼を行うなど、より広範囲の空燃比での燃焼を行う内燃機関では、排気ガスの空燃比に応じてその出力値が線形的に変化する特性の、より分解能の高い酸素センサが用いられることもある。本発明はこのような酸素センサ、あるいはＡ／Ｆ（空燃比）センサに対しても適用可能である。
【００３９】
ところで、図３および図５に示すように、検出素子３１の排気電極３３Ｂの外側には、内側から外側に向かって、拡散層３８と、触媒層３９と、トラップ層４０とが順次積層されている。これら拡散層３８、触媒層３９およびトラップ層４０により、排気電極３３Ｂの外側に形成された、或いは排気電極３３Ｂとその外側のガスとの間に介設された外層部４１が形成されている。
【００４０】
拡散層３８は、ガスの拡散速度を律速するものであり、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や酸化マグネシウムＭｇＯ等の多孔質から形成されている。ガスが排気電極３３Ｂに向かって拡散層３８を透過する際、ガスに抵抗が与えられ、ガスが律速される。
【００４１】
触媒層３９は、ガス中の未燃成分（特にＨ2）を酸化させて除去し、センサの出力ズレを抑制するためのものである。触媒層３９は、アルミナ等の多孔質に、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の触媒貴金属粒子を担持させて構成されている。
【００４２】
トラップ層４０は、その内側の各層を保護すると共に、排気電極３３Ｂにガス以外の物質が到達するのを防止するためのものである。トラップ層４０はアルミナ等の多孔質から形成されている。
【００４３】
なお、ここでは拡散層３８の他に触媒層３９を別個に設けたが、触媒層３９を省略してもよい。この場合、拡散層３８に触媒貴金属粒子を担持させ、拡散層３８に触媒層３９の機能を持たせてもよい。またトラップ層４０を省略してもよい。
【００４４】
次に、酸素センサ１９の異常診断について説明する。
【００４５】
［第１実施例］
以下に述べる第１実施例においては、ＥＣＵ２２により、検出素子３１に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流電流を検出すると共に、検出素子３１に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の負の直流電流を検出する。
【００４６】
この検出方法を図示して説明する。図５には、検出素子３１に正の直流電圧と負の直流電圧とを印加可能な電源回路の構成が模式的に示されている。正の直流電圧を印加する電源を正直流電源と称し、Ｂ＋で表わす。同様に、負の直流電圧を印加する電源を負直流電源と称し、Ｂ−で表わす。これら電源は、ＥＣＵ２２内に構築されたスイッチング回路Ｓ１，Ｓ２によって切り替えおよび選択可能となっている。なお正直流電源Ｂ＋と負直流電源Ｂ−とを共用とし、スイッチングのみで両者を切り替えても良い。
【００４７】
図示例では、正直流電源Ｂ＋のみが選択され、大気電極３３Ａに正直流電源Ｂ＋の正（＋）極が接続され、排気電極３３Ｂに正直流電源Ｂ＋の負（−）極が接続されている。この状態を、「検出素子３１に正の直流電圧を印加した状態」と定義する。正の直流電圧を印加した状態では、図示されるように、排気電極３３Ｂから大気電極３３Ａに向かって酸素Ｏ2がポンピングされる。
【００４８】
他方、負直流電源Ｂ−のみが選択されると、大気電極３３Ａに負直流電源Ｂ−の負（−）極が接続され、排気電極３３Ｂに負直流電源Ｂ−の正（＋）極が接続される。この状態を、「検出素子３１に負の直流電圧を印加した状態」と定義する。負の直流電圧を印加した状態では、酸素Ｏ2のポンピングの向きは前記と逆になる。
【００４９】
検出素子３１に正の直流電圧を印加した場合（「＋直流電圧印加時」ともいう）、拡散層３８により、排気電極３３Ｂに到達する酸素量がある程度制限される。他方、検出素子３１に負の直流電圧を印加した場合（「−直流電圧印加時」ともいう）だと、大気電極３３Ａ側には拡散層３８が無いため、酸素量が制限されることがない。
【００５０】
そして＋直流電圧印加時には、拡散層３８の状態に応じて、排気電極３３Ｂに到達する酸素量が変化する。すなわち拡散層３８が正常であれば比較的多くの酸素が排気電極３３Ｂに到達できるが、拡散層３８に目詰まりが生じていると、比較的少ない酸素しか排気電極３３Ｂに到達できない。つまり、拡散層３８の目詰まり度合いが大きいほど、排気電極３３Ｂに到達する単位時間当たりの酸素量が少なくなり、＋直流電圧印加時に得られる電流値（これを「正の直流電流」という）は小さくなる。なお、拡散層３８の目詰まりの原因は、主に排気ガスに含まれる煤、鉛、マンガン、硫黄等である。
【００５１】
図６は、＋直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。図中「正常」とは拡散層３８に目詰まりが生じていない正常の場合をいい、「目詰まり大」、「目詰まり中」および「目詰まり小」とは、それぞれ、拡散層３８における目詰まりの程度が大、中および小の場合をいう。図示するように、拡散層３８における目詰まり度合いが大きいほど、一定の印加電圧に対する電流値は小さくなる傾向にある。
【００５２】
よって、検出素子３１に所定の大きさの正の直流電圧を印加し、このときに得られる電流値に基づき、酸素センサ１９の異常、特に拡散層３８の目詰まり異常を検出することが考えられる。
【００５３】
但し、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキにより、印加電圧に対する電流値もばらつく可能性がある。よって一値の印加電圧に対応した電流値のみを診断の基礎に用いる方法だと、診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。
【００５４】
一方、図６の関係によれば、拡散層３８における目詰まり度合いが大きいほど、印加電圧の増大に対する電流値の増大割合（勾配）は小さくなる傾向にある。
【００５５】
そこでこの傾向に着目し、第１実施例では、まず、図６に示す如く、検出素子３１に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流電流を検出する。そして検出された複数の正の直流電流の変化率に基づき、酸素センサ１９が正常か異常かを判定する。
【００５６】
ここで、複数の正の直流電流の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。図６に示す例では８つの値の正の直流電圧に対応した８つの値の正の直流電流が検出されている。すなわち８点のデータが取得されている。特にこの例では、正の直流電圧の増大につれ正の直流電流も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。
【００５７】
変化率は任意に定義することができる。例えば、８点全てのデータに対し最小自乗法等を適用して平均的な勾配を算出し、この勾配を変化率と定義することができる。あるいは、より単純に、８点のうち所定の２点のデータ間の勾配を算出し、この勾配を変化率と定義することができる。この場合最初から２点のみのデータを取得するようにしてもよい。いずれにしても、変化率を求めるには、少なくとも２点のデータを取得することが必要である。
【００５８】
この変化率を所定の第１閾値と比較することにより、目詰まり異常の有無を判別することが可能である。すなわち、変化率が第１閾値より小さいときは目詰まり異常あり、変化率が第１閾値以上のときは目詰まり異常なしといった具合である。
【００５９】
このように、正の直流電流の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキに起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。
【００６０】
一方、−直流電圧印加時だと、拡散層３８の状態に応じて印加電圧と電流との関係が変化することは実質的にないが、検出素子３１の状態に応じて両者の関係が変化することが判明した。
【００６１】
図７は、−直流電圧印加時における印加電圧と電流との関係を示すグラフである。印加電圧と電流の値は絶対値で表す。図中「正常」とは、検出素子３１の割れ（「素子割れ」という）が生じていない正常の場合をいい、「割れ小」および「割れ大」とは、それぞれ、検出素子３１の割れの程度が小および大の場合をいう。なお、試験においては検出素子３１に意図的に穴を開けて検出素子３１の割れを再現し、その穴の大きさを変えて割れの程度を変えている。ここではφ０．３ｍｍの穴を開けた場合を「割れ小」とし、φ２．０ｍｍの穴を開けた場合を「割れ大」としている。
【００６２】
図示するように、素子割れの程度が大きいほど、一定の印加電圧に対する電流値は大きくなる傾向にある。よって検出素子３１に所定の大きさの負の直流電圧を印加し、このときに得られる電流値に基づき、酸素センサ１９の異常、特に素子割れ異常を検出することが考えられる。
【００６３】
但し前記同様、一値の印加電圧に対応した電流値のみを診断の基礎に用いる方法では、診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。一方、図７の関係によれば、素子割れの程度が大きいほど、印加電圧（負の直流電圧の絶対値）の増大に対する電流値（負の直流電流の絶対値）の増大割合は大きくなる傾向にある。
【００６４】
そこでこの傾向に着目し、第１実施例では、図７に示す如く、検出素子３１に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の負の直流電流を検出する。そして検出された複数の負の直流電流の変化率に基づき、酸素センサ１９が正常か異常かを判定する。
【００６５】
前記同様、複数の負の直流電流の変化率も、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流電流の変化の割合ないし度合いをいう。図７に示す例でも、８つの値の負の直流電圧に対応した８つの値の負の直流電流が検出され、８点のデータが取得されている。特にこの例では、負の直流電圧の増大につれ負の直流電流も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。変化率は前記同様、任意に定義することができる。
【００６６】
この変化率を所定の第２閾値と比較することにより、素子割れ異常の有無を判別することが可能である。すなわち、変化率が第２閾値より大きいときは素子割れ異常あり、変化率が第２閾値以下のときは素子割れ異常なしといった具合である。
【００６７】
このように、負の直流電流の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキに起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。
【００６８】
ここに述べた正の直流電流変化率に基づく目詰まり異常診断、および負の直流電流変化率に基づく素子割れ異常診断は、それぞれ単独で行うことができる。例えば前者について言えば、正の直流電流変化率が第１閾値より小さいとき、酸素センサ１９を異常と判定すると共にその異常の種類として拡散層３８の目詰まりを特定し、正の直流電流変化率が第１閾値以上のとき酸素センサ１９を正常と判定する、といった具合である。しかしながら、両者を行った方が当然に、診断の精度および信頼性が高くなるため、好ましい。また両者を行った方が、酸素センサ１９の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができるため、好ましい。こうして、拡散層３８を有する酸素センサ１９に好適な異常診断装置を提供することが可能である。
【００６９】
次に、ＥＣＵ２２が実行する第１実施例に係る異常診断処理を図８を参照して説明する。
【００７０】
ステップＳ１０１では、診断を実施するのに必要な所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。前提条件が成立するには、例えば、（１）酸素センサ１９の検出素子３１が十分高温となっており、酸素センサ１９が活性化している、という基本条件が成立していることが必要である。例えばＥＣＵ２２は、酸素センサ１９の出力電圧がリッチ・リーン間で所定回数反転したことを検出したとき、酸素センサ１９が活性化したと判断する。
【００７１】
また、前提条件が成立するには、併せて、次の特定条件（２）または（３）が成立していることが必要である。
（２）エンジンの燃焼室に対する燃料供給が停止している。この燃料供給停止状態には、減速時にインジェクタ１７からの燃料噴射を停止するフューエルカット（減速フューエルカット）状態、およびハイブリッド車等において間欠的にエンジンを停止するためインジェクタ１７からの燃料噴射を停止するフューエルカット状態が含まれる。
（３）エンジンがアイドル運転状態にある。
【００７２】
詳しくは後述するが、当該異常診断処理においては、検出精度および診断精度を高めるため、上記特定条件下で且つ下記の制御変更を実施した場合のみ、診断を実行するようにしている。
【００７３】
前提条件が成立していなければ待機状態となり、前提条件が成立したならばステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、次のような制御変更が実施される。
【００７４】
まず特定条件（２）の成立時には、検出素子３１の温度が所定の基準温度よりも昇温される。すなわち、ＥＣＵ２２は通常、検出素子３１の温度が所定の基準温度（例えば５５０℃）になるよう、検出素子３１のヒータ３６をフィードバック制御している。しかし、診断時で且つ特定条件（２）の成立時には、検出素子３１の温度が基準温度より高い所定温度（例えば７００℃）になるよう、検出素子３１のヒータ３６をフィードバック制御する。
【００７５】
また、特定条件（３）の成立時には、空燃比が理論空燃比（例えば１４．６）よりもリーンな所定値（例えば１４．８〜１５．０の範囲内の値）に制御される。すなわち、ＥＣＵ２２は通常、酸素センサ１９により検出された空燃比が理論空燃比になるよう燃料噴射量をフィードバック制御している。しかし、診断時で且つ特定条件（３）の成立時には、空燃比が理論空燃比よりもリーン（特に弱リーン）な所定値になるよう燃料噴射量を制御する。この強制リーン制御に際しては、エアフローメータ１６により検出された吸入空気量に基づき燃料噴射量がフィードフォワード制御される。そうする理由は、本実施形態のようなＺ特性（図４）を持つ酸素センサ１９の場合、理論空燃比以外の空燃比にフィードバック制御することが困難であること、およびそもそも酸素センサ１９の診断時にその出力値を使って空燃比制御を行うのが好ましくないからである。
【００７６】
なお、触媒１８の下流側に設けた酸素センサ１９に対し本発明を適用することも可能である。そして触媒１８の上流側に酸素センサ（リニア空燃比センサ等）を追加して設け、この上流側酸素センサの出力に基づいて空燃比をフィードバック制御することが可能である。この場合、強制リーン制御に際して、上流側酸素センサの出力に基づいて空燃比（具体的には燃料噴射量）をフィードバック制御することが可能である。
【００７７】
次に、ステップＳ１０３において、所定時間内における酸素センサ１９の出力電圧の使用を禁止するための禁止フラグがセットされる。このような禁止を行う理由は、酸素センサ１９の検出素子３１に後述の如く正負の直流電圧を印加すると、排気ガスの酸素濃度とは無関係にセンサ出力がリッチまたはリーンに変化するからである。
【００７８】
具体的には、後述する正負の直流電圧の印加中、および印加終了から所定時間が経過するまでは、本診断以外の目的で酸素センサ１９の出力電圧を使用することが禁止される。
【００７９】
この結果、特定条件（２）の成立時には、燃料供給停止中に酸素センサ１９の出力電圧を使用して行う他の診断（例えば酸素センサ１９の応答性診断）が禁止される。また、特定条件（３）の成立時には、アイドル運転中に酸素センサ１９の出力電圧を使用して行う他の制御および処理（例えば空燃比フィードバック制御および補正値学習処理）が禁止される。
【００８０】
これにより、酸素センサ１９の出力電圧の使用による他の制御への悪影響（例えばセンサ出力を使用した診断における誤判定、制御値および学習値のズレならびにこれに伴うエミッション悪化）を未然に防止することができる。
【００８１】
次に、ステップＳ１０４において、検出素子３１に所定の正の直流電圧が印加され、このときに検出素子３１を流れる電流すなわち正の直流電流（＋直流電流）Ｉｐnが検出、記憶される。本実施例では、正の直流電圧を印加して正の直流電流Ｉｐを検出するという操作を、電圧値を変えながらＡ回行う。Ａは２以上の整数で、本実施例では例えば８とされる。電圧値の変え方は任意であるが、本実施例では徐々に増大させるようにしている。初回（ｎ＝１）の検出時には、予め定められた最小の正の直流電圧が印加される。
【００８２】
次に、ステップＳ１０５において、検出素子３１に所定の負の直流電圧が印加され、このときに検出素子３１を流れる電流すなわち負の直流電流（−直流電流）Ｉｍn（但し絶対値）が検出、記憶される。前記同様、本実施例では、負の直流電圧を印加して負の直流電流Ｉｍを検出するという操作を、電圧値を変えながらＡ回行う。Ａは２以上の整数で、本実施例では例えば８とされる。電圧値の変え方は任意であるが、本実施例では、負の直流電圧の絶対値を徐々に増大させるようにしている。初回（ｎ＝１）の検出時には、予め定められた最小の絶対値を有する負の直流電圧が印加される。
【００８３】
ステップＳ１０６では、Ａ回の検出を終えたか否か、すなわちｎ≧Ａが成立しているか否かが判断される。
成立していない場合、ステップＳ１０７に進んで、ｎの値が１だけ増加されると共に、正負の直流電圧の電圧値が予め定められた次の値に変更され、ステップＳ１０１に戻る。こうして正の直流電流Ｉｐnと負の直流電流Ｉｍnとが次々と、ｎ＝８になるまで検出されていく。
【００８４】
他方、成立した場合、ステップＳ１０８に進んで、検出されたＡ個の正の直流電流Ｉｐのデータに基づき、正の直流電流変化率（＋直流電流変化率）ＬＩｐが算出される。本実施例において、この算出は次のように行われる。まずＡ個のデータの中から、予め定められた中間程度の電圧値（例えば３００ｍＶ）に対応する電流値Ｉｐ１と、最大の電圧値（例えば５００ｍＶ）に対応する電流値Ｉｐ２とが抽出される。そして前者と後者の電流値の比Ｉｐ２／Ｉｐ１が正の直流電流変化率ＬＩｐとして算出される。
【００８５】
このように、所定の二つの正の直流電圧に対応した二つの正の直流電流が検出され、そのうち大きい方の正の直流電圧に対応した正の直流電流を、小さい方の正の直流電圧に対応した正の直流電流で除して、正の直流電流変化率が算出される。
【００８６】
もっとも前述したように、この正の直流電流変化率ＬＩｐの算出方法は任意であり、Ａ個のデータの中からより多くのデータ、あるいは全てのデータを使って正の直流電流変化率ＬＩｐを算出してもよい。
【００８７】
次に、ステップＳ１０９に進んで、検出されたＡ個の負の直流電流Ｉｍのデータに基づき、負の直流電流変化率（−直流電流変化率）ＬＩｍが算出される。この場合も同様に、Ａ個のデータの中から予め定められた中間程度の電圧値（絶対値、例えば３００ｍＶ）に対応する電流値Ｉｍ１と、最大の電圧値（絶対値、例えば５００ｍＶ）に対応する電流値Ｉｍ２とが抽出される。そして前者と後者の電流値の比Ｉｍ２／Ｉｍ１が負の直流電流変化率ＬＩｍとして算出される。
【００８８】
このように、所定の二つの負の直流電圧に対応した二つの負の直流電流が検出され、そのうち絶対値の大きい方の負の直流電圧に対応した負の直流電流を、絶対値の小さい方の負の直流電圧に対応した負の直流電流で除して、負の直流電流変化率が算出される。
【００８９】
次に、ステップＳ１１０において、正の直流電流変化率ＬＩｐが所定の第１閾値α１と比較される。ＬＩｐ＜α１の場合、ステップＳ１１１に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として拡散層３８の目詰まりが特定される。
【００９０】
他方、ＬＩｐ≧α１の場合、ステップＳ１１２に進んで、負の直流電流変化率ＬＩｍが所定の第２閾値α２と比較される。ＬＩｍ＞α２の場合、ステップＳ１１３に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として検出素子３１の割れが特定される。
【００９１】
他方、ＬＩｍ≦α２の場合、ステップＳ１１４に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【００９２】
ここで、ステップＳ１０１，Ｓ１０２に関し、診断を特定条件（２）または（３）の成立時に限って行う理由、およびこれら特定条件（２）および（３）にそれぞれ対応した制御変更を行う理由を説明する。
【００９３】
図１３は、正の直流電圧印加時における印加電圧と電流の関係を示すイメージ図である。線（特性線）ａは、酸素センサが正常、検出素子温度が基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが大気の場合（燃料供給停止状態に相当）を示す。この場合、電流は印加電圧に対し単純な比例関係にあり、印加電圧の増大につれ電流も比例的に増大する。
【００９４】
一方、線ｂは、酸素センサが目詰まり異常を起こしているが、検出素子温度は基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが大気の場合を示す。この場合、所謂限界電流特性が表れ、印加電圧の増大につれ電流は最初は比例的に増大するが、ある印加電圧値Ｖ１から増大傾向が弱まり、最終的にほぼ一定となる傾向にある。このような限界電流特性が表れる理由は、拡散層の目詰まりによりガスの拡散速度が上限に達し、電流制限が発生するからである。
【００９５】
ところで、限界電流特性が表れる（すなわち電流値の比例的増大が止まる）印加電圧値Ｖ１は、比較的高く、本実施形態で採用する印加電圧レベルＶｓよりも格段に高い。従って、本実施形態において当該印加電圧レベルＶｓ内で印加電圧を変えても、正常時と目詰まり時とで、電流の変化率に違いは生じない。
【００９６】
しかし、検出素子温度を基準温度よりも昇温すると、線ａは線ｃに変化し、線ｂは線ｄに変化する。すると限界電流特性が表れる印加電圧値が、印加電圧レベルＶｓより高い値Ｖ１から、印加電圧レベルＶｓ内の値Ｖ２に変わる。従って本実施形態で採用する印加電圧レベルＶｓ内で印加電圧を変えることにより、正常時と目詰まり時とで電流の変化率に明確な違いが生じるようになり、検出精度および診断精度を高めることができるようになる。
【００９７】
このことは、仮に印加電圧レベルＶｓが図示レベルより高電圧側に拡張された場合、もしくは低電圧側に拡張された場合でも、同様に言えることである。つまり、印加電圧レベルＶｓの幅および大小に拘わらず、検出素子温度を昇温することで、検出精度および診断精度を向上することが可能である。
【００９８】
かかる点を考慮し、正の直流電流変化率ＬＩｐの算出に際しては、少なくとも、限界電流特性が表れる印加電圧値よりも大きい印加電圧と、それより小さい印加電圧とにそれぞれ対応した電流値データを用いるのが好ましい。こうすることで、正常時と目詰まり時とで正の直流電流変化率ＬＩｐに明確な違いを出せるようになるからである。
【００９９】
所定の二つの正の直流電圧に対応した二つの正の直流電流に基づき正の直流電流変化率を算出する場合、大きい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも大きい値とし、小さい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも小さい値とするのが好ましい。
【０１００】
なお、上記の説明は正の直流電圧印加時における目詰まり検出に関するものであったが、負の直流電圧印加時における素子割れ検出についても、上記の説明と同様の理由で検出精度および診断精度の向上が可能である。すなわち、負の直流電圧印加時においても、検出素子温度が基準温度のときには限界電流特性が発生し難いが、検出素子温度が基準温度より昇温されたときには限界電流特性が発生し易くなり、検出精度および診断精度の向上が可能である。
【０１０１】
所定の二つの負の直流電圧に対応した二つの負の直流電流に基づき負の直流電流変化率を算出する場合、絶対値の大きい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の大きい値とし、絶対値の小さい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の小さい値とするのが好ましい。
【０１０２】
他方、検出を特定条件（２）の成立時に限って行うこと、および当該成立時に検出素子温度を昇温することの有利性は、次の理由にもよる。
【０１０３】
上記の如く正または負の直流電圧を酸素センサに強制的に印加すると、酸素センサからは雰囲気ガスの酸素濃度および空燃比に無関係な出力が出るので、酸素センサの出力を制御に使用しない燃料供給停止時に診断を行うのが好ましい。しかし、燃料供給停止時には、雰囲気ガスに多くの酸素が存在するため、拡散層による電流制限が発生し難く、目詰まりや素子割れに起因した電気的特性の変化が判別し難い。ところが、検出素子温度を昇温すると、酸素センサの電気抵抗が少なくなり、正または負の直流電圧印加時により多くの電流が流れるようになる。よって上述したような拡散層による電流制限が発生し易くなる。よって、目詰まりや素子割れによる電気的特性の変化を検出し易くなり、これを以て検出精度および診断精度の向上が図れる。
【０１０４】
また、検出素子温度を昇温すると、より小さい印加電圧で電流制限が発生する。印加電圧を段階的に増大しその都度電流を検出する方法の場合、より小さい印加電圧から異常センサと正常センサとの電流値の違いが現れる。この違いが現れる印加電圧まで印加電圧を増大するとした場合、検出素子温度を昇温した方が、しない場合よりも、検出データ数は少なくて済む。よって検出時間を短縮することが可能である。
【０１０５】
次に、図１３において、線ｅは、酸素センサが目詰まり異常を起こしており、検出素子温度は基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが空燃比１５．０（すなわち弱リーン）の場合を示す。一方上記と異なり、線ａは、酸素センサが正常で、検出素子温度は基準温度、且つ酸素センサの雰囲気ガスが空燃比１５．０の場合を示す。
【０１０６】
正常な酸素センサの場合、雰囲気ガスが弱リーンでも限界電流が発生しないので、線ａのような特性となる。一方、線ｅに示す目詰まり異常センサの場合、印加電圧を増大しても、ある印加電圧値Ｖ３から電流が増大しなくなる。すなわち限界電流特性が表れる。
【０１０７】
弱リーンにすると、限界電流特性が表れる印加電圧値が印加電圧レベルＶｓ付近の値Ｖ３となる。よって検出素子温度を昇温しなくても、弱リーンにすることで、印加電圧レベルＶｓ付近において正常センサと目詰まりセンサとの間の電流変化率の違いを明確に出せるようになり、検出精度および診断精度を高めることができる。
【０１０８】
他方、検出を特定条件（３）の成立時に限って行うこと、および当該成立時に空燃比をリーン化することの有利性は、次の理由にもよる。
【０１０９】
上記の如く正または負の直流電圧を酸素センサに印加すると、酸素センサからは雰囲気ガスの酸素濃度および空燃比に無関係な出力が出るので、酸素センサの出力を制御に使用しない燃料供給停止時に診断を行うのが好ましい。しかし、燃料供給停止時には、雰囲気ガスに多くの酸素が存在するため、拡散層による電流制限が発生し難く、目詰まりや素子割れに起因した電気的特性の変化が判別し難い。そのため、エンジン制御への影響が比較的少ないアイドル運転状態のときに検出を行うのが好ましい。また、空燃比を強制的に弱リーン化することで、検出素子温度を昇温せずに、電流制限が発生し易い状況を作り出すことができる。よって、目詰まりや素子割れによる電気的特性の変化を検出し易くなり、これを以て検出精度および診断精度の向上が図れる。
【０１１０】
［第２実施例］
次に、第２実施例について説明する。この第２実施例は第１実施例と比べ、電流値でなく抵抗値を用いる点が主な相違点である。すなわち、ＥＣＵ２２により、検出素子３１に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流抵抗を検出すると共に、検出素子３１に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の負の直流抵抗を検出する。
【０１１１】
＋直流電圧印加時、拡散層３８の目詰まり度合いが大きいほど、排気電極３３Ｂに到達する単位時間当たりの酸素量が少なくなり、正の直流電流値は小さくなり、得られる抵抗（これを正の直流抵抗という）の値は大きくなる。
【０１１２】
図９は、＋直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。図中の「正常」、「目詰まり大」、「目詰まり中」および「目詰まり小」は図６と同様である。図示するように、拡散層３８における目詰まり度合いが大きいほど、一定の印加電圧に対する抵抗値は大きくなる傾向にある。
【０１１３】
よって一値の印加電圧に対応した抵抗値のみに基づき診断を行うことも可能である。但しこの方法だと、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキに起因する診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。
【０１１４】
一方、図９の関係によれば、拡散層３８における目詰まり度合いが大きいほど、印加電圧の増大に対する抵抗値の増大割合（勾配）は大きくなる傾向にある。
【０１１５】
そこでこの傾向に着目し、第２実施例では、まず、図９に示す如く、検出素子３１に大きさの異なる複数の正の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の正の直流抵抗を検出する。そして検出された複数の正の直流抵抗の変化率に基づき、酸素センサ１９が正常か異常かを判定する。
【０１１６】
複数の正の直流抵抗の変化率とは、複数の正の直流電圧の変化に対する複数の正の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。図９に示す例では８点のデータが取得されている。特にこの例では、正の直流電圧の増大につれ正の直流抵抗も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。変化率を任意に定義することができる点は第１実施例と同様である。
【０１１７】
この変化率を所定の第３閾値と比較することにより、目詰まり異常の有無が判別可能である。変化率が第３閾値より大きいときは目詰まり異常あり、変化率が第３閾値以下のときは目詰まり異常なしといった具合である。
【０１１８】
このように、正の直流抵抗の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキに起因した抵抗値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。
【０１１９】
一方、−直流電圧印加時だと、拡散層３８の状態に応じて印加電圧と抵抗との関係が変化することは実質的にないが、検出素子３１の状態に応じて両者の関係が変化することが判明した。
【０１２０】
図１０は、−直流電圧印加時における印加電圧と抵抗との関係を示すグラフである。印加電圧は絶対値で表す。図中の「正常」、「割れ小」および「割れ大」は図７と同様である。図示するように、素子割れの程度が大きいほど、一定の印加電圧に対する抵抗値は小さくなる傾向にある。
【０１２１】
よって一値の印加電圧に対応した抵抗値のみに基づき診断を行うことも可能である。但しこの方法だと、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキに起因する診断誤差が大きくなり、正常と異常の判別が困難となる可能性がある。
【０１２２】
一方、図１０の関係によれば、素子割れの程度が大きいほど、印加電圧の増大（負の直流電圧の絶対値の増大）に対する抵抗値の増大割合（勾配）は小さくなる傾向にある。
【０１２３】
そこでこの傾向に着目し、第２実施例では、図１０に示す如く、検出素子３１に大きさの異なる複数の負の直流電圧を印加してその各々に対応する複数の抵抗（これを負の直流抵抗という）を検出する。そして検出された複数の負の直流抵抗の変化率に基づき、酸素センサ１９が正常か異常かを判定する。
【０１２４】
ここでいう複数の負の直流抵抗の変化率も、複数の負の直流電圧の変化に対する複数の負の直流抵抗の変化の割合ないし度合いをいう。図１０に示す例では８点のデータが取得されている。特にこの例では、負の直流電圧の増大につれ負の直流抵抗も増大する傾向にあるから、変化率を増大率と言い換えることもできる。変化率を任意に定義することができる点は第１実施例と同様である。
【０１２５】
この変化率を所定の第４閾値と比較することにより、素子割れ異常の有無を判別することが可能である。すなわち、変化率が第４閾値より小さいときは素子割れ異常あり、変化率が第４閾値以上のときは素子割れ異常なしといった具合である。
【０１２６】
図１１には、図１０のデータに基づいた−直流電圧印加時における印加電圧と抵抗変化率との関係を示す。ここで抵抗変化率は、印加電圧が３００ｍＶ（またはその近傍）のときの抵抗値を基準値とし、印加電圧が３００ｍＶより大きいときの各抵抗値が基準値に対し何％増大したかを縦軸で表している。つまり基準値をＲ０、印加電圧が３００ｍＶより大きいときの各抵抗値をＲｘとすると、縦軸の値は（Ｒｘ／Ｒ０）×１００−１００（％）で表される。図から、素子割れの程度が大きくなるほど抵抗変化率が小さくなることが分かる。
【０１２７】
このように、負の直流抵抗の変化率を診断の基礎に用いるので、検出素子３１自体や制御素子温等のバラツキに起因した電流値バラツキの影響を低減し、診断誤差の低減および診断精度の向上が可能となる。
【０１２８】
ここに述べた正の直流抵抗変化率に基づく目詰まり異常診断、および負の直流抵抗変化率に基づく素子割れ異常診断は、それぞれ単独で行うことができる。しかしながら、両者を行った方が当然に、診断の精度および信頼性が高くなるため、好ましい。また両者を行った方が、酸素センサ１９の正常・異常を判別できるのみならず、異常の場合にその異常の種類ないし箇所も特定することができるため、好ましい。こうして、拡散層３８を有する酸素センサ１９に好適な異常診断装置を提供することが可能である。
【０１２９】
次に、ＥＣＵ２２が実行する第２実施例に係る異常診断処理を図１２を参照して説明する。
【０１３０】
ステップＳ２０１〜Ｓ２０３は前記ステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同様である。ステップＳ２０４においては、検出素子３１に所定の正の直流電圧が印加され、このときの検出素子３１の抵抗すなわち正の直流抵抗（＋直流抵抗）Ｒｐnが検出、記憶される。本実施例でも、第１実施例と同様、正の直流電圧を印加して正の直流抵抗Ｒｐを検出するという操作を、電圧値を変えながらＡ回行う。
【０１３１】
次に、ステップＳ２０５において、検出素子３１に所定の負の直流電圧が印加され、このときの検出素子３１の抵抗すなわち負の直流抵抗（−直流抵抗）Ｒｍnが検出、記憶される。前記同様、負の直流電圧を印加して負の直流抵抗Ｒｍを検出するという操作を、電圧値を変えながらＡ回行う。
【０１３２】
ステップＳ２０６では、Ａ回の検出を終えたか否か、すなわちｎ≧Ａが成立しているか否かが判断される。成立していない場合、ステップＳ２０７に進んで、ｎの値が１だけ増加されると共に、正負の直流電圧の電圧値が予め定められた次の値に変更され、ステップＳ２０１に戻る。
【０１３３】
他方、成立した場合、ステップＳ２０８に進んで、検出されたＡ個の正の直流抵抗Ｒｐのデータに基づき、正の直流抵抗変化率（＋直流抵抗変化率）ＬＲｐが算出される。Ａ個のデータの中から、予め定められた中間程度の電圧値（例えば３００ｍＶ）に対応する抵抗値Ｒｐ１と、最大の電圧値（例えば５００ｍＶ）に対応する抵抗値Ｒｐ２とが抽出される。そして前者と後者の抵抗値の比Ｒｐ２／Ｒｐ１が正の直流抵抗変化率ＬＲｐとして算出される。但し、他の算出方法も可能である。
【０１３４】
ここでも、所定の二つの正の直流電圧に対応した二つの正の直流抵抗が検出され、そのうち大きい方の正の直流電圧に対応した正の直流抵抗を、小さい方の正の直流電圧に対応した正の直流抵抗で除して、正の直流抵抗変化率が算出される。前記同様、大きい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも大きい値とし、小さい方の正の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも小さい値とするのが好ましい。
【０１３５】
次に、ステップＳ２０９に進んで、検出されたＡ個の負の直流抵抗Ｒｍのデータに基づき、負の直流抵抗変化率（−直流抵抗変化率）ＬＲｍが算出される。この場合も同様に、Ａ個のデータの中から予め定められた中間程度の電圧値（絶対値、例えば３００ｍＶ）に対応する抵抗値Ｒｍ１と、最大の電圧値（絶対値、例えば５００ｍＶ）に対応する抵抗値Ｒｍ２とが抽出される。そして前者と後者の抵抗値の比Ｒｍ２／Ｒｍ１が負の直流抵抗変化率ＬＲｍとして算出される。但し、他の算出方法も可能である。
【０１３６】
ここでも、所定の二つの負の直流電圧に対応した二つの負の直流抵抗が検出され、そのうち絶対値の大きい方の負の直流電圧に対応した負の直流抵抗を、絶対値の小さい方の負の直流電圧に対応した負の直流抵抗で除して、負の直流抵抗変化率が算出される。前記同様、絶対値の大きい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の大きい値とし、絶対値の小さい方の負の直流電圧を、限界電流特性が表れる印加電圧よりも絶対値の小さい値とするのが好ましい。
【０１３７】
次に、ステップＳ２１０において、正の直流抵抗変化率ＬＲｐが所定の第３閾値α３（例えば１．５）と比較される。ＬＲｐ＞α３の場合、ステップＳ２１１に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として拡散層３８の目詰まりが特定される。
【０１３８】
他方、ＬＲｐ≦α３の場合、ステップＳ２１２に進んで、負の直流抵抗変化率ＬＲｍが所定の第４閾値α４（例えば１．５）と比較される。ＬＲｍ＜α４の場合、ステップＳ２１３に進んで、酸素センサ１９は異常と判定され、且つその異常の種類として検出素子３１の割れが特定される。
【０１３９】
他方、ＬＲｍ≧α４の場合、ステップＳ２１４に進んで、酸素センサ１９は正常と判定される。
【０１４０】
以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば内燃機関は自動車用以外であってもよく、その用途や形式に特に制限はない。酸素センサも内燃機関以外への適用が可能である。前記実施形態における各数値は任意に変更が可能である。酸素センサは前述の如きコップ型または筒型に限らず、例えば板型のものであってもよい。
【０１４１】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
１９  酸素センサ
２２  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３１  検出素子
３３Ａ，３３Ｂ  電極
３７  固体電解質
３８  拡散層
４１  外層部
【図１】
2012068150.tif 000003
【図３】
2012068150.tif 000004
【図４】
2012068150.tif 000005
【図６】
2012068150.tif 000006
【図７】
2012068150.tif 000007
【図８】
2012068150.tif 000008
【図９】
2012068150.tif 000009
【図１０】
2012068150.tif 000010
【図１１】
2012068150.tif 000011
【図１２】
2012068150.tif 000012
【図１３】
2012068150.tif 000013
【図２】
2012068150.tif 000014
【図５】
2012068150.tif 000015