JP2000121600A - 酸素濃度検出システムの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒータ付きの積層型酸素濃度センサを用いた
システムにおいて、ヒータ供給電力を検出しなくても、
酸素濃度センサの異常診断を可能にする。 【解決手段】 異常診断実施タイミング毎に前回の素子
抵抗値Ｚａｃ(i-1)と今回の素子抵抗値Ｚａｃ(i) との
差から素子抵抗値変化量ΔＺａｃを求め（ステップ１１
１，１１２）、素子抵抗値Ｚａｃ(i-1) に応じた素子抵
抗値変化量ΔＺａｃの正常範囲をマップ等により算出す
る（ステップ１１３）。その後、素子抵抗値変化量ΔＺ
ａｃが正常範囲であるか否かを判定し（ステップ１１
４）、正常範囲内であれば、酸素濃度センサが正常と判
断して、異常発生フラグＸＦＡＩＬを「０」に維持し
（ステップ１１５）、素子抵抗値変化量ΔＺａｃが正常
範囲外であれば、酸素濃度センサに異常が発生している
と判断して、異常発生フラグＸＦＡＩＬを「１」にセッ
トする（ステップ１１６）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素濃度センサの
異常の有無を診断する酸素濃度検出システムの異常診断
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、酸素濃度センサは、その出力電
圧の温度依存性が大きいため、酸素濃度の検出精度を良
好に維持するには素子温度を適温（活性温度）に保つ必
要がある。そのため、酸素濃度センサにヒータを付設
し、このヒータの発熱により素子温度を活性温度に保つ
ようにヒータヘの通電を制御するようにしたものがあ
る。この場合、センサ素子の温度に応じてセンサ素子の
抵抗値が変化することに着目し、素子温度の代用情報と
して素子抵抗値を検出し、この素子抵抗値を目標抵抗値
に一致させるようにヒータヘの通電を制御することで、
素子温度を活性温度に保つように制御するようにしたも
のがある。

【０００３】このような酸素濃度検出システムでは、例
えば、特開平８−２７１４７５号公報に示すように、ヒ
ータの印加電圧と電流を検出し、検出した電圧と電流と
を乗算してヒータヘの供給電力（以下「ヒータ電力」と
いう）を算出し、このヒータ電力に基づいて酸素濃度セ
ンサの異常診断を実施するようにしたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、酸素濃度セ
ンサには、いわゆる「コップ型」と「積層型」とがあ
る。コップ型の酸素濃度センサは、構造上、ヒータとセ
ンサ素子との間に隙間が存在するため、ヒータ温度に対
する素子温度の追従性が悪く、センサ素子を活性温度ま
で昇温させる過程で、ヒータ温度と素子温度との温度差
が大きくなる。このため、センサ素子の昇温過程で、ヒ
ータの過昇温を防止するために、ヒータ電力を目標電力
に制御するヒータ電力制御を実施して、ヒータ温度を許
容温度内に維持しながら、素子温度を活性温度付近まで
上昇させてから、素子抵抗値に基づくフィードバック制
御に移行する必要がある。従って、コップ型の酸素濃度
センサを用いたシステムでは、ヒータ電力制御を実施す
るためのヒータ印加電圧検出回路・電流検出回路が必要
となり、その分、回路構成が複雑化する欠点がある。

【０００５】これに対して、積層型の酸素濃度センサ
は、ヒータがセンサ素子に積層されて両者が密着してい
るため、ヒータ温度に対する素子温度の追従性が良く、
センサ素子の昇温過程でもヒータ温度と素子温度との温
度差が小さい。このため、センサ素子の昇温過程でも素
子温度（素子抵抗値）でヒータ温度を監視できるため、
センサ素子の昇温過程でも素子抵抗値に基づいて素子温
度を目標温度にフィードバック制御すれば、ヒータの過
昇温を防止でき、上述したヒータ電力制御は不要とな
る。従って、積層型の酸素濃度センサを用いたシステム
では、ヒータ印加電圧検出回路・電流検出回路が不要
で、回路構成を簡単化できる利点がある。

【０００６】しかし、ヒータ印加電圧検出回路・電流検
出回路が無くなると、ヒータ電力を検出できないため、
上記公報のようなヒータ電力に基づく異常診断ができな
くなってしまう。このため、例えば、センサ素子の配線
の断線等により素子抵抗値が無限大（素子温度が低い）
と誤判定されるような異常が発生しても、異常とは検出
されずにヒータに大きな電力が供給され続けて過熱状態
となってしまい、ヒータの焼損やセンサ素子の焼損に至
ってしまう。

【０００７】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、積層型の酸素濃度セ
ンサを用いた酸素濃度検出システムにおいて、ヒータ印
加電圧検出回路・電流検出回路を省いた低コストの回路
構成で酸素濃度センサの異常診断を行うことができる酸
素濃度検出システムの異常診断装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１は、積層型の酸素濃度センサを用
いた酸素濃度検出システムにおいて、センサ素子の素子
抵抗値を素子抵抗値検出手段により検出し、その素子抵
抗値に基づいてヒータへの通電をヒータ制御手段で制御
すると共に、素子抵抗値の変化に基づいて酸素濃度セン
サの異常の有無を異常診断手段により診断する。つま
り、本発明は、センサ素子やヒータの断線、短絡等の異
常が発生すると、素子抵抗値の変化がヒータの通電状況
から予想される素子温度の変化とは異なる異常な挙動を
示すことに着目し、素子抵抗値の変化に基づいて酸素濃
度センサの異常診断を行うものである。これにより、ヒ
ータ電力を検出しなくても、酸素濃度センサの異常診断
を行うことが可能となり、ヒータ印加電圧検出回路・電
流検出回路を省いた低コストの回路構成で酸素濃度セン
サの異常診断を行うことができる。しかも、積層型の酸
素濃度センサを用いたシステムでは、前述したように、
センサ素子の昇温過程でも、ヒータとセンサ素子の温度
差が小さいため、ヒータ電力制御を行わなくても、素子
抵抗値（素子温度）に基づいてヒータへの通電を制御す
ることで、ヒータの過昇温を防止しながら、センサ素子
を活性温度まで速やかに昇温させることができる。

【０００９】この場合、図２に示すように、素子温度に
対する素子抵抗値の変化量は、素子温度に応じて変化す
るため、酸素濃度センサが正常な時のヒータ制御で生じ
る素子抵抗値の変化量の正常範囲は、素子温度（素子抵
抗値）に応じて変化する。

【００１０】このような素子抵抗値の温度特性に着目し
て、請求項２のように、素子抵抗値検出手段で検出した
素子抵抗値と該素子抵抗値の変化量に基づいて酸素濃度
センサの異常の有無を診断するようにしても良い。つま
り、素子抵抗値の温度特性を考慮して、予め素子抵抗値
の変化量の正常範囲を素子抵抗値（素子温度）に応じて
設定しておき、ヒータ制御する際に、その時点の素子抵
抗値の変化量がその時点の素子抵抗値における変化量の
正常範囲内であるか否かにより異常の有無を診断する。
このようにすれば、正常な素子抵抗値の変化量が素子抵
抗値に応じて変化するのに対応した適正な診断基準で異
常診断を実施することができ、異常診断精度を向上する
ことができる。

【００１１】また、酸素濃度センサが正常であれば、ヒ
ータに比較的大きな電力で通電し続けると、素子温度が
上昇して素子抵抗値が低下する。従って、ヒータに比較
的大きな電力で通電し続けても、素子抵抗値が正常に低
下しない場合には、例えばヒータの断線、接続不良等に
よるヒータの発熱不良や、素子抵抗値検出系の異常が考
えられる。

【００１２】そこで、請求項３のように、ヒータへの通
電が所定値以上である状態が所定時間継続した時の素子
抵抗値を、その時点の素子抵抗値の正常範囲を考慮して
予め設定した判定値と比較して酸素濃度センサの異常の
有無を診断するようにしても良い。つまり、ヒータへの
通電が所定値以上である状態が所定時間継続しても、素
子抵抗値が判定値以下に低下しないときには、例えばヒ
ータの発熱不良や素子抵抗値検出系の異常が考えられる
ため、酸素濃度センサの異常有りと診断する。このよう
にすれば、前記請求項１と同じく、ヒータ印加電圧検出
回路・電流検出回路を省いた低コストの回路構成で酸素
濃度センサの異常診断を行うことができる。

【００１３】一般に、ヒータへの通電開始時は、素子温
度が低いため、素子温度を活性温度まで上昇させるため
に、比較的大きな電力で通電される。従って、酸素濃度
センサが正常であれば、ヒータへの通電開始から時間が
経過するに従って、素子温度が上昇して素子抵抗値が低
下する。

【００１４】この点に着目し、請求項４のように、ヒー
タへの通電開始から所定時間継続した時の素子抵抗値
を、その時点の素子抵抗値の正常範囲を考慮して予め設
定した判定値と比較して酸素濃度センサの異常の有無を
診断するようにしても良い。つまり、ヒータへの通電開
始から所定時間継続した時の素子抵抗値が判定値以下に
低下しない時には、例えばヒータの発熱不良や素子抵抗
値検出系の異常が考えられるため、酸素濃度センサの異
常有りと診断する。このようにすれば、前記請求項１と
同じく、ヒータ印加電圧検出回路・電流検出回路を省い
た低コストの回路構成で酸素濃度センサの異常診断を行
うことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】《実施形態（１）》以下、本発明
を空燃比制御システムに適用した実施形態（１）を図１
乃至図７に基づいて説明する。エンジンの排気管（図示
せず）には、積層型の酸素濃度センサ１１が設置されて
いる。この酸素濃度センサ１１は、限界電流式の酸素濃
度センサ（空燃比センサとも呼ばれている）であり、排
出ガス中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例する限界電流
を発生する。この酸素濃度センサ１１のセンサ素子１２
は、活性温度が高く（約６００〜７００℃以上）、しか
も、活性温度範囲が狭いため、排出ガスの熱のみでは、
活性温度範囲を維持することが困難である。そこで、こ
の酸素濃度センサ１１には、ヒータ１３を内蔵し、この
ヒータ１３の発熱によりセンサ素子１２の温度（素子温
度）を活性温度範囲に維持するようにヒータ１３への通
電を制御する。ここで使用する積層型の酸素濃度センサ
１１は、ヒータ１３とセンサ素子１２との間の伝熱性を
良くするために、ヒータ１３をセンサ素子１２に密着さ
せるように積層したものである。

【００１６】この酸素濃度センサ１１のヒータ１３は、
一端がバッテリ電源（＋Ｂ）に接続され、他端がスイッ
チング素子、例えばＭＯＳＦＥＴ１４のドレインに接続
されている。このＭＯＳＦＥＴ１４は、ソースがグラン
ド側に接続され、ゲートがマイクロコンピュータ（以下
「マイコン」と略記する）１５の出力ポートに接続され
ている。このマイコン１５でＭＯＳＦＥＴ１４のオン／
オフを制御することによってヒータ１３の通電率（ヒー
タデューティ）が制御される。

【００１７】次に、センサ素子１２の印加電圧を制御す
るセンサ駆動回路の構成を説明する。電源電圧Ｖｃを３
個の抵抗Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４で分圧することで、第１電圧
Ｖ１と第２電圧Ｖ２を発生し、これら各電圧Ｖ１，Ｖ２
をそれぞれオペアンプ１６，１７の非反転入力端子
（＋）に入力する。第１電圧Ｖ１が入力されるオペアン
プ１６の出力端子は、センサ素子１２のプラス側端子Ａ
Ｆ＋に接続されている。このオペアンプ１６は、反転入
力端子（−）と出力端子とが接続され、ボルテージホロ
ワとして動作する。これにより、オペアンプ１６の非反
転入力端子（＋）に入力される第１電圧Ｖ１がオペアン
プ１６の出力電圧と等しくなり、この第１電圧Ｖ１がセ
ンサ素子１２のプラス側端子ＡＦ＋に印加される。

【００１８】一方、第２電圧Ｖ２が入力されるオペアン
プ１７の出力端子は、抵抗Ｒ５を介して２つの抵抗Ｒ６
とＲ７の中間接続点に接続され、この中間接続点に生じ
る電圧Ｖ３がオペアンプ１８の非反転入力端子（＋）に
入力される。一方の抵抗Ｒ６はＰＮＰ型のトランジスタ
Ｔｒ１を介して電源電圧Ｖｃ側に接続され、他方の抵抗
Ｒ７はＮＰＮ型のトランジスタＴｒ２を介してグランド
側に接続されている。各トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の
ベースは、それぞれ抵抗Ｒ８，Ｒ９を介してマイコン１
５の出力ポートに接続され、このマイコン１５によって
トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のオン／オフが切り換えら
れる。

【００１９】また、オペアンプ１８の非反転入力端子
（＋）とグランドとの間には、ノイズ除去、サージ吸収
用のコンデンサＣ１が接続されている。このオペアンプ
１８の出力端子は、抵抗Ｒ１を介してセンサ素子１２の
マイナス側端子ＡＦ−に接続され、該オペアンプ１８の
反転入力端子（−）もセンサ素子１２のマイナス側端子
ＡＦ−側に接続されている。これにより、センサ素子１
２のマイナス側端子ＡＦ−には、オペアンプ１８の非反
転入力端子（＋）に入力される電圧Ｖ３が印加され、該
マイナス側端子ＡＦ−側に接続された抵抗Ｒ１には、セ
ンサ素子１２を流れる素子電流Ｉｐ（排出ガス中の酸素
濃度に応じて流れる限界電流）が流れる。センサ素子１
２のマイナス側端子ＡＦ−に印加される電圧Ｖ３は、後
述するようにトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のオン／オフ
によって切り換えられる。

【００２０】通常時（酸素濃度検出時）には、２つのト
ランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にオフ状態に維持され
る。この状態では、オペアンプ１７から出力される第２
電圧Ｖ２がそのままオペアンプ１８の非反転入力端子
（＋）に入力されるため（Ｖ２＝Ｖ３）、センサ素子１
２のマイナス側端子ＡＦ−には、第２電圧Ｖ２が印加さ
れる。この時の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖａ，ＶｂがＡ／
Ｄ変換器１９を介してマイコン１５に入力される。マイ
コン１５はＡ／Ｄ変換器１９から入力された抵抗Ｒ１の
両端の電圧Ｖａ，Ｖｂから抵抗Ｒ１を流れる電流、つま
りセンサ素子１２を流れる素子電流Ｉｐを次式により求
める。 Ｉｐ＝（Ｖｂ−Ｖａ）／Ｒ１ この素子電流Ｉｐから排出ガスの酸素濃度（空燃比）を
算出する。

【００２１】また、素子抵抗値Ｚａｃを検出する場合に
は、センサ素子１２の印加電圧（本実施形態ではマイナ
ス側端子ＡＦ−の印加電圧）を図７に示すように掃引し
て、その時の電圧変化ΔＶと、その電圧変化ΔＶによっ
て生じる電流変化ΔＩとから次式により素子抵抗値Ｚａ
ｃを算出する。 Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ

【００２２】この素子抵抗値Ｚａｃの算出方法を詳しく
説明すると、まず、通常時に、２つのトランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２を共にオフ状態に保持してセンサ素子１２の
マイナス側端子ＡＦ−に第２電圧Ｖ２を印加し、この状
態で、掃引直前の時点t1の抵抗Ｒ１の両端の電圧Ｖａ(t
1)，Ｖｂ(t1)から、その時点t1の素子電流Ｉｐ（t1)を
次式により算出する。 Ｉｐ（t1) ＝｛Ｖｂ(t1)−Ｖａ(t1)｝／Ｒ１

【００２３】この後、センサ素子１２のマイナス側端子
ＡＦ−側の印加電圧（以下単に「素子印加電圧」とい
う）を掃引するために、２つのトランジスタＴｒ１，Ｔ
ｒ２のうちのトランジスタＴｒ２のみをオンする。これ
により、オペアンプ１８の非反転入力端子（＋）の入力
電圧Ｖ３が抵抗Ｒ７を介してグランド側にプルダウンさ
れるため、該入力電圧Ｖ３が低下し、素子印加電圧が図
７に示すように掃引される。この掃引中の時点t2の抵抗
Ｒ１の両端の電圧Ｖａ(t2)，Ｖｂ(t2)から、その時点t2
の素子電流Ｉｐ（t2) を次式により算出する。 Ｉｐ（t2) ＝｛Ｖｂ(t2)−Ｖａ(t2)｝／Ｒ１

【００２４】そして、掃引直前の時点t1の素子電流Ｉｐ
（t1) と素子印加電圧Ｖ３(t1)、掃引中の時点t2の素子
電流Ｉｐ（t2) と素子印加電圧Ｖ３(t2)を用いて、素子
抵抗値Ｚａｃを次式により算出する。 Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ ＝｛Ｖ３(t2)−Ｖ３(t1)｝／｛Ｉｐ（t2) −Ｉｐ（t1) ｝

【００２５】尚、掃引終了後は、素子電流Ｉｐを速やか
に通常状態に収束させるために、トランジスタＴｒ１を
オン、トランジスタＴｒ２をオフすることで、オペアン
プ１８の非反転入力端子（＋）の入力電圧Ｖ３を抵抗Ｒ
６を介して電源Ｖｃ側にプルアップして、該入力電圧Ｖ
３を上昇させる。これにより、図７に示すように、掃引
終了後に素子印加電圧を反対側（電圧増加側）に振る戻
し処理を実施して、掃引中にセンサ素子１２の容量成分
に蓄えられた電荷の放電を促進させ、この状態を掃引時
間と同じ時間だけ保持して、センサ素子１２の容量成分
による充電電荷を放電し終えた時点で、２つのトランジ
スタＴｒ１，Ｔｒ２を共にオフして、素子印加電圧を通
常時の電圧（第２電圧Ｖ２）に戻す。

【００２６】尚、上記の説明では、掃引時に素子印加電
圧を電圧低下側に掃引し、掃引後の戻し処理時に素子印
加電圧を電圧増加側に振るようにしたが、これとは反対
に、掃引時に素子印加電圧を電圧増加側に掃引し、掃引
後の戻し処理時に素子印加電圧を電圧低下側に振るよう
にしても良い。

【００２７】ところで、酸素濃度センサ１１の素子抵抗
値Ｚａｃは、図２に示すように、素子温度に依存し、素
子温度が上昇するに従って、素子抵抗値Ｚａｃが低下す
る。そこで、マイコン１５は、後述する図４及び図５の
ヒータ制御用のルーチンを実行することで、素子温度の
代用情報として酸素濃度センサ１１の素子抵抗値Ｚａｃ
を算出し、この素子抵抗値Ｚａｃに基づいて素子温度を
判定し、該素子温度を活性温度範囲に維持するようにヒ
ータ１３ヘの通電をフィードバック制御すると共に、素
子抵抗値Ｚａｃの変化に基づいて酸素濃度センサ１１の
異常の有無を診断する。

【００２８】ここで、本実施形態（１）のヒータ制御の
概要を図３のタイムチャートを用いて説明する。図３
は、エンジン始動後にセンサ素子１２を活性化し、素子
温度を活性温度に制御する過程を示している。ヒータ１
３への通電開始から素子温度が活性温度付近に達するま
での期間は、「１００％通電制御」を実施する。この１
００％通電制御は、ヒータ１３への通電率（ヒータデュ
ーティ）を１００％に維持して素子温度の上昇を促進す
る制御である。この１００％通電制御により、素子温度
が活性温度付近に上昇した時点で、１００％通電制御を
終了し、素子抵抗値に基づくフィードバック制御に移行
して、素子抵抗値を目標抵抗値に一致させるようにヒー
タデューティを制御することで、素子温度を活性温度に
保つように制御する。

【００２９】前述したように、コップ型の酸素濃度セン
サを用いたシステムでは、ヒータとセンサ素子との間に
隙間が存在して、ヒータ温度に対する素子温度の追従性
が悪いため、センサ素子を活性温度まで昇温させる過程
で、ヒータの過昇温を防止するために、ヒータ電力を目
標電力に制御するヒータ電力制御を実施して、ヒータ温
度を許容温度内に維持しながら、素子温度を活性温度付
近まで上昇させた後に素子抵抗値フィードバック制御に
移行する必要がある。

【００３０】これに対して、本実施形態（１）のよう
に、積層型の酸素濃度センサ１１を用いたシステムで
は、ヒータ１３とセンサ素子１２との間の伝熱性が良
く、センサ素子１２の昇温過程でも、ヒータ温度と素子
温度との温度差が小さいため、ヒータ電力制御を行う必
要がなく、素子抵抗値フィードバック制御により、ヒー
タ温度を許容温度内に保ちながら、素子温度を活性温度
に上昇させることができる。このため、本実施形態
（１）のように、積層型の酸素濃度センサ１１を用いた
システムでは、ヒータ電力を検出するためのヒータ印加
電圧検出回路・電流検出回路が不要である。

【００３１】しかし、ヒータ印加電圧検出回路・電流検
出回路が無くなると、ヒータ電力を検出できないため、
従来のようなヒータ電力に基づく酸素濃度センサ１１の
異常診断を行うことができない。

【００３２】そこで、本実施形態（１）では、図２に示
すような素子抵抗値の温度特性を考慮して、図６に示す
ように、予め素子抵抗値の変化量の正常範囲を素子抵抗
値（素子温度）に応じて設定しておき、現時点の素子抵
抗値の変化量がその素子抵抗値における変化量の正常範
囲内であるか否かで異常の有無を診断する。以下、マイ
コン１５が実行する図４及び図５のヒータ制御・異常診
断ルーチンの処理内容を説明する。

【００３３】［ヒータ制御ルーチン］図４に示すヒータ
制御ルーチンは、所定周期（例えば１２８ｍｓ周期）で
繰り返し実行され、特許請求の範囲でいうヒータ制御手
段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、
まずステップ１０１で、現在の素子抵抗値Ｚａｃ(i)を
前述した素子印加電圧の掃引により検出する。この機能
が特許請求の範囲でいう素子抵抗値検出手段としての役
割を果たす。そして、次のステップ１０２で、後述する
図５の異常診断ルーチンを実行して、現在の素子抵抗値
Ｚａｃ(i) とその変化量ΔＺａｃとに基づいて酸素濃度
センサ１１の異常診断を実行する。

【００３４】この後、ステップ１０３で、素子温度を活
性温度範囲に昇温・維持するためのヒータ１３の通電率
（ヒータデューティ）Ｄｕｔｙを次のようにして算出す
る。すなわち、ヒータ１３の通電開始後、素子温度が比
較的低い領域では、素子温度の上昇を促進して早期に活
性化するために、ヒータデューティＤｕｔｙを１００％
に設定し、ヒータ１３の１００％通電制御を実施する。

【００３５】その後、センサ素子１２がほぼ半活性状態
になった時の素子温度（素子抵抗値）に到達した時点
で、１００％通電制御から素子抵抗値フィードバック制
御に移行し、素子抵抗値Ｚａｃ(i) を目標素子抵抗値Ｚ
ａｃＴ（素子温度を本活性温度に維持するための素子抵
抗値）に一致させるように、ヒータデューティＤｕｔｙ
を次のようにして算出する。

【００３６】まず、次の（１）から（３）式により比例
項ＧＰ、積分項ＧＩ、微分項ＧＤを算出する。 ＧＰ＝ＫＰ・｛Ｚａｃ(i) −ＺａｃＴ｝ ……（１） ＧＩ＝ＧＩ(i-1) ＋ＫＩ×｛Ｚａｃ(i) −ＺａｃＴ｝ ……（２） ＧＤ＝ＫＤ×｛Ｚａｃ(i) −Ｚａｃ(i-1) ｝ ……（３） ここで、ＫＰは比例定数、ＫＩは積分定数、ＫＤは微分
定数であり、ＧＩ(i-1) 及びＺａｃ(i-1) は前回処理時
の値である。そして、上記比例項ＧＰ、積分項ＧＩ、微
分項ＧＤを積算してヒータデューティＤｕｔｙを算出す
る（Ｄｕｔｙ＝ＧＰ＋ＧＩ＋ＧＤ）。

【００３７】この後、ステップ１０４に進み、上記ステ
ップ１０３で求めたヒータデューティ比Ｄｕｔｙでヒー
タ１３に通電する。尚、ステップ１０２で、酸素濃度セ
ンサ１１の異常有りと判定された場合は、ヒータデュー
ティＤｕｔｙを０％としてヒータ１３への通電を禁止
し、空燃比フィードバック制御を禁止すると共に、警告
ランプ（図示せず）を点灯又は点滅させ、運転者に警告
する。

【００３８】［異常診断ルーチン］図５に示す異常診断
ルーチンは、図４のヒータ制御ルーチンのステップ１０
２で実行されるサブルーチンであり、特許請求の範囲で
いう異常診断手段としての役割を果たす。本ルーチンが
起動されると、まずステップ１１１で、前回の異常診断
処理から０．５ｓｅｃ経過したか否かにより、異常診断
実施タイミングであるか否かを判定する。もし、異常診
断実施タイミングでなければ（前回の異常診断処理から
０．５ｓｅｃ経過していなければ）、以降の異常診断処
理（ステップ１１２〜１１７）を実行することなく本ル
ーチンを終了する。

【００３９】そして、異常診断実施タイミングになる毎
（０．５ｓｅｃ毎）に、ステップ１１２以降の異常診断
処理を次のようにして実施する。まず、ステップ１１２
で、前回の異常診断時（０．５ｓｅｃ前）の素子抵抗値
Ｚａｃ(i-1) と今回の素子抵抗値Ｚａｃ(i) との差を求
めて、素子抵抗値の変化量ΔＺａｃを更新する。

【００４０】この後、ステップ１１３で、図６に示す素
子抵抗値Ｚａｃをパラメータとする素子抵抗値変化量Δ
Ｚａｃの正常範囲を示すマップを検索して、前回の素子
抵抗値Ｚａｃ(i-1) に応じた素子抵抗値変化量ΔＺａｃ
の正常範囲、つまり、酸素濃度センサ１１が正常な時の
素子抵抗値の変化量ΔＺａｃの上限値ΔＺmax と下限値
ΔＺmin を求める。尚、このステップ１１３で、今回の
素子抵抗値Ｚａｃ(i)に応じた素子抵抗値変化量ΔＺａ
ｃの上限値ΔＺmax と下限値ΔＺmin を求めるようにし
ても良い。

【００４１】図２に示すように、素子温度に対する素子
抵抗値Ｚａｃの変化量は、素子温度が高くなるほど小さ
くなるため、図６の素子抵抗値変化量ΔＺａｃの正常範
囲のマップ特性は、素子抵抗値Ｚａｃが小さくなる（素
子温度が高くなるほど）、その正常範囲の上限値ΔＺma
x と下限値ΔＺmin が小さくなるように設定されてい
る。この素子抵抗値変化量ΔＺａｃの正常範囲を示すマ
ップは、予め、実験データや関数式によって設定され、
マイコン１５のＲＯＭに記憶されている。

【００４２】次のステップ１１４では、素子抵抗値の変
化量ΔＺａｃが正常範囲内か否か、つまり、ΔＺmin ≦
ΔＺａｃ≦ΔＺmax であるか否かを判定することで、酸
素濃度センサ１１の異常の有無を判定する。ここで、素
子抵抗値の変化量ΔＺａｃが正常範囲内であると判定さ
れれば、酸素濃度センサ１１が正常に動作していると判
断して、ステップ１１５に進み、異常発生フラグＸＦＡ
ＩＬを酸素濃度センサ１１の正常を意味する「０」に維
持する。

【００４３】一方、ステップ１１４で、素子抵抗値の変
化量ΔＺａｃが正常範囲外であると判定された場合は、
酸素濃度センサ１１に異常が発生していると判断して、
ステップ１１６に進み、異常発生フラグＸＦＡＩＬを酸
素濃度センサ１１の異常有りを意味する「１」にセット
する。この場合は、前述したように、ヒータデューティ
Ｄｕｔｙを０％としてヒータ１３への通電を禁止すると
共に、空燃比フィードバック制御の禁止、警告ランプの
点灯、異常コードの記憶等を行う。

【００４４】上記ステップ１１５又は１１６で異常発生
フラグＸＦＡＩＬをリセット又はセットした後に、ステ
ップ１１７に進み、素子抵抗値Ｚａｃ(i-1) の記憶デー
タを今回の素子抵抗値Ｚａｃ(i) で更新して本ルーチン
を終了する。

【００４５】以上説明した本実施形態（１）によれば、
センサ素子１２やヒータ１３の断線、短絡等の異常が発
生すると、素子抵抗値変化量ΔＺａｃが正常範囲から外
れることに着目して、素子抵抗値変化量ΔＺａｃが正常
範囲内か否かにより酸素濃度センサ１１の異常の有無を
診断するようにしたので、ヒータ電力を検出しなくて
も、酸素濃度センサ１１の異常診断を行うことが可能と
なり、ヒータ印加電圧検出回路・電流検出回路を省いた
低コストの回路構成で酸素濃度センサ１１の異常診断を
行うことができる。しかも、本実施形態（１）のような
積層型の酸素濃度センサ１１を用いたシステムでは、セ
ンサ素子１２の昇温過程でも、ヒータ１３とセンサ素子
１２の温度差が小さいため、ヒータ電力制御を行わなく
ても、素子抵抗値フィードバック制御により、ヒータ１
３の過昇温を防止しながら、センサ素子１２を活性温度
まで速やかに昇温させることができる。

【００４６】更に、本実施形態（１）では、素子抵抗値
変化量ΔＺａｃの正常範囲を素子抵抗値Ｚａｃに応じて
設定したので、素子抵抗値変化量ΔＺａｃが素子温度
（素子抵抗値）に応じて変化するのに対応した適正な診
断基準で異常診断を実施することができ、異常診断精度
を向上させることができる。しかしながら、素子抵抗値
変化量ΔＺａｃの正常範囲を素子抵抗値Ｚａｃに依存し
ない固定範囲としても良い。

【００４７】尚、本実施形態（１）では、素子抵抗値を
検出する際に、センサ素子１２のマイナス側端子ＡＦ−
の印加電圧を掃引するようにしたが、プラス側端子ＡＦ
＋の印加電圧を掃引するようにしても良い。

【００４８】《実施形態（２）》次に、本発明の実施形
態（２）を図８に基づいて説明する。前記実施形態
（１）では、素子抵抗値変化量ΔＺａｃが正常範囲外と
なったときに酸素濃度センサ１１の異常有りと診断する
ようにしたが、図８に示す本発明の本実施形態（２）で
は、ヒータデューティが所定値以上である状態が所定時
間継続した時の素子抵抗値を、その時点の素子抵抗値の
正常範囲を考慮して予め設定した判定値と比較して酸素
濃度センサ１１の異常の有無を診断するようにしてい
る。

【００４９】つまり、酸素濃度センサ１１が正常であれ
ば、ヒータ１３に比較的大きなデューティで通電し続け
ると、素子温度が上昇して素子抵抗値が低下する。従っ
て、ヒータ１３に比較的大きなデューティで通電し続け
ても、素子抵抗値が正常に低下しない場合には、例えば
ヒータの断線、接続不良等によるヒータ１３の発熱不良
や、素子抵抗値検出系の異常が考えられる。この観点か
ら、本実施形態（２）では、ヒータデューティが所定値
以上である状態が所定時間継続した時の素子抵抗値が判
定値以下に低下しないときには、酸素濃度センサ１１の
異常有りと診断する。

【００５０】このような本実施形態（２）の異常診断処
理は、図８に示す異常診断ルーチンによって次のように
実行される。まず、ステップ２０１で、ヒータ１３の通
電開始と同時に計時動作するタイマのカウント値から、
ヒータ１３の通電開始からの経過時間ｔを読み込み、次
のステップ２０２で、ヒータ１３の通電開始からの経過
時間ｔが所定時間Ｔ（例えば１０ｓｅｃ）以上になった
か否かを判定する。もし、ヒータ１３の通電開始からの
経過時間ｔが所定時間Ｔ未満であれば、ステップ２０３
に進み、異常発生フラグＸＦＡＩＬを「０」にリセット
して本ルーチンを終了する。

【００５１】その後、ヒータ１３の通電開始からの経過
時間ｔが所定時間Ｔに達した時点で、ステップ２０４に
進み、ヒータデューティＤｕｔｙが所定値Ｄ（例えば１
００％，９０％，８０％，７０％等の適宜の値）以上か
否かを判定する。通常、ヒータ１３の通電開始直後は、
素子温度が低いためにヒータデューティＤｕｔｙが１０
０％で制御されるため、所定時間Ｔ経過した時点で、ヒ
ータデューティＤｕｔｙが所定値Ｄ以上であれば、ヒー
タデューティＤｕｔｙが所定値Ｄ以上の状態がヒータ１
３の通電開始から所定時間Ｔ以上継続していることにな
る。この場合には、ステップ２０５に進み、今回の素子
抵抗値Ｚａｃ(i) が判定値Ｚ以上か否かを判定する。こ
こで、判定値ＺはヒータデューティＤｕｔｙが所定値Ｄ
以上の状態がヒータ１３の通電開始から所定時間Ｔ以上
継続した時点における素子抵抗値の正常範囲の上限値よ
りも少し高い素子抵抗値（つまり製品ばらつきを考慮し
ても明らかに異常と思われる素子抵抗値、例えば５００
Ω）に設定されている。

【００５２】従って、このステップ２０５で、素子抵抗
値Ｚａｃ(i) が判定値Ｚ以上と判定された場合には、酸
素濃度センサ１１の異常が発生していると判断して、ス
テップ２０６に進み、異常発生フラグＸＦＡＩＬを
「１」にセットする。

【００５３】一方、ヒータ１３の通電開始からの経過時
間ｔが所定時間Ｔ経過する前に、ヒータデューティＤｕ
ｔｙが所定値Ｄより低下した場合、或は、ヒータデュー
ティＤｕｔｙが所定値Ｄ以上の状態がヒータ１３の通電
開始から所定時間Ｔ経過する前に素子抵抗値Ｚａｃ(i)
が判定値Ｚより小さくなった場合は、酸素濃度センサ１
１の異常が検出されないと判断して本ルーチンを終了す
る。

【００５４】以上説明した本実施形態（２）において
も、前記実施形態（１）と同じく、ヒータ印加電圧検出
回路・電流検出回路を省いた低コストの回路構成で酸素
濃度センサ１１の異常診断を行うことができる。

【００５５】尚、本実施形態（２）では、ヒータデュー
ティが所定値以上である状態が所定時間継続した時の素
子抵抗値を判定値と比較して酸素濃度センサ１１の異常
診断を行うようにしたが、ヒータ１３の通電開始から所
定時間継続した時の素子抵抗値を、その時点の素子抵抗
値の正常範囲を考慮して予め設定した判定値と比較して
酸素濃度センサ１１の異常の有無を診断するようにして
も良い。

【００５６】つまり、ヒータ１３の通電開始時は、一般
に素子温度が低いために、ヒータデューティＤｕｔｙが
１００％で制御されるため、酸素濃度センサ１１が正常
であれば、ヒータ１３の通電開始から時間が経過するに
従って、素子温度が上昇して素子抵抗値が低下する。ま
た、高温再始動時で、ヒータ１３の通電開始当初から素
子温度が高いために素子抵抗値フィードバック制御が行
われたとしても、酸素濃度センサ１１が正常であれば、
ヒータ１３の通電開始直後から素子抵抗値が既に十分に
低下した状態となっている。従って、ヒータ１３の通電
開始から所定時間継続した時の素子抵抗値が、正常範囲
の上限値を考慮して予め設定した判定値以下に低下しな
い時には、例えばヒータ１３の発熱不良や素子抵抗値検
出系の異常が考えられるため、酸素濃度センサ１１の異
常有りと診断する。

【００５７】尚、前述した２つの実施形態（１），
（２）の異常診断方法を１つの酸素濃度検出システムで
行うようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態（１）の酸素濃度検出システ
ムの回路構成を示す電気回路図

【図２】酸素濃度センサの素子抵抗値の温度特性を示す
図

【図３】ヒータ制御の挙動を説明するタイムチャート

【図４】ヒータ制御ルーチンの処理の流れを示すフロー
チャート

【図５】実施形態（１）の異常診断ルーチンの処理の流
れを示すフローチャート

【図６】素子抵抗値と素子抵抗値変化量ΔＺａｃの正常
範囲との関係を規定するマップを概念的に示す図

【図７】素子抵抗値検出時の素子印加電圧の掃引方法を
説明するタイムチャート

【図８】本発明の実施形態（２）の異常診断ルーチンの
処理の流れを示すフローチャート

【符号の説明】

１１…積層型酸素濃度センサ、１２…センサ素子、１３
…ヒータ、１４…ＭＯＳＦＥＴ、１５…マイコン（ヒー
タ制御手段、素子抵抗値検出手段、異常診断手段）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検出ガス中の酸素濃度に応じた電流が
   流れるセンサ素子と該センサ素子を加熱するヒータとが
   積層された積層型の酸素濃度センサと、前記センサ素子
   の抵抗値（以下「素子抵抗値」という）を検出する素子
   抵抗値検出手段と、この素子抵抗値検出手段で検出した
   素子抵抗値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒ
   ータ制御手段とを備えた酸素濃度検出システムにおい
   て、 前記素子抵抗値検出手段で検出した素子抵抗値の変化に
   基づいて前記酸素濃度センサの異常の有無を診断する異
   常診断手段を備えていることを特徴とする酸素濃度検出
   システムの異常診断装置。
2. 【請求項２】 前記異常診断手段は、前記素子抵抗値検
   出手段で検出した素子抵抗値と該素子抵抗値の変化量と
   に基づいて前記酸素濃度センサの異常の有無を診断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度検出システ
   ムの異常診断装置。
3. 【請求項３】 被検出ガス中の酸素濃度に応じた電流が
   流れるセンサ素子と該センサ素子を加熱するヒータとが
   積層された積層型の酸素濃度センサと、前記センサ素子
   の抵抗値（以下「素子抵抗値」という）を検出する素子
   抵抗値検出手段と、この素子抵抗値検出手段で検出した
   素子抵抗値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒ
   ータ制御手段とを備えた酸素濃度検出システムにおい
   て、 前記ヒータへの通電が所定値以上である状態が所定時間
   継続した時の前記素子抵抗値を判定値と比較して前記酸
   素濃度センサの異常の有無を診断する異常診断手段を備
   えていることを特徴とする酸素濃度検出システムの異常
   診断装置。
4. 【請求項４】 被検出ガス中の酸素濃度に応じた電流が
   流れるセンサ素子と該センサ素子を加熱するヒータとが
   積層された積層型の酸素濃度センサと、前記センサ素子
   の抵抗値（以下「素子抵抗値」という）を検出する素子
   抵抗値検出手段と、この素子抵抗値検出手段で検出した
   素子抵抗値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒ
   ータ制御手段とを備えた酸素濃度検出システムにおい
   て、 前記ヒータへの通電開始から所定時間継続した時の前記
   素子抵抗値を判定値と比較して前記酸素濃度センサの異
   常の有無を診断する異常診断手段を備えていることを特
   徴とする酸素濃度検出システムの異常診断装置。