JP2000193635A - 空燃比検出装置 - Google Patents
空燃比検出装置Info
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 空燃比センサ及びその周辺回路からなる空燃
比検出装置において故障診断を簡易にかつ精度良く行
う。 【解決手段】 正常時には、センサ本体内の酸素イオン
導電素子の温度は７００°Ｃ付近にあり、素子インピー
ダンスは３０Ω程度となる。センサ本体又はセンサ本体
駆動回路に断線がある場合、電流が０となり素子インピ
ーダンスは無限大の値となる。ヒータが劣化している場
合、素子温度は例えば５５０°Ｃ程度までしか上昇せ
ず、素子インピーダンスは１５０Ω程度となる。ヒータ
又はヒータ駆動回路に断線がある場合、素子を加熱する
のは排気ガスのみとなるため、素子温度は排気温度程度
までしか上昇せず、素子インピーダンスは、素子温度３
００°Ｃ程度に相当するインピーダンス値を示す。３つ
の基準値Ｚ1 、Ｚ2 及びＺ3 が設けられ、素子インピー
ダンス検出値と比較されることで故障が診断される。
比検出装置において故障診断を簡易にかつ精度良く行
う。 【解決手段】 正常時には、センサ本体内の酸素イオン
導電素子の温度は７００°Ｃ付近にあり、素子インピー
ダンスは３０Ω程度となる。センサ本体又はセンサ本体
駆動回路に断線がある場合、電流が０となり素子インピ
ーダンスは無限大の値となる。ヒータが劣化している場
合、素子温度は例えば５５０°Ｃ程度までしか上昇せ
ず、素子インピーダンスは１５０Ω程度となる。ヒータ
又はヒータ駆動回路に断線がある場合、素子を加熱する
のは排気ガスのみとなるため、素子温度は排気温度程度
までしか上昇せず、素子インピーダンスは、素子温度３
００°Ｃ程度に相当するインピーダンス値を示す。３つ
の基準値Ｚ1 、Ｚ2 及びＺ3 が設けられ、素子インピー
ダンス検出値と比較されることで故障が診断される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、限界電流式空燃比
センサを用いた空燃比検出装置に関し、より詳細には、
かかる空燃比検出装置の故障診断に関する。
センサを用いた空燃比検出装置に関し、より詳細には、
かかる空燃比検出装置の故障診断に関する。
【０００２】
【従来の技術】車載用内燃機関において燃料消費率の低
減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機
関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制
御する必要がある。このような空燃比制御を可能とする
ために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子
に大気側電極、排気側電極及び排気側拡散抵抗体を形成
してセンサ本体とし、そのセンサ本体への電圧印加に伴
い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流
が生ずるのを利用した空燃比センサ（全域空燃比セン
サ、リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実用化され、
かかる空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御
が行われている。
減と有害ガス排出量の低減とを両立させるためには、機
関が燃焼させる混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を広範囲に制
御する必要がある。このような空燃比制御を可能とする
ために、ジルコニア固体電解質等の酸素イオン導電素子
に大気側電極、排気側電極及び排気側拡散抵抗体を形成
してセンサ本体とし、そのセンサ本体への電圧印加に伴
い排気中の酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流
が生ずるのを利用した空燃比センサ（全域空燃比セン
サ、リニア空燃比センサ等と呼ばれる）が実用化され、
かかる空燃比センサの出力に基づくフィードバック制御
が行われている。
【０００３】全域空燃比センサの出力に基づく空燃比フ
ィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活
性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒー
タを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御
が行われている。その際、素子温度を検出する必要があ
るが、素子抵抗が素子温度と相関関係を有することか
ら、素子抵抗を検出して素子温度を推定することによ
り、温度センサの必要性が排除されている。
ィードバック制御を行う上で、酸素イオン導電素子を活
性状態に維持することが不可欠である。そのためにヒー
タを用いて素子を加熱し素子温度を一定の値に保つ制御
が行われている。その際、素子温度を検出する必要があ
るが、素子抵抗が素子温度と相関関係を有することか
ら、素子抵抗を検出して素子温度を推定することによ
り、温度センサの必要性が排除されている。
【０００４】その一方、空燃比センサの故障診断を行
い、異常がある場合に迅速に措置することが、かかる空
燃比センサを使用する上で必須の条件となる。そこで、
例えば、特開平８−２７１４７５号公報は、酸素イオン
導電素子の素子抵抗を検出し、素子抵抗が所定範囲内に
ないときに酸素イオン導電素子に異常があると判定する
技術を開示している。
い、異常がある場合に迅速に措置することが、かかる空
燃比センサを使用する上で必須の条件となる。そこで、
例えば、特開平８−２７１４７５号公報は、酸素イオン
導電素子の素子抵抗を検出し、素子抵抗が所定範囲内に
ないときに酸素イオン導電素子に異常があると判定する
技術を開示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、空燃比
センサを利用する場合、センサ本体を駆動し出力電流を
検出するセンサ本体駆動回路や、センサ本体を加熱して
酸素イオン導電素子を活性化せしめるヒータ及びその駆
動回路が、センサ本体に付随して設けられるため、セン
サ本体駆動回路の断線、ヒータ又はヒータ駆動回路の断
線、ヒータの劣化等についても考慮する必要がある。
センサを利用する場合、センサ本体を駆動し出力電流を
検出するセンサ本体駆動回路や、センサ本体を加熱して
酸素イオン導電素子を活性化せしめるヒータ及びその駆
動回路が、センサ本体に付随して設けられるため、セン
サ本体駆動回路の断線、ヒータ又はヒータ駆動回路の断
線、ヒータの劣化等についても考慮する必要がある。
【０００６】かかる実情に鑑み、本発明の目的は、空燃
比センサ及びその周辺回路からなる空燃比検出装置であ
って故障診断を簡易にかつ正確に行うことができるもの
を提供することにある。
比センサ及びその周辺回路からなる空燃比検出装置であ
って故障診断を簡易にかつ正確に行うことができるもの
を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、電圧の印加に伴い被検出ガス中の
酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させ
るセンサ本体を有する空燃比センサと、前記センサ本体
を駆動するセンサ本体駆動回路と、前記センサ本体に交
流電圧を印加して前記センサ本体中の酸素イオン導電素
子の素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス
検出手段と、前記素子インピーダンス検出手段によって
検出される素子インピーダンスに基づいて故障の有無の
判定及び故障の診断を行う故障診断手段と、を具備する
空燃比検出装置が提供される。
に、本発明によれば、電圧の印加に伴い被検出ガス中の
酸素濃度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させ
るセンサ本体を有する空燃比センサと、前記センサ本体
を駆動するセンサ本体駆動回路と、前記センサ本体に交
流電圧を印加して前記センサ本体中の酸素イオン導電素
子の素子インピーダンスを検出する素子インピーダンス
検出手段と、前記素子インピーダンス検出手段によって
検出される素子インピーダンスに基づいて故障の有無の
判定及び故障の診断を行う故障診断手段と、を具備する
空燃比検出装置が提供される。
【０００８】また、本発明によれば、前記故障診断手段
は、前記素子インピーダンスが第１の基準値より大きく
無限大であると認められるときに、前記センサ本体又は
前記センサ本体駆動回路に断線があると診断する。
は、前記素子インピーダンスが第１の基準値より大きく
無限大であると認められるときに、前記センサ本体又は
前記センサ本体駆動回路に断線があると診断する。
【０００９】また、本発明によれば、前記空燃比センサ
は前記センサ本体を加熱して前記酸素イオン導電素子を
活性化せしめるヒータを備えるものであり、該空燃比検
出装置は前記ヒータを駆動するヒータ駆動回路を更に具
備し、前記故障診断手段は前記素子インピーダンスが前
記第１の基準値より小さく且つ第２の基準値よりも大き
いときに前記ヒータ又は前記ヒータ駆動回路に異常があ
ると診断する。
は前記センサ本体を加熱して前記酸素イオン導電素子を
活性化せしめるヒータを備えるものであり、該空燃比検
出装置は前記ヒータを駆動するヒータ駆動回路を更に具
備し、前記故障診断手段は前記素子インピーダンスが前
記第１の基準値より小さく且つ第２の基準値よりも大き
いときに前記ヒータ又は前記ヒータ駆動回路に異常があ
ると診断する。
【００１０】また、本発明によれば、前記故障診断手段
は、前記素子インピーダンスが、前記第１の基準値と前
記第２の基準値との間にある第３の基準値より小さく、
かつ、前記第２の基準値より大きいときに、前記ヒータ
が劣化していると診断する。
は、前記素子インピーダンスが、前記第１の基準値と前
記第２の基準値との間にある第３の基準値より小さく、
かつ、前記第２の基準値より大きいときに、前記ヒータ
が劣化していると診断する。
【００１１】また、本発明によれば、前記故障診断手段
は、前記素子インピーダンスが、前記第１の基準値と前
記第２の基準値との間にある第３の基準値より大きく、
かつ、前記第１の基準値より小さいときに、前記ヒータ
又は前記ヒータ駆動回路に断線があると診断する。
は、前記素子インピーダンスが、前記第１の基準値と前
記第２の基準値との間にある第３の基準値より大きく、
かつ、前記第１の基準値より小さいときに、前記ヒータ
又は前記ヒータ駆動回路に断線があると診断する。
【００１２】また、本発明によれば、前記故障診断手段
は、前記酸素イオン導電素子が活性状態にあるときに診
断を行う。
は、前記酸素イオン導電素子が活性状態にあるときに診
断を行う。
【００１３】また、本発明によれば、前記故障診断手段
は、前記空燃比センサが搭載される内燃機関がアイドル
状態にあるときに診断を行う。
は、前記空燃比センサが搭載される内燃機関がアイドル
状態にあるときに診断を行う。
【００１４】また、本発明によれば、前記素子インピー
ダンス検出手段は、空燃比検出用の直流成分に素子イン
ピーダンス検出用の交流成分が重畳した電圧を前記セン
サ本体に印加し、前記空燃比センサの出力電流の交流成
分を測定することにより、素子インピーダンスを検出す
る。
ダンス検出手段は、空燃比検出用の直流成分に素子イン
ピーダンス検出用の交流成分が重畳した電圧を前記セン
サ本体に印加し、前記空燃比センサの出力電流の交流成
分を測定することにより、素子インピーダンスを検出す
る。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態について説明する。
の実施形態について説明する。
【００１６】まず、空燃比センサの原理について説明す
る。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ2 ）濃度との関
係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関
係を示す特性図である。この図に示されるように、リー
ン空燃比領域にあってはＯ2濃度が空燃比に対してほぼ
リニアに変化する一方、リッチ空燃比領域にあっては未
燃ガスであるＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変
化する。空燃比センサは、後述するように、この特性を
利用するものである。
る。図１は、空燃比と排気中の酸素（Ｏ2 ）濃度との関
係及び空燃比と排気中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度との関
係を示す特性図である。この図に示されるように、リー
ン空燃比領域にあってはＯ2濃度が空燃比に対してほぼ
リニアに変化する一方、リッチ空燃比領域にあっては未
燃ガスであるＣＯ濃度が空燃比に対してほぼリニアに変
化する。空燃比センサは、後述するように、この特性を
利用するものである。
【００１７】図２は、空燃比センサの一構成例を示す断
面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９
０の内部に向けて突設されて使用される。空燃比センサ
１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３及びヒ
ータ１８から構成される。カバー１１は断面カップ状の
形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の
小孔１２が形成されている。
面図である。空燃比センサ１０は、内燃機関の排気管９
０の内部に向けて突設されて使用される。空燃比センサ
１０は、大別して、カバー１１、センサ本体１３及びヒ
ータ１８から構成される。カバー１１は断面カップ状の
形状を有し、その周壁にはカバー内外を連通する多数の
小孔１２が形成されている。
【００１８】センサ本体１３において、試験管状に形成
された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には
排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大
気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層
１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１
５が形成されている。固体電解質層１４は、本実施形態
においては、ＺｒＯ2 （ジルコニア素子）にＣａＯ等を
安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体
からなる。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱性無機
物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極層１７
は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、そ
の表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。
された酸素イオン導電性固体電解質層１４の外表面には
排気側電極層１６が固着される一方、その内表面には大
気側電極層１７が固着されている。また、排気側電極層
１６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層１
５が形成されている。固体電解質層１４は、本実施形態
においては、ＺｒＯ2 （ジルコニア素子）にＣａＯ等を
安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体
からなる。拡散抵抗層１５は、アルミナ等の耐熱性無機
物質からなる。排気側電極層１６及び大気側電極層１７
は、共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなり、そ
の表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。
【００１９】ヒータ１８は、大気側電極層１７内に収容
されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３
を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒー
タ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な
発熱容量を有している。
されており、その発熱エネルギによってセンサ本体１３
を加熱し、ジルコニア素子１４を活性化せしめる。ヒー
タ１８は、ジルコニア素子１４を活性化するのに十分な
発熱容量を有している。
【００２０】ジルコニア素子１４は、高温活性状態で素
子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い
側へと酸素イオン（Ｏ2-）を通す特性（酸素電池特性）
を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電
位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に
応じた酸素イオン（Ｏ2-）の移動を引き起こそうとする
特性（酸素ポンプ特性）を有する。
子両端に酸素濃度差が生じると、濃度の高い側から低い
側へと酸素イオン（Ｏ2-）を通す特性（酸素電池特性）
を有する。また、ジルコニア素子１４は、その両端に電
位差が与えられると、陰極から陽極に向けて、電位差に
応じた酸素イオン（Ｏ2-）の移動を引き起こそうとする
特性（酸素ポンプ特性）を有する。
【００２１】図２に示されるように、センサ本体１３に
は、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負
極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気
空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排
気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン
（Ｏ2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の
正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排
気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電
流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス
電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５
を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸
素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出
すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて
説明したようにリーン領域における空燃比を知ることが
できる。
は、大気側電極層１７を正極性、排気側電極層１６を負
極性とする一定のバイアス電圧が印加されている。排気
空燃比がリーンのときには、酸素ポンプ特性により、排
気側電極層１６から大気側電極層１７へと酸素イオン
（Ｏ2-）の移動が起こる。その結果、バイアス電圧源の
正極から、大気側電極層１７、固体電解質層１４及び排
気側電極層１６を介して、バイアス電圧源の負極へと電
流が流れる。このとき流れる電流の大きさは、バイアス
電圧を一定値以上にすれば、排気中から拡散抵抗層１５
を通って排気側電極層１６へと拡散によって流入する酸
素量に対応する。従って、この限界電流の大きさを検出
すれば、酸素濃度を知ることができ、ひいては図１にて
説明したようにリーン領域における空燃比を知ることが
できる。
【００２２】一方、排気空燃比がリッチのときには酸素
電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７
から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ2-）の移動を
引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイア
ス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電
池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構
成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電
圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。こ
のとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大
気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸
素イオン（Ｏ2-）の量によって決まる。その酸素イオン
は、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１
６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガス
と排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであ
るため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応す
る。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃
ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明した
ようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。
電池特性が働き、この酸素電池特性は大気側電極層１７
から排気側電極層１６へと酸素イオン（Ｏ2-）の移動を
引き起こそうとする。すなわち、酸素電池特性はバイア
ス電圧と逆向きに作用する。空燃比センサでは、酸素電
池特性による起電力がバイアス電圧に打ち勝つように構
成されているため、大気側電極層１７から、バイアス電
圧源を通って、排気側電極層１６へと電流が流れる。こ
のとき流れる電流の大きさは、固体電解質層１４中を大
気側電極層１７から排気側電極層１６へと移送される酸
素イオン（Ｏ2-）の量によって決まる。その酸素イオン
は、排気中から拡散抵抗層１５を通って排気側電極層１
６へと拡散によって流入する一酸化炭素などの未燃ガス
と排気側電極層１６において反応（燃焼）するものであ
るため、酸素イオン移動量は未燃ガスの濃度に対応す
る。従って、この限界電流の大きさを検出すれば、未燃
ガス濃度を知ることができ、ひいては図１にて説明した
ようにリッチ領域における空燃比を知ることができる。
【００２３】また、排気空燃比が理論空燃比のときに
は、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量
が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触
媒作用によって両者は完全に燃焼し、排気側電極層１６
では酸素がなくなるため、酸素電池特性及び酸素ポンプ
特性により移送されるべき酸素イオンが生じない。従っ
て、排気空燃比が理論空燃比のときには、回路中を電流
が流れない。
は、排気側電極層１６へ流入する酸素及び未燃ガスの量
が化学当量比となっているため、排気側電極層１６の触
媒作用によって両者は完全に燃焼し、排気側電極層１６
では酸素がなくなるため、酸素電池特性及び酸素ポンプ
特性により移送されるべき酸素イオンが生じない。従っ
て、排気空燃比が理論空燃比のときには、回路中を電流
が流れない。
【００２４】かくして、空燃比センサの電圧−電流（Ｖ
−Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒され
る排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図
３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表し
ている。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電
流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあって
は空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃
比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程
度に設定すると、１２から１８までにわたる空燃比を検
出することができる。なお、限界電流を示す直線部分よ
り小さい電圧域は、抵抗支配域となっている。
−Ｉ）特性は、図３に示されるように、センサが晒され
る排気の空燃比（Ａ／Ｆ）に応じた限界電流を示す。図
３においては、Ｖ軸に平行な直線部分が限界電流を表し
ている。そして、リーン領域とリッチ領域とでは限界電
流の流れる向きが逆になっており、リーン領域にあって
は空燃比が大きくなるほど、リッチ領域にあっては空燃
比が小さくなるほど、限界電流の絶対値が大きくなる。
そして、図３の特性図によれば、印加電圧を０．３Ｖ程
度に設定すると、１２から１８までにわたる空燃比を検
出することができる。なお、限界電流を示す直線部分よ
り小さい電圧域は、抵抗支配域となっている。
【００２５】次いで、図４を用いて、空燃比検出装置の
ハードウェア構成の一例について説明する。この空燃比
検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、センサ本体
駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理装置
（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０は、
図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ１８
を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０は、デ
ューティ比信号を受けて、そのデューティ比に応じてバ
ッテリ３２の電圧をヒータ１８へオン・オフ的に印加す
る回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の電子制
御装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点火時期
制御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、Ｄ
／Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵している。
ハードウェア構成の一例について説明する。この空燃比
検出装置は、大別して、空燃比センサ１０、センサ本体
駆動回路２０、ヒータ駆動回路３０及び中央処理装置
（ＣＰＵ）４０から構成される。空燃比センサ１０は、
図２で説明したように、センサ本体１３及びヒータ１８
を備えるものである。また、ヒータ駆動回路３０は、デ
ューティ比信号を受けて、そのデューティ比に応じてバ
ッテリ３２の電圧をヒータ１８へオン・オフ的に印加す
る回路である。また、ＣＰＵ４０は、内燃機関の電子制
御装置（ＥＣＵ）の中枢として燃料噴射制御、点火時期
制御等を行うものであり、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、Ｄ
／Ａ変換器（ＤＡＣ）及びメモリを内蔵している。
【００２６】センサ本体駆動回路２０は、大別して、ロ
ウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(v
oltage follower)２２、基準電圧発生回路２５及び第２
の電圧フォロワ２６から構成される。ＬＰＦ２１は、Ｃ
ＰＵ４０から出力されるアナログ信号の高周波成分を除
去するものである。第１の電圧フォロワ２２は、演算増
幅器、コンプリメンタリプッシュプル(complementary p
ush-pull) 増幅器等を備え、センサ本体１３の大気側電
極層１７の電位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一の電
位に維持する。なお、その電位は、空燃比検出時におい
ては３．３Ｖである。
ウパスフィルタ（ＬＰＦ）２１、第１の電圧フォロワ(v
oltage follower)２２、基準電圧発生回路２５及び第２
の電圧フォロワ２６から構成される。ＬＰＦ２１は、Ｃ
ＰＵ４０から出力されるアナログ信号の高周波成分を除
去するものである。第１の電圧フォロワ２２は、演算増
幅器、コンプリメンタリプッシュプル(complementary p
ush-pull) 増幅器等を備え、センサ本体１３の大気側電
極層１７の電位を、ＬＰＦ２１の出力の電位と同一の電
位に維持する。なお、その電位は、空燃比検出時におい
ては３．３Ｖである。
【００２７】また、基準電圧発生回路２５は、一定電圧
ＶCCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の
電圧フォロワ２６は、第１の電圧フォロワ２２と同様の
回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極層１６の
電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、空燃比検
出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．３Ｖの電
圧が印加されることとなり、図３の特性図にて説明した
ように、限界電流を測定して広範囲にわたる空燃比を検
出することができる。第１の電圧フォロワ２２内の抵抗
器が電流検出回路２３として機能し、その両端の電位が
ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０
は、抵抗器２３の両端のアナログ電位をＡ／Ｄ変換し、
両端の電位差を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗
値とから電流を算出する。
ＶCCを分圧して基準電圧３．０Ｖを発生させる。第２の
電圧フォロワ２６は、第１の電圧フォロワ２２と同様の
回路構成を有し、センサ本体１３の排気側電極層１６の
電位を基準電圧３．０Ｖに維持する。従って、空燃比検
出時には、センサ本体１３の両電極層間に０．３Ｖの電
圧が印加されることとなり、図３の特性図にて説明した
ように、限界電流を測定して広範囲にわたる空燃比を検
出することができる。第１の電圧フォロワ２２内の抵抗
器が電流検出回路２３として機能し、その両端の電位が
ＣＰＵ４０に供給されるようになっている。ＣＰＵ４０
は、抵抗器２３の両端のアナログ電位をＡ／Ｄ変換し、
両端の電位差を算出し、その電位差と抵抗器２３の抵抗
値とから電流を算出する。
【００２８】図３に関する説明から理解されるように、
算出される電流値と排気空燃比とは図５に示される如き
関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出された
電流値に基づいて排気空燃比を検出することができ、ひ
いては空燃比フィードバック制御を実現することができ
る。
算出される電流値と排気空燃比とは図５に示される如き
関係を有している。そこで、ＣＰＵ４０は、検出された
電流値に基づいて排気空燃比を検出することができ、ひ
いては空燃比フィードバック制御を実現することができ
る。
【００２９】さて、空燃比を検出するためには、酸素イ
オン導電素子１４を活性状態に維持する必要がある。そ
の活性状態は、素子温度を一定値、例えば７００°Ｃに
保つことによって維持される。ところで、素子温度と素
子抵抗とは、図６に示されるような一定の相関関係を有
しているため、素子温度を７００°Ｃに保つためには、
素子抵抗が３０Ωを示すようにすればよい。そのため、
素子抵抗を検出し、その検出される抵抗値に基づき、ヒ
ータ駆動回路３０をフィードバック制御することによ
り、素子活性状態を維持する制御が行われる。
オン導電素子１４を活性状態に維持する必要がある。そ
の活性状態は、素子温度を一定値、例えば７００°Ｃに
保つことによって維持される。ところで、素子温度と素
子抵抗とは、図６に示されるような一定の相関関係を有
しているため、素子温度を７００°Ｃに保つためには、
素子抵抗が３０Ωを示すようにすればよい。そのため、
素子抵抗を検出し、その検出される抵抗値に基づき、ヒ
ータ駆動回路３０をフィードバック制御することによ
り、素子活性状態を維持する制御が行われる。
【００３０】図７はセンサ本体１３の構造を示す図であ
り、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質１４の部分拡
大図である。また、図８は、センサ本体１３の等価回路
を示す図である。図８において、Ｒ１は、例えばジルコ
ニアからなる固体電解質のバルク抵抗であり、図７のグ
レイン(grain) 部に対応する。Ｒ２は、固体電解質の粒
界抵抗であり、図７のグレイン境界(grain boundary)部
に対応する。Ｒ３は、例えば白金からなる電極の界面抵
抗である。Ｃ２は、固体電解質の粒界の容量成分であ
る。Ｃ３は、電極界面の容量成分である。Ｚ（Ｗ）は、
交流による分極が起こるときに周期的に界面濃度が変化
するために生じるインピーダンス分（ワールブルインピ
ーダンス）である。
り、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は固体電解質１４の部分拡
大図である。また、図８は、センサ本体１３の等価回路
を示す図である。図８において、Ｒ１は、例えばジルコ
ニアからなる固体電解質のバルク抵抗であり、図７のグ
レイン(grain) 部に対応する。Ｒ２は、固体電解質の粒
界抵抗であり、図７のグレイン境界(grain boundary)部
に対応する。Ｒ３は、例えば白金からなる電極の界面抵
抗である。Ｃ２は、固体電解質の粒界の容量成分であ
る。Ｃ３は、電極界面の容量成分である。Ｚ（Ｗ）は、
交流による分極が起こるときに周期的に界面濃度が変化
するために生じるインピーダンス分（ワールブルインピ
ーダンス）である。
【００３１】図８からわかるように、センサ本体１３
に、抵抗支配域（図３参照）にある電圧を印加して出力
電流を測定した場合、“Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３”が検出可能
となる。しかし、Ｒ３は電極の劣化等により大きく変化
するため、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”のみを抽出すること
はできない。しかも、図３に示されるように、抵抗支配
域は空燃比に応じて変化するため、センサ本体の直流特
性により素子抵抗を検出することは極めて困難である。
そこで、交流特性を利用した素子抵抗検出法が提案され
ている。
に、抵抗支配域（図３参照）にある電圧を印加して出力
電流を測定した場合、“Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３”が検出可能
となる。しかし、Ｒ３は電極の劣化等により大きく変化
するため、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”のみを抽出すること
はできない。しかも、図３に示されるように、抵抗支配
域は空燃比に応じて変化するため、センサ本体の直流特
性により素子抵抗を検出することは極めて困難である。
そこで、交流特性を利用した素子抵抗検出法が提案され
ている。
【００３２】図９は、空燃比検出用の直流電圧（０．３
Ｖ）に交流電圧を重畳した場合に、その入力交流電圧の
周波数ｆの変化に応じてセンサ本体のインピーダンスが
描く軌跡を示す図であり、横軸はインピーダンスＺの実
部Ｒ、縦軸は虚部Ｘを示す。この軌跡は、空燃比に依存
しない。センサ本体のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋ｊ
Ｘで表される。図９に示されるように、インピーダンス
Ｚは、周波数ｆが１ｋＨｚ付近に近づくにつれて素子抵
抗“Ｒ１＋Ｒ２”に収束する。
Ｖ）に交流電圧を重畳した場合に、その入力交流電圧の
周波数ｆの変化に応じてセンサ本体のインピーダンスが
描く軌跡を示す図であり、横軸はインピーダンスＺの実
部Ｒ、縦軸は虚部Ｘを示す。この軌跡は、空燃比に依存
しない。センサ本体のインピーダンスＺは、Ｚ＝Ｒ＋ｊ
Ｘで表される。図９に示されるように、インピーダンス
Ｚは、周波数ｆが１ｋＨｚ付近に近づくにつれて素子抵
抗“Ｒ１＋Ｒ２”に収束する。
【００３３】図１０は、入力交流電圧の周波数ｆとイン
ピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜との関係を示す図である。
図１０から、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚでは｜Ｚ｜が
ほぼ“Ｒ１＋Ｒ２”であり、１０ＭＨｚより高周波側で
は｜Ｚ｜は減少していき、Ｒ１に収束することが判る。
このことから、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”を検出するため
には、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ付近が望ましいことが判
る。
ピーダンスＺの絶対値｜Ｚ｜との関係を示す図である。
図１０から、周波数１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚでは｜Ｚ｜が
ほぼ“Ｒ１＋Ｒ２”であり、１０ＭＨｚより高周波側で
は｜Ｚ｜は減少していき、Ｒ１に収束することが判る。
このことから、素子抵抗“Ｒ１＋Ｒ２”を検出するため
には、１ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ付近が望ましいことが判
る。
【００３４】図１１（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、ＬＰ
Ｆ２１への入力電圧、ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわ
ち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧、
及び空燃比センサ１０の出力電流、の各波形を示す図で
ある。横軸は時間を示し、縦軸は電圧又は電流を表す。
前述のように、排気側電極層１６は基準電圧３．０Ｖに
維持され、大気側電極層１７は通常図１１（Ｂ）に示さ
れるように３．３Ｖに維持されているため、空燃比セン
サ本体の両電極間には通常直流電圧０．３Ｖが印加され
ていることとなる。この入力直流電圧に対する出力直流
電流が空燃比を表している。
Ｆ２１への入力電圧、ＬＰＦ２１からの出力電圧すなわ
ち空燃比センサ１０の大気側電極層１７への印加電圧、
及び空燃比センサ１０の出力電流、の各波形を示す図で
ある。横軸は時間を示し、縦軸は電圧又は電流を表す。
前述のように、排気側電極層１６は基準電圧３．０Ｖに
維持され、大気側電極層１７は通常図１１（Ｂ）に示さ
れるように３．３Ｖに維持されているため、空燃比セン
サ本体の両電極間には通常直流電圧０．３Ｖが印加され
ていることとなる。この入力直流電圧に対する出力直流
電流が空燃比を表している。
【００３５】そして、ＣＰＵ４０は、素子抵抗を測定す
るため、図１１（Ａ）に示されるように、ＬＰＦ２１へ
の入力電圧をΔＶだけ変化させる。ＬＰＦ２１からの出
力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電極層１７へ
の印加電圧は、図１１（Ｂ）に示されるように、主とし
て特定の周波数成分（例えば５ｋＨｚ）からなる、なま
された波形の交流電圧パルスが直流電圧３．３Ｖに重畳
したものとなる。この交流電圧パルスに対応して、出力
電流は、図１１（Ｃ）に示されるようにΔＩだけ変化す
る。そして、ΔＶ／ΔＩが素子インピーダンスＺを与え
る。そのＺに基づいて図６の特性曲線を参照することに
より、素子温度が検出される。なお、印加電圧を正負両
側に変化させるのは、容量成分に蓄積される電荷の放電
を迅速化させるためである。
るため、図１１（Ａ）に示されるように、ＬＰＦ２１へ
の入力電圧をΔＶだけ変化させる。ＬＰＦ２１からの出
力電圧すなわち空燃比センサ１０の大気側電極層１７へ
の印加電圧は、図１１（Ｂ）に示されるように、主とし
て特定の周波数成分（例えば５ｋＨｚ）からなる、なま
された波形の交流電圧パルスが直流電圧３．３Ｖに重畳
したものとなる。この交流電圧パルスに対応して、出力
電流は、図１１（Ｃ）に示されるようにΔＩだけ変化す
る。そして、ΔＶ／ΔＩが素子インピーダンスＺを与え
る。そのＺに基づいて図６の特性曲線を参照することに
より、素子温度が検出される。なお、印加電圧を正負両
側に変化させるのは、容量成分に蓄積される電荷の放電
を迅速化させるためである。
【００３６】さて、図４に示される空燃比検出装置にお
いては、センサ本体１３又はセンサ本体駆動回路２０の
断線、ヒータ１８又はヒータ駆動回路３０の断線、ヒー
タ１８の劣化等の故障が発生しうると考えられ、それら
の異常を簡易にかつ正確に検出することが肝要である。
いては、センサ本体１３又はセンサ本体駆動回路２０の
断線、ヒータ１８又はヒータ駆動回路３０の断線、ヒー
タ１８の劣化等の故障が発生しうると考えられ、それら
の異常を簡易にかつ正確に検出することが肝要である。
【００３７】センサ本体１３又はセンサ本体駆動回路２
０の断線が発生して回路に電流が流れなくなるという故
障について検討すると、この断線が発生した場合には、
排気空燃比が現実に理論空燃比になっていて出力電流が
０となっているのか、それとも断線が発生しているため
に出力電流が０になっているのか、判別することができ
ない。特に空燃比を理論空燃比にフィードバック制御し
ている領域においては、かかる判別は困難である。ま
た、出力電流がある程度発生するような空燃比制御領域
において出力電流の変動を監視する方法も考えられる
が、検出誤差、個体差、経時変化、ノイズ等の問題があ
って、しきい値の設定が難しく、必ずしも容易でない。
このように、空燃比センサの直流特性を利用してセンサ
本体１３又はセンサ本体駆動回路２０の断線を検出する
ことは多くの問題点を有する。
０の断線が発生して回路に電流が流れなくなるという故
障について検討すると、この断線が発生した場合には、
排気空燃比が現実に理論空燃比になっていて出力電流が
０となっているのか、それとも断線が発生しているため
に出力電流が０になっているのか、判別することができ
ない。特に空燃比を理論空燃比にフィードバック制御し
ている領域においては、かかる判別は困難である。ま
た、出力電流がある程度発生するような空燃比制御領域
において出力電流の変動を監視する方法も考えられる
が、検出誤差、個体差、経時変化、ノイズ等の問題があ
って、しきい値の設定が難しく、必ずしも容易でない。
このように、空燃比センサの直流特性を利用してセンサ
本体１３又はセンサ本体駆動回路２０の断線を検出する
ことは多くの問題点を有する。
【００３８】そこで、本発明は、前述した空燃比センサ
の交流特性、すなわち前述した素子インピーダンスを利
用して故障診断を行おうというものである。図１１
（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるような交流入出力特性に基
づき測定される素子インピーダンスは、空燃比の影響を
受けない。そして、センサ本体１３又はセンサ本体駆動
回路２０に断線があるときには、出力電流は常に０であ
り、変化がないため、インピーダンス算出結果は無限大
となり、容易に断線を検出することができる。
の交流特性、すなわち前述した素子インピーダンスを利
用して故障診断を行おうというものである。図１１
（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるような交流入出力特性に基
づき測定される素子インピーダンスは、空燃比の影響を
受けない。そして、センサ本体１３又はセンサ本体駆動
回路２０に断線があるときには、出力電流は常に０であ
り、変化がないため、インピーダンス算出結果は無限大
となり、容易に断線を検出することができる。
【００３９】しかも、前述のように、素子インピーダン
スは、素子温度を反映するものであるため、ヒータ１８
又はヒータ駆動回路３０の断線の検出やヒータ１８の劣
化の検出をも可能とする。図１２は、素子活性状態にお
ける素子インピーダンスの時間的推移を例示する図であ
る。正常時には、素子温度は７００°Ｃ付近にあるた
め、曲線Ｃ0 に示されるように、素子インピーダンスは
３０Ω程度の十分に低い値を呈する。また、センサ本体
１３又はセンサ本体駆動回路２０に断線があるときに
は、測定される素子インピーダンスは、曲線Ｃ3 に示さ
れるように、無限大の値となる。
スは、素子温度を反映するものであるため、ヒータ１８
又はヒータ駆動回路３０の断線の検出やヒータ１８の劣
化の検出をも可能とする。図１２は、素子活性状態にお
ける素子インピーダンスの時間的推移を例示する図であ
る。正常時には、素子温度は７００°Ｃ付近にあるた
め、曲線Ｃ0 に示されるように、素子インピーダンスは
３０Ω程度の十分に低い値を呈する。また、センサ本体
１３又はセンサ本体駆動回路２０に断線があるときに
は、測定される素子インピーダンスは、曲線Ｃ3 に示さ
れるように、無限大の値となる。
【００４０】また、ヒータ１８が劣化している場合に
は、ヒータに十分通電しても、素子温度は例えば５５０
°Ｃ程度までしか上昇せず、その結果、曲線Ｃ1 に示さ
れるように、素子インピーダンスは１５０Ω程度の値を
示すに過ぎない。そして、ヒータ１８又はヒータ駆動回
路３０に断線があるときには、素子を加熱するのは排気
ガスのみとなるため、素子温度は排気温度程度（３００
°Ｃ程度）までしか上昇せず、素子インピーダンスは、
曲線Ｃ2 に示されるように、素子温度３００°Ｃに相当
する素子インピーダンス値を示すこととなる。
は、ヒータに十分通電しても、素子温度は例えば５５０
°Ｃ程度までしか上昇せず、その結果、曲線Ｃ1 に示さ
れるように、素子インピーダンスは１５０Ω程度の値を
示すに過ぎない。そして、ヒータ１８又はヒータ駆動回
路３０に断線があるときには、素子を加熱するのは排気
ガスのみとなるため、素子温度は排気温度程度（３００
°Ｃ程度）までしか上昇せず、素子インピーダンスは、
曲線Ｃ2 に示されるように、素子温度３００°Ｃに相当
する素子インピーダンス値を示すこととなる。
【００４１】したがって、図１２に示されるように、３
つの基準値（しきい値）Ｚ1 、Ｚ2及びＺ3 を設け、検
出される素子インピーダンスの値を基準値と照らし合わ
せることにより、センサ本体１３又はセンサ本体駆動回
路２０の断線、ヒータ１８又はヒータ駆動回路３０の断
線、ヒータ１８の劣化、又は正常のいずれの状態にある
かを診断することができる。
つの基準値（しきい値）Ｚ1 、Ｚ2及びＺ3 を設け、検
出される素子インピーダンスの値を基準値と照らし合わ
せることにより、センサ本体１３又はセンサ本体駆動回
路２０の断線、ヒータ１８又はヒータ駆動回路３０の断
線、ヒータ１８の劣化、又は正常のいずれの状態にある
かを診断することができる。
【００４２】図１３は、ＣＰＵ４０によって一定時間周
期に実行される故障診断ルーチンの処理手順を示すフロ
ーチャートである。まず、ステップ１０２では、始動後
の経過時間等に基づき素子活性状態にあるか否かが判定
され、素子活性状態にあればステップ１０４に進む一
方、素子活性状態になければ本ルーチンは終了する。な
お、センサ本体１３又はセンサ本体駆動回路２０の断線
のみを検出するのであれば、素子活性状態の判定は不要
である。
期に実行される故障診断ルーチンの処理手順を示すフロ
ーチャートである。まず、ステップ１０２では、始動後
の経過時間等に基づき素子活性状態にあるか否かが判定
され、素子活性状態にあればステップ１０４に進む一
方、素子活性状態になければ本ルーチンは終了する。な
お、センサ本体１３又はセンサ本体駆動回路２０の断線
のみを検出するのであれば、素子活性状態の判定は不要
である。
【００４３】ステップ１０４では、スロットル全閉信
号、車速信号等に基づき内燃機関がアイドル状態にある
か否かが判定され、アイドル状態にあればステップ１０
６に進む一方、アイドル状態になければ本ルーチンは終
了する。このステップは、アイドル状態にあれば、素子
を加熱する一要素である排気の温度が安定し、故障診断
の精度が向上することを考慮したものであり、必須の条
件ではない。
号、車速信号等に基づき内燃機関がアイドル状態にある
か否かが判定され、アイドル状態にあればステップ１０
６に進む一方、アイドル状態になければ本ルーチンは終
了する。このステップは、アイドル状態にあれば、素子
を加熱する一要素である排気の温度が安定し、故障診断
の精度が向上することを考慮したものであり、必須の条
件ではない。
【００４４】ステップ１０６では、図１１を用いて説明
したように、交流電圧パルスが入力直流電圧に重畳せし
められ、出力交流電流パルスが測定されることにより、
素子インピーダンスＺが検出される。次いで、ステップ
１０８、１１０及び１１２では、検出された素子インピ
ーダンスＺが、図１２に示される３つの基準値Ｚ1 、Ｚ
2 及びＺ3 と比較されることにより、故障診断が実行さ
れる。
したように、交流電圧パルスが入力直流電圧に重畳せし
められ、出力交流電流パルスが測定されることにより、
素子インピーダンスＺが検出される。次いで、ステップ
１０８、１１０及び１１２では、検出された素子インピ
ーダンスＺが、図１２に示される３つの基準値Ｚ1 、Ｚ
2 及びＺ3 と比較されることにより、故障診断が実行さ
れる。
【００４５】すなわち、Ｚ≦Ｚ1 であれば、ステップ１
１４において正常と判定される。また、Ｚ1 ＜Ｚ≦Ｚ2
であれば、ステップ１１６においてヒータ１８の劣化と
判定される。また、Ｚ2 ＜Ｚ≦Ｚ3 であれば、ステップ
１１８においてヒータ１８又はヒータ駆動回路３０の断
線と判定される。さらに、Ｚ3 ＜Ｚであれば、ステップ
１２０においてセンサ本体１３又はセンサ本体駆動回路
２０の断線と判定される。
１４において正常と判定される。また、Ｚ1 ＜Ｚ≦Ｚ2
であれば、ステップ１１６においてヒータ１８の劣化と
判定される。また、Ｚ2 ＜Ｚ≦Ｚ3 であれば、ステップ
１１８においてヒータ１８又はヒータ駆動回路３０の断
線と判定される。さらに、Ｚ3 ＜Ｚであれば、ステップ
１２０においてセンサ本体１３又はセンサ本体駆動回路
２０の断線と判定される。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
空燃比センサ及びその周辺回路からなる空燃比検出装置
において故障診断を簡易にかつ正確に行うことが可能に
なるという効果がある。
空燃比センサ及びその周辺回路からなる空燃比検出装置
において故障診断を簡易にかつ正確に行うことが可能に
なるという効果がある。
【図１】空燃比と排気濃度との関係を示す特性図であ
る。
る。
【図２】空燃比センサの一構成例を示す断面図である。
【図３】空燃比センサの電圧−電流特性の一例を示す特
性図である。
性図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る空燃比検出装置のハ
ードウェア構成を示す電気回路図である。
ードウェア構成を示す電気回路図である。
【図５】排気空燃比と空燃比センサ出力電流との関係を
示す特性図である。
示す特性図である。
【図６】素子温度と素子抵抗との関係を示す特性図であ
る。
る。
【図７】センサ本体の構造を示す図であって、（Ａ）は
断面図、（Ｂ）は固体電解質の部分拡大図である。
断面図、（Ｂ）は固体電解質の部分拡大図である。
【図８】センサ本体の等価回路を示す図である。
【図９】空燃比検出用の直流電圧に重畳する入力交流電
圧の周波数の変化に応じてセンサ本体のインピーダンス
が描く軌跡を示す図である。
圧の周波数の変化に応じてセンサ本体のインピーダンス
が描く軌跡を示す図である。
【図１０】入力交流電圧の周波数と素子インピーダンス
との関係を示す図である。
との関係を示す図である。
【図１１】ＬＰＦへの入力電圧、空燃比センサ大気側電
極への入力電圧、及び空燃比センサからの出力電流の各
波形を示す図である。
極への入力電圧、及び空燃比センサからの出力電流の各
波形を示す図である。
【図１２】素子インピーダンスの時間的推移を例示する
タイムチャートである。
タイムチャートである。
【図１３】ＣＰＵによって実行される故障診断ルーチン
の処理手順を示すフローチャートである。
の処理手順を示すフローチャートである。
１０…空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ） １１…カバー １２…小孔 １３…センサ本体 １４…固体電解質層（酸素イオン導電素子） １５…拡散抵抗層 １６…排気側電極層 １７…大気側電極層 １８…ヒータ ２０…センサ本体駆動回路 ２１…ローパスフィルタ（ＬＰＦ） ２２…第１の電圧フォロワ回路 ２３…電流検出回路 ２５…基準電圧発生回路 ２６…第２の電圧フォロワ回路 ３０…ヒータ駆動回路 ３２…バッテリ ４０…ＣＰＵ ９０…内燃機関の排気管
Claims (8)
- 【請求項１】 電圧の印加に伴い被検出ガス中の酸素濃
度又は未燃ガス濃度に応じた限界電流を発生させるセン
サ本体を有する空燃比センサと、 前記センサ本体を駆動するセンサ本体駆動回路と、 前記センサ本体に交流電圧を印加して前記センサ本体中
の酸素イオン導電素子の素子インピーダンスを検出する
素子インピーダンス検出手段と、 前記素子インピーダンス検出手段によって検出される素
子インピーダンスに基づいて故障の有無の判定及び故障
の診断を行う故障診断手段と、を具備する空燃比検出装
置。 - 【請求項２】 前記故障診断手段は、前記素子インピー
ダンスが第１の基準値より大きく無限大であると認めら
れるときに、前記センサ本体又は前記センサ本体駆動回
路に断線があると診断する、請求項１に記載の空燃比検
出装置。 - 【請求項３】 前記空燃比センサは前記センサ本体を加
熱して前記酸素イオン導電素子を活性化せしめるヒータ
を備えるものであり、該空燃比検出装置は前記ヒータを
駆動するヒータ駆動回路を更に具備し、前記故障診断手
段は前記素子インピーダンスが前記第１の基準値より小
さく且つ第２の基準値よりも大きいときに前記ヒータ又
は前記ヒータ駆動回路に異常があると診断する、請求項
１に記載の空燃比検出装置。 - 【請求項４】 前記故障診断手段は、前記素子インピー
ダンスが、前記第１の基準値と前記第２の基準値との間
にある第３の基準値より小さく、かつ、前記第２の基準
値より大きいときに、前記ヒータが劣化していると診断
する、請求項３に記載の空燃比検出装置。 - 【請求項５】 前記故障診断手段は、前記素子インピー
ダンスが、前記第１の基準値と前記第２の基準値との間
にある第３の基準値より大きく、かつ、前記第１の基準
値より小さいときに、前記ヒータ又は前記ヒータ駆動回
路に断線があると診断する、請求項３に記載の空燃比検
出装置。 - 【請求項６】 前記故障診断手段は、前記酸素イオン導
電素子が活性状態にあるときに診断を行う、請求項１か
ら請求項５までのいずれか１項に記載の空燃比検出装
置。 - 【請求項７】 前記故障診断手段は、前記空燃比センサ
が搭載される内燃機関がアイドル状態にあるときに診断
を行う、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記
載の空燃比検出装置。 - 【請求項８】 前記素子インピーダンス検出手段は、空
燃比検出用の直流成分に素子インピーダンス検出用の交
流成分が重畳した電圧を前記センサ本体に印加し、前記
空燃比センサの出力電流の交流成分を測定することによ
り、素子インピーダンスを検出する、請求項１から請求
項７までのいずれか１項に記載の空燃比検出装置。
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