JP2005291991A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡素化を図りつつ、更にガス濃度センサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現する。
【解決手段】Ａ／Ｆセンサのセンサ素子１０は、Ｔ１端子及びＴ２端子を介してエンジンＥＣＵ２０に接続されている。エンジンＥＣＵ２０において、Ａ／Ｆ検出時には、センサ素子１０に電圧が印加されその電圧印加に伴い流れる素子電流がＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとして計測される。また、センサ素子１０の内部抵抗検出時には、当該センサ素子１０への印加電圧に交流的な変化が付与されそれに伴うインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔが計測される。ＣＰＵ３０は、センサ活性前及び活性後におけるＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯと、センサ活性後におけるインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとに基づいてＡ／Ｆセンサの異常を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス濃度検出装置に関するものであり、特にガス濃度センサの断線やセンサ端子の電源ショート、グランドショート等を好適に検出することのできる技術に関する。

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。

上記Ａ／Ｆセンサでは、センサ素子の両端子において断線、電源ショート、グランドショート、両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ＣＰＵのＡ／Ｄ入力として取り込み、それらの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それぞれ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。

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判定すると共に、その判定結果からセンサ異常を診断する。また、エンジンの始動後、Ａ／Ｆセンサが活性したと判定された後に不活性と判定された場合に、活性不良と判定するようにしている。前記特許文献１を含め、Ａ／Ｆセンサの異常発生を検出する技術は数多く提案されている。しかしながら近年では、排ガス法規制等が益々厳しくなる実状にあり、より高精度に異常を検出することや、異常箇所を細部まで特定すること等が要求されつつある。従って、センサ異常検出の更なる改善が望まれている。
特許第３４４６４００号公報

本発明は、構成の簡素化を図りつつ、更にガス濃度センサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明のガス濃度検出装置では前提として、ガス濃度検出時には、センサ素子に電圧が印加されその電圧印加に伴い流れる素子電流が電流検出抵抗により計測されると共に、センサ素子の内部抵抗検出時には、当該センサ素子への印加電圧又は電流に交流的な変化が付与されそれに伴う電流又は電圧の応答変化量が計測される。そして特に、請求項１に記載の発明では、センサ活性前及び活性後におけるガス濃度検出時の素子電流計測値とセンサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値とに基づいてガス濃度センサの異常が検出される。

ガス濃度センサの代表的な異常形態として、センサ素子との接続部の断線、電源ショート、グランドショートがある。これらの異常発生時には、その異常形態に応じて、センサ活性前及び活性後におけるガス濃度検出時の素子電流計測値、センサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値が所定の異常値になる。従って、これら各計測値を異常検出パラメータとすることで、異常形態の特定が可能となる。また、上記構成では、異常検出パラメータとして、少なくともガス濃度検出時の素子電流と、内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量とを計測すれば良い。従って、マイクロコンピュータで異常検出を行う場合、前記計測値（アナログ値）を少なくとも２つのＡ／Ｄ入力として取り込む構成とすれば良く、信号線やＡ／Ｄ入力の構成が簡素化できる。その結果、構成の簡素化を図りつつ、更にガス濃度センサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができる。

異常検出手段としてより具体的には、請求項２に記載したように、センサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値に基づいてセンサ異常の有無を判定し、更にセンサ活性前及び活性後におけるガス濃度検出時の素子電流計測値に基づいて異常形態を特定すると良い。

要するに、センサ異常発生時には、センサ活性後において、素子内部抵抗検出のためにセンサ素子への印加電圧又は電流に交流的な変化を付与してもそれに伴う電流又は電圧の応答変化量が殆どなく、当該電流又は電圧の応答変化量により異常発生が検出できる。また、センサ素子の正負何れかの端子で電源ショート又はグランドショートが生じた場合、それが正負何れの端子であるかによって、センサ活性前及び活性後における素子電流計測値が異なる数値となる。それにより、異常箇所がセンサ素子の正負何れかの端子であるかが特定できる。

また、請求項３に記載したように、前記正負両側の接続端子の何れかに電流検出抵抗を接続する構成とし、ガス濃度検出時には、素子電流に応じて変化する電流検出抵抗の端子電圧を素子電流計測値として計測し、センサ素子の内部抵抗検出時には、素子内部抵抗に応じて変化する電流検出抵抗の端子電圧を電流又は電圧の応答変化量計測値として計測すると良い。この場合、センサ断線、電源ショート、グランドショート等の異常発生時には、ガス濃度検出時及び内部抵抗検出時において電流検出抵抗の端子電圧が異常値となるため、センサ異常が好適に検出できる。

前記請求項１のようにセンサ活性前及び活性後におけるガス濃度検出時の素子電流計測値と、センサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値とに基づいてセンサ異常を検出する場合には、センサ断線が生じたことやセンサ素子の正負何れかの端子で電源／グランドショートが生じたことが特定できるが、請求項４に記載したように、正負両側の接続端子の何れかの端子電圧計測値を異常検出パラメータに加えることで更に細分化した異常形態の特定が可能となる。すなわち、端子電圧計測値は、異常が電源ショートかグランドショートかによって異なる異常値となるため、それら電源ショート／グランドショートの特定が可能となる。なお、端子電圧計測値は、正負両端子の端子間ショートが生じた場合に電源ショート／グランドショートと異なる値となるため、更に端子間ショートの特定も可能となる。

かかる場合、請求項５に記載したように、端子電圧計測値が信号出力範囲の上限値／下限値の何れに貼り付くかによって電源ショートかグランドショートかを特定すると良い。

一方、請求項６に記載の発明では、正負両側の接続端子の何れかに電流検出抵抗を接続する構成とし、正負両側の接続端子のうち電流検出抵抗を接続していない方の端子電圧が計測される。また、センサ活性前及び活性後における端子電圧計測値と、センサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値とに基づいてガス濃度センサの異常が検出される。

センサ断線、電源ショート、グランドショート等の異常発生時には、その異常形態に応じて、センサ活性前及び活性後における端子電圧計測値、センサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値が所定の異常値になる。従って、これら各計測値を異常検出パラメータとすることで、異常形態の特定が可能となる。また、上記構成では、異常検出パラメータとして、少なくとも一方の端子電圧と内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量とを計測すれば良い。従って、マイクロコンピュータで異常検出を行う場合、前記計測値（アナログ値）を少なくとも２つのＡ／Ｄ入力として取り込む構成とすれば良く、信号線やＡ／Ｄ入力の構成が簡素化できる。その結果、構成の簡素化を図りつつ、更にガス濃度センサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができる。

異常検出手段としてより具体的には、請求項７に記載したように、センサ活性後における内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値に基づいてセンサ異常の有無を判定し、更にセンサ活性前及び活性後における端子電圧計測値に基づいて異常形態を特定すると良い。

要するに、センサ異常発生時には、センサ活性後において、素子内部抵抗検出のためにセンサ素子への印加電圧又は電流に交流的な変化を付与してもそれに伴う電流又は電圧の応答変化量が殆どなく、当該電流又は電圧の応答変化量により異常発生が検出できる。また、センサ素子の正負何れかの端子で電源ショート又はグランドショート等が生じた場合、それが正負何れの端子であるか又は電源／グランドの何れのショート等であるかによって、センサ活性前及び活性後における端子電圧計測値が異なる数値となる。それにより、異常形態の特定が可能となる。

ガス濃度センサには２つ以上のセルを有するものも知られており、当該センサの場合、次の異常検出手法が適用できる。この場合前提として、第２セルより出力される起電力信号に応じて第１セルへの印加電圧が制御され、その電圧印加に伴い流れる第１セル電流が電流検出抵抗により計測される。また、第２セルを対象に内部抵抗を検出する際、当該第２セルへの印加電圧又は電流に交流的な変化が付与されそれに伴う電流又は電圧の応答変化量が計測される。そして特に、請求項８に記載の発明では、第１セルに接続される正負両側の接続端子のうち少なくとも一方の端子電圧が計測される。また、センサ活性前及び活性後における前記第１セル電流の計測値と内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値と端子電圧計測値とに基づいてガス濃度センサの異常が検出される。

センサ断線、電源ショート、グランドショート等の異常発生時には、その異常形態に応じて、センサ活性前及び活性後における第１セル電流計測値、内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値、端子電圧計測値の何れかが所定の異常値になる。従って、これら各計測値を異常検出パラメータとすることで、異常形態の特定が可能となる。また、上記構成では、マイクロコンピュータで異常検出を行う場合、前記計測値（アナログ値）を少なくとも３つのＡ／Ｄ入力として取り込む構成とすれば良く、信号線やＡ／Ｄ入力の構成が簡素化できる。その結果、構成の簡素化を図りつつ、更にガス濃度センサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができる。

上記のとおりセンサ活性前及び活性後における第１セル電流計測値、内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値、端子電圧計測値を異常検出パラメータとすることで、第１セルに接続される正負両側の接続端子と第２セルに接続される正負両側の接続端子とについて、それら各接続端子の断線、電源ショート、グランドショート、端子間ショートが各々特定できるようになる（請求項９）。なお、第１セルに接続される正負両側の接続端子の何れかと、第２セルに接続される正負両側の接続端子の何れかが共通端子とされる構成もあるが、かかる場合にも同様に各異常形態が特定できる。

ここで、請求項１０に記載したように、第１セル，第２セルに接続される正負両側の接続端子の何れか１つずつをまとめて共通端子とし、その共通端子に基準電圧を印加する構成では、第１セルに接続される正負両側の接続端子のうち、共通端子とは異なる方の端子電圧が計測されると良い。

請求項１１に記載の発明では、複数ある異常形態毎に、センサ活性前及び活性後において前記した各計測値が如何なる異常値になるかが予めパターン記憶されており、パターン照合により異常形態が特定される。これにより、所望とする異常形態が容易に特定できるようになる。

請求項１２に記載の発明では、センサ起動後、ガス濃度センサが非活性状態から活性状態へと移行する移行期間以外で、センサ活性前及び活性後の各種計測値が計測されるため、各異常形態を明確に捉えることができ、センサ異常の検出精度を高めることができる。

（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て用いられる。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Ａ／Ｆセンサは、エンジンＥＣＵに設けられたセンサ制御部にて制御されるようになっており、その構成を図１に基づいて説明する。

エンジンＥＣＵ２０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には印加電圧制御回路２５が接続されている。この場合、電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１（例えば２．２Ｖ）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。

印加電圧制御回路２５は、Ｂ点電圧をモニタすると共にその電圧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。

また、図のＢ点及び基準電源２３にはオペアンプ（差動増幅器）２６が接続されており、オペアンプ２６の出力ＡＦＯがＡ／Ｆ出力電圧としてＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ１に取り込まれる。ＣＰＵ３０は、ＡＤ１より取り込んだ各Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度のＡ／Ｆ値を算出する。このＡ／Ｆ値は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。

また、ＣＰＵ３０は、センサ素子１０への印加電圧を一時的に交流的に変化させる旨指令し、その際の電流変化量に基づき素子内部抵抗としての素子インピーダンスＺａｃを検出する。より具体的には、インピーダンス検出に際し、印加電圧制御回路２５がＣＰＵ３０からの指令を受け、センサ素子１０への印加電圧を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させる。このとき、センサ印加電圧の変化に伴い、その都度の素子インピーダンスに応じてＢ点電圧が変化する。Ｂ点の電圧変化はインピーダンス電流検出回路２７にてモニタされ、そのインピーダンス電流検出回路２７の出力Ｉｏｕｔがインピーダンス電流信号としてＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ２に取り込まれる。インピーダンス電流検出回路２７は、例えばハイパスフィルタと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、このハイパスフィルタ及びピークホールド回路により、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。

ＣＰＵ３０は、インピーダンス検出時の電圧変化量ΔＶと、それに伴うインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとから素子インピーダンスＺａｃを算出する。なお、インピーダンス検出に際し、センサ素子１０に流す電流を交流的に変化させ、その際の電流又は電圧の応答変化量から素子インピーダンスＺａｃを演算する構成とすることも可能である。

上記インピーダンス検出は所定周期毎（すなわち、例えば１２８ｍｓｅｃ毎）に実施されるようになっており、その所定周期毎にＣＰＵ３０から印加電圧制御回路２５に対して電圧変化が指令される。また、ＣＰＵ３０は、素子インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０の温度が所定の目標値（例えば７５０℃）に保持され、当該センサ素子１０の活性状態が維持されるようになる。

その他、図１の構成では、Ｔ１端子の電圧（Ｔ１端子電圧ＶＳ＋）がＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ３に取り込まれると共に、Ｔ２端子の電圧（Ｔ２端子電圧ＶＳ−）がＣＰＵ３０のＡ／ＤポートＡＤ４に取り込まれるようになっている。但し、これらＶＳ＋，ＶＳ−の計測は回路構成として必須ではなく、後述するセンサ異常検出の処理内容に応じて適宜用いられる。

本実施の形態では、Ａ／Ｆセンサにて発生する各種異常に関し、その異常を検出することはもとより、その異常形態を特定することができる構成を採用しており、その詳細を以下に説明する。かかる異常検出には、ＣＰＵ３０のＡＤ１〜ＡＤ４に取り込まれる各計測信号が用いられ、センサ活性前と活性後においてそれら計測信号が正常時と同じであるかどうかによりセンサ異常発生が検出されると共にその異常形態が特定されるようになっている。

ここで、センサ活性前から活性後にかけてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔ、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋、Ｔ２端子電圧ＶＳ−がどういった値となるのかを説明する。なお本実施の形態では、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが「素子電流計測値」に、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔが「応答変化量計測値」に、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋，Ｔ２端子電圧ＶＳ−が「端子電圧計測値」に、それぞれ相当する。

図４は、Ａ／Ｆセンサ正常時における各計測信号の変化を示すタイムチャートである。図４のタイミングｔ１はセンサ活性完了の判定タイミング（例えば素子インピーダンスＺａｃが所定の活性判定値に到達するタイミング）を示しており、ｔ１以前を活性前、ｔ１以後を活性後としている。

図４において、センサ活性前は、素子インピーダンスＺａｃが無限大（∞）であり、センサ素子１０に電流が流れない。そのため、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは、基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧（２．２Ｖ）に保持されている。このとき、インピーダンス検出時において印加電圧を交流的に変化させても電流の応答変化はなく、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔは０のままとなる。また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ２．２Ｖ固定となっており、Ｔ２端子電圧ＶＳ−はストイキ時を基準とする所定値（例えば１．８Ｖ）に保持されている。

そして、その後次第にセンサ素子温が上昇し始めると、素子インピーダンスＺａｃが低下し、タイミングｔ１でＺａｃが活性判定値に達することでセンサ活性完了と判定される。センサ活性化に伴い素子電流が流れるようになるため、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがその都度の排ガス雰囲気に応じた値に収束する。図には、排ガス雰囲気が極リーン（大気）の場合と、リーン（例えばＡ／Ｆ＝１８）の場合と、ストイキの場合と、リッチ（例えばＡ／Ｆ＝１２）の場合とを例示しており、ストイキを境に、リーン側ではＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが上昇し、リッチ側ではＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが下降する。Ａ／Ｆ＝１２〜大気をＡ／Ｆ検出範囲とする場合、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは概ね１．６〜４．１Ｖの範囲で変化する。

インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔは、素子インピーダンスＺａｃの低下（センサ素子温の上昇）に伴い変化し、その後所定の活性様態に至ることで所定値に収束する。

また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は、センサ活性後も２．２Ｖのまま固定されるのに対し、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、印加電圧制御回路２５によりその都度の素子電流に応じて制御される。この場合、リーンであるほど、センサ印加電圧を増大させるようにしているため、ストイキ時の所定値（例えば１．８Ｖ）を境にリーン側ではＴ２端子電圧ＶＳ−が下降し、リッチ側ではＴ２端子電圧ＶＳ−が上昇する。

Ａ／Ｆセンサが正常である時は、センサ活性化に伴い前記図４の如くＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−が変化するのに対し、Ａ／Ｆセンサの異常発生時には、同ＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−の変化が正常時とは異なるものとなる。以下には、Ａ／Ｆセンサの異常を代表的な異常形態である次の（１）〜（６）に分別してそれらを順に説明する。
（１）センサ断線異常
（２）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＶＢショート
（３）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＧＮＤショート
（４）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＶＢショート
（５）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＧＮＤショート
（６）Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート
なお、前記（１）はＴ１，Ｔ２端子の何れかで断線が生じた異常を、前記（２），（３）はＴ１端子でバッテリショート、グランドショートがそれぞれ生じた異常を、前記（４），（５）はＴ２端子でバッテリショート、グランドショートがそれぞれ生じた異常を、前記（６）はＴ１，Ｔ２端子間がショートした異常を、それぞれ指す。

本願発明者らは、前記（１）〜（６）の各異常時におけるＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−を各々計測した。その計測結果を図５に示しており、同図５を参照しながら前記（１）〜（６）の各異常時におけるＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−の具体的数値を説明する。図５の最下段には、比較のために正常時の数値を示している。各数値の右横には、異常値であると判定できるものに「×」を、それ以外のものに「○」を付している。なお、図５の各数値は、センサ活性途中における過渡的な数値とならないよう、活性前数値はセンサ起動直後に（エンジン始動直後に）、活性後数値はセンサ起動後、規定時間（例えば１分程度）が経過した時に計測された数値である。

（１）センサ断線異常
センサ断線異常が生じた場合、センサ活性前／活性後を通じてインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔが０のままとなる。この場合、センサ活性前のΔＩｏｕｔは正常値と同じであるが、センサ活性後のΔＩｏｕｔは正常値と異なるものとなる。これは、後述する（２）〜（６）の異常発生時も同様であり、下記の（２）〜（６）説明時にはΔＩｏｕｔには触れないこととする。

Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは、センサ活性前／活性後を通じて基準電圧（２．２Ｖ）で不変となる。この場合、センサ活性前のＡＦＯは正常値と同じであり、センサ活性後のＡＦＯはＡＦＯ正常範囲（１．６〜４．１Ｖ）に含まれる。また、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は、センサ活性前／活性後を通じて基準電圧（２．２Ｖ）で不変となり、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前／活性後を通じて所定値（１．８Ｖ）で不変となる。

（２）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＶＢショート
Ｔ１端子がＶＢショート生じた場合、当該Ｔ１端子にバッテリ電圧ＶＢ（例えば１４Ｖ）がかかるため、センサ活性前／活性後を通じてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯ及びＴ１端子電圧ＶＳ＋がセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）で固定される。図１の回路構成では、Ｔ１端子がＶＢショートした場合、電流検出抵抗２２の両端子のＡ点電圧とＢ点電圧とが共に上昇する。これにより、ＡＦＯ，ＶＳ＋が５．０Ｖに貼り付く。また、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前は所定値（１．８Ｖ）で保持されるのに対し、センサ活性後は素子インピーダンスＺａｃが低下することでＴ１端子側と同じく電圧が上昇し、センサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。

（３）Ｔ１端子（センサ正側端子）のＧＮＤショート
Ｔ１端子のＧＮＤショートが生じた場合、当該Ｔ１端子がグランド電位（０Ｖ）となるため、センサ活性前／活性後を通じてＴ１端子電圧ＶＳ＋が０Ｖとなる。この場合、図１の回路構成では、電流検出抵抗２２の一端のＡ点電圧が０Ｖとなり、オペアンプ２１がＡ点電圧を基準電圧（２．２Ｖ）まで引き上げようとして能力最大限の電流を流すためにＢ点電圧が上昇する。従って、センサ活性前／活性後を通じてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前は所定値（１．８Ｖ）で保持されるのに対し、センサ活性後は図１のＢ点電圧＝５．０Ｖとなるために印加電圧制御回路２５により過剰に低減され、回路構成上の出力下限値（０．９Ｖ）となる。

（４）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＶＢショート
Ｔ２端子のＶＢショートが生じた場合、当該Ｔ２端子にバッテリ電圧ＶＢがかかるため、センサ活性前／活性後を通じてＴ２端子電圧ＶＳ−がセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）で固定される。このとき、センサ活性前はＺａｃ＝∞であるため、Ｔ２端子側でＶＢショートが生じてもＴ１端子側では影響が及ばず、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとＴ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧（２．２Ｖ）で保持される。これに対し、センサ活性後は素子インピーダンスＺａｃが低下するため、Ｔ２端子側と同じくＴ１端子側でも電圧が上昇し、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとＴ１端子電圧ＶＳ＋はセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。

（５）Ｔ２端子（センサ負側端子）のＧＮＤショート
Ｔ２端子のＧＮＤショートが生じた場合、当該Ｔ２端子がグランド電位となるため、センサ活性前／活性後を通じてＴ２端子電圧ＶＳ−が０Ｖで固定される。このとき、センサ活性前はＺａｃ＝∞であるため、Ｔ２端子側でＧＮＤショートが生じてもＴ１端子側では影響が及ばず、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとＴ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧（２．２Ｖ）で保持される。また、センサ活性後は、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は基準電圧（２．２Ｖ）で保持することができるものの、ＶＳ＋＝２．２Ｖ、ＶＳ−＝０Ｖとなる状態では素子電流が大きくなり、それに伴いＴ１端子電圧ＶＳ＋がセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。

（６）Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート
Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショートが生じた場合、電流検出抵抗２２に過剰に電流が流れるため、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯがセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）となる。これはセンサ活性前／活性後何れも同じである。また、ＶＳ＋，ＶＳ−は共に中間電位（１．１Ｖ）に保持される。

上記のとおりセンサ異常時には、その異常形態に応じてＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−が正常値と異なり所定の異常値になるため、ＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−のどれが如何なる異常値となるかで異常種別の特定が可能となる。

ここで、前記図５の計測結果を解析すると、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは、Ｔ１端子のＶＢショート、Ｔ１端子のＧＮＤショート及びＴ１，Ｔ２端子間ショートで何れも同じ値（活性前／活性後ＡＦＯ＝５．０Ｖ）となり、Ｔ２端子のＶＢショート及びＴ２端子のＧＮＤショートで何れも同じ値（活性前ＡＦＯ＝２．２Ｖ、活性後ＡＦＯ＝５．０Ｖ）となる。そのため、Ａ／Ｆセンサの異常形態を次の（イ）〜（ハ）のように分別すれば、ΔＩｏｕｔ，ＡＦＯの２データを異常検出パラメータとして（イ）〜（ハ）の異常形態の特定が可能となる。
（イ）センサ断線異常
（ロ）Ｔ１端子のＶＢ／ＧＮＤショート又はＴ１，Ｔ２端子間ショート
（ハ）Ｔ２端子のＶＢ／ＧＮＤショート
図６は、前記（イ）〜（ハ）についてΔＩｏｕｔ，ＡＦＯの具体的数値をまとめた図表である。かかる場合、センサ活性後におけるインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔが正常値かどうかによりセンサ異常の有無が判定される。そして、センサ異常発生時において、センサ活性前及び活性後のＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいて異常種別が特定される。

図７は、ＣＰＵ３０によるセンサ異常検出処理を示すフローチャートである。本処理は、エンジン始動後において、センサ活性前のＡＦＯとセンサ活性後のΔＩｏｕｔ，ＡＦＯを計測し終えた後に実行される。なおこのとき、センサ活性前と活性後で各計測値が異常値かどうかが明確に判別できるよう、センサ非活性状態から活性状態への移行期間以外で、各種計測値がサンプリングされるようになっている。

ステップＳ１０１では、センサ活性後のΔＩｏｕｔが正常値であるか否かを判別する。これにより、センサ異常の有無が判定される。センサ活性後のΔＩｏｕｔが正常値である場合、センサ正常であると判定する（ステップＳ１０２）。

これに対し、センサ活性後のΔＩｏｕｔが異常値である場合、ステップＳ１０３では、活性前ＡＦＯが異常値であるか否かを判別し、ステップＳ１０５では、活性後ＡＦＯが異常値であるか否かを判別する。そして、活性前ＡＦＯが異常値である場合、Ｔ１端子のＶＢ／ＧＮＤショート又はＴ１，Ｔ２端子間ショートであると判定する（ステップＳ１０４）。また、活性前ＡＦＯが正常値であるが、活性後ＡＦＯが異常値である場合、Ｔ２端子のＶＢ／ＧＮＤショートであると判定する（ステップＳ１０６）。活性前ＡＦＯ，活性後ＡＦＯが共に正常値である場合、センサ断線であると判定する（ステップＳ１０７）。

以上詳述した本実施の形態によれば、センサ活性前及び活性後におけるＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとセンサ活性後におけるインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとに基づいてＡ／Ｆセンサの異常を検出する構成としたため、少なくとも前記（イ）〜（ハ）の異常形態が各々特定できるようになる。かかる場合、ＣＰＵ３０には、異常検出パラメータとして少なくともＡＦＯとΔＩｏｕｔがＡ／Ｄ入力されれば良く、信号線やＡ／Ｄ入力の構成が簡素化できる（前記図１にはＡＤ１〜ＡＤ４を図示したが、実際にはＡＤ１，ＡＤ２のみで良い）。その結果、構成の簡素化を図りつつ、更にＡ／Ｆセンサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができる。

（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとを用いて、
（イ）センサ断線異常
（ロ）Ｔ１端子のＶＢ／ＧＮＤショート又はＴ１，Ｔ２端子間ショート
（ハ）Ｔ２端子のＶＢ／ＧＮＤショート
の異常種別を特定したが、本実施の形態では、異常検出パラメータとして前記ΔＩｏｕｔ，ＡＦＯにＴ１端子電圧ＶＳ＋を追加する。これにより、既述した（１）〜（６）の異常種別を全て特定することが可能となる。

図８は、前記（１）〜（６）の各異常形態についてΔＩｏｕｔ，ＡＦＯ，ＶＳ＋の具体的数値をまとめた図表である。

図８において、Ｔ１端子のＶＢショート、Ｔ１端子のＧＮＤショート及びＴ１，Ｔ２端子間ショートのデータを見ると、前述のとおりセンサ活性前／活性後を通じてＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは何れも同じ異常値（５．０Ｖ）であるが、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は各々相違する（順に５．０Ｖ，０Ｖ，１．１Ｖ）。従って、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋を用いることでこれら３つの異常形態を特定できる。また、Ｔ２端子のＶＢショート及びＴ２端子のＧＮＤショートのデータを見ると、前述のとおりセンサ活性前／活性後でそれぞれＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯが同じとなるが、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋は各々相違する。従って、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋を用いることでこれら２つの異常形態を特定できる。

図９は、ＣＰＵ３０によるセンサ異常検出処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図７の処理に置き換えて実行される。本処理は、エンジン始動後において、センサ活性前のＡＦＯとセンサ活性後のΔＩｏｕｔ，ＡＦＯ，ＶＳ＋を計測し終えた後に実行される。

図９において、ステップＳ２０１では、センサ活性後のΔＩｏｕｔが正常値であるか否かを判別する。ＹＥＳの場合、センサ正常であると判定する（ステップＳ２０２）。

これに対し、センサ活性後のΔＩｏｕｔが異常値である場合、ステップＳ２０３では、活性前ＡＦＯが異常値であるか否かを判別する。そして、ＹＥＳの場合、ステップＳ２０４でＶＳ＋が上限値（５．０Ｖ）であるか否かを判別し、更にステップＳ２０５でＶＳ＋が下限値（０Ｖ）であるか否かを判別する。なお、前記図８から分かるように、活性前ＡＦＯが異常値である場合、ＶＳ＋はセンサ活性前及び活性後で同じ数値となり、その何れの計測値を用いてもよいが、ここではセンサ活性後のＶＳ＋を用いてステップＳ２０４，Ｓ２０５の判別を行う。

ステップＳ２０４，Ｓ２０５において、ＶＳ＋＝上限値の場合、Ｔ１端子のＶＢショートであると判定し（ステップＳ２０６）、ＶＳ＋＝下限値の場合、Ｔ１端子のＧＮＤショートであると判定する（ステップＳ２０７）。何れでも場合、Ｔ１，Ｔ２端子間ショートであると判定する（ステップＳ２０８）。

また、活性前ＡＦＯが正常値である場合において、ステップＳ２０９では、活性後ＡＦＯが異常値であるか否かを判別する。そして、ＹＥＳの場合、ステップＳ２１０で活性後ＶＳ＋が異常値であるか否かを判別する。活性後ＶＳ＋が異常値である場合、Ｔ２端子のＶＢショートであると判定し（ステップＳ２１１）、活性後ＶＳ＋が正常値である場合、Ｔ２端子のＧＮＤショートであると判定する（ステップＳ２１２）。活性前ＡＦＯ，活性後ＡＦＯが共に正常値である場合、センサ断線であると判定する（ステップＳ２１３）。

以上の構成によれば、異常検出パラメータとして、ＡＦＯ，ΔＩｏｕｔにＴ１端子電圧ＶＳ＋を加えることで、前記（１）〜（６）の異常形態が各々特定できるようになる。この場合、センサ異常検出に要するＣＰＵのＡ／Ｄ入力が３つになるが、全ての端子電圧をＡ／Ｄ入力とする場合に比べれば構成の簡素化が実現できる。

（第３の実施の形態）
インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとＴ２端子電圧ＶＳ−（電流検出抵抗２２を接続していない方の端子電圧）とを用いることにより、前記（１）〜（６）の異常形態を各々特定することも可能であり、その詳細を以下に説明する。

図１０は、前記（１）〜（６）の各異常形態についてΔＩｏｕｔ，ＶＳ−の具体的数値をまとめた図表である。図１０において、Ｔ２端子電圧ＶＳ−は、センサ活性前／活性後で異常形態に応じてある決まった値となる。それ故に、前記（１）〜（６）の異常形態が各々特定できる。

図１１は、ＣＰＵ３０によるセンサ異常検出処理を示すフローチャートであり、本処理は前記図７等の処理に置き換えて実行される。

図１１において、ステップＳ３０１では、センサ活性完了か否かを判別する。そして、センサ活性前においては、Ｔ２端子電圧ＶＳ−の計測を行うと共に、該計測したＶＳ−が正常値か異常値かを判定しその判定結果（正常値／異常値）を各々メモリに記憶する（ステップＳ３０２，Ｓ３０３）。

また、センサ活性後においては、インピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔの計測を行うと共に、該計測したΔＩｏｕｔが正常値か異常値かを判定しその判定結果（正常値／異常値）を各々メモリに記憶する（ステップＳ３０４，Ｓ３０５）。更に、Ｔ２端子電圧ＶＳ−の計測を行うと共に、該計測したＶＳ−が正常値か異常値かを判定しその判定結果（正常値／異常値）を各々メモリに記憶する（ステップＳ３０６，Ｓ３０７）。

その後、ステップＳ３０８では、センサ活性前及び活性後の必要データが全て計測完了したか否かを判別する。そして、データ計測完了であれば、前記メモリに記憶したΔＩｏｕｔ，ＶＳ−を用いてセンサ異常検出を実施する（ステップＳ３０９）。このとき、前記図１０に示す各異常形態のパターンデータを照合し、メモリに記憶したΔＩｏｕｔ，ＶＳ−がどの異常形態に相当するかを判定する。そして、その判定結果からその都度の異常形態を判定する。

以上の構成によれば、センサ活性前及び活性後におけるＴ２端子電圧ＶＳ−とセンサ活性後におけるインピーダンス電流信号の変化量ΔＩｏｕｔとに基づいてＡ／Ｆセンサの異常を検出する構成としたため、前記（１）〜（６）の異常形態が各々特定できるようになる。かかる場合、ＣＰＵ３０には、異常検出パラメータとして少なくともＶＳ−とΔＩｏｕｔがＡ／Ｄ入力されれば良く、信号線やＡ／Ｄ入力の構成が簡素化できる。その結果、構成の簡素化を図りつつ、更にＡ／Ｆセンサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができる。

各異常形態のパターンデータとの照合により異常形態を特定する構成としたため、所望とする異常形態が容易に特定できるようになる。

なお、前記図１１の処理において、先ずはセンサ活性後におけるΔＩｏｕｔによりセンサ異常の有無を判定し、異常発生時においてＶＳ−に基づいて異常形態を特定するようにしても良い。

ところで、前記図１の回路構成では、センサ素子１０の正側端子（Ｔ１端子）に電流検出抵抗２２を接続し、同負側端子（Ｔ２端子）に印加電圧制御回路２５を接続したが、この構成を変更する。例えば、図１２の回路構成とする。図１２の回路構成は、基本的にセンサ制御部のＴ１端子側の構成とＴ２端子側の構成とを入れ替えたものであり、相違点を中心に説明する。

エンジンＥＣＵ４０において、Ｔ２端子には、オペアンプ４１及び電流検出抵抗４２を介して基準電源４３が図示の如く接続され、Ｔ２端子には印加電圧制御回路４５が接続されている。この場合、電流検出抵抗４２の一端のＡ点は基準電源４３の基準電圧（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗４２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Ｔ１端子からＴ２端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が下降し、逆にリッチの場合、センサ素子１０にはＴ２端子からＴ１端子に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇する。

印加電圧制御回路４５は、Ｂ点電圧をモニタすると共にその電圧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点電圧の下降時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。

また、図のＢ点及び基準電源４３にはオペアンプ（差動増幅器）４６が接続されており、オペアンプ４６の出力ＡＦＯがＡ／Ｆ出力電圧としてＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ１に取り込まれる。ＣＰＵ５０は、ＡＤ１より取り込んだ各Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯに基づいてその都度のＡ／Ｆ値を算出する。インピーダンス検出に際し、印加電圧制御回路４５はＣＰＵ５０からの指令を受け、センサ素子１０への印加電圧を所定幅（例えば０．２Ｖ）で正負両側に変化させる。このとき、センサ印加電圧の変化に伴うＢ点の電圧変化はインピーダンス電流検出回路４７にてモニタされ、そのインピーダンス電流検出回路４７の出力Ｉｏｕｔがインピーダンス電流信号としてＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ２に取り込まれる。

その他、図１２の構成では、Ｔ１端子電圧ＶＳ＋がＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ３に取り込まれると共に、Ｔ２端子電圧ＶＳ−がＣＰＵ５０のＡ／ＤポートＡＤ４に取り込まれるようになっている。

図１３は、前記図１２の回路構成において、前記（１）〜（６）の異常発生時にＡＦＯ，ΔＩｏｕｔ，ＶＳ＋，ＶＳ−がどのように出力されるかを示した図表である。その内容は概ね前述の図５に準ずるため、詳細な説明は割愛するが、本図１３の関係を用いることで、前記同様、Ａ／Ｆセンサの異常が好適に検出できる。この場合、
（ａ）ΔＩｏｕｔとＡＦＯとを異常検出パラメータとする構成、
（ｂ）ΔＩｏｕｔとＡＦＯとＶＳ−とを異常検出パラメータとする構成、
（ｃ）ΔＩｏｕｔとＶＳ＋とを異常検出パラメータとする構成、
がそれぞれ実現できる。前記（ａ）の構成では、
（イ）センサ断線異常
（ロ）Ｔ１端子のＶＢ／ＧＮＤショート
（ハ）Ｔ２端子のＶＢ／ＧＮＤショート
（ニ）Ｔ１，Ｔ２端子間ショート
の各異常形態が特定できる。また、前記（ｂ），（ｃ）の構成では、
（１）センサ断線異常
（２）Ｔ１端子のＶＢショート
（３）Ｔ１端子のＧＮＤショート
（４）Ｔ２端子のＶＢショート
（５）Ｔ２端子のＧＮＤショート
（６）Ｔ１，Ｔ２間の端子間ショート
の各異常形態が特定できる。

センサ制御部の更に別の構成として、Ｔ１端子及びＴ２端子の何れか一方に、電流検出抵抗２２と印加電圧制御回路２５を共に設ける構成とすることも可能である。

（第４の実施の形態）
前記第１〜第３の実施の形態では、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。図１４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「第１セル」としてのポンプセル７１が構成され、固体電解質６２及び電極６５，６６により「第２セル」としてのモニタセル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１４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。モニタセル７２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

上記センサ素子構造のＡ／Ｆセンサにおいて、モニタセル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、モニタセル７２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、モニタセル７２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、モニタセル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。

図１５は、前記構成のＡ／ＦセンサについてＶ−Ｉ特性を示す図面である。このＶ−Ｉ特性において、リーン時の限界電流域は正電圧域に、リッチ時の限界電流域は負電圧域に現れる。そのため、リーン時の印加電圧特性ＲＧは正電圧域に、リッチ時の印加電圧特性ＲＧは負電圧域にそれぞれ設けられている。

図１６は、上記図１４のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサについてセンサ制御回路８０の構成を示す回路図である。図１６において、ＶＭはポンプセル７１及びモニタセル７２の共通端子であり、その共通端子ＶＭには基準電圧電源８１が接続されている。基準電圧電源８１の基準電圧は例えば２．５Ｖである。また、ＩＰはポンプセル７１の電極６３に接続されるポンプセル端子、ＵＮはモニタセル７２の電極６６に接続されるモニタセル端子である。これら各端子ＩＰ，ＵＮには、各セル７１，７２を通じてオペアンプ８２及び電流検出抵抗８３を有する閉回路が接続されており、オペアンプ８２の非反転端子（＋端子）には基準電圧（３．０Ｖ）を生成する基準電圧電源８４が接続されている。

リーン時にはＢ→Ａの向きに電流検出抵抗８３に電流が流れ、逆にリッチ時にはＡ→Ｂの向きに電流検出抵抗８３に電流が流れる。かかる場合、モニタセル７２の出力電圧が所定値になるようポンプセル７１がフィードバック制御されるようになっている（但し、フィードバック制御回路については既に種々公開されておりここでは図示及び詳細な説明を省略する）。

電流検出抵抗８３の両端子Ａ点，Ｂ点には、所定増幅率のオペアンプ８５が接続されている。このオペアンプ８５の出力がＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとされる。ＩＰ端子の電圧はポンプセル端子電圧Ｖｉｐとして出力される。

また、モニタセル７２を対象に素子インピーダンスが検出されるようになっており、インピーダンス検出回路８６では、モニタセル７２に印加する電圧を交流的に変化させ、それに応答する電圧波形が計測される。そして、その計測結果がインピーダンス検出電圧Ｖｚとして出力される。

本実施の形態では、次の（１）〜（１２）に示す異常形態を対象にセンサ異常検出を実施する。
（１）ＵＮ端子断線
（２）ＵＮ端子のＶＢショート
（３）ＵＮ端子のＧＮＤショート
（４）ＵＮ，ＶＭ間の端子間ショート
（５）ＶＭ端子断線
（６）ＶＭ端子のＶＢショート
（７）ＶＭ端子のＧＮＤショート
（８）ＶＭ，ＩＰ間の端子間ショート
（９）ＩＰ端子断線
（１０）ＩＰ端子のＶＢショート
（１１）ＩＰ端子のＧＮＤショート
（１２）ＩＰ，ＵＮ間の端子間ショート
図１７には、前記（１）〜（１２）の異常時と正常時におけるＶｚ，ＡＦＯ，Ｖｉｐの計測値を示している。図１７において、例えば「ＵＮ／ＶＢ」の表記はＵＮ端子のＶＢショート、「ＵＮ／ＧＮＤ」の表記はＵＮ端子のＧＮＤショート、「ＵＮ／ＶＭ」の表記はＵＮ，ＶＭ間の端子間ショートである（他も同様）。また、各数値の右横には、異常値であると判定できるものに「×」を、それ以外のものに「○」を付している。図１７の各数値を、先ずは正常値について説明する。

センサ活性前は、素子インピーダンスの検出が不可であり、インピーダンス検出電圧Ｖｚは０のままとなる。また、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯはＡＦＯ基準電圧（２．５Ｖ）に、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐは所定電圧（２．０Ｖ）に、それぞれ保持されている。

これに対して、センサ活性後は、インピーダンス検出電圧Ｖｚは所定値（例えば２．２４Ｖ）に収束する。また、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯは、所定の正常範囲（例えば１．６〜４．１Ｖ）内でその都度の排ガス雰囲気に応じた値に収束する。ポンプセル端子電圧Ｖｉｐは、その都度の素子電流に応じて所定範囲内で制御される。

次に、前記（１）〜（１２）の異常形態について、Ｖｚ，ＡＦＯ，Ｖｉｐが異常値となる場合を中心に説明する。

前記（１）のＵＮ端子断線が生じた場合には、センサ活性後もインピーダンス検出電圧ＶｚとＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとが０のままとなる。

前記（２）〜（４）のＵＮ端子のＶＢショート、ＵＮ端子のＧＮＤショート、ＵＮ，ＶＭ間の端子間ショートが生じた場合には、何れもセンサ活性前のインピーダンス検出電圧Ｖｚがセンサ制御部の出力上限値（５．０Ｖ）に貼り付く。またこの場合、同（２）〜（４）の違いとして、ＵＮ端子のＶＢショートであれば、センサ活性前／活性後を通じてＶｉｐが０Ｖに貼り付き、ＵＮ端子のＧＮＤショートであれば、センサ活性前／活性後を通じてＶｉｐが５Ｖに貼り付き、ＵＮ，ＶＭ間の端子間ショートであれば、活性前Ｖｉｐ＝２．５Ｖ（異常値）となる。

また、前記（６），（７）のＶＭ端子のＶＢショート、ＶＭ端子のＧＮＤショートが生じた場合には、活性後Ｖｉｐが出力上限値（５．０Ｖ）に貼り付く。但し両者の違いとして、ＶＭ端子のＶＢショートが生じた場合には活性後ＡＦＯが０Ｖに貼り付き、ＶＭ端子のＧＮＤショートが生じた場合には、活性後ＡＦＯが５．０Ｖに貼り付く。

前記（８）のＶＭ，ＩＰ間の端子間ショートが生じた場合には、活性前Ｖｉｐが基準電圧電源８１の基準電圧（２．５Ｖ）に貼り付く。また、活性後ＡＦＯが５．０Ｖに貼り付く。

前記（９）のＩＰ端子断線が生じた場合には、活性後Ｖｉｐが出力上限値（５．０Ｖ）に貼り付く。

前記（１０）のＩＰ端子のＶＢショートが生じた場合には、センサ活性前／活性後を通じてポンプセル端子電圧Ｖｉｐが出力上限値（５．０Ｖ）に貼り付くと共に、センサ活性前／活性後を通じてＡＦＯが０Ｖに貼り付く。

前記（１１）のＩＰ端子のＧＮＤショートが生じた場合には、センサ活性前／活性後を通じてポンプセル端子電圧Ｖｉｐが出力下限値（０Ｖ）に貼り付くと共に、センサ活性前／活性後を通じてＡＦＯが５．０Ｖに貼り付く。

前記（１２）のＩＰ，ＵＮ間の端子間ショートが生じた場合には、活性前Ｖｉｐがポンプセル電圧制御部（オペアンプ８２）の基準電圧（＝３．０Ｖ）に保持される。

図１８は、ＣＰＵ５０によるセンサ異常検出処理を示すフローチャートである。

図１８において、ステップＳ４０１では、センサ活性完了か否かを判別する。そして、センサ活性前においては、インピーダンス検出電圧Ｖｚの計測を行うと共に、該計測したＶｚが正常値か異常値かを判定しその判定結果（正常値／異常値）を各々メモリに記憶する（ステップＳ４０２，Ｓ４０３）。また、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとポンプセル端子電圧Ｖｉｐについても同様の処理を行う（ステップＳ４０４〜Ｓ４０７）。

センサ活性後においても同じく、インピーダンス検出電圧Ｖｚの計測を行うと共に、該計測したＶｚが正常値か異常値かを判定しその判定結果（正常値／異常値）を各々メモリに記憶する（ステップＳ４０８，Ｓ４０９）。また、Ａ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとポンプセル端子電圧Ｖｉｐについても同様の処理を行う（ステップＳ４１０〜Ｓ４１３）。

その後、ステップＳ４１４では、センサ活性前及び活性後の必要データが全て計測完了したか否かを判別する。そして、データ計測完了であれば、前記メモリに記憶したＶｚ，ＡＦＯ，Ｖｉｐを用いてセンサ異常検出を実施する。このとき、メモリに記憶したＶｚ，ＡＦＯ，Ｖｉｐが前記図１７に示すどの異常形態に相当するかによってその都度の異常種別が判定される。

以上第４の実施の形態によれば、センサ活性前及び活性後におけるＡ／Ｆ出力電圧ＡＦＯとインピーダンス検出電圧Ｖｚとポンプセル端子電圧Ｖｉｐとに基づいてＡ／Ｆセンサの異常を検出する構成としたため、前記（１）〜（１２）の異常形態が各々特定できるようになる。かかる場合、各計測値を入力するＣＰＵには、異常検出パラメータとして少なくともＡＦＯ，Ｖｚ，ＶｉｐがＡ／Ｄ入力されれば良く、信号線やＡ／Ｄ入力の構成が簡素化できる。その結果、構成の簡素化を図りつつ、更にＡ／Ｆセンサの異常形態を特定することで好適なるセンサ異常検出を実現することができる。

ＵＮ端子の電圧とＶＭ端子の電圧とを計測し、その計測値を異常検出パラメータに加える構成としても良い。この場合、異常形態に応じてＵＮ端子電圧、ＶＭ端子電圧が所定の異常値になるため、これら各電圧値を用いることで、より細分化した異常形態の特定が可能となる。

他の構成のＡ／Ｆセンサを図１９に示す。図１９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「第１セル」としてのポンプセル１１１が構成され、固体電解質１０２及び電極１０６，１０７により「第２セル」としてのモニタセル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１９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、モニタセル１１２は、前記図１４のモニタセル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。上記構成のセンサ素子９０であっても同様に本発明が適用できる。

更に、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。

また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外に、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、そのうちポンプセルでは、チャンバ内に導入した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、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。これに加え、チャンバ内の残留酸素濃度に応じて起電力信号を出力するモニタセルを有するガス濃度センサであっても良い。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異常検出が可能となる。このとき、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。

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。

エンジンＥＣＵ内のセンサ制御部の電気的構成を示す回路図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの各種信号の変化を示すタイムチャートである。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 センサ異常検出処理を示すフローチャートである。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 センサ異常検出処理を示すフローチャートである。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 センサ異常検出処理を示すフローチャートである。 エンジンＥＣＵ内のセンサ制御部の電気的構成を示す回路図である。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 別のＡ／Ｆセンサの素子構造を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 センサ制御部の電気的構成を示す回路図である。 Ａ／Ｆセンサの各異常形態における計測値を示す図である。 センサ異常検出処理を示すフローチャートである。 別のＡ／Ｆセンサの素子構造を示す断面図である。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質、１５，１６…電極、２２…電流検出抵抗、３０…ＣＰＵ、４２…電流検出抵抗、５０…ＣＰＵ、６０…センサ素子、６１，６２…固体電解質、６３〜６６…電極、７１…ポンプセル、７２…モニタセル、８０…センサ制御回路、８３…電流検出抵抗、９０…センサ素子、１０１〜１０３…固体電解質、１０４〜１０７…電極、１１１…ポンプセル、１１２…モニタセル、Ｔ１…＋端子、Ｔ２…−端子、ＶＭ…共通端子、ＩＰ…ポンプセル端子、ＵＮ…モニタセル端子。

Claims (12)

1. 固体電解質体と少なくとも一対の電極とからなるセンサ素子を有したガス濃度センサに正負両側の接続端子を介して接続され、ガス濃度検出時において前記センサ素子に電圧を印加しその電圧印加に伴い流れる素子電流を電流検出抵抗により計測する一方、前記センサ素子の内部抵抗検出時において当該センサ素子への印加電圧又は電流に交流的な変化を付与しそれに伴う電流又は電圧の応答変化量を計測する構成としたガス濃度検出装置において、
   ガス濃度センサの活性前及び活性後における前記ガス濃度検出時の素子電流計測値と、ガス濃度センサの活性後における前記内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値とに基づいて前記ガス濃度センサの異常を検出する異常検出手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記異常検出手段は、センサ活性後における前記内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値に基づいてセンサ異常の有無を判定し、更にセンサ活性前及び活性後における前記ガス濃度検出時の素子電流計測値に基づいて異常形態を特定する請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. 前記正負両側の接続端子の何れかに前記電流検出抵抗を接続する構成とし、
   ガス濃度検出時には、素子電流に応じて変化する前記電流検出抵抗の端子電圧を素子電流計測値として計測し、センサ素子の内部抵抗検出時には、素子内部抵抗に応じて変化する前記電流検出抵抗の端子電圧を電流又は電圧の応答変化量計測値として計測する請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記正負両側の接続端子のうち少なくとも一方の端子電圧をセンサ活性前又は活性後において計測する手段を更に備え、
   前記異常検出手段は、センサ活性前及び活性後における前記ガス濃度検出時の素子電流計測値と、センサ活性後における前記内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値とに加え、前記計測した端子電圧計測値に基づいて前記ガス濃度センサの異常を検出する請求項１乃至３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
5. 前記異常検出手段は、前記計測した端子電圧計測値が信号出力範囲の上限値／下限値の何れに貼り付くかによって電源ショートかグランドショートかを特定する請求項４に記載のガス濃度検出装置。
6. 固体電解質体と少なくとも一対の電極とからなるセンサ素子を有したガス濃度センサに正負両側の接続端子を介して接続され、ガス濃度検出時において前記センサ素子に電圧を印加しその電圧印加に伴い流れる素子電流を電流検出抵抗により計測する一方、前記センサ素子の内部抵抗検出時において当該センサ素子への印加電圧又は電流に交流的な変化を付与しそれに伴う電流又は電圧の応答変化量を計測する構成としたガス濃度検出装置において、
   前記正負両側の接続端子の何れかに前記電流検出抵抗を接続する構成とし、
   前記正負両側の接続端子のうち前記電流検出抵抗を接続していない方の端子電圧を計測するセンサ端子電圧計測手段と、
   ガス濃度センサの活性前及び活性後における前記センサ端子電圧計測手段により計測した端子電圧計測値と、ガス濃度センサの活性後における前記内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値とに基づいて前記ガス濃度センサの異常を検出する異常検出手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
7. 請求項６の構成において、前記異常検出手段は、センサ活性後における前記内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値に基づいてセンサ異常の有無を判定し、更にセンサ活性前及び活性後における前記端子電圧計測値に基づいて異常形態を特定するガス濃度検出装置。
8. 固体電解質体よりなり、酸素ポンプ動作を行い酸素移動量に応じた電流を流す第１セルと、同じく固体電解質体よりなり、被検出ガスの酸素濃度に応じて所定の起電力信号を出力する第２セルとを有するガス濃度センサに接続され、
   前記第２セルより出力される起電力信号に応じて前記第１セルへの印加電圧を制御し、その電圧印加に伴い流れる第１セル電流を電流検出抵抗により計測する一方、前記第２セルを対象に内部抵抗を検出する際、当該第２セルへの印加電圧又は電流に交流的な変化を付与しそれに伴う電流又は電圧の応答変化量を計測する構成としたガス濃度検出装置において、
   前記第１セルに接続される正負両側の接続端子のうち少なくとも一方の端子電圧を計測する第１セル端子電圧計測手段と、
   ガス濃度センサの活性前及び活性後における前記第１セル電流の計測値と前記内部抵抗検出時の電流又は電圧の応答変化量計測値と前記第１セル端子電圧計測手段により計測した端子電圧計測値とに基づいて前記ガス濃度センサの異常を検出する異常検出手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
9. 請求項８の構成において、前記異常検出手段は、前記第１セルに接続される正負両側の接続端子と、前記第２セルに接続される正負両側の接続端子とについて、それら各接続端子の断線、電源ショート、グランドショート、端子間ショートを各々特定するガス濃度検出装置。
10. 前記第１セル，第２セルに接続される正負両側の接続端子の何れか１つずつをまとめて共通端子とし、その共通端子に基準電圧を印加する構成において、前記第１セル端子電圧計測手段は、前記第１セルに接続される正負両側の接続端子のうち、前記共通端子とは異なる方の端子電圧を計測する請求項８又は９に記載のガス濃度検出装置。
11. 複数ある異常形態毎に、センサ活性前及び活性後において前記した各計測値が如何なる異常値になるかを予めパターン記憶しておき、前記異常検出手段は、パターン照合により異常形態を特定する請求項１乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
12. センサ起動後、前記ガス濃度センサが非活性状態から活性状態へと移行する移行期間以外で、センサ活性前及び活性後の各種計測値を計測する構成とした請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。