JP2007205805A - ガス検出装置及びこのガス検出装置に用いるガスセンサ制御回路 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ素子を制御する制御回路が誤動作することで発生する異常電流によるガスセンサ素子の破損を防止する。
【解決手段】ガスセンサ素子４を制御するガスセンサ制御回路５は、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢをモニタするバッテリ電圧異常検出回路５２、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するスイッチ制御回路５４、及び、制御端子Ｖｓ＋、ＣＯＭ、Ｉｐ＋から見たガスセンサ制御回路５のインピーダンスをハイインピーダンスにするスイッチＳＷ１〜ＳＷ３等を含んでいる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被測定ガス中の特定ガスの有無や濃度を検出するガスセンサ素子を備えるガス検出装置及びこのガス検出装置に用いるガスセンサ制御回路に関する。

従来、車両用ガソリンエンジンなどの内燃機関の燃焼制御において、内燃機関に供給する空気と燃料との混合気の混合比を制御して、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ及びＨＣを低減するために、排気ガス中の特定ガス濃度に応じて、燃料供給量をフィードバック制御する燃焼制御方式が知られている。

このような空燃比の制御に用いられるガスセンサ素子としては、ジルコニア等からなる固体電解質体の両面に電極を設けた２つのセンサセル（酸素イオンポンプセル及び酸素分圧検知セル）を、対向して配設した全領域空燃比センサ（以下、空燃比センサとも言う。）が知られている。この空燃比センサでは、この２つのセンサセルと、拡散抵抗体を介して被測定ガス雰囲気に連通した測定室とを含んで構成されており、拡散抵抗体を介して測定室に導入された被測定ガス中の酸素濃度を検知することができる。

このような空燃比センサを制御するための制御回路として、特許文献１に開示されているような空燃比信号検出回路が知られている。この空燃比信号検出回路は、複数個の演算増幅器を中心に構成されており、これら演算増幅器により第１の素子Ａ（酸素分圧検知セル）の出力電圧を一定値にするよう、第２の素子Ｂ（酸素イオンポンプセル）のポンプ電流を制御している。このような空燃比信号検出回路に使用されている演算増幅器の電源は、通常、車両用バッテリ電源であり、演算増幅器はバッテリ電源から電圧供給されることによって作動している。
特開昭６２−１４８８４９号公報（第４図）

ところで、何らかの理由でバッテリ電源の電源電圧が低下すると、バッテリ電源から演算増幅器に供給される供給電圧が低下する。演算増幅器の出力電圧範囲は、通常、演算増幅器の電源電圧範囲に依存するため、演算増幅器への供給電圧が低下すると演算増幅器の出力電圧が低下することになる。演算増幅器の出力電圧が低下すると空燃比信号検出回路が正常に動作できなくなる。このため、空燃比信号検出回路の誤動作によって空燃比センサに異常電流が流れ、空燃比センサが破損するおそれがあった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ素子を制御する制御回路が誤動作することで発生する異常電流によるガスセンサ素子の破損を防止できるガス検出装置、及びこのガス検出装置に用いるガスセンサ制御回路の提供を目的とする。

上記問題の解決にあたり、本発明にかかるガス検出装置は、請求項１の記載によれば、固体電解質体及び一対の電極からなるセンサセルを備えるガスセンサ素子と、バッテリ電源から電圧供給されることで作動する演算増幅回路を備え、ガスセンサ素子に電気的に接続されて、ガスセンサ素子を制御するガスセンサ制御回路と、を備えるガス検出装置であって、ガスセンサ制御回路は、バッテリ電源の電源電圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する電源電圧判定手段と、電源電圧判定手段にて電源電圧が所定の閾値未満と判定されたときに、センサセルを保護する保護手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のガス検出装置では、保護手段を備えており、電源電圧判定手段によってバッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されると、この保護手段によってガスセンサ素子のセンサセルを保護する。よって、本発明のガス検出装置によれば、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ制御回路が誤動作することで発生する異常電流からセンサセルを保護することができ、ガスセンサ素子の破損を防止することができる。ここで、保護手段は、異常電流からセンサセルを保護できるものであれば、いずれのものであっても良い。例えば、ガスセンサ素子側から見たガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にする手段であっても良く、また、センサセルの両端電位をバッテリ電源とは異なる別の電源等を用いて同電位にすることでセンサセルを異常電流から保護する手段であっても良い。

また、本発明は、請求項２の記載によれば、請求項１に記載のガス検出装置であって、ガスセンサ素子は、一対の電極に各々導通する複数のセンサ側接続端子を備えており、ガスセンサ制御回路は、ガスセンサ素子の複数のセンサ側接続端子に各々導通する複数の回路側接続端子を備えており、保護手段は、電源電圧判定手段にて電源電圧が所定の閾値未満と判定されたときに、回路側接続端子から見たガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にするハイインピーダンス化手段であることを特徴とする。

本発明のガス検出装置では、電源電圧判定手段によってバッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されると、回路側接続端子から見たガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にするハイインピーダンス化手段を備えている。これにより、バッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されたときに、保護手段であるハイインピーダンス化回路により、ガスセンサ素子とガスセンサ制御回路とを電気的に切り離すことができる。従って、ガスセンサ素子のセンサセルに異常電流が流れることはなく、センサセルを確実に保護することができる。よって、本発明のガス検出装置によれば、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ制御回路が誤動作することで発生する異常電流からセンサセルを確実に保護することができ、ガスセンサ素子の破損を確実に防止することができる。

さらに、本発明は、請求項３の記載によれば、請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置であって、ガスセンサ素子は、拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される測定室と、固体電解質体及び一対の電極を有し、一対の電極のうちの一方の電極が測定室に配置されて、測定室に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセルと、固体電解質体及び一対の電極を有し、一対の電極のうちの一方の電極が測定室に配置されて、測定室内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セルと、酸素分圧検知セルの一対の電極のうちの他方の電極側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞部材と、を備えており、ガスセンサ制御回路は、閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、酸素分圧検知セルに対して閉塞空間に測定室内の酸素を汲み入れる方向に定電流を流す定電流供給手段を備えることを特徴とする。

ガス検出装置として、拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される測定室と、測定室に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセルと、測定室内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セルと、酸素分圧検知セルの一対の電極のうちの他方の電極側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞部材と、を備えたガスセンサ素子、及び、上記閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、酸素分圧検知セルに対して閉塞空間に測定室内の酸素を汲み入れる方向に定電流を流す定電流供給手段を備えたガスセンサ制御回路、を有したものがある。このようなガス検出装置の場合、バッテリ電源の電源電圧が低下すると、酸素分圧検知セルに対して、定電流供給手段による定電流の電流方向とは逆方向、即ち、閉塞空間から酸素を汲み出す方向に電流（異常電流）が流れる場合がある。このような場合には、酸素分圧検知セルを構成する固体電解質体にブラックニングが生じるなど、ガスセンサ素子を破損するおそれがある。

これに対し、本発明のガス検出装置では、電源電圧判定手段によりバッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されると、ガスセンサ素子を保護する保護手段を備えている。これにより、酸素分圧検知セルに対して、定電流供給手段による定電流の電流方向とは逆方向（閉塞空間から酸素を汲み出す方向）の異常電流が流れることはない。よって、本発明のガス検出装置によれば、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ制御回路が誤動作することで発生する異常電流からガスセンサ素子を保護することができ、ガスセンサ素子の破損を防止することができる。

また、上記問題の解決にあたり、本発明にかかるガスセンサ制御回路は、請求項４の記載によれば、バッテリ電源から電圧供給されることで作動する演算増幅回路を備え、固体電解質体及び一対の電極からなるセンサセルを備えるガスセンサ素子に接続されて、ガスセンサ素子を制御するガスセンサ制御回路であって、バッテリ電源の電源電圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する電源電圧判定手段と、電源電圧判定手段にて電源電圧が所定の閾値未満と判定されたときに、センサセルを保護する保護手段と、を備えることを特徴とする。

本発明のガスセンサ制御回路では、保護手段を備えており、電源電圧判定手段によってバッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されると、この保護手段によってガスセンサ素子のセンサセルを保護する。よって、本発明のガスセンサ制御回路によれば、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ制御回路が誤動作することで発生する異常電流からセンサセルを保護することができ、ガスセンサ素子の破損を防止することができる。

また、本発明は、請求項５の記載によれば、請求項４に記載のガスセンサ制御回路であって、ガスセンサ素子は、一対の電極に各々導通する複数のセンサ側接続端子を備えており、ガスセンサ制御回路は、ガスセンサ素子の複数のセンサ側接続端子に各々導通する複数の回路側接続端子を備えており、保護手段は、電源電圧判定手段にて電源電圧が所定の閾値未満と判定されたときに、回路側接続端子から見たガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にするハイインピーダンス化手段であることを特徴とする。

本発明のガスセンサ制御回路では、電源電圧判定手段によってバッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されると、回路側接続端子から見たガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にするハイインピーダンス化手段を備えている。これにより、バッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されたときに、保護手段であるハイインピーダンス化回路により、ガスセンサ素子とガスセンサ制御回路とを電気的に切り離すことができる。従って、ガスセンサ素子のセンサセルに異常電流が流れることはなく、センサセルを確実に保護することができる。よって、本発明のガスセンサ制御回路によれば、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ制御回路が誤動作することで発生する異常電流からセンサセルを確実に保護することができ、ガスセンサ素子の破損を確実に防止することができる。

さらに、本発明は、請求項６の記載によれば、請求項４又は請求項５に記載のガスセンサ制御回路であって、ガスセンサ素子は、拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される測定室と、固体電解質体及び一対の電極を有し、一対の電極のうちの一方の電極が測定室に配置されて、測定室に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセルと、固体電解質体及び一対の電極を有し、一対の電極のうちの一方の電極が測定室に配置されて、測定室内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セルと、酸素分圧検知セルの一対の電極のうちの他方の電極側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞部材と、を備えており、ガスセンサ制御回路は、閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、酸素分圧検知セルに対して閉塞空間に測定室内の酸素を汲み入れる方向に定電流を流す定電流供給手段を備えることを特徴とする。

ガスセンサ素子として、拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される測定室と、測定室に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセルと、測定室内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セルと、酸素分圧検知セルの一対の電極のうちの他方の電極側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞部材と、を備えたものがあり、このようなガスセンサ素子を制御するガスセンサ制御回路として、上記閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、酸素分圧検知セルに対して閉塞空間に測定室内の酸素を汲み入れる方向に定電流を流す定電流供給手段を備えたものがある。このようなガスセンサ制御回路の場合、バッテリ電源の電源電圧が低下すると、酸素分圧検知セルに対して、定電流供給手段による定電流の電流方向とは逆方向、即ち、閉塞空間から酸素を汲み出す方向に電流（異常電流）が流れる場合がある。このような場合には、酸素分圧検知セルを構成する固体電解質体にブラックニングが生じるなど、ガスセンサ素子を破損するおそれがある。

これに対し、本発明のガスセンサ制御回路では、電源電圧判定手段によりバッテリ電源の電源電圧が所定の閾値未満と判定されると、ガスセンサ素子を保護する保護手段を備えている。これにより、酸素分圧検知セルに対して、定電流供給手段による定電流の電流方向とは逆方向（閉塞空間から酸素を汲み出す方向）の異常電流が流れることはない。よって、本発明のガスセンサ制御回路によれば、バッテリ電源の電源電圧の低下に伴いガスセンサ制御回路が誤動作することで発生する異常電流からガスセンサ素子を保護することができ、ガスセンサ素子の破損を防止することができる。

本発明の実施の形態にかかるガス検出システムについて図面を参照して説明する。
（実施例１）

本発明の実施の形態にかかるガス検出システム１について、図１及び図２を参照して説明する。
排気ガス中の酸素濃度から空燃比を測定する本実施例１のガス検出システム１は、図１に示すように、ガスセンサ素子４及びガスセンサ制御回路５からなるガス検出装置２と、ガスセンサ素子４を作動温度に保つヒータ７と、ヒータ７を制御するためのヒータ制御回路６と、ガス検出装置２及びヒータ制御回路６を制御するマイクロコンピュータ３とを含んでいる。

このうちマイクロコンピュータ３は、図示しないが、中央演算装置であるＣＰＵと、データやプログラム等を格納するＲＡＭ及びＲＯＭと、外部回路との信号の入出力を行う入力ポート及び出力ポートを含んでいる。マイクロコンピュータ３では、ＣＰＵはＲＡＭ等に格納されたプログラムにより、演算やデータ転送などの命令の実行が制御される。また、マイクロコンピュータ３では、入力ポートに入力された信号は、入力ポート用レジスタの内容に反映され、出力ポート用レジスタに格納された内容は、出力ポートに信号として出力される。

ヒータ制御回路６により制御されるヒータ７は、図示しないセラミック系接合材を介してガスセンサ素子４に接合されている。ヒータ７は、アルミナを主成分とするセラミックからなり、その内部にはヒータ配線７２が埋設されている。ヒータ制御回路６は、ガスセンサ素子４の温度が５５０℃〜９００℃に保たれるように、ヒータ７を制御する。

また、ガスセンサ素子４は、ガソリンエンジンの排気ガス系に配設され、接合された２つのセンサセル（酸素イオンポンプセル１４及び酸素分圧検知セル２４）を含み、３つの素子端子４Ｔ１、４Ｔ２、４Ｔ３が、配線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を介して、ガスセンサ制御回路５の制御端子Ｖｓ＋、ＣＯＭ、Ｉｐ＋にそれぞれ接続されている。
このガスセンサ素子４は、酸素イオンポンプセル１４、多孔質拡散層１８、酸素分圧検知セル２４及び閉塞板３０が、この順に積層されて、一体焼結によって形成されている。
このうち酸素イオンポンプセル１４は、薄板状の、酸素イオン伝導性固体電解質体であるジルコニアからなり、その両面に多孔質の白金で形成された第一ポンプ電極１２ａ及び第二ポンプ電極１２ｂを有している。さらに、第一ポンプ電極１２ａは、第三素子端子４Ｔ３を通じ配線Ｌ３を介してガスセンサ制御回路５の第三制御端子Ｉｐ＋に接続され、第二ポンプ電極１２ｂは、第二素子端子４Ｔ２を通じ配線Ｌ２を介してガスセンサ制御回路５の第二制御端子ＣＯＭに接続されている。

また、酸素分圧検知セル２４も同様に、薄板状のジルコニアからなり、その両面に多孔質の白金で形成された第一検知電極１３ａ及び第二検知電極１３ｂを有している。このうち第一検知電極１３ａは、ガスセンサ素子４の内部で、上述の第二ポンプ電極１２ｂに、従って、第二素子端子４Ｔ２に電気的に接続されている。従って、第一検知電極１３ａも、第二素子端子４Ｔ２を通じ配線Ｌ２を介して、ガスセンサ制御回路５の第二制御端子ＣＯＭに接続されている。一方、第二検知電極１３ｂは、第一素子端子４Ｔ１を通じ配線Ｌ１を介してガスセンサ制御回路５の第一制御端子Ｖｓ＋に接続されている。

酸素イオンポンプセル１４と酸素分圧検知セル２４との間には、アルミナからなる絶縁層により包囲された測定室２０が形成されている。この絶縁層の一部には多孔質拡散層１８が形成されている。この測定室２０は、多孔質拡散層１８を介して被測定ガス雰囲気（例えば、ガソリンエンジンの排気ガス側）に連通されている。この多孔質拡散層１８は、拡散制限を行う拡散孔が設けられた多孔質の焼結体からなり、流通する気体の拡散律速を行う。
一方、セラミックからなり、酸素分圧検知セル２４とほぼ同じ大きさに形成された閉塞板３０は、酸素分圧検知セル２４の第二検知電極１３ｂを酸素分圧検知セル２４のジルコニアとの間で挟むように配置される。第二検知電極１３ｂはこの閉塞板３０によって外部と遮断され、第二検知電極１３ｂ側には閉塞空間が形成される。

ところで、酸素分圧検知セル２４の第二検知電極１３ｂから第一検知電極１３ａに向う所定のバイアス電流Ｉｃｐを流すと、酸素のポンピング（酸素の汲み出し及び汲み入れ）作用が生じ、第二検知電極１３ｂ側の閉塞空間には、常時ほぼ一定濃度の酸素が蓄積されることになる。この第二検知電極１３ｂ側の閉塞空間に蓄積された酸素は、ガスセンサ素子４において被測定ガスを検知するときの基準酸素となる。

ガスセンサ素子４では、被測定ガス雰囲気の酸素濃度に応じて、被測定ガス雰囲気中の酸素が、測定室２０内に、多孔質拡散層１８を介して流入し拡散する。このガスセンサ素子４は、エンジンに供給される混合気が理論空燃比に保たれている状態では、測定室２０と酸素濃度の基準となる第二検知電極１３ｂとの間の酸素濃度差により、酸素分圧検知セル２４に４５０ｍＶの電位を発生する特性を有する。すなわち、第一検知電極１３ａと第二検知電極１３ｂとの間には、４５０ｍＶの電位差が生じることとなる。

ところで、このガスセンサ素子４では、エンジンに供給される混合気の空燃比の変化に応じて、排気ガスに含まれる酸素濃度が変化し、さらに、測定室２０内の雰囲気に含まれる酸素濃度が変化する。このガスセンサ素子４では、後述のガスセンサ制御回路５によって第一検知電極１３ａと第二検知電極１３ｂとの間の電位差が４５０ｍＶに保たれるように、酸素イオンポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐが制御される。つまり、測定室２０内の雰囲気が理論空燃比と同じ状態になるように、酸素イオンポンプセル１４によって酸素のポンピングが行われる。このガスセンサ素子４では、このポンプ電流Ｉｐに基づいて、被測定ガス中の酸素濃度が測定され、これにより空燃比が検出される。

次に、図２を参照してガスセンサ制御回路５の構成と動作について説明する。
ガスセンサ制御回路５は、ガスセンサ素子４の素子端子４Ｔ１、４Ｔ２、４Ｔ３と、配線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を介してそれぞれ接続する第一制御端子Ｖｓ＋、第二制御端子ＣＯＭ及び第三制御端子Ｉｐ＋を有している。
このガスセンサ制御回路５は、ガスセンサ素子４を制御して、被測定ガスの酸素濃度を測定する回路であり、酸素イオンポンプセル１４を駆動するポンプ電流Ｉｐを流すためのオペアンプ３２、ポンプ電流Ｉｐの制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路５６、第二検知電極１３ｂの酸素濃度を一定に保つために酸素分圧検知セル２４に所定のバイアス電流Ｉｃｐを流す定電流源４６を含んでいる。さらに、ガスセンサ制御回路５は、ポンプ電流Ｉｐの制御目標電位（４５０ｍＶ）を供給する定電圧源４８、酸素イオンポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐを電圧変換するための抵抗素子Ｒ２、抵抗素子Ｒ２の両端電圧を差動増幅してガス検出信号（Ｖｉｐ信号）としてマイクロコンピュータ３に出力するオペアンプ４４を含んでいる。また、ガスセンサ制御回路５は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３を有している。これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、いずれもトランジスタ素子からなり、遮断状態と導通状態とを切り換えて、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３に接続する回路をＯＮ／ＯＦＦ制御可能としている。さらに、ガスセンサ制御回路５は、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが所定の電圧範囲外となったときに異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１として出力するバッテリ電圧異常検出回路５２と、バッテリ電圧異常検出回路５２の異常検出フラグＤＩＡＧに基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチ制御回路５４とを含んでいる。

このガスセンサ制御回路５のうち、まず、第一制御端子Ｖｓ＋に接続している回路について説明する。第一制御端子Ｖｓ＋には、定電流源４６の出力端がスイッチＳＷ３を介して接続されている。また、オペアンプ４２の入力端も接続されている。

定電流源４６は、第二検知電極１３ｂの酸素濃度を一定に保つために、酸素分圧検知セル２４に流される１７μＡのバイアス電流Ｉｃｐを供給する回路である。この定電流源４６の出力端と第一制御端子Ｖｓ＋との間には、スイッチＳＷ３が介在している。このスイッチＳＷ３を導通状態及び遮断状態のいずれかに切り換えることで、第一制御端子Ｖｓ＋から見た定電流源４６のインピーダンスを、それぞれ、低インピーダンス、つまり、定電流源４６の出力インピーダンスとほぼ同じとしたり、ハイインピーダンス、つまり、定電流源４６が切り離されたのと同じ状態とすることができる。

一方、オペアンプ４２の入力端は、第一制御端子Ｖｓ＋に直接接続されている。第一制御端子Ｖｓ＋から見て、オペアンプ４２の入力インピーダンスは、常に高いからである。

かくして、この第一制御端子Ｖｓ＋からガスセンサ制御回路５を見たとき、スイッチＳＷ３をＯＦＦとした場合には、ハイインピーダンスとなる。つまり、この場合には、ガスセンサ制御回路５は第一制御端子Ｖｓ＋から電気的に遮断された状態にすることができる。

ついで、ガスセンサ制御回路５のうち、第二制御端子ＣＯＭに接続している回路について説明する。この第二制御端子ＣＯＭには、ＰＩＤ制御回路５６、オペアンプ３２が接続している。
オペアンプ３２では、その反転入力端子にＰＩＤ制御回路５６の出力が抵抗素子Ｒ２を介して接続され、非反転入力端子に基準電位３．６Ｖが印加され、出力端はスイッチＳＷ２を介して第三制御端子Ｉｐ＋に接続されている。これらによって、ガスセンサ素子４のポンプ電流Ｉｐを制御するための負帰還回路が構成されている。このオペアンプ３２は、第二制御端子ＣＯＭに、抵抗素子Ｒ１を介して、その入力端子（反転入力端子）が接続している。このため、第二制御端子ＣＯＭから見ると、常にハイインピーダンスとなっている。

ＰＩＤ制御回路５６は、制御日標値の４５０ｍＶと、酸素分圧検知セル２４の出力電位である第一制御端子Ｖｓ＋の電位Ｖｓとの偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算し、上述のオペアンプ３２を含む負帰還制御の制御特性を改善する機能を有している。このＰＩＤ制御回路５６は、オペアンプ３６、４０及び、ＰＩＤ制御回路５６の制御特性を決める抵抗素子Ｒ３〜Ｒ５とコンデンサＣ１〜Ｃ３とを含んでいる。そして、ＰＩＤ制御回路５６（オペアンプ４０）の入力端子には、オペアンプ４２の出力が入力されており、これにより、第一制御端子Ｖｓ＋の電位ＶｓがＰＩＤ制御回路５６に入力される。また、ＰＩＤ制御回路５６の出力は、抵抗素子Ｒ２、及び抵抗素子Ｒ１を介して第二制御端子ＣＯＭに出力される。また、ＰＩＤ制御回路５６の出力は、抵抗素子Ｒ２を介して、オペアンプ３２の反転入力端子に接続されている。

また、定電圧源４８の出力は、オペアンプ３８を介して、オペアンプ４０に入力されている。この定電圧源４８は、ポンプ電流Ｉｐを制御する制御目標となる電位である４５０ｍＶを、オペアンプ４０を介してＰＩＤ制御回路５６に供給するための回路である。
なお、ＰＩＤ制御回路５６の出力は、オペアンプ３６の出力端に接続されているスイッチＳＷ１によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。従って、このＰＩＤ制御回路５６も、スイッチＳＷ１によって、その出力端をＯＮ／ＯＦＦでき、第二制御端子ＣＯＭから見て、低インピーダンスの場合とハイインピーダンスの場合とを選択することができる。

また、抵抗素子Ｒ２は、酸素イオンポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐを電圧に変換する電圧変換素子である。この抵抗素子Ｒ２の両端はオペアンプ４４の各入力端子に接続されており、このオペアンプ４４は抵抗素子Ｒ２の両端電圧を差動増幅し、ガス検出信号としてマイクロコンピュータ３に出力するように構成されている。マイクロコンピュータ３は入力されたガス検出信号に基づき、排気ガス中の空燃比を検出することができる。また、このオペアンプ４４は、第二制御端子ＣＯＭに、抵抗素子Ｒ１及び／又はＲ２を介して、その入力端子が接続している。このため、第二制御端子ＣＯＭから見ると、常にハイインピーダンスとなっている。

かくして、この第二制御端子ＣＯＭからガスセンサ制御回路５を見たとき、スイッチＳＷ１をＯＦＦとした場合には、ハイインピーダンスとなる。つまり、この場合には、第二制御端子ＣＯＭから電気的に遮断された状態にすることができる。

さらに、ガスセンサ制御回路５のうち、第三制御端子Ｉｐ＋に接続している回路について説明する。この第三制御端子Ｉｐ＋には、オペアンプ３２が接続されている。
このオペアンプ３２の出力端はスイッチＳＷ２を介して第三制御端子Ｉｐ＋に接続されている。このスイッチＳＷ２の切り換えにより、第三制御端子Ｉｐ＋から見たオペアンプ３２のインピーダンスを、低インピーダンスとしたり、ハイインピーダンスとしたりすることができる。

かくして、この第三制御端子Ｉｐ＋からガスセンサ制御回路５を見たとき、スイッチＳＷ２をＯＦＦとした場合には、ハイインピーダンスとなる。つまり、この場合には、第三制御端子Ｉｐ＋から電気的に遮断された状態にすることができる。

ここで、ガスセンサ制御回路５を構成しているオペアンプ３２、３６、３８、４０、４２、４４及び定電流源４６は、バッテリ電源７０から電圧供給されることによって作動している。

また、ガスセンサ制御回路５には、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢをモニタするバッテリ電圧異常検出回路５２が設けられている。このバッテリ電圧異常検出回路５２は、バッテリ電源７０に接続されて、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが入力されるようになっており、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが所定の電圧範囲内であるか否かを検出する。このバッテリ電圧異常検出回路５２は、公知のコンパレータ回路によって構成されており、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが所定の閾値（例えば、６．３Ｖ）以上のときにローレベル信号（異常検出フラグＤＩＡＧ＝０）を出力し、電源電圧ＶＢが所定の閾値未満のときにハイレベル信号（異常検出フラグＤＩＡＧ＝１）を出力するように構成されている。つまり、バッテリ電圧異常検出回路５２は、何らかの理由でバッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが低下して、電源電圧ＶＢが所定の閾値未満となった場合（換言すれば、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが異常電圧値となった場合）に、異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１として出力する機能を有する。

さらに、ガスセンサ制御回路５には、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するスイッチ制御回路５４が設けられている。このスイッチ制御回路５４は、バッテリ電圧異常検出回路５２に接続されており、バッテリ電圧異常検出回路５２からの入力信号に基づいてスイッチＳＷ１〜ＳＷ３のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。具体的には、バッテリ電圧異常検出回路５２から出力された異常検出フラグがＤＩＡＧ＝０の場合には、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢは正常電圧値であるとして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＯＮ状態にするように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３に制御信号（ＯＮ状態制御信号）を出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、スイッチ制御回路５４から出力されたＯＮ状態制御信号によって、ＯＮ状態となる。

これに対し、バッテリ電圧異常検出回路５２から出力された異常検出フラグがＤＩＡＧ＝１の場合には、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢは異常電圧値であるとして、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＯＦＦ状態にするように、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３に制御信号（ＯＦＦ状態制御信号）を出力する。スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、スイッチ制御回路５４から出力されたＯＦＦ状態制御信号によって、ＯＦＦ状態となる。

次いで、本実施例１にかかるガス検出システム１において、酸素濃度検出を行う方法について説明する。
ガスセンサ制御回路５では、通常の酸素濃度検出を行うにあたり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＯＮとする。このとき、被測定ガスが、燃料供給過剰（リッチ）側の状態の場合には、測定室２０の酸素が理論空燃比よりも欠乏し、第一制御端子Ｖｓ＋の電位Ｖｓが制御目標値の４５０ｍＶよりも高くなるため、制御目標値と電位Ｖｓとの間に偏差量△Ｖｓが発生し、その偏差量△ＶｓがＰＩＤ制御回路５６によりＰＩＤ演算され、オペアンプ３２にフィードバックされる。このため、不足分の酸素を酸素イオンポンプセル１４により汲み入れるためのポンプ電流Ｉｐが流れることになる。

一方、被測定ガスが、燃料供給不足（リーン）の場合には、測定室２０の酸素が理論空燃比よりも過剰となり、第一制御端子Ｖｓ＋の電位Ｖｓが４５０ｍＶよりも低くなるので、上述と同様に偏差量△Ｖｓがフィードバックされて、過剰分の酸素を酸素イオンポンプセル１４により汲み出すためのボンプ電流Ｉｐが流れることになる。

このようにして、本実施例１のガス検出装置２を用いたガス検出システム１では、第一制御端子Ｖｓ＋の電位Ｖｓが４５０ｍＶとなるように酸素イオンポンブセル１４を制御するポンプ電流Ｉｐの大きさを測定することで、被測定ガス中の酸素濃度を測定することができる。具体的には、ポンプ電流Ｉｐは抵抗素子Ｒ２によってガス濃度を示す電位に変換され、オペアンプ４４により差動増幅されてマイクロコンピュータ３に出力され、最終的にはエンジンの燃焼制御に使用される。

次いで、本実施例１にかかるガス検出システム１の作用について説明する。
ガス検出システム１のガスセンサ制御回路５は、オペアンプ３２、３６、３８、４０、４２、４４及び定電流源４６を含んで構成されている。これらオペアンプ３２等は、バッテリ電源７０から電圧供給されることによって作動している。ここで、何らかの理由でバッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが低下すると、バッテリ電源７０からオペアンプ３２等に供給される供給電圧が低下するため、オペアンプ３２等の出力電圧が低下する。このため、ガスセンサ制御回路５が誤動作し、これによって、ガスセンサ素子４に異常電流が流れ、ガスセンサ素子４（酸素イオンポンプセル１４や酸素分圧検知セル２４）が破損するおそれがあった。

これに対し、本実施例１のガス検出システム１のガスセンサ制御回路５では、バッテリ電圧異常検出回路５２及びスイッチ制御回路５４を備えている。このうち、バッテリ電圧異常検出回路５２は、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが所定の閾値未満、すなわち電源電圧ＶＢが異常電圧値になると、異常検出フラグＤＩＡＧ＝１をスイッチ制御回路５４に出力する。また、スイッチ制御回路５４は、バッテリ電圧異常検出回路５２から入力された異常検出フラグＤＩＡＧ＝１に基づき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をＯＦＦ状態にするようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ３にＯＦＦ状態制御信号を出力する。このＯＦＦ状態制御信号により、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がＯＦＦ状態になる。

このように、本実施例１のガス検出システム１では、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが異常電圧値になると、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３がＯＦＦとなり、制御端子Ｖｓ＋、ＣＯＭ、Ｉｐ＋から見たガスセンサ制御回路５のインピーダンスがハイインピーダンスとなる。つまり、ガスセンサ素子４とガスセンサ制御回路５とを電気的に切り離すことができる。よって、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢの低下に伴いガスセンサ制御回路５が誤動作することで発生する異常電流からガスセンサ素子４を確実に保護することができ、ガスセンサ素子４の破損を確実に防止することができる。

特に、本実施例１のガス検出システム１では、ガスセンサ素子４として、多孔質拡散層１８を介して測定対象ガスが導入される測定室２０と、この測定室２０に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセル１４と、測定室２０内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セル２４と、酸素分圧検知セル２４の第二検知電極１３ｂ側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞板３０と、を備えており、このガスセンサ素子４を制御するガスセンサ制御回路５として、閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、酸素分圧検知セル２４に対して閉塞空間に測定室２０内の酸素を汲み入れる方向にバイアス電流Ｉｃｐを流す定電流源４６を備えている。このようなガス検出システム１の場合、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが低下すると、酸素分圧検知セル２４に対して定電流源４６によるバイアス電流Ｉｃｐの電流方向とは逆方向、即ち、閉塞空間から酸素を汲み出す方向に電流（異常電流）が流れる場合がある。このような場合には、酸素分圧検知セル２４を構成する固体電解質体にブラックニングが生じるなど、ガスセンサ素子４を破損するおそれがあった。

これに対し、実施例１のガス検出システム１では、バッテリ電圧異常検出回路５２及びスイッチ制御回路５４を備えており、バッテリ電圧異常検出回路５２がバッテリ電源７０の電源電圧ＶＢの異常を検知すると、スイッチ制御回路５４は異常検出フラグＤＩＡＧ＝１に基づき、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３にＯＦＦ状態制御信号を出力し、これにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がＯＦＦ状態になる。

従って、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが低下して異常電圧値になったとしても、すべてのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３がＯＦＦとなり、制御端子Ｖｓ＋、ＣＯＭ、Ｉｐ＋から見たガスセンサ制御回路５のインピーダンスがハイインピーダンスとなる。このため、酸素分圧検知セル２４に対して定電流源４６によるバイアス電流Ｉｃｐの電流方向とは逆方向の異常電流が流れることはない。よって、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢの低下に伴いガスセンサ制御回路５が誤動作することで発生する異常電流からガスセンサ素子４を確実に保護することができ、ガスセンサ素子４の破損を確実に防止することができる。

なお、本実施例１のガス検出システム１では、バッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが異常電圧値まで低下してスイッチＳＷ１〜ＳＷ３がＯＦＦ状態になった後、再びバッテリ電源７０の電源電圧ＶＢが所定の閾値以上の正常電圧値となった場合には、バッテリ電圧異常検出回路５２の異常検出フラグがＤＩＡＧ＝０となり、スイッチ制御回路５４がスイッチＳＷ１〜ＳＷ３にＯＮ状態制御信号を出力することで、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がＯＮ状態となり、通常の酸素濃度検出が行われる。

また、本実施例１において、制御端子から見たガスセンサ制御回路のインピーダンスがハイインピーダンス状態であるとは、制御端子からガスセンサ制御回路に流れるリーク電流が１μＡ以下の状態であることを意味している。

以上において、本発明を実施例１に即して説明したが、本発明は実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施例１においては、２セルタイプの酸素センサ素子を用いたガス検出装置を例示した。しかし、本発明を、他の形態の酸素センサ素子（例えば、１セルタイプの酸素センサ素子）を用いたガス検出装置に適用することもできる。
さらには、ＣＯ、ＮＯｘ、Ｈ_２などの他のガスの濃度を検知するガスセンサ素子を用いたガス検出装置に適用することもできる。

実施例１にかかるガス検出システムの構成を説明するための説明図である。 実施例１にかかるガス検出装置の回路構成を説明するための回路図である。

符号の説明

１ ガス検出システム
２ ガス検出装置
４ ガスセンサ素子
５ ガスセンサ制御回路
Ｉｐ ポンプ電流
３２、３６、３８、４０、４２、４４ オペアンプ
４６ 定電流源
Ｖｓ＋ 第一制御端子
ＣＯＭ 第二制御端子
Ｉｐ＋ 第三制御端子
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３ スイッチ
５２ バッテリ電圧異常検出回路
５４ スイッチ制御回路

Claims (6)

1. 固体電解質体及び一対の電極からなるセンサセルを備えるガスセンサ素子と、
   バッテリ電源から電圧供給されることで作動する演算増幅回路を備え、前記ガスセンサ素子に電気的に接続されて、前記ガスセンサ素子を制御するガスセンサ制御回路と、
   を備えるガス検出装置であって、
   前記ガスセンサ制御回路は、
   前記バッテリ電源の電源電圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する電源電圧判定手段と、
   前記電源電圧判定手段にて前記電源電圧が前記所定の閾値未満と判定されたときに、前記センサセルを保護する保護手段と、
   を備えることを特徴とするガス検出装置。
2. 前記ガスセンサ素子は、前記一対の電極に各々導通する複数のセンサ側接続端子を備えており、
   前記ガスセンサ制御回路は、前記ガスセンサ素子の前記複数のセンサ側接続端子に各々導通する複数の回路側接続端子を備えており、
   前記保護手段は、前記電源電圧判定手段にて前記電源電圧が前記所定の閾値未満と判定されたときに、前記回路側接続端子から見た前記ガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にするハイインピーダンス化手段である
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記ガスセンサ素子は、
   拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される測定室と、
   固体電解質体及び一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極が前記測定室に配置されて、前記測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセルと、
   固体電解質体及び一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極が前記測定室に配置されて、前記測定室内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セルと、
   前記酸素分圧検知セルの前記一対の電極のうちの他方の電極側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞部材と、
   を備えており、
   前記ガスセンサ制御回路は、前記閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、前記酸素分圧検知セルに対して前記閉塞空間に前記測定室内の酸素を汲み入れる方向に定電流を流す定電流供給手段を備える
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス検出装置。
4. バッテリ電源から電圧供給されることで作動する演算増幅回路を備え、固体電解質体及び一対の電極からなるセンサセルを備えるガスセンサ素子に接続されて、前記ガスセンサ素子を制御するガスセンサ制御回路であって、
   前記バッテリ電源の電源電圧が所定の閾値以上であるか否かを判定する電源電圧判定手段と、
   前記電源電圧判定手段にて前記電源電圧が前記所定の閾値未満と判定されたときに、前記センサセルを保護する保護手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御回路。
5. 前記ガスセンサ素子は、前記一対の電極に各々導通する複数のセンサ側接続端子を備えており、
   前記ガスセンサ制御回路は、前記ガスセンサ素子の前記複数のセンサ側接続端子に各々導通する複数の回路側接続端子を備えており、
   前記保護手段は、前記電源電圧判定手段にて前記電源電圧が前記所定の閾値未満と判定されたときに、前記回路側接続端子から見た前記ガスセンサ制御回路のインピーダンスをハイインピーダンス状態にするハイインピーダンス化手段である
   ことを特徴とする請求項４に記載のガスセンサ制御回路。
6. 前記ガスセンサ素子は、
   拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される測定室と、
   固体電解質体及び一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極が前記測定室に配置されて、前記測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う酸素イオンポンプセルと、
   固体電解質体及び一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極が前記測定室に配置されて、前記測定室内の酸素分圧に応じた起電力を発生する酸素分圧検知セルと、
   前記酸素分圧検知セルの前記一対の電極のうちの他方の電極側を閉塞して閉塞空間を形成する閉塞部材と、
   を備えており、
   前記ガスセンサ制御回路は、前記閉塞空間を内部酸素基準源として機能させるために、前記酸素分圧検知セルに対して前記閉塞空間に前記測定室内の酸素を汲み入れる方向に定電流を流す定電流供給手段を備える
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のガスセンサ制御回路。