JP2010256233A - Sensor controller and sensor unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a preferable abnormal detection by enabling an abnormal pattern to be specified. <P>SOLUTION: A sensor controller 20 is connected to a sensor element 10, and an applied voltage control circuit 21 for applying a voltage to the sensor element 10 is disposed in the sensor controller 20. Element current IL is detected by a shunt resistor 33, and its detection result is outputted to a CPU 50 as an A/F detection voltage AFO via an A/F signal output section 41. The CPU 50 changes a voltage applied state with respect to the sensor element 10 from a first state into a second state. The CPU 50 detects an abnormality about the sensor element 10 on the basis of terminal voltages VS+, VS- and A/F detection voltages AFO before and after the changing operation from the first state to the second state. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば排気中の酸素濃度を検出するガスセンサのセンサ素子に接続されたセンサ制御装置、及びそのセンサ制御装置とガスセンサとからなるセンサユニットに関するものである。   The present invention relates to a sensor control device connected to a sensor element of a gas sensor that detects, for example, an oxygen concentration in exhaust gas, and a sensor unit including the sensor control device and a gas sensor.

例えば車載エンジンの排気エミッションを適正に制御するためにエンジンの排気管にはガスセンサが設けられており、そのガスセンサに関する異常を検出する技術が各種提案されている。例えば、特許文献1のガス濃度検出装置では、センサ素子の正側端子と負側端子とが同電位であること、正側端子電圧及び負側端子電圧が印加電圧制御範囲内であること、及び素子電流値が異常値であることから正負端子間でのショート異常を検出するようにしている。   For example, a gas sensor is provided in the exhaust pipe of the engine in order to properly control the exhaust emission of the vehicle-mounted engine, and various techniques for detecting an abnormality related to the gas sensor have been proposed. For example, in the gas concentration detection device of Patent Document 1, the positive terminal and the negative terminal of the sensor element are at the same potential, the positive terminal voltage and the negative terminal voltage are within the applied voltage control range, and Since the element current value is an abnormal value, a short circuit abnormality between the positive and negative terminals is detected.

特開2005−331310号公報JP-A-2005-331310

しかしながら、センサ素子に関する各種異常においては、異常形態は異なるものの、センサ端子電圧や素子電流値が同じになる場合があると考えられる。したがって、異常形態の特定ができない場合が生じることが懸念される。   However, it is considered that various abnormalities related to the sensor element may have the same sensor terminal voltage and element current value, although the abnormal forms are different. Therefore, there is a concern that an abnormal form cannot be specified.

本発明は、異常形態の特定を可能とし、ひいては好適なる異常検出を実現することができるセンサ制御装置及びセンサユニットを提供することを主たる目的とするものである。   The main object of the present invention is to provide a sensor control device and a sensor unit that can identify an abnormal form and can realize suitable abnormality detection.

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。   Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.

本発明のセンサ制御装置は、固体電解質体を有し電圧印加状態で被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子に接続されるものであり、前記素子電流を検出するとともにその検出結果に基づいてガス濃度を算出する。   The sensor control device of the present invention is connected to a sensor element that has a solid electrolyte body and flows an element current corresponding to the concentration of a predetermined component in a gas to be detected in a voltage application state, and detects the element current. At the same time, the gas concentration is calculated based on the detection result.

請求項1では特に、素子電流が流れる電流経路における所定の検出箇所での電圧及び電流の少なくともいずれかを検出する電圧電流検出手段と、センサ素子に対する電圧印加状態を第1状態から第2状態に切り替える切替手段と、前記切替手段による第1状態から第2状態への切替前及び同切替後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて、センサ素子に関する異常を検出する異常検出手段と、を備えることを特徴としている。   In particular, the voltage / current detection means for detecting at least one of the voltage and the current at a predetermined detection location in the current path through which the element current flows, and the voltage application state to the sensor element from the first state to the second state A switching means for switching, and an abnormality detection means for detecting an abnormality relating to the sensor element based on the detection value by the voltage / current detection means before and after switching from the first state to the second state by the switching means. It is characterized by that.

要するに、センサ素子に関する何らかの異常が発生した場合、素子電流が流れる電流経路において電圧や電流が正常時とは異なる値となり、これらの各検出値と正常値との比較等により異常検出が可能となる。ただし、センサ素子に関する異常には、センサ端子の電源ショート、センサ端子間ショートなど複数の形態があり、異常形態(異常種別)が相違しても検出値がいずれも同様の異常値を呈することがある。   In short, if any abnormality related to the sensor element occurs, the voltage and current in the current path through which the element current flows are different from normal values, and it is possible to detect the abnormality by comparing these detected values with normal values. . However, there are multiple forms of abnormality related to sensor elements, such as sensor terminal power supply shorts and sensor terminal shorts. Even if the abnormality form (abnormality type) is different, the detected values may all exhibit the same abnormal value. is there.

この点、請求項1では、センサ素子に対する電圧印加状態を第1状態から第2状態に切り替えるとともに、その切替前及び切替後の電圧電流検出手段による検出値(電流経路における所定の検出箇所での電圧や電流の検出値)に基づいて、センサ素子に関する異常を検出する構成としたため、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。例えば、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、センサ素子に対する電圧印加状態の切替を行ったとしても、センサ素子の端子電圧検出値に変化が生じないのに対し、後者の場合、センサ素子に対する電圧印加状態の切替を行うことで端子電圧検出値に変化が生じる。このことから、上記例示した2つの異常の区別が可能となる。その結果、異常形態の特定を可能とし、ひいては好適なる異常検出を実現できる。   In this regard, in claim 1, the voltage application state for the sensor element is switched from the first state to the second state, and the detection value by the voltage / current detection means before and after the switching (at a predetermined detection location in the current path). Based on the detected values of voltage and current), an abnormality relating to the sensor element is detected, so that different abnormality forms can be distinguished, and suitable abnormality detection can be realized. For example, when the power supply short of the sensor terminal and the short between the sensor terminals are taken as an example, in the former case, even if the voltage application state is switched to the sensor element, the terminal voltage detection value of the sensor element does not change. On the other hand, in the latter case, the terminal voltage detection value is changed by switching the voltage application state with respect to the sensor element. From this, it becomes possible to distinguish the two abnormalities exemplified above. As a result, it is possible to specify an abnormal form, thereby realizing a preferable abnormality detection.

請求項2に記載の発明では、切替手段による第1状態から第2状態への切替前の電圧電流検出手段による検出値に基づいてセンサ素子に関する異常の有無を判定する。そして、その異常判定により異常有りとされた場合に、切替手段による第1状態から第2状態への切替を行わせるとともに、同切替後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常形態を特定する。   According to the second aspect of the present invention, the presence or absence of abnormality related to the sensor element is determined based on the detection value by the voltage / current detection means before switching from the first state to the second state by the switching means. If the abnormality is determined to be abnormal, the switching means switches from the first state to the second state, and the abnormality form is specified based on the detected value by the voltage / current detection means after the switching. To do.

請求項2によれば、センサ素子に関する何らかの異常が発生したと判定されたことを条件に、センサ素子の電圧印加状態が第1状態から第2状態に切り替えられ、その第2状態での電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常形態が特定される。この場合、電圧印加状態の切替前及び切替後で2段階の異常検出処理が行われることにより、異常形態の特定を一層好適に行わせることができる。また、電圧印加状態の切替が何らかの異常発生を判定した場合に限られるため、その切替の実施を必要最小限に抑えることができる。ゆえに、ガス濃度検出に対する影響を抑制することもできる。   According to claim 2, the voltage application state of the sensor element is switched from the first state to the second state on condition that it is determined that some abnormality relating to the sensor element has occurred, and the voltage current in the second state An abnormal form is specified based on the detection value by the detection means. In this case, the abnormality form can be specified more suitably by performing the two-stage abnormality detection process before and after the switching of the voltage application state. Moreover, since the switching of the voltage application state is limited to the case where it is determined that some abnormality has occurred, the implementation of the switching can be minimized. Therefore, the influence on the gas concentration detection can be suppressed.

請求項3に記載の発明では、前記第1状態は、素子電流を検出しその検出値に基づいてガス濃度を算出する通常状態であり、前記切替手段は、電圧印加状態を、通常状態からそれとは異なる第2状態に一時的に切り替えるものである。この場合、通常状態とは異なる電圧印加状態で異常検出が行われることで、通常状態では特定困難な異常形態の特定が可能となる。   In the invention according to claim 3, the first state is a normal state in which a device current is detected and a gas concentration is calculated based on the detected value, and the switching means changes the voltage application state from the normal state to the normal state. Is temporarily switched to a different second state. In this case, abnormality detection is performed in a voltage application state different from the normal state, so that it is possible to specify an abnormal form that is difficult to specify in the normal state.

ここで、請求項4に記載したように、電圧電流検出手段は、素子電流を電流検出素子により素子電流検出値(A/F検出電圧AFO)として検出する手段、センサ素子の端子電圧を端子電圧検出値(端子電圧VS+,VS−)として検出する手段、及び素子インピーダンスの検出時に電圧又は電流の掃引変化に応じて生じる電圧又は電流の変化量をインピーダンス検出値(インピーダンス検出電圧Iout)として検出する手段の少なくともいずれかを有するものであるとよい。これらいずれの場合においても、好適なる異常検出を実施できる。   According to the fourth aspect of the present invention, the voltage / current detection means is means for detecting the element current as an element current detection value (A / F detection voltage AFO) by the current detection element, and the terminal voltage of the sensor element is the terminal voltage. Means for detecting as detection values (terminal voltages VS +, VS−), and a change amount of voltage or current generated according to a sweep change of voltage or current when detecting element impedance is detected as an impedance detection value (impedance detection voltage Iout). It is good to have at least one of the means. In any of these cases, suitable abnormality detection can be performed.

なお、例えば図1の回路構成では、素子電流検出値(A/F検出電圧AFO)がシャント抵抗33の両端子の電圧として検出され、端子電圧検出値(端子電圧VS+,VS−)がセンサ端子S+,S−の端子電圧として検出され、インピーダンス検出値(インピーダンス検出電圧Iout)がシャント抵抗33の一方の端子電圧(A点電圧)の変化量として検出される。   For example, in the circuit configuration of FIG. 1, the element current detection value (A / F detection voltage AFO) is detected as the voltage at both terminals of the shunt resistor 33, and the terminal voltage detection values (terminal voltages VS +, VS−) are the sensor terminals. It is detected as the terminal voltages of S + and S−, and the detected impedance value (impedance detection voltage Iout) is detected as the amount of change in one terminal voltage (point A voltage) of the shunt resistor 33.

請求項5に記載の発明では、センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、該端子に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記切替手段は、前記電圧印加手段によるセンサ素子への電圧印加を遮断することで前記第1状態から前記第2状態への切替を行うものとなっている。そして、前記切替手段による電圧印加の遮断前及び遮断後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する。なお、電圧印加手段は、グランド電位以外の電圧をセンサ素子の端子に印加するものであり、センサ素子の一方の端子に印加電圧手段により電圧が印加され、かつ他方の端子がグランドに接続される構成も本請求項の構成に含まれる。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a voltage application unit that is connected to at least one terminal of the sensor element and applies a voltage to the terminal, and the switching unit is connected to the sensor element by the voltage application unit. By switching off the voltage application, switching from the first state to the second state is performed. And abnormality detection is implemented based on the detection value by the voltage-current detection means before and after interruption of voltage application by the switching means. The voltage applying means applies a voltage other than the ground potential to the terminal of the sensor element, the voltage is applied to one terminal of the sensor element by the applied voltage means, and the other terminal is connected to the ground. Configurations are also included in the configurations of the claims.

上記のように電圧印加手段によるセンサ素子への電圧印加を遮断(開放)すると、異常形態に応じて、素子電流が流れる電流経路の電圧や電流(電圧電流検出手段による検出値)が異なる態様で変化する。センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、センサ素子への電圧印加を遮断しても端子電圧検出値(端子電圧VS+,VS−)が変化しないのに対し、後者の場合、センサ素子への電圧印加を遮断することで端子電圧検出値が変化する。センサ端子間ショートの場合例えば、端子電圧検出値が、電圧遮断されていない方の端子印加電圧と同じ電圧値となる。このことから、上記例示した2つの異常の区別が可能となる。   When the voltage application to the sensor element by the voltage application means is interrupted (opened) as described above, the voltage and current (detected value by the voltage / current detection means) in the current path through which the element current flows differ depending on the abnormal form. Change. Taking the sensor power supply short circuit and the sensor terminal short circuit as an example, in the former case, the terminal voltage detection value (terminal voltage VS +, VS-) does not change even if the voltage application to the sensor element is cut off. In the latter case, the terminal voltage detection value changes by cutting off the voltage application to the sensor element. In the case of a short circuit between the sensor terminals, for example, the terminal voltage detection value is the same voltage value as the terminal application voltage that is not interrupted. From this, it becomes possible to distinguish the two abnormalities exemplified above.

ここで、請求項6に記載したように、電圧印加手段とセンサ素子との間の電圧印加経路に経路開閉手段(スイッチ回路等)を設け、前記切替手段は、前記経路開閉手段を閉状態から開状態に切り替えることで前記センサ素子への電圧印加を遮断する構成を採用するとよい。   Here, as described in claim 6, a path opening / closing means (switch circuit or the like) is provided in a voltage application path between the voltage applying means and the sensor element, and the switching means opens the path opening / closing means from a closed state. It is preferable to adopt a configuration in which voltage application to the sensor element is cut off by switching to the open state.

請求項7に記載の発明では、センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、当該端子に印加される端子印加電圧を前記素子電流に基づいて可変に設定する印加電圧制御手段を備えている。前記印加電圧制御手段は、前記端子印加電圧を所定の上限値で制限する上限ガード機能を有し、前記切替手段は、前記上限値を変更することで前記第1状態から前記第2状態への切替を行う。そして、前記切替手段による前記上限値の変更前及び変更後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する。   According to the seventh aspect of the invention, there is provided an applied voltage control means which is provided connected to at least one terminal of the sensor element and variably sets a terminal applied voltage applied to the terminal based on the element current. Yes. The applied voltage control means has an upper limit guard function for limiting the terminal applied voltage with a predetermined upper limit value, and the switching means changes the upper limit value to change from the first state to the second state. Switch. And abnormality detection is implemented based on the detection value by the voltage / current detection means before and after the change of the upper limit value by the switching means.

上記のように端子印加電圧の上限値を変更すると、異常形態に応じて、素子電流が流れる電流経路の電圧や電流(電圧電流検出手段による検出値)が異なる態様で変化する。センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、端子印加電圧の上限値を変更しても端子電圧検出値(端子電圧VS+,VS−)が変化しないのに対し、後者の場合、端子印加電圧の上限値を変更することで端子電圧検出値が端子印加電圧の上限値に応じて変化する。このことから、上記例示した2つの異常の区別が可能となる。   When the upper limit value of the terminal application voltage is changed as described above, the voltage and current (detected value by the voltage / current detection means) of the current path through which the element current flows change in a different manner depending on the abnormal form. Taking the sensor terminal power supply short and the sensor terminal short as an example, in the former case, the terminal voltage detection value (terminal voltage VS +, VS-) does not change even if the upper limit value of the terminal applied voltage is changed. In the latter case, the terminal voltage detection value changes according to the upper limit value of the terminal application voltage by changing the upper limit value of the terminal application voltage. From this, it becomes possible to distinguish the two abnormalities exemplified above.

ここで、請求項8に記載したように、前記切替手段は、前記印加電圧制御手段により設定される端子印加電圧が上限値に達している状態で、前記上限値をそれよりも低電圧側に変更するものであるとよい。これにより、端子電圧検出値の変化を明確に把握できるようになる。   Here, as described in claim 8, the switching means sets the upper limit value to a lower voltage side in a state where the terminal applied voltage set by the applied voltage control means has reached the upper limit value. It should be changed. This makes it possible to clearly grasp the change in the detected terminal voltage value.

また、請求項9に記載の発明では、センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、当該端子に印加される端子印加電圧を都度の素子電流に相当する制御入力信号に基づいて可変に設定する印加電圧制御手段を備えている。前記切替手段は、前記印加電圧制御手段に入力される制御入力信号を変更することで前記第1状態から前記第2状態への切替を行う。そして、前記切替手段による制御入力信号の変更前及び変更後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する。   According to the ninth aspect of the present invention, the voltage applied to the terminal is variable based on a control input signal corresponding to each element current. Applied voltage control means for setting is provided. The switching unit switches from the first state to the second state by changing a control input signal input to the applied voltage control unit. And abnormality detection is implemented based on the detection value by the voltage / current detection means before and after the change of the control input signal by the switching means.

上記のように印加電圧制御手段への制御入力信号を変更すると、異常形態に応じて、素子電流が流れる電流経路の電圧や電流(電圧電流検出手段による検出値)が異なる態様で変化する。センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、印加電圧制御手段への制御入力信号を変更しても端子電圧検出値(端子電圧VS+,VS−)が変化しないのに対し、後者の場合、印加電圧制御手段への制御入力信号を変更することで端子印加電圧が変化する。このことから、上記例示した2つの異常の区別が可能となる。   When the control input signal to the applied voltage control means is changed as described above, the voltage or current (detected value by the voltage / current detection means) in the current path through which the element current flows changes in a different manner depending on the abnormal form. Taking the sensor power supply short circuit and the sensor terminal short circuit as an example, in the former case, the terminal voltage detection value (terminal voltage VS +, VS−) does not change even if the control input signal to the applied voltage control means is changed. On the other hand, in the latter case, the terminal applied voltage changes by changing the control input signal to the applied voltage control means. From this, it becomes possible to distinguish the two abnormalities exemplified above.

ここで、請求項10に記載したように、前記切替手段は、前記制御入力信号を、空燃比ストイキ状態で流れる素子電流に相当する入力信号に切り替えるものであるとよい。   Here, as described in claim 10, the switching means may switch the control input signal to an input signal corresponding to an element current flowing in an air-fuel ratio stoichiometric state.

上記のように電圧印加状態の切替前後で差異が生じるのは、センサ素子の端子間ショートが生じている場合に顕著である。そこで、請求項11に記載したように、前記切替手段による電圧印加状態の切替前及び切替後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて、センサ素子の端子間ショートが生じていることを検出するとよい。   The difference between before and after switching of the voltage application state as described above is remarkable when a short circuit between the terminals of the sensor element occurs. Therefore, as described in claim 11, when it is detected that a short circuit between the terminals of the sensor element has occurred based on the detection values by the voltage / current detection means before and after the switching of the voltage application state by the switching means. Good.

センサ素子に関する異常の発生に伴い、センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値になる場合が考えられる。例えば、センサ端子の電源ショート及びセンサ端子間ショートのいずれかが生じた場合がそれであり、正負両側の端子電圧検出値(VS+,VS−)が同値であることが分かれば、センサ端子の電源ショート及びセンサ端子間ショートとその他の異常との区別が可能となる(図5の[センサ活性後の電圧値]参照)。またこの場合、センサ端子の電源ショート及びセンサ端子間ショートを区別することが要求される。なお、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとでは、素子電流検出値(A/F検出電圧AFO)も同様の異常値になる(図5の[センサ活性後の電圧値]参照)。   It can be considered that the terminal voltage detection values on both the positive and negative sides of the sensor element have the same value due to the occurrence of an abnormality related to the sensor element. For example, when either of the sensor terminal power supply short circuit or the sensor terminal short circuit occurs, if it is known that the terminal voltage detection values (VS +, VS−) on both the positive and negative sides are the same value, the sensor terminal power supply short circuit In addition, it is possible to distinguish between a short-circuit between sensor terminals and other abnormality (see [Voltage value after sensor activation] in FIG. 5). In this case, it is required to distinguish between a power supply short of the sensor terminals and a short between the sensor terminals. Note that the element current detection value (A / F detection voltage AFO) also has the same abnormal value when the sensor terminal is short-circuited to the power supply and between the sensor terminals (see [Voltage value after sensor activation] in FIG. 5).

この点、請求項12に記載の発明では、センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値であり、かつ前記切替手段による電圧印加状態の切替に伴い電圧電流検出手段による検出値が変化した場合に、前記端子間ショートが生じている旨を判定する。これにより、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとで、電圧電流検出手段による検出値が同様の異常値を呈しているとしても、電圧印加状態の切替後の電圧電流検出手段による検出値により、センサ端子間ショートであることを明確に特定できる(例えば、図6の[スイッチ開放後の電圧値]参照)。   In this regard, in the invention described in claim 12, the terminal voltage detection values on both the positive and negative sides of the sensor element are the same value, and the detection value by the voltage / current detection means has changed with the switching of the voltage application state by the switching means. In this case, it is determined that the short circuit between the terminals has occurred. As a result, even if the detection value by the voltage / current detection means exhibits the same abnormal value due to the power supply short of the sensor terminal and the short between the sensor terminals, the detection value by the voltage / current detection means after switching the voltage application state Therefore, it is possible to clearly identify the short circuit between the sensor terminals (for example, refer to [Voltage value after opening the switch] in FIG. 6).

また、請求項13に記載の発明では、センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値で、かつ電圧電流検出手段による検出値が正常範囲外の値であり、さらに前記切替手段により電圧印加状態を切り替えても電圧電流検出手段による検出値が変化しない場合に、センサ素子のいずれかの端子で電源ショートが生じている旨を判定する。これにより、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとで、電圧電流検出手段による検出値が同様の異常値を呈しているとしても、電圧印加状態の切替後の電圧電流検出手段による検出値により、センサ端子の電源ショートであることを明確に特定できる(例えば、図6の[スイッチ開放後の電圧値]参照)。   In the invention according to claim 13, the terminal voltage detection values on both the positive and negative sides of the sensor element are the same value, and the detection value by the voltage / current detection means is a value outside the normal range, and the voltage is applied by the switching means. If the detection value by the voltage / current detection means does not change even when the state is switched, it is determined that a power supply short-circuit has occurred at one of the terminals of the sensor element. As a result, even if the detection value by the voltage / current detection means exhibits the same abnormal value due to the power supply short of the sensor terminal and the short between the sensor terminals, the detection value by the voltage / current detection means after switching the voltage application state Therefore, it is possible to clearly specify that the power supply of the sensor terminal is short-circuited (for example, see [Voltage value after opening the switch] in FIG. 6).

センサユニットとして、請求項1乃至13のいずれか一項に記載のセンサ制御装置と、前記センサ素子を有し前記センサ制御装置に接続されるガスセンサとを備える構成であることが望ましい。この場合、好適なる異常検出機能を具備したセンサユニットを提供できる。   It is desirable that the sensor unit includes the sensor control device according to any one of claims 1 to 13 and a gas sensor that includes the sensor element and is connected to the sensor control device. In this case, a sensor unit having a suitable abnormality detection function can be provided.

第1の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the sensor control circuit in 1st Embodiment. センサ素子の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of a sensor element. センサ素子の出力特性(V−I特性)を示す図。The figure which shows the output characteristic (VI characteristic) of a sensor element. 素子電流ILと、センサ素子の端子電圧VS+,VS−との関係を示す図。The figure which shows the relationship between element current IL and terminal voltage VS + of a sensor element, VS-. センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the voltage value at the time of abnormality of a sensor control system. センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the voltage value at the time of abnormality of a sensor control system. センサ異常検出の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of a sensor abnormality detection. 第2の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the sensor control circuit in 2nd Embodiment. センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the voltage value at the time of abnormality of a sensor control system. 第3の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the sensor control circuit in 3rd Embodiment. センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the voltage value at the time of abnormality of a sensor control system. センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of the voltage value at the time of abnormality of a sensor control system. 第4の実施形態におけるセンサ異常検出の処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of a sensor abnormality detection in 4th Embodiment. 第5の実施形態におけるセンサ素子の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the sensor element in 5th Embodiment. 第5の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。The circuit diagram which shows the structure of the sensor control circuit in 5th Embodiment.

(第1の実施形態)
以下、本発明のセンサ制御装置を具体化した第1の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、車載エンジンより排出される排気(燃焼ガス)を被検出ガスとして同排気中の酸素濃度(空燃比:A/F)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空燃比制御や、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空燃比制御等が適宜実施される。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a sensor control device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The present embodiment embodies an air-fuel ratio detection device that detects the oxygen concentration (air-fuel ratio: A / F) in the exhaust gas using the exhaust gas (combustion gas) discharged from the vehicle-mounted engine as the detected gas. This detection result is used in an air-fuel ratio control system constituted by an engine ECU or the like. In the air-fuel ratio control system, stoichiometric air-fuel ratio control for feedback control of the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometric control, lean air-fuel ratio control for feedback control of the air-fuel ratio in a predetermined lean region, and the like are appropriately performed.

はじめに、A/Fセンサの素子構造を図2を用いて説明する。A/Fセンサは、固体電解質体を有し電圧印加状態で排気中の酸素濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子10を備えており、図2には、積層型構造により構成されるセンサ素子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。   First, the element structure of the A / F sensor will be described with reference to FIG. The A / F sensor includes a sensor element 10 that has a solid electrolyte body and flows an element current in accordance with the oxygen concentration in the exhaust gas in a state where a voltage is applied. 10 shows a cross-sectional configuration. Actually, the sensor element 10 has a long shape extending in the direction orthogonal to the paper surface of FIG. 2, and the entire element is accommodated in a housing or an element cover.

センサ素子10は、固体電解質層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層11は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層11を挟んで上下一対の電極15,16が対向配置されている。拡散抵抗層12は電極15へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層13は排気の透過を抑制するための緻密層からなる。拡散抵抗層12には、電極15を囲むようにしてミキシングチャンバ17が設けられている。   The sensor element 10 includes a solid electrolyte layer 11, a diffusion resistance layer 12, a shielding layer 13, and an insulating layer 14, which are stacked on the top and bottom of the drawing. A protective layer (not shown) is provided around the element. The rectangular solid electrolyte layer 11 is a partially stabilized zirconia sheet, and a pair of upper and lower electrodes 15 and 16 are disposed opposite to each other with the solid electrolyte layer 11 interposed therebetween. The diffusion resistance layer 12 is made of a porous sheet for introducing exhaust gas to the electrode 15, and the shielding layer 13 is made of a dense layer for suppressing permeation of exhaust gas. The diffusion resistance layer 12 is provided with a mixing chamber 17 so as to surround the electrode 15.

拡散抵抗層12と遮蔽層13は何れも、アルミナ、スピネル、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。   Both the diffusion resistance layer 12 and the shielding layer 13 are made of a ceramic such as alumina, spinel, zirconia or the like by a sheet molding method or the like, but have different gas permeability due to differences in the average pore diameter and porosity of the porosity. It has become.

絶縁層14はアルミナ等の高熱伝導性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18が形成されている。また、同絶縁層14にはヒータ19が埋設されている。ヒータ19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。   The insulating layer 14 is made of a high thermal conductive ceramic such as alumina, and an air duct 18 is formed at a portion facing the electrode 16. A heater 19 is embedded in the insulating layer 14. The heater 19 is composed of a linear heating element that generates heat when energized from a battery power source, and heats the entire element by the generated heat.

上記構成のセンサ素子10において、その周囲の排気は拡散抵抗層12の側方部位から導入された後、拡散抵抗層12内を経由してミキシングチャンバ17に流れ込み、電極15に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素が電極15で分解され、電極16より大気ダクト18に排出される。また、排気がリッチの場合、逆に大気ダクト18内の酸素が電極16で分解され、電極15より排気側に排出される。   In the sensor element 10 having the above configuration, the surrounding exhaust gas is introduced from the side portion of the diffusion resistance layer 12 and then flows into the mixing chamber 17 through the diffusion resistance layer 12 and reaches the electrode 15. When the exhaust gas is lean, oxygen in the exhaust gas is decomposed by the electrode 15 and discharged from the electrode 16 to the atmospheric duct 18. On the other hand, when the exhaust is rich, oxygen in the atmospheric duct 18 is decomposed by the electrode 16 and discharged from the electrode 15 to the exhaust side.

図3は、センサ素子10の出力特性(V−I特性)を示す図面である。図3では、センサ素子10の正負両端子間の電位差を印加電圧Vpとして横軸に示し、素子電流ILを縦軸に示している。図3の特性線において、横軸であるVp軸に平行な直線部分(フラット部分)は限界電流としての素子電流ILを特定する限界電流域であって、素子電流ILの増減は空燃比の増減(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ILは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ILは減少する。   FIG. 3 is a diagram showing output characteristics (VI characteristics) of the sensor element 10. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the potential difference between the positive and negative terminals of the sensor element 10 as the applied voltage Vp, and the vertical axis indicates the element current IL. In the characteristic line of FIG. 3, a straight line portion (flat portion) parallel to the Vp axis, which is the horizontal axis, is a limit current region that specifies the element current IL as the limit current, and the increase or decrease in the element current IL is the increase or decrease in the air-fuel ratio. (Ie, the degree of lean / rich). That is, the element current IL increases as the air-fuel ratio becomes leaner, and the element current IL decreases as the air-fuel ratio becomes richer.

図3中のLX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線を表しており、その傾きは概ね抵抗支配域(限界電流域よりも低電圧側の傾き部分)に一致している。ただし、印加電圧特性線LXについて、IL≧K1の領域ではK1〜K2の領域とは異なり、素子電流ILの増加に伴い印加電圧Vpが減少する印加電圧特性が設定されている。また、IL≦K2の領域ではK1〜K2の領域とは異なり、素子電流ILの減少に伴い印加電圧Vpが増加する印加電圧特性が設定されている。上記のようにK1〜K2領域外で印加電圧特性線LX1の傾きが逆になっていることから、バッテリショート等が原因でセンサ素子10に過大な電圧が印加された場合にも、センサ素子10に過剰電流が流れることを抑制できる。   LX in FIG. 3 represents an applied voltage characteristic line for determining the applied voltage Vp to the sensor element 10, and the slope thereof is generally in the resistance dominant region (the slope portion on the lower voltage side than the limit current region). Match. However, for the applied voltage characteristic line LX, an applied voltage characteristic in which the applied voltage Vp decreases as the element current IL increases is set in the region of IL ≧ K1, unlike the region of K1 to K2. Further, in the region of IL ≦ K2, unlike the region of K1 to K2, an applied voltage characteristic is set in which the applied voltage Vp increases as the element current IL decreases. As described above, since the slope of the applied voltage characteristic line LX1 is reversed outside the K1 to K2 region, even when an excessive voltage is applied to the sensor element 10 due to a battery short-circuit or the like, the sensor element 10 It is possible to suppress an excessive current from flowing through.

次に、本発明の主要部たるセンサ制御回路20の電気的構成を図1を参照しながら説明する。   Next, the electrical configuration of the sensor control circuit 20 as the main part of the present invention will be described with reference to FIG.

図1において、センサ制御回路20には、センサ素子10の一方の端子に印加される端子印加電圧(本実施形態では、電極16に接続された正側端子S+の端子電圧VS+)を可変に制御する印加電圧制御回路21が設けられている。図1の構成では、センサ素子10の正側端子S+に経路開閉手段としてのスイッチ回路35を介して印加電圧制御回路21が接続されている。スイッチ回路35は常閉スイッチであり、通常時において閉状態となっている。印加電圧制御回路21は、素子電流ILに基づいて端子電圧VS+を可変設定する可変設定回路22と、端子電圧VS+の上限及び下限を制限する印加電圧ガード回路23とを備えている。   In FIG. 1, the sensor control circuit 20 variably controls a terminal application voltage applied to one terminal of the sensor element 10 (in this embodiment, the terminal voltage VS + of the positive terminal S + connected to the electrode 16). An applied voltage control circuit 21 is provided. In the configuration of FIG. 1, an applied voltage control circuit 21 is connected to the positive terminal S + of the sensor element 10 via a switch circuit 35 as a path opening / closing means. The switch circuit 35 is a normally closed switch, and is normally closed. The applied voltage control circuit 21 includes a variable setting circuit 22 that variably sets the terminal voltage VS + based on the element current IL, and an applied voltage guard circuit 23 that limits the upper limit and the lower limit of the terminal voltage VS +.

可変設定回路22は、基準電源24と、その基準電源24に接続された非反転増幅回路25とを備えている。本実施形態では、基準電源24の電圧値を2.6Vとしている。非反転増幅回路25は、オペアンプ25aと、その反転入力端子(−入力端子)に接続された帰還抵抗25b及び入力抵抗25cとを有しており、帰還抵抗25bに並列にコンデンサ26が接続されている。つまり本構成では、非反転増幅回路25にまとめて、印加電圧発振防止用のLPFが設けられている。LPFのカットオフ周波数fcは例えば2.7Hzである。   The variable setting circuit 22 includes a reference power supply 24 and a non-inverting amplifier circuit 25 connected to the reference power supply 24. In the present embodiment, the voltage value of the reference power supply 24 is 2.6V. The non-inverting amplifier circuit 25 has an operational amplifier 25a and a feedback resistor 25b and an input resistor 25c connected to an inverting input terminal (−input terminal) thereof, and a capacitor 26 is connected in parallel to the feedback resistor 25b. Yes. That is, in this configuration, the non-inverting amplifier circuit 25 is provided with an LPF for preventing applied voltage oscillation. The cut-off frequency fc of the LPF is, for example, 2.7 Hz.

また、印加電圧ガード回路23はオペアンプ25aの非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。印加電圧ガード回路23は、オペアンプ25aの入力電圧(+側入力電圧)に対して上限ガードと下限ガードとを付与することで、印加電圧制御回路21によるセンサ印加電圧(正側端子電圧VS+)を所定範囲に制限するものであり、印加電圧の上限ガードを実施する上限ガード回路部27と、同印加電圧の下限ガードを実施する下限ガード回路部28とを有している。これら各ガード回路部27,28は図のB点に接続されている。   The applied voltage guard circuit 23 is connected to the non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 25a. The applied voltage guard circuit 23 gives an upper limit guard and a lower limit guard to the input voltage (+ side input voltage) of the operational amplifier 25a, thereby obtaining the sensor applied voltage (positive side terminal voltage VS +) by the applied voltage control circuit 21. The upper limit guard circuit unit 27 that limits the applied voltage to the upper limit guard and the lower limit guard circuit unit 28 that performs the lower limit guard of the applied voltage. Each of these guard circuit portions 27 and 28 is connected to point B in the figure.

上限ガード回路部27は、負帰還部が設けられたオペアンプ27aと、そのオペアンプ27aの出力端子に接続されたダイオード27bと、オペアンプ27aの非反転入力端子(+入力端子)に接続された第1基準電源27cとを有する。ダイオード27bは、オペアンプ27aの出力側であって負帰還部との接続点よりもオペアンプ側に、カソードをオペアンプ出力側にして設けられている。また、下限ガード回路部28は、負帰還部が設けられたオペアンプ28aと、そのオペアンプ28aの出力端子に接続されたダイオード28bと、オペアンプ28aの非反転入力端子(+入力端子)に接続された第2基準電源28cとを有する。ダイオード28bは、オペアンプ28aの出力側であって負帰還部との接続点よりもオペアンプ側に、アノードをオペアンプ出力側にして設けられている。   The upper limit guard circuit unit 27 includes an operational amplifier 27a provided with a negative feedback unit, a diode 27b connected to an output terminal of the operational amplifier 27a, and a first non-inverting input terminal (+ input terminal) connected to the operational amplifier 27a. And a reference power supply 27c. The diode 27b is provided on the output side of the operational amplifier 27a, closer to the operational amplifier side than the connection point with the negative feedback section, and with the cathode as the operational amplifier output side. The lower limit guard circuit unit 28 is connected to an operational amplifier 28a provided with a negative feedback unit, a diode 28b connected to the output terminal of the operational amplifier 28a, and a non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 28a. And a second reference power supply 28c. The diode 28b is provided on the output side of the operational amplifier 28a, closer to the operational amplifier than the connection point with the negative feedback section, and with the anode on the operational amplifier output side.

上記の印加電圧ガード回路23によれば、B点電圧(オペアンプ25aの+入力電圧)が第1基準電源27cの基準電圧V1に対して高くなる場合に、B点電圧が基準電圧V1で上限ガードされる。また、B点電圧(オペアンプ25aの+入力電圧)が第2基準電源28cの基準電圧V2に対して低くなる場合に、B点電圧が基準電圧V2で下限ガードされる。   According to the applied voltage guard circuit 23 described above, when the point B voltage (the + input voltage of the operational amplifier 25a) is higher than the reference voltage V1 of the first reference power supply 27c, the point B voltage is the upper limit guard at the reference voltage V1. Is done. Further, when the point B voltage (the + input voltage of the operational amplifier 25a) becomes lower than the reference voltage V2 of the second reference power supply 28c, the point B voltage is guarded at the lower limit with the reference voltage V2.

また、センサ素子10の他方の端子(電極15に接続された負側端子S−)には、交流電源回路31、バッファ32及びシャント抵抗33が直列に接続されている。交流電源回路31は、例えば10〜20kHz程度の交流電圧を出力する交流電圧発生手段であり、交流電圧発生回路や、同発生回路の交流電圧出力をフィルタ処理するためのLPFにより構成されている。交流電源回路31によって所定の基準電圧(本実施形態では2.2V)を中心に所定の電圧幅で振幅する交流電圧が生成され、その交流電圧がS−端子側の端子印加電圧としてセンサ素子10に印加される。   An AC power supply circuit 31, a buffer 32, and a shunt resistor 33 are connected in series to the other terminal of the sensor element 10 (a negative terminal S- connected to the electrode 15). The AC power supply circuit 31 is an AC voltage generating means that outputs an AC voltage of about 10 to 20 kHz, for example, and is configured by an AC voltage generating circuit and an LPF for filtering the AC voltage output of the generating circuit. The AC power supply circuit 31 generates an AC voltage having an amplitude with a predetermined voltage width around a predetermined reference voltage (2.2 V in the present embodiment), and the AC voltage is used as a terminal applied voltage on the S-terminal side. To be applied.

素子電流ILを検出するためのシャント抵抗33は電圧変換素子であり、素子電流ILを電圧に変換して出力する。すなわち、シャント抵抗33は、交流電源回路31とセンサ素子10との間において素子電流ILが流れる電流経路上に設けられており、センサ素子10とは逆側の端子電圧が基準電圧(交流電源回路31の交流電圧の中心電圧)になっている。そして、シャント抵抗33とセンサ素子10(S−端子)との中間点Aでシャント抵抗33の端子電圧により素子電流ILが測定される。   The shunt resistor 33 for detecting the element current IL is a voltage conversion element, which converts the element current IL into a voltage and outputs it. That is, the shunt resistor 33 is provided on a current path through which the element current IL flows between the AC power supply circuit 31 and the sensor element 10, and the terminal voltage on the opposite side to the sensor element 10 is the reference voltage (AC power supply circuit). 31 of the AC voltage). The element current IL is measured by the terminal voltage of the shunt resistor 33 at an intermediate point A between the shunt resistor 33 and the sensor element 10 (S-terminal).

また、シャント抵抗33とセンサ素子10(S−端子)との間の中間点Aには、抵抗及びコンデンサよりなるLPF34が接続され、さらに同LPF34は、印加電圧制御回路21においてオペアンプ25aの非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。本構成では、シャント抵抗33とセンサ素子10との間の中間点電圧(すなわち、シャント抵抗33及びセンサ素子10による分圧電圧)が、LPF34を介して印加電圧制御回路21の非反転増幅回路25に入力される。なお、LPF34のカットオフ周波数fcは例えば150Hzである。   Further, an LPF 34 composed of a resistor and a capacitor is connected to an intermediate point A between the shunt resistor 33 and the sensor element 10 (S-terminal). Further, the LPF 34 is non-inverted by the operational amplifier 25a in the applied voltage control circuit 21. It is connected to the input terminal (+ input terminal). In this configuration, an intermediate voltage between the shunt resistor 33 and the sensor element 10 (that is, a voltage divided by the shunt resistor 33 and the sensor element 10) is supplied to the non-inverting amplifier circuit 25 of the applied voltage control circuit 21 via the LPF 34. Is input. Note that the cut-off frequency fc of the LPF 34 is 150 Hz, for example.

印加電圧制御回路21及び交流電源回路31は、センサ素子10の正負両端子S+,S−にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段に相当する。A/F検出の観点からすれば、交流電源回路31は、S−端子側の印加電圧として基準電圧(交流電圧の振幅中心である2.2V)を設定し印加するものであり、印加電圧制御回路21は、S+端子側の印加電圧として素子電流ILに応じた可変電圧を設定し印加するものである。また、交流電源回路31は、インピーダンス検出のために交流電圧を印加する電圧印加手段でもあり、本実施形態では2.2Vを基準としてその正負両側に1Vずつ振幅させた交流電圧を出力する。なお、センサ素子10の正側及び負側の両端子(S+端子,S−端子)にはノイズ等の除去を目的としてコンデンサ36,37が設けられている。   The applied voltage control circuit 21 and the AC power supply circuit 31 correspond to voltage applying means for applying a voltage to both the positive and negative terminals S + and S− of the sensor element 10. From the viewpoint of A / F detection, the AC power supply circuit 31 sets and applies a reference voltage (2.2 V, which is the amplitude center of the AC voltage) as the applied voltage on the S-terminal side. The circuit 21 sets and applies a variable voltage corresponding to the element current IL as an applied voltage on the S + terminal side. The AC power supply circuit 31 is also a voltage applying unit that applies an AC voltage for impedance detection. In this embodiment, the AC power supply circuit 31 outputs an AC voltage that is amplified by 1 V on both positive and negative sides with 2.2 V as a reference. Capacitors 36 and 37 are provided on both the positive and negative terminals (S + terminal, S− terminal) of the sensor element 10 for the purpose of removing noise and the like.

ここで、素子電流ILと、センサ素子10の端子電圧VS+,VS−との関係を図4を用いて説明する。負側端子電圧VS−(図1のA点電圧)は、素子電流ILに比例して増減されるものであり、素子電流ILが大きくなるにつれVS−値が大きくなる。これに対し、正側端子電圧VS+は、素子電流ILがK1〜K2の範囲にあれば素子電流ILに比例して増減設定され、素子電流ILがK1以上又はK2以下であればそれぞれ所定値に制限される。この場合、IL=K1〜K2の範囲内であれば、素子電流ILが大きくなるほど正負端子間の印加電圧として徐々に大きい電圧が設定される。なお、例えばIL=0mAでは0.4Vである。正側端子電圧VS+の上限ガード値は例えば4.3Vであり、下限ガード値は例えば1.4Vである。   Here, the relationship between the element current IL and the terminal voltages VS + and VS− of the sensor element 10 will be described with reference to FIG. The negative terminal voltage VS− (point A voltage in FIG. 1) is increased or decreased in proportion to the element current IL, and the VS− value increases as the element current IL increases. On the other hand, the positive terminal voltage VS + is set to increase or decrease in proportion to the element current IL if the element current IL is in the range of K1 to K2, and is set to a predetermined value if the element current IL is K1 or more or K2 or less. Limited. In this case, if IL is in the range of K1 to K2, as the element current IL increases, a voltage that is gradually increased as the applied voltage between the positive and negative terminals is set. For example, when IL = 0 mA, the voltage is 0.4V. The upper limit guard value of the positive terminal voltage VS + is, for example, 4.3V, and the lower limit guard value is, for example, 1.4V.

一方、シャント抵抗33とセンサ素子10(S−端子)との間の中間点Aには、その中間点電圧(すなわち、シャント抵抗33及びセンサ素子10による分圧電圧)を各々個別に取り込むようにした2つの信号出力部41,42が設けられている。一方は、A/F検出信号としてのA/F検出電圧AFOを出力するためのA/F信号出力部41であり、他方は、インピーダンス検出信号としてのインピーダンス検出電圧Ioutを出力するためのインピーダンス信号出力部42である。A/F信号出力部41は、オペアンプ43とLPF部44とをまとめて設けた差動増幅回路により構成されている。A/F信号出力部41においてオペアンプ43の非反転入力端子(+入力端子)には、LPF34を経由してA点電圧が入力される。その際、インピーダンス検出のために交流的に変動しているA点電圧の変動分がLPF34により除去される。なお本実施形態では、構成の簡素化のために、印加電圧フィードバック経路に設けたLPF34を併用してA/F信号の交流変動分を除去する構成としている。   On the other hand, at the intermediate point A between the shunt resistor 33 and the sensor element 10 (S-terminal), the intermediate point voltage (that is, the divided voltage by the shunt resistor 33 and the sensor element 10) is individually captured. The two signal output units 41 and 42 are provided. One is an A / F signal output unit 41 for outputting an A / F detection voltage AFO as an A / F detection signal, and the other is an impedance signal for outputting an impedance detection voltage Iout as an impedance detection signal. The output unit 42. The A / F signal output unit 41 includes a differential amplifier circuit in which an operational amplifier 43 and an LPF unit 44 are provided together. In the A / F signal output unit 41, the point A voltage is input to the non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 43 via the LPF 34. At this time, the fluctuation of the voltage at the point A, which fluctuates in an AC manner for impedance detection, is removed by the LPF 34. In the present embodiment, in order to simplify the configuration, the LPF 34 provided in the applied voltage feedback path is used in combination to remove AC fluctuations in the A / F signal.

A/F信号出力部41として、非反転型の増幅回路を用いる構成であってもよい。この場合、非反転増幅回路を構成するオペアンプの非反転入力端子(+入力端子)には、LPF34を経由してA点電圧が入力され、反転入力端子(−入力端子)には基準電圧(2.2V)が入力される。   The A / F signal output unit 41 may be configured to use a non-inverting amplifier circuit. In this case, the point A voltage is input to the non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier constituting the non-inverting amplifier circuit via the LPF 34, and the reference voltage (2) is input to the inverting input terminal (−input terminal). .2V) is input.

また、インピーダンス信号出力部42は、HPF45とピークホールド回路46とから構成されている。ピークホールド回路46には信号増幅部がまとめて設けられている。これにより、交流電源回路31による交流電圧の印加(印加電圧の掃引変化)に伴い振幅するA点電圧の変化量がインピーダンス検出電圧Ioutとして検出される。   The impedance signal output unit 42 includes an HPF 45 and a peak hold circuit 46. The peak hold circuit 46 is provided with a signal amplifier. As a result, the amount of change in the voltage at the point A, which accompanies application of the AC voltage (sweep change in applied voltage) by the AC power supply circuit 31, is detected as the impedance detection voltage Iout.

A/F信号出力部41から出力されるA/F検出電圧AFOと、インピーダンス信号出力部42から出力されるインピーダンス検出電圧Ioutとは共に制御手段としてのCPU50に入力され、同CPU50にて認識される。CPU50は、演算部や記憶部(各種メモリ)を備えてなる周知の演算装置であり、同CPU50のAD変換器にA/F検出電圧AFOやインピーダンス検出電圧Ioutが入力されるようになっている。CPU50は、A/F検出電圧AFOに基づいてA/F(酸素濃度)を算出するとともに、インピーダンス検出電圧Ioutに基づいて素子インピーダンスZacを算出する。   Both the A / F detection voltage AFO output from the A / F signal output unit 41 and the impedance detection voltage Iout output from the impedance signal output unit 42 are input to the CPU 50 as control means and recognized by the CPU 50. The The CPU 50 is a well-known calculation device including a calculation unit and a storage unit (various memories), and an A / F detection voltage AFO and an impedance detection voltage Iout are input to the AD converter of the CPU 50. . The CPU 50 calculates A / F (oxygen concentration) based on the A / F detection voltage AFO, and calculates the element impedance Zac based on the impedance detection voltage Iout.

A/F信号出力部41及びインピーダンス信号出力部42ではそれぞれで電圧信号が増幅されるが、それら各出力部41,42における増幅率は各々個別に設定されている。このとき、各出力部41,42における増幅率は、A/F信号分及びインピーダンス信号分の各電圧レベルと、マイコン48のAD変換器の電圧処理範囲(ここでは0〜5V)とに応じて設定され、本実施形態では、A/F信号出力部41の増幅率を10倍〜20倍、インピーダンス信号出力部42の増幅率を5倍としている。   The A / F signal output unit 41 and the impedance signal output unit 42 amplify the voltage signal, but the amplification factors in the output units 41 and 42 are individually set. At this time, the amplification factors in the output units 41 and 42 depend on the voltage levels for the A / F signal and the impedance signal, and the voltage processing range (0 to 5 V here) of the AD converter of the microcomputer 48. In this embodiment, the amplification factor of the A / F signal output unit 41 is 10 to 20 times, and the amplification factor of the impedance signal output unit 42 is five times.

上記構成によれば、交流電源回路31によってセンサ素子10に交流電圧が印加されると、その交流電圧の印加状態で、同センサ素子10に、A/F(排気中の酸素濃度)に相応する電流分と素子インピーダンスに相応する電流分とが合成された素子電流が流れる。このとき、A/F検出信号(AFO)及びインピーダンス検出信号(Iout)の測定点である、シャント抵抗33とセンサ素子10との間の中間点では、センサ印加電圧の周期(交流電圧の周波数)に合わせて電圧が振幅している。そして、LPF34及びA/F信号出力部41において、シャント抵抗33とセンサ素子10との間の中間点電圧から、素子電流のうち都度のA/Fに相応する電流分(直流成分)が抽出され、それが所定の増幅率にて増幅された後、A/F検出信号としてマイコン48に出力される。   According to the above configuration, when an AC voltage is applied to the sensor element 10 by the AC power supply circuit 31, the sensor element 10 corresponds to A / F (oxygen concentration in the exhaust gas) in the application state of the AC voltage. A device current in which a current component and a current component corresponding to the device impedance are combined flows. At this time, at the intermediate point between the shunt resistor 33 and the sensor element 10, which is a measurement point of the A / F detection signal (AFO) and the impedance detection signal (Iout), the period of the sensor applied voltage (frequency of the AC voltage) The voltage swings to match. Then, in the LPF 34 and the A / F signal output unit 41, a current component (DC component) corresponding to each A / F is extracted from the element current from the midpoint voltage between the shunt resistor 33 and the sensor element 10. After being amplified at a predetermined amplification factor, it is output to the microcomputer 48 as an A / F detection signal.

また、インピーダンス信号出力部42において、シャント抵抗33とセンサ素子10との間の中間点電圧から、素子電流のうち都度の素子インピーダンスに相応する電流分(交流成分)が抽出され、さらにそのピーク値がインピーダンス検出信号としてマイコン48に出力される。マイコン48では、A/F検出信号に基づいてA/F(排気中の酸素濃度)が算出されるとともに、インピーダンス検出信号に基づいて素子インピーダンスが算出される。   Further, in the impedance signal output unit 42, a current component (AC component) corresponding to each element impedance is extracted from the element current from the midpoint voltage between the shunt resistor 33 and the sensor element 10, and the peak value thereof is further obtained. Is output to the microcomputer 48 as an impedance detection signal. In the microcomputer 48, A / F (oxygen concentration in exhaust gas) is calculated based on the A / F detection signal, and element impedance is calculated based on the impedance detection signal.

ここで、シャント抵抗33とセンサ素子10との間の中間点で検出される電圧信号において、A/F信号分とインピーダンス信号分とは電圧レベルが相違するが、A/F信号出力部41及びインピーダンス信号出力部42には別系統で電圧信号が取り込まれ、それらが個別に増幅されるため、これら両信号分の信号レベルの相違に起因する検出精度の低下が抑制されるようになっている。すなわち、A/F信号分を基準に両信号分の増幅を行うと、素子インピーダンスの検出精度の低下が生じ、他方、インピーダンス信号分を基準に両信号分の増幅を行うと、A/Fの検出精度の低下が生じることが懸念されるが、本実施形態の回路構成ではこうした不都合が解消される。   Here, in the voltage signal detected at an intermediate point between the shunt resistor 33 and the sensor element 10, the A / F signal component and the impedance signal component have different voltage levels, but the A / F signal output unit 41 and Since the voltage signal is taken into the impedance signal output unit 42 in a separate system and amplified separately, the decrease in detection accuracy due to the difference in signal level for these two signals is suppressed. . That is, if the amplification for both signals is performed on the basis of the A / F signal, the detection accuracy of the element impedance is reduced. On the other hand, if the amplification for both signals is performed on the basis of the impedance signal, the A / F Although there is a concern that the detection accuracy may be lowered, the inconvenience is solved by the circuit configuration of the present embodiment.

ちなみに、センサ制御回路20では、交流電源回路31やA/F信号出力部41、印加電圧制御回路21(基準電圧の生成部を除く)といった回路構成がICに集積化され、センサ制御ICとして構成されている。ただし、シャント抵抗33はセンサ制御IC(IC素子)に対して外付けとなっており、こうしてシャント抵抗33を外付けにすることで、シャント抵抗33の抵抗値の誤差を極力小さくし(すなわち、高精度なシャント抵抗33を用いることができ)、素子電流ILの検出精度を向上させることができる。また、スイッチ回路35もセンサ制御ICに一体に設けられている。   Incidentally, in the sensor control circuit 20, circuit configurations such as the AC power supply circuit 31, the A / F signal output unit 41, and the applied voltage control circuit 21 (excluding the reference voltage generation unit) are integrated in the IC, and configured as a sensor control IC. Has been. However, the shunt resistor 33 is externally attached to the sensor control IC (IC element), and thus the shunt resistor 33 is externally attached, thereby minimizing the error in the resistance value of the shunt resistor 33 (that is, the shunt resistor 33). A highly accurate shunt resistor 33 can be used), and the detection accuracy of the element current IL can be improved. The switch circuit 35 is also provided integrally with the sensor control IC.

CPU50には、A/F検出電圧AFO及びインピーダンス検出電圧Iout以外に、センサ素子10の正側端子S+の電圧である正側端子電圧VS+と、負側端子S−の電圧である負側端子電圧VS−とが上記同様AD変換器を介して入力される。なお、図示は省略するが、端子電圧VS+,VS−の信号経路にはLPFが設けられており、このLPFにより、端子電圧VS+,VS−に含まれる交流成分が除去されるようになっている。本実施形態では、CPU50と、その他シャント抵抗33、A/F信号出力部41及びインピーダンス信号出力部42により電圧電流検出手段が構成されている。   In addition to the A / F detection voltage AFO and the impedance detection voltage Iout, the CPU 50 includes a positive terminal voltage VS + that is a voltage of the positive terminal S + of the sensor element 10 and a negative terminal voltage that is a voltage of the negative terminal S−. VS− is input through the AD converter as described above. Although not shown, an LPF is provided in the signal path of the terminal voltages VS + and VS−, and the AC component included in the terminal voltages VS + and VS− is removed by the LPF. . In the present embodiment, the CPU 50, the other shunt resistor 33, the A / F signal output unit 41, and the impedance signal output unit 42 constitute a voltage / current detection means.

また、CPU50は、センサ制御回路20から入力される各種検出電圧(VS+,VS−,AFO)に基づいて、センサ素子10(A/Fセンサ)に関する異常を検出する。この場合、基本的には各検出電圧が正常値であるかどうかにより異常検出を行うものとなっている。また、本実施形態では特に、センサ素子10に関する異常(以下、センサ制御系の異常ともいう)の検出に際し、スイッチ回路35の開閉を制御することでセンサ素子10のS+端子側において電圧印加状態を切り替えるとともに、その切替前及び切替後の各検出電圧の変化に基づいて異常検出を実施する。   Further, the CPU 50 detects an abnormality related to the sensor element 10 (A / F sensor) based on various detection voltages (VS +, VS−, AFO) input from the sensor control circuit 20. In this case, basically, abnormality detection is performed depending on whether or not each detection voltage is a normal value. In the present embodiment, in particular, when an abnormality relating to the sensor element 10 (hereinafter also referred to as an abnormality of the sensor control system) is detected, the voltage application state is changed on the S + terminal side of the sensor element 10 by controlling the opening and closing of the switch circuit 35. In addition to switching, abnormality detection is performed based on changes in the detection voltages before and after switching.

本実施形態では、センサ制御系の各種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。センサ制御系が正常である場合と異常である場合とでは各検出電圧が相違する。そこで、各検出電圧が正常時と同じであるかどうかによりセンサ制御系の異常の有無を判定するとともに、同検出電圧に基づいて異常形態を特定するようにしている。   In the present embodiment, a configuration is adopted in which various abnormalities in the sensor control system can be detected and the abnormal form can be specified, and details thereof will be described below. Each detection voltage differs depending on whether the sensor control system is normal or abnormal. Therefore, whether or not there is an abnormality in the sensor control system is determined based on whether or not each detection voltage is the same as in the normal state, and the abnormality form is specified based on the detection voltage.

センサ制御系における主な異常形態を次の(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)S+端子(センサ正側端子)のVBショート
(3)S+端子(センサ正側端子)のGNDショート
(4)S−端子(センサ負側端子)のVBショート
(5)S−端子(センサ負側端子)のGNDショート
(6)センサ端子間ショート
上記(1)はS+,S−端子の何れかで断線が生じた異常を、上記(2),(3)はS+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、上記(4),(5)はS−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、上記(6)はS+,S−端子間がショートした異常を、それぞれ指す。
The main abnormal forms in the sensor control system are classified into the following (1) to (6) and will be described in order.
(1) Abnormal sensor disconnection (2) VB short of S + terminal (sensor positive terminal) (3) GND short of S + terminal (sensor positive terminal) (4) VB short of S- terminal (sensor negative terminal) ( 5) GND short of S-terminal (sensor negative side terminal) (6) Short between sensor terminals Above (1) is an abnormality caused by disconnection at either S + or S- terminal, (2), (3) Indicates an abnormality in which a battery short and a ground short have occurred at the S + terminal, (4) and (5) indicate an abnormality in which a battery short and a ground short have occurred at the S− terminal, and (6) indicates S + and S−. Refers to an abnormality where the terminals are shorted.

本発明者らは、上記(1)〜(6)の各異常時におけるVS+,VS−,AFOの電圧値を各々測定した。その測定結果を図5に示しており、同図5を参照しながら上記(1)〜(6)の各異常の発生時におけるVS+,VS−,AFOの具体的な電圧値を説明する。図5の最下段には、比較のために正常時の電圧値を示している。図5には、センサ活性前の電圧値とセンサ活性後の電圧値とを示しており、ここではセンサ活性後の電圧値の説明を主に行い、補足的にセンサ活性前の電圧値の説明を行うこととする。なお、図5の各電圧値は、演算装置による演算値(CPU値:0〜5V)であり、これはセンサ活性途中における過渡的な電圧値とならないよう、活性前電圧値はセンサ起動直後(エンジン始動直後)に、活性後電圧値はセンサ起動後、規定時間(例えば1分程度)が経過した時に測定された数値である。   The inventors measured voltage values of VS +, VS−, and AFO at the time of each abnormality of (1) to (6). The measurement results are shown in FIG. 5, and specific voltage values of VS +, VS−, and AFO at the time of occurrence of each abnormality (1) to (6) will be described with reference to FIG. The lowermost part of FIG. 5 shows the normal voltage value for comparison. FIG. 5 shows the voltage value before the sensor activation and the voltage value after the sensor activation. Here, the voltage value after the sensor activation is mainly described, and the voltage value before the sensor activation is supplementarily described. To do. Note that each voltage value in FIG. 5 is a calculated value (CPU value: 0 to 5 V) by a calculation device, and the pre-activation voltage value is immediately after the sensor is activated (so that it does not become a transient voltage value during sensor activation) ( Immediately after engine start-up, the post-activation voltage value is a value measured when a specified time (for example, about 1 minute) has elapsed after the sensor is started.

(1)センサ断線異常
センサ断線異常が生じた場合、素子電流ILが流れず、端子電圧VS+,VS−はそれぞれ各端子側の基準電圧と同じ電圧値となる。すなわち、端子電圧VS+は、基準電源24の電圧値(2.6V)となり、端子電圧VS−は交流電源回路31の基準電圧(2.2V)となる。また、A/F検出電圧AFOは、素子電流IL=0mAに対応する値(例えば2.2V)で保持される(ストイキ固定)。上記各値は、センサ活性前/活性後を通じて同様である。
(1) Sensor disconnection abnormality When a sensor disconnection abnormality occurs, the element current IL does not flow, and the terminal voltages VS + and VS− respectively have the same voltage value as the reference voltage on each terminal side. That is, the terminal voltage VS + becomes the voltage value (2.6V) of the reference power supply 24, and the terminal voltage VS− becomes the reference voltage (2.2V) of the AC power supply circuit 31. Further, the A / F detection voltage AFO is held at a value (eg, 2.2 V) corresponding to the element current IL = 0 mA (fixed at stoichiometry). The above values are the same before / after sensor activation.

(2)S+端子(センサ正側端子)のVBショート
S+端子のVBショートが生じた場合、同S+端子にバッテリ電圧VB(例えば14V)が印加され、素子電流ILとして大電流が流れる。この場合、端子電圧VS+がCPU上限値(5.0V)で固定される。また、端子電圧VS+の増加に合わせて端子電圧VS−が増加するため、VS−値もCPU上限値(5.0V)で固定される。なお、実際にはVS−が10.5〜6V程度まで増加する。A/F検出電圧AFOは、素子電流ILの増加に伴いCPU上限値(5.0V)で固定され、リーン側異常値(リーン張り付き)となる。なお、センサ活性前は、VS+=5.0Vになるとともに、素子インピーダンスZacが無限大であり素子電流ILが流れないため、断線異常時と同様、VS−=2.2V、AFO=2.2Vで保持される。
(2) VB short of S + terminal (sensor positive side terminal) When a VB short of S + terminal occurs, battery voltage VB (for example, 14V) is applied to the S + terminal, and a large current flows as element current IL. In this case, the terminal voltage VS + is fixed at the CPU upper limit (5.0V). Further, since the terminal voltage VS− increases as the terminal voltage VS + increases, the VS− value is also fixed at the CPU upper limit (5.0V). Actually, VS− increases to about 10.5 to 6V. The A / F detection voltage AFO is fixed at the CPU upper limit (5.0 V) as the element current IL increases, and becomes a lean abnormal value (lean sticking). Before the sensor activation, VS + = 5.0V and the element impedance Zac is infinite and the element current IL does not flow. Therefore, as in the case of disconnection abnormality, VS− = 2.2V, AFO = 2.2V. Held in.

(3)S+端子(センサ正側端子)のGNDショート
S+端子のGNDショートが生じた場合、同S+端子がグランド電位(0V)で固定され、S+端子側の印加電圧は0V、S−端子側の印加電圧は交流電源回路31の交流電圧となる。この場合、端子電圧VS+が0Vで固定される。また、端子電圧VS−及びA/F検出電圧AFOは、排気中の酸素濃度に応じて変動する値となり、特にAFO値は空燃比リッチの電圧値(0〜1.0V)となる。なお、センサ活性前は、VS+=0Vになるとともに、素子インピーダンスZacが無限大であり素子電流ILが流れないため、断線異常時と同様、VS−=2.2V、AFO=2.2Vで保持される。
(3) S + terminal (sensor positive side terminal) GND short When a S + terminal GND short occurs, the S + terminal is fixed at the ground potential (0V), the applied voltage on the S + terminal side is 0V, and the S− terminal side Is applied to the AC power supply circuit 31. In this case, the terminal voltage VS + is fixed at 0V. The terminal voltage VS− and the A / F detection voltage AFO are values that vary according to the oxygen concentration in the exhaust gas. In particular, the AFO value is an air-fuel ratio rich voltage value (0 to 1.0 V). Before the sensor activation, VS + = 0V and the element impedance Zac is infinite and the element current IL does not flow. Therefore, as in the case of the disconnection abnormality, VS− = 2.2V and AFO = 2.2V are maintained. Is done.

(4)S−端子(センサ負側端子)のVBショート
S−端子のVBショートが生じた場合、同S−端子にバッテリ電圧VB(例えば14V)が印加され、それに合わせてS+端子側でも電圧上昇するとともに、シャント抵抗33に大電流が流れる。なお、実際にはVS+が10〜6V程度まで増加する。この場合、端子電圧VS+,VS−及びA/F検出電圧AFOはいずれも5Vで固定される。
(4) VB short of S− terminal (sensor negative side terminal) When VB short of S− terminal occurs, battery voltage VB (for example, 14V) is applied to the S− terminal, and voltage is also applied to S + terminal side accordingly. As the current rises, a large current flows through the shunt resistor 33. In practice, VS + increases to about 10-6V. In this case, the terminal voltages VS + and VS− and the A / F detection voltage AFO are all fixed at 5V.

なお、センサ活性前は、センサ活性後と同様にVS−=5V、AFO=5Vになるとともに、端子電圧VS+が印加電圧制御回路21の制御値となる。VS+値について補足すると、印加電圧制御回路21では図1のA点電圧=5Vであるとして印加電圧制御が行われる。このとき、印加電圧ガード回路23の印加電圧ガード機能により、S+端子側の印加電圧(VS+)が上限ガード値である4.3Vに制限される。   Before the sensor activation, VS− = 5 V and AFO = 5 V are obtained as in the sensor activation, and the terminal voltage VS + becomes the control value of the applied voltage control circuit 21. Supplementing the VS + value, the applied voltage control circuit 21 performs the applied voltage control assuming that the point A voltage in FIG. At this time, the applied voltage guard function of the applied voltage guard circuit 23 limits the applied voltage (VS +) on the S + terminal side to the upper limit guard value of 4.3V.

(5)S−端子(センサ負側端子)のGNDショート
S−端子のGNDショートが生じた場合、同S−端子がグランド電位(0V)で固定され、S−端子側の印加電圧は0V、S+端子側の印加電圧は図1のA点電圧=0Vである時の印加電圧制御回路21の出力電圧となる。この場合、印加電圧ガード回路23の印加電圧ガード機能により、S+端子側の印加電圧(VS+)が下限ガード値である1.4Vに制限される。また、A/F検出電圧AFOは、排気中の酸素濃度に関係なく、シャント抵抗33の両端電位差に対応する所定のリッチ値(0V)で保持される。
(5) S-terminal (sensor negative side terminal) GND short When a S-terminal GND short occurs, the S-terminal is fixed at the ground potential (0 V), and the applied voltage on the S-terminal side is 0 V. The applied voltage on the S + terminal side is the output voltage of the applied voltage control circuit 21 when the voltage at point A in FIG. In this case, the applied voltage guard function of the applied voltage guard circuit 23 limits the applied voltage (VS +) on the S + terminal side to 1.4 V that is the lower limit guard value. Further, the A / F detection voltage AFO is held at a predetermined rich value (0 V) corresponding to the potential difference across the shunt resistor 33 regardless of the oxygen concentration in the exhaust gas.

なお、センサ活性前も、センサ活性後と同様にVS+=1.4V、VS−=0V、AFO=0Vになる。   It should be noted that VS + = 1.4V, VS− = 0V, and AFO = 0V before sensor activation as well as after sensor activation.

(6)センサ端子間ショート
センサ端子間ショートが生じた場合、センサ素子10を迂回して素子電流ILが流れる。この場合、素子電流ILが大きくなることから、印加電圧制御回路21の出力電圧が上限ガード値(4.3V)まで上昇し、端子電圧VS+,VS−がいずれも4.3Vになる。また、A/F検出電圧AFOが最大値(5.0V)になり、リーン側異常値(リーン張り付き)となる。
(6) Short between sensor terminals When a short between sensor terminals occurs, the element current IL flows around the sensor element 10. In this case, since the element current IL increases, the output voltage of the applied voltage control circuit 21 rises to the upper limit guard value (4.3V), and both the terminal voltages VS + and VS− become 4.3V. Further, the A / F detection voltage AFO becomes the maximum value (5.0 V), and becomes a lean side abnormal value (lean sticking).

なお、センサ活性前も、センサ活性後と同様にVS+=4.3V、VS−=4.3V、AFO=5Vになる。   Note that, before the sensor activation, VS + = 4.3V, VS− = 4.3V, and AFO = 5V, as in the case after the sensor activation.

上記のとおりセンサ異常時には、その異常形態に応じてVS+,VS−,AFOが正常値と異なり所定の異常値になるため、VS+,VS−,AFOのどれが如何なる異常値となるかで異常形態(異常種別)の特定が可能となる。   As described above, when the sensor is abnormal, VS +, VS−, and AFO differ from the normal value according to the abnormal form, and become a predetermined abnormal value. Therefore, the abnormal form depends on which abnormal value of VS +, VS−, or AFO. (Abnormality type) can be specified.

ただし、上述した(1)〜(6)の各異常のうち、(2)S+端子のVBショート、(4)S−端子のVBショート、(6)センサ端子間ショートについて着目すると、これら(2)(4)(6)の各異常はいずれも、
・正負両方の端子電圧VS+、VS−が同値であること(VS+=VS−)、
・A/F検出電圧AFOが異常値であり、特にリーン側異常値であること、
が共通する。つまり、異常形態が相違していても各電圧値が同様の異常値となっている。したがって、センサ端子のVBショート異常((2)(4)の異常)と、センサ端子間ショート異常((6)の異常)との区別が明確でないという懸念が生じる。
However, among the abnormalities (1) to (6) described above, focusing on (2) the VB short of the S + terminal, (4) the VB short of the S− terminal, and (6) the short between the sensor terminals, these (2 ) (4) (6)
-Both positive and negative terminal voltages VS + and VS- have the same value (VS + = VS-),
The A / F detection voltage AFO is an abnormal value, particularly a lean-side abnormal value;
Is common. That is, even if the abnormal form is different, each voltage value has the same abnormal value. Therefore, there is a concern that the distinction between the VB short-circuit abnormality ((2) (4) abnormality) and the sensor-terminal short abnormality ((6) abnormality) is not clear.

そこで本実施形態では、センサ素子10に対する電圧印加状態を一時的に切り替えるとともに、その切替前の各電圧値と切替後の各電圧値との比較に基づいて異常検出を実施する。具体的には、印加電圧制御回路21の出力側に設けたスイッチ回路35を一時的に開放することで、センサ制御回路20における回路接続状態を通常のガス濃度検出時の状態からそれとは異なる状態に変更する。この場合、センサ端子のVBショートの発生時とセンサ端子間ショートの発生時とでは、各電圧値が状態切替前には同様の電圧値であったとしても、状態切替後には各々相違するものとなるため、異常形態の区別が可能となる。なお、スイッチ回路35を閉じた状態が「第1状態」に相当し、スイッチ回路35を開放した状態が「第2状態」に相当する。   Therefore, in the present embodiment, the voltage application state for the sensor element 10 is temporarily switched, and abnormality detection is performed based on a comparison between each voltage value before the switching and each voltage value after the switching. Specifically, by temporarily opening the switch circuit 35 provided on the output side of the applied voltage control circuit 21, the circuit connection state in the sensor control circuit 20 is different from the normal gas concentration detection state. Change to In this case, when the VB short-circuit of the sensor terminal and the short-circuit between the sensor terminals occur, even if each voltage value is the same voltage value before the state switching, it is different after the state switching. Therefore, the abnormal form can be distinguished. The state in which the switch circuit 35 is closed corresponds to the “first state”, and the state in which the switch circuit 35 is opened corresponds to the “second state”.

図6は、
・S+端子のVBショート、
・S−端子のVBショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、スイッチ回路35を開放して印加電圧制御回路21による電圧印加を遮断(開放)した場合の、その開放前後におけるVS+,VS−,AFOを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。
FIG.
・ VB short of S + terminal,
・ VB short of S-terminal,
・ Short-circuit between sensor terminals,
For each of these abnormalities, VS +, VS−, and AFO before and after opening when the switch circuit 35 is opened and voltage application by the applied voltage control circuit 21 is cut off (opened) are compared. Note that all numerical values are after sensor activation.

図6において、スイッチ回路35の開放前の各電圧値(VS+,VS−,AFO)は図5で説明したとおりである。つまり、図6の各異常ではいずれも、スイッチ開放前においてVS+=VS−であり、かつA/F検出電圧AFOがリーン側異常値になっている。   In FIG. 6, the voltage values (VS +, VS−, AFO) before the switch circuit 35 is opened are as described in FIG. That is, in each abnormality in FIG. 6, VS + = VS− before opening the switch, and the A / F detection voltage AFO is a lean-side abnormal value.

そして、スイッチ回路35が開放状態に切り替えられると、センサ端子(S+,S−)のVBショートとセンサ端子間ショートとで電圧値に違いが生じる。つまり、センサ端子のVBショートの場合、端子電圧VS+,VS−が最大値(5V)のまま保持されるとともに、A/F検出電圧AFOもリーン側異常値(5V)のまま保持される。これに対し、センサ端子間ショートの場合、各電圧値(VS+,VS−,AFO)がいずれも2.2Vに変化する。つまり、スイッチ回路35が開放されてS+端子側の電圧印加が遮断(開放)されることで、端子電圧VS+,VS−がS−端子側(スイッチ開放されていない端子側)の基準電圧と同じ電圧値(2.2V)になるとともに、A/F検出電圧AFOがストイキ相当の電圧値(2.2V)となる。   When the switch circuit 35 is switched to the open state, a difference occurs in the voltage value between the VB short of the sensor terminals (S +, S−) and the short between the sensor terminals. That is, in the case of a VB short of the sensor terminal, the terminal voltages VS + and VS− are held at the maximum value (5V), and the A / F detection voltage AFO is also held at the lean side abnormal value (5V). On the other hand, in the case of a short circuit between the sensor terminals, each voltage value (VS +, VS−, AFO) changes to 2.2V. That is, when the switch circuit 35 is opened and the voltage application on the S + terminal side is cut off (opened), the terminal voltages VS + and VS− are the same as the reference voltage on the S− terminal side (terminal side where the switch is not opened). In addition to the voltage value (2.2 V), the A / F detection voltage AFO becomes a voltage value (2.2 V) equivalent to stoichiometry.

本実施形態では、異常形態が異なる場合において、上記のようにスイッチ回路35の開放前後で各電圧値(VS+,VS−,AFO)が相違することを利用し、異常形態の特定を行うこととしている。   In the present embodiment, when the abnormal form is different, the abnormal form is identified by utilizing the fact that each voltage value (VS +, VS−, AFO) is different before and after opening the switch circuit 35 as described above. Yes.

次に、CPU50により実行される異常検出処理について図7のフローチャートを用いて説明する。図7の処理は、CPU50により例えば所定の時間周期で繰り返し実行される。   Next, the abnormality detection process executed by the CPU 50 will be described with reference to the flowchart of FIG. The processing in FIG. 7 is repeatedly executed by the CPU 50 at a predetermined time period, for example.

図7において、ステップS11では、異常検出の実行条件が成立しているか否かを判定する。異常検出の実行条件として具体的には、バッテリ電圧が所定の正常範囲(例えば11〜16V)であること、CPU50の駆動電圧である定電圧及びグランド電位が正常判定されていること等を含み、これら各条件が全て成立している場合に、後続のステップに進む。その他、センサ素子10が活性状態にあることを実行条件に含めてもよい。   In FIG. 7, in step S11, it is determined whether or not an abnormality detection execution condition is satisfied. Specifically, the abnormality detection execution condition includes that the battery voltage is within a predetermined normal range (for example, 11 to 16 V), that the constant voltage and the ground potential that are the driving voltage of the CPU 50 are normally determined, etc. When all these conditions are satisfied, the process proceeds to the subsequent steps. In addition, it may be included in the execution condition that the sensor element 10 is in the active state.

ステップS12では、端子電圧VS+と端子電圧VS−とが同電位であるか否かを判定する。このとき実際には、VS+,VS−の差が所定値(例えば0.1V)以下であるか否かを判定する。そして、VS+≒VS−でなければステップS13に進み、VS+≒VS−であればステップS14に進む。なお、ステップS12では、VS+≒VS−の判定に加えて、VS+,VS−がいずれも異常値(例えば正常値に対して高電圧側の異常値)であることを判定してもよい。   In step S12, it is determined whether or not the terminal voltage VS + and the terminal voltage VS− are at the same potential. At this time, it is actually determined whether or not the difference between VS + and VS− is equal to or less than a predetermined value (for example, 0.1 V). If not VS + ≈VS−, the process proceeds to step S13, and if VS + ≈VS−, the process proceeds to step S14. In step S12, in addition to the determination of VS + ≈VS−, it may be determined that both VS + and VS− are abnormal values (for example, an abnormal value on the high voltage side with respect to the normal value).

ステップS13では、センサ制御系の各種異常のうちステップS12が否定される異常形態(上記(2)(4)(6)以外の異常形態)を検出対象として異常検出を実行する。このとき、図5に示すように各異常形態でそれぞれ異常値が相違することを利用して各異常形態を特定する。ステップS13での異常検出について簡単に説明すると、例えば、各電圧値(VS+,VS−,AFO)が正常範囲にあるものの、所定時間が経過しても変化しない場合にセンサ断線であると判定される。また、各端子電圧VS+,VS−のいずれかが0V固定になっている場合に、センサ端子のGNDショートであると判定される。   In step S13, abnormality detection is executed with an abnormality form (abnormal form other than the above (2), (4), and (6)) that is negated in step S12 among various abnormalities in the sensor control system. At this time, as shown in FIG. 5, each abnormal form is specified by utilizing the fact that the abnormal value is different for each abnormal form. The abnormality detection in step S13 will be briefly described. For example, if each voltage value (VS +, VS−, AFO) is in the normal range but does not change after a predetermined time, it is determined that the sensor is disconnected. The Further, when any one of the terminal voltages VS + and VS− is fixed to 0V, it is determined that the sensor terminal is in a GND short-circuit.

また、ステップS14では、A/F検出電圧AFOがリーン側異常値(4.7V以上)であるか否かを判定する。そして、ステップS14がYESであれば後続のステップS15に進み、NOであればそのまま本処理を一旦終了する。センサ素子10に関してセンサ端子のVBショート又はセンサ端子間ショート(上記(2)(4)(6)の異常)が生じている場合には、VS+≒VS−であり、かつAFO=リーン側異常値であるという事態が生じる。ゆえに、ステップS12,S14が共にYESとなりステップS15に進む。   In step S14, it is determined whether or not the A / F detection voltage AFO is a lean-side abnormal value (4.7 V or higher). And if step S14 is YES, it will progress to subsequent step S15, and if it is NO, this process will be once complete | finished as it is. When a sensor terminal VB short or a short between sensor terminals (abnormalities (2), (4) and (6) above) has occurred with respect to the sensor element 10, VS + ≈VS− and AFO = lean side abnormal value This happens. Therefore, both steps S12 and S14 are YES, and the process proceeds to step S15.

ステップS12,S14が、スイッチ開放前においてセンサ素子10に関する異常(特に、センサ端子のVBショート又はセンサ端子間ショート)の有無を判定する開放前異常判定処理に相当する。なお、ステップS12,S14のいずれか一方のみにより開放前異常判定処理を実施することも可能である。   Steps S12 and S14 correspond to a pre-opening abnormality determination process for determining whether or not there is an abnormality related to the sensor element 10 (particularly, a VB short of sensor terminals or a short between sensor terminals) before the switch is opened. It should be noted that the pre-opening abnormality determination process can be performed by only one of steps S12 and S14.

ちなみに、本実施形態の印加電圧制御では、正常動作においてVS+≒VS−となることがあり得る。例えば、図4のX点ではVS+≒VS−となる。かかる場合には、ステップS12がYESでかつステップS14がNOになり、ステップS15以降の異常検出が行われることなくそのまま本処理が終了される。   Incidentally, in the applied voltage control of the present embodiment, VS + ≈VS− can be obtained in normal operation. For example, at point X in FIG. 4, VS + ≈VS−. In such a case, step S12 is YES and step S14 is NO, and this process is terminated as it is without detecting abnormality after step S15.

その後、ステップS15では、スイッチ回路35を開放させ、印加電圧制御回路21からS+端子側への電圧印加を遮断する。そして、ステップS16では、スイッチ開放後における端子電圧VS+,VS−を取得し、続くステップS17では、VS+値及びVS−値が、スイッチ回路35の開放前における値から変化しているか否かを判定する。ここでは例えば、VS+値及びVS−値が2.2Vであるかを判定する。   Thereafter, in step S15, the switch circuit 35 is opened, and voltage application from the applied voltage control circuit 21 to the S + terminal side is interrupted. In step S16, the terminal voltages VS + and VS− after the switch is opened are acquired. In subsequent step S17, it is determined whether or not the VS + value and the VS− value have changed from the values before the switch circuit 35 is opened. To do. Here, for example, it is determined whether the VS + value and the VS− value are 2.2V.

ステップS17において、端子電圧VS+,VS−がスイッチ開放前の値から変化していれば、より具体的には端子電圧VS+,VS−がスイッチ回路35とは反対側であるS−端子側の基準電圧2.2Vであれば、ステップS18に進み、センサ端子間ショートが発生している旨を判定する。   In step S17, if the terminal voltages VS + and VS− have changed from the values before opening the switch, more specifically, the reference on the S− terminal side where the terminal voltages VS + and VS− are opposite to the switch circuit 35. If the voltage is 2.2 V, the process proceeds to step S18 to determine that a short circuit between the sensor terminals has occurred.

また、端子電圧VS+,VS−がスイッチ開放前の値から変化していなければ(VS+,VS−が2.2Vでなければ)ステップS19に進み、端子電圧VS+が4.4Vよりも高電圧側の異常値になっているか否かを判定する。そして、VS+>4.4Vであれば、ステップS20に進み、センサ端子のVBショートが発生している旨を判定する。また、VS+≦4.4Vであればそのまま本処理を終了し、異常検出のやり直しが行われる。   If the terminal voltages VS + and VS− have not changed from the values before opening the switch (VS + and VS− are not 2.2V), the process proceeds to step S19, where the terminal voltage VS + is higher than 4.4V. It is determined whether or not it is an abnormal value. If VS +> 4.4V, the process proceeds to step S20, where it is determined that a VB short circuit of the sensor terminal has occurred. If VS + ≦ 4.4V, the process is terminated as it is, and abnormality detection is performed again.

なお、異常判定に際しては同様の異常が複数回連続して検出された場合に、異常発生の最終判定を実施するようにしてもよい。異常発生の最終判定時には、故障警告灯を点灯させる、異常情報をバックアップRAM等に記憶する、A/Fセンサのヒータ19をOFFする等の処置が実施され、次回の電源投入時には再度異常検出が実施される。   It should be noted that the final determination of the occurrence of an abnormality may be performed when a similar abnormality is detected a plurality of times in succession. At the final determination of occurrence of abnormality, measures such as turning on the failure warning lamp, storing abnormality information in the backup RAM, turning off the heater 19 of the A / F sensor, etc. are implemented. To be implemented.

ちなみに、ステップS16〜S20を以下のように変更することも可能である。すなわち、ステップS16では、スイッチ開放後におけるA/F検出電圧AFOを取得し、続くステップS17では、そのAFO値が、スイッチ回路35の開放前における値から変化しているか否かを判定する。そして、ステップS17がYESである場合(例えば、AFOが2.2Vに変化している場合)にステップS18に進み、センサ端子間ショートが発生している旨を判定する。また、ステップS17がNOである場合(AFO≠2.2Vである場合)にはステップS20に進み、VBショートが発生している旨を判定する(ステップS19の実施は任意である)。   Incidentally, steps S16 to S20 can be changed as follows. That is, in step S16, the A / F detection voltage AFO after the switch is opened is acquired, and in subsequent step S17, it is determined whether or not the AFO value has changed from the value before the switch circuit 35 is opened. When step S17 is YES (for example, when AFO is changed to 2.2 V), the process proceeds to step S18, and it is determined that a short circuit between the sensor terminals has occurred. If step S17 is NO (if AFO ≠ 2.2V), the process proceeds to step S20, and it is determined that a VB short-circuit has occurred (step S19 is optional).

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。   According to the embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.

センサ素子10に対する電圧印加状態を一時的に切り替えるとともに、その切替前及び切替後のA/F検出電圧AFO(素子電流検出値)又は端子電圧VS+,VS−(端子電圧検出値)に基づいて、センサ素子10に関する異常を検出する構成とした。これにより、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。   While temporarily switching the voltage application state to the sensor element 10, based on the A / F detection voltage AFO (element current detection value) or the terminal voltage VS +, VS− (terminal voltage detection value) before and after the switching, The abnormality related to the sensor element 10 is detected. Thereby, it is possible to distinguish between different abnormality forms, and it is possible to realize suitable abnormality detection.

印加電圧状態の切替として具体的には、印加電圧制御回路21とセンサ素子10のS+端子との間の電圧印加経路に設けたスイッチ回路35を開放することで、印加電圧制御回路21によるセンサ素子10への電圧印加を一時的に遮断(開放)する構成とした。この場合、センサ端子のVBショートとセンサ端子間ショートとで、スイッチ開放前後の端子電圧VS+,VS−やA/F検出電圧AFOの変化に差異が生じることから、これら各異常の特定が可能となる。   Specifically, the switching of the applied voltage state is performed by opening the switch circuit 35 provided in the voltage application path between the applied voltage control circuit 21 and the S + terminal of the sensor element 10, so that the sensor element by the applied voltage control circuit 21 is opened. The voltage application to 10 was temporarily cut off (opened). In this case, the difference between the terminal voltages VS + and VS− and the A / F detection voltage AFO before and after the switch is opened differs depending on whether the sensor terminal VB is short or between the sensor terminals. Become.

印加電圧状態の切替手法として、センサ素子10への電圧印加を遮断する手法を用いることで、異常発生時におけるセンサ保護を図ることが可能となる。つまり、例えばVBショート異常が発生している場合に、スイッチ回路35を開放して電圧印加を遮断することにより、大電流が長時間にわたってセンサ素子10に流れ同素子が壊れるといった不都合を回避できる。   As a method for switching the applied voltage state, by using a method for cutting off the voltage application to the sensor element 10, it is possible to protect the sensor when an abnormality occurs. That is, for example, when a VB short-circuit abnormality has occurred, by disconnecting the voltage application by opening the switch circuit 35, it is possible to avoid the disadvantage that a large current flows to the sensor element 10 for a long time and the element is broken.

また、スイッチ開放前(電圧印加状態の切替前)の端子電圧VS+,VS−及びA/F検出電圧AFOに基づいて、センサ端子のVBショート及びセンサ端子間ショートについての異常の有無を判定し、異常有りと判定された場合に、スイッチ回路35の開放を行うとともに、同開放後の端子電圧VS+,VS−又はA/F検出電圧AFOに基づいて異常形態を特定する構成とした。かかる場合、センサ端子のVBショート及びセンサ端子間ショートのいずれかが発生したと判定されたことを条件に、スイッチ回路35が開放される。本構成では、スイッチ開放前及び開放後で2段階の異常検出処理が行われることにより、異常形態の特定を一層好適に行わせることができる。また、スイッチ回路35の開放が何らかの異常発生を判定した場合に限られるため、そのスイッチ開放の実施を必要最小限に抑えることができる。ゆえに、ガス濃度検出に対する影響を抑制することもできる。   Further, based on the terminal voltages VS +, VS− and the A / F detection voltage AFO before the switch is opened (before the voltage application state is switched), it is determined whether there is an abnormality in the sensor terminal VB short and the sensor terminal short, When it is determined that there is an abnormality, the switch circuit 35 is opened, and an abnormal form is specified based on the terminal voltage VS +, VS− or the A / F detection voltage AFO after the opening. In such a case, the switch circuit 35 is opened on condition that it is determined that either a VB short circuit of the sensor terminals or a short circuit between the sensor terminals has occurred. In this configuration, the abnormality form can be specified more suitably by performing the two-stage abnormality detection process before and after opening the switch. Further, since the opening of the switch circuit 35 is limited to the case where it is determined that some abnormality has occurred, the implementation of the opening of the switch can be suppressed to the minimum necessary. Therefore, the influence on the gas concentration detection can be suppressed.

センサ端子間ショートであることの判定基準を、正負両側の端子電圧VS+,VS−が同値であり、かつスイッチ開放前後で端子電圧VS+,VS−又はA/F検出電圧AFOが変化したこととした。また、センサ端子のVBショートであることの判定基準を、正負両側の端子電圧VS+,VS−が同値で、かつA/F検出電圧AFO(VS+,VS−でも可)が正常範囲外の値であり、さらにスイッチ開放前後で端子電圧VS+,VS−又はA/F検出電圧AFOが変化しないこととした。以上により、センサ端子のVBショートとセンサ端子間ショートとで、端子電圧VS+,VS−又はA/F検出電圧AFOが同様の異常値を呈しているとしても、それら各異常形態の特定が可能となる。   The criterion for determining a short-circuit between sensor terminals is that the terminal voltages VS + and VS− on both the positive and negative sides are the same value, and the terminal voltage VS +, VS− or the A / F detection voltage AFO changed before and after the switch was opened. . Also, the criteria for determining whether the sensor terminal is VB short-circuited is that the terminal voltages VS + and VS− on both the positive and negative sides are the same value, and the A / F detection voltage AFO (VS +, VS− is acceptable) is outside the normal range. Further, the terminal voltage VS +, VS− or the A / F detection voltage AFO is not changed before and after the switch is opened. As described above, even if the terminal voltage VS +, VS− or the A / F detection voltage AFO exhibits the same abnormal value due to the VB short of the sensor terminal and the short between the sensor terminals, it is possible to specify each of the abnormal forms. Become.

センサ素子10の正負両側の端子のうち、シャント抵抗33とは反対側の端子にスイッチ回路35を設けて電圧印加を遮断する構成とした。これにより、センサ制御IC(IC素子)にスイッチ回路35を追加して設ける場合において多大な設計変更や製造上の煩雑さを招くことを回避できる。補足すると、センサ制御回路20では、上述したとおり素子電流ILの検出精度向上のためにシャント抵抗33がIC外付けになっており、このシャント抵抗33と同じ側の端子にスイッチ回路35を設ける場合には、スイッチ回路35も同様に外付けにするか、又はセンサ制御ICに接続ポートを増設した上でスイッチ回路35を同ICに一体に設けるかが強いられ、多大な設計変更や製造上の煩雑さを招く。これに対し、シャント抵抗33とは反対側の端子にスイッチ回路35を設けることにより、こうした不都合を回避できる。   Of the terminals on both the positive and negative sides of the sensor element 10, a switch circuit 35 is provided on the terminal opposite to the shunt resistor 33 to block voltage application. Thereby, in the case where the switch circuit 35 is additionally provided in the sensor control IC (IC element), it is possible to avoid a great design change and complicated manufacturing. Supplementally, in the sensor control circuit 20, as described above, the shunt resistor 33 is externally attached to improve the detection accuracy of the element current IL, and the switch circuit 35 is provided on the same terminal as the shunt resistor 33. In the same way, the switch circuit 35 is also required to be externally attached or the connection port is added to the sensor control IC and the switch circuit 35 is integrally provided in the IC. Incurs complications. On the other hand, by providing the switch circuit 35 at the terminal opposite to the shunt resistor 33, such inconvenience can be avoided.

また、上記のとおり特徴的な構成を有するセンサ制御回路20と、センサ素子10を有しセンサ制御回路20に接続されるガスセンサ(A/Fセンサ)とを備える構成であれば、好適なる異常検出機能を具備したセンサユニットを実現することができる。   Moreover, if it is a structure provided with the sensor control circuit 20 which has the characteristic structure as mentioned above, and the gas sensor (A / F sensor) which has the sensor element 10 and is connected to the sensor control circuit 20, suitable abnormality detection A sensor unit having a function can be realized.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。図8は、本実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. FIG. 8 is an electrical configuration diagram of the sensor control circuit in the present embodiment.

図8では、上述した図1の構成に対して、スイッチ回路35を削除するとともに、印加電圧ガード回路23の構成を一部変更している。すなわち、印加電圧ガード回路23の上限ガード回路部27においてオペアンプ27aの非反転入力端子(+入力端子)には基準電圧切替手段が設けられている。基準電圧切替手段は、2つの基準電源を切り替えることで、オペアンプ27aの+入力電圧(基準電圧)を変更するものである。具体的には、各々異なる基準電圧V1,V3を出力する2つの基準電源61,62が設けられ、そのいずれがオペアンプ27aの+入力端子に接続されるかがスイッチ回路63により切り替えられるようになっている。例えばV1>V3である。   In FIG. 8, the switch circuit 35 is deleted and the configuration of the applied voltage guard circuit 23 is partially changed with respect to the configuration of FIG. 1 described above. That is, in the upper limit guard circuit portion 27 of the applied voltage guard circuit 23, the reference voltage switching means is provided at the non-inverting input terminal (+ input terminal) of the operational amplifier 27a. The reference voltage switching means changes the + input voltage (reference voltage) of the operational amplifier 27a by switching between two reference power supplies. Specifically, two reference power supplies 61 and 62 that output different reference voltages V1 and V3 are provided, and the switch circuit 63 can switch which one is connected to the + input terminal of the operational amplifier 27a. ing. For example, V1> V3.

上記構成では、通常の印加電圧制御に際しては、上限ガード回路部27の基準電源として基準電源61が用いられる。これに対し、センサ制御系の異常検出時には、スイッチ回路63がCPU50の指令信号により切り替えられて、基準電源61から基準電源62への変更が行われる。これにより、印加電圧制御回路21の上限ガード値が4.3Vから3Vに切り替えられる。なお、上限ガード値を4.3Vとする状態が「第1状態」に相当し、上限ガード値を3Vとする状態が「第2状態」に相当する。   In the above configuration, the reference power supply 61 is used as the reference power supply for the upper limit guard circuit unit 27 during normal application voltage control. On the other hand, when an abnormality is detected in the sensor control system, the switch circuit 63 is switched by a command signal from the CPU 50, and the reference power supply 61 is changed to the reference power supply 62. Thereby, the upper limit guard value of the applied voltage control circuit 21 is switched from 4.3V to 3V. A state where the upper limit guard value is 4.3 V corresponds to the “first state”, and a state where the upper limit guard value is 3 V corresponds to the “second state”.

図9は、
・S+端子のVBショート、
・S−端子のVBショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、印加電圧制御回路21の上限ガード値を設定するための基準電圧を切り替えた場合の、その切替前後におけるVS+,VS−,AFOを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。
FIG.
・ VB short of S + terminal,
・ VB short of S-terminal,
・ Short-circuit between sensor terminals,
For these abnormalities, VS +, VS−, and AFO before and after the switching of the reference voltage for setting the upper limit guard value of the applied voltage control circuit 21 are compared. Note that all numerical values are after sensor activation.

図9において、基準電圧がV1である場合には、各電圧値(VS+,VS−,AFO)は図5で説明した電圧値と同じである。センサ端子間ショートについて特に言及すれば、素子電流ILが大きくなることから、印加電圧制御回路21の出力電圧が上限ガード値(4.3V)まで上昇し、端子電圧VS+,VS−がいずれも4.3Vになる。また、A/F検出電圧AFOが最大値(5.0V)になり、リーン側異常値(リーン張り付き)となる。   In FIG. 9, when the reference voltage is V1, each voltage value (VS +, VS−, AFO) is the same as the voltage value described in FIG. Particularly referring to the short circuit between the sensor terminals, since the element current IL increases, the output voltage of the applied voltage control circuit 21 rises to the upper guard value (4.3 V), and the terminal voltages VS + and VS− are both 4 .3V. Further, the A / F detection voltage AFO becomes the maximum value (5.0 V), and becomes a lean side abnormal value (lean sticking).

これに対し、基準電圧がV3に切り替えられると、各電圧値(VS+,VS−,AFO)のうち、センサ端子間ショートについての端子電圧VS+,VS−がいずれも3Vに変更される。つまり、基準電圧がV1からそれよりも小さいV3に切り替えられることで、印加電圧制御回路21の上限ガード値が4.3Vから3Vに切り替わり、端子電圧VS+,VS−がいずれも3Vになる。A/F検出電圧AFOについては不変である。   On the other hand, when the reference voltage is switched to V3, among the voltage values (VS +, VS−, AFO), the terminal voltages VS + and VS− for the short circuit between the sensor terminals are all changed to 3V. That is, by switching the reference voltage from V1 to V3 smaller than that, the upper limit guard value of the applied voltage control circuit 21 is switched from 4.3V to 3V, and the terminal voltages VS + and VS− are both 3V. The A / F detection voltage AFO is unchanged.

なお、印加電圧制御回路21の上限ガード値を3Vよりも小さい電圧値に変更する場合には、A/F検出電圧AFOが減少側に変化する。例えば、印加電圧制御回路21の上限ガード値を2.2V(ストイキ検出時と同じ電圧値)とする場合、A/F検出電圧AFOが2.2Vに変化する。   When the upper limit guard value of the applied voltage control circuit 21 is changed to a voltage value smaller than 3V, the A / F detection voltage AFO changes to the decreasing side. For example, when the upper limit guard value of the applied voltage control circuit 21 is set to 2.2 V (the same voltage value as when stoichiometric detection is performed), the A / F detection voltage AFO changes to 2.2 V.

異常検出処理(図7)においては、ステップS15を、スイッチ回路63の切替(すなわち、上限ガード値の変更)を実施する処理に変更する。そして、そのスイッチ切替後における端子電圧VS+,VS−に基づいてセンサ端子間ショートが発生しているか否かを判定する。この場合、図9で説明したように、センサ端子間ショートが発生していれば端子電圧VS+,VS−がその切替前後で変化するのに対し、センサ端子間ショートではなくセンサ端子のVBショートが発生していれば端子電圧VS+,VS−が切替前後で変化しない。このことから、センサ端子間ショートとセンサ端子のVBショートとの判別が可能となる。   In the abnormality detection process (FIG. 7), step S15 is changed to a process for switching the switch circuit 63 (that is, changing the upper limit guard value). Then, based on the terminal voltages VS + and VS− after the switch switching, it is determined whether or not a short circuit between the sensor terminals has occurred. In this case, as described with reference to FIG. 9, if the short circuit between the sensor terminals occurs, the terminal voltages VS + and VS− change before and after the switching. If it occurs, the terminal voltages VS + and VS− do not change before and after switching. This makes it possible to distinguish between a short between sensor terminals and a VB short between sensor terminals.

以上第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。   As described above, according to the second embodiment, similar to the first embodiment, it is possible to distinguish between different abnormality forms, and it is possible to realize suitable abnormality detection.

また、印加電圧状態の切替として具体的には、印加電圧制御回路21の上限ガード値を一時的に変更する構成とした。この場合、センサ端子のVBショートとセンサ端子間ショートとで、上限ガード値の変更前後の端子電圧VS+,VS−やA/F検出電圧AFOの変化に差異が生じることから、これら各異常の特定が可能となる。   Further, specifically, the upper limit guard value of the applied voltage control circuit 21 is temporarily changed as switching of the applied voltage state. In this case, the difference between the terminal voltage VS +, VS− and the A / F detection voltage AFO before and after the change of the upper limit guard value is different between the sensor terminal VB short and the sensor terminal short. Is possible.

センサ端子のVBショート及びセンサ端子間ショートのいずれかが発生している場合、端子電圧VS+,VS−は印加電圧制御回路21の上限ガード値(4.3V)に達しており、その状態で、上限ガード値をそれよりも低電圧側に変更する構成としたため、上限ガード値の変更後における端子電圧VS+,VS−の変化を明確に把握できる。   When either the sensor terminal VB short circuit or the sensor terminal short circuit has occurred, the terminal voltages VS + and VS− have reached the upper limit guard value (4.3 V) of the applied voltage control circuit 21, and in this state, Since the upper limit guard value is changed to a lower voltage side than that, the change in the terminal voltages VS + and VS− after the change of the upper limit guard value can be clearly grasped.

(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。図10は、本実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. FIG. 10 is an electrical configuration diagram of the sensor control circuit in the present embodiment.

図10では、上述した図1の構成に対して、スイッチ回路35を削除するとともに、印加電圧制御回路21及びA/F信号出力部41に対する電圧入力値を切り替えるための入力電圧切替手段を付加している。電圧入力値は、都度の素子電流ILに相当しており、印加電圧制御回路21に入力される制御入力信号である。入力電圧切替手段は、印加電圧制御回路21のオペアンプ25aの入力電圧及びA/F信号出力部41のオペアンプ43の入力電圧を、シャント抵抗33の両端子電圧のうちセンサ素子10側の端子電圧とするかそれとは反対側(交流電源回路31側)の電圧とするかを切り替えるものであり、具体的にはスイッチ回路65による切替を行う構成としている。スイッチ回路65は接続点C,Dの切替を行うものであり、同スイッチ回路65の接続をC側とすれば、前記入力電圧がシャント抵抗33のセンサ側端子電圧(A点電圧)となり、同スイッチ回路65の接続をD側とすれば、前記入力電圧がシャント抵抗33の反センサ側端子電圧となる。   10, the switch circuit 35 is deleted and input voltage switching means for switching the voltage input value to the applied voltage control circuit 21 and the A / F signal output unit 41 is added to the configuration of FIG. 1 described above. ing. The voltage input value corresponds to each element current IL, and is a control input signal input to the applied voltage control circuit 21. The input voltage switching means uses the input voltage of the operational amplifier 25 a of the applied voltage control circuit 21 and the input voltage of the operational amplifier 43 of the A / F signal output unit 41 as the terminal voltage on the sensor element 10 side of the both terminal voltages of the shunt resistor 33. The voltage is switched to the voltage on the opposite side (AC power supply circuit 31 side). Specifically, the switching is performed by the switch circuit 65. The switch circuit 65 switches the connection points C and D. If the switch circuit 65 is connected to the C side, the input voltage becomes the sensor-side terminal voltage (point A voltage) of the shunt resistor 33. If the switch circuit 65 is connected to the D side, the input voltage becomes the non-sensor side terminal voltage of the shunt resistor 33.

なお、印加電圧制御回路21は、センサ素子10の端子印加電圧(本実施形態ではVS+)を素子電流ILに基づいてフィードバック制御しているものであり、この観点からすれば、制御入力信号はフィードバック入力信号である。本実施形態では、このフィードバック入力信号を強制的に変更するものとしている。   The applied voltage control circuit 21 feedback-controls the terminal applied voltage (VS + in this embodiment) of the sensor element 10 based on the element current IL. From this viewpoint, the control input signal is a feedback. Input signal. In this embodiment, the feedback input signal is forcibly changed.

上記構成では、通常の印加電圧制御に際しては、スイッチ回路65が接続点Cに接続された状態で保持され、印加電圧制御回路21及びA/F信号出力部41にはシャント抵抗33のセンサ側端子電圧(A点電圧)が入力される。これに対し、センサ制御系の異常検出時において、スイッチ回路65がCPU50の指令信号により切り替えられて接続点Dに接続された状態に変更されると、印加電圧制御回路21及びA/F信号出力部41にはシャント抵抗33の反センサ側端子電圧が入力される。これにより、例えばA点電圧(VS−電圧も同じ)が最大値(5V)に保持されている場合において上記の入力電圧の切替が行われることで、同入力電圧が最大値(5V)から交流電源回路31の基準電圧(2.2V)に切り替えられる。なお、スイッチ回路65が接続点Cに接続された状態が「第1状態」に相当し、スイッチ回路65が接続点Dに接続された状態が「第2状態」に相当する。   In the above configuration, during normal application voltage control, the switch circuit 65 is held in a state of being connected to the connection point C, and the application voltage control circuit 21 and the A / F signal output unit 41 include the sensor side terminals of the shunt resistor 33. A voltage (point A voltage) is input. On the other hand, when the switch circuit 65 is switched by the command signal of the CPU 50 and is changed to the state connected to the connection point D when an abnormality is detected in the sensor control system, the applied voltage control circuit 21 and the A / F signal output The anti-sensor side terminal voltage of the shunt resistor 33 is input to the unit 41. Thereby, for example, when the point A voltage (VS-voltage is the same) is held at the maximum value (5 V), the input voltage is switched to the AC value from the maximum value (5 V). The power supply circuit 31 is switched to the reference voltage (2.2 V). The state where the switch circuit 65 is connected to the connection point C corresponds to the “first state”, and the state where the switch circuit 65 is connected to the connection point D corresponds to the “second state”.

図11は、
・S+端子のVBショート、
・S−端子のVBショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、印加電圧制御回路21及びA/F信号出力部41の入力電圧を切り替えた場合(スイッチ回路65をC側接続/D側接続した場合)の、その切替前後におけるVS+,VS−,AFOを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。
FIG.
・ VB short of S + terminal,
・ VB short of S-terminal,
・ Short-circuit between sensor terminals,
VS + and VS− before and after the switching when the input voltage of the applied voltage control circuit 21 and the A / F signal output unit 41 is switched (when the switch circuit 65 is connected to the C side / D side). , AFO. Note that all numerical values are after sensor activation.

図11において、スイッチ回路65をC側接続とした場合には、各電圧値(VS+,VS−,AFO)は図5で説明した電圧値と同じである。センサ端子間ショートについて特に言及すれば、素子電流ILが大きくなることから、印加電圧制御回路21の出力電圧が上限ガード値(4.3V)まで上昇し、端子電圧VS+,VS−がいずれも4.3Vになる。また、A/F検出電圧AFOが最大値(5.0V)になり、リーン側異常値(リーン張り付き)となる。   In FIG. 11, when the switch circuit 65 is connected to the C side, each voltage value (VS +, VS−, AFO) is the same as the voltage value described in FIG. Particularly referring to the short circuit between the sensor terminals, since the element current IL increases, the output voltage of the applied voltage control circuit 21 rises to the upper guard value (4.3 V), and the terminal voltages VS + and VS− are both 4 .3V. Further, the A / F detection voltage AFO becomes the maximum value (5.0 V), and becomes a lean side abnormal value (lean sticking).

これに対し、スイッチ回路65をD側接続に切り替えると、各電圧値(VS+,VS−,AFO)のうち、センサ端子間ショートについての端子電圧VS+,VS−がいずれも2.6Vに変更される。つまり、印加電圧制御回路21及びA/F信号出力部41の入力電圧がA点電圧(VS−電圧も同じ)の異常値(5V)から交流電源回路31の基準電圧(2.2V)に切り替えられることで、印加電圧制御回路21のオペアンプ25aにはストイキ検出時(IL=0時)と同じ電圧が入力され、同印加電圧制御回路21はストイキ検出時の印加電圧である2.6Vを出力する。また、A/F信号出力部41のオペアンプ43には正負両方の入力端子に同じ電圧(2.2V)が入力され、A/F検出電圧AFOが2.2Vになる。   On the other hand, when the switch circuit 65 is switched to the D-side connection, among the voltage values (VS +, VS−, AFO), the terminal voltages VS + and VS− for the short circuit between the sensor terminals are all changed to 2.6V. The That is, the input voltage of the applied voltage control circuit 21 and the A / F signal output unit 41 is switched from the abnormal value (5 V) of the point A voltage (VS-voltage is the same) to the reference voltage (2.2 V) of the AC power supply circuit 31. As a result, the operational amplifier 25a of the applied voltage control circuit 21 is supplied with the same voltage as when stoichiometric detection (IL = 0), and the applied voltage control circuit 21 outputs 2.6V that is the applied voltage during stoichiometric detection. To do. Further, the same voltage (2.2V) is input to both the positive and negative input terminals of the operational amplifier 43 of the A / F signal output unit 41, and the A / F detection voltage AFO becomes 2.2V.

異常検出処理(図7)においては、ステップS15を、スイッチ回路65の切替(すなわち、印加電圧制御回路21に対する電圧入力値の変更)を実施する処理に変更する。そして、そのスイッチ切替後における端子電圧VS+,VS−に基づいてセンサ端子間ショートが発生しているか否かを判定する。この場合、図11で説明したように、センサ端子間ショートが発生していれば端子電圧VS+,VS−がその切替前後で変化するのに対し、センサ端子間ショートではなくセンサ端子のVBショートが発生していれば端子電圧VS+,VS−が切替前後で変化しない。このことから、センサ端子間ショートとセンサ端子のVBショートとの判別が可能となる。   In the abnormality detection process (FIG. 7), step S15 is changed to a process for switching the switch circuit 65 (that is, changing the voltage input value to the applied voltage control circuit 21). Then, based on the terminal voltages VS + and VS− after the switch switching, it is determined whether or not a short circuit between the sensor terminals has occurred. In this case, as described with reference to FIG. 11, the terminal voltages VS + and VS− change before and after the switching if the sensor terminal short circuit occurs, whereas the sensor terminal VB short circuit occurs instead of the sensor terminal short circuit. If it occurs, the terminal voltages VS + and VS− do not change before and after switching. This makes it possible to distinguish between a short between sensor terminals and a VB short between sensor terminals.

以上第3の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。   As described above, according to the third embodiment, similar to the first embodiment, it is possible to distinguish between different abnormality forms, and it is possible to realize suitable abnormality detection.

また、印加電圧状態の切替として具体的には、印加電圧制御回路21に対する電圧入力値(制御入力信号)を一時的に変更する構成とした。この場合、センサ端子のVBショートとセンサ端子間ショートとで、電圧入力値の変更前後の端子電圧VS+,VS−の変化に差異が生じることから、これら各異常の特定が可能となる。   Further, specifically, the voltage input value (control input signal) for the applied voltage control circuit 21 is temporarily changed as switching of the applied voltage state. In this case, a difference occurs in changes in the terminal voltages VS + and VS− before and after the change of the voltage input value depending on the VB short of the sensor terminal and the short between the sensor terminals. Therefore, it is possible to specify each of these abnormalities.

印加電圧制御回路21に対する電圧入力値を一時的に変更する場合に、その電圧入力値を、空燃比ストイキ状態で流れる素子電流(IL=0mA)に相当する電圧値に変更する構成とした。これにより、印加電圧制御回路21に対する電圧入力値の変更後に、各電圧値(VS+,VS−,AFO)がストイキ検出状態と同じ電圧値であることに基づいて、センサ端子間ショートが発生していることを特定できる。   When the voltage input value to the applied voltage control circuit 21 is temporarily changed, the voltage input value is changed to a voltage value corresponding to the element current (IL = 0 mA) flowing in the air-fuel ratio stoichiometric state. As a result, after changing the voltage input value to the applied voltage control circuit 21, a short circuit between the sensor terminals occurs based on the fact that each voltage value (VS +, VS−, AFO) is the same voltage value as the stoichiometric detection state. Can be identified.

(第4の実施形態)
上記のように端子電圧VS+,VS−やA/F検出電圧AFOに基づいて異常検出を実施する以外に、インピーダンス検出電圧Ioutに基づいて異常検出を実施する構成としてもよい。ここでは、第1の実施形態で説明したように、異常検出に際し、スイッチ回路35(図1参照)を開放する構成について説明する。
(Fourth embodiment)
In addition to performing abnormality detection based on the terminal voltages VS +, VS− and the A / F detection voltage AFO as described above, a configuration may be adopted in which abnormality detection is performed based on the impedance detection voltage Iout. Here, as described in the first embodiment, a configuration in which the switch circuit 35 (see FIG. 1) is opened when an abnormality is detected will be described.

図12は、
・S+端子のVBショート、
・S−端子のVBショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、図1のスイッチ回路35を開放して印加電圧制御回路21による電圧印加を遮断(開放)した場合の、その開放前後におけるIoutを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。
FIG.
・ VB short of S + terminal,
・ VB short of S-terminal,
・ Short-circuit between sensor terminals,
1 is compared with Iout before and after opening when the switch circuit 35 of FIG. 1 is opened and voltage application by the applied voltage control circuit 21 is cut off (opened). Note that all numerical values are after sensor activation.

センサ端子(S+,S−)のVBショートが発生している場合、スイッチ回路35を閉鎖した状態(開放前の状態)では、インピーダンス検出のために交流電源回路31から交流電圧を印加しても、インピーダンス検出電圧の検出点であるS−端子側で電圧変動がほとんど生じない。そのため、インピーダンス検出電圧Ioutはほぼ0Vとなる。この状態は、スイッチ回路35を開放した後でも同様である。なお、センサ素子10の活性後には、本来、都度の素子インピーダンス(ほぼ30Ω)に応じたインピーダンス検出電圧Ioutが検出される筈であり、Iout=0Vは異常値である。   When the sensor terminal (S +, S−) has a VB short-circuit, in the state where the switch circuit 35 is closed (the state before opening), even if an AC voltage is applied from the AC power supply circuit 31 for impedance detection. The voltage fluctuation hardly occurs on the S-terminal side which is the detection point of the impedance detection voltage. Therefore, the impedance detection voltage Iout is approximately 0V. This state is the same even after the switch circuit 35 is opened. In addition, after the sensor element 10 is activated, the impedance detection voltage Iout corresponding to the respective element impedance (approximately 30Ω) should be originally detected, and Iout = 0V is an abnormal value.

これに対し、センサ端子間ショートが発生している場合、スイッチ回路35を閉鎖した状態(開放前の状態)ではインピーダンス検出電圧Ioutがほぼ0Vになり、スイッチ回路35を開放すると、インピーダンス検出電圧Ioutが5Vになる。これは以下の理由による。   On the other hand, when a short circuit occurs between the sensor terminals, the impedance detection voltage Iout becomes almost 0 V when the switch circuit 35 is closed (the state before opening), and when the switch circuit 35 is opened, the impedance detection voltage Iout Becomes 5V. This is due to the following reason.

すなわち、図1の回路構成では、インピーダンス検出電圧Ioutの検出点(A点)がシャント抵抗33とセンサ素子10との間の中間点電圧(シャント抵抗33及びセンサ素子10の分圧点)となっており、同A点では、シャント抵抗33及びセンサ素子10による分圧電圧としてインピーダンス検出電圧Ioutが検出される。かかる場合、センサ端子間ショートが発生しておりかつスイッチ回路35が閉鎖されていると、素子インピーダンスがほぼ0Ωであるのと同じ状態になり、シャント抵抗33及びセンサ素子10の分圧電圧として検出されるインピーダンス検出電圧Ioutがほぼ0Vになる(なおこのとき、交流的にはS+端子側がほぼ0Vになっている)。また、センサ端子間ショートが発生しておりかつスイッチ回路35が開放されていると、素子インピーダンスが無限大であるのと同じ状態になり、シャント抵抗33及びセンサ素子10の分圧電圧として検出されるインピーダンス検出電圧Ioutがほぼ5Vになる。   That is, in the circuit configuration of FIG. 1, the detection point (point A) of the impedance detection voltage Iout is an intermediate point voltage between the shunt resistor 33 and the sensor element 10 (the voltage dividing point of the shunt resistor 33 and the sensor element 10). At point A, the impedance detection voltage Iout is detected as a divided voltage by the shunt resistor 33 and the sensor element 10. In this case, if a short circuit between the sensor terminals occurs and the switch circuit 35 is closed, the element impedance is almost the same as 0Ω, and is detected as a divided voltage of the shunt resistor 33 and the sensor element 10. The detected impedance voltage Iout is approximately 0V (at this time, the S + terminal side is approximately 0V in terms of AC). Further, when a short circuit between the sensor terminals occurs and the switch circuit 35 is opened, the element impedance becomes infinite, which is detected as a divided voltage of the shunt resistor 33 and the sensor element 10. The impedance detection voltage Iout is about 5V.

本実施形態において、CPU50は図13に示す異常検出処理を実行する。図13において、ステップS21では、異常検出の実行条件が成立しているか否かを判定する(図7のS11と同様)。そして、実行条件が成立していれば、後続のステップ22に進み、インピーダンス検出電圧Ioutが異常値であるか否かを判定する。このとき、異常発生時にはIoutが異常値になり、ステップS23以降の処理を実施する。なおここで、検出対象の異常形態を、センサ端子のVBショート及びセンサ端子間ショートに限定するのであれば、VS+≒VS−であること、及びAFO=リーン側異常値であることの少なくともいずれかの別条件を設定するとよい。   In the present embodiment, the CPU 50 executes the abnormality detection process shown in FIG. In FIG. 13, in step S21, it is determined whether or not an abnormality detection execution condition is satisfied (similar to S11 in FIG. 7). If the execution condition is satisfied, the process proceeds to subsequent step 22 to determine whether or not the impedance detection voltage Iout is an abnormal value. At this time, when an abnormality occurs, Iout becomes an abnormal value, and the processing after step S23 is performed. Here, if the abnormality form to be detected is limited to the VB short of the sensor terminals and the short between the sensor terminals, at least one of VS + ≈VS− and AFO = lean side abnormal value. It is recommended to set other conditions.

ステップS22が、スイッチ開放前においてセンサ素子10に関する異常(特に、センサ端子のVBショート又はセンサ端子間ショート)の有無を判定する開放前異常判定処理に相当する。   Step S22 corresponds to an abnormality determination process before opening that determines whether or not there is an abnormality related to the sensor element 10 (particularly, VB short of sensor terminals or short between sensor terminals) before the switch is opened.

その後、ステップS23では、スイッチ回路35を開放させ、印加電圧制御回路21からS+端子側への電圧印加を遮断する。そして、ステップS24では、スイッチ開放後におけるインピーダンス検出電圧Ioutを取得し、続くステップS25では、インピーダンス検出電圧Ioutが、スイッチ回路35の開放前における値から変化しているか否かを判定する。   Thereafter, in step S23, the switch circuit 35 is opened, and voltage application from the applied voltage control circuit 21 to the S + terminal side is interrupted. In step S24, the impedance detection voltage Iout after the switch is opened is acquired. In subsequent step S25, it is determined whether or not the impedance detection voltage Iout has changed from the value before the switch circuit 35 is opened.

ステップS25において、インピーダンス検出電圧Ioutがスイッチ開放前の値から変化していれば、より具体的にはインピーダンス検出電圧Ioutが0Vから5Vに変化していれば、ステップS26に進み、センサ端子間ショートが発生している旨を判定する。また、インピーダンス検出電圧Ioutがスイッチ開放前の値から変化していなければ(Iout=0Vのままであれば)ステップS27に進み、センサ端子のVBショートが発生している旨を判定する。   In step S25, if the impedance detection voltage Iout has changed from the value before opening the switch, more specifically, if the impedance detection voltage Iout has changed from 0V to 5V, the process proceeds to step S26, and the sensor terminals are short-circuited. It is determined that has occurred. If the impedance detection voltage Iout has not changed from the value before opening the switch (if Iout = 0V), the process proceeds to step S27, and it is determined that a sensor terminal VB short-circuit has occurred.

以上第4の実施形態によれば、第1の実施形態と同様に、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。   As described above, according to the fourth embodiment, similar to the first embodiment, it is possible to distinguish between different abnormality forms, and it is possible to realize suitable abnormality detection.

(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態について、第1の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、A/Fセンサのセンサ素子の構造を変更しており、まずは素子構造を図14により説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described focusing on differences from the first embodiment. In the present embodiment, the structure of the sensor element of the A / F sensor is changed. First, the element structure will be described with reference to FIG.

図14において、センサ素子80は、2つの固体電解質層81,82を有しており、一方の固体電解質層81には一対の電極83,84が対向配置され、他方の固体電解質層82には一対の電極85,86が対向配置されている。なお、電極83〜85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80では、固体電解質層81及び電極83,84により第1セルとしてのポンプセル91が構成され、固体電解質層82及び電極85,86により第2セルとしてのモニタセル92が構成されている。各電極83〜86はセンサ制御回路100に接続されている。センサ素子80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。図の符号87はガス導入孔、符号88は多孔質拡散層、符号89は大気ダクト、符号90はヒータである。モニタセル92は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。   In FIG. 14, the sensor element 80 has two solid electrolyte layers 81, 82. A pair of electrodes 83, 84 are disposed opposite to one solid electrolyte layer 81, and the other solid electrolyte layer 82 is disposed on the other solid electrolyte layer 82. A pair of electrodes 85 and 86 are arranged to face each other. In addition, although the electrodes 83 to 85 are seen at two places on the left and right objects in the figure, they are the same member connected at any part of the front and back of the paper. In the present sensor element 80, the solid electrolyte layer 81 and the electrodes 83, 84 constitute a pump cell 91 as a first cell, and the solid electrolyte layer 82 and the electrodes 85, 86 constitute a monitor cell 92 as a second cell. Each of the electrodes 83 to 86 is connected to the sensor control circuit 100. The sensor element 80 has a laminated structure, which is the same as the sensor element 10 described above. In the figure, reference numeral 87 denotes a gas introduction hole, reference numeral 88 denotes a porous diffusion layer, reference numeral 89 denotes an air duct, and reference numeral 90 denotes a heater. The monitor cell 92 is generally called an electromotive force cell or an oxygen concentration detection cell.

上記構成において、モニタセル92は、排気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92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92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92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91の印加電圧が制御される。   In the above configuration, the monitor cell 92 generates a binary (0 V or 0.9 V) electromotive force output depending on whether the exhaust gas is lean or rich with respect to the stoichiometry. For example, in the case of lean, the electromotive force output of the monitor cell 92 is reduced, and conversely, in the case of being rich, the electromotive force output of the monitor cell 92 is increased. In such a case, the applied voltage of the pump cell 91 is controlled so that the electromotive force output of the monitor cell 92 becomes the stoichiometric value (0.45 V).

なお、上記構成のセンサ素子80では、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、リーン時のポンプセル印加電圧は正電圧域に、リッチ時のポンプセル印加電圧は負電圧域にそれぞれ定められている。   In the sensor element 80 configured as described above, the limit current region at the time of lean appears in the positive voltage region, and the limit current region at the time of rich appears in the negative voltage region. Therefore, the pump cell applied voltage at the time of lean is determined in the positive voltage range, and the pump cell applied voltage at the time of rich is determined in the negative voltage range.

図15は、上記構成のセンサ素子80に適用されるセンサ制御回路100の構成を示す回路図である。図15において、VMはポンプセル91及びモニタセル92の共通端子であり、その共通端子VMには基準電源101が接続されている。基準電源101の基準電圧は例えば2.5Vである。また、IPはポンプセル91の電極83に接続されるポンプセル端子であり、UNはモニタセル92の電極86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、オペアンプ102及びシャント抵抗103を有して構成される電圧印加回路が設けられており、そのオペアンプ102の反転入力端子(−入力端子)にはモニタセル端子UNが接続され、非反転入力端子(+入力端子)には基準電圧(3.0V)を生成する基準電源104が接続されている。   FIG. 15 is a circuit diagram showing a configuration of the sensor control circuit 100 applied to the sensor element 80 having the above configuration. In FIG. 15, VM is a common terminal of the pump cell 91 and the monitor cell 92, and the reference power supply 101 is connected to the common terminal VM. The reference voltage of the reference power supply 101 is, for example, 2.5V. IP is a pump cell terminal connected to the electrode 83 of the pump cell 91, and UN is a monitor cell terminal connected to the electrode 86 of the monitor cell 92. Each of these terminals IP and UN is provided with a voltage application circuit including an operational amplifier 102 and a shunt resistor 103. A monitor cell terminal UN is connected to an inverting input terminal (−input terminal) of the operational amplifier 102. A reference power source 104 that generates a reference voltage (3.0 V) is connected to the non-inverting input terminal (+ input terminal).

オペアンプ102は反転増幅回路を構成するものであり、その帰還経路にポンプセル91及びモニタセル92が設けられている。この場合、オペアンプ102は、モニタセル92の起電力に応じてポンプセル91の印加電圧(IP端子電圧)を可変設定する。   The operational amplifier 102 constitutes an inverting amplifier circuit, and a pump cell 91 and a monitor cell 92 are provided in its feedback path. In this case, the operational amplifier 102 variably sets the applied voltage (IP terminal voltage) of the pump cell 91 according to the electromotive force of the monitor cell 92.

また、ポンプセル端子IPとシャント抵抗103との間(すなわち、ポンプセル91の電圧印加経路)には経路開閉手段としてのスイッチ回路105が設けられている。スイッチ回路105は常閉スイッチであり、通常時において閉状態とされ、CPU(図示略)からの指令信号に基づいて開放されるようになっている。また、オペアンプ102の反転入力端子(−入力端子)には定電圧Vcc(5V)を電源とするプルアップ回路106が接続されている。プルアップ回路106は、例えば抵抗値=1MΩの抵抗体を有して構成されている。   Further, a switch circuit 105 as a path opening / closing means is provided between the pump cell terminal IP and the shunt resistor 103 (that is, the voltage application path of the pump cell 91). The switch circuit 105 is a normally closed switch that is normally closed and is opened based on a command signal from a CPU (not shown). In addition, a pull-up circuit 106 that uses a constant voltage Vcc (5 V) as a power source is connected to an inverting input terminal (−input terminal) of the operational amplifier 102. For example, the pull-up circuit 106 includes a resistor having a resistance value = 1 MΩ.

リーン時にはB→Aの向きにシャント抵抗103に電流が流れ、逆にリッチ時にはA→Bの向きにシャント抵抗103に電流が流れる。かかる場合、モニタセル92の出力電圧が所定値になるようポンプセル91がフィードバック制御される(フィードバック制御回路については公知であり、ここでは図示及び詳細な説明を省略する)。   When lean, a current flows through the shunt resistor 103 in the direction of B → A. Conversely, when rich, a current flows through the shunt resistor 103 in the direction of A → B. In such a case, the pump cell 91 is feedback-controlled so that the output voltage of the monitor cell 92 becomes a predetermined value (the feedback control circuit is well known, and illustration and detailed description thereof are omitted here).

シャント抵抗103の両端(A点及びB点)には、A/F信号出力部を構成する差動増幅回路107が接続されている。差動増幅回路107は、増幅素子としてオペアンプ108を有し、オペアンプ108の正負両入力端子にはシャント抵抗103の両端電圧が各々入力される。差動増幅回路107(オペアンプ108)の出力がA/F検出電圧AFOである。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。A/F検出電圧AFO、ポンプセル端子電圧Vipはそれぞれ図示しないCPUに入力される。なお本実施形態では、シャント抵抗103と差動増幅回路107とにより電流検出手段が構成されている。   A differential amplifier circuit 107 constituting an A / F signal output unit is connected to both ends (point A and point B) of the shunt resistor 103. The differential amplifier circuit 107 has an operational amplifier 108 as an amplification element, and the voltage across the shunt resistor 103 is input to both positive and negative input terminals of the operational amplifier 108. The output of the differential amplifier circuit 107 (the operational amplifier 108) is an A / F detection voltage AFO. The voltage at the IP terminal is output as the pump cell terminal voltage Vip. The A / F detection voltage AFO and the pump cell terminal voltage Vip are respectively input to a CPU (not shown). In the present embodiment, the shunt resistor 103 and the differential amplifier circuit 107 constitute current detection means.

また、モニタセル92を対象に素子インピーダンスが検出され、インピーダンス検出回路109では、モニタセル92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検出される。そして、その検出結果がインピーダンス検出電圧VzとしてCPU(図示略)に出力される。   Further, the element impedance is detected for the monitor cell 92, and the impedance detection circuit 109 changes the voltage applied to the monitor cell 92 in an alternating manner and detects the voltage waveform in response thereto. The detection result is output to the CPU (not shown) as the impedance detection voltage Vz.

上記のセンサ制御回路100では、各端子UN,VM,IPのVBショート、GNDショート、断線、端子間ショート等を検出対象の異常形態として、ポンプセル端子電圧Vip、インピーダンス検出電圧Vz、A/F検出電圧AFOに基づいて異常検出が行われる。ただし本実施形態では、各異常形態のうち、
(1)UN−VM間の端子間ショート、
(2)VM端子断線、
についてのみ説明する。
In the sensor control circuit 100 described above, the pump cell terminal voltage Vip, the impedance detection voltage Vz, and the A / F detection are detected as abnormal forms such as VB short, GND short, disconnection, and short between terminals of the terminals UN, VM, and IP. Abnormality detection is performed based on the voltage AFO. However, in this embodiment, among the abnormal forms,
(1) UN-VM short circuit between terminals,
(2) VM terminal disconnection,
Only will be described.

ここでは、上記(1)(2)の各異常が発生した場合において、スイッチ回路105の開放前及び開放後でポンプセル端子電圧Vipが変化することを説明する。   Here, it will be described that the pump cell terminal voltage Vip changes before and after the switch circuit 105 is opened when the abnormalities (1) and (2) occur.

上記(1)のUN−VM間の端子間ショートが発生している場合、スイッチ回路105の開放前には、ポンプセル端子電圧VipがVM端子の基準電圧(2.5V)に追従して変化し2.5Vになる。このとき、各電圧値Vip,Vz,AFOがいずれも同じ2.5Vで釣り合った状態になる。これに対し、スイッチ回路105が開放状態に切り替えられると、電圧の釣り合い(バランス)が崩れる。またこのとき、スイッチ開放により印加電圧のフィードバックループが途切れるため、オペアンプ102のコンパレータ動作を行うこととなる。そして、オペアンプ102の反転入力端子の入力電圧が2.5Vで、非反転入力端子の入力電圧が3Vであるため、オペアンプ出力は5V(上限)となり、ポンプセル端子電圧Vipが5Vになる。すなわち、スイッチ回路105の開放により、ポンプセル端子電圧Vipが2.5Vから5Vに変化する。   When the terminal-to-terminal short between (1) and UN-VM occurs, the pump cell terminal voltage Vip changes following the reference voltage (2.5 V) of the VM terminal before the switch circuit 105 is opened. 2.5V. At this time, the voltage values Vip, Vz, and AFO are all balanced at the same 2.5V. On the other hand, when the switch circuit 105 is switched to the open state, the voltage balance (balance) is lost. At this time, since the feedback loop of the applied voltage is interrupted by opening the switch, the comparator operation of the operational amplifier 102 is performed. Since the input voltage of the inverting input terminal of the operational amplifier 102 is 2.5V and the input voltage of the non-inverting input terminal is 3V, the operational amplifier output is 5V (upper limit) and the pump cell terminal voltage Vip is 5V. That is, when the switch circuit 105 is opened, the pump cell terminal voltage Vip changes from 2.5V to 5V.

また、上記(2)のVM断線が発生している場合は、ポンプセル91及びモニタセル92からなる帰還経路の電圧フィードバックループによりUN端子及びIP端子が共に3Vになる。これに対し、スイッチ回路105が開放状態に切り替えられると、UN端子が3Vに制御されなくなる。そして、オペアンプ102の反転入力端子に接続されているプルアップ回路106が機能し、オペアンプ102の−入力信号がVcc電圧(5V)になる。このとき、オペアンプ102の+入力信号が3Vであるため、オペアンプ出力は0V(下限)になり、ポンプセル端子電圧Vipが0Vになる。すなわち、スイッチ回路105の開放により、ポンプセル端子電圧Vipが3Vから0Vに変化する。   When the VM disconnection (2) occurs, both the UN terminal and the IP terminal become 3V due to the voltage feedback loop of the feedback path composed of the pump cell 91 and the monitor cell 92. On the other hand, when the switch circuit 105 is switched to the open state, the UN terminal is not controlled to 3V. The pull-up circuit 106 connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 102 functions, and the negative input signal of the operational amplifier 102 becomes the Vcc voltage (5 V). At this time, since the + input signal of the operational amplifier 102 is 3V, the operational amplifier output becomes 0V (lower limit), and the pump cell terminal voltage Vip becomes 0V. That is, when the switch circuit 105 is opened, the pump cell terminal voltage Vip changes from 3V to 0V.

上記のように、UN−VM間の端子間ショート、VM端子断線の各異常では、それぞれスイッチ回路105の開放前及び開放後でポンプセル端子電圧Vipが変化し、さらにその変化態様が各々相違することから、異常形態の特定が可能となる。   As described above, the pump cell terminal voltage Vip changes before and after the opening of the switch circuit 105 in each abnormality of the terminal-to-terminal short between the UN and VM and the disconnection of the VM terminal, and the change modes thereof are different from each other. Therefore, the abnormal form can be specified.

(他の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the description of the above embodiment, and may be implemented as follows, for example.

・上記第1の実施形態では、図1に示すように、センサ素子10のS+端子側(印加電圧制御回路21側)にスイッチ回路35を設け、異常検出に際して同スイッチ回路35を開放する構成としたが、これを変更し、これとは反対側のS−端子側(交流電源回路31側)にスイッチ回路35を設け、異常検出に際して同スイッチ回路35を開放する構成としてもよい。この場合、センサ端子間ショートが発生している状態では、スイッチ回路35の開放に伴い端子電圧VS+,VS−が4.3Vから2.6V(すなわち、電圧遮断側とは反対側の印加電圧)に変化する。これにより、その開放前後の電圧変化によりセンサ端子間ショートを検出できる。   In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the switch circuit 35 is provided on the S + terminal side (applied voltage control circuit 21 side) of the sensor element 10, and the switch circuit 35 is opened when an abnormality is detected. However, this may be changed, and the switch circuit 35 may be provided on the S-terminal side (AC power supply circuit 31 side) opposite to this, and the switch circuit 35 may be opened when an abnormality is detected. In this case, when the short circuit between the sensor terminals occurs, the terminal voltages VS + and VS− are changed from 4.3 V to 2.6 V as the switch circuit 35 is opened (that is, the applied voltage on the side opposite to the voltage cutoff side). To change. Thereby, a short circuit between the sensor terminals can be detected by a voltage change before and after the opening.

・センサ制御回路20において、S+端子側に可変電圧(印加電圧制御回路21の設定電圧)を印加し、S−端子側に基準電圧(交流電源回路31の基準電圧:2.2V)を印加する構成としたが、これを変更し、S+端子側及びS−端子側の両方に可変電圧を印加する構成、又はS+端子側及びS−端子側の両方に基準電圧を印加する構成とすることも可能である。   In the sensor control circuit 20, a variable voltage (set voltage of the applied voltage control circuit 21) is applied to the S + terminal side, and a reference voltage (reference voltage of the AC power supply circuit 31: 2.2V) is applied to the S-terminal side. Although it was configured, it is possible to change this and apply a variable voltage to both the S + terminal side and the S− terminal side, or to apply a reference voltage to both the S + terminal side and the S− terminal side. Is possible.

・上記実施形態では、交流電源回路31を用い、センサ素子10の一方の端子に交流電圧を印加する構成としたが、交流電源回路31を用いない構成としてもよい。例えば、印加電圧制御回路21とは反対側のセンサ端子に、固定の基準電圧(2.2V固定)を出力する基準電圧設定回路を接続する構成としてもよい。   In the above embodiment, the AC power supply circuit 31 is used and the AC voltage is applied to one terminal of the sensor element 10. However, the AC power supply circuit 31 may not be used. For example, a reference voltage setting circuit that outputs a fixed reference voltage (2.2 V fixed) may be connected to the sensor terminal opposite to the applied voltage control circuit 21.

・「第2状態」を複数設定しておき、異常検出に際し、電圧印加状態を複数の第2状態のうちいずれかに切り替えるようにしてもよい。この場合、複数の第2状態のうちいずれに切り替えるかによって、A/F検出電圧AFOや端子電圧VS+,VS−の値が相違する。ゆえに、特定可能(区別可能な)異常形態を増やすことができる。例えば、第2の実施形態でいえば、印加電圧制御回路21の上限ガード値を3つ以上切替可能としておくとよい。   A plurality of “second states” may be set, and the voltage application state may be switched to any one of the plurality of second states when an abnormality is detected. In this case, the values of the A / F detection voltage AFO and the terminal voltages VS + and VS− differ depending on which of the plurality of second states is switched to. Therefore, it is possible to increase identifiable (distinguishable) abnormal forms. For example, in the second embodiment, three or more upper limit guard values of the applied voltage control circuit 21 may be switched.

・センサ素子に対する電圧印加状態を第1状態から第2状態に切り替える場合に、その状態切替の前後における各種検出値(AFO,VS+,VS−,Iout)の変化量を算出し、その変化量に基づいてセンサ素子に関する異常を検出する構成としてもよい。具体的には、例えば、状態切替前後における各種検出値の変化量が所定以上であることに基づいて、センサ端子間ショートが発生していると判定する。   When the voltage application state for the sensor element is switched from the first state to the second state, the amount of change in various detection values (AFO, VS +, VS−, Iout) before and after the state switching is calculated, and the amount of change is calculated It is good also as a structure which detects abnormality regarding a sensor element based on. Specifically, for example, it is determined that a short circuit between the sensor terminals has occurred based on the amount of change in various detection values before and after the state switching being greater than or equal to a predetermined value.

・上記実施形態では、インピーダンス検出値を取得する方法として、センサ制御回路20において交流電源回路31による交流電圧の印加(印加電圧の掃引変化)に伴い振幅するA点電圧の変化量をインピーダンス検出電圧Ioutとして検出する構成を採用したが、これを変更してもよい。インピーダンス検出値を取得する方法は、周知の方法のいずれを用いてもよく、インピーダンス検出時に電圧又は電流の掃引変化に応じて生じる電圧又は電流の変化量をインピーダンス検出値として取得できるものであればよい。   In the above-described embodiment, as a method for acquiring the impedance detection value, the change amount of the A point voltage that amplitudes with the application of the AC voltage (sweep change of the applied voltage) by the AC power supply circuit 31 in the sensor control circuit 20 is determined as the impedance detection voltage. Although the configuration of detecting as Iout is adopted, this may be changed. Any known method may be used as a method for acquiring the impedance detection value, as long as the amount of change in voltage or current that occurs in response to the sweep change in voltage or current during impedance detection can be acquired as the impedance detection value. Good.

・センサ素子に対する電圧印加状態を第1状態から第2状態に切り替える場合に、その状態切替の前後における各種検出電圧(VS+,VS−,AFO)に基づいて、センサ制御回路20のオフセット値を算出する構成としてもよい。オフセット値は、図1のセンサ制御回路20等における定常的な出力誤差である。具体的には、例えば図1のセンサ制御回路20では、上述したとおりスイッチ回路35が開放されてS+端子側の電圧印加が遮断(開放)されることで、本来、端子電圧VS+,VS−がS−端子側(スイッチ開放されていない端子側)の基準電圧と同じ電圧値(2.2V)になるとともに、A/F検出電圧AFOがストイキ相当の電圧値(2.2V)となる。この場合、センサ制御回路20においてオフセット誤差(初期設定値からのずれ)が生じていれば、端子電圧VS+,VS−やA/F検出電圧AFOが初期設定値(それぞれ2.2V)から外れることになるため、その初期設定値からのずれ分をオフセット値として算出する。そして、このオフセット値を用いて、A/F検出電圧AFO等の補正(オフセット補正)を実施する。   When the voltage application state for the sensor element is switched from the first state to the second state, the offset value of the sensor control circuit 20 is calculated based on various detection voltages (VS +, VS−, AFO) before and after the state switching. It is good also as composition to do. The offset value is a steady output error in the sensor control circuit 20 of FIG. Specifically, for example, in the sensor control circuit 20 of FIG. 1, as described above, the switch circuit 35 is opened and the voltage application on the S + terminal side is cut off (opened), so that the terminal voltages VS + and VS− are inherently changed. The voltage value (2.2V) is the same as the reference voltage on the S-terminal side (terminal side where the switch is not opened), and the A / F detection voltage AFO has a voltage value (2.2V) equivalent to stoichiometry. In this case, if an offset error (deviation from the initial setting value) occurs in the sensor control circuit 20, the terminal voltages VS +, VS− and the A / F detection voltage AFO deviate from the initial setting values (2.2 V each). Therefore, the deviation from the initial setting value is calculated as an offset value. Then, correction (offset correction) of the A / F detection voltage AFO or the like is performed using this offset value.

・酸素濃度を検出対象とするA/Fセンサ以外に、他のガス濃度成分を検出対象とするガスセンサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガスセンサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第1セル(ポンプセル)では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、第2セル(センサセル)では酸素排出後のガスから特定成分のガス濃度を検出する。このガスセンサは、例えば排気中の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る。また、上記第1セル、第2セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第3セル(モニタセル、若しくは第2ポンプセル)等の複数のセルを有するガスセンサであってもよい。   In addition to the A / F sensor whose oxygen concentration is a detection target, the present invention can also be applied to a gas sensor whose detection target is another gas concentration component. For example, a composite gas sensor has a plurality of cells formed of a solid electrolyte body. Among them, a first cell (pump cell) discharges or draws out oxygen in a gas to be detected and detects an oxygen concentration, In the two cells (sensor cell), the gas concentration of the specific component is detected from the gas after the oxygen is discharged. This gas sensor is embodied as a NOx sensor for detecting NOx concentration in exhaust gas, for example. Further, in addition to the first cell and the second cell, a gas sensor having a plurality of cells such as a third cell (monitor cell or second pump cell) for detecting a residual oxygen concentration after oxygen discharge may be used.

・ガス濃度成分としてHC濃度やCO濃度を検出可能とするガス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。   -It is applicable also to the gas sensor which enables detection of HC concentration and CO concentration as a gas concentration component. In this case, surplus oxygen in the gas to be detected is discharged by the pump cell, and HC and CO are decomposed from the gas after the surplus oxygen is discharged by the sensor cell to detect the HC concentration and the CO concentration.

・本発明のセンサ制御装置は、ガソリンエンジンに用いられるガスセンサ(センサ素子)だけでなく、ディーゼルエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサ(センサ素子)にも適用できる。自動車以外の用途のセンサ制御装置として用いることや、排気以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。   The sensor control device of the present invention can be applied not only to a gas sensor (sensor element) used for a gasoline engine but also to a gas sensor (sensor element) used for another type of engine such as a diesel engine. It can be used as a sensor control device for applications other than automobiles, or a gas other than exhaust can be used as a gas to be detected.

10…センサ素子、11…固体電解質層(固体電解質体)、20…センサ制御回路、21…印加電圧制御回路(電圧印加手段、印加電圧制御手段)、22…可変設定回路、23…印加電圧ガード回路、24…基準電源、25…非反転増幅回路、25a…オペアンプ、27…上限ガード回路部、31…交流電源回路(電圧印加手段)、33…シャント抵抗(電流検出素子、電圧電流検出手段)、35…スイッチ回路(経路開閉手段)、41…A/F信号出力部(電圧電流検出手段)、42…インピーダンス信号出力部(電圧電流検出手段)、50…CPU(電圧電流検出手段、切替手段、異常検出手段)、63,65…スイッチ回路、80…センサ素子、81…固体電解質層(固体電解質体)、100…センサ制御回路(電圧電流検出手段、切替手段、異常検出手段)、103…シャント抵抗(電流検出素子、電圧電流検出手段)、105…スイッチ回路(経路開閉手段)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor element, 11 ... Solid electrolyte layer (solid electrolyte body), 20 ... Sensor control circuit, 21 ... Applied voltage control circuit (voltage application means, applied voltage control means), 22 ... Variable setting circuit, 23 ... Applied voltage guard Circuit: 24: Reference power supply: 25: Non-inverting amplifier circuit: 25a: Operational amplifier: 27: Upper limit guard circuit unit: 31: AC power supply circuit (voltage applying means), 33: Shunt resistor (current detecting element, voltage current detecting means) , 35... Switch circuit (path opening / closing means), 41... A / F signal output section (voltage / current detection means), 42... Impedance signal output section (voltage / current detection means), 50. , Abnormality detection means), 63, 65... Switch circuit, 80... Sensor element, 81... Solid electrolyte layer (solid electrolyte body), 100. Means, abnormality detection means), 103 ... shunt resistor (current detecting element, the voltage current detection means), 105 ... switching circuit (path switching means).

Claims (14)

固体電解質体を有し電圧が印加された状態で被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子に接続され、前記素子電流を検出するとともにその検出結果に基づいてガス濃度を算出するセンサ制御装置であり、
前記素子電流が流れる電流経路における所定の検出箇所での電圧及び電流の少なくともいずれかを検出する電圧電流検出手段と、
前記センサ素子に対する電圧印加状態を第1状態から第2状態に切り替える切替手段と、
前記切替手段による前記第1状態から前記第2状態への切替前及び同切替後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて、前記センサ素子に関する異常を検出する異常検出手段と、
を備えることを特徴とするセンサ制御装置。
A solid electrolyte body is connected to a sensor element that flows an element current corresponding to the concentration of a predetermined component in a gas to be detected in a state where a voltage is applied, and detects the element current and gas concentration based on the detection result A sensor control device for calculating
Voltage current detection means for detecting at least one of a voltage and a current at a predetermined detection position in a current path through which the element current flows;
Switching means for switching the voltage application state to the sensor element from the first state to the second state;
An abnormality detecting means for detecting an abnormality relating to the sensor element based on a detection value by the voltage / current detection means before and after switching from the first state to the second state by the switching means;
A sensor control device comprising:
前記異常検出手段は、前記切替手段による前記第1状態から前記第2状態への切替前の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて前記センサ素子に関する異常の有無を判定し、その異常判定により異常有りとされた場合に、前記切替手段による前記第1状態から前記第2状態への切替を行わせるとともに同切替後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常形態を特定する請求項1に記載のセンサ制御装置。   The abnormality detection means determines the presence or absence of an abnormality related to the sensor element based on a detection value by the voltage / current detection means before switching from the first state to the second state by the switching means, and by the abnormality determination The abnormality mode is specified based on a detection value obtained by the voltage / current detection unit after the switching when the switching unit switches from the first state to the second state when there is an abnormality. The sensor control apparatus according to 1. 前記第1状態は、前記素子電流を検出しその検出値に基づいてガス濃度を算出する通常状態であり、
前記切替手段は、前記電圧印加状態を、前記通常状態からそれとは異なる前記第2状態に一時的に切り替えるものである請求項1又は2に記載のセンサ制御装置。
The first state is a normal state in which the element current is detected and a gas concentration is calculated based on the detected value.
The sensor control device according to claim 1, wherein the switching unit is configured to temporarily switch the voltage application state from the normal state to the second state different from the normal state.
前記電圧電流検出手段は、前記素子電流を電流検出素子により素子電流検出値として検出する手段、前記センサ素子の端子電圧を端子電圧検出値として検出する手段、及び素子インピーダンスの検出時に電圧又は電流の掃引変化に応じて生じる電圧又は電流の変化量をインピーダンス検出値として検出する手段の少なくともいずれかを有するものである請求項1乃至3のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。   The voltage / current detection means is a means for detecting the element current as an element current detection value by a current detection element, a means for detecting a terminal voltage of the sensor element as a terminal voltage detection value, and a voltage or current at the time of detecting an element impedance. The sensor control device according to any one of claims 1 to 3, further comprising at least one of means for detecting, as an impedance detection value, a change in voltage or current that occurs in response to a sweep change. 前記センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、該端子に電圧を印加する電圧印加手段を備え、
前記切替手段は、前記電圧印加手段による前記センサ素子への電圧印加を遮断することで前記第1状態から前記第2状態への切替を行うものであり、
前記異常検出手段は、前記切替手段による電圧印加の遮断前及び遮断後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する請求項1乃至4のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
Provided with being connected to at least one terminal of the sensor element, and comprising voltage applying means for applying a voltage to the terminal;
The switching unit is configured to switch from the first state to the second state by interrupting voltage application to the sensor element by the voltage applying unit,
5. The sensor control according to claim 1, wherein the abnormality detection unit performs abnormality detection based on a detection value by the voltage / current detection unit before and after the voltage application is cut off by the switching unit. apparatus.
前記電圧印加手段と前記センサ素子との間の電圧印加経路に経路開閉手段を設け、
前記切替手段は、前記経路開閉手段を閉状態から開状態に切り替えることで前記センサ素子への電圧印加を遮断する請求項5に記載のセンサ制御装置。
A path opening / closing means is provided in a voltage application path between the voltage applying means and the sensor element,
The sensor control apparatus according to claim 5, wherein the switching unit blocks voltage application to the sensor element by switching the path opening / closing unit from a closed state to an open state.
前記センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、当該端子に印加される端子印加電圧を前記素子電流に基づいて可変に設定する印加電圧制御手段を備え、
前記印加電圧制御手段は、前記端子印加電圧を所定の上限値で制限する上限ガード機能を有し、
前記切替手段は、前記上限値を変更することで前記第1状態から前記第2状態への切替を行うものであり、
前記異常検出手段は、前記切替手段による前記上限値の変更前及び変更後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する請求項1乃至4のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
Provided with an applied voltage control means that is connected to at least one terminal of the sensor element and variably sets a terminal applied voltage applied to the terminal based on the element current;
The applied voltage control means has an upper limit guard function for limiting the terminal applied voltage with a predetermined upper limit value,
The switching means is configured to switch from the first state to the second state by changing the upper limit value,
5. The sensor according to claim 1, wherein the abnormality detection unit performs abnormality detection based on detection values of the voltage / current detection unit before and after the upper limit value is changed by the switching unit. Control device.
前記切替手段は、前記印加電圧制御手段により設定される端子印加電圧が上限値に達している状態で、前記上限値をそれよりも低電圧側に変更するものである請求項7に記載のセンサ制御装置。   The sensor according to claim 7, wherein the switching unit changes the upper limit value to a lower voltage side in a state where the terminal applied voltage set by the applied voltage control unit has reached the upper limit value. Control device. 前記センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、当該端子に印加される端子印加電圧を都度の素子電流に相当する制御入力信号に基づいて可変に設定する印加電圧制御手段を備え、
前記切替手段は、前記印加電圧制御手段に入力される前記制御入力信号を変更することで前記第1状態から前記第2状態への切替を行うものであり、
前記異常検出手段は、前記切替手段による前記制御入力信号の変更前及び変更後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する請求項1乃至4のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
Provided with an applied voltage control means that is connected to at least one terminal of the sensor element and variably sets a terminal applied voltage applied to the terminal based on a control input signal corresponding to each element current;
The switching means performs switching from the first state to the second state by changing the control input signal input to the applied voltage control means,
5. The abnormality detection unit according to claim 1, wherein the abnormality detection unit performs abnormality detection based on detection values of the voltage / current detection unit before and after the change of the control input signal by the switching unit. Sensor control device.
前記切替手段は、前記制御入力信号を、空燃比ストイキ状態で流れる素子電流に相当する入力信号に切り替えるものである請求項9に記載のセンサ制御装置。   The sensor control device according to claim 9, wherein the switching means switches the control input signal to an input signal corresponding to an element current flowing in an air-fuel ratio stoichiometric state. 前記異常検出手段は、前記切替手段による電圧印加状態の切替前及び切替後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて、前記センサ素子の端子間ショートが生じていることを検出する請求項1乃至10のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。   The abnormality detection unit detects that a short circuit between terminals of the sensor element has occurred based on detection values by the voltage / current detection unit before and after switching of the voltage application state by the switching unit. The sensor control apparatus as described in any one of thru | or 10. 前記異常検出手段は、前記センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値であり、かつ前記切替手段による電圧印加状態の切替に伴い前記電圧電流検出手段による検出値が変化した場合に、前記端子間ショートが生じている旨を判定する請求項11に記載のセンサ制御装置。   The abnormality detection means has the same terminal voltage detection value on both positive and negative sides of the sensor element, and when the detection value by the voltage / current detection means is changed in accordance with the switching of the voltage application state by the switching means. The sensor control device according to claim 11, wherein it is determined that a short circuit between the terminals has occurred. 前記異常検出手段は、前記センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値で、かつ前記電圧電流検出手段による検出値が正常範囲外の値であり、さらに前記切替手段により電圧印加状態を切り替えても前記電圧電流検出手段による検出値が変化しない場合に、前記センサ素子のいずれかの端子で電源ショートが生じている旨を判定する請求項1乃至12のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。   The abnormality detection means has the same terminal voltage detection value on both positive and negative sides of the sensor element, the detection value by the voltage current detection means is a value outside the normal range, and further switches the voltage application state by the switching means. The sensor control according to any one of claims 1 to 12, wherein when the detection value by the voltage / current detection means does not change, it is determined that a power supply short-circuit has occurred at any of the terminals of the sensor element. apparatus. 請求項1乃至13のいずれか一項に記載のセンサ制御装置と、前記センサ素子を有し前記センサ制御装置に接続されるガスセンサとを備えることを特徴とするセンサユニット。   A sensor unit comprising: the sensor control device according to claim 1; and a gas sensor having the sensor element and connected to the sensor control device.
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