JP2014173890A - ガスセンサ及び断線検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断線検知を精度良く且つ容易に行うことができるガスセンサ及び断線検知方法を提供する。
【解決手段】ガスセンサは、固体電解質体５５と、固体電解質体に接続された第１電極５９及び第２電極５７とを有する検知部６０を含み、長手方向に沿って延びるガスセンサ素子７であって、第１電極、第２電極に接続される、長手方向に延びるリード部６１、６３と、固体電解質体に対して電気的に並列に接続された断線検知回路部７２を備えている。断線検知回路部は、リード部の幅方向に隣接する形でリード部に沿って並ぶように配置されて、リード部が断線する断線領域にて断線する断線検知リード部６５を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば内燃機関の排ガス中の特定ガス濃度を検知できるガスセンサ及びそのガスセンサの断線を検知する断線検知方法に関する。

従来より、例えば内燃機関の排ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサとして、酸素濃度に応じて起電力が変化する固体電解質体（例えばジルコニア）を用いたガスセンサ素子を備えた酸素センサが知られている。

このガスセンサ素子は、固体電解質体上に一対の電極を形成した検知部を含み、各電極にリード部が接続された構成をなしている。そして、このリード部間の電圧（出力電圧）の変化から、酸素濃度を求めることができる。

また、固体電解質体の内部抵抗は、常温時はほぼ絶縁状態（無限大）であるが、昇温ととともに低下する特性がある。
そのため、上記特性を利用して、リード部間の電圧の変化から、ガスセンサ素子の断線（即ち導電部分であるリード部等の断線）を検知することができる。つまり、ガスセンサ素子に断線が発生しているときには、固体電解質体が昇温されて活性化している、または、活性化に近づいている状況にも関わらず、リード部間の抵抗は無限大となるので、エンジン始動後のガスセンサ素子の出力電圧の挙動から、断線を判定する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開昭６２−１５１７７０号公報

ところが、上述した従来技術では、ガスセンサ素子の温度（素子温度：詳しくは固体電解質体の温度）と固体電解質体の内部抵抗との関係から断線を検知しているので、内燃機関の冷機状態から始動後しばらくして素子温度が上昇するまでの間は、断線を検知することができないという問題があった。

本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスセンサ自身に断線検知が可能な構成を備えつつ、ガスセンサ素子が不活性状態であっても活性状態であっても、ガスセンサ素子の断線検知を精度良く且つ容易に行うことができるガスセンサ及び断線検知方法を提供することである。

（１）本発明は、第１態様（ガスセンサ）として、固体電解質体と、該固体電解質体上に形成された第１電極及び第２電極と、を有する検知部を含み、長手方向に沿って延びるガスセンサ素子であって、前記第１電極又は前記第２電極に接続され、前記長手方向に延びるリード部を有するガスセンサ素子を備えたガスセンサにおいて、前記ガスセンサ素子は、前記固体電解質体に対して電気的に並列に接続された断線検知回路部を備え、前記断線検知回路部は、リード部の幅方向に隣接する形で当該リード部に沿って並ぶように配置されて、該リード部が断線する断線領域にて断線する断線検知リード部を備えたことを特徴とする。

本第１態様では、ガスセンサ素子は、固体電解質体に対して電気的に並列に接続された断線検知回路部を備えており、断線検知回路部は、断線検知リード部を備えている。この断線検知リード部は、リード部の幅方向に隣接する形で当該リード部に沿って並ぶように配置されており、（この並んで配置された）リード部が断線する断線領域にて断線するものである。

従って、リード部が、例えばガスセンサ素子のクラックなどの素子損傷によって断線した場合には、それに沿って配置された断線検知リード部も共に断線する可能性が高い。よって、断線検知リード部の導通状態を（例えば所定位置の電圧によって）判断することにより、リード部の断線、ひいてはガスセンサ素子の断線も検知することができる。

また、この断線検知回路部は、固体電解質体に対して電気的に並列に接続されているので、クラック等の素子損傷によって断線していない限りは、固体電解質体（従ってガスセンサ素子）が活性化していない状態、即ち、固体電解質体の抵抗値が無限大あるいは非常に大きい値で断線と同じ状態であっても、（自身の抵抗値に応じた）導通が可能である。よって、断線検知回路部における導通状態から、ガスセンサ素子が活性化していない場合でも（或いは活性化している場合でも）、断線の有無を判定することができる。

つまり、断線検知回路部が導通状態である場合には、リード部に断線が無いと（高い確率で）判断することができ、逆に、断線検知回路部が導通状態でない場合には、断線があると判断することができ。なお、断線検知回路部の導通状態は、例えば断線検知回路部の両端の電圧（断線検知回路部の抵抗に対応した電圧）により判断することができる。

この様に、本第１態様では、ガスセンサ素子自身に断線検知が可能な構成（具体的には、断線検知回路部）を備えつつ、ガスセンサ素子が不活性状態であっても活性状態であっても、断線検知を精度良く且つ容易に行うことができるという顕著な効果を奏する。

ここで、ガスセンサ素子は、（長手方向に延びる）棒状、板状、筒状の部材であり、また、リード部の幅方向とは、（リード部が形成される面において）長手方向に対して垂直の方向のことである。

なお、ガスセンサ素子の材料等の特性によるが、断線検知の対象となるリード部に沿って並んで配置される断線検知リード部は、リード部に対して、例えば２．５ｍｍ以下の間隔（平均の間隔）で配置されていれば、好適にリード部の断線を検知できる。

また、前記断線領域としては、リード部が形成されている（長手方向に延びている）範囲を採用できる。
（２）本発明は、第２態様として、前記断線検知回路部は、所定の電圧の印加によって電流が流れることが可能なように、前記固体電解質体が活性化していないときの抵抗値よりも低い抵抗値を有することを特徴とする。

本第２態様では、断線検知回路部は、固体電解質体が活性化していないときの抵抗値（無限大）よりも低い抵抗値（例えば数百ｋΩ〜数ＭΩ）を有する。
よって、断線検知回路部に電圧を加えると、固体電解質体の活性化の有無にかかわらず、電流を流すことができる。よって、断線検知回路部の導通状態から、断線を検知することができる。

（３）本発明は、第３態様として、 前記検知部は、前記ガスセンサ素子の長手方向の一端である先端側に設けられており、前記リード部及び前記断線検知リード部は、前記検知部が設けられた先端側から後端側に延びるように配置されていることを特徴とする。

本第３態様では、好ましいガスセンサの構成を例示している。この構成によって、ガスセンサ素子の先端側を被測定ガスに晒して、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。

（４）本発明は、第４態様として、前記リード部は、前記第１電極に接続されるとともに前記第１電極から延びるように設けられた第１リード部、及び、前記第２電極に接続されるとともに前記第２電極から延びるように設けられた第２リード部のそれぞれを有しており、前記断線検知リード部は、前記断線領域よりも先端側の第１電極に接続されて前記第１リード部に沿って延びるとともに、前記断線領域よりも後端側の第２リード部に接続されていることを特徴とする。

本第４態様では、断線検知リード部は、断線領域よりも先端側の第１電極に接続されて第１リード部に沿って延びているので、第１リード部の断線を効果的に検知できる。
（５）本発明は、第５態様として、前記リード部は、前記第１電極に接続されるとともに前記第１電極から延びるように設けられた第１リード部、及び、前記第２電極に接続されるとともに前記第２電極から延びるように設けられた第２リード部のそれぞれを有しており、前記断線検知リード部は、前記断線領域よりも先端側の第２電極に接続されて前記第２リード部に沿って延びるとともに、前記断線領域よりも後端側の第１リード部に接続されていることを特徴とする。

本第５態様では、断線検知リード部は、断線領域よりも先端側の第２電極に接続されて第２リード部に沿って延びているので、第２リード部の断線を効果的に検知できる。
（６）本発明は、第６態様として、前記リード部は、前記第１電極に接続されるとともに前記第１電極から延びるように設けられた第１リード部、及び、前記第２電極に接続されるとともに前記第２電極から延びるように設けられた第２リード部のそれぞれを有しており、前記断線検知リード部は、前記断線領域よりも先端側の第１電極に接続されるとともに、前記第１リード部に沿って前記断線領域よりも後端側に延びる第１断線検知リード部と、前記断線領域よりも先端側の第２電極に接続されるとともに、前記第２リード部に沿って前記断線領域よりも後端側に延びる第２断線検知リード部と、を有するとともに、前記第１断線検知リード部と前記第２断線検知リード部とは、前記断線領域より後端側にて接続されていることを特徴とする。

本第６態様では、第１リード部に沿って第１断線検知リード部が配置されるとともに、第２リード部に沿って第２断線検知リード部が配置されている。よって、第１リード部と第２リード部のどちらか一方に断線が発生した場合でも、その断線を確実に検出することができる。

（７）本発明は、第７態様として、前記断線検知回路部は、所定の電圧の印加によって電流が流れることが可能なように、前記固体電解質体が活性化していないときの抵抗値よりも低い抵抗値を有するとともに、前記断線検知リード部に接続される検知抵抗部であって、該断線検知リード部の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する検知抵抗部を備えており、該検知抵抗部は、前記断線領域よりも後端側に配置されていることを特徴とする。

本第７態様では、断線検知リード部と共に断線検知回路部を構成する検知抵抗部が、検知部よりも後端側、且つ、断線領域よりも後端側に配置されているので、被測定ガスに曝される検知部の温度変化に伴って検知抵抗部自身の抵抗値が変動することが抑制される。その結果、断線検知回路部の抵抗値を実質的に支配することになる検知抵抗部の変動が抑制され、断線検知の精度をより高めることが可能となる。

（８）本発明では、第８態様（断線検知方法）として、前記請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサにおける断線を検知する断線検知方法であって、前記断線検知回路部の両端間に、断線検知用の電流を流し、その電流に応じた前記断線検知回路部の両端間の出力信号に基づいて、断線検知を行うことを特徴とする。

本第８態様では、断線を検知する場合には、断線検知回路部に電圧を印加して電流を流す。これによって、断線検知回路部の断線検知リード部に断線が生じている場合（又は生じていない場合）には、断線検知回路部の両端間の出力信号は、断線に対応した信号（又は断線に対応していない信号）となる。よって、上記出力信号から、断線を検知することができる。

例えば、リード部に断線が生じている場合（従って断線検知リード部にも断線が生じている場合）には、断線検知回路部には電流が流れない、一方、リード部に断線が生じていない場合（従って断線検知リード部にも断線が生じていない場合）には、断線検知回路部に電流が流れ、断線検知回路部の両端間（従って例えば第１リード部と第２リード部との間）に、その間の抵抗に応じた電圧が得られる。よって、この電圧から、断線の有無を判断することができる。

実施例１のガスセンサを軸方向に破断して示す説明図である。 ガスセンサに配置されたガスセンサ素子を分解して示す斜視図である。 ガスセンサ素子の電気的構成を（表側と裏側の構成を同一表面で）模式的に示す説明図である。 ガスセンサシステムの電気的構成を示す説明図である。 実施例１における断線検知方法の手順を示すフローチャートである。 実施例２のガスセンサのガスセンサ素子の電気的構成を（表側と裏側の構成を同一表面で）模式的に示す説明図である。 実施例３のガスセンサのガスセンサ素子の電気的構成を（表側と裏側の構成を同一表面で）模式的に示す説明図である。 実施例２のガスセンサを軸方向に破断して示す説明図である。 ガスセンサに配置されたガスセンサ素子を示す正面図である。 ガスセンサ素子の電気的構成を模式的に示す説明図である。

以下では、本発明を実施するための形態（実施例）のガスセンサ及びその断線検知方法について説明する。
なお、以下に示す実施例では、内燃機関の排気管に取り付けられ、排ガス中の酸素濃度の測定に使用される酸素センサであるガスセンサと、そのガスセンサの断線を検知する断線検知方法を例に挙げて説明する。

ａ）まず、本実施例１のガスセンサの全体構成について説明する。
図１に示す様に、本実施例１のガスセンサ１は、主として、主体金具３と、主体金具３の先端側（同図下方）に配置されたプロテクタ５と、主体金具３の内側（内周側）に保持されたガスセンサ素子７と、主体金具３の内部に配置されてガスセンサ素子７を保持する保持部９と、主体金具３の後端側に配置された外筒１１と、外筒１１の内部に配置されたセパレータ１３と、外筒１１の後端側を閉塞するゴムキャップ１５等を備えている。以下、各構成について説明する。

前記主体金具３は、例えばステンレス等の耐熱金属からなる筒状の部材であり、その外周側には、ガスセンサ１を排気管に取り付けるための雄ねじ部１７と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部１９とを有している。また、主体金具３には、径方向内側に向かって突出する金具側段部２１が設けられている。

前記ガスセンサ素子７は、後に詳述する様に、同図の上下方向に延びる長尺の板状（主面側が長方形）の部材である。このガスセンサ素子７は、その先端側が主体金具３の先端側より突出するとともに、その後端側が主体金具３の後端側より突出するように、保持部９によって、主体金具３の軸中心に沿って保持されている。

前記保持部９は、先端側から、金具側段部２１に支持されてガスセンサ素子７を保持する金属ホルダ２３と、金属ホルダ２３の内側に配置されてガスセンサ素子７を所定位置に配置するセラミックホルダ２５と、滑石２７と、滑石２７上に載置されたセラミックスリーブ２９とを備えている。なお、滑石２７は、第１滑石２７ａと第２滑石２７ｂとからなり、第１滑石２７ａは金属ホルダ２３の内側で圧縮充填されており、金属ホルダ２３の内面とガスセンサ素子７の外面との間の気密性を確保しており、また、第２滑石２７ｂは、第１滑石２７上で圧縮充填されており、主体金具３の内面とガスセンサ素子７の外面との間の気密性を確保している。

また、主体金具３の後端側にて、加締め部３１が内側に折り曲げられ、ステンレス製のリング部材３３を介してセラミックスリーブ２９が主体金具３の先端側に押圧されている。

そして、セラミックスリーブ２９やセラミックホルダ２５には、軸線に沿うように軸孔３５が設けられ、それらの内部（従って保持部９の内部）にガスセンサ素子７が挿通されている。

前記プロテクタ５は、主体金具３の先端から突出するガスセンサ素子７の先端部を覆うとともに、複数のガス取入孔３７が設けられた金属製の筒状の部材であり、主体金具３の先端側外周に溶接により接合されている。

このプロテクタ５は、二重構造をなしており、外側には、有底円筒状の外側プロテクタ５ａが配置され、内側には、同様な有底円筒状の内側プロテクタ５ｂが配置されて、この内側プロテクタ５ｂの先端部が外側プロテクタ５ａの先端から突出している。

前記外筒１１は、その先端側が、主体金具３の後端側に外嵌され、レーザ溶接によって接合された金属製の部材であり、外筒１１の後端側内部には、セパレータ１３が配置されている。

前記セパレータ１３は、電気絶縁性を有するセラミック製の筒状の部材であり、自身と外筒１１の隙間に配置された弾性体からなる保持部材３９によって保持されている。詳細には、セパレータ１３は、保持部材３９とゴムキャップ１５の先端面との間で軸方向に挟持される形態で、外筒１１の内部に保持される。このセパレータ１３には、ガスセンサ素子７の複数（４本）のリード線４１を挿入するための挿通孔４３が貫設されている（なお、同図では３本のリード線のみ示している）。また、挿通孔４３内には、各リード線４１と後述する第１、第２リード部６１、６３（図２参照）などとを接続する複数（４個）の接続端子４５が収容されている。

前記ゴムキャップ１５は、外筒１１の後端側の開口部４７を閉塞するための略円柱状の部材である。このゴムキャップ１５にも、リード線４１が挿通される複数（４本）挿通孔４９が貫設されている。

ｂ）次に、本実施例１の要部であるガスセンサ素子７について説明する。
図２に分解して示す様に、ガスセンサ素子７は、（平面形状が）長方形の板状の酸素濃淡電池素子（酸素濃度検出セル）５１とほぼ同様な板状のヒータ５３とが積層された構成を有している。なお、図２の左側がガスセンサ素子７（従ってガスセンサ１）の先端側であり、右側が後端側である。

前記酸素濃淡電池素子５１は、例えば、ジルコニアを主成分に構成された（長方形の）板状の固体電解質体５５を備えている。
また、固体電解質体５５のヒータ５３側（同図下方）には、長方形の多孔質の基準電極（内側電極：第２電極）５７が形成されるとともに、固体電解質体５５自身を介して基準電極５７と反対側に位置する面に、排ガス等の被測定ガスに晒される長方形の多孔質の検知電極（外側電極：第１電極）５９が形成されている。なお、固体電解質体５５とその両側の検知電極５９と基準電極５７とから、検知部６０が構成されている。

更に、検知電極５９には、固体電解質体５５の長手方向（同図左右方向）に沿って第１リード部６１が延設されるとともに、基準電極５７には、固体電解質体５５の長手方向に沿って第２リード部６３が延設されている。

特に、検知電極５９には、固体電解質体５５の長手方向に沿ってみたときに、第１リード部６１との幅方向に隣接する形で第１リード部６１に並んで（平行に）、且つ、第１リード部６１と同様な構成（幅や厚み）で、断線検知リード部６５が接続されている。

なお、断線検知リード部６５は、第１断線検知リード部６５ａと第２断線検知リード部６５ｂとを接続した構成からなり、第１断線検知リード部６５ａが第１リード部６１と同じように固体電解質体５５の表面上に設けられ、第２断線検知リード部６５ｂが後述する第１絶縁層７３の表面上に設けられている。なお、第１リード部６１と第１断線検知リード部６５ａとは、所定の間隔（例えば１．０ｍｍ）離れるように設定されている。

固体電解質体５５のヒータ５３が積層される側の反対側の面には、検知電極５９の外側を覆うように（例えばアルミナからなる）多孔質の保護層７１と、第１リード部６１、断線検知リード部６５の一部（即ち第１断線検知リード部６５ａ）を覆うように、（例えばアルミナからなる）長方形の緻密質の第１絶縁層７３が配置されている。

第１絶縁層７３の外側表面には、第１電極パッド９３、第２電極パッド９４が設けられるとともに、第２断線検知リード部６５ｂ、および、検知抵抗部６７が設けられている。
第２断線検知リード部６５ｂの先端は、第１絶縁層７３を貫通するスルーホール９７に配置された導体を介して第１断線検知リード部６５ａと接続されている。一方、第２断線検知リード部６５ｂの後端は、検知抵抗部６７と直列に接続されている。そして、検知抵抗部６７は、第２電極パッド９４と接続されている。

また、第１電極パッド９３は、第１絶縁層７３を貫通するスルーホール９５に配置された導体を介して第１リード部６１と接続されている。一方、第２電極パッド９４は、第１絶縁層７３を貫通するスルーホール９６および固体電解質体５５を貫通するスルーホール７０に配置された導体を介して第２リード部６３と接続されている。

このような構成を図ることにより、検知抵抗部６７は、固体電解質体５５に対して電気的に直列ではなく、電気的に並列に接続される。
基準電極５７、検知電極５９、第１リード部６１、第２リード部６３、断線検知リード部６５（第１断線検知リード部６５ａ、および、第２断線検知リード部６５ｂ）、各スルーホール７０、９５、９６、９７に配置される導体、第１電極パッド９３、第２電極パッド９４は、Ｐｔを主体に構成されている。また、検知抵抗部６７は、酸化ルテニウム等の材料から構成されており、線幅や厚みを適宜調整して所望の抵抗値を有する抵抗体をなしている。

なお、本実施例では、断線検知リード部６５と検知抵抗部６７とから断線検知回路部７２が構成されるが、検知抵抗部６７の抵抗値は断線検知リード部６５の抵抗値よりも大きく、断線検知回路部７２全体の抵抗値を実質的に支配する部位として機能する。

一方、ヒータ５３は、（例えばアルミナからなる）長方形の第２、第３絶縁層７５、７７の間に、例えばＰｔからなるヒータパターン７９とそのヒータリード部８１、８３が形成されたものである。なお、ヒータリード部８１、８３の後端は、それぞれ、第３絶縁層７７を貫通するスルーホール８５、８７を介して、ヒータ５３の外側表面（同図下方）に形成された第３電極パッド８９、第４電極パッド９１に接続されている。

ｃ）次に、本実施例１のガスセンサ１に関する電気的構成について説明する。
図３に模式的に示す様に、ガスセンサ１に用いられるガスセンサ素子７は、検知電極５９と基準電極５７との間に、固体電解質体５５が配置されている。

この固体電解質体５５は、温度が低い場合は抵抗値が大きく（無限大）であり、電気絶縁体として機能するが、温度が上昇して所定の温度（活性化温度：例えば５００℃）に達すると活性化する。すなわち、酸素イオンによる導電性が生じ、内部抵抗Ｒ１が変化（低下）する。それとともに、固体電解質体５５を介在した状態の両電極５７、５９間に酸素濃度差がある場合には、その酸素濃度差に応じた起電力が生ずる。

更に、検知電極５９から延びる断線検知リード部６５の後端は、数ＭΩの抵抗Ｒ２を有する検知抵抗部６７を介して、第２電極パッド９４（従って第２リード部６３）に接続されている。

ここで、前記固体電解質体５５の内部抵抗Ｒ１（直流抵抗）は、非活性時（内燃機関の冷間始動時）には無限大ないし非常に大きい抵抗値であるが、活性時には、例えば１ｋΩ程度であり、検知抵抗部６７の抵抗Ｒ２は、例えば１ＭΩに設定されている。

なお、検知抵抗部６７の抵抗Ｒ２の値は、固体電解質体５５の非活性時の内部抵抗Ｒ１の値より小さく、固体電解質体５５の活性時の内部抵抗Ｒ１の値より大きくなるように設定されている。

なお、本実施例においては、ガスセンサ素子７の折れやクラック等の発生によって第６１が断線したときに、当該第１リード部６１の断線とともに断線が生ずるように、断線検知リード部６５を第１リード部６１に近接させつつ並んで設けており、具体的には図３に示すように、検知電極５９、基準電極５７の後端側（同図上方）の範囲（断線領域）Ｘに断線検知リード部６５を設けている。

また、図４に示す様に、前記ガスセンサ素子７を有するガスセンサ１は、ガスセンサシステム１０１に組み込まれて、酸素濃度が測定される。
このガスセンサシステム１０１では、ガスセンサ１は、周知の（マイクロコンピュータを主要部とする）電子制御装置１０３に接続されている。

詳しくは、電子制御装置１０３においては、（例えば５Ｖの）電源１０５からアースに至る内部回路１０４において、第１回路抵抗１０４ａ（抵抗Ｒ３）と第２回路抵抗１０４ｂ（抵抗Ｒ４）とが直列に接続されており、第１回路抵抗１０４ａと第２回路抵抗１０４ｂとの間の分岐１０７からその電圧がマイクロコンピュータに入力されるように構成されている。なお、第２回路抵抗１０４ｂの他端１０９は、アースされている。

ここで、内部回路１０４の抵抗が、第１回路抵抗１０４ａと第２回路抵抗１０４ｂのみから構成される場合には、分岐１０７における電圧は、周知の様に、両回路抵抗１０４ａ、１０４ｂにおける抵抗Ｒ３、Ｒ４の大きさに応じた分圧となる。なお、第１回路抵抗１０４ａの抵抗Ｒ３は、例えば５００ｋΩ、第２抵抗回路１０４ｂの抵抗Ｒ４は、例えば１ＭΩとなるように設定されている。

また、ガスセンサ素子７の基準電極５７の第２リード部６３は、前記分岐１０７に電気的に接続され、検知電極５９の第１リード部６１は、電子制御装置１０３において他端１０９に電気的に接続されて、アースされている。

ｄ）次に、このガスセンサシステムの動作について説明する。
（酸素濃度の測定方法）
酸素濃度を測定する場合には、ガスセンサ１の先端側（従ってガスセンサ素子７の先端側の検知部６０）を、被測定ガス（排ガス）中に晒すとともに、ヒータ５３によって、ガスセンサ素子７の温度を上昇させる。

ガスセンサ素子７の温度（詳しくは検知部６０の温度）が、所定の活性化温度に達すると、検知電極５９側の酸素濃度と基準電極５７側の酸素濃度との酸素濃度差に応じて、両電極５７、５９間には、起電力が生ずる。よって、周知の様に、（前記分圧による電圧を加味した）この起電力に対応した電圧が分岐１０７に生じるので、分岐１０７からの電圧を入力したマイクロコンピュータによって、（前記分岐における電圧に応じて）酸素濃度を測定することができる。

（断線検知方法）
内燃機関の始動時等のように、ガスセンサ素子７が活性化していない場合（例えば２５℃程度の常温時）に、例えば第１リード部６１がガスセンサ素子７のクラックによって断線し、それに伴って第１リード部６１に近接して並んだ断線検知リード部６５も断線したときには、ガスセンサ素子７には電流は流れない。よって、内部回路１０４には、第１回路抵抗１０４ａの抵抗Ｒ３と第２回路抵抗１０４ｂの抵抗Ｒ４とに対応した分圧が生じ、分岐１０７の電圧は、その分圧に応じた電圧Ｖ１（例えば３．３Ｖ）となる。従って、このような電圧Ｖ１が検出された場合には、ガスセンサ素子７に断線が生じたと判断することができる。

なお、ガスセンサ素子７が活性化している場合でも、断線しているときには、同様な電圧Ｖ１となるので、ガスセンサ素子７の活性、非活性にかかわらず、断線を検知することができる。

また、ガスセンサ素子７が活性化していない場合に、断線が発生していないときには、固体電解質体５５の内部抵抗Ｒ１は無限大、または、非常に大きな抵抗値であるので、その場合には、分岐１０７における電圧は、検知抵抗部６７の抵抗Ｒ２と第１回路抵抗１０４ａの抵抗Ｒ３と第２回路抵抗１０４ｂの抵抗Ｒ４とによって定まる周知の所定の電圧Ｖ２（Ｖ１＞Ｖ２、例えば２．５Ｖ）となる。従って、このような電圧Ｖ２が得られた場合には、（非活性時において）断線が無いと判断することができる。

更に、ガスセンサ素子７が活性化している場合に、断線が発生していないときには、固体電解質体５５の内部抵抗Ｒ１は（非活性時より）小さくなるので、その場合には、分岐１０７における電圧は、固体電解質体５５の内部抵抗Ｒ１と検知抵抗部６７の抵抗Ｒ２と第１回路抵抗１０４ａの抵抗Ｒ３と第２回路抵抗１０４ｂの抵抗Ｒ４とによって定まる周知の所定の電圧Ｖ３（Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖ３）となる。従って、このような電圧Ｖ３が得られた場合には、（活性時において）断線が無いと判断することができる。

従って、例えばＶ１とＶ２の間に断線の有無を判定する判定電圧ＶＨ（例えば、３．０Ｖ）を設定しておけば、分岐１０７における電圧が判定電圧ＶＨ以上の場合には、ガスセンサ素子７の活性状態にかかわらず、断線があると判定することができる。

ｅ）次に、電子制御装置１０３のマイクロピュータにて行われる断線検知のための処理手順について説明する。
本処理は、例えば車両において、イグニッションキーが操作（オン）されて、内燃機関が始動した場合に実施され、所定の周期（例えば、１０ｍｓｅｃ間隔）で繰り返し実行される。

図５に示す様に、ステップ（Ｓ）１１０では、分岐１０７からマイクロコンピュータに入力する電圧が、断線の有無を判定する判定電圧ＶＨ以上か否かを判定する。
ここで、肯定判断されると、ステップ１２０に進み、断線があると判断して、その旨をメモリ等に記憶し、一旦本処理を終了する。

一方、否定判断されると、ステップ１３０に進み、断線がないと判断して、その旨をメモリ等に記憶し、一旦本処理を終了する。
なお、断線の有無の判断結果をメモリ等に記憶する他に、断線があると判断された場合に表示装置に断線ありと表示したり、音声装置を用いて警告音を発したりする処理を追加してもよい。

ｆ）次に、本実施例の効果につい説明する。
本実施例のガスセンサ１では、ガスセンサ素子７の固体電解質体５５に対して電気的に並列に断線検知回路部７２が接続されており、この断線検知回路部７２には、第１電極５９から第１リード部６１に沿って近接して並んで（本実施例では平行に並んで）断線検知リード部６５が設けられている。

また、断線検知リード部６５の後端は、所定の抵抗Ｒ２を有する検知抵抗部６７を介して、第２リード部６３の後端に接続されている。
そして、第２リード部６３の後端は、電子制御装置１０３の内部回路１０４の分岐１０７に電気的に接続され、第１リード部６１の後端は、内部回路１０４の他端１０９に電気的に接続されている。

従って、第１リード部６１が、ガスセンサ素子７のクラックなどの素子損傷によって（断線領域Ｘにて）断線した場合には、それに沿って配置された断線検知リード部６５も断線する可能性が高い。よって、上述した様に、断線検知リード部６５の導通状態を、分岐１０７における電圧によって判断することにより、ガスセンサ素子７の断線を検知することができる。

詳しくは、断線検知回路部７２は、断線検知リード部６５と接続された検知抵抗部６７を介して、固体電解質体５５に対して電気的に並列に接続されているので、クラック等によって断線していない限りは、固体電解質体５５（従ってガスセンサ素子７）が活性化していない状態、即ち、固体電解質体５５の内部抵抗Ｒ１が無限大であっても、導通が可能である。

よって、上述の様に、（導通状態又は非導通状態に対応した）分岐１０７における電圧から、ガスセンサ素子７が活性化していない場合でも（或いは活性化している場合でも）、断線の有無を判定することができる。

具体的には、分岐１０７における電圧が、断線の有無を判定する判定電圧ＶＨ以上か否かを判定し、判定電圧ＶＨ以上である場合には、断線があると判断でき、逆に、判定電圧ＶＨ未満である場合には、断線がないと判断することができる。

この様に、本実施例では、ガスセンサ１（ガスセンサ素子７）自身に断線検知が可能な構成（具体的には、断線検知回路部７２）を備えつつ、ガスセンサ素子７が不活性状態であっても活性状態であっても、断線検知を精度良く且つ容易に行うことができるという効果を奏する。

次に本実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例２では、前記実施例１とは、ガスセンサ素子が異なるので、ガスセンサ素子の構成について説明する。

図６に模式的に示す様に、本実施例２のガスセンサにおいては、実施例１と同様に、ガスセンサ素子１２１には、固体電解質体１２３の両側に検知電極１２５と基準電極１２７とが配置されている。また、検知電極１２５には第１リード部１２９が接続され、基準電極１２７には第２リード部１３１が接続されている。

特に本実施例では、基準電極１２７に、前記実施例１と同様な断線検知リード部１３３が接続されており、この断線検知リード部１３３は、第２リード部１３１と近接して平行に延出されている。また、断線検知リード部１３３の後端は、前記実施例１と同様な検知抵抗部１３５を介して、第１リード部１２９の後端と接続されている。

従って、本実施例２では、第２リード部１３１がクラック等の素子損傷によって断線した場合には、断線検知リード部１３３も同様に断線する可能性が高いので、特に第２リード部１３１における断線を効果的に検知することができる。

次に本実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例３では、前記実施例１とは、ガスセンサ素子が異なるので、ガスセンサ素子の構成について説明する。

図７に模式的に示す様に、本実施例３のガスセンサにおいては、実施例１と同様に、ガスセンサ素子１４１には、固体電解質体１４３の両側に検知電極１４５と基準電極１４７とが配置されている。また、検知電極１４５には第１リード部１４９が接続され、基準電極１４７には第２リード部１５１が接続されている。

特に本実施例では、検知電極１４５に、前記実施例１と同様に、第１断線検知リード部１５３が接続されており、この第１断線検知リード部１５３は、第１リード部１４９と近接して平行に延出されている。同様に、基準電極１４７に、前記実施例１と同様に、第２断線検知リード部１５５が接続されており、この第２断線検知リード部１５５は、第２リード部１５１と近接して平行に延出されている。

更に、第１、第２断線検知リード部１５３、１５５の後端は、前記実施例１と同様な検知抵抗部１５７を介して、接続されている。
そして、本実施例３では、第１リード部１４９と第２リード部１５１との間の出力電力の変化によって、前記実施例１と同様に、断線を検知することができる。

従って、本実施例３では、第１リード部１４９及び第２リード部１５１の少なくとも一方がクラック等の素子損傷によって断線した場合には、断線したリード部に並列に配置された第１断線検知リード部１５３や第２断線検知リード部１５５も同様に断線する可能性が高いので、第１リード部１４９や第２リード部１５１における断線を効果的に検知することができる。

特に本実施例では、第１リード部１４９及び第２リード部１５１のどちらか一方でも断線した場合に、その断線を検知できるので、一層精度良く断線を検知できるという利点がある。

次に本実施例４について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例４では、前記実施例１とは、ガスセンサ素子の形状が大きく異なる。
ａ）まず、本実施例のガスセンサの構成について説明する。

図８に示す様に、本実施例のガスセンサ２０１は、軸線方向に延びて先端が閉じた有底筒状のガスセンサ素子２０３と、ガスセンサ素子２０３の内部に配置されてガスセンサ素子２０３を加熱する棒状のセラミックヒータ２０５と、ガスセンサ２０１の内部構造物を収容するとともにガスセンサ２０１を排気管等の取付部に固定するケーシング２０７などを備えている。

このうち、ケーシング２０７は、ガスセンサ素子２０３を保持するとともに、ガスセンサ素子２０３の先端側の検知部２０９を排気管等の内部に突出させる主体金具２１１と、主体金具２１１の上部に延設されてガスセンサ素子２０３との間で基準ガス空間を形成する外筒２１３とを備えている。

前記主体金具２１１は、その内部に、ガスセンサ素子２０３を下方から支持するセラミックホルダ２１５と、セラミックホルダ２１５の上部に充填される充填材２１７と、充填材２１７を上方から押圧するセラミックスリーブ２１９などを収容している。

なお、主体金具２１１の下端側外周には、前記実施例１と同様に、ガスセンサ素子２０３の突出部分を覆うとともに、複数の孔部を有する金属製の二重のプロテクタ２２１が溶接によって取り付けられている。

一方、主体金具２１１の上部開口を覆うように、外筒２１３が主体金具２１１に外挿されており、この下端開口端に外方から溶接が施されている。
また、外筒２１３の上端開口の近傍には、セパレータ２２３が内挿されている。このセパレータ２２３は、（ガスセンサ素子２０３と接続される）複数の接続端子２２５が収容される挿通孔２２６が形成されている。なお、各接続端子２２５には、それぞれリード線２２７が接続されている。

また、外筒２１３の上端開口には、その開口部分を閉塞するようにゴムキャップ２２９が配置されており、このゴムキャップ２２９には、リード線２２７が挿通されている。
ｂ）次に、本実施例の要部であるガスセンサ素子２０３について説明する。

図９に示す様に、ガスセンサ素子２０３は、ジルコニアを主成分とする固体電解質からなる有底円筒の基体（固体電解質体）２３１を有しており、この固体電解質体２３１には、周方向に沿って外側に張り出す鍔部２３３が環状に形成されている。

また、鍔部２３３（固体電解質体２３１より外側）より先端側には、検知電極２３５が形成されており、この検知電極２３５は、Ｐｔにより多孔質に形成された電極である。一方、ガスセンサ素子２０３の内側には全面にわたって基準電極２３７（図１０参照）が形成されており、この基準電極２３７も、Ｐｔにより多孔質に形成された電極である。

更に、ガスセンサ素子２０３の後端側の外周面には、前記接続端子２２５と接触するＰｔ／Ｐｄからなる後端端子部２３８が環状に設けられており、また、ガスセンサ素子２０３の外周面には、検知電極２３５と後端端子部２３８とを電気的に接続するように、鍔部２３３を超えてガスセンサ素子２０３の軸方向に延びるＰｔを主成分とする第１リード部２３９が設けられている。

特に、本実施例４では、検知電極２３５とガスセンサ素子２０３の後端とを繋ぐように、第１リード部２３９の幅方向に隣接する形で第１リード部２３９と近接して（１．０ｍｍの間隔で）平行に、第１リード部２３９と同様な断線検知リード部２４１が形成されている。

この断線検知リード部２４１と後端端子部２３８とは交差するので、この交差部分でショートが発生しないように、断線検知リード部２４１と後端端子部２３８とは、例えばアルミナからなる電気絶縁層２４３によって、電気的に絶縁されている。

また、断線検知リード部２４１の後端と基準電極２３７との間には、前記実施例１と同様な抵抗値を有する検知抵抗部２４５が設けられている。
本実施例４においても、例えば第１リード部２３９が素子損傷により断線した場合には、断線検知リード部２４１も断線する可能性が高いので、ガスセンサ１の断線を効果的に検知することができる。

尚、本発明は前記実施例や変形例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、前記実施例では、ヒータを備えたガスセンサを例に挙げたが、本発明は、ヒータを備えていないガスセンサにも適用できる。

（２）また、前記実施例では、酸素センサを例に挙げたが、ＮＯｘセンサやＨＣセンサなどの固体電解質体を用いて特定ガスの濃度を検出するガスセンサ全般に本発明を適用することができる。
（３）また、前記実施例１では、ガスセンサ素子７として、板状の固体電解質体５５上に、検知電極５９、基準電極５７、第１リード部６１、第２リード部６３を配置して酸素濃淡電池素子５１を構成するようにしたが、この構成に限定されない。

例えば、アルミナを主体とするとともに板状をなす（長手方向に延びる）絶縁性セラミック体の先端側に、当該絶縁性セラミック体の表裏面を貫く開口部（くりぬき部）を設け、この開口部に固体電解質体を埋め込み、この固体電解質体上に検知電極及び基準電極を設けて検知部を形成するようにしてもよい。そして、絶縁性セラミック体上に、検知電極及び基準電極のそれぞれに接続しつつ長手方向に延びる一対のリード部を設けるようにして、酸素濃淡電池素子を構成するようにすればよい。このような形態のガスセンサ素子においても、前記実施例１と同様の断線検知回路部７２を設けることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。

１、２０１…ガスセンサ
７、１２１、１４１、２０３…ガスセンサ素子
５５、１２３、１４３、２３１…固体電解質体
５７、１２７、１４７、２３７…基準電極（内側電極：第２電極）
５９、１２５、１４５、２３５…検知電極（外側電極：第１電極）
６０、２０９…検知部
６１、１２９、１４９、２３９…第１リード部
６３、１３１、１５１…第２リード部
６５、１３３、２４１…断線検知リード部
６７、２４５…検知抵抗部
７２…断線検知回路部
１０１…ガスセンサシステム
１５３…第１断線検知リード部
１５５…第２断線検知リード部

Claims (8)

1. 固体電解質体と、該固体電解質体上に形成された第１電極及び第２電極と、を有する検知部を含み、長手方向に沿って延びるガスセンサ素子であって、前記第１電極又は前記第２電極に接続され、前記長手方向に延びるリード部を有するガスセンサ素子を備えたガスセンサにおいて、
   前記ガスセンサ素子は、前記固体電解質体に対して電気的に並列に接続された断線検知回路部を備え、
   前記断線検知回路部は、リード部の幅方向に隣接する形で当該リード部に沿って並ぶように配置されて、該リード部が断線する断線領域にて断線する断線検知リード部を備えたことを特徴とするガスセンサ。
2. 前記断線検知回路部は、所定の電圧の印加によって電流が流れることが可能なように、前記固体電解質体が活性化していないときの抵抗値よりも低い抵抗値を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記検知部は、前記ガスセンサ素子の長手方向の一端である先端側に設けられており、前記リード部及び前記断線検知リード部は、前記検知部が設けられた先端側から後端側に延びるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 前記リード部は、前記第１電極に接続されるとともに前記第１電極から延びるように設けられた第１リード部、及び、前記第２電極に接続されるとともに前記第２電極から延びるように設けられた第２リード部のそれぞれを有しており、
   前記断線検知リード部は、前記断線領域よりも先端側の第１電極に接続されて前記第１リード部に沿って延びるとともに、前記断線領域よりも後端側の第２リード部に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記リード部は、前記第１電極に接続されるとともに前記第１電極から延びるように設けられた第１リード部、及び、前記第２電極に接続されるとともに前記第２電極から延びるように設けられた第２リード部のそれぞれを有しており、
   前記断線検知リード部は、前記断線領域よりも先端側の第２電極に接続されて前記第２リード部に沿って延びるとともに、前記断線領域よりも後端側の第１リード部に接続されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
6. 前記リード部は、前記第１電極に接続されるとともに前記第１電極から延びるように設けられた第１リード部、及び、前記第２電極に接続されるとともに前記第２電極から延びるように設けられた第２リード部のそれぞれを有しており、
   前記断線検知リード部は、前記断線領域よりも先端側の第１電極に接続されるとともに、前記第１リード部に沿って前記断線領域よりも後端側に延びる第１断線検知リード部と、前記断線領域よりも先端側の第２電極に接続されるとともに、前記第２リード部に沿って前記断線領域よりも後端側に延びる第２断線検知リード部と、を有するとともに、
   前記第１断線検知リード部と前記第２断線検知リード部とは、前記断線領域より後端側にて接続されていることを特徴とする請求項３に記載のガスセンサ。
7. 前記断線検知回路部は、所定の電圧の印加によって電流が流れることが可能なように、前記固体電解質体が活性化していないときの抵抗値よりも低い抵抗値を有するとともに、前記断線検知リード部に接続される検知抵抗部であって、該断線検知リード部の抵抗値よりも大きい抵抗値を有する検知抵抗部を備えており、該検知抵抗部は、前記断線領域よりも後端側に配置されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 前記請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサにおける断線を検知する断線検知方法であって、
   前記断線検知回路部の両端間に、断線検知用の電流を流し、その電流に応じた前記断線検知回路部の両端間の出力信号に基づいて、断線検知を行うことを特徴とする断線検知方法。