JP2016070883A - ガスセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサが活性化する前の状態において、ガスセンサの酸素ポンプセルのブラックニングの発生を防止したガスセンサシステムを提供する。【解決手段】第１端子T1及び第２端子T2に導通する酸素ポンプセル14、並びに、第２端子T2及び第３端子T3に導通する酸素濃度検知セル24を有するガスセンサ2と、センサ制御部40とを備えるガスセンサシステム1のセンサ制御部40は、第１端子T1と第２端子T2との間を断続可能に接続し、酸素ポンプセル14に酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセル14の内部抵抗よりも小さい抵抗値R1cを有する第１回路45と、ガスセンサ2が活性化するまでの活性待ち期間内に、第１端子T1と第２端子T2とを第１回路45を介して接続する１−２端子間接続手段と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルを有するガスセンサと、このガスセンサを制御するセンサ制御部とを備えるガスセンサシステムに関する。

従来より、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルの２つのセルを有する全領域空燃比センサや、上記２つのセルに、ＮＯｘガス濃度を検知するセルを加えた３つのセルを有するＮＯｘセンサなどのガスセンサが知られており、これを制御するセンサ制御部と共にガスセンサシステムを構成して、車両等に搭載される。

ところで、このようなガスセンサシステムでは、ガスセンサに通電した際に、酸素ポンプセルや酸素濃度検知セルに過大な電圧がかかると、固体電解質セラミック（ジルコニア）からの酸素イオンの喪失によるセルの黒化現象（いわゆるブラックニング）等が生じて、ガスセンサの特性劣化を生じる場合がある。特にガスセンサが活性化する前において、このような現象が生じやすい。
このため、従来より、ガスセンサが活性化するまでの間、ガスセンサに対する通電状態を、所定の活性前の通電状態とし、活性後に、通電状態を切り替えて、ガス濃度を測定するガス濃度測定用の通電状態とすることが行われている（例えば、特許文献１）。

特開２００８−７０１９４号公報

しかしながら、ガスセンサが活性化する前の状態のうち、初期の段階では、ガスセンサの温度が低く、酸素濃度検知セルや酸素ポンプセルの素子インピーダンス（内部抵抗）が高い状態である。このため、セルに微小な電流を流したり、電荷が発生するだけで、セルの両端には、大きな電位差が生じることとなる。特に、酸素ポンプセルに、セルの両端に大きな電位差が生じた状態で電流を流し続けると、ブラックニングが生じやすいという問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、ガスセンサが活性化する前の段階で、ガスセンサの酸素ポンプセルのブラックニングの発生を抑制できるガスセンサシステムを提供する。

その一態様は、第１端子及び第２端子に電気的に導通する酸素ポンプセル、並びに、上記第２端子及び第３端子に電気的に導通する酸素濃度検知セルを有するガスセンサと、上記第１端子、上記第２端子及び上記第３端子を通じて上記ガスセンサを制御するセンサ制御部と、を備えるガスセンサシステムであって、上記センサ制御部は、上記第１端子と上記第２端子との間を断続可能に接続し、上記酸素ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない状態における上記酸素ポンプセルの内部抵抗よりも小さい抵抗値を有する第１回路と、上記ガスセンサが活性化するまでの活性待ち期間内に、上記第１端子と上記第２端子とを上記第１回路を介して接続する１−２端子間接続手段と、を備えるガスセンサシステムである。

このガスセンサシステムでは、ガスセンサが活性化するまでの活性待ち期間内に、第１端子と第２端子とを第１回路を介して接続する。この間、酸素ポンプセルの両端の電極間（第１端子と第２端子との間）が、第１回路を介して接続される。

第１回路の抵抗値は、酸素ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセルの内部抵抗よりも小さい値としてある。
セルの温度が低く、酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセルの内部抵抗は、例えば１００ｋΩ以上の高抵抗である。そこで、第１回路の抵抗値を、例えば、１ｋΩ〜１０ｋΩ程度とすると、活性待ち期間のうち、酸素ポンプセルの内部抵抗が第１回路の抵抗値よりも大きい状態では、酸素ポンプセルに電荷が発生しても、発生した電荷は、第１回路を介して放電される。このため、活性待ち期間において、酸素ポンプセルに発生した電荷を第１回路を介して放電することができる。
また、酸素ポンプセルの内部抵抗が第１回路の抵抗値よりも大きい状態では、酸素ポンプセルに電流を流そうとしても、その多くが第１回路を流れ、酸素ポンプセルに生じる電圧降下も小さくなる。
これにより、酸素ポンプセルの両端間に生じる電圧差が小さくなり、酸素ポンプセルのブラックニングの発生を抑制することができる。

さらに、上述のガスセンサシステムであって、前記センサ制御部は、前記第２端子に接続して、所定の基準電位を印加する基準電位回路と、前記活性待ち期間のうち、前記１−２端子間接続手段により前記第１端子と前記第２端子とを前記第１回路を介して接続している間、上記基準電位回路により上記第２端子に上記基準電位を印加する活性前基準電位印加手段と、を備えるガスセンサシステムとすると良い。

このガスセンサシステムでは、活性待ち期間のうち、１−２端子間接続手段により第１端子と第２端子とを第１回路を介して接続している間、第２端子に基準電位を印加する。これにより、酸素ポンプセルをブラックニングから保護しつつ、ガスセンサの各端子の電位を安定した電位で保持できる。

さらに、上述のいずれかのガスセンサシステムであって、前記ガスセンサは、被測定ガスが導入される測定室を内部に有し、前記酸素ポンプセルは、上記測定室外に配置されて前記第１端子に導通する第１ポンプ電極、及び、上記測定室に面して配置されて前記第２端子に導通する第２ポンプ電極を有し、前記センサ制御部は、上記第１端子を通じて上記酸素ポンプセルに、ポンプ電流を流すポンプ電流出力回路と、上記ポンプ電流出力回路から上記第１端子を通じて上記酸素ポンプセルへ流す上記ポンプ電流をオンオフするポンプ電流スイッチと、前記活性待ち期間のうち、前記１−２端子間接続手段により上記第１端子と上記第２端子とを前記第１回路を介して接続している間、上記ポンプ電流スイッチをオフにする第１遮断手段と、を備えるガスセンサシステムとすると良い。

このガスセンサシステムでは、活性待ち期間のうち、第１端子と第２端子とを第１回路を介して接続している間、酸素ポンプセルへ流すポンプ電流を遮断している。このため、活性待ち期間において、ポンプ電流による電圧降下が酸素ポンプセルに生じないので、酸素ポンプセルのブラックニングの発生をより確実に抑制することができる。

さらに、上述のいずれかのガスセンサシステムであって、前記ガスセンサは、被測定ガスが導入される測定室、及び、基準酸素雰囲気とされる基準酸素室を内部に有し、前記酸素濃度検知セルは、上記基準酸素室に配置されて前記第３端子に導通する第１検知電極、及び、上記測定室に面して配置されて前記第２端子に導通する第２検知電極を有し、前記センサ制御部は、上記第３端子を通じて上記酸素濃度検知セルに、上記基準酸素室に酸素を汲み入れる定電流を流す定電流出力回路と、前記活性待ち期間に、上記定電流出力回路により上記酸素濃度検知セルに上記定電流を流して上記基準酸素室に酸素を供給する活性前定電流出力手段と、を備えるガスセンサシステムとするのが好ましい。

このガスセンサシステムでは、ガスセンサが活性化する前の活性待ち期間に、酸素濃度検知セルに定電流を流して基準酸素室に酸素を供給しているので、ガスセンサが活性化した後、速やかにガス濃度の測定を開始することができる。

さらに、上述のガスセンサシステムであって、前記センサ制御部は、前記酸素濃度検知セルに流す前記定電流に一時的な変化を生じさせて、この変化に応答して前記第１検知電極と前記第２検知電極との間に生じる電圧の応答変化量を検出する変化量検出手段と、上記応答変化量に基づいて、上記酸素濃度検知セルの内部抵抗を検知する内部抵抗検知手段と、上記内部抵抗に基づいて、前記ガスセンサが活性化したか否かを判別する活性化判別手段と、を備えるガスセンサシステムとするのが好ましい。

このガスセンサシステムでは、酸素濃度検知セルに定電流を流しつつ、この定電流に一時的な変化を生じさせることで、酸素濃度検知セルの内部抵抗を検知している。そして、この検知した内部抵抗に基づいて、ガスセンサが活性化したか否かを判別している。これにより、ガスセンサが活性化したか否かを適切に判別することできる。

さらに、上述のガスセンサシステムであって、前記ガスセンサは、前記酸素ポンプセル及び前記酸素濃度検知セルを含むセンサ素子部を加熱するヒータ部を有し、前記センサ制御部は、前記内部抵抗検知手段で検知した前記内部抵抗が目標抵抗値となるように、上記ヒータ部への通電をフィードバック制御するヒータ通電制御手段を備えるガスセンサシステムとするのが好ましい。

このガスセンサシステムでは、ヒータ部への通電をフィードバック制御することにより、ガスセンサのセンサ素子部を一定の素子温度に維持することができる。

実施形態に係るガスセンサシステムを車両の内燃機関の制御に用いた場合の全体構成を示す説明図である。 実施形態に係るガスセンサシステムの概略構成を示す説明図である。 実施形態に係るガスセンサシステムのうち、ガスセンサの構成を示す概略断面図である。 実施形態に係るガスセンサシステムの全体の処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態に係るガスセンサシステムのうち、デジタルシグナルプロセッサの活性待ち処理における処理動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るガスセンサシステム１を車両の内燃機関の制御に用いた場合の全体構成を示す図である。また、図２は、ガスセンサシステム１の概略構成を示す図である。
このガスセンサシステム１は、車両（図示しない）の内燃機関ＥＮＧ（エンジン）の排気管ＥＰに装着されるガスセンサ２と、これを制御するセンサ制御部４０を備える。
なお、ガスセンサ２は、排気ガスＥＧ（被測定ガス）中の酸素濃度（空燃比）をリニアに検知して、内燃機関における空燃比フィードバック制御に用いる空燃比センサ（全領域空燃比センサ）である。このガスセンサ２は、図２に示すように、酸素濃度を検知するセンサ素子部３、及びセンサ素子部３を加熱するヒータ部８０を有する。
センサ制御部４０は、このガスセンサ２に接続され、これを制御する。また、ガスセンサシステム１は、接続バス１０１を介して、車両のＣＡＮバス１０２に接続され、ＥＣＵ１００との間でデータの送受信が可能とされている。センサ制御部４０は、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）により構成されており、ガスセンサ２のセンサ素子部３を制御する回路のほか、デジタルシグナルプロセッサ３０と、ヒータ部８０を制御するヒータ部制御回路７０とを備えている。

まず、ガスセンサ２について説明する。図３は、ガスセンサ２の構成を示す概略構成図である。ガスセンサ２のうち、センサ素子部３は、酸素ポンプセル１４と、多孔質層１８と、酸素濃度検知セル２４と、をこの順に積層した積層体である。そして、このセンサ素子部３に、さらにヒータ部８０が積層されている。

酸素ポンプセル１４は、板状でジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性を有する固体電解質体からなる電解質層１４ｃを基体とし、その両面に多孔質の白金を主体とする一対の電極１２，１６（多孔質電極）が形成されている。具体的には、電解質層１４ｃの一方の面（図中、上方）である外面１４Ｅに第１ポンプ電極１２が、他方の面（図中、下方）である内面１４Ｉに第２ポンプ電極１６が、それぞれ形成されている。
同様に、酸素濃度検知セル２４は、板状でジルコニアを主体とした酸素イオン伝導性を有する固体電解質体からなる電解質層２４ｃを基体とし、その両面に多孔質の白金を主体とする一対の電極２２，２８（多孔質電極）が形成されている。具体的には、電解質層２４ｃの一方の面（図中、下方）である外面２４Ｅに第１検知電極２８が、他方の面（図中、上方）である内面２４Ｉに第２検知電極２２が、それぞれ形成されている。

酸素ポンプセル１４の電解質層１４ｃの内面１４Ｉは、酸素濃度検知セル２４の電解質層２４ｃの内面２４Ｉと対向し、電解質層１４ｃと電解質層２４ｃの間には、多孔質層１８が挟まれている。多孔質層１８は、電解質層１４ｃの内面１４Ｉ及び電解質層２４ｃの内面２４Ｉの縁に沿う多孔質壁部１８ｃを有しており、多孔質層１８の内部は、この多孔質壁部１８ｃと電解質層１４ｃと電解質層２４ｃとによって囲まれ、排気ガスＥＧを導入可能な中空の測定室２０を構成している。なお、多孔質層１８は、測定室２０内に排気ガスＥＧを流入させると共に、その流入速度を制限する。

この測定室２０内には、酸素ポンプセル１４の第２ポンプ電極１６及び、酸素濃度検知セル２４の第２検知電極２２が露出している。これらの電極１６，２２は、互いに電気的に導通されると共に、センサ素子部３のＣＯＭ端子に接続している。また、酸素ポンプセル１４の第１ポンプ電極１２はセンサ素子部３のＩｐ＋端子に接続し、酸素濃度検知セル２４の第１検知電極２８はセンサ素子部３のＶｓ＋端子に接続している。

また、酸素ポンプセル１４の第１ポンプ電極１２の全体は、第１ポンプ電極１２の被毒を抑制する保護層１５によって覆われている。保護層１５は、多孔質のセラミック等によって形成されており、排気ガスＥＧの流れる流路中に配置されている。排気ガスＥＧは、保護層１５を通じて、第１ポンプ電極１２に到達し得る。

ヒータ部８０は、酸素濃度検知セル２４の電解質層２４ｃの外面２４Ｅに積層されており、導体で形成されたヒータ抵抗８７を、一対のアルミナシート８３，８５で挟んだ構成を有している。ヒータ部８０で、センサ素子部３の温度を高めることによって、センサ素子部３の電解質層１４ｃ，２４ｃを活性化させる。これにより、酸素イオンが電解質層１４ｃ，２４ｃ中を移動できるようになる。

また、ヒータ部８０のアルミナシート８３は、酸素濃度検知セル２４の第１検知電極２８の全体を覆うことによって、第１検知電極２８を封止している。なお、第１検知電極２８（多孔質電極）の内部の空間（孔）は、基準酸素室２６を構成しており、後述するように、内部酸素基準源として機能する。

次いで、図２を参照しつつ、ガスセンサシステム１について説明する。センサ制御部４０は、前述したように、デジタルシグナルプロセッサ３０（以下、単にプロセッサ３０ともいう）を内蔵したＡＳＩＣにより構成されている。このセンサ制御部４０は、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２及び第３端子Ｔ３を備えており、これらの端子を通じて、ガスセンサ２のセンサ素子部３を制御する。なお、第１端子Ｔ１は、第１配線Ｌ１を介して、センサ素子部３のＩｐ＋端子に接続される。また、第２端子Ｔ２は、第２配線Ｌ２を介して、センサ素子部３のＣＯＭ端子に接続される。また、第３端子Ｔ３は、第３配線Ｌ３を介して、センサ素子部３のＶｓ＋端子に接続される。

また、センサ制御部４０は、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２及び第３端子Ｔ３にそれぞれ接続するＡ／Ｄコンバータ４１，４２，４３を有している。
Ａ／Ｄコンバータ４１は、第１端子Ｔ１の第１端子電位Ｖ１を検知し、これをＡ／Ｄ変換して、プロセッサ３０に入力する。同様に、Ａ／Ｄコンバータ４２は、第２端子Ｔ２の第２端子電位Ｖ２を検知し、これをＡ／Ｄ変換して、プロセッサ３０に入力する。また、Ａ／Ｄコンバータ４３は、第３端子Ｔ３の第３端子電位Ｖ３を検知し、これをＡ／Ｄ変換して、プロセッサ３０に入力する。
なお、Ａ／Ｄコンバータ４１，４２，４３は、後述するポンプ電流ＩｐのＰＩＤ制御に用いられるほか、ガスセンサ２の短絡異常や断線異常の診断を行う際にも用いられる。また、後述するように、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗Ｒｐｖｓを検知する際にも用いられる。

また、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間には、第１抵抗器Ｒ１及び第１スイッチＳＷ１からなる第１回路４５が接続されている。第１抵抗器Ｒ１の第１抵抗値Ｒ１ｒは、Ｒ１ｒ＝１ｋΩであり、第１スイッチＳＷ１は、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間の第１抵抗器Ｒ１を介した接続を断続する。なお、第１スイッチＳＷ１の抵抗値（オン抵抗）は、第１抵抗値Ｒ１ｒに対して無視できる大きさであり、本実施形態では、第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ＝第１抵抗値Ｒ１ｒ＝１ｋΩである。そして、この抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ）を有する第１回路４５によって、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間を断続可能に接続する。
さらに、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間には、第２抵抗器Ｒ２及び第２スイッチＳＷ２からなる第２回路４６が接続されている。第２抵抗器Ｒ２の第２抵抗値Ｒ２ｒは、Ｒ２ｒ＝１ｋΩであり、第２スイッチＳＷ２は、第２端子Ｔ２と第３端子Ｔ３との間の第２抵抗器Ｒ２を介した接続を断続する。なお、第２スイッチＳＷ２の抵抗値（オン抵抗）は、第２抵抗値Ｒ２ｒに対して無視できる大きさであり、第１回路４５と同様に、本実施形態では、第２回路４６の抵抗値Ｒ２ｃ＝第２抵抗値Ｒ２ｒ＝１ｋΩである。
これら第１回路４５及び第２回路４６は、ガスセンサ２の短絡異常の診断に用いる回路であり、ガスセンサ２の短絡異常の診断を行う際に、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をオンにする。一方、後述するように、ガスセンサ２の活性待ち処理の際には、第１スイッチＳＷ１はオンとするが、第２スイッチＳＷ２はオフとし、第２回路４６は使用しない。また、ガスセンサ２の断線異常の診断時や、ガスセンサ２の通常の使用時には、第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２をいずれもオフとし、第１回路４５及び第２回路４６は使用しない。なお、第１回路４５及び第２回路４６を用いて行う短絡異常及び断線異常の診断については、説明を省略する。

第１端子Ｔ１には、第３スイッチＳＷ３を介して、プロセッサ３０からの指示で酸素ポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流すＤ／Ａコンバータ（以下、「電流ＤＡＣ」という）４７の出力が接続している。第３スイッチＳＷ３は、電流ＤＡＣ４７から第１端子Ｔ１を通じて酸素ポンプセル１４へ流すポンプ電流Ｉｐをオンオフする。
さらに、第２端子Ｔ２には、第４スイッチＳＷ４を介して、＋２．５Ｖの基準電位Ｖｒｅｆを出力する基準電位回路としてのオペアンプ４４の出力が接続している。第４スイッチＳＷ４は、オペアンプ４４から第２端子Ｔ２への基準電位Ｖｒｅｆの印加をオンオフする。
また、第３端子Ｔ３には、第５スイッチＳＷ５を介して、プロセッサ３０からの指示で酸素濃度検知セル２４に一定の微小電流Ｉｃｐ（＝２０μＡ）や、後述する内部抵抗Ｒｐｖｓを検知するための内部抵抗検知電流Ｉｒｐｖｓを流すＤ／Ａコンバータ（電流ＤＡＣ）４８の出力が接続している。第５スイッチＳＷ５は、電流ＤＡＣ４８から第３端子Ｔ３を通じて酸素濃度検知セル２４へ流す微小電流Ｉｃｐなどをオンオフする。
なお、ガスセンサ２の通常の使用時には、第３スイッチＳＷ３〜第５スイッチＳＷ５をオンにするが、初期設定後や、ガスセンサ２の短絡異常や断線異常を検知した場合などには、第３スイッチＳＷ３〜第５スイッチＳＷ５をオフにする。

また、酸素濃度検知セル２４へ流す微小電流Ｉｃｐは、酸素濃度検知セル２４に対して、測定室２０内の酸素を第１検知電極２８（多孔質電極）に汲み入れる作用をする。これにより、基準酸素室２６は内部酸素基準源として機能する。
さらに、プロセッサ３０は、酸素濃度検知セル２４にこのような一定の微小電流Ｉｃｐを流しつつ、酸素濃度検知セル２４の両端に発生する検知セル電圧Ｖｓ（Ａ／Ｄコンバータ４３で検知する第３端子電位Ｖ３とＡ／Ｄコンバータ４２で検知する第２端子電位Ｖ２との差）が所定の電圧になるように、酸素ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐを制御する、いわゆるデジタル方式によるＰＩＤ制御を行う。これにより、多孔質層１８を通じて測定室２０に導入された排気ガスＥＧ中の酸素の汲み入れ及び汲み出しが行われる。

そして、プロセッサ３０のＰＩＤ制御により制御される酸素ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐの電流値及び電流の方向は、多孔質層１８を通じて測定室２０内に導入される排気ガスＥＧ中の酸素濃度（空燃比）に応じて変化する。これにより、ポンプ電流Ｉｐに基づいて排気ガスＥＧ中の酸素濃度を検知することができる。つまり、センサ制御部４０は、酸素濃度検知セル２４に発生する検知セル電圧Ｖｓが所定の電圧になるように、酸素ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐをフィードバック制御することで、ガスセンサ２の駆動制御を行う。

また、センサ制御部４０は、ヒータ部制御回路７０に接続する第４端子Ｔ４及び第５端子Ｔ５を備えており、これら第４端子Ｔ４及び第５端子Ｔ５は、第４配線Ｌ４及び第５配線Ｌ５を介して、ガスセンサ２のヒータ部８０に接続している。また、ヒータ部制御回路７０は、プロセッサ３０に接続されており、このプロセッサ３０からの指示で、ヒータ部８０への通電のオンオフがＰＷＭ制御される。また、このヒータ部８０への通電制御にあたっては、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗（後述する応答変化量ΔＶｓに基づいた内部抵抗Ｒｐｖｓ）が検知され、内部抵抗が目標抵抗値となるようにフィードバック制御が行われる。
ここでは、プロセッサ３０によるポンプ電流Ｉｐのデジタル方式のＰＩＤ制御や、ヒータ部８０のＰＷＭ制御の詳細については、説明を省略する。

なお、このガスセンサシステム１では、ヒータ部８０によりガスセンサ２を加熱する前に、ガスセンサ２の短絡異常の診断を行う。そして、短絡異常が無い場合には、ヒータ部８０への通電を開始して、ガスセンサ２を昇温させ、ガスセンサ２の活性化途中の段階で、ガスセンサ２の断線異常の診断を行う。さらに、断線異常が無い場合には、ガスセンサ２が活性化するまで、活性待ちの処理を行う。

この活性待ちの処理では、第３スイッチＳＷ３をオフとして、まだ、ポンプ電流ＩｐのＰＩＤ制御は行わず、酸素ポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流さない状態としている。一方、酸素濃度検知セル２４には、一定の微小電流Ｉｃｐを流して、基準酸素室２６に酸素を供給している。
また、所定のタイミングが経過する毎に微小電流Ｉｃｐに一時的な変化を生じさせることで、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗を検知し、これを用いて、ヒータ部８０への通電のフィードバック制御を行う。

図４は、ガスセンサシステム１の全体の処理の流れを示すフローチャートである。この図４に示すように、このガスセンサシステム１では、システム１が起動されると、まず短絡異常の診断（ステップＳＡ）を行う。次いで、断線異常の診断（ステップＳＢ）を行い、さらに、活性待ちの処理（ステップＳＣ）を行って、活性化後に、酸素濃度の検知処理（ステップＳＤ）に移行する。なお、断線異常の診断（ステップＳＢ）では、その途中で、ヒータ部８０への通電、即ち、ガスセンサ２のセンサ素子部３（酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４）の加熱を開始する。
本明細書では、ガスセンサ２の短絡異常及び断線異常の診断（図４のステップＳＡ及びステップＳＢ）の詳細については説明を省略し、センサ制御部４０によるガスセンサ２の活性待ちの処理（図４のステップＳＣ）について、図２のほか、図５のプロセッサ３０の処理動作を示すフローチャートを参照して説明する。

断線異常の診断（図４のステップＳＢ）において、断線異常が無い場合には、活性待ち処理（図４のステップＳＣ）を開始し、ステップＳ１に進む（図５参照）。
ステップＳ１では、第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３をオフにする一方、第１スイッチＳＷ１、第４スイッチＳＷ４及び第５スイッチＳＷ５をオンにする。なお、第４スイッチＳＷ４をオンとすることにより、オペアンプ４４から第２端子Ｔ２に基準電位Ｖｒｅｆ（＝＋２．５Ｖ）を印加する。また、第５スイッチＳＷ５をオンすることにより、電流ＤＡＣ４８の出力を第３端子Ｔ３に入力する。

加えて、第１スイッチＳＷ１をオンにすることにより、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間、従って、酸素ポンプセル１４の両端の電極１２，１６間を、第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して接続する。
なお、第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ）は１ｋΩであるが、この値は、酸素ポンプセル１４に酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセル１４の内部抵抗（１００ｋΩ以上）よりも小さい。また、この第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ＝１ｋΩ）は、ガスセンサ２の活性状態における酸素ポンプセル１４の内部抵抗（４５０Ω以下）よりも大きい値でもある。

次いで、ステップＳ２では、電流ＤＡＣ４８から第３端子Ｔ３を通じて酸素濃度検知セル２４に一定の微小電流Ｉｃｐ（＝２０μＡ）を流す。
続くステップＳ３では、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗を用いた、ヒータ部８０への通電のフィードバック制御（Ｒｐｖｓ制御ともいう）を開始する。具体的には、図示しないヒータ通電制御ルーチンを別途実行して、次述する内部抵抗Ｒｐｖｓが目標抵抗値となるように、ヒータ部８０への通電をフィードバック制御する。なお、前述したように、断線異常の診断（図４のステップＳＢ）において、ヒータ部８０への通電によるガスセンサ２のセンサ素子部３の加熱は既に開始している。このため、断線異常の診断中に、酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４は、酸素イオン伝導性を発現しており、酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の内部抵抗は、それぞれ１００ｋΩ以下まで低下している。
さらに、続くステップＳ４では、時間を計測するタイマをスタートさせる。

次いで、ステップＳ５では、現在のタイミングが内部抵抗検知タイミングであるか否かを判断する。内部抵抗検知タイミングの場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ６に進み、内部抵抗検知タイミングでない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ６及びステップＳ７をスキップして、ステップＳ８に進む。

ステップＳ６では、酸素濃度検知セル２４に流している微小電流Ｉｃｐを一時的に内部抵抗検知電流Ｉｒｐｖｓに変化させて、この変化に応答して、酸素濃度検知セル２４の第１検知電極２８と第２検知電極２２との間に生じる電圧の応答変化量ΔＶｓ（検知セル電圧Ｖｓの変化量）を検出する。ステップＳ７では、この応答変化量ΔＶｓに基づいて、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗Ｒｐｖｓを検知（算出）する。

次いで、ステップＳ８に進み、検知した内部抵抗Ｒｐｖｓが、ガスセンサ２（酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４）が活性化したか否かの基準である基準抵抗値Ｒｒｅｆ（＝４５０Ω）よりも小さいか否かを判別する。即ち、ステップＳ８では、内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいて、ガスセンサ２が活性化したか否かを判別する。内部抵抗Ｒｐｖｓが基準抵抗値Ｒｒｅｆ（＝４５０Ω）よりも小さくなった場合（Ｙｅｓ）には、ガスセンサ２が活性化したと判別し、ステップＳ１０に進む。一方、それ以外の場合（Ｎｏ）は、まだガスセンサ２が活性化していないと判別して、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９では、ステップＳ３でヒータ部８０への通電のフィードバック制御（Ｒｐｖｓ制御）を開始し、ステップＳ４でタイマをスタートさせてから、所定時間ＴＭ（＝３０秒）が経過したか否かを判断する。所定時間ＴＭが経過していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ５に戻り、ステップＳ５〜Ｓ９を繰り返す。

なお、酸素ポンプセル１４の内部抵抗は、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗Ｒｐｖｓとほぼ同じ値で推移すると考えられる。一方、第１抵抗器Ｒ１の第１抵抗値Ｒ１ｒ（＝１ｋΩ）は、基準抵抗値Ｒｒｅｆ（＝４５０Ω）よりも大きい値に選択してある。
所定時間ＴＭが経過しても、ステップＳ８でＹｅｓとならない場合には、ステップＳ９でＹｅｓとなり、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１では、第１スイッチＳＷ１〜第５スイッチＳＷ５を全てオフする。次いで、ステップＳ１２に進み、ヒータ部８０への通電のフィードバック制御（Ｒｐｖｓ制御）を停止すると共に、ヒータ部８０への通電をオフする。
さらに、ステップＳ１３に進み、ガスセンサ２の活性不良と判定して、ＥＣＵ１００に異常内容（活性不良の判定結果）を報告する。その後、活性化後の酸素濃度の検知処理（図４のステップＳＤ）には進まず、プロセッサ３０の処理を終了する（システム終了）。

一方、ステップＳ８でＹｅｓとなった場合、即ち、ガスセンサ２が活性化した場合は、ステップＳ１０で、第１スイッチＳＷ１をオフし、第３スイッチＳＷ３をオンする。これにより、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間に接続されていた第１抵抗器Ｒ１が切り離される。また、第３スイッチＳＷ３をオンすることにより、電流ＤＡＣ４７から第１端子Ｔ１を通じて酸素ポンプセル１４へポンプ電流Ｉｐが流れるようにする。
その後、活性化後の処理である酸素濃度の検知処理（図４のステップＳＤ）に移行する。

本実施形態において、センサ制御部４０のうち、オペアンプ４４が基準電位回路に相当し、第４スイッチＳＷ４が基準電位スイッチに相当する。また、電流ＤＡＣ４７がポンプ電流出力回路に相当し、第３スイッチＳＷ３がポンプ電流スイッチに相当する。また、酸素濃度検知セル２４に流す一定の微小電流Ｉｃｐが定電流に相当し、電流ＤＡＣ４８が定電流出力回路に相当する。

加えて、本実施形態において、ステップＳ１を実行しているプロセッサ３０が、１−２端子間接続手段、活性前基準電位印加手段及び第１遮断手段に相当する。
また、ステップＳ２を実行しているプロセッサ３０が、活性前定電流出力手段に相当する。
また、ステップＳ６を実行しているプロセッサ３０が、変化量検出手段に相当し、ステップＳ７を実行しているプロセッサ３０が、内部抵抗検知手段に相当する。さらに、ステップＳ８を実行しているプロセッサ３０が、活性化判別手段に相当する。
また、センサ制御部４０のヒータ部制御回路７０並びにステップＳ３及び図示しないヒータ通電制御ルーチンを実行しているプロセッサ３０が、ヒータ通電制御手段に相当する。

このように、本実施形態のガスセンサシステム１では、断線異常の診断で、酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４に酸素イオン伝導性が発現した後、ガスセンサ２が活性化するまでの活性待ち期間内の活性待ち処理で、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して接続する。この間、酸素ポンプセル１４の両端の電極１２，１６間（第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間）が、第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して接続される。

第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ＝１ｋΩ）は、酸素ポンプセル１４に酸素イオン伝導性が発現していない状態における酸素ポンプセル１４の内部抵抗（１００ｋΩ以上）よりも小さい値としてある。なお、第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ＝１ｋΩ）は、ガスセンサ２の活性状態における酸素ポンプセル１４の内部抵抗（４５０Ω以下）よりも大きい値でもある。
これにより、活性待ち期間のうち、酸素ポンプセル１４の内部抵抗が第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ）よりも大きい状態では、酸素ポンプセル１４に電荷が発生しても、発生した電荷は、主として第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して放電される。一方、酸素ポンプセル１４の内部抵抗が第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ）と同じあるいはこれよりも小さくなると、酸素ポンプセル１４に発生した電荷は、酸素ポンプセル１４の内部抵抗と第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）とで放電される。このため、活性待ち期間において、酸素ポンプセル１４に発生した電荷を酸素ポンプセル１４の内部抵抗または第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して放電することができる。
また、酸素ポンプセル１４の内部抵抗が第１回路４５の抵抗値Ｒ１ｃ（＝第１抵抗値Ｒ１ｒ）よりも大きい状態では、酸素ポンプセル１４に電流を流そうとしても、その多くが第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を流れ、酸素ポンプセル１４に生じる電圧降下も小さくなる。
これにより、酸素ポンプセル１４の両端間に生じる電位差が小さくなり、酸素ポンプセル１４のブラックニングの発生を抑制することができる。

さらに、本実施形態のガスセンサシステム１では、活性待ち期間のうち、１−２端子間接続手段（ステップＳ１）により第１スイッチＳＷ１をオンさせて、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して接続している間、第２端子Ｔ２に基準電位Ｖｒｅｆを印加する。これにより、酸素ポンプセル１４をブラックニングから保護しつつ、ガスセンサ２の各端子の電位を安定した電位で保持できる。

さらに、本実施形態のガスセンサシステム１では、活性待ち期間（活性待ち処理）のうち、第１スイッチＳＷ１をオンさせて、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２とを第１回路４５（第１抵抗器Ｒ１）を介して接続している間（ステップＳ１からステップＳ９でＹｅｓとなるまで）、第３スイッチＳＷ３をオフして酸素ポンプセル１４へ流すポンプ電流Ｉｐを遮断している。このため、活性待ち期間において、ポンプ電流による電圧降下が酸素ポンプセルに生じないので、酸素ポンプセル１４のブラックニングの発生をより確実に抑制することができる。

さらに、本実施形態のガスセンサシステム１では、ガスセンサ２が活性化する前の活性待ち期間に（活性待ち処理の開始（ステップＳ２）から終了（ステップＳ１０）まで）、酸素濃度検知セル２４に微小電流Ｉｃｐ（定電流）を流して基準酸素室２６に酸素を供給しているので、ガスセンサ２が活性化した後、速やかにガス濃度の測定を開始することができる。

さらに、本実施形態のガスセンサシステム１では、酸素濃度検知セル２４に微小電流Ｉｃｐ（定電流）を流しつつ、この微小電流Ｉｃｐに一時的な変化を生じさせることで、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗Ｒｐｖｓを検知している。そして、この検知した内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいて、ガスセンサ２が活性化したか否かを判別している。これにより、ガスセンサ２が活性化したか否かを適切に判別することできる。

さらに、本実施形態のガスセンサシステム１では、ヒータ部８０への通電をフィードバック制御することにより、ガスセンサ２のセンサ素子部３を一定の素子温度に維持することができる。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施形態では、ガスセンサ２として、排気ガスＥＧ中の酸素濃度（空燃比）を検知する空燃比センサ（全領域空燃比センサ）を用いたが、「ガスセンサ」は、空燃比センサに限られず、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検知するＮＯｘセンサなどであっても良い。
また、センサ制御部４０は、ＥＣＵ１００に内蔵される形態で設けられても良い。

また、実施形態では、センサ制御部４０が、デジタルシグナルプロセッサ３０を内蔵したＡＳＩＣで構成され、ポンプ電流ＩｐのＰＩＤ制御をデジタル方式により行うガスセンサシステム１を示した。
しかし、アナログのＰＩＤ回路を含むＡＳＩＣと、別途設けたマイクロプロセッサとで構成したセンサ制御部を備え、ＰＩＤ制御をアナログ方式により行うガスセンサシステムに本発明を適用しても良い。

また、実施形態では、酸素濃度検知セル２４に流す微小電流Ｉｃｐ（定電流）に一時的な変化を生じさせて、応答変化量ΔＶｓを検出し、この応答変化量ΔＶｓに基づいて、酸素濃度検知セル２４の内部抵抗Ｒｐｖｓを検知するガスセンサシステム１を示した。しかし、他の手法により酸素濃度検知セル２４の内部抵抗を検知するシステムに本発明を適用しても良い。
また、ガスセンサ２が活性化したか否かの判別は、実施形態のように酸素濃度検知セル２４の内部抵抗Ｒｐｖｓを用いるものに限定されず、酸素ポンプセル１４の内部抵抗、あるいは、ヒータ部８０のヒータ抵抗を活性判定するための基準値と比較して判断したり、ヒータ部８０の積算通電時間に基づいて判断したりするようにしても良い。

ＥＮＧ 内燃機関（エンジン）
ＥＰ 排気管
ＥＧ 排気ガス（被測定ガス）
１００ ＥＣＵ
１ ガスセンサシステム
２ ガスセンサ
３ センサ素子部
１４ 酸素ポンプセル
１２ 第１ポンプ電極
１６ 第２ポンプ電極
２４ 酸素濃度検知セル
２８ 第１検知電極
２２ 第２検知電極
２０ 測定室
２６ 基準酸素室
８０ ヒータ部
Ｉｐ ポンプ電流
Ｉｃｐ 微小電流（定電流）
Ｉｒｐｖｓ 内部抵抗検知電流
Ｔ１ 第１端子
Ｔ２ 第２端子
Ｔ３ 第３端子
Ｌ１ 第１配線
Ｌ２ 第２配線
Ｌ３ 第３配線
Ｖ１ 第１端子電位
Ｖ２ 第２端子電位
Ｖ３ 第３端子電位
Ｖｒｅｆ 基準電位
Ｖｅｘ 検査電位
３０ デジタルシグナルプロセッサ
４０ センサ制御部
４１ Ａ／Ｄコンバータ
４２ Ａ／Ｄコンバータ
４３ Ａ／Ｄコンバータ
４４ オペアンプ（基準電位回路）
４５ 第１回路
Ｒ１ 第１抵抗器
Ｒ１ｒ 第１抵抗値
Ｒ１ｃ 第１回路の抵抗値
ＳＷ１ 第１スイッチ
４６ 第２回路
Ｒ２ 第２抵抗器
Ｒ２ｒ 第２抵抗値
Ｒ２ｃ 第２回路の抵抗値
ＳＷ２ 第２スイッチ
４７ Ｄ／Ａコンバータ（ポンプ電流出力回路）
４８ Ｄ／Ａコンバータ（定電流出力回路）
ＳＷ３ 第３スイッチ（ポンプ電流スイッチ）
ＳＷ４ 第４スイッチ
ＳＷ５ 第５スイッチ
７０ ヒータ部制御回路（ヒータ通電制御手段）
Ｓ１ １−２端子間接続手段，活性前基準電位印加手段，第１遮断手段
Ｓ２ 活性前定電流出力手段
Ｓ３ ヒータ通電制御手段
Ｓ６ 変化量検出手段
Ｓ７ 内部抵抗検知手段
Ｓ８ 活性化判別手段

Claims (3)

1. 第１端子及び第２端子に電気的に導通する酸素ポンプセル、並びに、上記第２端子及び第３端子に電気的に導通する酸素濃度検知セルを有するガスセンサと、
   上記第１端子、上記第２端子及び上記第３端子を通じて上記ガスセンサを制御するセンサ制御部と、を備える
   ガスセンサシステムであって、
   上記センサ制御部は、
   上記第１端子と上記第２端子との間を断続可能に接続し、
   上記酸素ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない状態における上記酸素ポンプセルの内部抵抗よりも小さい抵抗値を有する
   第１回路と、
   上記ガスセンサが活性化するまでの活性待ち期間内に、上記第１端子と上記第２端子とを上記第１回路を介して接続する１−２端子間接続手段と、を備える
   ガスセンサシステム。
2. 請求項１に記載のガスセンサシステムであって、
   前記センサ制御部は、
   前記第２端子に接続して、所定の基準電位を印加する基準電位回路と、
   前記活性待ち期間のうち、前記１−２端子間接続手段により前記第１端子と前記第２端子とを前記第１回路を介して接続している間、上記基準電位回路により上記第２端子に上記基準電位を印加する活性前基準電位印加手段と、を備える
   ガスセンサシステム。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスセンサシステムであって、
   前記ガスセンサは、
   被測定ガスが導入される測定室を内部に有し、
   前記酸素ポンプセルは、
   上記測定室外に配置されて前記第１端子に導通する第１ポンプ電極、及び、上記測定室に面して配置されて前記第２端子に導通する第２ポンプ電極を有し、
   前記センサ制御部は、
   上記第１端子を通じて上記酸素ポンプセルに、ポンプ電流を流すポンプ電流出力回路と、
   上記ポンプ電流出力回路から上記第１端子を通じて上記酸素ポンプセルへ流す上記ポンプ電流をオンオフするポンプ電流スイッチと、
   前記活性待ち期間のうち、前記１−２端子間接続手段により上記第１端子と上記第２端子とを前記第１回路を介して接続している間、上記ポンプ電流スイッチをオフにする第１遮断手段と、を備える
   ガスセンサシステム。

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