JP2018179912A - センサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサの破損を抑制する【解決手段】センサ素子駆動回路４１は、電流制御機能および切替機能を実現するための複数の半導体素子が半導体基板上に形成された回路である。電流制御機能は、電極２２，２３，２６，２７に電気的に接続されて電極２６，２７間の電位差が一定値となるように電極２２，２３間に流す電流を制御する機能である。切替機能は、電極２２，２３，２６，２７とセンサ制御装置４とが電気的に接続された接続状態と、導通が遮断された遮断状態との何れかに切り替える機能である。センサ制御装置４は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子における電位が異常であると判断した場合に、センサ素子駆動回路４１に、接続状態から遮断状態に切り替えさせ、半導体基板を、センサ素子駆動回路４１に印加されているグランド電位よりも低い負電圧に接続する。【選択図】図２

Description

本開示は、ガスセンサを制御するセンサ制御装置に関する。

特許文献１のように、ガスセンサに電気的に接続された配線の一部が電源電位またはグランド電位に短絡される配線異常が発生している場合に、ガスセンサとセンサ制御装置との間の導通を電気的に遮断して、ガスセンサに電流が流れないようにする技術が知られている。これにより、ガスセンサに過剰な電流が流れ込んでガスセンサが破損してしまう可能性を低減することができる。

特開２００８−７０１９４号公報

しかし、ガスセンサとセンサ制御装置との間の導通を電気的に遮断しても、ガスセンサに過剰な電流が流れ込んでガスセンサが破損してしまうことがあるという問題があった。
本開示は、ガスセンサの破損を抑制することを目的とする。

本開示の一態様は、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサを制御するセンサ制御装置である。
ガスセンサは、起電力セルおよびポンプセルを有している。起電力セルは、第１固体電解質体と、第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極とを有し、特定ガスの濃度差に応じて一対の第１電極間に起電力を発生するように構成されている。ポンプセルは、第２固体電解質体と、第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極とを有し、一対の第２電極間にて特定ガスをポンピングするように構成されている。

そして本開示のセンサ制御装置は、制御回路と、異常判断部と、状態切替部と、電位接続部とを備える。
制御回路は、電流制御機能および切替機能を実現するための複数の半導体素子が半導体基板上に形成された回路である。

電流制御機能は、一対の第１電極および一対の第２電極に電気的に接続されて一対の第１電極間の電位差が一定値となるように一対の第２電極間に流す電流を制御する機能である。

切替機能は、一対の第１電極および一対の第２電極とセンサ制御装置とが電気的に接続された接続状態と、一対の第１電極および一対の第２電極とセンサ制御装置との間の導通が遮断された遮断状態との何れかに切り替える機能である。

異常判断部は、制御回路と、ガスセンサの一対の第１電極および一対の第２電極とを接続する複数の接続点のうち、少なくとも１つの接続点について、接続点における電位が異常であるか否かを予め設定された異常判断条件に基づいて判断する。

状態切替部は、接続点における電位が異常であると異常判断部が判断した場合に、制御回路に、接続状態から遮断状態に切り替えさせる。電位接続部は、接続点における電位が異常であると異常判断部が判断した場合に、半導体基板を、制御回路に印加されている基準電位よりも低い異常時電位に接続する。

このように構成された本開示のセンサ制御装置では、半導体基板上に形成された半導体素子と半導体基板との間に寄生ダイオードが形成される。この寄生ダイオードは、半導体素子から半導体基板へ流れる電流を制限する特性を有する。逆に、この寄生ダイオードは、半導体基板から半導体素子へ流れる電流を、半導体素子から半導体基板へ流れる電流よりも流れ易くする特性を有する。

しかし、本開示のセンサ制御装置では、寄生ダイオードを介して半導体素子から半導体基板へ流れるリーク電流が存在する。このリーク電流は、制御回路の温度が高くなるほど大きくなる。リーク電流が半導体素子から寄生ダイオードを通って半導体基板に到達すると、このリーク電流は、複数の半導体素子のうち基準電位に設定されている半導体素子に向かって流れる。

このため、接続点から半導体素子を通って半導体基板に到達して、更に、半導体基板から、基準電位に設定されている半導体素子に向かうリーク電流の経路が存在する場合には、上記の遮断状態であっても、リーク電流の大きさに相当する電流がガスセンサに流れ込んでしまうことになる。

これに対して、本開示のセンサ制御装置は、接続点における電位が異常である場合に、半導体基板を、制御回路に印加されている基準電位よりも低い異常時電位に接続する。
このため、本開示のセンサ制御装置は、リーク電流が寄生ダイオードを介して半導体素子から半導体基板へ到達したとしても、リーク電流が、半導体基板から更に、基準電位に設定されている半導体素子に向かって流れるのを抑制することができる。

これにより、本開示のセンサ制御装置は、上記の遮断状態であっても、リーク電流の大きさに相当する電流がガスセンサに流れ込むのを抑制し、ガスセンサの破損を抑制することができる。

本開示の一態様では、電位接続部は、負電圧を発生させるネガティブチャージポンプを備え、接続点における電位が異常であると異常判断部が判断した場合に、ネガティブチャージポンプを動作させて、ネガティブチャージポンプが発生させた負電圧を異常時電位とするようにしてもよい。

このように構成された本開示のセンサ制御装置は、異常時電位として負電圧を半導体基板に印加するため、制御回路に印加される基準電位を０Ｖ以上とすることができる。一般に制御回路の基準電位は０Ｖであるため、本開示のセンサ制御装置は、制御回路に印加する基準電位を変更することなく、ガスセンサの破損を抑制することができる。

本開示の一態様では、ガスセンサは、起電力セルの一対の第１電極間に定電流が流れることにより、一対の第１電極のうちの一方の電極の周囲における酸素濃度が一定となるように構成されているようにしてもよい。

このように構成された本開示のセンサ制御装置は、上記の遮断状態であっても、リーク電流の大きさに相当する電流が起電力セルに流れ込むのを抑制し、起電力セルのブラックニングを抑制することができる。ブラックニングとは、固体電解質体の外観が変色する現象であり、固体電解質体を構成する金属酸化物が還元されて酸素が取り除かれることで結晶構造が乱れる現象である。

制御システム１の概略構成を示す図である。 電子制御ユニット２の概略構成を示す回路図である。 制御部４５、論理演算回路４６、ネガティブチャージポンプ４７および半導体スイッチ５５，５６，５７の構成を示す回路図である。 リーク電流の経路を説明する図である。

以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の制御システム１は、内燃機関の運転状態を制御するための各種制御処理を実行し、その１つとして、排気ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出する処理を実行する。本実施形態では、上記の特定ガスは酸素である。

制御システム１は、図１に示すように、電子制御ユニット２と、ガスセンサ３とを備える。また電子制御ユニット２は、センサ制御装置４と、エンジン制御装置５と、ヒータ制御回路６とを備える。

ガスセンサ３は、排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出するセンサ素子１０と、センサ素子１０を作動温度に保つためのヒータ３０とを備える。
センサ素子１０は、酸素ポンプセル１１と、多孔質拡散層１２と、酸素濃度検知セル１３と、補強板１４とを備える。

酸素ポンプセル１１は、部分安定化ジルコニアにより板状に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体２１と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成されたポンプ電極２２，２３とを備える。ポンプ電極２２は、配線１７を介して電子制御ユニット２の接続端子７に電気的に接続されている。ポンプ電極２３は、配線１８を介して電子制御ユニット２の接続端子８に電気的に接続されている。ポンプ電極２２は、多孔質保護層２４に覆われており、多孔質保護層２４により被毒物質などから保護されている。

酸素濃度検知セル１３は、部分安定化ジルコニアにより板状に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体２５と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された検知電極２６，２７とを備える。検知電極２６は、配線１８を介して電子制御ユニット２の接続端子８に電気的に接続されており、ポンプ電極２３とも電気的に接続されている。検知電極２７は、配線１９を介して電子制御ユニット２の接続端子９に電気的に接続されている。

酸素ポンプセル１１と酸素濃度検知セル１３との間には、両セル１１，１３を電気的に絶縁するために絶縁性材料（例えば、アルミナなど）を主体に形成された図示しない絶縁層が介在し、その絶縁層の一部に多孔質拡散層１２が設けられている。なお、多孔質拡散層１２は、センサ素子１０の内部に導入される被測定ガスの拡散律速を行うために、絶縁性材料（例えば、アルミナなど）を主体として多孔質状に形成されている。

酸素ポンプセル１１と酸素濃度検知セル１３との間には、多孔質拡散層１２と図示しない絶縁層とにより包囲された中空状の測定室２８が形成されている。すなわち、測定室２８は、多孔質拡散層１２を介して測定ガス雰囲気と連通されている。また、測定室２８には、ポンプ電極２３と、検知電極２６とが配置されている。

補強板１４は、酸素濃度検知セル１３のうち測定室２８に対向する面とは反対側の面に、検知電極２７を挟み込むようにして密着して配置されている。これにより、補強板１４は、センサ素子１０の全体的な強度を向上させている。なお、補強板１４は、酸素ポンプセル１１および酸素濃度検知セル１３を構成する各固体電解質体２１，２５と略同じ大きさであるとともに、セラミックを主体とする材料にて板状に形成されている。

そして、酸素濃度検知セル１３の検知電極２７は、補強板１４によって外部と遮断される状態となり、酸素濃度検知セル１３と補強板１４との間のうち検知電極２７の周囲には、密閉空間としての基準酸素室２９が形成される。

このように構成されたセンサ素子１０において、酸素濃度検知セル１３の検知電極２７から検知電極２６に向かう方向に微小な定電流Ｉｃｐを通して、測定室２８から検知電極２７の側に酸素をポンピングすることにより、検知電極２７の周囲に形成された基準酸素室２９には略一定濃度の酸素が蓄積されることになる。このようにして基準酸素室２９に蓄積された略一定濃度の酸素は、センサ素子１０において被測定ガスにおける酸素濃度を検出する際の基準酸素濃度となる。このため、検知電極２７は、自己生成基準電極とも称される。

ヒータ３０は、平板状に形成されており、センサ素子１０の酸素ポンプセル１１に対向して配置されている。ヒータ３０は、アルミナを主体とする材料にて形成され、その内部には、白金を主体とする材料にて形成されたヒータ配線３１を備えている。ヒータ３０は、ヒータ制御回路６から供給される電力により、センサ素子１０の温度が活性化温度（例えば、５５０〜９００℃）となるように制御される。また、ヒータ配線３１の両端は、ヒータ制御回路６に電気的に接続されている。

なお、ガスセンサ３は、ヒータ３０による加熱によりセンサ素子１０が活性化することで、ガス検出が可能な状態となる。
センサ制御装置４は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子を備えている。Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子はそれぞれ、電子制御ユニット２の接続端子７、接続端子８および接続端子９に電気的に接続されている。したがって、センサ素子１０のポンプ電極２２は、接続端子７を介してセンサ制御装置４のＩｐ＋端子に電気的に接続されている。センサ素子１０のポンプ電極２３および検知電極２６は、接続端子８を介して、センサ制御装置４のＣＯＭ端子に電気的に接続されている。センサ素子１０の検知電極２７は、接続端子９を介してセンサ制御装置４のＶｓ＋端子に電気的に接続されている。

センサ素子１０では、被測定ガスに含まれる酸素が、多孔質拡散層１２を介して測定室２８に拡散する。センサ素子１０は、内燃機関に供給される混合気が理論空燃比に保たれている状態では、測定室２８と基準酸素室２９との間の酸素濃度差により、酸素濃度検知セル１３に４５０ｍＶの起電力を発生する特性を有する。すなわち、検知電極２６と検知電極２７との間には、４５０ｍＶの電位差が生じることになる。

なお、酸素濃度検知セル１３は、検知電極２６と検知電極２７との間での酸素濃度差に応じた電圧を発生する特性を有する。そして、検知電極２７が面する基準酸素室２９の酸素濃度は略一定濃度である。このため、酸素濃度検知セル１３は、測定室２８の酸素濃度に応じた電圧を検知電極２６と検知電極２７との間に発生させる。

ところで、内燃機関に供給される混合気の空燃比の変化に応じて、排気ガスに含まれる酸素濃度は変化し、これにより、センサ素子１０の測定室２８に含まれる酸素濃度が変化する。そこで、本実施形態の制御システム１では、検知電極２６と検知電極２７との間の電位差が４５０ｍＶに保たれるように、電子制御ユニット２によって酸素ポンプセル１１に流れるＩｐ電流（ポンピング電流）を制御する。つまり、測定室２８の雰囲気が理論空燃比と同じ状態になるようにＩｐ電流を制御することで、酸素ポンプセル１１によって酸素のポンピングが行われる。このため、このＩｐ電流の通電状態（例えば、通電方向および電流積算値など）に基づいて、排気ガス中の酸素濃度を演算することができる。

酸素ポンプセル１１は、ポンプ電極２２とポンプ電極２３との間に通電される電流の通電方向に応じて、測定室２８からの酸素の汲み出しと、測定室２８への酸素の汲み入れとを切換可能に構成されている。また酸素ポンプセル１１は、ポンプ電極２２とポンプ電極２３との間に通電される電流の大きさに応じて、酸素のポンピング量を調整可能に構成されている。

センサ制御装置４は、図２に示すように、センサ素子駆動回路４１、差動増幅回路４２、端子電圧出力回路４３、異常検出回路４４、制御部４５、論理演算回路４６およびネガティブチャージポンプ４７を備える。センサ制御装置４は、特定用途向集積回路（すなわち、ＡＳＩＣ）で実現されている。ＡＳＩＣは、Application Specific ICの略である。

センサ素子駆動回路４１は、センサ素子１０を構成する酸素ポンプセル１１および酸素濃度検知セル１３の駆動制御を行う。
センサ素子駆動回路４１は、酸素ポンプセル１１を駆動するＩｐ電流を流すためのオペアンプ５１と、Ｉｐ電流の制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路５２と、酸素濃度検知セル１３に定電流Ｉｃｐを流すための定電流源５３と、Ｉｐ電流の制御目標電圧を供給する定電圧源５４と、半導体スイッチ５５，５６，５７とを備えている。

センサ素子駆動回路４１は、センサ素子駆動回路４１とセンサ素子１０とを接続するためのＩｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子を備える。センサ素子駆動回路４１は、ＰＩＤ制御回路５２の特性を決める素子を外付けするためのＰ１端子、Ｐ２端子およびＰｏｕｔ端子を備える。

また、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子は、それぞれ接続端子７、接続端子８、接続端子９に電気的に接続されている。
酸素ポンプセル１１を構成する一対のポンプ電極２２，２３のうちポンプ電極２２は、配線１７および接続端子７を介してＩｐ＋端子に接続されている。ポンプ電極２３は、センサ素子１０の共通基準電圧を与えるＣＯＭ端子に、配線１８および接続端子８を介して接続されている。

酸素濃度検知セル１３を構成する一対の検知電極２６，２７のうち、検知電極２６は、配線１８および接続端子８を介してＣＯＭ端子に接続され、検知電極２７は、配線１９および接続端子９を介してＶｓ＋端子に接続されている。

オペアンプ５１の反転入力端子には、ＰＩＤ制御回路５２が半導体スイッチ５６とＣＯＭ端子と抵抗素子Ｒ２を介して接続される。オペアンプ５１の非反転入力端子には、３．６Ｖの基準電圧が印加される。オペアンプ５１の出力端子は、半導体スイッチ５５を介してＩｐ＋端子に接続されている。つまり、オペアンプ５１は、センサ素子１０、詳細には酸素ポンプセル１１への通電電流を制御する負帰還回路の一部を構成している。

ＰＩＤ制御回路５２は、制御目標電圧の４５０ｍＶと酸素濃度検知セル１３の出力電圧Ｖｓとの偏差量ΔＶｓをＰＩＤ演算し、上述の負帰還制御の制御特性を改善する機能を有している。このＰＩＤ制御回路５２は、オペアンプ６１，６２、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５およびコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を備えている。抵抗Ｒ３〜Ｒ５とコンデンサＣ１〜Ｃ３は、ＰＩＤ制御回路５２の制御特性を決めるために、Ｐ１端子およびＰ２端子に装着される。

そして、ＰＩＤ制御回路５２の入力端（すなわち、オペアンプ６２の反転入力端子）は、オペアンプ６３を介してＶｓ＋端子に接続される。これにより、酸素濃度検知セル１３の出力電圧ＶｓがＰＩＤ制御回路５２に入力される。また、ＰＩＤ制御回路５２の出力端は、Ｐｏｕｔ端子に接続される。そしてＰｏｕｔ端子は、抵抗素子Ｒ２を介しＣＯＭ端子に接続され、最終的にオペアンプ５１の反転入力端子に接続されている。

定電圧源５４の出力は、オペアンプ６４を介して、オペアンプ６２の反転入力端子に入力されている。定電圧源５４は、Ｉｐ電流を制御する制御目標となる電圧である４５０ｍＶを、オペアンプ６２を介してＰＩＤ制御回路５２に供給するための回路である。

定電流源５３は、半導体スイッチ５７を介して、Ｖｓ＋端子に接続される。定電流源５３は、酸素濃度検知セル１３の検知電極２７の周囲（すなわち、基準酸素室２９）の酸素濃度を一定に保つために、酸素濃度検知セル１３に流される定電流Ｉｃｐ（例えば、１７μＡ）を供給する回路である。また、オペアンプ６３の非反転入力端子は、半導体スイッチ５７を介して、Ｖｓ＋端子に接続されている。

被測定ガスが燃料供給過剰（すなわち、リッチ）となる場合には、測定室２８の酸素濃度が理論空燃比よりも欠乏し、酸素濃度検知セル１３の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧である４５０ｍＶよりも高くなる。したがって、制御目標電圧と出力電圧Ｖｓとの偏差量ΔＶｓが発生し、その偏差量ΔＶｓがＰＩＤ制御回路５２によってＰＩＤ演算され、オペアンプ５１によってフィードバックされる。このため、不足分の酸素を酸素ポンプセル１１により測定室２８に汲み込むためのＩｐ電流が酸素ポンプセル１１に流れることになる。

一方、被測定ガスが燃料供給不足（すなわち、リーン）となる場合には、測定室２８の酸素濃度が理論空燃比よりも過剰となり、酸素濃度検知セル１３の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧４５０ｍＶよりも低くなるので、上述と同様にオペアンプ５１によって偏差量ΔＶｓがフィードバックされて、過剰分の酸素を酸素ポンプセル１１により測定室２８から汲み出すためのＩｐ電流が酸素ポンプセル１１に流れるようになる。

このようにセンサ素子駆動回路４１は、酸素濃度検知セル１３の出力電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように酸素ポンプセル１１へ通電するＩｐ電流を制御する。
センサ素子駆動回路４１は、酸素ポンプセル１１に流れるＩｐ電流を、一端がＣＯＭ端子に接続されて他端がＰｏｕｔ端子に接続された抵抗素子Ｒ２にて電流電圧変換する。

差動増幅回路４２は、ＣＯＭ端子における電圧とＰｏｕｔ端子における電圧との差を差動増幅して、ガス検出信号としてエンジン制御装置５へ出力する。
そしてエンジン制御装置５は、ガス検出信号に基づき酸素濃度を演算する。エンジン制御装置５は、演算により得られた酸素濃度を用いて内燃機関の空燃比フォードバック制御などを実行することで、内燃機関の運転状態を制御する。

端子電圧出力回路４３は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子の各端子電圧を制御部４５へ出力する回路である。なお、図中では接続ラインが省略されているが、端子電圧出力回路４３の入力端子は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子にそれぞれ接続されている。

異常検出回路４４は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子が電源電位またはグランド電位に短絡しているか否かを検出し、検出結果を示す異常検出信号を出力する回路である。図３に示すように、異常検出回路４４は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子の各端子電圧が入力されており、入力された各端子電圧の何れかが正常電圧範囲を逸脱した場合に、ハイレベルの異常検出信号を出力するように構成されている。また異常検出回路４４は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子の端子電圧が全て正常電圧範囲内である場合に、ローレベルの異常検出信号を出力するように構成されている。

制御部４５は、センサ制御装置４での各種制御処理を実行するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート及びこれらの構成を接続するバスラインなどからなる周知のマイクロコンピュータ（以下、マイコン）を中心に構成されている。

マイコンの各種機能は、ＣＰＵが非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ＲＯＭが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、制御部４５を構成するマイコンの数は１つでも複数でもよい。また、マイコンが実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成してもよい。

制御部４５は、通信部７１とスイッチ制御部７２とを備える。通信部７１は、伝送ケーブル７３を介してエンジン制御装置５との間でデータ通信を行う。スイッチ制御部７２は、通信部７１がエンジン制御装置５からスイッチ開閉指令を受信すると、受信したスイッチ開閉指令に基づいて、半導体スイッチ５５，５６，５７をオン状態またはオフ状態にするための第１，２，３スイッチ制御信号を出力する。具体的には、スイッチ制御部７２は、スイッチ開閉指令が半導体スイッチ５５のオン状態を指示している場合には、第１スイッチ制御信号をハイレベルにして出力する。一方、スイッチ制御部７２は、スイッチ開閉指令が半導体スイッチ５５のオフ状態を指示している場合には、第１スイッチ制御信号をローレベルにして出力する。

同様に、スイッチ制御部７２は、スイッチ開閉指令が半導体スイッチ５６のオン状態を指示している場合には、第２スイッチ制御信号をハイレベルにして出力する。一方、スイッチ制御部７２は、スイッチ開閉指令が半導体スイッチ５６のオフ状態を指示している場合には、第２スイッチ制御信号をローレベルにして出力する。

また、スイッチ制御部７２は、スイッチ開閉指令が半導体スイッチ５７のオン状態を指示している場合には、第３スイッチ制御信号をハイレベルにして出力する。一方、スイッチ制御部７２は、スイッチ開閉指令が半導体スイッチ５７のオフ状態を指示している場合には、第３スイッチ制御信号をローレベルにして出力する。

論理演算回路４６は、クロック回路７４と、論理積回路７５，７６，７７，７８とを備える。
クロック回路７４は、ネガティブチャージポンプ４７を動作させるために、予め設定された周波数（例えば、８ＭＨｚ）でクロック信号を生成して、このクロック信号を論理積回路７８へ出力する。

論理積回路７５，７６，７７はそれぞれ、異常検出回路４４から出力された異常検出信号の電圧レベルを反転させた信号と、スイッチ制御部７２から出力された第１，２，３スイッチ制御信号との論理積演算を行う。

論理積回路７８は、クロック回路７４から出力されたクロック信号と、論理積回路７５，７６，７７から出力された信号の電圧レベルを反転させた信号との論理積演算を行う。
ネガティブチャージポンプ４７は、論理積回路７８を介してクロック信号が入力されることにより、負電圧を発生させる回路である。ネガティブチャージポンプ４７は、コンデンサＣ１１，Ｃ１２とダイオードＤ１１，Ｄ１２とを備える。

コンデンサＣ１１は、一端が論理積回路７８の出力端子に接続され、他端がダイオードＤ１１とダイオードＤ１２との接続点に接続される。ダイオードＤ１１は、アノードがコンデンサＣ１１に接続され、カソードが接地される。ダイオードＤ１２は、アノードがネガティブチャージポンプ４７の出力端子に接続され、カソードがダイオードＤ１１とコンデンサＣ１１との接続点に接続される。コンデンサＣ１２は、一端がダイオードＤ１２のアノードに接続され、他端が接地される。

ネガティブチャージポンプ４７は、本実施形態では例えば−３Ｖの負電圧を発生させる。
半導体スイッチ５５，５６，５７は、ＮＭＯＳとＰＭＯＳとを並列接続して構成されている。

半導体スイッチ５５，５６，５７のＮＭＯＳのゲートはそれぞれ、論理積回路７５，７６，７７の出力端子に接続されている。半導体スイッチ５５，５６，５７のＰＭＯＳのゲートはそれぞれ、論理反転回路を介して論理積回路７５，７６，７７の出力端子に接続されている。これにより、半導体スイッチ５５，５６，５７はそれぞれ、論理積回路７５，７６，７７からハイレベルの信号が出力されるとオン状態となり、ローレベルの信号が出力されるとオフ状態となる。

なお、ＡＳＩＣで実現されているセンサ制御装置４が形成されている半導体基板には寄生ダイオードが形成される。これにより、センサ素子駆動回路４１には、寄生ダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３，Ｄ２４，Ｄ２５，Ｄ２６が形成される。

寄生ダイオードＤ２１，Ｄ２３，Ｄ２５のカソードはそれぞれ、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子に接続される。寄生ダイオードＤ２１〜Ｄ２６のアノードは、ネガティブチャージポンプ４７の出力端子に接続される。

寄生ダイオードＤ２２，Ｄ２４，Ｄ２６のカソードは、接地される。このため、クロック信号がネガティブチャージポンプ４７に入力されていない状態では、上記の半導体基板の電位は、寄生ダイオードＤ２２，Ｄ２４，Ｄ２６を介して実質的にグランド電位と同等になる。

図４に示すように、センサ制御装置４は、半導体基板８１上に複数の半導体素子８２を形成して構成されている。複数の半導体素子８２は、半導体基板８１上に形成された酸化膜８３により互いに電気的に絶縁されている。図４では、４つの半導体素子８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，８２ｄを示している。このうち、半導体素子８２ａは、グランド電位に接続されている。半導体素子８２ａに印加されるグランド電位は、センサ制御装置４に設定される基準電位に相当する。また半導体素子８２ｃは、Ｖｓ＋端子に電気的に接続されている。

半導体基板８１は、ｐ型のシリコン基板である。半導体基板８１上には、ｎ＋層８４が形成され、ｎ＋層８４の上にｎ層８５が形成されている。ｎ＋層８４およびｎ層８５は、ｎ型の不純物がイオン注入された層である。ｎ＋層８４は、ｎ層８５よりもｎ型不純物濃度が高い。

ｐ型の半導体基板８１とｎ＋層８４との接合面に寄生ダイオードが形成される。図４に示す寄生ダイオード８６，８７はそれぞれ、図３に示す寄生ダイオードＤ２５，Ｄ２６に対応する。

このように構成されたセンサ制御装置４は、排気ガスに含まれる酸素の濃度を検出するガスセンサ３を制御する。
ガスセンサ３は、酸素濃度検知セル１３および酸素ポンプセル１１を有している。酸素濃度検知セル１３は、酸素イオン伝導性固体電解質体２５と、酸素イオン伝導性固体電解質体２５上に形成された一対の検知電極２６，２７とを有し、酸素の濃度差に応じて一対の検知電極２６，２７間に起電力を発生するように構成されている。酸素ポンプセル１１は、酸素イオン伝導性固体電解質体２１と、酸素イオン伝導性固体電解質体２１上に形成された一対のポンプ電極２２，２３とを有し、一対のポンプ電極２２，２３間にて酸素をポンピングするように構成されている。

そしてセンサ制御装置４は、センサ素子駆動回路４１、異常検出回路４４、制御部４５、論理演算回路４６およびネガティブチャージポンプ４７を備える。
センサ素子駆動回路４１は、電流制御機能および切替機能を実現するための複数の半導体素子８２が半導体基板８１上に形成された回路である。

電流制御機能は、一対の検知電極２６，２７および一対のポンプ電極２２，２３に電気的に接続されて一対の検知電極２６，２７間の電位差が一定値となるように一対のポンプ電極２２，２３間に流す電流を制御する機能である。

切替機能は、一対の検知電極２６，２７および一対のポンプ電極２２，２３とセンサ制御装置４とが電気的に接続された接続状態と、一対の検知電極２６，２７および一対のポンプ電極２２，２３とセンサ制御装置４との間の導通が遮断された遮断状態との何れかに切り替える機能である。

異常検出回路４４は、センサ素子駆動回路４１と、ガスセンサ３の一対の検知電極２６，２７および一対のポンプ電極２２，２３とを接続する複数の端子（すなわち、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子）について、端子における電位が異常であるか否かを、予め設定された異常判断条件に基づいて判断する。本実施形態では、異常判断条件は、端子電圧が正常電圧範囲外であることである。

論理演算回路４６の論理積回路７５，７６，７７は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子における電位が異常であると異常検出回路４４が判断した場合に、センサ素子駆動回路４１に、接続状態から遮断状態に切り替えさせる。

論理演算回路４６のクロック回路７４および論理積回路７８とネガティブチャージポンプ４７は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子における電位が異常であると異常検出回路４４が判断した場合に、半導体基板８１を、センサ素子駆動回路４１に印加されているグランド電位よりも低い−３Ｖの負電圧に接続する。

このように構成されたセンサ制御装置４では、半導体基板８１上に形成された半導体素子８２と半導体基板８１との間に寄生ダイオードＤ２１〜Ｄ２６が形成される。寄生ダイオードＤ２１〜Ｄ２６は、半導体素子８２から半導体基板８１へ流れる電流を制限する特性を有する。逆に、寄生ダイオードＤ２１〜Ｄ２６は、半導体基板８１から半導体素子８２へ流れる電流を、半導体素子８２から半導体基板８１へ流れる電流よりも流れ易くする特性を有する。

しかし、センサ制御装置４では、寄生ダイオードＤ２１，Ｄ２３，Ｄ２５を介して半導体素子８２から半導体基板８１へ流れるリーク電流が存在する。このリーク電流は、センサ素子駆動回路４１の温度が高くなるほど大きくなる。リーク電流が半導体素子８２から寄生ダイオードＤ２１，Ｄ２３，Ｄ２５を通って半導体基板８１に到達すると、このリーク電流は、複数の半導体素子８２のうちグランド電位に設定されている半導体素子８２（すなわち、半導体素子８２ａ）に向かって流れる。

このため、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子およびＩｐ＋端子から半導体素子８２を通って半導体基板８１に到達して、更に、半導体基板８１から、基準電位に設定されている半導体素子８２に向かうリーク電流の経路が存在する場合には、上記の遮断状態であっても、リーク電流の大きさに相当する電流がガスセンサ３に流れ込んでしまうことになる。

これに対して、センサ制御装置４は、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子における電位が異常である場合に、半導体基板８１を、センサ素子駆動回路４１に印加されている基準電位よりも低い−３Ｖに接続する。

このため、センサ制御装置４は、リーク電流が寄生ダイオードＤ２１，Ｄ２３，Ｄ２５を介して半導体素子８２から半導体基板８１へ到達したとしても、リーク電流が、半導体基板８１から更に、基準電位に設定されている半導体素子８２に向かって流れるのを抑制することができる。

これにより、センサ制御装置４は、上記の遮断状態であっても、リーク電流の大きさに相当する電流がガスセンサ３に流れ込むのを抑制し、ガスセンサ３の破損を抑制することができる。

またセンサ制御装置４は、ガスセンサ３に電気的に接続された配線の一部が電源電位またはグランド電位に短絡される配線異常が発生しても、上記の遮断状態とすることでガスセンサ３の破損を抑制することができ、配線を交換することで制御システム１を復旧することができる可能性を高めることができる。

またセンサ制御装置４は、ネガティブチャージポンプ４７を備え、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子における電位が異常であると異常検出回路４４が判断した場合に、ネガティブチャージポンプ４７を動作させて、半導体基板８１を、負電圧に接続する。

このようにセンサ制御装置４は、負電圧を半導体基板８１に印加するため、センサ素子駆動回路４１に印加される基準電位を０Ｖ以上とすることができる。一般にセンサ素子駆動回路４１の基準電位は０Ｖであるため、センサ制御装置４は、センサ素子駆動回路４１に印加する基準電位を変更することなく、ガスセンサ３の破損を抑制することができる。

なお、上記の遮断状態であるときにネガティブチャージポンプ４７を動作させるため、ネガティブチャージポンプ４７のスイッチングに伴い発生するノイズがセンサ制御装置４の濃度検出精度に影響を与えることはない。

またガスセンサ３は、酸素濃度検知セル１３の一対の検知電極２６，２７に定電流Ｉｃｐが流れることにより、検知電極２７の周囲における酸素濃度が一定となるように構成されている。

このように構成されたセンサ制御装置４は、上記の遮断状態であっても、リーク電流の大きさに相当する電流が酸素濃度検知セル１３に流れ込むのを抑制し、酸素濃度検知セル１３のブラックニングを抑制することができる。

なお、酸素濃度検知セル１３は起電力セルに相当し、酸素ポンプセル１１はポンプセルに相当し、酸素イオン伝導性固体電解質体２５は第１固体電解質体に相当し、検知電極２６，２７は第１電極に相当し、酸素イオン伝導性固体電解質体２１は第２固体電解質体に相当し、ポンプ電極２２，２３は第２電極に相当する。

また、センサ素子駆動回路４１は制御回路に相当し、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子およびＩｐ＋端子は接続点に相当し、異常検出回路４４は異常判断部に相当し、論理演算回路４６の論理積回路７５，７６，７７は状態切替部に相当し、論理演算回路４６のクロック回路７４および論理積回路７８とネガティブチャージポンプ４７は電位接続部に相当する。

また、排気ガスは被測定ガスに相当し、酸素は特定ガスに相当し、ネガティブチャージポンプ４７が発生させる負電圧は異常時電位に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。

例えば上記実施形態では、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比センサについて説明したが、本開示のセンサ制御装置の制御対象となるガスセンサは、全領域空燃比センサに限定されることはない。本開示のセンサ制御装置の制御対象となるガスセンサは、起電力セルおよびポンプセルを有するガスセンサであればよく、例えば、ＮＯｘセンサなどが挙げられる。

また上記実施形態では、センサ素子駆動回路４１に印加される基準電位がグランド電位に設定されており、ネガティブチャージポンプ４７が負電圧を発生させるものを示した。しかし、センサ素子駆動回路４１に印加される基準電位はグランド電位に限定されるものではなく、正電圧であっても負電圧であってもよい。但し、Ｉｐ＋端子、ＣＯＭ端子およびＶｓ＋端子における電位が異常であると異常検出回路４４が判断した場合に、半導体基板８１に接続される電圧は基準電位よりも低くする必要がある。

上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

上述したセンサ制御装置４の他、当該センサ制御装置４を構成要素とするシステム、当該センサ制御装置４としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、センサ制御方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

３…ガスセンサ、４…センサ制御装置、１０…センサ素子、１１…酸素ポンプセル、１３…酸素濃度検知セル、２１，２５…酸素イオン伝導性固体電解質体、２２，２３…ポンプ電極、２６，２７…検知電極、４１…センサ素子駆動回路、４４…異常検出回路、４５…制御部、４６…論理演算回路、４７…ネガティブチャージポンプ、７４…クロック回路、７５，７６，７７，７８…論理積回路、８１…半導体基板、８２…半導体素子

Claims (3)

1. 被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサを制御するセンサ制御装置であって、
   前記ガスセンサは、起電力セルおよびポンプセルを有しており、前記起電力セルは、第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極とを有し、前記特定ガスの濃度差に応じて前記一対の第１電極間に起電力を発生するように構成され、前記ポンプセルは、第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極とを有し、前記一対の第２電極間にて前記特定ガスをポンピングするように構成されており、
   前記一対の第１電極および前記一対の第２電極に電気的に接続されて前記一対の第１電極間の電位差が一定値となるように前記一対の第２電極間に流す電流を制御する電流制御機能、および、前記一対の第１電極および前記一対の第２電極と前記センサ制御装置とが電気的に接続された接続状態と、前記一対の第１電極および前記一対の第２電極と前記センサ制御装置との間の導通が遮断された遮断状態との何れかに切り替える切替機能を実現するための複数の半導体素子が半導体基板上に形成された制御回路と、
   前記制御回路と、前記ガスセンサの前記一対の第１電極および前記一対の第２電極とを接続する複数の接続点のうち、少なくとも１つの前記接続点について、前記接続点における電位が異常であるか否かを予め設定された異常判断条件に基づいて判断する異常判断部と、
   前記接続点における電位が異常であると前記異常判断部が判断した場合に、前記制御回路に、前記接続状態から前記遮断状態に切り替えさせる状態切替部と、
   前記接続点における電位が異常であると前記異常判断部が判断した場合に、前記半導体基板を、前記制御回路に印加されている基準電位よりも低い異常時電位に接続する電位接続部と
   を備えるセンサ制御装置。
2. 請求項１に記載のセンサ制御装置であって、
   前記電位接続部は、負電圧を発生させるネガティブチャージポンプを備え、前記接続点における電位が異常であると前記異常判断部が判断した場合に、前記ネガティブチャージポンプを動作させて、前記ネガティブチャージポンプが発生させた負電圧を前記異常時電位とするセンサ制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のセンサ制御装置であって、
   前記ガスセンサは、前記起電力セルの前記一対の第１電極間に定電流が流れることにより、前記一対の第１電極のうちの一方の電極の周囲における酸素濃度が一定となるように構成されているセンサ制御装置。

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