JP3833687B2 - ガス濃度測定装置の異常診断方法及びガス濃度測定装置の異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼制御に使用されるガス濃度測定装置の異常診断方法及びガス濃度測定装置の異常診断装置に関する。

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

このような空燃比の制御に使用されるガスセンサとしては、ジルコニア等を主成分とする固体電解質体の両面に電極を備えた２つのセルを測定室を挟むように配設し、測定室に拡散抵抗体を介して被測定ガスを導入して被測定ガスの酸素濃度を検知する全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサとも称する）や、更にもう１つのセルを配設することによってＮＯｘガス濃度を検知できるようにしたＮＯｘセンサ等が知られている。

ＵＥＧＯセンサ等は、排気ガス中の所定ガスの濃度を広範囲にわたって連続的に検知でき、燃焼制御の精度を向上させることが可能なため、近年多用されるようになってきている。

更に、近年の自動車では、それらのガスセンサを使用したエンジンの燃焼制御中に、ガスセンサ及びガスセンサ制御装置の異常診断を自動的に行い（所謂、オンボード自己診断）、運転者等に知らせるようにしたガス濃度測定装置が用いられている。

このようなガス濃度測定装置の異常診断方法としては、従来、ガスセンサを構成する複数のセルの各電極の入出力電圧を各々検出し、それら各電極電圧が異常な値を示しているか否かを判定して、センサ素子に電気的に接続された配線のバッテリー（電源電位）との短絡、配線のグランド（アース電位）との短絡、或いは、配線の断線等の異常診断をする方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−９０８２１号公報

ところで、上記の異常診断方法では、センサ素子に短絡異常が発生した場合でも、ガス濃度測定装置は常に作動した状態であったため、センサ素子に過大な異常電流が流れてセンサ素子を破損させるおそれがあった。

また、センサ素子は酸素濃度の濃淡により起電力を生じる複数のセルで構成されている。このため、各々のセルの各電極電圧は電圧を検出するときの被測定ガスの酸素濃度によって変動してしまう。従って、上記の異常診断方法では、発生した異常の種類は識別できるものの、異常が発生している箇所を確実に識別することができなかった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、ガスセンサを備えたガス濃度測定装置に異常が発生した場合に、ガスセンサを破損させることなく、その異常内容と異常が発生した箇所を識別できるようにしたガス濃度測定の異常診断方法及びガス濃度測定装置の異常診断装置を提供することを目的とするものである。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載のガス濃度測定装置の異常診断方法は、拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記測定室内の酸素濃度に応じて電圧を発生する酸素濃度検知セルと、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、自身に流れる電流に応じて前記測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、を有するガスセンサと、前記ガスセンサの各セルに電気的に接続されて、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ポンプセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前記被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定する測定手段と、を備えたガス濃度測定装置の異常診断方法であって、前記ガスセンサの前記各セルと前記測定手段との各接続点のうち何れかの接続点の電圧が予め設定された異常電圧値になると、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断し、その後、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に接続して、前記ガスセンサの異常診断を行うことを特徴としている。

このように、本発明のガス濃度測定装置の異常診断方法では、ガスセンサに何らかの異常が発生し、各セルと測定手段との各接続点のうち何れかの接続点の電圧が予め設定された異常電圧値になると、測定手段と各接続点とを電気的に遮断し、その後、異常診断を行う。このため、ガスセンサに異常が発生した後に継続してガスセンサに異常電流が流れるのを防止でき、ガスセンサの破損を防ぐことができるようになる。

そして、請求項２に記載のように、異常診断は、前記各接続点を介して前記各セルに所定の電流を供給し、該電流供給時に検出された前記各接続点の電圧に基づき行われるようにすると良い。

このように、各接続点に発生する電圧が被測定ガス空間の酸素濃度によって酸素濃度検知セルやポンプセルに発生する電圧よりも大きくなるよう、所定の電流を各セルに供給することにより、確実に異常診断を行うことができる。このとき、異常診断に必要な最小限の大きさの電流を必要な時間だけ供給するようにすれば、ガスセンサを破損させずに異常診断を確実に行うことが可能となる。

ところで、ガスセンサに異常が発生しても、その異常が直ぐに解消されることがある。このような場合、接続点の電圧が異常電圧値になって測定手段と各接続点とを電気的に遮断した後に、直ちに異常診断を行うと、ガスセンサが正常であるにも関わらず異常診断が行われることになり、それだけ余分な処理を行うことになる。しかも、ガスセンサに通電して異常診断を行う場合、ガスセンサが正常であるにも関わらずガスセンサに対して通電することになり、この不要な通電によってガスセンサが劣化するおそれがある。

そこで、請求項３に記載のように、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断した後、前記各接続点に所定の電圧を印加し、該電圧印加時において、前記各接続点のうち何れかの接続点の電圧が予め設定された異常電圧値であると、前記ガスセンサが異常であることを確定し、該異常の確定後に前記異常診断を行うようにすると良い。

このように、ガスセンサが異常であることを確定してから異常診断が行われるので、正常なガスセンサに対する異常診断を省くことができ、ガス濃度測定装置の処理速度の低下を抑制できる。また、正常なガスセンサに対する不要な通電を抑制することができ、ガスセンサの劣化を抑制することができる。

ガスセンサは、例えば、自動車のエンジンルーム内等のように、スパークプラグ等による電気的ノイズが多い環境下に取付けられることが多く、そのため、ガス濃度測定装置の測定手段には、その電気的ノイズにより発振しないようにするための発振防止手段を備えることが知られている。しかし、測定手段に発振防止手段を備えた場合には、測定手段と各接続点とを電気的に遮断した後の各接続点の電圧は、過渡的に不安定な状態となる。

そこで、前記測定手段に、前記酸素ポンプセルの電流制御によって生じる発振現象を防止するための発振防止手段が電気的に接続されている場合には、請求項４に記載のように、前記異常診断は、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断した後、前記発振防止手段によって生じる不安定期間が経過した後に行われるようにすると良い。

このようにすると、異常診断は、ガスセンサと各接続点とを電気的に遮断した後、発振防止手段により過渡的に発生する不安定な状態が収まった後に実行されることになり、正確な異常診断が可能となる。

ところで、ガス濃度検知セルには、基準酸素源を形成するために、測定室外に配置される電極に、酸素濃度が既知のガスを導入する必要がある。その一手法として、ガス濃度検知セルに微小な一定電流を供給して上記電極の周囲を基準酸素源とするもの（この電極を自己生成基準電極とも称する）が知られている。このような構成を備えたガスセンサに異常が発生し、異常診断において、自己生成基準電極の周囲の酸素濃度を減少させる方向に電流が流れる異常と診断され、その後、何らかの要因でその異常が解消された場合を考える。このとき、異常解消後直ちにガスセンサを通常作動させると、自己生成基準電極の周囲に酸素をポンピングさせるための電流が微小であるために、自己生成基準電極の周囲の酸素濃度を所定の値にするまでに時間がかかる。

そこで、前記ガスセンサの前記酸素濃度検知セルに設けられた前記一対の電極のうち他方の電極は、前記測定室外に外部と遮断された状態で配置されており、前記測定手段は、前記他方の電極の周囲に一定の酸素濃度となる基準酸素源を作るために、前記酸素濃度検知セルに一定電流を供給する定電流供給手段を備えている場合には、請求項５に記載のように、前記異常診断において、前記酸素濃度検知セルに前記一定電流とは逆方向の電流が流れる異常と診断された後、該異常が解消したときは、酸素濃度検知セルに前記一定電流と同方向であって前記一定電流よりも大きな電流を供給するようにすると良い。

このようにすることで、何らかの要因でガスセンサに発生した異常が解消した場合に、ガス濃度測定装置による通常の所定ガスの濃度の測定が早期に再開させることができる。

次に、上述の目的を達成するためになされた請求項６に記載のガス濃度測定装置の異常診断装置は、拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記測定室内の酸素濃度に応じて電圧を発生する酸素濃度検知セルと、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、自身に流れる電流に応じて前記測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、を有するガスセンサと、前記ガスセンサの各セルに電気的に接続されて、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ポンプセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前記被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定する測定手段と、を備えたガス濃度測定装置の異常診断装置であって、前記ガスセンサの前記各セルと前記測定手段との各接続点の電圧が予め設定された異常電圧値か否かを判定する判定手段と、前記判定手段により前記各接続点のうち何れかの接続点の電圧が異常電圧値と判定されると、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断する遮断手段と、前記遮断手段による遮断後に、前記ガスセンサの異常診断を行う異常診断手段と、を備えていることを特徴としている。

このように、本発明のガス濃度測定装置の異常診断装置では、ガスセンサに何らかの異常が発生し、判定手段により各セルとの各接続点のうち何れかの接続点の電圧が異常電圧値と判定されると、遮断手段により測定手段と各接続点とを電気的に遮断し、その後、異常診断手段により異常診断を行う。このため、ガスセンサに異常が発生した後に継続してガスセンサに異常電流が流れるのを防止でき、ガスセンサの破損を防ぐことができるようになる。

そして、請求項７に記載のように、前記各接続点を介して前記各セルに所定の電流を供給する電流供給手段と、前記電流供給手段による電流供給時に、前記各接続点の電圧を検出する電圧検出手段と、を更に備え、前記異常診断手段は、前記電圧検出手段により検出された前記各接続点の検出電圧に基づき異常診断を行うように構成すると良い。

このように、電圧検出手段にて検出される各接続点の電圧が被測定ガス空間の酸素濃度によって酸素濃度検知セルやポンプセルに発生する電圧よりも大きくなるよう、電流供給手段によって所定の電流を各セルに供給することにより、異常診断手段にて確実に異常診断を行うことができる。このとき、電流供給手段によって異常診断に必要な最小限の大きさの電流を必要な時間だけ供給するようにすれば、ガスセンサを破損させずに異常診断を確実に行うことが可能となる。

ところで、上述したように、ガスセンサに異常が発生しても、その異常が直ぐに解消されることがある。このような場合、接続点の電圧が異常電圧値になって測定手段と各接続点とを電気的に遮断した後に、直ちに異常診断を行うと、ガスセンサが正常であるにも関わらず異常診断が行われることになり、それだけ余分な処理を行うことになる。しかも、ガスセンサに通電して異常診断を行う場合、ガスセンサが正常であるにも関わらずガスセンサに対して通電することになり、この不要な通電によってガスセンサが劣化するおそれがある。

そこで、請求項８に記載のように、前記遮断手段による遮断後に、前記各接続点に所定の電圧を印加する電圧印加手段を更に備え、前記異常診断手段は、前記電圧印加手段による電圧印加時に、前記判定手段により前記各接続点のうち何れかの接続点の電圧が異常電圧値と判定されると、異常診断を行うように構成すると良い。

このように、遮断手段による遮断後に電圧印加手段により各接続点に電圧を印加し、各接続点の電圧が異常電圧値であると異常診断手段が異常診断を行う。従って、ガスセンサが異常であることを確定してから異常診断が行われるので、正常なガスセンサに対する異常診断を省くことができ、ガス濃度測定装置の処理速度の低下を抑制できる。また、正常なガスセンサに対する不要な通電を抑制することができ、ガスセンサの劣化を抑制することができる。

異常診断手段による異常診断の際、電圧印加手段により各接続点に異なる電圧を印加すると、各セルの両端に大きな電位差が発生することがあり、これにより、各セルを構成する固体電解質体が劣化するおそれがある。

そこで、請求項９に記載のように、前記電圧印加手段は、前記各接続点に同一の電圧を印加するように構成すると良い。

このように、各接続点を介して各セルに印加する電圧を同一電圧とすることで、各セルの両端に発生する電位差が大きくなることを抑制でき、固体電解質体の劣化を防止することができる。また、各接続点に印加する電圧が同一電圧であるので、電圧印加手段の構成を簡易化することもできる。

上述したように、ガスセンサは、例えば、自動車のエンジンルーム内等のように、スパークプラグ等による電気的ノイズが多い環境下に取り付けられることが多く、そのため、ガス濃度測定装置の測定手段には、その電気的ノイズにより発振しないようにするための発振防止手段を備えることが知られている。しかし、測定手段に発振防止手段を備えた場合には、測定手段と各接続点とを電気的に遮断した後の各接続点の電圧は、過渡的に不安定な状態となる。

そこで、前記測定手段に、前記酸素ポンプセルの電流制御によって生じる発振現象を防止するための発振防止手段が電気的に接続されている場合には、請求項１０に記載のように、前記異常診断手段は、前記遮断手段による遮断後、前記発振防止手段によって生じる不安定期間が経過した後に、異常診断を行うように構成すると良い。

このように、異常診断手段は、遮断手段による遮断後、発振防止手段によって生じる不安定期間が経過した後に異常診断を行うことで、正確な異常診断が可能となる。

ところで、ガス濃度検知セルには、上述したように、ガス濃度検知セルに微小な一定電流を供給して上記電極の周囲を基準酸素源とするもの（この電極を自己生成基準電極とも称する）がある。このような構成を備えたガスセンサに異常が発生し、異常診断において、自己生成基準電極の周囲の酸素濃度を減少させる方向に電流が流れる異常と診断され、その後、何らかの要因でその異常が解消された場合を考える。このとき、異常解消後直ちにガスセンサを通常作動させると、自己生成基準電極の周囲に酸素をポンピングさせるための電流が微小であるために、自己生成基準電極の周囲の酸素濃度を所定の値にするまでに時間がかかる。

そこで、請求項１１に記載のように、前記ガスセンサの前記酸素濃度検知セルに設けられた一対の電極のうち他方の電極は、外部と遮断された状態で前記測定室外に配置されており、前記他方の電極の周囲に一定の酸素濃度となる基準酸素源を作るために、前記酸素濃度検知セルに一定電流を供給する定電流供給手段と、前記異常診断手段により、前記酸素濃度検知セルに前記一定電流とは逆方向の電流が流れる異常と診断された後、該異常が解消したときに、前記酸素濃度検知セルに前記一定電流と同方向であって前記一定電流よりも大きな電流を供給する増大電流供給手段と、を更に備えているように構成すると良い。

このようにすることで、何らかの要因でガスセンサに発生した異常が解消した場合に、ガス濃度測定装置による通常の所定ガスの濃度の測定が早期に再開させることができる。

（実施形態１）
以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明が適用されたガス濃度測定装置１の構成を示す概略図である。尚、本実施形態１のガス濃度測定装置１は、内燃機関（エンジン）の排気ガス中に含まれる酸素濃度を測定するものである。

図１に示すように、本実施形態１のガス濃度測定装置１は、ガスセンサ２及びガスセンサ２に電気的に接続され、被測定ガスの酸素濃度の測定等の機能を備える電子制御ユニット５（以下、ＥＣＵ５とも称する）から構成されている。

ガスセンサ２は、排気ガス中の被測定ガスの酸素濃度を検知するセンサ素子１０、及び、センサ素子１０を作動温度に保つためのヒータ７０を含んで構成されている。
センサ素子１０は全領域空燃比センサであり、ポンプセル１４、絶縁層１５、酸素濃度検知セル２４及び補強板３０が、この順に積層されて構成されている。

ポンプセル１４は、薄板状の酸素イオン伝導性の固体電解質体１１ａの表裏面に、一対の第一ポンプ電極１２ａ及び第二ポンプ電極１２ｂが配置されて構成されている。このうち、第一ポンプ電極１２ａには、配線Ｌ３の一端が電気的に接続されている。また、第二ポンプ電極１２ｂには、配線Ｌ２の一端が電気的に接続されている。尚、各配線Ｌ３、Ｌ２の他端は、ＥＣＵ５の第三接続端子Ｔ３及び第二接続端子Ｔ２に電気的に接続されている。

酸素濃度検知セル２４は、ポンプセル１４と同様に、薄板状の酸素イオン伝導性の固体電解質体１１ｃの表裏面に、一対の第一検知電極１３ａ及び第二検知電極１３ｂが配置されて構成されている。このうち、第一検知電極１３ａは、上述の第二ポンプ電極１２ｂに電気的に接続されている。従って、配線Ｌ２の一端には、第二ポンプ電極１２ｂ及び第一検知電極１３ａが電気的に接続されている。また、第二検知電極１３ｂには、配線Ｌ１の一端が接続されている。尚、配線Ｌ１の他端は、ＥＣＵ５の第一接続端子Ｔ１に電気的に接続されている。
ここで、各固体電解質体１１ａ、１１ｃは、ジルコニアを主体とする材料にて形成されている。また、各ポンプ電極１２ａ、１２ｂ及び各検知電極１３ａ、１３ｂは、白金を主体とする材料にて多孔質状に形成されている。

絶縁層１５は、ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４とを電気的に絶縁するために、ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間に積層されている。この絶縁層１５は、アルミナを主体とする材料にて形成されている。

ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間には、絶縁層１５により包囲された測定室２０が形成されている。そして、ポンプセル１４の第二ポンプ電極１２ｂ及び酸素濃度検知セル２４の第一検知電極１３ａは測定室２０に面して配置されている。尚、絶縁層１５の一部には、測定室２０内に排気ガス中の被測定ガスを導入するために、被測定ガス側及び測定室２０側に連通する多孔質拡散層１８が形成されている。この多孔質拡散層１８は、測定室２０内に導入される被測定ガスの拡散律速を行うものであり、アルミナを主体とする材料にて多孔質状に形成されている

補強板３０は、酸素濃度検知セル２４の測定室２０側とは反対側の面に、第二検知電極１３ｂを挟み込むようにして密着して配設されている。これにより、センサ素子１０全体の強度を確保している。
また、補強板３０によって、酸素濃度検知セル２４の第二検知電極１３ｂは外部と遮断され、第二検知電極１３ｂの周囲には密閉空間が形成される。このような素子構成において、酸素濃度検知セル２４の第二検知電極１３ｂから第一検知電極１３ａに向かう方向に微小な定電流Ｉｃｐを流して、第二検知電極１３ｂ側に酸素をポンピングすることにより、第二検知電極１３ｂ周囲の閉塞空間には略一定濃度の酸素が蓄積されることとなる。この第二検知電極１３ｂ周囲の閉塞空間に蓄積された酸素は、センサ素子１０において被測定ガスの酸素濃度を検知する際の基準酸素となる。このため、第二検知電極１３ｂは自己生成基準電極１３ｂとも称される。
尚、補強板３０は、ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４を構成する各固体電解質体１１ａ、１１ｃと略同じ大きさであると共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。

ヒータ７０は平板状に形成され、センサ素子１０のポンプセル１４に対向して配置されている。ヒータ７０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７２を備えている。ヒータ７０は、後述するヒータ制御回路６０から供給される電力により、センサ素子１０の温度が５５０〜９００℃になるように制御される。また、ヒータ配線７２の両端には、各配線Ｌ４、Ｌ５の一端が電気的に接続されている。尚、各配線Ｌ４、Ｌ５の他端は、ＥＣＵ５のヒータ制御回路６０に電気的に接続されている。

電子制御ユニット５は、センサ素子１０と電気的に接続され、センサ素子１０を制御するセンサ素子制御回路５０、ヒータ７０と電気的に接続され、ヒータ７０を制御するヒータ制御回路６０、センサ素子制御回路５０及びヒータ制御回路６０を制御するマイクロコンピュータ７を含んで構成されている。

このうち、マイクロコンピュータ７は、図示しないが、中央演算装置であるマイクロコンピュータ７と、データやプログラム等を格納するＲＡＭ及びＲＯＭと、外部回路との信号の入出力を行う入力ポート及び出力ポートを含んでいる。マイクロコンピュータ７では、マイクロコンピュータ７はＲＡＭ等に格納されたプログラムにより、演算やデータ転送等の命令の実行が制御される。また、マイクロコンピュータ７では、入力ポートに入力された信号は、入力ポート用レジスタの内容に反映され、出力ポート用レジスタに格納された内容は、出力ポートに信号として出力される。

センサ素子制御回路５０は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、及び、Ｉｐ＋端子を備えている。これら各端子は、ＥＣＵ５の第一〜第三接続端子Ｔ１〜Ｔ３と電気的に接続されている。従って、センサ素子１０の第二検知電極１３ｂは、配線Ｌ１及び第一接続端子Ｔ１を介して、Ｖｓ＋端子に電気的に接続されている。また、センサ素子１０の第二ポンプ電極１２ｂ及び第一検知電極１３ａは、配線Ｌ２及び第二接続端子Ｔ２を介して、ＣＯＭ端子に電気的に接続されている。更に、センサ素子１０の第一ポンプ電極１２ａは、配線Ｌ３及び第三接続端子Ｔ３を介して、Ｉｐ＋端子に電気的に接続されている。

センサ素子１０では、被測定ガスの酸素濃度に応じて、被測定ガス中の酸素が、測定室２０内に、多孔質拡散層１８を介して拡散する。このセンサ素子１０は、エンジンに供給される混合気が理論空燃比に保たれている状態では、測定室２０と酸素濃度の基準となる第二検知電極１３ｂ周囲の閉塞空間との間の酸素濃度差により、酸素濃度検知セル２４に４５０ｍＶの起電力を発生する特性を有する。即ち、第一検知電極１３ａと第二検知電極１３ｂとの間には、４５０ｍＶの電位差が生じることとなる。

ところで、エンジンに供給される混合気の空燃比の変化に応じて、排気ガスに含まれる酸素濃度は変化し、これにより、センサ素子１０の測定室２０内の雰囲気に含まれる酸素濃度も変化する。そこで、本実施形態のガス濃度測定装置１では、後述のセンサ素子制御回路５０によって第一検知電極１３ａと第二検知電極１３ｂとの間の電位差が４５０ｍＶに保たれるように、ポンプセル１４に流れるＩｐ電流が制御される。つまり、測定室２０内の雰囲気が理論空燃比と同じ状態となるように、ポンプセル１４によって酸素のポンピングが行われる。そして、このＩｐ電流に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度が測定される。

次に、図２に基づいて、ＥＣＵ５の構成及び動作について説明する。図２は、ＥＣＵ５の概要を示す回路図である。
図２に示すように、ＥＣＵ５は、センサ素子１０の制御を行うセンサ素子制御回路５０、ヒータの通電制御を行うヒータ制御回路６０及びセンサ素子制御回路５０及びヒータ制御回路６０とを制御するマイクロコンピュータ７とを含んで構成されている。

センサ素子制御回路５０は、センサ素子１０を構成するポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の駆動制御を行うセンサ素子駆動回路５２、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２との接続点であるＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧が入力され、入力された各端子電圧の何れかが所定の電圧範囲外となったときに異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１としマイクロコンピュータ７に出力する異常検出回路５３、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧をマイクロコンピュータ７に出力する端子電圧出力回路５４を含んで構成されている。

センサ素子駆動回路５２は、ポンプセル１４を駆動するＩｐ電流を流すためのオペアンプ３２、Ｉｐ電流の制御特性を改善するためのＰＩＤ制御回路５６、自己生成基準電極１３ｂの酸素濃度を一定に保つために酸素濃度検知セル２４に定電流Ｉｃｐを流すための定電流源４６、定電流源４６から供給される定電流Ｉｃｐよりも大きな電流を酸素濃度検知セル２４に供給する定電流源４５、Ｉｐ電流の制御目標電圧を供給する定電圧源４８、センサ素子駆動回路５２とセンサ素子１０とを接続するための端子であるＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子、ＰＩＤ制御回路５６の特性を決める素子を外付けするための端子であるＰ１端子、Ｐ２端子、Ｐｏｕｔ端子、マイクロコンピュータ７から出力された作動モード切り替え信号に応じてセンサ素子駆動回路５２の作動モードを変更するためのスイッチＳＷ１〜ＳＷ７を含んで構成されている。尚、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子は、それぞれ、第一接続端子Ｔ１、第二接続端子Ｔ２、第三接続端子Ｔ３と導通している。

ポンプセル１４を構成する一対のポンプ電極のうち第一ポンプ電極１２ａは、Ｉｐ＋端子に配線Ｌ３及び第三接続端子を介して接続されている。また、第二ポンプ電極１２ｂは、センサ素子１０の共通基準電圧を与えるＣＯＭ端子に、配線Ｌ２及び第二接続端子Ｔ２を介して接続されている。尚、第二ポンプ電極１２ｂは、ＣＯＭ端子以外に配線Ｌ２、第二接続端子Ｔ２及び抵抗素子Ｒ１を介してＶｃｅｎｔ端子にも接続されている。また、酸素濃度検知セル２４を構成する一対の検知電極のうち第二検知電極１３ｂは、Ｖｓ＋端子に配線Ｌ１及び第一接続端子Ｔ１を介して接続され、第一検知電極１３ａは、ＣＯＭ端子に配線Ｌ２及び第二接続端子Ｔ２を介して接続されている。

Ｉｐ＋端子には、抵抗素子Ｒ７、オペアンプ３２が接続されている。このうち、抵抗素子Ｒ７の一端はスイッチＳＷ６を介してＩｐ＋端子に接続されており、抵抗素子Ｒ７の他端は接地されている。また、オペアンプ３２は、反転入力端子にＰＩＤ制御回路５６が抵抗素子Ｒ２を介して接続され、非反転入力端子には、基準電圧３．６Ｖが印加され、また、出力端子はスイッチＳＷ３を介してＩｐ＋端子に接続されており、これらによって、センサ素子１０を制御する負帰還回路が構成されている。

ＣＯＭ端子には、ＰＩＤ制御回路５６、オペアンプ３２、３４が接続されている。このうち、ＰＩＤ制御回路５６は、制御目標電圧の４５０ｍＶと酸素濃度検知セル２４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５６は、オペアンプ３６、４０、及び、Ｐ１端子及びＰ２端子に装着されＰＩＤ制御回路５６の制御特性を決める抵抗Ｒ３〜Ｒ５とコンデンサＣ１〜Ｃ３とによって構成されている。そして、ＰＩＤ制御回路５６の入力端（オペアンプ４０の反転入力端子）は、オペアンプ４２を介してＶｓ＋端子に接続され、酸素濃度検知セル２４の出力電圧ＶｓがＰＩＤ制御回路５６に入力される。また、ＰＩＤ制御回路５６の出力端は、Ｐｏｕｔ端子に接続されている。そして、Ｐｏｕｔ端子は、抵抗素子Ｒ２を介してＶｃｅｎｔ端子に接続され、最終的にオペアンプ３２の反転入力端子に接続されている。更に、ＰＩＤ制御回路５６の出力端は、抵抗素子Ｒ２及び抵抗素子Ｒ１を介してＣＯＭ端子に接続されている。尚、ＰＩＤ制御回路５６の出力は、オペアンプ３６の出力端子に接続されているスイッチＳＷ２によってＯＮ／ＯＦＦ制御されるようになっている。

定電圧源４８の出力も、オペアンプ３８を介して、オペアンプ４０の反転入力端子に入力されている。この定電圧源４８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４０を介してＰＩＤ制御回路５６に供給するための回路である。

更に、オペアンプ３２は、ＣＯＭ端子に、抵抗素子Ｒ１を介して自身の反転入力端子が接続されている。
また、Ｖｃｅｎｔ端子には、オペアンプ３４がスイッチＳＷ１を介して接続されている。このオペアンプ３４は、後述するように、センサ素子１０の異常診断を行うために、異常識別用電流を供給するための回路である。

Ｖｓ＋端子には、定電流源４５、４６、オペアンプ４２、４４が接続されている。このうち、定電流源４６は、スイッチＳＷ７を介して、Ｖｓ＋端子に接続されている。この定電流源４６は、酸素濃度検知セル２４の自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度を一定に保つために、酸素濃度検知セル２４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、定電流源４５は、スイッチＳＷ５を介して、Ｖｓ＋端子に接続されている。この定電流源４５は、後述するように、センサ素子１０に特定の異常が発生し、その後、この異常が解消したときに、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度を早期に回復させるために、定電流源４６から供給される定電流Ｉｃｐよりも大きな電流（例えば、１００μＡ）を供給する回路である。更に、オペアンプ４４は、スイッチＳＷ４を介して、Ｖｓ＋端子に接続されている。このオペアンプ４４は、上述のオペアンプ３４と同様、後述するように、センサ素子１０の異常診断を行うために、異常識別用電流を供給するための回路である。また、オペアンプ４２の非反転入力端子は、Ｖｓ＋端子に接続されている。

尚、Ｖｓ＋端子とＩｐ＋端子との間には、センサ素子駆動回路５２の発振を防止するために、抵抗Ｒ６とコンデンサＣ４との直列回路からなる発振防止回路５９が挿入されている。ここで、発振防止回路５９が特許請求の範囲に記載の発振防止手段に相当する。

このように構成されたセンサ素子駆動回路５２においては、被測定ガスの酸素濃度の測定を行うために、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ７をＯＮとし、スイッチＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６をＯＦＦとする。このとき、被測定ガスが燃料供給過剰（リッチ）の状態の場合には、測定室２０内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２４の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧である４５０ｍＶよりも高くなる。従って、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５６によってＰＩＤ演算され、オペアンプ３２によってフィードバックされる。このため、不足分の酸素をポンプセル１４により測定室２０内に汲み込むためのＩｐ電流がポンプセル１４に流れることになる。

一方、被測定ガスが燃料供給不足（リーン）の状況の場合には、測定室２０内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２４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３２によって偏差量ΔＶｓがフィードバックされて、過剰分の酸素をポンプセル１４により測定室２０内から汲み出すためのＩｐ電流がポンプセル１４に流れるようになる。

このようにして、本実施形態１のガス濃度測定装置１では、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓが４５０ｍＶとなるように、ポンプセル１４を制御するＩｐ電流を測定することで被測定ガス中の酸素濃度を測定することが可能となる。尚、本実施形態１のガス濃度測定装置１では、ポンプセル１４に流れるＩｐ電流を抵抗素子Ｒ２にて電圧変換し、抵抗素子Ｒ２の両端電圧（具体的には、Ｖｃｅｎｔ端子とＰｏｕｔ端子の両端電圧）を図示しない差動増幅回路を介して、マイクロコンピュータ７の入力ポートに出力されるように構成されている。そして、マイクロコンピュータ７で測定された酸素濃度に基づき、最終的にエンジンの燃焼制御が行われる。

次に、異常検出回路５３は、ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃとＯＲ回路５８ｄで構成され、各コンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃの出力端子が並列にＯＲ回路５８ｄの入力端子に接続されている。そして、図中では接続ラインが省略されているが、各コンパレータの入力端子は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子にそれぞれ接続されている。

各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、それぞれ、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧が所定の電圧範囲内であるときにローレベル信号を出力し、各端子電圧が所定の電圧範囲外であるときにハイレベル信号を出力するように構成されている。

Ｖｓ＋端子の端子電圧は、通常、ＣＯＭ端子の基準電圧３．６Ｖに酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓ（４５０ｍＶ）を加えた値である４．０５Ｖに保たれている。ところが、Ｖｓ＋端子に接続された配線Ｌ１等（Ｖｓ＋ラインとも称する）が何らかの原因により電源電位やグランド電位に短絡すると、Ｖｓ＋端子の端子電圧は電源電位やグランド電位となる。すると、センサ素子１０に過大な異常電流が流れ、センサ素子１０が破損するおそれがある。そこで、ウィンドコンパレータ５８ａは、Ｖｓ＋端子の端子電圧と予め設定された閾値とを比較し、Ｖｓ＋端子の端子電圧が閾値を超えたときにハイレベル信号を出力するように構成されている。具体的には、ウィンドコンパレータ５８ａの閾値の上限を９Ｖ、又は、センサ素子制御回路５０の電源電圧の変動を考慮して、電源電圧から所定値（例えば、１．５Ｖ）減じた所定電圧値に設定すると共に、閾値の下限をグランドレベルの０Ｖにグランド浮きを考慮した１Ｖに設定する。そして、Ｖｓ＋端子の端子電圧が上限値の９Ｖ又は所定電圧値を超えて上昇したとき、或いは、Ｖｓ＋端子の端子電圧が下限値の１Ｖを超えて下降したときに、ウィンドコンパレータ５８ａは、ハイレベル信号を出力するように構成されている。

ＣＯＭ端子の端子電圧は、通常、オペアンプ３２により基準電圧３．６Ｖになるように制御されている。ところが、ＣＯＭ端子に接続された配線Ｌ２等（ＣＯＭラインとも称する）が何らかの原因により電源電圧やグランドレベルに短絡すると、Ｖｓ＋端子と同様、ＣＯＭ端子の端子電圧は電源電位やグランド電位となる。そこで、ウィンドコンパレータ５８ｂは、ＣＯＭ端子の端子電圧と予め設定された閾値とを比較し、ＣＯＭ端子の端子電圧が閾値を超えたときにハイレベル信号を出力するように構成されている。具体的には、ウィンドコンパレータ５８ａと同様に、ウィンドコンパレータ５８ｂの閾値の上限を９Ｖ又は所定電圧値に設定すると共に、閾値の下限を１Ｖに設定する。そして、ＣＯＭ端子の端子電圧が上限値の９Ｖを超えて上昇したとき、或いは、ＣＯＭ端子の電位が下限値の１Ｖを超えて下降したときに、ウィンドコンパレータ５８ｂは、ハイレベル信号を出力するように構成されている。

Ｉｐ＋端子においても、Ｉｐ＋端子に接続された配線Ｌ３等（Ｉｐ＋ラインとも称する）が何らかの原因により電源電圧やグランドレベルに短絡すると、Ｉｐ＋端子の端子電圧は電源電位やグランド電位となる。そこで、ウィンドコンパレータ５８ｃは、Ｉｐ＋端子の端子電圧と予め設定された閾値とを比較し、Ｉｐ＋端子の端子電圧が閾値を超えたときにハイレベル信号を出力するように構成されている。具体的には、Ｉｐ＋端子の端子電圧が入力されるウィンドコンパレータ５８ｃにおいても、ウィンドコンパレータ５８ｂと同様に、基準電圧３．６Ｖを挟むように、閾値の上限を９Ｖ又は所定電圧値に設定すると共に、閾値の下限を１Ｖに設定する。そして、Ｉｐ＋端子の端子電圧が上限値の９Ｖ又は所定電圧値を超えて上昇したとき、或いは、Ｉｐ＋端子の端子電圧が下限値の１Ｖを超えて下降したときに、ウィンドコンパレータ５８ｃは、ハイレベル信号を出力するように構成されている。

ＯＲ回路５８ｄは、各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃからの信号の論理和を算出し、各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃの何れかからハイレベル信号が入力されたときに、異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１としマイクロコンピュータ７に出力する。尚、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧が所定の電圧範囲内であるときは、異常検出回路５３は異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝０としマイクロコンピュータ７に出力する。このように、異常検出回路５３は、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭライン、Ｉｐ＋ラインの何れかで短絡異常が発生して、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の端子電圧が閾値を超えて異常電圧値となった場合（換言すれば、センサ素子１０に異常が発生した場合）に、異常検出フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１とする機能を有する。ここで、ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃが特許請求の範囲に記載の判定手段に相当する。

端子電圧出力回路５４は、センサ素子駆動回路５２の作動モードが後述する異常診断モードのときに、マイクロコンピュータ７にＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧を出力する回路である。尚、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５４の入力端子は、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子にそれぞれ接続されている。

マイクロコンピュータ７は、センサ素子駆動回路５２、異常検出回路５３、端子電圧出力回路５４に接続される。詳細には、後述するセンサ素子駆動回路５２の作動モードを切り替える切り替え信号（詳細には、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御信号）は、マイクロコンピュータ７の出力ポートに接続され、異常検出回路５３の異常検出フラグＤＩＡＧ、端子電圧出力回路５４の出力信号、抵抗素子Ｒ２の両端電圧は、マイクロコンピュータ７の入力ポートに接続されている。このため、マイクロコンピュータ７はセンサ素子駆動回路５２の作動モードを制御することができると共に、センサ素子１０に発生した異常の継続の有無、各端子の端子電圧及び被測定ガスの酸素濃度の測定値を得ることができる。また、マイクロコンピュータ７は、異常検出回路５３、端子電圧出力回路５４からの入力信号に基づき、センサ素子１０の異常診断を行う。更に、マイクロコンピュータ７は、センサ素子１０の温度が５５０〜９００℃となるように、ヒータ制御回路６０を制御する。ここで、マイクロコンピュータ７が特許請求の範囲に記載の、電圧検出手段及び異常診断手段に相当する。

本実施形態１のセンサ素子駆動回路５２では、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ７のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることにより、自身の作動モードが、ガス濃度測定モード、プロテクションモード、異常診断モード、基準酸素回復モードに切り替わる。

ガス濃度測定モードは、エンジンの燃焼制御を行う場合の作動モードであり、センサ素子１０に異常が発生していない正常の場合には、センサ素子駆動回路５２をこの作動モードにする。この作動モードでは、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２において、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ７がＯＮとなり、スイッチＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６がＯＦＦとなる。

このように、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ７がＯＮとなり、スイッチＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６がＯＦＦとなると、上述のように、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓを負帰還電圧として、ポンプセル１４はオペアンプ３２によって負帰還制御され、Ｉｐ電流を測定することで被測定ガス中の酸素濃度が測定される。そして、測定された酸素濃度に基づきエンジンの燃焼制御が行われる。

プロテクションモードは、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の何れかの端子電圧が、上述の異常検出回路５３によって、所定の電圧範囲外となった場合に、センサ素子駆動回路５２からセンサ素子１０に対する出力を全てＯＦＦにし（換言すれば、センサ素子駆動回路５２とセンサ素子１０とを電気的に遮断し）、センサ素子１０を保護する作動モードである。

この作動モードでは、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２のスイッチＳＷ１〜ＳＷ７の全てがＯＦＦとなるため、オペアンプ３２、３４、３６、４４、定電流源４５、４６からセンサ素子１０に入力される信号はＯＦＦとなり、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２とは電気的に遮断される。従って、センサ素子１０に異常電流が継続して流れることがなくなり、センサ素子１０は電気的に保護されることとなる。ここで、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７が特許請求の範囲に記載の遮断手段に相当する。

異常診断モードは、車両運転中にセンサ素子１０に異常が発生したときに、異常が発生した端子とその異常の内容とを診断するための作動モードである。
この作動モードでは、図３に示すように、センサ素子駆動回路５２のスイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６がＯＮとなり、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７がＯＦＦとなる。

このように、スイッチＳＷ３がＯＦＦであるため、ポンプセル１４を駆動しているオペアンプ３２からは電流が供給されなくなり、また、スイッチＳＷ２がＯＦＦのためオペアンプ３５からも電流が供給されなくなり、ポンプセル１４に対する電流制御は停止する。従って、ポンプセル１４の負帰還制御は行われなくなる。

そして、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６がＯＮであるため、ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４には、オペアンプ３４、４４からに電流が供給されることになる。ここで、オペアンプ３４、４４が特許請求の範囲に記載の電流供給手段に相当する。

マイクロコンピュータ７には、これらオペアンプ３４、４４から出力される電流（以下、異常識別用電流とも称する）を各セル１４、２４に流したときに、各端子（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）に発生する各端子電圧（それぞれ、Ｖｓ＋電圧、ＣＯＭ電圧、Ｉｐ＋電圧とも称する）が端子電圧出力回路５４から入力される。そして、マイクロコンピュータ７は、入力された各端子電圧を比較して、各端子電圧の状態が図４に示された識別条件のうちどの条件に当てはまるかを識別することによって、異常が発生した端子とその異常の内容とを判定している。

具体的には、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭライン、Ｉｐ＋ラインの何れかにおいて、グランド電位との短絡（以下、ＧＮＤショートとも称する）が発生した場合には、各端子の端子電圧が、Ｖｓ＋電圧＜ＣＯＭ電圧、かつ、Ｖｓ＋電圧＜Ｉｐ＋電圧の関係であれば、Ｖｓ＋ラインがＧＮＤショートを起こしており、Ｉｐ＋電圧＜ＣＯＭ電圧、かつ、Ｉｐ＋電圧＜Ｖｓ＋電圧の関係であれば、Ｉｐ＋ラインがＧＮＤショートを起こしており、それ以外の関係であれば、ＣＯＭラインがＧＮＤショートを起こしていると判定する。

また、同様に、Ｖｓ＋ライン、ＣＯＭライン、Ｉｐ＋ラインの何れかにおいて、電源電位との短絡（以下、ＶＢショートとも称する）が発生した場合には、各端子の端子電圧が、Ｖｓ＋電圧＞ＣＯＭ電圧、かつ、Ｖｓ＋電圧＞Ｉｐ＋電圧の関係であれば、Ｖｓ＋ラインがＶＢショートを起こしており、Ｉｐ＋電圧＞ＣＯＭ電圧、かつ、Ｉｐ＋電圧＞Ｖｓ＋電圧の関係であれば、Ｉｐ＋ラインがＶＢショートを起こしており、それ以外の関係であれば、ＣＯＭラインがＶＢショートを起こしていると判定する。

ここで、オペアンプ３４、３７から出力される異常識別用電流は、被測定ガスの酸素濃度によって変化するポンプセル１４や酸素濃度検知セル２４の出力電圧を考慮して、５ｍＡ以上とする。この電流は、異常識別用電流を供給したときに各端子に現れる端子電圧が、ポンプセル１４や酸素濃度検知セル２４が被測定ガスの酸素濃度に応じて出力する電圧よりも大きくなるように設定されている。これにより、異常診断を正確に実行することが可能となる。

ところで、異常診断モードにて異常診断が行われ、その後、異常が解消したとき、センサ素子駆動回路５２はガス濃度測定モードに切り替わり、被測定ガスの酸素濃度の測定が再開される。ところが、発生した異常が、Ｖｓ＋端子のＧＮＤショート、又はＣＯＭ端子のＶＢショート、或いはＩｐ＋端子のＶＢショートの場合、異常診断モードにおいて、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が減少する方向に酸素濃度検知セル２４に電流が流れており、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が通常よりも低い状態となっている。このような状態において、センサ素子駆動回路５２の作動モードをガス濃度測定モードに切り替えて、直ちに、被測定ガスの酸素濃度の測定を再開しようとしても、定電流源４６から供給される定電流Ｉｃｐは微小電流であるため、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が所定の酸素濃度となるまでに時間がかかる。そのため、正確な酸素濃度の測定ができるまでに長時間が必要となる。そこで、定電流源４６よりも大きな電流を供給できる定電流源４５を用いて、自己生成基準電極１３ｂの周囲の酸素濃度を早期に回復させる作動モードが、基準酸素回復モードである。

この作動モードでは、スイッチＳＷ５、ＳＷ６はＯＮとなり、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、ＳＷ７はＯＦＦとなる。これにより、定電流源４６より供給される定電流Ｉｃｐよりも大きな基準酸素回復用電流が定電流源４５より酸素濃度検知セル２４に供給され、自己生成基準電極１３ｂの周囲の酸素濃度は早期に回復されることとなる。ここで、定電流源４５が特許請求の範囲に記載の増大電流供給手段に相当する。また、定電流源４６が特許請求の範囲に記載の定電流供給手段に相当する。

次に、マイクロコンピュータ７で実行される処理の流れを図５及び図６により説明する。
図５は、マイクロコンピュータ７で実行される処理の流れを示す主フローチャート、図６は、図５に示す主フローチャートから呼び出されるサブルーチンのフローチャートである。

図５に示すように、マイクロコンピュータ７は、自動車の電源ＯＮで処理を開始し、マイクロコンピュータ７内部の初期化及びセンサ素子１０の活性化後、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードをガス濃度測定モードに切り替える信号（ガス濃度測定モード切り替え信号）を出力する（Ｓ１０１）。センサ素子駆動回路５２は、ガス濃度測定モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ７がＯＮし、スイッチＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６がＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがガス濃度測定モードに切り替わる。次いで、Ｓ１０２において、被測定ガス中の酸素濃度の測定処理が実行される。

次いで、Ｓ１０３では、異常検出回路５３から出力される異常検出フラグＤＩＡＧがＤＩＡＧ＝１であるか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１でなければ、即ち、センサ素子１０の各端子電圧が所定の電圧範囲内であれば（センサ素子１０に異常が発生していなければ）、Ｓ１０２に戻って、被測定ガス中の酸素濃度を測定する処理を繰り返し実行する。

一方、Ｓ１０３でＤＩＡＧ＝１であれば、センサ素子駆動回路５２はスイッチＳＷ１〜ＳＷ７をＯＦＦし、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモード（Ｓ１０４）となる。これにより、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２との電気的接続が遮断され、異常電流がセンサ素子１０に流れることによりセンサ素子１０が破損することを防止する。

次いで、Ｓ１０５では、ＤＩＡＧ＝１が継続しているか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１が継続していれば、Ｓ１０６に移行して異常回数Ｎをインクリメントし、Ｓ１０８に移行する。一方、ＤＩＡＧ＝１が継続していなければ、Ｓ１０７に移行して異常回数Ｎをディクリメントし、Ｓ１０８に移行する。

Ｓ１０８では、異常回数Ｎが所定回数以上か否かの判定を行う。異常回数Ｎが所定回数以上であれば、センサ素子１０に異常が発生したことを確定し、Ｓ１１０に移行する。一方、異常回数Ｎが所定回数以上でなければ、Ｓ１０９に移行する。

Ｓ１０９では、異常回数ＮがＮ＝０であるか否かを判定する。異常回数Ｎ＝０であれば、センサ素子１０の異常が解消したと判断し、Ｓ１０１に戻る。その後、Ｓ１０２に移行して、被測定ガス中の酸素濃度を測定する処理を繰り返し実行する。一方、Ｓ１０９で異常回数Ｎ＝０でなければ、Ｓ１０５〜Ｓ１０８の処理を繰り返し実行する。

次に、Ｓ１１０では、端子電圧読み込み処理が行われる。この端子電圧読み込み処理について図６を参照して説明する。端子電圧読み込み処理では、まず、マイクロコンピュータ７が有する図示しないタイマを用いて、所定の期間（１００ｍ秒〜１秒、例えば１秒間）待機する（Ｓ２０１）。この所定期間待機する処理を実行するのは、以下の理由による。センサ素子駆動回路５２には発振防止回路５９が取り付けられている。このため、センサ素子駆動回路５２の作動モードをプロテクションモードにして、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２とを電気的に遮断した後の所定期間の間、各端子（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）の端子電圧が過渡的に不安定な状態となる。このような不安定な状態では各端子の正確な電圧値が得られない。そこで、各端子の電圧値が安定状態となるまで待つために、所定期間待機する処理を実行する。そして、所定期間待機後、Ｓ２０２に移行する。

Ｓ２０２では、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードを異常診断モードに切り替える信号（異常診断モード切り替え信号）を出力する。センサ素子駆動回路５２は、異常診断モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６をＯＮし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７をＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。

次いで、Ｓ２０３では、端子電圧出力回路５４から出力されるＶｓ＋端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＶｓ＋端子の端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。

次いで、Ｓ２０４では、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードをプロテクションモードに切り替える信号（プロテクションモード切り替え信号）を出力する。センサ素子駆動回路５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがからプロテクションモードに切り替わる。

次いで、Ｓ２０５では、Ｓ２０１と同様に、所定期間待機した後、Ｓ２０６に移行する。
Ｓ２０６では、Ｓ２０２と同様に、センサ素子駆動回路５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路５２は、異常診断モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６をＯＮし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７をＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。

次いで、Ｓ２０７では、端子電圧出力回路５４から出力されるＣＯＭ端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＣＯＭ端子の端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。

次いで、Ｓ２０８では、センサ素子駆動回路５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモード切り替わる。

Ｓ２０９〜Ｓ２１２では、上記と同様に処理が行われる。即ち、Ｓ２０９において所定期間待機した後、Ｓ２１０においてセンサ素子駆動回路５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力することにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。その後、Ｓ２１１においてＩｐ＋端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＩｐ＋端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。次いで、Ｓ２１２では、センサ素子駆動回路５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力することにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。

次いで、主フローチャート（図５）の異常端子識別処理（Ｓ１１１）に移行する。Ｓ１１１では、Ｓ２０３、Ｓ２０７及びＳ２１１において読み込まれマイクロコンピュータ７のＲＡＭに記憶された各端子電圧を図４に示す識別条件に従って識別して、異常の内容及び異常が発生した端子を判定する。尚、識別結果はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。この異常端子識別処理により、センサ素子１０に発生した異常はＧＮＤショート及びＶＢショートのうちどちらか、及び、異常が発生した端子はＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子及びＩｐ＋端子のうちどの端子か、が判定される。

次いで、Ｓ１１２では、ＤＩＡＧ＝１が継続しているか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１が継続していれば、Ｓ１１３に移行して異常回数Ｍをインクリメントし、Ｓ１１５に移行する。一方、ＤＩＡＧ＝１が継続していなければ、Ｓ１１４に移行して異常回数Ｍをディクリメントし、Ｓ１１５に移行する。

Ｓ１１５では、異常回数ＭがＭ＝０であるか否かの判定を行う。異常回数Ｍ＝０でなければ、Ｓ１１２〜Ｓ１１５の処理を繰り返し実行する。一方、異常回数Ｍ＝０であれば、センサ素子１０の異常が解消したと判断し、Ｓ１１６に移行する。

Ｓ１１６では、Ｓ１１１においてマイクロコンピュータ７のＲＡＭに記憶された異常端子識別結果を読み出し、Ｖｓ＋端子がＧＮＤショートであったのか、又は、ＣＯＭ端子がＶＢショートであったのか、又は、Ｉｐ＋端子がＶＢショートであったのか否かを判定する。上記何れの識別結果でなければ、Ｓ１０１に移行する。一方、上記何れかに該当する識別結果であれば、Ｓ１１０における端子電圧読み込み処理において、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が減少する方向に酸素濃度検知セル２４に電流が流れており、センサ素子１０の自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が低い状態となっている。このような状態においてセンサ素子駆動回路５２をガス濃度測定モードに切り替えて、直ちに、被測定ガスの酸素濃度の測定を実行しても、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が所定の値となるまでに時間がかかり、そのため、正確な酸素濃度の測定ができるまでに長時間が必要となる。

そこで、Ｓ１１６において肯定判定された場合には、Ｓ１１７に移行して基準酸素回復処理を行う。
Ｓ１１７では、センサ素子駆動回路５２に対し、作動モードを基準酸素回復モードに切り替える信号（基準酸素回復モード切り替え信号）を出力する。センサ素子駆動回路５２は、基準酸素回復モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ５、ＳＷ６をＯＮし、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、ＳＷ７をＯＦＦする。これにより、酸素濃度検知セル２４に対し、定電流源４５から定電流Ｉｃｐと同一方向であって電流値が大きな基準酸素回復用電流（例えば、１００μＡ）が所定期間（例えば、８００ｍ秒）供給され、自己生成基準電極１３ｂの周囲の酸素濃度が早期に回復される。

次いで、Ｓ１１８に移行する。Ｓ１１８では、センサ素子駆動回路５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。その後、Ｓ１０１に移行する。
そして、このような処理は、自動車の電源ＯＦＦで終了する。

このように、本実施形態１のガス濃度測定装置１では、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２との各接続点（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）に異常電圧が発生したか否かを各ウィンドコンパレータ５８ａ、５８ｂ、５８ｃで検出し、何れかの接続点で異常電圧が発生した場合、センサ素子駆動回路５２の作動モードをプロテクションモードに切り替え、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路５２とを電気的に遮断する。従って、センサ素子１０に異常電流が流れ続けることがなくなり、センサ素子１０を破損させないようにすることが可能となっている。

また、本実施形態１のガス濃度測定装置１では、センサ素子１０の異常診断時に、異常診断に必要となる異常識別用電流を所定の時間だけ通電することによって、センサ素子１０を破損させずに異常診断を行うことが可能となっている。

更に、本実施形態１のガス濃度測定装置１では、異常診断の結果、センサ素子１０が特定の異常と診断され、その後、この異常が解消された場合に、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が早期に所定の酸素濃度となるように、酸素濃度検知セル２４に通常よりも大きな基準酸素回復用電流を供給している。従って、ガス濃度測定装置１による被測定ガスの酸素濃度の測定ができるようになるまでの時間を短縮することができる。そして、延いては、エンジンの燃焼制御を早期に再開させることが可能となる。

（実施形態２）
次に、第２の実施形態について説明する。
ガス濃度測定装置１０１は、構成が実施形態１で説明したガス濃度測定装置１と類似しているため、ガス濃度測定装置１と同じ箇所の説明は省略し、相違点につき説明する。

本実施形態２のガス濃度測定装置１０１は、図１に示すガス濃度測定装置１と同様に、排気ガス中の被測定ガスの酸素濃度を検知するセンサ素子１０、センサ素子１０を制御するセンサ素子制御回路１５０、センサ素子１０を作動温度に保つためのヒータ７０、ヒータ７０を制御するためのヒータ制御回路６０、センサ素子制御回路１５０及びヒータ制御回路６０を制御するマイクロコンピュータ１０７を含んで構成されている（図１参照）。尚、センサ素子制御回路１５０、ヒータ制御回路６０、マイクロコンピュータ１０７により電子制御ユニット１０５を構成している。

このうち、センサ素子１０、電子制御ユニット１０５のヒータ７０及びヒータ制御回路７０は実施形態１と同じである。本実施形態２では、電子制御ユニット１０５のセンサ素子制御回路１５０及びマイクロコンピュータ１０７のみが実施形態１と異なるため、その異なる部分につき図７に基づき説明する。図７は、本発明が適用された電子制御ユニット１０５の概要を示す回路図である。

図７に示すように、センサ素子制御回路１５０は、実施形態１のセンサ素子制御回路５０と同様に、センサ素子１０を構成するポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の駆動制御を行うセンサ素子駆動回路１５２、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路１５２との接続点であるＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧が入力され、入力された各端子電圧の何れかが所定の電圧範囲外となったときに異常検知フラグＤＩＡＧをＤＩＡＧ＝１としマイクロコンピュータ１０７に出力する異常検出回路５３、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子の各端子電圧をマイクロコンピュータ１０７に出力する端子電圧出力回路５４を含んで構成されている。一方、実施形態１のセンサ素子制御回路５０と異なり、異常検出回路５３でセンサ素子１０の異常発生を検出した後、その異常発生を再度確認して異常が発生したことを確定するために、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子に対し、異常発生確定用電圧を印加する電圧印加回路８０、８２、８４が駆動回路１５３に付加されている。ここで、電圧印加回路８０、８２、８４が特許請求の範囲に記載の電圧印加手段に相当する。

この電圧印加回路８０、８２、８４について、図８を用いてより詳細に説明する。
図８は、Ｖｓ＋端子に接続された電圧印加回路８０の回路図を示す。図８に示すように、電圧印加回路８０は、２つのスイッチＳＷ８、ＳＷ９、２つの抵抗素子８８、９４、複数のダイオード回路９０、９２、コンデンサ９８から構成されている。スイッチＳＷ８は、その一端が５Ｖ電源に接続され、他端は抵抗素子８８の一端に接続されている。また、抵抗素子８８の他端は、２つのダイオードが直列接続されたダイオード回路９０のアノード端子に接続されている。

ダイオード回路９０のカソード端子には、３つのダイオードが直列接続されたダイオード回路９２のアノード端子が接続され、ダイオード回路９２のカソード端子には、抵抗素子９４の一端が接続されている。また、抵抗素子９４の他端にはスイッチＳＷ９の一端が接続され、スイッチＳＷ９の他端は接地されている。
そして、ダイオード回路９０とダイオード回路９２との接続点とグランド電位との間には、ノイズ除去用のコンデンサ９８が並列に接続されている。

このようにして構成された電圧印加回路８０におけるダイオード回路９０とダイオード回路９２との接続点（出力端子）は、Ｖｓ＋端子と接続されている。
尚、他の電圧印加回路８２、８４も、電圧印加回路８０と同じ回路構成であり、２つのスイッチＳＷ８、ＳＷ９、２つの抵抗素子８８、９４、複数のダイオード回路９０、９２、コンデンサ９８から構成されている。また、各電圧印加回路８２、８４の各出力端子は、ＣＯＭ端子及びＩｐ＋端子に接続されている。

ここで、上述の実施形態１のガス濃度測定装置との違いを説明する。上述した実施形態１のガス濃度測定装置１では、異常検出回路５３にて接続点の電圧が異常電圧値となったことを検出すると、センサ素子１０の異常診断を行う処理が行われる。ところが、センサ素子１０に異常が発生しても、その異常が直ぐに解消されることがある。このような場合、接続点の電圧が異常電圧値になって測定手段と各接続点とを電気的に遮断した後に、直ちに異常診断を行うと、ガスセンサが正常であるにも関わらず異常診断が行われることになり、それだけ余分な処理を行うことになる。しかも、センサ素子１０に異常識別用電流を供給して異常診断を行うので、センサ素子１０が正常であるにも関わらずセンサ素子１０に対して通電することになり、この不要な通電によってガスセンサが劣化するおそれがある。

そこで、本実施形態２のガス濃度測定装置１０１では、センサ素子１０に異常が確実に発生していることを確認するために、プロテクションモードの後に、センサ素子駆動回路１５２の作動モードを異常発生確定用電圧印加モードに切り替え、上述の電圧印加手段８０、８２、８４により各接続点に異常発生確定用電圧を印加するようにしている。そして、異常発生確定用電圧印加モード時に接続点の電圧が異常電圧値となると、異常診断を行うようにしている。このように、センサ素子１０が異常であることを確定してから異常診断が行われるので、正常なガンサ素子１０に対する異常診断を省くことができ、ガス濃度測定装置１０１の処理速度の低下を抑制できる。また、正常なセンサ素子１０に対する不要な通電を抑制することができ、センサ素子１０の劣化を抑制することができる。

尚、異常発生確定用電圧印加モードでは、電圧印加回路８０、８２、８４のスイッチＳＷ８、ＳＷ９がＯＮとなり、各電圧印加回路８０、８２、８４は、各端子に対し、５Ｖ電源と抵抗素子８８、９４の抵抗値及びダイオード回路９０、９２の電圧降下とで決まる一定の電圧を印加する。ここで、抵抗素子８８、９４の抵抗値を適切に選定することで、各セル１４、２４に流れる電流を抑制することができ、異常発生確定用電圧印加時の各セル１４、２４の劣化を防ぐことも可能となる。更に、各端子に印加される電圧を同一電圧としているので、各セル１４、２４の両端に発生する電位差が大きくなることを抑制でき、固体電解質体１１ａ、１１ｃの劣化を防止することができる。

次に、異常確定用電圧印加回路８０、８２、８４が付加されたセンサ素子制御回路１５０を備えたガス濃度測定装置１０１のマイクロコンピュータ１０７で実行される処理の流れを図９及び図１０により説明する。

図９は、マイクロコンピュータ１０７で実行される処理の流れを示す主フローチャート、図１０は、図９に示す主フローチャートから呼び出されるサブルーチンのフローチャートである。

図９に示すように、マイクロコンピュータ１０７は、自動車の電源ＯＮで処理を開始し、マイクロコンピュータ１０７内部の初期化後、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する（Ｓ３０１）。センサ素子駆動回路１５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。

次いで、Ｓ３０２において、センサ素子駆動回路１５２に対し、作動モードを異常発生確定用電圧印加モードに切り替える信号（異常発生確定用電圧印加モード切り替え信号）を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、異常発生確定用電圧印加モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ８、ＳＷ９がＯＮする。尚、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７はＯＦＦのままである。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードが異常発生確定用電圧印加モードに切り替わる。

次いで、Ｓ３０３では、異常検出回路５３から出力される異常検出フラグＤＩＡＧがＤＩＡＧ＝１であるか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１でなければ、即ち、センサ素子１０の各端子電圧が所定の電圧範囲内であれば（センサ素子１０に異常が発生していなければ）、Ｓ３０４に移行する。一方、ＤＩＡＧ＝１であれば、Ｓ３０７に移行する。

Ｓ３０４では、センサ素子駆動回路１５２に対し、ガス濃度測定モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、ガス濃度測定モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ７がＯＮし、スイッチＳＷ１、ＳＷ４〜ＳＷ６、ＳＷ８、ＳＷ９がＯＦＦする。これによりセンサ素子駆動回路１５２の作動モードがガス濃度測定モードに切り替わる。次いで、Ｓ３０５において、被測定ガス中の酸素濃度の測定処理が実行される。次いで、Ｓ３０６では、異常検出回路５３から出力される異常検出フラグＤＩＡＧがＤＩＡＧ＝１であるか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１でなければ、即ち、センサ素子１０の各端子電圧が所定の電圧範囲内であれば（センサ素子１０に異常が発生していなければ）、Ｓ３０５に戻って、被測定ガス中の酸素濃度を測定する処理を繰り返し実行する。一方、ＤＩＡＧ＝１であれば、Ｓ３０７に移行する。

Ｓ３０７では、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。

次いで、Ｓ３０８において、センサ素子駆動回路１５２に対し、異常発生確定用電圧印加モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、異常発生確定用電圧印加モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ８、ＳＷ９がＯＮする。尚、スイッチＳＷ１〜ＳＷ７はＯＦＦのままである。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードが異常発生確定用電圧印加モードに切り替わる。

次いで、Ｓ３０９では、ＤＩＡＧ＝１が継続しているか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１が継続していれば、Ｓ３１０に移行して異常回数Ｎをインクリメントし、Ｓ３１２に移行する。一方、ＤＩＡＧ＝１が継続していなければ、Ｓ３１１に移行して異常回数Ｎをディクリメントし、Ｓ３１２に移行する。

Ｓ３１２では、異常回数Ｎが所定回数以上か否かの判定を行う。異常回数Ｎが所定回数以上であれば、Ｓ３１４に移行し、センサ素子１０に異常が発生したことを確定する。一方、異常回数Ｎが所定回数以上でなければ、Ｓ３１３に移行する。

Ｓ３１３では、異常回数ＮがＮ＝０であるか否かを判定する。異常回数Ｎ＝０であれば、センサ素子１０側の異常が解消したと判断し、Ｓ３０４に戻る。次いで、Ｓ３０５に移行して、被測定ガス中の酸素濃度を測定する処理を繰り返し実行する。一方、Ｓ３１３で異常回数Ｎ＝０でなければ、Ｓ３０９〜Ｓ３１３の処理を繰り返し実行する。

次に、Ｓ３１５では、端子電圧読み込み処理が行われる。この端子電圧読み込み処理について図１０を参照して説明する。端子電圧読み込み処理では、まず、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する（Ｓ４０１）。センサ素子駆動回路１５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがからプロテクションモードに切り替わる。次いで、Ｓ４０２では、マイクロコンピュータ１０７が有する図示しないタイマを用いて、所定の期間（１００ｍ秒〜１秒、例えば１秒間）待機する。この所定期間待機する処理を実行するのは、以下の理由による。センサ素子駆動回路５２には発振防止回路５９が取り付けられている。このため、センサ素子駆動回路１５２の作動モードをプロテクションモードにして、センサ素子１０とセンサ素子駆動回路１５２とを電気的に遮断した後の所定期間の間、各端子（Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子）の端子電圧が過渡的に不安定な状態となる。このような不安定な状態では各端子の正確な電圧値が得られない。そこで、各端子の電圧値が安定状態となるまで待つために、所定期間待機する処理を実行する。そして、所定期間待機後、Ｓ４０３に移行する。

Ｓ４０３では、センサ素子駆動回路１５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、異常診断モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６をＯＮし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７〜ＳＷ９をＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。

次いで、Ｓ４０４では、Ｖｓ＋端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＶｓ＋端子の端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。

次いで、Ｓ４０５では、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがからプロテクションモードに切り替わる。

次いで、Ｓ４０６では、Ｓ４０２と同様に、所定期間待機した後、Ｓ４０７に移行する。
Ｓ４０７では、Ｓ４０３と同様に、センサ素子駆動回路１５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、異常診断モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１、ＳＷ４、ＳＷ６をＯＮし、スイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ５、ＳＷ７〜ＳＷ９をＯＦＦする。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。

次いで、Ｓ４０８では、ＣＯＭ端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＣＯＭ端子の端子電圧はマイクロコンピュータ７の図示しないＲＡＭに記憶される。

次いで、Ｓ４０９では、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがプロテクションモード切り替わる。

Ｓ４１０〜Ｓ４１３では、上記と同様に処理が行われる。即ち、Ｓ４１０において所定期間待機した後、Ｓ４１１においてセンサ素子駆動回路１５２に対し、異常診断モード切り替え信号を出力することにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードが異常診断モードに切り替わる。その後、Ｓ４１２においてＩｐ＋端子の端子電圧を読み込む。尚、読み込まれたＩｐ＋端子電圧はマイクロコンピュータ１０７の図示しないＲＡＭに記憶される。次いで、Ｓ４１３では、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力することにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。

次いで、主フローチャート（図９）の異常端子識別処理（Ｓ３１６）に移行する。Ｓ３１６では、Ｓ４０４、Ｓ４０８及びＳ４１２において読み込まれマイクロコンピュータ１０７のＲＡＭに記憶された各端子電圧を図４に示す識別条件に従って識別して、異常の内容及び異常が発生した端子を判定する。尚、識別結果はマイクロコンピュータ１０７の図示しないＲＡＭに記憶される。この異常端子識別処理により、センサ素子１０に発生した異常はＧＮＤショート及びＶＢショートのうちどちらか、及び、異常が発生した端子はＶｓ＋端子、ＣＯＭ端子及びＩｐ＋端子のうちどの端子か、が判定される。

次いで、Ｓ３１７では、ＤＩＡＧ＝１が継続しているか否かを判定する。ＤＩＡＧ＝１が継続していれば、Ｓ３１８に移行して異常回数Ｍをインクリメントし、Ｓ３２０に移行する。一方、ＤＩＡＧ＝１が継続していなければ、Ｓ３１９に移行して異常回数Ｍをディクリメントし、Ｓ３２０に移行する。

Ｓ３２０では、異常回数ＭがＭ＝０であるか否かの判定を行う。異常回数Ｍ＝０でなければ、Ｓ３１７〜Ｓ３２０の処理を繰り返し実行する。一方、異常回数Ｍ＝０であれば、センサ素子１０の異常が解消したと判断し、Ｓ３２１に移行する。

Ｓ３２１では、Ｓ３１５においてマイクロコンピュータ７のＲＡＭに記憶された異常端子識別結果を読み出し、Ｖｓ＋端子がＧＮＤショートであったのか、又は、ＣＯＭ端子がＶＢショートであったのか、又は、Ｉｐ＋端子がＶＢショートであったのか否かを判定する。上記何れの識別結果でなければ、Ｓ３０４に移行する。一方、上記何れかに該当する識別結果であれば、Ｓ３１５における端子電圧読み込み処理において、自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が減少する方向に酸素濃度検知セル２４に電流が流れており、センサ素子１０の自己生成基準電極１３ｂ周囲の酸素濃度が低い状態となっている。

そこで、Ｓ３２１において肯定判定された場合には、Ｓ３２２に移行して基準酸素回復処理を行う。
Ｓ３２２では、センサ素子駆動回路１５２に対し、基準酸素回復モード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、基準酸素回復モード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ５、ＳＷ６をＯＮし、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４、ＳＷ７〜ＳＷ９をＯＦＦする。これにより、酸素濃度検知セル２４に対し、定電流源４５から定電流Ｉｃｐと同一方向であって電流値が大きな基準酸素回復用電流が所定期間供給され、自己生成基準電極１３ｂの周囲の酸素濃度が早期に回復される。

次いで、Ｓ３２３に移行する。Ｓ３２３では、センサ素子駆動回路１５２に対し、プロテクションモード切り替え信号を出力する。センサ素子駆動回路１５２は、プロテクションモード切り替え信号が入力されることにより、スイッチＳＷ１〜ＳＷ９がＯＦＦとなる。これにより、センサ素子駆動回路１５２の作動モードがプロテクションモードに切り替わる。その後、Ｓ３０４に移行する。
そして、このような処理は、自動車の電源ＯＦＦで終了する。

このように、本実施形態２のガス濃度測定装置１０１では、センサ素子１０が異常であることを確定してから異常診断が行われるので、正常なガンサ素子１０に対する異常診断を省くことができ、ガス濃度測定装置１０１の処理速度の低下を抑制できる。また、正常なセンサ素子１０に対する不要な通電を抑制することができ、センサ素子１０の劣化を抑制することができる。

尚、センサ素子駆動回路１５２の作動モードをプロテクションモードに切り替えた際、Ｖｓ＋端子、ＣＯＭ端子、Ｉｐ＋端子が高インピーダンスとなって、各端子の端子電圧が不安定（換言すれば、異常検出回路５３への入力電圧が不安定）となる場合があり、異常状態の検出が不確定のなる場合がある。これに対し、本実施形態２のガス濃度測定装置１０１では、センサ素子駆動回路１５２の作動モードをプロテクションモードに切り替えた後に、各端子に対し電圧印加回路８０、８２、８４により異常発生確定用電圧を印加している。従って、各端子の端子電圧が不安定にならず、各端子の異常（換言すれば、センサ素子１０の異常）をより確実に検出ことができる。

また、異常発生確定用電圧印加時に各端子に同一電圧を印加するので、センサ素子１０が劣化することを抑制できる。

尚、上記実施形態では、センサ素子１０として全領域空燃比センサを取り上げたが、これに限られず、上記センサ素子１０にもう１つのセルを追加して、２つの測定室を備えたＮＯｘセンサに適用することも可能である。

ガス濃度測定装置１の構成図である。 電子制御ユニット５の概要を示す回路図である。 センサ素子駆動回路５２の各作動モードにおけるスイッチの状態を示す図である。 各端子に発生した異常モードを識別する識別条件を示す図である。 マイクロコンピュータ７で実行される処理の流れを示す主フローチャートである。 マイクロコンピュータ７で実行される処理の流れを示すサブルーチンのフローチャートである。 電子制御ユニット１０５の概要を示す回路図である。 電圧印加回路８０の回路図である。 マイクロコンピュータ１０７で実行される処理の流れを示す主フローチャートである。 マイクロコンピュータ１０７で実行される処理の流れを示すサブルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１、１０１・・・ガス濃度測定装置
２・・・ガスセンサ
５、１０５・・・電子制御ユニット
７、１０７・・・マイクロコンピュータ
１０・・・センサ素子
１１ａ、１１ｃ・・・固体電解質体
１２ａ、１２ｂ・・・ポンプ電極
１３ａ、１３ｂ・・・検知電極
１４・・・ポンプセル
１５・・・絶縁層
１８・・・多孔質拡散層
２０・・・測定室
２４・・・酸素濃度検知セル
３０・・・補強板
３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４・・・オペアンプ
４５、４６・・・定電流源
４８・・・定電圧源
５０、１５０・・・センサ素子制御回路
５２、１５２・・・センサ素子駆動回路
５３・・・異常検出回路
５４・・・端子電圧出力回路
５６・・・ＰＩＤ制御回路
５８ａ、５８ｂ、５８ｃ・・・ウィンドコンパレータ
５８ｄ・・・ＯＲ回路
５９・・・発振防止回路
６０・・・ヒータ制御回路
７０・・・ヒータ
７２・・・ヒータ配線
８０、８２、８４・・・電圧印加回路
８６、９６・・・抵抗素子
９０、９２・・・ダイオード回路
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・・コンデンサ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・配線
Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７・・・抵抗素子
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７、ＳＷ８、ＳＷ９・・・スイッチ

Claims (11)

1. 拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、
   固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記測定室内の酸素濃度に応じて電圧を発生する酸素濃度検知セルと、
   固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、自身に流れる電流に応じて前記測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、
   を有するガスセンサと、
   前記ガスセンサの各セルに電気的に接続されて、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ポンプセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前記被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定する測定手段と、
   を備えたガス濃度測定装置の異常診断方法であって、
   前記ガスセンサの前記各セルと前記測定手段との各接続点のうち何れかの接続点の電圧が予め設定された異常電圧値になると、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断し、
   その後、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に接続して、前記ガスセンサの異常診断を行う
   ことを特徴とするガス濃度測定装置の異常診断方法。
2. 前記異常診断は、前記各接続点を介して前記各セルに所定の電流を供給し、該電流供給時に検出された前記各接続点の電圧に基づき行われる
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
3. 前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断した後、前記各接続点に所定の電圧を印加し、
   該電圧印加時において、前記各接続点のうち何れかの接続点の電圧が予め設定された異常電圧値であると、前記ガスセンサが異常であることを確定し、
   該異常の確定後に前記異常診断を行う
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
4. 前記測定手段には、前記酸素ポンプセルの電流制御によって生じる発振現象を防止するための発振防止手段が電気的に接続されており、
   前記異常診断は、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断した後、前記発振防止手段によって生じる不安定期間が経過した後に行われる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
5. 前記ガスセンサの前記酸素濃度検知セルに設けられた前記一対の電極のうち他方の電極は、前記測定室外に外部と遮断された状態で配置されており、
   前記測定手段は、前記他方の電極の周囲に一定の酸素濃度となる基準酸素源を作るために、前記酸素濃度検知セルに一定電流を供給する定電流供給手段を備えており、
   前記異常診断において、前記酸素濃度検知セルに前記一定電流とは逆方向の電流が流れる異常と診断された後、該異常が解消したときは、酸素濃度検知セルに前記一定電流と同方向であって前記一定電流よりも大きな電流を供給する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載のガス濃度測定装置の異常診断方法。
6. 拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室と、
   固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、前記測定室内の酸素濃度に応じて電圧を発生する酸素濃度検知セルと、
   固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極のうち一方の電極が前記測定室に面して配置されて、自身に流れる電流に応じて前記測定室内の酸素をポンピングする酸素ポンプセルと、
   を有するガスセンサと、
   前記ガスセンサの各セルに電気的に接続されて、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ポンプセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前記被測定ガス空間の所定ガスの濃度を測定する測定手段と、
   を備えたガス濃度測定装置の異常診断装置であって、
   前記ガスセンサの前記各セルと前記測定手段との各接続点の電圧が予め設定された異常電圧値か否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段により前記各接続点のうち何れかの接続点の電圧が異常電圧値と判定されると、前記測定手段と前記各接続点とを電気的に遮断する遮断手段と、
   前記遮断手段による遮断後に、前記ガスセンサの異常診断を行う異常診断手段と、
   を備えていることを特徴とするガス濃度測定装置の異常診断装置。
7. 前記各接続点を介して前記各セルに所定の電流を供給する電流供給手段と、
   前記電流供給手段による電流供給時に、前記各接続点の電圧を検出する電圧検出手段と、
   を更に備え、
   前記異常診断手段は、前記電圧検出手段により検出された前記各接続点の検出電圧に基づき異常診断を行う
   ことを特徴とする請求項６に記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
8. 前記遮断手段による遮断後に、前記各接続点に所定の電圧を印加する電圧印加手段を更に備え、
   前記異常診断手段は、前記電圧印加手段による電圧印加時に、前記判定手段により前記各接続点のうち何れかの接続点の電圧が異常電圧値と判定されると、異常診断を行う
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
9. 前記電圧印加手段は、前記各接続点に同一の電圧を印加する
   ことを特徴とする請求項８に記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
10. 前記測定手段には、前記酸素ポンプセルの電流制御によって生じる発振現象を防止するための発振防止手段が電気的に接続されており、
    前記異常診断手段は、前記遮断手段による遮断後、前記発振防止手段によって生じる不安定期間が経過した後に、異常診断を行う
    ことを特徴とする請求項６〜請求項９の何れかに記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
11. 前記ガスセンサの前記酸素濃度検知セルに設けられた一対の電極のうち他方の電極は、外部と遮断された状態で前記測定室外に配置されており、
    前記他方の電極の周囲に一定の酸素濃度となる基準酸素源を作るために、前記酸素濃度検知セルに一定電流を供給する定電流供給手段と、
    前記異常診断手段により、前記酸素濃度検知セルに前記一定電流とは逆方向の電流が流れる異常と診断された後、該異常が解消したときに、前記酸素濃度検知セルに前記一定電流と同方向であって前記一定電流よりも大きな電流を供給する増大電流供給手段と、
    を更に備えていることを特徴とする請求項６〜請求項１０の何れかに記載のガス濃度測定装置の異常診断装置。
    

Images