JP4031503B2 - ガス濃度検出ユニットの異常診断方法及びガス濃度検出ユニットの異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比フィードバック制御に適用されるガス濃度検出ユニットの異常診断方法及びガス濃度検出ユニットの異常診断装置に関する。

現在、ガソリンエンジン等の内燃機関では、排気ガス中のＣＯ、ＮＯｘ及びＨＣを低減するために、排気管に装着したガスセンサにより排気ガス中の特定ガスの濃度を検出し、この検出結果に基づいて燃料と空気の混合比を制御する空燃比フィードバック制御が行われている。

そして、この空燃比制御を実現するためのガスセンサとして、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（具体的には、酸素ポンプセルと酸素濃度検知セル）を中空の測定室を介して積層し、測定室に拡散抵抗体を介して排気ガスを導入して、排気ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比センサ（以下、単にＵＥＧＯセンサとも称する）が知られている。

ＵＥＧＯセンサを構成する各セルの電極は、センサを駆動制御するための制御部に電気的に接続される。そして、制御部は、酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように酸素ポンプセルに電流を流して、測定室の酸素濃度を一定に制御すると共に、酸素ポンプセルに流れる電流値から排気ガス中の酸素濃度（即ち、空燃比）を測定する処理を実行する。なお、このＵＥＧＯセンサでは、センサを構成する各セルに共通の基準電位を与えるために、各セルの測定室に面する側の各電極を共通に接続する１本の共通配線（共通ハーネス）が設けられている。

ところで、この共通配線が断線した場合、各セルに対する基準電位が与えられなくなるため、制御部において測定室の酸素濃度を一定にするためのフィードバック制御が正常に行われなくなり、ＵＥＧＯセンサによる酸素濃度の測定が不可能となる。
そこで、このタイプのガスセンサを有する空燃比システムとして、共通配線の異常の有無を診断するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

この特許文献１に開示された空燃比システムでは、共通配線（ＣＯＭ端子）の断線を診断するにあたり、各センサセルとセンサ制御回路とを接続する３つの接続点（共通配線が接続する接続点を含む）の端子電圧の電位が所定の範囲内であるか否かを判定している。そして、その判定結果の情報を３つの出力端子（具体的には、ＶＲＰＶＳ端子、ＶＩＰ端子、ＶＶＳ端子）の出力信号に重畳させ、３つの出力信号の組み合わせに基づいて共通配線の断線を診断している。
特開２００３−９７４３２号公報

ところが、上記特許文献１では、共通配線の断線を診断するために、３つの出力端子からの出力信号が必要であり、検知手法が複雑になりがちであった。
また、共通配線の断線が生じた場合であっても、３つの出力信号の組み合わせが必ずしも事前に設定した組み合わせにならないケースもあり、診断結果に誤差が生じるおそれがあった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルを含むガスセンサとそのガスセンサを駆動制御する制御手段とを接続する共通配線に異常（具体的には断線）が発生した場合にも、その異常を確実に判定できるようにすることを目的とするものである。

ここで、本発明者らは、各セルの測定室に面する側の各電極に対して共通に接続する共通配線に異常(具体的には断線)が生じた場合、各セルの入出力信号が定常時とは異なる電圧変動を生じることから、測定室の酸素濃度を一定にするためのフィードバック制御が正常に行われなくなる点に注目した。

そこで、上述した目的を達成するためになされた本発明（請求項１）のガス濃度検出ユニットの異常診断方法は、固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素ポンプセルと、固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素濃度検知セルとを含み、各セルの電極の一方が被測定ガスを導入可能な測定室に面するように配設されたガスセンサと、前記各セルの各電極に電気的に接続され、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、前記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御手段と、を備え、前記各セルの前記測定室に面した各電極が共通配線を介して前記制御手段に接続されたガス濃度検出ユニットにおいて、前記共通配線の異常を診断する異常診断方法であって、前記制御手段と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の変動状態に基づいて、前記共通配線の異常診断を行うことを特徴としている。

上述したように、共通配線に異常が発生すると、各セルの入出力信号は定常時とは異なる電圧変動を起こす。そして、各セルの入出力信号がこのような電圧変動を起こすと、測定手段と各セルの各電極とを接続する接続点のうちで共通配線が接続される接続点以外の接続点における電圧（端子電圧）に、それに伴った電圧変動が生ずる。そこで、本発明では、共通配線が接続される接続点以外の一つの端子電圧における変動状態を捉えることを特定したものである。

これにより、本発明のガス濃度検出ユニットの異常診断方法では、共通配線が接続される接続点以外の接続点の端子電圧における変動状態を検出するだけで、共通配線の異常診断を簡易的に且つ精度良く行うことができる。また、共通配線の異常時に生ずる電圧変動は、比較的大きな変動を生ずることから、共通配線が接続される接続点以外の端子電圧の変動状態を捉えることで、共通配線異常時と正常時との区別がし易く、共通配線の異常診断を確実に行うことができる。
なお、「制御手段と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点」としては、酸素濃度検知セルのうち、測定室に面する側の電極とは反対側に位置する電極と制御手段との接続点であっても良いし、酸素ポンプセルのうち、測定室に面する側の電極とは反対側に位置する電極と制御手段との接続点であっても良い。

さらに、上記の異常診断の具体的な態様としては、請求項２に記載のように、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の発振の有無に基づいて、異常発生の有無を判定するようにすると良い。

共通配線に異常が発生すると、各セルの入出力信号は発振状態を生じ易いため、共通配線が接続される接続点以外の接続点における電圧（端子電圧）には発振に伴う電圧変動が生ずる。そこで、この発振の有無に基づき異常発生の有無を具体的に判定することで、精度の良い異常診断を行うことができる。

ここで、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点の端子電圧における変動状態ないし発振状態を測定して異常診断を行うには、端子電圧の周波数を測定し、その測定周波数に基づいて異常の有無を判定するようにしても良いが、請求項３に記載のように、端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続いて当該しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは端子電圧がしきい値を下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、所定の時間内に検出カウントが所定の値に達したときに異常発生と判定するようにすると良い。

このようにすると、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の周波数分析といった複雑な処理を行わなくても、より簡易的に端子電圧の発振に伴う変動状態を捉えることができ、ひいては簡易的かつ正確な共通配線の異常診断が可能となる。
なお、上記しきい値と比較されることになる端子電圧としては、そのままの電圧値を用いるものに限定されず、分圧回路を用いて端子電圧を分圧した分圧値を用いても良く、また所定の増幅度で端子電圧を増幅して電圧値を用いるようにしても良い。

また、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点の端子電圧における変動状態を測定して異常診断を行うには、請求項４に記載のように、端子電圧が予め設定された第１しきい値を上回り且つそれに続き当該第１しきい値よりも小さい第２しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは第２しきい値を下回り且つそれに続いて第１しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、所定の時間内に検出カウントが所定の値に達したときに異常発生と判定すると良い。

このように異常診断を行う場合にも、簡易的に端子電圧の発振に伴う変動状態を捉えることができ、ひいては簡易的かつ正確な共通配線の異常診断が可能となる。さらに、本発明のガス濃度検出ユニットの異常診断方法では、端子電圧の発振に伴う変動状態を捉えるしきい値を１つにせずに、値を異ならせた２つのものを用いるようにしている。これにより、ノイズ等の影響により端子電圧がいずれかのしきい値を頻繁に上下した場合にも、発振に伴う電圧変動と認識することがなくなり、ノイズの影響によって共通配線に異常が発生した誤判定することが防止され、耐ノイズ性に優れたより精度の良い共通配線の異常診断を行うことができる。
なお、上記第１しきい値及び第２しきい値と比較されることになる端子電圧としては、そのままの電圧値を用いるものに限定されず、分圧回路を用いて端子電圧を分圧した分圧値を用いても良く、また所定の増幅度で端子電圧を増幅して電圧値を用いるようにしても良い。

ついで、上述した目的を達成するためになされた本発明（請求項５）のガス濃度検出ユニットの異常診断装置は、固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素ポンプセルと、固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素濃度検知セルとを含み、各セルの電極の一方が被測定ガスを導入可能な測定室に面するように配設されたガスセンサと、前記各セルの各電極に電気的に接続され、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、前記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御手段と、を備え、前記各セルの前記測定室に面した各電極が共通配線を介して前記制御手段に接続されたガス濃度検出ユニットにおいて、前記共通配線の異常を診断する異常診断装置であって、前記制御手段と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の変動状態に基づいて、前記共通配線の異常診断を行う異常診断手段を有することを特徴としている。

このように構成されたガス濃度検出ユニットの異常診断装置によれば、請求項１に記載の方法に従って共通配線の異常診断を行うことができ、請求項１と同様の効果を得ることができる。

さらに、上記の異常診断手段による具体的な態様としては、請求項６に記載のように、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の発振の有無に基づいて、異常発生の有無を判定するように構成すると良い。

このように構成された異常診断手段であれば、請求項２に記載の方法に従って共通配線の異常診断を精度良く行うことができ、請求項２と同様の効果を得ることができる。

なお、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点の端子電圧における変動状態を測定して異常診断を行うために、上記異常診断手段は、端子電圧の周波数を測定し、その測定周波数に基づいて異常の有無を判定するよう構成しても良いが、請求項７に記載のように、端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続いて当該しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは端子電圧がしきい値を下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積するカウント手段と、所定の時間内に検出カウントが所定の値に達したか否かを判定し、検出カウントが前記所定の値に達したときに異常発生と判定する判定手段とを有するよう構成されると良い。

このように構成された異常診断手段であれば、請求項３に記載の方法に従って共通配線の異常診断を行うことができ、請求項３と同様の効果を得ることができる。

また、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点の端子電圧における変動状態を測定して異常診断を行うために、上記異常判定手段は、請求項８に記載のように、異常判定手段は、端子電圧が予め設定された第１しきい値を上回り且つそれに続いて当該第１しきい値よりも小さい第２しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは端子電圧が第２しきい値を下回り且つそれに続いて第１しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積するカウント手段と、所定の時間内に検出カウントが所定の値に達したか否かを判定し、検出カウントが所定の値に達したときに異常発生と判定する判定手段とを有するよう構成されると良い。

このように構成された異常診断手段であれば、請求項４に記載の方法に従って共通配線の異常診断を行うことができ、請求項４と同様の効果を得ることができる。

以下に、本発明を適用した実施形態として、全領域空燃比センサ（以下、単にＵＥＧＯセンサとも称する）および同センサを駆動制御するセンサ制御回路を備えたガス濃度検出ユニット１について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態のガス濃度検出ユニット１は、内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出するものである。

図１に、ガス濃度検出ユニット１の構成を表した概略図を示す。図１に示すように、ガス濃度検出ユニット１は、ＵＥＧＯセンサを構成するセンサ素子１０、センサ素子１０に電気的に接続され、同センサ素子１０を駆動制御するセンサ制御回路５０、センサ素子１０を作動温度に加熱するためのセラミックヒータ７０、及びセラミックヒータ７０に電気的に接続され、同ヒータ７０を駆動制御するためのヒータ制御回路６０から構成される。

センサ素子１０は、図１に示すように、固体電解質体１１ａの両面（表面、裏面）に多孔質電極１２ａ、１２ｂを配設した酸素ポンプセル１４と、固体電解質体１１ｃの両面（表面、裏面）に多孔質電極１３ａ、１３ｂを配設した酸素濃度検知セル２４と、この酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間に設けられて被測定ガス（本実施形態では、排気ガス）が導入される中空の空間である測定室２０と、被測定ガスを測定室２０に導入するための経路に設けられた拡散多孔質層１８と、酸素濃度検知セル２４の多孔質電極１３ｂ側に積層され、酸素濃度検知セル２４との間で酸素を溜め込む酸素基準室２６を形成するための遮蔽層３０とを有する。

なお、酸素ポンプセル１４の多孔質電極１２ｂ及び酸素濃度検知セル２４の多孔質電極１３ａは、測定室２０に面するように配置されている。また、固体電解質体１１ａ、１１ｃ及び遮蔽層３０は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主体に形成され、多孔質電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、白金を主体に形成されている。さらに、測定室２０は、酸素ポンプセル１４と酸素濃度検知セル２４との間に配置されるアルミナを主体とする絶縁層（図示せず）の一部を中空に形成することにより構成され、さらにその中空部分と外部空間とが連通するように絶縁層の一部を切り欠き、この切り欠き部分にアルミナを主体とする多孔質状の拡散多孔質層１８を設けている。

セラミックヒータ７０は、板状に形成され、酸素ポンプセル２４に対向して配置されている。そして内部には、発熱抵抗体７２が備えられており、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、ガス濃度測定可能な活性温度である５５０〜９００℃の間における任意の温度になるように制御される。

次に、図２に基づいて、センサ制御回路５０の構成と動作について説明する。図２は、センサ制御回路５０の概要を示す回路図である。
図２に示すように、センサ制御回路５０は、センサ素子１０を構成する酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４の駆動制御を行うセンサ駆動回路５２を有する。さらにセンサ制御回路５０は、酸素濃度検知セル２４の多孔質電極１３ｂとセンサ駆動回路５２との接続点であるＶｓ＋端子の電圧を入力し、予め設定された第１しきい値（４．２Ｖ）を上回ったらローレベル信号を出力し、第１しきい値よりも小さい第２しきい値（３．６Ｖ）を下回ったらハイレベル信号を出力する異常検出回路５３、異常検出回路５３からのハイレベル信号の出力回数をカウントし、その出力回数が所定の時間内に所定回数（本実施形態では、３２回）に達したか否かを判定する演算処理回路５４等から構成されている。なお、センサ駆動回路５２、異常検出回路５３、演算処理回路５４を有するセンサ制御回路５０は、例えば、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）で実現されている。

センサ駆動回路５２は、主に、後述するＶｃｅｎｔ端子の電位を一定に保持するように、酸素ポンプセル１４に正負にわたるポンプ電流Ｉｐを流すオペアンプ３２、ポンプ電流Ｉｐの制御特性を改善する（換言すれば、酸素ポンプセル１４に流すポンプ電流Ｉｐの大きさを制御する）ためのＰＩＤ制御回路５６、酸素濃度検知セルの多孔質電極１３ｂの酸素濃度（換言すれば、酸素基準室２６の酸素濃度）を一定に保つために酸素濃度検知セル２４に微小電流Ｉｃｐを通電するための定電流源４４、ポンプ電流Ｉｐの制御目標電圧を供給する定電圧源４８、センサ駆動回路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、Ｖｃｅｎｔ端子、ＰＩＤ制御回路５６の特性を決める回路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、一端がＶｃｅｎｔ端子に接続される一方、他端がＰｏｕｔ端子に接続されて、酸素ポンプセル１４を流れるポンプ電流Ｉｐを電圧変換するための検出抵抗器４７から構成されている。

酸素ポンプセル１４は、その外側の多孔質電極（測定室２０に面していない側の電極）１２ａが、Ｉｐ＋端子に配線４３によって接続され、また内側の多孔質電極（測定室２０に面している側の電極）１２ｂが、ＣＯＭ端子に１本の共通配線４２によって接続されている。なお、多孔質電極１２ｂは、ＣＯＭ端子以外に共通配線４２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は、その外側の多孔質電極（測定室２０に面していない側の電極）１３ｂが、Ｖｓ＋端子に配線４１によって接続され、内側の多孔質電極（測定室２０に面する側の電極）１３ａがＣＯＭ端子及びＶｅｎｔ端子に共通配線４２を介して接続されている。

オペアンプ３２は、反転入力端子にＰＩＤ制御回路５６が接続され、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Ｉｐ＋端子に接続されている。

ＰＩＤ制御回路５６は、オペアンプ３６、４０、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の一端側は、オペアンプ２６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の他端側は、Ｐｏｕｔ端子に接続されている。そして、Ｐｏｕｔ端子は、検出抵抗器４７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。このＰＩＤ制御回路５６は、制御目標電圧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演算するように機能する。そして、この偏差量ΔＶｓは、検出抵抗器４７を介してオペアンプ３２の出力端子にフィードバックされて酸素ポンプセル１４にポンプ電流Ｉｐを流す。
また、定電圧源４８は、Ｉｐ電流を制御する制御目標となる電圧（４５０ｍＶ）を、オペアンプ３８を介してＰＩＤ制御回路５６に供給するものである。

このようにして構成されたセンサ駆動回路５２においては、被測定ガス（排気ガス）が燃料供給過剰（リッチ）側の状態には、測定室２０内の酸素が欠乏し、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よりも高くなるので、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、この偏差量ΔＶｓがオペアンプ３２の出力端子にフィードバックされて、不足分の酸素を酸素ポンプセル１４により測定室２０に汲み込むためのポンプ電流Ｉｐを流す。

一方、被測定ガス（排気ガス）が、燃料供給不足（リーン）側の状態の場合には、測定室２０の酸素が過剰となり、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓが制御目標電圧である４５０ｍＶよりも低くなるので、上述したのと同様に偏差量ΔＶｓがオペアンプ３２の出力端子にフィードバックされて、過剰の酸素を酸素ポンプセル１４により測定室２０から汲み出すためのポンプ電流Ｉｐを流す。

つまり、センサ素子１０では、酸素濃度検知セル２４の出力電圧（起電力）Ｖｓが一定値（４５０ｍＶ）となるように（換言すれば、測定室２０の空燃比が理論空燃比となるように）、酸素ポンプセル１４を用いて測定室２０に対する酸素の汲み入れまたは汲み出しが行われる。そして、酸素ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値および電流方向が、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化することから、このポンプ電流Ｉｐに基づいて被測定ガスの酸素濃度を検出することができる。

なお、上述したセンサ駆動回路５２では、酸素ポンプセル１４に流れるポンプ電流Ｉｐを、検出抵抗器４７にて電圧変換し、検出抵抗器４７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、エンジンの中央演算装置（以下、単にＣＰＵともいう）に濃度信号として出力するように構成されている。そして、差動増幅回路から出力された濃度信号がＣＰＵに読み込まれ、ＣＰＵにてこの濃度信号に基づき酸素濃度（空燃比）が求められる。このようにしてＣＰＵに検出された酸素濃度（空燃比）に基づき、最終的に内燃機関の空燃比フィードバック制御が行われることになる。

ついで、センサ制御回路５０内における、異常検出回路５３及び演算処理部５４を用いた異常診断方法について説明する。
まず、異常検出回路５３は、コンパレータ６１を備え、このコンパレータ６１の反転入力端子にＶｓ＋端子（酸素濃度検知セル２４の多孔質電極１３ａとセンサ制御回路５０との接続点）の電圧が入力されるようになっている。そして、このコンパレータ６１に対して抵抗器６２、６３、電圧源６４が適宜接続されて、公知のヒステリシス付きコンパレータを構成している。このコンパレータ６１の出力端子は、バッファ６５を介して演算処理部５４に接続されている。なお、このヒステリシス付きコンパレータでは、出力端子よりハイレベル信号が出力されると、コンパレータ６１の非反転入力端子に４．２Ｖの電圧が入力され、且つ出力端子からローレベル信号が出力されると、非反転入力端子に３．６Ｖの電圧が入力されるように、抵抗器６２、６３、電圧源６４の大きさが予め調整されている。

そして、この異常検出回路５３では、Ｖｓ＋端子の端子電圧が４．２Ｖを上回ることがあると、コンパレータ６１の出力信号からローレベル信号が演算処理部５４に出力される。そして、コンパレータ６１からローレベル信号が出力されると、非反転入力端子には３．６Ｖの電圧が入力されることになるため、Ｖｓ＋端子の端子電圧が４．２Ｖを超え、それに続いて３．６Ｖを下回るとコンパレータ６１からハイレベル信号が演算処理部５４に出力される。

この異常検出回路５３による動作を、以下に、さらに詳細に説明する。
上述したように、センサ制御回路５０（より具体的には、センサ駆動回路５２）では、酸素濃度検知セル２４の出力電圧Ｖｓを帰還電圧として酸素ポンプセル２４に通電するポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御を行っている。そして、Ｖｃｅｎｔ端子ないしＣＯＭ端子に接続されている共通配線４２がセンサ素子１０とセンサ駆動回路５２との間（図中ａ点）で断線したり、センサ素子１０の内部で共通配線４２に接続されている部分が断線したりした場合には、ポンプ電流Ｉｐの正常なフィードバック制御が行われなくなり、センサ制御回路５０は、Ｉｐ＋端子−Ｖｓ＋端子間で発振を起こす。この発振状態を図３に示す。図３は、センサ素子１０とセンサ駆動回路５２とを結ぶ共通配線４２を図２に示すａ点で断線させた場合のＶｓ＋端子における電圧波形と、ＣＯＭ端子における電圧波形をデジタルオシロスコープにて記録したものである。

このように、センサ素子１０とセンサ駆動回路５２とを結ぶ共通配線４２が断線した場合、Ｖｓ＋端子の電圧は発振に伴って大きな変動を生ずることになる。具体的には、４．０５Ｖを中心にして、上限は６Ｖを超える範囲で、また下限は２Ｖを下回る範囲な大きな電圧変動を生ずるのである。なお、図３では、Ｖｓ＋端子の電圧波形について示したが、Ｉｐ＋端子の電圧についても、共通配線４２が断線すると、Ｖｓ＋端子の電圧波形と同様に発振に伴った大きな電圧変動を生ずる。

そして、センサ素子１０の作動時において、実際にセンサ素子１０とセンサ駆動回路５２とを結ぶ共通配線４２が断線を生ずると、上述したように上限は６Ｖを超え、下限は２Ｖを下回る範囲で繰り返し電圧変動するので、図２に示す異常検出回路５３は、Ｖｓ＋端子の端子電圧が４．２Ｖを上回ると、コンパレータ６１の出力信号からローレベル信号を演算処理部５４に出力し、それに続いて３．６Ｖを下回るとコンパレータ６１からハイレベル信号を演算処理部５４に出力するのである。

次に、演算処理部５４にて実行される異常判定処理の処理内容について説明する。図４は、異常判定処理の処理内容を示すフローチャートである。なお、この演算処理部５４は、内燃機関のキーオン時に同期して動作（異常判定処理）を開始する。

まず、異常判定処理が開始されると、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）では、初期化処理が実行される。具体的には、検出カウンタの累積カウント値を０にリセットする処理や異常判定信号をクリアする処理、ハイレベルフラグＦｈをＦｈ＝０にする処理、タイマーの計測を始動する処理等が実行される。

次のＳ１２０では、異常検出回路５３から出力される信号がハイレベルか否かを判定する。ハイレベルである（Ｓ１２０：Ｙｅｓ）と判定されると、Ｓ１３０に進み、Ｓ１３０にてハイレベルフラグＦｈをＦｈ＝１とし、Ｓ１７０に進む。また、Ｓ１２０にて、異常検出回路５３から出力される信号がハイレベルではない（Ｓ１２０：Ｎｏ）と判定されると、Ｓ１４０に進む。

そして、Ｓ１４０では、ハイレベルフラグＦｈがＦｈ＝１である否かを判定する。ハイレベルフラグＦｈ＝１である（Ｓ１４０：Ｙｅｓ）場合には、異常検出回路５３から出力される信号が４．２Ｖを上回り、その後に３．６Ｖを下回ったと判定し、Ｓ１５０に進み、Ｓ１５０にて検出カウンタの累積カウント値を１増加させる。次いで、Ｓ１６０にてハイレベルフラグＦｈをＦｈ＝０とし、Ｓ１７０に進む。一方、Ｓ１４０にて、ハイレベルフラグＦｈがＦｈ＝１ではない（Ｓ１４０：Ｎｏ）場合には、Ｓ１５０及びＳ１６０の処理をスキップしてＳ１７０に進む。

Ｓ１７０の処理では、タイマーによる計測が１０ｍｓを経過したか否かを判定する。１０ｍｓを経過していなければ（Ｓ１７０：Ｎｏ）、Ｓ１２０に戻り、上述したＳ１２０以降の処理を繰り返す。一方、１０ｍｓを経過していると判定された（Ｓ１７０：Ｙｅｓ）場合には、Ｓ１８０に進み、Ｓ１８０にてタイマーの計測をリセットして再始動させる。

Ｓ１８０の処理後、Ｓ１９０にて累積カウント値が３２回に達しているか否かを判定する。累積カウント値が３２回に達している（Ｓ１９０：Ｙｅｓ）場合には、センサ素子１０とセンサ駆動回路５２とを結ぶ共通配線４２に異常（具体的には、断線）が生じたために、Ｖｓ＋端子の端子電圧が発振に伴う変動を生じていると判定してＳ２００に進み、Ｓ２００にてＣＰＵに異常判定信号を出力する。また、Ｓ１９０にて、累積カウント値が３２回に達していない（Ｓ１９０：Ｎｏ）場合には、共通配線４２は正常であって、Ｖｓ＋端子の端子電圧の変動も安定している判定してＳ２１０に進み、Ｓ２１０にて異常判定信号のＣＰＵへの出力をクリアする。

そして、Ｓ２００またはＳ２１０の処理後Ｓ２２０に進み、累積カウント値をクリアする。Ｓ２２０の処理が完了すると、再びＳ１２０に以降し、その後、Ｓ１２０〜Ｓ２２０までの処理が繰り返し実行される。
このようにして、本実施の形態の演算処理部５４は、センサ素子１０とセンサ駆動回路５２とを結ぶ共通配線４２に異常が発生しているか否かの診断（異常判定処理）を、Ｖｓ＋端子の端子電圧の変動状態に基づいて繰り返し実行する。

このように、本実施の形態のガス濃度検知ユニット１では、センサ制御回路５０において、酸素濃度検知セル２４の多孔質電極１３ｂとセンサ駆動回路５２とを接続する接続点（Ｖｓ＋端子）の端子電圧を、異常検出回路５３で３．６Ｖまたは４．２Ｖの２つのしきい値と比較し、さらにＶｓ＋端子の端子電圧が４．２Ｖを上回り、且つそれに続いて３．６Ｖを下回ったカウント（検出カウント）の累積が、１０ｍｓの時間内に３２回に達したか否かを判定することによって、共通配線４２の異常を検出するようにしている。このようにして、共通配線４２の異常（断線）時に、Ｖｓ＋端子−Ｉｐ＋端子間にて発生する発振を、Ｖｓ＋端子の端子電圧の変動状態に基づいて判定することにより、共通配線４２が断線しているか否かを、簡易的に且つより正確に診断することができる。

なお、本実施の形態において、異常検出回路５３及び演算処理部５４が、特許請求の範囲における「異常診断手段」に相当し、異常検出回路５３にて予め設定される４．２Ｖのしきい値が「第１しきい値」、３．６Ｖのしきい値が「第２しきい値」に相当する。また、異常検出回路５３及び演算処理部５４の異常判定処理におけるＳ１２０〜Ｓ１６０の処理が、特許請求の範囲における「カウント手段」に相当し、演算処理部５４の異常判定処理におけるＳ１７０〜Ｓ２１０の処理が「判定手段」に相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
例えば、上記の実施形態では、異常検出回路５３にてＶｓ＋端子の端子電圧を異なる値のしきい値（３．６Ｖと４．２Ｖのしきい値）を用いて比較するようにしたが、しきい値を１つのみにしてＶｓ＋端子の端子電圧と比較するようにしても良い。但し、耐ノイズ性の観点より、しきい値については、上記実施形態のように２つの異なる値のしきい値を用いることが好ましい。

また、上記の実施形態では、Ｖｓ＋端子の端子電圧を異常検出回路５３に入力し、Ｖｓ＋端子の端子電圧の電圧変動を検出するものであった。しかし、共通配線４２に断線が生じた場合には、上述したようにＩｐ＋端子の端子電圧においても、発振に伴う大きな電圧変動が生ずることから、Ｉｐ＋端子の端子電圧を異常検出回路５３に入力させて、Ｉｐ＋端子の端子電圧の電圧変動より、共通配線４２の異常（断線）診断を行っても良い。

さらに、上記の実施の形態では、演算処理部５４の異常判定処理（図４に示すフローチャート）において、Ｖｓ＋端子の端子電圧が予め設定された第１しきい値（４．２Ｖ）を上回り、それに続いて第２しきい値（３．６Ｖ）を下回ったときに検出カウント（累積カウント値）を１ずつ累積するようにしたが、端子電圧が第２しきい値（３．６Ｖ）を下回り、それに続いて第１しきい値（４．２Ｖ）を上回ったときに検出カウント（累積カウント値）を１ずつ累積するように処理を変更させても良い。あるいは、Ｖｓ＋端子の端子電圧が第１しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積する一方、この端子電圧が第２しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、累積したカウント値が所定の時間内に所定の値に達したか否かを判定するようにしても良い。

また、センサ素子としては、上記形態の２セルタイプのものに限定されず、酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセルを少なくとも含む３セル以上のセンサ素子においても、本発明の異常診断方法及び異常診断装置を適用することもできる。なお、酸素濃度検知セル及び酸素ポンプセルを含む３セル以上のセンサ素子としては、公知の構成をなすＮＯｘセンサ向けの素子やＨＣセンサ向けの素子を挙げることができる。

ガス濃度検出ユニット１の概略を表した構成図である。 ガス濃度検出ユニット１のうち、センサ制御回路５０の概要を示した回路図である。 図２に示すガス濃度検出ユニットのうち、センサ素子１０とセンサ制御回路５０（センサ駆動回路５２）とを結ぶ共通配線４２を断線させたときの、Ｖｓ＋端子及びＣＯＭ端子の電圧波形（電圧変動）をデジタルオシロスコープで記録したものである。 センサ制御回路５０を構成する演算処理部５４で実行される異常判定処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ガス濃度検出ユニット
１０ センサ素子
１１ａ、１１ｃ 固体電解質体
１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ 多孔質電極
１４ 酸素ポンプセル
２０ 測定室
２４ 酸素濃淡検知セル
３２ オペアンプ
４１、４３ 配線
４２ 共通配線
４７ 検出抵抗器
５０ センサ制御回路
５２ センサ駆動回路
５３ 異常検出回路
５４ 演算処理部
５６ ＰＩＤ制御回路
６１ コンパレータ
７０ セラミックヒータ

Claims (8)

1. 固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素ポンプセルと、固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素濃度検知セルとを含み、各セルの電極の一方が被測定ガスを導入可能な測定室に面するように配設されたガスセンサと、
   前記各セルの各電極に電気的に接続され、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、前記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御手段と、
   を備え、前記各セルの前記測定室に面した各電極が共通配線を介して前記制御手段に接続されたガス濃度検出ユニットにおいて、前記共通配線の異常を診断する異常診断方法であって、
   前記制御手段と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の変動状態に基づいて、前記共通配線の異常診断を行う
   ことを特徴とするガス濃度検出ユニットの異常診断方法。
2. 請求項１に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、
   前記異常診断は、前記共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の発振の有無に基づいて、異常発生の有無を判定する
   ガス濃度検出ユニットの異常診断方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、
   前記異常診断は、前記端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続いて当該しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは前記端子電圧が前記しきい値を下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、所定の時間内に前記検出カウントが所定の値に達したときに異常発生と判定する
   ガス濃度検出ユニットの異常診断方法。
4. 請求項１または請求項２に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、
   前記異常診断は、前記端子電圧が予め設定された第１しきい値を上回り且つそれに続き当該第１しきい値よりも小さい第２しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは前記第２しきい値を下回り且つそれに続いて前記第１しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、所定の時間内に前記検出カウントが所定の値に達したときに異常発生と判定する
   ガス濃度検出ユニットの異常診断方法。
5. 固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素ポンプセルと、固体電解質体を挟んで一対の電極が配設された酸素濃度検知セルとを含み、各セルの電極の一方が被測定ガスを導入可能な測定室に面するように配設されたガスセンサと、
   前記各セルの各電極に電気的に接続され、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、前記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御手段と、
   を備え、前記各セルの前記測定室に面した各電極が共通配線を介して前記制御手段に接続されたガス濃度検出ユニットにおいて、前記共通配線の異常を診断する異常診断装置であって、
   前記制御手段と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の変動状態に基づいて、前記共通配線の異常診断を行う異常診断手段を有する
   ことを特徴とするガス濃度検出ユニットの異常診断装置。
6. 請求項５に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、
   前記異常診断手段は、
   前記共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点における端子電圧の発振の有無に基づいて、異常発生の有無を判定する
   ガス濃度検出ユニットの異常診断装置。
7. 請求項５または請求項６に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断装置であって、
   前記異常診断手段は、
   前記端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続いて当該しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは前記端子電圧が前記しきい値を下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積するカウント手段と、
   所定の時間内に前記検出カウントが所定の値に達したか否かを判定し、前記検出カウントが前記所定の値に達したときに異常発生と判定する判定手段と、
   を有する
   ガス濃度検出ユニットの異常診断装置。
8. 請求項５または請求項６に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断装置であって、
   前記異常判定手段は、
   前記端子電圧が予め設定された第１しきい値を上回り且つそれに続いて当該第１しきい値よりも小さい第２しきい値を下回ったときに検出カウントを１ずつ累積し、あるいは前記端子電圧が前記第２しきい値を下回り且つそれに続いて前記第１しきい値を上回ったときに検出カウントを１ずつ累積するカウント手段と、
   所定の時間内に前記検出カウントが所定の値に達したか否かを判定し、前記検出カウントが前記所定の値に達したときに異常発生と判定する判定手段と、
   を有する
   ガス濃度検出ユニットの異常診断装置。