JP4321409B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス濃度検出装置にかかり、特にセンサ素子を活性化するためのヒータやヒータ制御を行う周辺構成の異常検出を好適に実施する技術に関するものである。

例えば、車両用エンジンより排出される排ガスを検出対象として同ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する限界電流式の空燃比センサ（いわゆるＡ／Ｆセンサ）が知られている。すなわち、Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体と該固体電解質体に設けられる一対の電極とよりなるセンサ素子を有し、該センサ素子への電圧印加に伴いその都度の酸素濃度に応じた素子電流を流すよう構成されている。そして、センサ素子に流れる素子電流が計測され、その計測結果から酸素濃度（空燃比）が検出されるようになっている。

上記Ａ／Ｆセンサでは、センサ素子が活性状態にあることを前提に酸素濃度が正確に検出できるため、当該センサ素子の活性状態を知るべくセンサ素子の素子抵抗検出（インピーダンス検出）が行われる。また、Ａ／Ｆセンサにはセンサ素子を活性状態に維持するためにヒータが設けられており、例えばその都度の素子インピーダンスに基づいてヒータの通電がデューティ制御される。具体的には、素子温が低下し、インピーダンス目標値に対してインピーダンス検出値が大きくなる場合、ヒータ通電のためのデューティ比が増やされ、逆に素子温が上昇し、インピーダンス目標値に対してインピーダンス検出値が小さい場合、ヒータ通電のためのデューティ比が減じられる。これにより、センサ素子が所望の活性状態で維持されるようになっている。

センサ素子の活性状態を維持するにはヒータによる加熱が適正に行われることが必須条件であり、ヒータ加熱機能を保証すべく、従来から様々なヒータ制御系の異常検出手法が提案されている。例えば、ヒータ通電のデューティ制御に際し、ヒータ通電オン時にヒータオン電流を計測すると共に、ヒータ通電オフ時にヒータオフ電流を計測し、それらヒータオン電流とヒータオフ電流とに基づいてヒータ制御系の異常を判定する技術が知られている。また、特許文献１では、ヒータ通電オン時の電圧及び電流と、ヒータ通電オフ時の電圧及び電流とからなる４つの計測値を各々に所定のしきい値にて大小判定し、その結果から故障の有無や故障箇所の特定を行うようにしている。

ここで、上記のようなヒータ通電制御では、素子温の低下により素子インピーダンスが過剰に上昇することでデューティ比が１００％となったり、素子温の上昇により素子インピーダンスが過剰に下降することでデューティ比が０％となったりする場合がある。この場合、デューティ比＝１００％ではヒータが常時オンされるため、ヒータオフ電流が計測できず、ヒータ制御系の異常検出が不可能となる。また、デューティ比＝０％ではヒータが常時オフされるため、ヒータオン電流が計測できず、やはりヒータ制御系の異常検出が不可能となる。

ヒータ制御系の構成として、電源−ヒータ−スイッチング素子−ＧＮＤ（グランド）よりなる直列回路が設けられた構成では、通常、デューティ比信号によりスイッチング素子がオン／オフされてヒータ通電がオン／オフ制御されるが、例えばヒータのスイッチング素子側の端子がＧＮＤショートすると、ヒータが常時通電されることとなり、それに伴う素子温の上昇（素子インピーダンスの下降）によってデューティ比＝０％の状態が生じる。この状態では、ヒータ制御系の異常検出が不可能となる。また、このようなヒータの常時通電状態が継続されると、センサ素子の損傷を招くおそれもあり、ヒータ制御系の異常を適正に検出する技術が望まれている。
特開平１１−００６８１２号公報

本発明は、ヒータ制御系の異常検出を適正に実施することができるガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明のガス濃度検出装置は、被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するためのセンサ素子と、該センサ素子を加熱するためのヒータとを備えたガス濃度センサに適用されるものであり、センサ素子の活性状態（例えば素子抵抗値など）に基づいてヒータの通電状態をオン／オフ制御すると共に、ヒータ通電オン時及びヒータ通電オフ時に取得した異常検出パラメータを基にヒータ制御系の異常検出を実施する。また特に、判定手段は、ヒータ通電状態がオン又はオフのまま継続していることを判定し、通電状態操作手段は、ヒータ通電状態がオンのまま継続している場合に一時的にヒータ通電をオフすると共に、ヒータ通電状態がオフのまま継続している場合に一時的にヒータ通電をオンする。

この構成によれば、ヒータ通電状態がオン継続又はオフ継続となるような場合であっても、一時的に逆の通電状態（オン継続の場合はオフ状態、オフ継続の場合はオン状態）に強制操作することが可能となる。従って、ヒータ通電オン時とヒータ通電オフ時の異常検出パラメータを確実に取得することができるようになり、ヒータ制御系の異常検出を適正に実施することができる。

また、ヒータの通電状態をデューティ制御するガス濃度検出装置においては、判定手段は、制御デューティ比が１００％若しくは１００％付近、又は０％若しくは０％付近の規定範囲に該当することを判定し、通電状態操作手段は、制御デューティ比が前記規定範囲に該当する場合に、当該制御デューティ比に代えて、前記規定範囲外の異常検出用デューティ比によりヒータ通電状態を制御する。

この構成によれば、ヒータ通電のための制御デューティ比が１００％若しくは１００％付近（オン継続の状態）となるような場合において、一時的にヒータ通電オフの状態に強制操作することができる。また、制御デューティ比が０％若しくは０％付近（オフ継続の状態）となるような場合には、一時的にヒータ通電オンの状態に強制操作することができる。従って、ヒータ通電オン時とヒータ通電オフ時の異常検出パラメータを確実に取得することができるようになり、ヒータ制御系の異常検出を適正に実施することができる。

異常検出用デューティ比は、制御デューティ比が１００％若しくは１００％付近である場合に当該デューティ比を所定量減少させ、制御デューティ比が０％若しくは０％付近である場合に当該デューティ比を所定量増加させたものであると良い。

また、ヒータ通電オン時のヒータ電流のＡ／Ｄ変換値とヒータ通電オフ時のヒータ電流のＡ／Ｄ変換値とに基づいてヒータ制御系の異常検出を実施する構成において、異常検出用デューティ比は、少なくともＡ／Ｄ変換手段によるＡ／Ｄ変換タイミングが確保できるようなヒータ通電オン時間とヒータ通電オフ時間とを設定するものであると良い。

例えば、ヒータ制御用スイッチング素子でオン応答とオフ応答とが相違する場合や、ノイズ除去用に設けたフィルタ回路によりヒータ電流波形がなまる場合、異常検出用デューティ比の通電オフ比率と通電オン比率とが同じであっても現実のヒータオン時間とヒータオフ時間とが相違することがある。従って、こうした事情を考慮し、異常検出用デューティ比により強制的にヒータ通電オフとする通電オフ比率と、同じく異常検出用デューティ比により強制的にヒータ通電オンとする通電オン比率とを各々個別に設定すると良い。

また、前記通電状態操作手段は、制御デューティ比のｎ周期分（ｎ≧２）の時間又はデューティ周期よりも長い時間を実行周期として、前記異常検出用デューティ比によるヒータ通電を実行すると良い。この場合、異常検出用デューティ比によるヒータ通電をデューティ周期毎に実行するのではなく、時間間隔を拡げて実行することになるため、センサ活性状態（センサ素子温）の変動が生じにくくなり、センサ活性状態を維持する上での影響を抑制することができる。

仮に電気配線の断線やショートといったヒータ制御系の異常が発生した場合には、その後異常状態が継続され、異常検出処理では毎回異常判定がなされることとなる。この場合、センサ活性状態を基にヒータ通電制御を行うことよりも、早期に異常判定がなされることが優先されるのが望ましい。そのため、ヒータ制御系で異常発生している旨が複数回判定されると最終異常判定を行う構成において、前記ヒータ制御系で異常発生している旨が少なくとも１回判定された場合に、前記通電状態操作手段は、前記異常検出用デューティ比によるヒータ通電の実行周期を短縮すると良い。これにより、最終異常判定をいち早く行うことが可能となる。

現実にヒータ通電オン又はヒータ通電オフでないのに誤って検出されたヒータ通電オン時／オフ時の異常検出パラメータを基に異常検出が行われると、誤った異常検出が行われることが考えられる。そこで、ヒータ通電オン時及びヒータ通電オフ時の異常検出パラメータが共に取得されたことを判定する手段を更に設け、それら各パラメータの取得完了を判定したことを条件にヒータ制御系の異常検出を許可すると良い。

ヒータ通電状態を強制的に操作する場合、その操作によりセンサ素子の活性状態が変化することが考えられる（但しこの場合、前提として、異常検出用デューティ比等によるヒータ通電時においてセンサ活性状態の変化を許容している）。故に、前記通電状態操作手段によりヒータ通電状態が操作された時に、センサ素子の活性状態が変化するかどうかによりヒータ制御系の異常検出を実施するようにしても良い。

以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、車載エンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比、以下Ａ／Ｆとも言う）を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンＥＣＵ等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実施される。

先ずはじめに、ガス濃度センサとしてのＡ／Ｆセンサの構成を図２を用いて説明する。本Ａ／Ｆセンサは積層型構造のセンサ素子１０を有し、図２にはセンサ素子１０の断面構成を示す。実際には当該センサ素子１０は図２の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。

センサ素子１０は、固体電解質１１、拡散抵抗層１２、遮蔽層１３及び絶縁層１４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子１０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質１１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。電極１５，１６は白金Ｐｔ等により形成されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層１２，１３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層１４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極１６に対面する部位には大気ダクト１７が形成されている。また、同絶縁層１４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ１８が埋設されている。ヒータ１８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。ヒータ１８は、絶縁層１４に埋設される構成（センサ素子１０に内蔵される構成）以外に、センサ素子１０に外付けされる構成であっても良い。なお以下の説明では、電極１５を拡散層側電極、電極１６を大気側電極とも言うこととする。本実施の形態では、大気側電極１６に接続される端子を正側端子（＋端子）、拡散層側電極１５に接続される端子を負側端子（−端子）としている。

上記センサ素子１０において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層１２の側方部位から導入されて拡散層側電極１５に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素は電極１５，１６間の電圧印加により拡散層側電極１５で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、大気側電極１６より大気ダクト１７に排出される。このとき、大気側電極１６→拡散層側電極１５の向きに電流（正電流）が流れる。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト１７内の酸素が大気側電極１６で分解され、イオン化されて固体電解質１１を通過した後、拡散層側電極１５より排出される。そして、排ガス中のＨＣやＣＯ等の未燃成分と触媒反応する。このとき、拡散層側電極１５→大気側電極１６の向きに電流（負電流）が流れる。

図３は、Ａ／Ｆセンサについての基本的な電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３において、電圧軸（横軸）に平行な平坦部分はセンサ素子１０の素子電流Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐの増減が空燃比の増減（すなわち、リーン・リッチの程度）に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐは減少する。

このＶ−Ｉ特性において、限界電流域よりも低電圧側は抵抗支配域となっており、抵抗支配域における一次直線部分の傾きはセンサ素子１０の直流内部抵抗Ｒｉにより特定される。直流内部抵抗Ｒｉは素子温に応じて変化し、素子温が低下すると直流内部抵抗Ｒｉが増大する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが小さくなる（直線部分が寝た状態となる）。また、素子温が上昇すると直流内部抵抗Ｒｉが減少する。すなわちこのとき、抵抗支配域の一次直線部分の傾きが大きくなる（直線部分が立った状態となる）。図中のＲＧは、センサ素子１０への印加電圧Ｖｐを決定するための印加電圧特性（印加電圧線）を表している。

図１は、センサ制御回路１００の構成を示す電気回路図である。図１において、センサ素子１０の大気側電極１６に接続された＋端子Ｔ１には、オペアンプ２１及び電流検出抵抗２２を介して基準電源２３が図示の如く接続され、同センサ素子１０の拡散層側電極１５に接続された−端子Ｔ２にはオペアンプ２４及び抵抗２５を介して印加電圧制御回路３０が接続されている。電流検出抵抗２２の一端のＡ点は基準電圧Ｒｅｆ１と同じ電圧に保持される。素子電流Ｉｐは電流検出抵抗２２を介して流れ、素子電流Ｉｐに応じてＢ点の電圧が変化する。排ガスがリーンの場合、センサ素子１０には＋端子Ｔ１から−端子Ｔ２に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が上昇し、逆にリッチの場合、センサ素子１０には−端子Ｔ２から＋端子Ｔ１に向けて素子電流Ｉｐが流れるためＢ点電圧が低下する。このＢ点電圧が、空燃比の検出結果であるＡ／Ｆ出力として素子電流出力回路３１を介してマイコン２００に出力される。マイコン２００は、Ａ／Ｆ出力をＡ／ＤポートＡＤ１より取り込みＡ／Ｄ変換する。素子電流出力回路３１は例えばＳ／Ｈ（サンプルホールド）回路により構成されており、空燃比検出時におけるＢ点電圧がサンプルされ、所定のゲートオン期間内においてサンプル値が逐次更新されて出力される。このＡ／Ｆ出力は空燃比フィードバック制御等に適宜用いられる。

印加電圧制御回路３０は、Ａ／Ｆ出力（Ｂ点電圧のサンプルホールド値）をモニタしつつその値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定するものであり、前記図３に示す印加電圧特性ＲＧの如く、基本的に素子電流Ｉｐの増加時（すなわちＢ点電圧の上昇時）に印加電圧を上昇させるよう印加電圧制御を実施する。但し、センサ印加電圧は固定値であっても良い。

また、本空燃比検出装置では、いわゆる掃引法を用いてセンサ素子１０の素子インピーダンスＺａｃが検出されるようになっている。すなわち、電圧切替回路３５は、マイコン２００からの電圧切替信号に基づいてセンサ印加電圧を交流的に変化させる。電圧切替信号は定期的にマイコン２００から電圧切替回路３５に出力され、例えば１２８ｍｓｅｃ毎に、センサ印加電圧が通常の空燃比検出用の印加電圧（印加電圧制御回路３０による制御電圧）からインピーダンス検出用の印加電圧に一時的に切り替えられるようになっている。

かかる場合、Ｂ点電圧がΔＩ検出回路３２により計測され、該計測値が電流変化量信号としてマイコン２００に出力される。マイコン２００は、電流変化量信号をＡ／ＤポートＡＤ２より取り込みＡ／Ｄ変換する。ΔＩ検出回路３２は、例えばＨＰＦ（ハイパスフィルタ）とＰ／Ｈ（ピークホールド）回路とを直列に接続して構成されており、このＨＰＦ及びＰ／Ｈ回路により、インピーダンス検出期間に対応する所定のゲートオン期間内において計測されたＢ点での交流電流の変化量が出力される。なお、ピークホールドされたＢ点電圧は、ゲートオフ毎にリセットされる。

マイコン２００は、インピーダンス検出時において交流的な電圧変化量と電圧変化に応答する電流変化量とに基づいて素子インピーダンスＺａｃを算出する。そして、素子インピーダンスＺａｃが所定の目標値に保持されるようヒータ１８への通電を制御する。これにより、センサ素子１０が所定の活性状態（例えば素子温＝７５０℃）に保持されるようになる。

ヒータ制御系において、ヒータ１８の一端にはイグニッションスイッチ４１を介してバッテリ電源４２が接続され、ヒータ１８の他端はパワーＭＯＳＦＥＴ４３とヒータ電流検出用の抵抗４４とを介して接地されている。パワーＭＯＳＦＥＴ４３は、マイコン２００によりオン／オフ制御される。また、抵抗４４の両方の端子電圧は差動増幅器４５に入力され、該差動増幅器４５からマイコン２００に対してヒータ電流検出信号が出力される。

この場合、パワーＭＯＳＦＥＴ４３がオンされることでヒータ１８にヒータ電流が流れ、そのヒータ電流が抵抗４４により計測される。マイコン２００は、ヒータオン時に計測したヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ時に計測したヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとに基づいてヒータ制御系の異常検出を実施する。本実施の形態では、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆが「異常検出パラメータ」に相当する。

次に、マイコン２００により実行されるメインルーチンを図４のフローチャートを基に説明する。このメインルーチンはマイコン２００への電源投入に伴い起動される。

図４において、先ずステップＳ１００では、前回のＡ／Ｆ検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆの検出周期（Ａ／Ｄ変換周期）に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定されている。そして、ステップＳ１００がＹＥＳであることを条件にステップＳ１１０に進み、センサ制御回路１００から取り込んだＡ／Ｆ出力を基にその都度のＡ／Ｆ値を算出する。

Ａ／Ｆ検出後、ステップＳ１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＺａｃの検出周期に相当する時間であって、例えば１２８ｍｓｅｃ程度に設定されている。そして、ステップＳ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステップＳ１３０で素子インピーダンスＺａｃの検出処理を実行する。このとき、マイコン２００は、センサ制御回路１００の電圧切替回路３５に対して電圧切替信号を出力する。この電圧切替信号を受けて、センサ制御回路１００では、センサ印加電圧がそれまでの空燃比検出用の電圧値からインピーダンス検出用の電圧値に交流的に切り替えられる。本実施の形態では、正側又は負側への電圧変化量を０．２Ｖとしている。これにより、センサ印加電圧に対して例えば１ｋＨｚ〜２０ｋＨｚ程度の交流的な変化が付与され、この交流的な電圧変化に応答して素子電流が変化する。そして、マイコン２００は、その時の電圧変化量ΔＶと電流変化量ΔＩ（図１のΔＩ検出回路３２の出力）とから素子インピーダンスＺａｃを算出する（Ｚａｃ＝ΔＶ／ΔＩ）。

素子インピーダンスの検出後、ステップＳ２００ではヒータ通電制御を実施し、続くステップＳ３００ではヒータ制御系の異常検出処理を実施する。

図５は、前記ステップＳ２００にて実行されるヒータ通電制御サブルーチンを示すフローチャートである。本実施の形態では、制御デューティ比Ｄｕｔｙによりヒータ通電をオン／オフ制御することとしており、該Ｄｕｔｙで規定されるオン時間内でヒータ通電をオンし、オフ時間内でヒータ通電をオフする。デューティ周期は１２８ｍｓｅｃである。

図５において、先ずステップＳ２０１では、今現在、予熱期間であるか否かを判別する。そして、予熱期間であれば、ステップＳ２０２に進んで予熱処理を実施する。この予熱処理は、冷間始動時等におけるセンサ素子１０の急激な昇温を避けるための処理であって、例えばイグニッションスイッチのオン後、数秒程度の予熱期間において予熱Ｄｕｔｙ＝２０％程度の予熱処理が実施される。これにより、センサ素子１０の急激な温度変化による素子割れ等が予防できる。なお、予熱期間や予熱Ｄｕｔｙはエンジン運転条件（例えば冷却水温、吸気温等）により可変設定する構成であっても良い。

予熱期間でなければステップＳ２０３に進み、今現在の素子インピーダンスＺａｃが所定の活性判定値（本実施の形態では７０Ω）よりも小さいか否かを判別する。Ｚａｃ≧７０ΩであればステップＳ２０４に進み、ヒータ１８の全通電制御を実施する。この全通電制御では、Ｄｕｔｙ＝１００％でヒータ通電が制御される。

また、Ｚａｃ＜７０ΩであればステップＳ２０５に進み、インピーダンスＦ／Ｂによるヒータ通電のデューティ制御を実施する。このとき、素子インピーダンスの検出値と目標値との偏差に応じてデューティ比Ｄｕｔｙが算出されれば良く、例えばＰＩＤ手法等によりＤｕｔｙが算出される。具体的には、素子インピーダンスの目標値をＺｔｇ、比例定数をＫｐ、積分定数をＫｉ、微分定数をＫｄとし、下記の数式により比例項Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを算出する。Ｚ０は素子インピーダンスの前回値、Ｇｉ０は積分項の前回値である。

Ｇｐ＝Ｋｐ・（Ｚａｃ−Ｚｔｇ）
Ｇｉ＝Ｇｉ０＋Ｋｉ・（Ｚａｃ−Ｚｔｇ）
Ｇｄ＝Ｋｄ・（Ｚａｃ−Ｚ０）
そして、上記比例項Ｇｐ、積分項Ｇｉ、微分項Ｇｄを加算して制御デューティ比Ｄｕｔｙを算出し（Ｄｕｔｙ＝Ｇｐ＋Ｇｉ＋Ｇｄ）、そのＤｕｔｙを基にヒータ通電をオン／オフ制御する。その後、元の図４のルーチンに戻る。

また、図６は、前記ステップＳ３００にて実行されるヒータ制御系異常検出サブルーチンを示すフローチャートである。

図６において、ステップＳ３０１では、今現在、ヒータ通電の制御デューティ比Ｄｕｔｙが０％又は１００％であるか否かを判別する。ＹＥＳであればステップＳ３０２，Ｓ３０３を実行し、ＮＯであればステップＳ３０２，Ｓ３０３を読み飛ばしてステップＳ３０４に進む。

基本的な処理の流れとしてステップＳ３０１がＮＯとなる場合を先に説明すると、ステップＳ３０４では、前回のＤｕｔｙ出力によりヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとが共に計測済みであるか否かを判別する。この場合、ノイズ等により誤って計測されたヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎやヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆを基に異常検出が行われると、その異常検出結果が誤ったものとなるおそれがある。そこで、それら各パラメータが共に正常に取得されたことが判定されると良い。具体的には、図示しないヒータ電流計測処理において、正常にＩｈ＿ｏｎ，Ｉｈ＿ｏｆｆが計測された場合に計測完了フラグをオンし、ステップＳ３０４ではそのフラグ情報を基に計測完了であるかどうかを判定する。計測完了フラグはＩｈ＿ｏｎ，Ｉｈ＿ｏｆｆを基に異常検出が行われる都度、クリアされる。そして、Ｉｈ＿ｏｎ，Ｉｈ＿ｏｆｆが計測できていなければそのまま本処理を終了し、計測ができていればステップＳ３０５以降の異常検出処理を実施する。

ステップＳ３０５では、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎが正常値であるか否かを判別し、ステップＳ３０６では、ヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆが正常値であるか否かを判別する。そして、ステップＳ３０５，Ｓ３０６が共にＹＥＳであればステップＳ３０７に進み、ヒータ制御系が正常である旨判定する。また、ステップＳ３０５，Ｓ３０６の何れかがＮＯであればステップＳ３０８に進み、ヒータ制御系が異常である旨判定する。この場合、ヒータ制御系の異常判定回数がｎ回未満であれば、仮判定にとどめておき、同異常判定回数がｎ回以上になると、最終判定（本判定）を行う構成とする。ｎは例えば４，５程度である。因みに、ヒータ制御系が異常であると判定された場合（仮判定と最終判定とが行われる構成では最終判定が行われた場合）には、警告灯や警告ブザー等による警告処置、ヒータ通電を強制的にオフするフェイルセーフ処置、異常発生データをＥＥＰＲＯＭ等に格納するデータバックアップ処置等が適宜行われる。

ここで、上記のとおりヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとを基にヒータ制御系の異常検出を行う場合には、Ｄｕｔｙ＝０％又は１００％の状態では異常検出が不可能となる。そこで、ステップＳ３０１でＤｕｔｙ＝０％又は１００％であると判別された場合には、ヒータ異常検出用のヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとが計測できるよう異常検出用Ｄｕｔｙの出力処理を実行する。

すなわち、ステップＳ３０１がＹＥＳの場合、ステップＳ３０２では、今回が異常検出用Ｄｕｔｙの出力タイミングであるか否かを判別し、ＹＥＳであることを条件に、ステップＳ３０３では異常検出用Ｄｕｔｙを出力する。ステップＳ３０２は、例えばＤｕｔｙ＝０％又は１００％の状態である場合に、一時的に「０＋α％」又は「１００−β％」の異常検出用Ｄｕｔｙを出力するタイミングかどうかを判別する処理であり、具体的には、所定時間（例えば０．５秒程度）が経過する度に出力タイミングであると判別される。なお、毎回の処理でカウンタを更新し、カウンタ値が所定値（例えば１０、１周期１２８ｍｓｅｃ×１０の時間相当）になった時に出力タイミングであると判別するなど他の構成であっても良い。マイコン２００による処理の容易性を考慮すると、出力タイミングを２のｎ乗周期にすると良い。

異常検出用Ｄｕｔｙの出力処理では、Ｄｕｔｙ＝０％の時に当該Ｄｕｔｙを「０＋α％」の異常検出用Ｄｕｔｙに置き換えると共に、Ｄｕｔｙ＝１００％の時に当該Ｄｕｔｙを「１００−β％」に置き換える。α，βは例えば数％〜１０％程度であり、少なくともα％の時間内でヒータオン電流の取得（Ａ／Ｄ変換処理を含む）が可能であること、又はβ％の時間内でヒータオフ電流の取得（Ａ／Ｄ変換処理を含む）が可能であることを要件とする。本実施の形態ではα＝βとしている。例えばＡ／Ｄ変換周期が４ｍｓｅｃである場合、α，β％は４ｍｓｅｃ相当の数値以上であれば良い。或いは、ヒータ通電のオン／オフに同期させてＡ／Ｄ変換を行う構成においては、ヒータオン後又はヒータオフ後にＡ／Ｄ変換に必要な時間が確保できようα，β％を設定する。但し、異常検出用Ｄｕｔｙやその出力タイミングは、異常検出用Ｄｕｔｙの出力により素子インピーダンス（素子温）が変化することがないように規定されるのが望ましい。なお、このように異常検出用Ｄｕｔｙの出力が行われる場合、実際のＤｕｔｙ出力は前記図５の通電制御ルーチンではなく前記ステップＳ３０３で行われる（ステップＳ３０１〜Ｓ３０３を前記図５にて実行するようにしても良い）。

そして、異常検出用Ｄｕｔｙの出力後において、上記のとおりヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとを基にヒータ制御系の異常検出を実施する（ステップＳ３０４〜Ｓ３０８）。

ところで、仮にヒータ制御系の電気配線の一部で断線やショート等が発生したりＭＯＳＦＥＴ４３で内部ショート異常が発生したりすると、素子温が下降又は上昇し、素子インピーダンスが過剰に上昇又は下降する。それ故に、上記の如くインピーダンスＦ／Ｂが行われる場合、Ｄｕｔｙ＝０％又は１００％の状態が長時間にわたって継続する。かかる場合において、上記のとおり異常検出用Ｄｕｔｙを出力することにより、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとの計測が可能となり、ヒータ制御系の異常検出が実施できる。

図７は、ヒータ制御系の電気配線の一部が断線した場合の挙動を示すタイムチャートであり、図中タイミングｔ１で断線が生じたとしている。なお、ヒータ電流検出値は、ヒータオン時の計測電流とヒータオフ時の計測電流との平均値を示している（後述する図８，図９も同様）。

断線が生じるタイミングｔ１以前では、所定のＤｕｔｙ出力がなされ、それに伴いヒータ電流が流れる。素子インピーダンスＺａｃは目標値付近で収束している。これに対し、タイミングｔ１で断線が生じると、ヒータ電流が流れなくなり、ヒータ１８による加熱が停止される。このとき、ヒータ電流検出値は０ｍＡとなる。そのため、素子温が低下し、素子インピーダンスＺａｃが次第に上昇する。これにより、Ｄｕｔｙが上昇し、やがてＤｕｔｙ＝１００％となる（タイミングｔ２）。

タイミングｔ２以降、所定の出力タイミング毎に異常検出用Ｄｕｔｙ（＝１００−β％）が出力され、その都度、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとが計測される。そして、そのヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとに基づいてヒータ制御系の異常検出が行われる。本例の場合には、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎが異常値となり、それが所定回数検出されると、最終的に異常発生であると判定される（タイミングｔ３）。そしてその後、ヒータ通電が停止される。

図８は、ヒータ１８とＭＯＳＦＥＴ４３との間の配線部分でＧＮＤショートが発生した場合の挙動を示すタイムチャートであり、図中タイミングｔ１１でＧＮＤショートが生じたとしている。

ＧＮＤショートが生じるタイミングｔ１１以前では、所定のＤｕｔｙ出力がなされ、それに伴いヒータ電流が流れる。素子インピーダンスＺａｃは目標値付近で収束している。これに対し、タイミングｔ１１でＧＮＤショートが生じると、バッテリ電源４２→ヒータ１８→ＧＮＤの経路にてヒータ電流が常時流れる。言い換えればヒータ１８が通電されっ放し状態となる。そのため、素子温が上昇し、素子インピーダンスＺａｃが次第に下降する。これにより、Ｄｕｔｙが下降し、やがてＤｕｔｙ＝０％となる（タイミングｔ１２）。このときヒータ電流は流れるもののセンサ制御回路１００で計測できず、図示のヒータ電流検出値はほぼ０ｍＡとなる。

タイミングｔ１２以降、所定の出力タイミング毎に異常検出用Ｄｕｔｙ（＝０＋α％）が出力され、その都度、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとが計測される。そして、そのヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとに基づいてヒータ制御系の異常検出が行われる。本例の場合には、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎが異常値となり、それが所定回数検出されると、最終的に異常発生であると判定される（タイミングｔ１３）。そしてその後、ヒータ通電が停止される。

また、図９は、ＭＯＳＦＥＴ４３で内部ショートが発生した場合の挙動を示すタイムチャートであり、図中タイミングｔ２１でＭＯＳショートが生じたとしている。なお、マイコン出力ポートの故障等によりＭＯＳＦＥＴ４３がオン固定となった場合も同様の挙動を呈する。

ＭＯＳショートが生じるタイミングｔ２１以前では、所定のＤｕｔｙ出力がなされ、それに伴いヒータ電流が流れる。素子インピーダンスＺａｃは目標値付近で収束している。これに対し、タイミングｔ２１でＭＯＳショートが生じると、ヒータ１８が通電されっ放し状態となるため、素子温が上昇し、素子インピーダンスＺａｃが次第に下降する。これにより、Ｄｕｔｙが下降し、やがてＤｕｔｙ＝０％となる（タイミングｔ２２）。ヒータ電流検出値は所定電流値で保持される。

タイミングｔ２２以降、所定の出力タイミング毎に異常検出用Ｄｕｔｙ（＝０＋α％）が出力され、その都度、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとが計測される。そして、そのヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとに基づいてヒータ制御系の異常検出が行われる。本例の場合には、ヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆが異常値となり、それが所定回数検出されると、最終的に異常発生であると判定される（タイミングｔ２３）。そしてその後、ヒータ通電が停止される。

以上詳述した本実施の形態によれば、ヒータ通電のための制御デューティ比Ｄｕｔｙが０％又は１００％である場合に、「０＋α％」又は「１００−β％」の異常検出用Ｄｕｔｙを出力する構成としたため、異常検出パラメータであるヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとの計測が可能となり、ヒータ制御系の異常検出を適正に実施することができる。

かかる場合において、ヒータ制御系で電気配線の断線やショート等が発生したりＭＯＳＦＥＴ４３で内部ショート異常が発生したりしても、その異常発生を検出することが可能となる。従って、ヒータ通常状態のまま異常検出ができず、センサ素子１０の破壊等が生じるといった不都合が回避できる。

異常検出用Ｄｕｔｙを、少なくともヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎやヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆのＡ／Ｄ変換値が取得可能なデューティ比とし、更にその出力周期をデューティ周期よりも長くしたため、異常検出用Ｄｕｔｙの出力時においてセンサ活性状態（センサ素子温）の変動が生じにくくなり、センサ活性状態を維持する上での影響を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、Ｄｕｔｙ＝０％又は１００％である場合に異常検出用Ｄｕｔｙを出力する構成としたが、これに代えて、Ｄｕｔｙ＝０％付近又は１００％付近である場合に異常検出用Ｄｕｔｙを出力する構成としても良い。つまり、Ｄｕｔｙ＝０％又は１００％でなくとも、Ｄｕｔｙが０％付近である場合、又は１００％付近である場合には、ヒータオン時間又はヒータオフ時間が極短時間となり、異常検出用パラメータとしてのヒータオン電流やヒータオフ電流を取得（Ａ／Ｄ変換処理を含む）することができず結果としてヒータ制御系の異常検出が不可能となる場合がある。それ故に、ヒータ通電のための制御デューティ比Ｄｕｔｙが０％付近の所定範囲内、又は１００％付近の所定範囲内である場合に、異常検出用Ｄｕｔｙを出力する構成とするのが望ましい。０％，１００％付近の所定範囲は、回路性能等により変わるが、例えば５％未満程度であれば良い。

上記実施の形態では、Ｄｕｔｙ＝０％又は１００％の時において強制的にヒータオン時間やヒータオフ時間を設けるための異常検出用Ｄｕｔｙのα値，β値をα＝βとしたが、α，βを個別に設定し、α≠βであることも許容するような構成とする。例えば、ヒータ制御用のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ等）でオン応答とオフ応答とが相違する場合や、ノイズ除去用に設けたフィルタ回路によりヒータ電流波形がなまる場合、同じ比率（α＝β）であっても現実のヒータオン時間とヒータオフ時間とが相違することがある。これを考慮してα，βを個別に設定する。

仮に電気配線の断線やショートといったヒータ制御系の異常が発生した場合には、その後異常状態が継続され、異常検出処理では毎回異常判定がなされることとなる。この場合、センサ活性状態を基にヒータ通電制御を行うことよりも、早期に異常判定がなされることが優先されるのが望ましい。そのため、ヒータ制御系で異常発生している旨が複数回判定されると最終異常判定を行う構成において、ヒータ制御系で異常発生している旨が少なくとも１回判定された場合に、異常検出用デューティ比によるヒータ通電の実行周期を短縮すると良い。具体的には、前記図６のヒータ制御系の異常検出処理を実行する度に（すなわち１２８ｍｓｅｃ周期で）異常検出用Ｄｕｔｙを出力する。これにより、電気配線の断線やショート等が発生した場合において、最終異常判定をいち早く行うことが可能となる。

上記実施の形態では、ヒータ通電制御として、基本的にインピーダンスＦ／Ｂ制御を実施したが、これを変更しても良い。例えば、ヒータ電圧とヒータ電流とからヒータ１８の抵抗値を算出し、そのヒータ抵抗値が目標値となるようにしてヒータ通電制御を実施しても良い（ヒータ抵抗Ｆ／Ｂ）。このとき、ヒータ抵抗の検出値と目標値との偏差に応じてヒータ通電のための制御デューティ比Ｄｕｔｙが算出される。又は、その都度のエンジン運転状態（例えばエンジン回転数や負荷）等に基づいてヒータ電力を設定し、そのヒータ電力が得られるよう制御デューティ比Ｄｕｔｙを算出するようにしても良い。

上記実施の形態では、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎとヒータオフ電流Ｉｈ＿ｏｆｆとに基づいてヒータ制御系の異常検出を実施したが、これを変更しても良い。例えば、ヒータオン電流Ｉｈ＿ｏｎのみを用いてヒータ制御系の異常検出を実施する構成でも良い。又は、ヒータオン時及びヒータオフ時のヒータ電流値／電圧値に基づいて異常検出を実施しても良い。

異常検出用Ｄｕｔｙによるヒータ通電時において、素子インピーダンスの変化（すなわちセンサ活性状態の変化）を許容する構成であっても良く、かかる構成において、異常検出用Ｄｕｔｙの出力により素子インピーダンスが変化したかどうかによりヒータ制御系の異常検出を実施するようにしても良い。この場合、異常検出用Ｄｕｔｙを比較的大きめに設定する。そして、素子インピーダンスが小さく（すなわち素子温が高く）、制御デューティ比Ｄｕｔｙが０％又は０％付近である状態で、異常検出用Ｄｕｔｙ（０＋α％）を出力した時に素子インピーダンスが低下（素子温が上昇）しない場合に、センサ制御系が異常であると判定する。また、素子インピーダンスが大きく（すなわち素子温が低く）、制御デューティ比Ｄｕｔｙが１００％又は１００％付近である状態で、異常検出用Ｄｕｔｙ（１００−β％）を出力した時に素子インピーダンスが上昇（素子温が低下）しない場合に、センサ制御系が異常であると判定する。

上記実施の形態では、図２のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサについて説明してきたが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに本発明を適用することも可能である。例えば、１層の固体電解質体を有する構成に限らず、２層の固体電解質体を有する構成や、３層の固体電解質体を有する構成のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したり、積層型構造のＡ／Ｆセンサに限らず、コップ型構造のＡ／Ｆセンサに本発明を適用したりすることも可能である。また、排ガス中の酸素濃度に応じてセンサ素子の電極間に起電力を発生させるようにした、いわゆるＯ2 センサにも適用できる。

例えば、２層の固体電解質体を有するセンサ素子では、各層の固体電解質体においてポンプセルと酸素検知セル（起電力セル又は酸素濃度検出セルとも言う）とがそれぞれ設けられている。酸素検知セルは、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生し、酸素検知セルの起電力出力がストイキ値（０．４５Ｖ）になるようにポンプセルの印加電圧が制御される。

また、酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外に、他の成分濃度を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質体にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用により、やはりヒータ制御系の異常検出を適正に実施することができるようになる。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。

ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ガス濃度センサは、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いることや、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。

発明の実施の形態におけるセンサ制御回路を示す構成図である。 センサ素子の構成を示す断面図である。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図である。 マイコンによるメインルーチンを示すフローチャートである。 ヒータ通電制御サブルーチンを示すフローチャートである。 ヒータ制御系異常検出サブルーチンを示すフローチャートである。 ヒータ制御系の配線の一部が断線した場合の挙動を示すタイムチャートである。 ヒータとＭＯＳＦＥＴの間の配線部分でＧＮＤショートが発生した場合の挙動を示すタイムチャートである。 ＭＯＳショートが発生した場合の挙動を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質、１８…ヒータ、１００…センサ制御回路、２００…判定手段及び通電状態操作手段としてのマイコン。

Claims (9)

1. 被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するためのセンサ素子と、該センサ素子を加熱するためのヒータとを備えたガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の活性状態に基づいて前記ヒータの通電状態をオン／オフ制御すると共に、ヒータ通電オン時及びヒータ通電オフ時に取得した異常検出パラメータを基にヒータ制御系の異常検出を実施するガス濃度検出装置において、
   ヒータ通電状態がオン又はオフのまま継続していることを判定する判定手段と、
   ヒータ通電状態がオンのまま継続している場合に一時的にヒータ通電をオフすると共に、ヒータ通電状態がオフのまま継続している場合に一時的にヒータ通電をオンする通電状態操作手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 被検出ガス中の特定成分の濃度を検出するためのセンサ素子と、該センサ素子を加熱するためのヒータとを備えたガス濃度センサに適用され、前記センサ素子の活性状態に基づいて前記ヒータの通電状態をデューティ制御すると共に、ヒータ通電オン時及びヒータ通電オフ時に取得した異常検出パラメータを基にヒータ制御系の異常検出を実施するガス濃度検出装置において、
   制御デューティ比が１００％若しくは１００％付近、又は０％若しくは０％付近の規定範囲に該当することを判定する判定手段と、
   制御デューティ比が前記規定範囲に該当する場合に、当該制御デューティ比に代えて、前記規定範囲外の異常検出用デューティ比によりヒータ通電状態を制御する通電状態操作手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 前記異常検出用デューティ比は、制御デューティ比が１００％若しくは１００％付近である場合に当該デューティ比を所定量減少させ、制御デューティ比が０％若しくは０％付近である場合に当該デューティ比を所定量増加させたものであることを特徴とする請求項２に記載のガス濃度検出装置。
4. ヒータ通電オン時のヒータ電流を検出する手段と、
   ヒータ通電オフ時のヒータ電流を検出する手段と、
   これら各検出手段の検出値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段とを備え、
   ヒータ通電オン時のヒータ電流のＡ／Ｄ変換値とヒータ通電オフ時のヒータ電流のＡ／Ｄ変換値とに基づいてヒータ制御系の異常検出を実施する構成において、
   前記異常検出用デューティ比は、少なくとも前記Ａ／Ｄ変換手段によるＡ／Ｄ変換タイミングが確保できるようなヒータ通電オン時間とヒータ通電オフ時間とを設定するものであることを特徴とする請求項２又は３に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記異常検出用デューティ比により強制的にヒータ通電オフとする通電オフ比率と、同じく前記異常検出用デューティ比により強制的にヒータ通電オンとする通電オン比率とを各々個別に設定する請求項２乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
6. 前記通電状態操作手段は、制御デューティ比のｎ周期分（ｎ≧２）の時間又はデューティ周期よりも長い時間を実行周期として、前記異常検出用デューティ比によるヒータ通電を実行することを特徴とする請求項２乃至５の何れかに記載のガス濃度検出装置。
7. ヒータ制御系で異常発生している旨が複数回判定されると最終異常判定を行う構成において、
   前記ヒータ制御系で異常発生している旨が少なくとも１回判定された場合に、前記通電状態操作手段は、前記異常検出用デューティ比によるヒータ通電の実行周期を短縮することを特徴とする請求項６に記載のガス濃度検出装置。
8. ヒータ通電オン時及びヒータ通電オフ時の異常検出パラメータが共に取得されたことを判定する手段を更に設け、それら各パラメータの取得完了を判定したことを条件にヒータ制御系の異常検出を許可する請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
9. 前記通電状態操作手段によりヒータ通電状態が操作された時に、前記センサ素子の活性状態が変化するかどうかによりヒータ制御系の異常検出を実施することを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。

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