JP4669369B2 - ガスセンサの異常診断方法及び異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサの異常診断方法及び異常診断装置に関する。

従来、内燃機関の燃焼制御に用いられているガス濃度測定装置に用いられるガスセンサには、固体電解質体を挟んで一対の電極が設けられた２つのセルを、各セルの電極の一方が拡散抵抗体を介して被測定ガス空間に連通する測定室（第１測定室）に面するように配設し、一方のセルを測定室内の酸素をポンピングするポンプセル（第１ポンプセル）として用い、他方のセルを基準酸素濃度と測定室との酸素濃度の差によって電圧を生じる起電力セルとして用いた全領域空燃比センサ（ＵＥＧＯセンサとも称する）がある。このＵＥＧＯセンサを用いたガス濃度測定装置では、起電力セルの出力が一定になるようにポンプセルに流す電流を制御し、その電流を測定することによって被測定ガスの空燃比を検出している。

また、上記２つのセルと第１測定室とに、更に、拡散抵抗体を介して第１測定室に連通した第２測定室を設け、その第２測定室に面するように第２ポンプセルを配置したガスセンサ（代表的なものとしてＮＯｘセンサ）がある。このガスセンサを用いたガス濃度測定装置では、起電力セルの出力電圧が一定値となるように第１ポンプセルに流す電流を制御すると共に、第２ポンプセルに一定の電圧を印加し、そのとき第２ポンプセルを流れる電流を測定することにより、被測定ガスの濃度を検出している。

ところで、以上のように構成されたガスセンサにおいて、センサ素子の電極や電極と電気的に接続されている配線に短絡や断線などの異常が発生すると、セルに短絡電流が流れたり、あるいは、セルに電圧を印加することができなくなったりして、センサ素子が正常に作動しなくなり、延いては、内燃機関の燃焼制御が正常に行えなくなるおそれがある。

そこで、これらのガスセンサを用いたガス濃度測定装置では、ガス濃度測定装置の作動中にガスセンサに短絡や断線などの異常が発生したか否かを診断している。その診断方法として、セルの出力電圧を測定し、その出力電圧が異常な値となっているか否かを判定することによって、ガスセンサの異常を診断する方法が知られている（例えば、特許文献１等参照）。
特開２００３−９０８２１号公報

ところで、ガス濃度測定装置に用いられるガスセンサにおいては、各セルがポンプセルや起電力セルとして作動するために、センサ素子の各セルが所定の活性温度（例えば、５５０°Ｃ〜９００°Ｃ）に保たれている必要がある。このため、前述のＵＥＧＯセンサやＮＯｘセンサはヒータを備えており、そのヒータによって各セルが加熱されることで、各セルが所定の活性温度に保たれるようになっている。

ところが、ヒータに断線等の異常が発生したり、あるいは、バッテリ電圧の低下や長時間のフューエルカット、被測定ガス温度の急激な低下等が重なって発生すると、ヒータによって各セルを所定の活性温度に保つことができなくなることがある。このような場合、センサ素子が正常であっても、セルの出力電圧は、異常な値となってしまう。このため、特許文献１に記載の異常診断方法では、センサ素子が正常であるにも拘わらず、センサ素子に異常が発生したと診断してしまうおそれがある。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、高精度にガスセンサの異常診断をできるようにした異常診断方法及び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に記載の発明は、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、センサ素子を所定ガスの濃度に応じた信号を出力可能な温度まで加熱するヒータと、を備えたガスセンサの異常診断方法であって、センサ素子の内部インピーダンスを周期的に測定し、測定された内部インピーダンスのうち時間的に連続する２つの内部インピーダンスの差分に基づいてガスセンサの異常診断を行うことを特徴とする。

ガスセンサに発生する異常としては、センサ素子の電極やこの電極と電気的に接続された配線が短絡や断線するセンサ素子の異常と、ヒータに断線等が発生してセンサ素子を所定の活性温度に保持することができなくなるヒータの異常が考えられる。

ここで、例えば、センサ素子に短絡異常や断線異常が発生したとき、センサ素子の内部インピーダンスが急激に変化するのに対し、ヒータに断線異常が発生したときには、センサ素子の内部インピーダンスは緩やかに変化する。このように、ガスセンサに発生した異常の種類によって、センサ素子の内部インピーダンスの差分が異なる。

そこで、本発明のように、周期的に測定された内部インピーダンスの差分に基づいてガスセンサの異常診断を行うことにより、ガスセンサの異常診断を高精度に行うことが可能となる。

前述したように、センサ素子に短絡異常や断線異常が発生すると、センサ素子の内部インピーダンスが急激に変化する。従って、内部インピーダンスの差分が予め設定された閾値よりも大きくなったか否かを判定すれば、センサ素子の短絡異常や断線異常が発生したか否かを診断することができる。

そこで、請求項２に記載のように、内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値より大きいとき、センサ素子が異常であると判定するようにするとよい。
このようにすることで、センサ素子が異常か否かの診断をすることができる。

ところで、センサ素子の異常のうち、電極やこれと電気的に接続された配線がグランド電位（以下「ＧＮＤ」という。）に短絡した場合には、センサ素子の内部インピーダンスの測定値は、ほぼ、零となってしまう。つまり、内部インピーダンスの測定値が予め設定された下限閾値より小さくなったか否かを判定すれば、ＧＮＤ短絡（グランド電位への短絡）異常が発生したか否かを診断することができる。そこで、請求項３に記載のように、内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であり、且つ、２つの内部インピーダンスのうち小さい方の内部インピーダンスが予め設定された第２閾値未満のとき、センサ素子が異常であると判定するようにすると、センサ素子が短絡異常を起こしたことを診断できる。

ところで、センサ素子の内部インピーダンスは、センサ素子の温度変化によっても変化する。このようなセンサ素子の温度変化は、ヒータの異常及び被測定ガス温度の急激な低下等の外乱により発生し、温度変化によるセンサ素子の内部インピーダンスの変化は、センサ素子に異常が発生したときに比べて緩やかに変化する。

ここでヒータに異常が発生した場合、センサ素子の温度は徐々に低下し、最終的には活性温度の下限値を下回る。これに伴い、センサ素子の内部インピーダンスの測定値は徐々に上昇し、予め設定された上限閾値よりも大きくなる。

また、被測定ガスの温度が急激に低下する等の外乱によってセンサ素子の内部インピーダンスが大きくなる場合、センサ素子の内部インピーダンスは、ヒータに異常が発生した場合よりも更に緩やかに変化する。

従って、内部インピーダンスの測定値が上限閾値より大きくなっても、その上限閾値を超えるまでの内部インピーダンスの差分が小さければ、その内部インピーダンスの変化は、被測定ガスの温度変化等の外乱による一時的な変化であるので、ガスセンサは正常であると判定でき、上限閾値を超えるまでの内部インピーダンスの差分が閾値よりも大きければ、ヒータに異常が発生したと判定できる。

そこで、請求項４に記載のように、内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であると共に、２つの内部インピーダンスのうち大きい方の内部インピーダンスが予め設定された第３閾値よりも大きく、且つ、内部インピーダンスの差分が予め設定された第４閾値よりも大きいとき、ヒータが異常であると判定するようにすると、ヒータが異常を起こしたことを診断できる。

ところで、センサ素子としては、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、この測定室を挟んで対向するように設けられたポンピングセル及び酸素濃度検知セルとを備えたものがある。このような場合、内部インピーダンスの測定を行うセルとしては、ポンピングセルと酸素濃度検知セルの２種類がある。この２種類のセルうち、酸素濃度検知セルの内部インピーダンスを測定した方がポンピングセルの内部インピーダンスを測定するよりも、より正確にその内部インピーダンスを測定することができる。

つまり、ポンピングセルは、酸素濃度の変化している被測定ガスと、理論空燃比の雰囲気に固定されている測定室と、に挟まれているため、ポンピングセルの両側の酸素濃度の差は測定ガス中の酸素濃度によって常に変動している。これに対し、酸素濃度検知セルは、理論空燃比の雰囲気に固定されている測定室と、一定酸素濃度である基準酸素室と、に挟まれているため、酸素濃度検知セルの両側の酸素濃度は常に一定である。従って、被測定ガス中の酸素濃度が変化しても、酸素濃度検知セルの内部インピーダンスは安定していることになり、ポンピングセルよりも正確に内部インピーダンスを測定することができるのである。従って、請求項５に記載のように、センサ素子は、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、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、その一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置されて、通電電流に応じて測定室内の酸素をポンピングするためのポンピングセルと、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、その一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置されて、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、を備えており、異常診断は、酸素濃度検知セルの内部インピーダンスを測定することによって行うようにすると、センサ素子の内部インピーダンスをより正確に測定することができ、異常診断をより正確に行うことができる。

次に、前述の目的を達成するためになされた請求項６に記載の発明は、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、センサ素子を所定ガスの濃度に応じた信号を出力可能な温度まで加熱するヒータと、を備えたガスセンサの異常診断装置であって、センサ素子の内部インピーダンスを周期的に測定する内部インピーダンス測定手段と、内部インピーダンス測定手段にて測定された内部インピーダンスのうち時間的に連続する２つの内部インピーダンスの差分に基づいてガスセンサの異常診断を行う異常診断手段と、を備えたことを特徴とする。

このようなガス濃度測定装置の異常診断装置によれば、請求項１に記載の方法によりガスセンサの異常診断を行うことができ、請求項１に記載の異常診断方法と同様の効果が得られる、ガスセンサの異常診断装置とすることができる。

また、請求項７に記載の発明のように、異常診断手段は、内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値より大きいとき、センサ素子が異常であると判定するようにするとよい。

このようにすると、請求項２に記載の方法で異常診断を行うことができ、請求項２に記載の異常診断方法と同様の効果が得られるガスセンサの異常診断装置とすることができる。

更に、請求項８に記載の発明のように、異常診断手段は、内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であり、且つ、２つの内部インピーダンスのうち小さい方の内部インピーダンスが予め設定された第２閾値未満のとき、センサ素子が異常であると判定するようにするとよい。

このようにすると、請求項３に記載の方法で異常診断を行うことができ、請求項３に記載の異常診断方法と同様の効果が得られるガスセンサの異常診断装置とすることができる。

また、請求項９に記載の発明のように、異常診断手段は、内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であると共に、２つの内部インピーダンスのうち大きい方の内部インピーダンスが予め設定された第３閾値よりも大きく、且つ、内部インピーダンスの差分が予め設定された第４閾値よりも大きいとき、ヒータが異常であると判定するようにするとよい。

このようにすると、請求項４に記載の方法で異常診断を行うことができ、請求項４に記載の異常診断方法と同様の効果が得られるガスセンサの異常診断装置とすることができる。

また、請求項１０に記載の発明のように、センサ素子は、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、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、その一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置されて、通電電流に応じて測定室内の酸素をポンピングするためのポンピングセルと、固体電解質体及びその固体電解質体に設けられた一対の電極を備え、その一対の電極のうち一方の電極が測定室に面して配置されて、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、を備えており、内部インピーダンス測定手段は、酸素濃度検知セルの内部インピーダンスを測定するようにするとよい。

このようにすると、請求項５に記載の方法で異常診断を行うことができ、請求項５に記載の異常診断方法と同様の効果が得られる、ガスセンサの異常診断装置とすることができる。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（実施形態１）
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。

図１に示すように、ガス濃度測定装置１は、排気ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するＮＯｘセンサ１０及びＮＯｘセンサ１０を制御するガス濃度測定回路２０から構成される。

更に、ＮＯｘセンサ１０は、センサ本体（センサ素子）１０ａとヒータ１０ｂとから構成されている。
そして、センサ本体１０ａは、第１ポンプセル１１、酸素濃度検知セル１２、第２ポンプセル１３を、アルミナを主体とする絶縁層１４、１５を介して積層した構造を有する。

このうち、第１ポンプセル１１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第１固体電解質体１１ａと、第１固体電解質体１１ａを挟み込むように配置された第１内側電極１１ｂ及び第１外側電極１１ｃと、から構成されている。なお、第１内側電極１１ｂ及び第１外側電極１１ｃは、白金で形成されている。

また、第２ポンプセル１３は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第２固体電解質体１３ａと、第２固体電解質体１３ａの表面のうち絶縁層１５に面する表面に配置された第２内側電極１３ｂ及び第２外側電極１３ｃと、から構成されている。なお、第２内側電極１３ｂ及び第２外側電極１３ｃは、白金で形成されている。

更に、酸素濃度検知セル１２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる検知用固体電解質体１２ａと、検知用固体電解質体１２ａを挟み込むように配置された検知用電極１２ｂ及び基準用電極１２ｃと、から構成されている。なお、検知用電極１２ｂ及び基準用電極１２ｃは、白金で形成されている。

そして、ＮＯｘセンサ１０の内部の、第１ポンプセル１１と酸素濃度検知セル１２との間に被測定ガスが導入される第１測定室Ｓ１が形成されており、第１測定室Ｓ１には、第１ポンプセル１１と酸素濃度検知セル１２との間に配置された第１拡散抵抗体１６を介して、被測定ガスが導入される。なお、第１拡散抵抗体１６は、多孔質体で構成されている。

また、酸素濃度検知セル１２と第２ポンプセル１３との間の絶縁層１５の一部に第２測定室Ｓ２が形成されている。この第２測定室Ｓ２は、酸素濃度検知セル１２を貫通する孔部で、第１測定室Ｓ１に連通している。なお、第１測定室Ｓ１と第２測定室Ｓ２とは、第１ポンプセル１１と酸素濃度検知セル１２との間に配置された第２拡散抵抗体１７によって隔てられている。

また、第１測定室Ｓ１に面するように、第１ポンプセル１１の第１内側電極１１ｂ、及び酸素濃度検知セル１２の検知用電極１２ｂが配置されており、第２測定室Ｓ２に面して第２内側電極１３ｂが配置されている。

更に、ＮＯｘセンサ１０の内部のうち、酸素濃度検知セル１２と第２ポンプセル１３との間には、基準酸素室１８が形成されており、この基準酸素室１８に面するように、酸素濃度検知セル１２の基準用電極１２ｃと、第２ポンプセル１３の第２外側電極１３ｃとが配置されている。

このように構成されたＮＯｘセンサ１０は、第１ポンプセル１１により第１測定室Ｓ１の内部に存在する酸素のポンピング（汲み出し）が可能であり、酸素濃度検知セル１２により、酸素濃度を一定に制御された基準酸素室１８と第１測定室Ｓ１との酸素濃度差、つまり第１測定室Ｓ１の内部の酸素濃度が測定可能である。

更に、第１測定室Ｓ１のガスは、第２拡散抵抗体１７を介して第２測定室Ｓ２に導びかれる。第２測定室Ｓ２では、一定電圧が印加された第２ポンプセル１３を構成する第２内側電極１３ｂの触媒作用によって、窒素酸化物が分解し、その分解により得られた酸素が、第２ポンプセル１３によって、第２測定室Ｓ２から汲み出される。そして、第２測定室Ｓ２内の酸化物の濃度（つまり、分解により得られた酸素の量）に対応した大きさの電流が第２ポンプセル１３に流れる。従って、その電流を測定することによって、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を測定することが可能となる。

そして、ヒータ１０ｂは平板状に形成され、第１固体電解質体１１ａに対向して配置されおり、ガス濃度測定回路２０から供給される電力により、センサ本体１０ａの温度が５５０〜９００℃になるように制御される。

次に、ＮＯｘセンサ１０により、排気ガス中の窒素酸化物の濃度測定を行うガス濃度測定回路２０について図２に基づき説明する。
図２は、ガス濃度測定装置１の回路構成を示す回路図である。

図２に示すように、ガス濃度測定回路２０は、第１ポンプセル（以下「Ｐ１セル」という）１１に第１ポンプ電流Ｉｐ１を供給する第１ポンプ電流供給回路２１と、酸素濃度検知セル（以下「Ｖｓセル」という）１２の両端電圧Ｖｓが一定値（４２５ｍＶ）となるように、第１ポンプ電流供給回路２１が供給する第１ポンプ電流Ｉｐ１をＰＩＤ（比例・積分・微分）制御するＰＩＤ回路２２と、第２ポンプセル（以下「Ｐ２セル」という）１３に一定の第２ポンプ電圧Ｖｐ２を印加するための第２ポンプ電圧印加回路２３と、ヒータ１０ｂの温度を制御するヒータ制御回路２５と、ガス濃度測定回路２０全体の制御を行う制御部３０と、を備えている。

尚、ガス濃度測定回路２０は、Ｖｓセル１２の内部抵抗の測定をおこなうための内部抵抗測定ブロックＢ１を有している。
この内部抵抗測定ブロックＢ１は、Ｐ１セル１１に一定電流を流すための定電流源２８，２９、ＰＩＤ回路２２の入力段に設けられＰ１セル１１とＰＩＤ回路２２の接続／遮断を行うスイッチＳＷ１、或は、Ｐ１セル１１と定電流源の切断／接続を行うをスイッチＳＷ２及びスイッチＳＷ３等で構成されており、それらのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３は制御部３０によってオン／オフされる。

このうち、第１ポンプ電流供給回路２１は、非反転入力端子に所定の第１基準電圧Ｖｆ１（例えば２．５Ｖ）、反転入力端子に電流検出抵抗Ｒｐ１を介してＰＩＤ回路２２の出力が印加され、出力端子と反転入力端子との間にＰ１セル１１が接続されたオペアンプＯＰ１からなる。

また、Ｐ１セル１１の第１内側電極１１ｂとＰ２セル１３の第２内側電極１３ｂとＶｓセル１２の検知用電極１２ｂとがオペアンプＯＰ１の反転入力端子側に共通に接続されている。従って、各セル１１〜１３の共通接続側電極の電位は、いずれもオペアンプＯＰ１の非反転入力端子と同電位、即ち第１基準電圧Ｖｆ１に保持される。

第２ポンプ電圧印加回路２３は、出力端子が電流検出抵抗Ｒｐ２を介してＰ２セル１３に接続されると共に、反転入力端子に電流検出抵抗Ｒｐ２のＰ２セル１３側端が接続され、非反転入力端子への印加電圧（第２基準電圧Ｖｆ２）をＰ２セル１３に印加する周知のバッファ回路として構成されたオペアンプＯＰ２からなる。

また、ガス濃度測定回路２０は、Ｖｓセル１２の内部抵抗（以下、Ｒｐｖｓとも称する。）を測定し、測定したＲｐｖｓに基づいてヒータ１０ｂの温度を制御するヒータ制御回路２５を備えている。

また、第１及び第２ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２の検出値として電流検出抵抗Ｒｐ１、Ｒｐ２の両端電圧を制御部３０に対して出力するよう構成されている。
以上のように構成されたガス濃度測定回路２０は、ヒータ１０ｂにてセンサ本体１０ａを活性温度（例えば８００°Ｃ）まで加熱し、この状態で、酸素濃度検知セル１２の両端電圧Ｖｓが予め設定された一定電圧（例えば４２５ｍＶ）となるように第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御すると共に、第２ポンプセル１３に、第２測定室Ｓ２から酸素を汲み出す方向に一定の第２ポンプ電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加し、この時、第２ポンプセル１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の検出を行う回路である。

このように、酸素濃度検知セル１２の両端電圧Ｖｓが一定電圧となるように第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御することで、第１測定室Ｓ１内の酸素濃度を低酸素濃度（≒０％）に保持し、且つ第２ポンプ電圧Ｖｐ２を所定の電圧に保持すると、第２測定室Ｓ２では、第２ポンプセル１３を構成する第２内側電極１３ｂの触媒作用によって、窒素酸化物が分解し、その分解により得られた酸素が第２測定室Ｓ２から汲み出されることにより第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。従って、第２ポンプ電流Ｉｐ２は、窒素酸化物の濃度に対応した大きさとなる。従って、その第２ポンプ電流Ｉｐ２を測定することによって、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を測定することが可能となる。

次に、ガス濃度測定回路２０において、Ｖｓセル１２の内部抵抗の測定を行う内部抵抗測定ブロックＢ１について説明する。
ガス濃度測定回路２０の内部抵抗測定ブロックＢ１における、オペアンプＯＰ３は、その入力端子がスイッチＳＷ１を介して、Ｖｓセル１２の出力端子に接続されており、更に、その入力端子とＧＮＤとの間に設けられているコンデンサＣ１と共にサンプルホールド回路を形成している。また、オペアンプＯＰ３の出力端子はＰＩＤ回路２２の入力端子に接続されている。そして、このオペアンプＯＰ３とコンデンサＣ１とで構成されるサンプルホールド回路は、Ｖｓセル１２の内部抵抗測定のために、Ｖｓセル１２に内部抵抗測定用電流を供給する直前のＶｓセル１２の出力電圧Ｖｓを保持して、ＰＩＤ回路２２に出力する役割を果たす。

オペアンプＯＰ４は、２入力の差動アンプであり、＋側の入力端子がオペアンプＯＰ３の出力端子に接続され、−側の入力端子がＶｓセル１２の出力端子に接続されている。そして、オペアンプＯＰ４は、オペアンプＯＰ３に保持されている電圧（内部抵抗測定用電圧を印加する直前のＶｓセル１２の出力電圧Ｖｓ）と、Ｖｓセル１２に内部抵抗測定用電流−Ｉｃｏｎｓｔを供給したときのＶｓセル１２の端子電圧との差分を抵抗Ｒｐ３を介して、制御部３０及びヒータ制御回路２５に出力する。

スイッチＳＷ１は、Ｖｓセル１２の出力端子とオペアンプＯＰ３の入力端子との間に設けられ、制御部３０によりオン／オフされ、オペアンプＯＰ３を介して、ＰＩＤ回路２２にＶｓセル１２の出力電圧を入力して、ガス濃度の測定動作を行うか、ＰＩＤ回路２２とＶｓセル１２の出力とを一時的に切断して、Ｖｓセル１２の内部抵抗を測定するかを切替える役割を果たしている。

また、スイッチＳＷ２は、Ｖｓセル１２の出力端子と電流源２８との間に設けられ、制御部３０によりオン／オフされ、電流源２８からの内部抵抗測定用の電流−ＩｃｏｎｓｔをＶｓセル１２に供給／遮断する役割を果たしている。

スイッチＳＷ３は、Ｖｓセル１２の出力端子と電流源２９との間に設けられ、制御部３０によりオン／オフされ、スイッチＳＷ２にてＶｓセル１２に流される内部抵抗測定用電流−Ｉｃｏｎｓｔと逆極性の電流＋ＩｃｏｎｓｔをＶｓセル１２に供給／遮断する役割を果たしている。

そして、後述するように、制御部３０により、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオン／オフして、Ｖｓセル１２に一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流し、Ｒｐｖｓを測定する。
次に、内部抵抗測定ブロックＢ１で測定されるＶｓセル１２のＲｐｖｓにより、ＮＯｘセンサ１０の異常診断を行う方法について図３により説明する。

図３は、Ｖｓセル１２のＲｐｖｓの変化によるＮＯｘセンサ１０の異常／正常の判定の方法を示す図である。
図３に示すように、ＮＯｘセンサ１０が異常であるか否かは、内部抵抗測定のインターバルＴ１（１００ｍ秒）毎に測定したＲｐｖｓのうち時間的に連続した２つのＲｐｖｓ及びこれら２つのＲｐｖｓから得られる時間変化が４つの閾値を超えているか否かにより判定される。

ここで、閾値１は、センサ本体１０ａの異常であるか否かを判定するための判定値である。Ｔ１（１００ｍ秒）毎に測定したＲｐｖｓの時間変化がこの閾値１より大きいとき、配線の短絡や断線等の内部抵抗が急激に変化する異常がセンサ本体１０ａに生じたものと判定される（図中で記号「×」で示すケース）。この場合（Ｒｐｖｓの時間変化が閾値１より大きい場合）には、たとえ、Ｒｐｖｓの値が活性温度範囲に入っていたとしても、図中点線で示すように、Ｒｐｖｓが直ぐに活性温度範囲を超えてしまうことが予測されるため、異常と判定するのである。尚、この閾値１が特許請求の範囲に記載の第１閾値に相当し、本実施形態では、その値は、１００［Ω］である。

閾値２は、Ｒｐｖｓの活性温度範囲下限値であり、Ｒｐｖｓがこの閾値２未満になった場合には、センサ本体１０ａに短絡異常が発生したものと判定される（図中で記号「□」で示すケース）。尚、この閾値２が特許請求の範囲に記載の第２閾値に相当し、本実施形態では、その値は、１００［Ω］である。

閾値３は、Ｒｐｖｓの活性温度範囲の上限値を示しており、Ｒｐｖｓがこの閾値３より大きな抵抗値である場合には、ＮＯｘセンサ１０の温度が活性温度より低下したことを意味している。尚、この閾値３が特許請求の範囲に記載の第３閾値に相当し、本実施形態では、その値は、４００［Ω］である。

閾値４は、Ｒｐｖｓが閾値３より大きい場合に、ヒータ１０ｂに異常があるのか否かを判定するための判定値である。つまり、Ｒｐｖｓが閾値３より大きい場合（換言すれば、ＮＯｘセンサ１０の温度が活性温度よりも低下した場合）には、更に、その１回前に測定したＲｐｖｓからの時間変化が、この閾値４を超えていれば、Ｒｐｖｓの時間変化が大きいため（なお、閾値４は閾値１より小さい）、ヒータ１０ｂの異常（断線異常等）であると判定し（図中で記号「△」で示すケース）、閾値４以下であれば、Ｒｐｖｓの時間変化が小さく、ヒータ１０ｂには異常がないと判定するのである（図中で記号「○」で示すケース）。尚、この閾値４が特許請求の範囲の第４閾値に相当し、本実施形態においては、その値は、４０［Ω］である。

ここで、制御部３０が実行する異常判定処理を図４に示すフローチャートに沿って説明する。
この異常判定処理は、ＮＯｘガスの濃度測定処理の間にＴ１（１００ｍ秒）毎に実行される。そして、まず、Ｓ１００で、サブルーチンＲｐｖｓ測定処理を行う。

ここで、Ｒｐｖｓ測定処理を図５に示すフローチャートに沿って説明する。
Ｒｐｖｓ処理では、先ずＳ２００で内部抵抗測定ブロックＢ１のスイッチＳＷ１をオフする。ここで、オフしたスイッチＳＷ１は、後述するように期間Ｔ２の間オフのままであるが、このＴ２の間、ＰＩＤ回路２２への入力値は、オペアンプＯＰ３とコンデンサＣ１とから成るサンプルホールド回路にて、一定値（４２５ｍＶ）に維持される。

そして、Ｓ２００でスイッチＳＷ１をオフした後、Ｓ２０５に移行して、サンプルホールド回路で一定値に維持されているＶｓセル１２の出力電圧を測定する。出力電圧測定後Ｓ２１０に移行する。

Ｓ２１０では、タイマのカウントを開始し、続くＳ２１５及びＳ２２０で期間Ｔ３（６０μ秒）が経過するまで、現在の状態を保持したまま待つ。
そして、Ｔ３が経過したら（Ｓ２２０でＹｅｓの場合）、Ｓ２２５に移行して、スイッチＳＷ２をオンする。このスイッチＳＷ２がオンになると、Ｖｓセル１２の内部抵抗測定用の一定電流−ＩｃｏｎｓｔがＶｓセル１２に流れる。

スイッチＳＷ２をオンにしてＶｓセル１２に一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流したら、Ｓ２３０及びＳ２３５で、期間Ｔ４（１００μ秒）が経過するまで待つ。そしてＴ４が経過したら（Ｓ２３５でＹｅｓの場合）、Ｓ２４０に移行して、Ｖｓセル１２の出力電圧を測定する。このとき、測定したＶｓセル１２の出力電圧は、Ｖｓセル１２に流れている一定電流−Ｉｃｏｎｓｔによって、Ｓ２０５で測定した出力電圧に比べΔＶｓ低下する。

出力電圧を測定したら、Ｓ２４５に移行して、Ｒｐｖｓを算出する。このとき、Ｖｓセル１２に一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流すことによって、ΔＶｓの電圧降下が生じているため、このΔＶｓを一定電流−Ｉｃｏｎｓｔの絶対値で割ることによって、Ｖｓセル１２の内部抵抗Ｒｐｖｓを求めることができる。すなわち、Ｒｐｖｓ＝ΔＶｓ／｜−Ｉｃｏｎｓｔ｜となる。

Ｒｐｖｓを算出したら、Ｓ２５０に移行して、スイッチＳＷ２をオフして、一定電流−ＩｃｏｎｓｔをＶｓセル１２に流さないようにし、続けて、Ｓ２５５で、スイッチＳＷ３をオンして、Ｖｓセル１２に＋Ｉｃｏｎｓｔを流す。そして、スイッチＳＷ３をオンした後、Ｓ２６０及びＳ２６５で期間Ｔ４が経過するまで待つ。

このように、Ｓ２５０〜Ｓ２６５において、スイッチＳＷ２をオフすると同時に、スイッチＳＷ３をオンし、スイッチＳＷ２をオンした時間と等しい一定時間Ｔ４の間、一定電流−Ｉｃｏｎｓｔとは逆極性の一定電流＋ＩｃｏｎｓｔをＶｓセル１２に流すのは、Ｖｓセル１２が正常な起電力を出力できる状態に復帰するまでの時間（復帰時間）を短縮させ、Ｖｓセル１２の内部抵抗の測定後に、酸素濃度の測定を短時間で再開させるためである。

そして、Ｔ４が経過したら（Ｓ２６５でＹｅｓの場合）、Ｓ２７０に移行してスイッチＳＷ３をオフして、一定電流＋ＩｃｏｎｓｔをＶｓセル１２に流さないようにする。
その後、Ｓ２７５及びＳ２８０で期間Ｔ５が経過するのを待ち、Ｔ５が経過したら（Ｓ２８０でＹｅｓの場合）、Ｓ２８５でスイッチＳＷ１をオンして、Ｖｓセル１２の出力をＰＩＤ回路２２に入力するようにし、続く、Ｓ２９０にてタイマをリセットして処理を終了し、メインルーチンに戻る。

尚、図６にＲｐｖｓ測定処理におけるＳＷ１〜ＳＷ３、及び、Ｖｓセル１２の出力電圧（Ｖｓ）の関係をタイミングチャートとして示している。
以上のように、Ｒｐｖｓ測定処理でＲｐｖｓを測定した後、続く、Ｓ１０５で測定したＲｐｖｓの値が活性温度範囲に入っているか否かを判断する。つまり、Ｒｐｖｓが閾値２以上閾値３以下であるか否かを判断する。そして、Ｒｐｖｓが活性温度範囲であれば（Ｓ１０５でＹｅｓの場合）Ｓ１２０に移行して、非活性フラグをリセットし、Ｓ１２５に移行して異常診断を行う。活性温度範囲でなければ（Ｓ１０５でＮｏの場合）、Ｓ１７０に移行し、非活性フラグをセットし、Ｓ１７５に移行して、ＥＣＵへ非活性フラグを送信することにより、ＮＯｘセンサ１０がまだ非活性温度範囲にあることをＥＣＵに知らせる。

そして、Ｓ１２５では、Ｒｐｖｓの差分であるΔＲを算出する。つまり、今回測定したＲｐｖｓ（Ｎ）から（ここで、今回測定したＲｐｖｓをＲｐｖｓ（Ｎ）と表す。従って、１回前に測定したＲｐｖｓはＲｐｖｓ（Ｎ−１）と表される。）１回前に測定したＲｐｖｓ（Ｎ−１）の値を引いてΔＲとし（つまり、ΔＲ＝Ｒｐｖｓ（Ｎ）−Ｒｐｖｓ（Ｎ−１））、Ｓ１３０に移行する。

Ｓ１３０では、Ｓ１２５で算出したΔＲの絶対値（｜ΔＲ｜）が閾値１以下であるか否かを判定する。そして、｜ΔＲ｜が閾値１以下であれば（Ｓ１３０でＹｅｓの場合）センサ本体１０ａにＲｐｖｓの時間変化が大きくなるような異常が起こっていないとしてＳ１３５に移行し、｜ΔＲ｜が閾値１より大きければ、Ｒｐｖｓの時間変化が大き過ぎるため、センサ本体１０ａに短絡或は断線の異常があるとしてＳ１６５に移行し、短絡・断線異常判定フラグをセットしてＳ１７５に移行する。

Ｓ１３５では、Ｒｐｖｓ（Ｎ）の値が閾値２以上か否かを判定する。Ｒｐｖｓ（Ｎ）の値が閾値２以上であれば（Ｓ１３５でＹｅｓの場合）、センサ本体１０ａは正常であると判断してＳ１４０に移行し、逆に閾値２より小さければ（Ｓ１３５でＮｏの場合）、センサ本体１０ａに短絡異常（ＧＮＤ短絡）が起こっていると判定してＳ１６０に移行し、短絡異常判定フラグをセットしてＳ１７５に移行する。

Ｓ１４０では、Ｒｐｖｓ（Ｎ）の値が閾値３以下であるか否かを判定する。そして、Ｒｐｖｓ（Ｎ）の値が閾値３以下であれば（Ｓ１４０でＹｅｓの場合）、センサ本体１０ａは正常であるとして、Ｓ１５０に移行し、正常判定フラグをセットしてＳ１７５に移行する。一方、Ｒｐｖｓ（Ｎ）の値が閾値３をより大きければ（Ｓ１４０でＮｏの場合）、Ｓ１４５に移行する。

Ｓ１４５では、｜ΔＲ｜の値が閾値４以下であるか否かを判定している。そして、｜ΔＲ｜の値が、閾値４以下であれば（Ｓ１４５でＹｅｓの場合）、センサ本体１０ａは、Ｒｐｖｓの時間変化が小さいため、ヒータ１０ｂは正常である（被測定ガスの温度変化等の外乱による一時的な異常状態を示しているだけである）と判定され、Ｓ１５０に移行して、正常判定フラグをセットしてＳ１７５に移行する。

一方、｜ΔＲ｜が閾値４より大きい場合は（Ｓ１４５でＮｏの場合）、Ｒｐｖｓの時間変化が大きい（つまり、センサ本体１０ａの温度変化が比較的早い）ため、ヒータ１０ｂに異常が発生していると判定し、Ｓ１５５に移行し、ヒータ異常判定フラグをセットしてＳ１７５に移行する。

Ｓ１７５では、Ｓ１５０、Ｓ１５５、Ｓ１６０、Ｓ１６５、Ｓ１７０でセットした各フラグを外部のＥＣＵへ出力して本処理を終了する。
このようにして、ガス濃度測定装置１では、Ｖｓセル１２が活性温度範囲にあるときに、周期的にＶｓセル１２に一定電流−Ｉｃｏｎｓｔを流し、そのときのＶｓセル１２の出力電圧に基づいてＶｓセル１２の内部抵抗Ｒｐｖｓを求め、そのＲｐｖｓの値やＲｐｖｓの時間変化を、予め定めた閾値１〜閾値４と比較している。これにより、Ｒｐｖｓの値が異常値であるのか、或は、Ｒｐｖｓの時間変化が異常であるのかがわかるため、これに基づいて、前述したように、ＮＯｘセンサの異常の原因がセンサ本体（センサ素子）１０ａでの短絡や断線によるものであるのか、ヒータ１０ｂの異常によるものなのか、あるいは、ＮＯｘセンサ１０には異常はなく、被測定ガスの温度が変化したためにＲｐｖｓが一時的に異常状態を示しただけであるのか、を判別できるようになる。

また、ガス濃度測定装置１では、測定したＶｓセル１２の内部抵抗の値を、今回の値と１回前の値の２回分のみを制御部３０のＲＡＭ領域に保存して、内部抵抗Ｒｐｖｓの時間変化を求めているため、ＲＡＭ領域が少なくて済む。

尚、ガス濃度測定回路２０の内部抵抗測定ブロックＢ１が本発明の内部インピーダンス測定手段に、制御部３０が本発明の異常診断手段に、各々相当する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内にて種々の態様を採ることができる。

例えば、上記実施形態では、ＮＯｘセンサ１０の異常診断を行っているが、ポンプセルと酸素濃度検知セルとから構成され、ヒータによってそれらのセルが活性温度範囲で所定のガスの濃度を検出するガスセンサ（例えば、第１測定室のみを備え、被測定ガスの酸素濃度を測定するＵＥＧＯ（全領域空燃比センサ）等）であれば、その異常診断を同様にして行うこともできる。

また、本実施形態の異常診断処理における各閾値を本実施形態の値から変更することで、各種のガスセンサに対応した異常診断を行うこともできる。
更に、本実施形態では、インターバルＴ１（１００ｍ秒）毎に測定したＲｐｖｓにより異常判定を行っているが、必ずしも、各Ｔ１毎に測定したＲｐｖｓにより異常判定を行う必要はなく、例えば、Ｒｐｖｓの測定値にノイズが多く含まれるような場合には、数回のインターバルに亘って測定したＲｐｖｓに平均化等の信号処理を行って、その結果により異常診断を行うようにしてもよい。

また、本実施形態では、Ｖｓセルに対して周期的に一定電流を流すことで内部抵抗Ｒｐｖｓを測定しているが、例えば、Ｖｓセルに対して連続的に高周波信号を供給し、そのときに現われる出力信号中の内部抵抗成分をフィルタによって抽出することで内部抵抗Ｒｐｖｓを測定してもよい。

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。 ガス濃度測定装置１の回路構成を示す回路図である。 ＶｓセルのＲｐｖｓによるＮＯｘセンサ１０の異常／正常の判定の方法を示す図である。 制御部３０で実行される異常判定処理のフローチャートである。 異常判定処理中で実行されるサブルーチン（Ｒｐｖｓ測定処理）のフローチャートである。 ＶｓセルのＲｐｖｓ測定時のタイミングチャートである。

符号の説明

１…ガス濃度測定装置、１０…ＮＯｘセンサ、１０ａ…センサ本体、１０ｂ…ヒータ、１１…第１ポンプセル（Ｐ１セル）、１１ａ…第１固体電解質体、１１ｂ…第１内側電極、１１ｃ…第１外側電極、１２…酸素濃度検知セル（Ｖｓセル）、１２ａ…検知用固体電解質体、１２ｂ…検知用電極、１２ｃ…基準用電極、１３…第２ポンプセル（Ｐ２セル）、１３ａ…第２固体電解質体、１３ｂ…第２内側電極、１３ｃ…第２外側電極、１４、１５…絶縁層、１６…第１拡散抵抗体、１７…第２拡散抵抗体、１８…基準酸素室、２０…ガス濃度測定回路、２１…第１ポンプ電流供給回路、２２…ＰＩＤ回路、２３…第２ポンプ電圧印加回路、２５…ヒータ制御回路、３０…制御部、Ｂ１…内部抵抗測定ブロック、Ｃ１…コンデンサ、ＯＰ１、ＯＰ２、ＯＰ３、ＯＰ４…オペアンプ、Ｒｐ１、Ｒｐ２…電流検出抵抗、Ｒｐ３…抵抗、Ｓ１…第１測定室、Ｓ２…第２測定室、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３…スイッチ。

Claims (10)

1. 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、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子を前記所定ガスの濃度に応じた信号を出力可能な温度まで加熱するヒータと、
   を備えたガスセンサの異常診断方法であって、
   前記センサ素子の内部インピーダンスを周期的に測定し、
   該測定された内部インピーダンスのうち時間的に連続する２つの内部インピーダンスの差分に基づい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センサの異常診断方法。
2. 前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値より大きいとき、前記センサ素子が異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの異常診断方法。
3. 前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であり、且つ、前記２つの内部インピーダンスのうち小さい方の内部インピーダンスが予め設定された第２閾値未満のとき、前記センサ素子が異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの異常診断法方法。
4. 前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であると共に、前記２つの内部インピーダンスのうち大きい方の内部インピーダンスが予め設定された第３閾値よりも大きく、且つ、前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第４閾値よりも大きいとき、前記ヒータが異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの異常診断方法。
5. 前記センサ素子は、
   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、通電電流に応じて該測定室内の酸素をポンピングするためのポンピングセルと、
   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、該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、
   を備えており、
   異常診断は、前記酸素濃度検知セルの内部インピーダンスを測定することによって行う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センサの異常診断方法。
6. 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、被測定ガス空間の所定ガスの濃度に応じた信号を出力するセンサ素子と、
   前記センサ素子を前記所定ガスの濃度に応じた信号を出力可能な温度まで加熱するヒータと、
   を備えたガスセンサの異常診断装置であって、
   前記センサ素子の内部インピーダンスを周期的に測定する内部インピーダンス測定手段と、
   前記内部インピーダンス測定手段にて測定された内部インピーダンスのうち時間的に連続する２つの内部インピーダンスの差分に基づいて前記ガスセンサの異常診断を行う異常診断手段と、
   を備えたことを特徴とするガスセンサの異常診断装置。
7. 前記異常診断手段は、
   前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値より大きいとき、前記センサ素子が異常であると判定することを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの異常診断装置。
8. 前記異常診断手段は、
   前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であり、且つ、前記２つの内部インピーダンスのうち小さい方の内部インピーダンスが予め設定された第２閾値未満のとき、前記センサ素子が異常であると判定することを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの異常診断装置。
9. 前記異常診断手段は、
   前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第１閾値以下であると共に、前記２つの内部インピーダンスのうち大きい方の内部インピーダンスが予め設定された第３閾値よりも大きく、且つ、前記内部インピーダンスの差分が予め設定された第４閾値よりも大きいとき、前記ヒータが異常であると判定することを特徴とする請求項６に記載のガスセンサの異常診断装置。
10. 前記センサ素子は、
    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該測定室に面して配置されて、通電電流に応じて該測定室内の酸素をポンピングするためのポンピングセルと、
    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該測定室に面して配置されて、該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、
    を備えており、
    前記内部インピーダンス測定手段は、前記酸素濃度検知セルの内部インピーダンスを測定する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センサの異常診断装置。

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