JP5030239B2 - ガスセンサの異常診断装置および異常診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサの異常を診断する技術に関する。

従来、内燃機関の排気ガス中に含まれるＣＯやＮＯｘ、ＨＣを低減するために、排気ガス中の特定ガスの濃度（例えば、酸素濃度）を検出し、この濃度に応じて内燃機関に供給する混合気の空燃比を制御することが行われている。排気ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサとしては、例えば、固体電解質をセンサ素子として利用したリッチ、リーンの二値出力がなされるラムダセンサや、全領域空燃比センサが用いられる。

これらのガスセンサは、一般的に、円筒状の主体金具内に、板状あるいは棒状のセンサ素子が先端のガス検出部を露出するように保持され、この露出した部分が保護カバーで覆われる構造を採っている。センサ素子の後端側の表面には、ガスの濃度を表す信号を出力するための電極が設けられており、この電極には、信号をガスセンサの外部に引き出すためのリード線の接続端子が接触している（特許文献１，２参照）。

特開２００６−３００９２３号公報 特開２００６−３０８３２８号公報 特開２００６−３４３３１７号公報 特開平１０−４８１８０号公報

上述のように、ガスの濃度を表す信号は、センサ素子の電極とリード線の接続端子との接触部分を介して、ガスセンサの外部に出力される。そのため、この接触部分に規定以上の接触抵抗が存在すると、ガスセンサの出力に影響が及び、ガス濃度の正確な測定ができなくなるおそれがある。

このような問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、ガスセンサ内に配設された電極と接続端子との接触抵抗に起因するガスセンサの異常を診断することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］固体電解質および該固体電解質の電気的特性を示す信号を出力する電極を備えるガスセンサ素子と、前記電極と接触し、前記信号を外部に引き出す接続端子と、前記固体電解質を加熱するヒータとを備えたガスセンサの異常を診断する異常診断装置であって、
前記ガスセンサのヒータを制御するヒータ制御部と、
前記接続端子および前記電極を通じて、前記ガスセンサの内部抵抗を検出するための検出信号を前記固体電解質に出力し、前記検出信号の出力に応答して前記接続端子を通じて入力される応答信号に基づいて、前記ガスセンサの内部抵抗を測定する測定部と、
前記ヒータ制御部を用いて前記固体電解質を加熱し、該加熱の開始後、前記測定部にて測定された内部抵抗が、第１の抵抗値に至る第１の時間と、前記第１の抵抗値とは異なる第２の抵抗値に至る第２の時間とを求め、前記第１の時間と前記第２の時間との比と、所定の閾値との比較に基づいて前記ガスセンサの異常の有無を診断する診断部と
を備えるガスセンサの異常診断装置。

このような態様の異常診断装置では、加熱開始後のガスセンサの内部抵抗が異なる２点の抵抗値に至る時間の比と、所定の閾値とに基づいて異常の診断を行う。このように、異なる２点の抵抗値に至る時間の比に基づいて異常の診断を行うことで、同一品番のガスセンサの個体ばらつき（主に製造ばらつきに起因した個体ばらつき）によって第１の時間や第２の時間にばらつきも、比較的高速に、接触抵抗に起因したガスセンサの異常を精度良く診断することが可能になる。

［適用例２］適用例１に記載のガスセンサの異常診断装置であって、前記第２の抵抗値は１００Ω以下であり、前記第１の抵抗値は、該第２の抵抗値よりも２５０Ω以上大きい抵抗値であるガスセンサの異常診断装置とすると良い。このように、第１の抵抗値と第２の抵抗値とが２５０Ω以上離れていれば、より精度良く、接触抵抗に起因したガスセンサの異常を診断することが可能になる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載のガスセンサの異常診断装置であって、前記ヒータ制御部による前記ヒータの制御の開始に先立ち、前記ガスセンサの温度に関する指標に基づいて、前記ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えているか否かを判断する温度推定部を備え、前記温度推定部にて前記ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えていると推定された場合に、前記診断部による前記ガスセンサの診断を許可するガスセンサの異常診断装置とすると良い。

本発明では、第１の時間と第２の時間との比を所定の閾値と比較してガスセンサの異常の有無を診断するため、ヒータの制御の開始前のガスセンサが晒される環境の温度を略一定に維持できない場合には、同じ接触抵抗であっても算出される比の値が異なってくる。そのため、ガスセンサの異常の有無の診断を精度が低下するおそれがある。そこで、上記の温度推定部を設け、ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えていると推定された場合にのみ、診断部によるガスセンサの診断を許可することで、診断精度の低下を抑制することができる。なお、温度判断部では、ガスセンサの温度に関する指標に基づいて、ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えているか否かを推定できれば良い。「指標」としては、ヒータによる加熱開始前のガスセンサの温度と相関がみられる情報であればよく、例えばガスセンサが車両等の内燃機関の排気管に搭載される場合には、内燃機関の冷却水の水温や、排気管の温度が挙げられ、その他に前回の内燃機関の起動が終了してからの経過時間（停止時間）などを挙げることができる。

また、本発明は、上述した異常診断装置としての態様の他、ガスセンサの異常診断方法や、ガスセンサの異常を診断するためのコンピュータプログラムとしても構成することが可能である。コンピュータプログラムは、コンピュータが読取可能に記録された記録媒体に記憶されていてもよい。

また、本発明では、ガスセンサの内部抵抗を測定するにあたり、検出信号として電流信号を一時的な変化を伴うようにして固体電解質及び電極に付与し、応答信号として入力される電圧信号の変化量に基づいて内部抵抗を算出しても良いし、検出信号として電圧信号を一時的な変化を伴うようにして固体電解質及び電極に付与し、応答信号として入力される電流信号の変化量に基づいて内部抵抗を算出するようにしても良い。

異常診断装置１０の概略構成を示すブロック図である。 ガスセンサ１００の外観図である。 ガスセンサ１００の断面図である。 ガスセンサ素子１２０の分解斜視図である。 異常診断処理のフローチャートである。 ガスセンサ素子１２０の温度変化の一例を示すグラフである。 Ｖｓラインの内部抵抗値Ｒｐｖｓの変化の一例を示すグラフである。 Ｖｓラインに接触抵抗が生じた場合の第１活性時間Ｔ１と第２活性時間Ｔ２の例を示す図である。 ガスセンサ１００に意図的に接触抵抗を生じさせて、各接触抵抗における第１活性時間Ｔ１と第２活性時間Ｔ２を測定する実験を行った結果を示す図である。 複数のガスセンサ１００について図９と同様の実験を行った結果を示す図である。 ガスセンサ１００を内燃機関の排気管に装着した場合の異常診断処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．異常診断装置の概略構成：
Ｂ．ガスセンサの構成：
Ｃ．ガスセンサ素子の構成：
Ｄ．異常診断処理：

Ａ．異常診断装置の概略構成：
図１は、実施例としてのガスセンサの異常診断装置１０の概略構成を示すブロック図である。図示するように、本実施例の異常診断装置１０は、ＣＰＵ２１とＲＡＭ２２とＲＯＭ２３とを備える異常診断回路２０と、この異常診断回路２０に接続されたヒータ制御回路３０と、同じく異常診断回路２０に接続された表示装置４０とを備えている。異常診断回路２０には、ガスセンサ１００から延びる３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５が接続され、ヒータ制御回路３０には、ガスセンサ１００から延びる２本のヒータ用リード線１９６，１９７が接続される。

異常診断回路２０に備えられたＲＯＭ２３には、所定の制御プログラムが記憶されている。ＣＰＵ２１は、この制御プログラムをＲＡＭ２２にロードして実行することで後述する異常診断処理を実現する。この制御プログラムの実行により異常診断回路２０は、本願の測定部および診断部として機能する。

表示装置４０には、異常診断回路２０によるガスセンサ１００の異常診断の結果が表示される。表示装置４０としては、例えば、液晶モニタやＣＲＴモニタ、ＬＥＤなど、種々の表示装置を適用することができる。異常診断装置１０を車両に搭載する場合には、インストルメントパネル内の警告灯を表示装置として適用することができる。

ヒータ制御回路３０は、ガスセンサ１００内に組み込まれたヒータ素子の加熱制御（通電制御）を行う回路である。ヒータ制御回路３０は、異常診断回路２０から出力されるオン／オフ信号に応じて、ヒータ素子の加熱を行う。なお、ヒータ素子の加熱制御（通電制御）は、後述する固体電解質体から構成されるガスセンサ素子１２０を活性化させるための公知の制御（例えば、特開２００３−１８５６２６号公報参照）を行えばよいため、この制御の詳述は省略する。

Ｂ．ガスセンサの構成：
図２は、ガスセンサ１００の外観図であり、図３は、ガスセンサ１００の断面図である。図２および図３において、図中下方が軸線ＡＸ方向の先端側を、図中上方が軸線ＡＸ方向の基端側を示す。このガスセンサ１００は、内燃機関に供給する混合気の空燃比をフィードバック制御するために、排気管に装着されて、排気ガス中の酸素の濃度をリニアに検出する全領域空燃比センサとして構成されている。

図２および図３に示すように、ガスセンサ１００は、軸線ＡＸ方向に延びる筒状の主体金具１１０と、この主体金具１１０の内側に配置され、軸線ＡＸ方向に延びる板状のガスセンサ素子１２０と、主体金具１１０の内側に配置され、ガスセンサ素子１２０を内挿してガスセンサ素子１２０を支持する筒状のセラミックスリーブ１７０と、ガスセンサ素子１２０の基端側に取り付けられ、ガスセンサ素子１２０と各種リード線の電気的な接続を行う接続体１８０とを有する。

図３に示すように、ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の内部に配置され、先端部が主体金具１１０から先端側に突出し、基端部が主体金具１１０から基端側に突出している。そして、先端部には、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたガス検出部１２１と、ガス検出部１２１を加熱可能に構成されたヒータ部１２３とが設けられている。ガスセンサ素子１２０の基端部には、第１板面１２０ａ側に、ガス検出部１２１と電気的に導通する３つのセンサ用電極（図４に示すＶｓ電極１２５、ＣＯＭ電極１２６、Ｉｐ電極１２７）が設けられ、また、第２板面１２０ｂ側には、ヒータ部１２３と電気的に導通する２つのヒータ用電極１２８，１２９（図４参照）が設けられている。このガスセンサ素子１２０の詳細な構成については後述する。

主体金具１１０は、軸線方向に延びる筒状をなし、その内部には、径方向内側に突出する棚部１１１が形成されている。そして、主体金具１１０内には、アルミナからなる筒状のセラミックホルダ１１３、滑石粉末からなる第１粉末充填層１１４、同じく滑石粉末からなる第２粉末充填層１１５、及び、アルミナからなる筒状のセラミックスリーブ１７０が、この順に先端側から基端側に向けて配設されている。また、主体金具１１０内には、セラミックホルダ１１３及び第１粉末充填層１１４と共にガスセンサ素子１２０と一体化された筒状の金属カップ１１６が配設されている。更に、セラミックスリーブ１７０と主体金具１１０の基端部１１０ｋとの間には、加締リング１１７が配置されている。

セラミックホルダ１１３は、金属カップ１１６内に配置され、その先端側で金属カップ１１６を介して主体金具１１０の棚部１１１に係合している。セラミックホルダ１１３は、ガスセンサ素子１２０を内挿している。また、第１粉末充填層１１４の全体と、第２粉末充填層１１５の先端側の一部が、金属カップ内１１６に配置されている。なお、主体金具１１０とガスセンサ素子１２０との間の気密性は、第２粉末充填層１１５の存在によって確保されるようになっている。

セラミックスリーブ１７０は、軸線ＡＸに沿い、矩形状の開口をなす軸孔１７０ｃを有する筒状をなす。このセラミックスリーブ１７０は、その矩形状の軸孔１７０ｃに板状のガスセンサ素子１２０を内挿して、ガスセンサ素子１２０を支持している。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の基端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させ、加締リング１１７を介して、セラミックスリーブ１７０の基端面に向けて加締めることにより、主体金具１１０内に固定されている。

主体金具１１０の先端側には、主体金具１１０から突出するガスセンサ素子１２０の先端部を覆うように、二重の有底筒状のプロテクタ１０１がレーザ溶接により固設されている。このプロテクタ１０１には、排ガスを内部に導入できるように、複数の導入孔１０１ｃが所定位置に形成されている。

主体金具１１０の基端側には、筒状の金属外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。金属外筒１０３の内側には、接続体１８０が配設されている。この接続体１８０は、セラミック製のセパレータ１８１と、３つのセンサ用接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用接続端子１８５，１８６とから構成されている。セパレータ１８１は、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４及びヒータ用接続端子１８５，１８６が互いに接触しないように、これらを隔離した状態で収容している。

接続体１８０は、前述のセラミックスリーブ１７０と離間した状態で、ガスセンサ素子１２０の基端側に取り付けられている。セラミックスリーブ１７０の基端側から突出するガスセンサ素子１２０は、その基端部が、セパレータ１８１の開口１８１ｃ内に挿入されている。そして、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４が、ガスセンサ素子１２０のセンサ用電極１２５，１２６，１２７と弾性的に接触して電気的に接続している。また、ヒータ用接続端子１８５，１８６が、ガスセンサ素子１２０のヒータ用電極１２８，１２９と弾性的に接触して電気的に接続している。図３の左側に示した拡大図は、これらの接続端子と、ガスセンサ素子１２０に設けられた電極との接触状態を理解し易いように示している。

接続体１８０は、その周囲に配置された概略筒状をなす付勢金具１９０によって、後述するグロメット１９１に付勢された状態で、金属外筒１０３内に保持されている。

金属外筒１０３の基端側内側には、３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と２本のヒータ用リード線１９６，１９７を内挿するフッ素ゴム製のグロメット１９１が配設されている。センサ用リード線１９３，１９４，１９５は、その先端側が接続体１８０内に挿入されて、センサ用接続端子１８２，１８３，１８４に加締められ、これらと電気的に接続している。また、ヒータ用リード線１９６，１９７も、その先端側が接続体１８０内に挿入され、ヒータ用接続端子１８５，１８６に加締められ、これらと電気的に接続している。センサ用リード線１９３は、センサ用接続端子１８２を介して、ガスセンサ素子１２０のＩｐ電極１２５に接続され、センサ用リード線１９４は、センサ用接続端子１８３を介して、ガスセンサ素子１２０のＣＯＭ電極１２６に接続される。また、センサ用リード線１９５は、センサ用接続端子１８４を介して、ガスセンサ素子１２０のＶｓ電極１２７に接続される。

Ｃ：ガスセンサ素子の構成：
図４は、ガスセンサ素子１２０の分解斜視図である。ガスセンサ素子１２０は、軸線方向（図４中では左右方向）に延びる板状の検出素子１３０と、同じく軸線方向に延びる板状のヒータ素子１６０とが積層されることにより焼成一体化されている。なお、図４においては、図中左側が図２，３における先端側、図中右側が基端側に対応する。

検出素子１３０は、それぞれ板状をなす保護層１３１、ポンプセル１３７、スペーサ１４５、起電力セル１５０が、この順番で第１板面１２０ａ側から第２板面１２０ｂ側に向かって積層されている。

保護層１３１は、アルミナを主体に形成されている。この保護層１３１の先端部には、多孔質体１３２が形成されている。ガスセンサ素子１２０の第１板面１２０ａをなす保護層１３１の第１面１３１ａには、その基端近傍に、前述した３つのセンサ用電極として、Ｉｐ電極１２５、ＣＯＭ電極１２６、Ｖｓ電極１２７が軸線方向と直交する方向に所定間隔に並んで形成されている。Ｉｐ電極１２５、ＣＯＭ電極１２６、Ｖｓ電極１２７は、保護層１３１の基端近傍に貫通形成された３つのビア導体１３３，１３４，１３５と、それぞれ図中に破線で示すように電気的に接続している。

ポンプセル１３７は、ジルコニアを主体に形成された固体電解質体である。このポンプセルの基端近傍には、２つのビア導体１４２，１４３が貫通形成されている。これらのビア導体１４２，１４３は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３４，１３５と電気的に接続している。

ポンプセル１３７の第１面１３７ａ（図中上方）には、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第１電極部１３８が形成されている。この第１電極部１３８は、上記保護層１３１に貫通形成されたビア導体１３３と電気的に接続している。そのため、第１電極部１３８は、ビア導体１３３を通じて、Ｉｐ電極１２５と導通している。第１電極部１３８は、保護層１３１に設けられた多孔質体１３２を通じて、排気ガスに晒される。

ポンプセル１３７の第２面１３７ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第２電極部１４０が形成されている。この第２電極部１４０は、ポンプセル１３７に貫通形成されたビア導体１４２に電気的に接続されている。そのため、第２電極部１４０は、ビア導体１４２およびビア導体１３４を通じて、ＣＯＭ電極１２６に導通している。

スペーサ１４５は、アルミナを主体に形成され、先端部に長方形状の開口を有する。この開口は、スペーサ１４５がポンプセル１３７と起電力セル１５０との間に挟まれて積層されることによってガス検出室１４５ｃを構成する。ガス検出室１４５ｃの両側壁の一部は、ガス検出室１４５ｃ内と外部との間の通気を確保する多孔質体１４６によって構成されている。この多孔質体１４６は、多孔質のアルミナから形成されている。スペーサ１４５の基端近傍には、２つのビア導体１４７，１４８が貫通形成されている。ビア導体１４７は、上記第２電極部１４０と電気的に接続している。また、ビア導体１４８は、上記ポンプセル１３７に貫通形成されたビア導体１４３と電気的に接続している。

起電力セル１５０は、ジルコニアを主体に形成された固体電解質体である。この起電力セル１５０の基端近傍には、ビア導体１５５が貫通形成されている。このビア導体１５５は、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４８と電気的に接続している。

起電力セル１５０の第１面１５０ａ（図中上方）には、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第３電極部１５１が形成されている。この第３電極部１５１は、上記スペーサ１４５に貫通形成されたビア導体１４７に電気的に接続している。そのため、第３電極部１５１は、ビア導体１４７、第２電極部１４０、ビア導体１４２、ビア導体１３４を通じて、ＣＯＭ電極１２６に導通している。つまり、ＣＯＭ電極１２６に共通して接続された第３電極部１５１と第２電極部１４０とは、電気的に同電位となる。

起電力セル１５０の第２面１５０ｂ（図中下方）にも、Ｐｔを主体とし多孔質で長方形状をなす第４電極部１５３が形成されている。この第４電極部１５３は、上記起電力セル１５０に貫通形成されたビア導体１５５に電気的に接続している。そのため、第４電極部１５３は、ビア導体１５５、ビア導体１４８、ビア導体１４３、ビア導体１３５を通じて、Ｖｓ電極１２７に導通している。

ヒータ素子１６０は、それぞれアルミナからなり板状をなす第１絶縁層１６１と第２絶縁層１６２とが、この順番で第１板面１２０ａ側から第２板面１２０ｂ側に向かって積層されることで構成されている。第１絶縁層１６１と第２絶縁層１６２との層間には、Ｐｔを主体としジグザグ状をなし、先端側に位置する発熱抵抗体１６３と、この発熱抵抗体１６３の両端にそれぞれ繋がり基端側に延びるヒータリード部１６４，１６５とが形成されている。

第２絶縁層１６２の基端近傍には、２つのビア導体１６６，１６７が貫通形成されている。更に、ガスセンサ素子１２０の第２板面１２０ｂをなす第２面１６２ｂには、その基端近傍に、前述の２つのヒータ用電極１２８，１２９が軸線方向と直交する方向に並んで形成されている。このうちヒータ用電極１２８は、ビア導体１６６を介して、ヒータリード部１６４と電気的に接続している。また、ヒータ用電極１２９は、ビア導体１６７を介して、ヒータリード部１６５と電気的に接続している。

以上のように構成されたガスセンサ１００の通常利用時の動作を参考までに説明する。ガスセンサ１００の通常利用時には、まず、ヒータ素子１６０をヒータ制御回路３０によって数百度（例えば、７００〜８００℃）に加熱してポンプセル１３７と起電力セル１５０とを活性化させ、更に、Ｖｓ電極１２７を通じて起電力セル１５０に微少電流Ｉｃｐ（概ね１５μＡ）を流して、第４電極部１５３を酸素基準室として機能させる。この状態において、ガス検出室１４５ｃ内の雰囲気が、理論空燃比に保たれるとき、酸素濃度がほぼ一定に保たれている酸素基準室と起電力セル１５０との間には、４５０ｍＶの電圧が発生する。そこで、公知の構成である所定の電気回路を用いて、起電力セル１５０の電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるようにポンプセル１３７に流す電流Ｉｐを適時調整して、ガス検出室１４５ｃ内の雰囲気を理論空燃比に保つ制御を行う。このように、ガスセンサ１００を動作させれば、ガス検出室１４５ｃ内を理論空燃比に保つための電流Ｉｐの値に基づいて、排気ガス中の酸素の濃度を測定することが可能になる。なお、後述する異常診断処理においては、このような酸素濃度検出のための制御は行われない。

Ｄ．異常診断処理：
次に、上述のように構成されたガスセンサ１００の異常の有無を診断する異常診断処理について説明する。本実施例では、この異常診断処理において、起電力セル１５０に繋がるＶｓラインについての異常の有無を診断する。このＶｓラインとは、異常診断装置１０から、センサ用リード線１９５、センサ用接続端子１８４、Ｖｓ電極１２７、第４電極部１５３を経て、起電力セル１５０まで至り、更に、ここから、第３電極部１５１、ＣＯＭ電極１２６、センサ用接続端子１８３、センサ用リード線１９４を経て、異常診断装置１０に戻るまでの電気的経路のことをいう。

図５は、異常診断回路２０に備えられたＣＰＵ２１が実行する異常診断処理のフローチャートである。図５に示す異常診断処理は、ガスセンサ１００の生産ラインにおける検査工程時に実行する際のフローチャートを示し、この異常診断処理は、ガスセンサ１００を略室温下の大気雰囲気に置いて、異常診断装置１０に接続した状態で実行される。

この異常診断処理の実行が開始されると、ＣＰＵ２１は、まず、ヒータ制御回路３０を制御して、ガスセンサ素子１２０の加熱（加熱制御）を開始する（ステップＳ１０）。ガスセンサ素子１２０の加熱を開始すると、ＣＰＵ２１は、これと同時に、タイマのカウントアップを開始する。ガスセンサ素子１２０が加熱されると、徐々に、起電力セル１５０内の酸素イオンの流動性が高まり、起電力セル１５０内のインピーダンス（内部抵抗値）が低下する。

図６は、ガスセンサ素子１２０の温度変化の一例を示すグラフである。また、図７は、加熱時間に応じたＶｓラインの内部抵抗値Ｒｐｖｓの変化の一例を示すグラフである。これらの図に示すように、ガスセンサ素子１２０の温度が高くなればなるほど、つまり、起電力セル１５０の抵抗値が低くなればなるほど、単位時間当たりのガスセンサ素子１２０の温度上昇率が低くなる。なお、異常診断処理の開始時には、起電力セル１５０は室温状態であるため絶縁体として機能する。そのため、図７に示すように、異常診断処理開始時のＶｓラインの内部抵抗値Ｒｐｖｓは無限大となる。

続いて、ＣＰＵ２１は、周期が６０μｓのパルス電流（あるいはパルス電圧）を所定の検出信号としてＶｓラインに流すことで、Ｖｓラインの電気的特性としての内部抵抗値Ｒｐｖｓを測定する。具体的には、一時的なパルス電流（あるいはパルス電圧）をＶｓラインに付与し、Ｖｓラインを介して出力される電圧（あるいは電流）の変化量を応答信号として検出し、検出された電圧（あるいは電流）の変化量とパルス電流（あるいはパルス電圧）の値とから、起電力セル１５０の内部抵抗値Ｒｐｖｓを測定することができる。なお、この内部抵抗Ｒｐｖｓの測定は、異常診断装置１０に別途に設けられた図示しない公知の内部抵抗検出回路（例えば、特開平１０−４８１８０号公報参照）を用いて行われ、また、この測定は所定の間隔（例えば、１０ｍｓ間隔）毎に実行される。

続いて、ＣＰＵ２１は、測定された内部抵抗値Ｒｐｖｓが、４００Ωにまで低下したかを判断する（ステップＳ２０）。内部抵抗値Ｒｐｖｓが、４００Ωにまで低下したと判断すれば、ＣＰＵ２１は、その時のタイマの値を、第１活性時間Ｔ１（図７参照）として取得する（ステップＳ３０）。一方、内部抵抗値Ｒｐｖｓが４００Ωに達していなければ、内部抵抗値Ｒｐｖｓが４００Ωに達するまで、ステップＳ２０の処理をループする。第１活性時間Ｔ１は、正常なガスセンサ１００では、個体ばらつきを考慮した場合に、３秒ないし８秒程度のばらつきがある。

第１活性時間Ｔ１を取得すると、続いて、ＣＰＵ２１は、内部抵抗値Ｒｐｖｓが、７５Ωにまで低下したかを判断する（ステップＳ４０）。この判定基準を７５Ωとしたのは、ガスセンサ１００の通常の使用時には、Ｖｓライン（起電力セル１５０）の内部抵抗値Ｒｐｖｓが略７５Ωになるように通電制御されるからである。

内部抵抗値Ｒｐｖｓが、７５Ωにまで低下したと判断されれば、ＣＰＵ２１は、その時のタイマの値を、第２活性時間Ｔ２（図７参照）として取得する（ステップＳ５０）。一方、内部抵抗値Ｒｐｖｓが７５Ωに達していなければ、内部抵抗値Ｒｐｖｓが７５Ωに達するまで、ステップＳ４０の処理をループする。第２活性時間Ｔ２は、正常なガスセンサ１００では、個体ばらつきを考慮した場合に４秒ないし１２秒程度のばらつきがある。なお、ステップＳ２０やステップＳ４０において、第１活性時間Ｔ１や第２活性時間Ｔ２のばらつきの上限を超えるような時間を経過した場合には、その時点で、ガスセンサ１００は異常であると判断してもよい。具体的には、例えば、ステップＳ２０で１５秒、ステップＳ４０で２０秒経過した場合に、その時点で処理をステップＳ９０にスキップさせて、表示装置４０に、ガスセンサ１００が異常である旨を表示させることとすることができる。

第２活性時間Ｔ２を取得すると、ＣＰＵ２１は、第１活性時間Ｔ１に対する第２活性時間Ｔ２の比である活性時間比ＲＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）を求め（ステップＳ６０）、この活性時間比ＲＴが、所定の閾値である１．６以下であるかを判断する（ステップＳ７０）。この結果、活性時間比ＲＴが、１．６以下であれば、ＣＰＵ２１は、Ｖｓラインの内部抵抗値Ｒｐｖｓは正常であると判断し、表示装置４０に、診断結果として正常（ＯＫ）である旨の表示を行う（ステップＳ８０）。一方、活性時間比が１．６を超えれば、ＣＰＵ２１は、Ｖｓラインの内部抵抗値Ｒｐｖｓが異常な値であると判断し、表示装置４０に、診断結果として異常（ＮＧ）である旨の表示を行う（ステップＳ９０）。以上で説明した一連の処理によって、異常診断装置１０は、ガスセンサ１００のＶｓラインについての異常の有無を診断することができる。

ここで、第１活性時間Ｔ１に対する第２活性時間Ｔ２の比（活性時間比ＲＴ）に基づいて、Ｖｓラインの異常の有無が診断可能な理由を図８〜１０に基づいて説明する。図８には、センサ用接続端子１８４とＶｓ電極１２７との間に３０Ωの接触抵抗が生じた場合の第１活性時間Ｔ１と第２活性時間Ｔ２の例を示している。

センサ用接続端子１８４とＶｓ電極１２７との間に３０Ωの接触抵抗が存在すると、実質的に、内部抵抗値Ｒｐｖｓが３７０Ωまで低下しないと、第１活性時間Ｔ１の取得の判断基準である４００Ωには達しない。そのため、図８に示すように、接触抵抗を含むＶｓラインでは、正常なＶｓラインに比べて第１活性時間Ｔ１が、１秒未満程度の範囲で遅延することになる。また、センサ用接続端子１８４とＶｓ電極１２７との間に３０Ωの接触抵抗が存在すると、実質的に、内部抵抗値Ｒｐｖｓが４５Ωまで低下しないと、第２活性時間Ｔ２の取得の判断基準である７５Ωには達しない。そのため、図８に示すように、接触抵抗を含むＶｓラインは、正常なＶｓラインに比べて第２活性時間Ｔ２が、数秒程度、遅延する。

そこで、ある１つのガスセンサ１００のＶｓラインに意図的に抵抗を加えることで、擬似的な接触抵抗を生じさせ、各接触抵抗における第１活性時間Ｔ１と第２活性時間Ｔ２とを測定する実験を行った。この実験結果を図９に示す。図９には、横軸に、意図的に可変させた接触抵抗を示し、縦軸に、第１活性時間Ｔ１と第２活性時間Ｔ２とを示している。図示するように、接触抵抗を変化させても、第１活性時間Ｔ１については、それほど変化は見られないが、第２活性時間Ｔ２については、接触抵抗が大きくなるに連れ、遅延が大きくなっている。

しかし、前述したように、正常なガスセンサ１００であっても、第１活性時間Ｔ１は、その個体ばらつきにより、３秒から８秒までの間でばらつき、第２活性時間Ｔ２は、４秒から１２秒までの間でばらつく。つまり、図９に示した第１活性時間Ｔ１や第２活性時間Ｔ２の遅延は、この個体毎の活性時間のばらつきの中に包含されてしまう。

そこで、図９に示した実験結果に基づいて、第１活性時間Ｔ１に対する第２活性時間Ｔ２の比を活性時間比ＲＴとして求めた。この結果を図１０に示す。図１０には、ガスセンサ１００のサンプルを複数用意して、図９に示した実験と同様の実験を行い、その結果得られた活性時間比ＲＴを示している。図１０には、サンプル毎に、接触抵抗が０Ωから５０Ωまでに対応する活性時間比ＲＴの各値を結ぶ近似線を示している。図１０に示すように、複数のサンプルについて活性時間比ＲＴを求めた結果、活性時間比ＲＴについては、そのばらつきが比較的狭い範囲に収まる結果となった。

図１０に示すように、本実施例における実験では、接触抵抗が０Ωの場合の活性時間比ＲＴは、最大値が１．６であった。そこで、この１．６という活性時間比ＲＴが最小値となる接触抵抗を図１０に示したグラフに基づいて求めると、約１５Ωであった。つまり、活性時間比ＲＴのサンプル毎のばらつきを考慮すると、接触抵抗が０Ωではないと判断可能な接触抵抗が、最低１５Ωということになる。従って、上述した異常診断処理では、活性時間比が１．６以上のガスセンサ１００については、Ｖｓラインに接触抵抗が１５Ω以上存在すると判断できるので、このような場合には、異常が生じていると診断することとした。

ところで、ガスセンサ素子１２０の加熱時間が十分に経過し、起電力セル１５０の活性状態が安定した後にＶｓラインの内部抵抗を測定すれば、所定の閾値とこの測定値とを比較することで、容易に、接触抵抗の存在を検出することが可能である。しかし、起電力セル１５０の活性状態が安定するには、図６に示すように、加熱開始から３０秒〜６０秒程度の時間を要することになる。しかし、本実施例の異常診断処理は、ガスセンサ１００の個体ばらつきに応じて活性時間にばらつきが存在する場合でも、図８〜１０に示すように、加熱開始から７〜８秒程度、長くても十数秒以内には、異常診断を終えることが可能になる。この結果、本実施例によれば、例えば、ガスセンサ１００の生産ラインの検査工程や車両の始動時に、Ｖｓラインの異常の有無を実用的なスピードで診断することが可能になる。

なお、本実施例では、ガスセンサ１００のＶｓラインについて異常の有無を診断しているが、Ｉｐラインについても全く同じ手法で異常の有無を診断することが可能である。Ｉｐラインとは、異常診断装置１０から、センサ用リード線１９３、センサ用接続端子１８２、Ｉｐ電極１２７、第１電極部１３８を経て、ポンプセル１３７まで至り、更に、ここから、第２電極部１４０、ＣＯＭ電極１２６、センサ用接続端子１８３、センサ用リード線１９４を経て、異常診断装置１０に戻るまでの電気的経路のことをいう。

なお、図５では、ガスセンサ１００の生産ラインにおける検査工程時に実行する際の異常診断処理のフローチャートを示したが、図１１にガスセンサ１００および異常診断装置１０を車両（内燃機関）の排気管に装着した場合の異常診断処理のフローチャートを示す。図１１に示す異常診断処理の実行が開始されると、ＣＰＵ２１は、図１において図示しない水温センサからセンサ出力ＶＷを取得する（ステップＳ１）。一般に、内燃機関の冷却水の温度とガスセンサ１００（ガスセンサ素子１２０）の温度との間には相関が見られることから、図１１に示す異常診断処理では、冷却水の水温に係るセンサ出力ＶＷをガスセンサ１００（ガスセンサ素子１２０）の温度に関する所定の指標としている。なお、このステップＳ１と次述するステップＳ５とを合わせたものが、本発明の温度推定部に相当する。

次に、ステップＳ５に進み、センサ出力ＶＷが所定の閾値ＴＨ２以下か否かを判断する。この閾値ＴＨ２は、内燃機関がコールド状態に晒されているのに相当する温度（例えば３０℃）に設定する。水温が３０℃以下であれば、ガスセンサ１００（ガスセンサ素子１２０）の温度も５０℃以下と低くなっており、ガスセンサ素子１２０の内部抵抗も十分に高いと考えられるからである。そして、ステップＳ５でセンサ出力ＶＷが閾値ＴＨ２以下と判断されると、ガスセンサ素子１２０の温度が所定温度以下（５０℃以下）に冷えていると推定し、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、ヒータ制御回路３０を制御して、ガスセンサ素子１２０の加熱を開始する。そして、ステップＳ１０以降は、前述した図５に示したフローチャートと同様のステップＳ２０〜Ｓ９０の処理を実行する。なお、ステップＳ２０〜Ｓ９０の処理については前述の通りであるため、説明は省略する。

一方、ステップＳ５でセンサ出力ＶＷが閾値ＴＨ２より大きいと判断されると、ガスセンサ素子１２０の温度が所定温度より大きいと推定し、Ｓ９５に移行する。そして、Ｓ９５ではヒータ制御回路３０を制御してガスセンサ素子１２０の加熱を開始し、本異常診断処理を終了する。このようにして、センサ出力ＶＷが閾値ＴＨ２より大きく、ガスセンサ１００（ガスセンサ素子１２０）の温度が所定温度より大きいと推定された場合には、活性時間比ＲＴを用いたガスセンサ１００の異常診断の精度を確保できないおそれがあるため、図１１に示す異常診断処理では、異常診断を行わないように構成している。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこのような実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。

例えば、上記実施例では、全領域空燃比センサについて異常の有無の診断を行うこととしたが、固体電解質をセンサ素子として利用するガスセンサであれば、ジルコニアタイプの酸素センサやＮＯｘセンサなど、他の形態のガスセンサについても本発明を適用することが可能である。

また、上記実施例では、第１活性時間Ｔ１取得の判断基準となる内部抵抗値を４００Ω、第２活性時間Ｔ２取得の判断基準となる内部抵抗値を７５Ωとしたが、判断基準は、これらの抵抗値に限られず、異なる２点の抵抗値であればよい。ただし、活性時間比ＲＴに基づいて精度良く、かつ、高速に、異常の有無を診断するためには、図７や図８に示した内部抵抗Ｒｐｖｓの低下率を考慮すると、第２活性時間Ｔ２取得の判断基準となる内部抵抗値が少なくとも１００Ω以下（好ましくは５０Ω以上１００Ω以下）で、第１活性時間Ｔ１取得の判断基準が、これよりも、２５０Ω以上大きい値であることが好ましい。

１０…異常診断装置
２０…異常診断回路
３０…ヒータ制御回路
４０…表示装置
１００…ガスセンサ
１１０…主体金具
１２０…ガスセンサ素子
１２１…ガス検出部
１２３…ヒータ部
１２５…センサ用電極
１２６…ＣＯＭ電極
１２８…ヒータ用電極
１３０…ガス検出素子
１３７…ポンプセル
１４５…スペーサ
１４５ｃ…ガス検出室
１５０…起電力セル
１６０…ヒータ素子
１８２〜１８４…センサ用接続端子
１８５，１８６…ヒータ用接続端子
１９３〜１９５…センサ用リード線
１９６，１９７…ヒータ用リード線

Claims (6)

1. 固体電解質および該固体電解質の電気的特性を示す信号を出力する電極を備えるガスセンサ素子と、前記電極と接触し、前記信号を外部に引き出す接続端子と、前記固体電解質を加熱するヒータとを備えたガスセンサの異常を診断する異常診断装置であって、
   前記ガスセンサのヒータを制御するヒータ制御部と、
   前記接続端子および前記電極を通じて、前記ガスセンサの内部抵抗を検出するための検出信号を前記固体電解質に出力し、前記検出信号の出力に応答して前記接続端子を通じて入力される応答信号に基づいて、前記ガスセンサの内部抵抗を測定する測定部と、
   前記ヒータ制御部を用いて前記固体電解質を加熱し、該加熱の開始後、前記測定部にて測定された内部抵抗が、第１の抵抗値に至る第１の時間と、前記第１の抵抗値とは異なる第２の抵抗値に至る第２の時間とを求め、前記第１の時間と前記第２の時間との比と、所定の閾値との比較に基づいて前記ガスセンサの異常の有無を診断する診断部と
   を備えるガスセンサの異常診断装置。
2. 請求項１に記載のガスセンサの異常診断装置であって、
   前記第２の抵抗値は１００Ω以下であり、前記第１の抵抗値は、該第２の抵抗値よりも２５０Ω以上大きい抵抗値である
   ガスセンサの異常診断装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスセンサの異常診断装置であって、
   前記ヒータ制御部による前記ヒータの制御の開始に先立ち、前記ガスセンサの温度に関する指標に基づいて、前記ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えているか否かを推定する温度推定部を備え、
   前記温度推定部にて前記ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えていると推定された場合に、前記診断部による前記ガスセンサの診断を許可する
   ガスセンサの異常診断装置。
4. 固体電解質および該固体電解質の電気的特性を示す信号を出力する電極を備えるガスセンサ素子と、前記電極と接触し、前記信号を外部に引き出す接続端子と、前記固体電解質を加熱するヒータとを備えたガスセンサの異常を診断する異常診断方法であって、
   前記ヒータを用いて前記固体電解質を加熱し、
   前記接続端子および前記電極を通じて、前記ガスセンサの内部抵抗を検出するための検出信号を前記固体電解質に出力し、前記検出信号の出力に応答して前記接続端子を通じて入力される応答信号に基づいて、前記ガスセンサの内部抵抗を測定し、
   前記固体電解質の加熱の開始後、前記測定された内部抵抗が、第１の抵抗値に至る第１の時間と、前記第１の抵抗値とは異なる第２の抵抗値に至る第２の時間とを求め、前記第１の時間と前記第２の時間との比と、所定の閾値との比較に基づいて前記ガスセンサの異常の有無を診断する
   ガスセンサの異常診断方法。
5. 請求項４に記載のガスセンサの異常診断方法であって、
   前記第２の抵抗値は１００Ω以下であり、前記第１の抵抗値は、該第２の抵抗値よりも２５０Ω以上大きい抵抗値である
   ガスセンサの異常診断方法。
6. 請求項４又は請求項５に記載のガスセンサの異常診断方法であって、
   前記ヒータを用いた前記固体電解質の加熱の開始に先立ち、前記ガスセンサの温度に関する指標に基づいて、前記ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えているか否かを推定し、前記ガスセンサの温度が所定温度以下に冷えていると推定された場合に、前記ガスセンサの前記異常の有無を診断する一方、前記ガスセンサの温度が所定温度より大きいと推定された場合に、前記ガスセンサの前記異常の有無の診断を行わない
   ガスセンサの異常診断方法。