JP5099070B2 - センサ制御装置及びセンサユニット - Google Patents

Description

本発明は、例えば排気中の酸素濃度を検出するガスセンサのセンサ素子に接続されたセンサ制御装置、及びそのセンサ制御装置とガスセンサとからなるセンサユニットに関するものである。

例えば車載エンジンの排気エミッションを適正に制御するためにエンジンの排気管にはガスセンサが設けられており、そのガスセンサに関する異常を検出する技術が各種提案されている。例えば、特許文献１のガス濃度検出装置では、センサ素子の正側端子と負側端子とが同電位であること、正側端子電圧及び負側端子電圧が印加電圧制御範囲内であること、及び素子電流値が異常値であることから正負端子間でのショート異常を検出するようにしている。

特開２００５−３３１３１０号公報

しかしながら、センサ素子に関する各種異常においては、異常形態は異なるものの、センサ端子電圧や素子電流値が同じになる場合があると考えられる。したがって、異常形態の特定ができない場合が生じることが懸念される。

本発明は、異常形態の特定を可能とし、ひいては好適なる異常検出を実現することができるセンサ制御装置及びセンサユニットを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のセンサ制御装置は、固体電解質体を有し電圧印加状態で被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子に接続されるものであり、前記素子電流を検出するとともにその検出結果に基づいてガス濃度を算出する。

第１の発明では特に、素子電流が流れる電流経路における所定の検出箇所での電圧及び電流の少なくともいずれかを検出する電圧電流検出手段と、センサ素子に対する電圧印加状態を第１状態から第２状態に切り替える切替手段と、前記切替手段による第１状態から第２状態への切替前及び同切替後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて、センサ素子に関する異常を検出する異常検出手段と、を備えることを特徴としている。

要するに、センサ素子に関する何らかの異常が発生した場合、素子電流が流れる電流経路において電圧や電流が正常時とは異なる値となり、これらの各検出値と正常値との比較等により異常検出が可能となる。ただし、センサ素子に関する異常には、センサ端子の電源ショート、センサ端子間ショートなど複数の形態があり、異常形態（異常種別）が相違しても検出値がいずれも同様の異常値を呈することがある。

この点、第１の発明では、センサ素子に対する電圧印加状態を第１状態から第２状態に切り替えるとともに、その切替前及び切替後の電圧電流検出手段による検出値（電流経路における所定の検出箇所での電圧や電流の検出値）に基づいて、センサ素子に関する異常を検出する構成としたため、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。例えば、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、センサ素子に対する電圧印加状態の切替を行ったとしても、センサ素子の端子電圧検出値に変化が生じないのに対し、後者の場合、センサ素子に対する電圧印加状態の切替を行うことで端子電圧検出値に変化が生じる。このことから、上記例示した２つの異常の区別が可能となる。その結果、異常形態の特定を可能とし、ひいては好適なる異常検出を実現できる。

第２の発明では、切替手段による第１状態から第２状態への切替前の電圧電流検出手段による検出値に基づいてセンサ素子に関する異常の有無を判定する。そして、その異常判定により異常有りとされた場合に、切替手段による第１状態から第２状態への切替を行わせるとともに、同切替後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常形態を特定する。

第２の発明によれば、センサ素子に関する何らかの異常が発生したと判定されたことを条件に、センサ素子の電圧印加状態が第１状態から第２状態に切り替えられ、その第２状態での電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常形態が特定される。この場合、電圧印加状態の切替前及び切替後で２段階の異常検出処理が行われることにより、異常形態の特定を一層好適に行わせることができる。また、電圧印加状態の切替が何らかの異常発生を判定した場合に限られるため、その切替の実施を必要最小限に抑えることができる。ゆえに、ガス濃度検出に対する影響を抑制することもできる。

第３の発明では、前記第１状態は、素子電流を検出しその検出値に基づいてガス濃度を算出する通常状態であり、前記切替手段は、電圧印加状態を、通常状態からそれとは異なる第２状態に一時的に切り替えるものである。この場合、通常状態とは異なる電圧印加状態で異常検出が行われることで、通常状態では特定困難な異常形態の特定が可能となる。

ここで、第４の発明のように、電圧電流検出手段は、素子電流を電流検出素子により素子電流検出値（Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ）として検出する手段、センサ素子の端子電圧を端子電圧検出値（端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−）として検出する手段、及び素子インピーダンスの検出時に電圧又は電流の掃引変化に応じて生じる電圧又は電流の変化量をインピーダンス検出値（インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔ）として検出する手段の少なくともいずれかを有するものであるとよい。これらいずれの場合においても、好適なる異常検出を実施できる。

なお、例えば図１の回路構成では、素子電流検出値（Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ）がシャント抵抗３３の両端子の電圧として検出され、端子電圧検出値（端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−）がセンサ端子Ｓ＋，Ｓ−の端子電圧として検出され、インピーダンス検出値（インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔ）がシャント抵抗３３の一方の端子電圧（Ａ点電圧）の変化量として検出される。

第５の発明では、センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、該端子に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記切替手段は、前記電圧印加手段によるセンサ素子への電圧印加を遮断することで前記第１状態から前記第２状態への切替を行うものとなっている。そして、前記切替手段による電圧印加の遮断前及び遮断後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する。なお、電圧印加手段は、グランド電位以外の電圧をセンサ素子の端子に印加するものであり、センサ素子の一方の端子に印加電圧手段により電圧が印加され、かつ他方の端子がグランドに接続される構成も第５の発明の構成に含まれる。

上記のように電圧印加手段によるセンサ素子への電圧印加を遮断（開放）すると、異常形態に応じて、素子電流が流れる電流経路の電圧や電流（電圧電流検出手段による検出値）が異なる態様で変化する。センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、センサ素子への電圧印加を遮断しても端子電圧検出値（端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−）が変化しないのに対し、後者の場合、センサ素子への電圧印加を遮断することで端子電圧検出値が変化する。センサ端子間ショートの場合例えば、端子電圧検出値が、電圧遮断されていない方の端子印加電圧と同じ電圧値となる。このことから、上記例示した２つの異常の区別が可能となる。

ここで、第６の発明のように、電圧印加手段とセンサ素子との間の電圧印加経路に経路開閉手段（スイッチ回路等）を設け、前記切替手段は、前記経路開閉手段を閉状態から開状態に切り替えることで前記センサ素子への電圧印加を遮断する構成を採用するとよい。

第７の発明では、センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、当該端子に印加される端子印加電圧を前記素子電流に基づいて可変に設定する印加電圧制御手段を備えている。前記印加電圧制御手段は、前記端子印加電圧を所定の上限値で制限する上限ガード機能を有し、前記切替手段は、前記上限値を変更することで前記第１状態から前記第２状態への切替を行う。そして、前記切替手段による前記上限値の変更前及び変更後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する。

上記のように端子印加電圧の上限値を変更すると、異常形態に応じて、素子電流が流れる電流経路の電圧や電流（電圧電流検出手段による検出値）が異なる態様で変化する。センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、端子印加電圧の上限値を変更しても端子電圧検出値（端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−）が変化しないのに対し、後者の場合、端子印加電圧の上限値を変更することで端子電圧検出値が端子印加電圧の上限値に応じて変化する。このことから、上記例示した２つの異常の区別が可能となる。

ここで、第８の発明のように、前記切替手段は、前記印加電圧制御手段により設定される端子印加電圧が上限値に達している状態で、前記上限値をそれよりも低電圧側に変更するものであるとよい。これにより、端子電圧検出値の変化を明確に把握できるようになる。

また、第９の発明では、センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、当該端子に印加される端子印加電圧を都度の素子電流に相当する制御入力信号に基づいて可変に設定する印加電圧制御手段を備えている。前記切替手段は、前記印加電圧制御手段に入力される制御入力信号を変更することで前記第１状態から前記第２状態への切替を行う。そして、前記切替手段による制御入力信号の変更前及び変更後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施する。

上記のように印加電圧制御手段への制御入力信号を変更すると、異常形態に応じて、素子電流が流れる電流経路の電圧や電流（電圧電流検出手段による検出値）が異なる態様で変化する。センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとを例に挙げると、前者の場合、印加電圧制御手段への制御入力信号を変更しても端子電圧検出値（端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−）が変化しないのに対し、後者の場合、印加電圧制御手段への制御入力信号を変更することで端子印加電圧が変化する。このことから、上記例示した２つの異常の区別が可能となる。

ここで、第１０の発明のように、前記切替手段は、前記制御入力信号を、空燃比ストイキ状態で流れる素子電流に相当する入力信号に切り替えるものであるとよい。

上記のように電圧印加状態の切替前後で差異が生じるのは、センサ素子の端子間ショートが生じている場合に顕著である。そこで、第１１の発明のように、前記切替手段による電圧印加状態の切替前及び切替後の電圧電流検出手段による検出値に基づいて、センサ素子の端子間ショートが生じていることを検出するとよい。

センサ素子に関する異常の発生に伴い、センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値になる場合が考えられる。例えば、センサ端子の電源ショート及びセンサ端子間ショートのいずれかが生じた場合がそれであり、正負両側の端子電圧検出値（ＶＳ＋，ＶＳ−）が同値であることが分かれば、センサ端子の電源ショート及びセンサ端子間ショートとその他の異常との区別が可能となる（図５の［センサ活性後の電圧値］参照）。またこの場合、センサ端子の電源ショート及びセンサ端子間ショートを区別することが要求される。なお、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとでは、素子電流検出値（Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ）も同様の異常値になる（図５の［センサ活性後の電圧値］参照）。

この点、第１２の発明では、センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値であり、かつ前記切替手段による電圧印加状態の切替に伴い電圧電流検出手段による検出値が変化した場合に、前記端子間ショートが生じている旨を判定する。これにより、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとで、電圧電流検出手段による検出値が同様の異常値を呈しているとしても、電圧印加状態の切替後の電圧電流検出手段による検出値により、センサ端子間ショートであることを明確に特定できる（例えば、図６の［スイッチ開放後の電圧値］参照）。

また、第１３の発明では、センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値で、かつ電圧電流検出手段による検出値が正常範囲外の値であり、さらに前記切替手段により電圧印加状態を切り替えても電圧電流検出手段による検出値が変化しない場合に、センサ素子のいずれかの端子で電源ショートが生じている旨を判定する。これにより、センサ端子の電源ショートとセンサ端子間ショートとで、電圧電流検出手段による検出値が同様の異常値を呈しているとしても、電圧印加状態の切替後の電圧電流検出手段による検出値により、センサ端子の電源ショートであることを明確に特定できる（例えば、図６の［スイッチ開放後の電圧値］参照）。

センサユニットとして、第１乃至第１３のいずれかの発明のセンサ制御装置と、前記センサ素子を有し前記センサ制御装置に接続されるガスセンサとを備える構成であることが望ましい。この場合、好適なる異常検出機能を具備したセンサユニットを提供できる。

第１の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 センサ素子の構成を示す断面図。 センサ素子の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図。 素子電流ＩＬと、センサ素子の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−との関係を示す図。 センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。 センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。 センサ異常検出の処理手順を示すフローチャート。 第２の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。 第３の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。 センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。 センサ制御系の異常時における電圧値の測定結果を示す図。 第４の実施形態におけるセンサ異常検出の処理手順を示すフローチャート。 第５の実施形態におけるセンサ素子の構成を示す断面図。 第５の実施形態におけるセンサ制御回路の構成を示す回路図。

（第１の実施形態）
以下、本発明のセンサ制御装置を具体化した第１の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、車載エンジンより排出される排気（燃焼ガス）を被検出ガスとして同排気中の酸素濃度（空燃比：Ａ／Ｆ）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空燃比制御や、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空燃比制御等が適宜実施される。

はじめに、Ａ／Ｆセンサの素子構造を図２を用いて説明する。Ａ／Ｆセンサは、固体電解質体を有し電圧印加状態で排気中の酸素濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子１０を備えており、図２には、積層型構造により構成されるセンサ素子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、固体電解質層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層１１は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層１１を挟んで上下一対の電極１５，１６が対向配置されている。拡散抵抗層１２は電極１５へ排気を導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層１３は排気の透過を抑制するための緻密層からなる。拡散抵抗層１２には、電極１５を囲むようにしてミキシングチャンバ１７が設けられている。

拡散抵抗層１２と遮蔽層１３は何れも、アルミナ、スピネル、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はアルミナ等の高熱伝導性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１８が形成されている。また、同絶縁層１４にはヒータ１９が埋設されている。ヒータ１９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。

上記構成のセンサ素子１０において、その周囲の排気は拡散抵抗層１２の側方部位から導入された後、拡散抵抗層１２内を経由してミキシングチャンバ１７に流れ込み、電極１５に達する。排気がリーンの場合、排気中の酸素が電極１５で分解され、電極１６より大気ダクト１８に排出される。また、排気がリッチの場合、逆に大気ダクト１８内の酸素が電極１６で分解され、電極１５より排気側に排出される。

図３は、センサ素子１０の出力特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図面である。図３では、センサ素子１０の正負両端子間の電位差を印加電圧Ｖｐとして横軸に示し、素子電流ＩＬを縦軸に示している。図３の特性線において、横軸であるＶｐ軸に平行な直線部分（フラット部分）は限界電流としての素子電流ＩＬを特定する限界電流域であって、素子電流ＩＬの増減は空燃比の増減（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ＩＬは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ＩＬは減少する。

図３中のＬＸ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線を表しており、その傾きは概ね抵抗支配域（限界電流域よりも低電圧側の傾き部分）に一致している。ただし、印加電圧特性線ＬＸについて、ＩＬ≧Ｋ１の領域ではＫ１〜Ｋ２の領域とは異なり、素子電流ＩＬの増加に伴い印加電圧Ｖｐが減少する印加電圧特性が設定されている。また、ＩＬ≦Ｋ２の領域ではＫ１〜Ｋ２の領域とは異なり、素子電流ＩＬの減少に伴い印加電圧Ｖｐが増加する印加電圧特性が設定されている。上記のようにＫ１〜Ｋ２領域外で印加電圧特性線ＬＸ１の傾きが逆になっていることから、バッテリショート等が原因でセンサ素子１０に過大な電圧が印加された場合にも、センサ素子１０に過剰電流が流れることを抑制できる。

次に、本発明の主要部たるセンサ制御回路２０の電気的構成を図１を参照しながら説明する。

図１において、センサ制御回路２０には、センサ素子１０の一方の端子に印加される端子印加電圧（本実施形態では、電極１６に接続された正側端子Ｓ＋の端子電圧ＶＳ＋）を可変に制御する印加電圧制御回路２１が設けられている。図１の構成では、センサ素子１０の正側端子Ｓ＋に経路開閉手段としてのスイッチ回路３５を介して印加電圧制御回路２１が接続されている。スイッチ回路３５は常閉スイッチであり、通常時において閉状態となっている。印加電圧制御回路２１は、素子電流ＩＬに基づいて端子電圧ＶＳ＋を可変設定する可変設定回路２２と、端子電圧ＶＳ＋の上限及び下限を制限する印加電圧ガード回路２３とを備えている。

可変設定回路２２は、基準電源２４と、その基準電源２４に接続された非反転増幅回路２５とを備えている。本実施形態では、基準電源２４の電圧値を２．６Ｖとしている。非反転増幅回路２５は、オペアンプ２５ａと、その反転入力端子（−入力端子）に接続された帰還抵抗２５ｂ及び入力抵抗２５ｃとを有しており、帰還抵抗２５ｂに並列にコンデンサ２６が接続されている。つまり本構成では、非反転増幅回路２５にまとめて、印加電圧発振防止用のＬＰＦが設けられている。ＬＰＦのカットオフ周波数ｆｃは例えば２．７Ｈｚである。

また、印加電圧ガード回路２３はオペアンプ２５ａの非反転入力端子（＋入力端子）に接続されている。印加電圧ガード回路２３は、オペアンプ２５ａの入力電圧（＋側入力電圧）に対して上限ガードと下限ガードとを付与することで、印加電圧制御回路２１によるセンサ印加電圧（正側端子電圧ＶＳ＋）を所定範囲に制限するものであり、印加電圧の上限ガードを実施する上限ガード回路部２７と、同印加電圧の下限ガードを実施する下限ガード回路部２８とを有している。これら各ガード回路部２７，２８は図のＢ点に接続されている。

上限ガード回路部２７は、負帰還部が設けられたオペアンプ２７ａと、そのオペアンプ２７ａの出力端子に接続されたダイオード２７ｂと、オペアンプ２７ａの非反転入力端子（＋入力端子）に接続された第１基準電源２７ｃとを有する。ダイオード２７ｂは、オペアンプ２７ａの出力側であって負帰還部との接続点よりもオペアンプ側に、カソードをオペアンプ出力側にして設けられている。また、下限ガード回路部２８は、負帰還部が設けられたオペアンプ２８ａと、そのオペアンプ２８ａの出力端子に接続されたダイオード２８ｂと、オペアンプ２８ａの非反転入力端子（＋入力端子）に接続された第２基準電源２８ｃとを有する。ダイオード２８ｂは、オペアンプ２８ａの出力側であって負帰還部との接続点よりもオペアンプ側に、アノードをオペアンプ出力側にして設けられている。

上記の印加電圧ガード回路２３によれば、Ｂ点電圧（オペアンプ２５ａの＋入力電圧）が第１基準電源２７ｃの基準電圧Ｖ１に対して高くなる場合に、Ｂ点電圧が基準電圧Ｖ１で上限ガードされる。また、Ｂ点電圧（オペアンプ２５ａの＋入力電圧）が第２基準電源２８ｃの基準電圧Ｖ２に対して低くなる場合に、Ｂ点電圧が基準電圧Ｖ２で下限ガードされる。

また、センサ素子１０の他方の端子（電極１５に接続された負側端子Ｓ−）には、交流電源回路３１、バッファ３２及びシャント抵抗３３が直列に接続されている。交流電源回路３１は、例えば１０〜２０ｋＨｚ程度の交流電圧を出力する交流電圧発生手段であり、交流電圧発生回路や、同発生回路の交流電圧出力をフィルタ処理するためのＬＰＦにより構成されている。交流電源回路３１によって所定の基準電圧（本実施形態では２．２Ｖ）を中心に所定の電圧幅で振幅する交流電圧が生成され、その交流電圧がＳ−端子側の端子印加電圧としてセンサ素子１０に印加される。

素子電流ＩＬを検出するためのシャント抵抗３３は電圧変換素子であり、素子電流ＩＬを電圧に変換して出力する。すなわち、シャント抵抗３３は、交流電源回路３１とセンサ素子１０との間において素子電流ＩＬが流れる電流経路上に設けられており、センサ素子１０とは逆側の端子電圧が基準電圧（交流電源回路３１の交流電圧の中心電圧）になっている。そして、シャント抵抗３３とセンサ素子１０（Ｓ−端子）との中間点Ａでシャント抵抗３３の端子電圧により素子電流ＩＬが測定される。

また、シャント抵抗３３とセンサ素子１０（Ｓ−端子）との間の中間点Ａには、抵抗及びコンデンサよりなるＬＰＦ３４が接続され、さらに同ＬＰＦ３４は、印加電圧制御回路２１においてオペアンプ２５ａの非反転入力端子（＋入力端子）に接続されている。本構成では、シャント抵抗３３とセンサ素子１０との間の中間点電圧（すなわち、シャント抵抗３３及びセンサ素子１０による分圧電圧）が、ＬＰＦ３４を介して印加電圧制御回路２１の非反転増幅回路２５に入力される。なお、ＬＰＦ３４のカットオフ周波数ｆｃは例えば１５０Ｈｚである。

印加電圧制御回路２１及び交流電源回路３１は、センサ素子１０の正負両端子Ｓ＋，Ｓ−にそれぞれ電圧を印加する電圧印加手段に相当する。Ａ／Ｆ検出の観点からすれば、交流電源回路３１は、Ｓ−端子側の印加電圧として基準電圧（交流電圧の振幅中心である２．２Ｖ）を設定し印加するものであり、印加電圧制御回路２１は、Ｓ＋端子側の印加電圧として素子電流ＩＬに応じた可変電圧を設定し印加するものである。また、交流電源回路３１は、インピーダンス検出のために交流電圧を印加する電圧印加手段でもあり、本実施形態では２．２Ｖを基準としてその正負両側に１Ｖずつ振幅させた交流電圧を出力する。なお、センサ素子１０の正側及び負側の両端子（Ｓ＋端子，Ｓ−端子）にはノイズ等の除去を目的としてコンデンサ３６，３７が設けられている。

ここで、素子電流ＩＬと、センサ素子１０の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−との関係を図４を用いて説明する。負側端子電圧ＶＳ−（図１のＡ点電圧）は、素子電流ＩＬに比例して増減されるものであり、素子電流ＩＬが大きくなるにつれＶＳ−値が大きくなる。これに対し、正側端子電圧ＶＳ＋は、素子電流ＩＬがＫ１〜Ｋ２の範囲にあれば素子電流ＩＬに比例して増減設定され、素子電流ＩＬがＫ１以上又はＫ２以下であればそれぞれ所定値に制限される。この場合、ＩＬ＝Ｋ１〜Ｋ２の範囲内であれば、素子電流ＩＬが大きくなるほど正負端子間の印加電圧として徐々に大きい電圧が設定される。なお、例えばＩＬ＝０ｍＡでは０．４Ｖである。正側端子電圧ＶＳ＋の上限ガード値は例えば４．３Ｖであり、下限ガード値は例えば１．４Ｖである。

一方、シャント抵抗３３とセンサ素子１０（Ｓ−端子）との間の中間点Ａには、その中間点電圧（すなわち、シャント抵抗３３及びセンサ素子１０による分圧電圧）を各々個別に取り込むようにした２つの信号出力部４１，４２が設けられている。一方は、Ａ／Ｆ検出信号としてのＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯを出力するためのＡ／Ｆ信号出力部４１であり、他方は、インピーダンス検出信号としてのインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔを出力するためのインピーダンス信号出力部４２である。Ａ／Ｆ信号出力部４１は、オペアンプ４３とＬＰＦ部４４とをまとめて設けた差動増幅回路により構成されている。Ａ／Ｆ信号出力部４１においてオペアンプ４３の非反転入力端子（＋入力端子）には、ＬＰＦ３４を経由してＡ点電圧が入力される。その際、インピーダンス検出のために交流的に変動しているＡ点電圧の変動分がＬＰＦ３４により除去される。なお本実施形態では、構成の簡素化のために、印加電圧フィードバック経路に設けたＬＰＦ３４を併用してＡ／Ｆ信号の交流変動分を除去する構成としている。

Ａ／Ｆ信号出力部４１として、非反転型の増幅回路を用いる構成であってもよい。この場合、非反転増幅回路を構成するオペアンプの非反転入力端子（＋入力端子）には、ＬＰＦ３４を経由してＡ点電圧が入力され、反転入力端子（−入力端子）には基準電圧（２．２Ｖ）が入力される。

また、インピーダンス信号出力部４２は、ＨＰＦ４５とピークホールド回路４６とから構成されている。ピークホールド回路４６には信号増幅部がまとめて設けられている。これにより、交流電源回路３１による交流電圧の印加（印加電圧の掃引変化）に伴い振幅するＡ点電圧の変化量がインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔとして検出される。

Ａ／Ｆ信号出力部４１から出力されるＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯと、インピーダンス信号出力部４２から出力されるインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔとは共に制御手段としてのＣＰＵ５０に入力され、同ＣＰＵ５０にて認識される。ＣＰＵ５０は、演算部や記憶部（各種メモリ）を備えてなる周知の演算装置であり、同ＣＰＵ５０のＡＤ変換器にＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯやインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが入力されるようになっている。ＣＰＵ５０は、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯに基づいてＡ／Ｆ（酸素濃度）を算出するとともに、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔに基づいて素子インピーダンスＺａｃを算出する。

Ａ／Ｆ信号出力部４１及びインピーダンス信号出力部４２ではそれぞれで電圧信号が増幅されるが、それら各出力部４１，４２における増幅率は各々個別に設定されている。このとき、各出力部４１，４２における増幅率は、Ａ／Ｆ信号分及びインピーダンス信号分の各電圧レベルと、マイコン４８のＡＤ変換器の電圧処理範囲（ここでは０〜５Ｖ）とに応じて設定され、本実施形態では、Ａ／Ｆ信号出力部４１の増幅率を１０倍〜２０倍、インピーダンス信号出力部４２の増幅率を５倍としている。

上記構成によれば、交流電源回路３１によってセンサ素子１０に交流電圧が印加されると、その交流電圧の印加状態で、同センサ素子１０に、Ａ／Ｆ（排気中の酸素濃度）に相応する電流分と素子インピーダンスに相応する電流分とが合成された素子電流が流れる。このとき、Ａ／Ｆ検出信号（ＡＦＯ）及びインピーダンス検出信号（Ｉｏｕｔ）の測定点である、シャント抵抗３３とセンサ素子１０との間の中間点では、センサ印加電圧の周期（交流電圧の周波数）に合わせて電圧が振幅している。そして、ＬＰＦ３４及びＡ／Ｆ信号出力部４１において、シャント抵抗３３とセンサ素子１０との間の中間点電圧から、素子電流のうち都度のＡ／Ｆに相応する電流分（直流成分）が抽出され、それが所定の増幅率にて増幅された後、Ａ／Ｆ検出信号としてマイコン４８に出力される。

また、インピーダンス信号出力部４２において、シャント抵抗３３とセンサ素子１０との間の中間点電圧から、素子電流のうち都度の素子インピーダンスに相応する電流分（交流成分）が抽出され、さらにそのピーク値がインピーダンス検出信号としてマイコン４８に出力される。マイコン４８では、Ａ／Ｆ検出信号に基づいてＡ／Ｆ（排気中の酸素濃度）が算出されるとともに、インピーダンス検出信号に基づいて素子インピーダンスが算出される。

ここで、シャント抵抗３３とセンサ素子１０との間の中間点で検出される電圧信号において、Ａ／Ｆ信号分とインピーダンス信号分とは電圧レベルが相違するが、Ａ／Ｆ信号出力部４１及びインピーダンス信号出力部４２には別系統で電圧信号が取り込まれ、それらが個別に増幅されるため、これら両信号分の信号レベルの相違に起因する検出精度の低下が抑制されるようになっている。すなわち、Ａ／Ｆ信号分を基準に両信号分の増幅を行うと、素子インピーダンスの検出精度の低下が生じ、他方、インピーダンス信号分を基準に両信号分の増幅を行うと、Ａ／Ｆの検出精度の低下が生じることが懸念されるが、本実施形態の回路構成ではこうした不都合が解消される。

ちなみに、センサ制御回路２０では、交流電源回路３１やＡ／Ｆ信号出力部４１、印加電圧制御回路２１（基準電圧の生成部を除く）といった回路構成がＩＣに集積化され、センサ制御ＩＣとして構成されている。ただし、シャント抵抗３３はセンサ制御ＩＣ（ＩＣ素子）に対して外付けとなっており、こうしてシャント抵抗３３を外付けにすることで、シャント抵抗３３の抵抗値の誤差を極力小さくし（すなわち、高精度なシャント抵抗３３を用いることができ）、素子電流ＩＬの検出精度を向上させることができる。また、スイッチ回路３５もセンサ制御ＩＣに一体に設けられている。

ＣＰＵ５０には、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ及びインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔ以外に、センサ素子１０の正側端子Ｓ＋の電圧である正側端子電圧ＶＳ＋と、負側端子Ｓ−の電圧である負側端子電圧ＶＳ−とが上記同様ＡＤ変換器を介して入力される。なお、図示は省略するが、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−の信号経路にはＬＰＦが設けられており、このＬＰＦにより、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−に含まれる交流成分が除去されるようになっている。本実施形態では、ＣＰＵ５０と、その他シャント抵抗３３、Ａ／Ｆ信号出力部４１及びインピーダンス信号出力部４２により電圧電流検出手段が構成されている。

また、ＣＰＵ５０は、センサ制御回路２０から入力される各種検出電圧（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）に基づいて、センサ素子１０（Ａ／Ｆセンサ）に関する異常を検出する。この場合、基本的には各検出電圧が正常値であるかどうかにより異常検出を行うものとなっている。また、本実施形態では特に、センサ素子１０に関する異常（以下、センサ制御系の異常ともいう）の検出に際し、スイッチ回路３５の開閉を制御することでセンサ素子１０のＳ＋端子側において電圧印加状態を切り替えるとともに、その切替前及び切替後の各検出電圧の変化に基づいて異常検出を実施する。

本実施形態では、センサ制御系の各種異常を検出することはもとより、その異常形態を特定することができる構成を採用しており、その詳細を以下に説明する。センサ制御系が正常である場合と異常である場合とでは各検出電圧が相違する。そこで、各検出電圧が正常時と同じであるかどうかによりセンサ制御系の異常の有無を判定するとともに、同検出電圧に基づいて異常形態を特定するようにしている。

センサ制御系における主な異常形態を次の（１）〜（６）に分別してそれらを順に説明する。
（１）センサ断線異常
（２）Ｓ＋端子（センサ正側端子）のＶＢショート
（３）Ｓ＋端子（センサ正側端子）のＧＮＤショート
（４）Ｓ−端子（センサ負側端子）のＶＢショート
（５）Ｓ−端子（センサ負側端子）のＧＮＤショート
（６）センサ端子間ショート
上記（１）はＳ＋，Ｓ−端子の何れかで断線が生じた異常を、上記（２），（３）はＳ＋端子でバッテリショート、グランドショートがそれぞれ生じた異常を、上記（４），（５）はＳ−端子でバッテリショート、グランドショートがそれぞれ生じた異常を、上記（６）はＳ＋，Ｓ−端子間がショートした異常を、それぞれ指す。

本発明者らは、上記（１）〜（６）の各異常時におけるＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯの電圧値を各々測定した。その測定結果を図５に示しており、同図５を参照しながら上記（１）〜（６）の各異常の発生時におけるＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯの具体的な電圧値を説明する。図５の最下段には、比較のために正常時の電圧値を示している。図５には、センサ活性前の電圧値とセンサ活性後の電圧値とを示しており、ここではセンサ活性後の電圧値の説明を主に行い、補足的にセンサ活性前の電圧値の説明を行うこととする。なお、図５の各電圧値は、演算装置による演算値（ＣＰＵ値：０〜５Ｖ）であり、これはセンサ活性途中における過渡的な電圧値とならないよう、活性前電圧値はセンサ起動直後（エンジン始動直後）に、活性後電圧値はセンサ起動後、規定時間（例えば１分程度）が経過した時に測定された数値である。

（１）センサ断線異常
センサ断線異常が生じた場合、素子電流ＩＬが流れず、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−はそれぞれ各端子側の基準電圧と同じ電圧値となる。すなわち、端子電圧ＶＳ＋は、基準電源２４の電圧値（２．６Ｖ）となり、端子電圧ＶＳ−は交流電源回路３１の基準電圧（２．２Ｖ）となる。また、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯは、素子電流ＩＬ＝０ｍＡに対応する値（例えば２．２Ｖ）で保持される（ストイキ固定）。上記各値は、センサ活性前／活性後を通じて同様である。

（２）Ｓ＋端子（センサ正側端子）のＶＢショート
Ｓ＋端子のＶＢショートが生じた場合、同Ｓ＋端子にバッテリ電圧ＶＢ（例えば１４Ｖ）が印加され、素子電流ＩＬとして大電流が流れる。この場合、端子電圧ＶＳ＋がＣＰＵ上限値（５．０Ｖ）で固定される。また、端子電圧ＶＳ＋の増加に合わせて端子電圧ＶＳ−が増加するため、ＶＳ−値もＣＰＵ上限値（５．０Ｖ）で固定される。なお、実際にはＶＳ−が１０．５〜６Ｖ程度まで増加する。Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯは、素子電流ＩＬの増加に伴いＣＰＵ上限値（５．０Ｖ）で固定され、リーン側異常値（リーン張り付き）となる。なお、センサ活性前は、ＶＳ＋＝５．０Ｖになるとともに、素子インピーダンスＺａｃが無限大であり素子電流ＩＬが流れないため、断線異常時と同様、ＶＳ−＝２．２Ｖ、ＡＦＯ＝２．２Ｖで保持される。

（３）Ｓ＋端子（センサ正側端子）のＧＮＤショート
Ｓ＋端子のＧＮＤショートが生じた場合、同Ｓ＋端子がグランド電位（０Ｖ）で固定され、Ｓ＋端子側の印加電圧は０Ｖ、Ｓ−端子側の印加電圧は交流電源回路３１の交流電圧となる。この場合、端子電圧ＶＳ＋が０Ｖで固定される。また、端子電圧ＶＳ−及びＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯは、排気中の酸素濃度に応じて変動する値となり、特にＡＦＯ値は空燃比リッチの電圧値（０〜１．０Ｖ）となる。なお、センサ活性前は、ＶＳ＋＝０Ｖになるとともに、素子インピーダンスＺａｃが無限大であり素子電流ＩＬが流れないため、断線異常時と同様、ＶＳ−＝２．２Ｖ、ＡＦＯ＝２．２Ｖで保持される。

（４）Ｓ−端子（センサ負側端子）のＶＢショート
Ｓ−端子のＶＢショートが生じた場合、同Ｓ−端子にバッテリ電圧ＶＢ（例えば１４Ｖ）が印加され、それに合わせてＳ＋端子側でも電圧上昇するとともに、シャント抵抗３３に大電流が流れる。なお、実際にはＶＳ＋が１０〜６Ｖ程度まで増加する。この場合、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−及びＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯはいずれも５Ｖで固定される。

なお、センサ活性前は、センサ活性後と同様にＶＳ−＝５Ｖ、ＡＦＯ＝５Ｖになるとともに、端子電圧ＶＳ＋が印加電圧制御回路２１の制御値となる。ＶＳ＋値について補足すると、印加電圧制御回路２１では図１のＡ点電圧＝５Ｖであるとして印加電圧制御が行われる。このとき、印加電圧ガード回路２３の印加電圧ガード機能により、Ｓ＋端子側の印加電圧（ＶＳ＋）が上限ガード値である４．３Ｖに制限される。

（５）Ｓ−端子（センサ負側端子）のＧＮＤショート
Ｓ−端子のＧＮＤショートが生じた場合、同Ｓ−端子がグランド電位（０Ｖ）で固定され、Ｓ−端子側の印加電圧は０Ｖ、Ｓ＋端子側の印加電圧は図１のＡ点電圧＝０Ｖである時の印加電圧制御回路２１の出力電圧となる。この場合、印加電圧ガード回路２３の印加電圧ガード機能により、Ｓ＋端子側の印加電圧（ＶＳ＋）が下限ガード値である１．４Ｖに制限される。また、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯは、排気中の酸素濃度に関係なく、シャント抵抗３３の両端電位差に対応する所定のリッチ値（０Ｖ）で保持される。

なお、センサ活性前も、センサ活性後と同様にＶＳ＋＝１．４Ｖ、ＶＳ−＝０Ｖ、ＡＦＯ＝０Ｖになる。

（６）センサ端子間ショート
センサ端子間ショートが生じた場合、センサ素子１０を迂回して素子電流ＩＬが流れる。この場合、素子電流ＩＬが大きくなることから、印加電圧制御回路２１の出力電圧が上限ガード値（４．３Ｖ）まで上昇し、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも４．３Ｖになる。また、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが最大値（５．０Ｖ）になり、リーン側異常値（リーン張り付き）となる。

なお、センサ活性前も、センサ活性後と同様にＶＳ＋＝４．３Ｖ、ＶＳ−＝４．３Ｖ、ＡＦＯ＝５Ｖになる。

上記のとおりセンサ異常時には、その異常形態に応じてＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯが正常値と異なり所定の異常値になるため、ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯのどれが如何なる異常値となるかで異常形態（異常種別）の特定が可能となる。

ただし、上述した（１）〜（６）の各異常のうち、（２）Ｓ＋端子のＶＢショート、（４）Ｓ−端子のＶＢショート、（６）センサ端子間ショートについて着目すると、これら（２）（４）（６）の各異常はいずれも、
・正負両方の端子電圧ＶＳ＋、ＶＳ−が同値であること（ＶＳ＋＝ＶＳ−）、
・Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが異常値であり、特にリーン側異常値であること、
が共通する。つまり、異常形態が相違していても各電圧値が同様の異常値となっている。したがって、センサ端子のＶＢショート異常（（２）（４）の異常）と、センサ端子間ショート異常（（６）の異常）との区別が明確でないという懸念が生じる。

そこで本実施形態では、センサ素子１０に対する電圧印加状態を一時的に切り替えるとともに、その切替前の各電圧値と切替後の各電圧値との比較に基づいて異常検出を実施する。具体的には、印加電圧制御回路２１の出力側に設けたスイッチ回路３５を一時的に開放することで、センサ制御回路２０における回路接続状態を通常のガス濃度検出時の状態からそれとは異なる状態に変更する。この場合、センサ端子のＶＢショートの発生時とセンサ端子間ショートの発生時とでは、各電圧値が状態切替前には同様の電圧値であったとしても、状態切替後には各々相違するものとなるため、異常形態の区別が可能となる。なお、スイッチ回路３５を閉じた状態が「第１状態」に相当し、スイッチ回路３５を開放した状態が「第２状態」に相当する。

図６は、
・Ｓ＋端子のＶＢショート、
・Ｓ−端子のＶＢショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、スイッチ回路３５を開放して印加電圧制御回路２１による電圧印加を遮断（開放）した場合の、その開放前後におけるＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。

図６において、スイッチ回路３５の開放前の各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）は図５で説明したとおりである。つまり、図６の各異常ではいずれも、スイッチ開放前においてＶＳ＋＝ＶＳ−であり、かつＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯがリーン側異常値になっている。

そして、スイッチ回路３５が開放状態に切り替えられると、センサ端子（Ｓ＋，Ｓ−）のＶＢショートとセンサ端子間ショートとで電圧値に違いが生じる。つまり、センサ端子のＶＢショートの場合、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が最大値（５Ｖ）のまま保持されるとともに、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯもリーン側異常値（５Ｖ）のまま保持される。これに対し、センサ端子間ショートの場合、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）がいずれも２．２Ｖに変化する。つまり、スイッチ回路３５が開放されてＳ＋端子側の電圧印加が遮断（開放）されることで、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がＳ−端子側（スイッチ開放されていない端子側）の基準電圧と同じ電圧値（２．２Ｖ）になるとともに、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯがストイキ相当の電圧値（２．２Ｖ）となる。

本実施形態では、異常形態が異なる場合において、上記のようにスイッチ回路３５の開放前後で各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）が相違することを利用し、異常形態の特定を行うこととしている。

次に、ＣＰＵ５０により実行される異常検出処理について図７のフローチャートを用いて説明する。図７の処理は、ＣＰＵ５０により例えば所定の時間周期で繰り返し実行される。

図７において、ステップＳ１１では、異常検出の実行条件が成立しているか否かを判定する。異常検出の実行条件として具体的には、バッテリ電圧が所定の正常範囲（例えば１１〜１６Ｖ）であること、ＣＰＵ５０の駆動電圧である定電圧及びグランド電位が正常判定されていること等を含み、これら各条件が全て成立している場合に、後続のステップに進む。その他、センサ素子１０が活性状態にあることを実行条件に含めてもよい。

ステップＳ１２では、端子電圧ＶＳ＋と端子電圧ＶＳ−とが同電位であるか否かを判定する。このとき実際には、ＶＳ＋，ＶＳ−の差が所定値（例えば０．１Ｖ）以下であるか否かを判定する。そして、ＶＳ＋≒ＶＳ−でなければステップＳ１３に進み、ＶＳ＋≒ＶＳ−であればステップＳ１４に進む。なお、ステップＳ１２では、ＶＳ＋≒ＶＳ−の判定に加えて、ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも異常値（例えば正常値に対して高電圧側の異常値）であることを判定してもよい。

ステップＳ１３では、センサ制御系の各種異常のうちステップＳ１２が否定される異常形態（上記（２）（４）（６）以外の異常形態）を検出対象として異常検出を実行する。このとき、図５に示すように各異常形態でそれぞれ異常値が相違することを利用して各異常形態を特定する。ステップＳ１３での異常検出について簡単に説明すると、例えば、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）が正常範囲にあるものの、所定時間が経過しても変化しない場合にセンサ断線であると判定される。また、各端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−のいずれかが０Ｖ固定になっている場合に、センサ端子のＧＮＤショートであると判定される。

また、ステップＳ１４では、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯがリーン側異常値（４．７Ｖ以上）であるか否かを判定する。そして、ステップＳ１４がＹＥＳであれば後続のステップＳ１５に進み、ＮＯであればそのまま本処理を一旦終了する。センサ素子１０に関してセンサ端子のＶＢショート又はセンサ端子間ショート（上記（２）（４）（６）の異常）が生じている場合には、ＶＳ＋≒ＶＳ−であり、かつＡＦＯ＝リーン側異常値であるという事態が生じる。ゆえに、ステップＳ１２，Ｓ１４が共にＹＥＳとなりステップＳ１５に進む。

ステップＳ１２，Ｓ１４が、スイッチ開放前においてセンサ素子１０に関する異常（特に、センサ端子のＶＢショート又はセンサ端子間ショート）の有無を判定する開放前異常判定処理に相当する。なお、ステップＳ１２，Ｓ１４のいずれか一方のみにより開放前異常判定処理を実施することも可能である。

ちなみに、本実施形態の印加電圧制御では、正常動作においてＶＳ＋≒ＶＳ−となることがあり得る。例えば、図４のＸ点ではＶＳ＋≒ＶＳ−となる。かかる場合には、ステップＳ１２がＹＥＳでかつステップＳ１４がＮＯになり、ステップＳ１５以降の異常検出が行われることなくそのまま本処理が終了される。

その後、ステップＳ１５では、スイッチ回路３５を開放させ、印加電圧制御回路２１からＳ＋端子側への電圧印加を遮断する。そして、ステップＳ１６では、スイッチ開放後における端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−を取得し、続くステップＳ１７では、ＶＳ＋値及びＶＳ−値が、スイッチ回路３５の開放前における値から変化しているか否かを判定する。ここでは例えば、ＶＳ＋値及びＶＳ−値が２．２Ｖであるかを判定する。

ステップＳ１７において、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がスイッチ開放前の値から変化していれば、より具体的には端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がスイッチ回路３５とは反対側であるＳ−端子側の基準電圧２．２Ｖであれば、ステップＳ１８に進み、センサ端子間ショートが発生している旨を判定する。

また、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がスイッチ開放前の値から変化していなければ（ＶＳ＋，ＶＳ−が２．２Ｖでなければ）ステップＳ１９に進み、端子電圧ＶＳ＋が４．４Ｖよりも高電圧側の異常値になっているか否かを判定する。そして、ＶＳ＋＞４．４Ｖであれば、ステップＳ２０に進み、センサ端子のＶＢショートが発生している旨を判定する。また、ＶＳ＋≦４．４Ｖであればそのまま本処理を終了し、異常検出のやり直しが行われる。

なお、異常判定に際しては同様の異常が複数回連続して検出された場合に、異常発生の最終判定を実施するようにしてもよい。異常発生の最終判定時には、故障警告灯を点灯させる、異常情報をバックアップＲＡＭ等に記憶する、Ａ／Ｆセンサのヒータ１９をＯＦＦする等の処置が実施され、次回の電源投入時には再度異常検出が実施される。

ちなみに、ステップＳ１６〜Ｓ２０を以下のように変更することも可能である。すなわち、ステップＳ１６では、スイッチ開放後におけるＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯを取得し、続くステップＳ１７では、そのＡＦＯ値が、スイッチ回路３５の開放前における値から変化しているか否かを判定する。そして、ステップＳ１７がＹＥＳである場合（例えば、ＡＦＯが２．２Ｖに変化している場合）にステップＳ１８に進み、センサ端子間ショートが発生している旨を判定する。また、ステップＳ１７がＮＯである場合（ＡＦＯ≠２．２Ｖである場合）にはステップＳ２０に進み、ＶＢショートが発生している旨を判定する（ステップＳ１９の実施は任意である）。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

センサ素子１０に対する電圧印加状態を一時的に切り替えるとともに、その切替前及び切替後のＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ（素子電流検出値）又は端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−（端子電圧検出値）に基づいて、センサ素子１０に関する異常を検出する構成とした。これにより、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。

印加電圧状態の切替として具体的には、印加電圧制御回路２１とセンサ素子１０のＳ＋端子との間の電圧印加経路に設けたスイッチ回路３５を開放することで、印加電圧制御回路２１によるセンサ素子１０への電圧印加を一時的に遮断（開放）する構成とした。この場合、センサ端子のＶＢショートとセンサ端子間ショートとで、スイッチ開放前後の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−やＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯの変化に差異が生じることから、これら各異常の特定が可能となる。

印加電圧状態の切替手法として、センサ素子１０への電圧印加を遮断する手法を用いることで、異常発生時におけるセンサ保護を図ることが可能となる。つまり、例えばＶＢショート異常が発生している場合に、スイッチ回路３５を開放して電圧印加を遮断することにより、大電流が長時間にわたってセンサ素子１０に流れ同素子が壊れるといった不都合を回避できる。

また、スイッチ開放前（電圧印加状態の切替前）の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−及びＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯに基づいて、センサ端子のＶＢショート及びセンサ端子間ショートについての異常の有無を判定し、異常有りと判定された場合に、スイッチ回路３５の開放を行うとともに、同開放後の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−又はＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯに基づいて異常形態を特定する構成とした。かかる場合、センサ端子のＶＢショート及びセンサ端子間ショートのいずれかが発生したと判定されたことを条件に、スイッチ回路３５が開放される。本構成では、スイッチ開放前及び開放後で２段階の異常検出処理が行われることにより、異常形態の特定を一層好適に行わせることができる。また、スイッチ回路３５の開放が何らかの異常発生を判定した場合に限られるため、そのスイッチ開放の実施を必要最小限に抑えることができる。ゆえに、ガス濃度検出に対する影響を抑制することもできる。

センサ端子間ショートであることの判定基準を、正負両側の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が同値であり、かつスイッチ開放前後で端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−又はＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが変化したこととした。また、センサ端子のＶＢショートであることの判定基準を、正負両側の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が同値で、かつＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ（ＶＳ＋，ＶＳ−でも可）が正常範囲外の値であり、さらにスイッチ開放前後で端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−又はＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが変化しないこととした。以上により、センサ端子のＶＢショートとセンサ端子間ショートとで、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−又はＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが同様の異常値を呈しているとしても、それら各異常形態の特定が可能となる。

センサ素子１０の正負両側の端子のうち、シャント抵抗３３とは反対側の端子にスイッチ回路３５を設けて電圧印加を遮断する構成とした。これにより、センサ制御ＩＣ（ＩＣ素子）にスイッチ回路３５を追加して設ける場合において多大な設計変更や製造上の煩雑さを招くことを回避できる。補足すると、センサ制御回路２０では、上述したとおり素子電流ＩＬの検出精度向上のためにシャント抵抗３３がＩＣ外付けになっており、このシャント抵抗３３と同じ側の端子にスイッチ回路３５を設ける場合には、スイッチ回路３５も同様に外付けにするか、又はセンサ制御ＩＣに接続ポートを増設した上でスイッチ回路３５を同ＩＣに一体に設けるかが強いられ、多大な設計変更や製造上の煩雑さを招く。これに対し、シャント抵抗３３とは反対側の端子にスイッチ回路３５を設けることにより、こうした不都合を回避できる。

また、上記のとおり特徴的な構成を有するセンサ制御回路２０と、センサ素子１０を有しセンサ制御回路２０に接続されるガスセンサ（Ａ／Ｆセンサ）とを備える構成であれば、好適なる異常検出機能を具備したセンサユニットを実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。図８は、本実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成図である。

図８では、上述した図１の構成に対して、スイッチ回路３５を削除するとともに、印加電圧ガード回路２３の構成を一部変更している。すなわち、印加電圧ガード回路２３の上限ガード回路部２７においてオペアンプ２７ａの非反転入力端子（＋入力端子）には基準電圧切替手段が設けられている。基準電圧切替手段は、２つの基準電源を切り替えることで、オペアンプ２７ａの＋入力電圧（基準電圧）を変更するものである。具体的には、各々異なる基準電圧Ｖ１，Ｖ３を出力する２つの基準電源６１，６２が設けられ、そのいずれがオペアンプ２７ａの＋入力端子に接続されるかがスイッチ回路６３により切り替えられるようになっている。例えばＶ１＞Ｖ３である。

上記構成では、通常の印加電圧制御に際しては、上限ガード回路部２７の基準電源として基準電源６１が用いられる。これに対し、センサ制御系の異常検出時には、スイッチ回路６３がＣＰＵ５０の指令信号により切り替えられて、基準電源６１から基準電源６２への変更が行われる。これにより、印加電圧制御回路２１の上限ガード値が４．３Ｖから３Ｖに切り替えられる。なお、上限ガード値を４．３Ｖとする状態が「第１状態」に相当し、上限ガード値を３Ｖとする状態が「第２状態」に相当する。

図９は、
・Ｓ＋端子のＶＢショート、
・Ｓ−端子のＶＢショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、印加電圧制御回路２１の上限ガード値を設定するための基準電圧を切り替えた場合の、その切替前後におけるＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。

図９において、基準電圧がＶ１である場合には、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）は図５で説明した電圧値と同じである。センサ端子間ショートについて特に言及すれば、素子電流ＩＬが大きくなることから、印加電圧制御回路２１の出力電圧が上限ガード値（４．３Ｖ）まで上昇し、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも４．３Ｖになる。また、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが最大値（５．０Ｖ）になり、リーン側異常値（リーン張り付き）となる。

これに対し、基準電圧がＶ３に切り替えられると、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）のうち、センサ端子間ショートについての端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも３Ｖに変更される。つまり、基準電圧がＶ１からそれよりも小さいＶ３に切り替えられることで、印加電圧制御回路２１の上限ガード値が４．３Ｖから３Ｖに切り替わり、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも３Ｖになる。Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯについては不変である。

なお、印加電圧制御回路２１の上限ガード値を３Ｖよりも小さい電圧値に変更する場合には、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが減少側に変化する。例えば、印加電圧制御回路２１の上限ガード値を２．２Ｖ（ストイキ検出時と同じ電圧値）とする場合、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが２．２Ｖに変化する。

異常検出処理（図７）においては、ステップＳ１５を、スイッチ回路６３の切替（すなわち、上限ガード値の変更）を実施する処理に変更する。そして、そのスイッチ切替後における端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−に基づいてセンサ端子間ショートが発生しているか否かを判定する。この場合、図９で説明したように、センサ端子間ショートが発生していれば端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がその切替前後で変化するのに対し、センサ端子間ショートではなくセンサ端子のＶＢショートが発生していれば端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が切替前後で変化しない。このことから、センサ端子間ショートとセンサ端子のＶＢショートとの判別が可能となる。

以上第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。

また、印加電圧状態の切替として具体的には、印加電圧制御回路２１の上限ガード値を一時的に変更する構成とした。この場合、センサ端子のＶＢショートとセンサ端子間ショートとで、上限ガード値の変更前後の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−やＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯの変化に差異が生じることから、これら各異常の特定が可能となる。

センサ端子のＶＢショート及びセンサ端子間ショートのいずれかが発生している場合、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−は印加電圧制御回路２１の上限ガード値（４．３Ｖ）に達しており、その状態で、上限ガード値をそれよりも低電圧側に変更する構成としたため、上限ガード値の変更後における端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−の変化を明確に把握できる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。図１０は、本実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成図である。

図１０では、上述した図１の構成に対して、スイッチ回路３５を削除するとともに、印加電圧制御回路２１及びＡ／Ｆ信号出力部４１に対する電圧入力値を切り替えるための入力電圧切替手段を付加している。電圧入力値は、都度の素子電流ＩＬに相当しており、印加電圧制御回路２１に入力される制御入力信号である。入力電圧切替手段は、印加電圧制御回路２１のオペアンプ２５ａの入力電圧及びＡ／Ｆ信号出力部４１のオペアンプ４３の入力電圧を、シャント抵抗３３の両端子電圧のうちセンサ素子１０側の端子電圧とするかそれとは反対側（交流電源回路３１側）の電圧とするかを切り替えるものであり、具体的にはスイッチ回路６５による切替を行う構成としている。スイッチ回路６５は接続点Ｃ，Ｄの切替を行うものであり、同スイッチ回路６５の接続をＣ側とすれば、前記入力電圧がシャント抵抗３３のセンサ側端子電圧（Ａ点電圧）となり、同スイッチ回路６５の接続をＤ側とすれば、前記入力電圧がシャント抵抗３３の反センサ側端子電圧となる。

なお、印加電圧制御回路２１は、センサ素子１０の端子印加電圧（本実施形態ではＶＳ＋）を素子電流ＩＬに基づいてフィードバック制御しているものであり、この観点からすれば、制御入力信号はフィードバック入力信号である。本実施形態では、このフィードバック入力信号を強制的に変更するものとしている。

上記構成では、通常の印加電圧制御に際しては、スイッチ回路６５が接続点Ｃに接続された状態で保持され、印加電圧制御回路２１及びＡ／Ｆ信号出力部４１にはシャント抵抗３３のセンサ側端子電圧（Ａ点電圧）が入力される。これに対し、センサ制御系の異常検出時において、スイッチ回路６５がＣＰＵ５０の指令信号により切り替えられて接続点Ｄに接続された状態に変更されると、印加電圧制御回路２１及びＡ／Ｆ信号出力部４１にはシャント抵抗３３の反センサ側端子電圧が入力される。これにより、例えばＡ点電圧（ＶＳ−電圧も同じ）が最大値（５Ｖ）に保持されている場合において上記の入力電圧の切替が行われることで、同入力電圧が最大値（５Ｖ）から交流電源回路３１の基準電圧（２．２Ｖ）に切り替えられる。なお、スイッチ回路６５が接続点Ｃに接続された状態が「第１状態」に相当し、スイッチ回路６５が接続点Ｄに接続された状態が「第２状態」に相当する。

図１１は、
・Ｓ＋端子のＶＢショート、
・Ｓ−端子のＶＢショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、印加電圧制御回路２１及びＡ／Ｆ信号出力部４１の入力電圧を切り替えた場合（スイッチ回路６５をＣ側接続／Ｄ側接続した場合）の、その切替前後におけるＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。

図１１において、スイッチ回路６５をＣ側接続とした場合には、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）は図５で説明した電圧値と同じである。センサ端子間ショートについて特に言及すれば、素子電流ＩＬが大きくなることから、印加電圧制御回路２１の出力電圧が上限ガード値（４．３Ｖ）まで上昇し、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも４．３Ｖになる。また、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが最大値（５．０Ｖ）になり、リーン側異常値（リーン張り付き）となる。

これに対し、スイッチ回路６５をＤ側接続に切り替えると、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）のうち、センサ端子間ショートについての端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がいずれも２．６Ｖに変更される。つまり、印加電圧制御回路２１及びＡ／Ｆ信号出力部４１の入力電圧がＡ点電圧（ＶＳ−電圧も同じ）の異常値（５Ｖ）から交流電源回路３１の基準電圧（２．２Ｖ）に切り替えられることで、印加電圧制御回路２１のオペアンプ２５ａにはストイキ検出時（ＩＬ＝０時）と同じ電圧が入力され、同印加電圧制御回路２１はストイキ検出時の印加電圧である２．６Ｖを出力する。また、Ａ／Ｆ信号出力部４１のオペアンプ４３には正負両方の入力端子に同じ電圧（２．２Ｖ）が入力され、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが２．２Ｖになる。

異常検出処理（図７）においては、ステップＳ１５を、スイッチ回路６５の切替（すなわち、印加電圧制御回路２１に対する電圧入力値の変更）を実施する処理に変更する。そして、そのスイッチ切替後における端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−に基づいてセンサ端子間ショートが発生しているか否かを判定する。この場合、図１１で説明したように、センサ端子間ショートが発生していれば端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がその切替前後で変化するのに対し、センサ端子間ショートではなくセンサ端子のＶＢショートが発生していれば端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が切替前後で変化しない。このことから、センサ端子間ショートとセンサ端子のＶＢショートとの判別が可能となる。

以上第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。

また、印加電圧状態の切替として具体的には、印加電圧制御回路２１に対する電圧入力値（制御入力信号）を一時的に変更する構成とした。この場合、センサ端子のＶＢショートとセンサ端子間ショートとで、電圧入力値の変更前後の端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−の変化に差異が生じることから、これら各異常の特定が可能となる。

印加電圧制御回路２１に対する電圧入力値を一時的に変更する場合に、その電圧入力値を、空燃比ストイキ状態で流れる素子電流（ＩＬ＝０ｍＡ）に相当する電圧値に変更する構成とした。これにより、印加電圧制御回路２１に対する電圧入力値の変更後に、各電圧値（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）がストイキ検出状態と同じ電圧値であることに基づいて、センサ端子間ショートが発生していることを特定できる。

（第４の実施形態）
上記のように端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−やＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯに基づいて異常検出を実施する以外に、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔに基づいて異常検出を実施する構成としてもよい。ここでは、第１の実施形態で説明したように、異常検出に際し、スイッチ回路３５（図１参照）を開放する構成について説明する。

図１２は、
・Ｓ＋端子のＶＢショート、
・Ｓ−端子のＶＢショート、
・センサ端子間ショート、
の各異常について、図１のスイッチ回路３５を開放して印加電圧制御回路２１による電圧印加を遮断（開放）した場合の、その開放前後におけるＩｏｕｔを対比したものである。なお、数値はいずれもセンサ活性後のものである。

センサ端子（Ｓ＋，Ｓ−）のＶＢショートが発生している場合、スイッチ回路３５を閉鎖した状態（開放前の状態）では、インピーダンス検出のために交流電源回路３１から交流電圧を印加しても、インピーダンス検出電圧の検出点であるＳ−端子側で電圧変動がほとんど生じない。そのため、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔはほぼ０Ｖとなる。この状態は、スイッチ回路３５を開放した後でも同様である。なお、センサ素子１０の活性後には、本来、都度の素子インピーダンス（ほぼ３０Ω）に応じたインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが検出される筈であり、Ｉｏｕｔ＝０Ｖは異常値である。

これに対し、センサ端子間ショートが発生している場合、スイッチ回路３５を閉鎖した状態（開放前の状態）ではインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔがほぼ０Ｖになり、スイッチ回路３５を開放すると、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが５Ｖになる。これは以下の理由による。

すなわち、図１の回路構成では、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔの検出点（Ａ点）がシャント抵抗３３とセンサ素子１０との間の中間点電圧（シャント抵抗３３及びセンサ素子１０の分圧点）となっており、同Ａ点では、シャント抵抗３３及びセンサ素子１０による分圧電圧としてインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが検出される。かかる場合、センサ端子間ショートが発生しておりかつスイッチ回路３５が閉鎖されていると、素子インピーダンスがほぼ０Ωであるのと同じ状態になり、シャント抵抗３３及びセンサ素子１０の分圧電圧として検出されるインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔがほぼ０Ｖになる（なおこのとき、交流的にはＳ＋端子側がほぼ０Ｖになっている）。また、センサ端子間ショートが発生しておりかつスイッチ回路３５が開放されていると、素子インピーダンスが無限大であるのと同じ状態になり、シャント抵抗３３及びセンサ素子１０の分圧電圧として検出されるインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔがほぼ５Ｖになる。

本実施形態において、ＣＰＵ５０は図１３に示す異常検出処理を実行する。図１３において、ステップＳ２１では、異常検出の実行条件が成立しているか否かを判定する（図７のＳ１１と同様）。そして、実行条件が成立していれば、後続のステップ２２に進み、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが異常値であるか否かを判定する。このとき、異常発生時にはＩｏｕｔが異常値になり、ステップＳ２３以降の処理を実施する。なおここで、検出対象の異常形態を、センサ端子のＶＢショート及びセンサ端子間ショートに限定するのであれば、ＶＳ＋≒ＶＳ−であること、及びＡＦＯ＝リーン側異常値であることの少なくともいずれかの別条件を設定するとよい。

ステップＳ２２が、スイッチ開放前においてセンサ素子１０に関する異常（特に、センサ端子のＶＢショート又はセンサ端子間ショート）の有無を判定する開放前異常判定処理に相当する。

その後、ステップＳ２３では、スイッチ回路３５を開放させ、印加電圧制御回路２１からＳ＋端子側への電圧印加を遮断する。そして、ステップＳ２４では、スイッチ開放後におけるインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔを取得し、続くステップＳ２５では、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが、スイッチ回路３５の開放前における値から変化しているか否かを判定する。

ステップＳ２５において、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔがスイッチ開放前の値から変化していれば、より具体的にはインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔが０Ｖから５Ｖに変化していれば、ステップＳ２６に進み、センサ端子間ショートが発生している旨を判定する。また、インピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔがスイッチ開放前の値から変化していなければ（Ｉｏｕｔ＝０Ｖのままであれば）ステップＳ２７に進み、センサ端子のＶＢショートが発生している旨を判定する。

以上第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、異なる異常形態についての区別が可能となり、好適なる異常検出を実現できる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、Ａ／Ｆセンサのセンサ素子の構造を変更しており、まずは素子構造を図１４により説明する。

図１４において、センサ素子８０は、２つの固体電解質層８１，８２を有しており、一方の固体電解質層８１には一対の電極８３，８４が対向配置され、他方の固体電解質層８２には一対の電極８５，８６が対向配置されている。なお、電極８３〜８５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子８０では、固体電解質層８１及び電極８３，８４により第１セルとしてのポンプセル９１が構成され、固体電解質層８２及び電極８５，８６により第２セルとしてのモニタセル９２が構成されている。各電極８３〜８６はセンサ制御回路１００に接続されている。センサ素子８０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子１０と同じである。図の符号８７はガス導入孔、符号８８は多孔質拡散層、符号８９は大気ダクト、符号９０はヒータである。モニタセル９２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

上記構成において、モニタセル９２は、排気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する。例えばリーンである場合、モニタセル９２の起電力出力が小さくなり、逆にリッチである場合、モニタセル９２の起電力出力が大きくなる。かかる場合において、モニタセル９２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９１の印加電圧が制御される。

なお、上記構成のセンサ素子８０では、リーン時の限界電流域は正電圧域に、リッチ時の限界電流域は負電圧域に現れる。そのため、リーン時のポンプセル印加電圧は正電圧域に、リッチ時のポンプセル印加電圧は負電圧域にそれぞれ定められている。

図１５は、上記構成のセンサ素子８０に適用されるセンサ制御回路１００の構成を示す回路図である。図１５において、ＶＭはポンプセル９１及びモニタセル９２の共通端子であり、その共通端子ＶＭには基準電源１０１が接続されている。基準電源１０１の基準電圧は例えば２．５Ｖである。また、ＩＰはポンプセル９１の電極８３に接続されるポンプセル端子であり、ＵＮはモニタセル９２の電極８６に接続されるモニタセル端子である。これら各端子ＩＰ，ＵＮには、オペアンプ１０２及びシャント抵抗１０３を有して構成される電圧印加回路が設けられており、そのオペアンプ１０２の反転入力端子（−入力端子）にはモニタセル端子ＵＮが接続され、非反転入力端子（＋入力端子）には基準電圧（３．０Ｖ）を生成する基準電源１０４が接続されている。

オペアンプ１０２は反転増幅回路を構成するものであり、その帰還経路にポンプセル９１及びモニタセル９２が設けられている。この場合、オペアンプ１０２は、モニタセル９２の起電力に応じてポンプセル９１の印加電圧（ＩＰ端子電圧）を可変設定する。

また、ポンプセル端子ＩＰとシャント抵抗１０３との間（すなわち、ポンプセル９１の電圧印加経路）には経路開閉手段としてのスイッチ回路１０５が設けられている。スイッチ回路１０５は常閉スイッチであり、通常時において閉状態とされ、ＣＰＵ（図示略）からの指令信号に基づいて開放されるようになっている。また、オペアンプ１０２の反転入力端子（−入力端子）には定電圧Ｖｃｃ（５Ｖ）を電源とするプルアップ回路１０６が接続されている。プルアップ回路１０６は、例えば抵抗値＝１ＭΩの抵抗体を有して構成されている。

リーン時にはＢ→Ａの向きにシャント抵抗１０３に電流が流れ、逆にリッチ時にはＡ→Ｂの向きにシャント抵抗１０３に電流が流れる。かかる場合、モニタセル９２の出力電圧が所定値になるようポンプセル９１がフィードバック制御される（フィードバック制御回路については公知であり、ここでは図示及び詳細な説明を省略する）。

シャント抵抗１０３の両端（Ａ点及びＢ点）には、Ａ／Ｆ信号出力部を構成する差動増幅回路１０７が接続されている。差動増幅回路１０７は、増幅素子としてオペアンプ１０８を有し、オペアンプ１０８の正負両入力端子にはシャント抵抗１０３の両端電圧が各々入力される。差動増幅回路１０７（オペアンプ１０８）の出力がＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯである。ＩＰ端子の電圧はポンプセル端子電圧Ｖｉｐとして出力される。Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐはそれぞれ図示しないＣＰＵに入力される。なお本実施形態では、シャント抵抗１０３と差動増幅回路１０７とにより電流検出手段が構成されている。

また、モニタセル９２を対象に素子インピーダンスが検出され、インピーダンス検出回路１０９では、モニタセル９２に印加する電圧を交流的に変化させ、それに応答する電圧波形が検出される。そして、その検出結果がインピーダンス検出電圧ＶｚとしてＣＰＵ（図示略）に出力される。

上記のセンサ制御回路１００では、各端子ＵＮ，ＶＭ，ＩＰのＶＢショート、ＧＮＤショート、断線、端子間ショート等を検出対象の異常形態として、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐ、インピーダンス検出電圧Ｖｚ、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯに基づいて異常検出が行われる。ただし本実施形態では、各異常形態のうち、
（１）ＵＮ−ＶＭ間の端子間ショート、
（２）ＶＭ端子断線、
についてのみ説明する。

ここでは、上記（１）（２）の各異常が発生した場合において、スイッチ回路１０５の開放前及び開放後でポンプセル端子電圧Ｖｉｐが変化することを説明する。

上記（１）のＵＮ−ＶＭ間の端子間ショートが発生している場合、スイッチ回路１０５の開放前には、ポンプセル端子電圧ＶｉｐがＶＭ端子の基準電圧（２．５Ｖ）に追従して変化し２．５Ｖになる。このとき、各電圧値Ｖｉｐ，Ｖｚ，ＡＦＯがいずれも同じ２．５Ｖで釣り合った状態になる。これに対し、スイッチ回路１０５が開放状態に切り替えられると、電圧の釣り合い（バランス）が崩れる。またこのとき、スイッチ開放により印加電圧のフィードバックループが途切れるため、オペアンプ１０２のコンパレータ動作を行うこととなる。そして、オペアンプ１０２の反転入力端子の入力電圧が２．５Ｖで、非反転入力端子の入力電圧が３Ｖであるため、オペアンプ出力は５Ｖ（上限）となり、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐが５Ｖになる。すなわち、スイッチ回路１０５の開放により、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐが２．５Ｖから５Ｖに変化する。

また、上記（２）のＶＭ断線が発生している場合は、ポンプセル９１及びモニタセル９２からなる帰還経路の電圧フィードバックループによりＵＮ端子及びＩＰ端子が共に３Ｖになる。これに対し、スイッチ回路１０５が開放状態に切り替えられると、ＵＮ端子が３Ｖに制御されなくなる。そして、オペアンプ１０２の反転入力端子に接続されているプルアップ回路１０６が機能し、オペアンプ１０２の−入力信号がＶｃｃ電圧（５Ｖ）になる。このとき、オペアンプ１０２の＋入力信号が３Ｖであるため、オペアンプ出力は０Ｖ（下限）になり、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐが０Ｖになる。すなわち、スイッチ回路１０５の開放により、ポンプセル端子電圧Ｖｉｐが３Ｖから０Ｖに変化する。

上記のように、ＵＮ−ＶＭ間の端子間ショート、ＶＭ端子断線の各異常では、それぞれスイッチ回路１０５の開放前及び開放後でポンプセル端子電圧Ｖｉｐが変化し、さらにその変化態様が各々相違することから、異常形態の特定が可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記第１の実施形態では、図１に示すように、センサ素子１０のＳ＋端子側（印加電圧制御回路２１側）にスイッチ回路３５を設け、異常検出に際して同スイッチ回路３５を開放する構成としたが、これを変更し、これとは反対側のＳ−端子側（交流電源回路３１側）にスイッチ回路３５を設け、異常検出に際して同スイッチ回路３５を開放する構成としてもよい。この場合、センサ端子間ショートが発生している状態では、スイッチ回路３５の開放に伴い端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−が４．３Ｖから２．６Ｖ（すなわち、電圧遮断側とは反対側の印加電圧）に変化する。これにより、その開放前後の電圧変化によりセンサ端子間ショートを検出できる。

・センサ制御回路２０において、Ｓ＋端子側に可変電圧（印加電圧制御回路２１の設定電圧）を印加し、Ｓ−端子側に基準電圧（交流電源回路３１の基準電圧：２．２Ｖ）を印加する構成としたが、これを変更し、Ｓ＋端子側及びＳ−端子側の両方に可変電圧を印加する構成、又はＳ＋端子側及びＳ−端子側の両方に基準電圧を印加する構成とすることも可能である。

・上記実施形態では、交流電源回路３１を用い、センサ素子１０の一方の端子に交流電圧を印加する構成としたが、交流電源回路３１を用いない構成としてもよい。例えば、印加電圧制御回路２１とは反対側のセンサ端子に、固定の基準電圧（２．２Ｖ固定）を出力する基準電圧設定回路を接続する構成としてもよい。

・「第２状態」を複数設定しておき、異常検出に際し、電圧印加状態を複数の第２状態のうちいずれかに切り替えるようにしてもよい。この場合、複数の第２状態のうちいずれに切り替えるかによって、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯや端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−の値が相違する。ゆえに、特定可能（区別可能な）異常形態を増やすことができる。例えば、第２の実施形態でいえば、印加電圧制御回路２１の上限ガード値を３つ以上切替可能としておくとよい。

・センサ素子に対する電圧印加状態を第１状態から第２状態に切り替える場合に、その状態切替の前後における各種検出値（ＡＦＯ，ＶＳ＋，ＶＳ−，Ｉｏｕｔ）の変化量を算出し、その変化量に基づいてセンサ素子に関する異常を検出する構成としてもよい。具体的には、例えば、状態切替前後における各種検出値の変化量が所定以上であることに基づいて、センサ端子間ショートが発生していると判定する。

・上記実施形態では、インピーダンス検出値を取得する方法として、センサ制御回路２０において交流電源回路３１による交流電圧の印加（印加電圧の掃引変化）に伴い振幅するＡ点電圧の変化量をインピーダンス検出電圧Ｉｏｕｔとして検出する構成を採用したが、これを変更してもよい。インピーダンス検出値を取得する方法は、周知の方法のいずれを用いてもよく、インピーダンス検出時に電圧又は電流の掃引変化に応じて生じる電圧又は電流の変化量をインピーダンス検出値として取得できるものであればよい。

・センサ素子に対する電圧印加状態を第１状態から第２状態に切り替える場合に、その状態切替の前後における各種検出電圧（ＶＳ＋，ＶＳ−，ＡＦＯ）に基づいて、センサ制御回路２０のオフセット値を算出する構成としてもよい。オフセット値は、図１のセンサ制御回路２０等における定常的な出力誤差である。具体的には、例えば図１のセンサ制御回路２０では、上述したとおりスイッチ回路３５が開放されてＳ＋端子側の電圧印加が遮断（開放）されることで、本来、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−がＳ−端子側（スイッチ開放されていない端子側）の基準電圧と同じ電圧値（２．２Ｖ）になるとともに、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯがストイキ相当の電圧値（２．２Ｖ）となる。この場合、センサ制御回路２０においてオフセット誤差（初期設定値からのずれ）が生じていれば、端子電圧ＶＳ＋，ＶＳ−やＡ／Ｆ検出電圧ＡＦＯが初期設定値（それぞれ２．２Ｖ）から外れることになるため、その初期設定値からのずれ分をオフセット値として算出する。そして、このオフセット値を用いて、Ａ／Ｆ検出電圧ＡＦＯ等の補正（オフセット補正）を実施する。

・酸素濃度を検出対象とするＡ／Ｆセンサ以外に、他のガス濃度成分を検出対象とするガスセンサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガスセンサは、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のガス濃度を検出する。このガスセンサは、例えば排気中の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センサであってもよい。

・ガス濃度成分としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能とするガスセンサにも適用できる。この場合、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。

・本発明のセンサ制御装置は、ガソリンエンジンに用いられるガスセンサ（センサ素子）だけでなく、ディーゼルエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサ（センサ素子）にも適用できる。自動車以外の用途のセンサ制御装置として用いることや、排気以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。

１０…センサ素子、１１…固体電解質層（固体電解質体）、２０…センサ制御回路、２１…印加電圧制御回路（電圧印加手段、印加電圧制御手段）、２２…可変設定回路、２３…印加電圧ガード回路、２４…基準電源、２５…非反転増幅回路、２５ａ…オペアンプ、２７…上限ガード回路部、３１…交流電源回路（電圧印加手段）、３３…シャント抵抗（電流検出素子、電圧電流検出手段）、３５…スイッチ回路（経路開閉手段）、４１…Ａ／Ｆ信号出力部（電圧電流検出手段）、４２…インピーダンス信号出力部（電圧電流検出手段）、５０…ＣＰＵ（電圧電流検出手段、切替手段、異常検出手段）、６３，６５…スイッチ回路、８０…センサ素子、８１…固体電解質層（固体電解質体）、１００…センサ制御回路（電圧電流検出手段、切替手段、異常検出手段）、１０３…シャント抵抗（電流検出素子、電圧電流検出手段）、１０５…スイッチ回路（経路開閉手段）。

Claims (6)

1. 固体電解質体を有し電圧が印加された状態で被検出ガス中の所定成分の濃度に応じた素子電流を流すセンサ素子に接続され、前記素子電流を検出するとともにその検出結果に基づいてガス濃度を算出するセンサ制御装置であり、
   前記素子電流が流れる電流経路における所定の検出箇所での電圧及び電流の少なくともいずれかを検出する電圧電流検出手段と、
   前記センサ素子に対する電圧印加状態を第１状態から第２状態に切り替える切替手段と、
   前記切替手段による前記第１状態から前記第２状態への切替前及び同切替後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて、前記センサ素子に関する異常を検出する異常検出手段と、
   前記センサ素子の少なくとも一方の端子に接続されて設けられ、該端子に電圧を印加する電圧印加手段と、
   を備え、
   前記異常検出手段は、前記切替手段による前記第１状態から前記第２状態への切替前の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて前記センサ素子に関する異常の有無を判定し、その異常判定により異常有りとされた場合に、前記切替手段による前記第１状態から前記第２状態への切替を行わせるとともに同切替後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常形態を特定するものであり、
   前記第１状態は、前記素子電流を検出しその検出値に基づいてガス濃度を算出する通常状態であり、
   前記切替手段は、前記電圧印加手段による前記センサ素子への電圧印加を遮断することで、前記電圧印加状態を、前記通常状態からそれとは異なる前記第２状態に一時的に切り替えるものであり、
   前記電圧電流検出手段は、前記素子電流を電流検出素子により素子電流検出値として検出する手段、前記センサ素子の端子電圧を端子電圧検出値として検出する手段、及び素子インピーダンスの検出時に電圧又は電流の掃引変化に応じて生じる電圧又は電流の変化量をインピーダンス検出値として検出する手段の少なくともいずれかを有するものであり、
   前記異常検出手段は、前記切替手段による電圧印加の遮断前及び遮断後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて異常検出を実施することを特徴とするセンサ制御装置。
2. 前記電圧印加手段と前記センサ素子との間の電圧印加経路に経路開閉手段を設け、
   前記切替手段は、前記経路開閉手段を閉状態から開状態に切り替えることで前記センサ素子への電圧印加を遮断する請求項１に記載のセンサ制御装置。
3. 前記異常検出手段は、前記切替手段による電圧印加状態の切替前及び切替後の前記電圧電流検出手段による検出値に基づいて、前記センサ素子の端子間ショートが生じていることを検出する請求項１又は２に記載のセンサ制御装置。
4. 前記異常検出手段は、前記センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値であり、かつ前記切替手段による電圧印加状態の切替に伴い前記電圧電流検出手段による検出値が変化した場合に、前記端子間ショートが生じている旨を判定する請求項３に記載のセンサ制御装置。
5. 前記異常検出手段は、前記センサ素子の正負両側についての端子電圧検出値が同値で、かつ前記電圧電流検出手段による検出値が正常範囲外の値であり、さらに前記切替手段により電圧印加状態を切り替えても前記電圧電流検出手段による検出値が変化しない場合に、前記センサ素子のいずれかの端子で電源ショートが生じている旨を判定する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサ制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサ制御装置と、前記センサ素子を有し前記センサ制御装置に接続されるガスセンサとを備えることを特徴とするセンサユニット。

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