JP6123498B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気中の酸素濃度に応じてセンサ出力を生じさせるガスセンサの制御装置に関するものである。

従来より、例えば車載エンジンの排気に含まれる酸素濃度を検出するセンサとして、安定化ジルコニア等の固体電解質を用いたガスセンサが用いられており、そのガスセンサについて検出誤差を無くすための技術が各種提案されている。

例えば、エンジンにおいて燃料カットが実施される状況下でセンサ出力値を取得するとともに、そのセンサ出力値と、大気状態での既知の基準出力値との比較によりセンサ出力値のずれを出力補正値として求める技術が知られている（例えば特許文献１参照）。この場合、大気補正処理にて求められた出力補正値（大気出力誤差）を用いて補正ゲインを算出し、空燃比がストイキ（理論空燃比）から外れた際には補正ゲインを用いてセンサ出力値の補正を実施するようにしている。

特開２００８−２６７２３０号公報

上記のように大気補正処理により算出された補正ゲインを用いることにより、センサ出力値のゲイン補正を行うことができる。例えばガスセンサとしてＡ／Ｆセンサのように拡散層を有する構成では、その拡散層の目詰まりや割れが生じた場合にゲイン誤差が生じるが、こうしたゲイン誤差の補正が可能となる。

しかしながら、ガスセンサの異常としては、拡散層の目詰まりや割れ以外に、固体電解質層の割れが生じることが考えられる。固体電解質層の割れが生じると、その割れ目を通じて排気が大気室側に流入し、それに起因する出力誤差が生じる。この場合、ストイキであってもセンサ出力値のずれ（誤差）が生じる。既存の技術では、こうした固体電解質層の割れ異常の判定は行われておらず、固体電解質層の割れ異常について異常種別を特定することはできなかった。

また、固体電解質層の割れが生じているにもかかわらず、それが特定されず、しかも大気補正処理に基づくゲイン補正が実施されると、センサ出力値について誤った補正が実施されてしまうことも懸念される。

本発明は、センサ素子において固体電解質層の割れ異常が生じた場合に、それを適正に判定することができるガスセンサ制御装置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。

本発明は、固体電解質層（１１）及びそれを挟む一対の電極（１５，１６）を有し、前記一対の電極のうち一方を内燃機関の排気が導かれる第１電極（１５）、他方を大気室（１８）に設けられる第２電極（１６）とするセンサ素子（１０）を備え、排気中の酸素濃度に応じてセンサ出力を生じさせるガスセンサ（ＡＳ）を制御対象とするガスセンサ制御装置である。そして、前記一対の電極間に所定電圧又は所定電流を印加して、前記固体電解質層を介して前記第２電極側から前記第１電極側に酸素を供給する酸素供給手段（２０）と、前記酸素供給手段による前記酸素供給の開始に伴い生じる前記一対の電極間の電流又は起電力に基づいて、前記固体電解質層の割れ異常を判定する異常判定手段（２０）と、を備えることを特徴とする。

ガスセンサのセンサ素子において固体電解質層に割れ異常が生じていると、その割れ目を通じて排気が大気室内に入り込み、大気室内の酸素濃度が低下する。この場合、正常時に比べて大気室内の酸素濃度が低下しているため、一対の電極間への所定電圧の印加時においてその電圧印加により生じる酸素の供給量（酸素ポンピング量）が少なく、一対の電極間において電流が流れにくくなる。又は、一対の電極間への所定電流の印加時においてその電流印加により生じる酸素の供給量（酸素ポンピング量）が少なく、その酸素供給により生じるセンサ起電力が大きくなる。固体電解質層の割れ異常が生じている異常時と、同割れ異常が生じていない正常時とでは、上記のような違いが生じるため、それを利用することにより、固体電解質層の割れ異常を適正に判定することができる。

第１実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 センサ素子の構成を示す断面図。 Ａ／Ｆセンサの出力特性を示す図。 センサ素子の正常品とＺｒ割れ品とを示す図。 正常品とＺｒ割れ品とについて印加電圧及び素子電流の時間変化を示すタイムチャート。 拡散抵抗層の異常判定処理の手順を示すフローチャート。 Ｚｒ割れ異常の判定処理の手順を示すフローチャート。 正常品とＺｒ割れ品とについて印加電圧及び素子電流の時間変化を示すタイムチャート。 センサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 空燃比と負電圧との関係を示す図。 第２実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 センサ素子の正常品とＺｒ割れ品とを示す図。 正常品とＺｒ割れ品とについて素子電流及び端子間電圧の時間変化を示すタイムチャート。 第２実施形態におけるＺｒ割れ異常の判定処理の手順を示すフローチャート。 第３実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成を示す構成図。 正常品とＺｒ割れ品とについて印加電圧及び素子電流の時間変化を示すタイムチャート。 空燃比と判定値との関係を示す図。 素子温度と判定値との関係を示す図。

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジン（内燃機関）より排出される排気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おいて用いられる。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。このＡ／Ｆセンサは、エンジンの排気管に設けられ、排気管内を流れる排気を検出対象として排気中の酸素濃度に応じたセンサ出力を生じさせるものとしている。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。センサ素子１０は、実際には図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。この一対の電極１５，１６のうち電極１５が第１電極（排気側電極）、電極１６が第２電極（大気側電極）である。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を囲むようにして排気チャンバ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室としての大気ダクト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内を経由して排気チャンバ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。

本実施形態では、排気側電極である電極１５を負極、大気側電極である電極１６を正極としており、図２のように電極１５を負（−）、電極１６を正（＋）としてこれら電極間に印加される印加電圧ＶＰを正電圧としている。ゆえに、その逆に、電極１５を正（＋）、電極１６を負（−）としてこれら電極間に印加される印加電圧ＶＰが負電圧である。

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の印加電圧ＶＰを横軸に示し、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、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。例えば空燃比＝ストイキであれば、センサ素子１０の両電極間に「Ｖａ」が印加される。

次に、本システムの主要部たるセンサ制御回路３０の電気的構成を図１を参照しながら説明する。

図１では、センサ制御系の主要な構成としてマイクロコンピュータ（以下、マイコン２０と略す）とセンサ制御回路３０とが設けられており、これらによりＡ／ＦセンサＡＳのセンサ素子１０に流れる素子電流の計測やその素子電流値に基づくＡ／Ｆ値の演算などが実施される。マイコン２０は、ＣＰＵ、各種メモリ、Ａ／Ｄ変換器等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、素子電流値に相応するＡ／Ｆ出力電圧をセンサ制御回路３０から入力し、同Ａ／Ｆ出力電圧のＡ／Ｄ値によりＡ／Ｆ値を算出する。同マイコン２０により演算されたＡ／Ｆ値は図示しないエンジンＥＣＵに逐次出力される。

また、センサ制御回路３０において、センサ素子１０の正側端子（大気側の電極１６に接続されるＳ＋端子）にはオペアンプ３１及び電流検出抵抗３２（電流計測用抵抗）を介して基準電圧電源３３が接続され、同センサ素子１０の負側端子（排気側の電極１５に接続されるＳ−端子）にはオペアンプ３４を介して印加電圧制御回路３５が接続されている。この場合、電流検出抵抗３２の一端のＡ点は基準電圧Ｖｆ（例えば２．２Ｖ）と同じ電圧に保持される。素子電流は電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流に応じてＢ点の電圧が変化する。例えば排気がリーンの場合、センサ素子１０においてＳ＋端子からＳ−端子に電流が流れるためＢ点電圧が上昇し、リッチの場合、Ｓ−端子からＳ＋端子に電流が流れるためＢ点電圧が低下する。

印加電圧制御回路３５では、基本構成として、Ｂ点電圧をモニタするとともにその電圧値に応じてセンサ素子１０に印加すべき電圧を決定（例えば、図３の印加電圧直線ＬＸに基づき決定）し、オペアンプ３４を介してＤ点電圧を制御する。ただし、ストイキ近傍のみでＡ／Ｆ検出を行う場合、印加電圧固定とすることも可能である。

また、電流検出抵抗３２の両端のＡ点及びＢ点には増幅回路３７が接続されており、その増幅回路３７の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン２０のＡ／Ｄ入力端子に取り込まれる。マイコン２０では、逐次取り込まれるＡ／Ｆ出力電圧のＡ／Ｄ値に基づきＡ／Ｆ値が算出される。

ところで、センサ素子１０において、経年劣化や衝撃等により固体電解質層１１に割れが生じると（Ｚｒ割れが生じると）、その割れ部を通じて排気チャンバ１７から大気ダクト１８に排気が流入し、それに起因して大気ダクト１８内の酸素濃度が低下することが考えられる。具体的には、大気ダクト１８内には大気が導入されているため、本来その酸素濃度は概ね２０．９％程度であるが、排気が流入することにより２０．９％よりも低い酸素濃度となる。そして、こうして大気ダクト１８内の酸素濃度にずれが生じると、Ａ／ＦセンサＡＳにおいて検出誤差が生じる。

そこで本実施形態では、センサ素子１０の一対の電極１５，１６に対して、電極１６側（基準電極側）から電極１５側（ガス検出電極側）への酸素供給（酸素ポンピング）が実施されるよう所定電圧を印加し、その電圧印加状態で検出される素子電流に基づいて、センサ素子１０のＺｒ割れ異常を判定することとしている。この場合、電極１６側から電極１５側に酸素が供給されるよう印加される電圧は負電圧であり、例えば図３の「Ｖｎ」である。

センサ素子１０に対する印加電圧を負電圧に切り替える構成として、図１のセンサ制御回路３０には以下の構成が付加されている。すなわち、センサ制御回路３０には、素子電流計測点（図のＢ点）と印加電圧制御回路３５との間にスイッチ回路３８が設けられており、そのスイッチ回路３８がマイコン２０からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路３８がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／ＦセンサＡＳの通常制御が行われる。すなわち、印加電圧制御回路３５に対してＢ点電圧が入力され、そのＢ点電圧に基づいて印加電圧が可変調整される。これに対して、同スイッチ回路３８がｓ２点接続とされると、印加電圧制御回路３５に対して負電圧電源３９から一定の負電圧Ｖｎが入力される。そして、Ｂ点電圧（都度の素子電流）に無関係に、負電圧電源３９による印加電圧の設定が行われる。換言すれば、スイッチ回路３８がｓ１点側に切り替えられると、通常の印加電圧制御が行われ、スイッチ回路３８がｓ２点側に切り替えられると、負電圧制御が行われることとなる。

負電圧印加による割れ異常の検出原理について具体的に説明する。図４には、正常品とＺｒ割れ品とについてセンサ素子１０の略図を示している。また、図５には、正常品とＺｒ割れ品とについて印加電圧及び素子電流の時間変化を示している。なおここでは、ストイキ検出状態でセンサ印加電圧を正電圧（例えば図３のＶａ）から負電圧（例えば図３のＶｎ）に変更する場合を例示している。

まずは、正常品について説明する。正常品の場合、大気ダクト１８内は大気と同等の酸素濃度（２０．９％）に維持されている。そして、この状態で印加電圧ＶＰを通常の印加電圧である正電圧から負電圧に変更すると、大気ダクト１８側から排気チャンバ１７側に酸素がポンピングされる。これにより、素子電流ＩＬが一気に負電流に移行し、その後、徐々に負電流が低下する（負側の電流が小さくなる）。そして、センサ特性上においてＶｎ印加状態に対応する電流値Ｉａ０に収束する。

この場合、印加電圧を負電圧に切り替えた直後の負電流のピーク値は「Ｉａ１」であり、電圧切り替えから時間Ｔ１が経過した時点の負電流は「Ｉａ２」である。つまり、素子電流の過渡変化の期間であるＴ１において負電流はＩａ１からＩａ２に変化している。

次に、Ｚｒ割れ品について説明する。このＺｒ割れ品では、排気チャンバ１７と大気ダクト１８とが割れにより通じ、大気ダクト１８内に排気が流入することで大気ダクト１８内が大気よりも低い酸素濃度（２０．９％未満）になっている。そして、この状態で印加電圧ＶＰを正電圧から負電圧に変更すると、大気ダクト１８側から排気チャンバ１７側への酸素ポンピングにより、素子電流ＩＬが一気に負電流に移行し、その後、徐々に負電流が低下する（負側の電流が小さくなる）。そして、センサ特性上においてＶｎ印加状態に対応する電流値Ｉｂ０に収束する。

この場合、印加電圧を負電圧に切り替えた直後の負電流のピーク値は「Ｉｂ１」であり、電圧切り替えから時間Ｔ１が経過した時点の負電流は「Ｉｂ２」である。つまり、素子電流の過渡変化の期間であるＴ１において負電流はＩｂ１からＩｂ２に変化している。

正常品とＺｒ割れ品とを比べると、負電圧切り替えの直後における負電流ピーク値は概ね同じであるものの、その後の負電流の変化が相違しており、正常品の電流変化に対して、Ｚｒ割れ品の電流変化は急な変化となっている。そのため、｜Ｉａ２｜＞｜Ｉｂ２｜、（Ｉａ２−Ｉａ１）＜（Ｉｂ２−Ｉｂ１）となっている。また、｜Ｉａ０｜＞｜Ｉｂ０｜となっている。

要するに、Ｚｒ割れ品では、大気ダクト１８内に排気が流入して大気ダクト１８内の酸素濃度が低くなっていることから、大気ダクト１８側から排気チャンバ１７側への酸素ポンピングを行う場合に、大気ダクト１８内の酸素の減りが早く、負電流が流れにくくなっている。すなわち、Ｚｒ割れ品では、負電圧印加時において正常品に比べて負電流が流れにくくなっている。そのため、印加電圧切り替え後の電流ピーク値からの戻り（収束）が早くなる。本実施形態では、負電流の収束速度の違いに基づいて、センサ素子１０にＺｒ割れ異常が生じていることを判定する。

次に、マイコン２０により実施される異常判定処理について説明する。本実施形態では、２つの異常判定処理を実施することとしており、一方の異常判定処理では、エンジンの燃料カット時にＡ／ＦセンサＡＳの大気検出値を算出し、その大気検出値に基づいて拡散抵抗層１２の目詰まり異常、及び拡散抵抗層１２の割れ異常を判定する。また、他方の異常判定処理では、エンジンのストイキ運転時に固体電解質層１１の割れ異常を判定する。

まずは拡散抵抗層１２の異常判定処理について説明する。図６は、拡散抵抗層１２の異常判定処理の手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン２０により所定周期で繰り返し実施される。

図６において、ステップＳ１１では、今現在、燃料カット中であるか否かを判定し、続くステップＳ１２では、燃料カットの開始後においてエンジン排気管内の状態が安定しているか否かを判定する。そして、ステップＳ１１，Ｓ１２が共にＹＥＳであれば、後続のステップＳ１３に進み、今現在のセンサ出力値を大気検出値として取得する。

その後、ステップＳ１４では、ステップＳ１３で取得した大気検出値が正常範囲に入っているか否かを判定する。ここで、大気中の酸素濃度は既知であるため、その既知の酸素濃度に基づいて正常範囲が定められており、大気検出値が正常範囲内に入っていればステップＳ１４が肯定される。そして、ステップＳ１５では、Ａ／ＦセンサＡＳが正常であると判定する。

また、大気検出値が正常範囲内に入っていなければステップＳ１４が否定される。そして、ステップＳ１６では、大気検出値が、正常範囲の上限値側と下限値側とのうち下限値側に外れているか否かを判定する。そして、大気検出値が正常範囲の下限値側に外れている場合、ステップＳ１７に進み、センサ素子１０に拡散抵抗層１２の目詰まり異常が生じていると判定する。また、ステップＳ１６がＮＯの場合、すなわち大気検出値が正常範囲の上限値側に外れている場合、ステップＳ１８に進み、センサ素子１０に拡散抵抗層１２の割れ異常が生じていると判定する。

なお、図６の処理では、Ａ／ＦセンサＡＳによる大気検出値と、あらかじめ定められている大気基準値との差を求め、その差を大気補正値としてメモリに記憶する構成としてもよい。この場合、Ａ／ＦセンサＡＳの出力値について大気補正値に基づくゲイン補正が実施される。

次に、固体電解質層１１の割れ異常（Ｚｒ割れ異常）の判定処理について説明する。図７は、Ｚｒ割れ異常の判定処理の手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン２０により所定周期で繰り返し実施される。

図７において、ステップＳ２１では、今現在、エンジンがストイキ運転状態であるか否かを判定する。このとき、空燃比がストイキで安定状態にある場合にステップＳ２１が肯定されるとよい。また、ステップＳ２２では、以下に示す異常判定の実施条件が成立しているか否かを判定する。その実施条件として具体的には、
（１）排気管内における排気の状態（排気流量、排気圧）が安定状態にあること、
（２）センサ素子１０の温度が一定状態にあること、
（３）燃料カット中、又はその直後でないこと、
（４）排気温度が所定範囲内にあること、
（５）大気圧が所定範囲内にあること、
の各条件を含み、これら各条件が全て成立する場合、ステップＳ２２が肯定される。なお、異常判定の実施条件には、上記（１）〜（５）の少なくとも１つが含まれていればよく、その設定は任意である。

上記（１）〜（５）の各条件について簡単に説明する。まず（１）は、大気ダクト１８内の酸素量が安定していることを満足するための条件である。つまり、排気流量や排気圧が変化する状況下では大気ダクト１８内の酸素量が変動し、それに起因して、大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素ポンピング量に影響が及ぶ。この点、排気流量や排気圧が安定状態にあれば、酸素ポンピング量を所望量に保持できる。なお、排気流量が安定していることはエンジン回転速度が一定値で安定していることから判定できる。

また、（２）は、酸素ポンピング量がセンサ素子１０の活性状態に依存することに着目し、素子温度を活性温度で一定化することにより酸素ポンピング量を所望量に保持するための条件である。例えば、素子温度が所定の素子活性温度よりも低温であれば、その影響で酸素ポンピング量が減り、逆に素子温度が所定の素子活性温度よりも高温であれば、その影響で酸素ポンピング量が増えると考えられる。なお、素子温度は、例えば周知のインピーダンス検出法を用いて求められるとよい。具体的には、所定の交流周波数でセンサ印加電圧又は印加電流を一時的に変化させ、それに応答して変化する素子電流又は素子起電力を検出する。そして、その素子電流又は素子起電力に基づいて素子インピーダンスを算出する。

（３）は、排気チャンバ１７内のガスと大気ダクト１８内のガスとの酸素濃度差が小さいとＺｒ割れ異常を検出しづらくなることに着目し、所定の酸素濃度差を確保することでＺｒ割れ異常の判定精度を高めるための条件である。

（４）は、排気温度が過高温又は過低温であると、センサ素子１０の温度に影響が及ぶことに着目し、素子温度を一定化することで酸素ポンピング量を所望量に保持するための条件である。これは上記（２）の条件と同様の減少に着目した条件である。なお、排気温度は、エンジン排気管に設けた排気センサを用いて検出するか、又はエンジン回転速度やエンジン負荷といったエンジン運転状態に基づいて推定するとよい。

（５）は、大気圧が変化すると、大気中の酸素濃度に影響が及ぶことに着目し、大気中の酸素濃度を一定に保つための条件である。例えば、大気圧が低くなると、酸素濃度の低下により酸素ポンピング量が減り、逆に大気圧が高くなると、酸素濃度の増加により酸素ポンピング量が増えると考えられる。

そして、ステップＳ２１，Ｓ２２が共にＹＥＳであればステップＳ２３に進み、ステップＳ２１，Ｓ２２のいずれかがＮＯであればそのまま本処理を終了する。その他に、異常判定の実施間隔を定めておいてもよく、前回の実施から所定時間（例えば１０分）が経過していることを条件に、異常判定の実施条件の成否を判定するようにしてもよい。

ステップＳ２３では、センサ素子１０の一対の電極１５，１６に負電圧を印加し、続くステップＳ２４では、負電圧の印加状態で流れる素子電流の値を取得する。この素子電流値の取得は所定の異常判定期間が経過するまでの間（すなわちステップＳ２５が肯定されるまでの間）、所定時間周期で繰り返し実施される。負電圧の値は、固体電解質層１１におけるブラックニング（黒化現象）の回避の観点からして、例えば−０．８Ｖ以上であるとよい。また、負電圧の印加時間は５００ｍｓｅｃ以下であるとよい。

そして、所定の異常判定期間が経過してステップＳ２５が肯定されると、ステップＳ２６に進む。ステップＳ２６では、センサ印加電圧を負電圧に切り替えて酸素ポンピングが開始された後における素子電流の変化速度（速度パラメータに相当）に基づいて、Ｚｒ割れ異常の有無を判定する。このとき具体的には、素子電流の変化速度が所定の判定値Ｋ１以上であるか否かを判定する。素子電流の変化速度は、時間の経過に伴う素子電流の変化の早さを示すパラメータであればよく、例えば所定時間ごとに取得される素子電流の時間微分値（変化の傾き）である。又は、酸素ポンピングの開始後において所定時間内の電流変化量でもよい。その電流変化量は、図５で言えば「Ｉａ２−Ｉａ１」、「Ｉｂ２−Ｉｂ１」である。

その他に、負電流として電流しきい値を定めておき、酸素ポンピングの開始後に負電流が収束値に収束する過程で素子電流が電流しきい値に到達するまでの所要時間を、素子電流の変化速度（速度パラメータ）としてもよい。この場合、素子電流の変化速度が大きいほど、素子電流が電流しきい値に到達するまでの所要時間が短くなる。

また、判定値Ｋ１は、正常品である場合の素子電流の変化速度を基準にして定められており、センサ素子１０が正常品であればステップＳ２６が否定され、Ｚｒ割れ品であればステップＳ２６が肯定される。

そして、ステップＳ２６がＹＥＳであれば、ステップＳ２７に進み、センサ素子１０にＺｒ割れ異常が生じていると判定する。この場合、図６及び図７の各異常判定処理によれば、Ａ／ＦセンサＡＳについて、拡散抵抗層１２の目詰まり異常、割れ異常、固体電解質層１１の割れ異常（Ｚｒ割れ異常）のいずれが生じているかの特定が可能となる。

なお、図７の処理においてＺｒ割れ異常が生じていると判定された場合に、正常品からの素子電流（負電流）の乖離量に基づいてストイキ補正値を算出し、そのストイキ補正値を用いてセンサ出力値の補正を実施するようにしてもよい。

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。

一対の電極１５，１６間に負電圧を印加して、固体電解質層１１を介しての酸素ポンピングを実施し、その際に生じる負電流に基づいて固体電解質層１１の割れ異常を判定する構成とした。この場合、固体電解質層１１の割れ異常が生じている異常時と、同割れ異常が生じていない正常時とでは、酸素ポンピングの開始後において負電流の変化速度に違いが生じる。そのため、それを利用することにより、固体電解質層１１の割れ異常を適正に判定することができる。

センサ素子１０の異常を判定する手段として、エンジンの燃料カット時には拡散抵抗層１２の目詰まり及び割れの異常を判定し、燃料カット以外の運転時（本実施形態ではストイキ運転時）には固体電解質層１１の割れ異常を判定する構成とした。したがって、これら各異常を各々区別しながら好適に特定できる。

以下、第１実施形態における変形例を説明する。

・マイコン２０（素子電流の検出部）においては、増幅回路３７から出力されるＡ／Ｆ出力電圧がＡＤ変換される際、あらかじめ定めた所定の電圧範囲（例えば０〜５Ｖ）で変換処理が行われ、その電圧範囲の上限値又は下限値を超える値は、上限値又は下限値での貼り付きとなる。この場合、負電圧の印加による酸素ポンピングが実施される際には、Ａ／Ｆ出力電圧が下限値に貼り付いた状態となり、その貼り付き時間は酸素ポンピング量に依存して変化する。図８で説明すると、正常品の場合は、素子電流が下限値Ｖｍｉｎに貼り付く貼り付き時間Ｔｈが比較的長くなるが、Ｚｒ割れ品の場合には、正常品に比べて貼り付き時間Ｔｈが短くなる（又は貼り付きが生じないことも考えられる）。そこで、マイコン２０は、酸素ポンピングが開始された後に、素子電流の検出値（Ａ／Ｆ出力電圧）がＡＤ電圧範囲の限界値（下限値Ｖｍｉｎ）に貼り付いた状態となる貼り付き時間を算出し、その貼り付き時間が所定時間未満である場合に、Ｚｒ割れ異常が生じていると判定する。

・センサ印加電圧ＶＰを負電圧に切り替える場合に、その負電圧を可変設定する構成としてもよい。この場合、センサ制御回路３０においては、図９に示すように、負電圧制御回路４１が新たに設けられており、印加電圧制御回路３５により印加電圧制御が行われるか、負電圧制御回路４１によって印加電圧制御が行われるかが、スイッチ回路４２によって切り替えられるようになっている。スイッチ回路４２がｓ１点側に切り替えられると、印加電圧制御回路３５により印加電圧制御が行われ、同スイッチ回路４２がｓ２点側に切り替えられると、負電圧制御回路４１によって印加電圧制御が行われる。負電圧制御回路４１とスイッチ回路４２にはそれぞれマイコン２０からの制御指令が入力される。

マイコン２０においては、ストイキ運転時以外にもＺｒ割れ異常を判定する構成とし（ただし燃料カット時以外）、負電圧を、都度の空燃比（排気の酸素濃度）に応じて可変設定する。具体的には、図７のステップＳ２３において、図１０の関係を用い、都度の空燃比に基づいて負電圧を設定する。図１０では、ストイキに対してリッチ側では負電圧を大きくし、リーン側では負電圧を小さくする。そして、その負電圧を一対の電極１５，１６間に印加して酸素ポンピングを実施する。

空燃比（排気の酸素濃度）が異なると、正常品及びＺｒ割れ品のそれぞれについて異常判定時の酸素ポンピング量が変化する。この点、空燃比に応じて負電圧の値を変更することにより、異常判定の精度を高めることができる。

その他に、センサ素子１０の温度（素子温度）に応じて、負電圧を可変に設定する構成であってもよい。この場合、素子温度が活性温度よりも低い場合には負電圧を大きくし、素子温度が活性温度よりも高い場合には負電圧を小さくするとよい。又は、大気圧に応じて、負電圧を可変に設定する構成であってもよい。この場合、大気圧が低い場合には負電圧を大きくし、大気圧が高い場合には負電圧を小さくするとよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について上記第１実施形態との相違点を主に説明する。本実施形態では、センサ素子１０の一対の電極１５，１６間に負電圧を印加することにより大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素ポンピングを行い、その状態下で負電流の変化に基づいて固体電解質層１１の割れ異常を判定する構成としたが、本実施形態ではこれを変更し、センサ素子１０の一対の電極１５，１６間に負電流を流すことにより大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素ポンピングを行い、その状態下でセンサ起電力に基づいて固体電解質層１１の割れ異常を判定する。

本実施形態におけるセンサ制御回路３０の構成を図１１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図１１（ａ），（ｂ）では、上記図１の構成との相違点として、センサ制御回路３０において電極１５，１６のいずれかに接続される電気経路上に定電流発生手段としての定電流回路を設け、その定電流回路によって、大気ダクト１８から排気チャンバ１７への酸素の供給を行わせることとしている。なお、図１１（ａ），（ｂ）では、上述した図１と共通の構成について同一の符号を付すとともに、共通構成の一部（マイコン２０等）を省略又は簡素化している。

図１１（ａ）において、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）にはスイッチ回路５１が接続されており、そのスイッチ回路５１がマイコン（図示略）からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作されるようになっている。かかる場合、通常はスイッチ回路５１がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／ＦセンサＡＳの通常制御が行われる。これに対して、同スイッチ回路５１がｓ２点接続とされると、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）に定電流回路５２が接続される。定電流回路５２は吸込み式の定電流回路であり、同定電流回路５２によって、センサ素子１０において電極１５（Ｓ−）から電極１６（Ｓ＋）への向きの負電流Ｉｎが流れることとなる。

また、図１１（ｂ）では、（ａ）との相違点として、センサ素子１０の負側端子（Ｓ−端子）にスイッチ回路５３と定電流回路５４とが設けられている。定電流回路５４は吐出し式の定電流回路であり、同定電流回路５４によって、センサ素子１０において電極１５（Ｓ−）から電極１６（Ｓ＋）への向きの負電流Ｉｎが流れることとなる。

負電流の印加による割れ異常の検出原理について具体的に説明する。図１２には、正常品とＺｒ割れ品とについてセンサ素子１０の略図を示している。また、図１３には、正常品とＺｒ割れ品とについて素子電流の時間変化と、一対の電極１５，１６間の電圧であるセンサ素子１０の端子間電圧の時間変化とを示している。なおここでは、ストイキ検出状態でセンサ印加電圧（正電圧）を遮断し、かつ素子電流を０ｍＡから所定の負電流に変更する場合を例示している。

まずは、正常品について説明する。正常品の場合、大気ダクト１８内は大気と同等の酸素濃度（２０．９％）に維持されている。そして、この状態で素子電流を０ｍＡから負電流に変更すると、大気ダクト１８側から排気チャンバ１７側に酸素がポンピングされる。これにより、端子間電圧として、一対の電極１５，１６間に負の起電力が生じる。そして、負電流の印加状態下で、徐々に起電力が負側に増加する。

この場合、素子電流を負電流に切り替えた直後には、起電力は「Ｖａ１」となり、電流切り替えから時間Ｔ２が経過した時点の起電力は「Ｖａ２」となる。つまり、過渡変化の期間であるＴ２において起電力はＶａ１からＶａ２に変化している。

次に、Ｚｒ割れ品について説明する。このＺｒ割れ品では、排気チャンバ１７と大気ダクト１８とが割れにより通じ、大気ダクト１８内に排気が流入することで大気ダクト１８内が大気よりも低い酸素濃度（２０．９％未満）になっている。そして、この状態で素子電流を０ｍＡから負電流に変更すると、大気ダクト１８側から排気チャンバ１７側への酸素ポンピングにより、端子間電圧として一対の電極１５，１６間に負の起電力が生じ、その後、徐々に起電力が負側に増加する。

この場合、素子電流を負電流に切り替えた直後には、起電力は「Ｖｂ１」となり、電流切り替えから時間Ｔ２が経過した時点の起電力は「Ｖｂ２」となる。つまり、過渡変化の期間であるＴ２において起電力はＶｂ１からＶｂ２に変化している。

正常品とＺｒ割れ品とを比べると、負電流切り替えの直後における起電力値は概ね同じであるものの、その後の起電力の変化が相違しており、正常品の起電力変化に対して、Ｚｒ割れ品の起電力変化は急変化となっている。そのため、｜Ｖａ２｜＜｜Ｖｂ２｜、（Ｖａ２−Ｖａ１）＜（Ｖｂ２−Ｖｂ１）となっている。

要するに、Ｚｒ割れ品では、大気ダクト１８内に排気が流入して大気ダクト１８内の酸素濃度が低くなっていることから、大気ダクト１８側から排気チャンバ１７側への酸素ポンピングを行う場合に、大気ダクト１８内の酸素の減りが早く、センサ起電力が大きくなっている。本実施形態では、センサ起電力の変化速度の違いに基づいて、センサ素子１０にＺｒ割れ異常が生じていることを判定する。

次に、固体電解質層１１の割れ異常（Ｚｒ割れ異常）の判定処理について説明する。図１４は、Ｚｒ割れ異常の判定処理の手順を示すフローチャートであり、本処理はマイコン２０により所定周期で繰り返し実施される。

図１４において、ステップＳ３１では、今現在、エンジンがストイキ運転状態であるか否かを判定し、続くステップＳ３２では、異常判定の実施条件が成立しているか否かを判定する。これらステップＳ３１，Ｓ３２の処理は、図７のステップＳ２１，Ｓ２２と同じ処理である。そして、ステップＳ３１，Ｓ３２が共にＹＥＳであればステップＳ３３に進み、ステップＳ３１，Ｓ３２のいずれかがＮＯであればそのまま本処理を終了する。

ステップＳ３３では、センサ素子１０の一対の電極１５，１６に負電流を印加し、続くステップＳ３４では、負電流の印加状態で生じるセンサ起電力の値を取得する。この起電力値の取得は所定の異常判定期間が経過するまでの間（すなわちステップＳ３５が肯定されるまでの間）、所定時間周期で繰り返し実施される。

そして、所定の異常判定期間が経過してステップＳ３５が肯定されると、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では、酸素ポンピングが開始された後におけるセンサ起電力の変化速度（速度パラメータに相当）に基づいて、Ｚｒ割れ異常の有無を判定する。このとき具体的には、センサ起電力の変化速度が所定の判定値Ｋ２以上であるか否かを判定する。センサ起電力の変化速度は、時間の経過に伴う起電力変化の早さを示すパラメータであればよく、例えば所定時間ごとに取得される起電力の時間微分値（変化の傾き）である。又は、酸素ポンピングの開始後において所定時間内の電圧変化量でもよい。その電圧変化量は、図１３で言えば「Ｖａ２−Ｖａ１」、「Ｖｂ２−Ｖｂ１」である。

その他に、負の起電力として電圧しきい値を定めておき、酸素ポンピングの開始後にセンサ起電力が電圧しきい値に到達するまでの所要時間を、センサ起電力の変化速度としてもよい。この場合、センサ起電力の変化速度が大きいほど、センサ起電力が電圧しきい値に到達するまでの所要時間が短くなる。

また、判定値Ｋ２は、正常品である場合のセンサ起電力の変化速度を基準にして定められており、センサ素子１０が正常品であればステップＳ３６が否定され、Ｚｒ割れ品であればステップＳ３６が肯定される。

そして、ステップＳ３６がＹＥＳであれば、ステップＳ３７に進み、センサ素子１０にＺｒ割れ異常が生じていると判定する。

以上第２実施形態においても、上記第１実施形態と同様に、固体電解質層１１の割れ異常を適正に判定することができる。この場合、固体電解質層１１の割れ異常が生じている異常時と、同割れ異常が生じていない正常時とでは、酸素ポンピングの開始後においてセンサ起電力の変化速度に違いが生じるため、それを利用することにより、固体電解質層１１の割れ異常を適正に判定することができる。

上記のとおり一対の電極１５，１６間に負電流を流すことにより酸素ポンピングを行う構成において、その負電流を可変設定する構成としてもよい。この場合、空燃比や素子温度、大気圧に応じて負電流を可変に設定するとよい。

（第３実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、センサ素子１０に電圧を印加するための電源として交流電源を用いる構成としている。図１５は、本実施形態におけるセンサ制御回路の電気的構成を示す回路図である。

図１５に示すように、センサ素子１０の正側端子（Ｓ＋端子）には印加電圧制御回路６１が接続されている。印加電圧制御回路６１は、２つの電源回路６２，６３と、その２つの電源回路６２，６３を切り替えるスイッチ回路６４と、スイッチ回路６４の一端に接続された非反転増幅回路６５とを備えている。非反転増幅回路６５は、オペアンプ６５ａと、その反転入力端子（−入力端子）に接続された帰還抵抗６５ｂとを有している。また、電源回路６２，６３に含まれる各抵抗が非反転増幅回路６５の入力抵抗となっている。帰還抵抗６５ｂに並列にコンデンサ６５ｃが接続されている。つまり本構成では、非反転増幅回路６５に一体で、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、センサ素子１０の負側端子（Ｓ−端子）には、交流電源回路６７、バッファ６８及び電流検出抵抗６９が直列に接続されている。交流電源回路６７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６７によってセンサ素子１０に交流電圧が印加される。交流電源回路６７は、インピーダンス検出のための電圧印加部に相当し、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。

電流検出抵抗６９は、交流電源回路６７とセンサ素子１０との間の電流経路上に設けられており、センサ素子１０とは逆側の端子が基準電圧（交流電源回路６７の交流電圧の中心電圧）とされている。そして、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０の負側端子との中間点Ａで素子電流が計測される。

また、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０の負側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ＬＰＦ７０が接続され、さらに同ＬＰＦ７０は、非反転増幅回路６５のオペアンプ６５ａ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、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０との間の中間点電圧（すなわち、電流検出抵抗６９及びセンサ素子１０による分圧電圧）が、ＬＰＦ７０を介して印加電圧制御回路６１の非反転増幅回路６５に入力される。なお、ＬＰＦ７０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６１において、一方の電源回路６２はＡ／Ｆ検出のための電圧印加部に相当し、他方の電源回路６３は負電圧制御のための電圧印加部に相当する。また、スイッチ回路６４は、マイコン７８からの制御指令（切替制御信号）に応じて切替操作される。かかる場合、通常はスイッチ回路６４がｓ１点接続とされ、その状態でＡ／Ｆセンサの通常制御が行われる。このとき、非反転増幅回路６５のオペアンプ６５ａに対して電源回路６２から電源電圧が入力され、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が例えば２．６Ｖ固定とされる。これに対し、同スイッチ回路６４がｓ２点接続とされると、非反転増幅回路６５のオペアンプ６５ａに対して電源回路６３から電源電圧が入力され、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が例えば１．７Ｖ固定とされる。

スイッチ回路６４がｓ１点接続とされ、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が２．６Ｖ固定とされる場合、センサ素子１０に正電圧が印加される。これに対し、スイッチ回路６４がｓ２点接続とされ、非反転増幅回路６５の出力電圧（図のＢ点電圧）が１．７Ｖ固定とされる場合、センサ素子１０に負電圧が印加される。

一方、電流検出抵抗６９とセンサ素子１０の負側端子との間の中間点Ａには、その中間点電圧（すなわち、電流検出抵抗６９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つの信号出力部が設けられている。一方は、素子電流相当のＡ／Ｆ検出信号を出力するためのＡ／Ｆ信号出力部７１であり、他方は、インピーダンス検出信号を出力するためのインピーダンス信号出力部７２である。Ａ／Ｆ信号出力部７１は、オペアンプ７３とＬＰＦ部７４とを一体に設けた非反転増幅回路により構成されている。Ａ／Ｆ信号出力部７１においてオペアンプ７３の非反転入力端子（＋入力端子）には、ＬＰＦ７０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ＬＰＦ７０により除去される。また、インピーダンス信号出力部７２は、ＨＰＦ７５とピークホールド回路７６とから構成されている。ピークホールド回路７６には信号増幅部が一体に設けられている。Ａ／Ｆ信号出力部７１から出力されるＡ／Ｆ検出信号と、インピーダンス信号出力部７２から出力されるインピーダンス検出信号とは共にマイコン７８に入力される。

上記構成のセンサ制御回路において、Ｚｒ割れ異常の判定時には、スイッチ回路６４がｓ２点接続とされ、印加電圧制御回路６１によって、電源回路６３を電源とすることによって生じる負電圧がセンサ素子１０に印加される。これにより、大気ダクト１８から排気チャンバ１７に対して強制的に酸素が供給される。そして、所定の負電圧制御終了タイミングとなることで、スイッチ回路６４がｓ２点接続からｓ１点接続に切り替えられ、負電圧制御から通常制御に切り替えられる。

以上第３の実施形態においても、前記各実施形態と同様に、固体電解質層１１の割れ異常を適正に判定することができる。交流電源を用いる構成において、センサ制御回路に定電流回路を設け、その定電流回路により生じる所定電流（負電流）により酸素ポンピングを行うようにしてもよい。この場合、第２の実施形態と同様に、酸素ポンピングの開始後においてセンサ起電力の変化速度に違いが生じるため、それを利用することにより、固体電解質層１１の割れ異常を適正に判定することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態を例えば次のように変更してもよい。

・Ｚｒ割れ異常の判定処理（図７、図１４）において、酸素ポンピングを実施する際の空燃比（排気の酸素濃度の値）を取得し、その空燃比に基づいて、固体電解質層１１の割れ異常を判定する判定値を可変に設定する構成としてもよい。つまり、空燃比が異なると、Ｚｒ割れ品について異常判定時の酸素ポンピング量が変化する。この場合、空燃比がリッチであると、大気ダクト１８内の酸素濃度の低下が比較的大きく、空燃比がリーンであると、大気ダクト１８内の酸素濃度の低下が比較的小さくなる。これを図１６のタイムチャートに示す。図１６では、正常品の負電流の変化を実線で、Ｚｒ割れ品においてリッチ空燃比である場合の負電流の変化を二点鎖線で、Ｚｒ割れ品においてリーン空燃比である場合の負電流の変化を一点鎖線で、それぞれ示している。また、電圧切り替えから時間Ｔ１が経過した時点の負電流を、それぞれＩｃ１，Ｉｃ２，Ｉｃ３としている（｜Ｉｃ２｜＜｜Ｉｃ３｜＜｜Ｉｃ１｜）。

図１６において、Ｚｒ割れ品についてリッチ空燃比の時の負電流の変化と、リーン空燃比の時の負電流の変化とを比べると、前者の方が負電流の変化速度が大きい。つまり、リッチ空燃比の方が負電流が流れにくくなっている。この場合、リッチ空燃比の状態でＺｒ割れ品を検出するには、異常判定のための判定値を、Ｉｃ２〜Ｉｃ３の間に設定するのが望ましく、リーン空燃比の状態でＺｒ割れ品を検出するには、異常判定のための判定値を、Ｉｃ３〜Ｉｃ１の間に設定するのが望ましいと言える。具体的には、図１７の関係を用いて判定値を設定するとよい。図１７では、ストイキに対してリッチ側では判定値を大きくし、リーン側では判定値を小さくしている。

本構成によれば、都度の空燃比（排気の酸素濃度）に応じて、異常判定のための判定値を変更することにより、異常判定の精度を高めることができる。また、異常判定の実施がストイキ運転時に限られないため、異常判定の実施の機会を増やすことができる。

・また、大気中の酸素濃度が変わると、酸素ポンピング量が変わることから、大気圧に応じて判定値を可変に設定することも可能である。大気圧が低いと、図１６にリッチ空燃比の場合として示すように、大気ダクト１８内の酸素濃度の低下が比較的大きくなる。そこでこれを加味して判定値を可変に設定するとよい。

・同じくＺｒ割れ異常の判定処理（図７、図１４）において、酸素ポンピングを実施する際のセンサ素子１０の温度（素子インピーダンス）を取得し、その素子温度に基づいて、固体電解質層１１の割れ異常を判定する判定値を可変に設定する構成としてもよい。つまり、素子温度が異なると、センサ素子１０の活性状態が変わることから、Ｚｒ割れ品について異常判定時の酸素ポンピング量が変化する。この場合、素子温度が低温であるほど、酸素ポンピング量が少なくなると考えられる。そこで、図１８に示すように、素子温度が低いと判定値を大きくし、素子温度が高いと判定値を小さくしている。

本構成によれば、都度の素子温度（素子インピーダンス）に応じて、異常判定のための判定値を変更することにより、異常判定の精度を高めることができる。また、異常判定の実施が素子活性温度である場合だけに限られないため、異常判定の実施の機会を増やすことができる。

・Ｚｒ割れ異常の判定処理（図７、図１４）において、酸素ポンピングの開始に伴い生じる一対の電極１５，１６間の負電流に基づいて、固体電解質層１１の割れ異常の有無に加え、その異常の程度を特定する構成としてもよい（ステップＳ２７）。又は、酸素ポンピングの開始に伴い生じるセンサ起電力に基づいて、固体電解質層１１の割れ異常の有無に加え、その異常の程度を特定する構成としてもよい（ステップＳ３７）。

要するに、固体電解質層１１の割れ異常の程度が異なると、大気ダクト１８内の酸素濃度の低下具合が変わり、異常判定時における酸素ポンピング量にも影響が及ぶ。例えば、固体電解質層１１の割れ目が大きいほど、大気ダクト１８内の酸素濃度の低下量が大きく、酸素ポンピング量が少なくなる。この場合、異常の程度が素子電流の変化速度やセンサ起電力の変化速度に反映されることから、固体電解質層１１の割れ異常の発生時においてセンサ出力値の補正により対処可能であるのか、故障発生としてセンサ出力値を使用不可とするのか等の判断が可能となる。

・Ａ／ＦセンサＡＳ以外に、排気中の酸素濃度に応じて起電力出力を変化させる、いわゆるＯ2センサにも本発明の適用が可能である。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ガソリンエンジン以外に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を対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

１０…センサ素子、１１…固体電解質層、１２…拡散抵抗層（拡散層）、１５…電極（第１電極）、１６…電極（第２電極）、１８…大気ダクト（大気室）、２０…マイコン（酸素供給手段、異常判定手段）３０…センサ制御回路（ガスセンサ制御装置）、ＡＳ…Ａ／Ｆセンサ。

Claims (6)

1. 固体電解質層（１１）及びそれを挟む一対の電極（１５，１６）を有し、前記一対の電極のうち一方を内燃機関の排気が導かれる第１電極（１５）、他方を大気室（１８）に設けられる第２電極（１６）とするセンサ素子（１０）を備え、排気中の酸素濃度に応じてセンサ出力を生じさせるガスセンサ（ＡＳ）を制御対象とするガスセンサ制御装置であり、
   前記一対の電極間に所定電圧又は所定電流を印加して、前記固体電解質層を介して前記第２電極側から前記第１電極側に酸素を供給する酸素供給手段（２０）と、
   前記酸素供給手段により前記酸素供給が開始された後に、その酸素供給の開始に伴い生じる前記一対の電極間の電流又は起電力の変化速度を示す速度パラメータを算出し、その速度パラメータに基づいて前記固体電解質層の割れ異常を判定する異常判定手段（２０）と、
   前記一対の電極間に流れる電流を、所定の電圧範囲内で検出する検出部（２０）と、
   を備え、
   前記酸素供給手段は、前記一対の電極間に所定電圧を印加して、前記第２電極側から前記第１電極側への酸素供給を実施するものであり、
   前記異常判定手段は、前記速度パラメータとして、前記検出部による電流の検出値が前記電圧範囲の限界値に貼り付いた状態となる貼り付き時間を算出し、その貼り付き時間が所定時間未満である場合に、前記固体電解質層の割れ異常が生じていると判定することを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記酸素供給手段により酸素供給を実施する際の前記排気の酸素濃度の値を取得する酸素濃度取得手段と、
   前記酸素濃度取得手段により取得された酸素濃度の値に基づいて、前記酸素供給手段において前記一対の電極間に印加される前記所定電圧又は前記所定電流を可変に設定する設定手段と、
   を備える請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記酸素供給手段により酸素供給を実施する際の前記排気の酸素濃度の値を取得する酸素濃度取得手段と、
   前記酸素濃度取得手段により取得された酸素濃度の値に基づいて、前記異常判定手段において前記固体電解質層の割れ異常を判定する判定しきい値を可変に設定する設定手段と、
   を備える請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記酸素供給手段により酸素供給を実施する際の前記センサ素子の温度を取得する素子温度取得手段と、
   前記素子温度取得手段により取得された素子温度に基づいて、前記異常判定手段において前記固体電解質層の割れ異常を判定する判定しきい値を可変に設定する設定手段と、
   を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記異常判定手段は、前記酸素供給手段による前記酸素供給の開始に伴い生じる前記一対の電極間の電流又は起電力に基づいて、前記固体電解質層の割れ異常の有無に加え、その異常の程度を特定する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記センサ素子は、前記第１電極に対して排気を導く経路として拡散層（１２）を有しており、
   前記拡散層の異常を判定する手段を第１判定手段、前記固体電解質層の割れ異常を判定する前記異常判定手段を第２判定手段として備えており、
   前記第１判定手段は、前記内燃機関において燃料カットが実施されている場合に、前記ガスセンサのセンサ出力に基づいて前記拡散層の異常を判定し、
   前記第２判定手段は、前記内燃機関が燃料カット以外の運転状態である場合に、前記酸素供給により生じる前記一対の電極間の電流又は起電力に基づいて前記固体電解質層の割れ異常を判定する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。

Images