JP6362643B2 - 空燃比センサの制御装置および異常検出方法 - Google Patents

空燃比センサの制御装置および異常検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、空燃比センサの制御装置および異常検出方法に関する。
車両の燃費向上などを目的として、内燃機関から排出される排気ガス中の空気と燃料の比である空燃比を目標空燃比に近づけるフィードバック制御が広く知られており、かかる空燃比は、空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）によって検出される。
空燃比センサとして、ポンプセルと検出セルを有するガスセンサ素子と、かかるガスセンサ素子を制御する制御装置とを備える空燃比センサが知られている。かかる空燃比センサでは、ポンプセルと検出セルとの間がショートする等の異常が生じると、空燃比を正確に検出することが困難になる。そこで、ポンプセルと検出セルとの間がショートする異常が生じたことを検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２９１９９１号公報
しかしながら、上記従来技術では、ポンプセルと検出セルとの間がショートする異常を精度よく検出することができないおそれがある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ポンプセルと検出セルとの間がショートする異常を精度よく検出することができる空燃比センサの制御装置および異常検出方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る空燃比センサの制御装置は、ガス検出室への酸素の汲み入れおよび汲み出しを行うポンプセルと前記ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セルとを備えるガスセンサ素子を有する空燃比センサの制御装置である。かかる制御装置は、電流供給部と、掃引処理部と、異常検出部とを備える。前記電流供給部は、前記ポンプセルに接続された第１端子を介して前記ポンプセルを制御する電流を前記ポンプセルへ供給する。前記掃引処理部は、前記検出セルに接続された第２端子を介して前記検出セルに所定電圧または所定電流を印加して、前記検出セルの電圧および電流を変化させる掃引処理を行う。前記異常検出部は、前記掃引処理によって生じる前記第１端子の電圧または電流の変動に基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を検出する。
実施形態の一態様の空燃比センサの制御装置および異常検出方法によれば、ポンプセルと検出セルとの間がショートする異常を精度よく検出することができる。
図１は、実施形態に係る空燃比センサの構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示す空燃比センサの第１構成例を示す図である。 図３は、ガスセンサ素子の構成の一例を示す図である。 図４は、正常状態からポンプセルと検出セルとの間でショートが発生した場合の掃引用電流とＩＰ電圧との状態変化を示す図である。 図５は、ＩＰ電流の変化量の検出処理についての説明図である。 図６は、図１に示す空燃比センサの第２構成例を示す図である。 図７は、制御装置が実行する第１の異常検出手順を示すフローチャートである。 図８は、制御装置が実行する第２の異常検出手順を示すフローチャートである。
以下に、本発明にかかる空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）の制御装置および異常検出方法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、かかる実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
［１．空燃比センサの構成］
図１は、本発明の実施形態に係る空燃比センサの構成の一例を示す図である。図１に示すように、空燃比センサ１００は、ガスセンサ素子１と、ヒータ２と、制御装置３とを備え、例えば、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）を検出する。
ガスセンサ素子１は、不図示のガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを行うポンプセル４と、ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セル５とを備える。ガスセンサ素子１には制御装置３によって制御されるヒータ２が取り付けられており、かかるヒータ２によってガスセンサ素子１が加熱される。
制御装置３は、ＩＰ端子Ｔｉｐ（第１端子の一例）と、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍと、ＶＳ端子Ｔｖｓ（第２端子の一例）と、電圧制御部１０と、状態検出部１１、１９と、フィードバック制御部１２と、電流供給部１３と、電流検出部１４と、空燃比演算部１５と、掃引処理部１６と、アドミタンス検出部１７と、ヒータ制御部１８と、異常検出部２０とを備える。
電圧制御部１０は、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍの電圧Ｖｃｏｍ（以下、ＣＯＭ電圧Ｖｃｏｍと記載する）が一定電圧になるように電圧を出力する。状態検出部１１は、ＶＳ端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓの瞬時値（以下、ＶＳ電圧Ｖｓと記載する）およびＶＳ端子Ｔｖｓの電流Ｉｓの瞬時値（以下、ＶＳ電流Ｉｓと記載する）を検出する。
フィードバック制御部１２は、ＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１３へ出力するフィードバック制御を行う。電流供給部１３は、制御電圧Ｖｃｎｔに応じた電流をＩＰ端子Ｔｉｐからガスセンサ素子１のポンプセル４へ供給し、ポンプセル４による不図示のガス検出室への酸素の汲み入れや汲み出しを制御する。
電流検出部１４は、ＩＰ端子ＴｉｐとＣＯＭ端子Ｔｃｏｍとの間に流れる電流Ｉｐの瞬時値（以下、ＩＰ電流ＩＰと記載する）を検出する。空燃比演算部１５は、ＩＰ電流ＩＰに基づいて空燃比（以下、Ａ／Ｆ値と記載する場合がある）を演算する。
掃引処理部１６は、検出セル５の電圧および電流を変化させるために、定電流Ｉｍ（以下、掃引用電流Ｉｍと記載する）または定電圧Ｖｍ（以下、掃引用電圧Ｖｍと記載する）をＶＳ端子Ｔｖｓから検出セル５へ印加する掃引処理を行う。
アドミタンス検出部１７は、状態検出部１１から出力されるＶＳ電圧ＶｓまたはＩＰ電流Ｉｐに基づき、掃引用電流Ｉｍまたは掃引用電圧Ｖｍの検出セル５への印加によって生じるＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶ１またはＶＳ電流Ｉｓの変化量ΔＩ１を求める。そして、アドミタンス検出部１７は、変化量ΔＶ１または変化量ΔＩ１に基づいて、検出セル５のアドミタンスの値（以下、アドミタンスＹ）を検出する。
ヒータ制御部１８は、アドミタンスＹに応じてヒータ２へ供給する電力量を制御して、ガスセンサ素子１を活性化状態にする。状態検出部１９は、ＩＰ端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐの瞬時値（以下、ＩＰ電圧Ｖｐと記載する）または電流Ｉｐの瞬時値（以下、ＩＰ電流Ｉｐと記載する）を検出する。
異常検出部２０は、掃引処理、すなわち、掃引用電流Ｉｍまたは掃引用電圧Ｖｍの検出セル５への印加によって生じるＩＰ電圧ＶｐまたはＩＰ電流Ｉｐの変動に基づいて、ＩＰ端子ＴｉｐとＶＳ端子Ｔｖｓとの間（以下、ＩＰ−ＶＳ間と記載する）がショートしているか否かを判定する。
例えば、異常検出部２０は、掃引処理によって生じるＩＰ電圧ＶｐまたはＩＰ電流Ｉｐの変動が所定以上である場合、ＩＰ−ＶＳ間がショートしていると判定する。これにより、ポンプセル４と検出セル５との間がショートする異常を精度よく検出することができる。
また、異常検出部２０は、掃引処理によって生じるＩＰ電圧ＶｐまたはＩＰ電流Ｉｐの変動に加え、掃引処理によって生じるＶＳ電圧ＶｓまたはＶＳ電流Ｉｓの変動に基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定することもできる。これにより、ポンプセル４と検出セル５との間がショートする異常をさらに精度よく検出することができる。
［２．空燃比センサ１００の第１構成例］
次に、図１に示す空燃比センサ１００の第１構成の一例について説明する。図２は、図１に示す空燃比センサ１００の第１構成例を示す図であり、図３は、ガスセンサ素子１の具体的構成例を示す図である。なお、空燃比センサ１００の制御装置３は、例えば、車両に設けられたＥＣＵ(Electronic Control Unit)内に設けられ、また、ガスセンサ素子１は、例えば、車両の内燃機関の排気管に配置される。
［２．１．ガスセンサ素子１の構成例］
まず、図３を参照してガスセンサ素子１の構成の一例について説明する。ガスセンサ素子１は、例えば、全領域空燃比ガスセンサ素子であり、図３に示すように、固体電解質体８１、絶縁基体８５、固体電解質体８７、８９を順に積層した構成を有する。
固体電解質体８１、８７、８９は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体であり、例えば、ジルコニア（ＺｒＯ２）にイットリア（Ｙ２Ｏ３）を添加して構成される。絶縁基体８５は、例えば、アルミナなどによって構成される。
絶縁基体８５にはガス検出室９０が形成され、かかるガス検出室９０の両端には、ガス検出室９０への排気ガスの流入量を規制する多孔質状の拡散律速部８４が設けられる。
ポンプセル４は、固体電解質体８１と、当該固体電解質体８１の両面に多孔質の白金などにより形成された電極８２、８３とを備え、電極８２、８３間に供給される電流の大きさおよび方向に応じてガス検出室９０への酸素の汲み入れや汲み出しを行う。電極８２は、例えば、多孔質性の保護層８０によって保護される。
検出セル５は、固体電解質体８７と、当該固体電解質体８７の両面に多孔質の白金などにより形成された電極８６、８８とを備える。電極８６、８８間に定電流Ｉｃｐが供給されることにより、ガス検出室９０の酸素濃度に応じた起電力が電極８６、８８間に発生する。
なお、図２に示すように、ガスセンサ素子１にはヒータ２が取り付けられており、かかるヒータ２の加熱によってガスセンサ素子１が活性化される。ヒータ２は、例えば、セラミックヒータであり、内部にヒータ配線が設けられる。
［２．２．制御装置３の構成例］
次に、図２に示す制御装置３の構成例について説明する。制御装置３は、例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現される。なお、制御装置３は、演算処理の一部または全部をＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実行する構成であってもよい。
制御装置３は、上述したように、ＩＰ端子Ｔｉｐと、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍと、ＶＳ端子Ｔｖｓと、電圧制御部１０と、状態検出部１１、１９と、フィードバック制御部１２と、電流供給部１３と、電流検出部１４と、空燃比演算部１５と、掃引処理部１６と、アドミタンス検出部１７と、ヒータ制御部１８と、異常検出部２０とを備える。
ＩＰ端子Ｔｉｐは、ポンプセル４の一端に接続され、ＣＯＭ端子Ｔｃｏｍは、ポンプセル４の他端と検出セル５の一端とに共通に接続され、ＶＳ端子Ｔｖｓは、検出セル５の他端に接続される。
［２．２．１．電圧制御部１０］
電圧制御部１０は、ガスセンサ素子１の端子Ｔ２の電圧が一定電圧Ｖａ（例えば、３．３［Ｖ］）になるように電圧を出力する。かかる電圧制御部１０は、オペアンプＯＰ１と、抵抗Ｒ１〜Ｒ３とを備え、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との接続点が一定電圧Ｖａになるように動作し、抵抗Ｒ１を介してＣＯＭ端子Ｔｃｏｍへ一定電圧Ｖａを供給する。なお、抵抗Ｒ１の電圧降下は無視できる程度に小さい。
［２．２．２．状態検出部１１］
状態検出部１１は、定電流源４０と、ボルテージフォロア４１とを備え、電圧検出部として機能する。定電流源４０は、検出セル５に定電流Ｉｃｐを流す。ボルテージフォロア４１は、ＶＳ電圧Ｖｓを検出し、かかるＶＳ電圧Ｖｓをフィードバック制御部１２、アドミタンス検出部１７および異常検出部２０へ出力する。
［２．２．３．フィードバック制御部１２］
フィードバック制御部１２は、状態検出部１１によって検出されるＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを生成し、かかる制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１３へ出力する。
フィードバック制御部１２は、スイッチ５０と、コンデンサ５１と、ＰＩＤ制御部５２とを備える。スイッチ５０は、状態検出部１１とＰＩＤ制御部５２との間に接続され、コンデンサ５１は、スイッチ５０とＰＩＤ制御部５２との接続点とグランドＧＮＤとの間に接続される。
スイッチ５０は、ＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを生成する際には、オンになる。ＰＩＤ制御部５２は、スイッチ５０がオンの場合、ＰＩＤ（比例積分微分）を行って、ＶＳ電圧Ｖｓと予め定められた基準電圧値Ｖｒｅｆとの差がゼロまたは低減するようにＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを生成する。
これにより、フィードバック制御部１２は、ＶＳ電圧Ｖｓと基準電圧値Ｖｒｅｆとの差に応じた制御電圧Ｖｃｎｔを電流供給部１３へ出力することができる。なお、ＰＩＤ制御部５２に代えて、例えば、ＶＳ電圧Ｖｓと基準電圧値Ｖｒｅｆとの差がゼロまたは低減するようにＰＩ（比例積分）制御を行うＰＩ制御部を設けてもよい。
一方、スイッチ５０は、掃引処理部１６による掃引処理（掃引用電流Ｉｍが検出セル５へ印加される処理）の間、オフになる。ＰＩＤ制御部５２は、スイッチ５０がオフの場合、コンデンサ５１の電圧は、スイッチ５０がオフになる直前のＶＳ電圧Ｖｓに応じた電圧になる。
そのため、フィードバック制御部１２は、スイッチ５０がオフになる直前のＶＳ電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔを出力し、制御電圧Ｖｃｎｔはスイッチ５０がオフになる直前から変化しない。これにより、ＶＳ電圧Ｖｓの変化に応じたフィードバック制御が停止される。なお、フィードバック制御部１２は、掃引処理の間にＶＳ電圧Ｖｓの変化に応じたフィードバック制御が停止される構成であればよく、図２に示す構成に限定されない。
［２．２．４．電流供給部１３］
電流供給部１３は、抵抗Ｒ４〜Ｒ８と、オペアンプＯＰ２とを備え、フィードバック制御部１２から出力される制御電圧Ｖｃｎｔと基準電圧Ｖｂとの差に応じた方向および大きさの電流ＩｐをＩＰ端子Ｔｉｐからガスセンサ素子１のポンプセル４へ供給する。なお、電流供給部１３は図２に示す回路に限定されるものではなく、フィードバック制御部１２の制御に応じた電流Ｉｐを端子Ｔ１へ供給することができる構成であればよい。
［２．２．５．電流検出部１４］
電流検出部１４は、オペアンプＯＰ１の出力と一定電圧Ｖａとの差から抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖｒ２の値を検出し、かかる両端電圧Ｖｒ２の値からＩＰ電流ＩＰ（＝Ｖｒ２／Ｒ２）を検出する。電流検出部１４は、ＩＰ電流ＩＰを検出する構成であればよく、図２に示す構成に限定されない。
また、図２に示していないが、制御装置３には定電流源４０と共に定電流Ｉｃｐを流すための定電流源がＣＯＭ端子Ｔｃｏｍに設けられており、定電流Ｉｃｐは電流検出部１４によって検出されるＩＰ電流ＩＰには含まれない。
［２．２．６．空燃比演算部１５］
空燃比演算部１５は、電流検出部１４によって検出されたＩＰ電流ＩＰに基づいて空燃比（Ａ／Ｆ値）を演算する。
［２．２．７．掃引処理部１６］
掃引処理部１６は、定電流の掃引用電流Ｉｍを定電流源４２からＶＳ端子Ｔｖｓを介して検出セル５に印加する。かかる掃引処理部１６は、定電流源４２とスイッチ４３とを備える。
定電流源４２とスイッチ４３は、ＶＳ端子ＴｖｓとグランドＧＮＤとの間に直列に接続されて配置される。スイッチ４３は、断続的にオン（例えば、所定期間ＴＡ毎に所定期間ＴＢの間だけオン）になり、掃引用電流Ｉｍが定電流源４２から検出セル５へ断続的に印加される。
［２．２．８．アドミタンス検出部１７］
アドミタンス検出部１７は、状態検出部１１によって検出されたＶＳ電圧Ｖｓに基づいて、検出セル５のアドミタンスＹを検出する。
例えば、アドミタンス検出部１７は、掃引用電流Ｉｍの検出セル５への印加によって生じるＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶ１に基づいて、アドミタンスＹ（＝Ｉｍ／ΔＶ１）を検出することができる。なお、アドミタンス検出部１７は、アドミタンスＹに代えて、アドミタンスＹに対応する値（例えば、検出セル５のインピーダンスＺ）を検出することもできる。
［２．２．９．ヒータ制御部１８］
ヒータ制御部１８は、ガスセンサ素子１に設けられたヒータ２のヒータ配線に接続され、バッテリーＢＡＴからヒータ２へ供給する電力量を制御する。これによりヒータ２の温度が制御される。かかるヒータ制御部１８は、駆動部４６と、スイッチング素子４７とを備える。
駆動部４６は、ヒータ２へ供給する電力量に応じたデューティ比Ｄの駆動信号を生成し、スイッチング素子４７へ出力する。これにより、駆動信号のデューティ比Ｄに応じてスイッチング素子４７がオン／オフされてヒータ２にバッテリーＢＡＴからデューティ比Ｄに応じた電力が供給される。
かかる駆動部４６は、アドミタンス検出部１７によって検出されたアドミタンスＹが所定値になるように、デューティ比Ｄを調整する。例えば、駆動部４６は、アドミタンスＹが基準値Ｙｔｈになるように、例えば、ＰＩ（比例積分）制御やＰＩＤ（比例積分微分）制御によって、アドミタンスＹと基準値Ｙｔｈとの偏差がゼロまたは低減するようにデューティ比Ｄを調整する。これにより、ガスセンサ素子１を活性化させ、かつ、ガスセンサ素子１を活性化した状態に維持することができる。
［２．２．１０．状態検出部１９］
状態検出部１９は、ボルテージフォロア４８を備え、電圧検出部として機能する。ボルテージフォロア４８は、ＩＰ電圧Ｖｐを検出し、かかるＩＰ電圧Ｖｐを異常検出部２０へ出力（通知）する。
［２．２．１１．異常検出部２０］
図２に示す異常検出部２０は、掃引用電流Ｉｍの印加によって生じるＩＰ電圧Ｖｐの変動などを検出し、かかるＩＰ電圧Ｖｐの変動に基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショート状態であるか否かを検出する。
ここで、ＩＰ−ＶＳ間がショートした場合を考える。ＩＰ−ＶＳ間がショートした場合、アドミタンス検出部１７で検出されるアドミタンスＹの値が急激に増加するが、ヒータ制御部１８は、アドミタンス検出部１７で検出されるアドミタンスＹが所定値になるようにヒータ２を制御する。そのため、アドミタンスＹが急激に増加しても、その後、アドミタンスＹは所定値になるようにヒータ制御部１８によってヒータ２が制御される。
したがって、アドミタンスＹが急激に増加するタイミングを検出して、ＩＰ−ＶＳ間がショートしたことを検出する異常検出部を設けることが考えられる。しかしながら、アドミタンスＹが急激に増加するタイミングを精度よく検出しようとすると、アドミタンスＹを検出する処理の周期やアドミタンスＹの変化を検出する処理の周期が短くなり、アドミタンス検出部１７や異常検出部２０の処理負荷が大きくなる。
ところで、ＩＰ−ＶＳ間がショートしている状態で、掃引用電流Ｉｍが検出セル５に印加された場合、ＩＰ電圧ＶｐがＶＳ電圧Ｖｓの変化に伴って変化し、ＩＰ電流ＩｐがＶＳ電流Ｉｓの変化に伴って変化する。すなわち、ＩＰ−ＶＳ間がショートしている状態としていない状態とで、掃引用電流Ｉｍが検出セル５へ印加された場合のＩＰ電圧ＶｐやＩＰ電流Ｉｐの挙動が異なる。
図４は、正常状態からＩＰ−ＶＳ間のショートが発生した場合の掃引用電流ＩｍとＩＰ電圧Ｖｐとの状態変化を示す図である。図４に示すように、掃引用電流Ｉｍは、所定期間ＴＡ毎の所定期間ＴＢにおいて掃引処理部１６からＶＳ端子Ｔｖｓを介して検出セル５へ印加される。なお、正常状態において、空燃比の状態は、リッチ、リーンおよびストイキの間で変化するが、図４に示す例では、正常状態において、空燃比の状態がストイキであることを示している。
掃引用電流Ｉｍが検出セル５に供給されている間、上述したように、ＶＳ電圧Ｖｓの変化に応じたフィードバック制御が停止されるため、制御電圧Ｖｃｎｔが変動しない。したがって、ＩＰ−ＶＳ間のショートが発生していない正常状態において、ＩＰ電圧Ｖｐは一定電圧になる。一方、ＩＰ−ＶＳ間のショートが発生した場合、ＩＰ端子ＴｉｐとＶＳ端子Ｔｖｓとが低抵抗で接続されるため、図４に示すように、ＩＰ電圧ＶｐがＶＳ電圧Ｖｓと同一またはＶＳ電圧Ｖｓに対応する電圧になる。
そこで、異常検出部２０は、上述したように、掃引用電流Ｉｍの検出セル５への印加、すなわち、掃引処理によって生じるＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐに基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定する。これにより、処理負荷を低減しつつ、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常を精度よく検出することができる。
なお、図４に示す例では、ＩＰ−ＶＳ間のショートが発生している状態において、ＩＰ電圧Ｖｐはリーン側の電圧となっているが、異常検出部２０は、ＩＰ電圧Ｖｐそのものではなく、ＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐに基づいてＩＰ−ＶＳ間のショート異常を検出する。そのため、異常検出部２０は、ＩＰ電圧Ｖｐがリーン側かリッチ側かに関わらず、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常を精度よく検出することができる。
図５は、変化量ΔＶｐの検出処理についての説明図である。異常検出部２０は、掃引処理前（時刻ｔ１）のＩＰ電圧Ｖｐと掃引処理時（時刻ｔ２、ｔ３またはｔ４）のＩＰ電圧Ｖｐとの差を変化量ΔＶｐとして検出することができる。また、異常検出部２０は、掃引処理時（時刻ｔ２、ｔ３またはｔ４）のＩＰ電圧Ｖｐと掃引処理後（時刻ｔ５）のＩＰ電圧Ｖｐの差を変化量ΔＶｐとして検出することもできる。
なお、掃引処理前（時刻ｔ１）のＩＰ電圧Ｖｐと掃引処理により立ち上がり途中（時刻ｔ２）のＩＰ電圧Ｖｐとの差を変化量ΔＶｐとすることで、立ち上がり後（時刻ｔ３）のＩＰ電圧Ｖｐを用いる場合に比べ、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常を迅速に検出することができる。
また、上述した例では、フィードバック制御部１２のフィードバック制御を停止したが、かかる例に限定されない。例えば、掃引時において、フィードバック制御部１２においてフィードバック制御を停止せずに、電流供給部１３において掃引直前の制御電圧Ｖｃｎｔを用いるように電流供給部１３を構成してもよい。
また、掃引処理期間をフィードバック制御部１２のフィードバック周期よりも長くしたり、フィードバック制御部１２のフィードバックゲインを小さくしたり、フィードバック処理による影響を抑えるようにしてもよい。また、例えば、フィードバック制御時の場合よりも掃引時の場合の方がフィードバック制御部１２のフィードバックゲインが小さくなるように構成してもよい。
また、異常検出部２０は、２つのＩＰ電圧Ｖｐの差である変化量ΔＶｐと、これらの２つのＩＰ電圧Ｖｐと同様のタイミングで検出された２つのＶＳ電圧Ｖｓの差である変化量ΔＶｓとの比に基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定することができる。
例えば、異常検出部２０は、ＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶｓに対するＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐの比ΔＰ１（＝ΔＶｐ／ΔＶｓ）が所定閾値Ｐｔｈ１以上である場合に、ＩＰ−ＶＳ間がショートしていると判定することができる。
ＩＰ−ＶＳ間がショートしている場合、ＩＰ端子ＴｉｐとＶＳ端子Ｔｖｓとが低抵抗で接続されており、ＩＰ端子ＴｉｐとＶＳ端子Ｔｖｓとの間の抵抗値が低いほど変化量ΔＶｓに対する変化量ΔＶｐの比ΔＰ１は大きくなる。そのため、ＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐのみでＩＰ−ＶＳ間のショートを検出する場合に比べて、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常をより精度よく検出することができる。
また、上述した例では、掃引処理部１６による掃引処理毎に、アドミタンス検出部１７によるアドミタンスＹの検出処理と異常検出部２０によるＩＰ−ＶＳ間のショート異常判定処理が実行される。そのため、アドミタンスＹの検出処理に用いる掃引処理をショート異常判定処理に用いることができ、アドミタンスＹの検出処理とショート異常判定処理とに対してそれぞれ掃引処理を別々に行う場合に比べ、掃引処理にかかる時間を短くできる。
なお、掃引処理部１６は、アドミタンス検出部１７によるアドミタンスＹの検出処理に用いられる掃引処理と異常検出部２０によるＩＰ−ＶＳ間のショート異常判定処理に用いられる掃引処理とを異なるタイミングで行うこともできる。これにより、アドミタンスＹを検出するタイミング以外のタイミングでＩＰ−ＶＳ間のショート異常を検出することができ、ＩＰ−ＶＳ間のショート異常の検出精度を高めることができる。
［３．空燃比センサ１００の第２構成例］
次に、図１に示す空燃比センサ１００の第２構成の一例について説明する。図６は、図１に示す空燃比センサ１００の第２構成例を示す図である。以下、図２に示す空燃比センサ１００と構成が異なる状態検出部１１、掃引処理部１６、アドミタンス検出部１７、状態検出部１９および異常検出部２０を説明し、その他の構成については説明を省略する。
図６に示す空燃比センサ１００は、ＶＳ端子Ｔｖｓに対して掃引用電圧Ｖｍの印加を行い、ＩＰ電流Ｉｐの変動（およびＶＳ電流Ｉｓの変動）に基づいてＩＰ−ＶＳ間のショートを検出し、ＶＳ電流Ｉｓの変動に基づいてアドミタンスＹを検出する点で、図２に示す空燃比センサ１００と異なる。
［３．１．掃引処理部１６］
図６に示す掃引処理部１６は、定電圧である掃引用電圧ＶｍをＶＳ端子Ｔｖｓへ印加する。かかる掃引処理部１６は、オペアンプＯＰ３と、抵抗Ｒ９、Ｒ１０と、スイッチＳＷ１とを備える。
オペアンプＯＰ３の反転入力端子には電圧Ｖｍが入力され、オペアンプＯＰ３の出力端子には抵抗Ｒ９の一端が接続される。また、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子と抵抗Ｒ９の他端との間には抵抗Ｒ１０が接続される。これにより、オペアンプＯＰ３は、抵抗Ｒ９の他端電圧が電圧Ｖｍと一致するように動作する。
抵抗Ｒ９の他端とＶＳ端子Ｔｖｓとの間には、スイッチＳＷ１が設けられており、掃引処理時にスイッチＳＷ１がオンになることで、ＶＳ端子Ｔｖｓを介して検出セル５へ掃引用電圧Ｖｍが印加される。なお、掃引処理部１６は、定電圧である掃引用電圧ＶｍをＶＳ端子Ｔｖｓへ印加する構成であればよく、図６に示す構成に限定されるものではない。
［３．２．状態検出部１１］
図６に示す状態検出部１１は、図２に示す状態検出部１１と同様に、定電流源４０と、ボルテージフォロア４１とを備え、電圧検出部として機能する。さらに、図６に示す状態検出部１１は、抵抗Ｒ１１と、電流検出部４９とを備える。
抵抗Ｒ１１は、ＶＳ端子Ｔｖｓと掃引処理部１６および定電流源４０との間に接続される。電流検出部４９は、抵抗Ｒ１１の両端電圧Ｖｒ３の値を検出し、かかる両端電圧Ｖｒ３の値に基づき、ＶＳ端子Ｔｖｓからガスセンサ素子１側へ流れる電流Ｉｓの瞬時値であるＶＳ電流Ｉｓを検出する。
なお、定電流源４０の電流Ｉｃｐは、定電流であるため、電流検出部４９は、Ｒ９の両端電圧Ｖｒ４を検出し、検出した両端電圧Ｖｒ４からＶＳ電流Ｉｓを検出する構成であってもよい。なお、状態検出部１１は、ＶＳ電圧ＶｓおよびＶＳ電流Ｉｓを検出できる構成であればよく、図６に示す構成に限定されない。
［３．３．アドミタンス検出部１７］
アドミタンス検出部１７は、状態検出部１１によって検出されたＶＳ電流Ｉｓに基づいて、検出セル５のアドミタンスＹを検出する。例えば、アドミタンス検出部１７は、掃引用電流Ｉｍの検出セル５への印加によって生じるＶＳ電流Ｉｓの変化量ΔＩ１に基づいて、アドミタンスＹ（＝ΔＩ１／Ｖｍ）を検出することができる。なお、アドミタンス検出部１７は、アドミタンスＹに代えて、アドミタンスＹに対応する値（例えば、検出セル５のインピーダンスＺ）を検出することもできる。
［３．４．状態検出部１９］
状態検出部１９は、オペアンプＯＰ２の出力と基準電圧Ｖｂとの差から抵抗Ｒ８の両端電圧Ｖｒ４の値を検出し、かかる両端電圧Ｖｒ４の値からＩＰ電流Ｉｐ（＝Ｖｒ４／Ｒ８）を検出する。なお、状態検出部１９は、ＩＰ電流Ｉｐを検出する構成であればよく、図６に示す構成に限定されない。
［３．５．異常検出部２０］
図６に示す異常検出部２０は、掃引用電圧Ｖｍの印加によって生じるＩＰ電流Ｉｐの変動などを検出し、かかるＩＰ電流Ｉｐの変動に基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショート状態であるか否かを検出する。
ＩＰ−ＶＳ間のショートが発生した場合、ＩＰ端子ＴｉｐとＶＳ端子Ｔｖｓとが低抵抗で接続されているため、ポンプセル４と検出セル５とが並列接続された状態になり、掃引用電圧Ｖｍは、ポンプセル４にも印加される。そのため、ＩＰ−ＶＳ間のショートが発生した場合、掃引用電圧ＶｍによってＩＰ電流Ｉｐに変動が生じる。
そこで、図６に示す異常検出部２０は、掃引用電圧Ｖｍの検出セル５への印加、すなわち、掃引処理によって生じるＩＰ電流Ｉｐの変化量ΔＩｐに基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定する。これにより、処理負荷を低減しつつ、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常を精度よく検出することができる。
なお、図６に示す異常検出部２０において変化量ΔＩｐの検出に用いる２つのＩＰ電流Ｉｐが検出されるタイミングは、図２に示す異常検出部２０が変化量ΔＶｐの検出に用いる２つのＩＰ電圧Ｖｐが検出されるタイミング（例えば、時刻ｔ１〜ｔ５のうちの２つ）と同じである。
また、異常検出部２０は、２つのＩＰ電流Ｉｐの差である変化量ΔＩｐと、これらの２つのＩＰ電流Ｉｐと同様のタイミングで検出された２つのＶＳ電流Ｉｓの差である変化量ΔＩｓとの比に基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定することができる。
例えば、異常検出部２０は、ＶＳ電流Ｉｓの変化量ΔＩｓに対するＩＰ電流Ｉｐの変化量ΔＩｐの比ΔＰ２（＝ΔＩｓ／ΔＩｐ）が所定閾値Ｐｔｈ２以上である場合に、ＩＰ−ＶＳ間がショートしていると判定することができる。これにより、ＩＰ電流Ｉｐの変化量ΔＩｐのみでＩＰ−ＶＳ間のショートを検出する場合に比べて、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常をより精度よく検出することができる。
［４．異常検出部２０の異常判定処理フロー］
次に、フローチャートを用いて、異常検出部２０の異常判定処理の流れの一例を説明する。図７は、異常検出部２０が実行する第１の異常検出手順の一例を示すフローチャートであり、繰り返し実行される処理である。
図７に示すように、異常検出部２０は、掃引処理部１６による掃引処理の直前タイミング（以下、掃引直前タイミングと記載する）であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。掃引直前タイミングであると判定した場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、異常検出部２０は、掃引直前タイミングで状態検出部１９によって検出されるＩＰ電圧ＶｐまたはＩＰ電流Ｉｐを取得する（ステップＳ１１）。
次に、異常検出部２０は、掃引処理部１６による掃引処理が開始されたか否かを判定する（ステップＳ１２）。掃引処理が開始されたと判定した場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、掃引処理が開始された後の所定のタイミング（例えば、図５に示す時刻ｔ２〜ｔ４のいずれか）で状態検出部１９によって検出されるＩＰ電圧ＶｐまたはＩＰ電流Ｉｐを取得する（ステップＳ１３）。
そして、異常検出部２０は、掃引処理によって生じるＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐまたはＩＰ電流Ｉｐの変化量ΔＩｐを算出する（ステップＳ１４）。かかる変化量ΔＶｐの算出は、ステップＳ１１で取得したＩＰ電圧ＶｐとステップＳ１３で取得したＩＰ電圧Ｖｐとの差を演算することによって行われる。また、変化量ΔＩｐの算出は、ステップＳ１１で取得したＩＰ電流ＩｐとステップＳ１３で取得したＩＰ電流Ｉｐに基づいて行われる。
異常検出部２０は、変化量ΔＶｐが閾値Ｖｔｈ以上、または、変化量ΔＩｐが閾値Ｉｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。変化量ΔＶｐが閾値Ｖｔｈ以上である場合、または、変化量ΔＩｐが閾値Ｉｔｈ以上である場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、異常検出部２０は、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常があると判定する（ステップＳ１６）。
ステップＳ１０において、掃引処理のタイミングの直前でないと判定した場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、ΔＶｐ≧ＶｔｈまたはΔＩｐ≧Ｉｔｈではない場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、または、ステップＳ１６の処理が終了した場合、異常検出部２０は、図７に示す処理を終了し、次の処理タイミングでステップＳ１０の処理から実行する。
なお、異常検出部２０は、変化量ΔＶｐおよび変化量ΔＩｐを算出し、変化量ΔＶｐが閾値Ｖｔｈ以上である場合、かつ、変化量ΔＩｐが閾値Ｉｔｈ以上である場合に、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常があると判定することもできる。
図８は、異常検出部２０が実行する第２の異常検出手順の一例を示すフローチャートであり、繰り返し実行される処理である。なお、図８に示すステップＳ２０、Ｓ２１、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ２６の処理は、図７に示すステップＳ１０〜Ｓ１４の処理であるため説明を省略する。
異常検出部２０は、ステップＳ２２において、掃引直前タイミングで状態検出部１１によって検出されるＶＳ電圧ＶｓまたはＶＳ電流Ｉｓを取得する。また、異常検出部２０は、ステップＳ２５において、掃引処理が開始された後の所定のタイミング（例えば、図５に示す時刻ｔ２〜ｔ４のいずれか）で状態検出部１１によって検出されるＶＳ電圧ＶｓまたはＶＳ電流Ｉｓを取得する。
そして、異常検出部２０は、掃引処理によって生じるＶＳ電圧Ｖｓの変化量ΔＶｓまたはＶＳ電流Ｉｓの変化量ΔＩｓを算出する（ステップＳ２７）。かかる変化量ΔＶｓの算出は、ステップＳ２２で取得したＶＳ電圧ＶｓとステップＳ２５で取得したＶＳ電圧Ｖｓとの差を演算することによって行われる。また、変化量ΔＩｓの算出は、ステップＳ２２で取得したＶＳ電流ＩｓとステップＳ２５で取得したＶＳ電流Ｉｓに基づいて行われる。
次に、異常検出部２０は、変化量ΔＶｓに対する変化量ΔＶｐの比ΔＰ１（＝ΔＶｐ／ΔＶｓ）、または、変化量ΔＩｓに対する変化量ΔＩｐの比ΔＰ２（＝ΔＩｐ／ΔＩｓ）を算出する（ステップＳ２８）。そして、異常検出部２０は、比ΔＰ１が閾値Ｐｔｈ１以上であるか否か、または、比ΔＰ２が閾値Ｐｔｈ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。
比ΔＰ１が閾値Ｐｔｈ１以上である場合、または、比ΔＰ２が閾値Ｐｔｈ２以上である場合、異常検出部２０は、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常があると判定する（ステップＳ３０）。
ステップＳ２０において、掃引処理のタイミングの直前でないと判定した場合（ステップＳ２０；Ｎｏ）、比ΔＰが閾値Ｐｔｈ以上ではない場合（ステップＳ２９；Ｎｏ）、または、ステップＳ３０の処理が終了した場合、異常検出部２０は、図８に示す処理を終了する。
なお、異常検出部２０は、比ΔＰ１が閾値Ｐｔｈ１以上であり、かつ、比ΔＰ２が閾値Ｐｔｈ２以上である場合に、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常があると判定することもできる。
また、図２に示す制御装置３は、掃引用電流Ｉｍによって生じるＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐに代えて、掃引用電流Ｉｍによって生じるＩＰ電流Ｉｐの変化量ΔＩｐに基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定する構成であってもよい。また、図６に示す制御装置３は、掃引用電圧Ｖｍによって生じるＩＰ電流Ｉｐの変化量ΔＩｐに代えて掃引用電圧Ｖｍによって生じるＩＰ電圧Ｖｐの変化量ΔＶｐに基づいて、ＩＰ−ＶＳ間がショートしているか否かを判定する構成であってもよい。
以上のように、空燃比センサ１００は、ガス検出室９０への酸素の汲み入れおよび汲み出しを行うポンプセル４とガス検出室９０の酸素濃度を検出するための検出セル５を備えるガスセンサ素子１と、制御装置３とを備える。制御装置３は、電流供給部１３と、掃引処理部１６と、異常検出部２０とを備える。電流供給部１３は、ポンプセル４に接続されたＩＰ端子Ｔｉｐ（第１端子の一例）を介してポンプセル４を制御する電流Ｉｐをポンプセル４へ供給する。掃引処理部１６は、検出セル５に接続されたＶＳ端子Ｔｖｓ（第２端子の一例）を介して検出セル５に掃引用電圧Ｖｍ（所定電圧の一例）または掃引用電流Ｉｍ（所定電流の一例）を印加して、検出セル５の電圧Ｖｓおよび電流Ｉｓを変化させる掃引処理を行う。異常検出部２０は、掃引処理によって生じるＩＰ端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐまたは電流Ｉｐの変動に基づいて、ＩＰ端子ＴｉｐとＶＳ端子Ｔｖｓとの間のショート状態を検出する。これにより、処理負荷を低減しつつ、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常を精度よく検出することができる。
また、制御装置３は、ＶＳ端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓに応じた制御電圧Ｖｃｎｔ（制御信号の一例）を電流供給部１３へ出力するフィードバック制御を行うフィードバック制御部１２を備える。かかるフィードバック制御部１２は、掃引処理部１６によって掃引処理が行われている場合、フィードバック制御を停止する。これにより、掃引処理によるＶＳ端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓの変動に応じて制御電圧Ｖｃｎｔが変化することが抑制されることから、ＩＰ端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐが変動することを抑制でき、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常をより精度よく検出することができる。
また、異常検出部２０は、掃引処理部１６の掃引処理によって生じるＩＰ端子Ｔｉｐの電圧Ｖｐまたは電流Ｉｐの変動と掃引処理部１６の掃引処理によって生じるＶＳ端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓまたは電流Ｉｓの変動との比（例えば、比ΔＰ１や比ΔＰ２）に基づいてＩＰ−ＶＳ間のショート状態を検出する。これにより、電圧Ｖｐまたは電流Ｉｐの変動のみでＩＰ−ＶＳ間のショートを検出する場合に比べて、ＩＰ−ＶＳ間がショートする異常をより精度よく検出することができる。
また、制御装置３は、掃引処理部１６の掃引処理によって生じるＶＳ端子Ｔｖｓの電圧Ｖｓまたは電流Ｉｓの変動に基づいて、検出セル５のアドミタンスＹの状態を検出するアドミタンス検出部１７を備える。これにより、アドミタンスＹの検出処理に用いる掃引処理をショート異常判定処理に用いることができ、アドミタンスＹの検出処理とショート異常判定処理とに対してそれぞれ掃引処理を別々に行う場合に比べ、掃引処理にかかる時間を短くできる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ ガスセンサ素子
３ 制御装置
４ ポンプセル
５ 検出セル
１２ フィードバック制御部
１３ 電流供給部
１６ 掃引処理部
１７ アドミタンス検出部
２０ 異常検出部
Ｉｍ 掃引用電流（所定電流の一例）
Ｖｍ 掃引用電圧（所定電圧の一例）

Claims (5)

  1. ガス検出室への酸素の汲み入れおよび汲み出しを行うポンプセルと前記ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セルとを備えるガスセンサ素子を有する空燃比センサの制御装置であって、
    前記ポンプセルに接続された第１端子を介して前記ポンプセルを制御する電流を前記ポンプセルへ供給する電流供給部と、
    前記検出セルに接続された第２端子を介して前記検出セルに所定電圧または所定電流を印加して、前記検出セルの電圧および電流を変化させる掃引処理を行う掃引処理部と、
    前記掃引処理によって生じる前記第１端子の電圧または電流の変動に基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を検出する異常検出部と、を備える
    ことを特徴とする空燃比センサの制御装置。
  2. 前記第２端子の電圧に応じた制御信号を前記電流供給部へ出力するフィードバック制御を行うフィードバック制御部を備え、
    当該フィードバック制御部は、
    前記掃引処理が行われている場合、前記フィードバック制御を停止する
    ことを特徴とする請求項１に記載の空燃比センサの制御装置。
  3. 前記異常検出部は、
    前記掃引処理によって生じる前記第１端子の電圧または電流の変動と前記掃引処理によって生じる前記第２端子の電圧または電流の変動との比に基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を検出する
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の空燃比センサの制御装置。
  4. 前記掃引処理によって生じる前記第２端子の電圧または電流の変動に基づいて、前記検出セルのアドミタンスの状態を検出するアドミタンス検出部を備える
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の空燃比センサの制御装置。
  5. ガス検出室への酸素の汲み入れおよび汲み出しを行うポンプセルと前記ガス検出室の酸素濃度を検出するための検出セルとを備えるガスセンサ素子を有する空燃比センサの異常検出方法であって、
    前記ポンプセルに接続された第１端子を介して前記ポンプセルを制御する電流を前記ポンプセルへ供給する工程と、
    前記検出セルに接続された第２端子を介して前記検出セルに所定電圧または所定電流を印加して、前記検出セルの電圧および電流を変化させる掃引処理を行う工程と、
    前記掃引処理によって生じる前記第１端子の電圧または電流の変動に基づいて、前記第１端子と前記第２端子との間のショート状態を検出する工程とを含む
    ことを特徴とする異常検出方法。
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