WO2006088073A1 - ガス濃度検出ユニットの異常診断方法及びガス濃度検出ユニットの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

ガスセンサとこれを駆動制御する制御回路とを接続する共通配線に異常が発生した場合にも、その異常を確実に判定できる異常診断方法及び装置を提供する。酸素ポンプセル１４及び酸素濃度検知セル２４を含むセンサ素子１０に接続され、これを駆動制御するセンサ制御回路５０を有するガス濃度測定ユニット１において、各セル１４、２４の測定室に面した各電極と共通配線２４との接続点を除く一つの接続点（具体的には、Ｖｓ＋端子）の端子電圧の変動状態を、異常検出回路５３及び演算処理部５４で検出し、この端子電圧の変動状態に基づいて、共通配線４２の異常診断を行う。共通配線４２が断線すると、Ｖｓ＋端子の端子電圧は発振に伴う電圧変動を生ずるため、異常検出回路５３及び演算処理部５４は、この発振に伴った電圧変動を検出してＣＰＵに異常判定信号を出力する。  

Description

明 細 書

ガス濃度検出ユニットの異常診断方法及びガス濃度検出ユニットの異常 診断装置

技術分野

[0001] 本発明は、内燃機関の空燃比フィードバック制御に適用されるガス濃度検出ュ-ッ トの異常診断方法及びガス濃度検出ユニットの異常診断装置に関する。

背景技術

[0002] 現在、ガソリンエンジン等の内燃機関では、排気ガス中の CO、 NOx及び HCを低 減するために、排気管に装着したガスセンサにより排気ガス中の特定ガスの濃度を 検出し、この検出結果に基づいて燃料と空気の混合比を制御する空燃比フィードバ ック制御が行われている。

[0003] そして、この空燃比制御を実現するためのガスセンサとして、ジルコユア等を主成分 とする固体電解質層の両面に電極を備えた 2つのセル (具体的には、酸素ポンプセ ルと酸素濃度検知セル)を中空の測定室を介して積層し、測定室に拡散抵抗体を介 して排気ガスを導入して、排気ガス中の酸素濃度を検出する全領域空燃比センサ（ 以下、単に UEGOセンサとも称する）が知られている。

[0004] UEGOセンサを構成する各セルの電極は、センサを駆動制御するための制御部に 電気的に接続される。そして、制御部は、酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値と なるように酸素ポンプセルに電流を流して、測定室の酸素濃度を一定に制御すると 共に、酸素ポンプセルに流れる電流値力も排気ガス中の酸素濃度 (即ち、空燃比）を 測定する処理を実行する。なお、この UEGOセンサでは、センサを構成する各セル に共通の基準電位を与えるために、各セルの測定室に面する側の各電極を共通に 接続する 1本の共通配線 (共通ハーネス）が設けられて 、る。

[0005] ところで、この共通配線が断線した場合、各セルに対する基準電位が与えられなく なるため、制御部において測定室の酸素濃度を一定にするためのフィードバック制 御が正常に行われなくなり、 UEGOセンサによる酸素濃度の測定が不可能となる。 そこで、このタイプのガスセンサを有する空燃比システムとして、共通配線の異常の 有無を診断するものが知られている（例えば特許文献 1参照)。

[0006] この特許文献 1に開示された空燃比システムでは、共通配線 (COM端子）の断線 を診断するにあたり、各センサセルとセンサ制御回路とを接続する 3つの接続点（共 通配線が接続する接続点を含む)の端子電圧の電位が所定の範囲内であるカゝ否か を判定している。そして、その判定結果の情報を 3つの出力端子 (具体的には、 VRP VS端子、 VIP端子、 VVS端子）の出力信号に重畳させ、 3つの出力信号の組み合 わせに基づ 、て共通配線の断線を診断して！/、る。

特許文献 1：特開 2003 - 97432号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] ところが、上記特許文献 1では、共通配線の断線を診断するために、 3つの出力端 子からの出力信号が必要であり、検知手法が複雑になりがちであった。

また、共通配線の断線が生じた場合であっても、 3つの出力信号の組み合わせが 必ずしも事前に設定した組み合わせにならないケースもあり、診断結果に誤差が生じ るおそれがあった。

[0008] 本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、酸素ポンプセル及び酸素濃度 検知セルを含むガスセンサとそのガスセンサを駆動制御する制御回路とを接続する 共通配線に異常 (具体的には断線)が発生した場合にも、その異常を確実に判定で きるようにすることを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0009] ここで、本発明者らは、各セルの測定室に面する側の各電極に対して共通に接続 する共通配線に異常 (具体的には断線)が生じた場合、各セルの入出力信号が定常 時とは異なる電圧変動を生じることから、測定室の酸素濃度を一定にするためのフィ ードバック制御が正常に行われなくなる点に注目した。

[0010] そこで、上述した目的を達成するためになされた本発明（請求項 1)のガス濃度検出 ユニットの異常診断方法は、第 1固体電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸 素ポンプセルと、第 2固体電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸素濃度検 知セルと、被測定ガスが導入されると共に、自身の内部に各セルの一方の電極がそ れぞれ配設される測定室と、を含むガスセンサと、前記各セルの各電極に電気的に 接続され、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ポンプ セルに流す電流の電流制御を行うことにより、前記測定室の酸素濃度を一定に制御 する制御回路と、を備え、前記各セルの前記測定室に面する前記一方の電極同士 が共通配線を介して前記制御回路に接続されたガス濃度検出ユニットの異常を診断 する異常診断方法であって、前記制御回路と前記各セルの各電極とを接続する接続 点のうち、前記共通配線が接続される接続点以外のいずれか〖こおける端子電圧の 変動状態に基づいて、前記共通配線の異常診断を行うことを特徴としている。

[0011] 上述したように、共通配線に異常が発生すると、各セルの入出力信号は定常時とは 異なる電圧変動を起こす。そして、各セルの入出力信号がこのような電圧変動を起こ すと、制御回路と各セルの各電極とを接続する接続点のうちで共通配線が接続され る接続点以外のいずれかにおける電圧 (端子電圧）に、それに伴った電圧変動が生 ずる。そこで、本発明では、共通配線が接続される接続点以外のいずれかの端子電 圧の変動状態を捉えることを特定したものである。

[0012] これにより、本発明のガス濃度検出ユニットの異常診断方法では、共通配線が接続 される接続点以外の接続点の端子電圧における変動状態を検出するだけで、共通 配線の異常診断を簡易的に且つ精度良く行うことができる。また、共通配線の異常時 に生ずる電圧変動は、比較的大きな変動を生ずることから、共通配線が接続される 接続点以外の端子電圧の変動状態を捉えることで、共通配線の異常時と正常時との 区別がし易ぐ共通配線の異常診断を確実に行うことができる。

なお、「制御回路と各セルの各電極とを接続する接続点のうち、共通配線が接続さ れる接続点以外のいずれか」としては、酸素濃度検知セルのうち、測定室に面する側 の電極とは反対側に位置する電極と制御回路との接続点であっても良 、し、酸素ポ ンプセルのうち、測定室に面する側の電極とは反対側に位置する電極と制御回路と の接続点であっても良い。

[0013] さらに、上記の異常診断の具体的な態様としては、請求項 2に記載のように、前記 端子電圧の発振の有無に基づいて、前記共通配線の異常発生の有無を判定するよ うにすると良い。 [0014] 共通配線に異常が発生すると、各セルの入出力信号は発振状態を生じ易いため、 共通配線が接続される接続点以外の接続点における電圧 (端子電圧）には発振に伴 う電圧変動が生ずる。そこで、この発振の有無に基づき異常発生の有無を具体的に 判定することで、精度の良い異常診断を行うことができる。

[0015] ここで、共通配線が接続される接続点以外のいずれかの端子電圧における変動状 態ないし発振状態を測定して異常診断を行うには、端子電圧の周波数を測定し、そ の測定周波数に基づ 、て異常の有無を判定するようにしても良 、が、請求項 3に記 載のように、端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続いて当該しき い値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、あるいは端子電圧がしきい値を 下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し 、所定の時間内に検出カウントの累積数が所定の値に達したときに異常発生と判定 するようにすると良い。

[0016] このよう〖こすると、共通配線が接続される接続点以外のいずれかの接続点における 端子電圧の周波数分析といった複雑な処理を行わなくても、より簡易的に端子電圧 の変動状態ないし発振状態を捉えることができ、ひいては簡易的かつ正確な共通配 線の異常診断が可能となる。

なお、上記しきい値と比較されることになる端子電圧としては、そのままの電圧値を 用いるものに限定されず、分圧回路を用いて端子電圧を分圧した分圧値を用いても 良く、また所定の増幅度で端子電圧を増幅して電圧値を用いるようにしても良 、。

[0017] また、共通配線が接続される接続点以外のいずれかの接続点の端子電圧における 変動状態を測定して異常診断を行うには、請求項 4に記載のように、端子電圧が予 め設定された第 1しきい値を上回り且つそれに続き当該第 1しきい値よりも大きい第 2 しき 、値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、あるいは第 2しき 、値を下回り 且つそれに続いて第 1しきい値を上回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、所定の 時間内に検出カウントの累積数が所定の値に達したときに異常発生と判定すると良 い。

[0018] このように異常診断を行う場合にも、簡易的に端子電圧の変動状態ないし発振状 態を捉えることができ、ひいては簡易的かつ正確な共通配線の異常診断が可能とな る。さらに、本発明のガス濃度検出ユニットの異常診断方法では、端子電圧の変動状 態を捉えるしき ヽ値を 1つにせずに、値を異ならせた 2つのものを用いるようにして ヽ る。これにより、ノイズ等の影響により端子電圧がいずれかのしきい値を頻繁に上下し た場合にも、電圧変動と認識することがなくなり、ノイズの影響によって共通配線に異 常が発生した誤判定することが防止され、耐ノイズ性に優れたより精度の良い共通配 線の異常診断を行うことができる。

なお、上記第 1しきい値及び第 2しきい値と比較されることになる端子電圧としては、 そのままの電圧値を用いるものに限定されず、分圧回路を用いて端子電圧を分圧し た分圧値を用いても良ぐまた所定の増幅度で端子電圧を増幅して電圧値を用いる ようにしても良い。

[0019] っ 、で、上述した目的を達成するためになされた本発明（請求項 5)のガス濃度検 出ユニットの異常診断装置は、第丄固体電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる 酸素ポンプセルと、第 2固体電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸素濃度 検知セルと、被測定ガスが導入されると共に、自身の内部に各セルの一方の電極が それぞれ配設される測定室と、を含むガスセンサと、前記各セルの各電極に電気的 に接続され、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ボン プセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前記測定室の酸素濃度を一定に制 御する制御回路と、を備え、前記各セルの前記測定室に面する前記一方の電極が 共通配線を介して前記制御回路に接続されたガス濃度検出ユニットの異常診断装 置であって、前記制御回路と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記 共通配線が接続される接続点以外のいずれかの端子電圧の変動状態に基づいて、 前記共通配線の異常診断を行う異常診断手段を有することを特徴としている。

[0020] このように構成されたガス濃度検出ユニットの異常診断装置によれば、請求項 1に 記載の方法に従って共通配線の異常診断を行うことができ、請求項 1と同様の効果 を得ることができる。

[0021] さらに、上記の異常診断手段による具体的な態様としては、請求項 6に記載のよう に、前記端子電圧の発振の有無に基づいて、前記共通配線の異常発生の有無を判 定するように構成すると良い。 [0022] このように構成された異常診断手段であれば、請求項 2に記載の方法に従って共 通配線の異常診断を精度良く行うことができ、請求項 2と同様の効果を得ることができ る。

[0023] なお、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点の端子電圧における変動 状態ないし発振状態を測定して異常診断を行うために、上記異常診断手段は、端子 電圧の周波数を測定し、その測定周波数に基づ!、て異常の有無を判定するよう構成 しても良いが、請求項 7に記載のように、端子電圧が予め設定されたしきい値を上回 り且つそれに続いて当該しきい値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、ある いは端子電圧がしき 、値を下回り且つそれに続 、て当該しき 、値を上回ったときに 検出カウントを 1ずつ累積するカウント手段と、所定の時間内に検出カウントの累積数 が所定の値に達した力否かを判定し、検出カウントの累積数が前記所定の値に達し たときに異常発生と判定する判定手段とを有するよう構成されると良い。

[0024] このように構成された異常診断手段であれば、請求項 3に記載の方法に従って共 通配線の異常診断を行うことができ、請求項 3と同様の効果を得ることができる。

[0025] また、共通配線が接続される接続点を除く一つの接続点の端子電圧における変動 状態ないし発振状態を測定して異常診断を行うために、上記異常判定手段は、請求 項 8に記載のように、異常判定手段は、端子電圧が予め設定された第 1しきい値を上 回り且つそれに続いて当該第 1しきい値よりも大きい第 2しきい値を下回ったときに検 出カウントを 1ずつ累積し、あるいは端子電圧が第 2しきい値を下回り且つそれに続 いて第 1しきい値を上回ったときに検出カウントを 1ずつ累積するカウント手段と、所定 の時間内に検出カウントの累積数が所定の値に達した力否かを判定し、検出カウント の累積数が所定の値に達したときに異常発生と判定する判定手段とを有するよう構 成されると良い。

[0026] このように構成された異常診断手段であれば、請求項 4に記載の方法に従って共 通配線の異常診断を行うことができ、請求項 4と同様の効果を得ることができる。 図面の簡単な説明

[0027] [図 1]ガス濃度検出ユニット 1の概略を表した構成図である。

[図 2]ガス濃度検出ユニット 1のうち、センサ制御回路 50の概要を示した回路図である [図 3]図 2に示すガス濃度検出ユニットのうち、センサ素子 10とセンサ制御回路 50 (セ ンサ駆動回路 52)とを結ぶ共通配線 42を断線させたときの、 Vs+端子及び COM端 子の電圧波形 (電圧変動）をデジタルオシロスコープで記録したものである。

[図 4]センサ制御回路 50を構成する演算処理部 54で実行される異常判定処理の流 れを示すフローチャートである。

符号の説明

1 ガス濃度検出ユニット

10 センサ素子

11a 第 1固体電解質層

11c 第 2固体電解質層

12a 12b 13a 13b 多孑し質電極

14 酸素ポンプセル

20 測定室

24 酸素濃淡検知セル

32 オペアンプ

42 共通配線

47 検出抵抗器

50 センサ制御回路

52 センサ駆動回路

53 異常検出回路

54 演算処理部

56 PID制御回路

61 コンノ レータ

70 セラミックヒータ

発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明を適用した実施形態として、全領域空燃比センサ（以下、単に UE GOセンサとも称する）および同センサを駆動制御するセンサ制御回路を備えたガス 濃度検出ユニット 1について、図面を参照して説明する。なお、本実施形態のガス濃 度検出ユニット 1は、内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出するものであ る。

[0030] 図 1に、ガス濃度検出ユニット 1の構成を表した概略図を示す。図 1に示すように、ガ ス濃度検出ユニット 1は、 UEGOセンサを構成するセンサ素子 10、センサ素子 10に 電気的に接続され、同センサ素子 10を駆動制御するセンサ制御回路 50、センサ素 子 10を作動温度に加熱するためのセラミックヒータ 70、及びセラミックヒータ 70に電 気的に接続され、同ヒータ 70を駆動制御するためのヒータ制御回路 60から構成され る。

[0031] センサ素子 10は、図 1に示すように、第 1固体電解質層 11aの両面 (表面、裏面）に 多孔質電極 12a、 12bを配設した酸素ポンプセル 14と、第 2固体電解質層 11cの両 面 (表面、裏面）に多孔質電極 13a、 13bを配設した酸素濃度検知セル 24と、この酸 素ポンプセル 14と酸素濃度検知セル 24との間に設けられて被測定ガス (本実施形 態では、排気ガス)が導入される中空の空間である測定室 20と、被測定ガスを測定 室 20に導入するための経路に設けられた拡散多孔質層 18と、酸素濃度検知セル 2 4の多孔質電極 13b側に接着ペーストを介して積層され、酸素濃度検知セル 24との 間で酸素を溜め込む酸素基準室 26を形成するための遮蔽層 30とを有する。

[0032] なお、酸素ポンプセル 14の多孔質電極 12b及び酸素濃度検知セル 24の多孔質 電極 13aは、測定室 20に面するように配置されている。また、第 1固体電解質層 11a 、第 2固体電解質層 11c及び遮蔽層 30は、イットリアを安定化剤として固溶させた部 分安定化ジルコユアを主体に形成されている。多孔質電極 12a、 12b、 13a、 13bは 、白金を主体に形成されている。さらに、測定室 20は、酸素ポンプセル 14と酸素濃 度検知セル 24との間に配置されるアルミナを主体とする絶縁層（図示せず)の一部を 中空に形成することにより構成され、さらにその中空部分と外部空間とが連通するよう に絶縁層の一部を切り欠き、この切り欠き部分にアルミナを主体とする多孔質状の拡 散多孔質層 18を設けている。

[0033] セラミックヒータ 70は、板状に形成され、酸素ポンプセル 24に対向して配置されて いる。そして内部には、発熱抵抗体 72が備えられており、ヒータ制御回路 60から供 給される電力により、センサ素子 10の温度が、ガス濃度測定可能な活性温度である 550〜900°Cの間における任意の温度になるように制御される。

[0034] 次に、図 2に基づいて、センサ制御回路 50の構成と動作について説明する。図 2は 、センサ制御回路 50の概要を示す回路図である。

図 2に示すように、センサ制御回路 50は、センサ素子 10を構成する酸素ポンプセ ル 14及び酸素濃度検知セル 24の駆動制御を行うセンサ駆動回路 52を有する。さら にセンサ制御回路 50は、酸素濃度検知セル 24の多孔質電極 13bとセンサ駆動回路 52との接続点である Vs+端子の電圧を入力し、予め設定された第 1しきい値 (4. 2V )を上回ったらハイレベル信号を出力し、第 1しきい値よりも小さい第 2しきい値 (3. 6 V)を下回ったらローレベル信号を出力する異常検出回路 53、異常検出回路 53から のハイレベル信号の出力回数をカウントし、その出力回数 (即ち、累積カウント）が所 定の時間内に所定回数 (本実施形態では、 32回）に達した力否かを判定する演算処 理回路 54等力も構成されている。なお、センサ駆動回路 52、異常検出回路 53、演 算処理回路 54を有するセンサ制御回路 50は、例えば、特定用途向集積回路 (ASI C : Application Specific IC)で実現されている。

[0035] センサ駆動回路 52は、主に、後述する Vcent端子の電位を一定に保持するように 、酸素ポンプセル 14に正負にわたるポンプ電流 Ipを流すオペアンプ 32、ポンプ電流 Ipの制御特性を改善する（換言すれば、酸素ポンプセル 14に流すポンプ電流 Ipの 大きさを制御する）ための PID制御回路 56、酸素濃度検知セルの多孔質電極 13bの 酸素濃度 (換言すれば、酸素基準室 26の酸素濃度)を一定に保っために酸素濃度 検知セル 24に微小電流 Icpを通電するための定電流源 44、ポンプ電流 Ipの制御目 標電圧を供給する定電圧源 48、センサ駆動回路 52とセンサ素子 10とを接続するた めの端子である Vs+端子、 COM端子、 Ip+端子、 Vcent端子、 PID制御回路 56の 特性を決める回路素子を外付けするための端子である P1端子、 P2端子、 Pout端子 、一端力 SVcent端子に接続される一方、他端が Pout端子に接続されて、酸素ポンプ セル 14を流れるポンプ電流 Ipを電圧変換するための検出抵抗器 47から構成されて いる。

[0036] 酸素ポンプセル 14は、その外側の多孔質電極（測定室 20に面して!/ヽな 、側の電 極） 12aが、 Ip+端子に配線 43によって接続され、また内側の多孔質電極 (測定室 2 0に面している側の電極） 12b力 COM端子に共通配線 42によって接続されている 。なお、多孔質電極 12bは、 COM端子以外に共通配線 42を介して Vcent端子にも 接続されている。また、酸素濃度検知セル 24は、その外側の多孔質電極 (測定室 20 に面していない側の電極） 13bが、 Vs+端子に配線 41によって接続され、内側の多 孔質電極 (測定室 20に面する側の電極） 13aが COM端子及び Vent端子に共通配 線 42を介して接続されている。このようにして、多孔質電極 12bと多孔質電極 13aと は、共通配線 42により、電位が同電位とされている。

[0037] オペアンプ 32は、反転入力端子に PID制御回路 56が接続され、非反転入力端子 には、基準電圧 3. 6Vが印加され、また、出力端子は Ip+端子に接続されている。

[0038] PID制御回路 56は、オペアンプ 36、 40、 P1端子及び P2端子に装着され PID制 御回路 56の制御特性を決める抵抗 R3〜R5とコンデンサ C1〜C3とによって構成さ れている。そして、 PID制御回路 56の一端側は、オペアンプ 26を介して Vs+端子に 接続され、酸素濃度検知セル 24の出力電圧 Vsが PID制御回路 56に入力される。ま た、 PID制御回路 56の他端側は、 Pout端子に接続されている。そして、 Pout端子 は、検出抵抗器 47を介して Vcent端子に接続され、最終的にオペアンプ 32の反転 入力端子に接続されている。この PID制御回路 56は、制御目標電圧 450mVと酸素 濃度検知セル 24の出力電圧 Vsとの偏差量 Δ Vsを PID演算するように機能する。そ して、この偏差量 AVsは、検出抵抗器 47を介してオペアンプ 32の出力端子にフィ ードバックされて酸素ポンプセル 14にポンプ電流 Ipを流す。

また、定電圧源 48は、 Ip電流を制御する制御目標となる電圧 (450mV)を、ォペア ンプ 38を介して PID制御回路 56に供給するものである。

[0039] このようにして構成されたセンサ駆動回路 52にお 、ては、被測定ガス (排気ガス）が 燃料供給過剰 (リッチ)側の状態には、測定室 20内の酸素が欠乏し、酸素濃度検知 セル 24の出力電圧 Vsが制御目標電圧である 450mVよりも高くなるので、制御目標 電圧と出力電圧 Vsとの偏差量 Δ Vsが発生し、その偏差量 Δ Vsが PID制御回路 56 によって PID演算され、この偏差量 AVsがオペアンプ 32の出力端子にフィードバッ クされて、不足分の酸素を酸素ポンプセル 14により測定室 20に汲み込むためのボン プ電流 Ipを流す。

[0040] 一方、被測定ガス (排気ガス)が、燃料供給不足 (リーン)側の状態の場合には、測 定室 20の酸素が過剰となり、酸素濃度検知セル 24の出力電圧 Vsが制御目標電圧 である 450mVよりも低くなるので、上述したのと同様に偏差量 AVsがオペアンプ 32 の出力端子にフィードバックされて、過剰の酸素を酸素ポンプセル 14により測定室 2 0から汲み出すためのポンプ電流 Ipを流す。

[0041] つまり、センサ素子 10では、酸素濃度検知セル 24の出力電圧 (起電力） Vsが一定 値 (450mV)となるように (換言すれば、測定室 20の空燃比が理論空燃比となるよう に）、酸素ポンプセル 14を用いて測定室 20に対する酸素の汲み入れまたは汲み出 しが行われる。そして、酸素ポンプセル 14に流れるポンプ電流 Ipの電流値および電 流方向が、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化することから、このポンプ電流 Ipに 基づいて被測定ガスの酸素濃度を検出することができる。

[0042] なお、上述したセンサ駆動回路 52では、酸素ポンプセル 14に流れるポンプ電流 Ip を、検出抵抗器 47にて電圧変換し、検出抵抗器 47の両端電圧 (具体的には、 Veen t端子と Pout端子)の両端電圧を図示しない差動増幅回路を介して、エンジンの中 央演算装置 (以下、単に CPUともいう）に濃度信号として出力するように構成されて いる。そして、差動増幅回路から出力された濃度信号力 SCPUに読み込まれ、 CPUに てこの濃度信号に基づき酸素濃度 (空燃比）が求められる。このようにして CPUに検 出された酸素濃度 (空燃比）に基づき、最終的に内燃機関の空燃比フィードバック制 御が行われることになる。

[0043] ついで、センサ制御回路 50内における、異常検出回路 53及び演算処理部 54を用 V、た異常診断方法につ!、て説明する。

まず、異常検出回路 53は、コンパレータ 61を備え、このコンパレータ 61の反転入 力端子に Vs+端子 (酸素濃度検知セル 24の多孔質電極 13aとセンサ制御回路 50と の接続点）の電圧が入力されるようになっている。そして、このコンパレータ 61に対し て抵抗器 62、 63、電圧源 64が適宜接続されて、公知のヒステリシス付きコンパレータ を構成している。このコンパレータ 61の出力端子は、ノ ッファ 65を介して演算処理部 54に接続されている。なお、このヒステリシス付きコンパレータでは、出力端子よりノヽ ィレベル信号が出力されると、コンパレータ 61の反転入力端子に 4. 2Vの電圧が入 力され、且つ出力端子力 ローレベル信号が出力されると、反転入力端子に 3. 6V の電圧が入力されるように、抵抗器 62、 63、電圧源 64の大きさが予め調整されてい る。

[0044] そして、この異常検出回路 53では、 Vs+端子の端子電圧が 3. 6Vを上回ることが あると、コンパレータ 61の出力信号力もハイレベル信号が演算処理部 54に出力され る。そして、コンパレータ 61からハイレベル信号が出力されると、非反転入力端子に は 4. 2Vの電圧が入力されることになるため、 Vs+端子の端子電圧が 3. 6Vを超え、 それに続いて 4. 2Vを下回るとコンパレータ 61からローレベル信号が演算処理部 54 に出力される。

[0045] この異常検出回路 53による動作を、以下に、さらに詳細に説明する。

上述したように、センサ制御回路 50 (より具体的には、センサ駆動回路 52)では、酸 素濃度検知セル 24の出力電圧 Vsを帰還電圧として酸素ポンプセル 24に通電する ポンプ電流 Ipのフィードバック制御を行っている。そして、 Vcent端子ないし COM端 子に接続されている共通配線 42がセンサ素子 10とセンサ駆動回路 52との間（図中 a 点）で断線したり、センサ素子 10の内部で共通配線 42に接続されている部分が断線 したりした場合には、ポンプ電流 Ipの正常なフィードバック制御が行われなくなり、セ ンサ制御回路 50は、 Ip+端子— Vs+端子間で発振を起こす。この発振状態を図 3 に示す。図 3は、センサ素子 10とセンサ駆動回路 52とを結ぶ共通配線 42を図 2に示 す a点で断線させた場合の Vs+端子における電圧波形と、 COM端子における電圧 波形をデジタルオシロスコープにて記録したものである。

[0046] このように、センサ素子 10とセンサ駆動回路 52とを結ぶ共通配線 42が断線した場 合、 Vs+端子の電圧は発振に伴って大きな変動を生ずることになる。具体的には、 4 . 05Vを中心にして、上限は 6Vを超える範囲で、また下限は 2Vを下回る範囲な大き な電圧変動を生ずるのである。なお、図 3では、 Vs+端子の電圧波形について示し た力 Ip+端子の電圧についても、共通配線 42が断線すると、 Vs+端子の電圧波 形と同様に発振に伴った大きな電圧変動を生ずる。

[0047] そして、センサ素子 10の作動時において、実際にセンサ素子 10とセンサ駆動回路 52とを結ぶ共通配線 42が断線を生ずると、上述したように上限は 6Vを超え、下限は 2Vを下回る範囲で繰り返し電圧変動するので、図 2に示す異常検出回路 53は、 Vs +端子の端子電圧が 3. 6Vを上回ると、コンパレータ 61の出力信号力もノ、ィレベル 信号を演算処理部 54に出力し、それに続いて 4. 2Vを下回るとコンパレータ 61から ローレベル信号を演算処理部 54に出力するのである。

[0048] 次に、演算処理部 54にて実行される異常判定処理の処理内容について説明する 。図 4は、異常判定処理の処理内容を示すフローチャートである。なお、この演算処 理部 54は、内燃機関のキーオン時に同期して動作 (異常判定処理)を開始する。

[0049] まず、異常判定処理が開始されると、 S 110 (Sはステップを表す)では、初期化処 理が実行される。具体的には、検出カウンタの累積カウント値を 0にリセットする処理 や異常判定信号をクリアする処理、ハイレベルフラグ Fhを Fh=0にする処理、タイマ 一の計測を始動する処理等が実行される。

[0050] 次の S120では、異常検出回路 53から出力される信号がハイレベルか否かを判定 する。ハイレベルである（S 120 : Yes)と判定されると、 S130に進み、 S130にてノヽィ レベルフラグ Fhを Fh= lとし、 S170に進む。また、 S120にて、異常検出回路 53か ら出力される信号がハイレベルではない（S120 :No)と判定されると、 S140に進む。

[0051] そして、 S140では、ハイレベルフラグ Fhが Fh= 1である否かを判定する。ハイレべ ルフラグ Fh= lである（S140 : Yes)場合には、異常検出回路 53から出力される信号 が 3. 6Vを上回り、その後に 4. 2Vを下回ったと判定し、 S150に進み、 S150にて検 出カウンタの累積カウント値を 1増加させる。次いで、 S 160にてハイレベルフラグ Fh を Fh=0とし、 S170に進む。一方、 S140にて、ハイレベルフラグ Fhが Fh= 1ではな ヽ（S 140： No)場合【こ ίま、 S 150及び S 160の処理をスキップして S 170【こ進む。

[0052] S 170の処理では、タイマーによる計測が 10msを経過したか否かを判定する。 10 msを経過していなければ（S170 :No)、 S120に戻り、上述した S120以降の処理を 繰り返す。一方、 10msを経過していると判定された（S170 : Yes)場合には、 S180 に進み、 S180にてタイマーの計測をリセットして再始動させる。

[0053] S180の処理後、 S190にて累積カウント値が 32回に達しているか否かを判定する 。累積カウント値が 32回に達している（S190 : Yes)場合には、センサ素子 10とセン サ駆動回路 52とを結ぶ共通配線 42に異常 (具体的には、断線）が生じたために、 Vs +端子の端子電圧が発振に伴う変動を生じて 、ると判定して S200に進み、 S200に て CPUに異常判定信号を出力する。また、 S190にて、累積カウント値が 32回に達 していない（S190 :No)場合には、共通配線 42は正常であって、 Vs+端子の端子 電圧の変動も安定している判定して S210に進み、 S210にて異常判定信号の CPU への出力をクリアする。

[0054] そして、 S200または S210の処理後 S220に進み、累積カウント値をクリアする。 S2 20の処理が完了すると、再び S120に以降し、その後、 S120〜S220までの処理力 S 繰り返し実行される。

このようにして、本実施の形態の演算処理部 54は、センサ素子 10とセンサ駆動回 路 52とを結ぶ共通配線 42に異常が発生している力否かの診断 (異常判定処理)を、 Vs+端子の端子電圧の変動状態に基づいて繰り返し実行する。

[0055] このように、本実施の形態のガス濃度検知ユニット 1では、センサ制御回路 50にお いて、酸素濃度検知セル 24の多孔質電極 13bとセンサ駆動回路 52とを接続する接 続点 (Vs+端子）の端子電圧を、異常検出回路 53で 3. 6Vまたは 4. 2Vの 2つのし きい値と比較し、さらに Vs+端子の端子電圧が 3. 6Vを上回り、且つそれに続いて 4 . 2Vを下回ったカウント（検出カウント）の累積が、 10msの時間内に 32回に達したか 否かを判定することによって、共通配線 42の異常を検出するようにしている。このよう にして、共通配線 42の異常（断線)時に、 Vs+端子 Ip+端子間にて発生する発振 を、 Vs+端子の端子電圧の変動状態に基づいて判定することにより、共通配線 42が 断線している力否かを、簡易的に且つより正確に診断することができる。

[0056] なお、本実施の形態において、異常検出回路 53及び演算処理部 54が、特許請求 の範囲における「異常診断手段」に相当し、異常検出回路 53にて予め設定される 3. 6Vのしきい値が「第 1しきい値」、 4. 2Vのしきい値が「第 2しきい値」に相当する。ま た、異常検出回路 53及び演算処理部 54の異常判定処理における S120〜S160の 処理が、特許請求の範囲における「カウント手段」に相当し、演算処理部 54の異常判 定処理における S170〜S210の処理が「判定手段」に相当する。

[0057] 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に何 ら限定されることはなぐ本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ること はいうまでもない。

例えば、上記の実施形態では、異常検出回路 53にて Vs+端子の端子電圧を異な る値のしきい値（3. 6Vと 4. 2Vのしきい値）を用いて比較するようにした力 しきい値 を 1つのみにして Vs+端子の端子電圧と比較するようにしても良い。但し、耐ノイズ性 の観点より、しきい値については、上記実施形態のように 2つの異なる値のしきい値を 用いることが好ましい。

[0058] また、上記の実施形態では、 Vs+端子の端子電圧を異常検出回路 53に入力し、 Vs+端子の端子電圧の電圧変動を検出するものであった。しかし、共通配線 42に 断線が生じた場合には、上述したように Ip+端子の端子電圧においても、発振に伴う 大きな電圧変動が生ずることから、 Ip+端子の端子電圧を異常検出回路 53に入力さ せて、 Ip+端子の端子電圧の電圧変動より、共通配線 42の異常（断線)診断を行つ ても良い。

[0059] さらに、上記の実施の形態では、演算処理部 54の異常判定処理（図 4に示すフロ 一チャート）において、 Vs+端子の端子電圧が予め設定された第 1しきい値 (3. 6V) を上回り、それに続いて第 2しきい値 (4. 2V)を下回ったときに検出カウント（累積力 ゥント値)を 1ずつ累積するようにしたが、端子電圧が第 2しきい値 (4. 2V)を下回り、 それに続いて第 1しきい値 (3. 6V)を上回ったときに検出カウント（累積カウント値)を 1ずつ累積するように処理を変更させても良い。あるいは、 Vs+端子の端子電圧が 第 1しきい値を上回ったときに検出カウントを 1ずつ累積する一方、この端子電圧が第 2しきい値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、累積したカウント値が所定 の時間内に所定の値に達したか否かを判定するようにしても良 、。

[0060] また、センサ素子としては、上記形態の 2セルタイプのものに限定されず、酸素濃度 検知セル及び酸素ポンプセルを少なくとも含む 3セル以上のセンサ素子においても、 本発明の異常診断方法及び異常診断装置を適用することもできる。なお、酸素濃度 検知セル及び酸素ポンプセルを含む 3セル以上のセンサ素子としては、公知の構成 をなす NOxセンサ向けの素子や HCセンサ向けの素子を挙げることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1固体電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸素ポンプセルと、第 2固体 電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸素濃度検知セルと、被測定ガスが導 入されると共に、自身の内部に各セルの一方の電極がそれぞれ配設される測定室と 、を含むガスセンサと、

前記各セルの各電極に電気的に接続され、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が 一定値となるように前記酸素ポンプセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前 記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御回路と、

を備え、前記各セルの前記測定室に面する前記一方の電極同士が共通配線を介 して前記制御回路に接続された

ガス濃度検出ユニットの異常を診断する異常診断方法であって、

前記制御回路と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記共通配線が 接続される接続点以外のいずれかにおける端子電圧の変動状態に基づいて、前記 共通配線の異常診断を行う

ことを特徴とするガス濃度検出ユニットの異常診断方法。

[2] 請求項 1に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、

前記異常診断は、前記端子電圧の発振の有無に基づいて、前記共通配線の異常 発生の有無を判定する

ガス濃度検出ユニットの異常診断方法。

[3] 請求項 1または請求項 2に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、 前記異常診断は、前記端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続 いて当該しきい値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、あるいは前記端子 電圧が前記しきい値を下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出 カウントを 1ずつ累積し、所定の時間内に前記検出カウントの累積数が所定の値に達 したときに異常発生と判定する

ガス濃度検出ユニットの異常診断方法。

[4] 請求項 1または請求項 2に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断方法であって、 前記異常診断は、前記端子電圧が予め設定された第 1しきい値を上回り且つそれ に続き当該第 1しきい値よりも大きい第 2しきい値を下回ったときに検出カウントを 1ず つ累積し、あるいは前記第 2しき 、値を下回り且つそれに続 、て前記第 1しき!/、値を 上回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、所定の時間内に前記検出カウントの累 積数が所定の値に達したときに異常発生と判定する

ガス濃度検出ユニットの異常診断方法。

[5] 第 1固体電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸素ポンプセルと、第 2固体 電解質層とそれを挟む一対の電極とからなる酸素濃度検知セルと、被測定ガスが導 入されると共に、自身の内部に各セルの一方の電極がそれぞれ配設される測定室と 、を含むガスセンサと、

前記各セルの各電極に電気的に接続され、前記酸素濃度検知セルの出力電圧が 一定値となるように前記酸素ポンプセルに流す電流の電流制御を行うことにより、前 記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御回路と、

を備え、前記各セルの前記測定室に面する前記一方の電極同士が共通配線を介 して前記制御回路に接続された

ガス濃度検出ユニットの異常診断装置であって、

前記制御回路と前記各セルの各電極とを接続する接続点のうち、前記共通配線が 接続される接続点以外のいずれかの端子電圧の変動状態に基づいて、前記共通配 線の異常診断を行う異常診断手段を有する

ことを特徴とするガス濃度検出ユニットの異常診断装置。

[6] 請求項 5に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断装置であって、

前記異常診断手段は、

前記端子電圧の発振の有無に基づいて、前記共通配線の異常発生の有無を判 定する

ガス濃度検出ユニットの異常診断装置。

[7] 請求項 5または請求項 6に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断装置であって、 前記異常診断手段は、

前記端子電圧が予め設定されたしきい値を上回り且つそれに続いて当該しきい 値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、あるいは前記端子電圧が前記しき い値を下回り且つそれに続いて当該しきい値を上回ったときに検出カウントを 1ずつ 累積するカウント手段と、

所定の時間内に前記検出カウントの累積数が所定の値に達したか否かを判定し 、前記検出カウントの累積数が前記所定の値に達したときに異常発生と判定する判 定手段と、

を有する

ガス濃度検出ユニットの異常診断装置。

請求項 5または請求項 6に記載のガス濃度検出ユニットの異常診断装置であって、 前記異常判定手段は、

前記端子電圧が予め設定された第 1しきい値を上回り且つそれに続いて当該第 1 しきい値よりも大きい第 2しきい値を下回ったときに検出カウントを 1ずつ累積し、ある いは前記端子電圧が前記第 2しきい値を下回り且つそれに続いて前記第 1しきい値 を上回ったときに検出カウントを 1ずつ累積するカウント手段と、

所定の時間内に前記検出カウントの累積数が所定の値に達したか否かを判定し 、前記検出カウントの累積数が前記所定の値に達したときに異常発生と判定する判 定手段と、

を有する

ガス濃度検出ユニットの異常診断装置。