WO2020189380A1 - ガスセンサ制御装置、ガスセンサ制御システム、及びガスセンサシステム - Google Patents

ガスセンサ制御装置、ガスセンサ制御システム、及びガスセンサシステム Download PDF

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conversion circuit
pump
sensor control
control device
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雄三 樋口
幸二 石橋
潤一郎 三ツ野
阿部　悟
大井　雄二
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日本特殊陶業株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor control device, a gas sensor control system, and a gas sensor system.
  • Patent Document 1 As an oxygen sensor for detecting the air-fuel ratio of exhaust gas discharged from an internal combustion engine or the like, a two-cell type gas sensor system using a pump cell and an oxygen concentration measuring cell is known (see Patent Document 1).
  • an electromotive force is generated between the electrodes based on the difference in oxygen concentration in the atmosphere in which the two electrodes of the oxygen concentration measurement cell are arranged.
  • the gas sensor system controls the magnitude and direction of the pump current flowing through the pump cell so that the electromotive force becomes a predetermined value, and measures the oxygen concentration based on the pump current.
  • a DA conversion circuit that supplies the pump current based on the input digital signal is used instead of the conventional analog pump current supply circuit.
  • One aspect of the present disclosure is preferably to provide a gas sensor control device capable of diagnosing a failure of a DA conversion circuit.
  • One aspect of the present disclosure is a gas sensor control device connected to a gas sensor including a solid electrolyte body and a pump cell having a first pump electrode and a second pump electrode arranged apart from each other on the solid electrolyte body.
  • the gas sensor control device is connected in parallel with a DA conversion circuit that supplies a pump current of a magnitude corresponding to an input digital signal to the pump cell, a reference potential generation circuit that keeps the potential of the first pump electrode at a reference potential, and a pump cell.
  • An output that outputs a signal related to the voltage applied to the diagnostic resistance when an arbitrary digital signal is input to the DA conversion circuit under the condition that oxygen ion conductivity is not exhibited in the pump cell. It has a part and.
  • a signal for diagnosing a failure of the DA conversion circuit can be output to an external device in a non-measurable state in which the resistance of the pump cell is large and oxygen ion conductivity is not exhibited in the pump cell. it can.
  • Another aspect of the present disclosure is a gas sensor control system including the gas sensor control device and an external device connected to the gas sensor control device.
  • the external device includes a diagnostic unit that diagnoses a failure of the DA conversion circuit based on a signal related to voltage.
  • Another aspect of the present disclosure is a gas sensor system including a gas sensor and the gas sensor control system.
  • 2nd measurement electrode 23 ... Measurement gas chamber, 23A ... 1st porous body, 23B ... 2nd porous body, 24 ... heater, 25 ... reinforcing plate, 26A ... 1st insulating layer, 26B ... 2nd insulating layer, 30 ... Switching path, 31 ... Ip + terminal, 32 ... COM terminal, 33 ... Vs + terminal.
  • the gas sensor system 1 shown in FIG. 1 is a sensor that detects the oxygen concentration in the gas to be measured.
  • the gas sensor system 1 is used, for example, for the purpose of detecting the oxygen concentration of the exhaust gas discharged from the internal combustion engine for measuring the air-fuel ratio of the internal combustion engine, for the purpose of detecting the Nox concentration of the exhaust gas of the internal combustion engine, and the like. ..
  • the gas sensor system 1 includes a sensor main body 2, a circuit unit 3, a determination unit 4, and a diagnostic unit 5.
  • the sensor body 2 is a gas sensor having a pump cell 21, an oxygen concentration measuring cell 22, a measuring gas chamber 23, and a heater 24.
  • the sensor body 2 is a laminated body in which a plurality of layered solid electrolytes constituting each cell, a plurality of electrodes, and a plurality of insulating layers are laminated.
  • Each solid electrolyte is not particularly limited as long as it has oxygen ion conductivity, and for example, a layer containing zirconia as a main component can be used.
  • the "main component” means a component contained in an amount of 60% by mass or more.
  • the pump cell 21 has a first solid electrolyte body 21A, and a first pump electrode 21B and a second pump electrode 21C arranged on the first solid electrolyte body 21A so as to sandwich the first solid electrolyte body 21A.
  • the first pump electrode 21B is arranged in the measurement gas chamber 23.
  • the second pump electrode 21C is arranged in a space communicating with the outside of the laminated body constituting the sensor main body 2. Further, the second pump electrode 21C is covered with the porous layer 21D.
  • the porous layer 21D contains a ceramic such as alumina as a main component.
  • the oxygen concentration measuring cell 22 has a second solid electrolyte body 22A, and a first measuring electrode 22B and a second measuring electrode 22C arranged on the second solid electrolyte body 22A so as to sandwich the second solid electrolyte body 22A. ..
  • a reinforcing plate 25 is arranged on the surface of the second solid electrolyte body 22A opposite to the pump cell 21 (that is, the surface on the heater 24 side).
  • the reinforcing plate 25 is an insulating member containing ceramic as a main component.
  • the first measurement electrode 22B is arranged in the measurement gas chamber 23.
  • the second measurement electrode 22C is arranged so as to be sandwiched between the reinforcing plate 25 and the second solid electrolyte body 22A.
  • the measurement gas chamber 23 is a room that takes in oxygen in the gas to be measured.
  • a first pump electrode 21B and a first measurement electrode 22B are arranged in the measurement gas chamber 23.
  • the measurement gas chamber 23 is configured by partitioning the space provided between the first solid electrolyte body 21A and the second solid electrolyte body 22A by the first porous body 23A and the second porous body 23B.
  • the space communicates with the outside of the laminated body constituting the sensor main body 2 via the first porous body 23A or the second porous body 23B.
  • the first porous body 23A and the second porous body 23B contain a ceramic such as alumina as a main component.
  • the heater 24 heats the pump cell 21 and the oxygen concentration measuring cell 22 and activates the solid electrolyte body contained therein.
  • the heater 24 is arranged between the first insulating layer 26A and the second insulating layer 26B, which are mainly composed of ceramic.
  • the heater 24 has a heat generating resistor that generates heat when energized.
  • the heater 24 is formed of, for example, platinum (Pt).
  • the first insulating layer 26A is arranged on the surface of the reinforcing plate 25 opposite to the oxygen concentration measuring cell 22, and the second insulating layer 26B is the surface of the first insulating layer 26A opposite to the reinforcing plate 25. Is located in.
  • the circuit unit 3 is composed of a circuit that drives the sensor body 2.
  • the circuit unit 3 constitutes a gas sensor control device connected to the sensor body 2.
  • the circuit unit 3 may be incorporated in an electronic control unit (ECU) of an automobile.
  • ECU electronice control unit
  • the circuit unit 3 includes a DA conversion circuit 3A, a reference potential generation circuit 3B, an AD conversion circuit 3C, a PID calculation circuit 3D, an internal resistance calculation circuit 3E, a diagnostic resistance 3F, a minute current supply circuit 3G, and a heater. It has a drive circuit 3H and an output unit 3I.
  • the DA conversion circuit 3A is a digital-to-analog converter that supplies a pump current Ip having a magnitude corresponding to the input digital signal to the pump cell 21.
  • the DA conversion circuit 3A is connected to the second pump electrode 21C of the pump cell 21 via the Ip + terminal 31.
  • the output method of the DA conversion circuit 3A is not particularly limited.
  • a current DAC for outputting a current a voltage DAC for outputting a voltage, a PWM type DAC for modulating the output pulse width, and the like can be used.
  • the reference potential generation circuit 3B keeps the potentials of the first pump electrode 21B and the first measurement electrode 22B at the reference potential (for example, 2.7V).
  • the reference potential generation circuit 3B applies a reference voltage to the COM terminal 32 connected to the first pump electrode 21B and the first measurement electrode 22B.
  • the AD conversion circuit 3C receives an electromotive force generated in the oxygen concentration measuring cell 22 based on the difference in oxygen concentration between the first measuring electrode 22B and the second measuring electrode 22C (that is, between the first measuring electrode 22B and the second measuring electrode 22C).
  • Voltage) Vs is an analog-digital converter that converts to a digital signal.
  • the AD conversion circuit 3C is connected to the second measurement electrode 22C via the Vs + terminal 33.
  • the AD conversion circuit 3C converts the voltage value input from the Vs + terminal 33 into a digital signal and outputs the voltage value to the PID calculation circuit 3D and the internal resistance calculation circuit 3E.
  • the AD conversion circuit 3C is connected to the Ip + terminal 31 by the switching path 30.
  • the voltage of the Ip + terminal 31 can be measured by the AD conversion circuit 3C.
  • the AD conversion circuit 3C is not connected to the Ip + terminal 31 during the measurement of the oxygen concentration. That is, when measuring the oxygen concentration, the switching path 30 has no current.
  • the PID calculation circuit 3D controls the pump current Ip by PID based on the digital signal input from the AD conversion circuit 3C. Specifically, the PID calculation circuit 3D performs the PID calculation so that the voltage between the Vs + terminal 33 and the COM terminal 32 becomes a preset control reference voltage.
  • the control reference voltage is, for example, 450 mV.
  • the PID calculation circuit 3D outputs a digital signal corresponding to the value of the pump current Ip obtained by the PID calculation to the DA conversion circuit 3A.
  • the DA conversion circuit 3A supplies a pump current Ip having a magnitude based on the digital signal input from the PID calculation circuit 3D. Further, the input signal to the DA conversion circuit 3A is output to, for example, an ECU as a detection result of the pump current Ip.
  • the internal resistance calculation circuit 3E is based on the digital signal output from the AD conversion circuit 3C when the minute current supply circuit 3G supplies the pulse current to the oxygen concentration measurement cell 22, and the internal resistance (Rpvs) of the oxygen concentration measurement cell 22 is based on the digital signal. ) Is calculated.
  • the diagnostic resistor 3F is connected in parallel with the pump cell 21. Specifically, the diagnostic resistor 3F is connected to a point between the Ip + terminal 31 and the DA conversion circuit 3A and a point between the COM terminal 32 and the reference potential generation circuit 3B.
  • Output from the DA conversion circuit 3A in a state where the oxygen concentration cannot be measured in the oxygen concentration measurement cell 22 that is, a state in which the resistance value of the internal resistance of the pump cell 21 and the oxygen concentration measurement cell 22 is large and a current does not flow substantially.
  • the generated current passes through the diagnostic resistor 3F and flows through the reference potential generation circuit 3B.
  • the lower limit of the resistance value of the diagnostic resistor 3F is preferably 100 k ⁇ .
  • the upper limit of the resistance value of the diagnostic resistor 3F 10 M ⁇ is preferable, and 1 M ⁇ is more preferable.
  • the pump current Ip will flow through the diagnostic resistor 3F when measuring the oxygen concentration, which may reduce the measurement accuracy of the oxygen concentration.
  • the resistance value of the diagnostic resistor 3F is too large, a sufficient current does not flow through the diagnostic resistor 3F at the time of failure diagnosis of the DA conversion circuit 3A, and the potential drop due to the leak current of the Ip + terminal 31 (for example, about 1 ⁇ A to 10 ⁇ A) The impact will be greater. As a result, the failure diagnosis accuracy of the DA conversion circuit 3A may decrease.
  • the minute current supply circuit 3G is connected to the second measurement electrode 22C of the oxygen concentration measurement cell 22 via the Vs + terminal 33.
  • the minute current supply circuit 3G supplies the minute current Icp to the oxygen concentration measuring cell 22 in the direction in which the oxygen in the measuring gas chamber 23 is sent to the second measuring electrode 22C as an oxygen reference source. By supplying the minute current Icp, the oxygen concentration in the atmosphere around the second measurement electrode 22C is maintained at the reference value.
  • the heater drive circuit 3H drives the heater 24 by applying a drive voltage to the heater 24.
  • the heater drive circuit 3H adjusts the drive voltage of the heater 24 so that the internal resistance of the oxygen concentration measuring cell 22 becomes a target value.
  • the output unit 3I sends an arbitrary digital signal to the DA conversion circuit 3A under the condition that the oxygen concentration measuring cell 22 is not in a measurable state (that is, it is in a non-measurable state in which oxygen ion conductivity is not exhibited in the pump cell 21).
  • a signal relating to the voltage applied to the diagnostic resistor 3F is output to the diagnostic unit 5 provided in the external device (for example, ECU).
  • the signal output by the output unit 3I may be the voltage value itself.
  • the determination unit 4 determines whether the oxygen concentration measuring cell 22 is in a measurable state in which an electromotive force can be generated.
  • the determination unit 4 may be incorporated in the ECU.
  • the determination unit 4 determines, for example, a state in which the temperature of the gas to be measured is low, a state in which the vehicle equipped with the gas sensor system 1 is cold-started, or the like as a non-measurable state (that is, a non-measurable state), and other than that. Is judged to be in a measurable state.
  • the temperature of the gas to be measured can be received as a signal from, for example, the ECU.
  • the cold start may be determined by receiving, for example, a signal from the ECU that the key of the automobile is turned on, or the magnitude of the internal resistance of the oxygen concentration measuring cell 22 and the electromotive force Vs of the oxygen concentration measuring cell 22. It may be determined by the behavior or the like.
  • the determination unit 4 notifies the diagnosis unit 5 whether the current state of the oxygen concentration measuring cell 22 is a measurable state or a non-measurable state.
  • the diagnosis unit 5 diagnoses the failure of the DA conversion circuit 3A.
  • the diagnostic unit 5 is a part of an external device connected to the gas sensor control device.
  • the diagnostic unit 5 may be incorporated in the ECU. Further, the determination unit 4 and the diagnosis unit 5 may be configured as one circuit or device.
  • the diagnosis unit 5 constitutes a gas sensor control system together with a gas sensor control device (that is, a circuit unit 3 and a determination unit 4).
  • the diagnostic unit 5 diagnoses the failure of the DA conversion circuit 3A based on the signal related to the voltage applied to the diagnostic resistor 3F output by the output unit 3I.
  • the determination unit 4 determines that it is in a non-measurable state, the DA conversion circuit 3A is separated from the PID calculation circuit 3D, and the AD conversion circuit 3C is connected to the Ip + terminal 31 by the switching path 30. In this state, the diagnostic unit 5 inputs one digital signal to the DA conversion circuit 3A.
  • the diagnostic unit 5 fails the DA conversion circuit 3A. It is determined that the operation is performed, and the result is output to the ECU or the like.
  • the absolute value of the value obtained by subtracting the voltage of the COM terminal 32 from the voltage of the Ip + terminal 31 is the threshold value. If it exceeds, it is determined that the DA conversion circuit 3A has an on failure (that is, a failure that does not switch to the off state has occurred).
  • the digital signal input to the DA conversion circuit 3A is equivalent to 1 mA
  • the diagnostic unit 5 inputs a plurality of different digital signals to the DA conversion circuit 3A and measures the voltage applied to the diagnostic resistor 3F each time to estimate which bit of the DA conversion circuit 3A is out of order. Can be done.
  • the gas sensor system 1 determines whether or not the oxygen concentration can be measured by the determination unit 4 (step S10). When it is in a measurable state (S10: YES), the gas sensor system 1 starts measuring the oxygen concentration (step S60).
  • the gas sensor system 1 inputs a digital signal to the DA conversion circuit 3A by the diagnostic unit 5 (step S20). After that, the gas sensor system 1 measures the voltage applied to the diagnostic resistor 3F and determines whether or not the DA conversion circuit 3A has a failure (step S30).
  • the gas sensor system 1 When there is a failure in the DA conversion circuit 3A (S30: YES), the gas sensor system 1 outputs an error indicating that there is a failure (step S40) and drives the heater 24 (step S50). When there is no failure in the DA conversion circuit 3A (S30: NO), the gas sensor system 1 drives the heater 24 without outputting an error. After driving the heater 24, the gas sensor system 1 starts measuring the oxygen concentration (step S60).
  • the input of the digital signal to the DA conversion circuit 3A (step S20) and the failure determination of the DA conversion circuit 3A (step S30) may be repeated while changing the contents of the digital signal.
  • the current supplied from the DA conversion circuit 3A can be passed through the diagnostic resistor 3F in a non-measurable state in which the resistance of the pump cell 21 is large and no current actually flows through the pump cell 21. Therefore, by comparing the digital signal input to the DA conversion circuit 3A with the voltage applied to the diagnostic resistor 3F, it is possible to diagnose whether a current of the correct magnitude is supplied from the DA conversion circuit 3A. That is, the failure of the DA conversion circuit 3A can be diagnosed.
  • the sensor body 2 and the circuit unit 3 in the gas sensor system 1 of the above embodiment are not limited to the above-described configuration.
  • the sensor body 2 may be provided with a plurality of pump cells and a plurality of measurement gas chambers for one oxygen concentration measurement cell 22.

Abstract

ＤＡ変換回路の故障を診断できるガスセンサシステムを提供する。本開示は、固体電解質体と、固体電解質体上に離間して配置された第１ポンプ電極及び第２ポンプ電極とを有するポンプセルとを備えるガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置である。ガスセンサ制御装置は、入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流をポンプセルに供給するＤＡ変換回路と、第１ポンプ電極の電位を基準電位に保つ基準電位生成回路と、ポンプセルと並列に接続された診断抵抗と、ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない条件下で、ＤＡ変換回路に任意のデジタル信号を入力したときに診断抵抗に印加される電圧に関する信号を外部装置に出力する出力部と、を備える。

Description

ガスセンサ制御装置、ガスセンサ制御システム、及びガスセンサシステム 関連出願の相互参照
　本国際出願は、２０１９年３月１５日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１９－０４８７１４号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１９－０４８７１４号の全内容を本国際出願に参照により援用する。
　本開示は、ガスセンサ制御装置、ガスセンサ制御システム、及びガスセンサシステムに関する。
　内燃機関等から排出される排気ガスの空燃比を検出するための酸素センサとして、ポンプセルと酸素濃度測定セルとを用いた２セルタイプのガスセンサシステムが公知である（特許文献１参照）。
　２セルタイプのガスセンサシステムでは、酸素濃度測定セルの２つの電極が配置された雰囲気の酸素濃度の差異に基づいて電極間に起電力が発生する。ガスセンサシステムは、この起電力が所定の値となるようにポンプセルに流れるポンプ電流の大きさや向きを制御し、このポンプ電流に基づき、酸素濃度を測定する。
　また、上記ガスセンサシステムでは、回路サイズを小さくするために、従来のアナログ式のポンプ電流供給回路に替えて、入力されたデジタル信号に基づいてポンプ電流を供給するＤＡ変換回路が用いられている。
特開２０１６－７０８８３号公報
　ＤＡ変換回路を用いない従来のアナログ式のガスセンサシステムでは、固定抵抗においてポンプ電流を直接計測することでポンプ電流の供給エラーを検知できる。しかし、ＤＡ変換回路を用いたガスセンサシステムでは、ポンプ電流の供給路に固定抵抗が存在しないため、このような検知方法が使用できない。そのため、ＤＡ変換回路が正常に動作し、正しいポンプ電流が供給されているかを判断する方法が求められる。
　本開示の一局面は、ＤＡ変換回路の故障を診断できるガスセンサ制御装置を提供することが好ましい。
　本開示の一態様は、固体電解質体と、固体電解質体上に離間して配置された第１ポンプ電極及び第２ポンプ電極とを有するポンプセルとを備えるガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置である。ガスセンサ制御装置は、入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流をポンプセルに供給するＤＡ変換回路と、第１ポンプ電極の電位を基準電位に保つ基準電位生成回路と、ポンプセルと並列に接続された診断抵抗と、ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない条件下で、ＤＡ変換回路に任意のデジタル信号を入力したときに診断抵抗に印加される電圧に関する信号を外部装置に出力する出力部と、を備える。
　このような構成によれば、ポンプセルの抵抗が大きく、ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない非測定可能状態において、ＤＡ変換回路の故障を診断するための信号を外部装置に出力することができる。
　本開示の別の態様は、上記ガスセンサ制御装置と、ガスセンサ制御装置に接続される外部装置と、を備えるガスセンサ制御システムである。外部装置は、電圧に関する信号に基づいて、ＤＡ変換回路の故障を診断する診断部を備える。
　このような構成によれば、外部装置において、ＤＡ変換回路から正しい大きさの電流が供給されるか（つまり、ＤＡ変換回路の故障）を診断することができる。
　本開示の別の態様は、ガスセンサと、上記ガスセンサ制御システムと、を備えるガスセンサシステムである。
　このような構成によれば、外部装置において、ＤＡ変換回路から正しい大きさの電流が供給されるか（つまり、ＤＡ変換回路の故障）を診断するシステムを提供することができる。
実施形態のガスセンサシステムの模式的な構成図である。 図１のガスセンサシステムが実行する処理のフローチャートである。
　１…ガスセンサシステム、２…センサ本体、３…回路部、３Ａ…ＤＡ変換回路、
　３Ｂ…基準電位生成回路、３Ｃ…ＡＤ変換回路、３Ｄ…ＰＩＤ演算回路、
　３Ｅ…内部抵抗演算回路、３Ｆ…診断抵抗、３Ｇ…微小電流供給回路、
　３Ｈ…ヒータ駆動回路、３Ｉ…出力部、４…判断部、５…診断部、２１…ポンプセル、
　２１Ａ…第１固体電解質体、２１Ｂ…第１ポンプ電極、２１Ｃ…第２ポンプ電極、
　２１Ｄ…多孔質層、２２…酸素濃度測定セル、２２Ａ…第２固体電解質体、
　２２Ｂ…第１測定電極、２２Ｃ…第２測定電極、２３…測定ガス室、
　２３Ａ…第１多孔質体、２３Ｂ…第２多孔質体、２４…ヒータ、２５…補強板、
　２６Ａ…第１絶縁層、２６Ｂ…第２絶縁層、３０…切り替え経路、３１…Ｉｐ＋端子、
　３２…ＣＯＭ端子、３３…Ｖｓ＋端子。
　以下、本開示が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
　［１．第１実施形態］
　［１－１．構成］
　図１に示されるガスセンサシステム１は、被測定ガス中の酸素濃度を検知するセンサである。
　ガスセンサシステム１は、例えば、内燃機関の空燃比を測定するために内燃機関から排出される排気ガスの酸素濃度を検出する目的、内燃機関の排気ガスのＮｏｘ濃度を検出する目的等で使用される。
　ガスセンサシステム１は、センサ本体２と、回路部３と、判断部４と、診断部５とを備える。
　＜センサ本体＞
　センサ本体２は、ポンプセル２１と、酸素濃度測定セル２２と、測定ガス室２３と、ヒータ２４とを有するガスセンサである。センサ本体２は、各セルを構成する複数の層状の固体電解質体と、複数の電極と、複数の絶縁層とが積層された積層体である。
　各固体電解質体は、酸素イオン導電性を有するものであれば特に限定されず、例えばジルコニアを主成分とする層が使用できる。なお、「主成分」とは６０質量％以上含まれる成分を意味する。
　（ポンプセル）
　ポンプセル２１は、第１固体電解質体２１Ａと、第１固体電解質体２１Ａを挟むように第１固体電解質体２１Ａ上に配置された第１ポンプ電極２１Ｂ及び第２ポンプ電極２１Ｃとを有する。
　第１ポンプ電極２１Ｂは、測定ガス室２３内に配置されている。
　第２ポンプ電極２１Ｃは、センサ本体２を構成する積層体の外部と連通する空間に配置されている。また、第２ポンプ電極２１Ｃは、多孔質層２１Ｄに被覆されている。多孔質層２１Ｄは、アルミナ等のセラミックを主成分とする。
　（酸素濃度測定セル）
　酸素濃度測定セル２２は、第２固体電解質体２２Ａと、第２固体電解質体２２Ａを挟むように第２固体電解質体２２Ａ上に配置された第１測定電極２２Ｂ及び第２測定電極２２Ｃとを有する。
　第２固体電解質体２２Ａのポンプセル２１とは反対側の面（つまり、ヒータ２４側の面）には、補強板２５が配置されている。補強板２５は、セラミックを主成分とする絶縁部材である。
　第１測定電極２２Ｂは、測定ガス室２３内に配置されている。
　第２測定電極２２Ｃは、補強板２５と第２固体電解質体２２Ａとに挟まれて配置されている。
　（測定ガス室）
　測定ガス室２３は、被測定ガス中の酸素を取り込む部屋である。測定ガス室２３には、第１ポンプ電極２１Ｂ及び第１測定電極２２Ｂが配置されている。
　測定ガス室２３は、第１固体電解質体２１Ａと第２固体電解質体２２Ａとの間に設けられた空間を第１多孔質体２３Ａ及び第２多孔質体２３Ｂで仕切ることで構成されている。上記空間は、第１多孔質体２３Ａ又は第２多孔質体２３Ｂを介してセンサ本体２を構成する積層体の外部と連通している。第１多孔質体２３Ａ及び第２多孔質体２３Ｂは、アルミナ等のセラミックを主成分とする。
　（ヒータ）
　ヒータ２４は、ポンプセル２１及び酸素濃度測定セル２２を加熱し、これらが有する固体電解質体を活性化させる。
　ヒータ２４は、セラミックを主成分とする第１絶縁層２６Ａと第２絶縁層２６Ｂとの間に配置されている。ヒータ２４は、通電により発熱を行う発熱抵抗体を有する。ヒータ２４は、例えば白金（Ｐｔ）によって形成される。
　なお、第１絶縁層２６Ａは、補強板２５の酸素濃度測定セル２２とは反対側の面に配置され、第２絶縁層２６Ｂは、第１絶縁層２６Ａの補強板２５とは反対側の面に配置されている。
　＜回路部＞
　回路部３は、センサ本体２を駆動させる回路によって構成される。回路部３は、センサ本体２に接続されるガスセンサ制御装置を構成している。回路部３は、自動車の電子制御装置（ＥＣＵ）に組み込まれていてもよい。
　回路部３は、ＤＡ変換回路３Ａと、基準電位生成回路３Ｂと、ＡＤ変換回路３Ｃと、ＰＩＤ演算回路３Ｄと、内部抵抗演算回路３Ｅと、診断抵抗３Ｆと、微小電流供給回路３Ｇと、ヒータ駆動回路３Ｈと、出力部３Ｉとを有する。
　ＤＡ変換回路３Ａは、入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流Ｉｐをポンプセル２１に供給するデジタルアナログ変換器である。ＤＡ変換回路３Ａは、Ｉｐ＋端子３１を介して、ポンプセル２１の第２ポンプ電極２１Ｃに接続されている。
　ＤＡ変換回路３Ａの出力方式は特に限定されない。ＤＡ変換回路３Ａとしては、電流を出力する電流ＤＡＣ、電圧を出力する電圧ＤＡＣ、出力するパルス幅を変調させるＰＷＭ式ＤＡＣ等が使用できる。
　基準電位生成回路３Ｂは、第１ポンプ電極２１Ｂと第１測定電極２２Ｂとの電位を基準電位（例えば２．７Ｖ）に保つ。基準電位生成回路３Ｂは、第１ポンプ電極２１Ｂと第１測定電極２２Ｂとに接続されたＣＯＭ端子３２に基準電圧を印加する。
　ＡＤ変換回路３Ｃは、第１測定電極２２Ｂと第２測定電極２２Ｃとの酸素濃度の差異に基づいて酸素濃度測定セル２２に生じる起電力（つまり、第１測定電極２２Ｂ及び第２測定電極２２Ｃ間の電圧）Ｖｓをデジタル信号へ変換するアナログデジタル変換器である。ＡＤ変換回路３Ｃは、Ｖｓ＋端子３３を介して第２測定電極２２Ｃに接続されている。ＡＤ変換回路３Ｃは、Ｖｓ＋端子３３から入力される電圧値をデジタル信号へ変換し、ＰＩＤ演算回路３Ｄと内部抵抗演算回路３Ｅとに出力する。
　また、後述するＤＡ変換回路３Ａの診断時には、ＡＤ変換回路３Ｃは、切り替え経路３０によってＩｐ＋端子３１に接続される。これにより、ＡＤ変換回路３ＣによってＩｐ＋端子３１の電圧を測定できる。なお、酸素濃度の測定中は、ＡＤ変換回路３ＣはＩｐ＋端子３１には接続されない。つまり、酸素濃度の測定時には、切り替え経路３０は電流が不通とされる。
　ＰＩＤ演算回路３Ｄは、ＡＤ変換回路３Ｃから入力されるデジタル信号に基づいて、ポンプ電流ＩｐをＰＩＤ制御する。具体的には、ＰＩＤ演算回路３Ｄは、Ｖｓ＋端子３３及びＣＯＭ端子３２間の電圧が予め設定された制御基準電圧となるように、ＰＩＤ演算を行う。なお、制御基準電圧は、例えば４５０ｍＶである。
　ＰＩＤ演算回路３Ｄは、ＰＩＤ演算で得たポンプ電流Ｉｐの値に対応するデジタル信号をＤＡ変換回路３Ａへ出力する。ＤＡ変換回路３Ａは、ＰＩＤ演算回路３Ｄから入力されたデジタル信号に基づいた大きさのポンプ電流Ｉｐを供給する。また、ＤＡ変換回路３Ａへの入力信号は、ポンプ電流Ｉｐの検出結果として、例えばＥＣＵに出力される。
　内部抵抗演算回路３Ｅは、微小電流供給回路３Ｇがパルス電流を酸素濃度測定セル２２に供給した際にＡＤ変換回路３Ｃから出力されるデジタル信号に基づいて、酸素濃度測定セル２２の内部抵抗（Ｒｐｖｓ）を演算する。
　診断抵抗３Ｆは、ポンプセル２１と並列に接続されている。具体的には、診断抵抗３Ｆは、Ｉｐ＋端子３１とＤＡ変換回路３Ａとの間の点と、ＣＯＭ端子３２と基準電位生成回路３Ｂとの間の点とに接続されている。
　酸素濃度測定セル２２で酸素濃度の測定ができない状態（つまり、ポンプセル２１及び酸素濃度測定セル２２の内部抵抗の抵抗値が大きく、実質的に電流が流れない状態）において、ＤＡ変換回路３Ａから出力される電流は、診断抵抗３Ｆを通過して基準電位生成回路３Ｂに流れる。
　診断抵抗３Ｆの抵抗値の下限としては、１００ｋΩが好ましい。一方、診断抵抗３Ｆの抵抗値の上限としては、１０ＭΩが好ましく、１ＭΩがより好ましい。
　診断抵抗３Ｆの抵抗値が小さすぎると、酸素濃度の測定時に診断抵抗３Ｆにポンプ電流Ｉｐが流れることで、酸素濃度の測定精度が低下するおそれがある。
　一方、診断抵抗３Ｆの抵抗値が大きすぎると、ＤＡ変換回路３Ａの故障診断時に診断抵抗３Ｆに十分な電流が流れず、Ｉｐ＋端子３１のリーク電流（例えば、１μＡから１０μＡ程度）による電位降下の影響が大きくなる。その結果、ＤＡ変換回路３Ａの故障診断精度が低下するおそれがある。
　微小電流供給回路３Ｇは、Ｖｓ＋端子３３を介して酸素濃度測定セル２２の第２測定電極２２Ｃに接続されている。微小電流供給回路３Ｇは、測定ガス室２３内の酸素が第２測定電極２２Ｃに酸素基準源として送られる向きに、酸素濃度測定セル２２に微小電流Ｉｃｐを供給する。微小電流Ｉｃｐの供給によって、第２測定電極２２Ｃ周囲の雰囲気の酸素濃度が基準値に保たれる。
　ヒータ駆動回路３Ｈは、ヒータ２４に駆動電圧を印加することで、ヒータ２４を駆動する。ヒータ駆動回路３Ｈは、酸素濃度測定セル２２の内部抵抗が目標値になるようにヒータ２４の駆動電圧を調整する。
　出力部３Ｉは、酸素濃度測定セル２２が測定可能状態でない（つまり、ポンプセル２１に酸素イオン伝導性が発現していない非測定可能状態である）条件下で、ＤＡ変換回路３Ａに任意のデジタル信号を入力したときに診断抵抗３Ｆに印加される電圧に関する信号を外部装置（例えばＥＣＵ）が備える診断部５に出力する。出力部３Ｉが出力する信号は、電圧値そのものであってもよい。
　＜判断部＞
　判断部４は、酸素濃度測定セル２２に起電力が発生し得る測定可能状態か判断する。判断部４は、ＥＣＵに組み込まれていてもよい。
　判断部４は、例えば、被測定ガスの温度が低い状態、ガスセンサシステム１が搭載された自動車がコールドスタートした状態等を、測定可能ではない状態（つまり非測定可能状態）と判断し、それ以外を測定可能状態と判断する。
　被測定ガスの温度は、例えばＥＣＵから信号として受信できる。コールドスタートは、例えば、ＥＣＵから自動車のキーをオンにした信号を受信することで判定してもよいし、酸素濃度測定セル２２の内部抵抗の大きさ、酸素濃度測定セル２２の起電力Ｖｓの挙動等によって判定してもよい。
　判断部４は、現在の酸素濃度測定セル２２の状態が測定可能状態及び非測定可能状態のどちらであるかを診断部５に通知する。
　＜診断部＞
　診断部５は、ＤＡ変換回路３Ａの故障を診断する。診断部５は、ガスセンサ制御装置に接続される外部装置の一部である。診断部５は、ＥＣＵに組み込まれていてもよい。また、判断部４と診断部５とは、１つの回路又は装置として構成されてもよい。診断部５は、ガスセンサ制御装置（つまり、回路部３及び判断部４）と共に、ガスセンサ制御システムを構成している。
　診断部５は、出力部３Ｉが出力する診断抵抗３Ｆに印加される電圧に関する信号に基づいて、ＤＡ変換回路３Ａの故障を診断する。
　具体的には、判断部４が非測定可能状態であると判断し、かつ、ＤＡ変換回路３ＡがＰＩＤ演算回路３Ｄと切り離されると共にＡＤ変換回路３Ｃが切り替え経路３０によりＩｐ＋端子３１に接続された状態で、診断部５は、ＤＡ変換回路３Ａに１つのデジタル信号を入力する。
　診断部５は、デジタル信号の入力に基づいて診断抵抗３Ｆに印加された電圧の測定値と想定値との差の絶対値が予め定めた閾値を超えている場合に、ＤＡ変換回路３Ａが故障していると判定し、その結果をＥＣＵ等に出力する。
　例えば、ＤＡ変換回路３Ａに入力したデジタル信号が０ｍＡ相当の場合に、Ｉｐ＋端子３１の電圧からＣＯＭ端子３２の電圧を引いた値（つまり、診断抵抗３Ｆに印加された電圧）の絶対値が閾値を超えた場合は、ＤＡ変換回路３Ａがオン故障（つまり、オフの状態に切り替わらない故障が発生）していると判定される。
　また、ＤＡ変換回路３Ａに入力したデジタル信号が１ｍＡ相当の場合に、診断抵抗３Ｆに印加された電圧からＤＡ変換回路３Ａが正常の場合に診断抵抗３Ｆに印加されるべき電圧を引いた電圧差が負であり、かつこの電圧差の絶対値が閾値を超えた場合（つまり、診断抵抗３Ｆに印加された電圧が小さすぎる場合）は、ＤＡ変換回路３Ａがオフ故障（つまり、オンの状態に切り替わらない故障が発生）していると判定される。
　診断部５は、複数の異なるデジタル信号をＤＡ変換回路３Ａに入力し、その都度診断抵抗３Ｆに印加される電圧を測定することで、ＤＡ変換回路３Ａのどのビットが故障しているか推定することができる。
　［１－２．処理］
　以下、図２のフロー図を参照しつつ、ガスセンサシステム１が実行する処理について説明する。
　ガスセンサシステム１は、まず、判断部４によって、酸素濃度を測定可能な状態か否かを判定する（ステップＳ１０）。測定可能状態である場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）、ガスセンサシステム１は、酸素濃度の測定を開始する（ステップＳ６０）。
　一方、測定可能状態でない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、ガスセンサシステム１は、診断部５によって、ＤＡ変換回路３Ａにデジタル信号を入力する（ステップＳ２０）。その後、ガスセンサシステム１は、診断抵抗３Ｆに印加された電圧を測定し、ＤＡ変換回路３Ａに故障があるか否か判定する（ステップＳ３０）。
　ＤＡ変換回路３Ａに故障がある場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、ガスセンサシステム１は、故障がある旨のエラー出力を行い（ステップＳ４０）、ヒータ２４を駆動させる（ステップＳ５０）。ＤＡ変換回路３Ａに故障がない場合（Ｓ３０：ＮＯ）、ガスセンサシステム１は、エラー出力を行わずにヒータ２４を駆動させる。ガスセンサシステム１は、ヒータ２４駆動後、酸素濃度の測定を開始する（ステップＳ６０）。
　なお、ＤＡ変換回路３Ａへのデジタル信号の入力（ステップＳ２０）とＤＡ変換回路３Ａの故障判定（ステップＳ３０）とは、デジタル信号の中身を変えながら繰り返し行われてもよい。
　［１－３．効果］
　以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
　（１ａ）ポンプセル２１の抵抗が大きく、実質的にポンプセル２１に電流が流れない非測定可能状態において、ＤＡ変換回路３Ａから供給された電流を診断抵抗３Ｆに流すことができる。そのため、ＤＡ変換回路３Ａへ入力したデジタル信号と、診断抵抗３Ｆに印加された電圧とを比較することで、ＤＡ変換回路３Ａから正しい大きさの電流が供給されるかを診断できる。つまり、ＤＡ変換回路３Ａの故障を診断することができる。
　［２．他の実施形態］
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
　（２ａ）上記実施形態のガスセンサシステム１におけるセンサ本体２及び回路部３は、上述の構成に限定されない。例えば、センサ本体２は、１つの酸素濃度測定セル２２に対し、複数のポンプセル及び複数の測定ガス室を備えていてもよい。
　（２ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

Claims (3)

  1. 　固体電解質体と、前記固体電解質体上に離間して配置された第１ポンプ電極及び第２ポンプ電極とを有するポンプセルとを備えるガスセンサに接続されるガスセンサ制御装置であって、
    　入力されたデジタル信号に対応する大きさのポンプ電流を前記ポンプセルに供給するＤＡ変換回路と、
    　前記第１ポンプ電極の電位を基準電位に保つ基準電位生成回路と、
    　前記ポンプセルと並列に接続された診断抵抗と、
    　前記ポンプセルに酸素イオン伝導性が発現していない条件下で、前記ＤＡ変換回路に任意のデジタル信号を入力したときに前記診断抵抗に印加される電圧に関する信号を外部装置に出力する出力部と、
    　を備える、ガスセンサ制御装置。
  2. 　請求項１に記載のガスセンサ制御装置と、
    　前記ガスセンサ制御装置に接続される外部装置と、
    　を備え、
    　前記外部装置は、前記電圧に関する信号に基づいて、前記ＤＡ変換回路の故障を診断する診断部を備える、ガスセンサ制御システム。
  3. 　ガスセンサと、
    　請求項２に記載のガスセンサ制御システムと、
    　を備える、ガスセンサシステム。
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