JP2019074360A - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのセルを有するガスセンサに対するガスセンサ制御装置を、１つのセルのみを有するガスセンサにて適用し、各端子とセルとが正常に接続されているか否かを検知できるようにする。
【解決手段】センサ制御装置において、制御供給部は、第１端子部を介してガスセンサ素子に生じる電位差が目標値となるように第２端子部を介してガスセンサ素子に制御電流を供給する。初期供給部は、制御電流が供給される前に、第１端子部を介してガスセンサ素子に初期電流を供給する。電位取得部は、第１端子部および第２端子部の電位を取得する。接続判定部は、判定用電流として制御電流または初期電流が切替えられて用いられており、判定用電流が供給されたときの第１端子部および第２端子部の電位を比較することによって、第１端子部および第２端子部のうちの少なくとも一方とガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定する。
【選択図】図４

Description

本開示は、ガスセンサを制御する技術に関する。

下記の特許文献１には、検知セルおよび酸素ポンプセルの２つのセルを有するガスセンサを制御するとともに、ガスセンサの故障を診断する機能を備えたガスセンサ制御装置が提案されている。酸素ポンプセルはＩＰ＋端子とＣＯＭ端子とに接続され、検知セルはＶＳ＋端子とＣＯＭ端子とに接続されて構成される。

特開２００８−０７０１９４号公報

上記のガスセンサ制御装置では２つのセルを有するガスセンサを制御するが、上記のガスセンサ制御装置を１つのセルのみを有するガスセンサの制御にも利用したいという要求がある。そこで、ＩＰ＋端子とＶＳ＋端子とをショートさせ、この１つのセルを、ＣＯＭ端子とショートさせた端子とに接続する構成が考えられる。

この構成では、ＩＰ＋端子とＶＳ＋端子とが正常にショートできているか否か、すなわち各端子とセルとが正常に接続されているか否かを検知できることが求められる。
本開示の一側面では、２つのセルを有するガスセンサに対するガスセンサ制御装置を、１つのセルのみを有するガスセンサにて適用し、各端子とセルとが正常に接続されているか否かを検知できるようにすることが望ましい。

本開示の第１局面のセンサ制御装置は、第１端子部および第２端子部よりもガスセンサ素子側で第１端子部および第２端子部を電気的に接続した状態で、第１端子部および第２端子部を一対の電極のうちの一方に電気的に接続するとともに、第３端子部を一対の電極のうちの他方に電気的に接続するように構成され、電位設定部と、ポンプ供給部と、制御供給部と、初期供給部と、電位取得部と、接続判定部と、を備える。

電位設定部は、第１端子部および第２端子部の電位を取得する。ポンプ供給部は、第１端子部と第３端子部との間に生じる電位が目標値となるように第２端子部を介してガスセンサ素子にポンプ電流を供給する。制御供給部は、第２端子部を介してガスセンサ素子に、前記ガスセンサ素子の状態を検知するためのテスト電流またはポンプ電流を表す制御電流を供給する。初期供給部は、制御電流が供給される前に、第１端子部を介してガスセンサ素子に初期電流を供給する。

電位取得部は、第１端子部および第２端子部の電位を取得する。
接続判定部は、判定用電流として制御電流または初期電流が切替えられて用いられており、判定用電流が供給されたときの第１端子部および第２端子部の電位を比較することによって、第１端子部および第２端子部のうちの少なくとも一方とガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定する。

この構成において、電気的に接続されているはずの第１端子部および第２端子部が電気的に接続されていない場合には、第１端子部の電位と第２端子部の電位とが異なる電位になる可能性が高い。そこで、本開示のセンサ制御装置は、第１端子部の電位と第２端子部の電位とを比較し、第１端子部および第２端子部のうちの少なくとも一方とガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定する。

このようなセンサ制御装置によれば、少なくとも第１端子部および第２端子部のうちの何れかがガスセンサ素子と正常に接続されていないことを検知することができる。
本開示の第２局面のセンサ制御装置において、接続判定部は、初期電流を判定用電流として、判定用電流が供給されたときの第２端子部の電位が第１端子部の電位よりも低い場合に、第１端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定するように構成される。

このようなセンサ制御装置によれば、第１端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定することができる。
本開示の第３局面のセンサ制御装置において、接続判定部は、初期電流が判定用電流として供給されている間、第１端子部および第２端子部の電位の降下を監視し、第１端子部の電位の降下速度が第２端子部の電位の降下速度よりも遅い場合に、第１端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定するように構成される。

このようなセンサ制御装置によれば、電位の降下速度を継続的に監視するので、電位を一時的に比較する構成と比較して、第１端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かをより確実に判定することができる。

本開示の第４局面のセンサ制御装置は、第１端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定された場合に、制御供給部により制御電流が供給されることを禁止するポンプ禁止部をさらに備える。

このようなセンサ制御装置によれば、異常がある場合にガスセンサ素子に制御電流が流されることを抑制するので、ガスセンサ素子を保護することができる。
本開示の第５局面のセンサ制御装置において、接続判定部は、制御電流を判定用電流として、判定用電流が供給されたときの第２端子部の電位が第１端子部の電位よりも高い場合に、第２端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定するように構成される。

このようなセンサ制御装置によれば、第２端子部とガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定することができる。

実施形態のセンサ制御装置を備えるガス検知システムの全体構成図である。 センサ素子の内部構造等を示す説明図である。 端子オープン識別処理の処理内容を表したフローチャートである。 端子オープン識別処理の処理内容を表したフローチャートである。 端子オープン識別処理のタイミングを示すタイミングチャートである。

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．実施形態］
［１−１．全体構成］
図１は、本開示の実施形態としてのガス検知システム１の全体構成図である。

ガス検知システム１は、例えば、内燃機関（図示せず）の排気ガス中の特定ガス（本実施形態では、酸素）の濃度を検出する用途に用いられる。ガス検知システム１は、ガス検知装置３と、ガスセンサ５と、を備える。ガス検知装置３は、ガスセンサ制御装置７と、エンジン制御装置９と、を備える。

ガスセンサ制御装置７は、ガスセンサ５を駆動制御して、被測定ガス中の特定成分を測定する。特に、ガスセンサ制御装置７は、被測定ガス中の特定成分として、排気ガス中の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度をエンジン制御装置９に通知する。なお、ガスセンサ制御装置７の詳細については、後述する。

エンジン制御装置９は、内燃機関を制御するための各種制御処理を実行するマイクロコントローラであり、各種制御処理の１つとして、ガスセンサ制御装置７が検出した酸素濃度を用いて内燃機関の空燃比制御を行う。

［１−２．ガスセンサ］
次に、ガスセンサ５について、図２等に基づいて説明する。
ガスセンサ５は、酸素を検出する酸素センサである。このガスセンサ５は、内燃機関（エンジン）の排気管に設けられて、排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出するものであり、リニアセンサとも呼ばれる。

このガスセンサ５は、ガスセンサ素子１１とヒータ１３とを備えた、いわゆる１セル構造のガスセンサである。
ガスセンサ素子１１は、ポンプセル１５を備えている。ポンプセル１５は、部分安定化ジルコニア（ＺｒＯ_２）により形成された酸素イオン伝導性の固体電解質体１７と、その表面と裏面のそれぞれに主として白金で形成された一対の多孔質電極１９（１９ａ、１９ｂ）と、を有している。

ヒータ１３は、外部からの通電により発熱する発熱抵抗体を備えている。ヒータ１３は、ガスセンサ素子１１（特に、ポンプセル１５）を加熱して、ガスセンサ素子１１を、ガス濃度の検出が可能な活性化状態にするために備えられる。

また、図２に示すように、ガスセンサ素子１１は、自身の内部に、ポンプセル１５における一対の多孔質電極１９のうち一方（第１電極１９ａ）が露出する測定室２１と、他方（第２電極１９ｂ）が露出する基準酸素室２３と、を備えている。

測定室２１には、外部からガスの拡散を律速する拡散律速部２５を介して測定対象ガス（本実施形態では、排気ガス）が導入される。基準酸素室２３には、外部から基準ガスとしての大気が導入される。

なお、第１電極１９ａは、第１リード部２７ａを介して、ガス検知装置３との接続部である第１コネクタ２９ａに接続されている。第２電極１９ｂは、第２リード部２７ｂを介して、同様な第２コネクタ２９ｂに接続されている。

ガスセンサ素子１１は、いわゆる限界電流方式によって酸素濃度を検出する酸素センサ素子である。ここで、限界電流方式について、簡単に説明する。
周知のように、ポンプセル１５におけるポンプ電圧Ｖｐ（すなわち一対の多孔質電極１９間の電圧）とポンプ電流Ｉｐとの関係を示す出力特性としては、電圧軸に対して平行で平坦な領域、すなわちポンプ電流Ｉｐが一定となる限界電流の領域（限界電流域）があることが知られている。なお、ポンプ電流Ｉｐとは、ガスセンサ素子１１の一対の電極間、に生じる電位差が目標値となるようにするための電流を表す。この平坦領域（限界電流域）は、ポンプ電圧Ｖｐが変化してもポンプ電流Ｉｐが実質的に変化せず一定の値（限界電流）を保つ領域である。

この平坦領域は、酸素濃度（すなわち空燃比）に対応したポンプ電流Ｉｐを示す限界電流域であり、限界電流の変化が、酸素濃度の変化に対応している。この限界電流域のポンプ電流Ｉｐは、酸素濃度が高くなるほど大きくなることが知られている。

このため、ガスセンサ素子１１のポンプセル１５に対して、限界電流域に応じたポンプ電圧Ｖｐを設定し、そのポンプ電圧Ｖｐとなるようにポンプ電流Ｉｐを制御（例えばフィードバック制御）し、その制御したポンプ電流Ｉｐを求めることによって、排気ガス中の酸素濃度を検出できる。

つまり、排気ガス中の酸素濃度が高くなるほど（空燃比がリーン側になるほど）、ポンプ電流Ｉｐの限界電流は増加し、排気ガス中の酸素濃度が低くなるほど（空燃比がリッチになるほど）、限界電流は減少するので、ポンプ電圧を適切な目標電圧として設定することによって、限界電流に基づいて酸素濃度（空燃比）を検出することができる。

本実施形態では、ポンプセル１５における一対の多孔質電極１９間のポンプ電圧Ｖｐとして、例えば４００ｍＶの目標電圧を設定し、一対の多孔質電極１９間にポンプ電流Ｉｐを流し、このポンプ電流Ｉｐによって酸素をポンピングする（例えば、測定室２１と基準酸素室２３との間で酸素を移動させる）。そして、周知のように、ポンピング時のポンプ電流Ｉｐが一定になった電流値（限界電流）に基づいて酸素濃度を検出する。

［１−３．センサ制御装置］
次に、ガスセンサ制御装置７について、図１等に基づいて説明する。
ガスセンサ制御装置７は、ガスセンサ５を駆動制御して、排気ガス中の酸素濃度を検出し、検出した酸素濃度をエンジン制御装置９に通知するように構成されている。

ガスセンサ制御装置７は、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩＣ）により構成される。
図１では、ガスセンサ制御装置７については、機能ブロック図として表している。

ガスセンサ制御装置７は、ＡＤ変換部３１（アナログデジタル変換部３１）、ＰＩＤ演算部３３、ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５（電流デジタルアナログ変換部３５）、ガス検出信号演算部３７、電流供給部３９、基準電位生成部４１、ポンプ電圧判定部４３、制御開始部４５を備える。

また、ガスセンサ制御装置７は、Ｒｐｖｓ演算部５１、ヒータ制御量演算部５３、ヒータドライバ５７を備える。
さらに、ガスセンサ制御装置７は、ポンプ電流端子６１（Ｉｐ＋端子６１）、検出電圧端子６３（Ｖｓ＋端子６３）、基準電位端子６５（ＣＯＭ端子６５）、端子監視部６７、異常検出部６９、通信処理部７１を備える。

以下、各構成について説明する。
電流供給部３９は、検出電圧端子６３を介して、各種電流をガスセンサ素子１１（詳細には、ポンプセル１５）に供給するように構成されている。

各種電流としては、例えば、パルス電流Ｉrpvsや微小電流Ｉｃｐなどが挙げられる。パルス電流Ｉrpvsは、ガスセンサ素子１１（詳しくはポンプセル１５）の内部抵抗を検出するための電流である。

また、微小電流Ｉｃｐは、ポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御前に、検出電圧端子６３と基準電位端子６５との間に流される初期電流であり、ガスセンサ素子１１（詳しくはポンプセル１５）にて酸素をポンピングして酸素基準電極を生成するための微小な電流である。

電流供給部３９は、これらの電流を常時供給するのではなく、各電流をそれぞれの適切な時期に供給するように構成されている。
基準電位生成部４１は、基準電位端子６５の電位を所定電位に設定するものである。具体的には、内燃機関のグランド電位ＧＮＤを基準として基準設定電圧（本実施形態では、２．７Ｖ）を加えた電位を、基準電位端子６５の電位として設定している。なお、本実施形態では、基準電位端子６５の電位が、ガスセンサ素子１１（ポンプセル１５）を制御する際の基準電位に相当する。

ＡＤ変換部３１は、検出電圧端子６３の電位および基準電位端子６５の電位に基づいてポンプセル１５の両端電圧（ポンプ電圧Ｖｐ＝検知電圧Ｖｓ）を検出し、検知電圧Ｖｓを示すアナログ値をデジタル値に変換する。なお、ポンプセル１５の両端電圧は、ポンプ電圧Ｖｐと記すが、電圧を検知する等の説明の際には、検知電圧Ｖｓと記すこともある。

このＡＤ変換部３１は、変換後のデジタル値をガスセンサ制御装置７の各部、例えば、ＰＩＤ演算部３３、ポンプ電圧判定部４３、Ｒｐｖｓ演算部５１などに通知する。
なお、ポンプセル１５の両端電圧は、酸素濃度に応じて変化するセンサ出力信号Ｖｓ１として利用でき、パルス電流Ｉrpvsの入力時には、ポンプセル１５の内部抵抗に応じて変化する応答信号Ｖｓ２として利用できる。

ＰＩＤ演算部３３は、ポンプ電流制御処理をデジタル処理により実行するように構成されている。ポンプ電流制御処理は、ポンプセル１５の検知電圧Ｖｓ（センサ出力信号Ｖｓ１）が目標電圧（本実施形態では、例えば４００ｍＶ）となるように、ポンプセル１５に通電するポンプ電流Ｉｐを制御するための制御処理（すなわちポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御）である。

ポンプ電流制御処理を実行するＰＩＤ演算部３３は、目標電圧（４００ｍＶ）とポンプセル１５の検知電圧Ｖｓ（センサ出力信号Ｖｓ１）との偏差ΔＶｓに基づいてＰＩＤ演算し、偏差ΔＶｓが０に近づくように（換言すれば、検知電圧Ｖｓが目標電圧に近づくように）ポンプセル１５に通電するためのポンプ電流Ｉｐの通電制御値（通電制御電流Ｔｉｐ）を演算する。

ポンプ電流演算部３４は、ＰＩＤ演算部３３で演算された通電制御電流Ｔｉｐを表すデジタル信号から予め定められた第１遮断周波数（本実施形態では、１００Ｈｚ）よりも高い周波数成分を減衰させてなるＤＡＣ制御信号Ｓ１（第１フィルタ信号Ｓ１）をデジタル演算により抽出する。

ガス検出信号演算部３７は、ポンプ電流演算部３４で抽出されたＤＡＣ制御信号Ｓ１を表すデジタル信号から予め定められた第２遮断周波数（本実施形態では、５０Ｈｚ）よりも高い周波数成分を減衰させてなるガス検出信号Ｓ２（第２フィルタ信号Ｓ２）をデジタル演算により抽出する。

このようなデジタル信号は、ポンプセル１５のフィードバック制御に適した信号となるため、ＤＡＣ制御信号Ｓ１に基づいて生成したポンプ電流Ｉｐをポンプセル１５に対して通電することで、ポンプセル１５の検知電圧Ｖｓにおける直近の変化状態に応じて、ポンプセル１５による酸素のポンピング（汲み出し、汲み入れ）を適切に実行できる。

なお、ＤＡＣ制御信号Ｓ１は、ポンプ電流Ｉｐの通電制御値の電流値および通電方向（正方向、逆方向）に関する情報を含んだデジタル信号である。
電流ＤＡ変換部３５は、ポンプ電流演算部３４で演算されたＤＡＣ制御信号Ｓ１（デジタル値）を受信し、受信したＤＡＣ制御信号Ｓ１についてＤＡ変換を行い、ＤＡ変換後のアナログ値としてのポンプ電流Ｉｐをポンプセル１５に対して、ガスセンサ素子１１を制御するための制御電流を通電する。制御電流には、少なくともポンプ電流Ｉｐおよび断線検知用電流Ｉｐｏｃが含まれる。

また、この電流ＤＡ変換部３５は、第１モードおよび第２モードを備えている。第１モードでは、電流ＤＡ変換部３５は、ポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御を行う場合に、ポンプセル１５にポンプ電流Ｉｐを供給する。

また、第１モードでは、電流ＤＡ変換部３５は、ポンプ電流演算部３４による演算値に基づいて、検出電圧端子６３と基準電位端子６５との間に生じる電位差、すなわち検知電圧Ｖｓが目標値となるようにポンプ電流端子６１を介してガスセンサ素子１１にポンプ電流Ｉｐを供給する。

また、第２モードでは、電流ＤＡ変換部３５は、回路の断線の検知のために、ポンプセル１５に対して３０μＡ以下（例えば２２μＡ）の微小な定電流（断線検知用電流Ｉｐｏｃ）を供給する。

ガス検出信号Ｓ２は、ＤＡＣ制御信号Ｓ１と比べて、フィルタ処理の回数が多いため、ポンプ電流Ｉｐの通電制御電流Ｔｉｐを示すデジタル信号であって、ポンプセル１５の検知電圧Ｖｓにおける長期間の変化状態が相対的に大きく反映されたデジタル信号となる。

このようなデジタル信号は、測定対象ガス（排気ガス）に含まれる特定成分（酸素）の検出に適した信号となる。このため、ガス検出信号Ｓ２を排気ガスに含まれる酸素濃度を検出するための信号として用いることで、ポンプセル１５の検知電圧Ｖｓにおける長期間の変化状態に基づいて、排気ガスに含まれる酸素濃度を検出することが可能となる。これにより、酸素濃度の検出精度を向上できる。

通信処理部７１は、ＳＰＩ通信線７２を介した通信により、エンジン制御装置９との間で各種情報の送受信を行うための通信制御処理を実行する。通信処理部７１は、センサ制御に関する制御情報を少なくとも含む情報の送受信を行う。例えば、通信処理部７１は、ガス検出信号Ｓ２をエンジン制御装置９に送信する。

エンジン制御装置９は、ガス検出信号Ｓ２に基づいて、排気ガス中の特定ガス（本実施形態では、酸素）の濃度を演算する。つまり、エンジン制御装置９は、測定室の酸素濃度が所定の目標濃度（例えば、理論空燃比相当の酸素濃度）になるようにポンプセル１５に流したポンプ電流Ｉｐの履歴データに基づいて、測定対象ガスに含まれていた酸素濃度を演算する。

なお、ガスセンサ制御装置７は、図示しないＥＥＰＲＯＭおよびＲＡＭを備えている。ＥＥＰＲＯＭは、制御処理の内容や制御処理に用いる各種パラメータなどを記憶する記憶部である。また、ＥＥＰＲＯＭは、制御対象となるガスセンサ８の種類や特性に応じて定められる各種情報（ポンプセル１５の許容最大電流など）を記憶している。これらの情報は、ガスセンサ制御装置７の製造段階でＥＥＰＲＯＭに記憶される。ＲＡＭは、各種制御処理に用いられる制御データ等を一時的に記憶する記憶部である。

Ｒｐｖｓ演算部５１は、ＡＤ変換部３１から通知された応答信号Ｖｓ２およびセンサ出力信号Ｖｓ１に基づいて、ポンプセル１５の内部抵抗値Ｒｐｖｓを演算する。
ヒータ制御量演算部５３は、デジタル演算により、Ｒｐｖｓ演算部５１で演算された内部抵抗値Ｒｐｖｓに基づいてガスセンサ５（詳細には、ガスセンサ素子１１のポンプセル１５）の温度を演算し、演算された温度をセンサ目標温度に近づける、あるいは維持するために必要なヒータ発熱量を演算する。

ヒータ制御量演算部５３は、演算したヒータ発熱量に基づいて、ヒータ２６に供給するべき電力のＤＵＴＹ比率を演算して、そのＤＵＴＹ比率に応じたＰＷＭ制御信号を生成する。

なお、センサ目標温度は、予め定められた値が記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭなど）に記憶されている。ヒータ制御量演算部５３は、記憶部から読み出したセンサ目標温度を利用して、ＰＷＭ制御信号を生成する。

ヒータドライバ５７は、電源装置５９から供給される電力を用いて、ヒータ制御量演算部５３からのＰＷＭ制御信号に基づいてヒータ１３への通電制御を行う。これにより、ヒータ１３の発熱量は、ガスセンサ５の温度をセンサ目標温度に近づける、あるいは維持するために必要な発熱量となる。

ポンプ電流端子６１および検出電圧端子６３は、ガスセンサ素子１１のポンプセル１５における一対の多孔質電極１９のうち一方（第１電極１９ａ）に接続されており、基準電位端子６５は、一対の多孔質電極１９のうち他方（第２電極１９ｂ）に接続されている。ポンプ電流端子６１は、ガス検知装置３の内部であって、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１よりもガスセンサ素子１１側で、検出電圧端子６３と第２電極１９ｂとの接続経路に接続されることで、第１電極１９ａと電気的に接続されている。

詳しくは、第１コネクタ２９ａ（従って第１電極１９ａ）は、第１導通部７３ａを介して、基準電位端子６５に接続されている。第２コネクタ２９ｂ（従って第２電極１９ｂ）は、第２導通部７３ｂを介して、検出電圧端子６３に接続されている。ポンプ電流端子６１は、第２導通部７３ｂに接続されている。

端子監視部６７は、ポンプ電流端子６１、検出電圧端子６３、基準電位端子６５のそれぞれの電位（アナログ値）を検出し、検出した各電位をＡＤ変換して、変換後の各電位（デジタル値）を異常検出部６９に送信する。

異常検出部６９は、ポンプ電流端子６１、検出電圧端子６３、基準電位端子６５のそれぞれの電位が予め定められた正常範囲に含まれるか否かを判定し、電位が正常範囲を逸脱する端子を異常状態であると判定する。

異常検出部６９は、制御電流（ここでは断線検知用電流Ｉｐｏｃ）または初期電流（微小電流Ｉｃｐ）を判定用電流として、判定用電流が供給されたときの検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１の電位を比較することによって、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１のうちの少なくとも一方とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されているか否かを判定する。

すなわち、電気的に接続されているはずの検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１が電気的に接続されていない場合には、検出電圧端子６３の電位とポンプ電流端子６１の電位とが異なる電位になる可能性が高い。そこで、ガスセンサ制御装置７は、検出電圧端子６３の電位とポンプ電流端子６１の電位とを比較することで異常を判定する構成を採用する。

異常検出部６９は、例えば、図３に示すマトリクスに従って検出電圧端子６３の電位とポンプ電流端子６１の電位とを比較することで、検出電圧端子６３またはポンプ電流端子６１がオープンであることを検出することができる。なお、オープンであるとは、端子がガスセンサ素子１１に対して電気的に接続されていないことを示す。

図３では、検出電圧端子（ＶＳＰ端子）６３がオープンであることを検出するには、微小電流Ｉｃｐを流した状態（ＯＮ）とし、かつ断線検知用電流Ｉｐｏｃを流さない状態（ＯＦＦ）として、各端子の電位を比較するとよいことを示す。また、ポンプ電流端子（ＩＰＰ）６１がオープンであることを検出するには、微小電流Ｉｃｐを流さない状態（ＯＦＦ）とし、かつ断線検知用電流Ｉｐｏｃを流す状態（ＯＮ）として、各端子の電位を比較するとよいことを示す。

つまり、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１という異なる端子からそれぞれ電流を供給し、このときの各端子の電位を順次比較する。
具体的には、後述する端子オープン識別処理にて、電流を供給する端子を順次切り替えることによって、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１の何れかがオープンであることを検出するだけでなく、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１のうちの何れの端子がオープンであるかを特定する。

異常検出部６９は、各端子のうち少なくとも１つを異常状態と判定した場合には、異常状態と判定された端子の情報を含む異常情報信号を、ＰＩＤ演算部３３やヒータ制御量演算部５３などに送信する。なお、端子がオープンであることは異常状態の一態様である。

ＰＩＤ演算部３３およびヒータ制御量演算部５３は、異常情報信号を受信すると、異常情報信号に応じて異常対応処理を実行する。例えば、ＰＩＤ演算部３３は、異常対応処理として、ポンプセル１５への通電を停止する処理を実行する。また、ヒータ制御量演算部５３は、異常対応処理として、ヒータ２６に供給する電力（換言すれば、ヒータに印加する電圧のＤＵＴＹ比率）を低減する処理を実行する。

また、異常状態と判定された端子が存在する場合には、異常検出部６９は、異常状態と判定された端子の情報を含む異常情報信号を、通信処理部７１を介してエンジン制御装置９に送信する。

エンジン制御装置９は、異常情報信号の受信中にガスセンサ制御装置７から出力されるガス検出信号Ｓ２は正常値ではなく異常値であるとして、酸素濃度検出には利用しないように濃度検出処理を実行する。これにより、エンジン制御装置９は、ガスセンサ制御装置７からのガス検出信号Ｓ２に基づいて酸素濃度を検出するにあたり、検出精度の低下を抑制できる。

［１−４．端子オープン識別処理］
次に、ガスセンサ制御装置７で実行される端子オープン識別処理について、図４のフローチャートおよび図５のタイミングチャートを用いて説明する。この端子オープン識別処理とは、内燃機関の始動時に、ポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御（ＦＢ制御）の開始を判定するための処理である。

例えば車両のイグニッションスイッチがオンとされて、内燃機関であるエンジンが始動された場合（時刻ｔ１）には、ステップ（以下Ｓと記す）１１０にて、ヒータ１３への通電が開始される。

続くＳ１２０では、例えばヒータ１３への通電とほぼ同時に、電流供給部３９により、ポンプセル１５の第２電極１９ｂに対して、判定用電流として、微小電流Ｉｃｐを供給する。この微小電流Ｉｃｐは、例えば３０μＡ以下（例えば１７μＡ）の定電流である。

続くＳ１３０では、端子監視部６７によって、検出電圧端子６３の電圧を認識する。なお、微小電流Ｉｃｐを供給した直後は、固体電解質体１７の抵抗値が大きいので、検出電圧端子６３の電圧は、図５に示すように、上限値（ここでは例えば６Ｖ）に張り付いた状態となる。

しかし、やがて固体電解質体１７の抵抗値は小さくなり、これに伴って検出電圧端子６３の電圧は低下する。Ｓ１３０−Ｓ１６０では、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１の電位の降下を監視し、検出電圧端子６３の電位の降下速度がポンプ電流端子６１の電位の降下速度よりも遅い場合に、検出電圧端子６３とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されていないと判定する。

詳細には、続くＳ１４０では、異常検出部６９によって、検出電圧端子６３の電圧が所定の判定値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ１５０に進み、一方否定判断されるとＳ２１０に進む。

この判定値Ｖｔｈとは、微小電流Ｉｃｐを供給してから固体電解質体１７の温度が上昇して固体電解質体１７の抵抗値が徐々に低下し、端子の電圧が低下したことを判定するための判定値である。検出電圧端子６３がオープンであると、図５における破線［Ａ］に示すように、端子の電圧が低下しないことが発生し得る。

なお、本処理で用いる判定値としては、例えば４．２Ｖを採用するとよいが、この判定値は実験等に基づいて最適な値を適宜設定することができる。
続くＳ１５０では、端子監視部６７によって、ポンプ電流端子６１の電圧を認識する。なお、ポンプ電流端子６１と検出電圧端子６３とは電気的に接続されているため、検出電圧端子６３から微小電流Ｉｃｐが供給されると、ポンプ電流端子６１の電圧は検出電圧端子６３の電圧に追従するはずである。しかし、検出電圧端子６３がオープンであると、図５における破線［Ｂ］に示すように、ポンプ電流端子６１の電圧が上昇しないことが発生し得る。

そこで、続くＳ１６０では、異常検出部６９によって、ポンプ電流端子６１の電圧が所定の判定値Ｖｔｈ未満であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ１７０に進み、一方否定判断されるとＳ１２０に戻る。なお、ある判定時間以上、Ｓ１６０にて否定判断される状況が繰り返される場合には、検出電圧端子６３の電圧が低下しない状況であるため、後述するＳ１８０に進んでもよい。

続くＳ１７０では、微小電流Ｉｃｐの供給を停止させる。
続くＳ１８０では、異常検出部６９によって、検出電圧端子６３がオープンであることを確定させる。つまり、判定用電流が供給されたときのポンプ電流端子６１の電位が検出電圧端子６３の電位よりも低い場合、或いは、検出電圧端子６３の電位の降下速度がポンプ電流端子６１の電位の降下速度よりも遅い場合に、検出電圧端子６３がオープンであると判定する。

この場合、異常検出部６９は、検出電圧端子６３についての異常情報信号を送信する。
一方Ｓ２１０では、微小電流Ｉｃｐの供給を停止させる。
続くＳ２２０では、ポンプ電流演算部３４および電流ＤＡ変換部３５によって、判定用電流として断線検知用電流Ｉｐｏｃを供給する（図５の時刻ｔ２）。

続くＳ２３０では、端子監視部６７によって、ポンプ電流端子６１の電圧を認識する。なお、ポンプ電流端子６１と検出電圧端子６３とは電気的に接続されているため、ポンプ電流端子６１から断線検知用電流Ｉｐｏｃが供給されると、検出電圧端子６３の電圧はポンプ電流端子６１の電圧に追従するはずである。しかし、ポンプ電流端子６１がオープンであると、図５における破線［Ｃ］に示すように、ポンプ電流端子６１の電圧だけが上昇することが発生し得る。

そこで、続くＳ２４０では、異常検出部６９によって、ポンプ電流端子６１の電圧が所定の判定値Ｖｔｈ未満であるか否かを判定する。ここで肯定判断されるとＳ２５０に進み、一方否定判断されるとＳ１２０に戻る。

続くＳ２５０では、断線検知用電流Ｉｐｏｃの供給を停止させる。
続くＳ２６０では、異常検出部６９によって、ポンプ電流端子６１がオープンであることを確定させる。つまり、判定用電流が供給されたときのポンプ電流端子６１の電位が検出電圧端子６３の電位よりも高い場合に、ポンプ電流端子６１がオープンであると判定する。この場合、異常検出部６９は、ポンプ電流端子６１についての異常情報信号を送信する。

なお、Ｓ２４０において、ある判定時間以上、否定判断される状況が繰り返される場合には、本処理を終了するとよい。この場合、ポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御を開始するために、制御開始部４５からＰＩＤ演算部に対して、フィードバック制御に必要な演算に開始を指示する制御信号を出力する（図５の時刻ｔ３）。

つまり、ポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御を開始するため条件が満たされたので、断線検知用電流Ｉｐｏｃの供給を停止し、ポンプ電流Ｉｐのフィードバック制御を開始して、酸素濃度の検出を開始する。なお、ポンプ電流端子６１または検出電圧端子６３がオープンである場合には、ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５によりポンプ電流が供給されることが禁止される。

また、Ｓ１８０またはＳ２６０の処理の後、端子オープン識別処理を終了する。
［１−３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１ａ）上記のガスセンサ制御装置７は、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１よりもガスセンサ素子１１側で検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１を電気的に接続した状態で、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１を一対の電極のうちの一方に電気的に接続するとともに、基準電位端子６５を一対の電極のうちの他方に電気的に接続するように構成され、ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５と、電流供給部３９と、端子監視部６７と、異常検出部６９と、を備える。

ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５は、ポンプ電流端子６１を介してガスセンサ素子１１に制御電流を供給する。制御電流には、テスト電流およびポンプ電流Ｉｐが含まれる。なお、テスト電流とは、断線検知用電流Ｉｐｏｃ、パルス電流Ｉrpvs等、ガスセンサ素子１１の異常を検出するための電流を表す。また、ポンプ電流Ｉｐとは、ガスセンサ素子１１の一対の電極間、例えば基準電位端子６５と検出電圧端子６３との間、に生じる電位差が目標値となるようにするための電流を表す。

電流供給部３９は、制御電流が供給される前に、検出電圧端子６３と基準電位端子６５との間に初期電流を供給する。
端子監視部６７は、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１の電位を取得する。

異常検出部６９は、制御電流または初期電流を判定用電流として、判定用電流が供給されたときの検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１の電位を比較することによって、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１のうちの少なくとも一方とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されているか否かを判定する。

このようなガスセンサ制御装置７によれば、少なくとも検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１のうちの何れかがガスセンサ素子１１と正常に接続されていないことを検知することができる。

（１ｂ）上記のガスセンサ制御装置７において、接続判定部は、初期電流を判定用電流として、判定用電流が供給されたときのポンプ電流端子６１の電位が検出電圧端子６３の電位よりも低い場合に、検出電圧端子６３とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されていないと判定するように構成される。

このようなガスセンサ制御装置７によれば、検出電圧端子６３とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されているか否かを判定することができる。
（１ｃ）上記のガスセンサ制御装置７において、接続判定部は、初期電流が判定用電流として供給されている間、検出電圧端子６３およびポンプ電流端子６１の電位の降下を監視し、検出電圧端子６３の電位の降下速度がポンプ電流端子６１の電位の降下速度よりも遅い場合に、検出電圧端子６３とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されていないと判定するように構成される。

このようなガスセンサ制御装置７によれば、電位の降下速度を継続的に監視するので、電位を一時的に比較する構成と比較して、検出電圧端子６３とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されているか否かをより確実に判定することができる。

（１ｄ）上記のガスセンサ制御装置７は、検出電圧端子６３とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されていないと判定された場合に、ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５により制御電流が供給されることを禁止するポンプ禁止部をさらに備える。

このようなガスセンサ制御装置７によれば、異常がある場合にガスセンサ素子１１に制御電流が流されることを抑制するので、ガスセンサ素子１１を保護することができる。
（１ｅ）上記のガスセンサ制御装置７において、接続判定部は、制御電流を判定用電流として、判定用電流が供給されたときのポンプ電流端子６１の電位が検出電圧端子６３の電位よりも高い場合に、ポンプ電流端子６１とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されていないと判定するように構成される。

このようなガスセンサ制御装置７によれば、ポンプ電流端子６１とガスセンサ素子１１とが電気的に接続されているか否かを判定することができる。
［３．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（１）例えば、上記実施形態では、センサとして酸素センサを用いる実施形態について説明したが、酸素以外のガス（例えば、ＮＯｘなど）を検出するガスセンサであってもよい。また、センサはガスセンサに限られることはなく、素子部およびヒータを備えるセンサであれば、ガスセンサ以外のセンサであってもよい。

（２）また、例えば内燃機関の始動時にポンプセルに対して供給する電流（すなわち電流値が微小な定電流）としては、上述した微小電流Ｉｃｐや断線検知用電流Ｉｐｏｃに限定されるものではなく、始動時にポンプ電流の低下を検知できる各種の電流が挙げられる。

（３）フィードバック制御の開始の判定のために、センサ素子に電流を供給する電流供給部としては、上述したように、ポンプ電流供給部（例えば電流ＤＡ供給部３５）と判定用電流供給部（例えば電流供給部３９）を別にしてもよいし、ポンプ電流供給部が判定用電流供給部として機能しても良い。さらに、断線検知用電流Ｉｐｏｃの供給を、ポンプ電流供給部が行ってもよいし、判定用電流供給部が行ってもよい。

（４）また、第１端子部、第２端子部の何れかがガスセンサ素子と正常に接続されているか否かを判定する構成としてもよい。すなわち、前記接続判定部は、前記制御電流が前記判定用電流として供給されたときの前記第１端子部の電位および前記第２端子部の電位の比較結果と、前記初期電流が前記判定用電流として供給されたときの前記第１端子部の電位および前記第２端子部の電位の比較結果と、に基づいて、前記第１端子部と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かおよび前記第２端子部と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定するように構成されていてもよい。
このようなセンサ制御装置によれば、第１端子部および第２端子部のうちのどちらかが、ガスセンサ素子と正常に接続されているか否かを検知することができる。また、正常に接続されていない端子部が、第１端子部および第２端子部のうちのどちらであるかを特定することができる。
（５）さらに、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に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各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。

（６）また、センサ制御装置は、上述のようなＡＳＩＣにより構成される形態に限られることなく、例えばマイクロコンピュータ（以下、マイコンともいう。）を備える形態であってもよい。マイコンは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび信号入出力部を備える。このようなセンサ制御装置の各種機能は、ＣＰＵが非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。

この例では、ＲＯＭが、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。信号入出力部は、外部機器との間で各種信号の送受信を行う。

なお、マイコンを構成するＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび信号入出力部のそれぞれの個数は、１つでも複数でもよい。また、マイコンが実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のＩＣ等により、ハードウェア的に構成してもよい。

（７）本開示は、上述したＡＳＩＣ、マイコンの他、当該マイコンを構成要素とするシステム、当該マイコンとしてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の記録媒体など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

［４．実施形態の構成と本開示の構成との対応関係］
上記の実施形態において、検出電圧端子６３、ポンプ電流端子６１、基準電位端子６５、電流供給部３９、端子監視部６７、基準電位生成部４１は、順に、本開示でいう第１端子部、第２端子部、第３端子部、初期供給部、電位取得部、電位設定部に相当する。また、上記の実施形態において、ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５は、本開示でいう制御供給部に相当する。また、上記の実施形態において、ＰＩＤ演算部３３、ポンプ電流演算部３４、電流ＤＡ変換部３５は、本開示でいうポンプ供給部に相当する。

また、上記実施形態において端子オープン識別処理の概ね全般は、本開示でいう接続判定部に相当し、端子オープン識別処理のうちの、Ｓ１４０が肯定判定されることによりＳ２２０が未実施となる構成は、本開示でいうポンプ禁止部に相当する。

１…ガス検知システム、３…ガス検知装置、５…ガスセンサ、７…センサ制御装置、９…エンジン制御装置、１１…センサ素子、１３…ヒータ、１５…ポンプセル、１７…固体電解質体、１９…多孔質電極、３１…アナログデジタル変換部（ＡＤ変換部）、３３…ＰＩＤ演算部、３４…ポンプ電流演算部、３５…電流デジタルアナログ変換部（電流ＤＡ変換部）、３９…電流供給部、４１…基準電位生成部、４３…ポンプ電圧判定部、４５…制御開始部、６１…ポンプ電流端子（Ｉｐ＋端子）、６３…検出電圧端子（Ｖｓ＋端子）、６５…基準電位端子（ＣＯＭ端子）。

Claims (5)

1. 固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を有するセルを備えるガスセンサ素子に電気的に接続される第１端子部、第２端子部、第３端子部を備えるガスセンサ制御装置であって、
   当該ガスセンサ制御装置は、
   前記第１端子部および前記第２端子部よりも前記ガスセンサ素子側で前記第１端子部および前記第２端子部を電気的に接続した状態で、前記第１端子部および前記第２端子部を前記一対の電極のうちの一方に電気的に接続するとともに、前記第３端子部を前記一対の電極のうちの他方に電気的に接続するように構成され、
   前記第３端子部を基準電位に設定する電位設定部と、
   前記第１端子部と前記第３端子部との間に生じる電位が目標値となるように前記第２端子部を介して前記ガスセンサ素子にポンプ電流を供給するポンプ供給部と、
   前記第２端子部を介して前記ガスセンサ素子に、前記ガスセンサ素子の状態を検知するためのテスト電流または前記ポンプ電流を表す制御電流を供給する制御供給部と、
   前記制御電流が供給される前に、前記第１端子部を介して前記ガスセンサ素子に初期電流を供給する初期供給部と、
   前記第１端子部および前記第２端子部の電位を取得する電位取得部と、
   判定用電流として前記制御電流または前記初期電流が切替えられて用いられており、前記判定用電流が供給されたときの前記第１端子部および前記第２端子部の電位を比較することによって、前記第１端子部および前記第２端子部のうちの少なくとも一方と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されているか否かを判定する接続判定部と、
   を備えたセンサ制御装置。
2. 請求項１に記載のセンサ制御装置であって、
   前記接続判定部は、前記初期電流を前記判定用電流として、前記判定用電流が供給されたときの前記第２端子部の電位が前記第１端子部の電位よりも低い場合に、前記第１端子部と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定する
   ように構成されたセンサ制御装置。
3. 請求項１に記載のセンサ制御装置であって、
   前記接続判定部は、前記初期電流が前記判定用電流として供給されている間、前記第１端子部および前記第２端子部の電位の降下を監視し、前記第１端子部の電位の降下速度が前記第２端子部の電位の降下速度よりも遅い場合に、前記第１端子部と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定する
   ように構成されたセンサ制御装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のセンサ制御装置であって、
   前記第１端子部と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定された場合に、前記制御供給部により前記制御電流が供給されることを禁止するポンプ禁止部
   をさらに備えたセンサ制御装置。
5. 請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のセンサ制御装置であって、
   前記接続判定部は、前記制御電流を前記判定用電流として、前記判定用電流が供給されたときの前記第２端子部の電位が前記第１端子部の電位よりも高い場合に、前記第２端子部と前記ガスセンサ素子とが電気的に接続されていないと判定する
   ように構成されたセンサ制御装置。

Images