特許 6097654 センサ制御装置及びセンサ制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6097654

(24)【登録日】2017年2月24日

(45)【発行日】2017年3月15日

(54)【発明の名称】センサ制御装置及びセンサ制御方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20170306BHJP

   G01N 27/26 20060101ALI20170306BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/416 331

   G01N27/26 391Z

【請求項の数】8

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2013-163438(P2013-163438)

(22)【出願日】2013年8月6日

(65)【公開番号】特開2014-209079(P2014-209079A)

(43)【公開日】2014年11月6日

【審査請求日】2016年1月28日

(31)【優先権主張番号】特願2013-71400(P2013-71400)

(32)【優先日】2013年3月29日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100113022

【弁理士】

【氏名又は名称】赤尾 謙一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100110249

【弁理士】

【氏名又は名称】下田 昭

(74)【代理人】

【識別番号】100116090

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 和彦

(72)【発明者】

【氏名】矢澤 克則

(72)【発明者】

【氏名】富松 智洋

【審査官】 黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０３−００９２７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１５６６７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１９１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１４４７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２３３０４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／２６

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々に酸素イオン導電体と前記酸素イオン導電体上に形成された一対の電極とよりなる第１酸素ポンプセル、第２酸素ポンプセルおよび測定対象ガスが導入される測定室を有し、前記測定室に導入された測定対象ガスから前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み出し、または、前記測定室へ前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み入れて、前記測定対象ガスの酸素濃度を調整し、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間への駆動電圧の印加により、前記酸素濃度が調整されたガスから酸素を汲み出し、前記汲み出した酸素の量に応じて前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に第２ポンプ電流が流れるガスセンサ素子を備え、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に流れる前記第２ポンプ電流に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる前記特定ガスの濃度を測定するセンサ制御装置であって、
前記ガスセンサ素子の起動後、且つ、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加前に、前記第２酸素ポンプセルに対して、所定値の電流を一定時間流すことにより、前記酸素濃度が調整されたガスから前記第２酸素ポンプセルによって汲み出される酸素の量を一定にする特定制御を行う制御手段と、
前記所定値の電流を流したときの前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えた場合に、前記センサ素子と当該センサ制御装置との間の配線状態が正常であると判定する判定手段と、
を備えるセンサ制御装置。

【請求項2】

請求項１記載のセンサ制御装置であって、
前記判定手段は、前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、前記配線状態を異常であると確定するセンサ制御装置。

【請求項3】

請求項１記載のセンサ制御装置であって、
前記制御手段による前記特定制御の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定手段にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、所定時間内の前記第２ポンプ電流の値、該値に基づく算出値、前記値の変動幅、又は前記算出値の変動幅のいずれかを用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定手段、
をさらに備えるセンサ制御装置。

【請求項4】

請求項１記載のセンサ制御装置であって、
前記制御手段による前記特定制御の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定手段にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、当該駆動電圧を変化させたときの前記第２ポンプ電流の変化量、又は、該変化量に基づく算出値を用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定手段、
をさらに備えるセンサ制御装置。

【請求項5】

各々に酸素イオン導電体と前記酸素イオン導電体上に形成された一対の電極とよりなる第１酸素ポンプセル、第２酸素ポンプセルおよび測定対象ガスが導入される測定室を有し、前記測定室に導入された測定対象ガスから前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み出し、または、前記測定室へ前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み入れて、前記測定対象ガスの酸素濃度を調整し、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間への駆動電圧の印加により、前記酸素濃度が調整されたガスから酸素を汲み出し、前記汲み出した酸素の量に応じて前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に第２ポンプ電流が流れるガスセンサ素子を制御し、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に流れる前記第２ポンプ電流に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる前記特定ガスの濃度を測定するセンサ制御方法であって、
前記ガスセンサ素子の起動後、且つ、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加前に、前記第２酸素ポンプセルに対して、所定値の電流を一定時間流すことにより、前記酸素濃度が調整されたガスから前記第２酸素ポンプセルによって汲み出される酸素の量を一定にする特定制御を行う特定制御過程と、
前記所定値の電流を流したときの前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えた場合に、前記センサ素子と当該センサ制御装置との間の配線状態が正常であると判定する判定過程と、
を有するセンサ制御方法。

【請求項6】

請求項５記載のセンサ制御方法であって、
前記判定過程は、前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、前記配線状態を異常であると確定するセンサ制御方法。

【請求項7】

請求項５記載のセンサ制御方法であって、
前記特定制御過程の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定過程にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、所定時間内の前記第２ポンプ電流の値、該値に基づく算出値、前記値の変動幅、又は前記算出値の変動幅のいずれかを用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定過程、
をさらに有するセンサ制御方法。

【請求項8】

請求項５記載のセンサ制御方法であって、
前記特定制御過程の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定過程にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、当該駆動電圧を変化させたときの前記第２ポンプ電流の変化量、又は、該変化量に基づく算出値を用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定過程、
をさらに有するセンサ制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定対象ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定するガスセンサ素子を制御するガスセンサの制御装置及び制御方法に関し、特に、ガスセンサ素子の起動時における制御に用いるセンサ制御装置及び制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

排気ガス等の測定対象ガスに含まれる窒素酸化物（以降、本明細書では、ＮＯｘと呼ぶ）やアンモニアといった特定ガスの濃度を測定するガスセンサ（ガスセンサ素子）が利用されている。ＮＯｘセンサは、例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質層上に多孔質の電極が形成されている酸素濃度検出セル、第１酸素ポンプセル、第２酸素ポンプセルを備えている。ＮＯｘセンサは、酸素濃度検出セルの出力電圧が一定値となるように第１酸素ポンプセルによって第１測定室から酸素を汲み出して第１測定室内の測定対象ガスの酸素濃度を一定に制御し、第２酸素ポンプセルの電極間に駆動電圧を印加して、第１測定室から第２測定室に導入されたガス（第１酸素ポンプセルにより酸素濃度が調整されたガス）から第２酸素ポンプセルによって酸素を汲み出す。この駆動電圧の印加によって第２酸素ポンプセルに流れる電流値に基づいて、測定対象ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。

【0003】

このようなＮＯｘセンサを用いて、例えば、自動車から排出される排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を測定する場合、前回の運転を停止してから再起動するまでの経過時間に応じて、第２測定室に存在するガスは、大気雰囲気に近いリーン状態となっている。そのため、ＮＯｘセンサには、起動時に、第２測定室に存在する酸素や第２測定室に面している多孔質の電極に含まれる酸素を一時的に急激に汲み出し、第２測定室内を所定の低酸素濃度状態とする予備制御を行うことにより、排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を安定して測定可能となるまでの時間を短縮しているものがある。例えば、予備制御として、ガスセンサ素子の起動後に通常制御時よりも高い一定電圧を第２酸素ポンプセルの電極間に印加して、第２測定室に存在する酸素に含まれる酸素を一時的に急激に汲み出している（例えば、特許文献１、２）。

【0004】

ところで、第２酸素ポンプセルに印加される電圧値が所定値以上である場合、第２酸素ポンプセルの電極上において測定対象ガスに含まれる水（Ｈ_２Ｏ）の解離が発生すること、および、第２酸素ポンプセルの電極間に流れる電流の限界値（限界電流）は、Ｈ_２Ｏの濃度に応じて増加することが知られている。すなわち、第２酸素ポンプセルによる酸素の汲み出し量は、Ｈ_２Ｏ濃度に依存して異なる。そのため、起動時に、第２酸素ポンプセルに、通常制御時より高い一定電圧が印加された場合、測定対象ガスに含まれるＮＯｘ濃度を安定して測定可能となるまでの時間が、Ｈ_２Ｏ濃度に依存して異なるという問題が生じる。
そこで、第２酸素ポンプセルに所定の電流を一定時間流すことにより、第２酸素ポンプセルによる酸素の汲み出し量を一定にし、ＮＯｘ濃度を安定して測定可能とする時間を短時間とするＦＬＯ（Fast light off）技術が開発されている（例えば、特許文献３）。

【0005】

一方、ＮＯｘセンサの制御装置では、ＮＯｘセンサの動作状態を診断する動作診断処理を行うように構成されることが、近年、主流となってきている。
この動作診断処理の一例としては、特許文献４のように、内燃機関への燃料噴射が停止されているフューエルカット（Ｆ/Ｃ）中に、第２酸素ポンプセルに印加する駆動電圧を変化させ、その際に検出されるポンプ電流に基づき、ＮＯｘセンサ（第２酸素ポンプセル）−センサ制御装置間の配線状態が正常であるか異常（断線）であるかを判定する異常検出処理が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−２８１２１１号公報

【特許文献2】特開２００１−１４１６９６号公報

【特許文献3】特開２０１０−１５６６７６号公報

【特許文献4】特開２００３−２７０１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、特許文献４に記載されたセンサの異常検出処理では、内燃機関の運転中にフューエルカット（Ｆ/Ｃ）が生じないと、異常検出処理を開始できないという問題があり、ＮＯｘセンサの駆動を開始してから早期に第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置との間の配線状態が正常であるか否かを判定することができない。

【0008】

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサ素子の駆動を開始してから早期に、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置間との間の配線状態の診断を行うことができるセンサ制御装置及びセンサ制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明のセンサ制御装置は、各々に酸素イオン導電体と前記酸素イオン導電体上に形成された一対の電極とよりなる第１酸素ポンプセル、第２酸素ポンプセルおよび測定対象ガスが導入される測定室を有し、前記測定室に導入された測定対象ガスから前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み出し、または、前記測定室へ前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み入れて、前記測定対象ガスの酸素濃度を調整し、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間への駆動電圧の印加により、前記酸素濃度が調整されたガスから酸素を汲み出し、前記汲み出した酸素の量に応じて前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に第２ポンプ電流が流れるガスセンサ素子を備え、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に流れる前記第２ポンプ電流に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる前記特定ガスの濃度を測定するセンサ制御装置であって、前記ガスセンサ素子の起動後、且つ、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加前に、前記第２酸素ポンプセルに対して、所定値の電流を一定時間流すことにより、前記酸素濃度が調整されたガスから前記第２酸素ポンプセルによって汲み出される酸素の量を一定にする特定制御を行う制御手段と、前記所定値の電流を流したときの前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えた場合に、前記センサ素子と当該センサ制御装置との間の配線状態が正常であると判定する判定手段と、を備える。
このセンサ制御装置によれば、ガスセンサ素子の起動後、且つ、第２酸素ポンプセルへ駆動電圧を印加する前に実行される特定制御を利用して、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置との間の配線状態の診断を行うようにしている。より具体的には、制御手段による特定制御の際に所定値の電流を第２酸素ポンプセルに向けて流し、そのときの第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超える場合には、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置との間の配線状態に断線が生じておらず正常であると判定している。これにより、ガスセンサ素子の駆動を開始してから早期に、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置間との間の配線状態の診断を行うことができる。

【0010】

前記判定手段は、前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、前記配線状態を異常であると確定するとよい。
このセンサ制御装置によれば、判定手段によって配線状態が正常でない場合に、異常と決定するため、配線状態の正常、異常の判定を簡易的に行うことができる。

【0011】

ところで、第２酸素ポンプセルのインピーダンスは、ガスセンサ素子の周囲を流れる測定対象ガスの影響による当該ガスセンサ素子の急冷等により一時的に高まることがある。そして、制御手段による特定制御を実行している期間に、上記のように第２酸素ポンプセルのインピーダンスが一時的に高まると、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置との間の配線状態が正常であるにも関わらず、所定値の電流を流したときの第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えないおそれがある。
そこで、本発明では、前記制御手段による前記特定制御の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定手段にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、所定時間内の前記第２ポンプ電流の値、該値に基づく算出値、前記値の変動幅、又は前記算出値の変動幅のいずれかを用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定手段、をさらに備えてもよい。
このセンサ制御装置によれば、判定手段で配線状態が正常でないと判定された場合に即座に異常を確定させず、特定制御が終了し、且つ、第２酸素ポンプセルへの駆動電圧の印加開始後の所定期間内における第２ポンプ電流の値、該値に基づく算出値、前記値の変動幅、又はは前記算出値の変動幅のいずれかを用いて、配線状態の異常を判定することで、配線異常を容易に確定させることができる。換言すれば、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置との間の配線状態が正常であるにも関わらず、所定値の電流を流したときの第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えない場合にも、確定判定手段により、上記配線状態が正常であると容易に判定することができる。

【0012】

本発明では、前記制御手段による前記特定制御の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定手段にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、当該駆動電圧を変化させたときの前記第２ポンプ電流の変化量、又は、該変化量に基づく算出値を用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定手段、をさらに備えてもよい。
このセンサ制御装置によれば、判定手段で配線状態が正常でないと判定された場合に即座に異常を確定させず、特定制御が終了し、且つ、第２酸素ポンプセルへの駆動電圧の印加開始後にさらに精度の高い手段（方法）で配線状態の異常を判定することで、配線異常を確定させることができる。換言すれば、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置との間の配線状態が正常であるにも関わらず、所定値の電流を流したときの第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えない場合にも、確定判定手段により、上記配線状態が正常であると判定することができる。

【0013】

本発明のセンサ制御方法は、各々に酸素イオン導電体と前記酸素イオン導電体上に形成された一対の電極とよりなる第１酸素ポンプセル、第２酸素ポンプセルおよび測定対象ガスが導入される測定室を有し、前記測定室に導入された測定対象ガスから前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み出し、または、前記測定室へ前記第１酸素ポンプセルにより酸素を汲み入れて、前記測定対象ガスの酸素濃度を調整し、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間への駆動電圧の印加により、前記酸素濃度が調整されたガスから酸素を汲み出し、前記汲み出した酸素の量に応じて前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に第２ポンプ電流が流れるガスセンサ素子を制御し、前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間に流れる前記第２ポンプ電流に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる前記特定ガスの濃度を測定するセンサ制御方法であって、前記ガスセンサ素子の起動後、且つ、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加前に、前記第２酸素ポンプセルに対して、所定値の電流を一定時間流すことにより、前記酸素濃度が調整されたガスから前記第２酸素ポンプセルによって汲み出される酸素の量を一定にする特定制御を行う特定制御過程と、前記所定値の電流を流したときの前記第２酸素ポンプセルの一対の電極間の電圧が閾値を超えた場合に、前記センサ素子と当該センサ制御装置との間の配線状態が正常であると判定する判定過程と、を有する。

【0014】

前記判定過程は、前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、前記配線状態を異常であると確定してもよい。
前記特定制御過程の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定過程にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、所定時間内の前記第２ポンプ電流の値、該値に基づく算出値、前記値の変動幅、又は前記算出値の変動幅を用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定過程、をさらに有してもよい。
前記特定制御過程の終了後、前記第２酸素ポンプセルの前記一対の電極間への前記駆動電圧の印加を開始し、前記判定過程にて前記配線状態が正常であると判定した場合を除き、当該駆動電圧を変化させたときの前記第２ポンプ電流の変化量、又は、該変化量に基づく算出値を用いて、前記配線状態の異常を確定する確定判定過程、をさらに有してもよい。

【発明の効果】

【0015】

この発明によれば、ガスセンサ素子の駆動を開始してから早期に、第２酸素ポンプセルとセンサ制御装置間との間の配線状態の診断を行うことができることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施例におけるガスセンサ素子およびガスセンサ制御装置の概略構成を例示する説明図である。

【図2】第１実施例におけるＮＯｘセンサの起動処理について説明するフローチャートである。

【図3】第１実施例におけるＮＯｘセンサのＩｐ２断線判定処理について説明するフローチャートである。

【図4】第１実施例におけるＮＯｘセンサの確定Ｉｐ２断線判定処理について説明するフローチャートである。

【図5】第２実施例におけるＶｐ２印加回路の回路構成を示す図である。

【図6】第２実施例におけるＮＯｘセンサの起動処理について説明するフローチャートである。

【図7】予備制御（ＦＬＯ制御）完了後、Ｉｐ２セルの電極間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の変動状態を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

Ａ．第１実施例：
Ａ１．ガスセンサ素子の概略構成：
図１は、実施例におけるガスセンサ素子およびガスセンサ制御装置の概略構成を例示する説明図である。図１において、ガスセンサのセンサ素子１は、先端部分における内部構造を示す断面図をもって図示しており、図中左側がセンサ素子１の先端側である。

【0018】

ガスセンサは、細長で長尺な板状体に形成されているセンサ素子１を、内燃機関の排気管（図示省略）に取り付けるためのハウジング（図示省略）内で保持した構造を有する。センサ素子１の出力する信号を取り出すための信号線がガスセンサから引き出されており、ガスセンサとは離れた位置に取り付けられるガスセンサ制御装置１００に電気的に接続されている。

【0019】

センサ素子１の構造について図１を参照して説明する。センサ素子１は、酸素イオン伝導性を有する３枚の固体電解質層１１，２１、３１の間に絶縁体４０、４５を挟んで板状に形成した構造を有する。また、固体電解質層３１側の外層（図１における下側）には、ヒータ素子６１が設けられている。

【0020】

固体電解質層１１は、例えばジルコニアであり、酸素イオン伝導性を有する。センサ素子１の積層方向において固体電解質層１１の両面には、固体電解質層１１を挟むように多孔質性の電極１２、１３が設けられている。電極１２、１３は、Ｐｔ又はＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメット等から形成されている。また、電極１２、１３の表面上にはセラミックスからなる多孔質性の保護層１４が設けられている。保護層１４は、電極１２、１３が排気ガスに含まれる被毒性ガス（還元雰囲気）に晒されることによる電極の劣化を抑制している。

【0021】

固体電解質層１１は、電極１２、１３間に電流が流れることにより、電極１２の接する雰囲気（センサ素子１の外部の雰囲気）と電極１３の接する雰囲気（後述する第１測定室５０内の雰囲気）との間で酸素の汲み出しおよび汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。以降、実施例では、固体電解質層１１、電極１２、電極１３から構成される酸素ポンプセルを、Ｉｐ１セル１０と呼ぶ。Ｉｐ１セル１０は、特許請求の範囲における「第１酸素ポンプセル」に当たり、固体電解質層１１は、特許請求の範囲における第１酸素ポンプセルの「酸素イオン導電体」に当たり、電極１２、電極１３が、特許請求の範囲の第１酸素ポンプセルの「一対の電極」に相当する。

【0022】

固体電解質層１２は、例えばジルコニアであり、酸素イオン伝導性を有する酸素イオン導電体である。固体電解質層２１は、絶縁体４０を挟んで固体電解質層１１と対向するように配置されている。センサ素子１の積層方向における固体電解質層２１の両面にも、固体電解質層２１を挟むように多孔質性の電極２２、電極２３がそれぞれ設けられており、同様に、Ｐｔ又はＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメット等から形成されている。そのうちの電極２２は、固体電解質層１１と対向するように形成されている。

【0023】

第１測定室５０は、絶縁体４０と同一面上に形成されると共に、固体電解質層１１と固体電解質層２１との間に形成されており、排気通路内を流通する排気ガスがセンサ素子１内に最初に導入される小空間である。第１測定室５０におけるセンサ素子１の先端側には多孔質性の第１拡散抵抗部５１が設けられている。第１拡散抵抗部５１は、第１測定室５０の内部と外部とを仕切るとともに、第１測定室５０内へ流入する排気ガスの単位時間あたりの流量を制限している。固体電解質層１１側の電極１３と、固体電解質層２１側の電極２２とは第１測定室５０に露出するように配置されている。

【0024】

第２測定室６０は、第１測定室５０と連通するように形成されており、ｌｐ１セル１０の酸素ポンピングにより酸素濃度が調整されたガス（以降、実施例では調整ガスと呼ぶ）が導入される小空間である。第２測定室６０の開口部４１には、多孔質性の第２拡散抵抗部５２が設けられており、第１測定室５０と第２測定室６０との間を仕切るとともに、第２測定室６０へ導入される調整ガスの単位時間あたりの流量を制限する。

【0025】

基準酸素室７０は絶縁体４５、電極２３、電極３２により囲われている小空間であり、絶縁性セラミック製の多孔質体が充填されている。

【0026】

固体電解質層２１、電極２２および電極２３は、固体電解質層２１により隔てられた、第１測定室５０内の雰囲気と基準酸素室７０内の雰囲気の間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。電極２３は基準雰囲気に調整された基準酸素室７０に露出するように配置されている。本実施例では、固体電解質層２１、電極２２および電極２３から構成される酸素ポンプセルをＶｓセル２０と呼ぶ。

【0027】

固体電解質層３１は、例えばジルコニアであり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質層３１は、絶縁体４５を挟んで固体電解質層２１と対向するように配置されている。固体電解質層３１の固体電解質層２１に対向する側の面には、多孔質性の電極３２、３３が設けられている。電極３２、３３は、Ｐｔ又はＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメット等から形成されている。電極３３は、第２測定室６０に露出するように、換言すれば、調整ガスに晒されるように、配置されている。

【0028】

固体電解質層３１および両電極３２、３３は、電極３２、３３に印加される電圧に応じて、絶縁体４５により隔てられた基準酸素室７０内の雰囲気と第２測定室６０内の雰囲気の間で酸素の汲み出しを行う。本実施例では、固体電解質層３１、電極３２および電極３３とから構成される酸素ポンプセルをＩｐ２セル３０と呼ぶ。Ｉｐ２セル３０は、特許請求の範囲における「第２酸素ポンプセル」に当たり、固体電解質層３１は特許請求の範囲における第２酸素ポンプセルの「酸素イオン導電体」に当たり、電極３２、３３は、特許請求の範囲における第２酸素ポンプセルの「一対の電極」に当たる。

【0029】

ヒータ素子６１は、アルミナを主体とするシート状の絶縁層６２、６３が積層され、絶縁層６２および６３の間にプラチナ（Ｐｔ）を主体とするヒータパターン６４が埋設されている。ヒータ素子６１は、ヒータパターン６４に電流を流すことにより発熱を行う。

【0030】

センサ素子１と電気的に接続されたガスセンサ制御装置１００の構成について説明する。ガスセンサ制御装置１００は、マイクロコンピュータ１１０と、電気回路部１２０を有している。マイクロコンピュータ１１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ａ／Ｄコンバータおよび信号入出力部を備える。マイクロコンピュータ１１０は、内燃機関の制御を行うＥＣＵ（エンジン制御装置）２００と通信するとともに、Ａ／Ｄコンバータおよび信号入出力部を介して電気回路部１２０と通信を行う。また、ガスセンサ制御装置１００は、タイマクロック（図示を省略）を備えている。電気回路部１２０は、基準電圧比較回路１２１、Ｉｐ１ドライブ回路１２２、Ｖｓ検出回路１２３、Ｉｃｐ供給回路１２４、抵抗検出回路１２５、Ｉｐ２検出回路１２６、Ｖｐ２印加回路１２７、定電流回路１２８、スイッチ回路１２９およびヒータ駆動回路１３０から構成され、マイクロコンピュータ１１０による制御を受けて、センサ素子１を駆動制御すると共に、センサ素子１を用いた排気ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。なお、Ｉｐ１セル１０の第１測定室５０側の電極１３、Ｖｓセル２０の第１測定室５０側の電極２２、Ｉｐ２セル３０の第２測定室６０側の電極３３は、基準電位（例えば３．６Ｖ）に接続され、同電位とされている。
なお、マイクロコンピュータ１１０が、特許請求の範囲の「制御手段」、「判定手段」、「確定判定手段」に相当する。

【0031】

Ｉｃｐ供給回路１２４は、Ｖｓセル２０の電極２２、２３間に電流Ｉｃｐを供給し、第１測定室５０内から基準酸素室７０内への酸素の汲み入れを行っている。Ｖｓ検出回路１２３は、電極２２、２３間の電圧（起電力）Ｖｓを検出するための回路であり、その検出結果を基準電圧比較回路１２１に対し出力している。基準電圧比較回路１２１は、Ｖｓ検出回路１２３に検出されたＶｓセル２０の電極２２、２３間の電圧Ｖｓを、基準となる基準電圧（例えば４２５ｍＶ）と比較するための回路であり、その比較結果をＩｐ１ドライブ回路１２２に対し出力している。また、Ｖｓ検出回路１２３は、電極２２、２３間の電圧Ｖｓを別途にマイクロコンピュータ１１０にも出力している。

【0032】

Ｉｐ１ドライブ回路１２２は、Ｉｐ１セル１０の電極１２、１３間に電流Ｉｐ１を供給するための回路である。電流Ｉｐ１の大きさや向きは、基準電圧比較回路１２１によるＶｓセル２０の電極２２、２３間の電圧の比較結果に基づいてＶｓセル２０の電極２２、２３間の電圧が予め設定された基準電圧と略一致するように調整される。

【0033】

電流Ｉｐ１が供給されると、Ｉｐ１セル１０は、第１測定室５０内からセンサ素子１外部への酸素の汲み出し、あるいはセンサ素子１外部から第１測定室５０内への酸素の汲み入れを行う。換言すると、Ｉｐ１セル１０は、Ｖｓセル２０の電極２２、２３間の電圧が一定値（基準電圧値）に保たれるように、第１測定室５０内における酸素濃度の調整を行っている。

【0034】

抵抗検出回路１２５は、定期的に、Ｖｓセル２０に予め規定された値を有する電流を通電し、その通電に応答して得られる電圧変化量（電圧Ｖｓの変化量）を検出するための回路である。この抵抗検出回路１２５にて検出された電圧変化量を示す値は、マイクロコンピュータ１１０に出力され、マイクロコンピュータ１１０に記憶されている電圧Ｖｓの変化量とＶｓセル２０の内部抵抗とが予め関連付けられたテーブルに基づいて、Ｖｓセル２０の内部抵抗が求められることになる。Ｖｓセル２０の内部抵抗は、Ｖｓセル２０の温度、すなわち、センサ素子１全体の温度と相関があり、マイクロコンピュータ１１０は、Ｖｓセル２０の内部抵抗に基づいて、センサ素子１の温度を検出する。なお、Ｖｓセル２０の内部抵抗を表す電圧変化量を検出するための抵抗検出回路１２５の回路構成は特開平１１−３０７４５８号公報にて公知であるため、これ以上の説明は省略する。

【0035】

Ｖｐ２印加回路１２７は、Ｉｐ２セル３０の電極３２、３３間へ電圧（駆動電圧）Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加するための回路である。この電圧Ｖｐ２の印加により、調整ガスに含まれるＮＯｘを窒素と酸素に解離させ、解離によって生じた酸素を第２測定室６０から汲み出し、汲み出した酸素の量に応じてＩｐ２セル３０の電極３２、３３間に電流Ｉｐ２が流れることになる。Ｉｐ２検出回路１２６は、Ｉｐ２セル３０の電極３２、３３間に流れた電流Ｉｐ２の値の検出を行う回路である。Ｉｐ２検出回路１２６にて検出された電流Ｉｐ２（詳細には、電流Ｉｐ２を電圧変換した信号）は、図示しない差動増幅回路等を介してマイクロコンピュータ１１０に出力され、マイクロコンピュータ１１０は、電流Ｉｐ２の値に基づいて、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を測定する。

【0036】

定電流回路１２８は、Ｉｐ２セル３０の電極３３と電極３２の間に一定の値の電流Ｉｐ３（例えば、１０μＡ）を供給するための回路である。スイッチ回路１２９は、Ｖｐ２印加回路１２７および定電流回路１２８と、電極３２との接続を切り替えるための回路である。スイッチ回路１２９は、電極３２に接続されているスイッチ端子ＳＷ１と、Ｖｐ２印加回路１２７に接続されているスイッチ端子ＳＷ２と、定電流回路１２８に接続されているスイッチ端子ＳＷ３と、を備えている。Ｉｐ２セル３０の電極３２、電極３３の間に所定の電圧を印加する場合には、スイッチ端子ＳＷ１とスイッチ端子ＳＷ２とが接続され電極３２とＶｐ２印加回路１２７とが接続される。Ｉｐ２セル３０の電極３２、電極３３間に定電流Ｉｐ３を流す場合には、スイッチ端子ＳＷ１とスイッチ端子ＳＷ３とが接続され、電極３２と定電流回路１２８とが接続される。

【0037】

ヒータ駆動回路１３０は、マイクロコンピュータ１１０により制御され、ヒータ素子６１のヒータパターン６４へ電流を流し、Ｉｐ１セル１０、Ｖｓセル２０、Ｉｐ２セル３０の加熱を行うと共に、Ｉｐ１セル１０、Ｖｓセル２０、Ｉｐ２セル３０の温度を所定の温度に保持するための回路である。ヒータパターン６４はヒータ素子６１内で繋がる一本の電極パターンであり、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路１３０に接続されている。なお、ヒータ駆動回路１３０には、ヒータパターン１４０に電圧を印加するための電源（図示せず）と接続されている。このヒータ駆動回路１３０は、センサ素子１（詳細には、Ｖｓセル２０）が狙いとする温度になるように、マイクロコンピュータ１１０にて求められるＶｓセル２０の温度（内部抵抗）に基づいてヒータパターン６４をＰＷＭ通電制御して当該ヒータパターン６４に電流を流す制御を行えるように構成されている。

【0038】

Ａ２．起動処理：
図２は、実施例におけるＮＯｘセンサの起動処理（メインルーチン）について説明するフローチャートである。ＮＯｘセンサの起動処理は、内燃機関の起動時にＥＣＵ２００からの指示を受けて、マイクロコンピュータ１１０により、実行される。

【0039】

マイクロコンピュータ１１０は、内燃機関が起動され、ＥＣＵ２００からの指示を受けると、センサ素子１を起動し、ヒータ駆動回路１３０を介してヒータ素子６１への通電を開始する（ステップＳ１０）。具体的には、マイクロコンピュータ１１０は、ヒータ素子６１へ一定電圧（実施例では、１２Ｖ）を印加するようにヒータ駆動回路１３０を制御する。

【0040】

次に、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｃｐ供給回路１２４を介してＶｓセル２０への電流（電流Ｉｃｐ）供給を開始し、Ｖｓセル２０を起動する（ステップＳ１２）。Ｖｓセル２０は、電流供給を受けて、基準酸素室７０への酸素の汲み込みを開始する。これにより、基準酸素室７０の雰囲気が基準の酸素濃度雰囲気となる。センサ素子１がヒータ素子６１により加熱され、Ｖｓセル２０の内部抵抗が低下するに従い、Ｖｓセルの両端電圧Ｖｓは、徐々に低下する。

【0041】

マイクロコンピュータ１１０は、Ｖｓ検出回路１２３を介して取得される両端電圧Ｖｓと所定値Ｖｔｈとを比較し（ステップＳ１４）、取得されたＶｓセル２０の両端電圧Ｖｓが所定値Ｖｔｈ以下の場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、ヒータ電圧Ｖｈの制御を開始する（ステップＳ１６）。具体的には、マイクロコンピュータ１１０は、Ｖｓセル１２０の内部抵抗Ｒｐｖｓが目標値となるように、ヒータ駆動回路１３０を介してヒータ素子６１への通電を制御する。実施例では、目標値とは、例えば、２００Ωであり、内部抵抗Ｒｐｖｓが２００Ωの場合、Ｖｓセル２０の温度は、約７５０℃と推定される。

【0042】

次に、マイクロコンピュータ１１０は、抵抗検出回路１２５を介して電圧変化量（電圧Ｖｓの変化量）を取得してＶｓセル１２０の内部抵抗Ｒｐｖｓを算出し、算出された内部抵抗Ｒｐｖｓに基づいて、センサ素子１が活性化したかを判断する（ステップＳ１８）。具体的には、マイクロコンピュータ１１０は、Ｖｓセル１２０の内部抵抗Ｒｐｖｓが、上記目標値よりも若干大きい値に設定された閾値に達しているか否かによって、センサ素子１が活性化されたか否かを判断する。この実施例では、閾値は、例えば、３００Ωであり、内部抵抗Ｒｐｖｓが３００Ωの場合、Ｖｓセル２０の温度は、約６５０℃と推定される。なお、Ｖｓセル１２０の内部抵抗Ｒｐｖｓの算出方法は、上述したように、抵抗検出回路１２５にて定期的にＶｓセル１２０の電圧Ｖｓの変化量を検出し、マイクロコンピュータ１１０がその電圧Ｖｓの変化量を取得し、電圧Ｖｓの変化量とＶｓセル２０の内部抵抗とが予め関連付けられたテーブルを参照することで算出される。

【0043】

マイクロコンピュータ１１０は、内部抵抗Ｒｐｖｓが閾値に達している場合、センサ素子１が十分に活性化されたと判断し（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、Ｉｐ１ドライブ回路１２２の駆動を開始して、第１測定室５０に導入される排気ガスの酸素濃度の調整を、Ｉｐ１セル１０を用いて行う（ステップＳ２０）。次いで、マイクロコンピュータ１１０は、予備制御を開始する（ステップＳ２２）。予備制御とは、センサ素子１の起動から安定してＮＯｘ濃度を測定可能となるまでの時間を短縮するための制御である。予備制御について、以下に具体的に説明する。

【0044】

まず、予備制御を行う理由について説明する。本実施例のように、内燃機関に設置して排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定する場合、前回の内燃機関の運転停止から起動停止までの経過時間に応じて、大気雰囲気に近いリーン状態のガスが第２測定室６０に存在する。すなわち、起動前には、第２測定室６０には、酸素が通常動作時よりも大量に存在している。この状態でセンサ素子１の起動直後から通常動作（Ｉｐ１セル１０、Ｉｐ２セル３０の駆動制御）を開始すると、安定してＮＯｘ濃度を測定可能となるまでに長時間（例えば、約１０分程度）必要となる。このため、安定してＮＯｘ濃度を測定可能となるまでの時間を短縮するために、余剰な酸素を第２測定室６０から短時間で強制的に汲み出す制御を行う。この制御が予備制御である。本実施例の予備制御では、一定時間、一定の電流を流すことにより、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流に応じた量の酸素を汲み出す。

【0045】

実施例の予備制御の処理詳細について説明する。図２に示すように、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｐ２セル３０に対して一定値の電流を流す制御を行う（ステップＳ３０）。この一定値の電流を、適宜「Ｉｐ３電流」と称する。具体的には、マイクロコンピュータ１１０は、スイッチ端子ＳＷ１を、定電流回路１２８に接続されているスイッチ端子ＳＷ３に接続して、Ｉｐ２セルと定電流回路１２８とを接続し、定電流回路１２８にＩｐ３電流を流す指示を行う。なお、実施例において「一定値の電流」とは、例えば、１０μＡである。Ｉｐ２セル３０は、電流供給を受けて、第２測定室６０に存在する酸素の汲み出しを開始する。

【0046】

次に、マイクロコンピュータ１１０は、図示しないタイマー回路を起動する（ステップＳ３２）。タイマー回路は、一定時間後にタイムアウトするように構成されている。実施例において、一定時間とは、例えば、２０ｓｅｃである。
マイクロコンピュータ１１０は、ステップＳ３２から、本発明の特徴部分であって、サブルーチンであるＳ３３のＩｐ２断線判定処理（後述）に移行する。
Ｉｐ２断線判定処理が終了すると、マイクロコンピュータ１１０は、予備制御Ｓ２２の処理を終了し、Ｉｐ２セル３０の制御（通電状態）を通常制御に切り替える（ステップＳ２４）。通常制御とは、ＮＯｘ濃度を測定するための制御であり、Ｉｐ２セル３０へ駆動電圧Ｖｐ２を印加し、第２測定室６０から酸素の汲み出しを行う制御である。通常制御への切り替えは、スイッチ端子ＳＷ１を、定電流回路１２８に接続されているスイッチ端子ＳＷ２からスイッチＳＷ３に切り替えてＶｐ２印加回路１２７を電極３２に接続し、Ｉｐ２セル１３０の両電極３２、３３間に印加する電圧（駆動電圧）Ｖｐ２を一定の電圧（例えば４５０ｍＶ）に設定することにより行われる。
さらに、ステップＳ２４に続き、本発明のさらなる特徴部分であって、サブルーチンであるＳ２６の確定Ｉｐ２断線判定処理（後述）に移行した後、メインルーチンを終了する。

【0047】

マイクロコンピュータ１１０は、以上説明したように、一定時間（２０ｓｅｃ）、一定電流（１０μＡ）をＩｐ２セル３０に供給して予備制御を行う。なお、この一定時間および一定電流の値は、センサ素子１の構成やセンサ素子１の設置される部位、環境など種々の条件に基づいて、実験により規定される。マイクロコンピュータ１１０は、予備制御を終えると、通常制御を開始する。

【0048】

実施例のガスセンサによれば、Ｉｐ２セル３０に対して、第２測定室６０から汲み出す酸素の量を一定にする制御が行われる。従って、センサ素子１の起動時に、測定対象ガスである排気ガスのＨ_２Ｏ濃度に依存することなく、第２測定室６０からほぼ同量の酸素が汲み出される。よって、センサ素子１を起動してから、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を安定して測定可能となるまでの時間を、Ｈ_２Ｏ濃度に依存することなくほぼ一定とすることができる。

【0049】

また、実施例のガスセンサによれば、起動時に、Ｉｐ２セル３０に対して、予め規定された所定の電流が一定時間流される。従って、起動時において第２測定室６０から汲み出される酸素の量を、排気ガスに含まれるＨ_２Ｏ濃度に依存することなくなくほぼ一定に制御できる。

【0050】

Ａ３．Ｉｐ２断線判定処理：
図３は、実施例におけるＮＯｘセンサのＩｐ２断線判定処理（サブルーチン）について説明するフローチャートである。Ｉｐ２断線判定処理はマイクロコンピュータ１１０により、実行される。

【0051】

まず、マイクロコンピュータ１１０は、ステップＳ２２（図２）の予備制御において、Ｉｐ２セル３０にＩｐ３電流を流したときのＩｐ２セル３０の一対の電極３２，３３間の電圧が閾値を超えたか否かを判定する（ステップＳ１０２）。閾値は０より大きい正の値であればよく、例えば０．２Ｖとする。ステップＳ１０２で「Ｙｅｓ」であれば、Ｉｐ２セル３０に電流が流れている、つまりＩｐ２セル３０とガスセンサ制御装置１００との間の配線状態が正常である（断線なし）と判定することができるので、ステップＳ１０４へ移行せずにステップＳ１０６へジャンプする。一方、ステップＳ１０２で「Ｎｏ」であれば、Ｉｐ２セル３０に電流が流れていない、つまり上記配線状態が異常（断線）であるとみなしてステップＳ１０４へ移行し、断線カウンタを１だけインクリメントし、異常（断線）が生じていると暫定的に判定する。

【0052】

続いて、ステップＳ１０６では、マイクロコンピュータ１１０は、メインルーチンのステップＳ３２のタイマーがタイムアウトしたか否か（つまり、特定制御を実行する期間が経過したか否か）を判定する。ステップＳ１０６で「Ｎｏ」であれば、ステップＳ１０２へ移行して以降の処理を繰り返す。一方、ステップＳ１０６で「Ｙｅｓ」であれば、マイクロコンピュータ１１０は断線カウンタが規定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。例えば、ステップＳ１０２で１回「Ｎｏ」であったときに直ちに断線ありと判定した場合には誤検知の可能性があるが、例えば規定値を３とし、断線カウンタが３以上のときに異常（本実施例では、暫定的な異常）を判定すると、安定した判定が行える。ただし、ステップＳ１０２で１回「Ｎｏ」であったときに異常を判定するようにしても良い。
ステップＳ１０８で「Ｙｅｓ」であれば、マイクロコンピュータ１１０は、配線状態が正常であると判定し、「暫定Ｉｐ２断線なし判定」のフラグをたて（ステップＳ１１０）、処理を終了し、メインルーチンへ戻る。
一方、ステップＳ１０８で「Ｎｏ」であれば、マイクロコンピュータ１１０は、配線状態が異常（断線）であると暫定的に判定し、「暫定Ｉｐ２断線あり判定」のフラグをたて（ステップＳ１１２）、Ｉｐ２断線判定処理を終了し、メインルーチンへ戻る。

【0053】

Ａ４．確定Ｉｐ２断線判定処理：
図４は、実施例におけるＮＯｘセンサの確定Ｉｐ２断線判定処理（サブルーチン）について説明するフローチャートである。確定Ｉｐ２断線判定処理はマイクロコンピュータ１１０により、実行される。

【0054】

まず、マイクロコンピュータ１１０は、ステップＳ２４（図２）にてＩｐ２セル３０へ上記駆動電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加した通常設定のもと、上述のステップＳ１１０（図３）で「暫定Ｉｐ２断線なし判定」のフラグが立っているか否かを判定する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２で「Ｙｅｓ」であれば、Ｉｐ２断線判定処理で既に配線状態が正常と判定しているので、確定Ｉｐ２断線判定処理を実質的に行わずに（詳細には、ステップＳ２０４以降の処理を行わずに）、本処理を終了する。
ステップＳ２０２で「Ｎｏ」であれば、マイクロコンピュータ１１０はステップＳ２０４へ移行して所定時間が経過したか否かを判定する。所定時間は例えば１秒であり、この所定時間内に以下のステップＳ２０６の判定を繰り返し行い、ステップＳ２０６で「Ｙｅｓ」であれば、ステップＳ２０８に移行する。

【0055】

すなわち、ステップＳ２０４で「Ｎｏ」の場合、ステップＳ２０６で、マイクロコンピュータ１１０は、駆動電圧Ｖｐ２を印加した状態でＩｐ２セル３０に流れたＩｐ２電流に基づき算出されたＮＯｘ値（ＮＯｘ濃度換算値）又はその変動幅が基準値以上か否かを判定する。ステップＳ２０６で「Ｙｅｓ」であれば、Ｉｐ２セル３０に電流が流れている、つまりＩｐ２セル３０とガスセンサ制御装置１００との間の配線状態が正常であるのでステップＳ２０８へ移行し、マイクロコンピュータ１１０は、配線状態が正常であると判定し直し、「確定Ｉｐ２断線なし判定」のフラグをたて、処理を終了する。つまり、Ｉｐ２断線判定処理にて異常（断線）が生じていると暫定的に判定された結果を取り消し、配線状態が正常であると確定する。なお、ＮＯｘ値（濃度）の変動幅とは、ステップＳ２０４の時間内のＮＯｘ値（濃度）の最大値と最小値の差分である。
一方、ステップＳ２０６で「Ｎｏ」であれば、マイクロコンピュータ１１０はステップＳ２０４へ戻る。

【0056】

次に、ステップＳ２０４で「Ｙｅｓ」の場合に実行される、ステップＳ２１０以降の確定Ｉｐ２断線判定処理について説明する。ステップＳ２０４で「Ｙｅｓ」であれば、Ｉｐ２断線判定処理で配線状態が暫定的に異常、かつステップＳ２０６で配線状態が正常と判定されなかったので、Ｉｐ２セル３０に印加する駆動電圧Ｖｐ２を変化させる処理を行う必要がある。
まず、ステップＳ２１０で、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｐ２セル３０の駆動電圧Ｖｐ２を規定値であるＶ０（例えば４５０ｍＶ）から５ｍＶ高い電圧値である第１電圧値Ｖ１に切り替え、第１電圧値Ｖ１を一定時間印加する。
次に、ステップＳ２１１で、マイクロコンピュータ１１０は、第１電圧値Ｖ１を印加したときの第２ポンプ電流Ｉｐ２の変動値ΔＩｐ２を算出し、変動値ΔＩｐ２と、規定値Ｖ０に対する第１電圧値Ｖ１への電圧変化量（５ｍＶ）とからＩｐ２セル３０のインピーダンス値（Ｉｐ２セル抵抗）を算出する。
なお、上記インピーダンス値は、特許請求の範囲の「第２ポンプ電流の変化量に基づく算出値」に相当する。又、上記インピーダンス値に代えて、ΔＩｐ２（特許請求の範囲の「第２ポンプ電流の変化量」に相当）そのものをステップＳ２１５の判定に用いてもよい。

【0057】

次いで、ステップＳ２１２で、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｐ２セル３０の駆動電圧Ｖｐ２を規定値Ｖ０に戻す。そして、ステップＳ２１３に移行し、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｐ２セル３０の駆動電圧Ｖｐ２を規定値Ｖ０（例えば４５０ｍＶ）から５ｍＶ低い電圧値である第２電圧値Ｖ２に切り替え、第２電圧値Ｖ２を一定時間印加する。次に、ステップＳ２１４に移行し、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｐ２セル３０の駆動電圧Ｖｐ２を規定値Ｖ０に戻す。第１電圧値を印加した後、規定値Ｖ０を境にして逆極性の第２電圧値を印加することにより、交番電圧を印加したことになる。そして、ステップＳ２１５で、マイクロコンピュータ１１０は、Ｓ２１１で算出したインピーダンス値（Ｉｐ２セル抵抗）が、断線判定のために予め設定された基準値以上であるか否かを判定する。ステップＳ２１５で「Ｎｏ」であれば、Ｉｐ２セル３０に電流が流れている、つまりＩｐ２セル３０とガスセンサ制御装置１００との間の配線状態が正常であるため、ステップＳ２０８へ移行し、マイクロコンピュータ１１０は、配線状態が正常であると判定し直し、「確定Ｉｐ２断線なし判定」のフラグをたて、処理を終了する。このようにして、Ｉｐ２断線判定処理にて異常（断線）が生じていると暫定的に判定された結果を取り消し、配線状態が正常であると確定する。
一方、ステップＳ２１５で「Ｙｅｓ」であれば、Ｉｐ２セル３０に電流が流れていない、つまり上記配線状態が異常（断線）であると判定することができるので、ステップＳ２１６へ移行し、断線カウンタを１だけインクリメントする。

【0058】

続いて、ステップＳ２１８では、マイクロコンピュータ１１０は断線カウンタが規定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２１８）。ステップＳ１０８と同様、ステップＳ２１４で１回「Ｙｅｓ」であっても誤検知の可能性があるので、例えば規定値を３とし、断線カウンタが複数の値以上のときに異常を確定するようにすると、安定した判定が行える。ただし、ステップＳ２１８で１回「Ｎｏ」であったときに異常を確定するようにしても良い。
ステップＳ２１８で「Ｙｅｓ」であれば、マイクロコンピュータ１１０は、配線状態が異常（断線）であると確定し、「確定Ｉｐ２断線あり判定」のフラグをたて（ステップＳ２２０）る。次に、ステップＳ２２２にて、マイクロコンピュータ１１０は、Ｉｐ１セル１０及びＩｐ２セル３０の駆動を停止する処理を実行し、確定Ｉｐ２断線判定処理を終了し、メインルーチンへ戻る。

【0059】

以上のように、ステップＳ２１０以降の処理は、Ｉｐ２セル３０に印加する駆動電圧Ｖｐ２を変化させてさらに精度の高い異常検出処理を行うものである。ただし、本実施例では、Ｉｐ２断線判定処理の「暫定Ｉｐ２断線なし判定」のフラグが立ち、配線状態が正常であると判定されれば、確定Ｉｐ２断線判定処理は、ステップＳ２０２で「Ｙｅｓ」と判定されて、Ｓ２０４以降の駆動電圧Ｖｐ２を変化させての異常検出処理を実行する必要がない。駆動電圧Ｖｐ２を変化させての異常検出処理においては、ＮＯｘ濃度に関係なくＩｐ２セル３０を流れるＩｐ２電流が変化するため、異常検出処理の際にＮＯｘ濃度の検出を中断する等の処理が必要になるが、Ｉｐ２断線判定処理にて配線状態が正常であると判定されれば、そのような処理は必要なく、精度の良いＮＯｘ濃度の検出を継続することができる。

【0060】

Ｂ．第２実施例：
次に、本発明の第２実施例のガスセンサ制御装置について説明する。第２実施例のガスセンサ制御装置は、第１実施例の図１に示した概略構成を有するものであるが、第１実施例と比較して、Ｖｐ２印加回路１２７の構成、スイッチ回路１２９の構成、及び、マイクロコンピュータ１１０による起動処理の内容が一部異なるだけで、その他のハードウェアやソフトウェアの構成は同一である。そのため、以降の説明では、第１実施例と異なる部分を中心に説明する。

【0061】

まず、本実施例におけるＶｐ２印加回路１２７は、上述したように、Ｉｐ２セル３０の電極３２、３３間へ電圧（駆動電圧）Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加するための回路であるが、本実施例では、電極３２、３３間に生ずる最大電圧値を予め定められた制限値に制限する機能をも有する。Ｖｐ２印加回路１２７の詳細な回路構成について次に説明する。

【0062】

図５は、Ｖｐ２印加回路１２７の回路構成を示す図である。図示するように、センサ素子１のＩｐ２セルの電極３２には、演算増幅回路３０１の出力端子３０７がＩｐ２検出回路１２６を介して接続されている。なお、Ｉｐ２検出回路１２６は、数百ｋΩの所定の値に設定された検出抵抗器から構成されている。そして、演算増幅回路３０１の非反転入力端子（＋入力端子）３０３には、第２スイッチ回路３０９を介して、基準電位（例えば３．６Ｖ）に電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を重畳した第１電圧、または、基準電位（例えば３．６Ｖ）に所定の電圧Ｖｌｉ（例えば１．０Ｖ）を重畳した第２電圧のいずれかが加えられるように構成されている。また、演算増幅回路３０１の反転入力端子（−入力端子）３０５は、出力端子３０７と互いに電気的に接続されている。より具体的には、反転入力端子３０５は、Ｉｐ２検出回路１２６の一端と電極３２との接続点であって、スイッチ回路１２９と電極３２との接続点に接続されている。なお、この演算増幅回路３０１は、例えば５Ｖの定電圧にて駆動され、また、Ｉｐ２セル３０の電極３３は第１実施例と同様に基準電位（３．６Ｖ）に接続されている。
さらに、本実施形態では、Ｖｐ２印加回路１２７は第２の演算増幅回路４０１を有する。第２の演算増幅回路４０１の反転入力端子（−入力端子）４０３は、出力端子３０７に電気的に接続されている。又、第２の演算増幅回路４０１の非反転入力端子（＋入力端子）４０５は、Ｉｐ２検出回路１２６の一端と電極３２との接続点に接続されている。さらに、第２の演算増幅回路４０１の出力端子４０７はマイクロコンピュータ１１０へ接続され、Ｉｐ２検出回路１２６にて検出された電流Ｉｐ２（電流Ｉｐ２を電圧変換した信号）が出力端子４０７を介してマイクロコンピュータ１１０に出力される。なお、第２の演算増幅回路４０１は、図５に示すように、オペアンプと４本の抵抗線とを備えた周知のものであり、第２の演算増幅回路４０１の非反転入力端子４０５には、１本の抵抗器とバッファ４０９を介してオフセット電圧（図５の例では＋１．３８９Ｖ）が印加されている。又、第２の演算増幅回路４０１は一定の駆動電圧（例えば、５Ｖ）にて駆動される。

【0063】

ここで、第２の演算増幅回路４０１の機能について説明する。上述の図２に示す予備制御（ＦＬＯ制御；特許請求の範囲の「特定制御」）を行うと、第２測定室６０から酸素を汲み出し過ぎ、基準酸素室７０よりも第２測定室６０の酸素濃度が低い状態となる。このとき、Ｖｐ２印加回路１２７に第２の演算増幅回路４０１を設けると共に、第２の演算増幅回路４０１にオフセット電圧を印加すると、基準酸素室７０よりも第２測定室６０の酸素濃度が低い状態のときにＩｐ２セル３０の電極３２，３３間に通常と逆方向に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２（マイナスの電流、以下、「逆電流」という）を測定することができる。
図７は、ＦＬＯ制御完了後、Ｉｐ２セル３０の電極３２，３３間に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の値の変動状態を示す。図７（ａ）に示すように、ＦＬＯ制御完了直後からＩｐ２セル３０に逆電流が流れるが、所定時間が経過すると元に戻って通常のプラスの第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れるようになる。

【0064】

そして、所定時間内にＩｐ２セル３０に逆電流が流れていれば、Ｉｐ２セル３０とガスセンサ制御装置１００との間が断線しておらず、配線状態が正常であるので、上記した「Ａ４．確定Ｉｐ２断線判定処理：」の図４のステップＳ２０６において、逆電流の有無によってＩｐ２断線判定処理を行える。一方、配線状態が異常である（断線が生じている）場合、図７（ｂ）に示すように、Ｉｐ２セル３０には逆電流が流れず、第２ポンプ電流Ｉｐ２が０となるので、配線状態が異常であると判定することができる。
以上のように、Ｉｐ２セル３０に逆電流が流れるか否かによって配線状態の異常を確定することにより、図４のステップＳ２０４以降の処理、つまりＩｐ２セル３０の電極３２，３３間への駆動電圧を変化させて配線状態の異常を判定しなくとも、配線状態を容易に確定することができる。

【0065】

なお、「所定時間」は、図７（ａ）の逆電流が生じてから、元に戻って第２ポンプ電流Ｉｐ２が０に近付くか、又は所定のプラスの値になるまでの時間とすればよい。
上記逆電流の値は、特許請求の範囲の「第２ポンプ電流の値」に相当する。上記逆電流をＮＯｘ濃度（ＮＯｘ値）に変換した値は、特許請求の範囲の「第２ポンプ電流の値に基づく算出値」に相当する。又、図７（ａ）に示すように、所定時間内の逆電流又はＮＯｘ濃度（ＮＯｘ値）の最大値と最小値の差分は、特許請求の範囲の「変動幅」に相当する。
又、上述のように、逆電流（又はＮＯｘ値）の値そのものを基準値と比較して配線状態を判定してもよく、上記した変動幅を基準値と比較して配線状態を判定してもよい。

【0066】

次に、本実施例のマイクロコンピュータ１１０が実行する起動処理を、図６を用いて説明する。本実施例の起動処理も、内燃機関の起動時にＥＣＵ２００からの指示を受けて、実行される。マイクロコンピュータ１１０は、第１実施例と同様に、ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１８，Ｓ２０の処理を実行する。そして、マイクロコンピュータ１１０は、ステップＳ２０の処理を終えた後、ステップＳ４２に示す予備制御を開始する。

【0067】

この予備制御（ステップＳ４２）が開始されると、まず、スイッチ回路１２９を制御して、スイッチ端子ＳＷ８と、定電流回路１２８側のスイッチ端子ＳＷ７と導通させ、一定の電流を定電流回路１２８からＩｐ２セル３０に向けて通電する指示を行う。次に、マイクロコンピュータ１１０は、第２スイッチ回路３０９を制御してスイッチ端子ＳＷ４をスイッチ端子ＳＷ６に接続し、演算増幅回路３０１の非反転入力端子３０３に対して、基準電圧（例えば３．６Ｖ）に所定の電圧Ｖｌｉ（例えば１．０Ｖ）を重畳した第２電圧（例えば４．６Ｖ）が入力されるように指示する（ステップＳ３１）。

【0068】

ところで、定電流回路１２８から電極３２（Ｉｐ２セル３０）に対して定電流Ｉｐ３が供給されることにより、第２測定室６０から余剰の酸素が汲み出されて、第２測定室６０の酸素濃度が低下することによって、Ｉｐ２セル３０の電極３２，３３間に生ずる起電力が上昇し、その状態で定電流回路１２８による通電が継続されると、電極３２，３３間に過電圧がかかり、Ｉｐ２セル３０の固体電解質層３１にブラックニングを誘発するおそれがある。しかしながら、本実施例では、予備制御（ステップＳ４２）が開始されると、演算増幅回路３０１の非反転入力端子３０３に、基準電圧に電圧Ｖｌｉを加算した第２電圧（例えば４．６Ｖ）を入力させている。そのため、Ｉｐ２セル３０の電極３２，３３間の電圧が１Ｖ（＝４．６Ｖ−３．６Ｖ）を超えるまでの間、反転入力端子３０５の電位を上げるべく出力端子３０７から電流を吐き出すように駆動していた演算増幅回路３０１は、Ｉｐ２セル３０の電極３２，３３間の電圧が最大となる１Ｖ（＝４．６Ｖ−３．６Ｖ）を超えると、定電流回路１２８からの電流を吸い込むように機能する。そして、演算増幅回路３０１が電流を吸い込むように機能することで、Ｉｐ２セル３０の電極３２，３３間に生ずる電圧は、予め定められた値の電圧（本実施例では１Ｖ）に制限されることになる。これにより、Ｉｐ２セルの電極３２，３３間に過電圧がかかるのが防止され、予備制御（ステップＳ４２）の期間中にＩｐ２セル３０の固体電解質層３１にブラックニングを誘発するのを防ぐことができる。

【0069】

マイクロコンピュータ１１０は、ステップＳ３１の処理を終えると、第１実施例と同様のステップＳ３２，及びステップＳ３３のＩｐ２断線判定処理の処理を行う。そして、Ｉｐ２断線判定処理が終了すると、予備制御Ｓ４２の処理を終了し、Ｉｐ２セル３０の制御を通常制御に切り替える（Ｓ４４）。この通常制御は、第１実施例と同様に、ＮＯｘ濃度を測定するために、Ｉｐ２セル３０に定電圧（駆動電圧）を印加し、第２測定室６０から酸素の汲み出しを行う制御である。ただし、本実施例では、予備制御（ステップＳ４２）において、演算増幅回路３０１の非反転入力端子３０３に対し、基準電圧に電圧Ｖｌｉを加算した第２電圧（例えば４．６Ｖ）を入力させているため、このステップＳ４４の処理では、スイッチ端子ＳＷ４の接続先を、スイッチ端子ＳＷ６からスイッチ端子ＳＷ５に切り替えるよう指示する。これにより、通常制御では、非反転入力端子３０３に対し、基準電位（例えば３．６Ｖ）に電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を重畳した第１電圧が入力されて、演算増幅回路３０１は、Ｉｐ２セル３０への駆動電圧Ｖｐ２を生成する回路として機能することになる。

【0070】

さらに、ステップＳ４４に続き、第１実施例と同様、ステップ２６の確定Ｉｐ２断線判定処理に移行した後、処理を終了する。

【0071】

以上のように構成された第２実施例のセンサ制御装置においても、第１実施例と同様に、センサ素子１を起動してから、排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を安定して測定可能となるまでの時間を、Ｈ_２Ｏ濃度に依存することなくほぼ一定とすることができる効果が発揮されることは言うまでもない。

【0072】

Ｃ．変形例：
（１）上記第１、第２実施例では、Ｖｓセル２０の内部抵抗に基づいてセンサ素子１の温度を検出しているが、例えば、Ｖｓセル２０に代えて、Ｉｐ１セル１０やＩｐ２セルの内部抵抗に基づいて、センサ素子１の温度を検出してもよい。また、ヒータ素子６１を構成するヒータパターン６４の抵抗値に基づいて、センサ素子１の温度を検出してもよい。

【0073】

（２）上記第１、第２実施例では、ＮＯｘの濃度を測定するＮＯｘセンサを例示しているが、上記第１、第２実施例において説明した予備制御の態様は、ＮＯｘセンサに限らず、酸素イオン導電体を備える酸素ポンプセルを利用する種々のガスセンサに適用可能である。

【0074】

（３）上記第２実施例では、Ｉｐ２セル３０の電極３２，３３間に生ずる電圧を、予め定められた制限値に制限するにあたり、Ｉｐ２セルに電圧（駆動電圧）Ｖｐ２を印加するための演算増幅回路３０１を兼用する構成を例示している。しかし、電圧を制限するための回路構成は上記第２実施例の構成に限られるものではなく、例えば、演算増幅回路３０１とは別の演算増幅回路（例えば、公知の電圧リミット回路）を併設してＩｐ２セル３０の電極３２，３３間に生ずる電圧を制限値に制限してもよい。

【0075】

（４）上記第１、第２実施例では、ステップＳ３３のＩｐ２断線判定処理におけるステップＳ１０８にて「Ｎｏ」と判定されたときに、マイクロコンピュータ１１０は、配線状態が異常（断線）であると暫定的に判定し、「暫定Ｉｐ２断線あり判定」のフラグをステップＳ１１２にてたてるようにし、その後のステップＳ２６の確定Ｉｐ２断線判定処理にて、配線状態の異常（断線）を確定させるか否かを判定する構成を例示した。しかし、ステップＳ３３のＩｐ２断線判定処理におけるステップＳ１０８にて「Ｎｏ」と判定されたときに、即座に配線状態が異常（断線）であると確定し、以降の確定Ｉｐ２断線判定処理を省略するようにしてもよい。
また、ステップＳ２６の確定Ｉｐ２断線判定処理におけるステップＳ２０４及びステップＳ２０６を省略し、ステップＳ２０２にて「Ｎｏ」と判定されたときに、ステップＳ２１０の処理に移行するようにしてもよい。

【0076】

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。

【符号の説明】

【0077】

１…ガスセンサ素子
１０…Ｉｐ１セル
２０…Ｖｓセル
３０…Ｉｐ２セル
１１、２１、３１…固体電解質層
１２、１３、２２、２３、３２、３３…電極
５０…第１測定室
５１…第１拡散抵抗部
５２…第２拡散抵抗部
６０…第２測定室
１００…センサ制御装置
１１０…マイクロコンピュータ（制御手段、判定手段、確定判定手段）
１２６…Ｉｐ２検出回路
１２７…Ｖｐ２印加回路
１２８…定電流回路
Ｉｐ２…第２ポンプ電流
Ｉｐ３…所定値の電流
Ｖｐ２…駆動電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】