JP2008216233A - Sensor control device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To set a plurality of different gas concentration detection ranges and perform a proper gas concentration detection in these detection ranges. <P>SOLUTION: In a sensor control circuit 30, a current detection resistance 32 is connected to a sensor element 10 for measuring an element current. An inverting amplification circuit 38 is connected to the current detection resistance 32. An A/F output voltage which is the output of the inverting amplification circuit 38 is output to a microcomputer 20. In the inverting amplification circuit 38, an offset set circuit 50 is connected to one signal input terminal of an operational amplifier 39. The offset set circuit 50 is used to apply an offset to an A/F output voltage. The offset set circuit comprises a switch element 51, a resistance connected in series to the switch element 51, and a power supply circuit 55 having two partial pressure resistances 53, 54. The switch element 51 is turned on/off according to the offset selection signal output from the microcomputer 20. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質よりなり被検出ガス中の特定成分のガス濃度を広域に検出可能なセンサ素子を制御するセンサ制御装置に関するものである。   The present invention relates to a sensor control device that controls a sensor element made of a solid electrolyte and capable of detecting a gas concentration of a specific component in a gas to be detected over a wide area.

この種のセンサ制御装置は、例えば、車載エンジンより排出される排ガス(燃焼ガス)を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度(空燃比:A/F)を検出する空燃比検出装置として具体化されている。空燃比の検出結果はエンジンECU等により構成される空燃比制御システムにて用いられ、空燃比をストイキ(理論空燃比)近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が実現される。また近年では、排ガス規制や異常検出規制(OBD)が益々強化されつつあり、ストイキ燃焼制御等の制御性向上が望まれる他、空燃比制御レンジに相当するリーン領域だけでなく大気状態にまで空燃比検出レンジを拡張させる必要が生じている。例えば、OBD対応(排ガス規制に関わる部品の故障診断)として、エンジンの所定運転状態での燃料カット時にセンサの目詰まり等の劣化を検出する必要がある。また、排ガスエミッションの改善と共に、燃費の向上を図ることも重要であり、エンジン高負荷時のリッチ状態をフィードバック制御することも重要になってきている。   This type of sensor control device is embodied, for example, as an air-fuel ratio detection device that detects an oxygen concentration (air-fuel ratio: A / F) in the same gas using exhaust gas (combustion gas) discharged from an in-vehicle engine as a detected gas. Has been. The detection result of the air-fuel ratio is used in an air-fuel ratio control system constituted by an engine ECU or the like, and the stoichiometric combustion control for feedback control of the air-fuel ratio in the vicinity of the stoichiometric (theoretical air-fuel ratio) or the air-fuel ratio in a predetermined lean region. Lean combustion control with feedback control is realized. In recent years, exhaust gas regulations and abnormality detection regulations (OBD) have been increasingly strengthened, and it is desired to improve controllability such as stoichiometric combustion control. In addition to the lean region corresponding to the air-fuel ratio control range, the air condition is not limited to the atmospheric state. There is a need to expand the fuel ratio detection range. For example, it is necessary to detect deterioration such as clogging of a sensor at the time of fuel cut in a predetermined operation state of the engine as OBD correspondence (failure diagnosis of parts related to exhaust gas regulation). It is also important to improve the fuel consumption along with the improvement of exhaust gas emission, and it is also important to feedback control the rich state at the time of high engine load.

本願出願人は、広域な空燃比検出レンジでの空燃比検出と、そのうち限られた空燃比検出レンジである特定範囲での空燃比検出精度の向上とを可能とするべく、センサ制御回路の出力部に各々増幅率の異なる複数の増幅回路を設け、その複数の増幅回路を通じて空燃比検出信号を得るようにした技術を提案している(例えば、特許文献1参照)。上記従来技術によれば、所望とする空燃比検出レンジ内において精度の高い空燃比検出が実現できるものとしていた。   In order to enable air-fuel ratio detection in a wide air-fuel ratio detection range and to improve air-fuel ratio detection accuracy in a specific range, which is a limited air-fuel ratio detection range, the applicant of this application A technique has been proposed in which a plurality of amplifier circuits each having a different amplification factor are provided in each section, and an air-fuel ratio detection signal is obtained through the plurality of amplifier circuits (see, for example, Patent Document 1). According to the above prior art, it is possible to realize highly accurate air-fuel ratio detection within a desired air-fuel ratio detection range.

しかしながら上記従来技術では、複数の増幅回路(オペアンプ)を必須とすることから、その回路サイズが大きくなる、信号入出力のための端子数が多くなるなどの不都合が生じるおそれがある。故に改善の余地が残されている。   However, in the above-described prior art, since a plurality of amplifier circuits (operational amplifiers) are essential, there is a possibility that inconveniences such as an increase in circuit size and an increase in the number of terminals for signal input / output may occur. Therefore, there is room for improvement.

また、空燃比検出レンジとして、広域レンジと狭域レンジとを切り換えて設定するだけでなく、ストイキ近傍のストイキ狭域レンジとリーン領域中のリーン狭域レンジとの設定も可能とした技術が提案されている。例えば、特許文献2のセンサ制御装置では、センサ素子に流れる素子電流信号を差動増幅回路に入力し、同差動増幅回路にて所定の増幅率で信号増幅を行う構成としている。また、差動増幅回路の一方の入力端子にオフセット電圧を入力する構成としており、そのオフセット電圧の切換により、空燃比検出レンジとして、ストイキ近傍のストイキ狭域レンジやリーン領域中のリーン狭域レンジの設定を可能としている。   In addition to switching between a wide range and a narrow range as the air-fuel ratio detection range, a technology that enables the setting of the stoichiometric range near the stoichiometric range and the lean range in the lean range is also proposed. Has been. For example, the sensor control device of Patent Document 2 has a configuration in which an element current signal flowing through a sensor element is input to a differential amplifier circuit, and signal amplification is performed at a predetermined amplification factor by the differential amplifier circuit. In addition, the offset voltage is input to one input terminal of the differential amplifier circuit. By switching the offset voltage, the stoichiometric range near the stoichiometric range or the lean narrow range in the lean range can be used as the air-fuel ratio detection range. Can be set.

図14は、上記特許文献2中に開示されているガスセンサ制御回路の一部を示す回路図である。なお、図14は、上記特許文献2中の図2に相当する回路図であり、同回路図では、信号増幅率を可変とする構成については省略している。   FIG. 14 is a circuit diagram showing a part of the gas sensor control circuit disclosed in Patent Document 2. FIG. 14 is a circuit diagram corresponding to FIG. 2 in Patent Document 2. In the circuit diagram, a configuration in which the signal amplification factor is variable is omitted.

図14において、電流検出抵抗101は素子電流を検出するためのシャント抵抗であり、その両端にはそれぞれバッファ102,103が接続されている。また、差動増幅回路110を構成するオペアンプ111において、反転入力端子(−端子)には一端がバッファ102に接続された抵抗112の他端が接続され、同−端子と出力端子との間には抵抗113が接続されている。同じくオペアンプ111において、非反転入力端子(+端子)には、一端がバッファ103に接続された抵抗114の他端が接続されるとともに、抵抗115を介して2位置切換式のスイッチ116が接続されている。スイッチ116は、分圧抵抗117,118により決定される電源V11に接続される状態と、分圧抵抗119,120により決定される電源V12(≠V11)に接続される状態とで切り換えられる構成となっている。   In FIG. 14, a current detection resistor 101 is a shunt resistor for detecting an element current, and buffers 102 and 103 are connected to both ends thereof. In the operational amplifier 111 constituting the differential amplifier circuit 110, the other end of the resistor 112 having one end connected to the buffer 102 is connected to the inverting input terminal (− terminal), and between the − terminal and the output terminal. Is connected to a resistor 113. Similarly, in the operational amplifier 111, a non-inverting input terminal (+ terminal) is connected to the other end of a resistor 114 having one end connected to the buffer 103, and a two-position switching switch 116 is connected via a resistor 115. ing. The switch 116 is switched between a state connected to the power source V11 determined by the voltage dividing resistors 117 and 118 and a state connected to the power source V12 (≠ V11) determined by the voltage dividing resistors 119 and 120. It has become.

上記構成において、スイッチ116の切換により差動増幅回路110のオフセット電圧が切り換えられ、それに伴い、ストイキ近傍のストイキ狭域レンジやリーン領域中のリーン狭域レンジの切換が可能となっている。   In the above configuration, the offset voltage of the differential amplifier circuit 110 is switched by switching the switch 116, and accordingly, the stoichiometric narrow range near the stoichiometric range or the lean narrow range in the lean region can be switched.

しかしながら、上記特許文献2のセンサ制御装置では、スイッチ116の切換によってオペアンプ111の非反転入力端子(+端子)側の抵抗値が変わり、それに起因して増幅率等が変動してしまうという問題が生じる。すなわち、オペアンプ111において反転入力端子(−端子)側の抵抗112,113の値をR11,R12、非反転入力端子(+端子)側の抵抗114,115の値をR13,R14とするとともに、分圧抵抗117,118により決定される抵抗値をR15、分圧抵抗119,120により決定される抵抗値をR16とした場合を考える。この場合、差動増幅回路110では、基本的に、
(1)R11=R13、かつ
(2)R12=R14+R15、又は(3)R12=R14+R16
であることを条件に、所望の増幅率(=R12/R11)での信号増幅が可能となっている。ところが、R15≠R16であると、上記の(2)、(3)はいずれかが不成立となる。そのため、スイッチ116を切り換えた場合に、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動するという問題が生じると考えられる。
特開2004−205488号公報 特開2006−275628号公報
However, in the sensor control device disclosed in Patent Document 2, the resistance value on the non-inverting input terminal (+ terminal) side of the operational amplifier 111 is changed by switching the switch 116, and the amplification factor and the like fluctuate accordingly. Arise. That is, in the operational amplifier 111, the values of the resistors 112 and 113 on the inverting input terminal (− terminal) side are R11 and R12, the values of the resistors 114 and 115 on the non-inverting input terminal (+ terminal) side are R13 and R14, and Consider a case where the resistance value determined by the voltage resistors 117 and 118 is R15, and the resistance value determined by the voltage dividing resistors 119 and 120 is R16. In this case, in the differential amplifier circuit 110, basically,
(1) R11 = R13 and (2) R12 = R14 + R15 or (3) R12 = R14 + R16
As a result, signal amplification at a desired amplification factor (= R12 / R11) is possible. However, if R15 ≠ R16, either (2) or (3) is not established. Therefore, when the switch 116 is switched, it is considered that there is a problem that the signal amplification factor and the gas concentration detection range fluctuate unexpectedly.
JP 2004-205488 A JP 2006-275628 A

本発明は、各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施することができるセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。   The main object of the present invention is to provide a sensor control device that enables a plurality of different gas concentration detection ranges to be set, and can perform appropriate gas concentration detection in each of the detection ranges. is there.

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。   Hereinafter, means for solving the above-described problems and the effects thereof will be described.

請求項1に記載の発明では、センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を、正負の信号入力端子の少なくともいずれかに入力し、該入力した素子電流信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に接続されるオフセット設定回路と、前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、を備えたことを特徴とする。   In the first aspect of the present invention, a current measuring resistor for measuring a current flowing through the sensor element and an element current signal measured by the current measuring resistor are input to at least one of positive and negative signal input terminals, An amplification circuit that amplifies the input element current signal, an offset setting circuit connected to an intermediate point between the input resistance and the feedback resistance on the feedback path side of the amplification circuit, and an offset setting state by the offset setting circuit, Offset switching means for switching according to the density value detected each time.

要するに本発明では、正負の信号入力端子の少なくともいずれかに入力した素子電流信号を増幅回路を用いて増幅するセンサ制御装置において、その増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路を接続することで、当該増幅回路の出力信号についてオフセット設定を可能としている。つまり、上記した増幅回路とオフセット設定回路とによれば加算回路が構成され、同増幅回路の出力信号は、センサ素子に流れる電流の大きさに相当する素子電流信号に、オフセット設定回路により設定されるオフセット値を加算した信号となる。これにより、1つの増幅回路を用いた構成で、異なるガス濃度検出範囲の設定が可能となる。この場合、オフセット設定回路から増幅回路側に流れ込む電流加算分はあらかじめ分かっているため、その電流加算分を加味して正確にガス濃度検出を行うことができる。   In short, in the present invention, in a sensor control device that amplifies an element current signal input to at least one of positive and negative signal input terminals using an amplifier circuit, the input current between the input resistance and the feedback resistor on the feedback path side of the amplifier circuit is between By connecting an offset setting circuit to the intermediate point, it is possible to set an offset for the output signal of the amplifier circuit. That is, the amplifier circuit and the offset setting circuit described above constitute an adding circuit, and the output signal of the amplifier circuit is set by the offset setting circuit to an element current signal corresponding to the magnitude of the current flowing through the sensor element. The signal is obtained by adding the offset value. Accordingly, it is possible to set different gas concentration detection ranges with a configuration using one amplifier circuit. In this case, since the current addition amount flowing from the offset setting circuit to the amplifier circuit side is known in advance, the gas concentration can be accurately detected in consideration of the current addition amount.

ここで、比較対象として、図14に示す差動増幅回路を用いた場合には、前述のとおり、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動すると考えられる。これは、図14の差動増幅回路において、オフセット電圧の切換に伴い帰還抵抗の値と接地抵抗の値とが不一致となる(図14において、R12=R14+R15、R12=R14+R16のいずれかが不成立になる)ことに起因する。これに対し、増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路を接続した本発明の回路構成によれば、オフセット電圧の切換に伴い帰還抵抗の値や接地抵抗の値が変動することがないため、こうした問題が回避できる。   Here, as a comparison object, when the differential amplifier circuit shown in FIG. 14 is used, it is considered that the signal amplification factor and the gas concentration detection range fluctuate unexpectedly as described above. This is because, in the differential amplifier circuit of FIG. 14, the value of the feedback resistance and the value of the ground resistance become inconsistent with the switching of the offset voltage (in FIG. 14, either R12 = R14 + R15 or R12 = R14 + R16 is not established). ). On the other hand, according to the circuit configuration of the present invention in which the offset setting circuit is connected to the intermediate point between the input resistor and the feedback resistor on the feedback path side of the amplifier circuit, the value of the feedback resistor and the grounding are changed with the switching of the offset voltage. Since the resistance value does not fluctuate, this problem can be avoided.

以上により、本発明によれば、各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施することができる。   As described above, according to the present invention, a plurality of different gas concentration detection ranges can be set, and appropriate gas concentration detection can be performed in each of these detection ranges.

ここで、前記増幅回路は、電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を、正負の信号入力端子の一方に入力し、該入力した素子電流信号を増幅する反転又は非反転型の増幅回路であるとよい(図1,図9,図13参照)。又は、前記増幅回路は、素子電流信号として電流計測用抵抗の両端の端子電圧信号を正負それぞれの信号入力端子に入力し、その電圧差を増幅する差動増幅回路であるとよい(図12参照)。いずれにしても、オフセット切換手段によるオフセット設定状態の切換の前後で、増幅回路の帰還抵抗の値と接地抵抗の値とが一致する状態が保持される構成を実現できる。   Here, the amplifier circuit is an inverting or non-inverting amplifier circuit that inputs an element current signal measured by a current measuring resistor to one of positive and negative signal input terminals and amplifies the input element current signal. (See FIGS. 1, 9, and 13). Alternatively, the amplifier circuit may be a differential amplifier circuit that inputs terminal voltage signals at both ends of a current measuring resistor as element current signals to positive and negative signal input terminals and amplifies the voltage difference (see FIG. 12). ). In any case, it is possible to realize a configuration in which a state in which the value of the feedback resistance of the amplifier circuit and the value of the ground resistance match is maintained before and after switching of the offset setting state by the offset switching means.

オフセット設定に関してより具体的には、前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に前記オフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるとよい(請求項2)。   More specifically, regarding the offset setting, the offset switching means is not connected to the state where the offset setting circuit is connected to the intermediate point between the input resistance and the feedback resistance on the feedback path side of the amplifier circuit. (Claim 2).

又は、前記オフセット設定回路は、複数のオフセット値を可変設定できるものであり、前記オフセット切換手段は、前記複数のオフセット値のうちいずれかを選択的に設定するとよい(請求項5)。   Alternatively, the offset setting circuit may variably set a plurality of offset values, and the offset switching means may selectively set any one of the plurality of offset values.

上記各構成によれば、オフセット設定回路の接続又は未接続、又はオフセット値の可変設定によって、ガス濃度検出範囲としてオフセット値分の差異ができ、高濃度側、低濃度側の異なる検出範囲がそれぞれ簡易に設定できる。   According to each of the above-described configurations, the offset setting circuit can be connected or not connected, or the offset value can be variably set, so that a difference corresponding to the offset value can be made as the gas concentration detection range. Easy to set.

また、請求項3に記載のセンサ制御装置は、センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を一方の信号入力端子に入力し該入力した素子電流信号を増幅する反転又は非反転型の増幅回路と、前記増幅回路において前記素子電流信号を入力する信号入力端子又は他方の信号入力端子に接続されたオフセット設定回路と、前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、を備えることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, a sensor control device according to claim 3 inputs a current measuring resistor for measuring a current flowing through a sensor element and an element current signal measured by the current measuring resistor to one signal input terminal. An inverting or non-inverting amplifier circuit that amplifies an element current signal, an offset setting circuit connected to a signal input terminal for inputting the element current signal or the other signal input terminal in the amplifier circuit, and the offset setting circuit And an offset switching means for switching the offset setting state according to the density value detected each time.

要するに本発明では、反転又は非反転型の増幅回路を用いて素子電流信号を増幅するセンサ制御装置において、その増幅回路の一方の信号入力端子にオフセット設定回路を接続することで、当該増幅回路の出力信号についてオフセット設定を可能としている。つまり、上記した増幅回路とオフセット設定回路とによれば加算回路が構成され、同増幅回路の出力信号は、センサ素子に流れる電流の大きさに相当する素子電流信号に、オフセット設定回路により設定されるオフセット値を加算した信号となる。又は、増幅回路に入力される基準信号(素子電流信号を入力する信号入力端子とは異なる信号入力端子に入力される信号)に、オフセット設定回路により設定されるオフセット値が加算されて、増幅回路の出力信号がオフセットされる。これにより、1つの増幅回路を用いた構成で、異なるガス濃度検出範囲の設定が可能となる。この場合、オフセット設定回路から増幅回路側に流れ込む電流加算分はあらかじめ分かっているため、その電流加算分を加味して正確にガス濃度検出を行うことができる。   In short, in the present invention, in a sensor control device that amplifies an element current signal using an inverting or non-inverting amplifier circuit, an offset setting circuit is connected to one of the signal input terminals of the amplifier circuit. An offset can be set for the output signal. That is, the amplifier circuit and the offset setting circuit described above constitute an adding circuit, and the output signal of the amplifier circuit is set by the offset setting circuit to an element current signal corresponding to the magnitude of the current flowing through the sensor element. The signal is obtained by adding the offset value. Alternatively, an offset value set by the offset setting circuit is added to a reference signal (a signal input terminal different from a signal input terminal for inputting an element current signal) input to the amplifier circuit, and the amplifier circuit Output signal is offset. Accordingly, it is possible to set different gas concentration detection ranges with a configuration using one amplifier circuit. In this case, since the current addition amount flowing from the offset setting circuit to the amplifier circuit side is known in advance, the gas concentration can be accurately detected in consideration of the current addition amount.

ここで、比較対象として、反転又は非反転型の増幅回路に代えて差動増幅回路を用いた場合(前述した図14参照)には、上記と同様にオフセット設定回路を増幅回路の一方の信号入力端子に接続することでオフセット設定が行われるが、かかる構成では、前述のとおり、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動すると考えられる。これに対し、反転又は非反転型の増幅回路を用いた本発明の回路構成によれば、こうした問題が回避できる。   Here, when a differential amplifier circuit is used as a comparison object instead of an inverting or non-inverting amplifier circuit (see FIG. 14 described above), the offset setting circuit is connected to one signal of the amplifier circuit as described above. Although the offset is set by connecting to the input terminal, in such a configuration, it is considered that the signal amplification factor and the gas concentration detection range fluctuate unexpectedly as described above. On the other hand, according to the circuit configuration of the present invention using an inverting or non-inverting amplifier circuit, such a problem can be avoided.

以上により、本発明によれば、各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施することができる。   As described above, according to the present invention, a plurality of different gas concentration detection ranges can be set, and appropriate gas concentration detection can be performed in each of these detection ranges.

オフセット設定に関してより具体的には、前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の信号入力端子にオフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるとよい(請求項4)。   More specifically, regarding the offset setting, the offset switching means may switch between a state in which the offset setting circuit is connected to a signal input terminal of the amplifier circuit and a state in which the offset setting circuit is not connected.

又は、前記オフセット設定回路は、複数のオフセット値を可変設定できるものであり、前記オフセット切換手段は、前記複数のオフセット値のうちいずれかを選択的に設定するとよい(請求項5)。   Alternatively, the offset setting circuit may variably set a plurality of offset values, and the offset switching means may selectively set any one of the plurality of offset values.

上記各構成によれば、オフセット設定回路の接続又は未接続、又はオフセット値の可変設定によって、ガス濃度検出範囲としてオフセット値分の差異ができ、高濃度側、低濃度側の異なる検出範囲がそれぞれ簡易に設定できる。   According to each of the above-described configurations, the offset setting circuit can be connected or not connected, or the offset value can be variably set, so that a difference corresponding to the offset value can be made as the gas concentration detection range. Easy to set.

本発明のセンサ制御装置は、内燃機関から排出される排ガスを検出対象として、素子電流信号に基づいて空燃比を検出する空燃比検出装置として適用できる。   The sensor control device of the present invention can be applied as an air-fuel ratio detection device that detects an air-fuel ratio based on an element current signal, with exhaust gas discharged from an internal combustion engine as a detection target.

かかる場合、請求項6に記載したように、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲(ストイキズームレンジRG2)と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲(リーンズームレンジRG3)とを規定しておく。そして、前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲又は前記リーン検出範囲のいずれかで空燃比検出を行うかを判定し、その判定結果に応じてオフセット切換を実施するとよい。   In this case, as described in claim 6, the air-fuel ratio detection range is a part of the entire air-fuel ratio range that can be detected by the sensor element and is used for stoichiometric combustion control (stoichiometric zoom range RG2). ) And a lean detection range (lean zoom range RG3) that is also part of the entire air-fuel ratio range and is used for lean combustion control. Then, the offset switching means determines whether to perform air-fuel ratio detection in either the stoichiometric detection range or the lean detection range according to the status of each air-fuel ratio control, and performs offset switching according to the determination result. It is good to carry out.

上記したストイキ検出範囲とリーン検出範囲とは、いずれも全空燃比範囲の一部をなす狭検出範囲である一方、それぞれ空燃比の大小が異なる検出範囲であるが、上記のようにオフセット切換が行われることにより、各々の検出範囲において適正なる空燃比検出が可能となる。その結果、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御を好適に実施することが可能となる。   The stoichiometric detection range and the lean detection range are both narrow detection ranges that form part of the total air-fuel ratio range, but are detection ranges in which the magnitude of the air-fuel ratio is different. As a result, an appropriate air-fuel ratio can be detected in each detection range. As a result, stoichiometric combustion control and lean combustion control can be suitably performed.

また、請求項7に記載したように、前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲(リッチズームレンジRG4)をさらに規定することも可能である。この場合、前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲と前記リーン検出範囲と前記リッチ検出範囲とを切り換えるとよい。   In addition, as described in claim 7, a rich detection range (rich zoom range RG4) that is a part of the total air-fuel ratio range and is used for rich combustion control may be further defined as the air-fuel ratio detection range. Is possible. In this case, the offset switching means may switch between the stoichiometric detection range, the lean detection range, and the rich detection range in accordance with the status of each air-fuel ratio control.

これにより、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御に加えて、リッチ燃焼制御を好適に実施することが可能となる。なお、空燃比検出範囲をリッチ検出範囲とする場合には、リーン検出範囲とする場合とは正負逆側のオフセットを付与するとよい。つまり、空燃比検出範囲をリーン検出範囲とする場合には、オフセット設定回路から増幅回路にオフセット相当分の電流を流入させるのに対し、空燃比検出範囲をリッチ検出範囲とする場合には、上記とは逆に、増幅回路からオフセット設定回路にオフセット相当分の電流を流入させるようにする。   Thereby, in addition to stoichiometric combustion control and lean combustion control, rich combustion control can be suitably performed. In the case where the air-fuel ratio detection range is the rich detection range, an offset on the positive and negative sides may be given as compared to the case where the lean detection range is set. That is, when the air-fuel ratio detection range is the lean detection range, a current corresponding to the offset flows from the offset setting circuit to the amplifier circuit, whereas when the air-fuel ratio detection range is the rich detection range, Conversely, a current corresponding to the offset is caused to flow from the amplifier circuit to the offset setting circuit.

ここで、請求項8に記載したように、前記各検出範囲は、いずれもストイキ点を含む検出範囲として設定されているとよい。これにより、各検出範囲にはいずれも、素子電流=0mAとなる状態(ストイキ検出状態)が含まれる。この場合、センサ素子をストイキ検出状態とした時の増幅回路の出力信号のばらつきによって、例えば回路特性の誤差が判定できる。   Here, as described in claim 8, each of the detection ranges may be set as a detection range including a stoichiometric point. As a result, each detection range includes a state where the element current = 0 mA (stoichiometric detection state). In this case, for example, an error in circuit characteristics can be determined based on variations in the output signal of the amplifier circuit when the sensor element is in the stoichiometric detection state.

具体的には、請求項9に記載したように、前記センサ素子への印加電圧を一時的に停止することで、同センサ素子に流れる電流を強制的に遮断し、その時の前記増幅回路の出力信号に基づいて回路特性の誤差を検出するとよい。例えば、センサ素子への電圧印加経路を開放することで電圧印加を停止し、素子電流を遮断する。この場合、強制的にストイキ検出状態にすることができ、その時の増幅回路の出力信号のばらつきによって回路特性の誤差が判定できる。   Specifically, as described in claim 9, by temporarily stopping the voltage applied to the sensor element, the current flowing through the sensor element is forcibly cut off, and the output of the amplifier circuit at that time An error in circuit characteristics may be detected based on the signal. For example, the voltage application is stopped by opening the voltage application path to the sensor element, and the element current is cut off. In this case, the stoichiometric detection state can be forcibly set, and an error in circuit characteristics can be determined based on variations in output signals of the amplifier circuit at that time.

請求項10に記載の発明では、前記増幅回路に増幅率決定のための複数の増幅用抵抗を設けるとともに、前記増幅回路の増幅率を可変設定すべく前記複数の増幅用抵抗のうちいずれが前記増幅回路の入力抵抗、帰還抵抗となるかを切り換える増幅率切換手段を備えている。   In the invention according to claim 10, a plurality of amplification resistors for determining an amplification factor are provided in the amplifier circuit, and any one of the plurality of amplification resistors is configured to variably set the amplification factor of the amplifier circuit. Amplification rate switching means for switching between input resistance and feedback resistance of the amplifier circuit is provided.

上記構成では、増幅回路の増幅率(ゲイン)を可変設定することにより、ガス濃度の検出分解能を調整することが可能となる。したがって、所望とするガス濃度検出範囲においてその検出精度を高めることができる。このとき、増幅回路の増幅率の可変設定は、複数の増幅用抵抗を対象とする入力抵抗、帰還抵抗の振り分けにより行われる。そのため、複数の増幅回路(オペアンプ)を用いることで複数の異なる増幅率を実現していた従前の構成とは異なり、構成の簡素化が可能となる。以上により、構成の簡易化を図り、しかも所望とするガス濃度検出範囲においてその検出精度を高めることが可能となる。   In the above configuration, the gas concentration detection resolution can be adjusted by variably setting the amplification factor (gain) of the amplifier circuit. Therefore, the detection accuracy can be increased in a desired gas concentration detection range. At this time, the variable setting of the amplification factor of the amplifier circuit is performed by distributing the input resistance and feedback resistance for a plurality of amplification resistors. Therefore, unlike the conventional configuration in which a plurality of different amplification factors are realized by using a plurality of amplifier circuits (operational amplifiers), the configuration can be simplified. As described above, the configuration can be simplified and the detection accuracy can be increased in the desired gas concentration detection range.

また、請求項1〜5に記載の発明との組み合わせを考えると、オフセット設定状態が異なるガス濃度検出範囲の設定に加え、広狭が異なるガス濃度検出範囲の設定が可能となる。これにより、一層多様なガス濃度検出範囲の設定が可能となり、実用上より望ましい構成が実現できる。   Considering the combination with the inventions of claims 1 to 5, in addition to setting the gas concentration detection range having different offset setting states, it is possible to set the gas concentration detection range having different widths. As a result, a wider variety of gas concentration detection ranges can be set, and a practically desirable configuration can be realized.

なお、上記請求項10の構成において、前記増幅回路を構成するオペアンプの信号入力経路上にスイッチ素子を設け、そのスイッチ素子の動作に伴い増幅用抵抗の切換を行うことが望ましい。つまり、オペアンプの信号入力経路は一般にハイインピーダンスとなっており、そのハイインピーダンスの信号入力経路上に設けたスイッチ素子により増幅率の変更を行う構成によれば、スイッチ素子が抵抗成分を有していてもその抵抗成分が無視できる。したがって、増幅回路における信号増幅を精度良く実施することができる。   In the configuration of the tenth aspect, it is desirable that a switch element is provided on the signal input path of the operational amplifier constituting the amplifier circuit, and that the amplifying resistor is switched in accordance with the operation of the switch element. That is, the signal input path of the operational amplifier is generally high impedance, and according to the configuration in which the amplification factor is changed by the switch element provided on the high impedance signal input path, the switch element has a resistance component. However, the resistance component can be ignored. Therefore, signal amplification in the amplifier circuit can be performed with high accuracy.

請求項11に記載の発明では、ガス濃度検出範囲として、広狭異なる複数の検出範囲をあらかじめ規定しておき、相対的に狭い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を大きくし、相対的に広い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を小さくするよう前記増幅用抵抗の切換を実施する。この場合、相対的に狭い検出範囲では精度優先の濃度検出を行うことができるのに対し、相対的に広い検出範囲では検出範囲の拡張を図りつつ濃度検出を行うことができる。   In the invention according to claim 11, when a plurality of detection ranges that are wide and narrow are defined in advance as the gas concentration detection range and the gas concentration detection is performed within a relatively narrow detection range, the amplification factor of the amplifier circuit When the gas concentration is detected within a relatively wide detection range, the amplification resistor is switched so as to reduce the amplification factor of the amplification circuit. In this case, accuracy-priority concentration detection can be performed in a relatively narrow detection range, whereas concentration detection can be performed while expanding the detection range in a relatively wide detection range.

空燃比検出装置として適用される場合、以下のごとくオフセット切換や増幅率切換が実施されるとよい。   When applied as an air-fuel ratio detection device, offset switching and amplification factor switching may be performed as follows.

すなわち、請求項12に記載したように、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲(全域レンジRG1)と、その全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲(ストイキズームレンジRG2)と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲(リーンズームレンジRG3)とを規定しておく。そして、
(1)前記全空燃比範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を小さくし、
(2)前記ストイキ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくし、
(3)前記リーン検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくする。
That is, as described in claim 12, as the air-fuel ratio detection range, the entire air-fuel ratio range (global range RG1) that can be detected by the sensor element, and a part of the total air-fuel ratio range and stoichiometric combustion control And a lean detection range (lean zoom range RG3) which is also a part of the entire air-fuel ratio range and is used for lean combustion control. And
(1) When the full air-fuel ratio range is used, no offset is given by the offset switching means, and the gain is reduced by the gain switching means,
(2) When using the stoichiometric detection range, an offset is not given by the offset switching means, and an amplification factor is increased by the amplification factor switching means,
(3) When using the lean detection range, an offset is given by the offset switching means, and an amplification factor is increased by the amplification factor switching means.

上記構成によれば、空燃比検出範囲を、全空燃比範囲、ストイキ検出範囲及びリーン検出範囲のいずれにも容易に変更できる。その結果、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御を好適に実施することが可能となる。またこれに加えて、大気検出によるセンサ異常診断等を好適に実施することが可能となる。   According to the above configuration, the air-fuel ratio detection range can be easily changed to any of the total air-fuel ratio range, the stoichiometric detection range, and the lean detection range. As a result, stoichiometric combustion control and lean combustion control can be suitably performed. In addition to this, it is possible to suitably perform sensor abnormality diagnosis by atmospheric detection.

また、請求項13に記載したように、前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲(リッチズームレンジRG4)をさらに規定することも可能である。前記リッチ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段により、前記リーン検出範囲とは正負逆側のオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくするとよい。   Further, as described in claim 13, a rich detection range (rich zoom range RG4) that is a part of the total air-fuel ratio range and is used for rich combustion control may be further defined as the air-fuel ratio detection range. Is possible. When the rich detection range is used, it is preferable that an offset on the positive and negative sides of the lean detection range is given by the offset switching unit, and an amplification factor is increased by the amplification factor switching unit.

これにより、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御等に加えて、リッチ燃焼制御を好適に実施することが可能となる。   Thereby, in addition to stoichiometric combustion control, lean combustion control, etc., rich combustion control can be suitably implemented.

請求項14に記載の発明では、前記増幅回路は、出力段に定電流源又はプルダウン抵抗を備えるオペアンプにより出力を得る構成とされている。この場合、比較的簡易な構成で出力電圧の範囲が下限側に拡張できる。つまり、出力電圧範囲の拡張を、チップ面積の小さいオペアンプにて実現でき、センサ制御回路としての小型化を図ることができる。   In the invention described in claim 14, the amplifier circuit is configured to obtain an output by an operational amplifier having a constant current source or a pull-down resistor in an output stage. In this case, the output voltage range can be expanded to the lower limit side with a relatively simple configuration. That is, the expansion of the output voltage range can be realized by an operational amplifier having a small chip area, and the sensor control circuit can be miniaturized.

(第1の実施形態)
以下、本発明のセンサ制御装置を具体化した第1の実施形態を図面に従って説明する。本実施形態では、車載エンジンより排出される排ガス(燃焼ガス)を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度(空燃比:A/F)を検出する空燃比検出装置を具体化しており、空燃比の検出結果はエンジンECU等により構成される空燃比制御システムにて用いられる。空燃比制御システムでは、空燃比をストイキ近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、同空燃比を所定のリーン領域でフィードバック制御するリーン燃焼制御等が適宜実現される。また本実施形態では、近年又は将来の排ガス規制や異常検出規制(OBD)に対応する広域の空燃比検出や、リッチ燃焼運転時のリッチ燃焼制御、排気系に設置されたNOx吸蔵還元型触媒の吸蔵NOx放出、硫黄被毒再生等の制御を実施すべく、リッチ域(例えばA/F11)から大気状態までの広い範囲で空燃比を検出可能としている。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a sensor control device according to the present invention will be described with reference to the drawings. The present embodiment embodies an air-fuel ratio detection device that detects the oxygen concentration (air-fuel ratio: A / F) in the exhaust gas (combustion gas) discharged from the on-board engine as a detected gas. This detection result is used in an air-fuel ratio control system constituted by an engine ECU or the like. In the air-fuel ratio control system, stoichiometric combustion control in which the air-fuel ratio is feedback-controlled in the vicinity of the stoichiometry, lean combustion control in which the air-fuel ratio is feedback-controlled in a predetermined lean region, and the like are appropriately realized. In the present embodiment, a wide range of air-fuel ratio detection corresponding to recent or future exhaust gas regulations and abnormality detection regulations (OBD), rich combustion control during rich combustion operation, and NOx occlusion reduction type catalyst installed in the exhaust system. The air-fuel ratio can be detected in a wide range from the rich region (for example, A / F11) to the atmospheric state in order to perform control such as occlusion NOx release and sulfur poisoning regeneration.

先ずはじめに、A/Fセンサの構成を図2を用いて説明する。本A/Fセンサは積層型構造のセンサ素子10を有し、図2にはセンサ素子10の断面構成を示す。実際には当該センサ素子10は図2の紙面直交方向に延びる長尺状をなし、素子全体がハウジングや素子カバー内に収容される構成となっている。   First, the configuration of the A / F sensor will be described with reference to FIG. The A / F sensor has a sensor element 10 having a laminated structure, and FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the sensor element 10. Actually, the sensor element 10 has a long shape extending in the direction orthogonal to the paper surface of FIG. 2, and the entire element is accommodated in a housing or an element cover.

センサ素子10は、固体電解質層11、拡散抵抗層12、遮蔽層13及び絶縁層14を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層11は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層11を挟んで上下一対の電極15,16が対向配置されている。拡散抵抗層12は電極15へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層13は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層12,13は何れも、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。   The sensor element 10 includes a solid electrolyte layer 11, a diffusion resistance layer 12, a shielding layer 13, and an insulating layer 14, which are stacked on the top and bottom of the drawing. A protective layer (not shown) is provided around the element. The rectangular solid electrolyte layer 11 is a partially stabilized zirconia sheet, and a pair of upper and lower electrodes 15 and 16 are disposed opposite to each other with the solid electrolyte layer 11 interposed therebetween. The diffusion resistance layer 12 is made of a porous sheet for introducing exhaust gas into the electrode 15, and the shielding layer 13 is made of a dense layer for suppressing permeation of the exhaust gas. Each of these layers 12 and 13 is formed by molding a ceramic such as alumina, spinel or zirconia by a sheet forming method or the like, but the gas permeability varies depending on the average pore diameter and porosity of the porosity. Yes.

絶縁層14はアルミナ等の高熱伝導性セラミックスからなり、電極16に対面する部位には大気ダクト17が形成されている。また、同絶縁層14にはヒータ18が埋設されている。ヒータ18は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。   The insulating layer 14 is made of high thermal conductive ceramic such as alumina, and an air duct 17 is formed at a portion facing the electrode 16. A heater 18 is embedded in the insulating layer 14. The heater 18 is a linear heating element that generates heat when energized by a battery power source, and heats the entire element by the generated heat.

上記センサ素子10において、その周囲の排ガスは拡散抵抗層12の側方部位から導入されて電極15に達する。排ガスがリーンの場合、排ガス中の酸素が電極15で分解され、電極16より大気ダクト17に排出される。また、排ガスがリッチの場合、逆に大気ダクト17内の酸素が電極16で分解され、電極15より排気側に排出される。   In the sensor element 10, the surrounding exhaust gas is introduced from the side portion of the diffusion resistance layer 12 and reaches the electrode 15. When the exhaust gas is lean, oxygen in the exhaust gas is decomposed by the electrode 15 and discharged from the electrode 16 to the atmospheric duct 17. On the contrary, when the exhaust gas is rich, oxygen in the air duct 17 is decomposed by the electrode 16 and discharged from the electrode 15 to the exhaust side.

図3は、A/Fセンサの電圧−電流特性(V−I特性)を示す図面である。図3において、V軸(横軸)に平行な直線部分はセンサ素子10の素子電流IL(限界電流)を特定する限界電流域であって、この素子電流ILの増減は空燃比の増減(すなわち、リーン・リッチの程度)に対応している。つまり、空燃比がリーン側になるほど素子電流ILは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ILは減少する。なお、図中のLX1は、センサ素子10への印加電圧Vpを決定するための印加電圧直線(印加電圧特性)を表しており、その傾きは概ね抵抗支配域(限界電流域よりも低電圧側の傾き部分)に一致している。   FIG. 3 is a diagram showing the voltage-current characteristics (VI characteristics) of the A / F sensor. In FIG. 3, a straight line portion parallel to the V-axis (horizontal axis) is a limit current region for specifying the element current IL (limit current) of the sensor element 10, and the increase / decrease in the element current IL is an increase / decrease in the air / fuel ratio (that is, , Lean and rich). That is, the element current IL increases as the air-fuel ratio becomes leaner, and the element current IL decreases as the air-fuel ratio becomes richer. Note that LX1 in the figure represents an applied voltage straight line (applied voltage characteristic) for determining the applied voltage Vp to the sensor element 10, and its inclination is generally in the resistance dominant region (lower voltage side than the limit current region). To the sloped part).

次に、本発明の主要部たるセンサ制御系の電気的構成を図1を参照しながら説明する。   Next, the electrical configuration of the sensor control system as the main part of the present invention will be described with reference to FIG.

図1では、センサ制御系の主要な構成としてマイクロコンピュータ(以下、マイコンと略す)20とセンサ制御回路30とが設けられており、これらによりA/Fセンサ(センサ素子10)に流れる素子電流の計測やその素子電流値に基づくA/F値の演算など実施される。マイコン20は、CPU、各種メモリ、A/D変換器等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、素子電流値に相応するA/F出力電圧をセンサ制御回路30から入力し、同A/F出力電圧のA/D値によりA/F値を算出する。なお、A/D変換器は例えば10bit分解能を有するものであり、その作動電圧範囲は0〜5Vである。同マイコン20により演算されたA/F値はエンジンECU25に逐次出力される。   In FIG. 1, a microcomputer (hereinafter abbreviated as “microcomputer”) 20 and a sensor control circuit 30 are provided as the main components of the sensor control system, and the element current flowing through the A / F sensor (sensor element 10) is thereby controlled. Measurement and calculation of an A / F value based on the element current value are performed. The microcomputer 20 is configured by a well-known logical operation circuit including a CPU, various memories, an A / D converter, and the like. The microcomputer 20 inputs an A / F output voltage corresponding to the element current value from the sensor control circuit 30, and The A / F value is calculated from the A / D value of the A / F output voltage. The A / D converter has, for example, a 10-bit resolution, and the operating voltage range is 0 to 5V. The A / F value calculated by the microcomputer 20 is sequentially output to the engine ECU 25.

エンジンECU25は、車両の通常走行時におけるストイキフィードバック制御機能及びリーンフィードバック制御機能や、エンジン高負荷増量時におけるリッチフィードバック制御機能、燃料カットに伴う大気雰囲気下でのセンサ異常診断機能などを有しており、これらはいずれも実空燃比(A/Fセンサによる検出A/F)に基づいて実施される。   The engine ECU 25 has a stoichiometric feedback control function and a lean feedback control function during normal driving of the vehicle, a rich feedback control function when the engine is heavily loaded, a sensor abnormality diagnosis function under an air atmosphere accompanying fuel cut, and the like. These are all performed based on the actual air-fuel ratio (detection A / F by the A / F sensor).

具体的には、ストイキフィードバック制御として、例えば目標空燃比をストイキ(A/F=14.7)とし、A/Fセンサにより検出された実空燃比が目標空燃比に一致するようインジェクタによる燃料噴射量を制御する(精密ストイキ制御)。リーンフィードバック制御として、リーン目標空燃比(例えばA/F=30)を設定し、A/Fセンサにより検出された実空燃比がリーン目標空燃比に一致するようインジェクタによる燃料噴射量を制御する(精密リーン燃焼制御)。また、リッチフィードバック制御として、車両加速時や登坂時など高負荷増量を行う際に、リッチ目標空燃比(例えばA/F=10)を設定し、A/Fセンサにより検出された実空燃比がリッチ目標空燃比に一致するようインジェクタによる燃料噴射量を制御する。さらに、燃料カット時のセンサ異常診断として、燃料カットに伴い排気管内のガス雰囲気が大気状態(すなわち、既知の雰囲気)となった場合に、A/Fセンサの出力値(素子電流値)が大気相当の値となるか否か等によりセンサ素子の劣化の有無などを判定する。   Specifically, as the stoichiometric feedback control, for example, the target air-fuel ratio is set to stoichiometric (A / F = 14.7), and the fuel injection by the injector is performed so that the actual air-fuel ratio detected by the A / F sensor matches the target air-fuel ratio. Control the amount (precision stoichiometric control). As the lean feedback control, a lean target air-fuel ratio (for example, A / F = 30) is set, and the fuel injection amount by the injector is controlled so that the actual air-fuel ratio detected by the A / F sensor matches the lean target air-fuel ratio ( Precision lean combustion control). As rich feedback control, a rich target air-fuel ratio (for example, A / F = 10) is set when a high load increase is performed such as when the vehicle is accelerating or when climbing a hill, and the actual air-fuel ratio detected by the A / F sensor is The fuel injection amount by the injector is controlled so as to coincide with the rich target air-fuel ratio. Further, as a sensor abnormality diagnosis at the time of fuel cut, when the gas atmosphere in the exhaust pipe becomes an atmospheric state (that is, a known atmosphere) due to the fuel cut, the output value (element current value) of the A / F sensor is atmospheric. Whether or not the sensor element has deteriorated is determined based on whether or not the value is appropriate.

ここで、ストイキフィードバック制御やリーンフィードバック制御では、ストイキを含むストイキ近傍領域、又は所定のリーン制御領域で高精度に空燃比を検出する必要があるのに対し、リッチフィードバック制御やセンサ異常診断では、リッチ領域から超リーン領域(大気)まで広域に空燃比を検出する必要がある。そこで本実施形態では、空燃比検出範囲として、リッチ〜超リーン(大気)までを含む全域レンジRG1と、ストイキ近傍領域であるストイキズームレンジRG2と、所定のリーン制御領域であるリーンズームレンジRG3とを規定しておき、空燃比に関する各処理のいずれが行われるかに応じて空燃比検出レンジの切換(レンジRG1/RG2/RG3の切換)を実施する。   Here, in the stoichiometric feedback control and the lean feedback control, it is necessary to detect the air-fuel ratio with high accuracy in the stoichiometric vicinity region including the stoichiometry or a predetermined lean control region, whereas in the rich feedback control and sensor abnormality diagnosis, It is necessary to detect the air-fuel ratio in a wide range from the rich region to the ultra-lean region (atmosphere). Therefore, in the present embodiment, as the air-fuel ratio detection range, the entire range RG1 including rich to super-lean (atmosphere), the stoichiometric zoom range RG2 that is the stoichiometric vicinity region, and the lean zoom range RG3 that is a predetermined lean control region. And switching of the air-fuel ratio detection range (switching of the ranges RG1 / RG2 / RG3) is performed according to which of the processes related to the air-fuel ratio is performed.

全域レンジRG1は、センサ素子10により検出可能となる「全空燃比範囲」に相当する。また、ストイキズームレンジRG2は、全域レンジRG1(全空燃比範囲)の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられる「ストイキ検出範囲」に相当し、リーンズームレンジRG3は、同じく全域レンジRG1(全空燃比範囲)の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられる「リーン検出範囲」に相当する。   The entire range RG1 corresponds to a “total air-fuel ratio range” that can be detected by the sensor element 10. Further, the stoichiometric zoom range RG2 is a part of the entire range RG1 (total air-fuel ratio range) and corresponds to a “stoichiometric detection range” used for stoichiometric combustion control, and the lean zoom range RG3 is also the entire range RG1 (all This is a part of the air-fuel ratio range) and corresponds to a “lean detection range” used for lean combustion control.

図4は、3つの空燃比検出レンジRG1〜RG3についてA/Fとセンサ出力電圧(マイコン入力値)との関係を示す図である。なお、A/F出力電圧の範囲は、マイコン20側のA/D処理範囲に相応して規定されており、図示のとおり0V付近〜5V付近となっている。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between A / F and sensor output voltage (microcomputer input value) for the three air-fuel ratio detection ranges RG1 to RG3. Note that the range of the A / F output voltage is defined according to the A / D processing range on the microcomputer 20 side, and is in the vicinity of 0V to 5V as shown in the figure.

図4に示すように、全域レンジRG1はA/F=10〜大気の範囲で設定され、ストイキズームレンジRG2はA/F=13〜20の範囲で設定され、リーンズームレンジRG3はA/F=14〜35の範囲で設定されている。これら各レンジRG1〜RG3は、いずれもストイキ点を跨ぐ検出レンジとして設定されている。このとき、全域レンジRG1での空燃比検出によれば、本システムにおいて使用領域として想定される全域で空燃比が検出できる。また、ストイキズームレンジRG2及びリーンズームレンジRG3での空燃比検出によれば、限られた電圧範囲(A/Dの作動電圧範囲)内で空燃比の検出分解能を高めることができる。   As shown in FIG. 4, the entire range RG1 is set in the range of A / F = 10 to the atmosphere, the stoichiometric zoom range RG2 is set in the range of A / F = 13 to 20, and the lean zoom range RG3 is set to A / F. = 14 to 35. Each of these ranges RG1 to RG3 is set as a detection range straddling the stoichiometric point. At this time, according to the air-fuel ratio detection in the entire range RG1, the air-fuel ratio can be detected in the entire region assumed as the use region in this system. Further, according to the air-fuel ratio detection in the stoichiometric zoom range RG2 and the lean zoom range RG3, the air-fuel ratio detection resolution can be increased within a limited voltage range (A / D operating voltage range).

また、図5は、素子電流ILとA/Fとの関係を示す図である。図5に示すように、ストイキ(A/F=14.7)では素子電流IL=0mAとなっている。また、リーン領域とリッチ領域とを比べると、素子電流ILに対するA/F感度が相違し、前者の方がA/F感度が高くなっている。なおこれは、センサ素子10における感度特性に依存するものである。この場合、ストイキズームレンジRG2とリーンズームレンジRG3とについて素子電流範囲(横軸のIL幅)がほぼ同じであっても、実質的な空燃比検出範囲(縦軸のA/F幅)が相違することが確認できる。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the element current IL and A / F. As shown in FIG. 5, the element current IL = 0 mA at stoichiometry (A / F = 14.7). Further, when the lean region and the rich region are compared, the A / F sensitivity with respect to the element current IL is different, and the former has higher A / F sensitivity. This depends on the sensitivity characteristics of the sensor element 10. In this case, even if the device current range (IL width on the horizontal axis) is substantially the same between the stoichiometric zoom range RG2 and the lean zoom range RG3, the substantial air-fuel ratio detection range (A / F width on the vertical axis) is different. It can be confirmed.

こうした理由から、本実施形態では、ストイキズームレンジRG2とリーンズームレンジRG3とについて素子電流範囲(換言すると、A/F出力電圧の範囲)は同じであるが、実質的な空燃比検出範囲が相違することとなっている。   For this reason, in the present embodiment, the device current range (in other words, the A / F output voltage range) is the same for the stoichiometric zoom range RG2 and the lean zoom range RG3, but the substantial air-fuel ratio detection range is different. It is supposed to be.

上記したストイキフィードバック制御、リーンフィードバック制御、リッチフィードバック制御及びセンサ異常診断の各処理は、重複して同時に実施される処理ではなく、択一的に実施される処理である。故に、全域レンジRG1による空燃比検出と、ストイキ/リーンズームレンジRG2,RG3による空燃比検出とが同時に必要となる場合はなく、都度の状況に合わせて空燃比検出レンジがRG1,RG2,RG3のいずれかに切り換えられ、その検出レンジにより空燃比検出(A/F値の算出)が行われる。   The above-described stoichiometric feedback control, lean feedback control, rich feedback control, and sensor abnormality diagnosis are not the processes that are simultaneously performed in duplicate, but are alternatively performed. Therefore, the air-fuel ratio detection by the entire range RG1 and the air-fuel ratio detection by the stoichiometric / lean zoom ranges RG2, RG3 are not required at the same time, and the air-fuel ratio detection ranges of the RG1, RG2, RG3 are adjusted according to the situation. The air / fuel ratio is detected (A / F value is calculated) based on the detection range.

図1の説明に戻り、センサ制御回路30において、センサ素子10の負側端子(−端子)にはオペアンプ31及び電流検出抵抗32(電流計測用抵抗)を介して基準電圧電源33が接続され、同センサ素子10の正側端子(+端子)にはオペアンプ34を介して印加電圧制御回路35が接続されている。また、オペアンプ34の出力端子側にはスイッチ36が設けられている。このスイッチ36は、センサ素子10に流れる電流を遮断するために設けられる電流遮断手段であり、通常は閉状態で保持されており、マイコン20からの開指令信号に応じて開放されるようになっている。   Returning to the description of FIG. 1, in the sensor control circuit 30, the reference voltage power supply 33 is connected to the negative terminal (− terminal) of the sensor element 10 via the operational amplifier 31 and the current detection resistor 32 (current measurement resistor). An applied voltage control circuit 35 is connected to the positive terminal (+ terminal) of the sensor element 10 via an operational amplifier 34. A switch 36 is provided on the output terminal side of the operational amplifier 34. The switch 36 is a current interrupting means provided to interrupt the current flowing through the sensor element 10, and is normally held in a closed state, and is opened in response to an open command signal from the microcomputer 20. ing.

この場合、電流検出抵抗32の一端のA点は基準電圧Vfと同じ電圧に保持される。素子電流ILは電流検出抵抗32を介して流れ、素子電流ILに応じてB点の電圧が変化する。例えば排ガスがリーンの場合、センサ素子10の+端子から−端子に電流が流れるためB点電圧が低下し、リッチの場合、センサ素子10の−端子から+端子に電流が流れるためB点電圧が上昇する。印加電圧制御回路35では、B点電圧をモニタするとともにその電圧値に応じてセンサ素子10に印加すべき電圧を決定(例えば、図3の印加電圧直線LX1に基づき決定)し、オペアンプ34を介してC点電圧を制御する。ただし、ストイキ近傍のみでA/F検出を行う場合、印加電圧固定とすることも可能である。   In this case, the point A at one end of the current detection resistor 32 is held at the same voltage as the reference voltage Vf. The element current IL flows through the current detection resistor 32, and the voltage at the point B changes according to the element current IL. For example, when the exhaust gas is lean, the current flows from the positive terminal to the negative terminal of the sensor element 10, so that the point B voltage decreases. When the exhaust gas is rich, the current flows from the negative terminal to the positive terminal of the sensor element 10, so that the point B voltage is To rise. The applied voltage control circuit 35 monitors the point B voltage and determines the voltage to be applied to the sensor element 10 according to the voltage value (for example, determined based on the applied voltage straight line LX1 in FIG. 3). To control the voltage at point C. However, when the A / F detection is performed only in the vicinity of the stoichiometry, the applied voltage can be fixed.

また、電流検出抵抗32の両端のA点及びB点には反転増幅回路38が接続されており、その反転増幅回路38の出力であるA/F出力電圧がマイコン20のA/D入力端子に取り込まれる。マイコン20では、逐次取り込まれるA/F出力電圧のA/D値に基づきA/F値が算出される。反転増幅回路38は、オペアンプ39と、直列接続された3つの増幅用抵抗41,42,43と、例えばMOSトランジスタにより構成されるスイッチ素子44とを有する。なお、増幅用抵抗41,42,43の抵抗値をそれぞれR1,R2,R3とする。   Further, an inverting amplifier circuit 38 is connected to points A and B at both ends of the current detection resistor 32, and an A / F output voltage as an output of the inverting amplifier circuit 38 is applied to an A / D input terminal of the microcomputer 20. It is captured. In the microcomputer 20, the A / F value is calculated based on the A / D value of the A / F output voltage that is sequentially taken. The inverting amplifier circuit 38 includes an operational amplifier 39, three amplification resistors 41, 42, and 43 connected in series, and a switch element 44 formed of, for example, a MOS transistor. The resistance values of the amplifying resistors 41, 42, and 43 are R1, R2, and R3, respectively.

反転増幅回路38の構成として詳しくは、オペアンプ39の負側入力端子(反転入力端子)には、電流検出抵抗32により検出された素子電流信号が入力される。また、オペアンプ39の負側入力端子(反転入力端子)に接続される信号入力経路上にはスイッチ素子44が設けられ、そのスイッチ素子44の切換接点である接点a、接点bが、前記3つの増幅用抵抗41,42,43のうち中央の増幅用抵抗42の両端にそれぞれ接続されている。この場合通常、スイッチ素子44は、図示のとおりオペアンプ39の負側入力端子と接点aとを導通接続する状態となっている。そして、マイコン20からゲイン切換信号が出力されると、スイッチ素子44において、オペアンプ39の負側入力端子と接点bとを導通接続するよう切換操作が行われる。   Specifically, as the configuration of the inverting amplifier circuit 38, the element current signal detected by the current detection resistor 32 is input to the negative side input terminal (inverted input terminal) of the operational amplifier 39. Further, a switch element 44 is provided on a signal input path connected to the negative side input terminal (inverted input terminal) of the operational amplifier 39, and the contact point a and the contact point b which are switching contacts of the switch element 44 are the above three. Of the amplifying resistors 41, 42 and 43, they are connected to both ends of the central amplifying resistor 42. In this case, normally, the switch element 44 is in a state of electrically connecting the negative input terminal of the operational amplifier 39 and the contact a as shown in the figure. When a gain switching signal is output from the microcomputer 20, a switching operation is performed in the switch element 44 so that the negative input terminal of the operational amplifier 39 and the contact b are conductively connected.

ここで、オペアンプ39の負側入力端子とスイッチ素子44の接点aとが導通接続された状態(図示の状態)では、増幅用抵抗41が反転増幅回路38の入力抵抗、増幅用抵抗42及び43が同増幅回路38の帰還抵抗となる。したがって、かかる状態での反転増幅回路38の増幅率GAは、
GA=(R2+R3)/R1 …(式1)
となる。
Here, in a state where the negative side input terminal of the operational amplifier 39 and the contact point a of the switch element 44 are conductively connected (state shown in the figure), the amplification resistor 41 is the input resistance of the inverting amplification circuit 38, and the amplification resistors 42 and 43. Becomes the feedback resistance of the amplifier circuit 38. Therefore, the amplification factor GA of the inverting amplifier circuit 38 in this state is
GA = (R2 + R3) / R1 (Formula 1)
It becomes.

また、オペアンプ39の負側入力端子とスイッチ素子44の接点bとが導通接続された状態では、増幅用抵抗41及び42が反転増幅回路38の入力抵抗、増幅用抵抗43が同増幅回路38の帰還抵抗となる。したがって、かかる状態での反転増幅回路38の増幅率GBは、
GB=R3/(R1+R2) …(式2)
となる。
When the negative input terminal of the operational amplifier 39 and the contact point b of the switch element 44 are conductively connected, the amplifying resistors 41 and 42 are the input resistors of the inverting amplifier circuit 38 and the amplifying resistor 43 is the amplifier circuit 38. It becomes a feedback resistor. Therefore, the gain GB of the inverting amplifier circuit 38 in this state is
GB = R3 / (R1 + R2) (Formula 2)
It becomes.

上記の増幅率GA,GBを比べると、GA>GBである。つまり、スイッチ素子44の導通接点が接点aとなる場合には増幅率が相対的に高い状態にあり、スイッチ素子44の導通接点が接点bとなる場合には増幅率が相対的に低い状態にある。したがって、スイッチ素子44の導通接点が接点aから接点bに切り換えられることにより、反転増幅回路38の増幅率が高い増幅率から低い増幅率に変更されることとなる。本実施形態では、スイッチ素子44の導通接点を接点aとした時の増幅率GAを「×15」、接点bとした時の増幅率GBを「×5」としている。   When the amplification factors GA and GB are compared, GA> GB. That is, when the conduction contact of the switch element 44 is the contact a, the amplification factor is relatively high, and when the conduction contact of the switch element 44 is the contact b, the amplification factor is relatively low. is there. Therefore, when the conduction contact of the switch element 44 is switched from the contact point a to the contact point b, the amplification factor of the inverting amplification circuit 38 is changed from a high amplification factor to a low amplification factor. In the present embodiment, the gain GA when the conductive contact of the switch element 44 is the contact a is “× 15”, and the gain GB when the contact b is the contact b is “× 5”.

上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、相対的に狭い検出レンジであるストイキ/リーンズームレンジRG2,RG3で空燃比検出を行う場合には、その検出分解能を高めるべく増幅回路38の増幅率を大きくするとよく、スイッチ素子44の導通接点が接点aとされる。これに対し、相対的に広い検出レンジである全レンジRG1で空燃比検出を行う場合には、検出レンジ拡張を優先して増幅回路38の増幅率を小さくするとよく、スイッチ素子44の導通接点が接点bとされる。かかる場合、マイコン20は、エンジンECU25から都度の空燃比制御状況に関する情報を受信し、該受信した情報に基づいてスイッチ素子44に対してゲイン切換信号を出力する。これにより、空燃比検出レンジに対応させて増幅回路38における増幅率の切換が行われる。   In combination with the above-described air-fuel ratio detection range, when air-fuel ratio detection is performed in the stoichiometric / lean zoom ranges RG2 and RG3, which are relatively narrow detection ranges, the amplification factor of the amplifier circuit 38 is set to increase the detection resolution. The conduction point of the switch element 44 is a contact a. On the other hand, when air-fuel ratio detection is performed in the entire range RG1, which is a relatively wide detection range, the amplification factor of the amplifier circuit 38 may be reduced by giving priority to the detection range expansion, and the conduction contact of the switch element 44 is reduced. Contact point b. In such a case, the microcomputer 20 receives information on each air-fuel ratio control status from the engine ECU 25, and outputs a gain switching signal to the switch element 44 based on the received information. Thereby, the amplification factor is switched in the amplification circuit 38 in correspondence with the air-fuel ratio detection range.

また、増幅用抵抗41,42の中間点にはオフセット設定回路50が接続されている。オフセット設定回路50は、反転増幅回路38の出力であるA/F出力電圧にオフセットを付与するものであり、オフセット付与によって空燃比検出範囲が変更されるようになっている。反転増幅回路38とオフセット設定回路50によれば加算回路が構成される。よって、反転増幅回路38は、素子電流ILの大きさに相当する素子電流信号にオフセット信号を加算した電圧信号としてA/F出力電圧を出力する。   An offset setting circuit 50 is connected to the midpoint between the amplification resistors 41 and 42. The offset setting circuit 50 applies an offset to the A / F output voltage that is the output of the inverting amplifier circuit 38, and the air-fuel ratio detection range is changed by the offset application. The inverting amplifier circuit 38 and the offset setting circuit 50 constitute an adder circuit. Therefore, the inverting amplifier circuit 38 outputs the A / F output voltage as a voltage signal obtained by adding the offset signal to the element current signal corresponding to the magnitude of the element current IL.

オフセット設定回路50は、例えばMOSトランジスタにより構成されるスイッチ素子51と、そのスイッチ素子51に直列接続される抵抗52と、2つの分圧抵抗53,54を有してなる電源回路55とから構成されている。スイッチ素子51は、マイコン20から出力されるオフセット切換信号に基づいてオン/オフされる。   The offset setting circuit 50 includes a switch element 51 formed of, for example, a MOS transistor, a resistor 52 connected in series to the switch element 51, and a power supply circuit 55 having two voltage dividing resistors 53 and 54. Has been. The switch element 51 is turned on / off based on an offset switching signal output from the microcomputer 20.

この場合、オフセット切換信号がロウ信号であれば、スイッチ素子51がオフされる。したがって、実質的には反転増幅回路38とオフセット設定回路50との接続が遮断され、反転増幅回路38はオフセット設定回路50に無関係に作動する。つまり、A/F出力電圧についてオフセット設定は行われない。   In this case, if the offset switching signal is a low signal, the switch element 51 is turned off. Accordingly, the connection between the inverting amplifier circuit 38 and the offset setting circuit 50 is substantially cut off, and the inverting amplifier circuit 38 operates regardless of the offset setting circuit 50. That is, offset setting is not performed for the A / F output voltage.

これに対し、オフセット切換信号がハイ信号であれば、スイッチ素子51がオンされる。したがって、反転増幅回路38とオフセット設定回路50とが接続され、反転増幅回路38は、オフセット設定回路50によるオフセット設定を反映した状態で動作する。つまり、抵抗52や電源回路55により決定されるオフセット電流が反転増幅回路38に流れ込み、そのオフセット電流に相応してA/F出力電圧にオフセットが付与される。   On the other hand, if the offset switching signal is a high signal, the switch element 51 is turned on. Therefore, the inverting amplifier circuit 38 and the offset setting circuit 50 are connected, and the inverting amplifier circuit 38 operates in a state in which the offset setting by the offset setting circuit 50 is reflected. That is, an offset current determined by the resistor 52 and the power supply circuit 55 flows into the inverting amplifier circuit 38, and an offset is given to the A / F output voltage corresponding to the offset current.

上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジRG2で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子51がオフされ、図4や図5に示すように、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される(全域レンジRG1も同様)。また、リーンズームレンジRG3で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子51がオフされ、図4や図5に示すように、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。   In combination with the above-described air-fuel ratio detection range, when air-fuel ratio detection is performed in the stoichiometric zoom range RG2, the switch element 51 is turned off, and as shown in FIGS. 4 and 5, the air-fuel ratio detection centered on stoichiometry is performed. A range is realized (the same applies to the entire range RG1). Further, when air-fuel ratio detection is performed in the lean zoom range RG3, the switch element 51 is turned off, and an air-fuel ratio detection range in a predetermined lean region is realized as shown in FIGS.

次に、本空燃比検出装置における空燃比検出レンジの具体的な切換手順について説明する。図6は、レンジ切換処理を示すフローチャートであり、本処理は、マイコン20により所定の時間周期で繰り返し実行される。   Next, a specific procedure for switching the air-fuel ratio detection range in the air-fuel ratio detection apparatus will be described. FIG. 6 is a flowchart showing the range switching process. This process is repeatedly executed by the microcomputer 20 at a predetermined time period.

図6において、ステップS11では始動時処理を実行する。この始動時処理は、エンジン始動直後に1度だけ起動される処理であり、その詳細は後述する。   In FIG. 6, in step S11, a startup process is executed. This start-up process is a process that is started only immediately after the engine is started, and details thereof will be described later.

その後、ステップS12〜S14では、都度のエンジン制御状態を判定する。すなわち、ステップS12では、エンジンECU25から送信されてくるECU信号がリーン燃焼制御中を表す信号であるか否かを判定する。例えば、高速一定走行のような軽負荷走行時にはリーン燃焼制御が実施されており、かかる場合にはステップS12を肯定し、ステップS15に進む。   Thereafter, in steps S12 to S14, the engine control state is determined each time. That is, in step S12, it is determined whether or not the ECU signal transmitted from the engine ECU 25 is a signal indicating that lean combustion control is being performed. For example, lean combustion control is performed during light load traveling such as constant traveling at high speed. In such a case, step S12 is affirmed and the process proceeds to step S15.

また、ステップS13では、ECU信号がリッチ燃焼制御中を表す信号であるか否かを判定する。さらに、ステップS14では、ECU信号が燃料カット(F/C)中を表す信号であるか否かを判定する。そして、リッチ燃焼制御中か、もしくは燃料カット中であれば、ステップS13,S14のいずれかを肯定し、ステップS16に進む。ステップS12〜S14を全て否定した場合には、今現在ストイキ燃焼制御中であるとみなし、ステップS17に進む。   In step S13, it is determined whether or not the ECU signal is a signal indicating that rich combustion control is being performed. Further, in step S14, it is determined whether or not the ECU signal is a signal indicating that fuel cut (F / C) is in progress. If the rich combustion control is being performed or the fuel is being cut, either step S13 or S14 is affirmed and the process proceeds to step S16. When all of Steps S12 to S14 are denied, it is considered that the stoichiometric combustion control is currently being performed, and the process proceeds to Step S17.

ステップS15では、空燃比検出レンジをリーンズームレンジRG3とする。具体的には、反転増幅回路38のスイッチ素子44を接点a側に操作するとともに、オフセット設定回路50のスイッチ素子51をオンする(ただし、既にその操作状態であれば、同状態を保持する、以下、ステップS16,S17も同様)。これにより、増幅率が相対的に高く、かつオフセットが付与された状態での空燃比検出レンジ、すなわち、リーンズームレンジRG3が設定される。   In step S15, the air-fuel ratio detection range is set to the lean zoom range RG3. Specifically, the switch element 44 of the inverting amplification circuit 38 is operated to the contact a side and the switch element 51 of the offset setting circuit 50 is turned on (however, if the operation state is already maintained, the same state is maintained. The same applies to steps S16 and S17). As a result, the air-fuel ratio detection range in a state where the amplification factor is relatively high and the offset is applied, that is, the lean zoom range RG3 is set.

また、ステップS16では、空燃比検出レンジを全域レンジRG1とする。具体的には、反転増幅回路38のスイッチ素子44を接点b側に操作するとともに、オフセット設定回路50のスイッチ素子51をオフする。これにより、増幅率が相対的に低く、かつオフセットが付与されていない状態での空燃比検出レンジ、すなわち全域レンジRG1が設定される。   In step S16, the air-fuel ratio detection range is set to the entire range RG1. Specifically, the switch element 44 of the inverting amplifier circuit 38 is operated to the contact b side, and the switch element 51 of the offset setting circuit 50 is turned off. Thereby, the air-fuel ratio detection range in a state where the amplification factor is relatively low and no offset is given, that is, the entire range RG1 is set.

さらに、ステップS17では、空燃比検出レンジをストイキズームレンジRG2とする。具体的には、反転増幅回路38のスイッチ素子44を接点a側に操作するとともに、オフセット設定回路50のスイッチ素子51をオフする。これにより、増幅率が相対的に高く、かつオフセットが付与されていない状態での空燃比検出レンジ、すなわちストイキズームレンジRG2が設定される。   In step S17, the air-fuel ratio detection range is set to the stoichiometric zoom range RG2. Specifically, the switch element 44 of the inverting amplifier circuit 38 is operated to the contact a side, and the switch element 51 of the offset setting circuit 50 is turned off. As a result, the air-fuel ratio detection range in a state where the amplification factor is relatively high and no offset is applied, that is, the stoichiometric zoom range RG2 is set.

なお、上記の各レンジRG1〜RG3の切換条件は、上述した各条件(ステップS12〜S14)に限られず、他の条件が適用されてもよい。   Note that the switching conditions of the above ranges RG1 to RG3 are not limited to the above-described conditions (steps S12 to S14), and other conditions may be applied.

図7は、上記ステップS11で起動される始動時処理の詳細を示すフローチャートである。この始動時処理は、センサ制御回路30の特性誤差を判定するものであり、具体的には、センサ素子10に流れる電流(素子電流)を遮断した状態(図1のスイッチ36を開放した状態)で、各レンジRG1〜RG3への切換を行い、その時のA/F出力電圧に基づいて各レンジRG1〜RG3での特性誤差を判定する。このとき、A/F出力電圧が、素子電流IL=0mA相当の値になるかどうかによって、特性誤差を診断する。以下、処理手順の詳細を説明する。   FIG. 7 is a flowchart showing details of the start-up process started in step S11. This start-up process is for determining the characteristic error of the sensor control circuit 30. Specifically, the current (element current) flowing through the sensor element 10 is cut off (the switch 36 in FIG. 1 is opened). Thus, switching to each range RG1 to RG3 is performed, and the characteristic error in each range RG1 to RG3 is determined based on the A / F output voltage at that time. At this time, the characteristic error is diagnosed depending on whether or not the A / F output voltage becomes a value corresponding to the element current IL = 0 mA. Details of the processing procedure will be described below.

図7において、ステップS21では、ストイキズームレンジRG2への切換を行い、続くステップS22では、かかる状態でのA/F出力電圧を読み込む。また、ステップS23では、リーンズームレンジRG3への切換を行い、続くステップS24では、かかる状態でのA/F出力電圧を読み込む。さらに、ステップS25では、全域レンジRG1への切換を行い、続くステップS26では、かかる状態でのA/F出力電圧を読み込む。   In FIG. 7, in step S21, switching to the stoichiometric zoom range RG2 is performed, and in the subsequent step S22, the A / F output voltage in such a state is read. In step S23, switching to the lean zoom range RG3 is performed, and in the subsequent step S24, the A / F output voltage in this state is read. Further, in step S25, switching to the entire range RG1 is performed, and in the subsequent step S26, the A / F output voltage in such a state is read.

そして最後に、ステップS27では、上記ステップS22,S24,S26で読み込んだA/F出力電圧と異常判定値(素子電流IL=0mA相当の値)とを比較し、その結果から、センサ制御回路30の特性誤差を判定する。   Finally, in step S27, the A / F output voltage read in steps S22, S24, and S26 is compared with the abnormality determination value (value corresponding to element current IL = 0 mA), and from the result, the sensor control circuit 30 is compared. The characteristic error is determined.

なお、ストイキズームレンジRG2と全域レンジRG1とはいずれもオフセットが付与されないことから、それぞれの特性誤差に相関があり、一方の特性誤差から他方の特性誤差を求めることが可能である。それ故、ステップS21,S22の処理、又はステップS25,S26の処理のいずれかを省略することが可能である。例えば、ストイキズームレンジRG2での特性誤差に基づいて全域レンジRG1の特性誤差を求める場合、ストイキズームレンジRG2の特性誤差に対して、それら両レンジの増幅率の比を乗算することで、全域レンジRG1の特性誤差を求めればよい。上記のような異常診断処理を、始動時以外に実施することも可能である。例えば、エンジンの運転途中やエンジン停止時に実施することも可能である。   Since neither the stoichiometric zoom range RG2 nor the entire range RG1 is given an offset, there is a correlation between the respective characteristic errors, and the other characteristic error can be obtained from one characteristic error. Therefore, it is possible to omit either the processing of steps S21 and S22 or the processing of steps S25 and S26. For example, when the characteristic error of the entire range RG1 is obtained based on the characteristic error in the stoichiometric zoom range RG2, the characteristic error of the stoichiometric zoom range RG2 is multiplied by the ratio of the amplification factors of both ranges. What is necessary is just to obtain | require the characteristic error of RG1. It is also possible to carry out the abnormality diagnosis process as described above other than at the time of starting. For example, it can be carried out during engine operation or when the engine is stopped.

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。   According to the embodiment described in detail above, the following excellent effects can be obtained.

反転増幅回路38においてオペアンプ39の一方の信号入力端子に対するオフセット設定回路50の接続/未接続を切換可能とし、その接続/未接続の切換により、ストイキズームレンジRG2とリーンズームレンジRG3との切換を可能とした。この場合、オフセット設定がなされるリーンズームレンジRG3では、オフセット設定回路50からオペアンプ39側に流れ込む電流加算分があらかじめ分かっているため、その電流加算分を加味して正確に空燃比検出を行うことができる。   In the inverting amplifier 38, the connection / non-connection of the offset setting circuit 50 to one signal input terminal of the operational amplifier 39 can be switched, and switching between the stoichiometric zoom range RG2 and the lean zoom range RG3 can be performed by switching the connection / non-connection. It was possible. In this case, in the lean zoom range RG3 in which the offset is set, the amount of current that flows from the offset setting circuit 50 to the operational amplifier 39 is known in advance, and therefore the air-fuel ratio is accurately detected by taking the amount of current added into account. Can do.

素子電流増幅用の増幅回路として反転増幅回路38を用いた上記構成によれば、差動増幅回路を用いた場合(前述した図14参照)とは異なり、意に反して信号増幅率や空燃比検出範囲が変動するといった問題が回避できる。また、差動増幅回路を用いた図14の構成では、バッファ102,103を介してオペアンプ111の両入力端子に信号が入力されるが、本実施形態の構成ではバッファが不要となり、そのことから構成の簡素化も可能となる。   According to the above configuration using the inverting amplifier circuit 38 as the amplifier circuit for element current amplification, unlike the case of using the differential amplifier circuit (see FIG. 14 described above), the signal amplification factor and the air-fuel ratio are unexpectedly different. The problem that the detection range fluctuates can be avoided. Further, in the configuration of FIG. 14 using the differential amplifier circuit, signals are input to both input terminals of the operational amplifier 111 via the buffers 102 and 103. However, in the configuration of the present embodiment, no buffer is required. The configuration can also be simplified.

また本実施形態では、電流検出抵抗32を流れる素子電流ILを、オペアンプ31と電流検出抵抗32との間の中間点(図1のB点)にて計測する構成としたため、オペアンプ39の出力端子から増幅用抵抗41〜43を通じて帰還される帰還電流が電流検出抵抗32に流れ込むのを抑制できる(つまりこの場合、帰還電流は図1のB点からオペアンプ31側に流れることとなる)。かかる場合、仮に帰還電流が電流検出抵抗32に流れ込むのであれば、それに起因する素子電流の検出精度低下を抑制するべくオペアンプ39の信号入力経路にバッファ等を設置する必要があるが、本実施形態の構成ではこうしたバッファ等の設置が不要となる。   In the present embodiment, the element current IL flowing through the current detection resistor 32 is measured at an intermediate point (point B in FIG. 1) between the operational amplifier 31 and the current detection resistor 32. Thus, the feedback current fed back through the amplification resistors 41 to 43 can be prevented from flowing into the current detection resistor 32 (that is, in this case, the feedback current flows from the point B in FIG. 1 to the operational amplifier 31 side). In this case, if a feedback current flows into the current detection resistor 32, it is necessary to install a buffer or the like in the signal input path of the operational amplifier 39 in order to suppress a decrease in detection accuracy of the element current due to the feedback current. In this configuration, it is not necessary to install such a buffer.

また、反転増幅回路38において複数の増幅用抵抗41〜43のうちいずれが入力抵抗、帰還抵抗となるかをスイッチ素子44により切り換え、その切換に伴い反転増幅回路38の増幅率を可変設定した。これにより、空燃比の検出分解能を適宜調整することが可能となる。したがって、所望とする空燃比検出レンジにおいてその検出精度を高めることができる。   In the inverting amplifier circuit 38, which of the plurality of amplification resistors 41 to 43 becomes an input resistor or a feedback resistor is switched by the switch element 44, and the amplification factor of the inverting amplifier circuit 38 is variably set in accordance with the switching. This makes it possible to adjust the air-fuel ratio detection resolution appropriately. Therefore, the detection accuracy can be increased in the desired air-fuel ratio detection range.

反転増幅回路38の増幅率の可変設定は、スイッチ素子44の切換に伴う入力抵抗、帰還抵抗の振り分けで行われるため、複数の増幅回路(オペアンプ)を用いることで複数の異なる増幅率を実現していた従前の構成とは異なり、構成の簡素化が可能となる。そして、回路構成の簡素化に伴い、回路の小型化、低コスト化、端子数の削減が可能となる。   The variable setting of the amplification factor of the inverting amplifier circuit 38 is performed by allocating the input resistance and feedback resistor associated with the switching of the switch element 44. Therefore, a plurality of different amplification factors can be realized by using a plurality of amplifier circuits (op amps). Unlike the previous configuration, the configuration can be simplified. With the simplification of the circuit configuration, it is possible to reduce the size and cost of the circuit and reduce the number of terminals.

以上により、本実施形態によれば、回路構成の簡易化を図りつつ、しかも所望とする空燃比検出レンジにおいてその検出精度を高めることが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to improve the detection accuracy in the desired air-fuel ratio detection range while simplifying the circuit configuration.

オペアンプ39の信号入力経路(負側入力端子に接続された入力ライン)上にスイッチ素子44を設けることで、反転増幅回路38におけるA/F出力電圧の増幅を精度良く実施することができる。つまり、オペアンプ39の信号入力経路は一般にハイインピーダンスであるため、スイッチ素子44が抵抗成分を有していてもその抵抗成分が無視できる。したがって、反転増幅回路38における信号増幅の精度が高められる。   By providing the switch element 44 on the signal input path (input line connected to the negative side input terminal) of the operational amplifier 39, the A / F output voltage in the inverting amplifier circuit 38 can be amplified with high accuracy. That is, since the signal input path of the operational amplifier 39 is generally high impedance, even if the switch element 44 has a resistance component, the resistance component can be ignored. Therefore, the accuracy of signal amplification in the inverting amplifier circuit 38 is improved.

ストイキズームレンジRG2での空燃比検出結果に基づいて高精度なストイキ燃焼制御(ストイキフィードバック制御)が実現できるとともに、リーンズームレンジRG3での空燃比検出結果に基づいて高精度なリーン燃焼制御(リーンフィードバック制御)が実現できる。また、全域レンジRG1での空燃比検出結果に基づいて、燃料カット時の大気検出によるA/Fセンサの劣化診断や、高負荷増量時のリッチフィードバック制御等が好適に実施できる。超リーン域で燃焼制御が行われる直噴リーン燃料制御にも好適に対応できる。   High-accuracy stoichiometric combustion control (stoichiometric feedback control) can be realized based on the air-fuel ratio detection result in the stoichiometric zoom range RG2, and high-accuracy lean combustion control (lean) based on the air-fuel ratio detection result in the lean zoom range RG3. Feedback control) can be realized. Further, based on the air-fuel ratio detection result in the entire range RG1, the deterioration diagnosis of the A / F sensor by the atmospheric detection at the time of fuel cut, the rich feedback control at the time of increasing the high load, and the like can be suitably performed. It is also possible to suitably cope with direct injection lean fuel control in which combustion control is performed in an ultra lean region.

各空燃比検出レンジをいずれもストイキ点を含む検出レンジとして設定したため、回路上の特性誤差を診断する場合に、簡易かつ好適にその診断を実施することができる。   Since each air-fuel ratio detection range is set as a detection range including a stoichiometric point, when diagnosing a characteristic error on the circuit, the diagnosis can be performed easily and suitably.

なお、上記図1の構成では、電流検出抵抗32や反転増幅回路38をセンサ素子10の+端子側に接続する構成例について説明したが、同電流検出抵抗32や反転増幅回路38をセンサ素子10の−端子側に接続する構成であってもよい。   In the configuration of FIG. 1, the configuration example in which the current detection resistor 32 and the inverting amplifier circuit 38 are connected to the positive terminal side of the sensor element 10 has been described. However, the current detection resistor 32 and the inverting amplifier circuit 38 are connected to the sensor element 10. It may be configured to be connected to the negative terminal side.

(第2の実施形態)
第2の実施形態では、空燃比検出レンジとして、所定のリッチ制御領域であるリッチズームレンジRG4を規定する。リッチズームレンジRG4は、例えばA/F=10〜15の範囲で設定される。かかる場合、図8に示すように、上述した3つのレンジ(全域レンジRG1、ストイキズームレンジRG2及びリーンズームレンジRG3)に加えて、リッチズームレンジRG4が規定されるとよい。これら各レンジは、前記同様、空燃比に関する各処理のいずれが行われるかに応じて適宜切り換えられる。図9には、4つの空燃比検出レンジRG1〜RG4を切り換える場合の回路構成を示す。図9では、前記図1に比べて、オフセット設定回路60の構成が相違しており、以下その相違点を説明する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a rich zoom range RG4 that is a predetermined rich control region is defined as the air-fuel ratio detection range. The rich zoom range RG4 is set, for example, within a range of A / F = 10-15. In this case, as shown in FIG. 8, in addition to the above-described three ranges (entire range RG1, stoichiometric zoom range RG2, and lean zoom range RG3), a rich zoom range RG4 may be defined. These ranges are appropriately switched according to which of the processes related to the air-fuel ratio is performed, as described above. FIG. 9 shows a circuit configuration when the four air-fuel ratio detection ranges RG1 to RG4 are switched. In FIG. 9, the configuration of the offset setting circuit 60 is different from that in FIG. 1, and the difference will be described below.

オフセット設定回路60は、前述したオフセット設定回路50(図1参照)と同様、増幅用抵抗41,42の中間点に接続されている。オフセット設定回路60は、例えばMOSトランジスタにより構成されるスイッチ素子61を有している。そのスイッチ素子61は3つの切換接点a,b,cを有しており、そのうち接点a,cにはそれぞれ抵抗62,63が直列接続されている。また、これら各抵抗62,63は、3つの分圧抵抗64,65,66を有してなる電源回路67に接続されており、具体的には、抵抗62が分圧抵抗64,65の中間点に接続され、抵抗63が分圧抵抗65,66の中間点に接続されている。スイッチ素子61は、マイコン20から出力されるオフセット切換信号に基づいてオン/オフされる。   The offset setting circuit 60 is connected to an intermediate point between the amplifying resistors 41 and 42 as in the above-described offset setting circuit 50 (see FIG. 1). The offset setting circuit 60 includes a switch element 61 configured by, for example, a MOS transistor. The switch element 61 has three switching contacts a, b, and c, and resistors 62 and 63 are connected in series to the contacts a and c, respectively. Each of the resistors 62 and 63 is connected to a power supply circuit 67 having three voltage dividing resistors 64, 65 and 66. Specifically, the resistor 62 is intermediate between the voltage dividing resistors 64 and 65. The resistor 63 is connected to the intermediate point between the voltage dividing resistors 65 and 66. The switch element 61 is turned on / off based on an offset switching signal output from the microcomputer 20.

この場合、オフセット切換信号は、スイッチ素子61の導通接点をa,b,cのいずれかに操作するための制御信号である。オフセット切換信号が、スイッチ素子61の導通接点を接点bに操作する信号である場合、実質的には反転増幅回路38とオフセット設定回路60との接続が遮断され、反転増幅回路38はオフセット設定回路60に無関係に作動する。つまり、A/F出力電圧についてオフセット設定は行われない。   In this case, the offset switching signal is a control signal for operating the conduction contact of the switch element 61 to any one of a, b, and c. When the offset switching signal is a signal for operating the conduction contact of the switch element 61 to the contact b, the connection between the inverting amplifier circuit 38 and the offset setting circuit 60 is substantially cut off, and the inverting amplifier circuit 38 is connected to the offset setting circuit. Operates independently of 60. That is, offset setting is not performed for the A / F output voltage.

これに対し、オフセット切換信号が、スイッチ素子61の導通接点を接点a又は接点cに操作する信号である場合、A/F出力電圧について電源回路67によるオフセット設定が行われる。このとき、接点a又は接点cへの切換により、2つのオフセット値のうちいずれかが選択的に設定される。   On the other hand, when the offset switching signal is a signal for operating the conduction contact of the switch element 61 to the contact a or the contact c, the offset setting is performed by the power supply circuit 67 for the A / F output voltage. At this time, one of the two offset values is selectively set by switching to the contact point a or the contact point c.

ここで、スイッチ素子61の導通接点が接点aに操作された場合には、電源回路67により設定される電圧V1がスイッチ素子61等を介して反転増幅回路38に印加され、同導通接点が接点bに操作された場合には、電源回路67により設定される電圧V2がスイッチ素子61等を介して反転増幅回路38に印加される。電圧V1,V2はV1>V2の関係にある。また、電圧V1,V2は、反転増幅回路38に対して各々正負逆側のオフセットを付与するものとなっている。つまり、電圧V1は、その電圧印加によってオフセット設定回路60から反転増幅回路38側にオフセット相当分の電流(オペアンプ39側に向けて正電流)を流入させることができる電圧値となっているのに対し、電圧V2は、その電圧印加によって反転増幅回路38側からオフセット設定回路60にオフセット相当分の電流(オペアンプ39側に向けて負電流)を流入させることができる電圧値となっている。具体的には、ストイキ検出時に、電流検出抵抗32の両端が共に2.2V〔ボルト〕になると想定した場合、例えばV1≒4V〔ボルト〕、V2≒1V〔ボルト〕程度である。   Here, when the conduction contact of the switch element 61 is operated to the contact a, the voltage V1 set by the power supply circuit 67 is applied to the inverting amplifier circuit 38 via the switch element 61 and the like, and the conduction contact is the contact. When operated to b, the voltage V2 set by the power supply circuit 67 is applied to the inverting amplifier circuit 38 via the switch element 61 and the like. The voltages V1 and V2 have a relationship of V1> V2. Further, the voltages V1 and V2 respectively apply positive and negative offsets to the inverting amplifier circuit 38. That is, the voltage V1 has a voltage value that can cause a current corresponding to the offset (positive current toward the operational amplifier 39) to flow from the offset setting circuit 60 to the inverting amplification circuit 38 by applying the voltage. On the other hand, the voltage V2 has a voltage value that allows a current corresponding to the offset (a negative current toward the operational amplifier 39) to flow into the offset setting circuit 60 from the inverting amplifier circuit 38 side by applying the voltage. Specifically, when it is assumed that both ends of the current detection resistor 32 become 2.2 V [volt] at the time of detecting stoichiometry, for example, V1≈4 V [volt] and V2≈1 V [volt].

上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジRG2で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子61が接点bに操作され、図8に示すように、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される。また、リーンズームレンジRG3で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子61接点aに操作され、図8に示すように、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。さらに、リッチズームレンジRG4で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子61接点cに操作され、図8に示すように、所定のリッチ領域での空燃比検出レンジが実現される。   In combination with the above-described air-fuel ratio detection range, when air-fuel ratio detection is performed in the stoichiometric zoom range RG2, the switch element 61 is operated to the contact b, and as shown in FIG. Range is realized. Further, when air-fuel ratio detection is performed in the lean zoom range RG3, the switch element 61 is operated by the contact a, and an air-fuel ratio detection range in a predetermined lean region is realized as shown in FIG. Further, when air-fuel ratio detection is performed in the rich zoom range RG4, the switch element 61 contact c is operated, and an air-fuel ratio detection range in a predetermined rich region is realized as shown in FIG.

以上詳述した第2の実施形態によれば、リッチズームレンジRG4においても空燃比検出精度が向上する。したがって、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御に加えて、リッチ燃焼制御を好適に実施することが可能となる。例えば、高負荷増量時のリッチ燃焼制御や、排気浄化装置(リーンNOx触媒)等の機能再生のためのリッチ燃焼制御に際し、その制御精度の向上を図ることができる。   According to the second embodiment described in detail above, the air-fuel ratio detection accuracy is improved even in the rich zoom range RG4. Therefore, in addition to stoichiometric combustion control and lean combustion control, rich combustion control can be suitably performed. For example, it is possible to improve the control accuracy when performing rich combustion control at the time of high load increase or rich combustion control for function regeneration of an exhaust purification device (lean NOx catalyst) or the like.

(別の実施形態)
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されても良い。
(Another embodiment)
The present invention is not limited to the description of the above embodiment, and may be implemented as follows, for example.

反転増幅回路38を構成するオペアンプ39として、図10の構成を採用することも可能である。この場合、図10(a)の等価回路に示すように、入力トランジスタQ1のコレクタにはトランジスタQ2のベースが接続され、同トランジスタQ2のエミッタには出力トランジスタQ3のベースが接続されている。また、同じく入力トランジスタQ1のコレクタには、出力トランジスタQ4のベースが接続されている。出力トランジスタQ3,Q4の間には抵抗81が設けられ、その一端側(トランジスタQ3側)にはトランジスタQ5のベースが接続され、他端側(トランジスタQ4側)には出力端子が接続されている。さらに、電源ラインと入力トランジスタQ1のコレクタとの間には定電流回路82が接続され、トランジスタQ5のエミッタと接地ラインとの間には定電流回路83が接続されている。上記構成によれば、出力端子に定電流回路83を接続したことにより、出力端子から定電流回路83への電流の流入(電流シンク)が生じ、それに伴い電源電圧範囲の下限値付近での電圧出力が可能となる。つまり、出力電圧の範囲が下限側で拡張できる。   As the operational amplifier 39 constituting the inverting amplifier circuit 38, the configuration of FIG. In this case, as shown in the equivalent circuit of FIG. 10A, the base of the transistor Q2 is connected to the collector of the input transistor Q1, and the base of the output transistor Q3 is connected to the emitter of the transistor Q2. Similarly, the base of the output transistor Q4 is connected to the collector of the input transistor Q1. A resistor 81 is provided between the output transistors Q3 and Q4. A base of the transistor Q5 is connected to one end side (transistor Q3 side), and an output terminal is connected to the other end side (transistor Q4 side). . Further, a constant current circuit 82 is connected between the power supply line and the collector of the input transistor Q1, and a constant current circuit 83 is connected between the emitter of the transistor Q5 and the ground line. According to the above configuration, by connecting the constant current circuit 83 to the output terminal, an inflow of current (current sink) from the output terminal to the constant current circuit 83 occurs, and accordingly, a voltage near the lower limit value of the power supply voltage range. Output is possible. That is, the range of the output voltage can be expanded on the lower limit side.

また、図10(b)に示すように、オペアンプ39の出力端子にプルダウン抵抗85を接続してもよい。この場合、出力端子からプルダウン抵抗85への電流の流入が生じ、前記同様、電源電圧範囲の下限値付近での電圧出力が可能となる。つまり、出力電圧の範囲が下限側で拡張できる。   10B, a pull-down resistor 85 may be connected to the output terminal of the operational amplifier 39. In this case, an inflow of current from the output terminal to the pull-down resistor 85 occurs, and voltage output in the vicinity of the lower limit value of the power supply voltage range becomes possible as described above. That is, the range of the output voltage can be expanded on the lower limit side.

上記図10(a),(b)の構成によれば、出力電圧範囲の拡張を、安価でかつチップ面積の小さいオペアンプにて実現できる。これにより、センサ制御回路としての小型化を図ることができる。ちなみに、素子電流増幅用のオペアンプとして、電源電圧付近の入出力振幅が得られるレイルツーレイル構成のオペアンプを用いることが提案されているが(例えば特開2006−275628号公報)、かかる構成では高価で、かつチップ面積が大きくなるという不都合が生じると考えられる。   10A and 10B, the output voltage range can be extended with an operational amplifier that is inexpensive and has a small chip area. Thereby, size reduction as a sensor control circuit can be achieved. Incidentally, as a device current amplification operational amplifier, it has been proposed to use a rail-to-rail operational amplifier capable of obtaining an input / output amplitude in the vicinity of the power supply voltage (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-275628). In addition, it is considered that there is a disadvantage that the chip area becomes large.

上記実施形態では、素子電流増幅用の増幅回路として反転型の増幅回路を用いたが、これを変更し、非反転型の増幅回路を用いることも可能である。   In the above embodiment, the inverting amplifier circuit is used as the amplifier circuit for amplifying the element current. However, it is possible to change this and use a non-inverting amplifier circuit.

上記実施形態では、リーンズームレンジRG3を、ストイキ点を含む空燃比検出レンジとして規定したが、これを変更し、ストイキ点を含まない空燃比検出レンジとして規定することも可能である。例えば、リーンズームレンジRG3をA/F=20〜35の範囲で規定する。リッチズームレンジRG4についても、同様にストイキ点を含まない空燃比検出レンジとして規定することが可能である。   In the above embodiment, the lean zoom range RG3 is defined as an air-fuel ratio detection range including a stoichiometric point. However, it is possible to change this and define it as an air-fuel ratio detection range that does not include a stoichiometric point. For example, the lean zoom range RG3 is defined in the range of A / F = 20 to 35. Similarly, the rich zoom range RG4 can be defined as an air-fuel ratio detection range that does not include a stoichiometric point.

上記実施の形態では、センサ素子(A/Fセンサ)として図2の素子構造を有するものを説明したが、他の素子構造を有するセンサ素子に本発明を適用することも可能である。例えば、1セルタイプのセンサ素子に代えて、ポンプセル及び起電力セルを有する2セルタイプのセンサ素子を用いる。換言すれば、1層の固体電解質を有する構成に代えて、2層の固体電解質を有する構成や、3層の固体電解質を有する構成とする。また、積層型構造のセンサ素子に代えて、コップ型構造のセンサ素子に本発明を適用したりすることも可能である。   In the above embodiment, the sensor element (A / F sensor) having the element structure shown in FIG. 2 has been described. However, the present invention can be applied to a sensor element having another element structure. For example, instead of the one-cell type sensor element, a two-cell type sensor element having a pump cell and an electromotive force cell is used. In other words, instead of a configuration having one layer of solid electrolyte, a configuration having two layers of solid electrolyte or a configuration having three layers of solid electrolyte is adopted. Further, the present invention can be applied to a sensor element having a cup-type structure instead of a sensor element having a laminated structure.

以下、2セル構造のセンサ素子について2つの構成例を図11(a),(b)により説明する。   Hereinafter, two configuration examples of the sensor element having a two-cell structure will be described with reference to FIGS.

図11(a)に示すセンサ素子130では、2層の固体電解質層131,132を有しており、一方の固体電解質層131には一対の電極133,134が対向配置され、他方の固体電解質層132には一対の電極135,136が対向配置されている。なお、電極133〜135は図の左右対象に2カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子130では、固体電解質層131及び電極133,134によりポンプセル141が構成され、固体電解質層132及び電極135,136により酸素検知セル142が構成されている。センサ素子130が積層構造を有することは、前述のセンサ素子10と同じである。図11(a)において、符号137はガス導入孔、符号138は多孔質拡散層、符号139は大気ダクト、符号140はヒータである。   The sensor element 130 shown in FIG. 11A has two solid electrolyte layers 131 and 132, and a pair of electrodes 133 and 134 are arranged opposite to each other, and the other solid electrolyte layer 131 is disposed. A pair of electrodes 135 and 136 are disposed opposite to the layer 132. The electrodes 133 to 135 appear to be two places on the left and right sides of the figure, but they are the same member connected at any part of the front and back of the page. In the present sensor element 130, the pump cell 141 is configured by the solid electrolyte layer 131 and the electrodes 133 and 134, and the oxygen detection cell 142 is configured by the solid electrolyte layer 132 and the electrodes 135 and 136. The sensor element 130 has a laminated structure as in the sensor element 10 described above. In FIG. 11A, reference numeral 137 denotes a gas introduction hole, reference numeral 138 denotes a porous diffusion layer, reference numeral 139 denotes an air duct, and reference numeral 140 denotes a heater.

酸素検知セル142の電極136の電位は比較器145の負側入力端子に入力され、同比較器145の正側入力端子には比較電圧Vrefが入力される。ポンプセル141の電極133と比較器145の出力との間には電流検出抵抗146が接続されており、その電流検出抵抗146の両端子のA点及びB点がセンサ出力として取り出されるようになっている。   The potential of the electrode 136 of the oxygen detection cell 142 is input to the negative input terminal of the comparator 145, and the comparison voltage Vref is input to the positive input terminal of the comparator 145. A current detection resistor 146 is connected between the electrode 133 of the pump cell 141 and the output of the comparator 145, and points A and B of both terminals of the current detection resistor 146 are extracted as sensor outputs. Yes.

上記構造のセンサ素子130において、酸素検知セル142は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて2値(0V又は0.9V)の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル142の起電力出力が小さくなり、比較器145の出力(図のB点電圧)が上昇する。故に、電流検出抵抗146にはB→Aの向きに電流が流れる。また逆に、リッチである場合、酸素検知セル142の起電力出力が大きくなり、比較器145の出力(図のB点電圧)が低下する。故に、電流検出抵抗146にはA→Bの向きに電流が流れる。なお、酸素検知セル142は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。   In the sensor element 130 having the above structure, the oxygen detection cell 142 generates a binary (0 V or 0.9 V) electromotive force output depending on whether the exhaust gas is lean or rich with respect to the stoichiometric. For example, in the case of lean, the electromotive force output of the oxygen detection cell 142 decreases, and the output of the comparator 145 (point B voltage in the figure) increases. Therefore, a current flows through the current detection resistor 146 in the direction of B → A. On the contrary, when it is rich, the electromotive force output of the oxygen detection cell 142 increases, and the output of the comparator 145 (point B voltage in the figure) decreases. Therefore, a current flows through the current detection resistor 146 in the direction of A → B. The oxygen detection cell 142 is also generally called an electromotive force cell or an oxygen concentration detection cell.

また、図11(b)に示すセンサ素子150では、3層の固体電解質層151,152,153を有し、固体電解質層151には一対の電極154,155が対向配置され、固体電解質層152には一対の電極156,157が対向配置されている。本センサ素子150では、固体電解質層151及び電極154,155によりポンプセル161が構成され、固体電解質層152及び電極156,157により酸素検知セル162が構成されている。また、固体電解質層153は、酸素基準室158を確保するための壁材を構成している。センサ素子150が積層構造を有することは、前述のセンサ素子10等と同じである。図11(b)において、符号159は多孔質拡散層、符号160はガス検出室である。なお、酸素検知セル162は、図11(a)の酸素検知セル72と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。   Further, the sensor element 150 shown in FIG. 11B has three solid electrolyte layers 151, 152, and 153, and a pair of electrodes 154 and 155 are disposed opposite to the solid electrolyte layer 151. A pair of electrodes 156 and 157 are arranged opposite to each other. In the present sensor element 150, a pump cell 161 is configured by the solid electrolyte layer 151 and the electrodes 154 and 155, and an oxygen detection cell 162 is configured by the solid electrolyte layer 152 and the electrodes 156 and 157. Further, the solid electrolyte layer 153 constitutes a wall material for securing the oxygen reference chamber 158. The sensor element 150 has a laminated structure, which is the same as the sensor element 10 described above. In FIG. 11B, reference numeral 159 denotes a porous diffusion layer, and reference numeral 160 denotes a gas detection chamber. Note that the oxygen detection cell 162 is also generally referred to as an electromotive force cell or an oxygen concentration detection cell, like the oxygen detection cell 72 of FIG.

酸素検知セル162の電極157の電位は比較器165の負側入力端子に入力され、同比較器165の正側入力端子には比較電圧Vrefが入力される。ポンプセル161の電極154と比較器165の出力との間には電流検出抵抗166が接続されており、その電流検出抵抗166の両端子のA点及びB点がセンサ出力として取り出されるようになっている。この場合、リーン時にはB→Aの向きに電流検出抵抗166に電流が流れ、逆にリッチ時にはA→Bの向きに電流検出抵抗166に電流が流れる。   The potential of the electrode 157 of the oxygen detection cell 162 is input to the negative input terminal of the comparator 165, and the comparison voltage Vref is input to the positive input terminal of the comparator 165. A current detection resistor 166 is connected between the electrode 154 of the pump cell 161 and the output of the comparator 165, and points A and B of both terminals of the current detection resistor 166 are extracted as sensor outputs. Yes. In this case, a current flows through the current detection resistor 166 in the direction of B → A when lean, and conversely, a current flows through the current detection resistor 166 in the direction of A → B when rich.

上記2セル構造のセンサ素子を有するガス濃度センサについて、そのセンサ制御回路の構成を図12に基づいて説明する。なお図12には、図11(a)のセンサ素子130に関するセンサ制御回路170の構成を示す。   The configuration of the sensor control circuit of the gas concentration sensor having the two-cell sensor element will be described with reference to FIG. FIG. 12 shows the configuration of the sensor control circuit 170 related to the sensor element 130 of FIG.

図12のセンサ制御回路170において、ポンプセル141及び酸素検知セル142の共通端子には基準電圧電源171が接続されている。また、これら各セル141,142と、オペアンプ172と、電流検出抵抗173とからなる閉回路が構成されており、オペアンプ172の非反転入力端子(正側入力端子)には、比較電圧Vref(0.45V)を生成する比較電圧生成回路174が接続されている。リーン時にはB→Aの向きに電流検出抵抗173に電流が流れ、逆にリッチ時にはA→Bの向きに電流検出抵抗173に電流が流れる(なお、オペアンプ172が図11(a)のオペアンプ145に相当し、電流検出抵抗173が同電流検出抵抗146に相当する)。かかる場合、酸素検知セル142の出力電圧が所定値になるようポンプセル141がフィードバック制御される(ただし、フィードバック制御回路については既に種々公開されておりここでは図示及び詳細な説明を省略する)。   In the sensor control circuit 170 of FIG. 12, a reference voltage power source 171 is connected to a common terminal of the pump cell 141 and the oxygen detection cell 142. In addition, a closed circuit including these cells 141 and 142, an operational amplifier 172, and a current detection resistor 173 is configured, and a comparison voltage Vref (0) is connected to a non-inverting input terminal (positive input terminal) of the operational amplifier 172. .45V) is connected to a comparison voltage generation circuit 174. When lean, a current flows through the current detection resistor 173 in the direction of B → A, and conversely, when rich, a current flows through the current detection resistor 173 in the direction of A → B (the operational amplifier 172 is connected to the operational amplifier 145 in FIG. 11A). The current detection resistor 173 corresponds to the current detection resistor 146). In such a case, the pump cell 141 is feedback-controlled so that the output voltage of the oxygen detection cell 142 becomes a predetermined value (however, various feedback control circuits have already been disclosed, and illustration and detailed description thereof are omitted here).

また、電流検出抵抗173の両端のA点、B点には差動増幅回路180が接続されている。差動増幅回路180は、電流検出抵抗173の両端の各端子電圧を入力してその電圧差を増幅するものであり、その差動増幅回路180の出力であるA/F出力電圧がマイコン(図示略)に対して出力される。差動増幅回路180はオペアンプ181を有し、その正側入力端子(非反転入力端子)に接続される信号入力経路上にスイッチ素子182が設けられるとともに、そのスイッチ素子182の切換接点である接点a、接点bが、直列接続された3つの増幅用抵抗183,184,185のうち中央の増幅用抵抗184の両端にそれぞれ接続されている。この場合通常、スイッチ素子182は、図示のとおりオペアンプ181の正側入力端子と接点aとを導通接続する状態となっている。   A differential amplifier circuit 180 is connected to points A and B at both ends of the current detection resistor 173. The differential amplifier circuit 180 inputs each terminal voltage at both ends of the current detection resistor 173 and amplifies the voltage difference. The A / F output voltage that is the output of the differential amplifier circuit 180 is a microcomputer (illustrated). Is omitted. The differential amplifier circuit 180 includes an operational amplifier 181, a switch element 182 is provided on a signal input path connected to the positive input terminal (non-inverting input terminal), and a contact that is a switching contact of the switch element 182. a and a contact b are respectively connected to both ends of the central amplifying resistor 184 among the three amplifying resistors 183, 184 and 185 connected in series. In this case, normally, the switch element 182 is in a state of electrically connecting the positive input terminal of the operational amplifier 181 and the contact a as shown in the figure.

また、オペアンプ181の負側入力端子(反転入力端子)に接続される信号入力経路上にはスイッチ素子186が設けられるとともに、そのスイッチ素子186の切換接点である接点c、接点dが、直列接続された3つの増幅用抵抗187,188,189のうち中央の増幅用抵抗188の両端にそれぞれ接続されている。この場合通常、スイッチ素子186は、図示のとおりオペアンプ181の負側入力端子と接点cとを導通接続する状態となっている。   In addition, a switch element 186 is provided on a signal input path connected to the negative side input terminal (inverted input terminal) of the operational amplifier 181, and contacts c and d, which are switching contacts of the switch element 186, are connected in series. Of the three amplification resistors 187, 188, and 189 thus formed, they are respectively connected to both ends of the central amplification resistor 188. In this case, normally, the switch element 186 is in a state of electrically connecting the negative input terminal of the operational amplifier 181 and the contact c as shown in the figure.

そして、図示しないマイコンからゲイン切換信号が出力されると、各スイッチ素子182,186において同時に切換操作が行われる。この場合、スイッチ素子182,186の切換操作に伴い差動増幅回路180の増幅率が変更される。いずれの場合に(すなわち、どの空燃比検出レンジで)増幅率を高くするか低くするかは前述の説明に従うこととし、ここではその説明を省略する。   When a gain switching signal is output from a microcomputer (not shown), switching operations are simultaneously performed in the switch elements 182 and 186. In this case, the amplification factor of the differential amplifier circuit 180 is changed in accordance with the switching operation of the switch elements 182 and 186. In which case (that is, in which air-fuel ratio detection range) the gain is increased or decreased is determined according to the above description, and the description is omitted here.

なお、差動増幅回路180では、スイッチ素子182,186の切換の前後において「正側の入力抵抗の値=負側の入力抵抗の値」かつ「帰還抵抗の値=入力抵抗の値」の状態が保持される。   Note that in the differential amplifier circuit 180, “positive input resistance value = negative input resistance value” and “feedback resistance value = input resistance value” before and after switching of the switch elements 182 and 186. Is retained.

また、差動増幅回路180の帰還経路側において、増幅用抵抗187,188の中間点にはオフセット設定回路190が接続されている。オフセット設定回路190は、差動増幅回路180の出力であるA/F出力電圧にオフセットを付与するものであり、オフセット付与によって空燃比検出範囲が変更されるようになっている。差動増幅回路180とオフセット設定回路190によれば加算回路が構成される。よって、差動増幅回路180は、素子電流ILの大きさに相当する素子電流信号にオフセット信号を加算した電圧信号としてA/F出力電圧を出力する。   Further, on the feedback path side of the differential amplifier circuit 180, an offset setting circuit 190 is connected to an intermediate point between the amplifier resistors 187 and 188. The offset setting circuit 190 applies an offset to the A / F output voltage that is the output of the differential amplifier circuit 180, and the air-fuel ratio detection range is changed by the application of the offset. The differential amplifier circuit 180 and the offset setting circuit 190 constitute an adder circuit. Therefore, the differential amplifier circuit 180 outputs the A / F output voltage as a voltage signal obtained by adding the offset signal to the element current signal corresponding to the magnitude of the element current IL.

オフセット設定回路190は、例えばMOSトランジスタにより構成されるスイッチ素子191と、そのスイッチ素子191に直列接続される抵抗192と、2つの分圧抵抗193,194を有してなる電源回路195とから構成されている。スイッチ素子191は、図示しないマイコンから出力されるオフセット切換信号に基づいてオン/オフされる。   The offset setting circuit 190 includes a switch element 191 composed of, for example, a MOS transistor, a resistor 192 connected in series to the switch element 191, and a power supply circuit 195 having two voltage dividing resistors 193 and 194. Has been. The switch element 191 is turned on / off based on an offset switching signal output from a microcomputer (not shown).

この場合、オフセット切換信号がロウ信号であれば、スイッチ素子191がオフされる。したがって、実質的には差動増幅回路180とオフセット設定回路190との接続が遮断され、差動増幅回路180はオフセット設定回路190に無関係に作動する。つまり、A/F出力電圧についてオフセット設定は行われない。   In this case, if the offset switching signal is a low signal, the switch element 191 is turned off. Therefore, the connection between the differential amplifier circuit 180 and the offset setting circuit 190 is substantially cut off, and the differential amplifier circuit 180 operates independently of the offset setting circuit 190. That is, offset setting is not performed for the A / F output voltage.

これに対し、オフセット切換信号がハイ信号であれば、スイッチ素子191がオンされる。したがって、差動増幅回路180とオフセット設定回路190とが接続され、差動増幅回路180は、オフセット設定回路190によるオフセット設定を反映した状態で動作する。つまり、抵抗192や電源回路195により決定されるオフセット電流が差動増幅回路180(オペアンプ181)に流れ込み、そのオフセット電流に相応してA/F出力電圧にオフセットが付与される。   On the other hand, if the offset switching signal is a high signal, the switch element 191 is turned on. Therefore, the differential amplifier circuit 180 and the offset setting circuit 190 are connected, and the differential amplifier circuit 180 operates in a state in which the offset setting by the offset setting circuit 190 is reflected. That is, an offset current determined by the resistor 192 and the power supply circuit 195 flows into the differential amplifier circuit 180 (the operational amplifier 181), and an offset is given to the A / F output voltage according to the offset current.

上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジRG2で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子191がオフされ、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される(全域レンジRG1も同様)。また、リーンズームレンジRG3で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子191がオフされ、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。   In combination with the above-described air-fuel ratio detection range, when air-fuel ratio detection is performed in the stoichiometric zoom range RG2, the switch element 191 is turned off, and an air-fuel ratio detection range centered on stoichiometry is realized (the entire range RG1 is also The same). When air-fuel ratio detection is performed in the lean zoom range RG3, the switch element 191 is turned off, and an air-fuel ratio detection range in a predetermined lean region is realized.

図12では、オフセット設定状態の切換に際し、差動増幅回路180の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路190が接続された状態と接続されていない状態とが切り換えられる。かかる場合、その切換の前後で、差動増幅回路180の帰還抵抗の値と接地抵抗の値とが一致する状態が保持される。したがって、オフセット切換に伴い、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動するといった不都合が回避され、適正なる空燃比検出を実現できる。   In FIG. 12, when the offset setting state is switched, there are a state where the offset setting circuit 190 is connected to an intermediate point between the input resistance and the feedback resistance on the feedback path side of the differential amplifier circuit 180 and a state where it is not connected. Can be switched. In such a case, the state where the value of the feedback resistance of the differential amplifier circuit 180 and the value of the ground resistance match before and after the switching is maintained. Therefore, the disadvantage that the signal amplification factor and the gas concentration detection range fluctuate due to offset switching is avoided, and proper air-fuel ratio detection can be realized.

上記図12のセンサ制御回路170では、電流検出抵抗173の両端のA点、B点はいずれも固定されず変動するが、以下の図13に示すセンサ制御回路200では電流検出抵抗の一方の端子を固定できる構成としている。   In the sensor control circuit 170 of FIG. 12, the points A and B at both ends of the current detection resistor 173 are not fixed and fluctuate. However, in the sensor control circuit 200 shown in FIG. 13 below, one terminal of the current detection resistor Can be fixed.

図13に示すセンサ制御回路200において、ポンプセル141及び酸素検知セル142の共通端子にはオペアンプ203を通じて基準電圧Vf1と同等の電圧(例えば3V)が印加される。つまり、図のB点電圧は3V固定となる。また、酸素検知セル142と、フィードバック回路201と、電流検出抵抗202とからなる閉回路が構成されている。フィードバック回路201内の基準電圧Vf2は例えば2.55Vである。   In the sensor control circuit 200 shown in FIG. 13, a voltage (for example, 3 V) equivalent to the reference voltage Vf <b> 1 is applied to the common terminal of the pump cell 141 and the oxygen detection cell 142 through the operational amplifier 203. That is, the point B voltage in the figure is fixed at 3V. In addition, a closed circuit including the oxygen detection cell 142, the feedback circuit 201, and the current detection resistor 202 is configured. The reference voltage Vf2 in the feedback circuit 201 is, for example, 2.55V.

センサ制御回路200の動作をリッチ時を例に説明する。リッチ時には、酸素検知セル142の起電力により図のC1点が3.45Vに上がるため、フィードバック回路201内のC2点の電位が下がる。すると、フィードバック回路201の出力、すなわちA点電圧が上昇する。つまり、リッチ時にはA→Bの向きに電流検出抵抗202に電流が流れる。逆に、リーン時にはB→Aの向きに電流検出抵抗202に電流が流れる。   The operation of the sensor control circuit 200 will be described taking the rich time as an example. When rich, the point C1 in the figure rises to 3.45 V due to the electromotive force of the oxygen detection cell 142, so the potential at the point C2 in the feedback circuit 201 drops. Then, the output of the feedback circuit 201, that is, the voltage at point A increases. That is, when rich, a current flows through the current detection resistor 202 in the direction of A → B. On the contrary, current flows through the current detection resistor 202 in the direction of B → A during lean.

また、電流検出抵抗202の両端のA点、B点には非反転型の増幅回路210が接続されており、その増幅回路210の出力であるA/F出力電圧がマイコン(図示略)に対して出力される。増幅回路210はオペアンプ211を有し、その負側入力端子(反転入力端子)に接続される信号入力経路上にはスイッチ素子212が設けられるとともに、そのスイッチ素子212の切換接点である接点a、接点bが、直列接続された3つの増幅用抵抗213,214,215のうち中央の増幅用抵抗214の両端にそれぞれ接続されている。この場合通常、スイッチ素子212は、図示のとおりオペアンプ211の負側入力端子と接点aとを導通接続する状態となっている。   A non-inverting amplifier circuit 210 is connected to points A and B on both ends of the current detection resistor 202, and an A / F output voltage, which is an output of the amplifier circuit 210, is supplied to a microcomputer (not shown). Is output. The amplifier circuit 210 includes an operational amplifier 211. A switch element 212 is provided on a signal input path connected to the negative side input terminal (inverted input terminal), and a contact a that is a switching contact of the switch element 212 is provided. The contact b is connected to both ends of the central amplifying resistor 214 among the three amplifying resistors 213, 214, and 215 connected in series. In this case, normally, the switch element 212 is in a state of electrically connecting the negative input terminal of the operational amplifier 211 and the contact a as shown in the figure.

そして、図示しないマイコンからゲイン切換信号が出力されると、スイッチ素子212において切換操作が行われる。この場合、スイッチ素子212の切換操作に伴い増幅回路210の増幅率が変更される。いずれの場合に(すなわち、どの空燃比検出レンジで)増幅率を高くするか低くするかは前述の説明に従うこととし、ここではその説明を省略する。   When a gain switching signal is output from a microcomputer (not shown), a switching operation is performed in the switch element 212. In this case, the amplification factor of the amplifier circuit 210 is changed with the switching operation of the switch element 212. In which case (that is, in which air-fuel ratio detection range) the gain is increased or decreased is determined according to the above description, and the description is omitted here.

また、増幅回路210の帰還経路側において、増幅用抵抗213,214の中間点にはオフセット設定回路220が接続されている。オフセット設定回路220は、増幅回路210の出力であるA/F出力電圧にオフセットを付与するものであり、オフセット付与によって空燃比検出範囲が変更されるようになっている。増幅回路210とオフセット設定回路220によれば加算回路が構成される。よって、増幅回路210は、素子電流ILの大きさに相当する素子電流信号にオフセット信号を加算した電圧信号としてA/F出力電圧を出力する。   Further, on the feedback path side of the amplifier circuit 210, an offset setting circuit 220 is connected to an intermediate point between the amplification resistors 213 and 214. The offset setting circuit 220 applies an offset to the A / F output voltage that is the output of the amplifier circuit 210, and the air-fuel ratio detection range is changed by the application of the offset. The amplifier circuit 210 and the offset setting circuit 220 constitute an adder circuit. Therefore, the amplifier circuit 210 outputs the A / F output voltage as a voltage signal obtained by adding the offset signal to the element current signal corresponding to the magnitude of the element current IL.

オフセット設定回路220は、例えばMOSトランジスタにより構成されるスイッチ素子221と、そのスイッチ素子221に直列接続される抵抗222と、2つの分圧抵抗223,224を有してなる電源回路225とから構成されている。スイッチ素子221は、図示しないマイコンから出力されるオフセット切換信号に基づいてオン/オフされる。   The offset setting circuit 220 includes a switch element 221 configured by, for example, a MOS transistor, a resistor 222 connected in series to the switch element 221, and a power supply circuit 225 having two voltage dividing resistors 223 and 224. Has been. The switch element 221 is turned on / off based on an offset switching signal output from a microcomputer (not shown).

この場合、オフセット切換信号がロウ信号であれば、スイッチ素子221がオフされる。したがって、実質的には増幅回路210とオフセット設定回路220との接続が遮断され、増幅回路210はオフセット設定回路220に無関係に作動する。つまり、A/F出力電圧についてオフセット設定は行われない。   In this case, if the offset switching signal is a low signal, the switch element 221 is turned off. Therefore, the connection between the amplifier circuit 210 and the offset setting circuit 220 is substantially cut off, and the amplifier circuit 210 operates independently of the offset setting circuit 220. That is, offset setting is not performed for the A / F output voltage.

これに対し、オフセット切換信号がハイ信号であれば、スイッチ素子221がオンされる。したがって、増幅回路210とオフセット設定回路220とが接続され、増幅回路210は、オフセット設定回路220によるオフセット設定を反映した状態で動作する。つまり、抵抗222や電源回路225により決定されるオフセット電流が増幅回路210(オペアンプ211)に流れ込み、そのオフセット電流に相応してA/F出力電圧にオフセットが付与される。   On the other hand, if the offset switching signal is a high signal, the switch element 221 is turned on. Therefore, the amplifier circuit 210 and the offset setting circuit 220 are connected, and the amplifier circuit 210 operates in a state in which the offset setting by the offset setting circuit 220 is reflected. That is, an offset current determined by the resistor 222 and the power supply circuit 225 flows into the amplifier circuit 210 (the operational amplifier 211), and an offset is given to the A / F output voltage according to the offset current.

上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジRG2で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子221がオフされ、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される(全域レンジRG1も同様)。また、リーンズームレンジRG3で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子221がオフされ、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。   In combination with the above-described air-fuel ratio detection range, when air-fuel ratio detection is performed in the stoichiometric zoom range RG2, the switch element 221 is turned off, and an air-fuel ratio detection range centered on stoichiometry is realized (the entire range RG1 is also The same). When air-fuel ratio detection is performed in the lean zoom range RG3, the switch element 221 is turned off, and an air-fuel ratio detection range in a predetermined lean region is realized.

図13の回路構成においても、前記同様、オフセット設定状態の切換に際し、差動増幅回路210の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路220が接続された状態と接続されていない状態とが切り換えられる。この場合、オフセット切換に伴い、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動するといった不都合が回避され、適正なる空燃比検出を実現できる。   In the circuit configuration of FIG. 13 as well, when the offset setting state is switched, the offset setting circuit 220 is connected to an intermediate point between the input resistance and the feedback resistance on the feedback path side of the differential amplifier circuit 210 as described above. The state of not being connected is switched. In this case, the disadvantage that the signal amplification factor and the gas concentration detection range fluctuate unexpectedly due to the offset switching is avoided, and appropriate air-fuel ratio detection can be realized.

酸素濃度を検出対象とするA/Fセンサ以外に、他のガス濃度成分を検出対象とするガス濃度センサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガス濃度センサは、固体電解質にて形成された複数のセルを有し、そのうち第1セル(ポンプセル)では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すと共に酸素濃度を検出し、第2セル(センサセル)では酸素排出後のガスから特定成分のガス濃度を検出する。このガス濃度センサは、例えば排ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサとして具体化されるものであり、本発明の適用によりNOx濃度の検出精度が向上する。また、上記第1セル、第2セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第3セル(モニタセル、若しくは第2ポンプセル)等の複数のセルを有するガス濃度センサであっても良い。   In addition to the A / F sensor whose oxygen concentration is a detection target, the present invention can be applied to a gas concentration sensor whose detection target is another gas concentration component. For example, a composite type gas concentration sensor has a plurality of cells formed of a solid electrolyte, and in the first cell (pump cell), oxygen in the detection gas is discharged or pumped and the oxygen concentration is detected. In the second cell (sensor cell), the gas concentration of the specific component is detected from the gas after oxygen discharge. This gas concentration sensor is embodied as, for example, a NOx sensor that detects the NOx concentration in the exhaust gas. The application of the present invention improves the detection accuracy of the NOx concentration. Further, in addition to the first cell and the second cell, a gas concentration sensor having a plurality of cells such as a third cell (monitor cell or second pump cell) for detecting the residual oxygen concentration after the oxygen is discharged. good.

ガス濃度成分としてHC濃度やCO濃度を検出可能とするガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからHCやCOを分解してHC濃度やCO濃度を検出する。   The present invention can also be applied to a gas concentration sensor that can detect HC concentration and CO concentration as gas concentration components. In this case, surplus oxygen in the gas to be detected is discharged by the pump cell, and HC and CO are decomposed from the gas after the surplus oxygen is discharged by the sensor cell to detect the HC concentration and the CO concentration.

また、本発明のセンサ制御装置は、ガソリンエンジンに用いられるガスセンサ(センサ素子)だけでなく、ディーゼルエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサ(センサ素子)にも適用できる。自動車以外の用途のセンサ制御装置として用いることや、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。   The sensor control device of the present invention can be applied not only to a gas sensor (sensor element) used for a gasoline engine but also to a gas sensor (sensor element) used for another type of engine such as a diesel engine. It can be used as a sensor control device for applications other than automobiles, or a gas other than exhaust gas can be used as a detected gas.

センサ制御系の電気的構成を示す構成図。The block diagram which shows the electrical structure of a sensor control system. A/Fセンサの構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of an A / F sensor. A/Fセンサの電圧−電流特性(V−I特性)を示す図。The figure which shows the voltage-current characteristic (VI characteristic) of an A / F sensor. A/Fとセンサ出力電圧との関係を示す図。The figure which shows the relationship between A / F and a sensor output voltage. A/Fと素子電流との関係を示す図。The figure which shows the relationship between A / F and element current. レンジ切換処理を示すフローチャート。The flowchart which shows a range switching process. 始動時処理の詳細を示すフローチャート。The flowchart which shows the detail of the process at the time of starting. A/Fとセンサ出力電圧との関係を示す図。The figure which shows the relationship between A / F and a sensor output voltage. 第2の実施形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す構成図。The block diagram which shows the electric constitution of a sensor control system in 2nd Embodiment. オペアンプに関する別構成を示す図。The figure which shows another structure regarding an operational amplifier. 2セル構造のセンサ素子の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the sensor element of 2 cell structure. 別の実施形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す構成図。The block diagram which shows the electric constitution of a sensor control system in another embodiment. 別の実施形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す構成図。The block diagram which shows the electric constitution of a sensor control system in another embodiment. 従来技術を説明するための回路図。The circuit diagram for demonstrating a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10…センサ素子、11…固体電解質層、20…マイコン、25…エンジンECU、30…センサ制御回路、32…電流検出抵抗、38…反転増幅回路、39…オペアンプ、41〜43…増幅用抵抗、44…スイッチ素子、50…オフセット設定回路、51…スイッチ素子、60…オフセット設定回路、61…スイッチ素子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor element, 11 ... Solid electrolyte layer, 20 ... Microcomputer, 25 ... Engine ECU, 30 ... Sensor control circuit, 32 ... Current detection resistance, 38 ... Inversion amplifier circuit, 39 ... Operational amplifier, 41-43 ... Resistance for amplification, 44 ... switch element, 50 ... offset setting circuit, 51 ... switch element, 60 ... offset setting circuit, 61 ... switch element.

Claims (14)

固体電解質よりなり被検出ガス中の特定成分のガス濃度を広域に検出可能なセンサ素子を制御するセンサ制御装置において、
前記センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、
前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を、正負の信号入力端子の少なくともいずれかに入力し、該入力した素子電流信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に接続されるオフセット設定回路と、
前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、
を備えたことを特徴とするセンサ制御装置。
In a sensor control device that controls a sensor element made of a solid electrolyte and capable of detecting a gas concentration of a specific component in a gas to be detected over a wide area,
A current measuring resistor for measuring a current flowing through the sensor element;
An element current signal measured by the current measuring resistor is input to at least one of positive and negative signal input terminals, and an amplifier circuit that amplifies the input element current signal;
An offset setting circuit connected to an intermediate point between the input resistor and the feedback resistor on the feedback path side of the amplifier circuit;
An offset switching means for switching the offset setting state by the offset setting circuit according to the density value detected each time;
A sensor control device comprising:
前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に前記オフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるものである請求項1に記載のセンサ制御装置。   2. The offset switching means switches between a state in which the offset setting circuit is connected and a state in which the offset setting circuit is not connected to an intermediate point between an input resistance and a feedback resistance on the feedback path side of the amplifier circuit. The sensor control device according to 1. 固体電解質よりなり被検出ガス中の特定成分のガス濃度を広域に検出可能なセンサ素子を制御するセンサ制御装置において、
前記センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、
前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を一方の信号入力端子に入力し該入力した素子電流信号を増幅する反転又は非反転型の増幅回路と、
前記増幅回路において前記素子電流信号を入力する信号入力端子又は他方の信号入力端子に接続されたオフセット設定回路と、
前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、
を備えたことを特徴とするセンサ制御装置。
In a sensor control device that controls a sensor element made of a solid electrolyte and capable of detecting a gas concentration of a specific component in a gas to be detected over a wide area,
A current measuring resistor for measuring a current flowing through the sensor element;
An inverting or non-inverting amplifier circuit that inputs an element current signal measured by the current measuring resistor to one signal input terminal and amplifies the input element current signal;
An offset setting circuit connected to a signal input terminal for inputting the element current signal or the other signal input terminal in the amplifier circuit;
An offset switching means for switching the offset setting state by the offset setting circuit according to the density value detected each time;
A sensor control device comprising:
前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の信号入力端子にオフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるものである請求項3に記載のセンサ制御装置。   The sensor control device according to claim 3, wherein the offset switching means switches between a state in which an offset setting circuit is connected to a signal input terminal of the amplifier circuit and a state in which the offset setting circuit is not connected. 前記オフセット設定回路は、複数のオフセット値を可変設定できるものであり、
前記オフセット切換手段は、前記複数のオフセット値のうちいずれかを選択的に設定する請求項1乃至4のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
The offset setting circuit is capable of variably setting a plurality of offset values,
The gas concentration detection device according to claim 1, wherein the offset switching unit selectively sets any one of the plurality of offset values.
内燃機関の排ガスを検出対象とし、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲とが規定された空燃比検出装置として適用され、
前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲及び前記リーン検出範囲のいずれかで空燃比検出を行うかを判定し、その判定結果に応じてオフセット切換を実施する請求項1乃至5のいずれかに記載のセンサ制御装置。
The exhaust gas of the internal combustion engine is to be detected, and the air-fuel ratio detection range is a part of the total air-fuel ratio range that can be detected by the sensor element and is used for stoichiometric combustion control. It is applied as an air-fuel ratio detection device that is defined as a part and a lean detection range used for lean combustion control,
The offset switching means determines whether to perform air-fuel ratio detection in either the stoichiometric detection range or the lean detection range according to the status of air-fuel ratio control each time, and performs offset switching according to the determination result The sensor control apparatus according to claim 1.
前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲がさらに規定された空燃比検出装置として適用され、
前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲、前記リーン検出範囲及び前記リッチ検出範囲のいずれかで空燃比検出を行うかを判定し、その判定結果に応じてオフセット切換を実施する請求項6に記載のセンサ制御装置。
As the air-fuel ratio detection range, a rich detection range that is a part of the total air-fuel ratio range and is used for rich combustion control is applied as an air-fuel ratio detection device further defined,
The offset switching means determines whether to perform air-fuel ratio detection in one of the stoichiometric detection range, the lean detection range, or the rich detection range according to the status of each air-fuel ratio control, and according to the determination result The sensor control apparatus according to claim 6, wherein offset switching is performed.
前記各検出範囲は、いずれもストイキ点を含む検出範囲として設定されている請求項6又は7に記載のセンサ制御装置。   The sensor control device according to claim 6 or 7, wherein each of the detection ranges is set as a detection range including a stoichiometric point. 前記センサ素子への印加電圧を一時的に停止することで、同センサ素子に流れる電流を強制的に遮断し、その時の前記増幅回路の出力信号に基づいて回路特性の誤差を検出する回路特性検出手段を備えた請求項8に記載のセンサ制御装置。   Circuit characteristic detection that temporarily stops the voltage applied to the sensor element to forcibly cut off the current flowing through the sensor element and detects an error in the circuit characteristic based on the output signal of the amplifier circuit at that time 9. The sensor control device according to claim 8, further comprising means. 前記増幅回路に増幅率決定のための複数の増幅用抵抗を設けるとともに、
前記増幅回路の増幅率を可変設定すべく前記複数の増幅用抵抗のうちいずれが前記増幅回路の入力抵抗、帰還抵抗となるかを切り換える増幅率切換手段を備えた請求項1乃至5のいずれかに記載のセンサ制御装置。
While providing a plurality of amplification resistors for determining the amplification factor in the amplifier circuit,
6. An amplification factor switching means for switching which of the plurality of amplification resistors becomes an input resistance or feedback resistor of the amplification circuit so as to variably set the amplification factor of the amplification circuit. The sensor control device according to 1.
ガス濃度検出範囲として、広狭異なる複数の検出範囲をあらかじめ規定したセンサ制御装置であって、
前記増幅率切換手段は、相対的に狭い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を大きくし、相対的に広い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を小さくするよう前記増幅用抵抗の切換を実施する請求項10に記載のセンサ制御装置。
As a gas concentration detection range, a sensor control device that predefines a plurality of detection ranges that are wide and narrow,
The amplification factor switching means increases the amplification factor of the amplification circuit when performing gas concentration detection within a relatively narrow detection range, and when performing gas concentration detection within a relatively wide detection range. The sensor control device according to claim 10, wherein the amplification resistor is switched so as to reduce an amplification factor of the amplification circuit.
内燃機関の排ガスを検出対象とし、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲と、その全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲とが規定された空燃比検出装置として適用され、
前記全空燃比範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を小さくし、
前記ストイキ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくし、
前記リーン検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくする請求項10又は11に記載のセンサ制御装置。
The exhaust gas of the internal combustion engine is to be detected, and as the air-fuel ratio detection range, a total air-fuel ratio range that can be detected by the sensor element, and a stoichiometric detection range that is a part of the total air-fuel ratio range and that is used for stoichiometric combustion control And an air-fuel ratio detection device that is also defined as a lean detection range that is part of the entire air-fuel ratio range and is used for lean combustion control,
When using the full air-fuel ratio range, no offset is given by the offset switching means, and the amplification factor is reduced by the amplification factor switching means,
When using the stoichiometric detection range, no offset is given by the offset switching means, and the gain is increased by the gain switching means,
The sensor control device according to claim 10 or 11, wherein when the lean detection range is used, an offset is given by the offset switching unit and an amplification factor is increased by the amplification factor switching unit.
前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲がさらに規定された空燃比検出装置として適用され、
前記リッチ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段により、前記リーン検出範囲とは正負逆側にオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくする請求項12に記載のセンサ制御装置。
As the air-fuel ratio detection range, a rich detection range that is a part of the total air-fuel ratio range and is used for rich combustion control is applied as an air-fuel ratio detection device further defined,
13. When the rich detection range is used, the offset switching unit applies an offset to the positive / negative opposite side of the lean detection range, and the amplification factor switching unit increases the amplification factor. Sensor control device.
前記増幅回路は、出力段に定電流源又はプルダウン抵抗を備えるオペアンプにより出力を得る構成とされている請求項1乃至13のいずれかに記載のセンサ制御装置。   The sensor control device according to claim 1, wherein the amplifier circuit is configured to obtain an output by an operational amplifier including an output stage having a constant current source or a pull-down resistor.
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