JP2011203131A - 酸素濃度センサ入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化が可能な酸素濃度センサが要求する付加的な電流を、簡便な構成で供給しながら、酸素濃度センサやその関連の配線の断線の判別が簡便な構成で実現できる酸素濃度センサ入力装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ２に対して流し出し電流を供給自在なセンサ入力回路１を備える酸素濃度センサ入力装置であって、センサ入力回路は、ボルテージフォロアを構成するオペアンプ１２を備え、流し出し電流の電流値は、酸素濃度センサの検出信号における電圧波形が、低電圧側の検出閾値を跨ぐように設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃度センサ入力装置に関し、特に、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサに対して所定の流し出し電流を供給する酸素濃度センサ入力装置に関する。

近年では、内燃機関に対して、供給混合気の空燃比を理論空燃比等の目標空燃比に制御するために電子制御式の空燃比制御装置が設けられている。かかる空燃比制御装置は、内燃機関の排気系に設けられた酸素濃度センサと、供給混合気の空燃比を制御するマイクロコンピュータと、を備え、マイクロコンピュータが、酸素濃度センサの出力信号に基づいて内燃機関に供給された混合気の空燃比を判別し、その判別結果に基づいて内燃機関に供給すべき燃料量又は空気量をフィードバック制御するものである。

そして、かかる空燃比制御装置には、内燃機関の燃費を向上させながら、排気ガスをより清浄に維持するために、酸素濃度センサの検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化を図ることが求められてきている。また同時に、かかる空燃比制御装置には、その内部構成に異常が生じた場合には、迅速かつ正確にその状態を提示し得る機能を付加することが好ましい。

特許文献１は、ガス濃度検出装置に関し、電流検出用抵抗１５ａ，１５ｂに直列に接続された増幅回路１４が、いわゆるレイルツーレイル動作を行うことにより、増幅回路１４の電源電圧範囲の上限又は下限近くの出力振幅が得られ、このように拡張された電圧範囲でＡ／Ｆセンサ３０のセンサ電流の検出を可能とする構成を開示する。

特許文献２は、酸素濃度検出装置に関し、マイコン２の出力ポートＰＷＭ１から出力され演算増幅器１６の非反転入力端子に供給されるＰＷＭ信号のデューティ比を変化させて、センサＡＦＳへの印加電圧を変化させることにより、センサＡＦＳへの印加電圧を高分解能かつ高精度に調節することが可能な構成を開示する。

特許文献３は、酸素濃度検出装置に関し、マイコン３からの指令に応じた電圧を差動増幅回路２１へ基準電圧Ｖｒとして入力させるＤ／Ａ変換器５３を備え、マイコン３は、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、Ｄ／Ａ変換器５３からの基準電圧Ｖｒを変更することにより、被検出ガス中の酸素濃度の広範囲検出と、特定の検出範囲での高精度検出とを、両立することが可能な構成を開示する。

特許文献４は、酸素センサの接続回路と正しいセンサ接続の検査方法に関し、増幅器ＡＭＰに接続された低電位線と高電位線を有する浮動の酸素センサＳＶ、ＳＨの接続回路において、高電位線がオフセット電圧源Ｕｐに接続され、増幅器がオフセット電圧値と、高、低電位線間の電位差の増幅値の差を出力し、オフセット電圧が、センサが正しく接続されている場合に出力電圧が常にゼロより明らかに大きく、かつ所定の閾値電圧より小さいように選択されていることにより、センサ接続における、例えばアースへの短絡などを確実に検出することが可能な構成を開示する。

特開２０００−４６７９１号公報 特開２００２−２４３６９４号公報 特開２００４−６９３７０号公報 特開平５−２２３７７６号公報

しかしながら、本発明者の検討によれば、特許文献１から特許文献３が開示する構成においては、酸素濃度センサの検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化をも企図したものではあるが、このような構成を用いた場合に要求されることがある酸素濃度センサへの付加的な電流を、簡便な構成で供給することについては何等の提案をしていないものである。

また、特許文献４が開示する構成においては、酸素濃度センサの接続状態を判別することを企図したものではあるが、酸素濃度センサの高電位線が接続されるオフセット電圧源のオフセット電圧を、酸素濃度センサが正しく接続されている場合に、出力電圧が常にゼロより明らかに大きく、かつ所定の閾値電圧より小さいように設定する必要があり、その構成が煩雑である。

つまり、現状では、検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化が可能な酸素濃度センサが要求する付加的な電流を簡便な構成で供給しながら、酸素濃度センサやその関連の配線の断線の判別が簡便な構成で実現できる新規な回路構成が待望された状態にある。

本発明は、以上の検討を経てなされたものであり、検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化が可能な酸素濃度センサが要求する付加的な電流を、簡便な構成で供給しながら、酸素濃度センサやその関連の配線の断線の判別が簡便な構成で実現できる酸素濃度センサ入力装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するべく、本発明は、第１の局面において、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサに対して流し出し電流を供給自在なセンサ入力回路を備える酸素濃度センサ入力装置であって、前記センサ入力回路は、ボルテージフォロアを構成するオペアンプを備え、前記流し出し電流の電流値は、前記酸素濃度センサの検出信号における電圧波形が、前記低電圧側の検出閾値を跨ぐように設定されることを特徴とする酸素濃度センサ入力装置である。

また本発明は、かかる第１の局面に加えて、前記流し出し電流の前記電流値は、前記酸素濃度センサの入力インピーダンスに応じて設定されることを第２の局面とする。

また本発明は、かかる第１又は第２の局面に加えて、前記流し出し電流は、前記オペアンプの駆動電源の電圧が、前記オペアンプの入力段の電気回路に対しても印加されることにより、前記オペアンプの非反転入力端子から前記酸素濃度センサに対して供給されることを第３の局面とする。

また本発明は、かかる第１から第３のいずれかの局面に加えて、前記酸素濃度センサの内部回路、又は前記酸素濃度センサ及び前記センサ入力回路の間の電気配線に、断線が生じた場合には、前記オペアンプの出力電圧が、前記オペアンプのクランプ電圧となることを第４の局面とする。

また本発明は、かかる第１から第４のいずれかの局面に加えて、前記酸素濃度センサ入力装置と、前記酸素濃度センサの検出信号が入力されるマイクロコンピュータと、が同一のパッケージ内に配置されていることを第５の局面とする。

本発明の第１の局面の酸素濃度センサ入力装置の構成によれば、センサ入力回路が、ボルテージフォロアを構成するオペアンプを備え、酸素濃度センサに対する流し出し電流の電流値は、酸素濃度センサの検出信号における電圧波形が、低電圧側の検出閾値を跨ぐように設定されていることにより、検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化が可能な酸素濃度センサが、要求する酸素濃度規準レベル等を設定するための微小な一定電流を、簡便な構成で供給することができると共に、酸素濃度センサやその関連の配線の断線が、簡便な構成で判別し得る構成を実現する。

本発明の第２の局面の酸素濃度センサ入力装置の構成によれば、流し出し電流の電流値が、酸素濃度センサの入力インピーダンスに応じて設定されることにより、酸素濃度センサが要求する一定電流を、より簡便な構成で供給することができると共に、酸素濃度センサ等の断線を簡便な構成で判別し得る構成を実現する。

本発明の第３の局面の酸素濃度センサ入力装置の構成によれば、オペアンプの駆動電源の電圧が、オペアンプの入力段の電気回路に対しても印加されることにより、流し出し電流が、酸素濃度センサに対して供給されることとなって、酸素濃度センサが要求する一定電流を、より簡便な構成で確実に供給することができると共に、酸素濃度センサ等の断線を簡便な構成で判別し得る構成を実現する。

本発明の第４の局面の酸素濃度センサ入力装置の構成によれば、酸素濃度センサの内部回路、又は酸素濃度センサ及びセンサ入力回路の間の電気配線に、断線が生じた場合には、オペアンプの出力電圧が、オペアンプのクランプ電圧となることにより、かかる断線時にオペアンプの出力電圧が確実にローレベルからハイレベルへと変化して、酸素濃度センサ等の断線を簡便な構成でより確実に判別することができる。

本発明の第５の局面の酸素濃度センサ入力装置の構成によれば、酸素濃度センサ入力装置と、酸素濃度センサの検出信号が入力されるマイクロコンピュータと、が同一のパッケージ内に配置されていることにより、装置構成の全体をコンパクト化することができる。

本発明の実施形態における酸素濃度センサ入力装置の構成を示す回路図である。 本実施形態における酸素濃度センサ入力装置のセンサ入力回路に備えられたオペアンプの内部回路を示す模式図である。 本実施形態における内燃機関の回転数、酸素濃度センサの温度及び酸素濃度センサからの検出信号をそれぞれ示すグラフである。 本実施形態における酸素濃度センサからの検出信号の波形図の部分拡大図である。 本実施形態における酸素濃度センサ入力装置とＥＣＵとが同一パッケージ内に配置されて積層された構成を示す断面図である。

以下、図面を適宜参照して、本発明の実施形態における酸素濃度センサ入力装置につき、詳細に説明する。

図１は、本実施形態における酸素濃度センサ入力装置の構成を示す回路図である。また、図２は、本実施形態における酸素濃度センサ入力装置のセンサ入力回路に備えられたオペアンプの内部回路を示す模式図である。

図１に示すように、酸素濃度センサ入力装置１は、酸素濃度センサ２と、かかる酸素濃度センサ２を用いて図示を省略する内燃機関に供給される燃料及び空気の混合気の空燃比を目標空燃比に制御する機能を有するＥＣＵ３と、の間に配設されるセンサ入力回路４を備え、更に酸素濃度センサ２とセンサ入力回路４との間を電気的に接続する電気配線Ｗを備える。

酸素濃度センサ２は、典型的には自己加熱用のヒータを備えておらず、いわゆるヒータレスタイプの酸素濃度センサであり、図示を省略する内燃機関の排気管において、内燃機関の近傍に配設される。かかる酸素濃度センサ２は、図示を省略する電源からの駆動電圧の印加に伴って、排気管内の排気ガスの酸素濃度に応じた検出信号をＥＣＵ３に出力する。また、酸素濃度センサ２には、内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルが設定されている。なお、酸素濃度センサ２からの排気管内の排気ガスの酸素濃度に応じた検出信号は、典型的には別途設けられた図示を省略するセンサ出力検出回路により検出されて、ＥＣＵ３に出力されることになる。

ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置であり、図示を省略する演算処理素子及びメモリ等を有する。ＥＣＵ３は、そのメモリに記憶されている制御プログラムに従って、酸素濃度センサ２からの検出信号に基づき、内燃機関に供給される混合気の空燃比を目標空燃比に制御する。詳しくは、ＥＣＵ３は、酸素濃度センサ２の検出動作領域（ダイナミックレンジ）を、その駆動電圧を変化させることによって調整しながら、酸素濃度センサ２の検出信号に基づいて内燃機関に供給されている混合気の空燃比を判別し、その判別結果に基づいて内燃機関に供給すべき燃料量及び空気量をフィードバック制御する。

センサ入力回路４は、酸素濃度センサ２とＥＣＵ３との間に配設され、酸素濃度センサ２に内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルを設定するための微小な流し出し電流を供給する機能を有する電気回路である。かかるセンサ入力回路４は、保護ダイオード回路１１ａ、１１ｂ、オペアンプ１２、及び電圧クランプ回路１３を備える。

保護ダイオード回路１１ａは、センサ入力回路４において、オペアンプ１２の前段に配設され、オペアンプ１２に向けてサージ電圧等のノイズ信号が入力される場合に、その電圧値を一定レベルに制限して、オペアンプ１２を保護する電気回路である。

保護ダイオード回路１１ｂは、センサ入力回路４において、オペアンプ１２の後段に配設され、ＥＣＵ３に向けて入力されるオペアンプ１２からの出力にサージ電圧等のノイズ信号が重畳された場合に、その電圧値を一定レベルに制限して、ＥＣＵ３を保護する電気回路である。

オペアンプ１２は、駆動電源Ｖ１からの一定電圧が電気配線１４を介して印加されて駆動されるものであるが、かかる駆動電源Ｖ１からの一定電圧は、オペアンプ１２の入力段の電気回路にも電気配線１４を介して印加されて、オペアンプ１２からの相対的な微小な電流値の流し出し電流を生成する。つまり、詳細は後述するが、このようにオペアンプ１２に印加された一定電圧は、矢印Ａで示すような抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を介した電流経路で電気配線Ｗを流れ、酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２への流し出し電流を生成して、酸素濃度センサ２に内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルを設定するための所定の一定電流を供給する。

つまり、かかる構成においては、酸素濃度センサ２に内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルを設定するための流し出し電流は、独自の電源を設けるのではなく、オペアンプ１２の駆動電源Ｖ１を併用して生成されている。また、かかる流し出し電流は、例えば、酸素濃度センサ２の動作時における酸素濃度センサ２又はその近傍の温度において、１００（ｋΩ）を越える程度の大きな値の入力インピーダンスを有する酸素濃度センサ２に対して、１（μＡ）を下回るような微小な電流値に設定されているが、その設定の詳細については、後述する。

また、オペアンプ１２は、図２に詳細に示すように、その入力段の電気回路が、典型的には一対のＰＮＰバイポーラトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を備えるものである。駆動電源Ｖ１からの一定電圧は、電気配線１４を介してオペアンプ１２に印加されるものであるが、その入力段においては、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加されて分岐されている。ここで、トランジスタＴｒ２のベースに電気的に接続されているオペアンプ１２の反転入力端子は、抵抗素子Ｒ３を介してオペアンプ１２の出力端子に接続されているため、オペアンプ１２は、ボルテージフォロアの構成を有してその増幅率は１である。

一方で、トランジスタＴｒ１のベースに電気的に接続されたオペアンプ１２の非反転入力端子は、抵抗素子Ｒ１、保護ダイオード回路１１ａ及び抵抗素子Ｒ２を順に介して酸素濃度センサ２に接続されているため、電気配線１４を介してトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加されて分岐された駆動電源Ｖ１からの一定電圧は、トランジスタＴｒ１のベースから流れ出る微小な電流値の流し出し電流となる。かかる流し出し電流は、オペアンプ１２の非反転入力端子に電気的に接続された電気配線Ｗを、矢印Ａで示すような抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を介した電流経路で流れて、酸素濃度センサ２に流れ込む。

また、オペアンプ１２の出力端子は、保護ダイオード回路１１ｂを介してＥＣＵ３に接続されて、オペアンプ１２の出力電圧をＥＣＵ３に供給するものであり、オペアンプ１２の出力端子から出力される電圧レベルは、基準電源Ｖ２に基づく電圧クランプ回路１３により所定の電圧範囲内にクランプされている。かかる電圧クランプ回路１３のクランプ電圧は、オペアンプ１２のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に駆動電源Ｖ１から印加される一定電圧よりも小さく設定されている。

オペアンプ１２に、かかるボルテージフォロアの構成を採用することにより、オペアンプ１２の入力インピーダンスは、典型的には、数十（ＭΩ）オーダの高インピーダンスに設定されて、酸素濃度センサ２の動作時の入力インピーダンスよりも十分に大きい値となるから、駆動電源Ｖ１からの一定電圧が電気配線１４を介してトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加されていはいるものの、オペアンプ１２の非反転入力端子に流れ込む電流の値は通常時において極めて小さなくなる。よって、オペアンプ１２の出力端子からは、ゼロに等しいローレベルの電圧が出力されてＥＣＵ３に入力されると共に、オペアンプ１２は、酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２へ供給される流し出し電流に対しては不要な影響を与えない。

また、一方で、酸素濃度基準レベルに基づいて動作する酸素濃度センサ２の内部回路や、酸素濃度センサ２とセンサ入力回路４との間の電気配線Ｗに断線が生じて、酸素濃度センサ２がオペアンプ１２から切り離された異常時には、駆動電源Ｖ１からの一定電圧が電気配線１４を介してトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加されていることに起因して、オペアンプ１２の反転入力端子に電流が流れることになる。ここで、電圧クランプ回路１３のクランプ電圧は、オペアンプ１２のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部、つまりその反転入力端子に駆動電源Ｖ１から印加される一定電圧よりも小さく設定されているものであるから、オペアンプ１２の出力端子からはクランプ電圧に等しい電圧が出力されてＥＣＵ３に入力される。よって、酸素濃度センサ２の内部回路や関連する電気配線Ｗに断線が生じた場合には、ＥＣＵ３が、オペアンプ１２の出力電圧が実質ゼロであるローレベルからからクランプ電圧に等しいハイレベルに変化したことを検出することにより、かかる断線が生じたものと判断する。

次に、以上の構成の酸素濃度センサ入力装置１において、酸素濃度センサ２から出力される排気管内の排気ガスの酸素濃度に応じた検出信号と、酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２への流し出し電流と、の関係について、更に図３及び図４をも参照して詳細に説明する。

図３は、本実施形態における内燃機関の回転数、酸素濃度センサの温度及び酸素濃度センサからの検出信号をそれぞれ示すグラフであり、横軸は時間、左側の縦軸は酸素濃度センサの温度、右側の縦軸は内燃機関の回転数をそれぞれ示す。また、図４は、本実施形態における酸素濃度センサからの検出信号の波形図の部分拡大図であり、横軸は時間、縦軸は酸素濃度センサからの検出信号の電圧をそれぞれ示す。

図３に示すように、時刻Ｔ１において、内燃機関は、その燃焼室内の混合気が着火されて始動される。すると内燃機関は、図示を省略する車両のスロットルが操作されなければ、曲線Ａに示すように２０００（ｒｐｍ）程度のアイドル回転数に落ち着いた回転状態を維持すると共に、排気管に配設された酸素濃度センサ２又はその近傍の温度が曲線Ｂに示すように上昇を始める。そして、酸素濃度センサ２又はその近傍の温度が、３６０（℃）程度となった時刻Ｔ２において、曲線Ｃで示すように酸素濃度センサ２が検出信号を出力し始める。

このように検出信号を出力している酸素濃度センサ２の検出信号の波形図は、図４の曲線Ｌ１に示され、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度が低い、つまり燃料濃度が高いリッチ側の出力電圧が高くなると共に、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度が高い、つまり燃料濃度が低いリーン側の出力電圧が低くなり、図中の上方のピーク及び下方のピークがそれぞれ、リッチ側のピーク及びリーン側のピークに対応する。

ここで、酸素濃度センサ２には、内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルを設定するために、オペアンプ１２の駆動電源Ｖ１から電気配線１４を介してトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加される電圧に起因して、酸素濃度センサ入力装置１から流し出し電流が供給されている。かかる流し出し電流が供給されることにより、酸素濃度センサ２の検出信号の波形図は、詳細に観察すると、曲線Ｌ１に示す状態から曲線Ｌ２に示す状態に微小ではあるが図４中で上方に向かってシフトされる傾向がある。

この際、図４中で上方に向かってシフトされる酸素濃度センサ２の検出信号のリーン側のピーク値が、ＥＣＵ３における酸素濃度センサ２の検出信号のリーン側の検出閾値Ｖｔｈを超えてしまうと、酸素濃度センサ２の検出信号の電圧波形がリーン側の検出閾値Ｖｔｈを跨ぐことができなくなってしまい、ＥＣＵ３が、内燃機関の排気ガスのリーン側の検出を正確に行い得なくなる事態が発生する。なお、かかるＥＣＵ３におけるリーン側の検出閾値Ｖｔｈは、酸素濃度センサ２の検出信号のリーン側のピーク値よりも、所定量大きく設定されている。

そこで、酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２への流し出し電流の値は、酸素濃度センサ２の検出信号のリーン側のピーク値がＥＣＵ３におけるリーン側の検出閾値Ｖｔｈを超えないように、つまり、酸素濃度センサ２の検出信号の電圧波形がリーン側の検出閾値Ｖｔｈを跨ぐことができるように設定される必要がある。

更に詳しく検討すると、オペアンプ１２の駆動電源Ｖ１は、数ボルト程度の印加電圧を有するものであるが、かかる電圧を、酸素濃度センサ２の動作時における酸素濃度センサ２又はその近傍の温度において１００（ｋΩ）を越える程度の大きな値の入力インピーダンスを有する酸素濃度センサ２に印加したとすれば、酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２への流し出し電流の値は、数ナノアンペア程度の値となる。なお、かかる流し出し電流は、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を配した電気配線Ｗを介した電流経路Ａで酸素濃度センサ２に至るものであるが、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値はそれぞれ１０（ｋΩ）以下程度であるので、流し出し電流の電流値は、実質的に酸素濃度センサ２の動作時の入力インピーダンスにより決定されると考えてよい。

そして、実際に、酸素濃度センサ２に対して、オペアンプ１２の駆動電源Ｖ１の電圧を、電気配線１４を介して、トランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加して分岐し、オペアンプ１２の非反転入力端子から流し出し電流を供給したところ、ＥＣＵ３は、酸素濃度センサ２から入力される検出信号に基づいて、内燃機関に供給されている混合気の空燃比を判別することが可能であった。

よって、このように酸素濃度センサ２に対して、オペアンプ１２の駆動電源Ｖ１の電圧をトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加して分岐し、オペアンプ１２の非反転入力端子から流し出し電流を供給することにより、酸素濃度センサ２に内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルを設定しながら、酸素濃度センサ２の検出信号が過剰にシフトされにずリーン側のピーク値が検出閾値Ｖｔｈを超えない状態で出力され、酸素濃度センサ２の検出信号の電圧波形がリーン側の検出閾値Ｖｔｈを跨ぐことができているものと評価できる。

次に、以上の構成を有する酸素濃度センサ入力装置１における動作につき、詳細に説明する。

まず、内燃機関が始動されることに伴って、センサ入力回路４のオペアンプ１２の駆動電源Ｖ１は、オペアンプ１２に対して駆動電圧を印加すると共に、オペアンプ１２に対する駆動電圧をオペアンプ１２のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部に印加して分岐し、これに対応して、流し出し電流が、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を介した電流経路Ａで酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２へ流れて、酸素濃度センサ２に内燃機関の理論空燃比に対応する所定の酸素濃度基準レベルを設定する。

そして、酸素濃度センサ２は、酸素濃度センサ２又はその近傍の温度が例えば３６０（℃）程度となることに対応して、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を示す検出信号をＥＣＵ３に出力し、対応してＥＣＵ３は、酸素濃度センサ２から入力される検出信号に基づいて、内燃機関に供給されている混合気の空燃比を判別することになる。

この際、ボルテージフォロアの構成を採用するオペアンプ１２の反転入力端子に流れ込む電流はゼロに等しく、オペアンプ１２の出力端子からローレベルの電圧が出力されると共に、オペアンプ１２は、酸素濃度センサ２へ流れる流し出し電流に不要な影響を与えることはない。

一方で、酸素濃度センサ２が内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出して検出信号を出力している最中に、酸素濃度センサ２の内部回路や、酸素濃度センサ２とセンサ入力回路４との間の電気配線Ｗに断線が生じて、酸素濃度センサ２がオペアンプ１２から完全に切り離されたような事象が発生した場合には、ボルテージフォロアの構成を採用するオペアンプ１２の反転入力端子の前段であるトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のエミッタ間を電気的に接続する回路部には、駆動電源Ｖ１からの電圧が電気配線１４を介して分岐されて印加されているから、その反転入力端子には電流が流れることになる。

ここで、電圧クランプ回路１３のクランプ電圧は、かかるオペアンプ１２の反転入力端子の前段に印加される電圧よりも小さく設定されているものであるから、オペアンプ１２の出力端子からはクランプ電圧に等しいハイレベルの電圧が出力されてＥＣＵ３に入力される。よって、酸素濃度センサ２の内部回路や電気配線Ｗに断線が生じた場合には、ＥＣＵ３が、オペアンプ１２の出力電圧がローレベルからハイレベルに変化したことを検出することにより、かかる断線が生じたものと判断することになる。

また、以上の構成において、酸素濃度センサ入力装置１とＥＣＵ３との実装構成につき、更に図６をも参照して、詳細に説明する。

図５は、本実施形態における酸素濃度センサ入力装置とＥＣＵとが同一パッケージ内に配置されて積層された構成を示す断面図である。

図５に示すように、保護ダイオード回路１１ａ、１１ｂ、オペアンプ１２、及び電圧クランプ回路１３を備えるセンサ入力回路４と、酸素濃度センサ２及びセンサ入力回路４間を電気的に接続する電気配線Ｗと、を備える酸素濃度センサ入力装置１は、ＥＣＵ３と共に、同一の筐体等のパッケージＰＫ内に封止されて一体化された構成を有し、所望の支持体ＳＢに載置されて車両等に固定される。かかるパッケージＰＫは、例えば樹脂封止体であり、トランスファーモールド法等により成形される。このような構成によれば、酸素濃度センサ入力装置１とＥＣＵ３とを含む装置構成の全体をコンパクト化することができる。

なお、本実施形態においては、酸素濃度センサ入力装置１から酸素濃度センサ２へ供給される流し出し電流は、酸素濃度センサ２に内燃機関の理論空燃比に対応する酸素濃度基準レベルを設定するために適用されるものとしたが、もちろんこれに限定されるものではなく、酸素濃度センサ２のその他のバイアス電流等に適宜使用し得るものであることはもちろんである。

以上の構成によれば、センサ入力回路が、ボルテージフォロアを構成するオペアンプを備え、酸素濃度センサに対する流し出し電流の電流値は、酸素濃度センサの検出信号における電圧波形が、低電圧側の検出閾値を跨ぐように設定されていることにより、検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化が可能な酸素濃度センサが、要求する酸素濃度規準レベル等を設定するための微小な一定電流を、簡便な構成で供給することができると共に、酸素濃度センサやその関連の配線の断線が、簡便な構成で判別し得る構成を実現する。

また、流し出し電流の電流値が、酸素濃度センサの入力インピーダンスに応じて設定されることにより、酸素濃度センサが要求する一定電流を、より簡便な構成で供給することができると共に、酸素濃度センサ等の断線を簡便な構成で判別し得る構成を実現する。

また、オペアンプの駆動電源の電圧が、オペアンプの入力段の電気回路に対しても印加されることにより、流し出し電流が、酸素濃度センサに対して供給されることとなって、酸素濃度センサが要求する一定電流を、より簡便な構成で確実に供給することができると共に、酸素濃度センサ等の断線を簡便な構成で判別し得る構成を実現する。

また、酸素濃度センサの内部回路、又は酸素濃度センサ及びセンサ入力回路の間の電気配線に、断線が生じた場合には、オペアンプの出力電圧が、オペアンプのクランプ電圧となることにより、かかる断線時にオペアンプの出力電圧が確実にローレベルからハイレベルへと変化して、酸素濃度センサ等の断線を簡便な構成でより確実に判別することができる。

また、酸素濃度センサ入力装置と、酸素濃度センサの検出信号が入力されるマイクロコンピュータと、が同一のパッケージ内に配置されていることにより、装置構成の全体をコンパクト化することができる。

なお、本発明においては、部材の種類、配置、個数等は前述の実施形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

以上のように、本発明においては、検出分解能を高めながら、その検出動作領域の広帯域化が可能な酸素濃度センサが要求する付加的な電流を、簡便な構成で供給しながら、酸素濃度センサやその関連の配線の断線の判別が簡便な構成で実現できる酸素濃度センサ入力装置を提供することができ、その汎用普遍的な性格から車両等の空燃比制御装置に広範に適用され得るものと期待される。

１…酸素濃度センサ入力装置
２…酸素濃度センサ
３…ＥＣＵ
４…センサ入力回路
１１ａ、１１ｂ…保護ダイオード回路
１２…オペアンプ
１３…電圧クランプ回路
１４…電気配線
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗素子
Ｖ１…駆動電源
Ｖ２…クランプ電源

Claims (5)

1. 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサに対して流し出し電流を供給自在なセンサ入力回路を備える酸素濃度センサ入力装置であって、
   前記センサ入力回路は、ボルテージフォロアを構成するオペアンプを備え、
   前記流し出し電流の電流値は、前記酸素濃度センサの検出信号における電圧波形が、前記低電圧側の検出閾値を跨ぐように設定されることを特徴とする酸素濃度センサ入力装置。
2. 前記流し出し電流の前記電流値は、前記酸素濃度センサの入力インピーダンスに応じて設定されることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度センサ入力装置。
3. 前記流し出し電流は、前記オペアンプの駆動電源の電圧が、前記オペアンプの入力段の電気回路に対しても印加されることにより、前記オペアンプの非反転入力端子から前記酸素濃度センサに対して供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃度センサ入力装置。
4. 前記酸素濃度センサの内部回路、又は前記酸素濃度センサ及び前記センサ入力回路の間の電気配線に、断線が生じた場合には、前記オペアンプの出力電圧が、前記オペアンプのクランプ電圧となることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の酸素濃度センサ入力装置。
5. 前記酸素濃度センサ入力装置と、前記酸素濃度センサの検出信号が入力されるマイクロコンピュータと、が同一のパッケージ内に配置されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の酸素濃度センサ入力装置。

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