JP2013213723A - 酸素センサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で酸素センサの正確なインピーダンス検出と酸素センサによる精密な空燃比制御を両立可能とし、排ガスの各ガス成分について高い浄化率の維持に寄与することのできる酸素センサ制御装置を提供する。
【解決手段】酸素センサ１０に直列接続されるシャント抵抗Ｒｓと、シャント抵抗Ｒｓの高電位側に接続され、インピーダンス検出期間と空燃比制御期間とで、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流を切り替えるインピーダンス計測切替回路２０と、酸素センサ１０の起電力が急変する空燃比をリッチ側またはリーン側に移行させて制御するため、酸素センサ１０から引き込みまたは酸素センサ１０へ流し込みする電流を所定の値に設定する定電流回路４０とを有してなり、定電流回路４０が、酸素センサ１０の高電位側とインピーダンス計測切替回路２０の間に接続されてなる酸素センサ制御装置１００，１１０とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御に用いられる、酸素センサの制御装置に関する。

内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサの制御装置および制御方法が、特開２００４−１７７１７８号公報（特許文献１）と特開昭６１−２６８５３号公報（特許文献２）に開示されている。

自動車の空燃比制御システムでは、酸素センサにより排気ガス中の酸素濃度を検出し、この検出値に基づいてエンジンに吸入する混合気の空燃比をフィードバック制御することで、触媒による排気ガス浄化性能を高めるようにしている。酸素センサは一般的に出力電圧の温度依存性が大きいため、酸素濃度の検出精度を良好に維持するためには、酸素センサの素子温度を適温（活性温度）に保つ必要がある。そのため、酸素センサにヒータを付設し、ヒータの発熱により、素子温度を活性温度（例えば約６００℃以上）に保つように制御するものがある。また、ヒータへの通電をフィードバック制御するためには素子温度を検出する必要があるが、酸素センサに温度センサを配置すると大型化やコストアップ要因となる。このため、酸素センサのインピーダンス（素子抵抗）が素子温度に応じて変化することに着目し、該インピーダンスを検出して素子温度を算出する方法が提案されている。

特許文献１には、上記した酸素センサのインピーダンス検出装置の一例が記載されている。また、図１４（ａ）は、上記した酸素センサの素子温度とインピーダンスの関係の一例を示した図であり、図１４（ｂ）は、酸素センサのインピーダンス検出期間と酸素センサによる空燃比制御期間のフローの一例を示した図である。

図１５（ａ）は、特許文献１と同様の従来の酸素センサ制御装置９０で、その要部の回路構成を示した図である。また、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）の酸素センサ制御装置９０において、インピーダンス計測切替回路２０を構成している２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２のタイミングチャートを示した図である。

図１５（ａ）に示す酸素センサ制御装置９０は、内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサ１０の制御装置である。

図１５（ａ）の酸素センサ制御装置９０は、酸素センサ１０のインピーダンスＺを検出して温度を制御するため、酸素センサ１０に直列接続されるシャント抵抗Ｒｓを有している。また、酸素センサ制御装置９０は、電子制御装置（ＥＣＵ）３０からの信号を受けて、図１５（ｂ）に示す酸素センサ１０のインピーダンス検出期間と酸素センサ１０による空燃比制御期間とで、直列接続されたシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０に流れる電流の値を切り替える、インピーダンス計測切替回路２０を有している。図１５（ａ）に示すインピーダンス計測切替回路２０は、電源電位ＶＣＣと接地電位の間で直列された２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２で構成されている。そして、酸素センサ制御装置９０においては、接続点Ｐ１で直列接続されたシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０が、２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２の接続点Ｐ２と接地電位の間に挿入されている。酸素センサ１０のインピーダンスＺは、図１５（ｂ）の掃引期間において酸素センサ１０に印加する電圧を掃引し、図１５（ａ）中に示した算出式によって検出される。また、図１５（ｂ）の空燃比制御期間において酸素センサ１０の起電力を分圧して読み出すための抵抗Ｒ１，Ｒ２が、接続点Ｐ２とシャント抵抗Ｒｓの間に接続されている。

自動車等の内燃機関から排出される排ガスは、一般的に三元触媒によって浄化される。酸素センサ１０は、理論空燃比（１４．７：１）相当の酸素濃度（空気割合λ＝１）付近を境に、起電力が大きく変化する。ＥＣＵ３０は、この酸素センサ１０の起電力変化を読み取って、最適の空燃比となるようにインジェクタの燃料噴射時間を決定している。

特開２００４−１７７１７８号公報 特開昭６１−２６８５３号公報

一方、排ガスには、炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の種々のガス成分が含まれている。これら排ガスに含まれるガス成分のうち、ＨＣとＣＯは空燃比が理論空燃比より燃料リッチ側（λ＜１）になると浄化率が低下し、ＮＯｘは空燃比が理論空燃比よりリーン側（λ＞１）になると浄化率が低下する。このため、ＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの各ガス成分について浄化率を最大とするためには、精密な空燃比の制御が必要になる。この酸素センサによる空燃比制御を精密に行うために、例えば、特許文献２に開示されているように、酸素センサから電流を引き込みまたは酸素センサへ電流を流し込みして、起電力が大きく変化する空燃比を所定の制御目標に移行させる方法が利用できる。

図１６は、上記した空気割合λ（空燃比）とＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの各浄化率の関係、および酸素センサから電流を引き込み（−）または酸素センサへ電流を流し込み（＋）した場合の空気割合λ（空燃比）に対する酸素センサの起電力変化について、まとめて示した図である。例えばＮＯｘを安定的に除去するためには、図１６において左向きの白抜き矢印で示したように酸素センサから３００μＡの電流を引き込んで、酸素センサの起電力が大きく変化する空燃比をλ＝０．９７０５付近に移行させて、空燃比の制御を行う。

酸素センサによる酸素濃度の検出精度を維持するためには、前述したように酸素センサのインピーダンスを正確に検出して、酸素センサの素子温度を適温に保つ必要がある。また、上述したように排ガスに含まれる各ガス成分について浄化率を最大とするためには、酸素センサによる精密な空燃比の制御が必要で、酸素センサから電流を引き込みまたは酸素センサへ電流を流し込みして、起電力が大きく変化する空燃比を所定の制御目標に正確に移行させる必要がある。

以上のように、酸素センサによる酸素濃度の検出精度維持と酸素センサによる空燃比制御の精密化については、それぞれ、個別の技術提案がなされてきている。しかしながら、これら２つの技術の具体的な組み合わせについては、まだ検討されていない。上記した２つの技術は、どちらも酸素センサに流れる電流の制御が必要であり、組み合わせに方よっては相互干渉が起きて、酸素濃度の検出精度や空燃比の制御精度に支障をきたしてしまう。

そこで本発明は、内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサの制御装置であって、簡単な構成で酸素センサの正確なインピーダンス検出と酸素センサによる精密な空燃比制御を両立可能とし、排ガスの各ガス成分について高い浄化率の維持に寄与することのできる酸素センサの制御装置を提供することを目的としている。

本発明に係る酸素センサ制御装置は、内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサの制御装置であって、酸素センサのインピーダンスを検出して温度を制御するため、該酸素センサに直列接続されるシャント抵抗と、シャント抵抗の高電位側に接続され、酸素センサのインピーダンス検出期間と酸素センサによる空燃比制御期間とで、シャント抵抗に流れる電流を切り替えるインピーダンス計測切替回路と、酸素センサの起電力が急変する空燃比を理論空燃比からリッチ側またはリーン側に移行させて制御するため、酸素センサから引き込みまたは酸素センサへ流し込みする電流を所定の値に設定する定電流回路とを有している。そして、前記定電流回路が、酸素センサの高電位側とインピーダンス計測切替回路の間に接続されてなる構成としている。

上記酸素センサ制御装置は、酸素センサに直列接続されるシャント抵抗を有している。酸素センサは、一般的に出力電圧の温度依存性が大きく、酸素濃度の検出精度を良好に維持するためには、素子温度を適温（活性温度で、例えば約６００℃以上）に保持する必要がある。該素子温度の制御は、通常、素子温度を検出して、酸素センサに付設されているヒータへの通電をフィードバック制御することで行う。

シャント抵抗は、上記したフィードバック制御をするため酸素センサの素子温度を検出するもので、酸素センサのインピーダンス（抵抗）が素子温度により変化することを利用している。該シャント抵抗は、酸素センサに直列接続されており、該シャント抵抗の両端電位を測定することで、シャント抵抗（従って、酸素センサ）に流れる電流を算出することができ、酸素センサの両端電位と合わせてインピーダンスを検出することができる。この検出されたインピーダンスから、酸素センサの素子温度を算出する。

また、上記酸素センサ制御装置は、シャント抵抗の高電位側に接続されるインピーダンス計測切替回路を有している。該インピーダンス計測切替回路は、酸素センサのインピーダンス検出期間と酸素センサによる空燃比制御期間とで、シャント抵抗に流れる電流を切り替えるものである。

酸素センサのインピーダンス検出期間においては、上記したように、直列接続されているシャント抵抗と酸素センサに電流を流すことによって、酸素センサの素子温度を検出することができる。一方、酸素センサは、理論空燃比（１４．７：１、理論空燃比に必要な空気量に対する供給空気量の空気割合λ＝１）相当の酸素濃度付近を境に起電力が大きく変化し、この酸素センサの起電力変化をＥＣＵが読み取って、最適の空燃比となるようにインジェクタの燃料噴射時間を決定している。従って、酸素センサによる空燃比制御期間においては、基本的には、酸素センサ（および直列接続されているシャント抵抗）に電流を流す必要はない。

しかしながら、排ガスに含まれる各ガス成分について個別に浄化率を高めるためには、前述したように、酸素センサに電流を流して、起電力が大きく変化する空燃比を燃料リッチ側またはリーン側の所定の制御目標に正確に移行させる必要がある。この場合には、インピーダンス検出期間だけでなく、空燃比制御期間においても、酸素センサに所定の電流を流すことが必要になる。

上記酸素センサ制御装置は、前述したシャント抵抗とインピーダンス計測切替回路に加えて、酸素センサの起電力が急変する空燃比を理論空燃比からリッチ側またはリーン側に移行させるための定電流回路を有している。該定電流回路は、酸素センサから所定の値に設定された電流を引き込むことによって起電力が急変する空燃比をリッチ側に移行させ、あるいは酸素センサへ所定の値に設定された電流を流し込むことによって起電力が急変する空燃比をリーン側に移行させるものである。例えば、排ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）は、空燃比が理論空燃比よりリッチ側（λ＜１）になると三元触媒による浄化率が低下するため、酸素センサへ電流を流し込んで、起電力が急変する空燃比をリーン側（λ＞１）に移行させて制御する。一方、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、空燃比が理論空燃比よりリーン側なると浄化率が低下するため、酸素センサから電流を引き込むことによって、起電力が急変する空燃比をリーン側に移行させて制御する。

以上のように、排ガスに含まれる各ガス成分について個別に浄化率を高めるためには、酸素センサのインピーダンス検出期間だけでなく、酸素センサによる空燃比制御期間においても、酸素センサに電流を流すことが必要である。一方、酸素センサのインピーダンス検出に必要な電流と、空燃比をリッチ側またはリーン側に移行させるために必要な電流とでは、電流値が大きく異なり、後者において数桁小さい電流値の制御が必要になる。

以上に説明したインピーダンス（素子温度）検出による酸素センサの検出精度の維持、および酸素センサによる空燃比制御の精密化については、背景技術で説明したように、これまで個別の技術提案がなされてきている。しかしながら、これら２つの技術の組み合わせについては、これまで検討されてきていなかった。上記した２つの技術は、どちらも酸素センサに流れる電流の制御が必要であり、組み合わせに方よっては相互干渉が起きて、酸素濃度の検出精度や空燃比の制御精度に支障をきたしてしまう。

そこで、上記酸素センサ制御装置においては、酸素センサの正確なインピーダンス検出と酸素センサによる精密な空燃比制御を簡単な構成で両立させるため、空燃比をリッチ側またはリーン側に移行させるための定電流回路が、酸素センサの高電位側とインピーダンス計測切替回路の間に接続されてなる構成をとっている。

インピーダンス検出期間で酸素センサに流す電流と空燃比制御期間で酸素センサに流す電流は、それぞれ、必要な期間において、独立してＯＮ−ＯＦＦ制御するようにしてもよい。しかしながら、上記酸素センサ制御装置では、上述した定電流回路の接続構成を採用して、インピーダンス検出期間と空燃比制御期間について、酸素センサに流れる電流値の切り替えをインピーダンス計測切替回路により同時に行わせるようにしている。これによって、簡単な回路構成で、酸素センサのインピーダンス検出と酸素センサによる空燃比制御の両立が可能となる。

上記酸素センサ制御装置は、特に、定電流回路が、シャント抵抗と酸素センサの間に接続されてなる構成をとることが好ましい。

これによれば、空燃比制御期間においてシャント抵抗には定電流回路の電流が流れない構成となるため、酸素センサの起電力を検出するにあたって定電流回路の電流によるシャント抵抗の両端電圧を考慮する必要がなく、起電力の測定精度を高めることができる。

一方、上記酸素センサ制御装置は、例えば、定電流回路が、インピーダンス計測切替回路とシャント抵抗の間に接続されてなる構成をとることもできる。

この場合には、空燃比制御期間においてシャント抵抗に定電流回路の電流が流れる構成となるため、酸素センサの起電力を検出するにあたって、定電流回路の電流によるシャント抵抗の両端電圧を差し引く必要がある。しかしながら、インピーダンス検出時には、シャント抵抗と酸素センサには同じ電流が流れて定電流回路の影響を受けにくいため、酸素センサのインピーダンスの測定精度が高められ、酸素センサをより正確に温度制御することができる。

上記酸素センサ制御装置においては、定電流回路が、定電流源と、前記定電流源を電流入力ラインに有し、電流出力ラインに接続された酸素センサから電流を引き込みまたは酸素センサへ電流を流し込む、カレントミラー回路とで構成されてなることが好ましい。カレントミラー回路を用いる上記回路構成によれば、酸素センサからの電流の引き込みや酸素センサへの電流の流し込みを種々の回路パターンで実現することができる。

上記定電流回路の構成を採用する場合、定電流源の電流の値が、変更可能に構成されてなることが好ましい。これによれば、酸素センサから引き込みする電流や酸素センサへ流し込みする電流の値を適宜変更することで、酸素センサの起電力が急変する空燃比を精密に制御することができる。

また、上記酸素センサ制御装置は、排ガスに含まれる任意のガス成分に対応できるよう、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みが、変更可能に構成されてなることが好ましい。

また、上記酸素センサ制御装置は、酸素センサのインピーダンス検出期間において、定電流回路による酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを停止させる、停止回路を有してなることが好ましい。

これによれば、定電流回路をシャント抵抗と酸素センサの間に接続する場合であっても、インピーダンス検出期間において、シャント抵抗に流れる電流がそのまま直列接続された酸素センサに流れる電流となる。このため、定電流回路による酸素センサからの引き込みまたは酸素センサへの流し込み電流を考慮する必要がなく、酸素センサのインピーダンスの測定精度を高めることができる。

停止回路は、例えば、カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートと電源電位または接地電位の間に挿入されたゲートトランジスタを有してなり、酸素センサのインピーダンス検出期間において、前記ゲートトランジスタがＯＮして、カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートの電位を電源電位または接地電位に固定することにより、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを停止させる構成とすることができる。

また、カレントミラー回路の電流出力ラインと酸素センサの間にダイオードが挿入されると共に、電流出力ラインに出力制御トランジスタが挿入されてなり、酸素センサのインピーダンス検出期間において、出力制御トランジスタがＯＮまたはＯＦＦすることにより、前記ダイオードを介して、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを停止させる構成とすることもできる。

この場合には、所定の立ち上り時間を要する前述のゲートトランジスタを使用することなく、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを即時停止させることができる。

他にも、２つのカレントミラー回路の電流出力ラインが、直列に接続され、該接続点と酸素センサとが、１本の配線で接続されてなり、カレントミラー回路の一方の電流入力ラインに流れる電流の値が、変更可能に構成されてなり、酸素センサのインピーダンス検出期間において、２つのカレントミラー回路の電流出力ラインに流れる電流を等しくすることで、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを停止させる構成としてもよい。これによっても、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを即時停止させることができる。

上記酸素センサ制御装置は、例えば、インピーダンス計測切替回路が、電源電位と接地電位の間で直列された２つのトランジスタで構成されてなり、直列接続されたシャント抵抗と酸素センサが、前記２つのトランジスタの接続点と接地電位の間に挿入されてなる構成とすることができる。

また、インピーダンス計測切替回路が、交流電圧を出力するアンプと、該アンプの出力をＯＮ−ＯＦＦする切替スイッチとで構成されてなり、直列接続されたシャント抵抗と酸素センサが、前記アンプの出力ラインに接続されてなる構成であってもよい。

以上のようにして、上記した酸素センサ制御装置は、いずれも、内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサの制御装置であって、簡単な構成で、酸素センサの正確なインピーダンス検出と酸素センサによる精密な空燃比制御が両立可能であり、排ガスの各ガス成分について高い浄化率の維持に寄与することのできる酸素センサの制御装置とすることができる。

（ａ），（ｂ）は、本発明に係る酸素センサ制御装置の要部の構成例を示した図で、それぞれ、酸素センサ制御装置１００，１１０のブロック図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１（ａ），（ｂ）の酸素センサ制御装置１００，１１０を具体化した例で、酸素センサ制御装置１０１，１１１の回路構成を示した図である。 インピーダンス計測切替回路の別の構成例を示す図で、（ａ）は別構成のインピーダンス計測切替回路２１を有する酸素センサ制御装置１０２の回路図であり、（ｂ）は（ａ）の等価回路図と酸素センサ１０のインピーダンスＺの算出式を示す図である。 （ａ）は、図１（ａ）に示した酸素センサ制御装置１００の変形例で、酸素センサ制御装置１００ａのブロック図である。また、（ｂ）は、（ａ）の酸素センサ制御装置１００ａを具体化した例で、酸素センサ制御装置１０３の回路構成を示した図である。 図４に示した酸素センサ制御装置１００ａ，１０３について、酸素センサ１０のインピーダンス検出期間と酸素センサ１０による空燃比制御期間のフローの一例を示した図である。 別の例で、酸素センサ制御装置１０４の回路構成を示した図である。 （ａ），（ｂ）は、図６の定電流回路４０ａを構成している各定電流源Ｊ１〜Ｊ３について、好ましい構成例を示した図で、それぞれ定電流源Ｊａ，Ｊｂの回路構成図である。 図６に示した酸素センサ制御装置１０４の変形例で、酸素センサ制御装置１０５の回路構成を示した図である。 別の例で、酸素センサ制御装置１０６の回路構成を示した図である。 別の例で、酸素センサ制御装置１０７の回路構成を示した図である。 別の例で、酸素センサ制御装置１０８の回路構成を示した図である。 図９に示した酸素センサ制御装置１０６の変形例で、酸素センサ制御装置１０９の回路構成を示した図である。 図６に示した酸素センサ制御装置１０４の変形例で、酸素センサ制御装置１１２の回路構成を示した図である。 （ａ）は、酸素センサの素子温度とインピーダンスの関係の一例を示した図であり、（ｂ）は、酸素センサのインピーダンス検出期間と酸素センサによる空燃比制御期間のフローの一例を示した図である。 （ａ）は、従来の酸素センサ制御装置９０で、その要部の回路構成を示した図である。（ｂ）は、（ａ）の酸素センサ制御装置９０において、インピーダンス計測切替回路２０を構成している２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２のタイミングチャートを示した図である。 空気割合λ（空燃比）とＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘの各浄化率の関係、および酸素センサから電流を引き込み（−）または酸素センサへ電流を流し込み（＋）した場合の空気割合λ（空燃比）に対する酸素センサの起電力変化について、まとめて示した図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る酸素センサ制御装置の要部の構成例を示した図で、それぞれ、酸素センサ制御装置１００，１１０のブロック図である。また、図２（ａ），（ｂ）は、それぞれ、図１（ａ），（ｂ）の酸素センサ制御装置１００，１１０を具体化した例で、酸素センサ制御装置１０１，１１１の回路構成を示した図である。尚、図１と図２に示す各酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１において、図１５（ａ）に示した酸素センサ制御装置９０と同様の部分については、同じ符号を付した。

各酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１によるインピーダンス検出期間と空燃比制御期間のフロー図は、図１４（ｂ）と同様である。また、図２に示す酸素センサ制御装置１０１，１１１において、インピーダンス計測切替回路２０を構成している２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２のタイミングチャートは、図１５（ｂ）と同様である。従って、以下では、図１４（ｂ）に示したフロー図と図１５（ｂ）に示したタイミングチャートも参照しながら、各酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１の動作を説明する。

図１と図２に示す酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１は、いずれも、内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサ１０の制御装置であって、シャント抵抗Ｒｓ、インピーダンス計測切替回路２０、および定電流回路４０を有している。

シャント抵抗Ｒｓは、酸素センサ１０のインピーダンスを検出して温度を制御するため、接続点Ｐ１で酸素センサ１０に直列接続されている。インピーダンス計測切替回路２０は、接続点Ｐ２でシャント抵抗Ｒｓの高電位側に接続され、図１４（ｂ）と図１５（ｂ）に示した酸素センサ１０のインピーダンス検出期間と酸素センサ１０による空燃比制御期間とで、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流を切り替える。また、定電流回路４０は、図１６に示したように、酸素センサ１０の起電力が急変する空燃比（空気割合λ）を理論空燃比（λ＝１）からリッチ側またはリーン側に移行させて制御するため、酸素センサ１０から引き込みまたは酸素センサ１０へ流し込みする電流を所定の値に設定する。

尚、図１（ａ）および図２（ａ）の酸素センサ制御装置１００，１０１と、図１（ｂ）および図２（ｂ）の酸素センサ制御装置１０１，１１１とでは、定電流回路４０の接続位置が異なっている。図１（ａ），図２（ａ）の酸素センサ制御装置１００，１０１は、定電流回路４０がシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０の間の接続点Ｐ１に接続された構成となっており、図１（ｂ），図２（ｂ）の酸素センサ制御装置１１０，１１１は、定電流回路４０がインピーダンス計測切替回路２０とシャント抵抗Ｒｓの間の接続点Ｐ２に接続された構成となっている。

図１と図２に示す酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１は、いずれも、酸素センサ１０に直列接続されるシャント抵抗Ｒｓを有している。酸素センサ１０は、一般的に出力電圧の温度依存性が大きく、酸素濃度の検出精度を良好に維持するためには、素子温度を適温（活性温度で、例えば約６００℃以上）に保持する必要がある。素子温度の制御は、通常、酸素センサ１０の素子温度を検出して付設されているヒータ（図示省略）への通電をフィードバック制御することで行う。

シャント抵抗Ｒｓは、上記したフィードバック制御をするために酸素センサ１０の素子温度を検出するもので、図１４（ａ）で例示したように、酸素センサ１０のインピーダンス（抵抗）Ｚが素子温度により変化することを利用している。シャント抵抗Ｒｓは、接続点Ｐ１で酸素センサ１０に直列接続されており、図２に示すように、シャント抵抗Ｒｓの両端電位（ＡＤ信号１とＡＤ信号２）を測定する。これによって、シャント抵抗Ｒｓ（従って、酸素センサ１０）に流れる電流を算出することができ、酸素センサ１０の両端電位（ＡＤ信号１とＧＮＤ）と合わせてインピーダンスＺを検出することができる。この検出されたインピーダンスＺから、図１４（ａ）で例示した関係により、酸素センサ１０の素子温度を算出することができる。

また、図１と図２に示す酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１は、いずれも、シャント抵抗Ｒｓの高電位側に接続されるインピーダンス計測切替回路２０を有している。インピーダンス計測切替回路２０は、図１４（ｂ）および図１５（ｂ）に示した酸素センサ１０のインピーダンス検出期間と酸素センサ１０による空燃比制御期間とで、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流を切り替えるものである。

インピーダンス検出期間においては、上記したように直列接続されているシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０に電流を流すことで、酸素センサ１０の素子温度を検出することができる。一方、酸素センサ１０は、図１６で例示したように、理論空燃比（１４．７：１、理論空燃比に必要な空気量に対する供給空気量の空気割合λ＝１）相当の酸素濃度付近を境に起電力が大きく変化し、この起電力変化をＥＣＵ３０が読み取って、最適の空燃比となるようにインジェクタ（図示省略）の燃料噴射時間を決定している。従って、空燃比制御期間においては、基本的には、酸素センサ１０（および直列接続されているシャント抵抗Ｒｓ）に電流を流す必要はない。

しかしながら、排ガスに含まれる各ガス成分について個別に浄化率を高めるためには、図１６で例示したように、酸素センサ１０に電流を流して、起電力が大きく変化する空燃比を燃料リッチ側またはリーン側の所定の制御目標に正確に移行させる必要がある。この場合には、インピーダンス検出期間だけでなく、空燃比制御期間においても酸素センサ１０に所定の電流を流すことが必要になる。

図１と図２に示す酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１は、いずれも、前述したシャント抵抗Ｒｓとインピーダンス計測切替回路２０に加えて、酸素センサ１０の起電力が急変する空燃比を理論空燃比からリッチ側またはリーン側に移行させるための定電流回路４０を有している。該定電流回路４０は、酸素センサ１０から所定の値に設定された電流を引き込むことによって起電力が急変する空燃比をリッチ側に移行させ、あるいは酸素センサ１０へ所定の値に設定された電流を流し込むことによって起電力が急変する空燃比をリーン側に移行させるものである。

例えば、図１６に示したように、排ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）と一酸化炭素（ＣＯ）は、空燃比が理論空燃比よりリッチ側（λ＜１）になると三元触媒による浄化率が低下するため、酸素センサ１０へ電流を流し込んで（＋）、起電力が急変する空燃比をリーン側（λ＞１）に移行させて制御する。一方、窒素酸化物（ＮＯｘ）は、空燃比が理論空燃比よりリーン側なると浄化率が低下するため、酸素センサ１０から電流を引き込む（−）ことによって、起電力が急変する空燃比をリーン側に移行させて制御する。尚、図２（ａ），（ｂ）に示す酸素センサ制御装置１０１，１１１は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の浄化率を高めるため、図中に矢印で示したように、酸素センサ１０から所定の値に設定された電流Ｉ１を引き込む構成となっている。

以上のように、排ガスに含まれる各ガス成分について個別に浄化率を高めるためには、インピーダンス検出期間だけでなく、空燃比制御期間においても酸素センサ１０に電流を流すことが必要である。一方、酸素センサ１０のインピーダンス検出に必要な電流と空燃比をリッチ側またはリーン側に移行させるために必要な電流とでは、電流値が大きく異なり、後者において数桁小さい電流値の制御が必要になる。

以上に説明したインピーダンス（素子温度）検出による酸素センサ１０の検出精度維持と酸素センサ１０による空燃比制御の精密化については、背景技術で説明したように、これまで個別の技術提案がなされてきている。しかしながら、これら２つの技術の組み合わせについては、これまで検討されてきていなかった。上記した２つの技術は、どちらも酸素センサ１０に流れる電流の制御が必要であり、組み合わせに方よっては、相互干渉が起きて酸素濃度の検出精度や空燃比の制御精度に支障をきたしてしまう。

そこで、図１と図２に示す酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１においては、酸素センサ１０の正確なインピーダンス検出と酸素センサ１０による精密な空燃比制御を簡単な回路で両立させるため、次の回路構成を採用している。すなわち、酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１では、空燃比をリッチ側またはリーン側に移行させるための定電流回路４０が、酸素センサ１０の高電位側とインピーダンス計測切替回路２０の間に接続された回路構成をとっている。より詳しくは、図１（ａ），図２（ａ）の酸素センサ制御装置１００，１０１では、定電流回路４０がシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０の間の接続点Ｐ１に接続された構成となっており、図１（ｂ），図２（ｂ）の酸素センサ制御装置１０１，１１１では、定電流回路４０がインピーダンス計測切替回路２０とシャント抵抗Ｒｓの間の接続点Ｐ２に接続された構成となっている。

インピーダンス検出期間で酸素センサ１０に流す電流と空燃比制御期間で酸素センサ１０に流す電流は、それぞれ、必要な期間において、独立してＯＮ−ＯＦＦ制御するようにしてもよい。しかしながら、図１（ａ），図２（ａ）の酸素センサ制御装置１００，１０１および図１（ｂ），図２（ｂ）の酸素センサ制御装置１０１，１１１では、それぞれ上記した定電流回路４０の接続構成を採用して、インピーダンス検出期間と空燃比制御期間について、酸素センサ１０に流れる電流値の切り替えをインピーダンス計測切替回路２０により同時に行わせる。これによって、簡単な回路構成で、酸素センサ１０のインピーダンス検出と酸素センサ１０による空燃比制御の両立が可能となる。

次に、図１（ａ），図２（ａ）に示す酸素センサ制御装置１００，１０１と図１（ｂ），図２（ｂ）に示す酸素センサ制御装置１１０，１１１の違いについて説明する。

前述したように、定電流回路４０が酸素センサ１０の高電位側とインピーダンス計測切替回路２０の間に接続されていれば、簡単な回路構成で、酸素センサ１０の正確なインピーダンス検出と酸素センサ１０による空燃比制御が両立可能である。しかしながら、酸素センサ１０の起電力の測定精度を高めるには、図１（ａ），図２（ａ）の酸素センサ制御装置１００，１０１のように、定電流回路４０が、シャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０の間に接続されてなる構成をとることが好ましい。これによれば、空燃比制御期間においてシャント抵抗Ｒｓには定電流回路４０の電流が流れない構成となるため、酸素センサ１０の起電力を検出するにあたって定電流回路４０の電流によるシャント抵抗Ｒｓの両端電圧を考慮する必要がなく、起電力の測定精度を高めることができる。

一方、酸素センサ１０のインピーダンスＺの測定精度を高めるため、図１（ｂ），図２（ｂ）の酸素センサ制御装置１１０，１１１のように、定電流回路４０が、インピーダンス計測切替回路２０とシャント抵抗Ｒｓの間に接続されてなる構成をとることもできる。この場合には、空燃比制御期間においてシャント抵抗Ｒｓに定電流回路４０の電流が流れる構成となるため、酸素センサ１０の起電力を検出するにあたって定電流回路４０の電流によるシャント抵抗Ｒｓの両端電圧を差し引く必要がある。しかしながら、酸素センサ１０のインピーダンス検出時には、シャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０には同じ電流が流れて定電流回路４０の影響を受けにくいため、インピーダンスＺの測定精度が高められ、酸素センサ１０をより正確に温度制御することができる。

次に、図２（ａ），（ｂ）に示す酸素センサ制御装置１０１，１１１の細部について説明する。

図２の酸素センサ制御装置１０１，１１１においては、定電流回路４０が、定電流源４１と、定電流源４１を電流入力ラインに有し、電流出力ラインに接続された酸素センサ１０から電流を引き込む、カレントミラー回路Ｃ１とで構成されている。尚、以降に例示する各酸素センサ制御装置においても、定電流回路が、定電流源と、該定電流源を電流入力ラインに有し、電流出力ラインに接続された酸素センサから電流を引き込みまたは酸素センサへ電流を流し込む、カレントミラー回路とで構成された例となっている。カレントミラー回路を用いる上記回路構成によれば、酸素センサ１０からの電流の引き込みや酸素センサ１０への電流の流し込みを種々の回路パターンで実現することができる。

また、図２の酸素センサ制御装置１０１，１１１は、図１５の酸素センサ制御装置９０と同様に、インピーダンス計測切替回路２０が、電源電位ＶＣＣと接地電位の間で直列された２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２で構成されている。そして、直列接続されたシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０が、２つのトランジスタＳＷ１，ＳＷ２の接続点Ｐ２と接地電位の間に挿入されている。前述したように、酸素センサ１０のインピーダンスＺは、図１５（ｂ）の掃引期間において酸素センサ１０に印加する電圧を掃引し、図１５（ａ）中に示した算出式によって検出される。

図２の酸素センサ制御装置１０１，１１１は、図１５の酸素センサ制御装置９０と同様に、酸素センサ１０の起電力を分圧して読み出すための抵抗Ｒ１，Ｒ２が、接続点Ｐ２とシャント抵抗Ｒｓの間に接続されている。図１５（ｂ）の空燃比制御期間では、該抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して酸素センサ１０の起電力が読み出され、ＥＣＵ３０により最適の空燃比となるようにインジェクタの燃料噴射時間が決定される。

図２に示す酸素センサ制御装置１０１，１１１のインピーダンス計測切替回路２０は、別の構成であってもよい。図３は、インピーダンス計測切替回路の別の構成例を示す図で、（ａ）は別構成のインピーダンス計測切替回路２１を有する酸素センサ制御装置１０２の回路図であり、（ｂ）は（ａ）の等価回路図と酸素センサ１０のインピーダンスＺの算出式を示す図である。尚、図３に示す酸素センサ制御装置１０２において、図１（ａ），図２（ａ）の酸素センサ制御装置１００，１０１と同様の部分については、同じ符号を付した。

図３（ａ）に示すインピーダンス計測切替回路２１は、交流電圧を出力するアンプＡ１と、該アンプＡ１の出力をＯＮ−ＯＦＦする切替スイッチＳＷ３とで構成されている。そして、直列接続されたシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０が、接続点Ｐ２で、アンプＡ１の出力ラインに接続された構成となっている。酸素センサ制御装置１０２では、インピーダンス検出期間に切替スイッチＳＷ３をＯＮして、アンプＡ１からインピーダンス検出用の交流信号を出力し、シャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０の接続点Ｐ１の電位をモニタする。そして、図３（ｂ）に示す算出式により、酸素センサ１０のインピーダンスＺを検出する。

次に、図１と図２に示す酸素センサ制御装置１００，１１０，１０１，１１１の変形例について説明する。

図４（ａ）は、図１（ａ）に示した酸素センサ制御装置１００の変形例で、酸素センサ制御装置１００ａのブロック図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）の酸素センサ制御装置１００ａを具体化した例で、酸素センサ制御装置１０３の回路構成を示した図である。また、図５は、図４に示した酸素センサ制御装置１００ａ，１０３について、酸素センサ１０のインピーダンス検出期間と酸素センサ１０による空燃比制御期間のフローの一例を示した図である。

図４（ａ）に示す酸素センサ制御装置１００ａでは、図１（ａ）に示した酸素センサ制御装置１００の回路構成に加えて、停止回路５０を有する回路構成となっている。停止回路５０は、酸素センサ１０のインピーダンス検出期間において、定電流回路４０による酸素センサ１０からの電流の引き込みまたは酸素センサ１０への電流の流し込みを停止させる。例えば、図５のフロー図に示すように、インピーダンス検出期間においてインピーダンス計測を開始する前に停止回路５０をＯＮ動作させて、定電流回路４０による酸素センサ１０からの電流の引き込みまたは酸素センサ１０への電流の流し込みを停止させる。そして、酸素センサ１０による空燃比制御において空燃比計測を開始する前に停止回路５０をＯＦＦ動作させて、定電流回路４０による酸素センサ１０から引き込みまたは酸素センサ１０へ流し込みする電流値を設定する。

図４（ｂ）に示す酸素センサ制御装置１０３の例では、停止回路５１が、ＯＲ素子５１ａとＮチャネルのゲートトランジスタ５１ｂで構成されている。ＯＲ素子５１ａは、インピーダンス計測切替回路２０を構成するトランジスタＳＷ１，ＳＷ２のゲート入力と同じ信号を入力し、トランジスタＳＷ１，ＳＷ２のいずれか一方がＯＮする図１５（ｂ）のインピーダンス検出期間において、Ｈ信号を出力する。ゲートトランジスタ５１ｂは、ＯＲ素子５１ａからのＨ信号を入力し、カレントミラー回路Ｃ１を構成するトランジスタのゲートをＧＮＤに固定して、定電流回路４０による酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みを停止させる。

図４に示す酸素センサ制御装置１００ａ，１０３のように、停止回路５０，５１を有する場合には、定電流回路４０をシャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０の間に接続する場合であっても、インピーダンス検出期間において、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流がそのまま直列接続された酸素センサ１０に流れる電流となる。このため、定電流回路４０による酸素センサ１０からの引き込みまたは酸素センサ１０への流し込み電流を考慮する必要がなく、酸素センサ１０のインピーダンスＺの測定精度を高めることができる。

図６は、別の例で、酸素センサ制御装置１０４の回路構成を示した図である。

図６に示す酸素センサ制御装置１０４は、定電流源４１ａと５段で構成されたカレントミラー回路Ｃａ１〜Ｃａ５からなる定電流回路４０ａを有している。そして、該定電流回路４０ａにより、酸素センサ制御装置１０４は、排ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）のそれぞれのガス成分に対応して、酸素センサ１０からの電流の引き込みまたは酸素センサ１０への電流の流し込みが、変更可能に構成されている。

すなわち、図６に示す酸素センサ制御装置１０４は、ＮＯｘ除去に適した空燃比の制御とＣＯ除去に適した空燃比の制御を、制御ガス切替回路Ｓ１，Ｓ２で切り替える。制御ガス切替回路Ｓ１は、インバータ素子Ｓ１ａとカレントミラー回路Ｃａ３のゲートに接続するＮチャネルのトランジスタＳ１ｂで構成されており、制御ガス切替回路Ｓ２は、インバータ素子Ｓ２ａとカレントミラー回路Ｃａ５のゲートに接続するＰチャネルのトランジスタＳ２ｂで構成されている。そして、ＮＯｘ除去に適した空燃比で制御するため、ＥＣＵ３０の端子ＮＯｘ＿ＳＷからＨ信号が出ている状態で、制御ガス切替回路Ｓ１のトランジスタＳ１ｂのゲートには、インバータ素子Ｓ１ａで反転されたＬ信号が印加される。このため、カレントミラー回路Ｃａ３のゲート電位がＧＮＤに固定されることなく、カレントミラー回路Ｃａ１，Ｃａ３により、酸素センサ１０から右向き矢印の電流Ｉ１が引き込まれる。また、ＣＯ除去に適した空燃比で制御するため、ＥＣＵ３０の端子ＣＯ＿ＳＷからＨ信号が出ている状態で、制御ガス切替回路Ｓ２のトランジスタＳ２ｂのゲートには、インバータ素子Ｓ２ａで反転されたＬ信号が印加される。このため、カレントミラー回路Ｃａ５のゲート電位がＶＣＣに固定されることなく、カレントミラー回路Ｃａ２，Ｃａ４，Ｃａ５により、酸素センサ１０に左向き矢印の電流Ｉ２が流し込まれる。

尚、図６に示す酸素センサ制御装置１０４の例では、停止回路５２が、ＮＯＲ素子５２ａとＰチャネルのゲートトランジスタ５２ｂで構成されている。ＮＯＲ素子５２ａは、インピーダンス検出期間において、Ｌ信号を出力する。ゲートトランジスタ５２ｂは、ＮＯＲ素子５２ａからのＬ信号を入力し、カレントミラー回路Ｃａ１，Ｃａ２を構成するトランジスタのゲートをＶＣＣに固定して、定電流回路４０ａによる酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みを停止させる。

また、図６の酸素センサ制御装置１０４において、定電流回路４０ａを構成している定電流源４１ａは、並列接続された３つの定電流源Ｊ１〜Ｊ３で構成され、定電流源４１ａの電流の値が、ＥＣＵ３０からの信号で変更可能になっている。従って、酸素センサ制御装置１０４では、切替回路Ｓ１によるＮＯｘ除去に適した空燃比、および切替回路Ｓ２によるＣＯ除去に適した空燃比とＨＣ除去に適した空燃比の各制御に対して、それぞれに適した電流値を設定することができる。

以上のように、図６に示す酸素センサ制御装置１０４は、排ガスに含まれる任意のガス成分に対応できるよう、酸素センサ１０からの電流の引き込みまたは酸素センサ１０への電流の流し込みが変更可能に構成されている。また、酸素センサ１０から引き込みする電流Ｉ１や酸素センサ１０へ流し込みする電流Ｉ２の値も適宜変更することが可能で、酸素センサ１０の起電力が急変する空燃比を精密に制御することができる。

図７（ａ），（ｂ）は、図６の定電流回路４０ａを構成している各定電流源Ｊ１〜Ｊ３について、好ましい構成例を示した図で、それぞれ定電流源Ｊａ，Ｊｂの回路構成図である。

図７（ａ）に示す定電流源Ｊａは、アンプＡ２とバンドギャップ基準電位（ＢＧＲ）を用いた構成で、図中のＶ１＝ＢＧＲとなる。図７（ｂ）に示す定電流源Ｊｂは、
ＰＮＰトランジスタＴ１とＮＰＮトランジスタＴ２の両方を使うことで、ＰＮＰトランジスタＴ１とＮＰＮトランジスタＴ２のＶｆ温度特性がキャンセルされ、図中のＶ２≒ＢＧＲとなる。また、図７（ａ），（ｂ）に示す定電流源Ｊａ，Ｊｂは、図中の抵抗Ｒｖ，Ｒｗとして温度特性の少ない抵抗クロム−シリコン（Ｃｒ−Ｓｉ）抵抗やポリシリコン抵抗を用いることで、温度特性が小さくなる。

図８は、図６に示した酸素センサ制御装置１０４の変形例で、酸素センサ制御装置１０５の回路構成を示した図である。尚、図８の酸素センサ制御装置１０５において、図６に示した酸素センサ制御装置１０４と同様の部分については、同じ符号を付した。

図８の酸素センサ制御装置１０５では、図６の酸素センサ制御装置１０４おける制御ガス切替回路Ｓ１，Ｓ２と停止回路５２を、１つの停止回路５３にまとめた構成となっている。すなわち、図８の酸素センサ制御装置１０５における停止回路５３は、図のように接続されたＮＯＲ素子５２ａと２つのＮＡＮＤ素子５３ａ，５３ｂ、およびカレントミラー回路Ｃａ３のゲートに接続するＮチャネルのゲートトランジスタ５３ｄとカレントミラー回路Ｃａ５のゲートに接続するＰチャネルのゲートトランジスタ５３ｃとで構成されている。これによって、図６に示した酸素センサ制御装置１０４と同様に、ＮＯｘ除去に適した空燃比の制御とＣＯ除去に適した空燃比の制御の切り替え機能、およびインピーダンス検出期間において定電流回路４０ｂによる酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みの停止機能を持たせることができる。

また、図６の酸素センサ制御装置１０４では、酸素センサ１０の低電位側がＧＮＤ電位となっていた。これに対して、図８の酸素センサ制御装置１０５では、酸素センサ１０の低電位側がアンプＡ３の出力に接続されて、所定の電位に持ち上げられている。このように、先に説明した各酸素センサ制御装置では、酸素センサ１０の低電位側をＧＮＤ電位から所定の電位だけ持ち上げて使用するようにしてもよい。

図９は、別の例で、酸素センサ制御装置１０６の回路構成を示した図である。

図９の酸素センサ制御装置１０６における定電流回路４０ｃは、定電流源４２、カレントミラー回路Ｃｂ１〜Ｃｂ５およびスイッチＳｂ１〜Ｓｂ３で構成され、これらが以下のように接続されている。すなわち、カレントミラー回路Ｃｂ１〜Ｃｂ４は並列接続されており、これらの接続構成が、スイッチＳｂ１〜Ｓｂ３により切り替えられる。また、カレントミラー回路Ｃｂ４とカレントミラー回路Ｃｂ５の電流出力ラインは、直列に接続されており、その接続点Ｐ３と酸素センサ１０の高電位側（酸素センサ１０とシャント抵抗Ｒｓの接続点Ｐ１）とが、１本の配線で接続されている。

尚、図９の酸素センサ制御装置１０６における停止回路５２の構成は、図６に示した酸素センサ制御装置１０４と同様である。

先に説明した各酸素センサ制御装置では、酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みが、酸素センサ１０の高電位側に接続する別々の配線を介して行われていた。これに対して、図９に示す酸素センサ制御装置１０６では、スイッチＳｂ１〜Ｓｂ３によりカレントミラー回路Ｃｂ１〜Ｃｂ５の接続構成を切り替えて、酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みを、酸素センサ１０の高電位側に接続する同じ１本の配線を介して、以下のように行う。

例えば、スイッチＳｂ１〜Ｓｂ３が全てオープンの場合には、カレントミラー回路Ｃｂ４の電流出力ラインに入力ラインと同じＩ０の電流が流れ、カレントミラー回路Ｃｂ５には電流が流れないため、カレントミラー回路Ｃｂ４の電流出力ラインの電流Ｉ０が全て酸素センサ１０へ流し込まれる（Ｉ２＝Ｉ０）。また、例えば、スイッチＳｂ１〜Ｓｂ３が全てクローズの場合には、カレントミラー回路Ｃｂ５の電流入力ラインに３×Ｉ０の電流が流れ、カレントミラー回路Ｃｂ５の電流出力ラインでは、カレントミラー回路Ｃｂ４からの電流Ｉ０が流れてくるため、不足分の電流２×Ｉ０が酸素センサ１０から引き込まれる（Ｉ１＝２×Ｉ０）。

一般的には、カレントミラー回路Ｃｂ５の電流入力ラインにあるトランジスタＭ１に流れる電流とカレントミラー回路Ｃｂ４の電流出力ラインにあるトランジスタＭ２に流れる電流について、次の関係が成り立つ。Ｍ１に流れる電流＜Ｍ２に流れる電流とすることで、差分の電流Ｉ２が、酸素センサ１０へ流し込まれる。また、Ｍ１に流れる電流＞Ｍ２に流れる電流とすることで、差分の電流Ｉ１が、酸素センサ１０から引き込まれる。

図１０は、別の例で、酸素センサ制御装置１０７の回路構成を示した図である。

図１０の酸素センサ制御装置１０７における定電流回路４０ｄは、定電流源４１ａ、およびカレントミラー回路Ｃｃ１〜Ｃｃ３で構成され、カレントミラー回路Ｃｃ３，Ｃｃ２の電流出力ラインと酸素センサ１０の間には、それぞれ、ダイオードＤ１，Ｄ２が図の向きに挿入されている。また、酸素センサ制御装置１０７の停止回路５４は、図のように接続されたＮＯＲ素子５２ａ、ＡＮＤ素子５４ａ、ＮＡＮＤ素子５４ｂ、およびカレントミラー回路Ｃｃ２，Ｃｃ３の電流出力ラインにそれぞれ挿入された出力制御トランジスタ５４ｃ，５４ｄとで構成されている。

先に説明した酸素センサ制御装置の停止回路は、いずれも、カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートと電源電位または接地電位の間に挿入されたゲートトランジスタを有していた。そして、酸素センサ１０のインピーダンス検出期間において、該ゲートトランジスタがＯＮして、カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートの電位を電源電位または接地電位に固定することにより、酸素センサ１０からの電流の引き込みまたは酸素センサ１０への電流の流し込みを停止させていた。このゲートトランジスタによる停止回路の場合には、ゲートトランジスタがＯＮ状態となるまでに、所定の立ち上り時間を要する。このため、ゲートトランジスタを用いた停止回路では、酸素センサ１０からの電流の引き込みまたは酸素センサ１０への電流の流し込みを即時停止させることはできない。

これに対して、図１０に示す酸素センサ制御装置１０７では、酸素センサのインピーダンス検出期間において、出力制御トランジスタ５４ｄ，５４ｃがそれぞれＯＮまたはＯＦＦすることにより、ダイオードＤ１，Ｄ２を介して、酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みを停止させる。

例えば、ＮＯｘ除去に適した空燃比で制御する場合、ＡＮＤ素子５４ａの一方の入力端子に、Ｈ信号が入力される。また、ＡＮＤ素子５４ａのもう一方の入力端子は、酸素センサ１０による空燃比制御期間にＨ信号が入力され、酸素センサ１０のインピーダンス検出期間にＬ信号が入力される。従って、カレントミラー回路Ｃｃ３の電流出力ラインに挿入されているＰチャネルの出力制御トランジスタ５４ｃは、空燃比制御期間にＯＮして図の上方からの電流出力ラインが切断状態となり、Ｉ１＝Ｉ０の電流が、ダイオードＤ１を介して酸素センサ１０から引き込まれる。一方、インピーダンス検出期間には、出力制御トランジスタ５４ｃがＯＦＦして、カレントミラー回路Ｃｃ３の電流出力ラインが電源電位ＶＣＣに短絡される。このため、空燃比制御期間においてダイオードＤ１を介して酸素センサ１０から引き込まれていたＩ１＝Ｉ０の電流が停止して、同じＩ０の電流がＶＣＣからＧＮＤに流れる。

また、ＣＯ除去に適した空燃比で制御する場合、ＮＡＮＤ素子５４ｂの一方の入力端子に、Ｈ信号が入力される。ＮＡＮＤ素子５４ｂのもう一方の入力端子は、酸素センサ１０による空燃比制御期間にＨ信号が入力され、酸素センサ１０のインピーダンス検出期間にＬ信号が入力される。従って、カレントミラー回路Ｃｃ２の電流出力ラインに挿入されているＮチャネルの出力制御トランジスタ５４ｄは、空燃比制御期間にＯＦＦして、Ｉ２＝Ｉ０の電流が、ダイオードＤ２を介して酸素センサ１０へ流し込まれる。一方、インピーダンス検出期間には、出力制御トランジスタ５４ｄがＯＮして、カレントミラー回路Ｃｃ２の電流出力ラインがＧＮＤに短絡される。このため、空燃比制御期間においてダイオードＤ２を介して酸素センサ１０へ流し込まれていたＩ２＝Ｉ０の電流が停止して、同じＩ０の電流がＶＣＣからＧＮＤに流れる。

以上説明したように、図１０の酸素センサ制御装置１０７は、出力制御トランジスタ５４ｃ、５４ｄとダイオードＤ１，Ｄ２組み合わせ、電流の流れる経路を切り替えて、空燃比制御期間において酸素センサ１０に流れていた電流Ｉ１，Ｉ２を停止させる。これによれば、所定の立ち上り時間を要する前述のゲートトランジスタを使用することなく、酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みを即時停止させることができる。

図１１は、別の例で、酸素センサ制御装置１０８の回路構成を示した図である。

図１１の酸素センサ制御装置１０８における定電流回路４０ｅは、図のように接続された定電流源４２、カレントミラー回路Ｃｄ１〜Ｃｄ７およびスイッチＳｂ１〜Ｓｂ３で構成され、カレントミラー回路Ｃｄ６，Ｃｄ７の電流出力ラインと酸素センサ１０の間には、それぞれ、ダイオードＤ１，Ｄ２が図の向きに挿入されている。また、酸素センサ制御装置１０８の停止回路５５は、図のように接続されたＮＯＲ素子５２ａ、インバータ素子５５ａ、およびカレントミラー回路Ｃｄ７，Ｃｄ４の出力側トランジスタにそれぞれ並列接続された出力制御トランジスタ５５ｂ，５５ｃとで構成されている。

図１１に示す酸素センサ制御装置１０８は、図９に示した酸素センサ制御装置１０６と図１０に示した酸素センサ制御装置１０７を組み合わせた構成となっている。図１１に示す酸素センサ制御装置１０８では、スイッチＳｂ１〜Ｓｂ３によりカレントミラー回路Ｃｄ１〜Ｃｄ７の接続構成を切り替えて、酸素センサ１０からの電流Ｉ１の引き込みまたは酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みと該電流Ｉ１，Ｉ２の停止を、ダイオードＤ１，Ｄ２を介して、以下のように行う。

図１１の酸素センサ制御装置１０８では、空燃比制御期間に、出力制御トランジスタ５５ｂがＯＦＦして、出力制御トランジスタ５５ｃがＯＮする。逆に、インピーダンス検出期間には、出力制御トランジスタ５５ｂがＯＮして、出力制御トランジスタ５５ｃがＯＦＦする。例えば、スイッチＳｂ１〜Ｓｂ３が全てオープンの場合には、カレントミラー回路Ｃｄ６，Ｃｄ７には電流が流れず、空燃比制御期間に、ダイオードＤ２を介して酸素センサ１０へ電流Ｉ２が流し込まれる。そして、インピーダンス検出期間になると、カレントミラー回路Ｃｄ５の電流出力ラインが出力制御トランジスタ５５ｂでＧＮＤに短絡されるため、ダイオードＤ２を介した酸素センサ１０への電流Ｉ２の流し込みが即時停止される。

図１２は、図９に示した酸素センサ制御装置１０６の変形例で、酸素センサ制御装置１０９の回路構成を示した図である。

図９に示した酸素センサ制御装置１０６の停止回路５２は、図６に示した酸素センサ制御装置１０４と同様に、ＮＯＲ素子５２ａとＰチャネルのゲートトランジスタ５２ｂで構成されていた。そして、図９の酸素センサ制御装置１０６では、該ゲートトランジスタ５２ｂを用いて、カレントミラー回路Ｃｂ１〜Ｃｂ４を構成するトランジスタのゲートをＶＣＣに固定して、酸素センサ１０に流れる電流Ｉ１，Ｉ２を停止させる。

これに対して、図１２の酸素センサ制御装置１０９における停止回路５６は、ＮＯＲ素子５２ａ、およびスイッチＳｂ１〜Ｓｂ３を切り替える図のように接続されたＡＮＤ素子５６ａ，５６ｂとＮＡＮＤ素子５６ｃとで構成されている。

図１２の酸素センサ制御装置１０９では、例えば、空燃比制御期間においてスイッチＳｂ１〜Ｓｂ３を全てクローズにして、Ｉ１＝２×Ｉ０の電流を酸素センサ１０から引き込む。また、インピーダンス検出期間には、スイッチＳｂ３だけクローズにして、カレントミラー回路Ｃｂ５の電流出力ラインにあるトランジスタＭ３に流れる電流とカレントミラー回路Ｃｂ４の電流出力ラインにあるトランジスタＭ２に流れる電流を共にＩ０となるように等しくして、酸素センサ１０からの電流の引き込みを停止する。

図１２の酸素センサ制御装置１０９で例示したように、一般的に、２つのカレントミラー回路の電流出力ラインが、直列に接続され、該接続点と酸素センサとが、１本の配線で接続されてなり、カレントミラー回路の一方の電流入力ラインに流れる電流の値が、変更可能に構成されてなり、酸素センサのインピーダンス検出期間において、２つのカレントミラー回路の電流出力ラインに流れる電流を等しくすることで、酸素センサからの電流の引き込みまたは前記酸素センサへの電流の流し込みを停止させることができる。これによっても、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを即時停止させることができる。

図１３は、図６に示した酸素センサ制御装置１０４の変形例で、酸素センサ制御装置１１２の回路構成を示した図である。

図１３の酸素センサ制御装置１１２における定電流回路４０ｆは、図６に示した酸素センサ制御装置１０４の定電流回路４０ａと同じ構成を有しているが、酸素センサ１０への接続位置が異なっている。図６の酸素センサ制御装置１０４では、定電流回路４０ａが、シャント抵抗Ｒｓと酸素センサ１０の間（接続点Ｐ１）に接続されていた。これに対して、図１３の酸素センサ制御装置１１２では、図２（ｂ）に示した酸素センサ制御装置１１１のように、定電流回路４０ｆが、インピーダンス計測切替回路２０とシャント抵抗Ｒｓの間（接続点Ｐ２）に接続されている。従って、図６の酸素センサ制御装置１０４では、酸素センサ１０の起電力の測定精度を高めることができ、図１３の酸素センサ制御装置１１２では、酸素センサ１０のインピーダンスＺの測定精度を高めることができる。

尚、図１３の酸素センサ制御装置１１２は、図６の酸素センサ制御装置１０４における停止回路５２を省いた回路構成となっている。図１３の酸素センサ制御装置１１２のように、定電流回路４０ｆをインピーダンス計測切替回路２０とシャント抵抗Ｒｓの間に接続する場合には、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流は、全て、直列接続された酸素センサ１０に流れる。従って、図６の停止回路５２を省いて定電流回路４０ｆの電流が常に流れている状態であっても、酸素センサ１０のインピーダンス測定精度が劣化することはない。

以上のようにして、上記した酸素センサ制御装置は、いずれも、内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサの制御装置であって、簡単な構成で、酸素センサの正確なインピーダンス検出と酸素センサによる精密な空燃比制御が両立可能であり、排ガスの各ガス成分について高い浄化率の維持に寄与することのできる酸素センサの制御装置となっている。

９０，１００〜１０９，１１０〜１１２ 酸素センサ制御装置
１０ 酸素センサ
Ｒｓ シャント抵抗
２０，２１ インピーダンス計測切替回路
３０ ＥＣＵ
４０，４０ａ〜４０ｆ 定電流回路
５０〜５６ 停止回路

Claims (12)

1. 内燃機関の空燃比制御に用いられる酸素センサの制御装置であって、
   前記酸素センサのインピーダンスを検出して温度を制御するため、該酸素センサに直列接続されるシャント抵抗と、
   前記シャント抵抗の高電位側に接続され、前記酸素センサのインピーダンス検出期間と前記酸素センサによる空燃比制御期間とで、前記シャント抵抗に流れる電流を切り替えるインピーダンス計測切替回路と、
   前記酸素センサの起電力が急変する空燃比を理論空燃比からリッチ側またはリーン側に移行させて制御するため、前記酸素センサから引き込みまたは前記酸素センサへ流し込みする電流を所定の値に設定する定電流回路とを有してなり、
   前記定電流回路が、前記酸素センサの高電位側と前記インピーダンス計測切替回路の間に接続されてなることを特徴とする酸素センサ制御装置。
2. 前記定電流回路が、前記シャント抵抗と前記酸素センサの間に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ制御装置。
3. 前記定電流回路が、前記インピーダンス計測切替回路と前記シャント抵抗の間に接続されてなることを特徴とする請求項１に記載の酸素センサ制御装置。
4. 前記定電流回路が、
   定電流源と、
   前記定電流源を電流入力ラインに有し、電流出力ラインに接続された前記酸素センサから電流を引き込みまたは前記酸素センサへ電流を流し込む、カレントミラー回路とで構成されてなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸素センサ制御装置。
5. 前記定電流源の電流の値が、変更可能に構成されてなることを特徴とする請求項４に記載の酸素センサ制御装置。
6. 前記酸素センサからの電流の引き込みまたは前記酸素センサへの電流の流し込みが、変更可能に構成されてなることを特徴とする請求項４または５に記載の酸素センサ制御装置。
7. 前記酸素センサのインピーダンス検出期間において、前記定電流回路による前記酸素センサからの電流の引き込みまたは前記酸素センサへの電流の流し込みを停止させる、停止回路を有してなることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一項に記載の酸素センサ制御装置。
8. 前記停止回路が、前記カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートと電源電位または接地電位の間に挿入されたゲートトランジスタを有してなり、
   前記酸素センサのインピーダンス検出期間において、前記ゲートトランジスタがＯＮして、前記カレントミラー回路を構成するトランジスタのゲートの電位を電源電位または接地電位に固定することにより、前記酸素センサからの電流の引き込みまたは前記酸素センサへの電流の流し込みを停止させることを特徴とする請求項７に記載の酸素センサ制御装置。
9. 前記カレントミラー回路の電流出力ラインと前記酸素センサの間にダイオードが挿入されると共に、前記電流出力ラインに出力制御トランジスタが挿入されてなり、
   前記酸素センサのインピーダンス検出期間において、前記出力制御トランジスタがＯＮまたはＯＦＦすることにより、前記ダイオードを介して、酸素センサからの電流の引き込みまたは酸素センサへの電流の流し込みを停止させることを特徴とする請求項７に記載の酸素センサ制御装置。
10. ２つのカレントミラー回路の電流出力ラインが、直列に接続され、該接続点と前記酸素センサとが、１本の配線で接続されてなり、
    前記カレントミラー回路の一方の電流入力ラインに流れる電流の値が、変更可能に構成されてなり、
    前記酸素センサのインピーダンス検出期間において、前記２つのカレントミラー回路の電流出力ラインに流れる電流を等しくすることで、前記酸素センサからの電流の引き込みまたは前記酸素センサへの電流の流し込みを停止させることを特徴とする請求項７に記載の酸素センサ制御装置。
11. 前記インピーダンス計測切替回路が、電源電位と接地電位の間で直列された２つのトランジスタで構成されてなり、
    直列接続された前記シャント抵抗と前記酸素センサが、前記２つのトランジスタの接続点と接地電位の間に挿入されてなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の酸素センサ制御装置。
12. 前記インピーダンス計測切替回路が、交流電圧を出力するアンプと、該アンプの出力をＯＮ−ＯＦＦする切替スイッチとで構成されてなり、
    直列接続された前記シャント抵抗と前記酸素センサが、前記アンプの出力ラインに接続されてなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の酸素センサ制御装置。

Images