JP2016161557A - 印加電圧制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ電圧が低下したとしても空燃比センサに電流を流して空燃比の検出を継続しつつ、空燃比センサへの過剰な電圧印加の抑制された印加電圧制御装置を提供する。【解決手段】空燃比センサ２００の上流端子２００ａに接続される上流オペアンプ８１、下流端子２００ｂに接続される定電圧部９０、センサ電流の流れ込むフィルタ８５、上流オペアンプの反転入力端子と出力端子とを接続する上流帰還配線８３とフィルタとの間に設けられた切換スイッチ８７、バッテリ電圧に基づいて切換スイッチを開閉制御する制御部１０を有する。制御部は、バッテリ電圧が第１レベル以上となってから所定時間経過後に切換スイッチを開状態から閉状態にし、バッテリ電圧が第２レベル以上だった状態から第２レベルを下回る状態に変化すると、切換スイッチを閉状態から開状態にする。【選択図】図１

Description

本発明は、空燃比センサの印加電圧を制御する印加電圧制御装置に関するものである。

特許文献１に示されるように、ガスセンサ素子とガスセンサ制御回路を備えるガスセンサ検出システムが知られている。ガスセンサ制御回路はガスセンサ素子に電圧を印加することでガスセンサ素子に被測定ガス濃度に応じたポンプ電流を流動させ、それを検出する。

上記のガスセンサ素子とガスセンサ制御回路とはスイッチを介して電気的に接続されている。そしてガスセンサ制御回路はバッテリ電源の電源電圧が閾値未満となったか否かを示す異常検出フラグを出力するバッテリ電圧異常検出回路と、異常検出フラグに基づいてスイッチをＯＮ／ＯＦＦ制御するスイッチ制御回路と、を含んでいる。バッテリ電圧異常検出回路は、電源電圧が閾値よりも高い場合に異常検出フラグを０にし、その反対に電源電圧が閾値未満の場合に異常検出フラグを１にする。スイッチ制御回路は、異常検出フラグが０の場合にスイッチをＯＮ状態に制御してガスセンサ素子とガスセンサ制御回路とを電気的に接続する。その反対に異常検出フラグが１の場合、スイッチ制御回路はスイッチをＯＦＦ状態に制御してガスセンサ素子とガスセンサ制御回路との電気的な接続を遮断する。これによりバッテリ電源の電源電圧（バッテリ電圧）の低下によって誤動作したガスセンサ制御回路によって、異常電流がガスセンサ素子を流動することが抑制される。

特開２００７−２０５８０５号公報

上記したように特許文献１に示されるガスセンサ検出システムでは、バッテリ電圧が閾値未満の場合にガスセンサ素子とガスセンサ制御回路との電気的な接続を遮断し、ガスセンサ素子に異常電流が流動することを抑制している。しかしながらこの構成ではバッテリ電圧の低下時に被測定ガス濃度を全く検出することができなくなる。

なお、ガスセンサ素子（空燃比センサ）に電圧を印加する構成を特に言及していなかったが、その構成としては下記に示す構成が考えられる。すなわち、空燃比センサの上流端子に、空燃比センサを流れるセンサ電流に応じて印加電圧の変化する差動増幅回路が接続され、その下流端子に一定電圧を印加するためのボルテージフォロア回路が接続された構成が考えられる。この構成においては、下流端子とボルテージフォロア回路の出力端子との間にセンサ電流を検出するための電流検出用抵抗が設けられ、ボルテージフォロア回路の帰還配線が下流端子と電流検出用抵抗との間に設けられる。そしてセンサ電流に応じて電位の変動する電流検出用抵抗の一端と差動増幅回路の帰還配線とが接続される。これにより差動増幅回路に入力される差電圧がセンサ電流に応じて変動する。ただしこの構成ではセンサ電流にノイズが乗ると、差動増幅回路に入力される差電圧が過剰に大きくなり、これによって過剰な電圧が空燃比センサに印加される虞がある。そこで電流検出用抵抗の一端と帰還配線との間にノイズを除去するためのフィルタを設けることも考えられる。しかしながらこの場合、フィルタを構成するコンデンサによる遅延のため、バッテリ電圧が変動すると差動増幅回路に入力される電圧の差が一時的に過剰に大きくなり、これによって過剰な電圧が空燃比センサに印加される虞がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、バッテリ電圧が低下したとしても空燃比センサに電流を流して空燃比の検出を継続しつつ、空燃比センサへの過剰な電圧印加の抑制された印加電圧制御装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するための開示された発明の１つは、空燃比センサ（２００）の印加電圧を制御する印加電圧制御装置であって、
空燃比センサの上流端子（２００ａ）に出力端子の接続される上流オペアンプ（８１）と、
空燃比センサの下流端子（２００ｂ）の電位を一定に保つ定電圧部（９０）と、
空燃比センサを流れるセンサ電流の流れ込むフィルタ（８５）と、
上流オペアンプの反転入力端子と出力端子とを接続する上流帰還配線（８３）とフィルタとの間に設けられた切換スイッチ（８７）と、
バッテリ電圧に基づいて切換スイッチを開閉制御する制御部（１０）と、を有し、
フィルタは抵抗（８８）とコンデンサ（８９）を有し、
上流オペアンプの非反転入力端子にはバッテリ電圧が一定の比率で降圧された上流電圧が入力されており、
制御部は、
バッテリ電圧の変化を判定するための第１レベルと第２レベルとを記憶しており、
バッテリ電圧が第１レベルよりも低い状態から第１レベル以上となった時点から所定時間経過後に切換スイッチを開状態から閉状態にすることで上流帰還配線とフィルタとを接続して、上流オペアンプからバッテリ電圧とセンサ電流とに応じて変化する電圧を上流端子に印加させ、
バッテリ電圧が第２レベル以上だった状態から第２レベルを下回る状態に変化すると、切換スイッチを閉状態から開状態にすることで上流帰還配線とフィルタとを非接続として、上流オペアンプからバッテリ電圧に基づく電圧を上流端子に印加させる。

このように本発明ではバッテリ電圧が第２レベルを下回ると切換スイッチ（８７）を開状態にし、上流帰還配線（８３）とフィルタ（８５）とを非接続にする。これによれば上流オペアンプ（８１）の２つの入力端子に入力される電圧がセンサ電流に依存しなくなる。そのためバッテリ電圧の変動によって、上流オペアンプ（８１）の２つの入力端子に入力される電圧の差が過剰に異なることが抑制される。この結果、空燃比センサ（２００）に過剰な電圧の印加されることが抑制される。またこの状態においても空燃比センサ（２００）に電圧が印加されるため、そのセンサ電流を検出することが可能である。したがって空燃比の検出を継続することができる。

また、上記したようにバッテリ電圧の低下のためにバッテリ電圧が第２レベルよりも下がった場合、フィルタ（８５）のコンデンサ（８９）の充電量が低下している虞がある。この後にバッテリ電圧が上昇して第１レベル以上になったとしても、コンデンサ（８９）の充電が完了していない虞がある。同様にして、バッテリ電圧の供給時にバッテリ電圧が第１レベル以上になったとしても、コンデンサ（８９）の充電が完了していない虞がある。したがってバッテリ電圧が第１レベル以上となった直後に切換スイッチ（８７）を閉状態にすると、上流オペアンプ（８１）の反転入力端子と非反転入力端子それぞれに入力される電圧の差が過剰に大きくなり、過剰な電圧が空燃比センサ（２００）に印加される虞がある。

そこで上記発明のようにバッテリ電圧が第１レベル以上となってから所定時間経過後に切換スイッチ（８７）を閉状態とする。これによりフィルタ（８５）のために上流オペアンプ（８１）の２つの入力端子それぞれに入力される電圧の差が過剰に大きくなることが抑制され、過剰な電圧が空燃比センサ（２００）に印加されることが抑制される。

なお、特許請求の範囲に記載の請求項、および、課題を解決するための手段それぞれに記載の要素に括弧付きで符号をつけている。この括弧付きの符号は実施形態に記載の各構成要素との対応関係を簡易的に示すためのものであり、実施形態に記載の要素そのものを必ずしも示しているわけではない。括弧付きの符号の記載は、いたずらに特許請求の範囲を狭めるものではない。

第１実施形態に係る印加電圧制御装置の概略構成を示す回路図である。 固定制御時の印加電圧を説明するためのグラフ図である。 可変制御時の印加電圧を説明するためのグラフ図である。 固定制御と可変制御を説明するためのタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
以下においては空燃比センサ２００を主として説明した後に、図１〜図４に基づいて印加電圧制御装置１００の各構成要素を詳説する。図１では印加電圧制御装置１００の他に空燃比センサ２００も図示している。図４では制御状態を明示するため電気信号以外に制御状態も図示している。また図４では、後述の降圧電圧Ｖｓｄとバッテリ電圧ＶＢとは電圧レベルが異なるだけでその振る舞いは同一なので、同一の電気信号として図示している。そして図４では、空燃比が一定の場合の電気信号を示している。

本実施形態に係る空燃比センサ２００は限界電流式酸素センサである。空燃比センサ２００は例えば内燃機関の排気ガスの通る排気管に設けられ、排気ガスの成分濃度に応じた電流（以下、センサ電流と示す）を流動する。印加電圧制御装置１００は空燃比センサ２００への印加電圧を制御するとともに、上記のセンサ電流を検出する。印加電圧制御装置１００は空燃比センサ２００の制御回路の他に、図示しないがエンジン制御回路を備えており、空燃比センサ２００のセンサ電流、および、内燃機関の回転数や吸入空気量などの内燃機関の情報に基づいて燃料噴射装置の燃料噴射量を制御する。

空燃比センサ２００の出力電圧は排気ガスに含まれている空気と燃料の比（空燃比）に応じて変動する。より詳しく言えば、空燃比センサ２００の出力電圧は、内燃機関にて空気と燃料とが過不足なく反応される理想的な空燃比（理想空燃比）よりも排気ガスの空燃比が低い（酸素濃度が薄い）場合、理想空燃比時よりも上昇する。これとは反対に理想空燃比よりも空燃比が高い（酸素濃度が濃い）場合、理想空燃比時よりも出力電圧が下降する。したがって空燃比を理想空燃比に保つ場合、印加電圧制御装置１００は空燃比センサ２００の出力電圧が上昇した際に酸素濃度が濃くなるように燃料噴射装置の燃料噴射量を制御する。これとは反対に空燃比センサ２００の出力電圧が下降した際に印加電圧制御装置１００は酸素濃度が薄くなるように燃料噴射装置の燃料噴射量を制御する。なお上記した空燃比センサ２００の出力電圧とは、後述の第２電圧Ｖ２に相当する。

図示しないが、空燃比センサ２００は拡散抵抗層上に排気側電極、固体電解質、大気側電極が順次積層されて成る。拡散抵抗層は小孔を有する多孔質のアルミナなどから成り、排気側電極と大気側電極は白金などから成る。そして固体電解質はジルコニア固体電解質である。排気側電極には拡散抵抗層を介して排気ガスが流入され、大気側電極は大気に解放されている。大気側電極は空燃比センサ２００の上流端子２００ａに接続され、排気側電極が下流端子２００ｂに接続されている。

排気ガスの空燃比が理想空燃比よりも高い場合（空燃比がリーンの場合）、排気ガスに含まれる酸素分子が排気側電極へ吸入される。吸入された酸素分子はイオン化して固体電解質へと移動し、固体電解質を介して大気側電極へと移動する。そして大気側電極においてイオン化した酸素が酸素分子に戻されて、大気へ放出される。このように排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気側電極から大気側電極へとイオン化した酸素が流れる。換言すれば、空燃比がリーンの場合、図１において実線矢印で示すように大気側電極から排気側電極へと電流が流れる。

これとは異なり、排気ガスの空燃比が理想空燃比よりも低い場合（空燃比がリッチの場合）、大気に含まれる酸素分子が大気側電極へ吸入される。吸入された酸素分子はイオン化して固体電解質へと移動し、固体電解質を介して排気側電極へと移動する。そして排気側電極においてイオン化した酸素が酸素分子に戻されて、排気ガスへ放出される。この排気側電極から放出された酸素分子は、排気ガスに含まれる未燃ガス（一酸化炭素、塩化水素、水素など）と反応する。このように排気ガスの空燃比がリッチの場合、大気側電極から排気側電極へとイオン化した酸素が流れる。換言すれば、空燃比がリッチの場合、排気側電極から大気側電極へと電流が流れる。

上記した空燃比センサ２００を流れる電流（以下、センサ電流と示す）は、印加電圧が低い場合、その印加電圧と空燃比センサ２００の抵抗値に応じて流れる。しかしながら印加電圧が所定値を超えると、図２および図３に示すようにセンサ電流は飽和する。排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガスに含まれる酸素分子の吸入が拡散抵抗層によって制限されるためにセンサ電流が飽和する。これに対して排気ガスの空燃比がリッチの場合、未燃ガスと酸素分子との反応が拡散抵抗層によって制限されるためにセンサ電流が飽和する。このようにセンサ電流が飽和し、空燃比センサ２００に限界電流が流れる。

この限界電流は排気ガスに含まれる酸素濃度（空燃比）に応じて増加する性質を有する。図２および図３に示すように空燃比（ＡＦ）が大気と等しい場合、空燃比が１８の場合よりも限界電流の電流値が高くなる。したがって限界電流の電流値に基づいて、酸素濃度を検出することができる。本実施形態では図２に示すように後述の固定制御において印加電圧の電圧レベルが一定とされる。また図３に示すように可変制御において各空燃比の限界電流域を通るように、印加電圧特性が定められる。なお、図２および図３において実線と破線とで振る舞いの異なるセンサ電流を示しているが、この振る舞いの相違は空燃比センサ２００の温度によって生じる。以下、印加電圧制御装置１００の構成要素を詳説する。

印加電圧制御装置１００は制御部１０とドライバ６０を有する。制御部１０はドライバ６０を固定制御若しくは可変制御するものであり、ドライバ６０は空燃比センサ２００に電圧を印加するものである。本実施形態の制御部１０はセンサ電流に基づいて空燃比を検出する機能も果たす。

図１に示すように制御部１０は、電源回路２０、リセット制御部３０、降圧部４０、および、マイクロコンピュータ５０（以下、マイコン５０と示す）を有する。電源回路２０は入力されるバッテリ電圧ＶＢを駆動電圧Ｖｏに変換するものであり、リセット制御部３０は駆動電圧Ｖｏの電圧レベルに応じてリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルを変動するものである。降圧部４０は入力されるバッテリ電圧ＶＢを降圧電圧Ｖｓｄに降圧するものであり、マイコン５０は入力される駆動電圧Ｖｏ、リセット信号Ｉｎｉｔ、および、降圧電圧Ｖｓｄに基づいてドライバ６０を制御するものである。リセット制御部３０が特許請求の範囲に記載の監視部に相当し、リセット制御部３０とマイコン５０が特許請求の範囲に記載の開閉制御部に相当する。

電源回路２０はバッテリ電圧ＶＢをマイコン５０が動作するのに適した電圧レベルに変換し、それを駆動電圧Ｖｏとしてマイコン５０に出力する。本実施形態においてバッテリ電圧ＶＢは安定状態において１４Ｖであり、駆動電圧Ｖｏは５Ｖに相当する。図４に示すように駆動電圧Ｖｏは、バッテリ電圧ＶＢの電圧レベルがある程度（例えば９Ｖ）落ちても変動しないが、バッテリ電圧ＶＢが５Ｖ程度まで低下すると、それに応じて低下する性質を有する。

リセット制御部３０は駆動電圧Ｖｏの電圧レベルを監視し、その監視結果に基づいてマイコン５０に出力するリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルを変化させる。図４に示すように駆動電圧Ｖｏの電圧レベルが第１閾値Ｖｔｈ１よりも低い場合、リセット制御部３０はリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルをＬｏレベルにする。こうすることでマイコン５０を非駆動状態にする。しかしながら図４に示すようにバッテリ電圧ＶＢの電圧レベルが上昇し、時間ｔ１において駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１を上回った場合、リセット制御部３０はバッテリ電圧ＶＢの安定を確認するための第１所定時間Ｔ１だけ待機する。そしてその後にリセット制御部３０はリセット信号の電圧レベルをＨｉレベルにする。こうすることでマイコン５０を停止状態から起動状態へと変化させる。なお図４の時間ｔ５に示すように、バッテリ電圧ＶＢの電圧レベルの下降のために駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１を下回ると、リセット制御部３０はリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルをＨｉレベルからＬｏレベルにする。こうすることでマイコン５０を起動状態から停止状態にする。

なお上記したように、駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１を上回るか下回るかに応じてリセット制御部３０がリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルを変化させる例を示した。しかしながら上記の第１閾値Ｖｔｈ１とは異なる他の閾値Ｖｔｈを駆動電圧Ｖｏが下回った場合にリセット制御部３０がリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルをＨｉレベルからＬｏレベルにしてもよい。この他の閾値Ｖｔｈは第１閾値Ｖｔｈ１よりも電圧レベルが低い。上記のＨｉレベルのリセット信号Ｉｎｉｔが、特許請求の範囲に記載の起動信号に相当する。

降圧部４０はバッテリ電圧ＶＢを分圧することで降圧電圧Ｖｓｄを生成し、それをマイコン５０に出力する。降圧部４０はバッテリ電源から基準電位（グランド）へと向かって直列接続された降圧抵抗４１，４２を有し、その中点電圧を降圧電圧Ｖｓｄとしてマイコン５０に出力する。本実施形態において降圧部４０はバッテリ電圧ＶＢを４分の１に降圧し、それを降圧電圧Ｖｓｄとしてマイコン５０に出力する。

マイコン５０は後述の切換スイッチ８７に出力する制御信号Ｓｃの電圧レベルを制御することで、ドライバ６０を固定制御若しくは可変制御する。上記したようにマイコン５０には駆動電圧Ｖｏ、リセット信号Ｉｎｉｔ、および、降圧電圧Ｖｓｄが入力される。印加電圧制御装置１００は図示しないがバッテリ電圧ＶＢを降圧する複数の降圧電源を有しており、マイコン５０は図示しないマイコンコア電源から供給される電圧を電源電圧として駆動する。そしてマイコン５０はリセット信号Ｉｎｉｔによって起動か停止かが決定される。上記したようにリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルがＬｏレベルの場合にマイコン５０は停止状態になる。この場合、マイコン５０によって切換スイッチ８７は制御されず、ドライバ６０は固定制御状態となる。図１に示すようにマイコン５０と切換スイッチ８７とは制御配線５１を介して電気的に接続されている。制御配線５１は切換スイッチ８７とグランドとを接続しており、マイコン５０との接続点とグランドとの間にシャント抵抗５２が設けられている。したがってマイコン５０が停止状態であるために制御配線５１に制御信号Ｓｃを出力しない場合、制御配線５１の電圧レベルがＬｏレベルに固定される。これにより切換スイッチ８７が開状態に固定され、ドライバ６０は固定制御状態に固定される。これとは異なり、例えば図４の時間ｔ２に示すようにリセット信号Ｉｎｉｔの電圧レベルがＬｏレベルからＨｉレベルになるとマイコン５０は起動状態になる。マイコン５０は起動状態になった後、後述のフィルタ８５の充電が終了する時間（時定数）以上の第２所定時間Ｔ２だけ待機した後、制御信号Ｓｃの電圧レベルをＨｉレベルにする。こうすることでマイコン５０は切換スイッチ８７を開状態から閉状態へと変化させ、ドライバ６０を固定制御状態から可変制御状態に切り換える。なお図４の時間ｔ４に示すように、降圧電圧Ｖｓｄが第２閾値Ｖｔｈ２を下回ると、マイコン５０は制御信号Ｓｃの電圧レベルをＨｉレベルからＬｏレベルにする。こうすることで切換スイッチ８７を閉状態から開状態にし、ドライバ６０を可変制御状態から固定制御状態へと変化させる。図４では第２所定時間Ｔ２が時定数よりも短く図示されているが、上記のように実際は第２所定時間Ｔ２は時定数よりも長い時間である。図４において時定数は、後述の中点電圧Ｖαが下限値から上限値に達する時間に相当する。

以上に示したようにバッテリ電圧ＶＢの電圧レベルの低下時には切換スイッチ８７が開状態とされることでドライバ６０が固定制御状態になる。しかしながらバッテリ電圧ＶＢの電圧レベルの安定時には切換スイッチ８７が閉状態とされることでドライバ６０が可変制御状態になる。そしてその切換スイッチ８７の開状態から閉状態への切り換えは、バッテリ電圧ＶＢの電圧レベルの安定が確認されてから時定数よりも長い時間経過した後に行われる。また切換スイッチ８７の閉状態から開状態への切り換えは、バッテリ電圧ＶＢの電圧レベルの低下が確認された直後に行われる。

図１に示すようにドライバ６０は、分圧部７０、電圧印加部８０、および、定電圧部９０を有する。分圧部７０は駆動電圧Ｖｏを分圧するものであり、電圧印加部８０は上流端子２００ａに印加する電圧（上流電圧）を決定するものである。そして定電圧部９０は下流端子２００ｂに一定電圧を印加するものである。

分圧部７０は電源回路２０の出力端子から基準電位（グランド）に向かって順に直列接続された分圧抵抗７１〜７３を有する。分圧抵抗７１，７２の中点電圧（以下、上流電圧と示す）が電圧印加部８０に入力され、分圧抵抗７２，７３の中点電圧（以下、下流電圧と示す）が定電圧部９０に入力される。上流電圧と下流電圧とは駆動電圧Ｖｏを分圧抵抗７１〜７３の抵抗値によって定まる比率で降圧したものであり、上流電圧は下流電圧よりも電圧レベルが高い。

電圧印加部８０は、上流オペアンプ８１、上流抵抗８２、上流帰還配線８３、上流帰還抵抗８４、フィルタ８５、調整抵抗８６、および、切換スイッチ８７を有する。上流オペアンプ８１の非反転入力端子が分圧抵抗７１，７２の中点に接続され、その出力端子が上流抵抗８２を介して上流端子２００ａに接続されている。そして上流オペアンプ８１の反転入力端子に上流帰還配線８３の一端が接続され、その他端が上流抵抗８２と上流端子２００ａとの間に接続されている。また上流帰還配線８３には上流帰還抵抗８４が設けられており、上流帰還配線８３における上流帰還抵抗８４と上流オペアンプ８１の反転入力端子との間に中継配線９９の一端が接続されている。この中継配線９９の他端は後述の下流オペアンプ９１と下流抵抗９２との間に接続されている。そして中継配線９９にはフィルタ８５、調整抵抗８６、および、切換スイッチ８７が設けられ、これらが中継配線９９の他端から一端へと向かって順に直列接続されている。したがって切換スイッチ８７が開状態の場合に上流オペアンプ８１の反転入力端子と非反転入力端子それぞれに入力される電圧が一定となり、上流端子２００ａの電圧レベルが一定に固定される。後述するように下流端子２００ｂの電圧レベルも定電圧部９０によって一定に固定される。そのため切換スイッチ８７が開状態の場合、空燃比センサ２００の印加電圧は図２に示すように一定となる。しかしながら切換スイッチ８７が閉状態になると、上流オペアンプ８１の反転入力端子が中継配線９９を介して下流オペアンプ９１と下流抵抗９２との間に接続される。この下流オペアンプ９１と下流抵抗９２との間は、センサ電流に応じて電圧レベルが変動する。そのため上流オペアンプ８１の反転入力端子に入力される電圧がセンサ電流に応じて変動する。したがって上流端子２００ａの電圧レベルがセンサ電流に応じて変動し、空燃比センサ２００の印加電圧が図３に示すようにセンサ電流に応じて変化する。すなわちセンサ電流の増大に応じて印加電圧も増大する。

フィルタ８５は抵抗８８とコンデンサ８９を有する。抵抗８８は中継配線９９に接続され、コンデンサ８９は中継配線９９とグランドとの間に接続されている。したがって図４に示すようにバッテリ電圧ＶＢの供給によって駆動電圧Ｖｏが立ち上がると、それにともなってコンデンサ８９の充電が開始する。このコンデンサ８９の充電完了時間は抵抗８８とコンデンサ８９の時定数によって定まり、この時定数に相当する時間経過後、フィルタ８５と調整抵抗８６との間の中点電圧Ｖαが一定となる。しかしながら図４に示すようにバッテリ電圧ＶＢの低下にともなって駆動電圧Ｖｏの電圧レベルが低下すると、コンデンサ８９の蓄電量が減り、それによって中点電圧Ｖαも低下する。その後にバッテリ電圧ＶＢの上昇にともなって駆動電圧Ｖｏの電圧レベルが上昇すると、コンデンサ８９の充電が完了し、それによって中点電圧Ｖαも再び一定となる。

図４に示すように、駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１を上回ってから第１所定時間Ｔ１＋第２所定時間Ｔ２だけ経過した後に切換スイッチ８７が開状態から閉状態に切り換えられる。この第１所定時間Ｔ１＋第２所定時間Ｔ２はフィルタ８５の時定数よりも長い。そのため例えば図４の時間ｔ３，ｔ８に示すように、切換スイッチ８７が開状態から閉状態になったタイミング（固定制御から可変制御に切り換ったタイミング）において、中点電圧Ｖαの電圧レベルが一定となっている。このように、可変制御では上流オペアンプ８１の反転入力端子に入力される電圧がフィルタ８５のために遅延することが抑制されている。

定電圧部９０は、下流オペアンプ９１、下流抵抗９２、下流帰還配線９３、および、下流帰還抵抗９４を有する。下流オペアンプ９１の非反転入力端子が分圧抵抗７２，７３の中点に接続され、その出力端子が下流抵抗９２を介して下流端子２００ｂに接続されている。そして下流オペアンプ９１の反転入力端子に下流帰還配線９３の一端が接続され、その他端が下流抵抗９２と下流端子２００ｂとの間に接続されている。また下流帰還配線９３には下流帰還抵抗９４が設けられている。したがって下流オペアンプ９１の反転入力端子と非反転入力端子それぞれに入力される電圧が一定となり、下流端子２００ｂの電圧レベルが一定に固定されている。

下流抵抗９２はセンサ電流の検出に用いられる。下流抵抗９２における下流端子２００ｂ側の第１電圧Ｖ１、下流オペアンプ９１側の第２電圧Ｖ２それぞれがマイコン５０によって検出される。第１電圧Ｖ１は下流オペアンプ９１がバーチャルショートしているために一定であるが、第２電圧Ｖ２はセンサ電流に応じて変動する。マイコン５０は記憶していた下流抵抗９２の抵抗値と、検出した電圧Ｖ１，Ｖ２とに基づいてセンサ電流を検出し、それに基づいて空燃比を算出する。下流抵抗９２が特許請求の範囲に記載の電流検出用抵抗に相当する。

次に、本実施形態に係る印加電圧制御装置１００の作用効果を説明する。上記したように駆動電圧Ｖｏが第２閾値Ｖｔｈ２を下回ると切換スイッチ８７を開状態する。これにより上流帰還配線８３とフィルタ８５とが非接続にされる。これによればバッテリ電圧ＶＢの変動によって、上流オペアンプ８１の２つの入力端子に入力される電圧の差が過剰に異なることが抑制される。したがって空燃比センサ２００に過剰な電圧が印加されることが抑制される。またこの状態においても空燃比センサ２００に電圧が印加されるため、そのセンサ電流を検出することが可能である。したがって空燃比の検出を継続することができる。

また、上記したようにバッテリ電圧ＶＢの低下のために降圧電圧Ｖｓｄが第２閾値Ｖｔｈ２よりも下がった場合、フィルタ８５のコンデンサ８９の充電量が低下している虞がある。この後にバッテリ電圧ＶＢとともに駆動電圧Ｖｏが上昇し、駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１以上になったとしても、コンデンサ８９の充電が完了していない虞がある。同様にして、バッテリ電圧ＶＢの供給時に駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１以上になったとしても、コンデンサ８９の充電が完了していない虞がある。したがって駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１以上となった直後に切換スイッチ８７を閉状態にすると、上流オペアンプ８１の反転入力端子と非反転入力端子それぞれに入力される電圧の差が一時的に過剰に大きくなり、過剰な電圧が空燃比センサ２００に印加される虞がある。

そこで上記のように駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１以上となってから第１所定時間Ｔ１＋第２所定時間Ｔ２経過後に切換スイッチ８７を閉状態とする。これによりフィルタ８５のために上流オペアンプ８１の２つの入力端子それぞれに入力される電圧の差が過剰に大きくなることが抑制され、過剰な電圧が空燃比センサ２００に印加されることが抑制される。

フィルタ８５のコンデンサ８９に電荷の溜まる時間は、フィルタ８５の時定数に依存する。したがってバッテリ電圧ＶＢの供給時から時定数よりも短い時間後に切換スイッチ８７を閉状態にすると、上流オペアンプ８１の２つの入力端子それぞれに入力される電圧の差が過剰に大きくなり、過剰な電圧が空燃比センサ２００に印加される虞がある。同様にして駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１以上となってから時定数よりも短い時間後に切換スイッチ８７を閉状態にすると、上流オペアンプ８１の２つの入力端子それぞれに入力される電圧の差が過剰に大きくなり、過剰な電圧が空燃比センサ２００に印加される虞がある。これに対して本実施形態では、第１所定時間Ｔ１＋第２所定時間Ｔ２をフィルタ８５の時定数よりも長く設定している。これによりフィルタ８５のために上流オペアンプ８１の２つの入力端子それぞれに入力される電圧の差が過剰に大きくなることが抑制され、過剰な電圧が空燃比センサ２００に印加されることが抑制される。

なお、図４では時間ｔ４からｔ５へ進むにしたがってバッテリ電圧ＶＢが低下し、それによって駆動電圧Ｖｏも低下する例を示した。しかしながらバッテリ電圧ＶＢが第２閾値Ｖｔｈ２を下回った後に駆動電圧Ｖｏの電圧レベルが変化するほどには下降せずに、上昇して第２閾値Ｖｔｈ２を上回ることも考えられる。この場合、コンデンサ８９は放電しないので中点電圧Ｖαは変動しない。そのためにマイコン５０はバッテリ電圧ＶＢが第２閾値Ｖｔｈ２を下回った後に駆動電圧Ｖｏが第１閾値Ｖｔｈ１を下回らずに第２閾値Ｖｔｈ２を上回った場合、再び制御信号Ｓｃの電圧レベルをＨｉレベルにする。こうすることで一時的なバッテリ電圧ＶＢの低下によって可変制御から固定制御に切り換ったとしても、再び可変制御に切り換えることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では第２所定時間Ｔ２が時定数以上である例を示した。しかしながら第１所定時間Ｔ１と第２所定時間Ｔ２の和が時定数よりも長いという関係が成立する場合、第２所定時間Ｔ２は時定数よりも短くてもよい。

本実施形態では駆動電圧と第１閾値との比較、および、降圧電圧と第２閾値との比較に基づいて固定制御と可変制御の切り換えを行う例を示した。しかしながら制御の切り換え判定としては上記例に限らない。例えばマイコン５０がバッテリ電圧ＶＢの電圧レベルの変動を検出するための第１レベルと第２レベルとを有し、これら２つのレベルと駆動電圧、若しくは、これら２つのレベルと降圧電圧とを比較することで制御の切り換え判定を行ってもよい。

２０…電源回路、３０…リセット制御部、４０…降圧部、５０…マイクロコンピュータ（マイコン）、８１…上流オペアンプ、８３…上流帰還配線、８５…フィルタ、８７…切換スイッチ、８８…抵抗、８９…コンデンサ、９０…定電圧部、１００…印加電圧制御装置、２００…空燃比センサ、２００ａ…上流端子、２００ｂ…下流端子

Claims (7)

1. 空燃比センサ（２００）の印加電圧を制御する印加電圧制御装置であって、
   前記空燃比センサの上流端子（２００ａ）に出力端子の接続される上流オペアンプ（８１）と、
   前記空燃比センサの下流端子（２００ｂ）の電位を一定に保つ定電圧部（９０）と、
   前記空燃比センサを流れるセンサ電流の流れ込むフィルタ（８５）と、
   前記上流オペアンプの反転入力端子と前記出力端子とを接続する上流帰還配線（８３）と前記フィルタとの間に設けられた切換スイッチ（８７）と、
   バッテリ電圧に基づいて前記切換スイッチを開閉制御する制御部（１０）と、を有し、
   前記フィルタは抵抗（８８）とコンデンサ（８９）を有し、
   前記上流オペアンプの非反転入力端子には前記バッテリ電圧が一定の比率で降圧された上流電圧が入力されており、
   前記制御部は、
   前記バッテリ電圧の変化を判定するための第１レベルと第２レベルとを記憶しており、
   前記バッテリ電圧が前記第１レベルよりも低い状態から前記第１レベル以上となった時点から所定時間経過後に前記切換スイッチを開状態から閉状態にすることで前記上流帰還配線と前記フィルタとを接続して、前記上流オペアンプから前記バッテリ電圧と前記センサ電流とに応じて変化する電圧を前記上流端子に印加させ、
   前記バッテリ電圧が前記第２レベル以上だった状態から前記第２レベルを下回る状態に変化すると、前記切換スイッチを閉状態から開状態にすることで前記上流帰還配線と前記フィルタとを非接続として、前記上流オペアンプから前記バッテリ電圧に基づく電圧を前記上流端子に印加させる印加電圧制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記バッテリ電圧を駆動電圧に変換する電源回路（２０）と、
   前記バッテリ電圧を降圧した降圧電圧を生成する降圧部（４０）と、
   前記駆動電圧と前記降圧電圧とに基づいて前記切換スイッチを開閉制御する開閉制御部（３０，５０）と、を有し、
   前記上流オペアンプの非反転入力端子には、前記上流電圧として、前記電源回路によって前記バッテリ電圧の変換された前記駆動電圧が一定の比率で降圧された電圧が入力されており、
   前記制御部は、
   前記第１レベルに対応する前記駆動電圧と比較するための第１閾値、および、前記第２レベルに対応する前記降圧電圧と比較するための第２閾値を記憶しており、
   前記駆動電圧が前記第１閾値よりも低い状態から前記第１閾値以上となった時点から前記所定時間経過後に前記切換スイッチを開状態から閉状態にし、
   前記降圧電圧が前記第２閾値以上だった状態から前記第２閾値を下回る状態に変化すると、前記切換スイッチを閉状態から開状態にする請求項１に記載の印加電圧制御装置。
3. 前記所定時間は前記フィルタの時定数よりも長くなっている請求項２に記載の印加電圧制御装置。
4. 前記開閉制御部は、前記駆動電圧の電圧レベルを監視する監視部（３０）と、前記監視部の監視結果に基づいて起動するマイクロコンピュータ（５０）と、を有し、
   前記監視部は前記駆動電圧が前記第１閾値以上となってから第１所定時間後に前記マイクロコンピュータに起動を指示する起動信号を出力し、
   前記マイクロコンピュータは前記起動信号が入力されてから第２所定時間後に前記切換スイッチを開状態から閉状態にしており、
   前記所定時間は前記第１所定時間と前記第２所定時間の和に等しい請求項２または請求項３に記載の印加電圧制御装置。
5. 前記マイクロコンピュータが停止状態の際、前記切換スイッチは開状態となっている請求項４に記載の印加電圧制御装置。
6. 前記定電圧部は、前記空燃比センサの前記下流端子に自身の出力端子が接続される下流オペアンプ（９１）を有し、
   前記下流オペアンプの反転入力端子と前記出力端子とが下流帰還配線（９３）を介して電気的に接続され、
   前記下流オペアンプの非反転入力端子に、前記上流電圧とは電圧レベルの異なる、前記駆動電圧が一定の比率で降圧された下流電圧が入力される請求項２〜５いずれか１項に記載の印加電圧制御装置。
7. 前記下流端子と前記下流オペアンプの前記出力端子との間に電流検出用抵抗（９２）が設けられ、
   前記電流検出用抵抗と前記下流オペアンプの前記出力端子との間の中点と前記上流帰還配線とを接続する中継配線（９９）に前記フィルタと前記切換スイッチが設けられている請求項６に記載の印加電圧制御装置。

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