JP2017101951A - 酸素濃度センサへの入力回路 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度センサの出力端子が地絡した際に基準電圧側から酸素濃度センサに電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを抑制可能な酸素濃度センサへの入力回路を提供する。
【解決手段】酸素濃度センサへの入力回路１では、酸素濃度センサ２は、入力側コネクタ２３及び出力側コネクタ２５を有し、入力側コネクタ２３に対しては、基準電圧が印加され、出力側コネクタ２５からは、電気信号が出力されると共に、出力側コネクタ２５に対しては、第２の入力回路１２が電気的に接続され、入力側コネクタ２３に対する基準電圧の印加を、出力側コネクタ２５の電位が地絡電位になることに対応して遮断する遮断回路１１ｂを備える。これにより、酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサ２に電流が流れることによって酸素濃度センサ２内部のセンサ素子２１が故障することを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸素濃度センサへの入力回路に関し、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基準電圧を印加する入力回路に関する。

近年、車両の内燃機関には、その排気ガスの酸素濃度に応じた電気信号を出力する酸素センサ（酸素濃度センサ）が適用されている。酸素濃度センサの出力信号は、それが適用される内燃機関のフィードバック制御に用いられるものであるため、かかる酸素濃度センサの異常を検出する検出装置が提案されてきている。

かかる状況下で、特許文献１は、出力線を介して酸素濃度センサから出力される電圧に基づいて酸素濃度センサの異常を検出する酸素濃度センサの異常検出装置に関し、酸素濃度センサに接続されたアース線に第１基準電圧を印加すると共に、所定の抵抗を介して出力線に酸素濃度センサの正常時の出力範囲から外れるような第２基準電圧を印加することによって、酸素濃度センサの異常を検出する構成を開示している。

特開２００４−１２５７３８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記載の構成では、酸素濃度センサの出力端が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサに向けて電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障する可能性が考えられ、この点では改良の余地があるものである。

本発明は、以上の検討を経てなされたものであり、酸素濃度センサの出力端が地絡した際に基準電圧側から酸素濃度センサに向けて電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを抑制可能な酸素濃度センサへの入力回路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、内燃機関の排気の酸素濃度に応じた電気信号を出力する酸素濃度センサに適用される酸素濃度センサへの入力回路において、前記酸素濃度センサは、入力端及び出力端を有し、前記入力端に対しては、基準電圧が印加され、前記出力端からは、前記電気信号が出力されると共に、前記出力端に対しては、前記入力回路が電気的に接続され、前記入力端に対して前記基準電圧を印加する基準電圧回路と、前記入力端に対する前記基準電圧の印加を、前記出力端の電位が地絡電位になることに対応して遮断する遮断回路と、を備えることを第１の局面とする。

本発明は、第１の局面に加えて、前記遮断回路は、前記出力端の前記電位と前記基準電圧の電位との差に基づき、前記基準電圧の前記印加を遮断することを第２の局面とする。

本発明は、第１又は第２の局面に加えて、前記遮断回路は、前記入力端と、前記入力端に前記基準電圧を印加する基準電圧回路と、の間の電気的接続を遮断するトランジスタを含むことを第３の局面とする。

本発明は、第３の局面に加えて、前記遮断回路は、前記入力端と前記基準電圧回路との間の前記電気的接続を、前記トランジスタと協働して遮断するオペアンプを更に含むことを第４の局面とする。

本発明の第１の局面にかかる酸素濃度センサへの入力回路によれば、酸素濃度センサの出力端に対しては、入力回路が電気的に接続されると共に、酸素濃度センサの入力端に対して基準電圧を印加する基準電圧回路と、酸素濃度センサの入力端に対する基準電圧の印加を、酸素濃度センサの出力端の電位が地絡電位になることに対応して遮断する遮断回路と、を備えるものであるため、酸素濃度センサの出力端が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサに向けて電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを抑制することができる。

また、本発明の第２の局面にかかる酸素濃度センサへの入力回路によれば、遮断回路が、酸素濃度センサの出力端の電位と基準電圧の電位との差に基づき、基準電圧の印加を遮断するものであるため、酸素濃度センサの出力端が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサに向けて電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを確実に抑制することができる。

また、本発明の第３の局面にかかる酸素濃度センサへの入力回路によれば、遮断回路が、酸素濃度センサの入力端と、入力端に基準電圧を印加する基準電圧回路と、の間の電気的接続を遮断するトランジスタを含むものであるため、酸素濃度センサの出力端が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサに向けて電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを簡便な構成で確実に抑制することができる。

また、本発明の第４の局面にかかる酸素濃度センサへの入力回路によれば、遮断回路が、酸素濃度センサの入力端と基準電圧回路との間の電気的接続を、トランジスタと協働して遮断するオペアンプを更に含むものであるため、酸素濃度センサの出力端が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサに向けて電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを簡便な構成でより確実に抑制することができる。

図１（ａ）は、本発明の実施形態における酸素濃度センサへの入力回路の構成を示す模式的なブロック図であり、図１（ｂ）は、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路が酸素濃度センサに基準電圧を印加しない場合におけるリーン電圧領域及び地絡検知領域を示す図であり、また、図１（ｃ）は、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路が酸素濃度センサに基準電圧を印加した場合におけるリーン電圧領域及び地絡検知領域を示す図である。 図２は、酸素濃度センサの出力側コネクタが地絡した場合における図１に示す酸素濃度センサへの入力回路の動作を説明するための図である。 図３（ａ）は、図１に示す酸素濃度センサへの入力回路の具体的な構成例を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す酸素濃度センサへの入力回路の構成例の変形例を示す図である。 図４は、図３（ｂ）に示す酸素濃度センサへの入力回路の構成例の変形例を示す図である。

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への入力回路につき、詳細に説明する。

〔酸素濃度センサへの入力回路の構成〕
まず、図１を参照して、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路の構成について、詳細に説明する。

図１（ａ）は、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路の構成を示す模式的なブロック図であり、図１（ｂ）は、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路が酸素濃度センサに基準電圧を印加しない場合におけるリーン電圧領域及び地絡検知領域を示す図であり、また、図１（ｃ）は、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路が酸素濃度センサに基準電圧を印加した場合におけるリーン電圧領域及び地絡検知領域を示す図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路１１は、典型的には、図示を省略する自動二輪車等の車両に搭載されて内燃機関の運転状態を制御する電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ ：ＥＣＵ）１のケース３内にその一部として設けられると共に、内燃機関の排気の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する酸素濃度センサ２に適用されるものである。

酸素濃度センサ２は、典型的には、内部にセンサ素子２１を備えると共にセンサ素子２１を加熱するヒータを有さない２線式の酸素濃度センサである。酸素濃度センサ２は、入力側配線２２を介して入力側コネクタ２３を車両が備えるＥＣＵ１のケース３に装着された出力側コネクタ３１に電気的に接続（以下、単に接続と記す）することによってＥＣＵ１の出力側に接続されている。また、酸素濃度センサ２は、出力側配線２４を介して出力側コネクタ２５をＥＣＵ１の出力側配線２４を介して出力側コネクタ２５に接続することによってＥＣＵ１の入力側に接続されている。

ＥＣＵ１は、酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１と、酸素濃度センサからの入力回路である第２の入力回路１２と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）４と、図示を省略するメモリと、を主として備えている。第１の入力回路１１は、出力側配線１３を介してＥＣＵ１の出力側コネクタ３１に接続され、第２の入力回路１２は、入力側配線１４を介してＥＣＵ１の入力側コネクタ３２に接続されている。なお、酸素濃度センサ２の出力端、つまりセンサ素子２１の出力端は、出力側配線２４、出力側コネクタ２５、入力側コネクタ３２、及び入力側配線１４を順に介して、第２の入力回路１２に接続されると共に、更にモニタ用配線１５を介して、第１の入力回路１１に接続されている。電位が等しいという点では、出力側配線２４、出力側コネクタ２５、入力側コネクタ３２、及び入力側配線１４が、酸素濃度センサ２の出力端、つまりセンサ素子２１の出力端に相当すると考えてよい。また、以下、便宜上、酸素濃度センサへの入力回路１１を第１の入力回路と記す。

第１の入力回路１１は、基準電圧回路１１ａと、遮断回路１１ｂと、を備えている。

基準電圧回路１１ａは、出力側配線１３に接続され、出力側配線１３、出力側コネクタ３１、入力側コネクタ２３、及び入力側配線２２を順に介して、酸素濃度センサ２の入力端、つまりセンサ素子２１の入力端に基準電圧を印加する。電位が等しいという点では、出力側配線１３、出力側コネクタ３１、入力側コネクタ２３、及び入力側配線２２が、酸素濃度センサ２の入力端、つまりセンサ素子２１の入力端に相当すると考えてよい。

ここで、図１（ｂ）に示すように、センサ素子２１に基準電圧を印加しない場合、リーン電圧検知領域と地絡検知領域とが重なるために、酸素濃度センサ２の電圧信号ＶＡのボトム側で地絡していないのに地絡しているとＥＣＵ１が誤検知してしまうことがある。これに対して、図１（ｃ）に示すように、センサ素子２１に基準電圧を印加した場合には、センサ素子２１の出力電圧ＶＡを高電圧側にシフトさせることができるので、リーン検知領域と地絡検知領域とを重ならないように分離し、ＥＣＵ１が地絡を誤検知してしまうことを抑制することができる。なお、図１（ｂ）及び図（ｃ）において、電圧Ｖ１はリーン判定電圧を示し、電圧Ｖ２はリッチ判定電圧を示している。

遮断回路１１ｂは、ノードＡにおいて入力側配線１４から分岐されたモニタ用配線１５に接続されている。遮断回路１１ｂには、出力側配線２４、出力側コネクタ２５、入力側コネクタ３２、入力側配線１４、及びモニタ用配線１５を順に介して酸素濃度センサ２から出力された電圧信号が入力される。酸素濃度センサ２から出力された電圧信号に応じた遮断回路１１ｂの動作についての詳細は、後述する。

第２の入力回路１２は、入力側配線１４に接続されている。第２の入力回路１２には、出力側配線２４、出力側コネクタ２５、入力側コネクタ３２、及び入力側配線１４を順に介して酸素濃度センサ２から出力された電圧信号が入力される。第２の入力回路１２は、出力側配線１６を介して酸素濃度センサ２の電圧信号をＣＰＵ４に出力する。ＣＰＵ４は、メモリから必要な算出プログラムを読み出して、酸素濃度センサ２の電圧信号に基づいて内燃機関の排気の酸素濃度を算出する。

〔酸素濃度センサへの入力回路の動作〕
次に、図２をも更に参照して、酸素濃度センサへの入力回路１１の動作について、詳細に説明する。

図２は、酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５が地絡した場合における図１に示す酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１の動作を説明するための図である。

第１の入力回路１１は、ＣＰＵ４に酸素濃度センサ２の電圧信号が入力される際に、基準電圧回路１１ａによって酸素濃度センサ２のセンサ素子２１に対して基準電圧を印加する。そして、第２の入力回路１２は、出力側配線１６を介して酸素濃度センサ２の電圧信号をＣＰＵ４に入力し、ＣＰＵ４は、酸素濃度センサ２の電圧信号に基づいて内燃機関の排気の酸素濃度を算出する。このとき、酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５の電位が地絡電位になった場合、図２に破線Ｉで示すように、センサ素子２１を介して基準電圧回路１１ａから接地準位ＬＧに向けて電流が流れるために、センサ素子２１が故障する可能性がある。かかる事情は、出力側配線２４、入力側コネクタ３２、及び入力側配線１４のいずれかの電位が地絡電位になった場合においても同様である。

そこで、酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５の電位（出力側配線２４、入力側コネクタ３２、及び入力側配線１４のいずれかの電位も含む）が地絡電位になった場合、遮断回路１１ｂが、基準電圧回路１１ａによる酸素濃度センサ２のセンサ素子２１に対する基準電圧の印加を遮断する。酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５の電位が地絡電位になったか否かは、モニタ用配線１５を介して検出された酸素濃度センサ２の電圧信号ＶＡの電圧が、図１（ｃ）に示す地絡検知領域に相当する電圧範囲内に入ったか否かを遮断回路１１ｂが判別することによって、遮断回路１１ｂが判別する。また、遮断回路１１ｂは、酸素濃度センサ２の電圧信号と基準電圧との差に基づいて酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５の電位が地絡電位になったか否かを検出することもできる。これにより、センサ素子２１を介して基準電圧回路１１ａから接地準位ＬＧに向けて電流が流れることを抑制することができるので、センサ素子２１が故障することを抑制することができる。なお、このような遮断回路１１ｂの判別機能には、ソフトウエア上の動作に起因するものに限らず、ハードウエア上の動作に起因するもの、及びソフトウエア上の動作及びハードウエア上の動作に起因するものが含まれる。

〔酸素濃度センサへの入力回路の構成例〕
次に、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４をも更に参照して、図１に示す酸素濃度センサへの入力回路１１の具体的な構成例について、詳細に説明する。

図３（ａ）は、図１に示す酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１の具体的な構成例を示す図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１の構成例の変形例を示す図である。また、図４は、図３（ｂ）に示す酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１の変形例を示す図である。

図３（ａ）に示すように、本構成例では、基準電圧回路１１ａは、抵抗素子Ｒ１及び抵抗素子Ｒ２からなる電源電圧ＶＣＣの抵抗分圧回路１１ａ１によって構成され、出力側配線１３は、電源電圧ＶＣＣに対して直列に接続された抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２との間のノードＣに接続されている。抵抗分圧回路１１ａ１は、電源電圧ＶＣＣの抵抗分圧を基準電圧として酸素濃度センサ２のセンサ素子２１に印加する。電源電圧ＶＣＣ及び抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値の大きさは、センサ素子２１に印加する基準電圧の大きさに応じて定められている。

また、本構成例では、遮断回路１１ｂは、ＰＮＰトランジスタ素子１１ｂ１によって構成されている。ＰＮＰトランジスタ素子１１ｂ１のエミッタ端子はノードＢにおいて出力側配線１３に接続され、コレクタ端子は接地準位ＬＧに接続され、ベース端子はモニタ用配線１５に接続されている。ＰＮＰトランジスタ素子１１ｂ１は、酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５の電位が地絡電位になるのに伴いベース端子に印加される酸素濃度センサ２の電圧信号が地絡検知領域に相当する電圧範囲内に入るのに応じてオンされる。ＰＮＰトランジスタ素子１１ｂ１は、それがオンされるとエミッタ端子からコレクタ端子に電流を流すことが可能となるため、抵抗分圧回路１１ａ１とセンサ素子２１との間の電気的接続を遮断（ノードＢの電圧＝０Ｖ）することによって、酸素濃度センサ２のセンサ素子２１に対する基準電圧の印加を遮断する。

また、本構成例では、第２の入力回路１２は、ボルテージフォロワ（オペアンプがボルテージフォロワ接続されたもの）１２ａによって構成されていることが好ましい。ボルテージフォロワ１２ａの非反転入力端子は入力側配線１４に接続され、反転入力端子及び出力端子は出力側配線１６に接続されている。ボルテージフォロワ１２ａは、インピーダンス変換機能を有して酸素濃度センサ２の電圧信号を昇圧してＣＰＵ４に入力することが可能である。

ここで、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に示す酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１において、ノードＢと出力側コネクタ３１との間の出力側配線１３にボルテージフォロワ１１ａ２を更に設けてもよい。ボルテージフォロワ１１ａ２の非反転入力端子はノードＢに接続され、反転入力端子及び出力端子は出力側配線１３に接続されている。ボルテージフォロワ１１ａ２は、インピーダンス変換機能を有して抵抗分圧回路１１ａ１の基準電圧を昇圧して酸素濃度センサ２のセンサ素子２１に印加することが可能である。

また、図４に示すように、図３（ｂ）に示す酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１において、電源電圧ＶＣＣの抵抗分圧回路１１ｂ２及びオペアンプ１１ｂ３を更に設けると共に、更にＰＮＰトランジスタ素子１１ｂ１をＮＰＮトランジスタ素子１１ｂ４に置き換えてもよい。

抵抗分圧回路１１ｂ２は、電源電圧ＶＣＣに対して直列に接続された抵抗素子Ｒ３及び抵抗素子Ｒ４によって構成され、抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２との間のノードＤにはオペアンプ１１ｂ３の非反転入力端子が接続されている。抵抗分圧回路１１ｂ２は、電源電圧ＶＣＣの抵抗分圧を基準電圧としてオペアンプ１１ｂ３の非反転入力端子に出力する。電源電圧ＶＣＣ及び抵抗素子Ｒ１、Ｒ２の抵抗値の大きさは、基準電圧の大きさに応じて定められている。

オペアンプ１１ｂ３の非反転入力端子は抵抗素子Ｒ１と抵抗素子Ｒ２との間のノードＤに接続され、反転入力端子はモニタ用配線１５に接続され、出力端子はＮＰＮトランジスタ素子１１ｂ４のベース端子に接続されている。オペアンプ１１ｂ３は、比較器として機能し、非反転入力端子に入力された基準電圧と反転入力端子に入力された酸素濃度センサ２の電圧信号との差が所定値以上である場合、ＮＰＮトランジスタ素子１１ｂ４のベース端子にオン信号を出力する。このようにオペアンプ１１ｂ３（比較器）を用いることにより、酸素濃度センサ２の出力側コネクタ２５の地絡を正確に検知することができる。

ＮＰＮトランジスタ素子１１ｂ４のエミッタ端子は接地準位ＬＧに接続され、コレクタ端子はノードＢにおいて出力側配線１３に接続され、ベース端子はオペアンプ１１ｂ３の出力端子に接続されている。ＮＰＮトランジスタ素子１１ｂ４は、オペアンプ１１ｂ３からベース端子にオン信号が入力されると、抵抗分圧回路１１ａ１とセンサ素子２１との間の電気的接続を遮断することによって、酸素濃度センサ２のセンサ素子２１に対する基準電圧の印加を遮断する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態における酸素濃度センサへの入力回路である第１の入力回路１１では、酸素濃度センサ２の出力端（出力側配線２４、出力側コネクタ２５、入力側コネクタ３２、及び入力側配線１４）に対しては、第１の入力回路１１が電気的に接続されると共に、酸素濃度センサ２の入力端（出力側配線１３、出力側コネクタ３１、入力側コネクタ２３、及び入力側配線２２）に対して基準電圧を印加する基準電圧回路１１ａと、酸素濃度センサ２の入力側コネクタ２３に対する基準電圧の印加を、酸素濃度センサ２の出力端の電位が地絡電位になることに対応して遮断する遮断回路１１ｂと、を備える。これにより、酸素濃度センサ２の出力端が地絡した際、基準電圧側から酸素濃度センサ２に電流が流れることによって酸素濃度センサ２内部のセンサ素子２１が故障することを抑制することができる。

なお、本発明は、部材の種類、形状、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、本発明は、酸素濃度センサの出力端が地絡した際に基準電圧側から酸素濃度センサに電流が流れることによって酸素濃度センサ内部のセンサ素子が故障することを抑制可能な酸素濃度センサへの入力回路を提供することができるものであり、その汎用普遍的な性格から自動二輪車等の車両の内燃機関制御装置に広く適用され得るものと期待される。

１…ＥＣＵ
２…酸素濃度センサ
３…ケース
４…ＣＰＵ
１１…酸素濃度センサへの入力回路（第１の入力回路）
１１ａ…基準電圧回路
１１ａ１…抵抗分圧回路
１１ａ２…ボルテージフォロワ
１１ｂ…遮断回路
１１ｂ１…ＰＮＰトランジスタ素子
１１ｂ２…抵抗分圧回路
１１ｂ３…オペアンプ
１１ｂ４…ＮＰＮトランジスタ素子
１２…第２の入力回路
１２ａ…ボルテージフォロワ
１３…出力側配線
１４…入力側配線
１５…モニタ用配線
２１…センサ素子
２２…入力側配線
２３…入力側コネクタ
２４…出力側配線
２５…出力側コネクタ
３１…出力側コネクタ
３２…入力側コネクタ

Claims (4)

1. 内燃機関の排気の酸素濃度に応じた電気信号を出力する酸素濃度センサに適用される酸素濃度センサへの入力回路において、
   前記酸素濃度センサは、入力端及び出力端を有し、
   前記入力端に対しては、基準電圧が印加され、
   前記出力端からは、前記電気信号が出力されると共に、前記出力端に対しては、前記入力回路が電気的に接続され、
   前記入力端に対して前記基準電圧を印加する基準電圧回路と、
   前記入力端に対する前記基準電圧の印加を、前記出力端の電位が地絡電位になることに対応して遮断する遮断回路と、
   を備えることを特徴とする酸素濃度センサへの入力回路。
2. 前記遮断回路は、前記出力端の前記電位と前記基準電圧の電位との差に基づき、前記基準電圧の前記印加を遮断することを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度センサへの入力回路。
3. 前記遮断回路は、前記入力端と、前記入力端に前記基準電圧を印加する基準電圧回路と、の間の電気的接続を遮断するトランジスタを含む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への入力回路。
4. 前記遮断回路は、前記入力端と前記基準電圧回路との間の前記電気的接続を、前記トランジスタと協働して遮断するオペアンプを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の酸素濃度センサへの入力回路。
   

Images