JP4697052B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載エンジンの排ガス等を被検出ガスとし、同ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。

この種のガス濃度検出装置は、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。この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空燃比制御や、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空燃比制御等が実現されるようになっている。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。

こうした実情を鑑みて、本願出願人は、広域な空燃比検出レンジでの空燃比検出精度の向上と、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両立させるべく、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。

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。故に改善の余地が残されている。
特開２００４−２０５４８８号公報

本発明は、構成の簡易化を図り、しかも所望とするガス濃度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ガス濃度検出装置を提供することを主たる目的とするものである。

本発明のガス濃度検出装置において、ガス濃度センサは、固体電解質よりなるセンサ素子を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を広域に検出できるものとなっている。ガス濃度の検出に際し、センサ素子への電圧印加に伴い当該素子に流れる電流が電流計測用抵抗により計測され、該計測された素子電流信号が増幅回路によって増幅される。そして、その増幅回路から出力される電気信号に基づいてガス濃度演算が実施される。また、請求項１の発明では特に、複数の増幅用抵抗は、いずれかが増幅回路の入力抵抗となり、残りの全てが帰還抵抗となるものであり、そのうちいずれが入力抵抗になるかを切り換えるためのスイッチ素子が設けられ、該スイッチ素子の切換に伴い増幅回路の増幅率が可変設定される。

上記構成では、増幅回路の増幅率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レンジ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、スイッチ素子の切換に伴う入力抵抗、帰還抵抗の振り分けで行われる。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来構成とは異なり、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。

請求項２に記載の発明では、オペアンプの信号入力経路上にスイッチ素子を設けることで、増幅回路における素子電流信号の増幅を精度良く実施することとしている。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、信号増幅の精度が高められる。

請求項３に記載の発明では、ガス濃度検出レンジとして、第１検出レンジ（ナローレンジ）とそれよりもレンジ幅が大きい第２検出レンジ（ワイドレンジ）とがあらかじめ規定されており、スイッチ素子の切換により、第１検出レンジ（ナローレンジ）内でガス濃度検出を行う場合には増幅回路の増幅率が大きくされ、第２検出レンジ（ワイドレンジ）内でガス濃度検出を行う場合には増幅回路の増幅率が小さくされる。この場合、ナローレンジでは精度優先の濃度検出を行うことができるのに対し、ワイドレンジ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。

請求項４に記載の発明は、内燃機関から排出される燃焼ガスを検出対象とし、素子電流信号に基づき空燃比の検出を行う空燃比検出装置として適用される。そして、ストイキを含むストイキ近傍レンジである前記第１検出レンジとしてのナローレンジと、前記ナローレンジよりも広域であって該ナローレンジのリッチ側限界よりもリッチ側の領域とリーン側限界よりもリーン側の領域とを含む前記第２検出レンジとしてのワイドレンジとが空燃比検出レンジとして規定されており、空燃比検出レンジをナローレンジ、ワイドレンジのいずれにするかに応じてスイッチ素子の切換を実施するようにしている。この場合、ナローレンジでの空燃比検出に基づき、高精度なストイキ空燃比制御（ストイキフィードバック制御）が実現できる。また、ワイドレンジでの空燃比検出にもとづき、リーン空燃比、リッチ空燃比での空燃比制御（リーン／リッチフィードバック制御）が実現できる。

ここで、ワイドレンジは、内燃機関における燃料カット時の大気検出及びリッチ燃焼運転時のリッチ空燃比検出のいずれか一方、又は両方を可能とする空燃比検出レンジであると良い（請求項５）。これにより、ガス濃度センサによる大気検出に基づき、当該センサの劣化診断などが好適に実施できる。また、加速時などの高負荷増量時においてリッチフィードバック制御が好適に実施できる。
また、請求項６に記載したように、増幅回路の増幅用抵抗として、直列接続された少なくとも３つの抵抗を備え、それら少なくとも３つの抵抗は、いずれかが増幅回路の入力抵抗となり、残り全てが帰還抵抗となるものであり、そのうちいずれが入力抵抗になるかを、スイッチ素子の切換により変更するとよい。

以下、本発明のガス濃度検出装置を具体化した一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空燃比制御や、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空燃比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空燃比制御、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。

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。

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。

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。

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。

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Ｉｐ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流Ｉｐ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Ｉｐは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流Ｉｐ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。

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。

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。

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や、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。

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センサにより検出し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）。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、目標空燃比をリッチ空燃比を（例えばＡ／Ｆ＝１０）とし、Ａ／Ｆセンサにより検出し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。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。

ここで、ストイキ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、空燃比検出レンジとして、ストイキ近傍レンジであるナローレンジＲ１と、リッチ〜超リーンまでを含むワイドレンジＲ２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Ｒ１／Ｒ２の切換）を実施する。ナローレンジＲ１による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。これに対し、ワイドレンジＲ２による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。図４は、２つの空燃比検出レンジ（ナローレンジＲ１／ワイドレンジＲ２）においてＡ／Ｆとマイコン入力との関係を示す図である。ここでは、ナローレンジＲ１をＡ／Ｆ＝１３〜１８とし、ワイドレンジＲ２をＡ／Ｆ＝１０〜大気としている。

上記したストイキ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、ナローレンジＲ１による空燃比検出と、ワイドレンジＲ２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ナローレンジＲ１／ワイドレンジＲ２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。

一方、センサ制御回路３０において、センサ素子１０の正側端子（＋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の負側端子（−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。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。素子電流は電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流に応じて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点電圧が上昇し、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点電圧が低下する。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Ｄ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。

また、電流検出抵抗３２の両端のＡ点及びＢ点には増幅回路３８が接続されており、その増幅回路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。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。

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）に接続される信号入力経路上にスイッチ素子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からレンジ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。

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、かかる状態での増幅回路３８の増幅率ＧＡは、
ＧＡ＝（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１ …（式１）
となる。

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、かかる状態での増幅回路３８の増幅率ＧＢは、
ＧＢ＝Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ２） …（式２）
となる。

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から接点ｂに切り換えられることにより、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。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。

上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ナローレンジＲ１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、ワイドレンジＲ２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から都度の制御状態に応じて空燃比検出レンジ情報を受信し、該受信した情報に基づいてスイッチ素子４４に対してレンジ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。

図５は、Ａ／Ｆ変化に伴い空燃比検出レンジやスイッチ素子４４の切換が行われる様子を示すタイムチャートである。

図５において、タイミングｔ１以前はストイキフィードバック制御が行われており、Ａ／Ｆ（センサ出力）はストイキ近傍に落ち着いている。この場合、空燃比検出レンジがナローレンジＲ１とされるとともに、センサ制御回路３０においてスイッチ素子４４の導通接点が接点ａとなり増幅回路３８の増幅率が高い方の増幅率（上記式１のＧＡ）とされている。これにより、ストイキ近傍のＡ／Ｆが精密に検出され、ストイキフィードバック制御が高精度に実施される。

車両の減速等に伴いタイミングｔ１で燃料カットが行われると、排気管内のガス雰囲気が大気状態となり、Ａ／Ｆ（センサ出力）が超リーン値となる。この場合、空燃比検出レンジがワイドレンジＲ２に変更されるとともに、センサ制御回路３０においてスイッチ素子４４の導通接点が接点ｂに切り換えられ増幅回路３８の増幅率が低い方の増幅率（上記式２のＧＢ）とされる。そして、Ａ／Ｆセンサによる大気検出結果に基づいてＡ／Ｆセンサの劣化診断などが行われる。

その後、Ａ／Ｆがストイキ状態に復帰すると、ストイキフィードバック制御が再開される（タイミングｔ２）。それに伴い、空燃比検出レンジがナローレンジＲ１に戻されるとともに、スイッチ素子４４の導通接点が接点ａに戻されて増幅回路３８の増幅率が高い方の増幅率（上記式１のＧＡ）とされる。

タイミングｔ３では車両の加速等に基づく高負荷増量が開始され、その際リッチフィードバック制御が行われる。この場合、燃料カット時と同様に、空燃比検出レンジがワイドレンジＲ２に変更されるとともに、センサ制御回路３０においてスイッチ素子４４の導通接点が接点ｂに切り換えられ増幅回路３８の増幅率が低い方の増幅率（上記式２のＧＢ）とされる。

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。

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。

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来構成とは異なり、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。以上により、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。

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、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、増幅回路３８における信号増幅の精度が高められる。

空燃比検出レンジとして、ナローレンジＲ１（ストイキ近傍レンジ）とワイドレンジＲ２とを規定しておき、空燃比検出レンジをナローレンジ、ワイドレンジのいずれにするかに応じてスイッチ素子４４の切換を実施するようにしたため、ナローレンジでの空燃比検出に基づき、高精度なストイキ空燃比制御（ストイキフィードバック制御）が実現できる。また、ワイドレンジにおいて、燃料カット時の大気検出に基づく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が好適に実施できる。

上記図１の構成では、電流検出抵抗３２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をセンサ素子１０の−端子側に接続する構成であっても良く、その構成を図６により説明する。なお、図６では同一の構成については同じ部材番号を付している。

図６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。この場合、電流検出抵抗３２の一端のＤ点は基準電圧Ｖｆと同じ電圧に保持される。素子電流は電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流に応じてＥ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Ｅ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Ｅ点電圧が上昇する。印加電圧制御回路３５では、Ｅ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し、オペアンプ３４を介してＡ点電圧を制御する。

また、電流検出抵抗３２の両端のＤ点及びＥ点には増幅回路３８が接続されており、その増幅回路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。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。増幅回路３８の構成は前述した図１に準ずる。かかる場合、スイッチ素子４４の導通接点の切り換えにより増幅回路３８の増幅率が変更される。スイッチ素子４４の導通接点が接点ａとされた状態（図示の状態）では、増幅回路３８の増幅率Ｇが上記式１による増幅率ＧＡとなり、スイッチ素子４４の導通接点が接点ｂとされた状態では、増幅回路３８の増幅率Ｇが上記式２による増幅率ＧＢとなる。

図６の構成においても、前記同様、回路構成の簡易化を図り、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。

また、その他の構成例を図７（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図７（ａ），（ｂ）には、前記図６で説明したセンサ制御回路３０の一部を変更した構成を示しており、同一の構成については同じ部材番号を付している。図７（ａ），（ｂ）では、増幅回路３８の増幅用抵抗及びスイッチ素子の構成を変更しており、その相違点を中心に以下説明する。特に図７（ａ），（ｂ）では、増幅回路においてオペアンプの信号入力経路を並列に分岐させて増幅用抵抗に接続する構成とし、そのうち一方をそのまま増幅用抵抗に接続し、他方をスイッチ素子を介して増幅用抵抗に接続している。

図７（ａ）において、電流検出抵抗３２の両端のＤ点及びＥ点には増幅回路５０が接続されており、その増幅回路５０の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン２０に対して出力される。増幅回路５０は、オペアンプ５１と、直列接続された３つの増幅用抵抗５２，５３，５４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５５とを有する。なお、増幅用抵抗５２，５３，５４の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３とする。

増幅回路５０では、オペアンプ５１の負側入力端子に接続される信号入力経路が二股に分岐されており、それらの分岐先端が増幅用抵抗５２，５３の中間部と増幅用抵抗５３，５４の中間部とにそれぞれ接続されている。また、オペアンプ５１の負側入力端子と増幅用抵抗５３，５４の中間部との間にはスイッチ素子５５が接続されている。スイッチ素子５５は常開式スイッチとして構成され、マイコン２０からのレンジ切換信号により閉成される。

ここで、スイッチ素子５５がＯＦＦ（開状態）にあれば、増幅用抵抗５２が増幅回路５０の入力抵抗、増幅用抵抗５３及び５４が同増幅回路５０の帰還抵抗となる。したがって、かかる状態での増幅回路５０の増幅率ＧＣは、
ＧＣ＝（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１ …（式３）
となる。

また、スイッチ素子５５がＯＮ（閉状態）にあれば、増幅用抵抗５２が増幅回路５０の入力抵抗、増幅用抵抗５４が同増幅回路５０の帰還抵抗となる。したがって、かかる状態での増幅回路５０の増幅率ＧＤは、
ＧＤ＝Ｒ３／Ｒ１ …（式４）
となる。

上記の増幅率ＧＣ，ＧＤを比べると、ＧＣ＞ＧＤである。つまり、スイッチ素子５５がＯＦＦ→ＯＮに切り換えられることにより、増幅回路５０の増幅率が高い増幅率から低い増幅率に変更される。

また、図７（ｂ）に示す増幅回路５０では、入力抵抗部に、並列接続された２つの増幅用抵抗５６，５７を有するとともに、帰還抵抗部に増幅用抵抗５８を有している。また、増幅用抵抗５６に直列に、ＭＯＳトランジスタ等よりなるスイッチ素子５９が接続されている。スイッチ素子５９は常閉式スイッチとして構成されており、マイコン２０からのレンジ切換信号により開成される。なお、増幅用抵抗５６，５７，５８の抵抗値をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３とする。

ここで、スイッチ素子５９がＯＦＦ（閉状態）にあれば、増幅用抵抗５６，５７の合成抵抗が増幅回路５０の入力抵抗、増幅用抵抗５８が同増幅回路５０の帰還抵抗となる。したがって、かかる状態での増幅回路５０の増幅率ＧＥは、
ＧＥ＝Ｒ３／Ｒｘ …（式５）
となる。ただし、Ｒｘは増幅用抵抗５６，５７による合成抵抗値である。

また、スイッチ素子５９がＯＮ（開状態）にあれば、増幅用抵抗５７が増幅回路５０の入力抵抗、増幅用抵抗５８が同増幅回路５０の帰還抵抗となる。したがって、かかる状態での増幅回路５０の増幅率ＧＦは、
ＧＦ＝Ｒ３／Ｒ２ …（式６）
となる。

上記の増幅率ＧＥ，ＧＦを比べると、ＧＥ＞ＧＦである。つまり、スイッチ素子５９がＯＦＦ→ＯＮに切り換えられることにより、増幅回路５０の増幅率が高い増幅率から低い増幅率に変更される。

図７（ａ），（ｂ）の構成においても、前記同様、回路構成の簡易化を図り、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。また、図７（ａ），（ｂ）の構成では特に、増幅回路５０においてスイッチ素子５５，５９を介さずにオペアンプ５１と増幅用抵抗とを接続するライン（常時接続ライン）が存在するため、スイッチ素子５５，５９の切換に際し増幅回路５０の信号入力経路が一時的な開放（オープン）状態となることが回避できる。これにより、増幅回路５０の出力として高精度なＡ／Ｆ出力電圧を得ることができる。

また、上記実施の形態では、図２のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサについて説明してきたが、他のセンサ素子構造を有するＡ／Ｆセンサに適用することも可能である。ここでは、２セル構造のセンサ素子について２つの構成例を図８（ａ），（ｂ）により説明する。

図８（ａ）に示すセンサ素子６０では、２層の固体電解質層６１，６２を有しており、一方の固体電解質層６１には一対の電極６３，６４が対向配置され、他方の固体電解質層６２には一対の電極６５，６６が対向配置されている。なお、電極６３〜６５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６０では、固体電解質層６１及び電極６３，６４によりポンプセル７１が構成され、固体電解質層６２及び電極６５，６６により酸素検知セル７２が構成されている。センサ素子６０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８（ａ）において、符号６７はガス導入孔、符号６８は多孔質拡散層、符号６９は大気ダクト、符号７０はヒータである。

酸素検知セル７２の電極６６の電位は比較器７５の−入力端子に入力され、同比較器７５の＋入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル７１の電極６３と比較器７５の出力との間には電流検出抵抗７６が接続されており、その電流検出抵抗７６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。

上記構造のセンサ素子６０において、酸素検知セル７２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７２の起電力出力が小さくなり、比較器７５の出力（図のＢ点電圧）が上昇する。故に、電流検出抵抗７６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７２の起電力出力が大きくなり、比較器７５の出力（図のＢ点電圧）が低下する。故に、電流検出抵抗７６にはＡ→Ｂの向きに電流が流れる。なお、酸素検知セル７２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

また、図８（ｂ）に示すセンサ素子８０では、３層の固体電解質層８１，８２，８３を有し、固体電解質層８１には一対の電極８４，８５が対向配置され、固体電解質層８２には一対の電極８６，８７が対向配置されている。本センサ素子８０では、固体電解質層８１及び電極８４，８５によりポンプセル９１が構成され、固体電解質層８２及び電極８６，８７により酸素検知セル９２が構成されている。また、固体電解質層８３は、酸素基準室８８を確保するための壁材を構成している。センサ素子８０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８（ｂ）において、符号８９は多孔質拡散層、符号９０はガス検出室である。なお、酸素検知セル９２は、前記図８（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。

酸素検知セル９２の電極８７の電位は比較器９５の−入力端子に入力され、同比較器９５の＋入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル９１の電極８４と比較器９５の出力との間には電流検出抵抗９６が接続されており、その電流検出抵抗９６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９６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９６に電流が流れる。

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９に基づいて説明する。なお図９には、図８（ａ）のセンサ素子６０に関するセンサ制御回路１００の構成を示す。

図９のセンサ制御回路１００において、ポンプセル７１及び酸素検知セル７２の共通端子には基準電圧電源１０１が接続されている。また、これら各セル７１，７２と、オペアンプ１０２と、電流検出抵抗１０３とからなる閉回路が構成されており、オペアンプ１０２の非反転入力端子（＋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１０４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１０３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１０３に電流が流れる（なお、オペアンプ１０２が上記図８（ａ）のオペアンプ７５に相当し、電流検出抵抗１０３が同電流検出抵抗７６に相当する）。かかる場合、酸素検知セル７２の出力電圧が所定値になるようポンプセル７１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）。

また、電流検出抵抗１０３の両端のＡ点、Ｂ点には差動増幅回路１１０が接続されており、その差動増幅回路１１０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１１０はオペアンプ１１１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１１２が設けられるとともに、そのスイッチ素子１１２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１１３，１１４，１１５のうち中央の増幅用抵抗１１４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１１２は、図示のとおりオペアンプ１１１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。

また、オペアンプ１１１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１１６が設けられるとともに、そのスイッチ素子１１６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１１７，１１８，１１９のうち中央の増幅用抵抗１１８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１１６は、図示のとおりオペアンプ１１１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。

そして、図示しないマイコンからレンジ切換信号が出力されると、各スイッチ素子１１２，１１６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１１２，１１６の切換操作に伴い増幅回路１１０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。

上記図９の構成においても、前記同様、回路構成の簡易化を図り、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。

上記図９のセンサ制御回路１００では、電流検出抵抗１０３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１０に示すセンサ制御回路１２０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。

図１０に示すセンサ制御回路１２０において、ポンプセル７１及び酸素検知セル７２の共通端子にはオペアンプ１２３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７２と、フィードバック回路１２１と、電流検出抵抗１２２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１２１内の基準電圧Ｖｆ２は例えば２．５５Ｖである。

センサ制御回路１２０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７２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１２１内のＣ２点の電位が下がる。すると、フィードバック回路１２１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１２２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１２２に電流が流れる。

また、電流検出抵抗１２２の両端のＡ点、Ｂ点には増幅回路１３０が接続されており、その増幅回路１３０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１３０はオペアンプ１３１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１３２が設けられるとともに、そのスイッチ素子１３２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１３３，１３４，１３５のうち中央の増幅用抵抗１３４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１３２は、図示のとおりオペアンプ１３１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、図示しないマイコンからレンジ切換信号が出力されると、スイッチ素子１３２において切換操作が行われる。この場合、スイッチ素子１３２の切換操作に伴い増幅回路１３０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。

上記図１０の構成においても、前記同様、回路構成の簡易化を図り、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。なお、上記図９又は図１０のセンサ制御回路において、増幅回路の構成として前記図７（ａ），（ｂ）の構成を採用することも可能である。

上記各実施の形態では、増幅回路に設けたスイッチ素子に関し、その非操作状態では増幅回路の増幅率を高増幅率（ナローレンジ用の増幅率）とするとともに、同スイッチ素子の切換操作に伴い増幅回路の増幅率を低増幅率（ワイドレンジ用の増幅率）に変更する構成としたが、これを変更する。上記とは逆に、スイッチ素子の非操作状態では増幅回路の増幅率を低増幅率（ワイドレンジ用の増幅率）とするとともに、同スイッチ素子の切換操作に伴い増幅回路の増幅率を高増幅率（ナローレンジ用の増幅率）に変更する構成としても良い。

上記各実施の形態では、例えばＡ／Ｆ＝１３〜１８をナローレンジＲ１、Ａ／Ｆ＝１０〜大気をワイドレンジＲ２としたが、これを変更することも可能である。例えば、ワイドレンジＲ２について、燃料カット時の大気検出、又はリッチ燃焼運転時のリッチ空燃比検出のいずれか一方を少なくとも含む空燃比検出レンジであれば良い。また、空燃比検出レンジを３つ以上規定しておくことも可能である。

また、増幅回路の増幅率を３つ以上で切り換えることも可能である。このとき上記同様、複数の増幅用抵抗のうちいずれが増幅回路の入力抵抗、帰還抵抗となるかをスイッチ素子の切換に伴い変更し、それにより増幅回路の増幅率を可変設定する。

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。

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。さらに、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いることや、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。

センサ制御系の電気的構成を示す構成図。 Ａ／Ｆセンサの構成を示す断面図。 Ａ／Ｆセンサの電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図。 Ａ／Ｆとマイコン入力との関係を示す図。 Ａ／Ｆ変化に伴い空燃比検出レンジやスイッチ素子の切換が行われる様子を示すタイムチャート。 センサ制御系の電気的構成を示す構成図。 センサ制御系の電気的構成を示す構成図。 ２セル構造のセンサ素子の構成を示す断面図。 センサ制御系の電気的構成を示す構成図。 センサ制御系の電気的構成を示す構成図。

符号の説明

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…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…増幅回路、５１…オペアンプ、５２〜５４…増幅用抵抗、５５…スイッチ素子、５６〜５８…増幅用抵抗、５９…スイッチ素子、６０…センサ素子、６１，６２…固体電解質層、８０…センサ素子、８１，８２…固体電解質層、１００…センサ制御回路、１０３…電流検出抵抗、１１０…増幅回路、１１１…オペアンプ、１１２…スイッチ素子、１１３〜１１５…増幅用抵抗、１１６…スイッチ素子、１１７〜１１９…増幅用抵抗、１２０…センサ制御回路、１２２…電流検出抵抗、１３０…増幅回路、１３１…オペアンプ、１３２…スイッチ素子、１３３〜１３５…増幅用抵抗。

Claims (6)

1. 固体電解質よりなるセンサ素子を有し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ガス濃度センサと、
   前記センサ素子への電圧印加時に当該素子に流れる電流を計測するための電流計測用抵抗と、
   オペアンプ及び増幅率決定のための複数の増幅用抵抗を有してなり前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を増幅する増幅回路と、
   を備え、前記増幅回路から出力される電気信号に基づいてガス濃度演算を実施するガス濃度検出装置において、
   前記複数の増幅用抵抗は、いずれかが前記増幅回路の入力抵抗となり、残りの全てが帰還抵抗となるものであり、そのうちいずれが入力抵抗になるかを切り換えるためのスイッチ素子を設け、該スイッチ素子の切換に伴い前記増幅回路の増幅率を可変設定する構成としたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記オペアンプの信号入力経路上に前記スイッチ素子を設けたことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置。
3. ガス濃度検出レンジとして、第１検出レンジとそれよりもレンジ幅が大きい第２検出レンジとをあらかじめ規定しておき、前記第１検出レンジ内でガス濃度検出を行う場合に、前記第２検出レンジ内でガス濃度検出を行う場合よりも前記増幅回路の増幅率が大きくなるよう前記スイッチ素子の切換を実施する切換制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
4. 内燃機関から排出される燃焼ガスを検出対象とし、前記素子電流信号に基づき空燃比の検出を行う空燃比検出装置として適用され、
   ストイキを含むストイキ近傍レンジである前記第１検出レンジとしてのナローレンジと、前記ナローレンジよりも広域であって該ナローレンジのリッチ側限界よりもリッチ側の領域とリーン側限界よりもリーン側の領域とを含む前記第２検出レンジとしてのワイドレンジとが空燃比検出レンジとして規定されており、
   前記切換制御手段は、前記空燃比検出レンジをナローレンジ、ワイドレンジのいずれにするかに応じて前記スイッチ素子の切換を実施することを特徴とする請求項３に記載のガス濃度検出装置。
5. 前記ワイドレンジは、前記内燃機関における燃料カット時の大気検出及びリッチ燃焼運転時のリッチ空燃比検出のいずれか一方、又は両方を可能とする空燃比検出レンジである請求項４に記載のガス濃度検出装置。
6. 前記増幅回路の増幅用抵抗として、直列接続された少なくとも３つの抵抗を備え、それら少なくとも３つの抵抗は、いずれかが増幅回路の入力抵抗となり、残り全てが帰還抵抗となるものであり、そのうちいずれが入力抵抗になるかを、前記スイッチ素子の切換により変更する構成としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のガス濃度検出装置。

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