JP6140004B2 - 電圧出力回路、及び、車両制御システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の混合気体の空燃比を制御する技術に関する。

近年、自動車には、内燃機関における空気と燃料との混合比（空燃比）を導出し、空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射等を制御する空燃比制御装置が設けられている。空燃比制御装置は、排気ガス中の酸素濃度を測定するセンサから取得した酸素濃度に応じて、燃料が最適な量となるように燃料噴射装置を制御する。

図１は、従来の空燃比制御装置９０の概要を示す図である。図１に示すように、空燃比制御装置９０は、Ａ／Ｆセンサ部９１と、電圧バッファ部９２と、ＶＩ変換部９３とを備えている。Ａ／Ｆセンサ（Air by Fuel ratio sensor）部９１は、排気ガス中の酸素濃度を測定するセンサであり、酸素濃度に対応する電圧を電圧バッファ部９２に対して出力する。

電圧バッファ部９２は、Ａ／Ｆセンサ部９１から入力した電圧を後段のＶＩ変換部９３に出力するバッファである。電圧バッファ部９２は、誤差アンプ９４と、出力バッファ９５と、スイッチ９６と、位相補償コンデンサ９７とを備えている。また、これら誤差アンプ９４と出力バッファ９５とでオペアンプを構成している。

Ａ／Ｆセンサ部９１から出力された電圧は、誤差アンプ９４の非反転入力端子に入力され、誤差アンプ９４の出力は出力バッファ９５に入力される。出力バッファ９５の出力は、誤差アンプ９４の反転入力端子に入力される。つまり、オペアンプはボルテージフォロア接続されている。また、出力バッファ９５の出力は、ＶＩ変換部９３にも入力される。位相補償コンデンサ９７は、誤差アンプ９４と出力バッファ９５との接続点とグランドとの間に設けられている。また、スイッチ９６は、出力バッファ９５と、この出力バッファ９５に電力を供給する電源との間に接続されている。このスイッチ９６をオン又はオフすることで、出力バッファ９５の動作を駆動又は停止させる。

ＶＩ変換部９３は、入力した電圧に対応する電流を生成する。ＶＩ変換部９３で変換された電流は、Ａ／Ｆセンサ部９１に印加される。すなわち、Ａ／Ｆセンサ部９１には、電圧バッファ部９２から出力された電圧に対応する電流が流れる。Ａ／Ｆセンサ部９１に流れる電流値をモニタすることで、空燃比を導出することができる。そして、空燃比制御装置９０は、この電流値に基づいて、空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射を制御する。

なお、Ａ／Ｆセンサ部９１による酸素濃度の測定精度は、Ａ／Ｆセンサ部９１の温度に依存する。また、Ａ／Ｆセンサ部９１は、温度に応じてインピーダンスが変化する。このため、空燃比制御装置９０は、定期的にＡ／Ｆセンサ部９１のインピーダンスを測定することで、酸素濃度の測定に適切な温度であるか否かを判定している。具体的には、不図示の定電流回路から所定の電流をＡ／Ｆセンサ部９１に流し、その際の電圧を測定することでインピーダンスを測定している。

しかしながら、インピーダンス測定のために電流を流すと、Ａ／Ｆセンサ部９１には、その測定のために流した電流に起因する電圧が発生する。そして、発生した電圧がＡ／Ｆセンサ部９１から電圧バッファ部９２を介してＶＩ変換部９３に出力されると、空燃比を導出するための電圧として検出されてしまう。これにより、誤った空燃比が導出され、空燃比制御装置９０が意図しない燃料噴射制御をしてしまう可能性がある。

このため、Ａ／Ｆセンサ部９１のインピーダンスを測定する間は、電圧バッファ部９２を停止して出力を保持する必要がある。そこで、空燃比制御装置９０は、Ａ／Ｆセンサ部９１のインピーダンス測定期間は、スイッチ９６をオフにして出力バッファ９５の動作を停止させることで、電圧バッファ部９２の出力をＨｉインピーダンスにして出力電圧を保持している。なお、本発明と関連する技術としては、例えば、特許文献１がある。

特開2011-203131号公報

ところが、スイッチ９６をオフして出力バッファ９５の動作を停止しても、誤差アンプ９４は動作し続けている。つまり、オペアンプの負帰還制御は続いている。この場合、電圧バッファ部９２に入力する電圧は変動しているのに対して、電圧バッファ部９２の出力は保持された状態であるため、誤差アンプ９４の出力電圧が変動する。すなわち、位相補償コンデンサ９７の電位ＶＡがＨｉ又はＬｏに張り付いている状態（飽和状態）になる。この状態でスイッチ９６をオフからオンに切り替えると、電圧バッファ部９２から異常な値の電圧が出力されてしまう。

これについて図２に基づいて説明する。図２は、電圧バッファ部９２の各種信号の変化を示すタイムチャートである。図２中において、入力信号は、誤差アンプ９４の非反転入力端子に入力される電圧信号である。また、スイッチ信号は、スイッチ９６のオン又はオフを切り替えるための信号である。ＶＡは、位相補償コンデンサ９７の電位を示す信号である。また、出力信号は、電圧バッファ部９２から出力される電圧信号である。

図２に示すタイムチャートの開始時点では、スイッチ９６はオンしており、出力バッファ９５は動作している。この場合、入力信号と出力信号とは同じ電圧であるため、位相補償コンデンサ９７の電位ＶＡ（誤差アンプの出力電圧）は、一定である。

時点Ｔ１０において、スイッチ９６がオフになると、出力バッファ９５は停止して電圧バッファ部９２の出力がＨｉインピーダンスとなるため、出力電圧は保持される。一方、入力信号は変動しているため、誤差アンプ９４は、出力信号を入力信号に追従させるように出力の電圧を制御する。このため、入力信号が出力信号よりも高い場合には位相補償コンデンサ９７の電位ＶＡがＨｉに張り付き、入力信号が出力信号よりも低い場合には位相補償コンデンサ９７の電位ＶＡがＬｏに張り付くことになる。

そして、時点Ｔ１１において、例えば、位相補償コンデンサ９７の電位ＶＡがＨｉに張り付いた状態でスイッチ９６をオフからオンに切り替えると、入力信号の電圧が高いうえにさらに出力させようとするため、電圧バッファ部９０は、所望の値を超える異常な電圧を出力してしまう。また、位相補償コンデンサ９７の電位が一定の値に復帰するまでの期間（時点Ｔ１１から時点Ｔ１２まで）においても、電圧バッファ部９０が異常な電圧を出力し続けることになる。その結果、空燃比制御装置９０が誤動作する等の問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電圧バッファ部の出力をＨｉインピーダンスにした状態から復帰する際に、空燃比を制御する装置が誤動作することを回避する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、入力電圧を外部に出力する電圧出力回路であって、外部に設けられた、排気ガス中の酸素濃度に対応した電圧を出力する濃度センサの出力電圧が入力される非反転入力端子、第１反転入力端子及び第２反転入力端子を有する誤差アンプと、前記誤差アンプの出力電圧を前記濃度センサ及び前記第１反転入力端子に出力する第１出力バッファと、前記誤差アンプの出力電圧を前記第２反転入力端子に出力する第２出力バッファと、前記第１出力バッファと第１反転入力端子との接続、及び、第２出力バッファと第２反転入力端子との接続を切り替える切替手段と、前記第１出力バッファの駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、を備え、前記切替手段は、前記第１出力バッファが駆動しているときは、第１出力バッファと第１反転入力端子とを接続し、前記第１出力バッファが停止しているときは、第２出力バッファと第２反転入力端子とを接続する。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の電圧出力回路において、前記非反転入力端子には、外部に設けられた定電流回路が接続されており、前記駆動制御手段は、前記定電流回路が電流を印加する期間に第１出力バッファを停止させ、電流を印加しない期間に第１出力バッファを駆動させる。

また、請求項３の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載の電圧出力回路において、前記切替手段は、前記第１出力バッファと第１反転入力端子との間に設けられた第１スイッチと、前記第２出力バッファと第２反転入力端子との間に設けられた第２スイッチと、を含む。

また、請求項４の発明は、請求項３に記載の電圧出力回路において、前記第１スイッチ及び第２スイッチは、切替信号によりオン及びオフが制御されるようになっており、前記第１スイッチの切替信号及び前記第２スイッチの切替信号は、互いに論理レベルが逆転した信号である。

また、請求項５の発明は、請求項４に記載の電圧出力回路において、前記駆動制御手段は、前記第１出力バッファに電力を供給する電源と第１出力バッファとの間に設けられたバッファ用スイッチを含み、前記バッファ用スイッチは、前記第１スイッチの切替信号と同じ信号でオン及びオフが制御される。

また、請求項６の発明は、車両の内燃機関における空気と燃料の混合比である空燃比を制御する車両制御システムであって、排気ガス中の酸素濃度に対応した電圧を出力する濃度センサと、前記濃度センサの出力電圧を入力して、該入力電圧を前記濃度センサにフィードバックする電圧出力回路と、を備え、前記電圧出力回路は、前記濃度センサの出力電圧が入力される非反転入力端子、第１反転入力端子及び第２反転入力端子を有する誤差アンプと、前記誤差アンプの出力電圧を前記濃度センサ及び前記第１反転入力端子に出力する第１出力バッファと、前記誤差アンプの出力電圧を前記第２反転入力端子に出力する第２出力バッファと、前記第１出力バッファと第１反転入力端子との接続、及び、第２出力バッファと第２反転入力端子との接続を切り替える切替手段と、前記第１出力バッファの駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、を備え、前記切替手段は、前記第１出力バッファが駆動しているときは、第１出力バッファと第１反転入力端子とを接続し、前記第１出力バッファが停止しているときは、第２出力バッファと第２反転入力端子とを接続する。

また、請求項７の発明は、請求項６に記載の車両制御システムにおいて、前記電圧出力回路は、前記第１出力バッファの駆動及び停止を制御する駆動制御手段をさらに備え、前記切替手段は、前記第１出力バッファが駆動しているときは、第１出力バッファと第１反転入力端子とを接続し、前記第１出力バッファが停止しているときは、第２出力バッファと第２反転入力端子とを接続する。

また、請求項８の発明は、請求項７に記載の車両制御システムにおいて、前記濃度センサと前記誤差アンプの非反転入力端子との間に定電流回路が接続されており、前記駆動制御手段は、前記定電流回路が電流を印加する期間に第１出力バッファを停止させ、電流を印加しない期間に第１出力バッファを駆動させる。

請求項１ないし９の発明によれば、切替手段が、第１出力バッファと第１反転入力端子との接続と、第２出力バッファと第２反転入力端子との接続とを切り替えるため、第１出力バッファが駆動していない場合等においても、適切な負帰還制御が可能となり、異常な電圧が出力されることを回避することができる。

また、特に請求項２及び３の発明によれば、本来の制御とは関連の少ない電流が印加されたときに、電圧出力回路の出力をＨｉインピーダンスして、適切な負帰還制御が可能となる。これにより、異常な電圧の出力を回避できる。また、特に請求項４ないし６の発明によれば、切替信号によって制御されるスイッチを用いて、第１スイッチ及び第２スイッチのオン及びオフを逆に制御することで切替手段による切り替えを容易に行うことが可能になる。

図１は、従来の空燃比制御装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、従来の空燃比制御装置の各種信号の変化を示すタイムチャートである。 図３は、本発明の車両制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の車両制御システムの概略構成を示す図である。 図５は、本発明の車両制御システムの各種信号の変化を示すタイムチャートである。 図６は、本発明の車両制御システムの各種信号の変化を示すタイムチャートである。

本発明に係る車両制御システム１０は、自動車等の車両の内燃機関の空燃比を導出し、理論空燃比となるように制御するシステムである。以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。

＜１．システムの構成＞
図３は、本実施の形態に係る車両制御システム１０の概略構成を示す図である。図３に示すように、車両制御システム１０は、Ａ／Ｆセンサ部１１と、センサ制御部１２と、ＶＩ変換部１３と、マイコン１４とを備えている。

Ａ／Ｆセンサ部１１は、空燃比を導出するために酸素濃度を測定するセンサである。Ａ／Ｆセンサ部１１は、エンジン等の内燃機関の排気管に設けられており、排気ガス中の酸素濃度に対応する電圧を検出してセンサ制御部１２に出力する。なお、Ａ／Ｆセンサ部１１の詳細な構成は後述する。

センサ制御部１２は、直接又はＶＩ変換部１３を介してＡ／Ｆセンサ部１１を制御するものである。センサ制御部１２は、電圧バッファ部１５と定電流回路１６とを備えている。電圧バッファ部１５は、Ａ／Ｆセンサ部１１から入力した電圧を後段のＶＩ変換部１３に出力するバッファである。すなわち、電圧バッファ部１５は、入力電圧を外部に出力するようになっている。定電流回路１６は、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定の際に、Ａ／Ｆセンサ部１１に対して電流を印加する回路である。なお、電圧バッファ部１５の詳細な構成についても後述する。

ＶＩ変換部１３は、電圧バッファ部１５から入力した電圧を所定の電流に変換するものである。また、ＶＩ変換部１３は、変換した電流をＡ／Ｆセンサ部１１に印加する。ＶＩ変換部１３に入力される電圧は、Ａ／Ｆセンサ部１１で検出した酸素濃度に対応する電圧である。すなわち、現状の空燃比に対応した電圧ともいえる。このため、ＶＩ変換部１３は、入力した電圧と理論空燃比に対応した電圧との差に基づいて導出した電流をＡ／Ｆセンサ部１１に対して印加する。

マイコン１４は、センサ制御部１２や燃料噴射制御装置１７等を制御するマイクロコンピュータである。マイコン１４は、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンスを測定するタイミングを制御したり、ＶＩ変換部１３で変換された電流値に基づいて空燃比が適切な値となるように燃料噴射制御装置１７を制御する。具体的には、マイコン１４は、ＶＩ変換部１３がＡ／Ｆセンサ部１１に印加した電流値をモニタして、その電流値から適切な燃料の噴射量や噴射時間等を導出し、燃料噴射制御装置１７に対して制御信号を送信する。

なお、燃料噴射制御装置１７は、車両制御システム１０の外部に設けられている。燃料噴射制御装置１７は、マイコン１４からの指示を受けて燃料噴射に関する種々の制御をするものである。具体的には、燃料噴射制御装置１７は、マイコン１４から指示信号を入力すると、入力した信号に基づいて燃料噴射量や噴射時間等を制御する。

このように、車両制御システム１０は、Ａ／Ｆセンサ部１１が検出した酸素濃度に対応する電圧を用いて、空燃比が理論空燃比に近づくようにフィードバック制御するシステムである。

ここで、本実施の形態に係る車両制御システム１０について詳細に説明する。図４は、車両制御システム１０の一部の概略構成を示す図である。図４では、Ａ／Ｆセンサ部１１及び電圧バッファ部１５について詳細な構成を示しているが、他の構成は図３と同様である。そこで、Ａ／Ｆセンサ部１１及び電圧バッファ部１５の構成及び動作を主として説明する。

Ａ／Ｆセンサ部１１は、いわゆる２セル方式のセンサであり、１つのセルには可変抵抗及び可変電圧電源が設けられている。これら２つのセルの間には、基準電源が設けられている。Ａ／Ｆセンサ部１１は、この基準電源を境にしてセンサ制御部側のセルとＶＩ変換部側のセルとを有している。Ａ／Ｆセンサ部１１が排気ガス中の酸素濃度を測定する際には、センサ制御部側のセルに酸素濃度に応じた起電力が発生する。そして、Ａ／Ｆセンサ部１１は、基準電源の電圧と起電力により発生した電圧とを合計した電圧をセンサ制御部１２の電圧バッファ部１５に出力する。

また、ＶＩ変換部側のセルには、ＶＩ変換部１３で変換された電流が印加される。マイコン１４は、その印加された電流値に応じて空燃比を制御する。具体的には、ＶＩ変換部１３は、Ａ／Ｆセンサ部１１の出力電圧が、理論空燃比に対応する電圧（以下「理想電圧」という）となるように、ＶＩ変換部側のセルに所定の電流を印加する。例えば、電圧バッファ部１５を介して入力したＡ／Ｆセンサ部１１の出力電圧が理想電圧よりも高い場合には、ＶＩ変換部１３は、Ａ／Ｆセンサ部１１からＶＩ変換部１３側に流れる所定の電流を印加する。これに対して、Ａ／Ｆセンサ部１１の出力電圧が理想電圧よりも低い場合には、ＶＩ変換部１３は、ＶＩ変換部１３からＡ／Ｆセンサ部１１側に流れる所定の電流を印加する。そして、マイコン１４は、このＶＩ変換部１３が印加した電流値をモニタして、空燃比が理論空燃比となるように燃料噴射を制御する。

なお、上述したように、Ａ／Ｆセンサ部１１による酸素濃度の測定精度は、Ａ／Ｆセンサ部１１の温度に依存するため、本実施の形態においても、所定のタイミングでＡ／Ｆセンサ部１１のインピーダンスを測定している。Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンスを測定する際には、定電流回路１６が、Ａ／Ｆセンサ部１１に対して所定の電流を印加する。定電流回路１６は、インピーダンスを測定するタイミングになると、Ａ／Ｆセンサ部１１に対して、インピーダンス測定用の電流を流し込むと共に引き抜く処理を行う。

具体的には、定電流回路１６は、定電流回路１６からＡ／Ｆセンサ部１１側（＋方向）に流れる電流を印加すると共に、Ａ／Ｆセンサ部１１から定電流回路１６側（−方向）に流れる電流を印加する。Ａ／Ｆセンサ部１１は、インピーダンス測定用の電流が印加されると、それに伴ってセンサ制御部側のセルに発生する電圧をセンサ制御部１２に出力する。センサ制御部１２に入力された電圧は、マイコン１４にてモニタされる。マイコン１４は、モニタした電圧に基づいてＡ／Ｆセンサ部１１のインピーダンスを測定する。

電圧バッファ部１５は、上述のように、Ａ／Ｆセンサ部１１から入力した電圧を後段のＶＩ変換部１３に出力するバッファである。電圧バッファ部１５は、誤差アンプ１８と、分岐用バッファ１９と、第１出力バッファ２０と、第２出力バッファ２１とを備えている。誤差アンプ１８は、非反転入力端子と２つの反転入力端子とを有している。誤差アンプ１８の非反転入力端子には、Ａ／Ｆセンサ部１１から出力された電圧が入力される。誤差アンプ１８の第１反転入力端子には、第１出力バッファ２０からの出力電圧が入力され、第２反転入力端子には、第２出力バッファ２１からの出力電圧が入力される。また、誤差アンプ１８の出力は、分岐用バッファ１９に入力される。

分岐用バッファ１９、第１出力バッファ２０及び第２出力バッファ２１は、各々主として入力電圧の安定化や出力能力確保のために用いられるバッファである。分岐用バッファ１９は、誤差アンプ１８から入力した電圧を、第１出力バッファ２０及び第２出力バッファ２１に出力する。第１出力バッファ２０は、分岐用バッファ１９から入力した電圧を、誤差アンプ１８の第１反転入力端子とＶＩ変換部１３とに出力する。また、第２出力バッファ２１は、分岐用バッファ１９から入力した電圧を、誤差アンプ１８の第２反転入力端子に出力する。すなわち、電圧バッファ部１５は、第１出力バッファ２０から誤差アンプ１８に負帰還制御する第１経路と、第２出力バッファ２１から誤差アンプ１８に負帰還制御する第２経路との２つの経路を有している。なお、これら誤差アンプ１８、分岐用バッファ１９、第１出力バッファ２０及び第２出力バッファ２１を含む構成をオペアンプと称する場合がある。つまり、本実施の形態におけるオペアンプも、ボルテージフォロア接続されている。

また、誤差アンプ１８、分岐用バッファ１９、第１出力バッファ２０及び第２出力バッファ２１には、各々駆動用の電源が接続されている。さらに、第１出力バッファ２０と電源との間には、バッファ用スイッチ２２が設けられている。このバッファ用スイッチ２２のオン又はオフによって第１出力バッファ２０が駆動又は停止する。また、第１経路上には、第１スイッチ２３が設けられている。この第１スイッチ２３のオン又はオフによって第１経路が導通又は遮断される。また、第２経路上には、第２スイッチ２４が設けられている。この第２スイッチ２４のオン又はオフによって第２経路が導通又は遮断される。

これらバッファ用スイッチ２２、第１スイッチ２３及び第２スイッチ２４は、スイッチ制御用の信号（以下「切替信号」という）によってオン又はオフされる。切替信号は、マイコン１４から入力した信号に基づいてセンサ制御部１２内で生成される。センサ制御部１２は、各スイッチに対して同一の切替信号を出力する。ただし、第２スイッチ２４を制御する信号線にはインバータ２５が設けられている。このため、第２スイッチ２４を制御する信号は、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３を制御する信号の反転信号となる。つまり、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３の切替信号と、第２スイッチ２４の切替信号とは、互いに論理レベルが逆転した信号となる。したがって、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３と、第２スイッチ２４とはオン／オフが逆になる。

すなわち、切替信号として各スイッチをオンにする信号が生成された場合には、バッファ用スイッチ２２と第１スイッチ２３とがオンし、第２スイッチ２４はオフとなる。この場合、第１出力バッファ２０は駆動して第１経路は導通するが、第２経路は遮断される。その結果、第１経路による負帰還制御が実行される。一方、切替信号として各スイッチをオフにする信号が生成された場合には、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３はオフになるが、第２スイッチ２４はオンとなる。この場合には、第１出力バッファ２０の駆動が停止されると共に第１経路が遮断され、第２経路が導通する。その結果、第２経路による負帰還制御が実行される。

また、誤差アンプ１８と分岐用バッファ１９との接続点には、グランドに接続された位相補償コンデンサ２６が設けられている。位相補償コンデンサ２６は、電圧バッファ部１５からの出力電圧の発振防止用のコンデンサである。

なお、上述したように、Ａ／Ｆセンサ部１１に対してインピーダンス測定のための信号を流すと、インピーダンス測定用の電流に起因した電圧が発生することによって、誤った空燃比制御をしてしまう可能性がある。このため、電圧バッファ部１５の出力をＨｉインピーダンスにする必要があるものの、オペアンプが飽和状態になるという問題があることから、本実施の形態では、負帰還制御する経路を第１経路から第２経路に切り替えることとしている。

第１出力バッファ２０の駆動及び停止と、負帰還制御する経路の切り替えとは、各スイッチのオン及びオフにより実現する。この各スイッチをオン及びオフするタイミングは、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定を開始及び終了するタイミングに同期している。つまり、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定を開始するタイミングと同期して、バッファ用スイッチ２２をオフする。これにより、第１出力バッファ２０が停止して、電圧バッファ部１５の出力がＨｉインピーダンスになる。また、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定を開始するタイミングと同期して、第１スイッチ２３をオフすると共に第２スイッチ２４をオンにする。これにより、負帰還制御する経路が第１経路から第２経路に切り替わる。インピーダンス測定を終了する際は、終了するタイミングに同期して開始する場合と逆の処理を実行する。なお、このインピーダンス測定の開始及び終了のタイミングは、マイコン１４から入力したインピーダンス測定のタイミング制御用の信号に基づいて決められる。

このインピーダンス測定時の経路の切り替えについてより具体的に説明する。Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定を開始するまでの間は、第１出力バッファ２０は駆動しているので、切替信号はバッファ用スイッチ２２をオンする信号である。この場合、第１スイッチ２３はオンしており、第２スイッチ２４はオフしている。つまり、第１経路は導通しており、第２経路は遮断されている。

そして、マイコン１４からインピーダンス測定を開始する旨の信号が入力されると、切替信号は第１出力バッファ２０をオフする信号となる。同時に、第１スイッチ２３はオフとなり、第２スイッチ２４がオンされる。つまり、第１出力バッファ２０が停止し、それと同期して第１経路を遮断して第２経路を導通させることで負帰還制御する経路が切り替えられる。

そして、マイコン１４からインピーダンス測定を終了する旨の信号が入力されると、切替信号は第１出力バッファ２０をオンする信号となる。同時に、第１スイッチ２３はオンとなり、第２スイッチ２４がオフとなる。つまり、第１出力バッファ２０が駆動し、それと同期して第２経路を遮断して第１経路を導通させることで負帰還制御する経路が切り替えられる。

すなわち、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定を実行していない期間は、第１経路による負帰還制御が実行され、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定を実行している期間は、第２経路による負帰還制御が実行される。また、インピーダンス測定を実行している期間は、第１出力バッファ２０が停止しているため、電圧バッファ部１５の出力はＨｉインピーダンスとなっている。ただし、この期間は、停止した第１出力バッファ２０の出力を帰還させた第１経路ではなく、第２出力バッファ２１の出力を帰還させた第２経路による負帰還制御を実行している。このため、インピーダンス測定終了後に第１帰還による負帰還制御に復帰した場合においても、異常な電圧の出力を回避することが可能になっている。

＜２．システムの動作＞
次に、車両制御システム１０の動作についてタイムチャートを用いて説明する。図５は、電圧バッファ部１５の各種信号の変化を示すタイムチャートである。

図５中において、入力信号は、誤差アンプ１８の非反転入力端子に入力される電圧信号である。すなわち、Ａ／Ｆセンサ部１１からの出力信号である。入力信号として、一定の周期で電圧変動を繰り返す信号を例に用いている。

切替信号は、第１経路及び第２経路を切り替えるための信号である。すなわち、切替信号は、各スイッチのオン／オフを切り替える信号である。この切替信号は、センサ制御部１２内で生成される。また、切替信号は、高電圧状態をＨｉとし低電圧状態をＬｏとすると、Ｌｏのときにバッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３をオンするように設定されている。したがって、切替信号がＬｏのときには、第２スイッチ２４はオフになる。

ＶＡは、位相補償コンデンサ２６の電位を示す信号である。すなわち、ＶＡは、誤差アンプ１８から出力される電圧信号である。また、第１出力信号は、第１出力バッファ２０から出力される電圧信号である。第２出力信号は、第２出力バッファ２１から出力される電圧信号である。

図５に示すタイムチャートの開始時点では、切替信号はＬｏである。このため、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３はオンしており、第２スイッチ２４はオフしている。つまり、第１出力バッファ２０は駆動している。また、第１経路は導通しており、第２経路は遮断されている。この場合、誤差アンプ１８の第１反転入力端子に、第１出力バッファ２０の出力信号（第１出力信号）が入力している。このため、誤差アンプ１８の非反転入力端子に入力される電圧と、反転入力端子に入力される電圧とは同じ電圧となり、位相補償コンデンサ２６の電位ＶＡ（誤差アンプ１８の出力電圧）は一定となる。

時点Ｔ１において、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定が開始すると、切替信号がＨｉになる。切替信号がＨｉになると、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３がオフされ、第２スイッチ２４がオンされる。つまり、第１出力バッファ２０は停止する。また、第１経路は遮断され、第２経路が導通する。第１出力バッファ２０が停止すると、第１出力バッファ２０の出力（すなわち、電圧バッファ部１５の出力）がＨｉインピーダンスとなり、出力電圧が保持される。

なお、この場合においては、第１経路が遮断されているため、第１出力バッファ２０の出力が誤差アンプ１８に入力されることはない。この場合には、第２経路が導通しているので、誤差アンプ１８の第２反転入力端子に第２出力バッファ２１の出力信号（第２出力信号）が入力される。すなわち、誤差アンプ１８の非反転入力端子に入力される電圧と、反転入力端子に入力される電圧とは同じ電圧となる。このため、位相補償コンデンサ２６の電位ＶＡ（誤差アンプ１８の出力電圧）は一定の状態が継続する。

このように、電圧バッファ部１５の出力をＨｉインピーダンスにして出力電圧を保持する際に、負帰還制御する経路を外部出力と異なる経路に切り替えている。すなわち、誤差アンプ１８の反転入力端子に入力させる信号を、第１出力バッファ２０の出力信号ではなく、第２出力バッファ２１の出力信号に切り替えている。これにより、位相補償コンデンサ２６の電位ＶＡがＨｉ又はＬｏに張り付くことを回避することができる。つまり、オペアンプが飽和することを回避することができる。

そして、時点Ｔ２において、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定が終了すると、切替信号がＬｏになる。切替信号がＬｏになると、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３がオンされ、第２スイッチ２４がオフされる。すなわち、第１出力バッファ２０が駆動する。また、第１経路が導通し、第２経路は遮断される。本実施の形態においては、位相補償コンデンサ２６の電位ＶＡがＨｉに張り付いていないため、第１出力バッファ２０は、正常な電圧を出力することができる（第１出力信号参照）。つまり、インピーダンス測定が終了して、負帰還制御を元の経路に復帰させた際においても、電圧バッファ部１５から異常な値の電圧信号が出力されることを防止できる。その結果、車両制御システム１０が誤動作することを回避することができる。

ここで、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンス測定の開始及び終了を制御する信号を生成する方法と、センサ制御部１２が切替信号を生成する方法とについて説明する。図６は、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンスを測定する際の各種信号の変化を示すタイムチャートである。

図６中において、第１マイコン入力信号及び第２マイコン入力信号は、マイコン１４からセンサ制御部１２に入力される信号であり、Ａ／Ｆセンサ部１１のインピーダンスを測定するタイミングを制御する信号である。上述のように、インピーダンス測定の際には、定電流回路１６が、定電流回路１６からＡ／Ｆセンサ部１１の方向（＋方向）にインピーダンス測定用の電流を印加すると共に、Ａ／Ｆセンサ部１１から定電流回路１６の方向（−方向）にインピーダンス測定用の電流を印加する。第１マイコン入力信号は、＋方向及び−方向への電流の印加を開始するタイミングを制御する信号である。第２マイコン入力信号は、＋方向及び−方向への電流の印加を停止するタイミングを制御する信号である。

第１測定信号及び第２測定信号は、定電流回路１６を制御する信号である。第１測定信号及び第２測定信号は、センサ制御部１２によって生成される信号である。センサ制御部１２は、マイコン１４から入力した第１マイコン入力信号及び第２マイコン入力信号に基づいて第１測定信号及び第２測定信号を生成する。第１測定信号は、定電流回路１６からＡ／Ｆセンサ部１１に対して電流を流し込む（＋方向に電流を印加する）際の、開始及び終了のタイミングを制御する信号である。第２測定信号は、Ａ／Ｆセンサ部１１から定電流回路１６に対して電流を引き抜く（−方向に電流を印加する）際の、開始及び終了のタイミングを制御する信号である。

また、切替信号は、上述と同様に、センサ制御部１２が生成する信号であり、各スイッチのオン／オフを切り替える信号である。なお、各信号において高電圧状態を「Ｈｉ」と記載し、低電圧状態を「Ｌｏ」と記載する。

図６に示すタイムチャートの開始時点では、各信号はＬｏである。時点Ｔ１において、センサ制御部１２は、第１マイコン入力信号がＬｏからＨｉに立ち上がるのを検出すると、インピーダンス測定を開始する。すなわち、センサ制御部１２は、第１マイコン入力信号がＬｏからＨｉになると、第２測定信号を立ち上げ（第２測定信号がＬｏからＨｉ）、定電流回路１６を制御してＡ／Ｆセンサ部１１からの電流の引き抜きを開始する。そして、センサ制御部１２は、これと同期して切替信号をＬｏからＨｉにする。これにより、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３がオフされ、第２スイッチ２４がオンされる。つまり、インピーダンス測定が開始されるのに同期して、電圧バッファ部１５の出力がＨｉインピーダンスになると共に、電圧バッファ部１５の負帰還制御は第１経路から第２経路に切り替えられる。

その後、時点Ｔ３において、センサ制御部１２は、第２マイコン入力信号がＬｏからＨｉに立ち上がるのを検出すると、第２測定信号を立ち下げる（第２測定信号がＨｉからＬｏ）。すなわち、センサ制御部１２は、定電流回路１６を制御して、Ａ／Ｆセンサ部１１から電流を引き抜く制御を停止する。

さらに、時点Ｔ４において、センサ制御部１２は、第１マイコン入力信号がＨｉからＬｏに立ち下がるのを検出すると、第１測定信号を立ち上げ（測定信号１がＬｏからＨｉ）、定電流回路１６を制御してＡ／Ｆセンサ部１１への電流の流し込みを開始する。

そして、時点Ｔ２において、センサ制御部１２は、第２マイコン入力信号がＨｉからＬｏに立ち下がるのを検出すると、第１測定信号を立ち下げる（第１測定信号がＨｉからＬｏ）。すなわち、センサ制御部１２は、定電流回路１６を制御して、Ａ／Ｆセンサ部１１に電流を流し込む制御を停止する。これにより、インピーダンス測定が終了する。また、センサ制御部１２は、これと同期して切替信号をＨｉからＬｏにする。これにより、バッファ用スイッチ２２及び第１スイッチ２３がオンされ、第２スイッチがオフされる。つまり、インピーダンス測定が終了するのに同期して、第１出力バッファ２０が駆動すると共に、電圧バッファ部１５の負帰還制御が第２経路から第１経路に切り替えられる。

このようにして、センサ制御部１２は、マイコン１４から入力した信号に基づいてインピーダンス測定のタイミングを制御する信号と、負帰還制御する経路を切り替える切替信号とを生成する。

以上のように、本発明は、入力電圧を外部に出力する電圧バッファ部が、外部に電圧を出力する第１出力バッファの出力をフィードバックする経路と、外部に電圧を出力しない第２出力バッファの出力をフィードバックする経路の２経路を有している。また、Ａ／Ｆセンサ部のインピーダンス測定のタイミングに合わせてこれらフィードバック経路を切り替えるため、オペアンプを飽和させずに外部出力をＨｉインピーダンスにすることができる。その結果、Ｈｉインピーダンス状態から復帰した際においても、正常な電圧を外部に出力することが可能になる。

また、上記実施の形態では、電気的なハードウェア回路により実現する構成について説明したが、これらのうちの一部はプログラムに従ったＣＰＵ等の演算処理によってソフトウェア的に実現されてもよい。また、逆にソフトウェア的に実現されるとした機能の一部は、ハードウェア回路によって実現されてもよい。

１０ 車両制御システム
１１ Ａ／Ｆセンサ部
１２ センサ制御部
１３ ＶＩ変換部
１４ マイコン
１５ 電圧バッファ部
１６ 定電流回路

Claims (8)

1. 入力電圧を外部に出力する電圧出力回路であって、
   外部に設けられた、排気ガス中の酸素濃度に対応した電圧を出力する濃度センサの出力電圧が入力される非反転入力端子、第１反転入力端子及び第２反転入力端子を有する誤差アンプと、
   前記誤差アンプの出力電圧を前記濃度センサ及び前記第１反転入力端子に出力する第１出力バッファと、
   前記誤差アンプの出力電圧を前記第２反転入力端子に出力する第２出力バッファと、
   前記第１出力バッファと第１反転入力端子との接続、及び、第２出力バッファと第２反転入力端子との接続を切り替える切替手段と、
   前記第１出力バッファの駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、
   を備え、
   前記切替手段は、前記第１出力バッファが駆動しているときは、第１出力バッファと第１反転入力端子とを接続し、前記第１出力バッファが停止しているときは、第２出力バッファと第２反転入力端子とを接続することを特徴とする電圧出力回路。
2. 請求項１に記載の電圧出力回路において、
   前記非反転入力端子には、外部に設けられた定電流回路が接続されており、
   前記駆動制御手段は、前記定電流回路が電流を印加する期間に第１出力バッファを停止させ、電流を印加しない期間に第１出力バッファを駆動させることを特徴とする電圧出力回路。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の電圧出力回路において、
   前記切替手段は、
   前記第１出力バッファと第１反転入力端子との間に設けられた第１スイッチと、
   前記第２出力バッファと第２反転入力端子との間に設けられた第２スイッチと、
   を含むことを特徴とする電圧出力回路。
4. 請求項３に記載の電圧出力回路において、
   前記第１スイッチ及び第２スイッチは、切替信号によりオン及びオフが制御されるようになっており、
   前記第１スイッチの切替信号及び前記第２スイッチの切替信号は、互いに論理レベルが逆転した信号であることを特徴とする電圧出力回路。
5. 請求項４に記載の電圧出力回路において、
   前記駆動制御手段は、前記第１出力バッファに電力を供給する電源と第１出力バッファとの間に設けられたバッファ用スイッチを含み、
   前記バッファ用スイッチは、前記第１スイッチの切替信号と同じ信号でオン及びオフが制御されることを特徴とする電圧出力回路。
6. 車両の内燃機関における空気と燃料の混合比である空燃比を制御する車両制御システムであって、
   排気ガス中の酸素濃度に対応した電圧を出力する濃度センサと、
   前記濃度センサの出力電圧を入力して、該入力電圧を前記濃度センサにフィードバックする電圧出力回路と、
   を備え、
   前記電圧出力回路は、
   前記濃度センサの出力電圧が入力される非反転入力端子、第１反転入力端子及び第２反転入力端子を有する誤差アンプと、
   前記誤差アンプの出力電圧を前記濃度センサ及び前記第１反転入力端子に出力する第１出力バッファと、
   前記誤差アンプの出力電圧を前記第２反転入力端子に出力する第２出力バッファと、
   前記第１出力バッファと第１反転入力端子との接続、及び、第２出力バッファと第２反転入力端子との接続を切り替える切替手段と、
   前記第１出力バッファの駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、
   を備え、
   前記切替手段は、前記第１出力バッファが駆動しているときは、第１出力バッファと第１反転入力端子とを接続し、前記第１出力バッファが停止しているときは、第２出力バッファと第２反転入力端子とを接続することを特徴とする車両制御システム。
7. 請求項６に記載の車両制御システムにおいて、
   前記電圧出力回路は、
   前記第１出力バッファの駆動及び停止を制御する駆動制御手段をさらに備え、
   前記切替手段は、前記第１出力バッファが駆動しているときは、第１出力バッファと第１反転入力端子とを接続し、前記第１出力バッファが停止しているときは、第２出力バッファと第２反転入力端子とを接続することを特徴とする車両制御システム。
8. 請求項７に記載の車両制御システムにおいて、
   前記濃度センサと前記誤差アンプの非反転入力端子との間に定電流回路が接続されており、
   前記駆動制御手段は、前記定電流回路が電流を印加する期間に第１出力バッファを停止させ、電流を印加しない期間に第１出力バッファを駆動させることを特徴とする車両制御システム。

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