JP7144733B2 - Drive device for air-fuel ratio sensor - Google Patents
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Description
本発明は、酸素ポンプセル及び起電力セルを備えてなる空燃比センサを駆動する装置に関する。 The present invention relates to a device for driving an air-fuel ratio sensor comprising an oxygen pump cell and an electromotive force cell.
酸素ポンプセル及び起電力セルを有する空燃比センサを駆動する装置では、アンプを介してこれらのセルに電圧を印加する。酸素ポンプセルには、O2ポンピング電流,所謂Ip電流を測定する際に電圧を印加する。 In a device that drives an air-fuel ratio sensor that has an oxygen pump cell and an electromotive force cell, voltage is applied to these cells through an amplifier. A voltage is applied to the oxygen pump cell when measuring the O 2 pumping current, the so-called Ip current.
しかしながら、その前のセンサ状態をモニタする段階で、酸素ポンプセルの一端に接続されているアンプの出力がハイインピーダンス状態になっていると、Ip電流を測定する際に酸素ポンプセルの両端に意図しない差電圧が印加され、ストレスがかかるという問題がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、空燃比センサにかかる電圧ストレスを軽減できる空燃比センサの駆動装置を提供することにある。
However, if the output of the amplifier connected to one end of the oxygen pump cell is in a high-impedance state during the previous sensor state monitoring stage, an unintended difference across the oxygen pump cell when measuring the Ip current. There is a problem that voltage is applied and stress is applied.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an air-fuel ratio sensor driving device capable of reducing the voltage stress applied to the air-fuel ratio sensor.
請求項1記載の空燃比センサの駆動装置によれば、第1端子と共通端子との間に接続される酸素ポンプセル,及び第2端子と前記共通端子との間に接続される起電力セルを備える空燃比センサを駆動対象とする。第1,第2オペアンプの出力端子は、それぞれ第1端子,共通端子に接続される。電圧制御回路は、電源が投入されると、空燃比センサの駆動制御が開始される前に、第1,第2オペアンプを介して第1端子、共通端子にそれぞれ所定の電圧を印加する電圧印加処理を行う。このように制御すれば、酸素ポンプセルの両端に意図しない差電圧が印加されることを回避できる。したがって空燃比センサにかかる電圧ストレスを軽減できる。 According to the air-fuel ratio sensor drive device of claim 1, the oxygen pump cell connected between the first terminal and the common terminal, and the electromotive force cell connected between the second terminal and the common terminal are The provided air-fuel ratio sensor is to be driven. Output terminals of the first and second operational amplifiers are connected to the first terminal and the common terminal, respectively. When the power is turned on, the voltage control circuit applies a predetermined voltage to the first terminal and the common terminal through the first and second operational amplifiers before the drive control of the air-fuel ratio sensor is started. process. By controlling in this manner, application of an unintended differential voltage across the oxygen pump cell can be avoided. Therefore, the voltage stress applied to the air-fuel ratio sensor can be reduced.
請求項2記載の空燃比センサの駆動装置によれば、電流制御回路は、電圧制御回路が電圧印加処理を行った後に、第2端子を介して酸素ポンプセルへの通電を開始する。このように構成すれば、酸素ポンプセルへの通電を開始するための駆動電圧が印加されるタイミングよりも以前の段階で、酸素ポンプセルの両端の電位を確定させることができる。
According to the air-fuel ratio sensor drive device of
(第1実施形態)
図1に示すように、本実施形態の駆動装置1は、空燃比を検出するための空燃比センサ2を駆動対象とする。空燃比センサ2は、酸素ポンプセル2aと起電力セルに相当するネルンストセル2bとを有する2セルタイプのセンサであり、車両のエンジンの排気通路に配置される。空燃比センサ2は、排気ガスが導入される拡散室と基準酸素室との酸素濃度差に応じた起電力セル2bの出力電圧が目標値となるようにポンプセル2aが駆動され、ポンプセル2aに流れる電流が、空燃比を示すセンサ電流として測定される。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the driving device 1 of this embodiment drives an air-
駆動装置1が備える端子AFCは、ポンプセル2aと起電力セル2bに共通のマイナス側端子COMに接続され、端子AFVはポンプセル2aのプラス側端子Ip+に接続され、端子AFRは起電力セル2bのプラス側端子VS+に接続されている。端子AFCは共通端子に、端子AFVは第1端子に、端子AFRは第2端子に夫々相当する。
A terminal AFC provided in the driving device 1 is connected to a negative terminal COM common to the
駆動装置1は、第1オペアンプ3,第2オペアンプ4,基準電圧発生回路5,D/Aコンバータ6,定電流回路7,電流印加回路8及びマイクロコンピュータ9を備えている。基準電圧発生回路5は、電源とグランドとの間に接続される抵抗素子5a及び5bの直列回路で構成される。抵抗素子5a及び5bの共通接続点は、第1スイッチ10を介して第1オペアンプ3の非反転入力端子に接続されている。
The driving device 1 includes a first
例えば14ビットであるD/Aコンバータ6の出力端子は、第2スイッチ11を介して第1オペアンプ3の非反転入力端子に接続されていると共に、第3スイッチ12を介して第2オペアンプ4の非反転入力端子に接続されている。第1オペアンプ3の出力端子は、抵抗素子13を介して端子AFVに接続されており、第2オペアンプ4の出力端子は、抵抗素子14を介して端子AFCに接続されている。第2オペアンプ4の反転入力端子は、第2オペアンプ4の出力端子に接続されている。第1オペアンプ3の反転入力端子は、第4スイッチ15を介して第1オペアンプ3の出力端子に接続されていると共に、第5スイッチ16を介して端子AFCに接続されている。
For example, the output terminal of the 14-bit D/
定電流回路7は、ネルンストセル2bに起電力を発生させるための一定電流を端子AFRに供給する。電流印加回路8は、端子AFRに対して、流れる方向が互いに逆の一定電流をそれぞれ供給する。本実施形態において、互いに逆方向の一定電流は同じ値に設定されるが、それらが異なっても良い。
A constant
マイコン9は、D/Aコンバータ6の入力端子に電圧データを入力すると共に、各スイッチ10~13,15,16のオンオフを制御する。また、マイコン9は、定電流回路7及び電流印加回路8の動作も制御する。尚、駆動装置1は、例えば特許文献2と同様に、抵抗素子14の両端電圧を増幅するオペアンプや、そのオペアンプの出力電圧をA/D変換してマイコン9に入力するA/Dコンバータ等も備えているが、これらの図示は省略している。マイコン9は電圧制御回路に相当する。また、定電流回路7,電流印加回路8及びマイコン9は、電流制御回路に相当する。
The
次に、本実施形態の作用について説明する。図1から図5に示すように、駆動装置1による空燃比センサ2の駆動制御には、例えば5つのモードがある。
<1:IDLE>
図1に示すモードIDLEは、駆動装置1に電源が投入された直後の状態である。この状態では、スイッチ10,12,16がオフしている。オペアンプ3及び4の出力端子は、何れもハイインピーダンス;HiZになっている。
Next, the operation of this embodiment will be described. As shown in FIGS. 1 to 5, the drive control of the air-
<1: IDLE>
The mode IDLE shown in FIG. 1 is a state immediately after the driving device 1 is powered on. In this state, switches 10, 12 and 16 are off. The output terminals of the
<2:AF2_IDLE>
図2に示すモードAF2_IDLEでは、空燃比センサ2の酸素ポンプセル2aに対して印加電圧制御を行う(図6,S1)。基準電圧発生回路5が生成する基準電圧は例えば2.5Vであり、マイコン9は、D/Aコンバータ6に電圧データを与えて2.5Vを出力させる。そして、スイッチ10及び12をオンしてスイッチ11をオフすることで、オペアンプ3,4の非反転入力端子にそれぞれ2.5Vを入力し、各電圧を酸素ポンプセル2aの両端に印加する。
<2: AF2_IDLE>
In the mode AF2_IDLE shown in FIG. 2, the voltage applied to the
<3:AF2_VSMON>
図3に示すモードAF2_VSMONでは、マイコン9は定電流回路7を動作させ、微少な定電流Icpを端子AFRに供給する(S2)。これにより、ネルンストセル2bに通電を行い、常に一定の酸素分圧状態を形成する。この際に電流は、空燃比センサ2のインピーダンスに応じて流れる。尚、図3から図5に示すモードではスイッチ10~12のオンオフに変化が無いので、これらの図示を省略している。
<3: AF2_VSMON>
In the mode AF2_VSMON shown in FIG. 3, the
<4:AF2_JUDGE>
図4に示すモードAF2_JUDGEでは、マイコン9は電流掃引回路8を動作させ、端子AFRより電流掃引を行う。そして、抵抗素子14の端子電圧をA/D変換して読み込んで起電力セル2bの両端電圧の変化量を検出すると、その電圧の変化量と掃引電流値とから、起電力セル2bのインピーダンスZacを算出する(S3)。
<4: AF2_JUDGE>
In the mode AF2_JUDGE shown in FIG. 4, the
続いて、マイコン9は、インピーダンスZacを閾値Nと比較し、(Zac≧N)であれば(S4;NO)電流掃引を継続する(S5)。そして、(Zac<N)になると(YES)、次の制御モードに移行して空燃比制御を開始する(S6)。尚、モードAF2_VSMONからAF2_JUDGEまでが、空燃比センサ2が活性化するまでの活性待ち期間に相当する。
Subsequently, the
<5:AF2_NORM>
図5に示すモードAF2_NORMでは、マイコン9は,端子AFR,AFC間の電圧が一定になるように空燃比制御を行う。ここでマイコン9は、スイッチ15をオフにすると共にスイッチ16をオンにする。ステップS5,S4と同様の処理を行い(S7,S8)、(Zac<N)になると(S8;YES)空燃比を測定する(S9)。そして、停止命令が発行されなければ(S10;NO)、ステップS7に戻って空燃比制御を継続する。
<5: AF2_NORM>
In the mode AF2_NORM shown in FIG. 5, the
尚、ステップS8で(Zac≧N)になると(NO)、空燃比センサ2の温度が低下したため再度活性化する必要があると判断し、ステップS3に移行する。すなわち、制御モードがAF2_JUDGEに遷移する。
If (Zac≧N) in step S8 (NO), it is determined that the temperature of the air-
以上のように本実施形態によれば、駆動装置1は、端子AFVと端子COMとの間に接続される酸素ポンプセル2a,及び端子AFRと端子COMとの間に接続されるネルンストセル2bを備える空燃比センサ2を駆動対象とする。第1,第2オペアンプ3,4の出力端子は、それぞれ端子AFV,端子COMに接続され、マイコン9は、電源が投入されると、空燃比センサの2駆動制御が開始される前に、第1,第2オペアンプ3,4を介して酸素ポンプセル2aの両端にそれぞれ所定の電圧を印加する電圧印加処理を行う。
As described above, according to this embodiment, the driving device 1 includes the
具体的には、基準電圧発生回路5と、基準電圧発生回路5の出力端子と第1オペアンプ3の非反転入力端子との間に配置される第1スイッチ10と、D/Aコンバータ6と、D/Aコンバータ6の出力端子と第1オペアンプ3の非反転入力端子との間に配置される第2スイッチ11と、D/Aコンバータ6の出力端子と第2オペアンプ4の非反転入力端子との間に配置される第3スイッチ12とを備え、マイコン9は、D/Aコンバータ6に入力する電圧データを与え、第1~第3スイッチ10~12のオンオフを制御して電圧印加処理を行う。このように制御すれば、酸素ポンプセル2aの両端に意図しない差電圧が印加されることを回避できる。したがって空燃比センサ2にかかる電圧ストレスを軽減できる。
Specifically, the reference
また、マイコン9は、電圧印加処理を行った後に、端子AFRを介して酸素ポンプセル2aへの通電を開始するので、酸素ポンプセル2aへの通電を開始するための駆動電圧が印加されるタイミングよりも以前の段階で、酸素ポンプセル2aの両端の電位を確定させることができる。
In addition, since the
(第2実施形態)
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図7に示すように、第2実施形態の駆動装置21は、第1スイッチ10と第1オペアンプ3の非反転入力端子との間に、CRフィルタ22を配置したものである。これにより、D/Aコンバータ6により出力される電圧が変化する際に発生する高い周波数のノイズを除去できる。
(Second embodiment)
Hereinafter, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted, and different parts will be described. As shown in FIG. 7, the driving
また、第2実施形態では、駆動制御モードAF2_IDLEにおいて酸素ポンプセル2aに対して印加電圧制御を行う場合に、スイッチ10をオフしてスイッチ11及び12をオンしている。これにより、オペアンプ3及び4の非反転入力端子には、何れもD/Aコンバータ6により出力された2.5Vの電圧が印加される。このような第2実施形態による場合も第1実施形態と同様の効果が得られる。尚、この場合、D/Aコンバータ6の出力電圧は2.5Vでなくても良い。
Further, in the second embodiment, when applying voltage control to the
(第3実施形態)
図8に示すように、第3実施形態の駆動装置23は、第2実施形態の駆動装置21に第6スイッチ24を追加したものである。第6スイッチ24は、D/Aコンバータ6の出力端子とスイッチ11及び12の共通端子との間に配置されている。同図に示しているように、スイッチ10~12をオンし、スイッチ24をオフすることで、D/Aコンバータ6を使用することなく、基準電圧発生回路5が発生させる基準電圧を第1,第2オペアンプ3,4の非反転入力端子に印加することができる。第6スイッチ24は、特許請求の範囲の第4スイッチに相当する。
(Third Embodiment)
As shown in FIG. 8, the driving
(その他の実施形態)
第1実施形態の構成にCRフィルタ22を加えても良いし、第2,第3実施形態の構成からCRフィルタ22を削除しても良い。
第2,第3実施形態において、駆動制御モードAF2_IDLEを第1実施形態と同様に行っても良い。
駆動制御モードは、必ずしも5つである必要は無い。
電圧やD/Aコンバータのビット数等は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
(Other embodiments)
The
In the second and third embodiments, the drive control mode AF2_IDLE may be performed similarly to the first embodiment.
The number of drive control modes does not necessarily have to be five.
The voltage, the number of bits of the D/A converter, etc. may be appropriately changed according to the individual design.
Although the present disclosure has been described with reference to examples, it is understood that the present disclosure is not limited to such examples or structures. The present disclosure also includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and configurations, as well as other combinations and configurations, including single elements, more, or less, are within the scope and spirit of this disclosure.
図面中、1は駆動装置、2は空燃比センサ、2aは酸素ポンプセル、2bはネルンストセル、3は第1オペアンプ、4は第2オペアンプ、5は基準電圧発生回路、6はD/Aコンバータ、7は定電流回路、8は電流印加回路、9はマイクロコンピュータ、10~12は第1~第3スイッチ、15,16は第4,第5スイッチを示す。 In the drawings, 1 is a driving device, 2 is an air-fuel ratio sensor, 2a is an oxygen pump cell, 2b is a Nernst cell, 3 is a first operational amplifier, 4 is a second operational amplifier, 5 is a reference voltage generation circuit, 6 is a D/A converter, 7 is a constant current circuit, 8 is a current applying circuit, 9 is a microcomputer, 10 to 12 are first to third switches, and 15 and 16 are fourth and fifth switches.
Claims (6)
出力端子が前記第1端子に接続される第1オペアンプ(3)と、
出力端子が前記共通端子に接続される第2オペアンプ(4)と、
前記第1及び第2オペアンプを介して、前記第1端子及び前記共通端子にそれぞれ印加される電圧を制御する電圧制御回路(5,6,9)とを備え、
前記電圧制御回路は、電源が投入されると、前記空燃比センサの駆動制御が開始される前に、前記第1端子、前記共通端子にそれぞれ所定の電圧を印加する電圧印加処理を行う空燃比センサの駆動装置。 an oxygen pump cell (2a) connected between a first terminal (AFV) and a common terminal (AFC), and an electromotive force cell (2b) connected between a second terminal (AFR) and said common terminal The air-fuel ratio sensor (2) provided is driven,
a first operational amplifier (3) having an output terminal connected to the first terminal;
a second operational amplifier (4) having an output terminal connected to the common terminal;
a voltage control circuit (5, 6, 9) for controlling voltages applied to the first terminal and the common terminal via the first and second operational amplifiers;
When the power is turned on, the voltage control circuit performs a voltage application process of applying predetermined voltages to the first terminal and the common terminal before driving control of the air-fuel ratio sensor is started. Sensor drive.
前記電流制御回路は、前記電圧制御回路が前記電圧印加処理を行った後に、前記酸素ポンプセルへの通電を開始する請求項1記載の空燃比センサの駆動装置。 a current control circuit (7, 8) for controlling current supplied to the oxygen pump cell via the second terminal;
2. A drive device for an air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein said current control circuit starts energizing said oxygen pump cell after said voltage control circuit performs said voltage application process.
この基準電圧発生回路の出力端子と前記第1オペアンプの入力端子との間に配置される第1スイッチ(10)と、
D/Aコンバータ(6)と、
前記D/Aコンバータの出力端子と前記第1オペアンプの入力端子との間に配置される第2スイッチ(11)と、
前記D/Aコンバータの出力端子と前記第2オペアンプの入力端子との間に配置される第3スイッチ(12)とを備え、
前記電圧制御回路は、前記D/Aコンバータに入力する電圧データを与え、前記第1~第3スイッチのオンオフを制御して前記電圧印加処理を行う請求項1又は2記載の空燃比センサの駆動装置。 a reference voltage generation circuit (5) for generating a reference voltage;
a first switch (1 0 ) arranged between the output terminal of the reference voltage generating circuit and the input terminal of the first operational amplifier;
a D/A converter (6);
a second switch (1 1 ) arranged between the output terminal of the D/A converter and the input terminal of the first operational amplifier;
a third switch (1 2 ) arranged between the output terminal of the D/A converter and the input terminal of the second operational amplifier;
3. The driving of the air-fuel ratio sensor according to claim 1, wherein the voltage control circuit provides voltage data to be input to the D/A converter, controls on/off of the first to third switches, and performs the voltage application process. Device.
前記電圧制御回路は、前記第1~第3スイッチをオンにし、前記第4スイッチをオフにして前記電圧印加処理を行う請求項3記載の空燃比センサの駆動装置。 a fourth switch (24) arranged between the output terminal of the D/A converter and the second and third switches;
4. The air-fuel ratio sensor drive device according to claim 3, wherein the voltage control circuit turns on the first to third switches and turns off the fourth switch to perform the voltage application process.
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