(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端子（ＡＦＶ）と共通端子（ＡＦＣ）との間に接続される酸素ポンプセル（２ａ），及び第２端子（ＡＦＲ）と前記共通端子との間に接続される起電力セル（２ｂ）を備える空燃比センサ（２）を駆動対象とするもので、
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、前記酸素ポンプセル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空燃比センサの駆動装置。
【請求項２】
前記第２端子を介して酸素ポンプセルに通電される電流を制御する電流制御回路（７，８）を備え、
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。
【請求項３】
基準電圧を発生させる基準電圧発生回路（５）と、
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（１１）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（１２）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（１３）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。
【請求項４】
前記電圧制御回路は、前記Ｄ／Ａコンバータに前記基準電圧を出力させると共に前記第１及び第３スイッチをオン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。
【請求項５】
前記電圧制御回路は、前記Ｄ／Ａコンバータに所定電圧を出力させると共に前記第２及び第３スイッチをオン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。
【請求項６】
前記Ｄ／Ａコンバータの出力端子と前記第２及び第３スイッチとの間に配置される第４スイッチ（２４）とを備え、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−７０８８３号公報
【特許文献２】特開２０１８−１０５７６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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酸素ポンプセル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。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。
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態であり、空燃比センサの駆動装置の構成，及び駆動制御モード：ＩＤＬＥを示す図
【図２】駆動装置による駆動制御モード：ＡＦ２＿ＩＤＬＥを示す図
【図３】駆動装置による駆動制御モード：ＡＦ２＿ＶＳＭＯＮを示す図
【図４】駆動装置による駆動制御モード：ＡＦ２＿ＪＵＤＧＥを示す図
【図５】駆動装置による駆動制御モード：ＡＦ２＿ＮＯＲＭを示す図
【図６】図２から図６に示す制御モードの遷移に対応した処理を示すフローチャート
【図７】第２実施形態であり、空燃比センサの駆動装置の構成を示す図
【図８】第３実施形態であり、空燃比センサの駆動装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
＜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。
【００１６】
＜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。
【００１７】
＜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）。
【００１８】
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。
【００１９】
＜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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
（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。
【００２７】
（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。
【符号の説明】
【００２８】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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