(57)【要約】【課題】ガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置であって、安価でありながら、広い空燃比範囲及び狭い空燃比範囲の両方をそれぞれ適切な信号レベルで出力することができるセンサ制御装置を提供する。【解決手段】空燃比検出システム１におけるガスセンサ装置３は、空燃比に応じた検知信号を出力するガスセンサ素子４と、検知信号に応じて第一出力信号ＶＩＰ１、第二出力信号ＶＩＰ２及び第三出力信号ＶＩＰ３を出力する検出部２０を含むガスセンサ制御回路２を含んでいる。この検出部２０では、少なくとも広い第一空燃比範囲において、空燃比に応じて変化する第一出力信号ＶＩＰ１、ストイキ近傍の狭い範囲において、空燃比に応じて変化する第二出力信号ＶＩＰ２、リーン領域の狭い範囲において、空燃比に応じて変化する第三出力信号ＶＩＰ３を出力する。【選択図】  図１
2006275628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置であって、
上記検知信号を相対的に小さい低増幅度で増幅して、相対的に広い広空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化する広範囲出力信号を出力する広範囲出力状態と、
上記検知信号を相対的に大きい高増幅度で増幅して、上記広空燃比範囲に含まれる相対的に狭い狭空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化する狭範囲出力信号を出力する狭範囲出力状態とを、
自身の増幅度の切り換えにより選択可能としてなる増幅回路を備える
センサ制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ制御装置であって、
前記ガスセンサ素子に流れる電流を検知する所定抵抗値の電流検知抵抗を有し、
上記電流検知抵抗に発生する電圧を前記検知信号として用いる
センサ制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサ制御装置であって、
前記ガスセンサ素子は、
起電力セルと、
上記起電力セルとの間に前記排気ガスを導入可能な測定室を介して積層され、ポンプセル電流に応じて上記測定室内の酸素を出し入れするポンプセルと、を有し、
上記起電力セルに生じる起電力セル電圧が所定値になるように、前記電流検知抵抗を通じて上記ポンプセルに流すポンプセル電流を制御する
センサ制御装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のセンサ制御装置であって、
前記増幅回路は、前記電流検知抵抗の両端の電位を差動増幅する差動増幅回路である
センサ制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサ制御装置であって、
前記増幅回路は、レイルツーレイル構成のオペアンプにより出力を得る構成とされてなる
センサ制御装置。
【請求項６】
内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置であって、
空燃比の範囲として、
リッチ領域内の第一空燃比下限値から、リーン領域内の第一空燃比上限値までの空燃比の範囲を、第一空燃比範囲とし、
リッチ領域のうち上記第一空燃比下限値よりも理論空燃比側に位置する第二空燃比下限値から、上記リーン領域のうち上記第一空燃比上限値よりも理論空燃比側に位置する第二空燃比上限値までの空燃比の範囲を、第二空燃比範囲とし、
上記リーン領域のうち上記第二空燃比上限値と等しいかこれよりも理論空燃比側の第三空燃比下限値から、上記第二空燃比上限値と第一空燃比上限値との間の第三空燃比上限値までの空燃比の範囲を、第三空燃比範囲としたとき、
少なくとも上記第一空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化する第一出力信号、
少なくとも上記第二空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化し、かつ上記第一出力信号よりも上記検知信号の変化によって生じる変化が大きくされた第二出力信号、及び、
少なくとも上記第三空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化し、かつ上記第一出力信号よりも上記検知信号の変化によって生じる変化が大きくされた第三出力信号、
を出力する出力手段と、を備える
センサ制御装置。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサ制御装置であって、
前記出力手段は、
第一増幅回路であって、
前記検知信号を第一増幅度で増幅して、前記第一出力信号を出力する第一状態と、
上記検知信号を上記第一増幅度よりも大きい第三増幅度で増幅して、前記第三出力信号を出力する第三状態と、を切り換え可能としてなる第一増幅回路、及び、
上記検知信号を上記第一増幅度より大きい第二増幅度で増幅して、前記第二出力信号を出力する第二増幅回路、を有する
センサ制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載のセンサ制御装置であって、
前記第一増幅回路は、
自身の増幅度を、前記第一増幅度と第三増幅度のいずれかに切り換える増幅度切り換え手段、を備える
センサ制御装置。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載のセンサ制御装置であって、
前記第一増幅回路及び第二増幅回路のうち少なくともいずれかは、レイルツーレイル構成のオペアンプにより出力を得る構成とされてなる
センサ制御装置。
【請求項１０】
内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子と、
請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のセンサ制御装置を含み、
上記センサ制御装置からの出力信号に基づき空燃比を検知する
空燃比検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検出信号を出力するガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置、及びこれを用いた空燃比検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリンエンジンなどの内燃機関の空燃比制御においては、制御精度を高めると言った要望やリーンバーン化の要望に対応すべく、エンジンに吸入される混合機の空燃比を広域に検出可能なガスセンサ素子と、その素子を制御するためのセンサ制御装置とを備えた空燃比制御装置が利用されている。その一方、内燃機関の排ガス規制の強化や更なる燃費改善に対処するため、空燃比を理論空燃比近傍でフィードバック制御するストイキ燃焼制御や、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燃焼制御等における制御性の向上が強く求められている。
【０００３】
このような背景の中、固体電解質体から構成され、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子を備えた空燃比制御装置として、特許文献１〜特許文献３の空燃比検出装置が知られている。
このうち、特許文献１には、酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流値に応じた出力電圧を増幅する電圧増幅手段として、増幅率を異ならせたもの、具体的には、増幅率が×１倍の差動増幅器と増幅率が×５倍の差動増幅器の２つの増幅器を用い、空燃比が理論空燃比（stichmetric、以下単に、ストイキともいう）に近い場合には、増幅率の大きい差動増幅器からの出力を用い、空燃比がストイキから離れている場合には、増幅率の小さい差動増幅器からの出力を用いる空燃比検出装置が開示されている。これにより、空燃比がストイキに近い場合に、より精度良く空燃比が検出可能となっている。
また、特許文献２にも、同様に、センサ素子に接続された電流検出抵抗の出力電圧を増幅する電圧増幅手段として、増幅率を異ならせたもの、具体的には、増幅率が×５倍の増幅器と増幅率が×１５倍の増幅器の２つの増幅器を用い、空燃比がストイキに近い場合には増幅率の大きい増幅器からの出力を用い、空燃比がストイキから離れている場合には増幅率の小さい増幅器からの出力を用いるガス濃度検出装置が開示されている。このガス検出装置でも、空燃比がストイキに近い場合には、より精度良く空燃比が検出可能となる。
【０００４】
また、特許文献３では、ガス濃度センサに流れる電流の値を検出する電流検出抵抗と、この電流値を電圧信号として出力する電圧信号出力手段を備え、電流値に応じて、電流検出抵抗の抵抗値を切り換えるスイッチ回路を有するガス濃度検出装置が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１−１５２３５６号
【特許文献２】特開２００４−２０５４８８号
【特許文献３】特許第３４８７１５９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１，２によれば、欲する増幅率の種類数に合わせて、増幅器を用意する必要があり、センサ制御装置が高価となる。
一方、特許文献３によれば、電流検出抵抗の抵抗値を切り換えて電圧信号を得ているので、適切な大きさの信号を得にくい。
また、リーン燃焼制御を行うのに適した信号、ストイキ燃焼制御を行うのに適した信号、及び、リッチ領域からリーン領域までの広い範囲を空燃比を検知できる信号の三者を出力できるように構成されたガスセンサ素子の制御装置が望まれている。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置であって、安価でありながら、広い空燃比範囲及び狭い空燃比範囲の両方をそれぞれ適切な信号レベルで出力することができるセンサ制御装置を提供することを目的とする。また、リッチ領域からリーン領域までの広い範囲で空燃比を検出できるほか、ストイキ近傍の狭い範囲、及び、リーン領域のうち狭い範囲で空燃比を精度よく検出できるセンサ制御装置を提供することを目的とする。さらには、このようなセンサ制御装置を用いた空燃比検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
その解決手段は、内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置であって、上記検知信号を相対的に小さい低増幅度で増幅して、相対的に広い広空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化する広範囲出力信号を出力する広範囲出力状態と、上記検知信号を相対的に大きい高増幅度で増幅して、上記広空燃比範囲に含まれる相対的に狭い狭空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化する狭範囲出力信号を出力する狭範囲出力状態とを、自身の増幅度の切り換えにより選択可能としてなる増幅回路を備えるセンサ制御装置である。
【０００９】
本発明のセンサ制御装置では、増幅回路について、増幅度を切り換えることで、検知信号を低増幅度で増幅し、広空燃比範囲内の空燃比に対応した検知信号に対応した広範囲出力信号を出力する広範囲出力状態と、これとは逆に、高増幅度で増幅して、広空燃費範囲に含まれる狭空燃比範囲内の空燃比に対応した検知信号に対応した狭範囲出力信号を出力する狭範囲出力状態とを選択可能としている。
このように本発明のセンサ制御装置では、１つの増幅回路で、切り換えにより広範囲出力信号と狭範囲出力信号とを得ることができるので、増幅回路の数を少なくすることができ、構成が簡単で、安価なセンサ制御装置とすることができる。
また、増幅回路を備えているので、増幅度やオフセット電圧を適宜選択できるから、広範囲出力信号及び狭範囲出力信号とも、適切な大きさの信号とすることができる。
例えば、広空燃比範囲として、ガスセンサ素子が検知しうる全空燃比範囲を設定する一方、狭空燃比範囲として、その一部の例えばストイキ近傍の範囲あるいはリーン領域のうちの所定範囲など適宜の範囲を設定することができる。
【００１０】
なお、増幅度とは、入力信号（入力電圧や入力電力）の大きさに対する出力信号（出力電圧や出力電力）の大きさの比である。また、オフセット電圧とは、出力信号の電圧値をシフトするために、出力電圧に加えられる電圧である。例えば、入力信号が０である場合には、出力信号の電圧値は、オフセット電圧の電圧値に等しくなる。従って、入力信号と出力信号は、出力信号（電圧値）＝入力信号（電圧値）＊増幅度＋オフセット電圧となる。
また、増幅回路での増幅としては、非反転増幅のほか、反転増幅を行うこともできる。また、増幅度も、×１倍以上の場合のほか、×１倍の場合（バッファ）や、×１倍未満の場合をも含む。
なお、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子としては、少なくともポンプセルと起電力セルとを含む積層型のガスセンサ素子を挙げることができるほか、いわゆる限界電流方式で制御する１セルタイプのガスセンサ素子をも含む。
【００１１】
さらに、上述のセンサ制御装置であって、前記ガスセンサ素子に流れる電流を検知する所定抵抗値の電流検知抵抗を有し、上記電流検知抵抗に発生する電圧を前記検知信号として用いるセンサ制御装置とすると良い。
【００１２】
従来より、センサ制御装置において電流検知抵抗を配置して、これによりガスセンサ素子に流れる電流を検知することが行われている。ところで、この電流検知抵抗の抵抗値を切り換えると、この抵抗の両端間に現れる電圧（電圧降下、電位差）が変化する。従って、この電圧をガスセンサ素子の検知信号（出力電圧）として扱えば、電流検出抵抗を切り換えることで、ガスセンサ素子に流れる電流と出力電圧の関係（傾き）を変化させることができる。
しかしながら、このように電流検出抵抗の大きさを切り換えるようにすると、切り換えの直後から出力電圧が安定するまでに時間が掛かる。また、ガスセンサ素子に流れる電流を検知するための経路内に、電流検知抵抗のみならず、切り換えのためのスイッチ自身が有する抵抗（接点における接触抵抗など）が加わるため、この経路の抵抗値が不安定になりやすい。
【００１３】
これに対し、本発明のセンサ制御装置では、所定抵抗値の電流検知抵抗を有し、この電流検知抵抗に発生する電圧を検知信号として増幅し、増幅回路の増幅度を切り換える。このため、ガスセンサ素子を流れる電流は常に同じ所定抵抗値の電流検出抵抗を流れることとなるので、短時間で出力信号を安定にできる。また、電流検出抵抗と直列にはスイッチの抵抗が存在しないので、ガスセンサ素子に流れる電流を検知するための経路の抵抗が不安定となることがない。
なお、増幅度の切り換えには、適宜の手法を採用できる。例えば、オペアンプを用いた増幅回路における出力端子と入力端子（反転入力端子）との間に挿入される帰還抵抗の大きさを切り換える構成が挙げられる。
【００１４】
さらに、上述のセンサ制御装置であって、前記ガスセンサ素子は、起電力セルと、上記起電力セルとの間に前記排気ガスを導入可能な測定室を介して積層され、ポンプセル電流に応じて上記測定室内の酸素を出し入れするポンプセルと、を有し、上記起電力セルに生じる起電力セル電圧が所定値になるように、前記電流検知抵抗を通じて上記ポンプセルに流すポンプセル電流を制御するセンサ制御装置とすると良い。
【００１５】
ガスセンサ素子として、ポンプセルと起電力セルを有するタイプのガスセンサ素子を用いる場合、センサ制御装置において、起電力セルに生じる起電力セル電圧が所定値となるように、電流検知抵抗を通じてポンプセルに流すポンプセル電流を制御するように構成するものがある。例えば、起電力セルに発生する起電力セル電圧が一定となるように、ＰＩＤ制御により、電流検知抵抗を通じてポンプセルに流すポンプセル電流を制御する。そして、ポンプセル電流の大きさは、電流検出抵抗の両端間に生じる電圧を検知信号として得ることにより行うのである。
しかしながら、特にこのようなタイプのセンサ制御装置では、ポンプ電流が流れる経路に電流検出抵抗が介在しているため、電流検知抵抗を切り換えると、ＰＩＤ制御などにより電流を一定とするに当たり、ポンプセル電流を流す経路の状態が急変するため、切り換え後に制御が安定するまでに時間が掛かる。
【００１６】
これに対し、本発明のセンサ制御装置では、所定抵抗値の電流検知抵抗を有し、これに発生する電圧を検知信号として用いるので、ポンプセルを流れるポンプセル電流をＰＩＤ制御などの手法で制御するにあたり、電流検知抵抗の切り換えによる電流経路の状態の急変を生じることがなく、適切にポンプセル電流を制御し続けることができる。
【００１７】
さらに、上述のいずれか１項に記載のセンサ制御装置であって、前記増幅回路は、前記電流検知抵抗の両端の電位を差動増幅する差動増幅回路であるセンサ制御装置とすると良い。
【００１８】
本発明のセンサ制御装置では、増幅回路を、電流検知抵抗の両端の電位を差動増幅する差動増幅回路としたので、外来ノイズの除去が容易であり、より適切に検知信号を増幅して適切な広範囲出力信号あるいは狭範囲出力信号を得ることができる。
【００１９】
また、上記のセンサ制御装置であって、前記増幅回路は、レイルツーレイル構成のオペアンプにより出力を得る構成とされてなるセンサ制御装置とすると良い。
【００２０】
本発明のセンサ制御装置では、増幅回路は、出力電圧範囲が通常より広いレイルツーレイル構成のオペアンプによる出力を得る。このため、通常のオペアンプを用いた場合に比して、より大きな増幅度で、あるいは同じ増幅特性の増幅回路を用いた場合にはより広い検出範囲で、ガスセンサ素子の検出信号に応じて変化する広範囲出力信号や狭範囲出力信号を出力することができる。
【００２１】
なお、レイルツーレイル構成のオペアンプは、通常のオペアンプに比してより広い範囲の出力振幅が得られるオペアンプであり、例えば、具体的には、他の回路に供給されるものよりも高い電源電圧で出力段のトランジスタを駆動して、より高い出力電圧を得る回路構成としたオペアンプが挙げられる。
【００２２】
また他の解決手段は、内燃機関の排気ガスを利用して、空燃比に応じて変化する検知信号を出力するガスセンサ素子の制御を行うセンサ制御装置であって、空燃比の範囲として、リッチ領域内の第一空燃比下限値から、リーン領域内の第一空燃比上限値までの空燃比の範囲を、第一空燃比範囲とし、リッチ領域のうち上記第一空燃比下限値よりも理論空燃比側に位置する第二空燃比下限値から、上記リーン領域のうち上記第一空燃比上限値よりも理論空燃比側に位置する第二空燃比上限値までの空燃比の範囲を、第二空燃比範囲とし、上記リーン領域のうち上記第二空燃比上限値と等しいかこれよりも理論空燃比側の第三空燃比下限値から、上記第二空燃比上限値と第一空燃比上限値との間の第三空燃比上限値までの空燃比の範囲を、第三空燃比範囲としたとき、少なくとも上記第一空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化する第一出力信号、少なくとも上記第二空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化し、かつ上記第一出力信号よりも上記検知信号の変化によって生じる変化が大きくされた第二出力信号、及び、なくとも上記第三空燃比範囲内の空燃比に対応した上記検知信号に応じて変化し、かつ上記第一出力信号よりも上記検知信号の変化によって生じる変化が大きくされた第三出力信号、を出力する出力手段と、を備えるセンサ制御装置である。
【００２３】
本発明のセンサ制御装置では、少なくともリッチ領域の第一空燃比下限値からリーン領域の空燃比上限値までの比較的広い第一空燃比範囲において、空燃比に対応した第一出力信号が得られる。さらに、少なくとも理論空燃比（ストイキ）の近傍の、第一空燃比範囲に比して狭い範囲である第二空燃比範囲において、空燃比に応じた第二信号出力を得ることができる。さらに、少なくともリーン領域のうち第二空燃比上限値と等しいかこれよりもストイキ側の第三空燃比下限値から第三空燃比上限値までの、第一空燃比範囲に比して狭い範囲である第三空燃比範囲においても、空燃比に応じた第三出力信号を得ることができる。
第一，第二，第三出力信号を得られる範囲として、上述の関係を有しているので、第一出力信号により、リッチ領域からリーン領域までの広い空燃比範囲（第一空燃比範囲）における空燃比を適切に検知できる。このほか、第二出力信号により、ストイキ近傍の狭い範囲（第二空燃比範囲）における空燃比を適切に検知できる。さらに、第三出力信号により、リーン領域の狭い範囲（第三空燃比範囲）における空燃比を適切に検知できる。
【００２４】
さらに上述したように、第二空燃比範囲と第三空燃比範囲とは、連続した範囲となっている（第二空燃比上限値と第三空燃比下限値とが等しい場合）、あるいは一部重なっている（第二空燃比上限値よりも第三空燃比下限値がストイキ側の値である場合）。従って、少なくとも第二空燃比下限値から第三空燃比上限値までの空燃比の範囲内であれば、第二出力信号及び第三出力信号の少なくともいずれかにより、切れ目無く空撚比を検知できる。
【００２５】
しかも、第二出力信号及び第三出力信号は、第一出力信号よりも検知信号の変化によって生じる変化が大きくされている。従って、第二出力信号及び第三出力信号については、空燃比のわずかな変化によってガスセンサ素子から出力される検知信号がわずかに変化しても、大きな出力変化が得られる。このため、例えば、第二出力信号を用いれば、第二空燃比範囲において、第一出力信号を用いるよりも精度よく空燃比を検知することができる。同様に、第三出力信号を用いれば、第三空燃比範囲において、第一出力信号を用いるよりも精度よく空燃比を検知することができる。
その上、上述したように、第一出力信号を用いることで、リッチ領域からリーン領域までの広い範囲である第一空燃比範囲において空燃比を検知することができる。つまり、ガスセンサ素子で検出しうる空燃比の全範囲を広く取ることができる。
【００２６】
かくして、本発明のセンサ制御装置では、リッチ領域からリーン領域までの広い範囲で空燃比を検出できるので、高負荷運転時におけるリッチ領域での燃焼制御など、広い範囲での燃焼制御に利用できる。このほか、ストイキを中心とする狭い範囲、及び、リーン領域のうち狭い範囲でも精度良く空燃比を検出することができる。またこのため、このセンサ制御装置だけで、内燃機関の、広範囲の燃焼制御のほか、ストイキ燃焼制御にも、リーン燃焼制御にも好適に利用することができる。
【００２７】
なお、出力手段としては、ガスセンサ素子が出力する検知信号に応じて変化する第一出力信号、第二出力信号、及び第三出力信号を出力できる構成を有していればよい。例えば、バイポーラトランジスタやＭＯＳトランジスタ、抵抗などの個別部品を用いて構成した増幅回路や、オペアンプを用いて構成した増幅回路などが挙げられる。オペアンプを用いた増幅回路は、増幅度の設定やオフセット電圧の設定や負帰還回路の構成を容易に行えるため好ましい。
【００２８】
また、上記のセンサ制御装置であって、前記出力手段は、第一増幅回路であって、前記検知信号を第一増幅度で増幅して、前記第一出力信号を出力する第一状態と、上記検知信号を上記第一増幅度よりも大きい第三増幅度で増幅して、前記第三出力信号を出力する第三状態と、を切り換え可能としてなる第一増幅回路、及び、上記検知信号を上記第一増幅度より大きい第二増幅度で増幅して、前記第二出力信号を出力する第二増幅回路、を有するセンサ制御装置とするとよい。
【００２９】
本発明のセンサ制御装置は、第二出力信号を出力する第二増幅回路のほかに、検知信号を第一増幅度で増幅して第一出力信号を出力する第一状態と、検知信号を第三増幅度で増幅して第三出力信号を出力する第三状態とを切り換え可能な第一増幅回路を有している。
このようにすることで、第一出力信号及び第三出力信号を得ることができる上、これらを得るための増幅回路を共用として回路構成を簡単とし、センサ制御装置をより安価とすることができる。さらに、内燃機関を制御するための制御回路（ＥＣＵ）との通信ケーブルを少なくすることができる。
【００３０】
第一増幅回路及び第二増幅回路としては、所望の増幅度に設定した増幅回路を用いることができる。さらに好ましくは、所望のオフセット量（例えばオフセット電圧）に設定した増幅回路を用いると良い。具体的には、オペアンプを用いて構成した負帰還増幅回路が挙げられる。
【００３１】
さらに、第一状態と第三状態とを切り換え可能とした第一増幅回路の回路構成としては、例えば、増幅度（さらに好ましくはオフセット電圧）が異なる２つの増幅器を用いて、第一出力信号及び第三出力信号を得ておき、指令に応じ、いずれかの出力を選択するようにした出力スイッチ回路を備えた回路構成が挙げられる。
また、増幅回路の増幅度（さらに好ましくはオフセット電圧も）をスイッチによって切り換えられるように構成したものも挙げられる。
【００３２】
さらに、上記のセンサ制御装置であって、前記第一増幅回路は、自身の増幅度を、前記第一増幅度と第三増幅度のいずれかに切り換える増幅度切り換え手段、を備えるセンサ制御装置とするとよい。
【００３３】
この発明のセンサ制御装置では、第一増幅回路について、増幅度切り換え手段を用いて、増幅度を切り換えることで、第一状態及び第三状態の切り換えを行う。これにより、第一出力信号と第三出力信号を得るに当たって、オペアンプあるいはトランジスタなどの能動素子を用いる増幅回路を共用できるので、センサ制御装置を安価なものとすることができる。また、簡易な回路によって、より小さな回路規模でかつ低消費電力のセンサ制御装置とすることができる。
【００３４】
増幅度切り換え手段は、増幅度を切り換えることができるように構成されていればよい。例えば、増幅回路としてオペアンプを用いた負帰還増幅回路を用いる場合には、負帰還増幅回路の帰還抵抗の大きさを切り換えるスイッチ手段が挙げられる。
【００３５】
また、上記いずれかに記載のセンサ制御装置であって、前記第一増幅回路及び第二増幅回路のうち少なくともいずれかは、レイルツーレイル構成のオペアンプにより出力を得る構成とされてなるセンサ制御装置とするとよい。
【００３６】
本発明のセンサ制御装置では、第一増幅回路及び第二増幅回路のうち少なくともいずれかは、出力電圧範囲がより広いレイルツーレイル構成のオペアンプからなる。このため、通常のオペアンプを用いた場合に比して、同じ増幅特性の増幅回路を用いたとしても、より広い検出範囲で、ガスセンサ素子の検出信号に応じて変化する第一出力信号あるいは第二出力信号を出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明にかかるセンサ制御装置及びこれを用いた空燃比検出装置について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００３８】
本発明の第一の実施形態にかかる空燃比検出システム１について、図１〜図５を参照して説明する。
ガソリンエンジンの排気ガスから空燃比を検知する空燃比検出システム１は、図１に示すように、ガスセンサ素子４及びこのガスセンサ素子４を制御すると共に空燃比に応じた出力信号を出力するガスセンサ制御回路２からなるガスセンサ装置３と、出力信号に基づいて空燃比を求め、ガソリンエンジンの制御を行うエンジン制御装置（以下、ＥＣＵともいう。）５と、を含んでいる。ガスセンサ制御回路２は、ガスセンサ素子４の３つの端子Ｖｓ＋，ＣＯＭ，Ｉｐ＋と、それぞれＩｃｐ＋，Ｖｃｅｎｔ，ＩＰ＋の各端子を介して接続している。また、ＥＣＵ５の各端子ＡＤ１，ＡＤ２，ＣＴとは、それぞれ端子ＶＩＰ２，ＶＩＰ１／ＶＩＰ３，ＣＩを介して接続している。
【００３９】
ガスセンサ素子４は、ポンプセル４１と起電力セル４２とを排気ガスを導入可能な中空の測定室を構成するスペーサを介して積層した構成を有し、起電力セル４２のうち測定室に面する側とは逆側に位置する電極を遮蔽層により閉塞した公知の構成を有するガスセンサ素子である。ポンプセル４１及び起電力セル４２は、それぞれ、板状で酸素イオン伝導性を有する固体電解質を基体とし、その両面には多孔質の白金により電極が形成されている。ポンプセル４１の電極の一端（図中左端）と、起電力セル４２の電極の一端（図中右端）とは、互いに導通されると共に、ガスセンサ素子４の出力端子ＣＯＭに接続されている。また、ポンプセル４１の電極の他端（図中右端）は、ガスセンサ素子４の出力端子Ｉｐ＋に接続され、起電力セル４２の電極の他端（図中左端）は、ガスセンサ素子４の端子Ｖｓ＋に接続されている。
【００４０】
このガスセンサ装置３では、ガスセンサ素子４の起電力セル４２に微少電流Ｉｃｐを流しつつ、起電力セル４２の両端に発生する起電力セル電圧Ｖｓが４５０ｍＶになるように、ポンプセル４１に流すポンプセル電流Ｉｐを制御して、測定室に導入された排気ガス中の酸素の汲み入れ汲み出しを行う。なお、ポンプセル４１に流れるポンプセル電流Ｉｐの電流値及び電流方向は、空燃比（換言すれば、排気ガス中の酸素濃度）に応じて変化することから、このポンプセル電流Ｉｐの大きさを検知することで、空燃比（排気ガス中の酸素濃度）を検知することができる。
【００４１】
ＥＣＵ５は、Ａ／Ｄ変換器５１，５２と、ＣＰＵ５３とを含んでいる。このうちＡ／Ｄ変換器５１，５２は、それぞれ、ＥＣＵ５の外部入力端子ＡＤ１，ＡＤ２を介してガスセンサ制御回路２の出力信号を取り込んでデジタル値に変換し、これをＣＰＵ５３に出力する。ＣＰＵ５３は、デジタル化されたガスセンサ制御回路２の出力信号に基づき、空燃比を算出する。また、ＥＣＵ５は、後述するように、算出された空燃比に応じて、ガスセンサ制御回路２に含まれるスイッチＳＷ２〜ＳＷ４のオンオフを制御する。
【００４２】
ガスセンサ制御回路２は、ガスセンサ素子４の起電力セル４２に微少電流Ｉｃｐを供給し、ポンプセル電流Ｉｐを制御する制御部のほか、ポンプセル電流Ｉｐの大きさを検出し、検知電圧Ｖｄに変換する検出抵抗Ｒｄと、検出抵抗Ｒｄが発生する検知電圧Ｖｄを検出、増幅する検出部２０と、を含んでいる。
このうち制御部は、定電流源２１，２５、入力バッファ２２、出力バッファ２６、及びＰＩＤ制御回路２３を含んでいる。定電流源２１、起電力セル４２、抵抗Ｒ１、定電流源２５は、この順に接続されて、微少電流Ｉｃｐを流す電流路を構成している。また、ＰＩＤ制御回路２３では、入力バッファ２２を介して接続されたガスセンサ素子４の端子Ｖｓ＋（ガスセンサ制御回路２のＩｃｐ＋端子）の電位と、端子Ｖｃｅｎｔとの電位差が常に４５０ｍＶとなるように、ポンプセル電流Ｉｐの大きさがＰＩＤ制御される。また、ＰＩＤ制御回路２３に導通する端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐｏｕｔには、ＰＩＤ制御の定数を決定するためのコンデンサＣ１〜Ｃ３及び抵抗Ｒ２〜Ｒ４がそれぞれ接続されている。
【００４３】
また、検出抵抗Ｒｄは、ポンプセル電流Ｉｐの電流路内に配置されているため、その両端には流れるポンプセル電流Ｉｐの大きさに応じた検知電圧Ｖｄ（Ｖ）が発生する。本実施例１では、検出抵抗Ｒｄの抵抗値は、Ｒｄ＝３００Ωとされているため、ポンプセル電流Ｉｐ（Ａ）は、Ｉｐ＝Ｖｄ／３００の式によって求められる。また、検出抵抗Ｒｄの一端の電位（端子Ｖｃｅｎｔの電位）を電位Ｖｃｅｎｔとし、検出抵抗Ｒｄの他端の電位（端子Ｐｏｕｔの電位）を電位Ｐｏｕｔとしたとき、検知電圧Ｖｄは、電位Ｖｃｅｎｔ及び電位Ｐｏｕｔの差分で求められる。
なお、本実施例では、検出抵抗Ｒｄは、所定の抵抗値（３００Ω）を有するものとしている。検出抵抗の大きさを切り換えるタイプのセンサ制御回路では、検出抵抗の大きさを切り換えるたびに、ポンプセル電流を流す経路の状態が急変するため、ＰＩＤ制御が安定するまでに時間が掛かり、その間、検出抵抗Ｒｄで得られる出力も不安定なものとなっていた。これに対し本実施例のセンサ制御回路では、後述するように、検出抵抗Ｒｄの抵抗値ではなく、増幅回路の増幅度を変更するので、検出抵抗Ｒｄの抵抗値が固定されており、安定したポンプセル電流ＩｐのＰＩＤ制御が可能となっている。
【００４４】
一方、ガスセンサ制御回路２の検出部２０は、バッファ２７，２８と、第一増幅回路２９と、第２増幅回路３０とを含んでいる。このうち、バッファ２７，２８は、それぞれ抵抗ＲｉとオペアンプＯＰ１，ＯＰ２により構成されている。また、第二増幅回路３０は、オペアンプＯＰ５と、抵抗Ｒ５〜Ｒ８と、バッファ３２とから構成される差動増幅型の負帰還増幅回路であり、このうちバッファ３２は、オペアンプＯＰ６で構成されている。また、第一増幅回路は、オペアンプＯＰ３と、抵抗Ｒ９〜Ｒ１４と、スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４と、及びバッファ３１から構成される差動増幅型の負帰還増幅回路であり、このうちバッファ３１は、オペアンプＯＰ４から構成されている。また、バッファ２７は、中間端子２０Ｖを介して接続される電位Ｖｃｅｎｔのバッファリングを、バッファ２８は、中間端子２０Ｐを介して接続される電位Ｐｏｕｔのバッファリングをそれぞれ行っている。
【００４５】
ついで、第二増幅回路３０について説明する。この第二増幅回路３０のうち、オペアンプＯＰ５の非反転入力端子（＋端子）には、バッファ２７及び抵抗Ｒ５を介して電位Ｖｃｅｎｔが、さらに、バッファ３２及び抵抗Ｒ６を介して基準電位ＯＦＳ２が加えられている。また、一方、オペアンプＯＰ５の反転入力端子（−端子）には、バッファ２８及び抵抗Ｒ７を介して電位Ｐｏｕｔが、また、抵抗Ｒ８を介して第二増幅回路３０自身の出力が加えられている。かくして、第二増幅回路３０は、オフセット電圧ＯＦＳ２を有し、抵抗Ｒ８を帰還抵抗とする差動増幅型の負帰還増幅回路を構成している。本実施例１では、この第二増幅回路３０を差動増幅回路としているので、２つの入力端子に共通して侵入するノイズを適切に除去することができるから、ノイズの少ない適切な第二出力信号ＶＩＰ２を得ることができる。本実施例１では、具体的には、Ｒ５＝Ｒ７＝６０ｋΩ、Ｒ６＝Ｒ８＝２７０ｋΩ、Ｖ１＝２．３Ｖとされている。従って、第二増幅回路３０は、検知電圧Ｖｄを入力とし、第２増幅度Ｇ２＝４．５、第２オフセット電圧ＯＦＳ２＝２．３Ｖで、これを増幅して、第二出力信号ＶＩＰ２を出力する差動増幅回路をなしている。また、検出抵抗Ｒｄの抵抗値は３００Ωであるので、ポンプセル電流Ｉｐ（Ａ）と、第二出力信号ＶＩＰ２（Ｖ）との関係は以下の式で表される。
ＶＩＰ２＝Ｉｐ×３００×４．５＋２．３    …  式（１）
【００４６】
図３に、式（１）に基づく、第二増幅回路３０の第二出力信号ＶＩＰ２の出力特性を示す。図３のうち、横軸はポンプセル電流Ｉｐ（単位はｍＡ）及びこれに対応する空燃比ＡＦ（単位はＡ／Ｆ）である。また、縦軸は、第二出力信号ＶＩＰ２（単位はＶ）である。なお、実施例１の空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）では、ポンプセル電流ＩｐがＩｐ＝０ｍＡとなる点がストイキ（空燃比ＡＦ＝１４．６）になるように制御されている。図３では、このストイキよりも左側がリッチ領域、右側がリーン領域である。
【００４７】
この第二増幅回路３０に用いられているオペアンプＯＰ５には、通常の出力段回路構成を有するオペアンプが使用されている。このようなオペアンプでは、最終段トランジスタの電圧降下により、最大出力電圧は、電源電圧よりも１．０〜１．３Ｖ程度低くなる一方、最小出力電圧は、グランド電位よりも０．３〜０．７Ｖ程度高くなることが知られている。本例では、その出力電圧範囲が０．３〜４．０ＶのオペアンプＯＰ３，ＯＰ５を用いて、第二増幅回路３０及び第一増幅回路２９を構成してある。従って、この第二増幅回路３０の第二出力信号ＶＩＰ２の出力電圧の範囲は、０．３〜４．０Ｖに制限される。このため、図３中のグラフでは、第二出力信号ＶＩＰ２は、出力電圧の最小値０．３Ｖ及び出力電圧の最大値４．０Ｖでクリップされた形状の特性となっている。
【００４８】
なお、図３に示すように、空燃比ＡＦ＝１３に対応するポンプセル電流Ｉｐ＝−０．８ｍＡの場合には、第二出力信号ＶＩＰ２＝１．２Ｖとなる。また、空燃比ＡＦ＝２０に対応するＩｐ＝１．０ｍＡの場合には、第二出力信号ＶＩＰ２＝３．７Ｖとなる。そして、図３によれば、少なくとも空燃比ＡＦ＝１３〜２０（Ｉｐ＝−０．８〜１．０ｍＡ）の範囲では、ポンプセル電流Ｉｐの変化に応じて、第二出力信号ＶＩＰ２は直線的に変化することが判る。
かくして、この第二増幅回路３０を用いれば、Ｉｐ＝−０．８ｍＡに対応するリッチ領域内の空燃比ＡＦ＝１３を第二空燃比下限値ＡＦ２Ｌとし、Ｉｐ＝１．０ｍＡに対応するリーン領域内の空燃比ＡＦ＝２０を第二空燃比上限値ＡＦ２Ｕとする第二空燃比範囲ＡＦＺ２を含む範囲内の空燃比ＡＦについて、この空燃比ＡＦに応じた第二出力信号ＶＩＰ２を得ることができることが判る（図３参照）。つまり、この第二増幅回路３０を用いれば、少なくとも第二空燃比範囲ＡＦＺ２内の空燃比の変化に応じて変化する第二出力信号ＶＩＰ２を得ることができることが判る。
【００４９】
この第二増幅回路３０で得られた第二出力信号ＶＩＰ２は、ガスセンサ制御回路２の端子ＶＩＰ２から出力されてＥＣＵ５の端子ＡＤ１に入力され、Ａ／Ｄ変換器５１によりデジタル値に変換されてＣＰＵ５３によって処理され、ガソリンエンジンの燃料制御などに利用される。なお、本実施例１では、第二出力信号ＶＩＰ２は、常にＥＣＵ５に入力される。
【００５０】
ついで、第一増幅回路２９について説明する。この第一増幅回路２９も、第二増幅回路３０と同様にオペアンプを用いた差動増幅型の負帰還増幅回路である。従って、この第一増幅回路３０の２つの入力端子に共通して侵入するノイズを適切に除去することができるから、ノイズの少ない適切な第一出力信号ＶＩＰ１を得ることができることも同様である。しかしながら、スイッチＳＷ２等により、抵抗値を切り換える回路を含む点で異なっている。以下では、図２を参照して、第一増幅回路２９及びこれに関連する回路について詳細に説明する。
【００５１】
図２のうち、バッファ２７，２８は、既に説明したとおりである。第一増幅回路２９のうち、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子（＋端子）には、バッファ２７及び抵抗Ｒ９を介して電位Ｖｃｅｎｔが、さらに抵抗Ｒ１１を介して、バッファ３１の出力が加えられている。なお、この抵抗Ｒ１１と並列に、スイッチＳＷ３と抵抗Ｒ１２とが直接接続された回路が接続されている。このため、スイッチＳＷ３をＯＮ／ＯＦＦすることで、第一増幅回路２９の非反転入力端子とバッファ３１との間の抵抗値を、抵抗Ｒ１１の抵抗値と、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の並列接続の合成値のいずれかに切り換えることができる。
なお、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の抵抗値は、後述する抵抗Ｒ１３，Ｒ１４の抵抗値とそれぞれ等しくされている（Ｒ１１＝Ｒ１３，Ｒ１２＝Ｒ１４）。この第一増幅回路２９では、このスイッチＳＷ３により抵抗値を切り換えることで、非反転入力端＋に接続されるインピーダンスと、後述するように反転入力端子（−端子）に接続されるインピーダンスとのマッチングを図っている。
【００５２】
バッファ３１は、オペアンプＯＰ４から構成されており、スイッチＳＷ２により選択される基準電位ＯＦＳ１または基準電位ＯＦＳ３のいずれかを入力とし、入力に応じて基準電位ＯＦＳ１または基準電位ＯＦＳ３のうちいずれかを出力することができる。この基準電位ＯＦＳ１，ＯＦＳ３が、第一増幅回路２９のオフセット電圧（第一オフセット電圧ＯＦＳ１，第三オフセット電圧ＯＦＳ３）を与える。すなわち、スイッチＳＷ２は、第一増幅回路２９において、２通りのオフセット電圧のうちいずれかに切り換えるオフセット電圧切り換え手段として動作する。
【００５３】
一方、第一増幅回路２９の反転入力端子（−端子）には、バッファ２８及び抵抗Ｒ１０を介して電位Ｐｏｕｔが、さらに、抵抗Ｒ１３を介して、第一増幅回路２９自身の出力が入力されている。なお、この抵抗Ｒ１３とは並列に、スイッチＳＷ４と抵抗Ｒ１４とが直列接続された回路が接続されている。このため、スイッチＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦを行うことにより、第一増幅回路２９の反転入力端子と第一増幅回路２９自身の出力との間に介在する帰還抵抗の抵抗値を、抵抗Ｒ１３の抵抗値と、抵抗Ｒ１３，Ｒ１４の並列接続の合成値のいずれかに切り換えることができる。この切り換えにより、第一増幅回路２９の増幅度を変化させることができる。すなわち、スイッチＳＷ４とスイッチＳＷ３とを同期して切り換えることで、２通りの増幅度のいずれかに切り換えることができ、これらは増幅度切り換え手段として動作する。さらに本実施例１では、スイッチＳＷ２と、スイッチＳＷ３，ＳＷ４とも同期して切り換えるようにされており、オフセット電圧も変更できるようになっている。
【００５４】
従って、本実施例１における第一増幅回路２９では、スイッチＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の切り換えにより、第一増幅度Ｇ１及び第一オフセット電圧ＯＦＳ１の第一出力電圧ＶＩＰ１が得られる第一状態（広範囲出力状態）ＳＴ１と、第三増幅度Ｇ３及び第三オフセット電圧ＯＦＳ３の第三出力信号ＶＩＰ３が得られる第三状態（狭範囲出力状態）ＳＴ３とを切り換えることができる。この状態の切り換えは、スイッチＳＷ２〜ＳＷ４を連動して切り換えることで行われる。具体的には、第三状態ＳＴ３とする場合には、スイッチＳＷ２を基準電位ＯＦＳ３側とすると共に、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４をＯＦＦ状態とする。一方、第一状態ＳＴ１とするには、スイッチＳＷ２を基準電位ＯＦＳ１側とすると共に、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ４をＯＮ状態とする。
なお、これらのスイッチＳＷ２〜ＳＷ４の制御は、ＥＣＵ５のＣＰＵ５３において実行される制御プログラムに応じて、ＥＣＵ５の通信出力端子ＣＴから、ガスセンサ制御回路２の通信入力端子ＣＩを通じて入力される指示入力により、そのＯＮ／ＯＦＦが制御される。
【００５５】
また、本実施例1にかかる第一増幅回路２９では、抵抗Ｒ９〜Ｒ１４の各抵抗値、基準電位Ｖ２及び基準電位Ｖ３は、それぞれ、Ｒ９＝Ｒ１０＝６０ｋΩ、Ｒ１１＝Ｒ１３＝２７０ｋΩ、Ｒ１２＝Ｒ１４＝１３５ｋΩ、ＯＦＳ１＝０．４Ｖ、ＯＦＳ３＝２Ｖとされている。従って、第一増幅回路２９を第一状態とすると第一増幅回路２９の第一増幅度Ｇ１は、Ｇ１＝１．５、第一オフセット電圧ＯＦＳ１は、ＯＦＳ１＝２．０Ｖとなる。また、第三状態では、第三増幅度Ｇ３は、Ｇ３＝４．５、第三オフセット電圧ＯＦＳ３はＯＦＳ３＝０．４Ｖとなる。
なお、本明細書では、第一増幅回路２９から端子ＶＩＰ１／ＶＩＰ３を通じて出力される出力信号について、第一状態ＳＴ１の第一増幅回路２９が出力する出力信号を、第一出力信号ＶＩＰ１とし、第三状態ＳＴ３の第一増幅回路２９が出力する出力信号を、第三出力信号ＶＩＰ３とする。また、第一状態及び第三状態に拘わらないで、第一増幅回路２９が出力する信号を指すときは、出力信号ＶＩＰ１−３という。
【００５６】
本実施例１にかかる空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）では、このように単一のオペアンプＯＰ３を用いた第一増幅回路２９について、スイッチＳＷ２〜ＳＷ４を用いて増幅度及びオフセット電圧を切り換え可能に構成している。このため、第一出力信号及び第三出力信号を得るのに、互いに異なる増幅度及びオフセット電圧を有する２つの増幅回路を設ける場合に比して、用いるオペアンプの数を減らすことができので、小さな回路規模でかつ低消費電力な空燃比検出システム１とすることができ、また安価とすることができる。
【００５７】
また、第一増幅回路２９において、第一状態及び第三状態の場合のポンプセル電流Ｉｐ（Ａ）と、第一出力信号ＶＩＰ１（Ｖ）及び第三出力信号ＶＩＰ３（Ｖ）との関係は、それぞれ以下の式で表される。
ＶＩＰ１＝Ｉｐ×３００×１．５＋２．０    …  式（２）
ＶＩＰ３＝Ｉｐ×３００×４．５＋０．４    …  式（３）
【００５８】
図４に、式（２）及び式（３）に基づく、第一状態ＳＴ１及び第三状態ＳＴ３の第一増幅回路２９が出力する第一出力信号ＶＩＰ１及び第三出力信号ＶＩＰ３の出力特性を示す。図４のうち、横軸はポンプセル電流Ｉｐ（単位はｍＡ）及びこれに対応する空燃比ＡＦ（単位はＡ／Ｆ）である。また、縦軸は第一出力信号ＶＩＰ１及び第三出力信号ＶＩＰ３（単位はＶ）である。なお、図３と同様に、ポンプセル電流ＩｐがＩｐ＝０ｍＡとなる点がストイキであり、ストイキよりも左側がリッチ領域、右側がリーン領域である。
【００５９】
図３に示す第二増幅回路３０の特性と同様に、第一増幅回路２９で用いたオペアンプＯＰ３の出力特性により、第一出力信号ＶＩＰ１及び第三出力信号ＶＩＰ３の出力電圧の範囲は、０．３〜４．０Ｖに制限される。このため、図４中のグラフでも、第一出力信号ＶＩＰ１及び第三出力信号ＶＩＰ３は、出力電圧の最小値０．３Ｖ及び出力電圧の最大値４．０Ｖでクリップされた形状の特性となっている。
【００６０】
なお、図４において、第一出力信号ＶＩＰ１について見ると、空燃比ＡＦ＝１０に対応するＩｐ＝−２．９ｍＡの場合には、第一出力信号ＶＩＰ１＝０．６９Ｖとなる。また、空燃比ＡＦ＝∞（＝Ａｉｒ）に対応するＩｐ＝４．０ｍＡの場合には、第一出力信号ＶＩＰ１＝３．８Ｖとなる。そして、図４によれば、少なくとも空燃比ＡＦ＝１０〜∞（Ｉｐ＝−２．９〜４．０ｍＡ）の範囲では、ポンプセル電流Ｉｐの変化に応じて、第一出力信号ＶＩＰ１は直線的に変化することが判る。
かくして、この第一増幅回路２９を第一状態とすれば、Ｉｐ＝−２．９ｍＡに対応するリッチ領域内の空燃比ＡＦ＝１０を第一空燃比下限値ＡＦ１Ｌとし、Ｉｐ＝４．０ｍＡに対応するリーン領域内の空燃比ＡＦ＝∞（＝Ａｉｒ）を第一空燃比上限値ＡＦ１Ｕとする、広い第一空燃比範囲ＡＦＺ１を含む範囲内の空燃比ＡＦについて、この空燃比ＡＦに応じた第一出力信号ＶＩＰ１を得ることができることが判る（図４参照）。つまり、この第一増幅回路２９の第一状態を用いれば、少なくとも第一空燃比範囲ＡＦＺ１内の空燃比の変化に応じて変化する第一出力信号ＶＩＰ１を得ることができることが判る。
【００６１】
さらに、図４において、第三出力信号ＶＩＰ３について見ると、空燃比ＡＦ＝２０に対応するＩｐ＝１．０ｍＡの場合には、第三出力信号ＶＩＰ３＝１．７５Ｖとなる。また、空燃比ＡＦ＝３０に対応するＩｐ＝２．０ｍＡの場合には、第一出力信号ＶＩＰ１＝３．１Ｖとなる。そして、図４によれば、少なくとも空燃比ＡＦ＝２０〜３０（Ｉｐ＝１．０〜２．０ｍＡ）の範囲では、ポンプセル電流Ｉｐの変化に応じて、第三出力信号ＶＩＰ３は直線的に変化することが判る。
かくして、この第一増幅回路２９を第三状態とすれば、Ｉｐ＝１．０ｍＡに対応するリーン領域内の空燃比ＡＦ＝２０を第三空燃比下限値ＡＦ３Ｌとし、Ｉｐ＝２．０ｍＡに対応するリーン領域内の空燃比ＡＦ＝３０を第三空燃比上限値ＡＦ３Ｕとする、比較的狭い第三空燃比範囲ＡＦＺ３を含む範囲内の空燃比ＡＦについて、この空燃比ＡＦに応じた第三出力信号ＶＩＰ３を得ることができることが判る（図４参照）。つまり、この第一増幅回路２９の第三状態を用いれば、少なくとも第三空燃比範囲ＡＦＺ３内の空燃比の変化に応じて変化する第三出力信号ＶＩＰ３を得ることができることが判る。なお、第三空燃比範囲ＡＦＺ３は、第一空燃比範囲ＡＦＺ１に含まれている。
【００６２】
かくして、本実施例１の空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）では、第二増幅回路３０により第二出力信号ＶＩＰ２を得ることができるほか、スイッチＳＷ２〜ＳＷ４を切り換えることで、第一増幅回路２９により第一出力信号ＶＩＰ１あるいは第三出力信号ＶＩＰ３を得ることができる。
【００６３】
この第一増幅回路２９で得られた第一出力信号ＶＩＰ１及び第二出力信号ＶＩＰ３は、バッファ３３を通じて、ガスセンサ制御回路２の端子ＶＩＰ１／ＶＩＰ３から出力される。さらに、ＥＣＵ５の端子ＡＤ２に入力され、Ａ／Ｄ変換器５２によりデジタル値に変換されてＣＰＵ５３によって処理され、ガソリンエンジンの燃料制御などに利用される。なお、本実施例１では、第一出力信号ＶＩＰ１と第三出力信号ＶＩＰ３とは、択一的にＥＣＵ５に入力される。
【００６４】
本実施例１において、第一空燃比範囲ＡＦＺ１（ＡＦ＝１０〜∞（＝Ａｉｒ））は、第一空燃比下限値ＡＦ１Ｌ（ＡＦ＝１０）から第一空燃比上限値ＡＦ１Ｕ（ＡＦ＝∞）までの比較的広い範囲をカバーしている。一方、第二空燃比範囲ＡＦＺ２（ＡＦ＝１３〜２０）は、リッチ領域のうち第一空燃比下限値ＡＦ１Ｌよりもストイキ側に位置する第二空燃比下限値ＶＡＦ２Ｌ（ＡＦ＝１３）から、リーン領域のうち第一空燃比上限値ＡＦ１Ｕよりもストイキ側に位置する第二空燃比上限値ＡＦ２Ｕ（ＡＦ＝２０）までの、第一空燃比範囲ＡＦＺ１よりもストイキ近傍の狭い範囲をカバーしている。さらに、第三空燃比範囲ＡＦＺ３（ＡＦ＝２０〜３０）は、リーン領域のうち、第二空燃比上限値ＡＦ２Ｕと等しい第三空燃比下限値ＡＦ３Ｌ（ＡＦ＝２０）から、第二空燃比上限値ＡＦ２Ｕと第一空燃比上限値ＡＦ１Ｕとの間の第三空燃比上限値ＡＦ３Ｕ（ＡＦ＝３０）までの、第一空燃比範囲ＡＦＺ１よりもリーン領域内の狭い範囲をカバーしている。
【００６５】
従って、第一状態とした第一増幅回路２９で得た第一出力信号ＶＩＰ１により、少なくとも第一空燃比範囲ＡＦＺ１（ＡＦ＝１０〜∞（Ａｉｒ））において、空燃比ＡＦを検知することができる。さらに、第二増幅回路３０で得た第二出力信号ＶＩＰ２により、少なくとも第二空燃比範囲ＡＦＺ２（Ａ／Ｆ＝１３〜２０）において、空燃比ＡＦを検知することができる。さらに、第三状態とした第一増幅回路２９で得た第三出力信号ＶＩＰ３により、少なくとも第三空燃比範囲ＡＦＺ３（Ａ／Ｆ＝２０〜３０）において、空燃比ＡＦを検知することができる。
【００６６】
このうち第二出力信号ＶＩＰ２及び第三出力信号ＶＩＰ３における検知電圧Ｖｄの第二増幅度Ｇ２及び第三増幅度Ｇ３（Ｇ２＝Ｇ３＝４．５）は、第一出力信号ＶＩＰ１における検知電圧Ｖｄの第一増幅度Ｇ１（Ｇ１＝１．５）よりも大きくされている。従って、ＥＣＵ５で、第二出力信号ＶＩＰ２あるいは第三出力信号ＶＩＰ３を用いて空燃比ＡＦを得る場合には、第一出力信号ＶＩＰ１を用いて空燃比ＡＦを得る場合に比して、検知信号Ｖｄの単位変化当たりの出力信号値変化の割合が大きい。従って、空燃比ＡＦの変化に対する出力信号の変化の割合を大きく取ることができる。このため、第二出力信号ＶＩＰ２あるいは第三出力信号ＶＩＰ３を用いれば、ストイキ近傍の第二空燃比範囲ＡＦＺ２及びリーン領域の第三空燃比範囲ＡＦＺ３では、より精度よく空燃比を検知することができる。
【００６７】
しかも、第二空燃比上限値ＡＦ２Ｕと第三空燃比下限値ＡＦ３Ｌとは、等しくされている（ＡＦ＝２０）。つまり、第二空燃比範囲ＡＦＺ２と第三空燃比範囲ＡＦＺ３とは、連続した範囲となっている。従って、第二空燃比下限値ＡＦ２Ｌ（ＡＦ＝１３）から第三空燃比上限値ＡＦ３Ｕ（ＡＦ＝３０）の範囲内であれば、第二出力信号ＶＩＰ２及び第三出力信号ＶＩＰ３の少なくともいずれかを用いて、切れ目無く空燃比を検知することができる。つまりリッチ領域のうちストイキ近傍から、リーン領域のうち第一空燃比上限値（ＡＦ＝∞）よりもストイキに近い値までの、ＡＦ＝１３〜３０の範囲内であれば、切れ目無く空燃比を検知することができる。
かくして、本実施例１にかかる空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）では、第二出力信号ＶＩＰ２及び第三出力信号ＶＩＰ３の少なくともいずれかを用いることで、少なくとも第二空燃比範囲ＡＦＺ２及び第三空燃比範囲ＡＦＺ３の範囲内の空燃比について、精度良く、しかも、切れ目無く検知することができる。このため、ストイキ燃焼制御の場合にも、また、リーン燃焼制御の場合にも、さらにはストイキ燃焼制御からリーン燃焼制御に移行する場合にも、空燃比を精度良く検出して適切な制御を行うことができる。
【００６８】
さらに、広い空燃比範囲（第一空燃比範囲ＡＦＺ１）について、第一出力信号ＶＩＰ１だけで空燃比を検出できる。従って、自動車の加速時などリッチ領域での燃焼を行う場合、あるいは、このリッチ領域での燃焼を行う前後に空燃比が大きく変化する場合にも、適切に空燃比を検出することができる。
このように、本実施例１の空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）では、ストイキ燃焼制御、リーン燃焼制御、あるいはリッチ領域での燃焼制御などそれぞれの燃焼制御において、適切に空燃比ＡＦを得ることが出来る。
【００６９】
次いで、本実施例１にかかる空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）による空燃比の検知方法の具体的な手順について、図５を参照して説明する。
まず、ステップＳ１では、スイッチＳＷ２を基準電位ＯＦＳ３側に切り換えると共に、スイッチＳＷ３，ＳＷ４をそれぞれＯＦＦ状態にして、第一増幅回路２９の増幅度及びオフセット電圧を、第三増幅度Ｇ３（本例ではＧ３＝４．５）及び第三オフセット電圧ＯＦＳ３（本例ではＯＦＳ３＝０．４Ｖ）に設定する。すなわち、第一増幅回路２９を第三状態に設定する。
【００７０】
次いで、ステップＳ２において、第二増幅回路３０が出力する第二出力信号ＶＩＰ２を取得する。具体的には、ＥＣＵ５において、Ａ／Ｄ変換器５１により変換された第二出力信号ＶＩＰ２の電圧のデジタル値が取り込まれる。
【００７１】
さらに、ステップＳ３において、ステップＳ２で取得した第二出力信号ＶＩＰ２が、第二空燃比上限値ＡＦ２Ｕに対応する第二空燃比上限値電圧ＶＡＦ２Ｕ（本例では３．７Ｖ）よりも大きいか否かを判定する。この判定は、具体的には、ＥＣＵ５において、ステップＳ１で取り込まれた第二出力信号ＶＩＰ２の電圧のデジタル値と、第二空燃比上限値電圧ＶＡＦ２Ｕとの比較により行われる。
比較の結果、第二出力信号ＶＩＰ２が第二空燃比上限値電圧ＶＡＦ２Ｕよりも大きい場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ４に進む。一方、そうでない場合（Ｎｏ）には、第二出力信号ＶＩＰ２が第二空燃比上限値電圧ＶＡＦ２Ｕ以下であると判断して、ステップＳ９に進む。
【００７２】
ステップＳ９では、ステップＳ２で取得した第二出力信号ＶＩＰ２が、第二空燃比下限値ＡＦ２Ｌに対応する第二空燃比下限値電圧ＶＡＦ２Ｌ（本例では１．２Ｖ）よりも小さいか否かを判断する。具体的な判断の手順はステップＳ３における判断の手順と同様である。
比較の結果、第二出力信号ＶＩＰ２が第二空燃比下限値電圧ＶＡＦ２Ｌよりも小さい場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ６に進む。一方、そうでない場合（Ｎｏ）には、第二出力信号ＶＩＰ２が第二空燃比下限値電圧ＶＡＦ２Ｌ以上の値であり、第二空燃比範囲ＡＦＺ２内の空燃比に対応する値であると判断して、ステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０では、ＥＣＵ５において、第二出力信号ＶＩＰ２を用い、式（１）により空燃比ＡＦを算出する。空燃比ＡＦの算出後は、再びステップＳ２に戻る。
【００７３】
一方、ステップＳ４では、第三状態の第一増幅回路２９が出力する第三出力信号ＶＩＰ３を取得する。具体的には、ＥＣＵ５において、Ａ／Ｄ変換器５２により変換された第三出力信号ＶＩＰ３の電圧のデジタル値が取り込まれる。
さらに、ステップＳ５において、ステップＳ４で取得した第三出力信号ＶＩＰ３が、第三空燃比上限値ＡＦ３Ｕに対応する第三空燃比上限値電圧ＶＡＦ３Ｕ（本例では３．１Ｖ）よりも大きいか否かを判定する。この判定は、具体的には、ＥＣＵ５において、ステップＳ４で取り込まれた第三出力信号ＶＩＰ３の電圧のデジタル値と、第三空燃比上限値電圧ＶＡＦ３Ｕとの比較により行われる。
比較の結果、第三出力信号ＶＩＰ３が第三空燃比上限値電圧ＶＡＦ３Ｕよりも大きい場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ６に進む。一方、そうでない場合（Ｎｏ）には、第三出力信号ＶＩＰ３が第三空燃比上限値電圧ＶＡＦ３Ｕ以下であり、第三空燃比範囲ＡＦＺ３内の空燃比に対応する値であると判断して、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ１１では、ＥＣＵ５において、第三出力信号ＶＩＰ３を用い、式（３）により空燃比ＡＦを算出する。空燃比ＡＦの算出後は、再びステップＳ２に戻る。
【００７４】
一方、ステップＳ６〜ステップＳ８では、ステップＳ２で取得した第二出力信号ＶＩＰ２あるいはステップＳ４で取得した第三出力信号ＶＩＰ３の値から、空燃比ＡＦは、第二空燃比範囲ＡＦＺ２にも、第三空燃比範囲ＡＦＺ３にも含まれないと判断して、最も広い第一空燃比範囲ＡＦＺ１に対応した第一出力信号ＶＩＰ１を用いて空燃比を検知する手順を実行する。
まず、ステップＳ６で、スイッチＳＷ２を基準電位ＯＦＳ１側に切り換えると共に、スイッチＳＷ３，ＳＷ４をそれぞれＯＮ状態にして、第一増幅回路２９の増幅度及びオフセット電圧を、第一増幅度Ｇ１（本例ではＧ１＝１．５）及び第一オフセット電圧ＯＦＳ１（本例ではＯＦＳ１＝２．０Ｖ）に設定する。すなわち、第一増幅回路２９を第一状態に設定する。
【００７５】
ついで、ステップＳ７において、第一状態の第一増幅回路２９が出力する第一出力信号ＶＩＰ１を取得する。具体的手順は、ステップＳ４と同様である。
最後に、ステップＳ８で、ＥＣＵ５において、第一出力信号ＶＩＰ１を用いて、式（２）により空燃比ＡＦを算出する。空燃比ＡＦの算出後は、第一増幅回路２９を第三状態に設定するステップＳ１に戻る。
【００７６】
以上の手順により、検知する空燃比ＡＦが第二空燃比範囲ＡＦＺ２に含まれる場合には、第二増幅回路３０から出力される第二出力信号ＶＩＰ２に基づき、空燃比ＡＦが算出される。また、検知する空燃比ＡＦが第三空燃比範囲ＡＦＺ３に含まれる場合には、第三状態の第一増幅回路２９から出力される第三出力信号ＶＩＰ３に基づき、空燃比ＡＦが算出される。なお、連続して空燃比ＡＦを検知する場合において、検知する空燃比ＡＦが、第二空燃比範囲ＡＦＺ２または第三空燃比範囲ＡＦＺ３に含まれる場合には、第一増幅回路２９は、第三状態ＳＴ３の設定のままで動作することになる。すなわち、この場合には、第一増幅回路２９において第一状態と第三状態との間の切り換え処理（ステップＳ６あるいはステップＳ１）が発生しないため、良好な応答性で空燃比ＡＦを検知することができる。
【００７７】
（変形例１）
次いで、実施例１の第一の変形例にかかる空燃比検出システム１００について、図６を用いて説明する。
本変形例１は、公知の１セル型のガスセンサ素子１２０を用いた空燃比の検知に当たり、実施例１で用いたガスセンサ制御回路２における検出部２０と同様の回路を適用した例である。従って、実施例１と同様の検出部２０についての説明は省略あるいは簡略化し、異なる部分について説明する。
【００７８】
図６に示される空燃比検出システム１００は、ガスセンサ素子１２０、このガスセンサ素子１２０への印加電圧を制御すると共に、実施例１と同様の検出部２０を有するガスセンサ制御回路１１０、及び、ガスセンサ制御回路１１０を制御する制御用コンピュータ１４０とからなるガスセンサ装置１３０と、ガスセンサ制御回路１１０の出力信号に基づいて空燃比ＡＦを導出する実施例１と同様のＥＣＵ５と、を含んでいる。
【００７９】
１セル型のガスセンサ素子１２０は、有底筒状の酸素イオン伝導性固体電解質体の両面にＰｔからなる電極層が形成されており、外側に位置する電極状には多孔質状の拡散抵抗層が形成されている。このガスセンサ素子１２０は、理論空燃比よりリーン側の領域では、制御用コンピュータ１４０から指令される電圧の印加に伴い、排気ガスの酸素濃度に応じた限界電流（センサ電流Ｉ２）を発生する。また、理論空燃比よりリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素、炭化水素等の濃度が略リニアに変化しガスセンサ素子１２０は、ＣＯ，ＨＣ等の濃度に応じた限界電流（センサ電流Ｉ２）を発生する。
なお、それぞれの電極層は、外部接続端子１２０ｔ，１２０ｓに接続されている。また、この外部接続端子１２０ｔ，１２０ｓは、ガスセンサ制御回路１１０のガスセンサ制御端子１１０ｔ，１１０ｓにそれぞれ接続されている。
【００８０】
ガスセンサ制御回路１１０は、電源電位Ｖｃｃを抵抗分圧して基準電圧Ｖａを発生する抵抗Ｒ１０５，１０６と、オペアンプ１０１，１０２と、検出抵抗Ｒｄ２とを含んでいる。オペアンプ１０１の非反転入力端子には、抵抗Ｒ１０５，１０６により発生される基準電圧Ｖａが印加され、オペアンプ１０１の出力端子は、検出抵抗Ｒｄ２を介して、ガスセンサ制御端子１１０ｔに接続されている。また、このガスセンサ制御端子１１０ｔには、オペアンプ１０１の反転入力端が接続されているため、ガスセンサ制御端子１１０ｔは基準電圧Ｖａと同電位になるように制御される。
【００８１】
制御用コンピュータ１４０は、ＣＰＵ１４３のほか、Ａ／Ｄ変換器１４１及びＤ／Ａ変換器１４２を有している。ＣＰＵ１４３は、検出抵抗Ｒｄ２の両端間の電圧（電位差）Ｖｄ２をＡ／Ｄ変換器１４１を介して取り込み、この電位差Ｖｄ２の値から、ガスセンサ素子１２０に流れるセンサ電流Ｉ２を検知する。そして、ＣＰＵ１４３は、センサ電流Ｉ２に応じて、ガスセンサ素子１２０に印加するための最適な電圧指令値を演算する。ＣＰＵ１４３により演算された電圧指令値は、Ｄ／Ａ変換器１４２において指令電圧Ｖｂに変換され、Ｄ／Ａ変換後の指令電圧Ｖｂがオペアンプ１０２に入力される。
【００８２】
また、オペアンプ１０２は、その非反転入力端子にＤ／Ａ変換器１４２の出力が入力される一方、その出力が自身の反転入力端子に入力される。このため、このオペアンプ１０２はバッファとして動作する。従って、ガスセンサ素子１２０の外部接続端子１２０ｓには、ガスセンサ制御端子１１０ｓを通じて、指令電圧Ｖｂが印加される。
このようにすると、空燃比検出時において、ガスセンサ素子１２０のうち、外部接続端子１２０ｔには、常時、基準電圧Ｖａが印加されると共に、外部接続端子１２０ｓには、指令電圧Ｖｂが印加される。また、ガスセンサ素子１２０に流れるセンサ電流Ｉ２は、検出抵抗Ｒｄ２の両端間の電位差Ｖｄ２＝Ｖｃ−Ｖａとして検出することが出来る。
なお、基準電圧Ｖａ及び指令電圧Ｖｂは、検知する空燃比ＡＦがＡＦ＝１４．６（ストイキ）のとき、センサ電流Ｉ２がＩ２＝０ｍＡとなるように制御されている。
【００８３】
本変形例１にかかる空燃比検出システム１００（ガスセンサ装置１３０）では、実施例１にかかる空燃比検出システム１（ガスセンサ装置３）と同様の検出部２０が、検出抵抗Ｒｄ２の両端の電位差（検知電圧）Ｖｄ２を、中間端子２０Ｐ，２０Ｖを介して検出するように接続されている。従って、ガスセンサ素子１２０の検知信号である特性に応じて、第一増幅度Ｇ１、第二増幅度Ｇ２、第三増幅度Ｇ３、第一オフセット電圧ＯＦＳ１、第二オフセット電圧ＯＦＳ２及び第三オフセット電圧ＯＦＳ３は、実施例１と同様に設定されている。
すなわち、本変形例１においても、第一状態の第一増幅回路２９からの第一出力信号ＶＩＰ１を用いることで、少なくとも、広範囲の第一空燃比範囲ＡＦＺ１において、空燃比ＡＦを検知することができる。また、第二増幅回路３０からの第二出力信号ＶＩＰ２を用いることで、少なくとも、ストイキ近傍の比較的狭い範囲の第二空燃比範囲ＡＦＺ２において、精度良く空燃比ＡＦを検知することができる。さらに、第三状態の第一増幅回路２９からの第三出力信号ＶＩＰ３を用いることで、少なくとも、リーン領域のうち比較的狭い範囲の第三空燃比範囲ＡＦＺ３においても、精度良く空燃比ＡＦを検知することができる（図１，図２参照）。
従って、本変形例１においても実施例１と同様に、測定する空燃比ＡＦの範囲に応じて、適切な精度で空燃比の検出を行うことができる。
【００８４】
（変形例２）
実施例１の第二の変形例にかかる空燃比検出システムについて、図３、図４及び図７を参照して説明する。
本変形例２の空燃比検出システム（ガスセンサ装置）では、第一増幅回路２９、第二増幅回路３０、及びバッファ３３において用いるオペアンプＯＰ３，ＯＰ５，ＯＰ７（図１，２参照）として、通常の出力段の回路構成を有するオペアンプに代えて、レイルツーレイル構成の出力段を有するオペアンプ２００（図７参照）を用いた点でのみ異なる。従って、本実施例では、異なる部分のみを説明し、同様の部分については説明を簡略化または省略する。
【００８５】
まず、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００について図７の等価回路を参照して説明する。このオペアンプ２００は、その正側の電源端子がバッテリ電源に接続され、電源電圧ＶＢ（１２Ｖ）により単一電源動作する。このオペアンプ２００は、入力段回路２０１と、中間増幅段回路２０２と、中間増幅段回路２０２に電流を供給する定電流回路ＣＰ２と、バイアス回路２０３と、バイアス回路２０３に電流を供給する定電流回路ＣＰ３と、出力端子Ｖｏに接続されるＮＰＮトランジスタＴ５，Ｔ６からなる出力段回路とを含んでいる。
【００８６】
入力段回路２０１は、一般的なオペアンプ回路と同様の回路構成を有しており、一対のＰＮＰトランジスタＴ１，Ｔ２と、それらのエミッタ端子に接続される定電流回路ＣＰ１と、ＰＮＰトランジスタＴ１，Ｔ２のコレクタ端子に接続される一対のＮＰＮトランジスタＴ３，Ｔ４とを含んでいる。また、入力信号ＩＮ＋，ＩＮ−は、入力段回路２０１のＮＰＮトランジスタＴ３，Ｔ４のベースに入力されている。
【００８７】
入力段回路２０１において、ＰＮＰトランジスタＴ１，Ｔ２は、定電流回路ＣＰ１の定電流Ｉ１により駆動され、入力信号ＩＮ＋，ＩＮ−の電圧差に応じてＰＮＰトランジスタＴ１，Ｔ２のコレクタ電流が変化する。また、ＰＮＰトランジスタＴ１，Ｔ２のコレクタ電流の変化に伴い、ＮＰＮトランジスタＴ３，Ｔ４が以下のように動作する。すなわち、入力信号ＩＮ＋，ＩＮ−の電圧の関係が、ＩＮ＋＞ＩＮ−の場合には、ＰＮＰトランジスタＴ２のコレクタ電流が大きくなり、ＮＰＮトランジスタＴ４のコレクタ電圧が上昇する。一方、ＩＮ＋＜ＩＮ−の場合には、ＰＮＰトランジスタＴ１のコレクタ電流が大きくなり、ＮＰＮトランジスタＴ３，Ｔ４のベース電流が流れる。すると、ＮＰＮトランジスタＴ３，Ｔ４がＯＮ状態になり、ＮＰＮトランジスタＴ４のコレクタ電圧が下降する。
【００８８】
ＮＰＮトランジスタＴ４のコレクタ電圧は信号ＳＧ１として中間増幅段回路２０２に伝達され、中間増幅段回路２０２にて増幅された後、信号ＳＧ２としてバイアス回路２０３に伝達される。バイアス回路２０３は、定電流回路ＣＰ３からの定電流Ｉ２により駆動され、信号ＳＧ２に応じて、ＮＰＮトランジスタＴ５，Ｔ６を動作させて出力端子Ｖｏからの信号出力を行わせる。ここで、バイアス回路２０３は、入力信号ＩＮ＋，ＩＮ−の関係が、ＩＮ＋＞ＩＮ−の場合には、ＮＰＮトランジスタＴ５をＯＮ状態に、ＮＰＮトランジスタＴ６をＯＦＦ状態にして出力端子Ｖｏの出力電圧を上昇させる。一方、ＩＮ＋＜ＩＮ−の場合には、ＮＰＮトランジスタＴ５をＯＦＦ状態に、ＮＰＮトランジスタＴ６をＯＮ状態にして、出力端子Ｖｏの出力電圧を下降させる。
【００８９】
次いで、出力段のＮＰＮトランジスタＴ５，Ｔ６の出力電圧の範囲について検討する。
まず、出力段のＮＰＮトランジスタＴ５は、電源電圧ＶＢが印加される定電流回路ＣＰ３から流れ出る定電流Ｉ２の一部をベース電流として流すことで動作する。従って、定電流回路ＣＰ３におけるドロップ電圧ＶＩ２と、ＮＰＮトランジスタＴ５のベース−エミッタ間電圧ＶＦ５との制約により、このオペアンプが端子Ｖｏから出力しうる最大出力電圧Ｖｍａｘは、Ｖｍａｘ＝ＶＢ−ＶＩ２−ＶＦ５となる。具体的には、ＶＢ＝１２Ｖ、ＶＩ２＝０．６Ｖ、ＶＦ５＝０．７Ｖであるとすると、Ｖｍａｘ＝１２Ｖ−０．６−０．７＝１０．７Ｖとなる。つまり、出力端子Ｖｏでの最大出力電圧Ｖｍａｘは、Ｖｍａｘ＝１０．７Ｖとなる。
【００９０】
一方、出力段のＮＰＮトランジスタＴ６は、バイアス回路２０３からベース電流を流すことで動作する。従って、ＮＰＮトランジスタＴ６のベース−エミッタ間電圧ＶＦ６による制約はない。しかるに、コレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ６が発生するため、このオペアンプが端子Ｖｏから出力しうる最小出力電圧Ｖｍｉｎは、このコレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ６で制約される。すなわち、出力端子Ｖｏの最小出力電圧Ｖｍｉｎは、コレクタ−エミッタ間電圧ＶＣＥ６と等しくなる。具体的には、ＶＣＥ６＝０．４Ｖとすると、出力端子Ｖｏの最小出力電圧Ｖｍｉｎは、Ｖｍｉｎ＝０．４Ｖとなる。
以上のことから、出力端子Ｖｏの出力電圧範囲は、０．４Ｖ〜１０．７Ｖとなる。ただし、Ａ／Ｄ変換器５１，５２の入力電圧範囲が０Ｖ〜５Ｖであるため、空燃比ＡＦの検出における実質的なオペアンプ２００の動作範囲は、０．４Ｖ〜５．０Ｖとなる。従って、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００では、一般的なオペアンプの出力範囲である０．４Ｖ〜４．０Ｖよりも、その出力範囲が最大出力電圧側で拡張されている。
【００９１】
次いで、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００を第一増幅回路２９、第二増幅回路３０、及びバッファ３３のオペアンプＯＰ３，ＯＰ５，ＯＰ７に用いた場合の動作について説明する。
まず、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００を、第二増幅回路３０のオペアンプＯＰ５に用いた場合の出力電圧特性を、図３の破線ＲＲ１で示す。第二増幅回路３０のオペアンプＯＰ５として、通常の出力段構成を有するオペアンプを用いた場合では、その最大出力電圧は４．０Ｖとなるため、検知可能なポンプセル電流Ｉｐの最大値は１．３ｍＡ（空燃比ＡＦ＝２２相当）である。これに対して、オペアンプＯＰ５にレイルツーレイル構成のオペアンプ２００を用いた場合では、その最大出力電圧が５．０Ｖにまで拡張されるため、検知可能なポンプセル電流Ｉｐの最大値も２．０ｍＡ（空燃比ＡＦ＝３０に相当）にまで拡張することができる。
【００９２】
また、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００を、第一増幅回路２９のオペアンプＯＰ３に用いた場合の第三出力信号ＶＩＰ３の出力電圧特性を、図４の破線ＲＲ２で示す。
なお、この破線部分ＲＲ２は、第三状態の場合の第一増幅回路２９の特性である。第一状態の第一増幅回路２９については、通常のオペアンプを用いた場合でも、ポンプセル電流Ｉｐの最大値である４ｍＡ（ＡＦ＝∞（Ａｉｒ）に相当）に達しているため、この場合には違いが生じない。
この第一増幅回路２９において、第三出力信号ＶＩＰ３を得るに当たり、通常の出力段構成を有するオペアンプを用いた場合では、一最大出力電圧は４．０Ｖとなるため、検知可能なポンプセル電流Ｉｐの最大値は、２．７ｍＡ（空燃比ＡＦ＝６０に相当）である。これに対して、オペアンプＯＰ３にレイルツーレイル構成のオペアンプ２００を用いた場合では、その最大出力電圧が５．０Ｖにまで拡張されるため、検知可能なポンプセル電流Ｉｐの最大値も３．４ｍＡ（空燃比ＡＦ＝１００）にまで拡張することができる。
【００９３】
さらに、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００を、バッファ３３のオペアンプＯＰ７に用いることで、上述のようにして検知範囲を拡張した第一増幅回路２９の第三出力信号をそのまま出力することができる。
【００９４】
以上により、変形例２にかかり、第一増幅回路２９、第二増幅回路３０及びバッファ３３で用いるオペアンプに、レイルツーレイル構成のオペアンプ２００を適用した空燃比検出システム（ガスセンサ装置）では、より広い検出範囲で、ガスセンサの検出信号に応じて変化する第一出力信号ＶＩＰ１、第二出力信号ＶＩＰ２及び第三出力信号ＶＩＰ３を出力することができる。
【００９５】
なお、本変形例２では、第二増幅回路３０について、レイルツーレイル構成のオペアンプを用いない実施例１と同じ第二増幅度Ｇ２（本例ではＧ２＝４．５）及び第二オフセット電圧ＯＦＳ２（本例ではＯＦＳ２＝２．３Ｖ）とし、第二出力信号ＶＩＰ２によるポンプセル電流Ｉｐの検知可能範囲（空燃比の検知可能範囲）が拡張された場合を例示した。これに対して、第二出力信号ＶＩＰ２によるポンプセル電流Ｉｐの検出可能範囲は同じにして、第二増幅度Ｇ２を大きく設定すれば、ポンプセル電流Ｉｐ（空燃比ＡＦ）をより精度よく検知することができる。
なお、以上では、第二増幅回路３０にレイルツーレイル構成のオペアンプ２００を用いた場合について説明したが、第一増幅回路２９にレイルツーレイル構成のオペアンプ２００を用いた場合でも同様に考えることができる。
【００９６】
以上において、本発明を実施例１、変形例１及び変形例２に即して説明したが、本発明は上記実施例等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、実施例１及び変形例２においては、２セルタイプのガスセンサ素子を用いるガスセンサ制御回路２、変形例１においては、１セルタイプのガスセンサ素子を用いるガスセンサ制御回路１１０を含む空燃比検出システム１，１００を例示した。しかし、本発明を、他の形態（例えば３セル以上）のガスセンサ素子を用いたガスセンサ制御回路に適用することもできる。
また、セルに流れる電流の変化を電圧の変化に変換する手段は検知抵抗のみに限定されず、例えば、誘導電流を検知するような手段であっても良い。
【００９７】
さらに、変形例２においては、レイルツーレイル構成のオペアンプについて、ＰＮＰトランジスト及びＮＰＮトランジスタからなるバイポーラ素子を用いて構成した場合について例示して説明したが、例えば、ＭＯＳＦＥＴトランジスタやガリウム砒素トランジスタ素子など同様な動作が可能な半導体素子を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】実施例１にかかるガスセンサ制御回路及び空燃比検出システムの回路構成を説明するための回路図である。
【図２】実施例１にかかるガスセンサ制御回路の回路構成のうち、第一増幅回路及びこれに関係する部分について説明するための回路図である。
【図３】実施例１、変形例、及び、実施例２にかかる空燃比検出装置のうち、第二増幅回路に関し、ポンプセル電流Ｉｐあるいは空燃比ＡＦと第二出力信号ＶＩＰ２との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１、変形例、及び実施例２にかかるガスセンサ制御回路のうち、第一増幅回路が第一状態ＳＴ１あるいは第三状態ＳＴ３であるの場合に関し、ポンプセル電流Ｉｐあるいは空燃比ＡＦと第一出力信号ＶＩＰ１及び第三出力信号ＶＩＰ３との関係を示すグラフである。
【図５】実施例１にかかる空燃比検出システムによる空燃比の検知方法の具体的な手順を示すフローチャートである。
【図６】変形例１にかかるガスセンサ制御回路及び空燃比検出システムの回路構成を説明するための回路図である。
【図７】変形例２にかかるガスセンサ制御回路で用いられるレイルツーレイル構成のオペアンプの説明するための等価回路図である。
【符号の説明】
【００９９】
１，１００  空燃比検出システム（空燃比検出装置）
２，１１０  ガスセンサ制御回路（センサ制御装置）
４，１２０  ガスセンサ素子
３，１３０  ガスセンサ装置
２０  検出部（出力手段）
ＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３，ＯＰ４，ＯＰ５，ＯＰ６  オペアンプ
２９  第一増幅回路
３０  第二増幅回路
４１  ポンプセル
４２  起電力セル
２００  （レイルツーレイル構成の）オペアンプ
ＡＦ１Ｌ  第一空燃比下限値
ＡＦ１Ｕ  第一空燃比上限値
ＡＦ２Ｌ  第二空燃比下限値
ＡＦ２Ｕ  第二空燃比上限値
ＡＦ３Ｌ  第三空燃比下限値
ＡＦ３Ｕ  第三空燃比上限値
ＡＦＺ１  第一空燃比範囲（広空燃比範囲）
ＡＦＺ２  第二空燃比範囲
ＡＦＺ３  第三空燃比範囲（狭空燃比範囲）
ＶＡＦ１Ｌ  第一空燃比下限値電圧
ＶＡＦ１Ｕ  第一空燃比上限値電圧
ＶＡＦ１Ｕ  第一空燃比上限値電圧
ＶＡＦ２Ｌ  第二空燃比下限値電圧
ＶＡＦ２Ｕ  第二空燃比上限値電圧
ＶＡＦ３Ｌ  第三空燃比下限値電圧
ＶＡＦ３Ｕ  第三空燃比上限値電圧
ＶＡＦ３Ｕ  第三空燃比上限値電圧
Ｇ１  第一増幅度
Ｇ２  第二増幅度
Ｇ３  第三増幅度
ＯＦＳ１，ＯＦＳ２，ＯＦＳ３  オフセット電圧，基準電位
ＳＷ２  スイッチ（オフセット電圧切り換え手段）
ＳＷ３〜ＳＷ４  スイッチ（増幅度切り換え手段）
ＶＩＰ２  第二出力信号
ＶＩＰ１−３  第一増幅回路の出力信号
ＶＩＰ１  第一出力信号（広範囲出力信号）
ＶＩＰ３  第三出力信号（狭範囲出力信号）
Ｖｓ  起電力セル電圧
Ｖｄ，Ｖｄ２  検知電圧（検知信号）
【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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