(57)【要約】【課題】各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施する。【解決手段】センサ制御回路３０において、センサ素子１０には素子電流を計測するための電流検出抵抗３２が接続されている。電流検出抵抗３２には反転増幅回路３８が接続されており、その反転増幅回路３８の出力であるＡ／Ｆ出力電圧がマイコン２０に出力される。反転増幅回路３８において、オペアンプ３９の一方の信号入力端子にはオフセット設定回路５０が接続されている。オフセット設定回路５０は、Ａ／Ｆ出力電圧にオフセットを付与するものであり、スイッチ素子５１と、そのスイッチ素子５１に直列接続される抵抗５２と、２つの分圧抵抗５３，５４を有してなる電源回路５５とから構成されている。スイッチ素子５１は、マイコン２０から出力されるオフセット切換信号に基づいてオン／オフされる。【選択図】      図１
2008216233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質よりなり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センサ素子を制御するセンサ制御装置において、
前記センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、
前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を、正負の信号入力端子の少なくともいずれかに入力し、該入力した素子電流信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に接続されるオフセット設定回路と、
前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、
を備えたことを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項２】
前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に前記オフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるものである請求項１に記載のセンサ制御装置。
【請求項３】
固体電解質よりなり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センサ素子を制御するセンサ制御装置において、
前記センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、
前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を一方の信号入力端子に入力し該入力した素子電流信号を増幅する反転又は非反転型の増幅回路と、
前記増幅回路において前記素子電流信号を入力する信号入力端子又は他方の信号入力端子に接続されたオフセット設定回路と、
前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、
を備えたことを特徴とするセンサ制御装置。
【請求項４】
前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の信号入力端子にオフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるものである請求項３に記載のセンサ制御装置。
【請求項５】
前記オフセット設定回路は、複数のオフセット値を可変設定できるものであり、
前記オフセット切換手段は、前記複数のオフセット値のうちいずれかを選択的に設定する請求項１乃至４のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
内燃機関の排ガスを検出対象とし、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲とが規定された空燃比検出装置として適用され、
前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲及び前記リーン検出範囲のいずれかで空燃比検出を行うかを判定し、その判定結果に応じてオフセット切換を実施する請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ制御装置。
【請求項７】
前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲がさらに規定された空燃比検出装置として適用され、
前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲、前記リーン検出範囲及び前記リッチ検出範囲のいずれかで空燃比検出を行うかを判定し、その判定結果に応じてオフセット切換を実施する請求項６に記載のセンサ制御装置。
【請求項８】
前記各検出範囲は、いずれもストイキ点を含む検出範囲として設定されている請求項６又は７に記載のセンサ制御装置。
【請求項９】
前記センサ素子への印加電圧を一時的に停止することで、同センサ素子に流れる電流を強制的に遮断し、その時の前記増幅回路の出力信号に基づいて回路特性の誤差を検出する回路特性検出手段を備えた請求項８に記載のセンサ制御装置。
【請求項１０】
前記増幅回路に増幅率決定のための複数の増幅用抵抗を設けるとともに、
前記増幅回路の増幅率を可変設定すべく前記複数の増幅用抵抗のうちいずれが前記増幅回路の入力抵抗、帰還抵抗となるかを切り換える増幅率切換手段を備えた請求項１乃至５のいずれかに記載のセンサ制御装置。
【請求項１１】
ガス濃度検出範囲として、広狭異なる複数の検出範囲をあらかじめ規定したセンサ制御装置であって、
前記増幅率切換手段は、相対的に狭い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を大きくし、相対的に広い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を小さくするよう前記増幅用抵抗の切換を実施する請求項１０に記載のセンサ制御装置。
【請求項１２】
内燃機関の排ガスを検出対象とし、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲と、その全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲とが規定された空燃比検出装置として適用され、
前記全空燃比範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を小さくし、
前記ストイキ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくし、
前記リーン検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくする請求項１０又は１１に記載のセンサ制御装置。
【請求項１３】
前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲がさらに規定された空燃比検出装置として適用され、
前記リッチ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段により、前記リーン検出範囲とは正負逆側にオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくする請求項１２に記載のセンサ制御装置。
【請求項１４】
前記増幅回路は、出力段に定電流源又はプルダウン抵抗を備えるオペアンプにより出力を得る構成とされている請求項１乃至１３のいずれかに記載のセンサ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質よりなり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センサ素子を制御するセンサ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種のセンサ制御装置は、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。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て用いられ、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燃焼制御や、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燃焼制御等が実現される。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、ストイキ燃焼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。
【０００３】
本願出願人は、広域な空燃比検出レンジでの空燃比検出と、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可能とするべく、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。
【０００４】
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おそれがある。故に改善の余地が残されている。
【０００５】
また、空燃比検出レンジとして、広域レンジと狭域レンジとを切り換えて設定するだけでなく、ストイキ近傍のストイキ狭域レンジとリーン領域中のリーン狭域レンジとの設定も可能とした技術が提案されている。例えば、特許文献２のセンサ制御装置では、センサ素子に流れる素子電流信号を差動増幅回路に入力し、同差動増幅回路にて所定の増幅率で信号増幅を行う構成としている。また、差動増幅回路の一方の入力端子にオフセット電圧を入力する構成としており、そのオフセット電圧の切換により、空燃比検出レンジとして、ストイキ近傍のストイキ狭域レンジやリーン領域中のリーン狭域レンジの設定を可能としている。
【０００６】
図１４は、上記特許文献２中に開示されているガスセンサ制御回路の一部を示す回路図である。なお、図１４は、上記特許文献２中の図２に相当する回路図であり、同回路図では、信号増幅率を可変とする構成については省略している。
【０００７】
図１４において、電流検出抵抗１０１は素子電流を検出するためのシャント抵抗であり、その両端にはそれぞれバッファ１０２，１０３が接続されている。また、差動増幅回路１１０を構成するオペアンプ１１１において、反転入力端子（−端子）には一端がバッファ１０２に接続された抵抗１１２の他端が接続され、同−端子と出力端子との間には抵抗１１３が接続されている。同じくオペアンプ１１１において、非反転入力端子（＋端子）には、一端がバッファ１０３に接続された抵抗１１４の他端が接続されるとともに、抵抗１１５を介して２位置切換式のスイッチ１１６が接続されている。スイッチ１１６は、分圧抵抗１１７，１１８により決定される電源Ｖ１１に接続される状態と、分圧抵抗１１９，１２０により決定される電源Ｖ１２（≠Ｖ１１）に接続される状態とで切り換えられる構成となっている。
【０００８】
上記構成において、スイッチ１１６の切換により差動増幅回路１１０のオフセット電圧が切り換えられ、それに伴い、ストイキ近傍のストイキ狭域レンジやリーン領域中のリーン狭域レンジの切換が可能となっている。
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２のセンサ制御装置では、スイッチ１１６の切換によってオペアンプ１１１の非反転入力端子（＋端子）側の抵抗値が変わり、それに起因して増幅率等が変動してしまうという問題が生じる。すなわち、オペアンプ１１１において反転入力端子（−端子）側の抵抗１１２，１１３の値をＲ１１，Ｒ１２、非反転入力端子（＋端子）側の抵抗１１４，１１５の値をＲ１３，Ｒ１４とするとともに、分圧抵抗１１７，１１８により決定される抵抗値をＲ１５、分圧抵抗１１９，１２０により決定される抵抗値をＲ１６とした場合を考える。この場合、差動増幅回路１１０では、基本的に、
（１）Ｒ１１＝Ｒ１３、かつ
（２）Ｒ１２＝Ｒ１４＋Ｒ１５、又は（３）Ｒ１２＝Ｒ１４＋Ｒ１６
であることを条件に、所望の増幅率（＝Ｒ１２／Ｒ１１）での信号増幅が可能となっている。ところが、Ｒ１５≠Ｒ１６であると、上記の（２）、（３）はいずれかが不成立となる。そのため、スイッチ１１６を切り換えた場合に、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動するという問題が生じると考えられる。
【特許文献１】特開２００４−２０５４８８号公報
【特許文献２】特開２００６−２７５６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施することができるセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。
【００１２】
請求項１に記載の発明では、センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を、正負の信号入力端子の少なくともいずれかに入力し、該入力した素子電流信号を増幅する増幅回路と、前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に接続されるオフセット設定回路と、前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
要するに本発明では、正負の信号入力端子の少なくともいずれかに入力した素子電流信号を増幅回路を用いて増幅するセンサ制御装置において、その増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路を接続することで、当該増幅回路の出力信号についてオフセット設定を可能としている。つまり、上記した増幅回路とオフセット設定回路とによれば加算回路が構成され、同増幅回路の出力信号は、センサ素子に流れる電流の大きさに相当する素子電流信号に、オフセット設定回路により設定されるオフセット値を加算した信号となる。これにより、１つの増幅回路を用いた構成で、異なるガス濃度検出範囲の設定が可能となる。この場合、オフセット設定回路から増幅回路側に流れ込む電流加算分はあらかじめ分かっているため、その電流加算分を加味して正確にガス濃度検出を行うことができる。
【００１４】
ここで、比較対象として、図１４に示す差動増幅回路を用いた場合には、前述のとおり、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動すると考えられる。これは、図１４の差動増幅回路において、オフセット電圧の切換に伴い帰還抵抗の値と接地抵抗の値とが不一致となる（図１４において、Ｒ１２＝Ｒ１４＋Ｒ１５、Ｒ１２＝Ｒ１４＋Ｒ１６のいずれかが不成立になる）ことに起因する。これに対し、増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路を接続した本発明の回路構成によれば、オフセット電圧の切換に伴い帰還抵抗の値や接地抵抗の値が変動することがないため、こうした問題が回避できる。
【００１５】
以上により、本発明によれば、各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施することができる。
【００１６】
ここで、前記増幅回路は、電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を、正負の信号入力端子の一方に入力し、該入力した素子電流信号を増幅する反転又は非反転型の増幅回路であるとよい（図１，図９，図１３参照）。又は、前記増幅回路は、素子電流信号として電流計測用抵抗の両端の端子電圧信号を正負それぞれの信号入力端子に入力し、その電圧差を増幅する差動増幅回路であるとよい（図１２参照）。いずれにしても、オフセット切換手段によるオフセット設定状態の切換の前後で、増幅回路の帰還抵抗の値と接地抵抗の値とが一致する状態が保持される構成を実現できる。
【００１７】
オフセット設定に関してより具体的には、前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点に前記オフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるとよい（請求項２）。
【００１８】
又は、前記オフセット設定回路は、複数のオフセット値を可変設定できるものであり、前記オフセット切換手段は、前記複数のオフセット値のうちいずれかを選択的に設定するとよい（請求項５）。
【００１９】
上記各構成によれば、オフセット設定回路の接続又は未接続、又はオフセット値の可変設定によって、ガス濃度検出範囲としてオフセット値分の差異ができ、高濃度側、低濃度側の異なる検出範囲がそれぞれ簡易に設定できる。
【００２０】
また、請求項３に記載のセンサ制御装置は、センサ素子に流れる電流を計測する電流計測用抵抗と、前記電流計測用抵抗により計測した素子電流信号を一方の信号入力端子に入力し該入力した素子電流信号を増幅する反転又は非反転型の増幅回路と、前記増幅回路において前記素子電流信号を入力する信号入力端子又は他方の信号入力端子に接続されたオフセット設定回路と、前記オフセット設定回路によるオフセット設定状態を、都度検出される濃度値に応じて切り換えるオフセット切換手段と、を備えることを特徴とする。
【００２１】
要するに本発明では、反転又は非反転型の増幅回路を用いて素子電流信号を増幅するセンサ制御装置において、その増幅回路の一方の信号入力端子にオフセット設定回路を接続することで、当該増幅回路の出力信号についてオフセット設定を可能としている。つまり、上記した増幅回路とオフセット設定回路とによれば加算回路が構成され、同増幅回路の出力信号は、センサ素子に流れる電流の大きさに相当する素子電流信号に、オフセット設定回路により設定されるオフセット値を加算した信号となる。又は、増幅回路に入力される基準信号（素子電流信号を入力する信号入力端子とは異なる信号入力端子に入力される信号）に、オフセット設定回路により設定されるオフセット値が加算されて、増幅回路の出力信号がオフセットされる。これにより、１つの増幅回路を用いた構成で、異なるガス濃度検出範囲の設定が可能となる。この場合、オフセット設定回路から増幅回路側に流れ込む電流加算分はあらかじめ分かっているため、その電流加算分を加味して正確にガス濃度検出を行うことができる。
【００２２】
ここで、比較対象として、反転又は非反転型の増幅回路に代えて差動増幅回路を用いた場合（前述した図１４参照）には、上記と同様にオフセット設定回路を増幅回路の一方の信号入力端子に接続することでオフセット設定が行われるが、かかる構成では、前述のとおり、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動すると考えられる。これに対し、反転又は非反転型の増幅回路を用いた本発明の回路構成によれば、こうした問題が回避できる。
【００２３】
以上により、本発明によれば、各々異なる複数のガス濃度検出範囲の設定を可能にするとともに、それら各検出範囲において適正なるガス濃度検出を実施することができる。
【００２４】
オフセット設定に関してより具体的には、前記オフセット切換手段は、前記増幅回路の信号入力端子にオフセット設定回路が接続された状態と接続されていない状態とを切り換えるとよい（請求項４）。
【００２５】
又は、前記オフセット設定回路は、複数のオフセット値を可変設定できるものであり、前記オフセット切換手段は、前記複数のオフセット値のうちいずれかを選択的に設定するとよい（請求項５）。
【００２６】
上記各構成によれば、オフセット設定回路の接続又は未接続、又はオフセット値の可変設定によって、ガス濃度検出範囲としてオフセット値分の差異ができ、高濃度側、低濃度側の異なる検出範囲がそれぞれ簡易に設定できる。
【００２７】
本発明のセンサ制御装置は、内燃機関から排出される排ガスを検出対象として、素子電流信号に基づいて空燃比を検出する空燃比検出装置として適用できる。
【００２８】
かかる場合、請求項６に記載したように、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲（ストイキズームレンジＲＧ２）と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲（リーンズームレンジＲＧ３）とを規定しておく。そして、前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲又は前記リーン検出範囲のいずれかで空燃比検出を行うかを判定し、その判定結果に応じてオフセット切換を実施するとよい。
【００２９】
上記したストイキ検出範囲とリーン検出範囲とは、いずれも全空燃比範囲の一部をなす狭検出範囲である一方、それぞれ空燃比の大小が異なる検出範囲であるが、上記のようにオフセット切換が行われることにより、各々の検出範囲において適正なる空燃比検出が可能となる。その結果、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御を好適に実施することが可能となる。
【００３０】
また、請求項７に記載したように、前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲（リッチズームレンジＲＧ４）をさらに規定することも可能である。この場合、前記オフセット切換手段は、都度の空燃比制御の状況に応じて前記ストイキ検出範囲と前記リーン検出範囲と前記リッチ検出範囲とを切り換えるとよい。
【００３１】
これにより、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御に加えて、リッチ燃焼制御を好適に実施することが可能となる。なお、空燃比検出範囲をリッチ検出範囲とする場合には、リーン検出範囲とする場合とは正負逆側のオフセットを付与するとよい。つまり、空燃比検出範囲をリーン検出範囲とする場合には、オフセット設定回路から増幅回路にオフセット相当分の電流を流入させるのに対し、空燃比検出範囲をリッチ検出範囲とする場合には、上記とは逆に、増幅回路からオフセット設定回路にオフセット相当分の電流を流入させるようにする。
【００３２】
ここで、請求項８に記載したように、前記各検出範囲は、いずれもストイキ点を含む検出範囲として設定されているとよい。これにより、各検出範囲にはいずれも、素子電流＝０ｍＡとなる状態（ストイキ検出状態）が含まれる。この場合、センサ素子をストイキ検出状態とした時の増幅回路の出力信号のばらつきによって、例えば回路特性の誤差が判定できる。
【００３３】
具体的には、請求項９に記載したように、前記センサ素子への印加電圧を一時的に停止することで、同センサ素子に流れる電流を強制的に遮断し、その時の前記増幅回路の出力信号に基づいて回路特性の誤差を検出するとよい。例えば、センサ素子への電圧印加経路を開放することで電圧印加を停止し、素子電流を遮断する。この場合、強制的にストイキ検出状態にすることができ、その時の増幅回路の出力信号のばらつきによって回路特性の誤差が判定できる。
【００３４】
請求項１０に記載の発明では、前記増幅回路に増幅率決定のための複数の増幅用抵抗を設けるとともに、前記増幅回路の増幅率を可変設定すべく前記複数の増幅用抵抗のうちいずれが前記増幅回路の入力抵抗、帰還抵抗となるかを切り換える増幅率切換手段を備えている。
【００３５】
上記構成では、増幅回路の増幅率（ゲイン）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範囲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、複数の増幅用抵抗を対象とする入力抵抗、帰還抵抗の振り分けにより行われる。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前の構成とは異なり、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範囲においてその検出精度を高めることが可能となる。
【００３６】
また、請求項１〜５に記載の発明との組み合わせを考えると、オフセット設定状態が異なるガス濃度検出範囲の設定に加え、広狭が異なるガス濃度検出範囲の設定が可能となる。これにより、一層多様なガス濃度検出範囲の設定が可能となり、実用上より望ましい構成が実現できる。
【００３７】
なお、上記請求項１０の構成において、前記増幅回路を構成するオペアンプの信号入力経路上にスイッチ素子を設け、そのスイッチ素子の動作に伴い増幅用抵抗の切換を行うことが望ましい。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、増幅回路における信号増幅を精度良く実施することができる。
【００３８】
請求項１１に記載の発明では、ガス濃度検出範囲として、広狭異なる複数の検出範囲をあらかじめ規定しておき、相対的に狭い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を大きくし、相対的に広い検出範囲内でガス濃度検出を行う場合には前記増幅回路の増幅率を小さくするよう前記増幅用抵抗の切換を実施する。この場合、相対的に狭い検出範囲では精度優先の濃度検出を行うことができるのに対し、相対的に広い検出範囲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。
【００３９】
空燃比検出装置として適用される場合、以下のごとくオフセット切換や増幅率切換が実施されるとよい。
【００４０】
すなわち、請求項１２に記載したように、空燃比検出範囲として、前記センサ素子により検出可能となる全空燃比範囲（全域レンジＲＧ１）と、その全空燃比範囲の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられるストイキ検出範囲（ストイキズームレンジＲＧ２）と、同じく全空燃比範囲の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられるリーン検出範囲（リーンズームレンジＲＧ３）とを規定しておく。そして、
（１）前記全空燃比範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を小さくし、
（２）前記ストイキ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与せず、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくし、
（３）前記リーン検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段によりオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくする。
【００４１】
上記構成によれば、空燃比検出範囲を、全空燃比範囲、ストイキ検出範囲及びリーン検出範囲のいずれにも容易に変更できる。その結果、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御を好適に実施することが可能となる。またこれに加えて、大気検出によるセンサ異常診断等を好適に実施することが可能となる。
【００４２】
また、請求項１３に記載したように、前記空燃比検出範囲として、前記全空燃比範囲の一部分であってかつリッチ燃焼制御に用いられるリッチ検出範囲（リッチズームレンジＲＧ４）をさらに規定することも可能である。前記リッチ検出範囲を使用する場合には、前記オフセット切換手段により、前記リーン検出範囲とは正負逆側のオフセットを付与し、かつ前記増幅率切換手段により増幅率を大きくするとよい。
【００４３】
これにより、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御等に加えて、リッチ燃焼制御を好適に実施することが可能となる。
【００４４】
請求項１４に記載の発明では、前記増幅回路は、出力段に定電流源又はプルダウン抵抗を備えるオペアンプにより出力を得る構成とされている。この場合、比較的簡易な構成で出力電圧の範囲が下限側に拡張できる。つまり、出力電圧範囲の拡張を、チップ面積の小さいオペアンプにて実現でき、センサ制御回路としての小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
（第１の実施形態）
以下、本発明のセンサ制御装置を具体化した第１の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て用いられる。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燃焼制御や、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燃焼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燃焼制御、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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ＩＬ（限界電流）を特定する限界電流域であって、この素子電流ＩＬ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ＩＬは増大し、空燃比がリッチ側になるほど素子電流ＩＬ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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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及びリーン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、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。
【００５４】
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センサにより検出され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）。リーンフィードバック制御として、リーン目標空燃比（例えばＡ／Ｆ＝３０）を設定し、Ａ／Ｆセンサにより検出された実空燃比がリーン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（精密リーン燃焼制御）。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、リッチ目標空燃比（例えばＡ／Ｆ＝１０）を設定し、Ａ／Ｆセンサにより検出された実空燃比がリッチ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。
【００５５】
ここで、ストイキフィードバック制御やリーン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、又は所定のリーン制御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、空燃比検出範囲として、リッチ〜超リーン（大気）までを含む全域レンジＲＧ１と、ストイキ近傍領域であるストイキズームレンジＲＧ２と、所定のリーン制御領域であるリーンズームレンジＲＧ３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ＲＧ１／ＲＧ２／ＲＧ３の切換）を実施する。
【００５６】
全域レンジＲＧ１は、センサ素子１０により検出可能となる「全空燃比範囲」に相当する。また、ストイキズームレンジＲＧ２は、全域レンジＲＧ１（全空燃比範囲）の一部分であってかつストイキ燃焼制御に用いられる「ストイキ検出範囲」に相当し、リーンズームレンジＲＧ３は、同じく全域レンジＲＧ１（全空燃比範囲）の一部分であってかつリーン燃焼制御に用いられる「リーン検出範囲」に相当する。
【００５７】
図４は、３つの空燃比検出レンジＲＧ１〜ＲＧ３についてＡ／Ｆとセンサ出力電圧（マイコン入力値）との関係を示す図である。なお、Ａ／Ｆ出力電圧の範囲は、マイコン２０側のＡ／Ｄ処理範囲に相応して規定されており、図示のとおり０Ｖ付近〜５Ｖ付近となっている。
【００５８】
図４に示すように、全域レンジＲＧ１はＡ／Ｆ＝１０〜大気の範囲で設定され、ストイキズームレンジＲＧ２はＡ／Ｆ＝１３〜２０の範囲で設定され、リーンズームレンジＲＧ３はＡ／Ｆ＝１４〜３５の範囲で設定されている。これら各レンジＲＧ１〜ＲＧ３は、いずれもストイキ点を跨ぐ検出レンジとして設定されている。このとき、全域レンジＲＧ１での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。また、ストイキズームレンジＲＧ２及びリーンズームレンジＲＧ３での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。
【００５９】
また、図５は、素子電流ＩＬとＡ／Ｆとの関係を示す図である。図５に示すように、ストイキ（Ａ／Ｆ＝１４．７）では素子電流ＩＬ＝０ｍＡとなっている。また、リーン領域とリッチ領域とを比べると、素子電流ＩＬに対するＡ／Ｆ感度が相違し、前者の方がＡ／Ｆ感度が高くなっている。なおこれは、センサ素子１０における感度特性に依存するものである。この場合、ストイキズームレンジＲＧ２とリーンズームレンジＲＧ３とについて素子電流範囲（横軸のＩＬ幅）がほぼ同じであっても、実質的な空燃比検出範囲（縦軸のＡ／Ｆ幅）が相違することが確認できる。
【００６０】
こうした理由から、本実施形態では、ストイキズームレンジＲＧ２とリーンズームレンジＲＧ３とについて素子電流範囲（換言すると、Ａ／Ｆ出力電圧の範囲）は同じであるが、実質的な空燃比検出範囲が相違することとなっている。
【００６１】
上記したストイキフィードバック制御、リーン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、全域レンジＲＧ１による空燃比検出と、ストイキ／リーンズームレンジＲＧ２，ＲＧ３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ＲＧ１，ＲＧ２，ＲＧ３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。
【００６２】
図１の説明に戻り、センサ制御回路３０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（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。また、オペアンプ３４の出力端子側にはスイッチ３６が設けられている。このスイッチ３６は、センサ素子１０に流れる電流を遮断するために設けられる電流遮断手段であり、通常は閉状態で保持されており、マイコン２０からの開指令信号に応じて開放されるようになっている。
【００６３】
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ＩＬは電流検出抵抗３２を介して流れ、素子電流ＩＬ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Ｂ点電圧が上昇する。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Ｃ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。
【００６４】
また、電流検出抵抗３２の両端のＡ点及びＢ点には反転増幅回路３８が接続されており、その反転増幅回路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。反転増幅回路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。
【００６５】
反転増幅回路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）には、電流検出抵抗３２により検出された素子電流信号が入力される。また、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はスイッチ素子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からゲイン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。
【００６６】
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が反転増幅回路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、かかる状態での反転増幅回路３８の増幅率ＧＡは、
ＧＡ＝（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ１      …（式１）
となる。
【００６７】
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が反転増幅回路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、かかる状態での反転増幅回路３８の増幅率ＧＢは、
ＧＢ＝Ｒ３／（Ｒ１＋Ｒ２）      …（式２）
となる。
【００６８】
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となる場合には増幅率が相対的に高い状態にあり、スイッチ素子４４の導通接点が接点ｂとなる場合には増幅率が相対的に低い状態にある。したがって、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、反転増幅回路３８の増幅率が高い増幅率から低い増幅率に変更されることとなる。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。
【００６９】
上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、相対的に狭い検出レンジであるストイキ／リーンズームレンジＲＧ２，ＲＧ３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、相対的に広い検出レンジである全レンジＲＧ１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から都度の空燃比制御状況に関する情報を受信し、該受信した情報に基づいてスイッチ素子４４に対してゲイン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。
【００７０】
また、増幅用抵抗４１，４２の中間点にはオフセット設定回路５０が接続されている。オフセット設定回路５０は、反転増幅回路３８の出力であるＡ／Ｆ出力電圧にオフセットを付与するものであり、オフセット付与によって空燃比検出範囲が変更されるようになっている。反転増幅回路３８とオフセット設定回路５０によれば加算回路が構成される。よって、反転増幅回路３８は、素子電流ＩＬの大きさに相当する素子電流信号にオフセット信号を加算した電圧信号としてＡ／Ｆ出力電圧を出力する。
【００７１】
オフセット設定回路５０は、例えばＭＯＳトランジスタにより構成されるスイッチ素子５１と、そのスイッチ素子５１に直列接続される抵抗５２と、２つの分圧抵抗５３，５４を有してなる電源回路５５とから構成されている。スイッチ素子５１は、マイコン２０から出力されるオフセット切換信号に基づいてオン／オフされる。
【００７２】
この場合、オフセット切換信号がロウ信号であれば、スイッチ素子５１がオフされる。したがって、実質的には反転増幅回路３８とオフセット設定回路５０との接続が遮断され、反転増幅回路３８はオフセット設定回路５０に無関係に作動する。つまり、Ａ／Ｆ出力電圧についてオフセット設定は行われない。
【００７３】
これに対し、オフセット切換信号がハイ信号であれば、スイッチ素子５１がオンされる。したがって、反転増幅回路３８とオフセット設定回路５０とが接続され、反転増幅回路３８は、オフセット設定回路５０によるオフセット設定を反映した状態で動作する。つまり、抵抗５２や電源回路５５により決定されるオフセット電流が反転増幅回路３８に流れ込み、そのオフセット電流に相応してＡ／Ｆ出力電圧にオフセットが付与される。
【００７４】
上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジＲＧ２で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子５１がオフされ、図４や図５に示すように、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される（全域レンジＲＧ１も同様）。また、リーンズームレンジＲＧ３で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子５１がオフされ、図４や図５に示すように、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。
【００７５】
次に、本空燃比検出装置における空燃比検出レンジの具体的な切換手順について説明する。図６は、レンジ切換処理を示すフローチャートであり、本処理は、マイコン２０により所定の時間周期で繰り返し実行される。
【００７６】
図６において、ステップＳ１１では始動時処理を実行する。この始動時処理は、エンジン始動直後に１度だけ起動される処理であり、その詳細は後述する。
【００７７】
その後、ステップＳ１２〜Ｓ１４では、都度のエンジン制御状態を判定する。すなわち、ステップＳ１２では、エンジンＥＣＵ２５から送信されてくるＥＣＵ信号がリーン燃焼制御中を表す信号であるか否かを判定する。例えば、高速一定走行のような軽負荷走行時にはリーン燃焼制御が実施されており、かかる場合にはステップＳ１２を肯定し、ステップＳ１５に進む。
【００７８】
また、ステップＳ１３では、ＥＣＵ信号がリッチ燃焼制御中を表す信号であるか否かを判定する。さらに、ステップＳ１４では、ＥＣＵ信号が燃料カット（Ｆ／Ｃ）中を表す信号であるか否かを判定する。そして、リッチ燃焼制御中か、もしくは燃料カット中であれば、ステップＳ１３，Ｓ１４のいずれかを肯定し、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１２〜Ｓ１４を全て否定した場合には、今現在ストイキ燃焼制御中であるとみなし、ステップＳ１７に進む。
【００７９】
ステップＳ１５では、空燃比検出レンジをリーンズームレンジＲＧ３とする。具体的には、反転増幅回路３８のスイッチ素子４４を接点ａ側に操作するとともに、オフセット設定回路５０のスイッチ素子５１をオンする（ただし、既にその操作状態であれば、同状態を保持する、以下、ステップＳ１６，Ｓ１７も同様）。これにより、増幅率が相対的に高く、かつオフセットが付与された状態での空燃比検出レンジ、すなわち、リーンズームレンジＲＧ３が設定される。
【００８０】
また、ステップＳ１６では、空燃比検出レンジを全域レンジＲＧ１とする。具体的には、反転増幅回路３８のスイッチ素子４４を接点ｂ側に操作するとともに、オフセット設定回路５０のスイッチ素子５１をオフする。これにより、増幅率が相対的に低く、かつオフセットが付与されていない状態での空燃比検出レンジ、すなわち全域レンジＲＧ１が設定される。
【００８１】
さらに、ステップＳ１７では、空燃比検出レンジをストイキズームレンジＲＧ２とする。具体的には、反転増幅回路３８のスイッチ素子４４を接点ａ側に操作するとともに、オフセット設定回路５０のスイッチ素子５１をオフする。これにより、増幅率が相対的に高く、かつオフセットが付与されていない状態での空燃比検出レンジ、すなわちストイキズームレンジＲＧ２が設定される。
【００８２】
なお、上記の各レンジＲＧ１〜ＲＧ３の切換条件は、上述した各条件（ステップＳ１２〜Ｓ１４）に限られず、他の条件が適用されてもよい。
【００８３】
図７は、上記ステップＳ１１で起動される始動時処理の詳細を示すフローチャートである。この始動時処理は、センサ制御回路３０の特性誤差を判定するものであり、具体的には、センサ素子１０に流れる電流（素子電流）を遮断した状態（図１のスイッチ３６を開放した状態）で、各レンジＲＧ１〜ＲＧ３への切換を行い、その時のＡ／Ｆ出力電圧に基づいて各レンジＲＧ１〜ＲＧ３での特性誤差を判定する。このとき、Ａ／Ｆ出力電圧が、素子電流ＩＬ＝０ｍＡ相当の値になるかどうかによって、特性誤差を診断する。以下、処理手順の詳細を説明する。
【００８４】
図７において、ステップＳ２１では、ストイキズームレンジＲＧ２への切換を行い、続くステップＳ２２では、かかる状態でのＡ／Ｆ出力電圧を読み込む。また、ステップＳ２３では、リーンズームレンジＲＧ３への切換を行い、続くステップＳ２４では、かかる状態でのＡ／Ｆ出力電圧を読み込む。さらに、ステップＳ２５では、全域レンジＲＧ１への切換を行い、続くステップＳ２６では、かかる状態でのＡ／Ｆ出力電圧を読み込む。
【００８５】
そして最後に、ステップＳ２７では、上記ステップＳ２２，Ｓ２４，Ｓ２６で読み込んだＡ／Ｆ出力電圧と異常判定値（素子電流ＩＬ＝０ｍＡ相当の値）とを比較し、その結果から、センサ制御回路３０の特性誤差を判定する。
【００８６】
なお、ストイキズームレンジＲＧ２と全域レンジＲＧ１とはいずれもオフセットが付与されないことから、それぞれの特性誤差に相関があり、一方の特性誤差から他方の特性誤差を求めることが可能である。それ故、ステップＳ２１，Ｓ２２の処理、又はステップＳ２５，Ｓ２６の処理のいずれかを省略することが可能である。例えば、ストイキズームレンジＲＧ２での特性誤差に基づいて全域レンジＲＧ１の特性誤差を求める場合、ストイキズームレンジＲＧ２の特性誤差に対して、それら両レンジの増幅率の比を乗算することで、全域レンジＲＧ１の特性誤差を求めればよい。上記のような異常診断処理を、始動時以外に実施することも可能である。例えば、エンジンの運転途中やエンジン停止時に実施することも可能である。
【００８７】
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。
【００８８】
反転増幅回路３８においてオペアンプ３９の一方の信号入力端子に対するオフセット設定回路５０の接続／未接続を切換可能とし、その接続／未接続の切換により、ストイキズームレンジＲＧ２とリーンズームレンジＲＧ３との切換を可能とした。この場合、オフセット設定がなされるリーンズームレンジＲＧ３では、オフセット設定回路５０からオペアンプ３９側に流れ込む電流加算分があらかじめ分かっているため、その電流加算分を加味して正確に空燃比検出を行うことができる。
【００８９】
素子電流増幅用の増幅回路として反転増幅回路３８を用いた上記構成によれば、差動増幅回路を用いた場合（前述した図１４参照）とは異なり、意に反して信号増幅率や空燃比検出範囲が変動するといった問題が回避できる。また、差動増幅回路を用いた図１４の構成では、バッファ１０２，１０３を介してオペアンプ１１１の両入力端子に信号が入力されるが、本実施形態の構成ではバッファが不要となり、そのことから構成の簡素化も可能となる。
【００９０】
また本実施形態では、電流検出抵抗３２を流れる素子電流ＩＬを、オペアンプ３１と電流検出抵抗３２との間の中間点（図１のＢ点）にて計測する構成としたため、オペアンプ３９の出力端子から増幅用抵抗４１〜４３を通じて帰還される帰還電流が電流検出抵抗３２に流れ込むのを抑制できる（つまりこの場合、帰還電流は図１のＢ点からオペアンプ３１側に流れることとなる）。かかる場合、仮に帰還電流が電流検出抵抗３２に流れ込むのであれば、それに起因する素子電流の検出精度低下を抑制するべくオペアンプ３９の信号入力経路にバッファ等を設置する必要があるが、本実施形態の構成ではこうしたバッファ等の設置が不要となる。
【００９１】
また、反転増幅回路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、その切換に伴い反転増幅回路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。
【００９２】
反転増幅回路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前の構成とは異なり、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。
【００９３】
以上により、本実施形態によれば、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。
【００９４】
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、反転増幅回路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、反転増幅回路３８における信号増幅の精度が高められる。
【００９５】
ストイキズームレンジＲＧ２での空燃比検出結果に基づいて高精度なストイキ燃焼制御（ストイキフィードバック制御）が実現できるとともに、リーンズームレンジＲＧ３での空燃比検出結果に基づいて高精度なリーン燃焼制御（リーンフィードバック制御）が実現できる。また、全域レンジＲＧ１での空燃比検出結果に基づいて、燃料カット時の大気検出による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等が好適に実施できる。超リーン域で燃焼制御が行われる直噴リーン燃料制御にも好適に対応できる。
【００９６】
各空燃比検出レンジをいずれもストイキ点を含む検出レンジとして設定したため、回路上の特性誤差を診断する場合に、簡易かつ好適にその診断を実施することができる。
【００９７】
なお、上記図１の構成では、電流検出抵抗３２や反転増幅回路３８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や反転増幅回路３８をセンサ素子１０の−端子側に接続する構成であってもよい。
【００９８】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、空燃比検出レンジとして、所定のリッチ制御領域であるリッチズームレンジＲＧ４を規定する。リッチズームレンジＲＧ４は、例えばＡ／Ｆ＝１０〜１５の範囲で設定される。かかる場合、図８に示すように、上述した３つのレンジ（全域レンジＲＧ１、ストイキズームレンジＲＧ２及びリーンズームレンジＲＧ３）に加えて、リッチズームレンジＲＧ４が規定されるとよい。これら各レンジは、前記同様、空燃比に関する各処理のいずれが行われるかに応じて適宜切り換えられる。図９には、４つの空燃比検出レンジＲＧ１〜ＲＧ４を切り換える場合の回路構成を示す。図９では、前記図１に比べて、オフセット設定回路６０の構成が相違しており、以下その相違点を説明する。
【００９９】
オフセット設定回路６０は、前述したオフセット設定回路５０（図１参照）と同様、増幅用抵抗４１，４２の中間点に接続されている。オフセット設定回路６０は、例えばＭＯＳトランジスタにより構成されるスイッチ素子６１を有している。そのスイッチ素子６１は３つの切換接点ａ，ｂ，ｃを有しており、そのうち接点ａ，ｃにはそれぞれ抵抗６２，６３が直列接続されている。また、これら各抵抗６２，６３は、３つの分圧抵抗６４，６５，６６を有してなる電源回路６７に接続されており、具体的には、抵抗６２が分圧抵抗６４，６５の中間点に接続され、抵抗６３が分圧抵抗６５，６６の中間点に接続されている。スイッチ素子６１は、マイコン２０から出力されるオフセット切換信号に基づいてオン／オフされる。
【０１００】
この場合、オフセット切換信号は、スイッチ素子６１の導通接点をａ，ｂ，ｃのいずれかに操作するための制御信号である。オフセット切換信号が、スイッチ素子６１の導通接点を接点ｂに操作する信号である場合、実質的には反転増幅回路３８とオフセット設定回路６０との接続が遮断され、反転増幅回路３８はオフセット設定回路６０に無関係に作動する。つまり、Ａ／Ｆ出力電圧についてオフセット設定は行われない。
【０１０１】
これに対し、オフセット切換信号が、スイッチ素子６１の導通接点を接点ａ又は接点ｃに操作する信号である場合、Ａ／Ｆ出力電圧について電源回路６７によるオフセット設定が行われる。このとき、接点ａ又は接点ｃへの切換により、２つのオフセット値のうちいずれかが選択的に設定される。
【０１０２】
ここで、スイッチ素子６１の導通接点が接点ａに操作された場合には、電源回路６７により設定される電圧Ｖ１がスイッチ素子６１等を介して反転増幅回路３８に印加され、同導通接点が接点ｂに操作された場合には、電源回路６７により設定される電圧Ｖ２がスイッチ素子６１等を介して反転増幅回路３８に印加される。電圧Ｖ１，Ｖ２はＶ１＞Ｖ２の関係にある。また、電圧Ｖ１，Ｖ２は、反転増幅回路３８に対して各々正負逆側のオフセットを付与するものとなっている。つまり、電圧Ｖ１は、その電圧印加によってオフセット設定回路６０から反転増幅回路３８側にオフセット相当分の電流（オペアンプ３９側に向けて正電流）を流入させることができる電圧値となっているのに対し、電圧Ｖ２は、その電圧印加によって反転増幅回路３８側からオフセット設定回路６０にオフセット相当分の電流（オペアンプ３９側に向けて負電流）を流入させることができる電圧値となっている。具体的には、ストイキ検出時に、電流検出抵抗３２の両端が共に２．２Ｖ〔ボルト〕になると想定した場合、例えばＶ１≒４Ｖ〔ボルト〕、Ｖ２≒１Ｖ〔ボルト〕程度である。
【０１０３】
上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジＲＧ２で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子６１が接点ｂに操作され、図８に示すように、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される。また、リーンズームレンジＲＧ３で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子６１接点ａに操作され、図８に示すように、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。さらに、リッチズームレンジＲＧ４で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子６１接点ｃに操作され、図８に示すように、所定のリッチ領域での空燃比検出レンジが実現される。
【０１０４】
以上詳述した第２の実施形態によれば、リッチズームレンジＲＧ４においても空燃比検出精度が向上する。したがって、ストイキ燃焼制御やリーン燃焼制御に加えて、リッチ燃焼制御を好適に実施することが可能となる。例えば、高負荷増量時のリッチ燃焼制御や、排気浄化装置（リーンＮＯｘ触媒）等の機能再生のためのリッチ燃焼制御に際し、その制御精度の向上を図ることができる。
【０１０５】
（別の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されても良い。
【０１０６】
反転増幅回路３８を構成するオペアンプ３９として、図１０の構成を採用することも可能である。この場合、図１０（ａ）の等価回路に示すように、入力トランジスタＱ１のコレクタにはトランジスタＱ２のベースが接続され、同トランジスタＱ２のエミッタには出力トランジスタＱ３のベースが接続されている。また、同じく入力トランジスタＱ１のコレクタには、出力トランジスタＱ４のベースが接続されている。出力トランジスタＱ３，Ｑ４の間には抵抗８１が設けられ、その一端側（トランジスタＱ３側）にはトランジスタＱ５のベースが接続され、他端側（トランジスタＱ４側）には出力端子が接続されている。さらに、電源ラインと入力トランジスタＱ１のコレクタとの間には定電流回路８２が接続され、トランジスタＱ５のエミッタと接地ラインとの間には定電流回路８３が接続されている。上記構成によれば、出力端子に定電流回路８３を接続したことにより、出力端子から定電流回路８３への電流の流入（電流シンク）が生じ、それに伴い電源電圧範囲の下限値付近での電圧出力が可能となる。つまり、出力電圧の範囲が下限側で拡張できる。
【０１０７】
また、図１０（ｂ）に示すように、オペアンプ３９の出力端子にプルダウン抵抗８５を接続してもよい。この場合、出力端子からプルダウン抵抗８５への電流の流入が生じ、前記同様、電源電圧範囲の下限値付近での電圧出力が可能となる。つまり、出力電圧の範囲が下限側で拡張できる。
【０１０８】
上記図１０（ａ），（ｂ）の構成によれば、出力電圧範囲の拡張を、安価でかつチップ面積の小さいオペアンプにて実現できる。これにより、センサ制御回路としての小型化を図ることができる。ちなみに、素子電流増幅用のオペアンプとして、電源電圧付近の入出力振幅が得られるレイルツーレイル構成のオペアンプを用いることが提案されているが（例えば特開２００６−２７５６２８号公報）、かかる構成では高価で、かつチップ面積が大きくなるという不都合が生じると考えられる。
【０１０９】
上記実施形態では、素子電流増幅用の増幅回路として反転型の増幅回路を用いたが、これを変更し、非反転型の増幅回路を用いることも可能である。
【０１１０】
上記実施形態では、リーンズームレンジＲＧ３を、ストイキ点を含む空燃比検出レンジとして規定したが、これを変更し、ストイキ点を含まない空燃比検出レンジとして規定することも可能である。例えば、リーンズームレンジＲＧ３をＡ／Ｆ＝２０〜３５の範囲で規定する。リッチズームレンジＲＧ４についても、同様にストイキ点を含まない空燃比検出レンジとして規定することが可能である。
【０１１１】
上記実施の形態では、センサ素子（Ａ／Ｆセンサ）として図２の素子構造を有するものを説明したが、他の素子構造を有するセンサ素子に本発明を適用することも可能である。例えば、１セルタイプのセンサ素子に代えて、ポンプセル及び起電力セルを有する２セルタイプのセンサ素子を用いる。換言すれば、１層の固体電解質を有する構成に代えて、２層の固体電解質を有する構成や、３層の固体電解質を有する構成とする。また、積層型構造のセンサ素子に代えて、コップ型構造のセンサ素子に本発明を適用したりすることも可能である。
【０１１２】
以下、２セル構造のセンサ素子について２つの構成例を図１１（ａ），（ｂ）により説明する。
【０１１３】
図１１（ａ）に示すセンサ素子１３０では、２層の固体電解質層１３１，１３２を有しており、一方の固体電解質層１３１には一対の電極１３３，１３４が対向配置され、他方の固体電解質層１３２には一対の電極１３５，１３６が対向配置されている。なお、電極１３３〜１３５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１３０では、固体電解質層１３１及び電極１３３，１３４によりポンプセル１４１が構成され、固体電解質層１３２及び電極１３５，１３６により酸素検知セル１４２が構成されている。センサ素子１３０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１１（ａ）において、符号１３７はガス導入孔、符号１３８は多孔質拡散層、符号１３９は大気ダクト、符号１４０はヒータである。
【０１１４】
酸素検知セル１４２の電極１３６の電位は比較器１４５の負側入力端子に入力され、同比較器１４５の正側入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル１４１の電極１３３と比較器１４５の出力との間には電流検出抵抗１４６が接続されており、その電流検出抵抗１４６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。
【０１１５】
上記構造のセンサ素子１３０において、酸素検知セル１４２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１４２の起電力出力が小さくなり、比較器１４５の出力（図のＢ点電圧）が上昇する。故に、電流検出抵抗１４６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１４２の起電力出力が大きくなり、比較器１４５の出力（図のＢ点電圧）が低下する。故に、電流検出抵抗１４６にはＡ→Ｂの向きに電流が流れる。なお、酸素検知セル１４２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。
【０１１６】
また、図１１（ｂ）に示すセンサ素子１５０では、３層の固体電解質層１５１，１５２，１５３を有し、固体電解質層１５１には一対の電極１５４，１５５が対向配置され、固体電解質層１５２には一対の電極１５６，１５７が対向配置されている。本センサ素子１５０では、固体電解質層１５１及び電極１５４，１５５によりポンプセル１６１が構成され、固体電解質層１５２及び電極１５６，１５７により酸素検知セル１６２が構成されている。また、固体電解質層１５３は、酸素基準室１５８を確保するための壁材を構成している。センサ素子１５０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１１（ｂ）において、符号１５９は多孔質拡散層、符号１６０はガス検出室である。なお、酸素検知セル１６２は、図１１（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。
【０１１７】
酸素検知セル１６２の電極１５７の電位は比較器１６５の負側入力端子に入力され、同比較器１６５の正側入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル１６１の電極１５４と比較器１６５の出力との間には電流検出抵抗１６６が接続されており、その電流検出抵抗１６６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１６６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１６６に電流が流れる。
【０１１８】
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１２に基づいて説明する。なお図１２には、図１１（ａ）のセンサ素子１３０に関するセンサ制御回路１７０の構成を示す。
【０１１９】
図１２のセンサ制御回路１７０において、ポンプセル１４１及び酸素検知セル１４２の共通端子には基準電圧電源１７１が接続されている。また、これら各セル１４１，１４２と、オペアンプ１７２と、電流検出抵抗１７３とからなる閉回路が構成されており、オペアンプ１７２の非反転入力端子（正側入力端子）には、比較電圧Ｖｒｅｆ（０．４５Ｖ）を生成する比較電圧生成回路１７４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１７３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１７３に電流が流れる（なお、オペアンプ１７２が図１１（ａ）のオペアンプ１４５に相当し、電流検出抵抗１７３が同電流検出抵抗１４６に相当する）。かかる場合、酸素検知セル１４２の出力電圧が所定値になるようポンプセル１４１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）。
【０１２０】
また、電流検出抵抗１７３の両端のＡ点、Ｂ点には差動増幅回路１８０が接続されている。差動増幅回路１８０は、電流検出抵抗１７３の両端の各端子電圧を入力してその電圧差を増幅するものであり、その差動増幅回路１８０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１８０はオペアンプ１８１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１８２が設けられるとともに、そのスイッチ素子１８２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１８３，１８４，１８５のうち中央の増幅用抵抗１８４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１８２は、図示のとおりオペアンプ１８１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。
【０１２１】
また、オペアンプ１８１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１８６が設けられるとともに、そのスイッチ素子１８６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１８７，１８８，１８９のうち中央の増幅用抵抗１８８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１８６は、図示のとおりオペアンプ１８１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。
【０１２２】
そして、図示しないマイコンからゲイン切換信号が出力されると、各スイッチ素子１８２，１８６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１８２，１８６の切換操作に伴い差動増幅回路１８０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。
【０１２３】
なお、差動増幅回路１８０では、スイッチ素子１８２，１８６の切換の前後において「正側の入力抵抗の値＝負側の入力抵抗の値」かつ「帰還抵抗の値＝入力抵抗の値」の状態が保持される。
【０１２４】
また、差動増幅回路１８０の帰還経路側において、増幅用抵抗１８７，１８８の中間点にはオフセット設定回路１９０が接続されている。オフセット設定回路１９０は、差動増幅回路１８０の出力であるＡ／Ｆ出力電圧にオフセットを付与するものであり、オフセット付与によって空燃比検出範囲が変更されるようになっている。差動増幅回路１８０とオフセット設定回路１９０によれば加算回路が構成される。よって、差動増幅回路１８０は、素子電流ＩＬの大きさに相当する素子電流信号にオフセット信号を加算した電圧信号としてＡ／Ｆ出力電圧を出力する。
【０１２５】
オフセット設定回路１９０は、例えばＭＯＳトランジスタにより構成されるスイッチ素子１９１と、そのスイッチ素子１９１に直列接続される抵抗１９２と、２つの分圧抵抗１９３，１９４を有してなる電源回路１９５とから構成されている。スイッチ素子１９１は、図示しないマイコンから出力されるオフセット切換信号に基づいてオン／オフされる。
【０１２６】
この場合、オフセット切換信号がロウ信号であれば、スイッチ素子１９１がオフされる。したがって、実質的には差動増幅回路１８０とオフセット設定回路１９０との接続が遮断され、差動増幅回路１８０はオフセット設定回路１９０に無関係に作動する。つまり、Ａ／Ｆ出力電圧についてオフセット設定は行われない。
【０１２７】
これに対し、オフセット切換信号がハイ信号であれば、スイッチ素子１９１がオンされる。したがって、差動増幅回路１８０とオフセット設定回路１９０とが接続され、差動増幅回路１８０は、オフセット設定回路１９０によるオフセット設定を反映した状態で動作する。つまり、抵抗１９２や電源回路１９５により決定されるオフセット電流が差動増幅回路１８０（オペアンプ１８１）に流れ込み、そのオフセット電流に相応してＡ／Ｆ出力電圧にオフセットが付与される。
【０１２８】
上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジＲＧ２で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子１９１がオフされ、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される（全域レンジＲＧ１も同様）。また、リーンズームレンジＲＧ３で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子１９１がオフされ、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。
【０１２９】
図１２では、オフセット設定状態の切換に際し、差動増幅回路１８０の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路１９０が接続された状態と接続されていない状態とが切り換えられる。かかる場合、その切換の前後で、差動増幅回路１８０の帰還抵抗の値と接地抵抗の値とが一致する状態が保持される。したがって、オフセット切換に伴い、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動するといった不都合が回避され、適正なる空燃比検出を実現できる。
【０１３０】
上記図１２のセンサ制御回路１７０では、電流検出抵抗１７３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１３に示すセンサ制御回路２００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。
【０１３１】
図１３に示すセンサ制御回路２００において、ポンプセル１４１及び酸素検知セル１４２の共通端子にはオペアンプ２０３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１４２と、フィードバック回路２０１と、電流検出抵抗２０２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２０１内の基準電圧Ｖｆ２は例えば２．５５Ｖである。
【０１３２】
センサ制御回路２００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１４２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２０１内のＣ２点の電位が下がる。すると、フィードバック回路２０１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２０２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２０２に電流が流れる。
【０１３３】
また、電流検出抵抗２０２の両端のＡ点、Ｂ点には非反転型の増幅回路２１０が接続されており、その増幅回路２１０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２１０はオペアンプ２１１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２１２が設けられるとともに、そのスイッチ素子２１２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２１３，２１４，２１５のうち中央の増幅用抵抗２１４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２１２は、図示のとおりオペアンプ２１１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。
【０１３４】
そして、図示しないマイコンからゲイン切換信号が出力されると、スイッチ素子２１２において切換操作が行われる。この場合、スイッチ素子２１２の切換操作に伴い増幅回路２１０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。
【０１３５】
また、増幅回路２１０の帰還経路側において、増幅用抵抗２１３，２１４の中間点にはオフセット設定回路２２０が接続されている。オフセット設定回路２２０は、増幅回路２１０の出力であるＡ／Ｆ出力電圧にオフセットを付与するものであり、オフセット付与によって空燃比検出範囲が変更されるようになっている。増幅回路２１０とオフセット設定回路２２０によれば加算回路が構成される。よって、増幅回路２１０は、素子電流ＩＬの大きさに相当する素子電流信号にオフセット信号を加算した電圧信号としてＡ／Ｆ出力電圧を出力する。
【０１３６】
オフセット設定回路２２０は、例えばＭＯＳトランジスタにより構成されるスイッチ素子２２１と、そのスイッチ素子２２１に直列接続される抵抗２２２と、２つの分圧抵抗２２３，２２４を有してなる電源回路２２５とから構成されている。スイッチ素子２２１は、図示しないマイコンから出力されるオフセット切換信号に基づいてオン／オフされる。
【０１３７】
この場合、オフセット切換信号がロウ信号であれば、スイッチ素子２２１がオフされる。したがって、実質的には増幅回路２１０とオフセット設定回路２２０との接続が遮断され、増幅回路２１０はオフセット設定回路２２０に無関係に作動する。つまり、Ａ／Ｆ出力電圧についてオフセット設定は行われない。
【０１３８】
これに対し、オフセット切換信号がハイ信号であれば、スイッチ素子２２１がオンされる。したがって、増幅回路２１０とオフセット設定回路２２０とが接続され、増幅回路２１０は、オフセット設定回路２２０によるオフセット設定を反映した状態で動作する。つまり、抵抗２２２や電源回路２２５により決定されるオフセット電流が増幅回路２１０（オペアンプ２１１）に流れ込み、そのオフセット電流に相応してＡ／Ｆ出力電圧にオフセットが付与される。
【０１３９】
上述した空燃比検出レンジと併せ考えると、ストイキズームレンジＲＧ２で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子２２１がオフされ、ストイキを中心とする空燃比検出レンジが実現される（全域レンジＲＧ１も同様）。また、リーンズームレンジＲＧ３で空燃比検出を行う場合には、スイッチ素子２２１がオフされ、所定のリーン領域での空燃比検出レンジが実現される。
【０１４０】
図１３の回路構成においても、前記同様、オフセット設定状態の切換に際し、差動増幅回路２１０の帰還経路側における入力抵抗と帰還抵抗との間の中間点にオフセット設定回路２２０が接続された状態と接続されていない状態とが切り換えられる。この場合、オフセット切換に伴い、意に反して信号増幅率やガス濃度検出範囲が変動するといった不都合が回避され、適正なる空燃比検出を実現できる。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
また、本発明のセンサ制御装置は、ガソリンエンジンに用いられるガスセンサ（センサ素子）だけでなく、ディーゼルエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサ（センサ素子）にも適用できる。自動車以外の用途のセンサ制御装置として用いることや、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。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】センサ制御系の電気的構成を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの構成を示す断面図。
【図３】Ａ／Ｆセンサの電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）を示す図。
【図４】Ａ／Ｆとセンサ出力電圧との関係を示す図。
【図５】Ａ／Ｆと素子電流との関係を示す図。
【図６】レンジ切換処理を示すフローチャート。
【図７】始動時処理の詳細を示すフローチャート。
【図８】Ａ／Ｆとセンサ出力電圧との関係を示す図。
【図９】第２の実施形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す構成図。
【図１０】オペアンプに関する別構成を示す図。
【図１１】２セル構造のセンサ素子の構成を示す断面図。
【図１２】別の実施形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す構成図。
【図１３】別の実施形態においてセンサ制御系の電気的構成を示す構成図。
【図１４】従来技術を説明するための回路図。
【符号の説明】
【０１４５】
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…反転増幅回路、３９…オペアンプ、４１〜４３…増幅用抵抗、４４…スイッチ素子、５０…オフセット設定回路、５１…スイッチ素子、６０…オフセット設定回路、６１…スイッチ素子。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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