(57)【要約】【課題】被検出ガス中の酸素濃度の広範囲検出と、特定の検出範囲での高精度検出とを、両立させることができる酸素濃度検出装置を提供する。【解決手段】空燃比センサ（酸素濃度センサ）１の一方の端子ＡＦｐに一端が接続されて、センサ電流が流れる電流検出抵抗７と、電流検出抵抗７のセンサ１側とは反対側の端部の電圧Ｖｉと基準電圧Ｖｒとを入力とした差動増幅回路２１と、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器５と、そのＡ／Ｄ変換器５によるＶｏのＡ／Ｄ変換値に基づいて空燃比を検出するマイコン３とを備えた空燃比検出装置５１は、マイコン３からの指令に応じた電圧を差動増幅回路２１へ基準電圧Ｖｒとして入力させるＤ／Ａ変換器５３を備え、マイコン３は、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、Ｄ／Ａ変換器５３からの基準電圧Ｖｒを変更する。【選択図】　図１
2004069370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加に伴い被検出ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素濃度センサの一対の端子のうち、一方の端子に一端が接続された電流検出抵抗と、
前記酸素濃度センサの前記一方の端子の電圧が第１の電圧となるように、前記電流検出抵抗の前記酸素濃度センサ側とは反対側の端部に印加する電圧を調整すると共に、前記酸素濃度センサの他方の端子に前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を印加することにより、前記酸素濃度センサの両端子間に前記第１の電圧と前記第２の電圧との差分である酸素濃度検出用電圧を印加する電圧印加手段と、前記電流検出抵抗の前記酸素濃度センサ側とは反対側の端部の電圧（以下、発生電圧という）が第１入力端子に入力されると共に、所定の基準電圧が第２入力端子に入力され、前記基準電圧と前記発生電圧との差に応じた電圧を出力する差動増幅回路と、
該差動増幅回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
該Ａ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換値に基づいて前記被検出ガス中の酸素濃度を検出する検出手段と、
を備えた酸素濃度検出装置であって、
前記検出手段からの指令に応じた電圧を出力して、その電圧を前記差動増幅回路の第２入力端子へ前記基準電圧として入力させる電圧可変手段を備え、
前記検出手段は、前記Ａ／Ｄ変換器がＡ／Ｄ変換可能な電圧の範囲であるＡ／Ｄ変換可能範囲内に前記差動増幅回路の出力電圧が収まるように、前記電圧可変手段から前記差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変更すること、
を特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の酸素濃度検出装置において、
前記電圧可変手段は、前記検出手段からのデジタル値に応じた電圧を出力するＤ／Ａ変換器であること、
を特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項３】
請求項１に記載の酸素濃度検出装置において、
前記電圧可変手段は、前記検出手段から出力される２値振幅のオン／オフ信号を平滑化して出力する積分回路からなり、
前記検出手段は、前記オン／オフ信号のデューティ比により、前記電圧可変手段の出力電圧を変更すること、
を特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の酸素濃度検出装置において、
前記差動増幅回路の増幅率は、
前記差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧が前記第１の電圧であり、且つ、前記被検出ガス中の酸素濃度が、該酸素濃度の全検出対象範囲のうちで他の範囲よりも高い検出精度が要求される特定の範囲に渡って変化した場合に、前記差動増幅回路の出力電圧が前記Ａ／Ｄ変換可能範囲内であって前記検出精度を実現可能な範囲に渡って変化するように設定されており、
前記検出手段は、
前記特定の範囲内の酸素濃度を検出する場合には、前記電圧可変手段から前記差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を前記第１の電圧に設定し、前記特定の範囲外の酸素濃度を検出する場合には、前記差動増幅回路の出力電圧が前記Ａ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、前記電圧可変手段から前記差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変更すること、
を特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の酸素濃度検出装置において、
前記差動増幅回路の第２入力端子を、前記酸素濃度センサの前記一方の端子と前記電圧可変手段の電圧出力端子との何れかに接続させる切替手段を備え、
前記検出手段は、
前記特定の範囲内の酸素濃度を検出する場合には、前記電圧可変手段の出力電圧を前記差動増幅回路の第２入力端子に入力させることに代えて、前記切替手段により、前記差動増幅回路の第２入力端子を前記酸素濃度センサの前記一方の端子に接続させ、
前記特定の範囲外の酸素濃度を検出する場合には、前記切替手段により、前記差動増幅回路の第２入力端子を前記電圧可変手段の電圧出力端子に接続させると共に、前記差動増幅回路の出力電圧が前記Ａ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、前記電圧可変手段から前記差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変更すること、
を特徴とする酸素濃度検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の酸素濃度検出装置において、
前記差動増幅回路の出力電圧と所定のしきい値電圧とを大小比較する比較器を備え、
前記検出手段は、前記比較器の比較結果に基づいて、前記基準電圧の変更を実施すること、
を特徴とする酸素濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車載用エンジンの排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、車載用エンジンの空燃比制御においては、被検出ガスとしての排気ガス中の酸素濃度（延いては、エンジンに吸入される混合気の空燃比）をリニアに検出可能な酸素濃度センサ（以下、空燃比センサ或いは単にセンサともいう）が用いられている。
【０００３】
具体的に説明すると、この種の空燃比センサは、それの電圧−電流特性の一例を示す図７のように、電圧の印加に伴って排気ガス中の酸素濃度（延いては空燃比）に応じた電流が流れるように構成されている。尚、図７において、横軸は、空燃比センサへの印加電圧の値を表し、縦軸は、空燃比センサに流れるセンサ電流の値を表している。そして、図７において、横軸に並行なセンサ電流の直線部分がセンサの限界電流を示しており、この限界電流の値が空燃比（Ａ／Ｆ）の値に対応している。
【０００４】
そこで、このような空燃比センサを用いた空燃比検出装置（酸素濃度検出装置）では、空燃比センサの一対の端子間に所定の酸素濃度検出用電圧を印加しつつ、その空燃比センサに流れる上記限界電流を検出して空燃比を算出している。
次に、図６に従来の空燃比検出装置１０１の構成例を示す。尚、この種の空燃比検出装置は、一般に、エンジンを制御する制御装置に組み込まれるものである。
【０００５】
図６に示すように、空燃比検出装置１０１には、酸素濃度センサとしての空燃比センサ１が接続されており、この空燃比センサ１は、図示しないエンジンの排気管に取り付けられている。
そして、空燃比検出装置１０１は、マイコン３と、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）５と、センサ１の一対の端子ＡＦｐ，ＡＦｍのうち、一方の端子（この例ではプラス側端子ＡＦｐ）に一端が接続された電流検出抵抗７と、センサ１のプラス側端子ＡＦｐの電圧が第１の電圧Ｖ１（この例では３．３Ｖ）となるように、電流検出抵抗７のセンサ１側とは反対側の端部に印加する電圧を調整する電圧印加回路９と、センサ１のマイナス側端子ＡＦｍに、第１の電圧Ｖ１よりもセンサ１の両端子ＡＦｐ，ＡＦｍ間に印加すべき酸素濃度検出用電圧（この例では０．４Ｖ）だけ低い第２の電圧Ｖ２（この例では２．９Ｖ）を印加する電圧印加回路１１と、一定の電源電圧ＶＳ（この例では５Ｖ）を分圧することにより上記第１の電圧Ｖ１（＝３．３Ｖ）を発生する２つの分圧抵抗１３，１５と、電源電圧ＶＳを分圧することにより上記第２の電圧Ｖ２（＝２．９Ｖ）を発生する２つの分圧抵抗１７，１９と、電流検出抵抗７の両端の電圧を入力とした差動増幅回路２１とを備えている。
【０００６】
ここで、電圧印加回路９は、分圧抵抗１３，１５の接続点に生じる第１の電圧Ｖ１（＝３．３Ｖ）が非反転入力端子に入力され、反転入力端子が入力保護抵抗２３を介してセンサ１のプラス側端子ＡＦｐに接続されたオペアンプ２５と、ベースがオペアンプ２５の出力端子に接続されると共に、コレクタが電源電圧ＶＳに接続され、エミッタが電流検出抵抗７のセンサ１側とは反対側の端部に接続された電圧出力用のＮＰＮトランジスタ２７と、そのトランジスタ２７のエミッタと接地電位との間に接続されたプルダウン抵抗２９とを備えている。そして、この電圧印加回路９では、センサ１のプラス側端子ＡＦｐの電圧が常に第１の電圧Ｖ１となるように、トランジスタ２７のエミッタ電圧（即ち、電流検出抵抗７のセンサ１側とは反対側の端部に印加する電圧）が調整されることとなる。
【０００７】
また、電圧印加回路１１は、分圧抵抗１７，１９の接続点に生じる第２の電圧Ｖ２（＝２．９Ｖ）が非反転入力端子に入力され、反転入力端子が入力保護抵抗３３を介してセンサ１のマイナス側端子ＡＦｍに接続されたオペアンプ３５と、ベースがオペアンプ３５の出力端子に接続されると共に、コレクタが電源電圧ＶＳに接続され、エミッタが抵抗３１を介してセンサ１のマイナス側端子ＡＦｍに接続された電圧出力用のＮＰＮトランジスタ３７と、そのトランジスタ３７のエミッタと接地電位との間に接続されたプルダウン抵抗３９とを備えている。そして、この電圧印加回路１１においても、電圧印加回路９と同様に、センサ１のマイナス側端子ＡＦｍの電圧が常に第２の電圧Ｖ２となるように、トランジスタ３７のエミッタ電圧が調整され、この動作により、センサ１のマイナス側端子ＡＦｍに印加する電圧が常に第２の電圧Ｖ２に維持されることとなる。
【０００８】
一方、差動増幅回路２１は、電流検出抵抗７のセンサ１側とは反対側の端部に一端が接続された抵抗４１と、その抵抗４１の他端に一端が接続された抵抗４２と、その抵抗４２の他端に出力端子が接続されると共に、抵抗４１，４２同士の接続点に反転入力端子が接続されたオペアンプ４３と、一端がオペアンプの非反転入力端子に接続され、他端がセンサ１のプラス側端子ＡＦｐに接続された抵抗４４とから構成されている。そして、この差動増幅回路２１の出力電圧（換言すれば、オペアンプ４３の出力電圧）Ｖｏが、Ａ／Ｄ変換器５に入力されている。
【０００９】
また、Ａ／Ｄ変換器５には、センサ１のプラス側端子ＡＦｐに実際に印加されている電圧も入力保護抵抗４５を介して入力されている。
以上のような構成の空燃比検出装置１０１では、２つの電圧印加回路９，１１により、空燃比センサ１の両端子ＡＦｐ，ＡＦｍ間に０．４Ｖの電圧を印加することとなる。そして、その状態で、電流検出抵抗７には、空燃比センサ１に流れる電流（センサ電流）が流れることとなるが、そのセンサ電流は、リーン時（Ａ／Ｆ＞１４）には、電圧印加回路９側からセンサ１のプラス側端子ＡＦｐへの方向（図６における左方向）に流れ、リッチ時（Ａ／Ｆ＜１４）には、センサ１のプラス側端子ＡＦｐから電圧印加回路９側への方向（図６における右方向）に流れる。
【００１０】
また、差動増幅回路２１における抵抗４１のオペアンプ４３及び抵抗４２側とは反対側の端部に入力される電圧をＶｉとし、差動増幅回路２１における抵抗４４のオペアンプ４３側とは反対側の端部に入力される電圧（基準電圧）をＶｒとし、抵抗４１の抵抗値をＲ４１とし、抵抗４２の抵抗値をＲ４２とすると、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏは、下記の式１で表される。
【００１１】
2004069370.tif 000003
そして、電流検出抵抗７の抵抗値をＲ７とし、センサ電流Ｉの正の方向をリッチ時の電流方向とすると、下記の式２が成立する。
【００１２】
Ｖｉ＝Ｖ１−Ｉ×Ｒ７…式２
また、この空燃比検出装置１０１においては、下記の式３が成立する。
Ｖｒ＝Ｖ１…式３
よって、上記式１〜式３から、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏは、下記の式４で表される。
【００１３】
Ｖｏ＝Ｖ１＋（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｉ×Ｒ７）…式４
そこで、この空燃比検出装置１０１では、Ａ／Ｄ変換器５が、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏと、センサ１のプラス側端子ＡＦｐの実際の電圧Ｖ１とをＡ／Ｄ変換し、マイコン３が、そのＡ／Ｄ変換器５による各Ａ／Ｄ変換値から、上記式４における「（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｉ×Ｒ７）」の値を求め、その値から排気ガス中の酸素濃度を空燃比という形で検出している。
【００１４】
尚、式４におけるＲ７，Ｒ４１，Ｒ４２は既知であるため、マイコン３は、結局、センサ電流Ｉの値を検出していることとなり、そのセンサ電流Ｉの値から酸素濃度に相当する空燃比が検出される訳であるが、一般には、予め記憶されたデータマップから「（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｉ×Ｒ７）」の値に対応する空燃比を算出する、といった手法が採られる。また、センサ１のプラス側端子ＡＦｐに実際に印加されている電圧Ｖ１は検出せずに、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏのＡ／Ｄ変換値のみから空燃比を検出することも考えられる。
【００１５】
そして更に、図６の空燃比検出装置１０１において、Ｒ４１とＲ４２とで決まる差動増幅回路２１の増幅率は、空燃比が該空燃比の全検出対象範囲に渡って変化した場合（換言すれば、排気ガス中の酸素濃度が該酸素濃度の全検出対象範囲に渡って変化した場合）に、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内で出来るだけ広範囲に変化するように設定されている。
【００１６】
例えば、空燃比の検出対象範囲がＡ／Ｆ＝１３〜１８であり、Ａ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲が０．２Ｖ〜４．８Ｖであるとすると、差動増幅回路２１の増幅率は、Ａ／Ｆ＝１８の時（最もリーンの時）に差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換可能範囲の下限値である０．２Ｖ或いはそれよりも若干高い電圧となり、Ａ／Ｆ＝１３の時（最もリッチの時）に差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換可能範囲の上限値である４．８Ｖ或いはそれよりも若干低い電圧となるように設定される。
【００１７】
そして、このような増幅率の設定により、空燃比を全検出対象範囲で高精度に検出できるようにしている。つまり、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏをＡ／Ｄ変換器５の入力フルスケールでＡ／Ｄ変換することができ、そのＡ／Ｄ変換精度が高くなるからである。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、エンジンの気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射方式（いわゆる直噴）による更なる燃費向上や、各種法規制に基づくエミッション低減を実現するために、空燃比の検出対象範囲を、図７に例示する如く、従来の範囲（Ａ／Ｆ＝１３〜１８）よりも広い範囲（Ａ／Ｆ＝１０〜２３程度）に拡大すると共に、従来の検出対象範囲（Ａ／Ｆ＝１３〜１８）については、従来と同様の高い精度で空燃比を検出したい、という要求が生じている。
【００１９】
ここで、前述した従来の空燃比検出装置１０１において、空燃比の検出対象範囲を広くするためには、差動増幅回路２１の増幅率を下げる必要がある。つまり、増幅率を小さく設定しないと、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲を越えてしまうからである。
【００２０】
しかしながら、差動増幅回路２１の増幅率を下げると、センサ電流の検出精度（延いては、酸素濃度，空燃比の検出精度）が悪化する。このため、高い検出精度が要求される特定の検出範囲（上記図７の例では、Ａ／Ｆ＝１３〜１８）について、必要な検出精度を確保できないという問題が生じてしまう。
【００２１】
尚、Ａ／Ｄ変換器５として、高分解能の（分解能が小さい）ものを使用することも考えられるが、そのような高分解能のＡ／Ｄ変換器は概して非常に高価であるため、装置全体のコストアップを招いてしまう。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、被検出ガス中の酸素濃度の広範囲検出と特定の検出範囲での高精度検出とを両立させることができる酸素濃度検出装置の提供を目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の酸素濃度検出装置では、従来の装置と同様に、電圧の印加に伴い被検出ガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素濃度センサの一対の端子のうちの一方の端子に、電流検出抵抗の一端が接続されている。そして、電圧印加手段が、酸素濃度センサの前記一方の端子の電圧が第１の電圧となるように、電流検出抵抗の酸素濃度センサ側とは反対側の端部に印加する電圧を調整すると共に、酸素濃度センサの他方の端子に第１の電圧とは異なる第２の電圧を印加することにより、酸素濃度センサの両端子間に第１の電圧と第２の電圧との差分である酸素濃度検出用電圧を印加する。
【００２３】
そして更に、この酸素濃度検出装置は、電流検出抵抗の酸素濃度センサ側とは反対側の端部の電圧（以下、発生電圧という）が第１入力端子に入力されると共に、所定の基準電圧が第２入力端子に入力されて、前記基準電圧と前記発生電圧との差に応じた電圧を出力する差動増幅回路と、その差動増幅回路の出力電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、そのＡ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換値に基づいて被検出ガス中の酸素濃度を検出する検出手段とを備えている。
【００２４】
ここで特に、請求項１の酸素濃度検出装置には、検出手段からの指令に応じた電圧を出力して、その電圧を差動増幅回路の第２入力端子へ前記基準電圧として入力させる電圧可変手段が備えられている。そして、この酸素濃度検出装置において、検出手段は、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲（即ち、Ａ／Ｄ変換器がＡ／Ｄ変換可能な電圧の範囲）内に収まるように、電圧可変手段から差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変更する。
【００２５】
よって、このような請求項１の酸素濃度検出装置によれば、高分解能のＡ／Ｄ変換器を用いなくても、被検出ガス中の酸素濃度の広範囲検出と、特定の検出範囲での高精度検出とを、両立させることができる。
つまり、差動増幅回路の増幅率が一定であっても、その差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲から外れないように該差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変えることで、酸素濃度の広範囲検出ができ、しかも、予め、差動増幅回路の増幅率を、酸素濃度の全検出対象範囲のうちで他の範囲よりも高い検出精度が要求される特定の範囲（以下、高精度検出必要範囲という）について、酸素濃度を十分な精度で検出できるように設定しておくことで、その高精度検出必要範囲での高精度検出を実現することができる。
【００２６】
具体例として、例えば、まず、差動増幅回路の増幅率を、その差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧が所定の電圧Ｖａであり、且つ、被検出ガス中の酸素濃度が高精度検出必要範囲に渡って変化した場合に、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲内であって高精度検出必要範囲についての検出精度を実現可能な範囲に渡って変化するように設定しておく。そして、検出手段は、高精度検出必要範囲内の酸素濃度を検出する場合には、電圧可変手段から差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を上記Ｖａに設定し、高精度検出必要範囲外の酸素濃度を検出する場合には、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、電圧可変手段から差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を上記Ｖａとは異なる電圧に変更すれば良い。
【００２７】
ところで、電圧可変手段としては、例えば、抵抗分圧によって発生させた複数通りの電圧のうちの１つを選択スイッチ等によって択一的に出力する、といった回路を用いても良いが、請求項２に記載の如く、検出手段からのデジタル値に応じた電圧を出力するＤ／Ａ変換器を用いれば、任意の電圧を出力することができるという点で有利である。
【００２８】
また、請求項３に記載のように、電圧可変手段として、検出手段から出力される２値振幅のオン／オフ信号を平滑化して出力する積分回路を用い、検出手段が、上記オン／オフ信号のデューティ比により、電圧可変手段としての積分回路の出力電圧を変更するように構成すれば、差動増幅回路への基準電圧を非常に安価な構成で任意に変更することができる。つまり、積分回路は、一般にコンデンサと抵抗から構成することができ、Ｄ／Ａ変換器よりも非常に安価であるからである。
【００２９】
次に、請求項４に記載の酸素濃度検出装置では、差動増幅回路の増幅率が、その差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧が前記第１の電圧であり、且つ、被検出ガス中の酸素濃度が全検出対象範囲のうちの高精度検出必要範囲（即ち、他の範囲よりも高い検出精度が要求される特定の範囲）に渡って変化した場合に、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲内であって高精度検出必要範囲についての検出精度を実現可能な範囲に渡って変化するように設定されている。そして、検出手段は、高精度検出必要範囲内の酸素濃度を検出する場合には、電圧可変手段から差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を前記第１の電圧に設定し、高精度検出必要範囲外の酸素濃度を検出する場合には、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、電圧可変手段から差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変更する。
【００３０】
つまり、この請求項４に記載の酸素濃度検出装置は、上記具体例での所定の電圧Ｖａを、電流検出抵抗の一端が接続される方の酸素濃度センサの端子に印加される第１の電圧（図６の端子ＡＦｐに印加される電圧Ｖ１に相当）にしたものである。
【００３１】
そして、このような請求項４の酸素濃度検出装置によれば、高精度検出必要範囲について、従来と同じ検出ロジックをそのまま使うことができるという利点がある。即ち、差動増幅回路への基準電圧が変われば、その差動増幅回路の出力電圧とセンサ電流（酸素濃度センサ及び電流検出抵抗に流れる電流）との関係も変わるため、検出手段は、Ａ／Ｄ変換器による差動増幅回路の出力電圧のＡ／Ｄ変換値と、自分が電圧可変手段から差動増幅回路に供給させている基準電圧の値とから、酸素濃度を検出すれば良いが、高精度検出必要範囲の酸素濃度を検出する場合に、差動増幅回路への基準電圧を第１の電圧とすれば、その差動増幅回路へは、図６の従来装置と同様に、電流検出抵抗の両端の電圧が２つの入力信号として入力されることとなり、従来装置と等価な回路構成になるからである。
【００３２】
次に、請求項５に記載の酸素濃度検出装置には、請求項４の酸素濃度検出装置に対して、差動増幅回路の第２入力端子を酸素濃度センサの前記一方の端子（即ち、電流検出抵抗の一端が接続される端子）と電圧可変手段の電圧出力端子との何れかに接続させる切替手段が、追加して設けられている。
【００３３】
そして、検出手段は、高精度検出必要範囲内の酸素濃度を検出する場合には、電圧可変手段の出力電圧を差動増幅回路の第２入力端子に入力させることに代えて、切替手段により、差動増幅回路の第２入力端子を酸素濃度センサの前記一方の端子に接続させ、高精度検出必要範囲外の酸素濃度を検出する場合には、切替手段により、差動増幅回路の第２入力端子を電圧可変手段の電圧出力端子に接続させると共に、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換器のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、電圧可変手段から差動増幅回路の第２入力端子に入力される基準電圧を変更する。
【００３４】
つまり、請求項５の酸素濃度検出装置では、高精度検出必要範囲内の酸素濃度を検出する場合に、電流検出抵抗の両端が差動増幅回路の２つの入力端子に接続されるようにしている。そして、この酸素濃度検出装置によれば、高精度検出必要範囲内の酸素濃度を検出する場合に、電圧可変手段の電圧出力誤差による影響が排除されるため、酸素濃度をより正確に検出することができるようになる。
【００３５】
ところで、検出手段は、差動増幅回路の出力電圧がＡ／Ｄ変換可能範囲を超えそうになったこと（換言すれば、差動増幅回路への基準電圧を変更すべきタイミングが到来したこと）を、差動増幅回路の出力電圧のＡ／Ｄ変換器によるＡ／Ｄ変換値から判断するように構成すれば良い。
【００３６】
但し、差動増幅回路の出力電圧が急激に変化する状況が起こり得ると共に、その出力電圧が急激に変化した場合に、基準電圧の変更タイミングをＡ／Ｄ変換値から判断していたのでは間に合わない（出力電圧がＡ／Ｄ変換可能範囲を超えてしまう）虞があるならば、請求項６に記載のように、差動増幅回路の出力電圧と所定のしきい値電圧とを大小比較する比較器を設け、検出手段は、その比較器の比較結果に基づいて、差動増幅回路への基準電圧の変更を実施するように構成すれば良い。尚、この場合、比較器のしきい値電圧は、Ａ／Ｄ変換可能範囲を超える少し手前の電圧に設定しておけば良く、検出手段は、比較器の出力反転を検知した時に、差動増幅回路への基準電圧を変更すれば良い。
【００３７】
そして、このような請求項６の酸素濃度検出装置によれば、差動増幅回路の出力電圧が急激に変化しても、その差動増幅回路への基準電圧を速やかに変更して、該差動増幅回路の出力電圧を確実にＡ／Ｄ変換可能範囲内に納めることができるようになる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明が適用された実施形態の空燃比検出装置（酸素濃度検出装置）について、図面を用いて説明する。
まず図１は、第１実施形態の空燃比検出装置５１の構成を表す回路図である。尚、図１において、前述した図６の空燃比検出装置１０１と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００３９】
図１に示すように、本第１実施形態の空燃比検出装置５１は、図６に示した従来の空燃比検出装置１０１と比較すると、ハードウェア面では、マイコン３からの指令であるデジタル値に応じた電圧を出力するＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）５３を備えており、そのＤ／Ａ変換器５３の電圧出力端子が、差動増幅回路２１における抵抗４４のオペアンプ４３側とは反対側の端部（差動増幅回路の第２入力端子に相当し、以下、第２入力端子という）に接続されている。つまり、Ｄ／Ａ変換器５３の出力電圧が、差動増幅回路２１の第２入力端子に基準電圧Ｖｒとして入力されるようになっている。
【００４０】
尚、本実施形態では、Ｄ／Ａ変換器５３が電圧可変手段に相当し、マイコン３が検出手段に相当し、電圧印加回路９，１１が電圧印加手段に相当している。また、差動増幅回路２１における抵抗４１のオペアンプ４３及び抵抗４２側とは反対側の端部が、差動増幅回路の第１入力端子に相当している。
【００４１】
そして、本第１実施形態の空燃比検出装置５１において、マイコン３は、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲（本実施形態では０．２Ｖ〜４．８Ｖ）内に収まるように、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１の第２入力端子に入力される基準電圧Ｖｒを変更する。
【００４２】
具体的に説明すると、まず、本第１実施形態の空燃比検出装置５１では、空燃比の検出対象範囲が、従来装置１０１の検出対象範囲（Ａ／Ｆ＝１３〜１８）よりも広いＡ／Ｆ＝１０〜２３となっている（図７参照）。そして更に、その検出対象範囲（Ａ／Ｆ＝１０〜２３）のうちで、従来装置１０１の検出対象範囲と同じ範囲（Ａ／Ｆ＝１３〜１８）は、従来装置１０１と同様の高い精度で空燃比を検出すべき高精度検出必要範囲となっている。
【００４３】
そこで、まず、本第１実施形態の空燃比検出装置５１において、差動増幅回路２１の増幅率は、差動増幅回路２１の第２入力端子に入力される基準電圧Ｖｒが空燃比センサ１のプラス側端子ＡＦｐに印加される第１の電圧Ｖ１（＝３．３Ｖ）であり、且つ、空燃比が高精度検出必要範囲（Ａ／Ｆ＝１３〜１８）に渡って変化した場合に、図２の中央部分に示す如く、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内であって高精度検出必要範囲についての検出精度を実現可能な出来るだけ広い範囲（本実施形態では例えば０．３Ｖ〜４．７Ｖ）に渡って変化するように設定されている。
【００４４】
そして、マイコン３は、図２に示すように、高精度検出必要範囲内の空燃比を検出する場合には、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１の第２入力端子に供給する基準電圧Ｖｒを第１の電圧Ｖ１（＝３．３Ｖ）に設定し、高精度検出必要範囲外（Ａ／Ｆ＝１０〜１３，１８〜２３）の空燃比を検出する場合には、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを変更するようになっている。尚、マイコン３は、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏのＡ／Ｄ変換器５によるＡ／Ｄ変換値から、その差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲から外れそうになったことを検知すると、Ｄ／Ａ変換器５３へのデジタル値を変えて、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを変更する。
【００４５】
また、マイコン３は、高精度検出必要範囲内の空燃比を検出する場合には、前述した従来装置１０１と同じ検出ロジックで空燃比を検出する。つまり、マイコン３は、Ａ／Ｄ変換器５によるＡ／Ｄ変換値から、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏと、空燃比センサ１のプラス側端子ＡＦｐの実際の電圧（以下、プラス側端子電圧という）Ｖ１とを検出して、前述した式４における「（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｉ×Ｒ７）」の値を求め、その値（換言すれば、センサ電流Ｉの検出値）から、所定の計算式や予め記憶されたデータマップに基づき空燃比を検出する。
【００４６】
これに対して、高精度検出必要範囲以外（Ａ／Ｆ＝１０〜１３，１８〜２３）の空燃比を検出する場合、マイコン３は、Ａ／Ｄ変換器５によるＡ／Ｄ変換値から、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏと、空燃比センサ１のプラス側端子電圧Ｖ１とを検出すると共に、その両検出値Ｖｏ，Ｖ１と、自分がＤ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１に供給させている基準電圧Ｖｒの値とから、空燃比を検出する。
【００４７】
つまり、本実施形態の空燃比検出装置５１において、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏは、前述した式１と式２から、下記の式５のように表すことができる。
Ｖｏ＝Ｖｒ＋（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｖｒ−Ｖ１）＋（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｉ×Ｒ７）…式５
よって、ＶｏとＶ１との検出値（実測値）と、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１に供給している基準電圧Ｖｒとから、上記式５における「（Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｉ×Ｒ７）」の値を求め、その値から空燃比を検出すれば良い。
【００４８】
尚、Ｄ／Ａ変換器５３から出力する基準電圧Ｖｒを第１の電圧Ｖ１（＝３．３Ｖ）に設定した場合、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏは、前述した式４となるが、その式４のＶｏと式５のＶｏとの差（即ち、Ｖｒ＝Ｖ１にした場合のＶｏと、Ｖｒ≠Ｖ１にした場合のＶｏとの差）Ｄは、下記式６のようになる。
【００４９】
Ｄ＝（１＋Ｒ４２／Ｒ４１）×（Ｖｒ−Ｖ１）…式６
よって、例えば、Ｖｒ＝Ｖ１であると仮定した場合の差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏと空燃比との関係を示したデータマップから、Ｖｏの検出値に対応した空燃比を求める構成であれば、高精度検出必要範囲以外（Ａ／Ｆ＝１０〜１３，１８〜２３）の空燃比を検出する場合には、Ｖｏの検出値から上記式６の差Ｄを引いた値を、データマップに当てはめて空燃比を求めても良い。
【００５０】
また、Ｖｏの検出値から空燃比を求めるためのデータマップを、「（Ｖｒ−Ｖ１）」の値に応じて切り換えるようにしても良い。
以上のような本第１実施形態の空燃比検出装置５１によれば、Ａ／Ｄ変換器５として、高分解能の高価なＡ／Ｄ変換器を用いなくても、空燃比の広範囲検出と、特定の範囲（高精度検出必要範囲）での高精度検出とを、両立させることができる。つまり、差動増幅回路２１の増幅率が高精度検出必要範囲を狙った値に設定されているため、その高精度検出必要範囲での高精度検出が可能であり、また、高精度検出必要範囲以外の拡大された範囲については、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５の入力フルスケール（０．２Ｖ〜４．８Ｖ）に収まるように、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒが調整されるからである。
【００５１】
次に、第２実施形態の空燃比検出装置について、図３を用い説明する。尚、図３において、前述した図１及び図６と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
図３に示すように、本第２実施形態の空燃比検出装置５５は、図１に示した第１実施形態の空燃比検出装置５１と比較すると、下記の（１）〜（３）の点が異なっている。
【００５２】
（１）：Ｄ／Ａ変換器５３の電圧出力端子は、差動増幅回路２１の第２入力端子に直接接続されていない。
（２）：その代わりに、差動増幅回路２１の第２入力端子を空燃比センサ１のプラス側端子ＡＦｐとＤ／Ａ変換器５３の電圧出力端子との何れかに接続させる切替回路５７（切替手段に相当）が追加されている。
【００５３】
そして、この切替回路５７は、２つのアナログスイッチ５８，５９を有しており、マイコン３からの切替信号Ｓｃがローレベルならば、アナログスイッチ５８だけがオンして差動増幅回路２１の第２入力端子をＤ／Ａ変換器５３の電圧出力端子に接続させ、逆に、マイコン３からの切替信号Ｓｃがハイレベルならば、アナログスイッチ５９だけがオンして差動増幅回路２１の第２入力端子を空燃比センサ１のプラス側端子ＡＦｐに接続させる。
【００５４】
（３）：マイコン３は、高精度検出必要範囲（Ａ／Ｆ＝１３〜１８）内の空燃比を検出する場合には、切替回路５７により、差動増幅回路２１の第２入力端子を空燃比センサ１のプラス側端子ＡＦｐに接続させ、高精度検出必要範囲外の空燃比を検出する場合には、切替回路５７により、差動増幅回路２１の第２入力端子をＤ／Ａ変換器５３の電圧出力端子に接続させた上で、第１実施形態と同様に、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるように、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを変更する。
【００５５】
つまり、第２実施形態の空燃比検出装置５５では、高精度検出必要範囲内の空燃比を検出する場合に、電流検出抵抗７の両端が差動増幅回路２１の２つの入力端子に接続されるようにしている。
そして、このような空燃比検出装置５５によれば、高精度検出必要範囲内の空燃比を検出する場合に、Ｄ／Ａ変換器５３の電圧出力誤差による影響が排除されるため、空燃比をより正確に検出することができるようになる。
【００５６】
次に、第３実施形態の空燃比検出装置について、図４を用い説明する。尚、図４において、前述した図１及び図６と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
図４に示すように、本第３実施形態の空燃比検出装置６１は、図１に示した第１実施形態の空燃比検出装置５１と比較すると、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを可変にするための電圧可変手段として、Ｄ／Ａ変換器５３ではなく、マイコン３出力される２値振幅のオン／オフ信号（本実施形態では、ハイレベルが５Ｖであり、ローレベルが０Ｖである）を平滑化して差動増幅回路２１の第２入力端子に出力する積分回路６２を用いている点が異なっている。
【００５７】
尚、積分回路６２は、マイコン３における上記オン／オフ信号の出力端子と差動増幅回路２１の第２入力端子（抵抗４４のオペアンプ４３側とは反対側の端部）との間に直列に挿入された抵抗６３と、その抵抗６３の差動増幅回路２１側の端部に一端が接続され、他端が接地電位に接続されたコンデンサ６５と、から構成されている。
【００５８】
そして、本第３実施形態の空燃比検出装置６１において、マイコン３は、積分回路６２へ出力するオン／オフ信号のデューティ比により、その積分回路６２から差動増幅回路２１の第２入力端子に出力される基準電圧Ｖｒを、第１実施形態と同様に変更する。つまり、積分回路６２の出力電圧はマイコン３からのオン／オフ信号のデューティ比に応じて変化するからである。
【００５９】
このような空燃比検出装置６１によれば、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを非常に安価な構成で任意に変更することができ有利である。
次に、第４実施形態の空燃比検出装置について、図５を用い説明する。尚、図５において、前述した図１及び図６と同じ構成要素については、同一の符号を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００６０】
図５に示すように、本第４実施形態の空燃比検出装置６７は、図１に示した第１実施形態の空燃比検出装置５１と比較すると、下記の（Ａ）及び（Ｂ）の点が異なっている。
（Ａ）：電源電圧ＶＳ（＝５Ｖ）を分圧することにより所定のしきい値電圧Ｖｔｈを発生する２つの分圧抵抗７１，７３と、その分圧抵抗７１，７３の接続点に生じるしきい値電圧Ｖｔｈと差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏとを大小比較する比較器６９とが追加されている。そして、比較器６９は、Ｖｏ＜Ｖｔｈの場合には、マイコン３への出力信号をハイレベルにし、Ｖｏ≧Ｖｔｈになると、マイコン３への出力信号をハイレベルからローレベルに反転させる。
【００６１】
また、しきい値電圧Ｖｔｈは、Ａ／Ｄ変換可能範囲の上限値（＝４．８Ｖ）よりも若干低く、且つ、高精度検出必要範囲の空燃比を検出する場合における差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏの最大値（＝４．７Ｖ）と同じかそれよりも若干高い電圧（本実施形態では４．７５Ｖ）に設定されている。
【００６２】
（Ｂ）：マイコン３は、高精度検出必要範囲内の空燃比を検出している場合に、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏがしきい値電圧Ｖｔｈ以上になって比較器６９の出力信号がハイレベルからローレベルに反転すると、Ｄ／Ａ変換器５３から差動増幅回路２１の第２入力端子に供給する基準電圧Ｖｒを、第１の電圧Ｖ１（＝３．３Ｖ）から、それよりも低い所定電圧Ｖｂに変更して、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｄ変換器５のＡ／Ｄ変換可能範囲内に収まるようにし、その状態で、高精度検出必要範囲よりもリッチ側の空燃比を検出する。
【００６３】
また、マイコン３は、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを上記所定電圧Ｖｂにしている状態で、差動増幅回路２１の出力電圧ＶｏがＡ／Ｆ＝１３（高精度検出必要範囲の最リッチ値）に該当する値にまで低下したことを、Ａ／Ｄ変換器５によるＶｏのＡ／Ｄ変換値に基づき検知したならば、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを第１の電圧Ｖ１に戻して、高精度検出必要範囲内の空燃比を検出する状態に戻る。
【００６４】
このような第４実施形態の空燃比検出装置６７によれば、例えば、燃料噴射制御で空燃比を急激にリーンからリッチにするような制御が行われて、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏが急に大きくなったしたとしても、マイコン３は、そのことを比較器６９の出力によって速やかに検知することができ、延いては、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを速やかに変更して、該差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏを確実にＡ／Ｄ変換可能範囲内に納めることができる。
【００６５】
特に、差動増幅回路２１の出力電圧Ｖｏが急激に変化した場合に、基準電圧Ｖｒを変更すべきことをＡ／Ｄ変換器５によるＶｏのＡ／Ｄ変換値から判断していたのでは間に合わない（ＶｏがＡ／Ｄ変換可能範囲を超えてしまう）虞がある場合に有効である。
【００６６】
尚、この第４実施形態では、差動増幅回路２１への基準電圧Ｖｒを、高精度検出必要範囲の空燃比を検出するための第１の電圧Ｖ１から、その高精度検出必要範囲よりも１段階リッチ側の範囲の空燃比を検出するための所定電圧Ｖｂへと切り替えるタイミングを、マイコン３に知らせるために、１つの比較器６９を設けたが、基準電圧Ｖｒを速やかに切り替えるべきタイミングが複数存在するのであれば、その切り替えタイミング毎（換言すれば、Ｖｏと大小比較すべきしきい値毎）に比較器を設ければ良い。
【００６７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
例えば、電圧可変手段として積分回路６２を用いる図４の構成は、第２実施形態や第４実施形態の空燃比検出装置５５，６７に対しても、同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の空燃比検出装置の構成を表す回路図である。
【図２】第１実施形態の空燃比検出装置の作用を表す図である。
【図３】第２実施形態の空燃比検出装置の構成を表す回路図である。
【図４】第３実施形態の空燃比検出装置の構成を表す回路図である。
【図５】第４実施形態の空燃比検出装置の構成を表す回路図である。
【図６】従来の空燃比検出装置の構成を表す回路図である。
【図７】空燃比センサの電圧−電流特性の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１…空燃比センサ（酸素濃度センサ）、ＡＦｍ…マイナス側端子、ＡＦｐ…プラス側端子、３…マイコン、５…Ａ／Ｄ変換器、７…電流検出抵抗、９，１１…電圧印加回路、１３〜１９，２３，２９，３１，３３，３９，４１，４２，４４，４５，６３，７１，７３…抵抗、２１…差動増幅回路、２５，３５，４３…オペアンプ、２７，３７…ＮＰＮトランジスタ、５１，５５，６１，６７…空燃比検出装置、５３…Ｄ／Ａ変換器、５７…切替回路、５８，５９…アナログスイッチ、６２…積分回路、６５…コンデンサ、６９…比較器
【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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