(57)【要約】本発明は、測定セル電圧の検出により測定室内のガス濃度を測定する測定セルと、ポンプ電流を用いて気体をポンピングするポンプセルを包含する排ガスセンサ（１０ａ）を動作させる回路装置に関する。この回路装置は測定セル電圧を測定セル目標電圧と比較し、相応のアナログの偏差信号（Ｖｉｎ）を供給する比較回路およびポンプ電流を供給するポンプ電流源（１２ａ）を包含する。ポンプ電圧を確実に制限し、且つ僅かにしか妨害されない制限を実現するために本発明による回路装置はポンプ電圧を所定の閾値電圧（Ｖｒｅｆ１＋，Ｖｒｅｆ１−）と比較し、相応の２進のスイッチング信号（Ｌｉｍ＋，Ｌｉｍ−）を供給する第２の比較回路（７０ａ）を包含し、またポンプ電流源（１２ａ）と制御回路（１６ａ）との間にネガティブフィードバック経路を有し、このネガティブフィードバック経路は閾値（Ｖｒｅｆ１＋，Ｖｒｅｆ１−）を超えると切り替えられる。
2006500572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のための線形の排ガスセンサ（１０）を動作させる回路装置であって、
前記排ガスセンサ（１０）は、測定セル電圧（Ｖｓ）の検出により排ガスセンサの測定室内のガス濃度を測定するための測定セルと、ポンプ電流の印加により前記測定室から気体をポンピングする、または前記測定室に気体をポンピングするポンプセルとを有し、
前記回路装置は、
前記測定セル電圧（Ｖｓ）を所定の測定セル目標電圧（Ｖｒｅｆ）と比較し、該比較の結果に相応するアナログの偏差信号（Ｖｉｎ）を供給する比較回路（１４）と、
前記ポンプ電流を供給するポンプ電流源（１２）とを包含し、該ポンプ電流源（１２）は前記測定セル電圧（Ｖｓ）を前記測定セル目標電圧（Ｖｒｅｆ）に近似させるために前記偏差信号（Ｖｉｎ）を用いて制御回路（１６）を介して制御される形式の回路装置において、
該回路装置はさらに、
前記ポンプセルに印加される電圧を少なくとも１つの閾値電圧（Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−）と比較し、該比較の結果に相応する２進のスイッチング信号（Ｌｉｍ＋，Ｌｉｍ−）を供給する第２の比較回路（７０）と、
前記ポンプ電流源（１２）と該ポンプ電流源（１２）の制御回路との間の切り替え可能なネガティブフィードバック経路とを包含し、前記閾値（Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−）を超えた場合に該ネガティブフィードバック経路は切り替えられることを特徴とする、回路装置。
【請求項２】
前記第２の比較回路（７０）は前記ポンプセルに印加された電圧を所定の第１の閾値電圧（Ｖｒｅｆ＋）および所定の第２の閾値電圧（Ｖｒｅｆ−）と比較し、該比較の結果に相応する２進の２つのスイッチング信号（Ｌｉｍ＋，Ｌｉｍ−）を供給するよう構成されており、２つの前記閾値電圧（Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−）は前記ポンプセルにおける電圧に許容される電圧範囲を規定する、請求項１記載の回路装置。
【請求項３】
少なくとも１つの前記閾値電圧（Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−）は調節可能および／または切り替え可能に設定されている、請求項１または２記載の回路装置。
【請求項４】
前記第２の比較回路（７０）は各比較のために比較器（２２，２４）を有し、該比較器（２２，２４）の第１の入力側は前記ポンプ電流源（１２）の出力側と接続されており、該比較器（２２，２４）の第２の入力側には相応の閾値電圧（Ｖｒｅｆ＋，Ｖｒｅｆ−）が印加され、
前記比較器の出力側は相応の２進のスイッチング信号（Lim＋，Ｌｉｍ−）を供給し、且つスイッチング素子（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ）の制御端子と接続されており、該スイッチング素子（Ｓ１ａ，Ｓ１ｂ）は前記ネガティブフィードバック経路を形成するために前記ポンプ電流源（１２）の出力側を前記制御回路（１６）の入力側と接続する、請求項１，２または３記載の回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念による、内燃機関のための線形の排ガスセンサを動作させる回路装置に関する。
【０００２】
有害物質エミッションがますます低減され且つ燃料消費もますます少なくなっている自動車の近年における開発では、内燃機関のための比較的正確な混合気調整部が要求される。この目的のためにポンピングされる参照（測定セル）を備えたいわゆる線形の排ガスセンサを使用することが有利である。何故ならばそのようなセンサを用いることにより、内燃機関の動作状態に依存して大きく変化する排ガス内のガス濃度（殊に酸素部分圧）も比較的正確に測定することができるからである。
【０００３】
従来公知の酸素センサ（ラムダセンサ）では、測定室と周辺空気との間に第１の電極組が配置されており、この第１の電極組はガス濃度差によって惹起されるこの測定電極におけるネルンスト電圧を測定することによりこの測定室内の酸素濃度を測定するために使用される。測定室は測定電極装置と共にいわゆる測定セルを形成する。第２の電極組が測定室と排ガス流部との間に配置されており、相応の極性の電流が流れると酸素イオンが測定室からポンピングされるか、測定室にポンピングされる。このために測定室は拡散バリヤ（例えばジリコニウムセラミック）を介して排ガス流部と接続される。この拡散バリヤはポンプ電極と共にいわゆるポンプセルを形成する。
【０００４】
この公知のセンサの動作時には、拡散によって惹起される酸素流および測定室からおよび測定室へのポンプ電流によって惹起される酸素流との間の動的な平衡がポンプ電流を相応に調整することにより調節される。調整判定基準として測定電極を用いて求められた測定室内の酸素濃度が適している。この濃度は例えば、λ＝１の空気／燃料比に応じた値に、典型的には４５０ｍＶのネルンスト電圧（測定セル電圧）を用いて調整される。この場合ポンプセルを流れるポンプ電流は排ガス内の酸素濃度に対する尺度ないし（数値変換後には）関心のある空気／燃料比に対する尺度である。
【０００５】
このように線形ラムダセンサを動作させることができる回路装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願ＤＥ  １０１  ０１  ７５５  Ｃ１から公知である。
【０００６】
測定室内の所定のガス濃度ないし所定の測定セル目標電圧を達成するためにポンプ電流を調整する際には実際上以下の問題が生じる：センサは典型的には約５００℃〜８００℃の範囲にある所定の定格動作温度を有する。内燃機関の始動後にセンサを可能な限り急速にこのセンサの動作温度に到達させるために、またはセンサ温度を所期のように調節するために、この目的のために設けられている固有の加熱装置センサが配置されている。拡散バリヤ（ポンプセル）を形成するために典型的に使用されるセラミック材料の電気抵抗が温度に大きく依存するので、ポンプセルは加熱段階の間に非常に高抵抗になる。測定室内の所望のガス濃度を達成するためにポンプ電流を調整する際、すなわち測定セル電圧を所定の測定セル目標電圧（例えば４５０ｍＶ）に近づける際には、相応に大きいポンプ電流を形成するためにポンプ電流源からポンプセルに印加されるポンプ電圧は比較的高くなる。ポンプセルに使用されるセラミック材料に依存して、典型的には約１．８Ｖ〜２．５Ｖのポンプ電流を上回ると先ずセンサ機能が妨害され、最終的にはセンサの不可逆性の損傷、しかも殊にポンプセルに使用される固体電解質の材料にいわゆる「黒化」または亀裂形成が生じることによる不可逆性の損傷が生じる結果となる。
【０００７】
従来技術においてはこの問題の解決するための２つのアプローチが存在する。
【０００８】
第１の解決アプローチでは、ポンプ電流源が最初からセンサの損傷を阻止する出力電圧範囲（例えば＋／−２．４Ｖ）を有するように設計されることによってポンプセル電圧が恒久的に制限される。しかしながらこの解決手段では制限（制御範囲）を変更することは非常に困難である。回路が集積されている場合には、このことは実質的に供給電圧を変更することによってしか達成することができず、このことは他の回路部にとって不利となる可能性がある。例えば演算増幅器を用いるポンプ電流源の構造に依存して、制限の値はさらに不正確になる可能性があり、ポンプ電流に依存する可能性がある。演算増幅器を使用する場合には、制限の値は搭載されている出力トランジスタの飽和電圧に依存する。さらにこの場合トランジスタの回復時間は、制限状態から離れる際の不所望な遷移経過に繋がる可能性がある。
【０００９】
第２の解決アプローチでは、ポンプセル電圧がポンプセルに並列に接続されているダイオードを用いて制限される。ダイオードの特性曲線は温度に依存するので、そのような回路は著しい温度依存性を有し、したがって制限はやはり比較的不正確になる。さらに次のような状況では深刻な欠点が生じる：ダイオードの特性曲線に依存して通常動作（制限なし）から制限された動作への多かれ少なかれ滑らかな移行が生じる。すなわちポンプ電圧が高くなるにつれポンプセルにおける制限ダイオードを流れる電流が徐々に減少する。制限事例おいてはポンプ電流源から供給されるポンプセルを流れる電流の一部およびこの電流の別の部分が制限ダイオードを流れるので、ポンプ電流源から供給され、評価回路によって測定される電流はもはやポンプセルを流れるこの電流に対する尺度ではなくなり、その結果測定は劣化する。
【００１０】
したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような線形の排ガスセンサにおいてポンプ電圧を所定の範囲で確実に制限し、該当する制限措置によって測定動作を可能な限り僅かにしか妨害しないことである。
【００１１】
この課題は請求項１に記載されている特徴を有する回路装置によって解決される。従属請求項は本発明の有利な実施形態に関する。
【００１２】
本発明の回路装置においては、ポンプセルに印加される電圧と少なくとも１つの所定の閾値電圧とを比較して、比較結果に相応する２進のスイッチング信号を供給する比較回路が設けられている。この措置によって制限値をフレキシブルに非常に正確に設定することができる。すなわち制限値をポンプ電圧と比較される所定の閾値電圧によって設定することができる。この比較の結果として供給される２進のスイッチング信号はディジタルで簡単に評価可能な制御信号を表し、この制御信号を例えば内燃機関の電子的な機関制御部によって制限事例を検出するために有利にはさらに使用することができる。さらに本発明によればポンプ電流源の出力側とポンプ電流源の制御回路との間に切り替え可能なネガティブフィードバック経路が設けられており、このネガティブフィードバック経路は閾値電圧を上回った場合（制限事例）に接続され、したがってポンプ電圧の調整された制限が実現される。
【００１３】
有利にはポンプ電圧を所定のセンサに適合させるために簡単なやり方で特定の値に制限することができる。すなわち電圧制限を個別に精確に調整することができる。さらに、電圧制限によってポンプセルに流れるポンプ電流の測定は劣化せず、制限は回路装置の通常動作に作用しない。さらに本発明による回路装置は不安定性またはオーバーシュートが生じることなく制限を制御してオンおよびオフすることができ、２進のスイッチング信号でもって機関制御部に簡単なやり方で電圧制限の動作を示すことができる。制限が比較的長く継続する場合にはセンサを保護するための措置、例えばセンサが機関制御部を用いて遮断されるなどの措置を講じることができる。最後に本発明による装置は、ポンプ電流源自体の出力電圧を制限するという欠点を回避し、また集積に適した簡単な構造を有する。
【００１４】
センサを動作させる所定の許容電圧範囲内にポンプ電圧を制限することを保証するために、本発明の実施形態によれば第２の比較回路は、ポンプセルに印加された電圧を所定の第１の閾値電圧および所定の第２の閾値電圧と比較し、比較結果に相応する２つの２進のスイッチング信号を供給するために構成されており、この際２つの閾値電圧はポンプセルにおける電圧について許容される電圧範囲を規定する。第１および第２の閾値電圧は例えば、ポンプ電流源の動作時にその出力側に異なる極性を期待できる場合には、正の閾値電圧および負の閾値電圧でよい。有利にはこの正の電圧制限および負の電圧制限を別個に、殊にその値が相互に異なるように予め決定することができる。
【００１５】
閾値電圧のうちの少なくとも１つは、例えば回路装置を異なるセンサに別個に適合させるために調節可能および／または切り替え可能に設定することができる。
【００１６】
本発明の別の実施形態においては、第２の比較回路が各比較のために比較器を有し、この比較器の第１の入力側がポンプ電流源の出力側と接続されており、比較器の第２の入力側には相応の閾値電圧が印加され、比較器の出力側は相応の２進のスイッチング信号を供給し、スイッチング素子（例えばスッチングトランジスタ）の制御端子と接続されており、このスイッチング素子はネガティブフィードバック経路を形成するためにポンプ電流源の出力側を制御回路の入力側と接続する。この構成は集積に殊に適したやり方で所望の制限機能を実現する。制御回路の前述の入力側には抵抗を介して回路装置の基準電位を印加することができ、その結果この入力側ないしこの入力側において生じる電位は通常動作（ネガティブフィードバックの接続なし）においても制限動作においてもポンプ電流源を制御するために使用される。
【００１７】
本発明を以下では添付の図面を参照する実施例に基づきさらに説明する。ここで、
図１は従来技術による回路装置のブロック図をこの回路装置と共に動作する線形ラムダセンサと一緒にしたものであり、
図２は図１に示したラムダセンサの測定セルの内部抵抗の慣例の等価回路図であり、
図３はこの内部抵抗の温度依存性のグラフ図であり、
図４は線形の排ガスセンサを動作させるための回路装置の構成要素のうち本発明にとって重要である構成要素を示したブロック回路図であり、
図５は図４の詳細、すなわち変更された実施形態の閾値電圧源を示し、
図６は図４の回路装置の信号経過を通常動作時にシミュレートしたもの（図６ａ）ならびにポンプ電圧制限がアクティブである動作時にシミュレートしたもの（図６ｂ）を示し、
図７は本発明による回路装置の別の実施形態の重要な構成要素を示したブロック回路図であり、
図８はポンプ電圧制限がアクティブである場合において図６ａに相応してシミュレートした信号経過を示すが、ここでは図７に示した回路装置に関しての信号経過である。
【００１８】
図１は上側の部分に全体を１０で表した、内燃機関の排ガス内の酸素濃度ないし空気数λを測定するための従来のセンサを示す。
【００１９】
センサ１０は、回路図においてネルンスト電圧Ｖｓおよび測定セルの内部抵抗Ｒｉｓによって象徴化されている測定セルと、回路図において分極電圧Ｖｐおよびポンプセルの内部抵抗Ｒｉｐによって象徴化されているポンプセルとを包含する。センサ端子３および４は、この端子３および４の間に生じる測定電圧Ｖｓの検出によりセンサ１０の測定室内の酸素濃度を測定するためのセンサ１０の測定電極組を形成する。図面に示した電圧の値および構成要素の値は単に一例とみなすべきである。
【００２０】
センサ１０の動作時には測定室内の酸素濃度が測定セル電圧の所定の値（測定セル目標電圧）に応じて、ポンプ電圧したがってポンプ電流を形成するポンプ電流源１２を相応に制御することによって所定の値に調整される。このポンプ電流は端子１ないし２および端子３を介してポンプセルを流れ、また酸素イオンの測定室への移動または測定室からの移動（ポンピング）を惹起する。ポンプ電流はセンサ１０に配置されている較正抵抗Ｒｉｃおよび外部測定抵抗Ｒｃの並列回路を介して流れる。
【００２１】
センサの端子４は作動増幅器１４の非反転入力側と接続されており、この作動増幅器１４の反転入力側には、この反転入力側とセンサ端子３との間に配置されている電圧源から測定セル目標電圧Ｖｒｅｆが印加される。したがってこの作動増幅器１４は測定セル電圧（ネルンスト電圧）Ｖｓを測定セル目標電圧Ｖｒｅｆと比較し、出力側においてアナログの偏差信号Ｖｉｎを形成する。この偏差信号ＶｉｎはＰＩＤコントローラ１６の反転入力側に入力され、このＰＩＤコントローラ１６の非反転入力側にはこの入力側と回路装置の測定端子との間に配置されている電圧源によって中間電圧Ｖｍが印加される。これによってＰＩＤコントローラ１６の出力側においては、偏差信号Ｖｉｎから後続のポンプ電流源１２のための制御信号が形成される。このためにＰＩＤコントローラ１６の出力側はセンサ端子１を介してセンサ１０の較正抵抗Ｒｉｃならびに外部測定抵抗Ｒｃの一方の端子と接続されており、この外部測定抵抗Ｒｃの他方の端子はセンサ端子２および演算増幅器として構成されているポンプ電流源１２の反転入力側と接続されている。ポンプ電流源１２の非反転入力側はＰＩＤコントローラ１６の非反転入力側と接続されており、したがって同様にアースに対する中間電圧Ｖｍが印加される。したがってＰＩＤコントローラ１６はポンプ電流源１２のための制御回路を形成するので、センサ１０の動作時には測定セル電圧（Ｖｓ）が測定セル目標電圧（Ｖｒｅｆ）に調整されて近似される。
【００２２】
図１の下の部分において３０で表されたブロックはポンプ電流に対する調整部を形成する。このポンプ電流は測定セル電圧Ｖｓの測定に基づきポンプ電流源１２によって調整されて形成される。
【００２３】
評価増幅器１８は、ＲｉｃおよびＲｃからなる並列回路を流れる、排ガス流の酸素濃度ないし空気数に対する尺度としてのポンプ電流を測定するために設けられている。このポンプ電流の測定は、反転入力側と非反転入力側とでもって形成されているこの評価増幅器１８の入力側がこの抵抗に並列に接続されていることによって、抵抗装置Ｒｉｃ、Ｒｃにおける電圧降下を測定することにより行われる。増幅器１８の出力側において供給される信号Ｉｐｏｕｔが、混合気処理のための図示していない電子的な機関制御部（例えばマイクロコントローラ）によって評価されて使用される。反転演算増幅器としてのポンプ電流源１２の構造によって、抵抗Ｒｉｃ、Ｒｃを流れる電流がポンプ電流としてもセンサ１０のポンプセルに流れることが容易になり、この際演算増幅器１２はポンプセルを介して実現されるフィードバックに基づき、入力電圧差が近似的に０であるように出力電圧を調整する。評価増幅器１８は抵抗ＲｉｃおよびＲｃの並列回路におけるポンプ電流によって形成される電圧降下を検知し、この電圧降下を増幅し、最終的に出力側においてポンプ電流の尺度を電圧の形で供給する。この電圧は機関制御部のＡ／Ｄ変換器にさらなる処理のために供給される。
【００２４】
図１の右側において５０で表されているブロックは、センサ１０の測定セルの内部抵抗Ｒｉｓを測定するためのそれ自体公知の回路を表す。この内部抵抗Ｒｉｓは実質的にセンサ１０の温度の影響を受け、またセンサ温度の知識を種々の目的に利用することができるので、この回路は間接的にセンサ温度の測定を実現する。発振器Ｏｓｚを用いて交流電流信号が形成され、この交流電流信号は抵抗Ｒｖおよび減結合コンデンサＣｖを介してセンサ１０に印加され、ここでは発振器信号の周波数はセンサの有効信号の周波数とは大きく異なる。印加された信号に応じて、センサ１０の内部抵抗Ｒｉｓに依存して交流信号が得られる。この交流信号の振幅は抵抗Ｒｉｓしたがってセンサ温度を表す。この振幅の程度は増幅器５２による交流電信号の増幅および整流器５４による後続の整流によって得られ、したがってセンサ温度を表す信号Ｒｉｓｏｕｔが機関制御部に供給される。
【００２５】
図２はセンサ１０の内部抵抗（インピーダンス）Ｒｉｓに関する慣例の等価回路図を示す。ここでＲ１およびＣ１は電極とセラミックス材料との間の遷移インピーダンスを表し、Ｒ２およびＣ２はセラミックス焼結グレインの粒界間の遷移インピーダンスを表し、Ｒ３は焼結セラミックスの固有抵抗を表す。
【００２６】
図３は温度に非常に依存する内部抵抗Ｒｉｓを半対数表示している。このグラフからは、抵抗が実際に関連する温度範囲にわたって多くのオーダにわたり変化することが見て取れる。質的に等しい特性がセンサ１０のポンプセルの内部抵抗Ｒｉｐに対して生じる。
【００２７】
図１に示した回路の動作時には以下の問題が生じる。センサ端子２とセンサ端子３との間のポンプセル電圧は分極電圧Ｖｐ（例えば−３５０ｍＶ〜＋４５０ｍＶ）およびポンプ電流とポンプセル抵抗Ｒｉｐとの積に依存する。センサは動作する準備ができている場合、すなわちセンサ１０の動作温度が例えば７５０℃に達すると、内部抵抗Ｒｉｐは例えば約１００オームであり、その結果６ｍＡの典型的なポンプ電流ではポンプセル電圧が約１Ｖになり、これは典型的には黒化によるセンサ１０の損傷が始まるポンプセル電圧以下である。
【００２８】
しかしながら、内燃機関を始動後に可能な限り迅速に調節して動作できるようにするために、したがってエミッションを低減するために、センサ１０が確実に通常の動作温度に達するまで可能な限り待たずに、センサ１０をより早期に始動させることが試みられる。センサの加熱段階の間に、ポンプ電流を形成するために上述の制御ループが閉じられる場合には、作動増幅器１４はＰＩＤコントローラ１６を比較的大きいポンプ電流設定（Ｒｃ、Ｒｉｃにおける電圧）に移行させる調整偏差Ｖｉｎを形成する。この場合ポンプ電流源１２は、必要なポンプ電流が流れるまでポンプセルにおける電圧が高められることによってこの設定に対応することを試みる。センサ温度が４００℃である場合（例えば３．５キロオームの内部抵抗Ｒｉｐに相応）には、典型的な最大許容ポンプセル電圧を上回るために１ｍＡよりも小さいポンプ電流設定に既に達している。センサ１０を永続的に妨害するこの状況を回避するためには適切な措置が講じられなければならない。本発明により行われる措置によってポンプ電圧は確実に制限される。以下ではこの措置を図４から図８を参照する実施例に基づき説明する。
【００２９】
実施例の以下の説明では同様の構成要素ないしブロックには同一の参照番号が使用され、それぞれ実施形態を区別するために小さい文字によって補完されている。実質的には既に説明した１つまたは複数の実施例との相違に対応し、これによってその他の点では明示的に前述の実施例の説明が示唆される。
【００３０】
図４は線形ラムダセンサ１０ａを動作させるための本発明による回路装置を示し、ここでは前述の回路構成要素のうち、本発明の思想を理解するためには重要でない構成要素は示していない。それらの構成要素の機能に関しては、図１に示した回路についての説明に示されている。
【００３１】
図４による回路は以下のように構成されている：上記において既に言及したアナログの偏差信号Ｖｉｎを供給する信号源は一方ではアースと接続されており、他方では抵抗Ｒ１の一方の端子と接続されている。抵抗Ｒ１の他方の端子はさらに抵抗Ｒ４の第１の端子およびコンデンサＣ１の第１の端子ならびにＰＩＤコントローラ１６ａの反転入力側に案内されている。ＰＩＤコントローラ１６ａの非反転入力側はスイッチング素子Ｓ１ａおよびＳ１ｂ（例えばスイッチングトランジスタ）の第１のスイッチングコンタクトと接続されており、また抵抗Ｒ３を介してアースと接続されている。ＰＩＤコントローラ１６ａの出力側はＲ４の第２の端子およびＣ１の第２の端子と接続されており、また較正抵抗Ｒｃおよびセンサ端子２ａを介してセンサ１０ａのポンプセルの内部抵抗Ｒｉｐと、ポンプ電流源を形成する増幅器１２ａの反転入力側と接続されている。増幅器１２ａの非反転入力側はアースと接続されている。増幅器１２ａの出力側はポンプセル内部抵抗Ｒｉｐの他方の端子（センサ端子３ａ）、第１の比較器２２ａの反転入力側、第２の比較器２４ａの非反転入力側およびスイッチＳ１ａおよびＳ１ｂの第２のスイッチングコンタクトに案内されている。比較器２２ａの出力側はスイッチＳ１ａの制御入力側と接続されており、これに対して比較器２４ａの出力側はスイッチＳ１ｂの制御入力側と接続されている。比較器２２ａの非反転入力側は第１の閾値電圧源Ｖｒｅｆ１＋の正極と接続されており、この第１の閾値電圧源Ｖｒｅｆ１＋の負極は一方ではアースと接続されており、他方ではさらに第２の閾値電圧源Ｖｒｅｆ１−の正極と接続されており、この第２の閾値電圧源Ｖｒｅｆ１−の負極は比較器２４ｂの反転入力側と接続されている。
【００３２】
回路は以下説明するように動作する。図４の上部に示されている構成要素ＰＩＤ１６ａ、Ｒ１、Ｒ４、Ｃ１、またＲｃおよびＲｉｐを備えたポンプ電流源１２ａは制御偏差信号Ｖｉｎに基づきポンプ電流を調整する。図１に示した典型的な回路装置に相応する。図４に示した、この信号Ｖｉｎを供給する信号源は図１に示した作動増幅器１４の出力側に相応する。
【００３３】
図４に示した回路の特徴、すなわち２つの比較回路７０ａが回路図の下側から見て取れる。ポンプ電流源１２ａの出力側における電圧（ポンプ電圧）は２つの比較器２２ａ、２４ａを用いて正の基準電圧Ｖｒｅｆ１＋および負の基準電圧Ｖｒｅｆ１−と比較される。これらの２つの基準電圧は過度に高い電圧からポンプセルを保護するために、ポンプ電圧についての許容電圧範囲を規定する。
【００３４】
ポンプ電圧が正の基準電圧と負の基準電圧との間にある場合には、比較器２２ａおよび２４ａの出力側はそれぞれ負のレベル（論理レベル）を有する信号を供給し、この負のレベルは指示信号Ｌｉｍ＋ないしＬｉｍ−として、図示していない機関制御部に供給される。
【００３５】
しかしながらポンプ電流源１２ａのポンプ電圧が正の基準電圧Ｖｒｅｆ１＋を上回る場合には、比較器２２ａから出力される信号は高いレベルに切り替わり、このことは機関制御部に信号Ｌｉｍ＋を介して指示される。さらに信号Ｌｉｍ＋の高いレベルによってスイッチング素子Ｓ１ａが閉じられ、したがってポンプ電流源１２ａの出力側とＰＩＤコントローラ１６ａの非反転入力側との間の接続が生じる。他方では、ポンプ電圧が負の基準電圧Ｖｒｅｆ１−を下回る場合には、比較器２４ａから出力される信号は高いレベルに切り替わり、スイッチング素子Ｓ１ｂが閉じられる。この場合もやはり信号Ｌｉｍ−を介して機関制御部に通知され、またスイッチング素子Ｓ１ｂを用いてポンプ電流源１２ａの出力側とＰＩＤコントローラ１６ａとの間の接続が形成される。
【００３６】
回路装置の通常動作時、すなわちポンプ電圧が閾値電圧として機能する基準電圧Ｖｒｅｆ１＋とＶｒｅｆ−との間のある場合、ＰＩＤ増幅器１６ａの非反転入力側には抵抗Ｒ３を介して所定の電位（ここではアース電位）が印加される。これに対して閾値電圧のいずれかを超えた場合には、相応のスイッチング素子Ｓ１が閉じられることによりネガティブフィードバック経路が形成され、このネガティブフィードバック経路はＰＩＤ増幅器１６ａの非反転入力側に、ポンプ電圧形成に関して、設定電圧Ｖｉｎに反対する電圧を印加し、その結果Ｒ１を介してＰＩＤ増幅器１６ａの反転入力側に作用する電圧と、ネガティブフィードバック経路を介してＰＩＤ増幅器１６ａの非反転入力側に作用する電圧との間の安定した平衡は、ポンプ電圧が閾値電圧の値を実際に超えないように調整される。要約すればポンプ電流源１２ａの出力電圧は調整されて所定の電圧範囲（Ｖｒｅｆ１＋、Ｖｒｅｆ１−）に制限される。
【００３７】
図６ａおよび図６ｂには図４による回路に関してシミュレートされた信号経過に基づいたこの状況が示されており、ここで図６は通常動作時（制限無し）の信号を示し、図６ｂは制限時における同一の信号を示す。制限時をシミュレーションするために、単にポンプセルの１００オームの内部抵抗を１キロオームに高めて、設定信号Ｖｉｎは変更しなかった。
【００３８】
図６ａおよび６ｂにおいて、
ａ：偏差信号Ｖｉｎ
ｂ：ＰＩＤ増幅器１６ａの出力側における信号
ｃ：ポンプ電流源１２ａの出力側における信号
ｄ：ＰＩＤ増幅器１６ａの非反転入力側における信号。
【００３９】
図６ａからは、ここでは三角信号として設けられている偏差信号Ｖｉｎに基づき、ＰＩＤコントローラ１６ａの積分特性によりこの信号は正弦波信号に変換され、この正弦波信号はさらに反転されている。ポンプ電圧（曲線ｃ）は常に依然として境界閾値によって規定される許容範囲内に常にある。ＰＩＤ増幅器１６ａの非反転入力側における非常に僅かな電圧はスイッチング素子Ｓ１ａ、Ｓ１ｂの有限の抵抗によって生じるものであって、実質的に重要なものではない。
【００４０】
図６ｂによる制限事例に関しては、ＰＩＤ増幅器１６ａの出力信号（曲線ｂ）が大きく制限されていることが見て取れる。したがってポンプ電流源１２ａの出力信号（曲線ｃ）は相応の期間は正確に制限閾値にある。制限閾値に達するまでＰＩＤ増幅器１６の非反転入力側における信号（曲線ｄ）の値は０Ｖである。制限閾値に達すると、この信号は制限閾値が再び下回るまでＶｉｎの経過に従う。次いで信号は再び０Ｖに降下する。
【００４１】
図５は図４による回路装置の閾値電圧の供給の領域における変更を示す。この変更でもって、正の基準電圧を負の基準電圧も切り替え可能に設定することができる。このためにそれぞれ２つの正の基準電圧Ｖｒｅｆ１＋、Ｖｒｅｆ２＋および２つの負の基準電圧Ｖｒｅｆ１−、Ｖｒｅｆ２−が設けられており、相応の制御信号Ｓｅｌ＋、Ｓｅｌ−によって切り替えスイッチＳ２ないしＳ３を用いることにより切り替えを行うことができる。
【００４２】
図７は本発明による回路装置の別の実施形態を示し、図１に示した公知の回路装置の適用事例に適合されている。
【００４３】
図７に示されている全体の回路に単一の電圧源から正の供給電位Ｖｃｃ（５Ｖ）が供給される場合には、ＰＩＤ増幅器１６ｂの非反転入力側およびポンプ電流源１２ｂの非反転入力側はこれから導出される基準電位Ｖｒｅｆ（２．２５Ｖ）を参照している。これに応じて第２の比較回路７０ｂの閾値電圧もシフトされている。すなわち、正の基準電圧は２．２５Ｖ＋２Ｖ＝４．２５Ｖになり、負の基準電圧は２．２５Ｖ−２Ｖ＝０．２５Ｖになる。図４に示した実施形態のように、ここでもまたただ１つの参照電圧組が許容ポンプ電圧範囲を規定するために設けられている。
【００４４】
シミュレートされた信号経過（図６ｂに類似する）は、この回路に関しても制限事例において求められており、図８に示されている。
【００４５】
要約すれば本発明によってポンプ電圧は、所定の閾値を上回ると制限すべき電圧信号（ポンプ電圧）が因果的な制御量（Ｖｉｎ）に反対し、ないしその影響が制限のために低減することによって制限される。図面に示した実施例においてはこの電圧制限は比較器を用いて実現され、この比較器には一方ではポンプ電流源の出力側における電圧、他方では基準電圧が印加され、この電圧を上回った際には後続のスイッチング素子がネガティブフィードバック経路を形成するためにアクティブにされる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来技術による回路装置のブロック図
【図２】測定セルの内部抵抗の慣例の等価回路図
【図３】内部抵抗の温度依存性のグラフ図
【図４】線形の排ガスセンサを動作させるための回路装置
【図５】変更された実施形態の閾値電圧源
【図６Ａ】通常動作時にシミュレートした信号経過
【図６Ｂ】ポンプ電圧制限がアクティブである動作時にシミュレートした信号経過
【図７】本発明による回路装置の別の実施形態
【図８】ポンプ電圧制限がアクティブである場合においてシミュレートした信号経過
【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７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年8月30日(2004.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
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【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ａ】
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【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ｂ】
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【国際調査報告】
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