JP3680445B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧印加時に被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流信号を出力する酸素センサを用いた酸素濃度検出装置に係り、この酸素濃度検出装置は、例えば車両用エンジンの空燃比フィードバック制御を実施するために用いられる空燃比検出装置として適用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年の車載用エンジンの空燃比制御においては、例えば制御精度を高めるといった要望やリーンバーン化への要望があり、これらの要望に対応すべく、エンジンに吸入される混合気の空燃比（排気ガス中の酸素濃度）を広域に且つリニアに検出するリニア式空燃比センサ（酸素センサ）、及び同センサを用いた空燃比検出装置（酸素濃度検出装置）が具体化されている。このような空燃比センサとして例えば限界電流式空燃比センサでは、周知のようにその限界電流の検出域が空燃比（酸素濃度）に応じてシフトする。つまり、図２１のＶ−Ｉ特性図に示すように、限界電流検出域はＶ軸に平行な直線部分からなり、その領域は空燃比がリーン側に移行するほど正電圧側にシフトし、空燃比がリッチ側に移行するほど負電圧側にシフトする。そのため、空燃比の変化時に印加電圧が一定値に固定されていると、上記限界電流検出域（Ｖ軸に平行な直線部分）を用いた正確な空燃比検出を行うことができない。
【０００３】
そこで、従来一般の空燃比検出装置（酸素濃度検出装置）では、その時々の空燃比、即ちセンサ電流に応じてセンサの印加電圧を可変に制御するようにしていた（例えば、特開昭６１−２３７０４７号公報、特開昭６１−２８０５６０号公報等）。かかる場合、図２１中の特性線Ｌｘに基づいて印加電圧を制御し、こうして印加電圧を制御することにより、常に所望のセンサ電流（限界電流）が得られるものとしていた。因みに、上記特性線Ｌｘは、Ｖ−Ｉ座標上、正特性（右上がりの特性）の一次直線として与えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来技術では、以下に示す問題を招く。つまり、通常の空燃比検出装置では、空燃比検出範囲が予め所定域に設定されており（図２１では、Ａ／Ｆ＝１２〜１８）、その検出範囲内では、前記した特性線Ｌｘを用いて印加電圧を設定することにより空燃比を好適に検出することができる。しかし、前記空燃比検出範囲外では、正側若しくは負側の大電圧が印加されることとなり、それに伴いセンサ電流が過剰に流れるという問題が生じる。かかる場合において、空燃比センサに電圧を印加するためのバイアス制御回路に大電流が流れ、当該回路が発熱する等の問題をも招来する。
【０００５】
具体的には、例えばエンジン運転中に同エンジンへの燃料供給が停止された場合（燃料カット時）、空燃比はリーン側に大きく移行する。そのとき、前記特性線Ｌｘを用いて設定された電圧値をセンサに印加すると、その電圧印加に伴うセンサ電流は過大なものとなる。また、車両の急加速時等、燃料噴射量の高負荷増量時にも空燃比がリッチ側に大きく移行することにより、同様にセンサ電流が過大なものとなるという不都合を生じる。
【０００６】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、酸素濃度検出範囲外においてセンサ電流を適正に抑制し、上記従来の諸問題を解消することができる酸素濃度検出装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、予め設定された酸素濃度検出範囲内では、電圧−電流座標上で所定の正特性によりセンサ電流に応じて印加電圧を制御し、酸素濃度検出範囲外では、前記正特性とは異なる特性により印加電圧を制御する。ここで、酸素センサを空燃比センサ（限界電流式空燃比センサ）として用い、酸素濃度検出範囲を空燃比検出範囲として設定する場合には、例えば図７に示すように空燃比（Ａ／Ｆ）＝１２〜１８が空燃比検出範囲（酸素濃度検出範囲）に相当し、「Ａ／Ｆ＜１２」若しくは「Ａ／Ｆ＞１８」の領域が空燃比検出範囲外の領域（酸素濃度検出範囲外の領域）に相当する。そして特に、本発明の酸素センサ（例えば、限界電流式空燃比センサ）は、その電圧−電流特性が酸素濃度検出範囲内で正特性を有する。ここで、前記正特性とは、電圧及び電流のうち一方が増加すると他方も増加する特性を意味する。この場合、酸素濃度検出範囲外で前記正特性とは異なる特性にて印加電圧を制御することにより、酸素濃度検出範囲外においてセンサ電流を適正に抑制し、正確な電流検出を行うことが可能となる。併せて、酸素センサに電圧を印加するためのバイアス制御回路の発熱量を大幅に低減することができる。
【００１０】
なお、酸素濃度検出範囲内の正特性と異なる特性とは、
・電圧及び電流のうち一方が増加すると他方が減少する負特性である。
【００１１】
上記請求項１にかかる発明の具体的な手段として、望ましくは次の請求項２〜請求項４の如く構成するとよい。
・請求項２に記載の発明では、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の上限値側にある場合には、前記酸素センサの起電力の最小値に近づくよう印加電圧を徐々に変化させ、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の下限値側にある場合には、前記酸素センサの起電力の最大値に近づくよう印加電圧を徐々に変化させる。
・請求項３に記載の発明では、前記酸素濃度検出範囲を所定幅だけ拡張したセンサ電流検出範囲を有し、酸素濃度検出範囲外で且つセンサ電流検出範囲内の領域にセンサ電流が制限されるように前記酸素センサの印加電圧特性を設定している。なお、センサ電流検出範囲とは、回路設計上の電流検出の余裕値として、酸素濃度検出範囲の上限及び下限を約２０％程度拡張して設けられている（図７参照）。
・請求項４に記載の発明では、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の上限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の上限値に相当する所定の印加電圧値と、前記センサ電流検出範囲の上限値での前記酸素センサの最小起電力点とを結ぶ印加電圧特性を用いて印加電圧を制御し、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の下限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の下限値に相当する所定の印加電圧値と、前記センサ電流検出範囲の下限値での前記酸素センサの最大起電力点とを結ぶ印加電圧特性を用いて印加電圧を制御する。
【００１２】
上記請求項２〜請求項４について、図７のＶ−Ｉ特性図を用いて説明すれば、酸素濃度検出範囲外の上限値側とは、図７の空燃比検出範囲よりもリーン側に相当し、この領域では、酸素センサ（空燃比センサ）の起電力の最小値（０ボルト）に近づくよう、センサ電流に応じて印加電圧が制御される。このとき、印加電圧は、特性線Ｌ３により設定されるようになっており、この特性線Ｌ３は、空燃比検出範囲の上限値である点ｃ（酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の上限値に相当する所定の印加電圧値）と、センサ電流検出範囲の上限値である点ｄ（センサ電流検出範囲の上限値での酸素センサの最小起電力点）とを結ぶ直線により与えられている。
【００１３】
また、酸素濃度検出範囲外の下限値側とは、図７の空燃比検出範囲よりもリッチ側に相当し、この領域では、酸素センサ（空燃比センサ）の起電力の最大値（０．９ボルト）に近づくよう、センサ電流に応じて印加電圧が制御される。このとき、印加電圧は、特性線Ｌ１により設定されるようになっており、この特性線Ｌ１は、空燃比検出範囲の下限値である点ａ（酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の下限値に相当する所定の印加電圧値）と、センサ電流検出範囲の下限値である点ｂ（センサ電流検出範囲の下限値での酸素センサの最大起電力点）とを結ぶ直線により与えられている。
【００１４】
以上の構成によれば、図７に示すように酸素センサの素子抵抗がＲｉの時、センサ電流制限範囲は点ｅと点ｆとで規定されることになり、このセンサ電流制限範囲を超えるようなセンサ電流が流れることはない。
また、上記請求項１〜４に記載の発明は、請求項５に記載の発明のように、前記酸素濃度検出範囲を所定幅だけ拡張したセンサ電流検出範囲を有し、酸素濃度検出範囲外では、電圧−電流座標上で所定の負特性によりセンサ電流に応じて印加電圧を制御し、前記センサ電流検出範囲外では、印加電圧を固定値としてもよい。
【００１５】
さらに、請求項６に記載の発明では、センサ電流が予め設定された酸素濃度検出範囲の限界値に相当する電流値を超えると、センサ電流を所定の目標値になるようフィードバック制御する。そして、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の上限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の上限値に相当する所定の印加電圧値よりも小さい値に前記酸素センサへの印加電圧を固定するとともに、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の下限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の下限値に相当する所定の印加電圧値よりも大きい値に前記酸素センサへの印加電圧を固定する。
具体的には、図１４中の「Ｖ３」が酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の上限値に相当する印加電圧値であり、「Ｖ４」が酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の下限値に相当する印加電圧値である。
かかる場合、センサ電流が目標値に制御されることにより、当該センサ電流が不用意に上昇したり下降したりすることはない。従って、酸素濃度検出範囲外において好適にセンサ電流を抑制し、正確な電流検出が実施できることとなる。
【００１６】
上記請求項６にかかる発明の具体的な手段として、請求項７に記載の発明では、前記酸素濃度検出範囲を所定幅だけ拡張したセンサ電流検出範囲を有し、前記センサ電流の目標値が酸素濃度検出範囲外で且つセンサ電流検出範囲内の領域に設定されている。この場合、センサ電流を確実にセンサ電流検出範囲内に制限することができる。
【００１８】
すなわち、酸素濃度検出範囲（空燃比検出範囲）の上限値又は下限値を跨ぐように酸素濃度（空燃比）が変化する場合にも、酸素センサに過剰な電圧が印加されることはなく、即ち前記図１４において、リーン限界での限界電流検出域よりも大きな電圧、又はリッチ限界での限界電流検出域よりも小さな電圧が印加されることはなく、その時の電流検出精度を維持することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明では、センサ電流が酸素濃度検出範囲外になった際、一時的に酸素濃度検出を継続し、その後、センサ電流に制限を与えるよう印加電圧を制御している。つまり、エンジンの燃料カット時には、センサ電流より検知される空燃比がリーン側に大きく移行することから、その時のセンサ電流値に基づいて酸素センサ（空燃比センサ）の故障診断が行われることがある。そこで、請求項８の構成では、センサ電流が酸素濃度検出範囲外となっても一時的に（例えば、２〜５秒程度）酸素濃度検出を継続し、その時のセンサ電流から故障診断の実施を可能にしている。かかる場合、過剰なセンサ電流が一時的に流れることになるが、直ぐに電流制限の処理が開始されるため、従来のような諸問題を招くことはない。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を空燃比検出装置に具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。なお、本実施の形態における空燃比検出装置は、自動車に搭載される電子制御ガソリン噴射エンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいては空燃比検出装置による検出結果に基づいてエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比に制御する。以下の記載では、酸素センサとしての限界電流式空燃比センサを用いた空燃比（Ａ／Ｆ）の検出手順、並びに同センサの印加電圧制御手順を詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図である。図１において、空燃比検出装置は限界電流式空燃比センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）３０を備え、このＡ／Ｆセンサ３０は、エンジン１０のエンジン本体１１から延びる排気管１２に取り付けられている。Ａ／Ｆセンサ３０は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという）２０から指令される電圧の印加に伴い、排気ガス中の酸素濃度に比例したリニアな空燃比検出信号（センサ電流信号）を出力する。マイコン２０は、各種演算処理を実行するための周知のＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従い後述するバイアス制御回路４０及びヒータ制御回路２５を制御する。
【００２４】
図２は、Ａ／Ｆセンサ３０の概略を示す断面である。図２において、Ａ／Ｆセンサ３０は前記排気管１２の内部に向けて突設されており、同センサ３０は大別して、カバー３１、センサ本体３２及びヒータ３３から構成されている。カバー３１は断面コ字状をなし、その周壁にはカバー内外を連通する多数の小孔３１ａが形成されている。センサ本体３２は空燃比リーン領域における酸素濃度、若しくは空燃比リッチ領域における未燃ガス（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ2 等）濃度に対応する限界電流を発生する。
【００２５】
センサ本体３２の構成について詳述する。センサ本体３２において、断面カップ状に形成された固体電解質層３４の外表面には、排気ガス側電極層３６が固着され、内表面には大気側電極層３７が固着されている。また、排気ガス側電極層３６の外側には、プラズマ溶射法等により拡散抵抗層３５が形成されている。固体電解質層３４は、ＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼結体からなり、拡散抵抗層３５は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。排気ガス側電極層３６及び大気側電極層３７は共に、白金等の触媒活性の高い貴金属からなりその表面には多孔質の化学メッキ等が施されている。なお、排気ガス側電極層３６の面積及び厚さは、１０〜１００ｍｍ^2（平方ミリメートル）及び０．５〜２．０μｍ程度となっており、一方、大気側電極層３７の面積及び厚さは、１０ｍｍ^2（平方ミリメートル）以上及び０．５〜２．０μｍ程度となっている。
【００２６】
ヒータ３３は大気側電極層３７内に収容されており、その発熱エネルギによりセンサ本体３２（大気側電極層３７、固体電極質層３４、排気ガス側電極層３６及び拡散抵抗層３５）を加熱する。ヒータ３３は、センサ本体３２を活性化するに十分な発熱容量を有している。
【００２７】
上記構成のＡ／Ｆセンサ３０において、センサ本体３２は理論空燃比点よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。この場合、酸素濃度に対応する限界電流は、排気ガス側電極層３６の面積、拡散抵抗層３５の厚さ、気孔率及び平均孔径により決定される。また、センサ本体３２は酸素濃度を直線的特性にて検出し得るものであるが、このセンサ本体３２を活性化するのに約６００℃以上の高温が必要とされると共に、同センサ本体３２の活性温度範囲が狭いため、エンジン１０の排気ガスのみによる加熱では活性領域を制御できない。そのため、本実施の形態では、ヒータ３３の加熱制御によりセンサ本体３２を活性化温度域にまで加熱する。なお、理論空燃比よりもリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）等の濃度が空燃比に対してほぼリニアに変化し、センサ本体３２はＣＯ等の濃度に応じた限界電流を発生する。
【００２８】
センサ本体３２の電圧−電流特性（Ｖ−Ｉ特性）について図３を用いて説明する。図３によれば、Ａ／Ｆセンサ３０の検出Ａ／Ｆに比例するセンサ本体３２の固体電解質層３４への流入電流と、同固体電解質層３４への印加電圧とがリニアな特性を有することが分かる。かかる場合、電圧軸Ｖに平行な直線部分がセンサ本体３２の限界電流を特定する限界電流検出域であって、この限界電流（センサ電流）の増減はＡ／Ｆの増減（即ち、リーン・リッチ）に対応している。つまり、Ａ／Ｆがリーン側になるほど限界電流は増大し、Ａ／Ｆがリッチ側になるほど限界電流は減少する。
【００２９】
このＶ−Ｉ特性において電圧軸Ｖに平行な直線部分（限界電流検出域）よりも小さい電圧域は抵抗支配域となっており、その抵抗支配域における一次直線部分の傾きは、センサ本体３２における固体電解質層３４の内部抵抗（これを素子抵抗Ｒｉという）により特定される。この素子抵抗Ｒｉは温度変化に伴い変化するため、センサ本体３２の温度が低下すると素子抵抗Ｒｉの増大により上記傾きが小さくなる。
【００３０】
また、図３の特性では、「空燃比検出範囲」が設定されており（本実施の形態では、Ａ／Ｆ＝１２〜１８）、この空燃比検出範囲内では精度の高い空燃比検出が保証されている。ここで、空燃比検出範囲で規定される下限がリッチ限界（Ａ／Ｆ＝１２）となり、上限がリーン限界（Ａ／Ｆ＝１８）となっている。さらに、空燃比検出範囲をリッチ側及びリーン側に拡張することにより、所定の「センサ電流検出範囲」が設定されている。このセンサ電流検出範囲は、空燃比検出範囲に対してリッチ側に２０％、リーン側に２０％程度拡張して設けるのが適当であり、図１のバイアス制御回路４０の設計思想に基づいて設定される。但し、センサ電流の検出精度を向上させるには、上記センサ電流検出範囲をできるだけ狭くすることが望ましい。
【００３１】
また他方で、上記Ａ／Ｆセンサ３０は、図４に示すような起電力特性を有する。この起電力特性は、例えばＡ／Ｆセンサ３０に電圧が印加されないような場合において、同センサ３０の固体電解質層３４の内外両側の酸素分圧差に応じて起電力が急変するものであって、理論空燃比（λ＝１）を境にリッチ側では約０．９Ｖ、リーン側では約０Ｖの起電力が生じるようになっている。
【００３２】
一方、図１において、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス指令信号（デジタル信号）Ｖｒはマイコン２０からＤ／Ａ変換器２１に入力され、同Ｄ／Ａ変換器２１にてアナログ信号Ｖｂに変換される。そしてその後、同アナログ信号Ｖｂは、Ａ／Ｆセンサ３０にＡ／Ｆ検出用の電圧を印加するためのバイアス制御回路４０に入力される。
【００３３】
かかる場合、Ａ／Ｆ検出用時には、その時の空燃比（センサ電流）が空燃比検出範囲内であるか、空燃比検出範囲よりもリッチ側であるか、若しくは空燃比検出範囲よりもリーン側であるかに応じて異なる印加電圧特性が用いられ、それにより、所望の印加電圧制御が実施されるようになっている。なお、その詳細については後述する。
【００３４】
バイアス制御回路４０は、Ａ／Ｆセンサ３０への電圧の印加に伴い流れる電流値を電流検出回路５０にて検出し、当該電流検出回路５０にて検出された電流値のアナログ信号はＡ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。Ａ／Ｆセンサ３０に付設されたヒータ３３は、ヒータ制御回路２５によりその作動が制御される。つまり、ヒータ制御回路２５は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子温やヒータ温度に応じてバッテリ電源（図示しない）からヒータ３３に供給される電力をデューティ制御し、ヒータ３３の加熱制御を行う。
【００３５】
次に、バイアス制御回路４０の構成を図５の電気回路図を用いて説明する。図５において、バイアス制御回路４０は大別して、基準電圧回路４４と、第１の電圧供給回路４５と、第２の電圧供給回路４７と、電流検出回路５０とを有する。基準電圧回路４４は、定電圧Ｖｃｃを分圧抵抗４４ａ，４４ｂにより分圧して一定の基準電圧Ｖａを生成する。
【００３６】
第１の電圧供給回路４５は電圧フォロア回路にて構成され、基準電圧回路４４の基準電圧Ｖａと同じ電圧ＶａをＡ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２に供給する（この端子４２は、前記図２の大気側電極層３７に接続される端子である）。より具体的には、第１の電圧供給回路４５は、正側入力端子が各分圧抵抗４４ａ，４４ｂの分圧点に接続されると共に負側入力端子がＡ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２に接続された演算増幅器４５ａと、演算増幅器４５ａの出力端子に一端が接続された抵抗４５ｂと、この抵抗４５ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４５ｃ及びＰＮＰトランジスタ４５ｄとにより構成されている。ＮＰＮトランジスタ４５ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続され、エミッタは電流検出回路５０を構成する電流検出抵抗５０ａを介してＡ／Ｆセンサ３０の一方の端子に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ４５ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４５ｃのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。
【００３７】
第２の電圧供給回路４７も同様に電圧フォロア回路にて構成され、前記Ｄ／Ａ変換器２１の電圧信号Ｖｂと同じ電圧ＶｂをＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に供給する（この端子４１は、前記図２の排気ガス側電極層３６に接続される端子４１である）。より具体的には、第２の電圧供給回路４７は、正側入力端子が前記Ｄ／Ａ変換器２１の出力に接続されると共に負側入力端子がＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に接続された演算増幅器４７ａと、演算増幅器４７ａの出力端子に一端が接続された抵抗４７ｂと、この抵抗４７ｂの他端にそれぞれベースが接続されたＮＰＮトランジスタ４７ｃ及びＰＮＰトランジスタ４７ｄとにより構成されている。ＮＰＮトランジスタ４７ｃのコレクタは定電圧Ｖｃｃに接続され、エミッタは抵抗４７ｅを介してＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子に接続されている。また、ＰＮＰトランジスタ４７ｄのエミッタはＮＰＮトランジスタ４７ｃのエミッタに接続され、コレクタはアースされている。
【００３８】
上記構成により、Ａ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２には常時、基準電圧Ｖａが供給される。そして、Ｄ／Ａ変換器２１を経由してＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に供給される電圧Ｖｂが前記基準電圧Ｖａよりも低ければ（Ｖｂ＜Ｖａ）、当該Ａ／Ｆセンサ３０が正バイアスされる。また、同じくＡ／Ｆセンサ３０の他方の端子４１に供給される電圧Ｖｂが前記基準電圧Ｖａよりも高ければ（Ｖｂ＞Ｖａ）、当該Ａ／Ｆセンサ３０が負バイアスされることになる。かかる場合、電圧の印加に伴って流れるセンサ電流（限界電流）は、電流検出抵抗５０ａの両端電位差として検出され、Ａ／Ｄ変換器２３を介してマイコン２０に入力される。
【００３９】
また、Ａ／Ｆセンサ３０の一方の端子４２と電流検出回路５０との間には、出力バッファ５１が接続されており、この出力バッファ５１によりＡ／Ｆセンサ３０により検出された空燃比が電圧信号として直接取り出されるようになっている。
【００４０】
なお、図示及び詳細な説明は省略するが、本空燃比検出装置が適用される車両の制御システムには、Ａ／Ｆセンサ３０の検出結果に基づいて空燃比をフィードバック制御する周知のエンジン制御用マイクロコンピュータが設けられ、同マイクロコンピュータの制御によりインジェクタから各気筒に噴射供給される燃料量が制御されるようになっている。
【００４１】
次に、本実施の形態特有の作用について説明する。つまり、本実施の形態では、前記した空燃比検出範囲外の範囲（図３参照）において、その際に流れるセンサ電流を所定域内に制限することを目的としており、その概略を図７のＶ−Ｉ特性図を用いて説明する。
【００４２】
図７によれば、空燃比検出範囲内（Ａ／Ｆ＝１２〜１８）では、従来通りの特性線Ｌ２が設定されており、この特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御されるようになっている。この特性線Ｌ２は、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒｉにより決まるＶ−Ｉ特性線（実線で示す特性線Ｌａ）の傾きと略同じ傾きを有する一次直線として与えられている。即ち、特性線Ｌ２は、電圧及び電流のうち、一方が増加すると他方も増加する、正特性を有している。
【００４３】
また、空燃比検出範囲よりもリッチ側（Ａ／Ｆ＜１２）では、前記特性線Ｌ２とは正負逆の傾きを有する特性線Ｌ１が設定されている。このとき、図中の点ａは、前記特性線Ｌ２が空燃比検出範囲のリッチ限界となる点であり、点ｂは、センサ電流検出範囲のリッチ側限界とＡ／Ｆセンサ３０のリッチ側起電力（０．９Ｖ）との交点である。そして、特性線Ｌ１は点ａ，ｂを結ぶ一次直線部を有する。なお、同特性線Ｌ１のセンサ電流検出範囲よりもさらにリッチ側は、Ｉ軸に平行な直線部となっている（常時、０．９Ｖ）。
【００４４】
また加えて、空燃比検出範囲よりもリーン側（Ａ／Ｆ＞１８）では、前記特性線Ｌ２とは正負逆の傾きを有する特性線Ｌ３が設定されている。このとき、図中の点ｃは、前記特性線Ｌ２が空燃比検出範囲のリーン限界となる点であり、点ｄは、センサ電流検出範囲のリーン側限界とＡ／Ｆセンサ３０のリーン側起電力（０Ｖ）との交点である。そして、特性線Ｌ３は点ｃ，ｄを結ぶ一次直線部を有する。なお、同特性線Ｌ３のセンサ電流検出範囲よりもさらにリーン側は、Ｉ軸に平行な直線部となっている（常時、０Ｖ）。
【００４５】
上記の如く特性線Ｌ１，Ｌ３を設定することにより、図７に示す状態下（即ち、素子抵抗が所定値Ｒｉの状態下）において、空燃比検出範囲外となる領域では、その時に流れるセンサ電流が自ずとセンサ電流検出範囲内に制限されることとなる。
【００４６】
これを図８を用いて詳述する。図８（ａ）に示すように、空燃比が空燃比検出範囲のリッチ限界（Ａ／Ｆ＝１２）に対して大きくリッチ側に変化した場合、その時のＶ−Ｉ特性線Ｌａと前記特性線Ｌ１とが点ｅにて交わる。このとき、空燃比がリッチ限界（Ａ／Ｆ＝１２）よりもリッチ側に変化すれば、その際設定される印加電圧は特性線Ｌ１上の点ａから点ｅに向けて徐々に変化することになる。またかかる場合には、空燃比が点ｅよりもリッチ側に変化しても、印加電圧が「Ｖｅ」に固定されるため、センサ電流の下限値が点ｅに相当する電流値で制限されることとなる。
【００４７】
逆に、図８（ｂ）に示すように、空燃比が空燃比検出範囲のリーン限界（Ａ／Ｆ＝１８）に対して大きくリーン側に変化した場合、その時のＶ−Ｉ特性線Ｌａと前記特性線Ｌ３とが点ｆにて交わる。このとき、空燃比がリーン限界（Ａ／Ｆ＝１８）よりもリーン側に変化すれば、その際設定される印加電圧は特性線Ｌ３上の点ｃから点ｆに向けて徐々に変化することになる。またかかる場合には、空燃比が点ｆよりもリーン側に変化しても、印加電圧が「Ｖｆ」に固定されるため、センサ電流の上限値が点ｆに相当する電流値で制限されることとなる。
【００４８】
こうして図７のＶ−Ｉ特性図では、空燃比検出範囲を超え且つセンサ電流検出範囲内の領域に、「センサ電流制限範囲」が設定できる。そしてかかる場合には、このセンサ電流制限範囲（点ｅ及び点ｆで規定される電流域）を超えるような電流値がＡ／Ｆセンサ３０に流れることはない。
【００４９】
因みに、前記図７中に示す素子抵抗Ｒｉの値は、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化状態に応じて変化し、それに伴いＶ−Ｉ特性線Ｌａの傾きも変化する。図９のＶ−Ｉ特性図は、素子抵抗Ｒｉの変化に伴うセンサ電流制限範囲の変化の様子を示している。なお、同図では、素子抵抗Ｒｉが小さいほど、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化が促進されていることを表す。図９から分かるように、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化状態が変化すると、センサ電流制限範囲が図中の「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」のように変化する。しかし、いずれの場合においても、センサ電流はその時々に設定されるセンサ電流制限範囲Ａ，Ｂ，Ｃにより制限され、センサ電流検出範囲を超えることはない。そのため、過剰なセンサ電流が流れるといった不都合が解消されるようになっている。
【００５０】
以下に、センサ電流の検出、並びにＡ／Ｆセンサ３０の印加電圧制御を実施する手順について、図６のフローチャートを用いて説明する。図６のフローは、電源の投入に伴いマイコン２０により起動される。
【００５１】
さて、マイコン２０は、先ずステップ１００で前回のセンサ電流検出から所定時間Ｔ１が経過したか否かを判別する。ここで、所定時間Ｔ１は、センサ電流Ｉｐの検出周期に相当する時間であって、例えばＴ１＝２〜４ｍｓ（ミリ秒）程度に設定されるのが適当である。そして、前回のセンサ電流検出時から所定時間Ｔ１が経過していれば、マイコン２０はステップ１００を肯定判別してステップ１１０に進む。
【００５２】
マイコン２０は、ステップ１１０で電流検出回路５０により検出されたセンサ電流（限界電流値）Ｉｐを読み込むと共に、予めマイコン２０のＲＯＭに記憶されている特性マップを用いてその時のセンサ電流Ｉｐに対応するエンジンのＡ／Ｆを検出する。ここで、図示するように、Ａ／Ｆへの変換を行なわずに、センサ電流値をそのまま検出値とする形態も実施可能である。
【００５３】
その後、マイコン２０は、ステップ１２０〜１６０でその時のセンサ電流値に基づいてＡ／Ｆセンサ３０に印加すべき電圧値を決定する。詳しくは、マイコン２０は、ステップ１２０で前記センサ電流Ｉｐが空燃比検出範囲のリッチ限界以下であるか否か、即ちＡ／Ｆ＝１２に相当する電流値以下であるか否かを判別する。センサ電流Ｉｐが空燃比検出範囲のリッチ限界以下であれば、マイコン２０はステップ１２０を肯定判別してステップ１４０に進み、センサ電流Ｉｐが空燃比検出範囲のリッチ限界よりも大きければステップ１３０に進む。
【００５４】
また、マイコン２０は、ステップ１３０で前記センサ電流Ｉｐが空燃比検出範囲のリーン限界以下であるか否か、即ちＡ／Ｆ＝１８に相当する電流値以下であるか否かを判別する。センサ電流Ｉｐが空燃比検出範囲のリーン限界以下であれば、マイコン２０はステップ１３０を肯定判別してステップ１５０に進み、センサ電流Ｉｐが空燃比検出範囲のリーン限界よりも大きければステップ１６０に進む。
【００５５】
ステップ１４０に進んだ場合（Ｉｐ≦リッチ限界の場合）、マイコン２０は、予めＲＯＭ内に記憶されている前記図７の特性線Ｌ１を用いて、前記ステップ１１０で検出したセンサ電流Ｉｐに応じた印加電圧Ｖｐ（リッチ時電流制限用のセンサ印加電圧）を算出する。
【００５６】
また、ステップ１５０に進んだ場合（リッチ限界＜Ｉｐ≦リーン限界の場合）、マイコン２０は、予めＲＯＭ内に記憶されている前記図７の特性線Ｌ２を用いて、前記ステップ１１０で検出したセンサ電流Ｉｐに応じた印加電圧Ｖｐ（通常時の印加電圧）を算出する。
【００５７】
さらに、ステップ１６０に進んだ場合（Ｉｐ＞リーン限界の場合）、マイコン２０は、予めＲＯＭ内に記憶されている前記図７の特性線Ｌ３を用いて、前記ステップ１１０で検出したセンサ電流Ｉｐに応じた印加電圧Ｖｐ（リーン時電流制限用のセンサ印加電圧）を算出する。
【００５８】
その後、ステップ１７０では、マイコン２０は、前記ステップ１４０，１５０，１６０のいずれかで算出した印加電圧Ｖｐに基づいてバイアス指令信号Ｖｒを求め、その指令信号ＶｒをＤ／Ａ変換器２１に出力する。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０に所望の電圧Ｖｐが印加されることとなる。
【００５９】
ここで、図１０は、本実施の形態の作用をより具体的に示すタイムチャートである。同図では、その背景として、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）に対して空燃比フィードバック制御が実施されているものとするが、時間ｔ１〜ｔ６の期間では、一時的に空燃比がリーン側に大きく移行し（一例として、燃料カットを実施している）、時間ｔ７〜ｔ１０の期間では、一時的に空燃比がリッチ側に大きく移行している（一例として、燃料噴射量の高負荷増量を実施している）。なお、図１０のセンサ電流及び印加電圧で、実線で示すものは本形態の制御による推移を示し、二点鎖線で示すものは従来の制御（図２１の特性線Ｌｘを用いた印加電圧制御）による推移を示している。以下、図１０のタイムチャートを順を追って説明する。
【００６０】
先ず、時間ｔ１以前では、理論空燃比（１４．７）を目標空燃比としてフィードバック制御が実施されており、空燃比は理論空燃比に略一致している。そして、時間ｔ１で燃料カットが開始されると、空燃比がリーン側に大きく変化すると共に、それにつれてセンサ電流も正側に大きく変化する。
【００６１】
その後、時間ｔ２でセンサ電流が空燃比検出範囲のリーン限界（Ａ／Ｆ＝１８）に相当する電流値（前記図７の点ｃ）に達すると、印加電圧がそれまでの上昇傾向から下降傾向に転ずる。つまり、時間ｔ２以前は、図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御されていたのに対し、時間ｔ２からは図７の特性線Ｌ３を用いて印加電圧が制御されることになる。時間ｔ２〜ｔ３の期間では、特性線Ｌ３に沿って印加電圧が徐々に０ボルトに近づくよう制御される。
【００６２】
そして、センサ電流がセンサ電流制限範囲のリーン側の限界値に達する時間ｔ３では、空燃比がそれ以上リーン側に変化しても、センサ電流及び印加電圧がその時の値で保持される（図７の点ｆで固定される）。なお、前記図９に示したように、素子抵抗Ｒｉが変化したとすれば、その時々の素子抵抗Ｒｉに応じてセンサ電流及び印加電圧が僅かながら変化することとなる。即ち、図７の点ｆが特性線Ｌ３に沿って左右いずれかに変化する。以後、空燃比は一旦、略大気状態にまで達するが、所定時期でインジェクタによる燃料噴射が再開されると空燃比が減少し始める。
【００６３】
時間ｔ４になると、センサ電流がセンサ電流制限範囲のリーン側の限界値よりも低下し、それにより印加電圧が図７の特性線Ｌ３に沿って上昇する（図７の点ｆから点ｃへ徐々に変化する）。また、時間ｔ５で空燃比が空燃比検出範囲内に突入し、センサ電流がリーン限界値を下回ると、それ以後、再び図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御される。そして、時間ｔ６で、空燃比が理論空燃比に復帰する。
【００６４】
ここで、空燃比が空燃比検出範囲を超えてリーン側に変化する期間（時間ｔ２〜ｔ５の期間）において、本実施の形態と従来例とを比較すれば、二点鎖線で示す従来例では、空燃比の変化に追従して印加電圧が上昇しているため、センサ電流がセンサ電流検出範囲から大きく外れる。これに対して、実線で示す本形態の場合には、空燃比変化時のセンサ電流値がセンサ電流検出範囲内に制限されることが分かる。
【００６５】
次に、時間ｔ７で燃料の高負荷増量が開始される場合について説明する。但し、かかる場合には、空燃比がリッチ側に変化することのみが相違するため、その説明は要部を中心に行うものとする。
【００６６】
先ず高負荷増量が開始される時間ｔ７以後、空燃比がリッチ側に大きく変化すると共に、それにつれてセンサ電流も負側に大きく変化する。その後、時間ｔ８でセンサ電流が空燃比検出範囲のリッチ限界（Ａ／Ｆ＝１２）に相当する電流値（前記図７の点ａ）に達すると、印加電圧がそれまでの下降傾向から上昇傾向に転ずる。つまり、時間ｔ８以前は、図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御されていたのに対し、時間ｔ８からは図７の特性線Ｌ１を用いて印加電圧が制御されることになる。このとき、特性線Ｌ１に沿って印加電圧が徐々に０．９ボルトに近づくよう制御される。
【００６７】
そして、センサ電流がセンサ電流制限範囲のリッチ側の限界値に達すると、空燃比がそれ以上リッチ側に変化しても、センサ電流及び印加電圧が所定値で保持される（図７の点ｅで固定される）。以後、高負荷増量が停止され、空燃比の上昇によりセンサ電流が上昇し始めると、印加電圧が図７の特性線Ｌ１に沿って下降する（図７の点ｅから点ａへ徐々に変化する）。また、時間ｔ９で、空燃比が空燃比検出範囲内に突入すると、それ以後、再び図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御される。そして、時間ｔ１０で、空燃比が理論空燃比に復帰する。
【００６８】
ここでも前記燃料カット時と同様に、空燃比が空燃比検出範囲を超えてリッチ側に変化する期間（時間ｔ８〜ｔ９の期間）において、本実施の形態と従来例とを比較すれば、二点鎖線で示す従来例では、空燃比の変化に追従して印加電圧が下降しているため、センサ電流がセンサ電流検出範囲から大きく外れる。これに対して、実線で示す本形態の場合には、空燃比変化時のセンサ電流値がセンサ電流検出範囲内に制限されることが分かる。
【００６９】
次に、本実施の形態により得られる効果を列記する。
（ａ）本実施の形態では、空燃比検出範囲外の領域（図７のＡ／Ｆ＜１２，Ａ／Ｆ＞１８の領域）において、センサ電流を所定値に制限するようＡ／Ｆセンサ３０への印加電圧を制御するようにした。要するに、空燃比検出範囲外の領域においては空燃比に応じた単調な印加電圧制御を実施すると、従来技術で既述したようにＡ／Ｆセンサ３０に大電流が流れる等の問題を招く。これに対して本実施の形態では、センサ電流に制限を与えることにより、過大なセンサ電流が流れるといった問題が回避できる。その結果、空燃比検出範囲外においてセンサ電流を適正に抑制し、正確な電流検出を実施することができる。併せて、Ａ／Ｆセンサ３０に電圧を印加するためのバイアス制御回路４０の発熱量（詳細には、回路内のトランジスタの駆動による発熱量）を大幅に低減することができる。
【００７０】
（ｂ）より具体的に記載すれば、空燃比検出範囲内では、Ｖ−Ｉ座標上で所定の正特性（図７の特性線Ｌ２）により印加電圧を制御し、空燃比検出範囲外では、前記正特性とは異なる特性（図７の特性線Ｌ１，Ｌ３）により印加電圧を制御するようにした。この場合、空燃比検出範囲外の領域で特性線Ｌ１，Ｌ３を用いて印加電圧を制御することにより、当該領域において適正な電流検出を行うことが可能となる。
【００７１】
（ｃ）特に、図７の特性線Ｌ１は、センサ電流が空燃比検出範囲よりもリッチ側にある場合に、Ａ／Ｆセンサ３０の起電力の最大値（０．９ボルト）に近づくよう印加電圧を徐々に制御するものとし、特性線Ｌ３は、センサ電流が空燃比検出範囲よりもリーン側にある場合に、Ａ／Ｆセンサ３０の最小値（０ボルト）に近づくよう印加電圧を徐々に制御するものとした。また、空燃比検出範囲外で且つセンサ電流検出範囲内の領域にセンサ電流が制限されるように、特性線Ｌ１，Ｌ３を設定した。
【００７２】
以上の構成によれば、図７に示すように、センサ電流制限範囲内（図７の点ｅと点ｆとの間）にてセンサ電流が制限され、このセンサ電流制限範囲を超えるようなセンサ電流が流れることはない。また、図９に示すように、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒｉが変化したとしても、センサ電流制限範囲をセンサ電流検出範囲内に抑えることができる。
【００７３】
（ｄ）また、本実施の形態によれば、空燃比がリーン側或いはリッチ側に大きく変化する場合でも、常にセンサ電流がセンサ電流検出範囲内にて検出できるため、Ａ／Ｆセンサ３０の素子抵抗Ｒｉをいつでも検出することが可能となる。
【００７４】
（ｅ）さらに、本実施の形態では、既述の如くセンサ電流が制限でき、それによりバイアス制御回路４０内の発熱が抑制されるため、電流制限用抵抗を当該バイアス制御回路４０内に設ける（例えば、図５の定電圧Ｖｃｃとトランジスタ４５ｃ，４７ｃとの間に設ける）等の付加的構成を不要としつつ、センサ電流の検出精度を確保することができる。
【００７５】
他方で、図５の定電圧Ｖｃｃ（＝５ボルト）に代えてバッテリ電圧＋Ｂを用いる場合には、＋Ｂの動作範囲が８〜１６ボルトというように幅広いため、その範囲の全域で空燃比の検出能力を確保し、且つ回路に流れる電流による発熱を抑制するには、電流制限用抵抗が不可欠となる。具体的には、図１１の等価回路に示すように、バッテリ電圧＋ＢとＮＰＮトランジスタ４５ｃのコレクタとの間には電流制限用抵抗５５が接続され、バッテリ電圧＋ＢとＮＰＮトランジスタ４７ｃのコレクタとの間には電流制限用抵抗５６が接続される。かかる場合、回路の小型化や低コスト化が従来からの懸案事項となっていた。しかし、本実施の形態の構成によれば、上記のような電流制限用抵抗５５，５６に頼ることなく、センサ電流が制限でき、回路の発熱を抑制することが可能となる。
【００７６】
次に、本発明の第２，第３の実施の形態について図面を用いて説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについてはその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００７７】
（第２の実施の形態）
上記第１の実施の形態では、空燃比（センサ電流）が空燃比検出範囲外となった場合に、それがリッチ限界側か又はリーン限界側かに応じて個々の特性線（前記図７のＬ１，Ｌ３）を用いて印加電圧を制御し、それによりセンサ電流をセンサ電流検出範囲内（センサ電流制限範囲内）に制限していたが、本第２の実施の形態ではその特徴として、同じく空燃比（センサ電流）が空燃比検出範囲外となった場合において、センサ電流をセンサ電流検出範囲内の所定の目標値でフィードバック制御する。以下、本実施の形態の要旨を図１２〜図１４を用いて説明する。
【００７８】
図１２は、本実施の形態におけるマイコン２０の動作を表すフローチャートであり、同フローは、前記第１の実施の形態における図６のフローの一部を変更したものである。つまり、図１２では、前記図６のステップ１４０，１６０をそれぞれステップ２１０，２２０に変更しており、ここではその相違箇所のみを説明する。
【００７９】
図１２のフローにおいて、ステップ１２０にてセンサ電流Ｉｐ≦リッチ限界である旨が判別された場合、マイコン２０は、ステップ２１０に進み、予めＲＯＭ内に記憶されている制御定数を用いて、センサ電流が所定の目標値になるようにステップ１１０で検出したセンサ電流Ｉｐから印加電圧Ｖｐを算出する。具体的には、例えば次の（１）式を用いて印加電圧Ｖｐを算出する。
【００８０】
Ｖｐ＝Ｖａ−Ｋ・（Ｉｐ−目標Ｉｐ１） ・・・（１）
ここで、Ｖａは、センサ電流をセンサ電流検出範囲に制御するための固定値であり、Ｋは制御定数である。目標Ｉｐ１は、空燃比検出範囲外で僅かにリッチ側の電流値として予め設定されている。上記（１）式によれば、印加電圧Ｖｐはセンサ電流の実測値（Ｉｐ値）と目標値（目標Ｉｐ１値）との偏差に応じて制御されるようになっており、仮にＩｐ値が目標Ｉｐ１値よりも大きくなると、印加電圧Ｖｐが減じられ、それによりＩｐ値が目標Ｉｐ１値に対して収束する。逆に、Ｉｐ値が目標Ｉｐ１値よりも小さくなると、印加電圧Ｖｐが増加させられ、それによりＩｐ値が目標Ｉｐ１値に対して収束する。
【００８１】
また、ステップ１３０にてセンサ電流Ｉｐ＞リーン限界である旨が判別された場合、マイコン２０は、ステップ２２０に進み、予めＲＯＭ内に記憶されている制御定数を用いて、センサ電流が所定の目標値になるようにステップ１１０で検出したセンサ電流Ｉｐから印加電圧Ｖｐを算出する。具体的には、例えば次の（２）式を用いて印加電圧Ｖｐを算出する。
【００８２】
Ｖｐ＝Ｖｂ＋Ｋ・（目標Ｉｐ２−Ｉｐ） ・・・（２）
ここで、Ｖｂは、前記（１）式中のＶａと同様に、センサ電流をセンサ電流検出範囲に制御するための固定値である。目標Ｉｐ２は、空燃比検出範囲外で僅かにリーン側の電流値として予め設定されている。上記（２）式でも、印加電圧ＶｐはＩｐ値と目標Ｉｐ２値との偏差に応じて制御されるようになっており、仮にＩｐ値が目標Ｉｐ２値よりも大きくなると、印加電圧Ｖｐが減じられ、それによりＩｐ値が目標Ｉｐ２値に対して収束する。逆に、Ｉｐ値が目標Ｉｐ２値よりも小さくなると、印加電圧Ｖｐが増加させられ、それによりＩｐ値が目標Ｉｐ２値に対して収束する。
【００８３】
なお、ステップ１２０が否定判別され、且つステップ１３０が肯定判別された場合（リッチ限界＜Ｉｐ≦リーン限界の場合）には、マイコン２０は、既述した通り前記図７の特性線Ｌ２を用いて、センサ電流Ｉｐに応じた印加電圧Ｖｐ（通常時の印加電圧）を算出する。印加電圧Ｖｐの算出後、マイコン２０は、当該Ｖｐ値に基づいてバイアス指令信号Ｖｒを求め、その指令信号ＶｒをＤ／Ａ変換器２１に出力する。これにより、Ａ／Ｆセンサ３０に所望の電圧Ｖｐが印加されることとなる。
【００８４】
図１３は、本実施の形態の特徴部分を示すタイムチャートである。本図においても、前記第１の実施の形態における図１０と同様に、燃料カットによる空燃比変化時と、高負荷増量による空燃比変化時とについて、印加電圧制御の概要を表している。なお図中、時間ｔ１１〜ｔ１４の期間が燃料カットによる空燃比変化期間を示し、時間ｔ１５〜ｔ１８の期間が高負荷増量による空燃比変化期間を示している。また、図１３のセンサ電流及び印加電圧で、実線で示すものは本形態の制御による推移を示し、二点鎖線で示すものは従来の制御（図２１の特性線Ｌｘを用いた印加電圧制御）による推移を示している。以下、図１３のタイムチャートを順を追って説明する。
【００８５】
さて、時間ｔ１１で燃料カットが開始されると、空燃比がリーン側に大きく変化すると共に、それにつれてセンサ電流も正側に大きく変化する。その後、時間ｔ１２でセンサ電流が空燃比検出範囲のリーン限界（Ａ／Ｆ＝１８）に相当する電流値に達すると、センサ電流が目標Ｉｐ２値に対してフィードバック制御され、それにより印加電圧が所定値に固定される。つまり、時間ｔ１２以前は、図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御されていたのに対し、時間ｔ１２からは印加電圧が固定値で制御されることになる。
【００８６】
そして、所定時期でインジェクタによる燃料噴射が再開され、空燃比の減少に伴いセンサ電流がリーン限界値を下回る時間ｔ１３になると、それ以後、再び図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御される。時間ｔ１４では、空燃比が理論空燃比に復帰する。
【００８７】
ここで、空燃比が空燃比検出範囲を超えてリーン側に変化する期間（時間ｔ１２〜ｔ１３の期間）において、本実施の形態と従来例とを比較すれば、二点鎖線で示す従来例では、空燃比の変化に追従して印加電圧が上昇しているため、センサ電流がセンサ電流検出範囲から大きく外れる。これに対して、実線で示す本形態の場合には、空燃比変化時のセンサ電流値がセンサ電流検出範囲内に制限されることが分かる。
【００８８】
一方、時間ｔ１５で、高負荷増量が開始されると、空燃比がリッチ側に大きく変化すると共に、それにつれてセンサ電流も負側に大きく変化する。その後、時間ｔ１６でセンサ電流が空燃比検出範囲のリッチ限界（Ａ／Ｆ＝１２）に相当する電流値に達すると、センサ電流が目標Ｉｐ１値に対してフィードバック制御され、それにより印加電圧が所定値に固定される。つまり、時間ｔ１６以前は、図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御されていたのに対し、時間ｔ１６からは印加電圧が固定値で制御されることになる。
【００８９】
そして、高負荷増量が停止され、空燃比の上昇に伴いセンサ電流がリッチ限界を上回る時間ｔ１７になると、それ以後、再び図７の特性線Ｌ２を用いて印加電圧が制御される。時間ｔ１８では、空燃比が理論空燃比に復帰する。
【００９０】
ここでも前記燃料カット時と同様に、空燃比が空燃比検出範囲を超えてリッチ側に変化する期間（時間ｔ１６〜ｔ１７の期間）において、本実施の形態と従来例とを比較すれば、二点鎖線で示す従来例では、空燃比の変化に追従して印加電圧が下降しているため、センサ電流がセンサ電流検出範囲から大きく外れる。これに対して、実線で示す本形態の場合には、空燃比変化時のセンサ電流値がセンサ電流検出範囲内に制限されることが分かる。
【００９１】
以上第２の実施の形態によれば、次の効果が得られる。
（ａ）本実施の形態では、空燃比検出範囲外において、センサ電流が所定の目標値になるよう印加電圧をフィードバック制御するようにした。かかる場合、センサ電流が目標値に制御されることにより、当該センサ電流が不用意に上昇したり下降したりすることはない。従って、上記第１の実施の形態と同様に、空燃比検出範囲外においてセンサ電流を適正に検出することができる。また、バイアス制御回路４０の発熱量を大幅に抑制することができる。
【００９２】
（ｂ）センサ電流の目標値を空燃比検出範囲外で且つセンサ電流検出範囲内の領域に設定した。この場合、センサ電流を確実にセンサ電流検出範囲内に制限することができる。
【００９３】
なおここで、空燃比検出範囲外のリーン側（上限値側）では、その時の印加電圧の最大値を図１４の「Ｖ１」にて制限し、空燃比検出範囲外のリッチ側（下限値側）では、その時の印加電圧の最小値を図１４の「Ｖ２」制限するのが望ましい。このＶ１，Ｖ２は、Ａ／Ｆセンサ３０において、空燃比検出範囲内で常にその限界電流検出域（Ｖ軸に平行な直線部分）を用いることができる限界値である。
【００９４】
かかる場合、空燃比検出範囲の上限値又は下限値を跨ぐように空燃比が変化する場合にも、Ａ／Ｆセンサ３０に過剰な電圧が印加されることはなく、即ち図１４において、リーン限界での限界電流検出域よりも大きな電圧、又はリッチ限界での限界電流検出域よりも小さな電圧が印加されることはなく、その時のセンサ電流の検出精度を維持することができる。
【００９５】
さらにその検出精度を高める手段として、空燃比検出範囲外のリーン側では、当該検出範囲のリーン限界に相当する印加電圧値（図１４のＶ３）よりも小さい値に、空燃比検出範囲外のリッチ側では、当該検出範囲のリッチ限界に相当する印加電圧値（図１４のＶ４）よりも大きい値に、Ａ／Ｆセンサ３０への印加電圧を制御するとよい。
【００９６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。上記第１及び第２の実施の形態では、センサ電流が空燃比検出範囲外になると、直ちにセンサ電流を制限するための印加電圧制御を開始していたが、本実施の形態では、センサ電流が空燃比検出範囲外になってから所定時間経過後にセンサ電流を制限するための印加電圧制御を開始するようにしている。以下、本実施の形態の要旨を図１５〜図１７を用いて説明する。
【００９７】
図１５は、本実施の形態におけるマイコン２０の動作を表すフローチャートであり、同フローは、前記第１の実施の形態における図６のフローの一部を変更したものである。つまり、図１５のフローでは、図６のフローに対して新たにステップ３１０，３２０の処理を追加している。
【００９８】
図１５のフローにおいて、ステップ１２０にてセンサ電流Ｉｐ≦リッチ限界である旨が判別された場合（ステップ１２０が肯定判別された場合）、マイコン２０は、ステップ３１０に進む。マイコン２０は、ステップ３１０で前記ステップ１２０が肯定判別されてから所定時間Ｔ２（本実施の形態では、Ｔ２＝２秒とするが、２〜５秒程度が適当である）が経過したか否かを判別し、所定時間Ｔ２の経過前であればステップ１５０に進み、所定時間Ｔ２の経過後であればステップ１４０に進む。つまり、Ｉｐ≦リッチ限界であっても、所定時間Ｔ２が経過するまでは通常の印加電圧制御が実施され、所定時間Ｔ２が経過した後に、リッチ時電流制限用の印加電圧制御が実施される。但し、かかる場合には、通常の印加電圧制御（ステップ１５０）に用いられる特性線Ｌ２が、図１６に示すように、空燃比検出範囲外で直線状に延びる部分を有している（この特性をＬ２’とする）。なお、特性線Ｌ１，Ｌ３は、前記図７と同様の特性線である。
【００９９】
また、ステップ１３０にてセンサ電流Ｉｐ＞リーン限界である旨が判別された場合（ステップ１３０が否定判別された場合）、マイコン２０は、ステップ３２０に進む。マイコン２０は、ステップ３２０で前記ステップ１３０が否定判別されてから所定時間Ｔ２が経過したか否かを判別し、所定時間Ｔ２の経過前であればステップ１５０に進み、所定時間Ｔ２の経過後であればステップ１６０に進む。つまり、Ｉｐ＞リーン限界であっても、所定時間Ｔ２が経過するまでは通常の印加電圧制御（図１６のＬ２’による制御）が実施され、所定時間Ｔ２が経過した後に、リーン時電流制限用の印加電圧制御が実施される。
【０１００】
図１７は、本実施の形態の特徴部分を示すタイムチャートである。本図においても、前記第１の実施の形態における図１０と同様に、燃料カットによる空燃比変化時と、高負荷増量による空燃比変化時とについて、印加電圧制御の概要を表している。なお図中、時間ｔ２１〜ｔ２５の期間が燃料カットによる空燃比変化期間を示し、時間ｔ２６〜ｔ３０の期間が高負荷増量による空燃比変化期間を示している。また、図１７のセンサ電流及び印加電圧で、実線で示すものは本形態の制御による推移を示し、二点鎖線で示すものは従来の制御（図２１の特性線Ｌｘを用いた印加電圧制御）による推移を示している。以下、図１７のタイムチャートを順を追って説明する。
【０１０１】
さて、時間ｔ２１で燃料カットが開始されると、空燃比がリーン側に大きく変化すると共に、それにつれてセンサ電流も正側に大きく変化する。その後、時間ｔ２２でセンサ電流が空燃比検出範囲のリーン限界（Ａ／Ｆ＝１８）に相当する電流値に達するが、その時間ｔ２２から所定時間Ｔ２が経過するまでは、空燃比の上昇に伴い、センサ電流及び印加電圧が共に上昇する。そして、時間ｔ２２から所定時間Ｔ２が経過した時間ｔ２３になると、それまで図１６の特性線Ｌ２’を用いて印加電圧が制御されていたのに対し、図１６の特性線Ｌ３を用いて印加電圧が制御されることになる。
【０１０２】
因みに、この時間ｔ２３では、その時のセンサ電流値に応じてＡ／Ｆセンサ３０が正常であるか否かの故障診断（ダイアグノーシス）が実施されるようになっている。
【０１０３】
そして、所定時期でインジェクタによる燃料噴射が再開され、空燃比の減少に伴いセンサ電流がリーン限界値を下回る時間ｔ２４になると、それ以後、再び図１６の特性線Ｌ２’（Ｌ２’の空燃比検出範囲内の部分）を用いて印加電圧が制御される。時間ｔ２５では、空燃比が理論空燃比に復帰する。
【０１０４】
ここで、空燃比が空燃比検出範囲を超えてリーン側に変化する期間（時間ｔ２２〜ｔ２４の期間）において、そのうち時間ｔ２２〜ｔ２３の期間では、一時的にセンサ電流がセンサ電流検出範囲外となり過剰電流が流れることとなるが、その時間が所定時間Ｔ２で規制されている。従って、本実施の形態では、二点鎖線で示す従来例のように時間ｔ２４近くまで過剰なセンサ電流が流れる場合とは異なり、センサの消費電力量を削減できる。
【０１０５】
一方、時間ｔ２６で、高負荷増量が開始されると、空燃比がリッチ側に大きく変化すると共に、それにつれてセンサ電流も負側に大きく変化する。その後、時間ｔ２７でセンサ電流が空燃比検出範囲のリッチ限界（Ａ／Ｆ＝１２）に相当する電流値に達するが、その時間ｔ２７から所定時間Ｔ２が経過するまでは、空燃比の下降に伴い、センサ電流及び印加電圧が共に下降する。そして、時間ｔ２７から所定時間Ｔ２が経過した時間ｔ２８になると、それまで図１６の特性線Ｌ２’を用いて印加電圧が制御されていたのに対し、図１６の特性線Ｌ１を用いて印加電圧が制御されることになる。
【０１０６】
そして、高負荷増量が停止され、空燃比の上昇に伴いセンサ電流がリッチ限界を上回る時間ｔ２９になると、それ以後、再び図７の特性線Ｌ２’（Ｌ２’の空燃比検出範囲内の部分）を用いて印加電圧が制御される。時間ｔ３０では、空燃比が理論空燃比に復帰する。
【０１０７】
ここでも前記燃料カット時と同様に、空燃比が空燃比検出範囲を超えてリッチ側に変化する期間（時間ｔ２７〜ｔ２９の期間）において、そのうち時間ｔ２７〜ｔ２８の期間では、一時的にセンサ電流がセンサ電流検出範囲外となり負側の過剰電流が流れることとなるが、その時間が所定時間Ｔ２で規制されている。従って、本実施の形態では、二点鎖線で示す従来例のように時間ｔ２９近くまで過剰なセンサ電流が流れる場合とは異なり、センサの消費電力量を削減できる。
【０１０８】
以上第３の実施の形態によれば、上記第１，第２の実施の形態と同様に、空燃比検出範囲外においてセンサ電流が適正に検出できると共に、バイアス制御回路４０の発熱が大幅に抑制できる等の効果が得られる。また、こうした効果に加えて、以下に示す効果が得られる。
【０１０９】
即ち、本実施の形態では、センサ電流が空燃比検出範囲外になった際、一時的にその状態を保持し、その後、センサ電流に制限を与えるようにした。そのため、燃料カット時や高負荷増量時における空燃比の変化状態に基づいて、Ａ／Ｆセンサ３０の故障診断を実施することができる。かかる場合、過剰なセンサ電流が一時的に流れることになるが、直ぐに電流制限の処理が開始されるため、従来のような諸問題を招くことはない。
【０１１０】
ちなみに、本発明の参考例としては次のようなものがある。
すなわち、この参考例では、印加電圧の特性線を図１８に示すように設定する。図１８のＶ−Ｉ特性図では、印加電圧を設定するための特性線がＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３からなる。このうち、Ｌ１２は、前記図７のＬ２と同じ特性線であり、空燃比検出範囲内に設定されている。また、特性線Ｌ１１，Ｌ１３は、Ｉ軸に平行な直線であって、空燃比検出範囲外に設定されている。この場合、空燃比が空燃比検出範囲よりもリッチ側に外れたとすれば、その際に流れるセンサ電流は、Ｉａ〜Ｉｂの範囲内に制限される。また、空燃比が空燃比検出範囲よりもリーン側に外れたとすれば、その際に流れるセンサ電流は、Ｉｃ〜Ｉｄの範囲内に制限される。そのため、空燃比がいかなる状態に変化したとしても、センサ電流は下限値＝Ｉａ、上限値＝Ｉｄの範囲内に制限されることとなる。
【０１１１】
因みに、Ａ／Ｆセンサ３０の活性化状態に応じて素子抵抗Ｒｉが変化することを考慮すると、図１９に示すように、センサ電流制限範囲は例えば図示の「Ａ」，「Ｂ」，「Ｃ」のように変化する。
【０１１２】
なお、本発明は、上記各実施の形態の他に次の形態にて実現できる。
（１）本発明の酸素センサをエンジンの空燃比センサ以外の用途に採用してもよい。要は、酸素濃度を検出する目的で使用されるものであれば、任意に適用でき、その場合には既述した効果等が得られる。
（２）前記図７において、空燃比検出範囲外の特性線Ｌ１，Ｌ３の傾きを変更したり、この特性線Ｌ１，Ｌ３を複数の傾きを有する多段の特性線に変更したりしてもよい。また、前記図７の特性線Ｌ１，Ｌ３及び前記図１８の特性線Ｌ１１，Ｌ１３を組み合わせることによって、新たな特性線を設定してもよい。要は、空燃比検出範囲（酸素濃度検出範囲）内の正特性とは異なる特性（負特性）にて印加電圧を制御する構成であれば、任意に変更して具体化できる。
【０１１３】
（３）上記各実施の形態では、理論空燃比を略中心にして空燃比検出範囲を設定していたが（Ａ／Ｆ＝１２〜１８）、勿論この空燃比検出範囲を変更してもよい。図２０は、空燃比検出範囲をリーン領域に設けた際のＶ−Ｉ特性図である。図２０において、空燃比検出範囲は、Ａ／Ｆ＝１４．７〜２５の範囲で設定され、センサ電流検出範囲も空燃比検出範囲の変更に伴い変更されている（空燃比検出範囲のリッチ側及びリーン側に２０％程度拡張して設定されている）。
【０１１４】
この場合、空燃比検出範囲内では、特性線Ｌ２２（前記図７の特性線Ｌ２に同じ）を用いて印加電圧が設定される。また、空燃比検出範囲外のリッチ側（Ａ／Ｆ＜１４．７）では、特性線Ｌ２１を用いて印加電圧が設定され、同じく空燃比検出範囲外のリーン側（Ａ／Ｆ＞２５）では、特性線Ｌ２３を用いて印加電圧が設定される。このとき、図中の点ａは、前記特性線Ｌ２２が空燃比検出範囲のリッチ限界となる点であり、点ｂは、センサ電流検出範囲のリッチ側限界とＡ／Ｆセンサ３０のリッチ側起電力（０．９Ｖ）との交点である。そして、特性線Ｌ２１は点ａ，ｂを結ぶ一次直線部を有する。また、図中の点ｃは、前記特性線Ｌ２２が空燃比検出範囲のリーン限界となる点であり、点ｄは、センサ電流検出範囲のリーン側限界とＡ／Ｆセンサ３０のリーン側起電力（０Ｖ）との交点である。そして、特性線Ｌ２３は点ｃ，ｄを結ぶ一次直線部を有する。
【０１１５】
上記の如く特性線Ｌ２１，Ｌ２３を設定することにより、図２０に示す状態下（即ち、素子抵抗が所定値Ｒｉの状態下）において、空燃比検出範囲外となる領域では、その時に流れるセンサ電流が自ずとセンサ電流検出範囲内の所定値（図中の点ｅ及び点ｆで規定される電流域）に制限されることとなる。
【０１１６】
（４）上記第２の実施の形態では、空燃比が空燃比検出範囲外となった場合において、前述したように、
Ｖｐ＝Ｖ１−Ｋ・（Ｉｐ−目標Ｉｐ１） ・・・（１）
Ｖｐ＝Ｖ２＋Ｋ・（目標Ｉｐ２−Ｉｐ） ・・・（２）
といった数式を用い、センサ電流の実測値（Ｉｐ値）と目標値（目標Ｉｐ１値，目標Ｉｐ２値）との偏差に応じた比例項を用いて印加電圧Ｖｐを制御していたが、これを変更してもよい。例えばセンサ電流の目標値をエンジン運転状態等に応じて可変に設定したり、積分項や微分項を用いて印加電圧Ｖｐを制御したりするようにしてもよい。
【０１１７】
（５）上記第３の実施の形態では、第１の実施の形態のフローチャート（図６）を用いそれに図１５のステップ３１０，３２０の処理を追加したが、これらステップ３１０，３２０の処理を第２の実施の形態におけるフローチャート（図１２）に追加するように変更してもよい。
【０１１８】
（６）上記各実施の形態では、コップ型Ａ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）を用いて本発明を具体化していたが、積層型Ａ／Ｆセンサにて本発明を具体化してもよい。かかる場合、積層型Ａ／Ｆセンサのポンピング電流の出力域が適正に制御されることとなる。
【０１１９】
（７）上記第３の実施の形態のように、空燃比（センサ電流）が空燃比検出範囲外となっても一時的にその状態を放置するような印加電圧制御を実施する場合において、その制御を所定間隔毎に実施するようにしてもよい。例えば空燃比が空燃比検出範囲を超えた回数をカウントし、その回数が所定回数（例えば、１０回や２０回等）に達した時だけ、上記制御を実施するようにしてもよい。また、エンジン始動から初回時のみ実施するようにしてもよい。
【０１２０】
またさらに、リーン側への変化時にのみ（又はリッチ側への変化時にのみ）、上記一時的な電圧制御を実施するようにしてもよい。かかる場合には、前記図１５のステップ３１０，３２０のいずれかを削除すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態における空燃比検出装置の概要を示す構成図。
【図２】Ａ／Ｆセンサの詳細な構成を示す断面図。
【図３】Ａ／Ｆセンサの出力特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図４】Ａ／Ｆセンサの起電力特性を示す線図。
【図５】バイアス制御回路の構成を示す電気回路図。
【図６】第１の実施の形態において、センサ電流の検出並びにＡ／Ｆセンサの印加電圧制御を実施する手順を示すフローチャート。
【図７】Ａ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図８】Ａ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図９】Ａ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図１０】第１の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図１１】実施の形態における効果の説明に用いる等価回路図。
【図１２】第２の実施の形態において、センサ電流の検出並びにＡ／Ｆセンサの印加電圧制御を実施する手順を示すフローチャート。
【図１３】第２の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図１４】第２の実施の形態におけるＡ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図１５】第３の実施の形態において、センサ電流の検出並びにＡ／Ｆセンサの印加電圧制御を実施する手順を示すフローチャート。
【図１６】第３の実施の形態におけるＡ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図１７】第３の実施の形態における作用を説明するためのタイムチャート。
【図１８】参考例におけるＡ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ
−Ｉ特性図。
【図１９】参考例におけるＡ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ
−Ｉ特性図。
【図２０】他の実施の形態におけるＡ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図２１】従来技術におけるＡ／Ｆセンサの印加電圧特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【符号の説明】
１０…エンジン、２０…マイコン（マイクロコンピュータ）、３０…Ａ／Ｆセンサ（限界電流式空燃比センサ）４０…バイアス制御回路、５０…電流検出回路。

Claims (8)

1. 電圧印加時に被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流信号を出力する酸素センサを用いた酸素濃度検出装置であって、
   予め設定された酸素濃度検出範囲内では、電圧−電流座標上で所定の正特性によりセンサ電流に応じて印加電圧を制御し、酸素濃度検出範囲外では、電圧−電流座標上で所定の負特性によりセンサ電流に応じて印加電圧を制御することを特徴とする酸素濃度検出装置。
2. 請求項１に記載の酸素濃度検出装置において、
   センサ電流が酸素濃度検出範囲外の上限値側にある場合には、前記酸素センサの起電力の最小値に近づくよう印加電圧を徐々に変化させ、センサ電流が酸素濃度検出範囲外の下限値側にある場合には、前記酸素センサの起電力の最大値に近づくよう印加電圧を徐々に変化させることを特徴とする酸素濃度検出装置。
3. 前記酸素濃度検出範囲を所定幅だけ拡張したセンサ電流検出範囲を有する酸素濃度検出装置において、
   酸素濃度検出範囲外で且つセンサ電流検出範囲内の領域にセンサ電流が制限されるように前記酸素センサの印加電圧特性を設定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸素濃度検出装置。
4. 請求項３に記載の酸素濃度検出装置において、
   センサ電流が酸素濃度検出範囲外の上限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の上限値に相当する所定の印加電圧値と、前記センサ電流検出範囲の上限値での前記酸素センサの最小起電力点とを結ぶ印加電圧特性を用いて印加電圧を制御し、
   センサ電流が酸素濃度検出範囲外の下限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の下限値に相当する所定の印加電圧値と、前記センサ電流検出範囲の下限値での前記酸素センサの最大起電力点とを結ぶ印加電圧特性を用いて印加電圧を制御することを特徴とする酸素濃度検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の酸素濃度検出装置において、
   前記酸素濃度検出範囲を所定幅だけ拡張したセンサ電流検出範囲を有し、
   酸素濃度検出範囲外では、電圧−電流座標上で所定の負特性によりセンサ電流に応じて印加電圧を制御し、前記センサ電流検出範囲外では、印加電圧を固定値とする
   ことを特徴とする酸素濃度検出装置。
6. 電圧印加時に被検出ガス中の酸素濃度に対応した電流信号を出力する酸素センサを用いた酸素濃度検出装置であって、
   センサ電流が予め設定された酸素濃度検出範囲の限界値に相当する電流値を超えると、センサ電流を所定の目標値になるようフィードバック制御し、
   センサ電流が酸素濃度検出範囲外の上限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の上限値に相当する所定の印加電圧値よりも小さい値に前記酸素センサへの印加電圧を固定するとともに、
   センサ電流が酸素濃度検出範囲外の下限値側にある場合には、当該酸素濃度検出範囲内の印加電圧特性の下限値に相当する所定の印加電圧値よりも大きい値に前記酸素センサへの印加電圧を固定する
   ことを特徴とする酸素濃度検出装置。
7. 前記酸素濃度検出範囲を所定幅だけ拡張したセンサ電流検出範囲を有する酸素濃度検出装置において、
   前記センサ電流の目標値が、酸素濃度検出範囲外で且つセンサ電流検出範囲内の領域に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の酸素濃度検出装置。
8. センサ電流が酸素濃度検出範囲外になった際、一時的に酸素濃度検出を継続し、その後、センサ電流に制限を与えるよう印加電圧を制御することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の酸素濃度検出装置。

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