JP3764800B2

JP3764800B2 - 加熱制御回路

Info

Publication number: JP3764800B2
Application number: JP15000797A
Authority: JP
Inventors: 昌也金子
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1997-05-23
Filing date: 1997-05-23
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2017-05-23
Also published as: JPH10325823A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、酸素センサやＮＯｘセンサ等の加熱型センサ用ヒータに用いられる加熱制御回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素センサやＮＯｘセンサ等のセンシング部をヒータで加熱する型の加熱型センサにおいては、加熱用ヒータ自身の温度変動或は環境の温度変化によるヒータの温度変化によってもセンサの特性が変わってしまう。例えば、白金薄膜ヒータは、抵抗値が温度に対応して図１のＴ（温度）−Ｒ（抵抗）特性図のように変化している。
【０００３】
加熱型センサの温度を高温値に保持させる従来のヒータ温度制御方法として、例えば特開昭６０−１１４７５８号公報が提案されている。この方法は、センサの近傍に熱電対、サーミスタなど等の測温体を配置して環境温度を測定し、この結果を基にセンサ加熱用ヒータへの供給電圧を制御してセンサ温度を所定値に保持している。この場合、周囲温度を測定するのみの測温体を必要とし、更にセンサ自身の仕組みも複雑になり、コストアップに繋がる。
【０００４】
図２及び図３は、本発明者によって平成８年１０月２２日に出願された特願平８−２９８２６７号に記載された加熱型センサ用ヒータ及びその加熱制御回路である。図２において、絶縁板２には、感知領域と位置合わせされた白金薄膜の主ヒータ３０が固定され、この主ヒータ３０の内側に白金薄膜の補助ヒータ３２が配置されている。
【０００５】
図３において、トランジスタ２０は、コレクタが正電源電圧＋Ｖｃラインに接続され、エミッタがブリッジ回路１８及び主ヒータ３０を経て接地される。このブリッジ回路１８は、第１抵抗１２が接続点１３で補助ヒータ３２と直列接続され、第２抵抗１４が接続点１７を経て第３抵抗１６及び可変抵抗３４と直列接続される。
【０００６】
これらの接続点１３及び１７は、演算増幅器２４の各入力端に接続される。増幅器２４は、出力端が保護抵抗２２を経てトランジスタ２０のベースに接続される。トランジスタ２０のコレクタ・エミッタ間には、起動時に初期電圧をブリッジ回路１８に供給する抵抗３６が接続される。
【０００７】
図３において、増幅器２４は、接続点１３及び１７の電位ｅ１及びｅ２が等しくなるように、トランジスタ２０を制御して、補助ヒータ３２の温度を所定値に保持する。
【０００８】
例えば、補助ヒータ３２が所定温度より低い時には、ｅ１＜ｅ２で増幅器２４の出力が上昇して、主ヒータ３０及び補助ヒータ３２がより加熱される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図２において、主ヒータ及び補助ヒータが配置された絶縁板の電気的絶縁性が劣化すると、主ヒータ及び補助ヒータ間に生ずる電位差によって漏洩電流が流れる。従って、従来の加熱制御回路は構成が簡単ではあるが、この漏洩電流によってｅ１の電位が上昇してしまい、補助ヒータ３２の温度は所定値より低下してしまう問題がある。
【００１０】
本発明は前述の問題に鑑み、絶縁基板の電気的絶縁性が劣化しても漏洩電流が発生しない、主ヒータが設定値温度を保持できる信頼性の高い加熱型センサ用ヒータを実現することができる加熱制御回路を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明による加熱制御回路は、第１及び第２発熱部を含む主ヒータと、この主ヒータに並列接続されると共に補助ヒータを含むブリッジ回路と、このブリッジ回路の出力に基いて同ブリッジ回路及び前記主ヒータへの供給電圧を制御する増幅器とを備える。
【００１２】
前記ブリッジ回路は、残りの三辺に第１抵抗、第２抵抗及び第３抵抗を含み、前記増幅器は、前記第１抵抗及び前記補助ヒータの第１接続点に反転入力端が接続され、前記第２抵抗及び第３抵抗の第２接続点に非反転入力端が接続され、出力端が例えば電圧フォロアを経由して前記主ヒータ及び前記ブリッジ回路に接続され、前記ブリッジ回路が起動抵抗によって初期的に給電される。
【００１３】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図４は、本発明による加熱型センサ用ヒータの一実施例を示す平面図である。図４において、図１に示す部品と類似するものには同じ符号を付してある。熱伝導性ジルコニア基板２の表側には高温に加熱されるガス感知部（図示略）が形成され、両端に２つの電極（図示略）が形成されている。
【００１４】
この基板２の裏面には、感知領域と位置合わせされた白金薄膜の主ヒータ３０が配置されている。この主ヒータ３０は、負荷端Ｓ及び接地端ＧＮＤが同一側又は角に形成されるように、中間点３１まで対に敷設される第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂを含む。この場合、第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂは、単位面積当たりの抵抗値の抵抗分布が同一で、同じ長さであるので、抵抗値が同一であると仮定している。この第１発熱部３０ａの内側には、白金薄膜の補助ヒータ３２が配置される。
【００１５】
従って、ジルコニア基板２上の第２発熱部３０ｂ及び補助ヒータ３２の間には、第１発熱部３０ａが隣接配置されている。補助ヒータ３２の各部の電位が第１発熱部３０ａの隣接する部位の電位と等しくなるようにすれば、漏洩電流の影響が補助ヒータ３２に及ばなくなる。従って、第１抵抗１２の抵抗値は、所定設定温度での補助ヒータ３２の抵抗値と略同じになるように設定される。
【００１６】
図５は、本発明による加熱型センサ用ヒータの加熱制御回路の一実施例を示している。図５において、図３に示す部品と類似するものには同じ符号を付してあり、エミッタフォロア接続のトランジスタ２０は、コレクタが正電源電圧＋Ｖｃラインに接続され、エミッタが並列接続のブリッジ回路１８及び第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂからなる主ヒータ３０を経て接地される。第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂは、同じ材質及び同じ長さになるように絶縁基板２に敷設される。
【００１７】
ブリッジ回路１８の内部抵抗は、主ヒータ３０の抵抗より相当高いので、大半の電流が主ヒータ３０に供給される。このブリッジ回路１８は、直列接続の第１抵抗１２及び可変抵抗３４が接続点１３で補助ヒータ３２と直列接続され、第２抵抗１４が接続点１７を経て第３抵抗１６と直列接続される。第２抵抗１４及び第３抵抗１６は、抵抗値の比率が第２発熱部３０ｂ及び第１発熱部３０ａのそれと等しくなるように設定されている。また、可変抵抗３４は、所定の設定温度を決定するために調整される。
【００１８】
これらの接続点１３及び１７は、演算増幅器２４の反転及び非反転入力端に各々接続される。この増幅器２４は、出力端が保護抵抗２２を経てトランジスタ２０のベースに接続される。また、トランジスタ２０のコレクタ・エミッタ間には、起動時に初期電圧をブリッジ回路１８に供給するプルアップ抵抗３６が接続される。
【００１９】
本発明による加熱制御回路の基本動作は次の通りである。電源投入時には、ブリッジ回路１８に不平衡出力電圧が発生しないので、例えば１ボルトの起動用の電圧が抵抗３６を経由してブリッジ回路１８に供給される。この起動抵抗３６は、定常時に第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂからなる主ヒータ３０への電流が主にエミッタフォロア２０から供給されるので、かなり高い抵抗値が用いられ、その消費電力が殆ど無視できる。
【００２０】
また、主ヒータ３０及び補助ヒータ３２の抵抗値は各々未通電時に低く、通電すると徐々に高くなって例えば４００度Ｃに目標抵抗値に到達する。従って、増幅器２４及びエミッタフォロア２０は、補助ヒータ３２の抵抗値の上昇に起因するブリッジ回路１８の不平衡出力電圧によって、供給電圧を上昇させ、平衡供給電圧に到達させる。即ち、増幅器２４は、接続点１３及び１７の電位ｅ４及びｅ５が等しくなるように、第１トランジスタ２０を制御して、補助ヒータ３２の温度を所定値に維持する。
【００２１】
従って、補助ヒータ３２の温度が所定温度より低い時には、ｅ４＜ｅ５で増幅器２４の出力が上昇する。従って、トランジスタ２０を経由して主ヒータ３０及び補助ヒータ３２への供給電圧が上昇される。補助ヒータ３２の温度が所定温度より高い時には、ｅ４＞ｅ５で増幅器２４の出力は下降する。従って、主ヒータ３０及び補助ヒータ３２への供給電圧が減少する。勿論大半の電流は主ヒータ３０を流れて、主ヒータ３０が主に発熱している。
【００２２】
可変抵抗３４は補助ヒータ３２の温度を所望値に調整するポテンショメータ又は可変抵抗器である。仮に、ジルコニア基板の絶縁性が劣化して、第１発熱部３０ａの電位分布は、補助ヒータの電位分布と同一であるので、漏洩電流が生ぜず、補助ヒータ３２に影響しない。即ち、ヒータ温度は変動しない。また、抵抗３６はトランジスタ２０がオフした際ｅ４、ｅ５が共にゼロ電位にならないようにするためのプルアップ抵抗である。
【００２３】
図５の回路において、主及び補助ヒータの目標温度は、（第１抵抗１２＋可変抵抗３４）対補助ヒータの抵抗値比率が第２抵抗１４対第３抵抗１６の抵抗値比率と等しくなるように設定され、第２抵抗１４対第３抵抗１６の抵抗値比率が第２発熱部３０ｂ対第１発熱部３０ａのそれと等しくなるように設定されている。従って、ヒータ基板の絶縁性劣化に伴う漏洩電流が発生しない。
【００２４】
従って、補助ヒータ３２が例えば４００度Ｃになった時には、目標供給電圧が第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂからなる主ヒータ３０にも供給され、同時に主ヒータ３０も４００度Ｃになっている。主ヒータ３０の温度変化は、補助ヒータ３２にも伝わり、この温度変化を元に戻すように供給電圧を増減させて、目標の温度に戻させる。また目標の温度は、例えばガス感知部との間に介挿される基板又は膜の熱抵抗による損失を考慮して４１０度Ｃに加熱制御されてもよい。
【００２５】
この絶縁板は、感知部の支持板として用いられる窒化アルミニウム、シリコンカーバイド等の熱伝導率が金属に近いセラミック基板、二酸化シリコン層、或は断熱支持体にプリント配線された略長方形又は楕円の断面形状を有する線形又は蛇行ヒータ上に形成される蒸着膜或は塗布膜である。勿論トランジスタは、バイポーラ型の他にＭＯＳＦＥＴが用いられてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の加熱制御回路は、ジルコニア等のヒータ基板の電気的絶縁性が劣化しても、漏洩電流が発生せず、従来のようにヒータ温度が変動することのない加熱型センサ用ヒータを実現することができる。
【００２７】
また、従来のブリッジ型加熱制御回路に比べて、第２抵抗及び第３抵抗の値を高く設定でき、その比を約１：１にできるため、第１発熱部３０ａ及び第２発熱部３０ｂからなる主ヒータの温度変化による出力電圧の変化を大きくできて、より正確な温度制御が可能となる。また、加熱制御回路内の温度上昇も抑えられ、更に所定温度への収束時間が短縮される。勿論、この比率は、発熱部の抵抗値の比率に対応して変えることができる。
【００２８】
また、感知部及びヒータ間の基板又は膜の熱伝導率が金属に近く一定である。このため、周囲温度の変化によるガス感知部又はヒータの温度変化が補償され、ガス感知部の感度特性が安定する。補助ヒータは主に温度の感知作用を受け持つ。主ヒータは、ブリッジ回路が平衡するように感知部を加熱する。第１発熱部の電位分布が補助ヒータのそれと略同一になるので、第１発熱部から漏洩電流が発生せず、正確、且つ迅速な温度制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】白金薄膜ヒータの温度（Ｔ）−抵抗（Ｒ）特性図である。
【図２】従来の加熱型センサ用ヒータの平面図である。
【図３】従来のブリッジ型加熱制御回路図である。
【図４】本発明による加熱型センサ用ヒータの平面図である。
【図５】本発明による加熱制御回路の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
２絶縁板
１８ブリッジ回路
２０電圧フォロア
２４増幅器
３０主ヒータ
３０ａ第１発熱部
３０ｂ第２発熱部
３２補助ヒータ

Claims

第１及び第２発熱部を含む主ヒータと、
この主ヒータに並列接続されると共に補助ヒータを含むブリッジ回路と、
このブリッジ回路の出力に基いて同ブリッジ回路及び前記主ヒータへの供給電圧を制御する増幅器とを備えた加熱制御回路。
前記ブリッジ回路は、残りの三辺に第１抵抗、第２抵抗及び第３抵抗を含み、前記増幅器は、前記第１抵抗及び前記補助ヒータの第１接続点に反転入力端が接続され、前記第２抵抗及び第３抵抗の第２接続点に非反転入力端が接続され、出力端が前記主ヒータ及び前記ブリッジ回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の加熱制御回路。
前記第２抵抗及び第３抵抗は、抵抗値の比率が前記第２及び第１発熱部のそれと等しくなるように設定される請求項２に記載の加熱制御回路。
前記ブリッジ回路は、起動抵抗によって初期給電される請求項１に記載の加熱制御回路。