JPH0540105A - 酸素濃度検知装置 - Google Patents

酸素濃度検知装置

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JPH0540105A
JPH0540105A JP3222175A JP22217591A JPH0540105A JP H0540105 A JPH0540105 A JP H0540105A JP 3222175 A JP3222175 A JP 3222175A JP 22217591 A JP22217591 A JP 22217591A JP H0540105 A JPH0540105 A JP H0540105A
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JP
Japan
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sensor element
oxygen sensor
oxygen
voltage
failure
Prior art date
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Application number
JP3222175A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Takahashi
一洋 高橋
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Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸素センサ素子の故障及び寿命の自己診断機
能を持たせ、酸素センサ素子の故障発生や寿命がきたこ
とを使用者に知らせる。 【構成】 酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた限界
電流式の酸素センサ素子4の陽極には、三角波電圧発生
装置1が接続されており、陰極には、出力電流を検出
し、検出データを比較演算する装置2と、酸素センサ素
子の故障及び寿命を報知する装置が接続している。酸素
センサ素子の固体電解質に印加する電圧の昇降を、最大
値及び最小値の間において、ゆっくりと繰り返すことに
より、酸素濃度の検出に支障を来すことなく常時故障及
び寿命を診断することができる。 【効果】酸素センサ素子の検出の精度をほとんど落とす
ことなく、常時酸素濃度の検知と同時に酸素センサ素子
の故障及び寿命の診断を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸素イオン伝導性の固
体電解質を用いた限界電流式の酸素センサ素子による酸
素濃度検知装置に関し、更に詳しくは、酸素センサ素子
の故障及び寿命の自己診断機能を備えた酸素濃度検知装
置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】酸素濃
度検知装置は、酸欠事故の防止等の人命に直接係わるこ
とに使用されることが多いにも係わらず、その酸素濃度
を検知するセンサ部の故障や寿命を装置自身が診断、検
知する機能を持つものがほとんどないのが現状である。
酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた限界電流式の酸
素センサ素子による酸素濃度検知装置でも、その機能を
有するものはない。
【0003】例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質を
用いた限界電流式の酸素センサ素子において、起動時の
オーバーシュート出力により寿命を検知する方法が提案
されているが、起動時のみの診断となり、酸素濃度検知
装置の作動期間中にわたって故障を発見したり、また寿
命を知らせたりすることはできず、実用的ではないのが
現状である。
【0004】本発明は、上記の問題点に鑑みて、酸素イ
オン伝導性の固体電解質を用いた限界電流式の酸素セン
サ素子による酸素濃度検知装置において、酸素センサ素
子の故障及び寿命の自己診断機能を持たせ、酸素センサ
素子の故障発生や寿命がきたことを使用者に知らせるこ
とができるようにすることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明の酸素
濃度検知装置において、酸素イオン伝導性の固体電解質
を用いた限界電流式の酸素センサ素子と、前記酸素セン
サ素子の固体電解質に印加する電圧を掃引させるための
制御装置と、掃引させた電圧に応じた前記酸素センサ素
子の出力電流値を検知する装置と、前記電圧の最大値及
び最小値に対応する出力電流値を比較する装置と、前記
酸素センサ素子の故障及び寿命を報知する装置とを備
え、前記酸素センサ素子の固体電解質に印加する電圧の
昇降を、最大値及び最小値の間において、ゆっくりと繰
り返すことにより、酸素濃度の検出に支障を来すことな
く常時故障及び寿命を診断することができることを特徴
とする。
【0006】
【実施例】本発明の一実施例による酸素濃度検知装置の
構成を、図1を参照して説明する。
【0007】酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた限
界電流式の酸素センサ素子4の陽極は、図1に示すよう
に、三角波形の電圧Vを発生する装置1に接続されてお
り、一方酸素センサ素子4の陰極は出力電流IL を検出
し、電圧Vのピーク値V1 及びV2 における出力電流I
1 及びI2 を複数回、好ましくは3回以上ホールド又は
記憶し、電流I1 及びI2 の各組の比較を行う装置2に
接続されている。また装置2には、電流I1 及びI2
各組の比較結果により、使用者に酸素センサ素子4の異
常を知らせるための装置3に接続されている。
【0008】次に、本発明の酸素濃度検知装置の具体例
を、図2を用いて説明する。酸素イオン伝導性の固体電
解質を用いた限界電流式の酸素センサ素子4の陽極側に
は、マイコン11のデジタル信号により制御されるD/
A変換器12と、D/A変換器12のアナログ信号を適
当な電圧値に変換するためのアンプ13が設けられてお
り、酸素センサ素子4の陽極はアンプ13の出力端子に
接続されている。一方酸素センサ素子4の陰極側には、
限界電流IL を電圧値に変換して検知するための抵抗
(R)21と、その電圧(R×IL )を適当な電圧値に
変換するためのアンプ22と、アンプ22の出力電圧値
をデジタル信号に変えてマイコン11に送るためのA/
D変換器23が接続されている。また、酸素センサ素子
4の自己加熱を行うためのヒータには、電圧値がVH
直流電源5が接続されている。
【0009】上記構成の本発明の酸素濃度検知装置にお
いて、出力電流の比較の内容と、比較結果の判定の一例
を以下に説明する。
【0010】(1) 比較内容 I1 (0)とI2 (0)の比較 I1 (0)とI1 (1)の比較(電圧波形10のピー
ク値V1 に対して)、又はI2 (0)とI2 (1)の比
較(電圧波形10のピーク値V2 に対して)
【0011】ここで、I1 (0)、I1 (1)、I
2(0)、I2 (0)・・・はそれぞれ一般にI
1 (N)及びI2 (N)と表すことができるが、I
1 (N)、I2 (N)は、それぞれ電圧波形のピーク値
1 、V2における出力電流で、Nの数値は、各ピーク
値における最新のデータをN=0としたときに、それよ
り何回前のデータであるかを示す。
【0012】(2) 比較結果の判定 |I1 (0)−I2 (0)|>規定値で、I1 (0)
≒I1 (1)、又はI2 (0)≒I2 (1)の場合に
は、センサの寿命である。 |I1 (0)−I2 (0)|≫規定値で、I1 (0)
≒I1 (1)、又はI2 (0)≒I2 (1)の場合に
は、センサの封止漏れ故障である。
【0013】ここで挙げたのは典型的な判定例の一つで
ある。判別に用いるデータ数が多いほど判定精度が良く
なり、上記以外の故障の検知も可能となる。
【0014】また、酸素センサ素子4の固体電解質に印
加する電圧波形10は、昇降の電圧傾斜が酸素濃度検知
に支障をきたさなければ、正弦波でもよいが、故障検知
の1サイクルの時間を短くするためには、三角波である
ことが望ましい。電圧波形に関しては、酸素濃度検知の
妨げにならないようにするために、適当な電圧幅及び昇
圧、降圧速度を有することが必要である。具体的には、
酸素センサ素子4の対電圧応答性及び出力電流の電圧特
性により異なるが、0.02V〜0.1Vの電圧幅とす
る必要があり、特に検知設定電圧値とそれにより0.0
2V〜0.1V低い電圧値との間で、三角波の傾斜(昇
圧、降圧の速度)を±0.002V/sec以下にする
のがよい。
【0015】以上に説明した本発明の酸素濃度検知装置
の動作機構を説明する。酸素センサ素子4を動作温度ま
で加熱し、酸素センサ素子4への印加電圧と出力電流の
特性を測定すると、図3に示すような関係が得られる。
図3の点線では、印加電圧Vs1からVs2の間で限界電流
が現れており、Vs2以上では電子伝導が起きていること
を示している。しかし、実際には湿度による影響が入る
ため、図3の実線のような2段の限界電流を持つ特性と
なる。この湿度の影響は、印加電圧Vs1〜Vs1' の一段
目の限界電流の方が、印加電圧Vs2' 〜Vs2の二段目の
限界電流よりも小さいことから、一段目の限界電流で酸
素濃度を測定する方が良い。そこで、酸素センサ素子4
の寿命を長くする目的で、印加電圧をVs1'に設定する
のが好ましい。
【0016】ところで、この酸素センサ素子4の寿命
は、図4に示すように、設定の印加電圧で限界電流が現
れなくなったときであり、また封止漏れの故障は、図5
に示すように限界電流が現れなくなったときである。そ
こで、設定の印加電圧Vs1' に対し、−0.02V〜−
0.1Vの電圧幅で出力電流の情報を採れば、寿命と封
止漏れの故障の診断ができることになる。
【0017】しかし、この電圧を直接切り換えた場合に
は、図6に示すように、出力電流のオーバーシュート及
びアンダーシュートが大きく、実際の検知に支障を来す
ことになる。そこで、三角波の傾斜を±0.002V/
sec以下にすることにより、図7に示すように、この
出力電流のオーバーシュート及びアンダーシュートのレ
ベルを実際の検知に支障を来さない程度に抑えることが
できる。
【0018】ところで、出力電流が酸素濃度による変化
なのか、寿命や故障による変化なのかを判別する必要が
ある。そのために、Vs1' 、又は(Vs1' −電圧幅)の
少なくともどちらか一方の情報を2回以上得て、得られ
たデータを比較し、その判別を行う。その結果、図8の
(a) のような出力電流が得られた場合には、故障又は寿
命と判断され、(b) のような場合には、封止リークと判
断され、(c) のような場合には酸素濃度による変化であ
ると判断できる。
【0019】酸素センサ素子4の故障として、もう1つ
拡散孔への詰まりが挙げられる。これに関しては、図9
に示すように検知データに大きなバラツキが生じること
から、掃引している印加電圧に対する出力電流の個々の
バラツキから診断できる。
【発明の効果】このように構成された本発明の酸素濃度
検知装置では、酸素センサ素子4の検出の精度をほとん
ど落とすことなく、常時酸素濃度の検知と同時に酸素セ
ンサ素子4の故障及び寿命の診断を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酸素濃度検知装置の一例を示すブロッ
ク図である。
【図2】本発明の酸素濃度検知装置の具体的な一例を示
すブロック図である。
【図3】正常動作時の限界電流式の酸素センサ素子の電
圧−電流特性を示すグラフである。
【図4】限界電流式の酸素センサ素子の寿命が来たとき
の電圧−電流特性を示すグラフである。
【図5】限界電流式の酸素センサ素子が封止漏れ故障を
起こしたときの電圧−電流特性を示すグラフである。
【図6】固体電解質への印加電圧を2つの電圧で切り換
えた場合の出力電流の変化を示すグラフである。
【図7】本発明による固体電解質への印加電圧を掃引し
たときの出力電流の変化を示すグラフである。
【図8】印加電圧と出力電流との関係を示すグラフであ
り、(a) は故障または寿命がある場合の出力電流を示
し、(b) は封止リークがある場合の出力電流を示し、
(c)は酸素濃度変化による出力電流を示す。
【図9】拡散孔の詰まりの故障がある場合の出力電流を
示すグラフである。
【符号の説明】
1・・・電圧波形10を発生させる装置 2・・・出力電流IL を検出し、電圧波形10のピーク
値V1 及びV2 における出力電流I1 及びI2 を複数回
ホールド又は記憶し、電流I1 及びI2 の各組の比較を
行う装置 3・・・装置2における比較結果により使用者に酸素セ
ンサ素子4の異常を知らせるための装置 4・・・酸素センサ素子 5・・・ヒータ用直流電源 10・・・酸素センサ素子4の陽極に印加する電圧波形 11・・・マイコン 12・・・D/A変換器 13・・・アンプ 21・・・限界電流IL を電圧により検知するための抵
抗 22・・・アンプ 23・・・A/D変換器 V1 、V2 ・・・電圧波形10のピーク値
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成3年9月12日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0011
【補正方法】変更
【補正内容】
【0011】ここで、I(0)、I(1)、I
(0)、I (1)・・・はそれぞれ一般にI
(N)及びI(N)と表すことができるが、I
(N)、I(N)は、それぞれ電圧波形のピーク値
、Vにおける出力電流で、Nの数値は、各ピーク
値における最新のデータをN=0としたときに、それよ
り何回前のデータであるかを示す。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0018
【補正方法】変更
【補正内容】
【0018】ところで、出力電流が酸素濃度による変化
なのか、寿命や故障による変化なのかを判別する必要が
ある。そのために、Vs1’、又は(Vs1’−電圧
幅)の少なくともどちらか一方の情報を2回以上得て、
得られたデータを比較し、その判別を行う。その結果、
図8の(a)のような出力電流が得られた場合には、寿
命と判断され、(b)のような場合には、封止リーク
よる故障と判断され、(c)のような場合には酸素濃度
による変化であると判断できる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた
    限界電流式の酸素センサ素子と、前記酸素センサ素子の
    固体電解質に印加する電圧を掃引させるための制御装置
    と、掃引させた電圧に応じた前記酸素センサ素子の出力
    電流値を検知する装置と、前記電圧の最大値及び最小値
    に対応する出力電流値を比較する装置と、前記酸素セン
    サ素子の故障及び寿命を報知する装置とを備え、前記酸
    素センサ素子の固体電解質に印加する電圧の昇降を、最
    大値及び最小値の間において、ゆっくりと繰り返すこと
    により、酸素濃度の検出に支障を来すことなく常時故障
    及び寿命を診断することができることを特徴とする酸素
    濃度検知装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の酸素濃度検知装置にお
    いて、酸素センサ素子の固体電解質に印加する電圧の掃
    引制御と、掃引させた電圧の最大値及び最小値における
    酸素センサ素子の出力電流値の検知と、検知した両出力
    電流値の比較とを、マイコンに行わせることを特徴とす
    る酸素濃度検知装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の酸素濃度検知装置にお
    いて、酸素センサ素子の固体電解質に印加する掃引電圧
    は、電圧幅が0.02V〜0.1Vで、掃引速度が0.
    002V/sec以下であり、かつ印加する電圧の上昇
    方向及び下降方向の掃引を繰り返し行うことを特徴とす
    る酸素濃度検知装置。
JP3222175A 1991-08-07 1991-08-07 酸素濃度検知装置 Pending JPH0540105A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7955494B2 (en) 2007-09-27 2011-06-07 Denso Corporation Gas sensor control apparatus

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7955494B2 (en) 2007-09-27 2011-06-07 Denso Corporation Gas sensor control apparatus

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