JPH06186200A - 酸素濃度検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 酸素センサ素子の故障に対する自己診断機能
を有するとともに、酸素センサ素子に故障が発生した場
合でも、高い信頼度のある酸素濃度検出を継続できる酸
素濃度検知装置を提供する。 【構成】 ヒーターを具備する限界電流式酸素センサ素
子を２個収めたセンサユニット１と、電圧印加装置４
と、電流検出装置５ａ、５ｂと、ヒーター駆動制御装置
２ａ、２ｂと、ヒーター異常検知装置３ａ、３ｂと、比
較判断装置６と、故障制御装置８と、故障報知装置７と
を有し、前記２個の酸素センサ素子の内の１個が故障し
た場合、ヒーター駆動装置２ａ、２ｂが、故障制御装置
８の制御信号をもとに、故障した酸素センサ素子のヒー
ターへの通電を停止させ、正常な酸素センサ素子のヒー
ターへの通電量を増加させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヒーターを具備する限
界電流式の酸素センサ素子を用いた酸素濃度検知装置に
関し、更に詳しくは、２個の酸素センサ素子を収めたセ
ンサユニットを用いて、酸素センサ素子の故障の自己診
断機能を備えた上に、故障後も継続測定を可能にする酸
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分
野で使用されることが多い。そのため、酸素濃度を検知
するセンサ部の故障や寿命を診断、検知する方法が提案
されている（例えば、特開昭６１−２１２７５３、特開
昭６１−２４１６４７、特開平１−２６２４６０、特開
平２−３２２４２、特開平２−１１４１６７、特開平３
−９２７３、特開平３−２６４８５８）。

【０００３】この中で、特開昭６１−２１２７５３、特
開昭６１−２４１６４７、特開平２−３２２４２、及び
特開平２−１１４１６７は、酸素センサ素子の劣化（寿
命）の診断を行う方法を提案している。特開平３−９２
７３では、酸素センサ素子と駆動回路とを接続するリー
ド線の断線故障の検知方法を提案された。

【０００４】酸欠警報機に代表される警報機能付きの酸
素濃度検知装置や、工業用の酸素濃度制御機能付きの酸
素濃度検知装置では、大きな問題として、誤警報や、誤
動作がある。誤警報や、誤動作を引き起こす原因とし
て、酸素センサ素子における拡散孔詰まり故障がある。
この故障は周囲の酸素濃度が低下した場合と似た検出値
の変化を示す。そのため、一個の酸素センサ素子で故障
を判断することは非常に困難である。そこで、特開平３
−２６４８５８では、一つの酸素センサ素子に二つの酸
素濃度検出セルを設けた構造を提案された。その中で、
限界電流式酸素センサ特有の故障である拡散孔詰まり故
障を検出出力の比率から故障を検知しているが、どちら
の検出セル部の故障なのかを特定できない。

【０００５】しかし、これらの提案は、いずれも酸素セ
ンサの故障や寿命を診断、検知し、その故障を知らせる
だけの提案であり、酸素センサの故障が発生した時点、
又は寿命が来た時点で、酸素センサとしての機能が完全
に停止してしまい、その間の安全性が確認できない問題
が残る。

【０００６】そこで、本発明者は先に複数の酸素センサ
素子を用いて故障の診断を行い、故障が見つかった後、
残りの正常な酸素センサで継続して酸素濃度を測定でき
る検知装置を出願した（特願平４−４０２８５）。しか
しながら、酸素センサ素子がまだ高価である現在では、
最小のセンサ数で酸素濃度測定の継続を実現する必要が
ある。２個の酸素センサ素子を一つのキャップ内に収め
る方式は、特願平４−４０２８５の検知装置の特定のケ
ースとして考えられる。この場合、２個の酸素センサ素
子が接近して取り付けられるため、ヒーター加熱での相
互干渉が起こる。その結果、一方の酸素センサ素子のヒ
ーターが故障したときに、もう一方の正常な酸素センサ
素子も影響を受け、センサ温度の低下が起こる。そのた
めに、残った正常な酸素センサ素子でも、実質的に酸素
濃度検出ができなくなってしまう。

【０００７】したがって、本発明の目的は、酸素センサ
素子の故障に対する自己診断機能を有するとともに、酸
素センサ素子に故障が発生した場合でも、高い信頼度の
ある酸素濃度検出を継続できる酸素濃度検知装置を提供
することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、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を２個収めたセンサ
ユニットを用い、酸素センサ素子の故障を検出、特定す
るとともに、酸素センサ上のヒーターに印加する電力を
制御すれば、酸素センサ素子の故障の発生を報知しなが
ら、信頼性の高い酸素濃度検知を継続して行うことがで
きることを発見し、本発明を完成した。

【０００９】すなわち、本発明の酸素濃度検知装置はヒ
ーターを具備する限界電流式酸素センサ素子を２個収め
たセンサユニットと、前記２個の酸素センサ素子の検出
部に電圧を印加する電圧印加装置と、前記２個の酸素セ
ンサ素子の検出部に流れる電流をそれぞれ検出する電流
検出装置と、前記２個の酸素センサ素子のヒーターに印
加する電力をそれぞれ制御するヒーター駆動制御装置
と、前記２個の酸素センサ素子のヒーターでの電力消費
量をそれぞれ検知し、正常範囲内にあるか否かを判別す
るヒーター異常検知装置と、前記２個の電流検出装置の
出力値を比較し、酸素センサ素子の検出部の故障を検出
するとともに、故障した酸素センサを特定する比較判断
装置と、前記ヒーター異常検知装置と前記比較判断装置
の出力に基づき、前記ヒーター駆動制御装置と故障報知
装置に制御信号を出力する故障制御装置と、前記故障制
御装置の出力に基づき、酸素センサが故障したことを知
らせるための故障報知装置と、を有することを特徴とす
る。

【００１０】

【作用】本発明の酸素濃度検知装置の動作原理を図１を
参照して説明する。酸素センサユニット１は酸素センサ
素子１１と１２によって構成される。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１
１、及び１２は実質的に同一の構造の素子である。

【００１１】この酸素センサ素子１１、及び１２の陽極
１１１、１２１は、所定の電圧を印加する電圧印加装置
４に接続している。また、酸素センサ素子１１、及び１
２の陰極１１２、１２２は、センサ検出部に流れる電流
をそれぞれ検出する電流検出装置５ａ、及び５ｂに接続
している。一方、酸素センサ素子のヒーター１１３、及
び１２３がヒーター駆動制御装置２ａ、２ｂにそれぞれ
接続し、更にヒーター異常検知装置３ａ，３ｂにそれぞ
れ接続している。

【００１２】酸素センサ出力の電流検出装置５ａ、５ｂ
は比較判断装置６に接続している。ヒーター異常検知装
置３ａ，３ｂと、比較判断装置６とは、故障制御装置８
に接続している。そして、故障制御装置８がヒーター駆
動制御装置２ａ，２ｂと、一方の酸素センサ素子におい
て故障が発生した時に、その故障の発生を使用者に報知
する装置（センサ異常報知装置７）にそれぞれ接続して
いる。

【００１３】この酸素濃度検知装置では、上述したよう
に、２個の酸素センサ素子１１、及び１２を同時に作動
させているので、一方に故障が生じた場合、２個の酸素
センサ素子１１、及び１２の検出部に流れる電流に差が
生じ、容易にその故障の発生を検知し、そして故障した
酸素センサを特定できる。

【００１４】具体的には、限界電流式酸素センサの故障
では、封止リークと拡散孔詰まりとあるが、封止リーク
故障では、センサの出力が増大し、拡散孔の詰まり故障
では、出力が減少する。これらは、いづれも酸素センサ
素子の機構的な故障であり、一方の酸素センサ素子の出
力が変化しないのに、もう一方の酸素センサ素子の出力
が変化した場合、変化した方の酸素センサ素子が故障と
判断できる。また、空気中の酸素濃度が変化することに
よって、双方の酸素センサ素子の出力が変化している過
程で故障が発生した場合では、拡散過程における応答
と、機構的変化による応答で差があることから、出力変
化応答の速度をみることにより、どちらの酸素センサ素
子の故障かを判断できる。

【００１５】どちらかの酸素センサのヒーターが故障し
たとき、ヒーターを電圧で駆動する場合では、ヒーター
に流れる電流の変化を検知することにより、またヒータ
ーを電流で駆動する場合では、ヒーターにかかる電圧あ
るいはヒーターに流れる電流の変化を検知することによ
り、酸素センサ素子の故障を検知できる。

【００１６】一方の酸素センサ素子に故障が生じた場
合、比較判断装置６が故障報知装置７に信号を送り、酸
素センサが故障したことを知らせるとともに、故障制御
装置８に故障した酸素センサ素子の特定結果を送る。ヒ
ーター駆動制御装置２ａと２ｂが、上記故障制御装置８
の信号により、故障したセンサ素子のヒーターに印加す
る電流を停止するとともに、他方の酸素センサ素子のヒ
ーターに印加する電力量を増加させることで、酸素濃度
の検知を継続して行う。電力の増加量は、故障した酸素
センサ素子を停止することによって失う干渉熱を補う程
度のものとする。

【００１７】なお、出力電流の比較判断装置６の代わり
に、電圧値の比較判断装置を用いてもよい。その場合で
は、各センサ素子１１、及び１２からの電流値を電圧値
に変換する回路を組み込む。また、本発明の酸素濃度検
知装置に、酸素濃度を表示する酸素濃度表示装置、ある
いは酸素濃度の下限を知らせる警報装置などを取り付け
ることは無論可能である。

【００１８】

【実施例】本発明の具体的実施例を第２〜５図を用いて
説明する。本発明では、酸素センサ素子１１、１２を同
じセンサユニットに取り付ける。第２図には、酸素セン
サ素子１１、１２のセンサユニットへの取り付けを上下
となるようにしている実施例を示す。またセンサユニッ
トの電極端子の配置例を図３に示す。両酸素センサ素子
の検出部の陽極を共通の電極端子に接続し、陰極をそれ
ぞれ独立の電極端子に接続する。また両酸素センサ素子
のヒーターの陽極を共通の電極端子に接続し、ヒーター
の陰極をそれぞれ独立の電極端子に接続する。さらにセ
ンサユニットを取り付けするときの方向を示すガイドピ
ンを設けた。もちろん、センサユニット上における酸素
センサ素子の配置は上下ではなく、図４に示す例のよう
に左右であってもよい。

【００１９】図５に本発明の一実施例の電気回路図を示
す。本実施例では、ヒーター駆動制御装置２ａは２１ａ
〜２６ａからなる定電流回路より構成され、ヒーター駆
動制御装置２ｂも同様に２１ｂ〜２６ｂより構成され
る。ヒーター異常検知装置３ａと３ｂは、Ａ／Ｄ変換器
を備えたマイコン６０と抵抗３１ａ、３２ａ及び抵抗３
１ｂ、３２ｂよりそれぞれ構成される。電圧印加装置４
は演算増幅器４１と抵抗４２、４３より構成される。電
流検出装置５ａ、５ｂは、電流検出抵抗５１ａ、５１ｂ
と、出力を規格化するために電圧を増幅する演算増幅器
５２ａ、５２ｂによりそれぞれ構成されている。比較判
断装置６はＡ／Ｄ変換器を備えたマイコン６０で構成さ
れ、故障報知装置７は、ランプ７０で構成されている。
故障制御装置８は、マイコン６０とアナログスイッチ８
１ａ、８２ａ、８１ｂ、８２ｂで構成される。

【００２０】電圧印加装置４は、ボルテージリファレン
スダイオード又はシャントレギュレータ２７による基準
電圧を、抵抗４２、４３により所定の電圧に分圧した
後、ボルテージフォロワで配線した演算増幅器４１を用
いて酸素センサ素子の抵抗変化による影響を打ち消し、
安定的に出力するようになっている。

【００２１】センサユニットに取り付けられた酸素セン
サ素子１１、１２の検出部の陽極１１１、１２１は、電
圧印加装置４の演算増幅器４１に接続され、酸素センサ
素子の陰極１１２、１２２は、電流検出装置５ａ、５ｂ
にそれぞれ接続されている。

【００２２】電流検出装置５ａ、５ｂは、電流検出抵抗
５１ａ、５１ｂで同抵抗に流れる電流を電圧に変換し、
非反転増幅で組まれた演算増幅器５２ａ、５２ｂでそれ
ぞれの電圧を増幅する。規格化した電圧は、それぞれＡ
／Ｄ変換入力チャンネルＡＩ０、ＡＩ１を介して接続さ
れているマイコン６０に出力される。

【００２３】比較判断装置６は、電流検出装置５ａ、５
ｂより規格化され、Ａ／Ｄ変換によりデジタル化された
酸素センサ１１、１２の出力を取り込み、比較すること
によって、酸素センサが故障しているか否かを判断す
る。両酸素センサの出力が一致していれば、故障してい
ないと判断し、出力結果を記憶する。酸素センサが正常
であると判断されているかぎり、比較判断装置６は決め
られた時間間隔ごとに上記ステップを繰り返す。しか
し、両酸素センサの出力が一致しなければ、どちらかの
酸素センサが故障したと判断する。そして、記憶してい
る故障が発生する直前の酸素センサの出力データと現在
の出力値とを比較し、出力値が異常に変化した酸素セン
サを故障した酸素センサと判断する。この判断結果を故
障制御装置８に渡したあと、再び決められた時間間隔ご
とに、正常な酸素センサの出力結果のみを取り込み、酸
素濃度の検知を継続する。

【００２４】酸素センサ素子１１、１２上のヒーター１
１３、１２３は一方が電源に接続され、他方がそれぞれ
のヒーター駆動制御装置２ａ、２ｂに接続されている。
定電流回路であるヒーター駆動制御装置２ａ、２ｂは、
ボルテージリファレンスダイオード又はシャントレギュ
レータ２７による基準電圧を抵抗２１ａ、２２ａ、２４
ａ、及び抵抗２１ｂ、２２ｂ、２４ｂによりそれぞれ分
圧した電圧が、抵抗２５ａ、２５ｂの電圧とそれぞれ等
しくなるよう制御し、酸素センサ素子のヒーター１１
３、１２３にそれぞれ定電流が流れるようにしている。

【００２５】酸素センサ素子１１、１２のヒーター１１
３、１２３にかかる電圧を検知するために、ヒーター異
常検知装置３ａ、３ｂは、ヒーター駆動制御装置２ａ，
２ｂの入力部の電圧を、抵抗３１ａ、３２ａ及び抵抗３
１ｂ、３２ｂによりそれぞれ分圧した後、それぞれＡ／
Ｄ変換入力チャンネルＡＩ２、ＡＩ３を介してマイコン
６０に出力する。マイコン内部では、デジタル信号に変
換されたそれぞれの電圧値に基づき、酸素センサ素子上
のヒーターの異常を検出する。酸素センサの電圧が異常
に変化したときには、ヒーターが故障したと判断し、故
障制御装置８に判断結果を渡す。

【００２６】本実施例では、酸素センサ素子のヒーター
制御を電流で行っているが、ヒーター制御を電圧で行う
場合には、ヒーター異常検知装置３ａ、３ｂはヒーター
に流れる電流値から異常を判断する。

【００２７】故障制御装置８が、ヒーター駆動制御装置
２ａ、２ｂの抵抗２２ａ、２４ａ及び抵抗２２ｂ、２４
ｂにそれぞれ並列に接続しているアナログスイッチ８１
ａ、８２ａ及び８１ｂ、８２ｂを介して、ヒーター異常
検知装置３ａ、３ｂと比較判断装置６から渡された判断
結果を元に、ヒーター駆動制御装置２ａ、２ｂに制御信
号を与える。また、反転バッファを介して故障報知装置
７に信号を与える。酸素センサに故障が発生した場合、
故障制御装置８がヒーター異常検知装置３ａ、３ｂ、又
は比較判断装置６より出力された故障情報を読み取り、
先ずマイコン６０の出力ポート０の第一ビットＰ００に
ハイレベル信号を出力し、故障報知装置７に信号を送
る。そして、故障した酸素センサを特定し、それに応じ
てマイコン６０の出力ポート０の第二、三ビットＰ０
１、Ｐ０２にそれぞれ異なる信号を出力する。反転バッ
ファを介して出力ポート０のＰ０１にはアナログスイッ
チ８２ａ、８１ｂが、出力ポート０のＰ０２にはアナロ
グスイッチ８１ａ、８２ｂがそれぞれ接続されており、
出力ポートの信号に応じて作動し、演算増幅器２３ａ、
２３ｂに分圧される電圧を変更させる。これにより、ヒ
ーターに流れる電流をヒーター駆動制御装置２ａ、２ｂ
を通じて制御を行う。

【００２８】故障報知装置７が故障制御装置８とマイコ
ン６０の出力ポート０の第一ビットＰ００を介して接続
されており、出力ポートの信号が低レベルであれば、ラ
ンプ７０が消灯し、酸素センサが正常であることを伝
え、出力ポートの信号がハイレベル信号であれば、ラン
プ７０が点灯し、酸素センサが故障したことを伝える。

【００２９】以上に説明した本実施例の動作機構を説明
する。センサユニット上の二個の酸素センサ素子が共に
正常な場合では、マイコン６０の出力ポート０のＰ００
は低レベル信号を出力し、ランプ７０が消灯となる。ま
た、マイコン６０の出力ポート０のＰ０１、Ｐ０２はと
もにハイレベル信号を出力し、アナログスイッチ８１
ａ、８２ａ、８１ｂ、及び８２ｂがいずれもオフとな
る。このとき、演算増幅器２３ａ、２３ｂの入力側の電
圧は抵抗２１ａ、２２ａ、２４ａと抵抗２１ｂ、２２
ｂ、２４ｂによってそれぞれ分圧された電圧となる。本
実施例では抵抗２１ａと２１ｂ、２２ａと２２ｂ、２４
ａと２４ｂがそれぞれ等しくなっているため、演算増幅
器２３ａ、２３ｂの入力側の電圧は互いに等しい。上述
したヒーター駆動制御装置２ａ、２ｂの定電流回路の制
御により、抵抗２５ａ、２５ｂにかかる電圧も等しく、
ヒーター１１３、１２３に流れる電流が互いに等しく保
たれる。

【００３０】センサユニット上の酸素センサ素子、例え
ば酸素センサ１１が故障した場合では、マイコン６０の
出力ポート０のＰ００はハイレベル信号を出力し、ラン
プ７０が点灯となる。マイコン６０の出力ポート０のＰ
０１は低レベル信号を出力し、アナログスイッチ８２
ａ、及び８１ｂがオンとなり、出力ポート０のＰ０２は
ハイレベル信号を出力し、アナログスイッチ８１ａ、及
び８２ｂがオフのままである。このとき、演算増幅器２
３ａの非反転入力側の電圧はグランドに接続され、実質
ゼロである。一方、演算増幅器２３ｂの非反転入力側の
電圧は抵抗２１ｂ、２４ｂによって分圧された電圧とな
り、故障が発生する前の電圧より増加する。上述した定
電流回路の制御により、ヒーター１１３に流れる電流が
なくなり、ヒーター１２３に流れる電流が増加する。本
実施例では、２個の酸素センサが共に正常である場合、
ヒーターに流れる電流は１２０ｍＡである。故障が発生
した場合、残りの正常な酸素センサのヒーターに１２５
ｍＡの電流が流れるように設定した。なお、酸素センサ
１２が故障した場合でも、同様に類推できる。

【００３１】以上、本発明を図５に示す実施例を用いて
説明したが、本発明はこの例に限らず、本発明の主旨を
逸脱しないかぎり、種々の形を取ることは可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の酸素濃
度検知装置を用いることにより、一方の酸素センサ素子
に故障が発生した場合でも、残ったもう一方の酸素セン
サ素子を用いて、交換までの短期間測定を継続すること
ができ、酸素濃度検知装置を安全装置や、制御装置とし
て用いているシステムのシステムダウンの時間を最小限
に抑えることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃度検知装置の原理を示すブロッ
ク図である。

【図２】２個の酸素センサ素子を収めたセンサユニット
の一例を示す模式図である。

【図３】２個の酸素センサ素子を収めたセンサユニット
の一例の電極配置を示す模式図である。

【図４】２個の酸素センサ素子を収めたセンサユニット
の一例を示す模式図である。

【図５】本発明の酸素濃度検知装置の実施例を示す電気
回路図である。

【符号の説明】

１ 酸素センサユニット １１、１２ 酸素センサ素子 １１１、１２１ 酸素センサ素子の陽極 １１２、１２２ 酸素センサ素子の陰極 １１３、１２３ 酸素センサ素子のヒーター ２ａ、２ｂ 酸素センサ素子のヒーター駆動制御装
置 ３ａ、３ｂ 酸素センサ素子のヒーター異常検知装
置 ４ 酸素センサ素子の限界電流検出のため
の電圧印加装置 ５ａ、５ｂ 酸素センサ素子の限界電流値を検出
し、所定の規格化した信号に変換する電流検出装置 ６ 電流検出装置とヒーター異常検知装置
の出力を読み取り、酸素センサの故障を検知、特定する
比較判断装置 ７ 故障報知装置 ８ ヒーター駆動制御装置に制御信号を送
る故障制御装置 ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２
５ａ、２５ｂ、３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、４
２、４３、５１ａ、５１ｂ 抵抗 ２３ａ、２３ｂ、４１、５２ａ、５２ｂ 演算増幅器 ２６ａ、２６ｂ トランジスタ ２７ ボルテージリファレンスダイオード又
はシャントレギュレータ ６０ Ａ／Ｄ変換器を備えたマイコン ＡＩ０、ＡＩ１、ＡＩ２、ＡＩ３ マイコン６０上にあるＡ／Ｄ変換入力チャンネル０〜３ Ｐ００、Ｐ０１、Ｐ０２ マイコン６０上にある出力ポート０の第１〜３ビット ７０ ランプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒーターを具備する限界電流式酸素セン
   サ素子を２個収めたセンサユニットと、 前記２個の酸素センサ素子の検出部に電圧を印加する電
   圧印加装置と、 前記２個の酸素センサ素子の検出部に流れる電流をそれ
   ぞれ検出する電流検出装置と、 前記２個の酸素センサ素子のヒーターに印加する電力を
   それぞれ制御するヒーター駆動制御装置と、 前記２個の酸素センサ素子のヒーターでの電力消費量を
   それぞれ検知し、正常範囲内にあるか否かを判別するヒ
   ーター異常検知装置と、 前記２個の電流検出装置の出力値を比較し、酸素センサ
   素子の検出部の故障を検出するとともに、故障した酸素
   センサを特定する比較判断装置と、 前記ヒーター異常検知装置と前記比較判断装置の出力に
   基づき、前記ヒーター駆動制御装置と故障報知装置に制
   御信号を出力する故障制御装置と、 前記故障制御装置の出力に基づき、酸素センサが故障し
   たことを知らせるための故障報知装置と、を有すること
   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、前記ヒーター駆動装置が、前記２個の酸素センサ
   素子の内の１個が故障した場合、前記故障制御装置の制
   御信号をもとに、故障した酸素センサ素子のヒーターへ
   の通電を停止させる手段と、正常な酸素センサ素子のヒ
   ーターへの通電量を増加させる手段とを有することを特
   徴とする酸素濃度検知装置。