JPH0727738A - 酸素センサー制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は酸素センサー制御装置に関するもの
で、センサー出力のバラツキ低減を目的としたものであ
る。 【構成】 この酸素センサー制御装置は、センサー部の
温度を温度検出用センサー１６で検出し、その出力に基
づいて通電制御部２０がセンサー加熱用ヒータ１４の印
加電圧を設定、或はセンサー加熱用ヒータ１４に印加さ
れる電圧を基に通電制御部４７がセンサー加熱用ヒータ
の印加電圧を設定するように構成してあり、酸素センサ
ーのセンサー部温度によりセンサー加熱用ヒータ１４の
印加電圧を補正するようにしてある。従って、酸素セン
サーは排気温度等の雰囲気温度に関係なくほぼ一定温度
に維持されて出力が安定するとともに、燃焼状態の変化
に伴う排気温度の変動影響、取り付け場所による影響等
を考慮する必要がなくなって使い勝手がよくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は排気ガス中の酸素濃度を
検出して空燃比制御を行うのに用いられる限界電流式酸
素センサーの制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に限界電流式酸素センサーは図５
に示すように、ジルコニア固体電解質３９の両面に電極
４０、４１を設け、その両端に電圧４４を印加して電流
を流すと、陰極４０、陽極４１で発生する酸素の注入、
放出の電気化学反応が起こる。この酸素の注入、放出の
過程で酸素の供給を制限することにより、図６に示すよ
うに電圧電流特性に飽和電流特性が現れ、その大きさは
雰囲気中の酸素濃度にほぼ比例する。限界電流式酸素セ
ンサーはこの特性を利用し、陰極への酸素供給をガス拡
散口４２によって行い、この段階で拡散速度を律速する
ことにより供給酸素濃度に比例した限界電流を得るもの
である。

【０００３】この限界電流式酸素センサーは安定性に優
れ、長寿命であるが、内部抵抗が大きいため、高温に加
熱して動作させなければならないという欠点を有する。
このため、この種のセンサーはセンサー部近傍にヒータ
４５を取付け、所定の電圧４６を印加して、自己加熱し
て使用するのが一般的である。また、酸素センサーは燃
焼器の排気経路に取り付け排気ガス中の酸素濃度を検出
して、その値を予め設定した値になるように制御をかけ
るという使い方から、排気ガスの温度変化の影響を受け
るものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の限界電流式酸素センサーは、図７に示すように雰囲
気温度が高くなれば限界電流が増大し、温度が低くなれ
ば減少するという温度依存性を有するため、燃焼量の変
化やその他要因による排気温度の変動による影響で限界
電流を高精度に確保することが困難なものであった。つ
まり、ヒータ印加電圧が一定で自己加熱温度を固定され
ている場合、燃焼量が増大して排気温度が上昇すると、
ヒータの発熱が大きくなり温度が高くなりすぎる。反対
に、燃焼量が減少して排気温度が低下すると、ヒータの
発熱が少なくなりセンサー部温度が所定温度まで達せ
ず、限界電流が確保できないということになる。

【０００５】具体的に、空燃比制御に使用した場合につ
いて考えてみると、排気温度が高い場合（Ｔ３）は、同
一酸素濃度においても、限界電流が多く流れる（Ｉ３）
こととなり、酸素濃度が濃い状態と見なす。つまり、空
燃比制御においては燃焼用空気量を減少させる方向に制
御がかかり、黄火燃焼となる。反対に、排気温度が低い
場合（Ｔ１）は、限界電流が流れにくい状態（Ｉ１）と
なり、酸素濃度が薄い状態と判断する。よって、空燃比
制御は燃焼用空気量を増大させる方向に制御がかかり、
リフト燃焼となる。

【０００６】また、限界電流式酸素センサーはヒータ抵
抗や印加電圧による自己加熱温度のばらつきの影響を受
けることも多く、それによっても限界電流を高精度に確
保することが困難なものであった。すなわち、ヒータ抵
抗がばらつくと印加電圧が一定の場合、抵抗が小さいと
過大電流となり、ヒータの発熱が大きくなって温度が高
くなりすぎる。反対に、抵抗が大きいと電流が流れない
ため、ヒータの発熱が少なくなってセンサー部温度が所
定温度まで達せず、限界電流が確保できないということ
になる。

【０００７】具体的に、空燃比制御に使用した場合につ
いて考えてみると、ヒータ抵抗が小さい場合は、同一酸
素濃度においても、限界電流が多く流れることとなり、
酸素濃度が濃い状態と見なす。つまり、空燃比制御にお
いては燃焼用空気量を減少させる方向に制御がかかり、
黄火燃焼となる。反対に、ヒータ抵抗の大きい酸素セン
サーを使った場合は、限界電流が流れにくい状態とな
り、酸素濃度が薄い状態と判断する。よって、空燃比制
御は燃焼用空気量を増大させる方向に制御がかかり、リ
フト燃焼となる。

【０００８】また、本センサーは上記でも説明した通
り、燃焼機の排気経路中に取付け、排気ガス中の酸素濃
度を検出しようとする目的で使用するため、極端に雰囲
気温度が上昇すると、基板であるジリコニア電解質の破
損や電極の剥離等が発生する恐れもある。

【０００９】このため従来は、排気ガス温度の影響を大
きく受けない取付構成を考案したり燃焼量の可変巾を小
さくして排気温度の変動影響を極力抑えた使い方、及
び、ヒータ抵抗の選別、調整、また印加電圧の調整でヒ
ータ電力のばらつきを極端に小さく抑える等、設計面で
大きく制約を受けるものであった。

【００１０】本発明は上記課題を解決するもので、雰囲
気温度によるセンサー出力のバラツキ低減を第１の目的
とし、さらにセンサー自体のヒータの発熱バラツキによ
る出力変動をも低減することを第２の目的としたもの
で、使い勝手のよい酸素センサー制御装置を提供するも
のである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記第１の目的
を達成するため、出力電圧が任意に設定できるセンサー
加熱用ヒータ電源と、センサー部近傍に配置した温度検
出用センサーと、この温度検出用センサーの出力を読み
込むＡ／Ｄ入力部と、予めセンサー部の最適標準温度が
設定してある設定部と、前記Ａ／Ｄ入力と設定温度を比
較、演算してセンサー加熱用ヒータの印加電圧の補正量
を計算する演算部Ａと、この演算部Ａの演算結果により
センサー加熱用ヒータの印加電圧を設定する通電制御部
とで構成して、酸素センサーのセンサー部温度によりセ
ンサー加熱用ヒータの印加電圧を補正するようにしてあ
り、また第２の目的を達成するため、センサー部温度を
所定の温度に加熱するためのヒータと、このヒータに直
列に接続した電流検出用抵抗と、電源投入初期ヒータに
通電する通電手段と、通電により前記抵抗の両端に発生
する電圧を読み込むＡ／Ｄ入力部と、読み込んだＡ／Ｄ
入力値によりヒータ抵抗を求める演算部Ａと、前記演算
部Ａの演算結果により所定電力を得るためのヒータ電圧
を求める演算部Ｂと、前記演算部Ｂの演算結果によりヒ
ータに印加する電圧を設定する通電制御部とで構成し
て、酸素センサーのセンサー加熱用ヒータの消費電力を
一定になるようにしてある。

【００１２】

【作用】本発明は上記第１の構成によって、燃焼中の排
気温度の変化等によるセンサー部の温度を温度検出用セ
ンサーで検出し、その出力をＡ／Ｄ入力部に読み込み、
予め設定した温度データと演算部Ａで比較演算して、セ
ンサー部温度に対応したヒータ印加電圧の補正量を求め
る。次に、その演算結果に基づき通電制御部で読み込ん
だセンサー部温度に対応したヒータ印加電圧を設定す
る。設定された電圧制御信号をセンサー加熱用ヒータ電
源の制御信号入力部にフィードバックしてヒータ印加電
圧を制御する。このような作用により、燃焼量が変化し
て排気温度が変動してもセンサー部温度への影響はほと
んどなくなり、センサー出力特性が安定した使い勝手の
よいものとなる。

【００１３】また、第２の構成によって、運転初期、所
定時間ヒータに通電し、その電流値を検出することによ
り、演算部でヒータ抵抗を検出し、その抵抗値に対応し
た所定電力を得るためのヒータ印加電圧を求め、通電制
御部を介してヒータに所定電圧を印加する。このためヒ
ータの抵抗ばらつきに関係なく、予め設定したヒータ電
力に設定でき、センサー部温度を所定の温度に設定する
ことが容易となる。従って排気ガス温度の上昇によるセ
ンサー部温度の変動を少なくすることができ、取付構成
面でも使い勝手のよいものとすることができる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の実施例を図１〜図４を参照して
説明する。図１は第１の発明の一実施例における酸素セ
ンサー制御装置を示し、１は電源部、２、３、４は抵
抗、５、６はトランジスタ、７は定電圧ダイオード、
８、９、１０は抵抗、１１はコンデンサ、１２ａはフォ
トカプラの受光部である。この２〜１２ａで定電圧制御
回路Ａを構成し、ヒータ１４に印加する電圧を設定す
る。１３は制限抵抗、１４はセンサー部加熱用ヒータ、
１５は抵抗、１６は温度検出用センサーで、センサー部
近傍に配置されセンサー部温度を検出する。１７はＡ／
Ｄ入力部で、前記温度検出用センサーの出力を読み込み
温度データとする。１８は設定部で、予めセンサー部の
最適標準温度（温度の目標値）を設定してある。

【００１５】１９は演算部で、Ａ／Ｄ入力部１７により
読み込まれたデータと設定部１８で設定された目標値を
比較演算し、センサー部温度に対応したヒータ印加電圧
の補正量を求める。２０は通電制御部で、前記演算部１
９により求まる演算結果に基づき、読み込んだセンサー
部温度に対応したヒータ印加電圧の設定を行い、電圧制
御信号として出力する。この電圧設定方法としては各種
考えられるが、本発明の実施例としてはＰＷＭ信号とし
て出力する方法について述べる。１２ｂはフォトカプラ
の発光部で、通電制御部２０のＰＷＭ信号を前記フォト
カプラ受光部１２ａを介して定電圧制御回路Ａの電圧制
御入力部に送る。２１は制限抵抗である。

【００１６】図２は上記構成の酸素センサー制御装置を
用いて燃焼器の空燃比制御を行った場合の、構成を示し
たものである。その構成を簡単に説明すると、バーナモ
ータ２５、燃料ポンプ２６および気化部等で構成するバ
ーナ部２７で燃焼が行われ、その燃焼ガスが燃焼室、熱
交換器２８、排気経路２９を経由して室外に排出され
る。この排気経路の途中に酸素センサー３０を配置し、
排気ガス中の酸素濃度を検出する。

【００１７】この酸素センサー３０の制御装置は温度検
出部２３、通電制御部２４、ヒータ電源３１で構成さ
れ、詳細な構成は前述した通りである。酸素センサー３
０の出力は増幅器３４を介してマイコンに入力され、予
め設定された空燃比目標値３５と比較演算され、バーナ
モータ回転数の補正量が求められる。この補正演算結果
に基づき補正信号がモータ駆動回路３８に送られ、空燃
比目標値に適したバーナモータ回転数に制御される。以
上のような構成で酸素センサーを用いた空燃比制御は行
われるわけである。

【００１８】上記構成において、その動作を簡単に説明
する。まず電源が投入され動作が開始すると、センサー
加熱用ヒータ１４に予め設定された電圧が印加され、セ
ンサー部の加熱が開始される。同時に所定シーケンスに
従い燃焼動作が開始され所定時間経過後、空燃比制御が
行われる。

【００１９】この状態でセンサー部温度によるセンサー
加熱用ヒータ１４印加電圧の制御が開始される。センサ
ー部温度を温度検出用センサー１６で検出し、Ａ／Ｄ入
力部１７に読み込む。読み込まれた信号は温度データと
してＡ／Ｄ変換され、設定部１８で予め設定されている
目標値と比較され、演算部１９で読み込まれたセンサー
部温度に対応したヒータ印加電圧の補正量が求められ
る。

【００２０】次に、この演算結果が通電制御部２０に送
られ、ヒータ印加電圧の制御信号としてＰＷＭ信号に変
換されフォトカプラ１２ｂ、１２ａによりヒータ電源Ａ
の電圧制御部に出力される。ヒータ電源は電圧制御信号
によって所定の出力電圧に設定されヒータ１４に印加さ
れる。つまり、燃焼量が増大して排気温度が上昇する
と、温度検出用センサー１６によりＡ／Ｄ入力部１７を
介して演算部１９に設定温度よりも上昇したという温度
データが入力され、演算部１９は入力された温度データ
に基づきヒータ印加電圧を低下させる補正演算を行い、
補正量を求める。入力された温度データが大きい場合
は、負の補正量が求められ通電制御部２０において補正
量に対応した出力パルスの巾が設定される。電圧を低下
する場合はパルス巾を狭く、デューティー比を小さく設
定する。このようにデューティー比の小さいパルスをヒ
ータ電源の電圧制御部に送り出力電圧を所定のレベルま
で低下させ、ヒータ電力を下げて発熱を抑制し、センサ
ー温度の上昇を抑える。

【００２１】反対に、燃焼量が減少して排気温度が低下
した場合は、演算部１９に設定温度よりも低下したとい
う温度データが入力され、ヒータ印加電圧を上昇させる
ための補正量を求める計算を行う。温度が低下した場合
は正の補正量が求められ通電制御部２０において、デュ
ーティー比の大きいパルスが設定される。このパルスを
ヒータ電源部にフィードバックして、ヒータ印加電圧を
上昇させ、センサー温度を所定の値に調整する。このよ
うにセンサー部温度に応じてヒータ印加電圧を制御する
ことでセンサー温度の安定化を図っている。

【００２２】次に第２の発明の一実施例を図３、図４を
用いて説明するが、先の実施例と同じ部分は同一番号を
付記して異なる部分のみ説明すると、４１はＡ／Ｄ入力
部で、ヒータ通電により発生する抵抗１３の両端電圧を
読み込み、電流検出を行う。４２は演算部Ａで、Ａ／Ｄ
入力部４１、４３により読み込まれたデータを演算し、
ヒータ抵抗データとして求める。４４は電力目標値設定
部で、センサー仕様に応じて、予め設定しておく。４５
は演算部Ｂで、前記演算部Ａ４２の演算結果と電力目標
値４４によりヒータ印加電圧の設定値を求める。４６は
初期通電手段で、動作開始初期の所定時間、通常のヒー
タ印加電圧より低い電圧を設定するための制御信号を発
生する。４７は通電制御部で、初期通電手段４６および
演算部Ｂ４５より送られる信号に基づき、ＰＷＭ信号と
して出力する。１２ｂはフォトカプラの発光部で、通電
制御部４７のＰＷＭ信号を前記定電圧制御回路Ａに伝達
する。４８は燃焼制御部で、運転および室温条件に応じ
た燃焼信号を初期通電手段４６および電力目標値設定部
４４に送る。４９はタイマー部で、所定周期で演算部Ａ
４２を動作させ、ヒータ印加電圧の補正を行う。

【００２３】上記構成において、その動作を説明する。
まず電源が投入され動作が開始すると、燃焼制御部４８
より初期通電手段４６に所定時間、ヒータに通電するた
めの信号が送られ、初期通電手段４６は予め設定された
電圧目標値の信号を通電制御部４７に送る。この信号は
ヒータ加熱によりヒータ抵抗が変化を受けにくいように
するため、極力低い電圧の設定値とする。

【００２４】通電制御部４７は入力信号に応じてＰＷＭ
信号に変換し、フォトカプラ１２ｂに出力する。フォト
カプラ１２ａはＰＷＭ信号に同期してＯＮ−ＯＦＦを繰
り返し、抵抗９を介してコンデンサ１１に充電される。
この充電電圧は抵抗９、１０で定まり、トランジスタ６
のベース電位となって、定電圧制御回路の出力電圧すな
わちヒータ１４の印加電圧を設定する。

【００２５】ヒータ１４に所定の電圧が印加されると、
電流が流れ、抵抗１３の両端に電圧が発生する。この電
圧を所定周期でＡ／Ｄ入力部４１に読み込むことにより
電流レベルを計測する。また、同周期でヒータ１４への
印加電圧をＡ／Ｄ入力部４３で読み取りる。この４１、
４３のＡ／Ｄ入力データを演算Ａ部４２で演算してヒー
タ抵抗データとして求める。つまり、電圧（Ａ／Ｄデー
タ４３）／電流（Ａ／Ｄデータ４１）の計算を行わせ
る。

【００２６】次に、この演算結果すなわちヒータ抵抗デ
ータと設定しようとする電力目標値データを演算部Ｂ４
５に送り、電力と抵抗の関係よりヒータ１４に印加する
電圧の目標値を演算し、その演算結果を通電制御部４７
に送る。この時点で初期通電手段４６よりの電圧設定信
号は解除され、通電制御部４７の信号により電圧の設定
が行われる。通電制御部４７は入力された電圧目標値に
よりパルス巾を設定し、ＰＷＭ信号として出力する。つ
まり、電圧目標値が高い場合は、パルス巾を広くした信
号、反対に電圧目標値が低い場合は、パルス巾を狭くし
た信号を出力する。なお本実施例では通電制御方法とし
てＰＷＭ方式について説明したが、ラダー方式等他の方
法でも可能である。

【００２７】通電制御部４７より出力された信号により
フォトカプラ１２ａを介して、受光部１２ｂに伝達し、
抵抗９、１０、コンデンサ１１で定電圧制御回路Ａの出
力電圧すなわちヒータ１４への印加電圧を設定する。こ
れによりヒータ１４は予め設定された電力で加熱を開始
し、センサー部を所定の温度に維持する。

【００２８】以上のヒータ電力制御動作を、タイマー部
４９で所定周期毎に演算部Ａ４２に信号を送って繰り返
し行わせることにより、排気ガス温度の上昇等でセンサ
ー部の温度が上昇しても、ヒータ電流変化により、都
度、印加電圧を調整することでヒータ電力の補正を行う
ため、一定温度に制御することが可能となり、安定した
センサー出力を得ることができる。

【００２９】また、燃焼制御部４８より送られる信号に
より電力目標値４４の目標値を変更し、燃焼量すなわ
ち、排気ガスの温度状態によりヒータ電力を変更させる
ので、センサー部温度の安定性は一段と優れたものとな
る。

【００３０】なお、上記酸素センサー制御装置を用いた
燃焼器の空燃比制御を行った実施例を図４に示すが、基
本的には先の図２の場合と同じであるので説明は省略す
る。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の酸素センサ
ー制御装置は、第１の構成によれば酸素センサー部の温
度変化を温度検出用センサーで検出してセンサー加熱用
ヒータの印加電圧を制御しヒータ電力を調整するので、
酸素センサーは排気温度等の雰囲気温度に関係なくほぼ
一定温度に維持されて出力が安定するとともに、燃焼状
態の変化に伴う排気温度の変動影響、取り付け場所によ
る影響等を考慮する必要がなくなって使い勝手がよくな
る。

【００３２】また、第２の構成によればセンサー温度が
一定になるように、センサー加熱用ヒータの電力制御を
行っているため、センサー加熱用ヒータの抵抗値ばらつ
きによる影響をも考慮することなく酸素センサーの出力
を安定させることができ、使い勝手と信頼性が一段と向
上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における酸素センサーの制御
装置を示す回路図

【図２】同制御装置を用いた燃焼装置の構成図

【図３】本発明の他の発明例における酸素センサーの制
御装置を示す回路図

【図４】同制御装置を用いた燃焼装置の構成図

【図５】本発明に用いた酸素センサーの動作原理図

【図６】同センサーの代表特性図

【図７】同センサーの温度特性図

【符号の説明】

１３ 電流検出用抵抗 １４ センサー加熱用ヒータ １６ 温度検出用センサー １７ Ａ／Ｄ入力部 １８ 設定部 １９ 演算部 ２０ 通電制御部 ３０ 酸素センサー ４１ Ａ／Ｄ入力部 ４２ 演算部Ａ ４５ 演算部Ｂ ４６ 初期通電手段 ４７ 通電制御部 Ａ ヒータ電源部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力電圧が任意に設定できるセンサー加
   熱用ヒータ電源と、センサー部近傍に配置した温度検出
   用センサーと、この温度検出用センサーの出力を読み込
   むＡ／Ｄ入力部と、予めセンサー部の最適標準温度が設
   定してある設定部と、前記Ａ／Ｄ入力と設定温度を比
   較、演算してセンサー加熱用ヒータの印加電圧の補正量
   を計算する演算部と、この演算部の演算結果によりセン
   サー加熱用ヒータの印加電圧を設定する通電制御部とで
   構成し、酸素センサーのセンサー部温度によりセンサー
   加熱用ヒータの印加電圧を補正するようにした酸素セン
   サー制御装置。
2. 【請求項２】 センサー部温度を所定の温度に加熱する
   ためのヒータと、このヒータに直列に接続した電流検出
   用抵抗と、電源投入初期ヒータに通電する通電手段と、
   通電により前記抵抗の両端に発生する電圧を読み込むＡ
   ／Ｄ入力部と、読み込んだＡ／Ｄ入力値によりヒータ抵
   抗を求める演算部Ａと、前記演算部Ａの演算結果により
   所定電力を得るためのヒータ電圧を求める演算部Ｂと、
   前記演算部Ｂの演算結果によりヒータに印加する電圧を
   設定する通電制御部とで構成し、酸素センサーのセンサ
   ー加熱用ヒータの消費電力を一定になるようにした酸素
   センサー制御装置。