JPH0745004Y2

JPH0745004Y2 - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH0745004Y2
Application number: JP1950789U
Authority: JP
Inventors: 芳樹中條; 茂上西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1989-02-23
Publication date: 1995-10-11
Anticipated expiration: 2004-02-23
Also published as: JPH02110858U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この考案は内燃機関において空燃比を検出するのに利用
することができる限界電流型の酸素センサに関する。

〔従来の技術〕

最も通常の酸素センサはジルコニア等の固体電解質本体
を具備した所謂酸素濃淡電池型のものであって、このタ
イプの酸素センサは化学的当量に相当する空燃比をより
リッチ側で発生する起電力を検出するものである。した
がって、このタイプの酸素センサにおいては起電力があ
るかないか、即ち理論空燃比よりリッチかリーンかとい
うことしか検出できない。そこで、リッチからリーンに
わたる広範囲の空燃比の検出を可能とした所謂限界電流
型の酸素センサが提案されている。この限界電流型の酸
素センサは、多孔質により形成される拡散律速層を、固
体電解質本体上に形成される電極上に形成している。電
極に電圧を印加したときに固体電解質本体を流れる電流
は拡散律速層を通る酸素分子拡散速度によって制限さ
れ、そのため電極間の電流特性が飽和する印加電圧が存
在している。そして、この飽和電流値（所謂限界電流）
は空燃比に対して比例的関係にある。そこで、各空燃比
にわたって限界電流の直線関係を維持する一定の電圧を
電極に加え、そのとき流れる電流（ポンプ電流）の値よ
り空燃比を知ることができる。センサは固体電解質の本
体と、電極と、ヒータとから構成される。電極はオペア
ンプの一方の入力に接続され、他方の入力に電圧源が接
続され、オペアンプの出力を電極側に接続する第１の帰
還抵抗が具備される。そのため、この第１の帰還抵抗に
はポンプ電流に応じた電流が流れ、オペアンプの出力に
はポンプ電流に応じた電圧を得ることができ、この電圧
より空燃比を知ることができる。そして、空燃比が変化
すると飽和電流を生ずる電圧域が変化するが、この場合
にも飽和電流の計測を可能とするため、電源に接続され
た直列抵抗と、オペアンプの出力をこの直列抵抗に接続
する第２の帰還抵抗とからなる電圧発生手段をオペアン
プの第２の入力に接続している。そのため、直列抵抗に
はポンプ電流に応じた電圧が発生し、この分オペアンプ
の第２入力に印加される基準電圧が増加するので、空燃
比が変化することによりポンプ電流がが多くなるとその
分直列抵抗での電圧降下が大きくなり、オペアンプの第
２の入力の電位が高くなるので、この領域でも飽和電流
が計測され、正確なポンプ電流値、即ち空燃比を知るこ
とができる。（例えば、特開昭61-180131号公報参
照）。

この限界電流型の酸素センサではその出力値に原理上強
い温度依存性があり、温度補償の必要がある。そして、
センサの温度はセンサのインピーダンスと比例してい
る。そこで、インピーダンスを計測する手段を設け、イ
ンピーダンスが一定となるようにヒータの電流制御装置
を持つことが提案されている。インピーダンス計測手段
としては、電源に交流分を重畳し、それに伴うインピー
ダンスの検出回路を設け、インピーダンスが一定となる
ようにヒータへの電流を制御するものが提案されてい
る。（例えば特開昭58-178248号）。

［考案が解決しようとする課題］オペアンプの出力は第２の帰還抵抗によりオペアンプの
第２の（非反転）入力に接続される。オペアンプの出力
を第２の入力に接続するのはセンサ印加電圧をポンプ電
流に応じて変化させるためである。しかしながら、この
帰還は正帰還となっておりそれ自体発振し易い環境であ
る。加えて、この非反転入力にはインピーダンスの計測
のため交流を重畳した電源が接続される。この交流分の
周波数は500Hz-100kHzの高周波であるため、センサが活
性となった後のインピーダンスが低い状態ではゲインが
大きくなりすぎ発振に至る虞がある。

この考案は前述のようなシステムにおいて発振防止を図
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この考案によれば、固体電解質本体、該固体電解質本体
に設けられる基準極及び検出極、該検出極に導かれる酸
素分子の拡散を律速する拡散律速層、交流成分を含む所
定の電圧を発生する電圧発生手段、第１の入力が前記基
準極に接続され、第２の入力が前記電圧発生手段に接続
されるポンプ電流検出用オペアンプ、該ポンプ電流検出
用オペアンプの出力を前記第１の入力へ接続し、固体電
解質本体に流れる電流量に応じた電流が流れる第１の帰
還抵抗、前記ポンプ電流検出用オペアンプの出力に接続
され、前記ポンプ電流検出用オペアンプの出力における
交流分をカットして前記固体電解質本体に流れる電流量
に応じた直流信号を出力するフィルタ手段、前記固体電
解質本体を加熱するヒータ手段、前記ポンプ電流検出用
オペアンプの出力に接続され、ポンプ電流検出用オペア
ンプ出力における交流成分より固体電解質本体のインピ
ーダンスを検出し、検出結果に基づいて前記ヒータ手段
を制御する手段、を備えると共に、前記電圧発生手段は
前記ポンプ電流検出用オペアンプの出力側より帰還され
る第２の帰還抵抗を含み、該第２の帰還抵抗は、前記フ
ィルタ手段の出力と、前記ポンプ電流検出用オペアンプ
の第２の入力との間に、接続されることを特徴とする酸
素センサが提供される。

〔作用〕

第１の帰還抵抗には固体電解質本体に流れる電流量に応
じた電流が流れ、ポンプ電流検出用オペアンプの出力に
は同電流に応じた電圧、即ち、空燃比に応じた電圧が取
り出される。

インピーダンス検出手段により検出されるインピーダン
スが一定となるようにヒータ手段はセンサを加熱する。

ポンプ電流検出用オペアンプより取り出される、空燃比
に応じて変化する信号における交流分はフィルタ手段に
よってカットされ、空燃比を知ることができる。この交
流分をカットした直流分だけが第２の帰還抵抗を介して
ポンプ電流検出用オペアンプの第２の入力に正帰還され
る。

〔実施例〕

第１図において、10は内燃機関の吸気管、または排気管
等に固定される基板である。12は安定化ジルコニア等の
固体電解質より構成される筒状の本体で、一対の電極14
a（基準極）,14b（検出極）がその内周及び外周に形成
される。外側の電極である検出極14b上に多孔性の酸素
分子の拡散を律速する拡散律速層16が形成される。拡散
律速層16は、たとえば、アルミナを焼結して構成するこ
とができる。拡散律速層16は検出するべき排気ガスと接
触している。内側電極の内側にヒータ18が配置される。

制御回路は第１のオペアンプ（本考案のポンプ電流検出
用オペアンプ）20と、ローパスフィルタ22と、検波回路
24と、積分回路26と、第２のオペアンプ（比較器）28
と、トランジスタ30とからなる。第１のオペアンプ20は
センサを流れる限界電流に応じた電圧をその出力に取り
出すためのものである。即ち、第１のオペアンプ20は反
転入力20-1と非反転入力20-2とを備え、反転入力20-1は
電極14aに接続され、電極14bは固定直流電源V₀を介して
接地される。相互に直列接続される交流電源V_Eと抵抗ｒ
とがその一端で第１のオペアンプ20の非反転入力20-2に
接続され、他端が電源電極V₀のプラス側に接続される。
第１のオペアンプ20の出力側からそれぞれ第１の帰還抵
抗R₁及び第２の帰還抵抗R₂が反転入力20-1及び非反転入
力20-2に接続される。第１の帰還抵抗R₁は第１のオペア
ンプ20の出力を非反転入力20-1に接続し、ポンプ電流に
応じた電流が第１の帰還抵抗R₁に流れ、第１のオペアン
プ20の出力20-3の電圧（対アース電位）はポンプ電流に
応じた電圧となる。第２の帰還抵抗R₂は電源V_Eと直列抵
抗ｒとで第１のオペアンプ20の第２の入力20-2の電圧を
制御する電圧発生手段を構成する。この発明によれば、
第２の帰還抵抗R₂はローパスフィルタ22の出力を第２入
力20-2に接続し、ポンプ電流に応じて第１のオペアンプ
20の非反転入力20-2の電位を変化させることができる。

電極14a,14bに電圧を印加すると多孔性の拡散律速層16
により酸素分子の拡散が律速されて、制限された酸素イ
オンが流れ、固体電解質本体12に電流が流れる。その際
の電圧と電流との関係は各被検出ガスの空燃比（11,12,
13,14,17,25）に対し第２図に示すように変化する。各
空燃比に対する特性はある電圧値までは単調に増加し、
その値を超過すると電流値が飽和する電圧領域を持って
いる。この飽和領域での電流値は限界電流と称される。
図から明らかな通り、限界電流値は空燃比に対して一定
の関係を持っている。従って、限界電流を計測すること
ができる範囲の、即ち、第２図の飽和電流の範囲内の電
圧を素子に印加しておき、その際に発生する電流を計測
することにより空燃比を知ることができる。ところが、
第２図から明らかな通り、電流値が飽和する電圧値の範
囲は空燃比が小さい値（混合気としてはリッチ）から空
燃比が大きい値（混合気としてはリーン）に変化するに
したがって、高電圧側、即ち図の右側にシフトする。こ
れは、センサが内部抵抗を持っており、それに電流値を
掛算した電圧が基準電圧に上乗せして発生することに原
因する。即ち、電流が多ければ多いほど内部抵抗による
電圧降下が大きくなり、その分特性が右側にシフトする
のである。第１図の回路は以上述べた内部抵抗の影響に
もかからず限界電流を計測することができるように工夫
したものである。即ち、第１のオペアンプ20によりセン
サの電極14a,14bの両端に電源電圧V_Eが印加されるよう
に制御される。そして、第１の帰還抵抗R₁にはポンプ電
流に応じた電流が流れるため、第１のオペアンプ20の出
力20-3にはポンプ電流に応じた（即ち、空燃比に応じ
た）電圧が取り出される。一方、第２の帰還抵抗R₂はポ
ンプ電流に応じた電流をこれに接続される電源V_Eと直列
の抵抗ｒに印加する。そのため、抵抗ｒに電流×ｒの電
位差が発生し、その分、第１のオペアンプ20の第２の入
力20-2の電位が上がる。抵抗ｒの抵抗値を適当に設定す
ることにより、センサの印加電圧は第２図の一点鎖線の
ように全空燃比に亙って飽和領域を通過させることがで
き、限界電流を計測することができる。尚、固定直流電
源V₀はセンサの出力電流を正の範囲となるようにオフセ
ットさせる（即ち、第２図の上方に特性を変位させる）
ためのものである。

つぎに第１図のセンサの温度補償について説明すると、
このタイプのセンサはその温度が所定値に達しないと計
測が行うことができずまた計測値に強い温度依存性があ
る。そこで、センサ加熱のためヒータ18が設けられ、温
度補償回路が具備される。温度補償の基本的な原理はセ
ンサ温度とセンサの交流抵抗（インピーダンス）の相関
を利用したものである。そのため電源V_Eは交流電圧V_Aが
重畳されている。ここに、V_Eは３ボルト程度であり、こ
れに尖頭間で0.1ボルトで周波数が500Hzから100KHzの交
流分が重畳される。一方第１のオペアンプ20の出力に検
波回路24及び積分回路26、第２のオペアンプ28、トラン
ジスタ30が接続される。検波回路24及び積分回路26はセ
ンサ信号におけるインピーダンスに応じた電圧値V₁を得
るためのものである。この電圧は第２のオペアンプ28の
反転入力に印加され、第２のオペアンプ28の非反転入力
に設定電圧V_IOが印加され、この設定電圧V_IOは設定温度
に相当するインピーダンスに相当する電圧である。第２
のオペアンプ28は比較器として機能し、センサのインピ
ーダンスに応じた電圧V_Iと所定インピーダンスV_IOとの
大小に応じてトランジスタ30をオン、オフする信号を発
生し、これに準じてヒータ18の作動コイル18-1がオン、
オフ制御され、インピーダンスは一定に制御され、温度
補償が行われる。

なお、ローパスフィルタ22は第１のオペアンプ20の出力
に含まれる交流分を除去し、空燃比に相当する信号のみ
を取り出すためのものであり、この実施例では２重フィ
ルタとして構成される。即ち、ローパスフィルタ22は抵
抗R₁₀と、R₁₁と、コンデンサC₁₀と、C₁₁と、第３のオペ
アンプ22-1とから構成され、抵抗R₁₀とコンデンサC₁₁と
は通常のCRフィルタを構成し、第３のオペアンプ22-1の
非反転入力に接続される。C₁₀は第３のオペアンプ22-1
の反転入力に接続され、交流分をカットしたものを第３
のオペアンプ22-1の反転入力に印加する。C₁₁とC₁₀とに
より二重フィルタが構成される。二重フィルタによって
交流分カットが急峻に行われ、これは空燃比信号の精度
を向上させることができる。なお、実施例のような二重
フィルタの代わりにＣとＲとからなる極く単純なローパ
スフィルタであってもよい。尚、ローパスフィルタ22か
らの出力特性は第３図のｍによって現され、空燃比に対
して一定の関係を持っていることが分かる。

以上までの構成は従来のものと本質的部分においては同
様であるが、この従来型の構造では第１のオペアンプ20
の反転入力への第１の帰還抵抗R₁と同様に、非反転入力
への第２の帰還抵抗R₂も第１のオペアンプ20出力から取
り出されていた（従来の第２の帰還抵抗R₂の接続につい
ては破線参照。）。第１の帰還抵抗R₁については負帰還
となるので発振という問題はあまり発生しないが、第２
の帰還抵抗R₂については正帰還となるので、それ自体発
振し易い環境の上、第２の帰還抵抗R₂からの交流分と電
源V_Eからの交流分とが重畳されているため、高周波のゲ
インが高くなり、センサ活性後のインピーダンスが低く
なった状態では容易に発振するに至る。

この考案ではこの問題点を解決するため、破線のように
第２の帰還抵抗R₂を第１のオペアンプ20の直接出力から
取り出すのではなく、ローパスフィルタ22を通った後の
出力から取り出すことを特徴とするものである。ローパ
スフィルタ22を通過後の直流分のみが帰還されるため高
周波のゲインが落され発振を容易に抑制することができ
る。また、実施例のように二重フィルタを通した後の電
圧を第２の帰還抵抗R₂によって帰還しているので、この
発明の発振防止効果もより高められる。また、抵抗ｒに
電流を流すという第２の帰還抵抗R₂の本来の役目も全然
阻害されることがない。

第１図はこの発明の酸素センサによって内燃機関の空燃
比を制御する場合の制御回路の構成も含んでいる。ロー
パスフィルタ22の出力はアナログ−デジタル変換器30を
介してマイクロコンピュータ32の空燃比信号入力ポート
32-1に接続される。マイクロコンピュータ32はセンサか
らの第４図のｍで示す空燃比と電圧との曲線関係を修正
してｎのような直線関係に変換する演算処理機能を具備
しており、この修正直線出力はマイクロコンピュータ32
の空燃比信号取り出しポート32-2よりアンプ34を介して
アナログ空燃比信号として取り出すことができる。また
この出力は空燃比バー表示回路36、及び空燃比表示回路
38に接続され、これらを適宜表示することができる。ま
た、較正スイッチ40に接続され、複数の空燃比の点、例
えばA/F＝13,14.6,16、で空燃比の較正が実行され空燃
比の変動を抑制することができる。

〔考案の効果〕

この考案によれば、電源V_Eおよび抵抗ｒが接続される第
１のオペアンプ（ポンプ電流検出用オペアンプ）20の基
準電圧側入力20-2に接続される第２の帰還抵抗R₂を第１
のオペアンプ20そのものの出力20-3の代わりにローパス
フィルタ22から取り出すことにより、直流分のみが帰還
されることになり、交流分の重畳がされることがなく発
振を効果的に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の酸素センサ及び制御回路を
示す図。第２図は各空燃比における電圧と電流との間の特性図。第３図は空燃比とセンサ出力との関係を示すグラフ。 10……基板、12……固体電解質、14a……基準極、14b…
…検出極、16……拡散律速層、18……ヒータ 20……第１のオペアンプ（ポンプ電流検出用オペアン
プ） 22-1……オペアンプの反転入力 22-2……オペアプの非反転入力 22……ローパスフィルタ、24……検波回路 26……積分回路、28……第２のオペアンプ（比較器） 30……トランジスタ、30……A/D変換器 32……マイクロコンピュータ 36……空燃比バー表示回路 38……空燃比表示装置 40……較正スイッチ、R₁……第１の帰還抵抗，R₂……第
２の帰還抵抗

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】固体電解質本体、該固体電解質本体に設け
られる基準極及び検出極、該検出極に導かれる酸素分子
の拡散を律速する拡散律速層、交流成分を含む所定の電
圧を発生する電圧発生手段、第１の入力が前記基準極に
接続され、第２の入力が前記電圧発生手段に接続される
ポンプ電流検出用オペアンプ、該ポンプ電流検出用オペ
アンプの出力を前記第１の入力へ接続し、固体電解質本
体に流れる電流量に応じた電流が流れる第１の帰還抵
抗、前記ポンプ電流検出用オペアンプの出力に接続さ
れ、前記ポンプ電流検出用オペアンプの出力における交
流分をカットして前記固体電解質本体に流れる電流量に
応じた直流信号を出力するフィルタ手段、前記固体電解
質本体を加熱するヒータ手段、前記ポンプ電流検出用オ
ペアンプの出力に接続され、ポンプ電流検出用オペアン
プ出力における交流成分より固体電解質本体のインピー
ダンスを検出し、検出結果に基づいて前記ヒータ手段を
制御する手段、を備えると共に、前記電圧発生手段は前
記ポンプ電流検出用オペアンプの出力側より帰還される
第２の帰還抵抗を含み、該第２の帰還抵抗は、前記フィ
ルタ手段の出力と、前記ポンプ電流検出用オペアンプの
第２の入力との間に、接続されることを特徴とする酸素
センサ。