JPH0949818A

JPH0949818A - ガス検出センサ用ヒータ及び電力制御装置

Info

Publication number: JPH0949818A
Application number: JP7200818A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shibata; 圭介芝田; Kanehisa Kitsukawa; 兼久橘川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1995-08-07
Publication date: 1997-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】検知部を適切な温度に維持可能なガス検出セ
ンサ用ヒータ、及びそのガス検出センサ用ヒータに電力
を供給する電力制御装置を提供する。【解決手段】センサ７には、加熱部の一端と検出端子
２３ａとを接続する測定電極１７''が形成されている。
このため、リード部１５ａ，１５ｂ等の抵抗値Ｒｅの影
響を受けることなく、加熱部の電圧測定を受けることが
でき、ひいては通電中の加熱部の温度を推定するでき
る。一方、電力制御装置Ａは、電力供給部３１と指令部
３３とを備え、指令部３３は、電圧Ｖｃと電圧Ｖ１とが
等しくなると、電力供給部３１のトランジスタＴＲ１を
ＯＦＦし、一定時間後にＯＮする。そして指令部３３の
回路構成は、加熱部の抵抗値Ｒｈが、加熱部の目標温度
に対応する値Ｒａになると、電圧Ｖｃが電圧Ｖ１に等し
くなる様にされている。従い、加熱部ひいては検知部の
温度を所望の温度に保つことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス検出センサの
検出用素子を、その動作温度まで加熱するヒータ、及び
そのヒータに電力を供給する電力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の排気ガスに含まれるＣＯ，ＮＯ
ｘ，ＨＣといった有害物質を取り除くために三元触媒が
用いられているが、三元触媒の浄化作用を確保するに
は、空燃比を制御して、所定の範囲内に収める必要があ
る。高精度にこの制御をするには、空燃比を検出して制
御系にフィードバックするとよく、空燃比を検出するに
は、排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出することによ
り可能となる。従い、近年、自動車の排気ガス規制の強
化に伴い、酸素濃度センサの重要性がますます高まって
きている。

【０００３】酸素濃度センサは、出力特性や検出原理、
或は形状により幾つかの種類に分けられる。その中でも
近年その暖機特性の早さから積層型の酸素センサが注目
されている。積層型の酸素センサは、薄いセラミックの
未焼成シートに検出電極やヒータ（後述）等を印刷した
ものを溶剤等で接着積層した後、高温で焼成して作成し
た多層配線構造を持つセンサであり、例えば、特開平３
−１８０７４８号公報、特開平３−２９３５５１号公報
等に開示されているチタニア等の酸素検知性を有する金
属酸化物を用いたもの、特開平４−３２９３５２号等公
報に開示されているジルコニア等の酸素イオン伝導体を
用いた酸素濃淡電池型のもの、或は特開平３−１６７４
６７号公報等に開示されている酸素濃淡電池と酸素ポン
ピング素子を組み合わせたもの等が知られている。

【０００４】なお、ヒータとは、酸素センサの酸素検知
素子を加熱して、その素子の作動温度まで昇温させるも
ので、実際に熱を発する発熱部と、発熱部の両端に各１
体設けられた２体のリード部とからなる。発熱部は、暖
機特性を確保するため、特開平３−１８０７４８号公報
に開示されているように、検知素子と薄い絶縁層を介し
て隣接した絶縁層背面に配置されたり、或は、特開平３
−２９３５５１号公報に開示されているように同一面の
検知素子の周囲に配置されたりする。

【０００５】発熱部の材料としては、その発熱温度に応
じて導電率が変化するタングステンや白金等からなる金
属抵抗体が用いられる。そこで従来は、リード部間の電
圧を測定して発熱部の抵抗値を求め、発熱部の温度を推
定し、この温度に応じて発熱部への供給電力の量を制御
することで、酸素検出素子の温度を作動温度付近に保つ
ことが行なわれていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術によれば、リード部の抵抗値に影響を受けた電圧
を測定することになる。すなわち、測定される電圧は、
実際の発熱部の端子間電圧よりも高くなり、正確な温度
調整ができなくなる。このため、リード部の抵抗が電圧
に影響を与えないように、リード部は白金等の温度係数
の低い材料とかを大量に使用し、断面積が大きくなるよ
うに形成して抵抗を下げて使用しており、この結果、ヒ
ータのコストをアップさせてしまうという課題があっ
た。そしてこのようなリード部は、発熱部とは異なるペ
ーストを用いる場合が多く、ペーストの印刷を２回行な
うという繁雑な工程が必要であった。

【０００７】また、抵抗が下がるようにリード部を形成
しても、高精度の測定では抵抗を無視することができ
ず、しかもリード部自体も排気ガスの温度や取付部の温
度の影響を受けて抵抗値が変化するため、発熱部の温度
を正確に検知することができない。この結果、検知素子
の温度を正確に検知することができず、暖機特性を確保
するのが困難となる。

【０００８】本発明はかかる課題に鑑みなされたもの
で、検知部を適切な温度に維持可能なガス検出センサ用
ヒータ、及びそのガス検出センサ用ヒータに電力を供給
する電力制御装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた請求項１に記載の発明は、絶縁層上に、周
囲の所定気体の濃度を検出する検知部と、該検知部の両
端に接続され該検知部による検出信号を出力するための
検出端子とを形成してなるガス検出センサと一体に形成
され、発熱温度に応じて抵抗値の変化する発熱部と、該
発熱部に給電するためのリード部とを備えたガス検出セ
ンサ用ヒータにおいて、上記発熱部に直接接続され、該
発熱部の所定位置の両端の電位差を測定するための測定
電極を、更に形成したことを特徴とする。

【００１０】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載のガス検出センサ用ヒータにおいて、上記測定電
極が、上記所定位置の両端に各１体、計２体設けられて
いることを特徴とする。

【００１１】また更に、請求項３に記載の発明は、請求
項１に記載のガス検出センサ用ヒータにおいて、上記測
定電極が、上記所定位置の一端に１体のみ設けられてい
ることを特徴とする。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項２または
請求項３に記載のガス検出センサ用ヒータにおいて、上
記発熱部が、上記検知部に関して上記絶縁層の裏面上
の、該検知部に対応する位置に、該検知部よりも広面積
を占めるように形成されることにより、少なくとも該検
知部の全体を加熱可能とされ、上記所定位置が、上記発
熱部において上記絶縁層を隔てて上記検知部に対向した
部位であるところの加熱部であることを特徴とする。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
のガス検出センサ用ヒータであって、上記検出端子が、
少なくとも２本設けられ、上記測定電極が、上記所定位
置の一端から、該検出端子の内の１本までを電気的に接
続するものであることを特徴とする。

【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項１から請
求項５に何れか記載のガス検出センサ用ヒータの上記発
熱部に対して、所定量の電力を供給する電力制御装置で
あって、上記発熱部若しくは上記加熱部の電位差に応じ
て、供給する電力量を設定し、該電力量に対応する指令
を発生する指令部と、該指令部による指示に従った量の
電力を発生させ、上記発熱部に供給する電力供給部とを
備えることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載のガス検
出センサ用ヒータ（以下、単にヒータともいう）におい
ては、センサの検知部を加熱するための発熱部に、この
発熱部に電力を供給するためのリード部の他、発熱部の
所定位置の両端の電位差を測定するための測定電極が設
けられている。そして発熱部は、リード部を介して外部
から電力の供給を受けることにより発熱して検知部を加
熱し、測定端子を介して発熱部の所定位置の両端の電位
差が検知される。

【００１６】従い、請求項１に記載のヒータによれば、
リード部の端子間電圧の影響を受けることなく、発熱部
の所定位置の両端の電圧測定を行なうことができる。そ
して外部からこの電圧を検出して、上記所定位置の温度
を正確に推定でき、発熱部に供給すべき電力量を算定す
ることができる。

【００１７】また、従来のように、リード部の端子間電
圧を小さくするためにリード部を白金等の高価な物質を
材料とした場合でも、幅を広く形成したり厚みを厚く形
成したりする必要がないのでコストを下げることができ
る。特に、リード部を発熱部と同じ材料にすれば、両者
を形成するためのペースト印刷も一回で済む。

【００１８】請求項２に記載のヒータにおいては、所定
位置の両端に各１体、計２体測定電極を設けている。こ
のように、該両端の電圧を直接検出するので、正確な電
位差測定を行なうことができる。請求項３に記載のヒー
タにおいては、所定位置の一端に測定電極を１体だけ設
けている。この測定電極の配置は、発熱部の両端に設け
られたリード部の内の一方（以下、第１リード部とい
い、他方を第２リード部という）に近接して設けられ
た、と換言できる。

【００１９】このヒータにおいて、所定位置の両端の電
圧を検知するには、例えば以下のようにすれば良い。す
なわち、測定電極と第１リード部との電圧、測定電極と
第２リード部との電圧、を測定し、後者から前者を減算
すればよい。第１リード部と第２リード部とを互いに対
称な形状にしておけば、各リード部の両端の端子間電圧
は互いに等しくなるので、上記計算にて請求項１または
請求項２に記載のヒータと同様、所定位置の両端の電圧
を検知できる。しかも、測定電極の本数が１本ですむ。

【００２０】従い、請求項３に記載のヒータによれば、
請求項１または請求項２に記載のヒータによる効果に加
え、測定電極の本数が一本ですみ、ヒータ自体の構成を
簡素にすることができる。請求項４に記載のヒータにお
いては、発熱部と検知部とが、絶縁層を挟むように表裏
に形成され、しかも発熱部は、検知部だけでなく、その
周辺をも加熱可能に、大きく形成されている。また、温
度を検出する所定位置を、加熱部（発熱部の中で、検知
部に対向した部位）としている。この加熱部は、その配
置上、発熱部の中でも特に検知部を効果的に加熱できる
部分である。測定電極を介して測定する電位差は、加熱
部の両端の電位差となる。

【００２１】従い、請求項４に記載のヒータによれば、
請求項１に記載のヒータによる効果に加え、検知部の近
傍にある加熱部の電位差を測定することができる。これ
により、検知部の温度をより正確に知ることができ、発
熱部に更に適切な量の発熱を行なわせることができる。

【００２２】請求項５に記載のヒータにおいて測定電極
は、発熱部の所定位置の一端から、ガス検出センサの２
体の検出端子の内の一方（以下、第１検出端子という）
までを電気的に接続している。このヒータにおいて、発
熱部（若しくは所定位置の両端）の電圧を検知するには
次のようにすれば良い。すなわち、両リード部の電圧、
及び第１リード部の末端と第１検出端子との電圧、を測
定し、前者から後者を減算すればよい。

【００２３】従い、請求項５に記載のヒータによれば、
請求項１に記載のヒータによる効果に加え、測定電極
が、発熱部（若しくは所定位置の両端）の第１検出端子
まで形成するのみでよいので、ヒータ自体の構成を更に
簡素にすることができる。また、センサから引き出され
るハーネスの数を減らすことができ、従来のセンサとほ
とんど同じ構成で温度を検出することができる。

【００２４】請求項６に記載の発明は、請求項１から請
求項５に何れか記載のガス検出センサ用ヒータに用いら
れる電力制御装置であって、指令部が、検出された発熱
部（若しくは加熱部）の電位差に応じ供給する電力量を
設定して、この電力量に対応する指令を発生させ、電力
供給部が、指令部からの指令に従い、所定量の電力を発
生させ、発熱部に供給する。

【００２５】従い、請求項６に記載の電力制御装置によ
れば、発熱部（若しくは加熱部）の電位差に対応し、検
知部がガスを検出するのに必要な温度まで昇温させるの
に必要な量の電力を、発熱部に対して供給することがで
きる。

【００２６】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。まず、図１は本発明のヒータを適用したガス検出セ
ンサ（以下、単にセンサという）１の説明図である。図
１（ａ）は正面図、図１（ｂ）はその右側面図である。

【００２７】この図に示すように、センサ１は、第１絶
縁層１１と、タングステン、白金を主成分として第１絶
縁層１１の上に形成された金属抵抗体である発熱部１３
と、同じく第１絶縁層１１の上に形成され、発熱部１３
の両端と当該センサ１の外部とを連絡するリード部１
５，１５と、発熱部１３の両端と当該センサ１の外部と
を連絡する測定電極１７，１７と、以上の構成を封止す
る第２絶縁層１９と、この第２絶縁層１９に関し、発熱
部１３と反対側の面に形成されたチタニア素子である検
知部２１と、検知部２１の両端から当該センサ１の外部
までを連絡する検出端子２３，２３と、検知部２１を封
止する第３絶縁層２５とからなる。そしてこれら各構成
が図１（ａ）に示すように略左右対称に配置されてい
る。

【００２８】なお、図１（ａ）においては、各構成の位
置関係を明確に示すために、第２絶縁層１９と第３絶縁
層２５は、透明であるかのように示している。また図１
（ａ），（ｂ）両図において破線２７にて示したのは、
発熱部１３によって効果的に加熱を受けられる部分（以
下、ホットエリア２７という）であり、外界のガス流に
さらされることにより奪われる熱量が小さい部分であ
る。

【００２９】検知部２１は、ホットエリア２７内に入る
ように形成され、所定温度まで昇温されると正常動作し
て周辺の酸素濃度を検知するものである。一方、発熱部
１３は、検知部２１を昇温させるために形成されたもの
で、自らの温度が変化すると抵抗率が変化する金属抵抗
体である。すなわち、通電中の発熱部１３の抵抗値を求
めることにより、ホットエリア２７の温度、ひいては検
知部２１の温度を検知することができる。

【００３０】従来のガス検出センサの、発熱部の抵抗値
を求めるには、リード部１５，１５に相当する導体部の
端子間電圧を測定していたが、これでは、導体部の抵抗
値が含まれてしまう。これに対しセンサ１においては、
発熱部１３の抵抗値を求めるのに測定電極１７，１７間
の電圧を測定する。これにより、リード部１５，１５の
抵抗値の影響を受けることなく、発熱部１３のみの電
圧、ひいては発熱部１３の抵抗を検知し、検知部２１の
温度を求めることができる。なお、従来のガス検出セン
サにおいては、リード部１５，１５に相当する導体部
の、発熱部電圧に対する寄与率を下げるために、白金等
の高価な材料にて導体部を形成したり、導体部を幅広に
形成したりしていたが、こうした必要もなくなる。従っ
て、センサのコストダウンが図れる。

【００３１】次に本発明の第２実施例及び第３実施例で
あるセンサ３及びセンサ５を図２に示す。図２（ａ）が
センサ３の正面図、図２（ｂ）がセンサ５の正面図であ
る。両図とも、図１（ａ）と同様、第２絶縁層及び第３
絶縁層は透過したようにして示している。

【００３２】センサ３は、センサ１に比べて、測定電極
１７’，１７’が発熱部１３に接続されている箇所が異
なっている。すなわち、センサ１では測定電極１７，１
７は発熱部１３の両端に設けられていたのに対して、セ
ンサ３では測定電極１７’，１７’は発熱部１３のホッ
トエリア２７中にある部分（すなわち、本発明の加熱部
に相当する部分）の両端に設けられている。

【００３３】つまり、センサ３においては発熱部１３の
両端の電圧を測定するのではなく、加熱部の両端の電圧
を測定する。これは、発熱部１３の内、ホットエリア２
７以外の部分は、外気に熱を奪われて低温となることに
鑑みたものである。すなわち、このように発熱部１３の
温度分布にバラつきが生じた場合に、センサ１のよう
に、発熱部１３の両端の電圧より検知部２１の温度を推
定すると、温度の高いホットエリア２７の温度と温度の
低いホットエリア２７以外の部分の温度との間の温度に
なり、検知部２１の温度を正確に推定することができな
くなる。ホットエリア２７以外の部分が奪われる熱の量
は、外気の流速が速いほど大きくなるので、温調の精度
が流速の影響を受けることになる。これに対し、センサ
３においては、加熱部の両端の電圧を測定するので、こ
の電圧を元に、発熱部１３への供給電力を制御すると、
検知部２１の温度を正確に制御することができる。

【００３４】センサ５は、センサ３の、測定電極１７’
を１本にしたものである。このセンサ５においても次の
ようにすれば加熱部の両端の電圧を測定することができ
る（測定電極１７’が設けられた方のリード部を１５
ａ，他方のリード部を１５ｂとする）。

【００３５】すなわち、リード部１５ａに対する測定電
極１７’の電圧Ｖａ、測定電極１７’に対するリード部
１５ｂの電圧Ｖｂを測定し、（Ｖｂ−Ｖａ）を算出する
と、加熱部の両端の電圧となる。こうしてセンサ５はセ
ンサ３と同様、加熱部の両端の電圧を測定できるので、
この電圧を元に、外部から発熱部１３への供給電力を制
御すると、検知部２１の温度を正確に制御することがで
きる。しかもセンサ５においては、測定電極１７’が１
体ですみ、センサ１，３に比べ、削除される測定電極１
体分の材料・工程が不要となり、コストダウンが図れ
る。

【００３６】次に本発明の第４実施例であるセンサ７を
図３に示す。図３（ａ）がセンサ７の正面図、図３
（ｂ）がセンサ７の右側面図である。図３（ａ）は図１
（ａ）と同様、第２絶縁層及び第３絶縁層は透過したよ
うにして示している。センサ７において測定電極は、セ
ンサ５と同様、加熱部の１ヶ所に接続されているが、図
の下端まで引っ張り出されず、スルーホール１７''とし
て検出端子の一方２３ａに達するまで形成されている。

【００３７】そして、加熱部の電圧は、リード部１５ａ
に対する検出端子２３ａの電圧Ｖａ、検出端子２３ａに
対するリード部１５ｂの電圧Ｖｂを測定し、（Ｖｂ−Ｖ
ａ）を演算することにより求められる。こうしてセンサ
７はセンサ３，５と同様、加熱部の両端の電圧を測定で
きるので、この電圧を元に、外部から発熱部１３への供
給電力を制御すると、検知部２１の温度を正確に制御す
ることができる。しかもセンサ７においては、測定電極
がスルーホール１７''にて実現されるため、センサ５に
比べても更に簡素な構成とすることができる。

【００３８】なお、このセンサ７では、測定電極を加熱
部の一端から引き出したが、発熱部の一端から検出端子
に接続しても良い。こうすると、発熱部の両端の電圧を
測定することができる。また、検出部と発熱部とが絶縁
層にて隔てられていない場合にも適用できる。

【００３９】次に、本発明のガス検出センサの、加熱部
の電圧を検知し、これに基づいて適切な量の電力を供給
する電力制御装置について、ガス検出センサと共に図４
に示す。なお、ガス検出センサは酸素検出素子と、それ
を加熱するヒータとを備えた酸素濃度センサとして構成
されたセンサ７とする。すなわち、酸素検出素子は検知
部であり、Ｒｓはその抵抗値、ヒータは発熱部であり、
Ｒｈはヒータの加熱部に相当する部分の抵抗値、Ｒｅは
ヒータの加熱部以外の部分とリード部とを合せた抵抗値
である。以降、センサ７における各部の符号は、図３と
同じ符号にて表す。

【００４０】電力制御装置（以下、単に制御装置とい
う）Ａは、発熱部へ電力を供給する電力供給部３１と、
ヒータの抵抗値Ｒｈに基づいて電力供給部に供給する電
力量に対応する指令を発生する指令部３３と、検知部２
１の検出信号を出力する出力部３５との３つの部分に分
けられる。

【００４１】電力供給部３１は、供給電流をＯＮ／ＯＦ
ＦするトランジスタＴＲ１と、ヒータ電流の検出抵抗器
Ｒ０と、センサ７のリード部１５ａ，１５ｂに接続され
る端子３７，３７とを接続してなり、その両端は、図示
しないバッテリＢの＋端子、−端子に接続され、センサ
７に対して電力供給を行なうようにされている。そして
指令部３３からの信号によりトランジスタＴＲ１がＯＮ
／ＯＦＦされることにより、断続的に発熱部に電力を供
給する。

【００４２】この指令部３３は、更に、電圧演算回路３
３ａと、電圧比較回路３３ｂと、信号発生回路３３ｃと
に大別できる。電圧演算回路３３ａは、オペアンプＩＣ
１と、センサ７のリード部１５ａ，１５ｂ間の電圧値
（Ｖ４−Ｖ１）を分圧し、その分圧値をオペアンプＩＣ
１のプラス端子に入力する抵抗器Ｒ１，Ｒ２と、センサ
７の検出端子２３ａに一端が接続され、他端はオペアン
プＩＣ１のマイナス側入力端子に接続された抵抗器Ｒ３
と、オペアンプＩＣ１の出力電圧を負帰還させる抵抗器
Ｒ４と、オペアンプＩＣ１の出力電圧とトランジスタＴ
Ｒ１のドレイン電圧とを分圧し、その分圧値を電圧比較
回路３３ｂに対して出力する抵抗器Ｒ６，Ｒ５と、その
分圧値を一定値以下に収める保護用のツェナダイオード
ＺＤ１とからなる。

【００４３】そして抵抗器Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、Ｒ
１：Ｒ２＝３：１、また抵抗器Ｒ３，Ｒ４の抵抗値は、
Ｒ３：Ｒ４＝１：１、抵抗器Ｒ５，Ｒ６の抵抗値は、Ｒ
５：Ｒ６＝Ｒ０：Ｒａ／２とされている。ここで、抵抗
器Ｒ１〜Ｒ３の抵抗値を、単にＲ１〜Ｒ６と記したが、
以降も、また他の抵抗についても同様の表記をする。そ
してＲ１〜Ｒ６は、何れもＲｅ，Ｒｈ，Ｒ０に比べて十
分大きな値にされているものとする。また、Ｒａは、加
熱部の抵抗値Ｒｈの目標値であり、この値になったとき
に検知部２１は、所望の温度に加熱された状態となる。

【００４４】以上のような回路構成からなる電圧演算回
路３３ａにより、オペアンプＩＣ２のプラス側入力端子
の電圧値Ｖｃは、Ｖｃ＝［｛（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ３×（Ｖ４×Ｒ２＋Ｒ１×Ｖ１）／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ４×Ｖ２／Ｒ３｝×Ｒ５＋Ｖ０×Ｒ６］／（Ｒ５＋Ｒ６） …（１）となる。式（１）にＲ１〜Ｒ６の抵抗値の比率を代入す
ると、Ｖｃ＝｛（Ｖ４＋３×Ｖ１−２×Ｖ２）×Ｒ０／２＋Ｒ
ａ×Ｖ０／２｝／（Ｒａ＋Ｒ０／２）となる。これに更に、Ｖ４＝（Ｖ２−Ｖ１）＋Ｖ３を代
入するとＶｃ＝｛（Ｖ３−Ｖ２）×Ｒ０／２＋Ｒ０×Ｖ１＋Ｒａ×Ｖ０／２｝…（２）となる。つまり、電圧演算回路３３ａは、センサ７のリ
ード部１５ａ，１５ｂの電圧Ｖ１、Ｖ４と、加熱部の両
端の電圧Ｖ２、Ｖ３と、抵抗器Ｒ０を介してセンサ７に
印加される電圧Ｖ０とから、式（２）に示した電圧値Ｖ
ｃを出力する回路となっている。

【００４５】電圧比較回路３３ｂは、オペアンプＩＣ２
と、コンデンサＣ１とからなる。オペアンプＩＣ２のプ
ラス側入力端子には電圧値Ｖｃが入力され、マイナス側
入力端子にはセンサ７のリード部１５ａに接続されて電
圧Ｖ１が入力されている。またオペアンプＩＣ２の出力
端子はコンデンサＣ１を介して信号発生回路３３ｃに接
続されている。つまり電圧比較回路３３ｂは、式（２）
に示した電圧Ｖｃが電圧Ｖ１に等しいか或はわずかに大
きくなると正のトリガを発する回路となっている。

【００４６】信号発生回路３３ｃは、オペアンプＩＣ３
と、抵抗器Ｒ７〜Ｒ11と、ツェナダイオードＺＤ２と、
コンデンサＣ２とからなる。電圧比較回路３３ｂからの
トリガは、抵抗器Ｒ８を介して接地されると共に、オペ
アンプＩＣ３のマイナス側入力端子に入力される。一
方、オペアンプＩＣ３のプラス側入力端子には、図示し
ないバッテリＢの正電圧が抵抗器Ｒ９を介して印加され
ている。なお、プラス側入力端子は、Ｃ１を介して入力
されたトリガ信号によって確実にＩＣ３が動作を開始す
るようにツェナダイオードＺＤ２を介して接地されてい
る。またバッテリＢの電圧は、抵抗器Ｒ７を介してオペ
アンプＩＣ３のマイナス側入力端子にも印加されてい
る。そしてオペアンプＩＣ３の出力はコンデンサＣ２を
介して、オペアンプＩＣ３に正帰還されると共に、抵抗
器Ｒ10及び接地抵抗器Ｒ11に分圧されて、電力供給部３
１のトランジスタＴＲ１のベースに印加されている。

【００４７】以上の構成からなる信号発生回路３３ｃ
に、電圧比較回路３３ｂから正のトリガが入力される
と、一定時間だけトランジスタＴＲ１への出力電圧がＬ
ＯＷにされる。つまり、信号発生回路３３ｃは、ワンシ
ョットマルチバイブレータ回路として構成されている。

【００４８】以上の電圧演算回路３３ａ、電圧比較回路
３３ｂ、及び信号発生回路３３ｃからなる指令部３３に
よって、トランジスタＴＲ１は、ＶｃとＶ１とが等しく
なるとＯＦＦされ、一定時間の後にＯＮされる。すなわ
ち、指令部３３はＶｃとＶ１とを略等しくするように作
用する。そしてＶｃとＶ１とが等しくなったとき、加熱
部の抵抗値Ｒｈは目標値Ｒａになっている。これを以下
に示す。

【００４９】式（２）において、Ｖｃ＝Ｖ１と置いてＶ
ｃを消去し、整理すると、（Ｖ１−Ｖ０）×Ｒａ＝（Ｖ３−Ｖ２）×Ｒ０ …（３）となる。この式は、検出抵抗器Ｒ０の端子間電圧（Ｖ１
−Ｖ０）と加熱部の端子間電圧（Ｖ３−Ｖ２）との比
が、Ｒ０：Ｒａに等しいことを意味している。もとよ
り、（Ｖ１−Ｖ０）と（Ｖ３−Ｖ２）との比は、Ｒ０：
Ｒｈに等しいので、式（３）はＲｈがＲａに等しくなっ
ていることを表している。つまり、このとき、加熱部は
適温となっており、加熱部に近接された検知部２１も同
じ温度となっている。

【００５０】出力部３５は、オペアンプＩＣ４、抵抗器
Ｒ12，Ｒ13，Ｒ14、ツェナダイオードＺＤ３、及び比較
抵抗器Ｒｃを備えている。そして、オペアンプＩＣ４の
プラス側入力端子は、センサ７の検出端子２３ｂに接続
され、一方のマイナス側入力端子は、抵抗器Ｒ12を介し
てセンサ７の検出端子２３ｂに接続されている。またプ
ラス側入力端子及びマイナス側入力端子は、夫々比較抵
抗器Ｒｃ及び抵抗器Ｒ13を介して接地されている。つま
り、オペアンプＩＣ４の入力端子には、センサ７の検知
部２１の両端の電位に対応した電圧値が印加され、検知
部２１の抵抗値Ｒｓが周辺の酸素濃度に応じて変化する
と、両端の電位差が変化し、オペアンプＩＣ４の出力端
子の電圧が変化するようにされている。そしてこの出力
端子は、抵抗器Ｒ14を介して、外部に出力する端子３９
に接続されている。なお、端子３９は、保護用のツェナ
ダイオードＺＤ３を介して設置されており、出力先であ
るエンジン制御装置のデジタル入力端子に対して電圧レ
ベルを一致させている。

【００５１】つまり、出力部３５は、検知部２１により
検知された酸素濃度に応じた電圧信号Ｓ０を外部に出力
する。そして、上記の電力供給部３１及び指令部３３の
作用により、加熱部の抵抗値ＲｈがＲａに保たれること
で加熱部の発熱量が制御され、検知部２１が正常動作で
きる温度に保たれる。

【００５２】以上のように、センサ７及び制御装置Ａに
よれば、抵抗値Ｒｅ，Ｒｅの影響を受けず、加熱部の両
端電圧（Ｖ３−Ｖ２）に基づいて、発熱部に電力を供給
することができる。よって、検知部２１を最適温度に保
つことができ、正確に酸素濃度を検出することができ
る。また、信号発生回路３３ｃによって電圧比較回路３
３ｂからのトリガを受けて出力信号をＯＦＦにされる時
間が、短くなるように信号発生回路３３ｃの構成を変更
することにより、更に精度よく検知部２１の温度を制御
できるようになる。

【００５３】次に、センサ７を制御するために、アナロ
グ方式の制御装置Ａに代えてデジタル方式の制御装置Ｂ
を用いた例を図５に示す。制御装置Ｂは、後述する各構
成に指令を発すると共に様々な演算処理を行なう演算装
置４１と、センサ７の発熱部１３へ電力を供給する電力
供給部４３と、演算装置４１からの指令に従い、外部か
ら入力された複数のアナログ信号の内の一つを選んで外
部に出力するマルチプレクサ４５と、マルチプレクサ４
５により出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換
するアナログデジタル変換器４７と、演算装置４１から
の指令に従い電力供給部４３の電流をＯＮ／ＯＦＦする
デジタル出力端子４９と、以上各構成を接続し信号の経
路となるバス５１とを備える。

【００５４】電力供給部４３は、制御装置Ａの電力供給
部３１と同様、供給電流をＯＮ／ＯＦＦするトランジス
タＴＲ１と、ヒータ電流の検出抵抗器Ｒ０と、センサ７
のリード部１５ａ，１５ｂに接続される端子５３，５３
とを接続してなり、その両端は、図示しないバッテリＢ
の＋端子、−端子に接続され、センサ７に対して電力供
給を行なうようにされている。そしてデジタル出力端子
４９からの信号によりトランジスタＴＲ１がＯＮ／ＯＦ
Ｆされることにより、断続的に発熱部に電力を供給す
る。

【００５５】そしてマルチプレクサ４５は、センサ７に
接続されてそのヒータ電圧（Ｖ４−Ｖ１）及び検知部２
１の検出信号（共にアナログ信号）が入力されるように
されており、何れか一つがアナログデジタル変換器４７
に入力される。なお、検知部２１の検出端子２３ａ，２
３ｂに対する配線の内、検出端子２３ｂ側のみが抵抗器
Ｒｃを介して接地されている。

【００５６】演算装置４１は、一定時間毎にセンサ７の
出力を検出し、加熱部の供給電力制御処理を行なう。こ
の処理のフローチャートを図６に示す。本処理が起動さ
れると、まずステップ（以下、Ｓと記す）１０にてデジ
タル出力端子４９をＨＩＧＨにセットし、電力供給部４
３のトランジスタＴＲ１をＯＮし、発熱部１３を通電す
る。次にＳ２０にて、マルチプレクサ４５に指令を発
し、検知部２１の出力Ｖｃをアナログデジタル変換器４
７に接続し、Ｖｃを検出する。続いてＳ３０にてマルチ
プレクサ４５に指令を発し、発熱部１３の出力Ｖ１，Ｖ
２，及びＶ４と、Ｖ０とをアナログデジタル変換器４７
に接続し、Ｖ０〜Ｖ４を検出する。こうして電圧Ｖ０〜
Ｖ４及びＶｃが検出されると演算装置４１は、次のＳ４
０にて以下の演算を行ない、加熱部の温度が所定の温度
に達しているか否かを判定する。

【００５７】｛Ｖ４−Ｖ１−２×（Ｖ２−Ｖ１）｝／（Ｖ１−Ｖ０）＞Ｒａ／Ｒ０…（４）上式の｛Ｖ４−Ｖ１−２×（Ｖ２−Ｖ１）｝は、加熱部
の両端の端子間電圧を表すので、上記判定は、加熱部の
抵抗値ＲｈがＲａよりも大きくなったか否かを判定して
いる。この判定結果がＹＥＳであれば、加熱部の温度が
所望値よりも高いということなのでＳ５０に進み、デジ
タル出力端子をＬＯＷにセットすることにより電力供給
をカットし、Ｓ６０に進む。一方、判定結果がＮＯであ
れば、加熱部の温度が所望値以下であるので、Ｓ５０を
経ずにそのままＳ６０に進む。これにより、加熱部（ひ
いては検知部２１）の温度が所望の温度になるように電
力がＯＮ／ＯＦＦされる。

【００５８】Ｓ６０〜Ｓ８０では、検知部２１による検
知結果に基づき、空燃比の判定を行なう。すなわち、Ｓ
６０にてＶｃ／Ｖ２＞１／２を判定し、ＹＥＳであれば、Ｓ７０に進んで空燃比はリ
ーン（空気の割合が多い）とし、ＮＯであれば、Ｓ８０
に進んで空燃比はリッチ（燃料の割合が多い）と判定す
る。

【００５９】なお、この制御装置Ｂにおいては、演算装
置４１、マルチプレクサ４５、アナログデジタル変換器
４７、及びデジタル出力端子４９が本発明の指令部に相
当する。以上のように、制御装置Ｂにてセンサ７に電力
を供給すれば、制御装置Ａと同様、検知部２１の加熱に
関わらない部分の抵抗値Ｒｅ，Ｒｅの影響を受けず、発
熱部に電力を供給することができる。また、これに加え
制御装置Ｂでは、次のような利点がある。すなわち、制
御装置Ａでは電圧Ｖｃの値は、７個の抵抗の値Ｒ０〜Ｒ
６の影響を受けてしまう。従い、高精度な制御を行なう
ためには、７個全ての抵抗値の精度を確保する必要があ
る。これに対し制御装置Ｂでは、備える抵抗が検出抵抗
器Ｒ０と抵抗器Ｒｃのみであるため、抵抗値の精度を確
保するのが容易である。

【００６０】また検出抵抗器Ｒ０自体の抵抗値のバラつ
きも、次のようにして許容することができる。例えば、
検出抵抗器Ｒ０が所望値よりも１０％大きな抵抗値を呈
する場合には、図６のＳ４０における式（４）の右辺
を、１．１×Ｒａ／Ｒ０と変更することにより、式
（４）と同じ判定を行なうことができる。

【００６１】またヒータの抵抗値Ｒｈのバラつきも、適
切なプログラムで非加熱状態におけるヒータ抵抗値を検
出することで自己補正するように制御することもでき
る。以上、本発明のヒータが適用されたガス検出センサ
１〜７、並びにこれらに電力を供給する制御装置Ａ，Ｂ
について説明してきたが、本発明はこれらの実施例に何
等限定されるものではなく、様々な態様で実施しうる。

【００６２】例えば、センサ１では測定電極１７，１７
を発熱部１３の両端に各１体、計２体設けたが、センサ
５と同様、何れか１体にしても良い。また、センサ１に
おいて、リード部１５とこれに近接する測定電極１７と
の端子間電圧を測定すれば、リード部１５の抵抗値を推
定することができ、この抵抗値からセンサボディの温度
を算出することもできる。

【００６３】更に、上記第１から第４実施例では、何れ
のヒータも抵抗検出型の酸素検出センサに適用したが、
これ以外のヒータ内蔵型のセンサ（例えば、ジルコニア
固体電解質を用いた電圧検出型の酸素センサ、ＵＥＧＯ
センサ、ＣＯセンサ、ＮＯｘセンサ等）に応用すること
ももちろん可能である。

【００６４】制御装置Ａにおいては、発熱部への電力を
ＯＮ／ＯＦＦするのにワンショットマルチバイブレータ
として作用する信号発生部３３ｃを用いたが、これをＰ
ＷＭ制御装置に置き換えても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例であるガス検出センサ１
の説明図である。

【図２】本発明の第２実施例及び第３実施例であるガ
ス検出センサ３及び５の説明図である。

【図３】本発明の第４実施例であるガス検出センサ７
の説明図である。

【図４】ガス検出センサ７に適用された制御装置Ａを
示す説明図である。

【図５】ガス検出センサ７に適用された制御装置Ｂを
示す説明図である。

【図６】制御装置Ｂにて演算装置が行なう供給電力制
御処理を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１，３，５，７…ガス検出センサ１３…発熱部１５，１５…リード部１７，１７…
測定電極２１…検知部２３，２３…検出端子２７
…ホットエリアＡ，Ｂ…電力制御装置３１…電力供給部３３…指令部３５
…出力部４１…演算装置４３…電力供給部４５
…マルチプレクサ４７…アナログデジタル変換器４９…デジタル出力端
子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁層上に、周囲の所定気体の濃度を検
出する検知部と、該検知部の両端に接続され該検知部に
よる検出信号を出力するための検出端子とを形成してな
るガス検出センサと一体に形成され、発熱温度に応じて
抵抗値の変化する発熱部と、該発熱部に給電するための
リード部とを備えたガス検出センサ用ヒータにおいて、上記発熱部に直接接続され、該発熱部の所定位置の両端
の電位差を測定するための測定電極を、更に形成したこ
とを特徴とするガス検出センサ用ヒータ。
【請求項２】請求項１に記載のガス検出センサ用ヒー
タにおいて、上記測定電極が、上記所定位置の両端に各１体、計２体
設けられていることを特徴とするガス検出センサ用ヒー
タ。
【請求項３】請求項１に記載のガス検出センサ用ヒー
タにおいて、上記測定電極が、上記所定位置の一端に１体のみ設けら
れていることを特徴とするガス検出センサ用ヒータ。
【請求項４】請求項２または請求項３に記載のガス検
出センサ用ヒータにおいて、上記発熱部が、上記検知部に関して上記絶縁層の裏面上の、該検知部に
対応する位置に、該検知部よりも広面積を占めるように
形成されることにより、少なくとも該検知部の全体を加
熱可能とされ、上記所定位置が、上記発熱部において上記絶縁層を隔てて上記検知部に対
向した部位であるところの加熱部であることを特徴とす
るガス検出センサ用ヒータ。
【請求項５】請求項１に記載のガス検出センサ用ヒー
タであって、上記検出端子が、少なくとも２本設けられ、上記測定電極が、上記所定位置の一端から、該検出端子の内の１本までを
電気的に接続するものであることを特徴とするガス検出
センサ用ヒータ。
【請求項６】請求項１から請求項５に何れか記載のガ
ス検出センサ用ヒータの上記発熱部に対して、所定量の
電力を供給する電力制御装置であって、上記発熱部若しくは上記加熱部の電位差に応じて、供給
する電力量を設定し、該電力量に対応する指令を発生す
る指令部と、該指令部による指示に従った量の電力を発生させ、上記
発熱部に供給する電力供給部とを備えることを特徴とす
る電力制御装置。