JPS6135347A - 酸素センサの加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、加熱用ヒータを内蔵した酸素センサ、特に
内燃機関における排気ガス中の酸素濃度によって吸入混
合気の空燃比を検出するのに適した酸素センサの加熱装
置に関する。

［従来の技術〕 内燃機関の空燃比検出に用いられる酸素センサとして、
第８図に示すように構成されているものがある（例えば
、特開昭５４−１６４１９１号公報）。

この酸素センサ１０は、被測定ガス雰囲気の酸素濃度に
応じて起電力を発生する一種の濃淡電池の原理を応用し
たものであって、アルミナ基板１の表面に内側型＠（基
準酸素電極）２が設けられ、その上に酸素イオン伝導性
の固体電解質３と外側電極（酸素測定電極）４が積層さ
れ、これらを多孔質保護層５によって外側から被覆して
いる。

そして、アルミナ基板１の内部には、固体電解質３の活
性を保つように適温に加熱するヒータ６を備えている。

このような酸素センサ１０を内燃機関の排気管等の被測
定ガス中に配置すると、外側電極４には被測定ガスと近
似する酸素濃度のガスが存在し、内側電極２には被測定
ガスの時間平均値としての酸素濃度を有するガスが存在
するようになる。

この外側電極４側の酸素分圧をＰｏ、内側電極２側の酸
素分圧をＰｉとすると、端子Ｓ−Ｅ間には両電極間の酸
素分圧比に応じて、次式（ネルンストの式）によって求
められる起電圧Ｖｓが発生する。

Ｖｓ＝　（ＲＴ／４　Ｆ）］、ｏｇｅ（Ｐ　ｉ／Ｐｏｌ
・・（１）ここで、Ｒ：気体定数、　Ｔ：絶対温度Ｆ：
ファラデ一定数 この起電圧Ｖｓの変化によって内燃機関に供給される混
気台の空燃比を推定し、それによって空燃比を理論値等
に制御することができる。

ところで、このような固体電解質を用いた酸素センサの
起電圧は、（１）式からも明らかなように絶対温度によ
っても変化するため、これを一定に保たないと正確な酸
素濃度あるいは空燃比の検出ができない。

そこで本出願人は、第９図に示すような回路による酸素
センサ加熱装置を先に出願している（特願昭５７−１９
８２１５号）。

それは、エンジンの吸入空気量の一次遅れ信号と排気ガ
スの温度に相関があるのを利用して、ヒータ６に印加す
る電圧を制御するようにしたものである。

すなわち、第Ｓ図において、エアフローメータ１３から
の吸入空気量信号Ｑａを平滑回路１４を通して一次遅れ
の吸入空気量信号Ｑａとし、これを比較器１５．１（）
で基準値Ｃ＋　、Ｃ２（ＣＩ　（Ｃ２）と比較する。　
　　□ そして、Ｑ　ａ　＜　Ｃ１のときは比較器Ｉｓ、１６の
出力が共にハイレベルになるので、トランジスタ１７．
１８が共にオンになって抵抗１９．２０を短絡し、電源
１２から酸素センサ１０のヒータ６に印加する電圧が最
大になる。

Ｃ１＜Ｑａ＜Ｃ２のときは、比較器１５の出力はローレ
ベルで比較器１６の出力はハイレベルになるので、トラ
ンジスタ１７はオフでトランジスタ１８はオンになり、
ヒータ６に印加する電圧は中間値になる。

さらに−Ｃ２＜Ｑａのときには、比較器１５゜１６の出
力は共にローレベルになり、トランジスタ１７．１８が
共にオフになるので、ヒータ６への印加電圧は最小にな
る。

また、エンジン始動時等にもヒータ６に印加する電圧を
増大してセンサ部１１の活性化を図るため、水温センサ
２１によるエンジンの冷却水温信号Ｔｗを比較器２２で
基準値Ｃ３と比較し、Ｔｗ＜ｃ３のときにはその出力が
ハイレベルになって、オア回路２３を介してトランジス
タ１７をオンにするようになっている。

２４は、酸素センサ１０のセンサ部１１によって発生さ
れる起電圧Ｖｓを入力してエンジンの空燃比を制御する
空燃比制御回路である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このような従来の酸素センサの加熱装置
では、エンジンの運転状態を表わす吸入空気量信号や冷
却水温信号に基いて、ヒータに印加する電圧を複数段に
制御するようにしていたため、高精度な空燃比検出に用
いる場合には酸素センサの温度制御の精度が十分とはい
えず、特に広範囲な空燃比やリーン域の空燃比を検出で
きる酸素センサは温度により出力特性に大きな変化が現
われるので、このような加熱装置を用いても充分に精度
の良い検出ができないという問題があった。

この発明はこのような問題点を解決しようとするもので
ある。

〔問題を解決するための手段〕

そこでこの発明は、加熱用ヒータを内蔵した酸素センサ
におけるセンサ部の温度はヒータの温度に略依存し、そ
のヒータの温度とヒータの抵抗値とが一定関係にあるこ
とを利用して、ヒータの抵抗値を一定値に保つようにし
たものである。

そのため、加熱用ヒータと直列に第１の抵抗を接続し、
この直列回路に並列に第２の抵抗と第３の抵抗とを直列
に接続した回路を接続してブリッジ回路を構成する。

そして、ヒータと第１の抵抗との接続点の電圧と第２の
抵抗と第３の抵抗との接続点の電圧とが等しくなるよう
に上記ブリッジ回路に供給する電圧又は電流を制御する
回路を設けている。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を図面を参照しながら説明する
。

先ず、第２図によってこの発明を適用する酸素センサの
一例の構造を説明する。

この酸素センサ３０は、アルミナからなる基板３１上に
スリット状の大気導入部３２を形成するためのスペーサ
３３が設けられ、その上に酸素イオン伝導性の固体電解
質３４が積層されている。

その固体電解質３４の大気導入部３２側の面にセンサア
ノード３５が、その反対側の面にセンサカソード３６が
それぞれ設けられている。

この固体電解質３４の上にさらにガス導入部３７を形成
するためのスペーサ３８を介して固体電解質３日が積層
され、その両面にポンプカソード４０とポンプアノード
４１がそれぞれ設けられている。

なお、固体電解質３日には被測定ガスをガス導入部３７
へ導入するための小孔４２が設けられており、基板３１
内には加熱用ヒータ４３が設けられている。

そして、固体電解質３４とその両面に設けられたセンサ
アノード３５とセンサカソード３６によって、両電極間
の酸素分圧比すなわち大気導入部３２とガス導入部３７
との間の酸素分圧比に応じた電圧を発生する酸素分圧比
検出部（センサセル）ＳＣを構成し、固体電解質３９と
その両面に設けられたポンプカソード４０とポンプアノ
ード４１によって、両電極間に供給される電流量に応じ
て酸素イオンを移動させてガス導入部３７内の酸素分圧
を制御する酸素分圧制御部（ポンプセル）ＰＣを構成し
ている。

第３図は、この酸素センサ３０を用いた空燃比検出回路
の一例を示す。

この空燃比検出回路５０は、目標電圧ｖＯを発生する電
圧源４５．差動アンプ４６．ポンプ電流供給部４７．抵
抗４８及びその両端電圧からポンプ電流を検出する電流
検出部４日によって構成されている。

そして、差動アンプ４６は、前述した酸素センサ３０の
センサカソード３６に対するセンサアノード３５の電位
Ｖｓを目標電圧Ｖｏと比較して、その差Δｖｓ　〔ΔＶ
　ｓ　＝　Ｖ　ｓ　−Ｖ　ｏ　）を算出する。

ポンプ電流供給部４７は、この差動アンプ４６の出力Δ
Ｖｓがゼロになるように、酸素センサ３０のポンプアノ
ード４１からポンプ電流Ｉｐを流し出す（あるいは流し
込む）。すなわち、ΔＶｓが正の時はＩｐを増やし、Δ
Ｖｓが負の時はＩｐを減らす。

ポンプ電流検出部４日は、抵抗４８の両端間の電位差に
よりポンプ電流Ｉｐを電圧Ｖｉ（Ｖｉ”Ｉｐ）に変換し
て検出する。なお、ポンプ電流Ｉｐは第３図に実線矢印
で示す方向を正とし、その時検出電圧Ｖｉも正になり、
破線矢印で示す逆方向の時は負になる。

目標電圧ＶＯを、酸素センサ３０のガス導入部３７内の
酸素濃度が所定値に維持されている時。

すなわち固体電解質３４の両面間の酸素分圧比が所定値
となるときにセンサセルＳＣによって発生される電圧Ｖ
ｓに相当する値に設定しておくと、この空燃比検出回路
５０によって検出されるポンプ電流ＩＰに比例した検出
電圧Ｖｉは、第４図に示すように空燃比と一意的に対応
する。

したがって、この検出電圧Ｖｉによって現空燃比をリッ
チ域からリーン域まで広範囲に亘って精度よく検出する
ことができる。

また、この酸素センサ３０はヒータ４３内蔵しているの
で、エンジンキーをＯＮにすると速やかに加熱されて空
燃比センサとしての機能を発揮する。そして、この発明
による加熱装置によって一定の温度に維持される。

そこで次に、この酸素センサ３０を内蔵の加熱用ヒータ
４３によって加熱し、センサセルＳＣ及びポンプセルＰ
Ｃからなるセンサ部を活性化すると共に、その温度を一
定に保つためのこの発明による加熱装置の第１実施例を
第１図によって説明する。

第１図に示す加熱装置は、第２図に示した酸素センサの
基板３１に内蔵した加熱用ヒータ４３と直列に第１の抵
抗５１を接続し、このヒータ４３と抵抗５１の直列回路
に並列に、第２の抵抗５２と第３の抵抗５乙とを直列に
接続した回路を接続してブリッジ回路５４を構成してい
る。

そして、このブリッジ回路５４を電流制御用のトランジ
スタ５５を介して１．５Ｖの電源ラインとアース間に接
続している。

５６は差動アンプで、ヒータ４３と抵抗５１の接続点の
電圧ｖｂと抵抗５２と抵抗５３の接続点の電圧Ｖａとの
差　Ｖ　ｃ　＝　Ｖ　ａ　−Ｖ　ｂ　　を算出する。

５７は負係数積分回路で、入力抵抗５８．オペアンプ５
日、及び積分コンデンサ６０からなり、差動アンプ５６
から出力される差信号Ｖｃを負係数積分して積分電圧Ｖ
ｄを出力する。

６１は前述のトランジスタ５５とオペアンプ６２からな
る電流制御回路であり、オペアンプ６２がブリッジ回路
５４の印加電圧Ｖｅと積分電圧Ｖｄの差Ｖ　ｅ　−Ｖ　
ｄに応じてトランジスタ５５のベース電圧を制御し、Ｖ
　ｂ　＝　Ｖ　ａになるようにブリッジ回路５４への供
給電流を制御する。それによって印加電圧ｖｅが制御さ
れる。

次にこの実施例の作用を説明する。

加熱用ヒータ４３は白金を主体とした成分で作られてい
て、このヒータ４３の平均温度Ｔ　Ｈと抵抗値ＲＴ（ど
の間には、 （Ｋ＋　ｒ　Ｒ２：定数　　Ｒ■（ｏ：基準温度でのヒ
ータ抵抗） の関係があり、ＲＨとＴＨは直線関係となる。

一方、酸素センサのセンサ部を形成している部分の平均
温度をＴＳとすると、このＴＳとヒータ４３の平均温度
ＴＩとは一致していないのが一般的であるが、素子が極
く小型でヒータ部とセンサ部が近接している場合には、
Ｔ　ＳとＴ　Ｉ（は実用上問題ないくらい近い。

よって、■式によりヒータ４３の抵抗値ＲＨを所定値に
保てばＴ　Ｈは一定となり、センサ部の平均温度ＴＳも
Ｔ　Ｉに極く近い一定値となる。

この実施例では　Ｖ　ａ　−Ｖ　ｂ　　を負係数積分し
てブリッジ回路５４に印加する電圧Ｖｅを決定している
ので、Ｖ　ａ　＞　Ｖ　ｂであればＶｅは減少し、Ｖａ
＜ＶｂであればＶｅは増大する。

この電圧Ｖｅが減少すればヒータ４３に印加される電圧
Ｖ　Ｈも低下し、ヒータ温度Ｔ　Ｈが低下するためＲＨ
が小さくなる。それによって、ｖｂがＶａに対して相対
的に大きくなる。

一方、電圧Ｖｅが増大すればＶＩＩも大きくなり。

ヒータ温度Ｔ　Ｉが上昇するためＲｌｒが大きくなる。

それによって、ｖｂがＶａに対して相対的に小さくなる
。

このようにして、Ｖ　ａ　＝　Ｖ　ｂとなるように印加
電圧Ｖｅが制御されている。

ところで、抵抗５１．５２．５３の抵抗値をそれぞれＲ
，、Ｒ２，Ｒ２とすると、 Ｖ　ｂ　＝Ｖ　ｅ−Ｒｔ　／　（ＲＨ＋　Ｒ１）　　−
−■Ｖ　ａ　＝Ｖ　ａ−Ｒ２／（Ｒ２＋Ｒ３）　　・・
−・・■であり、Ｖ　ａ　＝　Ｖ　ｂ　　によりＲ１／
　（ＲＨ＋　Ｒ、）　＝　Ｒ２／　（Ｒ２＋　Ｒ３）Ｐ
、Ｉ ＲＩＩ＝−に、　（Ｒ２＋Ｒ３）　　Ｒ１・・・・・・
■）となり、ＲＨは一定値になる。

一例として、Ｒ２＝ＩＫΩ、Ｒ１＝１Ω、　Ｒ３＝３０
にΩに設定すれば、０式よりＲＨ＝　３０Ωとなり、Ｒ
Ｈを３０Ω一定に制御する事ができる。

そこで、この実施例の効果を見るために、第２図に示し
た酸素センサ３０のセンサ部を構成するポンプセルＰＣ
とセンサセルＳＣの中間的位置に温度計測用の熱電対を
内蔵させて、第５図（Ｂ）に示す１０モード運転中のセ
ンサ部の温度ＴＳを計測したところ、同図（Ａ）に示す
ようになった。

この場合の温度ＴＳの変化幅は約２０度であり、ヒータ
４３に一定電圧を印加した場合のＴＳの変化幅が約１２
０度であるのに対して、約］、／６に改善されている。

しかしながら、この第５図（Ａ）から判るように、エン
ジンの負荷が高いところではセンサ部の温度ＴＳが若干
低下している。

そこで、この点を改善して一層高精度な温度制御を行な
えるようにしたこの発明の第２実施例を。

第６図によって説明する。

なお、第６図中第１図と同様な部分には同一符号を付し
てあり、それらの説明は省略する。

この実施例では、第１図における抵抗５３に相当する部
分を、抵抗値Ｒ４の抵抗６３に抵抗値Ｒ５の抵抗６４を
スイッチ６５を介して並列に接続して構成している。

そして、そのスイッチ６５は切り換え装置６６によって
機関の運転状態（例えば吸入負圧、吸入空気量、スロッ
トル開度、燃料基本噴射量等）を表わす信号によって、
低負荷時にはオンに、高負荷時にはオフに制御される。

したがって、低負荷時には抵抗Ｓ３に抵抗６４が並列に
接続され、その並列抵抗の値はＲ４より小さくなり、高
負荷時には抵抗値Ｒ４の抵抗６４のみが有効になる。

そのため、高負荷時には低負荷時に比べてヒータ４３へ
の印加電圧ＶＨの目標値が高べなり、それによってヒー
タ抵抗ＲＨの制御目標値も大きくなるので、平均温度Ｔ
　Ｈ＝　Ｔ　Ｓが高くなる。

このことは、■式において抵抗値Ｒ３を大きくするとＲ
Ｈが大きくなることからも判かる。

このように、ブリッジ回路５４を構成するヒータ４３以
外の３個の抵抗のうちの少なくとも１つ以上の抵抗値を
機関の運転状態に応じて変化させることによって、より
高精度な温度制御を行なうことができる。

なお、この抵抗値の切り換えを３段階以上の多段にした
り、連続的に変化させるようにすれば、一層制御精度を
高めることができる。

第７図には、この発明を適用する酸素センサの他の構造
例を示す。

この酸素センサ７０は、加熱用ヒータ７１をプリント形
成した基板７２上に、大気を導入するための大気導入板
７３と板状固体電解質７４が順次積層され、その固体電
解質７４の両面にセンサアノード７５とセンサカソード
７６が設けられてい＝１５− る。

この固体電解質７４上にスリット状のガス導入部を形成
するための板状のスペーサ７７を介して板状固体電解質
７８が積層され、その両面にポンプカソード７Ｓとポン
プアノード８０が設けられている。

このような酸素センサを用いても、第３図に示したよう
な空燃比検出回路により、内燃機関の空燃比をリッチ域
からリーン域まで広範囲トこ亘って検出できる。

その場合、この酸素センサ７０に内蔵するヒータ７１へ
の供給電圧又は電流を第１図又は第６図に示した回路に
よって制御することにより、センサ部の温度を一定の高
温に保って高精度な空燃比検出ができる。

なお、この発明による酸素センサの加熱装置は、第２図
及び第７図に示した構造の酸素センサに限らず、加熱用
ヒータを内蔵した種々の酸素センサに適用し得ることは
勿論である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、この発明による酸素センサの
加熱装置は、加熱用ヒータを内蔵した酸素センサの動作
温度を一定の高温に精度よく維持することができるので
、酸素センサの特性が安定し、被測定ガス中の酸素濃度
あるいは内燃機関の空燃比を精度よく検出することがで
き、特に広範囲の酸素濃度又は空燃比を検出し得る酸素
センサの検出精度を向上させ、広範囲の空燃比フィード
バック制御を精度よく実現することが可能になる。

また、酸素センサの過熱を防ぎ、耐久性を向上させる効
果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の第１実施例を示す回路図、第２図
は、この発明を適用する酸素センサの一例模式的に示す
断面図、 第３図は、第２図の酸素センサを用いた空燃比検出回路
の一例を示すブロック回路図、 第４図は、第３図の空燃比検出回路による検出特性を示
す曲線図、 第５図は、第１図に示した実施例による１０モード運転
中における酸素センサのセンサ部の温度変化を示す曲線
図、 第６図は、この発明の第２実施例を示す回路図、第７図
は、この発明を適用する酸素センサの他の例を模式的に
示す分解斜視図、 第８図は、従来の加熱用ヒータを内蔵した酸素センサの
一例を模式的に示す断面図。 第９図は、従来の酸素センサ加熱装置の一例を示す回路
図である。 ３０．７０・・・酸素センサ ４３．７１・・・加熱用ヒータ ５１．５２．５３．６３．６４・・・抵抗５４・・・ブ
リッジ回路　　５６・・・差動アンプ５７・・・負係数
積分回路 ６１・・・電流制御回路　　６５・・・スイッチ６６・
・・切換装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．加熱用ヒータを内蔵した酸素センサの加熱装置にお
   いて、前記ヒータと直列に第１の抵抗を接続し、この直
   列回路に並列に第２の抵抗と第３の抵抗とを直列に接続
   した回路を接続してブリツジ回路を構成すると共に、前
   記ヒータと第１の抵抗との接続点の電圧と前記第２の抵
   抗と第３の抵抗との接続点の電圧とが等しくなるように
   前記ブリツジ回路に供給する電圧又は電流を制御する回
   路を設けたことを特徴とする酸素センサの加熱装置。
2. ２．前記第１，第２，第３の抵抗のうちの少なくとも１
   つ以上が、機関の運転状態を表わす信号に応じてその抵
   抗値を変化する手段を備えていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載の酸素センサの加熱装置。