JPS63304151A - ガスセンサの制御装置 - 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】 発明の目的 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガス拡散制限室を有する構造のガスセンナを
制御する装置に関する。

［従来の技術］ 従来、内燃機関や各種燃焼機器等の排気組成を排気中の
酸素や不完全燃焼ガス・未燃ガス等の濃度より検出する
ガスセンサとして、例えば酸素イオン伝導性の固体電解
質両面に多孔質電極が形成された２個の素子を備え、画
素子の一方の多孔質電極を、ガスの拡散が制限されたガ
ス拡散制限室に接するように配設してなるものが知られ
ている。

この種のガスセンナは、排気中のガス組成を検出するた
めに、このガスセンサを制御する制御装置を備え、この
制御装置による制御のもとで、周囲の酸素濃度もしくは
不完全燃焼ガス・未燃ガスの濃度を検出するよう構成さ
れている。制御装置は、ガスセンサを構成する一方の素
子を酸素濃淡電池素子、他方の素子を酸素ポンプ素子と
して所定温度以上で動作させ、酸素濃淡電池素子両端の
電極に生ずる電圧が一定となるよう酸素ポンプ素子に流
れる電流を制御し、この電流（以下ポンプ電流Ｉｐとい
う）の値を出力する。このとき、ポンプ電流１ｐは、ガ
スセンサ周囲のガスの酸素濃度もしくは不完全燃焼・未
燃ガス濃度に対応した値となる。従って、こうしたガス
センサとその制御装置を用い、排気組成に基づいて内燃
機関等の混合気の空燃比を検出することができる。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、酸素濃淡電池素子両端の電極に生ずる電
圧が一定となるよう酸素ポンプ素子にポンプ電流Ｉｐを
フィードバックして供給するこうしたガスセンサとその
制御装置では、制御装置が不良もしくは故障を起こして
いるときに使用すると、場合によってはポンプ電流Ｉｐ
の絶対値が過大となってガスセンサの酸素ポンプ素子が
電気化学的に破壊される恐れがあるという問題があった
。

本発明は、上記問題を解決し、ガス濃度を好適に検出す
るガスセンサの保護を十分なものとすることを目的とし
てなされた。

発明の構成 かかる目的を達成するための本発明の構成について以下
に説明する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明のガスセンサの制御装置は、第１図に示すように
、 周囲の被測定ガスの流入が制限されたガス拡散制限室Ｍ
１に接して、該ガス拡散制限室Ｍ１内の酸素濃度に応じ
た信号を出力する検出素子Ｍ２、および上記ガス拡散制
限室Ｍ１と上記被測定ガスとの間で供給される電流に応
じて酸素イオンを移動させる酸素ポンプ素子Ｍ３を備え
たガスセンサＭ４と、 前記検出素子Ｍ２の出力信号に応じて、前記酸素ポンプ
素子Ｍ３に供給するポンプ電流を制御する駆動制御手段
Ｍ５と、 該ポンプ電流値から被測定ガス濃度を検出するカス濃度
検出手段Ｍ６と、を具備したガスセンサの制御装置にお
いて、 前記ガスセンサＭ４の基準状態における電気的特性と等
価な電気回路である模擬センサＭ７と、該模擬センサＭ
７を前記ガスセンサＭ４に替えで、前記駆動制御手段Ｍ
５に接続する切替手段Ｍ８と、 該接続された模擬センサＭ７に供給されるポンプ電流の
値が所定範囲外のとき、前記駆動制御手段Ｍ５が異常で
あると判定する異常判定手段Ｍ９と を備える。

ここで、検出素子Ｍ２及び酸素ポンプ素子Ｍ３は、酸素
イオン伝導性固体電解質板の表嬰面に一対の多孔質電極
を設けた素子であってもよい。これらの素子に使用され
る酸素イオン伝導性固体電解質としては、ジルコニアと
イツトリアの固溶体、あるいはジルコニアとカルシアの
固溶体等が代表的なものであり、その他、二酸化セリウ
ム、二酸化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体、ペ
ロブスカイト型酸化物固溶体、３価金属酸化物固溶体等
も使用可能である。また、その固体電解質両面に設けら
れる多孔質電極としては、酸化反応の触媒作用を有する
白金やロジウム等を用いることができ、その形成方法と
しては、これらの金属粉末を主成分としてペースト化し
、厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成する方法、あ
るいはフレーム溶射、化学メッキ、蒸着等の薄膜技術を
用いて形成する方法を用いてもよい。さらに、被測定ガ
スにさらされる多孔質電極はその多孔質に更に、アルミ
ナ、スピネル、ジルコニア、ムライト等の多孔質保護層
を厚膜技術を用いて形成することが好ましい。

また、検出素子Ｍ２として、遷移金属酸化物を主成分と
し、周囲の酸素ガス分圧に応じて抵抗の変化する酸素ガ
ス検出素子を用いてもよく、その遷移金属酸化物として
は、５ｎ０２．ＴｉＯ２゜ｃｏｏ、ｚｎｏ、Ｎｂ２Ｏ５
及びＣｒ２Ｏ３から選ばれた、１種または２種以上の物
質が使用可能である。

ガス拡散制限ＷＭ１は、例えばガスの拡１友を制限する
ガス拡散制限部を設け、これを介して周囲の被測定ガス
を拡散制限的に導入するガス室として形成してもよい。

こうしたガス室は、検出素子Ｍ２と酸素ポンプ素子Ｍ３
との間に、Ａ　Ｉ　２０３゜スピネル、フォルステライ
ト、ステアタイト、ジルコニア等からなる層状中間部材
としてのスペーサを挟むことによって、検出素子Ｍ２の
多孔質電極と酸素ポンプ素子Ｍ３の多孔質電極との間に
形成される偏平な閉鎖状の空間として形成することがで
きる。また、ガス拡散制限部は、このスペーサの一部に
設けられ、周囲被測定ガス雰囲気とガス拡散制限室Ｍ１
とを連通させる孔であってもよい。このガス拡散制限部
は、周囲被測定ガス雰囲気とガス室とを拡散制限的に連
通させるものであって形状は制限されるものではなく、
例えば上記スペーサの一部あるいは全部を多孔質体で置
き換えたり、スペーサ（厚膜コートを含む）に孔を設け
たり、更には、スペーサを検出素子Ｍ２の端子側と酸素
ポンプ素子Ｍ３の端子側との間のみに設けて検出素子Ｍ
２と酸素ポンプ素子Ｍ３との間に空隙を形成し、この空
隙をガス室と一体のガス拡散制限間隙として設けること
も可能である。また、ガス拡散制限室Ｍ１全体に多孔質
材（電気絶縁性であることが望ましい）を配してもよい
。

こうしたガス拡散制限室Ｍ１．検出素子Ｍ２゜酸素ポン
プ素子Ｍ３を備えたガスセンサＭ４は、検出素子Ｍ２の
酸素ポンプ素子Ｍ３に対向しない面に接して基準酸素室
を設け、ガス拡散制限室Ｍ１内の酸素濃度を検出素子Ｍ
２で検出する場合の基準とすることが考えられる。この
基準酸素室は、外部から大気を導入するように形成され
たガス室、またはガス拡散制限室Ｍ１と漏出抵抗部を介
して連通ずるよう形成されたガス室等であればよい。

また、このようなガス室を設けずに、検出素子Ｍ２の酸
素ポンプ素子Ｍ３に対向しない面に設けられた多孔質電
極の連通孔自体を上記基準酸素室として使用することも
可能である。

駆動制御手段Ｍ５は、切替手段Ｍ８によってガスセンサ
Ｍ４に接続されたとき検出素子Ｍ２の出力信号に基づい
て酸素ポンプ素子Ｍ３に流れる電流を制御するものであ
って、ディスクリートな回路構成の他に、検出素子Ｍ２
の電極間電圧を一部ディジタル値に変換して読み込み、
周知のマイクロプロセッサを用いた算術論理演算回路に
よって酸素ポンプ素子Ｍ３のポンプ電流（検出電流〉Ｉ
ｐを制御する構成を用いることができる。

カス濃度検出手段Ｍ６は、被測定ガス中のガス濃度を検
出する手段でおり、一般にガス拡散制限室Ｍ１の酸素分
圧を一定に制御するのに要するポンプ電流Ｉｐから被測
定ガス中の酸素濃度（場合によっては、不完全燃焼ガス
・未燃ガスの濃度）を検出する構成をとる。

模擬センサＭ７は、駆動制御手段Ｍ５に対しガスセンサ
Ｍ４と電気的に等価な構成を有するものであれば良く、
切替手段Ｍ８により模擬センサＭ７に接続されたとき、
駆動制御手段Ｍ５はガスセンサＭ４と接続される場合と
同様にフィードバック制御を実現する。従って模擬セン
サＭ７は、例えば、ポンプ電流の増加につれて出力信号
が増加するような抵抗器１本で構成しても良く、或いは
ガスセンサＭ４としてポンプ電流に対し敏感な素子を用
いた場合、過大なポンプ電流に対し比較的耐破壊性を有
する前記素子と同様の素子で構成しても良い。

切替手段Ｍ８は、駆動制御手段Ｍ５．ガス溌度検出手段
Ｍ６．異常判定手段Ｍ９のいずれによって駆動されても
良く、リレースイッチ、或いはアナログスイッチ素子等
で構成して良い。

異常判定手段Ｍ９は、駆動制御手段Ｍ５から模擬レンサ
Ｍ７に供給されるポンプ電流を検出し、検出されたポン
プ電流の値が予め設定された所定範囲外のとき、駆動制
御手段Ｍ５が異常であると判定するものであって、ディ
スクリートな回路構成でも、駆動制御手段Ｍ５．模擬セ
ンサＭ７及びガス濃度検出手段Ｍ６の電気回路と組み合
わせた回路構成でも良い。更に、異常判定手段Ｍ９は、
駆動制御手段Ｍ５の異常判定時、外部に対し警告灯を点
灯して注意を換気する構成や、切替手段Ｍ８によるガス
センサＭ４と駆動制御手段Ｍ５との接続を中止する構成
を備えていても良い。

［作用］ 本発明のガスセンサの制御装置は、駆動制御手段Ｍ５に
よりガスセンサＭ４の検出素子Ｍ２の出力信号に応じた
ポンプ電流をフィードバック制御して酸素ポンプ素子Ｍ
３に供給しガス濃度検出手段Ｍ６によりポンプ電流値か
ら被測定ガス濃度を検出するが、切替手段Ｍ８によりガ
スセンサＭ４の基準状態における電気的特性と等価な電
気回路である模擬センサＭ７をガスセンサＭ４に替えて
駆動制御手段Ｍ５に接続し、模擬センサＭ７に供給され
るポンプ電流の値が所定範囲外のとき異常判定手段Ｍ９
により駆動制御手段Ｍ５が異常でおると判定する。

［実施例］ 以上説明したガスセンサの制御装置の構成を一層明らか
にするため、次に本発明の好適な実施例について説明す
る。実施例としてのガスセンサの制御装置は、図示しな
い内燃機関の排気系に設けられたガスセンサを制御して
内燃機関混合気の空燃比Ａ／Ｆを検出する機能を有する
。第２図は、このガスセンサの制御装置の概略構成図で
ある。

図示するように、このガスセンサの制御装置は、センサ
素子部１．ポンプ電流供給回路２およびガスセンサ制御
回路３を中心に構成されている。

センサ素子部１は、安定化ジルコニア等からなる酸素イ
オン伝導性固体電解質板４の両側面に、各々白金等から
なる多孔質電極５，６が設けられた酸素ポンプ素子７と
、この酸素ポンプ素子７と同様に、酸素イオン伝導性固
体電解質板８の両側面に白金等からなる多孔質電極９，
１０が設けられた酸素濃淡電池素子１１とを備えている
。この酸素ポンプ素子７と酸素濃淡電池素子１１とは、
ガス拡散制限室１２を形成し、かつ互いに対向するよう
配設され、その足元部はスペーサ１３を介して固定され
ている。こうして形成されたガス拡散制限室１２は、そ
の上部に設けられた絞り連通孔１４を介して周囲の被測
定ガス雰囲気と連通している。

酸素濃淡電池素子１１のガス拡散制限室１２と接しない
側には、この酸素濃淡電池素子１１と凹型遮蔽体１５と
により、基準酸素室１６が形成されており、この基準Ｖ
木型１６は、酸素イオン伝導性固体電解質板８に設けら
れたスルーホール１７を介してガス拡散制限室１２と連
通されている。

尚、スペーサ１３および凹型遮蔽体１５の材質は、ジル
コニアである。

以上説明した構成のセンサ素子部１はリレースイッチ１
８の切替によって電流供給回路２に接続される。リレー
スイッチ１８はガスセンサ制御回路３によって駆動され
電流供給回路２を前述したセンサ素子部１と後述する模
擬センサ素子部１９とのいずれかに接続する。

始めにセンサ素子部１が選択された場合について説明す
る。ポンプ電流供給回路２は、演算増幅器２１，２２．
２３を中心に構成され、酸素濃淡電池素子１１の出力電
圧に基づいて、酸素ポンプ素子７へのポンプ電流■ｐを
制御する。

酸素濃淡電池素子１１の多孔質電極９，１０間には、基
準電源Ｅ１の基準電圧ｖ１（本実施例でｔ、ｔｌｏ［Ｖ
］）が、抵抗器Ｒ１，Ｒ２を介シテ印加される。従って
、酸素濃淡電池素子１１には微小電流１ｃｐが流れ、ガ
ス拡散制限室１２から基準Ｍ素室１６に酸素が供給され
、基準酸素室１６の酸素分圧は定常状態となって一定に
保たれる。一方、ガス拡散制限室１２と基準酸素室１６
との酸素濃度差に依存する酸素濃淡電池素子１１の両電
極間電圧は、抵抗器Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５が外イ」けされた
演算増幅器２２によって作動増幅され、更に作動増幅後
の電圧Ｖｓと基準電源Ｅ２の基準電圧Ｖｃ（例えば４５
０　［ｍＶ］　）とは、演算増幅器２３、抵抗器Ｒ６，
Ｒ７，コンデンサＣ１からなる積分回路で比較・積分さ
れて検出電圧Ｖλとして出力される。

この電圧Ｖλは、抵抗器Ｒ８を介して演算増幅器２１の
一方の入力端子に入力される。演算増幅器２１の使方の
入力端子には、オフセット電圧Ｖ３（本実施例で５　［
Ｖ］　）を与える基準電源Ｅ３が接続されている。従っ
て、演算増幅器２１からの出力電流、即ちポンプ電流Ｉ
ｐは、両電圧Ｖλ。

ｖ３の偏差に基づいて双方向に制御される。

ポンプ電流Ｉｐの符号によって、ガス拡散制限室１２か
らセンサ素子部１の周囲へと、あるいは周囲からガス拡
散制限室１２へと、酸素は汲み出され、ガス拡散制限室
１２内の酸素濃度は常に一定に保たれる。即ち、リレー
スイッチ１８によってセンサ素子部１が選択された場合
、ポンプ電流供給回路２は、ガス拡散制限室１２と基準
酸素室１６との酸素濃度差を一定に保つように、酸素ポ
ンプ素子７にポンプ電流ＩＤを流すことになる。

従って、ポンプ電流供給回路２仝体としては、酸素濃淡
電池素子１１に一定の小電流Ｉｃｐを流すことによって
ガス拡散制限室１２から基準酸素室１６へ酸素を供給し
て基準酸素室１６内の酸素分圧を定常状態として一定に
保つと共に、ガス拡散制限室１２内の酸素分圧が一定と
なるように酸素ポンプ素子７に流れるポンプ電流Ｉｐを
双方向に制御し、その電流値に相当する電圧Ｖλをガス
濃度検出信号として出力する。

次にリレースイッチ１８の切替によってポンプ電流供給
回路２が模擬センサ素子部１９に接続された１合につい
て説明する。模擬センサ素子部１９は、１本の抵抗器Ｒ
９，本実施例では抵抗値約１００［Ω］の抵抗器がら構
成されており、リレースイッチ１８を切り換えた時、抵
抗器Ｒ９の一端は増幅演算器２２の一方の入力端子およ
び演算増幅器２１の出力端子に接続され、細端は増幅演
算器２１の一方の入力端子に接続される。従って、模擬
センサ索子部１９の抵抗器Ｒ９の両端の電位差、即ち演
算増幅器２２の出力電圧は基準電源Ｅ２の基準電圧Ｖ２
　　（本実施例では４５０　［ｍＶ］　）と比較され、
その電位差が演算増幅器２３で積分・増幅されて検出電
圧Ｖｄとして出力されこの検出電圧Ｖｄが一定値になる
よう演算増幅器２１によって抵抗器Ｒ９へのポンプ電流
はフィードバック制御される。

次にガスセンサ制御回路３の構成とその働きとについて
説明する。ガスセンサ制御回路３は、検出電圧に基づい
て、空燃比の算出等を行なう回路であり、周知のＣＰＵ
３１．ＲＯＭ３２．ＲＡＭ３３等を中心に算術論理演算
回路として構成させている。このガスセンサ制御回路３
には、これらの素子とバス３４により相互に接続された
入力ポート３６．出力ポート３７と共に、ポンプ電流制
御回路２からの検出電圧■λ及びｖｄをディジタル信号
に変換して入力ポート３６に入力するＡ／Ｄコンバータ
４１および出力ポート３７から出力されるディジタル信
号をアナログ信号に変換し空燃比信号として出力するＤ
／Ａコンバータ４３が備えられている。尚、出力ポート
３７には、オーブンコレクタの出力端子がいくつか用意
されており、そのひとつは、リレースイッチ１８の駆動
コイルに、いまひとつは、警報ランプ５０に、各々接続
されている。

以上の構成を有するガスセンサ制御回路３によって実行
される処理について、第３図に示すフローチャートに基
づいて説明する。同図に示すガスセンサ制御ルーチンは
、センサ素子部１が活性化されたと判断された後、実行
される。

本ルーチンの起動時には、リレースイッチ１８の駆動コ
イルに通電がなされず、リレースイッチ１８は模擬セン
サ素子部１９側に倒れたままになっている。従って、模
擬センサ素子部１９の抵抗器Ｒ９にポンプ電流が供給さ
れる状態となり、ＣＰＵ３１は抵抗器Ｒ９の両端の電圧
に応じた検出電圧ＶｄをＡ／Ｄコンバータ４１でアナロ
グディジタル変換して入力ポート３６を介して読み込む
（ステップ１１０）。読み込まれた検出電圧Ｖｄが予め
定められた許容値内（例えば４．９［］ないし５．１　
［Ｖ］　’）にあるかどうか、即ち、抵抗器Ｒ９に適正
なポンプ電流が供給されてポンプ電流供給回路２に異常
がないがどうかを判定する（ステップ１２０）。ポンプ
電流供給回路２に異常がないと判定されると、ＣＰＵ３
１は出力ポート３７を介してリレースイッチ１８の駆動
コイルに通電を行ないリレースイッチ１８を駆動してポ
ンプ電流供給回路２とセンサ素子部との接続に切り換え
る（ステップ１３０）。センサ素子部１の酸素ポンプ素
子７にポンプ電流Ｉｐが供給されフィードバック制御が
行なわれると、ＣＰＵ３１はポンプ電流Ｉｐに相当する
検出電圧ＶλをＡ／Ｄコンバータ４１．入力ポート３６
を介して読み込み（ステップ１４０）、続いて空燃比の
算出を行なう（ステップ１５０）。

空燃比降出の処理は、図示しない内燃機関に吸入される
混合気の空燃比Ａ／Ｆとポンプ電流Ｉｐとが第４図に示
す相関を有することに基づいてなされる。即ち、第４図
に示す相関を予めＲＯＭ３２に記憶してあき、ステップ
１４０で読み込んだ検出電圧λから換算されるポンプ電
流ＩＤに従って、空燃比Ａ／［：を求めるのである。以
後所定時間経過（ステップ１６０）毎に上述したステッ
プ１４０ないしステップ１６０の処理を繰り返し実行す
る。

一方、ポンプ電流供給回路２に異常があってステップ１
２０の処理で検出電圧Ｖｄが許容値外であると判断され
たとき、本ルーチンは警告処理を実行しくステップ１７
０）　、実行後ｒＥＮＤＪに汰けて終了する。警報処理
とは、例えば出カポ−１−３７を介して警報ランプ５０
を点灯し、運転者にセンサ素子部１が正常に動く状態で
ないことを報知して、ガスセンサ１とポンプ電流供給回
路２との接続を遮断のままにすることである。

このように本実施例のガスセンサの制御装置は、センサ
素子部１にポンプ電流Ｉｐを供給して空燃比の算出に入
る前に、予め、模擬センサ素子部１９とポンプ電流供給
回路２とを接続してポンプ電流供給回路２に異常がない
ことを確認し、確認できたとき始めてセンサ素子部１を
ポンプ電流供給回路２に接続する。尚、ポンプ電流供給
回路２の故障診断は、ガスセンサの制御装置の起動初期
に限らず、長期に亘って駆動するとき所定時間毎に割り
込み発生されて実行されるようにしても良い。

また、ガスセンサ制御回路３に自己診断できる機能が備
わっていても良い。

以上水したように本実施例のガスセンサの制御装置によ
れば、リレースイッチ１８と１本の抵抗器Ｒ９とを用い
た簡単な構成で、ポンプ電流供給回路２を診断できる。

従って、センサ素子部１にポンプ電流Ｉｐを供給する前
に、診断し異常のないことを確認しておけば、センサ素
子部１に過大なポンプ電流Ｉｐを供給してセンサ素子部
１を破壊してしまうという問題を回避できる。また、模
擬センサ素子部１９からの出力信号を空燃比換算のため
の調整値として用いても良く、このとき、得られる空燃
比の値を一層正確な値とすることができる。

発明の効果 以上詳述したように本発明のガスセンサの制御装置によ
れば、駆動制御手段に故障や異常かめるかどうか確実に
判定することができるという優れた効果を奏する。従っ
て、予めガスセンサに接続される前に、駆動制御手段の
異常判定を行ない、駆動制御手段に異常がおる時、ガス
センサとの接続を中止するようにしておけば、ガスセン
サに過大なポンプ電流が供給されるという問題を回避で
きる。その結果、ガスセンサの耐久性を高めることがで
きる。

また、模擬センサからの出力信号をガス濃度検出手段で
検出される被測定ガスの標準値として用いることで検出
されるガス濃度値を一層正確な値とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は本発明の一実施例としてのガスセンサの制御装置
の概略構成図、第３図は実施例において実行されるガス
センサ制御ルーチンを示すフローチャート、第４図はポ
ンプ電流と空燃比との関係を実験データにより示すグラ
フ、で必る。 １・・・センサ素子部 ２・・・ポンプ電流供給回路 ３・・・ガスセンサ制御回路 ７・・・酸素ポンプ素子 １１・・・酸素濃淡電池素子 １２・・・ガス拡散制限室 ゴ８・・・リレースイッチ １９・・・模擬センサ索子部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　周囲の被測定ガスの流入が制限されたガス拡散制限
   室に接して、該ガス拡散制限室内の酸素濃度に応じた信
   号を出力する検出素子、および上記ガス拡散制限室と上
   記被測定ガスとの間で供給される電流に応じて酸素イオ
   ンを移動させる酸素ポンプ素子を備えたガスセンサと、 前記検出素子の出力信号に応じて、前記酸素ポンプ素子
   に供給するポンプ電流を制御する駆動制御手段と、 該ポンプ電流値から被測定ガス濃度を検出するガス濃度
   検出手段と、を具備したガスセンサの制御装置において
   、 前記ガスセンサの基準状態における電気的特性と等価な
   電気回路である模擬センサと、 該模擬センサを前記ガスセンサに替えて、前記駆動制御
   手段に接続する切替手段と、 該接続された模擬センサに供給されるポンプ電流の値が
   所定範囲外のとき、前記駆動制御手段が異常であると判
   定する異常判定手段と を備えることを特徴とするガスセンサの制御装置。