JPH01307652A - 酸素センサ用ヒータの温度制御装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は排ガス等の酸素濃度を検出する酸素センサに
用いるヒータの温度制御装置に関する。

〔従来の技術〕

排ガス中のｉＳ！２累ｉ１１度検出用ヒータは、センサ
素子の温度が測定精度に大きく影響するため、使用時に
センサ素子の温度を一定の高温度、たとえば５００℃以
上の一定温度に維持する必要がある。

このための温度制御装置としては、交ｉ電源を用いるも
のとしてはリレーによるオンオフ制御やサイリスターに
よる位相角制御方式のものが一般的であり、また直流電
源を用いるものとしては特開昭６０−２６０８４２号公
報に開示されているように、ヒータに直列に接続したシ
リーズトランジスタを用い、ヒータ電流を加減調節する
方式のものが一般に採用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが上記従来の温度制御回路のうち前者の交流電源
を用いるものは、小型で熱容Ｒの小さい酸素センサの場
合、脈動電力がそのままセン勺の′ｆＡ度変動となって
現われ、さらに公知のネルンス］−のセンサの発生起電
力の式（下記）から６明らかなように、センサの温度Ｔ
の変動は発生起電力の変動となって現われ、従って酸素
１１度測定精度が劣るという問題がある。

但しＥ：発生起電力 Ｒ：気体常数 Ｔ：センサの絶対温度 ｎ：イオン価数（ｎ＝４） Ｆ：ファラデ一定数 Ｐ　０２（Ａ’：基Ｑ参照空気の酸素分圧ＰＯ２、被測
定ガス中のＭ累分圧 また１１１のシリーズｌ−ランラスタを用いる場合は、
シリーズトランジスタは可変抵抗として使用されるため
、その発熱量が大きく、この放熱による変換器の温度上
昇をもたらし、変換器内に用いられている電子部品の寿
命が短く信頼度が低いという問題があった。

この発明は上記従来の問題点を解決するもので、発熱量
が小さく、長寿命で信頼性が高く、高精度の温度制御が
できる酸素センサ用ヒータの温度制御装置を提供しよう
とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この出願の第１発明は、酸素センサのセンサ素子加熱用
ヒータに供給する加熱電力を制御Ｉ！ｉるヒータの温度
制御装置であって、直流電流供給回路にスイッチング素
子を介して高周波トランスの一次巻線を接続し、この高
周波トランスの二次巻線を整流回路および平滑化回路を
介してヒータに接続するとともに、設定温度とヒータ温
度との偏差信号に応じた制御油わ出力信号を発する温度
調節出力装置と、この制御部０出力信号に応じた高周波
パルス信号を前記スイッチング素子にオンオフ信号とし
て与え、前記制御演算出力信号大のとき前記スイッチン
グ素子の単位時間当りのオン時間が大となるように前記
高周波パルスのパルス巾および／またはパルス周期の制
御をおこなうパルス発生装置とを具備したことを特徴と
する酸素センサ用ヒータの温度制御装置である。

またこの出願の第２発明は、前記高周波トランスの三次
巻線に磁気増巾器の一次巻線を接続するとともに、この
磁気増巾器の制御巻線を前記平滑化回路の出力側に接続
し、前記磁気増巾器の二次巻線に直流定電圧回路を接続
して成る補助用電源を、第１発明の装置に付設した酸素
センサ用ヒータの温度制御装置である。

またこの出願の第３発明は、酸素センサのセンサ素子加
熱用ヒータに供給する加熱電力を制御するヒータの温度
制御装置であって、直流電流供給回路にスイッチング素
子を介して転流ダイオードと平滑化回路を接続し、この
平滑化回路の出力側をヒータに接続するとともに、設定
温度とヒータ温度との偏差信号に応じた制御演算出力信
号を発する温度調節出力１！置と、この制御演算出力信
号に応じた高周波パルス信号を前記スイッチング素子に
オンオフ信号として与え、前記制御演算出力信号大のと
き前記スイッチング素子の中位時間当りのオン時間が大
となるように前記高周波パルスのパルス巾および／また
はパルス周期の制御をおこなうパルス発生装置とを具備
したことを特徴とする酸素センサ用ヒータの温度制御２
１１装置である。

この発明において、設定温度とヒータ温度との偏差信号
に応じた制御演界出力信号とは、前記偏差信号に比例制
御部綿または比例−積分制御波口または比例−徹分制御
油葬または比例−積分一徹分制御演算を施した出力信号
をいう。

〔作用〕

この発明のヒータの温度制御装置においては、ヒータ温
度と設定温度との偏差信号に応じて温度調節出力５Ａ′
ＦＫが発する制御波ロ出力信号により、パルス発生装置
の発する高周波パルス信号のパルス巾および／またはパ
ルス周期の制御がおこなわれる。直流°上流供給回路の
直流出力は、前記高周波パルス信号によりオンオフされ
るスイッチング素子によって高周波交流電力に変換され
、高周波トランスを介して整流回路および平滑化回路に
より、あるいは直接転流ダイオードと平滑化回路により
、直流化され、ヒータに供給される。

また第２発明のヒータの温度制御装置においては、補助
用電源の磁気増巾器の制御巻線には、ヒータ電流に比例
した直流電流が流れて鉄心を偏磁する。これにより、高
周波！・ランスの一次側入力電力が大のときも、磁気増
巾器の鉄心の非直線性により、磁気増巾器二次側電圧の
上界が制御され、直流定電圧回路に高電圧がかかること
が防止される。

〔実施例〕

以下第１図および第２図によりこの発明の一実施例を説
明する。

第２図において１は酸素センサで、ジルコニア等の固体
電解質から成る有底円筒体２の表裏両面に多孔質の白金
電極３．４を被着し、外面をセラミックフィルタ膜５で
被覆して成り、６は排気管などへ取付けるためのフラン
ジである。７は抵抗線から成る管状のヒータで、セラミ
ック製のリング８を介して酸素センサ１の内面に固着さ
れている。また９は熱雷対で、その検出端９ａは酸素セ
ンサ１の内面に接近して配置され、中間部を耐熱セメン
ト１０によりヒータ７の内面に固着しである。

また第１図において、１１は直流電流供給回路で、交流
電源１２に整流器１３と平滑化用のコンデンサ１４を接
続して成り、スイッチング素子であるパワートランジス
タ１５を介して高周波トランス１６の一次巻線１６ａに
接続されている。１７は高周波トランス１６の二次巻線
１６ｂに接続した整流回路、１８はりアクタンス１９と
コンデンサ２０．２１から成り、整流回路１７の出力側
に接続した平滑化回路である。平滑化回路１８の出力側
はヒータ７に接続されるとともに、磁気増巾器３１の１
ＩＪｔｌ１巻線３１ｂに接続されている。３０は補助用
電源で、磁気増巾器３１の出力側に直流定電圧回路３２
を接続して成る。磁気増巾器３１の一次巻線３１ａは、
高周波１−ランス１６の三次巻線１６Ｇに接続されてい
る。また直流定電圧回路３２は、整流器３３の出力側に
コンデンサ３４、三端子レギュレータ３５、およびコン
デンサ３６を接続して成る公知の構成のもので、その出
力端子３７および３８にはそれぞれ例えば＋１５　′Ｖ
および一１５Ｖの直流定電圧を発生するものである。

一方４０は温度調節出力装置で、熱電対９にＰ１０調節
器４１を接続して成る。また５０はパルス発生装置であ
るパルス巾変調回路であり、高周波（たとえば１０ＫＨ
ｚ　）の三角波を発生する三角波発生回路５１と、この
三角波とＰＩＤ調節器４１の発する制御演惇出力信号Ｓ
を比較して、この制御演篩出力信号が大のときパルス中
が大となる高周波パルス信号Ｐを発する比較３５２とか
ら成り、この比較器５２の出力端は、ホトカブラ５５を
介して両回路を光結合しかつ電気的絶縁をして、パワー
トランジスタ１５のベースに接続されている。

上記構成のヒータの温度制御装置６０においては、熱電
対９によりヒータ温度（＝酸素センサ温度）が熱起電力
として検出され、この熱起電力はＰＩＤ調節器４１にお
いて内蔵する設定器の設定温度（詳しくは該温度に相当
する熱電対９の熱起電力）と比較され、ＰＩＤ演わを施
されて制御油ｎ出力信号Ｓとしてパルスｆ１」変調回路
５０に出力される。パルス巾変調回路５０においては、
制御演算出力信号Ｓが大のときパルス巾が大となるよう
にパルスデューティ−比の制御がおこなわれ、このパル
ス巾の高周波パルス信ＱＰがホトカプラ５５を介してパ
ワートランジスタ１５に与えられる。直流電流供給回路
１１の出力は、パワートランジスタ１５の前記パルス信
号Ｐによるスイッチングを受けて、高周波交流電力とし
て高周波トランス１６の一次巻１！ｉ！１６ａに与えら
れ、二次８線１６ｂ側に移送された高周波交流電力は、
整流回路１７および平滑化回路１８により直流電力に変
換され、ヒータ７に与えられる。ヒータ７が温度上昇し
て設定温度に近づけば、温度調節出力装置４０の制御演
算出力信号Ｓが減少して、パルス巾変調回路５０は高周
波パルス信号Ｐのパルス巾を減少させ、パワートランジ
スタ１５のスイッチングによりヒータ７に与えられる電
力を減少させ、ヒータ７の温度を設定温度に維持する。

一方補助用電源３０においては、ヒータ７の電流に比例
した直流電源が、磁気増巾′：？Ａ３１の制御巻線３１
ｂに流れるため、高周波トランス１６の一次巻線１６ａ
の入力電力が大（従ってヒータ電流ら大）の時、磁気増
中器３１の鉄心の非直線性により、二次巻線３１ｃに発
生する交流電圧の上界が抑制され、従って三端子レギュ
レータ３５に高電圧がかかることが防止される。この補
助用電源３０は、温度調節出力装置４０やパルス中変調
回路５０等の直流定電圧電源として使用することができ
る。

次に第３図はこの発明の他の実施例を示し、図中、第１
図と同一または相当部分には、第１図と同一符号を付し
である。

すなわち、この実施例においては、交流電源１２の電圧
を商用周波数用の変圧器７１で一旦降圧させたのち整流
器１３およびコンデンサ１４により整、流して直流電源
を供給する直流電流供給回路７２を用い、パワートラン
ジスタ１５によりスイッチングした高周波交流電圧を、
転流ダイオード７３と平滑化回路７４により整流しτヒ
ータ７に与えるようにした点が、前記実施例と異なる。

このヒータの温度制御装置７０においても、前記実施例
と同様に、ヒータ７の温度と設定温度との偏差信号に応
じた制御演算出力信号Ｓにもとづいてパルス巾変調回＋
１８５０が発生ずる高周波パルス信号Ｐにより、ホ＋−
カブラ５５を介してパワートランジスタ１５がスイッチ
ングされ、ヒータ温度と設定温度の偏差に応じた制御演
算出力信号にもとづく直流電力がヒータ７に与えられ、
ヒータ７を設定温度に維持する。

なおこの実施例においては定電圧電源のイり設は省略し
であるが、変圧器７１の三次巻線に、第１図における直
流定電圧回路３２を接続して定電圧電源とすることもで
きる。またこの実施例において、変圧器７１を省略して
交流電源１２を直接整流器１３およびコンデンサ１／Ｉ
に接続した直流電流供給回路を用いることもできる。

この発明は上記各実施例に限定されるものではなく、た
とえばパルス発生回路としては、前記パルス１１１変調
回路５０のほか、周波数変調回路を用いて制御演算出力
信号Ｓが大のときパルス巾一定で周波数が人となるよう
高周波パルス信号Ｐの制御をおこなってもよいし、ディ
ジタル信号処理回路によりパルス発生装置を構成するこ
ともできる。

また前記各実施例では、ヒータ温度の検出は熱電対９に
よりおこなう構成としたが、第４図に示すように、温度
によって変化するヒータ７の抵抗値を利用して温度を検
出し設定温度との偏差に応じた制御演算出力信号を求め
る方式の温度調節出力装ｒ！ｔ８１を用いることもでき
る。図中、８２はヒータ電流検出用の抵抗、８３および
８４はヒータ７に並列に接続した分圧用の高抵抗値の抵
抗、８５および８６は増巾器であり、所定の比率で分圧
されたヒータ電圧Ｖ　　Ｊ３よびヒータ電流’Ｉ＋は増
巾器８５．８６により増巾後、Δ／Ｄ変換各８７により
ディジタル変換され、Ｖ、、／ｒ、の演算を施されてヒ
ータ抵抗ＲＨとしてマイクロブロセツサ８８に取込まれ
る。マイクロプロセッサ８８においては、あらかじめ電
源投入時制御予想ヒータ電圧の約１／１０のヒータ電圧
をヒータ７に印加して、常温時のヒータ抵抗Ｒ８をＣ１
測しておき、次にヒータ電圧を温度制御の電圧に切換え
て、前記のヒータ抵抗ＲをＣ１測し、抵抗比Ｒ，，／Ｒ
８を求めて以後の信号処理をおこなう。この抵抗比は、 但しα：ヒータ抵抗の温度係数 ｔ：ヒータ抵抗の測定時の温度 ｔｏ：ヒータ抵抗の常温δ１１測の温度であられされ、
ヒータ温度に比例した信号となり、センサ交換時のヒー
タ抵抗のばらつきの影フでを受【ｊることかない。ヒー
タの設定湯度ｔ３に対するヒータ抵抗ＲＳは、 により求められ、マイクロプロセッサ８８の比較部口部
８８ａにおいては、抵抗比Ｒ，，／Ｒｏと抵抗比Ｒ／Ｒ
ｏとの比較がおこなわれ、その抵抗比の差として求めた
制御演篩出力信号Ｓは、マイクロプロセッサ８８のデユ
ーティ比演算部８８ｂ〈パルス発生装置〉に送られ、偏
差信号Ｓに応じてパルス中変調演棹が施され、高周波パ
ルス信号Ｐとしてホトカブラ５５を介してパワートラン
ジスター５に与えられるのである。

さらに前記各実施例では、直流電流供給回路の電源とし
て交流電源を用いているが、電池あるいは直流発電機を
電源とする直流電流供給回路を用いてもよく、この場合
は整流器や平滑化回路は不要となり装置が簡潔となる。

またスイッチング素子としては、パワートランジスタの
ほかにパワーＦＥＴなどを用いることもできる。

（発明の効果） 以上説明したようにこの発明によれば、スイッチング素
子はオンオフスイッチングのみに用いられるので、その
発熱量は少なく、長寿命で信頼度が高いヒータ温度制御
装置が得られる。またヒータには直流電流が供給される
ので温度の変動が少なく、高精度の温度制御をおこなう
ことができる。

請求項１のヒータの温度制御装置においては、高周波ト
ランスを用いるため、装置が小形軽量化できる。

請求項２のヒータの温度制御装置においては、ヒータ電
流大のときにおいても、補助用電源における磁気増１］
器の二次側電圧の上昇が抑制され、三端子レギュレータ
に高電圧がかかることがないので、該レギュレータ（Ｉ
Ｃ）の熱負荷が軽減化され、補助用電源の長寿命化と信
頼性向上が達成できる。

請求項３のヒータの温度制御装置においては、電源ＯＮ
時の突入電流が少なく、またスイッチングの０Ｎ−ＯＦ
Ｆデユーデイ比を０〜１００％まで大きく変化させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すヒータの温度制御装
置の回路図、第２図は同じく酸素センサの縦断面図、第
３図はこの発明の他の実施例を示すヒータの温度制御装
置の回路図、第４図は温度調節出力装置とパルス発生装
置の他の実施態様を示す回路図である。 １・・・酸素センサ、７・・・ヒータ、９・・・熱電対
、１１・・・直流電流供給回路、１５・・・パワートラ
ンジスタ（スイッチング素子）、１６・・・高周波トラ
ンス、１６ａ・・・−次巻線、１６ｂ・・・二次巻線、
１６ｃ・・・三次巻線、１７・・・整流回路、１８・・
・平滑化回路、３０・・・補助用電源、３１・・・磁気
増巾器、３１ａ・・・−次巻線、３１ｂ・・・制御巻線
、３１ｃ・・・二次巻線、３２・・・直流定電圧回路、
４０・・・温度調節出力装置、４１・・・ＰＩＤ調節器
、５０・・・パルス巾変調回路（パルス発生装置）、５
１・・・三角波発生回路、５２・・・比較器、５５・・
・ホトカブラ、６０・・・ヒータの温度制御装置、７０
・・・ヒータの温度制ｍ装置、７２・・・直流電流供給
回路、７３・・・転流ダイオード、７４・・・平滑化回
路、８１・・・湿度調節出力装置、８８・・・マイクロ
プロセッサ、８８ａ・・・比較演算部、８８ｂ・・・デ
ユーティ比較演算部（パルス発生装置）。 手続ン１ｒＪ正早） 平成１イ［６Ｊ］３０日 昭和６３年特許願第１３７８５８号 ２、発明の名称 酸素センリ用ヒータの温度制御装置 ３、補正をする者 事ｆ１との関係　　特許出願人 住　所　名古屋市瑞穂区須田町２番５６号名称　（４０
６）日本碍子株式会社 代表者小原敏人 ４、代理人　〒４６０ ５、補正命令のＥｌ付　　自　発 ６、補正により増加する請求項の数　　な　し７、補＋
［の対免 明細書の特許請求の範囲、発明の詳細な説明Ｊ３よび８
、補正の内容 （１）明ｍ書の特許請求の範囲の記載を別紙のとおり補
ｉ′Ｅする。 ・　（２）明細書第５頁第１０行の１直流電流供給回路
Ｊを「直流電力供給回路」と補正する。 （３）明ＩＩＩ書第６頁第１３行乃至第１４行の「直流
電流供給装置Ｊを「、直流電力供給回路」と補正する。 （４）明ＩＩＩ内第７頁第１７行の「直流電流供給回路
」を［直流電力供給回路１と補正する。 にＩ）明ｌＩＩ内第９頁第５行の「直流電流供給回路」
を１直流電力供給回路１と補正する。 （６）明１１１古第１１頁第１０行の「直流電流供給回
路」を「直流電力供給回路」と補正する。 （７）明１１［１ｍ第１２頁第２０行の「直流電流供給
回路、ｊを「直流電力供給回路」と、補正する。 （８）明細書第１３頁第１９行乃至第２０行の１ｉ！１
流電流供給回路」を「直流電力供給回路］と補正する。 （９）明細書第１６頁第９行の１直流電流供給回路」を
「直流電力供給回路」と補正する。 （１０）明ｌｌｌ１占第１６頁第１１行、の「直流電流
供給回路」を１直流電力供給回路」と補正する。 （１１）明細書第１７頁第１行の「直流電流」を１直流
電力」と補正する。 （１２）明１１１Ｊ第１８頁第５行の「直流電流供給回
路」を「ｔｉ直流電力供給回路と補正する。 （１３）明Ｉｌｌ書第１８頁第１６行の「直流電流供給
回路」を「０流電力供給回路」と補正する。 特許請求の範囲 １、酸素センサのセン（）素子加熱用ヒータに供給する
加熱電力を制御するヒータの温度制御１１装置であって
、Ｌλ虱ｈｌ互旦丘にスイッチング素子を介して高周波
トランスの一次巻線を接続し、この＾周波トランスの二
次巻線を整流回路および平滑化回路を介してヒータに接
続するとともに、設定温度とヒータ温度との偏差信号に
応じた制御演算出力信号を発する温度調節出力装置と、
このｉｌＪ御演算演算出力信号じた高周波パルス信号を
前記スイッチング素子にオンオフ信号として与え、前記
制御演算出力信号大のとき前記スイッチング素子の単位
時間当りのオン時間が大となるように前記ｎ周波パルス
のパルス巾Ｊ３よび／またはパルス周期の制御をおこな
うパルス発生装置とを具備したことを特徴とする酸素セ
ンサ用ヒータの温度制御装置。 ２、前記高周波トランスの三次巻線に磁気増巾器の一次
巻線を接続するとともに、この磁気増巾器のＲ，ｌＩ御
巻線を前記平滑化回路の出力側に接続し、前記磁気増巾
器の二次巻線に直流定電圧回路を接続して成る補助用電
源を具備する請求１ｎ１記載の酸素センサ用ヒータの温
度制ｍ装置。 ３、酸素センサのセンサ索子加熱用ヒータに供給する加
熱電力を制御ｌＩするヒータの４■り御￥装置であって
、１え虱九爽亙旦１にスイッチング素子を介して転流ダ
イオードと平滑化回路を接続し、この平滑化回路の出力
側をヒータに接続するとともに、設定温度とヒータ温度
との偏差信号に応じた制御演算出力信号を発する温度調
節出力装置と、この制御演算出力信号に応じた高周波パ
ルス信号を前記スイッチング素子にオンオフ信号として
与え、前記制御演算出力信号大のとき前記スイッチング
素子の中位時間当りのオン時間が大となるように前記高
周波パルスのパルス巾および／またはパルス周期の１１
１１御をおこなうパルス発生装置とを只備したことを特
徴とする酸素センサ用ヒータの瀉度制ｇｉｒｔ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、酸素センサのセンサ素子加熱用ヒータに供給する加
   熱電力を制御するヒータの温度制御装置であつて、直流
   電流供給回路にスイッチング素子を介して高周波トラン
   スの一次巻線を接続し、この高周波トランスの二次巻線
   を整流回路および平滑化回路を介してヒータに接続する
   とともに、設定温度とヒータ温度との偏差信号に応じた
   制御演算出力信号を発する温度調節出力装置と、この制
   御演算出力信号に応じた高周波パルス信号を前記スイッ
   チング素子にオンオフ信号として与え、前記制御演算出
   力信号大のとき前記スイッチング素子の単位時間当りの
   オン時間が大となるように前記高周波パルスのパルス巾
   および／またはパルス周期の制御をおこなうパルス発生
   装置とを具備したことを特徴とする酸素センサ用ヒータ
   の温度制御装置。 ２、前記高周波トランスの三次巻線に磁気増巾器の一次
   巻線を接続するとともに、この磁気増巾器の制御巻線を
   前記平滑化回路の出力側に接続し、前記磁気増巾器の二
   次巻線に直流定電圧回路を接続して成る補助用電源を具
   備する請求項１記載の酸素センサ用ヒータの温度制御装
   置。 ３、酸素センサのセンサ素子加熱用ヒータに供給する加
   熱電力を制御するヒータの温度制御装置であつて、直流
   電流供給回路にスイッチング素子を介して転流ダイオー
   ドと平滑化回路を接続し、この平滑化回路の出力側をヒ
   ータに接続するとともに、設定温度とヒータ温度との偏
   差信号に応じた制御演算出力信号を発する温度調節出力
   装置と、この制御演算出力信号に応じた高周波パルス信
   号を前記スイッチング素子にオンオフ信号として与え、
   前記制御演算出力信号大のとき前記スイチツング素子の
   単位時間当りのオン時間が大となるように前記高周波パ
   ルスのパルス巾および／またはパルス周期の制御をおこ
   なうパルス発生装置とを具備したことを特徴とする酸素
   センサ用ヒータの温度制御装置。