JPH0216467B2 - - Google Patents

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JPH0216467B2
JPH0216467B2 JP56097235A JP9723581A JPH0216467B2 JP H0216467 B2 JPH0216467 B2 JP H0216467B2 JP 56097235 A JP56097235 A JP 56097235A JP 9723581 A JP9723581 A JP 9723581A JP H0216467 B2 JPH0216467 B2 JP H0216467B2
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Japan
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oxygen
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Masao Ishitani
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、エンジンの空燃比制御装置に用い
られる酸素センサの電流制御装置に関するもので
ある。
近年、電子技術の急速な発達に伴つてエンジン
の制御も電子化される傾向にあり、その1つとし
て空燃比制御がある。このエンジンの空燃比制御
は、排気路に酸素センサを設けて排気ガス中の酸
素濃度を検出し、この酸素センサの出力を用いて
燃料供給量をフイードバツク制御することによつ
て空燃比を目標値に制御する構成となつている。
この場合、空燃比制御における酸素濃度の検出は
極めて重要であり、その性能が空燃比制御の特性
を決定したおり、そのためには酸素センサの温度
を常に一定に制御する必要がある。以下、この発
明による酸素センサ用電流制御装置を説明する前
に、この発明が制御対象としている酸素センサに
ついて説明する。
第1図は従来一般に用いられている自動車の排
ガス中に含まれる酸素濃度を検出する酸素センサ
の一例を示す(例えば、実開昭56−46861号公報
等参照)一部切欠側面図であつて、この酸素セン
サは先端が小径とされたホルダー1を有し、この
ホルダー1の先端部にカツプ状をなしたルーバー
2が挿入されて開孔部分を覆つている。そして、
このルーバー2には、その周面に小径のルーバー
孔2aが複数個所設けられて、被測定ガスがその
内部を自由に通過できるように構成されている。
ホルダー1とルーバー2によつて構成される内部
空間には、ムライト絶縁筒3によつて支持された
板状のヒータ付センサ素子4が内蔵されており、
このセンサ素子4からムライト絶縁筒3および図
示しないテフロン(登録商標名)絶縁筒を介して
ヒータ電流供給用のリード線7、センサ出力取出
用のリード線6およびアース用のリード線5がそ
れぞれ引き出されている。そして、このムライト
絶縁筒3はケース8に覆われてホルダー1内に固
定されている。9は中空ボルトであつて、ねじ山
を図示しない排ガス通路に設けられた取付孔のね
じ溝に係合してホルダー1を該取付孔に締め付け
ることにより、AーA′線よりも先端側部分を排
ガス通路内に露出した状態で固定する。従つて、
排ガス通路内を流れる被測定ガスは、円筒状のル
ーバー2に設けられたルーバー孔2aを介してセ
ンサ素子4の表面に設けられているセンサ部4a
に直接当たることになる。
この場合、センサ素子4は第2図a,bにその
平面図および要部断面図を示すように、アルミナ
等の耐熱性絶縁基板10の表面にセンサ部4aが
形成された構造をなしている。そして、この絶縁
板10の内部には、リード線5,7間に接続され
た白金を主成分とする温度制御用のヒータ11が
埋め込まれている。センサ部4aは、絶縁基板1
0の表面に固体電解質12、リード線6に接続さ
れた基準極としての内側電極13、固体電解質1
4およびリード線5に接続された外側電極15が
厚膜技術によつて順次重ね合わされて約70μの厚
さに形成されている。そして、これらの絶縁基板
10および厚膜積層体により構成されるセンサ部
4aはその周囲を気体分子が通過しうる程度の孔
を無数に有する例えばスピネル等の保護層16に
よつて被覆されて保護されている。
このように構成されたセンサ素子4は、内側電
極13の近辺に存在する酸素分圧P1と外側電極
15の近辺に存在する酸素分圧P2とによつてネ
ルンストの式により、 E=RT/4FlnP1/P2 なる起動力Eをリード線5,6間に発生する。た
だし、Rはガス定数、Tは絶対温度、Fはフアラ
デー定数である。ここで、内側電極13から外側
電極15に向つて電流を流すと、固体電解質14
部分において外側電極15から内側電極13に向
つて酸素イオンが流れ込み、電流を増加させると
酸素イオンの量も増大する。この場合、外側電極
15部分から内側電極13部分に流れ込む酸素イ
オンは、保護層16の周囲に存在する被測定ガス
から酸素分子が保護層16を拡散現象により通過
して供給され、従つて、外側電極15部分におい
ては、内側電極13に流れる酸素イオン量と保護
層16を介して供給される酸素分子量との関係に
おいて酸素分圧が決まり、前者が多い場合には酸
素分圧が低く、後者が多い場合には酸素分圧が高
くなる。つまり、センサ素子4の周囲に酸素分圧
が存在したとしても、流し込む電流が多くなると
外側電極15近辺の酸素分圧が低くなり、内側電
極13の近辺における高い酸素分圧との間に前述
したネルンストの式によつて起電力が発生される
ことになる。そして、この起電力も、センサ素子
4の周囲に供給される被測定ガス中の酸素濃度が
増加すると、保護層16を拡散により通過する酸
素分子の数が増加して外側電極15近辺における
酸素分圧が高まつて起電力が低下する。従つて、
内側電極13,15間に流れ込む電流およびセン
サ部4aの温度が一定の場合には、被測定ガス中
の酸素濃度に対応して出力が変化することにな
る。また、上記構成による酸素センサは、センサ
部4aの温度によつてその出力値が変化するため
に、絶縁基板10の内部に埋め込まれているヒー
タ11に通電することにより温度を一定化してい
る。
第3図は従来の酸素センサ用電流制御装置の一
例を示す回路図であつて、RHは第1図および第
2図a,bに示すセンサ素子4に設けられている
ヒータ11のヒータ抵抗、R1〜R3は固定抵抗で
あつて、ヒータ抵抗RHとによつてブリツジ回路
を構成している。この場合、R3<RH≪R1<R2
設定されている。TCは温度制御部であつて、ブ
リツジ回路の頂点電位e1,e2を入力とし、ヒータ
発熱用電圧VH′を制御している。
このように構成された回路に於いて、ブリツジ
回路にヒータ発熱用電圧VH′を印加した場合に、 e1=VH′・R2/(R1+R2) で示されるe1電位が e2=VH′・RH(R3+RH)=VHで示されるe2電位
よりも大きな場合には、温度制御部TCはヒータ
発熱用電圧VH′を高めることにより、ヒータ11
の発熱量を増加させて温度を上昇させる。また、
e1<e2の場合には、温度制御部TCがヒータ発熱
用電圧VH′を下げてヒータの発熱量を下げる制御
が行なわれる。つまり、ヒータ温度とヒータ抵抗
との間には、第4図に示す正相関を有するもので
あり、ヒータ11の抵抗値RHをその発熱量制御
によつて一定に保つことにより温度を一定化して
いるものである。従つて、温度制御部TCは、ブ
リツジ回路をe1=e2となるように制御、つまりRH
=R2・R3/R1に保持するように制御してヒータ
11の温度を一定にしていることになる。
一方、酸素センサのセンサ部4aに設けられて
いる内外側電極13,15間には、第5図の定電
流部CCより常に一定の電流を供給している。
しかしながら、センサ部4aは第1図,第2図
a,bにおいて詳述したように、ヒータ11を内
蔵した耐熱性絶縁基板10の表面部分に設けられ
ているために、このセンサ部4aの温度は酸素セ
ンサを取りまく周囲の雰囲気(排気ガス)の温度
によつて大きな影響を受けてしまう。この場合、
センサ部4aに於ける酸素分圧は、流し込み電流
isにより供給される酸素と保護層16を拡散現象
により通過して供給される酸素との関係によつて
定まるものであり、表面温度が上昇すると第6図
に示すように必要流し込み電流も増加し、第5図
で示した一定電流の供給では不足が生ずる。
なお、本出願人は、それぞれ特開昭56−66750
号、同51658号に開示されているように、酸素セ
ンサ素子の安定動作を目的として、ヒータに印加
する電圧の変化に応じてセンサ素子への流し込み
電流を供給するようにしたもの、またはヒータの
抵抗値変化に基づいて流し込み電流を供給するよ
うにしたものを提案しているが、これらは何れも
ある程度は目的を達成しえたものの、いまだ改善
すべき余地を残していた。
この発明はこのような従来の問題点に着目して
なされたもので、酸素センサ素子の検出精度及び
安定性をさらに改善することを目的としている。
上記目的を達成するためにこの発明では、酸素
イオン伝導性固体電解質を使用し、外部電源から
の流し込み電流により前記固体電解質内で酸素イ
オンの移動を生じさせて基準極酸素分圧を制御す
ると共に、温度制御用ヒータを備えた酸素センサ
において、前記酸素センサのヒータ抵抗が常に一
定となるようにヒータ印加電圧を制御する手段
と、前記ヒータ印加電圧に逆比例してセンサ部へ
の流し込み電流を制御する手段とを備えた。
上記構成においては、ヒータ抵抗を一定に保つ
て安定したセンサ加熱条件の下に流し込み電流が
制御される。そして、このようにヒータ抵抗を一
定に保つ制御の下では、センサ素子の表面温度が
ヒータに印加する電圧と逆比例する関係にあり、
従つて流し込み電流がヒータ印加電圧と逆比例し
た特性で供給されると、表面温度の変化にかかわ
らずセンサ素子に適切な動作環境が付与される。
この結果、検出精度及び安定性が可及的に向上す
るのである。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。
第7図はこの発明による酸素センサ用電流制御
装置の一実施例を示す回路図であつて、第5図と
同一部分は同一記号を用いてその詳細説明を省略
してある。同図に於いてR4,R5はヒータ抵抗RH
の両端電位、つまりe2を分圧する分圧抵抗、Qは
電源Vcとセンサ部4aとの間に抵抗R6を介して
接続された流し込み電流制御用のトランジスタで
あつて、そのベースには抵抗R7を介して抵抗R4
R5による分圧点電位e2′が供給されている。
このように構成された回路に於いて、ヒータ1
1を例えば700℃に保つ場合に於ける表面温度と
ヒータ電圧との関係を求めて見ると第8図に示す
ようになる。つまり、表面温度が上昇するとヒー
タ電圧はこれに対応して低くなる。この場合、流
し込み電流制御用のトランジスタQは、ヒータ抵
抗RHの両端電位e2を分圧した分圧出力e2′をベー
ス入力としているために、表面温度が低い場合に
はセンサ部4aに対する流し込み電流が少く表面
温度が高い場合にはヒータ電圧が低くなるためこ
れに反比例して流し込み電流が増加されることに
なる。つまり、ヒータ電圧と流し込み電流との関
係は第9図に示すようになり、これに伴つてセン
サ部4aの表面温度変化に伴なう流し込み電流の
過不足が防止され、基準極部分に於ける酸素分圧
を一定に保つことが出来る。
以上説明したように、この発明による酸素セン
サ用電流制御装置は、ヒータ抵抗を一定値に保つ
ようにヒータ電圧を制御することによつてヒータ
の温度を常に一定値に制御するとともに、このよ
うに安定したセンサ加熱条件の下に、ヒータ電圧
に逆比例してセンサ部への流し込み電流を制御す
るものであるために、センサ部の表面温度に対応
した最適な流し込み電流を安定して供給すること
ができ、従つて高精度の検出性能が安定して発揮
されるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の酸素センサの一例を示す断面
図、第2図a,bは第1図に示す酸素センサのセ
ンサ部の平面図および断面図、第3図はヒータ電
圧制御部の一例を示す回路図、第4図はヒータ温
度とヒータ抵抗との関係を示す特性図、第5図は
電流流し込み回路の一例を示す回路図、第6図は
表面温度と必要流し込み電流との関係を示す特性
図、第7図はこの発明による酸素センサ用電流制
御装置の一実施例を示す回路図、第8図は表面温
度とヒータ電圧との関係を示す特性図、第9図は
ヒータ電圧と流し込み電流との関係を示す特性図
である。 RH…ヒータ抵抗、TC…温度制御部、R1〜R7
抵抗、4a…センサ部、Q…トランジスタ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 酸素イオン伝導性固体電解質を使用し、外部
    電源からの流し込み電流により前記固体電解質内
    で酸素イオンの移動を生じさせて基準極酸素分圧
    を制御すると共に、温度制御用ヒータを備えた酸
    素センサにおいて、前記酸素センサのヒータ抵抗
    が常に一定となるようにヒータ印加電圧を制御す
    る手段と、前記ヒータ印加電圧に逆比例してセン
    サ部への流し込み電流を制御する手段とを備えた
    酸素センサ用電流制御装置。
JP56097235A 1981-06-23 1981-06-23 Electric current control device for oxygen sensor Granted JPS57211543A (en)

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