JPH0783428A - 酸素センサー制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は酸素センサー制御装置に関するもの
で、ヒートアップ時間を短縮させるとともに、酸素セン
サーおよびセンサー加熱ヒータの経年変化を低減し寿命
を伸ばすことを目的としたものである。 【構成】 この酸素センサー制御装置は酸素センサー１
の温度を所定値に保持するヒータ制御部４を備え、この
ヒータ制御部４は酸素濃度を間欠的に測定するよう酸素
センサー１に定格電圧を間欠的に供給するとともに、非
測定時にはセンサー加熱ヒータ３の温度がセンサー加熱
ヒータ自身の寿命を短くしない範囲のレベルの高温に保
つよう制御するように構成してある。従って、酸素セン
サーのトータルの測定時間は短くなるとともに、酸素セ
ンサーのヒートアップ時間の短縮も図れ、またヒートサ
イクルの繰り返しも高低の温度差も低減されるため、長
寿命化も図れるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は空気中或は排気ガス中の
酸素濃度を検出する酸素センサーの制御装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、限界電流式の酸素センサー（以下
酸素センサーと記す）は、図４に示すように、ジルコニ
ア固体電解質２０の両面に電極２１、２２を設け、その
両端に電圧２３を印加して電流を流すと、陰極２１、陽
極２２で発生する酸素の注入、放出の電気化学反応が起
こる。この酸素の注入、放出の過程で酸素の供給を制限
することにより、図５に示すように電圧電流特性に飽和
電流特性が表れ、その大きさは雰囲気中の酸素濃度にほ
ぼ比例する。酸素センサーはこの特性を利用し、陰極へ
の酸素供給をガス拡散口２４によって行い、この段階で
拡散速度を律速することにより供給酸素濃度に比例した
限界電流を得るものである。

【０００３】この酸素センサーは安定性に優れ、長寿命
であるが、内部抵抗が大きいため、高温に加熱して動作
させなければならないという欠点を有する。このため、
この種の酸素センサーは酸素センサー部近傍にセンサー
加熱ヒータ２５を取付け、所定の電圧２６を印加して、
自己加熱して使用する。

【０００４】また、酸素センサーは、酸素センサーの構
成自体が酸素拡散速度を律速することにより供給酸素濃
度に比例した限界電流を得るものであるから、その大き
さも大変精密でかつ小さい形状になっており、またセン
サー加熱ヒータ２５もそれに併せて密接して配設するた
め、大変小さい面積で加熱するように構成されている。

【０００５】そして、酸素センサーは、室内環境測定用
として室内空気の酸素濃度を常に計測してその計測値を
出力するように用いるか、または燃焼機補正用として燃
焼器の排気経路に取り付け排気ガス中の酸素濃度を検出
して、その値を予め設定した値になるように空燃比目標
値と比較して燃焼用空気量あるいは燃料量の少なくとも
いずれか一方を制御してバーナ部の燃焼を安定させるよ
う用いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の酸素センサーは、図６に示すように雰囲気温度が高
くなれば限界電流が増大し、温度が低くなれば減少する
という温度依存性を有するため、高温の所定温度に達す
るまで酸素センサーの所定の出力は得られない。

【０００７】そのために、室内環境測定用として用いる
場合には、センサー加熱ヒータ２５に通電してヒートア
ップした状態で保持するようにするが、センサー加熱ヒ
ータ２５は常に通電され高温になったままであるから、
基板であるジルコニア電解質２０の破損や電極２１、２
２の剥離等が発生するなどして、酸素センサーおよびセ
ンサー加熱ヒータ２５自身の寿命が短くなる問題があっ
た。

【０００８】そこで間欠的に測定を行うようにすると、
センサー加熱ヒータ２５による加熱のＯＮ／ＯＦＦの繰
り返し、つまり常温からいっきに高温に加熱、そして常
温と高温の極端なヒートサイクルにより、基板であるジ
ルコニア電解質２０の破損や電極２１、２２の剥離等が
発生するなどして、結局は酸素センサーおよびセンサー
加熱ヒータ２５自身の寿命を長くすることはできなかっ
た。

【０００９】また、燃焼機の燃焼補正用として用いる場
合には、燃焼の点火・消火に併せて酸素センサーの電極
２１、２２及びセンサー加熱ヒータ２５を通電するよう
にすると、酸素センサーのジルコニア電解質２０の温度
の低い通電開始時では、センサー加熱ヒータ２５による
酸素センサーのヒートアップ時間の間は、酸素センサー
の出力を用いることはできない。

【００１０】そこで前記ヒートアップ時間は酸素センサ
ーの出力を用いないようにすると、燃焼の点火、消火を
短時間で繰り返す場合には、酸素センサーの出力に基づ
いたバーナ部の燃焼の補正がほとんどできない問題があ
った。また、燃焼の点火、消火の繰り返しが多い場合に
は、センサー加熱ヒータ２５による加熱のＯＮ／ＯＦＦ
の繰り返し、つまり常温からいっきに高温に加熱、そし
て常温と高温の極端なヒートサイクルにより、基板であ
るジルコニア電解質２０の破損や電極２１、２２の剥離
等が発生するなどして、上記と同様酸素センサーおよび
センサー加熱ヒータ２５自身の寿命が短くなる問題が生
じていた。

【００１１】また、燃焼を停止した状態で放置した場
合、酸素センサーは温度の低い状態で保持されるため、
大気中の水分やほこり、その他成分が酸素センサーの電
極２１、２２及びセンサー加熱ヒータ２５に付着してそ
の基板であるジルコニア電解質２０表面や電極２１、２
２表面を覆ったり、酸化させたりして、その特性を損な
わせる可能性もあった。

【００１２】またそこで、ヒートアップ回数を減らすた
め、バーナ部の非燃焼時にもセンサー加熱ヒータ２５に
通電してヒートアップした状態で保持するようにする
と、センサー加熱ヒータ２５は常に高温になった状態で
保持されるため、上述のように基板であるジルコニア電
解質２０の破損や電極２１、２２の剥離等が発生するな
どして、酸素センサーおよびセンサー加熱ヒータ自身の
寿命が短くなる。

【００１３】このため従来は、排気ガスの水分やほこり
の影響を大きく受けない取付構成を考案したり、センサ
ー加熱ヒータ２５の抵抗の選別、調整、また印加電圧の
調整でセンサー加熱ヒータ２５の電力のばらつきを極端
に小さく抑え、センサー加熱ヒータ２５の温度ばらつき
による寿命劣化をおさえるなど、設計面で大きく制約を
受けるものであった。

【００１４】本発明は上記課題を解決するもので、ヒー
トアップ時間を短縮させるとともに、酸素センサーおよ
びセンサー加熱ヒータの経年変化を低減し寿命を伸ばす
ことを目的としたものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、室内環境測定用として用いる場合には、酸
素濃度を検知する酸素センサーと、前記酸素センサーを
制御し酸素センサーの検知した酸素濃度に応じた値を出
力するセンサー制御部と、前記酸素センサーに密接して
配設し酸素センサーの温度を高温に保持するセンサー加
熱ヒータと、前記センサー加熱ヒータの温度が任意に設
定できるヒータ制御部とを備え、前記センサー制御部は
酸素濃度を間欠的に測定するように酸素センサーに定格
電圧を間欠的に供給しそれに併せてヒータ制御部はセン
サー加熱ヒータに定格電圧を間欠的に供給するととも
に、さらにヒータ制御部は非測定時にセンサー加熱ヒー
タの温度がセンサー加熱ヒータ自身の寿命を短くしない
範囲のレベルで高温に保つように加熱ヒータを制御する
ように構成し、かつ非測定時の間は、前回の酸素センサ
ーが検知した酸素濃度に応じた出力値を保持するセンサ
ー保持部を設けた構成としてある。

【００１６】また、燃焼機の燃焼補正用として用いる場
合には、バーナの排気経路に設けた酸素濃度を検知する
酸素センサーと、前記酸素センサーからの出力を空燃比
目標設定部の空燃比目標値と比較して燃焼用空気量ある
いは燃料量の少なくともいずれか一方を制御する燃焼制
御部と、前記酸素センサーを制御し酸素センサーの検知
した酸素濃度に応じた値を出力するセンサー制御部と、
前記酸素センサーに密接して配設し酸素センサーの温度
を高温に保持するセンサー加熱ヒータと、前記センサー
加熱ヒータの温度が任意に設定できるヒータ制御部とを
備え、前記ヒータ制御部はバーナ部の非燃焼時にセンサ
ー加熱ヒータの温度がセンサー加熱ヒータ自身の寿命を
短くしない範囲のレベルで高温に保つよう加熱ヒータを
制御する構成としてある。

【００１７】

【作用】本発明は上記構成によって、室内環境測定用と
して用いる場合には、酸素センサーは酸素濃度を間欠的
に測定するようになるので、酸素センサーのトータルの
測定時間は短くなり酸素センサーおよびセンサー加熱ヒ
ータが高温に保持される時間は短くなるとともに、非測
定時にセンサー加熱ヒータの温度がセンサー加熱ヒータ
自身の寿命を短くしない範囲のレベルで高温に保たれる
ので、酸素センサーのヒートアップ時間の短縮も図れ、
またセンサー加熱ヒータによるヒートサイクルの繰り返
しも高低の温度差も低減されるため、更に長寿命化も図
れるようになる。また非測定時の間においても、大気中
の水分やほこり、その他の成分が酸素センサーおよびセ
ンサー加熱ヒータに付着してその基板であるジルコニア
電解質表面や電極表面を覆ったり、酸化させたりして、
その特性を損なわせる可能性もなくなる。

【００１８】そしてまた、燃焼機補正用として用いる場
合には、上述と同様に、酸素センサーは非燃焼時には酸
素濃度を測定しなくなるので、酸素センサーのトータル
の測定時間は短くなり酸素センサーおよびセンサー加熱
ヒータが高温に保持される時間は短くなるとともに、非
測定時にセンサー加熱ヒータの温度がセンサー加熱ヒー
タ自身の寿命を短くしない範囲のレベルで高温に保たれ
るので、酸素センサーのヒートアップ時間の短縮も図
れ、またセンサー加熱ヒータによるヒートサイクルの繰
り返しも高低の温度差も低減されるため、更に長寿命化
も図れるようになる。また非測定時の間においても、大
気中の水分やほこり、その他の成分が酸素センサーおよ
びセンサー加熱ヒータに付着してその基板であるジルコ
ニア電解質表面や電極表面を覆ったり、酸化させたりし
て、その特性を損なわせる可能性もなくなる。

【００１９】従って長寿命で、ヒートアップ時間の短い
応答性のよい、そして周囲環境の影響も受けにくくする
ことができ、取付構成面でも使い勝手のよいものとする
ことができる。

【００２０】

【実施例】以下本発明の実施例を図１〜図３を用いて説
明する。まず図１を用いて室内環境測定用として用いる
場合について説明する。１は酸素濃度を検知する酸素セ
ンサー、２は前記酸素センサー１を制御し酸素センサー
１の検知した酸素濃度に応じた値を出力するセンサー制
御部である。３は前記酸素センサー１に密接して配設し
酸素センサー１の温度を高温に保持するセンサー加熱ヒ
ータで、ヒータ制御部４によってセンサー加熱ヒータ３
の温度が任意に設定できるようになっている。５は前記
センサー制御部２とヒータ制御部４に酸素濃度を間欠的
に測定するように信号を送るタイマー制御部である。６
はセンサー制御部２から出力される酸素濃度出力に応じ
た出力値を次回の酸素濃度測定時まで保持するセンサー
測定値保持部で、その保持している酸素濃度を表示制御
部７に出力し、センサー表示部８で表示させるように構
成してある。

【００２１】上記した構成において、タイマー制御部４
がタイムアップするまで、センサー加熱ヒータ３は、常
時ヒータ制御部４によって、酸素センサー１およびセン
サー加熱ヒータ３の耐熱的寿命を損なわない範囲の温度
レベル例えば定格電圧の８０％の電圧が印加されてお
り、酸素センサー１およびセンサー加熱ヒータ３の温度
を高温に保持するようになっている。また、タイマー制
御部５がタイムアップして、タイマー制御部５より酸素
濃度測定開始の信号がセンサー制御部２およびヒータ制
御部４に出力されると、センサー制御部２およびヒータ
制御部４より酸素センサー１およびセンサー加熱ヒータ
３に定格電圧が印加される。そして、酸素センサー１の
出力が安定した状態になった時に、センサー制御部２に
より測定された酸素濃度に応じた値をセンサー測定保持
部６へ出力すると同時にタイマー制御部５へ測定終了の
信号が出力される。そして、タイマー制御部５は、セン
サー制御部２およびヒータ制御部４へ酸素濃度測定終了
の信号を出力すると同時に、タイマーカウントを再び開
始する。また、センサー加熱ヒータ３はヒータ制御部４
によって再び定格電圧の８０％の電圧が印加されるよう
になる。以降同じ動作を繰り返し、酸素濃度の測定を繰
り返す。

【００２２】ここで、酸素センサー１はタイマー制御部
５により酸素濃度を間欠的に極短時間測定するようにな
るので、酸素センサー１およびセンサー加熱ヒータ３が
高温に保持される時間は短くなるとともに、通常の非測
定時にはセンサー加熱ヒータ３の温度がセンサー加熱ヒ
ータ３自身の寿命を短くしない範囲のレベルの高温に保
たれるので、酸素センサー１のヒートアップ時間の短縮
も図れ、またセンサー加熱ヒータ３によるヒートサイク
ルの繰り返しも高低の温度差も低減されるため、更に長
寿命化が図れる。また非測定時の間においても、大気中
の水分やほこり、その他の成分が酸素センサー１および
センサー加熱ヒータ３に付着してその基板であるジルコ
ニア電解質表面や電極表面を覆ったり、酸化させたりし
て、その特性を損なわせる可能性もなくなる。

【００２３】次に図２、図３を用いて燃焼機補正用とし
て用いる場合について説明する。図２において、９は燃
料を燃焼させるバーナで、ポンプ１０より燃料を供給さ
れ、バーナ送風機１１より燃焼用空気を供給され、また
前記ポンプ１０とバーナ送風機１１は制御部１２で制御
されている。１３はバーナ１０の排気経路９Ａに設けバ
ーナ部９の酸素濃度を検知する酸素センサーユニット
で、酸素センサー１４とセンサー加熱ヒータ１５を有す
る。

【００２４】図３は上記制御部１２を示し、１６は前記
酸素センサー１４を制御し酸素センサー１４の検知した
酸素濃度に応じた値を出力するセンサー制御部である。
１７はセンサー加熱ヒータ１６を制御するヒータ制御
部、１８は前記センサー制御部１５とヒータ制御部１７
に酸素濃度を測定するように信号を送るタイマー制御
部、１９は空燃比目標設定部、２０は空燃比目標設定部
１９の空燃比目標値と上記センサー制御部１５からの出
力を比較してその差を縮めるように燃焼用空気量あるい
は燃焼量の少なくともいずれか一方を制御する燃焼制御
部である。

【００２５】上記構成において、非燃焼時センサー加熱
ヒータ１６は、常時ヒータ制御部１７によって、酸素セ
ンサー１５およびセンサー加熱ヒータ１７の耐熱的寿命
を損なわない範囲の温度レベルたとえば定格電圧の８０
％の電圧が印加されており、酸素センサー１およびセン
サー加熱ヒータ３の温度を高温に保持するようになって
いる。また、運転ボタンなどの信号により燃焼開始命令
が出されると、タイマー制御部１８より酸素濃度測定開
始の信号がセンサー制御部１５およびヒータ制御部１７
に出力され、センサー制御部１５およびヒータ制御部１
７より酸素センサー１４およびセンサー加熱ヒータ１６
に定格電圧が印加される。また同時に予め決められたシ
ーケンスに基づいて、ポンプ１０およびバーナ送風機を
通電して燃焼を開始する。そして、酸素センサー１４の
出力が安定した状態になった時に、センサー制御部１５
より測定された酸素濃度に応じた値は燃焼制御部２０へ
出力される。燃焼制御部２０は、空燃比目標設定部１９
の空燃比目標値と比較してその差を縮めるようポンプ１
０およびバーナ送風機１１に出力し、ポンプ１０および
バーナ送風機１１の制御量を変更して燃焼用空気量と燃
焼量の比率を変化させる。

【００２６】このように、酸素センサー１４により測定
された酸素濃度に応じて空燃比目標値通りになるようポ
ンプ１０およびバーナ送風機１１の制御量を変更して燃
焼用空気量と燃焼量の比率を変化させるフィードバック
を繰り返す。

【００２７】ここで、酸素センサー１４は先の実施例と
同様センサー制御出力部１５により酸素濃度を燃焼時の
み測定するようになるので、酸素センサー１４およびセ
ンサー加熱ヒータ１６が高温に保持される時間は短くな
るとともに、通常の非測定時にはセンサー加熱ヒータ１
６の温度がセンサー加熱ヒータ１６自身の寿命を短くし
ない範囲のレベルで高温に保たれるので、酸素センサー
１４のヒートアップ時間の短縮も図れ、またセンサー加
熱ヒータ１６によるヒートサイクルの繰り返しも高低の
温度差も低減されるため、更に長寿命化も図れるように
なる。また非測定時の間においても、その温度が摂氏１
００度以上となるように設定しておけば大気中の水分や
ほこり、その他の成分が酸素センサー１４およびセンサ
ー加熱ヒータ１６に付着してその基板であるジルコニア
電解質表面や電極表面を覆ったり、酸化させたりして、
その特性を損なわせる可能性もなくなる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の酸素センサ
ー制御装置は、酸素センサー測定開始のヒートアップ時
間を短縮させるとともに、酸素センサーおよびセンサー
加熱ヒータの経年変化を低減し寿命を伸ばすことがで
き、酸素センサーを使い勝手のよい信頼性の高いものと
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における酸素センサー制御装
置のブロック図

【図２】本発明の他の実施例における酸素センサー制御
装置を用いた燃焼装置の構成図

【図３】同燃焼装置の酸素センサー制御装置のブロック
図

【図４】本発明に用いた酸素センサーの動作原理図

【図５】同センサーの代表特性図

【図６】同センサーの温度特性図

【符号の説明】

１、１４ 酸素センサー ２、１６ センサー制御部 ３、１５ センサー加熱ヒータ ４、１７ ヒータ制御部 ５、１８ タイマー制御部 ９ バーナ １９ 空燃比目標設定部 ２０ 燃焼制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森上 和久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素濃度を検知する酸素センサーと、前
   記酸素センサーを制御し酸素センサーの検知した酸素濃
   度に応じた値を出力するセンサー制御部と、前記酸素セ
   ンサーに密接して配設し酸素センサーの温度を高温に保
   持するセンサー加熱ヒータと、前記センサー加熱ヒータ
   の温度が任意に設定できるヒータ制御部とを備え、前記
   センサー制御部は酸素濃度を間欠的に測定するように酸
   素センサーに定格電圧を間欠的に供給しそれに併せてヒ
   ータ制御部はセンサー加熱ヒータに定格電圧を間欠的に
   供給するとともに、さらにヒータ制御部は非測定時にセ
   ンサー加熱ヒータの温度がセンサー加熱ヒータ自身の寿
   命を短くしない範囲のレベルで高温に保つよう加熱ヒー
   タを制御するように構成した酸素センサー制御装置。
2. 【請求項２】 前記非測定時の間、前回の酸素センサー
   が検知した酸素濃度に応じた出力値を保持するセンサー
   保持部を設けた請求項１記載の酸素センサー制御装置。
3. 【請求項３】 バーナの排気経路に設けた酸素濃度を検
   知する酸素センサーと、前記酸素センサーからの出力を
   空燃比目標設定部の空燃比目標値と比較して燃焼用空気
   量あるいは燃料量の少なくともいずれか一方を制御する
   燃焼制御部と、前記酸素センサーを制御し酸素センサー
   の検知した酸素濃度に応じた値を出力するセンサー制御
   部と、前記酸素センサーに密接して配設し酸素センサー
   の温度を高温に保持するセンサー加熱ヒータと、前記セ
   ンサー加熱ヒータの温度が任意に設定できるヒータ制御
   部とを備え、前記ヒータ制御部はバーナ部の非燃焼時に
   センサー加熱ヒータの温度がセンサー加熱ヒータ自身の
   寿命を短くしない範囲のレベルで高温に保つよう加熱ヒ
   ータを制御する構成とした酸素センサー制御装置。