(57)【要約】【課題】限界電流式酸素濃度センサーの出力低下を事前に検知する機能を備え、正常センサーと異常センサーを識別することが出来るセンサー駆動回路を提供する。【解決手段】限界電流式酸素センサー素子を備えた酸素濃度測定装置において、該限界電流式酸素センサー素子の印加電圧に対する出力電流を測定する手段を備えた酸素センサー駆動装置と、センサー素子内に蓄積された電荷を放電するための放電回路と劣化診断を判定するために放電により生じる電荷量とピーク電圧を計測するための回路を備えたことを特徴とする酸素濃度測定装置。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
限界電流式酸素センサー素子を備えた酸素濃度測定装置において、該限界電流式酸素センサー素子の印加電圧に対する出力電流を測定する手段を備えた酸素センサー駆動装置と、センサー素子内に蓄積された電荷を放電するための放電回路と劣化診断を判定するために放電により生じる電荷量とピーク電圧を計測するための回路を備えたことを特徴とする酸素濃度測定装置。
【請求項２】
該電荷量を測定するマイクロコンピューター（ＣＰＵ）を搭載したことを特徴とする請求項１記載の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
該限界電流式酸素センサー素子を使用して酸素濃度を計測する際、素子を４００℃以上加熱するヒーターを備えることを特徴とする請求項１、２記載の酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、限界電流式酸素センサー素子の限界電流から酸素濃度を測定する回路を備えた酸素濃度測定装置に関し、更に詳細には、定期的にセンサー素子内に蓄積された電荷量とピーク電圧を計測しセンサー素子の劣化状態を判定する機能を搭載した酸素濃度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
限界電流式酸素センサーは安定化ジルコニアをイオン伝導体として用いたものが主に使用されている。このイオン伝導体の両側に電極を取り付けその電極間に電圧を印加することにより、イオン伝導体の両側面に電位差が生じ、イオン伝導体中に酸素イオンポンピング作用が発生する。すなわち酸素イオンを媒体として電極間で電子の授受が行われ電流が流れたことと等価になる。限界電流式酸素センサーは、この電流値を測定することにより酸素濃度を計測するセンサーである。
【０００３】
その基本構成を図１に示す。すなわちジルコニアディスク２の両側に電極３ａ，３ｂを取り付け、一方の電極側には、拡散律速されたガスを供給するためのガス拡散孔５が開けられたキャップ４が覆われている。キャップ４の上にはイオン電動板を熱するためのヒーター６が取り付けられる。
【０００４】
図２は限界電流式酸素センサーの特性を示す。電極間にセンサー電圧を印加した場合、印加電圧が所定電圧値よりも低い場合には、電圧に比例した出力電流が発生する。しかし、所定電圧値よりも高い電圧を印加した場合には、出力電流は飽和する。この飽和した電流値を限界電流と呼び、その限界電流値は検出ガス中の酸素濃度に比例する。従って、限界電流式酸素センターは所定電圧値よりも高い電圧を加え、限界電流値を測定することにより酸素濃度を検出することが出来る。
【０００５】
図３は限界電流式酸素センサーの劣化特性を示す。図３に示すように、センサー素子が劣化した場合には、限界電流値は変化しないものの、限界電流値を示す電圧範囲が経時劣化により狭くなる傾向を示す。この特性を利用して限界電流値を示す最低電圧に着目し、最低電圧が示す限界電流値と定常測定時に印加している電圧が示す限界電流値が異なれば、センサー素子が劣化していると推定され、センサー素子の劣化を識別する手段として利用することが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来から利用されている一般的な酸素濃度測定装置の駆動回路は、設置された限界電流式酸素センサーの出力端に負荷抵抗を介して一定電圧を供給し、酸素センサーに流れる限界電流値を負荷抵抗における電圧降下分として検出して酸素濃度を求める。すなわち、負荷抵抗に流れる電圧降下分を計測し、限界電流値を算出している。従って電流値を測定するためにはセンサー素子両端にＤＣ電圧を常に印加し続けねばならない。
【０００７】
一方、センサー素子単体は等価回路で表すとコンデンサーとして示される。従って、常にＤＣ電圧を印加し続けるとセンサー素子内に電荷が蓄積される。更に必要以上の電荷が蓄積されると酸素濃度計測時、センサー素子内での酸素イオンパスが妨げられ、酸素濃度に応じた出力電流が得られない、すなわち出力電流低下による不具合が発生する。
【０００８】
このような出力電流低下は定常寿命よりも短い期間で発生することが多く、短期間でセンサー交換というクレーム発生を余儀なくされている。言い換えるとセンサー素子が寿命に達する前に素子を交換しなければならず、ランニングコストが増大する問題が発生する。また、ユーザーから機器に対する信頼性が低下する懸念も発生する。従って、このような現象が顕在化する前に予知できれば、事前にセンサーを交換できると共に、ユーザーからの信頼を損なう可能性は低くなる。そのためにセンサーの自己診断が求められている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による劣化診断機能を設けた酸素濃度測定装置の駆動回路は正常センサーと出力低下センサーが放電状態の違いがあることに着目し、センサー素子を放電する回路を搭載し一定期間毎にセンサー素子からの放電量をＣＰＵを介して測定し、その時の放電電荷量と放電時のピーク電圧から、センサー素子が正常状態であるか出力低下状態にあるのか、現象が顕在化する以前に判別することを特徴とする駆動回路である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図４は本発明による酸素センサー駆動回路の一実施例を示す回路図である。図において酸素濃度測定と放電電荷量による劣化診断は、アナログスイッチ１０ａ，１０ｂで切り替えられる。切り替え信号はＣＰＵ１２からの制御信号をアナログスイッチに入力する。図４の場合、Ｄ２−Ｓ２が導通状態であれば、酸素センサー出力電圧モードとなり、Ｄ１−Ｓ１が導通状態であれば、放電電圧測定モードとなる。
【００１１】
センサー素子を放電させるためには、アナログスイッチ１０ａ，１０ｂ内のＤ１−Ｓ１をＣＰＵ１２からの制御信号により、導通状態とし、ヒーターを稼動させている状態でＤＣ印加電圧端子と出力電流端子を短絡させれば良い。単に短絡させただけでは、放電に伴う電流値を計測することが出来ず、図４のように抵抗１１を噛ませてその両端に発生する電圧を測定してやれば良い。
【００１２】
抵抗値を高くしすぎると外乱の影響、あるいは誤差が大きくなるので１ｋΩ以下の抵抗を取り付けるのが好ましい。この時、抵抗両端に発生する電圧は１０−４〜１０−５Ｖ程度なので、演算増幅器を用いて増幅を行う。演算増幅器の選択は、出力電圧が非常に低いので低オフセット電圧の演算増幅器を用いるか、あるいは外部可変抵抗を用いて、オフセット電圧を調整できるタイプのものが望ましい。
【００１３】
演算増幅器の保護のため、入力段にダイオードを取り付けることが望ましい。しかしながら、酸素センサーからの出力は電流値のため、通常のシリコンダイオードでは漏れ電流が大きく正確な測定が困難となる。従って、Ｊ−ＦＥＴ１３ａ、１３ｂをダイオード化して使用すると漏れ電流が最大でも数ｎＡ程度なので漏れ電流量が少なく、有効である。
【００１４】
増幅を行う演算増幅器の入力段には直接酸素センサー素子をつないでも構わないが、インピーダンス変換回路（ボルテージフォロワ）あるいは、インスツルメンテーションアンプ１４を用いて低インピーダンス化させた後、増幅を行うと更に良い。
【００１５】
増幅は演算増幅器１５を用いて増幅する。電荷量を求めるためには放電時得られた電圧−時間曲線で囲まれた部分の面積を求める必要があるが、この面積はＡ／Ｄ変換１８を使用して信号をディジタル化処理した後、ＣＰＵ１２で演算処理を行えば良い。あるいはＡ／Ｄ変換を搭載しているＣＰＵを用いて測定するのが簡便である。更にＣＰＵの代わりとして、安価なＰＩＣ等の小型ＣＰＵを使用しても構わない。
【００１６】
センサー素子を４５０℃で加熱し、ＤＣ印加電圧端子と出力電流端子を短絡させ放電させた時の電圧−時間曲線を図５に示す。電圧値を増幅倍率と負荷抵抗値で割ってやることにより電流値が求まる。更にこの曲線で得られた領域が放電により得られた電荷量に相当する。ピーク電圧は、図示していないピークホールド回路を新規に作成するか、ＣＰＵで直接最大電圧を求めるようにプログラミングすることにより、求めることが出来る。
【００１７】
図５のように正常センサーと異常センサーを比較すると正常センサーの方が放電による電荷量が大きくまたピーク電圧が高いことを示している。
【００１８】
通常の酸素センサー出力電圧モードとするためには、アナログスイッチ１０ａ，１０ｂ内のＤ２−Ｓ２をＣＰＵ制御信号より導通状態とした後、演算増幅器１６で増幅させる。増幅度の微調整用に抵抗１７は可変抵抗にしておくことが望ましい。演算増幅器１６で増幅後Ａ／Ｄ変換１８を使用して信号をディジタル処理した後、ＣＰＵ１２で演算処理を行えば良い。
【００１９】
【発明の効果】
本発明に拠れば、センサー素子を短絡させることにより発生する放電電化量を計測することにより、正常センサーと異常センサーを識別することが出来、センサーのクレーム低下が期待できる酸素センサー駆動回路を構成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例にかかる限界電流式酸素センサーを示す。
【図２】限界電流式酸素センサーの特性を示す。
【図３】限界電流式酸素センサーの正常時と寿命時の特性を示す。
【図４】本発明による酸素センサー濃度測定駆動回路の一実施例を示す。
【図５】限界電流式酸素センサーを放電させた時の正常センサーと出力低下センサーの電圧−時間曲線を示す。
【符号の説明】
１．限界電流式酸素センサー
２．イオン伝導体
３ａ、３ｂ．電極
４．キャップ
５．ガス拡散孔
６．ヒーター
１０ａ、１０ｂ．アナログスイッチ
１１．抵抗
１２．ＣＰＵ
１３ａ、１３ｂ．Ｊ−ＦＥＴ使用によるダイオード
１４．インスツルメンテーションアンプ
１５．演算増幅器
１６．演算増幅器
１７．可変抵抗
１８．Ａ／Ｄ変換
【図１】
2004028676.tif 000002
【図２】
2004028676.tif 000003
【図３】
2004028676.tif 000004
【図４】
2004028676.tif 000005
【図５】
2004028676.tif 000006