JPH02260386A - ヒータ回路及び該回路を有する酸素センサエレメント - Google Patents

ヒータ回路及び該回路を有する酸素センサエレメント

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JPH02260386A
JPH02260386A JP1078296A JP7829689A JPH02260386A JP H02260386 A JPH02260386 A JP H02260386A JP 1078296 A JP1078296 A JP 1078296A JP 7829689 A JP7829689 A JP 7829689A JP H02260386 A JPH02260386 A JP H02260386A
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JP
Japan
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heater
circuit
voltage
power supply
time constant
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Pending
Application number
JP1078296A
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English (en)
Inventor
Yoichi Kurumiya
洋一 久留宮
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Publication date
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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〕 本発明は例えば限界電流式酸素センサエレメントのセラ
ミックヒータ(パネル)やホウロウ基板のヒータ等に適
用され、ヒータに所定の電圧を印加してヒータを駆動す
るヒータ駆動回路を備えたヒータ回路及び該回路を有す
る酸素センサエレメントに関する。
〔従来の技術〕
従来、この種のヒータ回路としては例えば第4図に示す
ようなものがある。すなわち、同図において、商用電源
11からの交流をスイッチングレギュレータ12で直流
に変換し、この直流電圧Va[第5図(A)に示す〕を
保護用の抵抗R1とツェナーダイオードZDで安定化し
て基準電圧Vb C第5図(B)に示す]を得ている。
また、オペアンプOPIとPNP トランジスタTrと
で直流電流を増幅してヒータ13へ流してヒータ13を
駆動している。このオペアンプOPIの非反転端子は可
変抵抗R5と接続され、可変抵抗R5を調整し、抵抗R
4,R6の抵抗値により、ヒータ13の出力電圧が設定
できるようになっている。
さらに、オペアンプOPIの出力端とPNP )ランジ
スタTrのベース間にはトランジスタT「及びオペアン
プOPIの保護用の抵抗R2が、PNPトランジスタT
「のベース、エミッタ間にはトランジスタT「の保護用
の抵抗R3が各々接続されている。
したがって、上記のようなヒータ駆動回路によりヒータ
13に商用電源1から第5図(C)に示すような電圧を
印加してヒータ13を駆動している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記従来のヒータ駆動回路では、商用電
源1のオンと同時(スタート時)にヒータ13に第5図
(C)に示すような電圧が印加されるため、第1にヒー
タ13が急激に加熱されることとなり、ヒータ13自体
やヒータに隣接する例えばヒータパターンの塗布形成さ
れた基板などに熱衝撃が加わりこれらを破壊させてしま
うという問題点があった。
また、第2に通常加熱前のヒータ13は、常温で2Ωと
低インピーダンスであり、このような状態のヒータに急
激に所定の電圧を印加することは、ヒータ駆動回路、ひ
いては電源にも過負荷(通常の数倍の初期電流が流れる
)となる場合があり、これらを故障させてしまう原因と
なっていた。
さらに、第3に例えば限界電流式酸素センサを使用した
酸素モニタを数チャンネル駆動する場合などのように、
同一の電源で第4図に示すようなヒータ回路を複数個駆
動しなければならない場合には、上記第1及び第2に述
べた理由により、使用される電源は通常の消費電力の数
倍の高出力電源が必要となる。この場合、通常の消費電
力に基づいて設定した電源を使用すると、電流制限回路
が作動してしまい主電源が遮断してしまうなど系全体に
影響を与えてしまう。その結果、系を安定に機能させる
ために初期電流で電源を設計し、余裕を持った設計にし
なければならないため、電源効率が極端に悪く必要以上
に大きな電源を必要としてしまうという問題点があった
このような問題点を解決するために、ヒータ駆動回路に
IC回路を用い、ヒータ13にステップ状の電圧を印加
することも考えられるが、IC回路を用いたヒータ回路
では部品点数が多くなり、取付はスペースが大になる問
題点が新たに発生してしまう。
そこで、本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
部品点数を削減し、ヒータ自体やヒータに隣接する部材
などに熱衝撃が加わることがなく、しかもヒータ駆動回
路や電源が過負荷となることなく、耐久性の高い、高出
力電源が不要なヒータ回路を提供するとともに、該回路
を有する酸素センサエレメントを提供することを目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために本発明のヒータ回路にあっ
ては、電源から所定の電圧をヒータに印加して該ヒータ
を駆動するヒータ駆動回路を備えたヒータ回路において
、上記ヒータ駆動回路に時定数回路を設けたこ造を特徴
とする。
また、本発明の酸素センサエレメントにあっては、上記
ヒータ回路を有することを特徴とする。
〔作  用〕
上記の構成を有する本発明においては、ヒータ駆動回路
に時定数回路を設けたことによって、従来のIC回路に
比べて部品点数の削減が達成され小型化すると共に、ヒ
ータ電圧を作り出すために必要な基準電圧の立ち上がり
を遅らせ、これによりヒータ電圧を徐々に増加印加させ
ることができる。したがって、ヒータ自体やヒータに隣
接する部材などに熱衝撃が加わることを抑え、しかもヒ
ータ駆動回路や電源が過負荷となることもなく耐久性が
高くなる。加えて、高出力電源が不要となる。
また、上記ヒータ回路を酸素センサエレメントに適用す
ることにより、酸素モニタを数チャンネル駆動する場合
にも定常電流で電源を設計できるため、[[効率が著し
く向上し、モニター系全体の設計が容易になる。
〔実 施 例〕
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第1
図は本発明に係るヒータ回路の一実施例を示す回路図で
ある。同図において第4図に示す従来例と同一部分には
同一符号を付して説明する。
第1図において、本実施例のヒータ回路は電源1と、時
定数回路2と、ヒータ駆動回路3及びヒータ13から大
略構成されており、電源1は商用電源11とスイッチン
グレギュレータ12とからなり、商用電源11からの交
流をスイッチングレギュレータ12で直流に変換してい
る。
時定数回路2では抵抗R7,R8が直列に接続され、こ
れらの接続点とオペアンプOP2の非反転端子とが接続
され、このオペアンプOP2の反転端子には抵抗R9が
接続されているとともに、オペアンプOP2の反転端子
と出力端子との間にはコンデンサCが接続されている。
ヒータ駆動回路3では第4図に示す回路と同様に保護用
の抵抗R1とツェナーダイオードZDとを直列に接続し
、これらの接続点とオペアンプOPIの反転端子とを接
続している。また、このオペアンプOP1の非反転端子
は可変抵抗R5と接続され、可変抵抗R5を調整し、抵
抗R4゜R6の抵抗値により、ヒータ13の出力電圧が
設定できるようになっている。
さらに、オペアンプOPIの出力端子とPNPトランジ
スタTrのベース間には1−ランジスタTr及びオペア
ンプOPIの保護用の抵抗R2が、PNP )ランジス
タTrのベース、エミッタ間にはトランジスタTrの保
護用の抵抗R3が各々接続されている。
次に、本実施例のヒータ回路の動作を説明する。
商用電源11からの交流をスイッチングレギュレータ1
2で直流に変換し、この直流電圧Vaa〔第2図(A)
に示す〕を時定数回路2における抵抗R7,R8で分圧
してオペアンプOP2の非反転端子に印加する。この時
定数回路2は積分回路の機能を有し、抵抗R7,R8と
、抵抗R9及びコンデンサCにより、その出力電圧を徐
々に上昇させ後述する基準電圧の立ち上がりを遅らせる
ことができる。すなわち、時定数回路2に第2図(A)
に示すようなステップ電圧を与えたとき、その出力電圧
は時定数T−CRをもった指数関数で表され、Ovから
定常状態の電圧に向かって上昇する。ここで、第2図(
C)においてtは立ち上がりを遅らせる時間であり、時
定数回路2の抵抗R7,R8、抵抗R9及びコンデンサ
Cの定数を変更することにより、変えることができる。
次に、上記出力電圧をヒータ駆動回路3における保護用
の抵抗R1とツェナーダイオードZDで安定化して基i
′F+亀圧Vbb C第2図(B)に示す〕を得ている
。また、オペアンプOPIとPNP l−ランジスタT
rとて時定数回路2から出力された直流電流を増幅して
ヒータ13へ流してヒータ13を駆動している。そして
、第2図(C)に示ずヒータ電圧vhhは次式で表され
る。
Vhh−Vbb+Vbb/ (R6+R51) X (
R52+R4)したがって、可変抵抗R5を調整し、抵
抗R4゜R6の抵抗値により、ヒータ13の出力電圧v
hhが設定できるようになっている。
このように本実施例によれば、ヒータ電圧を徐々に増大
させることができるので、ヒータ13が室温から徐々に
加熱されることとなり、ヒータ13自体やヒータに隣接
する例えばヒータパターンの塗布形成された基板などに
急激な熱衝撃が加わることがなくなり、基板などが熱膨
張により歪むことがない。さらに、ヒータに徐々に所定
の電圧を印加することにより、ヒータ駆動回路、ひいで
は電源が過負荷になることもなくなり、これらを故障さ
せることがなくなる。
第3図は本発明に係るヒータ回路を適用した酸素セン、
サエレメントの一実施例を示し、前記第1図と同一部分
には同一符号を付して説明する。第3図において、酸素
センサエレメント20は、固体電解質のペレット〔例え
ば酸化ジルコニウム(ZrO:ジルコニア)に金属酸化
物(例えばYO,CaOなど)を固溶させた安定化ジル
コニアよりなる〕21の両面に白金電極22を形成する
とともに、ガス拡散孔23を穿設し、その片側にセラミ
ックスからなるキャップ24を接合している。さらにキ
ャップ24上には加熱用のヒータ13を形成し、このヒ
ーター3上には保護層25がコーティングされている。
そして、両口金電極22間に電圧を印加することにより
、加熱下のベレット21の酸素ボンピング作用によって
酸素イオンをキャリアとする電流が流れる。一方、ガス
拡散孔23を通ってキャップ24内のガス反応室に入っ
た酸素分子はベレット21を介して排出される。
したがって、このときの電圧−電流特性の成る電圧領域
で現れる電流のフラット域、すなわち限界電流値と酸素
濃度とが一対一の関係(対数でとった場合にリニアな関
係)にあることから、電極に一定電圧をかけて、そのと
きに発生する限界電流値から酸素濃度に換算、検出する
ものである。
ところで、酸素センサの限界電流特性は温度に依存し大
きく変化する。このためセンサの温度が低くなり過ぎる
と上記フラット域が観71P1されなくなり、センサと
して機能しなくなる。他方、センサの応答性も温度に依
存し、センサの温度が高くなるほど応答時間が早くなる
ことが判明している。
したがって、本発明に係るヒータ回路を酸素センサエレ
メントに適用すれば、上記のような問題が解決できるの
みでなく、多チャンネルの限界電流式酸素センサモニタ
を駆動するような場合、定常電流で電源を設計できるた
め、設計が容易になり、電源効率も向上する。
本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。
上記実施例では時定数回路を積分回路としたが、これに
限らずブートストラップ回路やミラー積分回路のような
三角波発生回路でもヒータ電圧の上昇を徐々に行うこと
ができる。
また、上記実施例では本発明をヒータ回路に適用した例
について説明したが、例えばホウロウ基板等のヒータ回
路にも適用することができる。
〔発明の効果〕
以上の通り本発明のヒータ回路によれば、ヒータ駆動回
路に時定数回路を付加したことによって、ヒータ電圧を
作り出すために必要な基準電圧の立ち上がりを遅らせ、
これによりヒータ電圧の上昇を徐々に行うことができる
。その結果、ヒータ自体やヒータに隣接する部材などに
熱衝撃が加わることがなくなり耐久性が高まる。しかも
ヒータ駆動回路や電源が過負荷となることもなく故障率
が大幅に低下し、加えて高出力電源が不要となる。
そして、ヒータ駆動回路にIC回路を設けたヒータ回路
と異なり、部品点数を削減することができ、取付スペー
スを小さくできる。
また、上記ヒータ回路を酸素センサエレメントに適用す
れば、高出力電源が不要となることにより、酸素モニタ
を数チャンネル駆動する場合には定常電流で電源を設計
できるため、電源の設計が容易になると共に電源効率も
向上するという効果を奏する。
1・・・電源 3・・・ヒータ駆動回路 2・・・時定数回路 13・・・ヒータ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電源から所定の電圧をヒータに印加して該ヒータを
    駆動するヒータ駆動回路を備えたヒータ回路において、
    上記ヒータ駆動回路に時定数回路を設けたことを特徴と
    するヒータ回路。 2、上記請求項1記載のヒータ回路を有することを特徴
    とする酸素センサエレメント。
JP1078296A 1989-03-31 1989-03-31 ヒータ回路及び該回路を有する酸素センサエレメント Pending JPH02260386A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006230188A (ja) * 2005-01-18 2006-08-31 Beru Ag 電気消費機材を運転するための方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5299443A (en) * 1976-02-18 1977-08-20 Hitachi Ltd Inrush current reducing device of positive temperature coefficient res istance element
JPS6048518A (ja) * 1983-08-25 1985-03-16 Hitachi Ltd 空燃比センサ用ヒ−タ温度制御回路

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