JP2505459B2

JP2505459B2 - 酸素濃度測定装置の調整方法

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Publication number: JP2505459B2
Application number: JP62112727A
Authority: JP
Inventors: 隆生村瀬
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-01-27
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1996-06-12
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JPS63302356A; DE3802051A1; DE3802051C2

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、酸素濃度測定装置、特に自動車用エンジン
の燃焼制御系或いは各種の工業炉の燃焼制御系に用いて
好適な、排気ガスの酸素濃度測定装置の調整方法に係
り、更に詳しくは使用される温度環境によらず、酸素濃
度測定素子（酸素検知素子）の温度を安定に保ち、高精
度の測定が出来ると共に、耐久性にも優れた酸素濃度測
定装置の調整方法に関するものである。

（従来の技術）従来より、自動車用内撚機関の排気ガス中の酸素濃度
や、工業炉、ボイラー等から排出される燃焼排ガス中の
酸素濃度を検知する酸素センサ（酸素濃度測定装置）と
して、酸素イオン伝導性の固体電解質であるジルコニア
磁器を用いた、酸素濃淡電池の原理を利用して酸素濃度
を求めるセンサ等が知られている。そして、内撚機関等
においては、一般に、空気と燃料とから構成される混合
気の空撚比を、高精度に目標値に制御するために、前記
の如きセンサを用いて、空撚比と相関関係を有する排気
ガス中の酸素濃度を検知することにより、混合気の空撚
比を検知して、内撚機関等に供給される燃料供給量をフ
ィードバック制御するようにしているのである。

ところで、このような酸素センサを、測定されるべき
被測定ガスの温度が比較的低い場合においても有効に作
動させるためには、かかる酸素センサにおける酸素検知
素子の少なくとも酸素濃度検知部を、適当なヒータ（加
熱体）によって所定の高温度に加熱せしめる必要がある
が、従来にあっては、かかる加熱のために、有底円筒形
を為す酸素検知素子の内孔内に傍熱型のヒータを設けた
り（特開昭57−142555号公報参照）、また積層型の酸素
検知素子にあっては、その積層構造内にヒータを一体的
に埋設してなく構造のもの（特開昭55−140145号公報参
照）等が明らかにされている。

（発明が解決しようとする問題）しかしながら、この種の酸素センサ（酸素濃度測定装
置）においては、酸素検知素子の酸素濃度検知部を加熱
するヒータ（加熱体）の発熱量、或いはそれに対する供
給電圧が特に制御されておらず、そのために、かかる酸
素濃度測定装置が使用される環境の変化により、例えば
被測定ガス温度の変化により、かかる酸素検知素子の酸
素濃度検知部の温度が変化し、以て被測定ガス中の酸素
濃度に応じた出力である起電力或いはポンプ電流が変化
して、正確な測定が出来ない問題を内在している。

また、被測定ガス温度の上昇により、酸素濃度検知部
の温度も上昇し、時として、そこが過熱状態となり、か
かる酸素濃度検知部や加熱体の寿命を著しく短くすると
いう問題も内在していたのである。

さらに、酸素濃度測定装置間の製造バラツキ、更には
加熱下における加熱体の電気抵抗値の変動も、これを無
視することが出来ず、このバラツキ等の存在によって、
装置個々の加熱温度が変化し、測定装置によって検出値
が異なる問題をも内在しているのである。

（問題点を解決するための手段）ここにおいて、本発明は、上記の問題を解決するため
に為されたものであって、その特徴とするところは、酸
素濃度検知部と、該酸素濃度検知部を所定の温度に加熱
する加熱体と、該加熱体の電気抵抗値に基づいて、前記
酸素濃度検知部の温度を安定に保つように、該加熱体に
供給される電力または電圧を制御する制御手段とを有す
る酸素濃度測定装置を調整する方法にして、電気抵抗値
が調整され得る少なくとも一つの調整抵抗手段を、前記
加熱体に対する電力若しくは電圧の供給回路上または前
記制御手段に設けて、前記加熱体の常温下での電気抵抗
値と前記酸素濃度検知部の加熱状態下における該加熱体
の電気抵抗値との比率が一定となるように、該調整抵抗
手段の電気抵抗値を調整するように構成したのである。

そして、このような構成からなる本発明に従う酸素濃
度測定装置の調整方法にあっては、加熱体の抵抗温度係
数を利用して、当該加熱体の電気抵抗を測定するように
したことにより、かかる加熱体にて加熱される酸素濃度
検知部の温度を直接的に検知することが出来ることとな
り、そしてかかる加熱体の電気抵抗値を一定に保つよう
に、更にはかかる加熱体の常温下での電気抵抗値と酸素
濃度検知部の加熱状態下における電気抵抗値との比率が
一定となるように、所定の制御手段並びに調整抵抗手段
にて、該加熱体に供給される電力または電圧を制御する
ことにより、酸素濃度検知部の温度を安定的に保持し得
て、それを一定に保ち、また装置間のバラツキ乃至は変
動を解消し、以て測定精度を著しく向上せしめ得るので
ある。

なお、かかる酸素濃度測定装置の調整方法にあって
は、前記加熱体は、一般に、前記酸素濃度検知部と一体
的に形成されているものであり、またかかる加熱体は、
酸素濃度検知条件下において、少なくとも0.1％／℃の
正または負の抵抗温度係数を有するものであることが望
ましく、これによって、酸素濃度検知部の温度変化を感
度よく検出して、その温度制御をより正確と為し得るの
である。

また、本発明の一つの実施態様によれば、前記加熱体
は複数において設けられ、それら複数の加熱体にて酸素
濃度検知部が均一な温度に加熱せしめられ得るように構
成されると共に、それらのうちの少なくとも一つの加熱
体に供給される電力または電圧が、前記制御手段にて制
御されるように構成されることとなる。そして、そのよ
うな複数の加熱体を設けた場合において、それらのうち
の発熱量の小さな加熱体の電気抵抗値に基づいて、酸素
濃度検知部の温度を安定に保つように、それら加熱体に
供給される電力または電圧が前記制御手段にて制御され
ることとなる。

ところで、かかる本発明における電気抵抗値を検知す
るための加熱体にあっては、それは、一般に、酸素濃度
検知部を直接加熱する発熱部と、かかる発熱部に電力を
供給するためのリード部とから構成されるものである
が、かかる発熱部の常温抵抗値は、前記リード部の常温
抵抗値よりも高くされていることが好ましく、これによ
って、酸素濃度検知部の温度をより正確に検出し得るの
である。けだし、加熱体の全抵抗値は、発熱部の抵抗値
とリード部の抵抗値とを加えたものであるところから、
発熱部の抵抗に対してリード部の抵抗が大きくなると、
発熱体の全抵抗値が発熱部の温度、換言すれば酸素濃度
検知部の温度を代表し得なくなるからである。

また、本発明にあっては、個体間（酸素濃度測定装置
間）のバラツキを調整するために、前記した調整抵抗手
段を設けることを、その趣旨とするものであるが、具体
的には、各酸素濃度測定装置における加熱体の電力／電
圧供給回路に、所定の第一の調整抵抗を前記調整抵抗手
段として電気的に直列または並列に設けた構造が好適に
採用され、この第一の調整抵抗の抵抗値を適宜に変化さ
せることによって、当該酸素濃度測定装置における加熱
体の電気抵抗値（出力）を温度に対応した所定の値に制
御することが可能となる。なお、かかる第一の調整抵抗
は、加熱体と一体形成され得るものであるが、また別体
に形成されていても何等差支えない。更に、かかる第一
の調整抵抗の抵抗値の調整に際しては、酸素濃度検知部
を加熱体または他の傍熱ヒータにて所定温度に加熱し、
その際の加熱体の電気抵抗値及び第一の調整抵抗の電気
抵抗値の和が一定値となるように、そして常温下での電
気抵抗値に対する加熱状態下での電気抵抗値が一定の比
率となるように、該第一の調整抵抗の電気抵抗値を調整
することによって実施されることとなる。

さらに、本発明の他の一実施態様によれば、前記制御
手段によって、前記加熱体の常温下での電気抵抗値と前
記酸素濃度検知部の加熱状態下における電気抵抗値との
比率が一定となるように、該加熱体に供給される電力ま
たは電圧が制御せしめられるようにされ、これによって
も、個体間の電気抵抗値のバラツキを吸収することが可
能である。そして、この場合において、前記酸素濃度検
知部と前記加熱体とを一体的に形成してなる酸素検知素
子を外部の機器にコネクタを介して接続せしめる構造に
おいて、前記制御手段が、該コネクタ上に位置する若し
くはそれよりも酸素検知素子側に位置する前記加熱体へ
の電力供給回路に設けられた、電気抵抗値が調整される
第二の調整抵抗の少なくとも一つを、調整抵抗手段とし
て有するように、構成されるのである。なお、この第二
の調整抵抗は、酸素検知素子上に位置する、加熱体への
電力／電圧供給回路部分に一体的に設けられたり、或い
はコネクタ上の電力供給回路部分に、またコネクタと酸
素検知素子との間の電力供給回路部分に、設けられたり
されるものである。

従って、本発明は、また、酸素濃度検知部と、該酸素
濃度検知部を所定の温度に加熱する加熱体と、該加熱体
の電気抵抗値に基づいて、前記酸素濃度検知部の温度を
安定に保つように、該加熱体に供給される電力または電
圧を制御する制御手段とを有し、且つそれら酸素濃度検
知部と加熱体とを一体的に形成して酸素検知素子とする
と共に、かかる酸素検知素子を外部の機器にコネクタを
介して接続せしめるようにした構造の酸素濃度測定装置
を調整する方法にして、電気抵抗値が調整され得る少な
くとも一つの調整抵抗手段を、前記酸素検知素子上に位
置する、前記加熱体への電力若しくは電圧供給回路部分
に一体的に設けて、前記加熱体の常温下での電気抵抗値
と前記酸素濃度検知部の加熱状態下における該加熱体の
電気抵抗値との比率が一定となるように、該調整抵抗手
段の電気抵抗値を調整することを特徴とする酸素濃度測
定装置の調整方法をも、その要旨とするものである。

また、本発明は、外部の被測定ガス存在空間から導入
される被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に拡散せしめる
拡散室と、該拡散室における雰囲気中の酸素濃度を変化
させる酸素ポンプ手段と、該拡散室における雰囲気中の
酸素濃度を検出する酸素濃淡電池手段とから構成される
酸素濃度検知部を有する酸素濃度測定装置に対して、好
適に適用されるものである。そのような酸素濃度検知部
の拡散室における被測定ガスの拡散抵抗が、温度の影響
を受けて変化し、酸素ポンプ手段のポンプ電流（出力）
等を変化せしめて、被測定ガス中の酸素濃度の検知精度
を低下せしめるからである。

なお、本発明にあっては、前記加熱体は、好ましく
は、導体として白金を用いて形成され、また酸素濃度検
知部は、ZrO₂を主成分とする酸素イオン伝導性の固体電
解質にて構成され、更にかかる加熱体の発熱部は、被測
定ガスから遮断されて、直接に晒されないような構造と
されていることが望ましい。

（実施例）以下、本発明に従う幾つかの実施例を、図面に基づい
て詳細に説明すると共に、本発明の構成について、更に
具体的に明らかにする。

先ず、第１図は、本発明に従う酸素濃度測定装置の調
整方法に用いられる酸素検知素子の展開構造図であり、
第２図は、そのような酸素検知素子における先端部の酸
素濃度検知部の横断面形態を示している。この酸素検知
素子２は、狭幅な板状の長手形状を為しており、その先
端部に酸素濃淡電池の原理を利用した酸素濃度検知部が
形成されている。

そして、酸素検知素子２は、それらの図から明らかな
ように、積層構造とされている。即ち、高温において酸
素イオン伝導性を示す安定化ジルコニアからなる板状の
固体電解質体４と、同様な固体電解質材料から形成され
たスペーサ部材６と、板状のヒータ層８とを積層せしめ
て、一体的な構造とされていると共に、スペーサ部材６
の切欠き部によって、それら固体電解質体４とヒータ層
８との間に、大気に連通せしめられる空気通路10が形成
されているのである。また、固体電解質体４の外側面に
は、被測定ガスに接触せしめられる測定電極12が設けら
れており、そしてこの測定電極12に対向するように、固
体電解質体４の空気通路10に面する内側面には、基準電
極14が設けられて、空気通路10を通じて導かれる基準ガ
スとしての空気が、かかる基準電極14に接触せしめられ
るようになっている。

また、ヒータ層８は、気密質の電気絶縁性セラミック
ス板状体16内に加熱体としての第一のヒータエレメント
18が埋設されて、構成されている。なお、この第一のヒ
ータエレメント18は、酸素検知素子２の先端部の酸素濃
度検知部を加熱するための発熱部18aと、かかる発熱部1
8aを外部の電源に接続するリード部18bとから構成され
ている。また、第二のヒータエレメント20が、固体電解
質４の測定電極12が設けられた側の面に、該測定電極12
を取り囲むようにして設けられており、この第二のヒー
タエレメント20も、発熱部20aとリード部20bとから構成
されている。要するに、これら第一及び第二のヒータエ
レメント18、20のそれぞれの発熱部18a、20aによって、
酸素濃度検知部を構成する測定電極12、基準電極14及び
それら電極12、14の配置された固体電解質体４部分が所
定の温度に加熱せしめられ得るようになっているのであ
る。

そして、かかる第一及び第二のヒータエレメント18、
20の少なくとも何れか一方には（ここでは両方に）、第
３図に示される如き、電力乃至は電圧を制御する制御手
段を含む電力供給回路21が接続されているのである。な
お、かかる第３図において、22、24、26、28、30、32、
34は、何れも所定の抵抗であり、また36は比較器、38は
電力／電圧調整用トランジスタ、40は電源である。そし
て、ヒータエレメント18（20）と共に、抵抗22、24及び
26によって、抵抗ブリッジ回路が構成されているのであ
る。

従って、かかる電力供給回路21の抵抗ブリッジ回路に
おいて、ヒータエレメント18（20）の負荷（電気抵抗
値）:r、抵抗22、24及び26の抵抗値:A、Ｂ、Ｒとする
と、rB＝RAのときに、第３図の電力供給回路21における
ｓ点とｂ点との間の電位差が０となる。そして、ｒ＝RA
/Bとなるように、即ちａ、ｂ間の電圧差が０となるよう
に、比較器36でそれらａ、ｂ間の電圧を検知して、トラ
ンジスタ38をコントロールすることにより、ｃ点におけ
る電圧がコントロールされることとなるのである。それ
故に、かかる電力供給回路21にてｒ、換言すればヒータ
エレメント18（20）の抵抗値が一定となるようにコント
ロールすることが可能となるのである。換言すれば、ヒ
ータエレメント18（20）にて加熱される酸素検知素子２
の先端の酸素濃度検知部の温度が一定となるように制御
することが可能となるのである。

なお、かくの如き構造の酸素検知素子２にあっては、
よく知られているように、固体電解質体４と被測定ガス
に晒される測定電極12と基準ガスに晒される基準電極14
とから構成される電気化学的セルからなる酸素濃度検知
部によって、酸素濃度差に基づくところのネルンストの
式に従う起電力が出力信号として取り出され、そしてそ
のような出力信号に基づいて、そのような被測定ガス
（排気ガス）を発生せしめる内撚機関等の燃焼制御が行
なわれるのである。

そして、その際、本発明の構成によれば、ヒータエレ
メント18（20）の電気抵抗値に基づいて、酸素濃度検知
部の温度が一定に保たれるように、かかるヒータエレメ
ント18（20）に供給される電力乃至は電圧が制御される
こととなるところから、かかる酸素濃度検知部が所定の
温度に常に保持され、その温度変化が小さくなるところ
から、例えば被測定ガスの温度が変化しても、かかる酸
素濃度検知部から安定な出力を得ることが出来、それに
よって高精度の測定が可能となるのである。また、その
ような酸素濃度検知部の温度が制御されることにより、
かかる酸素濃度検知部やヒータエレメント18（20）が過
熱する危険がなく、その寿命も効果的に永続化せしめ得
るのである。

ところで、酸素濃度測定装置には、上記の如き基本的
構造を有するものの他、その酸素濃度検知部が、被測定
ガスを所定の拡散抵抗の下に拡散せしめる拡散室と、該
拡散室における雰囲気の酸素濃度を変化させる酸素ポン
プ手段と、該拡散室における雰囲気中の酸素濃度を検出
する酸素濃淡電池手段とから構成されるものがあるが、
特に後者の拡散室を設けた構造の酸素濃度検知部を有す
るものにあっては、その拡散室における被測定ガスの拡
散抵抗（拡散定数）が温度によって大きく影響を受ける
ところから、本発明が有利に適用され、以てその検知精
度が効果的に高められ得るものであって、その一例が、
第４図及び第５図に示されている。

すなわち、それらの図に示された構造の酸素検知素子
50は、前例の如き構造の酸素検知素子２において、その
測定電極12側に気密質の電気絶縁性セラミックス層52、
更に酸素イオン伝導性の安定化ジルコニアからなる板状
の固体電解質体54が積層されて一体的な構造とされてい
ると共に、該固体電解質体54に設けられた通気孔56を介
して外部の被測定ガス存在空間に連通せしめられる、所
定の拡散抵抗を有する細隙な平坦空間（拡散室）58が、
セラミックス層52に設けられた円形の切欠き部によっ
て、二つの板状の固体電解質体４、54間に形成されてい
る。そして、固体電解質体54の両側の面に接するよう
に、相対向して、円環状の内側ポンプ電極60及び外側ポ
ンプ電極62がそれぞれ設けられ、それら二つのポンプ電
極60、62と固体電解質体54とによって、電気化学的セル
である酸素ポンプ手段が構成されているのである。

また、ここでは、第一のヒータエレメント18が、その
ような酸素ポンプ手段と測定電極12、基準電極14及び固
体電解質体４にて構成される酸素濃淡電池手段とからな
る酸素濃度検知部を所定の温度に加熱せしめ得るように
なっている。

従って、このような構造の酸素検知素子50にあって
は、よく知られているように、平坦空間58内において、
所定の拡散抵抗の下に拡散せしめられる被測定ガス中の
酸素濃度と空気通路10内の基準ガス（空気）中の酸素濃
度との間の酸素濃度差に従って、酸素濃淡電池手段を構
成する測定電極12と基準電極14との間に発生する、濃淡
電池の原理に基づく起電力が検出される一方、そのよう
な起電力に基づいて、酸素ポンプ手段を構成する内側ポ
ンプ電極60と外側ポンプ電極62との間に所定のポンプ電
流が通電せしめられることによって、所定の酸素ポンプ
作用が行なわれて、平坦空間58の内側ポンプ電極60の配
置された近傍の雰囲気、換言すれば酸素濃淡電池手段の
測定電極12の配置された近傍の雰囲気が所定の雰囲気と
なるように制御され、そしてその際、酸素ポンプ手段の
二つの電極60、62間に流されるポンプ電流：I_Dを検出す
ることによって、目的とする被測定ガスの酸素濃度が測
定されることとなる。

このような構造の酸素検知素子を備えた酸素濃度測定
装置にあっても、その第一のヒータエレメント18に、第
３図に示される如き電力供給回路21を設けることによっ
て、その酸素濃度検知部の温度を所定の温度に効果的に
保持し得るのであり、それによって、平坦空間58内に導
かれ、拡散せしめられる被測定ガスの拡散抵抗（拡散定
数）を変化せしめることなく、目的とする被測定ガスの
酸素濃度を測定することが出来るところから、その酸素
濃度検知部より安定して出力信号を取り出し得るのであ
る。

なお、以上の装置構成において、酸素濃度検知部を構
成する固体電解質体は安定化ジルコニアにて構成され、
本発明では、そのようなZrO₂を主成分としする酸素イオ
ン伝導性の固体電解質が、酸素濃度検知部を構成する材
料として有利に用いられ得るものであるが、また、その
他の酸素イオン伝導性の固体電解質、例えばSrCeo₃、Bi
₂O₃−希土類酸化物系固溶体等の材料を用いて形成され
たものであっても、何等差支えない。

また、加熱体としての第一のヒータエレメント18や第
二のヒータエレメント20は、酸素濃度検知部における温
度の変化を、それらの電気抵抗値の変化として出力する
ものであることから、酸素濃度検知条件下において、少
なくとも0.1％／℃の正または負の抵抗温度係数を有す
るものであることが望ましく、それによって加熱体の電
気抵抗値の読取り誤差が加熱体温度に与える影響が小さ
くなって、酸素濃度検知部の温度変化を精度良く検出す
ることが出来るのであり、以てかかる酸素濃度検知部の
温度制御がより一層効果的に行なわれ得るのである。な
お、そのような加熱体は、電極12、14;60、62と同様
に、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニ
ウム、オスミウムの如き白金族金属等の導電性金属や導
電性化合物等の公知の導電性材料から形成されることに
なるが、特に好ましくは、導体として白金を用いて形成
されていることが望ましい。また、そのような加熱体
は、基地との密着一体化の向上を図るために、上記の如
き導電性金属にセラミックスの微粉末を混入せしめて、
その焼成を行なうことにより、形成するようにすること
も可能である。

また、上述の具体例にあっては、一つ又は二つのヒー
タエレメントにて酸素濃度検知部を加熱する構造となっ
ているが、更により多くの加熱体を設けることも可能で
ある。そして、複数の加熱体（18、20）を設けた場合に
おいて、それらのうちの少なくとも一つ以上の加熱体に
供給される電力または電圧が、前述の如き電力供給回路
21（第３図参照）にて制御されることとなる。

そして、複数の加熱体（18、20）を設けた場合におい
て、好ましくは、それらのうちの発熱量の小さな加熱体
を用い、その電気抵抗値に基づいて酸素濃度検知部の温
度を安定に保つように、それら加熱体に供給される電力
または電圧を制御するようにすることが望ましい。けだ
し、発熱量の小さい、換言すれば電気抵抗値の高い側の
加速体の電気抵抗値を用いることにより、その抵抗値が
大きくなる程、電力供給回路の回路定数による誤差の影
響が小さくなるからである。

さらに、電気抵抗値を検知するための加熱体において
は、それの酸素濃度検知部を直接加熱する発熱部（18
a、20a）の常温抵抗値を、該発熱部に電力を供給するた
めのリード部（18b、20b）の常温抵抗値に比較して高く
することが好ましい。リード部の抵抗（R_B）と発熱の抵
抗（R_A）との比率：R_B／R_Aが大きい程、加熱体の全抵抗
値が発熱部の温度、即ち酸素濃度検知部の温度を代表し
なくなるからである。

ところで、所定の温度における、各酸素濃度測定装置
に設けた加熱体（18、20）の電気抵抗値には、或る程度
の製造バラツキが認められるものであるが、そのような
個体間のバラツキは、加熱体（18、20）の電力／電圧供
給路に、調整手段として、適当な第一の調整抵抗を電気
的に直列または並列に設けることによって解消乃至は抑
制することが可能であり、その一例が第６図に示されて
いる。

すなわち、第６図において、ヒータエレメント18（2
0）のリード部18a（20a）に対して直列に第一の調整抵
抗64若しくは66が設けられ、或いはリード部18b（20b）
に対して並列に第一の調整抵抗68若しくは70が設けられ
ているのである。また、それら第一の調整抵抗64、66、
68、70は、組み合わされて、複数において配設される場
合もある。特に、第一の調整抵抗64や68の如く、ヒータ
エレメント18（20）と一体形成されていることが望まし
いが、また第一の調整抵抗66や70の如く、酸素検知素子
２（50）外において、外部の機器との接続路上やコネク
タ上等に設けられていても、何等差支えない。そして、
これら第一の調整抵抗64、66、68、70の少なくとも何れ
か一つが接続され、抵抗値の調整によって、ｄ〜ｅ間の
抵抗が、酸素濃度検知部の温度が所定の温度のときに所
定の抵抗値となるようにされるのである。

なお、かかる第一の調整抵抗64、66、68、70における
抵抗値の調整は、例えば、酸素検知素子２（50）の酸素
濃度検知部を加熱体（18、20）または他の傍熱ヒータに
て所定温度に加熱し、その際の加熱体の電気抵抗値及び
第一の調整抵抗の電気抵抗値の和が一定値となるよう
に、そして常温下での電気抵抗値に対する加熱状態下で
の電気抵抗値が一定の比率となるように、それら第一の
調整抵抗の電気抵抗値をトリミング等によって調整する
ことにより、容易に実施され得るものである。

さらに、本発明においては、上述の如き第一の調整抵
抗を用いた個体間のバラツキ吸収対策に代えて、制御手
段に調整抵抗手段を設けて、加熱体の常温下での電気抵
抗値と酸素濃度検知部の加熱状態下における該加熱体の
電気抵抗値の比率が一定となるようにして、かかる加熱
体に供給される電力または電圧を制御するようにした構
成も、有利に採用されることとなる。

すなわち、R_O：加熱体の常温下での電気抵抗値、R_T：
酸素濃度検知部の目標とする加熱状態下での加熱体の電
気抵抗値、α：加熱体の抵抗温度係数、T_O：常温、T_T：
目標とする加熱温度、ΔＴ（温度差）：T_T−T_O、ａ（比
率）：R_T／R_Oとすると、下記（１）式が成り立つ。

R_T＝R_O（１＋αΔＴ）・・・（１）そして、この（１）式は、以下の（２）〜（４）式の
様に展開されるのである。

ａ＝R_T／R_O＝１＋αΔＴ・・・（２） ∴ΔＴ＝（ａ−１）／α＝T_T−T_O ・・・（３） T_T＝（ａ−１）／α＋T_O ・・・（４）従って、ａ＝一定とすれば、上記（４）式より酸素濃
度検知部の加熱温度（T_T）は一定となるのであり、以て
各酸素濃度測定装置の加熱体の電気抵抗値（R_O）のバラ
ツキによる加熱温度の変化が解消され、一定温度への加
熱が可能となるのである。

ところで、このようなR_T／R_Oの比率（ａ）に基づくと
ころの酸素濃度検知部の加熱温度の制御に際しては、先
ず、加熱体の常温抵抗値（R_O）を測定し、次いで、それ
に、目標加熱温度に応じて予め入力されている比率
（ａ）を乗じて、その値（R_T＝aR_O）にて加熱体への供
給電力乃至は供給電圧を制御するようにするのである。
より具体的には、加熱体の発熱を無視し得る程の低電圧
を該加熱体に印加して（従って、加熱体は常温状態に維
持される）、そのときの電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）を読
み、R_O＝V/Iを求め、その後第３図に示される回路の抵
抗22（Ａ）、24（Ｂ）、26（Ｒ）の少なくとも何れか一
つを調整して、下記（５）式を満足させる、ハード的手
法が採用されることとなる。

γ＝AR/B＝R_Oa ・・・（５）また、本発明にあっては、第３図に示される電力供給
回路21において、その抵抗22、24、26のうち少なくとも
一つを、酸素検知素子２（50）を外部の機器（電力供給
回路21の主たる部分、換言すれば制御手段の本体部分）
に接続せしめるコネクタ上に位置するように、また該コ
ネクタよりも酸素検知素子２側に位置するように（酸素
検知素子２上の電力供給回路部分、或いは酸素検知素子
２とコネクタとの間の電力供給回路部分に）、設けるこ
とが出来、そしてこのようにコネクタ上若しくはそれよ
りも酸素検知素子２側に配置された、第二の調整抵抗で
ある少なくとも一つの抵抗（22、24、26）の抵抗値
（Ａ、Ｂ、Ｒ）を調整することによって、制御手段（電
力供給回路21）の本体部分の調整を行なうことなく、酸
素検知素子２を他の酸素検知素子（加熱体の電気抵抗値
が異なる）に取り替えることが出来るのである。加え
て、このような抵抗22、24、26のうち少なくとも一つの
ものの抵抗値（Ａ、Ｂ若しくはＲ）の調整によって、下
式にて示されるように、加熱温度：T_Tを一定とすること
が出来、以てR_Oの初期バラツキを吸収することが可能と
なり、これにより前記したハード的手法を酸素検知素子
２側で実施することが出来るのである。

前記（５）式と（２）式より、次の（６）式を導くこ
とが出来る。

γ＝AR/B＝R_Oa＝R_O（１＋αΔＴ）・・・（６）そして、この（６）式を変形して、それに（３）式を
代入することによって、下記（７）式の如くT_TがＡ、
Ｒ、Ｂの関数として表わされることとなり（R_O、α、T_O
は一定値）、それ故Ａ、Ｂ、Ｒの値を低めることによっ
て、γの値の如何に拘わらず、T_Tを一定とすることが出
来るのである。

１＋αΔＴ＝AR/R_OB αΔＴ＝AR/R_OB−１ ΔＴ＝［（AR/R_OB）−１］／α ∴T_T＝［（AR/R_OB）−１］／α＋T_O ・・・（７）なお、第３図に示した電力供給回路21は、本発明の具
体的な一実施例を示したものであり、勿論、他の回路構
成としても良いことは言うまでもないところである。

以上、本発明に用いられる酸素濃度測定装置の構成に
ついて、幾つかの酸素検知素子の構造に基づいて説明し
てきたが、その他の構造の酸素検知素子、ひいては酸素
濃度測定装置にも、本発明が好適に適用されるものであ
ることが、理解されるべきである。

要するに、本発明は、上記例示の具体例のみに限定し
て解釈されるものでは決してなく、本発明の趣旨を逸脱
しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々な
る変形、修正、改良等を加えた形態において実施され得
るものであって、本発明がそのような実施形態のものを
も含むものであることは、言うまでもないところであ
る。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う酸素濃
度測定装置の調整方法は、その酸素濃度検知部を加熱す
るための加熱体自身の電気抵抗値に基づいて、該酸素濃
度検知部の温度を安定に保つように、該加熱体に供給さ
れる電力または電圧を制御するようにして、酸素濃度検
知部の温度が直接的に検出されて制御されるものであ
り、しかも加熱体の常温下での電気抵抗値と酸素濃度検
知部の所定の加熱状態下における電気抵抗値との比率が
一定となるように、少なくとも一つの調整抵抗手段を設
けたものであるところから、酸素濃度測定装置の使用条
件により、例えば被測定ガスの温度の変化等により、か
かる酸素濃度検知部の温度は変化せしめられず、安定な
出力による高精度の酸素濃度測定が可能となり、加えて
酸素濃度測定装置の製造バラツキにて各装置毎に異なる
加熱体の有する初期抵抗値のバラツキが解消され、また
加熱状態下における固体間の抵抗値の変動による影響も
緩和され、以てそのような抵抗値のバラツキから発生す
る不具合を悉く解決し得ることとなったのであり、また
酸素濃度検知部の温度を制御するものであるところか
ら、酸素濃度検知部及び加熱体の過熱の危険がなく、そ
の寿命を永続化せしめえて、長期間に亘って使用可能で
ある等の優れた効果を奏するものであり、そこに、本発
明の大きな工業的意義が存するのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いられる酸素濃度測定装置の酸素
検知素子の一例を示す展開構造図であり、第２図は、第
１図におけるII−II断面説明図であり、第３図は、その
ような酸素検知素子のヒータエレメントに対する電力供
給回路の一例を示す回路図であり、第４図は、本発明に
用いられる酸素濃度測定装置の酸素検知素子の他の一例
を示す展開構造図であり、第５図は、第４図におけるＶ
−Ｖ断面説明図であり、第６図は、ヒータエレメントに
対する調整抵抗の配設位置を示す説明図である。２、50:酸素検知素子４、54:固体電解質体 6:スペーサ部材、8:ヒータ層 10:空気通路、12:測定電極 14:基準電極、16:セラミックス板状体 18:第一のヒータエレメント、20:第二のヒータエレメン
ト 18a、20a:発熱部 18b、20b:リード部、21:電力供給回路 22、24、26、28、30、32、34:抵抗 36:比較器 38:電力／電圧調整用トランジスタ 40:電源、52:セラミックス層 56:通気孔、58:平坦空間 60:内側ポンプ電極、62:外側ポンプ電極 64、66、68、70:第一の調整抵抗

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素濃度検知部と、該酸素濃度検知部を所
定の温度に加熱する加熱体と、該加熱体の電気抵抗値に
基づいて、前記酸素濃度検知部の温度を安定に保つよう
に、該加熱体に供給される電力または電圧を制御する制
御手段とを有する酸素濃度測定装置を調整する方法にし
て、電気抵抗値が調整され得る少なくとも一つの調整抵
抗手段を、前記加熱体に対する電力若しくは電圧の供給
回路上または前記制御手段に設けて、前記加熱体の常温
下での電気抵抗値と前記酸素濃度検知部の加熱状態下に
おける該加熱体の電気抵抗値との比率が一定となるよう
に、該調整抵抗手段の電気抵抗値を調整することを特徴
とする酸素濃度測定装置の調整方法。
【請求項２】前記酸素濃度検知部と前記加熱体とが一体
に形成されている特許請求の範囲第１項記載の酸素濃度
測定装置の調整方法。
【請求項３】前記酸素濃度検知部が、被測定ガスを所定
の拡散抵抗の下に拡散せしめる拡散室と、該拡散室にお
ける雰囲気中の酸素濃度を変化させる酸素ポンプ手段
と、該拡散室における雰囲気中の酸素濃度を検出する酸
素濃淡電池手段とから構成される特許請求の範囲第１項
または第２項に記載の酸素濃度測定装置の調整方法。
【請求項４】酸素濃度検知部と、該酸素濃度検知部を所
定の温度に加熱する加熱体と、該加熱体の電気抵抗値に
基づいて、前記酸素濃度検知部の温度を安定に保つよう
に、該加熱体に供給される電力または電圧を制御する制
御手段とを有し、且つそれら酸素濃度検知部と加熱体と
を一体的に形成して酸素検知素子とすると共に、かかる
酸素検知素子を外部の機器にコネクタを介して接続せし
めるようにした構造の酸素濃度測定装置を調整する方法
にして、電気抵抗値が調整され得る少なくとも一つの調
整抵抗手段を、前記酸素検知素子上に位置する、前記加
熱体への電力若しくは電圧供給回路部分に一体的に設け
て、前記加熱体の常温下での電気抵抗値と前記酸素濃度
検知部の加熱状態下における該加熱体の電気抵抗値との
比率が一定となるように、該調整抵抗手段の電気抵抗値
を調整することを特徴とする酸素濃度測定装置の調整方
法。
【請求項５】前記酸素濃度検知部が、被測定ガスを所定
の拡散抵抗の下に拡散せしめる拡散室と、該拡散室にお
ける雰囲気中の酸素濃度を変化させる酸素ポンプ手段
と、該拡散室における雰囲気中の酸素濃度を検出する酸
素濃淡電池手段とから構成される特許請求の範囲第４項
に記載の酸素濃度測定装置の調整方法。