JPH05209859A - 限界電流式酸素センサの作動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は限界電流式酸素センサに関するもの
であり、短時間に酸素濃度が計測できるようになる作動
装置を提供することを目的とする。 【構成】 センサ素子の電極膜１ａおよび１ｂに電圧を
印加する素子駆動用電圧源６に、使用初期は素子駆動用
電圧源６が印加する電圧値を常用電圧値より高い電圧値
で作動させセンサ特性が安定する所定時間（II）より短
い時間である所定時間（Ｉ）に急激に常用電圧値まで低
下させる電圧変更手段１０を併設している。そのためセ
ンサ安定時間は、使用初期より常用電圧のままで作動さ
せた従来の場合より大幅に短縮化され、短時間に酸素濃
度が計測できるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気中の酸素濃度を検
出する限界電流式酸素センサに関し、特に酸素濃度の検
出が可能な状態になる暖気ウォーミング時間を短縮する
作動装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の限界電流式酸素センサの作動装置
を図６に示す。限界電流式酸素センサのセンサ素子は、
対となる電極膜１ａおよび１ｂが両面に形成された酸素
イオン伝導性固体電解質体２と、固体電解質体２の片側
に位置し電極膜１ａを囲むように配置されかつ流入する
酸素分子の移動を制限する酸素拡散通路３を有する拡散
律速体４と、拡散律速体４または固体電解質体２に併設
された加熱体５とからなる。

【０００３】一方、作動装置は、電極膜１ａおよび１ｂ
に一定電圧を印加する素子駆動用電圧源６と、電極膜１
ａおよび１ｂで発生する電流を検出するための電流検出
手段７とからなり、前記センサ素子の電極膜１ａおよび
１ｂと素子駆動用電圧源６と電流検出手段７とは直列に
接続され閉回路を構成している。また、前記センサ素子
の加熱体５には加熱のための電圧を印加する加熱電圧源
９を併設している。

【０００４】作動方法について述べる。まず、素子駆動
用電圧源６と加熱電圧源９を一定電圧値にて作動させ
る。すると、加熱体５により固体電解質体２が加熱され
て酸素ポンピング作用が働き、酸素分子が酸素イオンと
して固体電解質体２を通過するが、酸素拡散通路３によ
り酸素分子の移動が徐々に制限されるため、酸素イオン
の通過が制限されそれに伴い発生電流が徐々に低下す
る。やがて、酸素拡散通路３による酸素分子の移動制限
作用が安定するため、発生電流も安定し限界電流を呈す
るようになる。そのため、センサが限界電流特性を呈す
るようになるにはかなりの時間を要す。そこでこのセン
サ安定時間を予め測定しておき、この安定時間後に電流
検出手段７で検出された電流を読み取って制御記号とし
て活用している。

【０００５】また他の従来例として、電極膜１ａおよび
１ｂに印加する素子駆動用電圧値を発生電流とリンクさ
せ、電流値が大きい時は素子駆動用電圧値を大きくし電
流値が小さい時は素子駆動用電圧値も小さくする作動装
置もある。この従来の作動装置は、素子駆動用電圧値を
発生電流とリンクさせてセンサ特性の安定化を計るもの
であるが、やはりセンサ安定後に電流検出手段７で検出
された電流を読み取って制御信号として活用している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成においては、センサ安定時間を短縮して短時間
に酸素濃度が計測できるようにするために、加熱体に印
加する電圧値を低下して電力値を低下させる方法、また
は電極膜に印加する印加電圧値を低下する方法を採用し
ているが、いずれの方法もセンサの耐久性や応答性の観
点では好ましくなく、耐久性や応答性の低下を招く課題
が有った。その理由は、短時間に酸素濃度が計測できる
ようにすることとセンサの耐久性・応答性は相反事項で
あるためである。つまり、センサの耐久性や応答性を向
上させるには、加熱体に印加する電圧値はセンサの割れ
等を生じさせない範囲においてできるだけ高くして高消
費電力値にすること、電極膜に印加する印加電圧値は水
分の電気分解を生じさせない範囲においてできるだけ高
くして高印加電圧値にすることが必要であるが、短時間
に酸素濃度が計測できるようにすることを優先する観点
より、加熱体に印加する電圧値を低下して消費電力値を
低下させる方法、または電極膜に印加する印加電圧値を
低下する方法を採用している訳である。

【０００７】本発明は、かかる従来の問題点を解決する
ものであり、短時間に酸素濃度が計測できるようにしつ
つセンサの耐久性・応答性を向上させることを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の限界電流式酸素センサの作動装置は、対と
なる電力膜が両面に形成された酸素イオン伝導性固体電
解質体と、前記固体電解質体の片側に位置し前記電極膜
の片側を囲むように配置されかつ流入する酸素分子の移
動を制限する酸素拡散通路を有する拡散律速体と、前記
拡散律速体または前記固体電解質体に併設された加熱体
とからなるセンサ素子と、前記センサ素子の電極膜に直
列に素子駆動用電圧源と電流検出手段とを接続して閉回
路を構成し、さらに前記センサ素子の加熱体に電圧を印
加する加熱電圧源とを設けた限界電流式酸素センサの作
動装置において、使用初期は前記素子駆動用電圧源が印
加する電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動させ所
定時間（Ｉ）後に急激に常用電圧値まで低下させる電圧
変更手段を設け、さらに前記所定時間（Ｉ）より後であ
りセンサ特性が安定した所定時間（II）に前記電流検出
手段からの検出電流を読み取り制御信号として活用する
制御信号読み取り器を設けた構成とした。

【０００９】

【作用】本発明は上記の構成により、使用初期は前記素
子駆動用電圧源が印可する電圧値を常用電圧値より高い
電圧値で作動させ、センサの限界電流が得られる所定時
間（II）より短い時間である所定時間（Ｉ）後に急激に
常用電圧値まで低下させている。このセンサ限界電流特
性が得られない不安定時期に素子駆動用印加電圧値を変
更されると、酸素拡散通路による酸素分子の移動制限作
用が急激に安定する作用があるため、センサ安定時間
は、使用初期より常用電圧のままで作動させた従来の場
合より大幅に短縮化され、短時間に酸素濃度が計測でき
るようになる。そのため、加熱体に印加する電圧値も、
電極膜に印加する印加電圧値も耐久性や応答性確保の観
点で可能な限り高くでき、耐久性や応答性の低下が発生
せず高い信頼性を確保できる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基ずいて
説明する。

【００１１】発明の限界電流式酸素センサの作動装置の
１例を図１に示す。限界電流式酸素センサのセンサ素子
は、対となる電極膜１ａおよび１ｂが両面に形成された
酸素イオン伝導性固体電解質体２と、固体電解質体２の
片側に位置し電極膜１ａを囲むように配置されかつ流入
する酸素分子の移動を制限する酸素拡散通路３を有する
拡散律速体４と、拡散律速体４または固体電解質体２に
併設された加熱体５とからなる。

【００１２】作動装置は、電極膜１ａおよび１ｂに一定
電圧を印加する素子駆動用電圧源６と、電極１ａおよび
１ｂで発生する電流を検出するための電流検出手段７と
からなり、前記センサ素子の電極膜１ａおよび１ｂには
直列に素子駆動用電圧源６と電流検出手段７とが接続さ
れ閉回路を構成している。また、前記センサ素子の加熱
体５には加熱のための電圧を印加する加熱電圧源９が併
設されている。一方、前記素子駆動用電圧源６には、使
用初期は前記素子駆動用電圧源６が印加する電圧値を常
用電圧値より高い電圧値で作動させ所定時間（Ｉ）後に
急激に常用電圧値まで低下させる電圧変更手段１０が併
設されている。またさらに電流検出手段７には、前記所
定時間（Ｉ）より後でありセンサ特性が安定する所定時
間（II）に前記電流検出手段７からの検出電流を読み取
り制御信号として活用する制御信号読み取り器８が併設
されている。

【００１３】作動方法について図２にもとづき述べる。
まず、電圧変更手段１０および素子駆動用電圧源６を作
動させ、素子駆動用電圧源６が印加する電圧値を常用電
圧値より高い電圧値で作動させる。それと同時に、電流
検出手段７および加熱電圧源９さらに制御信号読み取り
器８の時間計測機能を作動させる。すると、加熱体５に
より固体電解質体２が加熱されて酸素ポンピング作用が
働き、酸素分子が酸素イオンとして固体電解質体２を通
過するが、酸素拡散通路３により酸素分子の移動が徐々
に制限されるため、酸素イオンの通過が制限されそれに
伴い発生電流が徐々に低下する。やがて、所定時間
（Ｉ）になると電圧変更手段１０が作動し、素子駆動用
電圧源が印加する電圧値を急激に常用電圧値まで低下さ
せる。すると酸素拡散通路３による酸素分子の移動制限
作用が急激に安定するため、センサ安定時間は、使用初
期より常用電圧のままで作動させた場合より短縮化さ
れ、短時間に酸素濃度が計測できるようになる。そして
センサ特性が安定する所定時間（II）となると、制御信
号読み取り器８が電流検出手段７で検出された電流を読
み取り、制御信号として活用する。

【００１４】図３は、本発明の１実施例である限界電流
式酸素センサの作動装置に用いるセンサ素子の分解斜視
図である。２は酸素イオン伝導性固体電解質板であり、
対となる電極膜１ａと１ｂ（記載せず）が両面に形成さ
れている。この固体電解質板１の片側上部にカソード側
電極膜１ａを囲み、始端と終端がお互いに間隔を有する
ように配置された螺旋型スペーサ４′が配置されてい
る。そして螺旋型スペーサ４′の上部にシール板４″が
配置され、さらにシール板４″の上部に加熱部５が配置
されセンサ素子を構成している。なお、拡散律速体４
は、螺旋型スペーサ４′とシール板４″とからなり、酸
素拡散通路３が螺旋型スペーサ４′の相対向する隔壁と
固体電解質板１とシール板４″で囲まれる螺旋型の空間
で形成され酸素は前記螺旋型空間を経由してカソード側
電極膜１ａへ拡散する。

【００１５】次に具体的実験例にもとづいて製法を説明
する。図３の限界電流式酸素センサにおいて固体電解質
板２としてＺｒＯ２・Ｙ２Ｏ３（Ｙ２Ｏ３８ｍｏ１％添
加）、電極膜１ａ・１ｂとして白金、螺旋型スペーサ
４′として硝子（熱膨張係数はＺｒＯ２・Ｙ２Ｏ３と概
略同一であり、所定粒径の耐熱性粒子を微量含有）、シ
ール板４″としてフォルステライト、加熱部５として白
金ヒータを用いた。まず、電極膜１ａ・１ｂを固体電解
質板２のうえに、さらに螺旋型スペーサ４′を固体電解
質体２のうえに厚膜印刷技術および焼成技術を用いて形
成した。一方、シール板４″のうえには加熱部５を厚膜
印刷技術および焼成技術を用いて形成した。つぎに、固
体電解質板２上の螺旋型スペーサ４′とシール板４″と
を積層し加熱溶融することで酸素拡散通路３を形成し
た。そしてリード線（記載せず）を取りつけて完成であ
る。なお、この完成品素子は、セラミック製底体のリー
ド端子にリード線を電気的に接合しその後、断熱製充填
材で外包しさらにこの断熱製充填材をステンレス製金網
で外包して評価用装置とした。以下、この酸素センサ評
価用装置を用いてその特性を検定した。

【００１６】＜実験１＞上記構成において作動試験をし
た結果を図４に示す。試験は、大気中（酸素２0.６％）
で行い、電流検出手段７として１０００Ωの抵抗を用い
その両端の電圧を測定してセンサ出力としている。

【００１７】まず、加熱電圧源９を作動させリード線
（記載せず）を介して加熱部５に所定の電力１0.０Ｖを
印加し、加熱部５を介して固体電解質板２を約４５０℃
に加熱する。一方、加熱電圧源９の作動と同時に、電圧
変更手段１０および素子駆動用電圧源６を作動させ、素
子駆動用電圧源６が印加する電圧値を１、４Ｖで作動さ
せ電極膜１ａ・１ｂに電圧を印加する。そして制御信号
発生器８の時間計測機能を作動させる。すると、加熱体
５により固体電解質体２が加熱されて酸素ポンピング作
用が働き、酸素分子が酸素イオンとして固体電解質体２
を通過するが、酸素拡散通路３により酸素分子の移動が
徐々に制限されるため、酸素イオンの通過が制限されそ
れに伴い発生電流が徐々に低下する。やがて、所定時間
（Ｉ）この場合は５分になると電圧変更手段１０が作動
し、素子駆動用電圧源が印加する電圧値を急激に常用電
圧値（１、０Ｖ）まで低下させる。すると酸素拡散通路
３による酸素分子の移動制限作用が急激に安定するた
め、センサ安定時間は、使用初期より常用電圧のままで
作動させた場合より短縮化され、短時間に酸素濃度が計
測できるようになる。そして所定時間（II）、この場合
は１４分となるとセンサ特性が安定するため、制御信号
発生器８が電流検出手段７で検出された電流を読み取
り、制御信号として活用できる様になる。

【００１８】なお、参考のために常用電圧値（１、０
Ｖ）で作動させる従来の作動装置での特性も一緒に評価
した。従来の作動装置の場合、３０分経つとセンサ特性
が安定し、本発明は従来例に比べて短いことがわかる。

【００１９】また、耐久性や応答性確保であるが、本発
明は電極膜に印加する電圧値も加熱電圧源の電力値も従
来例と同じであるため、耐久性や応答性の低下が発生せ
ず高い信頼性を確保できる。

【００２０】＜実験２＞大気中と燃焼排ガス中の複合環
境において作動試験をした結果を図５に示す。試験は、
最初は室温・大気中（酸素濃度２0.４％）の環境下でセ
ンサを作動させ、センサ特性が安定して得られない段階
下４.5分後に燃焼を開始させ、燃焼とともに排ガス（酸
素濃度８.1％、炭酸ガス８.8％、水分８.0％、排気温度
約２００℃）にセンサが曝されるモードである。なお、
電流検出手段７として１０００Ωの抵抗を用いその両端
の電圧を測定してセンサ出力としている。

【００２１】まず、加熱電圧源９を作動させリード線
（記載せず）を介して加熱部５に所定の電力１0.０Ｖを
印加し、加熱部５を介して固体電解質板２を約４５０℃
に加熱する。一方、加熱電圧源９の作動と同時に、電圧
変更手段１０および素子駆動用電圧源６を作動させ、素
子駆動用電圧源６が印加する電圧値を１、４Ｖで作動を
させ電極膜１ａ・１ｂに電圧を印加する。そして制御信
号読み取り器８の時間計測機能を作動させる。すると、
加熱体５により固体電解質体２が加熱されて酸素ポンピ
ング作用が働き、酸素分子が酸素イオンとして固体電解
質体２を通過するが、酸素拡散通路３により酸素分子の
移動が徐々に制限されるため、酸素イオンの通過が制限
されそれに伴い発生電流が徐々に低下する。

【００２２】そして４.5分経つと燃焼が開始し、燃焼と
ともに低酸素濃度の排ガスにセンサは曝されるため、セ
ンサの発生電流が低下する。一方、燃焼が開始すると電
圧変更手段１０は燃焼開始の信号をもらい、時間計測機
能を作動させる。そして所定時間（Ｉ）、この場合は燃
焼開始後２分になると電圧変更手段１０が作動し、素子
駆動用電圧源が印加する電圧値を急激に常用電圧値
（１、０Ｖ）まで低下させる。すると酸素拡散通路３に
よる酸素分子の移動制限作用が急激に安定するため、セ
ンサ安定時間は、使用初期より常用電圧のままで作動さ
せた場合より短縮化され、短時間に酸素濃度が計測でき
にようになる。そして所定時間（II）、この場合は１０
分となるとセンサ特性が安定するため、制御信号読み取
り器８が電流検出手段７で検出された電流を読み取り、
制御信号として活用できる様になる。

【００２３】なお、参考のために常用電圧値（１、０
Ｖ）で作動させる従来の作動装置での特性も一緒に評価
した。従来の作動装置の場合、１６分経つとセンサ特性
が安定し、本発明は従来例に比べて短いことがわかる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように本発明は上記の構成によ
り、使用初期は素子駆動用電圧源が印加する電圧値を常
用電圧値より高い電圧値で作動させ、センサの限界電流
が安定して得られる所定時間（II）より短い時間である
所定時間（Ｉ）後に急激に常用電圧値まで低下させてい
るので、センサ安定時間は、使用初期より常用電圧のま
まで作動させた従来の場合より大幅に短縮化され、短時
間に酸素濃度が計測できるようになる。そのため、加熱
体の消費電力値も、電極膜に印加する印加電圧値も耐久
性や応答性確保の観点で可能な限り高くでき、耐久性や
応答性の低下が発生せず高い信頼性を確保できる。ま
た、所定時間（Ｉ）になったら素子駆動用電圧値が急激
に低下し、さらに所定時間（II）になったら検出電流を
制御信号として活用するという簡単な装置構成であるた
め、製造し易くまた故障しにくい利点も生じる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である限界電流式酸素セ
ンサの作動装置の構成図

【図２】本発明の限界電流式酸素センサの作動装置の作
動流れ状態を表わす流れ図

【図３】本発明に用いる限界電流式酸素センサのセンサ
素子の分解斜視図

【図４】本発明の特性図

【図５】本発明の他の例の特性図

【図６】従来の限界電流式酸素センサの作動装置の構成
図

【符号の説明】

１ａ・１ｂ 電極膜 ２ 酸素イオン伝導性固体電解質体 ３ 酸素拡散通路 ４ 拡散律速体 ５ 加熱体 ６ 素子駆動用電圧源 ７ 電流検出手段 ８ 制御信号読み取り器 ９ 加熱電圧源 １０ 電圧変更手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対となる電極膜が両面に形成された酸素イ
   オン伝導性固体電解質体と、前記固体電解質体の片側に
   位置し前記電極膜の片側を囲むように配置されかつ流入
   する酸素分子の移動を制限する酸素拡散通路を有する拡
   散律速体と、前記拡散律速体または前記固体電解質体に
   併設された加熱体とからなるセンサ素子と、前記センサ
   素子の電極膜に直列に素子駆動用電圧源と電流検出手段
   とを接続して閉回路を構成し、さらに前記センサ素子の
   加熱体に電圧を印加する加熱電圧源とを設けた限界電流
   式酸素センサの作動装置において、使用初期は前記素子
   駆動用電圧源が印加する電圧値を常用電圧値より高い電
   圧値で作動させ所定時間（Ｉ）後に急激に常用電圧値ま
   で低下させる電圧変更手段を設け、さらに前記所定時間
   （Ｉ）後でセンサ特性が安定した所定時間（II）に前記
   電流検出手段からの検出電流を読み取り制御信号として
   活用する制御信号読み取り器を設けた限界電流式酸素セ
   ンサの作動装置。