JP2001021533A - 固体電解質型ガスセンサー - Google Patents
固体電解質型ガスセンサーInfo
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- JP2001021533A JP2001021533A JP11191339A JP19133999A JP2001021533A JP 2001021533 A JP2001021533 A JP 2001021533A JP 11191339 A JP11191339 A JP 11191339A JP 19133999 A JP19133999 A JP 19133999A JP 2001021533 A JP2001021533 A JP 2001021533A
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- Japan
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- gas sensor
- electromotive force
- sensor element
- solid electrolyte
- electrode
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Abstract
(57)【要約】
【課題】固体電解質型ガスセンサ−を構成するガスセン
サー素子を均一に加熱することにより、起電力値のバラ
ツキを少なくし、ＣＯ2 、ＮＯｘ，ＳＯｘ等のガス濃度
を精度良く検出できる固体電解質型ガスセンサーを提供
する。 【解決手段】 固体電解質１の片面に検知極２を他面に
基準極３を積層配置してなるガスセンサー素子におい
て、前記検知極２と基準極３の外側にヒータ６を配置し
てなることを特徴とする固体電解質型ガスセンサ−。
サー素子を均一に加熱することにより、起電力値のバラ
ツキを少なくし、ＣＯ2 、ＮＯｘ，ＳＯｘ等のガス濃度
を精度良く検出できる固体電解質型ガスセンサーを提供
する。 【解決手段】 固体電解質１の片面に検知極２を他面に
基準極３を積層配置してなるガスセンサー素子におい
て、前記検知極２と基準極３の外側にヒータ６を配置し
てなることを特徴とする固体電解質型ガスセンサ−。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、検知極、基準極を有す
る固体電解質型ガスセンサ−に関するものであり、更に
詳細には、固体電解質型ガスセンサ−を構成するガスセ
ンサー素子を均一に加熱することにより、起電力値のバ
ラツキを少なくし、ＣＯ2 、ＮＯｘ，ＳＯｘ等のガス濃
度を精度良く検出できる固体電解質型ガスセンサーに関
するものである。
る固体電解質型ガスセンサ−に関するものであり、更に
詳細には、固体電解質型ガスセンサ−を構成するガスセ
ンサー素子を均一に加熱することにより、起電力値のバ
ラツキを少なくし、ＣＯ2 、ＮＯｘ，ＳＯｘ等のガス濃
度を精度良く検出できる固体電解質型ガスセンサーに関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体電解質型ガスセンサーの一つである
ＣＯ2 ガスセンサーは，大気中のＣＯ 2 濃度の測定，居
住空間，ビル等空調システム，さらに，農工業プロセ
ス，医療関係など多岐の分野等で利用できるものであ
り、地球温暖化問題との関連で大気中のＣＯ2 ガス濃度
を連続的に且つ精度良く検出できるＣＯ2 ガスセンサー
の開発が盛んになってきている。
ＣＯ2 ガスセンサーは，大気中のＣＯ 2 濃度の測定，居
住空間，ビル等空調システム，さらに，農工業プロセ
ス，医療関係など多岐の分野等で利用できるものであ
り、地球温暖化問題との関連で大気中のＣＯ2 ガス濃度
を連続的に且つ精度良く検出できるＣＯ2 ガスセンサー
の開発が盛んになってきている。
【０００３】こうした中、最近、小型化，低コスト化と
保守の容易化，移動可能を図るために，固体電解質を用
いてＣＯ2 ガス濃度を検出する種々の固体電解質型ＣＯ
2 ガスセンサーが提案されている（たとえば特開平９−
１４５６７２号公報など）。この固体電解質ガスセンサ
ーを構成するセンサー素子（以下ガスセンサー素子）は
被検ガスを反応物質とする固体電池を作り、その電池の
起電力からガス濃度を測定する構成となっている。
保守の容易化，移動可能を図るために，固体電解質を用
いてＣＯ2 ガス濃度を検出する種々の固体電解質型ＣＯ
2 ガスセンサーが提案されている（たとえば特開平９−
１４５６７２号公報など）。この固体電解質ガスセンサ
ーを構成するセンサー素子（以下ガスセンサー素子）は
被検ガスを反応物質とする固体電池を作り、その電池の
起電力からガス濃度を測定する構成となっている。
【０００４】ところで、上記のような構成からなるガス
センサー素子を良好に動作させるためにはガスセンサー
素子を数百°Ｃに加熱しておく必要がある。たとえばア
ルカリ金属イオン導電体をベースにした炭酸ガスセンサ
ーの動作温度は４００°Ｃ〜５００°Ｃである。また、
このガスセンサー素子の起電力ＥＭＦは式１に示すよう
なネルンストの式によって表されるが、式１からも明ら
かなように、この起電力は動作温度の関数でもある。ガ
スセンサー素子の起電力値をネルンストの式で計算する
ためには、ガスセンサー素子全体が均一な動作温度にな
っていることが条件であり、そのためガスセンサー素子
全体を均一に加熱することが求められる。
センサー素子を良好に動作させるためにはガスセンサー
素子を数百°Ｃに加熱しておく必要がある。たとえばア
ルカリ金属イオン導電体をベースにした炭酸ガスセンサ
ーの動作温度は４００°Ｃ〜５００°Ｃである。また、
このガスセンサー素子の起電力ＥＭＦは式１に示すよう
なネルンストの式によって表されるが、式１からも明ら
かなように、この起電力は動作温度の関数でもある。ガ
スセンサー素子の起電力値をネルンストの式で計算する
ためには、ガスセンサー素子全体が均一な動作温度にな
っていることが条件であり、そのためガスセンサー素子
全体を均一に加熱することが求められる。
【０００５】 ＥＭＦ＝Ｅ0 ＋ＲＴ／ｎＦ（ｌn Ｐ）（式１） ただし、Ｅ0 ：標準起電力、Ｒ：気体定数、Ｆ：ファラ
デ−定数 ｎ：反応電子数、Ｔ：絶対温度、Ｐ：被検ガス分圧
デ−定数 ｎ：反応電子数、Ｔ：絶対温度、Ｐ：被検ガス分圧
【０００６】しかしながら、特開平９−１４５６７２号
公報に示されているガスセンサー素子等を含む固体電解
質ガスセンサーでは、センサー素子の片面にヒーターを
取り付けて、センサー素子を加熱する方式が一般的であ
るため、実際にガスセンサー素子を製作して動作させて
みると図４の従来技術に示すような起電力のバラツキが
発生する。またセンサー素子の各部の温度を測定すると
パネル型ヒ−タに接触している部分（基準極）とそうで
ない部分（検知極）とで５０°Ｃの温度差が発生してい
た。
公報に示されているガスセンサー素子等を含む固体電解
質ガスセンサーでは、センサー素子の片面にヒーターを
取り付けて、センサー素子を加熱する方式が一般的であ
るため、実際にガスセンサー素子を製作して動作させて
みると図４の従来技術に示すような起電力のバラツキが
発生する。またセンサー素子の各部の温度を測定すると
パネル型ヒ−タに接触している部分（基準極）とそうで
ない部分（検知極）とで５０°Ｃの温度差が発生してい
た。
【０００７】固体電解質ガスセンサーは化学反応を利用
して被検ガスのセンシングを行っており、この化学反応
は温度に対して依存性があることから、上述のガスセン
サー素子の起電力のバラツキは、ガスセンサー素子の基
準極−検知極間に発生する温度差が原因であると考えら
れる。また、特開平９−１４５６７２号公報に示されて
いるガスセンサー素子等は、ヒーターを配置する側とは
反対側の電極側は空間に開放されている構成となってい
るためセンサー素子の置かれた環境の雰囲気によって動
作温度が変化してしまい、基準極と検知極の温度差が一
定せず、幾らセンサー素子の温度を一定に制御していて
も起電力が安定しないという問題も発生する。
して被検ガスのセンシングを行っており、この化学反応
は温度に対して依存性があることから、上述のガスセン
サー素子の起電力のバラツキは、ガスセンサー素子の基
準極−検知極間に発生する温度差が原因であると考えら
れる。また、特開平９−１４５６７２号公報に示されて
いるガスセンサー素子等は、ヒーターを配置する側とは
反対側の電極側は空間に開放されている構成となってい
るためセンサー素子の置かれた環境の雰囲気によって動
作温度が変化してしまい、基準極と検知極の温度差が一
定せず、幾らセンサー素子の温度を一定に制御していて
も起電力が安定しないという問題も発生する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記従来の固体電解質センサーのガスセンサー素子を小型
化しつつ素子全体を均一に加熱してセンサー個々の起電
力のバラツキを少なくし、かつ理論値に近づけることに
より、実用化に耐えうる精度の良い固体電解質型ガスセ
ンサーを提供し、上記問題点を解決することを目的とす
る。本発明は、ガスセンサー素子を２方向からヒ−タで
挟み込んで加熱する構成を採用することによりガスセン
サー素子の加熱による温度差をきわめて小さくすること
ができ、センサー素子の起電力のバラツキを小さくし、
なおかつ起電力値を理論値に近づけることにより精度の
良いセンサー素子を実現することができる。
記従来の固体電解質センサーのガスセンサー素子を小型
化しつつ素子全体を均一に加熱してセンサー個々の起電
力のバラツキを少なくし、かつ理論値に近づけることに
より、実用化に耐えうる精度の良い固体電解質型ガスセ
ンサーを提供し、上記問題点を解決することを目的とす
る。本発明は、ガスセンサー素子を２方向からヒ−タで
挟み込んで加熱する構成を採用することによりガスセン
サー素子の加熱による温度差をきわめて小さくすること
ができ、センサー素子の起電力のバラツキを小さくし、
なおかつ起電力値を理論値に近づけることにより精度の
良いセンサー素子を実現することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】このため、本発明は、固
体電解質の片面に検知極を、他面に基準極を配置してな
るガスセンサー素子において、前記基準極と前記検知極
の両側より加熱することを特徴とする固体電解質型ガス
センサ−であり、前記基準極と前記検知極の両側にヒー
タを配置したことを特徴とする固体電解質型ガスセンサ
−であり、前記基準極と前記検知極とを取り巻くヒータ
を配置したことを特徴とする固体電解質型ガスセンサ−
である。
体電解質の片面に検知極を、他面に基準極を配置してな
るガスセンサー素子において、前記基準極と前記検知極
の両側より加熱することを特徴とする固体電解質型ガス
センサ−であり、前記基準極と前記検知極の両側にヒー
タを配置したことを特徴とする固体電解質型ガスセンサ
−であり、前記基準極と前記検知極とを取り巻くヒータ
を配置したことを特徴とする固体電解質型ガスセンサ−
である。
【００１０】
【実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施の形
態を説明すると、図１は本実施形態に係わるガスセンサ
ー素子の断面構成図、図２はガスセンサー素子を加熱す
るパネル型ヒータの構成説明図である。図１において１
はアルカリ金属イオン導電体からなる固体電解質、２は
アルカリ金属炭酸塩からなる検知極、３はアルカリ金属
複合酸化物からなる基準極、４は検知極、基準極それぞ
れに設けた集電電極、５は集電電極４に取り付けたリー
ド線、６、６は基準極２、検知極３それぞれの外側に配
置したパネル型ヒータ、７、７はパネル型ヒータの加熱
部を構成する発熱パターン、８、８はヒータリード線で
あり、夫々の構成要素は図１に示すように積層して配置
されている。 前述のパネル型ヒータ６は図２に示すよ
うに、アルミナ板６ａ上に発熱パターン７を印刷したも
のであり、発熱パターン７にはヒータリード線８が接続
されている。
態を説明すると、図１は本実施形態に係わるガスセンサ
ー素子の断面構成図、図２はガスセンサー素子を加熱す
るパネル型ヒータの構成説明図である。図１において１
はアルカリ金属イオン導電体からなる固体電解質、２は
アルカリ金属炭酸塩からなる検知極、３はアルカリ金属
複合酸化物からなる基準極、４は検知極、基準極それぞ
れに設けた集電電極、５は集電電極４に取り付けたリー
ド線、６、６は基準極２、検知極３それぞれの外側に配
置したパネル型ヒータ、７、７はパネル型ヒータの加熱
部を構成する発熱パターン、８、８はヒータリード線で
あり、夫々の構成要素は図１に示すように積層して配置
されている。 前述のパネル型ヒータ６は図２に示すよ
うに、アルミナ板６ａ上に発熱パターン７を印刷したも
のであり、発熱パターン７にはヒータリード線８が接続
されている。
【００１１】上記構成からなる固体電解質型ガスセンサ
ーの作動を説明すると、図示状態で固体電解質型ガスセ
ンサーの両面からパネル型ヒータで加熱し、動作させる
と検知極２と基準極３との間に起電力が発生し、集電電
極から取り出した起電力によってガス濃度を測定するこ
とができる。第１実施形態に係る二つのパネル型ヒ−タ
による両側加熱方式を利用したガスセンサー素子を作製
して実際に動作させ、ガスセンサー素子部分の温度を赤
外線サ−モグラフによって測定して結果、検知極と、基
準極との温度差は約５°Ｃであり、両極は非常に均一な
温度となり、両者の間には大きな温度差は生じていなか
った。なお、加熱用ヒ−タは５００°Ｃになるように制
御しており、また使用したガスセンサー素子は加熱方式
以外のパネル型ヒ−タや固体電解質などは従来ガスセン
サー素子と同様の構成としてある。
ーの作動を説明すると、図示状態で固体電解質型ガスセ
ンサーの両面からパネル型ヒータで加熱し、動作させる
と検知極２と基準極３との間に起電力が発生し、集電電
極から取り出した起電力によってガス濃度を測定するこ
とができる。第１実施形態に係る二つのパネル型ヒ−タ
による両側加熱方式を利用したガスセンサー素子を作製
して実際に動作させ、ガスセンサー素子部分の温度を赤
外線サ−モグラフによって測定して結果、検知極と、基
準極との温度差は約５°Ｃであり、両極は非常に均一な
温度となり、両者の間には大きな温度差は生じていなか
った。なお、加熱用ヒ−タは５００°Ｃになるように制
御しており、また使用したガスセンサー素子は加熱方式
以外のパネル型ヒ−タや固体電解質などは従来ガスセン
サー素子と同様の構成としてある。
【００１２】以上のように、両側加熱方式ではガスセン
サー素子部の温度差が５°Ｃ以内であり非常に均一な温
度になっており、動作温度が５００°Ｃなので温度差は
１％以内である。従来型の片側加熱方式はパネル型ヒ−
タにて加熱されている面とそうでない面との温度差は５
０°Ｃにも達しているが、二つのパネル型ヒ−タによる
両側加熱方式では片側加熱方式に比べてセンサー素子部
の温度差を小さくすることができ、センサー素子の起電
力のバラツキを小さくすると同時により理論値に近い起
電力を発生させることができる優れた方法であり、この
技術を用いればガスセンサーの性能を向上させることが
できる。
サー素子部の温度差が５°Ｃ以内であり非常に均一な温
度になっており、動作温度が５００°Ｃなので温度差は
１％以内である。従来型の片側加熱方式はパネル型ヒ−
タにて加熱されている面とそうでない面との温度差は５
０°Ｃにも達しているが、二つのパネル型ヒ−タによる
両側加熱方式では片側加熱方式に比べてセンサー素子部
の温度差を小さくすることができ、センサー素子の起電
力のバラツキを小さくすると同時により理論値に近い起
電力を発生させることができる優れた方法であり、この
技術を用いればガスセンサーの性能を向上させることが
できる。
【００１３】続いて第２本実施形態に係わるガスセンサ
ー素子を説明すると、図３は同実施形態の断面構成図で
ある。図３において１１はアルカリ金属イオン導電体か
らなる固体電解質、１２はアルカリ金属炭酸塩からなる
検知極、１３はアルカリ金属複合酸化物からなる基準
極、１５は起電力取り出し用のリード線、１６は基準極
２、検知極３の外側に配置したヒータ線支持材、１７は
ヒータ線支持材の外周に螺旋状に巻き付けたヒータ線で
あり、夫々の固体電解質１１、検知極１２、基準極１３
からなるセンサー素子１４は図３に示すように積層して
配置されている。また、螺旋状ヒータは図示せぬリード
線に接続され電源に接続されている。
ー素子を説明すると、図３は同実施形態の断面構成図で
ある。図３において１１はアルカリ金属イオン導電体か
らなる固体電解質、１２はアルカリ金属炭酸塩からなる
検知極、１３はアルカリ金属複合酸化物からなる基準
極、１５は起電力取り出し用のリード線、１６は基準極
２、検知極３の外側に配置したヒータ線支持材、１７は
ヒータ線支持材の外周に螺旋状に巻き付けたヒータ線で
あり、夫々の固体電解質１１、検知極１２、基準極１３
からなるセンサー素子１４は図３に示すように積層して
配置されている。また、螺旋状ヒータは図示せぬリード
線に接続され電源に接続されている。
【００１４】第２実施形態は図３に示すように螺旋状ヒ
−タによる加熱方式であり、この方式はセンサー素子を
均一な温度にするために充分な均熱帯を有する螺旋状ヒ
−タを利用してセンサー素子を包み込み加熱すること
で、ガスセンサー素子を均一な温度に加熱することがで
きる。
−タによる加熱方式であり、この方式はセンサー素子を
均一な温度にするために充分な均熱帯を有する螺旋状ヒ
−タを利用してセンサー素子を包み込み加熱すること
で、ガスセンサー素子を均一な温度に加熱することがで
きる。
【００１５】図４に従来の片面加熱によるガスセンサー
素子と本発明に係る両面加熱によるガスセンサー素子と
を比較した実験値を示す。この図からも明かなように、
従来の片面加熱では理論値からのズレは素子Ｎｏ１とＮ
ｏ３との間で２２ｍｖもあるのに対して、両面加熱では
素子Ｎｏ１とＮｏ３との間で５ｍｖに納まっており、セ
ンサー素子を均一な温度に加熱することで、センサー素
子の起電力のバラツキを小さくすると同時により理論値
に近い起電力を発生させることが可能であることが判
る。
素子と本発明に係る両面加熱によるガスセンサー素子と
を比較した実験値を示す。この図からも明かなように、
従来の片面加熱では理論値からのズレは素子Ｎｏ１とＮ
ｏ３との間で２２ｍｖもあるのに対して、両面加熱では
素子Ｎｏ１とＮｏ３との間で５ｍｖに納まっており、セ
ンサー素子を均一な温度に加熱することで、センサー素
子の起電力のバラツキを小さくすると同時により理論値
に近い起電力を発生させることが可能であることが判
る。
【００１６】なお、螺旋型でなく、ヒータを環状として
基準極と検知極をとりまくようにしても同様な効果が得
られる。
基準極と検知極をとりまくようにしても同様な効果が得
られる。
【００１７】
【発明の効果】以上詳述したように，本発明のガスセン
サー素子は、二つのパネル型ヒ−タによる両側加熱方
式、あるいは螺旋状ヒータによる両面加熱方式を採用す
ることで、従来の片側加熱方式に比べてセンサー素子部
の温度差を小さくすることができ、ガスセンサー素子の
起電力のバラツキを小さくすると同時により理論値に近
い起電力を発生させることができる、等の優れた効果を
奏することができる。
サー素子は、二つのパネル型ヒ−タによる両側加熱方
式、あるいは螺旋状ヒータによる両面加熱方式を採用す
ることで、従来の片側加熱方式に比べてセンサー素子部
の温度差を小さくすることができ、ガスセンサー素子の
起電力のバラツキを小さくすると同時により理論値に近
い起電力を発生させることができる、等の優れた効果を
奏することができる。
【図１】第１実施形態のガスセンサー素子の断面図であ
る。
る。
【図２】図１中のパネル型ヒータの説明図である。
【図３】第２実施形態のガスセンサー素子の断面図であ
る。
る。
【図４】従来の片面加熱によるガスセンサー素子と本発
明に係る両面加熱によるガスセンサー素子とを比較した
実験値である。
明に係る両面加熱によるガスセンサー素子とを比較した
実験値である。
１ 固体電解質 ２ 検知極 ３ 基準極 ４ 集電電極 ５ リード線 ６ パネル型ヒータ ７ パネル型ヒータの外側に配置した発熱
パターン ８ ヒータリード線
パターン ８ ヒータリード線
Claims (3)
- 【請求項１】固体電解質１の片面に検知極２を、他面に
基準極３を配置してなるガスセンサー素子において、前
記基準極３と前記検知極２の両側より加熱することを特
徴とする固体電解質型ガスセンサ−。 - 【請求項２】前記基準極と前記検知極の両側にヒータを
配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質
型ガスセンサ−。 - 【請求項３】前記基準極と前記検知極とを取り巻くヒー
タを配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体電
解質型ガスセンサ−。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11191339A JP2001021533A (ja) | 1999-07-06 | 1999-07-06 | 固体電解質型ガスセンサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11191339A JP2001021533A (ja) | 1999-07-06 | 1999-07-06 | 固体電解質型ガスセンサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001021533A true JP2001021533A (ja) | 2001-01-26 |
Family
ID=16272928
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11191339A Pending JP2001021533A (ja) | 1999-07-06 | 1999-07-06 | 固体電解質型ガスセンサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001021533A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120004440A (ko) | 2009-04-10 | 2012-01-12 | 코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드 | 광학 필름, 그것을 이용한 편광판 및 액정 표시 장치 |
-
1999
- 1999-07-06 JP JP11191339A patent/JP2001021533A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120004440A (ko) | 2009-04-10 | 2012-01-12 | 코니카 미놀타 옵토 인코포레이티드 | 광학 필름, 그것을 이용한 편광판 및 액정 표시 장치 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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|
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