JP3010753B2 - 限界電流式酸素センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、雰囲気中の酸素濃度を
測定するための限界電流式酸素センサに関し、特にセン
サの劣化有無を自己判断し万が一劣化の場合劣化と判断
して誤測定を防止するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の限界電流式酸素センサの一部破断
構造を図１０に示す。１は酸素イオン伝導性を示す固体
電解質板であり、両面に電極膜２ａ，２ｂ（図示せず）
が形成されている。この固体電解質板１の一方の面に電
極膜２ａを囲み、始端と終端がお互いに間隔を有する螺
旋型スペーサ４が配置され、さらにシール板５がその上
部に配置されている。酸素拡散通路は、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５で囲
まれる螺旋型の空間で形成され、酸素は前記拡散通路を
経由して電極膜２ａへ拡散する。シール板５には加熱部
６が形成されており、固体電解質板１を加熱して酸素イ
オンの伝導を良くしている。

【０００３】動作について説明する。上記構成におい
て、リード線（図示せず）を介して加熱部６に所定の電
力を印加し、加熱部６を介して固体電解質板１を所定温
度に加熱する。一方、同様にリード線（図示せず）を介
して固体電解質板１（この場合は両面に形成した電極膜
２ａ，２ｂ（図示せず））にも所定の電圧を印加する。
すると、空気中の酸素は、酸素拡散通路を経由して電極
膜２ａまで流入し、さらにカソード側電極膜２ａからア
ノード電極膜２ｂ（図示せず）に向かって酸素イオンと
なって移動し、そしてアノード電極膜２ｂ（図示せず）
で再び酸素となって放出される。この酸素ポンプ作用に
よって固体電解質板１を酸素が移動しそれにともない電
流が発生するが、酸素拡散通路によって酸素分子の流入
が制限されるため、酸素濃度に応じた飽和電流（限界電
流と称す）が生じる。この限界電流値を測定することに
より酸素濃度が判明する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
限界電流式酸素センサの構造では、センサを長期使用し
て万が一異常（例えば、拡散孔の目詰まりや漏れ等）が
発生してもその異常は検出できない。そのため真の酸素
濃度の測定が出来ず誤測定となる。

【０００５】本発明は、かかる従来の問題点を解消する
もので、センサの異常有無を自己診断し万が一異状の場
合異常と判断して誤測定を防止するものである。

【０００６】

【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は、対となる電極膜
が両面に複数対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を個
々に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複数個の拡散律速体とか
らなり、前記電極膜面積もしくは前記酸素拡散通路の長
さと断面積をそれぞれ異ならせて限界電流が示し始める
臨界電圧値をそれぞれ異ならせたセンサ素子と、前記複
数対の電極膜に所定電圧を印加する印加電圧発生手段
と、前記印加電圧発生手段により前記複数対の電極膜か
ら得られる各々の電流を検出する複数個の検出手段と、
前記検出手段から得られる各電流値の比率を比較する比
較手段と、前記各電流値の比率値がセンサ素子使用の初
期値より大きく異なる場合異常と判断する判断手段とい
う構成を備えたものである。

【０００７】

【作用】本発明は、上記の構成により拡散孔の目詰まり
や漏れ等の異状が発生した場合複数対の電極膜から得ら
れる各電流値の比率は、センサ使い始めの初期値と大き
く異なる値となり、このセンサ使い始めの初期値とセン
サ使用中の値を比較することによりセンサ異常の有無が
自己診断でき、万が一異状の場合異常と判断して、誤測
定を防止できる。このことを詳細に説明すると次の様に
なる。 （１）拡散通路の目詰まりの場合、目詰まりが１個の酸
素拡散通路側で発生するとその電流値が低下するが、他
の酸素拡散通路側の電流値は変化しない。そのため各電
流値比率が初期値より大きく異なることとなりセンサ異
常が検出できる。 （２）クラック発生による拡散律速体のシール劣化であ
るが、クラック発生が１個の拡散律速体側で発生すると
その電流値が増加するが、他の拡散律速体側での電流値
は変化しない。そのため、各電流値の比率が初期値より
大きく異なることとなりセンサの異常が検出できる。 （３）電極膜や固体電解質板の劣化であるが、劣化によ
り絶縁抵抗が素子に生成すると固体電解質板の酸素イオ
ン伝導度が低下する。そのため高臨界電圧値で限界電流
を示し始める側は、固体電解質板の排出できる酸素量の
酸素拡散通路を通過する酸素量に対する割合が初期より
少なくなり、電流値は限界電流値を示さず使用初期値よ
り小さくなる。その点、低臨界電圧で限界電流を示し始
める側は、絶縁抵抗が素子に生成しても固体電解質板の
排出できる酸素量が酸素拡散通路を通過する酸素量より
圧倒的に大きく、電流値は一定値を示す限界電流値のま
まで変化しない。したがって、電極膜や固体電解質板が
劣化すると各電流値の比率が初期値より大きく異なるこ
ととなりセンサの異常が検出できる。つまり、複数個の
拡散律速体が同時にしかも同じ割合だけその特性が変化
することは希有であることを活用し、１個の素子に複数
個の酸素感受体を形成しその比率を比較することで自己
診断が実現できる訳である。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【０００９】図１は、本発明の１実施例である限界電流
式酸素センサの素子の組み立て図である。１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２ａと２
ｂ、３ａと３ｂが両面に２個対で形成されている。この
固体電解質板１の片側上部に２個のカソード側電極膜２
ａおよび３ａ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２個の螺旋型スペーサ４’および
４”が配置されている。そして螺旋型スペーサ４’およ
び４”の上部にシール板５が配置され、さらにシール板
５の上部に加熱部６が配置されセンサ素子を構成してい
る。なお、拡散律速体は、螺旋型スペーサ４’および
４”とシール板５とからなり、酸素拡散通路が螺旋型ス
ペーサ４’もしくは４”の相対向する隔壁と固体電解質
板１とシール板５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２ａも
しくは３ａへ拡散する。一方、電極膜２ａと３ａの面積
（または電極膜２ｂと３ｂの面積）をお互いに異ならす
方法、または螺旋型スペーサ４’と４”の長さと断面積
の比率を各々変化させる方法、の何れかの方法を用いて
限界電流を示し始める臨界電圧値を各々ごとに変化させ
ている。

【００１０】図２は、本発明の１実施例である限界電流
式酸素センサの概略回路構成図である。素子に形成した
対となる電極膜２ａ，２ｂおよび対となる電極膜３ａ，
３ｂに所定電圧を印加する印加電圧発生手段７と、印加
電圧発生手段７により電極膜２ａ，２ｂおよび３ａ，３
ｂから得られる各々の電流を検出する電流検出手段８’
および電流検出手段８”、２個の電流検出手段から得ら
れる各電流値の比率を比較する電流比比較手段９と、前
記比率がセンサ素子使用の初期値より大きく異なる場合
異常と判断する電流比判断手段１０とからなる。

【００１１】一方、加熱部６は電力発生手段１１により
所定電力が印加され、この電力発生手段１１には発生電
圧を検出する電圧検出手段１２もしくは発生電流を検出
する電流検出手段１３、さらに前記発生電圧もしくは発
生電流がセンサ素子使用の初期値より大きく異なる場合
異常と判断する判断手段１４が併設されている。

【００１２】次に具体例にもとづいて説明する。図１の
限界電流式酸素センサにおいて固体電解質板１としてＺ
ｒＯ₂ ・Ｙ₂ Ｏ₃ （Ｙ₂ Ｏ₃ ８ｍｏｌ％添加）、電極膜
２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂとして白金、螺旋型スペー
サ４’および４”として硝子（熱膨脹係数はＺｒＯ₂ ・
Ｙ₂ Ｏ₃ 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５としてフォルステライト、加熱部
６として白金ヒータを用いた。製法について説明する。
まず、電極膜２ａ，２ｂおよび３ａ，３ｂを固体電解質
板１のうえに、さらに螺旋型スペーサ４’および４”を
固体電解質板１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５のうえに加熱部６
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１上の螺旋型スペーサ４’，４”と
シール板５とを積層し加熱溶融することで酸素拡散通路
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。完成品素子の寸法は１０×１０×０.9mmで
ある。なお、この完成品素子は、評価用装置を構成する
プラスチックス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、断熱性充填材で外包しさらにこの断熱
性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（φ２４×１７m
m）を用いてその特性を検定した。

【００１３】（実験１−１）螺旋型スペーサ４’で形成
される酸素拡散通路を断面積が０.4×０.0３mm² で長さ
１０mmとしたセンサＩ（電極面積１１mm² ）と、螺旋型
スペーサ４”で形成される酸素拡散通路を断面積が０.6
×０.0３mm² で長さ８mmとしたセンサII（電極面積１１
mm² ）を固体電解質板１とシール板５の間に形成した素
子を試作した。この酸素拡散通路の寸法を変化させた素
子を酸素センサ評価用装置に内包し、印加電圧と発生電
流の相関を測定した。この結果を図３に示す。限界電流
を示し始める臨界電圧値は、センサＩは０.8Ｖであるの
に対し、センサIIは１.4Ｖであり、それぞれ異なってい
る。

【００１４】この酸素拡散通路の寸法を変化させること
で限界電流を示し始める臨界電圧値が変化する理由は、
断面積／長さの比が大きいと酸素拡散通路を通過する酸
素量が大きくなり、酸素拡散通路を通過する酸素量の固
体電解質板の排出できる酸素量に対する割合が大きくな
り、限界電流値が大きくなって高臨界電圧値で限界電流
を示し始める。一方、断面積／長さの比が小さいと酸素
拡散通路を通過する酸素量が小さくなり、酸素拡散通路
を通過する酸素量の固体電解質板の排出できる酸素量に
対する割合が小さくなり、限界電流値が小さくなって低
臨界電圧値で限界電流を示し始める。

【００１５】（実験１−２）前述のセンサＩおよびセン
サIIについて酸素濃度と発生電流の相関を測定したこの
結果を図４に示す。発生電流は酸素濃度に対して直線関
係にあることがわかる。

【００１６】一方、センサＩおよびセンサIIについてそ
の発生電流の比率（センサII電流／センサＩ電流）を算
出し、酸素濃度との相関を表わした結果を図５に示す。
発生電流の比率は酸素濃度にかかわらずほぼ一定である
ことがわかる。

【００１７】（実験１−３）前述のセンサＩおよびセン
サIIにおいて、センサＩの酸素拡散通路の入口部分を半
分ほど閉塞してセンサＩの酸素拡散通路を目詰まりさせ
た。このセンサについて発生電流を測定した結果を（表
１）に示す。

【００１８】センサＩの酸素拡散通路目詰まりにより発
生電流の比率が使用初期値より変化しセンサ異常が検出
できる。

【００１９】

【表１】

【００２０】（実験１−４）前述のセンサＩおよびセン
サIIに対してヒートショックを与え、センサＩおよびセ
ンサIIの酸素拡散通路のシール度合を劣化させた。この
センサについて発生電流を測定した結果を（表２）に示
す。

【００２１】

【表２】

【００２２】センサの酸素拡散通路のシール度合劣化に
より発生電流の比率が劣化前より変化しセンサ異常が検
出できる。

【００２３】（実験１−５）前述のセンサＩおよびセン
サIIについて２０００時間の耐久試験を実施した。この
センサについて発生電流を測定した結果を（表３）に示
す。

【００２４】

【表３】

【００２５】耐久試験を実施したセンサの発生電流は、
センサＩは試験前後は同一であるのに対し、センサIIは
耐久試験後は耐久試験前より減少している。

【００２６】この理由は、センサＩは耐久試験前におい
ては限界電流を示し始める臨界電圧値が０.8Ｖであるの
で、耐久試験を実施しても試験印加電圧１.4０Ｖでは充
分に限界電流を示したままでありその発生電流は変化し
ない。しかし、センサIIは耐久試験前においては限界電
流を示し始める臨界電圧値が１.4Ｖであり、耐久試験を
実施したら試験印加電圧１.4０Ｖではその発生電流をイ
オン電流へ変化していた。そのため、センサIIの発生電
流は一定値をしめす限界電流領域より外れ、値の小さい
イオン電流となる訳である。

【００２７】このことより発生電流の比率は、耐久試験
後は耐久試験前より減少してセンサ異常が検出できる。

【００２８】（実験２）螺旋型スペーサ４’で形成され
る酸素拡散通路を断面積０.6×０.0３mm² ・長さ１２mm
としたセンサIII （電極面積９mm² ）と、螺旋型スペー
サ４”で形成される酸素拡散通路を断面積０.6×０.0３
mm² ・長さ１２mmとしたセンサIV（電極面積１３mm² ）
を固体電解質板１とシール板５の間に形成した素子を試
作した。この電極面積を変化させた素子を酸素センサ評
価用装置に内包し、印加電圧と発生電流の相関を測定し
た。この結果を図３に示す。

【００２９】限界電流を示し始める臨界電圧値は、セン
サIII は１.4Ｖであるのに対し、センサIVは１.2Ｖであ
り、それぞれ異なっている。

【００３０】この素子の発生電流の比率（センサIV電流
／センサIII電流）は、酸素濃度にかかわらずほぼ一定
の０.7８４であり、前回同様に目詰まり試験や酸素拡散
通路のシール劣化試験、さらに２０００時間耐久試験を
実施したところ、発生電流の比率が試験前後で劣化し、
センサ異常が検出できた。特に、電極面積を変化させる
ことで限界電流を示し始める臨界電圧値が、センサIII
とセンサIVがそれぞれ異なっていることは、耐久試験を
実施しても充分に限界電流を示したままでありその発生
電流は変化しないセンサIVと、耐久試験を実施したらそ
の発生電流はイオン電流へ変化しそのため発生電流は値
の小さいイオン電流となるセンサIII とに区別できる利
点がある。

【００３１】この電極面積を変化させることで限界電流
を示し始める臨界電圧値が変化する理由は、電極面積が
小さいと固体電解質板の排出できる酸素量が少なくな
り、酸素拡散通路を通過する酸素量の固体電解質板の排
出できる酸素量に対する割合が大きくなり、限界電流値
が大きくなって高臨界電圧値で限界電流を示し始めるた
めである。一方、電極面積が大きいと固体電解質板の排
出できる酸素量が大きくなり、酸素拡散通路を通過する
酸素量の固体電解質板の排出できる酸素量に対する割合
が小さくなり、限界電流値が小さくなって低臨界電圧値
で限界電流を示し始める。

【００３２】（実験３）センサは、加熱体に印加する電
力が減少すると発生電流が減少し誤測定となる。その防
止のため、前記印加電圧もしくは発生電流がセンサ素子
使用の初期値より大きく異なる場合異常と判断する判断
手段を設けた。前述のセンサＩおよびセンサIIについて
加熱体印加電力を変化させた場合の発生電流を測定した
結果を（表４）に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】センサ素子の発生電流は加熱体印加電力の
０．７５乗に比例して変化するが、印加電圧もしくは発
生電流がセンサ素子使用値より大きく異なる場合異常と
判断する判断手段を設けることにより、発生電流の変化
による誤測定が防止できることがわかる。

【００３５】図７は、本発明の他実施例である限界電流
式酸素センサの素子の組み立て図である。図７において
前記図１の素子実施例と相違する点は、酸素イオン伝導
性固体電解質体１の拡散律速体（螺旋型スペーサ４’お
よび４”，シール板５）に囲まれない部分に対となる参
照電極膜１５ａ，１５ｂを配置した構成である。

【００３６】図８は、本発明の他実施例である図７の限
界電流式酸素センサの概略回路構成図である。図８にお
いて図２の回路実施例と相違する点は、対となる参照電
極膜１５ａ，１５ｂに所定電圧を印加する電圧発生手段
１６と、前記印加電圧発生手段１６における発生電流を
検出する電流検出手段１７と、前記発生電流の値がセン
サ素子使用の初期値より大きく異なる場合異常と判断す
る参照電極電流判断手段１８を併設した配置した構成で
ある。

【００３７】（実験４）参照電極膜の電極面積９mm² に
ついて加熱体印加電力を変化させた場合の発生電流を測
定した結果を図９に示す。

【００３８】発生電流は、加熱体の温度の関数であるた
め加熱体印加電力を一定にした場合酸素濃度にかかわら
ず概ね一定であり、発生電流の値がセンサ素子使用の初
期値より大きく異なる場合加熱体への印加電力が異常と
判断できることがわかる。

【００３９】本発明では拡散律速体として、螺旋型スペ
ーサとシール板の構成をその実施例で掲げているが、他
の構成（例えば、ピンホール型拡散律速体、多孔質型拡
散律速体）でも同様に効果が有った。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明の限界電流式酸素セ
ンサによれば、次の効果が得られる。 （１）酸素イオン伝導性固体電解質体に複数対の電極膜
とこの電極膜の片側を囲む複数個の拡散律速体を配置
し、複数対の電極膜から得られる各々の電流値の比率を
比較する構成としたので、この電流値の比率がセンサ素
子使用の初期値より大きく異なる場合、素子の異常（目
詰まりもしくは拡散律速体シール劣化）と判断できると
いう効果が得られる。 （２）電極膜面積もしくは前記拡散律速体の酸素拡散通
路の長さと断面積をそれぞれ異ならせて限界電流が示し
始める臨界電圧値をそれぞれ異ならせたセンサ素子構成
としているので、素子の異常（耐久性に絡む発生電流の
低下）が、電流値の比率がセンサ素子使用の初期値より
大きく異なることで検出できる。 （３）上記構成によりセンサの自己判断ができ、万が一
異状の場合異常と判断して誤測定を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例である限界電流式酸素センサ
の素子組み立て斜視図

【図２】同限界電流式酸素センサの概略回路構成図

【図３】同限界電流式酸素センサの印加電圧と発生電流
の相関を示す図

【図４】同限界電流式酸素センサの酸素濃度と発生電流
の相関を示す図

【図５】同限界電流式酸素センサの酸素濃度と発生電流
比の相関を示す図

【図６】本発明の他実施例である限界電流式酸素センサ
の印加電圧と発生電流の相関を示す図

【図７】同限界電流式酸素センサの素子組み立て斜視図

【図８】同限界電流式酸素センサの概略回路構成図

【図９】同限界電流式酸素センサの参照電極の酸素濃度
電圧と発生電流の相関を示す図

【図１０】従来の限界電流式酸素センサの素子構成図

【符号の説明】

１ 酸素イオン伝導性固体電解質体 ２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ 電極膜 ４’，４” 螺旋型スペーサ ５ シール板 ６ 加熱体 ７ａ，７ｂ 参照電極膜

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対となる電極膜が両面に複数対形成された
   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を個々に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
   する複数個の拡散律速体とからなり、前記電極膜面積も
   しくは前記酸素拡散通路の長さと断面積をそれぞれ異な
   らせて限界電流が示し始める臨界電圧値をそれぞれ異な
   らせたセンサ素子と、前記複数対の電極膜に所定電圧を
   印加する印加電圧発生手段と、前記印加電圧発生手段に
   より前記複数対の電極膜から得られる各々の電流を検出
   する複数個の検出手段と、前記検出手段から得られる各
   電流値の比率を比較する比較手段と、前記各電流値の比
   率値がセンサ素子使用の初期値より大きく異なる場合異
   常と判断する判断手段とを有する限界電流式酸素セン
   サ。
2. 【請求項２】拡散律速体が、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と、前記螺旋
   型スペーサの上部に配置されたシール板とから構成され
   る請求項１記載の限界電流式酸素センサ。
3. 【請求項３】センサ素子に近接して配置し酸素イオン伝
   導性固体電解質体を加熱する加熱体と、前記加熱体に所
   定電力を印加する電力発生手段と、前記電力発生手段に
   おける印加電圧もしくは発生電流を検出する検出手段
   と、前記印加電圧もしくは発生電圧の値がセンサ素子使
   用の初期値より大きく異なる場合異常と判断する判断手
   段とを具備した請求項１記載の限界電流式酸素センサ。
4. 【請求項４】拡散律速体に囲まれない部分に配置され酸
   素イオン伝導性固体電解質体の両面に位置した対となる
   参照電極膜と、前記対となる参照電極膜に所定電圧を印
   加する電圧発生手段と、前記印加電圧発生手段における
   発生電流を検出する検出手段と、前記発生電流の値がセ
   ンサ素子使用の初期値より大きく異なる場合異常と判断
   する判断手段とを具備した請求項１記載の限界電流式酸
   素センサ。