JP3031248B2 - 限界電流式酸素センサの自己診断装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】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
センサ使用時の劣化の有無を自己診断し、万が一の劣化
の場合は警報を発して誤使用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および作動
装置は、特開平６−２５８２７８号公報に記載されてい
るようなものが一般的である。一般的な限界電流式酸素
センサおよび作動装置の構成を図９に示す。限界電流式
酸素センサ１の酸素イオン導電性固体電解質体２の両面
には、カソード電極３とアノード電極４が各々１個づつ
形成されている。そして、この固体電解質体２のカソー
ド電極３側には、流入する酸素分子を制限するための小
孔（以下、酸素拡散通路と称する）５を内部に有する酸
素拡散制限体６が配置されている。さらに、酸素拡散制
限体６には加熱体（記載せず）が形成されており、固体
電解質体２を加熱して酸素イオンの導電性を良くしてい
る。

【０００３】一方、カソード電極３とアノード電極４に
は、電圧を印加する１個の直流電源部７と発生電流を検
出する総電流検出部８が直列に接続され閉回路を構成し
ている。

【０００４】センサの動作について説明する。まず固体
電解質体２の加熱と、直流電源部７によるカソード電極
３とアノード電極４への電圧印加が行われる。すると、
空気中の酸素が、酸素拡散通路５を経由して流入し、さ
らにカソード電極３から固体電解質板２そしてアノード
電極４と酸素イオンとして移動する。この酸素ポンプ作
用によって固体電解質体２を酸素が移動するが、酸素拡
散通路５によって酸素分子の流入が制限されるため、酸
素濃度に対応した電流値が生じる。この電流値を総電流
検出部８で検出することにより酸素濃度が判明する。こ
の酸素濃度に対応した電流値は、電極に印加する電圧値
が変化しても一定値を示して変化せず、電圧値を変化さ
せても電流値が一定値を示すことで、酸素濃度に比例し
た電流値が得られると判断している。そして、酸素濃度
とそれに対応した電流値の関係を予め測定して関係式を
作成しており、以後は測定した電流値を関係式と対比さ
せ、そこから酸素濃度を算出している。

【０００５】そのため、このセンサの動作原理をもとに
正常か劣化の自己診断を、電圧値を変化させて電流値が
一定値を示すか否かで判断する提案が時々ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】限界電流式酸素センサ
はその原理より、電圧値を変化させても電流値が変化し
ない特性が得られる時の電流値が酸素濃度に比例する。
センサが劣化してこの特性が得られなくなり、電圧値の
変化に伴い電流値も変化する特性に変化すると、その電
流値は酸素濃度に対応した電流値でなくこの場合は酸素
濃度の測定ができなくなる。

【０００７】そこでセンサが正常かの自己診断を行うた
めに、電圧値を変化させても電流値が変化しない特性が
得られるかの検定が必要である。従来の限界電流式酸素
センサおよびその作動装置は、１個の直流電源部を使用
して同一電圧を常時印加するため、電圧値を変化させて
も電流値が変化しない特性が得られるかの検定ができな
い。従って測定した電流値が、電圧値を変化させても電
流値が変化しない特性を示す酸素濃度対応の電流値か、
そうでない劣化が原因の電流値かは不明である。例え
ば、電流値が小さい値となった場合、酸素濃度が減少し
たための電流値減少かもしくはセンサ劣化のための電流
値減少かその原因の区別ができず、どちらかの原因によ
る電流値減少としか処理できない課題を有していた。

【０００８】また、酸素濃度に対応した電流値が得られ
ない劣化品を識別するには、最低でも２点の測定電圧値
を必要とする。そのため、従来の限界電流式酸素センサ
およびその作動装置は、センサ劣化品を識別するには、
印加電圧値が異なる２種類の直流電源が必要という課題
を有していた。さらに、動作電圧値と異なる印加電圧値
でセンサ劣化を識別している時間中は、センサの動作を
一時的に停止するため、酸素濃度の測定ができない課題
を有していた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解消
するために、アノード電極を面積の大なる主アノード電
極と面積の小なる補助アノード電極に２分割し、２個の
アノード電極とカソード電極との間の総電流値で酸素濃
度の検出を行い、補助アノード電極とカソード電極との
間の補助電流値でセンサ劣化を識別したものである。

【００１０】上記発明によれば、補助アノード電極の面
積は２個のアノード電極の合計面積より小さい。そのた
め、電圧値の変化に伴い電流値も変化する特性領域の電
流値（以下、イオン電流と称す）を比較すると、補助電
流値（イオン電流）は総電流値（イオン電流）より小さ
い値を示す。一方、電圧値が変化しても電流値は一定で
変化しない特性領域の電流（以下、限界電流と称す）を
比較すると、その面積の関係により補助電流値（限界電
流）は総電流値（限界電流）より小さい値を示し、しか
も総電流値の限界電流は低電圧から得られるのに対し補
助電流値の限界電流は高電圧から得られる。それゆえセ
ンサが正常に動作する使用初期は、動作電圧値における
総電流値は限界電流となって酸素濃度の測定ができ、補
助電流値はイオン電流となって大きな電流が得られる。
ところがセンサが劣化すると、総電流値は限界電流が得
られなくなってその値が低下して酸素濃度の測定ができ
なくなり、これにともない補助電流値も小さな電流が得
られる。従って、設定値を設け補助電流値が設定値より
大きいか小さいかを比較することで、センサが正常か劣
化かの自己診断が簡単にできる。しかも、この補助アノ
ード電極は、総電流値を得るためのアノード電極にも活
用しているため、補助アノード電極は２つの機能を持っ
たアノード電極として有効に利用でき、自己診断が１種
類の直流電源を用いてできる。そして、自己診断は、セ
ンサの動作を停止することなく酸素濃度を常時測定しな
がら行っているため、自己診断のためセンサを停止させ
る必要がなく、しかも得られる酸素濃度の信憑性が高
い。また、全アノード電極の面積が大きくなり、面積が
大きい分だけ電極劣化に強くなり、アノード電極劣化に
関する耐久信頼性が向上する。さらに、主アノード電極
と補助アノード電極の面積割合とその配置、カソード電
極との面積割合とその配置、酸素拡散通路に対する電極
配置、等を最適化したため補助電流値が最適値になり高
い精度で自己診断ができる。

【００１１】また本発明は上記課題を解消するために、
カソード電極を面積の大なる主カソード電極と面積の小
なる補助カソード電極に２分割し、アノード電極と２個
のカソード電極との間の総電流値で酸素濃度の検出を行
い、補助カソード電極とアノード電極との間の補助電流
値でセンサ劣化を識別したものである。

【００１２】上記発明によれば、補助カソード電極の面
積は２個のカソード電極の合計面積より小さい。そのた
め、イオン電流を比較すると、補助電流値（イオン電
流）は総電流値（イオン電流）より小さい値を示す。一
方、限界電流を比較すると、その面積の関係により補助
電流値（限界電流）は総電流値（限界電流）より小さい
値を示し、しかも総電流値の限界電流が低電圧から得ら
れるのに対し補助電流値の限界電流は高電圧から得られ
る。それゆえセンサが正常に動作する使用初期は、動作
電圧値における総電流値は限界電流となって酸素濃度の
測定ができ、補助電流値はイオン電流となって大きな電
流が得られる。ところがセンサが劣化すると、総電流値
は限界電流が得られなくなってその値が低下して酸素濃
度の測定ができなくなり、これにともない補助電流値も
小さな電流が得られる。従って、設定値を設け補助電流
値が設定値より大きいか小さいかを比較することで、セ
ンサが正常か劣化かの自己診断が簡単にできる。しか
も、この補助カソード電極は、酸素濃度の検出に用いる
総電流値を得るためのカソード電極にも活用しているた
め、補助カソード電極は２つの機能を持ったカソード電
極として有効に利用でき、自己診断が１種類の直流電源
を用いてできる。そして、自己診断は、限界電流式酸素
センサの動作を停止することなく、酸素濃度を常時測定
しながら自己診断しているため、自己診断のためセンサ
を停止させる必要がなく、しかも得られる酸素濃度の信
憑性が高い。また、全カソード電極の面積が大きくな
り、面積が大きい分だけ電極劣化に強くなり、カソード
電極劣化に関する耐久信頼性が向上する。また、主カソ
ード電極と補助カソード電極の面積割合とその配置、ア
ノード電極との面積割合とその配置等を最適化したため
補助電流値が最適値になり高い精度で自己診断ができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明は、面積の大なる主アノー
ド電極と面積の小なる補助アノード電極とカソード電極
とを有する限界電流式酸素センサと、前記各電極に電圧
を印加する直流電源部と、前記２個のアノード電極と前
記カソード電極に前記直流電源部により電圧を印加した
際の総電流値を検出する総電流検出部と、前記補助アノ
ード電極と前記カソード電極に前記直流電源部により電
圧を印加した際の補助電流値を検出する補助電流検出部
と、前記補助電流検出部で得られる補助電流値を予め記
憶させた設定値と比較する比較部と、前記比較部におい
て補助電流値が予め記憶させた設定値以下の場合は警報
を発する警報部とを有するものである。

【００１４】総電流値は、センサが正常の時は酸素濃度
に対してほぼ直線関係で比例するが、センサが劣化する
と値が小さくなり正しい酸素濃度を示す値ではない。一
方、補助電流は、センサが正常の時は大きな電流が得ら
れ、センサが劣化して総電流値が小さくなり酸素濃度の
検出が行えなくなると小さな電流が得られる。そこで設
定値を設け補助電流値が設定値より大きいか小さいかを
比較することで、総電流値が酸素濃度に対応した電流値
（正常）かそうでない電流（劣化）かの自己診断が簡単
にできる。

【００１５】また補助アノード電極の面積を、主アノー
ド電極の面積の０．１３倍以上であり０．９４倍以下で
あるとした。そのため、補助アノード電極が主アノード
電極に対して最適な面積割合となって、補助電流が適正
な電流値となり、精度良く自己診断できる。

【００１６】また、カソード電極の面積を、主アノード
電極および補助アノード電極の合計面積の０．５倍以上
であり２倍以下であるとした。そのため、カソード電極
が、主アノード電極および補助アノード電極の合計面積
に対して最適な面積割合となり、補助電流が適正な電流
値となって精度良く自己診断できる。

【００１７】また、主アノード電極と補助アノード電極
を、酸素拡散通路に対して固体電解質体を介しての対面
において酸素分子の拡散流れにそって配置した。そのた
め、補助電流が適正な電流値となり精度良く自己診断で
きる。

【００１８】また、主アノード電極と補助アノード電極
を、カソード電極に対して固体電解質体を介しての少な
くとも対面に配置した。そのため、補助電流が適正な電
流値となり精度良く自己診断できる。

【００１９】また本発明は、面積の大なる主カソード電
極および面積の小なる補助カソード電極とアノード電極
を有する限界電流式酸素センサと、前記各電極に電圧を
印加する直流電源部と、前記２個のカソード電極と前記
アノード電極に前記直流電源部により電圧を印加した際
の総電流値を検出する総電流検出部と、前記補助カソー
ド電極と前記アノード電極に前記直流電源部により電圧
を印加した際の補助電流値を検出する補助電流検出部
と、前記補助電流検出部で得られる補助電流値を予め記
憶させた設定値と比較する比較部と、前記比較部におい
て補助電流値が予め記憶させた設定値以下の場合は警報
を発する警報部とを有するものである。

【００２０】総電流値は、センサが正常の時は酸素濃度
に対してほぼ直線関係で比例するが、センサが劣化する
と値が小さくなり正しい酸素濃度を示す値でない。一
方、補助電流は、センサが正常のときは大きな電流が得
られ、センサが劣化して総電流値が小さくなり酸素濃度
の検出が行えなくなると小さな電流が得られる。そこ
で、設定値を設け補助電流値が設定値より大きいか小さ
いかを比較することで、総電流値が酸素濃度に対応した
電流値かそうでない電流かの自己診断が簡単にできる。

【００２１】また補助カソード電極の面積を、主カソー
ド電極の面積の０．１３倍以上であり０．９４倍以下で
あるとした。そのため、補助カソード電極が主カソード
電極に対して最適な面積割合となり、補助電流が適正な
電流値となり精度良く自己診断ができる。

【００２２】またアノード電極の面積を、主カソード電
極および補助カソード電極の合計面積の０．６倍以上で
あり２倍以下であるとした。そのため、アノード電極が
補助カソード電極と主カソード電極の合計面積に対して
最適な面積割合となり、補助電流が適正な電流値となり
精度良く自己診断ができる。

【００２３】また主カソード電極と補助カソード電極
を、アノード電極に対して固体電解質体を介しての少な
くとも対面に配置した。そのため、補助電流が適正な電
流値となり精度良く自己診断できる。

【００２４】また、酸素拡散制限体を、固体電解質体の
片側に位置しカソード電極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と、前記
螺旋型スペーサの上部に配置されたシール体で構成し、
１個の酸素拡散通路が前記固体電解質体と前記螺旋型ス
ペーサの相対向する隔壁と前記シール体とで囲まれる螺
旋型空間に形成させた構成とした。そのため、補助アノ
ード電極と主アノード電極との関係または補助カソード
電極と主カソード電極との関係が、酸素拡散通路に対し
て酸素分子の拡散流れにそった配置となり、しかも極性
の異なる対電極を少なくとも対面に簡単に配置できる。
そのため補助電流が適正な電流値となり精度良く自己診
断ができる。またこの構成は、厚膜印刷を用いて酸素拡
散通路を形成でき、しかも電極膜も同じく厚膜印刷を用
いて形成できるため電極膜が簡単に形成でき、しかも酸
素拡散通路からの連通空間内にカソード電極膜を簡単に
配置できる。従って、量産性に優れた構成となり低コス
トでセンサが製造できる。

【００２５】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説
明する。 （実施例１）図１は、本発明の実施例１である限界電流
式酸素センサの自己診断装置の構成図である。

【００２６】図１において、限界電流式酸素センサ１を
構成する板状の酸素イオン導電性固体電解質体２には、
片面側にカソード電極３が、他面側に面積の大なる主ア
ノード電極４ａと面積の小なる補助アノード電極４ｂが
形成されている。また限界電流式酸素センサ１には、流
入する酸素分子を制限するための酸素拡散通路５を内部
に有する酸素拡散制限体６が固体電解質体２に配置され
ている。酸素拡散制限体６には加熱体（記載せず）が形
成されており、固体電解質体２を加熱して酸素イオンの
導電性を良くしている。

【００２７】補助アノード電極の面積は、主アノード電
極の面積の０．１３倍以上であり０．９４倍以下であ
る。また、カソード電極の面積は、主アノード電極およ
び補助アノード電極の合計面積の０．５倍以上であり２
倍以下である。さらに、主アノード電極と補助アノード
電極は、酸素拡散通路に対して固体電解質体を介しての
対面において酸素分子の拡散流れにそって配置し、さら
に少なくともカソード電極の対面に配置した。

【００２８】一方、カソード電極３と主アノード電極４
ａおよび補助アノード電極４ｂには、電圧を印加するた
めの直流電源部７が接続されており、カソード電極３と
２個のアノード電極４ａ・４ｂとで発生する総電流は、
総電流検出部８で検出される。一方、カソード電極３と
補助アノード電極４ｂとで発生する補助電流は、補助電
流検出部９で検出される。補助電流検出部９には比較部
１０が接続されており、補助電流検出部９で得られる補
助電流値を予め記憶させた設定値と比較する。比較部１
０には警報部１１が接続されており、比較部１０におい
て補助電流値が予め記憶させた設定値以下となった場合
は警報を発するようになっている。

【００２９】限界電流式酸素センサの動作について説明
する。まず固体電解質体２の加熱と、直流電源部７によ
るカソード電極３と主アノード電極４ａおよび補助アノ
ード電極４ｂとへの電圧印加が行われる。すると、空気
中の酸素が、酸素拡散通路５を経由して流入し、さらに
カソード電極３から固体電解質体２そして主アノード電
極４ａおよび補助アノード電極４ｂと酸素イオンとなっ
て移動する。この酸素ポンプ作用によって固体電解質体
２を酸素が移動するが、酸素拡散通路５によって酸素分
子の流入が制限されるため、酸素濃度に対応した電流が
流れる。このカソード電極３と主アノード電極４ａおよ
び補助アノード電極４ｂとの間に流れる総電流を、総電
流検出部８で検出し、その値を予め作成した検量線と比
較することで空気中の酸素濃度が判明する。一方、カソ
ード電極３と補助アノード電極４ｂとの間に流れる補助
電流は、補助電流検出部９で検出し、その値を予め記憶
させた設定値と比較することでセンサの劣化程度が判明
する。

【００３０】図２は、自己診断装置の動作状態を示す制
御流れ図である。限界電流式酸素センサの特性が安定し
て得られる動作状態になった時点から自己診断を行なう
ようにしている。まず、自己診断の動作プログラムがス
タートすると、マイクロコンピュータのＲＡＭがクリア
される。その後、ステツプ１において補助電流の検出を
行う。ステツプ２では予め記憶させた設定値が呼び出さ
れ、ステツプ３では補助電流と設定値の比較が行なわれ
る。ステツプ３において補助電流が設定値より大きいと
正常動作と判断し、再びステツプ１に戻り補助電流の検
出を行う。一方、補助電流が設定値と同一か小さいと劣
化と判断し、ステツプ４に進み警報が発せられる。この
繰り返しで、補助電流と設定値の比較が常時行なわれ、
ステツプ４で警報が発せられるとステツプ５に進み自己
診断の動作プログラムが終了する。

【００３１】本発明の効果を具体的な実験を通して確認
した。図３は、限界電流式酸素センサの一部破断斜視図
であり、実施例１の限界電流式酸素センサ１の酸素拡散
通路５を内部に有する酸素拡散制限体の具体的構成を表
わす。以下具体的に説明する。固体電解質体２の片側上
部には、カソード電極３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１個の螺旋型スペーサ１
５が配置されている。そして螺旋型スペーサ１５の上部
にシール板１６を配置して螺旋型スペーサ１５とシール
板６で酸素拡散制限体を構成し、酸素拡散通路５が螺旋
型スペーサ１５の相対向する隔壁と固体電解質体２とシ
ール板１６で囲まれる螺旋型の空間で形成されるように
した。そのため、カソード電極３が１個の酸素拡散孔５
からの連通空間内に配置された構成となり、酸素は酸素
拡散通路５を経由してカソード電極３へと拡散する。な
お、酸素拡散通路５に対しての固体電解質２を介しての
対面において酸素分子の拡散流れにそうように、面積の
大なる主アノード電極４ａ（記載せず）と面積の小なる
補助アノード電極４ｂ（記載せず）が、少なくともカソ
ード電極３の対面になるように配置されている。また、
シール板１６の上部には加熱部１７が配置されており、
固体電解質板２を加熱して酸素イオンの導電性を良くし
ている。

【００３２】具体的材料を説明する。固体電解質板２は
安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂の９２mｏｌ％とＹ₂Ｏ₃の８
mｏｌ％の固溶品）、電極３・４ａ・４ｂは白金、螺旋
型スペーサ１５は硝子（熱膨脹係数が安定化ジルコニア
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１６はフォルステライト、加熱部１７は
白金ヒータである。

【００３３】以後、この酸素拡散通路を有する限界電流
式酸素センサを基本にして実施例１の効果を判定した。

【００３４】〈実験１−１−１〉カソード電極３の面積
が３５mm²、主アノード電極４ａの面積が２３mm²、補助
アノード電極４ｂの面積が１２mm²、とした図１記載構
成の限界電流式酸素センサを試作した。

【００３５】この限界電流式酸素センサの使用初期にお
ける酸素２０．６％での電圧電流特性を図４に示す。セ
ンサ動作温度は４５０℃である。

【００３６】総電流は、カソード電極３と主アノード電
極４ａおよび補助アノード電極４ｂとの間に流れる電流
であり、印加電圧０．８V以上においては一定電流値で
ある限界電流特性を示す。印加電圧１．０Vでの総電流
はＩ₀であり限界電流特性が得られている。

【００３７】補助電流は、カソード電極３と補助アノー
ド電極４ｂとの間に流れる電流であり、印加電圧１．４
V以上においては一定電流値である限界電流特性を示
す。印加電圧１．０Vでの補助電流はｉ₀であり、限界電
流特性が得られていない。

【００３８】補助電流の限界電流特性が総電流の限界電
流特性より高い印加電圧値で得られる理由は、補助電流
をなす補助アノード電極４ｂの面積が総電流をなすアノ
ード電極４ａ、４ｂの合計面積より小さくこれにともな
い流れる電流が小さいためである。また、補助電流の限
界電流値が総電流の限界電流値より小さい理由は、補助
電流に関与する酸素拡散通路の寸法が総電流に関与する
酸素拡散通路の寸法より小さいためである。

【００３９】限界電流式酸素センサの使用初期における
印加電圧１．０Vでの酸素濃度−電流特性を図５に示
す。

【００４０】総電流は酸素濃度に対してほぼ直線関係で
変化している。そのため、酸素２０．６％では総電流Ｉ
₀が酸素１８．０％では総電流Ｙ₀が得られ、Ｉ₀はＹ₀に
対して酸素濃度に比例した大きな値であった。総電流の
設定値をＡとすると、Ｉ₀はＡより大きく、Ｙ₀はＡより
小さい。

【００４１】これに対して補助電流は、総電流に対して
限界電流値が小さくしかもこの特性が高い印加電圧値で
得られるため、酸素濃度約１５％以下では酸素濃度に対
してほぼ直線関係で変化するが、酸素濃度約１８％以上
では酸素濃度に対してほぼ一定で変化しない特性であつ
た。そのため、酸素２０．６％での補助電流ｉ₀は酸素
１８．０％での補助電流ｙ₀とほぼ同じ値であった。補
助電流の設定値をＥとすると、ｉ₀もｙ₀もＥより大き
い。

【００４２】さて、ここで設定値Ｅ以上の補助電流が得
られたら正常に動作していると判断すると、使用初期品
は酸素濃度約１８％以上において補助電流ｉ₀とｙ₀は設
定値Ｅ以上の値であり正常に動作していると判断され
る。従って、総電流が設定値Ａ以下の値ｙ₀となって
も、このｙ₀は酸素濃度が減少したための値と判断でき
る。

【００４３】〈実験１−１−２〉前述の試作品を長時間
使用した。この耐久試験品の酸素２０．６％での電圧電
流特性を図６に示す。

【００４４】総電流は、劣化のため印加電圧１．２V以
上において一定電流値である限界電流特性を示し、印加
電圧１．０Vの総電流Ｉは限界電流特性が得られない。

【００４５】補助電流は、劣化のため印加電圧１．６V
以上において一定電流値である限界電流特性を示し、印
加電圧１．０Vの補助電流ｉは、限界電流特性が得られ
ていない。

【００４６】耐久試験品の印加電圧１．０Vでの酸素濃
度−電流特性を図７に示す。総電流は、酸素濃度約１８
％以下では酸素濃度に対してほぼ直線関係で変化する
が、酸素濃度約１８％以上では酸素濃度に対してほぼ一
定であまり変化しない特性である。そのため、酸素２
０．６％での総電流Ｉは酸素１８．０％での総電流Ｙと
ほぼ同じ値であり、しかもＩもＹも設定値Ａより小さい
値である。

【００４７】一方、補助電流は、電流の低下のため酸素
濃度約１０％以下では酸素濃度に対してほぼ直線関係で
変化するが、酸素濃度約１０％以上では酸素濃度に対し
てほぼ一定で変化しない特性であつた。そのため、酸素
２０．６％での補助電流ｉは酸素１８．０％での補助電
流ｙとほぼ同じ値であり、ｉもｙも設定値Ｅより小さ
い。

【００４８】さて、ここで設定値Ｅ以下の補助電流が得
られたら劣化と判断すると、耐久試験品は酸素濃度約１
８％以上において補助電流は設定値Ｅより小さい値であ
り劣作していると判断される。従って、警報の発生でセ
ンサ劣化が判明し、総電流ＩおよびＹの値は設定値Ａ以
下の値であり、この値はセンサ劣化が原因の劣化値とし
て明確に処理できる。なお、実施例ではアノード電極を
２分割したが主アノード電極をさらに２分割し面積の小
さい電極側の電流を前述の様に測定しても同様の自己診
断効果があることは言うまでもない。

【００４９】その点、従来の補助電流が得られない構成
品は、総電流ＩおよびＹが設定値Ａより小さい値となっ
ても、酸素濃度が減少したための値減少かセンサ劣化の
ための値減少か区別ができず、原因不明の値減少としか
処理できない。

【００５０】〈実験１−２〉カソード電極３と主アノー
ド電極４ａ・補助アノード電極４ｂの面積を変化させた
図１記載構成の限界電流式酸素センサを試作し、補助電
流を用いて自己診断を行い試作品の劣化が判定できるか
を検討した。

【００５１】自己診断の可否は、前述の結果をもとに次
の２点を同時に満足する場合のみ自己診断可能と判断し
ている。第１点は、使用初期品の総電流は限界電流が得
られ、その値は酸素濃度に対してほぼ直線関係で変化す
ること。第２点は、補助電流は、センサが正常の時は大
きなイオン電流が得られ、センサが劣化すると小さなイ
オン電流が得られ、しかもその電流値の差が大きく精度
良く識別できることである。

【００５２】試作品の電極面積とその面積比率自己診断
の可否結果を（表１）に示す。自己診断の可否は、◎印
は簡単に自己診断できその精度が高い、大きな○印は自
己診断できる、小さなｏ印は無理すれば自己診断でき
る、×は自己診断ができないで表現している。

【００５３】

【表１】

【００５４】本発明である試作品番号２・３・４・５・
８・９は、自己診断ができる。これら試作品は、補助ア
ノード電極の面積が主アノード電極の面積の０．１３倍
以上で０．９４倍以下であり、しかも主アノード電極お
よび補助アノード電極の合計面積がカソード電極の面積
より０．５倍以上大きくしかも２．０倍以下である。こ
れは次の理由にもとづく。

【００５５】補助アノード電極の面積が主アノード電極
の面積の０．１３倍未満であると、補助電流が小さくな
り過ぎて自己診断の精度が悪くなり誤診断が起こった。
逆に、補助アノード電極の面積が主アノード電極の面積
の０．９４倍を超えて大きいと、補助電流はセンサの正
常または劣化に関わらず大きな電流が得られ、しかも両
者の差が小さく自己診断の精度が悪くなり誤診断が起こ
った。

【００５６】一方、主アノード電極および補助アノード
電極の合計面積がカソード電極の面積より０．５倍未満
で小さいと、総電流は限界電流が得られにくくなり酸素
濃度の測定がうまくできなかった。しかも全アノード電
極の面積が小さいため、電流は抵抗の小さい大面積側に
多く流れようとして電流の分布バランスが変化し、電流
の多くが面積の大きい主アノード電極に流れて補助電流
が微小となり誤診断が起こった。逆に、主アノード電極
および補助アノード電極の合計面積がカソード電極の面
積より２倍を超えて大きいと、カソード電極の面積が小
さいため電流は抵抗の小さい大面積側に多く流れようと
して電流の分布バランスが変化し、電流の多くが面積の
大きい主アノード電極に流れて補助電流が微小となり誤
診断が起こった。

【００５７】なお上記の関係は、図１記載のように補助
アノード電極と主アノード電極を、酸素拡散通路に対し
て固体電解質体を介しての対面において酸素分子の拡散
流れにそって前流と後流の関係とし、少なくともカソー
ド電極の対面になるように配置した試作品での関係であ
る。

【００５８】参考のため、主アノード電極と補助アノー
ド電極を、酸素拡散通路に対して固体電解質体を介して
の対面において酸素分子の拡散流れに沿わない他場所に
配置した限界電流式酸素センサを試作したところ、補助
電流が微小な電流値となって自己診断ができなかった。
これは、補助アノード電極が酸素分子の拡散流れ以外の
場所に配置されたため、電流の分布バランスが変化して
電流の多くが面積の大きい主アノード電極に流れて補助
電流が微小となるためである。

【００５９】さらに参考のため、主アノード電極と補助
アノード電極を、カソード電極の対面できない他場所に
配置した限界電流式酸素センサを試作したところ、補助
電流が微小な電流値となって自己診断ができなかった。
これは、アノード電極がカソード電極の対面でない他場
所に配置されたため、電流の分布バランスが変化して電
流の多くが面積の大きい主アノード電極に流れて補助電
流が微小となるためである。

【００６０】〈実験１−３〉主アノード電極４ａと補助
アノード電極４ｂの配置関係を入れ替えたセンサを試作
した。主アノード電極４ａの面積は２３mm²、補助アノ
ード電極４ｂの面積は１２mm²、カソード電極３の面積
は３５mm²である。主アノード電極と補助アノード電極
は、図１記載のように酸素拡散通路に対して固体電解質
を介しての対面において酸素分子の拡散流れにそって配
置されており、カソード電極に対しての対面に少なくと
もある。

【００６１】試作品のアノード電極配置関係とその自己
診断の可否結果を（表２）に示す。主アノード電極４ａ
と補助アノード電極４ｂは、どちらが前流後流の配置関
係になっても自己診断ができた。

【００６２】

【表２】

【００６３】（実施例２）図８は、本発明の実施例２で
ある限界電流式酸素センサの自己診断装置の構成図であ
る。

【００６４】実施例１と異なる点は３点ある。第１点
は、固体電解質体２の片面側に面積の大なる主カソード
電極３ａと面積の小なる補助カソード電極３ｂが、他面
側に１個のアノード電極４が形成されていることであ
る。第２点は、２個のカソード電極３ａ・３ｂとアノー
ド電極４との間に電圧を印加した際の電流を総電流値と
し、総電流検出部８で検出することである。第３点は、
補助カソード電極３ｂとアノード電極４に電圧を印加し
た際の電流を補助電流値とし、補助電流検出部９で検出
することである。

【００６５】なお、補助カソード電極の面積は、主カソ
ード電極の面積の０．１３倍以上であり０．９４倍以下
である。またアノード電極の面積は、主カソード電極お
よび補助カソード電極の合計面積の０．６倍以上であり
２倍以下である。さらに主カソード電極と補助カソード
電極は、酸素拡散通路に対して酸素分子の拡散流れにそ
って配置し、しかもアノード電極に対して固体電解質体
を介しての少なくとも対面に配置した。

【００６６】なお、実施例１と同一符号のものは同一構
造および機能を有しており、説明は省略する。また、自
己診断装置の動作状態も実施例１の図２と同一であり説
明は省略する。

【００６７】〈実験２−１〉主カソード電極３ａの面積
が２３mm²、補助カソード電極３ｂの面積が１２mm²、ア
ノード電極４の面積が３５mm²、である図８記載の限界
電流式酸素センサを試作した。この試作品は、図３記載
の酸素拡散通路を有する限界電流式酸素センサを基本と
しており、カソード電極を２個しアノード電極を１個と
した点のみが異なり、他はすべて同一である。

【００６８】この限界電流式酸素センサの使用初期にお
ける酸素２０．６％での電圧電流特性は、図４記載の特
性と概略同じある。また、使用初期における印加電圧
１．０Vでの酸素濃度−電流特性も図５記載の特性と概
略同じである。

【００６９】この試作品を長時間使用した。耐久試験品
の酸素２０．６％での電圧電流特性とは、図６記載の特
性と概略同じである。また、印加電圧１．０Vでの酸素
濃度−電流特性は、図７記載の特性と概略同じである。

【００７０】これら特性が実施例１の特性と概略同じで
ある理由は、実施例１はアノード電極を分割し実施例２
はカソード電極を分割した点以外は電極面積やその分割
割合・配置・酸素拡散通路寸法などすべて同じであるた
めである。具体的には予めカソード電極を大小２個とア
ノード電極を大小２個としたものを試作し、実験１−１
では大小２個のカソード電極を１個のカソード電極とし
て使用して評価し、実験２−１では大小２個のアノード
電極を１個のアノード電極として使用して評価してい
る。そのため、両者はほぼ同じ特性となっている。

【００７１】さて、ここで設定値Ｅ以上の補助電流が得
られたら正常に動作していると判断させる。作用初期品
は酸素約１８％以上において、補助電流ｉ₀とｙ₀が設定
値Ｅ以上の値であるためセンサは正常に動作していると
判断され、総電流が設定値Ａ以下のｙ₀となってもこの
ｙ₀は酸素濃度が減少したための値と判断される。

【００７２】一方、耐久品は酸素約１８％以上におい
て、補助電流ｉもｙも設定値Ｅより小さい値であり、劣
化動作していると判断される。従って、警報の発生でセ
ンサ劣化が判明し、総電流ＩおよびＹの値をセンサ劣化
が原因の劣化値として明確に処理できる。なお、実施例
ではカソード電極を２分割したが主カソード電極をさら
に２分割し面積の小さい電極側の電流を前述の様に測定
しても同様の自己診断効果があることは言うまでもな
い。

【００７３】その点、従来の補助電流が得られない構成
品は、総電流ＩおよびＹが設定値Ａより小さい値となっ
ても、酸素濃度が減少したための値減少かセンサ劣化の
ための値減少か区別ができず、原因不明の値減少としか
処理できない。

【００７４】〈実験２−２〉主カソード電極３ａ・補助
カソード電極３ｂ・アノード電極４の面積を変化させた
図８記載の限界電流式酸素センサを試作し、補助電流を
用いて自己診断を行い試作品の劣化が判定できるかを検
討した。

【００７５】試作品の電極面積と面積比率自己診断の可
否結果を（表３）に示す。自己診断の可否は、前述の実
験１−２記載の判断基準と同じである。本発明である試
作品番号２１・２２・２３・２４・２７・２８は、自己
診断ができる。

【００７６】

【表３】

【００７７】これら試作品は、補助カソード電極の面積
が主カソード電極の面積の０．１３倍以上で０．９４倍
以下であり、しかもアノード電極の面積が主カソード電
極および補助カソード電極の合計面積の０．６倍以上で
しかも２倍以下ある。これは次の理由にもとづく。

【００７８】補助カソード電極の面積が主カソード電極
の面積の０．１３倍未満であると、補助電流が小さくな
り過ぎて自己診断の精度が悪くなり誤診断が起こった。
一方、補助カソード電極の面積が主カソード電極の面積
の０．９４倍を超えて大きいと補助電流は補助電流はセ
ンサの正常または劣化に関わらず大きな電流が得られ、
しかも両者の差が小さくなって自己診断の精度が悪くな
り誤診断が起こった。

【００７９】アノード電極の面積が主カソード電極と補
助カソード電極の合計面積の０．６倍未満であると、総
電流は限界電流が得られにくくなり酸素濃度の測定がう
まくできなかった。しかもアノード電極の面積が小さい
ため、電流は抵抗の小さい大面積側に多く流れようとし
て電流の分布バランスが変化し、電流の多くが面積の大
きい主カソード電極に流れて補助電流が微小となり誤診
断が起こった。

【００８０】逆に、アノード電極の面積が主カソード電
極および補助カソード電極の合計面積がより２倍を超え
て大きいと、全カソード電極の面積が小さいため電流は
抵抗の小さい大面積側に多く流れようとして電流の分布
バランスが変化し、電流の多くが面積の大きい主カソー
ド電極に流れて補助電流が微小となり誤診断が起こっ
た。

【００８１】なお上記の関係は、図８記載のように補助
カソード電極と主カソード電極とを、酸素拡散通路から
の酸素分子の拡散流れにそって前流と後流の関係とし、
少なくともアノード電極の対面になるように配置した試
作品での関係である。

【００８２】〈実験２−３〉限界電流式酸素センサにお
いて、主カソード電極３ａと補助カソード電極３ｂの配
置関係を入れ替えたものを試作した。主カソード電極３
ａの面積は２３mm²、補助カソード電極３ｂの面積は１
２mm²、アノード電極４の面積は３５mm²である。主カソ
ード電極と補助カソード電極は、図８記載の様に酸素拡
散通路からの酸素分子の拡散流れにそって配置されてお
り、しかもアノード電極に対して対面に少なくともあ
る。

【００８３】試作品のカソード電極配置関係とその自己
診断の可否結果を（表４）に示す。主カソード電極３ａ
と補助カソード電極３ｂは、どちらが前流後流の配置関
係になっても自己診断ができた。

【００８４】

【表４】

【００８５】参考のため主カソード電極と補助カソード
電極を、アノード電極の対面でない他場所に配置した限
界電流式酸素センサを試作したところ、補助電流が微小
な電流値となり自己診断ができなかった。これはカソー
ド電極がアノード電極の対面でない他場所に配置された
ため、電流の分布バランスが変化して電流の多くが面積
の大きい主カソード電極に流れて補助電流が微小となる
ためである。

【００８６】なお、実施例１も実施例２も、本発明の効
果が顕著に表れる図３記載構造の酸素拡散通路を有する
限界電流式酸素センサでの効果を記載したが、他構成の
限界電流式酸素センサでも同様の効果があることは言う
までもない。

【００８７】

【発明の効果】

（１）本発明は、補助アノード電極を併設しそこから得
られる補助電流値が設定値より大きいか小さいかを比較
することで、限界電流式酸素センサが正常動作か劣化動
作かの自己診断が１種類の直流電源を用いて簡単にでき
る。しかも、この補助アノード電極は、酸素濃度の検出
に用いる総電流値を得るためのアノード電極にも活用し
ているため、補助アノード電極は２つの機能を持ったア
ノード電極として有効に利用できる。従って、全アノー
ド電極の面積が大きくなり、面積が大きい分だけ電極劣
化に強くなり、限界電流式酸素センサのアノード電極劣
化に関する耐久信頼性が向上する。そして、自己診断
は、限界電流式酸素センサの動作を停止することなく、
酸素濃度を常時測定しながら自己診断しており、得られ
る酸素濃度の信憑性が高い。また、主アノード電極と補
助アノード電極の面積割合とその配置、カソード電極と
の面積割合とその配置、酸素拡散通路に対する電極配置
等を最適化したため補助電流値が最適値になり高い精度
で自己診断ができる。

【００８８】（２）本発明は、補助カソード電極を併設
しそこから得られる補助電流値が設定値より大きいか小
さいかを比較することで、限界電流式酸素センサが正常
動作か劣化動作かの自己診断が１種類の直流電源を用い
て簡単にできる。しかも、この補助カソード電極は、酸
素濃度の検出に用いる総電流値を得るためのカソード電
極にも活用しているため、補助カソード電極は２つの機
能を持ったカソード電極として有効に利用できる。従っ
て、全カソード電極の面積が大きくなり、面積が大きい
分だけ電極劣化に強くなり、限界電流式酸素センサのカ
ソード電極劣化に関する耐久信頼性が向上する。そし
て、自己診断は、限界電流式酸素センサの動作を停止す
ることなく、酸素濃度を常時測定しながら自己診断して
おり、得られる酸素濃度の信憑性が高い。また、主カソ
ード電極と補助カソード電極の面積割合とその配置、ア
ノード電極との面積割合とその配置、酸素拡散通路に対
する電極配置等を最適化したため補助電流値が最適値に
なり高い精度で自己診断ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の限界電流式酸素センサの自
己診断装置の構成図

【図２】同自己診断装置の制御流れ図

【図３】同自己診断装置の限界電流式酸素センサの一部
破断斜視図

【図４】同自己診断装置の効果特性図

【図５】同自己診断装置の効果特性図

【図６】同自己診断装置効果特性図

【図７】同自己診断装置の効果特性図

【図８】本発明の実施例２の限界電流式酸素センサの自
己診断装置の構成図

【図９】従来の限界電流式酸素センサと作動装置の構成
図

【符号の説明】

１ 限界電流式酸素センサ ２ 酸素イオン導電性固体電解質体 ３ カソード電極 ３ａ 主カソード電極 ３ｂ 補助カソード電極 ４ アノード電極 ４ａ 主アノード電極 ４ｂ 補助アノード電極 ５ 酸素拡散通路 ６ 酸素拡散制限体 ７ 直流電源部 ８ 総電流検出部 ９ 補助電流検出部 １０ 比較部 １１ 警報部 １５ 螺旋型スペーサ １６ シール板

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−311177（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−114167（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−43192（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−159648（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−119018（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−12049（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−32242（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−218058（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−224051（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−178896（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−5718（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−262460（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−69567（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−274006（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201643（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−201644（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/26 391 G01N 27/41

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】面積の大なる主アノード電極および面積の
   小なる補助アノード電極ならびにカソード電極を有する
   限界電流式酸素センサと、前記各電極に電圧を印加する
   直流電源部と、前記２個のアノード電極と前記カソード
   電極に前記直流電源部により電圧を印加した際の電流値
   を検出し酸素濃度の検出に活用するための総電流検出部
   と、前記補助アノード電極と前記カソード電極に前記直
   流電源部により電圧を印加した際の補助電流値を検出す
   る補助電流検出部と、前記補助電流検出部で得られる補
   助電流値を予め記憶させた設定値と比較する比較部と、
   前記比較部において補助電流値が予め記憶させた設定値
   以下の場合は警報を発する警報部とを有する限界電流式
   酸素センサの自己診断装置。
2. 【請求項２】補助アノード電極の面積が、主アノード電
   極の面積の０．１３倍以上であり、０．９４倍以下であ
   る請求項１記載の限界電流式酸素センサの自己診断装
   置。
3. 【請求項３】カソード電極の面積が、主アノード電極と
   補助アノード電極の合計面積の０．５倍以上であり２倍
   以下である請求項１記載の限界電流式酸素センサの自己
   診断装置。
4. 【請求項４】主アノード電極と補助アノード電極が、酸
   素拡散通路に対して固体電解質体を介しての対面におい
   て酸素分子の拡散流れにそって配置された請求項１記載
   の限界電流式酸素センサの自己診断装置。
5. 【請求項５】主アノード電極と補助アノード電極が、カ
   ソード電極に対して固体電解質体を介しての少なくとも
   対面に配置された請求項１記載の限界電流式酸素センサ
   の自己診断装置。
6. 【請求項６】面積の大なる主カソード電極と面積の小な
   る補助カソード電極とアノード電極を有する限界電流式
   酸素センサと、前記各電極に電圧を印加する直流電源部
   と、前記２個のカソード電極と前記アノード電極に前記
   直流電源部により電圧を印加した際の総電流値を検出し
   酸素濃度の検出に活用するための総電流検出部と、前記
   補助カソード電極と前記アノード電極に前記直流電源部
   により電圧を印加した際の補助電流値を検出する補助電
   流検出部と、前記補助電流検出部で得られる補助電流値
   を予め記憶させた設定値と比較する比較部と、前記比較
   部において補助電流値が予め記憶させた設定値以下の場
   合は警報を発する警報部と、を有する限界電流式酸素セ
   ンサの自己診断装置。
7. 【請求項７】補助カソード電極の面積が、主カソード電
   極の面積の０．１３倍以上であり０．９４倍以下である
   請求項６記載の限界電流式酸素センサの自己診断装置。
8. 【請求項８】アノード電極の面積が、主カソード電極と
   補助カソード電極の合計面積の０．６倍以上であり２倍
   以下である請求項６記載の限界電流式酸素センサの自己
   診断装置。
9. 【請求項９】主カソード電極と補助カソード電極が、ア
   ノード電極に対して固体電解質体を介しての少なくとも
   対面に配置された請求項６記載の限界電流式酸素センサ
   の自己診断装置。
10. 【請求項１０】限界電流式酸素センサの酸素拡散制限体
    が、酸素イオン導電性固体電解質体の片側に位置しカソ
    ード電極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と、前記螺旋型スペーサの
    上部に配置されたシール体とから構成され、１個の酸素
    拡散通路が前記固体電解質体と前記螺旋型スペーサの相
    対向する隔壁と前記シール体とで囲まれる螺旋型空間に
    形成されている請求項１または請求項６記載の限界電流
    式酸素センサの自己診断装置。