JPH0321859A - 酸素センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は燃焼ガス中の酸素濃度の測定や酸欠状態の検知
などに使用される、酸素イオン伝導性固体電解質と拡散
抵抗層等から構或される酸素センサに関するものであり
更に詳しくはかかる構或からなる酸素センサーにおける
酸素濃度検出に際しての制御に関するものである。

？従来の技術〕 従来から、ＺｒＯ■固定電解質と拡散抵抗層等から構或
される酸素センサが、内燃機関を初め各種燃焼装置に使
われて来ている。このセンサに要求される項目としては
検出酸素濃度とセンサ出力電流の関係がリニアで、幅広
い０２濃度域で、安定した特性が得られるとともに、構
造が簡単であり、コストも低く押えられるという事が挙
げられている。その中でも、従来ＺｒＯ２固定電解質を
板状にした酸素センサが考案されている。然しなから、
かかる板状の酸素センサーにおいては、高濃度Ｃ？や未
燃焼ガス或分を放出するような不完全燃焼を伴った低０
２濃度領域においては、後述するようにあたかも高濃度
の酸素０２を検出しているような異常出力電流が発生し
、検出０２濃度とセンサ出力電流とがリニアな関係を持
たない領域が現われ実際の使用上において誤動作を来す
等大きな問題になることが判って来た。

ここで酸素センサーの上記した問題点を明確にするため
ＺｒＯ■固体電解質を用いた酸素センサーの０２ａ度検
出原理を以下に説明する。

第２図には製作性、コストダウンを考慮して考案されて
いる板状型酸素センサーの概略図が示されている。

板状のＺｒＯ２素子２ｌの両面に、Ｐ，からなる電極２
２　．　２３を付け、その一端には、１０，多孔貿の拡
散抵抗層２４を取り付けた構造を有している。

一方板状の２ｒＯ■素子を有する酸素センサーにおいて
は第３図に示すよう不完全燃焼に伴なう低０２濃度域で
、あたかも高０２濃度を検知しているような異常出力が
発生する事が判って来た。

？のような異常出力を有する酸素センサの場合、不完全
燃焼をともなう低０２濃度域で誤検知を招くことになる
ため、板状ＺｒＯ■素子を用いた酸素センサーの使用範
囲は、完全燃焼域（高０２濃度域）に限定されてしまう
ため、従来の排ガス状態を監視するような使い方は、非
常に難しい状況にあった。

例えば室内暖房燃焼機器等で不完全燃焼をともなう低０
２濃度域で異常出力を発生するような酸素センサで燃焼
状態を制御させれば、高濃度ＣＯや未燃ガス戒分を放出
するような不完全燃焼側で、あたかも正常である判定を
下してしまう危険があった。

上述した板状ＺｒＯ■固体電解質を用いた酸素センサー
の問題点につき更に追求した結果、従来の板状ＺｒＯ■
素子酸素センサの、完全燃焼時（高０２濃度時）及び不
完全燃焼をともなう低０２濃度時に対しての、印加電圧
一出力電流特性が第４図のようになる事が判明した。第
４図から次の事がわかる。即ち ？１）完全燃焼時では、正の印加電圧側で限界電流が現
われ、負の印加電圧側では限界電流が現われず、負の出
力電流が発生する。

（２）不完全燃焼をともなう低０２濃度域では、２ケ所
の限界電流値が発生する。

さらに詳しい考察を加えるならば （３〉板状ＺｒＯ■素子酸素センサは、印加電圧Ｏｖ点
に対し、点対象の出力電流特性になり、しかも同図中完
全燃焼時の０２濃度ｂ％時より不完全燃焼時の０２濃度
Ｃ％（前記ｂ％よりも小さい％を示す）時の方が同一定
印加電圧点での出力電流が高い。ここで０２濃度はａ　
＞　ｂ　＞　ｃ　＝　０％とする。

（４）又，板状ＺｒＱ■素子酸素センサに於いては．第
６図に示す様に，検出端の両側の０２濃度が同一である
ため０２濃度差に起因する内部起電力が生じないので電
圧のシフトが見られない。

以上の結果から、たとえ、板状ＺｒＯ，素子酸素センサ
でなくても両側を同気相中にさらす酸素センサでは不完
全燃焼時には．どうしても異常出力が発生してしまうと
いう欠点が避けられなかった。

？発明が解決しようとする課題〕 従って本発明の目的はＺｒＯ２固体電解質を主構或とす
る酸素センサーにおいて、所定の電圧を印加するために
前記ＺｒＯ■固体電解質構造の両端両側に設けた電極の
いづれもが同一の被検出気相中に晒される形状の酸素セ
ンサーにおける前記した不完全燃焼を伴う低０２濃度時
の異常出力電流を検出し、これを補正することによって
、検出された０２濃度と出力電流特性を低０２濃度領域
から高０２濃度領域まで幅広く使用することが出来るよ
うな酸素センサーを提供しようとするものである。

？課題を解決するための手段〕 本発明は上記した目的を達或するため次のような技術的
構威を採用するものである。即ち、ＺｒＯ．固体電解質
本体の両側部に電極がそれぞれ設けられその少なくとも
一方の電極に拡散抵抗層を配置せしめてなる酸素センサ
ーであって、該ＺｒＯ■固体電解質本体の両側部を同気
相中に接触させる酸素センサーにおいて、該酸素センサ
ーには、該両電極間に正の電圧と負の電圧を交互に印加
せしめる手段、該負の電圧を印加している段階で不完全
燃焼にもとづく異常出力有無を判別する手段、該正の電
圧を印加している段階で出力電流を検出し酸素濃度を測
定する手段、及び該異常出力が検出された場合にその時
に検出された出力電流を０又は正常出力範囲外の電流値
に補正する手段とが設けられている酸素センサーである
。

つまり本発明においては、ＺｒＯ２素子酸素センサの印
加電圧一出力電流特性が、負の印加電圧側で、完全燃焼
時（高０２濃度時）に限界電流が発生せず、不完全燃焼
をともなう低０２濃度時（異常出力発生時）に限界電流
が発生することに注目して第１図に示すような演算によ
って出力特性の補正方法を行うものである。

〔作　用〕

即ち、本発明においてはＺｒＯ２素子に対する印加電圧
を、正と負に周期的に切り換え、正の電圧時は０２濃度
を検出し、負の電圧時は、異常出力有無の判定を行うと
いうようにこの操作を交互に行う。そしてもし異常出力
発生を判別した時はその時の出力電流を０又は正常出力
範囲外の電流値に補正するものでありそのための回路を
特別に用意しておく。

これによって最終検出特性は、第７図のごとく、０２ａ
度に対して出力電流が一義的な対応を取ることになる。

ただし、本発明では異常出力時はすべて′出力電流を０
又は正常出力範囲外の電流値にすることになるが実使用
に際して、この時は未燃ガス放出等不完全燃焼時である
から燃焼機器を止める、安全側へ制御する等の危険検出
器としての十分な働きがあり問題はない。

？実施例〕 以下本発明に係るＺｒＯ■固定電解質構造を主体とする
酸素センサーの具体例を図面により詳細に説明する。

第８図に一般的なガス燃焼機器における、この酸素セン
サの実施例を示す。

？８図において酸素センサ１が燃焼器２内部で排気ガス
中１６の酸素戊分を検出するのに最も都合の良い位置に
取り付けられ、ガス供給量を調整する電磁式比例弁３、
燃焼空気量を調整する送風機４、それらを運転制御する
、アンプ回路体５から戊り立っている。

このアンプ回路体５中には、最適燃焼運転を行うための
演算回路、電磁式比例弁３と送風機４の制御回路、機器
の電源回路、発停装置回路、安全装置回路等を担う、メ
インアンプ回路体１０と、酸素センサ１中のヒータ温度
制御回路、第１図のような本発明の構或に沿った演算を
行う回路等を担う、センサアンプ回路体１１の２つで構
或されている。

両者はメインアンプ１０からセンサアンブｌ１への電圧
供給線１２と、センサアンプ１１からメインアンプ１０
への０２濃度出力線１３等で結合されている。かかる酸
素センサーの作動は、燃焼運転中排気ガス中１６の０２
濃度を酸素センサ１で検出し酸素センサ１のＺｒＯ■素
子印加電圧を正負？周期的に切り換え、第１図Ａのよう
な演算をセンサアンブ１１で行い、メインアンプ１０へ
第７図のような０２濃度一出力電流の関係を示す電気的
信号を送る。

ここで第１図Ａに示すフローチャートについて説明する
と、まず被検出気相中の０２濃度を測定するために、２
ｒＯ■固定電解質素子の電極に負の電圧（Ｖ＝ｇ）を印
加する（ステップ１００）、その際予め定められた所定
の電流ｅを判定基準電流として設定しておく。

次で負の電圧（Ｖ＝ｇ）を印加した時に発生する出力電
流をｂとしてｂとｅとがいかなる関係にあるかを判定す
る（ステップ１０１）。

ステップ１０１でｂ＞ｅでない場合即ち第１図Ｂに示す
関係にあると判断された時は正常と判断し、次にＺｒＯ
■素子に正の電圧（Ｖ＝ｆ）を印加する（ステップｌ０
２）。

引き続いて前記正の電圧（Ｖ＝ｆ）を印加した時の出力
電流ｉ　　（ｉ＝ａ）を測定（ステップ１０３）し、次
で出力電流と０■濃度との関係を定めたテ？ブルより０
２濃度を算出し（ステップ１０４）、ステップ１００に
戻る。一方ステップ１０１においてｂ〉ｅであった時即
ち第１図Ｃに示すように異常出力があったと判断された
時には、ＺｒＯ■素子に正の電圧（Ｖ＝ｆ）を印加し（
ステップ１０５）、その時の出力電流ｉ＝ａ’を測定（
ステップ１０６）　Ｌた後、かかる出力電流ｉ＝ａ’を
ｉ＝０又は正常出力範囲外の電流値補正（ステップ１０
７）　Ｌてステップ１００に戻る。

第７図に示される電気的信号を検知したメインアンプ１
０は、予め設定された基準０２濃度値と現在の燃焼状態
における０２濃度値とを比較し、その０２濃度が、設定
値より高ければ、希薄燃焼を察知し、供給空気量を減ら
すか或はガス供給量を増やす方向へ、送風機４の回転数
を下げるか電磁式比例弁３の開度を上げるかに、設定０
２濃度に空燃比を補正する。

逆に、０２濃度が設定値より低ければ、過濃燃焼を察知
し、供給空気量を増やすかガス供給量を減らす方向へ、
送風機４の回転数を上げるか或は電磁式比例弁３の開度
を下げるかして設定０２濃度に空燃比を補正する。

さらに、不完全燃焼をともなう低０２濃度時はセンサア
ンプｌ１から出力０又は正常出力以外の信号をメインア
ンプが受けとり、上記と同様、供給空気量を増やすかガ
ス供給量を減らすかの方向へ空燃比を補正するかもしく
は未燃ガス放出、高濃度ＣＯ放出が起っている可能性が
あると判断して、機器を停止させる方向に制御を行うよ
うに安全装置として機能する。

本実施例では、板状ＺｒＯ２素子酸素センサを用いたが
本発明は板状の酸素センサに限られるものではなく、両
電極が同相中にさらす酸素センサであればよい。

？効　果〕 本発明においては、板状のＺｒＯ■固体電解質構造物を
含む、ＺｒＯ．素子の両端面に被検出の同一気相体を適
用する酸素センサーにおける、製造コストの低下と生産
効率の向上を達或するとともに、上記酸素センサーにお
ける燃焼機器の検出０２濃度領域を拡大し誤動作を防止
して検出精度を大幅に向上せしめることが可能となった
。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明に係る酸素センサーの０２濃度検
出方法を示すフローチャートである。 第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）において正常出力状態にお
ける印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 第１図（Ｃ）は第１図（Ａ）における異常出力状態にお
ける印加電圧と出力電流との関係を示す図である。 第２図は従来の板状酸素センサーの概略断面図を示すも
のである。 第３図は従来の板状酸素センサーにおける出力特性曲線
を示す図である。 第４図は従来の板状酸素センサーにおける完全燃焼時と
不完全燃焼をともなう低０２濃度時における印加電圧と
出力電流との関係を示す特性曲線をそれぞれ表わした図
である。 第５図は従来の板状の酸素センサーにおける高０２濃度
時と低０２濃度時（０２Σ０％）における出力電流の流
れをそれぞれ示す図である。 第６図は従来の板状酸素センサーには電池作用がないこ
とを示す図である。 第７図は本発明により構或される酸素センサーが０２　
ａ度に応じて発生する出力電流信号を示す図である。 第８図は本発明に係る酸素センサーを燃焼器の排気ガス
中に設置した場合の例を示す図である。 １・・・酸素センサ、　　　２・・・燃焼器、３・・・
電磁式比例弁、　　４・・・燃焼空気送風器、５・・・
アンプ回路体、　　　６・・・スイッチ、７・・・安全
装置、　　　　８・・・点火装置、９・・・電源、　　
　　　　　１０・・・メインアンプ、１１・・・センサ
アンプ、　１２・・・電圧供給線、１３・・・センサ出
力線、　１４・・・火炎、１５・・・熱交換器、　　　
　１６・・・排気ガス、１７・・・排気筒、 ２１・・・ＺｒＯ２固体電解質素子、 ２２．２３・・・電極、 ２５・・・ヒーター ２７・・・被検出ガス。 ２４・・・拡散抵抗層、 ２６・・・空気、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ＺｒＯ＿２固体電解質本体の両側部に電極がそれぞ
   れ設けられその少なくとも一方の電極に拡散抵抗層を配
   置せしめてなる酸素センサーであって、該ＺｒＯ＿２固
   体電解質本体の両側部を同気相中に接触させる酸素セン
   サーにおいて、該酸素センサーには、該両電極間に正の
   電圧と負の電圧を交互に印加せしめる手段、該負の電圧
   を印加している段階で不完全燃焼にもとづく異常出力有
   無を判別する手段、該正の電圧を印加している段階で出
   力電流を検出し酸素濃度を測定する手段、及び該異常出
   力が検出された場合にその時に検出された出力電流を０
   又は正常出力範囲外の電流値に補正する手段とが設けら
   れていることを特徴とする酸素センサー。