JPH04340459A - 限界電流式酸素センサ - 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】

【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診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
傾斜図を図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（記載せず
）が形成されている。この固体電解質板１の一方の面に
は一方の電極膜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７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
記空間を経由して電極膜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（記載せず）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（記載せず）を介し
て固体電解質板１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７を経由して流入し、さ
らにカソード側の電極膜２ａからアノード側の電極膜（
記載せず）に向かって酸素イオンが流れる。この酸素ポ
ンプ作用によって固体電解質板１を酸素が移動し電流が
発生するが、酸素拡散通路７によって酸素分子の流入が
制限されるため、発生電流は飽和電流（限界電流と称す
）が生じる。この限界電流値は、酸素濃度と概略比例関
係にあるため、限界電流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、酸素拡散通路の目詰まりや漏れ
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
板と、前記固体電解質体の片側に位置し前記電極膜を各
々囲み、かつ連通する複数個の酸素拡散通路を有して配
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なる。

【０００７】

【作用】本発明は、上記構成により酸素拡散通路の漏れ
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ぎの様になる。 （１）酸素拡散通路においてクラック発生や目詰まりが
あると、酸素拡散通路の長さや開口面積が使用初期より
変化する。そのため酸素拡散通路の拡散抵抗が変化し、
限界電流値がそれにともない変化する。このため、各酸
素拡散通路に配置された電極膜の限界電流値も変化する
が、電極膜を同時に作動させた場合における各電極膜の
発生電流は、その変化率が最も近くに配置された酸素拡
散通路の抵抗変化に影響されるため、各々が異なる変化
をする。そのため、各々の電流値の比率がセンサ初期値
より変化しセンサの異常が検出できる。 （２）電極膜や固体電解質板・ヒータの劣化であるが、
劣化が発生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、限界電流を示し始める臨界電圧値が
高電圧側へ移動し、使用初期の臨界電圧値が高電圧側で
ある電極膜は限界電流特性を示さず電流値が低下し、使
用初期の臨界電圧値が低電圧側である電極膜は限界電流
特性を示したままで同じ値である。したがって、電流値
の比率がセンサ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。

【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。図１は、本発明の一実施例である限界電流式
酸素センサの素子の一部破断斜視図である。１は酸素イ
オン伝導性の固体電解質板であり、この両面に対となる
電極膜２ａと２ｂ、電極膜３ａと３ｂが２個対で形成さ
れている。この固体電解質板１の片面に、２個のカソー
ド側の電極膜２ａおよび３ａを各々囲み、かつ始端７ａ
，８ａと終端７ｂ，８ｂが互いに間隔を有するように複
数個の酸素拡散通路７および８を有した１個の螺旋型ス
ペーサ４が配置されている。４ａは補助スペーサで、こ
れにより２個のカソード側の電極膜２ａおよび３ａが各
々囲まれるようにしている。そして螺旋型スペーサ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。酸素
拡散通路７および８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、酸素は前記螺旋型空間を経由してカソ
ード側の電極膜２ａおよび３ａへ拡散する。一方、電極
膜２ａと３ａは、同じ電圧を印加してもよいが、異なる
電圧の印加の方が望ましい。

【０００９】次に具体的実験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ＺｒＯ２　・Ｙ２　Ｏ３　（Ｙ２　Ｏ３　８ｍｏｌ
％添加）、電極膜２ａおよび３ａとして白金、螺旋型ス
ペーサ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。

【００１０】製法について説明する。まず、電極膜２ａ
および３ａを固体電解質板１のうえに、さらに螺旋型ス
ペーサ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
７および８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。完成品の寸法は１０×１０×０
．９ｍｍである。

【００１１】なお、この完成品は、断熱材で外包し、さ
らにこの断熱材をステンレス製金網の筐体で外包して実
装体とした。以下、この実装体を用いてその特性と効果
を検定した。

【００１２】以下、その結果を実施例に基づき説明する
。実験は、２個の電極膜２ａおよび３ａを同時に作動さ
せ、その合成電流と各電極の電流を測定している。限界
電流式酸素センサは、対となる電極膜に電圧を印加する
と電流が発生するが、ある電圧値以上になると電流値は
概略同じ値を示す。電流値が電圧にかかわらず同じ値を
示すこの飽和電流値を限界電流と呼ぶ。また、限界電流
を示し始める電圧値を臨界電圧値と本発明では呼んでい
る。

【００１３】＜実験１＞印加電圧と電流の相関を測定し
た結果を図２に示す。電極膜２ａおよび電極膜３ａは、
印加電圧０．５Ｖ以上は概略同じ電流値であるため、限
界電流値は１００μＡであり概略同じ限界電流特性を示
しその理由は、電極膜２ａまでの螺旋型拡散通路７の長
さおよび開口面積が、電極膜３ａの螺旋型拡散通路８の
長さおよび開口面積と概略同じであるためである。また
、限界電流値１００μＡを示し始める臨界電圧値は約０
．５Ｖであった。

【００１４】一方、電極膜２ａと３ａの合成電流は、各
電流値の合計でありその限界電流値は２００μＡである
。その理由は、電極膜を同時に作動させた場合における
各電極膜の電流は、その電極の最も近くに配置された酸
素拡散通路に影響されて大部分の電流は近くに配置され
た酸素拡散通路の拡散抵抗値で決まる値となるため、合
成電流は全酸素拡散通路の全拡散抵抗値の和として決ま
る値である各電流値の合計となる。また、本実験では、
螺旋型拡散通路７と８の長さおよび開口面積を概略同じ
としたが、それぞれの値をちがえると臨界電圧値や限界
電流値もちがった値となり、自己診断（特にヒータ劣化
や電極劣化時の自己診断）が一層し易くなる利点が生じ
る。

【００１５】＜実験２＞酸素濃度と限界電流の相関を測
定した結果を図３に示す。電極膜２ａも、電極膜３ａ、
または電極膜２ａと３ａの合成電流も、その限界電流は
酸素濃度に対しほぼ比例関係にある。なお、電極膜２ａ
および３ｂの検出電圧は１．４Ｖである。

【００１６】次に、電極膜２ａの限界電流と、電極膜３
ａの限界電流の比率を算出した。その結果を図５に示す
。電流の比率（電極膜３ａの限界電流を電極膜２ａの限
界電流で除した値）は、酸素濃度にかかわらず一定（１
．００）であった。なお、効果の判定は、同一電圧で行
ったが各々の検出電圧を違えておこなった場合（例えば
検出電圧１．４Ｖと１．３Ｖ）でも限界電流の比率は酸
素濃度にかかわらず一定（１．００）であった。

【００１７】＜実験３＞目づまり発生時の印加電圧と電
流の相関を測定した結果を図５に示す。実験は、効果を
明確にするため螺旋型拡散通路８を完全に閉塞し、螺旋
型拡散通路７のみとした模擬試験片を用いて模倣して行
なった。目づまり発生があると、拡散通路の開口面積が
狭くなり拡散抵抗が増加するため、限界電流値が使用初
期値より低下する。特に、本実験の場合は、螺旋型拡散
通路８を完全に閉塞し螺旋型拡散通路７のみとしたため
、電極膜２ａは最も近くに配置された酸素拡散通路７に
影響されて大部分の電流を検出し、残りの僅かな電流を
電極膜３ａで検出した。そのため、電流の比率は使用初
期（１．００）より変化（０．４３に変化）し、センサ
の異常が検出できる。

【００１８】＜実験４＞クラック発生時の印加電圧と電
流の相関を測定した結果を図６に示す。実験は、効果を
明確にするため酸素拡散通路８を半分の長さにし、酸素
拡散通路７はそのままとした模擬試験片を用いて模倣し
て行なった。クラック発生があると酸素拡散通路の長さ
が短くなり拡散抵抗が減少するため、限界電流値が使用
初期値より増加する。特に、本実験の場合は、酸素拡散
通路８を半分の長さにし酸素拡散通路７はそのままとし
たため、電極膜３ａは近くに配置された酸素拡散通路８
に影響されて限界電流値が使用初期値より大きく増加し
、電極膜２ａは近くに配置された酸素拡散通路７に影響
されて限界電流値が使用初期値より少ししか増加しなか
った。そのため、電流の比率は使用初期（１．００）よ
り変化（１．２５に変化）しセンサの異常が検出できる
。 なお、実験は、模擬の試験片を用いてクラック発生を模
倣して行なった。

【００１９】＜実験５＞ヒータの劣化時の印加電圧と電
流の相関を測定した結果を図７に示す。ヒータの劣化が
あると、固体電解質板の酸素イオン伝導度が低下する。 そのため、限界電流値が使用初期より小さくなるととも
に、電極膜２ａも電極膜３ａも限界電流を示し始める臨
界電圧値が使用初期より高電圧側へ移動している。そこ
で検出電圧を０．５Ｖに変化させて特性を測定してみる
と、電極膜２ａは限界電流特性を示さず、電極膜３ａは
限界電流特性を示す。したがって、検出電圧０．５Ｖに
おける電流値の比率は使用初期（１．００）と異なる値
（１．１８）に変化し、センサの異常が検出できる。な
お、実験は、ヒータの電力を低下させて行なった。

【００２０】＜実験６＞電極劣化時の印加電圧と電流の
相関を測定した結果を図８に示す。電極劣化があると、
固体電解質板の酸素イオン伝導度が低下する。そのため
、限界電流値は使用初期と同じであるが、電極膜２ａも
電極膜３ａも限界電流を示し始める臨界電圧値が使用初
期より高電圧側へ移動している。そこで検出電圧を０．
７７Ｖに変化させて特性を測定してみると、電極膜２ａ
は限界電流特性を示さず、電極膜３ａは限界電流特性を
示す。したがって、検出電圧０．７７Ｖにおける電流値
の比率は使用初期（１．００）と異なる値（１．１１）
に変化し、センサの異常が検出できる。なお、実験は、
センサの長期使用で電極を劣化させて行なった。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明の限界電流式酸素セ
ンサによると、次の効果が得られる。 （１）酸素イオン伝導性の固体電解質体に電極膜を複数
対形成し、この電極膜を各々囲み、かつ連通する複数個
の酸素拡散通路を形成したものであるから、酸素拡散通
路の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、センサの使い始めの初期値
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】本発明の一実施例である限界電流式酸素センサ
の一部破断斜視図

【図２】同印加電圧と電流の相関を示す特性図

【図３】
同酸素濃度と限界電流の相関を示す特性図

【図４】同酸
素濃度と電流比率の相関を示す特性図

【図５】同印加電
圧と電流の相関を示す特性図

【図６】同印加電圧と電流
の相関を示す特性図

【図７】同印加電圧と電流の相関を
示す特性図

【図８】同印加電圧と電流の相関を示す特性
図

【図９】従来の限界電流式酸素センサの一部破断斜視
図

【符号の説明】

１　　酸素イオン伝導性固体電解質板 ２ａ　　電極膜 ３ａ　　電極膜 ４　　螺旋型スペーサ ４ａ　　補助スペーサ ５　　シール板 ６　　加熱部 ７　　酸素拡散通路 ８　　酸素拡散通路

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複数対形成された
   酸素イオン伝導性固体電解質板と、前記固体電解質板の
   片側に位置し前記電極膜を各々囲み、かつ連通する複数
   個の酸素拡散通路を有して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
   らなる限界電流式酸素センサ。