JPH05209860A

JPH05209860A - 酸素濃度検知装置

Info

Publication number: JPH05209860A
Application number: JP4040285A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Takahashi; 一洋高橋
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1992-01-30
Publication date: 1993-08-20

Abstract

(57)【要約】【目的】酸素センサ素子の故障に対する自己診断機能
を有し、信頼性が高く、より安全な酸素濃度検知装置
（システム）を提供する。【構成】 (a) 酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた
限界電流式の酸素センサ素子２個（4A,4B)と、(b) 前記
２個の酸素センサ素子4A、4Bに電圧を印加する装置１
と、(c) 前記２個の酸素センサ素子のそれぞれの出力を
検知し、かつそれぞれの出力を比較する装置３と、(d)
前記２個の酸素センサ素子の一方の出力が他と異なる変
化を示した時に、一方の酸素センサ素子に故障が発生し
たと判断し、その故障の発生を報知する装置５とを有す
る酸素濃度検知装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸素イオン伝導性の固
体電解質を用いた限界電流式の酸素センサ素子による酸
素濃度検知装置に関し、更に詳しくは、酸素センサ素子
の故障の自己診断機能を備えた酸素濃度検知装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】酸素濃
度検知装置は、酸欠事故の防止等の人命に直接係わる分
野で使用されることが多いにも係わらず、その酸素濃度
を検知するセンサ部の故障や寿命を装置自身が診断、検
知する機能を持つものがほとんどないのが現状である。
酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた限界電流式の酸
素センサ素子による酸素濃度検知装置でも、その機能を
有するものはない。

【０００３】例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質を
用いた限界電流式の酸素センサ素子において、起動時の
オーバーシュート出力により寿命を検知する方法が提案
されているが、起動時のみの診断となり、酸素濃度検知
装置の作動期間中にわたって故障を発見したり、また寿
命を知らせたりすることはできず、実用的ではない。

【０００４】そこで、本出願人は先に、酸素イオン伝導
性の固体電解質を用いた限界電流式の酸素センサ素子に
よる酸素濃度検知装置において、酸素センサ素子の故障
及び寿命の自己診断機能を持たせ、酸素センサ素子の故
障発生や寿命がきたことを使用者に知らせることができ
るようにしたものを特許出願した（特願平3-222175
号）。特願平3-222175号の酸素濃度検知装置は、酸素イ
オン伝導性の固体電解質を用いた限界電流式の酸素セン
サ素子と、この酸素センサ素子の固体電解質に印加する
電圧を掃引させるための制御装置と、掃引させた電圧に
応じた前記酸素センサ素子の出力電流値を検知する装置
と、電圧の最大値及び最小値に対応する出力電流値を比
較する装置と、酸素センサ素子の故障及び寿命を報知す
る装置とを備えており、酸素センサ素子の固体電解質に
印加する電圧の昇降を、最大値及び最小値の間において
ゆっくりと繰り返すことにより、酸素濃度の検出に支障
を来すことなく、常時故障及び寿命を診断することがで
きる。

【０００５】しかしながら、この酸素濃度検知装置は、
寿命と故障（酸素センサ素子の内部室の密封漏れに起因
する故障）に対しては、非常に良好な自己診断をするこ
とができるが、限界電流式の酸素センサ素子に設けた微
小なガス拡散孔の詰まりからくる故障については完全な
自己診断はできず、改良の余地がある。

【０００６】したがって、本発明の目的は、酸素センサ
素子の故障に対する自己診断機能を有し、信頼性が高
く、より安全な酸素濃度検知装置（システム）を提供す
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、酸素イオン伝導性の固体電解質を
用いた限界電流式の酸素センサ素子を２個以上用い、こ
れらの酸素センサ素子を同時に動作させてそれぞれの出
力を検知するとともに、それぞれの出力を比較し、一つ
の出力が他と異なる変化を示した時に、この異なる出力
を示した酸素センサ素子において故障が発生したと判断
し、その故障の発生を報知するようにすれば、信頼性の
高い酸素濃度検知を行うことができることを発見し、本
発明を完成した。

【０００８】すなわち、本発明の酸素濃度検知装置は、
(a) 酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた限界電流式
の酸素センサ素子複数個と、(b) 前記複数個の酸素セン
サ素子に電圧を印加する装置と、(c) 前記複数個の酸素
センサ素子のそれぞれの出力を検知し、かつそれぞれの
出力を比較する装置と、(d) 前記複数個の酸素センサ素
子のいずれかの出力が他と異なる変化を示した時に、そ
の異なる出力を示した酸素センサ素子に故障が発生した
と判断し、その故障の発生を報知する装置とを有するこ
とを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明の酸素濃度検知装置の動作原理を図１を
参照して説明するが、図１においては、説明の簡単のた
めに二個の酸素センサ素子を有する装置を例にとってい
る。酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた限界電流式
の酸素センサ素子４Ａ、及び４Ｂは実質的に同一の構造
の素子であるが、この酸素センサ素子４Ａ、及び４Ｂの
陽極は、所定の電圧を印加する装置１に接続している。
一方、酸素センサ素子４Ａ、及び４Ｂの陰極は、それぞ
れ出力電流Ｉ_Lを検出する装置２Ａ、及び２Ｂに接続し
ている。また、出力電流Ｉ_Lの検出装置２Ａ、及び２Ｂ
は、ともにそれぞれの出力電流Ｉ_Lを比較するための装
置３に接続している。さらに、出力電流の比較装置３
は、一方の酸素センサ素子において故障が発生した時
に、その故障の発生を使用者に報知する装置（センサ異
常報知装置）５に接続している。

【００１０】この酸素濃度検知装置では、上述したよう
に、２個の酸素センサ素子４Ａ、及び４Ｂを同時に作動
させているので、一方に故障が生じた場合、２個の酸素
センサ素子４Ａ、及び４Ｂの出力に差が生じ、容易にそ
の故障の発生を検知できる。また、一方の酸素センサ素
子に故障が生じた場合、他方の酸素センサ素子で酸素濃
度の検知を継続して行うことが可能となる。

【００１１】なお、出力電流の比較装置３の代わりに、
電圧値の比較装置を用いてもよく、その場合は、各セン
サ素子４Ａ、及び４Ｂからの電流値を電圧値に変換する
回路を組み込む。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の酸素濃度検知装置の一実施例
を、図２を用いて説明する。酸素イオン伝導性の固体電
解質を用いた限界電流式の２つの酸素センサ素子４Ａ、
４Ｂのそれぞれの陽極は、限界電流値を与える印加電圧
に設定されているアンプ１１の出力端子に接続されてい
る。一方、２つの酸素センサ素子４Ａ、４Ｂの各陰極
は、限界電流Ｉ_Lを電圧値に変換して検知するための抵
抗２１Ａ、及び２１Ｂ（抵抗値はともにＲ）と、それら
の電圧（Ｒ×Ｉ_L）を酸素分圧に見合った適当な電圧値
に変換するアンプ２２Ａ、及び２２Ｂの入力端子に接続
している。

【００１３】また、各酸素センサ素子４Ａ、４Ｂを所望
の作動温度に加熱するためのヒータ６Ａ、６Ｂには、電
圧値がＶ_Hの直流電源６が接続されている。

【００１４】アンプ２２Ａ、２２Ｂの出力端子は、それ
ぞれ、調整された出力電圧値をデジタル信号に変えてマ
イコン３２に送るためのＡ／Ｄ変換器３１のアナログ入
力のチャンネル１（ＣＨ１）、及びチャンネル２（ＣＨ
２）に接続している。ここで、Ａ／Ｄ変換器３１のデジ
タル信号出力は、バスラインを通してマイコン３２と接
続している。

【００１５】マイコン３２では、Ａ／Ｄ変換器３１から
送られてくる酸素センサ素子４Ａ、４Ｂの出力電流値
（変換された電圧値）を酸素分圧として検出しながら、
常時、２つの出力電流（変換された電圧値）を比較して
いる。酸素センサ素子の故障の判断については後述する
が、酸素センサ素子の一つが故障と判断された場合に
は、マイコン３２に接続するセンサ異常報知用回路５１
が作動し、このセンサ異常報知用回路５１に接続してい
るランプ５２及び／又はブザー５３により、使用者に酸
素センサ素子の故障を知らせる。

【００１６】以上に説明した本発明の酸素濃度検知装置
の動作機構を説明する。酸素センサ素子４Ａ、４Ｂを動
作温度まで加熱し、酸素センサ素子４Ａ、４Ｂへの印加
電圧と出力電流の特性を測定すると、一般に図３に示す
ような関係が得られる。図３に示す曲線では、印加電圧
Ｖ₁からＶ₂の間で限界電流Ｉ_Lが現れており、Ｖ₂以
上では電子伝導が起きていることを示している。

【００１７】ところで、限界電流式の酸素センサ素子
は、一般に図４の(a) 又は(b) に示す構造を有する。ま
ず(a) に示す酸素センサ素子は、ジルコニア系の固体電
解質等の酸素イオン伝導性基板４１と、この酸素イオン
伝導性基板４１の両面に形成された電極４３ａ、４３ｂ
と、電極４３ａ側に配置されたヒータ基板４５と、酸素
イオン伝導性基板４１とヒータ基板４５と組み合わさっ
て内部室を形成して電極４３ａを封入するスペーサ４４
とを有する。また、ヒータ基板４５の上面には、酸素セ
ンサ素子を作動温度まで加熱するヒータ４６が形成され
ている（ヒータ４６はヒータ基板４５の上面に蛇行して
形成されているので、この断面図においては断続して描
かれている）。ヒータ基板４５には微小なガス拡散孔４
２が形成されており、このガス拡散孔４２によりのみ、
外部と内部室とが連通している。

【００１８】また、図４の(b) に示す酸素センサ素子
は、ヒータ基板４５ではなく、酸素イオン伝導性基板４
１に微小なガス拡散孔４２を設けた構造となっている。
電極４３ａ、４３ｂは多孔質の触媒金属等からなるの
で、酸素センサ素子の外部から、電極４３ａ、４３ｂ及
びガス拡散孔４２を通ってガス分子が内部室に入り込む
ことができる。

【００１９】このような種類の限界電流式の酸素センサ
素子では、微小なガス拡散孔により内部室へのガス流を
制限する構造となっている。

【００２０】本発明の酸素濃度検知装置では、上述の酸
素センサ素子のどちらを用いてもよいが、酸素センサ素
子が与える限界電流値Ｉ_Lは、酸素分圧をＰ₀として、
以下の式で表されることが経験的に求められている。Ｉ_L＝−（４ＦＤＰＳ／ＲＴＬ）・ln（１−Ｐ₀／Ｐ）・・・（1) ここで、Ｆはファラディ定数であり、Ｄは酸素分子の拡
散係数であり、Ｐは雰囲気の全圧であり、Ｓはガス拡散
孔（図４の４２）の開口面積であり、Ｒは気体定数であ
り、Ｔは酸素センサ素子の動作温度であり、また、Ｌは
ガス拡散孔の長さである。

【００２１】酸素分子の拡散係数Ｄは、The American
Institute of Physics のハンドブックによれば、以
下のように表すことができる。Ｄ＝Ｄ₀・（Ｔ^a／Ｐ）・・・（2) ここで、Ｄ₀とａは酸素分子の拡散係数に関する定数で
ある。

【００２２】式（1)と式（2)とから、以下の式が得られ
る。Ｉ_L＝−（４ＦＤ₀／Ｒ）・Ｔ^a-1・（Ｓ／Ｌ）・ln（１−Ｐ₀／Ｐ）・・・（3) 式（3)からわかるように、限界電流値Ｉ_Lを変化させる
因子としては、実際には、酸素分圧Ｐ₀の他に全圧Ｐ、
動作温度Ｔ、ガス拡散孔の面積Ｓと長さＬがある。この
中で、全圧Ｐと動作温度Ｔについては、圧力センサや温
度センサにより補償が可能であることから、酸素センサ
素子４Ａ、４Ｂの動作温度範囲内であれば問題とならな
い。

【００２３】したがって、ガス拡散孔の形状が重要な因
子となる。まず、ガス拡散孔の長さＬは、素子生産時の
板厚（図４の(a) ではヒータ基板４５の厚さであり、
(b) では酸素イオン伝導性基板４１の厚さである）で決
まり、その後変化することはない。一方、ガス拡散孔の
面積（開口部の断面積）についてであるが、この孔部の
径は通常数μｍ〜数十μｍとなるように形成されるの
で、ガス拡散孔にサブミクロンのオーダーの非常に小さ
な異物（ゴミ、埃等）が入り込んだだけでもその開口面
積が変化し、限界電流値Ｉ_Lに影響を及ぼす。この場合
（孔の面積が減少する場合）限界電流値Ｉ_Lは低下し、
あたかも酸素分圧が低下したかのような挙動を示し、誤
動作につながる。

【００２４】ところが、本発明による酸素濃度検知装置
においては、２個以上の酸素センサ素子を同時に動作さ
せており、これらの素子のガス拡散孔に同時に（ゴミや
埃等の）異物が入り込み、開口面積を同様の度合いで変
化させたりすることは皆無といってよい。たとえば、２
個の酸素センサ素子を用いた場合、２個の酸素センサ素
子４Ａ、４Ｂの与える限界電流値Ｉ_Lが同じ変化を示し
ていれば、その値は信頼でき、酸素分圧を正しく反映し
ているものと見なすことができる。なお、酸素濃度の検
知は、一方の素子の出力値を採用しても、両方の出力値
の平均値を採用してもよい。

【００２５】一方、２つの酸素センサ素子４Ａ、４Ｂの
限界電流値Ｉ_Lが別々の値となる場合には、故障と判断
することになる。たとえば、一方の酸素センサ素子４Ａ
の出力電流値が全く変化せず、他方の酸素センサ素子４
Ｂの出力電流が低下した場合、酸素センサ素子４Ｂのガ
ス拡散孔４２に異物が入り込んだ（詰まった）と判断さ
れる。また、一方の酸素センサ素子４Ａの出力電流値が
全く変化せず、他方の酸素センサ素子４Ｂの出力電流が
上昇した場合には、酸素センサ素子４Ｂにおいて封止漏
れ（内部室の気密性が不良）が起こったと判断される。

【００２６】このようにどちらか一方の酸素センサ素子
に故障が生じた場合には、本発明の酸素濃度検知装置は
使用者にその故障を報知し、故障した方の酸素センサ素
子の交換を促す。本発明では、故障した酸素センサ素子
の交換までの間は、残ったもう一方の酸素センサ素子の
みで、酸素分圧を継続して測定するように装置を設定し
ておくのがよい。

【００２７】本発明の酸素濃度検知装置において、２個
の酸素センサ素子４Ａ、４Ｂの限界電流値の変化を比較
する装置は、酸素センサ素子４Ａ、４Ｂの応答性のバラ
ツキを考慮し、上述した例のようにマイコンを中心に構
成するのがよい。また、マイコンを用いて、素子の出力
値のレベル変化と、限界電流であるか否かを見ることに
より、素子の故障の原因（たとえば、内部室の封止漏れ
か、ガス拡散孔の詰まりか等）を知ることができる。

【００２８】このようにして構成された酸素濃度検知装
置は酸素センサ素子の故障をほぼ完全に検出することが
でき、誤動作を防止することができる。特に、酸素セン
サ素子の微小なガス拡散孔の詰まりは確実に検知するこ
とができる。また、一方の酸素センサ素子が故障して
も、酸素濃度検知装置としては継続して作動することが
できる。

【００２９】本発明の酸素濃度検知装置は、酸素センサ
素子の寿命の検知も可能であるが、素子の寿命に関する
検知機能に関しては、本出願人が先に出願した特願平3-
222175号に記載の酸素濃度検知装置における診断機能よ
り劣る。そこで、実際には、特願平3-222175号に記載の
酸素濃度検知装置の診断機能を具備するようにシステム
を構成するのがよい。すなわち、システム内に酸素セン
サ素子の固体電解質に印加する電圧を掃引させるための
制御装置を加え、固体電解質に印加する電圧の昇降を最
大値及び最小値の間においてゆっくりと繰り返すことに
より（たとえば三角波形の電圧を電極にかけることによ
り）、酸素濃度の検出に支障を来すことなく、常時酸素
センサ素子の寿命を診断する。

【００３０】以上、２個の酸素センサ素子を有する酸素
濃度検知装置を例にとり、本発明を説明したが、本発明
はこれに限らず、３個以上の酸素センサ素子を用いた装
置としてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の酸素濃
度検知装置では、２個以上の酸素センサ素子を用いてこ
れを同時に作動させて酸素分圧を測定する構成としてお
り、一つの酸素センサ素子が故障した場合でも、それを
自己判断して使用者に報知するとともに、他の酸素セン
サ素子で測定を継続することができる。したがって、本
発明による酸素濃度検知装置を用いれば、確実な酸素濃
度の検知を連続して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素濃度検知装置の原理を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明の酸素濃度検知装置の一実施例を示すブ
ロック図である。

【図３】正常動作時の限界電流式の酸素センサ素子の典
型的な電圧−電流特性を示すグラフである。

【図４】限界電流式の酸素センサ素子の構造を概略的に
示す断面図であり、(a) と(b)の２つのタイプを示して
いる。

【符号の説明】

１電圧印加装置２Ａ、２Ｂ出力検出装置３出力比較装置４Ａ、４Ｂ酸素センサ素子５センサ異常報知装置６Ａ、６Ｂ、46 ヒータ 11、22Ａ、22Ｂアンプ 21Ａ、21Ｂ抵抗 31 Ａ／Ｄ変換器 32 マイコン 41 固体電解質基板（酸素イオン伝導性基板） 42 ガス拡散孔 43ａ、43ｂ電極 44 スペーサ 45 ヒータ基板 51 センサ異常報知用回路 52 ランプ 53 ブザー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 (a) 酸素イオン伝導性の固体電解質を用
いた限界電流式の酸素センサ素子複数個と、(b) 前記複
数個の酸素センサ素子に電圧を印加する装置と、(c) 前
記複数個の酸素センサ素子のそれぞれの出力を検知し、
かつそれぞれの出力を比較する装置と、(d) 前記複数個
の酸素センサ素子のいずれかの出力が他と異なる変化を
示した時に、その異なる出力を示した酸素センサ素子に
故障が発生したと判断し、その故障の発生を報知する装
置とを有することを特徴とする酸素濃度検知装置。
【請求項２】請求項１に記載の酸素濃度検知装置にお
いて、前記複数個の酸素センサ素子のそれぞれの出力の
検知と、検知したそれぞれの出力の比較とを、マイコン
に行わせることを特徴とする酸素濃度検知装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載の酸素濃度検知装
置において、一つの酸素センサ素子において故障が発生
したと判断した場合に、その故障の発生を使用者に報知
すると同時に、故障が発生していない他の酸素センサ素
子により、継続して酸素濃度を検出させることを特徴と
する酸素濃度検知装置。