JPH06288979A - 選択可燃物質センサ - Google Patents
選択可燃物質センサInfo
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- JPH06288979A JPH06288979A JP5336760A JP33676093A JPH06288979A JP H06288979 A JPH06288979 A JP H06288979A JP 5336760 A JP5336760 A JP 5336760A JP 33676093 A JP33676093 A JP 33676093A JP H06288979 A JPH06288979 A JP H06288979A
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- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 複数の可燃性物質を識別して感知することの
できる、応答時間の早い安価な可燃物質センサを提供す
ること。 【構成】 ポンプセル１２とセンサセル１４を備えた選
択可燃物質センサ１０を操作する方法。この方法は、少
なくとも２つの可燃性ガスと酸素ガスを含むガス雰囲気
内にセンサ１０を置いておき、ポンプセル１２とセンサ
セル１４の間の領域にガス雰囲気が入り込めるようにす
る段階と、ポンプセル１２にポンピング電流Ｉｐを加え
る段階と、センサセル１４に生じた e.m.f. （Ｖs ）を
感知する段階と、センサ１０のＶs または温度の少なく
とも一方を変化させて、センサ１０を可燃性ガスの１つ
に無反応にする段階と、ガス雰囲気内に存在する他の可
燃性ガスを検知する段階とを有している。
できる、応答時間の早い安価な可燃物質センサを提供す
ること。 【構成】 ポンプセル１２とセンサセル１４を備えた選
択可燃物質センサ１０を操作する方法。この方法は、少
なくとも２つの可燃性ガスと酸素ガスを含むガス雰囲気
内にセンサ１０を置いておき、ポンプセル１２とセンサ
セル１４の間の領域にガス雰囲気が入り込めるようにす
る段階と、ポンプセル１２にポンピング電流Ｉｐを加え
る段階と、センサセル１４に生じた e.m.f. （Ｖs ）を
感知する段階と、センサ１０のＶs または温度の少なく
とも一方を変化させて、センサ１０を可燃性ガスの１つ
に無反応にする段階と、ガス雰囲気内に存在する他の可
燃性ガスを検知する段階とを有している。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、可燃物質
センサに係り、特に、ガス雰囲気に含まれる可燃性物質
の濃度を測定する選択可燃物質センサとその測定方法に
係る。
センサに係り、特に、ガス雰囲気に含まれる可燃性物質
の濃度を測定する選択可燃物質センサとその測定方法に
係る。
【０００２】
【従来の技術】酸素イオン伝導性二酸化ジルコニウム
（ZrO2）を利用したソリッドステート電気化学的セル
（電池）は、様々な用途の酸素センサとして広範囲に使
用できることが判明している。これら用途の一つに自動
車業界での使用がある。酸素センサを使用してエンジン
排気中の酸素分圧を測定し空気対燃料（Ａ／Ｆ）比を制
御することが行なわれている。代表的な自動車用酸素セ
ンサは、オープン回路モードで操作される単一のZrO2セ
ル（ネルンスト・セル）から構成され、また化学量論比
Ａ／Ｆ比制御用に使用されている。ネルンスト・セルよ
りも感度のよい酸素センサは、酸素ポンピング原理、す
なわち、外部から電流を加えてZrO2セルの負ポテンシャ
ル側から正ポテンシャル側に酸素を移動させる原理を利
用している。この種の自動車用酸素センサは、リーン
（ｌｅａｎ）Ａ／Ｆ比の混合気でも作動するように構成
されている。これらセンサは、一般的には、リーン排気
ガス酸素（ＬＥＧＯ）センサと呼ばれている。
（ZrO2）を利用したソリッドステート電気化学的セル
（電池）は、様々な用途の酸素センサとして広範囲に使
用できることが判明している。これら用途の一つに自動
車業界での使用がある。酸素センサを使用してエンジン
排気中の酸素分圧を測定し空気対燃料（Ａ／Ｆ）比を制
御することが行なわれている。代表的な自動車用酸素セ
ンサは、オープン回路モードで操作される単一のZrO2セ
ル（ネルンスト・セル）から構成され、また化学量論比
Ａ／Ｆ比制御用に使用されている。ネルンスト・セルよ
りも感度のよい酸素センサは、酸素ポンピング原理、す
なわち、外部から電流を加えてZrO2セルの負ポテンシャ
ル側から正ポテンシャル側に酸素を移動させる原理を利
用している。この種の自動車用酸素センサは、リーン
（ｌｅａｎ）Ａ／Ｆ比の混合気でも作動するように構成
されている。これらセンサは、一般的には、リーン排気
ガス酸素（ＬＥＧＯ）センサと呼ばれている。
【０００３】そうしたＬＥＧＯセンサの具体例は、Hetr
ick 氏、その他の者に付与され、本発明と同一の出願人
に譲渡された米国特許第 4,272,329号、第 4,272,330号
および第 4,272,331号に記載されている。ガス状雰囲気
内に置いておくこれら特許のＬＥＧＯセンサは、小さな
開口を通じて周囲雰囲気に連絡した包囲空間を形成する
ように構成されている。先に引用した特許のＬＥＧＯセ
ンサは、包囲空間を形成した２つの電気化学的セルを備
えている。一方のセルはポンプセルと呼ばれ、他方のセ
ルはセンサセルと呼ばれている。外部電源に接続する
と、ポンプセルを流れる電流（Ｉp ）は、（周囲雰囲気
からまたは周囲雰囲気に）ガス状酸素を包囲空間に加え
または包囲空間から取り去る何れか一方の働きをする。
このポンピング作用の結果、センサセルに起電力すなわ
ち e.m.f.(Ｖs)が生じ、これを利用して周囲雰囲気に対
する包囲空間内の酸素分圧の変化を測定することができ
る。
ick 氏、その他の者に付与され、本発明と同一の出願人
に譲渡された米国特許第 4,272,329号、第 4,272,330号
および第 4,272,331号に記載されている。ガス状雰囲気
内に置いておくこれら特許のＬＥＧＯセンサは、小さな
開口を通じて周囲雰囲気に連絡した包囲空間を形成する
ように構成されている。先に引用した特許のＬＥＧＯセ
ンサは、包囲空間を形成した２つの電気化学的セルを備
えている。一方のセルはポンプセルと呼ばれ、他方のセ
ルはセンサセルと呼ばれている。外部電源に接続する
と、ポンプセルを流れる電流（Ｉp ）は、（周囲雰囲気
からまたは周囲雰囲気に）ガス状酸素を包囲空間に加え
または包囲空間から取り去る何れか一方の働きをする。
このポンピング作用の結果、センサセルに起電力すなわ
ち e.m.f.(Ｖs)が生じ、これを利用して周囲雰囲気に対
する包囲空間内の酸素分圧の変化を測定することができ
る。
【０００４】前述したＬＥＧＯセンサは充分な働きをす
るが、温度とＶs を一定にして用いられてきている。従
って、これらのセンサはガス雰囲気に含まれる複数のガ
スを選択的に検知するのには使えないでいた。またこれ
らセンサは、ガス状雰囲気内に他の可燃性ガスが複数存
在する場合、その１つの可燃性ガスを検知するのには使
用できない。
るが、温度とＶs を一定にして用いられてきている。従
って、これらのセンサはガス雰囲気に含まれる複数のガ
スを選択的に検知するのには使えないでいた。またこれ
らセンサは、ガス状雰囲気内に他の可燃性ガスが複数存
在する場合、その１つの可燃性ガスを検知するのには使
用できない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、ポンプセルと
センサセルを備えた選択可燃物質センサを操作する方法
に関する。この方法は、少なくとも２つの可燃性ガスと
酸素ガスを含むガス状雰囲気内にセンサを置いておき、
ポンプセルとセンサセルの間の領域にガス状雰囲気が入
り込めるようにする段階と、ポンプセルにポンピング電
流を加える段階と、センサセルに生じた e.m.f.(Ｖs)を
感知する段階とを備えている。さらに、この方法は、セ
ンサのＶs または温度の少なくとも一方を変化させて、
センサを燃焼ガスの１つに無反応にする変更段階と、ガ
ス状雰囲気内に存在する他の可燃性ガスを検知する段階
とを備えている。
センサセルを備えた選択可燃物質センサを操作する方法
に関する。この方法は、少なくとも２つの可燃性ガスと
酸素ガスを含むガス状雰囲気内にセンサを置いておき、
ポンプセルとセンサセルの間の領域にガス状雰囲気が入
り込めるようにする段階と、ポンプセルにポンピング電
流を加える段階と、センサセルに生じた e.m.f.(Ｖs)を
感知する段階とを備えている。さらに、この方法は、セ
ンサのＶs または温度の少なくとも一方を変化させて、
センサを燃焼ガスの１つに無反応にする変更段階と、ガ
ス状雰囲気内に存在する他の可燃性ガスを検知する段階
とを備えている。
【０００６】本発明の特徴の１つは、選択可燃物質セン
サを使用してガス雰囲気に含まれる可燃性ガスの濃度を
検知し測定することにある。本発明の他の特徴は、ＬＥ
ＧＯセンサを操作してガス状雰囲気に含まれる可燃性ガ
スの濃度を測定する方法を提供することにある。本発明
の別の特徴は、ガス雰囲気内に他の可燃性ガスが複数存
在する場合に、この可燃性ガスの１つを検知する選択可
燃物質センサの操作方法を提供することにある。本発明
の他の特徴は、感度および選択性を制御できる選択可燃
物質センサの操作方法を提供することにある。本発明の
他の特徴によれば、ガス雰囲気内での酸素の拡散度に対
しガス状雰囲気内の各々の可燃性物質相互の拡散度が相
違しているが、これによりセンサの選択性と感度が決ま
る。本発明の他の特徴は、選択可燃物質センサが従来の
可燃物質センサに比較して応答時間が短くコストの安い
ことにある。本発明のその他の目的、特徴および利点は
明解であるが、添付図面を参照しながら以下の説明を読
めばより明確に理解することができる。
サを使用してガス雰囲気に含まれる可燃性ガスの濃度を
検知し測定することにある。本発明の他の特徴は、ＬＥ
ＧＯセンサを操作してガス状雰囲気に含まれる可燃性ガ
スの濃度を測定する方法を提供することにある。本発明
の別の特徴は、ガス雰囲気内に他の可燃性ガスが複数存
在する場合に、この可燃性ガスの１つを検知する選択可
燃物質センサの操作方法を提供することにある。本発明
の他の特徴は、感度および選択性を制御できる選択可燃
物質センサの操作方法を提供することにある。本発明の
他の特徴によれば、ガス雰囲気内での酸素の拡散度に対
しガス状雰囲気内の各々の可燃性物質相互の拡散度が相
違しているが、これによりセンサの選択性と感度が決ま
る。本発明の他の特徴は、選択可燃物質センサが従来の
可燃物質センサに比較して応答時間が短くコストの安い
ことにある。本発明のその他の目的、特徴および利点は
明解であるが、添付図面を参照しながら以下の説明を読
めばより明確に理解することができる。
【０００７】
【実施例】図１を参照する。本発明に係る選択可燃物質
センサまたは装置１０が図示されている。センサ１０
は、エンジン（図示せず）の空気対燃料（Ａ／Ｆ）比を
制御するのに使用するＬＥＧＯ形式のものである。この
ＬＥＧＯセンサは、Hetrick氏、その他の者に付与され
た米国特許第 4,272,329号に記載されている。この特許
の内容については、ここで特許番号を引用することによ
りその説明に代える。センサ１０には、例えば、ヒータ
ー（図示せず）とフィードバック回路（図示せず）を装
備しておけることについて考慮しておく必要がある。ま
た、センサ１０を周囲環境のガス状雰囲気内に置いてお
くことについて、あるいは自走乗物（図示せず）、例え
ば、こうした乗物の客室内に設置できることも考慮に入
れておく必要がある。
センサまたは装置１０が図示されている。センサ１０
は、エンジン（図示せず）の空気対燃料（Ａ／Ｆ）比を
制御するのに使用するＬＥＧＯ形式のものである。この
ＬＥＧＯセンサは、Hetrick氏、その他の者に付与され
た米国特許第 4,272,329号に記載されている。この特許
の内容については、ここで特許番号を引用することによ
りその説明に代える。センサ１０には、例えば、ヒータ
ー（図示せず）とフィードバック回路（図示せず）を装
備しておけることについて考慮しておく必要がある。ま
た、センサ１０を周囲環境のガス状雰囲気内に置いてお
くことについて、あるいは自走乗物（図示せず）、例え
ば、こうした乗物の客室内に設置できることも考慮に入
れておく必要がある。
【０００８】センサ１０は、キャビティ１６に隣接した
ポンプセル１２とセンサセル１４を備えている。キャビ
ティは、直径の小さな開口１８を通じて周囲雰囲気に連
絡している。セル１２と１４はイットリア（Y2O3) をド
ーピングした二酸化ジルコニウム（ZrO2) 系からなり、
それぞれが多孔質触媒（例えば、白金）電極２０、２１
および２２、２３を備えている。図示のセンサ１０はそ
の大きさを特定するものではなく、電極２０、２１およ
び２２、２３の厚みはセル１２、１４のZrO2材料の厚み
よりもかなり薄くしてあることにつき考慮しておく必要
がある。
ポンプセル１２とセンサセル１４を備えている。キャビ
ティは、直径の小さな開口１８を通じて周囲雰囲気に連
絡している。セル１２と１４はイットリア（Y2O3) をド
ーピングした二酸化ジルコニウム（ZrO2) 系からなり、
それぞれが多孔質触媒（例えば、白金）電極２０、２１
および２２、２３を備えている。図示のセンサ１０はそ
の大きさを特定するものではなく、電極２０、２１およ
び２２、２３の厚みはセル１２、１４のZrO2材料の厚み
よりもかなり薄くしてあることにつき考慮しておく必要
がある。
【０００９】操作に際し、電源２６から抵抗器２４を経
てポンプセル１２にポンプセル電流Ｉp が加えられる。
センサセル１４の感知電圧Ｖs は、フィードバック回路
の比較器（図示せず）の入力端に加えることができる。
フィードバック回路は従来から用いられている周知技術
である。
てポンプセル１２にポンプセル電流Ｉp が加えられる。
センサセル１４の感知電圧Ｖs は、フィードバック回路
の比較器（図示せず）の入力端に加えることができる。
フィードバック回路は従来から用いられている周知技術
である。
【００１０】センサ１０の操作（動作）原理について説
明する。電気化学的セルの２つの側面を高温（例えば、
Ｔ＞３００℃）の下で異なった酸素分圧Ｐ1 とＰ2 に晒
した場合、セルには以下の（数式４）で示すネルンスト
の式で表わせる開路 e.m.f.が生じる。
明する。電気化学的セルの２つの側面を高温（例えば、
Ｔ＞３００℃）の下で異なった酸素分圧Ｐ1 とＰ2 に晒
した場合、セルには以下の（数式４）で示すネルンスト
の式で表わせる開路 e.m.f.が生じる。
【数４】 この式において、ｋはボルツマン定数、ｅは電子の電
荷、Ｔは絶対温度である。セルの一方の側の分圧が分か
っていれば、 e.m.f. の測定値からセルの反対側の分圧
を測定することができる。これら原理のさらに詳しい説
明は、刊行物：センサとアクチュエータ、Ｂ、９（１９
９２）の１８３頁から１８９頁（１９９２）「ソリッド
ステート電気化学的セルによる酸素ポンピング原理を利
用した化学的／物理的センサ」に見ることができる。記
事内容については、ここで雑誌名を引用することにより
その説明に代える。
荷、Ｔは絶対温度である。セルの一方の側の分圧が分か
っていれば、 e.m.f. の測定値からセルの反対側の分圧
を測定することができる。これら原理のさらに詳しい説
明は、刊行物：センサとアクチュエータ、Ｂ、９（１９
９２）の１８３頁から１８９頁（１９９２）「ソリッド
ステート電気化学的セルによる酸素ポンピング原理を利
用した化学的／物理的センサ」に見ることができる。記
事内容については、ここで雑誌名を引用することにより
その説明に代える。
【００１１】例えば、センサ１０は空気のようなガス状
雰囲気（Ｏ2 ／Ｎ2 混合気）に含まれる酸素（Ｏ2 ）の
濃度を測定するのに使用できる。ポンプセル１２の電極
２０は電極２１に対しマイナスにバイアスされており、
ポンピング電流Ｉp はＩp ／（４ｅ）の割合でキャビテ
ィ１６からＯ2 分子を取り出す。この酸素の転移により
キャビティ１６内の酸素分圧は初期値Ｐ2 から低い値Ｐ
1 に減少する。キャビティ１６内と外部の酸素分圧の違
いにより、センサセル１４には（ｋＴ／（４ｅ））ｌn
に等しい e.m.f.（Ｖs ）が生じ、またＢ（Ｄ02／（ｋ
Ｔ））（Ｐ2 −Ｐ1 ）に等しいＯ2 の拡散フラックスが
開口１８を通じて周囲雰囲気からキャビティ１６内に形
成される。上記式において、Ｄ02はＯ2 の拡散定数であ
り、Ｂは開口１８の幾何学的特徴に基づいた定数であ
る。真っ直ぐに延びる単一の丸い（例えば、円筒形をし
た）小孔または開口を通じた体積拡散の場合、ＢはＳ／
Ｌに比例する。ここで、Ｓは面積、Ｌは小孔または開口
の長さである。
雰囲気（Ｏ2 ／Ｎ2 混合気）に含まれる酸素（Ｏ2 ）の
濃度を測定するのに使用できる。ポンプセル１２の電極
２０は電極２１に対しマイナスにバイアスされており、
ポンピング電流Ｉp はＩp ／（４ｅ）の割合でキャビテ
ィ１６からＯ2 分子を取り出す。この酸素の転移により
キャビティ１６内の酸素分圧は初期値Ｐ2 から低い値Ｐ
1 に減少する。キャビティ１６内と外部の酸素分圧の違
いにより、センサセル１４には（ｋＴ／（４ｅ））ｌn
に等しい e.m.f.（Ｖs ）が生じ、またＢ（Ｄ02／（ｋ
Ｔ））（Ｐ2 −Ｐ1 ）に等しいＯ2 の拡散フラックスが
開口１８を通じて周囲雰囲気からキャビティ１６内に形
成される。上記式において、Ｄ02はＯ2 の拡散定数であ
り、Ｂは開口１８の幾何学的特徴に基づいた定数であ
る。真っ直ぐに延びる単一の丸い（例えば、円筒形をし
た）小孔または開口を通じた体積拡散の場合、ＢはＳ／
Ｌに比例する。ここで、Ｓは面積、Ｌは小孔または開口
の長さである。
【００１２】状態が安定していれば、ポンピング電流Ｉ
p がＯ2 をキャビティ１６の外に転移する割合は、キャ
ビティ１６内に拡散するＯ2 の（分子数／秒の）フラッ
クスに等しい。これは次の（数式５）ように表わせる。
p がＯ2 をキャビティ１６の外に転移する割合は、キャ
ビティ１６内に拡散するＯ2 の（分子数／秒の）フラッ
クスに等しい。これは次の（数式５）ように表わせる。
【数５】 この式をＶs の式に組み合わせると、以下の（数式６）
が得られる。
が得られる。
【数６】 ポンピング電圧とポンピング電流が増加すると、キャビ
ティ１６内の酸素分圧Ｐ1 は減少しＶs は増加する。ポ
ンピング電流（Ｉp ）は、Ｖs が常に所定値となるよう
に制御され、Ｉp はＰ2 に比例するようになる。
ティ１６内の酸素分圧Ｐ1 は減少しＶs は増加する。ポ
ンピング電流（Ｉp ）は、Ｖs が常に所定値となるよう
に制御され、Ｉp はＰ2 に比例するようになる。
【００１３】本発明によれば、センサ１０は、可燃性物
質を酸化した後の残留酸素を測定することで、空気等の
周囲環境のガス状雰囲気に含まれる可燃性ガス（炭化水
素、アルコール、Ｈ2 、ＣＯ等）の濃度測定に使用でき
る。発明をより明確にするために、２０．９％の一定濃
度の酸素を含む乾燥（研究所）空気中の単一の可燃性物
質（comb）を例にとり、センサ１０の働きについて説明
する。ガス状雰囲気に含まれる可燃性物質を測定するセ
ンサ１０の操作方法は、空気中の可燃性物質測定に限定
されるものではない。例えば、センサ１０の触媒電極で
すべての可燃性ガス分子を酸化できる充分な酸素を含有
したガス状雰囲気内でも任意の可燃性物質を検出するこ
とができる。
質を酸化した後の残留酸素を測定することで、空気等の
周囲環境のガス状雰囲気に含まれる可燃性ガス（炭化水
素、アルコール、Ｈ2 、ＣＯ等）の濃度測定に使用でき
る。発明をより明確にするために、２０．９％の一定濃
度の酸素を含む乾燥（研究所）空気中の単一の可燃性物
質（comb）を例にとり、センサ１０の働きについて説明
する。ガス状雰囲気に含まれる可燃性物質を測定するセ
ンサ１０の操作方法は、空気中の可燃性物質測定に限定
されるものではない。例えば、センサ１０の触媒電極で
すべての可燃性ガス分子を酸化できる充分な酸素を含有
したガス状雰囲気内でも任意の可燃性物質を検出するこ
とができる。
【００１４】図１のセンサ１０の場合、Ｐ02とＰcombは
センサ１０を取り囲む空気に含まれた酸素と可燃性物質
の分圧である。センサ１０をヒーター（図示せず）によ
り５５０から８５０℃の範囲の温度に加熱すると、可燃
性ガス分子はセル１２、１４の電極２０、２１および２
２、２３上で酸素ガス分子と反応し、ＣＯ2 および／ま
たはＨ2 Ｏを形成する。キャビティ１６内のＰ02とＰ
combは減少し、開口１８を通じて周囲環境のガス状雰囲
気からキャビティ１６内に酸素／可燃性ガス分子の拡散
フラックスが生じるようになる。また、ポンプセル１２
に電源２６から電圧を加えることができる。その結果生
じるポンピング電流（Ｉp ）はキャビティ１６内にまた
はキャビティの外に一部のＯ2 を転移し、キャビティ内
の酸素分圧は増減する。Ｐ02inをキャビティ１６内の酸
素分圧とすれば、センサセル１４に生じる e.m.f. （Ｖ
s ）は以下の（数式７）で示すネルンストの式により求
められる。
センサ１０を取り囲む空気に含まれた酸素と可燃性物質
の分圧である。センサ１０をヒーター（図示せず）によ
り５５０から８５０℃の範囲の温度に加熱すると、可燃
性ガス分子はセル１２、１４の電極２０、２１および２
２、２３上で酸素ガス分子と反応し、ＣＯ2 および／ま
たはＨ2 Ｏを形成する。キャビティ１６内のＰ02とＰ
combは減少し、開口１８を通じて周囲環境のガス状雰囲
気からキャビティ１６内に酸素／可燃性ガス分子の拡散
フラックスが生じるようになる。また、ポンプセル１２
に電源２６から電圧を加えることができる。その結果生
じるポンピング電流（Ｉp ）はキャビティ１６内にまた
はキャビティの外に一部のＯ2 を転移し、キャビティ内
の酸素分圧は増減する。Ｐ02inをキャビティ１６内の酸
素分圧とすれば、センサセル１４に生じる e.m.f. （Ｖ
s ）は以下の（数式７）で示すネルンストの式により求
められる。
【数７】 ここで、Ｐ02out はキャビティ１６の外部の電極２２に
おける酸素分圧である。電極２２が熱力学平衡状態にあ
れば、以下の（数式８）が得られる。
おける酸素分圧である。電極２２が熱力学平衡状態にあ
れば、以下の（数式８）が得られる。
【数８】 ここでｎは、燃焼性ガス分子の１つを酸化するのに要す
る酸素ガス分子数である。キャビティ１６内の可燃性ガ
ス分子のすべてと完全に反応したとすれば、酸素と可燃
性物質の（分子数／セカンドの）拡散フラックスは以下
の（数式９）、（数式１０）ように表わされる。
る酸素ガス分子数である。キャビティ１６内の可燃性ガ
ス分子のすべてと完全に反応したとすれば、酸素と可燃
性物質の（分子数／セカンドの）拡散フラックスは以下
の（数式９）、（数式１０）ように表わされる。
【数９】
【数１０】 ここで、Ｂは開口１８の幾何学的特徴により決まる定数
であり、Ｄ02とＤcombは酸素と可燃性物質の各々の拡散
定数である。燃焼性物質の１つのガス分子が酸素のｎガ
ス分子と反応するため、状態が安定していれば以下の
（数式１１）で示す関係式が得られる。
であり、Ｄ02とＤcombは酸素と可燃性物質の各々の拡散
定数である。燃焼性物質の１つのガス分子が酸素のｎガ
ス分子と反応するため、状態が安定していれば以下の
（数式１１）で示す関係式が得られる。
【数１１】 ここで、Ｉp ／（４ｅ）は比率を表わし、この比率に従
ってポンピング電流Ｉp によりキャビティ１６の外に酸
素が転移される。
ってポンピング電流Ｉp によりキャビティ１６の外に酸
素が転移される。
【００１５】前記式を組み合わせることで、ポンピング
電流Ｉp について以下の（数式１２）が得られる。
電流Ｉp について以下の（数式１２）が得られる。
【数１２】 ポンピング電流を制御してＶs を所定値に保てば、Ｉp
は空気中の可燃性物質の分圧に関係する。酸素（Ｃ02）
と可燃性物質（Ｃcomb）の（体積％の）濃度に関して、
ポンピング電流Ｉp の前記式は以下の（数式１３）よう
に書き直すことができる。
は空気中の可燃性物質の分圧に関係する。酸素（Ｃ02）
と可燃性物質（Ｃcomb）の（体積％の）濃度に関して、
ポンピング電流Ｉp の前記式は以下の（数式１３）よう
に書き直すことができる。
【数１３】 ここで、ＰT は総ガス圧である。
【００１６】キャビティ１６内で可燃性物質と酸素が完
全に反応しなければ、またはセンサセル１４の電極２
２、２３が熱力学平衡状態になければ、ポンピング電流
Ｉp と可燃性物質の分圧Ｐcombの間にはさらに複雑な関
係が存在することになる。この複雑な関係が把握できて
いなければ、センサ１０はキャリブレーション処理して
から使用することができる。また、無視してはきたが電
極２２、２３の拡散効果もポンピング電流Ｉp の複雑な
関係に関与している。拡散効果を無視してもよいように
センサ１０を操作するかまたはそのように構成する場
合、電極２２、２３は、異なった拡散バリヤー（図示せ
ず）、例えば、常態（体積）拡散が拡散プロセスを支配
する大きな孔や開口を備えたもの、またはクヌーセン拡
散が拡散プロセスを支配する小さな孔や開口を備えたも
のを備えることができる。これら拡散プロセスについて
の詳しい説明は、刊行物：Solid State Ionics 6 (198
2) 、１７５頁から１８３頁、 H. Dietz 氏による「ガ
ス拡散制御によるソリッド電解質酸素センサ」に記載さ
れている。
全に反応しなければ、またはセンサセル１４の電極２
２、２３が熱力学平衡状態になければ、ポンピング電流
Ｉp と可燃性物質の分圧Ｐcombの間にはさらに複雑な関
係が存在することになる。この複雑な関係が把握できて
いなければ、センサ１０はキャリブレーション処理して
から使用することができる。また、無視してはきたが電
極２２、２３の拡散効果もポンピング電流Ｉp の複雑な
関係に関与している。拡散効果を無視してもよいように
センサ１０を操作するかまたはそのように構成する場
合、電極２２、２３は、異なった拡散バリヤー（図示せ
ず）、例えば、常態（体積）拡散が拡散プロセスを支配
する大きな孔や開口を備えたもの、またはクヌーセン拡
散が拡散プロセスを支配する小さな孔や開口を備えたも
のを備えることができる。これら拡散プロセスについて
の詳しい説明は、刊行物：Solid State Ionics 6 (198
2) 、１７５頁から１８３頁、 H. Dietz 氏による「ガ
ス拡散制御によるソリッド電解質酸素センサ」に記載さ
れている。
【００１７】開口１８の直径がガス状雰囲気のガス分子
の平均自由行路よりも小さければ、拡散プロセスはクヌ
ーセン拡散により支配される。この拡散係数は絶対圧に
は関係しない。従って、ポンピング電流Ｉp の式は、ガ
ス状雰囲気の絶対圧に直線的に依存したポンピング電流
Ｉp となる。
の平均自由行路よりも小さければ、拡散プロセスはクヌ
ーセン拡散により支配される。この拡散係数は絶対圧に
は関係しない。従って、ポンピング電流Ｉp の式は、ガ
ス状雰囲気の絶対圧に直線的に依存したポンピング電流
Ｉp となる。
【００１８】開口１８の直径がガス状雰囲気のガス分子
の平均自由行路よりも大きければ、拡散プロセスは、常
態（体積）拡散が支配的となる。拡散係数Ｄ02とＤcomb
は、それぞれＮ2 中のＯ2 、及びＮ2 中の可燃性物質の
（近似値の）複（ｂｉｎａｒｙ）拡散係数である。これ
ら複拡散係数は絶対圧に反比例する。このため、ポンピ
ング電流Ｉp の数式には絶対圧からに関係しないポンピ
ング電流が取り扱われる。従って、ポンピング電流Ｉp
の式は以下の（数式１４）ように書き直せる。
の平均自由行路よりも大きければ、拡散プロセスは、常
態（体積）拡散が支配的となる。拡散係数Ｄ02とＤcomb
は、それぞれＮ2 中のＯ2 、及びＮ2 中の可燃性物質の
（近似値の）複（ｂｉｎａｒｙ）拡散係数である。これ
ら複拡散係数は絶対圧に反比例する。このため、ポンピ
ング電流Ｉp の数式には絶対圧からに関係しないポンピ
ング電流が取り扱われる。従って、ポンピング電流Ｉp
の式は以下の（数式１４）ように書き直せる。
【数１４】 ここで、Ａは開口１８の幾何学的特徴により決まる定数
である。
である。
【００１９】開口の直径をガス分子の平均自由行路に比
較できれば、両タイプの拡散プロセスが含まれる。キャ
ビティ１６とセンサ１０の単一の開口は、拡散バリヤー
として作用する多孔層（図示せず）の形態にしておくこ
とができる。この拡散バリヤーは、例えば、刊行物： C
eramic Engineering and Science Proceedings、 第８
巻、９月−１０月、１９８７年、E.M. Logothetis 氏に
よる「酸素ポンピングによる空気／燃料センサ」に記載
されている。
較できれば、両タイプの拡散プロセスが含まれる。キャ
ビティ１６とセンサ１０の単一の開口は、拡散バリヤー
として作用する多孔層（図示せず）の形態にしておくこ
とができる。この拡散バリヤーは、例えば、刊行物： C
eramic Engineering and Science Proceedings、 第８
巻、９月−１０月、１９８７年、E.M. Logothetis 氏に
よる「酸素ポンピングによる空気／燃料センサ」に記載
されている。
【００２０】空気に含まれる可燃性ガスの場合、Ｃ02は
（例えば、２０．９％に相当する）定数ではないが、
（乾燥）空気に含まれる可燃性ガスの濃度に依存してい
る。これを式で表わすと以下の（数式１５）ようにな
る。
（例えば、２０．９％に相当する）定数ではないが、
（乾燥）空気に含まれる可燃性ガスの濃度に依存してい
る。これを式で表わすと以下の（数式１５）ようにな
る。
【数１５】 センサ１０の感度を正確に測定するには、ガス状雰囲気
中の可燃性物質の濃度が増加するにつれて変化するポン
ピング電流Ｉp 、すなわち差ポンピング電流電流Ｉp (a
ir) −Ｉp ( 空気中のcomb.)が求められる。図２には、
センサ１０の実験的に測定した差ポンピング電流電流の
グラフが示されている。Ｖs を一定にすれば、ポンピン
グ電流の変化は空気中に含まれる様々な可燃性ガスの可
燃性物質濃度とは直線的な関係にある。ポンピング電流
を加えず、測定値をこの電圧オフセット用に補正した場
合、センサ１０の電圧（Ｖ）オフセットは図示のように
零にはならない。センサ１０は、ほとんどの可燃性ガス
の場合、下限爆発限界（例えば、空気中にて１．０から
５．０％）以下で可燃性物質を検知することができる。
センサ１０の応答時間は２００ミリセカンド（ms) で測
定された。この応答時間は、従来の（熱量測定／ペリス
タ、抵抗式の）可燃物質センサの応答時間（２から２０
秒）に比べて大幅に短縮されている。
中の可燃性物質の濃度が増加するにつれて変化するポン
ピング電流Ｉp 、すなわち差ポンピング電流電流Ｉp (a
ir) −Ｉp ( 空気中のcomb.)が求められる。図２には、
センサ１０の実験的に測定した差ポンピング電流電流の
グラフが示されている。Ｖs を一定にすれば、ポンピン
グ電流の変化は空気中に含まれる様々な可燃性ガスの可
燃性物質濃度とは直線的な関係にある。ポンピング電流
を加えず、測定値をこの電圧オフセット用に補正した場
合、センサ１０の電圧（Ｖ）オフセットは図示のように
零にはならない。センサ１０は、ほとんどの可燃性ガス
の場合、下限爆発限界（例えば、空気中にて１．０から
５．０％）以下で可燃性物質を検知することができる。
センサ１０の応答時間は２００ミリセカンド（ms) で測
定された。この応答時間は、従来の（熱量測定／ペリス
タ、抵抗式の）可燃物質センサの応答時間（２から２０
秒）に比べて大幅に短縮されている。
【００２１】図２を参照する。Ｖs がある値をとる場
合、メタン（ＣＨ4 ）に対するセンサ１０の感度はプロ
パン（Ｃ3 Ｈ8 ）に対する感度にほぼ等しく、メタン
（ＣＨ4）に対するセンサ１０の感度は水素（Ｈ2 ）の
感度に接近している。ポンピング電流Ｉp に関する上記
式を検討すれば明らかなように、拡散係数Ｄcombを持つ
どの可燃性物質にも、Ｄcomb／Ｄ02 − exp( −４e Ｖ
s ／（ｋＴ））が零に等しくなるＶs ／Ｔの値が存在す
る、すなわち、センサ１０が特定のＶs ／Ｔの値の時に
可燃性物質に対し無応答になることがある。
合、メタン（ＣＨ4 ）に対するセンサ１０の感度はプロ
パン（Ｃ3 Ｈ8 ）に対する感度にほぼ等しく、メタン
（ＣＨ4）に対するセンサ１０の感度は水素（Ｈ2 ）の
感度に接近している。ポンピング電流Ｉp に関する上記
式を検討すれば明らかなように、拡散係数Ｄcombを持つ
どの可燃性物質にも、Ｄcomb／Ｄ02 − exp( −４e Ｖ
s ／（ｋＴ））が零に等しくなるＶs ／Ｔの値が存在す
る、すなわち、センサ１０が特定のＶs ／Ｔの値の時に
可燃性物質に対し無応答になることがある。
【００２２】本発明によれば、センサ１０を使用して複
数の可燃性ガスを識別することができる。可燃性ガスが
存在せずＶs ＝０であれば、ポンピング電流Ｉp は零で
ある。可燃性ガスが存在すれば、温度は一定に保たれＶ
s は零に保たれる。ポンピング電流Ｉp の値およびサイ
ンはＤcomb／Ｄ02により決まる。例えば、次の（数式１
６）、
数の可燃性ガスを識別することができる。可燃性ガスが
存在せずＶs ＝０であれば、ポンピング電流Ｉp は零で
ある。可燃性ガスが存在すれば、温度は一定に保たれＶ
s は零に保たれる。ポンピング電流Ｉp の値およびサイ
ンはＤcomb／Ｄ02により決まる。例えば、次の（数式１
６）、
【数１６】 Ｄcomb／Ｄ02＞１であれば、可燃性物質は酸素よりも急
速に拡散する。キャビティ１６の内部では、可燃性物質
はＣＯ2 および／またはＨ2 Ｏに酸化し、可燃性物質と
酸素の濃度は低下する。可燃性物質がキャビティ１６内
に急速に拡散するため、キャビティ１６内の酸素濃度は
センサセル１４の電極２２の外側における酸素濃度より
低い状態になる。その結果、Ｉp ＜０ミリアンペア(mA)
であり、キャビティ１６内に酸素を追加して転移しＶs
＝０ミリボルト(mV)を保つ必要がある。Ｄcomb／Ｄ02＜
１であれば、Ｉp ＞０mAとなり、キャビティ１６内の酸
素濃度が電極２２の外側の酸素濃度よりも高いため、キ
ャビティ１６の外に酸素を転移する必要がある。通常
（体積）拡散を例にとると、空気中のメタン（ＣＨ4）
とプロパン（Ｃ3 Ｈ8 ）を対象とした場合、その結果は
それぞれ図３と図４に示されている。温度Ｔは１０００
Ｋに一定に保たれていることを理解しておく必要があ
る。また、Ｖs は単位がミリボルト(mV)であり、Ｉp は
不定の単位である。
速に拡散する。キャビティ１６の内部では、可燃性物質
はＣＯ2 および／またはＨ2 Ｏに酸化し、可燃性物質と
酸素の濃度は低下する。可燃性物質がキャビティ１６内
に急速に拡散するため、キャビティ１６内の酸素濃度は
センサセル１４の電極２２の外側における酸素濃度より
低い状態になる。その結果、Ｉp ＜０ミリアンペア(mA)
であり、キャビティ１６内に酸素を追加して転移しＶs
＝０ミリボルト(mV)を保つ必要がある。Ｄcomb／Ｄ02＜
１であれば、Ｉp ＞０mAとなり、キャビティ１６内の酸
素濃度が電極２２の外側の酸素濃度よりも高いため、キ
ャビティ１６の外に酸素を転移する必要がある。通常
（体積）拡散を例にとると、空気中のメタン（ＣＨ4）
とプロパン（Ｃ3 Ｈ8 ）を対象とした場合、その結果は
それぞれ図３と図４に示されている。温度Ｔは１０００
Ｋに一定に保たれていることを理解しておく必要があ
る。また、Ｖs は単位がミリボルト(mV)であり、Ｉp は
不定の単位である。
【００２３】図３および図４を参照する。センサ１０に
空気中のＣＨ4 ／Ｃ3 Ｈ8 のＣＨ4に対し選択性を持た
せるために、センサ１０はほぼＶs ＝１２mVで操作され
る。Ｖs ＝１２mVでは、センサ１０は任意の濃度のＣ3
Ｈ8 には応答しない。すなわち、Ｖs ＝１２mVを得るの
に必要なポンピング電流Ｉp は、空気に要するポンピン
グ電流Ｉp に一致している（図４）。これに対し、セン
サ１０はＣＨ4 には応答する（図３）。従って、Ｖs ＝
１２mVの下でセンサ１０によりポンピング電流Ｉp は測
定され、ＣＨ4 の濃度は前述したポンピング電流の数式
に従って計算される。考慮しておくべき点は、センサ１
０を概ねＶs ＝−２mVで操作すれば、センサ１０にＣ3
Ｈ8 に対する選択性を持たすことができることである。
また、Ｖs と温度Ｔを変化させて、センサ１０を特定の
可燃性物質に対し無応答にできることも理解しておく必
要がある。Ｚr Ｏ2 材料を適切に働かせ、電極２０、２
１および２２、２３での熱力学平衡を得るために、温度
は所定の範囲（例えば、５５０から８５０℃）に保つ必
要がある。さらに、拡散係数は温度に依存していること
を考慮に入れておく必要がある。
空気中のＣＨ4 ／Ｃ3 Ｈ8 のＣＨ4に対し選択性を持た
せるために、センサ１０はほぼＶs ＝１２mVで操作され
る。Ｖs ＝１２mVでは、センサ１０は任意の濃度のＣ3
Ｈ8 には応答しない。すなわち、Ｖs ＝１２mVを得るの
に必要なポンピング電流Ｉp は、空気に要するポンピン
グ電流Ｉp に一致している（図４）。これに対し、セン
サ１０はＣＨ4 には応答する（図３）。従って、Ｖs ＝
１２mVの下でセンサ１０によりポンピング電流Ｉp は測
定され、ＣＨ4 の濃度は前述したポンピング電流の数式
に従って計算される。考慮しておくべき点は、センサ１
０を概ねＶs ＝−２mVで操作すれば、センサ１０にＣ3
Ｈ8 に対する選択性を持たすことができることである。
また、Ｖs と温度Ｔを変化させて、センサ１０を特定の
可燃性物質に対し無応答にできることも理解しておく必
要がある。Ｚr Ｏ2 材料を適切に働かせ、電極２０、２
１および２２、２３での熱力学平衡を得るために、温度
は所定の範囲（例えば、５５０から８５０℃）に保つ必
要がある。さらに、拡散係数は温度に依存していること
を考慮に入れておく必要がある。
【００２４】空気に含まれるＣＨ4 ／Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ混合
気のＣＨ4 を検知する他の実施例では、センサ１０は図
５に示すようにＶs ＝７．０mVで操作される。図示のよ
うに、任意の濃度のＣ2 Ｈ5 ＯＨはＶs ＝７．０mVの下
でポンピング電流に零変化が起きる。また、ＣＨ4 はほ
ぼ１．０mA／％ＣＨ4 のポンピング電流に変化が起き
る。従って、センサ１０をＶs ＝７．０mVで操作すれ
ば、Ｃ2 Ｈ5 ＯＨが存在していてもＣＨ4 を選別して測
定することができる。
気のＣＨ4 を検知する他の実施例では、センサ１０は図
５に示すようにＶs ＝７．０mVで操作される。図示のよ
うに、任意の濃度のＣ2 Ｈ5 ＯＨはＶs ＝７．０mVの下
でポンピング電流に零変化が起きる。また、ＣＨ4 はほ
ぼ１．０mA／％ＣＨ4 のポンピング電流に変化が起き
る。従って、センサ１０をＶs ＝７．０mVで操作すれ
ば、Ｃ2 Ｈ5 ＯＨが存在していてもＣＨ4 を選別して測
定することができる。
【００２５】図６を参照する。Ｖs を１０mVに制御する
かまたは１０mVに一定に保つ場合、空気中のプロパン
（Ｃ3 Ｈ8 ）とエタノール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）の例では、
空気中のポンピング電流Ｉp ／空気中の％可燃性物質に
対するポンピング電流Ｉp の変化は、センサ１０の温度
の関数として表わせる。約６００℃では、センサ１０は
プロパンに対し無感応であり、また約８５０℃では、セ
ンサ１０はエタノールに対して無感応である。この計算
に際し、常態（体積）拡散が開口１８を通じて行なわれ
る拡散メカニズムを支配しているものと見なしている。
センサ１０の温度はヒーター（図示せず）により変えら
れることを理解しておく必要がある。
かまたは１０mVに一定に保つ場合、空気中のプロパン
（Ｃ3 Ｈ8 ）とエタノール（Ｃ2 Ｈ5 ＯＨ）の例では、
空気中のポンピング電流Ｉp ／空気中の％可燃性物質に
対するポンピング電流Ｉp の変化は、センサ１０の温度
の関数として表わせる。約６００℃では、センサ１０は
プロパンに対し無感応であり、また約８５０℃では、セ
ンサ１０はエタノールに対して無感応である。この計算
に際し、常態（体積）拡散が開口１８を通じて行なわれ
る拡散メカニズムを支配しているものと見なしている。
センサ１０の温度はヒーター（図示せず）により変えら
れることを理解しておく必要がある。
【００２６】前述したように、幾つかの可燃性物質を選
択的に検知するには、センサ１０の出力またはポンピン
グ電流Ｉp を個々のＶs で測定する必要がある。この測
定法は、段階的にＶs を変えて操作される単一のセンサ
１０を使用したり、各々が異なったＶs で操作されるセ
ンサ１０のアレイを使用して行なうことができる。多数
の濃度を計算するのにはニューラル・ネットワーク（図
示せず）を使用することができる。
択的に検知するには、センサ１０の出力またはポンピン
グ電流Ｉp を個々のＶs で測定する必要がある。この測
定法は、段階的にＶs を変えて操作される単一のセンサ
１０を使用したり、各々が異なったＶs で操作されるセ
ンサ１０のアレイを使用して行なうことができる。多数
の濃度を計算するのにはニューラル・ネットワーク（図
示せず）を使用することができる。
【００２７】未知の（未知ではあるが、充分な大きさ
の）酸素濃度の下でガス状雰囲気の測定を行なう場合、
Ｖs を変えて（例えば、Ｖs ＝０mVで）ポンピング電流
Ｉp の測定を行なう必要がある。この追加測定を行なう
には、未知の酸素濃度を特定しておく必要がある。こう
した追加測定は、相対湿度の大きな変化により空気中の
酸素濃度を特定できなくなるため必要とされる。
の）酸素濃度の下でガス状雰囲気の測定を行なう場合、
Ｖs を変えて（例えば、Ｖs ＝０mVで）ポンピング電流
Ｉp の測定を行なう必要がある。この追加測定を行なう
には、未知の酸素濃度を特定しておく必要がある。こう
した追加測定は、相対湿度の大きな変化により空気中の
酸素濃度を特定できなくなるため必要とされる。
【００２８】空気中に含まれる可燃性物質の混合気の場
合、ポンピング電流の公式は以下の（数式１７）、（数
式１８）ように表わせる。
合、ポンピング電流の公式は以下の（数式１７）、（数
式１８）ように表わせる。
【数１７】
【数１８】 個々の可燃性物質の酸化は他の可燃性物質の存在の如何
にかかわらず行なわれていることとする。また、これら
可燃性物質と完全に反応する充分な量の酸素が存在して
いるものとする。
にかかわらず行なわれていることとする。また、これら
可燃性物質と完全に反応する充分な量の酸素が存在して
いるものとする。
【００２９】このように、センサ１０を特定のＶs また
は温度で操作し可燃性ガスの１つを選択的に測定したり
無感応にする方法で、既知の可燃性ガスの複混合気の測
定操作を行なうことができる。複数の既知の可燃性ガス
および／または濃度が不明のＯ2 からなる混合気の場
合、センサ１０はＶs の範囲で操作され、次いで適当な
Ｖs の値を設定して個々の可燃性物質を順次無応答にす
る操作を行なうことができる。多数の未知の可燃性ガス
からなる混合気の場合には、Ｖs の値は広い範囲にわた
って変化させる必要があり、得られた測定データを評価
するためにニュートラルネットワークを使用することが
できる。Ｖs の範囲はそれぞれが独立した一連の値にす
る必要はなく、Ｖs はアナログの状態に変化させ、得ら
れたアナログポンピング電流信号をニューラル・ネット
ワークに供給することができる。
は温度で操作し可燃性ガスの１つを選択的に測定したり
無感応にする方法で、既知の可燃性ガスの複混合気の測
定操作を行なうことができる。複数の既知の可燃性ガス
および／または濃度が不明のＯ2 からなる混合気の場
合、センサ１０はＶs の範囲で操作され、次いで適当な
Ｖs の値を設定して個々の可燃性物質を順次無応答にす
る操作を行なうことができる。多数の未知の可燃性ガス
からなる混合気の場合には、Ｖs の値は広い範囲にわた
って変化させる必要があり、得られた測定データを評価
するためにニュートラルネットワークを使用することが
できる。Ｖs の範囲はそれぞれが独立した一連の値にす
る必要はなく、Ｖs はアナログの状態に変化させ、得ら
れたアナログポンピング電流信号をニューラル・ネット
ワークに供給することができる。
【００３０】本発明は、これまで具体例に基づいて説明
してきたが、使用した技術用語は説明の便宜のためのも
のであり、本発明を限定するものではない。これまでの
説明を参考にすれば、本発明は如何様にも修正し変更す
ることができる。従って、本発明の範囲は記載した具体
例ではなく特許請求の範囲に基づいて判断することがで
きる。
してきたが、使用した技術用語は説明の便宜のためのも
のであり、本発明を限定するものではない。これまでの
説明を参考にすれば、本発明は如何様にも修正し変更す
ることができる。従って、本発明の範囲は記載した具体
例ではなく特許請求の範囲に基づいて判断することがで
きる。
【図１】本発明に係る選択可燃物質センサの一部断面概
略図。
略図。
【図２】図１のセンサを使用して実験で求めた、ポンピ
ング電流 (Ｉp ）の変化と空気中に含まれる複数の可燃
性物質の濃度との関係を示すグラフ。
ング電流 (Ｉp ）の変化と空気中に含まれる複数の可燃
性物質の濃度との関係を示すグラフ。
【図３】図１のセンサを使用して求めた、空気中に複数
の濃度物質を含んだ状態で可燃性物質（メタン）を測定
した際の起電力（Ｖs ）とポンピング電流（Ｉp ）の関
係を示すグラフ。
の濃度物質を含んだ状態で可燃性物質（メタン）を測定
した際の起電力（Ｖs ）とポンピング電流（Ｉp ）の関
係を示すグラフ。
【図４】図１のセンサを使用して求めた、空気中に複数
の濃度物質を含んだ状態で他の可燃性物質（プロパン）
を測定した際のＶs とＩp の関係を示すグラフ。
の濃度物質を含んだ状態で他の可燃性物質（プロパン）
を測定した際のＶs とＩp の関係を示すグラフ。
【図５】図１のセンサを使用して求めた、空気中に複数
の可燃性ガスが含まれている場合の、Ｉp ／パーセント
可燃性物質の変化とＶs の関係を示すグラフ。
の可燃性ガスが含まれている場合の、Ｉp ／パーセント
可燃性物質の変化とＶs の関係を示すグラフ。
【図６】図１のセンサを使用して求めた、空気中に２つ
の可燃性ガスが含まれている場合の、Ｉp ／パーセント
可燃性物質の変化と温度の関係を示すグラフ。
の可燃性ガスが含まれている場合の、Ｉp ／パーセント
可燃性物質の変化と温度の関係を示すグラフ。
１０ センサ １２ ポンプセル １４ センサセル １６ キャビティ １８ 開口 ２０、２１ 電極 ２２、２３ 電極 ２４ 抵抗器 ２６ 電源
フロントページの続き (72)発明者 ラヨス リマイ アメリカ合衆国ミシガン州ディアボーン, ロング ブールバード 22364 (72)発明者 リチャード イー．ソルティス アメリカ合衆国ミシガン州レッドフォード タウンシップ，ロス ドライブ 24848
Claims (17)
- 【請求項１】 ポンプセルとセンサセルを備えた選択可
燃物質センサを操作する方法にして、当該方法は、 少なくとも２種の可燃性ガスと酸素ガスを含むガス雰囲
気内にセンサを置き、ポンプセルとセンサセルの間の領
域にガス雰囲気が入り込めるようにする段階と、 ポンプセルにポンピング電流を加える段階と、 センサセルに生じた起電力（Ｖs ）を感知する段階と、 センサのＶs または温度の少なくとも一方を変化させ
て、センサを可燃性ガスの１つに無反応にする変更段階
と、 ガス雰囲気内に存在する他の可燃性ガスを検知する段階
とを有する選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記変更段階を行なう以前に、
各々の可燃性ガスに可燃性物質が存在しない時期に、ポ
ンピング電流に対するポンピング電流の零変時のＶs を
決定する段階を有している選択可燃物質センサの操作方
法。 - 【請求項３】 請求項２に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記決定段階が、各々の可燃性
ガスの零変のためにセンサの計算処理またはキャリブレ
ーションの何れか一方の操作を行なう段階を有する選択
可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項４】 請求項１に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記変更段階は、ポンピング電
流を調節して、センサセルのＶs が可燃性ガスのうちの
１種の可燃性ガスについての零差ポンピング電流に対応
するようにする段階を有している選択可燃物質センサの
操作方法。 - 【請求項５】 請求項１に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記変更段階は、センサが可燃
性ガスのうちの１種の可燃性ガスについての零差ポンピ
ング電流に対応する温度になるようセンサの温度を調節
する段階を有している選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項６】 請求項１に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記検知段階が、ポンプセルの
ポンピング電流を測定する段階と、ポンピング電流の測
定値から各種の燃焼性ガスの濃度を計算する段階とを有
している選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項７】 請求項６に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記計算段階が、以下の（数式
１）、 【数１】 により可燃性ガスの濃度を計算する段階を有している選
択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項８】 ポンプセルとセンサセルを備えた選択可
燃物質センサを操作する方法にして、当該方法は、 少なくとも２種の可燃性ガスと酸素ガスを含むガス雰囲
気内にセンサを置き、ポンプセルとセンサセルの間の領
域にガス雰囲気が入り込めるようにする段階と、 ポンプセルにポンピング電流を加える段階と、 センサセルに生じた起電力（Ｖs ）を感知する段階と、 所定のＶs を設定する段階と、 ポンプセルのポンピング電流を測定する段階と、 ポンピング電流の測定値から可燃性ガスの濃度を計算す
る段階とを有している選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項９】 請求項８に記載された選択可燃物質セン
サの操作方法において、前記設定段階を行なう以前に、
各々の可燃性ガスに可燃性物質が存在しない時期に、ポ
ンピング電流に対するポンピング電流の零変時のＶs を
決定する段階を有している選択可燃物質センサの操作方
法。 - 【請求項１０】 請求項９に記載された選択可燃物質セ
ンサの操作方法において、前記決定段階が、各々の可燃
性ガスの零変のためにセンサの計算処理またはキャリブ
レーションの何れか一方の操作を行なう段階を有する選
択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項１１】 請求項８に記載された選択可燃物質セ
ンサの操作方法において、前記設定段階は、ポンピング
電流を調節して、センサセルのＶs が可燃性ガスのうち
の１種の可燃性ガスについての零差ポンピング電流に対
応するようにする段階を有している選択可燃物質センサ
の操作方法。 - 【請求項１２】 請求項８に記載された選択可燃物質セ
ンサの操作方法において、前記測定段階を行なう以前
に、センサの温度（Ｔ）を変化させて、センサが可燃性
ガスのうちの１種の可燃性ガスについての零差ポンピン
グ電流に対応するＴになるようにする段階を有している
選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項１３】 請求項８に記載された選択可燃物質セ
ンサの操作方法において、前記計算段階が、以下の（数
式２）、 【数２】 により可燃性ガスの濃度を計算する段階を有している選
択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項１４】 ポンプセルとセンサセルを備えた選択
可燃物質センサを操作する方法にして、当該方法は、 少なくとも２種の可燃性ガスと酸素ガスを含むガス雰囲
気内にセンサを置き、ポンプセルとセンサセルの間の領
域にガス雰囲気が入り込めるようにする段階と、 ポンプセルにポンピング電流を加える段階と、 センサセルに生じた起電力（Ｖs ）を感知する段階と、 センサが可燃性ガスのうちの１種の可燃性ガスについて
の零差・ポンピング電流に対応するＶs ／Ｔとなるよう
に、ポンピング電流と温度（Ｔ）とを変化させる変更段
階と、 ポンプセルのポンピング電流を測定する段階と、 ポンピング電流の測定値から可燃性ガスの濃度を計算す
る段階とを有している選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項１５】 請求項１４に記載された選択可燃物質
センサの操作方法において、前記変更段階を行なう以前
に、各々の可燃性ガスに可燃性物質が存在しない時期
に、ポンピング電流に対するポンピング電流の零変時の
Ｖs を決定する段階を有している選択可燃物質センサの
操作方法。 - 【請求項１６】 請求項１５に記載された選択可燃物質
センサの操作方法において、前記決定段階が、各々の可
燃性ガスの零変のためにセンサの計算処理またはキャリ
ブレーションの何れか一方の操作を行なう段階を有する
選択可燃物質センサの操作方法。 - 【請求項１７】 請求項１４に記載された選択可燃物質
センサの操作方法において、前記計算段階が、以下の
（数式３）、 【数３】 により可燃性ガスの濃度を計算する段階を有している選
択可燃物質センサの操作方法。
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