JPH06324017A - 限界電流式酸素センサの作動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 短時間に酸素濃度の計測が開始できる限界電
流式酸素センサの作動装置を提供する。 【構成】 センサ素子１の加熱体５に電圧を印加する加
熱電圧源１１に、使用初期には加熱電圧源１１が印加す
る電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動させ、所定
時間（Ｉ）経過後に急激に常用電圧値まで低下させる加
熱電圧変更手段１２を併設することにより、センサ安定
時間は、使用初期より常用電圧のままで作動させた従来
の場合より大幅に短縮され、短時間に酸素濃度の計測を
開始できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気中の酸素濃度を検
出する限界電流式酸素センサの作動装置に関し、特に酸
素濃度の検出が可能な状態になる暖気ウォーミング時間
（安定時間）を短縮する限界電流式酸素センサの作動装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の限界電流式酸素センサの作動装置
を図１１に示す。限界電流式酸素センサのセンサ素子１
は、対となる電極膜１ａおよび１ｂが両面に形成された
酸素イオン伝導性固体電解質体２と、酸素イオン伝導性
固体電解質体２の片側に位置し電極膜１ａを囲むように
配置され、かつ流入する酸素分子の移動を制限する酸素
拡散通路３を有する拡散律速体４と、拡散律速体４に併
設された加熱体５を有し、また、このセンサ素子１は、
断熱材６で外包され、さらにこの断熱材６は気体通気性
枠体６ａで外包されてセンサ実装体７を構成している。

【０００３】一方、作動装置は、電極膜１ａおよび１ｂ
に一定電圧を印加する素子駆動用電圧源８と、電極膜１
ａおよび１ｂで発生する電流を検出するための素子電流
検出手段９とを有し、センサ素子１の電極膜１ａおよび
１ｂと素子駆動用電圧源８と素子電流検出手段９とは直
列に接続され閉回路を構成している。また、センサ素子
の加熱体５には加熱のための電圧を印加する加熱電圧源
１１が併設されている。

【０００４】以上のように構成され、つぎにその作動方
法について述べる。まず、素子駆動用電圧源８と加熱電
圧源１１を一定電圧値にて作動させる。すると、加熱体
５により酸素イオン伝導性固体電解質体２が加熱されて
酸素ポンピング作用が働き、酸素分子が酸素イオンとし
て酸素イオン伝導性固体電解質体２を通過し発生電流が
一時的に増加するが、酸素拡散通路３により酸素分子の
移動が徐々に制限されるため、酸素イオンの通過が制限
されそれに伴い発生電流が徐々に低下する。やがて、酸
素拡散通路３による酸素分子の移動制限作用が安定する
ため、発生電流も安定し限界電流を呈するようになる。
そのため、センサ素子１が限界電流特性を呈するように
なるにはかなりの時間を要する。そこでこのセンサ安定
時間をあらかじめ測定しておき、この安定時間の経過後
に素子電流検出手段９で検出された電流を読み取って制
御信号として活用している。

【０００５】また他の従来例として、電極膜１ａおよび
１ｂに印加する素子駆動用電圧値を発生電流とリンクさ
せ、電流値が大きい時は素子駆動用電圧値を大きくし電
流値が小さい時は素子駆動用電圧値も小さくする作動装
置もある。この第２の従来例の作動装置は、素子駆動用
電圧値を発生電流とリンクさせてセンサ特性の安定化を
計るものであるが、やはりセンサ素子１が安定した後で
なければ素子電流検出手段９で検出された電流を読み取
って制御信号として活用することができない。

【０００６】そこで、センサ素子１のセンサ安定時間を
短縮して短時間に酸素濃度が計測できるようにするため
に、従来行われていた方法は加熱体５に印加する電圧値
を低下させてヒータ消費電力値を低下させる方法、また
は電極膜１ａおよび１ｂに印加する印加電圧値を低下さ
せる方法などがある。しかし、いずれの方法もセンサ素
子１の耐久性や応答性の観点では好ましくなく、耐久性
や応答性の低下を招くという問題点があった。その理由
は、短時間に酸素濃度が計測できるようにすることセン
サの耐久性・応答性とは相反事項である。すなわちセン
サの耐久性や応答性を向上させるには、加熱体５に印加
する電圧値はセンサ素子１の割れ等を生じさせない範囲
においてできるだけ高くして高ヒータ消費電力値にする
こと、電極膜１ａおよび１ｂに印加する印加電圧値は水
分の電気分解を生じさせない範囲においてできるだけ高
くして高印加電圧値にすることが必要であるが、短時間
に酸素濃度を計測できるようにすることを優先する観点
から、加熱体に印加する電圧値を低下させて消費電力値
を低下させる方法、または電極膜に印加する印加電圧値
を低下させる方法を採用しているのが現状である。ま
た、加熱体５に印加する電圧値（消費電力値）の具体的
上限値は、センサの割れ等が生じるため容易に設定でき
ず、その最適値の決定には多くの実験を必要とし、この
煩雑さを避けるために加熱体に印加する電圧値を低下さ
せる方法、または加熱体での消費電力値を低下させる方
法をやむを得ず使用しているのが現状である。また特開
昭５７−１３９６５７に見られるように酸素センサの温
度を検出する温度検出素子により、または酸素センサの
発熱体と固定抵抗とのブリッジの不平衡を検出して、酸
素センサの温度を一定に保とうとする試みが開示されて
いるが、この例では酸素センサの温度を短時間に立上げ
るという技術思想は開示されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の限界電流式酸
素センサの作動装置は従来の装置の問題点であったセン
サ素子１の安定時間を短縮し、短時間で酸素濃度の計測
を開始できるようにし、また併せてセンサ素子１の耐久
性や応答性を低下させない手段を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１に対応する限界電流式酸素センサ
の作動装置は、そのセンサ素子は対となる電極膜が両面
に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体と前記酸素
イオン伝導性固体電解質体の片側に位置し前記電極膜の
片側を囲むように配置され、かつ流入する酸素分子の移
動を制限する酸素拡散通路を有する拡散律速体と前記拡
散律速体に、または前記酸素イオン伝導性固体電解質体
に併設された加熱体とを有し、前記センサ素子を断熱材
で外包してセンサ実装体とし、前記センサ素子の電極膜
に直列にセンサ素子駆動用電圧源とセンサ素子電流検出
手段とを接続して閉回路を構成し、さらに前記センサ素
子の加熱体に電圧を印加する加熱電圧源とを設け、使用
初期は前記加熱電圧源が印加する電圧値を常用電圧値よ
り高い電圧値で作動させ所定時間経過後に常用電圧値ま
で低下させる加熱電圧変更手段を前記加熱電圧源に併設
した構成となっている。

【０００９】また、本発明の請求項２に対応する限界電
流式酸素センサの作動装置は、そのセンサ素子は対とな
る電極膜が両面に形形成された酸素イオン伝導性固体電
解質体と、前記酸素イオン伝導性固体電解質体の片側に
位置し前記電極膜の片側を囲むように配置され、かつ流
入する酸素分子の移動を制限する酸素拡散通路を有する
拡散律速体と前記拡散律速体に、または前記酸素イオン
伝導性固体電解質体に併設された加熱体とを有し、前記
センサ素子を断熱材で外包してセンサ実装体とし、前記
センサ素子の電極膜に直列に素子駆動用電圧源と素子電
流検出手段とを接続して閉回路を構成し、さらに前記セ
ンサ素子の加熱体に電圧を印加する加熱電圧源とヒータ
電流検出手段とを直列に接続して閉回路を構成し、使用
初期は前記加熱電圧源が印加する電圧値を常用電圧値よ
り高い電圧値で作動させ前記ヒータ電流検出手段との接
続で得られるヒータ電流値が安定値よりも大きい所定値
以下になると常用電圧値まで低下させる加熱電圧変更手
段を前記加熱電圧源に併設した構成となっている。

【００１０】また、本発明の請求項３に対応する限界電
流式酸素センサの作動装置は、そのセンサ素子は対とな
る電極膜が両面に形成された酸素イオン伝導性固体電解
質体と、前記酸素イオン伝導性固体電解質体の片側に位
置し前記電極膜の片側を囲むように配置され、かつ流入
する酸素分子の移動を制限する酸素拡散通路を有する拡
散律速体と前記拡散律速体に、または前記固体電解質体
に併設された加熱体とを有し、前記センサ素子を断熱材
で外包してセンサ実装体とし、前記センサ素子の電極膜
に直列に素子駆動用電圧源と素子電流検出手段とを接続
して閉回路を構成し、かつ前記センサ素子に素子温度検
出部を配置し、さらに前記センサ素子の加熱体に電圧を
印加する加熱電圧源を設け、使用初期は前記加熱電圧源
が印加する電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動さ
せ前記素子温度検出部との接続で得られる素子温度が安
定値よりも小さい所定温度以上になると常用電圧値まで
低下させる加熱電圧変更手段を前記加熱電圧源に併設し
た構成となっている。

【００１１】

【作用】本発明は上記の構成において、使用初期は加熱
電圧源が印加する電圧値を常用電圧値より高い電圧値で
作動させ、所定時間経過後、またはヒータ電流値が所定
値以下になった後、または素子温度が所定温度以上にな
った後、常用電圧値まで低下させることにより、センサ
素子が短時間に安定温度まで達し、センサ安定時間は、
使用初期より常用電圧のままで作動させる場合より大幅
に短縮され、短時間に酸素濃度が計測できるようになる
ため、加熱体の消費電力値も、電極膜に印加する印加電
圧値も耐久性や応答性確保の観点で可能な限り高くでき
ることとなる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。本発明の限界電流式酸素センサの作動装置の第１
の実施例の構成図を図１に示す。限界電流式酸素センサ
のセンサ素子１は、対となる電極膜１ａおよび１ｂが両
面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体２と、こ
の酸素イオン伝導性固体電解質体２の片側上部にカソー
ド側電極膜１ａを囲み始端と終端が互いに間隔を有する
ように配置された螺旋型スペーサ４ａと、この螺旋型ス
ペーサ４ａの上部に配置されたシール板４ｂと、このシ
ール板４ｂの上部に配置された加熱部５とを有してい
る。そして螺旋型スペーサ４ａとシール板４ｂとで拡散
律速体４が構成され、酸素拡散通路３が螺旋型スペーサ
４ａの相対向する隔壁と酸素イオン伝導性固体電解質体
２とシール板４ｂで囲まれる螺旋型の空間で形成され
る。なお、加熱体５は図示の位置でなく酸素イオン伝導
性固体電解質体２に併設してもよい。このセンサ素子１
は、断熱材６で外包し、さらにこの断熱材６を通気性枠
体６ａで外包してセンサ実装体７を構成している。

【００１３】そしてセンサ素子１の電極膜１ａおよび１
ｂに一定電圧を印加する素子駆動用電圧源８の陽極はア
ノード側電極膜１ｂに、陰極は電極膜１ａおよび１ｂ間
で発生する電流を検出するための素子電流検出手段９に
接続され、素子電流検出手段９の他端には酸素センサの
カソード側電極膜１ａが接続されて閉回路を構成してい
る。また、センサ素子の加熱体５には加熱のための電圧
を印加する加熱電圧源１１が接続されている。一方加熱
電圧源１１には、使用初期は加熱電圧源１１が印加する
電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動させ所定時間
（Ｉ）経過後に急激に常用電圧値まで低下させる加熱電
圧変更手段１２が併設されている。また必要に応じて、
素子電流検出手段９には、所定時間（Ｉ）より後であっ
て、センサ特性が安定する所定時間（ＩＩ）以後に素子
電流検出手段９からの検出電流を読み取り制御信号とし
て用いる制御信号読み取り器１０が併設されている。

【００１４】上記のセンサ素子１の具体的な構造をさら
に詳しく説明する。図２は、本発明の１実施例における
限界電流式酸素センサの作動装置に用いるセンサ素子の
分解斜視図である。対となる電極膜１ａと１ｂ（裏側の
ため図示せず）が酸素イオン伝導性固体電解質体２の両
面に形成されている。この酸素イオン伝導性固体電解質
体２の片側上部にカソード側電極膜１ａ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４ａが配置されている。そしてこの螺旋型スペー
サ４ａの上部にシール板４ｂが配置され、さらにこのシ
ール板４ｂの上部に加熱部５が配置されセンサ素子を構
成している。なお、拡散律速体４は、螺旋型スペーサ４
ａとシール板４ｂとからなり、酸素拡散通路３が螺旋型
スペーサ４ａの相対向する隔壁と酸素イオン伝導性固体
電解質体２とシール板４ｂとで囲まれる螺旋型の空間で
形成され、酸素はこの螺旋型空間を経由してカソード側
電極膜１ａへ拡散する。

【００１５】つぎに具体的実例にもとづいてその製法を
説明する。図２の限界電流式酸素センサにおいて酸素イ
オン伝導性固体電解質体２としてジルコニア（ＺｒＯ２
にＹ２ Ｏ３ を８モル％添加したもの）、電極膜１
ａ・１ｂとして白金、螺旋型スペーサ４ａとして硝子
（熱膨張係数は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しているもの）、シール板４ｂ
としてフォルステライト、加熱部５として白金ヒータを
用いた。まず、電極膜１ａ・１ｂを酸素イオン伝導性固
体電解質体２の上に、さらに螺旋型スペーサ４ａを酸素
イオン伝導性固体電解質体２の上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４ｂの上に
は加熱部５を厚膜印刷技術および焼成技術を用いて形成
する。つぎに、酸素イオン伝導性固体電解質体２上の螺
旋型スペーサ４ａとシール板４ｂとを積層し加熱溶融す
ることで酸素拡散通路３を形成する。そして電極膜１
ａ，１ｂ、加熱部５にリード線（図示せず）を取りつけ
て完成する。

【００１６】このセンサ素子は、セラミック製底体（図
示せず）の上に載置し、セラミック製底体に設けたリー
ド端子にリード線を電気的に接合し、その後断熱材６で
外包し、さらにこの断熱材６をステンレス製金網（図示
せず）で外包し、セラミック製底体とステンレス製金網
を接合して気体通気性枠体６ａとしてセンサ実装体７を
構成している。

【００１７】以上のように構成され、つぎにその動作に
ついて図３を併用して説明する。まず加熱電圧源１１お
よび加熱電圧変更手段１２を作動させ、当初加熱電圧源
１１が印加する電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作
動させることで加熱体５に一時的に高電力値を印加しセ
ンサ素子１を暖める。それと同時に、素子駆動用電圧源
８と素子電流検出手段９を作動させる。すると、加熱体
５により酸素イオン伝導性固体電解質体２が加熱されて
酸素ポンピング作用が働き酸素分子が酸素イオンとして
酸素イオン伝導性固体電解質体２を通過するが、酸素拡
散通路３により酸素分子の移動が徐々に制限されるた
め、酸素イオン伝導性固体電解質体２内における酸素イ
オンの通過が制限され、それに伴い電極膜１ａおよび１
ｂ間の発生電流が徐々に低下する。やがて所定時間
（Ｉ）になると加熱電圧変更手段１２が作動し、加熱電
圧源１１が印加する電圧値を急激に常用電圧値まで低下
させる。当初加熱体５に一時的に高電力値を印加しセン
サ素子１を短時間に暖めることで、酸素拡散通路３によ
る酸素分子の移動制限作用や酸素イオン伝導性固体電解
質体２による酸素ポンピング作用が短時間に安定するた
め、センサ安定時間は、使用初期より常用電圧のままで
作動させた場合より短縮され、短時間に酸素濃度が計測
できるようになる。そしてセンサ特性が安定する所定時
間（ＩＩ）となると、制御信号読み取り器１０が素子電
流検出手段９で検出された電流を読み取り、その値を制
御信号として活用する。

【００１８】一例として使用初期に加熱電圧源１１が印
加する電圧値は常用電圧値の１．２倍以下の電圧値とし
た。また所定時間（Ｉ）は、素子電流が減少し始める時
間以後であって、使用初期から素子電流減少開始までの
時間の４倍以内の時間に設定した。

【００１９】つぎに本発明の限界電流式酸素センサの作
動装置の第２の実施例を図４に示す。限界電流式酸素セ
ンサのセンサ素子１の構成は図１および図２と同じであ
る。作動装置は、電極膜１ａおよび１ｂに一定電圧を印
加する素子駆動用電圧源８と、電極膜１ａおよび１ｂで
発生する電流を検出するための素子電流検出手段９とを
有し、センサ素子の電極膜１ａおよび１ｂには直列に素
子駆動用電圧源８と素子電流検出手段９とが接続され閉
回路を構成している。また、センサ素子の加熱体５には
加熱のための電圧を印加する加熱電圧源１１とヒータ電
流検出手段１３とが直列に接続され閉回路を構成してい
る。そして、使用初期は加熱電圧源１１が印加する電圧
値を常用電圧値より高い電圧値で作動させ、ヒータ電流
検出手段１３との接続で得られるヒータ電流値が安定値
よりも大きい所定値（Ａ）以下になると急激にまたは徐
々に常用電圧値まで低下させる加熱電圧変更手段１２が
加熱電圧源１１に併設されている。また必要に応じて、
ヒータ電流検出手段１３との接続で得られるヒータ電流
値が安定値である所定値（Ｂ）になると素子電流検出手
段９からの検出電流を読み取り制御信号として用いる制
御信号読み取り器１０を素子電流検出手段９に併設した
構成となっている。

【００２０】以上のように構成され、つぎにその作動方
法について図５を併用して述べる。まず、加熱電圧源１
１および加熱電圧変更手段１２、さらにヒータ電流検出
手段１３を作動させ、加熱電圧源１１が加熱体５に印加
する電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動させるこ
とで加熱体５に一時的に高電力値を印加しセンサ素子１
を暖める。それと同時に、素子駆動用電圧源８と電流検
出手段９を作動させる。すると、加熱体５により酸素イ
オン伝導性固体電解質体２が加熱されて酸素ポンピング
作用が働き、酸素分子が酸素イオンとして酸素イオン伝
導性固体電解質体２を通過するが、酸素拡散通路３によ
り酸素分子の移動が徐々に制限されるため、酸素イオン
の通過が制限され、それに伴い発生電流が徐々に低下す
る。やがて、ヒータ電流検出手段１３との接続で得られ
るヒータ電流値がヒータ温度の上昇による抵抗値の増大
により安定値よりも大きい所定値（Ａ）以下になると、
加熱電圧変更手段１２が作動して、加熱電圧源１１が印
加する電圧値を急激にまたは徐々に常用電圧値まで低下
させる。加熱体５に一時的に高電力値を印加しセンサ素
子を短時間に暖めることで、酸素拡散通路３による酸素
分子の移動制限作用や酸素ポンピング作用が短時間に安
定するため、センサ安定時間は使用初期より常用電圧の
ままで作動させた場合より短縮され、短時間に酸素濃度
が計測できるようになる。そしてヒータ電流値が安定値
（Ｂ）になると、制御信号読み取り器１０が素子電流検
出手段９からの検出電流を読み取り、その値を制御信号
として活用する。

【００２１】使用初期に前記加熱電圧源が印加する電圧
値は、常用電圧値の１．２倍以下の電圧値とした。所定
ヒータ電流値（Ａ）は、安定値の１．３２倍〜１．０４
倍のヒータ電流値とした。

【００２２】つぎに限界電流式酸素センサの作動装置の
第３の実施例の構成図を図６に示す。限界電流式酸素セ
ンサのセンサ素子１の構成は図１および図４と同様であ
るが、センサ素子１内（この場合はシール板４ｂの下面
で、拡散通路３側）に素子温度検出部１４が配置されて
いる。限界電流式酸素センサの作動装置はセンサ素子１
の電極膜１ａおよび１ｂに一定電圧を印加する素子駆動
用電圧源８と、電極膜１ａおよび１ｂで発生する電流を
検出するための素子電流検出手段９とを有し、センサ素
子の電極膜１ａおよび１ｂには直列に素子駆動用電圧源
８と素子電流検出手段９とが接続され閉回路を構成して
いる。一方、センサ素子の加熱体５には加熱のための電
圧を印加する加熱電圧源１１が接続されており、さらに
センサ素子内の素子温度検出部１４からは加熱電圧変更
手段１２に接続されている。そして加熱電圧源１１に
は、使用初期は加熱電圧源１１が印加する電圧値を常用
電圧値より高い電圧値で作動させ、素子温度検出部１４
との接続で得られる素子温度が安定値よりも小さい所定
温度（α）以上になると印加する電圧値を急激にまたは
徐々に常用電圧値まで低下させる加熱電圧変更手段１２
を加熱電圧源１１に併設した。さらに必要に応じて、素
子温度検出部１４との接続で得られる素子温度が安定値
である所定温度（β）になると素子電流検出手段９から
の検出電流を読み取り制御信号として活用する制御信号
読み取り器１０を素子電流検出手段９に併設している。

【００２３】以上のように構成され、つぎにその作動方
法について図７を併用しながら述べる。まず、加熱電圧
源１１、加熱電圧変更手段１２および素子温度検出部１
４を作動させ、加熱電圧源１１が印加する電圧値を常用
電圧値より高い電圧値で作動させることで加熱体５に一
時的に高電力値を印加しセンサ素子を暖める。それと同
時に、素子駆動用電圧源８と素子電流検出手段９を作動
させる。すると、加熱体５により酸素イオン伝導性固体
電解質体２が加熱されて酸素ポンピング作用が働き、酸
素分子が酸素イオンとして酸素イオン伝導性固体電解質
体２を通過するが、酸素拡散通路３により酸素分子の移
動が徐々に制限されるため、酸素イオンの通過が制限さ
れ、それに伴い発生電流が徐々に低下する。

【００２４】やがて、素子温度検出部１４との接続で得
られる素子温度が安定値よりも小さい所定温度（α）以
上になると印加する電圧値を急激に常用電圧値まで低下
させる加熱電圧変更手段１２が作動し、加熱電圧源１１
が印加する電圧値を急激にまたは徐々に常用電圧値まで
低下させる。加熱体５に一時的に高電力値を印加しセン
サ素子を短時間に暖めることで、酸素拡散通路３による
酸素分子の移動制限作用や酸素ポンピング作用が短時間
に安定するため、センサ安定時間は、使用初期より常用
電圧のままで作動させた場合より短縮され、短時間に酸
素濃度が計測できるようになる。そして、素子温度検出
部１４との接続で得られる素子温度が安定温度（β）に
なると、制御信号読み取り器１０が作動して素子電流検
出手段９からの検出電流を読み取り、その値を制御信号
として活用する。初期に加熱電圧源１１が印加する電圧
値は、例として常用電圧値の１．２倍以下の電圧値とし
た。所定温度（α）は、安定温度の０．８５〜１．０倍
となる温度とした。

【００２５】以下、本発明の効果を実験に基づき説明す
る。 （実験１）図２の構成の限界電流式酸素センサ（１０ｍ
ｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍ）を用いて、断熱材０．５ｇ
で外包した実装体で効果の判定を行った。図６の構成を
用いて試験は大気中（酸素２０．６％）で行い、素子電
流検出手段９として１０００Ωの抵抗を用い、その両端
の電圧を測定して素子電流を得た。また加熱体５と加熱
電圧源１１には、ヒータ電流検出手段１３として、１．
０Ωの抵抗を直列に接続して閉回路を構成するととも
に、この１．０Ωの抵抗の両端電圧値からヒータ電流が
得られるようにした。さらに、シール板４ｂの内面の拡
散通路３側には素子温度検出部１４（具体的には白金セ
ンサ）が配置されており、白金センサの抵抗値から素子
温度が得られるようにした。得られた素子電流の過渡特
性を図８に、ヒータ電流の過渡特性を図９に、素子温度
の過渡特性を図１０に示す。

【００２６】まず、加熱電圧源１１および加熱電圧変更
手段１２を作動させリード線を介して加熱部５に電圧１
０．９Ｖ（常用電圧値１０．０Ｖの１．０９倍の電圧
値）を印加し、加熱部５を介して酸素イオン伝導性固体
電解質体２を加熱する。一方、加熱電圧源１１の作動と
同時に素子駆動用電圧源８を作動させ、印加する電圧値
を１．０Ｖで作動させ電極膜１ａ・１ｂに電圧を印加す
る。すると、酸素イオン伝導性固体電解質体２の酸素ポ
ンピング作用が働き、酸素分子が酸素イオンとして酸素
イオン伝導性固体電解質体２を通過するため徐々に素子
電流が増加するが、やがて酸素拡散通路３により酸素分
子の移動が徐々に制限されるため、酸素イオンの通過が
制限されそれに伴い素子電流が時間とともに徐々に低下
する。所定時間（Ｉ）は、この場合は１．５分とし、こ
の時間になると加熱電圧変更手段１２が作動し加熱電圧
源１１が印加する電圧値を急激に常用電圧値の１０．０
Ｖまで低下させる。すると本発明の場合のセンサ素子電
流は６分で安定化し、そして、素子電流が安定する所定
時間（ＩＩ）は、この場合は６分となる。この時間にな
ると制御信号発生器１０が作動して電流検出手段９で検
出された電流を読み取り、制御信号として活用できるよ
うになる。

【００２７】一方、ヒータ電流は時間とともに電流が低
下するが、所定値（Ａ）である２７５ｍＡ（使用初期よ
り１．５分後）になると前述と同様に加熱電圧変更手段
１２が作動し、加熱電圧源１１が印加する電圧値を急激
に常用電圧値の１０．０Ｖまで低下させる。すると、急
激にヒータ電流が減少し約６分で安定値（Ｂ）の２５０
ｍＡが得られる。

【００２８】また素子温度は時間とともに増加するが、
所定温度（α）の４４０℃（使用初期より１．５分後）
になると前述と同様に加熱電圧変更手段１２が作動し、
加熱電圧源１１が印加する電圧値を急激に常用電圧値の
１０．０Ｖまで低下させる。すると、急激に素子温度が
安定し約６分で安定温度（β）の４５０℃が得られる。

【００２９】参考のため、使用初期より常用電圧のまま
で作動させた従来法の場合、素子電流、ヒータ電流およ
び素子温度は図８，図９および図１０の破線で示すよう
に約１４分で安定した。

【００３０】（実験２）加熱電圧源１１が使用初期に印
加する電圧値と、その電圧変更時期について検討した。
効果の判定は、図２の構成の限界電流式酸素センサ（１
０ｍｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍ）の断熱材０．５ｇ外包
の実装体で行った。

【００３１】まず、このセンサの長期連続使用で不都合
が生じない常用ヒータ消費電力値について検討したとこ
ろ、２．５〜２．９Ｗなら実用可能なことが判明した。
この理由は２．９Ｗ以上は間欠使用に伴うヒータショッ
クで実用不可能なこと、２．５Ｗ以下は長期使用に伴う
電極劣化のため実用不可能なためである。

【００３２】つぎに、常用ヒータ消費電力値２．５Ｗの
センサを用いて加熱電圧源１１が使用初期に印加する電
圧値と、その電圧変更時期について検討した。その結果
を表１に示す。なお、このセンサは、加熱電圧源１１が
印加する常用電圧値は１０．０Ｖであり、この場合のヒ
ータ電流の安定値（Ｂ）は２５０ｍＡ、素子温度の安定
温度（β）は４５０℃であった。

【００３３】なお、使用初期から常用電圧の１０．０Ｖ
のままで作動させた従来法の場合、素子電流は約１４分
で安定した。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【表２】

【００３６】

【表３】

【００３７】

【表４】

【００３８】この結果より、使用初期に加熱電圧源が短
時間に印加する電圧値は、常用電圧値の１０．０Ｖの
１．２倍以下が最適であり、常用電圧値の１．２倍以上
（この場合は１２．５Ｖ）の電圧を印加すると０．９分
後にセンサが破損した。これはセンサを急激に加熱した
ため、酸素イオン伝導性固体電解質体２と螺旋型スペー
サ４ａとシール板４ｂの膨張に差が生じ、それぞれの伸
びが異なるため破損したものである。一方破損直前の
０．８分後におけるヒータ電流は３５０ｍＡ（ヒータ電
流安定値２５０ｍＡの１．４倍）であり、その時の素子
温度は４０５℃であった。

【００３９】つぎに、常用電圧値の１．２倍以下の加熱
電圧印加（この場合は１２．０Ｖ）について考察した。
その結果、電圧印加時間は素子電流減少開始時間の０．
９分以上からその４倍値の３．６分以内が最適である。
これは、素子電流の減少開始（０．９分）未満である
０．７分後に加熱電圧を変更しても安定時間は１４分と
なり安定時間の短縮ができないし、素子電流減少開始時
間（０．９分）の４倍値以上である４．０分後になると
センサ破損が発生したためである。また電圧変更時期
を、素子電流減少開始時間の０．９分以上でありその４
倍値の３．６分以内である０．９分とすると、安定時間
は７分となり安定時間の短縮化ができた。

【００４０】また、電圧印加を変更する時期をヒータ電
流値の観点で評価すると、その電圧変更時期はヒータ電
流値がその安定値の１．３２倍以下になる時間が最適で
ある。これは１２．０Ｖ印加の場合は３４０ｍＡ（ヒー
タ電流安定値２５０ｍＡの１．３６倍）以上のヒータ電
流発生時に電圧変更すると安定時間は１４分となり安定
時間の短縮ができないし、３３０ｍＡ（ヒータ電流安定
値２５０ｍＡの１．３２倍）のヒータ電流発生時に電圧
変更すると安定時間は７分となり安定時間の短縮化がで
きたためである。

【００４１】また、電圧印加を変更する時期を素子温度
の観点で評価すると、その電圧変更時期は素子温度がそ
の安定温度の０．８５倍以上になる時間が最適である。
これは１２．０Ｖ印加の場合は３５０℃（安定温度４５
０℃の０．７８倍）の素子温度が得られる時に電圧変更
すると安定時間は１４分となり安定時間の短縮ができな
いし、３８５℃（安定温度４５０℃の０．８５倍）の素
子温度が得られる時に電圧変更すると安定時間は７分と
なり安定時間の短縮ができたためである。

【００４２】一方、常用電圧値の１．２倍以下の加熱電
圧印加（この場合は１０．９Ｖ）における他の場合につ
いて考察した。この条件については、電圧印加時間は素
子電流減少開始時間の１．１分以上からその４倍値の
４．４分以内が最適であった。

【００４３】これは、素子電流の減少開始（１．１分）
未満である０．８分後に加熱電圧を変更しても安定時間
は１４分となり安定時間の短縮ができないし、素子電流
減少開始時間（１．１分）の４倍値以上である６分後に
なると安定時間は１２分となり安定時間の短縮が幾分で
きる程度であるためである。また電圧変更時期を、素子
電流減少開始時間の１．１分以上からその４倍値の４．
４分以内である１．５分または４．４分とすると、安定
時間は６分または７分となり安定時間の短縮化ができ
た。

【００４４】また、電圧印加を変更する時期をヒータ電
流値の観点で評価すると、その電圧変更時期はヒータ電
流値がその安定値の１．１６倍以下で１．０４倍以上に
なる時間が最適である。これは、１０．９Ｖ印加の場合
は３１５ｍＡ（ヒータ電流安定値２５０ｍＡの１．２６
倍）のヒータ電流発生時に電圧変更すると安定時間は１
４分となり安定時間の短縮ができないし、２５５ｍＡ
（ヒータ電流安定値２５０ｍＡの１．０２倍）のヒータ
電流発生時に電圧変更すると安定時間は１２分となり安
定時間が幾分短縮化ができた。その点、２９０ｍＡ（ヒ
ータ電流安定値２５０ｍＡの１．１６倍）のヒータ電流
発生時に電圧変更すると安定時間は６分となり安定時間
の短縮ができるし、２６０ｍＡ（ヒータ電流安定値２５
０ｍＡの１．０４倍）のヒータ電流発生時に電圧変更す
ると安定時間は７分となり安定時間の短縮化ができた。

【００４５】また、電圧印加を変更する時期を素子温度
の観点で評価すると、その電圧変更時期は素子温度がそ
の安定温度の０．８８倍以上で１．００倍になる時間が
最適である。これは、１０．９Ｖ印加の場合は３４５℃
（安定温度４５０℃の０．７７倍）の素子温度が得られ
る時に電圧変更すると安定時間は１４分となり安定時間
の短縮ができないし、４６８℃（安定温度４５０℃の
１．０４倍）の素子温度が得られる時に電圧変更すると
安定時間は１２分となり安定時間が幾分短縮ができた程
度である。その点、４００℃（安定温度４５０℃の０．
８８倍）の素子温度発生時に電圧変更すると安定時間は
６分となり安定時間の短縮ができるし、４５０℃（安定
温度４５０℃の１．００倍）の素子温度発生時に電圧変
更すると安定時間は７分となり安定時間の短縮化ができ
た。

【００４６】以上の結果を整理すると、使用初期に加熱
電圧源が短時間に印加する電圧値は常用電圧値の１．２
倍以下とした。また印加電圧の変更時期は、素子電流が
減少開始する時間からその４倍値以内、ヒータ電流値が
その安定値の１．３２倍以下で１．０４倍以上になる時
間、素子温度がその安定温度の０．８５倍以上で１．０
０倍以下になる時間とした。

【００４７】以上の数値はセンサ素子１やセンサ実装体
７の材料や構造によって変化するものと思われるので、
本発明の適用範囲は上記の数値に限定されるものではな
い。

【００４８】

【発明の効果】本発明の限界電流式酸素センサの作動装
置は上記の構成により、使用初期は加熱電圧源が印加す
る電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動させ、所定
時間経過後、またはヒータ電流値が所定値以下になった
後、または素子温度が所定温度以上になった後、常用電
圧値まで低下させている。そのため、センサ素子が短時
間に安定温度まで達し、センサ安定時間は使用初期より
常用電圧のままで作動させた従来の場合より大幅に短縮
され、短時間に酸素濃度が計測できるようになる。この
ため、加熱体の消費電力値も電極膜に印加する印加電圧
値も、耐久性や応答性確保の観点から可能な限り高くで
き、耐久性や応答性の低下がなく高い信頼性を確保でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である限界電流式酸素セ
ンサ作動装置の構成図

【図２】同限界電流式酸素センサのセンサ素子の分解斜
視図

【図３】同限界電流式酸素センサの作動装置の作動流れ
図

【図４】本発明の第２の実施例である限界電流式酸素セ
ンサ作動装置の構成図

【図５】同限界電流式酸素センサの作動装置の作動流れ
図

【図６】本発明の第３の実施例である限界電流式酸素セ
ンサ作動装置の構成図

【図７】同限界電流式酸素センサの作動装置の作動流れ
図

【図８】本発明における経過時間に対する素子電流の過
渡特性図

【図９】同経過時間に対するヒータ電流の過渡特性図

【図１０】同経過時間に対する素子温度の過渡特性図

【図１１】従来例の限界電流式酸素センサの作動装置の
構成図

【符号の説明】

１ センサ素子 １ａ・１ｂ 電極膜 ２ 酸素イオン伝導性固体電解質体 ３ 酸素拡散通路 ４ａ 拡散律速体における螺旋型スペーサ ４ｂ 拡散律速体におけるシール板 ５ 加熱体 ６ 断熱材 ６ａ 気体通気性枠体 ７ センサ実装体 ８ 素子駆動用電圧源 ９ 素子電流検出手段 １０ 制御信号読み取り器 １１ 加熱電圧源 １２ 加熱電圧変更手段 １３ ヒータ電流検出手段 １４ 素子温度検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 茂 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ素子は対となる電極膜が両面に形
   成された酸素イオン伝導性固体電解質体と前記酸素イオ
   ン伝導性固体電解質体の片側に位置し前記電極膜の片側
   を囲むように配置され、かつ流入する酸素分子の移動を
   制限する酸素拡散通路を有する拡散律速体と前記拡散律
   速体に、または前記酸素イオン伝導性固体電解質体に併
   設された加熱体とを有し、前記センサ素子を断熱材で外
   包してセンサ実装体とし、前記センサ素子の電極膜に直
   列にセンサ素子駆動用電圧源とセンサ素子電流検出手段
   とを接続して閉回路を構成し、さらに前記センサ素子の
   加熱体に電圧を印加する加熱電圧源を設け、使用初期は
   前記加熱電圧源が印加する電圧値を常用電圧値より高い
   電圧値で作動させ所定時間経過後に常用電圧値まで低下
   させる加熱電圧変更手段を前記加熱電圧源に併設した限
   界電流式酸素センサの作動装置。
2. 【請求項２】 センサ素子は対となる電極膜が両面に形
   成された酸素イオン伝導性固体電解質体と前記酸素イオ
   ン伝導性固体電解質体の片側に位置し前記電極膜の片側
   を囲むように配置され、かつ流入する酸素分子の移動を
   制限する酸素拡散通路を有する拡散律速体と前記拡散律
   速体に、または前記酸素イオン伝導性固体電解質体に併
   設された加熱体とを有し、前記センサ素子を断熱材で外
   包してセンサ実装体とし、前記センサ素子の電極膜に直
   列にセンサ素子駆動用電圧源とセンサ素子電流検出手段
   とを接続して閉回路を構成し、さらに前記センサ素子の
   加熱体に電圧を印加する加熱電圧源とヒータ電流検出手
   段とを直列に接続して閉回路を構成し、使用初期は前記
   加熱電圧源が印加する電圧値を常用電圧値より高い電圧
   値で作動させ前記ヒータ電流検出手段との接続で得られ
   るヒータ電流値が安定電流値よりも大きい所定ヒータ電
   流値以下になると前記加熱電圧源が印加する電圧値を常
   用電圧値まで低下させる加熱電圧変更手段を前記加熱電
   圧源に併設した限界電流式酸素センサの作動装置。
3. 【請求項３】 センサ素子は対となる電極膜が両面に形
   成された酸素イオン伝導性固体電解質体と前記酸素イオ
   ン伝導性固体電解質体の片側に位置し前記電極膜の片側
   を囲むように配置され、かつ流入する酸素分子の移動を
   制限する酸素拡散通路を有する拡散律速体と前記拡散律
   速体に、または前記酸素イオン伝導性固体電解質体に併
   設された加熱体とを有し、前記センサ素子を断熱材で外
   包してセンサ実装体とし、前記センサ素子の電極膜に直
   列に素子駆動用電圧源と素子電流検出手段とを接続して
   閉回路を構成し、前記センサ素子にセンサ素子温度検出
   部を配置しさらに前記センサ素子の加熱体に電圧を印加
   する加熱電圧源とを設け、使用初期は前記加熱電圧源が
   印加する電圧値を常用電圧値より高い電圧値で作動させ
   前記素子温度検出部との接続で得られる素子温度が安定
   温度よりも低い所定温度以上になると常用電圧値まで低
   下させる加熱電圧変更手段を前記加熱電圧源に併設した
   限界電流式酸素センサの作動装置。
4. 【請求項４】 センサ素子の拡散律速体は、酸素イオン
   伝導性固体電解質体の片側上部に配置され、始端と終端
   が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４の上部に配置されたシール板
   とを有する請求項１，２または３のいずれかに記載の限
   界電流式酸素センサの作動装置。