JPH10142191A - 限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方法 - Google Patents
限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方法Info
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- JPH10142191A JPH10142191A JP8294254A JP29425496A JPH10142191A JP H10142191 A JPH10142191 A JP H10142191A JP 8294254 A JP8294254 A JP 8294254A JP 29425496 A JP29425496 A JP 29425496A JP H10142191 A JPH10142191 A JP H10142191A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 長期間安定的に且つ高精度に酸素濃度測定を
可能とする限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動
方法を提供する。 【解決手段】 酸素センサ１０は、イオン伝導体１１
と、その両面に設けられた電界を多孔質の電極対１２
ａ，１２ｂと、電極１２ａ側を覆うキャップ１３と、キ
ャップ中央に設けられたガス拡散孔１４とから構成され
る。キャップ１３上には、イオン伝導体１１を加熱する
ために電源Ｅ２により常時通電されるヒータ１５が設け
られる。電源Ｅ１により電極対１２ａ，１２ｂの間に間
欠的に電源監視電圧を印加するための駆動回路２０とし
て、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、これらを交互にオンオ
フするためのタイマ２１およびインバータ２２が設けら
れる。
可能とする限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動
方法を提供する。 【解決手段】 酸素センサ１０は、イオン伝導体１１
と、その両面に設けられた電界を多孔質の電極対１２
ａ，１２ｂと、電極１２ａ側を覆うキャップ１３と、キ
ャップ中央に設けられたガス拡散孔１４とから構成され
る。キャップ１３上には、イオン伝導体１１を加熱する
ために電源Ｅ２により常時通電されるヒータ１５が設け
られる。電源Ｅ１により電極対１２ａ，１２ｂの間に間
欠的に電源監視電圧を印加するための駆動回路２０とし
て、スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、これらを交互にオンオ
フするためのタイマ２１およびインバータ２２が設けら
れる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、医療用酸素濃縮
機や酸欠監視システム等の分野において酸素濃度の検知
測定を行うために用いられる限界電流式酸素センサ装置
に係り、特に固体電解質からなるイオン伝導体を用いて
構成された限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動
方法に関する。
機や酸欠監視システム等の分野において酸素濃度の検知
測定を行うために用いられる限界電流式酸素センサ装置
に係り、特に固体電解質からなるイオン伝導体を用いて
構成された限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動
方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、限界電流式酸素センサとし
て、安定化ジルコニアをイオン伝導体として用いたもの
が知られている。この種の限界電流式酸素センサは一般
に、イオン伝導体の両面に監視電圧を印加するための多
孔質材料からなる電極が形成され、その一方の電極側は
拡散律速されたガスを供給するためのガス拡散孔が開け
られたキャップで覆われる。キャップの上には、イオン
伝導板を数百度の監視温度に設定するためにヒータが設
けられる。
て、安定化ジルコニアをイオン伝導体として用いたもの
が知られている。この種の限界電流式酸素センサは一般
に、イオン伝導体の両面に監視電圧を印加するための多
孔質材料からなる電極が形成され、その一方の電極側は
拡散律速されたガスを供給するためのガス拡散孔が開け
られたキャップで覆われる。キャップの上には、イオン
伝導板を数百度の監視温度に設定するためにヒータが設
けられる。
【０００３】図３は、この種の限界電流式酸素センサの
特性を示す。電極間にセンサ電圧を印加すると、電圧が
小さい間は電圧に比例する出力電流が流れる。センサ電
圧を更に上昇させるとやがて電流は飽和する。この飽和
領域の電流を限界電流と呼び、その限界電流の大きさ
は、図３に酸素濃度をパラメータとして示したように、
酸素濃度と一定の対応関係がある。従って、例えば図３
に示すＶｓを監視電圧として与え、この監視電圧Ｖｓで
得られる限界電流値から酸素濃度を検知することができ
る。
特性を示す。電極間にセンサ電圧を印加すると、電圧が
小さい間は電圧に比例する出力電流が流れる。センサ電
圧を更に上昇させるとやがて電流は飽和する。この飽和
領域の電流を限界電流と呼び、その限界電流の大きさ
は、図３に酸素濃度をパラメータとして示したように、
酸素濃度と一定の対応関係がある。従って、例えば図３
に示すＶｓを監視電圧として与え、この監視電圧Ｖｓで
得られる限界電流値から酸素濃度を検知することができ
る。
【０００４】イオン伝導体に流れる電流は、酸素イオン
の移動に基づくもので、その電流値は電圧と温度に依存
する。そのため限界電流式酸素センサは、４００〜５０
０℃の監視温度に設定されて電圧駆動がなされる。この
監視温度の設定は通常、上述のようにセンサ本体にヒー
タを設けて、これに通電することにより行われる。多く
の場合限界電流式酸素センサの駆動には、ヒータに常時
通電した状態で且つ電極間の常時監視電圧を与えるとい
う方法が用いられる。
の移動に基づくもので、その電流値は電圧と温度に依存
する。そのため限界電流式酸素センサは、４００〜５０
０℃の監視温度に設定されて電圧駆動がなされる。この
監視温度の設定は通常、上述のようにセンサ本体にヒー
タを設けて、これに通電することにより行われる。多く
の場合限界電流式酸素センサの駆動には、ヒータに常時
通電した状態で且つ電極間の常時監視電圧を与えるとい
う方法が用いられる。
【０００５】ところが、監視温度と監視電圧を常時与え
て酸素センサを駆動すると、イオン伝導体のイオン伝導
度の劣化による特性劣化が生じる。この特性劣化は、図
３に一点鎖線で示すように、出力電流のセンサ電圧に対
する傾斜が緩くなるという形で現れる。この様な特性劣
化が生じると、限界電流領域が狭くなり、図３の例で
は、酸素濃度２１％の場合に監視電圧Ｖｓが限界電流領
域から外れて、限界電流値よりも小さい電流値が測定さ
れることになる。従って測定すべき酸素濃度範囲と監視
電圧を仕様で定めた場合、その範囲で監視電圧が限界電
流領域から外れると、正しい酸素濃度を測定できなくな
り、酸素センサは寿命となる。
て酸素センサを駆動すると、イオン伝導体のイオン伝導
度の劣化による特性劣化が生じる。この特性劣化は、図
３に一点鎖線で示すように、出力電流のセンサ電圧に対
する傾斜が緩くなるという形で現れる。この様な特性劣
化が生じると、限界電流領域が狭くなり、図３の例で
は、酸素濃度２１％の場合に監視電圧Ｖｓが限界電流領
域から外れて、限界電流値よりも小さい電流値が測定さ
れることになる。従って測定すべき酸素濃度範囲と監視
電圧を仕様で定めた場合、その範囲で監視電圧が限界電
流領域から外れると、正しい酸素濃度を測定できなくな
り、酸素センサは寿命となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】近年、各種応用分野で
限界電流式酸素センサの長寿命化の要求が強く、具体的
には３年以上安定に且つ正確な酸素濃度検知ができるこ
とが求められるようになっている。しかし、ヒータを連
続通電し且つ監視電圧を連続的に与える従来の駆動方式
では、使用期間３年以内に、約２０〜３０％のセンサが
寿命に達するというのが実状であった。一方、限界電流
式酸素センサに監視電圧を間欠的に与える間欠駆動方式
が提案されている（特願昭５９−１５８１５８号参
照）。この方式では、監視電圧を与えない期間は測定を
行わないので、ヒータにも通電する必要がなく、従って
監視電圧印加とヒータ通電とを同時にオン，オフする事
により、消費電力を低減することができる。この間欠駆
動方式を用いると、上述した連続通電の場合に比べると
劣化の進行が抑えられるが、それでも使用期間３年以内
に約５〜１０％のセンサが寿命に達する。またこの様な
間欠駆動を行うと、センサ全体がヒートサイクルを受け
るために、素子破壊が生じ易くなるという問題もある。
限界電流式酸素センサの長寿命化の要求が強く、具体的
には３年以上安定に且つ正確な酸素濃度検知ができるこ
とが求められるようになっている。しかし、ヒータを連
続通電し且つ監視電圧を連続的に与える従来の駆動方式
では、使用期間３年以内に、約２０〜３０％のセンサが
寿命に達するというのが実状であった。一方、限界電流
式酸素センサに監視電圧を間欠的に与える間欠駆動方式
が提案されている（特願昭５９−１５８１５８号参
照）。この方式では、監視電圧を与えない期間は測定を
行わないので、ヒータにも通電する必要がなく、従って
監視電圧印加とヒータ通電とを同時にオン，オフする事
により、消費電力を低減することができる。この間欠駆
動方式を用いると、上述した連続通電の場合に比べると
劣化の進行が抑えられるが、それでも使用期間３年以内
に約５〜１０％のセンサが寿命に達する。またこの様な
間欠駆動を行うと、センサ全体がヒートサイクルを受け
るために、素子破壊が生じ易くなるという問題もある。
【０００７】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、長期間安定的に且つ高精度に酸素濃度測定を可
能とする限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方
法を提供することを目的としている。
もので、長期間安定的に且つ高精度に酸素濃度測定を可
能とする限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方
法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、固体電解質
からなるイオン伝導体と、このイオン伝導体に設けられ
た電界を印加するための多孔質の電極対と、この電極対
の一方の面に拡散律速されたガスを供給するガス拡散手
段と、前記イオン伝導体を加熱するヒータとを有する限
界電流式酸素センサを駆動する方法であって、前記ヒー
タに常時通電を行いながら、前記電極対の間に間欠的に
監視電圧を印加することを特徴としている。この発明は
また、固体電解質からなるイオン伝導体と、このイオン
伝導体に設けられた電界を印加するための多孔質の電極
対と、この電極対の一方の面に拡散律速されたガスを供
給するガス拡散手段と、前記イオン伝導体を加熱するヒ
ータとを有する限界電流式酸素センサを駆動する方法で
あって、前記電極対の間に間欠的に監視電圧を印加しつ
つ、前記ヒータに前記監視電圧の印加時間を含んでこれ
より長い時間通電を行うことを特徴としている。この発
明において好ましくは、前記ヒータによるイオン伝導体
の加熱温度を４００℃以上とする。また前記監視電圧を
印加するオン時間とオフ時間の比（以下、単にオン／オ
フ比という）は、好ましくは、１／１２〜１の範囲に設
定する。
からなるイオン伝導体と、このイオン伝導体に設けられ
た電界を印加するための多孔質の電極対と、この電極対
の一方の面に拡散律速されたガスを供給するガス拡散手
段と、前記イオン伝導体を加熱するヒータとを有する限
界電流式酸素センサを駆動する方法であって、前記ヒー
タに常時通電を行いながら、前記電極対の間に間欠的に
監視電圧を印加することを特徴としている。この発明は
また、固体電解質からなるイオン伝導体と、このイオン
伝導体に設けられた電界を印加するための多孔質の電極
対と、この電極対の一方の面に拡散律速されたガスを供
給するガス拡散手段と、前記イオン伝導体を加熱するヒ
ータとを有する限界電流式酸素センサを駆動する方法で
あって、前記電極対の間に間欠的に監視電圧を印加しつ
つ、前記ヒータに前記監視電圧の印加時間を含んでこれ
より長い時間通電を行うことを特徴としている。この発
明において好ましくは、前記ヒータによるイオン伝導体
の加熱温度を４００℃以上とする。また前記監視電圧を
印加するオン時間とオフ時間の比（以下、単にオン／オ
フ比という）は、好ましくは、１／１２〜１の範囲に設
定する。
【０００９】この発明に係る限界電流式酸素センサ装置
は、固体電解質からなるイオン伝導体と、このイオン伝
導体に設けられた電界を印加するための多孔質の電極対
と、この電極対の一方の面に拡散律速されたガスを供給
するガス拡散手段と、前記イオン伝導体を加熱するため
の常時通電されるヒータと、このヒータに常時通電する
ヒータ電源と、前記電極対の間に間欠的に監視電圧を印
加する駆動手段とを備えたことを特徴としている。
は、固体電解質からなるイオン伝導体と、このイオン伝
導体に設けられた電界を印加するための多孔質の電極対
と、この電極対の一方の面に拡散律速されたガスを供給
するガス拡散手段と、前記イオン伝導体を加熱するため
の常時通電されるヒータと、このヒータに常時通電する
ヒータ電源と、前記電極対の間に間欠的に監視電圧を印
加する駆動手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】この発明は、経時変化により特性が劣化し
た限界電流式酸素センサに対して、監視電圧を印加する
ことなくヒータに通電して一定時間加熱を行うと、特性
がほぼ初期状態にまで回復するという本発明者等の知見
に基づいている。図４は、安定化ジルコニアをイオン伝
導体として用いた限界電流式酸素センサを、温度４００
℃に設定して連続駆動により３年間使用した場合の特性
の経時変化を示している。図の曲線Ａは初期特性であ
り、監視電圧Ｖｓ＝０．８〜２．０Ｖの間で限界電流が
得られている。曲線Ｂは３年間使用後の劣化特性であ
り、限界電流領域は殆どなくなっている。この特性劣化
した酸素センサに対して、ヒータをオンの状態（イオン
伝導体が約４００℃の状態）に保持しながら、監視電圧
を印加せずに一定時間放置すると、図４の曲線Ｃに示す
ように特性は回復して、ほぼ初期特性に近い限界電流領
域が得られることを発見した。なお、ヒータに通電して
いる間、電極間を短絡すると、微小な短絡電流が流れる
ことも確認している。
た限界電流式酸素センサに対して、監視電圧を印加する
ことなくヒータに通電して一定時間加熱を行うと、特性
がほぼ初期状態にまで回復するという本発明者等の知見
に基づいている。図４は、安定化ジルコニアをイオン伝
導体として用いた限界電流式酸素センサを、温度４００
℃に設定して連続駆動により３年間使用した場合の特性
の経時変化を示している。図の曲線Ａは初期特性であ
り、監視電圧Ｖｓ＝０．８〜２．０Ｖの間で限界電流が
得られている。曲線Ｂは３年間使用後の劣化特性であ
り、限界電流領域は殆どなくなっている。この特性劣化
した酸素センサに対して、ヒータをオンの状態（イオン
伝導体が約４００℃の状態）に保持しながら、監視電圧
を印加せずに一定時間放置すると、図４の曲線Ｃに示す
ように特性は回復して、ほぼ初期特性に近い限界電流領
域が得られることを発見した。なお、ヒータに通電して
いる間、電極間を短絡すると、微小な短絡電流が流れる
ことも確認している。
【００１１】以上の実験結果に対する本発明者等の考察
は次の通りである。誘電体セラミックである安定化ジル
コニアをイオン伝導体とし、これを電極でサンドイッチ
した構造を有する酸素センサは一種のコンデンサである
から、両電極間に電場を印加すると電荷を蓄積する。こ
のイオン伝導体内部の電荷蓄積がイオン伝導性に影響を
及ぼし、蓄積電荷量が多くなるに従ってセンサ特性が劣
化してくる。
は次の通りである。誘電体セラミックである安定化ジル
コニアをイオン伝導体とし、これを電極でサンドイッチ
した構造を有する酸素センサは一種のコンデンサである
から、両電極間に電場を印加すると電荷を蓄積する。こ
のイオン伝導体内部の電荷蓄積がイオン伝導性に影響を
及ぼし、蓄積電荷量が多くなるに従ってセンサ特性が劣
化してくる。
【００１２】電荷の蓄積し易い箇所は、図５に示したよ
うに、焼結されたイオン伝導体５１の結晶粒界５２や電
極５３とイオン伝導体５１の界面にできる空隙部５４で
ある。この様な空隙部５４が多い酸素センサ程、電荷が
蓄積しやすい。従って、従来の駆動法でセンサ素子によ
り特性劣化に差が生じるのは、空隙部５４の存在割合の
差、言い換えると製造プロセスにおける電極やイオン伝
導体の焼結度の差に起因するものと推定される。
うに、焼結されたイオン伝導体５１の結晶粒界５２や電
極５３とイオン伝導体５１の界面にできる空隙部５４で
ある。この様な空隙部５４が多い酸素センサ程、電荷が
蓄積しやすい。従って、従来の駆動法でセンサ素子によ
り特性劣化に差が生じるのは、空隙部５４の存在割合の
差、言い換えると製造プロセスにおける電極やイオン伝
導体の焼結度の差に起因するものと推定される。
【００１３】以上の考察に対して、その妥当性を確認す
るため本発明者等は種々の実験を行った。先ず、酸素セ
ンサを、常時監視温度４００℃に設定し、常時監視電圧
１．５Ｖを与えて１年間使用した場合、イオン伝導体に
蓄積される電荷量は、１０-5〜１０-4Ｃとなることが確
認された。使用条件を種々変更して実験を行った結果、
次のことが明らかになった。 イオン伝導体に蓄積される電荷量は、監視電圧、監視
温度、および使用時間に依存する。具体的に、監視電圧
が高い程、また使用時間が長い程、蓄積電荷量が多くな
る。監視温度については、高い程蓄積電荷量が少なくな
る。 蓄積電荷量の増大に伴って、センサ特性の劣化度合い
は増大する。 ヒータをオンにした状態で監視電圧を印加しなけれ
ば、電極間を短絡してもしなくても、イオン伝導体に蓄
積された電荷は徐々に放電する。ヒータ加熱による保持
温度が高い程、電荷放電に要する時間は短い。
るため本発明者等は種々の実験を行った。先ず、酸素セ
ンサを、常時監視温度４００℃に設定し、常時監視電圧
１．５Ｖを与えて１年間使用した場合、イオン伝導体に
蓄積される電荷量は、１０-5〜１０-4Ｃとなることが確
認された。使用条件を種々変更して実験を行った結果、
次のことが明らかになった。 イオン伝導体に蓄積される電荷量は、監視電圧、監視
温度、および使用時間に依存する。具体的に、監視電圧
が高い程、また使用時間が長い程、蓄積電荷量が多くな
る。監視温度については、高い程蓄積電荷量が少なくな
る。 蓄積電荷量の増大に伴って、センサ特性の劣化度合い
は増大する。 ヒータをオンにした状態で監視電圧を印加しなけれ
ば、電極間を短絡してもしなくても、イオン伝導体に蓄
積された電荷は徐々に放電する。ヒータ加熱による保持
温度が高い程、電荷放電に要する時間は短い。
【００１４】以上の検討結果から、イオン伝導体を用い
た限界電流式酸素センサの長寿命化のためには、電荷蓄
積量の増大を抑えることが重要であることが分かる。監
視電圧および監視温度を常時与える従来の駆動法では、
蓄積電荷量の増大が抑えられない。監視電圧および監視
温度を同時に間欠的に与えるもう一つの駆動法では、監
視電圧が零の期間は電荷放電モードになるものの、この
期間に同時に監視温度も低下させてしまうために放電は
不十分であり、従って使用時間と共に徐々に蓄積電荷量
は増大してしまう。
た限界電流式酸素センサの長寿命化のためには、電荷蓄
積量の増大を抑えることが重要であることが分かる。監
視電圧および監視温度を常時与える従来の駆動法では、
蓄積電荷量の増大が抑えられない。監視電圧および監視
温度を同時に間欠的に与えるもう一つの駆動法では、監
視電圧が零の期間は電荷放電モードになるものの、この
期間に同時に監視温度も低下させてしまうために放電は
不十分であり、従って使用時間と共に徐々に蓄積電荷量
は増大してしまう。
【００１５】これに対してこの発明では、ヒータには常
時通電しながら、監視電圧を間欠的に与えることによ
り、あるいは間欠的な監視電圧の印加時間を含んでこれ
より長い時間ヒータに通電を行うことにより、監視電圧
が零の期間にイオン伝導体が高温に保持されて十分に電
荷放電が行われ、長期間使用しても電荷蓄積量は小さく
抑えられる。また、使用中はヒータに連続通電するため
に、無用なヒートサイクルがかからず、これも素子劣化
を抑制する。従ってこの発明によると、長期間安定に且
つ高精度に酸素濃度測定を可能とする限界電流式酸素セ
ンサ装置が得られる。
時通電しながら、監視電圧を間欠的に与えることによ
り、あるいは間欠的な監視電圧の印加時間を含んでこれ
より長い時間ヒータに通電を行うことにより、監視電圧
が零の期間にイオン伝導体が高温に保持されて十分に電
荷放電が行われ、長期間使用しても電荷蓄積量は小さく
抑えられる。また、使用中はヒータに連続通電するため
に、無用なヒートサイクルがかからず、これも素子劣化
を抑制する。従ってこの発明によると、長期間安定に且
つ高精度に酸素濃度測定を可能とする限界電流式酸素セ
ンサ装置が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１は、この発明の実施例による
限界電流式酸素センサ１０とその駆動回路２０を示して
いる。酸素センサ１０は、安定化ジルコニアからなるイ
オン伝導体１１の両面にＰｔ等の多孔質の電極対１２
ａ，１２ｂを設けて、アノードとなる電極１２ａ側にキ
ャップ１３を取り付けて構成される。キャップ１３の中
央部には、電極１２ａに拡散律速されたガスを供給する
ガス拡散孔１４が設けられ、またキャップ１３の上面に
はイオン伝導体１１を加熱するためのヒータ１５が配設
されている。
の実施例を説明する。図１は、この発明の実施例による
限界電流式酸素センサ１０とその駆動回路２０を示して
いる。酸素センサ１０は、安定化ジルコニアからなるイ
オン伝導体１１の両面にＰｔ等の多孔質の電極対１２
ａ，１２ｂを設けて、アノードとなる電極１２ａ側にキ
ャップ１３を取り付けて構成される。キャップ１３の中
央部には、電極１２ａに拡散律速されたガスを供給する
ガス拡散孔１４が設けられ、またキャップ１３の上面に
はイオン伝導体１１を加熱するためのヒータ１５が配設
されている。
【００１７】電極対１２ａ，１２ｂのリードは外部に取
り出されて、監視電圧を与えるための駆動回路１０に接
続される。この実施例の場合、駆動回路１０は、電極対
１２ａ，１２ｂ間に監視電圧を与えるための直流電源Ｅ
１と、この直流電源Ｅ１と電極１２ａの間に挿入された
スイッチＳＷ１と、このスイッチＳＷ１を使用期間中間
欠的にオンオフするタイマ２１とから構成される。但
し、図に破線で示したように、電極対１２ａ，１２ｂの
間にもう一つのスイッチＳＷ２を設け、これをタイマ２
１の出力をインバータ２２により反転した出力でオンオ
フ駆動して、監視電圧がオフの期間電極対１２ａ，１２
ｂ間を短絡するようにしてもよい。ヒータ１５は直流の
ヒータ電源Ｅ２により使用期間中、常時通電される。
り出されて、監視電圧を与えるための駆動回路１０に接
続される。この実施例の場合、駆動回路１０は、電極対
１２ａ，１２ｂ間に監視電圧を与えるための直流電源Ｅ
１と、この直流電源Ｅ１と電極１２ａの間に挿入された
スイッチＳＷ１と、このスイッチＳＷ１を使用期間中間
欠的にオンオフするタイマ２１とから構成される。但
し、図に破線で示したように、電極対１２ａ，１２ｂの
間にもう一つのスイッチＳＷ２を設け、これをタイマ２
１の出力をインバータ２２により反転した出力でオンオ
フ駆動して、監視電圧がオフの期間電極対１２ａ，１２
ｂ間を短絡するようにしてもよい。ヒータ１５は直流の
ヒータ電源Ｅ２により使用期間中、常時通電される。
【００１８】図２は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオンオ
フの動作の一例を示している。以上のような駆動回路を
備えて、使用期間中、ヒータ１５を常時通電して監視温
度（保持温度）を与えた状態で、監視電圧を間欠的に与
えることにより、特性劣化が防止される。保持温度は高
いほど、イオン伝導度が高くなりセンサ機能も向上する
が、余り高く設定すると、消費電力が大きくなり、また
センサ素子内部の熱応力が大きくなって破壊が生じ易く
なる。従って、実用上は、センサ機能が十分発揮され、
特性劣化が十分抑制される範囲の温度を選択することに
なる。後にデータで明らかにするように、イオン伝導体
として安定化ジルコニアを用いた場合、好ましい保持温
度は４００℃以上である。
フの動作の一例を示している。以上のような駆動回路を
備えて、使用期間中、ヒータ１５を常時通電して監視温
度（保持温度）を与えた状態で、監視電圧を間欠的に与
えることにより、特性劣化が防止される。保持温度は高
いほど、イオン伝導度が高くなりセンサ機能も向上する
が、余り高く設定すると、消費電力が大きくなり、また
センサ素子内部の熱応力が大きくなって破壊が生じ易く
なる。従って、実用上は、センサ機能が十分発揮され、
特性劣化が十分抑制される範囲の温度を選択することに
なる。後にデータで明らかにするように、イオン伝導体
として安定化ジルコニアを用いた場合、好ましい保持温
度は４００℃以上である。
【００１９】監視電圧のオン，オフの周期に関しては、
オフの時間の長さが重要になる。オン時間は酸素濃度を
検知する時間であり、この時間にイオン伝導体は電荷を
蓄積し、オフ時間で蓄積電荷を放電するから、長時間の
使用で電荷蓄積を抑えるためには好ましくは、オン／オ
フ比を１以下とする。オフ時間はできるだけ長い方が電
荷蓄積を抑えるためには好ましいが、オフ期間は酸素濃
度検知を行わない期間であるから、６０分を越えるよう
に設定した場合には、一定時間に酸素濃度を検知する回
数が非常に少なくなるため、応用分野が限定されてしま
う。また、酸素センサを高温に保持した状態で酸化性雰
囲気に長時間放置すると、安定化ジルコニア中の酸素欠
損量を少なくしてしまう可能性がある。白金／ジルコニ
ア界面において酸素ガスを酸素イオンに変換する反応
は、次の化１で表される（N.L.Robertson & J.N.Micael
s;Electrochemical Engineering Applications,Vol.83,
No.254,p56〜p63参照）。
オフの時間の長さが重要になる。オン時間は酸素濃度を
検知する時間であり、この時間にイオン伝導体は電荷を
蓄積し、オフ時間で蓄積電荷を放電するから、長時間の
使用で電荷蓄積を抑えるためには好ましくは、オン／オ
フ比を１以下とする。オフ時間はできるだけ長い方が電
荷蓄積を抑えるためには好ましいが、オフ期間は酸素濃
度検知を行わない期間であるから、６０分を越えるよう
に設定した場合には、一定時間に酸素濃度を検知する回
数が非常に少なくなるため、応用分野が限定されてしま
う。また、酸素センサを高温に保持した状態で酸化性雰
囲気に長時間放置すると、安定化ジルコニア中の酸素欠
損量を少なくしてしまう可能性がある。白金／ジルコニ
ア界面において酸素ガスを酸素イオンに変換する反応
は、次の化１で表される（N.L.Robertson & J.N.Micael
s;Electrochemical Engineering Applications,Vol.83,
No.254,p56〜p63参照）。
【００２０】
【化１】Ｏ2（gass）＋４ｅ-＋２Ｖｏ→２Ｏ-- Ｏ2（gass）：雰囲気中の酸素ガス ｅ-：電極中の電子 Ｖｏ：ジルコニア中の酸素欠損 Ｏ--：ジルコニア中の酸素イオン
【００２１】従って、電極対１２ａ，１２ｂに監視電圧
を印加しない状態でセンサ素子を単に酸化させるような
雰囲気と温度条件下に長時間保持することは、酸素欠損
への酸素供給を促すだけであり、好ましくない。一方、
後にデータを示すが、監視電圧のオフ時間を６０分，オ
ン時間を５分に設定した場合、３年以上の寿命は安定に
得られることが確認されている。従って監視電圧印加の
好ましいオン／オフ比は、１／１２≦オン／オフ比≦１
となる。監視電圧オフ期間が６０分を越えるような場合
は、センサ全体をオフ、即ちヒータもオフにすることが
好ましい。これは消費電力低減のためにも有効である。
を印加しない状態でセンサ素子を単に酸化させるような
雰囲気と温度条件下に長時間保持することは、酸素欠損
への酸素供給を促すだけであり、好ましくない。一方、
後にデータを示すが、監視電圧のオフ時間を６０分，オ
ン時間を５分に設定した場合、３年以上の寿命は安定に
得られることが確認されている。従って監視電圧印加の
好ましいオン／オフ比は、１／１２≦オン／オフ比≦１
となる。監視電圧オフ期間が６０分を越えるような場合
は、センサ全体をオフ、即ちヒータもオフにすることが
好ましい。これは消費電力低減のためにも有効である。
【００２２】［実施例１］図１の酸素センサ１０を、イ
オン伝導体１１にＺｒＯ2−8mol％Ｙ2Ｏ3、電極１２
ａ，１２ｂに白金（Ｐｔ）、キャップ１３にＺｒＯ2−3
mol％Ｙ2Ｏ3をそれぞれ用いて作製した。このうち１０
０個の酸素センサを、大気中において４５０℃に保持し
ながら、監視電圧を間欠的に与えて３年間使用した。監
視電圧Ｖｓ＝１．３Ｖ、オン／オフ比＝５分／５分とし
た。３年の使用後、１００個の酸素センサ全てが、監視
電圧１．３Ｖで限界電流を示し、寿命に達していないこ
とが確認された。
オン伝導体１１にＺｒＯ2−8mol％Ｙ2Ｏ3、電極１２
ａ，１２ｂに白金（Ｐｔ）、キャップ１３にＺｒＯ2−3
mol％Ｙ2Ｏ3をそれぞれ用いて作製した。このうち１０
０個の酸素センサを、大気中において４５０℃に保持し
ながら、監視電圧を間欠的に与えて３年間使用した。監
視電圧Ｖｓ＝１．３Ｖ、オン／オフ比＝５分／５分とし
た。３年の使用後、１００個の酸素センサ全てが、監視
電圧１．３Ｖで限界電流を示し、寿命に達していないこ
とが確認された。
【００２３】［実施例２］実施例１と同じ酸素センサに
ついて、オン／オフ比＝５分／６０分とした他、実施例
１と同じ条件でテストした。３年の使用後、１００個の
酸素センサ全てが寿命に達していないことが確認され
た。
ついて、オン／オフ比＝５分／６０分とした他、実施例
１と同じ条件でテストした。３年の使用後、１００個の
酸素センサ全てが寿命に達していないことが確認され
た。
【００２４】［実施例３］実施例１と同じ酸素センサに
ついて、保持温度を４００℃とした他、実施例１と同じ
条件でテストした。３年の使用後、１００個の酸素セン
サ全てが寿命に達していないことが確認された。なお、
保持温度を３５０℃にして同様のテストを行った結果、
３０００時間の使用で１００個の酸素センサの寿命がつ
きた。しかしこれは、実施例で使用されたイオン伝導体
１１の好ましい監視温度が４００℃以上であることを示
すもので、他の材料のイオン伝導体を用いた場合には、
３５０℃でも良好に機能することが十分考えられる。
ついて、保持温度を４００℃とした他、実施例１と同じ
条件でテストした。３年の使用後、１００個の酸素セン
サ全てが寿命に達していないことが確認された。なお、
保持温度を３５０℃にして同様のテストを行った結果、
３０００時間の使用で１００個の酸素センサの寿命がつ
きた。しかしこれは、実施例で使用されたイオン伝導体
１１の好ましい監視温度が４００℃以上であることを示
すもので、他の材料のイオン伝導体を用いた場合には、
３５０℃でも良好に機能することが十分考えられる。
【００２５】［比較例１］実施例１と同じ酸素センサに
ついて、保持温度を４００℃とし、監視電圧Ｖｓ＝１．
３Ｖを連続印加して使用した。酸素センサ１００個中、
使用期間１年で６個が不良、１〜２年で８個が不良、２
〜３年で１２個が不良となった。３年の使用後、生き残
ったのは１００個中７４個であった。
ついて、保持温度を４００℃とし、監視電圧Ｖｓ＝１．
３Ｖを連続印加して使用した。酸素センサ１００個中、
使用期間１年で６個が不良、１〜２年で８個が不良、２
〜３年で１２個が不良となった。３年の使用後、生き残
ったのは１００個中７４個であった。
【００２６】［比較例２］実施例１と同じ酸素センサに
ついて、ヒータ電圧および監視電圧を同時にオンオフし
て間欠駆動して使用した。ヒータ・オンによる保持温度
は４００℃であり、ヒータ・オフの保持温度は室温であ
る。オン／オフ比は５分／５分とした。酸素センサ１０
０個中、使用期間１〜２年で２個が不良、２〜３年で４
個が不良となった。また使用期間１年で、２個の酸素セ
ンサについて、イオン伝導板にクラックが認められた。
従って３年の使用後、生き残ったのは１００個中９２個
であった。
ついて、ヒータ電圧および監視電圧を同時にオンオフし
て間欠駆動して使用した。ヒータ・オンによる保持温度
は４００℃であり、ヒータ・オフの保持温度は室温であ
る。オン／オフ比は５分／５分とした。酸素センサ１０
０個中、使用期間１〜２年で２個が不良、２〜３年で４
個が不良となった。また使用期間１年で、２個の酸素セ
ンサについて、イオン伝導板にクラックが認められた。
従って３年の使用後、生き残ったのは１００個中９２個
であった。
【００２７】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、ヒ
ータに常時通電を行いながら、監視電圧印加を間欠的に
行うことにより、イオン伝導体を用いた限界電流式酸素
センサの特性劣化を抑制して、長期間安定的に且つ高精
度に酸素濃度測定を可能とすることができる。
ータに常時通電を行いながら、監視電圧印加を間欠的に
行うことにより、イオン伝導体を用いた限界電流式酸素
センサの特性劣化を抑制して、長期間安定的に且つ高精
度に酸素濃度測定を可能とすることができる。
【図１】 この発明の一実施例に係る限界電流式酸素セ
ンサとその駆動回路を示す。
ンサとその駆動回路を示す。
【図２】 同実施例の駆動回路によるスイッチ制御の動
作を示す。
作を示す。
【図３】 限界電流式酸素センサの特性を示す。
【図４】 限界電流式酸素センサの特性の経時変化を示
す。
す。
【図５】 センサ素子内部の電荷蓄積の様子を示す。
１０…限界電流式酸素センサ、１１…イオン伝導体、１
２ａ，１２ｂ…電極対、１３…キャップ、１４…ガス拡
散孔、１５…ヒータ、２０…駆動回路、２１…タイマ、
２２…インバータ、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ、Ｅ１，
Ｅ２…直流電源。
２ａ，１２ｂ…電極対、１３…キャップ、１４…ガス拡
散孔、１５…ヒータ、２０…駆動回路、２１…タイマ、
２２…インバータ、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ、Ｅ１，
Ｅ２…直流電源。
Claims (5)
- 【請求項１】 固体電解質からなるイオン伝導体と、こ
のイオン伝導体に設けられた電界を印加するための多孔
質の電極対と、この電極対の一方の面に拡散律速された
ガスを供給するガス拡散手段と、前記イオン伝導体を加
熱するヒータとを有する限界電流式酸素センサを駆動す
る方法であって、 前記ヒータに常時通電を行いながら、前記電極対の間に
間欠的に監視電圧を印加することを特徴とする限界電流
式酸素センサの駆動方法。 - 【請求項２】 固体電解質からなるイオン伝導体と、こ
のイオン伝導体に設けられた電界を印加するための多孔
質の電極対と、この電極対の一方の面に拡散律速された
ガスを供給するガス拡散手段と、前記イオン伝導体を加
熱するヒータとを有する限界電流式酸素センサを駆動す
る方法であって、 前記電極対の間に間欠的に監視電圧を印加しつつ、前記
ヒータに前記監視電圧の印加時間を含んでこれより長い
時間通電を行うことを特徴とする限界電流式酸素センサ
の駆動方法。 - 【請求項３】 前記ヒータによる前記イオン伝導体の加
熱温度を４００℃以上とすることを特徴とする請求項１
または２に記載の限界電流式酸素センサの駆動方法。 - 【請求項４】 前記監視電圧を印加するオン時間とオフ
時間の比を、１／１２〜１の範囲に設定することを特徴
とする請求項１または２に記載の限界電流式酸素センサ
の駆動方法。 - 【請求項５】 固体電解質からなるイオン伝導体と、 このイオン伝導体に設けられた電界を印加するための多
孔質の電極対と、 この電極対の一方の面に拡散律速されたガスを供給する
ガス拡散手段と、 前記イオン伝導体を加熱するためのヒータと、 このヒータに常時通電するヒータ電源と、 前記電極対の間に間欠的に監視電圧を印加する駆動手段
とを備えたことを特徴とする限界電流式酸素センサ装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29425496A JP3373741B2 (ja) | 1996-11-06 | 1996-11-06 | 限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29425496A JP3373741B2 (ja) | 1996-11-06 | 1996-11-06 | 限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10142191A true JPH10142191A (ja) | 1998-05-29 |
| JP3373741B2 JP3373741B2 (ja) | 2003-02-04 |
Family
ID=17805350
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29425496A Expired - Lifetime JP3373741B2 (ja) | 1996-11-06 | 1996-11-06 | 限界電流式酸素センサ装置およびセンサ駆動方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3373741B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1873517A1 (en) * | 2006-06-27 | 2008-01-02 | Fujikura Ltd. | Limiting current type oxygen sensor and method of sensing and measuring oxygen concentrations using the same |
| JP2013142683A (ja) * | 2012-01-13 | 2013-07-22 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガスセンサ処理装置 |
| JP2015502545A (ja) * | 2011-12-21 | 2015-01-22 | ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 広帯域ラムダセンサを監視する方法 |
| JP2020125928A (ja) * | 2019-02-01 | 2020-08-20 | 株式会社東芝 | 酸素計測装置および酸素計測方法 |
-
1996
- 1996-11-06 JP JP29425496A patent/JP3373741B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1873517A1 (en) * | 2006-06-27 | 2008-01-02 | Fujikura Ltd. | Limiting current type oxygen sensor and method of sensing and measuring oxygen concentrations using the same |
| EP2042862A1 (en) * | 2006-06-27 | 2009-04-01 | Fujikura, Ltd. | Limiting current type oxygen sensor and method of sensing and measuring oxygen concentrations using the same |
| KR101011296B1 (ko) * | 2006-06-27 | 2011-01-28 | 가부시키가이샤후지쿠라 | 한계 전류식 산소 센서 및 이를 이용한 산소 농도의 검지및 측정 방법 |
| US8052862B2 (en) | 2006-06-27 | 2011-11-08 | Fujikura Ltd. | Limiting current type oxygen sensor and method of sensing and measuring oxygen concentrations using the same |
| JP2015502545A (ja) * | 2011-12-21 | 2015-01-22 | ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 広帯域ラムダセンサを監視する方法 |
| JP2013142683A (ja) * | 2012-01-13 | 2013-07-22 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガスセンサ処理装置 |
| US9068934B2 (en) | 2012-01-13 | 2015-06-30 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Gas sensor processing apparatus |
| JP2020125928A (ja) * | 2019-02-01 | 2020-08-20 | 株式会社東芝 | 酸素計測装置および酸素計測方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3373741B2 (ja) | 2003-02-04 |
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