JPH11304750A

JPH11304750A - 検出器及びセンサの制御方法

Info

Publication number: JPH11304750A
Application number: JP10124209A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyoshi Hattori; 光芳服部; 猛彦 ▲斉▼木; Takehiko Saiki
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-11-05
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JP3523060B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長期に渡って安定して使用することができる
検出器及びセンサの制御方法を提供する。【解決手段】制御回路５０は、ヒータ３８側へ通電を
開始する際に、１００°Ｃ以下の低温でセンサ２０を加
熱し、センサ２０の副電極２６に吸着された水分を徐々
に揮発させ、副電極２６の気孔から水分を発散させた後
に、約５５０°Ｃの高温（センサの定常使用温度）まで
センサ２０を加熱する。即ち、副電極２６に熱衝撃を与
え、気孔を破壊することがないため、炭酸ガス濃度の検
出精度が劣化し難いと共に、寿命を長くすることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ヒータを備える
センサと、該センサ及びヒータへの通電を制御する制御
回路からなる検出器及びヒータを備えるセンサの制御方
法に関し、特に、炭酸ガス、ＮＯ_X、ＳＯ_X等を測定す
るための副電極構造のセンサを備える検出器及び該セン
サの制御方法に関するものである

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガス、ＮＯ_X、ＳＯ_X濃度を測定す
る際には、副電極構造の固体電解質型センサが用いられ
る。係る副電極構造のセンサは、イオン伝導体を挟んで
２個の電極を設け、一方の電極上に副電極を配設したセ
ンサ素子と、該センサ素子をイオン伝導可能な４００°
Ｃ〜６００°Ｃまで加熱するためのヒータとからなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、係る副電極構
造のセンサは、継続してガス濃度を測定している限り性
能が安定しているが、間欠的に使用すると特性が変化し
易く、また、寿命が短いという問題点があった。

【０００４】この原因を本発明者が研究したところ、相
対的に湿度の高い雰囲気下で該センサによるガス濃度の
検出及び検出の停止を繰り返した際に特に劣化が短期間
で発生することが分かった。このため、本発明者は、劣
化の原因がセンサ素子に加わる熱衝撃にあることを突き
止めた。即ち、センサは、測定休止中のヒータへの通電
停止時に、多孔質の副電極に水分を吸着する。そして、
動作を開始させるためにヒータへ電圧を印加した際に、
センサは、形状が小さく熱容量も小さいため短時間でイ
オン伝導可能な高温に達する。この温度の急上昇中に、
副電極の内部は１００°Ｃ以上に加熱されているのに対
して、内部に吸着されていた水分が表面から蒸発し、水
分の蒸発する際に熱が奪われ表面が冷却され、内部と表
面との間に大きな温度差が生じ、衝撃を受けているもの
と考えられる。

【０００５】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、長期に
渡って安定して使用することができる検出器及びセンサ
の制御方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１は、上記目的を
達成するため、ヒータを備えるセンサと、該センサ及び
ヒータへの通電を制御する制御回路を備えた検出器にお
いて、前記制御回路が、前記ヒータへの通電開始時に、
センサを低温で加熱した後、定常使用温度になるよう加
熱する加熱手段を備えることを技術的特徴とする。

【０００７】また、請求項２は、ヒータを備えるセンサ
と、該センサ及びヒータへの通電を制御する制御回路を
備えた検出器において、前記制御回路が、前記ヒータへ
の通電開始時に、センサを低温で加熱した後、定常使用
温度になるよう制御するヒータ制御回路を備えることを
技術的特徴とする。

【０００８】また、請求項３の検出器は、請求項１又は
２において、前記低温が１００°Ｃ以下であることを技
術的特徴とする。

【０００９】また、請求項４の検出器は、請求項１〜３
において、前記センサが副電極構造のセンサであること
を技術的特徴とする。

【００１０】また、請求項５の検出器は、請求項１〜４
において、前記センサが炭酸ガスセンサであることを技
術的特徴とする。

【００１１】また、請求項６は、上記目的を達成するた
め、ヒータを備えるセンサと、該センサ及びヒータへの
通電を制御する制御回路を備えた検出器の制御方法にお
いて、前記ヒータへの通電開始時に、センサを低温で加
熱した後、定常使用温度になるように制御することを技
術的特徴とする。

【００１２】また、請求項７のセンサの制御方法は、請
求項６において、前記低温が１００°Ｃ以下であること
を技術的特徴とする。

【００１３】また、請求項８のセンサの制御方法は、請
求項６又は７において、前記センサが副電極構造のセン
サであることを技術的特徴とする。

【００１４】また、請求項９の検出器は、請求項６〜８
において、前記センサが炭酸ガスセンサであることを技
術的特徴とする。

【００１５】また、請求項１０は、上記目的を達成する
ため、ヒータを備える副電極構造のセンサと、該センサ
及びヒータへの通電を制御する制御回路からなる検出器
において、前記制御回路が、前記ヒータへの通電開始時
に、徐々に加熱することで、該センサ中に含まれる水分
を揮発させた後に、定常使用温度になるように加熱する
加熱手段を備えることを技術的特徴とする。

【００１６】請求項１の検出器及び請求項６の制御方法
では、ヒータへの通電開始時に、低温で加熱した後、定
常使用温度になるように制御するため、センサを長期に
渡って安定して使用することが可能になる。

【００１７】請求項２の検出器では、ヒータ制御回路が
ヒータへの通電開始時に、低温で加熱した後、定常使用
温度になるように加熱するため、センサを長期に渡って
安定して使用することが可能になる。

【００１８】請求項３の検出器では、ヒータへの通電開
始時に、１００°Ｃ以下の低温で加熱した後、定常使用
温度になるように制御することで、センサに含まれる水
分を熱衝撃を与えることなく揮発させるため、センサを
長期に渡って安定して使用することが可能になる。

【００１９】請求項４の検出器及び請求項８のセンサの
制御方法では、副電極構造のセンサを低温で加熱した
後、定常使用温度まで加熱することで、副電極に吸収さ
れた水分を熱衝撃を与えることなく揮発させるため、長
期に渡って安定して使用することが可能になる。

【００２０】請求項５の検出器及び請求項９のセンサの
制御方法では、炭酸ガスセンサを低温で加熱した後、定
常使用温度まで加熱することで、炭酸ガスセンサに吸収
された水分を熱衝撃を与えることなく揮発させるため、
長期に渡って安定して使用することが可能になる。

【００２１】請求項１０の検出器では、ヒータへの通電
開始時に、徐々に加熱することで、該センサ中に含まれ
る水分を揮発させた後に、定常使用温度になるように制
御し、副電極に吸収された水分を熱衝撃を与えることな
く揮発させるため、長期に渡って安定して使用すること
が可能になる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１実施形態に係
る検出器及びセンサの制御方法について図を参照して説
明する。図１は第１実施態様の炭酸ガス濃度を検出する
ための検出器１０の構成を示している。該検出器１０
は、ビル空調施設、或いは、ビニールハウス等に配設さ
れ、比較的湿度の高い雰囲気中の炭酸ガス濃度を間欠的
に測定する。該検出器１０は、副電極構造の固体電解質
型センサ２０と、センサ２０を保持するセンサ台座４０
と、該センサ２０を制御する制御回路５０とから構成さ
れている。

【００２３】センサ２０は、後述するように固体電解質
体（イオン伝導体）の両面に配設された参照電極と検知
電極との間に炭酸ガス濃度に応じた電位を発生し、該電
位が図中に示す参照端子３４ｃ及び検知端子３２ｃに現
れる。また、該センサ２０の背面には、図示しないヒー
タが配設され、固体電解質の活性温度である４００〜６
００°Ｃまでセンサ２０を加熱する。

【００２４】センサ台座４０は、円盤形のＭＣナイロン
からなり、金属製の電極端子用ピン４２、４４と、ヒー
タ用ピン４６、４８が挿通されている。該電極端子用ピ
ン４２、４４は、引き出し線４２ａ、４４ａを介してセ
ンサ２０の参照端子３４ｃ及び検知端子３２ｃへ接続さ
れている。また、ヒータ用ピン４６、４８は、引き出し
線４６ａ、４８ａを介して上記センサ２０背面のヒータ
（図示せず）へ接続されている。

【００２５】制御回路５０は、電極端子用ピン４２、４
４を介して印加されるセンサ２０の参照端子３４ｃ−検
知端子３２ｃ間の電位から炭酸ガス濃度を検出する。

【００２６】また、制御回路５０は、ヒータ用ピン４
６、４８を介してセンサ２０のヒータへ通電し、センサ
２０の温度を制御する。ここで、制御回路５０は、上述
したように間欠的に炭酸ガス濃度の検出を行っている。
後で細述するように、センサ２０による測定の休止後、
測定を再開する際には、６０秒間、１００°Ｃ以下の低
温でセンサ２０を加熱し、センサの固体電解質体に吸着
された水分を揮発させた後、固定電解質体を活性化させ
る定常使用温度（５５０°Ｃ）まで加熱し、濃度測定の
休止までセンサを該定常使用温度に保つ。

【００２７】引き続き、センサ２０の構造について、図
２（Ａ）及び図２（Ｂ）を参照して説明する。図２
（Ａ）は、図１中のセンサを拡大して示す斜視図であ
り、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

【００２８】センサ２０は、アルミナ基板２２と、該ア
ルミナ基板２２の裏面に配設されたヒータ３８と、アル
ミナ基板２２の上面に配設された参照電極３４ａと、該
参照電極３４の上面に配設されたイオン伝導体（固体電
解質体）２４と、該イオン伝導体２４の上面に配設され
た検知電極３２ａと、該検知電極３２ａ上に配設された
炭酸塩（副電極）２６と、上記イオン伝導体２４の周囲
に配設され、該イオン伝導体２４を封止するアルミナ系
無機耐熱塗料２８と、上記参照電極３４ａと参照端子３
４ｃとを接続するリード線３４ｂと、上記検知電極３２
ａと検知端子３２ｃとを接続するリード線３２ｂとから
なる。

【００２９】このセンサ２０の製造工程について、図３
を参照して説明する。Ｎａ₂ＣＯ₃、ＺｒＯ₂、ＳｉＯ
₂、ＮＨ₄Ｈ₂ＰＯ₄を所定の割合でエタノール中ボー
ルミルを用いて混合する。混合物を乾燥してから１７０
°Ｃで４時間、９００°Ｃで４時間、１２５０°Ｃで４
時間、熱処理を行いＮａ₂Ｚｒ₂ＳｉＰ₂Ｏ₁₂を得る。
この微粒子を１０Ｋｇ／cm²の圧力でプレス形成した
後、１０００°Ｃで焼成し、図３の（ａ）に示す３mm×
３mm×０．５mmのイオン伝導体ペレット２４αを作成す
る。

【００３０】一方、アルミナ形セラミックグリーンシー
トに、サーメットを１０％ｗｔ混合した白金ペーストに
てヒータを印刷した後、１３００°Ｃで焼成し、図３の
（ｂ）に示す１０mm×５mm×０．３mmのアルミナ基板２
２を作成する。この（ｂ）は、図２（Ａ）に示すアルミ
ナ基板２２の裏面側を示していることに注意されたい。

【００３１】（ｃ）に示すよう該アルミナ基板２２の表
面側に、参照電極３４ａ、リード線３４ｂ及び参照電極
３４ｃとなる白金ペースト３４αをスクリーン印刷す
る。該白金ペーストは、サーメットを１０％ｗｔ混合し
てなる。そして、白金ペースト３４αの参照電極となる
部位に、（ａ）に示すイオン伝導体ペレット２４αを裏
面側に白金ペーストをスクリーン印刷してから載置す
る。

【００３２】その後、該イオン伝導体ペレット２４αの
側壁に、図２（Ｂ）にて示したようにアルミナ系無機耐
熱塗料２８を塗布し、イオン伝導体２４の封止を行って
から、上記白金ペースト３４αの焼き付けのため９００
°Ｃで焼成し、該イオン伝導体ペレット２４αをイオン
伝導体２４にする。

【００３３】（ｄ）に示すようにイオン伝導体２４の上
面に検知電極３２ａとなる金ペースト３２αをメッシュ
状にスクリーン印刷し、同時にリード線３２ｂ及び検知
端子３２ｃとなる金ペースト３４βを印刷してから、８
５０°Ｃで金ペースト３２α、３２βを焼成し、検知電
極３２ａ、リード線３２ｂ及び検知端子３２ｃを形成す
る。

【００３４】（ｅ）に示すよう焼成した検知電極３２ａ
上に、炭酸塩（炭酸ナトリウムＮａ₂ＣＯ₃）２６αを
スクリーン印刷し、６５０°Ｃで焼き付けることで、図
２（Ａ）に示すセンサ２０を完成する。

【００３５】そして、図１に示すように、センサ台座４
０の電極端子用ピン４２、４４とセンサ２０の参照端子
３４ｃ及び検知端子３２ｃとを引き出し線４２ａ、４４
ａにて接続し、ヒータ用ピン４６、４８とセンサ２０背
面のヒータ３８の端子３８ａ、３８ｂ（図３の（ｂ）参
照）を引き出し線４６ａ、４８ａにて接続することで、
センサ台座４０にセンサ２０を固定する。

【００３６】引き続き、該センサの炭酸ガス濃度の検出
動作について説明する。炭酸塩（炭酸ナトリウムＮａ₂
ＣＯ₃）から成る副電極２６は多孔質に構成されてお
り、メッシュ状の検知電極３２ｂを介してナトリウムイ
オン伝導体（固体電解質）であるイオン伝導体２４に載
置されている。ここで、該炭酸塩２６中のナトリウムが
外部雰囲気中の炭酸ガス濃度に応じて、イオン伝導体２
４中にイオン伝導する。この反応は、下記の通りであ
り、このイオン伝導により、該検知電極３２ａ及び参照
電極３４ａ間に電位差を発生させる。

【数１】Ｎａ₂ＣＯ₃←→ ２Ｎａ⁺＋ＣＯ₂＋１／２
・Ｏ２＋２ｅ^-

【００３７】引き続き、制御回路５０の構成について、
図４を参照して説明する。制御回路５０は、商用交流電
圧を受ける電源５２と、電源５２からの電圧を低電位、
高電位、中電位に降圧するトランス５４と、該トランス
５４の低電位端子５４ａ及び高電位端子５４ｂから電位
を受け、ヒータ３８へ印加する電位を該低電位と高電位
とを切り替えるヒータ制御回路６０と、該トランス５４
の中電位端子５４ｃから電力の供給を受け、上記センサ
２０の検知電極３２ａ−参照電極３４ａの電圧に基づき
炭酸ガス濃度を算出して、算出した値（センサ出力）を
出力するセンサ制御回路７０とから構成されている。該
ヒータ制御回路６０は、低電位から高電位へ切り替える
リレー６４と、リレー６４の切り替えをヒータ３８への
通電開始から６０秒後に行わしめるタイマ６２とからな
る。

【００３８】ここで、該ヒータ制御回路６０によるヒー
タ３８の温度制御について、図５（Ａ）のグラフを参照
して更に詳細に説明する。図５（Ａ）のグラフは、横軸
にヒータへの通電開始からの経過時間を示し、縦軸にセ
ンサ２０の温度を示している。該ヒータ制御回路６０
は、センサ２０による測定の休止後、測定を再開する際
に、６０秒間、上記トランス５４の低電位端子５４ａか
らの低電位をヒータ３８側へ通電することで、１００°
Ｃ以下の低温でセンサ２０を加熱し、センサ２０の副電
極２６に吸着された水分を徐々に揮発させる。この多孔
質の副電極２６の気孔から水分を発散させた後、即ち、
６０秒経過後に、ヒータ制御回路６０は、上記トランス
５４の高電位端子５４ｂからの高電位をヒータ３８側へ
通電することで、約５５０°Ｃの高温（センサの定常使
用温度）まてセンサ２０を加熱し、濃度測定の休止まで
センサを該定常使用温度に保つ。

【００３９】上述したように従来技術の検出器において
は、測定を再開する際にヒータにてセンサを５５０°Ｃ
程度まで急激に加熱し、該副電極に熱衝撃を加えてい
た。即ち、休止後動作を再開させるためにヒータに電圧
を印加した際に、センサは、形状が小さく熱容量も小さ
いため短時間で高温に達する。この温度の急上昇中に、
休止中に副電極の内部へ吸着されていた水分が表面から
蒸発し、水分の蒸発により表面は熱が奪われ冷却される
のに対して、副電極の内部は１００°Ｃ以上に加熱さ
れ、該副電極で生じる温度差により衝撃を受け、特性が
変化し炭酸ガス濃度の検出精度が低下すると共に、寿命
が短く成っていた。

【００４０】これに対して、第１実施形態の検出器１０
では、ヒータ３８側へ通電を開始する際に、１００°Ｃ
以下の低温でセンサ２０を加熱し、センサ２０の副電極
２６に吸着された水分を徐々に揮発させ、副電極２６の
気孔から水分を発散させた後に、約５５０°Ｃの高温
（センサの定常使用温度）までセンサ２０を加熱する。
即ち、副電極２６に熱衝撃を与え、気孔を破壊すること
がないため、炭酸ガス濃度の検出精度が劣化し難いと共
に、寿命を長くすることができる。

【００４１】この第１実施形態の検出器１０の試験結果
について、図６を参照して説明する。ここでは、第１実
施形態の検出器１０と、従来技術の検出器、即ち、セン
サは第１実施形態と同様であるが、センサへの加熱を急
激に行う従来技術の検出器を用いて試験を行った。この
試験では、４０°Ｃの飽和水蒸気下で、間欠的に測定、
即ち、センサを加熱して炭酸ガス濃度の測定を行った
後、ヒータへの通電を停止して冷却するサイクルを繰り
返した。

【００４２】図６のグラフでは、横軸に繰り返しサイク
ル数を、縦軸に検知電極−参照電極間の起電力を取って
ある。グラフ中のＩは、第１実施形態の検出器１０によ
る測定結果を示している。ここでは、１０００回の加熱
−冷却を繰り返しても、検知電極−参照電極間の起電力
は３４０〜３２０mVの範囲にあり、性能が安定している
と共に、長い寿命を有している。

【００４３】グラフ中のＰは、従来技術の検出器による
測定結果を示している。ここでは、数１０回加熱−冷却
を繰り返した際に、測定が行い得なくなった。また、６
回加熱−冷却を繰り返した後に、急激に検知電極−参照
電極間の起電力が低下し、性能が劣化することが判明し
た。

【００４４】引き続き、本発明の第２実施形態に係る検
出器について説明する。なお、この第２実施形態の検出
器の機械的構成は、図１を参照して上述した第１実施形
態と同様であるため説明を省略する。

【００４５】図７は、第２実施形態の検出器の制御回路
１５０の構成を示している。第２実施形態の制御回路１
５０は、ヒータ制御回路１６０の構成を除き、図４を参
照して上述した第１実施形態と同様である。第１実施形
態のヒータ制御回路６０は、センサ２０を低温で所定期
間加熱した後、高温まで加熱していた。これに対して、
第２実施形態のヒータ制御回路１６０では、電圧センサ
回路１６４が、ヒータ３８に印加する電位を徐々に高
め、緩やかにセンサ２０の温度を高めて行く。

【００４６】図５（Ｂ）は、第２実施形態のヒータ制御
回路１６０によるセンサ２０の温度制御を示している。
該ヒータ制御回路１６０は、９０秒かけてセンサの温度
を室温（約２０°Ｃ）から約５５０°Ｃの高温まで徐々
に加熱することで、第１実施形態の検出器１０と同様に
センサ２０の副電極２６に吸着された水分を徐々に揮発
させ、副電極２６の気孔から水分を発散させた後に、高
温（センサの定常使用温度）までセンサ２０の温度を高
めて行く。即ち、第２実施形態の検出器は、副電極２６
に熱衝撃を与え、気孔を破壊することがないため、炭酸
ガス濃度の検出精度が劣化し難いと共に、長寿命を有す
る。

【００４７】なお、上述した第１、第２実施形態では、
本発明の構成を副電極を有する炭酸ガスセンサに適用し
た例を挙げたが、本発明は、多孔質の部材を備えるセン
サを用いる種々の検出器及びセンサの制御方法に適用し
得ることは言うまでもない。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明の検出器及びセン
サの制御方法によれば、ヒータへ通電を開始する際に、
低温でセンサを加熱し、センサに吸着された水分を徐々
に揮発させ、センサの気孔から水分を発散させた後に、
高温（センサの定常使用温度）までセンサを加熱する。
即ち、センサに熱衝撃を与え、気孔を破壊することがな
いため、検出精度が劣化し難いと共に、長寿命を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る検出器の外観を示
す斜視図である。

【図２】図２（Ａ）は、センサの斜視図であり、図２
（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すセンサのＢ−Ｂ断面図であ
る。

【図３】センサの製造工程を示す工程図である。

【図４】第１実施形態に係る検出器の制御回路の構成を
示すブロック図である。

【図５】図５（Ａ）は、第１実施形態の検出器による温
度制御を示すグラフであり、図５（Ｂ）は、第２実施形
態の検出器による温度制御を示すグラフである。

【図６】第１実施形態の検出器の動作試験を示すグラフ
である。

【図７】第２実施形態に係る検出器の制御回路の構成を
示すブロック図である。

【符号の説明】

１０検出器２０センサ２２アルミナ基板２４イオン伝導体２６副電極３２ａ検知電極３４ａ参照電極３８ヒータ４０センサ台座５０制御回路６０ヒータ制御回路（加熱手段）１６０ヒータ制御回路（加熱手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヒータを備えるセンサと、該センサ及び
ヒータへの通電を制御する制御回路を備えた検出器にお
いて、前記制御回路が、前記ヒータへの通電開始時に、センサ
を低温で加熱した後、定常使用温度になるよう加熱する
加熱手段を備えることを特徴とする検出器。
【請求項２】ヒータを備えるセンサと、該センサ及び
ヒータへの通電を制御する制御回路を備えた検出器にお
いて、前記制御回路が、前記ヒータへの通電開始時に、センサ
を低温で加熱した後、定常使用温度になるよう制御する
ヒータ制御回路を備えることを特徴とする検出器。
【請求項３】前記低温が１００°Ｃ以下であることを
特徴とする請求項１又は２の検出器。
【請求項４】前記センサが副電極構造のセンサである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の
検出器。
【請求項５】前記センサが炭酸ガスセンサであること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の検出
器。
【請求項６】ヒータを備えるセンサと、該センサ及び
ヒータへの通電を制御する制御回路を備えた検出器の制
御方法において、前記ヒータへの通電開始時に、センサを低温で加熱した
後、定常使用温度になるように制御することを特徴とす
るセンサの制御方法。
【請求項７】前記低温が１００°Ｃ以下であることを
特徴とする請求項６のセンサの制御方法。
【請求項８】前記センサが副電極構造のセンサである
ことを特徴とする請求項６又は７に記載のセンサの制御
方法。
【請求項９】前記センサが炭酸ガスセンサであること
を特徴とする請求項６〜８のいずれか１つに記載のセン
サの制御方法
【請求項１０】ヒータを備える副電極構造のセンサ
と、該センサ及びヒータへの通電を制御する制御回路か
らなる検出器において、前記制御回路が、前記ヒータへの通電開始時に、徐々に
加熱することで、該センサ中に含まれる水分を揮発させ
た後に、定常使用温度になるように加熱する加熱手段を
備えることを特徴とする検出器。