JPS63275949A

JPS63275949A - 電気化学的装置

Info

Publication number: JPS63275949A
Application number: JP62112728A
Authority: JP
Inventors: Takao Murase; 隆生村瀬; Hajime Nishizawa; 西澤　一
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1987-05-08
Publication date: 1988-11-14
Anticipated expiration: 2010-12-25
Also published as: JPH07122626B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、電気化学的装置、特に自動車用エンジンの燃
焼制御系或いは各種の工業炉の燃焼制御系に用いて好適
な、排気ガスの酸素濃度測定装置に係り、更に詳しくは
、使用される温度環境によらず、被測定ガス中の測定成
分の濃度を検出する電気化学的セルの温度を安定に保ち
、高精度の測定が出来ると共に、耐久性にも優れた電気
化学的装置に関するものである。

（従来技術）従来より、固体電解質とこの固体電解質に接して設けら
れた少なくとも一対の電極とを有する、少なくとも一つ
の電気化学的セルを含む電気化学的装置は、被測定ガス
中の各種のガス成分の濃度を検出し得るセンサとして、
よく知られており、例えば自動車用内燃機関の排気ガス
中の酸素濃度や工業炉、ボイラ□−等から排出される燃
焼排ガス中の酸素濃度を検知する酸素センサ（酸素濃度
測定装置）として、酸素イオン伝導性の固体電解質であ
るジルコニア磁器を用いた、酸素濃淡電池の原理を利用
して酸素４度を求めるセンサ等が開発されている。そし
て、内燃機関等においては、一般に、空気と燃料とから
構成される混合気の空燃比を、高精度に目標値に制御す
るために、前記の如きセンサを用いて、空燃比と相関関
係を有する排気ガス中の酸素濃度を検知することにより
、混合気の空燃比を検知して、内燃機関等に供給される
燃料供給量をフィードバック制御するようにしているの
である。

ところで、このような酸素センサ等の電気化学的装置を
、測定されるべき被測定ガスの温度が比較的低い場合に
おいても有効に作動させるためには、かかる電気化学的
装置における電気化学的セルを与える電気化学的素子の
少なくとも電極配置部（ガス濃度検知部）を、適当なヒ
ータ（加熱手段）によって所定の高温度に加熱せしめる
必要があるが、従来にあっては、かかる加熱のために、
有底円筒形状を為す電気化学的素子の内孔内に傍熱型の
ヒータを設けたり（特開昭５７−１４２５５５号公報参
照）、また積層型の電気化学的素子にあっては、その積
層構造内にヒータを一体的に埋設してなる構造のもの（
特開昭５４−１４０１４５号公報参照）等が明らかにさ
れている。

（問題点）しかしながら、この種の電気化学的装置においては、電
気化学的素子に形成された電気化学的セルを加熱するヒ
ータ（加熱手段）の発熱量、或いはそれに対する供給電
圧が、特に制御されておらず、そのために、かかる電気
化学的装置が使用される環境の変化により、例えば被測
定ガス温度の変化により、かかる電気化学的セルの温度
が変化し、以て被測定ガス中の測定成分濃度に応じた出
力である起電力或いはポンプ電流が変化して、正確な測
定が出来ない問題を内在している。

また、被測定ガス温度の上昇により、電気化学的セルの
温度も上昇し、時として、そこが過熱状態となり、かか
る電気化学的セルやヒータの寿命を著しく短くするとい
う問題も内在していたのである。

（解決手段）ここにおいて、本発明は、上記の問題を解決するために
為されたものであって、その特徴とするところは、固体
電解質と該固体電解質に接して設けられた少なくとも一
対の電極とを有する、少なくとも一つの電気化学的セル
と；該電気化学的セルを所定の温度に加熱するための発
熱部と該発熱部への通電を行なうために該発熱部の両端
部にそれぞれ接続された第一及び第二の通電リード部と
からなるヒータエレメントを有する加熱手段とを含んで
構成される電気化学的装置において、該加熱手段のヒー
タエレメントにおける前記発熱部の第一の通電リード部
側の所定位置或いは該発熱部と該第一の通電リード部と
の接続点に近接した位置に、第一の検出点を設けると共
に、該第一の検出点よりも前記第二の通電リード部側の
ヒータエレメント部分の電気抵抗値と、該第一の検出点
よりも前記第一の通電リード部側のヒータエレメント部
分の電気抵抗値との差に基づいて、前記電気化学的セル
の温度を安定に保つように、前記ヒータエレメントに供
給される電力乃至は電圧を制御せしめる制御手段を設け
たことにある。

また、本発明にあっては、固体電解質と該固体電解質に
接して設けられた少なくとも一対の電極とを有する、少
なくとも一つの電気化学的セルと；該電気化学的セルを
所定の温度に加熱するための発熱部と該発熱部への通電
を行なうために該発熱部の両端部にそれぞれ接続された
第一及び第二の通電リード部とからなるヒータエレメン
トを有する加熱手段とを含んで構成される電気化学的装
置において、該加熱手段のヒータエレメントにおける前
記発熱部の所定位置若しくは該発熱部と該第一または第
二の通電リード部との接続点に近接した位置に、第一及
び第二の検出点を設けると共に、それら第一の検出点と
第二の検出点との間の前記ヒータエレメント部分の電気
抵抗値に基づいて、前記電気化学的セルの温度を安定に
保つように、前記ヒータエレメントに供給される電力乃
至は電圧を制御せしめる制御手段を設けたことをも、そ
の特徴とするものである。

従って、このような構成を具備する本発明に従う電気化
学的装置にあっては、加熱手段を構成するヒータエレメ
ントの発熱部自体の抵抗温度係数を利用して、その電気
抵抗を測定するようにしたことにより、かかる加熱手段
にて加熱される電気化学的セルの温度を直接的に検知す
ることが出来るのである。しかも、本発明においては、
ヒータエレメントに設けた検出点を通じて取り出される
情報に基づいて、ヒータエレメントの発熱部の電気抵抗
値が、その通電リード部の電気抵抗値が被測定ガス温度
の変化等によって大幅に変わっても、これに影響される
ことなく、正確に把握され、電気化学的セルの温度をよ
り正確に検知することが出来るのである。そして、かか
る加熱手段におけるヒータエレメントの発熱部の電気抵
抗値を一定に保つように、所定の制御手段にて、該ヒー
タエレメントに供給される電力乃至は電圧を・制御する
ことにより、電気化学的セルの温度を安定的に保持し得
て、それを一定に保ち、以て測定精度を著しく向上せし
め得るのである。

ところで、本発明におけるヒータエレメントの発熱部と
は、通電リード部に比べて単位面積当りの発熱量が多く
なるようにした部分であり、具体的には、固有抵抗の増
加、断面積の低減、パターンの蛇行等により、通電リー
ド部に比べて単位面積当りの抵抗を増すようにされたも
のである。

そして、本発明は、電気化学的セルの温度を安定に保つ
ために、かかるヒータエレメントの高温部分である発熱
部の抵抗値を測定するものであり、第一及び／又は第二
の検出点は、該発熱部内の所定位置或いは該発熱部と通
電リード部との接続点に近接した位置に設けられなけれ
ばならない。ここで、該発熱部と通電リード部との接続
点に近接した位置とは、実質的に該接続点と同一の電位
を得ることが出来る位置のことであり、発熱部内であっ
ても、通電リード部内であっても良い。

なお、このような電気化学的装置にあっては、前記加熱
手段は、一般に、前記電気化学的セルと一体的に形成さ
れて、一体の電気化学的素子を構成しており、またかか
る加熱手段におけるヒータエレメントの発熱部は、被測
定ガスの測定条件下において、所定の抵抗温度係数、即
ち少なくとも０．１％／℃の正または負の抵抗温度係数
を有するものであることが望ましく、これによって、電
気化学的セルの温度変化を感度よく検出して、その温度
制御をより正確と為し得るのである。

また、本発明の一つの実施態様によれば、前記制御手段
は、前記電気抵抗値の差の、或いは前記第一及び第二の
検出点の間の発熱部部分の電気抵抗値の、基準値に対す
る相対値を用いて、電気化学的セルの温度を安定に保つ
ように、ヒータエレメントに供給される電力乃至は電圧
を制御するように構成され、これによって電気化学的装
置の偏量バラツキが有利に解消乃至は抑制され、以てそ
れぞれの電気化学的装置における加熱温度の制御を効果
的に均一化し得るのである。なお、ここで基準値として
は、常温抵抗値、或いはアイドリング、定速運転時等、
一定のエンジン運転条件下の如き所定の温度下における
抵抗値等が採用され、この基準値に対する前記電気抵抗
値の差や前記発熱部部分の電気抵抗値の比率に基づいて
、上記の如き電流の制御が行なわれるのである。

さらに、本発明にあっては、前記第一及び第二の検出点
をヒータエレメントに対して設けた場合において、それ
ら第一及び第二の検出点にそれぞれ接続せしめられる第
一及び第二の検出リード部は、実質的に等しい抵抗温度
係数を有するように構成されることとなる。

更にまた、制御手段は、前記第一の検出点と第二の検出
点との間の発熱部部分の電気抵抗値を検出するために、
それら第一及び第二の検出点にそれぞれ接続せしめられ
る第一及び第二の検出リード部の少なくとも何れか一方
に対して接続された調整用抵抗を有していることが望ま
しく、この調整用抵抗の電気抵抗値の調整によって、電
気化学的装置間における発熱部部分の電気抵抗値の偏量
バラツキが有利に解消されることとなる。なお、この調
整用抵抗は、一般に、それの接続された検出リード部の
電気抵抗値の１０倍以上の電気抵抗値を有するように構
成される。

そして、このような調整用抵抗は、その少なくとも一部
が、前記電気化学的セルまたは前記加熱手段に一体的に
形成されたり、また加熱手段の少なくとも第一及び第二
の検出リード部を外部の機器に接続せしめるためのコネ
クタが設けられている場合において、該コネクタと前記
加熱手段との間に、調整用抵抗の少なくとも一部が設け
られたり、更には該加熱手段の第一及び第二の通電リー
ド部並びに第一及び第二の検出リード部を外部の機器に
接続せしめるためのコネクタが設けられている場合にお
いて、そのようなコネクタ上に、調整用抵抗の少なくと
も一部が設けられるようにされるものである。

ところで、本発明は、外部の被測定ガス存在空間から、
拡散抵抗手段を介して、所定の拡散抵抗の下に拡散、導
入せしめられる被測定ガスに対してポンプ作用を為す電
気化学的ポンプセルを、電気化学的セルの一つとして有
する電気化学的装置に対して、特に、外部の被測定ガス
存在空間から所定の拡散抵抗の下に被測定ガスを拡散、
導入せしめる拡散抵抗手段と、この拡散抵抗手段によっ
て導入された被測定ガスの存在する内部空間におけるガ
ス成分濃度（例えば、酸素濃度）を変化させる電気化学
的ポンプセルと、かかる内部空間における雰囲気中のガ
ス成分濃度を検出する電気化学的センサセルとを含んで
構成される電気化学的装置に対して、好適に適用される
ものである。そのような電気化学的装置の拡散抵抗手段
における被測定ガスの拡散抵抗が、温度の影響を受けて
変化し、電気化学的ポンプセルのポンプ電流（出力）等
を変化せしめて、被測定ガス中の酸素濃度等のガス成分
濃度の検知精度を低下せしめるからである。

また、本発明にあっては、前記加熱手段におけるヒータ
エレメントは、好ましくは、導体として白金を用いて形
成され、また電気化学的セルは、ＺｒＯ□を主成分とす
る酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成され、更にか
かる加熱手段のヒータエレメントは、被測定ガスから遮
断されて、直接に晒されないような構造とされているこ
とが望ましい。

（実施例）以下、本発明に従う幾つかの実施例を、図面に基づいて
詳細に説明すると共に、本発明の構成について更に具体
的に明らかにすることとする。

先ず、第１図（ａ）は、本発明に従う電気化学的装置に
おける、電気化学的セルと加熱手段とが一体的に形成さ
れてなる電気化学的素子の一例を示す展開構造図であり
、酸素濃度測定装置の酸素検知素子として用いられるも
のである。この電気化学的素子は、狭幅な板状の長手形
状を為しており、その先端部に酸素濃淡電池の原理を利
用した酸素濃度検知部が形成されている。

そして、この電気化学的素子は、かかる第１図（ａ）か
ら明らかなように、積層構造とされているのである。即
ち、高温において酸素イオン伝導性を示す安定化ジルコ
ニアからなる板状の固体電解質体２と、同様な固体電解
質材料から形成されたスペーサ部材４と、更に同様な固
体電解質材料から形成された二枚の板状のヒータプレー
ト６゜８とを積層せしめて、一体的な構造とされている
と共に、スペーサ部材４の切欠き部によって、それら固
体電解質体２と一枚のヒータプレート６との間に、大気
に連通せしめられる空気通路１０が形成されているので
ある。また、固体電解質体２の外側面には、被測定ガス
に接触せしめられる測定電極１２が設けられており、そ
してこの測定電極１２に対向するように、固体電解質体
２の空気通路１０に面する内側面には基準電極１４が設
けられて、空気通路１０を通じて導かれる基準ガスとし
ての空気が、かかる基準電極１４に接触せしめられるよ
うになっている。

また、ヒータプレート６．８の間には、ヒータエレメン
ト１６が配置されて、一体的なヒータ層（加熱手段）が
構成されるようになっている。なお、このヒータエレメ
ント１６は、固体電解質体２と測定電極１２と基準電極
１４とから構成される電気化学的セル部分を加熱するた
めに、該基準電極１４に対応する部位に配置された、所
定パターンの線状乃至は帯状の発熱部１８と、この発熱
部１８への通電を行なうために、その両端部にそれぞれ
接続された通電リード部２０ａ、２０ｂとから構成され
ている。そして、このヒータエレメント１６の通電リー
ド部２０ａ、２０ｂに対して、外部のヒータ電源（ここ
では交流電源）２２が接続されており、またこのヒータ
電源２２にて流される電流は電流計２４にて検出される
ようになっている。従って、かかるヒータエレメント１
６の発熱部１８に対する外部電源２２からの給電によっ
て、電気化学的セルを構成する測定電極１２、基準電極
１４及びそれら電極の配置された固体電解質体２部分が
、所定の温度に加熱せしめられ得るようになっているの
である。

そして、かかるヒータエレメント・１６には、更に、そ
の発熱部１８の一方の通電リード２Ｏａ側の所定位置に
一つの検出点２６が設けられていると共に、この検出点
２６に対して、電気抵抗値を検出するための検出リード
部２８が接続されている。なお、ここでは、検出点２６
は、発熱部１８の最も加熱温度の高い部位の温度を検出
するために発熱部１８の中央部に近い位置に設定されて
いるが、その配置位置は、発熱部１８のヒータパターン
の形態により適宜に選定され、場合により発熱部１８と
通電リード部２０ａ、２０ｂの境界領域に位置せしめら
れることがある。

また、この検出リード部２８と一方の通電リード部２０
ａに対する接続路との間には、第二の電位差計３２が設
けられ、また他方の通電リード部２０ｂに対する接続路
との間には、第一の電位差計３０が設けられており、こ
の第一の電位差計３０によって、検出点２６と他方の通
電リード部２０ｂ端部との間の電位差：■１が検出され
、また第二の電位差計３２によって、検出点２６と前記
一方の通電リード部２０ａ端部との間の電位差：Ｖ２が
検出されるようになっている。

ところで、このようなヒータエレメント１６における回
路構成は、例えば、第１図（ｂ）のように、模式的に示
すことが出来る。即ち、そこにおいて、ＲＬは検出点２
６から一方の通電リード部２０ａ端部までのヒータエレ
メント１６部分の電気抵抗値であり、ＲＬｌは、そのよ
うな一方の通電リード部２０ａ端部から検出点２６に至
る長さに相当する、他方の通電リード部２０ｂの端部か
らのヒータエレメント１６部分の電気抵抗値であり、Ｒ
，は、それらＲ，、ＲＬ’を与えるヒータエレメント１
６の両端側の長さ部分を除く、発熱部１８の中央の所定
長さ部分のみの電気抵抗値であり、更に、■１は検出点
２６と他方の通電リード部２０ｂ端部との間の電位差で
あり、■２は検出点２６と一方の通電リード部２０ａ端
部との間の電位差であり、そして電源２２から供給され
る電流値をＡとすると、第一及び第二の電位差計３０．
３２にて検出される電位差：Ｖ、、Ｖ、は、それぞれ下
記（１）及び（２）式にて表わされることとなる。

そして、ヒータエレメント１６において、ＲＬ’＝ＲＬ
とすることにより、上記（１）式から（２）式を減算す
ることによって、下記（３）式を求めることが出来るの
である。

ＲＨ＃ＲＮ　＋Ｒｔ　’　　　Ｒｔ従って、かかる（３）式から明らかなように、電気化学
的セル（２，１２，１４）部分の温度に対応するヒータ
エレメント１６の発熱部１８中央部分の電気抵抗値：Ｒ
Ｈは、実質的に、検出点２６の両側のヒータエレメント
部分の電気抵抗値の差によって表わされ、（■＋　　Ｖ
ｚ　）／Ａの値に基づいて、電流値：Ａを与える電源２
２の電力乃至は電圧を制御することによって、前記ＲＭ
が一定となるようにすることが出来るのである。そして
、このＲＭが一定となるようにコントロールされること
によって、ヒータエレメント１６にて加熱される電気化
学的セル（２，１２，１４）の温度が一定となるように
制御することが可能となるのである。

ここにおいて、ＲＬとＲＬ′は、抵抗値が常に等しいこ
とが好ましく、従って両者の抵抗温度係数、パターン形
状が実質的に等しいことが好ましい。

なお、かくの如き構造の電気化学的素子にあっては、よ
く知られているように、固体電解質体２と被測定ガスに
晒される測定電極１２と基準ガスに晒される基準電極１
４とから構成される電気化学的セルからなる酸素濃度検
知部によって、酸素濃度差に基づくところの、ネルンス
トの式に従う起電力が出力信号として取り出され、そし
てそのような出力信号に基づいて、かかる被測定ガス（
排気ガス）を発生せしめる内燃機関等の燃焼制御が行な
われるのである。

そして、その際、本発明の構成によれば、ヒータエレメ
ント１６、特にその発熱部１８の温度分布幅の小さい中
央部のみの電気抵抗値に基づいて、かかるヒータエレメ
ント１６に供給される電力乃至は電圧が制御されること
となるところから、かかる発熱部１８に近接して設けら
れた酸素濃度検知部が所定の温度に常に保持され、その
温度変化が小さくなるのであり、それ故に、仮に被測定
ガスの温度が変化しても、かかる酸素濃度検知部から安
定な出力を得ることが出来、それによって高精度の測定
が可能となるのである。また、そのような酸素濃度検知
部の温度が制御されることにより、該酸素濃度検知部や
ヒータエレメント１６の加熱の危険がな（、その寿命も
効果的に永続化せしめ得るのである。

しかも、上側の如く、電気化学的セルの温度をヒータエ
レメント１６全体の電気抵抗値を用いて制御するもので
はなく、かかる電気化学的セルの温度に最もよく対応す
る加熱部１８の所定部分のみの電気抵抗値を用いて、か
かる電気化学的セルの加熱温度を制御しているところか
ら、ヒータエレメント１６の通電リード部２０ａ、２０
ｂの電気抵抗値の大小に拘わらず、電気化学的セルの温
度をより正確に制御することが出来るのである。

ところで、電気化学的装置には、上記の如き基本的構造
を有するものの他、電気化学的セルを、外部の被測定ガ
ス存在空間から所定の拡散抵抗の下に拡散、導入せしめ
られる被測定ガスに対して、ポンプ作用を為す電気化学
的ポンプセルとして機能させるようにしたものがあるが
、特に後者のものにあっては、その被測定ガスの拡散抵
抗（拡散定数）が温度によって大きく影響を受けるとこ
ろから、本発明が有利に適用され、以てその検知精度が
効果的に高められ得るものであって、その基本的な例が
第２図及び第３図に示されている。

先ず、第２図において、電気化学的セルとしての電気化
学的ポンプセルが、固体電解質体３４とその両側の面に
接して一体的に形成された相対応する外側ポンプ電極３
６と内側ポンプ電極３８とによって構成され、そしてこ
のポンプセルに対して、固体電解質体３４と同様な固体
電解質材料からなるスペーサ部材４０及び仕切リブレー
ト４２が積層せしめられることによって、円形の内部空
間４４が形成された一体的な電気化学的素子とされてい
る。そして、この内部空間４４は、固体電解質体３４を
貫通して設けられた、所定の拡散抵抗を有するピンホー
ル４６を通じて、外部の被測定ガス存在空間に連通せし
められており、このピンホール４６を通じて、所定の拡
散抵抗の下に内部空間４４内に導かれる被測定ガスに対
して、ポンプ電源４８からの電気化学的ポンプセル（３
４゜３６．３８）への通電によって、所定のポンプ作用
が実行され、以て公知の如（、限界電流方式にて被測定
ガス中の測定成分の濃度が検出されるようになっている
。

そして、このような電気化学的ポンプセル（３４，３６
，３８）を所定の温度に加熱するために、仕切りプレー
ト４２上には、ヒータエレメント５０が一体的に設けら
れているのである。このヒータエレメント５０は、電気
化学的ポンプセルを加熱するための発熱部５２とその両
端部にそれぞれ接続された第一及び第二の通電リード部
５４ａ。

５４ｂとから構成されている。そして、このヒータエレ
メント５０の発熱部５２と第一及び第二の通電リード部
５４ａ、５４ｂとの境界領域に、それぞれ第一の検出点
５６及び第二の検出点５８が設けられている。また、か
かる第一及び第二の検出点５６．５８に対して、それぞ
れ、第一及び第二の検出リード部６０ａ、６０ｂが接続
されており、そしてこの第一及び第二の検出リード部６
０ａ、６０ｂによって取り出される、ヒータエレメント
５０の第一及び第二の検出点５６．５８間の電位差：■
３とヒータ電流との比により、発熱部５２の電気抵抗値
を算出している。

従って、かかる発熱部５２の電気抵抗値に基づいて、ヒ
ータ電源６４によってヒータエレメント５０に供給され
る電力乃至は電圧を制御するようにすれば、かかるヒー
タエレメント５０の第一及び第二の通電リード部５４ａ
、５４ｂの抵抗に関係なく、電気化学的セルとしてのポ
ンプセル（３４，３６，３８）の温度を安定に保ち得る
ところから、被測定ガスの所定の測定成分の正確な測定
が有利に行なわれ得るのである。

また、第３図に示される電気化学的素子にあっては、電
気化学的セルとしてのポンプセルの構造が、上記第２図
のものとは異なっている。即ち、そこでは、所定の拡散
抵抗の下に、外部の被測定ガスを内部に導く細隙な平坦
空間６６が、固体電解質体３４とスペーサ部材４０と仕
切リブレート４２との積層によって、素子端面に開口す
る形態において形成されており、この平坦空間６６内の
雰囲気が、電気化学的セルとしてのポンプセル（３４，
３６，３８）のポンプ作用によって、公知の如く制御さ
れて、被測定ガス中の目的とする測定成分の濃度が検出
されるようになっている。

そして、仕切りプレート４２のポンプセルとは反対側の
面には、アルミナ、スピネル等からなる電気絶縁層６８
．６８にて挟まれた状態において、ヒータエレメント５
０が配置されており、このヒータエレメント５０に対し
て、上記第２図の例と同様に、第一の検出点５６及び第
二の検出点５８が設けられ、そしてこの第一及び第二の
検出点５６．５８間のヒータエレメント５０の発熱部５
２の電気抵抗値に基づいて、ヒータ電源６４にて供給さ
れる電力乃至は電圧を制御することによって、該電気抵
抗値を所定の値に制御せしめられるようになっている。

また、このヒータエレメント５０の第一及び第二の検出
点５６．５８間の電気抵抗値に基づいて、かかるヒータ
エレメント５０への通電量を制御する制御回路は、例え
ば第４図に示される如き、ケルビンのダブルブリッジ回
路を用いて、ヒータ電源６４の電力供給回路を構成する
ことによって、容易に実現され得るのである。なお、こ
の第４図において、７０は比較器（ＩＣ）であり、また
７２は電力／電圧調整用トランジスタであり、さらにＲ
ａ　ＳＲＢ　、　Ｒ，、Ｒｈ　、ＲｃＸＲｄ　、Ｒ，、
Ｒ２はそれぞれ抵抗（値）を示し、これらによって外部
の制御手段が構成されている。また、Ｒ。

はヒータエレメント５０の第一、第二の検出点５６．５
８間の発熱部５２部分の電気抵抗値、ＲＬ’　。

ＲＬはそれぞれ第一、第二の検出点５６．５８から第一
、第二の通電リード部５４ａ、５４ｂ端部に至るヒータ
エレメント５０部分の電気抵抗値、Ｒｓ　’　、Ｒｓは
、それぞれ第一、第二の検出リード部６０ａ、６０ｂ部
分の電気抵抗値である。

従って、第４図に示される制御回路において、比較器７
０への入力電圧（−と十との差）が００とき、下記（４
）式が成立することとなる。

ｃＲＭ　＝　　　　（ＲＡ＋Ｒｓ）ここにおいて、Ｒ，＝Ｒ，’　、ＲＡ＝Ｒ，、Ｒｇ＝Ｒ
ｈならば、下記（５）式が成立する。

また、ＲＡ〉〉Ｒ５ならば、下記（６）式が成立するこ
ととなる。

従って、第一の検出点５６及び第二の検出点５８間の電
圧差がＯとなるように、比較器７０で、それら検出点５
６．５８間の電圧差を検知して、トランジスタ７２をコ
ントロールすることにより、ヒータエレメント５０に供
給される電力乃至は電圧が制御され、以てヒータエレメ
ント５０によって加熱せしめられる電気化学的素子の温
度が容易に一定に制御されることとなるのである。なお
、第４図の制御回路における抵抗としては、例えば通電
時にＲＨ＝１５Ω程度であれば、ＲＡ＝１５にΩ、Ｒ１
＝１．５にΩ、Ｒｃ＝１．５Ω、ＲＬ＝１Ω、Ｒ３−５
Ωとされることとなる。

かかる（４）弐及び（５）式から明らかなように、調整
用抵抗：ＲＡ、Ｒ，は検出用リードの抵抗’　Ｒ３＋　
Ｒ３′に比べて充分大きい（好ましくは１０倍以上）こ
とが望ましく、これにより、検出用リードの抵抗：　Ｒ
ｓ　、　、Ｒｓ　’の差異、偏量バラツキによる制御誤
差を低減することが出来る。

また、検出用リードの抵抗：　Ｒｓ　、　Ｒｓ　’の抵
抗温度係数は、実質的に等しいことが望ましい。

さらに、第５図に示される本発明に従う電気化学的装置
の電気化学的素子は、前例とは異なり、電気化学的ポン
プセルと電気化学的センサセルの二つの電気化学的セル
を有しており、そのうち電気化学的ポンプセルは、第２
図及び第３図と同様なポンプ作用を為すものであり、ま
た電気化学的センサセルは、第１図（ａ）のものと同様
な酸素濃度等の測定成分濃度の差に基づいて、起電力を
発生する構造のものであって、それらの図におけるもの
と同様な部分には同一の番号を付して、詳細な説明は省
略することとする。

なお、本実施例において、電気化学的センサセルは、固
体電解質体２と所定の拡散抵抗を有する細隙な平坦空間
６６に露呈せしめられる円環状の測定電極１２と空気通
路１０に露呈せしめられる基準電極１４とから構成され
ており、また電気化学的ポンプセルは、固体電解質体３
４と外部の被測定ガスに接触せしめられる円環状の外側
ポンプ電極３６と内部の平坦空間６６に露呈せしめられ
る円環状の内側ポンプ電極３８とから構成されている。

また、内部の円形の平坦空間６６は、その中心部におい
て、固体電解質体３４を貫通するガス通路７４を介して
、外部の被測定ガス存在空間に連通せしめられている。

従って、このような構造の電気化学的素子を酸素検知素
子として用いる場合にあっては、よく知られているよう
に、平坦空間６６内において、所定の拡散抵抗の下に拡
散せしめられる被測定ガス中の酸素濃度と空気通路１０
内の基準ガス（空気）中の酸素濃度との間の酸素濃度差
に従って、酸素濃淡電池手段を構成する測定電極１２と
基準電極１４との間に発生する、濃淡電池の原理に基づ
く起電力が検出される一方、そのような起電力に基づい
て、酸素ポンプ手段を構成する外側ポンプ電極３６と内
側ポンプ電極３８との間に所定のポンプ電流が通電せし
められることによって、所定の酸素ポンプ作用が行なわ
れ、以て平坦空間６６の内側ポンプ電極３８の配置され
た近傍の雰囲気、換言すれば酸素濃淡電池手段の測定電
極１２の配置された近傍の雰囲気が、所定の雰囲気とな
るように制御され、そしてその際、酸素ポンプ手段の二
つの電極３６．３８間に流されるポンプ電流を検出する
ことによって、目的とする被測定ガスの酸素濃度が測定
されることとなるのである。

そして、このような構造の二つの電気化学的セルを備え
た電気化学的素子は、また、その仕切りプレート４２の
外側面に、第３図と同様な構造の加熱手段を有している
。即ち、電気絶縁層６８゜６８に挟まれた状態において
、ヒータエレメント５０が設けられており、このヒータ
エレメント５０の発熱部５２の第一の通電リード部５４
ａ側の所定位置に第一の検出点５６が設けられ、更に第
二の通電リード部５４ｂ側の所定位置には、第二の検出
点５８が設けられているのである。

また、ここでは、第一及び第二の通電リード部５４ａ、
５４ｂ並びに第一及び第二の検出リード部６０ａ、６０
ｂが、それぞれ、外側の電気絶縁］’ｉ６８を貫通して
設けられたスルーホールを通じて、該外側の電気絶縁層
６８の外側面に導かれ、そしてその取り出された第一の
通電リード部５４ａ部分並びに第一及び第二の検出リー
ド部６０ａ。

６０ｂ部分に対して、ヒータエレメント５０への通電量
を制御する制御回路を構成する三つの抵抗’Ｒｈ＋Ｒａ
、ＲＡが、それぞれ設けられている。

そして、この取り出された四本のリード部５４ａ。

５４ｂ；６０ａ、６０ｂは、所定のコネクタ７６を介し
て、外部の制御回路に接続せしめられている。

従って、このような構造によれば、第４図に示される制
御回路のうちの抵抗：ＲＡ、Ｒ，、Ｒｈが、電気化学的
素子上に設けられているところから、このような素子に
おいて、そのＲＡの抵抗値をトリミング等によって調整
することによって、外部の制御回路の抵抗を変化させる
ことなく、ヒータエレメント５０の二つの検出点５６．
５８間の電気抵抗値：ＲＭを容易に調整することにより
、電気化学的装置を所定の温度とすることが可能となる
のである。

また、このような制御回路における抵抗の少なくとも一
部を、第一及び第二の検出リード部を外部の機器に接続
せしめるためのコネクタと前記加熱手段との間、若しく
は該コネクタの該加熱手段側に設けることにより、電気
化学的素子上に設けるのと同様の効果を得ることが出来
るのであり、その−例が第６図及び第７図に示されてい
る。

すなわち、それらの図においては、制御回路における抵
抗：ＲＡ’、Ｒ，が、それぞれ、調整用抵抗として、第
一及び第二の検出リード部６０ａ。

６０ｂとコネクタ７６との間の接続路上に、設けられて
いるのである。なお、第７図において、８０ａ、８０ｂ
は、それぞれ接続路であり、この接続路８０ａ、８０ｂ
の途中に、それぞれＲ−、ＲＡが設けられ、更にその上
に保護カバー８２が形成された構造となっている。

また、第８図及び第９図に示される例にあっては、制御
回路の抵抗Ｒｎ、Ｒｈがそれぞれコネクタ７６の加熱手
段側７６ａ上に設けられている。

なお、第９図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において、７６
ａは雄コネクタ、７６ｂは雌コネクタであり、この雄コ
ネクタ７６ａ内に調整用抵抗としてのＲ，、Ｒ，がそれ
ぞれ配置、収容されている。さらに、第８図において、
第一の検出点５６は、発熱部５２と第一の通電リード部
５４ａとの接続点に近接した第一の通電リード部５４ａ
上に設けられており、第二の検出点５８は発熱部５２上
に設けられている。

なお、以上の実施例において、電気化学的セルを構成す
る固体電解質体は安定化ジルコニアにて構成され、本発
明では、そのようなＺｒＯ２を主成分とする酸素イオン
伝導性の固体電解質が、酸素濃度検知装置として電気化
学的装置を使用する場合において有利に用いられ得るも
のであるが、またその他の酸素イオン伝導性の固体電解
質、例えば５ｒＣｅＯｓ　、Ｂｉｔ’ｓ−希土類酸化物
系固溶体等の材料を用いて形成されたものであっても、
何等差支えな（、また酸素以外の他のガス成分を検出す
る場合にあっては、それぞれのガス成分に対応する公知
の固体電解質が適宜に用いられることとなる。

また、加熱手段を構成するヒータエレメントは、電気化
学的セルの温度変化を、その電気抵抗値の変化として出
力するものであるところから、被測定ガスの検出条件下
において、少なくとも０．１％／℃の正または負の抵抗
温度係数を有するものであることが望ましく、それによ
ってヒータエレメントの電気抵抗値の読取り誤差が、か
かるヒータエレメントによる加熱温度に与える影響を少
なくして、電気化学的セルの温度変化を精度よく検出す
ることが出来るのであり、以てかかる電気化学的セルの
温度制御がより一層効果的に行なわれるのである。

なお、そのようなヒータエレメントは、電気化学的セル
を構成する電極と同様に、白金、パラジウム、ロジウム
、イリジウム、ルテニウム、オスミウムの如き白金族金
属等の導電性金属や炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、ホ
ウ化ジルコニウム、ホウ化チタン、窒化ジルコニウム、
ケイ化そりブデン、ケイ化タングステン等の導電性化合
物等の公知の導電性材料から形成されることとなるが、
特に好ましくは、導体として白金を用いて形成されてい
ることが望ましい。また、そのようなヒータエレメント
は、”基地との密着一体化の向上を図るために、上記の
如き導電性金属にセラミックスの微粉末を混入せしめて
、その焼成を行なうことにより形成するようにすること
も可能である。

また、第４図に示した制御回路（電力供給回路）は、本
発明の具体的な一実施例を示したものであり、勿論、他
の回路構成としても良いことは言うまでもないところで
ある。

以上、本発明に従う電気化学的装置の構成について、幾
つかの一体的な構造の電気化学的素子に基づいて説明し
てきたが、その他の構造の電気化学的素子、ひいては電
気化学的装置にも、本発明が好適に適用されるものであ
ることが、理解されるべきである。

要するに、本発明は、上記例示の具体例のみに限定して
解釈されるものでは決してなく、本発明の趣旨を逸脱し
ない限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変
形、修正、改良等を加えた形態において実施され得るも
のであって、本発明が、そのような実施形態のものをも
含むものであることが、言うまでもないところである。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明に従う電気化学
的装置は、その電気化学的セルを加熱するための加熱手
段におけるヒータエレメントの発熱部内体の電気抵抗値
に基づいて、該電気化学的セルの温度を安定に保つよう
に、かかる加熱手段に供給される電流を制御するように
したものであって、ヒータエレメントのリード部の電気
抵抗値の如何に拘わらず、電気化学的セルの温度が直接
的に正確に検出されて、制御されるものであるところか
ら、電気化学的装置の使用条件により、例えば被測定ガ
スの温度の変化等により、かかる電気化学的セルの温度
は変化せしめられず、安定な出力による高精度の測定が
可能となり、また電気化学的セルの温度を制御するもの
であるところから、電気化学的セル及び加熱手段の過熱
の危険がなく、その寿命を有利に永続化せしめ得て、長
期間に亘って使用可能である等の優れた効果を奏するも
のであり、そこに、本発明の大きな工業的意義が存する
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、第２図、第３図、第５図、第６図及び第
８図は、それぞれ、本発明に従う電気化学的装置の電気
化学的素子の一例を示す展開構造図であり、第１図（ｂ
）は、第１図（ａ）におけるヒータエレメントに対する
電力供給回路の一例を示す回路図であり、第４図は、本
発明に従う電気化学的素子のヒータエレメントに対する
電力供給回路の一例を示す回路図であり、第７図は、第
６図における調整用抵抗の配置形態を概略的に示す説明
図であり、第９図は、第８図における調整用抵抗の配置
構成を概略的に示す説明図であり、第９図（ａ）は、平
面説明図、第９図（ｂ）は、第９図（ａ）におけるＢ−
Ｂ断面図であり、第９図（Ｃ）は、第９図（ｂ）におけ
るＣ−Ｃ断面図である。２．３４：固体電解質体４．４０ニスペ一サ部材６．８：ヒータプレート１０：空気通路　　　　　１２：測定電極１４　基準電
極１６．５０：ヒータエレメント１Ｂ、５２：発熱部２０ａ、２０ｂ：通電リード部２２．６４：ヒータ電源２４：電流計　　　　　　２６：検出点２８：検出リー
ド部３０：第一の電位差計　　３２：第二の電位差計３６：
外側ポンプ電極　　３８：内側ポンプ電極４２：仕切り
プレート　　４４；内部空間４６：ピンホール　　　　
４８：ボンプ電源５４ａ：第一の通電リード部５４ｂ：第二の通電リード部５６：第一の検出点　　　５８：第二の検出点６０ａ：
第一の検出リード部６０ｂ：第二の検出リード部６２；電位差計　　　　　６６：平坦空間６８：電気絶
縁Ｎ　　　　７０：比較器７２：トランジズタ　　　７
４：ガス通路７６：コネクタ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）固体電解質と該固体電解質に接して設けられた少
なくとも一対の電極とを有する、少なくとも一つの電気
化学的セルと；該電気化学的セルを所定の温度に加熱す
るための発熱部と該発熱部への通電を行なうために該発
熱部の両端部にそれぞれ接続された第一及び第二の通電
リード部とからなるヒータエレメントを有する加熱手段
とを含んで構成される電気化学的装置において、該加熱手段のヒータエレメントにおける前記発熱部の第
一の通電リード部側の所定位置或いは該発熱部と該第一
の通電リード部との接続点に近接した位置に、第一の検
出点を設けると共に、該第一の検出点よりも前記第二の
通電リード部側のヒータエレメント部分の電気抵抗値と
、該第一の検出点よりも前記第一の通電リード部側のヒ
ータエレメント部分の電気抵抗値との差に基づいて、前
記電気化学的セルの温度を安定に保つように、前記ヒー
タエレメントに供給される電力乃至は電圧を制御せしめ
る制御手段を設けたことを特徴とする電気化学的装置。
（２）前記電気化学的セルと前記加熱手段とが一体的に
形成されている特許請求の範囲第１項記載の電気化学的
装置。
（３）前記ヒータエレメントの発熱部が、少なくとも０
．１％／℃の正または負の抵抗温度係数を有する特許請
求の範囲第１項または第２項記載の電気化学的装置。
（４）前記制御手段が、前記電気抵抗値の差の、基準値
に対する相対値を用いて、前記電気化学的セルの温度を
安定に保つように、前記ヒータエレメントに供給される
電力乃至は電圧を制御するものである特許請求の範囲第
１項乃至第３項の何れかに記載の電気化学的装置。
（５）固体電解質と該固体電解質に接して設けられた少
なくとも一対の電極とを有する、少なくとも一つの電気
化学的セルと；該電気化学的セルを所定の温度に加熱す
るための発熱部と該発熱部への通電を行なうために該発
熱部の両端部にそれぞれ接続された第一及び第二の通電
リード部とからなるヒータエレメントを有する加熱手段
とを含んで構成される電気化学的装置において、該加熱手段のヒータエレメントにおける前記発熱部の所
定位置若しくは該発熱部と前記第一または第二の通電リ
ード部との接続点に近接した位置に、第一及び第二の検
出点を設けると共に、それら第一の検出点と第二の検出
点との間の前記ヒータエレメント部分の電気抵抗値に基
づいて、前記電気化学的セルの温度を安定に保つように
、前記ヒータエレメントに供給される電力乃至は電圧を
制御せしめる制御手段を設けたことを特徴とする電気化
学的装置。
（６）前記電気化学的セルと前記加熱手段とが一体的に
形成されている特許請求の範囲第５項記載の電気化学的
装置。
（７）前記ヒータエレメントの発熱部が、少なくとも０
．１％／℃の正または負の抵抗温度係数を有する特許請
求の範囲第５項または第６項記載の電気化学的装置。
（８）前記制御手段が、前記第一の検出点と第二の検出
点との間の発熱部部分の電気抵抗値の、基準値に対する
相対値を用いて、前記電気化学的セルの温度を安定に保
つように、前記ヒータエレメントに供給される電力乃至
は電圧を制御するものである特許請求の範囲第５項乃至
第７項の何れかに記載の電気化学的装置。
（９）前記第一の検出点と第二の検出点との間の発熱部
部分の電気抵抗値を検出するために、それら第一及び第
二の検出点にそれぞれ接続せしめられる第一及び第二の
検出リード部が、実質的に等しい抵抗温度係数を有して
いる特許請求の範囲第５項乃至第８項の何れかに記載の
電気化学的装置。
（１０）前記制御手段が、前記第一の検出点と第二の検
出点との間の発熱部部分の電気抵抗値を検出するために
、それら第一及び第二の検出点にそれぞれ接続せしめら
れる第一及び第二の検出リード部の少なくとも何れか一
方に対して接続された調整用抵抗を有する特許請求の範
囲第５項乃至第９項の何れかに記載の電気化学的装置。
（１１）前記調整用抵抗が、その接続された検出リード
部の電気抵抗値の１０倍以上の電気抵抗値を有する特許
請求の範囲第１０項記載の電気化学的装置。
（１２）前記調整用抵抗の少なくとも一部が、前記電気
化学的セルまたは前記加熱手段に一体的に形成されてい
る特許請求の範囲第１０項または第１１項記載の電気化
学的装置。
（１３）前記加熱手段の少なくとも前記第一及び第二の
検出リード部を外部の機器に接続せしめるためのコネク
タが設けられており、且つ該コネクタと前記加熱手段と
の間に、前記調整用抵抗の少なくとも一部が設けられて
いる特許請求の範囲第１０項乃至第１２項の何れかに記
載の電気化学的装置。
（１４）前記加熱手段の前記第一及び第二の通電リード
部並びに前記第一及び第二の検出リード部を外部の機器
に接続せしめるためのコネクタが設けられており、且つ
前記調整用抵抗の少なくとも一部が該コネクタの該加熱
手段側に設けられている特許請求の範囲第１０項乃至第
１２項の何れかに記載の電気化学的装置。