JPS644145B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、限界電流式酸素センサの出力に温
度補償を行なつた限界電流式酸素濃度検出装置に
関し、その目的は限界電流式酸素センサの酸素濃
度対限界電流特性の温度依存性による出力誤差を
補正し、使用温度範囲の制約を解放して、高精
度、広使用範囲での使用を可能にすることにあ
る。

今日の社会において火力発電所、自動車用内燃
機関等の、多くの燃焼装置が実用され、様々な形
で我々の生活に貢献していることはいうまでもな
い。これ等の装置は運転条件が適切でないと多量
の有害ガスを発生する恐れがある。又、低燃費化
の要請も強い。

排気の清浄化と低燃費化を図る方法として、燃
料希薄（リーンと略す）領域での燃焼が有望であ
る。例えば、デイーゼル機関等は本来リーン領域
で運転されるのが常であるが、ガソリン機関にお
いてもリーン領域での運転が有望である。

これ等のリーン領域で運転する機関においても
空燃比の調節が不適切なる時には煤の発生、失火
による未燃燃料排出や出力低下等々の不都合な問
題が生じ、リーン領域での運転の目的にそぐわな
いばかりか返つて逆効果となるような恐れすらあ
る。それ故、空燃比の調節は極めて重要事項であ
る。ところで、あらゆる制御の常として制御対象
（ここではリーン領域の空燃比）を精密かつ高速
に検出できねばならない。従来この分野では必ず
しも適切なセンサが存在しなかつた。例えば、磁
気式酸素濃度検出器は応答が遅く車載に不適切で
あり、気体密度式あるいは熱伝導度式センサは微
量の水素（H₂）混入により測定精度に大きな影
響を受ける等の問題があつて機関の燃焼制御には
適さなかつた。

これに対し、我々は先に限界電流を測定して酸
素ガス濃度を分析するセンサ（以下、限界電流式
酸素センサと略す）を提案（特開昭52−72286号
公報）し、また陰極を多孔質層で被覆した酸素濃
度センサを開発（特願昭55−123677号）して対処
した。このセンサは従来センサの持つ種々の困難
を解決するものであつた。この方式は非常に有効
なものではあるが尚、若干の問題点があることは
否めない。すなわち、自動車用機関等の燃焼装置
では運転状態によつて排気の温度が変動するのが
常である。それ故、排気センサである限界電流式
酸素濃度センサも低温から高温迄の広い温度領域
での作動を要求されている。ところで、限界電流
式酸素センサは温度によつて内部抵抗が大きく変
化すること酸素濃度対限界電流の対応関係が若干
変わるという二つの問題点を有する。本発明は、
二つの問題点の内で温度により酸素濃度対限界電
流の対応関係が変わる問題について解決方法を与
えようとするものである。

第１図ａには限界電流式酸素センサの構造の一
例を示す。１ａは酸素イオン伝導体から成る板あ
るいは円筒である。その材質としてはジルコニア
にY₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃、MgO、CaO、Sc₂O₃
等を安定剤として固溶させたもの、あるいは
Bi₂O₃にY₂O₃、Er₂O₃、WO₃等を安定剤として固
溶させたもの、又はHfO₂、ThO₂等にCaO、
MgO、Y₂O₃、Yb₂O₃を安定剤として固溶させた
緻密な焼結体である。１ｂは陽極であり、イオン
伝導体の一面に設け、それと対向する他の面に陰
極１ｄを設ける。陰極両極はPt、Ag、Rh、Ir、
Pd等もしくはこれ等の混合材からなる耐熱性の
電子伝導体から成り、これ等の素材を用いれば酸
素イオン伝導体と電極の界面抵抗を実用上は小さ
くすることが可能である。陰極１ｄは有孔函体で
被覆されている。第１図ａにはその一実施態様と
して多孔質層１ｆで被覆する構造例を示した。こ
れは陰極１ｄへ流入する酸素流量を制限する機能
を有する。また陽極１ｂが付着物等によつて劣化
するのを防止する目的で多孔質の保護層１ｅで陽
極を被覆した。多孔質層１ｆおよび１ｅはアルミ
ナ、マグネシヤ、ケイ石質、スピネル、ムライト
等の耐熱性無機物質から成る。多孔質層１ｅは多
孔質層１ｆと比較してガス透過性を同等かもしく
は大きくすることが望ましい。その理由は動作時
において多孔質層１ｆでは外界から陰極１ｄを経
由して酸素イオン伝導体１ａへ吸い込む酸素透過
量を律速する働きをさせるのに対し、多孔質層１
ｅは酸素イオン伝導体１ａから陽極１ｂを経由し
て外界へ酸素を抵抗なく排出するためである。陰
陽両極からはそれぞれリード線１ｉを出す。リー
ド線の材質としては電極と同様にPt、Ag、Rh、
Ir、Pd等もしくはそれ等の混合材料から成る耐
熱性の電子伝導体である。

上記構成の限界電流式酸素センサの陰極に負
の、陽極に正の電圧を印加するとともに該素子全
体を被測定ガスに接触せしめると、被測定ガス中
の酸素ガスは陰極によつて還元せられて酸素イオ
ンとなり、該酸素イオンは酸素イオン伝導体中を
移動して陽極に達し、陽極によつて酸化されて再
び酸素ガスになつて素子の外へ排出される。何等
かの手法により陰極と酸素イオン伝導体の界面へ
到達する酸素ガス量を制限したとすると、陰極で
の還元によつて生成する酸素イオン量が制限を受
け、酸素イオンによつて運ばれる電荷量（電流）
が制限を受けるため、電圧にかかわらず一定の電
流しか流れられなくなり第１図ｂに示したような
限界電流特性を生ずるようになる。このため酸素
センサの限界電流特性においては、陰陽両電極に
印加する電圧を零から徐々に増加していくと第１
図ｂに示すように電圧が低い間は陰陽両電極間に
流れる電流は電圧に略々比例的に増加する（この
電圧領域を抵抗支配領域と称する）が、ある電圧
範囲では電流は電圧によらず略々一定となる（こ
の電圧領域を過電圧支配領域と称する）。過電圧
支配領域での電流を限界電流と言つており、該制
限体の内外の酸素濃度差が、該制限体の外側の酸
素濃度とほとんど等しくなることによる。

前述の如く、本例は該制限体として多孔質層を
用いる方式について説明したものであるが、陰極
自体を該制限体として利用した酸素センサについ
ても以下に述べる本発明は適用できる。

抵抗支配領域では電解質（酸素イオン伝導体）
の内部抵抗および電解質と電極界面の抵抗の和に
より電圧／電流比がほぼ決められている。

過電圧支配領域より電圧電流の高い領域では少
しの電圧上昇に対して急に電流の増加する部分が
ある。これは限界電流式酸素センサの印加電圧が
ある限界値を超えると排気中に多量に含まれてい
る二酸化炭素（CO₂）や水蒸気（H₂O）の一部が
分解されて酸素濃度が増加した様に見えるためで
ある。この領域を過剰電流領域ということにす
る。上記の如く、印加電圧が低いと抵抗支配領域
になり、逆に印加電圧が高いと過剰電流領域にな
るので限界電流の検出は両領域にはさまれた部分
で行なわねばならない。この範囲はガスの組成や
電極の組成によつて異なる。窒素、アルゴン等の
不活性ガス中に一部酸素が含まれる雰囲気中にお
いては、1.3〜1.6〔Ｖ〕程度であるが、燃焼排気
にような二酸化炭素や水蒸気を多量に含むガス中
に一部酸素が含まれる雰囲気中では0.6〜0.8〔Ｖ〕
程度である。一般に内部抵抗による電圧降下の最
大値を0.5〔Ｖ〕程度に限定して、印加電圧として
は0.6〜0.75〔Ｖ〕に設定して用いると内部抵抗お
よび過剰電流の影響を受けにくく好都合な場合が
多い。

第２図は従来技術による限界電流の測定回路を
示すもので、限界電流式酸素センサ１に定電圧印
加部２から定電圧を印加したときの電流を電流検
出部３によつて検出する構成となつている。第３
図はその従来技術による酸素濃度と限界電流の関
係を示すものである。図から明らかなように、セ
ンサの温度によつて酸素濃度と限界電流の対応関
係が変わるので精度が悪化し問題である。尚、高
酸素濃度領域では酸素濃度と限界電流が比例しな
い領域があるが、ここでは概ね直線性のある範囲
に限るものとする。

第４図は任意の酸素濃度における限界電流の温
度依存性を示すものである。この温度依存性は主
に気体の拡散係数の温度依存性の影響によるもの
である。

多孔質層を酸素ガス流の律速に用いる方式の限
界電流式酸素センサの特性は次式のように表わす
ことができる。

I_l＝4FSDo₂effP／RTlln（１／１−Po₂／Ｐ） (1) 但し、 I_l：限界電流 Ｆ：フアラデー定数 Ｓ：酸素流律速部の面積 Do₂eff：有効拡散係数 Po₂：酸素分圧 Ｐ：全圧 Ｒ：ガス定数 Ｔ：絶対温度 ｌ：多孔質層厚さ ln：自然対数 酸素分圧比Po_2/P≪１ならば近似的に I_l≒4FSDo₂eff Ｐ／RTl Po₂／Ｐ (2)式 となる。ここでDo₂effは経験的に Do₂eff（Ｔ）＝Do₂eff（T_p）（Ｔ／T_p）^m+1 (3)式 但し、 T_p：基準の温度 Do₂eff（Ｔ）：Ｔにおける有効拡散係数 Do₂eff（T_p）：T_pにおける有効拡散係数 で表わされ、この式における指数ｍ＋１はほぼ
1.75であることが知られている。

したがつて、同一酸素分圧における温度T_pの
ときの出力電流I_l(Tp)に対する温度Ｔのときの出力
電流I_l(T)の比、すなわち出力電流の温度依存性
I_l(T)／I_l(Tp)は、 I_l(T)／I_l(Tp)＝（Ｔ／T_p）^m (4)式 となる。

気体の拡散係数の温度の温度による変化に、起
因する限界電流の温度依存性だけであればセンサ
の出力電流は温度により第４図の破線のように直
線的（T^0.75）で、かつ小さな変化であるが、実
際には低温領域で内部抵抗が著しく増大し、その
内部抵抗に起因する電圧降下が妨害作用をして、
同図の実線に示されているように急激に限界電流
の低下する特性になる場合もある。この内部抵抗
の問題は本発明者等によつてなされた同時出願の
特許出願の発明によつて解決されており、これを
利用することにより破線のような素直な特性に改
善することが可能である。

温度依存性を無くするための一方法として、セ
ンサを一定温度に調節しながら、酸素濃度を測定
することも考えられる。本発明者等はその具体的
手段をも考案し、本願と同時の別途の特許出願を
した。しかしながら一般にはセンサを一定温度に
調節するためには、温度検出部、加熱部、温度調
節部等を必要とし、構成が複雑になり、高コス
ト、大型化、多消費電力等の問題を生ずる。

そこで我々は一定の温度に調節して使うのでは
なく、燃焼等の排気温によりセンサが加熱され、
変動する温度条件下において高精度に測定する装
置を提案するものである。

第５図は本発明の基本的構成を示すブロツク図
で、限界電流式酸素センサ１と、限界電流測定の
ための電圧と内部抵抗測定のための電圧（又は電
流）を交互にセンサ１に印加する電圧印加部４
と、これらの電圧（電流）印加により生ずる電流
又は電圧の検出部５と、測定された限界電流出力
に温度補償を施す温度依存性保償部６からなつて
いる。その温度依存性保償部６は測定された内部
抵抗から温度補正係数を算出する温度補正係数演
算部６２と、その温度補正係数によつて限界電流
出力に補正を施す補正部６３を備えている。セン
サの酸素イオン導電体の抵抗率ρと温度の関係は
第６図ａおよび第６図ｂに示すようなものであ
り、次式で近似できる。尚、第６図ｂには片対数
尺の場合を示す。

但し、 c₁：係数 ｅ：自然対数の基底 Ｅ：活性化エネルギ Ｋ：ボルツマン定数 Ｔ：絶体温度 (5)式において係数c₁および活性化エネルギＥは
材料組成、焼成条件、不純物等によつて決まる値
である。酸素イオン伝導体としてはジルコニアに
Y₂O₃、Yb₂O₃、Gd₂O₃、MgO、CaO、Sc₂O₃等
を添加したもの、あるいはBi₂O₃にY₂O₃、
Er₂O₃、WO₃等を添加したものを用いれば、c₁が
低く良好である。いずれの組成の酸素イオン伝導
体であつても第６図ｂに示した如く温度の低下に
伴なつて急激に抵抗率が高くなる。その理由は活
性化エネルギーの値が0.5〜1.4〔lV〕程度と高い
ことによる。又、電解質の内部抵抗の他にも電解
質と電極の界面にも抵抗が存在するか、これは電
解質の表面処理状態、電極材料等により変化す
る。電極材料として前述の如き材料を用いれば界
面抵抗を実用上は小さくすることが可能である。

上記の如く限界電流式酸素センサの内部抵抗が
大きな温度依存性を有するので、内部抵抗を測定
することにより温度を知ることができる。

(5)式より、Ｔ＝T_pのときρ＝ρ_pとしてc₁を求め
ると Ｔ＝１／（Ｋ／Ｅlog_e（ρ／ρ_p）＋（１／T_p
）……(8)式 但し、log_e：自然対数 (8)式は抵抗率に関する式であるが、一般にセン
サの抵抗率と内部抵抗は比例するとしてさしつか
えないので Ｔ＝１／（Ｋ／Ｅlog_e（Ｒ／R_p）＋１／T_p）…
…(9)式 但し、 Ｒ：内部抵抗 R_p：T_pにおける内部抵抗 ＥおよびT_pとR_pの関係はセンサ毎に特定の値
をとるので、内部抵抗Ｒから絶体温度Ｔを求める
ことができる。

そして、温度に関して第４図の温度依存による
誤差をゼロにする関数（Ｔ／T_p）^-mを(4)式に乗ずる ことにより補正を行なう。すなわち、温度補正係
数をα（Ｔ）として α（Ｔ）＝（Ｔ／T_p）^-m (10)式 となる。

第５図のブロツク図において、上記温度補正係
数α（Ｔ）を求めるのが温度補正係数演算部６２
であり、その補正係数α（Ｔ）を限界電流測定部
４の出力に乗じて補正するのが補正部６３であ
る。

このようにして、温度依存性を有する限界電流
の値｛(4)式｝に温度補正項α（Ｔ）を乗ずること
により、温度依存分を消去して、酸素分圧のみに
比例する限界電流を求めることができる。

次にα（Ｔ）＝（Ｔ／T_p）^-mをセンサの内部抵抗から 求める演算について説明する。

(9)式から α（Ｔ）＝（Ｔ／T_p）^-m＝｛KT_p／Ｅlog_e（Ｒ／R_p）＋
１｝^m(11)式 ハードウエア又はソフトウエアによつて(11)式を
演算し、限界電流の測定値に積演算を行なえば良
い。しかしながら(11)式には対数演算および羃乗演
算部を含むから構成がやや複雑になるという難点
もある。

そこで、精度よりも簡便さを重視するときには
簡易な近似式で代用するのも良い。

先ず、対数演算部を簡易化すると （Ｔ／T_p）^-m≒｛KT_p／Ｅ（２Ｒ／R_p−１／Ｒ／R_p＋
１）＋１｝^m(12)式 となる。

次に羃乗演算部を簡易化すると （Ｔ／T_p）^-m≒１＋2mKT_p／ＥＲ−R_p／Ｒ＋R_p（13
）式 となる。

第７図には y₁＝log_eＲ／R_p （14）式 なる関数を y₂＝２（Ｒ／R_p−１／Ｒ／R_p＋１）（15）
式 なる近似式で代用した場合Ｒ／R_pの適用可能範囲と その精度について検討したものを示す。0.3＜Ｒ／R_p ＜３の範囲においては極めて良く一致しており、
近似式として十分実用できることがわかる。

又、更に簡単化して y₃＝Ｒ／R_p−１ （16）式 とした場合についても同図に示す。この場合は加
減算のみで構成できるので著しく簡単化できるか
わりに対数と近い値になるのは0.6＜Ｒ／R_p＜1.4位 と（14）式、（15）式の場合と比べて比較的狭い
範囲に限定される。しかし、後述のようにこの極
めて簡易な式による実施例でも良好な補償効果が
得られている。

又、羃乗演算 z₁＝（１＋ｘ）^m （17）式 を z₂≒（１＋mx） （18）式 で代用する点については、このセンサの使用温度
600゜〜1000℃の範囲ではｘ≪１となり、（18）式
は１〔％〕以内の高精度で近似できるから全く問
題ない。（16）式の近似によれば （Ｔ／T_p）^-m≒１＋ｍKT_p／Ｅ（Ｒ／R_p−１）（19
）式 である。

このように簡単化すれば(11)式と異なり、対数も
羃数も含まず（13）式では加減算および商演算に
なり、（19）式では加減算のみになるので、演算
のための装置が著しく簡単に構成できるととも
に、低コストになる。

温度の測定にはセンサの内部抵抗以外の方法、
例えば感温素子であるサーミスタや熱電対を用い
る方法を用いてもよい。

第８図は、限界電流測定と温度測定（内部抵抗
の測定）とを交互に時分割的に行なう本発明の実
施例を示すものである。

図中、１は第１ａ図と同構成の限界電流式酸素
センサを示す。

１２は第１期間において限界電流を測定するた
めの電圧を印加する第１電圧印加部である。

１３は第２期間において内部抵抗を測定するた
めの電圧を印加する第２電圧印加部である。１４
は電流検出器である。１５は第１期間と第２期間
を交番的に切換える制御を行なう部分である。１
６は第２期間には限界電流の検出を行なうことが
できないけれども、限界電流の情報が失なわれて
は不都合なので、第１期間に検出した限界電流の
情報を保持しておくための第１保持部である。１
７は第１期間には内部抵抗の検出を行なうことが
できないけれども、内部抵抗の情報が失なわれて
は不都合なので、第２期間に検出した内部抵抗と
対応する電流の情報を保持しておくための第２保
持部である。

１８は第２期間における電圧と電流の関係から
内部抵抗を演算する内部抵抗演算部である。１９
は内部抵抗から(11)式の関係を用いて温度を演算す
る温度演算部である。２０は温度補正量を(12)式の
関係を用いて演算する温度補正量演算部である。
２１は限界電流の検出値に温度補正を与えるため
の補正部である。

第８図の回路の働きと適正なる設定条件につい
て以下に示す。第１電圧印加部１２での電圧は限
界電流を測定するのに適切な電圧にする必要があ
り、酸素濃度測定範囲、燃焼生成物濃度、電極組
成等によつて異なるが、被測定最低酸素濃度にお
ける過電圧領域の電圧の最大値近傍の値にするの
がよい。第２電圧印加部１３の電圧は内部抵抗を
測定するのに適当な電圧にする必要があり、使用
条件等によつても異なるが被測定最低酸素濃度に
おける過電圧領域の電圧の最小値よりも更く低く
（例えば0.7倍以下）抵抗支配領域の電圧とすべき
である。この電圧は直流でも交流でも良い。

交番的制御の周期ならびに第１期間と第２期間
の割り合いについては以下に示すようにすると良
い。第１期間と第２期間の時間の長さを同一にし
ても良いが、内燃機関の燃焼制御の如き用途の場
合には、酸素濃度の変化が速く、それと比較して
排気温度の変化の方が遅い場合が多い。それ故、
第１期間を長くして第２期間を短かくし、酸素濃
度を検出できない期間を短かくして、酸素濃度を
検出できる期間を長くするのも、第１期間と第２
期間を同一にする場合より有効である。又、第
１、第２電圧期間の切り換え周波数は高い方が装
置としての応答性が良くなるから好ましいが、あ
まり高い周波数にすると電流が電圧に追従できな
くなるので、この面から上限周波数は１〔ｋHz〕
程度以内に制約される。

内部抵抗演算部１８の働きとしては第２電圧印
加部１３の電圧を第２期間に検出して保持してい
る電流で除算すれば良い。但し、第２電圧印加部
１３の電圧を変更しない場合には電流の逆数を演
算し、比例係数を乗ずることによつて内部抵抗を
求めることもできる。又、一定の電流を印加して
おいて電圧から内部抵抗を求めることもできる。

温度演算部１９の働きとしては（13）式の関係
を用いて、抵抗から温度を求めている。

温度補正量演算部２０の働きとしては(11)式の演
算を行なうか、又は、別の方法として第４図の温
度依存性の逆数の演算を行なつてもよい。補正部
２１では限界電流に温度補正係数を乗ずる。

尚、第８図では第１保持部１６への信号入力と
して電流検出部１４の出力を入れているが、温度
補正演算後の限界電流の情報を保持するようにし
ても良い。又、第８図では第２保持部１７への入
力も電流検出部の出力を入れているが、内部抵抗
演算後の出力を保持するようにしても良いし、温
度演算後の出力を保持するようにしても良い。

又、第８図では第１電圧印加部１２と第２電圧
印加部１３を夫々独立させているが、一つの矩形
波発振器の出力電圧として与えても良い。

尚、(11)式右辺第１項のlog_e（Ｒ／R_p）の対数演算は 例えばテレダインフイルブリツク社の対数変換モ
ジユール4366（又は4367）等を用いれば容易に構
成できる。

又、(11)式右辺の羃乗演算等も同社の羃乗関数の
モジユール4311等を用いれば容易に構成できる。

第９図には本発明による別の実施例を示す。図
中、１１は前例と同様の限界電流式酸素センサを
示す。

１２ａは第１期間において限界電流を測定する
ための電圧を設定するためのポテンシヨメータを
示す。１３ａは第２期間において内部抵抗を測定
するための微小電流を与えるための定電流部であ
る。２２は第１期間と第２期間の電圧および電流
を切換えるための切換器である。２３は電流電圧
変換回路である。１５ａは第１期間と第２期間を
切り換える周波数を与えるための矩形波発振器で
ある。１５ｂは第１期間において、切り換えに伴
う過渡的な状態での限界電流測定を避けて、定常
状態に達したところで限界電流を測定するタイミ
ングを与えるための１安定マルチバイブレータで
ある。１６ａは第２期間においては限界電流を測
定できないので酸素濃度の情報が途切れては不都
合なので情報を保持しておくためのサンプルホー
ルド部である。１５ｃは第２期間において切り換
えに伴う過渡的な状態での測定を避けて、定常状
態に達したところで内部抵抗を測定するタイミン
グを与えるための１安定マルチバイブレータであ
る。１７ａは第１期間においては内部抵抗を測定
できないので内部抵抗の情報が途切れては不都合
なので情報を保持しておくためのサンプルホール
ド部である。

この構成の特徴としては内部抵抗測定のための
第２期間において電圧を与えるかわりに定電流印
加部１３ａにより一定の電流を与えるようにして
いる。この場合には内部抵抗に比例した電圧が得
られるので電圧を検出してサンプルホールド１７
ａへ入力している。前例と比べて内部抵抗を求め
るための内部抵抗演算部１８を省略して簡略化で
きるメリツトがある。

本実施例では（14）式による温度補正項になる
べく近似させるべく２０ｄ〜２０ｍの固定電圧源
２ケ、抵抗６ケ、ポテンシヨメータ１ケ、商演算
器１ケより成る回路網を用いている。温度係数の
異なる素子に対しては２０ｍのポテンシヨメータ
を操作することにより、容易に対応できる。

本実施例の回路の働きと適正なる設定条件につ
いて以下に示す。ポテンシヨメータP₁の出力電
圧は限界電流を測定するのに適当な電圧にする必
要があり0.25〔Ｖ〕〜1.5〔Ｖ〕位にするべきであ
るが、内燃機関の排気中の酸素濃度検出用として
は実用的には0.75〔Ｖ〕程度がよい。定電流部１
３ａの出力電流は内部抵抗を測定するのに適当な
電流にする必要があり、電圧降下が１〔Ｖ〕〜0.1
〔Ｖ〕位になるような電流にすべきである。使用
する酸素濃度範囲が比較的高い範囲に限定される
ときには抵抗支配領域が大きくなるので、それに
応じて内部抵抗測定用の電流を抵抗支配領域の電
圧の0.7倍位まで高くすると好都合である。矩形
波の発振波形としては限界電流測定用の第１期間
と内部抵抗測定用の第２期間を同一にしてもよい
が、一般には酸素濃度の変化が速く、それと比較
して温度の変化の遅い場合が多い。それ故、第１
期間を長くして第２期間を短かくし、酸素濃度を
測定できる時間の割り合いを多くするのも第１期
間と第２期間を同一にする場合より有効である。
尚、第１、第２電圧期間の切替周波数は高い方
が、装置としての応答性が良くなるから好ましい
が、あまり高い周波数にすると、切り換えに伴う
過渡的な状態から定常状態へ移行する前に次の切
り換え時点がきてしまい、正しい値を測定できな
くなるので、この面から上限周波数は１〔ｋHz〕
程度以内に制約される。

限界電流式酸素濃度センサの形状、寸法、材質
等によつて、切り換え後に定常状態になる迄の時
間が異なるが、概ね１〔Hz〕〜１〔ｋHz〕程度の周
波数を選ぶべきであり、若し、５〔ｍｓ〕以内に
定常状態に達するようなセンサの場合には１周期
では10〔ｍｓ〕かかるので100〔Hz〕程度に選ぶの
が適当である。

２０ｄ，２０ｆおよび２０ｇの三つの素子によ
り（13）式のＲ＋R_pを近似的に演算している。
２０ｅ，２０ｈおよび２０ｉの三つの素子により
（13）式のＲ−R_pを近似的に演算している。商演
算部２０ｍでは（13）式のＲ−R_p／Ｒ＋R_pを演算してい る。２０ｄ，２０ｊ，２０ｎおよび２０ｋの四つ
の素子を用いて（13）式の１＋2mKT_p／ＥＲ−R_p／Ｒ＋R
_p を近似的に演算している。

尚、抵抗回路網を用いるかわりに加算器を用い
て構成するともでき、一層精密な演算を行なうこ
とができる。

（13）式の演算によつて得られた温度補正係数
を積演算部２１ａに導き、測定された限界電流と
の積演算を行なうことにより温度補償された出力
を得ることができる。温度係数の異なるセンサに
対してはポテンシヨメータ２０ｎの調節により容
易に対応できる。尚、第９図ではサンプルホール
ド１７ａへの信号入力としてセンサの電圧降下を
入れているが、商演算後の出力を保持するように
しても良い。又、同様に温度補正量演算後の出力
を保持するようにしても良い。

又、サンプルホールド１６ａへの信号入力とし
て電流電圧変換回路２３の出力を入れているが、
温度補正演算後の限界電流出力を保持するように
しても良い。矩形波発振器を用いるかわりに正弦
波発振器を用いて電圧制限器等によつて波形の整
形を行なう等の方法を採つても良い。

又、内部抵抗から温度を求めるかわりに熱電
対、感温抵抗体（サーミスタ）等、他の手段によ
つて温度を測定しても良い。

又、マルチバイブレータのかわりに他の遅延素
子を用いても良い。

第１０図には他の実施例を示す。これと第９図
の実施例の構成と異なる点は温度補正量演算部を
（20）式を用いるよう構成した点である。即ち、
（20）式の温度補正項を定電圧印加部２０ｐと抵
抗２０ｆ、抵抗２０ｇおよびポテンシヨメータ２
０ｓを用いて分圧することによつて演算し、温度
補正量演算部の構成を簡略化している。温度係数
の異なるセンサに対しては定電圧印加部２０ｐの
調節により簡単に対応できる。

第１１図には本発明によつて得られた結果の一
例を示すものである。図より明らかなように従来
技術によつて温度の変化する領域で使用した場合
には大きな温度依存性を有し、精度を損う原因に
なると共に使用温度範囲を制約する原因になつて
いた。それに対し、本発明の装置によるときには
温度依存分を補償しているので高精度化されてい
ると共に、使用温度領域も広くとることができ
る。

第１０図の簡易な構成の温度補償の場合でも、
精密な温度補償のための構成の場合と比較して、
何等遜色のない効果が得られている。第７図に示
した如く、本来の対数演算（14）式に対して、
（16）の近似式は0.6＞Ｒ／R_p、およびＲ／R_p＞1.4の両 領域では不充分な近似である。それにもかかわら
ず、（14）式を用いた第８図の実施例および（15）
式を用いた第９図の実施例と比べて優るとも劣ら
ない好結果になる理由は第４図の温度特性が破線
の如き理想特性でなく、実線のように低温側で急
低下する特性になつており、（16）式の勾配を調
節して高温側では対数関数に近くなるようにし、
低温側では対数よりも補正量を大きくなるように
設定して補正したためである。尚、第９図の実施
例および第１０図の実施例の積演算部２１ａを用
いるかわりにFET等のゲート入力電圧によつて、
内部抵抗が変調される素子を用いて代用すること
もできる。

以上要するに限界電流式酸素センサの二つの領
域を利用し、過電圧支配領域から限界電流を検出
すると共に、抵抗支配領域から内部抵抗を測定
し、内部抵抗から温度を求め、限界電流の温度依
存性を補正して、限界電流すなわち酸素濃度を正
しく検出することにより、測定精度が向上すると
共に使用温度範囲を拡大することができる。本発
明はこのような産業上すこぶる有用かつ利用価値
の高い技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、限界電流式酸素センサの断面構成
の一例を示す図、第１図ｂは、限界電流式酸素セ
ンサの典型的な電圧対電流特性の一例を示す図、
第２図は、限界電流式酸素センサの従来技術によ
る測定回路の一例を示す図、第３図は、２つの温
度における限界電流式酸素センサの酸素濃度と限
界電流の関係を示す図、第４図は、一定の酸素濃
度における温度と限界電流の関係を示す図、第５
図は、本発明の基本的な構成図、第６図ａおよび
ｂは内部抵抗の温度依存性を示す図、第７図は、
簡易な関数近似法の精度と適用可能範囲を示す
図、第８図ないし第１０図は、本発明の実施例を
示す図、第１１図は、本発明による限界電流の補
償特性を示す図である。 １……限界電流式酸素センサ、４……限界電流
測定部、５……温度（内部抵抗）測定部、６……
温度補正係数演算部、７……補正部、１１……限
界電流式酸素センサ、１２……第１電圧印加部、
１２ａ……ポテンシヨメータ、１３……第２電圧
印加部、１３ａ……定電流印加部、１４……電流
検出部、１５……交番的制御部、１６……第１保
持部、１７……第２保持部、１８……内部抵抗演
算部、１９……温度演算部、２０……温度補正量
演算部、２１……補正部、２２……切換回路、２
３……電流電圧変換回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 限界電流式酸素センサと、 第１の期間に限界電流測定用の電圧を限界電流
   式酸素センサに印加して限界電流を測定する限界
   電流測定部と、 第２の期間に内部抵抗測定用の電流（又は電
   圧）を限界電流式酸素センサに印加して内部抵抗
   を測定する内部抵抗測定部と、 第１の期間に限界電流測定部が動作し、第２の
   期間に内部抵抗測定部が動作するように交互に動
   作モードを切換える切換部と、 内部抵抗測定部の出力から温度補正係数を求め
   る温度補正係数演算部と、 限界電流測定部の測定出力を温度補正係数演算
   部の出力によつて補正する補正部と、 を備えたことを特徴とする限界電流式酸素検出装
   置。 ２ 酸素イオン伝導体から成る板あるいは円筒の
   一面に陰極層を、これと対向する他の面に陽極層
   を設けた構成の限界電流式酸素センサを用いたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の限界
   電流式酸素濃度検出装置。 ３ 酸素イオン伝導体から成る板あるいは円筒の
   一面に陰極層を、これと対向する他の面に陽極層
   を設け、さらに前記陰極層にはガスの拡散を制限
   するための部材による被覆を施した構成の限界電
   流式酸素センサを用いたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の限界電流式酸素濃度検出装
   置。 ４ 第１期間に測定した限界電流情報を保持する
   保持部と、第２期間に測定した内部抵抗情報を保
   持する保持部を設けたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項に記載
   の限界電流式酸素濃度検出装置。 ５ 前記温度補正係数演算部が、内部抵抗に比例
   した出力にその出力と同極性の電圧又は電流を加
   算する第１加算部と、内部抵抗に比例した出力に
   その出力と逆極性の電圧又は電流を加算する第２
   加算部と、第１加算部の出力と第２加算部の出力
   の比を求める演算部と、その演算部の出力に一定
   の値を加算する第３加算部と、から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれか１項に記載の限界電流式酸素濃度検出装
   置。 ６ 前記温度補正係数演算部が、内部抵抗に比例
   した出力に一定電圧又は電流を加算する加算部か
   ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項な
   いし第４項のいずれか１項に記載の限界電流式酸
   素濃度検出装置。 ７ 前記加算部が抵抗により構成されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項または第６項
   のいずれか１項に記載の限界電流式酸素濃度検出
   装置。