(57)【要約】【課題】小型で、しかも基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能な酸素濃度測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、測定ガスの酸素濃度と基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する。電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部を備え、基準ガス供給部は、基準ガスを供給する供給口に連結され、振動子、例えば圧電素子の電気信号に応じた振動により基準ガスを供給する。【選択図】図１
2015004645.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置において、
電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部を備え、
該基準ガス供給部は、前記基準ガスを装置内部へ供給する供給口に連結され、前記振動子の電気信号に応じた振動により前記基準ガスを供給することを特徴とする酸素濃度測定装置。
【請求項２】
前記基準ガス供給部は、前記振動子として圧電素子を用いることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
前記圧電素子は、前記基準ガスを供給する方向と直交して配置され、前記基準ガスを供給する方向に沿って振動することを特徴とする請求項２に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項４】
前記基準ガスを取り入れる開口部にフィルタを備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の炉内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に関する。特に小型で、しかも基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能な酸素濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の熱処理、表面処理等に用いる炉内では、酸素は非常に微量である。このような微量の酸素を測定するために、主としてセラミックスを用いた酸素濃度測定装置が採用されている。
【０００３】
特許文献１には、固体電解質素子を用いて、測定ガス中の水蒸気濃度を測定する水分測定装置が開示されている。特許文献１に開示された水分測定装置では、ポンプを動作させることにより、比較ガス（基準ガス）をガス溜室へ導入している。
【０００４】
また、特許文献２には、直挿式酸素センサへの基準ガスの供給方法が特許文献１とは相違する酸素分圧測定装置が開示されている。特許文献２に開示された酸素分圧測定装置では、ボンベを用いて所定の酸素分圧に調整された基準ガスを中空部材へ供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６０−１１４７６５号公報
【特許文献２】特開平０７−１５９３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された酸素濃度検出器及び特許文献２に開示された酸素分圧測定装置では、いずれも酸素濃度を測定するための起電力を生じさせるセンサ部（電極部）と、生じた起電力に基づいて酸素濃度を検出するデータ処理部とが、酸素センサ本体を挿入する外壁部分で分離されており、比較的温度変化の大きくないデータ処理部に、基準ガス供給用のポンプあるいはボンベが配置されている。したがって、データ処理部を小型化することが困難であり、装置全体として大型化するおそれがあるという問題点があった。
【０００７】
また、ポンプで基準ガスを供給する場合、ポンプ駆動による振動、騒音等を低減することが困難であり、しかも基準ガスの供給量を調整する精度を高めることも困難である。同様に、ボンベで基準ガスを供給する場合、ボンベ内の基準ガスの残量に応じてボンベの交換作業を余儀なくされるため、作業が煩雑となる。
【０００８】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、小型で、しかも基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能な酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置において、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部を備え、該基準ガス供給部は、前記基準ガスを装置内部へ供給する供給口に連結され、前記振動子の電気信号に応じた振動により前記基準ガスを供給することを特徴とする。
【００１０】
上記構成では、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部が基準ガスを装置内部へ供給する供給口に連結され、振動子の電気信号に応じた振動により基準ガスを供給するので、センサ部の外部に基準ガスを供給するためのポンプ、ボンベ、配管等を設置するスペースを必要とせず、基準ガスの供給量を振動子の振動数により制御することができるので、振動子を振動させる電流又は電圧を制御することにより基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記基準ガス供給部は、前記振動子として圧電素子を用いることが好ましい。
【００１２】
上記構成では、振動子として圧電素子を用いているので、ポンプ等に比べて騒音が小さく、しかも少ない消費電力で基準ガスを供給することができる。
【００１３】
また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記圧電素子は、前記基準ガスを供給する方向と直交して配置され、前記基準ガスを供給する方向に沿って振動することが好ましい。
【００１４】
上記構成では、圧電素子は、基準ガスを供給する方向と直交して配置され、基準ガスを供給する方向に沿って振動するので、装置全体の長さを短くすることができるとともに、噴出圧力が脈動することなく均一となるように一定の噴出圧力で基準ガスを供給することができる。
【００１５】
また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記基準ガスを取り入れる開口部にフィルタを備えることが好ましい。
【００１６】
上記構成では、基準ガスを取り入れる開口部にフィルタを備えるので、フィルタにより基準ガスとして取り入れる外気に含まれる粉塵等のゴミを排除することができ、圧電素子等へのゴミの付着による機能低下を未然に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成によれば、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部が基準ガスを供給する供給口に連結され、振動子の電気信号に応じた振動により基準ガスを供給するので、センサ部の外部に基準ガスを供給するためのポンプ、ボンベ、配管等を設置するスペースを必要とせず、基準ガスの供給量を振動子の振動数により制御することができるので、振動子を振動させる電流又は電圧を制御することにより基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を示す部分断面図である。
【図３】ジルコニア素子で発生する起電力と測定ガスの酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の構成を示す縦断面図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の基準ガス噴出口近傍の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置について、図面に基づいて具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、酸素濃度を測定する基準となる基準ガスが流入する円筒状のアルミナ管（基準ガス流入管）１３の一端（先端）に、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を備えている。アルミナ管１３の他端には、基準ガスを流入する基準ガス流入口（供給口）２を備えている。また、アルミナ管１３を内挿するアルミナ管（基準ガス流出管）２０を備えており、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の空間を基準ガス流出経路として機能させている。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の先端部分の構成を示す部分断面図である。図２に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を一端に備えたアルミナ管１３が、アルミナ管２０を内挿する保護管１９に収納されている。ジルコニア素子１２は、アルミナ管１３内部を流れる基準ガスと接触する側において内部電極１６と、酸素濃度の測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極１７とに、それぞれ接続されている。
【００２２】
また、白金電極１５が外部電極１７に、白金電極１４が内部電極１６に、それぞれ接続されている。なお、ジルコニア素子１２は、外部電極１７及び内部電極１６と一体化して形成されている。内部電極１６は、例えばジルコニア素子１２の基準ガスと接触する側に白金ペーストを塗布しておき、白金電極１４を後述するセンサ保持部材で押しつけた状態で焼き付けることにより形成される。
【００２３】
ジルコニア素子１２は、一定の高温環境下では、酸素濃度が高い方から低い方へ電荷が移動するという性質を有している。したがって、電荷の移動によりジルコニア素子１２に発生する起電力を、内部電極１６と外部電極１７との電位差として測定することにより、測定ガスの酸素濃度を測定することができる。
【００２４】
つまり、基準ガスの酸素濃度をＰR （％）、測定ガスの酸素濃度をＰM （％）とした場合、（式１）のネルンストの式が成立する。
【００２５】
【数１】
2015004645.tif 000003
【００２６】
本実施の形態では、ジルコニア素子１２において、酸素濃度の高い側では酸素イオンが発生し、低い側では酸素イオンから酸素が発生するという、イオン電導が生じる。イオン電導の化学反応式は、（式２）のように表すことができる。
【００２７】
【数２】
2015004645.tif 000004
【００２８】
したがって、（式１）における「反応に含まれる電子数ｎ」は、‘４’となる。
【００２９】
基準ガスの酸素濃度ＰR は既知であることから、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度ＰM を（式１）から算出することができる。図３は、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅと測定ガスの酸素濃度ＰM との関係を示すグラフである。図３に示すように、酸素濃度ＰM は起電力Ｅの対数関数値として変動していることがわかる。したがって、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度ＰM を求めることができる。
【００３０】
なお、（式１）に示すネルンストの式からもわかるように、起電力Ｅは、周囲の雰囲気の温度（絶対温度）Ｔによって変動する。そこで、熱電対１８を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度（絶対温度）Ｔを測定しておくことにより、ネルンストの式から正しい起電力Ｅを求めることができ、より正確に測定ガスの酸素濃度ＰM を求めることができる。
【００３１】
図２に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、アルミナ管１３の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材３１と、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせることが可能な、ジルコニア素子１２を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材３２とを備えている。第１のセンサ保持部材３１は中空であり、アルミナ管１３と連結することにより基準ガスを流入させる。第２のセンサ保持部材３２は、中実であるとともに、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間に形成される空間に基準ガスが流入する。第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間に流入した基準ガスは、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２とを嵌め合わせたときに生じる隙間から、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の基準ガス流出経路６１を経て、外部へと流出する。
【００３２】
なお、アルミナ管１３の先端に備える第１のセンサ保持部材３１はアルミナ系の材料で形成されており、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせる第２のセンサ保持部材３２も、アルミナ系の材料で形成されている。熱電対１８は、アルミナ管１３及び第１のセンサ保持部材３１の内部を貫通する穴部に挿通されている。
【００３３】
図１に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、基準ガスを供給する基準ガス流入口（供給口）２を連通チューブ４２により基準ガス噴出口４５と連結する。そして、基準ガス噴出口４５に、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部４１を備えている。
【００３４】
振動子は、基準ガスを供給するべく電気信号に応じて振動することができれば特に限定されるものではない。しかし、できるだけ装置全体を小型化することが好ましいことは言うまでもない。そこで、本実施の形態では、振動子として平板状の圧電素子を用い、電気信号に応じて圧電素子を振動させることにより、基準ガスを供給する。圧電素子を用いることで、ポンプ等を用いる場合に比べて騒音が小さく、しかも少ない消費電力で基準ガスを供給することができる。
【００３５】
図４は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の基準ガス供給部４１の構成を示す断面図であり、図５は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の基準ガス供給部４１の構成を示す縦断面図である。図４に示すように、基準ガス供給部４１は、内ケース５０と、内ケース５０を所定の隙間を空けて非接触に覆う外ケース５１とを備えている。
【００３６】
より具体的には、外ケース５１は、下方が開口した円筒形状の空洞を有しており、外ケース５１に円筒形の内ケース５０が所定の隙間を空けて収容されている。内ケース５０はばね連結部５２を介して外ケース５１に弾性的に支持されている。ばね連結部５２は、内ケース５０の外周面と外ケース５１の内周面との間に周方向に一定の間隔で複数個（図４では４個）設けられている。
【００３７】
ばね連結部５２は板ばね等のばね部材で構成され、図５に示す板状の振動子５３の振動方向のばね弾性が低く、板状の振動子５３の振動方向と垂直な方向のばね弾性が高くなるように設置されている。そのため、板状の振動子５３の共振駆動（振動）に伴って内ケース５０が板状の振動子５３の振動方向に振動した場合であっても、その振動が外ケース５１に及ぶことを抑制することができる。また、内ケース５０と外ケース５１との間には、基準ガス（外気）の流入通路５６が形成されている。
【００３８】
内ケース５０は、下方が開口しており、内ケース５０の開口を閉じるように板状の振動子５３が配置され、内ケース５０と板状の振動子５３との間に、第１ブロア室５７が形成されている。
【００３９】
本実施の形態に係る板状の振動子５３は、圧電セラミックスで形成された圧電素子５３ａを、薄肉な弾性金属板で形成されたダイヤフラム５３ｂの中央部に張り付けたユニモルフ構造を有している。圧電素子５３ａに所定周波数の電圧を印加することにより、板状の振動子５３全体が共振駆動する。本実施の形態では、圧電素子５３ａは、ダイヤフラム５３ｂの、第１ブロア室５７が形成されている側と反対側の面に張り付けられている。
【００４０】
このように、板状の振動子５３は、図1に示すように基準ガス流入口（供給口）２から装置内部へ基準ガスを供給する方向と直交して配置され、基準ガスを供給する方向に沿って振動するので、装置全体の長さを短くすることができる。また、所定の高周波電圧を印加すれば足りるので、ポンプ使用時のように噴出圧力が脈動することなく、均一となるように一定の噴出圧力で基準ガスを供給することができる。
【００４１】
内ケース５０を形成する壁面のうち、板状の振動子５３と対向する第１壁部５０ａは、第１ブロア室５７の上壁部でもある。そこで、第１壁部５０ａをダイヤフラム５３ｂと同様、薄肉な弾性金属板で形成し、板状の振動子５３を所定のモードで共振駆動させた場合、それに伴って第１壁部５０ａを励振させるように構成することが好ましい。このような構成とすることにより、噴出される基準ガスの流量を飛躍的に増大させることができるからである。また、第１壁部５０ａとばね連結部５２とを同一部材で形成しても良い。
【００４２】
第１壁部５０ａの中央部には、第１ブロア室５７の内部と外部とを連通させる第１開口部５０ｂが形成されている。第１壁部５０ａと対向する外ケース５１の第２壁部５１ｂの中央部、すなわち第１開口部５０ｂと対向する位置には、第２開口部５１ｃが形成されている。第２開口部５１ｃは、板状の振動子５３の振動により基準ガスが噴出する噴出口となる。また、第１壁部５０ａと第２壁部５１ｂとの間には所定の流入空間５６ａが形成されている。流入空間５６ａは、流入通路５６から流入した基準ガスを、第１開口部５０ｂ及び第２開口部５１ｃの近傍まで誘導する。
【００４３】
外ケース５１の下方には、外ケース５１の開口を閉じるように第３壁部６２が配置されている。第３壁部６２の中央部には、外部と第２ブロア室６０とを連通させる第３開口部６２ａが形成されている。第２ブロア室６０の容積及び第３開口部６２ａの開口面積は、板状の振動子５３の振動に伴って疑似的な共振空間を形成できるように設定されている。第２ブロア室６０と流入通路５６とは連通されているので、第３開口部６２ａから第２ブロア室６０に流入した基準ガスは、流入通路５６を通って流入空間５６ａへと流入する。
【００４４】
ここで、上述した構成の基準ガス供給部４１の動作について説明する。圧電素子５３ａに所定周波数の交流電圧を印加した場合、板状の振動子５３が１次共振モード又は３次共振モードで共振駆動し、第１ブロア室５７の容積が周期的に変化する。第１ブロア室５７の容積が増大した場合、流入空間５６ａ内の基準ガスが第１開口部５０ｂから第１ブロア室５７へと吸い込まれ、逆に第１ブロア室５７の容積が減少した場合、第１ブロア室５７内の基準ガスが第１開口部５０ｂから流入空間５６ａへと排出される。
【００４５】
板状の振動子５３は高周波で共振駆動されるため、第１開口部５０ｂから流入空間５６ａへと排出される基準ガスの気流は、高速であり、高エネルギーを有するので、流入空間５６ａを通過して第２開口部５１ｃから噴出される。このとき、流入空間５６ａ内の基準ガスを巻き込みながら噴出するので、流入通路５６から流入空間５６ａへと向かう連続した気流が生じ、基準ガスは第２開口部５１ｃから連続的に噴出する。特に、板状の振動子５３を所定のモードで共振駆動させた場合、それに伴って第１壁部５０ａを励振させることで、噴出される基準ガスの流量を飛躍的に増大させることができる。
【００４６】
図６は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の基準ガス供給部４１の基準ガス噴出口４５近傍の拡大断面図である。図６に示すように、第１開口部５０ｂの口径を第２開口部５１ｃの口径よりも小さくしてある。したがって、第１ブロア室５７側へ流入する基準ガスの流入速度の方が、第２開口部５１ｃへ流出する基準ガスの流入速度よりも速くなるので、中央空間５６ｂ近傍では負圧が発生する。これにより、流入空間５６ａ内の基準ガスは中央空間５６ｂ側へ吸引されるため、より高い圧力で第２開口部５１ｃ（基準ガス噴出口４５）から基準ガスを噴出することが可能となる。
【００４７】
以上のように本実施の形態によれば、電気信号（交流電流又は交流電圧）に応じて振動する板状の振動子５３を有する基準ガス供給部４１を、基準ガスを供給する基準ガス流入口２に直結させて備えているので、センサ部の外部に基準ガスを供給するためのポンプ、ボンベ、配管等を設置するスペースを必要とせず、基準ガスの供給量を板状の振動子５３の振動数により制御することができるので、板状の振動子５３を振動させる交流電流又は交流電圧を制御することにより基準ガスの供給量を高い精度で制御することが可能となる。
【００４８】
なお、基準ガス供給部４１の第３開口部６２ａは、直接外部へ露出していても良いが、粉塵等のゴミが基準ガス供給部４１内に吸引されるおそれがある。そこで、本実施の形態では、図１に示すように、ケーシング４３の内壁部４３ａに基準ガス供給部４１を、外壁部４３ｂに外気導入開口部（取り入れ口）４３ｃを備え、外気導入開口部４３ｃにフィルタ４４を備えている。
【００４９】
基準ガスとして取り入れる外気に含まれる粉塵等のゴミをフィルタ４４で排除することができるので、圧電素子５３ａ等へのゴミの付着による機能低下を未然に防止することが可能となる。
【００５０】
その他、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５１】
１  酸素濃度測定装置
２  基準ガス流入口（供給口）
１０  酸素センサ部
１２  ジルコニア素子
１３  アルミナ管（基準ガス流入管）
１６  内部電極
１７  外部電極
４１  基準ガス供給部
４３ｃ  外気導入開口部（取り入れ口）
４４  フィルタ
５３  振動子
５３ａ  圧電素子
５３ｂ  ダイヤフラム
【図１】
2015004645.tif 000005
【図２】
2015004645.tif 000006
【図３】
2015004645.tif 000007
【図４】
2015004645.tif 000008
【図５】
2015004645.tif 000009
【図６】
2015004645.tif 000010