(57)【要約】【課題】  単一のプロトン伝導層を活用し、簡単な構成にて、酸素ガスの濃度を精度よく検出するようにした酸素ガス検出装置を提供する。【解決手段】  正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を飽和させるに十分な直流電圧が、可変直流電源２２００でもって、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加されることで、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を直流電流計２３００でもって測定すれば、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。【選択図】    図１
2005321346.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスセンサと、検出制御手段とを備え、
前記酸素ガスセンサは、
高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層の両面の一方に沿い設けた正側電極と、
前記プロトン伝導層の両面の他方に沿い設けた負側電極と、
この負側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記負側電極に沿い設けた一側支持部材と、
前記正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に沿い設けた他側支持部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記負側電極に流入させる拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
所定の電圧範囲以内の直流電圧を前記正側電極と前記負側電極との間に印加する直流電源を具備しており、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
【請求項２】
酸素ガスセンサ及び検出制御手段を備え、
前記酸素ガスセンサは、
流入口部を有する底壁と、流入口部を有する筒状周壁とを有し、この周壁の底端側開口部に前記底壁を設けてなる筒体と、
この筒体内に収容されて前記底壁に着座する一側支持部材と、
この一側支持部材に積層される負側電極と、
この負側電極に積層されて高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層を介し前記負側電極に対向するように前記プロトン伝導層に積層される正側電極と、
この正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に積層される他側支持部材と、
前記筒体内にその先端側開口部から嵌装されて前記他側支持部材を前記正側電極、前記プロトン伝導層、前記負側電極及び前記一側支持部材を介し前記底壁上に押圧する押圧部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部から前記底壁の流入口部を通し前記負側電極に被測定ガスを流入させる拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、前記周壁の流入口部を通り外部から流入する被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
所定の電圧範囲以内の直流電圧を前記正側電極と前記負側電極との間に印加する直流電源を具備して、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
【請求項３】
酸素ガスセンサと、検出制御手段とを備え、
前記酸素ガスセンサは、
高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層の両面の一方に沿い設けた正側電極と、
前記プロトン伝導層の両面の他方に沿い設けた負側電極と、
この負側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記負側電極に沿い設けた一側支持部材と、
前記正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に沿い設けた他側支持部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記負側電極に流入させる拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、外部からの被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて充電電圧を発生する充電電圧発生手段と、
所定の電圧範囲以内の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧を前記基準電圧に維持するように前記正側電極と前記負側電極との間に印加する前記直流電圧を前記充電電圧に基づき制御する電圧制御手段とを具備しており、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
【請求項４】
酸素ガスセンサ及び検出制御手段を備え、
前記酸素ガスセンサは、
流入口部を有する底壁と、流入口部を有する筒状周壁とを有し、この周壁の底端側開口部に前記底壁を設けてなる筒体と、
この筒体内に収容されて前記底壁に着座する一側支持部材と、
この一側支持部材に積層される負側電極と、
この負側電極に積層されて高分子電解質からなるプロトン伝導層と、
このプロトン伝導層を介し前記負側電極に対向するように前記プロトン伝導層に積層される正側電極と、
前記正側電極を介し前記プロトン伝導層に対向するように前記正側電極に積層される他側支持部材と、
前記筒体内にその先端側開口部から嵌装されて前記他側支持部材を前記正側電極、前記プロトン伝導層、前記負側電極及び前記一側支持部材を介し前記底壁上に押圧する押圧部材とを具備して、
前記一側支持部材は、外部から前記底壁の流入口部を通し前記負側電極に被測定ガスを導入する拡散律速部を有しており、
前記他側支持部材は、前記周壁の流入口部を通り外部から流入する被測定ガスを前記正側電極に流入させる流入口部を有しており、
前記検出制御手段は、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて充電電圧を発生する充電電圧発生手段と、
所定の電圧範囲以内の基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段と、
前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧を前記基準電圧に維持するように前記正側電極と前記負側電極との間に印加する前記直流電圧を前記充電電圧に基づき制御する電圧制御手段とを具備しており、
前記所定の電圧範囲は、前記他側支持部材の前記流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき前記正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、前記一側支持部材の前記拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するように前記プロトン伝導層を介し前記負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている酸素ガス検出装置。
【請求項５】
前記充電電圧発生手段は、コンデンサであり、
前記基準電圧発生手段は、前記基準電圧を発生する可変基準電源であり、
前記電圧印加手段は、差動増幅手段であり、
前記電圧制御手段は、所定周期にてパルス駆動信号を発生するパルス駆動信号発生手段と、このパルス駆動信号発生手段から順次発生するパルス駆動信号の一方向へのレベル変化に基づき第１切り替え状態に切り替わるように作動し、前記パルス駆動信号の他方向へのレベル変化に基づき第２切り替え状態に切り替わるように作動する切り替え作動手段とを備えて、
前記コンデンサは、前記切り替え作動手段の第１切り替え状態への作動に基づき、前記正側電極と前記負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて前記充電電圧を発生し、  前記差動増幅手段は、前記切り替え作動手段の第２切り替え状態への作動に基づき、前記基準電圧と前記充電電圧との差を増幅して差動増幅電圧を発生し、この差動増幅電圧を、前記正側電極と前記負側電極との間に前記差動増幅電圧に応じた電圧を発生させるように前記直流電圧として印加するようにしたことを特徴とする請求項３或いは４に記載の酸素ガス検出装置。
【請求項６】
前記所定の電圧範囲は、０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の電圧範囲であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の酸素ガス検出装置。
【請求項７】
前記正側電極は、白金族金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる材料でもって形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の酸素ガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素ガス検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境や自然保護等に対する社会的要求から、効率の高いクリーンなエネルギー源として、種々の燃料電池の研究が活発に行われている。これらの燃料電池のうち、例えば、低温作動や高出力密度等の利点により、家庭用や車載用のエネルギー源として固体高分子型燃料電池の開発が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池のアノードガスとしては、天然ガスやメタノール等を改質することで得られる水素ガスの採用が有望視される一方で、当該燃料電池のカソードガスとしては、例えば、加湿空気が採用される。このカソードガス中の酸素は、上記燃料電池の発電により消費されるが、より一層効率を向上させるために、カソードガス中の酸素の濃度を直接検出し得る検出装置の開発が要請される。
【０００４】
この要請に対する検出装置としては、アノードガス側からの水素ガスの漏洩等を考慮して、安全確保のため、例えば、１００（℃）と作動温度の低いものが必要とされる。このような低温作動型の酸素ガス検出装置としては、ナフィオン（登録商標）の膜（以下、ナフィオン膜ともいう）をプロトン伝導膜として用いた電流検出型酸素ガス検出装置が下記非特許文献１にて開示されている。
【０００５】
この電流検出型酸素ガス検出装置においては、上下両側のナフィオン膜が多孔性シートを介し互いに間隔をおいて平行に支持されており、これら各ナフィオン膜の両面には、白金電極がそれぞれ形成されている。ここで、上側ナフィオン膜の両白金電極のうち多孔性シート側に位置する白金電極は、当該多孔性シートの空所を通し下側ナフィオン膜の両白金電極のうち多孔性シート側に位置する白金電極に対向している。また、上側ナフィオン膜の上側白金電極上には拡散層が形成されている。
【０００６】
このような２層構造のもと、下側ナフィオン膜の両白金電極間に直流電圧を印加すると、上記２層構造に向けてその下方から流れる水蒸気が、下側ナフィオン膜の下側白金電極上にて電解されてプロトンを発生する。このように発生したプロトンは、下側ナフィオン膜を通りその上側白金電極に移動して、水素ガスとなって多孔性シートの空所内に供給される。
【０００７】
これに伴い、上側ナフィオン膜においては、被測定ガス中の酸素ガスと上記空所に溜まる水素ガスとの間で燃料電池が構成される。このため、上側ナフィオン膜の両白金電極を電気的に短絡すると、これら両白金電極間には短絡電流が流れる。ここで、上側ナフィオン膜の上側白金電極上には上述のごとく拡散層が形成されているので、上側白金電極への酸素ガスの供給が制限される。このため、上記短絡電流は被測定ガス中の酸素分圧に依存することとなる。従って、この短絡電流を測定すれば、酸素ガスの濃度を検出できる。
【非特許文献１】「A solid-state amperometric oxygen sensor using NAFION menbrane operative at room temperature」，Chemistry Letters by Norio Miura etc. pp.1197-1200,1988
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記電流検出型酸素ガス検出装置では、上述のように、短絡電流の測定にあたり、燃料電池を構成するに必要な水素ガスを供給するために、水素ガスを溜める空所を設けた多孔性シート、下側ナフィオン膜及びその両白金電極が必須とされる。従って、この多孔性シート、下側ナフィオン膜及びその両白金電極が余分な構成部材となって酸素ガス検出装置としての構成を複雑にするという不具合を招く。
【０００９】
そこで、本発明は、以上のようなことに対処するため、単一のプロトン伝導層を活用し、簡単な構成にて、酸素ガスの濃度を精度よく検出するようにした酸素ガス検出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】
【００１０】
上記課題の解決にあたり、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項１の記載によれば、酸素ガスセンサ（１０００）と、検出制御手段（２０００）とを備える。
【００１１】
酸素ガスセンサは、
高分子電解質からなるプロトン伝導層（１４１０）と、
このプロトン伝導層の両面の一方に沿い設けた正側電極（１４２０）と、
プロトン伝導層の両面の他方に沿い設けた負側電極（１４３０）と、
この負側電極を介しプロトン伝導層に対向するように負側電極に沿い設けた一側支持部材（１２００）と、
正側電極を介しプロトン伝導層に対向するように正側電極に沿い設けた他側支持部材（１３００）とを具備する。
【００１２】
ここで、一側支持部材は、外部からの被測定ガスを負側電極に流入させる拡散律速部（１２８０）を有しており、他側支持部材は、外部からの被測定ガスを正側電極に流入させる流入口部（１３２１）を有している。
【００１３】
また、検出制御手段は、
所定の電圧範囲以内の直流電圧を正側電極と負側電極との間に印加する直流電源（２２００）を具備している。ここで、上記所定の電圧範囲は、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素と反応するようにプロトン伝導層を介し負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている。
【００１４】
このように、正側電極と負側電極との間に印加する直流電圧が、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するようにプロトン伝導層を介し負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲以内の電圧に設定されている。
【００１５】
従って、このように設定された直流電圧が正側電極と負側電極との間に印加されると、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気が正側電極上にて電気分解してプロトンを生成する。そして、この生成プロトンは、高分子電解質からなるプロトン伝導層の伝導作用のもとに負側電極に汲み出されて、負側電極上で水素ガスに生成される。なお、この水素ガスは、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応して消費されて水蒸気となるから、負側電極上の水素ガスの濃度の増大は抑制される。
【００１６】
このような状態において、直流電源からの直流電圧を増大させると、これに伴い、上述のように負側電極に汲み出される生成プロトンの量が増大する。従って、負側電極上で上述のように生成される水素ガスの量も増大する。
【００１７】
これに対し、拡散律速部から流入する酸素ガスのすべてが、上述のように増大する水素ガスと反応して消費される。従って、このような消費の時点において、酸素ガスとの未反応の水素ガスが負側電極上で余るようになって、当該負側電極上の水素ガスの濃度が急激に上昇する。このため、正側電極上の水素ガスの濃度と負側電極上の水素ガスの濃度との差が発生し、この差に応じた電圧が正側電極と負側電極との間に発生する。
【００１８】
ここで、このように正側電極と負側電極との間に生ずる電圧は、直流電源の直流電圧に対し逆極性になっており、逆起電力として作用する。このため、直流電源から正側電極と負側電極との間への実質上の印加電圧は、上記直流電圧から上記逆起電力を減じた電圧に減少することとなる。従って、上述のような生成プロトンの汲み出しに伴い正側電極から負側電極に流れる電流は、飽和した状態となり、拡散律速部から流入して水素ガスと反応し消費される被測定ガス中の酸素ガスの量、換言すれば、当該酸素ガスの濃度に比例する。
【００１９】
よって、上述のように正側電極から負側電極に流れる電流を飽和させるに十分な電圧、即ち、上記所定の電圧範囲以内の直流電圧を正側電極と負側電極との間に印加することにより、正側電極から負側電極に流れる電流を測定すれば、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。
【００２０】
また、このような酸素ガスの濃度の精度のよい検出にあたり、プロトン伝導層としては、１つ採用するのみでよく、酸素ガスセンサを簡単な構成で提供し得る。
【００２１】
また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項２の記載によれば、請求項１に記載の発明において、この発明にいう酸素ガスセンサに代えて、次のような酸素ガスセンサ（１０００）を備える構成となっている。
【００２２】
この酸素ガスセンサは、
流入口部（１１１１）を有する底壁（１１１０）と、流入口部（１１２１）を有する筒状周壁（１１２０）とを有し、この周壁の底端側開口部に前記底壁を設けてなる筒体（１１００）と、
この筒体内に収容されて上記底壁に着座する一側支持部材（１２００）と、
この一側支持部材に積層される負側電極（１４３０）と、
この負側電極に積層されて高分子電解質からなるプロトン伝導層（１４１０）と、
このプロトン伝導層を介し負側電極に対向するようにプロトン伝導層に積層される正側電極（１４２０）と、
この正側電極を介しプロトン伝導層に対向するように正側電極に積層される他側支持部材（１３００）と、
筒体内にその先端側開口部から嵌装されて他側支持部材を正側電極、プロトン伝導層、負側電極及び一側支持部材を介し上記底壁上に押圧する押圧部材（１５００）とを具備する。
【００２３】
ここで、一側支持部材は、外部から上記底壁の流入口部を通し負側電極に被測定ガスを流入させる拡散律速部（１２８０）を有しており、他側支持部材は、上記周壁の流入口部を通り外部から流入する被測定ガスを正側電極に流入させる流入口部（１３２１）を有している。
【００２４】
このような構成の酸素ガスセンサを採用することで、プロトン伝導層、正側電極及び負側電極の積層構造からなるセンサ素子を両支持部材でもって安定的に挟持しつつ、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を達成し得る。
【００２５】
また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項３の記載によれば、請求項１に記載の発明において、この発明にいう検出制御手段（２０００）に代えて、検出制御手段（３０００）を備える構成となっている。
【００２６】
この検出制御手段は、
正側電極と負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて充電電圧を発生する充電電圧発生手段（３０６０）と、
所定の電圧範囲以内の基準電圧を発生する基準電圧発生手段（３０７０）と、
正側電極と負側電極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段（３０５０）と、
正側電極と負側電極との間に生ずる電圧を上記基準電圧に維持するように正側電極と負側電極との間に印加する上記直流電圧を上記充電電圧に基づき制御する電圧制御手段（３０１０、３０２０）とを具備している。
【００２７】
ここで、上記所定の電圧範囲は、他側支持部材の流入口部から流入する被測定ガス中の水蒸気に基づき正側電極上にてプロトンを生成し、この生成プロトンを、一側支持部材の拡散律速部から流入する被測定ガス中の酸素ガスと反応するようにプロトン伝導層を介し負側電極に汲み出すに要する直流電圧範囲に設定されている。
【００２８】
このように構成した検出制御手段を採用することで、電圧印加手段から酸素ガスセンサの正側電極と負側電極との間に印加される直流電圧が、充電電圧発生手段からの充電電圧を上記基準電圧に維持するように、即ち、負側電極上の水素ガスの濃度を一定にするように制御される。これに伴い、正側電極から負側電極に流れる電流の増大も抑制される。その結果、当該電流が飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速孔部を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。
【００２９】
従って、上記充電電圧を上記所定の電圧範囲以内の基準電圧に維持するように、正側電極から負側電極に流れる電流を飽和させるに十分な電圧が、電圧印加手段でもって、正側電極と負側電極との間に印加されれば、正側電極から負側電極に流れる電流を測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。その他の作用効果は請求項１に記載の発明と同様である。
【００３０】
また、本発明に係る酸素ガス検出装置は、請求項４の記載によれば、請求項３に記載の発明において、この発明にいう酸素ガスセンサに代えて、請求項２に記載の発明にいう酸素ガスセンサを採用した構成となっている。
【００３１】
これにより、請求項２に記載の発明において酸素ガスセンサが有する構成に基づく作用効果及び請求項３に記載の発明において検出制御手段に基づく作用効果の双方が達成され得る。
【００３２】
また、本発明は、請求項５の記載によれば、請求項３或いは４に記載の酸素ガス検出装置において、
充電電圧発生手段は、コンデンサであり、
基準電圧発生手段は、上記基準電圧を発生する可変基準電源であり、
電圧印加手段は、差動増幅手段であり、
電圧制御手段は、所定周期にてパルス駆動信号を発生するパルス駆動信号発生手段（３０１０）と、このパルス駆動信号発生手段から順次発生するパルス駆動信号の一方向へのレベル変化に基づき第１切り替え状態に切り替わるように作動し、上記パルス駆動信号の他方向へのレベル変化に基づき第２切り替え状態に切り替わるように作動する切り替え作動手段（３０２０）とを備えて、
コンデンサは、切り替え作動手段の第１切り替え状態への作動に基づき、正側電極と負側電極との間に生ずる電圧でもって充電されて上記充電電圧を発生し、
差動増幅手段は、切り替え作動手段の第２切り替え状態への作動に基づき、上記基準電圧と上記充電電圧との差を増幅して差動増幅電圧を発生し、この差動増幅電圧を、正側電極と負側電極との間に上記差動増幅電圧に応じた電圧を発生させるように上記直流電圧として印加するようにしたことを特徴とする。
【００３３】
これにより、上述のような切り替え作動手段の切り替え作動の繰り返しのもと、正側電極と負側電極との間に印加される上記差動増幅電圧が、上記充電電圧の上記基準電圧への増大とともに減少していく。従って、上述のように正側電極から負側電極に汲み出される水素ガスの量が飽和し、正側電極及び負側電極上の各水素ガスの濃度が一定値になる。
【００３４】
換言すれば、上記差動増幅電圧が、上記充電電圧を上記基準電圧に維持するように、即ち、負側電極上の水素ガスの濃度を一定にするように制御される。これに伴い、上述と同様に正側電極から負側電極に流れる電流の増大が抑制され飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速部を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。従って、当該電流を測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出しつつ、請求項３或いは４に記載の発明と同様の作用効果をより一層確実に達成し得る。
【００３５】
また、本発明は、請求項６の記載によれば、請求項１〜５のいずれか１つに記載の酸素ガス検出装置において、上記所定の電圧範囲は、０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の電圧範囲であることを特徴とする。
【００３６】
これにより、請求項１〜５のいずれか１つに記載の発明と同様の作用効果をより一層確実に達成し得る。
【００３７】
また、本発明は、請求項７の記載によれば、請求項１〜６のいずれか１つに記載の酸素ガス検出装置において、正側電極は、白金族金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる材料でもって形成されていることを特徴とする。
【００３８】
これにより、正側電極は、被測定ガス中の水蒸気の電気分解により発生する酸素の影響を受けて酸化することが抑制され得る。このため、酸素ガスセンサとしての耐久性を高めつつ、請求項１〜６のいずれか１つに記載の発明と同様の作用効果を達成し得る。
【００３９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明の各実施形態を図面により説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明に係る酸素ガス検出装置の第１実施形態を示す。この酸素ガス検出装置は、酸素ガスセンサ１０００と、検出制御回路２０００とにより構成されている。
【００４１】
酸素ガスセンサ１０００は、金属製円筒状筒体１１００を備えており、この筒体１１００は、その底壁１１１０の中央にて、流入口部１１１１を有している。また、この筒体１１００は、その周壁１１２０にて、２つの流入口部１１２１を備えており、これら流入口部１１２１は、底壁１１１０の近傍において、周壁１１２０の周方向に沿い等角度間隔にて形成されている。なお、図１及び図２において、符号１１４０は、環状フランジを示しており、このフランジ１１４０は、周壁１１２０の先端側開口部から外方へ半径方向に延出形成されている。
【００４２】
また、当該酸素ガスセンサ１０００は、図１にて示すごとく、筒体１１００内に収容した下側支持部材１２００、上側支持部材１３００、センサ素子１４００及び環状シール１４５０を備えている。
【００４３】
下側支持部材１２００は、図２にて詳細に示すごとく、各円形状の下側、中間側及び上側の基板１２１０、１２２０及び１２３０を備えており、これら各基板１２１０、１２２０及び１２３０は、共に、セラミック材料でもって形成されている。
【００４４】
下側基板１２１０の裏面には、環状の下側電極層１２４０が、同軸的に積層されている。また、中間側基板１２２０は、円板状の中間側電極層１２５０を介し、下側基板１２１０の表面に同軸的に積層されている。ここで、中間側電極層１２５０は、下側基板１２１０にその板厚方向に形成したスルーホール１２１１を介し、下側電極層１２４０に電気的に接続されている。なお、両基板１２１０、１２２０の外径は、共に同一である。また、中間側電極層１２５０の外径は、両基板１２１０、１２２０の外径よりも小さく、下側電極層１２４０の内径よりも大きい。
【００４５】
また、上側基板１２３０は、円板状の中間側電極層１２６０を介し、中間側基板１２２０の表面に同軸的に積層されており、この上側基板１２３０の表面には、上側電極層１２７０が同軸的に積層されている。ここで、中間側電極層１２６０は、中間側基板１２２０にその板厚方向に形成したスルーホール１２２１を介し、中間側電極層１２５０に電気的に接続されている。また、上側電極層１２７０は、上側基板１２３０にその板厚方向に形成したスルーホール１２３１を介し、中間側電極層１２６０に電気的に接続されている。なお、上側基板１２３０の外径は、中間側基板１２２０の外径よりも小さく、上側電極層１２７０の外径と同一である。また、中間側電極層１２６０の外径は中間側電極層１２５０の外径よりも小さい。
【００４６】
このように積層した上側電極層１２７０、上側基板１２３０、中間側電極層１２６０、中間側基板１２２０、中間側電極層１２５０及び下側基板１２１０には、上側電極層１２７０から下側基板１２１０にかけて、拡散律速孔部１２８０が同軸的に形成されている。
【００４７】
以上のように構成した下側支持部材１２００は、その下側基板１２１０にて、下側電極層１２４０を介し、筒体１１００の底壁１１１０の内面上に着座するように筒体１１００内に収容されている（図１参照）。
【００４８】
一方、上側支持部材１３００は、図２にて詳細に示すごとく、環状の下側基板１３１０、環状の中間側基板１３２０及び円形状の両上側基板１３３０、１３４０を備えており、これら各基板１３１０〜１３４０は、共に、同一外径を有するようにセラミック材料でもって形成されている。
【００４９】
中間側基板１３２０は、下側基板１３１０の表面上に同軸的に積層されており、この中間側基板１３２０の外周部には、４つの溝状流入口部１３２１が、その上端側開口面にて上側基板１３３０の裏面に当接することで形成されている。これら各流入口部１３２１は、基板１３２０にその周方向に沿い等角度間隔にて形成されている。ここで、各流入口部１３２１は、基板１３２０の周方向９０度毎に、基板１３２０内の中空部を当該基板１３２０の内周面から外方に連通させる。
【００５０】
上側基板１３３０は中間側基板１３２０の表面に同軸的に積層されており、この上側基板１３３０の裏面のうち中間側基板１３２０の中空部内に露呈する裏面部位には、円板状の下側電極層１３５０が配設されている。上側基板１３４０は、中間側電極層１３６０を介し上側基板１３３０の表面に同軸的に積層されており、この上側基板１３４０の表面には、上側電極層１３７０が同軸的に積層されている。
【００５１】
ここで、中間側電極層１３６０は、上側基板１３３０にその板厚方向に形成したスルーホール１３３１を介し、下側電極層１３５０に電気的に接続されている。また、上側電極層１３７０は、上側基板１３４０にその板厚方向に形成したスルーホール１３４１を介し、中間側電極層１３６０に電気的に接続されている。なお、中間側電極層１３６０及び上側電極層１３７０の外径は、基板１３３０の外径よりも小さく、下側電極層１３５０の外径と同一である。
【００５２】
このように構成した上側支持部材１３００は、その環状の下側基板１３１０にて、センサ素子１４００のプロトン伝導層１４１０（後述する）の外周部上に着座している。
【００５３】
センサ素子１４００は、図１及び図２にて示すごとく、両支持部材１２００、１３００の間に挟持されているもので、このセンサ素子１４００は、プロトン伝導層１４１０、正負両側電極１４２０、１４３０及び拡散部材１４４０を備えている。
【００５４】
プロトン伝導層１４１０は、比較的低温で機能するフッ素系樹脂材料、例えば、ナフィオン（デュポン社の登録商標）でもって、円板状に形成されており、このプロトン伝導層１４１０は、その外周部にて、環状シール１４５０を介し、両支持部材１２００、１３００の各外周部間に挟持されている。ここで、環状シール１４５０は、プロトン伝導層１４１０の外周部と下側支持部材１２００の中間側基板１２２０の外周部との間に気密的に挟持されている。
【００５５】
正側電極１４２０は、負側電極１４３０及び拡散部材１４４０と共に円板状に形成されており、正側電極１４２０は、拡散部材１４４０と共に、上側支持部材１３００の下側基板１３１０及び中間側基板１３２０の両中空部内に嵌装されて、拡散部材１４４０を介しプロトン伝導層１４１０と上側支持部材１３００の下側電極層１３６０との間に挟持されている。
【００５６】
ここで、正側電極１４２０は、その裏面にて、プロトン伝導層１４１０の正側面（図２にて図示上側面）に当接しており、当該正側電極１４２０は、その表面にて、拡散部材１４４０を介し下側電極層１３６０の裏面に当接している。
【００５７】
本第１実施形態において、正側電極１４４０は、白金族金属等の粉末と高分子電解質とを混合した材料で形成されている。具体的には、この正側電極１４４０は、白金族金属等の粉末及び高分子電解質の双方を混練してペーストとし、このペーストをプロトン伝導層１４１０の正側面に塗布した後乾燥することで、形成される。
【００５８】
負側電極１４３０は、下側支持部材１２００の上側電極層１２７０とプロトン伝導層１４１０の負側面との間に挟持されており、この負側電極１４３０は、多孔質電極材料、例えば、白金族金属等の触媒を片面に塗布してなるカーボンペーパーを用いて形成されている。詳細には、負側電極１４３０は、上記カーボンペーパーを、その触媒にてプロトン伝導層１４１０の負側面に密着するように、ホットプレス法でもって、当該プロトン伝導層１４１０の負側面に接着することで、形成されている。
【００５９】
拡散部材１４４０は、正側電極１４２０と上側支持部材１３００の下側電極層１３５０との間に挟持されており、筒体１１００の外部からその各流入口部１１２１及び上側支持部材１３００の各流入口部１１２１を通り流入する水蒸気を拡散させて正側電極１４２０に案内する。なお、拡散部材１４４０は、耐食性を考慮して、例えば、白金をメッキ処理したチタンのメッシュでもって形成されている。
【００６０】
円柱状樹脂部材１５００は、両環状シール１５１０、１５２０を介し、筒体１１００内にその先端側開口部から同軸的に嵌装されており、当該樹脂部材１５００は、上側支持部材１３００を介し、センサ素子１４００を下側支持部材１２００上に押圧している。なお、当該樹脂部材１５００は、電気絶縁樹脂材料でもって形成されている。
【００６１】
環状シール１５１０は、樹脂部材１５００の下端部に形成した小径部１５４０に同軸的に嵌装されて、上側支持部材１３００の外周部と樹脂部材１５００の大径部１５３０の下端面との間に気密的に挟持されている。また、環状シール１５２０は、樹脂部材１５００の大径部１５３０の軸方向中間部位に環状に形成した溝部１５３１内に同軸的に嵌装されて、筒体１１００の周壁１１２０と環状溝部１５３１の底面との間に気密的に挟持されている。
【００６２】
負側接続端子１６００は、クランク状のターミナルからなるもので、この負側接続端子１６００は、その中間部位１６１０及び先端部位１６２０にて、樹脂部材１５００の上面から外周面にかけてＬ字状に形成した凹所１５５０内に収容されている。ここで、当該負側接続端子１６００は、その先端部位１６２０の中間部位に形成した凸状湾曲部１６２１にて、筒体１１００の周壁１１２０に当接して、筒体１１００に電気的に接続されている。
【００６３】
また、正側接続端子１７００は、略Ｌ字状のターミナルからなるもので、この正側接続端子１７００は、樹脂部材１５００の貫通穴部１５６０及び凹所１５７０内に図１にて示すごとく挿通して収容されている。ここで、当該正側接続端子１７００は、その脚部１７１０にて、凹所１５７０内に位置して上側支持部材１３００の上側電極層１３７０に当接して電気的に接続されている。
【００６４】
なお、上述した貫通穴部１５６０は、樹脂部材１５００に同軸的に形成されている。また、凹所１５７０は、樹脂部材１５００の下端部にて、貫通穴部１５６０とＬ字状に連通形成されている。また、本第１実施形態では、酸素ガスセンサ１０００において、筒体１１００以外の各構成部材は、図２にて図示下側に位置する下側支持部材１２００から図示上側に位置する負側接続端子にかけて、順次、筒体１１００内に収容される。
【００６５】
検出制御回路２０００は、図１にて示すごとく、操作スイッチ２１００及び可変直流電源２２００を備えており、可変直流電源２２００は直流電圧を発生する。この直流電圧は、可変直流電源２２００の電圧調整により変化する。ここで、当該可変直流電源２２００は、その正側端子にて、直流電流計２３００を介し正側電極１７００にそのリード線１７２０を通り接続されており、この可変直流電源２２００の負側端子は、操作スイッチ２１００を介し負側電極１６００にそのリード線１６３０を通り接続されている。
【００６６】
このように構成した本第１実施形態において、当該酸素ガス検出装置による酸素ガスの検出例について説明する。酸素ガスセンサ１０００を被測定雰囲気内に配設すると、この被測定雰囲気内の被測定ガスが筒体１１００内に各流入口部１１２１及び流入口部１１１１から流入する。
【００６７】
しかして、被測定ガスが上述のように筒体１１００内に各流入口部１１２１から流入すると、この被測定ガスは、拡散部材１４４０により拡散されて正側電極１４２０に流入する。一方、被測定ガスが上述のように筒体１１００内に流入口部１１１１から流入すると、この被測定ガスは、下側支持部材１２００の拡散律速孔部１２８０を通り負側電極１４３０に流入する。
【００６８】
このような状態において、操作スイッチ２１００をオンすると、可変直流電源２２００が、直流電流計２３００を介し、直流電圧を酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００と負側接続端子１６００との間に印加する。このことは、可変直流電源２２００からの直流電圧が、センサ素子１４００の正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加されることを意味する。
【００６９】
すると、上述のように正側電極１４２０に流入する被測定ガス中の水蒸気が、上述した正側電極１４２０と負側電極１４３０との間への印加直流電圧に基づき、正側電極１４２０上にて電気分解されてプロトンを生成する。これに伴い、当該プロトンは、プロトン伝導層１４１０の伝導作用のもと負側電極１４３０に汲み出され、水素ガスとして生成される。
【００７０】
このとき、上述のようなプロトンの汲み出しに伴い生ずる直流電流が、センサ素子１４００の正側電極１４２０、プロトン伝導層１４１０及び負側電極１４３０、下側支持部材１２００の上側電極層１２７０、上側基板１２３０のスルーホール１２３１、中間側電極層１２６０、中間側基板１２２０のスルーホール１２２１、中間側電極層１２５０、下側基板１２１０のスルーホール１２１１及び下側電極層１２４０、筒体１１００、負側接続端子１６００、操作スイッチ２１００、可変直流電源２２００、直流電流計２３００、正側接続端子１６００、上側支持部材１３００の上側電極層１３７０、上側基板１３４０のスルーホール１３４１、中間側電極層１３６０、スルーホール１３３１及び下側電極層１３５０並びに拡散部材１４４０を通り正側電極１４２０に流れる。
【００７１】
現段階において、上述のように負側電極１４３０に流入する被測定ガス中に酸素ガスが含まれていると、この酸素ガスが、負側電極１４３０上において、上述のように生成した水素ガスと反応して消費されて水蒸気となる。このため、負側電極１４３０上における上記生成による水素ガスの濃度の増大が抑制される。
【００７２】
ここで、上述のように正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加する直流電圧（以下、印加電圧ともいう）を、可変直流電源２２００の電圧調整でもって、増大していくと、上述のように正側電極１４２０上で生成されて負側電極１４３０に汲み出されるプロトンの量が増大する。これに伴い、上述のように負側電極１４３０上において生成される水素ガスの量も増大する。
【００７３】
すると、上述のように拡散律速孔部１２８０を通り負側電極１４３０に流入する被測定ガス中の酸素ガスが、上述のように負側電極１４３０上において増大する生成水素ガスと反応して消費される。そして、このように消費された時点において、酸素ガスとは未反応の水素ガスが、負側電極１４３０上において余るようになる。その結果、負側電極１４３０上の水素ガスの濃度が急激に上昇する。
【００７４】
これに伴い、正側電極１４２０上の水素ガスの濃度と負側電極１４３０上の水素ガスの濃度との間において差が生じ、この水素ガスの濃度の差が正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に電圧を発生させる。
【００７５】
ここで、このように発生する電圧は上記印加電圧に対し逆極性を有する。このことは、上述のように正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に発生する電圧は、可変直流電源２２００からの直流電圧に対し逆起電力として作用することを意味する。このため、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に実質的に印加される電圧は、可変直流電源２２００からの直流電圧から上記逆起電力を減じた電圧に減少することとなる。
【００７６】
これに伴い、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流の増大も抑制される。その結果、当該電流が飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速孔部１２８０を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。
【００７７】
従って、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を飽和させるに十分な直流電圧が、可変直流電源２２００でもって、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加されれば、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を直流電流計２３００でもって測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。
【００７８】
ここで、このような酸素ガスの濃度の精度のよい検出にあたり、上述したごとく、センサ素子１４００は、プロトン伝導層としては単一のプロトン伝導層１４１０を有するのみでよく、酸素ガスセンサ１０００を簡単な構成で提供し得る。しかも、センサ素子１４００は、参照電極に依存することなく、正側電極１４２０及び負側電極１４３０の２電極構成というより一層簡単な電極構成でもって、上述のように酸素ガスの濃度を精度よく検出できる。
【００７９】
また、上述のようにプロトン伝導層としては単一のプロトン伝導層１４１０を有するのみであるから、本明細書の冒頭にて述べたような短絡電流を測定する構成を採用する必要もなく、酸素ガス濃度の検出精度を高く維持できる。
【００８０】
また、上述した酸素ガスセンサ１０００の構成から分かるように、下側支持部材１２００、センサ素子１４００及び上側支持部材１３００が、その各板厚方向にて、筒体１１００の底壁１１１０上に、順次、積層されている。そして、上側支持部材１３００が、樹脂部材１５００でもって、センサ素子１４００及び下側支持部材１２００を介し底壁１１１０上に押圧されている。
【００８１】
このため、センサ素子１４００は、その板厚方向において、両支持部材１２００、１３００の間にしっかりと挟持される。その結果、当該酸素ガスセンサ１０００に振動や衝撃が加わっても、センサ素子１４００は、筒体１１００内にて変位することなく、安定的に両支持部材１２００、１３００の間に支持され得る。その結果、酸素ガスセンサとしての耐震性及び耐衝撃性に優れる。
【００８２】
また、上述のごとく、正側電極１４２０は、白金属金属の粉末と高分子電解質とを混合してなる材料でもって形成されているので、当該正側電極１４２０が被測定ガス中の水蒸気の電気分解により発生する酸素の影響を受けて酸化することを抑制し得る。このため、酸素ガスセンサ１０００としての耐久性を高め得る。
【００８３】
ちなみに、本第１実施形態の酸素ガス検出装置を用いて、被測定ガス中の酸素ガスの濃度（以下、酸素ガス濃度ともいう）を検出してみたところ、図３のグラフにて示すような検出結果が得られた。この検出にあたり、その検出条件を次の通りとする。
【００８４】
上記被測定ガスのガス組成を、１（％）、５（％）、１０（％）、１５（％）或いは２０（％）の酸素（Ｏ2）、２０（％）の水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）とする。当該被測定ガスの温度及び流量を８０（℃）及び１０（リットル／分）とする。但し、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加する直流電圧を１（Ｖ）とする。
【００８５】
図３のグラフは、酸素ガスの濃度を、直流電流計２３００により測定した直流電流（正側電極から負側電極に流れるポンプ電流）との関係を示す。これによれば、酸素ガスの濃度は、直流電流とほぼ正比例的な関係を有することが分かる。
【００８６】
次に、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加する直流電圧（印加電圧）の最適な範囲を調べてみたところ、図４のグラフにて示すような測定結果が得られた。この図４のグラフは、上記印加電圧の変化範囲を、ポンプ電流との関係で示す。この測定にあたり、その測定条件は次の通りである。
【００８７】
上記被測定ガスのガス組成を、２０（％）の酸素（Ｏ2）、２０（％）の水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）とする。当該被測定ガスの温度及び流量を、上述と同様に、８０（℃）及び１０（リットル／分）とする。また、上記印加電圧の変化範囲を０．５（Ｖ）〜１．６（Ｖ）の範囲以内とする。
【００８８】
当該図４のグラフによれば、上記印加電圧が０．７（Ｖ）未満のときには、当該印加電圧はポンプ電流と共に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、上記印加電圧が０．７（Ｖ）未満のときには、負側電極１４３０上で生成した水素ガスの濃度が、拡散律速孔部１２８０を通り流入する酸素ガスの濃度よりも低い。このため、水素ガスとの未反応の酸素ガスが負側電極１４３０上において余る。従って、このような状態におけるポンプ電流は、酸素ガスの濃度には反映しにくく、その結果、上述のように印加電圧はポンプ電流と共に増大するからである。
【００８９】
また、上記印加電圧が１．４（Ｖ）よりも増大するときには、上記印加電圧はポンプ電流と共に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、上記印加電圧が、正側電極１４２０及び負側電極１４３０の間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧よりも高い場合には、ポンプ電流は上記印加電圧と共に増大する。このような状態では、負側電極１４３０上の水素ガスの量が、拡散律速孔部１２８０を通り流入する酸素ガスの量よりも多くなるため、ポンプ電流は酸素ガスの濃度には反映しにくいからである。
【００９０】
また、当該印加電圧が０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の範囲以内にあるとき、ポンプ電流は殆ど変化せず飽和していることが分かる。これは次の理由による。即ち、負側電極１４３０上の水素ガスの濃度が増大し、正側電極１４２０及び負側電極１４３０の間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧が逆起電力として上記印加電圧に作用する。このため、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加される実質上の印加電圧が増大しないからである。換言すれば、拡散律速孔部１２８０から流入する酸素ガスが負側電極１４３０上において水素ガスと反応して全て消費されるからである。
【００９１】
以上より、上記印加電圧を０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の範囲以内の電圧に調整すれば、このような電圧が、上述した正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を飽和させるに十分な直流電圧に相当することが分かる。
【００９２】
従って、０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の範囲以内の電圧を上記印加電圧として正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加することで、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に流れるポンプ電流を、直流電流計２３００により測定すれば、上記被測定ガス中の酸素ガスの濃度を精度よく検出できる。
（第２実施形態）
次に、本発明に係る酸素ガス検出装置の第２実施形態について図５〜図７を参照して説明する。この第２実施形態では、図５にて示すごとく、上記第１実施形態にて述べた酸素ガス検出装置において、検出制御回路２０００に代えて、検出制御回路３０００を採用した構成となっている。
【００９３】
検出制御回路３０００は、駆動回路３０１０と、この駆動回路３０１０により駆動される半導体スイッチ回路３０２０とを備えている。駆動回路３０１０は、パルス発生回路からなるもので、この駆動回路３０１０は、所定周期にて駆動パルス信号を発生して半導体スイッチ回路３０２０に出力する。
【００９４】
半導体スイッチ回路３０２０は、その切り替え作動に伴い、固定端子３０２１を両切り替え端子３０２２、３０２３に交互に電子的に接続するように構成されている。しかして、この半導体スイッチ回路３０２０は、駆動回路３０１０から順次出力されるパルス駆動信号に基づき、切り替え作動する。
【００９５】
具体的には、当該パルス駆動信号がローレベルＬ（図６参照）になると、半導体スイッチ回路３０２０は、固定端子３０２１を切り替え端子３０２２に接続する。換言すれば、当該半導体スイッチ回路３０２０は、切り替え端子３０２２にて直流電流計３０４０を介し差動増幅器３０５０に接続されて、この差動増幅器３０５０から出力される差動増幅電圧を、固定端子３０２１及び操作スイッチ３０３０を通し酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００と負側接続端子１６００との間に印加する。
【００９６】
また、上記パルス駆動信号がハイレベルＨ（図６参照）になると、半導体スイッチ回路３０２０は、固定端子３０２１を切り替え端子３０２３に接続する。換言すれば、半導体スイッチ回路３０２０は、酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００からの直流電圧を操作スイッチ３０３０を通し入力されてコンデンサ３０６０に印加する。本第２実施形態において、上記パルス駆動信号のハイレベル幅及びローレベル幅に対応する各時間は、それぞれ、例えば、０．１（ｍｓｅｃ）及び２（ｍｓｅｃ）である（図６参照）。
【００９７】
ここで、当該半導体スイッチ回路３０２０は、その固定端子３０２１にて、操作スイッチ３０３０を介し酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００にそのリード線１７２０を通り接続されている。また、当該半導体スイッチ回路３０２０は、その切り替え端子３０２２にて、直流電流計３０４０を介し差動増幅器３０５０の出力端子に接続されており、この半導体スイッチ回路３０２０の切り替え端子３０２３は、コンデンサ３０６０を介し接地されている。
【００９８】
差動増幅器３０５０は、可変基準電源３０７０からの基準電圧Ｖｒｅｆ（図６にて符号３０７１参照）とコンデンサ３０６０の端子電圧Ｖｃ（以下、コンデンサ電圧Ｖｃともいい、図６にて符号３０６１参照）との差を差動増幅し差動増幅電圧Ｖｄｉｆ（図６にて符号３０５１参照）として直流電流計３０４０を介し半導体スイッチ回路３０２０の切り替え端子３０２２に出力する。
【００９９】
可変基準電源３０７０は、その電圧調整に応じた直流電圧を基準電圧Ｖｒｅｆとして出力する。コンデンサ３０６０は、酸素ガスセンサ１０００からの直流電圧を、半導体スイッチ回路３０２０の切り替え端子３０２３から印加されて充電される。また、当該コンデンサ３０６０は、半導体スイッチ回路３０２０の固定端子３０２１と切り替え端子３０２２との接続の際、即ち、切り替え端子３０２３の固定端子３０２１からの遮断の際に、差動増幅器３０５０を通して放電する。
【０１００】
本第２実施形態において、コンデンサ３０６０の静電容量と半導体スイッチ回路３０２０が固定端子３０２１を切り替え端子３０２３と接続させている状態で、コンデンサ３０６０、半導体スイッチ回路３０２０及び酸素ガスセンサ１０００の間で形成される充電時定数は小さい。また、半導体スイッチ回路３０２０が固定端子３０２１を切り替え端子３０２３から遮断させている状態で、コンデンサ３０６０及び差動増幅器３０５０とで形成される放電時定数は、上記充電時定数に比べて、かなり大きい。その他の構成は、上記第２実施形態と同様である。
【０１０１】
このように構成した本第２実施形態において、酸素ガスセンサ１０００を上記第１実施形態と同様に被測定雰囲気内に配設する。これに伴い、被測定雰囲気中の被測定ガスは、筒体１１００内に各流入口部１１２１から流入した後、拡散部材１４４０により拡散されて正側電極１４２０に流入する。一方、当該被測定ガスは、筒体１１００内に流入口部１１１１から流入した後、下側支持部材１２００の拡散律速孔部１２８０を通り負側電極１４３０に流入する。
【０１０２】
このような状態において、操作スイッチ３０３０がオフ状態にあって駆動回路３０１０の停止のもとコンデンサ３０６０が放電完了状態にあれば、可変基準電源３０７０からの基準電圧Ｖｒｅｆはコンデンサ３０６０の端子電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃよりも高く、基準電圧Ｖｒｅｆとコンデンサ電圧Ｖｃとの差は最大となっている（図６参照）。
【０１０３】
従って、このような基準電圧Ｖｒｅｆとコンデンサ電圧Ｖｃとの差が差動増幅器３０５０により差動増幅されて差動増幅電圧として直流電流計３０４０を通して半導体スイッチ回路３０２０に出力される。
【０１０４】
このような段階にて、操作スイッチ３０３０をオンするとともに、駆動回路３０１０を作動させると、操作スイッチ３０３０は半導体スイッチ回路３０２０の固定端子３０２１を酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００にそのリード線１７２０を介し接続するとともに、駆動回路３０１０はパルス駆動信号を順次半導体スイッチ回路３０２０に出力する。
【０１０５】
しかして、このように駆動回路３０１０がパルス駆動信号を順次半導体スイッチ回路３０２０に出力すると、この半導体スイッチ回路３０２０は、駆動回路３０１０から順次出力されるパルス駆動信号のローレベルＬへの変化に基づき、固定端子３０２１を切り替え端子３０２２に接続する。また、当該半導体スイッチ回路３０２０は、駆動回路３０１０から順次出力されるパルス駆動信号のハイレベルＨへの変化に基づき、固定端子３０２１を切り替え端子３０２３に接続する。
【０１０６】
換言すれば、半導体スイッチ回路３０２０は、上記パルス駆動信号のローレベルＬへの変化毎に、差動増幅器３０５０の出力端子を直流電流計３０４０及び操作スイッチ３０３０を介し酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００に接続するとともにコンデンサ３０６０の正側端子を操作スイッチ３０３０から遮断する。また、半導体スイッチ回路３０２０は、上記パルス駆動信号のハイレベルＨへの変化毎に、コンデンサ３０６０の正側端子を操作スイッチ３０３０を介し正側接続端子１７００に接続するとともに差動増幅器３０５０の出力端子を操作スイッチ３０３０から遮断する。
【０１０７】
従って、駆動回路３０１０から順次出力されるパルス駆動信号がローレベルＬになる毎に、差動増幅器３０５０から上述のように出力される差動増幅電圧は、直流電流計３０４０、半導体スイッチ回路３０２０の切り替え端子３０２２及び固定端子３０２１並びに操作スイッチ３０３０を通り酸素ガスセンサ１０００の正側接続端子１７００と負側接続端子１６００との間に印加される。このことは、駆動回路３０１０から順次出力されるパルス駆動信号がローレベルＬになる毎に、差動増幅器３０５０から出力される差動増幅電圧はセンサ素子１４００の正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加されることを意味する。
【０１０８】
従って、上述のように差動増幅器３０５０からの差動増幅電圧がセンサ素子１４００の正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加される毎に、正側電極１４２０に上述のように流入する被測定ガス中の水蒸気が、正側電極１４２０上にて電気分解されてプロトンを生成する。これに伴い、当該プロトンは、プロトン伝導層１４１０の伝導作用のもと負側電極１４３０に汲み出され、水素ガスとして生成される。
【０１０９】
このとき、上述のようなプロトンの汲み出しに伴い生ずる直流電流が、センサ素子１４００の正側電極１４２０、プロトン伝導層１４１０及び負側電極１４３０、下側支持部材１２００並びに筒体１１００を通り流れる。
【０１１０】
現段階においては、上述のごとく、基準電圧Ｖｒｅｆとコンデンサ電圧Ｖｃとの差が最大となっていることから、上述のように正側電極１４２０上で生成されて負側電極１４３０に汲み出されるプロトンの量が多い。これに伴い、上述のように負側電極１４３０上において生成される水素ガスの量も多い。
【０１１１】
このような状態では、上記第１実施形態と同様に拡散律速孔部１２８０を通り負側電極１４３０に流入する被測定ガス中の酸素ガスが、上述のように負側電極１４３０上において多量に生成される水素ガスと反応して消費される。そして、このように消費された時点において、酸素ガスとは未反応の水素ガスが、負側電極１４３０上において余るようになる。その結果、負側電極１４３０上の水素ガスの濃度が急激に上昇する。
【０１１２】
これに伴い、正側電極１４２０上の水素ガスの濃度と負側電極１４３０上の水素ガスの濃度との間において差が生じ、この水素ガスの濃度の差が正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に電圧を発生させる。ここで、このように発生する電圧は上記差動増幅電圧に対し逆極性を有する。このことは、上述のように正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に発生する電圧は、差動増幅器３０５０からの差動増幅電圧に対し逆起電力として作用することを意味する。このため、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に実質的に印加される電圧は、差動増幅器３０５０の差動増幅電圧から上記逆起電力を減じた電圧に減少することとなる。
【０１１３】
また、上述のように正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に生ずる電圧は、上述のごとく駆動回路３０１０からのパルス駆動信号がハイレベルＨに変化する毎に、コンデンサ３０６０に印加されて当該コンデンサ３０６０を充電する。このため、コンデンサ３０６０は、上述のように正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に生ずる水素ガスの濃度の差に対応する電圧に応じたコンデンサ電圧Ｖｃを発生する。なお、コンデンサ３０６０のコンデンサ電圧Ｖｃは、上述のようにパルス駆動信号がハイレベルＨになる毎に、当該ハイレベルＨに対応する時間の経過前において、急激に増大する（図６参照）。
【０１１４】
以上のような動作を繰り返すことで、コンデンサ電圧Ｖｃは、図６にて示すごとく、階段状に増大しながら可変基準電源３０７０の基準電圧Ｖｒｅｆに近づくように増大していく。これに伴い、差動増幅器３０５０から出力される差動増幅電圧Ｖｄｉｆが、図６にて示すごとく、階段状に減少していく。従って、正側電極１４２０から負側電極１４３０に汲み出される水素ガスの量が階段状に飽和し、両電極１４２０、１４３０上の各水素ガスの濃度の差が一定となる。
【０１１５】
換言すれば、差動増幅器３０５０から酸素ガスセンサ１０００への差動増幅電圧が、コンデンサ電圧Ｖｃを基準電圧Ｖｒｅｆに維持するように、即ち、正側電極１４２０上の水素ガスの濃度を一定にするように制御される。これに伴い、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流の増大も抑制される。その結果、当該電流が飽和する。このような状態における上記電流は、拡散律速孔部１２８０を通り流入する酸素ガスの量、即ち、当該酸素ガスの濃度に比例する。
【０１１６】
従って、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を飽和させるに十分な差動増幅電圧が、差動増幅器３０５０でもって、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加されれば、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流を直流電流計３０４０でもって測定することで、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。
【０１１７】
以上述べたことから理解されるように、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に生ずる電圧を一定の電圧（基準電圧Ｖｒｅｆ）に維持するように、コンデンサ３０６０の充電制御のもと、差動増幅器３０５０の差動増幅電圧を、被測定ガス中の酸素ガスの濃度の増大或いは減少に応じて増大或いは減少させて、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に制御電圧として印加することで、負側電極１４３０上の水素ガスの濃度が一定に維持される。このため、このような状態において、正側電極１４２０から負側電極１４３０に流れる電流をポンプ電流として直流電流計３０４０により測定すれば、被測定ガス中の酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。その他の作用効果は、上記第１実施形態と同様である。
【０１１８】
ちなみに、本第２実施形態において、可変基準電源３０７０の基準電圧Ｖｒｅｆの最適な範囲を調べたところ、図７のグラフにて示すような結果が得られた。このグラフは、基準電圧の変化範囲をポンプ電流との関係で示す。この測定にあたり、その測定条件は次の通りである。
【０１１９】
本第２実施形態においては、上記第１実施形態と同様に、被測定ガスのガス組成を、２０（％）の酸素（Ｏ2）、２０（％）の水（Ｈ2Ｏ）及び窒素（Ｎ2）とし、当該被測定ガスの温度及び流量を、８０（℃）及び１０（リットル／分）とする。但し、基準電圧Ｖｒｅｆの変化範囲を０．５（Ｖ）〜１．５（Ｖ）の範囲以内とする。
【０１２０】
ここで、図７のグラフによれば、基準電圧が０．７（Ｖ）未満のときには、当該基準電圧はポンプ電流と共に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、基準電圧が０．７（Ｖ）未満のときには、負側電極１４３０上で生成される水素ガスの濃度が、拡散律速孔部１２８０を通り流入する酸素ガスの濃度よりも少ないため、当該水素ガスと未反応の酸素ガスが負側電極１４３０上において余ることとなる。従って、このときのポンプ電流は酸素ガスの濃度には反映しないため、基準電圧はポンプ電流と共に増大するからである。
【０１２１】
また、基準電圧が１．４（Ｖ）より増大するときには、基準電圧はポンプ電流と共に急激に増大することが分かる。これは次の理由による。即ち、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧よりも高い電圧が差動増幅器３０５０から差動増幅電圧として正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に印加されているために、ポンプ電流が基準電圧と共に急激に増大する。換言すれば、このような状態では、上側支持部材１３００の各流入口部１３２１から流入する水素ガスの量が、拡散律速孔部１２８０を通り流入する酸素ガスよりも多く、ポンプ電流は酸素ガスの濃度に反映しないため、基準電圧がポンプ電流と共に急激に増大するからである。
【０１２２】
また、基準電圧が、０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の範囲以内にあるときは、ポンプ電流が基準電圧に対し飽和する傾向にあることが分かる。その理由は次の通りである。即ち、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に実質的に印加される差動増幅電圧が、負側電極１４３０上の水素ガスの濃度の増大に伴う正側電極１４２０と負側電極１４３０との間の水素ガスの濃度の差に起因して生ずる電圧の逆極性作用でもって、増大しないため、ポンプ電流が基準電圧に対し飽和するからである。換言すれば、拡散律速孔部１２８０から流入する酸素ガスのすべてが、負側電極１４３０上において水素ガスと反応して消費されるために、ポンプ電流が基準電圧に対し飽和するからである。従って、このときのポンプ電流が酸素ガスの濃度に反映することとなる。
【０１２３】
以上のことから、基準電圧Ｖｒｅｆは、０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の範囲以内の電圧であれば、正側電極１４２０と負側電極１４３０との間に生ずる電圧を基準電圧Ｖｒｅｆに維持するように、差動増幅器３０５０の差動増幅電圧を制御することで、酸素ガスの濃度が精度よく検出され得る。
（第３実施形態）
図８は、本発明に係る酸素ガス検出装置の第３実施形態の要部を示している。この第３実施形態では、酸素ガス検出装置は、上記第１及び第２の実施形態のいずれかにて述べた酸素ガス検出装置において、酸素ガスセンサ１０００（図１、図２及び図５参照）に代えて、図８にて示す構成を有する酸素ガスセンサを採用した構成となっている。
【０１２４】
本第３実施形態の酸素ガスセンサは、上記第１及び第２の実施形態のいずれかにて述べた酸素ガスセンサ１０００をセンサ本体として、このセンサ本体に対し、ケーシング４１００、フィルタ４２００、環状シール１１５０及びヒータ４３００を付加した構成を有する。
【０１２５】
ケーシング４１００は、筒状のケーシング本体４１１０と、断面コ字状の蓋体４１２０とを備えており、このケーシング４１００は、蓋体４１２０をケーシング本体４１１０の開口部に嵌装することで構成されている。
【０１２６】
また、上記センサ本体、フィルタ４２００、環状シール１１５０及びヒータ４３００は、図８にて示すごとく、ケーシング本体４１１０内に次のように収容されている。上記センサ本体は、その筒体１１００の底壁１１１０にて、フィルタ４２００を介し、ケーシング本体４１１０の底壁４１１１の内面に着座している。ここで、環状シール１１５０は、筒体１１００のフランジ１１４０とケーシング本体４１１０の内壁の軸方向中間部位に形成した環状段部４１１２との間に気密的に挟持されている。
【０１２７】
フィルタ４２００は、被測定ガスに対する撥水性及び透過性を兼ね備えたフィルタ材料でもって形成されており、このフィルタ４２００は、ケーシング本体４１１０の底壁４１１１に形成した流入口部４１１３を通り外部から流入するガスに付随する水滴を排除して酸素ガス等のガスのみを筒体１１００の流入口部１１１１に向けて透過させる。
【０１２８】
ヒータ４３００は、ケーシング本体４１１０内において上記センサ本体上に収容されているもので、このヒータ４３００は、筒状ボビン４３１０と、このボビン４３１０に同軸的に巻装したコイル４３２０とによって構成されている。ここで、上記センサ本体の正側接続端子１７００及び負側接続端子１６００は、ボビン４３１０の中央部に軸方向に形成した両挿通穴部４３１１を通り蓋体４１２０の上壁４１２１の中央に形成した両開口部４１２２から外部に突出している。また、コイル４３２０の両端子４３２１は、ボビン４３１０の両挿通穴部４３１１の間の部位を通り蓋体４１２０の上壁４１２１の中央から外部に延出している。
【０１２９】
なお、正側電極１４２０に流入する被測定ガスは、ケーシング４１００の流入口部４１１３からフィルタ４２００及び筒体１１００の周壁１１２０とケーシング本体４１１０の周壁との間の環状隙間を通り筒体１１００の流入口部１１２１から流入する。また、図８にて各符号４３２２は、圧着端子を示す。その他の構成は、上記第１或いは第２の実施形態と同様である。
【０１３０】
このように構成した本第３実施形態において、当該第３実施形態の酸素ガスセンサを、ケーシング本体４１１０の雄ねじ部４１１４にて、ガス配管（図示しない）の雌ねじ穴部内に締着する。これに伴い、ケーシング本体４１１０は、そのフランジ４１１５にて、上記ガス配管の周壁のうち上記取り付け穴部の近傍部位に着座する。
【０１３１】
このような状態において、ヒータ４３００をそのコイル４３２０の両端子４３２１にて加熱電源（図示しない）に接続すると、ケーシング４１００及び上記センサ本体がヒータ４３００によって加熱される。このため、上記被測定雰囲気の内部が高い湿度の雰囲気となっていても、ケーシング４１００内に結露が発生することがない。その結果、上記センサ本体の下側支持部材１２００の拡散律速孔部１２８０の詰まりを防止し得る。
【０１３２】
このような状態においては、被測定ガスが、ケーシング４１００の流入口部４１１３、フィルタ４２００及び筒体１１００の流入口部１１１１を通り、拡散律速孔部１２８０を円滑に通過する。従って、センサ素子１４００に流入する酸素ガスが不足することがない。よって、このような酸素ガスの濃度を検出回路２０００（図１参照）或いは検出制御回路３０００により検出することで、上記第１及び第２の実施形態のいずれかの場合よりも、より一層精度良く酸素ガスの濃度を検出し得る。その他の作用効果は、上記第１或いは第２の実施形態と同様である。
【０１３３】
なお、本発明の実施にあたり、上記実施形態に限ることなく、次のような種々の変形例が挙げられる。
（１）支持部材１２００に形成した拡散律速孔部１２８０は、単一の貫通孔部に代えて、複数の貫通孔部としてもよい。また、拡散律速孔部１２８０に代えて、アルミナ等の多孔質材料からなる柱状部を採用してもよい。なお、当該柱状部や拡散律速孔部１２８０は、拡散律速部として把握してもよい。
（２）両支持部材１２００、１３００の各基板は、セラミック材料に代えて、電気絶縁性合成樹脂でもって形成してもよい。
（３）可変基準電源３０７０に代えて、基準電圧Ｖｒｅｆを上述した０．７（Ｖ）〜１．４（Ｖ）の範囲内の電圧に設定してなる固定基準電圧電源を採用してもよい。
（４）酸素ガスセンサは、上記各実施形態にて述べた構成に限らず、次のような構成を有していてもよい。即ち、両支持部材１２００、１３００によりセンサ素子１４００を挟持する構成に代えて、両被導電性支持部材によりセンサ素子１４００を挟持する構成を採用し、かつ金属製筒体１１００に代えて電気絶縁性筒体を採用し、さらに正側及び負側の接続端子１７００、１６００を廃止するようにしてもよい。
【０１３４】
この場合には、センサ素子１４００の正側電極１４２０及び負側電極１４３０との間に可変直流電源２２００の直流電圧を印加し、或いは正側電極１４２０及び負側電極１４３０との間に半導体スイッチ回路３０２０を介するコンデンサ３０６０からの充電電圧を印加する。
（５）樹脂部材１５００は、電気絶縁性合成樹脂からなるものに限ることなく、適宜な材料からなる押圧部材であってもよい。これに伴い、支持部材１２００、１３００は、全体として、電気絶縁材料で形成するとともに、筒体１１００は、金属製に限ることなく、例えば、電気絶縁性合成樹脂で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本発明に係る酸素ガス検出装置の第１実施形態における酸素ガスセンサの断面を検出制御回路と共に示す図である。
【図２】図１の酸素ガスセンサの拡大断面図である。
【図３】上記第１実施形態における酸素ガスの濃度を、ポンプ電流との関係で示すグラフである。
【図４】上記第１実施形態における正側電極と負側電極との間への印加電圧（直流電圧）をポンプ電流との関係で示すグラフである。
【図５】本発明に係る酸素ガス検出装置の第２実施形態における酸素ガスセンサの断面を検出制御回路と共に示す図である。
【図６】上記第２実施形態における駆動回路、コンデンサ及び差動増幅器の各出力を時間の経過との関連で示すタイミングチャートである。
【図７】上記第２実施形態における可変基準電源の基準電圧をポンプ電流との関係で示すグラフである。
【図８】本発明に係る酸素ガス検出装置の第３実施形態における酸素ガスセンサの断面図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１０００…酸素ガスセンサ、１１００…筒体、１１１０…底壁、
１１１１、１１２１、１３２１…流入口部、１１２０…周壁、
１２００、１３００…支持部材、１２８０…拡散律速孔部、
１４１０…プロトン伝導層、１４２０…正側電極、１４３０…負側電極、
１５００…樹脂部材、２０００、３０００…検出制御回路、２２００…可変直流電源、
３０１０…駆動回路、３０２０…半導体スイッチ回路、３０６０…コンデンサ、
３０５０…差動増幅器、３０７０…可変基準電圧電源。
【図１】
2005321346.tif 000003
【図２】
2005321346.tif 000004
【図３】
2005321346.tif 000005
【図４】
2005321346.tif 000006
【図５】
2005321346.tif 000007
【図６】
2005321346.tif 000008
【図７】
2005321346.tif 000009
【図８】
2005321346.tif 000010