(57)【要約】  【課題】電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか正確に判定できる電気化学式ガスセンサ装置11を提供する。  【解決手段】切換手段21によって、電気化学式ガスセンサ15の作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放し、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加させる。正常な場合には対向電極13と参照電極14との間に電荷を蓄え、この蓄えた電荷の影響で電圧の印加を解除したときに作用電極12に流れる出力電流が変化する。異常な場合には電圧の印加を解除したときに作用電極12に流れる出力電流が変化しないか、小さい。対向電極13と参照電極14との間への電圧の印加を解除したときの出力電流を監視することにより、電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか判定する。  【選択図】図１
2005030955.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作用電極、対向電極、参照電極、およびこれら電極間に介在する電解質を有する電気化学式ガスセンサと、
この電気化学式ガスセンサを動作させる回路と、前記対向電極と参照電極との間に電圧を印加させる回路とを切り換える切換手段と、
前記作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる電流を測定する測定手段と
を具備していることを特徴とする電気化学式ガスセンサ装置。
【請求項２】
作用電極、対向電極および参照電極に接続され、作用電極の電位を一定に保つポテンシオスタットを具備し、
切換手段は、電気化学式ガスセンサにポテンシオスタットを接続する第１の接点と、電気化学式ガスセンサの作用電極、対向電極および参照電極からポテンシオスタットを開放し対向電極と参照電極との間に電圧を印加させる第２の接点とを切り換える
ことを特徴とする請求項１記載の電気化学式ガスセンサ装置。
【請求項３】
切換手段によって対向電極と参照電極との間に印加した電圧を解除したときに作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる電流の出力変化を監視し、この出力変化に応じて電気化学式ガスセンサの機能状態を判定する判定手段とを具備している
ことを特徴とする請求項１または２記載の電気化学式ガスセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか判定する電気化学式ガスセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気化学式ガスセンサは、低消費電力、出力特性がリニア、ガス選択性に優れるなどの特性を有していることから、工業用のガス濃度測定機器や、一酸化炭素などの検知警報器などに広く使用されている。
【０００３】
このような電気化学式ガスセンサでは、作用電極、対向電極、参照電極、およびこれら電極間に介在する電解質を有し、これら作用電極、対向電極および参照電極に接続されるポテンシオスタットにて作用電極の電位を一定に保つことにより、作用電極において検知対象のガスが接触して酸化もしくは還元反応を起こしたときに、作用電極から反応に応じた電流を出力し、この出力電流値に応じたガス濃度を検知できる。
【０００４】
ところで、電気化学式ガスセンサ内の各電極間の短絡または断線、各電極に接続する配線の接続不良、断線、短絡などの異常が起きた場合、出力電流はガスを検知していない状態と同様であるため、ガスを検知していないのか異常が起きているのかが区別できない。
【０００５】
そこで、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか否かを確認する方法が種々提案されている。例えば、作用電極と対向電極との間に過渡電圧を印加し、このとき正常であれば出力電流が変化するので、出力電流に変化がなければ異常と判定することができる（例えば、特許文献１参照）。しかし、作用電極や対向電極に断線などの異常がある場合には出力電流に変化がないので異常と判定できるが、参照電極に断線があったり参照電極が作用電極や対向電極に短絡しているなどの異常がある場合には正常な場合と同様に出力電圧が変化してしまう場合があり、正常に機能しているか正確に判定できない。
【０００６】
また、作用電極と対向電極との間に過渡電圧を印加したときに、出力電流の変化を監視することに加えて、作用電極と対向電極との間の電解電圧の変化を監視することで、作用電極、対向電極のいずれに異常がある場合にも異常と判定することができる（例えば、特許文献２参照）。しかし、作用電極、対向電極の異常を判定できるが、参照電極に断線があったり参照電極が作用電極や対向電極に短絡しているなどの異常があっても判定できず、正常に機能しているか正確に判定できない。
【特許文献１】実公昭６２−３９３１８号公報（第１−２頁、第３図）
【特許文献２】特許第２６１３３１６号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の方法では、作用電極と対向電極との間に過渡電圧を印加することで、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか判定しているが、参照電極に断線があったり参照電極が作用電極や対向電極に短絡しているなどの異常があっても正確に判定できず、正常に機能しているか正確に判定できない問題がある。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みなされたもので、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか正確に判定できる電気化学式ガスセンサ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】
請求項１記載の電気化学式ガスセンサ装置は、作用電極、対向電極、参照電極、およびこれら電極間に介在する電解質を有する電気化学式ガスセンサと、この電気化学式ガスセンサを動作させる回路と、前記対向電極と参照電極との間に電圧を印加させる回路とを切り換える切換手段と、前記作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる電流を測定する測定手段とを具備しているものである。
【００１０】
そして、この構成では、切換手段によって対向電極と参照電極との間に電圧を印加させることにより、正常な場合には対向電極と参照電極との間に電荷を蓄え、この蓄えた電荷の影響で電圧の印加を解除したときに作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる出力電流が変化するため、電圧の印加を解除したときの出力電流を監視することで、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか正確に判定される。
【００１１】
請求項２記載の電気化学式ガスセンサ装置は、請求項１記載の電気化学式ガスセンサ装置において、作用電極、対向電極および参照電極に接続され、作用電極の電位を一定に保つポテンシオスタットを具備し、切換手段は、電気化学式ガスセンサにポテンシオスタットを接続する第１の接点と、電気化学式ガスセンサの作用電極、対向電極および参照電極からポテンシオスタットを開放し対向電極と参照電極との間に電圧を印加させる第２の接点とを切り換えるものである。
【００１２】
そして、この構成では、切換手段によって対向電極と参照電極との間に電圧を印加させるとき、作用電極、対向電極および参照電極からポテンシオスタットを開放するため、電圧の印加時におけるポテンシオスタットの影響を防ぎ、電圧の印加を解除したときの出力電流から正確に判定可能となる。
【００１３】
請求項３記載の電気化学式ガスセンサ装置は、請求項１または２記載の電気化学式ガスセンサ装置において、切換手段によって対向電極と参照電極との間に印加した電圧を解除したときに作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる電流の出力変化を監視し、この出力変化に応じて電気化学式ガスセンサの機能状態を判定する判定手段とを具備しているものである。
【００１４】
そして、この構成では、判定手段によって、対向電極と参照電極との間に印加した電圧を解除したときに作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる電流の出力変化を監視し、この出力変化に応じて電気化学式ガスセンサの機能状態を判定するため、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか正確に判定される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１記載の電気化学式ガスセンサ装置によれば、切換手段によって対向電極と参照電極との間に電圧を印加させることにより、正常な場合には対向電極と参照電極との間に電荷を蓄え、この蓄えた電荷の影響で電圧の印加を解除したときに作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる出力電流が変化するため、電圧の印加を解除したときの出力電流を監視することで、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか正確に判定できる。
【００１６】
請求項２記載の電気化学式ガスセンサ装置によれば、請求項１記載の電気化学式ガスセンサ装置の効果に加えて、切換手段によって対向電極と参照電極との間に電圧を印加させるとき、作用電極、対向電極および参照電極からポテンシオスタットを開放するため、電圧の印加時におけるポテンシオスタットの影響を防ぎ、電圧の印加を解除したときの出力電流から正確に判定できる。
【００１７】
請求項３記載の電気化学式ガスセンサ装置によれば、請求項１または２記載の電気化学式ガスセンサ装置の効果に加えて、判定手段によって、対向電極と参照電極との間に印加した電圧を解除したときに作用電極および対向電極のいずれか一方に流れる電流の出力変化を監視し、この出力変化に応じて電気化学式ガスセンサの機能状態を判定するため、電気化学式ガスセンサが正常に機能しているか正確に判定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
図１に電気化学式ガスセンサ装置の回路図を示し、電気化学式ガスセンサ装置11は、作用電極12、対向電極13、参照電極14、およびこれら電極12〜14間に介在する図示しない電解質を有する電気化学式ガスセンサ15を備え、この電気化学式ガスセンサ15の作用電極12、対向電極13および参照電極14にポテンシオスタット16が接続されている。
【００２０】
ポテンシオスタット16は、オペアンプ17を用いた負帰還回路であり、オペアンプ17の反転入力端子（−）が参照電極14に接続され、オペアンプ17の非反転入力端子（＋）が接地されるとともに測定手段20を通じて作用電極12に接続され、オペアンプ17の出力端子が対向電極13に接続されている。このポテンシオスタット16では、オペアンプ17の反転入力端子（−）および非反転入力端子（＋）にそれぞれ入力される参照電極14からの負帰還電圧と作用電極12からの電圧との電位差が零になるように対向電極13に電圧を与え、結果として作用電極12の電位を一定に保つ。
【００２１】
電気化学式ガスセンサ15の作用電極12には、作用電極12に流れる電流を測定する測定手段20が接続されている。測定手段20は、例えば、作用電極12とポテンシオスタット16との間に負荷抵抗を接続し、作用電極12に流れる電流を負荷抵抗の両端から取り出して測定する。このとき、測定手段20は作用電極12に流れる電流を測定するように接続されているが、対向電極13に流れる電流を測定するように接続してもよい。
【００２２】
電気化学式ガスセンサ15を動作させる回路と、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加させる回路とを切り換える切換手段21を備え、この切換手段21は、対向電極13とオペアンプ17との間、参照電極14とオペアンプ17との間、および作用電極12と測定手段20との間にそれぞれ接続されたスイッチ22，23，24にて構成されている。これらスイッチスイッチ22，23，24は、電気化学式ガスセンサ15にポテンシオスタット16を接続する第１の接点A1，A2，A3と、電気化学式ガスセンサ15の作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放し対向電極13と参照電極14との間に電源から抵抗25，26によって分圧した電圧を印加させる第２の接点B1，B2，B3とを切り換える。これらスイッチ22，23，24は連動して一体に切り換えられる。
【００２３】
また、図３に電気化学式ガスセンサ装置のブロック図を示し、電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか否かの検査を自動的にする場合において、測定手段20で測定された出力電流に基づいて電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか自動判定する判定手段31、異常と判定したときに報知する報知手段32を備えている。
【００２４】
判定手段31は、切換手段21によって対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加させた後、電圧の印加を解除したときに作用電極12に流れる電流の出力変化によって電気化学式ガスセンサ15の機能は正常であるか、異常であるかを判定する。
【００２５】
次に、電気化学式ガスセンサ装置11の動作を説明する。
【００２６】
図１に示すように、電気化学式ガスセンサ装置11では、通常、切換手段21のスイッチ22，23，24が第１の接点A1，A2，A3に接続しており、電気化学式ガスセンサ15の機能が正常な状態において、ポテンシオスタット16にて作用電極12の電位を一定に保ち、作用電極12において検知対象のガスが接触して酸化もしくは還元反応を起こしたときに、作用電極12から反応に応じた電流を出力し、この出力電流値に応じたガス濃度を検知できる。
【００２７】
また、電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか検査する場合には、切換手段21のスイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3に切り換え、作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放し、対向電極13と参照電極14との間に電源から電圧を印加させた後、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3から第１の接点A1，A2，A3に戻し、対向電極13と参照電極14との間への電圧の印加を解除する。電圧の印加は短時間であり、図２に示すように、対向電極13と参照電極14との間にパルス状の電圧を印加する。なお、図１および図２には、作用電極12をＷ、対向電極13をＣ、作用電極14をＲと示す。
【００２８】
そして、電気化学式ガスセンサ15が正常に機能している場合には、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3に切り換え、作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放し、対向電極13と参照電極14との間に電源から電圧を印加した後、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3から第１の接点A1，A2，A3に戻し、対向電極13と参照電極14との間への電圧の印加を解除したとき、作用電極12に流れる出力電流が変化する。
【００２９】
これは、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加している間に、対向電極13と参照電極14との間に電荷を蓄え、この蓄えた電荷の影響で電圧の印加を解除したときに作用電極12に流れる出力電流が変化する。そして、電荷が開放されるとともに元の電流値に戻っていく。そのため、電圧の印加を解除したときの出力電流の変化、および変化した出力電流のピーク値や、元の電流値に回復するまでの時間などを監視することにより、電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか正確に判定できる。
【００３０】
また、作用電極12と参照電極14との間、参照電極14と対向電極13との間、作用電極12と参照電極14と対向電極13との間が短絡している場合、対向電極13、作用電極12、参照電極14と対向電極13、参照電極14と作用電極12、対向電極13と作用電極12が接続不良や断線などで開放している場合、作用電極12と参照電極14との間が短絡しかつ対向電極13が開放している場合、参照電極14と対向電極13との間が短絡しかつ作用電極12が開放している場合、電気化学式ガスセンサ15がない場合などの異常が発生する場合がある。
【００３１】
これらの異常が発生している場合には、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3に切り換え、作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放し、対向電極13と参照電極14との間に電源から電圧を印加した後、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3から第１の接点A1，A2，A3に戻し、対向電極13と参照電極14との間への電圧の印加を解除したときに、出力電流は変化しないか、変化しても小さな変化となる。これは、異常のために、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加している間に対向電極13と参照電極14との間に電荷を蓄えられないために出力電流が変化しないか、蓄えたとしても作用電極12の異常で出力電流が変化しないか、蓄えたとしてもセンサ内部の異常のため蓄える量が不十分となり出力電流の変化が小さくなる。
【００３２】
したがって、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3から第１の接点A1，A2，A3に戻し、対向電極13と参照電極14との間への電圧の印加を解除したときの出力電流を監視することにより、正常な場合には規定以上に変化するが、異常な場合には変化しないかまたは変化が小さく、異常が発生していることを確認できる。
【００３３】
また、参照電極14が開放している場合、作用電極12と対向電極13との間が短絡している場合、作用電極12と対向電極13との間が短絡しかつ参照電極14が開放している場合などの異常が発生している場合には、通常時の出力電流が正常な場合と異なっているため、異常が発生していることを判定できる。
【００３４】
さらに、この異常の場合におけるもう１つの判定手段としては、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3に切り換え、作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放したとき、出力電流は零となり、この後、スイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3から第１の接点A1，A2，A3に戻し、対向電極13と参照電極14との間への電圧の印加を解除したとき、出力電流が元の異常な値を示したままとなり、正常な電流値に戻ることはない。
【００３５】
したがって、スイッチ22，23，24を接点A1，A2，A3に切り換えたときの出力電流を監視することにより、正常な場合には出力電流が変化した後に元の電流値に回復するが、異常な場合には零から異常値に変化したままとなるため、異常が発生していることを確認できる。
【００３６】
このように、切換手段21のスイッチ22，23，24によって、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加させた後、電圧の印加を解除したときに出力電流に規定値以上の変化があり、かつその後、元の電流値に回復すれば電気化学式ガスセンサ15の機能が正常と判定でき、また、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加させた後、電圧の印加を解除したときに出力電流に変化がないときか、変化の小さいとき、または変化した後、正常な電流値に戻らないときに電気化学式ガスセンサ15の機能が異常と判定できるため、電気化学式ガスセンサ15が正常に機能しているか正確に判定できる。
【００３７】
切換手段21のスイッチ22，23，24によって、対向電極13と参照電極14との間に電圧を印加させるとき、作用電極12、対向電極13および参照電極14からポテンシオスタット16を開放するため、電圧の印加時におけるポテンシオスタット16の影響を防ぎ、電圧の印加を解除したときの出力電流の変化から正確に判定できる。
【００３８】
ここで、判定手段31の１つの方法として、例えば切換手段21のスイッチ22，23，24を第２の接点B1，B2，B3から第１の接点A1，A2，A3に戻す瞬間から計時して、略直後の出力電流の変化が大きい時間、すなわち数ミリ秒〜数百ミリ秒後を第１の計測時間とし、元の電流値に略回復している時間、すなわち数秒〜数十秒後を第２の計測時間として、第１の計測時間における出力電流の大きさと、第２の計測時間における出力電流の大きさを各々検証することにより、電気化学式ガスセンサ15が正常か異常かを判断する方法がある。
【００３９】
この場合、対向電極13と参照電極14との間に印加する電圧およびその印加時間に対する、第１の計測時間における出力電流および第２の計測時間における出力電流を、複数の正常であるセンサによって予め計測しておき、この結果により正常なセンサの第１の計測時間における出力電流のしきい値（第１のしきい値）および第２の計測時間における出力電流のしきい値（第２のしきい値）を定めておく。
【００４０】
そして、第１の計測時間における出力電流が第１のしきい値以上であり、かつ第２の計測時間における出力電流が第２のしきい値以下である場合に、電気化学式ガスセンサ15が正常であると判定できる。第１の計測時間における出力電流が第１のしきい値未満であるか、または第２の計測時間における出力電流が第２のしきい値を超える場合には、電気化学式ガスセンサ15が異常であると判定できる。
【００４１】
なお、切換手段21にはスイッチ22，23，24があるが、作用電極12と測定手段20との間に設けたスイッチ24が無い構成でも、出力電流のパターンは若干異なるものの、同様に電気化学式ガスセンサ15の正常か異常かを判定できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施の形態を示す電気化学式ガスセンサ装置の回路図である。
【図２】同上電気化学式ガスセンサ装置の対向電極と参照電極との間にパルス状の電圧を印加したときの電気化学式ガスセンサの機能状態に応じた出力電流の波形図である。
【図３】同上電気化学式ガスセンサ装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４３】
11    電気化学式ガスセンサ装置
12    作用電極
13    対向電極
14    参照電極
15    電気化学式ガスセンサ
16    ポテンシオスタット
20    測定手段
21    切換手段
31    判定手段
A1，A2，A3    第１の接点
B1，B2，B3    第２の接点
【図１】
2005030955.tif 000003
【図２】
2005030955.tif 000004
【図３】
2005030955.tif 000005