(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電性を有し、一対の電極を備えた固体電解質体を、表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、その一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に通気性の一酸化炭素酸化触媒層を当接した一酸化炭素センサ。
【請求項２】
酸素イオン導電性を有し、ワイヤー接続部を有する一対の電極を備えた固体電解質体を、上記ワイヤー接続部と対向する部分に切欠部を形成し、表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に通気性の一酸化炭素酸化触媒層を当接した一酸化炭素センサ。
【請求項３】
酸素イオン導電性を有し、ワイヤー接続部を有する一対の電極を備えた固体電解質体を、上記ワイヤー接続部と対向する部分に切欠部を形成し、表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に多孔質の一酸化炭素酸化触媒層を当接し、ワイヤーを接続した上記ワイヤー接続部をセラミック層により被覆した一酸化炭素センサ。
【請求項４】
一対のガス選択透過体の表面に設けた加熱手段の形状を同一とした請求項１ないし３のいずれか１項に記載の一酸化炭素センサ。
【請求項５】
酸素イオン導電性を有し、一対の電極を備えた固体電解質体を、挟持する一対のガス選択透過体の表面にそれぞれ設けた加熱手段には、それぞれ独立して制御した電力量を供給する一酸化炭素センサの制御方法。
【請求項６】
酸素イオン導電性を有し、一対の電極を備えた固体電解質体を、挟持する一対のガス選択透過体の表面にそれぞれ設けた加熱手段へ供給する電力量は、それぞれ独立して制御し、前記加熱手段のインピーダンスは一定に制御する一酸化炭素センサの制御方法。
【請求項７】
酸素イオン導電性を有し、一対の電極を備えた固体電解質体を、それぞれの表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に通気性の一酸化炭素酸化触媒層を当接させた一酸化炭素センサが燃焼機器の燃焼状態を検出する手段を有し、この燃焼状態を検出する手段の信号によって、前記それぞれの加熱手段へ供給する電力量は、それぞれ独立して制御する一酸化炭素センサの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼機器における空燃比の制御、燃焼機器における不完全燃焼の警報等に使用される一酸化炭素センサとその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一酸化炭素センサにおいては、図９に示すように、一酸化炭素センサ素子をガス選択透過性を有さないセラミック製の多孔筒体内に保持している（例えば特開昭５９−１０９８５６号公報参照）。すなわち、図９においてガス選択透過性を有さない多孔質セラミック製の筒体１０１の中に、両面に電極１０２，１０３を設置した固体電解質体１０４を位置させて隔壁を形成し、この隔壁の一方の側に、一酸化炭素を含む可燃性ガスの酸化触媒として作用する粒子１０６を充填し、他方の側に、一酸化炭素以外の可燃性ガスの酸化触媒として作用する粒子１０７を充填し、筒体１０１の両開口端をセラミック板１０８により封着したこの筒体１０１の外部を加熱用ヒーターのような加熱手段１０９により加熱してセンサ動作を安定化させる構成としている。そして、多孔質セラミック製の筒体１０１の壁面を通過して内部の固体電解質体１０４に到達した一酸化炭素を検知するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図９に示すような従来の一酸化炭素センサにあっては、燃焼排気ガス中に一酸化炭素センサを設置した場合、筒体１０１がガス選択透過性を有さないので、一酸化炭素ガスのみならず、分子量の大きい有機性物質，窒素酸化物，硫化物などのガスが多孔質セラミックの細孔を通過して酸化触媒の粒子１０６，１０７、あるいは、固体電解質体１０４に設定した電極１０２，１０３に到達する惧れがあった。
【０００４】
その結果、一酸化炭素を含む可燃性ガスの酸化触媒である粒子１０６、一酸化炭素ガス以外の可燃ガスの酸化触媒である粒子１０７、あるいは電極１０２，１０３が汚染されるという課題を有していた。また、汚染により、一酸化炭素の検知出力が低下すると、一酸化炭素の発生が検出できなくなったり、または、一酸化炭素が発生していない環境でも検知出力を出したり、すなわちゼロ点が経時変動したりするという課題を有していた。さらに、センサ動作を安定化させるための加熱用ヒータ１０９が筒体１０１の外部に取り付けてあるため、加熱効率が悪く、エネルギー消費が多いという課題も有していた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、酸素イオン導電性を有し、一対の電極を備えた固体電解質体を、それぞれの表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に通気性の一酸化炭素酸化触媒層を当接することとし、上記加熱手段へ供給する電力量はそれぞれ独立に制御することとしている。
【０００６】
そして、ガス選択透過体の孔径を制御して通気性を制限することによって、分子量の大きい有機性物質や窒素酸化物等のガスは通過できずに除去され、固体電解質および電極部に到達してこれらを汚染し、検知特性を劣化させるのを防止することができ、また、ガス選択透過体の表面に加熱手段を設置したことにより、一酸化炭素酸化触媒層，ガス選択透過体および固体電解質体を効率的に加熱して作用能力を向上させることができ、さらに、最適な動作温度が得られるようにそれぞれの加熱手段を制御することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、酸素イオン導電性を有し、一対の例えば白金電極を備えた固体電解質体を、表面に白金ヒータのような加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段を覆うように通気性で多孔質の一酸化炭素酸化触媒層を当接させたものであり、固体電解質体を挟持するガス選択透過体の表面に加熱手段を設置したことにより、固体電解質体および一酸化炭素酸化触媒層を効率的に加熱して動作させることができる。
【０００８】
また、酸素イオン電動性を有し、ワイヤー接続部を有する一対の電極を備えた固体電解質体を、上記ワイヤー接続部と対向する部分に切欠部を形成し、表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に通気性で多孔質の一酸化炭素酸化触媒層を当接させたものである。そして、電極のワイヤー接続部を除いた部分がガス選択透過体で覆われることになるので、電極とガス選択透過体との密着性を確保し、ワイヤー接続部を挟み込んだ隙間からガスが電極面に進入して電極が被毒されるのを防ぐことができ、センサの長寿命化を図ることができる。
【０００９】
また、酸素イオン導電性を有し、ワイヤー接続部を有する一対の電極を備えた固体電解質体を、上記ワイヤー接続部と対向する部分に切欠部を形成し、表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に通気性で多孔質の一酸化炭素酸化触媒層を当設し、ワイヤーを接続した上記ワイヤー接続部をセラミック接着剤のようなセラミック層により被覆したものである。そして、セラミック層によりワイヤー接続部を保護することによって、被毒ガスからワイヤーおよび電極を保護することができるとともにワイヤー接続部の引っ張り強度を強化させることができる。
【００１０】
また、一対のガス選択透過体の表面に設けた加熱手段の形状を同一にしたものであり、ガス選択透過体の上面および下面に設けた加熱手段の形状を同一にすることにより、糸の対称性を確保することができ、固体電解質のそれぞれの電極面には気体を同程度に流通させることができ、一酸化炭素の検知を確実に行うことができる。
【００１１】
また、酸素イオン導電性を有し、一対の電極を備えた固体電解質体を挟持する一対のガス選択透過体の表面にそれぞれ設けた加熱手段へ供給する電力量は、それぞれ独立して制御するものであり、一酸化炭素を酸化する触媒と電極とを最適に動作させるようにバランスのとれた電力で加熱することができ、センサとしての能力を最大限に引き出すことができる。
【００１２】
また、酸素イオン導電性を有し、一対の白金電極のような電極を備えた固体電解質体を挟持する一対のガス選択透過体の表面にそれぞれ設けた加熱手段へ供給する電力量は、それぞれ独立して制御し、前記加熱手段のインピーダンスは一定に制御するものであり、加熱手段の温度抵抗特性を利用して固体電解質体の電極面を一定の温度に加熱することができ、センサの出力を安定化させることができる。
【００１３】
さらに、酸素イオン導電性を有し、白金電極のような電極を一対備えた固体電解質体を、表面に加熱手段を設けた一対のガス選択透過体により挟持し、一方のガス選択透過体に設けた加熱手段に、これを覆うように通気性で多孔質の一酸化炭素酸化触媒層を当接させた一酸化炭素センサが、燃焼機器の燃焼状態を検出する手段を有し、この燃焼状態を検出する手段の信号によって、前記加熱手段のそれぞれへ供給する電力量は、それぞれ独立して制御するものであり、燃焼機器の燃焼状態に応じて最適のセンサ検知状態を実現することができ、燃焼機器の安全性の向上，空気の清浄化の向上に寄与させることができる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図１ないし図８を用いて説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における一酸化炭素センサについて、その要部を切欠した斜視図である。
【００１６】
図１において、１，２は平板状のガス選択透過体で、アルミナ粉末、あるいはジルコニア粉末を焼成して１ミクロン程度の細孔を有する多孔質の平板を作成し、ついで、ゾル・ゲル法等の手法でその孔を埋めて孔径を調整したものであり、その孔径は１００オングストローム以下に制御している。
【００１７】
ガス選択透過体１，２が有する細孔の孔径を１００オングストローム以下に制御することにより、細孔を通過するガス量は、そのガスの分子量の平方根に逆比例して抑制されるので（グラハムの法則）、検知性能に影響を及ぼす二硫化炭素のような分子量の大きなガスがガス選択透過体１，２を通過するのを大幅に低減することができる。また、ＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・デポジット）法等により細孔の孔径を調整して制御すると、１０オングストローム程度まで孔径を制御することができ、１０オングストロームにまで細孔の孔径を制御することにより、いわゆる分子ふるいが実現できるので、一酸化炭素より小さい分子のガスだけを通過させ、それより大きな分子のガスは通過させないガスフィルターを実現することができる。
【００１８】
３は一酸化炭素の酸化触媒の含浸保持したセラミックペーパーで、多孔質で通気性を有し、ガス選択透過体１の表面を覆っている。４は酸素イオン導電性を有する固体電解質体で、その表裏両面には白金からなる一対の電極５を設置し、これらの電極５は、エレクトロンビーム蒸着法，スパッタリング法、または厚膜印刷法などにより形成することができる。６はガス選択透過体１，２および固体電解質体４の周囲を封止して側面から電極５へガスが流入するのを抑止している。セラミック接着剤層である。７，８は固体電解質体４、およびセラミックペーパー３を加熱してセンサとして動作させる白金ヒータで、ガス選択透過体１，２の表面に形成される。なお、一方のガス選択透過体１の表面に設けた白金ヒータ７はセラミックペーパー３と当接している。
【００１９】
上記のように構成した一酸化炭素センサの作用について説明する。一酸化炭素センサに到着した一酸化炭素ガスはセラミックペーパー３およびガス選択透過体１を通過するが、分子量の大きなガスは通過できない。そして、通過した一酸化炭素ガスは、セラミックペーパー３を通過する時に酸化されるので固体電解質４の表面に設置した電極５には到達しない。従って、電極５の面上では式（１）で示される反応によって酸素がイオン化される。
【００２０】
Ｏ2 ＋２e-→Ｏ2-            （１）
一方、固定電解質４の裏面に、電極５と対向して設置されている電極（図１では図示していない）の面上では、ガス選択透過体２を通過して到達して来る一酸化炭素ガスがあるので、式（１）に示される反応の他に、式（２）で示される反応も起こっている。
【００２１】
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2 ＋２e-    （２）
そして、固体電解質４の表面に設置した電極５と裏面に設置した電極との面上での式（１），（２）による反応の差によって電極間に電位差が発生し、その電位差は、一酸化炭素の濃度に応じて変化するので、一酸化炭素センサとして動作させることができる。
【００２２】
なお、白金ヒータ７，８は、式（１），（２）の反応が安定した状態で進行するように、セラミックペーパー３、および固体電解質体４を傍熱するための熱源であり、白金ペーストを厚膜印刷し、ついで焼成したのちエッチングすることによりガス選択透過体１，２の表面に形成されている。
【００２３】
このように、ガス選択透過体１および２の間に、表面電極５を有する固体電解質体４を設置し、ガス選択透過体１，２により挟持した状態にすることによって、雰囲気ガス中に含まれる汚染物質により電極が汚染されるのを防ぐことができるとともに、白金ヒータ７，８をガス選択透過体１，２の表面に形成することによって、効率的に固体電解質体４を傍熱し、センサ反応を安定に促進させることができる。
【００２４】
（実施例２）
図２は、本発明の実施例２における一酸化炭素センサのガス選択透過体の斜視図である。
【００２５】
図２において、７，８はそれぞれガス選択透過体の１，２の表面に形成された白金ヒータで、印刷法、あるいは蒸着法により、同じ大きさおよびパターンで対称的に形成されている。
【００２６】
上記のように、ガス選択透過体１，２の表面に形成する白金ヒータ７，８を同じ形状に構成することにより、ガス選択透過体１，２の閉塞度も同等に保持することができ、ガス選択透過体１，２を通過する気体量はほぼ同じにすることができるので、実施例１で説明した式（１）、ならびに式（２）で示した反応は、気体中に含まれている一酸化炭素ガスの濃度に応じて起こり、一酸化炭素の検出を正確に出力することができる。
【００２７】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３における一酸化炭素センサの斜視図である。
【００２８】
固体電解質体４の表面に形成する電極５の一部、例えば角部は、固体電解質体４の角面に印刷法などにより形成し、この部分を電極５から出力を外部へ取り出すためにワイヤー１０を取り付けるワイヤー接続部１１として形成している。固体電解質体４を挟持するガス選択透過体１には、このワイヤー接続部１１と対向する部分を切り欠いた切欠部１８を設けている。そしてガス選択透過体１は固体電解質体４に形成したワイヤー接続部１１を除いた部分を覆うように設置されている。
【００２９】
上記のように構成することによって、ガス選択透過体１，２により固体電解質体４を挟持して電極５を覆った時、ワイヤー接続部１１に取り付けたワイヤー１０を挟み込むことがないので、電極５とガス選択透過体１とが密着してその間に隙間を作ることがなく、この隙間から腐食ガス等が侵入して電極面を汚染するのを防ぐことができる。
【００３０】
（実施例４）
図４は本発明の実施例４における一酸化炭素センサの斜視図である。
【００３１】
固体電解質体４の表面に形成する電極の一部、例えば角部は固体電解質体４の角面に印刷法などにより形成し、この部分を電極から出力を外部へ取り出すためにワイヤー１０のワイヤー接続部１１として形成している。固体電解質体４と接触するガス選択透過体１は、このワイヤー接続部１１と対向する部分を切り欠いて切欠部を設け、固体電解質体４を覆うように設置されており、かつワイヤー接続部１１はセラミック接着剤９により覆われたものである。
【００３２】
上記のように構成することにより、ワイヤー１０のワイヤー接続部１１が腐食ガスに露出されるのを防ぐことができるとともに、ワイヤー１０とワイヤー接続部１１との取り付け強度の強化を図ることができ、センサーの信頼性を向上することに寄与することができる。
【００３３】
（実施例５）
図５は、本発明の実施例５における一酸化炭素センサの制御部の構成説明図である。
【００３４】
ガス選択透過体１の表面に形成した白金ヒータ７およびガス選択透過体２の表面に形成した白金ヒータ８には、それぞれ独立して電力を供給する電源１２および電源１３を備えている。
【００３５】
上記のように構成することによって白金ヒータ７，８の電力バランスを、制御手段により任意に設定することができ、酸化触媒を保持したセラミックペーパー（図１参照）に近い側の白金ヒータ７へ供給する電力は小さくし、反対側の白金ヒータ８へ供給する電力は大きくして、触媒を最適に活性化させる温度、および固体電解質体を最適に動作させる温度に設定することが可能となる。
【００３６】
（実施例６）
図６は、本発明の実施例６における一酸化炭素センサの制御部の構成説明図である。実施例５で説明した構成と異なる点は、電源１２，１３から白金ヒータ７，８に供給される電流値を計測することができる電流計１４，１５をそれぞれ備えている点である。
【００３７】
上記のように構成することによって、電源１２，１３の電圧値および電流値を検知し、白金ヒータ７，８の抵抗値を検知することができる。白金ヒータ７，８は図７に示すような抵抗温度特性を有しており、上記のようにして検知した抵抗値から白金ヒータ７，８の温度を知ることによって、触媒を最適に活性化させる温度、および固体電解質体を最適に動作させる温度に設定することが可能となる。
【００３８】
（実施例７）
図８は、本発明の実施例７における一酸化炭素センサの制御部の構成説明図である。
【００３９】
実施例６において説明した構成に、さらにフレームロッド１６を備え、このフレームロッド１６の出力を着火検出器１７で検出して、電源１２，１３を制御している。
【００４０】
上記のように構成することによって、燃焼機器が動作している時、すなわちフレームロッド１６の出力を着火検出器１７により検出している時は、白金ヒータ７，８の動作温度を５００℃程度に保持して、一酸化炭素に対する応答特性を改善し、不完全燃焼等による一酸化炭素の発生を迅速に検出するので、一酸化炭素による中毒事故等を未然に防ぐことができる。一方、燃焼機器が動作していない時、すなわちフレームロッド１６の出力を着火検出器１７により検出していない時は、白金ヒータ７，８の動作温度４００℃程度に保持して、応答時間は長くなるが、一酸化炭素による感度が改善されるので、室内空気中の一酸化炭素濃度の増加を確実に検出することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明した各請求項に記載されるような形態で実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００４２】
請求項１によれば、固体電解質体う挟持する一対のガス選択透過体に、それぞれ加熱手段を設置したことにより、固体電解質体と一酸化炭素を酸化する触媒とを効率的に加熱して検知動作を確実にすることができる。
【００４３】
また、請求項２によれば、固体電解質体の電極にワイヤー接続部を設け、このワイヤー接続部と対向する部分を切欠したガス選択透過体を用いてワイヤーの挟み込みを防止したことにより、電極面とガス選択透過体との密着性が良くなって、腐食性のガスの流入を阻止し、腐食性のガスによって電極面が被毒されることを防止することができる。
【００４４】
また、請求項３によれば、ワイヤー接続部をセラミック接着剤のようなセラミック層で覆ったことにより、被毒ガスの侵入を阻止し、物理的強度を補うことができ、センサの信頼性の一層の向上を図ることができる。
【００４５】
また、請求項４によれば、気体が一対の電極に達する経路は、加熱手段の形状を含め対称的になっているので、一酸化炭素センサの検知を確実に行うことができる。
【００４６】
また請求項５によれば、一対のガス選択透過体にそれぞれ設けた加熱手段の通電電力量を独立して制御することによって、一酸化炭素を酸化する触媒および固体電解質体を最適な温度帯で均質に加熱し、センサの能力を最適化することができる。
【００４７】
また、請求項６によれば、加熱手段の温度抵抗特性を利用して白金ヒータのような加熱手段を一定のインピーダンスになるよう制御することによって、加熱手段の温度を一定に保持することが可能となる。
【００４８】
さらに、請求項７によれば、燃焼機器の燃焼状態を検知して加熱手段の温度を制御し、燃焼している時とそれ以外の時とにおけるセンサの一酸化炭素検知特性を最適な状態に保つことにより、燃焼機器の安全性の向上、空気の清浄化の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における一酸化炭素センサの要部を切欠した斜視図
【図２】本発明の実施例２による一酸化炭素センサにおけるガス選択透過体の斜視図
【図３】本発明の実施例３における一酸化炭素センサの斜視図
【図４】本発明の実施例４における一酸化炭素センサの斜視図
【図５】本発明の実施例５における一酸化炭素センサの制御部の構成説明図
【図６】本発明の実施例６における一酸化炭素センサの制御部の構成説明図
【図７】同制御部が有する白金ヒータの抵抗温度特性図
【図８】本発明の実施例７における一酸化炭素センサの制御部の構成説明図
【図９】従来における一酸化炭素センサの断面図
【符号の説明】
１，２  ガス選択透過体
３  セラミックペーパー（一酸化炭素酸化触媒層）
４  固体電解質体
５  電極
７，８  白金ヒータ（加熱手段）
１１  ワイヤー接続部
１２，１３  電源
１４，１５  電流計
１７  着火検出器（燃焼状態検出手段）
１８  切欠部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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