(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
限界電流式酸素センサと、この限界電流式酸素センサのカソード電極とアノード電極間に第１の電圧を印加する第１の電源と、前記限界電流式酸素センサの加熱部に第２の電圧を印加する第２の電源と、前記第１の電源と第２の電源による印加電圧を制御する制御手段と、前記限界電流式酸素センサの出力より限界電流を計測し、その計測結果より酸素濃度を演算する演算手段とを備え、前記演算手段は、前記制御手段の制御により前記カソード電極とアノード電極間に異なる値の第１の電圧を交互に印加時における前記限界電流式酸素センサの出力の比率を演算し、制御手段はこの比率がほぼ１対１になるように前記第２の電圧値を上昇制御することを特徴とする限界電流式酸素センサ。
【請求項２】
前記演算手段は、前記制御手段による第２の電圧上昇制御により前記比率がほぼ１対１になったときの第２の電圧値に、ヒータ電圧記憶手段に記憶された前記限界電流式酸素センサの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定することを特徴とする請求項１に記載の限界電流式酸素センサ。
【請求項３】
限界電流式酸素センサの加熱部に所定の第２の電圧を印加した状態で、前記限界電流式酸素センサのカソード電極とアノード電極間に第１の電圧を、異なる電圧値にて交互に印加する工程と、前記第１の電圧を交互に印加時における前記限界電流式酸素センサの出力の比率を演算する工程と、この比率がほぼ１対１になった否かを判定し、前記ほぼ１対１にならない場合は前記第２の電圧値を上昇させる工程と、前記第２の電圧上昇の結果、比率がほぼ１対１に至ったならば現第２の電圧値を測定する工程と、この測定された第２の電圧値に、前記限界電流式酸素センサの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定する工程とを含むことを特徴とする限界電流式酸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】
本発明は限界電流式酸素センサに関し、特に限界電流式酸素センサの最適駆動ヒータ電圧を求める限界電流式酸素センサおよびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の限界電流式酸素センサとしては、例えば、図９のブロック図にその構成および断面を示す限界電流式酸素センサがある。図において、１０１は酸素イオン伝導性を備えた固体電解質板であり、その一方の面にカソード電極膜１０２ａ、他方の面にアノード電極膜１０２ｂが形成されている。また、カソード電極膜１０２ａを囲み、始端と終端が互いに間隔を有する螺旋型スペーサ１０４が配置され、シール板１０５がその上部に配置されている。また、シール板１０５の外面には加熱部１０７が設けられている。
【０００３】
限界電流式酸素センサは図１０の（Ａ）に示すように、多孔質アルミナ基板ＡＳ上に固体電解質板を構成するジルコニア感ガス膜ＧＭを挟んで白金陽極Ａからなるアノード電極膜と白金陰極Ｋからなるカソード電極膜が形成されている。また図１０の（Ｂ）に示すように多孔質アルミナ基板ＡＳ上に白金ヒータ膜Ｈからなる加熱部（ヒータ）が形成されている。
【０００４】
また、螺旋型スペーサ１０４とシール板１０５とで拡散律速体が構成されている。酸素拡散通路１０６は、螺旋型スペーサ１０４の相対する隔壁と固体電解質板１０１とシール板１０５とで囲まれる螺旋型の空間で形成され、酸素はこの酸素拡散通路１０６を経由してカソード電極膜１０２ａへ拡散する。
【０００５】
加熱部１０７は電源１１５により電圧を印加し、その発熱で固体電解質板１０１を加熱して酸素イオンの伝導性を良くしている。また、カソード電極膜１０２ａとアノード電極１０２ｂにはスイッチＳＷのＯＮに伴い抵抗１１０を介して電源１０８により電圧が印加される。
【０００６】
加熱部１０７により固体電解質板１０１を所定の温度（駆動温度）に加熱した状態で、固体電解質板１０１の両面に形成したカソード電極膜１０２ａとアノード電極膜１０２ｂ間に所定の電圧を印加すると、空気中の酸素は、酸素拡散通路１０６を経由して流入し、固体電解質板１０１内をカソード電極膜１０２ａからアノード電極膜１０２ｂに向かって酸素イオンが流れる。
【０００７】
この酸素ポンプ作用によって固体電解質板１０１内を酸素が移動するが、酸素拡散通路１０６によって酸素分子の流入が制限されるため、酸素濃度に対応した飽和電流（以下、限界電流と記載する。）が生じる。この限界電流値を計測することにより酸素濃度が判明する。また、この限界電流値はカソード電極膜１０２ａとアノード電極膜１０２ｂとの間に印加する電圧値にかかわらず一定であるので、電圧値を変化させても一定の電流値が得られるときは、限界電流が得られているものと判断できる。
【０００８】
限界電流式酸素センサは動作温度を決定維持するためのヒータ電圧の決定方法として、センサの温度をさまざまな方法で計測や予測して、予め動作に適すると思われる温度でセンサが動作されるようにヒータ電圧を決定している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来は以上のように、センサのヒータ電圧決定の際に、センサ固有の特性に拘わらず一義的に、即ち、センサの特性が温度に依存することでセンサの動作温度を基準としてセンサに付与するヒータ電圧を決定していた。
【００１０】
しかし、実際はセンサの特性として低酸素濃度から大気中酸素濃度付近まで全域を満たす濃度直線特性が得られる動作温度は、個々のセンサそれぞれ異なっており、一つの動作温度をすべてのセンサに適用すると、個々のセンサが有している固有の最適動作温度のバラツキにより満足する濃度直線特性が得られないという問題点がある。
【００１１】
そこで、個々のセンサで最適動作温度を得るために個々にヒータ電圧を調整する必要が生じるが、従来はセンサの酸素濃度に感応するセンサプレート（アノ−ド）部の特性とヒータ電圧の関係に着目し、個々のセンサのヒータに印加する動作電圧を決定する方法に関しては言及されていなかった。
【００１２】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、個々のセンサにおける温度特性のバラツキに依存せず、動作濃度全域で一定のヒータ駆動電圧値を決定することのできる限界電流式酸素センサおよびその制御方法を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る限界電流式酸素センサは、図１の基本構成図に示すように、限界電流式酸素センサＳと、この限界電流式酸素センサＳのカソード電極Ｋとアノード電極Ａ間に第１の電圧を印加する第１の電源Ｂ１と、前記限界電流式酸素センサＳの加熱部Ｈに第２の電圧を印加する第２の電源Ｂ２と、前記第１の電源Ｂ１と第２の電源Ｂ２の印加電圧を制御する制御手段ＣＯと、前記限界電流式酸素センサＳの出力より限界電流を計測し、その計測結果より酸素濃度を演算する演算手段ＯＰとを備え、前記演算手段ＯＰは、前記制御手段ＣＯの制御により前記カソード電極Ｋとアノード電極Ａ間に異なる値の第１の電圧を交互に印加時における前記限界電流式酸素センサＳの出力の比率を演算し、制御手段ＣＯはこの比率がほぼ１対１になるように前記第２の電圧値を上昇制御させ、電圧上昇制御により前記比率をほぼ１対１になった第２の電圧値に、ヒータ電圧記憶手段Ｍにき記憶された前記限界電流式酸素センサＳの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定する。
【００１４】
この発明によれば大気中酸素濃度測定雰囲気において、カソード電極とアノード電極間に印加する第１の電圧を異なる値にして交互に印加させた際の限界電流式酸素センサにおける２出力の比率を求め、この比率が１対１近くに上がるよう第２の電圧を上昇、１対１近くになったならば第２の電圧値を測定し、この測定された第２の電圧値に前記限界電流式酸素センサＳの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定する。
【００１５】
この発明に係る低酸素濃度計測方法は、限界電流式酸素センサＳの加熱部Ｈに所定の第２の電圧を印加した状態で、前記限界電流式酸素センサＳのカソード電極Ｋとアノード電極Ａ間に第１の電圧を異なる電圧値にて交互に印加する工程と、前記第１の電圧を交互に印加時における前記限界電流式酸素センサＳの出力の比率を演算する工程と、この比率がほぼ１対１なった否かを判定し、前記１対１以上にならない場合は前記第２の電圧値を上昇させる工程と、前記第２の電圧値上昇の結果、比率がほぼ１対１に至ったならば現第２の電圧値を測定する工程と、この測定された第２の電圧値に、前記限界電流式酸素センサＳの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定する工程とを含む。
【００１６】
この発明によれば大気中酸素濃度測定雰囲気において、カソード電極とアノード電極間に印加する第１の電圧を異なる値にして交互に印加させる工程を経て、次の工程で限界電流式酸素センサにおける２出力の比率を求め、この比率が１対１近くに上がるよう第２の電圧値を上昇させ、１対１近くになったならば、次の工程で第２の電圧値を測定し、この測定された第２の電圧値に、最終の工程で前記限界電流式酸素センサＳの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施の形態を説明する前に本発明の技術的背景について説明する。限界電流式酸素センサの陽極電極膜（プレート）に大気中の酸素濃度測定雰囲気において電圧を印加した場合、図４に示すように、あるバイアス領域でセンサ出力が飽和して限界電流が発生するフラットな領域が現れる。この領域の現れ方は加熱部１０７に印加するヒータ電圧に依存し、その例を図５に示す。このフラットな領域を評価する指標してプレート電圧０．３Ｖ及び０．８Ｖ印加時のセンサ出力の比率（以下０．３／０．８比率）を用いる。
【００１８】
この０．３／０．８比率は９０％以上としてセンサを動作させるのが望ましい。ここで０．３／０．８比率はヒータ電圧を上げていくと、所定のヒータ電圧で９０％以上となる。この状態を図６に示す。しかしながら、ヒータ電圧を上げて行けば良い濃度直線特性が得られる訳でない。図７に示すようにヒータ電圧が高すぎると、低酸素濃度（１０００ｐｐｍ以下）における濃度直線特性に関しては、センサ出力より計測した酸素濃度（計測酸素濃度）は測定された実酸素濃度（測定酸素濃度）より高くなる。
これはプレートに使用している感ガス膜であるジルコニアのリーク電流が多くなるためである。
【００１９】
このように０．３／０．８比率が９０％を越えるとヒータ電圧域でも、低濃度直線特性による制限のため動作ヒータ電圧はある程度低く制限される。ここでその関係を模式的に示すと図８に示すようになる。このように、センサのヒータ電圧特性は、大気中酸素濃度下における０．３／０．８比率が９０％以上となるヒータ動作電圧の制限域（Ｒ２）から＋０．２Ｖのヒータ電圧範囲（Ｗ）までが低濃度直線特性を満たすヒータ動作電圧の制限域（Ｒ１）である。
【００２０】
そこで、これらの関係からセンサを動作させるヒータ電圧値の決定方法として次の方法を用いれば、センサの持つ個々の最適動作温度のバラツキに無関係に、センサの出力特性そのものからヒータ電圧を決定できる。
【００２１】
（１）０．３／０．８比率が９０％以上となる最低ヒータ電圧を、ヒータ電圧を上げながらＩ−Ｖ特性の測定に伴って決定する。
（２）上記で決定したヒータ電圧値に０．１Ｖを加算した値をセンサのヒータ  電圧値として加熱部に印加する。
【００２２】
結論として本発明では、限界電流式酸素センサのヒータ電圧を決定する方法として、０．３／０．８比率が９０％以上となるヒータ電圧値の最低値を、図５に示すようにＩ−Ｖ特性のヒータ電圧依存性を計測することによって決定し、決定したヒータ電圧値に予めリニア特性（濃度直線特性）等の特性から決定した値を加算等をすることにより、ヒータに実際に印加するヒータ電圧を決定する。
【００２３】
実際の計測では、ヒータを構成する白金抵抗体を約５Ω、膜厚２μｍの厚さの形状として、このヒータを形成する基板を多孔質アルミナ基板３．４×４．０×０．３ｍｍとした場合、０．３／０．８比率が９０％以上となる最低ヒータ電圧値の計測は５．００Ｖ〜７．００Ｖの範囲で０．１０Ｖ刻みに０．３／０．８比率の測定を行い、その値として縦軸を０．３／０．８比率、横軸をヒータ電圧値としてプロットし、０．３／０．８比率が９０％以上となる最低の電圧値を探す。探す出したヒータ電圧値に０．１Ｖを加えた値をヒータ電圧値として決定する。
【００２４】
実施例
次に上記ヒータ電圧決定方法を実施する限界電流式酸素センサの動作を各添付図面を参照して説明する。
【００２５】
図２は本実施例に係る限界電流式酸素センサのシステム構成図である。図２において１は限界電流式酸素センサ、２は図９に示す加熱部（ヒータ）１０７に対して所定の温度を加熱するための電圧（第２の電圧）を印加するヒータ電圧制御回路（第２の電源）、３は図９に示す固体電解質板１０１の両面に形成したカソード電極膜１０２ａとアノード電極膜１０２ｂとの間に０．３Ｖと０．８Ｖの電圧（第１の電圧）を切り換えて印加する電極印加電圧制御回路（第１の電源）、４は図９に示す抵抗１１０の両端電圧に基づいてセンサ出力を演算し、そのセンサ出力より０．３／０．８比率が９０％となるヒータ電圧を演算し、ヒータ電圧制御回路２に伝えるセンサ出力演算回路（演算手段および制御手段）、５はセンサ出力演算回路４にて演算されたセンサ出力を表示する表示器である。
電極間電圧の０．３Ｖ，０．８Ｖの切り換えは電極印加電圧制御回路３に内蔵された切り換えスイッチＳＷ（図示せず。）の動作にて行う。
【００２６】
以下、本実施例に係るヒータ電圧決定方法を図３のフローチャートに従って説明する。先ず、図４に示すように、加熱部１０７に印加するヒータ電圧を当初５．７Ｖ近辺に調整して、酸素濃度の計測雰囲気を大気中酸素濃度に安定させた状態で（ステップＳ１）、スイッチをＯＮし（ステップＳ３）、てカソード電極膜１０２ａとアノード電極膜１０２ｂとの間に先ず０．３Ｖを印加し、その時に抵抗１１０間に発生した電圧よりセンサ出力を演算する。
【００２７】
次に印加電圧を０．８Ｖに換えてセンサ出力を演算する（ステップＳ５〜Ｓ９）。
各印加電圧におけるセンサ出力の比率（０．３／０．８比率）を演算し、その比が９０％より大きいか否かを判定する（ステップＳ１１）。そして比率が図６に示すように９０％以下の場合はヒータ電圧ＶHを上昇させ、図５に示すようにヒータ電圧に依存するＩ／Ｖ特性を測定し（ステップＳ２１）、再度、ステップＳ５に戻る。
【００２８】
このように、ステップＳ５，７，９，１１，１９，２１を繰り返し、最終的に０．３／０．８比率が９０％以上と至ったならば（ステップＳ１１）、そのときのヒータ電圧ＶHを測定し、測定値に０．１Ｖを加算して図８に示すように実際にセンサのヒータに印加できるヒータ電圧範囲を決定する（ステップＳ１７）。
【００２９】
尚、本実施例では印加電圧を０．３Ｖと０．８Ｖに設定しているが、限界電流領域における２点についてのセンサ出力比を監視できれば、印加電圧０．３Ｖ，０．８に限定するものでない。
【００３０】
また、実際にヒータに印加できるヒータ電圧範囲を、センサの大気０．３／０．８比率が９０％になるヒータ電圧に０．１Ｖを加算した範囲に設定しているが、図７に示す低濃度特性のヒータ電圧依存特性に見られるように、測定酸素濃度と計測酸素濃度との偏差が許容できる範囲であれば０．１Ｖに限定されるものでない。
【００３１】
このように本実施例によれば、従来ではセンサの特性がヒータによる動作温度に依存することでセンサの動作温度を基準としてセンサに付与するヒータ電圧値を決定していたが、実際はセンサ特性として、低酸素濃度から大気中酸素濃度まで全域を満たすような濃度直線特性が得られる動作温度は、個々のセンサでそれぞれ異なっており、一つの動作温度を全てのセンサに当てはめようとすると、個々のセンサの有する最適動作温度のバラツキにより濃度直線特性がを満足させないセンサ出力が発生していた。
【００３２】
しかし、本発明のヒータ電圧決定方法は、センサのＩ／Ｖ特性そのもののヒータ電圧依存性からヒータ電圧を決定するため、上述したようにセンサ個々の動作温度特性の違いとは関係なく、センサの特性本位の最適ヒータ動作電圧を決定することが可能となった。
尚、本実施の形態に係る限界電流式酸素センサは螺旋型スペーサが配置された酸素センサに限定されるものではない。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によれば、大気中酸素濃度測定雰囲気において、カソード電極とアノード電極間に印加する第１の電圧を異なる値にして交互に印加させた際の限界電流式酸素センサにおける２出力間のパーセント比率を求め、この比率が１対１近くに上がるよう第２の電圧（ヒータ電圧）値を上昇させ、１対１近くになったならば第２の電圧値を測定し、この測定された第２の電圧値に前記限界電流式酸素センサの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定することで、限界電流式酸素センサの持つ個々の最適動作温度のバラツキに無関係に、ヒータ駆動用の第２の電圧値を容易に決定できるという効果がある。
【００３４】
この発明によれば、大気中酸素濃度測定雰囲気において、カソード電極とアノード電極間に印加する第１の電圧を異なる値にして交互に印加させる工程を経て、次の工程で限界電流式酸素センサにおける２出力のパーセント比率を求め、この比率が１対１近くに上がるよう第２の電圧値を上昇させ、１対１近くになったならば、次の工程で第２の電圧値を測定し、この測定された第２の電圧値に、最終の工程で前記限界電流式酸素センサＳの低濃度直線特性を維持し得る範囲の電圧を加算して第２の電圧値を決定することで、限界電流式酸素センサの持つ個々の最適動作温度のバラツキに無関係に、限界電流式酸素センサの出力特性を測定しながらヒータ駆動用の第２の電圧値を決定できるため、限界電流式酸素センサの出力における低濃度直線特性を容易に得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係る限界電流式酸素センサの基本構成図である。
【図２】図２は本発明に係る低酸素濃度計測方法を実施するするための限界電流式酸素センサのシステム構成図である。
【図３】図３は本実施による限界電流式酸素センサの動作を説明するフローチャートである。
【図４】図４は本実施による限界電流式酸素センサの電流−電圧特性図である。
【図５】図５は本実施による限界電流式酸素センサの電流−電圧特性のヒータ電圧依存性を説明する図である。
【図６】図６は本実施による０．３／０．８比率（大気）のヒータ電圧依存性を説明する図である。
【図７】図７は本実施による低濃度特性のヒータ電圧依存性を説明する図である。
【図８】図８は限界電流式酸素センサのヒータ駆動電圧範囲を説明する模式図である。
【図９】図９は限界電流式酸素センサの構成および断面を示す図である。
【図１０】図１０は限界電流式酸素センサの感ガス面（プレート）およびヒータ面の模式図である。
【符号の説明】
Ｓ      限界電流式酸素センサ
Ｋ      カソード電極
Ａ      アノード電極
Ｈ      加熱部
Ｂ１    第１の電源
Ｂ２    第２の電源
ＯＰ    演算手段
ＣＯ    制御手段
Ｍ      ヒータ電圧記憶手段
【図１】
0003779881.tif 000002
【図２】
0003779881.tif 000003
【図３】
0003779881.tif 000004
【図４】
0003779881.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003779881.tif 000008
【図８】
0003779881.tif 000009
【図９】
0003779881.tif 000010
【図１０】
0003779881.tif 000011