JPH02245652A - ガスセンサのヒータ電圧決定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、ガスセンサ、例えばジルコニア固体電解質を
用いた酸素センサ等の加熱ヒータの最適ヒータ電圧を求
めるヒータ電圧決定方法に関するものである。

〈従来の技術〉 周知のように、ジルコニア固体電解質を用いた限界電流
方式の酸素センサの場合、そのセンサ機能（駆動）を得
るには、かなりの高温（例えば４００″Ｃ程度）が必要
とされている。

このため、この種の酸素センサでは、センサ部のキャッ
プ等に加熱ヒータを付設し、この加熱ヒータにより、セ
ンサ素子のジルコニア固体電解質を加熱している。

そして、従来、この加熱ヒータのヒータ電圧を決定する
には、通常、センサ自体が空気中の常温（室温）下で用
いられることが多いため、室温中でのヒータ材料である
白金等の抵抗温度係数から、ヒータ温度が一定となる電
圧として決定したり、あるいはやはり室温中において消
費電力が一定となる電圧として決定したりしている。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところが、このような方法で得られたヒータ電圧では、
次のような場合には、必ずしも最適のヒータ電圧を与え
るものとは言えなかった。

（１）センサの使用環境条件が、室温、空気中等の条件
と著しく異なる場合、 例えば、使用環境の雰囲気温度が数百度等というような
極端に高い温度の場合には、上記室温で決定したヒータ
電圧でヒータを発熱させたのでは、センサ温度が上がり
過ぎて、センサのジルコニア固体電解質等に過大な負担
が掛り、ときにはセンサの破壊を招（恐れがある。また
、逆に、雰囲気温度が氷点下等、室温より著しく低い場
合には、やはり上記のようにして決定されたヒータ電圧
でのヒータ加熱では、加熱不足が起き、十分なセンサ温
度が得られない場合がある。この結果、ジルコニア固体
電解質の限界電流特性が得られないということが生じ、
実質的にセンサ機能が発現されなくなってしまうことが
ある。

これと同様のことは、特殊なガス測定の場合、例えば熱
伝導性が空気に比べて、極端に小さいガスや、逆に極端
に大きいガス等においても起こり得る。というのは、熱
伝導性が極端に小さいガスのもとでは、熱の放散が不十
分であるため、上記室温で決定したヒータ電圧で加熱し
た場合、センサ温度が上がり過ぎ、また熱伝導性の極端
に大きいガスのもとでは、熱の発散がよ過ぎて、センサ
温度が下がり過ぎる場合があるからである。

（２）センサに製造上のバラツキがある場合、通常の室
温下での使用であっても、ジルコニア固体電解質と白金
電極からなる素子のイオン導電性等にバラツキがあって
、上記ヒータ電圧での加熱では、所望の性能が得られな
いことがあるからである。

本発明は、このような従来の使用上の問題点に鑑みてな
されたものである。

〈発明が解決しようとする課題〉 か＼る本発明の特徴とする点は、付設の加熱ヒータによ
る加熱によってセンサ素子が駆動されるガスセンサにお
いて、前記センサ素子に当該素子抵抗を検知するための
測定電圧を印加しながら、前記加熱ヒータに可変電源を
接続して可変電圧を印加し、前記測定電圧に対応したセ
ンサ素子の出力電流が当該素子固有の特性からくる最適
値となったときの前記加熱ヒータへの印加電圧を、最適
なヒータ電圧とするガスセンサのヒータ電圧決定方法に
ある。

く作用〉 このように本発明では、ヒータ電圧を決定する際、ある
測定電圧に対してセンサ素子開存の特性から求められる
最適出力電流値との関連で決定するものであるため、そ
の使用環境下における最適なヒータ電圧が求められる。

〈実施例〉 第１図は本発明に係るガスセンサのヒータ電圧決定方法
を実施するための装置系の一例を示したものである。

図において、Ｃはセンサ素子で、本例の場合、限界電流
方式の酸素センサを示し、この素子Ｃは、円盤状等のジ
ルコニア固体電解質からなる基Ｆｉ１と、この基［１の
表裏に貼着等された多孔質の白金電極２ａ、２ｂと、一
方の電ｉ２ａ側に被せられ、かつその中央に微小な拡散
孔４が穿設されたキャップ３と、このキャップ３の上面
にスクリーン印刷法等により形成された加熱ヒータ５と
からなる。

また、上記加熱ヒータ５には可変機能を有する可変電源
６を接続する一方、上記センサ素子Ｃの各電極２ａ、２
ｂにも可変機能を有する可変電源７を接続しである。そ
して、さらにこれらのヒータ電源系およびセンサ電源系
には、検圧や検流のための電圧計８および電流計９が適
宜接続しである。

第２図は、このようなセンサにおける電圧−電流特性を
示したグラフ（模式図）である。

このようにしてなる本装置系において、上記加熱ヒータ
５の最適なヒータ電圧を求めるには、次のようにして行
う。

先ず、センサ素子Ｃの画電極２ａ、２ｂ間にヒータ電圧
を決定するための測定電圧■１を印加する。この測定電
圧Ｖ、の範囲は、第２図のグラフから明らかなように、
センサ素子Ｃの出力電流がフラットになる限界電流値■
、に達する前の立ち上がり部分における電圧−１を流特
性から求められる。

一般に、ジルコニア固体電解質からなる本センサ素子Ｃ
等の場合、空気中における室温下では、その理想的な立
ち上がり時の電圧−電流特性としては、経験則等により
、Ｂ線特性のものがよいことが知られている。つまり、
このＢ線特性は、センサ素子固有（主にジルコニア固体
電解質）の特性（物性）からくるもので、その限界電流
値■。

のフラット頭載が始まる電圧より低い電圧、例えば上記
測定電圧■、を印加したとき、このＢ線との交点から求
められる出力電流（イオン電流）■、が出力される状態
が、当該センサ素子自体に取って最も無理のない好まし
い状態であることを意味する。従って、ここで、測定電
圧Ｖ、に対する出力電流■、が、この素子固有の特性か
らくる最適値である。

これに対して、同一のセンサ素子Ｃであっても、使用環
境条件が５０〜４００°Ｃ程度の高温であるとか、ある
いは−２０°Ｃ以下等の極端に低い低温である場合には
、好ましくない例として、例えばＡ線特性（高温時）や
、Ｃ線特性（低゛温時）のようになる。

本発明は、上記Ｂ線特性に着目したものであり、上述し
たようにセンサ素子Ｃに測定電圧Ｖ、を印加し、この状
態で、可変電源６から加熱ヒータ５に可変電圧を印加し
、丁度センサ素子Ｃの出力電流がその最適値１１になっ
たとき、そのヒータ電圧を読み、これを最適なヒータ電
圧として決定するものである。

従って、通常の条件（空気中、室温下）で使用されるセ
ンサにあっては、上記測定電圧■、に対応したセンサ素
子Ｃの出力電流の最適値１１が得られるヒータ電圧■ｈ
、が、直ちに最適ヒータ電圧として求められる。

一方、センサの使用環境条件が極端に高温の場合には、
第２図のＡ線特性に示されるように、室温下で求めたヒ
ータ電圧でヒータ５を発熱さ・Ｕたのでは、センサ素子
Ｃのジルコニア固体電解質等に過大な負担が掛かるよう
になるため、本発明では、ヒータ電圧を下げ、上述した
センサ素子Ｃの出力電流が最適値１１になったところの
ヒータ電圧■ｈ２を、最適ヒータ電圧として決定する。

従って、当然、この最適ヒータ電圧■ｈ２は、上記室温
下での最適ヒータ電圧■ｈ、より低い値になる。

また、上記とは逆に使用環境条件が一２０″Ｃ等の低温
の場合には、第２図のＣ線特性に示されるように、室温
下で求めたヒータ電圧でヒータ５を発熱させたのでは、
加熱不足が起き、センサ素子Ｃのジルコニア固体電解質
が所望の駆動温度まで加熱されないとう事態になり得る
ため、本発明では、ヒータ電圧を上げ、やはり上述した
センサ素子Ｃの出力電流が最適値Ｉｔになったところの
ヒータ電圧■ｈ、を、最適ヒータ電圧として決定する。

従って、当然、この最適ヒータ電圧■ｈ３は、上記室温
下での最適ヒータ電圧ｖｈ、より高い値になる。

このような使用環境温度によるヒータ電圧の補償方式は
、上述した熱伝導性の極端に異なる測定ガスにも、同様
にして導入することが可能である。

なお、本センサ素子Ｃにおいて、酸素濃度の本測定を行
うには、上記第２図において、センサ素子Ｃにセンシン
グ電圧Ｖｓを印加し、このときの限界電流値■、から、
酸素濃度を求めることができる。

また、上記実施例では、ガスセンサとして、酸素センサ
の場合について説明したが、本発明はこれに限定されず
、同種の問題を有するセンサであれば、他のセンサにも
応用することが可能である。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように本発明に係るガスセンサ
のヒータ電圧決定方法によれば、次のような優れた効果
が得られる。

（１）センサの使用環境条件（空気中、特殊ガス中、室
温、高温、低温等）にかかわりなく、その使用環境条件
下で、最も適切なヒータ電圧を簡単に決定することがで
きる。

（２）また、センサそのものに多少の製造上のバラツキ
があっても、最適のヒータ電圧を決定することができる
。例えばセンサのイオン導電性等にバラツキがある場合
にも、センサ固有の特性からくる出力電流が最適値にな
るようにヒータ電圧を設定すればよいため、素子の特性
に左右されない。

（３）また、センサの構造等にも、左右されず、最適の
ヒータ電圧を決定することができる。例えば、センサ構
造の金属部であるボスト部（金属脚部）では、雰囲気温
度の上昇により抵抗が増大するため、その電圧降下分だ
けヒータ電圧を引き上げてやる必要があるわけであるが
、本発明では、上記のような決定方法であるため、自動
的に補償されることになる。

（４）さらに、ヒータリード線がセンサ本体とユニット
接続された長尺物である場合でも、リード線部分での電
圧降下に左右されることなく、最適のヒータ電圧を決定
することができる。例えば、リード線が数十Ｃｍ−数ｍ
にも及ぶ場合、ヒータリード線による電圧降下が無視で
きない値となり、本発明方法によらないときには、その
電圧降下を経験的に割り出して、その分ヒータ電圧を引
き上げなければならないという煩わしさが招来される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガスセンサのヒータ電圧決定方法
を実施するための装置系の一例を示した概略説明図、第
２図はセンサにおける電圧−電流特性を示したグラフで
ある。 図中、 Ｃ・・・・センサ素子、 ■１　・・・・測定電圧、 Ｉ、・・・・出力電流の最適値、 １・・・・基板、 ２ａ、２ｂ・・・・電極、 ３・・・・キャップ、 ４・・・・拡散孔、 ５・・・・加熱ヒータ、 ６．７・・・・可変電源、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 付設の加熱ヒータによる加熱によってセンサ素子が駆動
   されるガスセンサにおいて、前記センサ素子に当該素子
   抵抗を検知するための測定電圧を印加しながら、前記加
   熱ヒータに可変電源を接続して可変電圧を印加し、前記
   測定電圧に対応したセンサ素子の出力電流が当該素子固
   有の特性からくる最適値となったときの前記加熱ヒータ
   への印加電圧を、最適なヒータ電圧とすることを特徴と
   するガスセンサのヒータ電圧決定方法。