固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法
【課題】気相中のＣＯ2 、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の濃度を精度良く検出できる固体電解質型センサー素子の動作温度を正確に測定できる温度検出方法を提供する。
【解決手段】固体電解質１に第３電極７を設け、この第３電極７と固体電解質１に設けた基準極３との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【解決手段】固体電解質１に第３電極７を設け、この第３電極７と固体電解質１に設けた基準極３との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相中のＣＯ2 濃度を主として測定し，その他ＮＯｘおよびＳＯｘを測定するための小型でかつガス濃度を精度良く検出できる固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法に関するものであり、さらに詳細には、固体電解質に第３極の電極を設け、この第３電極と固体電解質に設けた基準極との間の起電力を測定することによって固体電解質型センサー素子の動作温度を精度良く検知できる動作温度検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】大気環境汚染に対処するために、近年になって気相中のＣＯ2 濃度を主として、あるいは、その他ＮＯｘおよびＳＯｘを測定することが可能なガスセンサ−素子の開発が積極的に行われている。こうしたガスセンサー素子の一つに、固体電解質の表面に検知極と基準極を設けたいわゆる固体電解質型ガスセンサー素子がある。固体電解質ガスセンサ−素子（以下ガスセンサ−素子）は被検ガスを反応物質とする固体電解質電池を作り、その電池の起電力からガス濃度を測定するものである。
【０００３】ところで、このタイプのガスセンサー素子は一般的にガスセンサ−素子が良好に応答するには数百°Ｃの温度が必要であり、このためにガスセンサー素子を加熱するためにヒータを備えている（たとえばアルカリ金属イオン導電体とアルカリ金属炭酸塩を組み合わせた炭酸ガスセンサ−の動作温度は同ガスセンサーをヒータによって４００〜５００°Ｃに加熱して使用する）。一方こうしたガスセンサ−素子の起電力ＥＭＦは下記（１）式に示すようなネルンストの式によって表される。
起電力ＥＭＦ＝Ｅ°＋ＲＴ／ｎＦ（ｌｎＰ） （１）
ただし、Ｅ°：標準起電力、Ｒ：気体定数、Ｆ：ファラデ−定数、ｎ：反応電子数、Ｔ：センサ−動作温度、Ｐ：被検ガス濃度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記構造の固体電解質型センサーでは、上記（１）式からも明らかなように、起電力は動作温度の関数でもあるので、動作温度が変化すると起電力も変化してしまい、測定ガス濃度に誤差が発生するという不都合な点がある。例えばリチウム炭酸塩を用いた炭酸ガスセンサ−の動作温度１°Ｃあたりの起電力の変化は１．２〜１．４ｍＶ／°Ｃになり、被検出ガスの濃度が０．６〜１．６％変化したことに相当してしまう。このため正確な測定を行うためにはガスセンサ−素子の動作温度を常に検出し、一定に保たなければならない。
【０００５】このため、従来のガスセンサー素子では固体電解質に熱電対を設け、この熱電対によって動作温度を常時検知しながら加熱用ヒーターを制御し、温度による測定誤差を無くすようにしていた。しかしこの動作温度の検出では熱電対をセンサ−素子本体に取り付ける必要があるため以下のような問題が発生する。
■センサ−素子への熱電対の取り付け方によって測温の誤差が生じる。特に熱電対を固体電解質に接着固定した時などの密着性にバラツキがあると測温に大きな誤差が発生する。
■センサ−素子をソケットを用いた着脱式に構成した場合、熱電対線は専用の合金のため通常のソケットは使用できず、このためのコストがかかる。
■熱電対による測温は基準接点の温度を別に測定する必要があり、信号処理回路が複雑になる。
■熱電対の出力電圧の変化幅は最も大きいＫ型熱電対の場合でも４４μＶ／°Ｃと小さく増幅回路が複雑になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、固体電解質に取りつけてある従来からの検知極、基準極の他に同固体電解質に第３極の電極を設け、この第３電極と前記基準極との間の起電力を測定することによってセンサの動作温度を精度良く検知できる固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法を提供し、上記問題点を解決することを目的とする。
【０００７】本発明では、固体電解質に新たに第３極の電極を設けるだけで、精度よく固体電解質ガスセンサ−素子の動作温度を知ることができ、それによって加熱用ヒーター等を制御し、動作温度を一定に保つことによりガス濃度の測定精度を向上する。また、熱電対を使用しないため信号処理回路が簡略化され、さらに熱電対、測温用サ−ミスタ等の別部品を用意する必要が無いためセンサー素子の構造が簡略化される。または加熱用ヒーターを制御する代わりに、この第３極と基準極との間に発生する温度測定用起電力を利用して、センサー素子の信号処理回路内で、ガス濃度の測定値を補正し、正確なガス濃度を表示することもできる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用した技術解決手段は、固体電解質に第３電極を設け、この第３電極と固体電解質に設けた基準極との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法であり、
【０００９】固体電解質と、固体電解質に設けられた基準極と、固体電解質に設けられた検知極とから構成されてなる固体電解質型センサーにおいて、前記固体電解質に第３電極を設け、この第３電極と前記基準極との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法である。
【００１０】
【実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は第１実施形態に係わる固体電解質型ＣＯ2 ガスセンサー素子の構造図である。図において、１はアルカリ金属イオン導電体からなる固体電解質、２はアルカリ金属炭酸塩からなる検知極、３はアルカリ金属複合酸化物からなる基準極、４は加熱用ヒーター、５は制御回路、６は表示部であり、これらは図のように接続線によって制御回路に接続されており、従来公知の固体電解質型センサーを構成している。そして上記固体電解質型センサーには、さらに、温度検出用の貴金属あるいは導電性アルカリ金属複合酸化物からなる第３極７が固体電解質上に取りつけられており、この第３極も前記制御回路５に接続されている。そして第３極は、第３極の電位を一定にするため電極が外気に触れないようにガスシ−ル８されている。
【００１１】上記構成からなる固体電解質型センサーの作動を説明すると、被検出ガス雰囲気中で図示状態で固体電解質型センサ−素子を加熱用ヒーター４で加熱し、センサー素子を動作させると検知極２と基準極３との間に起電力が発生し、この起電力がガス濃度測定電位となる。また第３極と基準極の間にも起電力が発生するが、この起電力は基準極と第３極のアルカリ金属イオンの化学ポテンシャルの差によって発生するもので温度の関数（温度測定電位）になっている。このため、基準極と第３極との間の起電力を測定することにより、図２に示す第３極−基準極間電位の温度特性図から、その時の動作温度を正確に測定することができる。図２からも明らかなように動作温度１°Ｃあたりの起電力の変化は平均０．４８ｍＶ／°Ｃであり、Ｋ型熱電対の４４μＶ／°Ｃに比べて１０倍も感度が高く温度検出が容易である。
【００１２】そして、制御回路内では上記動作温度によって加熱用ヒーター４を制御するか、あるいはガス濃度測定電位を補正し、これによって正確なガス濃度を表示部に表示できるようにしてある。以上のように本発明は固体電解質型センサーにおいて第３極と基準極との間で測定される起電力が温度によって変化することに着目し、この変化を利用して固体電解質ガスセンサ−の動作温度を知ることができ、正確なガス濃度測定を可能にした。
【００１３】
【発明の効果】以上詳細に述べた如く本発明によれば、固体電解質電池において両電極間で測定される起電力が温度によって変化することに着目し、この変化を利用して固体電解質ガスセンサ−の動作温度を知ることができるため、従来の固体電解質ガスセンサ−に熱電対を取りつけて動作温度を測定する方法に比較して以下のような優れた利点がある。
■実際に動作しているセンサ−の起電力を利用するため熱電対の様に取り付けによる誤差が発生しない。
■コネクタで中継する際に熱電対のように特殊な金属のコネクタを使用しなくて良い（熱電対は中継する際に熱電対と同じ材質のコネクタが必要となる）。
■熱電対のように基準接点を必要としないため、信号処理回路が簡単になる。
■熱電対、サ−ミスタ等の別部品を用意する必要が無く、センサ−素子の組み立て工程が簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わるガスセンサ−素子構造図である。
【図２】本発明に係わる第３極−基準極間電位の温度特性図である。
【符号の説明】
１ 固体電解質
２ 検知極
３ 基準極
４ 加熱用ヒーター
５ 制御回路
６ 表示部
７ 第３極
８ ガスシール
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、気相中のＣＯ2 濃度を主として測定し，その他ＮＯｘおよびＳＯｘを測定するための小型でかつガス濃度を精度良く検出できる固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法に関するものであり、さらに詳細には、固体電解質に第３極の電極を設け、この第３電極と固体電解質に設けた基準極との間の起電力を測定することによって固体電解質型センサー素子の動作温度を精度良く検知できる動作温度検知方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】大気環境汚染に対処するために、近年になって気相中のＣＯ2 濃度を主として、あるいは、その他ＮＯｘおよびＳＯｘを測定することが可能なガスセンサ−素子の開発が積極的に行われている。こうしたガスセンサー素子の一つに、固体電解質の表面に検知極と基準極を設けたいわゆる固体電解質型ガスセンサー素子がある。固体電解質ガスセンサ−素子（以下ガスセンサ−素子）は被検ガスを反応物質とする固体電解質電池を作り、その電池の起電力からガス濃度を測定するものである。
【０００３】ところで、このタイプのガスセンサー素子は一般的にガスセンサ−素子が良好に応答するには数百°Ｃの温度が必要であり、このためにガスセンサー素子を加熱するためにヒータを備えている（たとえばアルカリ金属イオン導電体とアルカリ金属炭酸塩を組み合わせた炭酸ガスセンサ−の動作温度は同ガスセンサーをヒータによって４００〜５００°Ｃに加熱して使用する）。一方こうしたガスセンサ−素子の起電力ＥＭＦは下記（１）式に示すようなネルンストの式によって表される。
起電力ＥＭＦ＝Ｅ°＋ＲＴ／ｎＦ（ｌｎＰ） （１）
ただし、Ｅ°：標準起電力、Ｒ：気体定数、Ｆ：ファラデ−定数、ｎ：反応電子数、Ｔ：センサ−動作温度、Ｐ：被検ガス濃度である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記構造の固体電解質型センサーでは、上記（１）式からも明らかなように、起電力は動作温度の関数でもあるので、動作温度が変化すると起電力も変化してしまい、測定ガス濃度に誤差が発生するという不都合な点がある。例えばリチウム炭酸塩を用いた炭酸ガスセンサ−の動作温度１°Ｃあたりの起電力の変化は１．２〜１．４ｍＶ／°Ｃになり、被検出ガスの濃度が０．６〜１．６％変化したことに相当してしまう。このため正確な測定を行うためにはガスセンサ−素子の動作温度を常に検出し、一定に保たなければならない。
【０００５】このため、従来のガスセンサー素子では固体電解質に熱電対を設け、この熱電対によって動作温度を常時検知しながら加熱用ヒーターを制御し、温度による測定誤差を無くすようにしていた。しかしこの動作温度の検出では熱電対をセンサ−素子本体に取り付ける必要があるため以下のような問題が発生する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、固体電解質に取りつけてある従来からの検知極、基準極の他に同固体電解質に第３極の電極を設け、この第３電極と前記基準極との間の起電力を測定することによってセンサの動作温度を精度良く検知できる固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法を提供し、上記問題点を解決することを目的とする。
【０００７】本発明では、固体電解質に新たに第３極の電極を設けるだけで、精度よく固体電解質ガスセンサ−素子の動作温度を知ることができ、それによって加熱用ヒーター等を制御し、動作温度を一定に保つことによりガス濃度の測定精度を向上する。また、熱電対を使用しないため信号処理回路が簡略化され、さらに熱電対、測温用サ−ミスタ等の別部品を用意する必要が無いためセンサー素子の構造が簡略化される。または加熱用ヒーターを制御する代わりに、この第３極と基準極との間に発生する温度測定用起電力を利用して、センサー素子の信号処理回路内で、ガス濃度の測定値を補正し、正確なガス濃度を表示することもできる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このため、本発明が採用した技術解決手段は、固体電解質に第３電極を設け、この第３電極と固体電解質に設けた基準極との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法であり、
【０００９】固体電解質と、固体電解質に設けられた基準極と、固体電解質に設けられた検知極とから構成されてなる固体電解質型センサーにおいて、前記固体電解質に第３電極を設け、この第３電極と前記基準極との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法である。
【００１０】
【実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は第１実施形態に係わる固体電解質型ＣＯ2 ガスセンサー素子の構造図である。図において、１はアルカリ金属イオン導電体からなる固体電解質、２はアルカリ金属炭酸塩からなる検知極、３はアルカリ金属複合酸化物からなる基準極、４は加熱用ヒーター、５は制御回路、６は表示部であり、これらは図のように接続線によって制御回路に接続されており、従来公知の固体電解質型センサーを構成している。そして上記固体電解質型センサーには、さらに、温度検出用の貴金属あるいは導電性アルカリ金属複合酸化物からなる第３極７が固体電解質上に取りつけられており、この第３極も前記制御回路５に接続されている。そして第３極は、第３極の電位を一定にするため電極が外気に触れないようにガスシ−ル８されている。
【００１１】上記構成からなる固体電解質型センサーの作動を説明すると、被検出ガス雰囲気中で図示状態で固体電解質型センサ−素子を加熱用ヒーター４で加熱し、センサー素子を動作させると検知極２と基準極３との間に起電力が発生し、この起電力がガス濃度測定電位となる。また第３極と基準極の間にも起電力が発生するが、この起電力は基準極と第３極のアルカリ金属イオンの化学ポテンシャルの差によって発生するもので温度の関数（温度測定電位）になっている。このため、基準極と第３極との間の起電力を測定することにより、図２に示す第３極−基準極間電位の温度特性図から、その時の動作温度を正確に測定することができる。図２からも明らかなように動作温度１°Ｃあたりの起電力の変化は平均０．４８ｍＶ／°Ｃであり、Ｋ型熱電対の４４μＶ／°Ｃに比べて１０倍も感度が高く温度検出が容易である。
【００１２】そして、制御回路内では上記動作温度によって加熱用ヒーター４を制御するか、あるいはガス濃度測定電位を補正し、これによって正確なガス濃度を表示部に表示できるようにしてある。以上のように本発明は固体電解質型センサーにおいて第３極と基準極との間で測定される起電力が温度によって変化することに着目し、この変化を利用して固体電解質ガスセンサ−の動作温度を知ることができ、正確なガス濃度測定を可能にした。
【００１３】
【発明の効果】以上詳細に述べた如く本発明によれば、固体電解質電池において両電極間で測定される起電力が温度によって変化することに着目し、この変化を利用して固体電解質ガスセンサ−の動作温度を知ることができるため、従来の固体電解質ガスセンサ−に熱電対を取りつけて動作温度を測定する方法に比較して以下のような優れた利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わるガスセンサ−素子構造図である。
【図２】本発明に係わる第３極−基準極間電位の温度特性図である。
【符号の説明】
１ 固体電解質
２ 検知極
３ 基準極
４ 加熱用ヒーター
５ 制御回路
６ 表示部
７ 第３極
８ ガスシール
【特許請求の範囲】
【請求項１】固体電解質１に第３電極７を設け、この第３電極７と固体電解質１に設けた基準極３との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【請求項２】固体電解質１と、固体電解質に設けられた基準極３と、固体電解質に設けられた検知極２とから構成されてなる固体電解質型センサーにおいて、前記固体電解質に第３電極７を設け、この第３電極７と前記基準極３との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【請求項３】前記第３極は、第３極が外気と触れないようにシール８してあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【請求項１】固体電解質１に第３電極７を設け、この第３電極７と固体電解質１に設けた基準極３との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【請求項２】固体電解質１と、固体電解質に設けられた基準極３と、固体電解質に設けられた検知極２とから構成されてなる固体電解質型センサーにおいて、前記固体電解質に第３電極７を設け、この第３電極７と前記基準極３との間の起電力を測定することにより、固体電解質型センサーの動作温度を検知することを特徴とする固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【請求項３】前記第３極は、第３極が外気と触れないようにシール８してあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体電解質型センサー素子の動作温度検知方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０００−１３１２７４（Ｐ２０００−１３１２７４Ａ）
【公開日】平成１２年５月１２日（２０００．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−３０１８６８
【出願日】平成１０年１０月２３日（１９９８．１０．２３）
【出願人】（０００１４５５４１）株式会社曙ブレーキ中央技術研究所 (8)
【公開日】平成１２年５月１２日（２０００．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年１０月２３日（１９９８．１０．２３）
【出願人】（０００１４５５４１）株式会社曙ブレーキ中央技術研究所 (8)
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