JPH04145356A - 炭酸ガスセンサ装置 - 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］ この発明は施設園芸、環境衛生、防災用、工業用などの
炭酸ガス濃度を計測、あるいは制御する場所に使用する
イオン伝導体を用いた構造の固体電解質型炭酸ガスセン
サに関するものである。

［従来の技術］ 第６図と第７図は、それぞれ特開平１−２６７４５２に
示された従来の炭酸ガスセンサのガス感知部を示す側断
面図と全体構成を示す構成図である。

第６図において（１）は固体電解質からなるナトリウム
イオン伝導性セラミックスである薄板状のＮＡＳＩＣＯ
Ｎ板、（２）は固体電解質からなる酸素イオン伝導性セ
ラミックスである薄板状のＹＳＺ（イツトリア安定化ジ
ルコニア）板、（３）は無機バインダー入りの金糸導電
ペーストで構成されたＮＡＳＩＣＯＮ板（１）とＹＳＺ
板（２）トノ間の接合層、（４）はＮＡＳＩＣＯＮ板（
１）上で接合（３）と反対側の端面に固着された多孔質
の電極層。

（５）はＹＳＺ板（２）上で接合層（３）と反対側の端
面に固着された多孔質の電極層、（６）は電極層（４）
の一部あるいは全部に付着された炭酸ナトリウム、　　
（７）、　（８）はそれぞれ電極層（４）、　（５）に
ボンディングされた電圧信号取り出し用のリード線。

（９）はＮＡＳＩＣＯＮ板（１）、ＹＳＺ板（２）、接
合層（３）から形成されたイオン伝導性セラミックス対
の電極層（４）、　　（５）形成表面以外の残余部分の
一部あるいは全部を覆うガス遮断層、　（１０）は以上
の要素によって構成されたガス感知部である。

また第７図において（１１）は片面上面にガス感知部（
圧）を備えた加熱ヒータ、　（１２）、　（１３）は加
熱ヒータ　（１１）から引出した２本のリード線、　（
１４）。

（１５）はそれぞれリード線（１２）、　（１３）に接
続された加熱ヒータ（１１）への電圧印加用の金属ピン
、　（１６）、　（１７）はそれぞれリード線（７）、
　　（８）に接続された電圧信号出力用の金属ピン、　
（１８）は金属ピン（１４）、　（１５）、　（１６）
、　（１７）を固定するための台座、（１９）は内包す
るガス感知部（艮）と加熱ヒータ（１１）。

リード線（７）、　　（８）、　（１２）、　（１３）
、金属ピン（１４）、　（１５）、　（１６）、　（１
７）を外部からの打撃による機械的損傷から保護すると
ともに測定雰囲気と接触を良くするためのステンレス製
金網からなるプロテクタである。

次に動作について説明する。

上記ガス感知部（厘）は東京工業大学工業材料研究所の
斎藤、丸山等によって提案された炭酸ガス濃度の検出原
理にもとづくものである。（Ｔ、　Ｍａｒｕｙａｍａ　
、　Ｓ、５ａｓａｋｉ　ａｎｄ　Ｙ、５ａｉｔｏ　、　
５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅＩｏｎｉｃｓ　２３　（１９８
７）　１０７−１１２）すなわち、上記構成においで、
ガス感知部（１０）は以下の電池を構成する。

■ ０２　　（Ａｕ） 上記の電池を構成するガス感知部（圧）を加熱ヒータ（
１１）により測定温度に加熱すると、上記電池の界面■
〜■でそれぞれ以下の電池反応が起こり界面■　？Ｊａ
２ＣＯ３＝　２Ｎａ”＋　ＣＯＺ　＋−０２＋　２ｅ−
ＨＨＨＨ■界面■　２Ｎａ″’＝２Ｎａ”（ｉｎ　ＮＡ
ＳＩＣＯＮ）　　・・・・・・＝■界面■　２Ｎａ”（
ｉｎ　ＮＡＳＩＣＯＮ）＋０２−＝Ｎａ２０　・・−■
界面■ ■ −０２＋２８ ＝０２−（ｉｎ ＹＳＺ） ・・・・・・・・■ 画電極層間には次のＮｅｒｎｓ ｂで れる起電力＆＝６発生する。

Ｌの式で表わさ Ｆ ここで Ｅ：発生起電力　　　　、Ｆ：ファラデ一定数Ｒ：気体
定数　　　　　、Ｔ：絶対温度△ＧＴ　：化学種ｉ種の
標準生成エネルギーａ、：化学種ｉ種の活量　ｐ　ｉ：
化学種ｉ種の万 分業、Ｐ″　：雰囲気全圧 式■から発生起電力Ｅは雰囲気中の炭酸ガス分圧ｐｃｏ
　２の対数に比例する。したがって、この発生起電力Ｅ
を電極層（４）、　　（５）よりリード線（７）。

（８）を介して取り出すことにより雰囲気中の炭酸ガス
濃度を電気的に検出することができる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の炭酸ガスセンサは以上のように構成されており、
以下のような課題を有していた。すなわち実験によって
求めた第８図の直線Ａと直線Ｂの関係が示すように上記
炭酸ガスセンサを使用し。

センサ電流を流し続けていると 及び （生成反応）　　２Ｎａ”＋２ｅ−十−０２−＋　Ｎａ
２０−−■が進行し２式■におけるＮａｚＯの活量ａＮ
ａ２０が変化し、感ガス特性のドリフトが生じていた。

更にこの状態から使用し続けると界面■においてＮａ２
ｃＯ３が分解消失するか、界面■が生成したＮａｚＯに
よって完全に被覆されるため第８図の直線Ｃに示すよう
に検出感度そのものも失われていた。

このように従来の炭酸ガスセンサはセンサ電流が流れる
ことによって発生起電力が漸次減少し。

やがて消滅するため測定データの信頼性が乏しく。

かつセンサそのものも寿命が短かった。

本発明は、上記課題を解決するもので測定データの信頼
性が高く、かつ寿命の長い炭酸ガスセンサを提供するこ
とを目的とするものである。

［問題を解決するための手段］ この発明に係わる炭酸ガスセンサは、多孔質電極層を持
つイオン伝導性セラミックスと一方の電極層の少なくと
も一部を覆う金属炭酸塩とからなるガス感知部と、ガス
感知部を動作温度に加熱する加熱ヒータとで出来た炭酸
ガスセンサに、タイマーを設けて時間設定をし、所定時
間だけガス感知部の電極層に、ガス感知部の通常の発生
起電力と逆極性の電圧を印加する直流電圧印加回路部を
設け、その後さらに所定時間後ガス感知部の発生起電力
を取り込むプロセッサを設けた。

第２の発明は、複数のガス感知部を設け、それぞれの電
極層に対し順次逆極性の電圧を印加していく直流電圧印
加回路部を設け、それぞれの印加時間から所定時間後に
、順次複数のガス感知部の発生起電力を切換えていき、
結果として連続検出をするプロセッサを設けた。

［作用コ この発明においては、ガス感知部は炭酸ガス濃度を検出
する前に発生起電力と逆極性の電圧が印加され、ドリフ
トなどの感ガス特性の変化に伴う誤差が除かれて、初期
特性と同じ特性を持つ状態になる。

第２の発明においては、複数のガス感知部は順次逆極性
の電圧が印加され、どれかは常に初期状態に復帰してい
るので、これらを切換え測定して誤差の少ない連続測定
をする。

［実施例］ 炭酸ガスセンサがオフィスなどの密閉された生活空間に
おける空気質を管理する目的に使われる場合を考える。

このような用途では、炭酸ガス濃度は急激に変化しない
ので空調システムを制御するのに際し、炭酸ガス濃度を
連続的に検出する必要はなく、一定の時間間隔で検出す
るサンプリングで￥十分であるとされている。

ここでは、このようなサンプリングによる炭酸ガス濃度
の検出を例にとり１本発明の代表的な実施例について説
明する。

第１図、第２図はそれぞれ本発明の一実施例による炭酸
ガスセンサの回路ブロック図とタイミングチャート図で
あり、　（２１）は炭酸ガス検出部。

（２２）はタイマ一部、　（２３）はスイッチング回路
部。

（２４）は直流電圧印加回路部、　（２５）はプロセッ
サ（以下ＣＰＵ部と略す）である。

以下、この実施例について第１図、第２図を参照して説
明する。

第１図において炭酸ガス検出部（２１）は従来の炭酸ガ
スセンサと同じ構造を有するものでガス感知部と加熱ヒ
ータとから構成され、被測定雰囲気中の炭酸ガス濃度に
対応した起電力から発生する。

タイマ部（２２）からは第１．第２．第３の信号が順に
繰り返し発生しており、これら信号はスイッチング回路
部（２３）とＣＰＵ部（２５）に入力される。まず第１
のタイミング信号によりスイッチング回路部（２３）は
炭酸ガス検出部（２１）のガス感知部を直流電圧印加回
路部（２４）に接続する。これによりガスによりスイッ
チング回路部（２３）は炭酸ガス検出部（２１）のガス
感知部をＣＰＵ部（２５）に切り換え、これによりガス
感知部への印加電圧は除去される。

ここでガス感知部に逆極性の電圧を印加することによっ
て弐〇、■の逆反応が起こる。

（弐〇の逆反応）　２Ｎａ”＋２ｅ−＋ＣＯ２＋−Ｏｚ
　−Ｎａ２ＣＯａ■（式■の逆反応）　ＮａＪ　−＋　
２Ｎａ”＋２ｅ−＋−０２・＝■この反応はＮａ２Ｏの
活量変化、　Ｎａ２ＣＯ＋の分解消失。

ＮａｚＯによる界面■の完全被覆をキャンセルする方向
に作用する。このため逆極性の電圧を除去したあと一定
の緩和時間を経過してからガス感知部の発生起電力が示
す定常値は、ドリフトが低減された感ガス特性の発生起
電力と一致する。特に印加電圧のレベル、印加時間を適
切な値に設定することにより感ガス特性を初期状態まで
復帰させることが可能である。したがって、このような
設定のもとて第２の時間から所定の緩和時間の分だけ遅
らせて第３のタイミング信号を出し、この信号にもとづ
いてＣＰＵ部（２５）によりガス感知部の発生起電力を
データとして取り込むようにすれば、ドリフトによる誤
差を含まない精度の高い炭酸ガス濃度の検出が可能とな
る。第２図は、このような第１．２．２のタイミング信
号が順に繰り返し発生している様子と、ガス感知ｉ極性
の電圧が印加・除去を繰り返している様子と、これに伴
ってガス感知部の発生起電力が変化する様子を示したタ
イミングチャート図である。図において時間間隔Ｔは前
述の緩和時間に対応する。ところで、サンプリングによ
る検出でなく、連続検出が必須の場合も多い。第２の発
明はこうした場合に適用可能としたものである。特性の
そろった。またはバラツキを補正した複数のガス感知部
に対し、第１の発明と同様、順々に一定時間だけ逆極性
の電圧を印加していく。そして、それからさらに緩和時
間後に各々のガス感知部の発生起電力を順次切換えて測
定してゆけば、絶えず連続測定をしていることになる。

ガス感知部が２ケの場合について図にもとづいて説明す
る。

第３図、第４図はそれぞれ第２の発明の一実施例による
炭酸ガスセンサの回路ブロック図とそのタイミングチャ
ート図であり、　（２１１）、　（２１２）は炭酸ガス
検出部Ｉ、　　Ｉ［、（２２）はタイマ部、　　（２３
１）。

（２３２）はスイッチング回路部Ｉ　、　ＩＩ、　（２
４）は直流電源、（並）はスイッチング回路部１　　（
２３１）と直流電源（２４）から構成された直流電圧印
加回路部である。

以下、この実施例について第３図、第４図を参照して説
明する。第３図において炭酸ガス検出部（２１１）と炭
酸ガス検出部Ｉｆ　　（２１２）は従来の炭酸ガスセン
サと同じ構造を有するもので、それぞれガス感知部Ｉも
しくは■（図示せず）と加熱ヒータ■もしくは■（図示
せず）から構成され、被測定雰囲気中の炭酸ガス濃度に
対応した起電力が発生する。

タイマ部（２２）からは所定の時間間隔で第１．第２、
第３．第４のタイミング信号が順に繰り返し発生してお
り、これら信号は直流電圧印加回路部（２６）のスイッ
チング回路部Ｉ　　（２３１）とスイッチング回路部Ｉ
Ｉ　　（２３２）に入力される。

まず、炭酸ガス検出部Ｉ　　（２１１）の動作について
説明する。

第１のタイミング信号にもとづきスイッチング回路部Ｉ
　　（２３１）は炭酸ガス検出部１　　（２１１）のガ
ス感知部Ｉを直流電源（２４）に接続し、ガス感知部ｌ
の発生起電力と逆極性の電圧工を印加する。この電圧Ｉ
は第１から第２のタイミングの間だけ印加される。ここ
で、ガス感知部■に逆極性の電圧Ｉを印加することによ
って弐〇、■の逆反応が起こることは先に述べたとおり
である。

第２のタイミング信号から緩和時間だけ遅らせて第３の
タイミング信号を出し、この信号にもとづきスイッチン
グ回路部ｎ　　（２３２）はガス感知部Ｉをセンサの出
力端子（図示せず）に接続する。この時、出力される発
生起電力はドリフトによる誤差を含まないため精度の高
い炭酸ガス濃度に対応している。このように第３のタイ
ミング信号が発せられてから第１のタイミング信号が再
び発せられるまでの間は、ガス感知部Ｉの発生起電力に
より高精度な炭酸ガス濃度の検出が可能となる。この間
、炭酸ガス検出部ＩＩ　（２１２）の動作は次のように
なり、炭酸ガス検出部Ｉ　　（２１１）と類似の動作を
する。すなわち、第３のタイミング信号にもとづき、ス
イッチング回路部Ｉ　　（２３１）は炭酸ガス検出部■
（２１２）のガス感知部■に直流電源（２４）を接続し
、ガス感知部Ｈの発生起電力と逆極性の電圧■を印加す
る。この電圧■は、第４のタイミングまでの間印加され
る。ここで電圧■のレベル、印加時間は適切な値に設定
されており、電圧■が除去されたのち成る緩和時間をお
いて感ガス特性は初期状態まで復帰する。したがって再
び発せられる第１のタイミング信号を第４のタイミング
信号から緩和時間の時間間隔より遅らせて発し、ｔの信
号にもとづいてスイッチング回路部ｎ　（２３２）によ
りガス感知部■をセンサの出力端子に接続するようにす
れば、出力される発生起電力はドリフトによる誤差を含
まない。

したがって、加熱ヒータＩ、Ｉｆの温度調整等の方法に
よりガス感知部工、■の初期特性を一致させ交互にセン
サ出力として用いることにより炭酸ガス濃度を高精度か
＊連続検出することが可能となる。更にＮａ２ＣＯ３の
分解消失や界面■のＮａ２Ｏによる完全被覆も阻止され
るためセンサそのものも長寿命化される。

第４図はタイマ部（２２）よりこのような第１．第２、
第３．第４のタイミング信号が順に繰り返し発生してい
る様子と、直流電圧印加回路部（跋）よりガス感知部Ｉ
、ＩＩに交互に逆極性の電圧Ｉ、ＩＩが印加されている
様子と、これに伴ってガス感知部Ｉ、　　Ｉ［の発生起
電力が交互に変化している様子と、スイッチング回路部
ＩＩ　　（２３２）を介して得られるセンサ出力の様子
を示したタイミングチャート図である。図において時間
間隔Ｔ１．Ｔ２はそれぞれガス感知部Ｉ、ＩＩの緩和時
間に対応する。

なお、第５図は、実験により求めた感ガス特性であり、
従来品と本発明品の比較を示している。

図において直線Ａは初期の感ガス特性であり、直線Ｂ、
Ｃはそれぞれ従来品１本発明品を４日間連続動作させた
後の感ガス特性である。従来品では大きなドリフトが生
じているのに対し１本発明品ではほとんどドリフトが生
じず、前述の説明どおり感ガス特性が大きく改善されて
いるのが確認できる。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、炭酸ガス濃度を検出
する前に、ガス感知部に発生起電力と逆極性の電圧を所
定時間印加するようにしたので。

Ｎａ２Ｏの活量間化やＮａ２ＣＯ３の分解消失などが防
止され、測定の信頼性が高くなり、かつ寿命の長い炭酸
ガスセンサが得られる。

第２の発明においては、複数のガス感知部に。

順次逆極性の電圧を印加するようにしたので、これらを
切換えて信頼性の高い連続測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である炭酸ガスセンサの回路
ブロック図、第２図は第１図の回路のタイミングチャー
ト図、第３図は第２の発明の一実施例を示す炭酸ガスセ
ンサの回路ブロック図、第４図は第３図の回路のタイミ
ングチャート図、第５図は実験による従来品と本発明に
よる炭酸ガスセンサの感ガス特性を示す図、第６図は炭
酸ガスセンサのガス感知部の構成を示す断面図、第７図
は炭酸ガスセンサの全体構成を示す断面図、第８図は実
験による従来品の感ガス特性を示す図である。 図において、（１）はＮＡＳ　ＩＣ０Ｎ板、　（４）（
５）は多孔質の電極層、（６）は炭酸ナトリウム、（９
）はガス遮断層、　（１０）はガス感知部、　（１１）
は加熱ヒータ、　（２１）は炭酸ガス検出部、　（２２
）はタイマ部。 （２３）はスイッチング回路部、　（２４）は直流電圧
印加回路部、　（２５）はＣＰＵ部、　（２６）は直流
電圧印加回路、　（２１１）（２１２）は炭酸ガス検出
部Ｉと炭酸ガス検出部ｎ、　（２３１）（２３２）はス
イッチング回路部■とスイッチング回路部■である。 なお図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質電極層を持つイオン伝導性セラミックスと
   上記イオン伝導性セラミックスのいずれか一方の電極層
   の少なくとも一部を覆う金属炭酸塩からなるガス感知部
   と、上記ガス感知部を動作温度に加熱する加熱ヒータと
   からなる炭酸ガスセンサと、繰り返し発生する所定の第
   １、第２、第３の設定時間ごとに、上記第１から第２の
   時間の間のみ上記ガス感知部の発生起電力と逆極性の電
   圧を上記電極層に印加する直流電圧印加回路部と、上記
   第３の時間に上記ガス感知部の発生起電力を取り込むプ
   ロセッサとからなる炭酸ガスセンサ。
2. （２）複数の独立のガス感知部を持ち、繰り返し発生す
   る所定の第１、第２、第３、第４の設定時間ごとに上記
   第１から第２の時間の間のみ第１のガス感知部の電極層
   にガス感知部の通常の発生起電力と逆極性の電圧を印加
   し、上記第３から第４の時間の間のみ第２のガス感知部
   の電極層に発生起電力と逆極性の電圧を印加していく直
   流電圧印加回路部と、上記第２の時間から所定時間後上
   記第１のガス感知部の発生起電力を取り込み、上記第４
   の時間から所定時間後上記第２のガス感知部の発生起電
   力を取り込んでいって、これらを複数のガス感知部に及
   ぼし、複数のガス感知部の発生起電力を順次切換えてい
   って、結果として連続検出をするプロセッサとからなる
   請求項第（１）項の炭酸ガスセンサ。