JP2584938B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】酸素センサは、特に、自動車用エンジン
及びガス燃焼形ボイラ等の燃焼装置における空燃比（空
気燃料比）の測定及び制御に使用されている。酸素セン
サは排気ガス中に配置され、ガス中の酸素含有量の測定
により、燃焼効率及びエミッション（排気ガス）の制御
を最適化することができる。
及びガス燃焼形ボイラ等の燃焼装置における空燃比（空
気燃料比）の測定及び制御に使用されている。酸素セン
サは排気ガス中に配置され、ガス中の酸素含有量の測定
により、燃焼効率及びエミッション（排気ガス）の制御
を最適化することができる。
【０００３】一般に、酸素センサは、アルミナの基板
と、該基板上に存在するカソードとして機能する第１電
極と、前記カソード上に存在する固体金属酸化物の酸素
イオンを導く電解質と、該電解質上に存在するアノード
として機能する第２電極とで構成されている。一般に、
電解質はジルコニアからなり、電極は白金からなる。上
記形式の現存の酸素センサは別々の電極部品及び電解質
部品で構成されている。しかしながら、これらの酸素セ
ンサは比較的高価であり、コスト低減のために電極及び
電解質を基板上の印刷層として製造する試みがなされて
いる。しかしながら、このようにして製造されたセンサ
は、特に白金カソードと電解質との間の密着性を欠き、
また白金アノードと電解質との間の密着性にも欠けると
いう問題があり、このため酸素センサを印刷することは
未だポピュラーな技術になってはいない。
と、該基板上に存在するカソードとして機能する第１電
極と、前記カソード上に存在する固体金属酸化物の酸素
イオンを導く電解質と、該電解質上に存在するアノード
として機能する第２電極とで構成されている。一般に、
電解質はジルコニアからなり、電極は白金からなる。上
記形式の現存の酸素センサは別々の電極部品及び電解質
部品で構成されている。しかしながら、これらの酸素セ
ンサは比較的高価であり、コスト低減のために電極及び
電解質を基板上の印刷層として製造する試みがなされて
いる。しかしながら、このようにして製造されたセンサ
は、特に白金カソードと電解質との間の密着性を欠き、
また白金アノードと電解質との間の密着性にも欠けると
いう問題があり、このため酸素センサを印刷することは
未だポピュラーな技術になってはいない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、センサの正しい機能に関する診断情報（識別情報）
を得ることができる酸素センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、カソードと電解質との間の密着性
を顕著に改善でき、従ってカソード層及び電解質層の印
刷を成功裏に行うことができる酸素センサを提供するこ
とにある。
は、センサの正しい機能に関する診断情報（識別情報）
を得ることができる酸素センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、カソードと電解質との間の密着性
を顕著に改善でき、従ってカソード層及び電解質層の印
刷を成功裏に行うことができる酸素センサを提供するこ
とにある。
【０００５】本発明の副次的な目的は、アノードと電解
質との間の密着性をも改善し、電解質上へのアノードの
印刷も成功裏に行うことができる酸素センサを提供する
ことにある。
質との間の密着性をも改善し、電解質上へのアノードの
印刷も成功裏に行うことができる酸素センサを提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本願発明は、上記目的を
達成するために、反対側に位置する２つの面を備えた酸
素イオン導体の基板と、該基板の一方の面に塗布され且
つ孔を中央に配設した非導電層と、該非導電層の部分に
塗布された第１電極層とを有し、該第１電極層は、前記
中央配設孔を貫通する下部本体部分を備え、該下部本体
部分も又、前記基板の前記一方の面に塗布されており、
前記第１電極層上に塗布され且つ該第１電極層に重なる
電解質層と、前記電解質上に塗布された第２電極層と、
前記基板の他方の面に塗布された第３電極層とを更に有
し、前記各電極層及び電解質層は、全体的に金属酸化物
の酸素イオン導体を含むことを特徴とする酸素センサを
提供する。
達成するために、反対側に位置する２つの面を備えた酸
素イオン導体の基板と、該基板の一方の面に塗布され且
つ孔を中央に配設した非導電層と、該非導電層の部分に
塗布された第１電極層とを有し、該第１電極層は、前記
中央配設孔を貫通する下部本体部分を備え、該下部本体
部分も又、前記基板の前記一方の面に塗布されており、
前記第１電極層上に塗布され且つ該第１電極層に重なる
電解質層と、前記電解質上に塗布された第２電極層と、
前記基板の他方の面に塗布された第３電極層とを更に有
し、前記各電極層及び電解質層は、全体的に金属酸化物
の酸素イオン導体を含むことを特徴とする酸素センサを
提供する。
【０００７】本発明の好ましい実施態様において、上記
基板は、ジルコニアである。
基板は、ジルコニアである。
【０００８】本発明の好適な実施態様によれば、上記金
属酸化物の酸素イオン導体は、ジルコニアである。本発
明の他の好適な実施態様によれば、各電極層における前
記金属酸化物の酸素イオン導体は、金属−金属酸化物サ
ーメットの金属酸化物部分である。
属酸化物の酸素イオン導体は、ジルコニアである。本発
明の他の好適な実施態様によれば、各電極層における前
記金属酸化物の酸素イオン導体は、金属−金属酸化物サ
ーメットの金属酸化物部分である。
【０００９】好ましくは、上記電解質の金属酸化物と、
前記サーメットの金属酸化物とは、同一材料である。更
に好ましくは、上記金属酸化物は、ジルコニアである。
前記サーメットの金属酸化物とは、同一材料である。更
に好ましくは、上記金属酸化物は、ジルコニアである。
【００１０】本発明の或る実施態様によれば、上記サー
メットの金属は、白金である。好ましくは、上記白金
は、サーメットの２０〜９０体積％の範囲内にある。
メットの金属は、白金である。好ましくは、上記白金
は、サーメットの２０〜９０体積％の範囲内にある。
【００１１】
【実施例】以下、添付図面に関連して本発明の実施例を
詳細に説明する。図１に示すように、本発明のセンサ
（酸素センサ）は、基板１と、該基板１の上面に載った
第１電極２と、該第１電極２上に載った電解質３と、該
電解質３上に載った第２電極４とからなる。
詳細に説明する。図１に示すように、本発明のセンサ
（酸素センサ）は、基板１と、該基板１の上面に載った
第１電極２と、該第１電極２上に載った電解質３と、該
電解質３上に載った第２電極４とからなる。
【００１２】図１に示すセンサの場合、基板材料は、６
５０ミクロンの厚さをもつ９６％アルミナのベースを選
択した。両電極用のインク材料は、白金ペーストとジル
コニアペーストとの混合物からなる。ジルコニアペース
トは、ジルコニア粉末と、市販のスクリーン印刷用バイ
ンダ及び溶剤とを混合することにより作られる。このよ
うにして作られた白金−ジルコニアサーメットインク
は、１２体積％の白金を含有している。
５０ミクロンの厚さをもつ９６％アルミナのベースを選
択した。両電極用のインク材料は、白金ペーストとジル
コニアペーストとの混合物からなる。ジルコニアペース
トは、ジルコニア粉末と、市販のスクリーン印刷用バイ
ンダ及び溶剤とを混合することにより作られる。このよ
うにして作られた白金−ジルコニアサーメットインク
は、１２体積％の白金を含有している。
【００１３】電解質インクは、上記方法により作られた
ジルコニアペーストからなる。次に、ＤＥＫ社のモデル
１２０２型機械を用いて、第１電極（カソードとしての
使用に供するもの）を、円形ディスク２として基板１上
にスクリーン印刷する。この円形ディスク（第１電極）
２は、図１に示すように、電気ターミナルに接続するた
めの半径方向に延びたタブ７を備えている。この第１電
極２の上に電解質３を印刷する前に、第１電極２を乾燥
し且つ1,000 ℃で短時間燃焼して有機バインダを除去す
る。
ジルコニアペーストからなる。次に、ＤＥＫ社のモデル
１２０２型機械を用いて、第１電極（カソードとしての
使用に供するもの）を、円形ディスク２として基板１上
にスクリーン印刷する。この円形ディスク（第１電極）
２は、図１に示すように、電気ターミナルに接続するた
めの半径方向に延びたタブ７を備えている。この第１電
極２の上に電解質３を印刷する前に、第１電極２を乾燥
し且つ1,000 ℃で短時間燃焼して有機バインダを除去す
る。
【００１４】次に、同じ機械を用いて、電解質を円形デ
ィスク３としてカソード（第１電極）２上にスクリーン
印刷するが、タブ７の一部は電解質３の外周部から突出
させておく。次に、電解質３を乾燥させ且つジルコニア
を焼結するのに充分な時間をかけて電解質３を1,400 ℃
で燃焼する。最後に、同じ機械を用いて、第２電極（ア
ノードとしての使用に供するもの）を、円形ディスク４
として基板１上にスクリーン印刷する。この円形ディス
ク（第２電極）４は電解質３の直径より小さく、電気タ
ーミナルに接続するための半径方向に延びたタブ８を備
えている。次にアノード４を乾燥し且つ1,400 ℃で短時
間燃焼する。
ィスク３としてカソード（第１電極）２上にスクリーン
印刷するが、タブ７の一部は電解質３の外周部から突出
させておく。次に、電解質３を乾燥させ且つジルコニア
を焼結するのに充分な時間をかけて電解質３を1,400 ℃
で燃焼する。最後に、同じ機械を用いて、第２電極（ア
ノードとしての使用に供するもの）を、円形ディスク４
として基板１上にスクリーン印刷する。この円形ディス
ク（第２電極）４は電解質３の直径より小さく、電気タ
ーミナルに接続するための半径方向に延びたタブ８を備
えている。次にアノード４を乾燥し且つ1,400 ℃で短時
間燃焼する。
【００１５】燃焼後、電極の白金含有量は６５体積％に
なっていることが判明した。次に、センサを基板１から
直径８mmのディスクとして切断する。最後に、電気ター
ミナルとして機能する白金ワイヤ（図示せず）をアノー
ド４及びカソード２に接続する。電極層及び電解質層の
厚さは印刷中に制御され、結果として得られる電極層の
厚さは６ミクロン、電解質層の厚さは２５ミクロンであ
る。
なっていることが判明した。次に、センサを基板１から
直径８mmのディスクとして切断する。最後に、電気ター
ミナルとして機能する白金ワイヤ（図示せず）をアノー
ド４及びカソード２に接続する。電極層及び電解質層の
厚さは印刷中に制御され、結果として得られる電極層の
厚さは６ミクロン、電解質層の厚さは２５ミクロンであ
る。
【００１６】図２（この図２では、図１に示したセンサ
の構成部品と同じ構成部品は同じ参照番号で示されてい
る）を参照すると、このセンサは非導電層５と、第３電
極６とを有している。この場合、基板１は、ジルコニア
等の酸素イオン導体である。非導電層５は基板１上に載
っており且つ中央孔を有している。この中央孔には、上
記第１実施例のセンサの電極２と同じ機能をもつ電極
２′の下部本体が延びている。電極２′の下部本体は基
板１の上面と接触しており、他方、電極２′の上部は非
導電層５の上に載る環状突出部７を備えている。非導電
層５の上には電解質３が載っている。電極２′は、図１
のセンサの電極と同じ性質及び組成をもつ白金及びジル
コニアのサーメットからなる。
の構成部品と同じ構成部品は同じ参照番号で示されてい
る）を参照すると、このセンサは非導電層５と、第３電
極６とを有している。この場合、基板１は、ジルコニア
等の酸素イオン導体である。非導電層５は基板１上に載
っており且つ中央孔を有している。この中央孔には、上
記第１実施例のセンサの電極２と同じ機能をもつ電極
２′の下部本体が延びている。電極２′の下部本体は基
板１の上面と接触しており、他方、電極２′の上部は非
導電層５の上に載る環状突出部７を備えている。非導電
層５の上には電解質３が載っている。電極２′は、図１
のセンサの電極と同じ性質及び組成をもつ白金及びジル
コニアのサーメットからなる。
【００１７】図示のように、第３電極６は基板１の下面
上に配置されており、白金ワイヤに接続するための半径
方向に延びたタブ（図示せず）を備えている。この第３
電極６も、図１のセンサの電極と同じ性質及び組成をも
つ白金−ジルコニアサーメットからなる。図２のセンサ
も、図１のセンサの製造で説明した方法と同じ方法によ
り製造される。
上に配置されており、白金ワイヤに接続するための半径
方向に延びたタブ（図示せず）を備えている。この第３
電極６も、図１のセンサの電極と同じ性質及び組成をも
つ白金−ジルコニアサーメットからなる。図２のセンサ
も、図１のセンサの製造で説明した方法と同じ方法によ
り製造される。
【００１８】図１のセンサでは、カソードとして機能す
る電極２とアノードとして機能する電極４との間に電圧
が印加され、これによりカソードでは酸素が減少し、電
解質３中の酸素イオンにより電流が運ばれる。この電気
化学的方法は、酸素ポンピングとして知られている。電
解質３は、カソード２への酸素の移動を制限する多孔質
障壁（ポーラスバリヤ）として機能する。アノード４と
カソード２との間に充分な電圧が印加されるならば、カ
ソード２における酸素の分圧はほぼゼロに低下する。こ
れは限界条件であり、流れる電流は電解質３を通る酸素
の拡散速度により制御される。限界電流はセンサを包囲
するガス中の酸素濃度に比例する。このため、これらの
センサはガス燃焼形ボイラ及び内燃機関の排気ガスの酸
素濃度を測定するのに理想的であるが、２つの使用例が
ある。
る電極２とアノードとして機能する電極４との間に電圧
が印加され、これによりカソードでは酸素が減少し、電
解質３中の酸素イオンにより電流が運ばれる。この電気
化学的方法は、酸素ポンピングとして知られている。電
解質３は、カソード２への酸素の移動を制限する多孔質
障壁（ポーラスバリヤ）として機能する。アノード４と
カソード２との間に充分な電圧が印加されるならば、カ
ソード２における酸素の分圧はほぼゼロに低下する。こ
れは限界条件であり、流れる電流は電解質３を通る酸素
の拡散速度により制御される。限界電流はセンサを包囲
するガス中の酸素濃度に比例する。このため、これらの
センサはガス燃焼形ボイラ及び内燃機関の排気ガスの酸
素濃度を測定するのに理想的であるが、２つの使用例が
ある。
【００１９】図２に示すセンサでは、カソードとして機
能する電極２′と電極４（アノードとして機能する）と
の間に電圧を印加しておき、電極２′と第３電極６との
間の電圧を付加的に測定することができ、これにより、
酸素濃度を測定する付加的な情報が得られ、且つセンサ
の正しい機能に関する診断情報を得ることができる。例
えば、第３電極６は、センサがその出力電流特性のリニ
ア領域で作動していることを確認するのに使用できる
（リニア領域では、電流が混合物中の酸素の分圧に正比
例する）。リニア領域ではセンサの温度変化に対する出
力電流の応答が最小になるため、センサをこのリニア領
域で作動させることは非常に好ましいことである。更に
他の例として、上記第３電極６を組み込んだセンサを、
英国特許出願第9101763.2 に記載されているような機能
を遂行するのに使用することもできる。
能する電極２′と電極４（アノードとして機能する）と
の間に電圧を印加しておき、電極２′と第３電極６との
間の電圧を付加的に測定することができ、これにより、
酸素濃度を測定する付加的な情報が得られ、且つセンサ
の正しい機能に関する診断情報を得ることができる。例
えば、第３電極６は、センサがその出力電流特性のリニ
ア領域で作動していることを確認するのに使用できる
（リニア領域では、電流が混合物中の酸素の分圧に正比
例する）。リニア領域ではセンサの温度変化に対する出
力電流の応答が最小になるため、センサをこのリニア領
域で作動させることは非常に好ましいことである。更に
他の例として、上記第３電極６を組み込んだセンサを、
英国特許出願第9101763.2 に記載されているような機能
を遂行するのに使用することもできる。
【００２０】図３及び図４には、温度が変化する炉内の
石英管内にセンサを配置した場合の結果が示してある。
酸素濃度は、マスフロー弁を用いて窒素と空気とを一定
比率で混合することにより制御した。石英管を通って流
れるガス混合物及びセンサを通って流れる電流を、アノ
ードとカソードとの間に印加された所与の電圧に対し
て、測定した。
石英管内にセンサを配置した場合の結果が示してある。
酸素濃度は、マスフロー弁を用いて窒素と空気とを一定
比率で混合することにより制御した。石英管を通って流
れるガス混合物及びセンサを通って流れる電流を、アノ
ードとカソードとの間に印加された所与の電圧に対し
て、測定した。
【００２１】図３には、８００℃の一定の炉温度での１
体積％、４体積％、８体積％及び２１体積％の酸素濃度
におけるセンサの電流−電圧特性が示されている。これ
らの特性は、別々の構成部品で構成されたセンサについ
て得られる特性と非常に良く似ている。図４には、２１
体積％の一定の酸素濃度での８００℃、７００℃、６５
０℃及び６００℃の炉温度における電流−電圧特性が示
されている。
体積％、４体積％、８体積％及び２１体積％の酸素濃度
におけるセンサの電流−電圧特性が示されている。これ
らの特性は、別々の構成部品で構成されたセンサについ
て得られる特性と非常に良く似ている。図４には、２１
体積％の一定の酸素濃度での８００℃、７００℃、６５
０℃及び６００℃の炉温度における電流−電圧特性が示
されている。
【００２２】これらの特性も、別々の構成部品で構成さ
れたセンサについて得られる特性と非常に良く似てい
る。電極と電解質との間の密着性は優れていることが判
明している。これは、電解質及び各電極の両者が酸素イ
オン導体（より詳しくは金属酸化物であり、本発明のセ
ンサではジルコニア）を含有しており、従って電解質及
び電極に、密着性に関して物理的に互いに相容性をもた
せることができるためであると考えられ、電解質及び電
極における金属酸化物が同一であれば特に優れた結果が
得られる。従来のセンサのように、電極が白金のような
金属である場合には、このように優れた密着特性は得ら
れない。
れたセンサについて得られる特性と非常に良く似てい
る。電極と電解質との間の密着性は優れていることが判
明している。これは、電解質及び各電極の両者が酸素イ
オン導体（より詳しくは金属酸化物であり、本発明のセ
ンサではジルコニア）を含有しており、従って電解質及
び電極に、密着性に関して物理的に互いに相容性をもた
せることができるためであると考えられ、電解質及び電
極における金属酸化物が同一であれば特に優れた結果が
得られる。従来のセンサのように、電極が白金のような
金属である場合には、このように優れた密着特性は得ら
れない。
【図１】本発明の第１実施例によるセンサの一部を切断
した斜視図である。
した斜視図である。
【図２】本発明の他の実施例によるセンサの一部を切断
した斜視図である。
した斜視図である。
【図３】本発明の第１実施例によるセンサについての、
８００℃の一定温度で酸素濃度を変化させた場合の電流
−電圧特性を示すグラフである。
８００℃の一定温度で酸素濃度を変化させた場合の電流
−電圧特性を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施例によるセンサについての、
一定の酸素濃度で温度を変化させた場合の電流−電圧特
性を示すグラフである。
一定の酸素濃度で温度を変化させた場合の電流−電圧特
性を示すグラフである。
１ 基板 ２ 第１電極（円形ディスク、カソード） ２′ 電極 ３ 電解質 ４ 第２電極 ５ 非導電層 ６ 第３電極 ７ タブ ８ タブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−144063（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−165758（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−78149（ＪＰ，Ａ)
Claims (8)
- 【請求項１】 反対側に位置する２つの面を備えた酸素
イオン導体の基板と、該基板の一方の面に塗布され且つ
孔を中央に配設した非導電層と、該非導電層の部分に塗
布された第１電極層とを有し、該第１電極層は、前記中
央配設孔を貫通する下部本体部分を備え、該下部本体部
分も又、前記基板の前記一方の面に塗布されており、 前記第１電極層上に塗布され且つ該第１電極層に重なる
電解質層と、前記電解質上に塗布された第２電極層と、
前記基板の他方の面に塗布された第３電極層とを更に有
し、前記各電極層及び電解質層は、全体的に金属酸化物
の酸素イオン導体を含むことを特徴とする酸素センサ。 - 【請求項２】 前記基板が、ジルコニアであることを特
徴とする請求項１に記載の酸素センサ。 - 【請求項３】 前記金属酸化物の酸素イオン導体が、ジ
ルコニアであることを特徴とする請求項１又は請求項２
に記載の酸素センサ。 - 【請求項４】 各電極層における前記金属酸化物の酸素
イオン導体が、金属−金属酸化物サーメットの金属酸化
物部分であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
か１項に記載の酸素センサ。 - 【請求項５】 前記電解質の金属酸化物及び前記サーメ
ット内の金属酸化物が同じ材質であることを特徴とする
請求項４に記載の酸素センサ。 - 【請求項６】 前記金属酸化物がジルコニアであること
を特徴とする請求項５に記載の酸素センサ。 - 【請求項７】 前記サーメット内の金属が白金であるこ
とを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の
酸素センサ。 - 【請求項８】 前記白金が、前記サーメットの２０〜９
０体積％の範囲内にあることを特徴とする請求項７に記
載の酸素センサ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9116385:7 | 1991-07-30 | ||
| GB919116385A GB9116385D0 (en) | 1991-07-30 | 1991-07-30 | Oxygen sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05196599A JPH05196599A (ja) | 1993-08-06 |
| JP2584938B2 true JP2584938B2 (ja) | 1997-02-26 |
Family
ID=10699193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4204084A Expired - Fee Related JP2584938B2 (ja) | 1991-07-30 | 1992-07-30 | 酸素センサ |
Country Status (7)
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