JP2643409B2 - 限界電流式酸素センサ - Google Patents
限界電流式酸素センサInfo
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- oxygen sensor
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電圧−電流特性のフラット域により酸素濃度
を検出する限界電流式酸素センサに関し、特にその製造
工程の簡略化に有効な構造の限界電流式酸素センサに関
する。
を検出する限界電流式酸素センサに関し、特にその製造
工程の簡略化に有効な構造の限界電流式酸素センサに関
する。
［従来の技術］ 第３図は従来の限界電流式酸素センサを示す断面図で
ある。板状のイオン電導体１には、その中央に表面から
裏面に貫通する気体拡散孔２が設けられており、その表
面及び裏面には夫々多孔質白金電極3,4が形成されてい
る。そして、底部が開口した箱形状のセラミックス製封
止部材５がイオン電導体１の表面上に電極３を取り囲む
ようにして配設されている。この封止部材５は非晶質ガ
ラス６によりイオン電導体１の表面上に気密を保持する
ように固着されており、これにより電極３は封止部材５
によって囲まれた空間内に封止されている。イオン電導
体１の表面上の電極３はリード７を介して電源の負極性
端子に接続され、裏面上の電極４はリード７を介して正
極性端子に接続されている。
ある。板状のイオン電導体１には、その中央に表面から
裏面に貫通する気体拡散孔２が設けられており、その表
面及び裏面には夫々多孔質白金電極3,4が形成されてい
る。そして、底部が開口した箱形状のセラミックス製封
止部材５がイオン電導体１の表面上に電極３を取り囲む
ようにして配設されている。この封止部材５は非晶質ガ
ラス６によりイオン電導体１の表面上に気密を保持する
ように固着されており、これにより電極３は封止部材５
によって囲まれた空間内に封止されている。イオン電導
体１の表面上の電極３はリード７を介して電源の負極性
端子に接続され、裏面上の電極４はリード７を介して正
極性端子に接続されている。
このような構造を有する酸素センサを酸素濃度を測定
せんとする雰囲気内に置き、電極３と電極４との間に電
極３が負極となる様に電圧を印加する。そうすると、電
極３の表面にて酸素の解離（イオン化）反応が生じて周
辺の酸素ガスが消費され、電極４の表面にて酸素イオン
の結合（分子化）反応が生じ、酸素イオンが電極３から
電極４に向けてイオン電導体１内を移動する。封止部材
５により囲まれた空間内には気体拡散孔２を介して酸素
ガスが補給される。
せんとする雰囲気内に置き、電極３と電極４との間に電
極３が負極となる様に電圧を印加する。そうすると、電
極３の表面にて酸素の解離（イオン化）反応が生じて周
辺の酸素ガスが消費され、電極４の表面にて酸素イオン
の結合（分子化）反応が生じ、酸素イオンが電極３から
電極４に向けてイオン電導体１内を移動する。封止部材
５により囲まれた空間内には気体拡散孔２を介して酸素
ガスが補給される。
そして、第５図に横軸に電圧をとり、縦軸に電流をと
って、酸素濃度が21％の場合の電圧−電流特性の例を示
すように、印加電圧の上昇と共に電流が上昇していく
が、電圧のある領域で、電流のフラット域が観測され
る。これは封止部材５に囲まれた空間内への空気の流入
が気体拡散孔２により制約を受けるために生じるもので
あって、このフラット域の電流値（以下、限界電流とい
う）は測定雰囲気の酸素農度によって異なる。従って、
この限界電流値と酸素濃度との関係を予め求めておけ
ば、酸素濃度を測定すべき雰囲気に酸素センサを置いた
後、その限界電流値を測定することにより酸素濃度を知
ることができる。
って、酸素濃度が21％の場合の電圧−電流特性の例を示
すように、印加電圧の上昇と共に電流が上昇していく
が、電圧のある領域で、電流のフラット域が観測され
る。これは封止部材５に囲まれた空間内への空気の流入
が気体拡散孔２により制約を受けるために生じるもので
あって、このフラット域の電流値（以下、限界電流とい
う）は測定雰囲気の酸素農度によって異なる。従って、
この限界電流値と酸素濃度との関係を予め求めておけ
ば、酸素濃度を測定すべき雰囲気に酸素センサを置いた
後、その限界電流値を測定することにより酸素濃度を知
ることができる。
上述の如く限界電流式酸素センサにおいては、カソー
ド電極の周囲に気体拡散孔２によってのみ外界と接触す
る密閉空間を形成する必要がある。
ド電極の周囲に気体拡散孔２によってのみ外界と接触す
る密閉空間を形成する必要がある。
第４図は従来の他の限界電流式酸素センサを示す断面
図である。この従来技術は前述の密閉空間の形成態様が
第３図に示すものと異なる。即ち、イオン電導体１の表
面上に電極３を覆うようにしてAl2O3又はZrO2−3Y2O3等
の多孔質の材料で中間層８を印刷形成し、その中間層８
を囲むようにしてガラスからなる封止部材９を印刷形成
する。これにより、電極３の周囲は多孔質の中間層８内
に存在する状態で空気が覆うことになる。この酸素セン
サも第３図に示す酸素センサと同様の機能を有する。
図である。この従来技術は前述の密閉空間の形成態様が
第３図に示すものと異なる。即ち、イオン電導体１の表
面上に電極３を覆うようにしてAl2O3又はZrO2−3Y2O3等
の多孔質の材料で中間層８を印刷形成し、その中間層８
を囲むようにしてガラスからなる封止部材９を印刷形成
する。これにより、電極３の周囲は多孔質の中間層８内
に存在する状態で空気が覆うことになる。この酸素セン
サも第３図に示す酸素センサと同様の機能を有する。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第３図に示す酸素センサは、その構造
上製造工程の工数が多く、製造コストが高いという難点
がある。また、封止部材５をイオン電導体１上に接着固
定する構造を有するため、小型化し難いという欠点もあ
る。
上製造工程の工数が多く、製造コストが高いという難点
がある。また、封止部材５をイオン電導体１上に接着固
定する構造を有するため、小型化し難いという欠点もあ
る。
一方、第４図に示す酸素センサは、中間層８を形成す
るために例えばAl2O3の印刷工程が必要であり、同様に
工数が多いという難点がある。また、中間層８が存在す
るその構造体が厚くなるため、次工程で封止部材９を形
成するためのガラス印刷が困難となる。
るために例えばAl2O3の印刷工程が必要であり、同様に
工数が多いという難点がある。また、中間層８が存在す
るその構造体が厚くなるため、次工程で封止部材９を形
成するためのガラス印刷が困難となる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであっ
て、構造が簡素であって製造工数が少なく、製造コスト
が低いと共に、印刷等も支障なく実施でき、製造工程の
円滑化が可能が構造を有する限界電流式酸素センサを提
供することを目的とする。
て、構造が簡素であって製造工数が少なく、製造コスト
が低いと共に、印刷等も支障なく実施でき、製造工程の
円滑化が可能が構造を有する限界電流式酸素センサを提
供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明に係る限界電流式酸素センサは、その第１面か
ら第２面側に貫通する気体拡散孔を有するイオン電導体
と、このイオン電導体の第１面及び第２面に夫々設けら
れた第１及び第２の多孔質電極と、この第１の多孔質電
極よりも熱膨張係数が大きい材料を前記第１の多孔質電
極上に被覆被着して形成された封止部と、を有し、前記
第１の多孔質電極を負極、前記第２の多孔質電極を正極
として両者間に電圧を印加することを特徴とする。
ら第２面側に貫通する気体拡散孔を有するイオン電導体
と、このイオン電導体の第１面及び第２面に夫々設けら
れた第１及び第２の多孔質電極と、この第１の多孔質電
極よりも熱膨張係数が大きい材料を前記第１の多孔質電
極上に被覆被着して形成された封止部と、を有し、前記
第１の多孔質電極を負極、前記第２の多孔質電極を正極
として両者間に電圧を印加することを特徴とする。
［作用］ 本発明においては、第１の多孔質電極上にこの第１の
多孔質電極よりも熱膨張係数大きい材料を被覆被着する
ことにより、前記第１の多孔質電極を覆う封止部を形成
してある。
多孔質電極よりも熱膨張係数大きい材料を被覆被着する
ことにより、前記第１の多孔質電極を覆う封止部を形成
してある。
この場合に、前述の熱膨張係数の差により、この酸素
センサを例えば450℃に加熱してセンシングした場合に
は、封止部と第１の多孔質電極の表面との間には、微小
な空間が形成される。この微小な空間は限界電流式酸素
センサの動作上必要な密閉空間となるものであり、第１
の多孔質電極を負極、第２の多孔質電極を正極として、
両者間に電圧を印加することにより、得られた電圧−電
流特性にはフラット域が現れ、その限界電流により酸素
濃度を測定することができる。上述の構造の酸素センサ
は少ない工数で、且つ円滑に製造することができるの
で、製造コストが低いと共に、小型化が容易である。
センサを例えば450℃に加熱してセンシングした場合に
は、封止部と第１の多孔質電極の表面との間には、微小
な空間が形成される。この微小な空間は限界電流式酸素
センサの動作上必要な密閉空間となるものであり、第１
の多孔質電極を負極、第２の多孔質電極を正極として、
両者間に電圧を印加することにより、得られた電圧−電
流特性にはフラット域が現れ、その限界電流により酸素
濃度を測定することができる。上述の構造の酸素センサ
は少ない工数で、且つ円滑に製造することができるの
で、製造コストが低いと共に、小型化が容易である。
［実施例］ 次に、本発明の実施例について添付の図面を参照して
説明する。
説明する。
第１図は本発明の実施例に係る限界電流式酸素センサ
を示す断面図である。
を示す断面図である。
固体電解質10は板状をなし、その略中央には気体拡散
孔11がその厚さ方向に穿設されている。そして、固体電
解質10の表面にはカソードとなる白金多孔質電極12が形
成されており、裏面にはアノードとなる白金多孔質電極
13が形成されている。固体電解質10は、例えば安定化ジ
ルコニア又は部分安定化ジルコニアによりつくることが
できるが、これらの材料に限らず酸素イオン透過性を有
するものがあれば種々使用可能である。
孔11がその厚さ方向に穿設されている。そして、固体電
解質10の表面にはカソードとなる白金多孔質電極12が形
成されており、裏面にはアノードとなる白金多孔質電極
13が形成されている。固体電解質10は、例えば安定化ジ
ルコニア又は部分安定化ジルコニアによりつくることが
できるが、これらの材料に限らず酸素イオン透過性を有
するものがあれば種々使用可能である。
この固体電解質10の表面上には、白金電極12を被覆す
るようにしてガラスからなる封止部14が形成されてい
る。封止部14はその熱膨張係数が白金多孔質電極12より
も大きなガラス材料で形成されている。例えば、多孔質
白金の熱膨張係数が約90×10-7/℃であるから、封止部1
4は99×10-7/℃の熱膨張係数を有するASF−701（商品
名；旭ガラス（株）製）ガラスを使用して形成すること
ができる。
るようにしてガラスからなる封止部14が形成されてい
る。封止部14はその熱膨張係数が白金多孔質電極12より
も大きなガラス材料で形成されている。例えば、多孔質
白金の熱膨張係数が約90×10-7/℃であるから、封止部1
4は99×10-7/℃の熱膨張係数を有するASF−701（商品
名；旭ガラス（株）製）ガラスを使用して形成すること
ができる。
なお、リード15は白金多孔質電極12に電気的に接続さ
れており、ガラス封止部14内を挿通して外部に導出さ
れ、電源（図示せず）の負極性端子に接続されている。
また、白金多孔質電極13にもリード16が電気的に接続さ
れており、前記電源の正極性端子に接続されている。
れており、ガラス封止部14内を挿通して外部に導出さ
れ、電源（図示せず）の負極性端子に接続されている。
また、白金多孔質電極13にもリード16が電気的に接続さ
れており、前記電源の正極性端子に接続されている。
上述の構造の酸素センサは以下のようにして製造する
ことができる。先ず、安定化ジルコニア等の固体電解質
10に気体拡散孔11を形成した後、固体電解質10の表裏両
面に白金多孔質電極12,13を形成する。そして、電極12
を覆うようにして、固体電解質10の表面上に封止ガラス
を塗工する。次いで、この封止ガラスを約900℃で焼成
する。これにより、第１図に示すように、ガラスからな
る封止部14が温室において電極12の表面と接触している
酸素センサが得られる。
ことができる。先ず、安定化ジルコニア等の固体電解質
10に気体拡散孔11を形成した後、固体電解質10の表裏両
面に白金多孔質電極12,13を形成する。そして、電極12
を覆うようにして、固体電解質10の表面上に封止ガラス
を塗工する。次いで、この封止ガラスを約900℃で焼成
する。これにより、第１図に示すように、ガラスからな
る封止部14が温室において電極12の表面と接触している
酸素センサが得られる。
次に、上述の如く構成された酸素センサの動作につい
て説明する。先ず、この酸素センサを測定雰囲気にお
き、適宜の加熱手段により酸素センサを例えば450℃に
加熱してセンシング処理する。そうすると、第２図に示
すように、ガラスからなる封止部14の熱膨張係数が多孔
質白金電極12の熱膨張係数よりも大きいので、封止部14
と白金電極12との間に微小な空間17が形成される。この
センシング処理により、本実施例の酸素センサは、構造
的には、厚さが薄い点を除いて、第３図に示す従来の酸
素センサと同様のものになる。従って、電極12が負極性
になるように、電極12と電極13との間に電圧を印加する
と、酸素イオンが固体電解質10内を電極12から電極13に
向けて移動し、電極12,13間に電流が流れる。この場合
に、封止部14と電極12との間の微小空間17内の空気中の
酸素が電極12の表面でイオン化して消耗するが、酸素ガ
スは多孔質の白金電極12,13内を透過すると共に、気体
拡散孔11を通過することによって、測定雰囲気から前記
微小空間17内に補給される。従って、前述の第５図に示
すように、電圧の上昇により酸素のイオン化反応が進行
し、流れる電流も上昇する。そして、更に電圧を上昇さ
せると、気体拡散孔11を通じての酸素ガスの補給が不足
するようになり、電圧を上昇させても電流が一定値のま
まとなる。このフラット域の限界電流を測定することに
より、測定雰囲気の酸素ガス濃度を求めることができ
る。
て説明する。先ず、この酸素センサを測定雰囲気にお
き、適宜の加熱手段により酸素センサを例えば450℃に
加熱してセンシング処理する。そうすると、第２図に示
すように、ガラスからなる封止部14の熱膨張係数が多孔
質白金電極12の熱膨張係数よりも大きいので、封止部14
と白金電極12との間に微小な空間17が形成される。この
センシング処理により、本実施例の酸素センサは、構造
的には、厚さが薄い点を除いて、第３図に示す従来の酸
素センサと同様のものになる。従って、電極12が負極性
になるように、電極12と電極13との間に電圧を印加する
と、酸素イオンが固体電解質10内を電極12から電極13に
向けて移動し、電極12,13間に電流が流れる。この場合
に、封止部14と電極12との間の微小空間17内の空気中の
酸素が電極12の表面でイオン化して消耗するが、酸素ガ
スは多孔質の白金電極12,13内を透過すると共に、気体
拡散孔11を通過することによって、測定雰囲気から前記
微小空間17内に補給される。従って、前述の第５図に示
すように、電圧の上昇により酸素のイオン化反応が進行
し、流れる電流も上昇する。そして、更に電圧を上昇さ
せると、気体拡散孔11を通じての酸素ガスの補給が不足
するようになり、電圧を上昇させても電流が一定値のま
まとなる。このフラット域の限界電流を測定することに
より、測定雰囲気の酸素ガス濃度を求めることができ
る。
本実施例の酸素センサは、電極上にガラスを直接塗工
し、これを焼成することにより製造できるので、従来の
ようにセラミックス製封止部材を固体電解質上に接着し
たり、又はAl2O3中間層を印刷したりする工程が不要で
あるため、工数が少なく、製造が容易である。従って、
製造コストも低い。また、本実施例の酸素センサはガラ
スを電極上に直接塗工してこれを封止部とするから、厚
さを薄くすることができ、容易に小型化できる。
し、これを焼成することにより製造できるので、従来の
ようにセラミックス製封止部材を固体電解質上に接着し
たり、又はAl2O3中間層を印刷したりする工程が不要で
あるため、工数が少なく、製造が容易である。従って、
製造コストも低い。また、本実施例の酸素センサはガラ
スを電極上に直接塗工してこれを封止部とするから、厚
さを薄くすることができ、容易に小型化できる。
なお、本発明は上述の実施例の限定されないことは勿
論である。例えば、固体電解質の形状、並びに電極の構
成材料、形状及び形成方法は上記実施例に限定されるも
のではなく種々変更が可能である。また、封止部の構成
材料もガラスに限らず、熱膨張係数が電極材料よりも大
きく、ガスを透過しないものであればよい。
論である。例えば、固体電解質の形状、並びに電極の構
成材料、形状及び形成方法は上記実施例に限定されるも
のではなく種々変更が可能である。また、封止部の構成
材料もガラスに限らず、熱膨張係数が電極材料よりも大
きく、ガスを透過しないものであればよい。
［発明の効果］ 本発明によれば、電極上にガラス等を被覆被着して形
成された封止部を有し、センシング時に熱膨張係数の差
を利用して電極と封止部との間に空間を形成するように
したから、構造が簡素で製造が容易であると共に、前記
空間を高再現性で形成することができ、量産性が優れて
いる。また、電極上に封止部材料を直接被覆するので、
厚さが薄いため、製造工程上、支障となるものはなく、
円滑に製造できると共に、酸素センサを著しく小型化す
ることができる。
成された封止部を有し、センシング時に熱膨張係数の差
を利用して電極と封止部との間に空間を形成するように
したから、構造が簡素で製造が容易であると共に、前記
空間を高再現性で形成することができ、量産性が優れて
いる。また、電極上に封止部材料を直接被覆するので、
厚さが薄いため、製造工程上、支障となるものはなく、
円滑に製造できると共に、酸素センサを著しく小型化す
ることができる。
第１図は本発明の実施例に係る酸素センサを示す断面
図、第２図は同じくその動作状態を示す断面図、第３図
は従来の酸素センサを示す断面図、第４図は従来の他の
酸素センサを示す断面図、第５図は電圧−電流特性を示
すグラフ図である。 10;固体電解質、11;気体拡散孔、12,13;白金多孔質電
極、14;封止部、15,16;リード、17;空間
図、第２図は同じくその動作状態を示す断面図、第３図
は従来の酸素センサを示す断面図、第４図は従来の他の
酸素センサを示す断面図、第５図は電圧−電流特性を示
すグラフ図である。 10;固体電解質、11;気体拡散孔、12,13;白金多孔質電
極、14;封止部、15,16;リード、17;空間
Claims (3)
- 【請求項１】その第１面から第２面側に貫通する気体拡
散孔を有するイオン電導体と、このイオン電導体の第１
面及び第２面に夫々設けられた第１及び第２の多孔質電
極と、この第１の多孔質電極よりも熱膨張係数が大きい
材料を前記第１の多孔質電極上に被覆被着して形成され
た封止部と、を有し、前記第１の多孔質電極を負極、前
記第２の多孔質電極を正極として両者間に電圧を印加す
ることを特徴とする限界電流式酸素センサ。 - 【請求項２】前記第１及び第２の多孔質電極は多孔質白
金で形成されてい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】前記イオン電導体は安定化又は部分安定化
ジルコニアであ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1023509A JP2643409B2 (ja) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | 限界電流式酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1023509A JP2643409B2 (ja) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | 限界電流式酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02203265A JPH02203265A (ja) | 1990-08-13 |
| JP2643409B2 true JP2643409B2 (ja) | 1997-08-20 |
Family
ID=12112424
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1023509A Expired - Lifetime JP2643409B2 (ja) | 1989-02-01 | 1989-02-01 | 限界電流式酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2643409B2 (ja) |
-
1989
- 1989-02-01 JP JP1023509A patent/JP2643409B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02203265A (ja) | 1990-08-13 |
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