JP2785892B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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- JP2785892B2 JP2785892B2 JP63037783A JP3778388A JP2785892B2 JP 2785892 B2 JP2785892 B2 JP 2785892B2 JP 63037783 A JP63037783 A JP 63037783A JP 3778388 A JP3778388 A JP 3778388A JP 2785892 B2 JP2785892 B2 JP 2785892B2
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- ceramic tube
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
- G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は酸素センサに関し、特に固体電解質物質か
らなる酸素センサチップを用いた酸素センサに関する。
らなる酸素センサチップを用いた酸素センサに関する。
（従来技術） 従来、たとえば500〜1500℃の高温域における酸素分
圧を測定するための酸素センサには、ZrO2にY2O3あるい
はCaO,MgOを添加した固体電解質物質が用いられてい
る。このように固体電解質物質を用いた酸素センサに
は、その測定形式に大きく分けて２通りある。
圧を測定するための酸素センサには、ZrO2にY2O3あるい
はCaO,MgOを添加した固体電解質物質が用いられてい
る。このように固体電解質物質を用いた酸素センサに
は、その測定形式に大きく分けて２通りある。
一方の測定形式の酸素センサは、サンプリング方式と
よばれ、測定ガスを導入管により測定装置内に導入し、
その測定装置内で固体電解質物質が十分に作動する温度
（700〜1000℃）に測定ガスを再加熱して測定するもの
である。
よばれ、測定ガスを導入管により測定装置内に導入し、
その測定装置内で固体電解質物質が十分に作動する温度
（700〜1000℃）に測定ガスを再加熱して測定するもの
である。
また、他方の測定形式の酸素センサは、直挿式と呼ば
れ、固体電解質物質を測定ガスと標準ガスとの隔壁とす
る構造であって直接測定ガス中に挿入して測定するもの
である。
れ、固体電解質物質を測定ガスと標準ガスとの隔壁とす
る構造であって直接測定ガス中に挿入して測定するもの
である。
これらの形式のいずれの酸素センサも、標準ガス側と
測定ガス側との電位差Ｅを電位差計で読み取り、次のネ
ルンストの式（１）により測定ガスの酸素分圧を計算す
ることができる。
測定ガス側との電位差Ｅを電位差計で読み取り、次のネ
ルンストの式（１）により測定ガスの酸素分圧を計算す
ることができる。
ここで、Ｒはガス定数を示し、Ｔは絶対温度を示し、
Ｆはファラデー定数を示し、Po2（Ｒ）は標準ガスの酸
素分圧を示し、Po2（Ｓ）は測定ガスの酸素分圧を示
す。
Ｆはファラデー定数を示し、Po2（Ｒ）は標準ガスの酸
素分圧を示し、Po2（Ｓ）は測定ガスの酸素分圧を示
す。
サンプリング方式による酸素センサでは、測定装置内
で測定ガスを一定温度に再加熱するため、簡単に酸素分
圧を測定することができる。ところが、この方式の酸素
センサでは、N2にO2を加えたときのように温度によって
酸素分圧が変化しない場合には問題はないが、N2にH2O,
H2を加えたときのように温度によって酸素分圧が変化す
る場合には有効ではない。
で測定ガスを一定温度に再加熱するため、簡単に酸素分
圧を測定することができる。ところが、この方式の酸素
センサでは、N2にO2を加えたときのように温度によって
酸素分圧が変化しない場合には問題はないが、N2にH2O,
H2を加えたときのように温度によって酸素分圧が変化す
る場合には有効ではない。
一方、直挿式の酸素センサでは、直接測定するので上
述の問題はないが、測定条件が苛酷になればなるほどそ
の寿命が短くなってしまう。
述の問題はないが、測定条件が苛酷になればなるほどそ
の寿命が短くなってしまう。
第３図はこの発明の背景となる従来の直挿式の酸素セ
ンサの一例を示す図解図である。この酸素センサ１は、
ZrO2にY2O3あるいはCaO,MgOを添加した固体電解質物質
からなりその一端が封止された管２を含み、この管２の
内面および外面には、それぞれ、多孔質性の白金電極3a
および3bが焼き付けられている。この酸素センサ１は、
管２の内側に標準ガスを導入し、管２を測定ガス中に挿
入して、酸素分圧を測定するものである。
ンサの一例を示す図解図である。この酸素センサ１は、
ZrO2にY2O3あるいはCaO,MgOを添加した固体電解質物質
からなりその一端が封止された管２を含み、この管２の
内面および外面には、それぞれ、多孔質性の白金電極3a
および3bが焼き付けられている。この酸素センサ１は、
管２の内側に標準ガスを導入し、管２を測定ガス中に挿
入して、酸素分圧を測定するものである。
（発明が解決しようとする問題点） 第３図に示す従来の酸素センサ１では、測定ガス中に
管２を挿入するため、管２を長く形成する必要があり、
コスト的にみて非常に高価なものとなる。しかも、第３
図に示す従来の酸素センサ１では、固体電解質物質から
なる管２が熱衝撃に対して弱くその耐熱サイクル性が短
いので、管２の破損率が非常に高い。
管２を挿入するため、管２を長く形成する必要があり、
コスト的にみて非常に高価なものとなる。しかも、第３
図に示す従来の酸素センサ１では、固体電解質物質から
なる管２が熱衝撃に対して弱くその耐熱サイクル性が短
いので、管２の破損率が非常に高い。
そこで、ZrO2にY2O3あるいはCaO,MgOを添加した固体
電解質物質からなる柱状の素子の両端面に多孔質の白金
電極を形成した酸素センサチップを、非電解質セラミッ
ク管の端部に接着ないしは溶着した、酸素センサが考え
出された。ここで、非電解質セラミック管としては、高
温下で高強度を示すたとえばアルミナ管が用いられてい
る。この酸素センサでは、固体電解質物質からなる管を
用いないので安価に製造することができその破損率も少
ないが、セラミック管（非電解質）と酸素センサチップ
（固体電解質物質）との熱膨張係数の差によって、繰り
返し使用している間にクラックが生じて気密性を失って
しまい、酸素分圧を正確に測定することができなくなっ
てしまうという問題があった。
電解質物質からなる柱状の素子の両端面に多孔質の白金
電極を形成した酸素センサチップを、非電解質セラミッ
ク管の端部に接着ないしは溶着した、酸素センサが考え
出された。ここで、非電解質セラミック管としては、高
温下で高強度を示すたとえばアルミナ管が用いられてい
る。この酸素センサでは、固体電解質物質からなる管を
用いないので安価に製造することができその破損率も少
ないが、セラミック管（非電解質）と酸素センサチップ
（固体電解質物質）との熱膨張係数の差によって、繰り
返し使用している間にクラックが生じて気密性を失って
しまい、酸素分圧を正確に測定することができなくなっ
てしまうという問題があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、高温下におけ
る強度および密閉性のよい酸素センサを提供することで
ある。
る強度および密閉性のよい酸素センサを提供することで
ある。
（問題点を解決するための手段） この発明は、非電解質セラミック管と非電解質セラミ
ック管の端部に接着剤層で接着される酸素センサチップ
とを有する酸素センサであって、接着剤層は、非電解質
セラミック管と酸素センサチップとの間に形成され、密
閉度が高い耐熱性無機接着剤からなる第１の接着剤層
と、非電解質セラミック管と酸素センサチップとの間で
第１の接着剤層より管内内側にかつ第１の接着剤層と接
して形成され、高温での強度に優れた耐熱性無機接着剤
からなる第２の接着剤層を含み、非電解質セラミック
管、酸素センサチップ、第１の接着剤層及び前記第２の
接着剤層が同程度の熱膨張率を有する材料で形成されて
いることを特徴とする、酸素センサである。
ック管の端部に接着剤層で接着される酸素センサチップ
とを有する酸素センサであって、接着剤層は、非電解質
セラミック管と酸素センサチップとの間に形成され、密
閉度が高い耐熱性無機接着剤からなる第１の接着剤層
と、非電解質セラミック管と酸素センサチップとの間で
第１の接着剤層より管内内側にかつ第１の接着剤層と接
して形成され、高温での強度に優れた耐熱性無機接着剤
からなる第２の接着剤層を含み、非電解質セラミック
管、酸素センサチップ、第１の接着剤層及び前記第２の
接着剤層が同程度の熱膨張率を有する材料で形成されて
いることを特徴とする、酸素センサである。
（作用） 第１の接着剤層によって、高温下における密閉性がよ
くなる。しかも、第１の接着剤層より非電解質セラミッ
ク管内内側にかつ第１の接着剤層と接して形成される第
２の接着剤層によって高温下における強度がよくなる。
くなる。しかも、第１の接着剤層より非電解質セラミッ
ク管内内側にかつ第１の接着剤層と接して形成される第
２の接着剤層によって高温下における強度がよくなる。
また、非電解質セラミック管、酸素センサチップ、第
１の接着剤層および第２の接着剤層が同程度の熱膨張率
を有する材料で形成されているので、それらの間に熱衝
撃によるクラックの発生率が抑えられ、高温下における
強度および密閉性がさらに向上する。
１の接着剤層および第２の接着剤層が同程度の熱膨張率
を有する材料で形成されているので、それらの間に熱衝
撃によるクラックの発生率が抑えられ、高温下における
強度および密閉性がさらに向上する。
（発明の効果） この発明によれば、高温下における強度および密閉性
のよい酸素センサが得られる。
のよい酸素センサが得られる。
さらに、非電解質セラミック管、酸素センサチップ、
第１の接着剤層および第２の接着剤層の間に熱衝撃によ
るクラックの発生率を抑えることができ、高温下におけ
る強度および密閉性をさらに向上することができる。
第１の接着剤層および第２の接着剤層の間に熱衝撃によ
るクラックの発生率を抑えることができ、高温下におけ
る強度および密閉性をさらに向上することができる。
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利
点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明か
ら一層明らかとなろう。
点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明か
ら一層明らかとなろう。
（実施例） 第１図はこの発明の一実施例を示す図解図である。こ
の酸素センサ10は、たとえば直径5mm,長さ20mmの円柱状
の酸素センサチップ12を含む。
の酸素センサ10は、たとえば直径5mm,長さ20mmの円柱状
の酸素センサチップ12を含む。
酸素センサチップ12は、固体電解質物質からなる円柱
状の素子14を含む。この素子14は、たとえば８モル％の
Y2O3と92モル％のZiO2との混合物にZrSiO4を添加したも
のをたとえば1600℃で２時間焼成することによって形成
される。そして、この素子14の両端面には、たとえば白
金ペーストなどの電極材料を焼き付けることによって、
電極16aおよび16bがそれぞれ形成される。なお、この酸
素センサチップ12は、その熱膨張係数が8.0×10-6（cm/
cm/℃）であり酸素イオン輸率が99％以上である。
状の素子14を含む。この素子14は、たとえば８モル％の
Y2O3と92モル％のZiO2との混合物にZrSiO4を添加したも
のをたとえば1600℃で２時間焼成することによって形成
される。そして、この素子14の両端面には、たとえば白
金ペーストなどの電極材料を焼き付けることによって、
電極16aおよび16bがそれぞれ形成される。なお、この酸
素センサチップ12は、その熱膨張係数が8.0×10-6（cm/
cm/℃）であり酸素イオン輸率が99％以上である。
さらに、酸素センサ10は、たとえば外径10mm,内径6m
m,長さ600mmの円筒状の非電解質セラミック管18を含
む。この実施例では、非電解質セラミック管18としてた
とえば熱膨張係数が8.1×10-6（cm/cm/℃）である高純
度のアルミナチューブが利用される。
m,長さ600mmの円筒状の非電解質セラミック管18を含
む。この実施例では、非電解質セラミック管18としてた
とえば熱膨張係数が8.1×10-6（cm/cm/℃）である高純
度のアルミナチューブが利用される。
そして、この非電解質セラミック管18の端部には、酸
素センサチップ12が接着剤層20で接着される。接着剤層
20は、酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18と
の間において、その管内外側に形成される第１の接着剤
層20aと、第１の接着剤層20aより管内内側にかつ第１の
接着剤層20aと接して形成される第２の接着剤層20bとを
含む。
素センサチップ12が接着剤層20で接着される。接着剤層
20は、酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18と
の間において、その管内外側に形成される第１の接着剤
層20aと、第１の接着剤層20aより管内内側にかつ第１の
接着剤層20aと接して形成される第２の接着剤層20bとを
含む。
第１の接着剤層20aの材料としては、高温での強度は
劣るがガラス質が多く密閉度が高い耐熱性無機接着剤Ａ
が用いられる。この耐熱性無機接着剤Ａの例としては、
たとえば次に示すものが用いられる。
劣るがガラス質が多く密閉度が高い耐熱性無機接着剤Ａ
が用いられる。この耐熱性無機接着剤Ａの例としては、
たとえば次に示すものが用いられる。
耐熱性無機接着剤Ａ 成分 結合剤 Na2O・nSiO2 ｎ＝１〜３ 硬化剤 （AlH3）ｘ（PO4）ｙ y/x＝1.1〜３ 充填剤 Al2O3 接着強度 250 kgf/cm2 耐熱温度 1300 ℃ 熱膨張率 8.0×10-6cm/cm/℃ また、第２の接着剤層20bの材料としては、密閉度は
高くないが高温での強度に優れた耐熱性無機接着剤Ｂが
利用される。この耐熱性無機接着剤Ｂの例としては、た
とえば次に示すものが用いられる。
高くないが高温での強度に優れた耐熱性無機接着剤Ｂが
利用される。この耐熱性無機接着剤Ｂの例としては、た
とえば次に示すものが用いられる。
耐熱性無機接着剤Ｂ 成分 結合剤 （AlH3）ｘ（PO4）ｙ y/x＝２〜３ 硬化剤 Al（OH）３ 充填剤 Al2O3 接着強度 110 kgf/cm2 耐熱温度 1650 ℃ 熱膨張率 ９×10-6cm/cm/℃ この酸素センサ10では、第１の接着剤層20aによって
酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18との間の
密閉性が保たれ、第１の接着剤層より管内内側にかつ第
１の接着剤層と接して形成される第２の接着剤層20bに
よって高温での強度が保たれるため、高温下における強
度および密閉性がよい。しかも、酸素センサチップ12、
非電解質セラミック管18、第１の接着剤層20aおよび第
２の接着剤層20bの熱膨張率が同程度であるので、それ
らの間に熱衝撃によるクラックが発生しにくい。
酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18との間の
密閉性が保たれ、第１の接着剤層より管内内側にかつ第
１の接着剤層と接して形成される第２の接着剤層20bに
よって高温での強度が保たれるため、高温下における強
度および密閉性がよい。しかも、酸素センサチップ12、
非電解質セラミック管18、第１の接着剤層20aおよび第
２の接着剤層20bの熱膨張率が同程度であるので、それ
らの間に熱衝撃によるクラックが発生しにくい。
第２図は第１図実施例の変形例を示す図解図である。
この実施例では、第１図実施例と比べて、特に、第２の
接着剤層20bが２層形成されている。さらに、酸素セン
サチップ12および非電解質セラミック管18において、第
１の接着剤層20aおよび第２の接着剤層20bが接する部分
に、それぞれ溝12aおよび18aが形成されている。
この実施例では、第１図実施例と比べて、特に、第２の
接着剤層20bが２層形成されている。さらに、酸素セン
サチップ12および非電解質セラミック管18において、第
１の接着剤層20aおよび第２の接着剤層20bが接する部分
に、それぞれ溝12aおよび18aが形成されている。
なお、この実施例では、上述の耐熱性無機接着剤Ｂを
酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18との間に
充填し、それを室温で24時間経過した後、90℃で30分,1
20℃で１時間,300℃で30分,650℃で１時間の熱処理を行
って、管内内側の第２の接着剤層20bが形成される。そ
して、これと同様にして、耐熱性無機接着剤Ｂで他方の
第２の接着剤層20bが形成される。それから、上述の耐
熱性無機接着剤Ａを酸素センサチップ12と非電解質セラ
ミック管18との間に充填し、それを24時間室温で乾燥し
た後、90℃で１時間,150℃で１時間,1500℃で１時間の
熱処理を行って、第１の接着剤層20aが第２の接着剤層2
0bに接して管内外側に形成される。
酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18との間に
充填し、それを室温で24時間経過した後、90℃で30分,1
20℃で１時間,300℃で30分,650℃で１時間の熱処理を行
って、管内内側の第２の接着剤層20bが形成される。そ
して、これと同様にして、耐熱性無機接着剤Ｂで他方の
第２の接着剤層20bが形成される。それから、上述の耐
熱性無機接着剤Ａを酸素センサチップ12と非電解質セラ
ミック管18との間に充填し、それを24時間室温で乾燥し
た後、90℃で１時間,150℃で１時間,1500℃で１時間の
熱処理を行って、第１の接着剤層20aが第２の接着剤層2
0bに接して管内外側に形成される。
この実施例では、第１図実施例と比べて、第２の接着
剤層20bの層数が多くなるため高温での強度が優れる。
しかも、溝12aおよび18aによって酸素センサチップ12お
よび非電解質セラミック管18と接着剤層20との接着面積
が広くなるので接着強度も向上する。なお、この実施例
においても、従来例に比べて、高温下における強度およ
び密閉性がよいのはいうまでもない。
剤層20bの層数が多くなるため高温での強度が優れる。
しかも、溝12aおよび18aによって酸素センサチップ12お
よび非電解質セラミック管18と接着剤層20との接着面積
が広くなるので接着強度も向上する。なお、この実施例
においても、従来例に比べて、高温下における強度およ
び密閉性がよいのはいうまでもない。
しかも、酸素センサチップ12、非電解質セラミック管
18、第１の接着剤層20aおよび第２の接着剤層20bの熱膨
張率が同程度であるので、それらの間に熱衝撃によるク
ラックが発生しにくい。
18、第１の接着剤層20aおよび第２の接着剤層20bの熱膨
張率が同程度であるので、それらの間に熱衝撃によるク
ラックが発生しにくい。
発明者の実験によれば、第１図実施例および第２図実
施例について、N2,H2ガス雰囲気中で1000℃でライフテ
ストを行った結果、500時間以上経過しても劣化はみら
れなかった。
施例について、N2,H2ガス雰囲気中で1000℃でライフテ
ストを行った結果、500時間以上経過しても劣化はみら
れなかった。
さらに、第１図実施例および第２図実施例について、
800℃−1400℃での熱サイクルによるライフテストをし
た結果、30サイクル以上でも劣化が全くみられなかっ
た。なお、ここでいう熱サイクルとは、室温から1400℃
まで１時間に400℃の割合で昇温し、1400℃で１時間保
持し、1400℃から800℃まで１時間に400℃の割合で降温
したものを最初の１サイクルとし、以下、800℃から140
0℃まで１時間に400℃の割合で昇温し、1400℃で１時間
保持し、1400℃から800℃まで１時間に400℃の割合で降
温したものを後のサイクルとした。
800℃−1400℃での熱サイクルによるライフテストをし
た結果、30サイクル以上でも劣化が全くみられなかっ
た。なお、ここでいう熱サイクルとは、室温から1400℃
まで１時間に400℃の割合で昇温し、1400℃で１時間保
持し、1400℃から800℃まで１時間に400℃の割合で降温
したものを最初の１サイクルとし、以下、800℃から140
0℃まで１時間に400℃の割合で昇温し、1400℃で１時間
保持し、1400℃から800℃まで１時間に400℃の割合で降
温したものを後のサイクルとした。
なお、酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18
との間において、上述の各実施例では第１の接着剤層20
aの管内内側に第２の接着剤層20bのみが形成されている
が、第１の接着剤層20aの管内内側には、第２の接着剤
層20bだけでなく別の第１の接着剤層20aを形成してもよ
い。このように第１の接着剤層20aの層数を増やせば、
密閉性がさらによくなる。
との間において、上述の各実施例では第１の接着剤層20
aの管内内側に第２の接着剤層20bのみが形成されている
が、第１の接着剤層20aの管内内側には、第２の接着剤
層20bだけでなく別の第１の接着剤層20aを形成してもよ
い。このように第１の接着剤層20aの層数を増やせば、
密閉性がさらによくなる。
第１図はこの発明の一実施例を示す図解図である。 第２図は第１図実施例の変形例を示す図解図である。 第３図はこの発明の背景となる従来の酸素センサの一例
を示す図解図である。 図において、10は酸素センサ、12は酸素センサチップ、
18はセラミック管、20は接着剤層、20aは第１の接着剤
層、20bは第２の接着剤層を示す。
を示す図解図である。 図において、10は酸素センサ、12は酸素センサチップ、
18はセラミック管、20は接着剤層、20aは第１の接着剤
層、20bは第２の接着剤層を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−113792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−136946（ＪＰ，Ａ) 特公 昭50−36599（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (1)
- 【請求項１】非電解質セラミック管と前記非電解質セラ
ミック管の端部に接着剤層で接着される酸素センサチッ
プとを有する酸素センサであって、 前記接着剤層は、 前記非電解質セラミック管と前記酸素センサチップとの
間に形成され、密閉度が高い耐熱性無機接着剤からなる
第１の接着剤層、および 前記非電解質セラミック管と前記酸素センサチップとの
間で前記第１の接着剤層より前記非電解質セラミック管
内の内側にかつ第１の接着剤層と接して形成され、高温
での強度に優れた耐熱性無機接着剤からなる第２の接着
剤層を含み、 前記非電解質セラミック管、前記酸素センサチップ、前
記第１の接着剤層及び前記第２の接着剤層が同程度の熱
膨張率を有する材料で形成されていることを特徴とす
る、酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63037783A JP2785892B2 (ja) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | 酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63037783A JP2785892B2 (ja) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01212348A JPH01212348A (ja) | 1989-08-25 |
| JP2785892B2 true JP2785892B2 (ja) | 1998-08-13 |
Family
ID=12507091
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63037783A Expired - Fee Related JP2785892B2 (ja) | 1988-02-19 | 1988-02-19 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2785892B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002228623A (ja) * | 2001-01-31 | 2002-08-14 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガスセンサ |
| JP4788499B2 (ja) * | 2006-06-30 | 2011-10-05 | 株式会社デンソー | ガスセンサ |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6010020U (ja) * | 1983-06-30 | 1985-01-23 | 松下電工株式会社 | 融雪屋根 |
| JPH0443522Y2 (ja) * | 1985-08-23 | 1992-10-14 |
-
1988
- 1988-02-19 JP JP63037783A patent/JP2785892B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01212348A (ja) | 1989-08-25 |
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