JP2790474B2 - 炭酸ガスセンサ - Google Patents
炭酸ガスセンサInfo
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- JP2790474B2 JP2790474B2 JP1015454A JP1545489A JP2790474B2 JP 2790474 B2 JP2790474 B2 JP 2790474B2 JP 1015454 A JP1015454 A JP 1015454A JP 1545489 A JP1545489 A JP 1545489A JP 2790474 B2 JP2790474 B2 JP 2790474B2
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- ion
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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、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し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。
の炭酸ガス濃度を計測し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 近年、空調・農畜産分野を中心に炭酸ガスセンサに対
するニーズが高まり、種々の方式のセンサの開発・実用
化が進められている。しかし、実用上、その信頼性に多
くの課題が残されている。
するニーズが高まり、種々の方式のセンサの開発・実用
化が進められている。しかし、実用上、その信頼性に多
くの課題が残されている。
以下、第３図および第４図を参照しながら上述した従
来の炭酸ガスセンサの例について説明する。
来の炭酸ガスセンサの例について説明する。
第３図は従来の炭酸ガスセンサにおけるガス感知部の
縦断面図、第４図は炭酸ガスセンサ全体の構成を示す。
縦断面図、第４図は炭酸ガスセンサ全体の構成を示す。
第３図において、固体電解質からなるイオン伝導体と
してのNASICON（Na1＋xZr2P3−xSixO12（０≦ｘ≦
３）、ナトリウムイオン伝導体セラミックス）板11は、
その両端に電圧信号取り出し用の１対の多孔質な電極層
12a,12bを備え、さらに、その電極層12a,12bのいずれか
一方の一部あるいは全部を覆う形状で炭酸ガスと解離平
衡を形成する炭酸ナトリウム13が付着され、炭酸ナトリ
ウム13を付着した側を陰極層12aと称し、ない側を陽極
層12bと称していてガス感知部１を構成していた。ま
た、第４図に示すこのガス感知部１には、片面下部に加
熱用ヒータ２を備え、１対の陰陽極層12a,12bから引出
したリード線3a,3bはピン7a,7bに接続し、加熱用ヒータ
２より引出した２本のリード線5a,5bはピン8a,8bに接続
している。前記ピン7a,7bおよび8a,8bは下部の台座６を
それぞれ貫通して固定されガス感知部１と加熱用ヒータ
２を支えている。またピン7a,7b,8a,8bは、それぞれ信
号出力用、および電圧印加用である。
してのNASICON（Na1＋xZr2P3−xSixO12（０≦ｘ≦
３）、ナトリウムイオン伝導体セラミックス）板11は、
その両端に電圧信号取り出し用の１対の多孔質な電極層
12a,12bを備え、さらに、その電極層12a,12bのいずれか
一方の一部あるいは全部を覆う形状で炭酸ガスと解離平
衡を形成する炭酸ナトリウム13が付着され、炭酸ナトリ
ウム13を付着した側を陰極層12aと称し、ない側を陽極
層12bと称していてガス感知部１を構成していた。ま
た、第４図に示すこのガス感知部１には、片面下部に加
熱用ヒータ２を備え、１対の陰陽極層12a,12bから引出
したリード線3a,3bはピン7a,7bに接続し、加熱用ヒータ
２より引出した２本のリード線5a,5bはピン8a,8bに接続
している。前記ピン7a,7bおよび8a,8bは下部の台座６を
それぞれ貫通して固定されガス感知部１と加熱用ヒータ
２を支えている。またピン7a,7b,8a,8bは、それぞれ信
号出力用、および電圧印加用である。
プロテクタ４は、内包するガス感知部1,加熱用ヒータ
2,リード線3a,3b,5a,5b,ピン7a,7b,8a,8bそれぞれを機
械的損傷から保護するとともに測定雰囲気と接触をよく
するためにステンレス製金網で構成され、台座６に固定
されている。
2,リード線3a,3b,5a,5b,ピン7a,7b,8a,8bそれぞれを機
械的損傷から保護するとともに測定雰囲気と接触をよく
するためにステンレス製金網で構成され、台座６に固定
されている。
上記構成において、まずガス感知部１を加熱用ヒータ
２により必要な測定温度に加熱し、外部の雰囲気と接触
させる。雰囲気中の炭酸ガスは、プロテクタ４の透孔を
介して拡散あるいは、対流によりガス感知部１に達し炭
酸ガス濃度に応じて電極層12a,12bに起電力が発生す
る。この起電力を電極層12a,12bよりリード線3a,3b,ピ
ン7a,7bを介して取出して、雰囲気中の炭酸ガス濃度を
電気的に検出していた。
２により必要な測定温度に加熱し、外部の雰囲気と接触
させる。雰囲気中の炭酸ガスは、プロテクタ４の透孔を
介して拡散あるいは、対流によりガス感知部１に達し炭
酸ガス濃度に応じて電極層12a,12bに起電力が発生す
る。この起電力を電極層12a,12bよりリード線3a,3b,ピ
ン7a,7bを介して取出して、雰囲気中の炭酸ガス濃度を
電気的に検出していた。
発明が解決しようとする課題 しかしながら上記のような構成では以下のような課題
を有していた。すなわち、測定雰囲気が高湿環境あるい
は、結露が生じやすい状態の場合、ガス感知部１が非加
熱状態のとき、ガス感知部１の炭酸ナトリウム13は固有
の吸湿作用や水溶性によって、それぞれ、水和物や水素
化物を形成し、再び加熱状態にすると吸収した水分が蒸
発する。その際、体積の膨張収縮が起きるため、加熱，
非加熱を繰り返すと炭酸ナトリウム13は、陰極層12bか
ら剥離脱落したり、結露水により溶出したりして、素子
が劣化し再生不能となることがあった。
を有していた。すなわち、測定雰囲気が高湿環境あるい
は、結露が生じやすい状態の場合、ガス感知部１が非加
熱状態のとき、ガス感知部１の炭酸ナトリウム13は固有
の吸湿作用や水溶性によって、それぞれ、水和物や水素
化物を形成し、再び加熱状態にすると吸収した水分が蒸
発する。その際、体積の膨張収縮が起きるため、加熱，
非加熱を繰り返すと炭酸ナトリウム13は、陰極層12bか
ら剥離脱落したり、結露水により溶出したりして、素子
が劣化し再生不能となることがあった。
本発明の第１の目的は、高湿環境でガス感知部が非加
熱状態におかれても炭酸ナトリウムの吸湿に起因した膨
張収縮による陰極層からの剥離脱落を防止し、高い信頼
性を有する炭酸ガスセンサを提供するものである。
熱状態におかれても炭酸ナトリウムの吸湿に起因した膨
張収縮による陰極層からの剥離脱落を防止し、高い信頼
性を有する炭酸ガスセンサを提供するものである。
第２の目的は、上記目的に加え長時間高湿環境にガス
感知部が非加熱状態でおかれても、炭酸ナトリウムの吸
湿をより抑制し、その後の加熱による炭酸ナトリウムの
脱落を防止し、長期間にわたり高い信頼性を有する炭酸
ガスセンサを提供するものである。
感知部が非加熱状態でおかれても、炭酸ナトリウムの吸
湿をより抑制し、その後の加熱による炭酸ナトリウムの
脱落を防止し、長期間にわたり高い信頼性を有する炭酸
ガスセンサを提供するものである。
課題を解決するための手段 この目的を達成するための第１の手段の炭酸ガスセン
サは、両端に１対の電極層を備えた固体電解質からな
る、炭酸ガスと解離平衡を行う金属炭酸塩を形成しうる
アルカリ金属イオンを伝導するイオン伝導性セラミック
ス板と、このイオン伝導性セラミックス板のいずれか一
方の電極層は、前記アルカリ金属イオンと反応すること
なく導電性を有する電極材料と前記イオン伝導性セラミ
ックス板を伝導し得るアルカリ金属イオンからなる金属
炭酸塩を均一分散後焼成し陰極層を形成し、前記１対の
電極層には１対のリード線を接合したガス感知部と、こ
のガス感知部を動作温度に加熱する加熱部を備えてなる
炭酸ガスセンサの構成としたものである。
サは、両端に１対の電極層を備えた固体電解質からな
る、炭酸ガスと解離平衡を行う金属炭酸塩を形成しうる
アルカリ金属イオンを伝導するイオン伝導性セラミック
ス板と、このイオン伝導性セラミックス板のいずれか一
方の電極層は、前記アルカリ金属イオンと反応すること
なく導電性を有する電極材料と前記イオン伝導性セラミ
ックス板を伝導し得るアルカリ金属イオンからなる金属
炭酸塩を均一分散後焼成し陰極層を形成し、前記１対の
電極層には１対のリード線を接合したガス感知部と、こ
のガス感知部を動作温度に加熱する加熱部を備えてなる
炭酸ガスセンサの構成としたものである。
また、第２の手段の炭酸ガスセンサは、両端に１対の
電極層を備えた固体電解質からなる、炭酸ガスと解離平
衡を行う金属炭酸塩を形成しうるアルカリ金属イオンを
伝導するイオン伝導性セラミックス板と、このイオン伝
導性セラミックス板のいずれか一方の電極層は、前記ア
ルカリ金属イオンと反応することなく導電性を有する電
極材料と前記イオン伝導性セラミックス板を伝導し得る
アルカリ金属イオンからなる金属炭酸塩を均一分散後焼
成し陰極層を形成し、前記１対の電極層には１対のリー
ド線を接合したガス感知部と、このガス感知部を動作温
度に加熱する加熱部を備え、前記金属炭酸塩を添加させ
た一方の電極層の一部あるいは全部を覆う形状で、ガス
透過性の被覆層を形成させた炭酸ガスセンサの構成とし
たものである。
電極層を備えた固体電解質からなる、炭酸ガスと解離平
衡を行う金属炭酸塩を形成しうるアルカリ金属イオンを
伝導するイオン伝導性セラミックス板と、このイオン伝
導性セラミックス板のいずれか一方の電極層は、前記ア
ルカリ金属イオンと反応することなく導電性を有する電
極材料と前記イオン伝導性セラミックス板を伝導し得る
アルカリ金属イオンからなる金属炭酸塩を均一分散後焼
成し陰極層を形成し、前記１対の電極層には１対のリー
ド線を接合したガス感知部と、このガス感知部を動作温
度に加熱する加熱部を備え、前記金属炭酸塩を添加させ
た一方の電極層の一部あるいは全部を覆う形状で、ガス
透過性の被覆層を形成させた炭酸ガスセンサの構成とし
たものである。
作用 この構成により第１の手段による作用において、金属
炭酸塩が分散して添加されている一方の電極層は、高湿
環境下でガス感知部が非加熱状態におかれたとき金属炭
酸塩の雰囲気中の水分を吸収し、水和物や水素化分に変
化して膨張する。しかし金属炭酸塩は、前記電極層の主
構成物質により固定されているため吸湿に伴なう流動，
流出が抑制されしたがって素子の劣化が抑制されること
となる。
炭酸塩が分散して添加されている一方の電極層は、高湿
環境下でガス感知部が非加熱状態におかれたとき金属炭
酸塩の雰囲気中の水分を吸収し、水和物や水素化分に変
化して膨張する。しかし金属炭酸塩は、前記電極層の主
構成物質により固定されているため吸湿に伴なう流動，
流出が抑制されしたがって素子の劣化が抑制されること
となる。
また、第２の手段によって、金属炭酸塩が分散して添
加している一方の電極層は、ガス透過性の膜によって被
覆されているため、雰囲気中の水分の電極層内への移行
を抑制し、金属炭酸塩の吸湿が抑えられる。
加している一方の電極層は、ガス透過性の膜によって被
覆されているため、雰囲気中の水分の電極層内への移行
を抑制し、金属炭酸塩の吸湿が抑えられる。
さらに金属炭酸塩の電極層外への移動，脱落が防止さ
れ、より一層雰囲気中の水分による素子の劣化が防止で
きることとなる。
れ、より一層雰囲気中の水分による素子の劣化が防止で
きることとなる。
実 施 例 以下、本発明の第１実施例について第１図にもとづい
て説明する。
て説明する。
第１図は本発明の第１実施例の炭酸ガスセンサのガス
感知部の縦断面を示す。なお従来例と同一の部分には同
一番号を付けて説明は省略する。
感知部の縦断面を示す。なお従来例と同一の部分には同
一番号を付けて説明は省略する。
図において、ナトリウムイオン伝導性セラミックスで
あるNASICON板11の両端に電極として陰極層14,陽極層12
bを形成している。陰極層14は電極材料であるAuペース
トに対し炭酸ナトリウム13を10〜50wt％の割合で添加
し、乳鉢にて両者を均一に混合しAuペースト内に炭酸ナ
トリウム13を均一に分散させ、スクリーン印刷でNASICO
N板11の表面に均一に塗布後、150℃程度で乾燥したもの
を800℃程度で焼成し形成したものである。
あるNASICON板11の両端に電極として陰極層14,陽極層12
bを形成している。陰極層14は電極材料であるAuペース
トに対し炭酸ナトリウム13を10〜50wt％の割合で添加
し、乳鉢にて両者を均一に混合しAuペースト内に炭酸ナ
トリウム13を均一に分散させ、スクリーン印刷でNASICO
N板11の表面に均一に塗布後、150℃程度で乾燥したもの
を800℃程度で焼成し形成したものである。
上記構成において、その炭酸ガス検知動作は従来例と
同じなのでその説明は省略する。
同じなのでその説明は省略する。
高湿環境において、ガス感知部１が非加熱状態におか
れた場合、陰極層14内の炭酸ナトリウム13は雰囲気中の
水分を吸収し、水和物や水素化物に変化して膨張する。
しかしながら炭酸ナトリウム13は陰極層14の主構成物質
であるAuによって固定されているため、吸湿による流
動，流出が抑制される。したがって非加熱状態で高湿環
境下に置かれても陰極層14から溶出，脱落し難くなり、
ガス感知部１の劣化を防止できる。
れた場合、陰極層14内の炭酸ナトリウム13は雰囲気中の
水分を吸収し、水和物や水素化物に変化して膨張する。
しかしながら炭酸ナトリウム13は陰極層14の主構成物質
であるAuによって固定されているため、吸湿による流
動，流出が抑制される。したがって非加熱状態で高湿環
境下に置かれても陰極層14から溶出，脱落し難くなり、
ガス感知部１の劣化を防止できる。
なお、本実施例ではイオン伝導性セラミックス板をNA
SICON板としたが、決勝性のNa+イオン伝導体であるNAXS
｛Na2O−Al2O3−XSiO2（Ｘ＝2,4,6,8）｝板でもよい。
SICON板としたが、決勝性のNa+イオン伝導体であるNAXS
｛Na2O−Al2O3−XSiO2（Ｘ＝2,4,6,8）｝板でもよい。
以下、本発明の第２実施例について第２図にもとづい
て説明する。
て説明する。
第２図は炭酸ガスセンサのガス感知部の縦断面を示
す。なお従来例および第１実施例と同一部分には同一番
号を付けて説明は省略する。
す。なお従来例および第１実施例と同一部分には同一番
号を付けて説明は省略する。
図において、ガス透過膜16は非晶質ガラスシール材に
NASICON粉末を10wt％添加したものを均一に混合し、ペ
ースト状にしたものを陰極層14の雰囲気に露出している
部分の一部または全部にコーティング後、150℃で乾燥
し、さらに800℃で焼成し形成したガラス透過性の膜で
ある。
NASICON粉末を10wt％添加したものを均一に混合し、ペ
ースト状にしたものを陰極層14の雰囲気に露出している
部分の一部または全部にコーティング後、150℃で乾燥
し、さらに800℃で焼成し形成したガラス透過性の膜で
ある。
以上のように構成された炭酸ガスセンサについて以下
にその動作を説明する。
にその動作を説明する。
上記構成において、その炭酸ガス検知動作は従来例と
同じなのでその説明は省略する。
同じなのでその説明は省略する。
高湿環境下でガス感知部１が非加熱状態で放置されて
も陰極層14の表面にガス透過膜16がコーティングされて
いるため、陰極層14内への雰囲気中の水分の移行が抑制
される。そのため陰極層14内の炭酸ナトリウム13の吸湿
が抑えられ、さらに陰極層14外への流出が阻止される。
も陰極層14の表面にガス透過膜16がコーティングされて
いるため、陰極層14内への雰囲気中の水分の移行が抑制
される。そのため陰極層14内の炭酸ナトリウム13の吸湿
が抑えられ、さらに陰極層14外への流出が阻止される。
また、その後加熱状態に変化した場合、炭酸ナトリウ
ム13は水分を放出し、それとともに陰極層14外へ移動し
ようとするが、ガス透過膜16により陰極層14がコーティ
ングされているため、炭酸ナトリウム13は陰極層内に保
持される。
ム13は水分を放出し、それとともに陰極層14外へ移動し
ようとするが、ガス透過膜16により陰極層14がコーティ
ングされているため、炭酸ナトリウム13は陰極層内に保
持される。
したがって、陰極層14の耐湿性は向上し、素子が高湿
環境下で加熱，非加熱状態に繰り返し置かれても劣化お
よび破損を、第１実施例より一層確実に防止できる。し
たがって長期間の使用に高い信頼性を得ることができ
る。
環境下で加熱，非加熱状態に繰り返し置かれても劣化お
よび破損を、第１実施例より一層確実に防止できる。し
たがって長期間の使用に高い信頼性を得ることができ
る。
なお、本実施例ではイオン伝導性セラミックス板をNA
SICON板としたが、第１実施例に記したと同様にNAXS板
でも良い。
SICON板としたが、第１実施例に記したと同様にNAXS板
でも良い。
発明の効果 以上のように本発明によれば、一方の電極層内に金属
炭酸塩を分散して添加したことにより、ガス感知部が高
湿環境下で非加熱状態におかれても金属炭酸塩の流出，
脱落を抑制することができる。また電極層内に金属炭酸
塩が分散しているため、電極層における反応が促進され
素子の応答性が向上できる。さらにイオン伝導性セラミ
ックス板と電極層のみでガス感知部が構成されるため、
製造工数を節減することができ素子のバラツキを少なく
できる。
炭酸塩を分散して添加したことにより、ガス感知部が高
湿環境下で非加熱状態におかれても金属炭酸塩の流出，
脱落を抑制することができる。また電極層内に金属炭酸
塩が分散しているため、電極層における反応が促進され
素子の応答性が向上できる。さらにイオン伝導性セラミ
ックス板と電極層のみでガス感知部が構成されるため、
製造工数を節減することができ素子のバラツキを少なく
できる。
また上記構成に加えて第２の手段によれば、金属炭酸
塩を添加した一方の電極層をガス透過膜でコーティング
してあるため、前記電極層内の金属炭酸塩の水分の移行
を抑制することができ、さらに金属炭酸塩の電極層外へ
の移動もしくは脱落をより防止することができ、高湿環
境下の耐湿性をより一層向上し長期間使用の信頼性を得
ることができるため、その実用効果は大なるものがあ
る。
塩を添加した一方の電極層をガス透過膜でコーティング
してあるため、前記電極層内の金属炭酸塩の水分の移行
を抑制することができ、さらに金属炭酸塩の電極層外へ
の移動もしくは脱落をより防止することができ、高湿環
境下の耐湿性をより一層向上し長期間使用の信頼性を得
ることができるため、その実用効果は大なるものがあ
る。
第１図は本発明の第１実施例における炭酸ガスセンサの
ガス感知部の構成を示す縦断面図、第２図は同第２実施
例における炭酸ガスセンサのガス感知部の構成を示す縦
断面図、第３図は従来の炭酸ガスセンサのガス感知部の
構成を示す縦断面図、第４図は同炭酸ガスセンサの構成
を示す縦断面図である。 １……ガス感知部、２……ヒータ、3a,3b……リード
線、5a,5b……リード線、11……NASICON板、12b……電
極層（陽極）、13……炭酸ナトリウム、14……電極層
（陰極）、16……ガス透過膜。
ガス感知部の構成を示す縦断面図、第２図は同第２実施
例における炭酸ガスセンサのガス感知部の構成を示す縦
断面図、第３図は従来の炭酸ガスセンサのガス感知部の
構成を示す縦断面図、第４図は同炭酸ガスセンサの構成
を示す縦断面図である。 １……ガス感知部、２……ヒータ、3a,3b……リード
線、5a,5b……リード線、11……NASICON板、12b……電
極層（陽極）、13……炭酸ナトリウム、14……電極層
（陰極）、16……ガス透過膜。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 27/409 G01N 27/417 G01N 27/416
Claims (2)
- 【請求項１】両端に１対の電極層を備えた固体電解質か
らなる、炭酸ガスと解離平衡を行う金属炭酸塩を形成し
うるアルカリ金属イオンを伝導するイオン伝導性セラミ
ックス板と、このイオン伝導性セラミックス板のいずれ
か一方の電極層は、前記アルカリ金属イオンと反応する
ことなく導電性を有する電極材料と前記イオン伝導性セ
ラミックス板を伝導し得るアルカリ金属イオンからなる
金属炭酸塩を均一分散後焼成し陰極層を形成し、前記１
対の電極層には１対のリード線を接合したガス感知部
と、このガス感知部を動作温度に加熱する加熱部を備え
てなる炭酸ガスセンサ。 - 【請求項２】両端に１対の電極層を備えた固体電解質か
らなる、炭酸ガスと解離平衡を行う金属炭酸塩を形成し
うるアルカリ金属イオンを伝導するイオン伝導性セラミ
ックス板と、このイオン伝導性セラミックス板のいずれ
か一方の電極層は、前記アルカリ金属イオンと反応する
ことなく導電性を有する電極材料と前記イオン伝導性セ
ラミックス板を伝導し得るアルカリ金属イオンからなる
金属炭酸塩を均一分散後焼成し陰極層を形成し、前記１
対の電極層には１対のリード線を接合したガス感知部
と、このガス感知部を動作温度に加熱する加熱部を備
え、前記金属炭酸塩を添加させた一方の電極層の一部あ
るいは全部を覆う形状で、ガス透過性の被覆層を形成さ
せた炭酸ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1015454A JP2790474B2 (ja) | 1989-01-25 | 1989-01-25 | 炭酸ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1015454A JP2790474B2 (ja) | 1989-01-25 | 1989-01-25 | 炭酸ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02195246A JPH02195246A (ja) | 1990-08-01 |
| JP2790474B2 true JP2790474B2 (ja) | 1998-08-27 |
Family
ID=11889251
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1015454A Expired - Lifetime JP2790474B2 (ja) | 1989-01-25 | 1989-01-25 | 炭酸ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2790474B2 (ja) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60256043A (ja) * | 1984-06-01 | 1985-12-17 | Advance Res & Dev Co Ltd | ガスセンサ |
| JPH01213565A (ja) * | 1988-02-22 | 1989-08-28 | Nippon Ceramic Kk | Ｃｏ↓２ガスセンサの電極形成方法 |
-
1989
- 1989-01-25 JP JP1015454A patent/JP2790474B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02195246A (ja) | 1990-08-01 |
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