JP2925196B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、地下室の酸欠事故防止、ボイラなどの燃
焼管理等に使用される限界電流式の酸素センサに関す
る。
焼管理等に使用される限界電流式の酸素センサに関す
る。
「従来の技術」 近年、安定化ジルコニアからなる固体電解質を用いた
限界電流式の酸素センサが実用化されている。
限界電流式の酸素センサが実用化されている。
この酸素センサは、第４図に示すように安定化ジルコ
ニア（例えば、ZrO2−8Y2O3）等のイオン導電性を有す
る固体電解質により形成され、かつ中央に上下に貫通す
る気体拡散孔1Aが形成された薄厚なイオン導電体１と、
このイオン導電体１の両面に設けられて、一定のセンサ
監視電圧が印加される多孔質の白金電極2A・2Bと、前記
イオン導電体１の一方側に位置する白金電極2A上にガラ
ス3A・3Aにより接合されたキャップ３と、前記イオン導
電体１を加熱するヒータ４とから構成されている。
ニア（例えば、ZrO2−8Y2O3）等のイオン導電性を有す
る固体電解質により形成され、かつ中央に上下に貫通す
る気体拡散孔1Aが形成された薄厚なイオン導電体１と、
このイオン導電体１の両面に設けられて、一定のセンサ
監視電圧が印加される多孔質の白金電極2A・2Bと、前記
イオン導電体１の一方側に位置する白金電極2A上にガラ
ス3A・3Aにより接合されたキャップ３と、前記イオン導
電体１を加熱するヒータ４とから構成されている。
なお、上記キャップ３の構成材料としては、例えばジ
ルコニアなどが使用される。
ルコニアなどが使用される。
そして、このように構成された酸素センサでは、イオ
ン導電体１内において、酸素ポンピング作用により、気
体拡散孔1Aから取り込まれた酸素がイオンとなって流
れ、このイオン電流の電流値から周囲の酸素濃度が測定
されるようになっている。
ン導電体１内において、酸素ポンピング作用により、気
体拡散孔1Aから取り込まれた酸素がイオンとなって流
れ、このイオン電流の電流値から周囲の酸素濃度が測定
されるようになっている。
「発明が解決しようとする課題」 ところで、上記のような酸素センサでは、レスポンス
の改善がいくつかなされている。
の改善がいくつかなされている。
例えば、使用温度を高めてイオン導電性を向上させた
り、イオン導電体１の各面に位置する電極2A・2Bの多孔
質構造、厚み、成分等の改善がなされている。
り、イオン導電体１の各面に位置する電極2A・2Bの多孔
質構造、厚み、成分等の改善がなされている。
しかしながら、このような改善では未だ十分なレスポ
ンス向上がなされたとはいえず、例えば第４図に示す酸
素センサの場合に、酸素濃度を０％から21％に上昇させ
たときにレスポンスは10〜15secの範囲、酸素濃度を21
％から０％に低下させたときにレスポンスは12〜17sec
の範囲であり、レスポンスの向上といった点で改良の余
地が残されていた。
ンス向上がなされたとはいえず、例えば第４図に示す酸
素センサの場合に、酸素濃度を０％から21％に上昇させ
たときにレスポンスは10〜15secの範囲、酸素濃度を21
％から０％に低下させたときにレスポンスは12〜17sec
の範囲であり、レスポンスの向上といった点で改良の余
地が残されていた。
この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであっ
て、材料の面から改良してレスポンスの向上を図った酸
素センサの提供を目的とする。
て、材料の面から改良してレスポンスの向上を図った酸
素センサの提供を目的とする。
「課題を解決するための手段」 上記の目的を達成するために、本発明では、イオン導
電体の各面に所定の電圧が印加される電極を積層し、気
体拡散孔を通じて取り込んだ試料ガス中の酸素が、酸素
ポンピング作用により固体電解質中をイオンとなって流
れ、このイオン電流の電流値から周囲の酸素濃度が測定
される酸素センサにおいて、前記イオン導電体に積層さ
れた電極の上部位置に、比誘電率が30より小さくかつ誘
電損失の損失角（tanδ）が40×10-4より小さいステア
タイトまたはフォルステライトまたはアルミナのいずれ
かの低誘電性材料と結晶化ガラスとを混合してなるセン
サ構成部材を設けるようにしている。
電体の各面に所定の電圧が印加される電極を積層し、気
体拡散孔を通じて取り込んだ試料ガス中の酸素が、酸素
ポンピング作用により固体電解質中をイオンとなって流
れ、このイオン電流の電流値から周囲の酸素濃度が測定
される酸素センサにおいて、前記イオン導電体に積層さ
れた電極の上部位置に、比誘電率が30より小さくかつ誘
電損失の損失角（tanδ）が40×10-4より小さいステア
タイトまたはフォルステライトまたはアルミナのいずれ
かの低誘電性材料と結晶化ガラスとを混合してなるセン
サ構成部材を設けるようにしている。
「作用」 この発明によれば、イオン導電体に積層された電極の
上部位置に低誘電性材料を含有したセンサ構成部材、例
えばジルコニア（比誘電率:30、誘電損失の損失角（tan
δ）:40×10-4）より比誘電率の低いアルミナ、ステア
タイト、フォルステライトなどの低誘電性材料を含有し
た充填材、封止材を設けることにより、前記センサ構成
部材の静電容量を小さくすることができ、これにより、
電極内を移動する酸素イオンの損失量を小さくすること
ができる。
上部位置に低誘電性材料を含有したセンサ構成部材、例
えばジルコニア（比誘電率:30、誘電損失の損失角（tan
δ）:40×10-4）より比誘電率の低いアルミナ、ステア
タイト、フォルステライトなどの低誘電性材料を含有し
た充填材、封止材を設けることにより、前記センサ構成
部材の静電容量を小さくすることができ、これにより、
電極内を移動する酸素イオンの損失量を小さくすること
ができる。
「実施例」 本発明の第１実施例を第１図を参照して説明する。な
お、本実施例に示す酸素センサは、「従来の技術」に示
す酸素センサと基本構成が同一であるので、構成を共通
とする箇所に同一符号を付し説明を簡略化する。
お、本実施例に示す酸素センサは、「従来の技術」に示
す酸素センサと基本構成が同一であるので、構成を共通
とする箇所に同一符号を付し説明を簡略化する。
まず、本実施例に示す酸素センサが「従来の技術」に
示す酸素センサと構成を異にするのは、イオン導電体１
に積層された白金電極2A上に低誘電性材料を含有したセ
ンサ構成部材10が設けられている点である。
示す酸素センサと構成を異にするのは、イオン導電体１
に積層された白金電極2A上に低誘電性材料を含有したセ
ンサ構成部材10が設けられている点である。
このセンサ構成部材10は、白金電極2A上に設けられた
充填材11と、結晶化ガラスにより形成され、前記充填材
11を全体的に覆う封止材12とから構成されている。
充填材11と、結晶化ガラスにより形成され、前記充填材
11を全体的に覆う封止材12とから構成されている。
前記充填材11は、比誘電率εが6.0、誘電損失の損失
角（tanδ）が４×10-4であるステアタイト（MgO・SiO2
に近い組成のセラミックス）と、結晶化ガラスとを5:1
の重量比で混合したものである。
角（tanδ）が４×10-4であるステアタイト（MgO・SiO2
に近い組成のセラミックス）と、結晶化ガラスとを5:1
の重量比で混合したものである。
なお、前記充填材11に添加されている結晶化ガラスは
単なる充填材として使用しても良く、また、焼成してス
テアタイトの粉末粒子を互いに結合させるバインダとし
て使用しても良い。
単なる充填材として使用しても良く、また、焼成してス
テアタイトの粉末粒子を互いに結合させるバインダとし
て使用しても良い。
そして、このような組成の充填材11を用いた酸素セン
サでは、酸素濃度を０％から21％に上昇させたときにレ
スポンスは３〜5sec、酸素濃度を21％から０％に低下さ
せたときにレスポンスは２〜4secとなり、レスポンスが
大幅に向上したことが実験により確認されている（ヒー
タ４の加熱温度は450℃に設定）。
サでは、酸素濃度を０％から21％に上昇させたときにレ
スポンスは３〜5sec、酸素濃度を21％から０％に低下さ
せたときにレスポンスは２〜4secとなり、レスポンスが
大幅に向上したことが実験により確認されている（ヒー
タ４の加熱温度は450℃に設定）。
なお、前記充填材11の成分に、従来使用されていたジ
ルコニア（比誘電率εが30、誘電損失の損失角（tan
δ）が40×10-4）と比較して比誘電率ε、誘電損失の損
失角（tanδ）の低いステアタイトを使用したが、これ
は、前記充填材11の静電容量及び誘電損失を全体的に小
さくすることにより、白金電極2A内を移動する酸素イオ
ンの充填材11に対する損失を小さくすることができ、こ
れにより白金電極2A〜2B間の電流伝達速度の低下を防止
し、レスポンスの向上が図られるからである。
ルコニア（比誘電率εが30、誘電損失の損失角（tan
δ）が40×10-4）と比較して比誘電率ε、誘電損失の損
失角（tanδ）の低いステアタイトを使用したが、これ
は、前記充填材11の静電容量及び誘電損失を全体的に小
さくすることにより、白金電極2A内を移動する酸素イオ
ンの充填材11に対する損失を小さくすることができ、こ
れにより白金電極2A〜2B間の電流伝達速度の低下を防止
し、レスポンスの向上が図られるからである。
本発明の第２実施例を第２図を参照して説明する。こ
の実施例に示す酸素センサが、第１実施例に示す酸素セ
ンサと構成を異にする点は、イオン導電体１の上部に設
けられたセンサ構成部材13である。
の実施例に示す酸素センサが、第１実施例に示す酸素セ
ンサと構成を異にする点は、イオン導電体１の上部に設
けられたセンサ構成部材13である。
このセンサ構成部材13は、内側に空間部14を有する二
層の封止材15・16により構成されるものであって、内側
に位置する封止材15はジルコニアに結晶化ガラスを例え
ば10:6〜20:1の割合で混合して焼成したものであり、ま
た、外側に位置する封止材16は結晶化ガラスにステアタ
イトを例えば100:3の割合で混合したものである。
層の封止材15・16により構成されるものであって、内側
に位置する封止材15はジルコニアに結晶化ガラスを例え
ば10:6〜20:1の割合で混合して焼成したものであり、ま
た、外側に位置する封止材16は結晶化ガラスにステアタ
イトを例えば100:3の割合で混合したものである。
なお、前記外側の封止材16に添加したステアタイト
は、第１実施例で示したステアタイトと同様に、ジルコ
ニアと比較して比誘電率ε、誘電損失の損失角（tan
δ）が低いものである。
は、第１実施例で示したステアタイトと同様に、ジルコ
ニアと比較して比誘電率ε、誘電損失の損失角（tan
δ）が低いものである。
そして、このように構成された酸素センサでは、酸素
濃度を０％から21％に上昇させたときにレスポンスは７
〜8sec、酸素濃度を21％から０％に低下させたときにレ
スポンスは６〜8secとなり、従来の酸素センサと比較し
てレスポンスが改善されたことが確認された（ヒータ４
の加熱温度は450℃に設定）。
濃度を０％から21％に上昇させたときにレスポンスは７
〜8sec、酸素濃度を21％から０％に低下させたときにレ
スポンスは６〜8secとなり、従来の酸素センサと比較し
てレスポンスが改善されたことが確認された（ヒータ４
の加熱温度は450℃に設定）。
なお、前記封止材15・16の内側には空間部14が形成さ
れているが、この空間部14は（一）まず白金電極2A上に
カーボンその他の有機物を塗布し、（二）更にその上、
前述したように封止材15の原材料である、ジルコニアに
結晶化ガラスを例えば10:6〜20:1の割合で混合したもの
を塗布し、（三）前記カーボンその他の有機物を一定温
度以上で加熱してガス化させることにより得られるもの
である（このときのガスは、加熱することでポーラス体
に形成された封止材15を通じて外部に放出される）。
れているが、この空間部14は（一）まず白金電極2A上に
カーボンその他の有機物を塗布し、（二）更にその上、
前述したように封止材15の原材料である、ジルコニアに
結晶化ガラスを例えば10:6〜20:1の割合で混合したもの
を塗布し、（三）前記カーボンその他の有機物を一定温
度以上で加熱してガス化させることにより得られるもの
である（このときのガスは、加熱することでポーラス体
に形成された封止材15を通じて外部に放出される）。
そして、このように封止材15の内側に空間部14が形成
されたならば、更に、該封止材15の上面に、該封止材15
の全体を覆うように前記封止材16を塗布により設けるよ
うにしている。
されたならば、更に、該封止材15の上面に、該封止材15
の全体を覆うように前記封止材16を塗布により設けるよ
うにしている。
本発明の第３実施例を第３図を参照して説明する。こ
の実施例に示す酸素センサが、第２実施例に示す酸素セ
ンサと構成を異にする点は、二層の封止17・18により形
成されたセンサ構成部材19の成分である。
の実施例に示す酸素センサが、第２実施例に示す酸素セ
ンサと構成を異にする点は、二層の封止17・18により形
成されたセンサ構成部材19の成分である。
前記センサ構成部材19の内、内側の封止材17は結晶化
ガラスとフォルステライト（2MgO・SiO2）とを1:5の重
量比で混合したものであり、また、外側の封止材18は全
て結晶化ガラスにより構成したものである。
ガラスとフォルステライト（2MgO・SiO2）とを1:5の重
量比で混合したものであり、また、外側の封止材18は全
て結晶化ガラスにより構成したものである。
なお、ここで使用したフォルステライトは、比誘電率
εが６、誘電損失の損失角（tanδ）が５×10-4であり
ジルコニアと比較して比誘電率ε、誘電損失の損失角
（tanδ）が低いものである。
εが６、誘電損失の損失角（tanδ）が５×10-4であり
ジルコニアと比較して比誘電率ε、誘電損失の損失角
（tanδ）が低いものである。
そして、このように構成された酸素センサでは、酸素
濃度を０％から21％に上昇させたときにレスポンスは４
〜5sec、酸素濃度を21％から０％に低下させたときにレ
スポンスは３〜5secとなり、従来の酸素センサと比較し
てレスポンスが改善されたことが確認された（ヒータ４
の加熱温度を450℃に設定）。
濃度を０％から21％に上昇させたときにレスポンスは４
〜5sec、酸素濃度を21％から０％に低下させたときにレ
スポンスは３〜5secとなり、従来の酸素センサと比較し
てレスポンスが改善されたことが確認された（ヒータ４
の加熱温度を450℃に設定）。
なお、上記第１実施例〜第３実施例では、センサ構成
部材10・13・19内にステタイト、フォルステライトを添
加したが、ステアタイト、フォルステライトと同様にジ
ルコニアより比誘電率ε、誘電損失の損失角（tanδ）
が低いアルミナを選択しても良い。
部材10・13・19内にステタイト、フォルステライトを添
加したが、ステアタイト、フォルステライトと同様にジ
ルコニアより比誘電率ε、誘電損失の損失角（tanδ）
が低いアルミナを選択しても良い。
また、上記第１実施例〜第３実施例では、センサ構成
部材10・13・19の形状を四角に形成したが、これに限定
されずドーム状に形成しても良い。
部材10・13・19の形状を四角に形成したが、これに限定
されずドーム状に形成しても良い。
また。上記第１実施例〜第３実施例で示す比誘電率
ε、誘電損失の損失角（tanδ）は室温（25℃）により
測定したものである。
ε、誘電損失の損失角（tanδ）は室温（25℃）により
測定したものである。
「発明の効果」 以上詳細に説明したように、この発明によれば、イオ
ン導電体に積層された電極の上部に低誘電性材料を含有
したセンサ構成部材、例えばジルコニアより比誘電率の
低いアルミナ、ステアタイト、フォルステライトなどを
含有した封止材を設けることにより、前記センサ構成部
材の静電容量を小さくすることができ、これにより、電
極内を移動する酸素イオンの損失量を小さくすることが
でき、該電極の電流伝達速度の低下を防止しレスポンス
の向上を図ることができるという効果が得られる。
ン導電体に積層された電極の上部に低誘電性材料を含有
したセンサ構成部材、例えばジルコニアより比誘電率の
低いアルミナ、ステアタイト、フォルステライトなどを
含有した封止材を設けることにより、前記センサ構成部
材の静電容量を小さくすることができ、これにより、電
極内を移動する酸素イオンの損失量を小さくすることが
でき、該電極の電流伝達速度の低下を防止しレスポンス
の向上を図ることができるという効果が得られる。
第１図〜第３図は本発明の第１実施例〜第３実施例をそ
れぞれ示す正断面図、第４図は従来の酸素センサを示す
正断面図である。 １……イオン導電体、1A……拡散拡散孔、2A・2B……電
極、10・13・19……センサ構成部材。
れぞれ示す正断面図、第４図は従来の酸素センサを示す
正断面図である。 １……イオン導電体、1A……拡散拡散孔、2A・2B……電
極、10・13・19……センサ構成部材。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場１丁目５番１号 藤倉 電線株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−263458（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−214753（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−265151（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−102861（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01N 27/41
Claims (1)
- 【請求項１】イオン導電体の各面に所定の電圧が印加さ
れる電極を積層し、気体拡散孔を通じて取り込んだ試料
ガス中の酸素が、酸素ポンピング作用により固体電解質
中をイオンとなって流れ、このイオン電流の電流値から
周囲の酸素濃度が測定される酸素センサにおいて、 前記イオン導電体に積層された電極の上部位置に、比誘
電率が30より小さくかつ誘電損失の損失角（tanδ）が4
0×10-4より小さいステアタイトまたはフォルステライ
トまたはアルミナのいずれかの低誘電性材料と結晶化ガ
ラスとを混合してなるセンサ構成部材が設けられている
ことを特徴とする酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1319489A JP2925196B2 (ja) | 1989-12-08 | 1989-12-08 | 酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1319489A JP2925196B2 (ja) | 1989-12-08 | 1989-12-08 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03180754A JPH03180754A (ja) | 1991-08-06 |
| JP2925196B2 true JP2925196B2 (ja) | 1999-07-28 |
Family
ID=18110782
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1319489A Expired - Fee Related JP2925196B2 (ja) | 1989-12-08 | 1989-12-08 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2925196B2 (ja) |
-
1989
- 1989-12-08 JP JP1319489A patent/JP2925196B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03180754A (ja) | 1991-08-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |