JP3010752B2 - 限界電流式酸素センサ - Google Patents

限界電流式酸素センサ

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JP3010752B2
JP3010752B2 JP3023160A JP2316091A JP3010752B2 JP 3010752 B2 JP3010752 B2 JP 3010752B2 JP 3023160 A JP3023160 A JP 3023160A JP 2316091 A JP2316091 A JP 2316091A JP 3010752 B2 JP3010752 B2 JP 3010752B2
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邦弘 鶴田
彪 長井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、雰囲気中の酸素濃度又
は湿度を測定するための限界電流式酸素センサ(以下、
酸素センサと称する)に関し、特に高信頼化をはかった
ものである。
【0002】
【従来の技術】従来の酸素センサの一部破断斜視図を図
8に示す。同図において1は酸素イオン伝導性固体電解
質板(以下、固体電解質板と称する)であり、その両面
に電極2a及び2b(記載せず)が設けられている。そ
の固体電解質板1の一方の面に電極2aを囲み、始端と
終端がお互いに間隔を有する螺旋型スペーサ3が設けら
れ、さらにシール板4がその上部に設けられている。酸
素拡散通路は螺旋型スペーサ3の相対向する隔壁と固体
電解質体1とシール板4で囲まれる螺旋型の空間で形成
され、酸素は前記酸素拡散通路を経由して電極2aへ拡
散する。シール板4には加熱部5が設けられており、固
体電解質板1を加熱して酸素イオンの伝導を良くしてい
る。
【0003】上記構成における動作について説明する。
加熱部5に所定の電力を印加し、加熱部5を介して固体
電解質板1を所定の温度に加熱する。一方、電極2a及
び2bを介して固体電解質板1にも所定の電圧を印加す
る。すると、空気中の酸素は酸素拡散通路を経由して電
極2aまで流入し、そのカソード側電極2aからアノー
ド電極2bに向かって酸素イオンとなって移動してアノ
ード電極2bで再び酸素となって放出される。この酸素
ポンプ作用によって固体電解質板1中を酸素が移動し、
それにともない電流が発生するが、酸素拡散通路によっ
て酸素分子の流入が制限されるため、酸素濃度に応じた
限界電流が生じる。その限界電流を測定することにより
酸素濃度が判明する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし従来は、上記構
成の酸素センサ1個で雰囲気中の酸素濃度を測定してい
た。そのため酸素センサの限界電流は必要に応じて標準
ガスで検定し、規格値を超えると正常品と取り替えなが
ら使用しなければならない問題があった。
【0005】本発明はかかる従来の問題を解決し、自己
遮断機能を有する信頼性の高い酸素センサの提供を目的
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の酸素センサは、酸素イオン伝導性固体電解
質板の両面に対となる電極を2組以上設け、上記酸素イ
オン伝導性固体電解質板を上記電極を囲むような形状の
螺旋型スペーサを介して2枚以上積層し、上記電極に電
圧発生手段と電流検出手段を接続し、その電流検出手段
に合成電流検出手段を接続し、その合成電流検出手段に
電流比較手段を接続し、その電流比較手段に電流比判断
手段を接続し、その電流比判断手段に制御部を接続した
構成とする。
【0007】
【作用】本発明は上記構成により、拡散孔の目詰まりや
漏れ等の異状が発生すると電流比が変化し、制御部が動
作して酸素センサと雰囲気装置の駆動を停止することと
なる。
【0008】
【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。
【0009】(実施例1)図1において、6及び7はZ
rO2 ・Y2 3 (Y2 3 8mol%添加)の固体電
解質板であり、その両面に対となる電極8aと8b、9
aと9b、10aと10b及び11aと11bが設けら
れている。上記固体電解質板6の片側上部にカソード側
電極8a及び9aを囲み、始端と終端がお互いに間隔を
有するように設けられた2個の螺旋型スペーサ12a及
び12bを介して固体電解質板7が積層されている。電
極8a、8b、9a、9b、10a、10b、11a及
び11bとしては白金、螺旋型スペーサ12a及び12
bとしては硝子(熱膨張係数はZrO2 ・Y2 3 と概
略同一であり、所定粒径の耐熱性粒子を微量含有)を用
いた。その製法について説明すると、まず、電極を固体
電解質板の表裏に厚膜印刷技術及び焼成技術を用いて形
成した。次に図では省略したが固体電解質板6の片側上
部の余白部に加熱用ヒータを厚膜印刷技術及び焼成技術
を用いて形成した。次に螺旋型スペーサ12a及び12
bを固体電解質板6のうえに厚膜印刷技術および焼成技
術を用いて形成した。その後、固体電解質板6及び固体
電解質板7を積層し加熱溶融することで酸素拡散通路を
形成した。そしてリード線(記載せず)を取りつけて完
成品とした。完成品の寸法は10×10×0.9mmであ
る。上記構成において、拡散律速体は螺旋型スペーサ1
2a及び12bと固体電解質板6及び7で囲まれた螺旋
型空間である。酸素は前記螺旋型空間を経由してカソー
ド側電極膜8aもしくは9aへ拡散する。
【0010】上記構成において、螺旋型スペーサ12a
で形成される酸素拡散通路の断面積を1.0×0.03mm
2 とし、その長さを12mmとしたセンサIa(電極面
積5.5mm2 )及びセンサIb(電極面積5.5mm2
と、螺旋型スペーサ12bで形成される酸素拡散通路の
断面積を1.0×0.03mm2 とし、その長さを8mmと
したセンサIIa(電極面積5.5mm2 )及びセンサIIb
(電極面積5.5mm2 )が構成される。そのセンサIa
とセンサIbからなる複合センサIの臨界電圧(限界電
流特性を示し始める電圧)は0.8Vであり、センサIIa
とセンサIIbからなる複合センサIIの臨界電圧は1.40
Vである。回路構成は図2に示すように、対となる電極
8a、8b、対となる電極9a、9b、対となる電極1
0a、10b、対となる電極11a、11bに所定電圧
を印加する電圧発生手段(A)及び(B)と電流検出手
段(1)、(2)、(3)及び(4)を接続し、その電
流検出手段(1)と(2)に合成電流検出手段(A)
と、電流検出手段(3)と(4)に合成電流検出手段
(B)を接続し、その合成電流検出手段に2つのセンサ
(センサIとセンサII)の電流を比較する電流比較手段
を接続し、その電流比較手段に電流比判断手段を接続
し、その電流比判断手段に制御部が接続されている。
【0011】上記酸素センサは図3に示すように酸素濃
度に応じて限界電流が変化し、センサIとセンサIIの限
界電流の比をとると図4に示すように酸素濃度が変化し
ても一定である。次に上記酸素センサを酸素濃度20.0
%、印加電圧1.40Vで連続使用すると電流比は経過時
間とともに図5に示す変化をした。この時、センサI及
びIIの電流は図6に示す変化をした。2000時間後に
上記酸素センサの内部を調べるとセンサIの酸素拡散通
路の入口部分の一部が閉塞していた。以上のことから本
実施例の酸素センサによれば標準ガスで検定しなくても
センサの特性劣化がわかる。従って実使用ではセンサの
電流比が規格値を超えれば動作部により酸素センサ及び
装置の駆動を停止することになる。
【0012】(実施例2)螺旋型スペーサ12aで形成
される酸素拡散通路の断面積を0.4×0.03mm 2 、長
さを20mmとしたセンサ IIIa(電極面積5.5m
2 、印加電圧2.0V)及びセンサ IIIb(電極面積
5.5mm2 、印加電圧1.4V)と、螺旋型スペーサ12
bで形成される酸素拡散通路の断面積を0.4×0.03m
2 、長さを25mmとしたセンサIVa(電極面積5.5
mm2 、印加電圧2.0V)及びセンサIVb(電極面積
5.5mm2 、印加電圧1.4V)とする酸素センサを試作
した。その酸素センサにおいて、固体電解質板6のセン
サ IIIaとセンサIVaには水の電気分解電圧1.5Vより
高い2.0Vを印加し、固体電解質板7のセンサ IIIbと
センサIVbには、1.4Vを印加した。そうするとセンサ
IIIaとセンサIVbの電流は、酸素濃度の値に水の電気
分解によって生じた酸素イオン値が加算された値になる
が、酸素濃度のみ検知するセンサ IIIbとセンサIVbの
電流を減算することにより、水の電気分解電圧によって
生じた酸素イオン値の電流が算出できる。その電流は空
気中の湿度(水蒸気分圧)の値であり、センサ IIIaと
センサ IIIbで湿度センサ IIIが、センサIVaとセンサ
IVbで湿度センサIVが構成される。上記の湿度センサに
ついて湿度(水蒸気分圧)と電流の相関を測定した結果
を図7に示す。電流は湿度(水蒸気分圧)に対してほぼ
直線関係にあることがわかる。一方、湿度センサ IIIと
湿度センサIVの電流の比(湿度センサ IIIの電流/湿度
センサIVの電流)を算出したところ、湿度にかかわらず
ほぼ一定(1.25)であった。本実施例の酸素センサに
よれば実施例1と同様標準湿度で検定しなくてもセンサ
の特性劣化がわかる。
【0013】(実施例3)固体電解質板6及び7の間に
螺旋型スペーサ12aのみを設けた(螺旋型スペーサ1
2bなし)酸素センサを試作した。その酸素センサの酸
素拡散通路は断面積0.4×0.03mm2 、長さ25mm
の螺旋型で、固体電解質板6及び7に電極面積が11m
2 のセンサVaとVIbからなる複合センサVIIであ
る。比較例として固体電解質板6のみに電極(電極面積
が11mm2 )を設けたセンサVIIIを試作した。上記2
種類の酸素センサの応答性(90%応答時間)を比較す
るとセンサVIIIの35秒に対して複合センサVIIは2倍
の電極面積を有するので20秒と早い応答性が得られ
た。
【0014】なお、実施例では1枚の固体電解質板に2
組の電極を設けたものを2枚積層したものについて説明
したが、2組以上の電極を設けたものを2枚以上積層し
てもよい。
【0015】
【発明の効果】以上のように本発明によれば次の効果が
得られる。 (1)使用期間中に標準ガスで検定しなくても規格値を
超えると自己遮断機能を有する信頼性の高い限界電流式
酸素センサが得られる。 (2)使用期間中に標準湿度で検定しなくても規格値を
超えると自己遮断機能を有する信頼性の高い限界電流式
酸素センサが得られる。 (3)応答性の良い限界電流式酸素センサが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1実施例における限界電流式酸素セン
サの分解斜視図
【図2】同じく回路構成図
【図3】同じく酸素濃度と限界電流の特性図
【図4】同じく酸素濃度と電流比の特性図
【図5】同じく経過時間と電流比の特性図
【図6】同じく経過時間とセンサ電流の特性図
【図7】同じく湿度と限界電流の特性図
【図8】従来の1実施例における限界電流式酸素センサ
の分解斜視図
【符号の説明】
6 酸素イオン伝導性固体電解質板 7 酸素イオン伝導性固体電解質板 8a 電極 8b 電極 9a 電極 9b 電極 10a 電極 10b 電極 11a 電極 11b 電極 12a 螺旋型スペーサ 12b 螺旋型スペーサ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−154958(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/41

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素イオン伝導性固体電解質板の両面に対
    となる電極を2組以上設け、上記酸素イオン伝導性固体
    電解質体板を上記電極を囲むような形状の螺旋型スペー
    サを介して2枚以上積層し、上記電極に電圧発生手段と
    電流検出手段を接続し、その電流検出手段に合成電流検
    出手段を接続し、その合成電流検出手段に電流比較手段
    を接続し、その電流比較手段に電流比判断手段を接続
    し、その電流比判断手段に制御部を接続した限界電流式
    酸素センサ。
  2. 【請求項2】1枚の酸素イオン伝導性固体電解質板体の
    電極に印加する電圧を水の電気分解電圧以上とし、上記
    酸素イオン伝導性固体電解質板に隣接する他の酸素イオ
    ン伝導性固体電解質板の電極に印加する電圧を水の電気
    分解電圧以下とした請求項1記載の限界電流式酸素セン
    サ。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101778162B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-13 김은진 공 스테인레스 타일

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KR101778162B1 (ko) * 2016-11-17 2017-09-13 김은진 공 스테인레스 타일

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