JP3067258B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、雰囲気ガス中の酸素濃
度を測定するための酸素センサに関し、特に、酸素イオ
ン伝導性固体電解質を利用した限界電流式酸素センサに
係るものである。
度を測定するための酸素センサに関し、特に、酸素イオ
ン伝導性固体電解質を利用した限界電流式酸素センサに
係るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の酸素センサは、図３に示
すように、酸素イオン伝導性を有する、例えば、ジルコ
ニア系セラミックからなる平板状の固体電解質板１の両
面に、白金などの金属からなる電極膜２ａ、２ｂ（陽極
２ａ、陰極２ｂともいう）を形成し、更に前記陰極２ｂ
側の固体電解質板１の上に、陰極２ｂを囲んで密閉空間
３ａを形成するためＵ字状のキャップ３を配置し、前記
キャップに微細な貫通孔からなる拡散孔４を設けた構成
となっていた。
すように、酸素イオン伝導性を有する、例えば、ジルコ
ニア系セラミックからなる平板状の固体電解質板１の両
面に、白金などの金属からなる電極膜２ａ、２ｂ（陽極
２ａ、陰極２ｂともいう）を形成し、更に前記陰極２ｂ
側の固体電解質板１の上に、陰極２ｂを囲んで密閉空間
３ａを形成するためＵ字状のキャップ３を配置し、前記
キャップに微細な貫通孔からなる拡散孔４を設けた構成
となっていた。
【０００３】上記構成において、酸素センサを動作可能
な温度に加熱した後、電極膜２ａ、２ｂ間に直流電圧を
印加すると、陰極２ｂにおいて酸素分子のイオン化反応
が起こり、イオン化した酸素イオンが固体電解質板１の
中を陽極２ａに向かって移動し、陽極２ａで酸素イオン
の分子化反応が起こり外部空間へ排出される。一方、密
閉空間３ａへの酸素の流入はキャップ３に設けられた、
拡散孔４により制限され、陰極２ｂへの酸素の流入が拡
散律速となる。この際生ずる電流は、印加電圧の増加に
対し、ある電圧以上において一定値を示す。この一定と
なる電流が限界電流であり、雰囲気ガス中の酸素濃度に
比例する。この限界電流を検知する事により酸素濃度を
測定することができる（例えば、特開昭５９−１９２９
５３号公報、特開昭６０−２５２２５４号公報）。
な温度に加熱した後、電極膜２ａ、２ｂ間に直流電圧を
印加すると、陰極２ｂにおいて酸素分子のイオン化反応
が起こり、イオン化した酸素イオンが固体電解質板１の
中を陽極２ａに向かって移動し、陽極２ａで酸素イオン
の分子化反応が起こり外部空間へ排出される。一方、密
閉空間３ａへの酸素の流入はキャップ３に設けられた、
拡散孔４により制限され、陰極２ｂへの酸素の流入が拡
散律速となる。この際生ずる電流は、印加電圧の増加に
対し、ある電圧以上において一定値を示す。この一定と
なる電流が限界電流であり、雰囲気ガス中の酸素濃度に
比例する。この限界電流を検知する事により酸素濃度を
測定することができる（例えば、特開昭５９−１９２９
５３号公報、特開昭６０−２５２２５４号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の酸素センサでは、ジルコニア系セラミックの
固体電解質板１の酸素イオン輸送能力、電極の寸法など
のため、または、断熱材などの実用上の実装形態などの
ため、動作温度は４００℃〜６００℃に制約され、大気
中（酸素濃度約２０％）における前記限界電流が概ね２
００μＡに設定されることが多い。このため、通常の検
出器では、電流の検出限界が約２μＡ程度であるため、
酸素センサの酸素濃度検知範囲が２〜２０％に制約され
るという問題があった。
うな構成の酸素センサでは、ジルコニア系セラミックの
固体電解質板１の酸素イオン輸送能力、電極の寸法など
のため、または、断熱材などの実用上の実装形態などの
ため、動作温度は４００℃〜６００℃に制約され、大気
中（酸素濃度約２０％）における前記限界電流が概ね２
００μＡに設定されることが多い。このため、通常の検
出器では、電流の検出限界が約２μＡ程度であるため、
酸素センサの酸素濃度検知範囲が２〜２０％に制約され
るという問題があった。
【０００５】また、このような限界電流値２〜２００μ
Ａを得るには、拡散孔４は直径が数十μｍ、長さ数ｍｍ
のきわめて微小なものとなり、セラミック材料にこのよ
うな微小な拡散孔４を精度よく孔開け加工する事は実用
上困難であり、そのため特性のばらつきも大きくなり、
生産性が悪く、コストも高くなるという問題があった。
Ａを得るには、拡散孔４は直径が数十μｍ、長さ数ｍｍ
のきわめて微小なものとなり、セラミック材料にこのよ
うな微小な拡散孔４を精度よく孔開け加工する事は実用
上困難であり、そのため特性のばらつきも大きくなり、
生産性が悪く、コストも高くなるという問題があった。
【０００６】本発明は、かかる従来の問題点を解消する
もので、酸素濃度検知範囲の広い酸素センサを提供する
事を第１の目的とする。また、加工性、生産性が優れる
とともに、特性のばらつきの少ない酸素センサを提供す
る事を第２の目的とする。
もので、酸素濃度検知範囲の広い酸素センサを提供する
事を第１の目的とする。また、加工性、生産性が優れる
とともに、特性のばらつきの少ない酸素センサを提供す
る事を第２の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、第１
の目的を達成するために、本発明の酸素センサは、酸素
イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解質
板の両面上に形成された電極と、前記両電極を覆うよう
に形成され、前記固体電解質板上に設けたキャップとか
らなり、前記両キャップに互いに大きさの異なる拡散孔
を形成し、酸素濃度が高い時は小さい方の拡散孔を酸素
流入孔として動作させ、他方の大きい方の拡散孔を酸素
排出孔として動作させ、逆に酸素濃度が低い時には、大
きい方の拡散孔を酸素流入孔として動作させ、他方の小
さい方の拡散孔を酸素排出孔として動作させるものであ
る。
の目的を達成するために、本発明の酸素センサは、酸素
イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解質
板の両面上に形成された電極と、前記両電極を覆うよう
に形成され、前記固体電解質板上に設けたキャップとか
らなり、前記両キャップに互いに大きさの異なる拡散孔
を形成し、酸素濃度が高い時は小さい方の拡散孔を酸素
流入孔として動作させ、他方の大きい方の拡散孔を酸素
排出孔として動作させ、逆に酸素濃度が低い時には、大
きい方の拡散孔を酸素流入孔として動作させ、他方の小
さい方の拡散孔を酸素排出孔として動作させるものであ
る。
【０００８】また、第２の目的を達成するために、本発
明の酸素センサは、前記拡散孔を、前記電極膜の周囲の
前記固体電解質板上に配置された螺旋形のスペーサと、
前記固体電解質板と相対向するように配置されたシール
板とにより形成したものである。
明の酸素センサは、前記拡散孔を、前記電極膜の周囲の
前記固体電解質板上に配置された螺旋形のスペーサと、
前記固体電解質板と相対向するように配置されたシール
板とにより形成したものである。
【０００９】
【作用】本発明は、上記した構成によるため、それぞれ
大きさ異なるふたつの拡散孔を有するキャップが両電極
膜側を覆うように形成されているため、酸素濃度が高い
時には、小さい方の拡散孔を酸素流入孔として動作さ
せ、他方の大きい方の拡散孔を酸素排出孔として動作さ
せることができる。また、逆に酸素濃度が低い時には、
大きい方の拡散孔を酸素流入孔として動作させ、他方の
小さい方の拡散孔を酸素排出孔として動作させることが
できる。
大きさ異なるふたつの拡散孔を有するキャップが両電極
膜側を覆うように形成されているため、酸素濃度が高い
時には、小さい方の拡散孔を酸素流入孔として動作さ
せ、他方の大きい方の拡散孔を酸素排出孔として動作さ
せることができる。また、逆に酸素濃度が低い時には、
大きい方の拡散孔を酸素流入孔として動作させ、他方の
小さい方の拡散孔を酸素排出孔として動作させることが
できる。
【００１０】また、本発明は、上記した構成によるた
め、螺旋形の拡散孔が電極膜の周囲の固体電解質板上
に、固体電解質板とシール板との間に形成されるため、
固体電解質板とシール板とを接着する際に同時に拡散孔
が形成され、従来の酸素センサにみられる、困難なセラ
ミック板への孔開け加工が不要となり、スクリーン印刷
での平面加工が可能となり寸法精度が向上し、加工性、
生産性に優れ、特性のばらつきも少なくなる。
め、螺旋形の拡散孔が電極膜の周囲の固体電解質板上
に、固体電解質板とシール板との間に形成されるため、
固体電解質板とシール板とを接着する際に同時に拡散孔
が形成され、従来の酸素センサにみられる、困難なセラ
ミック板への孔開け加工が不要となり、スクリーン印刷
での平面加工が可能となり寸法精度が向上し、加工性、
生産性に優れ、特性のばらつきも少なくなる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例１を添付図面の図１に
基づいて説明する。従来例と同じ構成要素には同じ符号
を付ける。１はイットリアを添加した安定化ジルコニア
セラミックからなる固体電解質板、２ａ、２ｂ、は前記
固体電解質板１の両面に形成された白金などからなる電
極、３ａ、３ｂは前記固体電解質板１の両面に、電極２
ａ、２ｂをそれぞれ囲んで空間８を形成するべく固着し
たＵ字型のキャップで、大きさの異なる拡散孔４ａ、４
ｂが形成されている。このような構成の酸素センサを４
００〜６００℃に加熱し動作させると、その限界電流は
次式（数１）で近似される。
基づいて説明する。従来例と同じ構成要素には同じ符号
を付ける。１はイットリアを添加した安定化ジルコニア
セラミックからなる固体電解質板、２ａ、２ｂ、は前記
固体電解質板１の両面に形成された白金などからなる電
極、３ａ、３ｂは前記固体電解質板１の両面に、電極２
ａ、２ｂをそれぞれ囲んで空間８を形成するべく固着し
たＵ字型のキャップで、大きさの異なる拡散孔４ａ、４
ｂが形成されている。このような構成の酸素センサを４
００〜６００℃に加熱し動作させると、その限界電流は
次式（数１）で近似される。
【００１２】
【数１】
【００１３】上式（数１）より、限界電流（Ｉ1 ）は、
酸素が流入する拡散孔の開口面積（Ｓ）に比例し、前記
拡散孔の長さ（ｌ）に反比例することがわかる。例え
ば、上記構成の酸素センサにおいて、大気中（酸素濃度
約２０％）における限界電流（Ｉ1 ）を２００μＡ、拡
散孔の長さを１ｍｍに設定すると、上式（数１）より拡
散孔の直径は４０μｍとなる。また、限界電流（Ｉ1 ）
を２００００μＡ、拡散孔の長さを１ｍｍに設定する
と、上式（数１）より拡散孔の直径は４００μｍとな
る。例えば、大きい方の拡散孔を４ｂ、小さい方の拡散
孔を４ａし、電極２ａ、２ｂに直流電圧１〜１．５Ｖを
印加し、小さい方の拡散孔４ａ側の電極を陰極と成るよ
うにし、小さい方の拡散孔４ａを酸素流入孔とすると、
酸素濃度（Ｐｏ）が０．２〜２０％において、２〜２０
０μＡの限界電流（Ｉ1 ）が得られる。また、大きい方
の拡散孔４ｂ側の電極を陰極と成るようにし、大きい方
の拡散孔４ｂを酸素流入孔とすると、酸素濃度（Ｐｏ）
が０．００２〜０．２％において、２〜２００μＡの限
界電流（Ｉ1 ）が得られる。このようにして、電極２
ａ、２ｂへの直流電圧印加方向を変えるだけで、幅広い
酸素濃度（Ｐｏ）０．００２〜２０％において限界電流
が得られ、酸素濃度を検知する事ができる。
酸素が流入する拡散孔の開口面積（Ｓ）に比例し、前記
拡散孔の長さ（ｌ）に反比例することがわかる。例え
ば、上記構成の酸素センサにおいて、大気中（酸素濃度
約２０％）における限界電流（Ｉ1 ）を２００μＡ、拡
散孔の長さを１ｍｍに設定すると、上式（数１）より拡
散孔の直径は４０μｍとなる。また、限界電流（Ｉ1 ）
を２００００μＡ、拡散孔の長さを１ｍｍに設定する
と、上式（数１）より拡散孔の直径は４００μｍとな
る。例えば、大きい方の拡散孔を４ｂ、小さい方の拡散
孔を４ａし、電極２ａ、２ｂに直流電圧１〜１．５Ｖを
印加し、小さい方の拡散孔４ａ側の電極を陰極と成るよ
うにし、小さい方の拡散孔４ａを酸素流入孔とすると、
酸素濃度（Ｐｏ）が０．２〜２０％において、２〜２０
０μＡの限界電流（Ｉ1 ）が得られる。また、大きい方
の拡散孔４ｂ側の電極を陰極と成るようにし、大きい方
の拡散孔４ｂを酸素流入孔とすると、酸素濃度（Ｐｏ）
が０．００２〜０．２％において、２〜２００μＡの限
界電流（Ｉ1 ）が得られる。このようにして、電極２
ａ、２ｂへの直流電圧印加方向を変えるだけで、幅広い
酸素濃度（Ｐｏ）０．００２〜２０％において限界電流
が得られ、酸素濃度を検知する事ができる。
【００１４】実施例２の図２は、本発明に基づく酸素セ
ンサの第２の実施例を示し、同図（ａ）は、酸素センサ
の分解斜視図、同図（ｂ）は、酸素センサの一部破断斜
視図である。従来例と同じ構成要素には同じ符号を付け
る。１はイットリアを添加した安定化ジルコニアセラミ
ックからなる固体電解質板、２ａ、２ｂ、は前記固体電
解質板１の両面に形成された白金などからなる電極、５
ａ、５ｂは前記固体電解質板１の両面に形成されたガラ
スなどからなる螺旋形のスペーサ、６ａ、６ｂはフォレ
ストライトなどのセラミック薄板からなるシール板、７
ａ、７ｂは、螺旋形のスペーサ５ａ、５ｂと固体電解質
板１とシール板６ａ、６ｂとからなる螺旋形の拡散孔を
示す。そして、固体電解質板１の両面に、スペーサ５
ａ、５ｂ、シール板６ａ、６ｂを図２（ｂ）のように積
層してセンサを形成する。尚、上記螺旋形スペーサ５
ａ、５ｂは酸素センサの使用温度４００〜６００℃で充
分耐える耐熱性と、固体電解質板１とシール板６ａ、６
ｂとの気密性とを要求され、その材料として封着用のガ
ラスを使用した。
ンサの第２の実施例を示し、同図（ａ）は、酸素センサ
の分解斜視図、同図（ｂ）は、酸素センサの一部破断斜
視図である。従来例と同じ構成要素には同じ符号を付け
る。１はイットリアを添加した安定化ジルコニアセラミ
ックからなる固体電解質板、２ａ、２ｂ、は前記固体電
解質板１の両面に形成された白金などからなる電極、５
ａ、５ｂは前記固体電解質板１の両面に形成されたガラ
スなどからなる螺旋形のスペーサ、６ａ、６ｂはフォレ
ストライトなどのセラミック薄板からなるシール板、７
ａ、７ｂは、螺旋形のスペーサ５ａ、５ｂと固体電解質
板１とシール板６ａ、６ｂとからなる螺旋形の拡散孔を
示す。そして、固体電解質板１の両面に、スペーサ５
ａ、５ｂ、シール板６ａ、６ｂを図２（ｂ）のように積
層してセンサを形成する。尚、上記螺旋形スペーサ５
ａ、５ｂは酸素センサの使用温度４００〜６００℃で充
分耐える耐熱性と、固体電解質板１とシール板６ａ、６
ｂとの気密性とを要求され、その材料として封着用のガ
ラスを使用した。
【００１５】上記数式（数１）より、大気中（酸素濃度
約２０％）における限界電流（Ｉ1 ）を約２００μＡ、
螺旋形の拡散孔７ａ、７ｂの開口部面積（Ｓ）を４００
μｍ（螺旋形拡散孔７ａ、７ｂの幅）×５０μｍ（螺旋
形拡散孔７ａ、７ｂの高さ）に設定すると、その長さ
（ｌ）は１２．５ｍｍとなる。このような寸法の加工は
スクリーン印刷で精度よく再現性よく実現する事ができ
る。以下に具体例をしめす。
約２０％）における限界電流（Ｉ1 ）を約２００μＡ、
螺旋形の拡散孔７ａ、７ｂの開口部面積（Ｓ）を４００
μｍ（螺旋形拡散孔７ａ、７ｂの幅）×５０μｍ（螺旋
形拡散孔７ａ、７ｂの高さ）に設定すると、その長さ
（ｌ）は１２．５ｍｍとなる。このような寸法の加工は
スクリーン印刷で精度よく再現性よく実現する事ができ
る。以下に具体例をしめす。
【００１６】まず、イットリアを添加した安定化ジルコ
ニアセラミックからなる固体電解質板１（１２×１２×
０．４ｍｍt ）の両面にスクリーン印刷法により白金ペ
ーストを塗布し、８５０℃で１０分間焼成し、直径約６
ｍｍ、膜厚約５μｍの電極２ａ、２ｂを形成する。次
に、固体電解質板１上の電極２ａ、２ｂの周囲に封着用
のガラスペーストをスクリーン印刷法により、幅０．５
ｍｍの螺旋形のスペーサ５ａ、５ｂを塗布し、乾燥後、
シール板６ａ、６ｂを同図（ａ）に示すように順次積層
し、６８０℃で１５分間焼成し、酸素センサとした。
尚、封着用のガラスペーストとして、ＰｂＯ−ＺｎＯ−
Ｂ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系を用い、スペーサの高さを一定に
保持するために、一様な粒径約５０μｍのＢａＯ−Ｔｉ
Ｏ2 −ＳｉＯ 2 系の耐熱性の球形のガラス粉末を混合し
て用いた。
ニアセラミックからなる固体電解質板１（１２×１２×
０．４ｍｍt ）の両面にスクリーン印刷法により白金ペ
ーストを塗布し、８５０℃で１０分間焼成し、直径約６
ｍｍ、膜厚約５μｍの電極２ａ、２ｂを形成する。次
に、固体電解質板１上の電極２ａ、２ｂの周囲に封着用
のガラスペーストをスクリーン印刷法により、幅０．５
ｍｍの螺旋形のスペーサ５ａ、５ｂを塗布し、乾燥後、
シール板６ａ、６ｂを同図（ａ）に示すように順次積層
し、６８０℃で１５分間焼成し、酸素センサとした。
尚、封着用のガラスペーストとして、ＰｂＯ−ＺｎＯ−
Ｂ2 Ｏ3 −ＳｉＯ2 系を用い、スペーサの高さを一定に
保持するために、一様な粒径約５０μｍのＢａＯ−Ｔｉ
Ｏ2 −ＳｉＯ 2 系の耐熱性の球形のガラス粉末を混合し
て用いた。
【００１７】試作した結果、実施例１のキャップに設け
られた拡散孔、直径４０μｍ、長さ１ｍｍの加工性と比
較すると、実施例２の螺旋形拡散孔の幅４００μｍ、高
さ５０μｍは、長さ１２．５ｍｍはスクリーン印刷法に
より高精度に再現性よく実現することができた。従っ
て、酸素センサの特性のばらつきが従来のものに比べ大
幅に減少した。
られた拡散孔、直径４０μｍ、長さ１ｍｍの加工性と比
較すると、実施例２の螺旋形拡散孔の幅４００μｍ、高
さ５０μｍは、長さ１２．５ｍｍはスクリーン印刷法に
より高精度に再現性よく実現することができた。従っ
て、酸素センサの特性のばらつきが従来のものに比べ大
幅に減少した。
【００１８】
【発明の効果】以上のように本発明の酸素センサによれ
ば、次の効果が得られる。 （１）固体電解質板の両面に大きさの異なる拡散孔を形
成してあるため、広い範囲の酸素濃度に対し、限界電流
が得られ、広い範囲の酸素濃度を検知できる。 （２）酸素の拡散孔をスクリーン印刷法により形成する
事ができるため、再現性よく、且つ、高精度に形成する
事ができる。 （３）酸素の拡散孔を再現性よく高精度に形成する事が
できるため、特性の揃った酸素センサが得られる。
ば、次の効果が得られる。 （１）固体電解質板の両面に大きさの異なる拡散孔を形
成してあるため、広い範囲の酸素濃度に対し、限界電流
が得られ、広い範囲の酸素濃度を検知できる。 （２）酸素の拡散孔をスクリーン印刷法により形成する
事ができるため、再現性よく、且つ、高精度に形成する
事ができる。 （３）酸素の拡散孔を再現性よく高精度に形成する事が
できるため、特性の揃った酸素センサが得られる。
【図１】本発明の第１実施例における酸素センサの断面
図
図
【図２】（ａ）は本発明の第２実施例における酸素セン
サの分解斜視図 （ｂ）は同一部破断斜視図
サの分解斜視図 （ｂ）は同一部破断斜視図
【図３】従来の酸素センサの断面図
１ 固体電解質板 ２ａ、２ｂ 電極 ３ａ、３ｂ キャップ ４ａ、４ｂ 拡散孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 27/41
Claims (2)
- 【請求項１】酸素イオン伝導性を有する固体電解質板
と、前記固体電解質板の両面上に形成された電極と、前
記両電極を覆うように形成され、前記固体電解質板上に
設けたキャップとからなり、前記両キャップに互いに大
きさの異なる拡散孔を形成し、酸素濃度が高い時は小さ
い方の拡散孔を酸素流入孔として動作させ、他方の大き
い方の拡散孔を酸素排出孔として動作させ、逆に酸素濃
度が低い時には、大きい方の拡散孔を酸素流入孔として
動作させ、他方の小さい方の拡散孔を酸素排出孔として
動作させる酸素センサ。 - 【請求項２】拡散孔が、前記電極の周囲の前記固体電解
質板上に配置された螺旋形のスペーサと、前記固体電解
質板と相対向するように配置されたシール板とにより形
成してなる請求項１記載の酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3113209A JP3067258B2 (ja) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | 酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3113209A JP3067258B2 (ja) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04340456A JPH04340456A (ja) | 1992-11-26 |
| JP3067258B2 true JP3067258B2 (ja) | 2000-07-17 |
Family
ID=14606329
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3113209A Expired - Fee Related JP3067258B2 (ja) | 1991-05-17 | 1991-05-17 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3067258B2 (ja) |
-
1991
- 1991-05-17 JP JP3113209A patent/JP3067258B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04340456A (ja) | 1992-11-26 |
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