JP3106971B2 - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、酸素センサに関
し、詳細には電極を改良することにより耐熱性及び応答
性を向上させた酸素センサに関する。
【0002】
【従来の技術】酸素センサは、各種燃焼炉の最適燃費条
件の制御、自動車等の排気ガス処理における三元触媒を
有効に機能させるための空燃比の制御、金属精錬工程中
の酸素濃度制御等に広く用いられている。このような酸
素センサとしては、酸化物半導体の電子導電性を利用し
た半導体型(チタニア型)酸素センサと、固体電解質の
イオン導電性を利用した固体電解質型(ジルコニア型)
酸素センサが知られている。
【0003】半導体型酸素センサは、酸化物半導体であ
るチタニア素子の電気抵抗が酸素濃度によって変化す
る、すなわち酸素濃度が高い場合には酸化物絶縁体とし
て抵抗値が高く、酸素分圧が低い場合には酸化物中の酸
素が抜け、そこに生ずる酸素の格子欠陥により抵抗値が
低くなることを利用して排気ガス中の酸素濃度を検出す
るものである。
【0004】一方、固体電解質型酸素センサは、酸素イ
オン導電固体電解質として、例えばカルシア(Ca
O)、イットリア(Y2 3)等により安定化されたジル
コニア(ZrO2)を用い、この固体電解質の両表面、す
なわち基準ガスと接する面と被測定ガスと接する面の両
表面に電極を有している。この一方の電極には被測定ガ
ス、例えば排気ガスを接触させ、他方の電極には基準ガ
ス、例えば大気を接触させる。被測定ガスの酸素濃度が
基準ガスの酸素濃度とほぼ等しい状態においては固体電
解質内において酸素イオンの伝動がおこらず、上記電極
間には電圧が発生しない。
【0005】ところが、被測定ガスの酸素濃度が少ない
状態では固体電解質内で基準ガス側から被測定ガス側へ
酸素イオンが移動する。このとき、基準ガス側の白金電
極と固体電解質の境界面において酸素分子が電極から電
子を奪い酸素イオンとして固体電解質内に取り込まれ
る。この結果、基準ガス側がプラスに帯電することにな
る。一方、被測定ガス側では固体電解質内を移動してき
た酸素イオンが電極において電子を放出し、酸素原子に
なる。被測定ガス側に発生した酸素原子は被測定ガス中
の一酸化炭素やハイドロカーボンと反応して消費され、
又は酸素分子状態で排気される。このようにして2つの
電極間に電圧が生じ、この起電力を利用して酸素濃度を
検出する。
【0006】上記のように、様々なタイプの酸素センサ
のいずれにおいても、センサ素子の表面には酸素濃度に
対応する検出信号を電気的に取り出すための電極が設け
られている。従来この電極としては、貴金属、例えば白
金(Pt)ペーストを基材に塗布し、焼成することによ
って形成されている(例えば特開平3−264857号公
報)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このような酸素センサ
においては、酸素ガスの流れを実現するために電極を多
孔質にすることが必要である。さらに、酸素濃度変化に
対する酸素センサの応答性を高めるために電極及び基材
と基準ガスもしくは被測定ガスとの境界面を大きくする
ことが必要である。ところが、貴金属ペーストを塗布し
て電極を形成する場合、多孔度をあまり高くすることが
できず、焼き付け温度によっては焼結による貴金属粒子
の凝集(シンタリング)が進み、被測定ガスとの境界面
が低下する、すなわち作用面積が低下するという問題が
ある。一方、化学メッキ法によればより多孔質の電極を
形成することは可能であるが、電極の厚付けが困難であ
り、1〜2μm程度の厚みの電極しか形成できない。こ
のような厚さの電極では、被測定ガスの温度が700 〜80
0 ℃と高温であるためシンタリングを起こし、作用面積
が低下するという問題がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば、金属酸化物からなる基材と、この
基材の、基準ガスと接する面と被測定ガスと接する面の
両表面に形成された電極からなる酸素センサにおいて、
前記基材の少なくとも一方の表面上の電極が、金属酸化
物粒子の表面上に貴金属をメタライズしてなる粒子の積
層構造から構成されている。電極をこのような構造にす
ることにより、電極の多孔度を高くすることができ、酸
素ガスの流通が確保されると共に高温におけるシンタリ
ングを防止する。さらにガスと電極及び基材との境界面
を大きくすることができ、酸素センサの作用面積を大き
くすることができる。この結果、酸素センサの耐熱性を
高め、かつ応答性を向上させることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を説
明する。図1は、本発明の第一の実施形態の酸素センサ
を模式的に示した断面図である。図1において、1は濃
淡電池型酸素センサであり、3は先端封じの円筒形の金
属酸化物基材である。2は前記基材の内面に形成された
内側電極であり、4は前記基材の外面に形成された外側
電極を表す。この基材の製造に用いられる金属酸化物と
しては、濃淡電池型酸素センサに通常用いられている酸
素イオン導電固体電解質が用いられ、例えばカルシア
(CaO)、イットリア(Y2 3)等により安定化され
たジルコニア(ZrO2)を用いることが好ましい。この
ような酸素センサでは、内側電極は基準ガス、例えば大
気と接触され、外側電極は被測定ガス、例えば排気ガス
と接触される。そしてこの両者の電極の間に基準ガスと
被測定ガスの酸素分圧比に応じた起電力が発生する。
【0010】図2は、図1において4で示した部分を模
式的に示した拡大断面図である。ここで電極4は金属酸
化物粒子に貴金属をメタライズした複数のメタライズ1
次粒子5の積層構造より構成されている。このメタライ
ズ1次粒子5の構造を図3に示す。この一次粒子5は、
金属酸化物粒子6に貴金属粒子7を、例えば真空蒸着
法、無電解メッキ法、スパッタ法等によりメタライズし
たものである。金属酸化物としては、上記の酸素イオン
導電固体電解質である安定化ジルコニアに加え、γ−ア
ルミナ、スピネル等の各種のものを用いることができ
る。貴金属としては、電極として通常用いられている白
金、金、銀、ロジウム、パラジウム等を用いることがで
きる。
【0011】図2に示すように、本発明の酸素センサの
電極は金属酸化物粒子6の表面上に貴金属7をメタライ
ズしてなる粒子5の積層構造から構成されているため、
従来のペースト法やメッキ法により形成された電極と比
較して多孔度をはるかに高くすることができる。さら
に、電極の比表面積を大きくすることができるため、ガ
スと電極との界面を大きくすることができ、金属酸化物
粒子6として酸素イオン導電固体電解質を用いた場合は
固体電解質とガスとの界面をも大きくすることができ
る。
【0012】このような本発明の効果を達成するために
は、1次粒子5の大きさは数十μm以下であることが好
ましい。1次粒子5が、例えば100 μm 以上の大きさで
あると、電極4内の空間が大きくなり、ガス以外の不純
物を取り込むことがあるからである。このような不純物
は貴金属に付着し、電極の活性を低下させてしまう。従
って、1次粒子の大きさを数十μm以下にすることによ
り、大きな不純物が電極内の空間に進入することを防ぐ
ことができる。一方、この1次粒子があまりに小さいと
粒子同士が密になり、十分な多孔度を達成することがで
きず、ときには電極内に酸素を閉じこんでしまい、ガス
濃度の変化に応答することができないことがある。ま
た、技術的にミクロン以下のオーダーの大きさの金属酸
化物の粒子を形成することは困難である。このように、
1次粒子5の大きさは、ガスの通りやすさ及び不純物の
通りにくさの点から数μm〜数十μmであることが好ま
しく、20〜30μmであることが特に好ましい。また、貴
金属粒子7は、焼結のしやすさの点から10μm以下であ
ることが好ましい。
【0013】この1次粒子5の積層構造は通常の方法に
より基材3上に形成することができる。例えば、有機溶
媒中に貴金属粒子を混合し、混合状態の溶液をセンサ素
子表面にドブづけにして溶媒と貴金属粒子とを付着させ
乾燥させる。その後、焼き付け、有機溶媒のみを蒸発さ
せ、貴金属粒子どうしの焼結により形成する、ディッピ
ングによる方法が挙げられる。この実施形態では、外表
面の電極を1次粒子の積層構造としたが、内表面もこの
ような積層構造としてもよい。また、この実施形態で
は、いわゆるコップ型の素子について説明したが、素子
基材の大きさや形状は特に限定されず、例えば円柱状、
角筒状、平板状等の種々の形状であってよく、またこの
基材の成形も慣用方法を用いて成形してよい。さらに、
この実施形態では濃淡電池型の酸素センサについて説明
したが、他の酸素センサ、例えば半導体型酸素センサ等
の電極にも応用することができる。
【0014】このような構造の本発明の酸素センサの出
力の時間変化を図4に示す。この図より明らかなよう
に、本発明の酸素センサはセンサ出力が時間とともに正
弦波状に規則的に変化しており、かつ十分な出力を示
す。また、メッキ法により電極を形成した酸素センサに
ついてもその出力の時間変化は、本発明の酸素センサと
同様の応答波形を示す。ところが、ペースト法により電
極を形成した酸素センサは、図5に示すように、本発明
の酸素センサとほぼ同等の出力を示したが、その応答性
は低かった。
【0015】さらに、これらの酸素センサについて900
℃において熱処理を施して熱的シンタリングを起こさせ
た後、同様に出力の時間変化を測定したところ、本発明
の酸素センサ及びペースト法により電極を形成した酸素
センサはあまり変化はみられなかったが、メッキ法によ
り電極を形成した酸素センサは図6に示すように、その
出力も応答性も低下した。
【0016】さらにこれらの酸素センサについて、熱的
処理を施す前後についてその応答周波数について測定
し、この結果を図7に示す。図7より明らかなように、
本発明の酸素センサは熱的耐久試験の前後においても高
い応答周波数を示し、耐熱性に優れている。メッキ法に
より電極を形成した酸素センサでは、熱処理により貴金
属がシンタリングし、貴金属がいわゆる大きなアイラン
ドを形成する。この結果、一部電極が切れてしまうこと
になり、出力が低下する。これに対し、本発明の酸素セ
ンサでは、熱処理を施すことにより、1次粒子上の貴金
属のシンタリング及び粒子の間に存在する貴金属のシン
タリングを起こすが、上記のような貴金属の大きなアイ
ランドを形成することはなく、電極が切れ切れになるこ
とはなく、出力の低下を招くこともない。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、電極を、金属酸化物粒
子に貴金属をメタライズした粒子の積層構造とすること
により、電極の多孔度を高め、ガスとの界面を大きくす
ることができる。さらに、熱的シンタリングを起こすよ
うな条件においても電極の劣化を防ぐことができる。す
なわち、応答性を向上させ、かつ耐久性を高めることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の酸素センサの略断面図である。
【図2】本発明の酸素センサの電極部の拡大断面図であ
る。
【図3】本発明の酸素センサの電極を構成するマタライ
ズ粒子の拡大断面図である。
【図4】本発明の酸素センサのセンサ応答波形を示すグ
ラフである。
【図5】ペースト法により電極を形成した酸素センサの
センサ応答波形を示すグラフである。
【図6】メッキ法ににより電極を形成した酸素センサ
の、熱的シンタリング後のセンサ応答波形を示すグラフ
である。
【図7】本発明の酸素センサ、ペースト法により電極を
形成した酸素センサ、及びメッキ法ににより電極を形成
した酸素センサ各々の熱的耐久試験前後の応答周波数を
示すグラフである。
【符号の説明】
1…酸素センサ 2…内側電極 3…基材 4…外側電極 6…金属酸化物粒子 7…貴金属
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/409 WPI(DIALOG)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属酸化物からなる基材と、この基材
    の、基準ガスと接する面と被測定ガスと接する面の両表
    面に形成された電極からなる酸素センサであって、前記
    基材の少なくとも一方の表面上の電極が金属酸化物粒子
    の表面上に貴金属をメタライズしてなる粒子の積層構造
    からなることを特徴とする酸素センサ。
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