JP6186718B2

JP6186718B2 - 酸素濃度測定装置

Info

Publication number: JP6186718B2
Application number: JP2012279186A
Authority: JP
Inventors: 保憲青木; 長尚 ▲高▼木; 研太郎森田; 茂生木曽
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: JP2014122833A

Description

本発明は、各種の炉内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に関する。特に製造上の個体差が生じることなく、一定の測定精度を維持することができる酸素濃度測定装置に関する。

金属部品の熱処理、表面処理等に用いる炉内では、酸素は非常に微量である。このような微量の酸素を測定するために、主としてセラミックスを用いた酸素濃度測定装置が採用されている。

特許文献１には、従来の酸素濃度測定装置が開示されている。図８は、従来の酸素濃度測定装置のセンサ部分近傍の内部構造を模式的に示す部分断面図である。図８に示すように、従来の酸素濃度測定装置では、アルミナ管１３内部を流れる基準ガスと、測定対象となる測定ガスとの酸素濃度差によりジルコニア（素子）１２で発生する起電力を、内部電極１６に接続された白金電極１４と外部電極１７に接続された白金電極１５との電位差として測定する。

発生する起電力の大きさは、基準ガスの温度によっても変動する。そこで、熱電対１８を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度を測定しておくことにより、ネルンストの式を用いて、周囲環境の温度変化に応じた測定ガスの酸素濃度を算出することができる。

特開平０３−１０５２４３号公報

しかし、特許文献１に開示された酸素濃度測定装置は、内部電極１６の一部分に白金電極１４が接続されており、内部電極１６と白金電極１４との接触不良、換言すればジルコニア（素子）１２と白金電極１４との接触不良が発生するおそれがあった。すなわち、白金電極１４は、先端を屈曲させた状態で内部電極１６と接続しているので、屈曲の度合いによっては線接触できずに点接触で接続される可能性が残されていた。したがって、ジルコニア素子１２における酸素濃度の測定精度に個体差が生じやすく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが困難であるという問題点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、ジルコニア素子における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能な酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、測定ガスの酸素濃度と基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子と、前記外部電極に接続された第１の白金電極と、前記内部電極に接続された第２の白金電極とを備える酸素濃度測定装置において、前記第２の白金電極の先端部分は、前記内部電極との接触面に沿って屈曲され、前記内部電極と面接合していることを特徴とする。

上記構成では、第２の白金電極の先端部分が、内部電極との接触面に沿って屈曲され、内部電極と面接合しているので、第２の白金電極を内部電極と確実に接触させることができ、ひいてはセンサ素子であるジルコニア素子と確実に接触させることができる。したがって、ジルコニア素子と第２の白金電極とを電気的に確実に接続することができ、ジルコニア素子における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能となる。

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記第２の白金電極の先端部分は、前記内部電極との接触面に沿って渦巻状に形成されていることが好ましい。

上記構成では、第２の白金電極の先端部分は、内部電極との接触面に沿って渦巻状に形成されているので、第２の白金電極を内部電極と面接触させることができ、ひいてはセンサ素子であるジルコニア素子と確実に接触させることができる。したがって、ジルコニア素子と第２の白金電極とを電気的に確実に接続することができ、ジルコニア素子における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能となる。

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記第２の白金電極の先端部分は、前記内部電極との接触面に沿って所定形状の領域を形成するように複数回屈曲させた形状に形成されていることが好ましい。

上記構成では、第２の白金電極の先端部分は、内部電極との接触面に沿って所定形状の領域を形成するように複数回屈曲させた形状に形成されているので、第２の白金電極を内部電極と面接触させることができ、ひいてはセンサ素子であるジルコニア素子と確実に接触させることができる。したがって、ジルコニア素子と第２の白金電極とを電気的に確実に接続することができ、ジルコニア素子における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能となる。

また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記第２の白金電極の先端部分は、前記ジルコニア素子と、前記内部電極及び前記ジルコニア素子を保持するセンサ保持部材とで挟持されていることが好ましい。

上記構成では、第２の白金電極の先端部分は、ジルコニア素子と、内部電極及びジルコニア素子を保持するセンサ保持部材とで挟持されているので、第２の白金電極を内部電極とより確実に接触させることができ、ひいてはセンサ素子であるジルコニア素子と確実に接触させることができる。したがって、ジルコニア素子と第２の白金電極とを電気的に確実に接続することができ、ジルコニア素子における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能となる。

上記構成によれば、第２の白金電極の先端部分が、内部電極との接触面に沿って屈曲され、内部電極と面接合しているので、第２の白金電極を内部電極と確実に接触させることができ、ひいてはセンサ素子であるジルコニア素子と確実に接触させることができる。したがって、ジルコニア素子と第２の白金電極とを電気的に確実に接続することができ、ジルコニア素子における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を示す部分断面図である。ジルコニア素子で発生する起電力と測定ガスの酸素濃度との関係を示すグラフである。本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の第２の白金電極の形状を模式的に示す平面図及び側面図である。本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の第２の白金電極の他の形状を模式的に示す平面図である。本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の第２の白金電極の他の形状を模式的に示す平面図である。本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を拡大して示す部分拡大断面図である。従来の酸素濃度測定装置のセンサ部分近傍の内部構造を模式的に示す部分断面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置について、図面に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、酸素濃度を測定する基準となる基準ガスが流入する円筒状のアルミナ管１３の一端に、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を備えている。アルミナ管１３の他端には、基準ガスを流入する基準ガス流入口２を備えている。また、アルミナ管１３を内挿するアルミナ管２０を備えており、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の空間を基準ガス流出経路として機能させている。

図２は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の先端部分の構成を示す部分断面図である。図２に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を一端に備えたアルミナ管１３が、アルミナ管２０を内挿する保護管１９に収納されている。ジルコニア素子１２は、アルミナ管１３内部を流れる基準ガスと接触する側において内部電極１６と、酸素濃度の測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極１７とに、それぞれ接続されている。

また、白金電極（第１の白金電極）１５が外部電極１７に、白金電極（第２の白金電極）１４が内部電極１６に、それぞれ接続されている。なお、ジルコニア素子１２は、外部電極１７及び内部電極１６と一体化して形成されている。内部電極１６は、例えばジルコニア素子１２の基準ガスと接触する側に白金ペーストを塗布しておき、第２の白金電極１４を後述するセンサ保持部材で押しつけた状態で焼き付けることにより形成される。

ジルコニア素子１２は、一定の高温環境下では、酸素濃度が高い方から低い方へ電荷が移動するという性質を有している。したがって、電荷の移動によりジルコニア素子１２に発生する起電力を、内部電極１６と外部電極１７との電位差として測定することにより、測定ガスの酸素濃度を測定することができる。

つまり、基準ガスの酸素濃度をＰ_R（％）、測定ガスの酸素濃度をＰ_M（％）とした場合、（式１）のネルンストの式が成立する。

本実施の形態では、ジルコニア素子１２において、酸素濃度の高い側では酸素イオンが発生し、低い側では酸素イオンから酸素が発生するという、イオン電導が生じる。イオン電導の化学反応式は、（式２）のように表すことができる。

したがって、（式１）における「反応に含まれる電子数ｎ」は、‘４’となる。

基準ガスの酸素濃度Ｐ_Rは既知であることから、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度Ｐ_Mを（式１）から算出することができる。図３は、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅと測定ガスの酸素濃度Ｐ_Mとの関係を示すグラフである。図３に示すように、酸素濃度Ｐ_Mは起電力Ｅの対数関数値として変動していることがわかる。したがって、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度Ｐ_Mを求めることができる。

なお、（式１）に示すネルンストの式からもわかるように、起電力Ｅは、周囲の雰囲気の温度（絶対温度）Ｔによって変動する。そこで、熱電対１８を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度（絶対温度）Ｔを測定することにより、ネルンストの式から正しい起電力Ｅを求めることができ、より正確に測定ガスの酸素濃度Ｐ_Mを求めることができる。

図２に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、アルミナ管１３の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材３１と、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせることが可能な、ジルコニア素子１２を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材３２とを備えている。第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間には基準ガスを流通させる隙間を設けてある。アルミナ管１３及び第１の保持部材３１から流入した基準ガスは、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の隙間から基準ガス流出経路を経て、外部へと流出する。

なお、アルミナ管１３及び第１のセンサ保持部材３１には、熱電対１８を挿通させてあり、第１のセンサ保持部材３１を通過した位置において熱電対１８を結合してある。熱電対１８の結合部分を熱電対温度測定部として機能させて基準ガスの温度を測定することにより、測定ガスの酸素濃度Ｐ_Mの測定精度を高めることができる。

また、第２の白金電極１４は、ジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触面積を増やすように形状を工夫している。すなわち、第２の白金電極１４は、その先端部分がジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触面に沿って屈曲され、ジルコニア素子１２（内部電極１６）と面接触することが可能な形状、例えば渦巻状に形成されている。図４は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の第２の白金電極１４の形状を模式的に示す平面図及び側面図である。図４（ａ）は、第２の白金電極１４を酸素濃度測定装置１の測定ガスと接触する側から見た平面図であり、図４（ｂ）は、第２の白金電極１４を酸素濃度測定装置１の側面側から見た側面図である。

図４（ｂ）に示すように、第２の白金電極１４は、先端部分をジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触面に沿って屈曲させてあるとともに、図４（ａ）に示すように、先端部分が渦巻状に形成されている。図４（ａ）では、渦巻状の第２の白金電極１４間に隙間が存在するように記載されているが、隙間があっても良いし、互いに密着させて隙間がないように形成されていても良い。

本実施の形態では、アルミナ管１３が円筒状であるので、先端部分が円形状で渦巻状の第２の白金電極１４を形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば先端部分が多角形状で渦巻状の第２の白金電極１４を形成しても良い。図５は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の第２の白金電極１４の他の形状を模式的に示す平面図である。

図５（ａ）は、四角形状で渦巻状に形成された第２の白金電極１４を酸素濃度測定装置１の測定ガスと接触する側から見た平面図である。また、図５（ｂ）は、多角形状で渦巻状に形成された第２の白金電極１４を酸素濃度測定装置１の測定ガスと接触する側から見た平面図である。このように、第２の白金電極１４の先端部分を多角形状で渦巻状に形成することにより、図４と同様、第２の白金電極１４をジルコニア素子１２（内部電極１６）と確実に接触させることができ、第２の白金電極１４とジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触不良が生じにくくなる。

また、先端部分の形状は、第２の白金電極１４とジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触面積を増大させる形状であれば、特に渦巻状に限定されるものでもない。図６は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の第２の白金電極１４の他の形状を模式的に示す平面図である。

図６（ａ）では、先端部分を所定の円形領域に収まるように複数回屈曲させながら、例えば先端部分が蛇腹状の第２の白金電極１４を形成している。また、図６（ｂ）では、先端部分を所定の矩形領域に収まるように複数回屈曲させながら、例えば先端部分が蛇腹状の第２の白金電極１４を形成している。このように、所定形状の領域に収まるように複数回屈曲させた形状に第２の白金電極１４の先端部分を形成することにより、図４及び図５と同様、第２の白金電極１４をジルコニア素子１２（内部電極１６）と確実に接触させることができ、第２の白金電極１４とジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触不良が生じにくくなる。

なお、渦巻状又は蛇腹状に形成した第２の白金電極１４の先端部分を、ジルコニア素子１２（内部電極１６）の一方の面に圧着させることが好ましい。本実施の形態では、第２の白金電極１４の先端部分を、ジルコニア素子１２（内部電極１６）とジルコニア素子１２へ第２の白金電極１４を押しつけて保持する第２のセンサ保持部材３２とで挟持している。

図７は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の先端部分の構成を拡大して示す部分拡大断面図である。図７に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、第２の白金電極１４の先端部分をジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触面に沿って略直角に屈曲させ、屈曲させた先端部分は、図４乃至図６に示すように、ジルコニア素子１２（内部電極１６）との接触面積を増大させるような形状に形成してある。そして、斯かる形状に形成された第２の白金電極１４の先端部分を、ジルコニア素子１２（内部電極１６）と、ジルコニア素子１２へ第２の白金電極１４を押しつけて保持する第２のセンサ保持部材３２とで挟持している。

第２のセンサ保持部材３２は、アルミナ管１３及び第１のセンサ保持部材３１によってジルコニア素子１２側へと押しつけられ、第２の白金電極１４の先端部分と、ジルコニア素子１２（内部電極１６）とを圧着させている。これにより、第２の白金電極１４の先端部分と、ジルコニア素子１２（内部電極１６）とを、確実に接触させることができる。

以上のように本実施の形態によれば、第２の白金電極１４の先端部分を、内部電極１６との接触面に沿って屈曲され、内部電極１６と面接合しているので、第２の白金電極１４を内部電極１６と確実に接触させることができ、ひいてはジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０と確実に接触させることができる。したがって、ジルコニア素子１２と第２の白金電極１４とを電気的に確実に接続することができ、ジルコニア素子１２における酸素濃度の測定精度に個体差が生じにくく、酸素センサとして製品にばらつきが生じることを抑制することが可能となる。

その他、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。

１酸素濃度測定装置
１０酸素センサ部
１２ジルコニア素子
１３、２０アルミナ管
１４白金電極（第２の白金電極）
１５白金電極（第１の白金電極）
１６内部電極
１７外部電極
３１第１のセンサ保持部材
３２第２のセンサ保持部材（センサ保持部材）

Claims

測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、測定ガスの酸素濃度と基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子と、
前記外部電極に接続された第１の白金電極と、
前記内部電極に接続された第２の白金電極と
を備える酸素濃度測定装置において、
前記第２の白金電極の先端部分は、前記内部電極との接触面に沿って屈曲され、前記内部電極と面接合していることを特徴とする酸素濃度測定装置。
前記第２の白金電極の先端部分は、前記内部電極との接触面に沿って渦巻状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
前記第２の白金電極の先端部分は、前記内部電極との接触面に沿って所定形状の領域を形成するように複数回屈曲させた形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
前記第２の白金電極の先端部分は、前記ジルコニア素子と、前記内部電極及び前記ジルコニア素子を保持するセンサ保持部材とで挟持されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸素濃度測定装置。