JPH01212348A - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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JPH01212348A
JPH01212348A JP63037783A JP3778388A JPH01212348A JP H01212348 A JPH01212348 A JP H01212348A JP 63037783 A JP63037783 A JP 63037783A JP 3778388 A JP3778388 A JP 3778388A JP H01212348 A JPH01212348 A JP H01212348A
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oxygen sensor
adhesive layer
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sensor chip
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Hiroshi Takagi
洋 鷹木
Shozo Kobayashi
章三 小林
Yukio Sakabe
行雄 坂部
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は酸素センサに関し、特に固体電解質物質から
なる酸素センサチップを用いた酸素センサに関する。
(従来技術) 従来、たとえば500〜1500℃の高温域における酸
素分圧を測定するための酸素センサには、ZrO,にY
2O,あるいはCab、MgOを添加した固体電解質物
質が用いられている。このように固体電解質物質を用い
た酸素センサには、その測定形式に大きく分けて2通り
ある。
一方の測定形式の酸素センサは、サンプリング方式とよ
ばれ、測定ガスを導入管により測定装置内に導入し、そ
の測定装置内で固体電解質物質が十分に作動する温度(
700〜1000℃)に測定ガスを再加熱して測定する
ものである。
また、他方の測定形式の酸素センサは、直挿式と呼ばれ
、固体電解質物質を測定ガスと標準ガスとの隔壁とする
構造であって直接測定ガス中に挿入して測定するもので
ある。
これらの形式のいずれの酸素センサも、標準ガス側と測
定ガス側との電位差Eを電位差計で読み取り、次のネル
ンストの式(1)により測定ガスの酸素分圧を計算する
ことができる。
ここで、Rはガス定数を示し、Tは絶対温度を示し、F
はファラデ一定数を示し、PO□ (R)は標準ガスの
酸素分圧を示し、poz  (S)は測定ガスの酸素分
圧を示す。
サンプリング方式による酸素センサでは、測定装置内で
測定ガスを一定温度に再加熱するため、簡単に酸素分圧
を測定することができる。ところが、この方式の酸素セ
ンサでは、N2に0.を加えたときのように温度によっ
て酸素分圧が変化しない場合には問題はないが、N2に
H,O,H。
を加えたときのように温度によって酸素分圧が変化する
場合には有効ではない。
一方、直挿式の酸素センサでは、直接測定するので上述
の問題はないが、測定条件が苛酷になればなるほどその
寿命が短くなってしまう。
第3図はこの発明の背景となる従来の直挿式の酸素セン
サの一例を示す図解図である。この酸素センサ1は、Z
rO,にY2O,あるいはCab。
MgOを添加した固体電解質物質がらなりその一端が封
止された管2を含み、この管2の内面および外面には、
それぞれ、多孔質性の白金電極3aおよび3bが焼き付
けられている。この酸素センサlは、管2の内側に標準
ガスを導入し、管2を測定ガス中に挿入して、酸素分圧
を測定す、るものである。
(発明が解決しようとする問題点) 第3図に示す従来の酸素センサ1では、測定ガス中に管
2を挿入するため、管2を長く形成する必要があり、コ
スト的にみて非常に高価なものとなる。しかも、第3図
に示す従来の酸素センサ1では、固体電解質物質からな
る管2が熱衝撃に対して弱くその耐熱サイクル性が短い
ので、管2の破損率が非常に高い。
そこで、ZrO,にY2O,あるいはCab。
MgOを添加した固体電解質物質からなる柱状の素子の
両端面に多孔質の白金電極を形成した酸素センサチップ
を、非電解質セラミック管の端部に接着ないしは溶着し
た、酸素センサが考え出された。ここで、非電解質セラ
ミック管としては、高温下で高強度を示すたとえばアル
ミナ管が用いられている。この酸素センサでは、固体電
解質物質からなる管を用いないので安価に製造すること
ができその破損率も少ないが、セラミック管(非電解質
)と酸素センサチップ(固体電解質物質)との熱膨張係
数の差によって、繰り返し使用している間にクランクが
生じて気密性を失ってしまい、酸素分圧を正確に測定す
ることができなくなってしまうという問題があった。
それゆえに、この発明の主たる目的は、高温下における
強度および密閉性のよい酸素センサを提供することであ
る。
(問題点を解決するための手段) この発明は、非電解質セラミック管と非電解質セラミッ
ク管の端部に接着剤層で接着される酸素センサチップと
を有する酸素センサであって、接着剤層は、非電解質セ
ラミック管と酸素センサチップとの間に形成され、密閉
度が高い耐熱性無機接着剤からなる第1の接着剤層と、
非電解質セラミンク管と酸素センサチップとの間で第1
の接着剤層より内側に形成され、高温での強度に優れた
耐熱性無機接着剤からなる第2の接着剤層とを含む、酸
素センサである。
(作用) 第1の接着剤層によって、高温下における密閉性がよく
なる。しかも、第2の接着剤層によって高温下における
強度がよくなる。
(発明の効果) この発明によれば、高温下における強度および密閉性の
よい酸素センサが得られる。
さらに、非電解質セラミック管、酸素センサチップ、第
1の接着剤層および第2の接着剤層を熱膨張率が同程度
の材料で形成すれば、それらの間に熱衝撃によるクラン
クの発生率を抑えることができ、高温下における強度お
よび密閉性をさらに向上することができる。
この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点
は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から
一層明らかとなろう。
(実施例) 第1図はこの発明の一実施例を示す図解図である。この
酸素センサlOは、たとえば直径5mm。
長さ20mの円柱状の酸素センサチップ12を含む。
酸素センサチップ12は、固体電解質物質からなる円柱
状の素子14を含む。この素子14は、たとえば8モル
%のYg 03と92モル%のZiO□との混合物にZ
rSiO4を添加したものをたとえば1600℃で2時
間焼成することによって形成される。そして、この素子
14の両端面には、たとえば白金ペーストなどの電極材
料を焼き付けることによって、電極16aおよび16b
がそれぞれ形成される。なお、この酸素センサチップ1
2は、その熱膨張係数が8.0X10−’(cm/cm
/’C)であり酸素イオン輸率が99%以上である。
さらに、酸素センサ10は、たとえば外径10龍、内径
6鶴、長さ600鶴の円筒状の非電解質セラミック管1
8を含む。この実施例では、非電解質セラミック管18
としてたとえば熱膨張係数が8.  I X 10−’
 (cn/am/℃)である高純度のアルミナチューブ
が利用される。
そして、この非電解質セラミック管18の端部には、酸
素センサチップ12が接着剤層2oで接着される。接着
剤層20は、酸素センサチップ12と非電解質セラミッ
ク管18との間において、その外側に形成される第1の
接着剤層20aとその内側に形成される第2の接着剤層
20bとを含む。
第1の接着剤層20aの材料としては、高温での強度は
劣るがガラス質が多く密閉度が高い耐熱性無機接着剤A
が用いられる。この耐熱性無機接着剤Aの例としては、
たとえば次に示すものが用いられる。
耐熱性無機接着剤A 成分 結合剤 Na、O・n5io、  n = 1〜
3硬化剤 (AlH3)、 (PO4) y  y/x
=1.1〜3充填剤 AIt03 接着強度  250  kgf/cm”耐熱温度 13
00 ℃ 熱膨張率    8.  OX 10−’  c+s/
Cm/’t:また、第2の接着剤層20bの材料として
は、密閉度は高くないが高温での強度に優れた耐熱性無
機接着剤Bが利用される。この耐熱性無機接着剤Bの例
としては、たとえば次に示すものが用いられる。
耐熱性無機接着剤B 成分 結合剤 (AIHz)x (PO4) y  ”
l/x= 2〜3硬化剤 AI (OR) 3 充填剤 ^120゜ 接着強度  110  kgf/cm”耐熱温度 16
50 ℃ 熱膨張率    9 X 10−’  cm/cn+/
’にの酸素センサ10では、第1の接着剤層20aによ
って酸素センサチップ12と非電解質セラミック管18
との間の密閉性が保たれ、第2の接着剤層20bによっ
て高温での強度が保たれるため、高温下における強度お
よび密閉性がよい。しかも、この実施例では、酸素セン
サチップ12゜非電解質セラミック管18.第1の接着
剤層20aおよび第2の接着剤層20bの熱膨張率が同
程度であるので、それらの間に熱衝撃によるクラックが
発生しにくい。
第2図は第1図実施例の変形例を示す図解図である。こ
の実施例では、第1図実施例と比べて、特に、第2の接
着剤層20bが゛2層形成されている。さらに、酸素セ
ンサチップ12および非電解質セラミック管18におい
て、第1の接着剤層20aおよび第2の接着剤層20b
が接する部分に、それぞれ溝12aおよび18aが形成
されている。
なお、この実施例では、上述の耐熱性無機接着剤Bを酸
素センサチップ12と非電解質セラミック管18との間
に充填し、それを室温で24時間経過した後、90℃で
30分、120℃で1時間、300℃で30分、650
℃で1時間の熱処理を行って、内側の第2の接着剤層2
0bが形成される。そして、これと同様にして、耐熱性
無機接着剤Bで他方の第2の接着剤層20bが形成され
る。それから、上述の耐熱性無機接着剤Aを酸素センサ
チップ12と非電解質セラミック管18との間に充填し
、それを24時間室温で乾燥した後、90℃で1時間、
150℃で1時間、1500℃で1時間の熱処理を行っ
て、第1の接着剤層20aが形成される。
この実施例では、第1図実施例と比べて、第2の接着剤
層20bの層数が多くなるため高温での強度が優れる。
しかも、溝12aおよび18aによって酸素センサチッ
プ12および非電解質セラミック管18と接着剤層20
との接着面積が広くなるので接着強度も向上する。なお
、この実施例においても、従来例に比べて、高温下にお
ける強度および密閉性がよいのはいうまでもない。
発明者の実験によれば、第1図実施例および第2図実施
例について、N、、H,ガス雰囲気中で1000℃でラ
イフテストを行った結果、500時間以上経過しても劣
化はみられなかった。
さらに、第1図実施例および第2図実施例について、8
00℃−1400℃での熱サイクルによるライフテスト
をした結果、30サイクル以上でも劣化が全くみられな
かった。なお、ここでいう熱サイクルとは、室温から1
400℃まで1時間に400℃の割合で昇温し、140
0℃で1時間保持し、1400℃から800℃まで1時
間に400℃の割合で降温したものを最初の1サイクル
とし、以下、800℃から1400℃まで1時間に40
0℃の割合で昇温し、1400℃で1時間保持し、14
00℃から800℃まで1時間に400℃の割合で降温
したものを後のサイクルとした。
なお、酸素センサチップ12と非電解質セラミック管1
8との間において、上述の各実施例では第1の接着剤層
20aの内側に第2の接着剤層20bのみが形成されて
いるが、第1の接着剤層20aの内側には、第2の接着
剤層20bだけでなく別の第1の接着剤層20aを形成
してもよい。
このように第1の接着剤層20aの暦数を増やせば、密
閉性がさらによくなる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す図解図である。 第2図は第1図実施例の変形例を示す図解図である。 第3図はこの発明の背景となる従来の酸素センサの一例
を示す図解図である。 図において、10は酸素センサ、12は酸素センサチッ
プ、18はセラミック管、20は接着剤層、20aは第
1の接着剤層、20bは第2の接着剤層を示す。 特許出願人 株式会社 村田製作所 代理人 弁理士 岡 1) 全 啓 4’I を力゛ス

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 非電解質セラミック管と前記非電解質セラミック管の端
    部に接着剤層で接着される酸素センサチップとを有する
    酸素センサであって、 前記接着剤層は、 前記非電解質セラミック管と前記酸素センサチップとの
    間に形成され、密閉度が高い耐熱性無機接着剤からなる
    第1の接着剤層、および 前記非電解質セラミック管と前記酸素センサチップとの
    間で前記第1の接着剤層より内側に形成され、高温での
    強度に優れた耐熱性無機接着剤からなる第2の接着剤層
    を含む、酸素センサ。
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JP2002228623A (ja) * 2001-01-31 2002-08-14 Ngk Spark Plug Co Ltd ガスセンサ
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CN112344024A (zh) * 2020-11-04 2021-02-09 南京林业大学 一种基于氧探头的陶瓷管套接密封结构及其制备方法

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