JPH02147853A

JPH02147853A - 気体濃度検出用センサ

Info

Publication number: JPH02147853A
Application number: JP63301908A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yagi; 秀明八木; Katsuhiko Horii; 克彦堀井
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-11-29
Filing date: 1988-11-29
Publication date: 1990-06-06
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JP2788640B2

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］本発明は、酸素イオン導電性の固体電解質の表面に電極
を設け、拡散制限によって被測定気体中の主に酸素濃度
を測定するための気体濃度検出用センサ（以下（ｆ２素
センサ」とする）に関し、特に、湿度変化に応じて変化
する限界電流値に基づいて湿度測定を行う場合に用いて
効果的である。

［従来の技術］気体中の酸素濃度を測定するために、酸素イオン導電性
の固体電解質３０の表面に白金等の多孔質からなる厚膜
状または薄膜状の一対の電極３１．３２を設け、電極間
に電圧を印加して、電流値に基づいて酸素濃度を検出す
るための酸素センサとしては、第９図に示すように、微
小径の酸素拡散孔３３を備える函体３４で陰極となる・
一方の電極３２を覆って、函体３４の内側に空隙部３５
を形成したものと、第１０図に示すように、前記酸素拡
散孔３３を備えた函体３４に代えて、多孔質体からなる
函体ｊ６で一方の電極３２を覆って函体３６自体を酸素
拡散制御体としたものとがある。

また、酸素センサを利用した湿度測定方法としては、酸
素センサに電圧を印加したとき、第５図に示すように、
被測定気体中の酸素濃度に応じた拡散制限電流値Ｉいが
得られる電圧より、さらに印加電圧を高くすることによ
って、被測定気体中の水蒸気の分解によって再び拡散制
限を受け、水分濃度に応じた拡散制限電流値ＩＬ２が得
られることから、各拡散制限電流値ＩＬＩ、ＩＬ２に基
づいて湿度を求める方法が提案されている（特開昭６２
−１５０１５１号公報、特開昭６２−１５０１５２号公
報）。

［発明が解決しようとする課題］しかし、これらの酸素センサを量産する場合、前者のも
のにおいては函体３４に設ける酸素拡散孔３３の径を、
後者のものにおいては酸素拡散制御体としての函体３６
自体を、それぞれ一定の精度で製造することが困難であ
るため、酸素拡散制御体としてのばらつきが生じ、拡散
制限量を一定にできない、従って、酸素が拡散制限され
るときの電流値を一定にすることができない。

また、これらのものでは酸素拡散孔や多孔質の函体で拡
散制御を行うため、拡散される酸素流量が多く、それに
応じて電流値が大きい。さらに上述の水蒸気の分解に伴
う拡散制限電流値ＩＬ２を得るために電圧を高くする場
合には、さらに電流値が大きくなる。このため、電流に
よる電極の負担が大きくなり、また電流が大きいことか
らセンサ素子の温度を高くしなければならないため、セ
ンサ素子の劣化が早いという問題がある。

本発明は、固体電解質の表面に一対の電極を設けた酸素
センサにおい°ζ、簡単な構成によって、製造時のばら
つきを少なくでき、拡散制限量を一定にすることができ
るとともに、さらに長寿命の酸素センサを提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明は、多孔質体からなる膜状の一対の電極が、酸素
イオン導電性を有する固体電解質の表面に密着して設け
られ、面記電極間に電圧が印加される気体濃度検出用セ
ンサにおいて、前記電極の一方は、該電極と一体に設け
られた通電用電極を有し、該通電用電極の一部を露出し
て該通電用電極とともに気体拡散防止部材によって覆わ
れ、前記通電用電極を気体拡散制限手段とすることを技
術的手段とする。

また、前記一対の電極を、前記固体電解質の同一面に間
隔をおいて設けるとよい。

あるいは、前記一対の電極を、前記固体電解質の対向す
る面にそれぞれ設けることもできる。

［作用］本発明の気体濃度検出用センサでは、各電極間に電圧が
印加されると、被測定気体中の酸素は、イオン化されて
固体電解質内をポンピングされる。

このとき、気体拡散防止部材によって覆われた電極では
、通電用電極が多孔質体によって膜状に一体に設けられ
ていて、その一部が気体拡散防止部材から露出して気体
拡散制限手段となっているため、酸素を含む気体は、気
体拡散防止部材で覆われた部分と露出した部分との境界
部の通電用電極を通過し、拡散する。

このとき、気体拡散防止部材の内側の電極へ拡散される
気体量は、気体拡散防止部材で覆われ”ζいる通電用電
極の長さおよび境界部の厚みと幅とによって決まる断面
積に応じて制限され、通電用電極は膜状であるため、気
体拡散防止部材の内側へ拡散する気体量は少なくなる。

また、各電極は、必要に応じて、固体電解質の同一面に
間隔をおいて設けられたり、固体電解質の対抗する面に
それぞれ分層して設けたりすることができる。

［発明の効果］本発明では、気体拡散防止部材の内側へ拡散する気体量
は、気体拡散防止部材で覆われている通電用電極の長さ
および境界部の厚みと幅とによって決まり、電極は白金
ペースト等によって設けられる多孔質による膜状である
ため、通電用電極に対して、気体拡散防止部材で覆われ
る部分の長さや、境界部の幅および厚みを、簡単に一定
にすることができる。従って、再現性がよく、量産して
もばらつきが少ない。

また気体は通電用電極のみから拡散され、通電用電極は
膜状であるなめ、拡散される気体量を少なくできる。従
って、負荷′１流を少なくできるため、固体電解質と各
電極との界面の劣化が少なくなる。さらに、拡散制限さ
れるときの拡散気体量も少なくできるため、拡散制限電
流値が少なくなる。このなめ、湿度を検出するために、
被測定気体中の水蒸気の分解によっ“Ｃ再び拡散制限を
受ける際の拡散制限電流値ＩＬ２が得られるまで印加電
圧を高くしても、拡散制限電流値Ｉ７，２は従来のよう
に多くはならない。

従って、各取付ｉの負担が従来のものと比較して大幅に
減少し、また、拡散制限電流値が少ないため、固体電解
質の温度を下げ、酸素イオン導電率を低くして使用でき
、固体電解質の熱劣化、電流増加によるブラッＡ−ング
（組織破壊）が起こり難く、長寿命の酸素濃度検出用セ
ンサとすることができる。

また、通電用電極を各電極と・一体に設けることができ
、他の通電部材が不要になるため、製造工程が簡単にで
きる。

第２の発明では、固体電解質の同一面にプリントによっ
て各電極が設けられ、また気体拡散防止部材を設けるに
当たっても簡単になるため、製造工程が大幅に簡略化さ
れる。

第３の発明では、固体電解質には各電極が設けられる程
度の大きさが確保されればよいため、第２の発明に比べ
て小型にすることができる。

し実施例］次に本発明を実施例に基づいて説明する。

第２図は、本発明にかかる気体濃度検出用センサとして
の酸素センサ１の第１実施例を示ず。

酸素センサ１は、センサ素子１０とセラミックヒータ２
０とからなる。

センサ素子１０は、酸素イオン導電板１１、陽電極１２
、陰電極１３、アルミナ多孔質層１４、グレーズ層１５
からなる。

酸素イオン導電板１１は、酸化ジルコニウムに安定化剤
として酸化イツトリウムを添加固溶させた固体電解質と
しての安定化ジルコニア製の板である０本実施例では、
酸素イオン導電板１１は、５×７１１１１Ｉ四方でｌゾ
み０．３Ｉのものを使用している。

酸素イオン導電板１１の一方の面には、陽電極１２およ
び陰電極１３が間隔をおいて形成される。

各電極１２．１３は、酸素イオン導電板１１上に白金ペ
ーストを印刷し、酸素イオン導電板１１と同時に１５０
０℃で焼成された多孔質をなす白金電極で、陽電極１２
および陰電極１３は、それぞれ電極部１２ａ、１３ａと
通電用の接続部１２ｂ、１３ｂとからなる。

陰電極１３側の酸素イオン導電板１１上には、アルミナ
粉にガラスを混ぜたペーストを塗布したアルミナ多孔質
層１４が陰電極１３の電極部１３ａと接続部１３ｂの一
部のみを覆うようにして設けられ、さらにアルミナ多孔
質層１４は、陰電極１３の電極部１−３ａへ被測定気体
が触れないようにするためにガラスを塗布したグレーズ
層１５によって電極部１３ａおよび接続部１３ｂの一部
とともに覆われ、アルミナ多孔質層１４およびグレーズ
層１５は８５０℃〜９００℃で酸素イオン導電板１−１
に焼付けられている。

従って、第１図に示すとおり、陰電極１３の電極部１３
ａは被測定気体と隔階され、陰電極１３の接続部１３ｂ
はグレーズ層゛、１５から露出するため、グレーズ層１
５の端部１５ａと酸素イオン導電板１１との間の接続部
１３ｂでは、各電極１２．１３に電圧が印加されたとき
、酸素拡散量および水蒸気拡散量を制御するための気水
拡散制御体を兼用することになる。

ここでは各電極１２．１３は、厚みｔを２０−とし、各
電極部１２ａ、１３ａは、・−辺を２．５Ｍとする正方
形とした。

また、接続部１３ｂでは、第３図に示すとおり、幅Ｗを
ｌａｍとし、グレーズ層１５によって覆われる長さしを
２ｍとした。

ここで、゛こ極部１２ａ、１３ａの面積をＳ、接続部１
３ｂの幅Ｗと厚みｔとの積によって与えられる断面積を
Ｓとすると、電極部１３ａへの酸素の拡散量は、断面積
Ｓに比例し、長さＩ−に反比例する。

これらの値に基づいて、限界電流値を得る実用上特に有
効な陰電極１３の電極部１３ａの面積Ｓに対する気体拡
散電極としての接続部１３ｂとの比Ｒの範囲を求めると
、Ｒ＝Ｓ／Ｌ　／Ｓ−”　Ｉ　Ｘ　１０−”〜８Ｘ１０”
２であり、本実施例では、ｓ＝０．０２、Ｌ、＝２、Ｓ
＝６．２５であることから、この比Ｒの値は、Ｒ＝１．
６ｘ１０　′であった。

センサ素子１０は、セラミックヒータ２０にガラスを塗
布して約８００℃で焼付装着される。

セラミックヒータ２０は、第４図に示すとお、す、アル
ミナ（Ａｌ□０３）９６％のグリーンシート２ＯＡ面に
、ヒータパターン２０ａを形成するようにタングステン
（Ｗ）からなる金属ペーストを印刷し、さらに同種のグ
リーンシート２０Ｂを被覆して焼成した板状のヒータで
、セラミックヒータ２０内のヒータパターン２０ａの両
端は、導体パターン２０ｂ、２０ｃによって、セラミッ
クヒータ２０の表面２０ｄの電極２１．２２とそれぞれ
接続されている。

ここでは、多孔質からなる陰電極１３の接続部１３ｂに
よって気体拡散制限を行うため、セラミックヒータ２０
のヒータパターン２０ａは、各電極１２．１３の電極部
１２ａ、１３ａのみを局所加熱するようにして、接続部
１３ｂによるボンピングを防止している。

セラミックヒータ２０の中央部には、センサ素子１０へ
の加熱効率をよくするために、通気口２３が形成され、
またセンサ素子１０が焼付けられる部分には、表裏を貫
通した貫通孔２４．２５．２６がそれぞれ複数列に渡っ
て設けられている。

また、セラミックヒータ２０の表面２０ｄには、センサ
素子１０の各電極１２．１３への通電のために、酸化ル
テニウムのプリントパターンによって各接続部１２ｂ、
１３ｂと接続されたセンサ電極２７．２８が設けられて
いる。なお、センサ電極２７．２８は、パターン形成用
ペーストをプリントし、センサ素子１０を焼付装着させ
る際に、同時に焼付けされる。

以上の構成からなる本実施例の酸素センサ１は、第３図
に示すとおり、各センサ電極２７．２８間に電圧可変式
の電源Ｅから電圧が印加される湿度測定装置ｉＡのセン
サ部として用いられ、印加電圧と電流値がそれぞれ測定
される。またこのとき、セラミックヒータ２０は通電さ
れて、センサ素子１０を３００℃〜７００℃に維持する
。

以下、酸素センサ１の作用を説明する。

酸素センサ１が被測定気体中に配され、陽電極１２、除
電＠４１３間に電圧が印加されると、グレーズ層１５で
覆われた電極部１３ａ内の酸素はイオン化されて酸素イ
オンとなり、印加電圧に応じて陽電ＪＦ４４１２ヘボン
ビングされる。

すると被測定気体中の酸素は、陰電極１３の接続部１３
ｂからグレーズ層１５で覆われた電極部１３ａ内へ拡散
する。

印加電圧を高くすると、印加電圧に応じて電流値が増大
し、このとき印加電圧に対する各電極１２．１３間の電
流値は、第５図に示すとおり印加電圧に応じて変化する
。

電極部１３ａ内への酸素拡散量は陰電極１３の接続部１
３ｂで制御され、被測定気体中の酸素濃度に応じて制限
されるため、拡散量が制限されるとそれに伴って電流値
も制限されて、拡散制限電流値ＩＬｔを示す。

印加電圧が、拡散制限電流値■いが得られる電圧値より
さらに高くなると、被測定気体中の水分（水蒸気）の分
解に伴う酸素イオンが陽電極１２ヘボンビングされ、こ
のとき水分も除電ｉ１３の接続部１３ｂから電極部１３
ａ内へ拡散し、拡散量に応じた電流値が流れる。

印加電圧を高くすると、電流値は水分濃度に応じてさら
に増大し、陰電極１３の接続部１３ｂで拡散量が制限さ
れると、それに伴って電流値も制限されて拡散制限電流
値ＩＬ２を示す。

以上のとおり、本実施例では、酸素および水蒸気は多孔
質の陰電極１３の接続部１３ｂから電極部１３ａ内へ拡
散し、接続部１３ｂはその幅、長さによって拡散量の調
整が容易である膜状であるため、センサ素子１０は再現
性よく形成され、拡散制限量を一定にすることができる
。

また、陰電極１３は、膜状であるため、拡散量を少なく
することができ、その結果、電流値を全体に少なくする
ことができる。従って、各電極の負相を少なくするとと
もに、作動補助のためのし−タの加熱温度を低くするこ
とができる。

さらに、」−記のとおり湿度測定用に使用する場合のよ
・うに、印加電圧が高くなる場合でも、各電極の負相が
従来に比べて遥かに少なくなる。

この結果、耐久性が向」ニジ、長期に互って使用可能な
、長寿命の酸素センサとすることができる。

また、陰電極では電極部と接続部が一体に設ｃ′５八ｔ
するなめ、通電用に池の導体を設ける必要がない。

−１−記第１実施例では、湿度測定装置を示したが、酸
素濃度を測定する場ａ・にも、同様に作用゛する。

また、上記第１実施例では、アルミナ多孔質層１４を設
けたが、接続部１３ｂの幅がｌｌ１１１１程度の場合に
は、電極間電流が少なく設定され、大きな特性」−の変
化はないため、特に設番゛）る必要はない。

第６図に本発明の第２実施例を示す。

ここでは、ｎ電極１３のみを覆うことをしないで、酸素
イオン導電板１１とほぼ同じ幅を有する覆い板１６を密
着させて両型極部１２．１３を覆い、陽電極１２の電極
部１２ａに相当する部分には、電極部１２ａが被測定気
体が触れるように、円形の穴１６ａを形成している。従
って、第１実施例と同様に覆い板１６の端部１６ｂと酸
素イオン導電板１１との間の接続部１３ｂが酸素拡散制
限を行うための拡散制御体を兼用することになる。

また、覆い板１６の幅と酸素イオン導電板１１の幅とに
大きな差がないため、陰電極１３のみを覆うときと比較
して、覆い板１６で覆うときの位置決め作業が簡単にな
る。

第６図では円形の穴１，６ａを示し７なが、穴１，６ａ
の形は円形に限られず、変形例としては、陰電極１３の
電極部１３ａが被測定気体に触れず、陽電極１２の電極
部１２ａのみが被測定気体に触れるようになっていれば
四角形や他のどんな形でもよい。

第７図の本発明の第３実施例を示す。

ここでは、第１実施例におけるグレーズ層１５の代わり
に酸素拡散を防ＩＩ・７する函体１７によって陰電極１
３の電極部１３ａを覆い、空隙部１７ａを形成している
。

第８図に本発明の第４実施例を示゛づ。

上記の各実施例は、酸素イオン導電板１１の一方の面に
陽電極１２と陰ｔし極１３をともに設けたが、第４実施
例では、酸素イオン導電板】１の両面にそれぞれ陽電極
１２と陰電極１３を説け、陽電極１２１１１１をセラミ
ックヒータ２０の表面２０ｄにガラス１８で焼付けて装
着Ｉ７ている。

本実施例て゛は、ｓ＝０．０２、Ｌ４−２．５＝２５で
あることから、前述の比Ｒの値は、Ｒ−４×１０−４で
あった。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図は本発明の第１実ｈ＠例を示し、第１
図は酸素センサの断面図、第２図は酸素４：ンサの斜視
図、第３図は湿度測定装置の概略図、第４図は本実施例
のセラミックヒータの構成を示す斜視図、第５図は湿度
測定装置による測定の一例を示す電圧−電流特性図、第
６図は本発明の第２実施例を芥ず酸参センザの斜視図、
第７図は本発明の第３実施例を示す酸素センサの断面図
、第８図は本発明の第４実施例を示す酸素センサの断面
図、第９図および第１０図はそれぞり、従来の酸素セン
サを示す断面図である。図中、】−・・・酸素センサ（気体濃度検出用センサ）
、１１・・・酸素イオン導電板（固体電解質）、１２ａ
、］、、　３　ａ−電極部（−・対の電極）、１３ｂ−
・・接′続部（通電用電極）、１５・・・グレーズＭ（
気体拡散防止部材）。

Claims

【特許請求の範囲】１）　多孔質体からなる膜状の一対の電極が、酸素イオ
ン導電性を有する固体電解質の表面に密着して設けられ
、前記電極間に電圧が印加される気体濃度検出用センサ
において、前記電極の一方は、該電極と一体に設けられた通電用電
極を有し、該通電用電極の一部を露出して該通電用電極
とともに気体拡散防止部材によって覆われ、前記通電用
電極を気体拡散制御手段とすることを特徴とする気体濃
度検出用センサ。２）　前記一対の電極は、前記固体電解質の同一面に間
隔をおいて設けられたことを特徴とする請求項１記載の
気体濃度検出用センサ。３）　前記一対の電極は、前記固体電解質の対向する面
にそれぞれ設けられたことを特徴とする請求項１記載の
気体濃度検出用センサ。