JPH02179464A

JPH02179464A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH02179464A
Application number: JP63333476A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamamoto; 秀男山本; Akiyoshi Asada; 浅田　昭良; Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1988-12-29
Publication date: 1990-07-12

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、地下トンネルの酸欠事故防止用、燃焼をコ
ントロールするための排気ガス酸素濃度測定用、医療用
、食品保存のための不活性ガスパージ用などの用途に適
用される限界電流式酸素センサに関する技術である。

「従来の技術」近年、安定化ジルコニアからなる固体電解質を用いた限
界電流式の酸素センサが実用化されつつある。

この酸素センサは、第５図に示すように、固体電解質ｌ
の両面に所定電圧が印加される多孔質の電極２Ａ・２Ｂ
が設けられてなるセンサ本体３と、中央部に気体拡散孔
４Ａを有し、かつ前記センサ本体３の一方側の面に接合
されたセラミックキャップ４と、このセラミックキャッ
プ４の上面に設けられて、前記固体電解質１に対して熱
を付与するヒータ５とから構成されたものであって、前
記固体電解質ｌ内では、酸素ポンピング作用により酸素
イオンをキャリアとするイオン電流が流れ、このイオン
電流の電流値から周囲の酸素濃度が測定されるようにな
っている。

［発明が解決しようとする課題］ところで、上記のように構成された酸素センサでは、セ
ンサ本体３に設けられた電極２人・２Ｂあるいはヒータ
５と、外部の駆動回路とを微細なリード線６により接続
するようにしているので、振動などで断線が起き易く、
その接続に対する信頼性が低いという問題があった。

また、この酸素センサを例えばステムなどに組み付けよ
うとした場合に、該酸素センサをセラミックファイバー
などで支持するようにしているが、このセラミックファ
イバーもまた微細なものであるので、前記組み付は作業
が困難なものとなっていた。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、電極あるいはヒータと駆動回路との接続をリード線を
用いることなく安定的に行い、また、その組み付は作業
を容易に行うことが可能な酸素センサの提供を目的とす
る。

「課題を解決するための手段」上記の目的を達成するために、本発明では、イオン導電
性を有する固体電解質の両面に所定電圧が印加される多
孔質の電極が設けられたセンサ本体と、このセンサ本体
に対して熱を付与するヒータとを有し、前記固体電解質
に生ずるイオン電流の電流値から酸素濃度を測定するよ
うにした酸素センサにおいて、前記絶縁性を有する板体
の一方の端部にセンサ本体とヒータとをそれぞれ取り付
け、更に、該板体の表面に、前記センサ本体の電極及び
ヒータに通じ、かつ該板体の他方の端部に延びる回路導
体をそれぞれ形成するようにしている。

「作用」この発明によれば、絶縁性を有する板体の一方の端部に
センサ本体とヒータとを設け、該板体の他方の端部にこ
れらセンサ本体及びヒータに通じる回路導体を設けるよ
うにしたので、該板体の他方の端部をコネクタなどで挟
持する、ろう付けするなどにより、回路導体と外部の駆
動回路とを接続することができる。

また、前記回路導体を板体の表面に形成することによっ
て、従来のリード線を用いた電極、ヒータなどへの接続
方式と比較して断線の可能性が小となる。

「実施例」第１図の平面図、第２図の側断面図、第３図の背面図、
第４図の駆動回路を示すブロック図を参照して本発明の
詳細な説明する。

まず、酸素センサの基本構造から説明すると、第１図〜
第３図に符号１０で示すものはセンサ本体であって、安
定化ジルコニア（例えば、ＺｒＯ，−８Ｙ２０３）等の
イオン導電性を有する薄厚の固体電解質１１と、この固
体電解質１１の両面に形成されて所定電圧（例えば、２
ボルト程度）が印加される多孔質の電極１２Ａ、・１２
Ｂと、前記固体電解質１１の上方側（第２図の上方側）
の面を覆う密封材１３とから構成されている。また、前
記固体電解質１１の下方側（第２図の下方側）にはヒー
タ１４（後述する）が設けられて、固体電解質１１の温
度特性を向上させるようにしている。

前記密封材１３は、一方何の電極１２Ａを全面的に覆う
ように設けられたアルミナ粉末などの多孔質焼成体１５
と、この多孔質焼成体１５を全面的に覆うように設けら
れたガラス層１６とから構成されたものであって、前記
ガラス層１６の中央部には上下に貫通して、固体電解質
１１に限界電流を生じさせる気体拡散孔１６Ａが形成さ
れている。

なお、前記ガラス層１５には気体拡散孔１６Ａを一つ設
けるようにしたが、これに限定されず、気泡あるいはク
ラックなどにより微細な連通孔を多数設け、これら連通
孔を気体拡散孔としても良いそして、上述したような固体電解質１１内であり、かつ
、電極１２Ａ・１２Ｂの間においては、気体拡散孔１６
Ａを通じて取り入れた外気中の酸素イオンをキャリアと
するイオン電流が酸素ポンピング作用により流れ、この
イオン電流の電流値から周囲の酸素濃度を測定できるよ
うになっている。

次に、上述したセンサ本体１ｏとヒータ１４とを共に、
符号１７で示す絶縁板（板体）に取り付けるための取付
構造について説明する。

コノ絶縁板１７は、例えばＺｒＯ，−３Ｙ２０．（Ｄよ
うな、固体電解質１１と膨張係数の近い材質によって基
部が形成され、その表層にアルミナ粉末や結晶化ガラス
を焼結コーティングすることにより絶縁部が形成されて
なるものであって、その上面１７Ａにおける一方側の端
部には、センサ本体１０が接着により設けられ、また、
その上面１７Ａにおける一方側の端部であり、かつ前記
センサ本体１０の下方位置にはヒータ１４が印刷、メツ
キなどにより設けられている。また、この絶縁板１７と
してはＡｌＩ３．（アルミナ）などの材料で形成された
板体等も使用でき、かつこの場合にはその表層に絶縁コ
ーティングを施す必要はない。

前記センサ本体１０と絶縁板１７の上面１７Ａとの間に
は、アルカリイオンを含んだセラミック系の接着剤、あ
るいはアルミナ粉末にガラスを混入して焼成することに
より接着層１８が形成されている。該接着層１８はポー
ラスな構造に形成されるものであって、該接着層１８が
このような構造を採ることにより、前記センサ本体１Ｇ
と絶縁板１７との熱膨張係数が相違することによる歪み
を緩和できるようになっている。

なお、前記接着層１８は、上記接着剤、接着方法により
形成される外、前記固体電解質１１と絶縁板１７との熱
膨張係数が近似している場合には、これら固体電解質１
１あるいは絶縁板１７と熱膨張係数の近いガラスを接着
剤としても良い。

一方、前記接着剤１Ｂによりセンサ本体１０が接着され
た絶縁板１７の上面１７Ａ１また、前記印刷、メツキな
どによりヒータ１４が形成された同絶縁板１７の下面１
７Ｂには、センサ本体１０の電極１２Ａ−１２Ｂあるい
はヒータ１４に接続されるリード部１９Ａ−１９８１リ
ード部２０Ａ−２０Ｂ（回路導体）がそれぞれ設けられ
ている。

これらリード部１９Ａ・１９Ｂ１　リード部２０Ａ・２
０Ｂは、ワイヤポンド、導電性ペーストによって形成さ
れるものであって、前記センサ本体ｌＯあるいはヒータ
１４が設けられている絶縁板１７の一方の端部から、該
絶縁板１７の他方の端部に向けて（矢印（イ）で示す方
向に向けて）帯び状に配置されている。

なお、上記酸素センサの絶縁板１７においては、第１図
、第３図に示すように、センサ本体１０１ヒータ１４が
配置された一方の端部と、リード部１９Ａ・１９Ｂ、２
ＯＡ・２０Ｂが設けられた他方の端部との間にくびれ部
２１・２１を設けて、ヒータ１４の熱を他方側に逃がさ
ないようにしたが、不要であれば必ずしもこれらくびれ
部２１・２１を設ける必要はない。

まＩ；、前記ヒータ１４の熱を他方側に逃がさず、かつ
、該ヒータ１４のセンサ本体１０に対する温度分布を均
一化するために、くびれ部２１・２１付近を通過するリ
ード部２０Ａ・２０Ｂの幅を細くして、発熱作用を起こ
させるようにしても良い。

次に、上記のように構成された酸素センサの駆動回路Ｍ
を示すブロック図について第４図を参照して説明する。

第４図に符号１００で示すものは、前記電極１２Ａ・１
２Ｂ及びヒータ１４が設けられたセンサユニット（酸素
センサ）であって、このセンサユニット＋１１０には、
前記ヒータ１４のリード部２０Ａ・２０Ｂまたは前記セ
ンサ本体ｌＯのリード部１９Ａ・１９Ｂに接続された端
子＋０１Ａ・１・ＩＢ、端子＋０１・１０２Ｂがそれぞ
れ設けられている。

前記端子１０１Ａ・ｌ０ＩＢは、ヒータ１４を発熱させ
るためのヒータ電圧印加回路１０３に接続されるもので
あって、このヒータ電圧印加回路■３では、可変抵抗を
調整することによりヒータ１４の印加電圧を変更できる
構成となっている。

前記端子１０ＬＡ　は、電極１２Ａ・１２Ｂに所定電圧
を付与するためのセンサ監視電圧印加回路１０４に接続
されるものであって、このセンサ監視電圧印加回路１０
４では、可変抵抗を調整することによりセンサ本体ｌＯ
のセンサ電圧を変更できる構成となっている。

前記端子１０２Ｂは、Ｉ−Ｖ変換回路＋０５と、増幅回
路＋０８とを順次接続するものであって、前記！−Ｖ変
換回路１０５において、固体電解質１１の限界電流値を
電圧値に変換して出力し、更に、前記増幅回路１０６に
おいて、前記１−Ｖ変換回路＋０５から出力された電圧
値を増幅し、その増幅信号を検出信号として端子１０？
から出力するようにしている。

なお、前記１−Ｖ変換回路ＩＱｓ及び増幅回路！０６で
は、可変抵抗を調整することによって、出力電圧のレベ
ル、あるいは増幅度をそれぞれ変化させることが可能で
ある。

そして、上記ような駆動回路Ｍによって、センサ電圧が
電極１２Ａ・１２Ｂに印加され、ヒータ電圧がヒータ１
４に印加されると、酸素ガス及びイオン化した酸素が第
２図に矢印（ロ）で示すように流通し、これにより、固
体電解質１１に限界電流が生じて、その限界電流値と等
価の電圧値が端子１０７から出力されるようになってい
る。

以上説明したように、上記のように構成された酸素セン
サによれば、絶縁板１７の一方の端部にセンサ本体ｌＯ
とヒータ１４とを設け、これらセンサ本体１０及びヒー
タ１４から、矢印（イ）で示すように、該絶縁板１７の
他方の端部に延びるリード部１９Ａ・１９Ｂ、２０Ａ・
２０Ｂを設けるようにしたので、前記絶縁体１７の他方
側の端部をコネクタなどで挟持する、また、前記リード
部１９Ａ・１９Ｂ、２０Ａ・２０Ｂにろう付けするなど
によって、これらコネクタ、ろう付は箇所をを通じリー
ド部１９Ａ・１９Ｂ１２０Ａ・２０Ｂと駆動回路Ｍとを
筒易かつ確実に接続することができる。

つまり、従来のセラミックファイバーを用いた組み付は
方式、微細なリード線を用いた接続方式と比較して、接
続への信頼性が増し断線の可能性を小とすることができ
る、耐振動性を向上させることができる、駆動回路Ｍへ
の組み付は作業を簡易に行うことができる、機器設計に
対する自由度が増すという効果が得られる。

また、上記酸素センサにおいては、電極１２Ａ・１２Ｂ
、　　ヒータ１４、リード部１９Ａ・１９Ｂ１２０Ａ・
２０Ｂなどを印刷によって設けることができるので、量
産に適し、またその製造を低コストにて行うことができ
る。

「発明の効果」この発明によれば、絶縁性を有する板体の一方の端部に
センサ本体とヒータとを設け、該板体の他方の端部にこ
れらセンサ本体及びヒータに通じる回路導体を設けるよ
うにしたので、該板体の他方の端部をコネクタなどで挟
持する、ろう付けするなどにより、回路導体と外部の駆
動回路とを容易に連結することができ、駆動回路への組
み付は作業が容易になる。

また、前記回路導体を板体の表面に形成することによっ
て、従来のリード線を用いた電極、ヒータなどへの接続
方式と比較して断線の可能性が小さくなってその接続信
頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は酸素センサの一実施例を示す図であっ
て、第１図〜第３図は全体の概略構成をそれぞれ示す平
面図、側断面図、背面図、第４図は駆動回路を示すブロ
ック図、第５図は従来の酸素センサの構成を示す図であ
る。ｌＯ・・・・・・センサ本体、１１・・・・・・固体電
解質、１２Ａ−１２Ｂ・・・・・・電極、１４・・・・
・・ヒータ、１７・・・・・・絶縁体（板体）、１９Ａ
−１９Ｂ、２ＯＡ・２０Ｂ・・・・・・リード部（回路
導体）、Ｍ・・・・・・駆動回路。

Claims

【特許請求の範囲】イオン導電性を有する固体電解質の両面に所定電圧が印
加される多孔質の電極が設けられたセンサ本体と、この
センサ本体に対して熱を付与するヒータとを有し、前記
固体電解質に生ずるイオン電流の電流値から酸素濃度を
測定するようにした酸素センサにおいて、前記絶縁性を有する板体の一方の端部にセンサ本体とヒ
ータとをそれぞれ取り付け、更に、該板体の表面に、前
記センサ本体の電極及びヒータに通じ、かつ該板体の他
方の端部に延びる回路導体をそれぞれ形成したことを特
徴とする酸素センサ。