JPH02186254A - 酸素センサ素子 - Google Patents
酸素センサ素子Info
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- JPH02186254A JPH02186254A JP1005480A JP548089A JPH02186254A JP H02186254 A JPH02186254 A JP H02186254A JP 1005480 A JP1005480 A JP 1005480A JP 548089 A JP548089 A JP 548089A JP H02186254 A JPH02186254 A JP H02186254A
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Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
この発明は、セラミック酸素センサの素子に関し、とく
に限界電流式のセラミック酸素センサ素子の改良に関す
る。このセラミック酸素センサはボイラ、自動車エンジ
ン等の燃焼制御、あるいはマンホール等での酸欠モニタ
ー等に利用されている。
に限界電流式のセラミック酸素センサ素子の改良に関す
る。このセラミック酸素センサはボイラ、自動車エンジ
ン等の燃焼制御、あるいはマンホール等での酸欠モニタ
ー等に利用されている。
従来の限界電流式セラミック酸素センサ素子は、第４図
に示すように安定化ジルコニア板２の表面及び裏面に白
金電極を設けることによってアノード２１とカソード２
２とを形成し、この安定化ジルコニア板２とキャップ３
７とを封着してその間に空隙を形成するとともに、小孔
３８をキャップ３７（あるいは安定化ジルコニア板２）
に設けてこの空隙と外気とを連通させることによって形
成されている。そして、キャップ３７の表面にはヒータ
ー３１を設けられ、ヒーターリード線３９を通じて一定
の電流が流されて加熱が行なわれる。 アノード２１、カソード２２にはアノードリード線２７
、カソードリード線２８が接続され、これらによりアノ
ード２トカソード２２間に一定の電圧（監視電圧）を印
加される。すると、固体電解質である安定化ジルコニア
板２は酸素イオン導伝体として働き、その酸素ボンピン
グ作用と小孔３８による酸素流入の濃度勾配とにより、
周囲雰囲気の酸素濃度に応じた電流値をアノード２トカ
ソード２２間に流れる電流として得ることができる。 ここで、キャップ３７を立方晶系の安定化ジルコニア（
８ＭＯＬＳ Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）板２と封着する必
要から、このキャップ３７の材質として従来では熱膨張
係数の近い（表２参照）同じ立方晶系の部分安定化ジル
コニア（３ｔａｏ［Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）を用いている
。
に示すように安定化ジルコニア板２の表面及び裏面に白
金電極を設けることによってアノード２１とカソード２
２とを形成し、この安定化ジルコニア板２とキャップ３
７とを封着してその間に空隙を形成するとともに、小孔
３８をキャップ３７（あるいは安定化ジルコニア板２）
に設けてこの空隙と外気とを連通させることによって形
成されている。そして、キャップ３７の表面にはヒータ
ー３１を設けられ、ヒーターリード線３９を通じて一定
の電流が流されて加熱が行なわれる。 アノード２１、カソード２２にはアノードリード線２７
、カソードリード線２８が接続され、これらによりアノ
ード２トカソード２２間に一定の電圧（監視電圧）を印
加される。すると、固体電解質である安定化ジルコニア
板２は酸素イオン導伝体として働き、その酸素ボンピン
グ作用と小孔３８による酸素流入の濃度勾配とにより、
周囲雰囲気の酸素濃度に応じた電流値をアノード２トカ
ソード２２間に流れる電流として得ることができる。 ここで、キャップ３７を立方晶系の安定化ジルコニア（
８ＭＯＬＳ Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）板２と封着する必
要から、このキャップ３７の材質として従来では熱膨張
係数の近い（表２参照）同じ立方晶系の部分安定化ジル
コニア（３ｔａｏ［Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２）を用いている
。
しかしながら、部分安定化ジルコニアは高温になったと
き電気絶縁性が非常に低下するため、従来のように部分
安定化ジルコニアを材質としてキャップを形成した場合
、ヒーターにより加熱したときに、ヒーターからカソー
ド側に漏れ電流が流れ、この漏れ電流がアノード・カソ
ード間に流れる電流に影響を与え、測定値の誤差要因と
なるので、正確な酸素濃度測定の障害になるという問題
がある。 この問題を回避するため、第５図のように部分安定化ジ
ルコニアキャップ８１とヒーター３１との境界面にアル
ミナ多孔質Ｍ８２を形成して電気絶縁性を向上させるこ
とも考えられているが、ヒーター３１のキャップ８１に
対する密着度が低下し、ｉｉｅ性が著しく悪化する別の
問題が生じる。 また、他に、アルミナのコーティング条件により絶縁性
にかなりのむらがあり、その制御が難しい。 さらにこの場合、アルミナのコーティング工程とその焼
成工程とが追加されることになり、生産性が悪化して時
間がかかるので、コストの点でも不利である。 また、アルミナ（Ａ１２０３）は従来よりヒーター基板
として実績があるので、これを使用することも考えられ
るが、たしかに電気絶縁性は良好であるが、熱膨張係数
が安定化ジルコニアよりも小さい（表２参照）ため接着
が困難であるという理由から使用できない。 ちなみに、この漏れ電流をっぎのようなテストを行なっ
て確認してみた。このテストは第６図のような直径５鴫
のキャップ３７をアルミナ、部分安定化ジルコニア、部
分安定化ジルコニアアルミナコートの各材質により形成
し、それらの上にヒーター３１、ヒーターリード３２．
３３及びカソードリード３５を形成して、このキャップ
３７が４５０℃に加熱されるようにヒーター３１に直流
電圧を印加し、ヒーターリード３２とカソードリード３
５との間の漏れ電流と抵抗値を測定することにより行な
った。 その結果はつぎの表１に示す通りである。 表１ この発明は、耐震性の悪化などの問題を生じることなく
、ヒーターからの漏れ電流による誤差要因を取り除き、
正確な酸素濃度測定を可能とする、酸素センサ素子を提
供することを目的とする。
き電気絶縁性が非常に低下するため、従来のように部分
安定化ジルコニアを材質としてキャップを形成した場合
、ヒーターにより加熱したときに、ヒーターからカソー
ド側に漏れ電流が流れ、この漏れ電流がアノード・カソ
ード間に流れる電流に影響を与え、測定値の誤差要因と
なるので、正確な酸素濃度測定の障害になるという問題
がある。 この問題を回避するため、第５図のように部分安定化ジ
ルコニアキャップ８１とヒーター３１との境界面にアル
ミナ多孔質Ｍ８２を形成して電気絶縁性を向上させるこ
とも考えられているが、ヒーター３１のキャップ８１に
対する密着度が低下し、ｉｉｅ性が著しく悪化する別の
問題が生じる。 また、他に、アルミナのコーティング条件により絶縁性
にかなりのむらがあり、その制御が難しい。 さらにこの場合、アルミナのコーティング工程とその焼
成工程とが追加されることになり、生産性が悪化して時
間がかかるので、コストの点でも不利である。 また、アルミナ（Ａ１２０３）は従来よりヒーター基板
として実績があるので、これを使用することも考えられ
るが、たしかに電気絶縁性は良好であるが、熱膨張係数
が安定化ジルコニアよりも小さい（表２参照）ため接着
が困難であるという理由から使用できない。 ちなみに、この漏れ電流をっぎのようなテストを行なっ
て確認してみた。このテストは第６図のような直径５鴫
のキャップ３７をアルミナ、部分安定化ジルコニア、部
分安定化ジルコニアアルミナコートの各材質により形成
し、それらの上にヒーター３１、ヒーターリード３２．
３３及びカソードリード３５を形成して、このキャップ
３７が４５０℃に加熱されるようにヒーター３１に直流
電圧を印加し、ヒーターリード３２とカソードリード３
５との間の漏れ電流と抵抗値を測定することにより行な
った。 その結果はつぎの表１に示す通りである。 表１ この発明は、耐震性の悪化などの問題を生じることなく
、ヒーターからの漏れ電流による誤差要因を取り除き、
正確な酸素濃度測定を可能とする、酸素センサ素子を提
供することを目的とする。
上記目的を達成するため、この発明による酸素センサ素
子においては、表面及び裏面にそれぞれ電極が形成され
た安定化ジルコニア板と、該安定化ジルコニア板に対し
、これとの間に所定の空隙が形成されるようにして封着
されるフォルステライト板とが備えられている。
子においては、表面及び裏面にそれぞれ電極が形成され
た安定化ジルコニア板と、該安定化ジルコニア板に対し
、これとの間に所定の空隙が形成されるようにして封着
されるフォルステライト板とが備えられている。
安定化ジルコニア板に封着されるキャップ３７（第４図
）に相当する部材の材質としてフォルステライトを用い
ている。 このフォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ□）は従来電
子管の外囲器、ブラウン管のエンベロープなどのセラミ
ック材料として用いられおり２っぎの表２に示すように
電気絶縁性に優れ、しかも熱膨張係数は安定化ジルコニ
アとほぼ同一に制御できる。 表２ ＊１：曲げ強度［Ｋｇ／ｃｍ２］ ＊２：Ｒ高安全使用温度［°Ｃ］ ＊３：熱膨張係数［１／”Ｃ］ （４４０〜４００℃＊
４：熱伝導率［ｃａｌ／ｃｍ−ｓ−”Ｃ］（２２０℃＊
５；体積固有抵抗［Ω−ｅｌｌ （５００℃）そして、
このフォルステライトを使用して上記の第６図で示すよ
うなキャップ３７を作り、漏れ電流テストを行なってみ
ると、表１に示すように良好な結果が得られる。 さらにこのフォルステライト板は安定化ジルコニア板と
の接着性が良好である。 これらから、キャップの材質としてフォルステライトを
使用することにより、従来のセラミック酸素センサの構
造を変更することなく、且つ耐震性の低下などを引き起
こすことなく、ヒーターからの漏れ電流による出力への
誤差を解消することができる。
）に相当する部材の材質としてフォルステライトを用い
ている。 このフォルステライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ□）は従来電
子管の外囲器、ブラウン管のエンベロープなどのセラミ
ック材料として用いられおり２っぎの表２に示すように
電気絶縁性に優れ、しかも熱膨張係数は安定化ジルコニ
アとほぼ同一に制御できる。 表２ ＊１：曲げ強度［Ｋｇ／ｃｍ２］ ＊２：Ｒ高安全使用温度［°Ｃ］ ＊３：熱膨張係数［１／”Ｃ］ （４４０〜４００℃＊
４：熱伝導率［ｃａｌ／ｃｍ−ｓ−”Ｃ］（２２０℃＊
５；体積固有抵抗［Ω−ｅｌｌ （５００℃）そして、
このフォルステライトを使用して上記の第６図で示すよ
うなキャップ３７を作り、漏れ電流テストを行なってみ
ると、表１に示すように良好な結果が得られる。 さらにこのフォルステライト板は安定化ジルコニア板と
の接着性が良好である。 これらから、キャップの材質としてフォルステライトを
使用することにより、従来のセラミック酸素センサの構
造を変更することなく、且つ耐震性の低下などを引き起
こすことなく、ヒーターからの漏れ電流による出力への
誤差を解消することができる。
つぎにこの発明の一実施例について図面を参照しながら
説明する。第１図Ａはこの発明の一実施例にかかる酸素
センサ素子１を上からみた図であり、第１図Ｂは同酸素
センサ素子１の第１図ＡのＢ−Ｂ線断面矢視図である。 これらの図に示すようにフォルステライト板３の上に安
定化ジルコニア板２を重ねるようにして、封着ガラス３
６を介してそれらの間に所定の空隙が生じるようこれら
を相互に封着している。 安定化ジルコニア板２は酸素イオン導伝板として機能す
るもので、第２図Ａ、Ｂに示すようにその表面にアノー
ド２１が、裏面にカソード２２とこれに連なるカソード
リード２３とがそれぞれ形成されている。これらはたと
えば多孔質白金電極を印刷形成することにより作られる
。また、この安定化ジルコニア板２の中央部には小孔２
４が形成されている。 フォルステライト板３には、第３図Ａに示すようにその
表面にアノードリード３４とカソードリード３５とが形
成され、その裏面には第３図Ｂに示すようにヒーター３
１とヒーターリード３２．３３とが形成されている。こ
れらはすべてたとえば白金ペースト印刷により形成され
る。 このような安定化ジルコニア板２とフォルステライト板
３とが、安定化ジルコニア板２の裏面（第２図Ｂ）とフ
ォルステライト板３の表面（第３図Ａ）とが向き合うよ
うにして重ねられる。そして安定化ジルコニア板２のカ
ソードリード２３とフォルステライト板３のカソードリ
ード３５とが対面し、その間に白金ペースト２６を介在
させることによって、フォルステライト板３のカソード
リード３５と安定化ジルコニア板２のカソード２２との
間の導通がなされる。また、安定化ジルコニア板２のア
ノード２１と、フォルステライト板３のアノードリード
３４との間には印刷あるいははけ塗りなどによって白金
ペースト２５が設けられ、これらの間の導通が図られて
いる。 安定化ジルコニア板２とフォルステライト板３との間に
は１０μＩ１１〜１００−程度の空隙が形成されるが、
これらの板２．３が封着ガラス３６によって気密に封着
されることにより、その空隙は小孔２４によってのみ外
気に通じることになる。この小孔２４は酸素拡散孔とし
て機能するが、これらの図に示すように安定化ジルコニ
ア板２に設けるのでなく、封着ガラス３６の一部や、フ
ォルステライト板３の一部に設けてもよい。
説明する。第１図Ａはこの発明の一実施例にかかる酸素
センサ素子１を上からみた図であり、第１図Ｂは同酸素
センサ素子１の第１図ＡのＢ−Ｂ線断面矢視図である。 これらの図に示すようにフォルステライト板３の上に安
定化ジルコニア板２を重ねるようにして、封着ガラス３
６を介してそれらの間に所定の空隙が生じるようこれら
を相互に封着している。 安定化ジルコニア板２は酸素イオン導伝板として機能す
るもので、第２図Ａ、Ｂに示すようにその表面にアノー
ド２１が、裏面にカソード２２とこれに連なるカソード
リード２３とがそれぞれ形成されている。これらはたと
えば多孔質白金電極を印刷形成することにより作られる
。また、この安定化ジルコニア板２の中央部には小孔２
４が形成されている。 フォルステライト板３には、第３図Ａに示すようにその
表面にアノードリード３４とカソードリード３５とが形
成され、その裏面には第３図Ｂに示すようにヒーター３
１とヒーターリード３２．３３とが形成されている。こ
れらはすべてたとえば白金ペースト印刷により形成され
る。 このような安定化ジルコニア板２とフォルステライト板
３とが、安定化ジルコニア板２の裏面（第２図Ｂ）とフ
ォルステライト板３の表面（第３図Ａ）とが向き合うよ
うにして重ねられる。そして安定化ジルコニア板２のカ
ソードリード２３とフォルステライト板３のカソードリ
ード３５とが対面し、その間に白金ペースト２６を介在
させることによって、フォルステライト板３のカソード
リード３５と安定化ジルコニア板２のカソード２２との
間の導通がなされる。また、安定化ジルコニア板２のア
ノード２１と、フォルステライト板３のアノードリード
３４との間には印刷あるいははけ塗りなどによって白金
ペースト２５が設けられ、これらの間の導通が図られて
いる。 安定化ジルコニア板２とフォルステライト板３との間に
は１０μＩ１１〜１００−程度の空隙が形成されるが、
これらの板２．３が封着ガラス３６によって気密に封着
されることにより、その空隙は小孔２４によってのみ外
気に通じることになる。この小孔２４は酸素拡散孔とし
て機能するが、これらの図に示すように安定化ジルコニ
ア板２に設けるのでなく、封着ガラス３６の一部や、フ
ォルステライト板３の一部に設けてもよい。
この発明の酸素センサ素子によれば、酸素イオン導伝体
として使用される安定化ジルコニア板に対し、それとの
間に空隙を形成するように封着される板の材質としてフ
ォルステライトを用いており、このフォルステライト板
は電気絶縁性に優れているので、ヒーターからの漏れ電
流をなくし、出力精度を向上させることができ、また安
定化ジルコニア板との接着性も良好で熱膨張係数も同等
であるので、耐震性にも優れている。
として使用される安定化ジルコニア板に対し、それとの
間に空隙を形成するように封着される板の材質としてフ
ォルステライトを用いており、このフォルステライト板
は電気絶縁性に優れているので、ヒーターからの漏れ電
流をなくし、出力精度を向上させることができ、また安
定化ジルコニア板との接着性も良好で熱膨張係数も同等
であるので、耐震性にも優れている。
第１図Ａ、Ｂはこの発明の一実施例にかかる酸素センサ
素子を示すもので、第１図Ａは上からみた平面図、第１
図Ｂは第１図ＡのＢ−Ｂ線断面矢視図、第２図Ａ、Ｂは
同実施例の安定化ジルコニア板を示すもので、第２図Ａ
は表面図、第２図Ｂは裏面図、第３図Ａ、Ｂは同実施例
のフォルステライト板を示すもので、第３図Ａは表面図
、第３図Ｂは裏面図、第４図は従来例の断面図、第５図
は他の従来例の一部を示す断面図、第６図は漏れ電流テ
ストを説明するための模式図である。 １・・・酸素センサ素子、２・・・安定化ジルコニア板
、３・・・フォルステライト板、２１・・・アノード、
２２・・・カソード、２３．３５・・・カソードリード
、２４．３８・・・小孔、２５．２６・・・白金ペース
ト、２７・・・アノードリード線、２８・・・カソード
リード線、３１・・・ヒーター、３２．３３・・・ヒー
ターリード、３４・・・アノードリード、３６・・・封
着ガラス、３７・・・キャップ、３９・・・ヒーターリ
ード線、８１・・・部分安定化ジルコニアキャップ、８
２・・・アルミナ多孔質層。 喜１色 箋ｙｚ
素子を示すもので、第１図Ａは上からみた平面図、第１
図Ｂは第１図ＡのＢ−Ｂ線断面矢視図、第２図Ａ、Ｂは
同実施例の安定化ジルコニア板を示すもので、第２図Ａ
は表面図、第２図Ｂは裏面図、第３図Ａ、Ｂは同実施例
のフォルステライト板を示すもので、第３図Ａは表面図
、第３図Ｂは裏面図、第４図は従来例の断面図、第５図
は他の従来例の一部を示す断面図、第６図は漏れ電流テ
ストを説明するための模式図である。 １・・・酸素センサ素子、２・・・安定化ジルコニア板
、３・・・フォルステライト板、２１・・・アノード、
２２・・・カソード、２３．３５・・・カソードリード
、２４．３８・・・小孔、２５．２６・・・白金ペース
ト、２７・・・アノードリード線、２８・・・カソード
リード線、３１・・・ヒーター、３２．３３・・・ヒー
ターリード、３４・・・アノードリード、３６・・・封
着ガラス、３７・・・キャップ、３９・・・ヒーターリ
ード線、８１・・・部分安定化ジルコニアキャップ、８
２・・・アルミナ多孔質層。 喜１色 箋ｙｚ
Claims (1)
- （１）表面及び裏面にそれぞれ電極が形成された安定化
ジルコニア板と、該安定化ジルコニア板に対し、これと
の間に所定の空隙が形成されるようにして封着されるフ
ォルステライト板とからなる酸素センサ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1005480A JPH02186254A (ja) | 1989-01-12 | 1989-01-12 | 酸素センサ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1005480A JPH02186254A (ja) | 1989-01-12 | 1989-01-12 | 酸素センサ素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02186254A true JPH02186254A (ja) | 1990-07-20 |
Family
ID=11612411
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1005480A Pending JPH02186254A (ja) | 1989-01-12 | 1989-01-12 | 酸素センサ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02186254A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994018553A1 (de) * | 1993-02-09 | 1994-08-18 | Robert Bosch Gmbh | Festelektrolytsensor mit integriertem heizer |
| WO1995016199A1 (de) * | 1993-12-09 | 1995-06-15 | Robert Bosch Gmbh | Isolationsschichtsystem zur galvanischen trennung von stromkreisen |
-
1989
- 1989-01-12 JP JP1005480A patent/JPH02186254A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1994018553A1 (de) * | 1993-02-09 | 1994-08-18 | Robert Bosch Gmbh | Festelektrolytsensor mit integriertem heizer |
| WO1995016199A1 (de) * | 1993-12-09 | 1995-06-15 | Robert Bosch Gmbh | Isolationsschichtsystem zur galvanischen trennung von stromkreisen |
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