JPH02189454A - Sensor of concentration of oxygen - Google Patents

Sensor of concentration of oxygen

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JPH02189454A
JPH02189454A JP1009497A JP949789A JPH02189454A JP H02189454 A JPH02189454 A JP H02189454A JP 1009497 A JP1009497 A JP 1009497A JP 949789 A JP949789 A JP 949789A JP H02189454 A JPH02189454 A JP H02189454A
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JP
Japan
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diffusion
oxygen
rate
pinhole
layer
Prior art date
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Application number
JP1009497A
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Japanese (ja)
Inventor
Junji Sugie
杉江 順次
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable execution of highly precise measurement without being affected by the temperature and pressure of working environment by laminating a pinhole rate-determining layer wherein molecular diffusion is dominant and a porous rate-determining layer wherein Knudsen diffusion is dominant. CONSTITUTION:A measuring element 16 is constructed by providing a platinum electrode 14 on both surfaces of a zirconia sheet 12 which is an ion-conductive solid electrolyte. A pinhole plate 20 is bonded on a plate material 18 which is bonded to the electrode 14, and a pinhole 20a is made beforehand at a posi tion which is to be located on the central axis of the measuring element 16. Moreover, a porous layer 24 is joined on the plate around the position whereat the pinhole 20a is made. As to the relation between the diffusion rate determina tion of oxygen molecules by the porous layer 24 and the diffusion rate determina tion by the pinhole 20a, the latter is designed to be larger slightly than the former. By laminating the pinhole 20a being a diffusion rate-determining layer wherein molecular diffusion is dominant and the porous layer 24 being a diffu sion rate-determining layer wherein Knudsen diffusion is dominant, in this way, both actions of shielding of temperature dependence and shielding of pressure dependence can be provided.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、イオン伝導性の固体電解質を酸素ポンプとし
て用いることで、酸素濃度を測定することのできる酸素
濃度センサに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to an oxygen concentration sensor that can measure oxygen concentration by using an ionically conductive solid electrolyte as an oxygen pump.

[従来の技術] 従来より、酸素濃度を測定する酸素)関度センサとして
、イオン伝導性の固体電解質を酸素ポンプとして用いる
次のような構成が知られている。
[Prior Art] Conventionally, the following configuration has been known as an oxygen-related sensor for measuring oxygen concentration, which uses an ion-conductive solid electrolyte as an oxygen pump.

第9図に示すように、ジルコニアなどのイオン伝導性の
固体電解質で構成された隔壁5oの両面には、酸素分子
のイオン化を促進する触媒作用をなす白金電極52が形
成される。そして、この白金電極52に白金のリード線
を取り付け、隔壁50に−・定の電圧Vが印加される。
As shown in FIG. 9, platinum electrodes 52, which have a catalytic effect to promote the ionization of oxygen molecules, are formed on both sides of the partition wall 5o made of an ion-conductive solid electrolyte such as zirconia. A platinum lead wire is attached to the platinum electrode 52, and a constant voltage V is applied to the partition wall 50.

一方、隔壁50の陰極側には、酸素分子の拡散律速を所
定1偵に制限する拡散律速層部54が設けられ、隔壁5
0の陰極側電極部位への酸素分子の拡散速度が制限され
ている。より具体的には、この拡散律速層部54として
、所定径の孔が穿設されたものを利用するピンホール型
拡散律速層、もしくは所定細孔の多孔質層を利用する多
孔質型拡散律速層の何れかが用いられている。
On the other hand, on the cathode side of the partition wall 50, a diffusion-limiting layer section 54 is provided that limits the diffusion rate of oxygen molecules to a predetermined range.
The diffusion rate of oxygen molecules to the cathode side electrode site of 0 is limited. More specifically, this diffusion-controlling layer section 54 may be a pinhole-type diffusion-controlling layer that uses holes with a predetermined diameter, or a porous-type diffusion-controlling layer that uses a porous layer with predetermined pores. Either layer is used.

第9図のように構成される酸素)震度センサは、第10
図に示す出力特性から容易に理解されるように、印加電
圧■を最適値■0に選ぶとき、隔壁50を介して流れる
電流■が陰極側電極部位の酸fZ ?n度に比例するこ
とが知られている。
The oxygen/seismic intensity sensor configured as shown in FIG.
As can be easily understood from the output characteristics shown in the figure, when the applied voltage (2) is selected to the optimum value (2) of 0, the current (2) flowing through the partition wall 50 is the acid fZ? It is known that it is proportional to n degrees.

そこで従来の酸素)震度センサは、比較的広範囲にわた
る酸素潤度の測定を必要とする分野で広く利用されてい
る。
Therefore, conventional oxygen/seismic intensity sensors are widely used in fields that require measurement of oxygen moisture over a relatively wide range.

[発明が解決しようとする課題] しかし、従来の酸素潤度センサにおいても次のような課
題が未だに未解決であり、利用分野が限定され、あるい
は測定精度に問題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the following problems are still unresolved in conventional oxygen moisture sensors, and the field of application is limited, or there are problems with measurement accuracy.

前述のごとく第9図に示す拡散律速部54として、具体
的には、ピンホール型拡散律速層あるいは多孔質型拡散
律速層の二種がある。これら拡散律速部54の作用は、
次のようである。
As mentioned above, there are two types of diffusion-controlling portions 54 shown in FIG. 9, specifically, a pinhole-type diffusion-controlling layer and a porous-type diffusion-controlling layer. The action of these diffusion-limiting parts 54 is as follows:
It looks like this:

ピンホール型拡散律速層は、所定径の小孔内での分子拡
散が支配的であり、目的としている拡散律速作用を奏す
る。すなわち、酸素分子にとって小孔内は自由空間であ
り、ここでは分子の衝突による拡散制限が行われている
のである。従って、ピンホール型拡散律速層は、公知の
分子拡散の特性に基づき温度依存性が大きく、これを採
用する酸素)震度センサの出力電流■は絶対温度Tの略
0゜75乗に比例して変化し、圧力Pの影響をほぼ受け
ない。
In the pinhole type diffusion control layer, molecular diffusion within small pores of a predetermined diameter is dominant, and the desired diffusion control effect is achieved. In other words, the inside of the pore is a free space for oxygen molecules, and diffusion is restricted here by molecular collisions. Therefore, the pinhole type diffusion control layer has a large temperature dependence based on the well-known molecular diffusion characteristics, and the output current of an oxygen/seismic intensity sensor that uses this layer is approximately proportional to the absolute temperature T to the 0°75th power. It is almost unaffected by the pressure P.

一方、多孔質型拡散律速層は、所定細孔内でのクヌーセ
ン拡散が支配的であり、目的としている拡散律速作用を
奏する。従って、この型の拡散律速層を採用する酸素)
震度センサの出力電流Iは、公知のクヌーセン拡散の特
性に基づき圧力Pの略0.8乗に比例して変化し、温度
の影響をほぼ受けない。
On the other hand, in a porous diffusion-controlling layer, Knudsen diffusion within predetermined pores is dominant, and the desired diffusion-controlling effect is achieved. Therefore, this type of diffusion-limiting layer is adopted (oxygen)
The output current I of the seismic intensity sensor changes in proportion to approximately the 0.8th power of the pressure P based on the known characteristic of Knudsen diffusion, and is substantially unaffected by temperature.

そこで従来は、酸素潤度の測定を必要とする環境に応じ
て、より適切な特性を示す拡散律速層により構成された
酸素潤度センサを選択している。
Therefore, conventionally, an oxygen moisture sensor configured with a diffusion control layer that exhibits more appropriate characteristics has been selected depending on the environment in which oxygen moisture measurement is required.

例えば、温度変化の激しい環境で使用される酸素センサ
には、温度依存性の小さいクヌーセン拡散が支配的であ
る多孔質型拡散律速層により構成されたものが採用、さ
れる。逆に、圧力変化の激しい環境下での使用が予定さ
れる酸素潤度センサには、ピンホール型拡散律速層によ
り構成されたものが採用される。
For example, an oxygen sensor used in an environment with rapid temperature changes is constructed with a porous diffusion-controlling layer in which Knudsen diffusion, which has little temperature dependence, is dominant. On the other hand, an oxygen moisture sensor that is intended to be used in an environment with severe pressure changes uses a pinhole type diffusion control layer.

しかし、現実の酸素濃度センサの使用環境は温度及び圧
力が共に変化することが一般的であり、その何れか一方
が安定していることは極めて稀なケースである。従って
、何れのタイプの酸素潤度センサを選択しようとも、実
際には酸素潤度センサによる酸素)関度の検出結果には
温度あるいは圧力の変化に起因する測定誤差が含まれる
ことになり、測定精度が低いという問題があった。特に
、温度及び圧力が広範囲にわたって変化す゛る環境下、
例えば内燃機関の排気中で酸素温度センサを使用する際
には大きな問題となる。これに対処するため、例えば内
燃機関の排気中の酸素潤度を測定するために、多孔質型
拡散律速層を採用する酸素潤度センサの測定結果を排気
温度により補正するなどの構成を付加しているが、装置
構成を大型化、複雑化し、信頼性が低くなり、コストの
高騰を招くなどの新たな問題が発生している。
However, in the actual environment in which the oxygen concentration sensor is used, both temperature and pressure generally change, and it is extremely rare for either of them to be stable. Therefore, no matter which type of oxygen humidity sensor is selected, the actual results of the oxygen humidity detection by the oxygen humidity sensor will include measurement errors due to changes in temperature or pressure. There was a problem with low accuracy. Especially in environments where temperature and pressure vary over a wide range,
For example, this poses a major problem when using an oxygen temperature sensor in the exhaust gas of an internal combustion engine. To deal with this, for example, in order to measure the oxygen moisture content in the exhaust gas of an internal combustion engine, we have added a configuration that corrects the measurement results of an oxygen moisture sensor that uses a porous diffusion control layer based on the exhaust temperature. However, new problems have arisen, such as increasing the size and complexity of the device configuration, lowering reliability, and increasing costs.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
測定精度が使用環境の温度及び圧力に依存することなく
、如何なる過酷な環境の下でも高い測定精度により酸素
潤度の測定が可能である優れた酸素潤度センサを提供す
ることを目的としている。
The present invention was made to solve the above problems, and
It is an object of the present invention to provide an excellent oxygen moisture sensor whose measurement accuracy does not depend on the temperature and pressure of the environment in which it is used, and which can measure oxygen moisture with high measurement accuracy even under any harsh environment.

[課題を解決するための手段] 前記目的を達するためになされた本発明の酸素潤度セン
サの構成は、 イオン伝導性の固体電解質に所定電圧を印加し、゛その
陰極側電極部位に存在する酸素分子をイオン化すると共
に当該酸素イオンを陽極側電極に移動させ、その移動に
よるイオン電流を測定することで気体の酸素分圧比を測
定する酸素分圧測定部と、該酸素分圧測定部の陰極側に
設けられ、前記陰、極側電極部位への酸素分子の拡散律
速を所定値に制限する拡散律速層部と、 を有する酸素潤度センサにおいて、 前記拡散律速層部が、分子拡散が支配的であるピンホー
ル律速層とクヌーセン拡散が支配的である多孔質律速層
とを積層してなり、該ピンホール律速層と多孔質律速層
との拡散律速の合成より前記所定値の拡散律速としたこ
とをその要旨としている。
[Means for Solving the Problems] The configuration of the oxygen moisture sensor of the present invention, which has been made to achieve the above object, is as follows: A predetermined voltage is applied to an ion-conducting solid electrolyte, An oxygen partial pressure measuring section that measures the oxygen partial pressure ratio of the gas by ionizing oxygen molecules and moving the oxygen ions to the anode side electrode and measuring the ion current caused by the movement, and a cathode of the oxygen partial pressure measuring section. an oxygen moisture sensor comprising: a diffusion-limiting layer section provided on the side and limiting the rate-limiting diffusion of oxygen molecules to the negative and electrode side electrode portions to a predetermined value; The diffusion-limiting layer is composed of a pinhole-limiting layer in which Knudsen diffusion is dominant, and a porous control layer in which Knudsen diffusion is dominant. The gist is what was done.

[作用コ 本発明の酸素)温度センサは、酸素イオン電流を測定す
ることで気体の酸素分圧比を測定する酸素分圧測定部に
対して、分子拡散による拡散律速作用を奏するピンホー
ル律速層とクヌーセン拡散による拡散律速作用を奏する
多孔質律速層とを積層し、各層の拡散律速の合成より所
定値の拡散律速とした拡散律速層部が設けられている。
[Function] The oxygen temperature sensor of the present invention has a pinhole rate-limiting layer that exerts a diffusion rate-limiting effect due to molecular diffusion for the oxygen partial pressure measuring section that measures the oxygen partial pressure ratio of gas by measuring the oxygen ion current. A diffusion-limiting layer section is provided in which a porous rate-limiting layer exhibiting a diffusion-limiting effect due to Knudsen diffusion is laminated, and the diffusion rate is set to a predetermined value by combining the diffusion rate-limiting effects of each layer.

すなわち、この二種の拡散律速層を積層して構成される
拡散律速層部は、巨視的には、酸素分圧測定部への酸素
分子の拡散律速を所定値に決定する作用をなす。また微
視的には、分子拡散による拡散律速作用を奏するピンホ
ール律速層により酸素分子拡散の圧力依存性を遮蔽し、
クヌーセン拡散による拡散律速作用を奏する多孔質律速
層により酸素分子拡散の温度依存性を遮蔽し、酸素分圧
測定部への酸素分子の拡散律速を温度及び圧力に対−し
て無関係の安定したものとする作用をなす。
That is, macroscopically, the diffusion-limiting layer section formed by stacking these two types of diffusion-limiting layers functions to determine the rate-limiting rate of diffusion of oxygen molecules into the oxygen partial pressure measuring section to a predetermined value. Microscopically, the pressure dependence of oxygen molecule diffusion is shielded by a pinhole rate-limiting layer that acts as a diffusion rate-limiting layer due to molecular diffusion.
The temperature dependence of oxygen molecule diffusion is shielded by a porous rate-limiting layer that exerts a diffusion rate-limiting effect due to Knudsen diffusion, and the rate-limiting rate of diffusion of oxygen molecules to the oxygen partial pressure measuring section is made stable and independent of temperature and pressure. It has the effect of

従って、本発明における拡散律速部を構成するビンボー
ル律速層の孔径は、酸素分子に対して自由空間となる十
分大きな径を有し、かつ所望の拡散律速を実現するため
に1011mから1mmの範囲であることが望ましい。
Therefore, the pore diameter of the bottle ball regulating layer constituting the diffusion regulating section in the present invention is large enough to provide a free space for oxygen molecules, and is within the range of 1011 m to 1 mm in order to achieve the desired diffusion regulation. It is desirable that there be.

より詳述するならば、ピンホール律速層による拡散速度
の温度依存性を小さくするためには、第1図に示すごと
く口径は可能な限り小さい方がよい。よって、その最小
径は製造上の制約により約10μmとなり、最大径は1
0011m程度となる。そして、この範囲内の口径の孔
長を変更することで、拡散律速を所望の値に調整するの
である。孔の断面積をS [mm2]、孔長をQ [m
m]としたとき、これらの比S/Qと出力電流との関係
は、第2図に示すように比例関係にある。従って、出力
電流を所望の値としかつセンサの応答性などの面より、
S/Qは0.15〜0.30[mm]であることが好ま
しい。
More specifically, in order to reduce the temperature dependence of the diffusion rate due to the pinhole rate-controlling layer, the diameter should be as small as possible, as shown in FIG. Therefore, its minimum diameter is approximately 10 μm due to manufacturing constraints, and its maximum diameter is 1
It will be about 0011m. Then, by changing the length of the hole with a diameter within this range, the diffusion control rate is adjusted to a desired value. The cross-sectional area of the hole is S [mm2], and the hole length is Q [m
m], the relationship between these ratios S/Q and the output current is proportional as shown in FIG. Therefore, from the viewpoint of setting the output current to the desired value and the responsiveness of the sensor,
It is preferable that S/Q is 0.15 to 0.30 [mm].

更に、酸素)温度センサの電極面積に応じてピンホール
律速層のピンホールの穿段数を変更することが望ましく
、面積10…m2から50 mm”の範囲に1つのピン
ホールを穿設することが好ましい。
Furthermore, it is desirable to change the number of pinholes in the pinhole control layer according to the electrode area of the oxygen/temperature sensor, and it is preferable to drill one pinhole in an area ranging from 10 m2 to 50 mm. preferable.

本発明における拡散律速部を構成する他方の多孔質律速
層は、酸素分子のクヌーセン拡散を支配的とするため、
その細孔径は0.01μmから1μmの範囲が適当であ
る。そして、所望の拡散律速を得るために、多孔質律速
層の厚さにより拡散律速を調整することが出力電流のば
らつきを抑制する面より好ましく、所望の値の出力電流
(例えば、20mA〜40rnA程度)とするためには
、多孔質律速層の気孔率をP[%]、厚さをQ [mm
]としたときP/Qを100〜1000程度とすること
が望ましい。
The other porous rate-limiting layer constituting the diffusion rate-limiting part in the present invention is dominated by Knudsen diffusion of oxygen molecules;
The pore diameter is suitably in the range of 0.01 μm to 1 μm. In order to obtain the desired diffusion rate control, it is preferable to adjust the diffusion rate control by the thickness of the porous rate control layer from the viewpoint of suppressing variations in the output current. ), the porosity of the porous rate-controlling layer should be P [%], and the thickness should be Q [mm
], it is desirable that P/Q is about 100 to 1000.

また、上記ヒ:ンホール律速層の拡散律速層と多孔質律
速層との積層は、過密多孔質律速層をプラズマ溶射によ
り形成するために、多孔質律速層を酸素濃度センサの外
側となるように配置することが好ましい。
In addition, in order to form a dense porous control layer by plasma spraying, the lamination of the diffusion control layer and the porous control layer of the hole control layer is performed so that the porous control layer is placed outside the oxygen concentration sensor. It is preferable to arrange.

更に、ピンホール律速層による拡散律速と多孔質律速層
による拡散律速の合成により目的としている拡散律速を
得るのであるが、それぞれの拡散律速作用により圧力あ
るいは温度の依存性を遮蔽しているため、ピンボール律
速層及び多孔質律速層のそれぞれが同程度の拡散律速作
用を奏することが好ましくい。従って、−船釣には最終
的目的としている拡散律速を「100」としたとき、ピ
ンホール律速層及び多孔質律速層のそれぞれの拡散律速
は「50±20」が好ましい。しかし、本実施例の酸素
温度センサが使用される環境により、温度あるいは圧力
の何れの影響をより強く受けるかを配慮して、上記拡散
律速の分担割合は適宜変更してもよい。
Furthermore, the desired diffusion control is obtained by combining the diffusion control by the pinhole control layer and the diffusion control by the porous control layer, but the dependence on pressure or temperature is shielded by the respective diffusion control effects. It is preferable that each of the pinball rate-limiting layer and the porous rate-limiting layer exhibits the same degree of diffusion rate-limiting effect. Therefore, for boat fishing, when the final target diffusion rate is ``100'', the diffusion rate of each of the pinhole rate-limiting layer and the porous rate-limiting layer is preferably ``50±20''. However, depending on the environment in which the oxygen temperature sensor of this embodiment is used, the proportion of diffusion control may be changed as appropriate, taking into consideration which of the temperature and pressure is more strongly affected.

なお、本発明の酸素潤度センサにおいて使用される固体
電解質は、イオン伝導性を有するものならば何れの物質
であっても適用することができ、例えばジルコイア、イ
・ントリアなどがある。
Note that the solid electrolyte used in the oxygen moisture sensor of the present invention may be any material as long as it has ionic conductivity, such as zirconia and ion tria.

以下、本発明をより具体的に説明するために、本発明の
一実施例を図面を参照しつつ説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to explain the present invention more specifically, one embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[実施例コ 第3図は、本発明の実施例である酸素潤度センサ10の
断面図である。
[Example 3] FIG. 3 is a sectional view of an oxygen humidity sensor 10 which is an example of the present invention.

本実施例では、イオン伝導性の固体電解質として6mm
X50mm、厚さ0. 2mmのジルコニアシート12
を用いている。このジルコニアシート両面の対向する位
置に3mmX 15mmの面積にわたり白金電極14を
形成し、測定部16が製作される。
In this example, the ion conductive solid electrolyte is 6 mm.
X50mm, thickness 0. 2mm zirconia sheet 12
is used. Platinum electrodes 14 are formed over an area of 3 mm x 15 mm at opposing positions on both surfaces of this zirconia sheet, and a measuring section 16 is manufactured.

ジルコニアシート12に形成された白金電極14の陰極
側(図面の上側)に接着される板材1日は、固体電解質
と同一材質の厚さ0. 5mmの板材であり、白金電極
14が形成される測定部16のみを露出させる測定窓1
8aが穿設されている。この板材18上には、6 mm
X 45 mm、厚さ0. 5mmの固定電解質と同一
材質より形成されるピンホール板20が接着されるが、
測定部16の中心軸上となるピンホール板20の位置に
は予めレーザー加工によりφ0.05mmのピンホール
20aが穿孔されている。
The plate material to be bonded to the cathode side (upper side of the drawing) of the platinum electrode 14 formed on the zirconia sheet 12 is made of the same material as the solid electrolyte and has a thickness of 0.5 mm. The measurement window 1 is a plate material of 5 mm and exposes only the measurement part 16 where the platinum electrode 14 is formed.
8a is bored. On this plate material 18, 6 mm
X 45 mm, thickness 0. A pinhole plate 20 made of the same material as the 5 mm fixed electrolyte is glued,
A pinhole 20a having a diameter of 0.05 mm is pre-drilled at a position on the pinhole plate 20 on the central axis of the measuring section 16 by laser processing.

すなわち、上記板材1日及びピンホール板20により、
測定部1Gの陰極側に測定空間22が形成され、ここに
酸素分子が所定拡散律速の下で導入されることになる。
That is, with the plate material 1 day and the pinhole plate 20,
A measurement space 22 is formed on the cathode side of the measurement section 1G, into which oxygen molecules are introduced under a predetermined diffusion rate.

更に、ピンホール板20のピンホール20aが穿孔され
る位置を中心として、多孔質層24が接合される。ここ
で、多孔質層24とは、平均の細孔径0.5μm、  
6mmX 20mm、厚さ0. 2mmのスピネル溶射
層である多孔質体である。
Furthermore, the porous layer 24 is joined around the position where the pinhole 20a of the pinhole plate 20 is bored. Here, the porous layer 24 has an average pore diameter of 0.5 μm,
6mm x 20mm, thickness 0. It is a porous body with a 2 mm spinel sprayed layer.

なお、ジルコニアシート12の他方面、すなわち白金電
極14の陽極側には、測定部16を介して移動した酸素
分子を放出するためのダクト26が形成されている。
Note that a duct 26 is formed on the other surface of the zirconia sheet 12, that is, on the anode side of the platinum electrode 14, for releasing oxygen molecules that have moved through the measurement section 16.

以上のように構成される本実施例の測定空間22へ拡散
してくる酸素分子の律速状況は、測定空間22上に設け
られた2種の拡散律速層であるピンホール板20及び多
孔質JW24により、第4図に示すようになる。
The rate-determining conditions for oxygen molecules diffusing into the measurement space 22 of this embodiment configured as described above are determined by the two types of diffusion rate-determining layers provided above the measurement space 22: the pinhole plate 20 and the porous JW 24. The result is as shown in FIG.

すなわち、2種の拡散律速層の合成によ−り目的として
いる値にまで出力電流Iを制限するのであるが、多孔質
層24による酸素分子の拡散律速とピンホール板20に
穿孔されたピンボール20aによる拡散律速との関係は
、僅かにピンホール20aによる拡散制限が大きく設計
されている。具体的には、目的としている拡散律速に対
して、多孔質層24の律速比率は40%、ピンホール2
0aによる律速比率は60%、である。
In other words, the output current I is limited to the desired value by combining two types of diffusion control layers. The relationship between the ball 20a and the diffusion rate limitation is designed so that the pinhole 20a has a slightly larger diffusion restriction. Specifically, the rate-determining ratio of the porous layer 24 is 40% with respect to the target rate-determining rate of diffusion, and the rate-determining ratio of the porous layer 24 is 40%.
The rate-determining ratio due to 0a is 60%.

この様に、分子拡散が支配的な拡散律速層であるピンホ
ール20aとクヌーセン拡散が支配的な拡散律速層であ
る多孔質層24とを備える本実施例の酸素潤度センサ1
0の温度依存性、圧力依存性の測定結果を第5図、第7
図に示す。
In this way, the oxygen moisture sensor 1 of this embodiment includes the pinhole 20a, which is a diffusion-limiting layer in which molecular diffusion is dominant, and the porous layer 24, which is a diffusion-limiting layer in which Knudsen diffusion is dominant.
The measurement results of temperature dependence and pressure dependence of 0 are shown in Figures 5 and 7.
As shown in the figure.

第5図は温度依存性の実験結果であり、本実施例の酸素
潤度センサ10を、酸素潤度10%、圧力30kPaの
気体中において、出力型tm Iが平坦となる限界電流
が得られる一定電圧0.7[v]を印加し続け、その雰
囲気温度を600 [’ C]から750 [’ C]
まで変化させ、50 [’ CF毎にその限界電流I[
mA]を測定した結果である。
FIG. 5 shows the experimental results of temperature dependence. When the oxygen humidity sensor 10 of this embodiment is placed in a gas with an oxygen humidity of 10% and a pressure of 30 kPa, a limiting current at which the output type tm I becomes flat can be obtained. Continue to apply a constant voltage of 0.7 [V], and increase the ambient temperature from 600 [' C] to 750 [' C]
For every 50[' CF, the limiting current I[
mA].

図示するごとく、本実施例の酸素)関度センサ10の限
界電流は、150[’C]にわたる広範囲の温度変化に
対しても極めて安定していることが分かる。
As shown in the figure, it can be seen that the limiting current of the oxygen-related sensor 10 of this example is extremely stable even over a wide range of temperature changes over 150['C].

この限界電流の安定性を従来のi!1素)関度センサの
それと比較とするため、実施例の酸素潤度センサ10と
比べて拡散律速層の構造のみを異にする2つの酸素潤度
センサを製作して同様の実験を行った結果を第6図に示
している。温度変化に対して安定した特性を示している
ものは、拡散律速層として多孔質層のみを用いた酸素潤
度センサである。また、温度の上昇に伴って限界電流値
が直線′的に変化しているものは、拡散律速層としてピ
ンホールのみを用いた酸素潤度センサである。
The stability of this limiting current is compared to the conventional i! 1) In order to compare with that of the oxygen moisture sensor, two oxygen moisture sensors were fabricated that differed only in the structure of the diffusion control layer compared to the oxygen moisture sensor 10 of the example, and similar experiments were conducted. The results are shown in Figure 6. An oxygen moisture sensor that uses only a porous layer as a diffusion-limiting layer exhibits stable characteristics against temperature changes. Furthermore, the oxygen humidity sensor that uses only a pinhole as the diffusion control layer has a limiting current value that changes linearly as the temperature rises.

上記第5図及び第6図を対比しても、本実施例の酸素濃
度センサ10は、多孔質層24の作用により限界電流の
温度依存性が遮断されていることが理解される。
Comparing FIGS. 5 and 6 above, it can be seen that in the oxygen concentration sensor 10 of this embodiment, the temperature dependence of the limiting current is blocked by the action of the porous layer 24.

次に、第7図の圧力依存性の実験結果につき説明する。Next, the experimental results of the pressure dependence shown in FIG. 7 will be explained.

この実験では、実施例の酸素濶度センサ10に第6図の
実験と同様の一定電圧0.7[v]を印加し、大気雰囲
気の中でかつ温度を700[°C]一定に保ったまま、
圧力を10[kPaコから100[kPa]まで変化さ
せたときの限界電流の変化を測定している。
In this experiment, a constant voltage of 0.7 [V] similar to the experiment shown in Fig. 6 was applied to the oxygen concentration sensor 10 of the example, and the temperature was kept constant at 700 [°C] in an atmospheric atmosphere. Mama,
The change in limiting current is measured when the pressure is changed from 10 [kPa] to 100 [kPa].

第7図に示すように、圧力が1相異なるほどの大きな変
化をするときも、本実施例の酸素濃度センサ10の限界
電流は極めて安定しており、はぼ一定とみなすことがで
きる。
As shown in FIG. 7, even when the pressure changes so greatly that it differs by one phase, the limiting current of the oxygen concentration sensor 10 of this embodiment is extremely stable and can be considered almost constant.

前出の比較のために製作した2種の#素)震度センサに
ついて、同様の実験を行った結果を第8図に示している
。図示するように、ピンホールの拡散律速層を有する酸
素濃度センサは、圧力依存性がなく本実施例同様に安定
した限界電流値を示している。しかし、温度依存性の無
かった多孔質層の拡散律速層を有する酸素濃度センサで
は、圧力の上昇に比例して限界電流値が上昇する強い圧
力依存性を示している。
Figure 8 shows the results of a similar experiment conducted on the two types of seismic intensity sensors manufactured for comparison. As shown in the figure, the oxygen concentration sensor having a pinhole diffusion control layer has no pressure dependence and exhibits a stable limiting current value as in this example. However, an oxygen concentration sensor having a diffusion-limiting layer made of a porous layer, which had no temperature dependence, shows a strong pressure dependence in which the limiting current value increases in proportion to the increase in pressure.

以上、実施例の酸素濃度センサ10についての温度依存
性及び圧力依存性に関する実験結果より次の効果が明ら
かである。
As described above, the following effects are clear from the experimental results regarding the temperature dependence and pressure dependence of the oxygen concentration sensor 10 of the embodiment.

本実施例の酸素濃度センサ10は、ピンホール20a及
び多孔質層24を積層して酸素分子の拡散律速を行うも
のである。従って、温度及び圧力の変化に対して極めて
高い安定性を示し、過酷な環境下においても高精度に酸
素濃度の検出を行うことができ、汎用性が大幅に向上す
る。
The oxygen concentration sensor 10 of this embodiment has a pinhole 20a and a porous layer 24 laminated to control the rate of diffusion of oxygen molecules. Therefore, it exhibits extremely high stability against changes in temperature and pressure, and can detect oxygen concentration with high accuracy even under harsh environments, greatly improving its versatility.

また、温度あるいは圧力が変化に応じて本実施例の酸素
)震度センサ10の検出結果を補正する必要がなく、酸
素濃度の検出装置が簡略化、小型化、軽量化され、コス
トを削減することができる。
Further, there is no need to correct the detection results of the oxygen/seismic intensity sensor 10 of this embodiment according to changes in temperature or pressure, and the oxygen concentration detection device is simplified, smaller, and lighter, and costs are reduced. Can be done.

なお、上記実施例ではジルコニアシートの積層′型セン
サについて説明したが、本発明の構成は上記実施例に限
定されることはなく、例えばバルク型のセンサとして構
成しても同様な効果が得られることは明らかである。
Although the above embodiment describes a laminated zirconia sheet type sensor, the structure of the present invention is not limited to the above embodiment, and similar effects can be obtained by configuring it as a bulk type sensor, for example. That is clear.

[発明の効果コ 以上説明したように本発明の酸素濃度センサによれば、
拡散律速層部を分子拡散が支配的であるピンホール律速
層とクヌーセン拡散が支配的である多孔質律速層とを積
層して構成される。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the oxygen concentration sensor of the present invention,
The diffusion-controlling layer portion is constructed by laminating a pinhole-controlling layer in which molecular diffusion is predominant and a porous control layer in which Knudsen diffusion is predominant.

従って、各拡散律速層の特長である温度依存性の遮蔽及
び圧力依存性の遮蔽作用を兼ね備える酸素)震度センサ
となる。このため、測定精度が使用環境の温度及び圧力
に依存することなく、如何なる過酷な環境の下でも高い
測定精度により酸素濃度の測定が可能となる。すなわち
、温度あるいは圧力の変化に応じて酸素濃度センサの検
出結果を補正する必要がなく、酸素濃度の検出装置が簡
略化、小型化、軽量化され、コストを削減することがで
き、かつ汎用性が大幅に向上する。
Therefore, it becomes an oxygen/seismic intensity sensor that has both the temperature-dependent shielding and pressure-dependent shielding functions that are the features of each diffusion control layer. Therefore, the measurement accuracy does not depend on the temperature and pressure of the usage environment, and oxygen concentration can be measured with high measurement accuracy even under any harsh environment. In other words, there is no need to correct the detection results of the oxygen concentration sensor according to changes in temperature or pressure, and the oxygen concentration detection device is simplified, smaller, and lighter, reducing costs and increasing versatility. is significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はピンホール径と温度依存性の説明図、第2図は
ピンホール径面積とピンホール長の比と出力電流との関
係説明図、第3図は実施例の酸素濃度センサの断面図、
第4図は同実施例の出力特性図、第5図は同実施例の温
度依存性特性図、第6図は従来例による温度依存性特性
図、第7図は上記実施例の圧力依存性特性図、第8図は
従来例による圧力依存性特性図、第9図は酸素濃度セン
サの基本的な構成説明図、第10図は酸素濃度センサの
基本的な出力特性図、を示している。 10・・・酸素濃度センサ 12・・・ジルコニアシー
ト14・・・白金電極    16・・・測定部18・
・・板材      20・・・ピンホール仮20a・
・・ピンホール  22・・・測定空間24・・・多孔
質層24 代理人 弁理士  定立 勉 (ほか2名)第1図 第2図 S/I(mm) 第7図 圧力(KPal 圧力(KPal 第3図 第4図 第5図 印加電圧(V) 温度(℃) V。 印加電圧■
Fig. 1 is an explanatory diagram of the pinhole diameter and temperature dependence, Fig. 2 is an explanatory diagram of the relationship between the ratio of pinhole diameter area and pinhole length, and output current, and Fig. 3 is a cross section of the oxygen concentration sensor of the example. figure,
Fig. 4 is an output characteristic diagram of the same embodiment, Fig. 5 is a temperature dependence characteristic diagram of the same embodiment, Fig. 6 is a temperature dependence characteristic diagram of the conventional example, and Fig. 7 is a pressure dependence diagram of the above embodiment. FIG. 8 shows a pressure dependence characteristic diagram according to a conventional example, FIG. 9 shows a basic configuration diagram of an oxygen concentration sensor, and FIG. 10 shows a basic output characteristic diagram of an oxygen concentration sensor. . 10... Oxygen concentration sensor 12... Zirconia sheet 14... Platinum electrode 16... Measuring section 18.
... Plate material 20 ... Pinhole temporary 20a.
...Pinhole 22...Measurement space 24...Porous layer 24 Agent: Patent attorney Tsutomu Sadate (and 2 others) Fig. 1 Fig. 2 S/I (mm) Fig. 7 Pressure (KPal Pressure (KPal) Figure 3 Figure 4 Figure 5 Applied voltage (V) Temperature (℃) V. Applied voltage■

Claims (1)

【特許請求の範囲】  イオン伝導性の固体電解質に所定電圧を印加し、その
陰極側電極部位に存在する酸素分子をイオン化すると共
に当該酸素イオンを陽極側電極に移動させ、その移動に
よるイオン電流を測定することで気体の酸素分圧比を測
定する酸素分圧測定部と、該酸素分圧測定部の陰極側に
設けられ、前記陰極側電極部位への酸素分子の拡散律速
を所定値に制限する拡散律速層部と、 を有する酸素濃度センサにおいて、 前記拡散律速層部が、分子拡散が支配的であるピンホー
ル律速層とクヌーセン拡散が支配的である多孔質律速層
とを積層してなり、該ピンホール律速層と多孔質律速層
との拡散律速の合成より前記所定値の拡散律速としたこ
とを特徴とする酸素濃度センサ。
[Claims] A predetermined voltage is applied to an ion-conducting solid electrolyte to ionize oxygen molecules existing at the cathode side electrode, and at the same time move the oxygen ions to the anode side electrode, and generate an ionic current due to the movement. an oxygen partial pressure measuring section that measures the oxygen partial pressure ratio of gas by measuring; and an oxygen partial pressure measuring section that is provided on the cathode side of the oxygen partial pressure measuring section and limits the diffusion rate of oxygen molecules to the cathode side electrode site to a predetermined value. an oxygen concentration sensor having a diffusion-limiting layer section, wherein the diffusion-limiting layer section is formed by laminating a pinhole regulating layer in which molecular diffusion is predominant and a porous regulating layer in which Knudsen diffusion is predominant; An oxygen concentration sensor characterized in that the diffusion-limiting rate is set to the predetermined value by combining the diffusion-limiting rates of the pinhole rate-limiting layer and the porous rate-limiting layer.
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