JPH02203265A - 限界電流式酸素センサ - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は電圧−電流特性のフラット域により酸素濃度を
検出する限界電流式酸素センサに関し、特にその製造工
程の簡略化に有効な構造の限界電流式酸素センサに関す
る。

［従来の技術］ 第３図は従来の限界電流式酸素センサを示す断面図であ
る。板状のイオン電導体１には、その中央に表面から裏
面に貫通する気体拡散孔２が設けられており、その表面
及び裏面には夫々多孔質白金電極３．４が形成されてい
る。そして、底部が開口した箱形状のセラミックス製封
止部材５がイオン電導体１の表面上に電極３を取り囲む
ようにして配設されている。この封止部材５は非晶質ガ
ラス６によりイオン電導体１の表面上に気密を保持する
ように固着されており、これにより電極３は封止部材５
によって囲まれた空間内に封止されている。イオン電導
体１の表面上の電極３はり−ド７を介して電源の負極性
端子に接続され、裏面上の電極４はリード７を介して正
極性端子に接続されている。

このような構造を有する酸素センサを酸素濃度を測定せ
んとする雰囲気内に置き、電極３と電極４との間に電極
３が負極とな′る様に電圧を印加する。そうすると、電
極３の表面にて酸素の解離（イオン化）反応が生じて周
辺の酸素ガスが消費され、電極４の表面にて酸素イオン
の結合（分子化）反応が生じ、酸素イオンが電極３から
ｔｆｌ！４に向けてイオン電導体１内を移動する。封止
部材５により囲まれた空間内には気体拡散孔２を介して
酸素ガスが補給される。

そして、第５図に横軸に電圧をとり、縦軸に電流をとっ
て、酸素濃度が２１％の場合の電圧−電流特性の例を示
すように、印加電圧の上昇と共に電流が上昇していくが
、電圧のある領域で、電流のフラット域が観測される。

これは封止部材５に囲まれた空間内への空気の流入が気
体拡散孔２により制約を受けるために生じるものであっ
て、このフラット域の電流値（以下、限界電流という）
は測定雰囲気の酸素濃度によって異なる。従って、この
限界電流値と酸素濃度との関係を予め求めておけば、酸
素濃度を測定すべき雰囲気に酸素センサを置いた後、そ
の限界電流値を測定することにより酸素濃度を知ること
ができる。

上述の如く限界電流式酸素センサにおいては、カソード
電極の周囲に気体拡散孔２によってのみ外界と接触する
密閉空間を形成する必要がある。

第４図は従来の他の限界電流式酸素センサを示す断面図
である。この従来技術は前述の密閉空間の形成態様が第
３図に示すものと異なる。即ち、イオン電導体１の表面
上に電極３を覆うように１７てＡｌ２Ｏ，又はＺｒＯ２
３Ｙ２０９等の多孔質の材料で中間層８を印刷形成し、
この中間層８を囲むようにしてガラスからなる封止部材
９を印刷形成する。これにより、電極３の周囲は多孔質
の中間層８内に存在する状態で空気が覆うことになる。

この酸素センサも第３図に示す酸素センサと同様の機能
を有する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第３図に示す酸素センサは、その構造上
製造工程の工数が多く、製造コストが高いという難点が
ある。また、封止部材５をイオン電導体１上に接着固定
する構造を有するため、小型化し難いという欠点もある
。

一方、第４図に示す酸素センサは、中間層８を形成する
ために例えばＡ、＆２０．の印刷工程が必要であり、同
様に工数が多いという難点がある。

また、中間層８が存在するとその構造体が厚くなるため
、次工程で封止部材９を形成するためのガラス印刷が困
難となる。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
構造が簡素であって製造工数が少なく、製造コストが低
いと共に、印刷等も支障な〈実施でき、製造工程の円滑
化が可能な構造を有する限界電流式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］ 本発明に係る限界電流式酸素センサは、その第１面から
第２面側に貫通する気体拡散孔を有するイオン電導体と
、このイオン電導体の第１面及び第２面に夫々設けられ
た第１及び第２の多孔質電極と、この第１の多孔質電極
よりも熱膨張係数が大きい材料を前記第１の多孔質電極
上に被覆被着して形成された封止部と、を有し、前記第
１の多孔質電極を負極、前記第２の多孔質電極を正極と
して両者間に電圧を印加することを特徴とする。

［作用］ 本発明においては、第１の多孔質電極上にこの第１の多
孔質電極よりも熱膨張係数が大きい材料を被覆被着する
ことにより、前記第１の多孔質電極を覆う封止部を形成
しである。

この場合に、前述の熱膨張係数の差により、この酸素セ
ンサを例えば４５０°Ｃに加熱してセンシング１７た場
合には、封止部と第１の多孔質電極の表面との間には微
小な空間が形成される。この微小空間は限界電流式酸素
センサの動作上必要な密閉空間となるものであり、第１
の多孔質電極を負極、第２の多孔質電極を正極として、
両者間に電圧を印加することにより、得られた電圧−電
流特性にはフラット域が現れ、その限界電流により酸素
濃度を測定することができる。上述の構造の酸素センサ
は少ない工数で、且つ円滑に製造することができるので
、製造コストが低いと共に、小型化が容易である。

［実施例］ 次に、本発明の実施例について添付の図面を参照して説
明する。

第１図は本発明の実施例に係る限界電流式酸素センサを
示す断面図である。

固体電解質１０は板状をなし、その略中夫には気体拡散
孔１１がその厚さ方向に穿設されている。

そして、固体電解質１０の表面にはカソードとなる白金
多孔質電極１２が形成されており、裏面にはアノードと
なる白金多孔質電極１３が形成されている。固体電解質
１０は、例えば安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコ
ニアによりつくることができるが、これらの材料に限ら
ず酸素イオン透過性を有するものがあれば種々使用可能
である。

この固体電解質１０の表面上には、白金電極１２を被覆
するようにしてガラスからなる封止部１４が形成されて
いる。封止部１４はその熱膨張係数が白金多孔質電極１
２よりも大きなガラス材料で形成されている０例えば、
多孔質白金の熱膨張係数が約９０ｘｌＯ−’　／”Ｃで
あるから、封止部１４は９９Ｘ１０−７／”Ｃの熱膨張
係数を有するＡＳＦ−７０１（商品名；旭ガラス■製）
ガラスを使用して形成することができる。

なお、リード１５は白金多孔質電極１２に電気的に接続
されており、ガラス封止部１４内を挿通して外部に導出
され、電源（図示せず）の負極性端子に接続されている
。また、白金多孔買電＠１３にもリード１６が電気的に
接続されており、前記電源の正極性端子に接続されてい
る。

上述のＩｉ造の酸素センサは以下のようにして製造する
ことができる。先ず、安定化ジルコニア等の固体電解質
１０に気体拡散孔１１を形成した後、固体電解質１０の
表裏両面に白金多孔質電極１２１３を形成する。そして
、電極１２を覆うようにして、固体電解質１０の表面上
に封止ガラスを塗工する。次いで、この封止ガラスを約
９００°Ｃで焼成する。これにより、第１図に示すよう
に、ガラスからなる封止部１４が室温において電極１２
の表面と接触している酸素センサが得られる。

次に、上述の如く構成された酸素センサの動作について
説明する。先ず、この酸素センサを測定雰囲気におき、
適宜の加熱手段により酸素センサを例えば４５０°Ｃに
加熱してセンシング処理する。

そうすると、第２図に示すように、ガラスからなる封止
部１４の熱膨張係数が多孔質白金電極１２の熱膨張係数
よりも大きいので、封止部１４と白ｆＬ電極１２との間
に微小な空間１７が形成される。

このセンシング処理により、本実施例の酸素センサは、
構造的には、厚さが薄い点を除いて、第３図に示す従来
の酸素センサと同様のものになる。

従って、電極１２が負極性になるように、電極１２と電
極１３との間に電圧を印加すると、酸素イオンが固体電
解質１０内を電極１２から電極１３に向けて移動し、電
極１２．１３間に電流が流れる。この場合に、封止部１
４と電極１２との間の微小空間１７内の空気中の酸素が
電極１２の表面でイオン化して消耗するが、酸素ガスは
多孔質の白金電極１２．１３内を透過すると共に、気体
拡散孔１１を通過することによって、測定雰囲気から前
記微小空間１７内に補給される。従って、前述の第５図
に示すように、電圧の上昇により酸素のイオン化反応が
進行し、流れる電流も上昇する。

そして、更に電圧を上昇させると、気体拡散孔１１を通
じての酸素ガスの補給が不足するようになり、電圧を上
昇させても電流が一定値のままとなる。このフラット域
の限界電流を測定することにより、測定雰囲気の酸素ガ
ス濃度を求めることができる。

本実施例の酸素センサは、電極上にガラスを直接塗工し
、これを焼成することにより製造できるので、従来のよ
うにセラミックス製封止部材を固体電解買上に接着した
り、又は八（２０３中間層を印刷したりする工程が不要
であるため、工数が少なく、製造が容易である。従って
、製造コストも低い。また、本実施例の酸素センサはガ
ラスを電極上に直接塗工してこれを封止部とするから、
厚さを薄くすることができ、容易に小型化できる。

なお、本発明は上述の実施例に限定されないことは勿論
である０例えば、固体電解質の形状、並びに電極の構成
材料、形状及び形成方法は上記実施例に限定されるもの
ではなく種々変更が可能である。また、封止部の構成材
料もガラスに限らず、熱膨張係数が電極材料よりも大き
く、ガスを透過しないものであればよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、電極上にガラス等を被覆被着して形成
された封止部を有し、センシング時に熱膨張係数の差を
利用して電極と封止部との間に空間を形成するようにし
たから、構造が簡素で製造が容易であると共に、前記空
間を高再現性で形成することができ、量産性が優れてい
る。また、電極上に封止部材料を直接被覆するので、厚
さが薄いため、製造工程上、支障となるものはなく、円
滑に製造できると共に、酸素センサを著しく小型化する
ことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の実施例に係る酸素センサを示す断面図
、第２図は同じくその動作状態を示す断面図、第３図は
従来の酸素センサを示す断面図、第４図は従来の他の酸
素センサを示す断面図、第５図は電圧−電流特性を示す
グラフ図である。 １０：固体電解質、１１；気体拡散孔、１２゜１３；白
金多孔質電極、１４；封止部、１５，１６；リード、１
７；空間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）その第１面から第２面側に貫通する気体拡散孔を
   有するイオン電導体と、このイオン電導体の第１面及び
   第２面に夫々設けられた第１及び第２の多孔質電極と、
   この第１の多孔質電極よりも熱膨張係数が大きい材料を
   前記第１の多孔質電極上に被覆被着して形成された封止
   部と、を有し、前記第１の多孔質電極を負極、前記第２
   の多孔質電極を正極として両者間に電圧を印加すること
   を特徴とする限界電流式酸素センサ。
2. （２）前記第１及び第２の多孔質電極は多孔質白金で形
   成されていることを特徴とする請求項１に記載の限界電
   流式酸素センサ。
3. （３）前記イオン電導体は安定化又は部分安定化ジルコ
   ニアであることを特徴とする請求項１に記載の限界電流
   式酸素センサ。