JPH02232555A - 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Ｊ この発明は、燃焼管理、酸欠検知器などに使用される限
界電流式酸素センサに関するものである。

「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６図の分解斜視図、第７図の組立
断面図に示すように、安定化ジルコニアからなる固体電
解質によって形成された酸素イオン導電体１と、この酸
素イオン導電体１の各面に設けられて、所定電圧が印加
される多孔質の電極２Ａ・２Ｂと、前記酸素イオン導電
体ｌの上面に、電極２Ａ・２Ｂのカンード側（２Ａ）を
覆うように配置されて、その中央部に貫通した気体拡散
孔３Ａが形成され、その上面にヒータ３Ｂが配置された
セラミ．ノクキ゜ヤノブ３と、このセラミックキャップ
３と酸素イオン導電体１とを互いに連結する封着ガラス
４とから構成されたものであって、前記酸素イオン導電
体１内では、酸素ボンビ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、このイオン電流の限界
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、セラミソクキャップ３内の気密性を保つために
、封着ガラス４によりセラミック手中ップ３と酸素イオ
ン導電体ｌとを密着させる必要がある。

つまり、封着ガラス４を酸素イオン導電体１上に載せる
際に、その位置合わせを正確に行い、平坦度を一定に保
つ必要があり、また、焼成時に、セラミックキャップ３
上に重りを置くなどして、該セラミックキャップ３と酸
素イオン導電体１とが浮くことを防止する必要がある。

そして、このような封着ガラス４による密着性を得るた
めに、酸素センサの製造工程が複雑化し、その量産化が
妨げられるという不具合があった。

（２）また、前記セラミックキャップ３を酸素イオン導
電体ｌ上に接合した場合には、該セラミックキャップ３
内に位置する電極２Ａと外部の電圧印加回路とをリード
線５により接続することを行っているが、この場合、府
記リード線５は、封着ガラス４を貫通するように配置さ
れているので、この貫通箇所６から外気が入り込んで気
密性が失われることがある。

そして、このような不具合を解決するために、封着ガラ
ス４による封止の後に、符号７で示すようなガラス補強
部を焼成により設けるようにしているが、このような工
程により、上述したように、酸素センサの製造工程が複
雑化しその量産化が妨げられるという問題が生じていた
。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、セラミックキャノブ３を特に使用せずに全体構成の簡
略化を図り、また、上述した不具合の原因となっている
ガラス封着作業を簡単に行って、製造工程を減少させて
、量産化、コストダウンを実現した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、電圧印加回
路に接続されるカソード導通部がその上面に印刷形成さ
れた基板と、この基板上に積層されて、一方側の面に、
カソード導通部に面接触される第１の電極が印刷形成さ
れ、かつ、他方側の面に、前記第１の電極と対をなす第
２の電極が印刷形成された薄厚の酸素イオン導電体ペレ
ットと、この酸素イオン導電体ペレットの第２の電極上
に印刷形成により積層されて、電圧印加回路に接続され
るアノード導通部とを設け、前記基板に、酸素イオン導
電体ペレットの周縁部を封止し、該酸素イオン導電体ペ
レットを基板に固定する封着材を印刷形成し、また、前
記酸素イオン導電体ベレブトの第１の電極と外郎との間
に、外気の取り入れを制限して限界電流を生じさせる気
体拡散孔を形成するようにしている。

「作用」 この発明によれば、酸素イオン導電体ペレットの一方側
の面に第１の電極を、他方側の面に第２の電極をそれぞ
れ印刷形成し、かつ、この酸素イオン導電体ペレットの
第１の電極、第２の電極にそれぞれ面接触されるカソー
ド導通部、アノード導通部をそれぞれ印刷形成によりそ
れぞれ設けるようにしたので、該酸素イオン導電体ペレ
ットを基板上に槍層した状態で、該酸素イオン導電体ペ
レットの周縁部を封着材により基板上に封止した場合に
、この封着材によって、積層された酸素イオン導電体ペ
レットと基板とが接触した面を介して互いに密着される
。

「実施例」 第１図〜第５図を参照して本発明に係る酸素センサの一
実施例を説明する。

この酸素センサは、第１図の正断面図、第２図の平面図
、第３図の分解斜視図に示すように、基板１０と、この
基板１０上に積層されてその平面から視た大きさが該基
板ＩＯと比べて相対的に小さい酸素イオン導電体ペレッ
ト１１と、酸素イオン導電体ペレット１１を基板１０上
に積層状態で固定するための封着ガラス１２とを主な構
成要素とする。

これら構成要素について順番に説明すると、まず、基板
１０は、ジルコニアと線膨張係数が近く、かつ電気絶縁
性に優れるフォルステライト板工３（　２　Ｍ　ｇＯ　
−Ｓ　ｆ　Ｏ　ｔ）と、このフォルステライト板ｌ３の
下面に印刷形成されたヒータとしての回路パターン１４
（第４図（Ａ）参照）と、このフォルステライト板ｌ３
の上面に印刷形成されて、酸素イオン導電体ペレットｌ
１（後述する）に面接触されるカソード導通部１５（第
４図（Ｂ）参照）とから構成されたものであって、前記
ヒータの回路パターン１４の末＄１４Ａ−１４Ｂｒｉ、
第４図（Ａ）ｔ．：示すようにフォルステライト板１３
の突出箇所１３Ａ・１３Ｂに配置されて、図示しないヒ
ータ電圧印加回路に接続され、また、カソード導通部ｌ
５の末端１５Ａは、第４図（Ｂ）に示すように、フオル
ステライト板ｌ３の突出箇所１３Ｇに配置されて、図示
しないセンサ監視電圧印加回路（電圧印加回路）のカソ
ードに接続されるようになっている。

前記基板１０に積層される酸素イオン導電体ペレットｌ
１は、第５図（Ａ）〜第５図（Ｃ）に示すように、安定
化ジルコニア（例えば、Ｚ　ｒＯ　ｔ−８　ｍｏｌ％Ｙ
　．０　３）からなる固体電解質を薄厚に成形した酸素
イオン導電体１６と、この酸素イオン導電体１６の各面
（一方側の面、他方側の面）に対向するように設けられ
て、白金ペーストを塗布することにより形成されたボー
ラスなＩＩ極１７Ａ・１７Ｂとにより構成され、かつ全
体の厚さが約０．２［ｒｎｍ］、直径が５（ｍｍ）とな
るように構成されたものであって、前記電極１７Ａは、
前記カソード導通部Ｉ５に面接触することにより上述し
たセンサ監視電圧印加回路のカソード側に接続され、ま
た、前記電極１７Ｂ上には、第１図〜第３図に示すよう
に、印刷形成によりアノード導通部１８が積層されるよ
うになっている。

なお、このアノード導通部１８は、その末端が突出箇所
１３Ｃの反対側に位置するフォルステライト仮１３上面
の突出箇所Ｉ３Ｄに配置されたものであって、その末端
部を経由してセンサ監視電圧印加回路のアノードに接続
されるようになっている。

そして、このように電極１７Ａ・１７Ｂに対して、セン
サ監視電圧印加回路により一定の電圧が印加されると、
これら電極１７Ａ・１７Ｂ間に位置する酸素イオン導電
体１６に、周辺の酸素濃度に応じた酸素イオンをキャリ
アとするイオン電流が流れるようになっている。

また、酸素イオン導電体ペレット１１の中央部には、こ
れを貫通するように気体拡散孔１１Ａが形成され、この
気体拡敵孔１１Ａにより周辺の外気の取り入れが制限さ
れて、前記イオン電流値にアラットな領域、つまり、限
界電流を生じさせるようになっている。

ここで、酸素の流れを箇単に説明する。酸素濃度を測定
しようとする外気が気体拡散孔１１Ａから取り入れられ
ると、外気に含有される酸素ガスが電極１７Ａを中央か
ら周囲に向けて分散し、その後、該酸素ガスが、イオン
化して酸素イオン導電体１６中を電極１７Ａから電極１
７Ｂの方向に流れ、このとき流れる酸素イオンとしての
キャリアからイオン電流値が測定され、更に、このイオ
ン電流値から、酸素濃度を示す限界電流が測定されるよ
うになっている。

一方、酸素イオン導電体ベレノト１１を基仮１０上に積
層状態で固定する到着ガラス１２は、酸素イオン導電体
ペレット１１の周縁部から外気が流入することを防止す
るためにリング状に印刷形成されたものである。そして
、このような封菅ガラス１２の封止により、これら基板
１０と酸素イオン導電体ペレット１１とが接触した面を
介して互いに密着されるようになっている。

なお、この封着ガラス１２の厚さは、基板１０と酸素イ
オン導電体ペレット１１とが浮かない範囲内で任意に設
定すると良い。

以上説明したように、本実施例に示す酸素センサによれ
ば、酸素イオン導電体ペレット１１の各面に電極１７Ａ
・１７Ｂをそれぞれ印刷形成し、かつ、この酸素イオン
導電体ペレット１１の各電極１７Ａ・１７Ｂにそれぞれ
面接触されるカソード導通部ｌ５、アノード導通部１８
を同じく印刷形成によりそれぞれ設けるようにしたので
、酸素イオン導電体ベレノトｌ１の周縁部を封着ガラス
１２により基板１０上にリング状に封止した場合に、こ
の封着ガラス１２により、積層された酸素イオン導電体
ペレット１１と基板ｌＯとを接触した面を介して互いに
密着させることができ、カソード側の電極＋７Ａに通じ
る気体拡散孔１１Δによってのみ外気の取り入れを行う
ことができる。

これにより、限界電流の測定を正確に行うことが可能と
なるという効果が得られる。

また、この酸素センサは、封着ガラス１２を印刷形成す
ることにより、酸素イオン導電体ベレソｈｉｔと基板１
０との気密性を得るものであるので、このような気密を
得るに際して、封着ガラスｌ２の平坦度の調整、封着ガ
ラス１２を載せる位置などの調整を、従来に示した酸素
センサと比較して大まかに行うことができ、また、従来
の酸素センサのように、重りを載せる、ガラス補強部７
を新たに設けるといった作業が不要であり、これによっ
て、製造工程の簡略化を図りその量産化が容易、工程管
理項目の減少に伴う品質管理項目の減少などコストダウ
ンにつながる効果が得られる。

また、従来のようなガラス補強部７を燃焼により設ける
といった工程を省いて、電極１７Ａ−１７Ａへの熱履歴
を減少させることができるので、電極１７Ａ・１７Ａの
ボーラス性が低下することが防止され、かつ、電極１７
Ａ・＋７Ａの能力低下、酸素センサ自体の応答性の向上
、寿命を延ばすといった効果も得られる。

また、前記電極１７Ａ・１７Ｂに通じるカソード導通部
１５、アノード導通部ｌ８をフオルステライト仮１３の
上面に配置し、前記ヒータを溝成する回路パターン１４
を、該フオルステライト板１３の下面に設けるようにし
たので、これらカソード導通部１５、アノード導通部１
８、回路パターン１４を、外部のヒータ電圧印加回路、
センサ監視電圧印加回路などにろう付けすることにより
、この酸素センサ自体を回路内に直接組み入れることが
できる。これにより、リード線などを用いて支持してい
た従来の方式の酸素センサ（第７図に示すもの）と比較
して、耐震性が向上するという効果が得られる。

なお、前記気体拡散孔１１Ａを酸素イオン導電体ベレノ
ト１ｌに設けるようにしたが、これに限定されずに、外
部とカソード側の電極１７Ａとを接続できるのであれば
、この気体拡散孔１１Ａを、基板１０あるいは封善ガラ
スｌ２を貫通するように設けても良い。

また、第１図に示す断面図は説明の都合上、酸素イオン
導電体ベレノト１１及びヒータに厚みを持たせて描いた
が、実際には、上述したように酸素イオン導電体ペレッ
ト１１は０．２［ｍｍ］と薄く、また、ヒータも薄いも
のであるので、基板１０上に積層した酸素イオン導電体
ベレノト１１あるいはヒータの厚さは無視して良い程で
ある。

「発明の効果」 以上詳細に説明したようにこの発明によれば、酸素イオ
ン導電体ペレットの一方側の面に第１の電極を、他方側
の面に第２の電極をそれぞれ印刷形成し、かつ、この酸
素イオン導電体ペレソトの第１の電極、第２の電極にそ
れぞれ面接触されるカソード導通部、アノード導通部を
それぞれ印刷形成によりそれぞれ設けるようにしたので
、該酸素イオン導電体ペレットを基板上に積層した状朝
で、該酸素イオン導電体ベレノトの周縁部を月青材によ
り基板上に封止した場合に、この封着材により、精層さ
れた酸素イオン導電体ベレノトと基板とを接触面を介し
て互いに密着させることができる。

そして、酸素イオン導電体ペレットと基板との密着状態
の実現により、該酸素イオン導電体ペレットの第１の電
極に通じる気体拡散孔のみによって外気の取り入れを行
うことができ、これにより、限界電流の測定を正確に行
うことができる。

また、この酸素センサは、封管材を印刷形成することに
より酸素イオン導電体ベレノトと基板との気密性を得る
ものであるので、このような気密を得るに際して、封青
材（封着ガラス）の平坦度の調整、封骨材を載せる位置
などの調整を、従来の酸素センサと比較してラフに行う
ことができ、また、従来の酸素センサにように、重りを
載せる、ガラス補強部を新たに設けるといった工程が不
要である。つまり、酸素センサの製造をｆ！Ｊｆｔｌに
行うことができ、その量産化が容易であるという効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は酸素センサの一実施例を示す図であっ
て、第１図は中央で切断した正断面図、第２図はその平
面図、第３図はその分解斜視図、第４図（Ａ）及び第４
図（Ｂ）は基板の下面、上面をそれぞれ示す図、第５図
（Ａ）及び第５図（Ｂ）は酸素イオン導電体ベレノトの
下面（一方側の而）、上面（他方側の面）をそれぞれ示
す図、第５図（Ｃ）は酸素イオン導電体ペレットの正面
図、第６図及び第７図は従来の酸素センサの構成を示す
分解斜視図及び正断面図である。 ット、１　１．　Ａ・・・・・・気体拡散孔、１２・・
・・・・封菅ガラス（封着材）、ｌ５・・・・・・カソ
ード導通部、１７Ａ・・・・・・電極（第１の電極）、
１７Ｂ・・・・・・電極（第２の電極）、１８・・・・
・・アノード導通部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電圧印加回路に接続されるカソード導通部がその上面に
   印刷形成された基板と、 この基板上に積層されて、一方側の面に、カソード導通
   部に面接触される第１の電極が印刷形成され、かつ、他
   方側の面に、前記第１の電極と対をなす第２の電極が印
   刷形成された薄厚の酸素イオン導電体ペレットと、 この酸素イオン導電体ペレットの第２の電極上に印刷形
   成により積層されて、電圧印加回路に接続されるアノー
   ド導通部とを有し、 前記基板には、酸素イオン導電体ペレットの周縁部を封
   止し、該酸素イオン導電体ペレットを基板に固定する封
   着材が印刷形成され、また、前記酸素イオン導電体ペレ
   ットの第１の電極と外部との間には、外気の取り入れを
   制限して限界電流を生じさせる気体拡散孔が形成されて
   いることを特徴とする酸素センサ。