JPH02287252A - Oxygen sensor - Google Patents
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Abstract
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バ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ものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Fields] This invention is useful for preventing oxygen deficiency accidents in underground tunnels, for measuring oxygen concentration in exhaust gas to control combustion, for medical purposes, and for inert gas storage for food preservation. This invention relates to a limiting current type oxygen sensor that is applied to gas barges and other applications.
［従来の技術］ 近年、酸素センサの構造が簡略化されつつある。[Conventional technology] In recent years, the structure of oxygen sensors has been becoming simpler.
上記酸素センサの構造として、絶縁性に優れたアルミナ
等のヒータ基板と、安定化ジルコニア等からなるイオン
導電体とを接合させて一体化したものが実用化されつつ
ある。As the structure of the above-mentioned oxygen sensor, one in which a heater substrate made of alumina or the like having excellent insulation properties and an ion conductor made of stabilized zirconia or the like are bonded and integrated is being put into practical use.
従来より、イオン導電体とヒータ基板とを接合させる方
法として、これらイオン導電体とヒータ基板とを当接し
て加熱することにより、相互に拡散を起こさせて接合す
るもの、あるいはガラス、またはガラスとセラミック粉
とを混合したもの等を接着剤として用いて、加熱・焼成
させることにより接合させるものがあった。Conventionally, as a method for bonding an ion conductor and a heater substrate, there have been methods in which the ion conductor and the heater substrate are brought into contact with each other and heated to cause mutual diffusion to be bonded, or by bonding with glass or glass. Some have used a mixture of ceramic powder as an adhesive and bonded by heating and firing.
し発明が解決しようとする課題］
しかしながら、上記拡散接合による場合、イオン導電体
とヒータ基板とは、互いに熱膨張率が異なるので、ヒー
タによって高温に加熱して使用する際に、熱応力が発生
する。また、接着剤を用いた場合も、この接着剤が可撓
性に欠けるため、同様に熱応力が発生する。したがって
、イオン導電体が割れたり、焼成された接着剤が破損し
てイオン導電体とヒータ基板とが分離する等の障害が発
生しやすい欠点があった。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the case of the above-mentioned diffusion bonding, the ion conductor and the heater substrate have different coefficients of thermal expansion, so thermal stress occurs when they are heated to a high temperature by a heater and used. do. Further, even when an adhesive is used, thermal stress similarly occurs because the adhesive lacks flexibility. Therefore, there is a drawback that problems such as cracking of the ion conductor or breakage of the fired adhesive and separation of the ion conductor from the heater substrate are likely to occur.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、酸素セ
ンサをヒータ基板に接合させる場合に、酸素センサのイ
オン導電体あるいはヒータ基板を破損さ仕ることなく強
固に接合することを目的としている。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has the purpose of firmly joining the ion conductor of the oxygen sensor or the heater board without damaging the ion conductor of the oxygen sensor or the heater board when joining the oxygen sensor to the heater board. There is.
［課題を解決するための手段］
固体電解質からなるイオン導電体の各面に設けられて所
定電圧が印加される一対の電極、及びこれら電極の一方
側を覆うように設けられた封止部材によって構成された
センサ本体と、センサ本体に対して熱を付与するヒータ
が設けられたヒータ基板とが接合材によって接合されて
なる酸素センサにおいて、接合材は、加熱によってポー
ラスなスポンジ状に焼成された金属ペーストからなるこ
とを特徴としている。[Means for Solving the Problems] A pair of electrodes are provided on each side of an ionic conductor made of a solid electrolyte to which a predetermined voltage is applied, and a sealing member is provided to cover one side of these electrodes. In an oxygen sensor in which a configured sensor body and a heater substrate provided with a heater that applies heat to the sensor body are joined by a bonding material, the bonding material is fired into a porous sponge shape by heating. It is characterized by being made of metal paste.
［作用 ］
酸素センサとヒーター基板との接合部に、可撓性に優れ
た白金等の金属ペーストを塗付し、加熱して焼成させる
。このようにすると金属ペースト中の溶剤が揮発し、金
属ペーストがポーラス状に形成されることにより、可撓
性がさらに高められ、イオン導電体とヒータ基板との熱
膨張率の違いによる歪を吸収できるとともにイオン導電
体とヒータ基板とを強固に接合さ仕ることができる。[Operation] A highly flexible metal paste such as platinum is applied to the joint between the oxygen sensor and the heater substrate, and then heated and fired. In this way, the solvent in the metal paste evaporates and the metal paste becomes porous, further increasing its flexibility and absorbing distortion caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ionic conductor and the heater substrate. At the same time, it is possible to firmly bond the ionic conductor and the heater substrate.
［実施例］ 本発明の一実施例を図によって説明する。[Example] An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
第１図において、符号１は酸素センサユニットである。In FIG. 1, reference numeral 1 indicates an oxygen sensor unit.
この酸素センサユニット１は、センサ本体２とヒータ基
板３とを接合して構成させたものである。This oxygen sensor unit 1 is constructed by joining a sensor main body 2 and a heater substrate 3.
センサ本体２は、イオン導電体４．カソード電極５．ア
ノード電極６．封止部材７によって構成されたものであ
る。イオン導電体２は、安定化ジルコニア（例えば、Ｚ
ｒＯ、−８ｍｏ１％Ｙ、０３）等の固体電解質を材料
とし、所定の厚みを有した円板状に形成されている。ま
た、このイオン導電体４の中心部には、表裏に貫通する
気体拡散孔４ａが形成されている。このイオン導電体４
の表面及び裏面には各々、カソード電極５、アノード電
極６が設けられている。これらカソード電極５及びアノ
ード電極６は、白金ペースト等を塗付・焼成することに
よって形成されたものであり、白金の粒子の間に生じた
隙間によってポーラス状になって七）る。The sensor body 2 includes an ionic conductor 4. Cathode electrode5. Anode electrode 6. It is constituted by a sealing member 7. The ionic conductor 2 is made of stabilized zirconia (for example, Z
It is made of a solid electrolyte such as rO, -8mol% Y, 03) and is formed into a disk shape with a predetermined thickness. Furthermore, a gas diffusion hole 4a is formed in the center of the ion conductor 4, penetrating from the front and back sides. This ionic conductor 4
A cathode electrode 5 and an anode electrode 6 are provided on the front and back surfaces, respectively. These cathode electrodes 5 and anode electrodes 6 are formed by applying and baking platinum paste, and become porous due to the gaps created between the platinum particles.
上記のように、カソード電極５及びアノード電極６が設
けられたイオン導電体４の表面側には、カソード電極５
を包囲するように封止部材７が設けられており、カソー
ド電極５の上部に所定容積の空間部８が形成されている
。As described above, the cathode electrode 5 is provided on the surface side of the ionic conductor 4 where the cathode electrode 5 and the anode electrode 6 are provided.
A sealing member 7 is provided to surround the cathode electrode 5, and a space 8 having a predetermined volume is formed above the cathode electrode 5.
ヒータ基板３は、アルミナ等の絶縁性に優れた材料を板
状に形成したものであり、その下面側の一端部近傍には
、ヒータ９が設けられている。このヒータ９は、印刷、
メツキ等の手段により形成されており、その側部には、
電源との接続のためのヒータリード部９ａ、９ｂがワイ
ヤボンド、導体ペーストによって形成されている。The heater substrate 3 is made of a material with excellent insulating properties such as alumina and formed into a plate shape, and a heater 9 is provided near one end of the lower surface thereof. This heater 9 is used for printing,
It is formed by means such as metal fittings, and on its side,
Heater lead portions 9a and 9b for connection to a power source are formed by wire bonding and conductive paste.
上記ヒータ部９は、ヒータリード部９ａ、９ｂを介して
電源に接続されて発熱するようになっている。The heater section 9 is connected to a power source via heater lead sections 9a and 9b to generate heat.
イオン導電体４の表裏面に設けられたカソード電極５及
びアノード電極６には、それぞれ図中ハソヂングで示し
たカソードリード部５ａ、アノードリード部６ａが接続
されている。これらカソードリード部５ａ、アノードリ
ード部６ａは、第２図に示すようにヒータ基板３の上面
に、ワイヤボンド、導体ペーストによって形成されてい
る。A cathode lead part 5a and an anode lead part 6a, which are indicated by hatching in the figure, are connected to a cathode electrode 5 and an anode electrode 6 provided on the front and back surfaces of the ion conductor 4, respectively. These cathode lead portions 5a and anode lead portions 6a are formed on the upper surface of the heater substrate 3 by wire bonding and conductive paste, as shown in FIG.
また、第２図に示すように、ヒータ基板３には、くびれ
部３ａ、３ａが形成されており、ヒータ９からヒータ基
板３の他方側への熱伝達を規制するようになっている。Further, as shown in FIG. 2, constricted portions 3a, 3a are formed in the heater substrate 3 to restrict heat transfer from the heater 9 to the other side of the heater substrate 3.
次に、センサ本体２とヒータ基板３との接合構造を説明
する。センサ本体２は、ヒータ基板３の上面側に接合材
ＩＯによって接合されている。この接合材１０は、白金
等の金属ペーストを材料としたものであり、ポーラス状
に焼成されている。Next, the bonding structure between the sensor body 2 and the heater substrate 3 will be explained. The sensor main body 2 is bonded to the upper surface side of the heater substrate 3 using a bonding material IO. The bonding material 10 is made of a metal paste such as platinum, and is fired into a porous shape.
上記のような接合構造は、例えば、次のような工程によ
って得ることができる。The above-described bonding structure can be obtained, for example, by the following steps.
まず、接合材！０をイオン導電体４の外周より僅かに小
さな円弧を描くように、ヒータ基板３の上面側に塗付す
るか、もしくは数箇所の点付けを行う。この点付の一部
をカソード電極５．アノード電極６のヒータ基板３上の
カソードリード部５ａ１アノードリード部６ａとの接続
用とすることもできる。次に、接合材ｌＯの上部より、
センサ本体２をアノード電極６が下方に向くように載置
して加熱する。このようにすると、接合材ＩＯが焼成さ
れ、イオン導電体４とヒータ基板３とが接合される。こ
こで、接合材ＩＯは、加熱されることによりポーラス状
に形成され、充分な可撓性を持っているから、接合材１
０自身の変形により、イオン導電体４とヒータ基板３と
の熱膨張率の違いによる歪を吸収し、イオン導電体４と
ヒータ基板３とに割れ等の障害を発生させることなくこ
れらを強固に接合する。First, the bonding material! 0 is applied to the upper surface of the heater substrate 3 or dotted at several locations so as to draw an arc slightly smaller than the outer circumference of the ion conductor 4. A part of this dotted area is used as the cathode electrode 5. It can also be used to connect the cathode lead portion 5a1 of the anode electrode 6 on the heater substrate 3 to the anode lead portion 6a. Next, from the top of the bonding material lO,
The sensor body 2 is placed and heated with the anode electrode 6 facing downward. In this way, the bonding material IO is fired, and the ion conductor 4 and the heater substrate 3 are bonded. Here, since the bonding material IO is formed into a porous shape by being heated and has sufficient flexibility, the bonding material 1
By deforming itself, it absorbs the strain caused by the difference in thermal expansion coefficient between the ion conductor 4 and the heater substrate 3, and strengthens the ion conductor 4 and the heater substrate 3 without causing problems such as cracks. Join.
上記構成の酸素センサユニット！は、従来のものと同様
、例えば、第３図に示すような回路に組み込んで使用さ
れる。図において、酸素センサユニット■には、ヒータ
リード部９ａ、９ｂまたはセンサ本体のカソードリード
部５ａ及びアノードリード部６ａに接続された端子Ｉ
ＩＡ、ｌ ＩＢ、１２Ａ、１２Ｂがそれぞれ設けられて
いる。Oxygen sensor unit with the above configuration! is used by being incorporated into a circuit as shown in FIG. 3, for example, in the same way as the conventional one. In the figure, the oxygen sensor unit (2) has a terminal I connected to the heater lead parts 9a, 9b or the cathode lead part 5a and anode lead part 6a of the sensor body.
IA, IIB, 12A, and 12B are provided, respectively.
端子１１Ａ、１１Ｂは、ヒータ９を発熱させるためのヒ
ータ電圧印加回路Ｉ３に接続されるものであって、この
ヒータ電圧回路■３では、可変抵抗を調節することによ
りヒータ９の印加電圧を変更できる構成になっている。The terminals 11A and 11B are connected to a heater voltage application circuit I3 for causing the heater 9 to generate heat, and in this heater voltage circuit I3, the voltage applied to the heater 9 can be changed by adjusting a variable resistance. It is configured.
端子１２Ａ、１２Ｂは、カソード電極５とアノード電極
６との各電極間に所定電圧を付与するためのセンサ監視
電圧印加回路１４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１４では、可変抵抗を調節すること
によりセンサ本体２のセンサ電圧を変更できる構成にな
っている。The terminals 12A and 12B are connected to a sensor monitoring voltage application circuit 14 for applying a predetermined voltage between the cathode electrode 5 and the anode electrode 6, and in this sensor monitoring voltage application circuit 14, The sensor voltage of the sensor main body 2 can be changed by adjusting the variable resistance.
端子１２Ｂは、Ｉ−Ｖ変換回路Ｉ５と、増幅回路１６と
を順次接続するものであって、Ｉ−■変換回路！５にお
いてイオン導電体４の限界電流値を電圧信号として出力
し、更に増幅回路Ｉ６において増幅し、端子１７から出
力するようにしている。The terminal 12B is for sequentially connecting the I-V conversion circuit I5 and the amplifier circuit 16, and is the I-■ conversion circuit! 5, the limiting current value of the ionic conductor 4 is output as a voltage signal, which is further amplified in an amplifier circuit I6 and output from a terminal 17.
なお、Ｉ−Ｖ変換回路！５及び増幅回路Ｉ６では、可変
抵抗を調節することによって、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。In addition, the IV conversion circuit! In the amplifier circuit I6 and the amplifier circuit I6, it is possible to change the output voltage level or amplification degree by adjusting the variable resistance.
そして、上記のような駆動回路Ｍによって、センサ電圧
がカソード電極５とアノード電極６とに印加され、ヒー
タ電圧がヒータ９に印加されると、ボンピング作用が生
じ、第１図に矢印（イ）で示すように、気体拡散孔４ａ
より空間部８に酸素ガスが流入する。この流入量は、気
体拡散孔４ａの流体抵抗によって一定に押さえられるか
ら酸素濃度に応じて電圧にかかわらず電流が一定になり
、この限界電流値と、等価の電圧値が端子Ｉ７から出力
されるようになっている。Then, when the sensor voltage is applied to the cathode electrode 5 and the anode electrode 6 and the heater voltage is applied to the heater 9 by the drive circuit M as described above, a bombing effect occurs, as shown by the arrow (A) in FIG. As shown, the gas diffusion hole 4a
Oxygen gas flows into the space 8 more. This inflow amount is held constant by the fluid resistance of the gas diffusion hole 4a, so the current becomes constant regardless of the voltage depending on the oxygen concentration, and this limiting current value and the equivalent voltage value are output from the terminal I7. It looks like this.
上記のように、センサ本体２をヒータ基板３に接合して
酸素センサをユニット化したことにより、ヒータ基板３
をコネクタ等により容易にかつ確実に接続でき、信頼性
を向上させることができる。As described above, by joining the sensor body 2 to the heater substrate 3 to form an oxygen sensor into a unit, the heater substrate 3
can be easily and reliably connected using a connector or the like, improving reliability.
また、リード部に微細なリード線を用いた接続構造と比
較して、接続への信頼性が増し、断線等の障害が発生す
る可能性を極めて少なくすることができることにより、
耐振動性を向上させることができる。In addition, compared to a connection structure that uses fine lead wires in the lead part, the reliability of the connection is increased and the possibility of failures such as disconnection is extremely reduced.
Vibration resistance can be improved.
なお、上記実施例は、金属ペーストに白金を使用したが
、加熱によってポーラス状に形成されるものであれば、
銀などの他の金属のペーストであっても良い。In addition, although platinum was used as the metal paste in the above example, platinum may be used as long as it is formed into a porous shape by heating.
Pastes of other metals such as silver may also be used.
また、上記実施例のセンサ本体２は、イオン導電体４に
、気体拡散孔４ａを形成し、その上部に封止部材７を設
けて封止したものであるが、センサ本体２の具体的な構
造は、実施例に限定されるものではない。Further, the sensor main body 2 of the above embodiment has a gas diffusion hole 4a formed in the ion conductor 4 and is sealed by providing a sealing member 7 on the upper part of the gas diffusion hole 4a. The structure is not limited to the example.
［発明の効果コ この発明によれば、下記の効果を得ることができる。[Effects of invention According to this invention, the following effects can be obtained.
■、接合材に白金等の金属ペーストを用いたから、この
白金が、加熱されることによりポーラス状に焼成され、
熱膨張率の異なる部材同士を接合さける際に、各部材同
士の熱膨張率の違いによる歪を容易に吸収することがで
き、したがって各部材を破損させることなく強固に接合
することができるとともに接合の信頼性を向上させるこ
とができる。■Since a metal paste such as platinum is used as the bonding material, this platinum is fired into a porous shape by heating.
When joining members with different coefficients of thermal expansion, it is possible to easily absorb the strain caused by the difference in coefficient of thermal expansion between each member, and therefore it is possible to join firmly without damaging each member, and also to improve the joining. reliability can be improved.
また、酸素センサを使用する際のヒータによる昇降温に
よって発生する歪等も容易に吸収することができ、酸素
濃度の測定時におけるイオン導電体あるいはヒータ基板
等の破損を防止することができる。したがって、酸素セ
ンサ自体の耐久性を向上できることにより、寿命を延ば
すことができる。In addition, it is possible to easily absorb distortions caused by temperature rise and fall caused by the heater when using the oxygen sensor, and it is possible to prevent damage to the ion conductor or the heater substrate during measurement of oxygen concentration. Therefore, the durability of the oxygen sensor itself can be improved, thereby extending its life.
■、金属ペーストは、可塑性にも優れているので、微細
な構造である接合部に容易に使用でき、したかってユニ
ット化した酸素センサの量産化が容易にできる。(2) Since metal paste has excellent plasticity, it can be easily used in joints with fine structures, and therefore, unitized oxygen sensors can be easily mass-produced.
第１図〜第３図は、本発明の一実施例の図であって、第
１図は、実施例の酸素センサの側断面図、第２図は、酸
素センサの一部を断面視した平面図、第３図は酸素セン
サを駆動させる駆動回路のブロック図である。
ｌ・・・・・・酸素センサユニッ
３・・・・・・ヒータ基板、
５・・・・・・カソード電極、
７・・・・・・封止部材、
ＩＯ・・・・・・接合材、
ト、２・・・・・・センサ本体、
４・・・・・・イオン導電体、
６・・・・・・アノード電極、
９・・・・・・ヒータ、1 to 3 are views of one embodiment of the present invention, in which FIG. 1 is a side sectional view of the oxygen sensor of the embodiment, and FIG. 2 is a sectional view of a part of the oxygen sensor. The plan view and FIG. 3 are block diagrams of a drive circuit that drives the oxygen sensor. l... Oxygen sensor unit 3... Heater board, 5... Cathode electrode, 7... Sealing member, IO... Bonding material, 2...Sensor body, 4...Ion conductor, 6...Anode electrode, 9...Heater,
Claims (1)
定電圧が印加される一対の電極、及びこれら電極の一方
側を覆うように設けられた封止部材によって構成された
センサ本体と、該センサ本体に対して熱を付与するヒー
タが設けられたヒータ基板とが接合材によって接合され
てなる酸素センサにおいて、 前記接合材は、加熱によってポーラスなスポンジ状に焼
成された金属ペーストからなることを特徴とする酸素セ
ンサ。[Claims] Consisting of a pair of electrodes provided on each side of an ionic conductor made of a solid electrolyte and to which a predetermined voltage is applied, and a sealing member provided to cover one side of these electrodes. In an oxygen sensor in which a sensor body and a heater substrate provided with a heater that applies heat to the sensor body are bonded by a bonding material, the bonding material is a metal sintered into a porous sponge shape by heating. An oxygen sensor characterized by being made of paste.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1109569A JPH02287252A (en) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | Oxygen sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1109569A JPH02287252A (en) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | Oxygen sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02287252A true JPH02287252A (en) | 1990-11-27 |
Family
ID=14513571
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1109569A Pending JPH02287252A (en) | 1989-04-28 | 1989-04-28 | Oxygen sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02287252A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007529726A (en) * | 2004-03-19 | 2007-10-25 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Sensor element |
| US7547100B2 (en) | 2002-03-08 | 2009-06-16 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Image forming apparatus and transfer belt used therein |
-
1989
- 1989-04-28 JP JP1109569A patent/JPH02287252A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7547100B2 (en) | 2002-03-08 | 2009-06-16 | Brother Kogyo Kabushiki Kaisha | Image forming apparatus and transfer belt used therein |
| JP2007529726A (en) * | 2004-03-19 | 2007-10-25 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Sensor element |
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