JPH03172754A

JPH03172754A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH03172754A
Application number: JP1311743A
Authority: JP
Inventors: Hideo Yamamoto; 秀男山本; Takafumi Kashima; 鹿島　孝文
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1991-07-26

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」この発明は、地下室の酸欠事故防１Ｆ、ボイラなどの燃
焼管理等に使用される限界電流式の酸素センサに関する
。

し従来の技術−ｊ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ている。

この酸素センサは、第３図に示すように安定化ジルコニ
ア（例えば、Ｚ　ｒｏ　ｖ−８Ｙ　ｔｏ　３）等のイオ
ン導電性を有する固体電解質により形成された薄厚なイ
オン導電体１と、このイオン導電体１の両面に設けられ
て、一定のセンサ監視電圧が印加される多孔質の白金電
極２Ａ・２Ｂとを具備するものであって、前記イオン導
電体ｌの一方側に位置する白金電極２人上には、中央部
に上下に貫通する気体拡散孔３Ａを有するセラミックキ
ャップ３が設けられている。

そして、このように構成された酸素センサでは、イオン
導電体ｌ内において、酸素ポンピング作用により、気体
拡散孔３Ａから取り込まれた酸素がイオンとなって流れ
、このイオン電流の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。

また、前記イオン導電体ｌ上にセラミックキャップ３で
はなく、第４図に示すようにセラミ、り粉体４を設け、
更に、該セラミック粉体４の外側に、該セラミック粉体
４の全体を覆うガラス封止材５を設けた形式の酸素セン
サも知られている。

そして、この形式の酸素センサでは、符号１１＼で示す
気体拡散孔をイオン導電体ｌの側に設け、この気体拡散
孔ＩＡを通じて、図中下方側より周囲の酸素を取り込む
ようにしている。

「発明が解決しようとする課題」ところで、上記のような酸素センサては、気体拡孔３Ａ
あるいはＩＡが外部に対して直接開口するように配置さ
れているので、大気中の微細なタストが、気体拡散孔３
ＡあるいはＩＡに吸引され、かつこれら気体拡散孔３あ
るいはＩＡ内に付着する場合がある。

これにより、酸素センサの長時間の使用によりセンサ出
力が徐々に低下し、正確な酸素濃度の制定に支障をきた
す場合かあった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、気体拡散孔内にダストが侵入することを防止して、長
期使用による出力低下を未然に防止できる酸素センサの
提供を目的とする。

「課題を解決するための手段Ｊ上記の目的を達成するために、イオン３Ｊ、電体の各面
に所定の電圧が印加される電極を設け、気体拡散孔を通
じて取り込んだ試料ガス中の酸素が、酸素ポンピング作
用により固体電解質中をイオンとなって流れ、このイオ
ン電流の電流値から周囲の酸素濃度がａｌ１１定される
酸素センサにおいて、１）；１配気体拡散孔の試料ガス
の取り込み口に、内側に空間部を有する多孔質な隔壁を
設けるようにしている。

「作用Ｊこの発明によれば、気体拡散孔の試料ガスの取り込み口
に、内側に空間部を有する通気性のある隔壁を設けたの
で、外部からダストが侵入ずろことを防止できる。

また、前記隔壁の内側に形成された空間部により、試料
ガスの取り込み範囲が広く確保され、該隔壁の孔にダス
トが詰まった場合であっても１．咳隔壁の一部が目詰ま
りするだけで済み、気体拡１；、：。

孔を通じて取り込まれる試料ガスの取り込み量に影響を
与えない。

「実施例Ｊまず、本発明の実施例を第１図（Δ）及び第２図を参照
して説明する。

第１図（Ａ）は酸素センサの全体概略構成図であって、
この図に符号ｌＯで示すものは、安定化ンルコニア（例
えば、Ｚ　ｒｏ　、−８Ｙ　２０　、）等の固体電解質
により薄厚に形成されたイオン導電体である。

また、符号１１−１２でそれぞれ示すものは所定電圧が
印加され、かつ前記イオン導電体１０に拡散律速を生じ
させる多孔質なカソード電極及びアノード電極である。

なお、これら多孔質なカソード電極１１及びアノード電
極１２は、前記イオン導電体１０の表面に有機バインダ
を含有した白金ペーストを印刷し、これを焼成すること
により得られる。

また、符号１３で示すものは、前記イオン導電体１０の
一方側に位置するカソード電極１】」二に設けられたセ
ラミック牛ヤソブである。このセラミックキャップ１３
は、上下に向けて気体拡散孔１３Ａが形成されたもので
あって、ガラスによりイオン導電体１０上に接合されて
いる。このセラミックキャップ１３には、図示しないヒ
ータか設けられ、このヒータから発生する熱により酸素
センサの結露を防止し、かつレスポンスを良’ＪＴ　ニ
保つようにしている。

また、符号１４で示すものは、前記セラミ、クキャノプ
１３上に配置され、かつ気体拡散孔１３Ａの試料ガス取
り込み口を上方から全体的に覆う隔壁である。

この隔壁１４は、図に示すようにセラミックキャップ１
３との間に空間部１５を有しかつ全体形状がドーム状に
形成された、通気性のある多孔質体な焼結体であって、
周囲から取り込む試料ガスの中に含有されるダストを除
去する機能をｆｆシている。

また、この隔壁１４は、前記セラミック粉体。

プ１３の気体拡散孔１３Ａ上に、カーボンやその他の有
機物を半球形状となるように塗布し、更に、その上に有
機バインダを含有するペースト（後述する）を塗布した
後、７００〜１４００°Ｃの範囲で焼成することにより
得られるものである。

なお、この焼成により、前記半球形状に塗布されたカー
ボンその他の有機物、及び前記ペーストに含有された有
機バインダはガス化し、これにより、空間部１５と多孔
質な隔壁１４とか得られるようになっている。また、空
間部１５の容積は、隔壁１４を構成する焼結体の強度と
、孔を詰まらせることなく有効に外気を取り込むために
必要な隔壁１４の大きさとの関係に基づき決定される。

次に、前記隔壁１４の具体的な製造方法（−）〜（四）
、及び前記隔壁１４を設置したことによるセンサ出力の
変化について説明する。

まず、前記隔壁１４の製造方法について説明すると、（−）前記隔壁１４の材料にセラミックを使用する、前
記セラミックキャップ１３上に気体拡散孔１３Ａを覆う
ようにシアノアクリレート系の接着剤、あるいはカーボ
ンパウダーなどを塗布する。

次に、前記接着剤あるいはカーボンパウダー上に、全体
を覆うようにセラミックペーストを塗布した後、１２０
０〜１４００°Ｃの範囲の温度で焼成して、前記接着剤
、カーボンパウダーとともにセラミックペーストに含有
される有機バインダ（後述する）をガス化し、これによ
って空間部１５とセラミックにより形成された多孔質な
隔壁１４とを同時に得る。

なお、このセラミックペーストとしては、例えば、各粒
径が０．１〜１０μｍのＡ　（１’ｔ　Ｏ３粉体を８０
ｗｔ％、Ｓｉｎ、粉体を１０ｗｔ％、ＣａＯ粉体を１０
ｗｔ％の割合で混合し、これにニトロセルロース等の有
機バインダを添加してなるものが使用される。

（ニ）前記隔壁１４の材料にガラスを使用する、前記（
−）で使用したセラミックペーストに替えて、以下の成
分のペーストを使用する。

このペーストは各粒径が０．１〜１０μｍ　ノＡ　（１
，０３粉体を８ｈｔ％、ガラス粉体を２０ｗｔ％の割合
で混合し、これにニトロセルロース等の有機バインダを
添加してなるものである。なお、前記ガラスの主な成分
は、ＢａＯが２０ｗｔ％、Ｓ　ｉＯ２か４５ｖｔ％、Ｂ
。

０３か２ｗｔ％、ＣａＯが１０ｗｔ％、ｐｂｏが１５ｗ
ｔ％であり、また、その線膨張係数はアルミナの線膨張
係数に近い７８Ｘ１０−’／’Ｃである。

なお、上記成分に示すような材料を使用した場合には、
その焼成温度を７００〜１０００℃の範囲に設定するこ
とが好ましい。

（三）前記隔壁１４の材料に一部金属を使用する、前記
（−）で使用したセラミ、クペーストに替えて、以下の
成分のペーストを使用する。

このペーストは粒径が０．１〜１０μｍのＡ　（ｈｏ　
Ｊ）体を８０ｗＬ％、粒径が０．１−０．５μｍのｐｔ
粉末を２０ｗｔ％の割合で混合し、これにニトロセルロ
ース等の有機バインダを添加してなるものである。

なお、上記成分に示すような材料を使用した場合には、
その焼成温度を７００〜１４００°Ｃの範囲に設定する
ことが好ましい。

（四）前記隔壁１４の材料に金属のみを使用する、前記
（−）で使用したセラミックペーストに替えて、以下の
成分のペーストを使用する。

このペーストは、粒径が５〜２０μｍのｐｔ粉末を８０
ｗｔ％、粒径が０．１−０．５μｍのＰｔ粉末を２０ｗ
ｔ％の割合で混合し、これにニトロセルロース等の有機
バインダを添加してなるものである。

以上説明したように気体拡散孔１３Ａの試料ガス取り込
み口に、内側に空間部１５を有する隔壁１４を設けたの
で、外部から気体拡散孔１３Ａ内にダストが侵入するこ
とが防止され、これにより酸素センサを長期に亙って使
用した際のセンサ出力の低下が防止される。

このことを第２図に示す実験結果により確認すると、こ
の実験結果によれば、スタート時、３０００時間経過時
、６０００時間経過時、１００００時間経過時と使用が
長期に亙る場合（作動温度を４５０°Ｃに設定）に、従
来の技術の第３図に示す標準の酸素センサ「Ａ」、及び
空間部１５を有さない隔壁が設けられた酸素センサ「Ｃ
」では、使用時間とともにセンサ出力が徐々に低下して
ゆくことか確認された。　これに対して、本発明として
示した、内側に空間部１５を有する隔壁１４か設けられ
た酸素センサて「Ｉ３」では、その使用か長期に亙る場
合であってもセンサ出力の低下は認められず、良好な出
力特性が得られることが確認された。

なお、前記酸素センサＣを実験した結束に示されるよう
に、隔壁１４か多孔質体により形成されていた場合であ
っても、その内側に空間部１５か形成されていないと、
隔壁１４を通じての試料ガスの取り込み範囲が狭いもの
となり、隔壁）４に形成された孔にタストが詰まった場
合に、気体拡散孔１３Ａを通じての試料ガスの取り込み
に直接支障をきたすことになり、その結果、出力特性が
悪くなると考えられる。

なお、上記実施例では、セラミックキャップ１３の上面
に半球状の空間部１５を内部に有する隔壁１４を設ける
ようにしたが、これに限定されず、第１図（Ｂ）に示す
ように断面形状が四角の空間部１６を有する隔壁１７を
設けるようにしても良い。

また、前記ドーム状の隔壁１４を、第１図＜Ｃ＞に示す
ようなセラミック粉体１８と該セラミック粉体１８の全
体を勺うガラス封止材１９とがイオン導電体１０の上面
に設けられた形成の酸素センサ（つまり第４図に示す酸
素センサ）に適用しても良い。そして、この場合、気体
拡散孔＋ＯＡによる試料ガスの取り込み口は図中下側に
あるので、前記隔壁１４はイオン導電体１０の下部に位
置することになる。なお、これら第１図（Ｂ）及び第１
図（Ｃ）に示す酸素センサについては、第１図（、〜）
に示す酸素センサと同様の作用効果が得られる。

「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、気体拡
散孔の試料ガスの取り込み口に、内側に空間部を有する
通気性のある隔壁を設けたので、外部から気体拡散孔内
にタストが侵入することを防止でき、これにより酸素セ
ンサを長期に亙って使用した際のセンサ出力の低下を未
然に防止することができる。

また、前記隔壁の内側に形成された空間部により、試料
ガスの取り込み範囲か広（確保され、これによって該隔
壁の孔にタストか詰まった場合であっても、該隔壁の一
部が目詰まりするたけで済む、つまり、気体拡散孔を通
じての試料ガスを常時円滑に取り込むことかでき、セン
サ出力を常時安定に維持することかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Δ）〜第２図は本発明の一実施例を示す図であ
って、第１図（Ａ）〜第１図（Ｃ）は酸素センサの全体
を示す正断面図、第２図は酸素センサの長期使用による
出力変化を示すグラフ、第３図及び第４図は従来の酸素
センサを示す正断面図である。ＩＯ・・・・・・イオン導電体、ｌ０Ａ−１３Ａ・・・
気体拡散孔、１１−１２・　・・電極、１３・・・・セ
ラミックキャップ、１４・１７・・・・・・隔壁、１５
・１６・・・・空間部。第１図（Ａ）　　　　第１図（Ｂ）第１図（Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】イオン導電体の各面に所定の電圧が印加される電極を設
け、気体拡散孔を通じて取り込んだ試料ガス中の酸素が
、酸素ポンピング作用により固体電解質中をイオンとな
って流れ、このイオン電流の電流値から周囲の酸素濃度
が測定される酸素センサにおいて、前記気体拡散孔の試料ガスの取り込み口には、内側に空
間部を有する通気性のある隔壁が設けられていることを
特徴とする酸素センサ。