JPH03235052A - 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］ この発明は、地下室等における酸欠事故防止、エンジン
やボイラー等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てきている。

この酸素センサは、純粋なジルコニア（ＺｒＯｔ）にイ
ツトリア（Ｙ　、０　、）、マグネシア（ＭｇＯ）、カ
ルシア（ＣａＯ）等を数ｍｏ１％程度固溶させて、高温
で安定化させたもので、広範囲の酸素分圧の検知が可能
、応答速度が速い、起電力が安定、高温雰囲気中で使用
可能等の様々な特徴があるために、地下室等の密室にお
ける酸欠事故防止、溶鋼中の酸素濃度測定、エンジンや
ボイラー等の燃焼管理、公害計測用等様々な目的に適合
したセンサである。

この酸素センサの一例を第２図に示す。この酸素センサ
Ｃは、安定化ジルコニア（例えば、ＺｒＯ３＋ｍｏ１％
Ｙ、Ｏ，）等のイオン導電性を有する固体重解質により
薄厚に形成されたイオン導電体ｌと、このイオン導電体
ｌの両面に設けられ一定のセンサ監視電圧が印加される
多孔質の白金の電極２とを具備しており、イオン導電体
ｌの一方側に位置する電極２Ａ上には、ガラス３．３に
より接合され、かつ、中央部に上下に貫通する気体拡散
孔４Ａが形成されたセラミックキャップ４が設けられ、
このセラミックキャップ４の上面に加熱用ヒーター５が
設けられた構成となっている。

上記のイオン導電体ｌは、機械加工工程により安定化ノ
ルコニア焼結体を所定の形状に加工して作成されるもの
で、機械加工の加工性を考慮すると、このイオン導電体
ｌの厚みは０．１５ｍｍないし０．１２ｍｍ程度が限界
である。

そして、この様に構成された酸素センサＣでは、高温に
おいて画電極２Ａ、２Ｂ間に所定の電圧を印加すると、
イオン導電体１内において酸素ポンピング作用により気
体拡散孔４Ａから取り込まれた酸素がイオンとなって流
れ、この酸素イオンをキャリヤとする電流の電流値から
、周囲の酸素濃度が測定されるようになっている。

また、第３図に示すようにセラミックキャップ４に気体
拡散孔を形成せずに、イオン導電体ｌの中央部に上下に
貫通する気体拡散孔ＩＡを形成した酸素センサＤも知ら
れている。

そして、この構成の酸素センサＤにおいても、イオン導
電体１の気体拡散孔ＩＡから取り込まれた酸素がイオン
となって流れ、この酸素イオンをキャリヤとする電流の
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。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、上記の酸素センサＣ，Ｄでは機械加工工程に
より安定化ジルコニア焼結体を所定の形状に加工してイ
オン導電体ｌを作成しているために、イオン導電体ｌの
厚みをＯ，１０ｍｍ以下にすると、機械加工精度の低下
、イオン導電体ｌ自体の機械的強度の低下、イオン導電
体ｌ内部の歪やマイクロクラックの増加等が起こり易く
、イオン導電体ｌの歩留まりが大幅に低下するという問
題があった。また、機械加工工程が非常に熟練を要する
工程であることと、工程完了までに長時間を要すること
から、非常に高コストになるという問題もあった。

そこで、最近では、所定の位置に気体拡散孔を形成した
イオン導電体の薄厚のグリーンシートを作成し、その後
所定の温度で焼成し、所定の大きさのイオン導電体のペ
レットを得る方法が開発されている。

この方法は、イオン導電体の形状や気体拡散孔の大きさ
を高精度、低コストで制御できるために、素子の小型化
、動作温度の低下、低消費電力、応答性の向上、低コス
ト等の優れた特徴を有するが、イオン導電体自体の機械
的強度が低下するために工程中に割れやマイクロクラッ
クが発生し易く、イオン導電体の歩留まりが大幅に低下
するという問題があった。また、使用時の温度変化によ
りイオン導電体の内部歪が拡大されるために、作動中に
割れやマイクロクラックが発生し易くなり、センサとし
ての信頼性が低下するという問題もあった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって
、充分な気密性及び機械的強度を有し、かつ、高信頼性
、小型化、動作温度の低下、低消費電力、応答性の向上
、低コスト等の優れた特徴を有する酸素センサを提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、この発明は次の様な酸素セ
ンサを採用した。すなわち、イオン導電性を有する固体
電解質により形成された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前記
イオン導電体中をイオンとなって流れ、この酸素イオン
をキャリアとする電流の電流値から、周囲の酸素濃度が
測定される酸素センサにおいて、前記イオン導電体の一
方側に位置する電極の上部位置に、当該電極を全体的に
覆う電極保護層を設け、当該電極保護層と前記イオン導
電体との間に空隙部を設け、前記電極保護層の上面全面
に気密性を有する封止層を設け、上記電極保護層は前記
イオン導電体と膨張係数が近似した材料から構成される
ことを特徴としている。

［作用］ この発明によれば、イオン導電体と膨張係数か近似した
材料から構成された電極保護層か電極及び空隙部を全体
的に覆っているので、この電極保護層がイオン導電体の
機械的強度を補強することにより、イオン導電体の機械
的強度の低下及びイオン導電体内部の歪やマイクロクラ
ックの発生を防止し、使用時の温度変化によるイオン導
電体の内部歪を低減する。

また、電極保護層の上面全面に気密性を有する封止層を
設けたので、イオン導電体と電極保護層との間の空隙部
はこの封止層により外部環境から良好に隔離されろ。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す全体概略構成図であ
る。図において、符号Ｓはこの発明に係る酸素センサで
ある。

この酸素センサＳは、イオン導電体ｌｌ、電極１２、電
極保護層１３、空隙部１４、封止層１５、ヒーター１６
とから概略構成されている。

イオン導電体１１は、安定化ジルコニア（例えば、Ｚｒ
０ｔ　　８ｍｏ１％Ｙ　ｔ　Ｏ３）等のイオン導電性を
有する固体電解質により薄厚に形成され、その中央部に
上下に貫通する気体拡散孔１１Ａが形成されたものであ
る。このイオン導電体１１は、所定の位置に気体拡散孔
ｌｌＡとブレークラインを形成したイオン導電性を有す
る固体電解質の薄厚のグリーンンートを作成し、その後
所定の温度で焼成し、ブレークラインをカッティングし
て所定の大きさのイオン導電体のペレットとしたもので
ある。

電極１２は、白金極の多孔質電極で、イオン導電体１１
の上面に設けられたカソード電極１２Ａと、同イオン導
電体１１の下面に設けられたアノード電極１２Ｂとから
構成されている。このカソード電極１２Ａとアノード１
ｔｔｉ１２Ｂの間に一定のセンサ監視電圧を印加するこ
とにより、イオン導電体ｌｌ内部に拡散律速を生じさせ
る。これらのカソード電極１２Ａとアノード電極１２Ｂ
は、イオン導電体１１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てこれを焼成することで形成され
る。

電極保護層１３は、イオン導電体１１の上面のカソード
電極１２Ａの上部位置に、このカソード電極１２Ａを全
体的に覆うように略半球状に設けられており、この電極
保護層１３とイオン導電体１１との間には空隙部１４が
形成されている。また、電極保護層１３の下端部１３Ａ
は、イオン導電体１１の上面に密着している。

この電極保護層１３は、イオン導電体１１と膨張係数が
近似した材料により構成されており、例えば、イオン導
電体１１である安定化ジルコニア（線膨張係数：５ｘｔ
ｏ−’〜１１．４Ｘ１０′□ｌ′）に対して、線膨張係
数が近似した結晶化ガラス（線膨張係数：８Ｘ　１０−
６〜１１　ｘ　１０−”）が使用されている。この電極
保護層１３は、イオン導電体ＩＩの表面に有機バインダ
を含有した前記結晶化ガラスを印刷して、この結晶化ガ
ラスが溶融する温度（５００〜９００℃）以上の温度で
焼成することで形成される。

封止層１５は、電極保護層１３の上面全面に一体かつ略
半球状に設けられたものであり、封止層１５の下端部１
５Ａは、イオン導電体１１の上面に密着している。この
封止層１５は、例えば、気密性を有する封止用ガラスか
らなるものである。

ヒーター１６は、イオン導電体１１を所定の温度に加熱
するためのヒーターであり、封止層１５の上面に一体に
設けられている。

次に、このように構成された酸素センサＳの動作を説明
する。

まず、ヒーター１６によりイオン導電体１１を所定の温
度に加熱し、画電極２　Ａ、２８間に所定の電圧を印加
する。酸素分圧未知の試料ガスは、気体拡散孔ｌｌＡか
らイオン導電体１１と電極保護層１３との間の空隙部１
４に侵入する。試料ガス中の酸素は、酸素ポンピング作
用により、カソード電極１２Ａの表面で電子を吸収して
酸素イオンに変わり、イオンの状態でイオン導電体ｌｌ
中を伝導してアノード電極１２Ｂに至る。アノード電極
１２Ｂに到着した酸素イオンは電子を放出して酸素に変
わる。これは、イオン導電体１１中を酸素が移動したと
みなすことができ、同時にカソード電極１２Ａからアノ
ード電極１２Ｂへ電流が流れる。この電流の電流値から
、試料ガスの酸素濃度を求めることができる。

ここで、酸素センサＳの測定精度及び応答性を向上させ
るためには、酸素分圧の異なる２つの系を完全に分離す
ることが必要となる。そのためには、空隙部１４は外部
環境から良好に隔離されていなければならず、気体拡散
孔１１Ａはできる限り小さいものであることが望ましい
。空隙部１４を外部環境から良好に隔離するには、イオ
ン導電体１１のガス下洛性を向上させることと同時に、
空隙部１４を外部環境から完全に隔離することが必要で
ある。

以上説明した様に、上記の一実施例の酸素セッサＳによ
れば、イオン導電体１１と膨張係数が近似した材料から
構成された電極保護層１３かイオン導電体】ｌの上面の
カソード電極１２Ａ及び空隙部１４の上部位置に、この
カソード電極１２Ａを全体的に覆うように略半球状に設
けられているので、この電極保護層１３がイオン導電体
１１の機械的強度を補強することにより、イオン導電体
１１の機械的強度の低下、イオン導電体１１内部の歪や
マイクロクラックの発生を防止し、使用時の温度変化に
よるイオン導電体１１の内部歪を低減する。したがって
、工程中においてイオン導電体１１に割れやマイクロク
ラックが発生し難くなり、使用時の温度変化によるイオ
ン導電体１１の内部歪も減少し、歩留まりの向上、コス
トダウンを図ることができる。

まｒコ、電極保護層１３の上面全面に気密性を有する封
止層１５を設けたので、イオン導電体１１と電極保護層
１３との間の空隙部１４はこの封止層１５により外部環
境から良好に隔離される。しｆコがって、試料ガスに対
する測定精度及び応答性かさらに向上する。

以上により、充分な気密性及び機械的強度を有し、かつ
、高信頼性、小型化、動作温度の低下、低消費電力、応
答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する酸素セン
サを提供することが可能になる。

なお、上記の実施例においては、電極保護層１３の材料
を結晶化ガラスからなるものとしたが、この材料は安定
化ジルコニアの線膨張係数に近似したものであればよく
、例えば、セラミックスのような無機材料や耐熱性の高
分子厚膜等様々な材料に変更可能である。

また、封止層１５は、気密性を有し、かつ工程中及び作
動中の温度変化により剥離、割れ、マイクロクラック等
が発生しないものであればよく、上記実施例の封止用ガ
ラスを無機材料や気密性を有する高分子膜等様々な材料
に変更可能である。

［発明の効果］ 以上詳細に説明した様に、この発明によれば、イオン導
電体の一方側に位置する電極の上部位置に、当該電極を
全体的に覆う電極保護層を設け、当該電極保護層と前記
イオン導電体との間に空隙部を設け、前記電極保護層は
前記イオン導電体と膨張係数が近似した材料から構成さ
れているとしたので、この電極保護層がイオン導電体の
機械的強度を補強することにより、イオン導電体の機械
的強度の低下及びイオン導電体内部の歪やマイクロクラ
ックの発生を防止し、使用時の温度変化によるイオン導
電体の内部歪を低減する。したがって、工程中において
イオン導電体に割れやマイクロクラックが発生し難くな
り、使用時の温度変化によるイオン導電体の内部歪も減
少し、歩留まりの向上、コストダウンを図ることができ
る。

また、前記電極保護層の上面全面に気密性を有する封止
層を設けたので、イオン導電体と電極保護層との間の空
隙部はこの封止層により外部環境から良好に隔離される
。したがって、試料ガスに対する測定精度及び応答性が
さらに向上する。

以上により、充分な気密性及び機械的強度を有し、かつ
、高信頼性、小型化、動作温度の低下、低消費電力、応
答性の向上、低コスト等の優れた特徴を有する酸素セン
サを提供することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である酸素センサ全体を示
す正断面図、第２図及び第３図は従来の酸素センサを示
す正断面図である。 Ｓ　・　・酸素センサ、 １１　　・・・イオン導電体、　　ＩＩＡ　　・気体拡
散孔、１２−　・電極、 １２Ａ　　・　・・カソード電極、 １２Ｂ　・・・　・アノード電極、 １３　・・電極保護層、　　　１４　・　・・空隙部、
１５　・・封止層、　　　　　１６　・・　ヒーター第
２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. イオン導電性を有する固体電解質により形成されたイオ
   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前記イオン導電体中をイオンとな
   って流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流の電流
   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、前記イオン導電体の一方側に位置する電極の上部位
   置に、当該電極を全体的に覆う電極保護層を設け、当該
   電極保護層と前記イオン導電体との間に空隙部を設け、
   前記電極保護層の上面全面に気密性を有する封止層を設
   け、上記電極保護層は前記イオン導電体と膨張係数が近
   似した材料から構成されることを特徴とする酸素センサ
   。