JPH03264858A - 酸素センサと酸素濃度検出装置 - Google Patents
酸素センサと酸素濃度検出装置Info
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- JPH03264858A JPH03264858A JP2295785A JP29578590A JPH03264858A JP H03264858 A JPH03264858 A JP H03264858A JP 2295785 A JP2295785 A JP 2295785A JP 29578590 A JP29578590 A JP 29578590A JP H03264858 A JPH03264858 A JP H03264858A
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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。
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
本発明は環境中の酸素濃度を測定するための酸素センサ
に関し、特に酸素イオン伝導性固定電解質を利用した限
界電流式酸素センサに関するものである。
に関し、特に酸素イオン伝導性固定電解質を利用した限
界電流式酸素センサに関するものである。
従来の技術
従来、この種の酸素センサは、第７図に示すように、酸
素イオン伝導性を有する固体電解質板１（例えばジルコ
ニア系セラミック板）の両面に白金などの金属電極膜２
（陽＆２ａ、陰極２ｂ）を形成し、さらに前記陰極２ｂ
側の固体電解質板１の上にシール板３を配置し、さらに
シール板３に酸素の拡散通路４が設けられている。シー
ル板３と固体電解質板１は、通常、硝子、セラミックな
どのスペーサ５により気密に接着される。密閉空間６は
拡散通路４を通じて外部空間に連通している。
素イオン伝導性を有する固体電解質板１（例えばジルコ
ニア系セラミック板）の両面に白金などの金属電極膜２
（陽＆２ａ、陰極２ｂ）を形成し、さらに前記陰極２ｂ
側の固体電解質板１の上にシール板３を配置し、さらに
シール板３に酸素の拡散通路４が設けられている。シー
ル板３と固体電解質板１は、通常、硝子、セラミックな
どのスペーサ５により気密に接着される。密閉空間６は
拡散通路４を通じて外部空間に連通している。
この構成において、酸素センサを動作可能な温度に加熱
したのち、電極２間に直流電圧を印加すると、陰極２ｂ
で酸素分子のイオン化反応が起こり、イオン化した酸素
イオンが固体電解質板１中を陽極２ａに向かって拡散し
、陽極２ａに到達した後、そこで酸素イオンの分子化反
応が起こり外部空間へ排出される。一方、密閉空間６へ
の酸素の流入はシール板３に設けられた拡散通路４によ
り制限され、陰極２ｂへの酸素の流入が拡散律速となる
。その結果、固体電解質板１中を酸素イオ〉・が移動す
ることによって生しる電流は、印加電圧の増加に対し、
ある電圧以降一定値を示す、この一定となる電流が限界
電流である。これが雰囲気ガス中の酸素濃度にほぼ比例
することから、前記限界電流を検出することにより酸素
濃度を測定できる。（例えば、特開昭５９−１９２９５
３号公報、特開昭６０−２５２２５４号公報） また、前記拡散通路４に替えて、第４図に示すように、
前記シール板３と前記固体電解質ｌとをスペーサ６で気
密に接着し、このスペーサ６の側壁とシール板３と固体
電解質１とで囲まれた拡散通路４も知られている。この
拡散通路４の始端４１は外部空間に接し、終端４２は密
閉空間６に接している。（例えば、特開昭６３−１５４
９５８号公報）発明が解決しようとする課題 拡散通路４の大きさは酸素センサの動作温度、限界電流
の大きさにより任意に設定される。しかし、酸素センサ
の長期信頼性を確保するには動作温度はできるだけ低く
することが望ましい、ジルコニア系セラξツクの固体電
解質では酸素イオンの輸送能力の点から最低動作温度は
約４００℃である。この動作温度で実用的限界電流値を
得るには拡散通路４は直径が数十μｍ、長さ数■の極め
て小さなものとなる。従って、酸素センサ製造時や実使
用のとき、埃や異物などが拡散通路４に侵入して、拡散
通路４を閉塞させる懸念がある。その結果、限界電流値
が所定の値に比べ、減少するので、酸素センサが誤動作
する課題がある。
したのち、電極２間に直流電圧を印加すると、陰極２ｂ
で酸素分子のイオン化反応が起こり、イオン化した酸素
イオンが固体電解質板１中を陽極２ａに向かって拡散し
、陽極２ａに到達した後、そこで酸素イオンの分子化反
応が起こり外部空間へ排出される。一方、密閉空間６へ
の酸素の流入はシール板３に設けられた拡散通路４によ
り制限され、陰極２ｂへの酸素の流入が拡散律速となる
。その結果、固体電解質板１中を酸素イオ〉・が移動す
ることによって生しる電流は、印加電圧の増加に対し、
ある電圧以降一定値を示す、この一定となる電流が限界
電流である。これが雰囲気ガス中の酸素濃度にほぼ比例
することから、前記限界電流を検出することにより酸素
濃度を測定できる。（例えば、特開昭５９−１９２９５
３号公報、特開昭６０−２５２２５４号公報） また、前記拡散通路４に替えて、第４図に示すように、
前記シール板３と前記固体電解質ｌとをスペーサ６で気
密に接着し、このスペーサ６の側壁とシール板３と固体
電解質１とで囲まれた拡散通路４も知られている。この
拡散通路４の始端４１は外部空間に接し、終端４２は密
閉空間６に接している。（例えば、特開昭６３−１５４
９５８号公報）発明が解決しようとする課題 拡散通路４の大きさは酸素センサの動作温度、限界電流
の大きさにより任意に設定される。しかし、酸素センサ
の長期信頼性を確保するには動作温度はできるだけ低く
することが望ましい、ジルコニア系セラξツクの固体電
解質では酸素イオンの輸送能力の点から最低動作温度は
約４００℃である。この動作温度で実用的限界電流値を
得るには拡散通路４は直径が数十μｍ、長さ数■の極め
て小さなものとなる。従って、酸素センサ製造時や実使
用のとき、埃や異物などが拡散通路４に侵入して、拡散
通路４を閉塞させる懸念がある。その結果、限界電流値
が所定の値に比べ、減少するので、酸素センサが誤動作
する課題がある。
また、蓋体３と固体電解質板ｌを気密に接着するスペー
サ５に使用中の熱衝撃などにより部分的にクランクが発
生し、その結果、気密性を失うことがある。この場合、
限界を流値が所定の値によりも増加するので、酸素セン
サが誤動作する課題がある。
サ５に使用中の熱衝撃などにより部分的にクランクが発
生し、その結果、気密性を失うことがある。この場合、
限界を流値が所定の値によりも増加するので、酸素セン
サが誤動作する課題がある。
本発明はかかる従来の課題を解消するもので、異物や埃
による拡散通路の閉塞およびスペーサでのクラック発生
などの異常を検知できる酸素センサを提供することを第
１の目的とする。
による拡散通路の閉塞およびスペーサでのクラック発生
などの異常を検知できる酸素センサを提供することを第
１の目的とする。
また、本発明の酸素センサを用いて、拡散通路の閉塞お
よびスペーサでのクラック発生などの異常を検知できる
酸素濃度検出装置を提供することを第２の目的とする。
よびスペーサでのクラック発生などの異常を検知できる
酸素濃度検出装置を提供することを第２の目的とする。
課題を解決するための手段
上記課題を解決するために本発明の酸素は、酸素イオン
伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解質板の一
方の表面に形成された複数の陰極電極膜と、前記固体電
解質板の他の表面に形成され、前記複数の陰極電極膜と
対向する一つの陽極電極膜と、前記複数の陰極電極膜を
互いに独立して囲むスペーサと、前記スペーサ上に前記
固体電解質板と相対向するように配置されたシール板と
、前記スペーサ隔壁と前記固体電解質板と前記シール板
で囲まれて形成された複数の密閉空間と、前記複数の密
閉空間と周囲空間とを結ぶ複数の拡散通路とを備えたも
のである。
伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解質板の一
方の表面に形成された複数の陰極電極膜と、前記固体電
解質板の他の表面に形成され、前記複数の陰極電極膜と
対向する一つの陽極電極膜と、前記複数の陰極電極膜を
互いに独立して囲むスペーサと、前記スペーサ上に前記
固体電解質板と相対向するように配置されたシール板と
、前記スペーサ隔壁と前記固体電解質板と前記シール板
で囲まれて形成された複数の密閉空間と、前記複数の密
閉空間と周囲空間とを結ぶ複数の拡散通路とを備えたも
のである。
また、本発明の酸素濃度検出装置は、互いに対向する前
記陰極電極膜と前記陽極電極膜を含んで構成される複数
のゼンサ素子のそれぞれのゼンサ素子の前記陰極電極膜
と前記陽極電極膜の間に直流電源と固定抵抗体を直列接
続し、複数の素子に接続された複数の固定抵抗体の両端
の信号電圧の中で相異なる二つの前記信号電圧の電圧比
検出手段と前記電圧比の設定値に対する偏差検出手段と
を備えたものである。
記陰極電極膜と前記陽極電極膜を含んで構成される複数
のゼンサ素子のそれぞれのゼンサ素子の前記陰極電極膜
と前記陽極電極膜の間に直流電源と固定抵抗体を直列接
続し、複数の素子に接続された複数の固定抵抗体の両端
の信号電圧の中で相異なる二つの前記信号電圧の電圧比
検出手段と前記電圧比の設定値に対する偏差検出手段と
を備えたものである。
作用
本発明の上記構成において、複数の陰極電極をそれぞれ
取り囲む独立した密閉空間を備えているので、互いに対
向する陽極電極膜と陰極電極膜、固体電解質板、密閉空
間、シール板および拡散通路から成る複数の独立した酸
素センサが集積されている。この構成により、同し測定
環境中、すなわち同し酸素濃度の環境中で複数の限界電
流値が容易に得られる。異物や埃による拡散通路の閉塞
およびスペーサでのクランク発生などの異常が生した場
合、限界電流値が変動する。これら異常が、複数の独立
した酸素センサにおいて同時に同じ程度発生することは
殆ど実用上あり得ない、従って、複数の限界電流値を比
較して、それらの値の相対的関係が初期の相対的関係か
らずれを生した場合、上記異常が発生したと判断できる
。
取り囲む独立した密閉空間を備えているので、互いに対
向する陽極電極膜と陰極電極膜、固体電解質板、密閉空
間、シール板および拡散通路から成る複数の独立した酸
素センサが集積されている。この構成により、同し測定
環境中、すなわち同し酸素濃度の環境中で複数の限界電
流値が容易に得られる。異物や埃による拡散通路の閉塞
およびスペーサでのクランク発生などの異常が生した場
合、限界電流値が変動する。これら異常が、複数の独立
した酸素センサにおいて同時に同じ程度発生することは
殆ど実用上あり得ない、従って、複数の限界電流値を比
較して、それらの値の相対的関係が初期の相対的関係か
らずれを生した場合、上記異常が発生したと判断できる
。
集積された複数の酸素センサ素子のそれぞれの拡散通路
は必ずしも同一でなく、通常±３０％以下でばらつく、
この結果、限界電流値もまた同程度ばらつく。他方、限
界電流値は酸素濃度にも依存して変化する。このような
条件下で前記相対的関係のずれを検出する場合、複数の
センサ素子から得られる複数の限界電流値の中で相異な
る二つの限界電流値の比の検出が適切である。この理由
は、限界電流値の比が酸素濃度に依存せず一定値になる
と共に、拡散通路のばらつきにもまた依存しないことに
よる。本発明の酸素濃度検出装置は、固定抵抗体の両端
の信号電圧で限界電流値を検出すると共に、前記信号電
圧の中で相異なる二つの前記信号電圧の電圧比検出手段
と前記電圧比の設定値に対する偏差検出手段を備えてい
るので、前記二つの信号電圧のどちらか一方が異常値を
示した場合、容易にそれを検出できる。
は必ずしも同一でなく、通常±３０％以下でばらつく、
この結果、限界電流値もまた同程度ばらつく。他方、限
界電流値は酸素濃度にも依存して変化する。このような
条件下で前記相対的関係のずれを検出する場合、複数の
センサ素子から得られる複数の限界電流値の中で相異な
る二つの限界電流値の比の検出が適切である。この理由
は、限界電流値の比が酸素濃度に依存せず一定値になる
と共に、拡散通路のばらつきにもまた依存しないことに
よる。本発明の酸素濃度検出装置は、固定抵抗体の両端
の信号電圧で限界電流値を検出すると共に、前記信号電
圧の中で相異なる二つの前記信号電圧の電圧比検出手段
と前記電圧比の設定値に対する偏差検出手段を備えてい
るので、前記二つの信号電圧のどちらか一方が異常値を
示した場合、容易にそれを検出できる。
実施例
以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明する
。
。
第１図は本発明の一実施例を示す分解斜視図である。シ
ール＠３に複数個の拡散通路４１．４２を形成した。こ
れらの拡散通路４１．４２の位置と対応するように、固
体電解質板ｌの一つの表面に複数個の陰極電極膜２１ｂ
、２２ｂおよびこれらの陰極電極１１２１ ｂ、２２ｂ
と対向する他の表面に複数個の陽極電極膜２１ａ、２２
ａを形成した０次に、拡散通路４１と陰極電極膜２１ｂ
、拡散通路４２と陰極電極１１２２ ｂを取り囲んで、
固体電解質板ｌとシール板３の両者をスペーサ５で気密
に接着し、気密空間６１．６２を形成した。このように
して独立した２個の酸素センサ素子、即ち、拡散通路４
１と密閉空間６１と陰極電極膜２１ｂと陽極電極膜２１
ａを含む第一の酸素センサ素子、拡散通路４２と密閉空
間６２と陰極電極１１２２ｂと陽極電極Ｗ！２２ａを含
む第二の酸素センサ素子を、一つの固体電解質１と一つ
のシール板３を用いて集積した。
ール＠３に複数個の拡散通路４１．４２を形成した。こ
れらの拡散通路４１．４２の位置と対応するように、固
体電解質板ｌの一つの表面に複数個の陰極電極膜２１ｂ
、２２ｂおよびこれらの陰極電極１１２１ ｂ、２２ｂ
と対向する他の表面に複数個の陽極電極膜２１ａ、２２
ａを形成した０次に、拡散通路４１と陰極電極膜２１ｂ
、拡散通路４２と陰極電極１１２２ ｂを取り囲んで、
固体電解質板ｌとシール板３の両者をスペーサ５で気密
に接着し、気密空間６１．６２を形成した。このように
して独立した２個の酸素センサ素子、即ち、拡散通路４
１と密閉空間６１と陰極電極膜２１ｂと陽極電極膜２１
ａを含む第一の酸素センサ素子、拡散通路４２と密閉空
間６２と陰極電極１１２２ｂと陽極電極Ｗ！２２ａを含
む第二の酸素センサ素子を、一つの固体電解質１と一つ
のシール板３を用いて集積した。
第１図に示した実施例では、固体電解質板ｌは矩形状の
Ｚｒ０ｔ （８■ｏｌのＹをドープ）で、その厚さは
約０．５■、−辺の長さは約１０■とした。
Ｚｒ０ｔ （８■ｏｌのＹをドープ）で、その厚さは
約０．５■、−辺の長さは約１０■とした。
電極ＷＸ２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２１ｂは厚膜Ｐｔ電
極膜を用い、その厚さは約８μｍとした。電極膜２１ａ
。
極膜を用い、その厚さは約８μｍとした。電極膜２１ａ
。
２２ａ、２１ｂ、２２ｂの面積は約１２■２とした。
シール板３は円形状のＺｒ０ｔ（８■ｏｌのＹをドープ
）もしくはフォルステライトで、その厚さは約０．５〜
２■、その直径は約１０■、また、拡散通路４１．４２
の断面は直径約２５μｍの円形とした。
）もしくはフォルステライトで、その厚さは約０．５〜
２■、その直径は約１０■、また、拡散通路４１．４２
の断面は直径約２５μｍの円形とした。
スペーサ５は厚膜硝子膜を用い、その犀さは約２０ｐｍ
とした。電極膜２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂを形成
した後、陰極電極膜２１ｂ、２２ｂの形成された表面に
厚膜硝子スペーサ５を印刷し、その上に拡散通路４１．
４２を備えたシール板３積層した。この積層物を坑底し
て両者を気密に接着した。このとき、拡散通路４１と陰
極電極膜２１ｂ、拡散通路４２と陰極電極膜２２ｂを取
り囲むようなパターンで厚膜硝子スペーサ５を印刷した
。シール板３と固体電解質板１を接着した後、リード線
８１ａ、８２ａ、８１ｂ１Ｂ２ｂをそれぞれ接続した。
とした。電極膜２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂを形成
した後、陰極電極膜２１ｂ、２２ｂの形成された表面に
厚膜硝子スペーサ５を印刷し、その上に拡散通路４１．
４２を備えたシール板３積層した。この積層物を坑底し
て両者を気密に接着した。このとき、拡散通路４１と陰
極電極膜２１ｂ、拡散通路４２と陰極電極膜２２ｂを取
り囲むようなパターンで厚膜硝子スペーサ５を印刷した
。シール板３と固体電解質板１を接着した後、リード線
８１ａ、８２ａ、８１ｂ１Ｂ２ｂをそれぞれ接続した。
この後、上記本発明の酸素センサの温度を４００〜５０
０°Ｃに保持すると共に、陽極電極膜２１ａ、２２ａを
正、陰極電極膜２１ｂ、２２ｂを負にして直流電圧を印
加して、第一の酸素センサ素子の限界電流ｇＩＩｌ、第
二の酸素センサ素子の限界電流値りを、それぞれ測定し
た。酸素濃度が２０．５％のときＩ＋、Ｉｇは、それぞ
れ１１５．１７５μＡを示した。
０°Ｃに保持すると共に、陽極電極膜２１ａ、２２ａを
正、陰極電極膜２１ｂ、２２ｂを負にして直流電圧を印
加して、第一の酸素センサ素子の限界電流ｇＩＩｌ、第
二の酸素センサ素子の限界電流値りを、それぞれ測定し
た。酸素濃度が２０．５％のときＩ＋、Ｉｇは、それぞ
れ１１５．１７５μＡを示した。
このばらつきは主として拡散通路４１４２のばらつきに
起因する０次に、酸素濃度１５％で測定したところ、Ｉ
、、Ｌは、それぞれ８４．１２８μＡを示した。しかし
、酸素濃度が２０．５％でも、１５％でも、比（１＋／
Ｉｇ）は、酸素濃度に依存せず、それぞれ約０．６５７
であった。しかし、直径約１０μｍのＡｕＩｇを拡散通
路４１のみに挿入して、拡散通路４１を閉塞状態にした
ところ、比（ＩＩ／Ｌ）は、酸素濃度によらず、約０．
５５２に減少した。また、直径約１０μｍのＡｕ線を拡
散通路４２のみに挿入して、拡散通路４２を閉塞状態に
したところ、比（１１／ｈ）は約０．７８２に増加した
。
起因する０次に、酸素濃度１５％で測定したところ、Ｉ
、、Ｌは、それぞれ８４．１２８μＡを示した。しかし
、酸素濃度が２０．５％でも、１５％でも、比（１＋／
Ｉｇ）は、酸素濃度に依存せず、それぞれ約０．６５７
であった。しかし、直径約１０μｍのＡｕＩｇを拡散通
路４１のみに挿入して、拡散通路４１を閉塞状態にした
ところ、比（ＩＩ／Ｌ）は、酸素濃度によらず、約０．
５５２に減少した。また、直径約１０μｍのＡｕ線を拡
散通路４２のみに挿入して、拡散通路４２を閉塞状態に
したところ、比（１１／ｈ）は約０．７８２に増加した
。
このように初期状態でのり、Ｉｇの間の比を、あらかじ
め測定し、その比が減少もしくは増加した場合、拡散通
路４１．４２のどれかが閉塞状態であることが検出でき
る。スペーサ５に使用中の熱衝撃によりクランクが発生
した場合にも同様にして、比が変化することは明らかで
あろう。
め測定し、その比が減少もしくは増加した場合、拡散通
路４１．４２のどれかが閉塞状態であることが検出でき
る。スペーサ５に使用中の熱衝撃によりクランクが発生
した場合にも同様にして、比が変化することは明らかで
あろう。
第２図は本発明の他の実施例を示す分解斜視図である。
気密なシール板３を準備した。次に、複数個の拡散通路
７１．７２を有するスペーサ７を形成した。これらの拡
散通路７１．７２の位置と対応するように、固体電解質
板ｌの一つの表面に複数個の陰極電極膜２１ｂ、２２ｂ
およびこれらの陰極電極膜２１ｂ、２２ｂと対向する他
の表面に複数個の陽極電極ｌ１２１ａ、２２ａを形成し
た。次に、スペーサ７と拡散通路７１が陰極電極膜２１
ｂを、またスペーサ７と拡散通路７２が陰極電極１１２
２ｂを、それぞれ取り囲んで、固体電解質板１とシール
板３の両者をスペーサ７で気密に接着し、気密空間６１
．６２を形成した。このようにして独立した２個の酸素
センサ素子、即ち、拡散通路７１と気密空間６１と陰極
電極膜２１ｂと陽極電極＃２１ａを含む第一の酸素セン
サ素子、拡散通路７２と気密空間６２と陰極電極膜２２
ｂと陽極電極膜２２ａを含む第二の酸素センサ素子を、
一つの固体電解質１と一つのシール板３を用いて集積し
た。
７１．７２を有するスペーサ７を形成した。これらの拡
散通路７１．７２の位置と対応するように、固体電解質
板ｌの一つの表面に複数個の陰極電極膜２１ｂ、２２ｂ
およびこれらの陰極電極膜２１ｂ、２２ｂと対向する他
の表面に複数個の陽極電極ｌ１２１ａ、２２ａを形成し
た。次に、スペーサ７と拡散通路７１が陰極電極膜２１
ｂを、またスペーサ７と拡散通路７２が陰極電極１１２
２ｂを、それぞれ取り囲んで、固体電解質板１とシール
板３の両者をスペーサ７で気密に接着し、気密空間６１
．６２を形成した。このようにして独立した２個の酸素
センサ素子、即ち、拡散通路７１と気密空間６１と陰極
電極膜２１ｂと陽極電極＃２１ａを含む第一の酸素セン
サ素子、拡散通路７２と気密空間６２と陰極電極膜２２
ｂと陽極電極膜２２ａを含む第二の酸素センサ素子を、
一つの固体電解質１と一つのシール板３を用いて集積し
た。
第２図に示した実施例において、固体電解質板ｌ、電極
膜２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、シール板３は第１
図に示したそれらと同様である。スペーサ７は淳膜硝子
膜を用い、その厚さは約２０ｐｍとした。電極膜２１ａ
、２２ａ、２１ｂ、２２ｂを形成した後、陰極電極！！
１２１ ｂ、２２ｂの形成された表面に厚膜硝子膜スペ
ーサ７を印刷した。このとき、陰極電極膜２１ｂを囲み
、一対の始端７１ｂと終端７１ａが互いに間隔を有する
ように、また、陰極電極膜２２ｂを囲み、一対の始端７
２ｂと終端７２ａが互いに間隔を有するようにスペーサ
５を固体電解質板ｌの一方の表面に印刷した。その上に
シール板３を積層した。この積層物を坑底してシール板
３と固体電解質板１の両者を気密に接着した。シール板
３と固体電解質板１を接着した後、リード線８１ａ、８
１ｂ、８２ａ、８２ｂをそれぞれ接続した。
膜２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂ、シール板３は第１
図に示したそれらと同様である。スペーサ７は淳膜硝子
膜を用い、その厚さは約２０ｐｍとした。電極膜２１ａ
、２２ａ、２１ｂ、２２ｂを形成した後、陰極電極！！
１２１ ｂ、２２ｂの形成された表面に厚膜硝子膜スペ
ーサ７を印刷した。このとき、陰極電極膜２１ｂを囲み
、一対の始端７１ｂと終端７１ａが互いに間隔を有する
ように、また、陰極電極膜２２ｂを囲み、一対の始端７
２ｂと終端７２ａが互いに間隔を有するようにスペーサ
５を固体電解質板ｌの一方の表面に印刷した。その上に
シール板３を積層した。この積層物を坑底してシール板
３と固体電解質板１の両者を気密に接着した。シール板
３と固体電解質板１を接着した後、リード線８１ａ、８
１ｂ、８２ａ、８２ｂをそれぞれ接続した。
第２図に示した構造は、第１図の構造に比べ、次の点で
優れている。第１図の構造の拡散通路４１．４２の長さ
は、シール板３の厚さにより決められているので、実用
上１〜２＋ｗａに制限される。このために直径が数十μ
ｍ程度（断面積にして約１ ｘｌＯ−’閣２程度）の微
細な拡散通路４１．４２を必要とする。
優れている。第１図の構造の拡散通路４１．４２の長さ
は、シール板３の厚さにより決められているので、実用
上１〜２＋ｗａに制限される。このために直径が数十μ
ｍ程度（断面積にして約１ ｘｌＯ−’閣２程度）の微
細な拡散通路４１．４２を必要とする。
他方、第２図の構造の拡散通路７１．７２はスペーサ７
の周辺部に配置されているので、その長さは１０■程度
が可能である。従って、拡散通路７１．７２の断面積は
１ｘｌＯ−”■冨程度と、第１図の構造の断面積に比べ
、約−桁大きくできる。一方、拡散通路７１．７２の高
さは厚膜硝子膜スペーサ７の膜厚（約２０ｕｍ）で決ま
る。この結果、第１図の構造と同程度の限界電流を得る
に必要な拡散通路７１．７２の幅は約０．５■程度にな
る。このため拡散通路７１．７２の形成が厚膜技術のみ
で可能になる点、すなわち第１図の構造の拡散通路４１
．４２を形成するに必要な微細加工が不必要になる点で
優れている。
の周辺部に配置されているので、その長さは１０■程度
が可能である。従って、拡散通路７１．７２の断面積は
１ｘｌＯ−”■冨程度と、第１図の構造の断面積に比べ
、約−桁大きくできる。一方、拡散通路７１．７２の高
さは厚膜硝子膜スペーサ７の膜厚（約２０ｕｍ）で決ま
る。この結果、第１図の構造と同程度の限界電流を得る
に必要な拡散通路７１．７２の幅は約０．５■程度にな
る。このため拡散通路７１．７２の形成が厚膜技術のみ
で可能になる点、すなわち第１図の構造の拡散通路４１
．４２を形成するに必要な微細加工が不必要になる点で
優れている。
このことは、さらに第２図の構造が優れた生産性を有す
るという利点にも通しる。
るという利点にも通しる。
第２図の構造が、第１図の構造と同様、拡散７１゜７２
の閉塞や厚膜硝子膜スペーサ７のクラック発生などの異
常を検出できることは明らかであろう。
の閉塞や厚膜硝子膜スペーサ７のクラック発生などの異
常を検出できることは明らかであろう。
なお、上述の記述では、２個の酸素センサを集積する例
を用いて説明したが、２個に限らず、複数個であればよ
いことは当然である。
を用いて説明したが、２個に限らず、複数個であればよ
いことは当然である。
また、第１図に示した酸素センサ構成は、拡散通路４１
４２をシール板３に設けであるが、シール板３を気密に
して、固体電解質板ｌに拡散通路４１．４２を設けても
よいことは明らかである。
４２をシール板３に設けであるが、シール板３を気密に
して、固体電解質板ｌに拡散通路４１．４２を設けても
よいことは明らかである。
前述したように、複数の集積された酸素センサ素子から
得られる複数の限界電流値の中から相異なる二つの限界
電流値の比は、酸素濃度に依存しない、このことから、
第３図に示すように酸素濃度検出装置を構成することが
好ましい、第３図では、第１図構成の酸素センサを用い
て説明する。
得られる複数の限界電流値の中から相異なる二つの限界
電流値の比は、酸素濃度に依存しない、このことから、
第３図に示すように酸素濃度検出装置を構成することが
好ましい、第３図では、第１図構成の酸素センサを用い
て説明する。
互いに対向する陰極電極＃２１ｂと陽極電極膜２１ａを
含んで槽底される第１のセンサ素子の陰極電極膜２１ｂ
と陽極電極！Ｉ２１ａの間に直流電源Ｅ、と固定抵抗体
Ｒ＋を直列接続した。第１のセンサ素子を流れる限界電
流値りは固定抵抗体Ｒ，の両端の信号電圧Ｖ□として検
出される。同様にして、互いに対向する陰極電極膜２２
ｂと陽極電極１］１２２ａを含んで槽底される第２のセ
ンサ素子の陰極電極１１２２ ｂと陽極電極膜２２ａの
間にも直流電源Ｅ２と固定抵抗体Ｒ１を直列接続した。
含んで槽底される第１のセンサ素子の陰極電極膜２１ｂ
と陽極電極！Ｉ２１ａの間に直流電源Ｅ、と固定抵抗体
Ｒ＋を直列接続した。第１のセンサ素子を流れる限界電
流値りは固定抵抗体Ｒ，の両端の信号電圧Ｖ□として検
出される。同様にして、互いに対向する陰極電極膜２２
ｂと陽極電極１］１２２ａを含んで槽底される第２のセ
ンサ素子の陰極電極１１２２ ｂと陽極電極膜２２ａの
間にも直流電源Ｅ２と固定抵抗体Ｒ１を直列接続した。
第２のセンサ素子を流れる限界電流値■２は固定抵抗体
Ｒ３の両端の信号電圧ＶＳＸとして検出される。信号電
圧ｖ１、■、！は電圧比検出手段９１に入力され、更に
電圧比検出手段９１の出力が偏差検出手段９２に接続さ
れる。
Ｒ３の両端の信号電圧ＶＳＸとして検出される。信号電
圧ｖ１、■、！は電圧比検出手段９１に入力され、更に
電圧比検出手段９１の出力が偏差検出手段９２に接続さ
れる。
本発明の酸素濃度検出装置の動作を第４図フローチャー
トを用いて説明する。測定開始して、適切なウオームア
ツプ時間の経過した後、信号電圧Ｖ、１と信号電圧Ｖ。
トを用いて説明する。測定開始して、適切なウオームア
ツプ時間の経過した後、信号電圧Ｖ、１と信号電圧Ｖ。
が電圧比検出手段９０に入力され、電圧比（Ｖｓ＋／
Ｖ３りが検出される。この後、電圧比（Ｖｓ＋／Ｖｓｚ
）が所定値Ｈと比較される。
Ｖ３りが検出される。この後、電圧比（Ｖｓ＋／Ｖｓｚ
）が所定値Ｈと比較される。
電圧比（ｖｓ＋／ｖｓｚ）が所定値Ｈより大きいか、も
しくは小さい場合、警報を発したり、あるいは危険な装
置の動作を停止させる信号を発生する。
しくは小さい場合、警報を発したり、あるいは危険な装
置の動作を停止させる信号を発生する。
電圧比（Ｖ□／Ｖｓｔ）が所定値Ｈと実質的に等しい場
合、信号電圧■□と信号電圧ＶＢの電圧比検出手段９０
への入力が継続される。
合、信号電圧■□と信号電圧ＶＢの電圧比検出手段９０
への入力が継続される。
所定の酸素濃度雰囲気中で測定したとき、信号電圧ｖｆ
ｆｌと信号電圧ｖ、２が同一の規格値になるように固定
抵抗体Ｒ３とＲ２の抵抗値が選ばれることが望ましい、
前述したように、限界電流値１１゜ｈは±３０％程度ば
らつく、従って、信号電圧比（■□／Ｖｓｇ）もまた同
程度ばらつく、このことは、多くの酸素センサを製造し
たとき各酸素センサ毎に所定値Ｈを調整しなければなら
ないことを示す、これは、生産時に多くの時間を必要と
し好ましくない、限界電流値１．、！、がばらついても
、その値に応して信号電圧ＶＳ１％ ｖＳｇが同一の規
格値になるように固定抵抗体Ｒ１とＲ１の抵抗値をあら
かじめ選んでおくことにより、所定値Ｈが１となり、偏
差検出手段を規格化できる。
ｆｌと信号電圧ｖ、２が同一の規格値になるように固定
抵抗体Ｒ３とＲ２の抵抗値が選ばれることが望ましい、
前述したように、限界電流値１１゜ｈは±３０％程度ば
らつく、従って、信号電圧比（■□／Ｖｓｇ）もまた同
程度ばらつく、このことは、多くの酸素センサを製造し
たとき各酸素センサ毎に所定値Ｈを調整しなければなら
ないことを示す、これは、生産時に多くの時間を必要と
し好ましくない、限界電流値１．、！、がばらついても
、その値に応して信号電圧ＶＳ１％ ｖＳｇが同一の規
格値になるように固定抵抗体Ｒ１とＲ１の抵抗値をあら
かじめ選んでおくことにより、所定値Ｈが１となり、偏
差検出手段を規格化できる。
更にこの場合、第５図に示すように、信号電圧ｖ！ｌ、
Ｖ３Ｈの和検出手段９２を付加することが好ましい、信
号電圧の和（Ｖ ｓ＋ ＋ Ｖ ｓｉ）は酸素濃度に対
応した信号になり、その感度が大きい。個々の信号電圧
ｖ！Ｉｓ ｖｓｚも勿論酸素濃度に対応した信号である
が、信号電圧の和（Ｖｓ＋＋Ｖｓｚ）に比べ感度が小さ
いので好ましくない。
Ｖ３Ｈの和検出手段９２を付加することが好ましい、信
号電圧の和（Ｖ ｓ＋ ＋ Ｖ ｓｉ）は酸素濃度に対
応した信号になり、その感度が大きい。個々の信号電圧
ｖ！Ｉｓ ｖｓｚも勿論酸素濃度に対応した信号である
が、信号電圧の和（Ｖｓ＋＋Ｖｓｚ）に比べ感度が小さ
いので好ましくない。
なお、陽極電極膜２１ａｓ２２ａが一つの陽極電極膜で
、陰極電極１１１２１ｂ、２２ｂと対向するように形成
してもよい、また、陰極電極１１２１ ｂ、２２ｂが一
つの陰極電極膜で、陽極電極膜２１ａ、２２ａと対向す
るように形成してもよい。
、陰極電極１１１２１ｂ、２２ｂと対向するように形成
してもよい、また、陰極電極１１２１ ｂ、２２ｂが一
つの陰極電極膜で、陽極電極膜２１ａ、２２ａと対向す
るように形成してもよい。
発明の効果
以上のように本発明の酸素センサによれば次の効果が得
られる。
られる。
（１） 同一の固体電解質板と同一のシール板を用い
て、独立し複数の限界電流型酸素センサ素子が集積され
ているので、複数の限界電流値が同時に利用できる。こ
の結果、複数の限界電流値の相対関係を監視することに
より、拡散通路の閉塞やクランク発生などの異常を検出
できる。
て、独立し複数の限界電流型酸素センサ素子が集積され
ているので、複数の限界電流値が同時に利用できる。こ
の結果、複数の限界電流値の相対関係を監視することに
より、拡散通路の閉塞やクランク発生などの異常を検出
できる。
（２）特に、複数のセンサ素子から得られる複数の限界
電流値の中で相異なる二つの限界電流値の比は、酸素濃
度に依存せず、一定値を示すので、拡散通路の閉塞やク
ラック発生などの異常検出に優れる。
電流値の中で相異なる二つの限界電流値の比は、酸素濃
度に依存せず、一定値を示すので、拡散通路の閉塞やク
ラック発生などの異常検出に優れる。
（３）信号電圧比検出手段、偏差検出手段を付加して酸
素濃度検出装置を槽底することにより、拡散通路の閉塞
やタラツク発生などの異常検出のできる装置を実現でき
る。
素濃度検出装置を槽底することにより、拡散通路の閉塞
やタラツク発生などの異常検出のできる装置を実現でき
る。
（４）単一の酸素センサを複数個用いても、上述したと
同様の効果が得られるが、この場合価格が高くなり実用
的でない０本発明の酸素センサでは、同一の製造工程で
独立した複数個の酸素センサが同時に集積されるので、
その価格は単一の酸素センサのそれと殆ど同じであり、
低価格である。
同様の効果が得られるが、この場合価格が高くなり実用
的でない０本発明の酸素センサでは、同一の製造工程で
独立した複数個の酸素センサが同時に集積されるので、
その価格は単一の酸素センサのそれと殆ど同じであり、
低価格である。
第１図は本発明の酸素センサの一実施例を示す分解斜視
図、第２図は本発明の酸素センサの他の実施例を示す分
解斜視図、第３図は本発明の酸素濃度検出装置の構成国
、第４図は本発明の酸素濃度検出装置の動作を説明する
フローチャート第５図は本発明の他の酸素濃度検出装置
の構成国、第６図は従来の酸素センサの断面図、第７図
は従来の酸素センサの他の例を示す分解斜視図である。 １・・・・・・固体電解質板、３・・・・・・シール板
、５・・・・・・スペーサ、２１ ａ 、 ２２ ａ
−・−・・−陽極電極膜、２１ｂ、２２ｂ・・・・・・
陰極電極膜、４１．４２・・・・・・拡散通路、６Ｌ
６２・・・・・・密閉空間。
図、第２図は本発明の酸素センサの他の実施例を示す分
解斜視図、第３図は本発明の酸素濃度検出装置の構成国
、第４図は本発明の酸素濃度検出装置の動作を説明する
フローチャート第５図は本発明の他の酸素濃度検出装置
の構成国、第６図は従来の酸素センサの断面図、第７図
は従来の酸素センサの他の例を示す分解斜視図である。 １・・・・・・固体電解質板、３・・・・・・シール板
、５・・・・・・スペーサ、２１ ａ 、 ２２ ａ
−・−・・−陽極電極膜、２１ｂ、２２ｂ・・・・・・
陰極電極膜、４１．４２・・・・・・拡散通路、６Ｌ
６２・・・・・・密閉空間。
Claims (7)
- （１）酸素イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記
固体電解質板の一方の表面に形成された複数の陰極電極
膜と、前記固体電解質板の他の表面に形成され、前記複
数の陰極電極膜と対抗する一つの陽極電極膜と、前記複
数の陰極電極膜を互いに独立して囲むスペーサと、前記
スペーサ上に前記固体電解質板と相対向して配置された
シール板と、前記スペーサ隔壁と前記固体電解質板と前
記シール板で囲まれて形成された複数の密閉空間と、前
記複数の密閉空間と周囲空間とを結ぶ複数の拡散通路と
から成る酸素センサ。 - （２）複数の拡散通路がシール板に形成された複数の小
穴である特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 - （３）複数の拡散通路が固体電解質板に形成された複数
の小穴である特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 - （４）複数の拡散通路が、周囲空間と接する始端と前記
複数の密閉空間のそれぞれに開けられた複数の終端とが
前記固体電解質板上で互いに間隔を有するように配置さ
れた前記スペーサの相対向する隔壁と、前記面体電解質
板と、前記シール板とで囲まれて構成された螺旋形拡散
穴である特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 - （５）互いに対向する前記陰極電極膜と前記陽極電極膜
を含んで構成される複数のセンサ素子のそれぞれのセン
サ素子の前記陰極電極膜と前記陽極電極膜の間に直流電
源と固定抵抗体を直列接続し、複数の素子に接続された
複数の固定抵抗体の両端の信号電圧の中で相異なる二つ
の前記信号電圧の電圧比検出手段と前記電圧比の設定値
に対する偏差検出手段とから成る酸素濃度検出装置。 - （６）所定の酸素濃度雰囲気中で測定したとき、複数の
前記信号電圧が同一の規格値になるように前記固定抵抗
体の抵抗値が選ばれた特許請求の範囲第５項記載の酸素
濃度検出装置。 - （７）信号電圧の和検出手段を付加した特許請求の範囲
第６項記載の酸素濃度検出装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-32024 | 1990-02-13 | ||
| JP3202490 | 1990-02-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03264858A true JPH03264858A (ja) | 1991-11-26 |
Family
ID=12347297
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2295785A Pending JPH03264858A (ja) | 1990-02-13 | 1990-10-31 | 酸素センサと酸素濃度検出装置 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5186810A (ja) |
| EP (1) | EP0442415B1 (ja) |
| JP (1) | JPH03264858A (ja) |
| KR (1) | KR940002637B1 (ja) |
| AU (1) | AU631295B2 (ja) |
| CA (1) | CA2036073C (ja) |
| DE (1) | DE69105770T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0559303U (ja) * | 1992-01-16 | 1993-08-06 | 株式会社リケン | ガス検知装置 |
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| US5841021A (en) * | 1995-09-05 | 1998-11-24 | De Castro; Emory S. | Solid state gas sensor and filter assembly |
| US5691464A (en) * | 1997-02-05 | 1997-11-25 | Litton Systems, Inc. | Apparatus for high oxygen concentration measurement using limiting current oxygen sensor |
| EP1873517A1 (en) * | 2006-06-27 | 2008-01-02 | Fujikura Ltd. | Limiting current type oxygen sensor and method of sensing and measuring oxygen concentrations using the same |
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-
1990
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Cited By (1)
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