JPH04282448A

JPH04282448A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH04282448A
Application number: JP3069041A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋; Katsuaki Nakamura; 中村　克明; Atsunari Ishibashi; 石橋　功成
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1991-03-08
Filing date: 1991-03-08
Publication date: 1992-10-07

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レスポンスが良好な限
界電流式の酸素センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の酸素センサとして、図３
及び図４に示す構成のものが知られている。図３に示す
酸素センサは、イオン導電体としてＺｒ−８Ｙ（ＺｒＯ
２ー８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３）が使用された固体電解質１と
、固体電解質１の両面にそれぞれ積層されて、該固体電
解質１に対して所定電圧が印加される多孔質な電極２Ａ
・２Ｂと、前記固体電解質１の一方側の面に結晶化ガラ
ス３により接合されて、前記電極２Ｂとの間に微小空間
４Ａを形成するセラミックキャップ４と、このセラミッ
クキャップ４の上面に設けられて、前記固体電解質１に
対して熱を付与し、該固体電解質１の応答性を向上させ
るセンサ加熱用のヒータ５とから構成されたものであっ
て、前記セラミックキャップ４の中央部には、前記微小
空間４Ａに連通するように設けられて、拡散律速を生じ
させる気体拡散孔４Ｂが形成されている。そして、上記
のように構成された酸素センサの固体電解質１内では、
ヒータ５に一定の電圧を印加し、かつ電極２Ａ・２Ｂに
一定のセンサ監視電圧を印加した状態にしておくと、酸
素ポンピ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。

【０００３】ところで、上記のような酸素センサでは、
クラックの発生を防止するために前記セラミックキャッ
プ４を、固体電解質１の構成材料（ＺｒＯ２ー８ｍｏｌ
％Ｙ２Ｏ３）に線膨張係数が近似したＺｒＯ２ー３ｍｏ
ｌ％Ｙ２Ｏ３により形成するようにしているが、このＺ
ｒ−３Ｙ自体、絶縁性が低いものであるので、このＺｒ
−３Ｙを通じて、前記ヒータ５に供給した電流が固体電
解質１に流れ、これによって該固体電解質１の出力値が
不安定となり、酸素濃度を正確に測定することが出来な
くなるという問題が生じていた。

【０００４】そして、上記の問題を解決するために、更
に図３に示す酸素センサに絶縁コート６を設けるように
している。すなわち、前記セラミックキャップ４とヒー
タ５との間に、アルミナ、結晶化ガラス等により形成さ
れる絶縁コート６を配置し、この絶縁コート６によって
、ヒータ５からセラミックキャップ４に電流が漏れるこ
とを防止するようにしている。一方、図３に示す酸素セ
ンサでは、前記拡散律速を生じさせる気体拡散孔４Ｂが
セラミックキャップ４側に設けられているので、該セラ
ミックキャップ４上にヒータ５を、前記気体拡散孔４Ｂ
を避けるようにして印刷しなければならず、これによっ
て製作行程が複雑になるという不具合があった。そして
、このような製作行程が複雑化するという不具合を防止
するために、図４に示すように、前記気体拡散孔を、符
号１Ａで示すように固体電解質１を貫通するように設け
るようにしており、これによって、セラミックキャップ
４上のヒータ５形成を、気体拡散孔の位置を気にするす
ることなく印刷できるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そして、図４に示す酸
素センサにおいては、上述したように、絶縁コート６に
よってヒータ５の漏洩電流を防止することができ、また
、気体拡散孔１Ａを固体電解質１側に設けることによっ
てヒータ５を形成する際の作業性を向上させることがで
きたが、前記絶縁コート６を、ヒータ５と固体電解質１
との間に介在させることによって熱伝達率が低下し、更
に絶縁コートの製作工程を設ける必要があって全体の製
作工程が増加するという不具合が発生していた。

【０００６】この発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであって、絶縁性を有するセラミックキャップを設
けることにより、絶縁コートを介在させることなくヒー
タから固体電解質への漏洩電流を防止し、これによって
絶縁コートの製作工程を省略できる一方、レスポンスの
大幅向上を図り、かつ高酸素濃度側、低酸素濃度側いず
れの測定も測定時間を短時間でかつ一定とすることがで
き、データのサンプリング性及び酸素濃度測定の信頼性
を向上させることができる酸素センサの提供を目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、イオン導電体の各面に一対の電極を積
層し、これら電極に所定のセンサ電圧を印加することに
よって、該イオン導電体中に酸素をキャリアとするイオ
ン電流が流れ、このイオン電流の値から酸素濃度が測定
される酸素センサにおいて、前記イオン導電体の一方側
の面に、該イオン導電体との間に一定の空間を形成する
セラミックキャップを接合し、更に、該セラミックキャ
ップの上面にセンサ加熱用のヒータを設けるとともに、
該セラミックキャップをフォルステライトにより形成し
たことを特徴とする。

【０００８】

【作用】これらの発明によれば、セラミックキャップの
構成材料に高い絶縁性を有するフォルステライトを選択
したので、ヒータから、イオン導電体の各面に積層され
ている電極への漏洩電流を防止することができて、正確
な酸素濃度測定を行うことが可能となるとともに、従来
必要であった絶縁コートを介在させることなく、ヒータ
から固体電解質への漏洩電流を防止できる。また、前記
フォルステライトにより構成されたセラミックキャップ
の厚さを、例えば０．５０ｍｍ以下と薄厚に形成するこ
とにより、レスポンスが大幅に向上することが確認され
、かつ酸素濃度を２１％から０％に変化させた場合と、
０％から２１％に変化させた場合とで、各レスポンスの
値が近似しかつそのレンジが現時点で１〜２ｓｅｃ以下
となることが確認された。すなわち、本発明の酸素セン
サによれば、高酸素濃度側、低酸素濃度側いずれの測定
も測定時間を短時間でかつ一定とすることができ、デー
タのサンプリング性及び酸素濃度測定の信頼性を向上さ
せることができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１に基づいて説
明する。なお、以下の説明において構成を共通とする箇
所に同一符号を付して説明を簡略化する。この図におい
て符号１０で示すものは、例えば封止材料（従来の技術
を参照）として使用されるＺｒＯ２ー３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ
３より絶縁性の高い材料であり、かつイオン導電体とし
て使用されるＺｒＯ２ー８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３と線膨張係
数が近似する材料、すなわちフォルステライトにより形
成されたセラミックキャップである。このセラミックキ
ャップ１０は、前述したセラミックキャップ４と同様に
固体電解質１との間に微小空間１０Ａを形成するととも
に、その上面に固体電解質１を加熱するセンサ加熱用の
ヒータ１１が搭載されたものであり、また、その厚さ（
ｔ）は０．０５〜０．５ｍｍの範囲に設定されている。

【００１０】以下に、前記セラミックキャップ１０の厚
さ（ｔ）を０．０５〜０．５ｍｍに設定した理由につい
て、酸素センサのレスポンス性能の試験結果をまとめた
図２の表を参照して説明する。まず、図２に示す試験結
果の表において、符号（Ａ）は、従来の技術の図３に示
した、セラミックキャップ４をＺｒＯ２ー３ｍｏｌ％Ｙ
２Ｏ３により形成し、かつヒータ５とセラミックキャッ
プ４との間に絶縁コート６を介在させるとともに、気体
拡散孔４Ｂをセラミックキャップ４側に形成した酸素セ
ンサであり、また、符号（Ｂ）は、従来の技術の図４に
示した、セラミックキャップ４をＺｒＯ２ー３ｍｏｌ％
Ｙ２Ｏ３により形成し、かつかつヒータ５とセラミック
キャップ４との間に絶縁コート６を介在させるとともに
、気体拡散孔１Ｂを固体電解質１側に形成した酸素セン
サで酸素センサであり、また、符号（Ｃー１）〜（Ｃ−
５）は、図１に示した、セラミックキャップ１０をフォ
ルステライトにより形成し、かつ前記絶縁コート６が存
在せず、更に気体拡散孔１Ｂを固体電解質１側に形成し
た本発明に係る酸素センサである。また、前記酸素セン
サにおいて、（Ａ），（Ｂ），（Ｃ−１）で示す酸素セ
ンサはセラミックキャップ４または１０の厚さ（ｔ）が
０．９２ｍｍに設定されたものであり、また、（Ｃ−２
）〜（Ｃ−５）で示す酸素センサは、セラミックキャッ
プ１０の厚さ（ｔ）がそれぞれ０．８０ｍｍ、０．５０
ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．０５ｍｍに設定されたもので
ある。そして、このように構成された酸素センサ（Ａ）
〜（Ｃー５）に対して酸素濃度を２１％から０％に変化
させ、また、０％から２１％に変化させた場合のレスポ
ンスを測定した。なお、このときのレスポンスは酸素濃
度の検出値が設定値になるまでの時間値（ｓｅｃ）を採
ったものである。

【００１１】そして、図２の試験結果を参照して判るよ
うに、セラミックキャップ４または１０の厚さ（ｔ）が
０．９２ｍｍの酸素センサ（Ａ），（Ｂ）ではレスポン
スが７〜１５ｓｅｃの範囲内にあり、比較的良好（評価
「〇」）な結果が得られたのに対して、セラミックキャ
ップ１０がフォルステライトによって構成されかつその
厚さ（ｔ）が０．９２ｍｍの酸素センサ（Ｃー１）では
、レスポンスが１０〜２０ｓｅｃの範囲内にあり、比較
的悪い（評価「×」）結果となった。また、セラミック
キャップ１０がフォルステライトによって構成されかつ
その厚さ（ｔ）が０．８０ｍｍの酸素センサ（Ｃー２）
では、レスポンスが、要求されている目標値（５〜１０
ｓｅｃ）に対して２〜３倍の値、すなわち９〜１４ｓｅ
ｃの範囲内にあり、比較的悪い（評価「△」）結果とな
った。

【００１２】すなわち、上記酸素センサ（Ａ），（Ｂ）
，（Ｃー１），（Ｃ−２）では、それらのレスポンスを
比較して解るように、セラミックキャップ１０の材料を
、ＺｒＯ２ー３ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３から、同じ厚さか、僅
かに薄い厚さ（ｔ）のフォルステライトに単に置き換え
ただけでは絶縁性を奏する効果が得られるものの（ある
いは絶縁シール６を省略できるという効果が得られるも
のの）、逆に、レスポンスが悪くなるという不具合を招
くことが明かとなった。また、これに加えて、これら酸
素センサ（Ａ），（Ｂ），（Ｃー１），（Ｃ−２）では
、各レスポンスのレンジが４〜１０ｓｅｃと悪く、これ
によって各酸素センサ（Ａ），（Ｂ），（Ｃー１），（
Ｃ−２）において、酸素濃度を２１％から０％に変化さ
せた場合と、０％から２１％に変化させた場合とで、測
定までに要する時間にばらつきが生じ、迅速なデータ処
理が出来ない等の不具合も生じていた。

【００１３】そして、このようなレスポンスの低下とい
う不具合を防止するために種々検討した結果、（Ｃ−２
）〜（Ｃ−５）に示すように、フォルステライトの厚さ
（ｔ）を薄くすれば、レスポンスが向上できることが確
認された。すなわち、フォルステライトの厚さ（ｔ）を
薄くする程、レスポンスが向上しており、特に０．５０
ｍｍ〜０．０５ｍｍの厚さ（ｔ）のフォルステライトに
より形成された酸素センサ（Ｃ−３）〜（Ｃ−５）では
、レスポンスの最大値が１０ｓｅｃ以下と、特に優れた
評価（評価◎）を得ることが確認された。また、これに
加えて、これら各酸素センサ（Ｃ−３）〜（Ｃ−５）の
各レスポンスを詳細に検討すると、それぞれのレスポン
スのレンジが１〜２ｓｅｃと小さく、かつ各酸素センサ
（Ｃ−３）〜（Ｃ−５）において、酸素濃度を２１％か
ら０％に変化させた場合と、０％から２１％に変化させ
た場合とで、各レスポンスの値が近接していることから
、高酸素濃度側、低酸素濃度側いずれの測定も測定時間
を短時間でかつ一定とすることができ、データのサンプ
リング性及び酸素濃度測定の信頼性を向上させることが
できるなお、このようにセラミックキャップ１０の構成
材料として選択したフォルステライトの厚さ（ｔ）を薄
くする程、レスポンスが極めて良くなるという理由につ
いては、ヒータ１１から固体電解質１への熱伝達効率が
良くなることに加えて、絶縁材料としてのフォルステラ
イトの比誘電率が良好に作用しているものと考えられる
。

【００１４】以上詳細に説明したように、本実施例に示
す酸素センサによれば、セラミックキャップ１０の構成
材料に、高い絶縁性を有するフォルステライトを選択し
たので、ヒータ１１から電極２Ａ・２Ｂへの漏洩電流を
防止することができて、正確な酸素濃度測定を行うこと
が可能となるとともに、該セラミックキャップ１０の厚
さを、０．５０ｍｍ〜０．０５ｍｍと薄厚に調整するこ
とにより、レスポンスの大幅な向上を図れることが、実
験により確認された。すなわち、本実施例に示す酸素セ
ンサ（Ｃ−２）〜（Ｃ−５）では、セラミックキャップ
１０の構成材料にフォルステライトを選択し、その厚さ
を０．５０ｍｍ〜０．０５ｍｍに特定することによって
、従来の酸素センサ（Ａ）及び（Ｂ）及び単にキャップ
の構成材料をフォルステライトに置換しただけの酸素セ
ンサ（Ｃ−１）と比較して、大幅にレスポンスが向上し
たことが確認された。なお、本実施例では、セラミック
キャップ１０の厚さを０．０５ｍｍ以上としたが、製作
上これ以上薄くすることが可能であれば、セラミックキ
ャップ１０の厚さを０．０５ｍｍ以下としても良い。こ
れは、一定の強度が保てれば、セラミックキャップ１０
の厚さを薄くする程にレスポンスの向上が期待され、こ
の点において、セラミックキャップ１０の厚さを０．０
５ｍｍ以下とすることは何ら問題はなく、むしろ望まし
い。

【００１５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、これらの発
明によれば、セラミックキャップの構成材料に高い絶縁
性を有するフォルステライトを選択したので、ヒータか
ら、イオン導電体の各面に積層されている電極への漏洩
電流を防止することができて、正確な酸素濃度測定を行
うことが可能となるとともに、従来必要であった絶縁コ
ートを介在させることなくヒータから固体電解質への漏
洩電流を確実に防止できるため、絶縁コートの製作工程
を省略することができる。また、前記フォルステライト
により構成されたセラミックキャップの厚さを、例えば
０．５０ｍｍ以下と薄厚に形成することにより、レスポ
ンスが大幅に向上することが確認され、かつ酸素濃度を
２１％から０％に変化させた場合と、０％から２１％に
変化させた場合とで、各レスポンスの値が近似しかつそ
のレンジが現時点で１〜２ｓｅｃ以下となることが確認
された。すなわち、本発明の酸素センサによれば、高酸
素濃度側、低酸素濃度側いずれの測定も測定時間を短時
間でかつ一定とすることができ、データのサンプリング
性及び酸素濃度測定の信頼性を向上させることができる
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の酸素センサを示す正断面図。

【図２】　　本発明の酸素センサと従来の酸素センサと
のレスポンスをそれぞれ示す表。

【図３】　　気体拡散孔がセラミックキャップ側にある
従来の酸素センサ。

【図４】　　気体拡散孔が固体電解質側にある従来の酸
素センサ。

【符号の説明】

１…固体電解質、２Ａ…電極、２Ｂ…電極、１０…セラ
ミックキャップ　　１０Ａ…微小空間（空間）、１１…
ヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　イオン導電体の各面に一対の電極を積
層し、これら電極に所定のセンサ電圧を印加することに
よって、該イオン導電体中に酸素をキャリアとするイオ
ン電流が流れ、このイオン電流の値から酸素濃度が測定
される酸素センサにおいて、前記イオン導電体の一方側
の面に、該イオン導電体との間に一定の空間を形成する
セラミックキャップを接合し、更に、該セラミックキャ
ップの上面にセンサ加熱用のヒータを設けるとともに、
該セラミックキャップをフォルステライトにより形成し
たことを特徴とする酸素センサ。