JPH0450646A - Limiting-current type oxygen sensor - Google Patents
Limiting-current type oxygen sensorInfo
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Abstract
Description
この発明は、限界電流式酸素センサの改良に関する。 The present invention relates to an improvement in a limiting current type oxygen sensor.
限界電流式酸素センサは、気体拡散孔を通る酸素量とイ
オン電導体中の酸素イオンをキャリアとする電流とが対
応することを利用して酸素濃度を検出するものである。
すなわち、イオン電導体の両側に多孔質電極を設けてこ
れら電極間に電圧を印加すると、イオン電導体中の酸素
イオンをキャリアとする電流が流れ、いわゆる酸素ボン
ピング作用が生じる。そこで、一方便を閉じることによ
っである閉空間を形成し、この閉空間と外部とを連通さ
せる小さな孔を設けておくと、この孔を通って上記の閉
空間に拡散する酸素量が孔の大きさ及び長さに応じて制
限されることになり、その結果、酸素イオンをキャリア
とする電流が、外部の酸素濃度に対応した一定値（限界
電流）となる。
このような空間は、キャップをがぶせることによって形
成し、このキャップまたはイオン電導体チップに気体拡
散用の小孔を設けるのが一般的である。そして、この限
界電流式酸素センサでは、通常、イオン電導体チップと
して安定化ジルコニア（Ｚｒ０２−８ｍｏ１％Ｙ２Ｏ３
）などを用いるが、使用時にそのイオン電導特性を良好
とするために加熱するようにしている。その加熱のため
のヒーターはキャップの表面上に設けられる。
これを図を用いて説明すると、第３区に示すように安定
化ジルコニア（Ｚｒ０２−８ｍｏ１％Ｙ２Ｏ３）などの
イオン電導体チップ１に多孔質電極２．３を設け、この
チップ１の一方側にキャップ５を被せ、一方の電極（カ
ソード）２を覆い、電極２上にキャップ５で囲まれた空
間を形成する。そして、このイオン電導体チップ１に気
体拡散用の単一の小孔４を設けるとともに、キャップ８
の表面上にヒーター８を形成する。このキャップ５によ
って形成された空間に流入する酸素量を、キャップ５の
小孔４の大きさく面積）及び長さくチップ１の厚さ）に
応じて制限する。なお、キャップ５の内側には多孔質ガ
ラス層６か設けられている。
ヒーター８は、従来では、キャップ５の表面上の中央部
に設けられていた。A limiting current type oxygen sensor detects oxygen concentration by utilizing the fact that the amount of oxygen passing through a gas diffusion hole corresponds to the current using oxygen ions as carriers in an ionic conductor. That is, when porous electrodes are provided on both sides of an ionic conductor and a voltage is applied between these electrodes, a current flows using oxygen ions in the ionic conductor as carriers, resulting in a so-called oxygen bombing effect. Therefore, if a closed space is formed by closing the stool, and a small hole is provided to communicate this closed space with the outside, the amount of oxygen that diffuses into the closed space through this hole will be reduced. As a result, the current using oxygen ions as carriers becomes a constant value (limit current) corresponding to the external oxygen concentration. Such a space is generally formed by folding a cap, and the cap or the ion conductor chip is provided with small holes for gas diffusion. In this limiting current type oxygen sensor, stabilized zirconia (Zr02-8mo1%Y2O3) is usually used as the ion conductor chip.
), but they are heated during use to improve their ionic conductivity. A heater for its heating is provided on the surface of the cap. To explain this using a diagram, as shown in Section 3, a porous electrode 2.3 is provided on an ionic conductor chip 1 made of stabilized zirconia (Zr02-8mo1%Y2O3), and a porous electrode 2.3 is provided on one side of this chip 1. A cap 5 is placed to cover one electrode (cathode) 2, and a space surrounded by the cap 5 is formed above the electrode 2. This ionic conductor chip 1 is provided with a single small hole 4 for gas diffusion, and a cap 8 is provided.
A heater 8 is formed on the surface of. The amount of oxygen flowing into the space formed by the cap 5 is limited depending on the size (area) of the small hole 4 of the cap 5 and the length (length) (thickness of the chip 1). Note that a porous glass layer 6 is provided inside the cap 5. Conventionally, the heater 8 was provided in the center on the surface of the cap 5.
しかしながら、このような従来の構造の酸素センサでは
、ヒーター８がキャップ５の表面上の中央部に設けられ
ているため、イオン電導体チップ１に対する加熱効率が
悪い、不均一な加熱となりイオン導電体チップ１にクラ
ックか発生ずる原因となるなどの問題がある。
すなわち、まず、ヒーター８がキャップ５の表面上の中
央部に設けられているが、その直下部は空間（空気層）
となっているため、熱伝導効率が悪く、イオン電導体チ
ップ１を効率よく加熱することができない。
また、イオン導電体チップ１はその中央部のみが加熱さ
れ易く、周辺部への加熱が不足がちとなって、全体への
均一な加熱が難しく、その結果、加熱・冷却の繰り返し
によりクラックか発生する率が高くなり信頼性について
いま一つであった。
この発明は、イオン電導体チップを効率よく且つ均一に
加熱できるとともにクラックの発生率を低くして信頼性
を改善した限界電流式酸素センサを提供することを目的
どする。However, in an oxygen sensor having such a conventional structure, since the heater 8 is provided in the center on the surface of the cap 5, the heating efficiency for the ion conductor chip 1 is poor and the heating is uneven, resulting in uneven heating of the ion conductor chip 1. There are problems such as causing cracks to occur in the chip 1. That is, first, the heater 8 is provided in the center on the surface of the cap 5, but there is a space (air layer) directly below the heater 8.
Therefore, the heat conduction efficiency is poor, and the ion conductor chip 1 cannot be heated efficiently. In addition, the ion conductor chip 1 tends to be heated only in its central part, and the peripheral part tends to be insufficiently heated, making it difficult to uniformly heat the entire area.As a result, cracks occur due to repeated heating and cooling. However, the reliability was poor. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a limiting current type oxygen sensor that can efficiently and uniformly heat an ion conductor chip and that reduces the incidence of cracks and improves reliability.
上記目的を達成するため、この発明による限界電流式酸
素センサにおいては、表裏両面に多孔質電極が形成され
たイオン電導体チップと、周縁部を上記イオン電導体チ
ップに接合して上記の一方の電極の上に所定の空間が形
成されるように該電極を覆うキャップと、該空間と外部
とを連通させる気体拡散孔と、上記接合部に対応する位
置において上記キャップの表面上に設けられたヒーター
とが備えられることが特徴となっている。In order to achieve the above object, the limiting current type oxygen sensor according to the present invention includes an ion conductor chip in which porous electrodes are formed on both the front and back surfaces, and a peripheral portion joined to the ion conductor chip. a cap that covers the electrode so that a predetermined space is formed above the electrode; a gas diffusion hole that communicates the space with the outside; and a gas diffusion hole provided on the surface of the cap at a position corresponding to the joint. It is characterized by being equipped with a heater.
ヒーターは、キャップの表面上に設けられているが、そ
の位置は、キャップがチップと接合する部分に対応した
位置となっている。そのため、ヒーターの熱は、キャッ
プ及びチップとの接合部を通じてチップの周縁部に伝達
されることになる。
ここで、熱がキャップ及びチップとの接合部を通じて伝
達されるということは、熱伝導率のよい部分を伝導する
ということであり、加熱効率が向上することになる。
また、ヒーターからの熱がキャップ及びチップとの接合
部を通じて伝達されることにより、イオン電導体チップ
はその周縁部より加熱されることになって全体のより均
一な加熱が行われることになる。そのため、サーマルシ
ョックによるクラック発生を避けることが可能となる。The heater is provided on the surface of the cap, and its position corresponds to the portion where the cap joins the chip. Therefore, the heat of the heater is transferred to the periphery of the chip through the joint between the cap and the chip. Here, the fact that heat is transferred through the joint between the cap and the chip means that the heat is conducted through a portion with good thermal conductivity, and heating efficiency is improved. In addition, since the heat from the heater is transmitted through the joint between the cap and the chip, the ion conductor chip is heated from its periphery, resulting in more uniform heating of the entire ion conductor chip. Therefore, it is possible to avoid the occurrence of cracks due to thermal shock.
以下、この発明の一実施例について図面を参照しながら
詳細に説明する。第１図において、イオン電導体チップ
１はたとえば板状の安定化ジルコニア（Ｚｒ０２−８ｍ
ｏ１％Ｙ２Ｏ３）を略円形（上からみたとき）に形成し
たもので、その中心に、このチップ１を貫通する小孔４
が設けられ、且つその表裏両面には、多孔質の電極２．
３が、小孔４を塞がないようにして形成されている。こ
の多孔質電極２．３はたとえば白金粒子を溶剤に混合し
たペーストをスクリーン印刷によりこのチップ１の両面
に塗布し、その後焼成することにより作られる。
そして、一方の電極（カソードとなるｔｒｉ）２を覆う
ように、キャップ５がイオン電導体チップ１上に形成さ
れて、この電極２の上に閉じられた空間が形成される。
このキャップ５はたとえば結晶ガラスなどにより形成さ
れ、その周縁部がチップ１に封着接合されることにより
電極２上に空間を形成する。そして、キャップ５の内側
には多孔質ガラス層６が設けられている。
このキャップ５の表面上にはヒーター７が設けられる。
このヒーター７が形成される位置は、キャップ５のイオ
ン電導体チップ１に対する接合部に対応した位置となっ
ている。すなわち、ヒーター７は、第１図の上からみる
と、第２図のように、キャップ５の周縁のチップ１に対
する接合部に沿って円形となるように形成されている。
その両端にはリードワイヤのボンディングのためのパッ
ド部分が形成される。
このような構造の限界電流式酸素センサにおいて、ヒー
ター７に電流を流してイオン電導体チップ１を加熱した
状態で、電ｆｉ３をアノードとして正の電圧を、電極２
をカソードとして負の電圧をそれぞれ印加すると、イオ
ン電導体チップ１中の酸素イオンをキャリアとする電流
がこの電極３．２間に流れる。そのため、キャップ５に
よって形成された空間の酸素が多孔質電極２を通ってイ
オン電導体チップ１内に入り込み、他方の面から酸素が
生じ、多孔質電極３を通って放散する。このような酸素
ボンピング作用により、キャップ５により形成される空
間の酸素濃度が下がり、小孔４通じて、被測定雰囲気（
外部）の酸素がこの空間中に流れる。その際の気体流入
量（流速）は、小孔４のサイズ、つまり小孔４の面積と
長さによってかなり正確に定まることになり、正確に酸
素濃度測定を行うことができる。
ここで、ヒーター７は、キャップ５がイオン電導体チッ
プ１に接合されている部分の上に形成されているため、
その熱はキャップ５を通じてチップ１の周縁部に伝達さ
れる。このように熱伝導がキャップ５のチップ１と接合
している部分を通じて行われるので、イオン電導体チッ
プ１の加熱を効率よく行うことができる。また、イオン
電導体チップ１はその周縁部より加熱されるので、全体
として均一に加熱されることになる。
このことはつぎのような実験によっても確認されている
。この実験は、第１図及び第２図に示したような構造の
、ヒーター７がキャップ５の周縁部に形成された、本発
明による限界電流式酸素センサと、第３図に示したよう
な構造の、ヒーター８がキャップ５の中央部に形成され
た、従来の限界電流式酸素センサとを多数作製して、そ
れらを酸素センサ素子として作動させて行った。従来の
限界電流式酸素センサでは、ヒーター８の消費電力を１
．２５Ｗとしたときに良好なイオン電導特性が得られた
のに対し、本発明による限界電流式酸素センサでは、同
様なイオン電導特性はヒーター７の消費電力を１．１５
Ｗとしたときに得られ、加熱効率が向上したことが分か
る。また、ヒーター７．８の消費電力を１．２０Ｗとし
てヒーター７．８の５分間オン、２分間オフのし−トサ
イクルテストを行った。このヒートサイクルを１万回繰
り返したところ、従来の限界電流式酸素センサでは５０
個中量０個がクラック発生により不良となったが、本発
明による限界電流式酸素センサでは不良なものは５０個
中上ロとなった。これはイオン電導体チップ１に対する
均一な加熱の結果、サーマルショックによるクラック発
生が抑えられたものと考えられる。Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In FIG. 1, the ion conductor chip 1 is made of, for example, a plate-shaped stabilized zirconia (Zr02-8m
o1% Y2O3) is formed into a substantially circular shape (when viewed from above), with a small hole 4 penetrating the chip 1 in the center.
is provided, and porous electrodes 2. are provided on both the front and back surfaces thereof.
3 is formed so as not to block the small hole 4. This porous electrode 2.3 is made, for example, by applying a paste containing platinum particles mixed in a solvent to both sides of this chip 1 by screen printing, and then baking it. Then, a cap 5 is formed on the ion conductor chip 1 so as to cover one electrode (tri serving as a cathode) 2, and a closed space is formed above this electrode 2. This cap 5 is made of, for example, crystal glass, and its peripheral portion is sealed and bonded to the chip 1 to form a space above the electrode 2. A porous glass layer 6 is provided inside the cap 5. A heater 7 is provided on the surface of this cap 5. The position where this heater 7 is formed corresponds to the joint portion of the cap 5 to the ion conductor chip 1. That is, when viewed from above in FIG. 1, the heater 7 is formed in a circular shape along the joint portion of the peripheral edge of the cap 5 to the chip 1, as shown in FIG. Pad portions for bonding lead wires are formed at both ends thereof. In the limiting current type oxygen sensor having such a structure, while the ion conductor chip 1 is heated by passing a current through the heater 7, a positive voltage is applied to the electrode 2 using the electric fi3 as an anode.
When a negative voltage is applied to each of the electrodes 3 and 2 as a cathode, a current using oxygen ions in the ion conductor chip 1 as carriers flows between the electrodes 3 and 2. Therefore, oxygen in the space formed by the cap 5 enters the ion conductor chip 1 through the porous electrode 2, and oxygen is generated from the other side and diffuses through the porous electrode 3. Due to this oxygen bombing effect, the oxygen concentration in the space formed by the cap 5 decreases, and the atmosphere to be measured (
(external) oxygen flows into this space. The gas inflow amount (flow rate) at this time is fairly accurately determined by the size of the small hole 4, that is, the area and length of the small hole 4, so that the oxygen concentration can be measured accurately. Here, since the heater 7 is formed on the part where the cap 5 is joined to the ion conductor chip 1,
The heat is transferred to the periphery of the chip 1 through the cap 5. Since heat conduction is thus conducted through the portion of the cap 5 that is connected to the chip 1, the ion conductor chip 1 can be heated efficiently. Furthermore, since the ion conductor chip 1 is heated from its peripheral portion, it is heated uniformly as a whole. This fact has also been confirmed by the following experiment. This experiment was carried out using a limiting current type oxygen sensor according to the present invention having a structure as shown in FIGS. 1 and 2, in which a heater 7 is formed on the periphery of a cap 5, and a limiting current type oxygen sensor as shown in FIG. A large number of conventional limiting current type oxygen sensors having a structure in which a heater 8 is formed in the center of the cap 5 were manufactured, and these were operated as oxygen sensor elements. In the conventional limiting current type oxygen sensor, the power consumption of the heater 8 is reduced to 1
．． While good ion conduction characteristics were obtained when the power consumption was 25W, in the limiting current type oxygen sensor according to the present invention, similar ion conduction characteristics were obtained when the power consumption of the heater 7 was reduced to 1.15W.
It can be seen that the heating efficiency was improved when W was used. Further, a cycle test was conducted in which the heater 7.8 was turned on for 5 minutes and turned off for 2 minutes, with the power consumption of the heater 7.8 being 1.20W. When this heat cycle was repeated 10,000 times, the conventional limiting current type oxygen sensor
0 out of 50 were defective due to cracking, but in the limiting current type oxygen sensor according to the present invention, only 50 out of 50 were defective. This is considered to be due to uniform heating of the ion conductor chip 1, which suppressed the occurrence of cracks due to thermal shock.
この発明の限界電流式酸素センサによれば、ヒーターに
よる加熱効率に優れ、その結果、ヒーターの消費電力を
低下することができる。しかも、イオン電導体チップを
均一に加熱することができるため、ヒートショックによ
るクラック発生率をきわめて低くでき、信頼性を非常に
高めることができる。According to the limiting current type oxygen sensor of the present invention, the heating efficiency of the heater is excellent, and as a result, the power consumption of the heater can be reduced. Moreover, since the ion conductor chip can be heated uniformly, the incidence of cracks due to heat shock can be extremely reduced, and reliability can be greatly improved.
第１図はこの発明の一実施例の断面図、第２図は同実施
例の上からみた平面図、第３図は従来例の断面図である
。
１・・・イオン電導体チップ、２．３・・・電極、４・
・・小孔、５・・・キャップ、６・・・多孔質ガラス層
、７．８・・・ヒーター
箋２目
箋３ΩFIG. 1 is a sectional view of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the same embodiment as viewed from above, and FIG. 3 is a sectional view of a conventional example. 1... Ion conductor chip, 2.3... Electrode, 4.
...Small hole, 5...Cap, 6...Porous glass layer, 7.8...Heater note 2 note note 3Ω
Claims (1)
チップと、周縁部を上記イオン電導体チップに接合して
上記の一方の電極の上に所定の空間が形成されるように
該電極を覆うキャップと、該空間と外部とを連通させる
気体拡散孔と、上記接合部に対応する位置において上記
キャップの表面上に設けられたヒーターとからなる限界
電流式酸素センサ。(1) An ionic conductor chip with porous electrodes formed on both the front and back surfaces, and a peripheral portion of the ionic conductor chip that is joined to the ionic conductor chip so that a predetermined space is formed above one of the electrodes. A limiting current type oxygen sensor comprising: a cap that covers the space; a gas diffusion hole that communicates the space with the outside; and a heater provided on the surface of the cap at a position corresponding to the joint.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2153156A JPH0450646A (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | Limiting-current type oxygen sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2153156A JPH0450646A (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | Limiting-current type oxygen sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0450646A true JPH0450646A (en) | 1992-02-19 |
Family
ID=15556256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2153156A Pending JPH0450646A (en) | 1990-06-12 | 1990-06-12 | Limiting-current type oxygen sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0450646A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06342520A (en) * | 1994-01-13 | 1994-12-13 | Fuji Electric Co Ltd | Production of magnetic disk |
-
1990
- 1990-06-12 JP JP2153156A patent/JPH0450646A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06342520A (en) * | 1994-01-13 | 1994-12-13 | Fuji Electric Co Ltd | Production of magnetic disk |
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