JPH05157727A

JPH05157727A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH05157727A
Application number: JP3322115A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋; Katsuaki Nakamura; 克明中村; Atsunari Ishibashi; 功成石橋; Yoshinori Kato; 嘉則加藤
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1991-12-05
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【構成】本願の酸素センサ４１は、イオン導電体３４
の一方の面に少なくとも一対の電極４３，４４を形成
し、これらの電極４３，４４を、酸素を通過させること
のできる有機材料により被覆し、電極４３，４４に所定
の電圧を印加することによりイオン導電体３４中に取り
込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用により
イオン導電体３４中をイオンとなって流れ、イオンをキ
ャリアとする電流値から試料ガス中の酸素濃度が測定さ
れることを特徴とする。【効果】限界電流特性のバラツキを極めて小さくする
ことができる。また、イオン導電体の厚みは機械的強度
を充分満足する厚みとすれば良く、特に高精度で制御す
る必要がなくなる。また、製造工程を簡単化することが
でき、製造コストを低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、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用いて
好適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、安定化ジルコニアをイオン導電体
として用いた限界電流式の酸素センサが提案され実用化
されている。この酸素センサは、純粋なジルコニア（Ｚ
ｒＯ₂）にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、マグネシア（Ｍｇ
Ｏ）、カルシア（ＣａＯ）等の酸化物を数ｍｏｌ％程度
固溶させて低温までホタル石型立方晶を保持させた安定
化ジルコニアをイオン導電体として用いたもので、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。

【０００３】上記酸素センサとしては、例えば、図４に
示す様な厚膜型構造の酸素センサが知られている。この
酸素センサ１は安定化ジルコニア（例えば、ＺｒＯ₂ー
８ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ_３）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たイオン導電体２と、このイ
オン導電体２の両面にそれぞれ形成され一定のセンサ監
視電圧が印加される多孔質の白金の電極３，４と、イオ
ン導電体２の電極３側に結晶化ガラス５，５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６が形
成されたセラミックキャップ７と、該セラミックキャッ
プ７の上面に形成された加熱用ヒーター８とから概略構
成されている。なお、前記セラミックキャップ７は、場
合によっては極めて酸素通過性のよい無機多孔質体、例
えば多孔質アルミナに置き換えることもある。そして、
前記酸素センサ１では、ヒーター８に所定の電圧を印加
し、かつ両電極３，４間に所定の電圧を印加した状態に
しておくと、気体拡散孔６を通してイオン導電体２中に
取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用に
より該イオン導電体２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値から、前記試料ガス中
の酸素濃度が測定される様になっている。

【０００４】また、図５に示す酸素センサ１１の様に、
セラミックキャップ７に気体拡散孔６を形成せずに、イ
オン導電体２の中央部に上下に貫通する気体拡散孔１２
を形成したものも知られている。そして、この構成の酸
素センサ１１においても、イオン導電体２の気体拡散孔
１２から取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピン
グ作用により該イオン導電体２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値から、前記
試料ガス中の酸素濃度が測定される様になっている。

【０００５】また、図６に示す酸素センサ２１の様に、
イオン導電体２の電極３の上部全体を内面に気密性のあ
るガラス膜２２が形成されたセラミックキャップ２３に
より覆った構造のものも知られている。そして、この構
成の酸素センサ２１においても、イオン導電体２の気体
拡散孔１２から取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポ
ンピング作用により該イオン導電体２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値から、
前記試料ガス中の酸素濃度が測定される様になってい
る。

【０００６】また、薄膜型構造の酸素センサとしては、
例えば、図７に示す様な構造の酸素センサ３１が知られ
ている。この酸素センサ３１は、酸素透過性の基板３２
の上に、電極３３、イオン導電体３４、電極３５が順次
積層された構造である。そして、この酸素センサ３１に
おいては、基板３２側から取り込まれた試料ガス中の酸
素が酸素ポンピング作用により該イオン導電体３４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
電流値から、前記試料ガス中の酸素濃度が測定される様
になっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の酸素
センサ１〜３１は、いずれも安定化ジルコニア等のイオ
ン導電体の両面に電極が形成されているために、そのイ
オン電流特性はイオン導電体２，３４の厚みに大きく依
存することとなり、これらのイオン導電体２，３４に対
しては、厚みを高度に制御することが要求される。実際
の製造工程では、厚膜の場合ではスクリーン印刷法が、
また、薄膜の場合ではスパッタリング等が好適に用いら
れているが、いずれの方法においても前記イオン導電体
２，３４の厚みを高精度で制御することは極めて難し
く、イオン電流特性のバラツキを小さくすることができ
ないという欠点があった。また、上記の酸素センサ１〜
３１では、イオン導電体２（３４）の両面に別々の工程
により精度良く電極３，４（３３，３５）を形成する必
要があり、製造工程が複雑になるとともに製造コストも
上昇するという欠点があった。これらの欠点は自動化ラ
イン等を導入する際に障害となるために、上記の酸素セ
ンサ１〜３１は、一般に大量生産に不向きな製品である
と考えられている。本発明は、上記の事情に鑑みてなさ
れたものであって、上記の欠点を解決するとともに、高
信頼性、小型化、低消費電力、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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は次の様な酸素センサを採用した。すなわ
ち、本発明の酸素センサは、イオン導電体の一方の面に
少なくとも一対の電極を形成し、これらの電極を、酸素
を通過させることのできる有機材料により被覆し、これ
らの電極に所定の電圧を印加することにより、該イオン
導電体中に取り込まれた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値から、前記
試料ガス中の酸素濃度が測定されることを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明の酸素センサでは、前記有機材料を通過
して前記イオン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸
素が酸素ポンピング作用により前記イオン導電体中、特
に該イオン導電体の表面層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値から、前記試料ガス
中の酸素濃度が測定される。

【００１０】本発明の酸素センサでは、イオン導電体の
一方の面に少なくとも一対の電極を形成し、前記電極
を、酸素を通過させることのできる有機材料により被覆
することにより、厚みの制御が容易な有機材料の気体透
過性を利用することが可能になり、酸素センサの限界電
流特性のバラツキを極めて小さくすることが可能にな
る。また、イオン導電体の表面層の特性を効果的に利用
することにより、イオン導電体の厚みは機械的強度を充
分満足する厚みであれば良く、特に高精度で制御する必
要がなくなる。

【００１１】また、イオン導電体の一方の面に電極を形
成することにより、イオン導電体の両面に別々の工程に
より電極付けを行う必要がなくなり、製造工程が簡単化
され製造コストも低減される。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の酸素センサ４１
を示す正断面図である。この酸素センサ４１は、例えば
アルミナ（Ａｌ_２Ｏ₃）等からなる基板４２と、該基板
４２の上面に形成された安定化ジルコニア（例えば、Ｚ
ｒＯ₂ー８ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃）等からなる薄膜のイオン導
電体３４と、該イオン導電体３４の上面に１０μｍの間
隔をおいて形成された矩形状の一対の多孔質の白金の電
極４３，４４と、イオン導電体３４及び電極４３，４４
の上に形成された有機材料からなる被覆層４５とから概
略構成されている。

【００１３】被覆層４５は、例えば、ポリシロキサン、
シリコーンゴム等のシリコン系樹脂、ポリアセチレンも
しくはその誘導体、ポリフマル酸エステル、ポリイミ
ド、ポリ４ーメチルペンテン、テフロンやＦＥＰ等の弗
素系樹脂のいずれか１種以上を含む耐熱性の有機材料が
好適に用いられる。また、該被覆層４５の形成方法とし
ては、塗布法、浸漬法、粉体塗装法等が好適に用いられ
る。

【００１４】図２は酸素センサ４１の限界電流特性を示
す図である。この図においては、該酸素センサ４１を３
００℃に加熱し、電極４３，４４間に印加される電圧の
大きさを変化させた場合に得られる電流の大きさをグラ
フ化した。図２から、この実施例の酸素センサ４１は、
良好な限界電流特性を示すことがわかる。

【００１５】以上説明した様に、上記実施例の酸素セン
サ４１によれば、基板４２の上面に薄膜のイオン導電体
３４を形成し、該イオン導電体３４の上面に一対の多孔
質の白金の電極４３，４４を形成し、イオン導電体３４
及び電極４３，４４の上部を被覆層４５により被覆して
なることとしたので、限界電流特性のバラツキを極めて
小さくすることができる。また、イオン導電体３４の表
面層の特性を効果的に利用することにより、イオン導電
体３４の厚みは機械的強度を充分満足する厚みとすれば
良く、特に高精度で制御する必要がなくなる。また、イ
オン導電体３４の一方の面に電極４３，４４を形成する
こととしたので、製造工程を簡単化することができ、製
造コストを低減することができる。

【００１６】また、被覆層４５は耐熱性樹脂であるポリ
シロキサン、シリコーンゴム等のシリコン系樹脂、ポリ
アセチレンもしくはその誘導体、ポリフマル酸エステ
ル、ポリイミド、ポリ４ーメチルペンテン、テフロンや
ＦＥＰ等の弗素系樹脂のいずれか１種以上を含むとする
こととしたので、電極４３，４４を外部環境から良好に
隔離することができる。また、試料ガス中の酸素を選択
的に通過させることができ、酸素センサとしての感度を
向上させることができる。なお、被覆層４５は耐熱性の
有機材料である高分子化合物から構成される方が望まし
い。

【００１７】図３は酸素センサ４１の変形実施例を示す
正断面図である。この酸素センサ５１が上記酸素センサ
４１と異なる点は、イオン導電体３４の上面に五対の多
孔質の白金の電極４３，４４が形成された点である。こ
の酸素センサ５１においても上記酸素センサ４１と同様
の作用・効果を得ることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、本発明の酸素
センサによれば、イオン導電体の一方の面に少なくとも
一対の電極を形成し、これらの電極を、酸素を通過させ
ることのできる有機材料により被覆し、これらの電極に
所定の電圧を印加することにより、該イオン導電体中に
取り込まれた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値から、前記試料ガス中
の酸素濃度が測定されることとしたので、限界電流特性
のバラツキを極めて小さくすることができる。また、イ
オン導電体の表面層の特性を効果的に利用することによ
り、イオン導電体の厚みは機械的強度を充分満足する厚
みとすれば良く、特に高精度で制御する必要がなくな
る。また、イオン導電体の一方の面に少なくとも一対の
電極を形成することとしたので、製造工程を簡単化する
ことができ、製造コストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の酸素センサを示す正断面
図である。

【図２】本発明の一実施例の酸素センサの限界電流特
性を示す図である。

【図３】本発明の変形実施例の酸素センサを示す正断
面図である。

【図４】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【図５】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【図６】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【図７】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【符号の説明】

４１，５１ … … 酸素センサ、４２ … … 基板、３４
… … イオン導電体、４３，４４ … … 電極、４５
… … 被覆層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤嘉則東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン導電体の一方の面に少なくとも一
対の電極を形成し、これらの電極を、酸素を通過させる
ことのできる有機材料により被覆し、これらの電極に所
定の電圧を印加することにより、該イオン導電体中に取
り込まれた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値から、前記試料ガス中の
酸素濃度が測定されることを特徴とする酸素センサ。