JPH0532765Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本考案は、ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する
ための限界電流式酸素濃度検出器に関するもので
ある。 〔従来技術〕 自動車等の内燃機関の空燃比制御や排気ガス浄
化のために、またボイラーの燃焼状態制御のため
に酸素濃度検出器が使用されている。この酸素濃
度検出器には種々のものが知られているが、その
うちの一つとして限界電流式酸素濃度検出器が開
発されている。この限界電流式酸素濃度検出器
は、板状の酸素イオン透過性固体電解質の両面に
電極を設けて素子本体となし、この素子本体の両
電極間に一定の電圧を印加してやると一方の電極
（陰極）側から他方の電極（陽極）側に酸素イオ
ンが透過するので、その際少くとも一方の電極か
ら入る（または出る）酸素イオン量を制限してや
ると被測定ガス中の酸素濃度に応じて両電極間に
限界電流が流れることを利用したものである。こ
の限界電流式酸素濃度検出器において、素子本体
の一方の電極面への酸素の拡散速度を律速させる
方法としては、第１図に示すように円板状の固体
電解質セル１の両面に形成された電極２，３面上
にプラズマ容射して多孔質セラミツクコーテイン
グ層５１，５２を形成する方法やセラミツク板に
細孔を開けた拡散板を電極面上に配置する方法に
よつている。なお、第１図において、２１，２１
はリード線を示す。 しかして上記第１図に示すような、ガス拡散律
速層としてスピネルなどのセラミツク容射層を直
接電極面上に形成したものは、電極面が直接測定
ガスに接触しないため電極保護に容射層が役立つ
という利点を有するが、このように直接電極面に
セラミツク容射層を設けた検出器では電極の面積
およびその活性の大小が、素子本体の抵抗のみな
らず限界電流値の大きさまで変えてしまう。すな
わち、この形式の検出器では限界電流Iと律速
層とは次式Ｉで表わされる関係にあるとされてい
る。 I∝Ｓ／Ｃ ……(1) （式中Iは限界電流値 は有効拡散距離 Ｓは有効電極面積を表わす。） したがつて素子本体の抵抗を下げるために電極
面積Ｓを拡げると、それに伴つて限界電流値I
も大きくなつてしまうため、適当な大きさの限界
電流値を得るためには容射層の厚みを増さなけ
ればならなかつた。このように容射層を直接電極
面に設けた形式のものでは、素子本体が大きくな
るだけで、結局低温作動性を向上させることは出
来なかつた。しかも、容射層はあまり厚くすると
クラツクが発生しやすくなり、また長時間の使用
により電極が劣化すると出力（限界電流値）も低
下してしまうという欠点を示す。 更に直接セラミツクを容射する方式では、所望
の多孔度を得るのがむづかしく、所望の多孔度の
容射層が得られないときは素子本体ごと不良品と
しなければならないという問題点をも有する。 一方、セラミツク板に１〜２個の細孔を開けた
拡散板を用いる形式のものは、細孔がスス（煤）
などによつて塞がれた場合容易に出力が変化する
ので好ましくない。 〔考案の目的〕 本考案は上記従来の欠点を解決するためのもの
で、ガス拡散律速層の製作が容易で、多孔度のバ
ラツキがなく、管理しやすく、したがつて出力
（限界電流値）も安定しており、低温作動性がよ
く、電極の劣化がおきても出力の低下をきたさな
い限界電流式酸素濃度検出器を提供することにあ
る。 〔考案の構成〕 本考案の限界電流式酸素濃度検出器は、ジルコ
ニア等からなる板状の酸素イオン透過性固体電解
質の表裏両面に白金等の多孔質薄膜状電極を形成
して素子本体となし、この素子本体の少なくとも
陰電極面上にガス拡散律速層を備えた閉鎖空間を
設けるにあたり、外方に向かつて拡がるテーパ状
内周面を有する蓋形に成形された多孔質セラミツ
ク成形体を、該成形体のテーパ状内周面が前期固
体電解質に当接した状態に被着せしめることによ
つて閉鎖空間を設けたことを特徴とする。 本考案で使用する多孔質セラミツク成形体とし
ては、適当な粉粒度のセラミツク粉末を圧粉成形
し、焼結などにより固化したものが用いられる。
より具体的にはセラミツクフイルターが使用でき
る。このセラミツクフイルターは、気孔分布が比
較的均一であるため細孔径を任意に作ることがで
きる。そのため、細孔径の適当なフイルターを選
択し、その外周表面の一部をガラスコーテイング
などで被覆することによつて所望のガス拡散律速
を有するフイルターを作ることができる。 セラミツクフイルターとしては種々の細孔径の
ものが使用できるが、孔径200〜3000Å程度のも
の、好ましくは約2000Åのアルミナフイルターが
用いられる。 セラミツクフイルターは、板状体のみならず函
形、蓋形などに成形して用いる。 セラミツクフイルターを電極面に密着させる
と、電極面に直接セラミツクコーテイング層を形
成した場合と同じ結果となり、上記式Ｉで示され
るように電極面に接して開口する細孔の大きさ
（細孔面積）S′とその細孔の長さ′に左右される
ため、細孔の大きさS′を単に大きくすると電極に
達する酸素量が増大し出力が大きくなる。また、
細孔数を増して電極面積を大きくすると同様に出
力も大きくなり、同様に低温作動性が得られなく
なる。そのため、本考案ではセラミツクフイルタ
ーを電極面から離して設けることを要件とする。 上記において閉鎖空間とは、電極とその上部に
設けられる多孔質セラミツク成形体との間の空間
が直接外部と連通していないという意味であつ
て、密閉した空間を意味しない。この閉鎖空間を
得るためには後の実施例で示すように、蓋形の多
孔質セラミツク成形体を素子本体にかぶせること
によつて形成する。蓋形成形体の内周面のテーパ
の傾斜度合いを調節することによつて、閉鎖空間
の大きさを容易にしかも任意に調節できる。な
お、多孔質セラミツク成形体の被覆をハウジング
で行つてもよい。 〔実施例〕 次に本考案を実施例により説明する。 第２図は本考案の一実施例の断面図で、１は固
体電解質セル、２は陰電極、３は陽電極、４はア
ルミナからなるセラミツクフイルター、６はガラ
スコーテイング層、８はハウジングそして９はセ
ラミツクチユーブを示す。この検出器は例えば次
の方法によつて作られる。 固体電解質セル１は、原料粉として例えば、イ
ツトリアを８モル％添加したジルコニア粉末を用
い、この原料粉を常法にしたがつて金型を使用し
て約1000Kg／cm²の圧力で円板状に加圧成形し、約
1700℃で焼結する。次に得られた焼結体に塩化白
金酸水溶液を塗布し、次いで水素化ホウ素ナトリ
ウムと水で処理することにより白金化学メツキを
施した。その後、両面の化学メツキ面上に更に白
金を電気メツキを施して厚さ約1μmの白金メツキ
を形成し、不必要な部分をクラインダーで削落し
て陰電極２および陽電極３を形成した。なお、こ
のとき第３図に示すようにセル１の側面に陰電極
２取り出し用リード部２′を形成する。このリー
ド部２′はメツキによつても、またセル焼結時に
白金ペーストによつてメタライズしてもよい。 次に蓋体の形状をした、平均細孔径が約2000Å
のアルミナのセラミツクフイルター４をセル１の
陰電極２面上に装着して周囲に無機接着剤５とし
てガラスを流し込んで封着する。このようにする
ことによつて陰電極２とフイルター４の間に閉鎖
された空間７ができる。望ましくは、フイルター
４にはその外周部にもガラスコーテイングを施し
てガスが側面から流れ込むのを防止する。 上記のようにして得たフイルター４付セル１を
セラミツクハウジング８内に装着し、セラミツク
チユーブ９で押えて固定して検出器を得る。な
お、１０，１１はリード線を示す。 実験例 １ 前記実施例の手順によつて作つた本考案検出器
ａ，ｂと陰電極面上に直接セラミツクフイルター
を密着させた比較例検出器ｃ，ｄについて、それ
ぞれ電極面積を１倍と約1.5倍にしたものの２種
類作り、それらのＶ−Ｉ特性（素子温：700℃、
雰囲気：大気中）を測定し、その限界電流値を比
較した。測定結果を表１に示す。

【表】 表１の結果から明らかなように、本考案検出器
においては、電極面積を大きくして素子抵抗を小
さくしても限界電流値の変化は小さく、したがつ
て限界電流出現電圧を小さくできる。 実験例 ２ 本考案検出器のロツトＢと、比較例検出器のロ
ツトＥについての限界電流値（大気中）のバラツ
キ度合を調査した結果を表２に示す。 なお、ロツトＢ、ロツトＥともにｎ＝17であ
る。また比較例検出器は、第２図の構造において
セラミツクフイルター４の代りに、第４図に示す
ような中央に穴のあいた円板状のセラミツク成形
体４ａの該穴を塞ぐようにプラズマ容射等による
多孔質セラミツクコーテイング層４ｂを設けた拡
散板を用いたものである。セラミツクコーテイン
グ層４ｂは素子本体に密着しない。

〔効果〕

従来のセラミツクのプラズマ容射では工程が複
雑で得られるガス拡散律速層もバラツキが多く、
出力のコントロールが困難であるのに対し、本考
案では多孔質セラミツク成形体を使用しているた
め、拡散律速層の形成が容易でかつ細孔径なども
比較的安定して得られ、コントロールが容易であ
る。しかも成形体の表面にガラスコーテイングす
るなどによつて、より微細にガス拡散速度を調整
でき安定した出力が得られる。更に成形体である
ため取扱いや加工も容易であるという利点を有す
る。このほか、本考案では電極面より多孔質セラ
ミツク成形体を引き離して設けているため、電極
面が充分に大きく、そのため低温作動性がよくか
つ電極の劣化によつても出力の低下がみられな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の酸素濃度検出素子の断面図、第
２図は本考案の一実施例の断面図、第３図は本考
案の検出素子本体の斜視図、第４図は比較例検出
器の拡散板の断面図である。 図中、１……固体電解質セル、２，３……電
極、４……セラミツクフイルター、６……ガラス
コーテイング、７……閉鎖空間、８……ハウジン
グ、９……セラミツクチユーブ、１０，１１……
リード線。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 板状の酸素イオン透過性固体電解質の表裏両面
   に薄膜状電極を形成し、該固体電解質の少なくと
   も陰電極面上にガス拡散律速層を備えた閉鎖空間
   を設けるにあたり、外方に向かつて拡がるテーパ
   状内周面を有する蓋形に成形された多孔質セラミ
   ツク成形体を、該成形体のテーパ状内周面が前記
   固体電解質に当接した状態に被着せしめることに
   よつて閉鎖空間を設けたことを特徴とする限界電
   流式酸素濃度検出器。