JPH056364U - ガスセンサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 内部室を有する限界電流式のガスセンサ素子
において、製造が容易で、かつ内部室を確実に密封でき
る構造のガスセンサ素子を提供する。 【構成】 固体電解質基板２と、基板２の両面上に設け
られた陽極３ｂ及び陰極３ａと、基板２の陰極３ａ側に
内部室４を形成するように固着された隔壁体５と、内部
室４に連通する微小拡散孔７とを有し、隔壁体５の外縁
が固体電解質基板２の外縁の内側にくるように形成され
ており、固体電解質基板２と隔壁体５が重ね合わされて
形成される端部の段部に封止剤９が塗着されており、微
小拡散孔７以外の部分では、内部室４は密封されている
ガスセンサ素子１である。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は限界電流式ガスセンサ素子に関し、特に、固体電解質基板と隔壁体と により内部室を形成してなる構造を有し、微小拡散孔以外の部分での内部室の密 封性が良好で、かつ製造が容易な構造のガスセンサ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術及び考案が解決しようとする課題】

従来から、空気中の各種のガスの濃度を測定するために種々のタイプのセンサ が提案され、使用されている。その代表的なセンサの一つに、限界電流式センサ があるが、これは、酸素イオンや水素イオン等の伝導体である固体電解質の基板 の両面に電極を設けるとともに、検知対象ガス（酸素ガスや水素ガス等）が一方 の電極に到達するのを構造的に制限しておき、この電極間に電圧を印加して検知 対象ガスのイオン電流を生じさせ、電極間に流れる電流値（限界電流値）を測定 することにより検知対象ガスの濃度を測定するものである。

【０００３】 この方式のガスセンサ素子の代表的なものとして、たとえば図３に示すような 構造を有するものが挙げられる。すなわち、ガスセンサ素子２０は、固体電解質 基板２と、その両面上に設けられた多孔質の電極３ａ、３ｂと、陰極となる電極 ３ａ側に内部室４を形成する隔壁体５及びスペーサ６とを有し、電極３ａ、３ｂ 間に電圧を印加することができる構造となっている。このガスセンサ素子２０に おいては、外部から内部室４に検知対象ガスを通過させるための微小拡散孔７は 固体電解質基板２に形成されている。なお、隔壁体５の外表面には、ガスセンサ 素子２０を所望の素子作動温度に加熱保持するためのヒータ８が形成されている 。

【０００４】 このような構造のガスセンサ素子２０において、たとえば固体電解質基板２を ジルコニア系の基板として酸素ガス濃度を測定する素子とすると、酸素ガスが多 孔質電極３ｂ及び固体電解質基板２の微小拡散孔７を通過して電極３ａに到達し 、そこでイオン化されて酸素イオンとなる。電極３ａ、３ｂ間に電圧が印加され ているので（電極３ａを陰極とする）、酸素イオンは電極３ｂに向かって固体電 解質基板２中を移動する。そして電極３ｂで酸素イオンが再び酸素分子となり、 電極３ｂの孔部を通過して外部に放出される。このように、酸素のイオン化及び イオンのガス化に伴う電荷の移動が生じるので、電源と素子を繋いだ回路に電流 が流れる。回路に流れる電流は、印加電圧を大きくするとそれに伴い増大するが 、微小拡散孔７により内部室４に流入するガス量が制限されることになり、電極 に印加する電圧を大きくしていっても、ある特定の電圧値以上では回路を流れる 電流値が実質的に変わらなくなる。この状態は限界電流状態と呼ばれるが、この 限界電流状態における電流値（限界電流値）は検知対象ガスの分圧（濃度）を反 映したものであり、この限界電流値を測定することでガスの検知を行うことがで きる。

【０００５】 以上のような作用によりガスの検知をするのであるから、ガス濃度の精確な検 知を行うためには、また、ガスセンサ素子の製品毎のバラツキを生じさせないこ とが重要であるが、そのためには、微小拡散孔７以外の部分で内部室をしっかり と密封する必要がある。そこで通常は、図３に示すように固体電解質基板２とス ペーサ６と隔壁体５との重ね合わせ端部（ガスセンサ素子の外周部）に、ガラス ペースト等からなる封止剤９を塗着して固体電解質基板２とスペーサ６と隔壁体 ５とを固着し、微小拡散孔７以外の部分を密封した構造としている。

【０００６】 しかしながら、図３に示したような構造の従来のガスセンサ素子では、固体電 解質基板２やスペーサ６や隔壁体５等の各部材の端部を固着する工程において、 封止剤をガスセンサ素子２０の外周側面以外の部分に飛散又は拡散させずに、ガ スセンサ素子２０の外周側面のみに均一に塗着することが難しかった。封止剤が 均一にガスセンサ素子２０の外周側面に塗着されないと、内部室の気密性（微小 拡散孔７以外の部分において）が確実ではなくなり、製品毎のバラツキがでてく る。また、内部室やその他の部分に封止剤が飛散又は拡散すると、ガスセンサ素 子の性能の低下を引き起こすことになる。

【０００７】 また、図３に示すような構造とすると、封止剤の塗着に際しては、図４に模式 的に示すように、封止剤を塗布する機器３０をガスセンサ素子２０の外縁に配置 し、外周方向のみならず厚さ方向にも動かさなくてはならない。すなわち、封止 剤を塗布する機器３０の封止剤塗布先端部３１を三次元的に動かさなくてはなら ない。そのため、封止工程の自動化が難しいという問題があった。

【０００８】 従って、本考案の目的は、内部室を有する限界電流式のガスセンサ素子におい て、製造が容易で、かつ内部室を確実に密封できる構造のガスセンサ素子を提供 することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本考案者は、固体電解質基板及び隔壁体のい ずれか一方を、他方より大きめに形成しておき、スペーサを介して両者を重ね合 わせた時に生じる縁部の段部に封止剤を塗着して微小拡散孔以外の部分を密封す る構造とすれば、高い信頼性をもって内部室を密封することができ、またその製 造も容易であることを発見し、本考案に想到した。

【００１０】 すなわち、本考案の限界電流式のガスセンサ素子は、固体電解質基板と、前記 基板の両面上に設けられた陽極及び陰極と、前記陰極側に内部室を形成するよう に固着した隔壁体と、前記内部室に連通する微小拡散孔とを有するもので、前記 固体電解質基板及び前記隔壁体のいずれか一方の外縁が他方の外縁の内側にくる ように形成され、重ね合わされた前記固体電解質基板と前記隔壁体との縁部に形 成された段部には封止剤が塗着されており、もって前記微小拡散孔以外の部分で は、前記内部室は密封されていることを特徴とする。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案を添付図面を参照して詳細に説明する。 図１は本考案の一実施例によるガスセンサ素子を示す概略断面図である。この ガスセンサ素子１は、固体電解質基板２と、その両面に形成された電極３ａ、３ ｂと、電極３ａの形成面側に内部室４を形成するように配置されたスペーサ６及 び隔壁体５とを有する。また、隔壁体５の一方の面（内部室４の反対側の面）に はこのガスセンサ素子を素子作動温度まで加熱するためのヒータ８が形成されて いる。さらに、電極３ａ、３ｂにはリード線１１、１２が接続されており、直列 に配列した電源及び電流計につながっている。

【００１２】 本実施例のガスセンサ素子１では、固体電解質基板２に、厚さ方向に延びる微 小拡散孔７が形成されており、これと電極３ａ及び３ｂの微細孔を通して外部か ら内部室４まで、ガス分子が到達できるようになっている。

【００１３】 本実施例では、固体電解質基板２が隔壁体５より大きめに形成されており、ス ペーサ６は、隔壁体５の端面と同一レベルの端面を有するように固体電解質基板 ２及び隔壁体５の間に介在する。したがって、隔壁体５及びスペーサ６の縁部と 、固体電解質基板２の縁部との間に段部が形成される。本考案では、この段部に 封止剤９を塗着し、隔壁体５と、スペーサ６と、固体電解質基板２とを固着する とともに、これらの重なり部分での隙間を封止し、内部室４を確実に密封する。

【００１４】 図１及び先に示した図３との比較から容易に分かるように、本考案によるガス センサ素子の外周の段部に封止剤を塗着する方が、図３に示す構造のガスセンサ 素子の外周の端面部に封止剤を塗着する工程より容易に行うことができる。すな わち、ガスセンサ素子１においては、封止剤をいわゆるタレ等の心配なく簡単に 段部に塗着することができるが、図３に示した構造のガスセンサ素子２０では、 封止剤のタレ等を考慮しながら、比較的高い粘度の封止剤をガスセンサ素子２０ の外周端面部に塗着する必要がある。

【００１５】 次に、ガスセンサ素子の各部について説明する。 まず、固体電解質基板２としては、検知対象ガスが酸素である場合、酸素イオ ン伝導体であるジルコニア系基板を用いる。このとき、ジルコニアに安定化剤と してイットリア、カルシア、セリア等の少なくとも１種を添加したものを用いる のがよい。なお、固体電解質基板としてはジルコニア系のものに限らず、対象ガ スに応じて、そのガス種のイオンを伝導する材料を適宜選択して用い、酸素以外 のガスの検知素子とすることができる。

【００１６】 固体電解質基板２の両側に形成された電極３ａ、３ｂは多孔質の導電物質から なる。電極３ａ、３ｂは触媒活性化電極として機能するため、Pt、Pd、Ag、Rh、 In等の金属材料、もしくはこれらの合金材料、又は、シンタリングを防止するた めにこれらの金属材料のうちの少なくとも１種と、ジルコニアや窒化硼素等の難 焼結材との混合物を用いるのが好ましい。特にPt、又はPtとジルコニアの混合物 を用いるのが好ましい。なお、内部室４内に形成される電極３ａが陰極となる。

【００１７】 陰極である電極３ａは上述の通り内部室４内に設置される構造となるが、この 内部室４は、上述の固体電解質基板２と、スペーサ６と、隔壁体５とによって規 定され、微小拡散孔７のみで外部と連通している。このスペーサ６としては、固 体電解質基板２と同程度の熱膨張率を有する無機物質を用いるのがよい。

【００１８】 また隔壁体５としては、酸化物セラミックス、炭化物セラミックス又は窒化物 セラミックスを主成分とした部材から形成するのがよい。具体的には、酸化物セ ラミックスとしては、Al₂ O ₃ 、MgO 、SiO ₂ 、BeO 、CaO 、ThO ₂ 、HfO ₂ 、 TiO ₂ 、Cr₂ O ₃ 等が挙げられる。また炭化物セラミックスとしては、Cr₂ C ₃ 、Be₂ C 、TiC 、ZrC 、VC、NbC 、HfC 、TaC 、SiC 、B ₄ C 、Mo₂ C 、WC等が 挙げられる。さらに窒化物セラミックスとしては、TiN 、Si₃ N ₄ 、ZrN 、HfN 、AlN 等が挙げられる。好ましいセラミックスとしては、低価格で比較的に強度 の高いAl₂ O ₃ 、MgO 、SiO ₂ 等が挙げられる。

【００１９】 封止剤９としては、固体電解質基板２、スペーサ６及び隔壁体５の材質にもよ るが、Na₂ O 、ZnO 、B ₂ O ₃ 、SiO ₂ 等からなるガラスペーストを用いること ができる。

【００２０】 隔壁体５の外側の面に形成されるヒータ８は、隔壁体上に面状または線状に発 熱体を形成してなるものであり、白金ペーストを用いたスクリーン印刷やフォト リソグラフィー等の方法で形成することができる。ヒータ８は素子の温度を所望 の高温に保ち、固体電解質基板２のイオン伝導度を良好にするために設けられる 。

【００２１】 なお、電極３ａ、３ｂ及びヒータ８に接続するリード線としては白金線等を用 いることができる。

【００２２】 なお、本実施例では、平板状の隔壁体５とスペーサ６とを用い、これらと固体 電解質基板２とで内部室４を規定しているが、隔壁体５とスペーサ６とが一体的 に形成されてなる形状の隔壁体と固体電解質基板２とで内部室を形成する構造と してもよい。

【００２３】 図３は本考案のもう一つの実施例によるガスセンサ素子を示す概略断面図であ る。このガスセンサ素子１０においては、隔壁体５の方が固体電解質基板２より 大きめに形成されており、スペーサ６は固体電解質基板２の端面と同一面を有す るように介在している。このスペーサ６及び固体電解質基板２の縁部と、隔壁体 ５の縁部との間に段部が形成され、この段部に封止剤９が塗布されている。その 他は先に示したガスセンサ素子１と同様となっている。

【００２４】 以上、添付図面を参照して本考案を説明したが、本考案はこれに限定されず、 本考案の思想を逸脱しない限り種々の変更を行ってよい。

【００２５】 以下の具体的実施例により、本考案をさらに詳細に説明する。実施例１ 固体電解質基板２として、厚さが0.2 mmで５mm×５mmのジルコニア板を用い、 この基板の両面に、白金粉末に有機バインダーと有機溶剤とを添加してなる導電 ペーストをスクリーン印刷法により２mm×２mmの大きさに塗布し、焼成して電極 を作成した。また、この電極に白金のリード線を取りつけた。一方、隔壁体５と しては、厚さが0.25mmで４mm×４mmのアルミナ製の板を用い、この隔壁体５の一 方の表面に、上記の電極形成と同様の方法でヒータ８を形成した。

【００２６】 上記で得た固体電解質基板２及び隔壁体５を、ガラス質製のスペーサ６を介し て、図１に示すように積層し、SiO ₂ を主成分とするガラスペーストを封止剤と して用い、図１に示すように、隔壁体５及びスペーサ６の端面及び固体電解質基 板２の端部の上面からなる段部に、この封止剤を塗着し、660 ℃で融着して、限 界電流式のガスセンサ素子を形成した。

【００２７】 このようにして作成したガスセンサ素子を用いて、以下の要領で酸素ガスの検 知を行った。

【００２８】 まず、ヒータ８には約９ボルトの直流電圧を印加し、素子温度を400 ℃に保っ た。この時のヒータに流れる電流値は約120 ｍＡであった。この状態で電極３ａ 、３ｂ間に所定の直流電圧を印加し、印加した電圧に対して電極間に流れた電流 値を測定した。この場合、電極間を流れる電流は、陰極から固体電解質基板に溶 け込んだ酸素がイオン化して、正極まで移動し、そこでガス化することによって 生じる電流である。以上の測定から、本実施例のガスセンサ素子は、良好な酸素 ガス濃度の検知が行なえることがわかった。

【００２９】

【考案の効果】

以上説明した通り、本考案によるガスセンサ素子は高い信頼性をもって内部室 を密封することができる。また、封止剤の塗布も容易となり、もってガスセンサ 素子の製造の自動化が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例によるガスセンサ素子を示す
概略断面図である。

【図２】本考案のもう一つの実施例によるガスセンサ素
子を示す概略断面図である。

【図３】従来の限界電流式ガスセンサ素子の一例を示す
概略断面図である。

【図４】従来の限界電流式ガスセンサ素子の外周側面部
に封止剤を塗着する工程を示す模式図である。

【符号の説明】

１、10、20 ガスセンサ素子 ２ 固体電解質基板 ３ａ、３ｂ 電極 ４ 内部室 ５ 隔壁体 ６ スペーサ ７ 微小拡散孔 ８ ヒータ ９ 封止剤 １１、１２ リード線 ３０ 封止剤塗布機器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 大矢 裕之 埼玉県熊谷市熊谷810番地 株式会社リケ ン熊谷事業所内 (72)考案者 中野内 幸雄 埼玉県熊谷市熊谷810番地 株式会社リケ ン熊谷事業所内

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項１】 固体電解質基板と、前記基板の両面上に
   設けられた陽極及び陰極と、前記基板の前記陰極側に内
   部室を形成するように固着された隔壁体と、前記内部室
   に連通する微小拡散孔とを有する限界電流式ガスセンサ
   素子において、前記固体電解質基板及び前記隔壁体のい
   ずれか一方の外縁が他方の外縁の内側にくるように形成
   され、重ね合わされた前記固体電解質基板と前記隔壁体
   との縁部に形成された段部には封止剤が塗着されてお
   り、もって前記微小拡散孔以外の部分では、前記内部室
   は密封されていることを特徴とするガスセンサ素子。