JPH0614963U - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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JPH0614963U
JPH0614963U JP5780792U JP5780792U JPH0614963U JP H0614963 U JPH0614963 U JP H0614963U JP 5780792 U JP5780792 U JP 5780792U JP 5780792 U JP5780792 U JP 5780792U JP H0614963 U JPH0614963 U JP H0614963U
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substrate
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electrolyte substrate
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JP5780792U
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秀行 黒澤
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Riken Corp
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Riken Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性(量産性)に優れ、高寿命の限界電流
式酸素センサを提供する。 【構成】 ジルコニア系固体電解質基板2と、基板2の
両面上に1つずつ形成された多孔質電極と、一方の電極
3a上に内部室を形成するように基板2上に設けられた
緻密な密閉部材4と、密閉部材4の表面に設けられたヒ
ータ7とを有し、前記内部室と外界とを連通する拡散孔
が基板2に形成されており、基板2及び密閉部材4が六
角形以上の多角形である限界電流式の酸素センサ1であ
る。

Description

【考案の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】
本考案は酸素イオン伝導性のジルコニア系固体電解質基板を用いた限界電流式 酸素センサに関する。
【0002】
【従来の技術及び考案が解決しようとする課題】
ジルコニア系固体電解質基板を用いた酸素センサは、その作動原理の違いによ り、酸素濃淡電池式と限界電流式とに分類される。酸素濃淡電池式の酸素センサ では、酸素濃度が既知の基準ガス(たとえば空気)を一方の電極に接触させると ともに他方の電極に被測定ガスを接触させ、酸素濃度の違いにより発生する起電 力を測定することにより被測定ガス中の酸素濃度を検出する。
【0003】 一方、限界電流式の酸素センサでは、酸素イオン伝導性の固体電解質基板の表 面に一対の電極を形成しておくとともに、被測定ガス中の酸素ガスが一方の電極 に到達するのを構造的に抑制しておき(酸素ガス分子の拡散律速状態を生じさせ )、電極間に電圧を印加し、酸素分子をイオン化して固体電解質基板中を移動さ せ(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 ことにより酸素ガスの濃度を測定する。この限界電流式の酸素センサは、濃淡電 池式センサで必要な基準ガスが不要であるので使用しやすく、近年では、家電製 品等にも装備されるようになってきた。
【0004】 限界電流式の酸素センサの一例を図4に示す。この酸素センサ10においては、 固体電解質基板2の両面に多孔質の電極3a、3bが設けられており、電極3a を陰極とするように電源が接続されている。陰極3a側には、上記の固体電解質 基板2と密閉部材4とスペーサ40とにより内部室5が形成されており、この内部 室5は、多孔質の電極3a、3bの孔部、及び固体電解質基板2に設けられた微 小の拡散孔6によりのみ外部に連通している。
【0005】 この種のセンサでは、固体電解質のイオン伝導度を高める目的で酸素センサ自 体を400 ℃程度に加熱するのが好ましいが、このため、密閉部材4の外側の表面 上にヒータ7が形成されている。
【0006】 上記したような断面構造を有する限界電流式のセンサにおいて、従来は、図5 に示すような矩形(正方形を含む)の平面形状を有するセンサ10a が一般的であ った。すなわち、基板2及び密閉部材4はそれぞれ矩形に形成されていた。
【0007】 矩形の平面形状を有するセンサ10a では、密閉部材4又は基板2が均一に加熱 されにくく、密閉部材4又は基板2内に温度分布が生じやすい。具体的には、矩 形の密閉部材4又は基板2の角部が他の部分と比して低い温度となる。このよう な温度分布が生じると、特に密閉部材4又は基板2の角部に熱応力が生じやすく 、その結果、密閉部材4や基板2、さらにはそれらに接触しているスペーサ40に クラックが発生することがあった。クラックが発生すれば内部室の気密性が保た れなくなり、精確な酸素濃度の検知は行えない。
【0008】 また、図6に示すように、円形の密閉部材4(及び基板2)を用いて製造した センサ10b も開発されている。このセンサ10b においては、角部が形成されない ので密閉部材4又は基板2内に大きな温度差が生じることは少なく、そのため特 に熱応力が集中するような部分はない。したがって、図5に示したセンサ10a に 比べてクラックの発生は少なくなる。しかしながら、密閉部材4及び基板2を円 形としなくてはならないので、一枚の大きな部材から多数個の小さな基板(又は 密閉部材)を切り出すバッチプロセスを適用することは難しい。換言すれば、こ のタイプのセンサは生産性、特に量産性に劣る。
【0009】 したがって、本考案の目的は、上述した欠点を克服し、生産性(量産性)が良 く、高寿命の限界電流式酸素センサを提供することである。
【0010】
【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、固体電解質基板と密閉部材とを 六角形以上の多角形状に形成すれば、固体電解質基板及び密閉部材の角部におけ る熱応力は緩和されてクラックが発生しにくくなることを発見し、本考案を完成 した。
【0011】 すなわち、本考案の酸素センサは、 (a) ジルコニア系固体電解質基板と、 (b) 前記基板の両面上に1つずつ形成された多孔質電極と、 (c) 一方の電極上に内部室を形成するように前記基板上に設けられた緻密な密閉 部材と、 (d) 前記密閉部材の表面に設けられたヒータと を有し、前記内部室と外界を連通する拡散孔が前記基板又は前記密閉部材に形成 されている限界電流式の酸素センサであって、前記基板及び前記密閉部材が六角 形以上の多角形であることを特徴とする。
【0012】
【実施例】
以下、添付図面を参照して本考案を詳細に説明する。 図1は本考案の一実施例による酸素センサを示す平面図であり、図2はそのA −A断面図である。
【0013】 まず、図2に示すように、酸素センサ1は、酸素イオン伝導性を有する緻密な 固体電解質基板2と、この固体電解質基板2の両面上に設けられた多孔質の電極 3a、3bと、ヒータ7をその表面に形成した緻密な密閉部材4と、密閉部材4 と固体電解質基板2との間に配置されたスペーサ40とを有する。
【0014】 図2から容易にわかるように、固体電解質基板2と密閉部材4とスペーサ40と により電極3a上に内部室5が形成されている。ここで、固体電解質基板2には 酸素ガスの拡散律速状態を生じさせるための拡散孔6が形成されており、多孔質 の電極3a、3bの孔部及び拡散孔6だけで内部室5は外部に連通している。な お、拡散孔6は固体電解質基板2に設ける必要はなく、密閉部材4に設けること もできる。
【0015】 次に、図1に示すように、密閉部材4の表面にはヒータ7が蛇行して形成され ている。この実施例のように、等間隔に、かつ縦方向と横方向になるべく均等に なるようにヒータ7を蛇行させ、多孔質電極が形成された固体電解質基板2の部 分が少なくとも均一に加熱されるようにするのが好ましい。なお、ヒータ7は図 1に示すようなパターンに形成する必要はなく、多孔質電極が形成された固体電 解質基板2の部分が少なくとも均一に加熱されるのであればどのようなパターン であってもよい。
【0016】 酸素センサ1では、密閉部材4の外側の表面にヒータ7が形成されているが、 本考案はこれに限定されず、密閉部材4の内部室5側の表面にヒータ7を形成す ることもできる。
【0017】 また、図1からわかるように、固体電解質基板2は六角形に形成されている。 一方、密閉部材4は正方形の角部を切り取ったような八角形に形成されている。 このセンサ1においては、密閉部材4は、その対向する一対の辺B、Bが、固体 電解質基板2の対向する一対の辺と(その平面図において)重なるように固体電 解質基板2に固着されている。また、密閉部材4の8つの角部のうちの4つの角 部C、・・Cは、固体電解質基板2の4つの角部と同一の大きさに形成されてお り、この角部でも重なっている。
【0018】 本考案では基板2と密閉部材4とを六角形以上の多角形に形成しており、この ため一つの角部における角度を大きくすることができる(鈍角にすることができ る)。前述したように、矩形(または正方形)の基板及び密閉部材を用いた場合 は、それらの角部が他の部分に比して極端に低温となり、そのため角部に大きな 熱応力がかかるが、本考案では角部における角度を大きくとることができるので 、角部がそれほど低温にならない。したがって、基板及び密閉部材の角部に大き な熱応力は生じず、クラックの発生を防止することができる。なお、酸素センサ 1において、基板2の対向する2つの角部D、Dはほぼ90°に形成されているが 、この角部D、Dはヒータ7を有する密閉部材4から遠く、密閉部材4の近傍か ら角部D、Dの先端部までの間に徐々に温度が低くなるので、角部D、Dには大 きな熱応力は生じない。
【0019】 また、図1に示す酸素センサ1のように、左右対称の構造にしておくと、基板 2及び密閉部材4内の温度変化(温度分布)を単調でおだやかなものとすること ができ、クラック等の発生を確実に防ぐことができる。
【0020】 なお、本実施例のセンサ1においては、図1からわかるように、電極3aの一 部分がスペーサ40からはみ出して(実際には、スペーサ40と固体電解質基板2と の間から外側にはみ出て)外部に現れている。このはみ出した部分にリード線11 を接続する構造とすると、リード線11をスペーサ40内を貫通させる必要はなく、 センサの製造が容易となる。また、電極3aにおいて、スペーサ40を越えて外に はみ出た部分はガラス質の材料により封孔しておくので、この部分からセンサ外 部のガスが(電極3a内を通って)内部室5に入ることはない。なお、リード線 12は電極3b(図1には示さない)に接続している。
【0021】 電極3a及び3bにそれぞれ接続したリード線11、12の間には、電源及び電流 計あるいは抵抗等(これらは図示せず)が直列に接続され、酸素イオンによって 固体電解質基板中に流れる電流が検出される。
【0022】 次に、酸素センサ1の各部材について説明する。 (1) 固体電解質基板 固体電解質基板2としては、酸素イオンの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好ましい。
【0023】 (2) 多孔質の電極 固体電解質基板2の表面上に形成された電極3a、3bは、多孔質の導電性物 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、Ag、Pd 等の金属又はこれらの合金、もしくは、Lax Sr(1-x) CoO3 、 Lax Sr(1-x) Co y Ni(1-y) 3 、 Lax Sr(1-x) MnO3 、 Lax Sr(1-x) Coy Mn(1-y) 3 等の ペロブスカイト構造の酸化物を用いて形成するのが好ましい。また、これらの材 料の混合物や、さらには、上記の各物質とジルコニア等の難焼結材料との混合物 を用いて形成してもよい。
【0024】 多孔質の電極における多孔度は、少なくとも電極において酸素ガスの拡散が律 速されない程度であればよく、固体電解質基板と電極との界面はできるだけ大き いほどよい。
【0025】 (3) 密閉部材 密閉部材4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好ましい。少なくとも密閉部材は緻密 であり、ヒータによる加熱においても十分に安定で、固体電解質基板やスペーサ と熱膨張係数の近いものが好ましい。また、使用時における落下等の衝撃に耐え るだけの十分な強度を有するものが好ましい。
【0026】 (4) スペーサ スペーサ40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緻密な無 機物質(ガラス質の物質)を用いるのが好ましい。
【0027】 なお、本実施例では、密閉部材4とスペーサ40とを用い、これらと固体電解質 基板2とで内部室5を規定しているが、本考案はこれに限らず、縁部にスペーサ 部を一体的に形成してなる一つの密閉部材と、固体電解質基板2とで内部室を形 成する構造とすることもできる。
【0028】 (5) ヒータ 密閉部材4の表面上に形成されたヒータ7は、固体電解質基板を所定温度まで 加熱するためのものであり、ヒータとして機能するものであり、かつ安定な材料 からなる。ペーストを用いたスクリーン印刷法や化学蒸着法などによる膜をフォ トリソグラフィー技術などを用いてヒータパターンを形成することができる。
【0029】 (6) リード線 電極3a、3bに接続するリード線11、12としてはPt、Au、Ag、Ni線等を 用いることができる。なお、リード線は溶接や融着あるいはペーストによる焼き 付け等の接続可能な方法で取付けることができる。
【0030】 以上本考案を添付図面を参照して説明したが、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、種々の変更を施すことができる。
【0031】 たとえば、図3に示すように、八角形の固体電解質基板2と八角形の密閉部材 4とを用いて、平面形状が八角形のセンサとすることもできる。図3に示すよう な構造のセンサ1bでは、センサ自体を小型化することができるので(余分な出っ 張り部分がなくなり)、ヒータ7に費やす電力を小さくすることができる(省電 力化を達成することができる)。
【0032】 なお、固体電解質基板2及び密閉部材4の形状は、六角形や八角形である必要 はなく、種々変更することができる。また、固体電解質基板2と密閉部材4の複 数の辺同士が平行になるように両部材を組み合わせたり、逆に、両部材の辺がね じれの位置になるように両部材をずらして組み合わせたりすることもできる。
【0033】
【考案の効果】
以上説明した通り、本考案による酸素センサは、六角形以上の多角形状の固体 電解質基板及び密閉部材を用いているので、角部を鈍角とすることができ、もっ て角部における熱応力を緩和することができる。したがって、クラック等の発生 を防止することができ、長寿命で、信頼性の高いセンサとすることができる。
【0034】 また、本考案による酸素センサでは、基板及び密閉部材を多角形状に形成する ので、一つの大きな基材から複数の基板(又は密閉部材)を切り出すいわゆるバ ッチプロセスが適用でき、生産性(量産性)にも優れる。
【0035】 本考案の酸素センサは、一般家庭用のルームモニタから、工業用の酸欠モニタ 、酸素濃度制御用の酸素濃度検知装置等に幅広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本考案の一実施例による酸素センサを示す平面
図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】本考案の別な実施例による酸素センサを示す平
面図である。
【図4】従来の限界電流式酸素センサの一例を示す断面
図である。
【図5】従来の限界電流式酸素センサの一例を示す平面
図である。
【図6】従来の限界電流式酸素センサの別な例を示す平
面図である。
【符号の説明】
1、10 酸素センサ 2、 固体電解質基板 3a、3b 電極 4 密閉部材 5 内部室 6 拡散孔 7 ヒータ 11、12 リード線 40 スペーサ

Claims (2)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a) ジルコニア系固体電解質基板と、 (b) 前記基板の両面上に1つずつ形成された多孔質電極
    と、 (c) 一方の電極上に内部室を形成するように前記基板上
    に設けられた緻密な密閉部材と、 (d) 前記密閉部材の表面に設けられたヒータとを有し、
    前記内部室と外界とを連通する拡散孔が前記基板又は前
    記密閉部材に形成されている限界電流式の酸素センサに
    おいて、前記基板及び前記密閉部材が六角形以上の多角
    形であることを特徴とする酸素センサ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の酸素センサにおいて、
    前記密閉部材は、その少なくとも一辺が前記基板の一つ
    の辺に平行となるように前記基板上に密着していること
    を特徴とする酸素センサ。
JP5780792U 1992-07-24 1992-07-24 酸素センサ Pending JPH0614963U (ja)

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