JPH0614963U - 酸素センサ - Google Patents

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、La_x Sr_(1-x) CoＯ₃ 、 La_x Sr_(1-x) Co _y Ni_(1-y) Ｏ₃ 、 La_x Sr_(1-x) MnＯ₃ 、 La_x Sr_(1-x) Co_y Mn_(1-y) Ｏ₃ 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。