JPH0616862U - 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】 (a) 固体電解質基板２と、(b) 固体電解質基
板２の両面上に１つずつ形成された多孔質電極と、(c)
緻密な密閉部材４と、(d) 一方の膜状電極３ａ上に内部
室を形成するために、基板２と密閉部材４との間に設け
られたスペーサ４０と、(e) 密閉部材４上に設けられた
ヒータ７とを有し、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が多角
形状であり、スペーサ４０が円筒状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５及びそのＡ−Ａ断面図である図６に示す 。なお、図５は一部（ヒータ７を有する密閉部材４）を破断した平面図である。 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、３ ｂが設けられており、電極３ａを陰極とするように電源（図示せず）が接続され る。電極３ａ側には、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、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だけで外部に連通している。図５に示す 例では、電極３ａは矩形部31と帯状部30とからなり、帯状部30の端部がスペーサ 40と基板２との間から外部に露出している。外部に露出した帯状部30の端部にリ ード線11が接続している。なお、電極３ａの帯状部30で外部に露出した部分は封 孔処理が施されており、帯状部30を通って外部のガスが内部室６内に入り込むこ とはない。また、リード線12は電極３ｂに接続する。

【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】 上記したような構成の従来の限界電流式のセンサにおいては、図５に示すよう に長方形の基板２及び長方形の密閉部材４と、長方形の枠構造を有するスペーサ 40とを用いて内部室を形成するのが一般的であった。また有効な電極面積を得る ために、スペーサ40内（すなわち内部室５内）に配置する電極部分をスペーサ40 の形状に合わせて長方形に形成するのが一般的であった。

【０００７】 しかしながら、長方形の平面形状を有する密閉部材４及び基板２からなるセン サ10では、密閉部材４及び基板２の角部が他の部分と比して低い温度となりやす く、密閉部材４又は基板２内に温度分布が生じやすい。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の角部に比較的大きな熱応力が生じることが ある。

【０００８】 さらに、密閉部材４、基板２及びスペーサ40のそれぞれの角部が重なり合う部 分（センサの角部）では、各部材（密閉部材４、基板２及びスペーサ40）の熱膨 張係数の違いにより応力が生じやすい。したがって、ヒータを作動させてセンサ を高温に保持したときに、特にセンサの角部付近にクラックが発生しやすい。密 閉部材４、基板２及びスペーサ40のいずれかに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。

【０００９】 そこで、円形の平面形状を有する密閉部材及び基板と、円筒状のスペーサとを 用いて、平面形状が円形のセンサも開発されている。このような円形のセンサで は、角部が形成されないので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及び図６に示したセンサ10に比べてクラックの発生は少なくなる。しか しながら、密閉部材及び基板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 。

【００１０】 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。

【００１１】

【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、長方形又は五角形以上の多角形 の固体電解質基板と密閉部材とを用いて内部室を有する限界電流式の酸素センサ を製造する際に、基板と密閉部材との間に配置するスペーサを円筒状に形成して おけば、基板及び密閉部材等のセンサの構成部材に発生する熱応力を緩和するこ とができ、クラックの発生を防止することができることを発見し、本考案を完成 した。

【００１２】 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) 緻密な密閉部材と、 (d) 一方の膜状電極上に内部室を形成するために、前記基板と前記密閉部材との 間に設けられたスペーサと、 (e) 前記密閉部材上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であって、前記基板及び前記密閉部材が多 角形状であり、前記スペーサが円筒状であることを特徴とする。

【００１３】

【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部分分解平面図であり、図２ はそのＡ−Ａ断面図（ただし分解しない場合の断面図）である。

【００１４】 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。

【００１５】 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。

【００１６】 次に、図１に示すように、酸素センサ１の固体電解質基板２は矩形状に形成さ れている。また、密閉部材４はほぼ正方形状に形成されている。しかしながら、 本考案では固体電解質基板２及び密閉部材４の形状はそれぞれ矩形及び正方形に 限定されず、所望の長方形にすることができる。なお、本明細書において使用す る用語「長方形」とは、正方形及び矩形の両方を含むものとする。さらに、本考 案では、後述するように、基板２及び／又は密閉部材４を五角形以上の多角形状 に形成することもできる。

【００１７】 図１は、ヒータ７を表面に形成した密閉部材４を取り外した場合の酸素センサ １（及び取り外された密閉部材４）を示している。密閉部材４の外側の表面には 、薄膜状のヒータ７が蛇行して形成されている。図１に示すように、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、密閉部材 ４が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、密閉部材４が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。

【００１８】 本考案のセンサにおいては、基板２と密閉部材４との間に配置するスペーサ40 として、円筒状のものを使用する。

【００１９】 本実施例では、電極３ａは円形部31と帯状部30とからなり、その円形部31がス ペーサ40内に配置されている。また、帯状部30の端部はスペーサ40を貫通して外 部に現れている。この露出した部分にリード線11が接続している。このような構 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 が容易である。なお、スペーサ40を越えて外に露出した（実際には、スペーサ40 と固体電解質基板２との間を貫通して外側に露出する）帯状部30の端部は、ガラ ス質の材料により封孔しておくので、センサ外部のガスが帯状部30の端部から（ 電極内を通って）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。

【００２０】 図１において、密閉部材４の４つの角部Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅがそれぞれ基板２上の 点Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに一致するように重なり、酸素センサ１が形成される。ヒータ ７のパターンを除けば、酸素センサ１は左右対称形となる。

【００２１】 このような構造とすれば、クラックの発生が防止でき、長寿命の酸素センサと なる。というのは、基板２及び密閉部材４の角部にはスペーサ40は接触せず、そ のため、センサの角部において、各部材（基板２、密閉部材４及びスペーサ40） の熱膨張係数の違いに起因する応力は発生しないからである。また、スペーサ40 が円筒状に形成され、センサ自体がほぼ左右対称形となるので、基板２及び密閉 部材４中に特に大きな応力が集中する部位が生じないのもクラックの発生を防止 できる理由の一つであると思われる。

【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】 (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。

【００２８】 (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。

【００２９】 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。

【００３０】 たとえば、ヒータは、密閉部材４の外側の表面のみならず、内部室５側の表面 に形成することができる。

【００３１】 また、密閉部材４及び固体電解質基板２は、所望の長さの二辺を有する長方形 に形成することができる。ただし、一方の辺が他方の辺より極端に長いような矩 形は望ましくない。

【００３２】 さらに、図３に示すように、六角形状の固体電解質基板２と、正方形の角部を 切り取ったような八角形状の密閉部材４とを用い、酸素センサを組み立てること もできる。酸素センサ20において、スペーサ40及び電極３ａはともに、図１に示 すセンサにおけるスペーサ及び電極と同様の形状を有する。また、密閉部材４上 のヒータ７のパターニングも図１に示す例と同様となっている。

【００３３】 このように六角形又は八角形の基板又は密閉部材を用いると、それらの角部を 鈍角に形成することができるので、角部が他の部分に比して極端に冷却されるの を防ぐことができ、もって、基板又は密閉部材の角部における熱応力を緩和する ことができる。

【００３４】 さらにまた、図４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30とすることもできる。図４に示す 構造のセンサ30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）。

【００３５】 以上、添付図面を参照して説明したが、固体電解質基板２及び密閉部材４の形 状は長方形、六角形又は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。

【００３６】

【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、長方形又は五角形以上の多角 形状の固体電解質基板及び密閉部材の間に、円筒状のスペーサを配置しているの で、センサの角部において基板とスペーサと密閉部材とが重ならず、この部分で の（角部での）熱応力が緩和される。したがって、クラック等の欠陥が生じにく い。このため、本考案によるセンサは信頼性が高く、長寿命である。

【００３７】 また、本考案による酸素センサでは、通常用いているような長方形状、又は多 角形状の基板及び密閉部材を使用するので、いわゆるバッチプロセスで製造でき 、生産性（量産性）に優れている。

【００３８】 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部分
分解平面図である。

【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一
部破断平面図である。

【図４】本考案のさらに別な実施例による酸素センサを
示す一部破断平面図である。

【図５】従来の限界電流式酸素センサの一例を示す一部
破断平面図である。

【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。

【符号の説明】

１、10、20、30 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) 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) 緻密な密閉部材と、 (d) 一方の膜状電極上に内部室を形成するために、前記
   基板と前記密閉部材との間に設けられたスペーサと、 (e) 前記密閉部材上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多角形状であり、前記
   スペーサが円筒状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、
   前記内部室側に形成された電極は、円形部とそれに連続
   する帯状部とからなり、前記円形部は前記スペーサの内
   側に位置し、前記帯状部の端部は前記スペーサを貫通し
   て外側に露出していることを特徴とする酸素センサ。