JPH06294767A - Limiting current type oxygen sensor - Google Patents

Limiting current type oxygen sensor

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Publication number
JPH06294767A
JPH06294767A JP5084323A JP8432393A JPH06294767A JP H06294767 A JPH06294767 A JP H06294767A JP 5084323 A JP5084323 A JP 5084323A JP 8432393 A JP8432393 A JP 8432393A JP H06294767 A JPH06294767 A JP H06294767A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
limiting current
layer
oxygen sensor
buffer layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP5084323A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takafumi Kajima
孝文 鹿嶋
Katsuaki Nakamura
克明 中村
Naoji Yadori
尚次 宿利
Atsunari Ishibashi
功成 石橋
Yoshinori Kato
嘉則 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
Priority to JP5084323A priority Critical patent/JPH06294767A/en
Publication of JPH06294767A publication Critical patent/JPH06294767A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain a limiting current type oxygen sensor which is easy to manufacture, enables reduction of the cost of a product and has an excellent limiting current characteristic and also high reliability. CONSTITUTION:A cathode electrode 2 and an anode electrode 3 are formed on the opposite surfaces of a solid electrolyte base 1 of stabilized zirconia or the like. Electrode extension parts 2a and 3a are provided from these electrodes 2 and 3 to the edge part of the base and the cathode electrode 2 is covered with a buffer layer 4 formed of a porous member. This buffer layer 4 is covered with a dome layer 5 constituted of crystallized glass or the like. The electrode extension part 2a operates as a diffusion rate determining part and thereby a limiting current characteristic can be obtained. The buffer layer 4 may be a space provided between the cathode electrode 2 and the dome layer 5.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質基板を挟ん
で配置された1対の電極を有し、限界電流特性を利用し
て気体中の酸素濃度を検出する限界電流式酸素センサに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a limiting current type oxygen sensor having a pair of electrodes arranged with a solid electrolyte substrate sandwiched therebetween and detecting the oxygen concentration in a gas by utilizing the limiting current characteristic.

【0002】[0002]

【従来の技術】図4は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。
2. Description of the Related Art FIG. 4 is a sectional view showing an example of a conventional limiting current type oxygen sensor.

【0003】従来の限界電流式酸素センサにおいては、
安定化ジルコニアからなる固体電解質基板41を挟ん
で、カソード電極42及びアノード電極43が形成され
ている。これらの電極42,43は、いずれもポーラス
(多孔質)な白金からなり、その内部を気体が通流可能
になっている。そして、固体電解質基板41のカソード
電極42側の面には下端が開放した形状のキャップ44
がその下端縁を基板41に固定して設けられており、こ
れにより、キャップ44と基板41とに囲まれた内部空
間が形成される。カソード電極42はこの内部空間に接
し、アノード電極43は外部雰囲気に接する。
In the conventional limiting current type oxygen sensor,
A cathode electrode 42 and an anode electrode 43 are formed sandwiching a solid electrolyte substrate 41 made of stabilized zirconia. Each of these electrodes 42 and 43 is made of porous platinum, and gas can flow through the inside thereof. A cap 44 having a shape in which the lower end is opened is formed on the surface of the solid electrolyte substrate 41 on the cathode electrode 42 side.
Is provided with its lower end fixed to the substrate 41, whereby an internal space surrounded by the cap 44 and the substrate 41 is formed. The cathode electrode 42 is in contact with this internal space, and the anode electrode 43 is in contact with the external atmosphere.

【0004】キャップ44には1個又は複数個の微細な
気体拡散孔44bが穿設されており、これにより外部雰
囲気と内部空間とが気体拡散孔44bを介して連通す
る。また、キャップ44の外面上にはヒータ46が設け
られており、このヒータ46に通電することによりヒー
タ46が抵抗発熱して酸素センサが加熱されるようにな
っている。更に、カソード電極42とアノード電極43
との間には電源49が接続され、この電源49に直列及
び並列に夫々電流計48及び電圧計47が接続される。
The cap 44 is provided with one or a plurality of fine gas diffusion holes 44b so that the external atmosphere and the internal space communicate with each other through the gas diffusion holes 44b. Further, a heater 46 is provided on the outer surface of the cap 44, and when the heater 46 is energized, the heater 46 is resistively heated to heat the oxygen sensor. Further, the cathode electrode 42 and the anode electrode 43
A power source 49 is connected between the power source and the power source, and an ammeter 48 and a voltmeter 47 are connected to the power source 49 in series and in parallel, respectively.

【0005】上述した構造を有する従来の酸素センサに
おいては、ヒータ46に給電して抵抗発熱させることに
より酸素センサを高温に加熱すると共に、電源49によ
りカソード電極42とアノード電極43との間に所定の
電圧(V)を印加する。そうすると、酸素ポンピング作
用により、固体電解質基板41とキャップ44とに囲ま
れた内部空間に存在する気体中に含有されている酸素分
子(O2 )はカソード電極42を介して電子を得て、酸
素イオンになり、固体電解質基板41内に入る。この酸
素イオンは、基板41内の酸素イオン空孔を介して基板
41内をその厚さ方向に移動する。そして、この酸素イ
オンはアノード電極43に到達して電子を放出し、再び
酸素分子となって外部に放出される。この酸素イオンの
移動により、アノード電極43とカソード電極42との
間に電流(A)が流れる。
In the conventional oxygen sensor having the structure described above, the oxygen sensor is heated to a high temperature by supplying electric power to the heater 46 to generate resistance heat, and at the same time, a predetermined voltage is provided between the cathode electrode 42 and the anode electrode 43 by the power source 49. Voltage (V) is applied. Then, due to the oxygen pumping action, oxygen molecules (O 2 ) contained in the gas existing in the internal space surrounded by the solid electrolyte substrate 41 and the cap 44 obtain electrons through the cathode electrode 42, and oxygen is obtained. It becomes ions and enters the solid electrolyte substrate 41. The oxygen ions move in the substrate 41 in the thickness direction through the oxygen ion holes in the substrate 41. Then, the oxygen ions reach the anode electrode 43 to release electrons, and become oxygen molecules again to be released to the outside. Due to this movement of oxygen ions, a current (A) flows between the anode electrode 43 and the cathode electrode 42.

【0006】ところで、酸素の移動により酸素センサの
内部空間は負圧となり、気体拡散孔44bを介して外部
から気体が流入する。このとき、気体の流入量は気体拡
散孔44bにより制限されるため、酸素センサの電流−
電圧特性において、カソード電極42及びアノード電極
43間に印加する電圧を上昇させても電流が変化しない
所謂フラット域が観測される。この特性を限界電流特性
といい、このときの電流を限界電流という。
By the way, due to the movement of oxygen, the internal space of the oxygen sensor becomes a negative pressure, and the gas flows from the outside through the gas diffusion hole 44b. At this time, since the inflow amount of the gas is limited by the gas diffusion hole 44b, the current of the oxygen sensor-
In the voltage characteristics, a so-called flat region in which the current does not change even when the voltage applied between the cathode electrode 42 and the anode electrode 43 is increased is observed. This characteristic is called the limiting current characteristic, and the current at this time is called the limiting current.

【0007】限界電流式酸素センサの限界電流の値は、
気体拡散孔の形状、使用時のセンサの温度及び雰囲気の
圧力が一定であるとすると、雰囲気中の酸素濃度に依存
する。従って、予め、限界電流値と酸素濃度との関係を
求めておけば、限界電流値を測定することにより酸素濃
度未知の雰囲気中の酸素濃度を知ることができる。
The value of the limiting current of the limiting current type oxygen sensor is
If the shape of the gas diffusion hole, the temperature of the sensor during use, and the pressure of the atmosphere are constant, it depends on the oxygen concentration in the atmosphere. Therefore, if the relationship between the limiting current value and the oxygen concentration is obtained in advance, the oxygen concentration in the atmosphere of unknown oxygen concentration can be known by measuring the limiting current value.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の限界電流式酸素センサにおいては、気体拡散孔
44bを備えたキャップ44を形成し、このキャップ4
4を電極42,43が設けられた固体電解質基板41に
接合する必要があり、製造が煩雑であって、製造コスト
が高いという問題点がある。また、気体拡散孔を機械加
工により形成するため、限界電流特性のバラツキが大き
いという欠点もある。更に、気体拡散孔に異物が付着す
ると、気体の流れが阻害されて、限界電流特性が大きく
変化してしまう虞れがある。このため、従来の限界電流
式酸素センサは、長期間に亘って使用する場合に、信頼
性が十分でない。
However, in the above-mentioned conventional limiting current type oxygen sensor, the cap 44 having the gas diffusion hole 44b is formed, and the cap 4 is formed.
4 needs to be bonded to the solid electrolyte substrate 41 provided with the electrodes 42 and 43, and there is a problem that the manufacturing is complicated and the manufacturing cost is high. Further, since the gas diffusion holes are formed by machining, there is a drawback that the variation of the limiting current characteristic is large. Furthermore, if foreign matter adheres to the gas diffusion holes, the flow of gas may be obstructed and the limiting current characteristics may change significantly. Therefore, the conventional limiting current type oxygen sensor is not sufficiently reliable when used for a long period of time.

【0009】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、製造が容易であって製品コストを低減で
き、特性のバラツキが小さいと共に長期間に亘る信頼性
を確保できる限界電流式酸素センサを提供することを目
的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and it is easy to manufacture, the product cost can be reduced, the variation in the characteristics is small, and the long-term reliability can be secured. It is intended to provide a sensor.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係る限界電流式
酸素センサは、固体電解質基板と、この固体電解質基板
を挟んで配置された第1及び第2の多孔質電極と、前記
第1の多孔質電極から前記基板の縁部に向けて延出した
多孔質電極延出部と、前記第1の多孔質電極上に設けら
れたバッファ層と、前記バッファ層及び前記電極延出部
の基端側部分を気密的に被覆するドーム層と、を有する
ことを特徴とする。
A limiting current type oxygen sensor according to the present invention includes a solid electrolyte substrate, first and second porous electrodes arranged with the solid electrolyte substrate interposed therebetween, and the first and second porous electrodes. A porous electrode extension extending from a porous electrode toward the edge of the substrate, a buffer layer provided on the first porous electrode, a base of the buffer layer and the electrode extension. And a dome layer that hermetically covers the end side portion.

【0011】[0011]

【作用】本発明に係る限界電流式酸素センサにおいて
は、固体電解質基板を挟んで第1及び第2の多孔質電極
が配設されていると共に、前記第1の多孔質電極から前
記基板の縁部に向けて延出する多孔質電極延出部が設け
られている。また、前記第1の多孔質電極上にはバッフ
ァ層が設けられており、このバッファ層及び前記電極延
出部の基端側部分は、ドーム層により気密的に被覆され
ている。前記バッファ層は、例えば、前記第1の多孔質
電極に比して気体透過性が高い部材からなる。又は、前
記バッファ層は、例えば、前記第1の多孔質電極と前記
ドーム層との間にカーボン層を形成し熱処理等を施して
このカーボン層をガス化する等の方法により形成された
空間である。
In the limiting current type oxygen sensor according to the present invention, the first and second porous electrodes are arranged with the solid electrolyte substrate sandwiched therebetween, and the edge of the substrate is separated from the first porous electrode. A porous electrode extension portion extending toward the portion is provided. A buffer layer is provided on the first porous electrode, and the buffer layer and the base end side portion of the electrode extension are hermetically covered with a dome layer. The buffer layer is made of, for example, a member having a higher gas permeability than the first porous electrode. Alternatively, the buffer layer is a space formed by, for example, a method of forming a carbon layer between the first porous electrode and the dome layer and subjecting the carbon layer to heat treatment or the like to gasify the carbon layer. is there.

【0012】このように構成された本発明に係る限界電
流式酸素センサにおいて、例えば、前記第1の多孔質電
極がカソード電極、第2の多孔質電極がアノード電極で
あるとし、このカソード電極及びアノード電極間に電圧
を印加したとすると、カソード電極内に侵入した気体中
の酸素分子は電子を得て酸素イオンとなり、固体電解質
基板をその厚さ方向に移動する。そして、この酸素イオ
ンはアノード電極に到達すると電子を放出し、酸素分子
となって雰囲気中に放出される。この酸素の移動によ
り、ドーム層内側の気体の圧力が減少し、その結果、多
孔質電極延出部を介して新たな気体がドーム層内側に流
入する。この場合に、電極延出部の基端側部分により気
体の流入量が規制される。即ち、本発明に係る限界電流
式酸素センサにおいては、ドーム層に被覆された部分の
電極延出部基端側部分が従来の限界電流式酸素センサに
おける気体拡散孔に対応し、この電極延出部基端側部分
が拡散律速部として作用し気体の流入量が制限されて、
限界電流特性を得ることができる。
In the limiting current type oxygen sensor according to the present invention configured as described above, for example, it is assumed that the first porous electrode is a cathode electrode and the second porous electrode is an anode electrode. When a voltage is applied between the anode electrodes, oxygen molecules in the gas that have penetrated into the cathode electrodes acquire electrons and become oxygen ions, and move in the thickness direction of the solid electrolyte substrate. Then, when the oxygen ions reach the anode electrode, they emit electrons and become oxygen molecules, which are released into the atmosphere. This movement of oxygen reduces the pressure of the gas inside the dome layer, and as a result, new gas flows into the dome layer through the porous electrode extension. In this case, the inflow amount of gas is regulated by the base end side portion of the electrode extension portion. That is, in the limiting current type oxygen sensor according to the present invention, the electrode extension portion base end side portion of the portion covered with the dome layer corresponds to the gas diffusion hole in the conventional limiting current type oxygen sensor, and this electrode extension portion The part on the base end side acts as a diffusion-controlling part and the inflow of gas is limited,
The limiting current characteristic can be obtained.

【0013】ところで、第1の多孔質電極上にバッファ
層を設けないことも考えられる。この場合も、第1の多
孔質電極自体に気体透過性があるため、前記電極延出部
の基端側部分を介して流入した気体は第1の多孔質電極
内を拡散し、限界電流特性を得ることができる。しか
し、通常、多孔質電極は白金ペーストを焼成することに
より形成される白金電極であり、気体透過性が比較的低
いため、バッファ層を設けないと、拡散律速部分から離
隔した部分では電極効率が低くなり、換言すると電極の
有効面積が小さくなって、限界電流式酸素センサの限界
電流特性が劣化すると共に、信頼性も低下する。また、
第1の多孔質電極上に直接ドーム層を形成すると、ドー
ム層と第1の多孔質電極とが強固に接合されるためサー
マルショック等を受けた場合に第1の多孔質電極と基板
との接合部に応力が集中して第1の多孔質電極が基板か
ら剥離したり、又はドーム層を構成する成分(例えば、
ガラス)が多孔質電極内に侵入して限界電流特性が劣化
する虞れがある。このため、前記第1の多孔質基板上に
はバッファ層を設ける必要がある。
By the way, it may be considered that the buffer layer is not provided on the first porous electrode. In this case as well, since the first porous electrode itself has gas permeability, the gas flowing in through the base end side portion of the electrode extension portion diffuses in the first porous electrode and has a limiting current characteristic. Can be obtained. However, usually, the porous electrode is a platinum electrode formed by firing a platinum paste and has a relatively low gas permeability, so unless a buffer layer is provided, the electrode efficiency will be high in the part separated from the diffusion-controlling part. In other words, the effective area of the electrode becomes small, the limiting current characteristics of the limiting current type oxygen sensor deteriorate, and the reliability also decreases. Also,
When the dome layer is directly formed on the first porous electrode, the dome layer and the first porous electrode are firmly bonded to each other, so that when the thermal shock or the like is applied, the first porous electrode and the substrate are separated from each other. The stress is concentrated on the bonding portion and the first porous electrode is separated from the substrate, or a component forming the dome layer (for example,
There is a possibility that glass) may enter the porous electrode and deteriorate the limiting current characteristics. Therefore, it is necessary to provide a buffer layer on the first porous substrate.

【0014】本発明に係る限界電流式酸素センサにおい
ては、上述の如く、電極延出部の基端側部分をドーム層
で被覆し、この電極延出部基端側部分によりドーム層内
側への気体の流入量を制限して限界電流特性を得るた
め、従来の限界電流式酸素センサを製造する場合に必要
であった機械加工により微細な孔を穿設する工程が不要
であり、製造が容易である。また、被測定ガスは電極延
出部のドーム層に被覆されていない部分の表面を介して
多孔質電極内に流入するため、異物が前記電極延出部の
表面の一部に付着したとしても、気体流入量の変動が少
なく、限界電流特性の大きな変動を回避することができ
る。このため、本発明に係る限界電流式酸素センサは、
長期間に亘って使用する場合も、信頼性が高い。更に、
本発明に係る限界電流式酸素センサは、気体拡散孔を穿
設する必要がなく、スクリーン印刷等の技術を使用して
製造することが可能であり、製造が容易であると共に、
製造工程の自動化が容易であって、限界電流特性のバラ
ツキを抑制することができる。
In the limiting current type oxygen sensor according to the present invention, as described above, the base end side portion of the electrode extension portion is covered with the dome layer, and the base end side portion of the electrode extension portion extends to the inside of the dome layer. Because the limiting current characteristics are obtained by limiting the gas flow rate, the process of drilling fine holes by machining that was required when manufacturing the conventional limiting current type oxygen sensor is not required, and the manufacturing is easy. Is. Further, since the gas to be measured flows into the porous electrode through the surface of the electrode extension portion not covered by the dome layer, even if foreign matter adheres to a part of the surface of the electrode extension portion. Therefore, the fluctuation of the gas inflow amount is small, and a large fluctuation of the limiting current characteristic can be avoided. Therefore, the limiting current type oxygen sensor according to the present invention,
High reliability even when used for a long period of time. Furthermore,
The limiting current type oxygen sensor according to the present invention does not need to be provided with a gas diffusion hole, can be manufactured using a technique such as screen printing, and is easy to manufacture,
The manufacturing process can be easily automated, and variations in the limiting current characteristics can be suppressed.

【0015】[0015]

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings.

【0016】図1は本発明の実施例に係る限界電流式酸
素センサを示す平面図、図2は図1のA−A線による断
面図である。但し、図2においては、ドーム層5上のヒ
ータ6及び端子6a,6b,7,8の図示を省略した。
FIG. 1 is a plan view showing a limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG. However, in FIG. 2, the heater 6 and the terminals 6a, 6b, 7, 8 on the dome layer 5 are not shown.

【0017】固体電解質基板1は安定化ジルコニアを略
円板状に成形したものであり、この固体電解質基板1の
表面及び裏面には夫々カソード電極2及びアノード電極
3が略円形に、且つ基板1を挟んで相互に対向して形成
されている。これらの電極2,3はいずれも多孔質の白
金により形成されている。なお、固体電解質基板1及び
電極2,3の形状は特に円形に限定されるものではな
い。カソード電極2からは、基板1の縁部に向けて多孔
質電極延出部2aが延出している。これと同様に、アノ
ード電極3からは、基板1の縁部に向けて多孔質電極延
出部3aが延出している。また、カソード電極2は、カ
ソード電極2に比して気体透過性が優れたバッファ層4
に被覆されている。
The solid electrolyte substrate 1 is formed by molding stabilized zirconia into a substantially disc shape, and the cathode 2 and the anode 3 are formed in a substantially circular shape on the front surface and the back surface of the solid electrolyte substrate 1, respectively. It is formed so as to face each other with sandwiching. Each of these electrodes 2 and 3 is made of porous platinum. The shapes of the solid electrolyte substrate 1 and the electrodes 2 and 3 are not particularly limited to circles. A porous electrode extension 2 a extends from the cathode electrode 2 toward the edge of the substrate 1. Similarly, a porous electrode extension 3a extends from the anode electrode 3 toward the edge of the substrate 1. In addition, the cathode electrode 2 has a buffer layer 4 that is superior in gas permeability to the cathode electrode 2.
Is covered with.

【0018】ドーム層5は、バッファ層4及び電極延出
部2aの基端側部分を気密的に被覆して基板1上に形成
されており、電極延出部2aの先端部分はドーム層5か
ら露出している。このドーム層5は、例えばセラミック
粉を混合したガラスにより形成されている。
The dome layer 5 is formed on the substrate 1 by hermetically covering the base layer side portion of the buffer layer 4 and the electrode extension portion 2a, and the tip portion of the electrode extension portion 2a is formed on the dome layer 5. Exposed from. The dome layer 5 is formed of, for example, glass mixed with ceramic powder.

【0019】ドーム層5上には、ヒータ6が蛇腹状に設
けられており、このヒータ6は同じくドーム層5上に形
成されたヒータ端子6a,6bに電気的に接続されてい
る。また、このドーム層5上には、アノード端子7及び
カソード端子8が設けられており、これらの端子7,8
は基板1及びドーム層5の側部に設けられた配線(図示
せず)を介して電極延出部2a,3aに電気的に接続さ
れている。
A heater 6 is provided on the dome layer 5 in a bellows shape, and the heater 6 is electrically connected to heater terminals 6a and 6b also formed on the dome layer 5. An anode terminal 7 and a cathode terminal 8 are provided on the dome layer 5, and these terminals 7 and 8 are provided.
Are electrically connected to the electrode extension portions 2a and 3a through wirings (not shown) provided on the sides of the substrate 1 and the dome layer 5.

【0020】このように構成された本実施例に係る限界
電流式酸素センサにおいて、ヒータ端子6a,6b間に
電圧を印加するとヒータ6が抵抗発熱してセンサが高温
に加熱される。この状態でカソード電極2とアノード電
極3との間に所定の電圧を印加すると、カソード電極2
内の気体中に含有されている酸素分子はカソード電極2
を介して電子を得て酸素イオンとなり、固体電解質基板
1をその厚さ方向に移動する。そして、この酸素イオン
がアノード電極3に到達すると、電子を放出し再び酸素
分子となって雰囲気中に放出される。この酸素の移動に
よりバッファ層4内が負圧となり、新たな気体が電極延
出部2aを介してバッファ層4内に流入する。このと
き、気体の流入量は電極延出部2aにより制限され、従
来の限界電流式酸素センサと同様に、限界電流特性が得
られる。
In the limiting current type oxygen sensor according to the present embodiment having the above-mentioned structure, when a voltage is applied between the heater terminals 6a and 6b, the heater 6 generates resistance heat and the sensor is heated to a high temperature. When a predetermined voltage is applied between the cathode electrode 2 and the anode electrode 3 in this state, the cathode electrode 2
Oxygen molecules contained in the gas inside the cathode electrode 2
The electrons are obtained through the above to become oxygen ions, and move in the thickness direction of the solid electrolyte substrate 1. Then, when the oxygen ions reach the anode electrode 3, they release electrons and become oxygen molecules again, and are released into the atmosphere. Due to this movement of oxygen, the inside of the buffer layer 4 has a negative pressure, and new gas flows into the buffer layer 4 through the electrode extending portion 2a. At this time, the inflow amount of gas is limited by the electrode extension portion 2a, and the limiting current characteristic is obtained as in the conventional limiting current type oxygen sensor.

【0021】本実施例においては、ドーム層5に被覆さ
れた部分の電極延出部2aの基端側部分が従来の限界電
流式酸素センサにおける気体拡散孔に相当し、ドーム層
形成時にドーム層で被覆する電極延出部の厚み、幅又は
長さを変化させることにより、センサの限界電流特性を
変化させることができる。また、ドーム層に被覆されて
いない部分の電極延出部の表面を介してドーム層の内側
に気体が流入するため、電極延出部2aの表面の一部に
異物が付着したとしても、気体流入量の変化が小さい。
更に、電極2とドーム層5との間に気体透過性が良好な
バッファ層4が設けられており、ドーム層5内に流入し
た気体が容易に電極2の全面に拡散するため、電極効率
が高く、良好な限界電流特性を得ることができる。更に
また、電極2とドーム層5とが直接接合されていないた
め、サーマルショックを受ても電極2が基板1から剥離
する虞れがない。従って、本実施例に係る限界電流式酸
素センサは、長期間に亘る測定においても、限界電流特
性の変動が抑制され、信頼性が高く、更に気体拡散孔を
機械加工により穿設する必要がないため、製造が容易で
あるという効果を奏する。
In this embodiment, the base end side portion of the electrode extension portion 2a covered with the dome layer 5 corresponds to the gas diffusion hole in the conventional limiting current type oxygen sensor, and the dome layer is formed when the dome layer is formed. The limiting current characteristic of the sensor can be changed by changing the thickness, width or length of the electrode extension portion covered with. In addition, since gas flows into the inside of the dome layer through the surface of the electrode extension portion that is not covered by the dome layer, even if foreign matter adheres to a part of the surface of the electrode extension portion 2a, the gas The change in the inflow is small.
Further, since the buffer layer 4 having good gas permeability is provided between the electrode 2 and the dome layer 5, the gas flowing into the dome layer 5 is easily diffused over the entire surface of the electrode 2, so that the electrode efficiency is improved. High and good limiting current characteristics can be obtained. Furthermore, since the electrode 2 and the dome layer 5 are not directly joined, there is no risk of the electrode 2 peeling from the substrate 1 even if a thermal shock is received. Therefore, the limiting-current type oxygen sensor according to the present embodiment is highly reliable because fluctuations in limiting-current characteristics are suppressed even when measuring over a long period of time, and it is not necessary to form gas diffusion holes by machining. Therefore, there is an effect that manufacturing is easy.

【0022】次に、本実施例に係る限界電流式酸素セン
サを実際に製造し、その特性を調べた結果について説明
する。
Next, the result of actually manufacturing the limiting current type oxygen sensor according to this embodiment and examining its characteristics will be described.

【0023】先ず、固体電解質基板1として、1辺が
6.5mmの正方形であり、厚さが0.14mmのジル
コニア基板を用意した。次に、この基板1の上面に白金
ペーストを印刷し、その後焼成して、直径が4.0m
m、厚さが約5μmの多孔質構造のカソード電極2及び
この電極2から基板縁部に向けて延出する多孔質電極延
出部2aを形成した。また、これと同様にして、基板1
の下面に白金ペーストを印刷し、その後焼成して、直径
が4.0mm、厚さが約5μmの多孔質構造のアノード
電極3及びこの電極3から基板縁部に向けて延出する多
孔質電極延出部3aを形成した。
First, as the solid electrolyte substrate 1, a zirconia substrate having a square shape of 6.5 mm on a side and a thickness of 0.14 mm was prepared. Next, a platinum paste is printed on the upper surface of the substrate 1 and then fired to have a diameter of 4.0 m.
A cathode electrode 2 having a porous structure of m and a thickness of about 5 μm and a porous electrode extension 2a extending from the electrode 2 toward the edge of the substrate were formed. In addition, in the same manner as this, the substrate 1
Platinum paste is printed on the lower surface of the substrate and then fired to form a porous anode electrode 3 having a diameter of 4.0 mm and a thickness of about 5 μm and a porous electrode extending from the electrode 3 toward the edge of the substrate. The extension 3a was formed.

【0024】次に、カソード電極2側の面に結晶化ガラ
ス1gとステアタイト粉5gとを混合したペーストを印
刷し、その後焼成して、カソード電極2を被覆する多孔
質バッファ層4を約100μmの厚さに形成した。更
に、結晶化ガラスとセラミック粉とを混合したペースト
を印刷し、その後焼成して、バッファ層5及び電極延出
部2aの基端側部分を被覆するガラスドーム層5を約3
00μmの厚さで形成した。
Next, a paste prepared by mixing 1 g of crystallized glass and 5 g of steatite powder is printed on the surface of the cathode electrode 2 side and then fired to form a porous buffer layer 4 covering the cathode electrode 2 of about 100 μm. Formed to a thickness of. Further, a paste obtained by mixing crystallized glass and ceramic powder is printed and then fired to form about 3 glass dome layers 5 covering the buffer layer 5 and the base end side portion of the electrode extension 2a.
It was formed to a thickness of 00 μm.

【0025】次いで、ドーム層5上に白金ペーストを印
刷し、その後焼成して、ヒータ6、ヒータ端子6a,6
b、アノード端子7及びカソード端子8を形成した。
Next, platinum paste is printed on the dome layer 5 and then fired to form the heater 6 and the heater terminals 6a, 6a.
b, the anode terminal 7 and the cathode terminal 8 were formed.

【0026】このようにして製造した本発明の実施例に
係る限界電流式酸素センサの450℃の温度における限
界電流特性を調べた。また、比較例として、バッファ層
を設けない以外は実施例と同様に製造した酸素センサの
限界電流特性も調べた。図3は、横軸にセンサ電圧をと
り、縦軸に電流値をとって、上述の実施例及び比較例の
酸素センサの限界電流特性を示すグラフ図である。この
グラフ図から明らかなように、本実施例に係る酸素セン
サは、比較例に比して良好な限界電流特性を示した。特
に、比較例に比して立ち上がり部が良好であり、電極効
率が高いことがわかる。
The limiting current characteristics of the thus manufactured limiting current type oxygen sensor according to the example of the present invention at a temperature of 450 ° C. were examined. Further, as a comparative example, the limiting current characteristics of the oxygen sensor manufactured in the same manner as in the example except that the buffer layer was not provided were also examined. FIG. 3 is a graph showing the limiting current characteristics of the oxygen sensors of the above-described examples and comparative examples, in which the horizontal axis represents the sensor voltage and the vertical axis represents the current value. As is clear from this graph, the oxygen sensor according to the present example exhibited better limiting current characteristics than the comparative example. In particular, it can be seen that the rising portion is good and the electrode efficiency is high as compared with the comparative example.

【0027】なお、上述の実施例においては、バッファ
層4が多孔質白金電極に比して気体透過性が高い部材か
らなる場合について説明したが、バッファ層としてはカ
ソード電極とドーム層との間に設けられた空間であって
もよい。このようなバッファ層としての空間は、例え
ば、以下に示すように形成することができる。即ち、先
ず、基板上にカソード電極を形成した後、このカソード
電極上にカーボンペーストを印刷し、乾燥させてカーボ
ン層を形成する。次に、このカーボン層上にガラスペー
ストを印刷して、前記カーボン層を被覆するガラスドー
ム層を形成する。そして、このガラスドーム層を焼成す
る。この焼成の際の熱によりカーボン層がガス化して、
ドーム層とカソード電極との間に空間を形成することが
できる。
In the above-mentioned embodiments, the case where the buffer layer 4 is made of a member having a higher gas permeability than the porous platinum electrode has been described. However, as the buffer layer, the space between the cathode electrode and the dome layer is used. It may be a space provided in. The space as such a buffer layer can be formed, for example, as shown below. That is, first, after forming a cathode electrode on a substrate, a carbon paste is printed on the cathode electrode and dried to form a carbon layer. Next, a glass paste is printed on the carbon layer to form a glass dome layer that covers the carbon layer. Then, the glass dome layer is fired. The carbon layer is gasified by the heat during this firing,
A space can be formed between the dome layer and the cathode electrode.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、固
体電解質基板を挟んで第1及び第2の多孔質電極が配設
されていると共に前記第1の多孔質電極から前記基板の
縁部に向けて延出する多孔質電極延出部が設けられてお
り、前記第1の多孔質電極上にはバッファ層が設けられ
このバッファ層及び前記電極延出部の基端側部分がドー
ム層により気密的に被覆されているから、前記ドーム層
の内側への気体の流入量が前記電極延出部の基端側部分
により制限され、限界電流特性を得ることができる。こ
のため、本発明に係る限界電流式酸素センサにおいて
は、従来必要とされていた気体拡散孔を形成するための
機械加工が必要なく、製造が容易である。また、前記ド
ーム層の内側に流入した気体は前記バッファ層を介して
拡散されるため電極効率が高いと共に、ドーム層と第1
の多孔質電極とが直接接合されていないためサーマルシ
ョック等による電極の剥離及びドーム層を構成する成分
の電極内への侵入を防止することができる。従って、本
発明に係る限界電流式酸素センサは、良好な限界電流特
性を有すると共に長期間使用しても信頼性が高いという
効果がある。
As described above, according to the present invention, the first and second porous electrodes are arranged with the solid electrolyte substrate sandwiched therebetween, and the edge of the substrate is separated from the first porous electrode. A porous electrode extension portion extending toward the first portion, a buffer layer is provided on the first porous electrode, and the buffer layer and the base end side portion of the electrode extension portion are dome-shaped. Since the layer is airtightly covered, the amount of gas flowing into the inside of the dome layer is limited by the base end side portion of the electrode extension portion, and a limiting current characteristic can be obtained. Therefore, the limiting current type oxygen sensor according to the present invention does not require the mechanical processing for forming the gas diffusion holes, which is conventionally required, and is easy to manufacture. In addition, since the gas flowing into the dome layer is diffused through the buffer layer, the electrode efficiency is high, and the gas between the dome layer and the first layer is high.
Since it is not directly bonded to the porous electrode, it is possible to prevent peeling of the electrode due to thermal shock or the like and invasion of components constituting the dome layer into the electrode. Therefore, the limiting current type oxygen sensor according to the present invention has an effect that it has good limiting current characteristics and is highly reliable even when used for a long period of time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例に係る限界電流式酸素センサを
示す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing a limiting current type oxygen sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のA−A線による断面図である。FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of FIG.

【図3】実施例及び比較例の限界電流特性を示すグラフ
図である。
FIG. 3 is a graph showing limiting current characteristics of examples and comparative examples.

【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。
FIG. 4 is a sectional view showing an example of a conventional limiting current type oxygen sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,41;固体電解質基板 2,42;カソード電極 2a,3a;電極延出部 3,43;アノード電極 4;バッファ層 5;ドーム層 6,46;ヒータ 44;キャップ 44b;気体拡散孔 1, 41; solid electrolyte substrate 2, 42; cathode electrode 2a, 3a; electrode extension part 3, 43; anode electrode 4; buffer layer 5; dome layer 6, 46; heater 44; cap 44b; gas diffusion hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石橋 功成 東京都江東区木場1丁目5番1号 株式会 社フジクラ内 (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場1丁目5番1号 株式会 社フジクラ内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Issei Ishibashi 1-5-1 Kiba, Koto-ku, Tokyo Fujikura Ltd. (72) Inventor Yoshinori Kato 1-1-5 Kiba, Koto-ku, Tokyo Shares Inside Fujikura

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質基板と、この固体電解質基板
を挟んで配置された第1及び第2の多孔質電極と、前記
第1の多孔質電極から前記基板の縁部に向けて延出した
多孔質電極延出部と、前記第1の多孔質電極上に設けら
れたバッファ層と、前記バッファ層及び前記電極延出部
の基端側部分を気密的に被覆するドーム層と、を有する
ことを特徴とする限界電流式酸素センサ。
1. A solid electrolyte substrate, first and second porous electrodes arranged with the solid electrolyte substrate sandwiched therebetween, and extending from the first porous electrode toward an edge portion of the substrate. A porous electrode extension portion, a buffer layer provided on the first porous electrode, and a dome layer that hermetically covers the buffer layer and the base end side portion of the electrode extension portion. A limiting current type oxygen sensor characterized in that
【請求項2】 前記バッファ層は、前記第1の多孔質電
極に比して気体透過性が高い部材からなることを特徴と
する請求項1に記載の限界電流式酸素センサ。
2. The limiting current type oxygen sensor according to claim 1, wherein the buffer layer is made of a member having higher gas permeability than that of the first porous electrode.
【請求項3】 前記バッファ層は、前記第1の多孔質電
極と前記ドーム層との間に設けられた空間であることを
特徴とする請求項1に記載の限界電流式酸素センサ。
3. The limiting current type oxygen sensor according to claim 1, wherein the buffer layer is a space provided between the first porous electrode and the dome layer.
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