JPH06294768A

JPH06294768A - 限界電流式酸素センサ

Info

Publication number: JPH06294768A
Application number: JP5084325A
Authority: JP
Inventors: 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
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1993-04-12
Filing date: 1993-04-12
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】【目的】製造が容易であって製品コストを低減でき、
良好な限界電流特性を有すると共に信頼性が高い限界電
流式酸素センサを提供する。【構成】安定化ジルコニア等の固体電解質基板１の両
面にはカソード電極２及びアノード電極３が形成されて
いる。これらの電極２，３から基板縁部に向けて電極延
出部２ａ，３ａが設けられている。また、カソード電極
２は多孔質部材からなる多孔質層４に被覆されており、
この多孔質層４から基板縁部に向けて多孔質層延出部４
ａが延出している。更に、多孔質層４及び多孔質層延出
部４ａは、結晶化ガラス等により構成されたドーム層５
に被覆されている。多孔質層延出部４ａが拡散律速部と
して作用し、限界電流特性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
電極延出部と、多孔質部材からなり前記第１の多孔質電
極を被覆する多孔質層と、この多孔質層から前記基板の
縁部に向けて延出した多孔質層延出部と、前記多孔質層
及び前記多孔質層延出部の基端部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。

【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電極延出部が設けられて
いる。また、第１の多孔質電極は多孔質部材からなる多
孔質層に被覆されており、この多孔質層からは基板縁部
に向けて多孔質層延出部が延出している。

【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
孔質層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、多孔質層延出部の基端部により気体
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多
孔質層延出部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、この多孔質層延出部により気体の流
入量が制限されて、限界電流特性を得ることができる。

【００１３】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、多孔質層延出部の基端部をドーム層
で被覆し、この多孔質層延出部基端部により多孔質層へ
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、被測定ガスは多孔質層延
出部の表面を介してドーム層の内側に流入するため、異
物が前記多孔質層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。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】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から基板１の縁部に向けて電極延出
部２ａが延出している。これと同様に、アノード電極３
から基板１の縁部に向けて電極延出部３ａが延出してい
る。また、カソード電極２は、多孔質部材からなる多孔
質層４に被覆されている。この多孔質層４は上面視で略
円形に形成されており、その円周を４等分する位置に
は、基板縁部に向けて延出する多孔質層延出部４ａが設
けられている。

【００１７】ドーム層５は、多孔質層４、多孔質層延出
部４ａの基端部及び電極延出部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。そして、このドーム層５上には、ヒータ
（図示せず）が設けられている。

【００１８】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、前記ヒータに給電するとヒ
ータ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多孔質層４内が負
圧となり、新たな気体が多孔質層延出部４ａを介して多
孔質層４内に流入する。このとき、気体の流入量は多孔
質層延出部４ａ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。

【００１９】本実施例においては、ドーム層５に被覆さ
れた部分の多孔質層延出部４ａの基端部が従来の限界電
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多孔質層延出部の基端部の
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
から露出した部分の多孔質層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、多孔質層延出部４ａ
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。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、信頼性が高い。更に、本実施例にお
いては、従来と異なり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。

【００２０】更にまた、本実施例においては、側面導通
部からの漏れ電流（ΔＩ_L ）を低減できるという効果も
ある。即ち、安定化ジルコニア等のイオン伝導性は温度
が高くなるほど高くなるが、温度が高くなると側面導通
部からの漏れ電流ΔＩ_L が増大して限界電流特性が低下
する。漏れ電流ΔＩ_L を低減するためには、センサ素子
に温度分布を持たせて酸素取り入れ口を温度が低い部分
に配置することが考えられる。上面視でセンサ素子の中
央部にヒータを形成する場合、中央部の温度が一番高
く、中央部から離れるに伴って温度が低下する。従っ
て、ドーム層内側への酸素の取り入れ口を可及的にヒー
タ部分から離れた部分に形成すれば、温度が低く、漏れ
電流ΔＩ_L を低減することができる。例えば、電極延出
部２ａを介してドーム層内側に酸素を取り入れることも
考えられるが、電極延出部２ａはリード線に接続する必
要上、酸素取り入れ口をセンサ素子の端部に設けること
は困難である。しかし、本実施例においては、センサ素
子の端部に酸素取り入れ口を配置できるため、酸素取り
入れ口の温度が低く、その結果的、漏れ電流ΔＩ_L を極
めて小さくすることができる。

【００２１】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。

【００２２】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（Ｕ−３４０１：エヌ・イー・ケムキャット社
製）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４．０ｍ
ｍ、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電極延出部３
ａを形成した。

【００２３】次に、カソード電極２側の面に結晶化ガラ
スとステアタイト粉とを重量比で１：３の割合で混合し
たペーストを印刷し、その後焼成して、カソード電極２
を被覆する多孔質層４を形成した。更に、結晶化ガラス
のペーストを印刷し、その後焼成して、バッファ層５及
び電極延出部２ａの先端部を除いた部分を被覆するガラ
スドーム層５を約３００μｍの厚さで形成した。

【００２４】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、ヒータを形成した。

【００２５】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、多孔質層を
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。この比較例においては、電極延出
部が酸素取り入れ口（気体拡散層）として作用する。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有している。特に、比較例に比して
立ち上がり部が極めて良好である。

【００２６】

【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の多孔質電極を被覆する多孔
質層及びこの多孔質層から前記基板の縁部に向けて延出
する多孔質層延出部が設けられており、前記多孔質層及
び前記多孔質層延出部の基端部は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
流入量が前記多孔質層延出部の基端部により制限され、
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、本発明に係る限界電流式
酸素センサは、従来の限界電流式酸素センサに比して、
長期信頼性が高いという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】図１のＡ−Ａ線による断面図である。

【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。

【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。

【符号の説明】

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；多孔質層４ａ；多孔質層延出部５；ドーム層４４；キャップ４４ｂ；気体拡散孔

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims

【特許請求の範囲】

【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
電極延出部と、多孔質部材からなり前記第１の多孔質電
極を被覆する多孔質層と、この多孔質層から前記基板の
縁部に向けて延出した多孔質層延出部と、前記多孔質層
及び前記多孔質層延出部の基端部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。