JPH0675056B2 - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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JPH0675056B2
JPH0675056B2 JP62100386A JP10038687A JPH0675056B2 JP H0675056 B2 JPH0675056 B2 JP H0675056B2 JP 62100386 A JP62100386 A JP 62100386A JP 10038687 A JP10038687 A JP 10038687A JP H0675056 B2 JPH0675056 B2 JP H0675056B2
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solid electrolyte
oxygen sensor
spiral
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oxygen
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祐 福田
彪 長井
謙三 黄地
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は雰囲気ガス中の酸素濃度を測定するための酸素
センサに関し、特に、酸素イオン伝導性固体電解質を利
用した限界電流式酸素センサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor for measuring an oxygen concentration in an atmospheric gas, and more particularly to a limiting current type oxygen sensor using an oxygen ion conductive solid electrolyte. .

従来の技術 従来この種の酸素センサは、第2図に示すように、酸素
イオン伝導性を有する例えばジルコニア系セラミックか
らなる固体電解質板1の両面に白金などの金属により電
極膜2(陽極2a,陰極2b)を形成し、さらに前記陰極2b
側の固体電解質板1の上に密閉空間を形成するためのU
字状の蓋体3を配置し、さらに蓋体3に外部空間と密閉
空間を連通する酸素の拡散孔4を設けた構成となってい
る。なお、この拡散孔4は陰極2bの酸素送出能力よりも
少量の酸素を拡散させる大きさに形成されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as shown in FIG. 2, in the conventional oxygen sensor of this type, an electrode film 2 (anode 2a, anode 2a, Cathode 2b) and further said cathode 2b
For forming a closed space on the solid electrolyte plate 1 on the side
The character-shaped lid body 3 is arranged, and further, the lid body 3 is provided with an oxygen diffusion hole 4 for communicating an external space and a closed space. The diffusion hole 4 is sized to diffuse a smaller amount of oxygen than the oxygen delivery capacity of the cathode 2b.

この構成において、酸素センサを動作可能な温度に加熱
した後、電極2間に直流電圧を印加すると、陰極2bで酸
素分子のイオン化反応が起こり、イオン化した酸素イオ
ンが固体電解質板1中を陽極2aに向かって移動し、陽極
2aで酸素イオンの分子化反応が起こり外部空間へ排出さ
れる。一方、密閉空間への酸素の流入は蓋体3に設けら
れた拡散孔4により制限され、陰極2bへの酸素の流入が
拡散律速となる。その結果、固体電解質板1中を酸素イ
オンが移動することによって生ずる電流は印加電圧の増
加に対し、ある電圧以降一定値を示す。この一定となる
電流が限界電流である。これが雰囲気ガス中の酸素濃度
にほぼ比例することから、前記限界電流を検出すること
により酸素濃度を測定することができる。
In this configuration, when the direct current voltage is applied between the electrodes 2 after heating the oxygen sensor to an operable temperature, an ionization reaction of oxygen molecules occurs at the cathode 2b, and the ionized oxygen ions pass through the solid electrolyte plate 1 into the anode 2a. Move towards the anode
At 2a, a molecular reaction of oxygen ions occurs and the oxygen ions are discharged to the outside space. On the other hand, the inflow of oxygen into the closed space is restricted by the diffusion hole 4 provided in the lid 3, and the inflow of oxygen into the cathode 2b is diffusion-controlled. As a result, the current generated by the movement of oxygen ions in the solid electrolyte plate 1 shows a constant value after a certain voltage as the applied voltage increases. This constant current is the limiting current. Since this is almost proportional to the oxygen concentration in the atmosphere gas, the oxygen concentration can be measured by detecting the limiting current.

(例えば、特開昭59-192953号公報,特開昭60-252254号
公報) 発明が解決しようとする問題点 前記拡散孔4を形成した蓋体3の材料は耐熱性,耐食性
の点からセラミック材料が適用されることが多い。拡散
孔4の大きさは酸素センサの動作温度、限界電流の大き
さにより任意に設定される。しかし、酸素センサの長期
信頼性を確保するには動作温度は出来るだけ低くするこ
とが望ましい。ジルコニア系セラミックの固体電解質で
は酸素イオンの輸送能力の点から最低動作温度は約400
℃以上である。この動作温度で実用的限界電流値を得る
には拡散孔4は直径が数十μm、長さ数mmの極めて小さ
なものとなる。したがって、拡散孔4をセラミック材料
に精度よく穴開け加工を施すことは実用上困難であり、
特性のばらつきが大きくなるとともに、微細加工となる
ために生産性が悪く、コストが高くなるという問題があ
った。
(For example, JP-A-59-192953 and JP-A-60-252254) Problems to be Solved by the Invention The material of the lid body 3 in which the diffusion holes 4 are formed is ceramic from the viewpoint of heat resistance and corrosion resistance. Materials are often applied. The size of the diffusion hole 4 is arbitrarily set depending on the operating temperature of the oxygen sensor and the size of the limiting current. However, it is desirable to keep the operating temperature as low as possible in order to ensure long-term reliability of the oxygen sensor. In the solid electrolyte of zirconia-based ceramic, the minimum operating temperature is about 400 from the viewpoint of oxygen ion transport capacity.
℃ or above. In order to obtain a practical limit current value at this operating temperature, the diffusion hole 4 has an extremely small diameter of several tens of μm and a length of several mm. Therefore, it is practically difficult to accurately perform the drilling process on the diffusion hole 4 in the ceramic material.
There is a problem that the characteristics are increased and the fine processing is performed, so that the productivity is poor and the cost is high.

また、蓋体3の上部に拡散孔4を形成する構成では酸素
センサの製造過程や実使用の際、ホコリや異物などが拡
散孔4に侵入してその孔径を変化させたり、閉塞させた
りする懸念がある。その結果、酸素センサ特性に経時変
化が起こり、誤動作の原因となる問題がある。
Further, in the configuration in which the diffusion hole 4 is formed in the upper portion of the lid body 3, dust, foreign matter, etc. enter the diffusion hole 4 to change or close the diameter thereof during the manufacturing process or actual use of the oxygen sensor. I have a concern. As a result, there is a problem that the oxygen sensor characteristics change over time, which causes malfunction.

さらに、酸素センサを動作させるには動作温度に加熱す
る必要があるが、従来のように酸素センサの周囲に配置
されたコイル状に巻いた発熱体では加熱速度が遅く、熱
が酸素センサへ有効に伝達されないため、消費電力が大
きくなることや、前記発熱体と酸素センサが密着してな
いので酸素センサの温度制御が精度よく行なうことがで
きず、前記限界電流値がばらつくという問題があった。
Furthermore, in order to operate the oxygen sensor, it is necessary to heat it to the operating temperature, but in the conventional heating element wound around the oxygen sensor in the form of a coil, the heating speed is slow and the heat is effective for the oxygen sensor. However, there is a problem that the power consumption becomes large and the temperature control of the oxygen sensor cannot be performed accurately because the heating element and the oxygen sensor are not in close contact with each other, and the limiting current value varies. .

本発明はかかる従来の問題点を解消するもので、加工
性,生産性が優れているとともに、特性のばらつきが少
なく、長期にわたり安定した特性を実現し得る酸素セン
サを提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an oxygen sensor which is excellent in workability and productivity, has less variation in characteristics, and can realize stable characteristics over a long period of time. .

問題点を解決するための手段 上記問題点を解消するために本発明の酸素センサは、固
体電解質板と、前記固体電解質板の両面に形成された電
極膜と、前記電極膜の一方を囲み始端と終端とが前記固
体電解質板上で互いに間隔を有するように配置された螺
旋形スペーサと、前記螺旋形スペーサの相対向する隔壁
と前記固体電解質板とシール板で囲まれる螺旋形拡散孔
と、前記シール板の一方の面上に形成された発熱体を備
えたものである。
Means for Solving the Problems In order to solve the above problems, the oxygen sensor of the present invention has a solid electrolyte plate, electrode films formed on both surfaces of the solid electrolyte plate, and a starting end surrounding one of the electrode films. And a spiral spacer arranged so that the end and the spacer are spaced from each other on the solid electrolyte plate, partition walls facing each other of the spiral spacer, the spiral diffusion hole surrounded by the solid electrolyte plate and the seal plate, A heating element is formed on one surface of the seal plate.

作用 本発明の上記構成において、螺旋形拡散孔が螺線形スペ
ーサと固体電解質板とシール板の接着の際に同時に形成
されるので従来の酸素センサの如く、困難な穴開け加工
が不必要となるとともに、前記螺線形拡散孔が固体電解
質板と平行に形成されるため、前記螺旋形拡散孔へのホ
コリや異物などの侵入が防止される。また、発熱体がシ
ール板上に密着して形成されるので酸素センサへの熱伝
達が有効に行なわれるとともに、酸素センサの温度制御
を高精度に行なうことができる。
Function In the above-mentioned configuration of the present invention, since the spiral diffusion hole is simultaneously formed at the time of adhering the spiral spacer, the solid electrolyte plate and the seal plate, it is not necessary to perform a difficult drilling process as in the conventional oxygen sensor. At the same time, since the spiral diffusion hole is formed in parallel with the solid electrolyte plate, invasion of dust or foreign matter into the spiral diffusion hole is prevented. In addition, since the heating element is formed in close contact with the seal plate, heat can be effectively transferred to the oxygen sensor, and the temperature of the oxygen sensor can be controlled with high accuracy.

実施例 以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。
Embodiments Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

第1図は本発明の一実施例を示すもので同図(a)は酸
素センサの分解斜視図、同図(b)は酸素センサの一部
破断斜視図である。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention. FIG. 1A is an exploded perspective view of an oxygen sensor, and FIG. 1B is a partially cutaway perspective view of the oxygen sensor.

第1図(a),(b)において、1は酸素イオン伝導性
を有する固体電解質板でこの両面には電極膜2が形成さ
れる。固体電解質板1の一方の面に電極膜2を囲み、始
端と終端が互いに間隔を有する螺線形スペーサ5が配置
され、さらに、発熱体8を形成したシール板6が配置さ
れる。拡散孔7は、螺線形スペーサ5の相対向する隔壁
と固体電解質板1とシール板6で囲まれた螺旋形の空間
で形成され、酸素は前記空間を通して電極膜2へ拡散侵
入する。
In FIGS. 1 (a) and 1 (b), 1 is a solid electrolyte plate having oxygen ion conductivity, and electrode films 2 are formed on both surfaces thereof. On one surface of the solid electrolyte plate 1, a spiral spacer 5 that surrounds the electrode film 2 and has a start end and an end that are spaced from each other is arranged, and further, a seal plate 6 having a heating element 8 is arranged. The diffusion hole 7 is formed in a spiral space surrounded by the partition walls of the spiral spacer 5 facing each other, the solid electrolyte plate 1 and the seal plate 6, and oxygen diffuses into the electrode film 2 through the space.

固体電解質板1の材料は、長期にわたる信頼性、特性の
安定性などの点で最も実用的なジルコニア系セラミック
が挙げられ、その中でもイットリアを添加したジルコニ
アが良い。
Examples of the material of the solid electrolyte plate 1 include zirconia-based ceramics, which is the most practical in terms of long-term reliability, stability of characteristics, and the like. Among them, zirconia to which yttria is added is preferable.

電極膜2の材料としては白金,金,パラジウム,銀など
が挙げられるが特に限定されものではない。
Examples of the material of the electrode film 2 include platinum, gold, palladium and silver, but are not particularly limited.

螺旋形スペーサ5は酸素センサの使用温度で充分耐え得
る耐熱性と、固体電解質板1とシール板6との気密性を
実現した接着性が要求され、その材料としてはガラス,
金属が挙げられる。
The spiral spacer 5 is required to have heat resistance sufficient to withstand the operating temperature of the oxygen sensor and adhesiveness that realizes airtightness between the solid electrolyte plate 1 and the seal plate 6, and the material thereof is glass,
Examples include metals.

ガラス材料は固体電解質板1としてジルコニア系セラミ
ックを適用した場合、熱膨張が同程度であることが望ま
しく、PbO‐ZnO‐B2O3‐SiO2系,K2O‐PbO‐SiO2系,N
a2O‐K2O‐PbO‐SiO2系,Na2O‐CaO‐SiO2系,K2O‐CaO
‐SiO2系ガラスが挙げられる。ところで、螺旋形スペー
サ5としてガラスのみで構成した場合、シール板6を上
部に配置後、加熱焼成を行なうとガラスの軟化によりシ
ール板6が沈降し螺旋形スペーサ5のギャップ、即ち拡
散孔4の寸法のばらつきが大きくなる。本発明ではこれ
を防止するため、ガラス成分中にガラス成分よりも融点
の高い耐熱性粒子を分散配置する。前記耐熱性粒子がシ
ール板6の沈降を防ぎ、安定したギャップの形成を実現
できる。なお、前記耐熱性粒子の大きさをそろえること
により前記ギャップの寸法精度が向上する。
When the glass material to which the zirconia-based ceramic as a solid electrolyte plate 1, it is desirable thermal expansion is comparable, P b O-Z n O -B 2 O 3 -S i O 2 system, K 2 O- P b O‐S i O 2 system, N
a2 O‐K 2 O‐P b O‐S i O 2 system, N a2 O‐C a O‐S i O 2 system, K 2 O‐C a O
-S i O 2 based glass can be mentioned. By the way, in the case where the spiral spacer 5 is made of only glass, when the seal plate 6 is placed on the upper part and then heated and fired, the seal plate 6 is settled by softening of the glass and the gap of the spiral spacer 5, that is, the diffusion hole 4 is formed. Large dimensional variation. In the present invention, in order to prevent this, heat resistant particles having a melting point higher than that of the glass component are dispersed in the glass component. The heat-resistant particles prevent the seal plate 6 from settling, and a stable gap can be formed. By adjusting the sizes of the heat resistant particles, the dimensional accuracy of the gap is improved.

螺旋形スペーサ5の形成手段としてはスクリーン印刷法
が最適である。この場合、前記ガラス成分を含むペース
トに前記耐熱性粒子を適量添加し混合分散したものを前
記螺旋形スペーサ5のパターンを用いて固体電解質板1
の面上に電極膜2を囲むように印刷する。
The screen printing method is most suitable as the means for forming the spiral spacer 5. In this case, the paste containing the glass component is added with an appropriate amount of the heat-resistant particles, mixed and dispersed, and the solid electrolyte plate 1 is formed using the pattern of the spiral spacer 5.
Is printed so as to surround the electrode film 2.

一方、螺旋形スペーサ5を金属で構成する場合は銀ろう
箔で挾持されたチタニウム箔が最適である。この理由は
チタニウムが固体電解質板1として適用されるジルコニ
ア系セラミックに近い熱膨張率を有すること、耐熱性,
接着性に優れていることにある。前記銀ろう箔とチタニ
ウム箔はレーザー加工などにより前記螺旋形スペーサ5
のパターンに加工されたものを用いる。前記螺旋形スペ
ーサ5のギャップは、銀ろう箔とチタニウム箔の厚みで
決定され、常に安定したギャップ寸法が得られる。
On the other hand, when the spiral spacer 5 is made of metal, a titanium foil sandwiched between silver brazing foils is most suitable. The reason is that titanium has a coefficient of thermal expansion close to that of zirconia-based ceramic applied as the solid electrolyte plate 1, heat resistance,
It has excellent adhesiveness. The silver brazing foil and the titanium foil are formed into the spiral spacer 5 by laser processing or the like.
The one processed into the pattern is used. The gap of the spiral spacer 5 is determined by the thicknesses of the silver brazing foil and the titanium foil, so that a stable gap size can always be obtained.

シール板6の材料としては、熱膨張率,耐熱性の点か
ら、ジルコニア系セラミック,フォルステライト,螺旋
形スペーサ5で述べたガラスが挙げられる。なお、シー
ル板6として適用されるガラスは、螺旋形スペーサ5で
適用されるガラスよりも高融点のものが選択される。
Examples of the material of the seal plate 6 include zirconia-based ceramics, forsterite, and the glass described in the spiral spacer 5 in terms of thermal expansion coefficient and heat resistance. The glass used as the seal plate 6 is selected to have a higher melting point than the glass used for the spiral spacer 5.

本発明の螺旋形拡散孔7は前述の如く、螺旋形スペーサ
5の相対向する隔壁と固体電解質板1とシール板6で囲
まれた螺旋形の空間で構成され、シール板6を螺旋形ス
ペーサ5の上に配置後、下記方法で形成される。
As described above, the spiral diffusion hole 7 of the present invention is composed of the partition walls facing each other of the spiral spacer 5, the spiral space surrounded by the solid electrolyte plate 1 and the seal plate 6, and the seal plate 6 is formed by the spiral spacer. After being placed on top of No. 5, it is formed by the following method.

スペーサ5が (1)ガラス印刷である場合は加熱焼成による接着。When the spacer 5 is (1) glass printing, bonding by heating and baking.

(2)銀ろう箔とチタニウム箔である場合は真空もしく
は不活性ガス中で加熱溶融によるろう付け。
(2) Brazing by heating and melting in a vacuum or an inert gas in the case of silver brazing foil and titanium foil.

発熱体8は、白金,タングステン,モリブデンなどのペ
ーストによる印刷膜やステンレス,鉄クロム,ニクロム
などの金属線,金属箔が挙げられる。
The heating element 8 may be a printed film made of a paste of platinum, tungsten, molybdenum, a metal wire such as stainless steel, iron chromium, nichrome, or a metal foil.

印刷膜による発熱体は、シール板6上にスクリーン印刷
法により印刷し、加熱焼成により得られる。但し、タン
グステン,モリブデンなどのように耐酸化性に乏しいも
のは印刷後、ち密な保護膜を印刷上にコーティングし真
空もしくは非酸化性雰囲気で加熱焼成する。
The heating element made of a printed film is obtained by printing on the seal plate 6 by a screen printing method and heating and firing. However, those having poor oxidation resistance such as tungsten and molybdenum are coated with a dense protective film after printing and heated and baked in a vacuum or a non-oxidizing atmosphere.

一方、金属線,金属箔による発熱体は、これらをシール
板6上に配置後、ガラスなどの電気絶縁性接着材を塗布
し加熱接着もしくはシール板6に前記接着材を塗布後、
前記金属線,金属箔を配置し加熱接着して得られる。
On the other hand, the heating element made of a metal wire or a metal foil is arranged on the seal plate 6 and then applied with an electrically insulating adhesive such as glass and heat-bonded or after applying the adhesive to the seal plate 6,
It is obtained by arranging the metal wire and the metal foil and heating and bonding them.

なお、発熱体8の抵抗値は酸素センサが動作可能な温度
が得られるよう適宜設定され、螺旋形拡散孔7の大きさ
は酸素センサの動作温度、必要とする限界電流値により
適宜設定される。
The resistance value of the heating element 8 is appropriately set so as to obtain a temperature at which the oxygen sensor can operate, and the size of the spiral diffusion hole 7 is appropriately set according to the operating temperature of the oxygen sensor and the required limiting current value. .

次に具体的実施例にもとづいて、その作用と効果を説明
する。
Next, the operation and effect will be described based on a specific embodiment.

第1図に示す本発明の一実施例における酸素センサの構
成材料,製造方法は次の通りである。なお、螺旋形スペ
ーサ5としてガラス印刷膜、発熱体8として金属箔を適
用したものを酸素センサA、螺旋形スペーサ5として銀
ろう箔で挾持されたチタニウム箔、発熱体8として金属
印刷膜を適用したものを酸素センサBとした。
The constituent materials and manufacturing method of the oxygen sensor in one embodiment of the present invention shown in FIG. 1 are as follows. A glass printed film is used as the spiral spacer 5, a metal foil is applied as the heating element 8 to the oxygen sensor A, a titanium foil sandwiched with silver brazing foil is used as the spiral spacer 5, and a metal printed film is applied as the heating element 8. This was used as oxygen sensor B.

固体電解質板1 ZrO2・Y2O3セラミック(Y2O3 8mol%),寸法12×12×0.
4tmm 電極膜2 Ptペースト,電極径6mm,膜厚約5μm 固体電解質板1の両面にスクリーン印刷法により塗布
し、850℃で10分焼成。なお、陰極側のみ第1図に示す
ようにリード線接続用のPtペーストによる印刷膜を形
成。
Solid electrolyte plate 1 ZrO 2 · Y 2 O 3 ceramic (Y 2 O 3 8 mol%), dimensions 12 × 12 × 0.
4 t mm electrode film 2 Pt paste, electrode diameter 6 mm, film thickness about 5 μm Apply on both sides of the solid electrolyte plate 1 by screen printing method and calcination at 850 ° C. for 10 minutes. A printed film made of Pt paste for connecting lead wires was formed on the cathode side only as shown in FIG.

螺旋形スペーサ5 A:ガラス印刷膜 ガラス……PbO‐ZnO‐B2O3‐SiO2ガラスペースト 耐熱性粒子……BaO‐TiO2‐SiO2系ガラス粉末,平均粒
径50μm 前記ガラスペースト1gに対し、前記ガラス粉末を10mg混
合したものを用い、スクリーン印刷で固体電解質板1の
一方の面に電極膜2を囲んで螺旋形スペーサ5を形成。
前記螺旋形スペーサ5は第1図に示す形状とし、螺旋形
拡散孔7の大きさが前述の一例で示した寸法になるよう
設定した。
Helical spacer 5 A: Glass printing film glass ...... P b O-Z n O -B 2 O 3 -S i O 2 glass paste refractory particles ...... B a O-T i O 2 -S i O 2 system Glass powder, average particle size 50 μm Using 10 g of the glass powder mixed with 1 g of the glass paste, a spiral spacer 5 was formed by screen printing around the electrode film 2 on one surface of the solid electrolyte plate 1.
The spiral spacer 5 has the shape shown in FIG. 1, and the size of the spiral diffusion hole 7 is set to be the size shown in the above example.

螺旋形スペーサ5の幅 0.5mm B:銀ろう箔で挾持されたチタニウム箔 前記銀ろう箔で挾持されたチタニウム箔をレーザー加工
により螺旋形拡散孔7の大きさが前述の一例で示した寸
法となるように第1図に示す螺旋形スペーサ5を形成
し、固体電解質板1の上に電極膜2を囲んで配置。
Width of spiral spacer 5 0.5mm B: Titanium foil sandwiched with silver brazing foil The titanium spacer held by the silver brazing foil is laser processed to form the spiral spacer 5 shown in FIG. 1 so that the size of the spiral diffusion hole 7 becomes the size shown in the above-mentioned example, and the solid electrolyte plate is formed. The electrode film 2 is arranged on the first electrode 1.

螺旋形スペーサ5の幅 0.5mm シール板6 ZrO2・Y2O3セラミック(Y2O3 8mol%) 寸法 11×12×0.5tmm 発熱体8 B:金属印刷膜 Ptペーストを用い、シール板6上に第1図に示す発熱体
パターンをスクリーン印刷。850℃で30分加熱焼成し形
成。抵抗値50Ω(400℃) A:金属箔 ステンレスSUS-430を用い、第1図に示す発熱体を化学
エッチング。これをシール板6上に配置し、Aで用いた
ガラスペーストをシール板6及び前記発熱体上に塗布
し、450℃で30分加熱焼成し形成。抵抗値50Ω(400℃) 拡散孔7 発熱体8を形成したシール板6を螺線形スペーサ5の上
に配置し、下記接着処理を実施。
Width of spiral spacer 5 0.5mm Seal plate 6 ZrO 2 · Y 2 O 3 ceramic (Y 2 O 3 8mol%) Dimensions 11 × 12 × 0.5 t mm Heating element 8 B: Metal print film Pt paste is used. The heating element pattern shown in FIG. 1 is screen-printed on the seal plate 6. Formed by heating and baking at 850 ° C for 30 minutes. Resistance value 50Ω (400 ° C) A: Metal foil Stainless steel SUS-430 was used to chemically etch the heating element shown in Fig. 1. This was placed on the seal plate 6, the glass paste used in A was applied on the seal plate 6 and the heating element, and heated and baked at 450 ° C. for 30 minutes to form. Resistance value 50Ω (400 ° C) Diffusion hole 7 The seal plate 6 with the heating element 8 is placed on the spiral spacer 5 and the following bonding process is performed.

A:450℃,30分の加熱焼成。A: Heated and baked at 450 ° C for 30 minutes.

B:10-4torr以下の真空下で800℃,5分の加熱ろう付け。B: Brazing at 800 ° C for 5 minutes under a vacuum of 10 -4 torr or less.

このようにして作製した酸素センサA,Bについて、電極
膜2、および発熱体8にリード線(Pt)を取り付け、特
性を評価した。その結果、作製した酸素センサA,Bとも
に印加電圧1V〜2.2Vの範囲において電流が一定値を示し
た。この一定値を示す電流が限界電流であり、酸素セン
サとして機能することが確認された。また、前記限界電
流値は両者ともに約100μAを示し、前述の螺旋形拡散
孔が設計通り形成されていることが確認された。
With respect to the oxygen sensors A and B manufactured in this way, lead wires (Pt) were attached to the electrode film 2 and the heating element 8, and the characteristics were evaluated. As a result, the produced oxygen sensors A and B both showed a constant current in the applied voltage range of 1V to 2.2V. It was confirmed that the current showing this constant value is the limiting current and functions as an oxygen sensor. Further, both of the limiting current values showed about 100 μA, and it was confirmed that the above-mentioned spiral diffusion hole was formed as designed.

空気中での限界電流値を100μAに設定すると、第2図
に示す従来の拡散孔4の大きさは、直径30μmで長さ1m
mとなる。一方、第1図に示す本発明の螺旋形拡散孔7
の大きさは、幅が400μm,高さが50μm,長さが25mmとな
る。(ここで示した従来および本発明の拡散孔の大きさ
は実用性の高い代表例である。)ここで、両者の拡散孔
の開口部寸法が10%ばらつくと前記限界電流値は約20%
ばらつくことになる。従来の拡散孔4のように微少な穴
を精度よく加工することは困難であり開口部の面積が10
%以上ばらつくことは避けられない。一方、本発明の螺
旋形拡散孔7は電極膜2の周囲に形成されるので開口部
面積、長さがともに20倍以上の大きさにすることができ
る。前記開口部面積を大きく設計できることは、従来の
それに比べばらつきを小さくできるので限界電流値のば
らつきを小さくできるという効果を有する。本発明によ
る螺旋形拡散孔7の開口部面積のばらつきは10%以内で
あり、限界電流値は±20%以内という結果を得た。
When the limiting current value in air is set to 100 μA, the size of the conventional diffusion hole 4 shown in FIG. 2 is 30 μm in diameter and 1 m in length.
It becomes m. On the other hand, the spiral diffusion hole 7 of the present invention shown in FIG.
The size of the is 400 μm in width, 50 μm in height, and 25 mm in length. (The sizes of the diffusion holes of the related art and the present invention shown here are representative examples with high practicability.) Here, if the opening size of both diffusion holes varies by 10%, the limiting current value is about 20%.
It will vary. It is difficult to accurately process a minute hole such as the conventional diffusion hole 4, and the area of the opening is 10
It is unavoidable that there is a variation of more than%. On the other hand, since the spiral diffusion hole 7 of the present invention is formed around the electrode film 2, both the opening area and the length can be made 20 times or more. The fact that the opening area can be designed to be large has an effect that the variation in the limiting current value can be reduced because the variation can be reduced as compared with the conventional case. The variation of the opening area of the spiral diffusion hole 7 according to the present invention is within 10%, and the limiting current value is within ± 20%.

また、本発明では螺旋形拡散孔7が固体電解質1と螺旋
形スペーサ5とシール板6の接着による組み合わせで構
成されるので、従来のようにセラミックの穴開け加工を
必要としない。したがって、極めて簡単な方法で形成さ
れるので生産性に優れ、低コストを実現することができ
る。
Further, in the present invention, since the spiral diffusion hole 7 is constituted by the combination of the solid electrolyte 1, the spiral spacer 5 and the seal plate 6 which are adhered to each other, it is not necessary to perform the drilling of the ceramic unlike the conventional case. Therefore, since it is formed by an extremely simple method, it is possible to realize excellent productivity and low cost.

さらに、本発明では螺旋形拡散孔7が固体電解質板1と
平行に形成されるので酸素センサの製造過程、実使用の
際にホコリや異物などの拡散孔への侵入を防止でき、特
性の安定化及び長期にわたる信頼性の向上を図ることが
できる。
Further, according to the present invention, since the spiral diffusion hole 7 is formed in parallel with the solid electrolyte plate 1, it is possible to prevent dust and foreign matters from entering the diffusion hole during the manufacturing process of the oxygen sensor and in actual use, and to stabilize the characteristics. And long-term reliability can be improved.

一方、酸素センサA,Bの動作時における発熱体8の抵抗
値は両者ともに約50Ωであり、酸素センサの温度が400
℃となっていることが確認された。また、酸素センサの
加熱に要する消費電力は約3Wであり、従来の加熱方式よ
りも低消費電力が実現された。
On the other hand, the resistance value of the heating element 8 during operation of the oxygen sensors A and B is both about 50Ω, and the temperature of the oxygen sensor is 400
It was confirmed that the temperature was ℃. In addition, the power consumption required to heat the oxygen sensor is about 3 W, which is lower than the conventional heating method.

発熱体8に印加する電圧が一定である場合、風速や室温
の変化によって酸素センサの温度が変化する。本発明の
酸素センサは正の温度特性を有するので温度変化により
限界電流値が変化し、酸素濃度の検出精度が悪くなる。
したがって、酸素センサの温度を一定に保つため、発熱
体8の入力パワーを制御する必要がある。本発明による
発熱体8はシール板6に密着して形成されているので発
熱体8からの固体電解質板1への熱伝達が効率よくスム
ーズに行なわれるため熱応答が速く、設定温度に精度よ
く保つことが可能となり、その結果、酸素濃度の検出精
度が向上する。また、発熱体8からの固体電解質板1へ
の熱伝達がよいことから、動作温度に達する時間が速く
なり、酸素センサとして短時間で動作可能となる。
When the voltage applied to the heating element 8 is constant, the temperature of the oxygen sensor changes due to changes in wind speed and room temperature. Since the oxygen sensor of the present invention has a positive temperature characteristic, the limiting current value changes due to a temperature change, and the oxygen concentration detection accuracy deteriorates.
Therefore, in order to keep the temperature of the oxygen sensor constant, it is necessary to control the input power of the heating element 8. Since the heating element 8 according to the present invention is formed in close contact with the sealing plate 6, the heat transfer from the heating element 8 to the solid electrolyte plate 1 is performed efficiently and smoothly, so that the thermal response is fast and the set temperature is accurate. It becomes possible to maintain the oxygen concentration, and as a result, the accuracy of detecting the oxygen concentration is improved. Further, since the heat transfer from the heating element 8 to the solid electrolyte plate 1 is good, the time to reach the operating temperature is shortened, and the oxygen sensor can operate in a short time.

発明の効果 以上のように本発明の酸素センサによれば次の効果が得
られる。
Effects of the Invention As described above, the oxygen sensor of the present invention has the following effects.

(1)酸素の拡散孔の大きさを従来より大きくすること
ができるので前記拡散孔の相対的なばらつきを小さくす
ることができ、限界電流値のばらつきを小さくすること
ができる。
(1) Since the size of the oxygen diffusion hole can be made larger than in the conventional case, the relative variation of the diffusion hole can be reduced and the variation of the limiting current value can be reduced.

(2)前記拡散孔がガラス印刷膜もしくは金属箔からな
る螺旋形スペーサと固体電解質板とシール板の接着によ
り構成される。したがって、従来のように穴開け加工が
不必要となり、極めて簡単な方法で形成できるので生産
性に優れ、低コストを実現することができる。
(2) The diffusion holes are formed by bonding a spiral spacer made of a glass printed film or a metal foil, a solid electrolyte plate and a seal plate. Therefore, unlike the conventional case, it is not necessary to make a hole, and since it can be formed by an extremely simple method, it is possible to realize excellent productivity and low cost.

(3)前記拡散孔が固体電解質板と平行に形成されるの
で前記拡散孔へのホコリや異物の侵入が抑制され、特性
の安定化、長期にわたる信頼性の向上が図れる。
(3) Since the diffusion holes are formed in parallel with the solid electrolyte plate, invasion of dust and foreign matter into the diffusion holes is suppressed, and the characteristics can be stabilized and the reliability can be improved for a long time.

(4)発熱体がシール板に形成されているので、固体電
解質板への熱伝達が速く、かつ効率的であるので酸素セ
ンサのウオーミングアップ時間が短縮されるとともに低
消費電力化が図れる。
(4) Since the heating element is formed on the seal plate, the heat transfer to the solid electrolyte plate is fast and efficient, so that the warm-up time of the oxygen sensor can be shortened and the power consumption can be reduced.

(5)さらに、酸素センサを一定温度に保つための入力
パワーの制御がスムーズに行なわれるため、設定温度に
精度よく保つことができ、酸素濃度の検出精度が向上す
る。
(5) Further, since the input power for keeping the oxygen sensor at a constant temperature is smoothly controlled, the set temperature can be kept accurately and the oxygen concentration detection precision is improved.

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

第1図(a)は本発明の一実施例を示す酸素センサの分
解斜視図、同図(b)は酸素センサの一部破断斜視図、
第2図は従来の酸素センサの断面図である。 1……固体電解質板、5……螺旋形スペーサ、6……シ
ール板、7……螺旋形拡散孔、8……発熱体。
FIG. 1 (a) is an exploded perspective view of an oxygen sensor showing an embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is a partially cutaway perspective view of the oxygen sensor.
FIG. 2 is a sectional view of a conventional oxygen sensor. 1 ... Solid electrolyte plate, 5 ... Helical spacer, 6 ... Seal plate, 7 ... Helical diffusion hole, 8 ... Heating element.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】酸素イオン伝導性を有する固体電解質板
と、前記固体電解質板の両面に形成された電極膜と、前
記電極膜の一方を囲み始端と終端とが前記固体電解質板
上で互いに間隔を有するように配置された螺旋形スペー
サと、前記螺旋形スペーサ上に前記固体電解質板と相対
向するように配置されたシール板と、前記螺旋形スペー
サの相対向する隔壁と前記固体電解質板と前記シール板
で囲まれて形成される螺旋形拡散孔と、前記シール板の
一方の面上に形成された発熱体とからなる酸素センサ。
1. A solid electrolyte plate having oxygen ion conductivity, electrode films formed on both surfaces of the solid electrolyte plate, and one end of the electrode film surrounding a starting end and a terminating end spaced from each other on the solid electrolyte plate. A spiral spacer arranged so as to have, a seal plate arranged on the spiral spacer so as to face the solid electrolyte plate, partition walls facing each other of the spiral spacer, and the solid electrolyte plate. An oxygen sensor comprising a spiral diffusion hole surrounded by the seal plate and a heating element formed on one surface of the seal plate.
【請求項2】発熱体が白金,タングステン,モリブデン
の少なくとも1種の印刷膜からなる特許請求の範囲第1
項記載の酸素センサ。
2. A heating element comprising a printed film of at least one of platinum, tungsten and molybdenum.
The oxygen sensor according to the item.
【請求項3】発熱体が電気絶縁物で接着された金属から
なる特許請求の範囲第1項記載の酸素センサ。
3. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the heating element is made of metal adhered with an electric insulator.
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