JPH0682418A - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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- JPH0682418A JPH0682418A JP4259125A JP25912592A JPH0682418A JP H0682418 A JPH0682418 A JP H0682418A JP 4259125 A JP4259125 A JP 4259125A JP 25912592 A JP25912592 A JP 25912592A JP H0682418 A JPH0682418 A JP H0682418A
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- oxygen sensor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 簡単な構成でセンサ特性が安定し、生産性
（量産性）に優れた限界電流式酸素センサを提供する。 【構成】 ジルコニア固体電解質からなる酸素イオン伝
導性基板１と、基板に設けられた陰極３ａ及び陽極３ｂ
と、前記陰極への酸素分子の拡散を律速する手段とを有
し、電極に電圧が印加されるときのジルコニア固体電解
質の電気化学的な酸素ポンピング作用を用い、少なくと
も陰極のリード線取り出し部分８とジルコニア固体電解
質１との間に、両者が接しないように第２層２を設けた
限界電流式の酸素センサである。
（量産性）に優れた限界電流式酸素センサを提供する。 【構成】 ジルコニア固体電解質からなる酸素イオン伝
導性基板１と、基板に設けられた陰極３ａ及び陽極３ｂ
と、前記陰極への酸素分子の拡散を律速する手段とを有
し、電極に電圧が印加されるときのジルコニア固体電解
質の電気化学的な酸素ポンピング作用を用い、少なくと
も陰極のリード線取り出し部分８とジルコニア固体電解
質１との間に、両者が接しないように第２層２を設けた
限界電流式の酸素センサである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ジルコニア固体電解質
を用いた限界電流式酸素センサに関する。
を用いた限界電流式酸素センサに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】空気中
の酸素濃度を測定するための酸素センサには、代表的な
ものとして限界電流式酸素センサがある。ジルコニア固
体電解質を用いた限界電流式酸素センサは、固体電解質
に１対の電極を設け、電極間に電圧を印加すると、陰極
から陽極へ酸素イオンが移動する電気化学的な酸素ポン
ピング作用を用いて、被検ガス中の酸素濃度を測定する
ものである。この酸素センサは、たとえば図５、６及び
図７に示す構造をしている。なお、図中に示す酸素セン
サの各部の番号は、各図ともに共通した部位に対応する
よう付してある。
の酸素濃度を測定するための酸素センサには、代表的な
ものとして限界電流式酸素センサがある。ジルコニア固
体電解質を用いた限界電流式酸素センサは、固体電解質
に１対の電極を設け、電極間に電圧を印加すると、陰極
から陽極へ酸素イオンが移動する電気化学的な酸素ポン
ピング作用を用いて、被検ガス中の酸素濃度を測定する
ものである。この酸素センサは、たとえば図５、６及び
図７に示す構造をしている。なお、図中に示す酸素セン
サの各部の番号は、各図ともに共通した部位に対応する
よう付してある。
【０００３】図５、６及び図７に示すような限界電流式
酸素センサにおいては、固体電解質１に陰極３ａ及び陽
極３ｂの両電極が設けられている。酸素分子が陰極３ａ
で O2-にイオン化し、それがジルコニア固体電解質１中
を陽極３ｂへ向かって移動し、陽極で O2-が電子を放出
して酸素ガスとなる。放出電子が陽極を通って電源に戻
るので、この電極間の電流を検出することにより酸素濃
度を検出することができる。被検ガス中の酸素ガスの陰
極への拡散が固体電解質に設けられた拡散孔４（図
５）、キャップ６に設けられた拡散孔４（図６）、ある
いは多孔質体７の細孔（図７）などのガス拡散孔により
拡散律速される。また拡散孔によらずイオン伝導体や電
気伝導体とイオン伝導体との混合伝導体等を用いて、拡
散律速させるものもある。この拡散律速によって電極間
に流れる電流値は印加電圧の増加に伴い一定の値まで増
加し、その後飽和する限界電流特性を示す。この限界電
流値が被検ガス中の酸素濃度に比例した値を示すことか
ら、被検ガス中の酸素濃度を測定することができる。
酸素センサにおいては、固体電解質１に陰極３ａ及び陽
極３ｂの両電極が設けられている。酸素分子が陰極３ａ
で O2-にイオン化し、それがジルコニア固体電解質１中
を陽極３ｂへ向かって移動し、陽極で O2-が電子を放出
して酸素ガスとなる。放出電子が陽極を通って電源に戻
るので、この電極間の電流を検出することにより酸素濃
度を検出することができる。被検ガス中の酸素ガスの陰
極への拡散が固体電解質に設けられた拡散孔４（図
５）、キャップ６に設けられた拡散孔４（図６）、ある
いは多孔質体７の細孔（図７）などのガス拡散孔により
拡散律速される。また拡散孔によらずイオン伝導体や電
気伝導体とイオン伝導体との混合伝導体等を用いて、拡
散律速させるものもある。この拡散律速によって電極間
に流れる電流値は印加電圧の増加に伴い一定の値まで増
加し、その後飽和する限界電流特性を示す。この限界電
流値が被検ガス中の酸素濃度に比例した値を示すことか
ら、被検ガス中の酸素濃度を測定することができる。
【０００４】このような限界電流式酸素センサの固体電
解質上に形成される陰極は、ガス拡散孔を介して外部の
被検ガスと接している構造とする必要があり、固体電解
質１に細孔４を有する場合は陰極側の密封部材５によっ
て（図５）、細孔４を有するキャップ６の場合はこのキ
ャップによって（図６）、多孔質体の場合はこの多孔質
体７によって（図７）、イオン伝導体や混合伝導体の場
合はこれらの部材によって陰極は覆われる構造となって
いる。
解質上に形成される陰極は、ガス拡散孔を介して外部の
被検ガスと接している構造とする必要があり、固体電解
質１に細孔４を有する場合は陰極側の密封部材５によっ
て（図５）、細孔４を有するキャップ６の場合はこのキ
ャップによって（図６）、多孔質体の場合はこの多孔質
体７によって（図７）、イオン伝導体や混合伝導体の場
合はこれらの部材によって陰極は覆われる構造となって
いる。
【０００５】この酸素センサにおいて陰極へ電圧を印加
するためのリード線の接続は、通常電極と同じ材質の白
金線、金、あるいは銀などが用いられ、電源と接続され
ている。電極とリード線との接続は、溶接やペースト等
によって行われるのが一般的である。
するためのリード線の接続は、通常電極と同じ材質の白
金線、金、あるいは銀などが用いられ、電源と接続され
ている。電極とリード線との接続は、溶接やペースト等
によって行われるのが一般的である。
【０００６】しかしながら、陰極がガス拡散孔のみを介
して外部被検ガスと接する為に、固体電解質に密封部材
やキャップを隙間なく接着する必要があり、リード線の
形状が自ずと限定されてしまう。また密封部材やキャッ
プと陰極との間に形成される内部室９を一定にすること
なども特性上必要とされ、密封部材やキャップ等をリー
ド線形状に合わせて加工することにより、製造工程が多
くなり、さらには特性のばらつきの原因となることもあ
る。
して外部被検ガスと接する為に、固体電解質に密封部材
やキャップを隙間なく接着する必要があり、リード線の
形状が自ずと限定されてしまう。また密封部材やキャッ
プと陰極との間に形成される内部室９を一定にすること
なども特性上必要とされ、密封部材やキャップ等をリー
ド線形状に合わせて加工することにより、製造工程が多
くなり、さらには特性のばらつきの原因となることもあ
る。
【０００７】多孔質体によるガス拡散の場合には、接続
部分が電極部分よりも隆起した形状となってしまうため
均一な多孔質体の形成が難しく、特性のばらつきの要因
となりやすい。さらに密封部材やキャップと同様に、ガ
ス拡散孔を形成する前にリード線の接続を行う必要があ
るため、製造工程設計の自由度がない。
部分が電極部分よりも隆起した形状となってしまうため
均一な多孔質体の形成が難しく、特性のばらつきの要因
となりやすい。さらに密封部材やキャップと同様に、ガ
ス拡散孔を形成する前にリード線の接続を行う必要があ
るため、製造工程設計の自由度がない。
【０００８】また、リード線との接続を容易にするため
に、陰極からリード線取り出し部分をキャップ、密封部
材、あるいは多孔質体の外側に延長して設ける構造とし
た場合には、ガス拡散孔や密封部材を接着後にリード線
の接続が可能になる。しかし、取り出し部分は被検ガス
と直接接しているため、電極材料として白金、金、銀な
どを用いると、リード線取り出し部分は電極として機能
し、図８に示すように印加電圧を増加させても電流値が
一定にならず、限界電流値が得られない問題がある。
に、陰極からリード線取り出し部分をキャップ、密封部
材、あるいは多孔質体の外側に延長して設ける構造とし
た場合には、ガス拡散孔や密封部材を接着後にリード線
の接続が可能になる。しかし、取り出し部分は被検ガス
と直接接しているため、電極材料として白金、金、銀な
どを用いると、リード線取り出し部分は電極として機能
し、図８に示すように印加電圧を増加させても電流値が
一定にならず、限界電流値が得られない問題がある。
【０００９】したがって、本発明の目的は、上述した問
題点を解決し、簡単な構成でセンサ特性が安定し、生産
性（量産性）に優れた限界電流式酸素センサを提供する
ことである。
題点を解決し、簡単な構成でセンサ特性が安定し、生産
性（量産性）に優れた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、本発明者は、陰極のリード線取り出し部分とジ
ルコニア固体電解質との間に、酸素イオン伝導体以外の
物質で構成される第２層を設けることで、特性の安定し
た酸素センサが得られることを発見し、本発明を完成し
た。
の結果、本発明者は、陰極のリード線取り出し部分とジ
ルコニア固体電解質との間に、酸素イオン伝導体以外の
物質で構成される第２層を設けることで、特性の安定し
た酸素センサが得られることを発見し、本発明を完成し
た。
【００１１】すなわち、本発明の酸素センサは、ジルコ
ニア固体電解質からなる酸素イオン伝導性基板と、基板
に設けられた陰極及び陽極と、前記陰極への酸素分子の
拡散を律速する手段とを有し、電極に電圧が印加される
ときのジルコニア固体電解質の電気化学的な酸素ポンピ
ング作用を用いた限界電流式酸素センサであって、少な
くとも陰極のリード線取り出し部分とジルコニア固体電
解質との間に、両者が接しないように第２層を設けたこ
とを特徴とする。
ニア固体電解質からなる酸素イオン伝導性基板と、基板
に設けられた陰極及び陽極と、前記陰極への酸素分子の
拡散を律速する手段とを有し、電極に電圧が印加される
ときのジルコニア固体電解質の電気化学的な酸素ポンピ
ング作用を用いた限界電流式酸素センサであって、少な
くとも陰極のリード線取り出し部分とジルコニア固体電
解質との間に、両者が接しないように第２層を設けたこ
とを特徴とする。
【００１２】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説
明する。図１は本発明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。
明する。図１は本発明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、酸素センサは酸
素イオン伝導性を有する緻密なジルコニア固体電解質１
と、この固体導電質１の両面に設けられた電極３ａ、３
ｂと、ヒータ１０をその表面に形成した密封部材５と、
リード線１１と、リード線取り出し部分８と、第２層２
とを有する。
素イオン伝導性を有する緻密なジルコニア固体電解質１
と、この固体導電質１の両面に設けられた電極３ａ、３
ｂと、ヒータ１０をその表面に形成した密封部材５と、
リード線１１と、リード線取り出し部分８と、第２層２
とを有する。
【００１４】図２から容易にわかるように、固体電解質
１と密封部材５により電極３ａ上部に内部室９が形成さ
れている。固体電解質１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４が形成されており、電極３
ａ、３ｂの孔部及び拡散孔４だけで内部室９は外部に連
通している。なお、電極３ａ、３ｂはそれぞれ陰極及び
陽極である。
１と密封部材５により電極３ａ上部に内部室９が形成さ
れている。固体電解質１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４が形成されており、電極３
ａ、３ｂの孔部及び拡散孔４だけで内部室９は外部に連
通している。なお、電極３ａ、３ｂはそれぞれ陰極及び
陽極である。
【００１５】次に、図１に示すように、密封部材５の表
面に薄膜状のヒータ１０が蛇行して形成されている。な
お、ヒータ１０は図１に示すようなパターンを形成する
必要はなく、密封部材１０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。
面に薄膜状のヒータ１０が蛇行して形成されている。な
お、ヒータ１０は図１に示すようなパターンを形成する
必要はなく、密封部材１０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。
【００１６】陰極３ａのリード線取り出し部分（露出部
分）８は密封部材５の外側に位置し、第２層２を介して
ジルコニア固体電解質１上に形成され、被検ガス中に直
接露出してリード線１１と接続する。リード線取り出し
部分８は図１に示すような形状を形成する必要はなく、
リード線が接続可能であればどのような形であってもよ
い。また、リード線取り出し部分の配置位置も変更可能
である。リード線取り出し部分が電極と同じ材質でもよ
く、また異なる材質であってもよい。
分）８は密封部材５の外側に位置し、第２層２を介して
ジルコニア固体電解質１上に形成され、被検ガス中に直
接露出してリード線１１と接続する。リード線取り出し
部分８は図１に示すような形状を形成する必要はなく、
リード線が接続可能であればどのような形であってもよ
い。また、リード線取り出し部分の配置位置も変更可能
である。リード線取り出し部分が電極と同じ材質でもよ
く、また異なる材質であってもよい。
【００１７】本実施例の酸素センサでは、第２層２の形
状はリード線取り出し部分８と同じであるが、リード線
取り出し部分８より大きければ、形状は変更可能であ
る。しかし、密封された内部室９の中にある陰極３ａと
固体電解質１との間に部分的あるいは全体的に第２層２
を形成すると、センサ特性が変化するため、拡散律速さ
れた酸素に直接接しない陰極部分（リード線取り出し部
分を含む）に第２層を設けることが好ましい。
状はリード線取り出し部分８と同じであるが、リード線
取り出し部分８より大きければ、形状は変更可能であ
る。しかし、密封された内部室９の中にある陰極３ａと
固体電解質１との間に部分的あるいは全体的に第２層２
を形成すると、センサ特性が変化するため、拡散律速さ
れた酸素に直接接しない陰極部分（リード線取り出し部
分を含む）に第２層を設けることが好ましい。
【００１８】本実施例では、第２層２はアルミナより構
成されているが、この第２層の形成成分は酸素イオン伝
導体以外の物質であるのが好ましく、酸素イオン非伝導
性の酸化物、窒化物、炭化物、ガラス等からなる群から
選ばれた少なくとも一種からなる成分より構成されるの
が好ましい。また、第２層自身が同種あるいは異種の層
からなる複層であってもよい。第２層をジルコニア固体
電解質上に形成できる方法であればどのような方法によ
って形成してもよい。
成されているが、この第２層の形成成分は酸素イオン伝
導体以外の物質であるのが好ましく、酸素イオン非伝導
性の酸化物、窒化物、炭化物、ガラス等からなる群から
選ばれた少なくとも一種からなる成分より構成されるの
が好ましい。また、第２層自身が同種あるいは異種の層
からなる複層であってもよい。第２層をジルコニア固体
電解質上に形成できる方法であればどのような方法によ
って形成してもよい。
【００１９】本実施例の酸素センサでは、第２層を設け
ることにより、リード線取り出し部分８において酸素イ
オンが発生するのを阻止する。これにより、図３に示す
ように、広い範囲にわたり印加電圧に依存しない限界電
流が得られ、もって良好な酸素濃度測定ができる。
ることにより、リード線取り出し部分８において酸素イ
オンが発生するのを阻止する。これにより、図３に示す
ように、広い範囲にわたり印加電圧に依存しない限界電
流が得られ、もって良好な酸素濃度測定ができる。
【００２０】以上、本発明を添付図面を参照して説明し
たが、本発明はこれに限定されず、本発明の思想を逸脱
しないかぎり、種々の変更を行うことが出来る。
たが、本発明はこれに限定されず、本発明の思想を逸脱
しないかぎり、種々の変更を行うことが出来る。
【００２１】たとえば、図４に示すように、拡散孔４を
有するキャップ６と、固体電解質１および電極３ａ、３
ｂからなる酸素センサに、第２層２のガラスを介して陰
極のリード線取り出し部分８を形成することができる。
この酸素センサも上記実施例の酸素センサと同様の特性
を示す。
有するキャップ６と、固体電解質１および電極３ａ、３
ｂからなる酸素センサに、第２層２のガラスを介して陰
極のリード線取り出し部分８を形成することができる。
この酸素センサも上記実施例の酸素センサと同様の特性
を示す。
【００２２】また、ガス拡散孔が多孔質体の場合であっ
ても、あるいは酸素の拡散律速にイオン伝導体や混合伝
導体を用いた場合でも、ジルコニア固体電解質の上に第
２層を介してリード線取り出し部分を設けることができ
る。
ても、あるいは酸素の拡散律速にイオン伝導体や混合伝
導体を用いた場合でも、ジルコニア固体電解質の上に第
２層を介してリード線取り出し部分を設けることができ
る。
【００２３】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明による酸素セ
ンサは、リード線取り出し部分がジルコニア固体電解質
上に第２層を介して設けるため、安定した出力が得られ
る。また、リード取り出し部分がガス拡散孔とは異なる
部分に位置しているので、リード線の接続が容易で、製
造工程の自由度が高い。したがって、生産性（量産性）
と安定性に優れた酸素センサを提供することができる。
ンサは、リード線取り出し部分がジルコニア固体電解質
上に第２層を介して設けるため、安定した出力が得られ
る。また、リード取り出し部分がガス拡散孔とは異なる
部分に位置しているので、リード線の接続が容易で、製
造工程の自由度が高い。したがって、生産性（量産性）
と安定性に優れた酸素センサを提供することができる。
【００２４】本発明の酸素センサは一般家庭用のルーム
ーモニタから、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。
ーモニタから、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１】本発明の一実施例による酸素センサを示す平面
図である。
図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の実施例による酸素センサの電流出力特
性を示す図である。
性を示す図である。
【図４】本発明の別な実施例による酸素センサの一例を
示す断面図である。
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断面
図である。
図である。
【図６】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。
図である。
【図７】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。
図である。
【図８】従来の限界電流式酸素センサの電流出力特性を
示す図である。
示す図である。
１ ジルコニア固体電解質 ２ 第２層 ３ａ、３ｂ 電極 ４ 拡散孔 ５ 密封部材 ６ キャップ ７ 多孔質体 ８ リード線取り出し部分 ９ 内部室 １０ ヒータ １１ リード線
Claims (4)
- 【請求項１】ジルコニア固体電解質からなる酸素イオン
伝導性基板と、基板に設けられた陰極及び陽極と、前記
陰極への酸素分子の拡散を律速する手段とを有し、電極
に電圧が印加されるときのジルコニア固体電解質の電気
化学的な酸素ポンピング作用を用いた限界電流式酸素セ
ンサにおいて、少なくとも陰極のリード線取り出し部分
とジルコニア固体電解質との間に、両者が接しないよう
に第２層を設けたことを特徴とする酸素センサ。 - 【請求項２】請求項１に記載の酸素センサにおいて、第
２層を設ける領域が少なくとも拡散律速された酸素に直
接接しない陰極部分であることを特徴とする酸素セン
サ。 - 【請求項３】請求項１に記載の酸素センサにおいて、第
２層が酸素イオン伝導体以外の物質からなることを特徴
とする酸素センサ。 - 【請求項４】請求項１に記載の酸素センサにおいて、第
２層が酸素イオン伝導性がない酸化物、窒化物、炭化
物、ガラスからなる群から選ばれた少なくとも１種から
なることを特徴とする酸素センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4259125A JPH0682418A (ja) | 1992-09-02 | 1992-09-02 | 酸素センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4259125A JPH0682418A (ja) | 1992-09-02 | 1992-09-02 | 酸素センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0682418A true JPH0682418A (ja) | 1994-03-22 |
Family
ID=17329671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4259125A Pending JPH0682418A (ja) | 1992-09-02 | 1992-09-02 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0682418A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100405050C (zh) * | 2006-03-23 | 2008-07-23 | 广州杰赛科技股份有限公司 | 一种芯片及其含有这种芯片的双向串联片式氧传感器 |
-
1992
- 1992-09-02 JP JP4259125A patent/JPH0682418A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100405050C (zh) * | 2006-03-23 | 2008-07-23 | 广州杰赛科技股份有限公司 | 一种芯片及其含有这种芯片的双向串联片式氧传感器 |
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