JPH0686068U - 酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性（量産性）に優れ、センサ特性が安定
し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２の両面に設けられた陰極３ａ及び陽極３ｂ
と、前記陰極を覆う内部室５を有し、陰極のリード線取
り出し部分８が内部室５の外側に形成され、前記基板２
とリード線取り出し部分８との間に、両者が接触しない
ように非酸素イオン伝導性物質からなる第２層９を設け
ており、前記陰極のリード線取り出し部分８を除いて前
記陰極を囲む形状のスペーサ１１を基板上に設けた限界
電流式の酸素センサである。

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 電極を形成すると共に、被測定ガス中の酸素ガスが陰極に到達するのを構造的に 抑制し、電極間に電圧を印加して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 。

【０００３】 被測定ガス中の酸素ガスが陰極に到達するのを抑制するには、微小の拡散孔が 用いられ、陰極は拡散孔を介してのみ被測定ガスと接触する構造となっている。 このため密封部材が固体電解質基板に封着されて、陰極を被測定ガスから仕切ら れる。封着にはガラスペーストなどの封着材が用いられる。封着材によって固体 電解質基板と密封部材とを封着した酸素センサを加熱すると、封着材が軟化し、 電解質基板と密封部材とが隙間なく封着される。酸素ガスはは密封部材や固体電 解質基板に形成された微小な拡散孔や、多孔質体などの微小な空隙を通って陰極 に拡散する。

【０００４】 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が接続される 。リード線の接続において、陰極からリード線取り出し部分を密封部材の外側に 延長して設けた構造にした場合には、リード線取り出し部分が電極として機能し 、酸素濃度に対応した安定な限界電流値が得られないため、リード線取り出し部 分と固体電解質基板との間に酸素イオンを伝導しない第２層が形成され、リード 線取り出し部分が電極として機能しないようになされている（特願平4-259125） 。

【０００５】 しかしながら、このような構造のセンサでは、密封部材の封着においてリード 線取り出し部分のみが固体電解質基板面に対して厚さをもって形成されるため、 密封部材が傾いた状態で封着される。この状態では、高温で封着材が軟化したし たときに、密封部材あるいは基板の荷重によって封着材が押し出されて陰極にか かる場合があり、電極の有効面積が減少することにより十分な特性が得られない ことが問題となっている。さらに、密封部材の傾斜により、軟化した封着材にか かる荷重が均一にならず、十分な封着ができないこともあり、陰極が被測定ガス から完全に隔離できないために酸素センサとして機能しないなどの故障が生じる 。この問題を解決する一つの方法として、電極と封着材との間の距離を大きく開 ける方法は考えられるが、酸素センサ素子の構造そのものが大きくなり、消費電 力も大きくなる問題がある。

【０００６】 したがって、本考案の目的は、上述した問題点を解決し、生産性（量産性）に 優れ、センサ特性が安定した限界電流式酸素センサを提供することである。

【０００７】

【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、密封部材と基板の間にリード線 取り出し部分の高さと同じになるように挿入部材を設ければ、密封部材を平行な 状態で封着でき、上記問題を解決できることを発見し、本考案を完成した。

【０００８】 すなわち、本考案の第一の酸素センサは、ジルコニア固体電解質からなる酸素 イオン伝導性基板の両面に設けられた陰極及び陽極と、前記陰極を覆う内部室を 有し、前記陰極のリード線取り出し部分が前記内部室の外側に形成され、前記基 板と前記リード線取り出し部分との間に、両者が接触しないように非酸素イオン 伝導性物質からなる第２層を設けており、前記陰極のリード線取り出し部分を除 いて前記陰極を囲む形状のスペーサを前記基板上に設けたことを特徴とする。

【０００９】 また、本考案の第二の酸素センサは、ジルコニア固体電解質からなる酸素イオ ン伝導性基板の両面に設けられた陰極及び陽極と、前記陰極を覆う内部室を有し 、前記陰極のリード線取り出し部分が前記内部室の外側に形成され、前記基板と 前記リード線取り出し部分との間に、両者が接触しないように非酸素イオン伝導 性物質からなる第２層を設けており、前記第２層を前記陰極を囲むように前記基 板上に設置し、前記第２層上に、前記リード線取り出し部分を除いて前記陰極を 囲む形状のスペーサを設けたことを特徴とする。

【００１０】

【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は本考案の第一の酸素センサの一実施例を示す平面図であり、図２はその Ａ−Ａ断面図である。さらに、図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。

【００１１】 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 コニア固体電解質基板２と、この固体電解質基板２の両面に設けられた電極３ａ 、３ｂと、ヒータ７をその表面に形成した密封部材４と、リード線１２と、リー ド線取り出し部分８と、第２層９と、封着材１０と、スペーサ１１とを有する。 なお、電極３ａ、３ｂはそれぞれ陰極及び陽極である。

【００１２】 図１に示すように、密封部材４の表面に薄膜状のヒータ７が蛇行して形成され ている。なお、ヒータ７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。

【００１３】 陰極３ａのリード線取り出し部分（露出部分）８は第２層９を介してジルコニ ア固体電解質基板２上に形成され、内部室５の内側で陰極３ａと接続し、内部室 ５の外側で被検ガス中に直接露出してリード線１２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。

【００１４】 本実施例の酸素センサにおいて、第２層９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５の中にある陰極３ａと固体電解質２との間に部分 的あるいは全体的に第２層９を形成すると、センサ特性が変化するため、リード 線取り出し部分のみに第２層を設けることが好ましい。

【００１５】 本実施例では、第２層９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。

【００１６】 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における酸素イオンの発生を阻止でき、もって良好な酸素濃度測定ができる 。

【００１７】 本実施例の酸素センサにおいて、スペーサ１１は図２、３に示すように基板２ 上に設置される。スペーサ１１の厚さはリード線取り出し部分８と同程度か、リ ード線取り出し部分８よりは高くしたほうがよい。スペーサ１１の厚さをリード 線取り出し部分８と第２層９とを合わせた厚さと同じにし、実質的にリード線取 り出し部分８と同じ高さにするのが好ましい。図３において、スペーサ１１はリ ード線取り出し部分８と第２層９に係合した円弧形をしているが、電極３ａを囲 み、かつリード線取り出し部分８と第２層９に係合していれば、どんな形状でも よく、また基板２上のどこでもよい。一方、本実施例では、スペーサ１１の断面 形状は長方形、または正方形になっているが、スペーサ１１の高さがリード線取 り出し部分８と実質的に同じで、封着材１０が軟化した時に電極に流れ出しにく ければ、スペーサ１１の断面形状が階段状、台形等どんな形状でも良い。

【００１８】 本実施例では、スペーサ１１はアルミナより構成されているが、このスペーサ 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、スペーサ自身が同種あるい は異種の層からなる複層であってもよい。スペーサ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】 密封部材４は、リード線取り出し部分８およびスペーサ１１で形成される表面 に塗布された封着材１０によって封着される。図２から容易にわかるように、固 体電解質基板２、リード線取り出し部分８、第２層９、封着材１０、スペーサ１ １、及び密封部材４により電極３ａ上部に内部室５が形成されている。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、電極３ａ、３ｂの細孔部及び拡散孔６だけで内部室５は外部に連通してい る。

【００２０】 本実施例の酸素センサでは、スペーサを設けることにより、スペーサ１１とリ ード線取り出し部分８の表面が平らなほぼ同一平面になるため、密封部材４を均 一に封着させることができる上、加熱時に封着材１０の電極３ａへの流れ込みが なくなり、歩留まりよく生産できる。

【００２１】 図４には、本考案の第二の酸素センサの一実施例を示す断面図である。上述し た第一の酸素センサと同じように、この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２と、この固体電解質２の両面に設けられた電極３ ａ、３ｂと、ヒータ７をその表面に形成した密封部材４と、リード線１２と、リ ード線取り出し部分８と、第２層９と、封着材１０と、スペーサ１１とを有する 。

【００２２】 この酸素センサの第２層９はリード線取り出し部分８の下部の以外に、陰極の 周りにも形成しており、第２層の上にスペーサ１１が形成される。スペーサ１１ の厚さはリード線取り出し部分８と同じ程度にするか、リード線取り出し部分８ よりは高くしたほうがよい。本実施例では、スペーサ１１の断面形状は長方形、 または正方形になっているが、スペーサ１１の高さがリード線取り出し部分８と 同じで、封着材１０が軟化した時に電極に流れ出しにくければ、スペーサ１１の 断面形状がどんな形状でも良い。また、スペーサ１１の幅は第２層９と同じにす る必要もなく、図５に示すように第２層９より狭くでもよいし、広くなってもよ い。

【００２３】 このように、円形状をした第２層９とスペーサ１１を設けることにより、スペ ーサとリード線取り出し部分８の表面が平らなほぼ同一平面になり、封着材１０ によって密封部材４を均一に封着させることができる。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。

【００２４】 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かぎり、種々の変更を行うことが出来る。例えば、上 述した第一の酸素センサのスペーサ１１、第二の酸素センサの第２層９とスペー サ１１はともに円形状あるいは円弧形をしているが、円形状でなくても、電極３ ａを囲み、リード線取り出し部分８に係合してよく、また基板２上のどこでもよ い。

【００２５】

【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、ジルコニア固体電解質基板上 あるいは第２層の上にスペーサを設けることにより、リード線取り出し部分と同 じ高さの表面が得られ、酸素センサの密封部材が封着される表面を平にすること ができる。このため、本考案は、信頼性が高く、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。

【００２６】 本考案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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例による第一の酸素センサを示
す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。

【図４】本考案の一実施例による第二の酸素センサを示
す断面図である。

【図５】本考案の別の実施例による第二の酸素センサを
示す断面図である。

【符号の説明】

１ 酸素センサ ２ ジルコニア固体電解質 ３ａ、３ｂ 電極 ４ 密封部材 ５ 内部室 ６ 拡散孔 ７ ヒータ ８ リード線取り出し部分 ９ 第２層 １０ 封着材 １１ スペーサ １２ リード線

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ジルコニア固体電解質からなる酸素イオン
   伝導性基板の両面に設けられた陰極及び陽極と、前記陰
   極を覆う内部室を有し、前記陰極のリード線取り出し部
   分が前記内部室の外側に形成され、前記基板と前記リー
   ド線取り出し部分との間に、両者が接触しないように非
   酸素イオン伝導性物質からなる第２層を設けた酸素セン
   サにおいて、前記陰極のリード線取り出し部分を除いて
   前記陰極を囲む形状のスペーサを前記基板上に設けたこ
   とを特徴とする酸素センサ。
2. 【請求項２】ジルコニア固体電解質からなる酸素イオン
   伝導性基板の両面に設けられた陰極及び陽極と、前記陰
   極を覆う内部室を有し、前記陰極のリード線取り出し部
   分が前記内部室の外側に形成され、前記基板と前記リー
   ド線取り出し部分との間に、両者が接触しないように非
   酸素イオン伝導性物質からなる第２層を設けた酸素セン
   サにおいて、前記第２層を前記陰極を囲むように前記基
   板上に設置し、前記第２層上に、前記リード線取り出し
   部分を除いて前記陰極を囲む形状のスペーサを設けたこ
   とを特徴とする酸素センサ。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載の酸素センサにおい
   て、前記スペーサの上部平面は前記リード線取り出し部
   分の上部平面と実質的に同じ平面にあることを特徴とす
   る酸素センサ。