JPS58221159A - 酸素分圧検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に未知の混合ガス中の酸素を検知する装置
に関し、更に詳しくは耐久性を向上させかつ高価な貴金
属の必要量を減らすべく構造と構成の改良された酸素の
分圧検出器に関する。

あるガス中の酸素を監視する装置に対する要求はますま
す増えて縫ている。また、これらの使用への関心の強さ
は急速に増大してきている。これらの使用の例には車の
排気ガスの酸素濃度を測定し空燃比を最適値に調整しか
つ維持して自動車の排気ガス汚染を減らすことやあらゆ
る種類のバーナーの燃焼効率を検出して制御することお
よび酸素レベルが許容値を超えないようにして種々のガ
ス、例えばヘリウムガスの純度を検出して制御すること
などが含まれる。

酸素濃度を検出するのに非常に適していることがわかっ
ている一つの装置は酸素の分圧を測定するガルヴアニッ
クセルである。このセルは一般に壁形状からなる固体セ
ラミック電解質からなシ、壁の反対側にそれぞれ電極を
有している。少なくとも一方の電極は酸素イオンを通す
物質からなυ適当な触媒特性を有する。

このセルの一方の側が基準ガスにさらされ、他方の側が
酸素濃度の知られていガいガスにさらされると、電極間
には未知のガス組成における酸素の分圧の対数に比例し
た電圧が発生する。かかる装置の構造と動作原理は種々
の文献例えばグアイスパートらの“Ｏｘｙｇｅｎ　Ｇａ
ｕｇｅ　’、　Ｔｈｅ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆＳｃｔａｎ
ｔｉｆｔｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉ＋　、　Ｖｏｌ、
３２　ｔ４ａ５のページ５９３〜５９５（１９６１年５
月）や米国特許第３．４００，０５４号（１９６８年９
月３日発行）などにか瀝υ詳しく記されている。

電解質は一般にジルコニウム、トリウムおよびハフニウ
ムからなるグループの中の元素の酸化物−酸素イオンを
通す−の固溶体で形成される。かかる物質は一般にカル
シ−ラム酸化物のような物質で安定化される。酸化イツ
）　ＩＪニウムもまた満足な安定性を与えることが知ら
れている。電極は酸素イオンが電解質に到達すべく酸素
イオンを通す物質から作られねばならない。多孔形状の
白金は適当な触媒でおり、かつ、上昇温度や酸化環境（
かかる環境においてこの種の検出器ｄ動作しなければな
らない）にさらされたとき酸化しないので電極材料とし
て一般に用いられる。

固体電解質を管状に形成するのが一般的で、その管を通
した夛、その管の周囲には未知の組成からなるガスが流
される。この種の装置は、１９６７年１０月１７日発行
の米国特許第３，３４７，７６７号や１９７０年５月２
６日発行の米国特許第３，５１４，３７７号に開示され
ている。前記米国特許第３．３４７，７６７号にみられ
るように、内部電極は管の内部表面全体を覆いかつ、管
の一方の端部まで延びその電極の一部は管の外部表面に
配置されている。リード線は電極によシ覆われる領域に
おいて管の外部表面の周りに巻かれて電極と接続される
。同様な内部電極構成部と電気的に接続するための代シ
の構造は１９８０年１２月２３日発行の米国特許第４．
２４０，８９３にみられる。この米国特許においてはセ
ラミック部材の端部は延びた内部電極と接触するクリッ
プとび−）たり合っている。

電極と電気的に接続させるこれらおよび他の方法にはい
くつかの欠点がある。これらの欠点は、部分的にはこの
種の酸素検出器が上昇温度や他の好ましくない環境で動
作しなければならないとβうことに起因している。検出
器のガルグアニックセル部のみが上昇温度にさらされれ
ばよいのでおるが検出器への接続リード線の位置もまた
幾分上昇温度や変化する温度にちりということがないわ
けではない。従ってリード線もまた無関係な電圧（５） を招来する熱電対効果を避けるべく′１極と同一の物質
から作ることが望まれたり、必要となる。逆に電気的な
接続が電極と異なる物質でなされる場合にはその接合部
は上昇温度や変化する温度から隔絶しておかねばならな
い。前記米国特許第３．３４７，７６７号にみられるよ
うに白金リード線を接続に用いる場合には、小径の管に
接続するのにさえ、数インチのリード線が必要とされよ
り。この種の接続のためには最小の許容し得る線径は０
．０１フインチのオーダーであることがわかった。

１インチ当Ｂｉドルをはるかに超える現在の価格におい
てはこの接続用の白金リード線のために検出器のコスト
はかなシ高くなる１、小径のリード線を使うと断線が起
シ易くなシ、十分に耐久性のある装置が得られない。

更に、電極の機能のためには必要とされないかなりの量
の白金が内部電極を管壁の端部を超えて管の外部にまで
持ってくるのに必要である。このリード線に関してと同
様電極を形成するのに一般に用いられる白金塗料すなわ
ちペーストは非常に（６） 高価であり、検出器のコストをかなり高くする。

本願の発明者はユニークな検出器の構成とデザインを案
出し従来技術における耐久性の問題を克服ないし最小に
し同時に電極、リード線およびリード線の接続のために
必要とされる貴金属の量を最小にしたものである。

本願発明は内部および外部電極を一方の端部にもつ管状
の固体電解質部材を用いたタイプの酸素分圧検出器の改
良で、前記端部は酸素濃度が測定されるガスにさらされ
る。かくして電極は、白金の如き触媒物質から作られる
ことが必要である。

電極はそれぞれ管状部材の表面に沿って管状部材の反対
の端部まで延びている狭い部材（ストライプ）を用いて
形成される。前記ストライプとのリード線の接続はリー
ド線の端をストライプの位置において管状部材の壁の孔
に通しかつその端が管状部材から抜けないように係止さ
せることによってなされる。これは狭い部材の位置にお
いて管状部材の壁に一対の孔奢設け、これらの孔を通し
てリード線をループ状にし、リード線の端に玉をつくシ
壁から引き抜くことができないようにして達成される。

以下、本発明を図面によシ詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す酸素分圧検出器を示し
、第２図は第１図の検出器の線２−２に沿った断面図で
ある。これらの図において、参照番号１０は本発明に係
る酸素分圧検出器を示す。

検出器１０は安定化されたジルコニーラム酸化物からな
る管状の固体すなわちセラミック電解質部材１１からな
る。非常に満足な安定化はジルコニュウム酸化物に酸化
イットリュウムをドーピングすることにより達成される
ことが知られている。

本発明の特徴を手際よく説明する目的上、第２図に示す
ように管状部材１１は軸線３０に沿って延び参照番号１
２．１３で示す第１および第２の端部を有する。管状部
材１１は内部および外部表面１５．１６をそれぞれ有す
る円形の壁１４の形状で与えられる。端部１２は閉じて
おシ、この閉じた部分と壁とは一体構造をなしている。

上述した種々の文献に記されているように壁１４は酸素
イオンを通す特性を有する。酸素の分圧を検知するのに
使われるときは壁１４の一方の表面は基準ガスにさらさ
れ、他方の表面は酸素濃度の測定されるガスにさらされ
る。

参照番号１７と１８で示す電極は管状部材１１の端部１
２の近くの領域でその内部および外部表面にそれぞれ設
けられる。電極は内部および外部表面上において一致し
た広い領域を覆うバンド（帯）として配置される。電極
領域は完全に一致して広がって−る必要はないけれども
電解質の有効な作用領域のみは電極間にはさまれた領域
である。少なくとも未知の組成ガスにさらされる面側の
電極は酸素イオンを通しかつ触媒として働く。

白金はこの目的に適した物質である。パラジーラムもま
た適した電極物質であると考えられる。従来の検出器に
おいては、両電極とも白金で作るのが普通でおった。

本発明による検出器を説明する目的の上から、更に管状
部材１１の外部表面は未知のガスにさらされ、かつ電極
１７および１８は内部および外部（９） 表面１５．１６の所望領域に白金塗料すなわちペースト
を塗って形成されるものとする。そしてこのアッセンブ
リは、次に塗料ず万わちペースト中の担体を追い出すべ
く焼成されて多孔の白金沈澱物が残る。白金や、バラジ
ーラムの如き適していると考えられる他の物質のコスト
のため、電極物質が付与される領域は適切な検出器出力
を与える限シできるだけ小さい領域とされることが望ま
しい。

電気的に導電性であるストライプ１９は内部電極１７か
ら内部表面１５に沿い管状部材１１の他方の端部１３に
向って延びている。同様にして電気的に導電性でおるス
トライプ２０は外部電極１８から外部表面１６に沿い管
状部材の端部１３に向って延びている。これらのストラ
イプは酸素濃度を表わす信号の邪魔となる熱電対効果を
除くべく電極と同一の物質で形成される。第２図および
第３図に示すように、また後述するようにストライプ１
９と２０は管状部材１１の端部１３まで完全Ｋｇびてい
る必要はないのでストライプに用いら（１０） れる物質の量は極小となる。

正確に読みとれる信号を得る目的からガルグアニック反
応を制限領域に閉じ込め、この領域においては均一な条
件が維持され得ることが望ましい。

従って、ストライ７’１９と２０は軸線３０を含む平面
の反対側に位置して設けられ、ストライプは電解質をそ
の間に挾まないようにしガルヴアニック反応に寄与しガ
いようにされる。スジ−リアス（にせの）なガルグアニ
ック反応に対する更なる予防としてストライプ２０は誘
電性の高いガラスの如き絶縁コーテング（図示しない）
で榎ってよい。かかるコーテングによシ酸素含有ガスは
ストライプに到達するのが阻止され、電極以外からの偶
発的な検出の可能性を除去している。このコーテングは
またストライプが近傍の金属部と電気的に短絡するのを
防いでいる。

従来の酸素検出器の設計における弱い要素は、検出器の
他の部分とリード線との接続部にあることが知られてい
る。後述する本願発明者の接続部構成によシ極めて丈夫
なリード線接続部が得られしかもそれが従来のものよｐ
径の小さな線と長さの短かい線を用いて得られるので貴
金属にかかる費用を極小とするものである。この接続部
構成は第３図によく示されておシ、壁１４の一部と内部
電極１９がみられる。リード線は参照番号２１で示され
る。ストライプ１９と電気的に接続されるべきリード線
２１の端には玉２１ｍが形成される。

リード線は壁１４の一対の孔２３と２４を通シ、Ｕ字状
をなしたルーノを作９玉２１ｍが壁に係止するようにな
っている。玉２１＆は孔２４よりわずかに大きい径を有
し、孔から抜けるのを阻止している。第３図にみられる
ようにリード線２１の端は孔２４を内方に向けて通り孔
２３を外方に向けて通っている。これに代えて玉２１ｍ
はリード線２１が孔２３と２４の正しい位置に置かれた
後に形成されてもよい。参照番号２１ｂはリード線２１
の電気的絶縁被覆を表わしリード線が作られるときリー
ド線の一部となシ、またリード線が接続された後適当な
位置で剥かれる。

壁１４には玉２１ｍを収容すべく孔２４の外方端にくば
みが形成される。熱収縮性の電気的絶縁チューブからな
るスリーブ２６が管状部材１１とリード線２１と２２と
の周囲に設けられ、リード線を検出器の他の部分にしっ
かりと留めるべく正しい位置で収縮される。ストライｆ
１９と２０はリード線が取付けられる前または取付けら
れた後に付けられる。ストライプがリード線の取付は前
に付けられる場合は白金を次は他の電極材料の２度目の
付与がストライプとの接続点においてリード線の上にな
される。

リード線と検出器の他の部分との間の保合領域は変化す
る温度や上昇温度にさらされることがあるので、一般に
リード線は相互接続されたストライプや電極と同一の物
質から作るのが必要とされる。電極やリード線に適して
いる貴金属は検出器のコストをかな）高くする。従って
必要とされるかかる金属の量を最小にすることが望まし
い。上述した構成のものについては本願発明者は径が０
．０１インチのリード線で十分に強いアッセンブリが得
られることがわかった。従来構成のもので（１３） は径が０．１フインチのリード線が必要とされた。

更に、本発明の構成では接続部を形成するのに従来のよ
シ線はかなシ短かい長さのものでよい。現在の価格の白
金線を代表例に用いると１０ミルの線は１インチ約１．
１０ドルであシ、１７ミルの線は１インチ約１．７０ド
ルである。自由端を有し、長さが４インチのリード線を
用いたアッセンブリの場合、材料費の差は検出器１個尚
シ数ドルでおる。従って必要な線の径と長さとを減らす
構成のものはかな）検出器のコストを下げる。

上述の説明によシ、本願発明者はかなり材料費を下げ、
かつ耐久性の改善されたユニークな酸素分圧検出器の構
成を提供した。開示した特定の実施例は説明のためのも
のであシ、数多くの変形や変更が可能なことは当業者に
おいて明白であるので実施例に限定されるものではない
。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の一実施例を示す酸素分圧検出器の図、
第２図は第１図の検出器の線２−２に沿った断面図、第
３図は第１図および第２図の検出（１４） 器の部分拡大図で電極とリード線との接続構成の詳細を
示すものである。 １１・・・管状部材、１４・・・円形状の壁、１５．１
６・・・内部、外部表面、１７．１８・・・電極、１９
．２０・・・ストライプ。 特許出願人　ハネウェル・インコーポレーテツド代理人
弁理士　松　　　　下　　　義　　　　治ＩＧ　　Ｉ ＩＧ　　２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１および第２の端部と更に内部および外部表面
   をもつ壁とを有し、前記表面の一方が基準ガスにさらさ
   れる基準表面となｐ他方の表面が酸素濃度の測定される
   べきガスにさらされるサンプリング表面となる管状の固
   体電解質部材と、前記管状部材の第１の端部の近傍領域
   で基準表面に設けられる電気的に導電性のある物質から
   なる第１の電極であって、該基準表面に沿って前記管状
   部材の第２の端部に向って延びる第１のストライプを含
   む第１の電極と、 前記第１の電極によって覆われる基準表面上の領域と少
   くとも部分的に一致して広がってしる領域上でサンプリ
   ング表面に設けられる電気的に導電性のある物質からな
   る第２の電極であって、該サンプリング表面に沿って前
   記管状部材の第２の端部に向って延びる第２のストライ
   プであって、咳第２のストライプの位置は前記第１のス
   トライプの基準表面上の位置と一致しては広がっていな
   い第２のストライプを含む第２の電極と、前記第１のス
   トライプの位置において前記管状部材の第２の端部の近
   傍で管状部材の壁を貫通して電気的に前記第１のストラ
   イプと接続する第１のリード線と、 前記第２のストライプの位置において前記管状部材の第
   ２の端部の近傍で管状部材の壁を貫通して、電気的に前
   記第２のストライプと接続する第２のリード線とからな
   る酸素分圧検出器。