JPS63153463A - 酸素センサ - 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】 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だめの酸素
センサに関し、特に、酸素イオン伝導性固体電解質を利
用した限界電流式の酸素センサに２　へ−７ 関するものである。

従来の技術 従来、この種の酸素センサは、第４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る
陽極２ａ、陰極２ｂを形成し、さらに前記陰４ｉ２ｂ側
の固体電解質板１の上に密閉空間を形成するだめの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
間を連通ずる酸素の拡散孔４を設けた構成となっている
。

なお、この拡散孔４は陰ｉ２ｂ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。

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、陽極２ａと陰極２ｂ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３１・−ン 体３に設けられた拡散孔４によシ制限され、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。

（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
さによシ任意に設定される。

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℃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μｍ１孔の長さが数■　レベルの極めて小さな
ものとなる。

しだがって、上述のレベルの拡散孔４をセラミック材料
に精度よく穴開は加工することは実用」二困難であると
ともに、穴開は加工ができても生産性が悪くコストの高
いものになるという問題があった。

捷だ、蓋体３の上部に拡散孔４を形成した構成では酸素
センサの製造過程や使用中において、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シ閉塞させ
たシする懸念がある。その結果、初期の限界電流特性が
変化し、誤動作の原因となる間頭がある。

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、長期にわたり安定した特
性を実現できる酸素センサを提供することを目的とする
。

問題点を解決するための手段 」１記問題点を解決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５・　− に形成された電極膜と、前記固体電解質板の一方の面に
この面と相対して配置されたシール板とから成シ、前記
相対する固体電解質板もしくはシール板のうち少なくと
も一方に相対向する相手方と密着すると共に前記電極膜
を囲むように突条部を設け、前記固体電解質板と前記シ
ール板と前記突条部とで密閉空間を構成し、更に前記突
条部に外部空間と前記密閉空間とを連通ずる少なくとも
１個の開口部を設け、前記突条部の開口部と前記固体電
解質板もしくは前記シール板とで構成される少なくとも
１個の酸素の拡散孔を備えたものである。

作　　　用 本発明の上記構成において、拡散孔が開口部の設けられ
た突条部を有する固体電解質板とシール板との密着、あ
るいは開口部の設けられた突条部を有するシール板と固
体電解質板との密着と同時に形成されるので、従来の酸
素センサの如く、拡散孔の困難な穴開は加工を必要とし
ない。

まだ、本発明の拡散孔は、固体電解質、シール６　・、
−１ 板の端部より内側に形成されるので、拡散孔はホコリ、
異物などの侵入に対し保護される。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面にもとづいて説明す
る。

第１図は本発明の第１の実施例である酸素センサの一部
破断斜視図である。

第１図において、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の一方の面には少なくとも１個の開口部を設け
だ突状部５が配置され、さらに突状部５」−にシール板
６が配置される。酸素の拡散孔４は、固体電解質板１と
突状部５の開口部とシール板６により形成される。固体
電解質板１の材料としては酸素イオン伝導性を有するも
のが適用されるが、長期の信頼性、特性の安定性など実
用的な立場からジルコニア系セラミックが挙げられ、そ
の中でもイツトリアを添加したジルコニアが最も良い。

電極膜２の特性としては酸素の解離吸着能力お７１・−
・ よび解離した酸素の輸送能力に優れたものが良い。

これら材料としては白金、金、パラジウム、銀などが挙
げられるが特に限定されるものではない。

また、電極膜の形成手段としては、白金などのペースト
のスクリーン印刷法、刷毛塗り法、白金などの金属の蒸
着法などいずれも適用できる。

突状部５の開口部以外の部分は、シール板６と気密性を
確保した接着が必要となる。その点から適用される接着
材料としては、酸素センサの使用温度である４００℃以
上の耐熱性を有するガラス、金属が挙げられる。また、
突状部５は電極膜２を取り囲むように形成される。

シール板６は固体電解質板１と熱膨張が同程度で４００
　’Ｃ以上の耐熱性を有し、かつシール板６自身がガス
非透過性であることが要求される。この点からその材料
はジルコニア系セラミック、フォルヌテラトが挙げられ
、これは突状部５の上に配置される。

本実施例の酸素の拡散孔４は上述の如く、開口部の設け
られた突状部５を有する固体電解質板１とシール板６に
より構成される。この拡散孔４はシール板６を突状部５
の上に配置した後、ガラス、金属で両者を接着して形成
される。

限界電流式酸素センサにおいて、限界電流値は次式で近
似される。

Ｉ／　＝　Ｋ−８／１−ＰＯ２ ここで　　■ｌ：限界電流 Ｋ　：比例定数 Ｓ　：酸素の拡散孔の開口面積 ｌ　：酸素の拡散孔の長さ ＰＯ２：　酸素分圧 」１式より、限界電流は酸素が拡散する拡散孔４の開口
面積Ｓに比例し、前記拡散孔４の長さｌに反比例するこ
とがわかる。固体電解質板１の酸素イオン輸送能力は温
度が高い程向上するが、酸素センサとしては耐久性、信
頼性の点からできるだけ低温で動作させる方が好ましい
。これを実現するには前記限界電流値の微少化や固体電
解質板１の板厚を薄くする（内部抵抗の低減）ことが必
要となる。微少化しても支障のない限界電流値は空９”
−７ 気中（酸素濃度約２１％）で５０〜２００μ八レベルで
あシ、これを実現するために必要な酸素センサの動作温
度は固体電解質板１として板厚が０．３〜０．５ｍｍの
イツトリアを添加したジルコニアセラミックを適用した
場合、３５０〜４００℃が下限となる。（最低動作温度
） したがって、限界電流値を５０〜２００μＡレベ／Ｉ／
（酸素濃度約２１％）となるように前記拡散孔４の抵抗
（Ｓ／／）を制御、すなわち、本実施例の拡散孔４（突
状部５の開口部に相当）の幅、高さ、長さく奥行）を制
御すればよいわけである。

−例として、限界電流値を２００μＡに設定すると、拡
散孔４が幅は１００μｍ１高さは４０μｍ１長さは２．
５ｍとなる。

次に具体的実験例にもとづいてその作用と効果を説明す
る。

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
成材料及び製造方法は次の通りである。

なお、限界電流値は空気中で２００μＡとなるように拡
散孔４を設計した。

１０ベーノ 固体電解質板１−　ＺｒＯ２・Ｙ２Ｏ３セラミック（Ｙ
２Ｏ３８ｍｏ１％） 寸法：　１２Ｘ　１２Ｘ０，４ｔｍｍ 電極膜２−Ｐｔペースト：電極径６皿、膜厚約５μｍ１
固体電解質板１の両面にス クリーン印刷により塗布し、８５０℃ で１０分焼成、なお、陰極側のみ第 １図に示すように電極よシリード線 接続用のｐｔペーストによる印刷膜 を形成。

突状部５−寸法、外径：　１２　ｍｍ、内径７皿開ロ部
寸法二幅１００μｍ、長さ２．５ｍｍ電極膜２を囲むよ
うに形成。

開口部の高さがシール板６と接着、 約４０μｍとなるようにした。

シー／Ｖ　板６−　　Ｚ　ｒ○２・Ｙ２Ｏ３セラミック
（Ｙ２０３８ｍｏ１％） 寸法：直径１２皿、厚み０．５皿 前記シール板６を突状部５の上に 固体電解質板１と相対向するよう １１　ｌ・−・ に配置。

このようにして作製した酸素センサについて電極膜２に
リード線を取シ付け、空気中４００℃で電圧−電流特性
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シ、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
電流値は約２００μＡを示し、前述の拡散孔４が設計通
りであることが確認された。

従来、酸素の拡散孔４は第４図で示すように蓋体３に連
通孔を開けて形成される。この場合、前記拡散孔４の大
きさは空気中での限界電流値を２００μ八　レベルに設
定すると直径４５μｍで１闘の長さ、直径１００μｍで
５ＷＭの長さを必要とする。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。前記セラミ
ックでは上記大きさの穴を精度よく加工することは実用
上困難であるとともに、クラックの発生などによる歩留
りが悪く（生産性が劣るという問題を有する）本実施例
では拡散孔４が突状部５の開口部と固体電解質板１とシ
ール板６０組み合わせで構成される。したがって、拡散
孔４は従来のようにセラミックの穴開は加工を必要とせ
ず、本発明の酸素センサの製造方法で述べたように極め
て簡単な方法で形成されるので生産性の向上、低コスト
が期待される。

また、本実施例では拡散孔４が開口部面積４０μｍ　Ｘ
　１００μｍ、長さ２．５闘と設定している。前記拡散
孔４は突状部５の開口部で形成されるだめ、酸素センサ
自体の厚みはほぼ固体電解質板１とシール板６で決まシ
、本実施例によると１闘程度である。前記拡散孔４と同
一の大きさを第４図で示す従来例の蓋体３に形成すれば
蓋体３の厚みは２５朋程度になり、酸素センサ自体の厚
みは３ｍ肩程度になる。酸素センサの径は従来例の方が
若干小さくなるとしても酸素センサの容積は本発明の方
が小さくなり、その結果、これを加熱するヒータの消費
電力が低減されるという効果を有する。

さらに、本実施例では拡散孔４が固体電解質板５ｔ−７ １と平行に形成される構造を有す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が拡散孔４に侵
入するのを防止でき、特性の安定化、長期にわたる信頼
性の向上を図ることができる。

なお、第１図の実施例では、突状部５が固体電解質板１
の一方の面上に形成されているが、突状部５がシール板
６の一方の面上に形成されても第１図実施例と同様の効
果を有することは自明であろう。

次に本発明の他の実施例について説明する。この実施例
において前記実施例と相違する点は、第２図では拡散孔
４を複数個形成したこと、第３図では酸素センサ自体の
形状を変えたことにあり、これらの構成による作用と効
果は前記実施例と同様である。

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。

（１）酸素の拡散孔が、開口部の設けられた突状部を有
する固体電解質板とシール板、あるいは開口１４ｔ・−
／ 部の設けられた突状部を有するシール板と固体電解質板
とから構成されるので、構造が簡単で前記拡散孔の形成
が容易となシ生産性の大巾な向上、低コストが実現され
る。

（２）前記拡散孔が固体電解質板と平行に形成されるの
で酸素センサ自体が薄くなシコンパクト化が図れ、酸素
センサを加熱するヒータの消費電力を低減することがで
きる。

（３）　　さらに、拡散孔へのホコリや異物の侵入が防
止され、特性の安定化、長期にわたる信頼性の向上が図
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における酸素センサの一
部破断斜視図、第２図は第２姫の実施例における酸素セ
ンサの斜視図、第３図は第３の実施例における酸素セン
サの一部破断斜視図、第４図は従来の酸素センサの断面
図である。 １　　固体電解質板、４　　拡散孔、５・　突状部、６
−・シール板。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名／−
−一固４電解貢脹 ２−−一覧Ｑ、ハ夾 ４−ＸＬ衣邪 第３図 ２の

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、前記固体電解質板
   の一方の面にこの面と相対向して配置されたシール板と
   から成り、前記相対向する固体電解質板もしくはシール
   板のうち少なくとも一方に相対向する相手方と密着する
   と共に前記電極膜を囲むように突条部を設け、前記固体
   電解質板と前記シール板と前記突条部とで密閉空間を構
   成し、更に前記突条部に外部空間と前記密閉空間とを連
   通する少なくとも１個の開口部を設けて成る酸素センサ
   。