JPS6319547A - 酸素濃度センサ− - 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］ この発明は、酸素濃度センサーに関するものである。

鉄鋼、窯業、セメント、石油化学、電子材料等の各種工
業分野に於いてガス中の酸素濃度を測定する事が必要と
されている。又自動車等の内燃機、閏の空燃比制御にも
必要とされている。これらの燃焼施設においてｌ！Ｊｌ
Ｉｉ濃度を測定し制御を行う事は経済上あるいは公害防
止上極めて重要である。

又、居住環境管理、生化学分野、医療分野等に於いても
酸素濃度の測定は不可欠なものである。

［従来の技術］ 従来の酸素濃度センサーにあっては、ジルコニア等から
なる酸素イオン透過性固体電解質のそれぞれ対応する両
面に白金等の多孔買電極層を形成し、一方の電極層に微
細な拡散孔を設けた固体を接着し一空を形成するか、若
しくは電極上に無機質多、孔体をコーティングして、ガ
スの拡散律速層を設けて構成されている。そして、固体
電解質が酸素イオン透過性を示す温度、一般的には７０
０℃近傍まで加熱して、拡散律速層側の電極を陰極とし
他方を陽極として定電圧を印加すると、被測定ガス中の
酸素濃度に比例した飽和電流が流れるようになっており
、この電流を測定する事によって被測定ガス中の酸素濃
度を検出するようになっている。

［発明が解決しようとする問題点］ この種のセンサーは拡散律速層の拡散機構によって性質
が異る。この拡散機構については、例えば５ＡＥ−８５
０３５０に発表されている。代表的な拡散ｙ１横の１つ
として、拡散孔が分子径より十分大きく分子相互の衝突
によって拡散が支配されている分子拡散に於いては、そ
の拡散量は温度Ｔ０７５　に比例している。もう１つの
代表例として細孔内の壁に分子が衝突して拡散が進むク
ヌーセン拡散に於いては、その拡散量は１［Ｔ　　　に
比例している事が知られている。この様に細孔径の大き
さによって拡散の性質が異ってくる。そしてこの細孔径
の大きさを１１１ｗＪする事で、拡散量は温度Ｔ°に比
例するｗ４域即ち温度依存性の無い領域がある事が示さ
れている。これらの拡散機構を用いた代表的なセンサー
には画体に穴を明けたタイプと、セラミック層をコーテ
ィングしたタイプがある。

その１つである画体を使用したセンサーに於いては、第
６図に示す如く、画体１１をジルコニア素子体１０に被
覆接着する構成となっているが、かかるｉ体をジルコニ
ア素子体に被覆接着する事は構造上からも製造上からも
複雑になり、更に強度的にも好ましいものではない。特
に、８体１１の細孔１２の大きさは当該センサーの測定
能力を左右する為適切な拡散律速が１９られる様に細孔
径は精密に加工されている。その細孔１２はセンサーに
よって異るが概ね０．１ｍｌと云う極めて微細なもので
ある。この様な拡散孔をセラミックスからなるｉ体に加
工するのに、ドリルやレーザー光線が使用されているが
、その為に高度な技術や設備が必要とされている。ある
いは精密成形型によるプレス成形が行われている。しか
しこれらの従来技術では加工精度・歩留りに難点がある
。又１板状固体電解質１０に８体１１を接着するに当り
、一般的にはガラスが使用されているが、接着過程でｉ
体がズしたり電極部にガラスが流れ出したり接着構造上
から、気密を得る事が難しい等の問題がある。更に上述
の構造・製造上の問題だけでなくその性質上から使用条
件に制約がある。前述の様に分子拡散には温度依存性が
ある為、実際の使用にあたっては高精度の温度コントロ
ールシステムを必要としている。

一方、セラミック層をコーティングしたセンサーに於い
ては、第７図に示す如く、薄板状固体電解質１０の電極
３面上にセラミックＷＪ１３をコーティングした構成と
なっている。このセンサーに於いては、はとんどｉｌｌ
依存性が無く、センサーを使用する条件としては好都合
である。しかしこの種のセンサーは一般にプラズマ溶射
により耐熱性無機質をコーティングして拡＠律速層を形
成している。かかるプラズマ溶射コーティングはｓｉ間
的に溶融した無機質を吹きつけてコーティングしている
為、被コーテイング体である素子体１０が急に高温に熱
せられ歪による割れが発生すると云う問題がある。又よ
り低温度でセンサーを動作させる為にはンサーのインピ
ーダンスを下げる必要がある。その対応として素子体１
０の固体電解質層を薄くしその面積を広くする手段が取
られる。

しかし、この様な素子体はプラズマ溶射コーティングの
吹きつけ圧力に抗しきれず割れ易く、且つ広い面積に均
一にコーティングする事が困難である。この様に温度依
存性が少なく低温で作動させる事ができる高精度で安価
な酸素センサーが１ｑられていない。

本発明では温度依存性が少なく低温動作が可能な容易に
製作できる構造の酸素濃度センサーを提供するものであ
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明では拡散律速層に従来の細孔を有した画体や電極
面上に直接多孔質層をコーティングする方法にかえて、
酸素イオン透過性固体電Ｍ賀を有底円筒状に成形し素子
体の内面とそれに対応する外面に′：４極を設ける構成
とする事によって、強度を保ちながら薄くて広い素子体
を得、これにより比較的低温で動作できるようにすると
共に、それほど精度を必要としない比較的大きな拡散孔
を有している上記素子体の開口部に拡散を律速する多数
の微細孔を有する多孔質セラミックスプラグを嵌装する
構成とする事によって、温度依存性を十分小ざくしたも
のである。

更に詳しくは本発明の実施例に基づいて説明する。

［実施例〕 酸素濃度センサーの実施例を第１図に示す。

図中１は有底円筒状の素子体に成形された酸素イオン透
過性固体電解質でＦ３　１０１％のイツトリアを含む部
分安定化ジルコニアからなっている。２及び３は上記素
子体１の内面１ａと、これに対応する外面１ｂとにそれ
ぞれ形成された多孔質白金電極で、白金ペースト塗布後
焼成して形成する。

若しくは塩化白金酸による化学メッキにより形成する。

４は素子体１と同一材料の部分安定化ジルコニアよりな
る多孔質プラグである。多孔質プラグの平均細孔径は０
．１μ鶴である。この多孔体の細孔径は１μｍ以下にす
る必要がある。更に好ましくは０．１μｍ以下である。

１μ鵡以上の場合分子拡散の影響を強く受は温度依存性
も大きくなり目的のセンサーが得られない。多孔質プラ
グ４の直径長さは目的の飽和電流値に合わせて選択する
。

尚多孔質プラグ４の固定には素子体１及びプラグ４とで
きるだけ熱膨張係数の近い接着材を使うことが望ましい
。

かくして製造された酸素センサーのＮ極２，３にそれぞ
れリード１！１５を接続し定電圧を印加する直流電源６
及び飽和電流を測定する電流計７を配設して酸素測定装
置が構成されている。なお直流ｆ’１ｌｌｉ６は定電圧
だけでなく、センサーの特性を評価する為、電圧を変化
させる事ができるにうになっている。

センサ一部分を市販の加熱装置で約７００℃の一定温度
に保ち酸素濃度既知のガスを流してセンサー特性の評価
を行った。そのときの印加電圧（Ｖ）と素子電流（ｍＡ
）との関係を第２図に示す。ここでＡは酸素濃度Ｏ％の
純窒素ガス、Ｂは５．０７％、Ｃは９．８％、Ｄは２４
．７％の窒素稀釈の酸素ガスである。またこの図から飽
和電流値（ｍＡ）と酸素濃度（％）の関係を求めると第
３図に示すようになり、極めて高い直線性が得られてい
る。

又センサーの温度依存性を従来のものと比較して試験を
行った。試験は酸素濃度２０％のガス中でセンサー温度
を４５０℃から７００℃に変化させて行った。このとき
のセンサー温度（’Ｃ）と飽和電流（ｍＡ）との関係を
第４図に示す。ここで、Ｅは第６図に示す８体を使用し
たセンサー、Ｆは第７図に示すセラミックス層をコーテ
ィングしたセンサー、Ｇは本実施例のセンサーのもので
ある。

Ｅは高い温度依存性を有しているが、Ｅ、Ｆは殆んど無
い。特に本実施例のＦでは温度変化に対し極めて安定し
ており、比較的低温の４５０°以上で安定して使用でき
ることを示している。

次に本実施例に於ける多孔質プラグの平均細孔径を４゛
えた時の飽和電流値に対する温度依存性を評価した。セ
ンサー温度（℃）に対する飽和電流（ｍＡ）を第５図に
示す。ここで、日は平均細孔径０．１μｍ、Ｉはｌ、ｃ
ｚｍ、Ｊは１０μＩｎのデータである。

オン、オフ制御のヒーターコントロールによる±１０℃
の温度幅に於ける素子電流の変化を±０．５％以下にす
る為には多孔質プラグの平均細孔径を１μｍ以下にする
必要がある。

かくして本酸素センサーは簡易な温度コントロールに於
いても温度の影響を受ける事なく高精度に広範囲な酸素
濃度を測定する事ができる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかな様に本発明の酸素センサーは有
底円筒状の素子体に拡散律速層として多孔質プラグを嵌
装する構造とした為、従来の細孔を有した８体や電極面
上に多孔質層をコーティングする構造のセンサーと較べ
湿度依存性が小さく低温度で作動でき高精度で安価に製
作する事ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明センサーの一実施例を示す説明図、第２
図は酸素′ａ度の異なるガスについての印加電圧と素子
電流の間熱を示す図、第３図は酸素濃度と飽和電流との
関係を示す図、第４図はセンサー温度と飽和電流の関係
を従来のものと対比して示す図、第５図は細孔径の異な
るプラグ体を用いたときのセンサー温度と飽和電流との
関係を示す図、第６図及び第７図はそれぞれ異なる従来
のセンサーの説明図である。 １・・・素子体、２，３・・・電極、４・・・セラミッ
クスプラグ。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 （ｍＡ） 第３図 （ｍＡ） 鹸ｊｋ　４友 第４図 （ｍＡ） 第６図 特許庁長官　　黒　１）明　雄　　殿 １、事件の表示 特願昭６１−１６３７５４号 ２、発明の名称 酸素濃度センサー ３、補正をする者 事件との関係　　特許中願人 キャタラーエ業株式会社 ５、自発補正 ＡｍＷ　　　　　　／、 ７、補正の内容 （１）　　明細書第５頁第１９行目に記載の「ンサー」
を「センサー」と訂正する。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）有底円筒状に成形した酸素イオン透過性固体電解
   質の素子体の内面とそれに対応する外面に電極を設ける
   と共に、上記素子体の開口端部にガスの拡散を律速する
   多孔質セラミックスプラグを嵌装した事を特徴とする酸
   素濃度センサー。
2. （２）多孔質セラミックスプラグが素子体の酸素イオン
   透過性固体電解質と同じ材質である特許請求の範囲第１
   項記載の酸素濃度センサー。
3. （３）多孔質セラミックスプラグの細孔径が１μｍ以下
   である特許請求の範囲第１項又は第２項記載の酸素濃度
   センサー。