JPH0124626Y2

JPH0124626Y2 -

Info

Publication number: JPH0124626Y2
Application number: JP1980096206U
Authority: JP
Priority date: 1980-07-10
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1989-07-25
Also published as: JPS5720652U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は、気相中の酸素濃度の測定や酸欠状態
の検知などに使用される酸素センサーに関する。
詳しくは、本考案は、酸素イオン伝導性固体電解
質から成る基板と該基板の両面に固着された二つ
の電極を具備する酸素センサーに係り、特に電極
とリード線との接合部が強い耐久性を有するよう
な酸素センサーに関する。

気相中の酸素濃度の測定や酸欠状態の検知など
に使用されるプレート型の酸素センサーとして、
第１図（側面図）、第２図（平面図）に例示する
ごときものが知られている。この酸素センサー
は、ジルコニア系セラミツクスのような酸素イオ
ン伝導性固体電解質から成る基板１と、基板１の
被測定側表面に固着された第１の多孔性電極２
と、基準側表面に固着された第２の多孔性電極３
とから成る。第１の電極および第２の電極のそれ
ぞれには、リード線４および５が接合され、二つ
の電極間に生じる電圧を測定できるようになつて
いる。この種の酸素センサーは、原理的には一種
の濃淡電池であつて、第１の電極２が接している
被測定側雰囲気と第２の電極３が接している基準
側雰囲気との酸素分圧差に応じた起電力が生じ
る。従つて、被測定側雰囲気と基準側雰囲気を仕
切り、基準側の酸素分圧を一定にすれば、酸素セ
ンサーの出力から被測定側の酸素分圧を知ること
ができ、各種の燃焼排ガスに適用すれば燃焼状態
をモニターすることが可能になる。

また、家庭用暖房器の酸欠状態の検知に利用す
ることができ、不完全燃焼およびそれに基づく中
毒事故の防止に有用である。第３図は、本願出願
人が先に出願した暖房器等における酸欠状態の新
規な検知方法に使用した場合を説明するための図
である。バーナー６の上方に、酸素センサー７が
被測定側表面８を下にして配置されている。正常
な燃焼状態では、火炎は９（実線）の状態にあつ
て酸素センサーからかなり離れている。そのた
め、全体が燃焼廃ガスを含む一様な雰囲気に包ま
れる結果酸素センサーの上側（基準側）と下側
（被測定側）との間に酸素濃度差はほとんど生ぜ
ず、この時酸素センサーの出力はほぼ零である。
しかし、酸欠状態になると火炎は１０（点線）の
ごとく伸び、酸素センサーの被測定側表面８に接
するようになる。このとき、酸素センサーの基準
側表面１１は燃焼廃ガスを含む雰囲気に接してい
る。被測定側表面８の近傍は、火炎１０に接触す
るため酸素分圧は零に近く、一方基準側表面１１
の近傍は燃焼廃ガスのほか周囲から供給される酸
素などの混合気体の雰囲気であるため酸素分圧は
被測定側に比較してかなり高い。その結果、かか
る酸欠状態においては酸素センサー７の両面に顕
著な酸素分圧差が生じ、しかして酸素センサーか
ら起電力として信号が出力されることになり、酸
欠状態を検知することができる。もつとも、酸欠
の程度によつて火炎１０の伸び方が異なるので、
検知しようとする酸欠状態を予め定め、それに応
じて酸素センサーの位置（バーナー６からの高
さ）を設定しておくことが必要である。

本考案の改良は、特に、上記した酸欠状態の検
知手段として酸素センサーを使用した場合に生起
する技術的問題を解決することを指向するもので
ある。

即ち、電極２，３は、通常白金ペーストを塗
布、焼成して形成したもので、多孔質の電極であ
る。これに接合されるリード線４，５は、耐熱性
が要求されるため、通常白金等の貴金属線材が使
用される。リード線４，５と電極２，３との接合
方法としては、やはり白金ペーストを用いてリー
ド線を電極に付着させておいて焼成するという方
法が行われている。ところで、被測定側表面は直
接火炎に接触するため、基準側に比して電極やリ
ード線が疲労し易いが、特に電極とリード線との
接合部が脆弱になり易く、長期使用により断線な
どの事故の原因となることが多かつた。即ち、酸
欠状態の検知に使用される場合、被測定側の電極
−リード線接合部の耐久性が劣ることが酸素セン
サーの信頼性を大きく損つていたのである。

本考案は、かかる欠点の解消を目的とし、酸欠
状態検知用としても長期にわたつて安定して使用
することができる、高信頼性の酸素センサーを提
供することにある。

即ち、本考案の酸素センサーは、酸素イオン伝
導性固体電解質から成る基板と、前記基板の被測
定側表面に固着された第１の多孔性電極と、前記
基板の基準側表面に固着された第２の多孔性電極
と、第１の多孔性電極に接合されたリード線と、
第２の電極に接合されたリード線とから成り、燃
焼器具上方適宜位置に被測定側表面を火炎側にし
て取り付けられる平板状の酸素センサーにおい
て、第１の多孔性電極のためのリード線接合部位
が基板の基準側表面上に第２の多孔性電極から離
れて存し、第１の電極に接続し基板側端部を介し
て前記リード線接合部位に至る導電路が形成され
て成ることを特徴としている。

図面に示した実施例に従つて、具体的に説明す
る。

第４図は正面図（基準側）、第５図は背面図
（被測定側）、第６図は第４図の−断面図であ
る。酸素イオン伝導性固体電解質から成る円盤状
基板２０の被測定側表面中央部には多孔質電極２
１（第１の電極）が固着され、被測定側表面中央
部には多孔質電極２２（第２の電極）が固着され
ている。被測定側の電極２１の縁部は、２３で示
すごとく、基板２０に固着しつつ側部を迂回して
部分的に基準側表面に引き伸ばされて導電路とな
つており、電極２１のリード線接合部位２４が基
準側表面の縁部に形成されている。リード線接合
部位２４は、基準側の電極２２と離れた位置にあ
り、両者のギヤツプ２５の大きさは、リーク電流
による電極間の電圧降下を十分に小さくし得る大
きさで、基板２０の厚さよりも大きいことが望ま
しい。

なお、この実施例では、被測定側電極２１が多
孔質のジルコニアから成る保護層２６で被覆され
ている。（ただし、第５図は保護層２６を省略し
て示した。）被測定側の電極２１とそのリード線２７との接
合は、リード線接合部位２４において行う。基準
側の電極２２とそのリード線２８との接合は従来
どおりでよく、図示のごとく電極２２の本体に直
接行う。

以上の説明から明らかなように、本考案の酸素
センサーは、被測定側電極とリード線との接合
が、基板の基準側表面にて行われているため、使
用の際に接合部が直接火炎に当ることを避けるこ
とができる。しかして、電極−リード線接合部の
脆弱化を防止することができ、長期にわたり安定
して使用することができる。また、二つの電極の
リード線接合部が、いずれも基準側表面にあるた
め、接合工程が簡便であるとの利点がある。

上記の実施例は、被測定側の電極の縁部を部分
的に基準側表面まで引き伸ばして導電路とし、リ
ード線接合部を形成したものであるが、第７〜９
図に示すごとく、被測定側の電極の縁部を全体に
わたつて基準側表面まで引き伸ばして導電路と
し、リード線接合部を形成してもよい。第７図は
正面図（基準側）、第８図は背面図（被測定側）
そして第９図は第７図における−断面図であ
る。図中、３０は酸素イオン伝導性固体電解質か
ら成る円盤状基板、３１は前記基板の被測定側表
面および側面を覆い更に基準側表面まで引き伸ば
された状態で固着された第１の電極、３２は基板
の基準側表面の中央に固着された第２の電極、３
３は基板の基準側表面上に設けられた第１の電極
用リード線接合部位に接合されたリード線、３４
は第２の電極３２に接合されたリード線である。

本考案に用いる基板の酸素イオン伝導性固体電
解質としては、ZrO₂，HfO₂，CeO₂、および
ThO₂のうち少なくとも１種を主成分とし、これ
にCaO，MgO，Y₂O₃，Yb₂O₃，Gd₂O₃、および
Sc₂O₃の少なくとも１種を添加して成る焼結体、
又はBi₂O₃を主成分とし、これに前記添加成分を
添加して成る焼結体などを用いることができる。
これまで例示した実施例では、基板や電極の形状
が円板ないし円状であつたが、角板などでもよ
く、何ら制限はない。

電極材料としては、Pt，Rh，Pd，Ag，Auな
どの貴金属もしくはそれらの合金、又は電子伝導
性のRuO₂やLaC₀O₃などのペロブスカイト型化合
物を用いることができる。特に、被測定側の電極
は、苛酷な条件にさらされるため前記貴金属もし
くはそれらの合金が望ましく、とりわけ白金が実
用的である。

被測定側電極に接続し、基準側のリード線接合
部位に至る導電路は、被測定側電極と同一の材料
でもよいが、全部又は部分的に他の材料を使つて
もよい。特に、火炎に直接当らない部分では、前
記の電子伝導性酸化物を使用し、白金等貴金属の
節約をなすこともできる。電子伝導性酸化物とし
ては、前記のもののほか、Bi₂O₃を添加した
RuO₂；Al₂O₃，ZrO₂の少なくとも一種添加した
ZnO；SnO₂−In₂O₃系固溶体などがある。

電極、導電路を固体電解質性の基板上に固着・
形成する方法としては、粉末状材料を適当なバイ
ンダー（有機系、無機系又は両者を含むもの）を
用いてペーストにし、このペーストを基板の所定
部分に塗布して焼成する方法が一般的であるが、
蒸着法、スパツタリング法、プラズマ溶射法、無
電解メツキ法などを用いることもできる。

リード線の材料としては、白金、金などの貴金
属が使用され、このリード線と電極との接合は白
金ペースト等を用いて、これを焼成することによ
り行う。

被測定側電極は、基準側電極に比し苛酷な条件
にさらされるので、前記実施例（第６図の２６）
で述べたごとく、酸化ジルコニウム、酸化アルミ
ニウムなどの金属酸化物等から成る多孔質保護層
で被覆することが望ましく、方法としてはプラズ
マ溶射法、又は無機バインダーで接着後焼成する
などの方法を採用すればよい。

本考案の酸素センサーを酸欠状態の検知手段と
して使用するとき、バーナーはブンゼンバーナー
の如き一次空気予混合式でも、全一次空気混合式
でもよい。

実施例第４〜６図に示したごとき酸素センサーを作成
した。Y₂O₃を8mole％含むZrO₂焼結体から成る
円盤状基板２０（直径20mm、厚さ１mm）の所定の
部分に、白金ペースト（徳力化学(株)）を塗布し、
焼成して、被測定側電極２１およびそれと一体に
なつている導電路２３、リード線接合部２４、並
びに基準側電極２２を形成した。二つの電極は、
基板の各表面の中心部に直径10mmの寸法で形成さ
れ、被測定側電極に接続した導電路２３は、幅３
mmで基板の基準側まで導出され、リード線接合部
２４となつている。リード線接合部２４と基準側
電極２２との間のギヤツプ２５を３mmとした。次
に、被測定側の表面に、ジルコニア粉末をプラズ
マ溶射法により吹きつけ保護層２６で被覆した。
基準側電極２２およびリード線接合部２４のそれ
ぞれに、白金のリード線２７および２８を白金ペ
ーストを用いて付着後焼成して接合した。

このようにして作成した酸素センサーを、第３
図に示すようにブンゼンバーナーの上方３cmの高
さに、被測定面を下にして配置し、ブンゼンバー
ナーに点火した。雰囲気の酸素濃度が21Vol％で
ある正常な燃焼状態ではセンサは火炎に接してお
らず出力が約50mVにすぎなかつたが、酸素濃度
が18Vol％である酸欠状態では約0.77Vであつた。
このように、酸素センサーの出力が顕著に増加し
たことにより、酸欠状態を鋭敏に検知することが
できた。

長期使用によつても、電極−リード線の接合部
が脆弱になつて断線するという事故は全くおこら
ず、センサーは長期にわたつて高い信頼性を示し
た。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の酸素センサーを表
す図；第３図は酸素センサーの酸欠検知の使用法
を表す図；第４図、第５図および第６図はそれぞ
れ本考案の一実施例を表す正面図、背面図および
断面図であり；第７図、第８図および第９図はそ
れぞれ本考案の他の実施例を表す正面図、背面図
および断面図である。１，２０，３０……酸素イオン伝導性固体電解
質製基板、２，２１，３１……被測定側電極、
３，２２，３２……基準側電極、４，５，２７，
２８，３３，３４……リード線、２３……導電
路、２４……リード線接合部、２５……ギヤツ
プ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

酸素イオン伝導性固体電解質から成る基板と、
前記基板の被測定側表面に固着された第１の多孔
性電極と、前記基板の基準側表面に固着された第
２の多孔性電極と、第１の多孔性電極に接合され
たリード線と、第２の電極に接合されたリード線
とから成り、燃焼器具上方適宜位置に被測定側表
面を火炎側にして取り付けられる平板状の酸素セ
ンサーにおいて、第１の多孔性電極のためのリー
ド線接合部位が基板の基準側表面上に第２の多孔
性電極から離れて存し、第１の電極に接続し基板
側端部を介して前記リード線接合部位に至る導電
路が形成されて成ることを特徴をする酸素センサ
ー。