JPH02201257A - 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、地下トンネルの酸欠事故防止等に用いられる
酸素センサに係わり、特に小型で安価な酸素センサに関
する。

［従来の技術］ 近年、安定化ジルコニアからなる固体電解質をある。

この酸素センサは、第７図に示すように、安定化ジルコ
ニア等のイオン導電性を有する固体電解質より薄い肉厚
に形成されたイオン導電板ｌと、該イオン導電板ｌの両
面にそれぞれ設けられて、所定電圧が印加される多孔質
の電極２Ａ、２Ｂと、中央部に拡散律速を生じさせる拡
散孔３Ａを有し前記イオン導電板１の一方の面を覆うよ
うに設けられた密封キャップ３と、該密封キャップ３の
上面に設けられて、前記イオン導電板ｌに対して熱を付
与するヒータ４とから構成されたセンサ本体５を、第６
図に示すように、ステム６、電極ビ・ン７．８及び多孔
質の防滴膜９等よりなるものに組み付けてユニット化し
たものである。

今、センサ本体５が酸素濃度を測定したい雰囲気にさら
されるように、第６図に示す酸素センサを配置し、電極
ビン７．８を介して図示していない駆動回路に接続する
ことにより、電極２Ａ、２Ｂ及びヒータ４に電圧を印加
すれば、電極２Ａ。

２Ｂ間に流れる電流の値から雰囲気の酸素濃度を知るこ
とができる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、上記のように構成された酸素センサには、下
記のような改善すべき問題があった。

すなわち、通常、電極２Ａ、２Ｂあるいはヒータ４と、
電極ピンとの接続は微細なリード線によりおこなわれて
いるので、振動などで該リード線が断線し易く、その接
続に対する信頼性が低いという問題があった。

さらに、センサ本体５のステム６等への組み付けは、通
常微細なセラミックファイバーなどで支持することによ
りおこなわれるが、この作業が困難であり、またユニッ
トとして組み立てるための防滴膜９の取付等も困難で工
数のかかるものであったため、酸素センサのコストが高
いものとなっていた。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、セ
ンサ本体の保護構造も含めて小型で製作の容易な構成で
あるとともにセンサ本体の保護が強化された酸素センサ
を提供することを目的としている ［課題を解決するための手段］ 本発明の酸素センサは、固体電解質より板状に形成され
両面に電極が設けられたイオン導電板の一方の面に密封
キャップを被冠してなるセンサ本体を、絶縁性を有する
板体の一方の端部に取り付け、前記板体の表面に、前記
センサ本体の電極に接続され前記板体の他方の端部に伸
びる導体層を形成するとともに、前記センサ本体と前記
板体及び前記導体層を一括して多孔質体で被覆したこと
を特徴としている。

［作用］ 本発明の酸素センサは、センサ本体と板体及び導体層を
一括して多孔質体で被覆することにより、センサ本体等
の保護構造を形成している。このため、保護構造は従来
のモールド技術により容易に形成でき、また、この保護
構造により酸素センサ全体が大型化することがない。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を第１図〜第５図により説明す
る。

第１図は酸素センサの平面図、第２図は側断面図、第３
図は背面図である（但し、第１図、第３図は後述する多
孔質体を被覆する前の状態を示している）。

図において、符号ｌＯで示すものはセンサ本体であって
、安定化ジルコニア（例えば、ＺｒＯ□−８Ｙ２０ｉ）
等のイオン導電性を有する固体電解質により薄い肉厚に
形成されたイオン導電板１１と、このイオン導電板１１
の両面に形成されて所定電圧（例えば、２ボルト程度）
が印加される多孔質の電極１２Ａ、１２Ｂと、前記イオ
ン導電板１１の下方側（第２図の下方側）の面を覆う密
封キャップ１３とから構成されている。

また、前記イオン導電板１１のさらに下方側には、後述
するヒータ１４が設けられて、イオン導電板１１に熱を
付与するようになっている。

前記密封キャップ１３は、一方側の電極１２Ａを全面的
に覆うように設けられたアルミナ粉末等の多孔質焼成体
１５と、この多孔質焼成体１５を全面的に覆うように設
けられたガラス層１６とから構成されたものである。

また、前記イオン導電板１１には上下に貫通して密封キ
ャップ１３内に通じる気体拡散孔１１Ａが形成されてお
り、この気体拡散孔１１Ａによって、外気の取り入れを
制限して拡散律速を生じさせるようになっている。

そして、上述したようなイオン導電板１１内であり、電
極１２Ａ、１２Ｂの間においては、気体拡散孔１１Ａを
通して取り入れた外気中の酸素イオンを担体とするイオ
ン電流が酸素ポンピング作用により流れ、このイオン電
流の飽和値（限界電流）から雰囲気の酸素濃度を知るこ
とができるようになっている。

次に、上述したセンサ本体１０とヒータ１４とを共に、
符号１７で示す板体に取り付けるための取付構造につい
て説明する。

コノ板体１７は、例えばＺ　ｒ　０２−３　ｙ、ｏ、ノ
ような、イオン導電板１１と膨張係数の近い材質によっ
て基部が形成され、その表面にアルミナ粉末や結晶化ガ
ラスを焼結コーティングすることにより形成されたもの
で、その上面１７Ａにおける一方側の端部には、センサ
本体ｌＯの密封キャップ１３側が接着により取り付けら
れ、また、その下面１７Ｂにおける一方側の端部であり
、かつ前記センサ本体ｌＯの下方位置には前記ヒータ１
４が印刷、メツキなどにより設けられている。

センサ本体ｌＯと板体１７の上面１７Ａとの間には、ア
ルカリイオンを含んだセラミック系の接着剤、あるいは
アルミナ粉末にガラスを混入して焼成することなどによ
り接着層１８が形成されている。該接着層１８はポーラ
スな構造に形成されたものであって、該接着層１８がこ
のような構造をとることによって、センサ本体ｌＯと板
体１７との熱膨張係数が相違することによる歪みを緩和
できるようになっている。

一方、板体１７の上面１７Ａには、センサ本体ｌＯの電
極１２Ａ、１２Ｂにそれぞれ接続される導体層１９Ａ、
１９Ｂが、また板体１７の下面１７Ｂには、ヒータ１４
に接続される導体層２０Ａ。

２０Ｂが形成されている。

これら導体層１９Ａ、１９Ｂ、２０Ａ、２０Ｂは、ワイ
ヤボンド、導電性ペーストによって形成されるものであ
って、センサ本体ｌＯあるいはヒータ１４が取り付けら
れている板体１７の一方の端部から、他方の端部に向け
て帯状に配置されている。

そして、センサ本体１０．ヒータ１４及びそれらが取り
付いている板体１７の端部は、−括して多孔質体２１に
より被覆されている。この多孔質体２１は、例えばセラ
ミック系の接着剤をコーティングして比較的低温で焼成
あるいは乾燥させることによりポーラスに形成されたも
のである。

ここで、この多孔質体２１を被覆する具体的な方法とし
ては、例えばセラミック系接着剤の浴槽に、前記センサ
本体ｌＯ等を浸漬させた後、所定の条件（例えば、１５
１１℃近傍で約３０分）で乾燥させる等の方法によるこ
とができる。

つぎに、上記のように構成された酸素センサの駆動回路
を、第４図に示すブロック図により説明する。

図において、符号１００で示すものは、酸素センサであ
って、この酸素センサ１００には、前記導体層１９Ａ、
１９Ｂ、２０Ａ、２０Ｂにそれぞれ接続された端子１０
２Ａ、１０２Ｂ、ｌ０ＩＡ。

１０１Ｂがそれぞれ設けられている。

前記端子１０１Ａ、１０１Ｂは、ヒータ１４を発熱させ
るためのヒータ電圧印加回路１０３に接続されるもので
あって、このヒータ電圧印加回路１０３では、可変抵抗
を調整することによりヒータ１４の印加電圧を変更でき
るようになっている。

前記端子１０２Ａは、電極１２Ａ、１２Ｂに所定電圧を
付与するためのセンサ監視電圧印加回路１０４に接続さ
れるものであって、このセンサ監視電圧印加回路１０４
では、可変抵抗を調整することによりセンサ本体ｌＯの
センサ電圧を変更でさる構成となっている。

前記端子１０２Ｂは、Ｉ−Ｖ変換回路１０５と、増幅回
路１０６とを順次接続するものであって、前記１−Ｖ変
換回路１０５において、イオン導電板１１の限界電流値
を電圧値に変換して出力し、更に、前記増幅回路１０８
において、前Ｅｘ−ｖ変換回路１０５から出力された電
圧値を増幅し、その増幅信号を検出信号として端子１０
７から出力するようにしている。

なお、前記１−Ｖ変換回路１０５及び増幅回路１０６で
は、可変抵抗を調整することによって、出力電圧のレベ
ル、あるいは増幅度をそれぞれ変化させることが可能で
ある。

そして、上記のような駆動回路によって、センサ電圧が
電極１２Ａ１１２Ｂに印加され、ヒータ電圧がヒータ１
４に印加されると、酸素ガス及びイオン化した酸素が第
２図に矢印で示すように流通し、これにより、イオン導
電板１１に限界電流が生じて、その限界電流値に対応し
た大きさの電圧が端子１０７から出力されるようになっ
ている。

ここで、上記酸素センサの駆動回路への接続は、板体１
７の導体層１９Ａ、１９Ｂ、２０Ａ、２０Ｂが伸びてい
る端部を電極として利用して、前記端子１０１Ａ、ｌ０
ＩＢ、１０２Ａ、１０２Ｂが設けられたコネクタに嵌合
させる等により簡易かつ確実に行うことができる。

以上説明したように、上記のように構成された酸素セン
サによれば、センサ本体１Ｇ、　ヒータ１４及びそれら
が取り付けられている板体！７の端部は、−括して多孔
質体２１により被覆されている。このため、外部の圧力
変動等がセンサ本体ｌＯやヒータ１４に及び難く、風等
により出力が不安定になることがない。また、水等が内
部に侵入し難いため、水滴等がセンサ本体ｌＯやヒータ
１４に付着することによる不具合が防がれる。

そして、この多孔質体２１による保護構造は従来のモー
ルド技術により容易に形成できる。また、導体層１９Ａ
、１９Ｂ、２ＯＡ、２０Ｂは印刷により形成することが
できるため、防滴膜やリード線等よりなる従来の構成に
比べ製作が非常に容易になるとともに、量産に適し、コ
ストが安くできるという効果がある。

また、水滴等からの保護は上述のように多孔質体２１の
被覆によりなされているため、従来の防滴膜に比べ、保
護構造により酸素センサ全体が大型化することがない。

このため、ユニット全体として酸素センサを非常に小型
化することができる。

また、多孔質体２１には、センサ本体１０あるいはそれ
に接続される導体層等を支持する作用もあり、前記接続
の信頼性がさらに高まるとともに、酸素センサ全体の耐
振動・耐衝撃性が高くなる。

さらに、本実施例の酸素センサは、多孔質体２１の被覆
が、電極１２Ａ、１２Ｂ、ガラス層１６等を形成する際
に行う焼成等の温度条件（約８００℃以上）に対して比
較的低温度条件で行われるために、この多孔質体２１の
形成の際に電極１２Ａ。

１２Ｂ、ガラス層１６等が影響を受けて変質・変形等を
起こすことがないという効果も奏する。

なお、上記実施例は、センサ本体ｌＯの密封キャップ１
３側を板体１７に取り付けたものであるが、この構造に
限るものでなく、例えば第５図に示すようにイオン導電
板ｌｌ側を板体１７に取り付けるような構成でもよい。

［発明の効果］ 本発明の酸素センサは、センサ本体が取り付いている板
体の端部は、−括して多孔質体により被覆されている。

このため、外部の圧力変動等がセンサ本体に及び難く、
風等により出力が不安定になることがない。また、水等
が内部に侵入し難いため、水滴等がセンサ本体に付曹す
ることによる不具合が防がれる。

そして、この多孔質体による保護構造は従来のモールド
技術により容易に形成できる。また、導体層は印刷によ
り容易に形成することができるため、防滴膜やリード線
等よりなる従来の構成に比べ製作が非常に容易になると
ともに、量産に適し、コストが安くできるという効果が
ある。

また、水滴等からの保護は上述のように多孔質体の被覆
によりなされているため、従来の防滴膜に比べ、保Ｔ！
ｌ１ｌＩ造により酸素センサ全体が大型化することがな
い。このため、ユニット全体として酸素センサを非常に
小型化することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の実施例を示す図であって、第
１図は酸素センサの平面図、第２図、第５図はそれぞれ
酸素センサの側断面図、第３図は酸素センサの背面図、
第４図は駆動回路のブロック図である。 また、第６図、第７図は従来の技術を示す図であって、
第６図は酸素センサ全体を示す図、第７図はセンサ本体
を示す図である。 １１・・・・・・イオン導電板、 １２Ａ、１２Ｂ・・・・・・電極、 １３・・・・・・密封キャップ、１７・・・・・・板体
、１９Ａ、１９Ｂ・・・・・・導体層、２１・・・・・
・多孔質体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固体電解質より板状に形成され両面に電極が設けられた
   イオン導電板の一方の面に密封キャップを被冠してなる
   センサ本体を、絶縁性を有する板体の一方の端部に取り
   付け、前記板体の表面に、前記センサ本体の電極に接続
   され前記板体の他方の端部に伸びる導体層を形成すると
   ともに、前記センサ本体と前記板体及び前記導体層を一
   括して多孔質体で被覆したことを特徴とする酸素センサ
   。