JPH03140860A - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、固体電解質とし゛Ｃフッ化ランタンを用いた
酸素センサに関する。

Ｂ６発明の概要 本発明は、低温でもセンサとして動作可能なフッ化ラン
タンを固体電解質として使用するものであり、多孔質基
板上に薄膜状の第１電極を形成し、小粒径のフッ化ラン
タン粉末をプラズマスプレー法により溶射することによ
り、第１電極上にフッ化ランタンの固体電解質層を形成
し、この固体電解質層上に薄膜状の第２電極を形成して
酸素センサを構成することとし、 良好な耐久性を有し、しかも安価に製造できるものとし
たものである。

Ｃ１従来の技術 一般に、燃焼ガス中の酸素を測定するものとして、固体
電解質として用いた酸素センサが実用化されている。

固体電解質としては、通常、安定化ジルコニアが使用さ
れる。しかし安定化ジルコニアを用いた酸素センサは、
高温でしか使用できない欠点がある。温度が低い場合、
起電力が発生せず、通常４００°Ｃ以」二の温度で使用
しなければならない。

このため、現在、低温においても動作する酸素センサが
研究されており、たとえば固体電解質にフッ化うンタン
（ＬａＦ３）を用いたものが提案されている（特開昭６
１−１３２８５５号公報参照）。

Ｄ３発明が解決しようとする課題 上記のＬａＦ３を用いた酸素センサは、単結晶Ｌａ　Ｆ
３を使用しなければならないので、非常に高価なものと
なる。このため、商業的に不向きであり、実用化には至
っていない。

ここでＬａＦ３を薄膜化し、安価に製作することが考え
られる。薄膜製造技術には、抵抗加熱蒸着法やＥ、Ｂ、
蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法ナトがあり、膜厚
が５０μｍ以上であればスプレー法（溶射法）もある。

しかし、いずれの薄膜製造技術によっても、良好な酸素
センサを得るには問題がある。

抵抗加熱蒸着法やＥ、　Ｂ、蒸着法では、形成されたＬ
ａ　Ｆ３膜がコラムナー構造（柱状構造）をしており、
酸素センサとして長時間使用すると、熱歪によってＬａ
Ｆ３膜にクラックが入ってしまい、起電力が発生しなく
なるという問題がある。

また、スパッタリング法では、成膜速度が非常に遅く、
生産性が悪い。またＣＶＤ法では、熱分解ＣＶＤ法であ
っても、フィルム状の極めて滑らかな膜を得ることがで
きない。

さらに、スプレー法では、プラズマスプレー法であって
も、緻密（ガスタイト）な膜を形成することが困難であ
る。

本発明は、このような事情に鑑み、安価な成膜技術によ
り製造可能であり、しかも良好な耐久性を有するＬａ　
Ｆ、による酸素センサを提供することを目的とする。

Ｅ、課題を解決するための手段 本発明は、上記の目的を達成するために、次の手段を備
えた酸素センサを提供するものである。

■　多孔質基板上に形成された薄膜状の第１電極。

■　小粒径のＬａ　Ｆａ粉末をプラズマスプレー法によ
り溶射することにより、この第１電極上に形成された固
体電解質層。

■　この固体電解質層上に形成された薄膜状の第２電極
。

Ｆ１作用 本発明によれば、固体電解質層は、小粒径のＬａＦ３粉
末を使用してプラズマスプレー法により形成されている
ので、比較的緻密な構造となる。

しかも、スパッタリング法などの薄膜製造技術により両
面に薄膜状の第１電極および第２電極が形成されている
ので、固体電解質層の強度が向上する。

また第１電極は、多孔質基板上に形成されているので、
基板と固体電解質層の密着性が向上する。

それゆえ、長時間使用されても、クラックや剥離が発生
しずらい、耐久性の優れた酸素センサを実現できる。

Ｇ、実施例 以下、図面を用いて、本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る酸素センサを示す。

この図においては、説明の便宜のため、膜厚を誇張して
示している。

この酸素センサの製造工程を説明する。

１は多孔質基板（ＳＵＳ３１６Ｌ、ボール社製、ＰＯ５
、空孔径０．５μｍ、空孔率約４０％）である。この多
孔質基板１は、パイプ（ＳＵＳ３１６Ｌ）２に溶接され
ている。

まず、この多孔質基板１上に、スパッタリング法により
、厚み約５，０００人の白金（ｐｔ）膜を形成して第１
電極３とする。

この後、多孔質基板１上に、プラズマスプレー法により
、多孔質基板１上に厚み６０μｍの固体電解質層４を形
成する。固体電解質としてはＬａＦ３を使用す名。

ここで、このプラズマスプレー法では、プラズマスプレ
ー用の原料粉として平均粒径１μｍのＬａＦ３粉末を使
用する。ＬａＦ、粉末の平均粒径は、２μｍ以下が望ま
しい。また微粉末を供給可能な微粉末定量供給装置（フ
ァインフィーダ、水田鉄工製）およびプラズマ溶射装置
（水田鉄工製、５ＱＫＷ級システム）を使用する。

プラズマスプレー条件は、■雰囲気：大気中、■基板温
度：室温、■プラズマスプレーガンー基板距離：］５５
０ｍｍ■スプレー速度＝０．６Ｋｇ／ｈ、■使用ガス：
　Ａ　ｒ−Ｈ２、■電流：６００Ａ１■電圧　７０ＤＣ
Ｖとした。

さらに、この固体電解質層４上に、スパッタリング法に
より、厚み約５，０００人の白金膜を形成して第２電極
５とする。第１電極３および第２電極５の形成法は、ス
パッタリング法に限定されず、たとえば白金を含むペー
ストを塗布し、焼成する方法でもよい。

本実施例では、原料としてＬａＦ３粉末を用いているの
で、単結晶ＬａＦ３を用いる酸素センサに比較して、大
幅なコストダウンが期待できる。

次に、この酸素センサの特性を説明する。

酸素センサの第１電極３側を標準空気側とし、第２電極
５側に酸素濃度の低い排気ガスを送り込み、画電極３，
５間に発生する起電力を測定した。

この結果を第２図に示す。この測定は、温度３００℃で
行った。

第２図において、（イ）は本実施例に係る酸素センサの
特性を示し、（ロ）は比較例の特性を示す。比較例は、
直径１０ｍｍ、厚み０．４ｍｍの単結晶Ｌａ　Ｆ３の両
面にスパッタリング法により５．０００人白金電極を形
成したものである。

この測定の結果、プラズマスプレー法で成膜されたＬａ
Ｆ３が発生する起電力は、はぼ単結晶しａＦ３と同等で
あり、酸素濃度に対する応答速度は、単結晶よりも速い
ことが判った。

応答速度が速くなった理由として、次の２点が考えられ
る。

第１に、固体電解質層４の厚みが薄い点が挙げられる。

本実施例では、固体電解質層４をプラズマスプレー法に
より成膜しているので、単結晶ＬａＦ＋を用いた比較例
よりも、大幅に薄くすることができる。

第２に、画電極３，５が多孔質であることが挙げられる
。第１電極３を多孔質基板１」二に形成することにより
、第１電極３は多孔質となる。また固体電解質層４の表
面には適当な凹凸があるので、第２電極５も多孔質とな
る。画電極３．５が多孔質であるため、比較例と比べて
、画電極３．５の表面での触媒作用が著しく速やかに進
行するものと考えられる。

また、酸素センサに熱歪を加える強度試験も行った。

比較例は、抵抗加熱蒸着およびＥ、　Ｂ、蒸着でＬａＦ
３を成膜して固体電解質層を形成した酸素センサである
。この結果、比較例では、固体電解質層にクラックが発
生したり、基板から固体電解質層が剥離したりする条件
において、本実施例では、固体電解質層４のクラックや
基板からの剥離は発生しなかった。

この実験により、本実施例では、固体電解質層４の強度
が高く、しかも基板との密着性も良いことが確認された
。

この理由としては、小粒径のＬａＦ３粉末を使用するこ
とにより、比較的緻密なＬａＦ３膜を得ることができ、
しかもＬａＦ、膜の両面に電極３゜５を形成することに
より、さらに強度が高まり、基板との密着性も向上した
ものと考えられる。

Ｈ６発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、ＬａＦ３粉末 ［２ 粉末を使用してプラズマスプレー法により固体電解質層
を形成する。したがって単結晶Ｌａ　Ｆ、を使用しなく
てよいので、製造コストの低廉化が期待できる。

またＬａ　Ｆ３粉末として小粒径のものを使用して緻密
なＬ　ａ　Ｆ　３膜を形成し、スパッタリング法などの
薄膜製造技術により両面に薄膜状の第１電極および第２
電極を形成することにより、固体電解質層の強度や、基
板と固体電解質層の密着性を確保している。

さらに固体電解質層の厚みを小さくでき、しかも電極が
多孔質となるので、酸素濃度に対する応答速度が向上す
る利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る酸素センサの構造を示
す断面図、第２図は第１図の酸素センサの出力特性を示
す説明図である。 １・・・多孔質基板、３・・・第１電極、４・・・固体
電解質層、５・・・第２電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多孔質基板上に形成された薄膜状の第１電極と、 小粒径のフッ化ランタン粉末をプラズマスプレー法によ
   り溶射することにより、この第１電極上に形成された固
   体電解質層と、 この固体電解質層上に形成された薄膜状の第２電極と を備えた酸素センサ。