JPH03218453A - 酸素センサおよびその製造方法 - Google Patents
酸素センサおよびその製造方法Info
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- JPH03218453A JPH03218453A JP2013820A JP1382090A JPH03218453A JP H03218453 A JPH03218453 A JP H03218453A JP 2013820 A JP2013820 A JP 2013820A JP 1382090 A JP1382090 A JP 1382090A JP H03218453 A JPH03218453 A JP H03218453A
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- Japan
- Prior art keywords
- solid electrolyte
- electrolyte plate
- oxygen
- plate
- oxygen sensor
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- Pending
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
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。
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
本発明は環境中の酸素濃度を測定するための酸素センサ
に関し、特に、酸素イオン伝導性固体電解質を利用した
限界電流式酸素センサに関するものである． 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ソク
から成る固体電解賞板１の両面に白金などの金属電極膜
２（陽極２ａ、陰橿２ｂ）を形成し、さらに前記陰極２
ｂ側の固体電解質板１の上に密閉空間を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
る酸素の拡散穴４を設けた構成となっている．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のち
、電極２間に直流電圧を印加すると、陰ｉ２ｂ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に向かって陽ｉ２ａ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体３に設けられた拡散
穴４により制限され、陰ｉ２ｂ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ｌ中を酸素イオンが
移動することによって生じる電流は、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
り酸素濃度を測定できる．（例えば、特開昭５９−１９
２９５３号公報、特開昭６０〜２５２２５４号公報）発
明が解決しようとする課題 拡散穴４の大きさは酸素センサの動作温度、限界電流の
大きさにより任意に設定される．しかし、酸素センサの
長期信転性を確保するには動作温度はできるだけ低くす
ることが望ましい．ジルコニア系セラミンクの固体電解
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゜Ｃである．この動作温度で実用的限界電流値を
得るには拡散穴４は直径が数十μｍ、長さ数■の極めて
小さなものとなる．しかし、この拡散穴４の形状を精密
に制御することは困難であった．このため限界電ｉｆｉ
（ａのばらつきが大きいという課題があった。
に関し、特に、酸素イオン伝導性固体電解質を利用した
限界電流式酸素センサに関するものである． 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ソク
から成る固体電解賞板１の両面に白金などの金属電極膜
２（陽極２ａ、陰橿２ｂ）を形成し、さらに前記陰極２
ｂ側の固体電解質板１の上に密閉空間を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
る酸素の拡散穴４を設けた構成となっている．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のち
、電極２間に直流電圧を印加すると、陰ｉ２ｂ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に向かって陽ｉ２ａ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体３に設けられた拡散
穴４により制限され、陰ｉ２ｂ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ｌ中を酸素イオンが
移動することによって生じる電流は、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
り酸素濃度を測定できる．（例えば、特開昭５９−１９
２９５３号公報、特開昭６０〜２５２２５４号公報）発
明が解決しようとする課題 拡散穴４の大きさは酸素センサの動作温度、限界電流の
大きさにより任意に設定される．しかし、酸素センサの
長期信転性を確保するには動作温度はできるだけ低くす
ることが望ましい．ジルコニア系セラミンクの固体電解
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゜Ｃである．この動作温度で実用的限界電流値を
得るには拡散穴４は直径が数十μｍ、長さ数■の極めて
小さなものとなる．しかし、この拡散穴４の形状を精密
に制御することは困難であった．このため限界電ｉｆｉ
（ａのばらつきが大きいという課題があった。
本発明はかかる従来の課題を解消するもので、限界電流
値のばらつきの小さな酸素センサを捉供することを目的
とする。
値のばらつきの小さな酸素センサを捉供することを目的
とする。
課題を解決するための手段
上記課題を解決するために本発明の酸素センサは、酸素
イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解賞
板の一方の表面に形成された陰極電極膜と、前記固体電
解質仮の他の表面に形成された陽掻電極膜と、前記陰極
電極膜を囲み、かつ周囲空間と接する複数の始端と一つ
の終端とが前記固体電解質坂上で互いに間隔を有するよ
うに配置されたスペーサと、前記スペーサ上に前記固体
電解質板と相対向するように配置されたシール板と、前
記スペーサの相対向する隔壁と前記固体電解質板と前記
シール板で囲まれて形成された複数の始端を有する螺旋
形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、複数の始端と一つの終端か
ら成る螺旋形拡散穴が固体電解質板とシール板との間に
形成される．拡散穴の拡散抵抗値は、主として一つの終
端とそれに最も近接した始端との間で構成される螺旋形
拡散穴で決まるので、一つの終端と近接する拡散穴を、
近接する順に閉塞することにより、拡散抵抗値を大きく
する方向に、すなわち限界電流値を小さくする方向に調
整できる。
イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解賞
板の一方の表面に形成された陰極電極膜と、前記固体電
解質仮の他の表面に形成された陽掻電極膜と、前記陰極
電極膜を囲み、かつ周囲空間と接する複数の始端と一つ
の終端とが前記固体電解質坂上で互いに間隔を有するよ
うに配置されたスペーサと、前記スペーサ上に前記固体
電解質板と相対向するように配置されたシール板と、前
記スペーサの相対向する隔壁と前記固体電解質板と前記
シール板で囲まれて形成された複数の始端を有する螺旋
形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、複数の始端と一つの終端か
ら成る螺旋形拡散穴が固体電解質板とシール板との間に
形成される．拡散穴の拡散抵抗値は、主として一つの終
端とそれに最も近接した始端との間で構成される螺旋形
拡散穴で決まるので、一つの終端と近接する拡散穴を、
近接する順に閉塞することにより、拡散抵抗値を大きく
する方向に、すなわち限界電流値を小さくする方向に調
整できる。
実施例
以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて説明する
。
。
第１図は本発明の一実施例を示すもので、同図（ａｌは
酸素センサの分解斜視図、同図伽）は酸素センサの一部
破断斜視図である． 第１図（ａ）． （ｂ）において、酸素イオン伝導性を
有する固体電解質板ｌの両面に電極Ｉｌ！２が形成され
る．電極膜２を囲み、複数の始端５ｌ、５２、５３と終
端５４が互いに間隔を有する螺旋形スペーサ５が固体電
解質板ｌの一方の表面に表面に配置され、さらにシール
板６が配置される。拡散穴７ぱ螺旋形スペーサ５の相対
向する隔壁と固体電解賞板ｌとシール６で囲まれた螺旋
形の空間で形成され、酸素はこの空間を通じて電極Ｍ２
へ拡散する．固体電極質板ｌは、ジルコニア系セラミッ
ク、なかでもイソトリアを添加したジルコニアが多用さ
れる．ｔ極膜２は、白金、金、パラジウム、銀などで構
成されるが、特に限定されるものでない．螺旋形スペー
サ５は、酸素センサの動作温度に充分耐える耐熱性と、
固体電解質板ｌとシール板６との気密性を要求され、そ
の材料として硝子、金属が挙げられる．例えば、厚膜硝
子焼成膜を用いれば、第１図に示す螺旋形スペーサ５は
容易に得られる．シール板６は、ジルコニア系セラミッ
ク、フォルステライトなどのセラミック板が用いられる
．なお、固体電解質板ｌ、螺旋形スペーサ５およびシー
ル板６のそれぞれの熱膨張係数は、なるべく類僚の値に
なるように選ばれる． 第１図に示された実施例では３個の始端５ｌ、５２５３
が示されているが、３個以上の始端を形成することも容
易である．このように本発明の酸素センサは、複数個の
始端を有しているが、電極膜２への酸素の拡散量は一つ
の終端５４とそれに最も近接した始端５ｌとの間で構成
される螺旋形拡散穴７によりほぼ決められる．従って５
１を閉塞した場合、酸素の拡散量は一つの５４とそれに
最も近接した始端５２の間で構成される螺旋形拡散穴７
によりほぼ決められる．このように一つの終端５４に近
接するする順に始端５ｌ、５２、５３を順次閉塞するこ
とにより拡散抵抗債を大きくする方向、すなわち限界電
流値を小さくする方向に調整できる。
酸素センサの分解斜視図、同図伽）は酸素センサの一部
破断斜視図である． 第１図（ａ）． （ｂ）において、酸素イオン伝導性を
有する固体電解質板ｌの両面に電極Ｉｌ！２が形成され
る．電極膜２を囲み、複数の始端５ｌ、５２、５３と終
端５４が互いに間隔を有する螺旋形スペーサ５が固体電
解質板ｌの一方の表面に表面に配置され、さらにシール
板６が配置される。拡散穴７ぱ螺旋形スペーサ５の相対
向する隔壁と固体電解賞板ｌとシール６で囲まれた螺旋
形の空間で形成され、酸素はこの空間を通じて電極Ｍ２
へ拡散する．固体電極質板ｌは、ジルコニア系セラミッ
ク、なかでもイソトリアを添加したジルコニアが多用さ
れる．ｔ極膜２は、白金、金、パラジウム、銀などで構
成されるが、特に限定されるものでない．螺旋形スペー
サ５は、酸素センサの動作温度に充分耐える耐熱性と、
固体電解質板ｌとシール板６との気密性を要求され、そ
の材料として硝子、金属が挙げられる．例えば、厚膜硝
子焼成膜を用いれば、第１図に示す螺旋形スペーサ５は
容易に得られる．シール板６は、ジルコニア系セラミッ
ク、フォルステライトなどのセラミック板が用いられる
．なお、固体電解質板ｌ、螺旋形スペーサ５およびシー
ル板６のそれぞれの熱膨張係数は、なるべく類僚の値に
なるように選ばれる． 第１図に示された実施例では３個の始端５ｌ、５２５３
が示されているが、３個以上の始端を形成することも容
易である．このように本発明の酸素センサは、複数個の
始端を有しているが、電極膜２への酸素の拡散量は一つ
の終端５４とそれに最も近接した始端５ｌとの間で構成
される螺旋形拡散穴７によりほぼ決められる．従って５
１を閉塞した場合、酸素の拡散量は一つの５４とそれに
最も近接した始端５２の間で構成される螺旋形拡散穴７
によりほぼ決められる．このように一つの終端５４に近
接するする順に始端５ｌ、５２、５３を順次閉塞するこ
とにより拡散抵抗債を大きくする方向、すなわち限界電
流値を小さくする方向に調整できる。
このように複数の始端５１、５２を一つの終端５４に近
接する順に閉塞する場合、第２図に示すように、これら
複数の始端５ｌ、５２がシール板６の端部より外側で固
体電解質板ｌの表面に位置するように配置することが望
ましい．始端５ｌ、５２の位置が容易に見分けられるの
で、閉塞作業が容易になるからである。なお、複数の始
端５ｌ、５２、５３が同様にして、シール板６の表面に
位置するように配置しても同様の効果が得られる。
接する順に閉塞する場合、第２図に示すように、これら
複数の始端５ｌ、５２がシール板６の端部より外側で固
体電解質板ｌの表面に位置するように配置することが望
ましい．始端５ｌ、５２の位置が容易に見分けられるの
で、閉塞作業が容易になるからである。なお、複数の始
端５ｌ、５２、５３が同様にして、シール板６の表面に
位置するように配置しても同様の効果が得られる。
例えば、始端５ｌの閉塞は、第３図に示すように、始端
５ｌを完全に塞ぐように閉塞材料８を形成してなされる
．このように始端複数の一部５１， ５２を閉塞ずる方
法として、流動性無機材料で被覆した後、焼成する方法
ガ望ましい．閉塞する材料は、始端の一部５１、５２を
確実に被覆するのみならず、螺旋形スペーサ５の材料と
同様、酸素センサの動作温度に充分耐える耐熱性および
固体電解質板１とシ一ル板６との密着性を要求される．
厚膜用硝子ペーストあるいはセラミック粉末を含むスラ
リなとの流動性無機材料は、室温で良好な流動性を示す
ので始端５ｌ、５２を確実に被覆することができると共
に、被覆後の焼成により固体電解質板ｌやシール４Ｉｉ
６と強固に密着し、緻密で耐熱性の優れた固体になるか
らである．例えば、ＳｉＯ．，ＢａＯＺｎＯ，Ｃａｂ，
Ｎａｐ，Ｋ！ Ｏなどの粉末を主成分とする厚膜用ペー
ストは、７００〜９００゜Ｃで焼成することにより、固
体電解質板１やシール板６と密着し、５００℃以上の耐
熱性を有する機密性の硝子が容易に得られる．また、ア
ルミナ粉末、ジルコニア粉末を含むスラリも、４００〜
９００℃で焼成することにより、厚膜用ペーストと同樺
、密着性、耐熱性に優れたセラミックが得られる．この
セラミックは、通常、微細な小穴を多く有する多孔性で
あるが、螺旋形拡散穴マの拡散抵抗値に比べ十分に大き
な絋敞抵抗値を有するので、酸素の拡散に対して十分な
閉塞効果を存する．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）複数個の始端を、終端に近接する順に閉塞するこ
とにより、螺旋形拡散穴の拡散抵抗値を大きくする方向
、すなわち限界電流値を小さくする方向に調整できる． （２） 流動性無機材料で始端を被覆した後、焼成す
ることにより、密着性、耐熱性、気密性に優れた始端閉
塞ができる．
５ｌを完全に塞ぐように閉塞材料８を形成してなされる
．このように始端複数の一部５１， ５２を閉塞ずる方
法として、流動性無機材料で被覆した後、焼成する方法
ガ望ましい．閉塞する材料は、始端の一部５１、５２を
確実に被覆するのみならず、螺旋形スペーサ５の材料と
同様、酸素センサの動作温度に充分耐える耐熱性および
固体電解質板１とシ一ル板６との密着性を要求される．
厚膜用硝子ペーストあるいはセラミック粉末を含むスラ
リなとの流動性無機材料は、室温で良好な流動性を示す
ので始端５ｌ、５２を確実に被覆することができると共
に、被覆後の焼成により固体電解質板ｌやシール４Ｉｉ
６と強固に密着し、緻密で耐熱性の優れた固体になるか
らである．例えば、ＳｉＯ．，ＢａＯＺｎＯ，Ｃａｂ，
Ｎａｐ，Ｋ！ Ｏなどの粉末を主成分とする厚膜用ペー
ストは、７００〜９００゜Ｃで焼成することにより、固
体電解質板１やシール板６と密着し、５００℃以上の耐
熱性を有する機密性の硝子が容易に得られる．また、ア
ルミナ粉末、ジルコニア粉末を含むスラリも、４００〜
９００℃で焼成することにより、厚膜用ペーストと同樺
、密着性、耐熱性に優れたセラミックが得られる．この
セラミックは、通常、微細な小穴を多く有する多孔性で
あるが、螺旋形拡散穴マの拡散抵抗値に比べ十分に大き
な絋敞抵抗値を有するので、酸素の拡散に対して十分な
閉塞効果を存する．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）複数個の始端を、終端に近接する順に閉塞するこ
とにより、螺旋形拡散穴の拡散抵抗値を大きくする方向
、すなわち限界電流値を小さくする方向に調整できる． （２） 流動性無機材料で始端を被覆した後、焼成す
ることにより、密着性、耐熱性、気密性に優れた始端閉
塞ができる．
第１図（ａ）は本発明の一実施例を示す酸素センサ素セ
ンサの断面図である．
ンサの断面図である．
Claims (5)
- （１）酸素イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記
固体電解質板の一方の表面に形成された陰極電極膜と、 前記固体電解質板の他の表面に形成された陽極電極膜と
、 前記陰極電極膜を囲み、かつ周囲空間と接する複数の始
端と一つの終端とが前記固体電解質板上で互いに間隔を
有するように配置されたスペーサと 前記スペーサ上に前記固体電解質板と相対向するように
配置されたシール板と、 前記スペーサの相対向する隔壁と前記固体電解質板と前
記シール板で囲まれて形成された螺旋形拡散孔と、 から成る酸素センサ。 - （２）前記複数の始端が、前記シール板の端部より外側
の位置で、かつ前記固体電解質板の表面に位置するよう
に配置された特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 - （３）前記複数の始端の一部を流動性無機材料で被覆し
た後、焼成することにより前記複数の始端の一部を閉塞
する特許請求の範囲第１項記載の酸素センサの製造方法
。 - （４）前記流動性無機材料が厚膜用硝子ペーストである
特許請求の範囲第３項記載の酸素センサの製造方法。 - （５）前記流動性無機材料がセラミック粉末を含むスラ
リである特許請求の範囲第３項記載の酸素センサの製造
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013820A JPH03218453A (ja) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | 酸素センサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013820A JPH03218453A (ja) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | 酸素センサおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03218453A true JPH03218453A (ja) | 1991-09-26 |
Family
ID=11843917
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013820A Pending JPH03218453A (ja) | 1990-01-24 | 1990-01-24 | 酸素センサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03218453A (ja) |
-
1990
- 1990-01-24 JP JP2013820A patent/JPH03218453A/ja active Pending
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