JPH0448530Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本考案は被測定気体中の酸素濃度を測定するた
めの酸素センサに関するものである。

「従来技術」 従来、被測定気体中の酸素濃度（酸素分圧）を
測定するための酸素センサとして、例えば、第１
図あるいは第２図に示す構造のセンサ素子を用い
たものが知られている。

第１図に示すセンサ素子１は、固体電解質から
なる酸素イオン導電板（ZrO₂に、Y₂O₃、MgO、
CaO、等を固溶させて安定化したものが一例とし
て挙げられる）２の両面に、白金等からなる薄膜
状の電極３を設け、これらの電極３の１つを覆う
カプセル４とこのカプセル４に穿設された微小径
の拡散孔５とからなる酸素拡散制御体６を設けた
構成となつている。また、第２図に示すセンサ素
子７は、第１図に示すセンサ素子１の酸素拡散制
御体６に代えて、多数の連続気孔を有する多孔質
体によつて形成された酸素拡散制御体８を設けた
構成となつている。

このように構成されたセンサ素子１，７は、前
記両電極３間に、直流電源Ａによつてセンサ素子
１，７の外部側から内部側へ向う方向（第１図の
矢印イ方向）に電流を強制的に流し、前記センサ
素子１，７内の酸素を酸素イオン導電板２を介し
て外部へ放出する作用、いわゆるポンピング作用
を利用して被測定気体Ｇ中の酸素濃度を測定する
ようになつている。

すなわち、前述したポンピング作用の最中に、
センサ素子１，７内に酸素拡散制御体６，８の拡
散孔５（連続気孔）を介して外部の酸素が拡散さ
せられるが、この酸素の拡散量よりも前記ポンピ
ング作用による酸素の放出量が大きくなるように
前記電流値を設定すると、前記両電極３間に生じ
る電圧が第３図に電圧変化曲線ａで示すように次
の３領域で区分される変化特性を示す。

（Ｘ）；電流を流してからポンピング作用が定常
状態に至るまでの過渡領域。

（Ｐ）；ポンピング作用が定常状態で行なわれて
いるポンピング領域（この領域において、安
定したポンピング電圧Vpが得られる）。

（Ｚ）；センサ素子１，７内の酸素が希薄状態と
なされ、酸素イオン導電板２からの酸素放出
量がほぼ０となされる律速領域（この領域に
おいて酸素イオン導電板２の内部抵抗が増大
し、電圧が急増する）。

そして前記ポンピング領域（Ｐ）の継続時間、
すなわちポンピング時間dtは、被測定気体Ｇ中の
酸素濃度に対応して得られる。

したがつて、前記電流の大きさやセンサ素子
１，７の諸形状寸法（例えばセンサ素子１にあつ
ては拡散孔５の径や長さであり、また、センサ素
子７にあつては酸素拡散制御体８の気孔率等であ
る）を一定にしておいて、前記ポンピング時間dt
を検出することにより、前述したセンサ素子１，
７による酸素濃度の測定が行なわれる。

そして、前述したセンサ素子１，７は、第４図
に示すように、平板状のステム９上に、このステ
ム９を貫通して設けられた電極用ポスト１０およ
びこの電極用ポスト１０と前記電極３との間に接
続された電極用リード線１１によつて支持されて
酸素センサを構成するようになつている。一方、
図中符号１２で示すものは金属メツシユによつて
形成されたカバーである。しかしながら、このよ
うな従来の酸素センサにあつては、測定領域内の
細かいごみ等がカバー１２の網目を通つて内部へ
入り込み、センサ素子１，７の特性に重要な影響
をおよぼす部分である酸素拡散制御体６，８の拡
散孔５（連続気孔）を塞いでしまつたり、あるい
は電極３の面上に付着するなどして三相界面を減
少させて、酸素センサの測定精度を低下させるお
それがある。また、センサ素子１，７が電極用リ
ード線１１によつて支持されていることにより、
センサ素子１，７の支持が不安定になりやすく、
非測定気体Ｇがセンサ素子１，７のまわりに流れ
を形成すること等により、保温性の低下を招きや
すく、この点からも酸素センサの測定精度を低下
させるおそれがある。

「考案の目的」 本考案は前述した従来の諸事情に鑑みてなされ
たもので、センサ素子の酸素拡散制御体の目詰ま
りを防止するとともに保温性を高めて測定精度の
低下を防止し、かつ、センサ素子を確実に支持す
ることのできる酸素センサの提供を目的とする。

「考案の構成」 本考案は前述した目的を構成するために、被測
定気体中の酸素濃度を検出するセンサ素子と、該
センサ素子を取り付ける凹部を有するステムと、
このセンサ素子を覆つて前記ステムとの間に充填
された防塵用充填材とを備え、前記センサ素子
は、固体電解質によつて形成された酸素イオン導
電板と、この酸素イオン導電板に一体に設けられ
た２つの電極と、これらの電極の１つを覆つて酸
素イオン導電板に固定された酸素拡散制御体とか
らなり、前記凹部には酸素拡散用の開口部が形成
されていることを特徴とする。

「実施例」 以下、本考案を第５図および第６図に示す一実
施例に基づき詳細に説明する。なお、以下の説明
中、第１図〜第４図と共通する部分については同
一符号を用いて説明を簡略化する。

本実施例に係わる酸素センサは、第５図および
第６図に示すように、被測定気体Ｇ中の酸素濃度
を検出するセンサ素子１，７と、このセンサ素子
１，７を取り付ける凹部３１を有するステム１３
と、このセンサ素子１，７を覆つて前記ステム１
３との間に充填された繊維状の充填材１４とを備
え、前記センサ素子１，７は、固体電解質によつ
て形成された酸素イオン導電板２と、この酸素イ
オン導電板２に一体に設けられた２つの電極３，
３と、これらの電極３，３の１つを覆つて酸素イ
オン導電板２に固定された酸素拡散制御体６，８
とからなり、前記凹部３１の中央底部には酸素拡
散用の開口部３２が形成され、かつ、前記充填材
１４は、熱伝導率が低くかつ耐熱性の高い材料に
よつて形成された基本構成となつている。

前記ステム１３は熱伝導率の低い材料によつて
形成されており、その側部には、前記センサ素子
１，７へ駆動電流を供給するための給電用端子１
５および加熱電流供給用のヒータ端子１６が貫通
状態で一体に設けられている。

前記センサ素子１，７は、その酸素拡散制御体
６，８の上面に抵抗発熱体からなるヒータ１７が
一体に設けられている。そしてこのヒータ１７が
ヒータ用リード線１８を介して前記ヒータ端子１
６に接続され、また、前記センサ素子１，７の電
極３が電極用リード線１９を介して前記給電用端
子１５に接続されることによつて、前記ステム１
３内にその内壁面との間に間隔をおいて位置させ
られている。

前記充填材１４は、例えばセラミツク繊維、ガ
ラス繊維あるいはアスベスト等からなる保温性、
耐熱性を有する短繊維の綿状体か、または適当な
通気性、粒径を有するAl₂O₃等のセラミツク粉体
であつて、前記センサ素子１，７とステム１３と
の間に充填されて両者間の間隔を維持するように
なつている。そしてセンサ素子１にあつては少な
くとも拡散孔内に充填材が入り拡散抵抗値を変化
させることがないように、例えば拡散孔５開口部
上に金属メツシユ等の保護部材を被せておき詰ま
りを防止することが望ましい。また充填材が綿状
体の場合にはあらかじめ前記開口部上に多少の空
間部が形成されるように該綿状体を成型しておけ
ば特に保護部材を必要としない場合もある。充填
材の密度は通気性は多少損なつても十分な防塵効
果を持たせるようにする。

一方、第５図および第６図において符号２０は
金属メツシユによつて形成されたカバーで、第５
図に示すように、前記ステム１３の開口部３２を
覆うようにステム１３に固定されている。

このように構成された本実施例の酸素センサ
は、被測定気体Ｇ中に設置したのちに、ヒータ１
７にヒータ端子１６、ヒータ用リード１８を介し
て加熱電流を供給してセンサ素子１，７を動作温
度に加熱することにより、酸素濃度測定可能状態
となされる。

この状態より、給電用端子１５および電極用リ
ード線１９を介して両電極３，３間に駆動電流を
供給し、センサ素子１，７にポンピング動作を生
じさせることによつて、被測定気体Ｇ中の酸素濃
度を測定することができる。

このような酸素濃度測定操作の際に、センサ素
子１，７がほぼ全周に亘つて繊維状の充填材１４
で覆われているから、被測定気体Ｇ中のごみ等が
酸素拡散制御体６，８の拡散孔５（連続気孔）に
入り込むことを防止するとともに、センサ素子
１，７のまわりの被測定気体Ｇのながれを抑制し
てセンサ素子１，７の温度低下を防止する。ま
た、前記充填材１４が繊維状であるために、被測
定気体Ｇ中の酸素の拡散が阻害されることはな
い。したがつて、センサ素子１，７の安定したポ
ンピング動作を維持し酸素濃度の測定精度の低下
を防止することができる。また、センサ素子１，
７とステム１３との間に介在する繊維状の充填材
１４によつて両者間の間隔が維持され、かつ、ス
テム１３に外力が作用したとしても、前記充填材
１４がいわゆる緩衝材として作用して、センサ素
子１，７の支持を確実に行なうことができるとと
もにセンサ素子１，７の損傷、特に、各リード線
１８，１９と各端子１５，１６や電極３およびヒ
ータ１７との接続部における断線等を防止するこ
とができる。したがつて、耐久性を著く向上させ
ることができる。

なお、前記実施例において示したセンサ素子
１，７、ステム１３、カバー２０等の各構成部材
の諸形状は一例であつて種々変更可能である。ま
た上記実施例の充填材には繊維状のものを使用し
たが粉体状のものを使用しても同様である。さら
に、カバー２０やステム１３の内面に金属メツキ
等を施して、センサ素子１，７からの放射熱をセ
ンサ素子１，７へ向けて反射させるようにして保
温効果を高めることもできる。

「考案の効果」 以上、説明したように、本考案に係わる酸素セ
ンサによれば次のような優れた効果を奏する。

繊維状あるいは粉体状の充填材で被測定気体
中のごみ等が酸素拡散制御体や電極等に付着す
ることを防止し、酸素制御体のめづまりや三相
界面の減少を防止することができる。

充填材によつてセンサ素子とステムとの間隔
を維持し、かつ、ステムに作用する外力がセン
サ素子に伝達されることを防止あるいは緩和し
て、センサ素子やそれに接続される他の構成部
材の損傷を防止することができる。

前述した効果の相乗作用により、安定した酸
素濃度測定を実施することができるとともに、
耐久性を著く向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面中、第１図および第２図は、それぞれ固体
電解質によつて形成された酸素イオン導電板を備
えたセンサ素子の構造例を示す縦断面図、第３図
は第１図および第２図に示すセンサ素子の酸素濃
度測定動作を説明するための電圧変化曲線図、第
４図は第１図に示すセンサ素子を用いた従来の酸
素センサの一構造を示す斜視図、第５図および第
６図は本考案の一実施例を示すもので、第５図は
縦断面図、第６図は第５図の−に沿う矢視断
面図である。 １，７……センサ素子、２……酸素イオン導電
板、３……電極、６，８……酸素拡散制御体、１
３……ステム、１４……充填材、１５……給電用
端子、１６……ヒータ端子、１７……ヒータ、１
８……ヒータ用リード線、１９……電極用リード
線、２０……カバー、３１……凹部、３２……開
口部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 被測定気体Ｇ中の酸素濃度を検出するセンサ素
   子１，７と、該センサ素子を取り付ける凹部３１
   を有するステム１３と、このセンサ素子を覆つて
   前記ステムとの間に充填された防塵用充填材１４
   とを備え、 前記センサ素子は、固体電解質によつて形成さ
   れた酸素イオン導電板２と、この酸素イオン導電
   板に一体に設けられた２つの電極３と、これらの
   電極の１つを覆つて酸素イオン導電板に固定され
   た酸素拡散制御体６，８とからなり、 前記凹部には酸素拡散用の開口部３２が形成さ
   れていることを特徴とする酸素センサ。