JPH05196599A - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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JPH05196599A
JPH05196599A JP4204084A JP20408492A JPH05196599A JP H05196599 A JPH05196599 A JP H05196599A JP 4204084 A JP4204084 A JP 4204084A JP 20408492 A JP20408492 A JP 20408492A JP H05196599 A JPH05196599 A JP H05196599A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の主目的は、センサの正しい機能に関
する診断情報(識別情報)を得ることができる酸素セン
サを提供することにある。 【構成】 本発明の酸素センサは、2つの対向面を備え
た基板1と、該基板1の一方の面上に載った第1電極層
2と、該第1電極層2上に載った電解質3と、該電解質
層3上に載った第2電極層4と、前記基板1の他方の面
上に載った第3電極層6とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は酸素センサに関する。
【0002】
【従来の技術】酸素センサは、特に、自動車用エンジン
及びガス燃焼形ボイラ等の燃焼装置における空燃比(空
気燃料比)の測定及び制御に使用されている。酸素セン
サは排気ガス中に配置され、ガス中の酸素含有量の測定
により、燃焼効率及びエミッション(排気ガス)の制御
を最適化することができる。
【0003】一般に、酸素センサは、アルミナの基板
と、該基板上に存在するカソードとして機能する第1電
極と、前記カソード上に存在する固体金属酸化物の酸素
イオンを導く電解質と、該電解質上に存在するアノード
として機能する第2電極とで構成されている。一般に、
電解質はジルコニアからなり、電極は白金からなる。上
記形式の現存の酸素センサは別々の電極部品及び電解質
部品で構成されている。しかしながら、これらの酸素セ
ンサは比較的高価であり、コスト低減のために電極及び
電解質を基板上の印刷層として製造する試みがなされて
いる。しかしながら、このようにして製造されたセンサ
は、特に白金カソードと電解質との間の密着性を欠き、
また白金アノードと電解質との間の密着性にも欠けると
いう問題があり、このため酸素センサを印刷することは
未だポピュラーな技術になってはいない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、センサの正しい機能に関する診断情報(識別情報)
を得ることができる酸素センサを提供することにある。
本発明の他の目的は、カソードと電解質との間の密着性
を顕著に改善でき、従ってカソード層及び電解質層の印
刷を成功裏に行うことができる酸素センサを提供するこ
とにある。
【0005】本発明の副次的な目的は、アノードと電解
質との間の密着性をも改善し、電解質上へのアノードの
印刷も成功裏に行うことができる酸素センサを提供する
ことにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】従って、本発明の1つの
特徴によれば、2つの対向面を備えた基板と、該基板の
一方の面上に載った第1電極層と、該第1電極層上に載
った電解質と、該電解質層上に載った第2電極層と、前
記基板の他方の面上に載った第3電極層とを有する酸素
センサが提供される。
【0007】前記3つの電極のうちの少なくとも1つの
電極は金属−金属酸化物の酸素イオン導体を含む材料で
形成し、第3電極も金属酸化物の酸素イオン導体を含む
材料で形成するのが好ましい。電解質自体は金属酸化物
の酸素イオン導体で形成するのが好ましい。基板はジル
コニアのような酸素イオン導体で形成することができ
る。
【0008】本発明の他の特徴によれば、2つの対向面
を備えた基板と、該基板の一方の面上に載った第1電極
層と、該第1電極層上に載った金属酸化物の酸素イオン
導体で形成された電解質と、該電解質層上に載った第2
電極層とを有しており、前記2つの電極のうちの少なく
とも1つの電極が金属酸化物の酸素イオン導体を含む材
料で形成された酸素センサが提供される。
【0009】第2電極も金属酸化物の酸素イオン導体を
含む材料で形成するのが好ましい。金属酸化物はジルコ
ニアにすることができ、基板はジルコニアのような酸素
イオン導体にすることができる。電極材料における金属
酸化物の酸素イオン導体は金属−金属酸化物のサーメッ
トの金属酸化物部分であり、電解質の金属酸化物とサー
メットの金属酸化物とは同一材料であるのが好ましい。
【0010】白金はサーメットの20〜90体積%の範
囲内にあるのが好ましい。
【0011】
【実施例】以下、添付図面に関連して本発明の実施例を
詳細に説明する。図1に示すように、本発明のセンサ
(酸素センサ)は、基板1と、該基板1の上面に載った
第1電極2と、該第1電極2上に載った電解質3と、該
電解質3上に載った第2電極4とからなる。
【0012】図1に示すセンサの場合、基板材料は、6
50ミクロンの厚さをもつ96%アルミナのベースを選
択した。両電極用のインク材料は、白金ペーストとジル
コニアペーストとの混合物からなる。ジルコニアペース
トは、ジルコニア粉末と、市販のスクリーン印刷用バイ
ンダ及び溶剤とを混合することにより作られる。このよ
うにして作られた白金−ジルコニアサーメットインク
は、12体積%の白金を含有している。
【0013】電解質インクは、上記方法により作られた
ジルコニアペーストからなる。次に、DEK社のモデル
1202型機械を用いて、第1電極(カソードとしての
使用に供するもの)を、円形ディスク2として基板1上
にスクリーン印刷する。この円形ディスク(第1電極)
2は、図1に示すように、電気ターミナルに接続するた
めの半径方向に延びたタブ7を備えている。この第1電
極2の上に電解質3を印刷する前に、第1電極2を乾燥
し且つ1,000 ℃で短時間燃焼して有機バインダを除去す
る。
【0014】次に、同じ機械を用いて、電解質を円形デ
ィスク3としてカソード(第1電極)2上にスクリーン
印刷するが、タブ7の一部は電解質3の外周部から突出
させておく。次に、電解質3を乾燥させ且つジルコニア
を焼結するのに充分な時間をかけて電解質3を1,400 ℃
で燃焼する。最後に、同じ機械を用いて、第2電極(ア
ノードとしての使用に供するもの)を、円形ディスク4
として基板1上にスクリーン印刷する。この円形ディス
ク(第2電極)4は電解質3の直径より小さく、電気タ
ーミナルに接続するための半径方向に延びたタブ8を備
えている。次にアノード4を乾燥し且つ1,400 ℃で短時
間燃焼する。
【0015】燃焼後、電極の白金含有量は65体積%に
なっていることが判明した。次に、センサを基板1から
直径8mmのディスクとして切断する。最後に、電気ター
ミナルとして機能する白金ワイヤ(図示せず)をアノー
ド4及びカソード2に接続する。電極層及び電解質層の
厚さは印刷中に制御され、結果として得られる電極層の
厚さは6ミクロン、電解質層の厚さは25ミクロンであ
る。
【0016】図2(この図2では、図1に示したセンサ
の構成部品と同じ構成部品は同じ参照番号で示されてい
る)を参照すると、このセンサは非導電層5と、第3電
極6とを有している。この場合、基板1は、ジルコニア
等の酸素イオン導体である。非導電層5は基板1上に載
っており且つ中央孔を有している。この中央孔には、上
記第1実施例のセンサの電極2と同じ機能をもつ電極
2′の下部本体が延びている。電極2′の下部本体は基
板1の上面と接触しており、他方、電極2′の上部は非
導電層5の上に載る環状突出部7を備えている。非導電
層5の上には電解質3が載っている。電極2′は、図1
のセンサの電極と同じ性質及び組成をもつ白金及びジル
コニアのサーメットからなる。
【0017】図示のように、第3電極6は基板1の下面
上に配置されており、白金ワイヤに接続するための半径
方向に延びたタブ(図示せず)を備えている。この第3
電極6も、図1のセンサの電極と同じ性質及び組成をも
つ白金−ジルコニアサーメットからなる。図2のセンサ
も、図1のセンサの製造で説明した方法と同じ方法によ
り製造される。
【0018】図1のセンサでは、カソードとして機能す
る電極2とアノードとして機能する電極4との間に電圧
が印加され、これによりカソードでは酸素が減少し、電
解質3中の酸素イオンにより電流が運ばれる。この電気
化学的方法は、酸素ポンピングとして知られている。電
解質3は、カソード2への酸素の移動を制限する多孔質
障壁(ポーラスバリヤ)として機能する。アノード4と
カソード2との間に充分な電圧が印加されるならば、カ
ソード2における酸素の分圧はほぼゼロに低下する。こ
れは限界条件であり、流れる電流は電解質3を通る酸素
の拡散速度により制御される。限界電流はセンサを包囲
するガス中の酸素濃度に比例する。このため、これらの
センサはガス燃焼形ボイラ及び内燃機関の排気ガスの酸
素濃度を測定するのに理想的であるが、2つの使用例が
ある。
【0019】図2に示すセンサでは、カソードとして機
能する電極2′と電極4(アノードとして機能する)と
の間に電圧を印加しておき、電極2′と第3電極6との
間の電圧を付加的に測定することができ、これにより、
酸素濃度を測定する付加的な情報が得られ、且つセンサ
の正しい機能に関する診断情報を得ることができる。例
えば、第3電極6は、センサがその出力電流特性のリニ
ア領域で作動していることを確認するのに使用できる
(リニア領域では、電流が混合物中の酸素の分圧に正比
例する)。リニア領域ではセンサの温度変化に対する出
力電流の応答が最小になるため、センサをこのリニア領
域で作動させることは非常に好ましいことである。更に
他の例として、上記第3電極6を組み込んだセンサを、
英国特許出願第9101763.2 に記載されているような機能
を遂行するのに使用することもできる。
【0020】図3及び図4には、温度が変化する炉内の
石英管内にセンサを配置した場合の結果が示してある。
酸素濃度は、マスフロー弁を用いて窒素と空気とを一定
比率で混合することにより制御した。石英管を通って流
れるガス混合物及びセンサを通って流れる電流を、アノ
ードとカソードとの間に印加された所与の電圧に対し
て、測定した。
【0021】図3には、800℃の一定の炉温度での1
体積%、4体積%、8体積%及び21体積%の酸素濃度
におけるセンサの電流−電圧特性が示されている。これ
らの特性は、別々の構成部品で構成されたセンサについ
て得られる特性と非常に良く似ている。図4には、21
体積%の一定の酸素濃度での800℃、700℃、65
0℃及び600℃の炉温度における電流−電圧特性が示
されている。
【0022】これらの特性も、別々の構成部品で構成さ
れたセンサについて得られる特性と非常に良く似てい
る。電極と電解質との間の密着性は優れていることが判
明している。これは、電解質及び各電極の両者が酸素イ
オン導体(より詳しくは金属酸化物であり、本発明のセ
ンサではジルコニア)を含有しており、従って電解質及
び電極に、密着性に関して物理的に互いに相容性をもた
せることができるためであると考えられ、電解質及び電
極における金属酸化物が同一であれば特に優れた結果が
得られる。従来のセンサのように、電極が白金のような
金属である場合には、このように優れた密着特性は得ら
れない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例によるセンサの一部を切断
した斜視図である。
【図2】本発明の他の実施例によるセンサの一部を切断
した斜視図である。
【図3】本発明の第1実施例によるセンサについての、
800℃の一定温度で酸素濃度を変化させた場合の電流
−電圧特性を示すグラフである。
【図4】本発明の第1実施例によるセンサについての、
一定の酸素濃度で温度を変化させた場合の電流−電圧特
性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 基板 2 第1電極(円形ディスク、カソード) 2′ 電極 3 電解質 4 第2電極 5 非導電層 6 第3電極 7 タブ 8 タブ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年9月18日
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図1
【補正方法】変更
【補正内容】
【図1】
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 2つの対向面を備えた基板と、該基板の
    一方の面上に載った第1電極層と、該第1電極層上に載
    った電解質と、該電解質層上に載った第2電極層と、前
    記基板の他方の面上に載った第3電極層とを有している
    ことを特徴とする酸素センサ。
  2. 【請求項2】 前記基板が酸素イオン導体であることを
    特徴とする請求項1に記載の酸素センサ。
  3. 【請求項3】 前記基板がジルコニアであることを特徴
    とする請求項2に記載の酸素センサ。
  4. 【請求項4】 前記3つの電極のうちの少なくとも1つ
    の電極が、金属−金属酸化物の酸素イオン導体を含む材
    料で形成されていることを特徴とする請求項1〜3のい
    ずれか1項に記載の酸素センサ。
  5. 【請求項5】 前記第3電極も金属酸化物の酸素イオン
    導体を含む材料で形成されていることを特徴とする請求
    項4に記載の酸素センサ。
  6. 【請求項6】 前記電解質が金属酸化物の酸素イオン導
    体で形成されていることを特徴とする請求項1〜5のい
    ずれか1項に記載の酸素センサ。
  7. 【請求項7】 2つの対向面を備えた基板と、該基板の
    一方の面上に載った第1電極層と、該第1電極層上に載
    った金属酸化物の酸素イオン導体で形成された電解質
    と、該電解質層上に載った第2電極層とを有しており、
    前記2つの電極のうちの少なくとも1つの電極が金属酸
    化物の酸素イオン導体を含む材料で形成されていること
    を特徴とする酸素センサ。
  8. 【請求項8】 前記第2電極も金属酸化物の酸素イオン
    導体を含む材料で形成されていることを特徴とする請求
    項1〜7のいずれか1項に記載の酸素センサ。
  9. 【請求項9】 前記基板がアルミナからなることを特徴
    とする請求項7又は8に記載の酸素センサ。
  10. 【請求項10】 前記基板が酸素イオン導体であること
    を特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の酸素
    センサ。
  11. 【請求項11】 前記酸素イオン導体がジルコニアであ
    ることを特徴とする請求項10に記載の酸素センサ。
  12. 【請求項12】 前記電極材料における金属酸化物の酸
    素イオン導体が、金属−金属酸化物のサーメットの金属
    酸化物部分であることを特徴とする請求項1〜11のい
    ずれか1項に記載の酸素センサ。
  13. 【請求項13】 前記電解質の金属酸化物とサーメット
    の金属酸化物とが同一材料であることを特徴とする請求
    項12に記載の酸素センサ。
  14. 【請求項14】 前記金属酸化物がジルコニアであるこ
    とを特徴とする請求項13に記載の酸素センサ。
  15. 【請求項15】 前記サーメットの金属が白金であるこ
    とを特徴とする請求項12〜14のいずれか1項に記載
    の酸素センサ。
  16. 【請求項16】 前記白金が前記サーメットの20〜9
    0体積%の範囲内にあることを特徴とする請求項15に
    記載の酸素センサ。
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