JPH0599889A

JPH0599889A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH0599889A
Application number: JP3284040A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Kajima; 孝文鹿嶋; Katsuaki Nakamura; 克明中村; Atsunari Ishibashi; 功成石橋; Yoshinori Kato; 嘉則加藤
Original assignee: CHIKIYUU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Fujikura Ltd
Current assignee: CHIKIYUU KANKYO SANGYO GIJUTSU KENKYU KIKO; Fujikura Ltd
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1993-04-23
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: JPH07109412B2

Abstract

(57)【要約】【構成】本願の酸素センサ２１は、イオン導電体２の
一方の面に少なくとも一対の電極２２，２３を形成し、
少なくとも正の電極２２を酸素を通過させることのでき
る材料２４により被覆し、電極２２，２３に所定の電圧
を印加することにより、イオン導電体中に取り込まれた
酸素が酸素ポンピング作用によりイオンとなって流れ、
このイオンの電流値から酸素濃度が測定される。また、
前記材料は、無機多孔質材料または気体拡散孔を有する
無機材料のいずれか１種である。【効果】レスポンスを大幅に改善することができ、し
たがって、応答性を大幅に向上させることができる。ま
た、製造工程を簡単化することができ、製造コストを低
減することができる。また、前記材料は電極を外部環境
から良好に隔離することができ、試料ガス中の酸素を選
択的に通過させることができ、酸素センサとしての感度
を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、地下室等における酸
欠事故防止、エンジンやボイラー等の燃焼管理等に使用
される限界電流式の酸素センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、安定化ジルコニアをイオン導電体
として用いた限界電流式の酸素センサが実用化されてい
る。この酸素センサは、純粋なジルコニア（ＺｒＯ₂）
にイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、マグネシア（ＭｇＯ）、カル
シア（ＣａＯ）等の酸化物を数ｍｏｌ％程度固溶させて
低温までホタル石型立方晶を保持させた安定化ジルコニ
アをイオン導電体として用いたもので、広範囲の酸素分
圧の検知が可能、応答速度が速い、起電力が安定、高温
雰囲気中で使用可能等の様々な特徴があるために、地下
室等の密室における酸欠事故防止、溶鋼中の酸素濃度測
定、エンジンやボイラー等の燃焼管理、公害計測用等様
々な目的に適合したセンサである。

【０００３】この酸素センサの一例としては、図６に示
す構成のものが知られている。この酸素センサ１は安定
化ジルコニア（例えば、ＺｒＯ₂ー８ｍｏｌ％Ｙ₂Ｏ₃）
等のイオン導電性を有する固体電解質により薄厚に形成
されたイオン導電体２と、このイオン導電体２の両面に
それぞれ形成され一定のセンサ監視電圧が印加される多
孔質の白金の電極３，４と、イオン導電体２の電極３側
に結晶化ガラス５，５により接合され、かつ、中央部に
上下に貫通する気体拡散孔６が形成されたセラミックキ
ャップ７と、該セラミックキャップ７の上面に形成され
た加熱用ヒーター８とから概略構成されている。なお、
前記セラミックキャップ７は、場合によっては極めて酸
素通過性のよい無機多孔質体、例えば多孔質アルミナ等
に置き換えることもある。

【０００４】そして、前記酸素センサ１では、ヒーター
８に所定の電圧を印加し、かつ両電極３，４間に所定の
電圧を印加した状態にしておくと、気体拡散孔６を通し
てイオン導電体２中に取り込まれた試料ガス中の酸素が
酸素ポンピング作用により該イオン導電体２中をイオン
となって流れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値
から、前記試料ガス中の酸素濃度が測定される様になっ
ている。

【０００５】また、図７に示す酸素センサ１１の様に、
セラミックキャップ７に気体拡散孔６を形成せずに、イ
オン導電体２の中央部に上下に貫通する気体拡散孔１２
を形成したものも知られている。そして、この構成の酸
素センサ１１においても、イオン導電体２の気体拡散孔
１２から取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピン
グ作用により該イオン導電体２中をイオンとなって流
れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値から、前記
試料ガス中の酸素濃度が測定される様になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の酸素
センサ１，１１においては、イオン導電体２のバルクと
しての特性を利用しているために、酸素センサとしての
応答性を更に向上させるためには該イオン導電体２の厚
みをかなり薄くしなければならず、該イオン導電体２自
体の機械的強度が低下するとともに、このイオン導電体
２の内部歪やマイクロクラックが増加する等の不具合も
起こり易くなり、イオン導電体２の歩留まりが大幅に低
下するという問題があった。

【０００７】また、電極３，４を形成する方法として
は、厚膜の場合ではスクリーン印刷法が、また、薄膜の
場合ではスパッタリング等が好適に用いられているが、
いずれの方法においてもイオン導電体２の両面に別々の
工程により精度良く電極付けを行う必要があり、製造工
程が複雑になるとともに製造コストも上昇するという問
題があった。

【０００８】この発明は、上記の事情に鑑みてなされた
ものであって、上記の問題を解決するとともに、充分な
気密性及び機械的強度を有し、かつ、高信頼性、小型
化、低消費電力、応答性の向上、低コスト等の優れた特
徴を有する酸素センサを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は次の様な酸素センサを採用した。すなわ
ち、請求項１記載の酸素センサとしては、イオン導電体
の一方の面に少なくとも一対の電極を形成し、これらの
電極のうち少なくとも正の電極を酸素を通過させること
のできる材料により被覆し、これらの電極に所定の電圧
を印加することにより、前記材料を通過して前記イオン
導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピ
ング作用により前記イオン導電体中をイオンとなって流
れ、この酸素イオンをキャリアとする電流値から、前記
試料ガス中の酸素濃度が測定されることを特徴としてい
る。

【００１０】また、請求項２記載の酸素センサとして
は、請求項１記載の酸素センサにおいて、前記材料は、
無機多孔質材料、または気体拡散孔を有する無機材料の
いずれか１種からなることを特徴としている。

【００１１】

【作用】この発明の酸素センサでは、前記材料を通過し
て前記イオン導電体中に取り込まれた試料ガス中の酸素
が酸素ポンピング作用により前記イオン導電体中、特に
該イオン導電体の表面層をイオンとなって流れ、この酸
素イオンをキャリアとする電流値から、前記試料ガス中
の酸素濃度が測定される。

【００１２】請求項１記載の酸素センサでは、イオン導
電体の一方の面に少なくとも一対の電極を形成し、これ
らの電極のうち少なくとも正の電極を酸素を通過させる
ことのできる材料により被覆することにより、試料ガス
中の酸素をイオン導電体中に取り込んでから酸素濃度を
測定するまでの時間を大幅に短縮し(レスポンスを大幅
に短縮し)応答性を大幅に向上させる。また、イオン導
電体の表面層の特性を効果的に利用することにより、イ
オン導電体２の厚みは機械的強度を充分満足する厚みと
すればよく、特に限定する必要がなくなる。

【００１３】また、イオン導電体の一方の面に電極を形
成することにより、イオン導電体の両面に別々の工程に
より電極付けを行う必要がなくなり、製造工程が簡単化
され製造コストも低減される。

【００１４】また、請求項２記載の酸素センサでは、前
記材料を無機多孔質材料、または気体拡散孔を有する無
機材料のいずれか１種からとすることにより、この耐熱
性の材料により電極を外部環境から良好に隔離するとと
もに試料ガス中の酸素を選択的に通過させる。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）図１は、この発明の実施例１の酸素センサ
を示す正断面図である。この酸素センサ２１は、イオン
導電体２と、このイオン導電体２の上面に５０μｍの間
隔をおいて形成された矩形状の一対の多孔質の白金の電
極２２，２３と、イオン導電体２及び電極２２，２３の
上に形成された多孔質無機化合物材料の無機被覆層２４
とから概略構成されている。

【００１６】無機被覆層２４は、例えば、多孔質アルミ
ナ、ホウケイ酸系多孔質ガラス等の無機多孔質材料、ま
たは、気体拡散孔を有するムライトやフォルステライト
等の無機材料が好適に用いられる。

【００１７】図２は酸素センサ２１の限界電流特性を示
すグラフである。このグラフにおいては、該酸素センサ
２１を５００℃に加熱し、電極２２，２３間に印加され
る電圧の大きさを変化させた場合に得られる電流の大き
さをグラフ化した。上記のグラフから、この実施例の酸
素センサ２１は、良好な限界電流特性を示すことがわか
る。

【００１８】表１は、この実施例の酸素センサ２１と従
来例の酸素センサ１とのそれぞれの応答性を比較したも
のである。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１から明らかな様に、この実施例の酸素
センサ２１は従来例の酸素センサ１と比べて酸素濃度が
増加する場合（酸素の吸着過程）及び減少する場合（酸
素の脱着過程）双方共にレスポンスが大幅に改善されて
いることがわかり、応答性が大幅に向上していることが
わかる。

【００２１】以上説明した様に、上記実施例１の酸素セ
ンサ２１によれば、イオン導電体２の上面に一対の多孔
質の白金の電極２２，２３を形成し、イオン導電体２及
び電極２２，２３の上部を無機被覆層２４により被覆し
てなることとしたので、レスポンスを大幅に改善するこ
とができ、したがって、応答性を大幅に向上させること
ができる。また、イオン導電体２の表面層の特性を効果
的に利用することにより、イオン導電体２の厚みは機械
的強度を充分満足する厚みとすればよく、特に限定する
必要がなくなる。

【００２２】また、イオン導電体２の一方の面に電極２
２，２３を形成することにより、製造工程を簡単化する
ことができ、製造コストを低減することができる。

【００２３】また、前記材料を無機多孔質材料、または
気体拡散孔を有する無機材料のいずれか１種からとする
ことにより、電極２２，２３を外部環境から良好に隔離
することができる。また、試料ガス中の酸素を選択的に
通過させることができ、酸素センサとしての感度を向上
させることができる。

【００２４】図３は酸素センサ２１の変形実施例を示す
正断面図である。この酸素センサ３１が上記酸素センサ
２１と異なる点は、イオン導電体２の上面に形成された
一対の多孔質の白金の電極２２，２３のうち、電極２２
のみを無機被覆層２４により被覆した点である。

【００２５】この酸素センサ３１においても上記酸素セ
ンサ２１と同様の作用・効果を得ることができる。

【００２６】（実施例２）図４は、この発明の実施例２
の酸素センサを示す正断面図である。この酸素センサ４
１は、基板４２と、該基板４２上にスパッタリングによ
り形成された安定化ジルコニア（ＺｒＯ₂ー８ｍｏｌ％
Ｙ₂Ｏ₃）からなるイオン導電体薄膜４３と、このイオン
導電体薄膜４３上にエッチングにより短辺方向に配列さ
れるように形成された五対の多孔質の白金の電極４４，
４５と、イオン導電体薄膜４３及び電極４４，４５，…
の上にスパッタリングにより形成された多孔質アルミナ
からなる無機被覆薄膜４６とから概略構成されている。

【００２７】無機被覆薄膜４６は、前記多孔質アルミナ
以外に、例えば、ホウケイ酸系多孔質ガラス等の無機多
孔質材料が好適に用いられる。

【００２８】図５は酸素センサ４１の限界電流特性を示
すグラフである。この実施例の酸素センサ４１において
も上述した酸素センサ２１と同様に、良好な限界電流特
性を示すことがわかる。

【００２９】このように、この酸素センサ４１において
も上記酸素センサ２１,３１と同様の作用・効果を得る
ことができる。また、電極４４，４５，…の数を増加さ
せることによりイオン電流の増加が可能であり、また、
電極４４，４５間の間隔を調整することにより酸素濃度
の測定範囲や感度等の特性を調整することが可能であ
り、集積化に対しても速やかに対応することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳細に説明した様に、請求項１記載
の酸素センサによれば、イオン導電体の一方の面に少な
くとも一対の電極を形成し、これらの電極のうち少なく
とも正の電極を酸素を通過させることのできる材料によ
り被覆し、これらの電極に所定の電圧を印加することに
より、前記材料を通過して前記イオン導電体中に取り込
まれた試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用により前
記イオン導電体中をイオンとなって流れ、この酸素イオ
ンをキャリアとする電流値から、前記試料ガス中の酸素
濃度が測定される構成としたので、レスポンスを大幅に
改善することができ、したがって、応答性を大幅に向上
させることができる。また、イオン導電体の表面層の特
性を効果的に利用することにより、イオン導電体の厚み
は機械的強度を充分満足する厚みとすればよく、特に限
定する必要がなくなる。

【００３１】また、イオン導電体の一方の面に電極を形
成することにより、製造工程を簡単化することができ、
製造コストを低減することができる。

【００３２】また、電極の数を増加させることによりイ
オン電流の増加が可能であり、また、電極間の間隔を調
整することにより酸素濃度の測定範囲や感度等の特性を
調整することが可能であり、集積化に対しても速やかに
対応することができる。

【００３３】また、請求項２記載の酸素センサによれ
ば、請求項１記載の酸素センサにおいて、前記材料は、
無機多孔質材料、または気体拡散孔を有する無機材料の
いずれか１種からなることとしたので、電極を外部環境
から良好に隔離することができる。また、試料ガス中の
酸素を選択的に通過させることができ、酸素センサとし
ての感度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の酸素センサを示す正断
面図である。

【図２】この発明の実施例１の酸素センサの限界電流
特性を示すグラフである。

【図３】この発明の実施例１の他の酸素センサを示す
正断面図である。

【図４】この発明の実施例２の酸素センサを示す正断
面図である。

【図５】この発明の実施例２の酸素センサの限界電流
特性を示すグラフである。

【図６】従来の酸素センサを示す正断面図である。

【図７】従来の他の酸素センサを示す正断面図であ
る。

【符号の説明】

２１…酸素センサ、２…イオン導電体、２２，２３…電
極、２４…無機被覆層、３１…酸素センサ、４１…酸素
センサ、４２…基板、４３…イオン導電体薄膜、４４，
４５…電極、４６…無機被覆薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村克明東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内 (72)発明者石橋功成東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内 (72)発明者加藤嘉則東京都江東区木場一丁目５番１号藤倉電線株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン導電体の一方の面に少なくとも一
対の電極を形成し、これらの電極のうち少なくとも正の
電極を酸素を通過させることのできる材料により被覆
し、これらの電極に所定の電圧を印加することにより、
前記材料を通過して前記イオン導電体中に取り込まれた
試料ガス中の酸素が酸素ポンピング作用により前記イオ
ン導電体中をイオンとなって流れ、この酸素イオンをキ
ャリアとする電流値から、前記試料ガス中の酸素濃度が
測定されることを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】前記材料は、無機多孔質材料、または気
体拡散孔を有する無機材料のいずれか１種からなること
を特徴とする請求項１記載の酸素センサ。