JPH06265517A

JPH06265517A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH06265517A
Application number: JP5054481A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nagai; 彪長井; Kunihiro Tsuruta; 邦弘鶴田; Takahiro Umeda; 孝裕梅田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-16
Filing date: 1993-03-16
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】拡散通路の閉塞やクラック発生などの異常を
検出できる酸素センサを提供する。【構成】酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質板
１１と、その表面に形成された第１陰極電極膜２１ｂお
よび第１陽極電極膜２１ａと、前記第１陰極電極膜２１
ｂを囲む第１スペーサ５１と前記第１スペーサ５１の隔
壁と前記第１固体電解質板１１とシール板３で囲まれて
形成された第１密閉空間６１と、前記第１密閉空間６１
と周囲空間とを結ぶ第１拡散通路４１と、第２固体電解
質板１２と、その表面に形成された第２陰極電極膜２２
ｂおよび第２陽極電極膜２２ａと、前記第２陰極電極膜
２２ｂを囲む第２スペーサ５２と、前記第２スペーサ５
２の隔壁と前記第２固体電解質板１２と前記シール板３
で囲まれて形成された第２密閉空間６２と、前記第２密
閉空間６２と周囲空間とを結ぶ第２拡散通路４２とを備
えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は室内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。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の酸素センサは、図５に示
すように、酸素イオン伝導性を有する固体電解質板１
（例えばジルコニア系セラミック板）の両面に白金など
の金属電極膜２（陽極２ａ、陰極２ｂ）を形成し、さら
に前記陰極２ｂ側の固体電解質板１の上にシール板３を
配置し、さらにシール板３に酸素の拡散通路４が設けら
れている。シール板３と固体電解質板１は、通常、硝
子、セラミックなどのスペーサ５により気密に接着され
る。密閉空間６は拡散通路４を通じて外部空間に連通し
ている。

【０００３】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、電極間に直流電圧を印加する
と、陰極２ｂ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
かって拡散し、陽極２ａに到達した後、そこで酸素イオ
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６への酸素の流入はシール板３に設けられた拡
散通路４により制限され、陰極２ｂ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１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５９−１
９２９５３号公報、特開昭６０−２５２２５４号公
報）。

【０００４】また、前記拡散通路４に代えて、図６に示
すように、前記シール板３と前記固体電解質１とをスペ
ーサ５で気密に接着し、このスペーサ５の側壁とシール
板３と固体電解質１とで囲まれた拡散通路４も知られて
いる。この拡散通路４の始端４１は外部空間に接し、終
端４２は密閉空間６に接している（例えば、特開昭６３
−１５４９５８号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】拡散通路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頼性を確保す
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ッ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４００℃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通路４は直
径が数十μm、長さ数mmの極めて小さなものとなる。従
って酸素センサ製造時や実使用のとき、埃や異物などが
拡散通路４に進入して、拡散通路４を閉塞させる懸念が
ある。その結果、限界電流値が所定の値に比べ、減少す
るので、酸素センサが誤動作する問題点がある。

【０００６】また、蓋体３と固体電解質板１を気密に接
着するスペーサ５に使用中の熱衝撃などにより部分的に
クラックが発生し、その結果、気密性を失うことがあ
る。この場合、限界電流値が所定の値よりも増加するの
で、酸素センサが誤動作する問題点がある。

【０００７】本発明はかかる従来の問題点を解消するも
ので、異物や埃による拡散通路４の閉塞およびスペーサ
５でのクラック発生などの異常を検知できる酸素センサ
を提供することを第１の目的とする。

【０００８】また、本発明の酸素センサを用いて、拡散
通路４の閉塞およびスペーサ５でのクラック発生などの
異常を検知できる酸素濃度検出装置を提供することを第
２の目的とする

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の酸素センサは、酸素イオン伝導性を有する
第１固体電解質板と、前記第１固体電解質板の一方の表
面に形成された第１陰極電極膜と、前記第１固体電解質
板の他の表面に形成され、前記第１陰極電極膜と対向す
る第１陽極電極膜と、前記第１陰極電極膜を囲む第１ス
ペーサと、前記第１スペーサ上に前記第１固体電解質板
と相対向して配置されたシール板と、前記第１スペーサ
の隔壁と前記第１固体電解質板と前記シール板で囲まれ
て形成された第１密閉空間と、前記第１密閉空間と周囲
空間とを結ぶ第１拡散通路と、酸素イオン伝導性を有す
る第２固体電解質板と、前記第２固体電解質板の一方の
表面に形成された第２陰極電極膜と、前記第２固体電解
質板の他の表面に形成され、前記第２陰極電極膜と対向
する第２陽極電極膜と、前記第２固体電解質板と前記シ
ール板との間に位置し、前記第２陰極電極膜を囲む第２
のスペーサと、前記第２スペーサの隔壁と前記第２固体
電解質板と前記シール板で囲まれて形成された第２密閉
空間と、前記第２密閉空間と周囲空間とを結ぶ第２拡散
通路とを備えたものである。

【００１０】また、本発明の酸素濃度検出装置は前記第
１および第２陰極電極膜と前記第１及び第２陽極電極膜
の間に直流電源と固定抵抗体をそれぞれ直列接続し、そ
れぞれの固体抵抗体の両端の信号電圧の電圧比検手段と
前記電圧比の設定値に対する偏差検出手段を備えたもの
である。

【００１１】

【作用】本発明は上記構成において、第１および第２陰
極電極膜をそれぞれ取り囲む独立した第１及び第２密閉
空間を備えているので、第１及び第２陽極電極膜、第１
及び第２陰極電極膜、第１及び第２固体電解質板、第１
及び第２密閉空間、シール板および第１及び第２拡散通
路から成る２個の独立した酸素センサ素子が集積されて
いる。この構成により、同じ測定環境中、すなわち同じ
酸素濃度の環境中で２個の限界電流値が容易に得られ
る。異物や埃による拡散通路の閉塞およびスペーサでの
クラック発生などの異常が生じた場合、限界電流値が変
動する。これら異常が２個の独立した酸素センサにおい
て同時に同じ程度発生することは殆ど実用上あり得な
い。従って、２個の限界電流値を比較して、それらの値
の相対的関係が初期の相対的関係からずれを生じた場
合、上記異常が発生したと判断できる。

【００１２】集積された２個の酸素センサ素子のそれぞ
れの拡散通路は必ずしも同一でなく、通常、±３０％以
下でばらつく。この結果、限界電流値もまた同程度ばら
つく。他方、限界電流値は酸素濃度にも依存して変化す
る。このような条件下で前記相対的関係のずれを検出す
る場合、二つの限界電流値の比の検出が適切である。こ
の理由は、限界電流値の比が酸素濃度に依存せず一定値
になると共に、拡散通路のばらつきにもまた依存しない
ことによる。

【００１３】また、本発明の酸素濃度検出装置は、固定
抵抗体の両端の信号電圧で限界電流値を検出すると共
に、二つの前記信号電圧の電圧比検出手段と前記電圧比
の設定値に対する偏差検出手段を備えているので、前記
二つの信号電圧のどちらか一方が異常値を示した場合、
容易にそれを検出できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説
明する。

【００１５】図１は本発明の一実施例を示す断面図であ
る。第１固体電解質板１１に第１陽極電極膜２１ａ、第
１陰極電極膜２１ｂ、第１拡散通路４１を形成した。ま
た、第２固体電解質板１２に第２陽極電極膜２２ａ、第
２陰極電極膜２２ｂ，第２拡散通路４２を形成した。

【００１６】次に、第２拡散通路４１と第１陰極電極膜
２１ｂを取り囲んで、第１固体電解質板１１をシール板
３の一方の表面に第１スペーサ５１で気密に接着し、第
１気密空間６１を形成した。更に、第２拡散通路４２と
第２陰極電極膜２２ｂを取り囲んで、第２固体電解質板
１２をシール板３の他の表面に第２スペーサ５２で気密
に接着し、第２気密空間６２を形成した。

【００１７】このようにして独立した２個の酸素センサ
素子、即ち、第１拡散通路４１と第１密閉空間６１と第
１陰極電極膜２１ｂと第１陽極電極膜２１ａを含む第１
の酸素センサ素子、また第２拡散通路４２と第２密閉空
間６２と第２陰極電極膜２２ｂと第２陽極電極膜２２ａ
を含む第二の酸素センサ素子を二つの固体電解質板１１
および１２と一つのシール板３を用いて集積した。図１
に示した実施例では、固体電解質板１１及び１２は円形
状のＺｒＯ₂（８ｍｏｌのＹをドープ）で、その厚さは
約０．５mm、直径は約１０mmとした。電極膜２１ａ、２
２ａ、２１ｂ、２２ｂは厚膜Ｐｔ電極膜を用い、その厚
さは約８μmとした。電極膜２１ａ、２２ａ、２１ｂ、
２２ｂの面積は約１２mm²とした。また、拡散通路４
１、４２の断面は直径約２５μmの円形とした。シール
板３は矩形状のＺｒＯ₂（８ｍｏｌのＹをドープ）もし
くはフォルステライトで、その厚さは約０．５〜２mm、
一辺の長さは約１０mmとした。スペーサ５１および５２
は厚膜硝子膜を用い、その厚さは約２０μmとした。電
極膜２１ａ、２２ａ、２１ｂ、２２ｂを形成した後、陰
極電極膜２１ｂ、２２ｂの形成された表面に厚膜硝子ス
ペーサ５１および５２を印刷し、シール板３を挟んで固
体電解質板１１及び１２を積層した。この積層物を焼成
して両者を気密に接着した。このとき、第１拡散通路４
１と第１陰極電極膜２１ｂ、第２拡散通路４２と第２陰
極膜２２ｂを取り囲むようなパターンで厚膜硝子スペー
サ５１および５２を印刷した。シール板３と固体電解質
板１１及び１２を接着した後、リード線８１ａ、８２
ａ、８１ｂ、８２ｂをそれぞれ接続した。

【００１８】この後、上記酸素センサの温度を４００〜
５００℃に保持すると共に、陽極電極膜２１ａ、２２ａ
を正、陰極電極膜２１ｂ、２２ｂを負にして直流電圧を
印加して、第一の酸素センサ素子の限界電流値Ｉ₁、第
二の酸素センサ素子の限界電流値Ｉ₂を、それぞれ測定
した。酸素濃度が２０．５％のときＩ₁、Ｉ₂は、それぞ
れ１１５、１７５μＡを示した。このばらつきは主とし
て拡散通路４１、４２のばらつきに起因する。次に、酸
素濃度１５％で測定したところ、Ｉ₁、Ｉ₂、はそれぞれ
８４、１２８μＡを示した。しかし、酸素濃度が２０．
５％でも、１５％でも、比（Ｉ₁／Ｉ₂）は、酸素濃度に
依存せず、それぞれ約０．６５７であった。しかし、直
径約１０μmのＡｕ線を第１拡散通路４１のみに挿入し
て、第１拡散通路４１を閉塞状態にしたところ、比（Ｉ
₁／Ｉ₂）は酸素濃度によらず、約０．５５２に減少し
た。また、直径約１０μmのＡｕ線を第２拡散通路４２
のみに挿入して、第２拡散通路４２を閉塞状態にしたと
ころ、比（Ｉ₁／Ｉ₂）は約０．７８２に増加した。

【００１９】このように初期状態でのＩ₁、Ｉ₂の間の比
を、あらかじめ測定し、その日が減少もしくは増加した
場合、拡散通路４１、４２のどれかが閉塞状態であるこ
とが検出できる。スペーサ５１および５２に使用中の熱
衝撃によりクラックが発生した場合にも同様にして、比
が変化することは明かであろう。また、拡散通路４１、
４２として、図６に示した構成の拡散通路を用いてもよ
いことは、明かであろう。

【００２０】前述したように、２個の集積された酸素セ
ンサ素子から得られる二つの限界電流値の比は、酸素濃
度に依存しない。このことから、図２に示すように酸素
濃度検出装置を構成することが好ましい。

【００２１】第１陰極電極膜２１ｂと第１陽極電極膜２
１ａを含んで構成される第１のセンサ素子の第１陰極電
極膜２１ｂと第１陽極電極膜２１ａの間に直流電源Ｅ₁
と固定抵抗体Ｒ₁を直列接続した。第１のセンサ素子を
流れる限界電流値Ｉ₁は固定抵抗体Ｒ₁の両端の信号電圧
Ｖ_S1として検出される。同様にして、第２陰極電極膜２
２ｂと第２陽極電極膜２２ａを含んで構成される第２の
センサ素子の第２陰極電極膜２２ｂと第２陽極電極膜２
２ａの間にも直流電源Ｅ₂と固定抵抗体Ｒ₂を直列接続し
た。第２のセンサ素子を流れる限界電流値Ｉ₂は固定抵
抗体Ｒ₂の両端の信号電圧Ｖ_S2として検出される。信号
電圧Ｖ_S1、Ｖ_S2は電圧比検出手段９０に入力され、更に
電圧比検出手段９０の出力が偏差検出手段９１に接続さ
れる。

【００２２】上記酸素濃度検出手段の動作を図３のフロ
ーチャート図を用いて説明する。測定開始して、適切な
ウォームアップ時間の経過した後、信号電圧Ｖ_S1と信号
電圧Ｖ_S2が電圧比較検出手段９０に入力され、電圧比
（Ｖ_S1／Ｖ_S2）が検出される。この後、電圧比（Ｖ_S1／
Ｖ_S2）が所定値Ｈと比較される。電圧比（Ｖ_S1／Ｖ _S2）
が所定値Ｈより大きいか、もしくは小さい場合、警報を
発したり、あるいは危険な装置の動作を停止させる信号
を発生する。電圧比（Ｖ_S1／Ｖ_S2）が所定値Ｈと実質的
に等しい場合、信号電圧Ｖ_S1と信号電圧Ｖ_S2の電圧比較
検出手段９０への入力が継続される。

【００２３】所定の酸素濃度雰囲気中で測定したとき、
信号電圧Ｖ_S1と信号電圧Ｖ_S2が同一の規格値になるよう
に固定抵抗体Ｒ₁とＲ₂の抵抗値が選ばれることが望まし
い。前述したように、限界電流値Ｉ₁、Ｉ₂は±３０％程
度ばらつく。従って、信号電圧比（Ｖ_S1／Ｖ_S2）もまた
同程度ばらつく。このことは、多くの酸素センサを製造
したとき各酸素センサ毎に所定値Ｈを調整しなければな
らないことを示す。これは、生産時に多くの時間を必要
とし好ましくない。限界電流値Ｉ₁、Ｉ₂がばらついて
も、その値に応じて信号電圧Ｖ_S1、Ｖ_S2が同一の規格値
になるように固定抵抗体Ｒ₁とＲ₂の抵抗値をあらかじめ
選んでおくことにより、所定値Ｈが１となり、偏差検出
手段を規格化できる。

【００２４】更にこの場合、図４に示すように、信号電
圧Ｖ_S1、Ｖ_S2の和検出手段９２を付加することが好まし
い。信号電圧の和（Ｖ_S1＋Ｖ_S2）は酸素濃度に対応した
信号値であるが、信号電圧の和（Ｖ_S1＋Ｖ_S2）に比べ感
度が小さいので好ましくない。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば次の効果が
得られる。

【００２６】（１）２個の固体電解質板と１個のシール
板を用いて、独立した２個の限界電流型酸素センサ素子
が集積されているので、二つの限界電流値が同時に利用
できる。この結果、二つの限界電流値の相対関係を監視
することにより、拡散通路の閉塞やクラック発生などの
異常を検出できる。

【００２７】（２）特に、二つの限界電流値の比は、酸
素濃度に依存せず、一定値を示すので、拡散通路の閉塞
やクラック発生などの異常検出に優れる。

【００２８】（３）信号電圧比検出手段、偏差検出手段
を付加して酸素濃度検出装置を構成することにより、拡
散通路の閉塞やクラック発生などの異常検出のできる装
置を実現できる。

【００２９】（４）単一の酸素センサを２個用いても、
上述したと同様の効果が得られるが、この場合価格が高
くなり実用的でない。本発明の酸素センサでは、同一の
製造工程で独立した２個の酸素センサが同時に集積され
るので、その価格は低価格である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の酸素センサの一実施例を示す断面図

【図２】本発明の酸素濃度検出装置の構成図

【図３】本発明の酸素濃度検出装置の動作を説明するフ
ローチャート図

【図４】本発明の他の酸素濃度検出装置の構成図

【図５】従来の酸素センサの断面図

【図６】従来の酸素センサの他の例を示す分解斜視図

【符号の説明】

３シール板１１第１固体電解質板１２第２固体電解質板２１ａ第１陽極電極膜２１ｂ第１陰極電極膜２２ａ第２陽極電極膜２２ｂ第２陰極電極膜４１第１拡散通路４２第２拡散通路５１第１スペーサ５２第２スペーサ６１第１密閉空間６２第２密閉空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 9218−2Ｊ３２７Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質
板と、前記第１固体電解質板の一方の表面に形成された
第１陰極電極膜と、前記第１固体電解質板の他の表面に
形成され、前記第１陰極電極膜と前記第１固体電解質板
を介して対向する第１陽極電極膜と、前記第１陰極電極
膜を囲むスペーサと、前記スペーサ上に前記第１固体電
解質板と相対向して配置されたシール板と、前記第１ス
ペーサの隔壁と前記第１固体電解質板と前記シール板で
囲まれて形成された第１密閉空間と、前記第１密閉空間
と周囲空間とを結ぶ第１拡散通路と、酸素イオン伝導性
をを有する第２固体電解質板と、前記第２固体電解質板
の一方の表面に形成された第２陰極電極膜と、前記第２
固体電解質板の他の表面に形成され、前記第２陰極電極
膜と前記第２固体電解質板を対向する第２陽極電極膜
と、前記第２固体電解質板と前記シール板との間に位置
し、前記第２陰極電極膜を囲む第２スペーサと、前記第
２スペーサの隔壁と前記第２固体電解質板と前記シール
板で囲まれて形成された第２密閉空間と前記第２密閉空
間と周囲空間とを結ぶ第２拡散通路とからなる酸素セン
サ。
【請求項２】第１および第２拡散通路が第１および第２
固体電解質板にそれぞれ形成された小穴である請求項１
記載の酸素センサ。
【請求項３】第１および第２拡散通路が、周囲空間と接
する第１および第２始端と前記第１および第２密閉空間
のそれぞれに開けられた第１および第２終端とが前記シ
ール板上で互いに間隔を有するように配置された前記第
１および第２スペーサの相対向する隔壁と、前記第１お
よび第２固体電解質板と、前記シール板とで囲まれてそ
れぞれ構成された螺旋形拡散穴である請求項１記載の酸
素センサ。
【請求項４】酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質
板と、前記第１固体電解質板の一方の表面に形成された
第１陰極電極膜と、前記第１固体電解質板の他の表面に
形成され、前記第１陰極電極膜と前記第１固体電解質板
を介して対向する第１陽極電極膜と、前記第１陰極電極
膜を囲む第１スペーサと、前記第１スペーサ上に前記第
１固体電解質板と相対向して配置されたシール板と、前
記第１スペーサの隔壁と前記第１固体電解質板と前記シ
ール板で囲まれて形成された第１密閉空間と、前記第１
密閉空間と周囲空間とを結ぶ第１拡散通路と、酸素イオ
ン伝導性を有する第２固体電解質板と、前記第２固体電
解質板の一方の表面に形成された第２陰極電極膜と、前
記第２固体電解質板の他の表面に形成され、前記第２陰
極電極膜と前記第２固体電解質板を介して対向する第２
陽極電極膜と、前記第２固体電解質板と前記シール板と
の間に位置し、前記第２陰極電極膜を囲む第２スペーサ
と、前記第２スペーサの隔壁と前記第２固体電解質板と
前記シール板で囲まれて形成された第２密閉空間と、前
記第２密閉空間と周囲空間とを結ぶ第２拡散通路と、前
記第１および第２陰極電極膜と前記第１および第２陽極
電極膜の間に直流電源と固定抵抗体をそれぞれ直列接続
し、それぞれの固定抵抗体の両端の信号電圧の電圧比検
出手段と前記電圧比の設定値に対する偏差検出手段とか
ら成る酸素濃度検出装置。
【請求項５】所定の酸素濃度雰囲気中で測定したとき、
前記それぞれの信号電圧が同一の規格値になるように前
記固定抵抗体の抵抗値が選ばれた請求項４記載の酸素濃
度検出装置。
【請求項６】前記それぞれの信号電圧の和検出手段を付
加した請求項５記載の酸素濃度検出装置。