JPH0716997Y2 - 酸素センサ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は、限界電流方式の酸素センサにおいて、センシ
ング用電極とは別に、限界電流値制御用の電極をキャッ
プ部分（内外）に設けて、限界電流値を制御し、高濃度
用や低濃度用等として、使用することができるようにし
た酸素センサに関するものである。

〈従来の技術〉 従来の酸素センサとしては、例えば第３図に示した如き
構造のものが提案されている。

この酸素センサの場合、ジルコニア等の固体電解質から
なるセンシング基板１の両面に一対のセンシング用電極
2,3を設けると共に、このセンシング基板１の一側面
（図中、上面）に拡散用の小孔５を有するキャップ４を
被冠させ、かつこのキャップ４上面等に加熱用のヒータ
６を設けてなり、そして、上記センシング用電極2,3に
は、センシング用電源７や、必要な電流計８、電圧計９
等が接続されている。一方、加熱用のヒータ６には、加
熱用電源10が接続されている。

このような酸素センサにおいて、酸素濃度を測定するに
は、先ず、ヒータ６によりセンサ自体を所望の駆動温度
（例えば400℃程度）まで加熱し、この駆動温度に達し
たら、センシング用電極2,3の通電による電流値（限界
電流値）を、電流計８により読み取り、この電流値から
酸素濃度を求めればよい。

〈考案が解決しようとする課題〉 ところが、上記従来構造の酸素センサでは、キャップ４
の小孔寸法（内径）により、限界電流値は大きく左右さ
れる。

しかし、この小孔５の寸法は、センサが作成された段階
で一義的に決まるため、その用途は固定されていまう。
逆に、用途に応じて、小孔寸法を決めて、対応した酸素
センサを製造する必要がある。

この小孔寸法を決めると言っても、製造技術面から、あ
まり小さかったりすると、甚だ困難で、任意にかつ自由
に設定できるというわけではない。

本考案は、このような従来の実情に鑑みてなされたもの
である。

〈課題を解決するための手段〉 かゝる本考案の特徴とする点は、固体電解質からなるセ
ンシング基板の両面に一対のセンシング用電極を設ける
と共に、前記センシング基板の一側面に拡散用の小孔を
有するキャップを被冠させ、かつ該キャップ上面等に加
熱用のヒータを設けた酸素センサにおいて、前記キャッ
プを固体電解質で形成すると共に、当該キャップの内部
に前記ヒータのヒータ電極と対極をなす限界電流値制御
用の内部電極を設け、該内部電極と前記ヒータ電極との
間に制御用電源を接続して、限界電流値を制御する酸素
センサにある。

〈作用〉 この限界電流値制御用の内部電極とヒータ電極との間へ
の定電流通電や定電圧印加により（極性や電流、電圧等
の大きさを変えることにより）、キャップ自体の固体電
解質による酸素に対するポンピング作用が調節されるた
め、自由な限界電流値の設定が行なえるようになる。

〈実施例〉 第１図は本考案に係る酸素センサの一実施例を示したも
のである。

本酸素センサは、限界電流値制御用の内部電極11および
その制御用電極12を除いては、その基本的な構造は、上
述した第３図の酸素センサと略同構造であるため、同一
部分には同一符号を付してある。

ただ、本酸素センサの場合、キャップ４もジルコニア等
の固体電解質で形成してあり、上記限界電流値制御用の
内部電極11は、加熱用ヒータ６のヒータ電極6aと対極を
なすものとして、キャップ４内部の頂部（内側上面）に
設けてある。

そして、この内部電極11とヒータ電極6a間には、限界電
流値の制御用電源12を接続してある。また、この電源12
の極性は、電源12自体の付替や、切換えスイッチ等の付
設等により自在に変えられるようになっている。

次に、かゝる本考案の酸素センサの使用方法について説
明する。

（１）高濃度測定の場合 （例えば、酸素濃度21％以上の場合） この高濃度測定では、センサ寿命が問題となる。と言う
のは、高濃度域では限界電流が大きいため、センシング
用電極2,3部分への負担が大きく、電極能力の劣化が速
かったからである。そこで、従来、高濃度測定では、限
界電流値の小さいセンサ（キャップ小孔５の小さいセン
サ）を作成し、使用していた。

しかし、従来、この小孔５の極小化には、製造面から、
ある程度の限界はあった。

本考案の酸素センサでは、この高濃度測定の場合、第２
図（Ａ）に示したように、限界電流値制御用の内部電極
11側をマイナス極とし、ヒータ電極6a側をプラス極とし
て、制御用電源12として、定電流源を接続する。

この定電流源の接続により、キャップ４内の酸素は、図
示の矢印の如くセンシング基板１側の電極2,3によるポ
ンピング作用の他に、上記内部電極11とヒータ電極6aに
よるキャップ４自体の固体電解質によるポンピング作用
によっても、排出される。

この場合、制御用電源12の大きさは、キャップ側のポン
ピング作用が、センシング基板側のポンピング作用よ
り、能力的に小さくなるように設定する。

いずれにして、この酸素センサの使用方法によれば、従
来、センシング基板１側で、すべてポンピングされてい
たキャップ４内の酸素の一部が、キャップ４側のポンピ
ング作用により排出されるため、結果的に、見掛け上、
キャップ小孔５の小さいセンサ、つまり限界電流値の小
さいセンサが得られる。

従って、実際の小孔５の大きさは、製造困難な程の小さ
さでなくとも、所定の限界電流値の小さいセンサが得ら
れ、またセンシング用電極2,3部分への負担が軽減され
るため、センサ寿命の向上を図ることができる。

（２）低濃度測定の場合 （例えば酸素濃度１％以下の場合） この低濃度測定では、分解能が問題となる。従来、低濃
度測定には、限界電流値の大きいセンサ（キャップ小孔
５の大きいセンサ）を作成し、分解能を高めていた。

しかし、あまりキャップ小孔５を大きくすることは、穴
開け行程での歩留りの低下（破損率が高くなる）や、ギ
ャップ強度の低下を招く等の問題があった。

本考案の酸素センサでは、この定濃度測定の場合、第２
図（Ｂ）に示したように、限界電流値制御用の内部電極
11側をプラス極とし、ヒータ電極6a側をマイナス極とし
て、制御用電源12として、定電流源や定電圧源を接続す
る。

この定電流源や定電圧源の接続により、図示の矢印の如
くキャップ４内には、外気からの酸素が、小孔５から導
入される他に、上記内部電極11とヒータ電極6aによるキ
ャップ４自体の固体電解質によるポンピング作用によっ
ても、導入される。

この場合、制御用電源12の大きさは、キャップ側のポン
ピング作用が、センシング基板側のポンピング作用よ
り、能力的に小さくなるように設定する。

いずれにして、この酸素センサの使用方法によれば、従
来、キャップ小孔５側からすべて導入されていたキャッ
プ４内への酸素の一部が、キャップ４側からもポンピン
グにより導入されるため、結果的に、見掛け上、キャッ
プ小孔５の大きいセンサ、つまり限界電流値の大きいセ
ンサが得られる。

このキャップ４側のポンピングにより導入される酸素の
量は、低濃度域では、酸素濃度に依存するため、単なる
限界電流値のかさ上げだけではなく、分解能の向上が得
られる。

なお、上記各使用方法では、高濃度および低濃度測定の
場合について説明したが、本考案の酸素センサでは、大
気中の酸素濃度のような通常の濃度測定にも、勿論対応
することができる。

〈考案の効果〉 以上の説明から明らかなように本考案の酸素センサによ
れば、次のような優れた効果が期待できる。

（１）高濃度測定では、キャップ小孔がある程度の大き
さの一定寸法に確定されていても、このキャップ部分に
設けた限界電流制御用の電極により、限界電流値を小さ
くコントロールできるため、高濃度測定が可能であり、
またセンシング用電極への負担の軽減により、センサ寿
命の向上を図ることができる。

（２）低濃度測定では、やはりキャップ小孔が一定寸法
に確定されていても、このキャップ部分に設けた限界電
流制御用の電極により、限界電流値を大きくコントロー
ルできるため、低濃度測定が可能であり、また、この際
の酸素導入量が、低濃度域では、酸素濃度に依存するた
め、所定の分解能が得られる。

（３）また、センサ構造においても、限界電流制御用の
電極として、既設のヒータ電極を利用すると共に、内部
電極をキャップ内に設けるのみであるため、製造が簡単
である。

（４）勿論、制御用電源の付替へや切換えスイッチ類、
その他の部品により、限界電流制御用電極の極性の変更
や、電流値、電圧値を変えることが簡単にできるため、
一つのセンサで、高濃度用から低濃度用へと、広範囲で
対応することができる優れたセンサが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る酸素センサの一実施例を示した説
明図、第２図（Ａ）〜（Ｂ）は第１図の酸素センサの各
使用方法を示した説明図、第３図は従来の酸素センサの
一例を示した説明図である。 図中、 １……センシング基板、2,3……センシング用電極、４
……キャップ、５……小孔、６……ヒータ、6a……ヒー
タ電極、11……内部電極、12……制御用電源、

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質からなるセンシング基板の両面
   に一対のセンシング用電極を設けると共に、前記センシ
   ング基板の一側面に拡散用の小孔を有するキャップを被
   冠させ、かつ該キャップ上面等に加熱用のヒータを設け
   た酸素センサにおいて、前記キャップを固体電解質で形
   成すると共に、当該キャップの内部に前記ヒータのヒー
   タ電極と対極をなす限界電流値制御用の内部電極を設
   け、該内部電極と前記ヒータ電極との間に制御用電源を
   接続して、限界電流値を制御することを特徴とする酸素
   センサ。
2. 【請求項２】前記内部電極をマイナス極として、高濃度
   測定用としたことを特徴とする前記請求項１記載の酸素
   センサ。
3. 【請求項３】前記内部電極をプラス極として、低濃度測
   定用としたことを特徴とする前記請求項１記載の酸素セ
   ンサ。