JPH0743341B2 - 酸素センサ - Google Patents
酸素センサInfo
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- JPH0743341B2 JPH0743341B2 JP62100388A JP10038887A JPH0743341B2 JP H0743341 B2 JPH0743341 B2 JP H0743341B2 JP 62100388 A JP62100388 A JP 62100388A JP 10038887 A JP10038887 A JP 10038887A JP H0743341 B2 JPH0743341 B2 JP H0743341B2
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Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は雰囲気ガス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。
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。
従来の技術 従来この種の酸素センサは、第２図に示すように、酸素
イオン伝導性を有する例えばジルコニア系セラミックか
らなる固体電解質板１の両面に白金などの金属による電
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の上に密閉空間を形成するためのＵ
字状の蓋体３を配置し、さらに蓋体３に外部空間と密閉
空間を連通する酸素の拡散孔４を設けた構成となってい
る。なお、この拡散孔４は陰極2bの酸素送出能力よりも
少量の酸素を拡散させる大きさに形成されている。
イオン伝導性を有する例えばジルコニア系セラミックか
らなる固体電解質板１の両面に白金などの金属による電
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の上に密閉空間を形成するためのＵ
字状の蓋体３を配置し、さらに蓋体３に外部空間と密閉
空間を連通する酸素の拡散孔４を設けた構成となってい
る。なお、この拡散孔４は陰極2bの酸素送出能力よりも
少量の酸素を拡散させる大きさに形成されている。
この構成において、酸素センサを動作可能の温度に加熱
した後、電極２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中を陽板2aに向かって移動し、陽極
2a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、密閉空間への酸素の流入は蓋体３に設けら
れた拡散孔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ずる電流は、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することができる。
した後、電極２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中を陽板2aに向かって移動し、陽極
2a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、密閉空間への酸素の流入は蓋体３に設けら
れた拡散孔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ずる電流は、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することができる。
（例えば、特開昭59−192953号公報、特開昭60−252254
号公報） 発明が解決しようとする問題点 前記拡散孔４を形成した蓋体３の材料は耐熱性、耐食性
の点からセラミック材料が適用されることが多い。拡散
孔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出来るだけ低くするこ
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約400
℃以上である。この動作温度を得るために蓋体３の表面
にヒータ５が配置されるので、構造が複雑になるという
欠点があった。また、ヒータ５は印刷膜などで形成され
るので、ヒータ５を形成するために特別の工程と時間を
必要とする。さらに、これらの点は高価格をも派生して
いる。
号公報） 発明が解決しようとする問題点 前記拡散孔４を形成した蓋体３の材料は耐熱性、耐食性
の点からセラミック材料が適用されることが多い。拡散
孔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出来るだけ低くするこ
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約400
℃以上である。この動作温度を得るために蓋体３の表面
にヒータ５が配置されるので、構造が複雑になるという
欠点があった。また、ヒータ５は印刷膜などで形成され
るので、ヒータ５を形成するために特別の工程と時間を
必要とする。さらに、これらの点は高価格をも派生して
いる。
問題点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固体電解質板と、前記固体電解
質板の両面に形成された電極膜と、前記電極膜の一方を
囲み始端と終端とが前記固体電解質板上で互いに間隔を
有するように配置された電気絶縁性螺旋形スペーサと、
前記電気絶縁性螺旋形スペーサ上に前記固体電解質板と
相対向するように配置されると共に導電性セラミックで
構成されたシール板と、前記シール板の表面に形成され
た一対のヒータ用電極膜と、前記電気絶縁性螺旋形スペ
ーサの相対向する隔壁と前記固体電解質板とシール板で
囲まれて形成される螺旋形拡散孔とから構成される。
素イオン伝導性を有する固体電解質板と、前記固体電解
質板の両面に形成された電極膜と、前記電極膜の一方を
囲み始端と終端とが前記固体電解質板上で互いに間隔を
有するように配置された電気絶縁性螺旋形スペーサと、
前記電気絶縁性螺旋形スペーサ上に前記固体電解質板と
相対向するように配置されると共に導電性セラミックで
構成されたシール板と、前記シール板の表面に形成され
た一対のヒータ用電極膜と、前記電気絶縁性螺旋形スペ
ーサの相対向する隔壁と前記固体電解質板とシール板で
囲まれて形成される螺旋形拡散孔とから構成される。
作用 本発明の酸素センサにおいて、シール板は正の抵抗温度
係数を有する導電性セラミックであるので、シール板に
通電加熱することによりヒータとして作用する。他方、
シール板は電気絶縁性螺旋形スペーサと気密に接着して
螺旋形拡散穴を形成する構成部品の一つとしても利用さ
れる。このように、本発明の酸素センサは螺旋形拡散穴
の形成と同時にヒータも形成される点に特徴がある。従
って、ヒータを特別に形成する必要がない。
係数を有する導電性セラミックであるので、シール板に
通電加熱することによりヒータとして作用する。他方、
シール板は電気絶縁性螺旋形スペーサと気密に接着して
螺旋形拡散穴を形成する構成部品の一つとしても利用さ
れる。このように、本発明の酸素センサは螺旋形拡散穴
の形成と同時にヒータも形成される点に特徴がある。従
って、ヒータを特別に形成する必要がない。
実施例 第１図は本発明の実施例を示す斜視図である。酸素イオ
ン伝導性を有する固体電解質板１の両面に電極膜２が形
成される。固体電解質板１の一方の面に電極膜２を囲み
始端と終端が互いに間隔を有する電気絶縁性螺旋形スペ
ーサ６が配置され、さらに導電性セラミック・シール板
７が配置される。螺旋形拡散穴８は、電気絶縁性螺旋形
スペーサ６の相対向する隔壁と固体電解質板１とシール
板７で囲まれた螺旋形空間で構成され、酸素は外部空間
からこの螺旋形拡散穴８を通って電極膜２に拡散する。
ン伝導性を有する固体電解質板１の両面に電極膜２が形
成される。固体電解質板１の一方の面に電極膜２を囲み
始端と終端が互いに間隔を有する電気絶縁性螺旋形スペ
ーサ６が配置され、さらに導電性セラミック・シール板
７が配置される。螺旋形拡散穴８は、電気絶縁性螺旋形
スペーサ６の相対向する隔壁と固体電解質板１とシール
板７で囲まれた螺旋形空間で構成され、酸素は外部空間
からこの螺旋形拡散穴８を通って電極膜２に拡散する。
固体電解質板１としては、信頼性、特性の安定性に優れ
るジルコニア系セラミックが良く、また電極膜２として
はPt,Au,Pd,Agなどが用いられる。
るジルコニア系セラミックが良く、また電極膜２として
はPt,Au,Pd,Agなどが用いられる。
電気絶縁性螺旋形スペーサ６は酸素センサの動作温度に
耐える耐熱性、固体電解質板１とシール板７との気密な
接着性、および電気的絶縁性が要求される。この要求を
満たすものとして、BaO−TiO2−SiO2系の耐熱性微粒子
の分散された低融点ガラスが用いられる。
耐える耐熱性、固体電解質板１とシール板７との気密な
接着性、および電気的絶縁性が要求される。この要求を
満たすものとして、BaO−TiO2−SiO2系の耐熱性微粒子
の分散された低融点ガラスが用いられる。
シール板７としては、電気絶縁性螺旋形スペーサ６と同
様の耐熱性、気密な接着性および正の抵抗温度係数を有
する導電性が要求される。この要求を満たすものとし
て、酸化ビスマス系セラミック、チタン酸バリウム系セ
ラミックがある。
様の耐熱性、気密な接着性および正の抵抗温度係数を有
する導電性が要求される。この要求を満たすものとし
て、酸化ビスマス系セラミック、チタン酸バリウム系セ
ラミックがある。
次に具体的実験例を示して、作用と効果を明らかにす
る。
る。
ZrO2・Y2O3（Y2O38mol.％）セラミック１（厚さ0.4mm）
の両面にPt印刷電極膜２（厚さ〜５μｍ）を形成した。
次に、平均粒径〜50μｍの耐熱性微粒子を分散したPbO
−ZrO−B2O3−SiO2系ガラスペーストの印刷膜を、固体
電解質板１の一方の表面に電極膜２を囲んで、第１図に
示す形状で形成した。その後、酸化ビスマス系セラミッ
ク・シール板７を上部に配置して、加熱焼成して酸素セ
ンサを構成した。酸化ビスマス系セラミック・シール板
７にヒータ用電極膜7a,7bを形成して、外部電源を用い
通電加熱加して動作温度約400℃を得た。このときの消
費電力は約2.5Wであった。なお、酸化ビスマス系セラミ
ックシール板７の抵抗値を調整するために、ヒータ用電
極膜7a,7bがシール板７の両面に、すなわちコンデンサ
型電極配置にしても良いことは明らかである。酸化ビス
マス系セラミックは、Y,Ba,Sr,Caなどの不純物を添加す
ることにより約550〜750℃の間の一定温度で抵抗値が急
激に減少する特徴的抵抗温度特性を示す。この特性を利
用して、酸素センサの応答性を速くするためにその動作
温度を高温（600〜700℃）にした場合、酸化ビスマス系
セラミックの組成を適切に選ぶことによりシール板７の
抵抗は動作温度の前後で急激に変化するので、抵抗値を
モニタすることにより容易に動作温度が検出され、温度
制御が容易になる長所がある。この種セラミックとし
て、酸化バナジウム系セラミックを用いてもよい。
の両面にPt印刷電極膜２（厚さ〜５μｍ）を形成した。
次に、平均粒径〜50μｍの耐熱性微粒子を分散したPbO
−ZrO−B2O3−SiO2系ガラスペーストの印刷膜を、固体
電解質板１の一方の表面に電極膜２を囲んで、第１図に
示す形状で形成した。その後、酸化ビスマス系セラミッ
ク・シール板７を上部に配置して、加熱焼成して酸素セ
ンサを構成した。酸化ビスマス系セラミック・シール板
７にヒータ用電極膜7a,7bを形成して、外部電源を用い
通電加熱加して動作温度約400℃を得た。このときの消
費電力は約2.5Wであった。なお、酸化ビスマス系セラミ
ックシール板７の抵抗値を調整するために、ヒータ用電
極膜7a,7bがシール板７の両面に、すなわちコンデンサ
型電極配置にしても良いことは明らかである。酸化ビス
マス系セラミックは、Y,Ba,Sr,Caなどの不純物を添加す
ることにより約550〜750℃の間の一定温度で抵抗値が急
激に減少する特徴的抵抗温度特性を示す。この特性を利
用して、酸素センサの応答性を速くするためにその動作
温度を高温（600〜700℃）にした場合、酸化ビスマス系
セラミックの組成を適切に選ぶことによりシール板７の
抵抗は動作温度の前後で急激に変化するので、抵抗値を
モニタすることにより容易に動作温度が検出され、温度
制御が容易になる長所がある。この種セラミックとし
て、酸化バナジウム系セラミックを用いてもよい。
なお、モリブデン、シリコン系セラミック、あるいはペ
ロブスカイト型酸化物系セラミックも導電性を有するの
で、シール板７に用いても良いことは当然である。ただ
し、これらセラミックは、酸化ビスマス系セラミックの
ように一定温度で抵抗値が急激に変化する特性を示さな
いので、動作温度は難かしくなる。
ロブスカイト型酸化物系セラミックも導電性を有するの
で、シール板７に用いても良いことは当然である。ただ
し、これらセラミックは、酸化ビスマス系セラミックの
ように一定温度で抵抗値が急激に変化する特性を示さな
いので、動作温度は難かしくなる。
また、チタン酸鉛・酸化チタン系複合セラミックは、一
定温度で抵抗値が急激に増加する抵抗温度特性を有する
ので、本発明の導電性セラミック・シール板７の材料と
して最適である。例えば、酸化ニオブを添加したチタン
酸鉛・酸化チタン系複合セラミックの抵抗値は、約490
℃以上の温度領域で急激に１桁以上増加する。従って、
酸素センサの動作温度を490℃にした場合、490℃以下の
温度領域では大きな電力が消費され、490℃以上の温度
領域では小さな電力しか消費されない。従って、チタン
酸鉛・酸化チタン複合セラミック・シール板７はそれ自
身で温度を一定に保持する自己温度制御機能を有するの
で、酸素センサの温度制御が容易になるという利点があ
る。
定温度で抵抗値が急激に増加する抵抗温度特性を有する
ので、本発明の導電性セラミック・シール板７の材料と
して最適である。例えば、酸化ニオブを添加したチタン
酸鉛・酸化チタン系複合セラミックの抵抗値は、約490
℃以上の温度領域で急激に１桁以上増加する。従って、
酸素センサの動作温度を490℃にした場合、490℃以下の
温度領域では大きな電力が消費され、490℃以上の温度
領域では小さな電力しか消費されない。従って、チタン
酸鉛・酸化チタン複合セラミック・シール板７はそれ自
身で温度を一定に保持する自己温度制御機能を有するの
で、酸素センサの温度制御が容易になるという利点があ
る。
このように導電性セラミック・シール板７はヒータとし
て作用すると同時に、他方で螺旋形拡散穴８の構成部品
の一つとしても用いられる。従って、ヒータを別個に形
成する必要がなく、酸素センサの構造が簡素化されると
共にその製造工程も大巾に簡素化される。これは、セン
サの信頼性向上、低価格を誘起する。
て作用すると同時に、他方で螺旋形拡散穴８の構成部品
の一つとしても用いられる。従って、ヒータを別個に形
成する必要がなく、酸素センサの構造が簡素化されると
共にその製造工程も大巾に簡素化される。これは、セン
サの信頼性向上、低価格を誘起する。
発明の効果 以上のように本発明の酸素センサによれば、次の効果が
得られる。
得られる。
（１） ヒータを特別な形成する必要がないので、セン
サ構造が簡素化される。
サ構造が簡素化される。
（２） シール板はヒータとして作用すると同時に螺旋
形拡散孔の構成部品の一つとしても用いられるので、螺
旋形拡散穴を形成するとき同時にヒータも形成される。
この結果、製造工程が大巾に簡素化されると共に低コス
トが実現される。
形拡散孔の構成部品の一つとしても用いられるので、螺
旋形拡散穴を形成するとき同時にヒータも形成される。
この結果、製造工程が大巾に簡素化されると共に低コス
トが実現される。
（３） センサ構造および製造工程の簡素化により、信
頼性が向上する。
頼性が向上する。
（４） チタン酸鉛・酸化チタン系複合セラミックシー
ル板は自己温度制御機能を有するので、酸素センサの動
作温度制御が容易になる。
ル板は自己温度制御機能を有するので、酸素センサの動
作温度制御が容易になる。
（５） 酸化ビスマス系セラミックおよび酸化バナジウ
ム系セラミックシール板は、一定温度でその抵抗値が急
激に減少するので、酸素センサの動作温度を前記一定温
度と一致することにより、動作温度の検出が容易とな
る。
ム系セラミックシール板は、一定温度でその抵抗値が急
激に減少するので、酸素センサの動作温度を前記一定温
度と一致することにより、動作温度の検出が容易とな
る。
第１図は本発明の一実施例を示す酸素センサの分解斜視
図および一部切欠斜視図、第２図は従来の酸素センサの
断面図である。 １……固体電解質板、６……電気絶縁性螺旋形スペー
サ、７……導電性セラミック・シール板、7a,7b……ヒ
ータ用電極膜、８……螺旋形拡散穴。
図および一部切欠斜視図、第２図は従来の酸素センサの
断面図である。 １……固体電解質板、６……電気絶縁性螺旋形スペー
サ、７……導電性セラミック・シール板、7a,7b……ヒ
ータ用電極膜、８……螺旋形拡散穴。
Claims (5)
- 【請求項１】酸素イオン伝導性を有する固体電解質板
と、前記固体電解質板の両面に形成された電極膜と、前
記電極膜の一方を囲み始端と終端とが前記固体電解質板
上で互いに間隔を有するように配置された電気絶縁性螺
旋形スペーサと、前記電気絶縁性螺旋形スペーサ上に前
記固体電解質板と相対向するように配置されると共に導
電性セラミックで構成されたシール板と、前記シール板
表面に形成された一対のヒータ用電極膜と、前記電気絶
縁性螺旋形スペーサの相対向する隔壁と前記固体電解質
板とシール板で囲まれて形成される螺旋形拡散孔とから
なる酸素センサ。 - 【請求項２】シール板が酸化ビスマス系セラミック、酸
化バナジウム系セラミックのいずれか一種からなる特許
請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 - 【請求項３】シール板がチタン酸鉛・酸化チタン系複合
セラミックからなる特許請求の範囲第１項記載の酸素セ
ンサ。 - 【請求項４】ヒータ用電極膜がシール板の外表面に形成
された特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。 - 【請求項５】ヒータ用電極膜がシール板の両面に形成さ
れた特許請求の範囲第１項記載の酸素センサ。
Priority Applications (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62100388A JPH0743341B2 (ja) | 1987-04-23 | 1987-04-23 | 酸素センサ |
| DE8787118697T DE3780433T2 (de) | 1986-12-19 | 1987-12-16 | Sauerstoffsensor. |
| EP87118697A EP0273304B1 (en) | 1986-12-19 | 1987-12-16 | Oxygen sensor |
| AU82669/87A AU580726B2 (en) | 1986-12-19 | 1987-12-17 | Oxygen sensor |
| CA000554746A CA1276230C (en) | 1986-12-19 | 1987-12-18 | Oxygen sensor |
| US07/135,093 US4808293A (en) | 1986-12-19 | 1987-12-18 | Oxygen sensor and method of making such sensor |
| KR1019870014550A KR900005222B1 (ko) | 1986-12-19 | 1987-12-19 | 산소센서 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62100388A JPH0743341B2 (ja) | 1987-04-23 | 1987-04-23 | 酸素センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63265160A JPS63265160A (ja) | 1988-11-01 |
| JPH0743341B2 true JPH0743341B2 (ja) | 1995-05-15 |
Family
ID=14272617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62100388A Expired - Lifetime JPH0743341B2 (ja) | 1986-12-19 | 1987-04-23 | 酸素センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0743341B2 (ja) |
-
1987
- 1987-04-23 JP JP62100388A patent/JPH0743341B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63265160A (ja) | 1988-11-01 |
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