JPH0750060B2 - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサInfo
- Publication number
- JPH0750060B2 JPH0750060B2 JP62071195A JP7119587A JPH0750060B2 JP H0750060 B2 JPH0750060 B2 JP H0750060B2 JP 62071195 A JP62071195 A JP 62071195A JP 7119587 A JP7119587 A JP 7119587A JP H0750060 B2 JPH0750060 B2 JP H0750060B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen
- conductive plate
- electrodes
- cap
- ion conductive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、被測定気体中の特定ガス濃度を測定するガ
スセンサに係り、特にガス濃度の変化に対する応答性の
向上を図ったガスセンサに関する。
スセンサに係り、特にガス濃度の変化に対する応答性の
向上を図ったガスセンサに関する。
「従来の技術」 従来、被測定ガスの酸素濃度（酸素分圧）を測定する酸
素センサとしては、例えば、第２図に示すような限界電
流式の酸素センサ１が知られている。
素センサとしては、例えば、第２図に示すような限界電
流式の酸素センサ１が知られている。
この酸素センサ１は、例えば、ジルコニア固体電解質
（ZrO2にY2O3,MgO,CaOなどの安定化剤を固溶させもの）
からなる酸素イオン導電板２と、この酸素イオン導電板
２の両面に焼成された白金等の多孔質金属からなる電極
3a,3bと、酸素イオン導電板２の片面に空間SP1を形成す
るように設けられ、微小径（数＋μｍ）の拡散孔５が形
成されたキャップ（ガス拡散制御体）４とから構成され
ている。また、図において、６は電極3a,3b間に電圧を
印加する直流電源、Ｖは電圧計、Ａは電流計である。
（ZrO2にY2O3,MgO,CaOなどの安定化剤を固溶させもの）
からなる酸素イオン導電板２と、この酸素イオン導電板
２の両面に焼成された白金等の多孔質金属からなる電極
3a,3bと、酸素イオン導電板２の片面に空間SP1を形成す
るように設けられ、微小径（数＋μｍ）の拡散孔５が形
成されたキャップ（ガス拡散制御体）４とから構成され
ている。また、図において、６は電極3a,3b間に電圧を
印加する直流電源、Ｖは電圧計、Ａは電流計である。
このような酸素センサ１によって、被測定ガスの酸素濃
度を測定する場合、まず、図示せぬ外部の加熱手段によ
り酸素センサ１全体を酸素イオン導電板２の最適動作状
態まで加温し、目的とする被測定ガス中に設置した後、
電極3a,3b間に数ボルトの電圧を印加して、酸素イオン
導電板２に強制的に電流を流す。すると、キャップ４に
よって囲まれる空間SP1内の酸素分子が、カソード側の
電極3aにおいてイオン化され、この酸素イオンが酸素イ
オン導電板２中を電流担体として移送され、対向するア
ノード側の電極3bにおいて再び酸素分子に戻され、気中
に放出される。これにより、キャップ４によって囲まれ
る空間SP1内の酸素分子が、酸素イオン導電板２を介し
て外方の空間SP2へ汲み出され、いわゆるポンピング現
象が生じ、これと同時に、空間SP1内の酸素分子の減少
を補う如く、外部の空間SP3の酸素分子がキャップ４の
拡散孔５を介してキャップ４で囲まれる空間SP1内に吸
入され、拡散される。
度を測定する場合、まず、図示せぬ外部の加熱手段によ
り酸素センサ１全体を酸素イオン導電板２の最適動作状
態まで加温し、目的とする被測定ガス中に設置した後、
電極3a,3b間に数ボルトの電圧を印加して、酸素イオン
導電板２に強制的に電流を流す。すると、キャップ４に
よって囲まれる空間SP1内の酸素分子が、カソード側の
電極3aにおいてイオン化され、この酸素イオンが酸素イ
オン導電板２中を電流担体として移送され、対向するア
ノード側の電極3bにおいて再び酸素分子に戻され、気中
に放出される。これにより、キャップ４によって囲まれ
る空間SP1内の酸素分子が、酸素イオン導電板２を介し
て外方の空間SP2へ汲み出され、いわゆるポンピング現
象が生じ、これと同時に、空間SP1内の酸素分子の減少
を補う如く、外部の空間SP3の酸素分子がキャップ４の
拡散孔５を介してキャップ４で囲まれる空間SP1内に吸
入され、拡散される。
ここで、電極3a,3b間の印加電圧と両電極3a,3b間に流れ
る電流値は、酸素濃度に応じて、第３図に示すように変
化する。この図において、例えば、酸素濃度が30％の場
合、電圧−電流特性は次の３領域に区分される。
る電流値は、酸素濃度に応じて、第３図に示すように変
化する。この図において、例えば、酸素濃度が30％の場
合、電圧−電流特性は次の３領域に区分される。
印加電圧が０〜V1の領域；ポンピング現象が定常状態
に至るまでの過渡領域。
に至るまでの過渡領域。
印加電圧がV1〜V2の領域；拡散孔５での酸素拡散量が
飽和し、拡散孔５を介してキャップ４内に流入する酸素
分子と、酸素イオン導電板２を介して外部へ汲み出され
る酸素分子とが均衡している状態にあり、一定の電流
値、いわゆる限界電流値が得られる平坦領域（プラトー
領域）。
飽和し、拡散孔５を介してキャップ４内に流入する酸素
分子と、酸素イオン導電板２を介して外部へ汲み出され
る酸素分子とが均衡している状態にあり、一定の電流
値、いわゆる限界電流値が得られる平坦領域（プラトー
領域）。
印加電圧がV2以上の領域；電極3a,3b間に流れる電流
が、酸素イオン電流以外の成分を含む状態となって電流
が急激に上昇する電流急上昇領域。
が、酸素イオン電流以外の成分を含む状態となって電流
が急激に上昇する電流急上昇領域。
そこで、電極3a,3b間に印加する電圧を予想酸素濃度等
の種々の条件に基づいて、第３図に示す平坦領域内に監
視電圧Vlとして設定し、電流計Ａによって上記平坦領域
における限界電流値を読み取ることにより、この限界電
流値に対応する酸素濃度、すなわち限界電流値I1，I2，
…，I6に対応する酸素濃度５％,10％，…,30％が得られ
る。
の種々の条件に基づいて、第３図に示す平坦領域内に監
視電圧Vlとして設定し、電流計Ａによって上記平坦領域
における限界電流値を読み取ることにより、この限界電
流値に対応する酸素濃度、すなわち限界電流値I1，I2，
…，I6に対応する酸素濃度５％,10％，…,30％が得られ
る。
「発明が解決しようとする問題点」 ところで、上述した従来の限界電流式酸素センサにおい
ては、拡散孔５の径が、キャップ４によって囲まれたる
空間SP1の容量に対して極めて微小であるため、周囲の
酸素濃度が変化してから、拡散孔５を介して空間SP1内
へ拡散する酸素量が変化するまでの時間遅れが大であ
り、したがって、周囲の酸素濃度の変化してから限界電
流値が変化するまでの時間遅れ、すなわち応答時間が大
であるという問題点があった。
ては、拡散孔５の径が、キャップ４によって囲まれたる
空間SP1の容量に対して極めて微小であるため、周囲の
酸素濃度が変化してから、拡散孔５を介して空間SP1内
へ拡散する酸素量が変化するまでの時間遅れが大であ
り、したがって、周囲の酸素濃度の変化してから限界電
流値が変化するまでの時間遅れ、すなわち応答時間が大
であるという問題点があった。
ここで、応答時間の短縮化を図るためには、拡散孔５の
径を大として、酸素の拡散量を大とすればよいが、電極
3aのイオン化能力、および酸素イオン導電板２のイオン
移送能力には限界があり、また、電極3a,3b間の印加電
圧を大とすると、酸素イオン導電体２に相転移などが生
じ、劣化が進行してしまう。したがって、拡散孔５の径
を無制限に大とすることはできない。
径を大として、酸素の拡散量を大とすればよいが、電極
3aのイオン化能力、および酸素イオン導電板２のイオン
移送能力には限界があり、また、電極3a,3b間の印加電
圧を大とすると、酸素イオン導電体２に相転移などが生
じ、劣化が進行してしまう。したがって、拡散孔５の径
を無制限に大とすることはできない。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、ガス
拡散制御体の拡散孔の径を大とすることなく応答性の向
上を図ったガスセンサを提供することを目的としてい
る。
拡散制御体の拡散孔の径を大とすることなく応答性の向
上を図ったガスセンサを提供することを目的としてい
る。
「問題点を解決するための手段」 この発明は、固体電解質によって形成されたイオン導電
板と、このイオン導電板の両面に各々設けられた一対の
電極と、前記イオン導電板の片面に対して形成され、外
部から前記電極面に拡散されるガス拡散量を制御するガ
ス拡散制御体とからなるガスセンサにおいて、前記一対
の電極を前記ガス拡散制御体の外面に沿って各々延出す
ることにより、前記ガス拡散制御体表面と前記各電極間
の導通を向上させたことを特徴としている。
板と、このイオン導電板の両面に各々設けられた一対の
電極と、前記イオン導電板の片面に対して形成され、外
部から前記電極面に拡散されるガス拡散量を制御するガ
ス拡散制御体とからなるガスセンサにおいて、前記一対
の電極を前記ガス拡散制御体の外面に沿って各々延出す
ることにより、前記ガス拡散制御体表面と前記各電極間
の導通を向上させたことを特徴としている。
「作用」 イオン導電板の両面に各々設けられた一対の電極が、ガ
ス拡散制御体の外面に沿って各々延出され、これによ
り、内外電極面とガス拡散制御体表面との間の導通の向
上が図られ、この結果、ガス拡散制御体に帯電した電荷
が速やかに放出され、応答性の向上が図られる。
ス拡散制御体の外面に沿って各々延出され、これによ
り、内外電極面とガス拡散制御体表面との間の導通の向
上が図られ、この結果、ガス拡散制御体に帯電した電荷
が速やかに放出され、応答性の向上が図られる。
「実施例」 以下、図面を参照し、この発明の実施例について説明す
る。
る。
第１図（イ），（ロ）および（ハ）はこの発明の一実施
例の構成を示す図である。これらの図において、10は酸
素イオン導電板、11,12は酸素イオン導電板10の両面に
各々焼成された多孔質白金からなる電極、13は酸素イオ
ン導電板10の片面に空間SP1を形成するように設けら
れ、微小径の拡散孔14が形成されたキャップ、15はキャ
ップ13の上面に白金パターンを印刷することにより設け
られたヒーターである。上記電極11は、酸素イオン導電
板10の一方の面に焼成された主電極部11aと、この主電
極部11aから延出され、酸素イオン導電板10とキャップ1
3の間およびキャップ13の外周面に沿ってキャップ13の
上面まで至る補助電極部11bとから構成されている。同
様に、上記電極12は、酸素イオン導電板10の他方の面に
焼成された主電極部12aと、この主電極部12aから延出さ
れ、酸素イオン導電板10およびキャップ13の外周面に沿
ってキャップ13の上面まで至る補助電極部12bとから構
成されている。この場合、電極11,12の全面積の内、補
助電極11b,12bが占める面積の割合は、５〜20％とする
ことが最適である。そして、これら補助電極部11b,12b
に測定用のリード線16,17が各々接続され、また、キャ
ップ13の上面に形成されたヒータ15の両端に加熱用のリ
ード線18,19が各々接続されている。以上によって酸素
センサ20が構成されている。
例の構成を示す図である。これらの図において、10は酸
素イオン導電板、11,12は酸素イオン導電板10の両面に
各々焼成された多孔質白金からなる電極、13は酸素イオ
ン導電板10の片面に空間SP1を形成するように設けら
れ、微小径の拡散孔14が形成されたキャップ、15はキャ
ップ13の上面に白金パターンを印刷することにより設け
られたヒーターである。上記電極11は、酸素イオン導電
板10の一方の面に焼成された主電極部11aと、この主電
極部11aから延出され、酸素イオン導電板10とキャップ1
3の間およびキャップ13の外周面に沿ってキャップ13の
上面まで至る補助電極部11bとから構成されている。同
様に、上記電極12は、酸素イオン導電板10の他方の面に
焼成された主電極部12aと、この主電極部12aから延出さ
れ、酸素イオン導電板10およびキャップ13の外周面に沿
ってキャップ13の上面まで至る補助電極部12bとから構
成されている。この場合、電極11,12の全面積の内、補
助電極11b,12bが占める面積の割合は、５〜20％とする
ことが最適である。そして、これら補助電極部11b,12b
に測定用のリード線16,17が各々接続され、また、キャ
ップ13の上面に形成されたヒータ15の両端に加熱用のリ
ード線18,19が各々接続されている。以上によって酸素
センサ20が構成されている。
ここで、酸素イオン導電板10は晶系が安定化されたジル
コニア固体電解質(ZrO2)(Y2O3)0.08（安定化剤としてY2
O3を0.08％固溶させたもの）によって構成されている。
コニア固体電解質(ZrO2)(Y2O3)0.08（安定化剤としてY2
O3を0.08％固溶させたもの）によって構成されている。
また、キャップ13は晶系が部分安定化されたジルコニア
電解質(ZrO2)(Y2O3)0.03（安定化剤としてY2O3を0.03％
固溶させたもの）によって構成されている。そして、酸
素イオン導電板10と、キャップ13間はガラス系の接着剤
で固定されている。このため、キャップ13は電極と絶縁
された状態となり、電荷が蓄積され易くなる。さて、こ
のように部分安定化されたジルコニア電解質は、セラミ
ックでありながら多少の導電性を示す。例えば、板状の
ジルコニア電解質の両面に白金電極を設け、これらの白
金電極間の直流抵抗を測定し、ジルコニア電解質の導電
率を求めると、400℃に加熱した状態で、 (ZrO2)(Y2O3)0.03の場合、4.7×10-6［Ω-1,cm-1]、(Zr
O2)(Y2O3)0.08の場合、9.1×10-5［Ω-1,cm-1]である。
電解質(ZrO2)(Y2O3)0.03（安定化剤としてY2O3を0.03％
固溶させたもの）によって構成されている。そして、酸
素イオン導電板10と、キャップ13間はガラス系の接着剤
で固定されている。このため、キャップ13は電極と絶縁
された状態となり、電荷が蓄積され易くなる。さて、こ
のように部分安定化されたジルコニア電解質は、セラミ
ックでありながら多少の導電性を示す。例えば、板状の
ジルコニア電解質の両面に白金電極を設け、これらの白
金電極間の直流抵抗を測定し、ジルコニア電解質の導電
率を求めると、400℃に加熱した状態で、 (ZrO2)(Y2O3)0.03の場合、4.7×10-6［Ω-1,cm-1]、(Zr
O2)(Y2O3)0.08の場合、9.1×10-5［Ω-1,cm-1]である。
次に、上述した構成の酸素センサ20の応答時間について
説明する。
説明する。
まず、電極11,12間の印加電圧を1.5Vとし、ヒータ15に
よる加熱温度を450℃とし、酸素濃度を０％から21％ま
で変化させた場合において、その応答時間を計測したと
ころ2.5secという計測結果が得られた。これと全く同じ
条件の下で、第２図に示す従来の酸素センサ１の応答時
間を計測したところ10.0secであった。したがって、上
述した実施例による酸素センサ20においては、従来と比
較して、応答時間が7.5sec短縮されたことになる。（但
し、上記測定において、従来例としては、上面にヒータ
ーパターンを形成した直熱型を採用し、また本実施例と
しては、ヒータパターンを設けず周囲から加熱する傍熱
型を採用した。）このような応答時間の短縮化の一要因
としては次のことが考えられる。すなわち、電極11,12
が、キャップ13の外面に沿って各々延出されているた
め、キャップ13に蓄積された電荷が、延出された電極1
1,12を介して速やかに放出されるようになり、これによ
り、酸素濃度が急変した場合においても、従来のように
導通を図らない場合と比較して電荷蓄積効果が低く抑え
られ、この結果、電流値の応答性が良好となると考えら
れる。
よる加熱温度を450℃とし、酸素濃度を０％から21％ま
で変化させた場合において、その応答時間を計測したと
ころ2.5secという計測結果が得られた。これと全く同じ
条件の下で、第２図に示す従来の酸素センサ１の応答時
間を計測したところ10.0secであった。したがって、上
述した実施例による酸素センサ20においては、従来と比
較して、応答時間が7.5sec短縮されたことになる。（但
し、上記測定において、従来例としては、上面にヒータ
ーパターンを形成した直熱型を採用し、また本実施例と
しては、ヒータパターンを設けず周囲から加熱する傍熱
型を採用した。）このような応答時間の短縮化の一要因
としては次のことが考えられる。すなわち、電極11,12
が、キャップ13の外面に沿って各々延出されているた
め、キャップ13に蓄積された電荷が、延出された電極1
1,12を介して速やかに放出されるようになり、これによ
り、酸素濃度が急変した場合においても、従来のように
導通を図らない場合と比較して電荷蓄積効果が低く抑え
られ、この結果、電流値の応答性が良好となると考えら
れる。
なお、上述した一実施例においては、酸素センサを例に
説明したが、酸素イオン導電板10を構成する固体電解質
の材質を、適宜置換することにより、例えば窒素ガスや
水素ガスの濃度を測定するセンサとして用いることも可
能である。また、上述した一実施例においては、ガス拡
散制御体として拡散孔14を設けたキャップ13を例に説明
したが、外部から空間SP1内に拡散されるガス拡散量を
制御する機能を有するものあれば、例えば、多孔質体等
によって構成しても構わない。
説明したが、酸素イオン導電板10を構成する固体電解質
の材質を、適宜置換することにより、例えば窒素ガスや
水素ガスの濃度を測定するセンサとして用いることも可
能である。また、上述した一実施例においては、ガス拡
散制御体として拡散孔14を設けたキャップ13を例に説明
したが、外部から空間SP1内に拡散されるガス拡散量を
制御する機能を有するものあれば、例えば、多孔質体等
によって構成しても構わない。
「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、固体電解質に
よって形成されたイオン導電板の両面に各々設けられた
一対の電極を、ガス拡散制御体の外面に沿って各々延出
することによって、電極とガス拡散制御体表面との間の
導通の向上を図り、ガス拡散制御体における電荷蓄積効
果を可及的に防止したため、ガス濃度の変化に対する応
答性の向上が図られるという効果が得られる。
よって形成されたイオン導電板の両面に各々設けられた
一対の電極を、ガス拡散制御体の外面に沿って各々延出
することによって、電極とガス拡散制御体表面との間の
導通の向上を図り、ガス拡散制御体における電荷蓄積効
果を可及的に防止したため、ガス濃度の変化に対する応
答性の向上が図られるという効果が得られる。
第１図（イ），（ロ）および（ハ）はこの発明の一実施
例の上面構成を示す斜視図、内部構成を示す断面図およ
び底面構成を示す斜視図、第２図は従来の限界電流式酸
素センサの構成を示す断面図、第３図は同限界電流式酸
素センサの酸素濃度に対応する電圧−電流特性を示すグ
ラフである。 10……酸素イオン導電板、11,12……電極、11a,12a……
主電極部、11b,12b……補助電極部、13……キャップ
（ガス拡散制御体）、SP1……空間。
例の上面構成を示す斜視図、内部構成を示す断面図およ
び底面構成を示す斜視図、第２図は従来の限界電流式酸
素センサの構成を示す断面図、第３図は同限界電流式酸
素センサの酸素濃度に対応する電圧−電流特性を示すグ
ラフである。 10……酸素イオン導電板、11,12……電極、11a,12a……
主電極部、11b,12b……補助電極部、13……キャップ
（ガス拡散制御体）、SP1……空間。
Claims (1)
- 【請求項１】固体電解質によって形成されたイオン導電
板と、このイオン導電板の両面に各々設けられた一対の
電極と、前記イオン導電板の片面に対して形成され、外
部から前記電極面に拡散されるガス拡散量を制御するガ
ス拡散制御体とからなるガスセンサにおいて、前記一対
の電極を前記ガス拡散制御体の外面に沿って各々延出す
ることにより、前記ガス拡散制御体表面と前記各電極間
の導通を向上させたことを特徴とするガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62071195A JPH0750060B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62071195A JPH0750060B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63236954A JPS63236954A (ja) | 1988-10-03 |
| JPH0750060B2 true JPH0750060B2 (ja) | 1995-05-31 |
Family
ID=13453643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62071195A Expired - Lifetime JPH0750060B2 (ja) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0750060B2 (ja) |
-
1987
- 1987-03-25 JP JP62071195A patent/JPH0750060B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63236954A (ja) | 1988-10-03 |
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