JPS62190459A - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサInfo
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- JPS62190459A JPS62190459A JP61032497A JP3249786A JPS62190459A JP S62190459 A JPS62190459 A JP S62190459A JP 61032497 A JP61032497 A JP 61032497A JP 3249786 A JP3249786 A JP 3249786A JP S62190459 A JPS62190459 A JP S62190459A
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- Japan
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- electrodes
- gas
- electrode
- gas chamber
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- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、例えばいわゆる拡散限界電流方式等のように
測定室へのガス拡散制限効果によって周囲雰囲気中の測
定ガスを測定するガスセンサに関するものである。
測定室へのガス拡散制限効果によって周囲雰囲気中の測
定ガスを測定するガスセンサに関するものである。
［従来の技術］
現在、公害防止や工業上の必要性等のために、雰囲気中
のガス濃度をより精度よく制御することが求められてい
る。
のガス濃度をより精度よく制御することが求められてい
る。
そのためのガスセンサとして１例えば、特定ガス成分の
イオンを伝導する固体電解質体に１対の電極を設けたも
のをポンプ素子として用い、該ポンプ素子と同様の構造
の濃淡電池素子をガス拡散制限手段を有する測定ガス室
を介して対向し、該濃淡電池素子の出力が一定となるよ
うに上記ポンプ素子の電流を調節し、その電流から周囲
雰囲気中の測定ガス濃度を測定するガスセンサがある。
イオンを伝導する固体電解質体に１対の電極を設けたも
のをポンプ素子として用い、該ポンプ素子と同様の構造
の濃淡電池素子をガス拡散制限手段を有する測定ガス室
を介して対向し、該濃淡電池素子の出力が一定となるよ
うに上記ポンプ素子の電流を調節し、その電流から周囲
雰囲気中の測定ガス濃度を測定するガスセンサがある。
［発明が解決しようとする問題点］
前述のようなガスセンサのガス濃度−出力特性は、概ね
ガス拡散制限手段のガス拡散制限効果と、測定ガス室の
厚さ即ち画素子間の間隙によるガス拡散制限効果とによ
って規定される。
ガス拡散制限手段のガス拡散制限効果と、測定ガス室の
厚さ即ち画素子間の間隙によるガス拡散制限効果とによ
って規定される。
上記のうちガス拡散制限手段によるガス拡散制限効果は
ガスセンサの製造後に調整が可能であるが、測定ガス室
の厚さはガスセンサの製造後に調整できない。更に製造
時の焼成工程で固体電解質板が変形する等によって測定
ガス室の厚さを一定にすることは容易ではなかった。
ガスセンサの製造後に調整が可能であるが、測定ガス室
の厚さはガスセンサの製造後に調整できない。更に製造
時の焼成工程で固体電解質板が変形する等によって測定
ガス室の厚さを一定にすることは容易ではなかった。
［問題点を解決するための手段］
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
あり、その要旨は、 表裏面に１対の多孔質電極を有する２枚の固体電解質板
が間隙を介して対向配設されるとともに、該間隙に測定
ガスとの間でガス拡散制限手段を介して連通せしめた測
定ガス室を僅えたガスセンサにおいて、 上記測定ガス室で対向する２枚の電極の間に支柱を設け
てなることを特徴とするガスセンサにある。
あり、その要旨は、 表裏面に１対の多孔質電極を有する２枚の固体電解質板
が間隙を介して対向配設されるとともに、該間隙に測定
ガスとの間でガス拡散制限手段を介して連通せしめた測
定ガス室を僅えたガスセンサにおいて、 上記測定ガス室で対向する２枚の電極の間に支柱を設け
てなることを特徴とするガスセンサにある。
ここで固体電解質板としてβ−八見立２０３使用すると
Ｎａガスが、安定化Ｚｒ０ｚ、二酸化セリウ、ム、二酸
化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体等を用いると
０２ガスの測定が可能である。
Ｎａガスが、安定化Ｚｒ０ｚ、二酸化セリウ、ム、二酸
化トリウム、二酸化ハフニウムの各固溶体等を用いると
０２ガスの測定が可能である。
特に、固体電解質として酸素イオン伝導性のものを使用
すると可燃物、例えばＨ２、Ｃ○、ＣＨａ等の濃度を測
定することも可能である。
すると可燃物、例えばＨ２、Ｃ○、ＣＨａ等の濃度を測
定することも可能である。
多孔質電極の材料としては、白金、金等を用いることが
でき、これらは、原料粉末を主成分としてペースト化し
厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成してもよく、又
フレーム溶射あるいは化学メッキもしくは蒸着などの薄
膜技術を用いて形成してもよい。又多孔質電極中に上記
固体電解質板と同材料が配合されてもよい。
でき、これらは、原料粉末を主成分としてペースト化し
厚膜技術を用いて印刷後、焼結して形成してもよく、又
フレーム溶射あるいは化学メッキもしくは蒸着などの薄
膜技術を用いて形成してもよい。又多孔質電極中に上記
固体電解質板と同材料が配合されてもよい。
ガス拡散制限手段としては、測定ガス室と測定ガス雰囲
気とを結ぶ孔あるいは上記２枚の固体電解質板の間隙を
用いることができる。この孔は、１つ、あるいは２つ以
上設けられ、又この孔に多孔質材を充填して拡散抵抗を
増すようにしてもよい。
気とを結ぶ孔あるいは上記２枚の固体電解質板の間隙を
用いることができる。この孔は、１つ、あるいは２つ以
上設けられ、又この孔に多孔質材を充填して拡散抵抗を
増すようにしてもよい。
測定ガス室は、２枚の固体電解質板の間に、測定ガス室
となる空所を有するスペーサーを挾んで接合することに
より形成される。
となる空所を有するスペーサーを挾んで接合することに
より形成される。
この測定ガス室の厚さすなわち画素子の電極表面間の距
離は、０．０１〜０．２ｍｍが好ましく、特に０．０１
〜０．１ｍｍであると好ましい。この厚さが０．０１ｍ
ｍより小さいと、測定ガス室自体によるガスの拡散制限
の効果が大きすぎてガスセンサの応答性がかえって悪化
する。又、逆にこの厚さがＱ、２ｍｍより大きければ、
測定ガス室内の、特に両電極の間の成分ガスの分圧差が
大きくなり、応答性も悪くなる。
離は、０．０１〜０．２ｍｍが好ましく、特に０．０１
〜０．１ｍｍであると好ましい。この厚さが０．０１ｍ
ｍより小さいと、測定ガス室自体によるガスの拡散制限
の効果が大きすぎてガスセンサの応答性がかえって悪化
する。又、逆にこの厚さがＱ、２ｍｍより大きければ、
測定ガス室内の、特に両電極の間の成分ガスの分圧差が
大きくなり、応答性も悪くなる。
測定ガス室で対向する２枚の電極の間に設けられる支柱
は、ＡｕｚＯａ、ムライト、スピネル等を用いることが
できる。この支柱は１本でも複数でもよいが電極上に均
等に配置されると好ましい。
は、ＡｕｚＯａ、ムライト、スピネル等を用いることが
できる。この支柱は１本でも複数でもよいが電極上に均
等に配置されると好ましい。
又、この支柱は多孔質であってもよい。
上記支柱の電極との接触面積（支柱が複数の場合には接
触総面積）は０．８〜２０％が好ましい。
触総面積）は０．８〜２０％が好ましい。
即ち、上記接触面積の割合が２０％以下であると上記支
柱が測定ガス空白のガスの拡散を妨げず、電極での反応
がスムーズに進行し、ガス濃度−出力特性が好ましいも
のとなる。逆に上記接触面積の割合が０．８％以上であ
ると支柱として十分な強度となり好ましい。
柱が測定ガス空白のガスの拡散を妨げず、電極での反応
がスムーズに進行し、ガス濃度−出力特性が好ましいも
のとなる。逆に上記接触面積の割合が０．８％以上であ
ると支柱として十分な強度となり好ましい。
この支柱は、電極を厚膜あるいはｓｖＡ技術によって形
成した上からスクリーン印刷等によって形成すればよい
。
成した上からスクリーン印刷等によって形成すればよい
。
さらに上記ガスセンサを構成する一方の固体電解質板の
測定ガスと接しない面に基準ガス（例えば酸素）を外部
から導入したり、発生させてもよい。
測定ガスと接しない面に基準ガス（例えば酸素）を外部
から導入したり、発生させてもよい。
［作用］
本発明のガスセンサは測定ガス室で対向する２枚の電極
の間に支柱を有するので、製造の焼成工程において測定
ガス室の厚さが変形しない。
の間に支柱を有するので、製造の焼成工程において測定
ガス室の厚さが変形しない。
［実施例］
本発明の一実施例について説明する。
本実施例は、第１図の分解斜視図に示される空燃比セン
サに本発明を適用したものである。
サに本発明を適用したものである。
本実施例に用いる空燃比センサは第１図に示す如く、
電極ａ１と電極ｂ２と固体電解質板３とからなる第１の
素子Ａと、 電極Ｃ４と電極ｄ５と固体電解質板６とからなる第２の
素子Ｂと、 第１の素子Ａと遮蔽体７との重ね合せ部分に、ここでは
埋設多孔質電極として形成された電極ａ１からなる内部
基準酸素源Ｒと、 一端が電極ａ１のリード部に接し他端が多孔質電極ｂ２
のスルーホールと接する多孔質絶縁体Ｚと電極ｂ２のリ
ード部とからなる漏出抵抗部と、第１の素子Ａと第２の
素子Ｂとが層状中間部材としてのスペーサ８を介して積
層されてそれらの対向する電極ｂ２、電極０４間に形成
される測定ガス室９と 測定ガス室９の電極ｂ２、電極０４間に設けられた１２
本の支柱Ｓとからなる。本実施例ではスペーサ８の４ケ
所を多孔質で置き換え、ガス拡散制限部下とした。
素子Ａと、 電極Ｃ４と電極ｄ５と固体電解質板６とからなる第２の
素子Ｂと、 第１の素子Ａと遮蔽体７との重ね合せ部分に、ここでは
埋設多孔質電極として形成された電極ａ１からなる内部
基準酸素源Ｒと、 一端が電極ａ１のリード部に接し他端が多孔質電極ｂ２
のスルーホールと接する多孔質絶縁体Ｚと電極ｂ２のリ
ード部とからなる漏出抵抗部と、第１の素子Ａと第２の
素子Ｂとが層状中間部材としてのスペーサ８を介して積
層されてそれらの対向する電極ｂ２、電極０４間に形成
される測定ガス室９と 測定ガス室９の電極ｂ２、電極０４間に設けられた１２
本の支柱Ｓとからなる。本実施例ではスペーサ８の４ケ
所を多孔質で置き換え、ガス拡散制限部下とした。
電極ｄ５は端子１０に、電極ａ１、電極ｂ２、電極Ｃ４
は各々スルーホールを介して端子１１゜１２．１３に接
続される。
は各々スルーホールを介して端子１１゜１２．１３に接
続される。
各部の寸法は、固体電解質板３．６は厚さ０゜５ｍｍＸ
幅４ｍｍｘ長さ２５ｍｍ、電極ａ１．電極ｂ２゜電極ｃ
４． Ｔｓ極ｄ５は２ 、４ ｍ１１ｘ ７ 、２
ｍｍ、スペーサ８は厚さ６ｏμｍ×幅４ｍｍＸ長さ２５
ｍｍであッＴ、 ２ 、４ ｍｍｘ ７ 、７ ｍｍの
測定ガス室９を有し、４ケ所幅１．７ｍｍの多孔質から
なるガス拡散制限部下を有する。遮蔽体７は厚さ０．５
ｍｍｘ幅４ｍｒｒｌ×長さ２５Ｉｌｉｍである。
幅４ｍｍｘ長さ２５ｍｍ、電極ａ１．電極ｂ２゜電極ｃ
４． Ｔｓ極ｄ５は２ 、４ ｍ１１ｘ ７ 、２
ｍｍ、スペーサ８は厚さ６ｏμｍ×幅４ｍｍＸ長さ２５
ｍｍであッＴ、 ２ 、４ ｍｍｘ ７ 、７ ｍｍの
測定ガス室９を有し、４ケ所幅１．７ｍｍの多孔質から
なるガス拡散制限部下を有する。遮蔽体７は厚さ０．５
ｍｍｘ幅４ｍｒｒｌ×長さ２５Ｉｌｉｍである。
又、本実施例の各素子の固体電解質板３．６はいずれも
Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２固体電解質である。
Ｙ２Ｏ３−ＺｒＯ２固体電解質である。
各素子の電極１．２，４．５は白金に１０重量％のＹ２
０３−Ｚｒ ０２を添加した多孔質体である。
０３−Ｚｒ ０２を添加した多孔質体である。
遮蔽体７及びスペーサ８はジルコニアである。支柱Ｓは
Ａ立２０３製の多孔質である。
Ａ立２０３製の多孔質である。
この空燃比センサの基本的動作は次の通りである。
先ず、第１の素子Ａの多孔質電極間に多孔質電極ａ１を
正、多孔質電極ｂ２を負とするよう所定電圧〈例えば５
Ｖｌを抵抗（例えば２５０にΩ）を介してかけることに
より所定電流を流して測定ガス室内から内部基準酸素源
Ｒに酸素を輸送する。
正、多孔質電極ｂ２を負とするよう所定電圧〈例えば５
Ｖｌを抵抗（例えば２５０にΩ）を介してかけることに
より所定電流を流して測定ガス室内から内部基準酸素源
Ｒに酸素を輸送する。
次いで、内部基準酸素源Ｒの酸素ガス分圧が測定ガス室
内の酸素ガス分圧より高くなると、この酸素ガス分圧比
によって多孔質電極ａ １． ｂ ２間の起電力が生じ
る。この端子間電圧は測定ガス室９内のガスがリッチ域
の場合とリーン域の場合との間で数百ｍＶの差が生じ、
かつその差はリッチ域とリーン域との境すなわち理論空
燃比状態でステップ状に変化する。
内の酸素ガス分圧より高くなると、この酸素ガス分圧比
によって多孔質電極ａ １． ｂ ２間の起電力が生じ
る。この端子間電圧は測定ガス室９内のガスがリッチ域
の場合とリーン域の場合との間で数百ｍＶの差が生じ、
かつその差はリッチ域とリーン域との境すなわち理論空
燃比状態でステップ状に変化する。
第２の素子Ｂはこの第１の素子Ａの変化特性を利用して
、測定ガス室９内の空燃比状態が周囲排ガスの空燃比状
態の如何によらず、常にほぼ理論空燃比（λ＝１）とな
るように測定ガス室内に外部から酸素を汲み入れたり、
汲み出したりする。
、測定ガス室９内の空燃比状態が周囲排ガスの空燃比状
態の如何によらず、常にほぼ理論空燃比（λ＝１）とな
るように測定ガス室内に外部から酸素を汲み入れたり、
汲み出したりする。
即ち、第１の素子Ａの端子間の電圧が所定の一定値にな
るよう、第２の素子Ｂを用いて測定ガス室の酸素を汲み
出したり汲み入れたりさせ、その時第２の素子Ｂに流れ
る電流（以下、ポンプ電流ともいう。）を検出して排ガ
スの空燃比出力とする。あるいは場合によっては、その
逆に第２の素子Ｂのポンプ電流を一定値に制御して測定
ガス室９の酸素を所定量だけ汲み出すか汲み入れ、その
時第１の素子Ａの端子間の電圧を検出することによって
、排ガスの空燃比に応じた信号を検出することができる
。
るよう、第２の素子Ｂを用いて測定ガス室の酸素を汲み
出したり汲み入れたりさせ、その時第２の素子Ｂに流れ
る電流（以下、ポンプ電流ともいう。）を検出して排ガ
スの空燃比出力とする。あるいは場合によっては、その
逆に第２の素子Ｂのポンプ電流を一定値に制御して測定
ガス室９の酸素を所定量だけ汲み出すか汲み入れ、その
時第１の素子Ａの端子間の電圧を検出することによって
、排ガスの空燃比に応じた信号を検出することができる
。
尚、上記空燃比センサは測定ガス室９で対向する電極ｂ
２と電極Ｃ４とが同電位の状態で使用することも可能で
あり、その場合支柱Ｓは導電体でもよい。
２と電極Ｃ４とが同電位の状態で使用することも可能で
あり、その場合支柱Ｓは導電体でもよい。
上記空燃比センサの支柱と電極との接触面積の割合く以
下支柱面積％）を種々変えて、ガス濃度−出力特性と支
柱面積との関係を調べた。
下支柱面積％）を種々変えて、ガス濃度−出力特性と支
柱面積との関係を調べた。
先ず、支柱なし、支柱面積０．８％、１０％、２０％、
３３％の上記空燃比センサを各３０〜５０本作成して試
料とした。尚、支柱面積％は支柱の本数によって変えた
。
３３％の上記空燃比センサを各３０〜５０本作成して試
料とした。尚、支柱面積％は支柱の本数によって変えた
。
第２図は支柱面積％と空燃比センサの特性のばらつきと
の関係を示す図である。ここで空燃比センサの特性は、
上記空燃比センサが大気にある時、第１の素子Ａの電極
ａ、ｂ間の出力電圧が４５０ｍＶとなるに必要な各試料
のポンプ電流をもって表わした。本図から明らかなよう
に支柱を設けることによって空燃比センサのばらつきは
約半分となる。
の関係を示す図である。ここで空燃比センサの特性は、
上記空燃比センサが大気にある時、第１の素子Ａの電極
ａ、ｂ間の出力電圧が４５０ｍＶとなるに必要な各試料
のポンプ電流をもって表わした。本図から明らかなよう
に支柱を設けることによって空燃比センサのばらつきは
約半分となる。
第３図は支柱面積％と空燃比センサの特性との関係を示
す図である。ここで空燃比センサの特性は、上記空燃比
センサがλ−０，８の雰囲気中にある時、第１の素子Ａ
の端子間に所定の電圧を発生させるのに必要な第２の素
子Ｂのポンプ電圧を表わす。又、この特性は中間の平坦
部Ｆが広い方が好ましい。
す図である。ここで空燃比センサの特性は、上記空燃比
センサがλ−０，８の雰囲気中にある時、第１の素子Ａ
の端子間に所定の電圧を発生させるのに必要な第２の素
子Ｂのポンプ電圧を表わす。又、この特性は中間の平坦
部Ｆが広い方が好ましい。
第３図から明らかなように支柱面積が小さい方が上記平
坦部が長く特性がよい。そして支柱面積が２０％以下で
特に好ましい特性が得られる。
坦部が長く特性がよい。そして支柱面積が２０％以下で
特に好ましい特性が得られる。
［発明の効果］
本発明は、ガスセンサの測定ガス室の電極間に支柱を設
けることによって、ガスセンサの製造時に上記電極間の
間隔が変化することを防ぐ。そのため特性のそろった空
燃比センサを製造することができる。
けることによって、ガスセンサの製造時に上記電極間の
間隔が変化することを防ぐ。そのため特性のそろった空
燃比センサを製造することができる。
さらに、本発明とガス拡散制限手段の調整とを組み合わ
せることにより、より高精度のガスセンサが容易に製造
できる。
せることにより、より高精度のガスセンサが容易に製造
できる。
第１図は・本発明の一実施例の空燃比センサの分解斜視
図、 第２図はその支柱面積と特性のばらつきとの関係図、 第３図はその支柱面積と特性との関係図である。 Ａ・・・第１の素子 Ｂ・・・第２の素子 Ｚ・・・漏出抵抗部 Ｒ・・・内部基準酸素源 Ｓ・・・支柱 Ｔ・・・多孔質（ガス拡散制限部） １．２．４．５−７！ｆ極ａ、ｂ、ｃ、ｄ３．６・・・
固体電解質板 ９・・・測定ガス室
図、 第２図はその支柱面積と特性のばらつきとの関係図、 第３図はその支柱面積と特性との関係図である。 Ａ・・・第１の素子 Ｂ・・・第２の素子 Ｚ・・・漏出抵抗部 Ｒ・・・内部基準酸素源 Ｓ・・・支柱 Ｔ・・・多孔質（ガス拡散制限部） １．２．４．５−７！ｆ極ａ、ｂ、ｃ、ｄ３．６・・・
固体電解質板 ９・・・測定ガス室
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 表裏面に１対の多孔質電極を有する２枚の固体電解
質板が間隙を介して対向配設されるとともに、該間隙に
測定ガスとの間でガス拡散制限手段を介して連通せしめ
た測定ガス室を備えたガスセンサにおいて、 上記測定ガス室で対向する２枚の電極の間に支柱を設け
てなることを特徴とするガスセンサ。 ２ 上記支柱の電極との接触面積が電極面積の０．８〜
２０％である特許請求の範囲第１項記載のガスセンサ。 ３ 上記一方の固体電解質板の測定ガス室に対向しない
電極が基準ガスと接する特許請求の範囲第１項又は第２
項記載のガスセンサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61032497A JPH0697222B2 (ja) | 1986-02-17 | 1986-02-17 | ガスセンサ |
| US07/012,161 US4722778A (en) | 1986-02-17 | 1987-02-09 | Gas sensor with gas diffusion chamber between two platy solid electrolyte cells |
| DE19873704817 DE3704817A1 (de) | 1986-02-17 | 1987-02-16 | Gassensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61032497A JPH0697222B2 (ja) | 1986-02-17 | 1986-02-17 | ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62190459A true JPS62190459A (ja) | 1987-08-20 |
| JPH0697222B2 JPH0697222B2 (ja) | 1994-11-30 |
Family
ID=12360631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61032497A Expired - Fee Related JPH0697222B2 (ja) | 1986-02-17 | 1986-02-17 | ガスセンサ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4722778A (ja) |
| JP (1) | JPH0697222B2 (ja) |
| DE (1) | DE3704817A1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008525773A (ja) * | 2004-12-28 | 2008-07-17 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | ガスセンサに用いられるセンサ素子 |
| JP2011038958A (ja) * | 2009-08-17 | 2011-02-24 | Ngk Insulators Ltd | ガスセンサ |
| JP2015108583A (ja) * | 2013-12-05 | 2015-06-11 | 日本特殊陶業株式会社 | ガスセンサ素子およびガスセンサ |
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| JP4855975B2 (ja) * | 2007-02-27 | 2012-01-18 | 日本碍子株式会社 | ガスセンサの製造方法 |
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1987
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