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JP2023004737A - Solid electrolyte sensor use method and solid electrolyte sensor - Google Patents

Solid electrolyte sensor use method and solid electrolyte sensor Download PDF

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JP2023004737A
JP2023004737A JP2021106623A JP2021106623A JP2023004737A JP 2023004737 A JP2023004737 A JP 2023004737A JP 2021106623 A JP2021106623 A JP 2021106623A JP 2021106623 A JP2021106623 A JP 2021106623A JP 2023004737 A JP2023004737 A JP 2023004737A
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lead wire
wire
platinum
solid electrolyte
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孝治 常吉
Koji Tsuneyoshi
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TYK Corp
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Abstract

To provide a solid electrolyte sensor with which, when using zirconia-containing platinum wire as a lead wire on at least a measurement atmosphere side, it is possible to connect the zirconia-containing platinum wire to an electrode with a high level of adhesion.SOLUTION: Provided is a solid electrolyte sensor 1 comprising a first electrode 21 and a second electrode 22 respectively provided in a first space S1 and a second space S2 defined by a sensor element 10 which is formed from a solid electrolyte, the solid electrolyte sensor measuring, via a first lead wire 41 and a second lead wire 42, the electromotive force generated between the first electrode 21 and the second electrode 22 due to ion conduction in the sensor element 10. At least the first lead wire 41 is a zirconia-containing platinum wire which is a wire formed from platinum that contains zirconia, with a pure metal platinum wire 45 wound round the sensor element 10 from above the first lead wire 41 laid along the first electrode 21.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体電解質センサの使用方法、及び、該使用方法により使用される固体電解質センサに関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of using a solid electrolyte sensor and a solid electrolyte sensor used according to the method of use.

固体電解質(イオン伝導性セラミックス)をセンサ素子に使用して、水素ガス、酸素ガス、炭酸ガス、水蒸気などのガス濃度を検出する固体電解質センサが種々提案されており、本出願人も過去に複数の提案を行っている。これらの固体電解質センサは、同一イオンの濃度差により固体電解質に電位差が生じる濃淡電池の原理を使用したものであり、センサ素子を挟んだ二つの空間で検出対象のガスの濃度が異なる場合に、センサ素子に生じる起電力を測定する。二つの空間のうち、第一の空間において検出対象ガスの濃度が既知であれば、ネルンストの式により、測定された起電力とセンサ素子の温度から、第二の空間におけるガス濃度を知ることができる。或いは、第一の空間のガス濃度を一定とした状態で、第二の空間におけるガス濃度を変化させて起電力を測定して予め相関関係を調べておくことにより、ガス濃度が未知の場合の起電力の測定値から、第二の空間のガス濃度を知ることができる。 Various solid electrolyte sensors have been proposed that detect the concentration of gases such as hydrogen gas, oxygen gas, carbon dioxide gas, and water vapor using solid electrolytes (ion-conductive ceramics) as sensor elements. are proposing. These solid electrolyte sensors use the principle of a concentration cell in which a difference in concentration of the same ion causes a potential difference in the solid electrolyte. Measure the electromotive force generated in the sensor element. Of the two spaces, if the concentration of the gas to be detected in the first space is known, the gas concentration in the second space can be known from the measured electromotive force and the temperature of the sensor element using the Nernst equation. can. Alternatively, while the gas concentration in the first space is constant, the electromotive force is measured while the gas concentration in the second space is changed, and the correlation is investigated in advance. From the measured value of the electromotive force, the gas concentration in the second space can be known.

イオン伝導により生じる起電力の測定に際しては、センサ素子において二つの空間の一方に接している表面に電極を設けると共に、他方の空間に接している表面にも電極を設け、双方の電極それぞれをリード線で電位計に接続している。一般的には、電極として白金電極が使用され、リード線としては白金線が使用されている。 When measuring the electromotive force generated by ion conduction, an electrode is provided on the surface of the sensor element that is in contact with one of the two spaces, and an electrode is also provided on the surface that is in contact with the other space. A wire is connected to the electrometer. Generally, a platinum electrode is used as the electrode and a platinum wire is used as the lead wire.

ところが、測定雰囲気が工業炉内など高温の雰囲気であると、リード線として使用している白金線が断線してしまうことがあった。リード線が断線してしまうと、当然ながら起電力の測定ができないため、工業炉などから固体電解質センサを取り外して修理を行う必要がある。それゆえ、固体電解質センサにおける他の部分が正常であっても、リード線の断線のみで起電力を正常に測定できる耐用期間が短くなってしまう。 However, if the measurement atmosphere is a high-temperature atmosphere such as in an industrial furnace, the platinum wire used as the lead wire may break. If the lead wire is broken, the electromotive force cannot be measured, so it is necessary to remove the solid electrolyte sensor from the industrial furnace and repair it. Therefore, even if other parts of the solid electrolyte sensor are normal, the service life during which the electromotive force can be normally measured is shortened only by the disconnection of the lead wire.

そこで、本出願人は、少なくとも測定雰囲気側のリード線として、ジルコニアを含有する白金で形成された線材であるジルコニア含有白金線を使用することを提案している(特許文献1参照)。ジルコニアを含有する白金は、高温下でのクリープ破断強度が高いことから、従来、ガラス溶解用の炉や坩堝、ガラス繊維製造用のブッシング等に使用されてきた材料であるが、このような高温構造材に使用されてきたジルコニアを含有する白金を、線材(ジルコニア含有白金線)とすることにより、高温下でも断線し難いリード線とすることができる。また、ジルコニア含有白金線をリード線としても、リード線が白金線であった従来の固体電解質センサと同様に、イオン伝導に伴い発生する起電力を、問題なく検出することができる。 Therefore, the present applicant has proposed using a zirconia-containing platinum wire, which is a wire made of platinum containing zirconia, at least as a lead wire on the measurement atmosphere side (see Patent Document 1). Platinum containing zirconia has high creep rupture strength at high temperatures, so it is a material that has been conventionally used for furnaces and crucibles for melting glass, bushings for manufacturing glass fibers, etc. By using platinum containing zirconia, which has been used as a structural material, as a wire material (zirconia-containing platinum wire), it is possible to obtain a lead wire that does not easily break even at high temperatures. In addition, even if a zirconia-containing platinum wire is used as a lead wire, it is possible to detect the electromotive force generated by ion conduction without any problem, as in the case of the conventional solid electrolyte sensor in which the lead wire is a platinum wire.

ところが、ジルコニア含有白金線であるリード線は、密着性高く電極に接続することが難しいという問題があった。 However, the lead wire, which is a zirconia-containing platinum wire, has a problem that it is difficult to connect to the electrode due to its high adhesion.

特開2021-43061号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-43061

そこで、本発明は、上記の実情に鑑み、少なくとも測定雰囲気側のリード線としてジルコニア含有白金線を使用するに当たり、ジルコニア含有白金線を密着性高く電極に接続することができる固体電解質センサの使用方法、及び、該使用方法により使用される固体電解質センサの提供を、課題とするものである。 Therefore, in view of the above circumstances, the present invention provides a method for using a solid electrolyte sensor that can connect a zirconia-containing platinum wire to an electrode with high adhesion when using a zirconia-containing platinum wire at least as a lead wire on the measurement atmosphere side. and to provide a solid electrolyte sensor used according to the method of use.

上記の課題を解決するため、本発明にかかる固体電解質センサの使用方法(以下、単に「使用方法」と称することがある)は、
「固体電解質で形成されたセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた第一電極、及び、該第一電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた第二電極を備える固体電解質センサの使用方法であって、
前記第一空間の雰囲気を測定雰囲気とし、
前記第一電極に接続される第一リード線、及び、前記第二電極に接続される第二リード線のうち、少なくとも前記第一リード線として、ジルコニアを含有する白金で形成された線材であるジルコニア含有白金線を使用し、
前記センサ素子におけるイオン伝導に伴い前記第一電極と前記第二電極との間に生じる起電力を、前記第一リード線と前記第二リード線を介して測定するものであり、
前記第一電極に沿わせた前記第一リード線の上から前記センサ素子に純金属の白金線を巻き付ける」ものである。
In order to solve the above problems, a method of using a solid electrolyte sensor according to the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as "method of use") is as follows:
"A sensor element formed of a solid electrolyte, a first electrode provided on the surface of the sensor element, and a second space separated from the first space in contact with the first electrode, the surface of the sensor element A method of using a solid electrolyte sensor comprising a second electrode provided in
The atmosphere of the first space is the atmosphere to be measured,
Of the first lead wire connected to the first electrode and the second lead wire connected to the second electrode, at least the first lead wire is a wire made of platinum containing zirconia. Using platinum wire containing zirconia,
An electromotive force generated between the first electrode and the second electrode due to ion conduction in the sensor element is measured via the first lead wire and the second lead wire,
A pure metal platinum wire is wound around the sensor element from above the first lead wire along the first electrode.

本使用方法では、センサ素子によって区画されている二つの空間(第一空間、第二空間)のうち、第一空間の雰囲気を測定雰囲気とし、第一空間で第一電極に接続される第一リード線として、ジルコニアを含有する白金で形成された線材であるジルコニア含有白金線を使用する。ジルコニア含有白金線は、従前よりリード線として多用されてきた純金属の白金線に比べ、高温下でのクリープ破断強度が高いため、測定雰囲気が高温であっても破断しにくい。また、高温下でセンサを構成する部材が熱膨張するとリード線に大きな引張力がかかるが、これが高温下でのリード線の破断の主要な要因の一つであると考えられる。これに対し、ジルコニア含有白金線は高温下での引張強度が高いため、大きな引張力が作用した状態であっても破断しにくい。従って、測定雰囲気が高温の雰囲気であっても、リード線の断線が抑制された長い耐用期間で、検出対象ガスの第一空間及び第二空間における濃度差に応じたイオン伝導に伴い、センサ素子に発生する起電力を測定することができる。 In this method of use, of the two spaces (first space and second space) partitioned by the sensor element, the atmosphere in the first space is used as the measurement atmosphere, and the first electrode connected to the first electrode in the first space is used as the measurement atmosphere. A zirconia-containing platinum wire, which is a wire made of platinum containing zirconia, is used as the lead wire. Zirconia-containing platinum wires have higher creep rupture strength at high temperatures than pure metal platinum wires, which have been widely used as lead wires, so they are less likely to break even in a high-temperature measurement atmosphere. Moreover, when the members constituting the sensor thermally expand at high temperature, a large tensile force is applied to the lead wire, and this is considered to be one of the main causes of breakage of the lead wire at high temperature. On the other hand, since the zirconia-containing platinum wire has high tensile strength at high temperatures, it is difficult to break even when a large tensile force is applied. Therefore, even if the measurement atmosphere is a high-temperature atmosphere, the sensor element can be used for a long service life in which disconnection of the lead wire is suppressed, and ion conduction according to the concentration difference between the first space and the second space of the detection target gas. It is possible to measure the electromotive force generated in

ところが、ジルコニア含有白金線はセンサ素子の形状に密着するように曲げたり、巻き付けたり、撚り合わせることが難しい。これは、セラミックスであるジルコニアを含有させることにより、金属特有の展延性が低下し、脆性材料であるセラミックスの性質が現れていることによると考えられる。そこで、本発明では、測定雰囲気側の電極である第一電極に、ジルコニア含有白金線である第一リード線を沿わせた上から、純金属の白金線をセンサ素子に巻き付けている。純金属の白金線は展延性に優れるため、センサ素子に緊密に巻き付けることができ、第一リード線を第一電極に押し付けて密着させることができる。つまり、単独では第一電極に密着させることが難しいジルコニア含有白金線である第一リード線を、密着性高く第一電極に接続することができる。 However, it is difficult to bend, wind, or twist the zirconia-containing platinum wire so as to adhere to the shape of the sensor element. This is thought to be because the inclusion of zirconia, which is a ceramic, reduces the ductility peculiar to metals, revealing the properties of ceramics, which is a brittle material. Therefore, in the present invention, a pure metal platinum wire is wound around the sensor element from above the first lead wire, which is a platinum wire containing zirconia, along the first electrode, which is the electrode on the measurement atmosphere side. Since the pure metal platinum wire has excellent malleability, it can be wound tightly around the sensor element, and the first lead wire can be pressed against the first electrode to be in close contact. That is, the first lead wire, which is a zirconia-containing platinum wire that is difficult to adhere to the first electrode by itself, can be connected to the first electrode with high adhesion.

なお、ジルコニアは電気絶縁性のセラミックスであるため、ジルコニア含有白金線と純金属の白金線とを接触させた場合、電気的な接触としては白金線同士の接触と同じであり、第一電極と第二電極との間に生じる起電力の測定に影響を及ぼすことはない。 In addition, since zirconia is an electrically insulating ceramic, when a zirconia-containing platinum wire and a pure metal platinum wire are brought into contact, the electrical contact is the same as the contact between platinum wires, and the first electrode and It does not affect the measurement of the electromotive force generated between the second electrode.

本発明にかかる固体電解質センサの使用方法は、上記構成に加え、
「前記第一リード線が通された白金メッシュを前記第一電極にあてがうことにより前記第一リード線が前記第一電極に沿わせてあり、前記白金メッシュに通された前記第一リード線の上から前記センサ素子に前記白金線を巻き付ける」ものとすることができる。
The method of using the solid electrolyte sensor according to the present invention includes, in addition to the above configuration,
"By applying a platinum mesh through which the first lead wire is passed to the first electrode, the first lead wire is laid along the first electrode, and the first lead wire passed through the platinum mesh The platinum wire is wound around the sensor element from above."

本構成では、第一リード線を白金メッシュの目に通した上で白金メッシュを第一電極にあてがい、その上からセンサ素子に純金属の白金線を巻き付けている。これにより、第一リード線と通電している白金メッシュが第一電極に接触し、この状態がセンサ素子に巻き付けられた白金線によってしっかりと保持される。第一電極と第一リード線との電気的な接続に、白金メッシュを介した接続が加わることとなり、白金メッシュでは構成する白金線の交点が電気的な接点であって多数が存在するため、電気的な接続がより確実で良好なものとなる。また、白金メッシュに第一リード線を通しているため、白金メッシュがずれて第一電極から外れることが抑制される。 In this configuration, the first lead wire is passed through the mesh of the platinum mesh, the platinum mesh is applied to the first electrode, and the pure metal platinum wire is wound around the sensor element. As a result, the platinum mesh electrically connected to the first lead wire comes into contact with the first electrode, and this state is firmly held by the platinum wire wound around the sensor element. The connection via the platinum mesh is added to the electrical connection between the first electrode and the first lead wire. Electrical connection becomes more reliable and good. Moreover, since the first lead wire is passed through the platinum mesh, it is suppressed that the platinum mesh is displaced and detached from the first electrode.

次に、本発明にかかる固体電解質センサは、
「固体電解質で形成されたセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた第一電極、及び、該第一電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた第二電極を備え、前記センサ素子におけるイオン伝導に伴い前記第一電極と前記第二電極との間に生じる起電力を、前記第一電極に接続された第一リード線及び前記第二電極に接続された第二リード線を介して測定するための固体電解質センサであって、
前記第一リード線及び前記第二リード線のうち、少なくとも前記第一リード線は、ジルコニアを含有する白金で形成された線材であるジルコニア含有白金線であり、
前記第一電極に沿わせた前記第一リード線の上から前記センサ素子に純金属の白金線が巻き付けられている」ものである。
Next, the solid electrolyte sensor according to the present invention is
"A sensor element formed of a solid electrolyte, a first electrode provided on the surface of the sensor element, and a second space separated from the first space in contact with the first electrode, the surface of the sensor element and the first lead wire connected to the first electrode and the first lead wire connected to the first electrode and the A solid electrolyte sensor for measuring via a second lead connected to a second electrode, comprising:
Of the first lead wire and the second lead wire, at least the first lead wire is a zirconia-containing platinum wire that is a wire made of platinum containing zirconia,
A pure metal platinum wire is wound around the sensor element from above the first lead wire along the first electrode.

また、本発明にかかる固体電解質センサは、上記構成に加え、
「前記第一リード線が通された白金メッシュが前記第一電極にあてがわれることにより前記第一リード線が前記第一電極に沿わせてあり、前記白金メッシュに通された前記第一リード線の上から前記センサ素子に前記白金線が巻き付けられている」ものとすることができる。
Further, the solid electrolyte sensor according to the present invention, in addition to the above configuration,
"The first lead wire is passed along the first electrode by applying the platinum mesh through which the first lead wire is passed to the first electrode, and the first lead passed through the platinum mesh The platinum wire is wound around the sensor element from above the wire."

これらは、上記の使用方法により使用される固体電解質センサの構成である。第一空間の雰囲気を測定雰囲気とすることにより、上記の作用効果が発揮される。 These are solid electrolyte sensor configurations used in accordance with the methods of use described above. By using the atmosphere of the first space as the measurement atmosphere, the above effects are exhibited.

以上のように、本発明によれば、少なくとも測定雰囲気側のリード線としてジルコニア含有白金線を使用するに当たり、ジルコニア含有白金線を密着性高く電極に接続することができる固体電解質センサの使用方法、及び、該使用方法により使用される固体電解質センサを、提供することができる。 As described above, according to the present invention, when using a zirconia-containing platinum wire at least as a lead wire on the measurement atmosphere side, a method of using a solid electrolyte sensor that can connect the zirconia-containing platinum wire to an electrode with high adhesion, And a solid electrolyte sensor used by the method of use can be provided.

図1(a)は本発明の第一実施形態である固体電解質センサの要部側面図であり、図1(b)は図1(a)と同じ部分の縦断面図である。FIG. 1(a) is a side view of the essential part of the solid electrolyte sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1(b) is a vertical cross-sectional view of the same portion as FIG. 1(a). 図2(a)は本発明の第二実施形態である固体電解質センサの要部側面図であり、図2(b)は図2(a)と同じ部分の一部拡大縦断面図である。FIG. 2(a) is a side view of essential parts of a solid electrolyte sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 2(b) is a partially enlarged longitudinal sectional view of the same part as in FIG. 2(a).

以下、本発明の実施形態である固体電解質センサの使用方法、及び、この使用方法により使用される固体電解質センサ1,2について、図面を用いて説明する。 A method of using a solid electrolyte sensor according to an embodiment of the present invention and solid electrolyte sensors 1 and 2 used in this method of use will be described below with reference to the drawings.

第一実施形態の固体電解質センサ1は、固体電解質で形成されたセンサ素子10によって、第一空間S1と第二空間S2とが区画されているものであるが、図1(a)及び図1(b)に示すように、センサ素子10をホルダ30に保持させることにより二つの空間が区画されている。具体的には、筒状のホルダ30の一端に、封止材39を介してセンサ素子10が固定されることにより、ホルダ30とセンサ素子10とを合わせた形状として有底筒状が形成され、二つの空間が区画されている。ホルダ30は、アルミナセラミックスやムライトセラミックスなど、電気絶縁性と耐熱性を有する材料で形成されている。 In the solid electrolyte sensor 1 of the first embodiment, a first space S1 and a second space S2 are separated by a sensor element 10 made of a solid electrolyte. As shown in (b), two spaces are separated by holding the sensor element 10 in the holder 30 . Specifically, by fixing the sensor element 10 to one end of the cylindrical holder 30 via the sealing material 39, the holder 30 and the sensor element 10 are combined to form a bottomed cylindrical shape. , divided into two spaces. The holder 30 is made of a material having electrical insulation and heat resistance, such as alumina ceramics or mullite ceramics.

なお、ここではセンサ素子10の形状が有底筒状であり、ホルダ30の内部で開口している場合を例示している Here, the shape of the sensor element 10 is cylindrical with a bottom, and the case where the inside of the holder 30 is open is exemplified.

固定電解質センサ1では、有底筒状の内部空間と外部空間のうち、どちらを測定雰囲気である第一空間S1としても良いが、ここでは有底筒状の外部空間を第一空間S1としている。工業炉の炉壁に孔部を設け、その孔部に固定電解質センサを挿し込んで炉内の雰囲気におけるガス濃度を測定する際は、このように有底筒状の外部空間が第一空間S1となる。 In the fixed electrolyte sensor 1, either of the bottomed cylindrical inner space and the outer space may be the first space S1, which is the atmosphere to be measured. Here, the bottomed cylindrical outer space is the first space S1. . When a hole is provided in the furnace wall of an industrial furnace and a fixed electrolyte sensor is inserted into the hole to measure the gas concentration in the atmosphere inside the furnace, the bottomed cylindrical external space is used as the first space S1. becomes.

そして、センサ素子10において第一空間S1側の表面に第一電極21が設けられると共に、第二空間S2側の表面に第二電極22が設けられる。そして、第一電極21には第一リード線41が接続されると共に、第二電極22には第二リード線42が接続される。第一リード線41及び第二リード線42を電位計(図示を省略)に接続することにより、第一電極21と第二電極22との間に生じた起電力が検出される。 A first electrode 21 is provided on the surface of the sensor element 10 on the side of the first space S1, and a second electrode 22 is provided on the surface on the side of the second space S2. A first lead wire 41 is connected to the first electrode 21 and a second lead wire 42 is connected to the second electrode 22 . By connecting the first lead wire 41 and the second lead wire 42 to an electrometer (not shown), the electromotive force generated between the first electrode 21 and the second electrode 22 is detected.

なお、第一電極21及び第二電極22としては、白金電極を使用している。白金電極は、電極用白金ペーストをセンサ素子10の表面に塗布し、焼き付けることにより形成された多孔質被膜である。 Platinum electrodes are used as the first electrode 21 and the second electrode 22 . The platinum electrode is a porous film formed by applying a platinum paste for electrode to the surface of the sensor element 10 and baking it.

また、第二空間S2には、センサ素子10の温度を検出するための熱電対51が挿入されており、熱電対51の各素線と第二リード線42とは、電気絶縁性のロッド50に軸方向に貫設された複数の孔部の一つにそれぞれ挿通されている。更に、第二空間S2には、基準ガスを導入するための導入パイプ60が挿入されている。基準ガスは検出対象ガスの濃度が既知のガスであるが、基準ガスとして大気が用いられる場合もある。その場合は、導入パイプを挿入することなく、第二空間S2を大気に開放させる構成としてもよい。 A thermocouple 51 for detecting the temperature of the sensor element 10 is inserted in the second space S2. Each is inserted through one of a plurality of holes axially penetrating through. Furthermore, an introduction pipe 60 for introducing the reference gas is inserted into the second space S2. The reference gas is a gas whose detection target gas concentration is known, but the atmosphere may be used as the reference gas in some cases. In that case, the second space S2 may be open to the atmosphere without inserting the introduction pipe.

本実施形態では、第二リード線42として純金属である白金線(直径0.3mm)を使用する一方、第一リード線41としてジルコニア含有白金線(直径0.3mm)を使用している。ジルコニア含有白金線は、0.4質量%のジルコニア(二酸化ジルコニウム)を分散させた白金を、線材としたものである。なお、ジルコニア含有白金線におけるジルコニアの含有率は、少なくとも0.3質量%~0.5質量%の範囲であれば、電気伝導性に支障がなく、望ましい。 In this embodiment, a pure metal platinum wire (0.3 mm in diameter) is used as the second lead wire 42 , and a zirconia-containing platinum wire (0.3 mm in diameter) is used as the first lead wire 41 . The zirconia-containing platinum wire is a wire made of platinum in which 0.4% by mass of zirconia (zirconium dioxide) is dispersed. The zirconia content in the zirconia-containing platinum wire is preferably in the range of at least 0.3% by mass to 0.5% by mass, since it does not interfere with electrical conductivity.

第一リード線41は、第一電極21が形成されている部分を通るようにセンサ素子10の先端の表面に沿わせた後、ホルダ30におけるセンサ素子10側の端部まで引き延ばし、ホルダ30の他方の端部に向かってホルダ30の表面に沿わせた上で、電位計に接続されている。 The first lead wire 41 runs along the surface of the tip of the sensor element 10 so as to pass through the portion where the first electrode 21 is formed, and then extends to the end of the holder 30 on the sensor element 10 side. It extends along the surface of the holder 30 toward the other end and is connected to an electrometer.

そして、第一リード線41を第一電極21に沿わせている部分で、白金線45(直径0.3mm)がセンサ素子10に複数回、周回するように巻き付けられ、白金線45の両端部が撚り合わされている。純金属である白金線45は展延性に優れているため、センサ素子10に緊密にしっかりと巻き付けることができ、両端部を撚り合わせることによって、しっかりと巻き付けられた状態を保持することができる。ジルコニア含有白金線は変形しにくいため、第一リード線41を第一電極21に沿わせただけでは、両者の間に隙間が生じやすく互いの接触が不十分になりやすいところ、第一リード線41の上から白金線45をセンサ素子10にしっかりと巻き付けているため、第一リード線41と第一電極21との電気的な接続が良好なものとなる。 A platinum wire 45 (diameter 0.3 mm) is wound around the sensor element 10 a plurality of times at a portion where the first lead wire 41 is along the first electrode 21, and both ends of the platinum wire 45 are wound around the sensor element 10. are twisted together. Since the pure metal platinum wire 45 has excellent malleability, it can be tightly wound around the sensor element 10, and the tightly wound state can be maintained by twisting both ends. Since the zirconia-containing platinum wire is difficult to deform, if the first lead wire 41 is simply placed along the first electrode 21, a gap is likely to occur between the two and the mutual contact is likely to be insufficient. Since the platinum wire 45 is tightly wound around the sensor element 10 from above 41, the electrical connection between the first lead wire 41 and the first electrode 21 is good.

なお、ジルコニア含有白金線は、純金属である白金線に比べて展延性が低いため、第一電極21が形成されている部分で第一リード線41自体をセンサ素子10に巻き付けようとしても、緊密に巻き付けることはできず、巻き付けた後で両端部を撚り合わせようとしても、ねじった時に切れてしまう。これは、セラミックスであるジルコニアを白金に含有させていることにより、脆性的な性質が現れているためと考えられた。 In addition, since the zirconia-containing platinum wire has lower ductility than the pure metal platinum wire, even if the first lead wire 41 itself is wound around the sensor element 10 at the portion where the first electrode 21 is formed, It cannot be wrapped tightly, and if one tries to twist the ends together after wrapping, it will break when twisted. It is considered that this is because the brittle nature appears due to the inclusion of zirconia, which is a ceramic, in platinum.

上記構成の固体電解質センサ1を、実際に工業炉に設置し、温度600℃の測定雰囲気におけるガス濃度の検出に使用したところ、長期間にわたり第一リード線41が断線することなく使用できることが確認された。 When the solid electrolyte sensor 1 having the above configuration was actually installed in an industrial furnace and used to detect the gas concentration in a measurement atmosphere at a temperature of 600°C, it was confirmed that the first lead wire 41 could be used for a long period of time without disconnection. was done.

また、本実施形態の固体電解質センサ1を使用し、第二空間S2に基準ガスを導入する一方で、検出対象ガスの濃度を段階的に異ならせたガスを第一空間S1に供給し、そのときの起電力を測定した。また、比較のために、第一リード線41として純金属の白金線を使用したことを除き、固体電解質センサ1と同一である固体電解質センサについて、同様に第二空間S2に基準ガスを導入する一方で、検出対象ガスの濃度を段階的に異ならせたガスを第一空間S1に供給したときの起電力を測定した。 Further, using the solid electrolyte sensor 1 of the present embodiment, the reference gas is introduced into the second space S2, while the concentration of the target gas to be detected is changed stepwise and supplied to the first space S1. The electromotive force was measured when For comparison, a solid electrolyte sensor identical to the solid electrolyte sensor 1 except that a pure metal platinum wire was used as the first lead wire 41 was similarly introduced into the second space S2 with a reference gas. On the other hand, the electromotive force was measured when the first space S1 was supplied with a gas in which the concentration of the gas to be detected was varied stepwise.

その結果は、特許文献1で報告した結果と同様であり、第一リード線としてジルコニア含有白金線を使用しても、第一リード線として白金線を使用した場合と同じく、測定された起電力の値はネルンストの式を用いて算出された理論値とよく一致し、固体電解質におけるイオン伝導に伴う起電力を、問題なく測定できることが確認された。 The results are similar to those reported in US Pat. The value of is in good agreement with the theoretical value calculated using the Nernst equation, confirming that the electromotive force associated with ion conduction in the solid electrolyte can be measured without problems.

次に、第二実施形態の固体電解質センサ2について、図2(a)及び図2(b)を用いて説明する。固体電解質センサ2が第一実施形態の固体電解質センサ1と相違する点は、第一リード線41を第一電極21に電気的に接続するに当たり、白金メッシュ47を使用している点である。具体的には、白金メッシュ47の目に第一リード線41を通し、白金メッシュ47を第一電極21にあてがった状態で、第一リード線41及び白金メッシュ47の上から、白金線45をセンサ素子10に複数回、周回するように巻き付ける。白金線45の両端は、固体電解質センサ1と同様に撚り合わせる。ジルコニア含有白金線である第一リード線41は曲がりにくいが、白金メッシュ47をたわませることにより、メッシュの目に第一リード線41を通すことができる。 Next, the solid electrolyte sensor 2 of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 2(a) and 2(b). The solid electrolyte sensor 2 differs from the solid electrolyte sensor 1 of the first embodiment in that a platinum mesh 47 is used to electrically connect the first lead wire 41 to the first electrode 21 . Specifically, the first lead wire 41 is passed through the platinum mesh 47, and the platinum wire 45 is passed over the first lead wire 41 and the platinum mesh 47 while the platinum mesh 47 is applied to the first electrode 21. It is wound around the sensor element 10 multiple times. Both ends of the platinum wire 45 are twisted together in the same manner as in the solid electrolyte sensor 1 . The first lead wire 41, which is a zirconia-containing platinum wire, is hard to bend, but by bending the platinum mesh 47, the first lead wire 41 can be passed through the mesh of the mesh.

白金メッシュ47としては、メッシュを構成する白金線が細くたわみ易いものが望ましく、電気的接点となる白金線の交点の数が多くなるように目の数が多いものが望ましい。例えば、メッシュを構成する白金線の直径が0.076mmで、80メッシュの白金メッシュを使用することができる。 As the platinum mesh 47, it is preferable that the platinum wires constituting the mesh are thin and flexible, and that the number of meshes is large so that the number of intersections of the platinum wires serving as electrical contacts is large. For example, a platinum wire having a diameter of 0.076 mm and a platinum mesh of 80 mesh can be used.

固体電解質センサ2では、第一リード線41と通電している白金メッシュ47が第一電極21に接触している状態が、センサ素子10に巻き付けられた白金線45によってしっかりと保持される。第一電極21と第一リード線41との電気的な接続に、白金メッシュ47を介した接続が加わることとなり、白金メッシュ47を構成する白金線の交点が電気的な接点であって多数が存在するため、電気的な接続がより確実で良好なものとなる。また、白金メッシュ47に第一リード線41を通しているため、白金メッシュ47がずれて第一電極21から外れることが抑制される。 In the solid electrolyte sensor 2 , the platinum wire 45 wound around the sensor element 10 firmly holds the platinum mesh 47 electrically connected to the first lead wire 41 in contact with the first electrode 21 . The connection through the platinum mesh 47 is added to the electrical connection between the first electrode 21 and the first lead wire 41, and the intersections of the platinum wires that constitute the platinum mesh 47 are electrical contacts, and many Because of its presence, the electrical connection is more reliable and better. In addition, since the first lead wire 41 is passed through the platinum mesh 47 , the platinum mesh 47 is prevented from being displaced and detached from the first electrode 21 .

以上のように、本実施形態の固体電解質センサ1,2によれば、測定雰囲気である第一空間S1に配される第一リード線41をジルコニア含有白金線とすることにより、測定雰囲気が高温であってもリード線が断線することを抑制し、イオン伝導に伴い固体電解質に生じる起電力を、長期間にわたり正常に測定することができる。そして、ジルコニア含有白金線は展延性が低く、第一リード線41自体はセンサ素子10に巻き付けたり端部を撚り合わせたりすることが困難であり、第一リード線41を第一電極21に沿わせただけでは、両者の間に隙間が生じやすく互いの接触が不十分になりやすいところ、第一リード線41の上から白金線45を巻き付けることにより、電気的な接続を良好なものとすることができる。 As described above, according to the solid electrolyte sensors 1 and 2 of the present embodiment, the first lead wire 41 arranged in the first space S1, which is the measurement atmosphere, is a zirconia-containing platinum wire, so that the measurement atmosphere can be kept at a high temperature. However, the breakage of the lead wire can be suppressed, and the electromotive force generated in the solid electrolyte due to ion conduction can be normally measured over a long period of time. The zirconia-containing platinum wire has low ductility, and it is difficult to wind the first lead wire 41 itself around the sensor element 10 or to twist the ends together. Just by putting them together, a gap is likely to occur between them and the mutual contact tends to be insufficient, but by winding the platinum wire 45 from the top of the first lead wire 41, good electrical connection is achieved. be able to.

固体電解質センサ2では、更に白金メッシュ47を介して第一リード線41と第一電極21とを電気的に接続しているため、電気的な接点が多数となり、電気的な接続がより確実で良好なものとなる。 In the solid electrolyte sensor 2, since the first lead wire 41 and the first electrode 21 are electrically connected through the platinum mesh 47, the number of electrical contacts is increased and the electrical connection is more reliable. it will be good.

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。 As described above, the present invention has been described with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and as shown below, various improvements can be made without departing from the scope of the present invention. and design changes are possible.

例えば、上記の実施形態では、第一リード線41及び第二リード線42のうち、測定雰囲気である第一空間S1に配される第一リード線41のみをジルコニア含有白金線とし、第二リード線42は純金属の白金線とする場合を例示したが、第二リード線42もジルコニア含有白金線とすることができる。 For example, in the above embodiment, of the first lead wire 41 and the second lead wire 42, only the first lead wire 41 arranged in the first space S1 which is the measurement atmosphere is the zirconia-containing platinum wire, and the second lead wire Although the wire 42 is exemplified as a pure metal platinum wire, the second lead wire 42 can also be a zirconia-containing platinum wire.

固体電解質センサ1は、有底筒状のセンサ素子10をホルダ30の内部で開口する向きでホルダ30に固定した例であったが、有底筒状のセンサ素子10はホルダ30の外部で開口する向きとしてもよい。また、筒状のホルダの一端に固定されるセンサ素子の形状は有底筒状に限定されず、柱状やディスク状とすることができる。 The solid electrolyte sensor 1 is an example in which the bottomed cylindrical sensor element 10 is fixed to the holder 30 in such a direction as to open inside the holder 30 , but the bottomed cylindrical sensor element 10 opens outside the holder 30 . It may be directed to Further, the shape of the sensor element fixed to one end of the tubular holder is not limited to the bottomed tubular shape, and may be columnar or disk-shaped.

更に、筒状のホルダの中途に、封止材を介してセンサ素子を固定することによっても、二つの空間が区画される。この場合、ホルダとセンサ素子とを合わせた形状として、有底筒状の部分を二つ有することとなるため、内部空間及び外部空間を区別する概念が生じないが、一方を第一空間S1とし他方を第二空間S2とする。ホルダの中途に固定されるセンサ素子の形状は、柱状、ディスク状、有底筒状とすることができる。 Furthermore, two spaces are also separated by fixing the sensor element in the middle of the cylindrical holder via a sealing material. In this case, the combined shape of the holder and the sensor element has two bottomed cylindrical portions, so there is no concept of distinguishing between the internal space and the external space, but one is defined as the first space S1. Let the other be the second space S2. The shape of the sensor element fixed in the middle of the holder can be columnar, disk-shaped, or cylindrical with a bottom.

また、上記では、ホルダとセンサ素子とを合わせた形状を有底筒状とすることによって二つの空間を区画する場合を例示したが、ホルダを使用することなくセンサ素子自体の形状を有底筒状とすることにより、センサ素子のみによって二つの空間が区画されている固体電解質センサとすることもできる。 Further, in the above description, the case where the two spaces are separated by forming the combined shape of the holder and the sensor element into a bottomed cylinder is exemplified. A solid electrolyte sensor in which two spaces are separated by only the sensor element can also be obtained by forming the sensor element into a shape.

加えて、固体電解質センサ1,2において、センサ素子10に巻き付けられた白金線45が埋設されるように白金ペーストを塗布した後、800℃~1000℃の温度で熱処理してもよい。これにより、固体電解質センサ1では、第一リード線41、白金線45、及び第一電極21が、固化した白金ペーストで一体化するため、第一リード線41と第一電極21との電気的な接続がより良好なものとなる。また、固体電解質センサ2では、第一リード線41、白金線45、白金メッシュ47、及び第一電極21が、固化した白金ペーストで一体化するため、第一リード線41と第一電極21との電気的な接続がより良好なものとなる。白金ペーストとしては、電極形成用の白金ペーストを使用することができる。 In addition, in the solid electrolyte sensors 1 and 2, after applying the platinum paste so that the platinum wire 45 wound around the sensor element 10 is embedded, heat treatment may be performed at a temperature of 800.degree. C. to 1000.degree. As a result, in the solid electrolyte sensor 1, the first lead wire 41, the platinum wire 45, and the first electrode 21 are integrated with the solidified platinum paste. better connection. Moreover, in the solid electrolyte sensor 2, the first lead wire 41, the platinum wire 45, the platinum mesh 47, and the first electrode 21 are integrated with the solidified platinum paste. better electrical connection. As the platinum paste, a platinum paste for electrode formation can be used.

1 固体電解質センサ
2 固体電解質センサ
10 センサ素子
21 第一電極
22 第二電極
30 ホルダ
41 第一リード線
42 第二リード線
45 白金線
47 白金メッシュ
S1 第一空間
S2 第二空間
1 solid electrolyte sensor 2 solid electrolyte sensor 10 sensor element 21 first electrode 22 second electrode 30 holder 41 first lead wire 42 second lead wire 45 platinum wire 47 platinum mesh S1 first space S2 second space

Claims (4)

固体電解質で形成されたセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた第一電極、及び、該第一電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた第二電極を備える固体電解質センサの使用方法であって、
前記第一空間の雰囲気を測定雰囲気とし、
前記第一電極に接続される第一リード線、及び、前記第二電極に接続される第二リード線のうち、少なくとも前記第一リード線として、ジルコニアを含有する白金で形成された線材であるジルコニア含有白金線を使用し、
前記センサ素子におけるイオン伝導に伴い前記第一電極と前記第二電極との間に生じる起電力を、前記第一リード線と前記第二リード線を介して測定するものであり、
前記第一電極に沿わせた前記第一リード線の上から前記センサ素子に純金属の白金線を巻き付ける
ことを特徴とする固体電解質センサの使用方法。
a sensor element formed of a solid electrolyte, a first electrode provided on the surface of the sensor element, and a second space separated from the first space in contact with the first electrode, on the surface of the sensor element A method of using a solid electrolyte sensor with a second electrode provided, comprising:
The atmosphere of the first space is the atmosphere to be measured,
Of the first lead wire connected to the first electrode and the second lead wire connected to the second electrode, at least the first lead wire is a wire made of platinum containing zirconia. Using platinum wire containing zirconia,
An electromotive force generated between the first electrode and the second electrode due to ion conduction in the sensor element is measured via the first lead wire and the second lead wire,
A method of using a solid electrolyte sensor, wherein a pure metal platinum wire is wound around the sensor element from above the first lead wire along the first electrode.
前記第一リード線が通された白金メッシュを前記第一電極にあてがうことにより前記第一リード線が前記第一電極に沿わせてあり、前記白金メッシュに通された前記第一リード線の上から前記センサ素子に前記白金線を巻き付ける
ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質センサの使用方法。
By applying a platinum mesh through which the first lead wire is passed to the first electrode, the first lead wire is arranged along the first electrode and above the first lead wire passed through the platinum mesh 2. A method of using a solid electrolyte sensor according to claim 1, wherein said platinum wire is wound around said sensor element from a thin film.
固体電解質で形成されたセンサ素子、該センサ素子の表面に設けられた第一電極、及び、該第一電極が接している第一空間と区画されている第二空間において前記センサ素子の表面に設けられた第二電極を備え、前記センサ素子におけるイオン伝導に伴い前記第一電極と前記第二電極との間に生じる起電力を、前記第一電極に接続された第一リード線及び前記第二電極に接続された第二リード線を介して測定するための固体電解質センサであって、
前記第一リード線及び前記第二リード線のうち、少なくとも前記第一リード線は、ジルコニアを含有する白金で形成された線材であるジルコニア含有白金線であり、
前記第一電極に沿わせた前記第一リード線の上から前記センサ素子に純金属の白金線が巻き付けられている
ことを特徴とする固体電解質センサ。
a sensor element formed of a solid electrolyte, a first electrode provided on the surface of the sensor element, and a second space separated from the first space in contact with the first electrode, on the surface of the sensor element a first lead wire connected to the first electrode and the second A solid electrolyte sensor for measuring via a second lead connected to two electrodes, comprising:
Of the first lead wire and the second lead wire, at least the first lead wire is a zirconia-containing platinum wire that is a wire made of platinum containing zirconia,
A solid electrolyte sensor, wherein a pure metal platinum wire is wound around the sensor element from above the first lead wire along the first electrode.
前記第一リード線が通された白金メッシュが前記第一電極にあてがわれることにより前記第一リード線が前記第一電極に沿わせてあり、前記白金メッシュに通された前記第一リード線の上から前記センサ素子に前記白金線が巻き付けられている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質センサの使用方法。
The first lead wire is passed along the first electrode by applying a platinum mesh through which the first lead wire is passed to the first electrode, and the first lead wire is passed through the platinum mesh. 2. A method of using a solid electrolyte sensor according to claim 1, wherein said platinum wire is wound around said sensor element from above.
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