JPS6311644Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は限界電流式酸素濃度検出器に関するも
のである。

従来この種のものは、酸素イオン伝導性金属酸
化物より成る板状の固体電解質素子を備え、その
表裏に多孔質の電極を設けたことを基本的構造と
している。

そして、両電極間に通電することによつて雰囲
気中の酸素をイオンとして一方の電極から他方の
電極へ素子中に酸素イオンを拡散させている。こ
の時、印加電圧を変化させても電極間を流れる電
流値が変化しない領域、即ち限界電流が発生する
ことが知られている。そこで、所定電圧印加時の
限界電流値を測定することで雰囲気中の酸素濃度
を知ることができる。

この限界電流値は測定ガスの雰囲気温度によつ
て変化するので、ヒータ線で加熱して素子の温度
をほぼ一定に保つている。

ところで、上記の素子は円筒状ハウジングの内
側に固定するのであるが、その多くはセラミツク
セメントの固化、ガラスの溶融固化により行なつ
ている。

しかし、セメントの場合はその注入が困難であ
り、注入用の特別の溝を設けるなど複雑な構造を
必要とし、またガラスの場合はその溶融時の熱処
理が必要となり、作業性も悪い。

本考案は上記の点に鑑み、上記ヒータ線の基板
と素子とを接合するとともに、その基板および／
または素子に突部を設け、この突部を剛性をもつ
た板状部材により金属酸化物粉末を介して気密的
に挾持したことによつて、極めて簡単な構成で素
子を確実にかつ気密を保つて固定できる限界電流
式の酸素濃度検出器を提供することを目的とする
ものである。

以下本考案を具体的実施例により詳細に説明す
る。まず、第１図乃至第４図において１は酸素濃
度検出用の固体電解質素子であり、酸化ジルコニ
ウム91モル％と酸化イツトリウム９モル％とを固
溶させた酸素イオン伝導性金属酸化物より構成し
てある。また、この素子１は中央近傍に突部１ａ
を有した板状の形状を有している。この素子１の
両面に第２図に示すような形状で化学メツキ，真
空蒸着，イオンスパツタリング，ペーストスクリ
ーン印刷，化学メツキ＋電気メツキ等の方法によ
り、触媒金属例えば白金よりなる電極２ａ，３ａ
及びリード線２ｂ，３ｂが形成してある。更に、
電極２ａ及び３ａの表面をガスに対し拡散抵抗を
もつた多孔性保護層４ａ及び４ｂにて被覆してあ
る。この保護層４ａ，４ｂは、アルミナ・マグネ
シアスピネルあるいはアルミナ、ジルコニア等の
耐熱性かつ多孔質な被膜であり、プラズマ溶射又
はデイツピング・筆塗り等により形成してある。
ここで保護層４ａの膜厚は400〜1200μとし、４
ｂの膜厚は50〜100μとした。５はアルミナ等の
耐熱性絶縁物質よりなるヒータ素子基板であり、
この基板５の表面にペーストスクリーン印刷等に
より白金あるいはタングステンより成るヒータ線
６ａ及びリード線６ｂが設けられ、例えばアルミ
ナ・マグネシアスピネルより成る緻密な保護被膜
７にて被覆してある。固体電解質素子１と基板５
とは、中心にその間に測温用熱電対８を内蔵した
無機接着剤９により互いに接着してある。

１０は耐熱金属製の円筒状ハウジングで、下部
に穴あきカバー１１および排気管に取りつけるた
めのフランジ部１２を有するものである。ここ
で、第１図に示した素子サブアツセンブリーは、
ハウジング１０の内側のテーパー状座部１０ａ
に、タルク製リング１５及び磁器質の絶縁体１
４、銅又はニツケル等のパツキン１３を介してハ
ウジング１０と電気絶縁して載置してある。すな
わち、ハウジング１０の内側の座部１０ａに、パ
ツキン１３を介して剛性を有した板状の部材とし
ての絶縁体１４を載置する。次に、この絶縁体１
４の上にタルクリング１５を載置し、かつ素子サ
ブアツセンブリーをハウジング１０の内側に配設
するとともに、そのアツセンブリーの突起１ａ，
５ａをタルクリング１５の上に載置する。次に、
タルクリング１６を上記アツセンブリーの突起１
ａ，５ａの側方、上方に位置するようハウジング
１０の内側に配置する。そして、このタクルリン
グ１６の上方に、板状のアスベストリング１７を
介して剛性を有した板状の部材としての耐熱金属
製リングパツド１８を配置する。更に、中空円筒
状の絶縁体２１の先端側の拡大部分をハウジング
１０の内側に配置し、その拡大部分の先端面を上
記リングパツト１８の上面に接触させる。次に、
金属カバー２０およびめリング１９をハウジン
グ１０の内側に配置する。

上記のような配置構成において、ハウジング１
０の上端をめる。これにより、そのめ力が絶
縁体２２を介してリングパツト１８、アスベスト
１７、タルクリング１６，１５、および絶縁体２
１に作用するため、タルクリング１５，１６はリ
ングパツト１８と絶縁体２１との間で圧縮される
ので、前記素子サブアツセンブリーの突起１ａ，
５ａの周りがタルク粉末により気密的に挾持され
る。２２はセラミツクセメントである。なお、タ
ルクリング１５，１６は成形後乾燥させたもので
焼成はしてなく、わずかな力で変形が容易なもの
である。

以上の構成において次に作用を説明する。

リード線３ｂ側を電源の、リード線２ｂ側を
電源に接続し、電圧を印加すると電流が電極３
ａから２ａ側に流れる。ここで素子１は酸素イオ
ン固体電解質であるため、検出ガスの酸素は保護
層４ａを経て電極２ａに至り、この電極２ａにて
電子の供給を受け、酸素イオンとなる。これは素
子１の内部を拡散していき、電極３ａにて電子を
放出し酸素分子に戻る。

この反応において、拡散層となる保護層４ａの
厚さを一定以上の厚さ、例えば400μ〜1200μと
し、電極面積を５mm²と小さくとつて電圧を徐々に
上げていくと、保護層の影響で電圧を変化させて
も電流が変化しない領域、すなわち限界電流が発
生する。この限界電流ieは、 ie＝4FD₀ ²／RT・Ｓ／ｌPO₂ … Ｆ…フアラデー定数 Ｒ…気体定数 D₀…拡散定数 Ｓ…電極面積 ｌ…拡散層抵抗 PO₂…酸素分圧 で表わされ、 限界電流値は検出ガス中の酸素濃度（分圧）に応
じて変化するため、一定電圧を印加しこの限界電
流を測定することにより、検出ガス中の酸素分圧
を測定することができる。

次に本考案例の実験結果を下記する。

本実施例は前述の実施例に記載した製造法によ
り製造した検出器をO₂−N₂系のモデルガスにて
800℃で測定したものである。結果は第５図に示
すように検出器への印加電圧の増加に対し0.3V
程度から1.5V程度まで電流値のほとんど変化し
ない領域が得られ、更に印加電圧を増加すると再
び電流値が増加し出す。この電流値はほとんど変
化しない領域の値が限界電流であり、酸素濃度に
より上記の式にのつとり限界電流の値が変化す
る。一定電圧（0.8V）を印加した時の酸素濃度
と限界電流値との関係を第６図に示す。限界電流
値は酸素濃度に比例して変化しており、この電流
値により例えば自動車内燃機関の空燃比をコント
ロールすることができる。なお、実用時において
は排気ガスの温度が変化し、それに伴ない限界電
流値も変化するので、その温度を前述の熱電対８
で検出し、ヒータ線６ａに通電して素子１の温度
を一定に保つようにしている。

本考案は上述の実施例に限定されず、以下のご
とく種々の変形が可能である。

(1) 素子１とヒータ用の基板５とは多孔質な無機
接着剤９で接着したが、気密性の無機接着剤で
接着しても良い。この場合、素子１のうちヒー
タ側の電極３ａから検出ガスに通じる通気口を
上記接着剤にあけておく必要がある。

(2) 素子１の材質は7.5〜９モルのY₂O₃を含むジ
ルコニア以外に、５モルのY₂O₃を含む安定化
ジルコニアでも10モルのY₂O₃を含む安定化ジ
ルコニアでもよく、また材質的に安定であれ
ば、4.5〜10モルのどの領域のY₂O₃添加量でも
良い。

(3) 素子１は他の材質としてはCaO安定化ジルコ
ニアでも、Yb₂O₃安定化ジルコニアでも、
In₂O₃安定化ジルコニアでも、Sc₂O₃安定化ジ
ルコニアでも良い。

(4) 素子１とヒータ用基板５とは接着剤で接合し
ているため、どちらか一方にのみ固定用突部を
設ければ良い。

(5) 前述の実施例では厚みの厚い保護層４ａを検
出ガスに直接に晒すようにしたが、この保護層
４ａを薄くしてヒータ用基板５側の保護層４ｂ
を厚くしてもよい。この場合、電圧の印加の方
法としては、当然のことながら厚い保護層４ｂ
側より素子１内へ酸素が拡散し流れる向きとす
る。

(6) 素子１への電極層の形成方法としては、前述
実施例のごとく素子１の焼成体に表面処理を行
なつた後、メツキ，蒸着，ペーストスクリーン
印刷等により形成する方法の他に、素子１の焼
成前または1100℃〜1200℃にて仮焼した後、ペ
ーストスクリーン印刷等により電極を形成し、
素子１と同時焼成させる方法でもよい。この場
合、電極２ａ，３ａと素子１とのなじみが良
く、また電極２ａ，３ａがポーラスなものとな
り、酸素の流れ易い良好な電極となる。

(7) 素子１の製造法としてはプレス法以外に、ド
クターブレードにより製造しても良く、更にド
クターブレード法の場合一枚板の打ち抜き等に
よる方法だけでなく、２枚を焼成による収縮の
大きい面が互いに外側になるように貼り合わせ
た後焼結させ、製造しても良い。この場合のメ
リツトは、焼成による素子１の反りを防止でき
る点が挙げられる。

(8) ヒータの製造法として、絶縁セラミツク焼成
体にヒートエレメントを焼きつける方法以外
に、仮焼体に貴金属よりなるヒートエレメント
を形成し、同時焼成する方法、またはグリーン
シートに貴金属ヒートエレメントを形成し、同
時焼成する方法、あるいはグリーンシートに金
属よりなるヒートエレメントを形成しこのヒー
トエレメントを他のグリーンシートで挾むよう
に貼りつけ、同時焼成して一枚板にする方法で
も良い。

(9) 自動車内燃機関の空燃比コントロール用の他
に熱効率を高めるために燃焼機構の空燃比をコ
ントロールするものにも適用できる。

(10) 検出器の取りつけはフランジ１２のボルト締
め以外に、ハウジング１０にねじを設けるよう
にしても良い。

(11) 保護層４ａ，４ｂは厚みが異なるようにして
あるが、同一の厚みでも良い。また、同一の厚
みにしてどちらか一方の気孔率を他方に対し異
なるようにしても良い。

(12) また、保護層４ａ，４ｂの厚み、気孔率を同
一にして電極２ａ，３ａの厚み、気孔率を変え
ても良い。例えば電極２ａを厚く、電極３ａを
薄くするか、その逆でも良い。

(13) 素子１、基板５の突部１ａ，５ａの周りの
金属酸化物はタルク（滑石）であるが、アルミ
ナ（Al₂O₃）、マグネシア（MgO）等でも勿論
よい。

(14) また、素子１、基板５の突部１ａ，５ａの
周りの金属酸化物を挾持する板状部材は金属材
質であつてもよい。

以上詳述したごとく、本考案においては、次の
ような効果がある。

(イ) 素子および／またはヒータ線担持用の基板に
突部を設け、この突部を、剛性を持つた板状部
材により金属酸化物粉末を介して挾持している
から、この粉末が板状部材により圧縮されるこ
とになり、粉末が緻密になつて素子および基板
の確実かつ気密性のよい固定ができ、しかもそ
の固定構造自体も非常に簡単である。

(ロ) 突部によつて素子，基板をハウジングの内側
に固定する際の位置決めを行なうことができ、
従つて組付作業性もよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における要部を示す
断面側面図、第２図は第１図の素子を示す正面
図、第３図は第１図の基板を示す正面図、第４図
は本発明の一実施例の全体構成を示す部分断面
図、第５図および第６図は本発明の作用説明に供
する特性図である。 １……固体電解質素子、１ａ……突部、２ａ，
３ａ……電極、５……基板、５ａ……突部、６ａ
……ヒータ線、１４……絶縁体、１５，１６……
タルク粉末、１７……アスベストリング、１８…
…リングパツト。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 酸素イオン伝導性金属酸化物より成る板状の固
   体電解質素子の表裏面に、多孔質の電極をそれぞ
   れ設け、この素子の両電極間に一定電圧を印加す
   ることにより前記素子の内部に素子が晒される雰
   囲気中の酸素イオンを拡散させ、この拡散する酸
   素イオン電流により、雰囲気中の酸素濃度に応じ
   生ずる限界電流値を求めることにより雰囲気中の
   酸素濃度を検出するようにした限界電流式酸素濃
   度検出器であつて、前記素子の表裏面の一方の側
   に、電気絶縁性金属酸化物より成る板状の基板を
   接合し、この基板に通電により発熱するヒータ線
   を設け、前記素子および／または前記基板に突部
   を設け、円筒状ハウジングの内側に座部を設け、
   前記ハウジングの内側の前記座部に剛性を有した
   板状の部材を載置し、前記素子および前記基板を
   前記ハウジングの内側に配設するとともに、前記
   板状の部材の上に前記素子および／または前記基
   板の突部を電気絶縁性金属酸化物粉末を介して載
   置し、かつ前記突部の側方および上方に電気絶縁
   性金属酸化物粉末を配置するとともに、この金属
   酸化物粉末の上方に剛性を有した板状の部材を載
   置し、この板状の部材を前記ハウジングの内側に
   固定して、前記突部を前記両板状の部材により前
   記突部の周りの前記金属酸化物粉末を介して前記
   ハウジングの内側において気密的に挾持したこと
   を特徴とする酸素濃度検出器。