JP2000121601A - ２素子一体型の加熱型限界電流式酸素センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサ上部の温度が変化しても酸素濃度指示
値の変動が抑制され、自己診断機能の信頼性が高くコス
トの低い加熱型限界電流式酸素センサを提供する。 【解決手段】 本発明の加熱型限界電流式酸素センサは
２つのセンサ素子1a、1bを有し、センサ素子1a、1bのヒ
ータ部12とセンシング部21の上下関係が互いに逆となる
ように、２つのセンサ素子1a、1bが横並びに配設されて
いる。両センサ素子1a、1bは断熱材中に埋設されている
のが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はジルコニア固体電解
質からなる限界電流式酸素センサ等の加熱型化学センサ
に関し、特に２つのセンサ素子が上下逆に配置されてお
り、周囲温度の変化に対する酸素濃度指示値の変動の抑
制に有効で、信頼性の高い自己診断機能を有する２素子
一体型の加熱型限界電流式酸素センサに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】いわゆ
る酸素センサといわれているものには、大きく分けてガ
ルバニ式、濃淡電池式、限界電流式の３つのタイプがあ
る。このなかで、限界電流式の酸素センサは、濃淡電池
式で用いられるような基準エアが不要であり、またガル
バニ式のような定期的な校正も不要である点で使用しや
すく、近年では、家電製品の一部にも装着されるように
なってきた。

【０００３】限界電流式酸素センサはジルコニア系固体
電解質の酸素イオンポンプ機能を応用した広範囲の酸素
濃度を検知できるセンサであり、基本的には図３に示す
原理で作動する。そのセンサ素子30は、ジルコニア固体
電解質14とその両面に設けられた電極15ａ及び15ｂとを
有し、電極15ａを陰極とするように電源32が接続されて
いる。電極15ａ側には拡散抵抗層16が設けられている。
上記構造のセンサ素子において、所定の温度条件でジル
コニア固体電解質14の両端に検出ガス側（電極15ａ側）
が負となる向きに電圧（セル電圧）を印加すると、セン
サ素子30の外部から拡散抵抗層16を通過し、電極15ａに
供給された酸素分子が電極面で酸素イオンとなり、ジル
コニア固体電解質14内を電極15ｂに向かって移動する。
そして電極15ｂで酸素イオンが再び酸素分子となり外部
に放出される。このように、酸素のイオン化及びイオン
のガス化に伴う電荷の移動が生じるので、電源32とセン
サ素子30を接続した回路に電流が流れる。この電流量は
拡散抵抗層16中を拡散する酸素分子の量によって決ま
る。なお図中のグラフはＯ^2-イオンの濃度分布を示す。

【０００４】拡散抵抗層16中を拡散する酸素分子の量は
検出ガスの酸素濃度に比例するので、酸素濃度が一定の
場合、図４に示すように、印加電圧（セル電圧）が増大
しても出力電流が一定値となる（飽和する）範囲が存在
する電圧−電流特性を示す。この飽和電流値Ｉ_s は検出
ガス中の酸素濃度に比例した値であるので、この電流値
Ｉ_s を読み取ることによって酸素濃度を検出できる。

【０００５】従来の限界電流式酸素センサ素子の代表例
を図５に示す。図５に示す酸素センサ素子50において
は、固体電解質基板７の両面に多孔質の電極8a、8bが設
けられており、電極8aを陰極とするように電源（図示せ
ず）が接続されている。陰極8a側には、上記の固体電解
質基板７と封止板11と封着材10とにより内部室13が形成
されている。この内部室13は、多孔質の電極8a、8bの気
孔及び固体電解質基板７に設けられた微小な拡散孔９に
より、外部に連通している。この拡散孔９はいわゆる酸
素拡散律速状態をつくる。固体電解質のイオン伝導度は
高温になるにつれて大きくなるので、イオン伝導度を高
める目的で酸素センサ素子自体を400 ℃程度に加熱する
ために、封止板11上にヒータ12が設けられている。

【０００６】各センサ素子は以下の方法により作製され
る。まず酸素イオン伝導体である固体電解質の基板７
を、ジルコニア系の材料（たとえばジルコニアに安定化
剤としてイットリア、カルシア、セリア等の少なくとも
１種を添加したもの）から形成し、その真中に拡散孔９
を形成する。基板７の両面に、拡散孔９を塞ぐように、
白金、パラジウム、イリジウム、金等からなる多孔質の
電極8a、8bを蒸着法又はスクリーン印刷法等により形成
する。次いで陰極8a側に封着材10を介して封止板11を設
置し、封止板11の上面に蛇行状のヒータ12を設ける。

【０００７】従来、図５に示す限界電流式酸素センサ素
子50は、図６(a) 及び(b) に示すように、加熱用ヒータ
12とセンシング部21とが一体となって、１つのキャップ
23内に収納されている。なお図中、17、19、20、22は端
子であり、24はセンサ素子50を支持するベース24であ
る。

【０００８】ところで上記従来の酸素センサでは、駆動
中にキャップ23に手を触れたり、センサ素子50の上部に
空気の流れが生じたりすると、酸素濃度の指示値が一旦
上昇した後、平常値に戻る現象が観測される。これは下
記の理由による。すなわち、キャップ23に手を触れたり
センサ素子の上部に空気の流れが生じると、センサ素子
50の内部及び上部の温度は若干低下し、センサ素子50の
ヒータ12の温度が常に一定に保たれるようにヒータ制御
回路が働くため、ヒータ12が加熱される。このとき下部
のセンシング部21は平常時より温度が僅かに上昇するた
め、限界電流値が増加し、酸素濃度指示値が上昇する。
限界電流はセンシング部21の温度によっても変化するた
め、温度の安定化はセンサ素子50の自己診断機能の信頼
性向上の点で重要である。

【０００９】そこでセンサ素子の上部の温度が変化して
も酸素濃度の指示値の変動が抑制され、さらに自己診断
機能の信頼性も高い加熱型ガスセンサについて、多くの
提案がなされている。その代表例として、図５に示すよ
うなセンサ素子を２個同時に駆動し、お互いの出力変動
の経年差を検出する方法が実施されている。しかし、２
つの独立したセンサ素子を用いれば、ヒータの消費電力
は実質的に２倍となる。さらにセンサ素子の収納キャッ
プ等の周辺部品の数も２倍となり、応用商品のコストア
ップは避けられない。

【００１０】また図７に示すような２つセンサ素子を一
つの基板の両面に形成した２素子一体型の限界電流式酸
素センサも提案されている（実開平5-59303 号）。この
酸素センサは、ヒータ32を内部に設置してなる１枚のセ
ンサ基板31の両面に、それぞれ以下に示す構成の酸素ガ
ス検知素子部34ａ、34ｂが１つずつ形成されている。セ
ンサ基板31の両側に形成された酸素ガス検知素子部34
ａ、34ｂは実質的に同一の構成であるので、一方の酸素
ガス検知素子部34ａの構造のみを説明することにする。

【００１１】ヒータ32を内蔵したセンサ基板31の一方の
面上には、微小なガス拡散孔29を有する固体電解質基板
27と、この固体電解質基板27のそれぞれの面上に形成さ
れた多孔質の電極28a 、28b と、固体電解質基板27とセ
ンサ基板31との間に設置され、電極28a の形成面側に内
部室30を形成するように配置されたスペーサ33とを有す
る酸素ガス検知素子部34ａが形成されている。また電極
28a 、28b にはリード線35、36が接続されており、直列
に配列した電源及び電流計に接続されている。さらにヒ
ータ32にもリード線37、38が接続されており、外部電源
に接続されている。

【００１２】上述の通り、内部室30は固体電解質基板27
とスペーサ33とセンサ基板31とによって規定されるが、
この内部室30は、微小なガス拡散孔29（及び電極28a 、
28bの孔）のみで外部と連通している。センサ基板31の
他方の面にも、上記した構成と実質的に同一のもう一つ
のガス検知素子部34ｂが形成されている。図７から分か
るように、この２つの酸素ガス検知素子部34ａ、34ｂに
おいて、センサ基板31（及びヒータ32）は共通の部分と
なる。

【００１３】しかしこのセンサは加熱用ヒータ32が一本
であるためヒータ32が劣化した場合、２つの酸素濃度指
示値が同方向（限界電流値の減少または増加）にまたは
同時に変動することになり、自己診断機能の信頼性が低
くなることが懸念される。また一方のセンサが故障した
場合、その一方のみを交換することが困難といった問題
点を有する。

【００１４】したがって、本発明の目的は、上述した問
題点を克服し、センサ上部の温度が変化しても酸素濃度
指示値の変動が抑制され、自己診断機能の信頼性が高く
コストの低い加熱型限界電流式酸素センサを提供するこ
とである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、図５に示すような構造を有する２
つのセンサ素子を、これらの上下関係が逆になるように
１つのパッケージ内に横並びに配設し、２つのセンサ素
子の平均限界電流値から酸素濃度指示値を得ることで、
周囲温度の変化に対する酸素濃度指示値の変動が抑制さ
れ、信頼性の高い自己診断機能が得られることを発見
し、本発明を完成した。

【００１６】すなわち、本発明の２素子一体型の加熱型
限界電流式酸素センサは、ヒータ部とセンシング部の上
下関係が互いに逆となった２つのセンサー素子が横並び
に配置されていることを特徴とする。両センサ素子は断
熱材中に埋設されているのが好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面を参照し
て詳細に説明する。図１は本発明の一実施例による２素
子一体型の加熱型限界電流式酸素センサを概略的に示す
断面図である。酸素センサ中の各センサ素子1a、1bは図
５に示す限界電流式酸素センサ素子と同じ構造で良いの
で、その詳細な説明は省略する。

【００１８】本発明の２素子一体型の加熱型限界電流式
酸素センサにおいては、センサ素子1a、1bが横並びであ
る限り、完全に同一平面上に位置しなくても良い。ただ
し、２つのセンサ素子1a、1bが縦に配置されると、周囲
温度の変化に対する酸素濃度指示値の変動抑制効果が不
十分であるので、両センサ素子1a、1bの縦方向のずれの
許容範囲は、センサのキャップ５内の空間の高さの20％
以内であるのが好ましい。

【００１９】本発明の２素子一体型の加熱型限界電流式
酸素センサを作製するには、まず図２に示すように、２
個のセンサ素子1a、1bをヒータ部12側とセンシング部21
側が上下逆になるように横並びに配置する。横並びに配
置した限界電流式酸素センサ素子1a、1bの各電極8a、8b
及びヒータ12にリード線4a、4b、4c、4d、4e、4fを接続
する。２つのセンサ素子1a、1bをセンサユニットのキャ
ップ５内の中央部に断熱材等により固定し、センサ素子
1a、1bに接続した各リード線4a、4b、4c、4d、4e、4fを
絶縁性ベース６に固定した端子18a 、18b 、18c 、18d
、18e 、18f の内端部に接続する。キャップ５と２個
の限界電流式酸素センサ素子1a、1bとの空間には、断熱
材３を充填するのが好ましい。断熱材３としては、セラ
ミックファイバー等が好ましい。

【００２０】なお２つのセンサ素子1a、1bを使用する代
わりに、例えば一枚の固体電解質基板の両面に、互いに
逆の位置関係になるように電極及びヒータを形成した一
体型センサ素子を使用することも可能である。

【００２１】

【実施例】本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説
明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。

【００２２】実施例１ [1] 加熱型限界電流式酸素センサ素子の作製 図５に示す構造の加熱型限界電流式酸素センサ素子を以
下の方法により作製した。まず15重量％のイットリアを
含有するジルコニア系固体電解質の基板７（厚さ0.35m
m）の真中に内径８μｍの拡散孔９を形成した。次いで
ジルコニア系固体電解質基板７の両面に、拡散孔９を塞
ぐように白金を蒸着し、多孔質の白金電極8a、8bを形成
した。次いで陰極8a側にガラス製封着材10を介してアル
ミナ製封止板11（厚さ0.15mm）を密着状態に接合し、封
止板11の上面に白金薄膜を蛇行状に形成し、850 ℃で焼
成することによりヒータ12（線幅0.5mm 、長さ15mm）を
形成した。

【００２３】[2] ２素子一体型の加熱型限界電流式酸素
センサの作製 得られた２つのセンサ素子1a、1bを図２に示すように同
一平面上に配置し、各電極8a、8b及びヒータ12にリード
線4a、4b、4c、4d、4e、4fを接続した後で、図１に示す
ように内部の直径25mm及び高さ20mmのキャップ５内にエ
ポキシ系接着剤により、ベース６に取り付けた。各リー
ド線4a、4b、4c、4d、4e、4fを端子18a、18b 、18c 、1
8d 、18e 、18f の内端部に接続した後で、断熱材とし
てセラミックファイバー（商品名：カオウール）をキャ
ップ５内に充填し、２素子一体型の加熱型限界電流式酸
素センサを得た。

【００２４】[3] 酸素濃度指示値の温度特性の測定 上記２素子一体型の加熱型限界電流式酸素センサを、酸
素濃度が20.9％のチャンバ内に設置し、内部の温度を０
〜40℃に変化させて、酸素濃度の指示値の変動を測定し
た。その結果、最大変動範囲は0.3 ％であった。また酸
素濃度測定に要する消費電力は4.9 Ｗであった。

【００２５】比較例１ 実施例１と同じセンサ素子を１つずつ内部の直径18mm及
び高さ20mmのキャップ内に固定し、断熱材としてセラミ
ックファイバーをキャップ５内に充填し、加熱型限界電
流式酸素センサを得た。この加熱型限界電流式酸素セン
サを２つ使用して、実施例１と同じ条件で酸素濃度の指
示値の変動を測定した。その結果、最大変動範囲は0.8
％であった。また酸素濃度測定に要する消費電力は6.5
Ｗであった。これから、本発明の２素子一体型の加熱型
限界電流式酸素センサは、同じセンサ素子を２つ使用す
る場合よりも消費電力を約25％節約することができるこ
とが分かる。

【００２６】以上の結果から明らかなように、本発明の
２素子一体型の加熱型限界電流式酸素センサは、同じ構
造のセンサ素子を２つ使用した場合と比較して、温度変
化による酸素濃度指示値の変動幅が十分に小さく、また
消費電力も大いに節約することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の２素子一
体型の加熱型限界電流式酸素センサは、２つのセンサ素
子の配置が互いに上下逆の関係になっているため、周囲
温度が変化しても２素子の平均酸素濃度指示値はほとん
ど変わらない。また２つのセンサ素子は構造的に互いに
独立しているので、信頼性の高い自己診断機能を得るこ
とができる。さらに２つのセンサ素子が１つのパッケー
ジに収納されているため、コストが抑えられ、また２素
子一体型なのでヒータ加熱電力も節約できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による２素子一体型の加熱
型限界電流式酸素センサの構造を概略的に示す断面図で
ある。

【図２】 図１に使用するセンサ素子の配置例を示す断
面図である。

【図３】 限界電流式酸素センサの基本原理を示す概略
図である。

【図４】 限界電流式酸素センサの出力電流特性を示す
グラフである。

【図５】 本発明の２素子一体型の加熱型限界電流式酸
素センサに使用し得るセンサ素子の一例を示す断面図で
ある。

【図６】 従来の限界電流式酸素センサの一例を示し、
(a) はセンシング部21とヒータ12とを一体的にケース内
に配置した状態を示す概略図であり、(b) はその外観を
示す側面図である。

【図７】 従来の２素子一体型限界電流式酸素センサの
構造の一例を示す断面図である。

【符号の説明】

1a、1b・・・センサ素子 ３・・・断熱材 4a、4b、4c、4d、4e、4f・・・リード線 ５・・・キャップ ６・・・ベース ７・・・固体電解質基板 8a、8b・・・電極 ９・・・拡散孔 10・・・封着材 11・・・封止板 12・・・ヒータ 13・・・内部室 18a 、18b 、18c 、18d 、18e 、18f ・・・端子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つのセンサ素子を有する限界電流式の
   加熱型酸素センサにおいて、前記センサ素子のヒータ部
   とセンシング部の上下関係が互いに逆となるように、２
   つのセンサ素子が横並びに配設されていることを特徴と
   する２素子一体型の加熱型限界電流式酸素センサ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の２素子一体型の加熱型
   限界電流式酸素センサにおいて、前記センサ素子が断熱
   材中に埋設されていることを特徴とする２素子一体型の
   加熱型限界電流式酸素センサ。