(57)【要約】【課題】センサ部とデータ処理部との間の気密性を維持しつつ、容易に着脱することができる酸素濃度測定装置を提供する。【解決手段】本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する。少なくとも内部電極と接続された第１の白金電極が導出される位置、及び外部電極と接続された第２の白金電極が導出される位置において、測定ガスとの気密性を確保するためのシール部を備える。【選択図】図１
2015004646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置において、
少なくとも前記内部電極と接続された第１の白金電極が導出される位置、及び前記外部電極と接続された第２の白金電極が導出される位置において、気密性を確保するためのシール部を備えることを特徴とする酸素濃度測定装置。
【請求項２】
前記シール部は、前記測定ガスと接触する炉の外部に備えることを特徴とする請求項１に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項３】
前記シール部は、弾性体で構成されたＯリングを圧縮変形して気密性を確保することを特徴とする請求項１又は２に記載の酸素濃度測定装置。
【請求項４】
前記シール部を冷却する冷却機構を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の酸素濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の炉内雰囲気中の酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置に関する。特に小型で、しかも気密性を確保しつつ、センサ部とデータ処理部とを着脱することが可能な酸素濃度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の熱処理、表面処理等に用いる炉内では、酸素は非常に微量である。このような微量の酸素を測定するために、主としてセラミックスを用いた酸素濃度測定装置が採用されている。
【０００３】
特許文献１には、従来の酸素センサのセル部分の封着方法が開示されている。特許文献１に開示された封着方法では、酸素センサのセル部分の安定化ジルコニアと耐食性合金製の取付金具とを封着するに際し、安定化ジルコニアと取付金具との間に形成される封着部に封着剤を充填し、封着剤の軟化点以上の温度で封着している。封着剤としては、アルミノ珪酸塩ガラスを用いており、軟化点は約４００℃以上であることが好ましい。酸素濃度の測定の際には、封着部の温度も３５０℃程度まで上昇するからである。
【０００４】
また、特許文献２には、従来の直接挿入型ジルコニア式酸素計検出器が開示されている。特許文献２に開示された直接挿入型ジルコニア式酸素計検出器は、ジルコニア素子の開放側管端の外壁をシール材（封着材）で密封保持して構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−３３１５９４号公報
【特許文献２】特開平０９−１３３６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２に開示された酸素センサのセル部分の封着方法及び直接挿入型ジルコニア式酸素計検出器では、いずれも酸素濃度を測定するための起電力を生じさせるセンサ部と、生じた起電力に基づいて酸素濃度を検出するデータ処理部とが、酸素センサ本体を挿入する外壁部分で分離されている。そして、センサ部側で高温に加熱された気流がデータ処理部側へ流入しないように、外壁部分の近傍においてセンサ部が封着材で封着（シール）されている。したがって、センサ部の一部が破損した場合であっても分解修理することができず、酸素センサ自体を交換する必要があるという問題点があった。
【０００７】
また、封着材はペースト状の材料であるので、組み立てが安定せず、品質にばらつきが生じやすい。しかも、組み立て作業に相応の熟練が要求されるため、製造コストを低減することが困難であるという問題点もあった。
【０００８】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、センサ部とデータ処理部との間の気密性を維持しつつ、両者を容易に着脱することができる酸素濃度測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明に係る酸素濃度測定装置は、測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極と、基準ガスと接触する側において内部電極と、それぞれ接続され、前記測定ガスの酸素濃度と前記基準ガスの酸素濃度との差に応じて起電力を発生するジルコニア素子を有し、発生する起電力の大きさに応じて酸素濃度を測定する酸素濃度測定装置において、少なくとも前記内部電極と接続された第１の白金電極が導出される位置、及び前記外部電極と接続された第２の白金電極が導出される位置において、気密性を確保するためのシール部を備えることを特徴とする。
【００１０】
上記構成では、少なくとも内部電極と接続された第１の白金電極が導出される位置、及び外部電極と接続された第２の白金電極が導出される位置の２ヶ所において、気密性を確保するためのシール部を備えるので、従来のようにシール材（封着材）を付着して固定するのではなく、機械的構造によりシールすることができる。したがって、センサ部とデータ処理部とを着脱可能な構造にすることができ、例えばセンサ部の一部に障害が発生した場合であっても酸素センサ自体を交換する必要がなく、メンテナンスが容易となる。
【００１１】
また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記シール部は、前記測定ガスと接触する炉の外部に備えることが好ましい。
【００１２】
上記構成では、少なくとも２ヶ所に備えられたシール部は、測定ガスと接触する炉の外部に備えられているので、高温の測定ガスに曝されてはおらず、比較的低温の雰囲気中であることから、シール材（封着剤）として融点の低いゴム等の弾性体を使用することができる。また、一部に障害が発生して取り外す場合、比較的低温である炉の外部から行うことができるので、障害発生時に容易に着脱することが可能となる。
【００１３】
また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記シール部は、弾性体で構成されたＯリングを圧縮変形して気密性を確保することが好ましい。
【００１４】
上記構成では、シール部は、弾性体で構成されたＯリングを圧縮変形して気密性を確保するので、簡易な構成で気密性を確保することが可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る酸素濃度測定装置は、前記シール部を冷却する冷却機構を備えることが好ましい。
【００１６】
上記構成では、シール部を冷却する冷却機構を備えているので、シール部にシール材（封着材）として比較的融点の低いゴム等の弾性体を用いた場合であっても、シール部が熱溶融することを未然に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成によれば、従来のようにシール材（封着材）を付着して固定するのではなく、機械的構造によりシールすることができる。したがって、センサ部とデータ処理部とを着脱可能な構造にすることができ、例えばセンサ部の一部に障害が発生した場合であっても酸素センサ自体を交換する必要がなく、メンテナンスが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の先端部分の構成を示す部分断面図である。
【図３】ジルコニア素子で発生する起電力と測定ガスの酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の白金電極の封着部（シール部）の構成を示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す部分断面図である。
【図６】本実施の形態に係る酸素濃度測定装置の基準ガス供給部の構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置について、図面に基づいて具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置の構成を示す断面図である。本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、酸素濃度を測定する基準となる基準ガスが流入する円筒状のアルミナ管（基準ガス流入管）１３の一端（先端）に、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を備えている。アルミナ管１３の他端には、基準ガスを流入する基準ガス流入口２を備えている。また、アルミナ管１３を内挿するアルミナ管（基準ガス流出管）２０を備えており、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の空間を基準ガス流出経路として機能させている。
【００２１】
図２は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の先端部分の構成を示す部分断面図である。図２に示すように、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、ジルコニア素子１２を含む酸素センサ部１０を一端に備えたアルミナ管１３が、アルミナ管２０を内挿する保護管１９に収納されている。ジルコニア素子１２は、アルミナ管１３内部を流れる基準ガスと接触する側において内部電極１６と、酸素濃度の測定対象となる測定ガスと接触する側において外部電極１７とに、それぞれ接続されている。
【００２２】
また、白金電極（第２の白金電極）１５が外部電極１７に、白金電極（第１の白金電極）１４が内部電極１６に、それぞれ接続されている。なお、ジルコニア素子１２は、外部電極１７及び内部電極１６と一体化して形成されている。内部電極１６は、例えばジルコニア素子１２の基準ガスと接触する側に白金ペーストを塗布しておき、第１の白金電極１４を後述するセンサ保持部材で押しつけた状態で焼き付けることにより形成される。
【００２３】
ジルコニア素子１２は、一定の高温環境下では、酸素濃度が高い方から低い方へ電荷が移動するという性質を有している。したがって、電荷の移動によりジルコニア素子１２に発生する起電力を、内部電極１６と外部電極１７との電位差として測定することにより、測定ガスの酸素濃度を測定することができる。
【００２４】
つまり、基準ガスの酸素濃度をＰR （％）、測定ガスの酸素濃度をＰM （％）とした場合、（式１）のネルンストの式が成立する。
【００２５】
【数１】
2015004646.tif 000003
【００２６】
本実施の形態では、ジルコニア素子１２において、酸素濃度の高い側では酸素イオンが発生し、低い側では酸素イオンから酸素が発生するという、イオン電導が生じる。イオン電導の化学反応式は、（式２）のように表すことができる。
【００２７】
【数２】
2015004646.tif 000004
【００２８】
したがって、（式１）における「反応に含まれる電子数ｎ」は、‘４’となる。
【００２９】
基準ガスの酸素濃度ＰR は既知であることから、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度ＰM を（式１）から算出することができる。図３は、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅと測定ガスの酸素濃度ＰM との関係を示すグラフである。図３に示すように、酸素濃度ＰM は起電力Ｅの対数関数値として変動していることがわかる。したがって、ジルコニア素子１２で発生する起電力Ｅを測定することにより、測定ガスの酸素濃度ＰM を求めることができる。
【００３０】
なお、（式１）に示すネルンストの式からもわかるように、起電力Ｅは、周囲の雰囲気の温度（絶対温度）Ｔによって変動する。そこで、熱電対１８を用いた熱電対温度測定部により基準ガスの温度（絶対温度）Ｔを測定しておくことにより、ネルンストの式から正しい起電力Ｅを求めることができ、より正確に測定ガスの酸素濃度ＰM を求めることができる。
【００３１】
図２に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、アルミナ管１３の一端に、円柱状の第１のセンサ保持部材３１と、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせることが可能な、ジルコニア素子１２を保持する円柱状の第２のセンサ保持部材３２とを備えている。第１のセンサ保持部材３１は中空であり、アルミナ管１３と連結することにより基準ガスを流入させる。第２のセンサ保持部材３２は、中実であるとともに、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間に形成される空間に基準ガスが流入する。第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２との間の空間に流入した基準ガスは、第１のセンサ保持部材３１と第２のセンサ保持部材３２とを嵌め合わせたときに生じる隙間から、アルミナ管１３とアルミナ管２０との間の基準ガス流出経路を経て、外部へと流出する。
【００３２】
なお、アルミナ管１３の先端に備える第１のセンサ保持部材３１はアルミナ系の材料で形成されており、第１のセンサ保持部材３１と嵌め合わせる第２のセンサ保持部材３２も、アルミナ系の材料で形成されている。熱電対１８は、アルミナ管１３及び第１のセンサ保持部材３１の内部を貫通する穴部に挿通されている。
【００３３】
図１に戻って、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１は、基準ガスを流入する基準ガス流入口（供給口）２を連通チューブ４２により基準ガス噴出口４５と連結する。そして、基準ガス噴出口４５に、電気信号に応じて振動する振動子を有する基準ガス供給部４１を備えている。
【００３４】
振動子は、基準ガスを供給するべく電気信号に応じて振動することができれば特に限定されるものではない。しかし、できるだけ装置全体を小型化することが好ましいことは言うまでもない。そこで、本実施の形態では、振動子として平板状の圧電素子を用い、電気信号に応じて圧電素子を振動させることにより、基準ガスを供給する。圧電素子を用いることで、ポンプ等を用いる場合に比べて騒音が小さく、しかも少ない消費電力で基準ガスを供給することができる。
【００３５】
また、本実施の形態では、外部電極１７に接続された白金電極（第２の白金電極）１５、内部電極１６に接続された白金電極（第１の白金電極）１４を、それぞれ異なる位置で封着（シール）するようにしてある。すなわち、白金電極１５は独立して、白金電極１４はセンサ部と一体として、それぞれ封着される。便宜上、シールフランジ４８より右の部分をセンサ部と、それ以外の部分をデータ処理部としているが、ここではセンサ部の延伸部であるアルミナ管２０の延長部分もセンサ部に含むものとする。
【００３６】
図４は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の白金電極１５の封着部（シール部）の構成を示す概略断面図である。本実施の形態では、白金電極１５は、白金電極１４と短絡しないように、アルミナ管２０とは離隔して導出している。
【００３７】
具体的には、図４に示すように、白金電極１５が中央を貫通している止めネジ５３をシールフランジ４８に取り付ける。止めネジ５３側に雄ネジが、シールフランジ４８側に雌ネジが形成されており、環状の弾性体であるＯリング５２が止めネジ５３の先端に設置されている。止めネジ５３を回転させることにより、弾性体５２が圧縮されて変形し、白金電極１５を保持するとともに、気密性を確保することができる。
【００３８】
また、白金電極１４は、シール用金属体６１の内部を貫通している。そして、シール用金属体６１とシール用金属６４との間に環状の弾性体であるＯリング６２を備えている。シール用金属体６１とシール用金属６４とはネジ止めされており、シール用金属６４を回転させることでシール用金属６４がガイド６３を弾性体６２側へ移動させ、ガイド６３により弾性体６２が圧縮されて変形する。弾性体６２が圧縮されて変形することにより、中央のアルミナ管２０を保持するとともに、気密性を確保することができる。
【００３９】
このように、少なくとも白金電極１４、１５を導出する２ヶ所にそれぞれ気密性を確保するための封着部（シール部）を備えることにより、シールフランジ４８の位置において、センサ部とデータ処理部とを容易に分離することができる。つまり、センサ部で何らかの障害が発生した場合、センサ部のみを取り外して修理することができる。
【００４０】
また、ホルダ７１の、シールフランジ４８との接触面に円環状の溝部が形成され、環状の弾性体であるＯリング７２が嵌入されている。そして、ネジ７３によりホルダ７１をシールフランジ４８に締め付けることにより、環状の弾性体であるＯリング７２が圧縮されて変形し、より確実に気密性を確保することができる。
【００４１】
以上のように本実施の形態によれば、従来のようにシール材（封着材）で封着するのではなく、機械的構造により気密性を確保することができる。したがって、センサ部とデータ処理部とを着脱可能な構造にすることができ、例えばセンサ部の一部に障害が発生した場合であっても酸素センサ自体を交換する必要がなく、メンテナンスが容易となる。
【００４２】
また、封着部は炉の外部に備えていることから、比較的低温領域で封着している。したがって、弾性体５２、６２、７２として、耐熱性を有する特殊なゴムを使用する必要がなく、一般的に使用されているゴム材料を用いることができるので、製造コストを低減することも可能となる。
【００４３】
なお、外気（基準ガス）を用いて、強制的に封着部（シール部）を冷却しても良い。図５は、本発明の実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の構成を示す部分断面図である。図５に示すように、取り込んだ外気をセンサ部の内部へ流通させる基準ガス供給部（冷却機構）４１を備えている。
【００４４】
図６は、本実施の形態に係る酸素濃度測定装置１の基準ガス供給部４１の構成を示す縦断面図である。図６に示すように、基準ガス供給部４１は、内ケース５０と、内ケース５０を所定の隙間を空けて非接触に覆う外ケース５１とを備えている。
【００４５】
より具体的には、外ケース５１は、円筒形状に開口しており、外ケース５１に円筒形の内ケース５０が所定の隙間を空けて収容されている。内ケース５０と外ケース５１との間には、基準ガス（外気）の流入通路５６が形成されている。
【００４６】
内ケース５０は、下方が開口しており、内ケース５０の開口を閉じるように板状の振動子５８が配置され、内ケース５０と板状の振動子５８との間に、ブロア室５７が形成されている。
【００４７】
本実施の形態に係る板状の振動子５８は、圧電セラミックスで形成された圧電素子５８ａを、薄肉な弾性金属板で形成されたダイヤフラム５８ｂの中央部に張り付けたユニモルフ構造を有している。圧電素子５８ａに所定周波数の電圧を印加することにより、板状の振動子５８全体が共振駆動する。本実施の形態では、圧電素子５８ａは、ダイヤフラム５８ｂの、ブロア室５７が形成されている側と反対側の面に張り付けられている。
【００４８】
このように、板状の振動子５８は、図１に示すように基準ガス流入口２から装置内部へ基準ガスを供給する方向と直交して配置され、基準ガスを供給する方向に沿って振動するので、装置全体の長さを短くすることができる。また、所定の高周波電圧を印加すれば足りるので、ポンプ使用時のように噴出圧力が脈動することなく、均一となるように一定の噴出圧力で基準ガスを供給することができる。
【００４９】
基準ガス供給部４１から振動子５８の振動により噴出される基準ガスは、基準ガス流入口２からセンサ部の内部を通って先端まで送られる。したがって、封着部（シール部）のＯリング（弾性体）５２、６２、７２を基準ガス（外気）によって冷却することが可能となる。
【００５０】
その他、上述した実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができることは言うまでもない。例えば基準ガス供給部４１へ外気を取り込む開口部５９には、粉塵等のゴミを排除することができるフィルタを備えていても良い。これにより、基準ガス供給部４１のゴミの付着による機能低下を未然に防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００５１】
１  酸素濃度測定装置
１０  酸素センサ部
１２  ジルコニア素子
１３  アルミナ管（基準ガス流入管）
１４  第１の白金電極
１５  第２の白金電極
１６  内部電極
１７  外部電極
４１  基準ガス供給部（冷却機構）
５２、６２、７２  Ｏリング（弾性体）
５８  振動子
５８ａ  圧電素子
５８ｂ  ダイヤフラム
【図１】
2015004646.tif 000005
【図２】
2015004646.tif 000006
【図３】
2015004646.tif 000007
【図４】
2015004646.tif 000008
【図５】
2015004646.tif 000009
【図６】
2015004646.tif 000010