JP2015030641A - Gas sensor element, and gas sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas sensor element using a zirconia sintered body capable of achieving both of improvement in sinterability and suppression of highly increasing in electric resistance, as a solid electrolyte, and to provide a gas sensor including the same.SOLUTION: A gas sensor element 1 includes a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body used as a solid electrolyte. In the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body, a composite oxide having a chemical composition of ZrOof 15-35 mol% and NbOof 85-65 mol% is added. An added amount of the composite oxide with respect to 100 pts.mass of the total amount of the partially stabilized or stabilized zirconia and the composite oxide can be within a range of 0.1-5 pts.mass. A gas sensor 3 includes the gas sensor element 1.

Description

本発明は、ガスセンサ素子およびガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor element and a gas sensor.

従来、自動車用内燃機関等において、ジルコニア焼結体を固体電解質として用いたガスセンサ素子を有するガスセンサが知られている。   Conventionally, a gas sensor having a gas sensor element using a zirconia sintered body as a solid electrolyte in an internal combustion engine for an automobile or the like is known.

例えば、特許文献1には、シリカとアルミナとよりなる焼結助剤が添加された部分安定化ジルコニア焼結体を固体電解質として用いた酸素センサ素子が開示されている。同文献では、高温で相変態を起こすジルコニアの結晶構造を安定化させるために安定化剤を添加している。また、同文献では、上記焼結助剤の添加量は、固体電解質100質量部に対し、シリカ0.1〜0.6質量部、アルミナ1〜10質量部の範囲とされている。これにより、シリカとアルミナとの相互作用で焼結温度を1350℃〜1500℃の範囲とし、所望の結晶組成を得つつ、過剰な粒成長を抑制して十分な強度を得ることができるとされている。   For example, Patent Document 1 discloses an oxygen sensor element using a partially stabilized zirconia sintered body to which a sintering aid made of silica and alumina is added as a solid electrolyte. In this document, a stabilizer is added to stabilize the crystal structure of zirconia that undergoes phase transformation at high temperatures. Further, in this document, the amount of the sintering aid added is in the range of 0.1 to 0.6 parts by mass of silica and 1 to 10 parts by mass of alumina with respect to 100 parts by mass of the solid electrolyte. As a result, the sintering temperature is set to a range of 1350 ° C. to 1500 ° C. by the interaction between silica and alumina, and sufficient strength can be obtained by suppressing excessive grain growth while obtaining a desired crystal composition. ing.

特開平9−124365号公報JP-A-9-124365

しかしながら、従来技術は、以下の点で改善の余地がある。すなわち、ジルコニア焼結体は、融点が高く焼結性に劣るために相対密度を向上させ難い。そのため、従来技術のように焼結助剤を添加することによって、焼結性を向上させることが一般的に行われている。ところが、焼結性向上のために絶縁材料であるシリカとアルミナとを焼結助剤としてジルコニア焼結体に添加すると、粒界での酸素イオン伝導性が低下し、電気抵抗が高くなる。   However, the conventional technology has room for improvement in the following points. That is, since the zirconia sintered body has a high melting point and poor sinterability, it is difficult to improve the relative density. Therefore, it is a common practice to improve the sinterability by adding a sintering aid as in the prior art. However, when silica and alumina, which are insulating materials, are added to the zirconia sintered body as sintering aids in order to improve the sinterability, the oxygen ion conductivity at the grain boundary decreases and the electrical resistance increases.

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、焼結性向上と高電気抵抗化の抑制とを両立させることが可能なジルコニア焼結体を固体電解質として用いたガスセンサ素子、またこれを有するガスセンサを提供するものである。   The present invention has been made in view of the above background, and a gas sensor element using a zirconia sintered body as a solid electrolyte capable of achieving both improvement of sinterability and suppression of high electrical resistance, and A gas sensor is provided.

本発明の一態様は、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体を固体電解質として用いたガスセンサ素子であって、
上記部分安定化または安定化ジルコニア焼結体に、15〜35mol%ZrO−85〜65mol%Nbの化学組成を有する複合酸化物が添加されていることを特徴とするガスセンサ素子にある。
One aspect of the present invention is a gas sensor element using a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body as a solid electrolyte,
To the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body, in the gas sensor element, wherein the composite oxide is added with a chemical composition of 15~35mol% ZrO 2 -85~65mol% Nb 2 O 5 .

本発明の他の態様は、上記ガスセンサ素子を有することを特徴とするガスセンサにある。   Another aspect of the present invention is a gas sensor including the gas sensor element.

上記ガスセンサ素子は、上記特定の化学組成を有するZrO−Nbの複合酸化物が添加された部分安定化または安定化ジルコニア焼結体を固体電解質として用いている。ジルコニア単体の融点が約2700℃であり、従来、焼結助剤として使用されているシリカの融点が1650℃であるのに対し、上記複合酸化物は、これらよりも融点が低い。そのため、上記複合酸化物が添加された部分安定化または安定化ジルコニア焼結体は、より低い温度で焼結し、焼結性が向上する。上記焼結性向上による焼結体の相対密度の向上により、固体電解質の電気抵抗を低下させることも可能となる。また、上記複合酸化物が添加された部分安定化または安定化ジルコニア焼結体は、安定化剤を事前に固溶させたジルコニア粉末に上記複合酸化物の粉末を添加し、焼成することにより得ることができる。上記複合酸化物は、ジルコニア粒内に一部固溶されうるもののジルコニア粒内への固溶が起こりづらく、主にジルコニア粒界に存在する。また、上記複合酸化物の添加は、部分安定化または安定化ジルコニア粉末に対して微量で済むため、上記複合酸化物がジルコニアの安定化剤として機能することはほとんどない。そのため、先行文献に記載されるNbを安定化剤として添加する場合に懸念される部分安定化または安定化ジルコニアの電子伝導性の発現が起こり難い。従来、焼結助剤として使用されているシリカは絶縁材料であるため、ジルコニア粒界に存在すると酸素イオン伝導性を阻害し、固体電解質の電気抵抗が高くなる。これに対し、上記複合酸化物は、その化学組成にZrOを含んでいるため、ジルコニア粒界に存在しても酸素イオン伝導性を阻害せず、固体電解質の高電気抵抗化を抑制することができる。 The gas sensor element uses a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body to which a composite oxide of ZrO 2 —Nb 2 O 5 having the specific chemical composition is added as a solid electrolyte. The melting point of zirconia alone is about 2700 ° C., and the melting point of silica conventionally used as a sintering aid is 1650 ° C., whereas the composite oxide has a lower melting point. Therefore, the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body to which the composite oxide is added is sintered at a lower temperature, and the sinterability is improved. By improving the relative density of the sintered body by improving the sinterability, the electric resistance of the solid electrolyte can be reduced. In addition, the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body to which the composite oxide is added is obtained by adding the powder of the composite oxide to a zirconia powder in which a stabilizer is dissolved in advance and firing the powder. be able to. The composite oxide can be partly dissolved in the zirconia grains, but hardly dissolves in the zirconia grains, and is present mainly at the zirconia grain boundaries. Moreover, since the addition of the complex oxide is only a small amount relative to the partially stabilized or stabilized zirconia powder, the complex oxide hardly functions as a zirconia stabilizer. Therefore, partial stabilization or expression of electronic conductivity of stabilized zirconia, which is a concern when Nb 2 O 5 described in the prior art is added as a stabilizer, hardly occurs. Conventionally, since silica used as a sintering aid is an insulating material, if it is present at a zirconia grain boundary, it inhibits oxygen ion conductivity and increases the electrical resistance of the solid electrolyte. On the other hand, since the composite oxide contains ZrO 2 in its chemical composition, it does not inhibit oxygen ion conductivity even when present at the zirconia grain boundary, and suppresses high electrical resistance of the solid electrolyte. Can do.

上記ガスセンサは、上記ガスセンサ素子を有している。そのため、上記ガスセンサは、低温作動させることが可能となる点で有効である。   The gas sensor has the gas sensor element. Therefore, the gas sensor is effective in that it can be operated at a low temperature.

よって、本発明によれば、焼結性向上と高電気抵抗化の抑制とを両立させることが可能なジルコニア焼結体を固体電解質として用いたガスセンサ素子、またこれを有するガスセンサを提供することができる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a gas sensor element using a zirconia sintered body that can achieve both improvement of sinterability and suppression of high electrical resistance as a solid electrolyte, and a gas sensor having the gas sensor element. it can.

実施例1のガスセンサ素子の一部を示す断面図である。3 is a cross-sectional view showing a part of the gas sensor element of Example 1. FIG. ZrO−Nbの相図である。It is a phase diagram of ZrO 2 —Nb 2 O 5 . 実施例1のガスセンサの断面図である。1 is a cross-sectional view of a gas sensor of Example 1. FIG. 実験例1における試料1の微構造を示した図であり、(a)は二次電子像、(b)は反射電子像である。It is the figure which showed the microstructure of the sample 1 in Experimental example 1, (a) is a secondary electron image, (b) is a reflected electron image. 実験例1における試料2〜4の相体密度(%)を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the phase density (%) of Samples 2 to 4 in Experimental Example 1. 実験例1における試料2〜4の温度に対する導電率を示した図である。It is the figure which showed the electrical conductivity with respect to the temperature of the samples 2-4 in Experimental example 1. FIG. 実験例1における試料1、5、6の相体密度(%)を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the phase density (%) of Samples 1, 5, and 6 in Experimental Example 1. 実験例1における試料1、5、6の700℃における酸素イオン輸率(−)を示した図である。It is the figure which showed the oxygen ion transport number (-) in 700 degreeC of the samples 1, 5, and 6 in Experimental example 1. FIG.

上記ガスセンサ素子は、例えば、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体よりなる固体電解質と、固体電解質の内側面に設けた内側電極と、固体電解質の外側面に設けられ、被測定ガスに曝される外側電極とを有する構成とすることができる。なお、上記ガスセンサ素子における固体電解質の形状は特に制限されない。固体電解質は、例えば、一端を閉塞し他端を開放した内室を有するコップ型や、平板型などの形状とすることができる。上記ガスセンサ素子は、素子強度の観点から、部分安定化ジルコニア焼結体よりなる固体電解質を好適に用いることができる。   The gas sensor element is, for example, a solid electrolyte made of a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body, an inner electrode provided on the inner surface of the solid electrolyte, an outer surface of the solid electrolyte, and exposed to a gas to be measured. And having an outer electrode. The shape of the solid electrolyte in the gas sensor element is not particularly limited. For example, the solid electrolyte may have a cup shape or a flat plate shape having an inner chamber in which one end is closed and the other end is opened. As the gas sensor element, a solid electrolyte made of a partially stabilized zirconia sintered body can be suitably used from the viewpoint of element strength.

上記固体電解質を成す部分安定化または安定化ジルコニア焼結体には、15〜35mol%ZrO−85〜65mol%Nbの化学組成を有する複合酸化物が添加されている。これにより、複合酸化物の融点が1500℃以下となり、1500℃以下の温度で液相となるため、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体の焼結性向上が図られる。なお、1500℃は、一般的な焼成炉で焼成可能な温度である。また、上記複合酸化物は、ジルコニアを適度に含むため、複合酸化物がジルコニア粒界に存在しても酸素イオン伝導性を阻害せず、固体電解質の高電気抵抗化が抑制される。上記複合酸化物におけるZrOが15mol%未満、Nbが85mol%を超えると、融点が低下し、液相が生じるが、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体の粒界に一部未反応のまま析出し、焼結性を低下させるおそれがある。上記複合酸化物におけるZrOが35mol%を超え、Nbが65mol%未満になると、複合酸化物の融点がZrOの組成量の増加に伴い単調増加し、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体の焼結性が向上しなくなり、かつ、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体の粒界に未反応のまま析出し、焼結性を低下させるおそれがある。上記複合酸化物におけるZrO、Nbの化学組成の範囲は、好ましくは、ZrOが17〜33mol%、Nbが83〜67mol%、より好ましくは、ZrOが20〜30mol%、Nbが80〜70mol%、さらに好ましくは、ZrOが22〜28mol%、Nbが78〜72mol%、最も好ましくは、ZrOが25mol%、Nbが75mol%であるとよい。共晶点に近くなり、複合酸化物の融点が低くなって上述の効果を得やすくなるからである。 A composite oxide having a chemical composition of 15 to 35 mol% ZrO 2 -85 to 65 mol% Nb 2 O 5 is added to the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body forming the solid electrolyte. Thereby, since melting | fusing point of complex oxide becomes 1500 degrees C or less and becomes a liquid phase at the temperature of 1500 degrees C or less, the sinterability improvement of a partially stabilized or stabilized zirconia sintered compact is achieved. Note that 1500 ° C. is a temperature that can be fired in a general firing furnace. Moreover, since the said complex oxide contains a zirconia moderately, even if a complex oxide exists in a zirconia grain boundary, oxygen ion conductivity is not inhibited and the high electrical resistance increase of a solid electrolyte is suppressed. When ZrO 2 in the composite oxide is less than 15 mol% and Nb 2 O 5 exceeds 85 mol%, the melting point is lowered and a liquid phase is generated, but a part of the grain boundary of the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body is produced. There exists a possibility that it may precipitate unreacted and the sinterability may be reduced. When ZrO 2 in the composite oxide exceeds 35 mol% and Nb 2 O 5 is less than 65 mol%, the melting point of the composite oxide monotonously increases with the increase in the composition amount of ZrO 2 , and partially stabilized or stabilized zirconia There is a possibility that the sinterability of the sintered body will not be improved, and it will be precipitated unreacted at the grain boundary of the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body, thereby reducing the sinterability. The range of the chemical composition of ZrO 2 and Nb 2 O 5 in the composite oxide is preferably 17 to 33 mol% for ZrO 2 , 83 to 67 mol% for Nb 2 O 5 , more preferably 20 to 30 mol for ZrO 2 . %, Nb 2 O 5 is 80~70mol%, more preferably, ZrO 2 is 22~28mol%, Nb 2 O 5 is 78~72mol%, and most preferably, ZrO 2 is 25 mol%, the Nb 2 O 5 75 mol % Is good. This is because it becomes close to the eutectic point and the melting point of the composite oxide is lowered, so that the above-described effect can be easily obtained.

上記ガスセンサ素子において、部分安定化または安定化ジルコニアと複合酸化物との合計100質量部に対する複合酸化物の添加量は、0.1〜5質量部の範囲内とされていることが好ましい。なお、上記添加量は、上記複合酸化物が添加された部分安定化ジルコニアまたは安定化ジルコニア焼結体を焼成によって得る際の原料粉末時点における値を指す。   In the gas sensor element, the amount of the composite oxide added to 100 parts by mass of the partially stabilized or stabilized zirconia and the composite oxide is preferably in the range of 0.1 to 5 parts by mass. In addition, the said addition amount points out the value in the raw material powder time at the time of obtaining the partially stabilized zirconia or stabilized zirconia sintered compact to which the said complex oxide was added by baking.

この場合は、十分な焼結性の向上を図ることができ、また、部分安定化または安定化ジルコニアの酸素イオン伝導性を阻害し難く、固体電解質の高電気抵抗化を抑制しやすくなる。   In this case, sufficient sinterability can be improved, oxygen ion conductivity of partially stabilized or stabilized zirconia is hardly inhibited, and high electrical resistance of the solid electrolyte can be easily suppressed.

上記複合酸化物の添加量は、添加による効果を確実なものとする等の観点から、好ましくは、0.1質量部以上、より好ましくは、0.15質量部以上、さらに好ましくは、0.2質量部以上であるとよい。また、上記複合酸化物の添加量は、部分安定化または安定化ジルコニアの導電率低下および酸素イオン輸率を抑制しやすくなる等の観点から、好ましくは、5質量部以下、より好ましくは、3質量部以下、さらに好ましくは、2質量部以下、さらにより好ましくは、1質量部以下であるとよい。上記複合酸化物の添加量が0.1質量部より小さくなると、部分安定化ジルコニアまたは安定化ジルコニアの焼結性が向上し難くなる傾向が見られ、上記複合酸化物の添加量が5質量部より大きくなると、Nbの添加による、部分安定化ジルコニアまたは安定化ジルコニアの電子伝導性が大きくなり、十分な起電力が得られ難くなる傾向が見られる。   The amount of the composite oxide added is preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 0.15 parts by mass or more, and still more preferably 0. It is good that it is 2 parts by mass or more. In addition, the amount of the composite oxide added is preferably 5 parts by mass or less, more preferably 3 parts by mass from the viewpoint of partially stabilizing or reducing the conductivity of stabilized zirconia and easily suppressing the oxygen ion transport number. It is good in it being below 1 mass part, More preferably, it is 2 mass parts or less, More preferably, it is good in it being 1 mass part or less. When the addition amount of the composite oxide is less than 0.1 parts by mass, the tendency to make it difficult to improve the sinterability of partially stabilized zirconia or stabilized zirconia is observed, and the addition amount of the composite oxide is 5 parts by mass. When it is larger, the electronic conductivity of partially stabilized zirconia or stabilized zirconia due to the addition of Nb increases, and it tends to be difficult to obtain a sufficient electromotive force.

上記ガスセンサ素子において、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体には、さらにAlが添加されているとよい。この場合は、分散したAlによって部分安定化または安定化ジルコニア焼結体よりなる固体電解質の強度を向上させることができる。そのため、構造信頼性に優れたガスセンサ素子が得られる。 In the gas sensor element, Al 2 O 3 may be further added to the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body. In this case, the strength of the solid electrolyte made of the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body can be improved by the dispersed Al 2 O 3 . Therefore, a gas sensor element excellent in structural reliability can be obtained.

上記ガスセンサ素子において、部分安定化または安定化ジルコニアと複合酸化物とAlとの合計100質量部に対するAlの添加量は、好ましくは、0.1〜15質量部の範囲内、より好ましくは、0.2〜13質量部の範囲内とされているとよい。なお、上記添加量は、上記複合酸化物、上記Alが添加された部分安定化ジルコニアまたは安定化ジルコニア焼結体を焼成によって得る際の原料粉末時点における値を指す。 In the gas sensor element, the amount of Al 2 O 3 added to 100 parts by mass of partially stabilized or stabilized zirconia, composite oxide, and Al 2 O 3 is preferably in the range of 0.1 to 15 parts by mass. More preferably, it should be in the range of 0.2 to 13 parts by mass. Incidentally, the additive amount refers to the value in the raw material powder when in obtaining the composite oxide, the Al 2 O 3 is added partially stabilized zirconia or stabilized zirconia sintered body by firing.

この場合は、Alの添加による上記固体電解質の強度向上の効果が確実なものとなる。また、部分安定化または安定化ジルコニアとAlとの熱膨張係数差に起因する熱応力が過度になり過ぎず、焼結体の亀裂を抑制しやすくなるため、過度なAlの添加による強度低下を招き難くなり有利である。 In this case, the effect of improving the strength of the solid electrolyte by adding Al 2 O 3 is ensured. Moreover, since the thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient between partially stabilized or stabilized zirconia and Al 2 O 3 does not become excessive and cracks of the sintered body are easily suppressed, excessive Al 2 O 3 This is advantageous because it is difficult to cause a decrease in strength due to the addition of.

上記ガスセンサ素子において、部分安定化または安定化ジルコニアは、例えば、CaO、MgO、Y、Yb、および、Nbから選択される1種または2種以上の安定化剤を含むことができる。添加する安定化剤の種類により、部分安定化または安定化ジルコニアとなる組成が異なるが、安定化剤の含有量は、3〜15mol程度の範囲とすることができる。 In the gas sensor element, the partially stabilized or stabilized zirconia is, for example, one or more stabilizers selected from CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Nb 2 O 5. Can be included. Depending on the type of stabilizer added, the composition to be partially stabilized or stabilized zirconia varies, but the content of the stabilizer can be in the range of about 3 to 15 mol.

上記部分安定化または安定化ジルコニアは、CaO、MgOのいずれか一方または双方の安定化剤によって部分安定化または安定化されていることが好ましい。   The partially stabilized or stabilized zirconia is preferably partially stabilized or stabilized by either or both of CaO and MgO stabilizers.

安定化剤としてCaOおよび/またはMgOを含む部分安定化または安定化ジルコニアは、Yなどの他の安定化剤を含む部分安定化または安定化ジルコニアに比べて、難焼結性であり、焼結体の相対密度を高くし難い材料である。しかしながら、上記ガスセンサ素子は、上記複合酸化物を用いているので、CaOおよび/またはMgOを含む部分安定化または安定化ジルコニアであっても焼結性を向上させることができ、焼結体の相対密度を向上させることができる。また、CaO、MgOは、Y、Yb等のようにレアアースを含んでいないので、資源供給の安定性に優れる。そのため、この場合は、ガスセンサ素子の生産の安定性向上に寄与することができる。また、上記ガスセンサ素子は、レアアースを含んでいないので、低コスト化にも有利である。上記部分安定化または安定化ジルコニアは、とりわけ、CaOによって部分安定化または安定化されていることが好ましい。この場合は、レアアースを含まない部分安定化または安定化ジルコニアであって導電率が最も高い等の利点があるからである。 Partially stabilized or stabilized zirconia containing CaO and / or MgO as a stabilizer is less sinterable than partially stabilized or stabilized zirconia containing other stabilizers such as Y 2 O 3 It is a material that makes it difficult to increase the relative density of the sintered body. However, since the gas sensor element uses the composite oxide, the sinterability can be improved even with partially stabilized or stabilized zirconia containing CaO and / or MgO. The density can be improved. In addition, CaO and MgO do not contain rare earth like Y 2 O 3 , Yb 2 O 3, etc., and thus have excellent resource supply stability. Therefore, in this case, it can contribute to the improvement of the production stability of the gas sensor element. Moreover, since the gas sensor element does not contain a rare earth, it is advantageous for cost reduction. The partially stabilized or stabilized zirconia is particularly preferably partially stabilized or stabilized by CaO. In this case, there are advantages such as partially stabilized or stabilized zirconia containing no rare earth and having the highest conductivity.

上記ガスセンサ素子において、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体の相体密度は、好ましくは90%以上、より好ましくは90.5%以上、さらに好ましくは91%以上とすることができる。この場合は、緻密化によりガス透過性が問題とならず、かつ、材料強度が向上する等の利点があるからである。なお、上記相対密度は、結晶粒成長、製造性などの観点から、96%以下とすることができる。上記相対密度(%)は、焼結体の質量、体積から求めた密度(g/cm)を、焼結体を構成する部分安定化または安定化ジルコニアの理論密度で除して得た値に100を乗じた値をいう。 In the gas sensor element, the phase density of the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body is preferably 90% or more, more preferably 90.5% or more, and further preferably 91% or more. In this case, gas densification is not a problem due to densification, and there are advantages such as improved material strength. The relative density can be 96% or less from the viewpoint of crystal grain growth, manufacturability, and the like. The relative density (%) is a value obtained by dividing the density (g / cm 3 ) obtained from the mass and volume of the sintered body by the theoretical density of partially stabilized or stabilized zirconia constituting the sintered body. A value obtained by multiplying by 100.

上記ガスセンサ素子は、具体的には、空燃比センサ素子(A/Fセンサ素子)、酸素センサ素子として構成することができる。上記ガスセンサ素子は、とりわけ、空燃比センサ素子として好適に用いることができる。空燃比センサは、素子に電流を流して使用されるため、固体電解質の電気抵抗は小さい方が良い。上記ガスセンサ素子は、固体電解質の高電気抵抗化を抑制することができるので、空燃比センサとして用いることによってセンサ性能の向上に有利である。   Specifically, the gas sensor element can be configured as an air-fuel ratio sensor element (A / F sensor element) or an oxygen sensor element. In particular, the gas sensor element can be suitably used as an air-fuel ratio sensor element. Since the air-fuel ratio sensor is used by passing a current through the element, the electric resistance of the solid electrolyte is preferably small. Since the gas sensor element can suppress the increase in the electrical resistance of the solid electrolyte, it is advantageous for improving the sensor performance by using it as an air-fuel ratio sensor.

なお、上述した各構成は、上述した各作用効果等を得るなどのために必要に応じて任意に組み合わせることができる。   In addition, each structure mentioned above can be arbitrarily combined as needed, in order to acquire each effect etc. which were mentioned above.

以下、実施例のガスセンサ素子およびガスセンサについて、図面を用いて説明する。なお、同一部材については同一の符号を用いて説明する。   Hereinafter, the gas sensor element and gas sensor of an example are explained using a drawing. In addition, about the same member, it demonstrates using the same code | symbol.

(実施例1)
図1に示すように、本例のガスセンサ素子1は、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体を固体電解質10として用いている。本例のガスセンサ素子1は、固体電解質である部分安定化または安定化ジルコニア焼結体に、15〜35mol%ZrO−85〜65mol%Nbの化学組成を有する複合酸化物が添加されている。また、本例のガスセンサ素子1は、固体電解質である部分安定化または安定化ジルコニア焼結体に、さらにAlが添加されている。
Example 1
As shown in FIG. 1, the gas sensor element 1 of this example uses a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body as the solid electrolyte 10. In the gas sensor element 1 of this example, a composite oxide having a chemical composition of 15 to 35 mol% ZrO 2 to 85 to 65 mol% Nb 2 O 5 is added to a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body that is a solid electrolyte. ing. Further, in the gas sensor element 1 of this example, Al 2 O 3 is further added to the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body that is a solid electrolyte.

本例では、具体的には、部分安定化または安定化ジルコニア焼結体は、安定化剤としてのCaOを12mol%含む部分安定化ジルコニア焼結体である。上記複合酸化物は、25mol%ZrO−75mol%Nbの化学組成を有している。つまり、本例における複合酸化物は、図2に示すように、ZrO−Nbの相図における共晶点を構成する化学組成とされており、その融点は1450℃である。部分安定化ジルコニアと複合酸化物との合計100質量部に対する複合酸化物の添加量は、0.2質量部である。部分安定化ジルコニアと複合酸化物とAlとの合計100質量部に対するAlの添加量は、10質量部である。 In this example, specifically, the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body is a partially stabilized zirconia sintered body containing 12 mol% of CaO as a stabilizer. The composite oxide has a chemical composition of 25 mol% ZrO 2 -75 mol% Nb 2 O 5 . That is, as shown in FIG. 2, the composite oxide in this example has a chemical composition constituting the eutectic point in the phase diagram of ZrO 2 —Nb 2 O 5 , and its melting point is 1450 ° C. The addition amount of the composite oxide with respect to 100 parts by mass in total of the partially stabilized zirconia and the composite oxide is 0.2 parts by mass. The amount of Al 2 O 3 added is 10 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of partially stabilized zirconia, composite oxide, and Al 2 O 3 .

図1に示すように、本例のガスセンサ素子1は、具体的には、空燃比センサ素子であり、一端を閉塞し他端を開放した内室101を有するコップ型の上記焼結体よりなる固体電解質10と、固体電解質10の外側面に設けた外側電極11と、内室101の内側面に設けた内側電極12とを有している。そして、本例では、外側電極11のさらに外方に多孔質セラミックよりなる拡散抵抗層13が設けてあり、拡散抵抗層13の外側に被毒物のトラップ層14が設けてある。   As shown in FIG. 1, the gas sensor element 1 of this example is specifically an air-fuel ratio sensor element, and is made of the cup-shaped sintered body having an inner chamber 101 with one end closed and the other end open. It has a solid electrolyte 10, an outer electrode 11 provided on the outer surface of the solid electrolyte 10, and an inner electrode 12 provided on the inner surface of the inner chamber 101. In this example, a diffusion resistance layer 13 made of porous ceramic is further provided outside the outer electrode 11, and a poisoning substance trap layer 14 is provided outside the diffusion resistance layer 13.

次に、本例のガスセンサ素子1を用いた本例のガスセンサの構造について説明する。
図3に示すように、本例のガスセンサ3は、ハウジング30を有し、このハウジング30にガスセンサ素子1がシール固定されている。ハウジング30の先端側には、被測定ガス室310が形成されており、ガスセンサ素子1を保護するための二重の被測定ガス側カバー311、312が設けてある。また、ハウジング30の基端側には、三段の大気側カバー321、322、323が設けてある。
Next, the structure of the gas sensor of this example using the gas sensor element 1 of this example will be described.
As shown in FIG. 3, the gas sensor 3 of this example includes a housing 30, and the gas sensor element 1 is fixed to the housing 30 with a seal. A measured gas chamber 310 is formed at the front end side of the housing 30, and double measured gas side covers 311 and 312 for protecting the gas sensor element 1 are provided. In addition, on the base end side of the housing 30, three stages of atmospheric side covers 321, 322, and 323 are provided.

大気側カバー322、323の基端側には、リード線371、381、391が挿入された弾性絶縁部材35が設けてある。ガスセンサ素子1の内室101には、発熱体が内蔵された棒状のヒータ2が挿入配置されている。リード線371は、ヒータ2に対して通電し、これを発熱させるためのものである。また、リード線381、391は、センサ出力を外部へ取り出すためのものである。リード線381、391の先端側には、接続端子382、392が設けてある。接続端子382、392は、ガスセンサ素子1に固定された金属端子383、393に接触し、導通している。また、金属端子383、393は、それぞれガスセンサ素子1の外側ターミナル部(不図示)、内側ターミナル部(不図示)に対して接触固定されている。外側ターミナル部は、外側リード(不図示)を介して外側電極11と、内側ターミナル部は、内側リード(不図示)を介して内側電極12とそれぞれ導通している。   An elastic insulating member 35 into which lead wires 371, 381, 391 are inserted is provided on the base end side of the atmosphere side covers 322, 323. In the inner chamber 101 of the gas sensor element 1, a rod-shaped heater 2 containing a heating element is inserted and disposed. The lead wire 371 is for energizing the heater 2 to generate heat. The lead wires 381 and 391 are for taking out the sensor output to the outside. Connection terminals 382 and 392 are provided on the leading ends of the lead wires 381 and 391. The connection terminals 382 and 392 are in contact with and electrically connected to the metal terminals 383 and 393 fixed to the gas sensor element 1. Further, the metal terminals 383 and 393 are fixed in contact with an outer terminal portion (not shown) and an inner terminal portion (not shown) of the gas sensor element 1, respectively. The outer terminal portion is electrically connected to the outer electrode 11 via an outer lead (not shown), and the inner terminal portion is electrically connected to the inner electrode 12 via an inner lead (not shown).

次に、本例のガスセンサ素子1およびガスセンサ3の作用効果について説明する。
ガスセンサ素子1は、上記特定の化学組成を有するZrO−Nbの複合酸化物が添加された部分安定化または安定化ジルコニア焼結体を固体電解質として用いている。ジルコニア単体の融点が約2700℃であり、従来、焼結助剤として使用されているシリカの融点が1650℃であるのに対し、上記複合酸化物は、これらよりも融点が低い。そのため、上記複合酸化物が添加された部分安定化または安定化ジルコニア焼結体は、より低い温度で焼結し、焼結性が向上する。上記焼結性向上による焼結体の相対密度の向上により、固体電解質の電気抵抗を低下させることも可能となる。また、上記複合酸化物が添加された部分安定化または安定化ジルコニア焼結体は、安定化剤を事前に固溶させたジルコニア粉末に上記複合酸化物の粉末を添加し、焼成することにより得ることができる。上記複合酸化物は、ジルコニア粒内に一部固溶されうるもののジルコニア粒内への固溶が起こりづらく、主にジルコニア粒界に存在する。また、上記複合酸化物の添加は、部分安定化または安定化ジルコニア粉末に対して微量で済むため、上記複合酸化物がジルコニアの安定化剤として機能することはほとんどない。そのため、先行文献に記載されるNbを安定化剤として添加する場合に懸念される部分安定化または安定化ジルコニアの電子伝導性の発現が起こり難い。従来、焼結助剤として使用されているシリカは絶縁材料であるため、ジルコニア粒界に存在すると酸素イオン伝導性を阻害し、固体電解質の電気抵抗が高くなる。これに対し、上記複合酸化物は、その化学組成にZrOを含んでいるため、ジルコニア粒界に存在しても酸素イオン伝導性を阻害せず、固体電解質の高電気抵抗化を抑制することができる。
Next, the effects of the gas sensor element 1 and the gas sensor 3 of this example will be described.
The gas sensor element 1 uses a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body to which a composite oxide of ZrO 2 —Nb 2 O 5 having the above specific chemical composition is added as a solid electrolyte. The melting point of zirconia alone is about 2700 ° C., and the melting point of silica conventionally used as a sintering aid is 1650 ° C., whereas the composite oxide has a lower melting point. Therefore, the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body to which the composite oxide is added is sintered at a lower temperature, and the sinterability is improved. By improving the relative density of the sintered body by improving the sinterability, the electric resistance of the solid electrolyte can be reduced. In addition, the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body to which the composite oxide is added is obtained by adding the powder of the composite oxide to a zirconia powder in which a stabilizer is dissolved in advance and firing the powder. be able to. The composite oxide can be partly dissolved in the zirconia grains, but hardly dissolves in the zirconia grains, and is present mainly at the zirconia grain boundaries. Moreover, since the addition of the complex oxide is only a small amount relative to the partially stabilized or stabilized zirconia powder, the complex oxide hardly functions as a zirconia stabilizer. Therefore, partial stabilization or expression of electronic conductivity of stabilized zirconia, which is a concern when Nb 2 O 5 described in the prior art is added as a stabilizer, hardly occurs. Conventionally, since silica used as a sintering aid is an insulating material, if it is present at a zirconia grain boundary, it inhibits oxygen ion conductivity and increases the electrical resistance of the solid electrolyte. On the other hand, since the composite oxide contains ZrO 2 in its chemical composition, it does not inhibit oxygen ion conductivity even when present at the zirconia grain boundary, and suppresses high electrical resistance of the solid electrolyte. Can do.

ガスセンサ3は、ガスセンサ素子1を有している。そのため、ガスセンサ3は、低温作動させることが可能となる点で有効である。   The gas sensor 3 has a gas sensor element 1. Therefore, the gas sensor 3 is effective in that it can be operated at a low temperature.

(実験例1)
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
(Experimental example 1)
Hereinafter, it demonstrates more concretely using an experiment example.

<複合酸化物の準備>
25mol%ZrO−75mol%Nbの化学組成となるようにZrO粉末とNb粉末とを混合した後、1100℃で2時間加熱し、乳鉢で粉砕することにより、25mol%ZrO−75mol%Nbの化学組成を有する粉末状の複合酸化物を得た。
<Preparation of complex oxide>
After mixing ZrO 2 powder and Nb 2 O 5 powder so as to have a chemical composition of 25 mol% ZrO 2 -75 mol% Nb 2 O 5 , the mixture was heated at 1100 ° C. for 2 hours and pulverized in a mortar to obtain 25 mol% A powdery composite oxide having a chemical composition of ZrO 2 -75 mol% Nb 2 O 5 was obtained.

<試料1〜6のジルコニア質焼結体よりなる固体電解質の作製>
12mol%のCaOを固溶した部分安定化ジルコニア粉末と、上記作製した複合酸化物の粉末とを高圧ホモジナイザ(分散媒:水)で十分に混合することにより、原料粉末を調製した。次いで、得られた原料粉末を一軸成型機にて加圧成形した。次いで、得られた成形体を1600℃で10時間焼成した。これにより試料1の固体電解質を得た。なお、部分安定化ジルコニア粉末と複合酸化物粉末との合計100質量部に対する複合酸化物粉末の添加量は、0.2質量部とした。
<Preparation of Solid Electrolyte Consisting of Zirconia Sinters of Samples 1-6>
The raw material powder was prepared by fully mixing the partially stabilized zirconia powder in which 12 mol% of CaO was dissolved and the prepared composite oxide powder with a high-pressure homogenizer (dispersion medium: water). Subsequently, the obtained raw material powder was pressure-molded with a uniaxial molding machine. Next, the obtained molded body was fired at 1600 ° C. for 10 hours. As a result, a solid electrolyte of Sample 1 was obtained. In addition, the addition amount of the composite oxide powder with respect to a total of 100 parts by mass of the partially stabilized zirconia powder and the composite oxide powder was 0.2 parts by mass.

12mol%のCaOを固溶した部分安定化ジルコニア粉末と、上記作製した複合酸化物の粉末と、Al粉末とを高圧ホモジナイザ(分散媒:水)で十分に混合することにより、原料粉末を調製した。次いで、得られた原料粉末を一軸成型機にて加圧成形した。次いで、得られた成形体を1600℃で10時間焼成した。これにより試料2の固体電解質を得た。なお、部分安定化ジルコニア粉末と複合酸化物粉末とAl粉末との合計100質量部に対するAl粉末の添加量は、10質量部とした。 By fully mixing the partially stabilized zirconia powder in which 12 mol% of CaO is dissolved, the composite oxide powder prepared above, and the Al 2 O 3 powder with a high-pressure homogenizer (dispersion medium: water), the raw material powder Was prepared. Subsequently, the obtained raw material powder was pressure-molded with a uniaxial molding machine. Next, the obtained molded body was fired at 1600 ° C. for 10 hours. As a result, a solid electrolyte of Sample 2 was obtained. The portion addition amount of Al 2 O 3 powder to the total 100 parts by weight of stabilized zirconia powder and the composite oxide powder and Al 2 O 3 powder was 10 mass parts.

上記試料2の作製において、複合酸化物を添加しなかった以外は同様にして、試料3の固体電解質を得た。また、試料2の作製において、上記複合酸化物に代えてSiOを添加した以外は同様にして、試料4の固体電解質を得た。 A solid electrolyte of Sample 3 was obtained in the same manner except that the composite oxide was not added in the preparation of Sample 2. In addition, a solid electrolyte of Sample 4 was obtained in the same manner as Sample 2 except that SiO 2 was added instead of the composite oxide.

上記試料1の作製において、複合酸化物粉末の添加量を0.1質量部とした以外は同様にして試料5の固体電解質を得た。また、上記試料1の作製において、複合酸化物粉末の添加量を3質量部とした以外は同様にして試料6の固体電解質を得た。   A solid electrolyte of Sample 5 was obtained in the same manner except that the amount of the composite oxide powder added was 0.1 parts by mass in the preparation of Sample 1. Further, a solid electrolyte of Sample 6 was obtained in the same manner as in the preparation of Sample 1, except that the amount of the composite oxide powder added was 3 parts by mass.

<試料1の焼結体の組成分析>
試料1の焼結体の組成を、次の方法で測定した。すなわち、上記試料の作製で得た試料1の焼結体ペレットを厚み方向に切断し、研磨した。その後、研磨面をPtで蒸着し、走査型電子顕微鏡にて、EDS分析を行った。また、表1に分析点A1〜A6の化学組成を示す。
<Composition analysis of sintered body of sample 1>
The composition of the sintered body of Sample 1 was measured by the following method. That is, the sintered compact pellet of the sample 1 obtained by producing the sample was cut in the thickness direction and polished. Thereafter, the polished surface was vapor-deposited with Pt, and EDS analysis was performed with a scanning electron microscope. Table 1 shows chemical compositions of the analysis points A1 to A6.

<相対密度の測定>
各試料の質量、体積から求めた密度(g/cm)をCaOを固溶した部分安定化ジルコニアの理論密度で除して得た値に100を乗じた値を、各試料の相体密度(%)として求めた。
<Measurement of relative density>
The value obtained by dividing the density (g / cm 3 ) obtained from the mass and volume of each sample by the theoretical density of partially stabilized zirconia in which CaO is dissolved, and multiplying by 100, the density of each phase of each sample (%).

<導電率の測定>
各試料2〜4の導電率σ(S/cm)を、次の方法で測定した。すなわち、上記試料の作製で得た焼結体ペレットの両面にPtペーストを直径12mmで印刷し、70℃で30分乾燥後、1200℃で2時間焼成した。焼成後のPt電極上にPtリード線を取り付け、70℃で30分乾燥後、900℃で30分焼成した。得られた評価サンプルを電気炉に入れ、交流4端子法で電解質抵抗と電極反応抵抗を分離した。測定で得た電解質抵抗から導電率を求めた。測定は各試料500〜800℃の範囲で行った。
<Measurement of conductivity>
The electrical conductivity σ (S / cm) of each sample 2 to 4 was measured by the following method. That is, Pt paste was printed with a diameter of 12 mm on both sides of the sintered pellet obtained by the preparation of the above sample, dried at 70 ° C. for 30 minutes, and then fired at 1200 ° C. for 2 hours. A Pt lead wire was attached on the fired Pt electrode, dried at 70 ° C. for 30 minutes, and then fired at 900 ° C. for 30 minutes. The obtained evaluation sample was put into an electric furnace, and the electrolyte resistance and the electrode reaction resistance were separated by an AC four-terminal method. The conductivity was obtained from the electrolyte resistance obtained by the measurement. The measurement was performed in the range of 500 to 800 ° C. for each sample.

<酸素イオン輸率の測定>
試料1、5、6の酸素イオン輸率(-)を、次の方法で測定した。すなわち、上記試料の作製で得た焼結体ペレットの両面にPtペーストを直径12mmで印刷し、70℃で30分乾燥後、1200℃で2時間焼成した。形成したPt電極の一の面、二の面に接触するガスの雰囲気を変えることが可能なガス流通治具に焼結体ペレットを設置し、Pt電極の一の面に流通するガスの酸素濃度を変化させた際の焼結体ペレットの起電力を測定し、酸素イオン輸率を求めた。尚、Pt電極の二の面は大気雰囲気とした。測定は700℃で行った。
<Measurement of oxygen ion transport number>
The oxygen ion transport number (−) of Samples 1, 5, and 6 was measured by the following method. That is, Pt paste was printed with a diameter of 12 mm on both sides of the sintered pellet obtained by the preparation of the above sample, dried at 70 ° C. for 30 minutes, and then fired at 1200 ° C. for 2 hours. The sintered pellet is placed in a gas flow jig that can change the atmosphere of the gas in contact with the first and second surfaces of the formed Pt electrode, and the oxygen concentration of the gas flowing through the one surface of the Pt electrode The electromotive force of the sintered compact pellet when changing was measured to determine the oxygen ion transport number. The second surface of the Pt electrode was an air atmosphere. The measurement was performed at 700 ° C.

上記測定結果によれば、以下のことがいえる。先ず、図4、表1に示すように、上記複合酸化物は、ジルコニア粒内への固溶が起こりづらく、主にジルコニア粒界に存在していることが確認された。   According to the measurement results, the following can be said. First, as shown in FIG. 4 and Table 1, it was confirmed that the composite oxide was hardly present in the zirconia grains and was mainly present at the zirconia grain boundaries.

次に、図5に示すように、上記特定の化学組成を有する複合酸化物を添加せずに焼成した試料3は、相対密度が88.0%と低く、焼結性に劣っていることがわかる。このように、安定化剤としてCaOを含む部分安定化または安定化ジルコニアは難焼結性材料であることがわかる。なお、安定化剤としてMgOを含む部分安定化または安定化ジルコニアについても同様である。次に、SiOを添加して焼成した試料4は、相対密度が88.9%であり、試料3に比べ、僅かではあるが焼結性が向上している。これらに対し、上記特定の化学組成を有する複合酸化物を添加して焼成した試料2は、相対密度が92.0%であり、試料3、4に比べ、大幅に焼結性が向上していることがわかる。この結果から、上記複合酸化物は、従来の焼結助剤であるSiO以上に有用であることがわかる。 Next, as shown in FIG. 5, the sample 3 fired without adding the composite oxide having the specific chemical composition has a low relative density of 88.0% and is inferior in sinterability. Recognize. Thus, it can be seen that partially stabilized or stabilized zirconia containing CaO as a stabilizer is a hardly sinterable material. The same applies to partially stabilized or stabilized zirconia containing MgO as a stabilizer. Next, Sample 4 fired with the addition of SiO 2 has a relative density of 88.9%, which is slightly better than Sample 3 in terms of sinterability. On the other hand, Sample 2 fired by adding a complex oxide having the above specific chemical composition has a relative density of 92.0%, which is significantly improved in sinterability compared to Samples 3 and 4. I understand that. From this result, it can be seen that the composite oxide is useful for SiO 2 or more which is a conventional sintering aid.

次に、図6に示すように、上記特定の化学組成を有する複合酸化物を添加せずに焼成した試料3は、700℃における導電率σが8.8×10−4S/cmであった。これを基準とした場合、試料4は、700℃における導電率σが4.0×10−4S/cmであり、導電率が大きく低下していることがわかる。これは、焼結助剤として添加したSiOが絶縁材料であることが原因である。このように試料4は、僅かではあるが焼結性を向上させることができたものの電気抵抗が高くなり、その結果、焼結性向上と高電気抵抗化の抑制とを両立させることが困難であるといえる。これらに対し、試料2は、700℃における導電率σが7.4×10−4S/cmであり、上記複合酸化物を添加しても導電率が大きく低下しないことがわかる。つまり、図5および図6の結果から、試料2は、焼結性向上と高電気抵抗化の抑制とを両立させることが可能であることがわかる。よって、ガスセンサ素子1およびガスセンサ3は、上述した作用効果を奏することが可能であるといえる。 Next, as shown in FIG. 6, the sample 3 fired without adding the complex oxide having the above specific chemical composition had a conductivity σ at 700 ° C. of 8.8 × 10 −4 S / cm. It was. On the basis of this, Sample 4 has a conductivity σ at 700 ° C. of 4.0 × 10 −4 S / cm, and it can be seen that the conductivity is greatly reduced. This is because SiO 2 added as a sintering aid is an insulating material. Thus, although the sample 4 was able to improve the sinterability although it was slight, the electrical resistance became high, and as a result, it was difficult to achieve both improvement of sinterability and suppression of high electrical resistance. It can be said that there is. On the other hand, Sample 2 has a conductivity σ at 700 ° C. of 7.4 × 10 −4 S / cm, and it can be seen that the conductivity does not decrease greatly even when the complex oxide is added. That is, it can be seen from the results of FIGS. 5 and 6 that the sample 2 can achieve both improvement in sinterability and suppression of high electrical resistance. Therefore, it can be said that the gas sensor element 1 and the gas sensor 3 can exhibit the above-described effects.

次に、図7は、25mol%ZrO−75mol%Nbの添加量を検討したものである。図7に示すように、25mol%ZrO−75mol%Nb複合酸化物を0.2質量部添加した試料1の相対密度は92.0%だった。一方、上記複合酸化物を0.1質量部添加した試料5の相対密度は89.0%であり、上記複合酸化物の添加による効果が相対的に小さくなった。一方、上記複合酸化物を3質量部添加した試料6の相対密度は92.1%であり、試料1とほぼ同等であった。このことから、上記複合酸化物は、部分安定化または安定化ジルコニア粉末に対して微量の添加で焼結性向上の効果があることが確認された。 Next, FIG. 7 examines the addition amount of 25 mol% ZrO 2 -75 mol% Nb 2 O 5 . As shown in FIG. 7, the relative density of Sample 1 to which 0.2 parts by mass of 25 mol% ZrO 2 -75 mol% Nb 2 O 5 composite oxide was added was 92.0%. On the other hand, the relative density of Sample 5 to which 0.1 part by mass of the composite oxide was added was 89.0%, and the effect of the addition of the composite oxide was relatively small. On the other hand, the relative density of Sample 6 to which 3 parts by mass of the composite oxide was added was 92.1%, which was almost the same as Sample 1. From this, it was confirmed that the composite oxide has an effect of improving the sinterability by adding a small amount to the partially stabilized or stabilized zirconia powder.

また、図8に示すように、25mol%ZrO−75mol%Nb複合酸化物を0.2質量部添加した試料1の酸素イオン輸率は1であった。また、上記複合酸化物を0.1質量部添加した試料5の酸素イオン輸率も試料1と同様に1であった。一方、上記複合酸化物を3質量部添加した試料6の酸素イオン輸率は0.9であり、複合酸化物の添加量を増やすと酸素イオン輸率が低下する傾向が見られることが分かった。つまり、図7および図8の結果から、上記複合酸化物の添加量は比較的微量でも相体密度を向上させることができるため、上記添加量は、本願の効果を確実なものとする観点から、0.1質量部以上とするのがよいといえる。一方、上記複合酸化物の添加量を過度に多くしても焼結性の大幅な向上は見られず、かえって上記添加量が過度に多くなると、固体電解質の酸素イオン輸率が低下して不利になるため、この点から上記添加量は5質量部もあれば十分であることが確認された。 Further, as shown in FIG. 8, the oxygen ion transport number of Sample 1 to which 0.2 parts by mass of 25 mol% ZrO 2 -75 mol% Nb 2 O 5 composite oxide was added was 1. The oxygen ion transport number of Sample 5 to which 0.1 part by mass of the composite oxide was added was 1 as in Sample 1. On the other hand, the sample 6 to which 3 parts by mass of the complex oxide was added had an oxygen ion transport number of 0.9, and it was found that the oxygen ion transport number tended to decrease when the amount of the complex oxide added was increased. . That is, from the results of FIG. 7 and FIG. 8, since the phase density can be improved even if the amount of the composite oxide added is relatively small, the amount added is from the viewpoint of ensuring the effect of the present application. It can be said that the content is preferably 0.1 parts by mass or more. On the other hand, if the addition amount of the composite oxide is excessively increased, the sinterability is not significantly improved. If the addition amount is excessively increased, the oxygen ion transport number of the solid electrolyte is lowered, which is disadvantageous. Therefore, from this point, it was confirmed that the addition amount is sufficient if it is 5 parts by mass.

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲内で種々の変更が可能である。   As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said Example, A various change is possible within the range which does not impair the meaning of this invention.

上記実施例では、上記焼結体よりなる固体電解質がコップ型の形状である場合について例示した。これに限定されることなく、上記焼結体よりなる固体電解質を平板型の形状とすることにより、積層型のガスセンサ素子、ガスセンサとして構成することも可能である。   In the said Example, it illustrated about the case where the solid electrolyte which consists of the said sintered compact is a cup-shaped shape. Without being limited thereto, the solid electrolyte made of the sintered body can be formed into a flat plate shape to be configured as a stacked gas sensor element or gas sensor.

1 ガスセンサ素子
10 固体電解質
3 ガスセンサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor element 10 Solid electrolyte 3 Gas sensor

Claims (7)

部分安定化または安定化ジルコニア焼結体を固体電解質(10)として用いたガスセンサ素子(1)であって、
上記部分安定化または安定化ジルコニア焼結体に、15〜35mol%ZrO−85〜65mol%Nbの化学組成を有する複合酸化物が添加されていることを特徴とするガスセンサ素子(1)。
A gas sensor element (1) using a partially stabilized or stabilized zirconia sintered body as a solid electrolyte (10),
To the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body, the gas sensor element (1, wherein the composite oxide is added with a chemical composition of 15~35mol% ZrO 2 -85~65mol% Nb 2 O 5 ).
上記部分安定化または安定化ジルコニアと上記複合酸化物との合計100質量部に対する上記複合酸化物の添加量は、0.1〜5質量部の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ素子(1)。   The addition amount of the composite oxide with respect to a total of 100 parts by mass of the partially stabilized or stabilized zirconia and the composite oxide is within a range of 0.1 to 5 parts by mass. The gas sensor element (1) according to 1. 上記部分安定化または安定化ジルコニア焼結体にAlが添加されていることを特徴とする請求項1または2に記載のガスセンサ素子(1)。 The gas sensor element (1) according to claim 1 or 2, wherein Al 2 O 3 is added to the partially stabilized or stabilized zirconia sintered body. 上記部分安定化または安定化ジルコニアと上記複合酸化物と上記Alとの合計100質量部に対する上記Alの添加量は、0.1〜15質量部の範囲内とされていることを特徴とする請求項3に記載のガスセンサ素子(1)。 The amount of Al 2 O 3 added to a total of 100 parts by mass of the partially stabilized or stabilized zirconia, the composite oxide, and the Al 2 O 3 is in the range of 0.1 to 15 parts by mass. Gas sensor element (1) according to claim 3, characterized in that. 上記部分安定化または安定化ジルコニアは、CaO、MgO、Y、Yb、および、Nbから選択される1種または2種以上の安定化剤を含むことを特徴とするガスセンサ素子(1)。 The partially stabilized or stabilized zirconia includes one or more stabilizers selected from CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Nb 2 O 5 , Gas sensor element (1) 空燃比センサ素子であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサ素子(1)。   The gas sensor element (1) according to any one of claims 1 to 5, wherein the gas sensor element (1) is an air-fuel ratio sensor element. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサ素子(1)を有することを特徴とするガスセンサ(3)。   A gas sensor (3) comprising the gas sensor element (1) according to any one of claims 1 to 6.
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