JP2948124B2 - Oxygen sensor - Google Patents

Oxygen sensor

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JP2948124B2
JP2948124B2 JP7082755A JP8275595A JP2948124B2 JP 2948124 B2 JP2948124 B2 JP 2948124B2 JP 7082755 A JP7082755 A JP 7082755A JP 8275595 A JP8275595 A JP 8275595A JP 2948124 B2 JP2948124 B2 JP 2948124B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、室温から800℃程度
の高温までの温度領域における酸素濃度の検知に用いら
れる酸素センサーに関するものであり、この酸素センサ
ーは住環境の酸素濃度の検知から、エンジンやストーブ
などの燃焼機器の燃焼制御(リーンバーン)用の酸素濃
度検知器として利用されるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen sensor used for detecting an oxygen concentration in a temperature range from room temperature to a high temperature of about 800.degree. It is used as an oxygen concentration detector for combustion control (lean burn) of combustion equipment such as engines and stoves.

【0002】[0002]

【従来の技術】酸素濃度を測定あるいは検知する方法と
して、材料で大別すると半導体型、電解質型などある。
TiO2、SnO2などの材料を用いた半導体型は、気相
の酸素濃度によって、酸化物バルク全体の電気伝導度が
変化することを利用する。n型であるTiO2の焼結体
素子は、700℃で導電率σはPO2 -1/4に比例する。そ
の導電率σは、理論空燃比でステップ状の変化をするの
で、高温で使用する自動車エンジン等の空燃比制御用、
SnO2は石油ストーブやガスストーブの完全燃焼モニ
タ用、給湯器等の燃焼モニタ用に注目されている。その
他、Co1-xMgxOなどの材料も半導体型である。しか
しながら、理論空燃比(酸素濃度15%でステップ状に
変化する半導体型は、酸素濃度15%前後のリーンバー
ン制御、燃焼制御として有用であるが、15%以上ある
いは15%以下での酸素濃度の把握が困難で、定量性に
欠ける。
2. Description of the Related Art As a method of measuring or detecting an oxygen concentration, a semiconductor type and an electrolyte type are roughly classified according to materials.
The semiconductor type using a material such as TiO 2 or SnO 2 utilizes the fact that the electric conductivity of the entire oxide bulk changes depending on the oxygen concentration in the gas phase. The conductivity σ of an n-type TiO 2 sintered element at 700 ° C. is proportional to PO 2 -1/4 . The conductivity σ changes in a stepwise manner at the stoichiometric air-fuel ratio, and is used for controlling the air-fuel ratio of an automobile engine used at a high temperature.
SnO 2 has attracted attention for monitoring the complete combustion of oil and gas stoves and for monitoring the combustion of water heaters and the like. In addition, materials such as Co 1-x Mg x O are also of semiconductor type. However, the stoichiometric air-fuel ratio (the semiconductor type that changes stepwise at an oxygen concentration of 15% is useful for lean burn control and combustion control at an oxygen concentration of about 15%. Difficult to grasp and lacks quantitative ability.

【0003】一方、電解質型でも電解質の種類により固
体電解質型、溶液電解質型に区別される。また、電池電
流で検知するのか、電池起電力で検知するのかにより電
流測定型、電位測定型に分類される。溶液電解質型は、
一般にガルバニ電池式と呼ばれるもので、室温付近で使
用されるものである。従って、燃焼機器などの高温での
酸素センサーには適応しない。現在、800℃付近での
酸素センサー、あるいは自動車エンジン用リーンバーン
センサーとしてジルコニア系の固体電解質型センサーが
一部実用化されている。ジルコニア系酸化物は、炭化水
素ガスや還元雰囲気下でも化学的に安定であり、高酸化
物イオン伝導体であるので、幅広い分野で使用されてい
る。純粋な酸化物イオン伝導体であるため、酸素濃度を
濃淡電池の起電力により正確に検知できる。しかしなが
ら、起電力型では電位変化が理論空燃比である酸素濃度
14.5%で急激に変化し、それ以上の濃度のリーンバ
ーン領域ではフラットになってしまう。
On the other hand, the electrolyte type is classified into a solid electrolyte type and a solution electrolyte type depending on the type of the electrolyte. Further, it is classified into a current measurement type and a potential measurement type depending on whether the detection is made by battery current or by battery electromotive force. The solution electrolyte type is
It is generally called a galvanic cell type and is used near room temperature. Therefore, it is not applicable to high temperature oxygen sensors such as combustion equipment. At present, a zirconia-based solid electrolyte sensor is partially used as an oxygen sensor at around 800 ° C. or a lean burn sensor for an automobile engine. Zirconia-based oxides are chemically stable under a hydrocarbon gas or a reducing atmosphere and are high-oxide ion conductors, and are therefore used in a wide range of fields. Since it is a pure oxide ion conductor, the oxygen concentration can be accurately detected by the electromotive force of the concentration cell. However, in the electromotive force type, the potential change sharply changes at an oxygen concentration of 14.5%, which is the stoichiometric air-fuel ratio, and becomes flat in a lean burn region of a higher concentration.

【0004】限界電流式は、リーンバーン領域のセンサ
ーとして注目されている。カソード反応を利用する電気
化学式のものであり、固体電解質を挟む両極間に一定の
電圧を印加し、その電流変化を読みとる。溶液を用いる
ガルバニ型電気化学センサーでは、ポーラログラフィの
場合のように電極面上に被検成分の拡散層を生じさせる
ことにより、濃度に対応する電流を得ることができる
が、固体電解質中では酸化物イオン濃度が一定になるの
で、電極上の気相の酸素に拡散層を生じさせる構造をも
たせることにより、気相の酸素濃度に対する電流変化を
得る。センサー出力は空気過剰率λに対して直線的で、
半導体型のものに比べて高感度であり、高い空燃比まで
使用可能である。しかし、作動温度が高く(700
℃)、作動温度を低下させることが課題とされている。
構造が簡単で低温で作動する酸素センサーが望まれてい
る。固体電解質型のセンサーの電極は、高温(800
℃)で長期安定な白金が用いられる。
[0004] The limiting current type is drawing attention as a sensor in the lean burn region. It is an electrochemical type using a cathode reaction, in which a constant voltage is applied between both electrodes sandwiching a solid electrolyte, and the current change is read. In a galvanic electrochemical sensor using a solution, a current corresponding to the concentration can be obtained by forming a diffusion layer of the test component on the electrode surface as in the case of polarography, but oxidizing in a solid electrolyte Since the substance ion concentration becomes constant, a current change with respect to the oxygen concentration in the gas phase is obtained by providing a structure in which a diffusion layer is formed in the oxygen in the gas phase on the electrode. The sensor output is linear with respect to the excess air ratio λ,
It has higher sensitivity than semiconductor type and can be used up to high air-fuel ratio. However, the operating temperature is high (700
C), and reducing the operating temperature is an issue.
An oxygen sensor that has a simple structure and operates at low temperature is desired. The electrodes of the solid electrolyte type sensor are hot (800
C.) for long-term stability.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】住環境の酸素濃度の検
知、エンジンやストーブなどの燃焼機器の燃焼制御(リ
ーンバーン)用の酸素濃度検知器として、高感度で信頼
性が高く、かつ小型、簡便、低コストなセンサーが望ま
れている。ジルコニア系酸化物を含めて従来の酸化物を
用いた半導体式および限界電流式のセンサーでは、高温
で作動させなければならない。そのため被検環境が40
0℃以下程度であるとき、ヒーターが必要となる。ま
た、ジルコニアおよび白金電極各々は長期に安定ではあ
るが、ジルコニアと白金電極の界面抵抗がかなり大き
く、かつ抵抗増加速度も大きいという問題がある。更
に、白金ー白金を電極に用いた限界電流式では、酸素の
拡散を抑制する層が必要となる。従って、低温200℃
付近まで高い導電率を有し、かつ化学的に安定であり、
望ましくは白金電極でも界面抵抗が小さくなるような固
体電解質、および長期に渡り安定な電極が求められてい
る。また、小型、低コスト化のため、ヒーターや酸素の
拡散を抑制する抵抗板あるいは多孔質層が不要なセンサ
ーが求められている。
SUMMARY OF THE INVENTION As an oxygen concentration detector for detecting oxygen concentration in a living environment and controlling the combustion (lean burn) of combustion equipment such as an engine and a stove, it has high sensitivity, high reliability and small size. A simple and low-cost sensor is desired. Semiconductor and limiting current sensors using conventional oxides, including zirconia-based oxides, must be operated at high temperatures. Therefore, the test environment is 40
When the temperature is about 0 ° C. or less, a heater is required. Further, although the zirconia and platinum electrodes are stable for a long period of time, there is a problem that the interface resistance between the zirconia and platinum electrodes is considerably large and the rate of resistance increase is also large. Further, in the limiting current method using platinum-platinum for an electrode, a layer for suppressing diffusion of oxygen is required. Therefore, low temperature 200 ° C
Has high conductivity up to the vicinity, and is chemically stable,
Desirably, there is a demand for a solid electrolyte in which the interface resistance is reduced even with a platinum electrode, and an electrode that is stable for a long period of time. In addition, for downsizing and cost reduction, there is a demand for a sensor that does not require a heater, a resistance plate for suppressing diffusion of oxygen, or a porous layer.

【0006】本発明は、上記課題に鑑み、低温で作動可
能で、ヒーター不要な小型、低コスト、かつ簡便に酸素
濃度を測定できる酸素センサーを提供することを目的と
する。また、本発明は、酸素の拡散を抑制する抵抗板の
ようなものが不要な小型、低コスト、かつ簡便に酸素濃
度を測定できる酸素センサーを提供することを目的とす
る。
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor which can be operated at a low temperature, requires no heater, is small in size, is low in cost, and can easily measure the oxygen concentration. Another object of the present invention is to provide an oxygen sensor capable of easily and simply measuring the oxygen concentration without the need for a resistor plate for suppressing the diffusion of oxygen.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、バリウムセリ
ウム系酸化物の層、前記の層の同じ表面または異なる表
面に形成されたアノードおよびカソードよりなる酸素セ
ンサーを提供する。前記酸化物は、少なくとも一種の希
土類元素を第3元素として含むことが好ましい。さらに
好ましくは、前記酸化物は、式BaCe1-xx3-α
(式中Mは、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、G
d、Tb、Dy、Ho、Er、YおよびYbよりなる群
から選択される少なくとも一種の希土類元素、0.16
≦x≦0.23、0<α<1)で表される酸化物であ
る。なかでもMがGdであることが好ましい。本発明の
一態様における酸素センサーは、前記酸化物が、プロト
ンおよび酸化物イオンよりなる群から選択される少なく
とも一種のイオンの伝導体であり、前記アノードとカソ
ードとの間の酸化物の電気伝導度の変化により酸素濃度
を検出する半導体式酸素センサーである。この半導体式
酸素センサーにおいては、アノードとカソードとを前記
酸化物層の同じ表面に設けた構成をとることができる。
本発明の他の態様における酸素センサーは、前記酸化物
が固体電解質であり、前記両電極間に一定電圧を印加し
たときの出力電流の変化により酸素濃度を検出する限界
電流式酸素センサーである。この限界電流式酸素センサ
ーにおいては、前記カソード側の固体電解質への酸素の
拡散を抑制する手段を有する。この限界電流式酸素セン
サーにおいては、アノードおよびカソードの少なくとも
一方を白金または白金を主成分とする材料から構成する
ことができる。さらに、アノードおよびカソードの少な
くとも一方を銀または銀を主成分とする材料から構成す
ることができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an oxygen sensor comprising a layer of barium-cerium-based oxide, an anode and a cathode formed on the same or different surfaces of said layer. The oxide preferably contains at least one rare earth element as a third element. More preferably, the oxide of the formula BaCe 1-x M x O 3- α
(Where M is La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, G
at least one rare earth element selected from the group consisting of d, Tb, Dy, Ho, Er, Y and Yb, 0.16
≦ x ≦ 0.23, 0 <α <1). Among them, M is preferably Gd. In the oxygen sensor according to one embodiment of the present invention, the oxide is a conductor of at least one ion selected from the group consisting of a proton and an oxide ion, and the electrical conductivity of the oxide between the anode and the cathode. This is a semiconductor type oxygen sensor that detects the oxygen concentration by changing the degree. In this semiconductor type oxygen sensor, it is possible to adopt a configuration in which an anode and a cathode are provided on the same surface of the oxide layer.
An oxygen sensor according to another aspect of the present invention is a limiting current type oxygen sensor in which the oxide is a solid electrolyte and an oxygen concentration is detected by a change in an output current when a constant voltage is applied between the two electrodes. This limiting current type oxygen sensor has means for suppressing diffusion of oxygen into the solid electrolyte on the cathode side. In this limiting current type oxygen sensor, at least one of the anode and the cathode can be made of platinum or a material containing platinum as a main component. Further, at least one of the anode and the cathode can be made of silver or a material containing silver as a main component.

【0008】また、本発明は、固体電解質層、前記固体
電解質層の同じ表面または異なる表面に形成されたカソ
ードおよびアノードを具備し、前記アノードが白金、銀
またはいずれか一方を主成分とする材料からなり、前記
カソードが金または金を主成分とする材料からなる限界
電流式の酸素センサーを提供する。さらに、本発明は、
固体電解質層、前記固体電解質層の同じ表面または異な
る表面に形成されたカソードおよびアノードを具備し、
前記アノードが銀または銀を主成分とする材料からな
り、前記カソードが白金または白金を主成分とする材料
からなる酸素センサーを提供する。本発明は、また固体
電解質層、前記固体電解質層の同じ表面または異なる表
面に形成されたカソードおよびアノードを具備し、前記
カソードが、電子(ホール)とイオンの混合伝導体であ
る酸素センサーを提供する。前記混合伝導体は、90%
を超える真密度の緻密体であることが好ましい。
Further, the present invention comprises a solid electrolyte layer, a cathode and an anode formed on the same surface or different surfaces of the solid electrolyte layer, wherein the anode is made of a material mainly composed of platinum, silver or any one of them. Wherein the cathode is made of gold or a material containing gold as a main component. Further, the present invention provides
A solid electrolyte layer, comprising a cathode and an anode formed on the same surface or different surfaces of the solid electrolyte layer,
An oxygen sensor is provided in which the anode is made of silver or a material containing silver as a main component and the cathode is made of platinum or a material containing platinum as a main component. The present invention also provides an oxygen sensor comprising a solid electrolyte layer, a cathode and an anode formed on the same surface or different surfaces of the solid electrolyte layer, wherein the cathode is a mixed conductor of electrons (holes) and ions. I do. 90% of the mixed conductor
It is preferred that the dense body has a true density of more than.

【0009】[0009]

【作用】本発明は、酸素センサー素子を構成する酸化物
にバリウムセリウム系酸化物を用いる。なかでも式Ba
Ce1ーxx3-α(式中Mは、La、Pr、Nd、P
m、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yお
よびYbよりなる群から選択される少なくとも一種の希
土類元素、αは酸素欠損量であり、0.16≦x≦0.
23、0<α<1)で表される酸化物は、プロトンおよ
び酸化物イオンの優れた伝導体であるところから、半導
体式センサーおよび限界電流式センサーの素子として有
効に機能する。すなわち、従来半導体式センサーでは、
TiO2、SiO2などの酸化物が理論空燃比付近で電気
伝導度が変化することを利用していた。しかし、リーン
バーン領域では、電気伝導度の変化は極めて小さく、セ
ンサーに利用することはできなかった。上記の酸化物
は、リーンバーン領域においても電気伝導度の変化が大
きい。従って、本発明のセンサーは、理論空燃比のみで
なく、リーンバーン領域においても酸素の検知を行え
る。
According to the present invention, a barium-cerium-based oxide is used as the oxide constituting the oxygen sensor element. Above all, formula Ba
Ce 1 over x M x O 3- α (M in the formula, La, Pr, Nd, P
at least one rare earth element selected from the group consisting of m, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Y and Yb, α is the amount of oxygen deficiency, and 0.16 ≦ x ≦ 0.
The oxide represented by 23, 0 <α <1) is an excellent conductor of protons and oxide ions, and thus effectively functions as an element of a semiconductor sensor and a limiting current sensor. That is, in the conventional semiconductor sensor,
The fact that oxides such as TiO 2 and SiO 2 change their electrical conductivity near the stoichiometric air-fuel ratio has been used. However, in the lean burn region, the change in electrical conductivity was extremely small and could not be used for sensors. The oxide has a large change in electric conductivity even in the lean burn region. Therefore, the sensor of the present invention can detect oxygen not only in the stoichiometric air-fuel ratio but also in the lean burn region.

【0010】また、従来の限界電流式酸素センサーに用
いられていた酸化物の代表的なものは、ジルコニア系酸
化物であり、その酸化物イオンの導伝率は、700℃で
約2×10ー2S/cm、500℃で約10ー3S/cmで
あった。これに対して上記のバリウムセリウム系酸化物
は、500℃でジルコニア系酸化物の約100倍の酸化
物イオン伝導度を有するから、高感度のセンサーを与え
る。また、200℃程度の低温においても十分な酸素ポ
ンプ能力を有するから、従来より低温で使用することが
できる。限界電流式酸素センサーにおいては、通常カソ
ード側に、酸素の拡散を抑制する抵抗板などの手段を設
ける必要がある。本発明の酸素センサーにおいては、ア
ノードに白金または銀、カソードに金、またはアノード
に銀、カソードに白金というように、酸素に対する活性
がアノードより低い材料をカソードに用いることによ
り、カソード側で酸素の解離を抑制し、前記抵抗板のよ
うな付加的要素を省くことができる。また、カソード
を、電子(ホール)とイオンの混合伝導体で構成するこ
とにより、同様に酸素拡散を抑制する手段を省くことが
できる。この場合は、アノード材料に特別な制約はな
い。
A typical oxide used in a conventional limiting current type oxygen sensor is a zirconia-based oxide, and its oxide ion has a conductivity of about 2 × 10 3 at 700 ° C. -2 S / cm, and about 10-3 S / cm at 500 ° C. On the other hand, the above-mentioned barium-cerium-based oxide has an oxide ion conductivity at 500 ° C. that is approximately 100 times that of the zirconia-based oxide, and thus provides a highly sensitive sensor. Further, since it has a sufficient oxygen pumping ability even at a low temperature of about 200 ° C., it can be used at a lower temperature than before. In the limiting current type oxygen sensor, it is usually necessary to provide a means such as a resistance plate for suppressing diffusion of oxygen on the cathode side. In the oxygen sensor of the present invention, a material having a lower activity for oxygen than the anode such as platinum or silver for the anode, gold for the cathode, or silver for the anode and platinum for the cathode is used for the cathode, so that the oxygen on the cathode side is reduced. Dissociation can be suppressed and additional elements such as the resistor plate can be omitted. Further, by constituting the cathode with a mixed conductor of electrons (holes) and ions, the means for suppressing oxygen diffusion can be omitted. In this case, there is no particular limitation on the anode material.

【0011】本発明は、またアノードまたはカソードに
銀を用いることにより、界面抵抗の小さい、長期に渡り
安定な酸素センサーを与える。従来、高温で作動する酸
素ポンプの電極には、白金が用いられてきた。これは、
高価であるが、500℃以上の高温で安定であるからで
ある。しかし、500℃より低い温度では、銀の方が酸
素に対する活性が高く、かつ電解質との界面抵抗が小さ
く、酸素ポンピングをスムーズにさせることができる。
なお、銀は、800℃を超える温度では、使用が困難で
ある。上記のように、高感度で信頼性が高く、かつ、小
型、簡便、低コストな酸素センサーを作製することが可
能である。本発明の酸素センサーは、酸化物にバリウム
セリウム系酸化物を用いる場合、室温から800℃程度
の高温までの温度領域で、室内の酸素濃度の検知、およ
びエンジンやストーブなどの燃焼機器の燃焼制御(リー
ンバーン)用の酸素濃度検知機として利用できる。
The present invention also provides a long-term stable oxygen sensor having a low interfacial resistance by using silver for the anode or the cathode. Conventionally, platinum has been used for electrodes of oxygen pumps operating at high temperatures. this is,
Although it is expensive, it is stable at a high temperature of 500 ° C. or more. However, at a temperature lower than 500 ° C., silver has a higher activity with respect to oxygen, has a lower interfacial resistance with the electrolyte, and can smoothly perform oxygen pumping.
It is difficult to use silver at a temperature exceeding 800 ° C. As described above, a small, simple, and low-cost oxygen sensor with high sensitivity and high reliability can be manufactured. When the barium-cerium-based oxide is used as the oxide, the oxygen sensor of the present invention detects indoor oxygen concentration and controls combustion of combustion equipment such as an engine or a stove in a temperature range from room temperature to a high temperature of about 800 ° C. It can be used as an oxygen concentration detector for (lean burn).

【0012】[0012]

【実施例】以下、本発明を実施例により、詳しく説明す
る。 [実施例1]本実施例では、半導体式の酸素センサーの
例を説明する。バリウムセリウム系酸化物として、Ba
Ce0.80.23-αまたはBaCe0. 75Eu0.253-α
からなる厚さ0.5mm、直径13mmの円盤を用い
た。この円盤の両面に白金電極を設けた。このセンサー
素子を電気炉に入れ、所定の温度のもとで炉内の雰囲気
を1%酸素を含む窒素雰囲気から空気に変えて酸化物素
子の抵抗変化を調べた。その結果を従来のジルコニアと
比較して表1に示す。
The present invention will be described below in detail with reference to examples. [Embodiment 1] In this embodiment, an example of a semiconductor type oxygen sensor will be described. Ba-cerium-based oxide, Ba
Ce 0.8 Y 0.2 O 3- α or BaCe 0. 75 Eu 0.25 O 3- α
A disk having a thickness of 0.5 mm and a diameter of 13 mm was used. Platinum electrodes were provided on both sides of this disk. The sensor element was placed in an electric furnace, and the atmosphere in the furnace was changed from a nitrogen atmosphere containing 1% oxygen to air at a predetermined temperature, and the change in resistance of the oxide element was examined. The results are shown in Table 1 in comparison with the conventional zirconia.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】なお、抵抗値比は、(空気雰囲気の抵抗
値)/(1%酸素雰囲気の抵抗値)を表す。表1から、
バリウムセリウム系酸化物は、酸素濃度の変化により抵
抗値の変化が大きく、酸素に対する感度が高いことがわ
かる。本実施例の素子は、250〜300℃の低温で、
従来の材料に比べて約2倍から4倍酸素に対して活性で
あることがわかる。また、バリウムセリウム系酸化物を
式BaCe1ーxx3-αで表したとき、MがGd、D
y、Ybなどである場合も同様に酸素に対して高感度で
あることがわかった。xの値は、0.4を超えると酸化
物の合成が困難であった。本実施例から明らかなよう
に、バリウムセリウム系酸化物を用いた酸素センサー
は、従来の酸化物を用いたものに比べて感度が高く、か
つ低温で検知可能であり、ヒーター不要の分構造が簡単
になり、安価になる。
The resistance value ratio represents (resistance in air atmosphere) / (resistance value in 1% oxygen atmosphere). From Table 1,
It can be seen that the barium-cerium-based oxide has a large change in resistance due to a change in oxygen concentration, and has high sensitivity to oxygen. The device according to the present embodiment has a low temperature of 250 to 300 ° C.
It turns out that it is about 2 to 4 times active to oxygen compared with the conventional material. Also, when expressed barium-cerium oxide in the formula BaCe 1 over x M x O 3- α, M is Gd, D
It was also found that y, Yb and the like were similarly highly sensitive to oxygen. When the value of x exceeds 0.4, it was difficult to synthesize an oxide. As is clear from this example, the oxygen sensor using barium-cerium-based oxide has higher sensitivity than that using a conventional oxide and can be detected at a low temperature, and has a heater-free component structure. Simple and cheap.

【0015】[実施例2]図1は、本発明による酸素セ
ンサの構成を示すもので、酸化物1にはプロトンと酸化
物イオンの混合イオン伝導体であるBaCe0.8Gd0.2
3-αを用いている。この酸化物は、ペロブスカイト型
酸化物であり、熱的に安定で、通常この種の酸化物は還
元雰囲気中で不安定なものが多いが、これは還元雰囲気
でも安定である。酸化物1のサイズは、大きさ10mm
×10mm、厚さ0.4mmで、酸化物1を挟んで両側
に白金電極2を取り付けてある。
[Embodiment 2] FIG. 1 shows the structure of an oxygen sensor according to the present invention. The oxide 1 contains BaCe 0.8 Gd 0.2 which is a mixed ion conductor of protons and oxide ions.
O 3- α is used. This oxide is a perovskite-type oxide and is thermally stable. Usually, this kind of oxide is often unstable in a reducing atmosphere, but is stable in a reducing atmosphere. The size of the oxide 1 is 10 mm in size.
It has a size of 10 mm, a thickness of 0.4 mm, and platinum electrodes 2 attached to both sides of the oxide 1.

【0016】このセンサ素子を300〜500℃の温度
に保ち、各酸素濃度の被検ガスを流し、センサの特性を
調べた。図2に500℃における特性を示す。比較例と
して酸化物半導体Co0.3Mg0.7Oを用いた酸素センサ
の900℃における特性を併せて示す。図2から分かる
ように、本実施例の酸素センサを用いることにより、比
較例の半導体Co0.3Mg0.7Oを用いたときよりも低温
でリーンバーン領域における電気伝導度の差を大きくす
ることができ、より正確な酸素濃度の検知が可能とな
る。また、低温使用が可能となるため、幅広い用途に使
用することができると判断される。
The temperature of the sensor element was maintained at 300 to 500 ° C., and a test gas of each oxygen concentration was flowed to examine the characteristics of the sensor. FIG. 2 shows the characteristics at 500 ° C. As a comparative example, the characteristics at 900 ° C. of an oxygen sensor using the oxide semiconductor Co 0.3 Mg 0.7 O are also shown. As can be seen from FIG. 2, the difference in electrical conductivity in the lean burn region can be increased at a lower temperature by using the oxygen sensor of the present example than when using the semiconductor Co 0.3 Mg 0.7 O of the comparative example. Thus, the oxygen concentration can be detected more accurately. In addition, since it can be used at low temperatures, it is determined that it can be used for a wide range of applications.

【0017】[実施例3]図3は、本実施例の酸素セン
サの構成を示すもので、実施例2と同様に酸化物1には
プロトンと酸化物イオンの混合イオン伝導体であるBa
Ce0.8Gd0.23-αを用いている。酸化物1のサイズ
は、大きさ5mm×15mm、厚さ0.4mmで、酸化
物1の一方の面に一対の白金電極2を取り付けてある。
このセンサ素子を300〜500℃の温度に保ち、各酸
素濃度の被検ガスを流し、センサの特性を調べた。図4
に500℃における特性を実施例2のセンサの特性と併
せて示す。図4から、同一面に一対の電極を取り付けて
も先の実施例2のセンサと同等の性能を有することが分
かる。このセンサは、同一面に電極を取り付けるので、
センサの製作工程を減らし、簡単で高性能な酸素センサ
となり得る。また、酸化物にBaCe0.8Nd0.23-α
を用いたセンサーは、BaCe0.8Gd0.23-αを用い
たセンサーと同等の性能を有することがわかった。
[Embodiment 3] FIG. 3 shows the structure of an oxygen sensor according to this embodiment. As in Embodiment 2, the oxide 1 contains Ba, which is a mixed ionic conductor of protons and oxide ions.
Ce 0.8 Gd 0.2 O 3- α is used. The oxide 1 has a size of 5 mm × 15 mm and a thickness of 0.4 mm, and a pair of platinum electrodes 2 is attached to one surface of the oxide 1.
The sensor element was maintained at a temperature of 300 to 500 ° C., and a test gas of each oxygen concentration was flowed to examine the characteristics of the sensor. FIG.
9 shows the characteristics at 500 ° C. together with the characteristics of the sensor of Example 2. FIG. 4 shows that even if a pair of electrodes are attached to the same surface, the sensor has the same performance as that of the sensor according to the second embodiment. This sensor attaches electrodes to the same surface,
The manufacturing process of the sensor can be reduced, and a simple and high-performance oxygen sensor can be obtained. In addition, BaCe 0.8 Nd 0.2 O 3- α
It has been found that the sensor using the same has the same performance as the sensor using BaCe 0.8 Gd 0.2 O 3- α.

【0018】[実施例4]図5および図6は、本実施例
の限界電流式酸素センサーの構造を示す。センサー部の
固体電解質11は、大きさ10mm×10mm、厚さ
0.5mmのBaCe0.8Gd0.23-α焼結体からでき
ている。白金微粉末をテルピネオールでペースト状にし
たフリットレスPtペーストを、固体電解質11の両面
に塗布し、900℃で1時間焼きつけてアノード12お
よびカソード13を形成した。カソード側には、大きさ
10mm×10mm、厚さ0.5mmのアルミナ板から
なる酸素拡散を抑制する抵抗板14を、直径2mmのガ
ス取り込み口を残してセラミック接着剤15で封着し
た。16および17は各々アノード12およびカソード
13のリードである。
Embodiment 4 FIGS. 5 and 6 show the structure of a limiting current type oxygen sensor of this embodiment. The solid electrolyte 11 in the sensor section is made of a BaCe 0.8 Gd 0.2 O 3- α sintered body having a size of 10 mm × 10 mm and a thickness of 0.5 mm. A fritless Pt paste in which platinum fine powder was made into a paste with terpineol was applied to both surfaces of the solid electrolyte 11 and baked at 900 ° C. for 1 hour to form an anode 12 and a cathode 13. On the cathode side, a resistance plate 14 made of an alumina plate having a size of 10 mm × 10 mm and a thickness of 0.5 mm was sealed with a ceramic adhesive 15 except for a gas intake port having a diameter of 2 mm. 16 and 17 are leads of the anode 12 and the cathode 13, respectively.

【0019】このセンサーの各種温度における限界電流
特性を、サイクリックボルタンメトリー(CV)法によ
り調べた。試験ガスとして、空気、10%酸素、および
0%酸素の各々を窒素ガスバランスで供給し、酸素濃度
と限界電流値の関係を調べた。図7に本発明のセンサー
(a)と比較例のジルコニア式センサー(b)の500
℃における電流ー電圧特性を示す。本発明のセンサー
(a)は、ジルコニア式に比べ明らかに相対感度的に優
れていることがわかる。図8に本発明のセンサー(a)
の200℃、300℃、350℃および400℃におけ
る電流ー電圧特性を示す。図8には、ジルコニア式セン
サー(b)の200℃における電流ー電圧特性も示す。
本発明のセンサーは、200℃の低温でも充分に酸素濃
度差を限界電流で感知することがわかる。また、この固
体電解質BaCe0.8Gd0.23-αは、炭化水素、還元
ガス中でも安定であることは、5000時間におよぶ燃
料電池試験で実証済みである。
The limiting current characteristics of the sensor at various temperatures were examined by a cyclic voltammetry (CV) method. Air, 10% oxygen, and 0% oxygen were supplied as test gases in a nitrogen gas balance, and the relationship between the oxygen concentration and the limiting current value was examined. FIG. 7 shows 500 of the sensor (a) of the present invention and the zirconia sensor (b) of the comparative example.
4 shows current-voltage characteristics at ° C. It can be seen that the sensor (a) of the present invention is clearly superior in relative sensitivity to the zirconia type. FIG. 8 shows the sensor (a) of the present invention.
4 shows current-voltage characteristics at 200 ° C., 300 ° C., 350 ° C., and 400 ° C. FIG. 8 also shows the current-voltage characteristics at 200 ° C. of the zirconia sensor (b).
It can be seen that the sensor of the present invention can sufficiently detect a difference in oxygen concentration with a limiting current even at a low temperature of 200 ° C. The solid electrolyte BaCe 0.8 Gd 0.2 O 3- α has been proven to be stable even in hydrocarbons and reducing gases in a fuel cell test for 5000 hours.

【0020】本実施例から明らかなように、バリウムセ
リウム系酸化物を固体電解質として用いたも酸素センサ
ーは、従来のジルコニア式に比べ感度が高く、また低温
でも直接検知可能で、ヒーター不要の分構造が簡便にな
り、安価になる。また、ジルコニアー白金電極間の界面
抵抗と、BaCe0.8Gd0.23-αー白金電極間の界面
抵抗を交流インピーダンス法により測定した。その結
果、500℃において、ジルコニアー白金間の界面抵抗
は数MΩcmであるのに対して、BaCe0.8Gd0.2
3-αー白金間の界面抵抗は数十Ωcmであった。従っ
て、バリウムセリウム系酸化物と白金の組み合わせによ
り、界面抵抗を抑制できることがわかる。
As is clear from this embodiment, the oxygen sensor using barium-cerium-based oxide as the solid electrolyte has higher sensitivity than the conventional zirconia type, can directly detect even at low temperature, and requires no heater. The structure becomes simple and inexpensive. The interface resistance between the zirconia-platinum electrode and the interface resistance between the BaCe 0.8 Gd 0.2 O 3 -α-platinum electrode was measured by the AC impedance method. As a result, at 500 ° C., the interface resistance between zirconia and platinum was several MΩcm, while BaCe 0.8 Gd 0.2 O
The interface resistance between 3- α and platinum was several tens Ωcm. Therefore, it is understood that the interface resistance can be suppressed by the combination of the barium-cerium-based oxide and platinum.

【0021】[実施例5]本実施例は、電極に電子(ホ
ール)とイオンの混合伝導体を用いた酸素センサーの例
である。このセンサーは、電極(カソード)自身に酸化
物イオンの伝導を抑制する機能をもたせるもので、酸素
拡散抵抗板が不要になる。センサーの構造は、固体電解
質に大きさ10mm×10mm、厚さ0.5mmのBa
Ce0.8Gd0.23-α焼結体を、アノードに白金、カソ
ードに混合伝導体であるLa0.5Sr0.5Co0.8Mn0.2
3を用い構成した。まず、ペースト粉末La0.5Sr
0.5Co0.8Mn0.23を固体電解質に厚膜になるように
塗布し、1300℃で焼結焼き付けを行い、その後白金
電極を焼き付けた。このとき、カソードLa0.5Sr0.5
Co0.8Mn0.23は、真密度の92%の緻密な電極で
あり、ガス透過はほとんどなかった。
Embodiment 5 This embodiment is an example of an oxygen sensor using a mixed conductor of electrons (holes) and ions for electrodes. In this sensor, the electrode (cathode) itself has a function of suppressing oxide ion conduction, and an oxygen diffusion resistance plate is not required. The structure of the sensor is a solid electrolyte with a size of 10 mm x 10 mm and a thickness of 0.5 mm Ba.
Ce 0.8 Gd 0.2 O 3 -α sintered body, platinum on the anode, La 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Mn 0.2 which is a mixed conductor on the cathode
It was composed using O 3 . First, paste powder La 0.5 Sr
0.5 Co 0.8 Mn 0.2 O 3 was applied to the solid electrolyte so as to form a thick film, sintered at 1300 ° C., and then a platinum electrode was baked. At this time, the cathode La 0.5 Sr 0.5
Co 0.8 Mn 0.2 O 3 was a dense electrode with a true density of 92%, and had almost no gas permeation.

【0022】実施例4と同様にして限界電流特性を、サ
イクリックボルタンメトリー(CV)法により調べた。
試験ガスとして、空気、10%酸素、および0%酸素の
各々を窒素ガスバランスで供給し、酸素濃度と限界電流
値の関係を調べた。図9に本発明のセンサー(c)の7
00℃における電流ー電圧特性を示す。この結果から明
らかなように、本発明のセンサーによれば、酸素濃度差
を限界電流で感知できることがわかる。カソードに混合
伝導体を用いた本発明の酸素センサーが、酸素拡散抵抗
板を不要にし、簡便かつ低コストな酸素センサーを提供
できることがわかる。カソードに真密度の90%の密度
のものを用いたセンサーについて、同様に電流ー電圧特
性を調べたところ、酸素濃度差による限界電流密度の著
しい差が認められず、この密度以下では酸素検知が困難
であることがわかった。
In the same manner as in Example 4, the limiting current characteristics were examined by the cyclic voltammetry (CV) method.
Air, 10% oxygen, and 0% oxygen were supplied as test gases in a nitrogen gas balance, and the relationship between the oxygen concentration and the limiting current value was examined. FIG. 9 shows sensor 7 of the present invention (c).
The current-voltage characteristics at 00 ° C. are shown. As is evident from the results, according to the sensor of the present invention, the oxygen concentration difference can be sensed by the limiting current. It can be seen that the oxygen sensor of the present invention using a mixed conductor for the cathode eliminates the need for an oxygen diffusion resistance plate and can provide a simple and low-cost oxygen sensor. When the current-voltage characteristics of the sensor using a cathode having a density of 90% of the true density were examined in the same manner, no remarkable difference in the limit current density due to the oxygen concentration difference was observed. It turned out to be difficult.

【0023】La0.4Sr0.6Co0.8Fe0.23,La
0.5Sr0.5Co0.8Ni0.23,La0. 5Sr0.5Co0.6
Cu0.43などの混合伝導体をカソードに用いた場合も
同様に、酸素拡散抵抗板なしで酸素濃度を限界電流方式
で測定することが可能であった。本実施例では、電極に
LaSrCoMnO系の混合伝導体を用いた事例を示し
ているが、電子(ホール)とイオンの混合伝導体であれ
ば、BaSrCoO系でも、LaBaFeO系でも良
い。
La 0.4 Sr 0.6 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 , La
0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Ni 0.2 O 3, La 0. 5 Sr 0.5 Co 0.6
Similarly, when a mixed conductor such as Cu 0.4 O 3 was used for the cathode, the oxygen concentration could be measured by the limiting current method without using an oxygen diffusion resistance plate. In this embodiment, an example in which a LaSrCoMnO-based mixed conductor is used for the electrode is shown. However, a BaSrCoO-based or LaBaFeO-based mixed conductor may be used as long as it is a mixed conductor of electrons (holes) and ions.

【0024】[実施例6]本実施例は、アノードとカソ
ードが異種の電極材料で構成されている酸素センサーに
ついての例である。実施例5と同様にして、固体電解質
に大きさ10mm×10mm、厚さ0.5mmのBaC
0.8Dy0.23-α焼結体を用い、アノードに白金、カ
ソードに金を用い酸素センサーを構成した。実施例5と
同様にして限界電流特性を、サイクリックボルタンメト
リー(CV)法により調べた。試験ガスとして、空気、
10%酸素、0%酸素を窒素ガスバランスで供給し、酸
素濃度と限界電流値の関係を調べた。図10に本発明の
センサー(d)の500℃における電流ー電圧特性を示
す。この結果から明らかなように、酸素濃度差を限界電
流で感知できることがわかる。電極表面の活性度の違い
により、酸素の拡散を異ならせ、片方の電極(カソー
ド)に酸素の拡散を抑制する抵抗板が付加されているの
と同等の効果をもたらす。アノードとカソードが異種の
電極材料で構成された本発明の酸素センサーが、酸素拡
散抵抗板を不要にし、簡便かつ低コストな酸素センサー
を提供できることがわかる。また、本実施例では、アノ
ードに白金、カソードに金を用いた事例を示している
が、アノードに銀、カソードに金を用いてもよい。
[Embodiment 6] This embodiment is an example of an oxygen sensor in which the anode and the cathode are made of different electrode materials. In the same manner as in Example 5, BaC having a size of 10 mm × 10 mm and a thickness of 0.5 mm was formed on the solid electrolyte.
An oxygen sensor was constructed by using e 0.8 Dy 0.2 O 3 -α sintered body, using platinum for the anode and gold for the cathode. The limit current characteristics were examined by the cyclic voltammetry (CV) method in the same manner as in Example 5. As test gas, air,
10% oxygen and 0% oxygen were supplied in a nitrogen gas balance, and the relationship between the oxygen concentration and the limiting current value was examined. FIG. 10 shows a current-voltage characteristic at 500 ° C. of the sensor (d) of the present invention. As is apparent from this result, it is understood that the difference in oxygen concentration can be sensed by the limit current. The difference in the activity of the electrode surface causes the diffusion of oxygen to be different, and has the same effect as the addition of a resistance plate that suppresses the diffusion of oxygen to one electrode (cathode). It can be seen that the oxygen sensor of the present invention in which the anode and the cathode are made of different kinds of electrode materials can eliminate the need for an oxygen diffusion resistance plate and provide a simple and low-cost oxygen sensor. Further, in this embodiment, an example is shown in which platinum is used for the anode and gold is used for the cathode, but silver may be used for the anode and gold may be used for the cathode.

【0025】[実施例7]本実施例はアノードまたはカ
ソードの少なくとも一方に銀または銀を主成分とする材
料を用いた酸素センサーの例である。実施例4と同様に
して、センサー部の固体電解質に大きさ10mm×10
mm、厚さ0.5mmのイットリウム8モル%を含む安
定化ジルコニア焼結体を用いた。この固体電解質の両面
に、銀微粉末をテルピネオールでペースト状にしたフリ
ットレスAgペーストを塗布し、800℃で1時間焼き
つけてアノード、カソードを形成した。カソード側に、
大きさ10mm×10mm、厚さ0.5mmのフォルス
テライト板からなる酸素拡散抵抗板を、2mmのガス取
り込み口を残してガラス5で封着した。
[Embodiment 7] This embodiment is an example of an oxygen sensor using silver or a material containing silver as a main component for at least one of an anode and a cathode. In the same manner as in Example 4, the solid electrolyte of the sensor portion was 10 mm × 10
A stabilized zirconia sintered body having a thickness of 8 mm and a thickness of 0.5 mm was used. A fritless Ag paste in which silver fine powder was made into a paste with terpineol was applied to both surfaces of the solid electrolyte and baked at 800 ° C. for 1 hour to form an anode and a cathode. On the cathode side,
An oxygen diffusion resistance plate made of a forsterite plate having a size of 10 mm × 10 mm and a thickness of 0.5 mm was sealed with glass 5 except for a gas inlet of 2 mm.

【0026】このときの電極の界面抵抗を交流インピー
ダンス法により測定し、従来の白金電極の場合と比較し
た。800℃、700℃では顕著な界面抵抗の差は見ら
れなかったが、600℃以下で差が増大していくことが
わかった。500℃での白金電極、銀電極各々のコール
・コールプロットの結果を図11に示す。図11の縦軸
は抵抗(嘘数)を表し、横軸は抵抗(実数)を表す。図
11から明らかなように、銀電極の方が界面抵抗が小さ
いことがわかる。また、室温→500℃→室温のヒート
サイクルを1000時間で200回繰り返して寿命特性
を調べてみたところ、白金電極では界面抵抗が7%増加
したのに対して、銀電極では1%程度であった。このよ
うに、ジルコニア系固体電解質に対して白金電極より銀
電極の方が界面抵抗が小さく、高感度、かつ長期に渡る
安定性に優れていることが明かである。また、固体電解
質にBaCe0.8Gd0.23-α焼結体を用いた場合も、
同様な結果が得られており、白金電極より銀電極の方が
優れていることがわかる。
At this time, the interfacial resistance of the electrode was measured by an AC impedance method, and compared with that of a conventional platinum electrode. At 800 ° C. and 700 ° C., no remarkable difference in interface resistance was observed, but it was found that the difference increased at 600 ° C. or less. FIG. 11 shows the results of Cole-Cole plots of the platinum electrode and the silver electrode at 500 ° C. The vertical axis in FIG. 11 represents the resistance (lie number), and the horizontal axis represents the resistance (real number). As is clear from FIG. 11, the silver electrode has lower interface resistance. In addition, when the life cycle was examined by repeating a heat cycle from room temperature to 500 ° C. to room temperature 200 times for 1000 hours, the interface resistance was increased by 7% for the platinum electrode, but was about 1% for the silver electrode. Was. Thus, it is clear that the silver electrode has a lower interface resistance than the platinum electrode with respect to the zirconia-based solid electrolyte, has high sensitivity, and is excellent in long-term stability. Also, when a BaCe 0.8 Gd 0.2 O 3- α sintered body is used for the solid electrolyte,
Similar results were obtained, indicating that the silver electrode is superior to the platinum electrode.

【0027】なお、実施例4〜7では、固体電解質にB
aCe0.8Gd0.23-α、BaCe0.8Dy0.23-α、
ジルコニア系固体電解質などを用いた事例を示したが、
BaCe0.80.23-αやBaCe0.8Tb0.23-αな
どを用いても良い。この他セリア系、ハフニア系、ビス
マス系などこの種限界電流式酸素センサーに用いられて
いる固体電解質を用いることができる。もちろん、事例
で用いられている白金や銀、金の電極は、他の成分との
混合物でも良い。また、電解質、混合伝導体の合成や製
造法も、塗布法、蒸着法、スパッタ法、C.V.D法な
どを用いても良い。
In Examples 4 to 7, B was added to the solid electrolyte.
aCe 0.8 Gd 0.2 O 3- α, BaCe 0.8 Dy 0.2 O 3- α,
An example using a zirconia-based solid electrolyte was shown,
BaCe 0.8 Y 0.2 O 3- α or BaCe 0.8 Tb 0.2 O 3- α may be used. In addition, solid electrolytes such as ceria-based, hafnia-based, and bismuth-based, which are used in this kind of limiting current type oxygen sensor can be used. Of course, the platinum, silver and gold electrodes used in the examples may be mixtures with other components. In addition, the synthesis and manufacturing methods of the electrolyte and the mixed conductor include coating, vapor deposition, sputtering, and C.I. V. The D method may be used.

【0028】[実施例8]本実施例では、酸化物にプロ
トンと酸化物イオンの混合イオン伝導体であるBaCe
0.8Nd0.23-αを用いている。酸化物のサイズは、大
きさ5mm×15mm、厚さ0.4mmで、酸化物の一
方の面に一対の銀電極を取り付けてある。センサの構成
は、電極以外は、実施例3と同じである。このセンサ素
子を300〜500℃の温度に保ち、各酸素濃度の被検
ガスを流し、センサの特性を調べた。図12に本実施例
および実施例3のセンサーの500℃における特性を示
す。図12から、電極として銀を用いても白金を用いた
センサと同等の性能を有することが分かる。本実施例で
は、電解質にはプロトンと酸化物イオンの混合イオン伝
導体であるBaCe0.8Nd0.23-αを用いたが、もち
ろんプロトンと酸化物イオンの混合イオン伝導体であれ
ば、置換元素や置換量を変えたBaCe0.9Gd0.13-
α、BaCe0.90.13-α等を用いることもできる。
また、一対の電極についても同一のものである必要はな
く、電極材料に関してもPt、Agの他、Auなどを使
用することもできる。
[Embodiment 8] In this embodiment, BaCe which is a mixed ionic conductor of proton and oxide ion is used as the oxide.
0.8 Nd 0.2 O 3- α is used. The oxide has a size of 5 mm × 15 mm and a thickness of 0.4 mm, and a pair of silver electrodes is attached to one surface of the oxide. The configuration of the sensor is the same as that of the third embodiment except for the electrodes. The sensor element was maintained at a temperature of 300 to 500 ° C., and a test gas of each oxygen concentration was flowed to examine the characteristics of the sensor. FIG. 12 shows the characteristics at 500 ° C. of the sensors of this embodiment and the third embodiment. From FIG. 12, it can be seen that even when silver is used as the electrode, the sensor has the same performance as a sensor using platinum. In the present embodiment, BaCe 0.8 Nd 0.2 O 3- α, which is a mixed ion conductor of protons and oxide ions, was used as the electrolyte. 0.9 Gd 0.1 O 3-
α, BaCe 0.9 Y 0.1 O 3- α or the like can also be used.
Also, the pair of electrodes need not be the same, and the electrode material may be Pt, Ag, Au, or the like.

【0029】[0029]

【発明の効果】本発明によれば、高感度で信頼性が高
く、かつ、小型、簡便、低コストな酸素センサーを実現
できる。本発明の酸素センサーは、特に低温200℃付
近での酸素濃度の検知に優れ、エンジンやストーブなど
の燃焼機器の燃焼制御(リーンバーン)用の酸素濃度検
知機として小型、簡便、低コストを実現する。
According to the present invention, a small, simple and low-cost oxygen sensor having high sensitivity and high reliability can be realized. INDUSTRIAL APPLICABILITY The oxygen sensor of the present invention is excellent in detecting oxygen concentration especially at a low temperature of around 200 ° C., and realizes a compact, simple, and low-cost oxygen concentration detector for controlling combustion (lean burn) of combustion equipment such as an engine and a stove. I do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施例2における酸素センサーの縦断
面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an oxygen sensor according to a second embodiment of the present invention.

【図2】同酸素センサーの酸素分圧と電気抵抗の関係を
示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between oxygen partial pressure and electric resistance of the oxygen sensor.

【図3】実施例3における酸素センサーの縦断面図であ
る。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of an oxygen sensor according to a third embodiment.

【図4】同酸素センサーの酸素分圧と電気抵抗の関係を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between oxygen partial pressure and electric resistance of the oxygen sensor.

【図5】実施例4における限界電流式酸素センサーの縦
断面図である。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a limiting current type oxygen sensor according to a fourth embodiment.

【図6】同酸素センサーの平面図である。FIG. 6 is a plan view of the oxygen sensor.

【図7】実施例4のセンサーとジルコニア式センサーの
500℃における電流ー電圧特性の比較を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram showing a comparison of current-voltage characteristics at 500 ° C. between the sensor of Example 4 and a zirconia sensor.

【図8】実施例4のセンサーとジルコニア式センサーの
200℃における電流ー電圧特性の比較を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram showing a comparison of current-voltage characteristics at 200 ° C. between the sensor of Example 4 and a zirconia sensor.

【図9】実施例5のセンサーの700℃における電流ー
電圧特性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing current-voltage characteristics at 700 ° C. of the sensor of Example 5.

【図10】実施例6のセンサーの500℃における電流
ー電圧特性を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing current-voltage characteristics at 500 ° C. of the sensor of Example 6.

【図11】実施例7のセンサーの500℃における白金
電極、銀電極各々のコール・コールプロットを示す図で
ある。
FIG. 11 is a view showing a Cole-Cole plot of a platinum electrode and a silver electrode at 500 ° C. of the sensor of Example 7;

【図12】実施例8における酸素センサーの酸素分圧と
電気抵抗の関係を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the oxygen partial pressure and the electrical resistance of the oxygen sensor in Example 8.

フロントページの続き (72)発明者 鶴田 邦弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 伊藤 信久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−234604(JP,A) 特開 平5−234604(JP,A) 特開 昭64−28549(JP,A) 特開 平1−97848(JP,A) 特開 平2−167461(JP,A) 特開 平5−249072(JP,A) 特開 昭52−2491(JP,A) 特開 昭55−162052(JP,A) 特開 昭58−123446(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/409 G01N 27/12 G01N 27/41 Continued on the front page (72) Kunihiro Tsuruta, 1006 Kadoma Kadoma, Kadoma, Osaka Pref., Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. References JP-A-63-234604 (JP, A) JP-A-5-234604 (JP, A) JP-A-64-28549 (JP, A) JP-A-1-97848 (JP, A) 2-167461 (JP, A) JP-A-5-249072 (JP, A) JP-A-52-2491 (JP, A) JP-A-55-162052 (JP, A) JP-A-58-123446 (JP, A A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 27/409 G01N 27/12 G01N 27/41

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 式BaCe 1−x 3−α (式中M
は、La、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu,Gd、T
b、Dy、Ho、Er、YおよびYbよりなる群から選
択される少なくとも一種の希土類元素、0.16≦x≦
0.23、0<α<1)で表される酸化物の層、前記の
層の同じ表面または異なる表面に形成されたアノードお
よびカソードよりなり、500℃以下で作動させること
を特徴とする酸素センサー。
1. The formula BaCe 1-x M x O 3-α (wherein M
Are La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, T
b, Dy, Ho, Er, Y and Yb.
At least one rare earth element selected, 0.16 ≦ x ≦
0.23,0 <α <1 layer of oxide represented by), Ri Na than the anode and cathode formed on the same surface or different surfaces of the layer, be operated at 500 ° C. or less
Oxygen sensors that characterized the.
【請求項2】 前記アノードとカソードとが前記酸化物
層の同じ表面に設けられている請求項1記載の酸素セン
サー。
2. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the anode and the cathode are provided on the same surface of the oxide layer.
【請求項3】 前記酸化物が固体電解質であり、前記両
電極間に一定電圧を印加したときの出力電流の変化によ
り酸素濃度を検出する請求項1または2記載の酸素セン
サー。
3. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the oxide is a solid electrolyte, and the oxygen concentration is detected by a change in an output current when a constant voltage is applied between the two electrodes.
【請求項4】 さらに、前記カソード側の固体電解質へ
の酸素の拡散を抑制する手段を有する請求項1〜3のい
ずれかに記載の酸素センサー。
4. The oxygen sensor according to claim 1, further comprising means for suppressing diffusion of oxygen into the solid electrolyte on the cathode side.
【請求項5】 アノードおよびカソードの少なくとも一
方が銀または銀を主成分とする材料からなる請求項1〜
4のいずれかに記載の酸素センサー。
5. The method according to claim 1, wherein at least one of the anode and the cathode is made of silver or a material containing silver as a main component.
5. The oxygen sensor according to any one of 4.
【請求項6】 前記カソードが電子(ホール)とイオン
の混合伝導体であり、かつ前記混合伝導体が真密度の9
0%を超える緻密体である請求項1〜4のいずれかに記
載の酸素センサー。
6. The cathode is a mixed conductor of electrons (holes) and ions, and the mixed conductor has a true density of 9%.
The oxygen sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen sensor is a dense body exceeding 0%.
【請求項7】 前記アノードが白金、銀またはいずれか
一方を主成分とする材料からなり、前記カソードが金ま
たは金を主成分とする材料からなる請求項1〜4のいず
れかに記載の酸素センサー。
7. The oxygen according to claim 1, wherein the anode is made of platinum, silver or a material mainly containing one of them, and the cathode is made of gold or a material mainly containing gold. sensor.
【請求項8】 前記アノードが銀または銀を主成分とす
る材料からなり、前記カソードが白金または白金を主成
分とする材料からなる請求項1〜4のいずれかに記載の
酸素センサー。
8. The oxygen sensor according to claim 1, wherein the anode is made of silver or a material containing silver as a main component, and the cathode is made of platinum or a material containing platinum as a main component.
【請求項9】 MがGdである請求項1〜8のいずれか
に記載の酸素センサー。
9. The oxygen sensor according to claim 1, wherein M is Gd.
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