JP7290215B2 - oxygen sensor element - Google Patents

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Description

本発明は、セラミック焼結体を用いたガス(酸素)センサ素子の材料組成に関する。 The present invention relates to a material composition of a gas (oxygen) sensor element using a ceramic sintered body.

内燃機関の排気ガス等の酸素濃度の検出やボイラの燃焼管理のための酸素濃度の検出等、様々なガス中の酸素濃度検知の要求があり、その酸素濃度の検出素子として種々の材料からなる酸素センサが知られている。例えばセラミック焼結体を用いた酸素センサの材料組成として、LnBa2Cu37-δとLn2BaCuO5(Lnは希土類元素)とを混合した複合セラミックスを用いた酸素センサが知られている(特許文献1)。 There is a demand for oxygen concentration detection in various gases, such as detection of oxygen concentration in exhaust gas of internal combustion engines, detection of oxygen concentration for combustion control of boilers, etc., and various materials are used as oxygen concentration detection elements. Oxygen sensors are known. For example, as a material composition of an oxygen sensor using a ceramic sintered body, an oxygen sensor using composite ceramics in which LnBa 2 Cu 3 O 7-δ and Ln 2 BaCuO 5 (Ln is a rare earth element) are mixed is known. (Patent document 1).

上記のようなセラミック焼結体の線材を用いた酸素センサは、電圧を印加すると線材の一部が赤熱するホットスポット現象を用いたホットスポット式酸素センサである。このような酸素センサは、小型化、軽量化、低コスト化、低消費電力化が可能であり、今後の実用化が望まれている。 The oxygen sensor using the ceramic sintered body wire as described above is a hot spot type oxygen sensor using a hot spot phenomenon in which a part of the wire becomes red-hot when a voltage is applied. Such an oxygen sensor can be reduced in size, weight, cost, and power consumption, and is expected to be put to practical use in the future.

特開2007-85816号(特許第4714867号)公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-85816 (Patent No. 4714867)

上述した従来の酸素センサは、センサ駆動時に発生するホットスポットにより線材が溶断しやすくなり、その耐久性が課題となる。このような線材の溶断は、ホットスポット内部の局所部分(特に粒界)において液相が生じることに起因すると考えられる。 The above-described conventional oxygen sensor has a problem of durability because the wires are likely to melt due to hot spots generated when the sensor is driven. Such fusing of the wire is considered to be caused by the formation of a liquid phase in a localized portion (especially grain boundary) inside the hot spot.

また、従来の酸素センサ素子を構成する材料が水酸化、炭酸化しやすいという特性があることから、ガス中の酸素濃度検出時において水蒸気や炭酸ガスといった周囲のガス成分によりセンサ素子が劣化して、耐久性に乏しくなるという問題があった。そのため、従来の材料組成では、耐久性を向上させたセンサ素子の実用化が困難であった。 In addition, since the materials that make up the conventional oxygen sensor element are prone to hydroxylation and carbonation, the sensor element deteriorates due to surrounding gas components such as water vapor and carbon dioxide when the oxygen concentration in the gas is detected. There is a problem that the durability is poor. Therefore, it has been difficult to put sensor elements with improved durability into practical use with conventional material compositions.

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、特にその目的とするところは、耐湿性が高く、同時にセンサ特性を損なうことのない、耐久性(機械的強度)および信頼性の高い酸素センサ素子を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its particular object is to provide a highly durable (mechanical strength) and highly reliable sensor that has high moisture resistance and does not impair sensor characteristics at the same time. An object of the present invention is to provide an oxygen sensor element.

上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本発明は、セラミック焼結体からなり、電圧を印加したときの電流値をもとに酸素濃度を検出する酸素センサ素子であって、前記セラミック焼結体は組成式LnBaCu7-δ(Lnは希土類元素で、δは酸素不定比量を表す)のBaの一部を、前記組成式中の希土類元素Lnと同じ希土類元素Ln、または前記組成式中の希土類元素Lnと異なる希土類元素Lnで置換した、組成式Ln1+xBa2-xCu7-δ(置換量xは0<x≦1.2)で表される組成を有することを特徴とする。
The following configuration is provided as one means for achieving the above objects and solving the above problems. That is, the present invention is an oxygen sensor element that is made of a ceramic sintered body and detects oxygen concentration based on a current value when a voltage is applied, wherein the ceramic sintered body has a composition formula of LnBa 2 Cu 3 O Part of Ba in 7-δ (Ln is a rare earth element and δ represents a nonstoichiometric amount of oxygen) is the same rare earth element Ln as the rare earth element Ln in the composition formula, or the rare earth element Ln in the composition formula It is characterized by having a composition represented by the composition formula Ln 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ (the amount of substitution x is 0<x≦1.2) substituted with a different rare earth element Ln.

えば前記置換量xは、0.4≦x≦0.8であることを特徴とする。例えば、前記希土類元素Lnよりネオジム(Nd)を選択したことを特徴とする。例えば、前記組成式Nd1+xBa2-xCu7-δで表される組成物に、組成式LnBaCuO(Lnは希土類元素)で表される組成物を混合したことを特徴とする。また、例えば、前記組成式Ln1+xBa2-xCu7-δで表される組成物は複合ペロブスカイト構造を有することを特徴とする。さらに例えば、前記セラミック焼結体は線状体のセンサ素子であることを特徴とする。 For example , the replacement amount x is characterized by 0.4≦x≦0.8. For example, neodymium (Nd) is selected from the rare earth element Ln. For example, the composition represented by the composition formula Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ is mixed with the composition represented by the composition formula Ln 2 BaCuO 5 (Ln is a rare earth element). do. Further, for example, the composition represented by the composition formula Ln 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ is characterized by having a composite perovskite structure. Further, for example, the ceramic sintered body is characterized by being a linear sensor element.

また、本発明の酸素センサは、上記いずれかの酸素センサ素子を酸素濃度の検出素子としたことを特徴とする。例えば、前記酸素センサにおいて、前記酸素センサ素子は、両端に通気孔を有する保護管内に収容されていることを特徴とする。 An oxygen sensor according to the present invention is characterized by using any one of the above oxygen sensor elements as an oxygen concentration detection element. For example, in the oxygen sensor, the oxygen sensor element is housed in a protective tube having vent holes at both ends.

本発明によれば、耐湿性に優れ、耐溶断性が高く、酸素濃度測定に対して良好なセンサ特性を有する酸素センサ素子およびそれを使用した酸素センサを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an oxygen sensor element having excellent moisture resistance, high fusing resistance, and good sensor characteristics for oxygen concentration measurement, and an oxygen sensor using the same.

組成YBa2Cu37-δを有する従来例に係る酸素センサ素子の耐湿試験結果を示す外観写真であり、図1(a)は試験前の外観、図1(b)は試験後の外観である。Fig . 1 (a) is an external appearance photograph showing the result of a moisture resistance test of an oxygen sensor element according to a conventional example having a composition YBa2Cu3O7- [delta] , Fig. 1(a) is the external appearance before the test, and Fig. 1(b) is the external appearance after the test. is. 本発明の第1の実施形態に係る酸素センサ素子の耐湿試験結果を示す外観写真であり、図2(a)は試験前の外観、図2(b)は試験後の外観である。2A and 2B are appearance photographs showing results of a moisture resistance test of the oxygen sensor element according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2A being an appearance before the test and FIG. 2B being an appearance after the test. 第1の実施形態に係る酸素センサ素子について、従来組成の一部についてのCaおよびLaの置換量とサンプルの放置時間を変えたときの耐湿試験結果を示すサンプル外観写真である。FIG. 10 is an appearance photograph of a sample showing the results of a humidity resistance test when changing the replacement amount of Ca and La and the standing time of the sample for some of the conventional compositions of the oxygen sensor element according to the first embodiment; FIG. 従来組成の試験用サンプル(従来例)と、第1の実施形態に係る試験用サンプル(実施例)のXRD測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing XRD measurement results of a test sample having a conventional composition (conventional example) and a test sample (example) according to the first embodiment; 従来例に係る試験用サンプルと第1の実施形態の実施例に係る試験用サンプルとについて酸素センサとしての酸素応答性を評価した結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing results of evaluating oxygen responsiveness as an oxygen sensor for a test sample according to a conventional example and a test sample according to an example of the first embodiment; 第1の実施形態に係る酸素センサ素子、およびその酸素センサ素子を用いた酸素センサの製造工程を時系列で示すフローチャートである。4 is a flow chart showing in chronological order an oxygen sensor element according to the first embodiment and a manufacturing process of an oxygen sensor using the oxygen sensor element. 第1の実施形態に係る酸素センサ素子を使用した酸素センサの外観斜視図である。1 is an external perspective view of an oxygen sensor using the oxygen sensor element according to the first embodiment; FIG. 本発明の第2の実施形態に係る酸素センサ素子の各サンプルについてNd置換量とサンプルの放置時間を変えたときの耐湿試験結果を示すサンプル外観写真である。FIG. 10 is a sample appearance photograph showing the results of a humidity resistance test when changing the amount of Nd replacement and the standing time of the sample for each sample of the oxygen sensor element according to the second embodiment of the present invention; FIG. Nd置換量を変えた酸素センサ素子サンプルのX線回折(XRD)測定結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing X-ray diffraction (XRD) measurement results of oxygen sensor element samples with different Nd substitution amounts; 各酸素センサ素子サンプルの耐溶断特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the fusion resistance characteristics of each oxygen sensor element sample; 図9のA部(2θ=46°付近)を拡大して示す図である。FIG. 10 is an enlarged view of a portion A (near 2θ=46°) of FIG. 9; Nd置換量を変えた酸素センサ素子の酸素応答性の測定結果を示す図である。FIG. 5 is a graph showing measurement results of oxygen responsiveness of oxygen sensor elements with different amounts of Nd substitution; 各酸素センサ素子サンプルの示差熱分析(DTA)測定の結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the results of differential thermal analysis (DTA) measurement of each oxygen sensor element sample; Nd置換量を変えた酸素センサ素子の焼結体の破断面をSEM観察した結果を示すSEM写真である。FIG. 10 is an SEM photograph showing the results of SEM observation of fracture surfaces of sintered bodies of oxygen sensor elements with different amounts of Nd substitution; FIG.

以下、本発明に係る実施形態について添付図面等を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る酸素センサ素子はセラミック焼結体からなり、電源に接続して電流が流れることで焼結体の中央部が高温で発熱し、その発熱箇所(ホットスポットと呼ばれる。)を酸素濃度の検出部としている。また、本実施形態に係る酸素センサ素子をセンサ素子とする酸素センサは、センサ素子である焼結体に流れる電流値をもとに酸素濃度を検出する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the like. The oxygen sensor element according to the embodiment of the present invention is made of a ceramic sintered body, and when it is connected to a power supply and an electric current flows, the central part of the sintered body generates heat at a high temperature, and the heat generating part (called a hot spot). is used as an oxygen concentration detector. Further, an oxygen sensor using the oxygen sensor element according to the present embodiment as a sensor element detects the oxygen concentration based on the current value flowing through the sintered body as the sensor element.

[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る、酸素濃度の検知体としての酸素センサ素子は、LnBa2Cu37-δの組成(以降において、従来組成ともいう。)からなる材料の一部を、周期表第2属の元素、すなわち、ベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)より選択したいずれか1つの元素と、ランタノイド系の元素、すなわち、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、プロメチウム(Pm)、サマリウム(Sm)、ユウロピウム(Eu)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ジスプロシウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)より選択したいずれか1つの元素とで置換した組成を有する。
[First embodiment]
The oxygen sensor element as an oxygen concentration detector according to the first embodiment of the present invention has a composition of LnBa 2 Cu 3 O 7-δ (hereinafter also referred to as a conventional composition). , any one element selected from elements of Group 2 of the periodic table, that is, beryllium (Be), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra); The elements of the lanthanide series, namely lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pm), samarium (Sm), europium (Eu), gadolinium (Gd), terbium (Tb) ), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), thulium (Tm), ytterbium (Yb), and lutetium (Lu).

上記の組成において、Lnは希土類元素(例えば、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Nd(ネオジム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)等)であり、δは酸素不定比量を表し、例えば0~1である。 In the above composition, Ln is a rare earth element (for example, Sc (scandium), Y (yttrium), La (lanthanum), Nd (neodymium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Dy (dysprosium) ), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu (lutetium), etc.).

以下の説明では、第1の実施形態に係る酸素センサ素子として、従来組成LnBa2Cu37-δにおいてLnをY(イットリウム)とした組成YBa2Cu37-δの一部をカルシウム(Ca)およびランタン(La)で置換して、その組成をY1-zCazBa2-zLazCu37-δ(0.25≦z≦1)とした組成材料からなるセラミック焼結体を例に説明する。 In the following description, as an oxygen sensor element according to the first embodiment, a composition YBa 2 Cu 3 O 7-δ in which Ln is Y (yttrium) in the conventional composition LnBa 2 Cu 3 O 7-δ is partially replaced with calcium (Ca) and lanthanum (La) are substituted, and the composition is Y 1-z Ca z Ba 2-z La z Cu 3 O 7-δ (0.25≦z≦1) A sintered body will be described as an example.

最初に、第1の実施形態に係る酸素センサ素子材料を使用して作製したサンプルと、従来のセンサ素子材料からなるサンプルとを比較検証した結果を説明する。ここでは、後述する組成からなる圧粉体を焼結して、直径が約16mm、厚さが約2mmの円盤状の酸素センサ素子(以下、試験用サンプルともいう。)を作製し、耐湿試験等を行った。これらのサンプルは、それぞれの組成材料そのものの塊(バルク体)であり、試験前後における外観の変化等を観察し易い形状、大きさとした。 First, the results of comparative verification between a sample made using the oxygen sensor element material according to the first embodiment and a sample made of a conventional sensor element material will be described. Here, a disc-shaped oxygen sensor element (hereinafter also referred to as a test sample) having a diameter of about 16 mm and a thickness of about 2 mm was prepared by sintering a powder compact having a composition described later, and subjected to a moisture resistance test. etc. These samples are lumps (bulk bodies) of the respective composition materials themselves, and have a shape and size that facilitate observation of changes in appearance before and after the test.

<耐湿試験結果>
従来組成の酸素センサ素子、および第1の実施形態に係る酸素センサ素子の耐湿試験結果について説明する。ここでは、40℃、93%RHの環境下において所定の時間、サンプルを放置する試験を行った。
<Results of moisture resistance test>
Moisture resistance test results of the oxygen sensor element having the conventional composition and the oxygen sensor element according to the first embodiment will be described. Here, a test was conducted in which the sample was left for a predetermined period of time in an environment of 40° C. and 93% RH.

図1は、組成YBa2Cu37-δを有する従来組成の試験用サンプル(z=0であり、従来例ともいう。)の耐湿試験結果を示すサンプル外観写真である。図1(a)は試験前のサンプル外観であり、図1(b)は、その試験用サンプルを40℃、93%RHの環境下に50時間、放置したときの外観を示している。 FIG. 1 is a sample appearance photograph showing the results of a moisture resistance test of a conventional composition test sample (z=0, also referred to as conventional example) having the composition YBa 2 Cu 3 O 7-δ . FIG. 1(a) shows the appearance of the sample before the test, and FIG. 1(b) shows the appearance of the test sample left in an environment of 40° C. and 93% RH for 50 hours.

一方、図2は、組成Y1-zCazBa2-zLazCu37-δ(zはCaおよびLaの置換量であり、0.25≦z≦1である。)においてz=1とした第1の実施形態に係る酸素センサ素子(実施例ともいう。)の耐湿試験結果を示す外観写真である。図2(a)は試験前の酸素センサ素子の外観であり、図2(b)は、その試験用サンプルを40℃、93%RHの環境下に500時間、放置後の外観を示している。 On the other hand , FIG . 10 is an appearance photograph showing the result of a moisture resistance test of the oxygen sensor element (also referred to as an example) according to the first embodiment in which =1. FIG. 2(a) shows the appearance of the oxygen sensor element before the test, and FIG. 2(b) shows the appearance after the test sample was left in an environment of 40° C. and 93% RH for 500 hours. .

図3は、従来組成YBa2Cu37-δの一部をカルシウム(Ca)およびランタン(La)で置換した、第1の実施形態に係る酸素センサ素子の組成Y1-zCazBa2-zLazCu37-δにおいて、CaとLaの置換量を変えるとともに(z=0~1)、それぞれについて40℃、93%RHの環境下における放置時間を変えた(0時間~500時間)ときの各サンプルの外観を観察した結果を示す外観写真である。 FIG. 3 shows the composition Y 1-z Caz Ba of the oxygen sensor element according to the first embodiment, in which part of the conventional composition YBa 2 Cu 3 O 7-δ is replaced with calcium (Ca) and lanthanum ( La). In 2-z La z Cu 3 O 7-δ , the substitution amount of Ca and La was changed (z = 0 to 1), and the standing time in an environment of 40°C and 93% RH was changed (0 hour 500 hours) is an appearance photograph showing the result of observing the appearance of each sample.

表1は、図3に示す各酸素センサ素子について、X線回折(XRD)測定による素子劣化を判定した結果である。 Table 1 shows the result of determination of element deterioration by X-ray diffraction (XRD) measurement for each oxygen sensor element shown in FIG.

Figure 0007290215000001
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表1において、×印は炭酸バリウムのピークが発生し、既存のピークが減少したサンプル(素子の劣化あり)であり、○印は炭酸バリウム等の別のピークがみられず、既存のピークに変化もなく、素子に劣化がないと判定されたサンプルである。 In Table 1, the x mark is a sample in which a barium carbonate peak occurs and the existing peak is reduced (with deterioration of the element), and the ○ mark is a sample in which another peak such as barium carbonate is not observed and the existing peak is reduced. This is a sample in which there was no change and it was determined that there was no deterioration in the element.

図1(b)および図3に示す外観観察の結果、耐湿試験後において従来組成(z=0)の酸素センサ素子の表面に炭酸バリウム等が生成されて白く変色する現象が生じたことが分かる。これより酸素センサ素子が酸素と反応しなくなり、素子の劣化が生じたことが判明した。具体的には、表1のXRD測定結果と、図3の外観観測結果が示すように、従来組成のサンプルは、40℃、93%RHの環境下において50時間で素子が劣化した。 As a result of the appearance observation shown in FIGS. 1(b) and 3, it can be seen that after the moisture resistance test, barium carbonate or the like was generated on the surface of the oxygen sensor element of the conventional composition (z=0), causing a phenomenon of white discoloration. . From this, it was found that the oxygen sensor element stopped reacting with oxygen and deteriorated. Specifically, as shown by the XRD measurement results in Table 1 and the appearance observation results in FIG. 3, the element of the conventional composition sample deteriorated after 50 hours in an environment of 40° C. and 93% RH.

一方、実施例に係る酸素センサ素子は、CaおよびLaの置換量zが0.25の場合、40℃、93%RHの環境下に200時間、放置したときに、サンプル表面が白く変色する現象が見られ、置換量がz=0.5の場合、40℃、93%RHの環境下に500時間、放置したときに、サンプル表面が部分的に白く変色する現象が見られた。これらの実施例サンプルは、表1のXRD測定結果においても素子の劣化が認められた。 On the other hand, in the oxygen sensor element according to the example, when the substitution amount z of Ca and La is 0.25, the sample surface turns white when left in an environment of 40° C. and 93% RH for 200 hours. When the amount of substitution was z=0.5, the sample surface partially turned white when left in an environment of 40° C. and 93% RH for 500 hours. In the XRD measurement results of Table 1, deterioration of the elements was recognized for these example samples.

また、CaとLaの置換量をz=0.75,z=1とした各実施例のサンプルについては、図2(b)および図3に示す外観観察の結果と、表1のXRD測定の結果より、40℃、93%RHの環境下で500時間、放置後においても素子の劣化は認められなかった。 In addition, for the samples of each example in which the amount of Ca and La substitution was z = 0.75 and z = 1, the results of appearance observation shown in Figs. As a result, no deterioration of the element was observed even after standing for 500 hours in an environment of 40° C. and 93% RH.

従来組成の一部をCaおよびLaで置換した組成からなる実施例に係る酸素センサ素子は、このような置換を行うことでセンサ素子の耐湿性が向上することが明らかになった。CaおよびLaの置換量については、z=0.25の場合も耐湿性の向上が見られるが、z=0.75以上が望ましいことが分かる。これより、第1の実施形態に係る酸素センサ素子は、耐湿性に優れていることが判明した。 It was found that the oxygen sensor element according to the example, which has a composition in which a part of the conventional composition is replaced with Ca and La, improves the humidity resistance of the sensor element by performing such replacement. As for the amount of Ca and La substituted, it can be seen that an improvement in moisture resistance is observed even when z=0.25, but z=0.75 or more is desirable. From this, it was found that the oxygen sensor element according to the first embodiment was excellent in moisture resistance.

第1の実施形態に係る酸素センサ素子の耐湿性が向上したメカニズムを考察するため、上述した試験用サンプルのX線回折(XRD)測定結果について、さらに詳細に説明する。 In order to consider the mechanism by which the moisture resistance of the oxygen sensor element according to the first embodiment is improved, the X-ray diffraction (XRD) measurement results of the test samples described above will be described in more detail.

図4は、従来組成の試験用サンプル(従来例であり、z=0)と、第1の実施形態に係る試験用サンプル(実施例であり、0.25≦z≦1)のXRD測定結果である。具体的には、従来組成の一部をカルシウム(Ca)およびランタン(La)で置換したときの置換量をz=0,z=0.25,z=0.5,z=0.75,z=1とした試料を作製し、それぞれについてXRD測定を行った。なお、図4では、2θ=23°付近を拡大して示している。 FIG. 4 shows XRD measurement results of a test sample of a conventional composition (conventional example, z = 0) and a test sample according to the first embodiment (example, 0.25 ≤ z ≤ 1) is. Specifically, when a part of the conventional composition is replaced with calcium (Ca) and lanthanum (La), the substitution amounts are z = 0, z = 0.25, z = 0.5, z = 0.75, Samples were prepared with z=1, and XRD measurement was performed on each sample. Note that FIG. 4 shows an enlarged view of the vicinity of 2θ=23°.

従来例の酸素センサ素子は組成式LnBa2Cu37-δを有し、結晶構造中の酸素欠損が減少すると、正方晶(a=b≠c)から斜方晶(a≠b≠c)に相転移する。図4は、それぞれの状態での回折パターンを示す(斜方晶はa≠bであるため、(100)、(010)面の両方が存在する)。斜方晶の状態は結晶内部に欠陥を生じさせやすく、また、格子間の隙間も大きいと推測される。 The oxygen sensor element of the conventional example has a composition formula of LnBa 2 Cu 3 O 7-δ , and when the oxygen deficiency in the crystal structure is reduced, the tetragonal crystal (a=b≠c) changes to the orthorhombic crystal (a≠b≠c). ). FIG. 4 shows diffraction patterns in each state (both (100) and (010) planes are present in the orthorhombic crystal because a≠b). In the orthorhombic state, defects are likely to occur inside the crystal, and it is assumed that the gap between lattices is large.

図4に示すように、従来組成の一部をカルシウム(Ca)およびランタン(La)で置換した置換量zが増加するにつれて、斜方晶である(010)面のピークが減少し、正方晶である(100)面のピークが増加することが分かる。上述した外観観察およびXRD測定の結果が示すように、CaおよびLa置換により耐湿性が向上するのは、イオン半径の異なるCa,Laを結晶構造中に導入することで、斜方晶への相転移を抑制する効果があるからと推察される。 As shown in FIG. 4, as the amount of substitution z, in which part of the conventional composition is substituted with calcium (Ca) and lanthanum (La), increases, the peak of the orthorhombic (010) plane decreases and the tetragonal It can be seen that the peak of the (100) plane increases. As the results of the appearance observation and XRD measurement described above show, the reason why the Ca and La substitution improves the moisture resistance is that the introduction of Ca and La with different ionic radii into the crystal structure causes the orthorhombic phase to change. It is presumed that this is due to the effect of suppressing metastasis.

図4は、室温でのXRD測定において、LnBa2Cu37-δ複合ペロブスカイト構造の正方晶回折パターンが確認できたことを示している。また、実施例に係る試験用サンプルに使用する希土類元素(Ln)については、イットリウム(Y)≧ガドリニウム(Gd)>Nd(ネオジム)の順でセンサ素子の耐湿性に優れることが確認できた。 FIG. 4 shows that the XRD measurement at room temperature confirmed the tetragonal diffraction pattern of the LnBa 2 Cu 3 O 7-δ composite perovskite structure. In addition, regarding the rare earth elements (Ln) used in the test samples according to the examples, it was confirmed that the humidity resistance of the sensor element was excellent in the order of yttrium (Y) > gadolinium (Gd) > Nd (neodymium).

<センサ特性の評価結果>
図5は、従来組成の試験用サンプル(z=0)と、実施例に係る試験用サンプル(0.25≦z≦1)とについて、酸素センサとしての酸素応答性を評価した結果を示している。ここでは、各試験用サンプルに対して、図5の期間T1において標準エア(酸素濃度21%)の環境下とし、続く期間T2において酸素濃度1%の環境に切り換え、次の期間T3において標準エア(酸素濃度21%)の環境に切り換えた。
<Evaluation results of sensor characteristics>
FIG. 5 shows the results of evaluating the oxygen responsiveness as an oxygen sensor for a test sample (z=0) having a conventional composition and a test sample (0.25≦z≦1) according to an example. there is Here, for each test sample, an environment of standard air (oxygen concentration 21%) is set in the period T1 of FIG. (oxygen concentration 21%) environment.

図5に示すように、従来組成の試験用サンプル(z=0)のセンサ出力の変化量(応答性)が32%であり、Ca,La置換した組成からなる実施例に係る試験用サンプル(置換量z=0.25,z=0.5,z=0.75,z=1)それぞれについて、23%,22%,19%,14%のセンサ出力の変化量(応答性)が得られた。 As shown in FIG. 5, the amount of change (response) in the sensor output of the test sample (z=0) of the conventional composition is 32%, and the test sample ( 23%, 22%, 19%, and 14% of change in sensor output (response) were obtained for each substitution amount (z = 0.25, z = 0.5, z = 0.75, z = 1). was taken.

また、T1→T2→T3の酸素濃度の各変化点における電流変化の立上がり、および立下りも急峻であることから、酸素応答性に関して、従来組成の試験用サンプルと実施例に係る試験用サンプルとに差異がないことが分かる。 In addition, since the rise and fall of the current change at each change point of the oxygen concentration of T1 → T2 → T3 are also steep, the oxygen responsiveness was evaluated between the test sample having the conventional composition and the test sample according to the example. It can be seen that there is no difference in

このように、従来組成の一部をCa,La置換した実施例に係る試験用サンプルについての酸素応答性評価結果より、Ca,Laの置換量zは0≦z≦1のすべての範囲において、良好なセンサ特性(センサ出力、応答速度)が得られることが明らかになった。また、置換量は、応答速度に対してほとんど影響を及ぼさないことも明らかになった。なお、図5の評価結果から、置換量zが増加するにつれて電流変化量が低下する傾向が見られるが、そのような低下があっても酸素センサ素子として十分利用できるレベルであると考えられる。 Thus, from the oxygen responsive evaluation results of the test samples according to the examples in which part of the conventional composition was replaced with Ca and La, the substitution amount z of Ca and La was in the entire range of 0 ≤ z ≤ 1, It became clear that good sensor characteristics (sensor output, response speed) can be obtained. It was also found that the amount of substitution had little effect on the response speed. From the evaluation results in FIG. 5, it can be seen that the amount of change in current tends to decrease as the amount of substitution z increases.

上述した組成式Y1-zCazBa2-zLazCu37-δで表される第1の実施形態に係る酸素センサ素子において、さらに、バリウム(Ba)をストロンチウム(Sr)で置換してなる組成物の検証を行った。その結果、このような置換を行った組成物においても耐湿性、センサ特性が確保できることが判明した。 In the oxygen sensor element according to the first embodiment represented by the composition formula Y1 - zCazBa2 - zLazCu3O7 described above, barium (Ba) is further replaced with strontium (Sr). Verification of the composition formed by substitution was performed. As a result, it was found that moisture resistance and sensor characteristics could be ensured even in the composition subjected to such substitution.

次に、第1の実施形態に係る酸素センサ素子と、それを用いた酸素センサの製造方法について説明する。図6は、第1の実施形態に係る酸素センサ素子とその酸素センサ素子を用いた酸素センサの製造工程を時系列で示すフローチャートである。 Next, an oxygen sensor element according to the first embodiment and a method for manufacturing an oxygen sensor using the same will be described. FIG. 6 is a flow chart showing in chronological order the manufacturing process of the oxygen sensor element according to the first embodiment and the oxygen sensor using the oxygen sensor element.

図6のステップS1において、酸素センサ素子の原料を秤量し、それらを混合する。ここでは、酸素センサ素子の材料として、例えばY23,La23,BaCO3,CaCO3,CuOを、電子天秤等を使用して所定の組成になるように秤量し混合する。 In step S1 of FIG. 6, raw materials for the oxygen sensor element are weighed and mixed. Here, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , BaCO 3 , CaCO 3 and CuO, for example, as materials for the oxygen sensor element are weighed and mixed using an electronic balance or the like so as to obtain a predetermined composition.

なお、酸素センサ素子材料のLn(希土類元素)として、ここではイットリウム(Y)を例示しているが、他の単一の希土類元素であっても、あるいは複数の希土類元素を混合してもよく、いずれの希土類元素も使用可能である。また、この混合体に、さらにLn2BaCuO5を添加してもよい。 As Ln (rare earth element) of the oxygen sensor element material, yttrium (Y) is exemplified here, but other single rare earth element or a mixture of multiple rare earth elements may be used. , any rare earth element can be used. Also, Ln 2 BaCuO 5 may be added to this mixture.

ステップS2では、上記ステップS1で秤量・混合した酸素センサ素子原料を、ボールミル装置で粉砕する。粉砕には、粉砕メディアをビーズとするビーズミル等の固相法、液相法でも可能である。 In step S2, the oxygen sensor element raw materials weighed and mixed in step S1 are pulverized by a ball mill. For pulverization, a solid-phase method such as a bead mill using beads as a pulverization medium, or a liquid-phase method can be used.

続くステップS3において、上記粉砕された材料(原料粉末)を、大気中において900℃、5時間、熱処理(仮焼き)する。仮焼きにより、反応性や粒径を調整する。仮焼きの温度は、880~970℃でもよいが、900℃~935℃がより好ましい。 In subsequent step S3, the pulverized material (raw material powder) is heat-treated (calcined) at 900° C. for 5 hours in the air. Reactivity and particle size are adjusted by calcination. The calcination temperature may be 880 to 970°C, but is preferably 900 to 935°C.

次に、造粒工程に移行する。具体的には、ステップS4において造粒粉を作製する。ここでは、仮焼きした混合物にバインダー樹脂(例えば、ポリビニルアルコール(PVA))の水溶液等を加えて造粒粉を作製する。 Next, it shifts to a granulation step. Specifically, granulated powder is produced in step S4. Here, granulated powder is produced by adding an aqueous solution of a binder resin (for example, polyvinyl alcohol (PVA)) to the calcined mixture.

続くステップS5では、例えば一軸プレス法により造粒粉にプレス圧を印加して成形し、例えば、厚みが300μmの板状部材(プレス成形体)を作製する。成形は、静水圧プレス法、ホットプレス法、ドクターブレード法、印刷法、薄膜法でも可能である。 In the following step S5, a pressing pressure is applied to the granulated powder by, for example, a uniaxial pressing method to form a plate-like member (press-formed body) having a thickness of, for example, 300 μm. Forming can also be performed by hydrostatic pressing, hot pressing, doctor blade, printing, or thin film methods.

ステップS6ではダイシングを行なう。ダイシングでは、成形された板状部材を所定の製品サイズおよび形状(例えば、0.3×0.3×7mmの線状体形状)に合わせて切削する。酸素センサ素子は、サイズ径が細い程、省電力に優れることから、製品サイズは上記以外のサイズでもよい。 Dicing is performed in step S6. In dicing, the formed plate-like member is cut according to a predetermined product size and shape (for example, linear body shape of 0.3×0.3×7 mm). Since the smaller the diameter of the oxygen sensor element, the better the power saving, the product size may be any size other than the above.

ステップS7では、上述したダイシング後の酸素センサ素子に対して脱バインダーを行い、その酸素センサ素子を大気中で、例えば、920℃で10時間、焼成する。なお、焼成温度として900~1000℃が可能であるが、組成によって最適温度が異なるため、組成により焼成温度を変えてもよい。この後、アニール処理を行ってもよい。 In step S7, the oxygen sensor element after dicing is subjected to binder removal, and the oxygen sensor element is sintered in the atmosphere at, for example, 920° C. for 10 hours. The sintering temperature can be 900 to 1000° C., but since the optimum temperature differs depending on the composition, the sintering temperature may be changed depending on the composition. Annealing treatment may be performed after this.

ステップS8において、酸素センサ素子の両端部に銀(Ag)をディップ塗布し、150℃で10分、乾燥させて電極を形成する。ステップS9では、ステップS8で形成された電極に、例えばφ0.1mmの銀(Ag)ワイヤをワイヤーボンディング等の接合方法により取り付けて、150℃で10分、乾燥する。このようにして形成された端子電極を、ステップS10で、例えば670℃で20分間、焼付けする。 In step S8, both ends of the oxygen sensor element are dip-coated with silver (Ag) and dried at 150° C. for 10 minutes to form electrodes. In step S9, for example, silver (Ag) wires with a diameter of 0.1 mm are attached to the electrodes formed in step S8 by a bonding method such as wire bonding, and dried at 150° C. for 10 minutes. The terminal electrodes thus formed are baked, for example, at 670° C. for 20 minutes in step S10.

上記の電極およびワイヤ材料は、銀(Ag)以外の材料、例えば、金(Au)、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、銅(Cu)、樹脂電極等であってもよい。また、電極のディップには、印刷法、スパッタ等の着膜方法を使用してもよい。さらに、図6における最終工程として、上記の工程を経て製造された酸素センサ素子の電気的特性を、例えば四端子法により評価してもよい。 Materials other than silver (Ag), such as gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), tin (Sn), copper (Cu), resin electrodes, etc. good. For the dipping of the electrode, a film deposition method such as a printing method or sputtering may be used. Furthermore, as the final step in FIG. 6, the electrical characteristics of the oxygen sensor element manufactured through the above steps may be evaluated, for example, by a four-probe method.

<酸素センサについて>
第1の実施形態に係る酸素センサ素子を使用した酸素センサは、酸素センサ素子の中央部の発熱箇所(ホットスポット)が酸素濃度の検出部となる。例えば、図7に示す酸素センサ1は、酸素センサ素子の保護部材として機能する、耐熱ガラスからなる円筒形のガラス管4の内部に酸素センサ素子5を収容した構造となっている。ガラス管4の両端には、酸素センサ1が外部と電気的な接続を行うため、例えば銅(Cu)等からなる金属製の導電キャップ(口金)2a,2bが嵌着されている。
<About the oxygen sensor>
In the oxygen sensor using the oxygen sensor element according to the first embodiment, the heat generating portion (hot spot) in the central portion of the oxygen sensor element serves as the oxygen concentration detection portion. For example, an oxygen sensor 1 shown in FIG. 7 has a structure in which an oxygen sensor element 5 is housed inside a cylindrical glass tube 4 made of heat-resistant glass that functions as a protective member for the oxygen sensor element. Metal conductive caps (bases) 2a and 2b made of copper (Cu), for example, are fitted to both ends of the glass tube 4 in order to electrically connect the oxygen sensor 1 to the outside.

酸素センサ素子5の両端部に取り付けた銀(Ag)ワイヤは、導電キャップ2a,2bと無鉛はんだにより電気的に接続され、酸素センサ素子5がガラス管4に接触しないように、酸素センサ素子5の長手方向がガラス管4の軸方向となるように配置されている。また、導電キャップ2a,2bの端面側それぞれに設けた通気孔3a,3bより、測定対象である気体(酸素)がガラス管4内に円滑に流入して、酸素センサ素子5がその気体に晒され、雰囲気の酸素濃度を正確に測定できる。 The silver (Ag) wires attached to both ends of the oxygen sensor element 5 are electrically connected to the conductive caps 2a and 2b by lead-free solder, and the oxygen sensor element 5 is connected to the glass tube 4 so that the oxygen sensor element 5 does not come into contact with the glass tube 4. is arranged so that the longitudinal direction of the glass tube 4 is aligned with the axial direction of the glass tube 4 . In addition, the gas (oxygen) to be measured smoothly flows into the glass tube 4 through the ventilation holes 3a and 3b provided on the end faces of the conductive caps 2a and 2b, respectively, and the oxygen sensor element 5 is exposed to the gas. and can accurately measure the oxygen concentration in the atmosphere.

酸素センサ1の外形寸法(サイズ)は、例えばガラス管の直径が5.2mm、長さが20mm、通気孔の径が2.5mmであり、上述した寸法(0.3×0.3×7mm)の酸素センサ素子は、ガラス管の通気孔を介して交換可能となる。 The outer dimensions (size) of the oxygen sensor 1 are, for example, the diameter of the glass tube is 5.2 mm, the length is 20 mm, and the diameter of the air hole is 2.5 mm. ) is replaceable through a vent hole in the glass tube.

なお、酸素センサ素子5の保護部材は、上記のガラス管以外に、例えばセラミックケース、樹脂ケース等であってもよい。また、酸素センサ素子5に取り付けた銀(Ag)ワイヤと導電キャップ2a,2bとの接続には、有鉛はんだ、溶接、カシメ等の接合方法を用いてもよい。 The protective member for the oxygen sensor element 5 may be, for example, a ceramic case, a resin case, or the like, other than the glass tube described above. Also, the silver (Ag) wire attached to the oxygen sensor element 5 and the conductive caps 2a and 2b may be connected by a joining method such as leaded solder, welding, or caulking.

また、図示を省略するが、第1の実施形態に係る酸素センサ素子を使用した酸素センサは、電源により酸素センサに所定電圧を印加すると、酸素センサ素子には、周囲の酸素濃度に応じた電流が流れるため、その電流を電流計で計測した値をもとに、測定対象とする雰囲気の酸素濃度を測定する構成を有する。 Although not shown, in the oxygen sensor using the oxygen sensor element according to the first embodiment, when a predetermined voltage is applied to the oxygen sensor from a power source, the oxygen sensor element generates a current corresponding to the ambient oxygen concentration. flow, the oxygen concentration of the atmosphere to be measured is measured based on the value of the current measured by an ammeter.

以上説明したように、第1の実施形態に係る酸素センサ素子は、組成式LnBa2Cu37-δで表される従来組成の一部を、周期表第2属の元素より選択したいずれかの元素、例えばカルシウム(Ca)と、ランタノイド系の元素より選択したいずれか1つの元素、例えばランタン(La)とで置換した組成式Ln1-zCazBa2-zLazCu37-δ(Lnは希土類元素で、置換量zは0.25≦z≦1)で表される組成を有する。 As described above, in the oxygen sensor element according to the first embodiment, a part of the conventional composition represented by the composition formula LnBa 2 Cu 3 O 7-δ is selected from the elements of Group 2 of the periodic table. A composition formula Ln 1-z Ca z Ba 2-z La z Cu 3 O in which an element, such as calcium (Ca), is substituted with any one element selected from lanthanoid elements, such as lanthanum (La) It has a composition represented by 7-δ (Ln is a rare earth element, and the amount of substitution z is 0.25≦z≦1).

このような組成とすることで、イオン半径の異なるCa,Laを結晶構造中に導入することで斜方晶への相転移が抑制され、Ca,La置換によりセンサ素子の耐湿性が向上する。その結果、センサ特性を損なうことなく、高耐久性、高信頼性の酸素センサ素子を提供できる。 With such a composition, Ca and La with different ionic radii are introduced into the crystal structure to suppress the phase transition to the orthorhombic system, and the Ca and La substitution improves the moisture resistance of the sensor element. As a result, a highly durable and highly reliable oxygen sensor element can be provided without impairing sensor characteristics.

また、第1の実施形態では、従来組成の一部をCa,La置換した例を挙げたが、Ca以外のベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)といった周期表第2属の他の元素から選択したいずれかの元素と、La以外のランタノイド系の他の元素より選択したいずれかの元素とで置換しても、Ca,La置換の場合と同等の効果が奏されることが想定できる。 Further, in the first embodiment, an example was given in which a part of the conventional composition was replaced with Ca and La, but beryllium (Be) other than Ca, magnesium (Mg), calcium (Ca), barium (Ba), radium Even if any element selected from other elements of Group 2 of the periodic table such as (Ra) is substituted with any element selected from other elements of the lanthanide system other than La, Ca, La substitution It can be assumed that the same effect as in the case of

[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る酸素センサ素子は、上述した従来組成LnBa2Cu37-δのBaサイトを置換した組成を有する。具体的には、組成式LnBa2Cu37-δのBaを希土類元素Lnで置換して、Ln/Ba比を制御した組成Ln1+xBa2-xCu37-δ(0<x≦1.2)を有する。
[Second embodiment]
The oxygen sensor element according to the second embodiment of the present invention has a composition obtained by substituting the Ba site of the conventional composition LnBa 2 Cu 3 O 7-δ described above. Specifically, a composition Ln 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7 - δ ( 0 <x≤1.2).

そこで、第2の実施形態に係る酸素センサ素子材料で作製したサンプルと、従来のセンサ素子材料で作成したサンプルとを比較検証した結果を説明する。以降において、LnをNdとしたNd1+xBa2-xCu37-δを例に挙げて説明するが、Nd以外の他の希土類元素、あるいは希土類元素を組み合わせた、例えば、NdBa1.4Gd0.6Cu37-δであってもよい。 Therefore, results of comparative verification between a sample made of the oxygen sensor element material according to the second embodiment and a sample made of a conventional sensor element material will be described. In the following, Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ in which Ln is Nd will be described as an example . It may be Gd 0.6 Cu 3 O 7-δ .

<耐湿試験結果>
直径が約16mm、厚さが約2mmの円盤状の酸素センサ素子を作製し、40℃、93%RH雰囲気下で所定の時間、サンプルを放置して耐湿試験を行った。
<Results of moisture resistance test>
A disk-shaped oxygen sensor element having a diameter of about 16 mm and a thickness of about 2 mm was produced, and a moisture resistance test was performed by leaving the sample in an atmosphere of 40° C. and 93% RH for a predetermined period of time.

図8は、第2の実施形態に係る酸素センサ素子の組成Nd1+xBa2-xCu37-δにおいて、Ndの置換量xをx=0,0.2,0.3,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2として、上記の環境下において放置時間を変えた(0時間~500時間)ときの各サンプルの外観観察結果(外観の経時変化)を示す写真である。 FIG. 8 shows the substitution amount x of Nd in the composition Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ of the oxygen sensor element according to the second embodiment at x=0, 0.2, 0.3, As 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, the appearance observation results of each sample when changing the standing time (0 hours to 500 hours) in the above environment (appearance over time It is a photograph showing a change).

図8に示すように、Nd置換を行なっていない(x=0)、従来例としてのサンプルには、50時間以内に酸素センサ素子の表面に白い析出物が生じた。また、x=0.4以上のサンプルでは、500時間が経過しても外観が変化しなかったことから、上記組成の酸素センサ素子サンプルは、Nd置換量xの増加にともない耐湿性が向上することが分かる。特に、0.4≦x≦1.2において、500時間以上の耐湿性があることが判明した。 As shown in FIG. 8, in the conventional sample without Nd substitution (x=0), a white precipitate formed on the surface of the oxygen sensor element within 50 hours. In addition, in the samples with x = 0.4 or more, the appearance did not change even after 500 hours, indicating that the moisture resistance of the oxygen sensor element samples with the above composition improved as the Nd substitution amount x increased. I understand. In particular, it was found that when 0.4 ≤ x ≤ 1.2, there is moisture resistance for 500 hours or longer.

図9は、上記のようにNd置換量を変えた酸素センサ素子のX線回折(XRD)測定結果である。また、表2は、XRD測定による素子劣化の判定結果である。 FIG. 9 shows the results of X-ray diffraction (XRD) measurement of oxygen sensor elements with different amounts of Nd substituted as described above. Also, Table 2 shows the determination results of element deterioration by XRD measurement.

Figure 0007290215000002
Figure 0007290215000002

表2において、×印はセンサ素子サンプルが劣化したことを示し、○印は素子サンプルにほぼ劣化がないことを示している。また、図9に示すXRD測定の結果、すべてのサンプルにおいてNdBa2Cu37-δ(Nd-123)相の結晶構造が主相として確認された。すなわち、各サンプルは、置換量xを増加させても従来例のサンプルとほぼ同様の結晶構造であることが分かった。 In Table 2, the x mark indicates that the sensor element sample has deteriorated, and the o mark indicates that the element sample has almost no deterioration. Further, as a result of the XRD measurement shown in FIG. 9, the crystal structure of the NdBa 2 Cu 3 O 7-δ (Nd-123) phase was confirmed as the main phase in all the samples. In other words, it was found that each sample had almost the same crystal structure as the conventional sample even when the substitution amount x was increased.

また、x=0.8以上のサンプルでは、Nd2CuO4の析出が確認された(図中、▼印で示す)。このためNd1+xBa2-xCu37-δにおけるNdの固溶限は、x=0.6~0.8と考えられる。サンプルでは、従来例とのピーク数の相違より、Nd置換により結晶構造が斜方晶から正方晶に変化したと考えられる。 Moreover, precipitation of Nd 2 CuO 4 was confirmed in the samples with x=0.8 or more (indicated by ▼ in the figure). Therefore, the solid solubility limit of Nd in Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ is considered to be x=0.6 to 0.8. In the sample, the difference in the number of peaks from the conventional example suggests that the crystal structure changed from an orthorhombic system to a tetragonal system due to Nd substitution.

なお、図示を省略するが、耐湿試験を50時間行ったx=0~0.2のサンプルでは、BaCO3,CuOのピークが確認された。一方、x=0.4以上のサンプルでは、500時間が経過してもピークに変化がなかった。 Although not shown, peaks of BaCO 3 and CuO were confirmed in the samples with x=0 to 0.2 subjected to the moisture resistance test for 50 hours. On the other hand, in the samples with x=0.4 or more, the peak did not change even after 500 hours.

<耐溶断特性の評価結果>
図10は、各サンプルの溶断に至る電力をまとめた耐溶断特性であり、横軸が置換量x、縦軸が溶断電力である。図10に示すように、0.2≦x≦1.0の範囲において、Nd置換により溶断電力が向上することが分かる。
<Evaluation results of fusing resistance>
FIG. 10 shows the fusing resistance characteristics summarizing the power until fusing of each sample, where the horizontal axis represents the replacement amount x and the vertical axis represents the fusing power. As shown in FIG. 10, it can be seen that Nd replacement improves the fusing power in the range of 0.2≦x≦1.0.

<結晶構造の変化>
基本組成であるNdBa2Cu37-δ(Nd-123)、Sr置換を行なったNdBaSrCu37は、400℃~950℃で結晶構造の変化が見られ、2θ=47°付近のピークがスプリットしたり、あるいはスプリットしたピークの強度比が変化する。
<Change in crystal structure>
NdBa 2 Cu 3 O 7-δ (Nd-123), which is the basic composition, and NdBaSrCu 3 O 7 with Sr substitution show a change in crystal structure between 400°C and 950°C, with a peak around 2θ = 47°. splits, or the intensity ratio of split peaks changes.

一方、第2の実施形態に係る酸素センサ素子は、置換量x=0.6の焼結体についての高温XRD測定の結果、室温(25℃)から950℃まで、2θ=47°付近のピークが常に一定となり、結晶構造に変化が見られなかった。このようにNd置換したサンプルは、高温まで安定した結晶構造を有することが、上述した耐溶断特性が向上する要因の一つであると考えられる。 On the other hand, in the oxygen sensor element according to the second embodiment, as a result of high-temperature XRD measurement of the sintered body with the substitution amount x = 0.6, from room temperature (25 ° C.) to 950 ° C., a peak near 2θ = 47 ° was always constant, and no change was observed in the crystal structure. The fact that the Nd-substituted sample has a stable crystal structure up to high temperatures is considered to be one of the reasons for the improvement in the above-described fusion resistance.

図11は、図9において点線で囲んだ部分A((006)、(020)、(200)面のピーク(2θ=46°付近))であり、これらより格子定数を算出したところ、0.2≦x≦0.8の範囲では、置換量xの増加にともない格子定数は減少した。これは、NdがBaよりもイオン半径が小さいため、Ndが置換固溶しているからと考えられる。 FIG. 11 shows the portion A ((006), (020), (200) plane peaks (around 2θ=46°)) surrounded by a dotted line in FIG. In the range of 2≦x≦0.8, the lattice constant decreased as the amount of substitution x increased. It is considered that this is because Nd has a smaller ionic radius than Ba, so that Nd is in a substitution solid solution.

図11より、x=0では、(020)面と(200)面のピークがスプリットしており、結晶構造が斜方晶(a≠b)である。0.2≦x≦0.8では、(020)面と(200)面のピークが重なっており、結晶構造が正方晶(a=b)に変化していると考えられる。この傾向はSr置換でも同様に現れることから、Baサイトをイオン半径の小さいNdイオンで置換することで、結晶構造が変化していると考えられる。このため、Baよりもイオン半径が小さいNd以外の希土類元素においても、同様の効果が得られると考えられる。 From FIG. 11, when x=0, the peaks of the (020) plane and the (200) plane are split, and the crystal structure is orthorhombic (a≠b). When 0.2≦x≦0.8, the peaks of the (020) plane and the (200) plane overlap, and it is considered that the crystal structure has changed to a tetragonal system (a=b). Since this tendency also appears in Sr substitution, it is considered that the crystal structure is changed by substituting Nd ions having a small ionic radius for the Ba sites. For this reason, it is considered that the same effect can be obtained even with rare earth elements other than Nd having an ionic radius smaller than that of Ba.

また、0.8≦x≦1.2の範囲では、上記のように0.2≦x≦0.8で重なっていた(020)面と(200)面のピークが再度スプリットした。このことは、固溶限界以上にNdを添加したことにより、Ndが別サイトにも固溶している可能性を示唆している。 Moreover, in the range of 0.8≦x≦1.2, the peaks of the (020) plane and the (200) plane, which overlapped in the range of 0.2≦x≦0.8 as described above, split again. This suggests the possibility that the addition of Nd in excess of the solid solubility limit causes Nd to form a solid solution at another site.

<センサ特性>
図12は、組成式Nd1+xBa2-xCu37-δの酸素センサ素子について、上記のようにNd置換量を変えたときの酸素応答性の測定結果である。ここでは、第1の実施形態と同様、各試験用サンプルに対して、期間T1を標準エア(酸素濃度21%)の環境下、続く期間T2を酸素濃度1%の環境に切り換え、次の期間T3を再び標準エア(酸素濃度21%)の環境に切り換えて酸素応答性を測定した。
<Sensor characteristics>
FIG. 12 shows the measurement results of the oxygen responsiveness of the oxygen sensor element having the composition formula of Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ when the amount of Nd substitution is changed as described above. Here, as in the first embodiment, for each test sample, the period T1 is switched to the environment of standard air (oxygen concentration 21%), the subsequent period T2 is switched to the environment of oxygen concentration 1%, and the next period T3 was again switched to the environment of standard air (oxygen concentration 21%) and the oxygen response was measured.

図12に示すように、Nd置換を行なったサンプルは、すべてのサンプルにおいて30%程度の電流変化が生じた。 As shown in FIG. 12, the current change of about 30% occurred in all the samples subjected to Nd substitution.

また、T1→T2→T3の酸素濃度の各変化点における電流変化の立上がり、および立下りともに急峻であることから、従来組成のサンプルと実施例に係るサンプルは、酸素応答性において差異がないことが分かる。 In addition, since the rise and fall of the current change at each change point of the oxygen concentration of T1 → T2 → T3 are steep, there is no difference in oxygen responsiveness between the sample with the conventional composition and the sample according to the example. I understand.

なお、実施例に係るサンプル(x=0.6)は、従来例と比べて電流値を約30%低減できることが分かった。これは、Ba2+をNd3+で置換することで、ホール濃度が低下し、抵抗値が増加したためと考えられる。このことから、第2の実施形態に係るサンプルは、従来例よりも線径を太くして機械的強度を向上させても、消費電力(電流)の増加を抑えることができる。その結果、抵抗値の増加により、線径と消費電力についての設計自由度を上げることができる。 In addition, it was found that the sample (x=0.6) according to the example can reduce the current value by about 30% compared to the conventional example. This is probably because the hole concentration decreased and the resistance increased by substituting Nd 3+ for Ba 2+ . From this, the sample according to the second embodiment can suppress an increase in power consumption (current) even if the wire diameter is made larger than that of the conventional example to improve the mechanical strength. As a result, the increased resistance value can increase the degree of freedom in designing the wire diameter and power consumption.

<焼成温度>
次に、第2の実施形態に係る酸素センサ素子の焼成温度について説明する。置換量がx=0,0.2,1.0,1.2のサンプルでは、図8に示すようにペレットの収縮が大きく、易焼結であった。そこで、この原因を調査するために示差熱分析(DTA)測定を行った結果を図13に示す。
<Firing temperature>
Next, the firing temperature of the oxygen sensor element according to the second embodiment will be explained. In the samples with substitution amounts of x=0, 0.2, 1.0, and 1.2, pellet shrinkage was large as shown in FIG. 8, and sintering was easy. FIG. 13 shows the result of differential thermal analysis (DTA) measurement to investigate the cause.

図13において、x=0,1.0,1.2のサンプル(仮焼粉)では、下向き矢印で示す箇所に吸熱ピークが見られる。x=0における820℃付近のピークは、仮焼時に残留したBaCO3の脱炭酸(Gd-123相の合成)によるものと考えられる。同じくx=0における970℃付近のピークは、BaO-CuOを主成分とする相の融解ピークであると考えられる。 In FIG. 13, in the samples (calcined powder) with x=0, 1.0, and 1.2, endothermic peaks are observed at locations indicated by downward arrows. The peak near 820° C. at x=0 is considered to be due to decarboxylation of BaCO 3 remaining during calcination (synthesis of Gd-123 phase). Similarly, the peak near 970° C. at x=0 is considered to be the melting peak of the phase containing BaO—CuO as the main component.

x=1.0,1.2における吸熱ピークは、図9の結果からNd-Cu-Oに起因する相の融解ピークであると考えられる。このため、x=0,0.2,1.0,1.2のサンプルで焼結が進行した原因は、焼成時の液相生成によるものと考えられる。 The endothermic peaks at x=1.0 and 1.2 are considered to be the melting peaks of the phase caused by Nd--Cu--O from the results of FIG. Therefore, the reason why the samples with x=0, 0.2, 1.0 and 1.2 progressed in sintering is considered to be the formation of a liquid phase during firing.

図14(a)~(c)は、Nd置換量をx=0.4,0.6,0.8とし、980℃で10時間焼成した各サンプルの破断面をSEM観察した結果を示すSEM写真である。いずれのSEM写真も1000倍での反射電子像である。また、図13において、x=0.4,0.6,0.8のサンプルでは吸熱ピークが見られないことから、従来よりも高温での焼成によって、安定した多孔質組織を得ることができた。 14(a) to (c) show the results of SEM observation of the fracture surface of each sample fired at 980° C. for 10 hours with the Nd substitution amount x=0.4, 0.6, 0.8. It is a photograph. All SEM photographs are backscattered electron images at a magnification of 1000. In addition, in FIG. 13, since no endothermic peak is observed in the samples with x=0.4, 0.6, and 0.8, it is possible to obtain a stable porous structure by firing at a higher temperature than before. rice field.

従来組成であるGd-123は易焼結であるため、例えば920℃-10時間焼成のような、比較的低い温度で焼成を行う必要がある。しかし、酸素センサ素子におけるホットスポット発生部の温度は950℃付近であると考えられるため、酸素センサ稼働時の焼結進行が問題となるが、第2の実施形態に係るセンサ素子の組成では、Nd置換量の制御により液相の生成を抑えることができ、これにより高温での焼成が可能となる。 Since Gd-123, which has a conventional composition, is easily sintered, it needs to be fired at a relatively low temperature such as 920° C. for 10 hours. However, since the temperature of the hot spot generating portion in the oxygen sensor element is considered to be around 950° C., the progress of sintering during operation of the oxygen sensor becomes a problem. By controlling the amount of Nd substitution, it is possible to suppress the formation of liquid phase, which enables firing at high temperatures.

そのため、酸素センサ稼働時(ホットスポット発生時)のセンサ素子の出力安定性を向上させることができる。また、液相生成が少ないため焼成時の変形も抑えられ、焼結時の形状ばらつきを低減できる。 Therefore, it is possible to improve the output stability of the sensor element when the oxygen sensor is in operation (when a hot spot occurs). In addition, since the liquid phase is less generated, deformation during sintering is suppressed, and variation in shape during sintering can be reduced.

なお、第2の実施形態に係る酸素センサ素子と、それを用いた酸素センサの製造方法は、図6に示す第1の実施形態に係る製造工程と同様であるため、それらの説明は省略するが、第2の実施形態では、図6のステップS1において、酸素センサ素子の材料として、例えばNd23,BaCO3,CuOを、電子天秤等を使用して所定の組成になるように秤量し、混合する。 Note that the oxygen sensor element according to the second embodiment and the method of manufacturing the oxygen sensor using the same are the same as the manufacturing process according to the first embodiment shown in FIG. 6, so description thereof will be omitted. However, in the second embodiment, in step S1 of FIG. 6, materials for the oxygen sensor element, such as Nd 2 O 3 , BaCO 3 , and CuO, are weighed using an electronic balance or the like so as to have a predetermined composition. and mix.

また、第2の実施形態に係る酸素センサ素子を使用した酸素センサの構成も、図7に示す構成と同様であるため、ここでは図示および説明を省略する。 The configuration of the oxygen sensor using the oxygen sensor element according to the second embodiment is also the same as the configuration shown in FIG. 7, so illustration and description are omitted here.

上記のように第2の実施形態に係る酸素センサ素子は、LnBa2Cu37-δ(Lnは希土類元素)で表される従来組成において、Ln/Ba比を制御した組成Ln1+xBa2-xCu37-δ(0<x≦1.2)を有し、例えば、希土類元素より選択したネオジム(Nd)で置換した組成式Nd1+xBa2-xCu37-δで表される組成を有する。 As described above, the oxygen sensor element according to the second embodiment has a composition Ln 1+x in which the Ln/Ba ratio is controlled in the conventional composition represented by LnBa 2 Cu 3 O 7-δ (Ln is a rare earth element). Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O having Ba 2-x Cu 3 O 7 - δ (0<x≦1.2) and substituted with neodymium ( Nd) selected from rare earth elements, for example It has a composition represented by 7-δ .

このように、Baサイトをイオン半径の小さいNdイオンで置換した組成とすることで、耐湿性、耐久性のみならず、耐熱性(耐溶断性)および焼結性(耐変形)を向上できる。また、組成が3成分系であることから、センサ素子の製造ばらつきを抑えることができ、それにより製造の容易な酸素センサを提供可能となる。 In this way, by replacing Ba sites with Nd ions having a small ionic radius, not only moisture resistance and durability, but also heat resistance (fusing resistance) and sinterability (deformation resistance) can be improved. In addition, since the composition is a three-component system, it is possible to suppress variations in manufacturing of the sensor element, thereby providing an oxygen sensor that is easy to manufacture.

さらに、Ndの置換量xに応じて素子の抵抗率を制御できるので、センサ稼動時の電流値抑制、素子線径の調整等が可能となる。 Furthermore, since the resistivity of the element can be controlled according to the substitution amount x of Nd, it becomes possible to control the current value during the operation of the sensor, adjust the element wire diameter, and the like.

なお、センサ素子における電流密度は、素子の線径の平方根に反比例するため、電流密度が大きい程、センサ素子への負荷が大きくなる。そのため、線径が太い程、電流密度が低減され、素子の長寿命に繋がると考えられる。従来組成の素子では、素子径を太くすると稼働時の電流値(消費電力)が大きくなってしまうため、線径は細くする必要があった。 Since the current density in the sensor element is inversely proportional to the square root of the wire diameter of the element, the higher the current density, the greater the load on the sensor element. Therefore, it is considered that the thicker the wire diameter, the lower the current density, leading to a longer life of the device. In the element of the conventional composition, if the element diameter is increased, the current value (power consumption) during operation increases, so the wire diameter had to be reduced.

これに対して、第2の実施形態に係る酸素センサ素子(組成:Nd1+xBa2-xCu37-δ)では、素子の抵抗率の制御により、線径を太くしても電流値をある程度抑えることができる。加えて、素子径の増加(比表面積の低減)により、断熱性も確保できると考えられる。さらに、線径の増加による機械的強度の増加、量産工程でのハンドリング性の向上も期待できる。 On the other hand, in the oxygen sensor element (composition: Nd 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ ) according to the second embodiment, even if the wire diameter is increased by controlling the resistivity of the element, The current value can be suppressed to some extent. In addition, it is considered that heat insulation can be ensured by increasing the element diameter (reducing the specific surface area). Furthermore, an increase in mechanical strength due to an increase in wire diameter and an improvement in handling in mass production processes can be expected.

また、第2の実施形態では、従来組成の一部をNdで置換した例を挙げたが、Nd以外の他の希土類元素で置換しても、あるいは、異なる希土類元素を組み合わせて置換しても、Nd置換と同様の効果が奏されることが想定できる。 In addition, in the second embodiment, an example in which part of the conventional composition is substituted with Nd was given, but even if it is substituted with other rare earth elements other than Nd, or if it is substituted with a combination of different rare earth elements, , and Nd substitution.

1 酸素センサ
2a,2b 導電キャップ
3a,3b 通気孔
4 ガラス管
5 酸素センサ素子
1 Oxygen sensors 2a, 2b Conductive caps 3a, 3b Vent hole 4 Glass tube 5 Oxygen sensor element

Claims (8)

セラミック焼結体からなり、電圧を印加したときの電流値をもとに酸素濃度を検出する酸素センサ素子であって、
前記セラミック焼結体は組成式LnBaCu7-δ(Lnは希土類元素で、δは酸素不定比量を表す)のBaの一部を、前記組成式中の希土類元素Lnと同じ希土類元素Ln、または前記組成式中の希土類元素Lnと異なる希土類元素Lnで置換した、組成式Ln1+xBa2-xCu7-δ(置換量xは0<x≦1.2)で表される組成を有することを特徴とする酸素センサ素子。
An oxygen sensor element made of a ceramic sintered body that detects oxygen concentration based on a current value when a voltage is applied,
In the ceramic sintered body, part of Ba in a composition formula LnBa 2 Cu 3 O 7-δ (Ln is a rare earth element and δ represents a non-stoichiometric amount of oxygen) is replaced with the same rare earth element as the rare earth element Ln in the composition formula. represented by the composition formula Ln 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ (the amount of substitution x is 0<x≦1.2) substituted with the element Ln or a rare earth element Ln different from the rare earth element Ln in the composition formula An oxygen sensor element characterized by having a composition of
前記置換量xは0.4≦x≦0.8であることを特徴とする請求項に記載の酸素センサ素子。 2. The oxygen sensor element according to claim 1 , wherein the substitution amount x satisfies 0.4≤x≤0.8. 前記希土類元素Lnよりネオジム(Nd)を選択したことを特徴とする請求項またはに記載の酸素センサ素子。 3. The oxygen sensor element according to claim 1 , wherein neodymium (Nd) is selected from said rare earth element Ln. 前記組成式Ln1+xBa2-xCu7-δで表される組成物に、組成式LnBaCuO(Lnは希土類元素)で表される組成物を混合したことを特徴とする請求項またはに記載の酸素センサ素子。 A composition represented by the composition formula Ln 2 BaCuO 5 (Ln is a rare earth element) is mixed with the composition represented by the composition formula Ln 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ . Item 3. The oxygen sensor element according to Item 1 or 2 . 前記組成式Ln1+xBa2-xCu7-δで表される組成物は複合ペロブスカイト構造を有することを特徴とする請求項1、2、4のいずれか1項に記載の酸素センサ素子。 5. The oxygen sensor element according to claim 1, wherein the composition represented by the compositional formula Ln 1+x Ba 2-x Cu 3 O 7-δ has a composite perovskite structure. . 前記セラミック焼結体は線状体のセンサ素子であることを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の酸素センサ素子。 The oxygen sensor element according to any one of claims 1 to 5 , wherein the ceramic sintered body is a linear sensor element. 請求項1~のいずれか1項に記載の酸素センサ素子を酸素濃度の検出素子としたことを特徴とする酸素センサ。 An oxygen sensor comprising the oxygen sensor element according to any one of claims 1 to 6 as an oxygen concentration detection element. 前記酸素センサ素子は、両端に通気孔を有する保護管内に収容されていることを特徴とする請求項に記載の酸素センサ。
8. The oxygen sensor according to claim 7 , wherein said oxygen sensor element is housed in a protective tube having vent holes at both ends.
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