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JPH0477866B2 - - Google Patents
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JPH0477866B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0477866B2
JPH0477866B2 JP59165644A JP16564484A JPH0477866B2 JP H0477866 B2 JPH0477866 B2 JP H0477866B2 JP 59165644 A JP59165644 A JP 59165644A JP 16564484 A JP16564484 A JP 16564484A JP H0477866 B2 JPH0477866 B2 JP H0477866B2
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oxygen sensor
cathode
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JP59165644A
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Haruyoshi Kondo
Keiichi Saji
Hideaki Takahashi
Takashi Takeuchi
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4075Composition or fabrication of the electrodes and coatings thereon, e.g. catalysts
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04MTELEPHONIC COMMUNICATION
    • H04M3/00Automatic or semi-automatic exchanges
    • H04M3/42Systems providing special services or facilities to subscribers
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    • H04M3/42034Calling party identification service
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

(産業上の利用分野) 本発明は、限界電流式酸素濃度検出器(限界電
流式酸素センサ)に関し、とくに、使用温度範囲
や酸素濃度測定可能範囲の制約を取り除くと共
に、耐久性を向上させた限界電流式酸素センサに
関する。ここで、限界電流式酸素センサとは、酸
素イオン伝導体(固体電解質)から成る板あるい
は円筒状のものの一面に陽極を設け、それと対向
する他の面に陰極を設け、陰極に負の、陽極に正
の電圧を印加し、被測定ガスに接触せしめ、被測
定ガス中の酸素ガスを主に陰極と固体電解質と気
体の共存する点によつて還元して酸素イオンと
し、該酸素イオンを酸素イオン伝導体中を移動さ
せて固体電解質と陽極の界面に到達させ、固体電
解質と陽極と気体の共存する点によつて酸化し
て、再び酸素ガスにして、素子の外へ排出するセ
ンサであつて、陰極自体や、陰極上を被覆した小
孔を有する函体(有孔函体)や多孔質層によつ
て、被測定ガス雰囲気から陰極と固体電解質と気
体の共存する点へ、拡散などにより到達する単位
時間当りの酸素ガス量を制限し、陰極と固体電解
質と気体の共存する点での還元によつて生成する
単位時間当りの酸素イオン量を制限し、酸素イオ
ンによつて運ばれる単位時間当りの電荷量(電
流)を制限し、ある電圧範囲(過電圧支配領域)
では電圧にかかわらず一定の電流が流れるように
した酸素センサのことである。 (従来技術) 今日の社会において火力発電所、自動車用内燃
機関等の多くの燃焼装置が実用され、様々な形で
我々の生活に貢献していることはいうまでもな
い。これ等の装置は、運転条件が適切でないと多
量の有害ガスを発生する恐れがある。又、低燃費
化の要請も強い。 排気の清浄化と低燃費化を図る方法として、燃
料希薄(リーンと略す)領域での燃焼が有望であ
る。例えば、デイーゼル機関等は、本来、リーン
領域で運転されるのが常であるが、ガソリン機関
においてもリーン領域での運転が有望である。 これ等のリーン領域で運転する機関において
も、空燃比の調節が不適切なる時には、煤の発
生、失火による未燃燃料排出や、出力低下等々の
不都合な問題が生じ、リーン領域での運転の目的
にそぐわないばかりか、却つて逆効果となるよう
な恐れすらある。それ故、空燃比の調節は極めて
重要事項である。ところで、あらゆる制御の常と
して、制御対象(ここではリーン領域の空燃比)
を精密かつ高速に検出できねばならない。 従来、この分野では必ずしも適切な空燃比セン
サが存在しなかつた。例えば、磁気式酸素濃度検
出器は、過渡応答が遅く車載に不適切であり、気
体密度式あるいは熱伝導度式ガスセンサは、微量
の水素(H2)混入により、測定精度に大きな影
響を受ける等の問題があつて、機関の燃焼制御に
は適さなかつた。 これに対し、我々は先に限界電流を測定して酸
素ガス濃度を分析するセンサ(以下、限界電流式
酸素センサと略す)を提案(特開昭52−72286号
公報)し、また陰極を多孔質層で被覆した酸素濃
度センサを開発(特開昭57−48648号公報)して
対処した。 第19図には限界電流式酸素センサ1の構造の
一例を示す。2は酸素イオン伝導体(固体電解
質)から成る板あるいは円筒である。この材質と
してはジルコニアにY2O3,Yb2O3,Gd2O3
MgO,CaO,Sc2O3等を安定化剤として固溶させ
たもの、あるいはBi2O3にY2O3,Er2O3,WO3
を安定化剤として固溶させたもの、又はHfO2
ThO2等にCaO,MgO,Y2O3,Yb2O3等を安定
化剤として固溶させた緻密な焼結体である。3は
陽極であり、イオン伝導体の一面に設け、それと
対向する他の面に陰極4を設ける。陰陽両極は
Pt,Ag,Rh,Ir,Pd等もしくはこれ等の混合材
料からなる耐熱性の電子伝導体であり、これ等の
素材を用いれば、酸素イオン伝導体と電極の界面
抵抗を実用上は小さくすることが可能である。陰
極4は小孔を有する函体(有孔函体)や多孔質層
で被覆されている。第19図にはその一例として
多孔質層5で被覆する構造例を示す。これは陰極
4へ拡散等により流入する酸素流量を制限する機
能を有する。また、陽極3が付着物等によつて劣
化するのを防止する目的で多孔質の保護層6で陽
極を被覆する。多孔質層5および6はアルミナ、
マグネシヤ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の
耐熱性無機物質から成る。多孔質層6は多孔質層
5と比較してガス透過性を同等か、もしくは、大
きくされる場合が多い。その理由は、動作時にお
いて多孔質層5では、外界から陰極4を経由して
酸素イオン伝導体2へ吸い込む酸素透過量を、律
速する働きをさせるのに対し、多孔質層6は酸素
イオン伝導体2から陽極3を経由して、外界へ酸
素を抵抗少なく排出するためである。陰陽両極か
らはそれぞれリード線7,8を出す。リード線の
材質としては、電極と同様にPt,Ag,Rh,Ir,
Pd等、もしくは、それ等の混合材料から成る耐
熱性の電子伝導体である。 上記構成の限界電流式酸素センサの陰極に負
の、陽極に正の電圧を印加するとともに、該素子
全体を被測定ガスに接触せしめると、被測定ガス
中の酸素ガスは主に陰極と固体電解質と気体が共
存する点にて還元させられて酸素イオンとなり、
該酸素イオンは、酸素イオン伝導体中を移動して
固体電解質と陽極の界面に達し、主に陽極と固体
電解質と気体が共存する点にて酸化されて再び酸
素ガスになつて、素子の外へ排出される。何等か
の手法により、陰極と固体電解質と気体が共存す
る点へ到達する単位時間当りの酸素ガス量を制限
したとすると、陰極と固体電解質と気体が共存す
る点での還元によつて生成する単位時間当りの酸
素イオン量が制限を受け、酸素イオンによつて運
ばれる単位時間当りの電荷量(電流)が制限を受
けるため、電圧にかかわらず一定の電流しか流れ
られなくなり、第20図に示したように限界電流
特性を生ずるようになる。このため、酸素センサ
の限界電流特性においては、陰陽両電極に印加す
る電圧を零から徐々に増加していくと、第20図
に示すように、電圧が低い間は陰陽両電極間に流
れる電流は電圧に略々比例的に増加する(この電
圧領域を抵抗支配領域と称する)が、ある電圧範
囲では電流は電圧によらず略々一定となる(この
電圧領域を過電圧支配領域と称する)。過電圧支
配領域での電流を限界電流と言つており、該制限
体の内側の酸素濃度が零に近くなつて、内外の酸
素濃度差が、該制限体の外側の酸素濃度と殆ど等
しくなるので、限界電流は酸素濃度に比例する。 又、過電圧支配領域より電圧電流の高い領域で
は、少しの電圧上昇に対して急に電流の増す部分
がある(この領域を過剰電流領域と称する)。こ
れは排気中に多量に含まれている二酸化炭素
(CO2)や水蒸気(H2O)がある限界値を超えた
大きな印加電圧により、一部分解されて酸素濃度
が増加したように見えるためである。上記の如
く、印加電圧が低いと抵抗支配領域になり、逆に
印加電圧が高いと過剰電流領域になるので、限界
電流の検出は両領域にはさまれた部分で行なわね
ばならない。この範囲は1〔V〕程度である。 前述の如く、本例は該制限体(即ち、酸素イオ
ン伝導体へ吸い込む酸素透過量を律速する手段)
として多孔質層を用いる方式の限界電流式酸素セ
ンサについて説明したものである。この他に陰極
自体を該制限体として利用する方式のものもある
が高温度では特性変化を起こしやすく、耐久性の
あるものは得難い。 (従来技術の問題点) この限界電流式酸素センサは、従来の酸素セン
サの持つ種々の困難を解決するものであつた。こ
の方式は、非常に有効なものではあるが、なお、
若干の問題点があることは否めない。すなわち、
自動車用機関等の燃焼装置では、運転状態によつ
て排気の温度が変動するのが常である。それ故、
排気センサである限界電流式酸素(濃度)センサ
も、低温から高温までの広い温度領域での作動を
要求されている。ところで、限界電流式酸素セン
サは、温度が低下すると内部抵抗が増大し、また
酸素濃度対電流の比例係数が若干変わる。 この内部抵抗の増大は次の2つの問題を生ず
る。即ち、限界電流式酸素センサの出力電流を得
るためには内部抵抗による電圧降下の最大値を
0.5〔V〕程度に限定して、印加電圧としては1
〔V〕と0.5〔V〕の中間の0.75〔V〕程度に設定す
る必要がある。しかしながら、この条件は温度が
低くなると内部抵抗が増大するため、種々の制約
を受ける。 第1は酸素濃度対限界電流の直線性が悪くなる
ことであり、第2は酸素濃度測定範囲の上限が押
えられて、測定範囲が狭くなることである。 また、酸素濃度対限界電流の比例係数が温度に
よつて変化することは、精度低下の原因になる。 これ等の問題に対する対策として、これまでに
下記のものを示した。 先ず内部抵抗の増大による問題に対しては、内
部抵抗が充分低くなるような高温の一定温度に保
持して、直線と測定範囲の障害を解決する方法が
考えられる。そのためには、温度検出と加熱制御
が必要である。温度検出には種々の方法があり、
熱電対や感温抵抗体(サーミスタ)等の感温セン
サを、限界電流センサの近傍に設置することが考
えられる。しかしながら、そのような方法では、
センサの構成が複雑で高価になるという障害があ
る。又、感温センサと限界電流センサの温度差に
よる誤差も問題になる。その他に、酸素イオン伝
導体の内部抵抗を測定して温度検出をする方法も
あるが回路が複雑になる。 又、他の方法として、内部抵抗を測定して、電
圧降下分を推定して、適正な限界電流検出用電圧
を印加する方法もあるが回路が複雑になる。 次に、温度によつて比例係数が変化して精度が
低下する問題に対しても、上記の高温の一定温度
に保持する方法は適用できる。又、この温度変化
による出力変化の問題に対する他の対策として
は、温度も検出し、比例係数の変化を推定して補
償する方法も考えられる。しかし、従来品はいず
れにしても低温度では働かない高温で作動させる
必要があり、次のような問題点があつた。 (a) 高温に維持するため耐久性に限りがある。 (b) 加熱に多大な電力を要する。 (c) 設定温度に到達するのに時間がかかる。 (d) 温度依存性が大きい。 (e) 測定可能酸素濃度範囲が狭い。 (f) 過渡応答性が悪い。 (発明の目的) 本発明は限界電流式酸素センサにおける、前
記、従来技術の問題点を解決し、酸素濃度測定範
囲が広く、出力の直線性が良く比較的低温度でも
良好な特性が得られ、過渡応答性が優れ、安定性
が良く、特性のばらつきが小さく、耐久性に富
み、製造が容易で安価な限界電流式酸素センサを
提供することを目的とする。 (発明の構成) 本発明は前記の目的を達成するため、陰極被覆
層に特徴を有する。すなわち、本発明の限界電流
式酸素センサは、酸素イオン伝導体(固体電解
質)から成る板あるいは円筒状のものの一面に陽
極を設け、それと対向する他の面に陰極を設け、
陰極上に第1層として気孔率8〜16%、厚さ3〜
30μmの多孔質層を設け、第2層として、気孔率
4〜7%、厚さ2〜50μmの緻密に近い層を設け
たことを特徴とする。以下、さらに詳細に説明す
る。 本発明は一端封じの円筒状のセンサ、両端の開
いた円筒状のセンサ、ペレツト状のセンサその他
形状の異なるいずれのセンサに対しても適用でき
る。また、陰極側に被測定ガスを導き、陽極側に
基準ガスを導く方式のセンサにも、陰陽両極側に
被測定ガスを導く方式のセンサにも適用できる。
また、固体電解質を基体としたセンサにも、他の
基体上に薄膜固体電解質を構成したセンサにも適
用できる。それ故、ここでは一例として、固体電
解質を基体として一端封じの円筒状を形成し、陰
極側に被測定ガスを導き、陽極側に基準ガスとし
ての空気を導入する方式のセンサを例に採り上げ
て説明を行う。 第1図は本発明の限界電流式酸素センサの要部
(作動領域)の拡大断面図であり、第2図はその
センサの全体を示す図である。第1図および第2
図において、本センサは、固体電解質2を先端封
じの円筒形に形成し、その中ほどに作動領域20
が設定定されている。作動領域20の範囲内では
固体電解質2の両面に、内側には多孔質な陽極3
を密着させ、外側には多孔質の陰極4を密着させ
てある。作動領域20の範囲外では固体電解質2
の外側には電気絶縁層13を密着させてあり、そ
の外に陰極の続きのリード線として作用させる部
分が設けてある。さて、作動領域内20の陰極4
上には第1層として気孔率8〜16%、厚さ3〜
30μmの多孔質層10を設け、更に第2層として
気孔率4〜7%、厚さ2〜50μmの緻密に近い層
が設けてある。そして作動領域外から、作動領域
の端部にかけて陰極およびリード部保護用の層1
2が設けてある。 第1層を設ける理由および根拠 先に被測定ガス中の酸素ガスが陰極と固体電解
質と気体が共存する点(三重点)で酸素イオンに
変換されることを述べた。 陰極には陰極と固体電解質と気体が共存する点
(三重点)が無数に存在する。過電圧支配領域に
おける電圧に対する電流の勾配が小さい程、良好
な限界電流特性である。良好な限界電流特性を得
るためには、無数に存在する陰極と固体電解質と
気体が共存する点(三重点)相互上の酸素ガス濃
度のバラツキが小さくなければならない。そのた
めには、陰極と固体電解質と気体が共存する点
(三重点)相互間のガスの拡散が活発に起こる必
要がある。 前述の有孔函体タイプの場合には、陰極上に小
孔を有する函体に覆われた小部屋(陰極室と略称
する)があるので、その中でのガス拡散は自由に
行われるため、陰極室内では均一なガス濃度が得
られる。そして、陰極自体も多孔質なものを用い
るため、陰極室から陰極と固体電解質と気体が共
存する点(三重点)へのガス拡散も自由に行われ
るため、陰極室のガス濃度と陰極と固体電解質と
気体が共存する点(三重点)上のガス濃度は近い
値になる。それ故、陰極と固体電解質と気体が共
存する点(三重点)上のガス濃度もやはり均一に
近くなる。この方式では非常に良好な限界電流特
性が得られることは前掲の特許公開公報内の図に
示した通りである。しかし、この方式には過渡応
答性が緩慢であるという問題点があつた。 一方、陰極室を持たない方式は過渡応答性に優
れるという利点を有する。しかし、その反面で、
陰極室内でのガス濃度の均一化という機能を持た
ないので、陰極と固体電解質と気体が共存する点
(三重点)上の酸素濃度が不均一になりやすいと
いう問題点を持つている。対策としては、陰極層
やその上に設けた多孔質内での平面方向のガス拡
散が起こりやすくすることが必要である。その内
で、陰極層は通常0.5〜2μm位と薄いこと、多孔
質化にも限りがあるので、大きな寄与を期待でき
ない。 一方、多孔質層内での平面方向でのガス拡散を
起こりやすくるには多孔質層の気孔率が大きい
程、厚さが厚い程、有効とも考えられるが、その
ようにすると過渡応答性が悪化するという障害が
生ずる。前述の如く、センサには高速な応答が望
まれており、緩慢に応答するセンサでは良好な制
御結果を得難い。遅くとも時定数1秒以内、通常
は100〜300ms程度が好ましい。そのための第1
層の最高限界の気孔率と厚さは16%と30μmであ
ることを見出した。 逆に気孔率と厚さが小さい場合には前記三重点
間のガス濃度のバラツキを充分に緩和することが
難かしくなり、限界電流特性が悪化し、直線性が
悪く、温度依存性が大大きくなる。そのため、良
好な限界電流特性を得るには第1層の最低限界の
気孔率と厚さは8%と2μmであることを見出し
た。 第2層を設ける理由およびその根拠 第2層を設ける目的は外界から三重点へ到達す
る酸素の量を適正な値に制限するためである。 第2層の気孔率が高い程、厚さが薄い程、多量
の酸素が三重点に到達する。そうすると、酸素濃
度当りの電流は大きくなる。電流が大きければ大
きい程、電気的雑音の影響を受けにくくなつて、
その意味では好都合である。しかし、低温度にな
つて、固体電解質の抵抗、固体電解質と電極界面
の抵抗が大きくなると、抵抗支配領域における電
圧降下が測定上の障害になつてくる。その場合、
電流が大きい程、障害も大きくなる。従つて、低
温作動性に優れ、測定範囲が広く、直線性の良い
ものを得るには適正な電流密度に抑制する必要が
有る。 我々は種々検討の結果、0.005〜0.5mA/mm2
度にすると良好な特性が得られることを見出し
た。そのためには気孔率4〜7%、厚さ2〜50μ
mの第2層を設けると適合することを見出した。 多孔質層11(第2層)の細孔径検討 前記の従来技術の問題点の項で述べた如く、温
度変化(低下)により酸素濃度対電流の比例係数
が若干変化するという問題点があり、精度低下の
原因になつていた。 我々はこの問題の原因と対策を種々検討した結
果、ガスの拡散係数の温度依存性が原因になつて
いることをつきとめた。その対策としては拡散律
速体の細孔径に適切な値を用いることにより、細
孔内の拡散係数の温度依存性を極小に抑えること
ができるのではないかという見通しを得るに到つ
た。 上記予測に基づいて、多孔質層を1層だけ有す
る限界電流式酸素濃度センサを試作し、その細孔
径を200Å〜2μmの範囲で変化させた。 それらの限界電流式酸素センサの一定酸素濃度
(10%)における温度と限界電流の関係を測定し、
700℃における電流との比率でまとめたものを第
3図に示す。図より明らかなように、細孔径によ
つていろいろな温度依存性になつていることがわ
かる。その内でも2000Å〜1μmのものの温度係
数が低い。なお、3000Å〜4000Åのものが500〜
700℃〜1000℃において低い温度係数を示すこと
がわかつた。 〔実施例 1〕 実施例1は第1図および第2図に示す構成にお
いて、酸素イオン伝導体2としてZrO285〜95モ
ル%に安定化剤としてY2O3またはYb2O3を5〜
15モル%を固溶させた安定化ジルコニアの緻密な
焼結体の固体電解質を用いたものである。 安定化剤濃度の検討 第4図には固体電解質(ZrO2)に対する安定
化剤(Y2O3)の濃度と抵抗率の関係を示す。試
験条件は800℃である。前述の如く、本センサで
はなるべく抵抗率の低いことが望ましい。図より
明らかなように、6〜10モル%程度の安定化剤濃
度の内で約8%のときに最も低い抵抗率が得られ
た。 陰極4と陽極3は多孔質な白金電極であり、厚
さは0.5〜20μmである。多孔質な白金電極の調製
方法としては真空蒸着、スパツタリング、イオン
プレーテイング、化学メツキ、ペースト印刷等の
方法が適する。 電極厚さの検討 第5図にはメツキ法で調整した白金電極厚さと
耐久時間の関係を示す。耐久試験の方法として
は、N2中10%O2で700℃に保持し、出力電流が初
期値の90%に低下するまでの時間を調べた。図よ
り明らかなように、0.5μm以下では急激に耐久時
間が短くなることがわかる。 第6図に過渡応答時間と白金電極の厚さの関係
を示す。試験の方法としては酸素濃度を1%から
5%に急変したときの出力電流が50%変化するま
での時間を調べた。 試験条件は700℃、流量は5/minである。
図より明らかなように20μm以上では急激に応答
時間が長くなることがわかる。 上記の2つのデータから、耐久性と応答時間の
両面で良好な特性が得られるのは0.5〜20μmの範
囲であることがわかつた。 多孔質層10(第1層)の素材検討 この層は前述の特性面での機能の他に、白金電
極への密着性を確保し、耐久によつて剥離したり
ヒビ割れしたり、焼結が進行して緻密化したりし
ないことも必要である。また、製造時に困難な条
件を要求するものでないことも必要である。 また、酸素センサの使用雰囲気は、酸化性なの
で、耐酸化性を有することが必要である。 また、自動車用センサなどでは、往々にして還
元雰囲気にもさらされるので、その場合には耐還
元性を有することも必要である。 さらに、放射性を有するものや、毒性の強いも
のはあまり好ましくない。 その他に、熱膨張係数が固体電解質や電極のそ
れと違いすぎるものは不適当であり、使用温度に
おける蒸気圧が高すぎるものも適さない。 我々は種々の耐熱材料について実験的に検討を
行つた。試作の方法はプラズマスプレー法によつ
た。 先ず第1に初期の密着性について試験した。 密着性評価方法 密着性については、熱衝撃試験を行つた後で顕
微鏡により、多孔質層のヒビ割れおよび剥離の有
無を観察した。 全くヒビ割れのないもの:〇 少しヒビ割れのあるもの:△ ヒビ割れの多いもの :× 全く剥離の無いもの :〇 少し剥離のあるもの :△ 剥離の多いもの :× 熱衝撃試験の方法 セラミツクコーテイングの評価方法としては、
900℃にした炉内でサンプルを加熱しておき、急
に炉内から取り出して、常温の空気50/minを
吹き付けて急冷した。このサイクルを10サイクル
加えた。 第2に耐久性の評価方法としては、常温と900
℃の温度サイクル試験(第7図参照)を100サイ
クル行つて剥離およびヒビ割れの有無を観察し
た。なお、初期に良好なものについてだけ温度サ
イクル試験を実施した。固体電解質として安定化
ジルコニアを用いた場合の結果を第1表に示し
た。表より明らかなように、総合評価として優れ
ている素材は安定化ジルコニア、アルミナ、スピ
ネル、ステアタイト、シヤモツト、ランタニア、
イツトリア、ジルコン酸カルシウム、SiO2
Al2O3、ガドリニア、サマリア、イツトリビア、
スカンジア、エルビア、ハフニア、ジルコン酸バ
リウム、アルミン酸バリウム、珪酸マグネシウ
ム、ジルコン酸マグネシウム、珪酸マグネシウム
ジルコニムであり、それに次ぐものはフオルステ
ライト、カルシア、HfO2・CaOである。 多孔質層11(第2層)の素材検討 この層は主に拡散によるガスの移動量を律速す
る働きをする部分なので、この層の変質は直ちに
特性変化につながる。それゆえ、多孔質層10で
行つた試験で好結果が得られたものの内で、更に
高温耐久試験を行つて、適する素材を吟味した。 高温耐久試験方法 多孔質層は高温度では焼結が進み気孔率が低下
し、ガスの拡散が起こりにくくなる恐れがある。 この傾向の有無とその程度について、限界電流
式酸素センサの出力を用いて評価した。 この試験は限界電流の初期値と200時間耐久後
の値を測定し、その変化率を調べることによつて
行つた。 耐久試験の雰囲気は空気中であり、保持温度は
900℃である。 その結果を第2表に示す。 第2表よる明らかなように、耐久性に優れた素
材は安定化ジルコニア、アルミナ、スピネル、ハ
フニア、ランタニア、イツトリア、ジルコン酸バ
リウム、ジルコン酸カルシウム、ガドリニア、サ
マリア、イツトリビア、スカンジア、エルビア、
アルミン酸バリウム、ジルコン酸マグネシウムで
あり、それに次ぐものは、カルシア、HfO2
CaO、珪酸マグネシウム、珪酸マグネシウムジル
コニウムである。 電気絶縁層13の素材検討 この層は動作領域外では固体電解質と陰極を接
触させないようにするために設けるものであり、
多孔質層10で行つた試験で好結果が得られたも
のの内で、更に高温度(900℃)における電流の
リーク量を調べた。 電気絶縁層リーク量試験方法 内径6mm、外径8mmのジルコニア管の周囲に20
mmの幅で電極(Pt 1μm)、電気絶縁層(100μ
m)、電極(Pt 1μm)と3層構造の試料を調製
した。なお電気絶縁層はプラズマ溶射によつて付
着させた。そして、空気中、900℃での10V印加
時の抵抗を調べた。 抵抗が2kΩ以下では少し悪影響が現われ、200
Ω以下では顕著になる。 それ故、 2kΩ以上のものを リーク電流 大 200Ω〜2kΩ 〃 〃 中 200Ω以下 〃 〃 小 として評価した。その結果を第3表に示す。第3
表より明らかなように、電気絶縁層としてはアル
ミナ、スピネル、フオルステライト、ステアタイ
ト、ハフニア、カルシア、ランタニア、イツトリ
ア、HfO2・CaO、ガドリニア、サマリア、エル
ビアが適し、それに次ぐものとして、シヤモツ
ト、SiO2・Al2O3、イツトリビア、スカンジア、
珪酸マグネシウムがある。 保護層12も多孔質層10と同様に白金電極と
の密着性が良く、耐久によつて剥離したり、ヒビ
割れしたりしないものでなければならない。 それゆえ、多孔質層10の素材として適して素
材は保護層12の素材としても適する。 そして、白金電極の保護のためには、緻密な保
護層の方が保護力が優れているが、多孔質とする
ことも可能である。また、保護層12を独立に設
けるかわりに、多孔質層10および多孔質層11
のいずれか、または両方を作動領域外まで延長し
て、保護機能を兼ねさせても良い。 〔実施例 2〕 本実施例2は、第9図および第10図におい
て、多孔質層(第2層)11の上に更に第3層と
して、多孔質層14を設けた構成のものである。 第3層の気孔率と厚さの適正範囲 第3層の気孔率が10%以下になると、鉛
(Pb)、リン(P)等の化合物の微粒子が表面に付着
して、比較的短い耐久時間内にて目詰まりを起こ
し、電流の値が小さくなる。 また、第3層の気孔率が18%以上になると、第
3層表面での目詰まりは起こしにくくなるかわり
に、Pb,P,S等の化合物が第3層を通り抜け
て、第2層まで達しやすくなる。そして、第2層
の表面の目詰まりが比較的短い耐久時間内に起こ
るようになる。それゆえ、第3層の気孔率として
は10〜18%が適する。 また、第3層の厚さが5μm以下では、上記の
適正な気孔率の場合であつても、比較的短い耐久
時間内にそれ等の化合物が第2層に達して、電流
の低下をきたす。 耐久性の面だけで考えると、第3層の厚さは厚
い程良いが、その反面で、過渡応答性が緩慢にな
る。応答性の面も重視する必要があるので、その
上限は50μmに限られる。 それゆえ、第3層の厚さは5〜50μmが適す
る。第3層の気孔率は10〜18%厚さは5〜50μm
の範囲が適する。第3層の素材としては第2層の
素材として適した素材が適する。 また、本実施例においても、保護層12を独立
に設けるかわりに、多孔質層10,11および1
4のいずれか、または全部を作動領域20外まで
延長して、保護機能を兼ねさせても良い。 第3層を設けることにより、燃焼排気中のよう
なPb,P,イオウ(S)、カルシウム(Ca)、亜鉛
(Zn)、バリウム(Ba)等の化合物の微粒子が多
く付着する雰囲気で使用した場合にも第2層への
目詰りが少なくなる。第3層は気孔率が大きいか
ら目詰りしにくい。そのため、長期にわたつて、
特性変化が少なくなる。 〔実施例 3〕 本実施例3では、第1および2図、または第9
および10図において、多孔質層10,11およ
び14のいずれか、または全部に触媒としてパラ
ジウム、ロジウム、白金のいずれか、またはそれ
等の混合物を担持した。 触媒担持量の検討 第8図には触媒担持量と耐久時間の関係を示
す。耐久試験条件としては、リンや鉛の微粒子が
最も付着しやすい500〜600℃に排気温を調節し
て、エンジン実機で行なつた。 センサは多孔質層14に第8図に示した触媒担
持量を担持したものを用いた。 第8図の結果から明らかなように、担持量が
0.1wt%以下になると、触媒非担持のものと比較
して少ししか耐久性改善の効果は無い。 それに対し、0.1wt%以上では顕著に耐久性改
善効果が認められた。 一方、触媒担持量が50wt%以上になると、リ
ンや鉛の化合物は付着しにくいかわりに、900℃
程度の高温では触媒自体の焼結が進んで、触媒担
持層の内のガスの流通が悪くなつて、渡応答性が
緩慢になる。 それゆえ、触媒の担持量としては0.1wt%〜
50wt%が適当である。 触媒を担持することにより、酸素とH2,CO,
HC等が共存している雰囲気中においても、触媒
部でそれ等の酸化が促進され、誤差少なく、精度
良く測定できるようになる。また、排気中に含ま
れるリンや鉛が付着しにくくなる。 (発明の効果) 第11図aには従来技術によつて製作した限界
電流式酸素濃度センサの電圧〔Va)対電流(I)特
性を酸素濃度をパラメータにして示す。試験条件
はCO210%,H2O8%残りはN2で温度は750℃で
ある。同図bはaの特性の0.7V印加時の電流と
酸素濃度(O2)の関係を示すものである。 第12図a,bは第11図と同様の条件で測定
した本発明品の特性を示す。第12図のものの方
が抵抗支配領域での電圧降下が小さく優れた特性
である。 第13図には従来品の575℃での特性を示す。
第11図の場合よりも温度が低くなつたため、内
部抵抗が高くなり、抵抗支配領域での電圧降下が
大きくなり、限界電流特性が得られなくなつてい
る。そのため、酸素濃度が高くなつても電流が比
例的に大きくならず、飽和傾向になつている。 それに対し、本発明品の特性を第14図に示す
が、第12図と比べれば抵抗支配領域での電圧降
下が大きくなつてはいるが、それでも酸素濃度10
%での電圧降下は約0.6Vであり、比較的小さい
から酸素濃度測定の目的には支障ない。また、抵
抗支配領域と、過電圧支配領域との境界が明確で
あり、良好な限界電流特性になつている。そのた
め、酸素濃度に比例した電流が得られている。 第15図には従来品の温度と印加電圧0.7Vに
おける電流の関係を示す。図より明らかなように
700℃以下では温度依存性が大きく、精度の良い
測定を望むのであれば700℃以上の高温で使用し
なければならない。 それに対し、第16図に示した本発明品の場合
には酸素濃度10%では575℃迄、8%では550℃迄
は温度依存性が小さく、従来品と比べて低温作動
性に優れ、しかも高温でも使用でき、使用温度範
囲が広い良い特性であることがわかる。 なお、酸素濃度が低い場合には675℃以上で温
度依存性が大きくなる傾向を有するが、これは印
加電圧0.7Vでは過剰電流領域に入つてくるため
であり、適正な印加電圧(0.5V以下)にすれば
過剰電流領域に入らないので、この問題は解消で
きる。 第17図には従来品の高酸素濃度領域における
特性を示す。試験条件は温度700℃,CO210%残
りはN2である。図より明らかなように酸素濃度
10%以下では抵抗支配領域での電圧降下が0.6V
程度以下であり、印加電圧0.7Vで限界電流を正
しく検出することが可能であるが、それ以上の酸
素濃度では電圧降下が大きくなつて、限界電流を
検出することができなくなる。そのため、第17
図bに示した如く、酸素濃度が高くなつても、そ
れに比例した電流が得られなくなり、飽和傾向に
なるので、高酸素濃度領域では使用できない。 一方、第18図に示した本発明品の場合には同
一の条件で、酸素濃度50%における抵抗支配領域
の電圧降下が0.4Vと小さく、抵抗支配領域と過
電圧支配領域との境界が明確であり、良好な限界
電流特性になつている。そのため、酸素濃度に比
例した電流が得られている。 第17図と第18図を比較すると明らかなよう
に、従来品に比べて本発明品は5倍以上もの高酸
素濃度迄測定範囲が拡大されている。 尚、「従来技術によつて製作した限界式酸素濃
度センサ」或いは「従来品」とは、特開昭57−
48648号公報に記載されている「限界電流式酸素
濃度セン」、特に別紙第4表の仕様のものであり、
「本発明品」とは、本明細書の〔実施例1〕に記
載した「限界電流式酸素濃度センサ」、特に別紙
第5表の仕様のものである。 以上説明したように、本発明によれば、酸素濃
度測定範囲が広く、出力の直線性が良く、比較的
低温でも良好な特性が得られ、過渡応答性が優
れ、安定性が良く、特性のばらつきが小さく、耐
久性に富み、製造が容易で安価になるという効果
を奏する。
(Industrial Application Field) The present invention relates to a limiting current type oxygen concentration detector (limiting current type oxygen sensor), and in particular removes restrictions on the operating temperature range and oxygen concentration measurable range and improves durability. Regarding limiting current type oxygen sensor. Here, a limiting current type oxygen sensor is a plate or cylindrical object made of an oxygen ion conductor (solid electrolyte), with an anode provided on one side and a cathode on the other surface facing the anode. A positive voltage is applied to the gas to be measured, and the oxygen gas in the gas to be measured is reduced to oxygen ions mainly at the point where the cathode, the solid electrolyte, and the gas coexist. It is a sensor that moves through an ion conductor to reach the interface between the solid electrolyte and anode, is oxidized at the point where the solid electrolyte, anode, and gas coexist, becomes oxygen gas again, and discharges it to the outside of the element. The cathode itself, a box with small holes (perforated box) covering the cathode, and a porous layer allow diffusion, etc. The amount of oxygen gas per unit time that is reached by the oxygen gas is limited, and the amount of oxygen ions that are generated per unit time by reduction at the point where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist is limited. The amount of charge (current) per unit time is limited and a certain voltage range (overvoltage control region)
This refers to an oxygen sensor that allows a constant current to flow regardless of the voltage. (Prior Art) It goes without saying that in today's society, many combustion devices such as thermal power plants and internal combustion engines for automobiles are in practical use and contribute to our lives in various ways. These devices can generate large amounts of harmful gases if operating conditions are not appropriate. There is also a strong demand for lower fuel consumption. Combustion in a lean fuel region (abbreviated as "lean") is a promising method for purifying exhaust gas and improving fuel efficiency. For example, diesel engines and the like are normally operated in a lean region, but gasoline engines are also expected to be operated in a lean region. Even in these engines that operate in the lean region, if the air-fuel ratio is improperly adjusted, inconvenient problems such as soot generation, unburned fuel discharge due to misfire, and reduced output occur, making it difficult to operate in the lean region. Not only does it not suit the purpose, it may even have the opposite effect. Therefore, adjusting the air-fuel ratio is extremely important. By the way, as with any control, the control target (in this case, the air-fuel ratio in the lean region)
must be able to be detected precisely and quickly. Conventionally, there has not always been a suitable air-fuel ratio sensor in this field. For example, magnetic oxygen concentration detectors have a slow transient response and are unsuitable for use in vehicles, and gas density or thermal conductivity type gas sensors have measurement accuracy that is significantly affected by trace amounts of hydrogen (H 2 ). This problem made it unsuitable for engine combustion control. In response to this, we first proposed a sensor that measures the limiting current and analyzes the oxygen gas concentration (hereinafter referred to as the limiting current oxygen sensor) (Japanese Patent Application Laid-open No. 72286/1986), and also added a porous cathode. To solve this problem, we developed an oxygen concentration sensor coated with a carbonaceous layer (Japanese Unexamined Patent Publication No. 1983-48648). FIG. 19 shows an example of the structure of the limiting current type oxygen sensor 1. 2 is a plate or cylinder made of an oxygen ion conductor (solid electrolyte). This material includes zirconia, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Gd 2 O 3 ,
MgO, CaO, Sc 2 O 3 , etc. as a solid solution as a stabilizer, or Bi 2 O 3 as a stabilizer with Y 2 O 3 , Er 2 O 3 , WO 3, etc. as a solid solution, or HfO 2 ,
It is a dense sintered body made by dissolving CaO, MgO, Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , etc. in ThO 2 etc. as a stabilizer. An anode 3 is provided on one surface of the ion conductor, and a cathode 4 is provided on the other surface facing the anode. The yin and yang poles are
It is a heat-resistant electron conductor made of Pt, Ag, Rh, Ir, Pd, etc. or a mixture of these materials, and if these materials are used, the interfacial resistance between the oxygen ion conductor and the electrode can be practically reduced. Is possible. The cathode 4 is covered with a box having small holes (perforated box) or a porous layer. As an example, FIG. 19 shows an example of a structure covered with a porous layer 5. This has the function of limiting the flow rate of oxygen flowing into the cathode 4 by diffusion or the like. Further, in order to prevent the anode 3 from deteriorating due to deposits or the like, the anode is covered with a porous protective layer 6. Porous layers 5 and 6 are alumina,
Consists of heat-resistant inorganic substances such as magnesia, siliceous, spinel, and mullite. The gas permeability of the porous layer 6 is often equal to or greater than that of the porous layer 5. The reason for this is that during operation, the porous layer 5 functions to control the rate of oxygen permeation sucked into the oxygen ion conductor 2 from the outside via the cathode 4, whereas the porous layer 6 acts as an oxygen ion conductor. This is to discharge oxygen from the body 2 to the outside world via the anode 3 with less resistance. Lead wires 7 and 8 are taken out from the negative and positive poles, respectively. Similar to the electrodes, the lead wire materials include Pt, Ag, Rh, Ir,
It is a heat-resistant electron conductor made of Pd, etc., or a mixture thereof. When a negative voltage is applied to the cathode and a positive voltage is applied to the anode of the limiting current type oxygen sensor configured as described above, and the entire device is brought into contact with the gas to be measured, the oxygen gas in the gas to be measured mainly flows between the cathode and the solid electrolyte. At the point where gas and gas coexist, it is reduced to oxygen ions,
The oxygen ions move through the oxygen ion conductor, reach the interface between the solid electrolyte and the anode, and are oxidized mainly at the point where the anode, solid electrolyte, and gas coexist, becoming oxygen gas again, and flowing outside the device. is discharged to. If we limit the amount of oxygen gas per unit time that reaches the point where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist using some method, oxygen gas will be generated by reduction at the point where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist. Since the amount of oxygen ions per unit time is limited and the amount of charge (current) carried by oxygen ions per unit time is limited, only a constant current can flow regardless of the voltage, and as shown in Figure 20. As shown, a limiting current characteristic occurs. Therefore, in the limiting current characteristics of an oxygen sensor, when the voltage applied to both the negative and negative electrodes is gradually increased from zero, as shown in Figure 20, the current flowing between the negative and negative electrodes while the voltage is low. increases approximately proportionally to the voltage (this voltage region is referred to as the resistance dominated region), but within a certain voltage range, the current remains approximately constant regardless of the voltage (this voltage region is referred to as the overvoltage dominated region). The current in the overvoltage control region is called the limiting current, and the oxygen concentration inside the limiting body approaches zero, and the difference in oxygen concentration between the inside and outside becomes almost equal to the oxygen concentration outside the limiting body. The limiting current is proportional to the oxygen concentration. Furthermore, in a region where the voltage and current are higher than the overvoltage control region, there is a portion where the current suddenly increases in response to a small voltage increase (this region is referred to as an excessive current region). This is because carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O), which are contained in large quantities in the exhaust gas, appear to be partially decomposed and the oxygen concentration increases due to the applied voltage exceeding a certain limit value. be. As mentioned above, when the applied voltage is low, the region becomes a resistance-dominated region, and conversely, when the applied voltage is high, the region becomes an excessive current region, so the detection of the limiting current must be performed at a portion sandwiched between the two regions. This range is about 1 [V]. As mentioned above, in this example, the limiter (i.e., means for controlling the rate of oxygen permeation into the oxygen ion conductor)
This paper describes a limiting current type oxygen sensor using a porous layer. In addition to this, there is also a system in which the cathode itself is used as the limiting body, but the characteristics tend to change at high temperatures and it is difficult to obtain a durable one. (Problems with the Prior Art) This limiting current type oxygen sensor solves various difficulties associated with conventional oxygen sensors. Although this method is very effective,
It is undeniable that there are some problems. That is,
In combustion devices such as automobile engines, the temperature of the exhaust gas usually fluctuates depending on the operating conditions. Therefore,
Limiting current type oxygen (concentration) sensors, which are exhaust sensors, are also required to operate in a wide temperature range from low to high temperatures. By the way, in a limiting current type oxygen sensor, the internal resistance increases as the temperature decreases, and the proportional coefficient of oxygen concentration versus current changes slightly. This increase in internal resistance causes the following two problems. In other words, in order to obtain the output current of a limiting current type oxygen sensor, the maximum value of the voltage drop due to internal resistance must be
The applied voltage is limited to about 0.5 [V], and the applied voltage is 1
It is necessary to set it to about 0.75 [V], which is between [V] and 0.5 [V]. However, this condition is subject to various restrictions because the internal resistance increases as the temperature decreases. The first problem is that the linearity of the oxygen concentration versus the limiting current deteriorates, and the second problem is that the upper limit of the oxygen concentration measurement range is suppressed, making the measurement range narrower. Furthermore, the fact that the proportionality coefficient of oxygen concentration versus limiting current changes with temperature causes a decrease in accuracy. As countermeasures to these problems, we have shown the following so far. First, to solve the problem caused by an increase in internal resistance, one possible method is to maintain the temperature at a high enough constant temperature that the internal resistance is sufficiently low to solve the problem with the straight line and measurement range. For this purpose, temperature detection and heating control are necessary. There are various methods for temperature detection.
It is conceivable to install a temperature-sensitive sensor such as a thermocouple or a temperature-sensitive resistor (thermistor) near the limiting current sensor. However, in such a method,
The drawback is that the sensor configuration is complex and expensive. Furthermore, errors caused by the temperature difference between the temperature sensor and the limit current sensor also pose a problem. Another method is to measure the internal resistance of the oxygen ion conductor to detect temperature, but this requires a complicated circuit. Another method is to measure the internal resistance, estimate the voltage drop, and apply an appropriate limit current detection voltage, but this requires a complicated circuit. Next, the above-mentioned method of maintaining a constant high temperature can be applied to the problem that the proportionality coefficient changes depending on the temperature and the accuracy decreases. Another possible solution to the problem of output changes due to temperature changes is to also detect the temperature and estimate and compensate for changes in the proportionality coefficient. However, conventional products had to be operated at high temperatures, which did not work at low temperatures, and had the following problems. (a) Durability is limited because it is maintained at high temperatures. (b) A large amount of electricity is required for heating. (c) It takes a long time to reach the set temperature. (d) High temperature dependence. (e) Measurable oxygen concentration range is narrow. (f) Poor transient response. (Objective of the Invention) The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art in limiting current type oxygen sensors, has a wide oxygen concentration measurement range, has good output linearity, and has good characteristics even at relatively low temperatures. It is an object of the present invention to provide a limiting current type oxygen sensor that has excellent transient response, good stability, small variation in characteristics, is highly durable, easy to manufacture, and inexpensive. (Structure of the Invention) In order to achieve the above object, the present invention is characterized by a cathode coating layer. That is, in the limiting current type oxygen sensor of the present invention, an anode is provided on one surface of a plate or cylindrical object made of an oxygen ion conductor (solid electrolyte), and a cathode is provided on the other surface facing the anode.
Porosity 8-16%, thickness 3-3 as the first layer on the cathode
It is characterized in that a porous layer of 30 μm is provided, and a nearly dense layer with a porosity of 4 to 7% and a thickness of 2 to 50 μm is provided as the second layer. This will be explained in more detail below. The present invention can be applied to any sensor having a different shape, such as a cylindrical sensor with one end closed, a cylindrical sensor with both ends open, or a pellet-like sensor. Further, the present invention can be applied to a sensor in which a gas to be measured is introduced to the cathode side and a reference gas to the anode side, or a sensor in which a gas to be measured is introduced to both the cathode and anode sides.
Further, the present invention can be applied to a sensor based on a solid electrolyte or a sensor in which a thin film solid electrolyte is formed on another base. Therefore, here we will take as an example a sensor in which a solid electrolyte is used as a base to form a cylindrical shape with one end sealed, a gas to be measured is introduced to the cathode side, and air as a reference gas is introduced to the anode side. Give an explanation. FIG. 1 is an enlarged sectional view of the main part (operating area) of the limiting current type oxygen sensor of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the entire sensor. Figures 1 and 2
In the figure, this sensor has a solid electrolyte 2 formed into a cylindrical shape with a sealed end, and an operating area 20 in the middle of the solid electrolyte 2.
is set. Within the working area 20, a porous anode 3 is placed on both sides of the solid electrolyte 2, and inside the solid electrolyte 2.
are in close contact with each other, and a porous cathode 4 is in close contact with the outside. Solid electrolyte 2 outside the operating region 20
An electrically insulating layer 13 is adhered to the outside of the electrode, and a portion serving as a continuous lead wire for the cathode is provided outside of the electrically insulating layer 13. Now, the cathode 4 in the working area 20
On top, the first layer has a porosity of 8-16% and a thickness of 3-3.
A porous layer 10 of 30 μm is provided, and a nearly dense layer with a porosity of 4 to 7% and a thickness of 2 to 50 μm is further provided as a second layer. A layer 1 for protecting the cathode and lead portion extends from outside the working area to the end of the working area.
2 is provided. Reason and Basis for Providing the First Layer It was previously stated that the oxygen gas in the gas to be measured is converted to oxygen ions at the point (triple point) where the cathode, the solid electrolyte, and the gas coexist. The cathode has countless points (triple points) where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist. The smaller the gradient of current with respect to voltage in the overvoltage control region, the better the limiting current characteristics. In order to obtain good limiting current characteristics, the variation in oxygen gas concentration between the numerous points (triple points) where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist must be small. To achieve this, gas must actively diffuse between points (triple points) where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist. In the case of the above-mentioned perforated box type, there is a small room (abbreviated as cathode room) covered by a box with small holes above the cathode, so gas can diffuse freely within it. , a uniform gas concentration can be obtained within the cathode chamber. Since the cathode itself is porous, gas can freely diffuse from the cathode chamber to the point (triple point) where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist. The gas concentrations at the point where the electrolyte and gas coexist (triple point) are close to each other. Therefore, the gas concentration at the point (triple point) where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist also becomes nearly uniform. As shown in the figure in the above-mentioned patent publication, this method provides very good limiting current characteristics. However, this method had the problem of slow transient response. On the other hand, a method without a cathode chamber has the advantage of excellent transient response. However, on the other hand,
Since it does not have the function of making the gas concentration uniform within the cathode chamber, it has the problem that the oxygen concentration at the point (triple point) where the cathode, solid electrolyte, and gas coexist tends to become uneven. As a countermeasure, it is necessary to facilitate gas diffusion in the plane direction within the cathode layer and the porous structure provided thereon. Among these, the cathode layer is usually thin, about 0.5 to 2 μm, and there is a limit to how porous it can be, so it cannot be expected to make a large contribution. On the other hand, it is thought that the higher the porosity and the thicker the porous layer, the more effective it is to make it easier for gas diffusion to occur in the planar direction within the porous layer, but doing so will reduce the transient response. The problem is that it gets worse. As mentioned above, a sensor is desired to have a high-speed response, and it is difficult to obtain good control results with a sensor that responds slowly. The time constant is preferably within 1 second at the latest, usually about 100 to 300 ms. The first step for that purpose is
The highest critical porosity and thickness of the layer were found to be 16% and 30 μm. On the other hand, when the porosity and thickness are small, it becomes difficult to sufficiently alleviate the variation in gas concentration between the triple points, the limiting current characteristics deteriorate, the linearity is poor, and the temperature dependence becomes large. Become. Therefore, it has been found that in order to obtain good limiting current characteristics, the minimum porosity and thickness of the first layer are 8% and 2 μm. Reason for providing the second layer and its rationale The purpose of providing the second layer is to limit the amount of oxygen reaching the triple point from the outside to an appropriate value. The higher the porosity and the thinner the second layer, the more oxygen will reach the triple point. In this case, the current per oxygen concentration increases. The larger the current, the less susceptible it is to electrical noise.
In that sense, it is convenient. However, as the temperature decreases and the resistance of the solid electrolyte and the resistance at the interface between the solid electrolyte and the electrode increase, the voltage drop in the resistance-dominant region becomes an obstacle to measurement. In that case,
The greater the current, the greater the disturbance. Therefore, in order to obtain excellent low-temperature operability, a wide measurement range, and good linearity, it is necessary to suppress the current density to an appropriate level. As a result of various studies, we have found that good characteristics can be obtained by setting the current to about 0.005 to 0.5 mA/mm 2 . For this purpose, the porosity is 4-7% and the thickness is 2-50μ.
It has been found that providing a second layer of m is suitable. Examination of pore diameter of porous layer 11 (second layer) As mentioned in the section on problems with the prior art, there is a problem that the proportional coefficient of oxygen concentration versus current changes slightly due to temperature change (decrease). This was causing a decrease in accuracy. After examining various causes and countermeasures for this problem, we found that the cause was the temperature dependence of the gas diffusion coefficient. As a countermeasure, we have come to the conclusion that by using an appropriate value for the pore diameter of the diffusion barrier, it is possible to minimize the temperature dependence of the diffusion coefficient within the pores. Based on the above prediction, a limiting current type oxygen concentration sensor having only one porous layer was prototyped, and the pore diameter was varied in the range of 200 Å to 2 μm. We measured the relationship between temperature and limiting current at a constant oxygen concentration (10%) for these limiting current type oxygen sensors.
Figure 3 shows the ratio to the current at 700°C. As is clear from the figure, it can be seen that there are various temperature dependencies depending on the pore diameter. Among them, the temperature coefficient of 2000 Å to 1 μm is low. In addition, 3000 Å to 4000 Å is 500 Å to 4000 Å.
It was found that the temperature coefficient was low between 700°C and 1000°C. [Example 1] Example 1 has the structure shown in FIGS. 1 and 2, in which 85 to 95 mol% of ZrO 2 is used as the oxygen ion conductor 2 and 5% of Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 is added as a stabilizer. ~
It uses a solid electrolyte made of a dense sintered body of stabilized zirconia in which 15 mol% is dissolved. Examination of stabilizer concentration Figure 4 shows the relationship between the concentration of stabilizer (Y 2 O 3 ) and resistivity for solid electrolyte (ZrO 2 ). The test conditions are 800℃. As mentioned above, it is desirable for this sensor to have as low a resistivity as possible. As is clear from the figure, the lowest resistivity was obtained at about 8% stabilizer concentration within the range of about 6 to 10 mol%. The cathode 4 and the anode 3 are porous platinum electrodes with a thickness of 0.5 to 20 μm. Suitable methods for preparing the porous platinum electrode include vacuum deposition, sputtering, ion plating, chemical plating, and paste printing. Examination of electrode thickness Figure 5 shows the relationship between platinum electrode thickness adjusted by the plating method and durability time. The durability test was carried out by holding it at 700°C in 10% O 2 in N 2 and measuring the time until the output current decreased to 90% of its initial value. As is clear from the figure, when the thickness is less than 0.5 μm, the durability time becomes rapidly shorter. FIG. 6 shows the relationship between the transient response time and the thickness of the platinum electrode. The test method was to examine the time required for the output current to change by 50% when the oxygen concentration suddenly changed from 1% to 5%. The test conditions were 700°C and a flow rate of 5/min.
As is clear from the figure, it can be seen that the response time increases rapidly when the thickness is 20 μm or more. From the above two data, it was found that good characteristics in terms of both durability and response time can be obtained in the range of 0.5 to 20 μm. Consideration of material for porous layer 10 (first layer) In addition to the above-mentioned functions, this layer also ensures adhesion to the platinum electrode, and prevents peeling, cracking, and sintering due to durability. It is also necessary that the process does not progress and become denser. Further, it is also necessary that difficult conditions are not required during manufacturing. Furthermore, since the atmosphere in which the oxygen sensor is used is oxidizing, it is necessary to have oxidation resistance. Furthermore, since automotive sensors and the like are often exposed to a reducing atmosphere, it is also necessary to have resistance to reduction. Furthermore, those that are radioactive or highly toxic are not very desirable. In addition, materials whose coefficient of thermal expansion is too different from those of solid electrolytes and electrodes are unsuitable, and materials whose vapor pressure at the operating temperature is too high are also unsuitable. We conducted experimental studies on various heat-resistant materials. The prototype was manufactured using a plasma spray method. First, initial adhesion was tested. Adhesion evaluation method Regarding adhesion, after conducting a thermal shock test, the presence or absence of cracks and peeling of the porous layer was observed using a microscope. No cracks at all: ○ Some cracks: △ Many cracks: × No peeling at all: 0 Some peeling: △ Many peels: × Thermal shock test method Ceramic coating The evaluation method is as follows:
The sample was heated in a furnace at 900°C, then suddenly removed from the furnace and rapidly cooled by blowing room temperature air at 50/min. This cycle was added for 10 cycles. Second, the durability is evaluated at room temperature and at 900°C.
A temperature cycle test (see FIG. 7) of 100 degrees Celsius was conducted to observe the presence or absence of peeling and cracking. Note that the temperature cycle test was conducted only for those that were initially good. Table 1 shows the results when stabilized zirconia was used as the solid electrolyte. As is clear from the table, the materials with excellent overall evaluation are stabilized zirconia, alumina, spinel, steatite, siyamoto, lanthania,
Ittria, calcium zirconate, SiO2
Al 2 O 3 , Gadolinia, Samaria, Ittrivia,
These are scandia, erbia, hafnia, barium zirconate, barium aluminate, magnesium silicate, magnesium zirconate, magnesium silicate zirconium, followed by forsterite, calcia, and HfO 2 ·CaO. Consideration of the material of the porous layer 11 (second layer) Since this layer mainly functions to control the rate of gas movement due to diffusion, alteration of this layer immediately leads to changes in characteristics. Therefore, among the materials for which good results were obtained in the tests conducted on the porous layer 10, a high temperature durability test was further conducted to examine suitable materials. High-temperature durability test method At high temperatures, the porous layer progresses to sintering and porosity decreases, which may make it difficult for gas to diffuse. The existence and extent of this tendency was evaluated using the output of the limiting current type oxygen sensor. This test was conducted by measuring the initial value of the limiting current and the value after 200 hours of durability, and examining the rate of change. The atmosphere of the durability test was air, and the holding temperature was
It is 900℃. The results are shown in Table 2. As is clear from Table 2, materials with excellent durability include stabilized zirconia, alumina, spinel, hafnia, lanthania, ittria, barium zirconate, calcium zirconate, gadolinia, samaria, ittrivia, scandia, erbia,
barium aluminate, magnesium zirconate, followed by calcia, HfO2 .
CaO, magnesium silicate, magnesium zirconium silicate. Consideration of the material of the electrical insulating layer 13 This layer is provided to prevent the solid electrolyte from coming into contact with the cathode outside the operating area.
Although good results were obtained in the tests conducted on the porous layer 10, the amount of current leakage at a higher temperature (900° C.) was investigated. Electrical insulation layer leakage test method
mm width electrode (Pt 1μm), electrical insulation layer (100μm)
m), a sample with an electrode (Pt 1 μm) and a three-layer structure was prepared. Note that the electrical insulating layer was deposited by plasma spraying. Then, we investigated the resistance when 10V was applied at 900°C in air. If the resistance is less than 2kΩ, there will be a slight negative effect, and 200
It becomes noticeable below Ω. Therefore, leakage current of 2kΩ or more was evaluated as large (200Ω to 2kΩ), medium (200Ω or less), or small (small). The results are shown in Table 3. Third
As is clear from the table, alumina, spinel, forsterite, steatite, hafnia, calcia, lanthania, ittria, HfO 2 · CaO, gadolinia, samaria, and eruvia are suitable for the electrical insulating layer, followed by siyamoto, SiO 2・Al 2 O 3 , Ittrivia, Scandia,
There is magnesium silicate. Like the porous layer 10, the protective layer 12 must also have good adhesion to the platinum electrode and must not peel off or crack during durability. Therefore, the material suitable as the material for the porous layer 10 is also suitable as the material for the protective layer 12. In order to protect the platinum electrode, a dense protective layer has better protective power, but it is also possible to make it porous. Moreover, instead of providing the protective layer 12 independently, the porous layer 10 and the porous layer 11
Either or both of them may be extended outside the operating area to also serve as a protection function. [Example 2] Example 2 has a structure in which a porous layer 14 is further provided as a third layer on the porous layer (second layer) 11 in FIGS. 9 and 10. . Appropriate range of porosity and thickness for the third layer If the porosity of the third layer is less than 10%, fine particles of compounds such as lead (Pb) and phosphorus (P) will adhere to the surface, resulting in a relatively short durability. Over time, clogging occurs and the current value decreases. Furthermore, when the porosity of the third layer is 18% or more, clogging on the surface of the third layer becomes less likely to occur, but compounds such as Pb, P, and S pass through the third layer and reach the second layer. easier to reach. Then, clogging of the surface of the second layer occurs within a relatively short durability time. Therefore, a suitable porosity for the third layer is 10 to 18%. In addition, if the thickness of the third layer is 5 μm or less, even if the above-mentioned appropriate porosity is used, such compounds will reach the second layer within a relatively short durability time, causing a decrease in current. . Considering only from the viewpoint of durability, the thicker the third layer, the better, but on the other hand, the transient response becomes slower. Since it is also necessary to emphasize responsiveness, the upper limit is limited to 50 μm. Therefore, the thickness of the third layer is suitably 5 to 50 μm. The porosity of the third layer is 10-18% and the thickness is 5-50μm
A range of is suitable. As the material for the third layer, a material suitable as the material for the second layer is suitable. Also in this embodiment, instead of providing the protective layer 12 independently, the porous layers 10, 11 and 1
Any or all of 4 may be extended outside the operating area 20 to also serve as a protection function. By providing a third layer, it can be used in an atmosphere where there are many fine particles of compounds such as Pb, P, sulfur (S), calcium (Ca), zinc (Zn), barium (Ba), etc., such as in combustion exhaust. In this case, clogging of the second layer is also reduced. The third layer has a high porosity, so it is difficult to get clogged. Therefore, over a long period of time,
Changes in characteristics are reduced. [Example 3] In this example 3, FIGS. 1 and 2 or 9
In FIG. 10, palladium, rhodium, platinum, or a mixture thereof was supported as a catalyst on any or all of the porous layers 10, 11, and 14. Examination of the amount of catalyst supported Figure 8 shows the relationship between the amount of catalyst supported and the durability time. The durability test was conducted using an actual engine, with the exhaust temperature adjusted to 500 to 600 degrees Celsius, where phosphorus and lead particles are most likely to adhere. The sensor used was one in which the porous layer 14 supported the amount of catalyst shown in FIG. As is clear from the results in Figure 8, the amount of supported
When the amount is less than 0.1 wt%, there is only a small effect of improving durability compared to a catalyst not supported. On the other hand, at 0.1wt% or more, a remarkable durability improvement effect was observed. On the other hand, when the amount of catalyst supported is 50wt% or more, phosphorus and lead compounds are difficult to adhere to, but at 900℃
At such high temperatures, sintering of the catalyst itself progresses, resulting in poor gas flow within the catalyst support layer and slow transfer response. Therefore, the supported amount of catalyst is 0.1wt%~
50wt% is appropriate. By supporting the catalyst, oxygen, H 2 , CO,
Even in an atmosphere where HC etc. coexist, the oxidation of HC etc. is promoted in the catalyst section, making it possible to measure accurately with less error. In addition, phosphorus and lead contained in exhaust gas are less likely to adhere. (Effects of the Invention) FIG. 11a shows the voltage [Va] vs. current (I) characteristics of a limiting current type oxygen concentration sensor manufactured by the prior art, using oxygen concentration as a parameter. The test conditions were 10% CO 2 , 8% H 2 O, and the rest N 2 at a temperature of 750°C. Figure b shows the relationship between the current and oxygen concentration (O 2 ) when 0.7V is applied, which is the characteristic of figure a. Figures 12a and 12b show the characteristics of the product of the present invention measured under the same conditions as in Figure 11. The one in FIG. 12 has a smaller voltage drop in the resistance dominated region and has better characteristics. Figure 13 shows the characteristics of the conventional product at 575°C.
Since the temperature has become lower than in the case of FIG. 11, the internal resistance has increased and the voltage drop in the resistance dominated region has become large, making it impossible to obtain the limiting current characteristics. Therefore, even if the oxygen concentration increases, the current does not increase proportionally and tends to saturate. On the other hand, the characteristics of the product of the present invention are shown in Figure 14. Although the voltage drop in the resistance dominated region is larger than that in Figure 12, it is still
The voltage drop in % is about 0.6V, which is relatively small and does not interfere with the purpose of oxygen concentration measurement. Further, the boundary between the resistance dominated region and the overvoltage dominated region is clear, resulting in good limiting current characteristics. Therefore, a current proportional to the oxygen concentration is obtained. Figure 15 shows the relationship between temperature and current at an applied voltage of 0.7V for the conventional product. As is clear from the figure
Temperature dependence is large below 700°C, and if accurate measurements are desired, it must be used at temperatures above 700°C. On the other hand, in the case of the product of the present invention shown in Fig. 16, the temperature dependence is small up to 575°C at 10% oxygen concentration and up to 550°C at 8%, and it has excellent low-temperature operability compared to conventional products. It can be used even at high temperatures, and it can be seen that it has good properties over a wide range of operating temperatures. Note that when the oxygen concentration is low, the temperature dependence tends to increase above 675°C, but this is because an applied voltage of 0.7V enters the excessive current region; ), this problem can be solved because the current does not fall into the excessive current region. FIG. 17 shows the characteristics of the conventional product in the high oxygen concentration region. The test conditions were a temperature of 700°C, 10% CO 2 and the rest N 2 . As is clear from the figure, oxygen concentration
At 10% or less, the voltage drop in the resistance dominated region is 0.6V
It is possible to correctly detect the limiting current with an applied voltage of 0.7 V; however, if the oxygen concentration is higher than that, the voltage drop becomes large and the limiting current cannot be detected. Therefore, the 17th
As shown in FIG. b, even if the oxygen concentration increases, a current proportional to the oxygen concentration cannot be obtained and the device tends to saturate, so it cannot be used in a high oxygen concentration region. On the other hand, in the case of the product of the present invention shown in Fig. 18, under the same conditions, the voltage drop in the resistance dominated region at 50% oxygen concentration was as small as 0.4 V, and the boundary between the resistance dominated region and the overvoltage dominated region was clear. It has good limiting current characteristics. Therefore, a current proportional to the oxygen concentration is obtained. As is clear from a comparison between FIG. 17 and FIG. 18, the measurement range of the product of the present invention is expanded to five times higher oxygen concentrations than the conventional product. In addition, "limit type oxygen concentration sensor manufactured using conventional technology" or "conventional product" refers to the
The "limiting current type oxygen concentration sensor" described in Publication No. 48648, especially the one with the specifications shown in Appendix Table 4,
The "product of the present invention" refers to the "limiting current type oxygen concentration sensor" described in [Example 1] of this specification, particularly the product with the specifications shown in Table 5 of the appendix. As explained above, according to the present invention, the oxygen concentration measurement range is wide, the linearity of the output is good, good characteristics can be obtained even at relatively low temperatures, the transient response is excellent, the stability is good, and the characteristics are It has the effect of having small variations, being highly durable, and being easy to manufacture and inexpensive.

【表】【table】

【表】 ○ 良 △ 一部不良 × 不可
[Table] ○ Good △ Partially defective × Not possible

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】

【表】【table】 【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例の要部を示す断面図
で、第2図の部分断面拡大図、第2図は本発明の
限界電流式酸素センサの一実施例の構造図であ
る。第3図は平均細孔径と温度依存性の関係を示
す図、第4図は固体電解質の抵抗率を示す図、第
5図は白金電極厚さと耐久性の関係を示す図、第
6図は白金電極厚さと過渡応答時間の関係を示す
図、第7図は温度サイクルパターンを示す図、第
8図は触媒担持量と耐久性の関係を示す図、第9
図は本発明の他の実施例の構造図、第10図は第
9図の部分断面拡大図、第11図aは従来品の電
圧対電流特性図、第11図bは第11図aの
0.7V印加時の電流と酸素濃度の関係を示す図、
第12図aは本発明品の電圧対電流特性図、第1
2図bは第12図aの0.5V印加時の電流と酸素
濃度の関係を示す図、第13図a,bは従来品の
575℃での特性図、第14図a,bは本発明品の
575℃での特性図、第15図は従来品の電流の温
度依存性を示す図、第16図は本発明品の電流の
温度依存性示す図、第17図a,bは従来品の高
酸素濃度領域での特性を示す図、第18図a,b
は本発明品の高酸素濃度領域での特性である。第
19図は従来の限界電流式酸素センサの構造図、
第20図は従来の限界電流式酸素センサの特性図
である。 1…限界電流式酸素濃度センサ、2…酸素イオ
ン伝導体、3…陽極、4…陰極、5,6…多孔質
層、7,8…リード線、10…第1層、11…第
2層、12…保護層、13…絶縁層、14…第3
層。
FIG. 1 is a sectional view showing a main part of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged partial sectional view, and FIG. 2 is a structural diagram of an embodiment of a limiting current type oxygen sensor of the present invention. Figure 3 shows the relationship between average pore diameter and temperature dependence, Figure 4 shows the resistivity of solid electrolyte, Figure 5 shows the relationship between platinum electrode thickness and durability, and Figure 6 shows the relationship between platinum electrode thickness and durability. Figure 7 shows the relationship between platinum electrode thickness and transient response time, Figure 7 shows the temperature cycle pattern, Figure 8 shows the relationship between catalyst loading and durability, and Figure 9 shows the relationship between the amount of catalyst supported and durability.
10 is a partial cross-sectional enlarged view of FIG. 9, FIG. 11a is a voltage vs. current characteristic diagram of a conventional product, and FIG. 11b is a diagram of FIG. 11a.
Diagram showing the relationship between current and oxygen concentration when 0.7V is applied,
Figure 12a is a voltage vs. current characteristic diagram of the product of the present invention;
Figure 2b shows the relationship between the current and oxygen concentration when 0.5V is applied in Figure 12a, and Figures 13a and b show the relationship between the current and oxygen concentration when 0.5V is applied in Figure 12a.
Characteristic diagrams at 575°C, Figure 14 a and b are for the product of the present invention.
Characteristic diagram at 575°C. Figure 15 shows the temperature dependence of the current of the conventional product. Figure 16 shows the temperature dependence of the current of the product of the present invention. Figures 17a and b show the high temperature dependence of the conventional product. Diagram showing characteristics in oxygen concentration region, Figure 18a, b
is the characteristic of the product of the present invention in the high oxygen concentration region. Figure 19 is a structural diagram of a conventional limiting current type oxygen sensor.
FIG. 20 is a characteristic diagram of a conventional limiting current type oxygen sensor. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Limiting current type oxygen concentration sensor, 2... Oxygen ion conductor, 3... Anode, 4... Cathode, 5, 6... Porous layer, 7, 8... Lead wire, 10... First layer, 11... Second layer , 12...protective layer, 13...insulating layer, 14...third
layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 酸素イオン伝導体から成る板あるいは円筒状
のものの一面に陽極を設け、それと対向する他の
面に陰極を設け、陰極上に第1層として気孔率8
〜16%、厚さ3〜30μmの多孔質層を設け、第2
層として、気孔率4〜7%、厚さ2〜50μmの緻
密に近い層を設けたことを特徴とする限界電流式
酸素センサ。 2 第2層の細孔径が2000Å〜1μmであること
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の限界電
流式酸素センサ。 3 第1層が安定化ジルコニア、アルミナ、スピ
ネル、ステアタイト、シヤモツト、ハフニア、ジ
ルコン酸バリウム、ランタニア、イツトリア、ジ
ルコン酸カルシウム、SiO2・Al2O3、ガドリニ
ア、サマリア、イツトリビア、スカンジア、エル
ビア、アルミン酸バリウム、珪酸マグネシウム、
珪酸マグネシウムジルコニウムのいずれかまたは
フオルステライト、カルシア、HfO2・CaOのい
ずれかまたはそれ等の混合物から成ることを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の限界電流式酸
素センサ。 4 第2層が安定化ジルコニア、アルミナ、スピ
ネル、ハフニア、ランタニア、イツトリア、ジル
コン酸バリウム、ジルコン酸カルシウム、ガドリ
ニア、サマリア、イツトリビア、スカンジア、エ
ルビア、アルミン酸バリウム、ジルコン酸マグネ
シウムのいずれか、またはカルシア、HfO2
CaO、珪酸マグネシウム、珪酸マグネシウムジル
コニウムのいずれか、またはそれ等の混合物から
成ることを特徴とする特許請求の範囲第1項また
は第2項記載の限界電流式酸素センサ。 5 第2層上に第3層として、気孔率10〜18%、
厚さ5〜50μmの多孔質層を設けたことを特徴と
する特許請求の範囲第1項または第4項記載の限
界電流式酸素センサ。 6 第3層が安定化ジルコニア、アルミナ、スピ
ネル、ハフニア、ランタニア、イツトリア、ジル
コン酸バリウム、ジルコン酸カルシウム、ガドリ
ニア、サマリア、イツトリビア、スカンジア、エ
ルビア、アルミン酸バリウム、ジルコン酸マグネ
シウムのいずれか、またはカルシア、HfO2
CaO、珪酸マグネシウム、珪酸マグネシウムジル
コニウムのいずれか、またはそれ等の混合物から
成ることを特徴とする特許請求の範囲第5項記載
の限界電流式酸素センサ。 7 第1層〜第3層のいずれか、または全部に触
媒を担持したことを特徴とする特許請求の範囲第
1項〜第5項のいずれか1項記載の限界電流式酸
素センサ。 8 触媒としてパラジウム、ロジウム、白金のい
ずれか、またはそれ等の混合物を0.1wt%ないし
50wt%担持したことを特徴とする特許請求の範
囲第7項記載の限界電流式酸素センサ。
[Claims] 1. An anode is provided on one surface of a plate or cylinder made of an oxygen ion conductor, a cathode is provided on the other surface facing the anode, and a first layer with a porosity of 8 is provided on the cathode.
~16%, a porous layer with a thickness of 3 to 30 μm is provided, and the second
A limiting current type oxygen sensor characterized by having a nearly dense layer with a porosity of 4 to 7% and a thickness of 2 to 50 μm. 2. The limiting current type oxygen sensor according to claim 1, wherein the second layer has a pore diameter of 2000 Å to 1 μm. 3 The first layer is stabilized zirconia, alumina, spinel, steatite, siyamoto, hafnia, barium zirconate, lanthania, ittria, calcium zirconate, SiO 2 Al 2 O 3 , gadolinia, samaria, ittrivia, scandia, eruvia, barium aluminate, magnesium silicate,
The limiting current type oxygen sensor according to claim 1, characterized in that it is made of any one of magnesium zirconium silicate, forsterite, calcia, HfO 2 ·CaO, or a mixture thereof. 4 The second layer is stabilized with zirconia, alumina, spinel, hafnia, lanthania, yttria, barium zirconate, calcium zirconate, gadolinia, samaria, yttrivia, scandia, erbia, barium aluminate, magnesium zirconate, or calcia. , HfO2
The limiting current type oxygen sensor according to claim 1 or 2, characterized in that it is made of CaO, magnesium silicate, magnesium zirconium silicate, or a mixture thereof. 5 As the third layer on the second layer, porosity 10-18%,
The limiting current type oxygen sensor according to claim 1 or 4, characterized in that a porous layer having a thickness of 5 to 50 μm is provided. 6 The third layer is stabilized by any one of zirconia, alumina, spinel, hafnia, lanthania, yttoria, barium zirconate, calcium zirconate, gadolinia, samaria, yttrivia, scandia, erbia, barium aluminate, magnesium zirconate, or calcia. , HfO2
The limiting current type oxygen sensor according to claim 5, characterized in that it is made of CaO, magnesium silicate, magnesium zirconium silicate, or a mixture thereof. 7. The limiting current type oxygen sensor according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a catalyst is supported on any or all of the first to third layers. 8 0.1wt% or more of palladium, rhodium, platinum, or a mixture thereof as a catalyst.
The limiting current type oxygen sensor according to claim 7, characterized in that the oxygen sensor carries 50 wt%.
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