JPS58200157A - 酸素センサ - Google Patents

酸素センサ

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Publication number
JPS58200157A
JPS58200157A JP57083733A JP8373382A JPS58200157A JP S58200157 A JPS58200157 A JP S58200157A JP 57083733 A JP57083733 A JP 57083733A JP 8373382 A JP8373382 A JP 8373382A JP S58200157 A JPS58200157 A JP S58200157A
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JP
Japan
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electrode
oxygen
porous
sensor
potential
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JP57083733A
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English (en)
Inventor
Toshiro Hirai
敏郎 平井
Akihiko Yamaji
昭彦 山路
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • 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
    • G01N27/404Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
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  • Molecular Biology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、常温で環境中の酸素濃度の測定に使用される
酸素センナに関Tる。
大気中の酸素濃度を検出し、警報装置その他の連動装置
に接続し、洞道内や地下道内の酸欠防止を図ることは、
地下作業の増加に伴って重要視されている。この酸素感
度検出に使用される酸素センナとしては、ガルバニ#I
i電池を形成して、多孔質電極の正極を被測定ガスに接
触させたり、あるいは11本電解質電池を形成して一方
の電極を基拳鹸素分圧(一般には、大気中の空気の酸素
分圧)に、他方の電極を被測定ガスに接触させて、これ
に生ずる起電力または、電流変化rtI11定する方式
、あるいは、酸素分圧により電気伝導度が変化する鹸化
物亭導*tMlい、電気抵抗変化ti1定する方式があ
る・會た、酸素分圧による螢光消光e利用したセン賃も
mii;されている・ セン管材料には、ガルバニ置電池式では、正極に白金、
銀等を含有した多孔質電極、負極にZn。
MgQlt#いている。寥た、崩御電解質電池式におい
ては、ZrヘーC畠0.Th偽−Y怠O8等の多孔質伝
導体が白金、金等の多孔質金属と組合せて用はピレン−
シリコン展が使#111!れている@しかしながら、従
来技術におけるこれら材料のうち、白金、金、銀等の貴
金属は高価であり、一体電解寅は塞温では作動しない。
酸化物半導体材料については、ベース導電率に9#する
導電率変化が小さくベース抵抗の変動の中に置没してし
まったり、復元が速やかでない欠点を有している・また
、螢光消光利用センtは、酸素分圧に対する応答が悪く
、さらに長期安定性に欠は実用性には掘遠い。
本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、j
lfIi金属有機鑵体【含4iTる多孔質導体を電極に
使用Tることにより、安価で、酸素濃度の変化に対する
起電力が大きく、かつ応答が早く長期安定である高性能
、高信頼性の醗素竜ン′rを提供することを目的とする
ものである。
以下、本発明を図面を参照して詳しく説@Tる。
第1g1llは本発明の酸素センtの−Hを示すもので
、図中符号lは本発明に係る鍛素七ンtである。
この酸素竜ンサlは、金属等の導体よりなる負極Sと、
電解質層8と、遷移金属有機錯体な書ITる多孔質導体
よりなる正極4とをそれでれ層状に密着させて形成した
もので、これら負極2.電解質層8.正極番よりなる鹸
素竜ン11は容IIsに収容されている。そして容4!
16の正極8に臨む部分には、被測定Iスミs素七ンt
1の正極8に接触させるためのガス取入孔6.6・・・
が設けられている◎なお5WIJI111f′tフ、8
はそれfれ正極4および負極s&:m続ξれるリード纏
である。上記正ll14  *解質層魯および電極2は
一酸素センーt1tIIIIILTるとともに、酸素ガ
スの還元反応を利用した金属空気層電池なも構成Tる。
上記j1移金属鑵体を含有Tる多孔質導体よりなる正極
番は、岡えば第2図に示すように、エフナル。チタン、
銀などの金IIm綱よりなる支持集電体4暑と、この支
持集電体4aの一方の面に幽着ξれた遍移愈111,1
機錯体な含有する多孔質電極材c以下、多孔jl[′I
IIIi材と略称Tる。)4bとから構成され、多孔質
電極材4bが上記電解質層8に接触し、支持集電体6暑
が被測定ガスに接触するように配置されている0そして
、この多孔質導体は、炭素粉本、グラフアイシー活性炭
、アセチレンプランタ等の炭素11体にテフロン(商標
)などの朧水性バインダを加え、さらにこれに鉄、ニツ
ナル、コパル)、#、マンガンなどの遷移金属と7タロ
シアニンなどのポルフィン掴化合物やポリフィリンなど
の芳香族長lI4有機化合物との錯体、崗えは金属7タ
1シアニン、ジアノコバラミン、ヘモダ璽ピンなどの遷
移金属有機錯体を加えてシート状の多孔質電極材4bt
形成し、この多孔質電極材4bを上記支持集電体4mの
金属製網に圧着Tる方法や、上記炭素粉本に撥水性バイ
ンダを混合し、この粉末を金4111網とともに加圧し
てフィルム状とし、これに上記錯体を蒸着させる方法や
、炭素粉体重バインダおよび錯体とからなる混合粉末を
金属製網とともに加圧、一体化する方法、あるいは金属
製網の代りに多孔質金属板を用意し、これに炭素粉本お
よびテフロンを塗布し、さらにこれに錯体を蒸着させる
方法などによって製作することができる・ そして、上記炭素粉末、アセチレンブラック。
ケッチェンブラック10等の炭素材料は、電極反応が起
こる反応点を多くシ、かつ活性化を囮るうえでの触媒の
含有が容易となるための多孔化を促進し、同時に反応に
伴う電子の移動を容易にTるための十分な導電率toy
るうえて有効である・多孔質金属も、また同様の城山で
多孔質導体の構成材料として有効であるが、この材料な
使#iTる際には、金属自身が電解液中に溶解して酸素
還元反応と異なった反応が起きるのを防止するため、多
孔質金属表面tjJ−ボンスプレー等を用いて保護する
必要がある。− なお、多孔質導体の細孔から電解液が漏出するのを防止
するために、これらの多孔質導体には、テフ霞ン粉末、
↑7Wンエマルジ曹ン等を加えたり、予7mシスプレー
等で表面を塗布したり、さらには、ガス憾に面した電極
の片面に多孔質テフロンシートを貼付Tる等の緻水剤t
l@いて防水処理な施している必要もある。!!た、多
孔質導体よりなる正極番の寿命を延ば丁ため、被測定ガ
スに接触fi1mに撥水性材料よりなる多孔性シートを
圧着したり、讃水剤な吹き付けたりしてもよい。
さらに上記負mst構成Tる材料として亜鉛。
アルt=ウム、マダ牟シウム、白金!たはこれらの合金
等が使#1され、電解質層8としてはdωH。
NaOHなどのアルカリ性電解質、NaCj、KeIな
どの中性電解質、リン酸などの酸性電解質やこれに腐食
防止剤、沈殿凝集剤を添加した液状、コロイド状の液体
電解質やプラスチックイオン導電体などの固体電解質等
が用いられる◎ このような本発明の酸素センt1にあっては、正lll
lA4の多孔質導体を構成Tる11移金属有機錯体が酸
素ガスの有効な還元触媒τtて曽き、Tぐれた特性を発
揮Tる◎すなわち、上記錯体は酸素ガスを吸着しや丁く
、錯体に含まれる中心金属が、回りの芳査lI4を慣数
有する有機化合物の配位子によって電子の授受が容易と
なり酸化迩元体への移行がスムーズであり、かつ、中心
金属の電子エネルギ一単位が酸素分子のエネルギ一単位
に近く相のため、鉄フタ■シアニン等においては、酸素
還元反応1最も効率の良い参・電子反応(@えば、ア・
1 ど に力Q を層液中”C’410. +JH!0 +4C
e−→4IOH−)ti1![択し、活性で敞素劇度変
托に対Tる電位変化の対応もすばやい。一方、コバルト
7タロシアエン、シアノコバラセン、ニラナルフタロシ
アニン峰においては、中間体を生成するλ電子反応(M
えば、アルカリ電解液中では0.+H!0+λC−→O
H”−+ HO*−)が優勢となるが、炭素粉本上のこ
れらの錯体は中間体の分解能が大となり、酸素濃度変化
に対Tる電位変化の値が大きくしかも対応も早くなる。
なお、本発明による酸素センtは、電流を流Tことなく
使用できるため、定電流源を必要としない等、測定系の
簡略化が−れるうえに、電流な流Tことによる素子の発
熱や劣化がなく長寿命である。また本発明における酸素
センサは開路電圧をそのまま測定Tるため、電解質に厳
しい条件rtlI丁ことなく使用可能で液状のみならず
、ゲル状及びw11体状の電解質をも用いることが可能
であるという大きな特徴t1fしている。
以下、実施例を示して本発明を異本的に説明Tるが、本
発明はこfLら実施列に何んら限定されるものではない
実施Hi 炭素粉末(200メツシュ通過)参り、ア竜チレンブラ
ックコV、ケッチェン/−ツク1OJfと鉄7タロシア
ニン2gを↑フa−ンエマルジ冒ン(テフ菅ン含有60
%) j7Fをよく混合し、菅−ルでシート状にする。
シー)なJO分間穆度空気中で乾燥させた後、片側にニ
ッケル製網CjOメツシュ)を置きコso℃、100に
/IIの圧で30分間ホットプレスする。空気中で冷却
し〜直WkJO謔の円形に切り出して被測定ガス側にi
lfる多孔質導体よりなる正極を作製した・ 電解質としてlatomを用い、負極に亜鉛な用いて電
池式酸素センサを構成し、異なる03濃度のN、−0,
混合ガス下で電極電位(1,対飽和カロメル電極)の酸
素分圧依存性を調べた。結果を第3図に示T。
すなわち、83図は、本実施Hにおける酸素センサの被
測定ガス側に配した多孔質導体よりなる正極の電−電位
の酸素分圧依存性を示したグツ7であり、ム°は電流を
通じない場合、1.0はそれ−eれat″/d、 1.
CK)・〜−の電流を通じた場合の電極電位変化を示し
ている。
jlJWJによれば、酸素ガス分圧の変化による電極電
位の変化は、通電しない状態では、01がI囁からto
osまで分圧変化を、起こTと−aOダ7マC対飽和カ
ロメル電極以下同じ)から−〇024IVまで変化し、
逆に190%から/襲まで酸素ガス濃度を変化させると
、−aOコ参Vから−aO6ダVまで変化し若干のヒス
テリシスを生じるが、al諷輸、/’S−過電の時は、
酸素濃度がl襲〜lの≦の変化に対し、それfれ−ai
o’iv 5−aotsv。
−atatv〜−QO9tVと変化の方向によらず電位
変化の大金ざは変わらず安定であり、しかも変化に対T
る応答はTばやい。11た、この場合、電位の時間的な
変化はなく、長時間安定であった◎実−例コ 炭素粉*#す、ケッチェンブラック10419及びエツ
ナ゛ル7タ田シアニンJut濃硫醗中にて混合し、10
分後に約21の純水に落とす0−過し、水洗、乾燥する
。この混合物にテフロンエマルジ習ンCテアWン含有6
0%) j79をよく混合し、実II#A列Iと同様に
して多孔質導体よりなる正−を作製した。
さらに実IIh列lと同様な方法で電極電位(―。
対飽和カロメル電極)の酸素分圧依存性を調べた。
結果を第参図に示T。すなわち、lI#図は1本実施例
における酸素セン賃の被測定ガス側に配した正極の電極
電位の酸素分圧依存性を示しでグラフでありSX+は電
流rt通じない場合、鴬、νはそれfn QOOI”7
6d、 QOl”Vol(D微小電流な通じた場合の電
極電位の変化を示している。
第参図によれば、電機電位は、0.濃度が1%からlO
O襲まで、次に100−からl−亥で変化したとき可逆
的に変化し、fi電しない場合で、−Q/6ダV(fi
飽飽和カロメル−1以下同様)から−Q/ / Jv、
 QOO/ m、y ノと@−Q2112Vか6−Q/
参7V * Q O/■シ―通電のとき−axisマか
ら一0210Vの範囲の値をとる。電位の一素分圧変化
に対応する変化はTばやく、シかも電位の時間的な変化
はみられず長期間安定であった◎ 実1sH7 炭素粉末(−〇〇メツシュ通過>109.アセチレンブ
ラック209及びf70ン粉、ili!(j(>メツシ
ュ通過)を混合し、これを円板成躯金置内にニラナル綱
とともに入れ、参〇〇IIV、Iの圧でプレスし、その
ll参OO℃の炉内で30分間加熱処理し、この電極材
料に鉄7タ曹シアニンまたはコバルト7#ロシアニンを
蒸着して含有させて正極を形成し、被測定ガス側に配置
し酸素セン賃を作製した・そして、実施日lと同様にし
て電極電位(V、対飽和カロメル電極)の岐素分圧依存
性を調べた・ 第j図は、上記実施列Jの被測定ガス側に接した電−の
無通電時の電位の酸素分圧依存性を示したグラフであり
、曲m1leは鉄フタ璽シアニンを蒸着した多孔質電極
、―纏翼はコバルト7タロシアニンを義理した多孔質電
極の電位変化を示している・酸素濃度がtSから10O
−まで変化し、次に1oosから1%盲で変化した時の
電位変化はフパルトフ#田シアニンの場合、それぞれ−
Ql!JV(対飽和力誼メル電m、以下同じ)から−a
io4Iv、−aiopから−ai参7vと変化した・
わずかなヒステリシスを生じているが、酸素分圧変化に
よる電位変化の大きさに比べてかなり小さい値であり、
問題はない。一方、鉄フ#■シアニンの場合は、いずれ
も−〇〇〇JV〜−QOI/Vの間の電位R化となり、
ヒステリシスを生じない◎鉄、コバルト崗7タロシアニ
ンの場合とも酸素分圧変化に対する電極電位の対応はT
ばやく、かつ、電極電位の時間的変化はみもれず長期安
定であった。
実施日参 炭素粉末(λOOメツシュ通過)よ09.↑70ン1k
kl(jtOメツシュ通過)109及びt/7/コバラ
ミンQコgを混合し、これを円板成掴金蓋内にニラナル
網とともに入れ、参ooI%′cIIの圧でプレスし、
その後参〇〇℃の炉内で30分間加熱処理して多孔質電
極を作成し、酸素センtを構成した。そして、実施M/
と同様にして電極電位(V、対飽和2Iロメル電極)の
酸素分圧依存性を関べた。
第6図に、上記実施例ダの被測定ガスに接した正極の無
通電時における電極電位の酸素分圧依存性を示した。
第6図によると、酸素分圧が/−から100≦まで、次
に1oosから71まで変化した場合の電極電位の変化
は、それfれ−Q/j6V(対飽和カロメル電極、以下
同じ)から−QIIダv、 −aiiダVから−Ql!
t7Vと、はぼ可逆的である。酸素分圧変化に対応して
電極の変化はTばやく、また電−電位の時間的変化はみ
られず長期安定性を示した・ 実施Mj 炭素粉末(−〇〇メツシュ通過> *g、+ツチェンブ
ラックsang、ヘモグロビン2g及びテフ璽ンエマル
ジ曹ン(テアwン含有to%)33gをよく混合し、ホ
ットプレスの時間を10分間とする以外は実WaH/と
同様な方法によって被測定ガス側に!!する多孔質導体
よりなる正極を作製した。そして、実施H7と同様にし
て酸素セン管を組上げ、電極電位(V、対飽和カロメル
電極)の酸素分圧依存性を調べた。
第7図に、上記実施Mjの被測定ガス側に接した正極の
無通電時における電極電位の酸素分圧依存性を示した。
#17図によると、酸素分圧が7−から1oosまで、
次に、100%からl襲まで変化した場合、電極電位は
−ai61v(対飽和力菅メル電極、以下同様)から−
aioovまでの範囲で可逆的に変化する。酸素分圧の
変化に対応する電極電位の変化は丁ばやく、また電極電
位の時間的変化はみもれず、長期的に安定であった。
実施M6 炭素粉末(200メツシュ通過)ダリ、ケッチェンブラ
ック1104c及び銅7り■シアニンもしくはマンガン
7タロシアニンλgを濃硫酸中に入れ30分間混合する
。約λノの純水に落とした後、濾過し、水洗いして乾燥
する。この混合物に↑70ンエマルジ冒ン(テyvx5
60%を有)47gをよく混合し、実kH/と同様にし
て多孔質導体よりなる正極を作製した・ さらに実施IM/と同様にして酸素セン′tを組上上げ
、電極電位(1,対飽和力璽メル電極)の酸素分圧依存
性を調べた・ 第1図に本実施■における酸素センサの被測定lス備に
配し2多孔質正極の電極電位の酸素分圧依存性を示した
グラブであり、工はマンガンフタ曹シアニンを含有した
場合であり、Jは銅7#ロシアニンを含有した場合を示
している。
In2図によれば、電−電位は、0諺分圧を7%からt
oos、逆に、lOO%tpbi’s;:、蛮*ると、
マンガン7#ロシア品ン、銅フタロシアニンさもに可逆
的に、かつ酸素分圧の変化に丁ばやく対応して変化Tる
・上記の酸素分圧の変化に対し、マンIン7#ロシアエ
ン含有の場合で−aoii vC対飽和カロメル電極、
以下同様)から+aoosV、銅7り■シアニン含有の
場合では一〇llコVから−QO71V(/J@−で変
化する。これらの電極電位は鍛嵩分圧が=定のときは時
間的に変化せず長期間安定であった・        
           1実m剥7 多孔gIL品ツナル板(比表−槍7700’/、/)に
炭素微粉末とテフロンを交互にスプレーして両者の重量
比で5=3になるように欧付ける。ある程度乾燥したら
軽くプレスして電極の厚8を調整し、その後アルゴン雰
囲気中、100℃で30分間熱処理する。冷却後、取出
して直径JO閤の円形に切出して多孔質エツクル電極を
作製した。
この多孔質ニラナル電極の片面に鉄フタロシアニンモジ
くはコバルトフタロシアニンを薄膜となるよう注意して
蒸着して、正極を形成し蒸着fIt電解液側11面とす
る。
こうして作製した正極を実施Hiのように酸素センヤに
組上げ、電極電位c対飽和力菅メル電極)の酸素分圧依
存性を調べた。
第9図は、実施v47における酸素センナの被測定ガス
備゛に配した正極の電極電位の酸素分圧依存性を示した
グラフであり、!は鉄フタロシアニンflA着した正−
の電極電位の変化、Lはコバルトフタロシアニンを蒸着
した正極の電位変化な示している。
第9図によると、酸素分圧の変化による電極の平衡電位
の変化は、コバルト7#ロシアニンを蒸着した場合、0
.濃度が1%からlOO≦まで変化した時、逆に、10
0−からlsまで変化した時、−(1/Il”l(対飽
和力■ノル電極。以下i4m)から−02ダ参v!!で
の範囲で着干のヒステリシスを有している・このヒステ
リシスは皺素竜ンサ用電極としての実用1何ら一蕾はな
い。一方、鉄7#ロシアエンを蒸着した場合は、一様の
0.濃度変化に対して一〇16りVから一0222N 
までヒステリシスrt4!1.するこ七なく可逆的に電
位変化Tる。
両者とも酸素分圧変化に対応した電位変化はすばや(、
かつ、同−酸素濃度における電位の時間的な変化はみら
れず長期間安定であった。
実施[1 炭素粉*(λOOメツシ:L迩過)参り、アセチレンブ
ラックコリ、ナツチェンブラック1029及び鉄フタロ
シアニンatぶり【濃硫酸に入れ30分閾攪件Tる◎そ
の後、約2Iの純水に落とし、−過、水洗いの後、乾燥
Tる。得られた混合粉体とシアノコバラ攬ンaOダ2と
tjO−の水中で攪拌し、これを約/、jtlのアセト
ン中に落とす。
1遍し、乾燥して得た混合粉体と↑7菅ンエ!ルジ璽ン
(’F70ン60%含有)33gと管よ(混合し、ロー
ルでシート状にTる。このシートから実施M/と同様に
して多孔質導体よりなる正極な件部する〇 こうして件部しt正極を実111M/のように酸素セン
管に組上げ、電極電位(対、飽和カロメル電m)の酸素
分圧依存性を調べた。結果を第1oIIi!!lに示す
第10図によると、酸素分圧の変化による電極の平衡電
位の変化はρ、がl襲から100%の濃度まで、次にt
oosから7%まで変化した場合、−003V(対飽和
カロメル電極、以下同様)から−QO7JV の範囲で
あった・若干のヒステリシスを生じるが酸素センナ用電
極として何ら障簀はない・まセ峻素分圧の変化に対する
電位の対応は早く、かつ同一酸素分圧における電極電位
の時間的変化は見られず、高感度、長期安定な優れた酸
素センサ用電極の特性を示した。
以上説明しtように、本発明の酸素センサは、被測定ガ
スに接触する正極に遷移金属の金属7り1シアニン、ジ
アノコバラミン、ヘモグロビンなどの遥参金属多lIi
機錯体を含有する多孔質導体を用いたものである◎した
がって、本発明の酸素セン管によれば、上記多孔質導体
よりなる正極は、酸素ガス1度の変化に対応してTばや
く、かつ充分利用できる電位変化の大きざな与え、かつ
長期安定性を有し優れ′F:特性を発揮し、このため、
この酸素センナは被測定ガス中の酸素濃度の変化を迅速
にかつ、確実に測定し、長期間安定な極めて信叡性の大
きい、高い実用価値を盲するものとなるO
【図面の簡単な説明】
117図は本発明の酸素セン管の一列を示T嶺略断FI
IJ図、第2図は本発明の酸素センサの正極に用いられ
る多孔質導体を示T114略断m図、第3図な穫 いし總1OaI!lはいずれもこの鍾嵩センサの酸素分
圧と電極電位との関係を示Tグラフである。 l・・・・・・酸素センサ、8・・・・・・負極、8・
・・・・・電解質層、番・・・・・・正極、b・・・・
・・容醤、6・・・・・・ガス取入孔。 出−人 日本電信電話公社 第1図 第3図 第4図 第5図 0*Ra   (’4) 第6図 第7図 第8図 第9図 第11O図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 負極と、酸素を含有する被測定ガスに接触する正極と、
    これら両極間に設けられた電解質層とな有し、両極間の
    起電力を測定して被測定ガス中の酸素濃度を検出Tる酸
    素センナにおいて、正極に遷移金層多壌有機錯本を含T
    iする多孔質導体t#1い七ことを特許とTる鍍索七ン
    1゜
JP57083733A 1982-05-18 1982-05-18 酸素センサ Pending JPS58200157A (ja)

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JP57083733A JPS58200157A (ja) 1982-05-18 1982-05-18 酸素センサ

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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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