JP2000097905A - APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING NOx GAS CONCENTRATION - Google Patents

APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING NOx GAS CONCENTRATION

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JP2000097905A
JP2000097905A JP10266505A JP26650598A JP2000097905A JP 2000097905 A JP2000097905 A JP 2000097905A JP 10266505 A JP10266505 A JP 10266505A JP 26650598 A JP26650598 A JP 26650598A JP 2000097905 A JP2000097905 A JP 2000097905A
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聡 菅谷
Norihiko Nadanami
紀彦 灘浪
Noboru Ishida
昇 石田
Takafumi Oshima
崇文 大島
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a NOx gas concentration measuring apparatus have a simple structure, a high in responsivity and low in dependency of a sensor output on an oxygen concentration by detecting an oxygen pump current flowing between a pair of electrodes corresponding to the NOx gas concentration when NOx is decomposed and dissociated within a void part. SOLUTION: A switch 20 is controlled by a microcomputer to be switched periodically, selectively connecting terminals 20a and 20b during an oxygen concentration detection term and terminals 20a and 20c during an NOx concentration detection term. A reference voltage is input to a reference input terminal of a differential amplifier 22. An output terminal of the differential amplifier is connected electrically to an outside electrode 6a of a first oxygen pump cell 6. An output of the differential amplifier 22 controls the first oxygen ion pump cell 6 to pump out, in the oxygen to the void part 2 so that an oxygen concentration in the void part 2 is a constant low concentration. After the oxygen concentration in the void part 2 becomes a predetermined value, the terminals 20a and 20c are connected and an oxygen pump current flowing between an inside common electrode 78a and an outside common electrode 78b is detected, thereby, an NOx gas concentration is measured.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、船舶、飛
行機等の移動用、産業用の内燃機関の排ガス中、或いは
ボイラ等の燃焼ガス中のNOxガス濃度を測定する装置
及びNOxガス濃度測定方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for measuring the concentration of NOx gas in the exhaust gas of a moving or industrial internal combustion engine of an automobile, a ship, an airplane, or the like, or in the combustion gas of a boiler or the like, and the NOx gas concentration measurement. About the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、排ガス規制の強化に伴い、エンジ
ン等の排ガス中のNOxやHC、CO濃度を直接測定
し、エンジン制御や触媒のコントロールを行う研究が行
われている。このためのNOxガスセンサとして、例え
ばSAE paper No.960334 p137
〜142 1996又は特開平8−247995号公報
に提案されたNOxガスセンサは、2つの内部空隙部、
2つの拡散抵抗部及び2つの酸素イオンポンプセルを備
えている。詳細には、第1空隙部内に面して第1酸素イ
オンポンプセルと酸素濃度測定セルとが設置されてい
る。酸素濃度測定セルは、第1空隙部内の酸素濃度を検
出するものであり、この酸素濃度測定セルの酸素濃度検
出出力に基づいて第1酸素イオンポンプセルによる、第
1空隙部からの酸素の汲み出しが制御される。但し、第
1酸素イオンポンプセルは、第1空隙部内の酸素分圧が
第1空隙部内でNOxが分解しないレベル以上に維持さ
れるように制御される。そして、第2空隙部に面して第
2酸素イオンポンプセルが設置され、第2酸素イオンポ
ンプセルに電圧が印加されることにより該セルに流れる
NOxガス濃度に応じた酸素ポンプ電流に基づいてNO
xガス濃度が測定される。
2. Description of the Related Art In recent years, with the tightening of exhaust gas regulations, studies have been conducted to directly measure the concentrations of NOx, HC, and CO in exhaust gas from engines and the like to control engines and catalysts. As a NOx gas sensor for this purpose, for example, SAE paper No. 960334 p137
No. 142-1996 or Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-247959 discloses a NOx gas sensor having two internal voids,
It has two diffusion resistance parts and two oxygen ion pump cells. Specifically, a first oxygen ion pump cell and an oxygen concentration measurement cell are provided facing the first void. The oxygen concentration measuring cell is for detecting the oxygen concentration in the first void portion, and pumping oxygen from the first void portion by the first oxygen ion pump cell based on the oxygen concentration detection output of the oxygen concentration measuring cell. Is controlled. However, the first oxygen ion pump cell is controlled such that the oxygen partial pressure in the first gap is maintained at a level at which NOx is not decomposed in the first gap. Then, a second oxygen ion pump cell is provided facing the second gap, and when a voltage is applied to the second oxygen ion pump cell, based on an oxygen pump current corresponding to the concentration of NOx gas flowing through the cell. NO
The x gas concentration is measured.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来のNOxガス
センサは、少なくとも3つのセルを備えており、構造が
複雑である。さらに2つの空隙部を有し、被測定ガスの
拡散流路が長いため、応答性に問題がある。また、第1
空隙部に面する酸素濃度測定セル(特に、酸素濃度検知
電極)と、第2空隙部に面する第2酸素イオンポンプセ
ルとが離間しているため、酸素濃度測定セルの出力に基
づき第1酸素イオンポンプセルにより空隙部内の酸素濃
度を制御しているにも拘わらず、第2酸素イオンポンプ
セル近傍の酸素濃度が不安定であり、センサ出力が酸素
濃度に大きく依存している。加えて、雰囲気と第1空隙
部間を連通する第1拡散抵抗部、第1空隙部と第2空隙
部を連通する第2拡散抵抗部という二つの拡散抵抗部、
二つの酸素イオンポンプセル及び酸素濃度測定セルを必
要としているため、製造プロセスが複雑となり、且つ、
ロット間のバラツキが大きくなってしまうという問題が
ある。
The above-mentioned conventional NOx gas sensor has at least three cells and has a complicated structure. Furthermore, since there are two voids and the diffusion path of the gas to be measured is long, there is a problem in responsiveness. Also, the first
Since the oxygen concentration measurement cell (especially, the oxygen concentration detection electrode) facing the void is separated from the second oxygen ion pump cell facing the second void, the first oxygen ion measurement cell based on the output of the oxygen concentration measurement cell is separated. In spite of controlling the oxygen concentration in the gap by the oxygen ion pump cell, the oxygen concentration near the second oxygen ion pump cell is unstable, and the sensor output largely depends on the oxygen concentration. In addition, two diffusion resistance portions, a first diffusion resistance portion communicating between the atmosphere and the first void portion, and a second diffusion resistance portion communicating between the first void portion and the second void portion,
Since two oxygen ion pump cells and an oxygen concentration measurement cell are required, the manufacturing process becomes complicated, and
There is a problem that variation between lots increases.

【0004】本発明の目的は、簡素な構造を有するNO
xガスセンサ及びそれを用いた濃度測定装置を提供する
ことである。また別の課題は、応答性に優れ、センサ出
力の酸素濃度依存性が低いNOxガスセンサ及びそれを
用いた濃度測定装置並びにNOxガス濃度測定方法を提
供することである。
[0004] It is an object of the present invention to provide a simple NO
An object of the present invention is to provide an x gas sensor and a concentration measuring device using the same. Another object is to provide a NOx gas sensor having excellent responsiveness and low oxygen concentration dependence of sensor output, a concentration measuring device using the same, and a NOx gas concentration measuring method.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、NOxか
ら解離した酸素イオンにより流れる酸素ポンプ電流に基
づきNOxガス濃度を測定するセンサにおいて、被測定
ガスが導入されるセンサ空隙部に面しこの空隙部内の酸
素分圧を検出するための酸素濃度検知電極に、ある期間
定電圧を印加することにより、この酸素濃度検知電極が
酸素ポンプ電極としても機能して、この酸素濃度検知電
極と酸素濃度基準電極間に固体電解質層を介して流れる
酸素ポンプ電流を測定することにより、NOxガス濃度
を測定できることを見出し、鋭意研究を進めた結果、本
発明を完成するに至ったものである。
Means for Solving the Problems In a sensor for measuring a NOx gas concentration based on an oxygen pump current flowing by oxygen ions dissociated from NOx, the present inventors face a sensor gap into which a gas to be measured is introduced. By applying a constant voltage to the oxygen concentration detection electrode for detecting the oxygen partial pressure in the gap for a certain period, the oxygen concentration detection electrode also functions as an oxygen pump electrode, and the oxygen concentration detection electrode and the oxygen It has been found that the NOx gas concentration can be measured by measuring the oxygen pump current flowing through the solid electrolyte layer between the concentration reference electrodes, and as a result of intensive research, the present invention has been completed.

【0006】本発明は下記の視点において次の事項をそ
れぞれ含む。第1の視点:拡散抵抗を介して被測定ガス
が導入される空隙部。空隙部外及び/又は内への酸素の
汲み出しを制御する第1酸素イオンポンプセル。固体電
解質と固体電解質に形成された一対の電極とを備え、少
なくとも一方の電極が空隙部に面する第2セル。第2セ
ルの一対の電極間への所定電圧の印加と非印加を切り替
える切替手段。第2セルの一対の電極間に所定電圧が印
加された際に、空隙部内でNOxが分解され解離した酸
素が第2セルを介して汲み出されることにより、NOx
ガス濃度に応じて一対の電極間に流れる酸素ポンプ電流
を検出する手段。第2セルの一対の電極間に所定電圧が
印加されていないときに、一対の電極間に発生する起電
力に基づき、第1酸素イオンポンプセルによる酸素の汲
み出しを制御する手段。なお、所定電圧とは少なくとも
NOを解離する以上の電圧である。
The present invention includes the following items from the following viewpoints. First viewpoint: a void into which a gas to be measured is introduced via a diffusion resistor. A first oxygen ion pump cell that controls the pumping of oxygen out and / or into the void. A second cell comprising a solid electrolyte and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte, wherein at least one electrode faces the void. Switching means for switching between application and non-application of a predetermined voltage between the pair of electrodes of the second cell; When a predetermined voltage is applied between the pair of electrodes of the second cell, NOx is decomposed in the gap and dissociated oxygen is pumped out through the second cell, so that NOx
Means for detecting an oxygen pump current flowing between a pair of electrodes according to a gas concentration. Means for controlling pumping of oxygen by the first oxygen ion pump cell based on an electromotive force generated between the pair of electrodes when a predetermined voltage is not applied between the pair of electrodes of the second cell. Note that the predetermined voltage is a voltage at least that dissociates NO.

【0007】第2の視点:切替手段は、第2セルが空隙
部内の酸素濃度を検知する酸素濃淡電池セルとして機能
する状態と、NOxガス濃度に応じた酸素ポンプ電流が
流れる第2酸素イオンポンプセルとして機能する状態
を、周期的に切り替えるものであること。第3の視点:
第2セルにおいて、空隙部に面する方の電極を酸素濃度
検知電極、他方の電極を酸素濃度基準電極と定義する
と、酸素濃度基準電極が自己生成基準極である。自己生
成基準極を形成するために酸素濃度基準電極近傍に存在
する酸素は所定電圧が印加された際にNOxが分解され
解離したものであること。
Second viewpoint: The switching means includes a state in which the second cell functions as an oxygen concentration battery cell for detecting the oxygen concentration in the gap, and a second oxygen ion pump in which an oxygen pump current according to the NOx gas concentration flows. The function that functions as a cell must be periodically switched. Third perspective:
In the second cell, when the electrode facing the gap is defined as an oxygen concentration detection electrode and the other electrode is defined as an oxygen concentration reference electrode, the oxygen concentration reference electrode is a self-generated reference electrode. Oxygen present in the vicinity of the oxygen concentration reference electrode for forming the self-generated reference electrode is one in which NOx is decomposed and dissociated when a predetermined voltage is applied.

【0008】第4の視点によれば、空隙部に面する第1
酸素イオンポンプセルの一方の電極は、Pt,Rh,P
d,Ir,Ruから選択される一種以上の金属を含む。さ
らに、Ag,Au,Ni,Co,Cr,Fe,Mn,Cu,T
i,Al,Zn,Sn,Inから選択される1種以上の金属
を含む。空隙部に面する、第2セルの一方の電極はP
t,Rh,Pd,Ir,Ruから選択される一種以上の金属
を含み、Ag,Au,Ni,Co,Cr,Fe,Mn,Cu,T
i,Al,Zn,Sn,Inから選択される1種以上の金属
とを含有する。
[0008] According to a fourth aspect, the first portion facing the gap is provided.
One electrode of the oxygen ion pump cell is composed of Pt, Rh, P
Including one or more metals selected from d, Ir, and Ru. Further, Ag, Au, Ni, Co, Cr, Fe, Mn, Cu, T
It contains at least one metal selected from i, Al, Zn, Sn, and In. One electrode of the second cell facing the void is P
At least one metal selected from the group consisting of t, Rh, Pd, Ir, and Ru, and containing Ag, Au, Ni, Co, Cr, Fe, Mn, Cu, T
and at least one metal selected from i, Al, Zn, Sn, and In.

【0009】第5の視点:拡散抵抗を介して被測定ガス
が導入される空隙部に面する第1及び第2酸素イオンポ
ンプセルを備えたNOxガスセンサを用いる。第2酸素
イオンポンプセルに電圧を印加しないときに、該セルに
発生する酸素濃淡電池起電力に基づき、第1酸素イオン
ポンプセルによる空隙部外及び/又は内への酸素の汲み
出しを制御する。第2酸素イオンポンプセルに電圧を印
加して空隙部内のNOxが分解され解離した酸素が汲み
出されることにより該セルに流れるNOxガス濃度に応
じた酸素ポンプ電流を検出する。検出した酸素ポンプ電
流に基づいてNOxガス濃度を測定する。第6の視点:
第2酸素イオンポンプセルへの電圧の印加と非印加を周
期的に切り替えること。第7の視点:拡散抵抗を介して
被測定ガスが導入される空隙部内に面して、一対の電極
と固体電解質層から構成されるセルが設けられているこ
と。セルはその一対の電極に所定電圧が印加される際
に、NOxを分解し解離した酸素を汲み出すための酸素
イオンポンプセルとして作用すること。セルはその一対
の電極に所定電圧が印加されない際には、空隙部内(被
測定ガス中)の酸素濃度に応じた起電力(電位)を発生
する酸素濃淡電池セルとして作用すること。
Fifth viewpoint: A NOx gas sensor having first and second oxygen ion pump cells facing a gap into which a gas to be measured is introduced via a diffusion resistor is used. When no voltage is applied to the second oxygen ion pump cell, the first oxygen ion pump cell controls the pumping of oxygen into and / or out of the gap based on the electromotive force of the oxygen concentration cell generated in the cell. When a voltage is applied to the second oxygen ion pump cell, NOx in the gap is decomposed and dissociated oxygen is pumped out to detect an oxygen pump current corresponding to the concentration of the NOx gas flowing through the cell. The NOx gas concentration is measured based on the detected oxygen pump current. Sixth perspective:
Periodically switching between application and non-application of a voltage to the second oxygen ion pump cell. Seventh viewpoint: A cell including a pair of electrodes and a solid electrolyte layer is provided facing a gap into which a gas to be measured is introduced via a diffusion resistor. The cell acts as an oxygen ion pump cell for decomposing NOx and pumping out dissociated oxygen when a predetermined voltage is applied to the pair of electrodes. The cell functions as an oxygen concentration battery cell that generates an electromotive force (potential) according to the oxygen concentration in the gap (in the gas to be measured) when a predetermined voltage is not applied to the pair of electrodes.

【0010】本発明によるNOxガスセンサが適用され
るNOxガス濃度測定装置においては、酸素イオンによ
って流れる酸素ポンプ電流に基づいてNOx濃度を検出
しているため、センサ素子内部空隙中の酸素濃度を一定
に制御する必要がある。そこで、本発明によれば、一つ
の空隙に面して1組のセルを配置し、ある期間は、他方
のセル(第2セル)の酸素濃度検出出力に基づき一方の
セル(第1酸素イオンポンプセル)が空隙外又は内へ酸
素を汲み出すことにより、内部空隙内の酸素濃度を可及
的に一定かつ低濃度に制御し、他の期間は他方のセルに
所定の一定電圧を印加することにより空隙内のNOxを
分解し該セルに流れる酸素ポンプ電流からNOxガス濃
度を検出する。従って、本発明によれば、ガスセンサ素
子の構成が簡素であるため応答性が良いガスセンサ及び
測定装置が提供される。また、センサ出力の酸素依存性
を減少させるためには、特に、実際にNOxが解離され
る電極(他方のセルの空隙に面する方の電極)近傍の酸
素濃度を検出し、この付近の酸素濃度を一定かつ低く制
御することが好ましい。本発明によれば、NOxを解離
する電極と酸素濃度を検出する電極が共通であるため、
きわめて酸素依存性が小さいNOxガス濃度測定装置が
提供できる。また、本発明のNOxガス濃度測定装置に
適用されるNOxガスセンサ素子は、従来の素子に比べ
て製作プロセスが簡略化されており、ロット間のバラツ
キも減少されている。
In the NOx gas concentration measuring apparatus to which the NOx gas sensor according to the present invention is applied, since the NOx concentration is detected based on the oxygen pump current flowing by oxygen ions, the oxygen concentration in the internal space of the sensor element is kept constant. You need to control. Therefore, according to the present invention, one set of cells is arranged facing one void, and during one period, one cell (first oxygen ion) is detected based on the oxygen concentration detection output of the other cell (second cell). Pump cell) pumps oxygen into or out of the gap to control the oxygen concentration in the inner gap to be as constant and low as possible, and to apply a predetermined constant voltage to the other cell during other periods. This decomposes NOx in the gap and detects the NOx gas concentration from the oxygen pump current flowing through the cell. Therefore, according to the present invention, there is provided a gas sensor and a measuring device with good responsiveness since the configuration of the gas sensor element is simple. Further, in order to reduce the oxygen dependency of the sensor output, in particular, the oxygen concentration near the electrode where the NOx is actually dissociated (the electrode facing the gap of the other cell) is detected, and the oxygen concentration near this is detected. It is preferable to control the concentration to be constant and low. According to the present invention, since the electrode for dissociating NOx and the electrode for detecting oxygen concentration are common,
It is possible to provide a NOx gas concentration measuring device having extremely low oxygen dependency. Further, the manufacturing process of the NOx gas sensor element applied to the NOx gas concentration measuring device of the present invention is simplified as compared with the conventional element, and the variation between lots is reduced.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を説明する。本発明のNOxガス濃度測定装置に適用
されるNOxガスセンサの好ましい実施の形態において
は、空隙部内に面して設けられた酸素濃度検知電極及び
第1酸素イオンポンプセルの内側電極を、Pt,Rh,P
d,Ir,Ruから選択される一種以上の金属を含むもの
とする。さらに好ましくは、空隙部内に面して設けられ
た酸素濃度検知電極及び第1酸素イオンポンプセルの内
側電極が、Pt,Rh,Pd,Ir,Ruから選択される一
種以上の金属と、Ag,Au,Ni,Co,Cr,Fe,M
n,Cu,Ti,Al,Zn,Sn,Inから選択される1種
以上の金属とを含有するものとする。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. In a preferred embodiment of the NOx gas sensor applied to the NOx gas concentration measuring device of the present invention, the oxygen concentration detection electrode provided inside the gap and the inner electrode of the first oxygen ion pump cell are made of Pt, Rh. , P
It shall include at least one metal selected from d, Ir, and Ru. More preferably, the oxygen concentration detection electrode provided inside the gap and the inner electrode of the first oxygen ion pump cell are one or more metals selected from Pt, Rh, Pd, Ir, and Ru, and Ag, Au, Ni, Co, Cr, Fe, M
It contains at least one metal selected from n, Cu, Ti, Al, Zn, Sn and In.

【0012】セルを構成する酸素イオン伝導性固体電解
質層としては、Y23ないしCaOを固溶させたZrO
2が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金
属元素ないし希土類金属元素の酸化物とZrO2との固
溶体を使用してもよい。また、ベースとなるZrO2
はHfO2が含有されていてもよい。また、部分安定
化、安定化、ないしこれらが混合したZrO2、Ce
2、HfO2、ThO2を用いることができる。安定化
剤として、例えばCaO,MgO,又は希土類酸化物
(例えばY23、La23、Gd23等)の一種以上を
用いる。好ましくは、イットリア部分安定化ジルコニア
粉末(YSZ)を用いる。他の安定化剤或いは他の固体
電解質も用いることができる。
The oxygen ion conductive solid electrolyte layer constituting the cell is made of ZrO in which Y 2 O 3 or CaO is dissolved.
Although 2 is a typical example, a solid solution of ZrO 2 and an oxide of another alkaline earth metal element or a rare earth metal element may be used. Further, ZfO 2 serving as a base may contain HfO 2 . In addition, partial stabilization, stabilization, or a mixture of ZrO 2 and Ce
O 2 , HfO 2 , and ThO 2 can be used. As the stabilizer, for example, one or more of CaO, MgO, and rare earth oxides (for example, Y 2 O 3 , La 2 O 3 , Gd 2 O 3, etc.) are used. Preferably, yttria partially stabilized zirconia powder (YSZ) is used. Other stabilizers or other solid electrolytes can be used.

【0013】酸素濃度基準電極は、安定した電位を発生
できる自己生成基準極であることが好ましく、さらに好
ましくは、自己生成基準極を形成するために酸素濃度基
準電極近傍に存在する酸素は、NOxが分解され解離し
固体電解質層を伝導したものとする。これによって、さ
らにリード線を設ける必要がなくなり、酸素濃度基準電
極を囲むような酸素濃度一定室を新たに設ける必要もな
くなる。
The oxygen concentration reference electrode is preferably a self-generated reference electrode capable of generating a stable potential. More preferably, the oxygen existing near the oxygen concentration reference electrode for forming the self-generated reference electrode is NOx. Is decomposed and dissociated to conduct the solid electrolyte layer. This eliminates the need for further providing a lead wire, and eliminates the need to newly provide a constant oxygen concentration chamber surrounding the oxygen concentration reference electrode.

【0014】第1酸素イオンポンプセルと第2セルとが
異なる固体電解質層上に形成されることにより、異なる
セルの電極間に流れるリーク電流が減少し、正確な濃度
測定が可能となる。好ましくは、各々の固体電解質層間
に絶縁層を設ける。また、NOxを十分に解離させるた
めに、ガスセンサ素子の空隙部を加温するヒータを設け
ることが好ましい。例えば、固体電解質層の積層方向上
下からセラミックヒータ素子を内蔵するヒータ層を、セ
メントを用いた接着などによって付設する。外部測定雰
囲気と空隙部とを連通する拡散抵抗部は、アルミナ多孔
質から構成することが好ましいが、他の材質でもよく、
所定の拡散抵抗が得られれば、隙間としてもよい。空隙
部の一部を画成する絶縁層の材質として、例えばアルミ
ナを用いるが、他の絶縁材料を用いてもよい。
Since the first oxygen ion pump cell and the second cell are formed on different solid electrolyte layers, leak current flowing between electrodes of different cells is reduced, and accurate concentration measurement can be performed. Preferably, an insulating layer is provided between each solid electrolyte layer. Further, in order to sufficiently dissociate NOx, it is preferable to provide a heater for heating the gap of the gas sensor element. For example, a heater layer containing a ceramic heater element is provided from above and below in the stacking direction of the solid electrolyte layers by bonding using cement or the like. The diffusion resistance part communicating the external measurement atmosphere and the void part is preferably made of alumina porous material, but may be made of another material.
If a predetermined diffusion resistance is obtained, a gap may be used. For example, alumina is used as a material of the insulating layer that defines a part of the gap, but another insulating material may be used.

【0015】第2セルの一対の電極間に発生する酸素濃
淡電池起電力を検出する手段は、直接的にこの起電力を
検出しなくてもよく、例えば、空隙部に面する酸素濃度
検知電極を接地し、酸素濃度基準電極に空隙部内の酸素
濃度に応じた濃淡電池起電力があらわれるようにしても
よい。第2セルの一対の電極間への所定電圧の印加又は
非印加を切り替える切替手段は、選択的に、(1)酸素濃
度検知電極と酸素濃度基準電極とを電源を介して接続
し、又は(2)酸素濃度検知電極と第1酸素イオンポンプ
セルの空隙部に面する方の電極(内側電極)とを共に接
地するように構成されることが好ましい。この切替手段
は、周期的に切替を行うことが好ましい。電圧印加期間
と電圧非印加期間はそれぞれ10ms以上とすることが好
ましい。また、第1酸素イオンポンプセルによる酸素の
汲み出しを制御する手段を、前記酸素濃度基準電極に接
続する入力端子と、目標とする空隙部内の酸素濃度に応
じて設定される電圧が入力される参照入力端子と、第1
酸素イオンポンプセルの外側電極に電気的に接続された
出力端子を有する差動増幅器として構成することが好ま
しい。この場合、差動増幅器の出力端子と第1酸素イオ
ンポンプセルの外側電極間に流れる電流IP1から空隙部
内の酸素濃度を求めることができる。
The means for detecting the electromotive force of the oxygen concentration cell generated between the pair of electrodes of the second cell may not directly detect this electromotive force. For example, the oxygen concentration detecting electrode facing the void may be used. May be grounded so that a concentration cell electromotive force corresponding to the oxygen concentration in the void appears at the oxygen concentration reference electrode. The switching means for switching the application or non-application of the predetermined voltage between the pair of electrodes of the second cell selectively (1) connects the oxygen concentration detection electrode and the oxygen concentration reference electrode via a power supply, or ( 2) It is preferable that both the oxygen concentration detecting electrode and the electrode (inner electrode) facing the gap of the first oxygen ion pump cell are grounded. This switching means preferably switches periodically. It is preferable that each of the voltage application period and the voltage non-application period be 10 ms or more. In addition, the means for controlling the pumping of oxygen by the first oxygen ion pump cell includes an input terminal connected to the oxygen concentration reference electrode, and a voltage set according to a target oxygen concentration in the gap. The input terminal and the first
It is preferable to configure the differential amplifier having an output terminal electrically connected to the outer electrode of the oxygen ion pump cell. In this case, the oxygen concentration in the gap can be determined from the current IP1 flowing between the output terminal of the differential amplifier and the outer electrode of the first oxygen ion pump cell.

【0016】また、第1酸素イオンポンプセルによって
空隙部内の酸素濃度制御をする際に、NOx(例えば、
NO)の一部が分解されてもよく、第1酸素イオンポン
プセルに流れる電流IP1に基づいてNOなどの分解量を
補償することが可能である。また、第1酸素イオンポン
プセルによって空隙部内でNO2が分解されてもよい。
When controlling the oxygen concentration in the gap by the first oxygen ion pump cell, NOx (for example,
NO) may be partially decomposed, and it is possible to compensate for the decomposition amount of NO or the like based on the current IP1 flowing through the first oxygen ion pump cell. Further, NO 2 may be decomposed in the void by the first oxygen ion pump cell.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図1は本発明の一実施例に係るNOxガス濃度
測定装置に適用されるNOxガスセンサ素子、図8は比
較例に係るNOxガス濃度測定装置に適用されるNOx
ガスセンサ素子の構造を説明するための図である。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a NOx gas sensor element applied to a NOx gas concentration measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a NOx applied to a NOx gas concentration measuring device according to a comparative example.
It is a figure for explaining the structure of a gas sensor element.

【0018】まず、比較例のセンサ素子について説明す
る。図8に示した比較例のセンサ素子は、4層の固体電
解質層、2つの空隙部2,4、2つの拡散抵抗部1,3
及び2つの酸素イオンポンプセル6,8と酸素濃度測定
セル7(計3つのセル)を有し、酸素濃度(分圧)検知
電極7aとNOxが解離されNOxガス濃度に応じた電
流が流れる第2酸素イオンポンプセル8の内側電極8a
が離れた位置に設けられている。詳細には、第1拡散抵
抗部1を通じて測定雰囲気に連通する第1空隙部2内に
面して酸素濃度検知電極7aと第1酸素イオンポンプセ
ル6(内側電極6b)を設け、酸素濃度基準電極7bは
第2と第3の固体電解質層間に配置され、第2及び第3
固体電解質層を貫通して設けられた多孔質の第2拡散抵
抗部3を通じて第1空隙部2に連通する第2空隙部4内
に面して第2酸素イオンポンプセル8を設け、第2酸素
イオンポンプセル8の内側電極8aは第2空隙部4に面
し、外側電極8bは絶縁層に囲まれてそれぞれ第4の固
体電解質層上に設けられている。
First, a sensor element of a comparative example will be described. The sensor element of the comparative example shown in FIG. 8 has four solid electrolyte layers, two voids 2, 4, two diffusion resistance parts 1, 3
And two oxygen ion pump cells 6 and 8 and an oxygen concentration measurement cell 7 (three cells in total). The oxygen concentration (partial pressure) detection electrode 7a is dissociated from NOx and a current according to the NOx gas concentration flows. Inner electrode 8a of 2 oxygen ion pump cell 8
Are provided at remote locations. More specifically, an oxygen concentration detection electrode 7a and a first oxygen ion pump cell 6 (inner electrode 6b) are provided in the first void portion 2 communicating with the measurement atmosphere through the first diffusion resistance portion 1, and the oxygen concentration reference is provided. The electrode 7b is disposed between the second and third solid electrolyte layers,
A second oxygen ion pump cell 8 is provided facing the inside of the second gap 4 communicating with the first gap 2 through the porous second diffusion resistor 3 provided through the solid electrolyte layer. The inner electrode 8a of the oxygen ion pump cell 8 faces the second gap 4, and the outer electrode 8b is provided on the fourth solid electrolyte layer surrounded by an insulating layer.

【0019】比較例のセンサ素子(図8参照)を適用し
た測定装置は以下のように構成される。すなわち、酸素
濃度測定セル7の一対の電極7a,7b間に発生する電
位差を取り出し、この電位差が所定の一定電位となるよ
うに第1酸素イオンポンプセル6の一対の電極6a,6
b間に電圧を印加するための差動増幅器と電源と、これ
ら一対の電極6a,6b間に流れる電流を検出し酸素濃
度を測定するための電流計が付設される。第2酸素イオ
ンポンプセル8の一対の電極8a,8b間に電源が接続
され、さらにこの電源に直列にNOxガス濃度を測定す
るための電流計が接続される。従って、センサ素子内部
にある6つの電極の出力をそれぞれ取り出すために少な
くとも6つのリード線をセンサ素子内部に設けることが
必要となる。
A measuring device to which the sensor element of the comparative example (see FIG. 8) is applied is configured as follows. That is, the potential difference generated between the pair of electrodes 7a and 7b of the oxygen concentration measurement cell 7 is taken out, and the pair of electrodes 6a and 6 of the first oxygen ion pump cell 6 is set so that the potential difference becomes a predetermined constant potential.
A differential amplifier and a power supply for applying a voltage between the electrodes b and an ammeter for detecting a current flowing between the pair of electrodes 6a and 6b and measuring an oxygen concentration are provided. A power supply is connected between the pair of electrodes 8a and 8b of the second oxygen ion pump cell 8, and an ammeter for measuring the NOx gas concentration is connected in series with the power supply. Therefore, it is necessary to provide at least six lead wires inside the sensor element in order to extract the output of each of the six electrodes inside the sensor element.

【0020】次に、比較例の測定装置を用いたNOxガ
ス濃度測定方法について説明する。酸素濃度測定セル7
が第1空隙部2内の酸素濃度を検知し、該酸素濃度が一
定となるように前記差動増幅器によって第1酸素イオン
ポンプセル6に印加される電圧が制御される。これによ
って、第1空隙部2内から酸素が汲み出され及び/又は
汲み入れられ、酸素濃度が略一定とされたガスが第2空
隙部4に拡散流入し、所定電圧が印加された第2酸素イ
オンポンプセル8はその内側電極8a上でNOxを解離
し、解離した酸素イオンが第4層目の固体電解質層を伝
導することにより、第2酸素イオンポンプセル8の一対
の電極8a,8b間にはNOxガス濃度に応じた酸素ポ
ンプ電流が流れ、これを検出することによりNOxガス
濃度を測定する。
Next, a method of measuring the concentration of NOx gas using the measuring apparatus of the comparative example will be described. Oxygen concentration measurement cell 7
Detects the oxygen concentration in the first gap 2, and controls the voltage applied to the first oxygen ion pump cell 6 by the differential amplifier so that the oxygen concentration becomes constant. As a result, oxygen is pumped and / or pumped from the first gap 2, and the gas having an approximately constant oxygen concentration diffuses and flows into the second gap 4, and the second voltage is applied to the second gap 4. The oxygen ion pump cell 8 dissociates NOx on the inner electrode 8a, and the dissociated oxygen ions conduct through the fourth solid electrolyte layer, thereby forming a pair of electrodes 8a and 8b of the second oxygen ion pump cell 8. During that time, an oxygen pump current corresponding to the NOx gas concentration flows, and by detecting this, the NOx gas concentration is measured.

【0021】これに対し、図2に示した本発明の一実施
例に係るNOxガス濃度測定装置に適用されるNOxガ
スセンサ素子は、3層の固体電解質層、1つの空隙部、
1つの拡散抵抗部、1つの酸素イオンポンプセル及び1
つの共通セル(計2つのセル)を有している。詳細に
は、図1を参照して、1つの空隙部2に面して、第1酸
素イオンポンプセル6と共通セル78が積層され、第1
酸素イオンポンプセル6の内側電極6b及び共通セル7
8の内側共通電極78aが空隙部2内に位置している。
そして、第1酸素イオンポンプセル6の外側電極6aは
測定雰囲気、共通セル78の外側共通電極78bは固体
電解質層間にそれぞれ位置している。内側共通電極78
aは、酸素濃度検知電極又は第2酸素イオンポンプセル
の内側電極として機能する。外側共通電極78bは、酸
素濃度基準電極又は第2酸素イオンポンプセルの外側電
極として機能する。なお、このセンサ素子は、比較例の
センサ素子と同様に酸素イオン伝導性を有する固体電解
質層が積層され、この固体電解質層上に電極がそれぞれ
形成されたものである。また、空隙部2は積層方向に固
体電解質層、固体電解質層平面に沿った方向に絶縁層及
び拡散抵抗部1に囲まれている。拡散抵抗部1は、セン
サ素子短手方向両側面の一部に形成されている。
On the other hand, the NOx gas sensor element applied to the NOx gas concentration measuring apparatus according to one embodiment of the present invention shown in FIG. 2 has three solid electrolyte layers, one void,
One diffusion resistance part, one oxygen ion pump cell and one
It has two common cells (two cells in total). Specifically, referring to FIG. 1, a first oxygen ion pump cell 6 and a common cell 78 are stacked facing one void 2,
Inner electrode 6b of oxygen ion pump cell 6 and common cell 7
Eight inner common electrodes 78 a are located in the gaps 2.
The outer electrode 6a of the first oxygen ion pump cell 6 is located in the measurement atmosphere, and the outer common electrode 78b of the common cell 78 is located between the solid electrolyte layers. Inner common electrode 78
a functions as an oxygen concentration detection electrode or an inner electrode of the second oxygen ion pump cell. The outer common electrode 78b functions as an oxygen concentration reference electrode or an outer electrode of the second oxygen ion pump cell. This sensor element has a structure in which a solid electrolyte layer having oxygen ion conductivity is laminated similarly to the sensor element of the comparative example, and electrodes are formed on the solid electrolyte layer. The void 2 is surrounded by the solid electrolyte layer in the laminating direction and the insulating layer and the diffusion resistor 1 in a direction along the plane of the solid electrolyte layer. The diffusion resistance portion 1 is formed on a part of both side surfaces in the lateral direction of the sensor element.

【0022】図2を参照して、図1に示したNOxガス
センサ素子を適用した本発明の一実施例に係るNOxガ
ス濃度測定装置は以下のように構成される。すなわち、
スイッチ20において、端子20aが内側共通電極78
a、端子20bが節点を介して第1酸素イオンポンプセ
ル6の内側電極6b及びグランド、端子20cが順に電
源25、電流計23及び外側共通電極78bに、それぞ
れ電気的に接続されている。スイッチ20は、不図示の
マイクロコンピュータによって周期的に切替制御され、
酸素濃度検知期間は端子20aと端子20b、NOx濃
度検知期間は端子20aと20cが選択的に接続され
る。さらに、外側共通電極78bは、端子20a,20
bの接続期間に以前の電圧を維持するためのサンプルホ
ールド回路21を介して、差動増幅器22の入力端子に
電気的に接続される。差動増幅器22の参照入力端子に
は基準電圧が入力される。この基準電圧は空隙部2内の
制御目標酸素濃度に対応する。差動増幅器22の出力端
子は、第1酸素イオンポンプセル6の外側電極6aに電
気的に接続され、差動増幅器22の出力によって、空隙
部2内の酸素濃度が一定の低い濃度となるように、第1
酸素イオンポンプセル6による空隙部2からの酸素の汲
み出し及び/又は空隙部2内への酸素の汲み入れが制御
される。
Referring to FIG. 2, a NOx gas concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention to which the NOx gas sensor element shown in FIG. 1 is applied is configured as follows. That is,
In the switch 20, the terminal 20a is connected to the inner common electrode 78.
a, the terminal 20b is electrically connected to the inner electrode 6b and the ground of the first oxygen ion pump cell 6 via the node, and the terminal 20c is sequentially connected to the power supply 25, the ammeter 23, and the outer common electrode 78b. The switch 20 is periodically switched and controlled by a microcomputer (not shown),
The terminals 20a and 20b are selectively connected during the oxygen concentration detection period, and the terminals 20a and 20c are selectively connected during the NOx concentration detection period. Further, the outer common electrode 78b is connected to the terminals 20a, 20
It is electrically connected to the input terminal of the differential amplifier 22 via the sample and hold circuit 21 for maintaining the previous voltage during the connection period b. A reference voltage is input to the reference input terminal of the differential amplifier 22. This reference voltage corresponds to the control target oxygen concentration in the gap 2. The output terminal of the differential amplifier 22 is electrically connected to the outer electrode 6a of the first oxygen ion pump cell 6, and the output of the differential amplifier 22 causes the oxygen concentration in the gap 2 to be a constant low concentration. First,
The pumping of oxygen from the gap 2 and / or the pumping of oxygen into the gap 2 by the oxygen ion pump cell 6 is controlled.

【0023】次に、図3を参照して、本実施例の測定装
置の動作を説明する。(1) 酸素濃度(分圧)制御期間
(酸素濃度検知期間);スイッチ20の端子20a、2
0bを電気的に接続し、内側共通電極78a、外側共通
電極78bを酸素濃度検知セルの一対の電極として作動
させて空隙部2内の酸素濃度を検知し、該酸素濃度が一
定となるように差動増幅器22によって第1酸素イオン
ポンプセル6に印加される電圧が制御される(酸素ポン
プ電流IP1も変化する)。また、電流計23によって酸
素濃度も測定できる。
Next, the operation of the measuring apparatus of this embodiment will be described with reference to FIG. (1) Oxygen concentration (partial pressure) control period (oxygen concentration detection period);
0b is electrically connected, and the inner common electrode 78a and the outer common electrode 78b are operated as a pair of electrodes of the oxygen concentration detection cell to detect the oxygen concentration in the gap 2 so that the oxygen concentration becomes constant. The voltage applied to the first oxygen ion pump cell 6 is controlled by the differential amplifier 22 (the oxygen pump current IP1 also changes). The ammeter 23 can also measure the oxygen concentration.

【0024】(2) 酸素ポンプ制御期間(NOx濃度検
知期間); 斯くして、空隙部2内の酸素濃度が所定の
安定した低濃度になった後、今度はスイッチ20の端子
20a、20cを電気的に接続し、内側共通電極78
a、外側共通電極78bに所定電圧(NOのほとんどが
解離するレベルの電圧)を印加して、これらを第2酸素
イオンポンプセルの一対の電極として作動させる。これ
によって、内側共通電極78a上でNOxが解離し、解
離した酸素イオンが固体電解質層を伝導することによ
り、一対の内側共通電極78a,外側共通電極78b間
にはNOxガス濃度に応じた酸素ポンプ電流IP2が流れ
る。、この酸素ポンプ電流IP2を検出することによりN
Oxガス濃度を測定する。
(2) Oxygen pump control period (NOx concentration detection period) Thus, after the oxygen concentration in the gap 2 has reached a predetermined stable low concentration, the terminals 20a and 20c of the switch 20 are now connected. Electrically connected to the inner common electrode 78
a, A predetermined voltage (a voltage at a level at which most of NO is dissociated) is applied to the outer common electrode 78b, and these are operated as a pair of electrodes of the second oxygen ion pump cell. As a result, NOx is dissociated on the inner common electrode 78a, and the dissociated oxygen ions are conducted through the solid electrolyte layer, so that an oxygen pump corresponding to the NOx gas concentration is provided between the pair of inner common electrode 78a and the outer common electrode 78b. Current IP2 flows. By detecting the oxygen pump current IP2, N
Measure the Ox gas concentration.

【0025】(1)と(2)の動作を繰り返すと、図3に示
したように、(1)の期間ではNOxガス濃度によらず酸
素ポンプ電流IP2が一定であり、(2)の期間ではNOx
ガス濃度に応じて酸素ポンプ電流IP2が変化している。
従って、上記測定装置により、空隙部の酸素濃度を一定
にしつつ、酸素濃度及びNOxガス濃度が測定できるこ
とが分かる。
When the operations of (1) and (2) are repeated, as shown in FIG. 3, the oxygen pump current IP2 is constant regardless of the NOx gas concentration in the period of (1), and the period of (2) Then NOx
The oxygen pump current IP2 changes according to the gas concentration.
Therefore, it can be seen that the oxygen concentration and the NOx gas concentration can be measured by the above-described measuring device while keeping the oxygen concentration in the void portion constant.

【0026】このような本実施例の測定装置によれば、
ガスセンサ素子が有する拡散抵抗部が1つであるためN
Oxガス濃度検出の応答性が向上する。更に酸素濃度検
知電極がNOx濃度検知部を兼ねているため、被測定ガ
ス中の酸素濃度に依存しないNOxガス濃度検知が可能
となる。また、酸素濃度検知電極とNOx濃度検知用の
酸素ポンプ電極を共通化したことにより、製造プロセス
の簡略化、製作バラツキの抑制、等種々の優位性が得ら
れる。
According to the measuring apparatus of this embodiment,
Since the gas sensor element has one diffusion resistor, N
The response of Ox gas concentration detection is improved. Further, since the oxygen concentration detecting electrode also functions as the NOx concentration detecting section, it is possible to detect the NOx gas concentration independent of the oxygen concentration in the gas to be measured. Further, by sharing the oxygen concentration detection electrode and the oxygen pump electrode for NOx concentration detection, various advantages such as simplification of the manufacturing process and suppression of manufacturing variations can be obtained.

【0027】[製造例]前記図1に示した本発明の一実
施例に係るNOxガス濃度測定装置に適用されるNOx
ガスセンサ素子の製造例を説明する。図4は、このセン
サ素子のレイアウトを説明するための図である。このセ
ンサ素子は、図4に示したZrO2グリーンシート及び
電極用のペーストなどが積層され焼成されることにより
作製される。絶縁コート、電極用のペースト材料は、所
定のZrO2グリーンシートにスクリーン印刷されるこ
とにより、絶縁層、電極が所定位置に積層形成される。
以下、ZrO2グリーンシートなど各構成部品の製造例
を説明する。
[Production Example] NOx applied to the NOx gas concentration measuring apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIG.
A production example of the gas sensor element will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining the layout of the sensor element. This sensor element is manufactured by laminating and firing the ZrO 2 green sheet and the electrode paste shown in FIG. The insulating coat and the paste material for the electrode are screen-printed on a predetermined ZrO 2 green sheet, so that the insulating layer and the electrode are laminated at a predetermined position.
Hereinafter, an example of manufacturing each component such as a ZrO 2 green sheet will be described.

【0028】[ZrO2グリーンシート成形]ZrO2
末を大気炉にて仮焼する。仮焼したZrO2粉末、分散
剤、有機溶剤を球石とともに混合し、分散させ、これに
有機バインダーを有機溶剤に溶解させたものを添加し、
混合してスラリーを得た。このスラリーからドクターブ
レード法により、厚さ0.4mm程度のZrO2グリーンシ
ートを作製し、乾燥する。
[ZrO 2 green sheet molding] The ZrO 2 powder is calcined in an atmospheric furnace. A calcined ZrO 2 powder, a dispersant, and an organic solvent are mixed together with cobblestone and dispersed, and a solution obtained by dissolving an organic binder in an organic solvent is added thereto.
Mix to obtain a slurry. A ZrO 2 green sheet having a thickness of about 0.4 mm is prepared from the slurry by a doctor blade method and dried.

【0029】[印刷用ペースト] (1)第1酸素イオンポンプセルの外側電極6a、酸素濃
度基準電極(比較例)7b、外側共通電極78b、第2
酸素イオンポンプセルの内側電極(比較例)8a及び外
側電極(比較例)8b用: 白金粉末、ZrO2粉末、
適量の有機溶剤を混合し、分散させ、これに有機バイン
ダーを有機溶剤に溶解させたものを添加し、さらに粘度
調整剤を添加し、混合してペーストを作製する。
[Printing Paste] (1) Outer electrode 6a of first oxygen ion pump cell, oxygen concentration reference electrode (comparative example) 7b, outer common electrode 78b, second electrode
For inner electrode (comparative example) 8a and outer electrode (comparative example) 8b of oxygen ion pump cell: platinum powder, ZrO 2 powder,
An appropriate amount of an organic solvent is mixed and dispersed, a solution obtained by dissolving an organic binder in the organic solvent is added, and a viscosity modifier is further added and mixed to prepare a paste.

【0030】(2)第1酸素イオンポンプセルの内側電極
6b、酸素濃度検知電極(比較例)7b、内側共通電極
78a用: 白金粉末、ZrO2粉末、金粉末、適量の
有機溶剤を混合し、分散させ、これに有機バインダーを
有機溶剤に溶解させたものを添加し、さらに粘度調整剤
を添加し、混合してペーストを作製する。或いは、Zr
2粉末にAu溶液(例えば塩化金酸溶液など)を含浸
させ、乾燥、焼成して粉末上にAuを付着させることに
より、Au担持粉末を得る。このAu担持粉末とPt粉
末を混合して適宜バインダー、有機溶剤、粘度調整剤を
添加してペーストを得る。
(2) For the inner electrode 6b, oxygen concentration detecting electrode (comparative example) 7b and inner common electrode 78a of the first oxygen ion pump cell: Platinum powder, ZrO 2 powder, gold powder, and an appropriate amount of an organic solvent are mixed. Then, a solution obtained by dissolving an organic binder in an organic solvent is added thereto, and a viscosity modifier is further added and mixed to prepare a paste. Or Zr
An Au solution (for example, chloroauric acid solution or the like) is impregnated in the O 2 powder, dried and fired to deposit Au on the powder, thereby obtaining an Au-supported powder. The Au-supported powder and the Pt powder are mixed, and a binder, an organic solvent, and a viscosity modifier are appropriately added to obtain a paste.

【0031】(3)絶縁コート、保護コート用: アルミ
ナ粉末と適量の有機溶剤を混合し、溶解させ、さらに粘
度調整剤を添加し、混合してペーストを作製する。
(3) For insulating coat and protective coat: A mixture of alumina powder and an appropriate amount of an organic solvent is dissolved, a viscosity modifier is further added and mixed to prepare a paste.

【0032】(4)Pt入り多孔質用(リード線用): ア
ルミナ粉末、白金粉末、有機バインダ、有機溶剤を混合
し分散させ、さらに粘度調整剤を添加し、混合してペー
ストを作製する。
(4) Pt-containing porous material (for lead wire): A powder is prepared by mixing and dispersing alumina powder, platinum powder, an organic binder, and an organic solvent, further adding a viscosity modifier, and mixing.

【0033】(5)拡散抵抗部用: アルミナ粉末、有機
バインダー、有機溶剤を混合し、分散させ、さらに粘度
調整剤を添加し、混合してペーストを作製する。
(5) For diffusion resistance section: Alumina powder, an organic binder, and an organic solvent are mixed and dispersed, and a viscosity modifier is added and mixed to prepare a paste.

【0034】(6)カーボンコート用: カーボン粉末、
有機バインダ、有機溶剤を混合し、分散させ、さらに粘
度調整剤を添加し、混合してペーストを作製する。な
お、カーボンコートを印刷形成することにより、一例を
挙げれば、電極間の電気的接触が防止される。また、カ
ーボンコートは空隙部を形成するために用いられる。カ
ーボンは焼成途中で焼失するので、カーボンコート層は
焼成体には存在しない。
(6) For carbon coating: carbon powder,
An organic binder and an organic solvent are mixed and dispersed, and a viscosity modifier is further added and mixed to prepare a paste. Note that by forming a carbon coat by printing, for example, electrical contact between the electrodes is prevented. Further, the carbon coat is used to form a void. Since carbon is burned off during firing, the carbon coat layer does not exist in the fired body.

【0035】[ZrO2積層方法、脱バインダー及び焼
成] 実施例の場合:1〜3層のZrO2グリーンシー
トを所定時間、所定圧力で加圧して圧着する。圧着した
成形体を、脱バインダーし、焼成する。比較例の場合:
2、3層目圧着後、第2拡散孔が貫通する部分(直径1.
3mm)を打ち抜く。打ち抜き後、第2拡散孔となるグ
リーン円柱状成形体を埋め込み、1〜3層のZrO2
リーンシートを所定時間、所定圧力で加圧して圧着す
る。圧着した成形体を、脱バインダーし、焼成する。
[ZrO 2 Laminating Method, Binder Removal and Firing] In the case of Example: One to three layers of ZrO 2 green sheets are pressurized at a predetermined pressure for a predetermined time and pressed. The pressed compact is debindered and fired. In the case of the comparative example:
After crimping the second and third layers, the part where the second diffusion hole penetrates (diameter 1.
3mm). After the punching, a green columnar molded body serving as the second diffusion hole is embedded, and the first to third layers of the ZrO 2 green sheet are pressed under a predetermined pressure for a predetermined time and pressed. The pressed compact is debindered and fired.

【0036】斯くして得られる実施例のNOxガスセン
サ素子(図1参照)を有する本発明の一実施例に係るN
Oxガス濃度測定装置(図2参照)を用いて種々の試験
を行った。また、図8に示した比較例のNOxガスセン
サを有する比較例に係るNOxガス濃度測定装置を用い
て同様の試験を行った。なお、実施例のNOxガスセン
サ素子の寸法は、固体電解質積層方向に1mm、長手方
向に45mm、短手方向に3.5mmである。比較例のNO
xガスセンサ素子の寸法は固体電解質積層方向に1.3m
m、長手方向に45mm、短手方向に3.5mmである。ま
た、第1拡散抵抗部は平均粒径がφ2μmのアルミナ多
孔質からなる。空隙部の寸法は固体電解質積層方向に50
μm、長手方向に7mm、短手方向に2.2mmである。
According to an embodiment of the present invention having the NOx gas sensor element of the embodiment thus obtained (see FIG. 1).
Various tests were performed using an Ox gas concentration measurement device (see FIG. 2). A similar test was performed using the NOx gas concentration measuring device according to the comparative example having the NOx gas sensor of the comparative example shown in FIG. The dimensions of the NOx gas sensor element of the embodiment are 1 mm in the solid electrolyte laminating direction, 45 mm in the longitudinal direction, and 3.5 mm in the lateral direction. NO of comparative example
x The dimensions of the gas sensor element are 1.3 m in the solid electrolyte stacking direction
m, 45 mm in the longitudinal direction and 3.5 mm in the lateral direction. The first diffusion resistance portion is made of porous alumina having an average particle diameter of φ2 μm. The size of the void is 50 in the solid electrolyte lamination direction.
μm, 7 mm in the longitudinal direction, and 2.2 mm in the lateral direction.

【0037】[試験例1]実施例(図2参照)と比較例
(図8参照)のNOxガス濃度測定装置をそれぞれ用い
て、NOxガス濃度と、内側共通電極78a,外側共通
電極78b間(比較例の場合は電極8a,8b間)に流
れる電流(IP2)の関係について調べた。実施例の場
合、一定濃度のNO又は酸素をセンサ素子に所定時間投
入し、その前半期間を(1)酸素濃度(分圧)制御期間
(酸素濃度検知期間)、後半期間を(2)酸素ポンプ制御
期間(NOx濃度検知期間)とした(他の試験例におい
ても同様)。その他の試験条件を下記に示し、測定結果
を図5に示す。
[Test Example 1] Using the NOx gas concentration measuring devices of the embodiment (see FIG. 2) and the comparative example (see FIG. 8), the NOx gas concentration and the distance between the inner common electrode 78a and the outer common electrode 78b ( In the case of the comparative example, the relationship between the currents (IP2) flowing between the electrodes 8a and 8b) was examined. In the case of the embodiment, a fixed concentration of NO or oxygen is supplied to the sensor element for a predetermined time, and the first half period is (1) the oxygen concentration (partial pressure) control period (oxygen concentration detection period) and the second half period is (2) The control period (NOx concentration detection period) was set (the same applies to other test examples). Other test conditions are shown below, and the measurement results are shown in FIG.

【0038】なお、下記の試験条件において、セル起電
力とは、実施例の場合、内側共通電極78a,外側共通
電極78b間(図1及び図2参照)に発生する起電力
(試験例2,3も同様)、比較例の場合は電極7a,7
b間(図8参照)の起電力である。IP2とは、実施例の
場合、内側共通電極78a,外側共通電極78b間に流
れる電流、比較例の場合、電極8a,8b間の電流であ
る。また、NOx濃度検知において、電圧が印加される
セルは、実施例の場合共通セル78(同一セル)、比較
例の場合第2酸素イオンポンプセル8である。
In the following test conditions, the cell electromotive force refers to an electromotive force generated between the inner common electrode 78a and the outer common electrode 78b (see FIGS. 1 and 2) in the embodiment. 3), and in the case of the comparative example, the electrodes 7a, 7
This is the electromotive force between b (see FIG. 8). IP2 is a current flowing between the inner common electrode 78a and the outer common electrode 78b in the embodiment, and a current between the electrodes 8a and 8b in the comparative example. In the NOx concentration detection, a cell to which a voltage is applied is the common cell 78 (same cell) in the embodiment, and the second oxygen ion pump cell 8 in the comparative example.

【0039】 *試験条件* 被測定ガス組成 NO:0, 500, 1000, 1500ppm O2:7% CO2:10% H2O:10% N2:bal 被測定ガス温度 300℃ 検知部温度 800℃ 酸素濃度制御:セル起電力が350mVになるように制御 NOx濃度検知:セルに700mV印加し、酸素ポンプ電流IP2測定* Test conditions * Composition of gas to be measured NO: 0, 500, 1000, 1500 ppm O 2 : 7% CO 2 : 10% H 2 O: 10% N 2 : bal Temperature of gas to be measured 300 ° C. Detection part temperature 800 ℃ Oxygen concentration control: Control so that the cell electromotive force becomes 350 mV NOx concentration detection: Apply 700 mV to the cell and measure the oxygen pump current IP2

【0040】図5中、連続した実線が実施例の測定装置
によるセンサ出力IP2、菱形のプロットが比較例の測定
装置によるセンサ出力IP2であって、破線は比較例の結
果を補間した結果を示す。図5を参照して、実施例の場
合、(1)空隙部内の酸素濃度を制御している期間、セン
サ出力は一定であるのに対し、(2)NOx濃度を検出し
ている期間は被測定ガス中のNOx濃度に応じてセンサ
出力が変化していることが分かる。そして、(2)の期間
において、実施例と比較例のセンサ出力IP2はほぼ一致
する。従って、実施例のNOxガス濃度測定装置を用い
て、比較例の装置と同様にNOxガス濃度を測定可能で
あることが分かる。
In FIG. 5, a continuous solid line indicates the sensor output IP2 of the measuring device of the embodiment, a diamond-shaped plot indicates the sensor output IP2 of the measuring device of the comparative example, and a broken line indicates the result of interpolation of the result of the comparative example. . Referring to FIG. 5, in the case of the embodiment, (1) the sensor output is constant during the period in which the oxygen concentration in the gap is controlled, while (2) the period during which the NOx concentration is detected is affected. It can be seen that the sensor output changes according to the NOx concentration in the measurement gas. In the period (2), the sensor output IP2 of the example and the sensor output IP2 of the comparative example substantially match. Therefore, it can be seen that the NOx gas concentration can be measured using the NOx gas concentration measurement device of the example, similarly to the device of the comparative example.

【0041】[試験例2]実施例と比較例のNOxガス
濃度測定装置をそれぞれ用いて、センサ出力IP2の酸素
濃度依存性を調べた。試験条件は下記の通りであり、図
6に、試験結果としてNO:0ppmのときの被測定ガス
中の酸素濃度とIP2の関係を示す。
Test Example 2 The oxygen concentration dependency of the sensor output IP2 was examined using the NOx gas concentration measuring devices of the example and the comparative example. The test conditions are as follows. FIG. 6 shows the relationship between the oxygen concentration in the gas to be measured and IP2 when the test result is NO: 0 ppm.

【0042】*試験条件* 被測定ガス組成NO:0ppm、O2:0, 0.5, 1, 7, 16%、
CO2:10%、N 2:bal; 被測定ガス温度300℃;検知部温度800℃; 酸素濃度制御:セル起電力が350mVになるように制
御; NOxガス濃度検知:セルに700mV印加して酸素ポン
プ電流IP2測定。
* Test conditions * Gas composition to be measured NO: 0 ppm, OTwo: 0, 0.5, 1, 7, 16%,
COTwo: 10%, N TwoMeasured gas temperature 300 ° C; detector temperature 800 ° C; Oxygen concentration control: Control so that cell electromotive force becomes 350mV.
NOx gas concentration detection: Applying 700 mV to the cell and applying oxygen
Current IP2 measurement.

【0043】図6を参照して、実施例によれば、酸素濃
度0〜16%の変化に対してもIP2出力は安定してお
り、被測定ガス中の酸素濃度の影響が比較例に対して極
めて少ないことが分かる。従って、内側共通電極78a
上の酸素分圧がより正確に検出され、空隙部2内の酸素
濃度が安定していることが分かる。
Referring to FIG. 6, according to the embodiment, the output of IP2 is stable even when the oxygen concentration changes from 0 to 16%, and the influence of the oxygen concentration in the gas to be measured is smaller than that of the comparative example. It is understood that the number is extremely small. Therefore, the inner common electrode 78a
It can be seen that the upper oxygen partial pressure is detected more accurately, and that the oxygen concentration in the gap 2 is stable.

【0044】[試験例3]実施例と比較例のNOxガス
濃度測定装置を用いて、センサ出力の応答性を調べた。
試験条件は下記の通りであり、図7に試験結果として、
NOの投入量を0ppmから1500ppmに増加した際のセ
ンサ出力の変化を示す。
Test Example 3 The responsiveness of the sensor output was examined using the NOx gas concentration measuring devices of the example and the comparative example.
The test conditions are as follows, and FIG.
The change of the sensor output when the input amount of NO is increased from 0 ppm to 1500 ppm is shown.

【0045】・試験条件 被測定ガス組成NO:0→1500ppm,O2:7%、CO2:10
%、H2O:10%、N2:bal; 被測定ガス温度300℃;検知部温度800℃; 酸素分圧制御:セル起電力が350mVになるように制
御; NOxガス濃度検知:セルに700mV印加して酸素ポン
プ電流IP2測定; 酸素濃度制御とNOxガス濃度検知制御は10msec毎に切
り換え。
Test conditions Gas composition to be measured NO: 0 → 1500 ppm, O 2 : 7%, CO 2 : 10
%, H 2 O: 10%, N 2 : bal; Gas to be measured: 300 ° C .; Detection temperature: 800 ° C .; Oxygen partial pressure control: Control so that cell electromotive force becomes 350 mV; NOx gas concentration detection: To cell 700mV is applied and oxygen pump current IP2 is measured; oxygen concentration control and NOx gas concentration detection control are switched every 10msec.

【0046】図7を参照して、実施例の応答時間は従来
例と比べて約半分であり、応答性良くNO濃度を測定で
きることが分かる。
Referring to FIG. 7, the response time of the embodiment is about half that of the conventional example, and it can be seen that the NO concentration can be measured with good responsiveness.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
センサ構造が簡素化されたNOxガス濃度測定装置が提
供される。さらに、本発明によるNOxガス濃度測定装
置においては、酸素濃度に対するセンサ出力の依存性が
小さくされ、より正確なNOxガス濃度の測定が実現可
能となり、NOx濃度検知の応答性にも優れている。ま
た、本発明によれば、センサ構造が簡素化されているた
め、製作プロセスが簡略化され、ロット間のバラツキも
減少する。
As described above, according to the present invention,
An NOx gas concentration measurement device with a simplified sensor structure is provided. Further, in the NOx gas concentration measuring device according to the present invention, the dependence of the sensor output on the oxygen concentration is reduced, so that more accurate measurement of the NOx gas concentration can be realized and the responsiveness of NOx concentration detection is excellent. Further, according to the present invention, since the sensor structure is simplified, the manufacturing process is simplified, and variation between lots is reduced.

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

【図1】本発明の一実施例に係るNOxガス濃度測定装
置に適用されるNOxガスセンサ素子の構造を説明する
ための図であり、センサ素子を長手方向に切断した面を
示す。
FIG. 1 is a view for explaining a structure of a NOx gas sensor element applied to a NOx gas concentration measuring device according to one embodiment of the present invention, and shows a surface of the sensor element cut in a longitudinal direction.

【図2】図1に示したNOxガスセンサ素子が適用され
た、本発明の一実施例に係るNOxガス濃度測定装置を
説明するための図である。
FIG. 2 is a view for explaining a NOx gas concentration measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, to which the NOx gas sensor element shown in FIG. 1 is applied.

【図3】図2に示した装置の動作を説明するための図で
ある。
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the device shown in FIG. 2;

【図4】図1に示したNOxガスセンサ素子のレイアウ
トを説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a layout of the NOx gas sensor element shown in FIG.

【図5】図2に示した実施例のNOxガス濃度測定装置
と、図8に示す比較例のNOxガスセンサ素子が適用さ
れた比較例に係るNOxガス濃度測定装置と、をそれぞ
れ用いて、NOxガス濃度とセンサ出力IP2の関係を調
べた結果を説明するための図である。
5 is a diagram showing an example in which the NOx gas concentration measuring device of the embodiment shown in FIG. 2 and the NOx gas concentration measuring device of the comparative example to which the NOx gas sensor element of the comparative example shown in FIG. 8 is applied, respectively. FIG. 7 is a diagram for explaining a result of examining a relationship between a gas concentration and a sensor output IP2.

【図6】図2に示した実施例のNOxガス濃度測定装置
と、図8に示す比較例のNOxガスセンサ素子が適用さ
れた比較例に係るNOxガス濃度測定装置と、をそれぞ
れ用いて、センサ出力の酸素濃度依存性を調べた結果を
説明するための図である。
6 shows a sensor using the NOx gas concentration measuring device of the embodiment shown in FIG. 2 and a NOx gas concentration measuring device according to a comparative example to which the NOx gas sensor element of the comparative example shown in FIG. 8 is applied, respectively. FIG. 9 is a diagram for explaining the result of examining the oxygen concentration dependence of the output.

【図7】図2に示した実施例のNOxガス濃度測定装置
と、図8に示す比較例のNOxガスセンサ素子が適用さ
れた比較例に係るNOxガス濃度測定装置と、をそれぞ
れ用いて、センサ出力の応答性を調べた結果を説明する
ための図である。
FIG. 7 shows a sensor using the NOx gas concentration measuring device of the embodiment shown in FIG. 2 and a NOx gas concentration measuring device according to a comparative example to which the NOx gas sensor element of the comparative example shown in FIG. 8 is applied. FIG. 9 is a diagram for describing a result of examining output responsiveness.

【図8】比較例に係るNOxガス濃度測定装置に適用さ
れるNOxガスセンサ素子の構造を説明するための図で
ある。
FIG. 8 is a diagram for explaining a structure of a NOx gas sensor element applied to a NOx gas concentration measuring device according to a comparative example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:拡散抵抗部 2:空隙部 6:第1酸素イオンポンプセル 6a:外側電極 6b:内側電極 7:酸素濃度検知セル 20:切替手段 22:電流計(酸素ポンプ電流IP2検出手段) 23:差動増幅器(第1酸素イオンポンプセルによる酸
素汲み出しを制御する手段) 78:共通セル(第2セル) 78a:内側共通電極(酸素濃度測定電極) 78b:外側共通電極(酸素濃度基準電極)
1: Diffusion resistance part 2: Void part 6: First oxygen ion pump cell 6a: Outer electrode 6b: Inner electrode 7: Oxygen concentration detecting cell 20: Switching means 22: Ammeter (oxygen pump current IP2 detecting means) 23: Difference Dynamic amplifier (means for controlling pumping of oxygen by the first oxygen ion pump cell) 78: common cell (second cell) 78a: inner common electrode (oxygen concentration measuring electrode) 78b: outer common electrode (oxygen concentration reference electrode)

フロントページの続き (72)発明者 石田 昇 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内Continued on the front page (72) Inventor Noboru Ishida 14-18, Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi Inside Japan Specialty Ceramics Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される
空隙部と、 前記空隙部外及び/又は内へ酸素を汲み出す第1酸素イ
オンポンプセルと、 固体電解質と、該固体電解質に形成された一対の電極
と、を備え、少なくとも一方の該電極が前記空隙部に面
する第2セルと、 前記第2セルの一対の電極間への所定電圧の印加と非印
加を切り替える切替手段と、 前記第2セルの一対の電極間に所定電圧が印加された際
に、前記空隙部内でNOxが分解され解離した酸素が該
第2セルを介して汲み出されることにより、NOxガス
濃度に応じて該一対の電極間に流れる酸素ポンプ電流を
検出する手段と、 前記第2セルの一対の電極間に所定電圧が印加されてい
ないときに、該一対の電極間に発生する起電力に基づ
き、前記第1酸素イオンポンプセルによる酸素の汲み出
しを制御する手段と、 有することを特徴とするNOxガス濃度測定装置。
1. A gap into which a gas to be measured is introduced via a diffusion resistor; a first oxygen ion pump cell for pumping oxygen out and / or into the gap; a solid electrolyte; A second cell having a pair of electrodes formed, at least one of the electrodes facing the gap, and switching means for switching between application and non-application of a predetermined voltage between the pair of electrodes of the second cell. When a predetermined voltage is applied between the pair of electrodes of the second cell, NOx is decomposed in the gap and dissociated oxygen is pumped out through the second cell, so that the NOx gas concentration is reduced. Means for detecting an oxygen pump current flowing between the pair of electrodes in response to the electromotive force generated between the pair of electrodes when a predetermined voltage is not applied between the pair of electrodes of the second cell. , The first oxygen ion pump cell NOx gas concentration measuring device comprising means for controlling the pumping of oxygen by, that it has.
【請求項2】前記切替手段は、前記第2セルが、前記空
隙部内の酸素濃度を検知する酸素濃淡電池セルとして機
能する状態と、NOxガス濃度に応じた酸素ポンプ電流
が流れる第2酸素イオンポンプセルとして機能する状態
を、周期的に切り替えるものであることを特徴とする請
求項1記載のNOxガス濃度測定装置。
2. The switching means according to claim 1, wherein said second cell functions as an oxygen concentration battery cell for detecting an oxygen concentration in said gap, and a second oxygen ion through which an oxygen pump current flows according to a NOx gas concentration. 2. The NOx gas concentration measurement device according to claim 1, wherein a state of functioning as a pump cell is periodically switched.
【請求項3】前記第2セルにおいて、前記空隙部に面す
る方の電極を酸素濃度検知電極、他方の電極を酸素濃度
基準電極とすると、 前記酸素濃度基準電極が自己生成基準極であって、自己
生成基準極を形成するために該酸素濃度基準電極近傍に
存在する酸素は、前記所定電圧が印加された際にNOx
が分解され解離したものであることを特徴とする請求項
1又は2記載のNOxガス濃度測定装置。
3. In the second cell, if the electrode facing the gap is an oxygen concentration detection electrode and the other electrode is an oxygen concentration reference electrode, the oxygen concentration reference electrode is a self-generated reference electrode. Oxygen present near the oxygen concentration reference electrode to form a self-generated reference electrode becomes NOx when the predetermined voltage is applied.
3. The NOx gas concentration measuring device according to claim 1, wherein the NOx gas is decomposed and dissociated.
【請求項4】前記空隙部に面した、前記第1酸素イオン
ポンプセルの一方の電極と前記第2セルの一方の電極と
が、Pt,Rh,Pd,Ir,Ruから選択される一種以上
の金属と、Ag,Au,Ni,Co,Cr,Fe,Mn,Cu,
Ti,Al,Zn,Sn,Inから選択される1種以上の金
属と、を含有することを特徴とする請求項1〜3のいず
れか一に記載のNOxガス濃度測定装置。
4. One or more electrodes of the first oxygen ion pump cell and one electrode of the second cell facing the void are selected from the group consisting of Pt, Rh, Pd, Ir, and Ru. Ag, Au, Ni, Co, Cr, Fe, Mn, Cu,
The NOx gas concentration measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising at least one metal selected from Ti, Al, Zn, Sn, and In.
【請求項5】拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される
空隙部に面して第1及び第2酸素イオンポンプセルを備
えたNOxガスセンサを用いて、 前記第2酸素イオンポンプセルに電圧を印加しないとき
に、該セルに発生する酸素濃淡電池起電力に基づき、前
記第1酸素イオンポンプセルによる前記空隙部外及び/
又は内への酸素の汲み出しを制御し、 前記第2酸素イオンポンプセルに電圧を印加して、前記
空隙部内のNOxが分解され解離した酸素が汲み出され
ることにより該セルに流れるNOxガス濃度に応じた酸
素ポンプ電流を検出し、該検出した酸素ポンプ電流に基
づいてNOxガス濃度を測定することを特徴とするNO
xガス濃度測定方法。
5. A voltage is applied to said second oxygen ion pump cell by using a NOx gas sensor having first and second oxygen ion pump cells facing a gap into which a gas to be measured is introduced via a diffusion resistor. Is not applied, based on the electromotive force of the oxygen concentration cell generated in the cell, the outside of the gap and / or
Or, controlling the pumping of oxygen into the inside, applying a voltage to the second oxygen ion pump cell, the NOx in the void is decomposed, and the dissociated oxygen is pumped out to reduce the NOx gas concentration flowing through the cell. Detecting a corresponding oxygen pump current and measuring a NOx gas concentration based on the detected oxygen pump current.
x Gas concentration measurement method.
【請求項6】前記第2酸素イオンポンプセルへの電圧の
印加と非印加を周期的に切り替えることを特徴とする請
求項5記載のNOxガス濃度測定方法。
6. The NOx gas concentration measuring method according to claim 5, wherein the application and non-application of a voltage to said second oxygen ion pump cell are periodically switched.
【請求項7】拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される
空隙部内に面して、一対の電極と固体電解質層から構成
されるセルが設けられ、 前記セルは、前記一対の電極に所定電圧が印加される際
に、NOxを分解し解離した酸素を汲み出すための酸素
イオンポンプセルとして作用し、前記一対の電極に前記
所定電圧が印加されない際には、前記空隙部内の酸素濃
度に応じた起電力を発生する酸素濃淡電池セルとして作
用することを特徴とするNOxガスセンサ。
7. A cell comprising a pair of electrodes and a solid electrolyte layer is provided facing a space into which a gas to be measured is introduced via a diffusion resistor. When a voltage is applied, it acts as an oxygen ion pump cell for decomposing NOx and pumping out the dissociated oxygen, and when the predetermined voltage is not applied to the pair of electrodes, the oxygen concentration in the gap is reduced. A NOx gas sensor that functions as an oxygen concentration battery cell that generates a corresponding electromotive force.
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