JP2010122187A - Nitrogen oxide concentration detector and method of manufacturing gas sensor element - Google Patents

Nitrogen oxide concentration detector and method of manufacturing gas sensor element Download PDF

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Seiji Oya
誠二 大矢
Tomohiro Wakazono
知宏 若園
Koji Shiotani
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce detection error (correction error) of NOx concentration caused by temperature dependency of the current Ip1 in a gas concentration detector 1 which corrects the current Ip2 having oxygen concentration dependency while being detected according to the amount of decomposition of NOx with the current Ip1 according to the oxygen concentration in exhaust gas. <P>SOLUTION: When the diffusion resistance of a first porous part 151 is defined as D1 and the diffusion resistance of a first measuring room 150 where exhaust gas is induced through the first porous part 151 is defined as D2, these are constituted so as to satisfy 0.5<D1/(D1+D2)≤0.9. The first porous part 151 is constituted so that the diameters of pores are involved in the range of 10-4,000 nm, Thereby, the variation of flow-in amount of the introduced exhaust gas with variation of temperature is mostly prevented in the first porous part 151. With this, the flow-in amount of the exhaust gas is stabilized (temperature dependency is reduced) so that the correction error of the current Ip2 with the current Ip1 is reduced even when the temperature of the first porous part 151 varies. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃焼器や内燃機関の排ガス成分における窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出装置、及び窒素酸化物濃度検出装置におけるガスセンサ素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a nitrogen oxide concentration detection device that detects a nitrogen oxide concentration in exhaust gas components of a combustor or an internal combustion engine, and a method for manufacturing a gas sensor element in the nitrogen oxide concentration detection device.

従来、エンジン等の排ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度を測定し、エンジンの制御や触媒のコントロールを行うことがなされている。そして、この分野では、排ガス中に含まれる酸素濃度を予め低減し、その後、酸素濃度を低減したガス中のNOxを分解して、分解量に応じて流れる電流からNOx濃度を検出する構成のNOx濃度検出装置が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。   Conventionally, nitrogen oxide (NOx) concentration in exhaust gas from an engine or the like is measured to control the engine or the catalyst. In this field, the NOx concentration is configured such that the oxygen concentration contained in the exhaust gas is reduced in advance, and then the NOx in the gas with the reduced oxygen concentration is decomposed, and the NOx concentration is detected from the current flowing according to the decomposition amount. A concentration detection device is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

この種のNOx濃度検出装置では、より具体的に、第1多孔質部を介して排ガスが導入される第1測定室と、第1測定室内の排ガスに対し酸素のポンピング(汲み出し或いは汲み入れ)を行う第1ポンプセルと、第1測定室内において酸素の汲み出し或いは汲み入れが行われたガスが第2多孔質部を介して導入される第2測定室と、第2測定室内のNOxを分解し、分解後の酸素イオン量に応じた(酸素イオンの移動量に応じた)電流が流れる第2ポンプセルと、を有するNOxセンサを用い、NOx濃度が検出される。つまり、NOx濃度検出装置は、第2ポンプセルに流れる電流(以下、第2ポンプセル電流ともいう)の値からNOx濃度を検出する。   More specifically, in this type of NOx concentration detector, oxygen is pumped (pumped or pumped) into the first measurement chamber into which the exhaust gas is introduced through the first porous portion and the exhaust gas in the first measurement chamber. A first pump cell for performing oxygen, a second measurement chamber into which oxygen pumped or pumped gas is introduced through the second porous portion, and NOx in the second measurement chamber is decomposed. The NOx concentration is detected using a NOx sensor having a second pump cell through which a current (according to the amount of movement of oxygen ions) flows according to the amount of oxygen ions after decomposition. That is, the NOx concentration detection device detects the NOx concentration from the value of the current flowing through the second pump cell (hereinafter also referred to as the second pump cell current).

ところで、このようなNOx濃度検出装置の場合、NOx濃度が一定であっても、排ガス中の酸素濃度が変動するとそれに伴い第2ポンプセル電流が変動するという問題がある。   By the way, in the case of such a NOx concentration detection device, there is a problem that even if the NOx concentration is constant, if the oxygen concentration in the exhaust gas varies, the second pump cell current varies accordingly.

例えば、排ガス中の酸素濃度が0(ゼロ)の場合、第1ポンプセルによって汲み出される酸素はないため、第2測定室に流入するガス濃度割合(排ガスに含まれる各成分の割合)は変化しない。これに対し、排ガス中の酸素濃度が増加するに従って、第1ポンプセルで汲み出される酸素量は増加し、この結果、第2測定室に流入するガス濃度割合は、酸素濃度が減少した分だけ増大する。すなわち、排ガス中の酸素濃度が高いほど、第2測定室に占める窒素酸化部物濃度が増大し、窒素酸化物の分解によって生じる酸素量に比例する第2ポンプセルの電流量が増加することとなり、窒素酸化物濃度に対するセンサの感度は上昇する。よって、より正確な窒素酸化物濃度を算出するためには、このようなセンサの感度上昇は無視できず、補正することが必要となる。   For example, when the oxygen concentration in the exhaust gas is 0 (zero), there is no oxygen pumped out by the first pump cell, so the gas concentration ratio (ratio of each component contained in the exhaust gas) flowing into the second measurement chamber does not change. . On the other hand, as the oxygen concentration in the exhaust gas increases, the amount of oxygen pumped out by the first pump cell increases, and as a result, the gas concentration ratio flowing into the second measurement chamber increases as the oxygen concentration decreases. To do. That is, as the oxygen concentration in the exhaust gas is higher, the concentration of nitrogen oxides in the second measurement chamber increases, and the amount of current in the second pump cell that is proportional to the amount of oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides increases. The sensitivity of the sensor to nitrogen oxide concentration increases. Therefore, in order to calculate a more accurate nitrogen oxide concentration, such an increase in sensitivity of the sensor cannot be ignored and must be corrected.

そこで、例えば特許文献2,3では、第1ポンプセルによって汲み出される酸素量(第1ポンプセルに流れる電流量)に応じて、第2ポンプセル電流に基づいて得られるNOx濃度を補正するようにしている。
特開平8−271476号公報 特開2002−116180号公報 特開平11−23528号公報
Thus, for example, in Patent Documents 2 and 3, the NOx concentration obtained based on the second pump cell current is corrected in accordance with the amount of oxygen pumped by the first pump cell (the amount of current flowing through the first pump cell). .
JP-A-8-271476 JP 2002-116180 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-23528

しかしながら、第1ポンプセルの電流量は、第1多孔質部の入り口から第2多孔質部の入り口までの温度変化によって変動する。即ち、上記温度変化に伴って、第1多孔質部の入り口から第2多孔質部の入り口まで流れる排ガスの流量が変動する。第1多孔質部の気孔径は、ガス拡散種の(排ガスに含まれる各種粒子それぞれの)平均自由行程(分子や電子等の散乱源によって妨害されることなく進むことのできる距離の平均値)よりも十分大きいため、ガス拡散は、分子拡散が支配的になり、ほぼ温度のみに比例する。また、第1測定室は空間であるため、第1多孔質部と略同様に考える事ができる。よって、NOx濃度検出装置において、温度変動下では、第1多孔質部の入り口から第2多孔質部の入り口までの温度も変動してしまうため、ガス拡散量が変化してしまう。このため、第1ポンプセルの電流量に基づいて推測される排ガスの流入量と実際の排ガスの流入量とは、温度変動によっては大きな誤差が生じる場合がある。なお、第1多孔質部の入り口から第2多孔質部の入り口までの温度は、NOx濃度検出装置を活性する為にそのNOx濃度検出装置に取り付けられるヒータの温度分布や、NOx濃度検出装置の構成、NOx濃度検出装置の取り付け治具の温度、排ガス温度、ガス流速等により変動する。   However, the amount of current in the first pump cell varies depending on the temperature change from the entrance of the first porous portion to the entrance of the second porous portion. That is, with the temperature change, the flow rate of the exhaust gas flowing from the entrance of the first porous portion to the entrance of the second porous portion varies. The pore diameter of the first porous part is the average free path of each gas diffusion species (each of the various particles contained in the exhaust gas) (the average value of the distance that can travel without being disturbed by scattering sources such as molecules and electrons). Gas diffusion is dominated by molecular diffusion and is approximately proportional to temperature only. Further, since the first measurement chamber is a space, it can be considered substantially the same as the first porous portion. Therefore, in the NOx concentration detection device, the temperature from the entrance of the first porous portion to the entrance of the second porous portion also fluctuates under temperature fluctuations, so that the gas diffusion amount changes. For this reason, a large error may occur between the inflow amount of the exhaust gas estimated based on the current amount of the first pump cell and the actual inflow amount of the exhaust gas depending on temperature fluctuations. Note that the temperature from the entrance of the first porous portion to the entrance of the second porous portion is the temperature distribution of the heater attached to the NOx concentration detection device in order to activate the NOx concentration detection device, or the temperature of the NOx concentration detection device. It varies depending on the configuration, the temperature of the attachment jig of the NOx concentration detection device, the exhaust gas temperature, the gas flow rate, and the like.

そして、例えば特許文献2,3のように第1ポンプセルによって汲み出される酸素量に応じてNOx濃度を補正するようなNOx濃度検出装置において、実際のNOx濃度は一定であるにもかかわらず、前述のような温度依存性の影響により補正に誤差が生じ、ひいてはNOx濃度出力に誤差が生じる場合がある。   And, for example, in the NOx concentration detecting device that corrects the NOx concentration according to the amount of oxygen pumped out by the first pump cell as in Patent Documents 2 and 3, the above-mentioned NOx concentration is constant although the actual NOx concentration is constant. There is a case where an error occurs in the correction due to the influence of the temperature dependency as described above and an error occurs in the NOx concentration output.

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、測定対象ガスの窒素酸化物濃度を検出する窒素酸化物濃度検出装置において、温度変化に伴う窒素酸化物濃度の検出誤差を低減することを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to reduce a detection error of a nitrogen oxide concentration accompanying a temperature change in a nitrogen oxide concentration detection device that detects a nitrogen oxide concentration of a measurement target gas. To do.

上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、第1多孔質部を介して測定対象ガスが導入される第1測定室と、第1固体電解質体及び該第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、その一対の第1電極の一方の電極が前記第1測定室内に配置され、前記第1測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第1ポンプセルと、前記第1測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第2多孔質部を介して導入される第2測定室と、第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、その一対の第2電極のうち一方の電極が前記第2測定室内に配置されて、その第2測定室における窒素酸化物濃度に応じた電流が流れる第2ポンプセルと、一対の第3電極を有し、その一対の第3電極の一方の電極が第1測定室内及び/又は第2測定室内で、且つ前記測定対象ガスが流れる流路における前記第1電極と前記第2電極との間に配置され、前記第1測定室内及び/又は第2測定室内の酸素濃度に応じて前記第3電極に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、前記第1ポンプセルに基づいて得られる酸素濃度に応じて、前記第2ポンプセルに流れる電流に基づいて得られる窒素酸化物濃度を補正する補正手段と、を備えた窒素酸化物濃度検出装置において、第1多孔質部の拡散抵抗をD1、第1測定室における拡散抵抗をD2とした場合、0.5<D1/(D1+D2)≦0.9を満たすように構成され、かつ、第1多孔質部は、気孔径が10〜4000nmの範囲に含まれるように構成されていることを特徴とする窒素酸化物濃度検出装置である。   The invention according to claim 1, which has been made to achieve the above object, includes a first measurement chamber into which a measurement target gas is introduced through a first porous portion, a first solid electrolyte body, and the first solid electrolyte. A pair of first electrodes formed on the body, wherein one of the pair of first electrodes is disposed in the first measurement chamber, and oxygen with respect to the measurement target gas introduced into the first measurement chamber A first pump cell that pumps out or pumps in, a second measurement chamber into which the measurement target gas into which oxygen has been pumped out or pumped in the first measurement chamber is introduced via a second porous portion, A second solid electrolyte body and a pair of second electrodes formed on the second solid electrolyte body, wherein one of the pair of second electrodes is disposed in the second measurement chamber, 2 Current flows according to the nitrogen oxide concentration in the measurement chamber The second pump cell and a pair of third electrodes, wherein one electrode of the pair of third electrodes is in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber, and the flow path in which the measurement target gas flows An oxygen concentration detection cell disposed between one electrode and the second electrode and generating a voltage in the third electrode in accordance with an oxygen concentration in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber; In the nitrogen oxide concentration detecting device, comprising: a correcting means for correcting the nitrogen oxide concentration obtained based on the current flowing through the second pump cell according to the oxygen concentration obtained based on the pump cell. When the diffusion resistance of the part is D1 and the diffusion resistance in the first measurement chamber is D2, it is configured to satisfy 0.5 <D1 / (D1 + D2) ≦ 0.9, and the first porous part The range of the pore diameter is 10 to 4000 nm It is configured to include a nitrogen oxide concentration detection apparatus according to claim.

この窒素酸化物濃度検出装置では、第1ポンプセルにより、第1測定室における測定対象ガス(排ガス)に対し酸素の汲み出し或いは汲み入れを行って、排ガスの酸素濃度を目標濃度にする。具体的に、酸素濃度検知セルに発生する電圧が予め定められた目標値(第1測定室の酸素濃度が一定となるように予め定められた目標値)に近づくように第1測定室内の酸素濃度を調整する。   In this nitrogen oxide concentration detector, oxygen is pumped or pumped into the measurement target gas (exhaust gas) in the first measurement chamber by the first pump cell, and the oxygen concentration of the exhaust gas is set to the target concentration. Specifically, the oxygen in the first measurement chamber is such that the voltage generated in the oxygen concentration detection cell approaches a predetermined target value (predetermined target value so that the oxygen concentration in the first measurement chamber becomes constant). Adjust the density.

酸素濃度が目標濃度にされた排ガスは、第2多孔質部を介して第2測定室に導入される。第2測定室では窒素酸化物が分解され、第2ポンプセルには、窒素酸化物の分解により生じた酸素イオン量に応じた(つまり、窒素酸化物濃度に応じた)電流(以下、第2ポンプセル電流ともいう)が流れる。   The exhaust gas whose oxygen concentration is set to the target concentration is introduced into the second measurement chamber through the second porous portion. Nitrogen oxide is decomposed in the second measurement chamber, and the second pump cell has a current (hereinafter, second pump cell) corresponding to the amount of oxygen ions generated by the decomposition of nitrogen oxide (that is, according to the concentration of nitrogen oxide). Current).

ところで、第2測定室には、窒素酸化物の分解により生じた酸素イオンと、当初から残留していた酸素が分解されたことにより生じた酸素イオンとが含まれる。このため、第2ポンプセルには、その両者を加算した分の第2ポンプセル電流が流れる。つまり、酸素濃度(残留酸素)によって、第2ポンプセル電流は変動する。   Incidentally, the second measurement chamber contains oxygen ions generated by the decomposition of nitrogen oxides and oxygen ions generated by the decomposition of oxygen remaining from the beginning. For this reason, the second pump cell current corresponding to the sum of the two flows through the second pump cell. That is, the second pump cell current varies depending on the oxygen concentration (residual oxygen).

また、排ガスの酸素濃度が増加するに従って、第2測定室を占める窒素酸化物濃度が増大し、窒素酸化物の分解により生じる酸素量に比例する第2ポンプセル電流が増加する。   Further, as the oxygen concentration of the exhaust gas increases, the concentration of nitrogen oxides occupying the second measurement chamber increases, and the second pump cell current proportional to the amount of oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides increases.

補正手段は、残留酸素、及び第1ポンプセルの電流(以下、第1ポンプセル電流ともいう)に基づいて得られる酸素濃度(言い換えると、第1ポンプセル電流に基づいて得られる排出した酸素量)に応じて、第2ポンプセル電流に基づいて得られる窒素酸化物濃度を補正する手段である。   The correction means corresponds to the residual oxygen and the oxygen concentration obtained based on the current of the first pump cell (hereinafter also referred to as the first pump cell current) (in other words, the amount of discharged oxygen obtained based on the first pump cell current). And means for correcting the nitrogen oxide concentration obtained based on the second pump cell current.

さらに、本請求項1の窒素酸化物濃度検出装置では、温度依存性に起因する窒素酸化物濃度の検出誤差を低減することができる。以下説明する。   Furthermore, in the nitrogen oxide concentration detection device according to the first aspect of the present invention, it is possible to reduce the detection error of the nitrogen oxide concentration caused by temperature dependency. This will be described below.

まず最初に、拡散抵抗とは、流体の流れにくさ(或いは流れやすさ)を表す。また、第1測定室における拡散抵抗とは、第1多孔質部の内壁から例えば第2多孔質部の第1測定室側の内壁に至るまでの排ガスの経路における拡散抵抗である。そして、この拡散抵抗は、第1多孔質部から第1測定室に流入する排ガスの単位時間あたりの流量に影響を及ぼす。例えば、拡散抵抗が大きいほど(つまり、流体が流れにくいほど)、第1多孔質部から第1測定室に流入する排ガスの単位時間あたりの流量は減少すると考えられ、逆に、拡散抵抗が小さいほど(つまり、流体が流れやすいほど)、第1多孔質部から第1測定室に流入する排ガスの単位時間あたりの流量は増大すると考えられる。   First, the diffusion resistance represents the difficulty (or the ease of flow) of fluid flow. The diffusion resistance in the first measurement chamber is the diffusion resistance in the exhaust gas path from the inner wall of the first porous portion to the inner wall of the second porous portion on the first measurement chamber side, for example. The diffusion resistance affects the flow rate per unit time of the exhaust gas flowing from the first porous portion into the first measurement chamber. For example, it is considered that the flow rate per unit time of the exhaust gas flowing from the first porous portion into the first measurement chamber decreases as the diffusion resistance increases (that is, the fluid does not flow easily). It is considered that the flow rate per unit time of the exhaust gas flowing into the first measurement chamber from the first porous portion increases as the fluid flows more easily (that is, the fluid flows more easily).

そして、拡散抵抗の大きい部位が、ガス流入量の安定度に対する寄与が大きくなると考えられる。よって、拡散抵抗が大きい部位の温度依存性(ガス流入量の、温度による変動量)が大きい場合、問題となる。   And it is thought that the site | part with a large diffusion resistance becomes large with respect to the stability with respect to the stability of gas inflow. Therefore, it becomes a problem when the temperature dependency (the amount of fluctuation of the gas inflow amount due to temperature) of the portion where the diffusion resistance is large is large.

この点、本請求項1の窒素酸化物濃度検出装置においては、第1多孔質部の拡散抵抗をD1、第1測定室における拡散抵抗をD2とした場合、0.5<D1/(D1+D2)≦0.9(以下、拡散抵抗条件と記載する)を満たすように構成することで、第1多孔質部の拡散抵抗を大きくするようにしている。ガス拡散量を第1多孔質部で絞った状態で第1測定室にガスを導入して、第1測定室での酸素の汲み出しを十分に行うことができる。   In this respect, in the nitrogen oxide concentration detection apparatus according to the first aspect of the present invention, when the diffusion resistance of the first porous portion is D1 and the diffusion resistance in the first measurement chamber is D2, 0.5 <D1 / (D1 + D2) By configuring so as to satisfy ≦ 0.9 (hereinafter referred to as diffusion resistance condition), the diffusion resistance of the first porous portion is increased. It is possible to sufficiently pump out oxygen in the first measurement chamber by introducing gas into the first measurement chamber in a state where the gas diffusion amount is restricted by the first porous portion.

しかも、第1多孔質部の気孔径が10〜4000nmの範囲に含まれるように(気孔径が従来より小さくなるように)構成することで、温度依存性の問題を低減している。この点について、まず、気孔径が4000nmより大きい場合、温度依存性が無視できないほど大きくなってしまう。この理由の1つとして、気孔径がガス拡散種の平均自由行程よりも十分大きいため、ガス拡散は、分子拡散が支配的になり、温度依存性が大きくなるため、という点が挙げられる。本請求項1では、気孔径を4000nm以下としており、そのような温度依存性の問題を低減できる。   Moreover, the problem of temperature dependence is reduced by configuring the first porous portion so that the pore diameter is included in the range of 10 to 4000 nm (so that the pore diameter is smaller than the conventional one). In this regard, first, when the pore diameter is larger than 4000 nm, the temperature dependency becomes so large that it cannot be ignored. One reason for this is that, since the pore diameter is sufficiently larger than the mean free path of the gas diffusion species, the molecular diffusion is dominant in the gas diffusion and the temperature dependency is increased. According to the first aspect of the present invention, the pore diameter is set to 4000 nm or less, and such a temperature dependency problem can be reduced.

尚、気孔径が10nmより小さいと、排ガスの流入が極端に遅くなり応答性が低下する。本請求項1では、気孔径を10nm以上とし、応答性の低下の問題も回避するようにしている。   If the pore diameter is smaller than 10 nm, the inflow of exhaust gas becomes extremely slow and the responsiveness decreases. According to the first aspect of the present invention, the pore diameter is set to 10 nm or more to avoid the problem of responsiveness degradation.

このような請求項1の窒素酸化物濃度検出装置においては、第1多孔質部における排ガスの流量の温度依存性を低減しているため、酸素濃度出力(第1ポンプセル電流)に応じて推測される排ガスの新たな流入量と、実際の流入量との誤差を小さくすることができる。よって、酸素濃度出力(第1ポンプセル電流)による窒素酸化物濃度出力(第2ポンプセル電流)の補正誤差を小さくすることができる。つまり、温度変化に伴う(第1多孔質部の温度変化に伴う)窒素酸化物濃度の検出誤差を低減することができる。   In such a nitrogen oxide concentration detection apparatus according to claim 1, since the temperature dependence of the flow rate of the exhaust gas in the first porous portion is reduced, it is estimated according to the oxygen concentration output (first pump cell current). The error between the new inflow amount of exhaust gas and the actual inflow amount can be reduced. Therefore, the correction error of the nitrogen oxide concentration output (second pump cell current) due to the oxygen concentration output (first pump cell current) can be reduced. That is, it is possible to reduce the detection error of the nitrogen oxide concentration that accompanies the temperature change (according to the temperature change of the first porous portion).

ところで、温度依存性に影響を及ぼすパラメータとしては、他に、第1多孔質部の気孔率がある。   Meanwhile, another parameter that affects the temperature dependency is the porosity of the first porous portion.

そこで、請求項2のように、第1多孔質部は、気孔率が5〜45vol%の範囲に含まれるように構成すると良い。   Therefore, as in claim 2, the first porous portion is preferably configured so that the porosity is included in the range of 5 to 45 vol%.

例えば、気孔率が45%より大きければ、気孔同士が繋がって実質的に気孔径の増大を招き、これにより温度依存性が大きくなる可能性がある。尚、気孔率が5%未満であれば、第1多孔質部から第1測定室への排ガスの流入が極端に制限され応答性が低下する。   For example, if the porosity is higher than 45%, the pores are connected to each other, which causes a substantial increase in the pore diameter, which may increase the temperature dependency. If the porosity is less than 5%, inflow of exhaust gas from the first porous portion to the first measurement chamber is extremely limited, and the responsiveness is lowered.

この点、請求項2の構成によれば、そのような問題を回避することができる。   In this regard, according to the configuration of claim 2, such a problem can be avoided.

次に、請求項1、2の窒素酸化物濃度検出装置においては、請求項3のように構成するとなお良い。   Next, the nitrogen oxide concentration detection apparatus according to claims 1 and 2 is preferably configured as in claim 3.

すなわち、第1多孔質部は、その第1多孔質部における測定対象ガスの導入側の面から第1測定室側の面までの寸法(以下、奥行き寸法と記載する)が、0.1〜5.0mmの範囲に含まれるように構成すると良い。   That is, the first porous portion has a dimension (hereinafter referred to as a depth dimension) from the surface on the measurement target gas introduction side to the first measurement chamber side surface in the first porous portion of 0.1 to 0.1. It is good to comprise so that it may be contained in the range of 5.0 mm.

奥行き寸法を0.1mm未満にしようとすれば、寸法のわずかな誤差が無視できないものとなる。例えば製品毎に寸法が僅かに異なるだけで、製品毎の性能のばらつきが大きくなってしまう。また、奥行き寸法を5.0mmより大きくしようとすれば、窒素酸化物濃度検出装置全体の大きさが大きくなってしまう。この点、請求項3の構成によれば、そのような問題を回避することができる。   If the depth dimension is to be less than 0.1 mm, a slight error in the dimension cannot be ignored. For example, even if the dimensions differ slightly from product to product, the performance variation from product to product increases. Further, if the depth dimension is to be made larger than 5.0 mm, the overall size of the nitrogen oxide concentration detecting device becomes large. In this regard, according to the configuration of claim 3, such a problem can be avoided.

次に、請求項4の発明は、第1多孔質部を介して測定対象ガスが導入される第1測定室と、第1固体電解質体及び該第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、その一対の第1電極の一方の電極が前記第1測定室内に配置され、前記第1測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第1ポンプセルと、前記第1測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第2多孔質部を介して導入される第2測定室と、第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、その一対の第2電極のうち一方の電極が前記第2測定室内に配置されて、その第2測定室における窒素酸化物濃度に応じた電流が流れる第2ポンプセルと、一対の第3電極を有し、その一対の第3電極の一方の電極が第1測定室内及び/又は第2測定室内で、且つ前記測定対象ガスが流れる流路における前記第1電極と前記第2電極との間に配置され、前記第1測定室内及び/又は第2測定室内の酸素濃度に応じて前記第3電極に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、を有するガスセンサ素子の製造方法であって、平均粒径0.1μm〜0,7μmのアルミナ粉末に粒径0.05〜4.0μmのカーボン粉末を25〜45vol%添加してペースト材料を調合し、該調合したペースト材料を積層し、該積層したペースト材料を焼成して前記第1多孔質部を形成する工程を有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法である。   Next, the invention of claim 4 is directed to a first measurement chamber into which a measurement target gas is introduced through the first porous portion, a first solid electrolyte body, and a pair of the first solid electrolyte body formed on the first solid electrolyte body. A first electrode is provided, and one of the pair of first electrodes is disposed in the first measurement chamber, and pumps out or pumps oxygen into the measurement target gas introduced into the first measurement chamber. A pump cell; a second measurement chamber into which the measurement target gas into which oxygen has been pumped or pumped in the first measurement chamber is introduced via a second porous portion; a second solid electrolyte body; 2 having a pair of second electrodes formed on the solid electrolyte body, one of the pair of second electrodes being disposed in the second measurement chamber, and the concentration of nitrogen oxides in the second measurement chamber A second pump cell in which a current corresponding to the current flows and a pair of third electrodes And one electrode of the pair of third electrodes is in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber, and between the first electrode and the second electrode in the flow path through which the measurement target gas flows. An oxygen concentration detection cell that generates a voltage in the third electrode in accordance with the oxygen concentration in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber, the method comprising: Paste material was prepared by adding 25 to 45 vol% of carbon powder having a particle size of 0.05 to 4.0 μm to alumina powder having a diameter of 0.1 μm to 0.7 μm, and the prepared paste material was laminated and laminated. A method for manufacturing a gas sensor element, comprising: baking a paste material to form the first porous portion.

上記のようなペースト材料を焼成することで、カーボン粉末が焼失して、例えば気孔径が10〜4000nmの範囲に含まれる第1多孔質部を得ることができる。また、第1多孔質部の気孔率が5〜45vol%の範囲に含まれるようにすることができる。また、そのような第1多孔質部の構成により、前述した拡散抵抗条件を満たすようにガスセンサ素子を構成し得る。このようなガスセンサ素子を用いれば、請求項1の窒素酸化物濃度検出装置を構成し得る。よって、請求項1について述べた効果と同様の効果を得られるようになる。   By baking the paste material as described above, the carbon powder is burned out, and for example, a first porous portion having a pore diameter in the range of 10 to 4000 nm can be obtained. Moreover, the porosity of a 1st porous part can be included in the range of 5-45 vol%. Moreover, a gas sensor element can be comprised so that the diffusion resistance conditions mentioned above may be satisfy | filled by the structure of such a 1st porous part. If such a gas sensor element is used, the nitrogen oxide concentration detection apparatus of claim 1 can be configured. Therefore, the same effect as described in claim 1 can be obtained.

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本実施形態のガス濃度検出装置1の概略を表すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing an outline of a gas concentration detection apparatus 1 of the present embodiment.

ガス濃度検出装置1は、センサ素子10と、センサ制御回路200と、補正回路300とを備えている。   The gas concentration detection device 1 includes a sensor element 10, a sensor control circuit 200, and a correction circuit 300.

センサ素子10は、その主要な構成として、酸素濃度を検出するための第1ポンプセル110と、NOx濃度を検出するための第2ポンプセル130とを備えている。   The sensor element 10 includes a first pump cell 110 for detecting the oxygen concentration and a second pump cell 130 for detecting the NOx concentration as main components.

センサ制御回路200は、酸素濃度検出手段210と、NOx濃度検出手段220とを備えている。   The sensor control circuit 200 includes an oxygen concentration detection unit 210 and a NOx concentration detection unit 220.

酸素濃度検出手段210は、センサ素子10の第1ポンプセル電極(図示省略)に接続され、第1ポンプセル110に電圧を印加すると共に酸素濃度に応じた第1ポンプセル電流を検出する機能を有する。酸素濃度検出手段210は、検出した酸素濃度を信号S1として補正回路300と図示しない外部装置(例えばエンジン制御ECU)とに各々出力する。   The oxygen concentration detection means 210 is connected to a first pump cell electrode (not shown) of the sensor element 10 and has a function of applying a voltage to the first pump cell 110 and detecting a first pump cell current corresponding to the oxygen concentration. The oxygen concentration detection means 210 outputs the detected oxygen concentration as a signal S1 to the correction circuit 300 and an external device (not shown) (for example, engine control ECU).

NOx濃度検出手段220は、センサ素子10の第2ポンプセル電極(図示省略)に接続され、第2ポンプセル130に電圧を印加すると共にNOx濃度に応じた第2ポンプセル電流を検出する機能を有する。NOx濃度検出手段220は、検出したNOx濃度を信号S2として補正回路300に出力する。   The NOx concentration detection means 220 is connected to a second pump cell electrode (not shown) of the sensor element 10 and has a function of applying a voltage to the second pump cell 130 and detecting a second pump cell current corresponding to the NOx concentration. The NOx concentration detection means 220 outputs the detected NOx concentration to the correction circuit 300 as a signal S2.

補正回路300は、酸素濃度検出手段210からの信号S1とNOx濃度検出手段220からの信号S2とを入力し、NOx濃度出力が酸素濃度依存性を有することの反映として酸素濃度によるNOx電流誤差を補正する。そして、その補正回路300は、補正後のNOx濃度出力を信号S3として外部装置(例えばエンジン制御用ECU)に出力する。   The correction circuit 300 receives the signal S1 from the oxygen concentration detection unit 210 and the signal S2 from the NOx concentration detection unit 220, and reflects the NOx current error due to the oxygen concentration as a reflection of the fact that the NOx concentration output has oxygen concentration dependency. to correct. Then, the correction circuit 300 outputs the corrected NOx concentration output as a signal S3 to an external device (for example, an engine control ECU).

次に、図2、3を用いて、ガス濃度検出装置1についてより具体的に説明する。尚、図3は、図2におけるA−A断面図である。以下、図2を中心に説明することとする。   Next, the gas concentration detection apparatus 1 will be described more specifically with reference to FIGS. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. Hereinafter, description will be made mainly with reference to FIG.

ガス濃度検出装置1は、細長で長尺な板状体の形状をなすセンサ素子10を、図示しないエンジンの排気管に取り付けるためのハウジング(図示省略)内で保持した構成を有する。センサ素子10からは、そのセンサ素子10の出力する信号を取り出すための信号線が引き出されており、センサ素子10とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置5に電気的に接続されている。   The gas concentration detection device 1 has a configuration in which a sensor element 10 in the form of an elongated and long plate-like body is held in a housing (not shown) for mounting on an engine exhaust pipe (not shown). A signal line for extracting a signal output from the sensor element 10 is drawn out from the sensor element 10, and is electrically connected to a sensor control device 5 attached at a position away from the sensor element 10.

まず、センサ素子10について説明する。センサ素子10は、3枚の板状の固体電解質体111、121、131を、アルミナ等からなる絶縁体140、145をそれぞれ挟んで層状に形成した構造を有する。また、固体電解質体131側の外側(図2における下側)には、アルミナを主体とするシート状の絶縁層162、163を積層し、その間にPtを主体とするヒータパターン164を埋設したヒータ素子161が設けられている。   First, the sensor element 10 will be described. The sensor element 10 has a structure in which three plate-like solid electrolyte bodies 111, 121, 131 are formed in layers with sandwiching insulators 140, 145 made of alumina or the like. Further, on the outer side (lower side in FIG. 2) on the solid electrolyte body 131 side, sheet-like insulating layers 162 and 163 mainly composed of alumina are laminated, and a heater pattern 164 mainly composed of Pt is embedded therebetween. An element 161 is provided.

固体電解質体111、121、131は、固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。センサ素子10の積層方向において固体電解質体111の両面には、固体電解質体111を挟むように多孔質性の電極112、113がそれぞれ設けられている。   The solid electrolyte bodies 111, 121, and 131 are made of zirconia, which is a solid electrolyte, and have oxygen ion conductivity. Porous electrodes 112 and 113 are provided on both surfaces of the solid electrolyte body 111 in the stacking direction of the sensor element 10 so as to sandwich the solid electrolyte body 111, respectively.

この電極112、113は、Pt又はPt合金或いはPtとセラミックスとを含むサーメットなどから形成されている。また、電極112、113の表面にはセラミックスからなる多孔質性の保護層114が設けられており、電極112、113が排ガスに含まれる被毒性ガス(還元雰囲気)に晒されないように保護している。これにより、電極の劣化が防止される。   The electrodes 112 and 113 are made of Pt, a Pt alloy, or cermet containing Pt and ceramics. In addition, a porous protective layer 114 made of ceramic is provided on the surfaces of the electrodes 112 and 113 to protect the electrodes 112 and 113 from being exposed to a toxic gas (reducing atmosphere) contained in the exhaust gas. Yes. Thereby, deterioration of an electrode is prevented.

固体電解質体111は、両電極112、113間に電流を流すことで、電極112の接する雰囲気(センサ素子10の外部の雰囲気)と電極113の接する雰囲気(後述する第1測定室150内の雰囲気)との間で酸素の汲み出し及び汲み入れ(いわゆる酸素ポンピング)を行うことができる。この固体電解質体111および電極112、113が図1の第1ポンプセル110に相当する。尚、以下、この第1ポンプセル110をIp1セル110と称することとする。   In the solid electrolyte body 111, an electric current is passed between the electrodes 112 and 113, whereby the atmosphere in contact with the electrode 112 (atmosphere outside the sensor element 10) and the atmosphere in contact with the electrode 113 (atmosphere in the first measurement chamber 150 described later). ) Can be pumped out and pumped in (so-called oxygen pumping). The solid electrolyte body 111 and the electrodes 112 and 113 correspond to the first pump cell 110 of FIG. Hereinafter, the first pump cell 110 is referred to as an Ip1 cell 110.

次に、固体電解質体121は、絶縁体140を挟んで固体電解質体111と対向するように配置されている。センサ素子10の積層方向における固体電解質体121の両面には、固体電解質体121を挟むように多孔質性の電極122、123がそれぞれ設けられている。この電極122、123は、Pt又はPt合金或いはPtとセラミックスとを含むサーメットなどから形成されている。   Next, the solid electrolyte body 121 is disposed so as to face the solid electrolyte body 111 with the insulator 140 interposed therebetween. Porous electrodes 122 and 123 are provided on both surfaces of the solid electrolyte body 121 in the stacking direction of the sensor element 10 so as to sandwich the solid electrolyte body 121. The electrodes 122 and 123 are made of Pt, a Pt alloy, or cermet containing Pt and ceramics.

また、固体電解質体111と、固体電解質体121との間には小空間としての第1測定室150が形成されており、固体電解質体111側の電極113と、固体電解質体121側の電極122とが第1測定室150内に配置されている。この第1測定室150は、排気通路内を流通する排ガスがセンサ素子10内に最初に導入される小空間であり、第1測定室150には、その第1測定室150内外の仕切りとして、第1測定室150内への排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する多孔質性の第1多孔質部151が設けられている(図3も参照)。   Further, a first measurement chamber 150 as a small space is formed between the solid electrolyte body 111 and the solid electrolyte body 121, and the electrode 113 on the solid electrolyte body 111 side and the electrode 122 on the solid electrolyte body 121 side. Are arranged in the first measurement chamber 150. The first measurement chamber 150 is a small space in which the exhaust gas flowing through the exhaust passage is first introduced into the sensor element 10, and the first measurement chamber 150 has a partition inside and outside the first measurement chamber 150, A porous first porous portion 151 that limits the flow rate of exhaust gas per unit time into the first measurement chamber 150 is provided (see also FIG. 3).

次に、第1測定室150のセンサ素子10における後端側(図面右側)に、第1測定室150と後述する第2測定室との仕切りとして、排ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第2多孔質部152が設けられている。   Next, as a partition between the first measurement chamber 150 and a second measurement chamber, which will be described later, on the rear end side (right side of the drawing) of the sensor element 10 of the first measurement chamber 150, the flow rate of exhaust gas per unit time is limited. A second porous portion 152 is provided.

固体電解質体121および両電極122、123は、主として、固体電解質体121により隔てられた雰囲気(電極122の接する第1測定室150内の雰囲気と、電極123の接する後述する基準酸素室170内の雰囲気)間の酸素分圧差に応じて起電力を発生することができるものである。尚、以下、固体電解質体121および電極122、123を、Vsセル120と称することとする。   The solid electrolyte body 121 and the electrodes 122 and 123 are mainly composed of an atmosphere separated by the solid electrolyte body 121 (the atmosphere in the first measurement chamber 150 in contact with the electrode 122 and the reference oxygen chamber 170 to be described later in contact with the electrode 123). Electromotive force can be generated according to the oxygen partial pressure difference between the (atmosphere). Hereinafter, the solid electrolyte body 121 and the electrodes 122 and 123 will be referred to as a Vs cell 120.

次に、固体電解質体131は、絶縁体145を挟んで固体電解質体121と対向するように配置されている。固体電解質体131の固体電解質体121側の面には、Pt又はPt合金或いはPtセラミックスとを含むサーメットなどから形成された多孔質性の電極132、133がそれぞれ設けられている。   Next, the solid electrolyte body 131 is disposed so as to face the solid electrolyte body 121 with the insulator 145 interposed therebetween. On the surface of the solid electrolyte body 131 on the solid electrolyte body 121 side, porous electrodes 132 and 133 made of cermet containing Pt, Pt alloy, or Pt ceramic are provided.

電極132が形成された位置には、孤立した小空間としての基準酸素室170が形成されている。この基準酸素室170には、Vsセル120の電極123が配置されている。尚、基準酸素室170内には、セラミックス製の多孔質体が充填されている。また、電極133が形成された位置には、基準酸素室170との間に絶縁体145を経て、独立した小空間としての第2測定室160が形成されている。そして、この第2測定室160に連通するように、固体電解質体121及び絶縁体140のそれぞれに開口部125、141が設けられており、前述したように、第1測定室150と開口部141とが、間に第2多孔質部152を挟んで接続されている。   A reference oxygen chamber 170 as an isolated small space is formed at a position where the electrode 132 is formed. In the reference oxygen chamber 170, the electrode 123 of the Vs cell 120 is disposed. The reference oxygen chamber 170 is filled with a ceramic porous body. In addition, a second measurement chamber 160 as an independent small space is formed between the reference electrode chamber 170 and the reference oxygen chamber 170 at a position where the electrode 133 is formed. The solid electrolyte member 121 and the insulator 140 are provided with openings 125 and 141 so as to communicate with the second measurement chamber 160. As described above, the first measurement chamber 150 and the opening 141 are provided. Are connected with the second porous portion 152 interposed therebetween.

固体電解質体131及び両電極132、133は、絶縁体145により隔てられた雰囲気(電極132の接する基準酸素室170内の雰囲気と、電極133の接する第2測定室160内の雰囲気)間にて、酸素の汲み出しを行うことができるものである。この固体電解質体131および電極132、133が図1の第2ポンプセル130に相当する。尚、以下、この第2ポンプセル130をIp2セル130と称することとする。   The solid electrolyte 131 and the electrodes 132 and 133 are separated by an insulator 145 (atmosphere in the reference oxygen chamber 170 in contact with the electrode 132 and atmosphere in the second measurement chamber 160 in contact with the electrode 133). It can pump out oxygen. The solid electrolyte body 131 and the electrodes 132 and 133 correspond to the second pump cell 130 of FIG. Hereinafter, the second pump cell 130 will be referred to as an Ip2 cell 130.

次に、センサ素子10と電気的に接続されたセンサ制御装置5の構成について説明する。   Next, the configuration of the sensor control device 5 electrically connected to the sensor element 10 will be described.

センサ制御装置5は、マイクロコンピュータ60、電気回路部58等を有している。尚、このマイクロコンピュータ60及び電気回路部58が、図1のセンサ制御回路200及び補正回路300に相当している。   The sensor control device 5 includes a microcomputer 60, an electric circuit unit 58, and the like. The microcomputer 60 and the electric circuit unit 58 correspond to the sensor control circuit 200 and the correction circuit 300 in FIG.

マイクロコンピュータ60は、各種演算を実行するCPU61と、演算結果等が記憶されるRAM62と、CPU61が実行するプログラム等を記憶するROM63とを備えている。また、A/Dコンバータ65と、そのA/Dコンバータ65を介して電気回路部58と接続されると共に、電子制御装置(以下、ECUと記載する)90と通信するための信号入出力部64と、図示しないタイマクロック等を備えている。   The microcomputer 60 includes a CPU 61 that executes various calculations, a RAM 62 that stores calculation results and the like, and a ROM 63 that stores programs executed by the CPU 61. In addition, the A / D converter 65 is connected to the electric circuit unit 58 via the A / D converter 65, and the signal input / output unit 64 communicates with an electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 90. And a timer clock (not shown).

電気回路部58は、基準電圧比較回路51、Ip1ドライブ回路52、Vs検出回路53、Icp供給回路54、Ip2検出回路55、Vp2印加回路56、ヒータ駆動回路57から構成され、マイクロコンピュータ60による制御を受けて、センサ素子10を用いて排ガス中のNOx濃度の検出を行う。   The electric circuit section 58 includes a reference voltage comparison circuit 51, an Ip1 drive circuit 52, a Vs detection circuit 53, an Icp supply circuit 54, an Ip2 detection circuit 55, a Vp2 application circuit 56, and a heater drive circuit 57, and is controlled by the microcomputer 60. In response, the sensor element 10 is used to detect the NOx concentration in the exhaust gas.

尚、Ip1セル110の第1測定室150側の電極113、Vsセル120の第1測定室150側の電極122、Ip2セル130の第2測定室160側の電極133は、基準電位に接続されている。また、ヒータ素子161の一方の電極は接地されている。   The electrode 113 on the first measurement chamber 150 side of the Ip1 cell 110, the electrode 122 on the first measurement chamber 150 side of the Vs cell 120, and the electrode 133 on the second measurement chamber 160 side of the Ip2 cell 130 are connected to the reference potential. ing. One electrode of the heater element 161 is grounded.

そして、Icp供給回路54は、Vsセル120の電極122、123間に電流Icpを供給し、第1測定室150内から基準酸素室170内への酸素の汲み出しを行っている。   The Icp supply circuit 54 supplies current Icp between the electrodes 122 and 123 of the Vs cell 120 to pump out oxygen from the first measurement chamber 150 into the reference oxygen chamber 170.

Vs検出回路53は、電極122、123間の電圧Vsを検出するための回路であり、その検出結果を基準電圧比較回路51に対し出力している。   The Vs detection circuit 53 is a circuit for detecting the voltage Vs between the electrodes 122 and 123, and outputs the detection result to the reference voltage comparison circuit 51.

基準電圧比較回路51は、Vs検出回路53により検出されたVsセル120の電極122、123間の電圧Vsを、基準となる基準電圧(例えば425mV)と比較するための回路であり、その比較結果をIp1ドライブ回路52に対し出力している。   The reference voltage comparison circuit 51 is a circuit for comparing the voltage Vs between the electrodes 122 and 123 of the Vs cell 120 detected by the Vs detection circuit 53 with a reference voltage (for example, 425 mV) as a reference. Is output to the Ip1 drive circuit 52.

Ip1ドライブ回路52は、Ip1セル110の電極112、113間に電流Ip1を供給するための回路である。電流Ip1の大きさや向きは、基準電圧比較回路51によるVsセル120の電極122、123間の電圧の比較結果に基づいてVsセル120の電極122、123間の電圧が予め設定された基準電圧と略一致するように調整されている。その結果、Ip1セル110により、第1測定室150内からセンサ素子10外部への酸素の汲み出し、或いはセンサ素子10外部から第1測定室150内への酸素の汲み入れが行われる。換言すると、Ip1セル110は、Vsセル120の電極122、123間の電圧が一定値(基準電圧の値)に保たれるように、第1測定室150内における酸素濃度の調整を行っている。   The Ip1 drive circuit 52 is a circuit for supplying a current Ip1 between the electrodes 112 and 113 of the Ip1 cell 110. The magnitude and direction of the current Ip1 is based on a reference voltage in which the voltage between the electrodes 122 and 123 of the Vs cell 120 is set in advance based on the comparison result of the voltages between the electrodes 122 and 123 of the Vs cell 120 by the reference voltage comparison circuit 51. It has been adjusted to approximately match. As a result, oxygen is pumped from the first measurement chamber 150 to the outside of the sensor element 10 or oxygen is pumped from the sensor element 10 to the first measurement chamber 150 by the Ip1 cell 110. In other words, the Ip1 cell 110 adjusts the oxygen concentration in the first measurement chamber 150 so that the voltage between the electrodes 122 and 123 of the Vs cell 120 is maintained at a constant value (reference voltage value). .

また、Vp2印加回路56は、Ip2セル130の電極132、133間へ電圧Vp2(例えば450mV)を印加するための回路であり、これにより、第2測定室160内から基準酸素室170への酸素の汲み出しが行われる。   Further, the Vp2 application circuit 56 is a circuit for applying a voltage Vp2 (for example, 450 mV) between the electrodes 132 and 133 of the Ip2 cell 130, whereby oxygen from the second measurement chamber 160 to the reference oxygen chamber 170 is supplied. Is pumped out.

Ip2検出回路55は、Ip2セル130の電極133から電極132に流れた電流Ip2の値の検出を行う回路である。   The Ip2 detection circuit 55 is a circuit that detects the value of the current Ip2 flowing from the electrode 133 of the Ip2 cell 130 to the electrode 132.

ヒータ駆動回路57は、CPU61により制御され、ヒータ素子161のヒータパターン164へ電圧を印加し、固体電解質体111、121、131(換言すると、Ip1セル110、Vsセル120、Ip2セル130)の加熱を行うと共に、固体電解質体111、121、131の温度を所定の温度に保たせるための回路である。   The heater drive circuit 57 is controlled by the CPU 61 and applies a voltage to the heater pattern 164 of the heater element 161 to heat the solid electrolyte bodies 111, 121, 131 (in other words, the Ip1 cell 110, the Vs cell 120, and the Ip2 cell 130). And a circuit for keeping the temperature of the solid electrolyte bodies 111, 121, 131 at a predetermined temperature.

ヒータパターン164はヒータ素子161内で繋がる一本の電極パターンであり、ヒータ駆動回路57に接続されている。このヒータ駆動回路57は、固体電解質体111、121、131(本実施形態では、具体的に固体電解質体121)が狙いとする温度になるように、ヒータパターン164をPWM通電制御して当該ヒータパターン164に電圧を印加する制御を行えるように構成されている。   The heater pattern 164 is a single electrode pattern connected within the heater element 161 and is connected to the heater drive circuit 57. The heater drive circuit 57 performs PWM energization control of the heater pattern 164 so that the solid electrolyte bodies 111, 121, 131 (specifically, the solid electrolyte body 121 in the present embodiment) have a target temperature, and controls the heater. The pattern 164 is configured to be controlled to apply a voltage.

このような構成のセンサ制御装置5によって、センサ素子10を用いて排ガス中のNOx濃度の検出が行われる。NOx濃度の検出の際の動作について説明する。   The sensor control device 5 having such a configuration detects the NOx concentration in the exhaust gas using the sensor element 10. The operation when detecting the NOx concentration will be described.

図2に示す、センサ素子10を構成する固体電解質体111、121、131は、ヒータ駆動回路57から駆動電流が流されたヒータパターン164の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ip1セル110、Vsセル120、及びIp2セル130が動作するようになる。   The solid electrolyte bodies 111, 121, and 131 constituting the sensor element 10 shown in FIG. 2 are heated and activated as the heater pattern 164 to which a drive current is supplied from the heater drive circuit 57 is heated. As a result, the Ip1 cell 110, the Vs cell 120, and the Ip2 cell 130 are operated.

排気通路(図示省略)内を流通する排ガスは、第1多孔質部151による流通量の制限を受けつつ第1測定室150内に導入される。ここで、Icp供給回路54によりVsセル120には電極123側から電極122側へ微弱な電流Icpが流されている。このため、排ガス中の酸素は、負極側となる第1測定室150内の電極122から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体121内を流れ、基準酸素室170内に移動する。つまり、電極122、123間で電流Icpが流されることによって、第1測定室150内の酸素が基準酸素室170内に送り込まれている。   The exhaust gas flowing in the exhaust passage (not shown) is introduced into the first measurement chamber 150 while being limited in the flow rate by the first porous portion 151. Here, a weak current Icp flows from the electrode 123 side to the electrode 122 side in the Vs cell 120 by the Icp supply circuit 54. For this reason, oxygen in the exhaust gas can receive electrons from the electrode 122 in the first measurement chamber 150 on the negative electrode side, flows as oxygen ions in the solid electrolyte body 121, and moves into the reference oxygen chamber 170. To do. That is, oxygen in the first measurement chamber 150 is sent into the reference oxygen chamber 170 by causing the current Icp to flow between the electrodes 122 and 123.

Vs検出回路53では、電極122、123間の電圧が検出されており、基準電圧比較回路51により基準電圧(425mV)と比較されて、その比較結果がIp1ドライブ回路52に対し出力されている。ここで、電極122、123間の電位差が425mV付近で一定となるように、第1測定室150内の酸素濃度を調整すれば、第1測定室150内の排ガス中の酸素濃度は所定値(例えば10-8〜10-9atm)に近づくこととなる。 In the Vs detection circuit 53, the voltage between the electrodes 122 and 123 is detected, compared with the reference voltage (425 mV) by the reference voltage comparison circuit 51, and the comparison result is output to the Ip1 drive circuit 52. Here, if the oxygen concentration in the first measurement chamber 150 is adjusted so that the potential difference between the electrodes 122 and 123 is constant around 425 mV, the oxygen concentration in the exhaust gas in the first measurement chamber 150 becomes a predetermined value ( For example, 10 −8 to 10 −9 atm).

そこで、Ip1ドライブ回路52では、第1測定室150内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極112側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、センサ素子10外部から第1測定室150内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第1測定室内に導入された排ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ip1ドライブ回路52は、電極113側が負極となるようにIp1セル110に電流Ip1を流し、第1測定室150内からセンサ素子10外部へ酸素の汲み出しを行う。   Therefore, in the Ip1 drive circuit 52, when the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber 150 is lower than a predetermined value, the current Ip1 is passed through the Ip1 cell 110 so that the electrode 112 side becomes a negative electrode, To pump oxygen into the first measurement chamber 150. On the other hand, when the oxygen concentration of the exhaust gas introduced into the first measurement chamber is higher than a predetermined value, the Ip1 drive circuit 52 supplies the current Ip1 to the Ip1 cell 110 so that the electrode 113 side becomes a negative electrode, The oxygen is pumped from the sensor element 10 to the outside.

このように、第1測定室150において酸素濃度が調整された排ガスは、第2多孔質部152を介し、第2測定室160内に導入される。第2測定室160内で電極133と接触した排ガス中のNOxは、Vp2印加回路56により電極132、133間へ電圧Vp2を印加されることで、電極133上でN2とO2とに分解(還元)され、分解された酸素は、酸素イオンとなって固体電解質体131内を流れ、基準酸素室170内に移動する。このとき、第1測定室150で汲み残された残留酸素も同様に、Ip2セル130によって基準酸素室170内に移動する電流となる。このため、Ip2セル130を流れる電流は、NOx由来の電流及び残留酸素由来の電流となる。ここで、第1測定室150で汲み残された残留酸素の濃度は上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、NOx由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ip2セル130を流れる電流はNOx濃度に比例することとなる。センサ制御装置5では、Ip2検出回路55によりIp2セル130を流れる電流Ip2を検出し、その電流値から、公知の残留酸素由来のオフセット電流の補正計算処理を行い、排ガス中のNOx濃度の検出を行う。 Thus, the exhaust gas whose oxygen concentration is adjusted in the first measurement chamber 150 is introduced into the second measurement chamber 160 through the second porous portion 152. NOx in the exhaust gas in contact with the electrode 133 in the second measurement chamber 160 is decomposed into N 2 and O 2 on the electrode 133 by applying a voltage Vp2 between the electrodes 132 and 133 by the Vp2 application circuit 56. The (reduced) and decomposed oxygen flows into the solid electrolyte body 131 as oxygen ions and moves into the reference oxygen chamber 170. At this time, the residual oxygen pumped out in the first measurement chamber 150 similarly becomes a current that moves into the reference oxygen chamber 170 by the Ip2 cell 130. For this reason, the current flowing through the Ip2 cell 130 becomes a current derived from NOx and a current derived from residual oxygen. Here, since the concentration of residual oxygen remaining in the first measurement chamber 150 is adjusted to a predetermined value as described above, the current derived from the residual oxygen can be regarded as substantially constant, and the current derived from NOx. Therefore, the current flowing through the Ip2 cell 130 is proportional to the NOx concentration. In the sensor control device 5, the current Ip2 flowing through the Ip2 cell 130 is detected by the Ip2 detection circuit 55, and a correction calculation process of a known offset current derived from residual oxygen is performed based on the current value to detect the NOx concentration in the exhaust gas. Do.

また、以下のような補正も行う。即ち、排ガスの酸素濃度が増加するに従って、Ip1セル110で汲み出される酸素量は増加し、この結果、第2測定室160に流入するガス濃度割合は、酸素濃度が減少した分だけ増大する。すなわち、排ガスの酸素濃度が高いほど、第2測定室160に占める窒素酸化物濃度が増大し、窒素酸化物の分解によって生じる酸素量に比例するIp2セルの電流量が増加することとなる。そこで、電流Ip1(酸素濃度出力)に基づき、電流Ip2(NOx濃度出力)を補正する。   The following correction is also performed. That is, as the oxygen concentration of the exhaust gas increases, the amount of oxygen pumped out by the Ip1 cell 110 increases, and as a result, the gas concentration ratio flowing into the second measurement chamber 160 increases by the amount of decrease in oxygen concentration. That is, as the oxygen concentration of the exhaust gas is higher, the nitrogen oxide concentration in the second measurement chamber 160 is increased, and the current amount of the Ip2 cell proportional to the amount of oxygen generated by the decomposition of the nitrogen oxide is increased. Therefore, the current Ip2 (NOx concentration output) is corrected based on the current Ip1 (oxygen concentration output).

次に、センサ素子10の製造例について説明する。   Next, a manufacturing example of the sensor element 10 will be described.

図4は、センサ素子10の製造例及びレイアウトを説明するための図である。尚、図4においては、主要部分を中心に図示している。   FIG. 4 is a diagram for explaining a manufacturing example and a layout of the sensor element 10. In FIG. 4, the main part is mainly shown.

図4において、図中左上→左下→右上→右下の順にZrO2グリーンシートや各種ペーストが積層されて、センサ素子10が作製される。各種ペーストは、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、積層形成される。
[ZrO2グリーンシート]
固体電解質体111、121、131を構成するものである。
In FIG. 4, a ZrO 2 green sheet and various pastes are laminated in the order of upper left → lower left → upper right → lower right in the figure to produce the sensor element 10. Various pastes are laminated by screen printing on a predetermined ZrO 2 green sheet.
[ZrO 2 green sheet]
The solid electrolyte bodies 111, 121, and 131 are configured.

ZrO2粉末を、例えば600℃雰囲気下で2時間、大気炉にて仮焼する。仮焼したZrO2粉末を、分散剤、有機溶剤、球石とともにトロンメルに入れ、約50時間混合して均一にする。その混合物に、有機溶剤に有機バインダーを溶解させたものを添加し、さらに20時間混合して10Pa・s程度の粘度を有するスラリーを作製する。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(図4においては、ZrO2−GSと記載)を作製し、例えば100℃雰囲気下で1時間乾燥させる。
[印刷用ペースト]
(1)電極112、123、132、133用:
白金粉末、ZrO2粉末、適量の有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、4時間混合して均一にする。この混合物に、有機溶剤に有機バインダーを溶解させたものを添加するとともに、粘度調整剤も添加し、さらに4時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作製する。
The ZrO 2 powder is calcined in an atmospheric furnace, for example, at 600 ° C. for 2 hours. The calcined ZrO 2 powder is put in a trommel together with a dispersant, an organic solvent and a spherulite, and mixed for about 50 hours to make it uniform. To the mixture, a solution in which an organic binder is dissolved in an organic solvent is added, and further mixed for 20 hours to prepare a slurry having a viscosity of about 10 Pa · s. A ZrO 2 green sheet (denoted as ZrO 2 -GS in FIG. 4) having a thickness of about 0.4 mm is prepared from this slurry by a doctor blade method and dried in an atmosphere of 100 ° C. for 1 hour, for example.
[Print paste]
(1) For electrodes 112, 123, 132, 133:
Platinum powder, ZrO 2 powder, and an appropriate amount of organic solvent are put into a raking machine (or pot mill) and mixed for 4 hours to make it uniform. To this mixture, a solution obtained by dissolving an organic binder in an organic solvent is added, and a viscosity modifier is also added, and further mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 150 Pa · s.

(2)電極113、122用:
白金粉末、ZrO2粉末、金粉末、適量の有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、4時間混合して均一にする。この混合物に、有機溶剤に有機バインダーを溶解させたものを添加するとともに、粘度調整剤も添加し、さらに4時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作製する。
(2) For electrodes 113 and 122:
Platinum powder, ZrO 2 powder, gold powder, and an appropriate amount of organic solvent are placed in a raking machine (or pot mill) and mixed for 4 hours to make uniform. To this mixture, a solution obtained by dissolving an organic binder in an organic solvent is added, and a viscosity modifier is also added, and further mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 150 Pa · s.

(3)絶縁体140、145、絶縁層162、163、保護層114用:
アルミナ粉末と適量の有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、12時間混合し、溶解させた後、粘度調整剤20gを添加する。その後、さらに3時間混合して粘度150Pa・s程度のペーストを作製する。
(3) For insulators 140 and 145, insulating layers 162 and 163, and protective layer 114:
Alumina powder and an appropriate amount of organic solvent are put into a raking machine (or pot mill), mixed for 12 hours and dissolved, and then 20 g of viscosity modifier is added. Thereafter, the paste is further mixed for 3 hours to prepare a paste having a viscosity of about 150 Pa · s.

(4)第1多孔質部151用:
アルミナ粉末、カーボン粉末、有機バインダー、有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、混合して均一にする。その混合物に、粘度調整剤を添加する。その後、さらに4時間混合して粘度400Pa・s程度のペーストを作製する。
(4) For the first porous portion 151:
Alumina powder, carbon powder, organic binder, and organic solvent are put in a raking machine (or pot mill) and mixed to make uniform. A viscosity modifier is added to the mixture. Thereafter, the paste is further mixed for 4 hours to prepare a paste having a viscosity of about 400 Pa · s.

具体的には、粒径0.3μmのアルミナ粉末(α−Al23)、粒径0.5μmのアルミナ粉末(α−Al23)をそれぞれ同量ずつと、粒径0.1μmのカーボン粉末とを、アルミナ粉末とカーボン粉末との混合割合がアルミナ粉末75vol%、カーボン粉末25vol%となるように混合した。尚、この組成は一例である。 Specifically, an alumina powder (α-Al 2 O 3) having a particle size of 0.3 [mu] m, and each respectively the same amount of alumina powder (α-Al 2 O 3) having a particle size of 0.5 [mu] m, the particle diameter 0.1μm The carbon powder was mixed so that the mixing ratio of the alumina powder and the carbon powder was 75 vol% alumina powder and 25 vol% carbon powder. This composition is an example.

(5)カーボンコート用:
カーボン粉末、有機バインダー、有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、均一に混合する。その混合物に、粘度調整剤を添加し、さらに4時間混合してペーストを作製する。尚、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、カーボンコートは第1測定室150(及び第2測定室160)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。
(5) For carbon coating:
Carbon powder, organic binder, and organic solvent are put into a raking machine (or pot mill) and mixed uniformly. A viscosity modifier is added to the mixture and further mixed for 4 hours to produce a paste. Incidentally, by forming the carbon coat by printing, for example, electrical contact between the electrodes can be prevented. The carbon coat is used to form the first measurement chamber 150 (and the second measurement chamber 160). Since carbon burns away during firing, the carbon coat layer does not exist in the fired body.

(6)第2多孔質部152、基準酸素室170用:
平均粒径2μm程度のアルミナ粉末、有機バインダー、有機溶剤を、らいかい機(或いはポットミル)に入れ、1時間混合し、造粒し、金型プレスにて約2t/cm2圧を加え、プレス成形体(グリーン状態)を作製する。このグリーン状態のプレス成形体が積層構造の所定箇所に配置され、その後焼成することにより、センサ素子10中に第2多孔質部152、基準酸素室170が形成される。
[ZrO2積層方法]
1〜3層のZrO2グリーンシートを加圧力5kg/cm2、加圧時間1分で圧着する。
[脱バインダー及び焼成]
圧着した成形体を、例えば400℃雰囲気下で2時間脱バインダーし、例えば1500℃雰囲気下で1時間焼成する。
(6) For the second porous portion 152 and the reference oxygen chamber 170:
Alumina powder with an average particle size of about 2μm, organic binder, and organic solvent are placed in a roughing machine (or pot mill), mixed for 1 hour, granulated, and pressed at about 2t / cm 2 with a die press. A molded body (green state) is produced. The green state press-molded body is disposed at a predetermined position of the laminated structure and then fired to form the second porous portion 152 and the reference oxygen chamber 170 in the sensor element 10.
[ZrO 2 lamination method]
One to three layers of ZrO 2 green sheets are pressure-bonded at a pressure of 5 kg / cm 2 and a pressing time of 1 minute.
[Binder removal and firing]
The pressure-bonded molded body is debindered for 2 hours in an atmosphere of 400 ° C., for example, and fired for 1 hour in an atmosphere of 1500 ° C., for example.

このような製造例に従い、センサ素子10が作成される。   According to such a manufacturing example, the sensor element 10 is created.

ところで、本実施形態においては、前述したように、公知の残留酸素由来のオフセット電流の補正計算処理を行い、また、電流Ip1(酸素濃度出力)に応じて、酸素濃度依存性を反映しつつ、電流Ip2(NOx濃度出力)を補正するようになっている。   By the way, in the present embodiment, as described above, correction calculation processing of a known residual oxygen-derived offset current is performed, and the oxygen concentration dependency is reflected according to the current Ip1 (oxygen concentration output). The current Ip2 (NOx concentration output) is corrected.

前者について、補正計算処理により正しく補正する場合には、残留酸素量が安定している必要があるが、残留酸素量を安定させるためには、電極112、113をより広面積にする(例えば長さをより長くする)ことが求められる。酸素のポンピングを確実に行うためである。そこで、本実施形態においても、図1に示すように、電極112、113の長さをより長くするようにしている。その結果、第1測定室150も、電極112、113の長さに合わせて横に長い形状となっている。   When the former is correctly corrected by the correction calculation process, the amount of residual oxygen needs to be stable, but in order to stabilize the amount of residual oxygen, the electrodes 112 and 113 have a larger area (for example, longer length). Longer). This is to reliably perform oxygen pumping. Therefore, also in this embodiment, as shown in FIG. 1, the lengths of the electrodes 112 and 113 are made longer. As a result, the first measurement chamber 150 also has a shape that is long horizontally in accordance with the length of the electrodes 112 and 113.

一方、第1測定室150は、空間のため、分子拡散が支配的であり、ガス拡散の温度依存性が大きい。さらに、第1測定室150の長さが大きい場合、排ガスの流れる経路長は大きくなるため、拡散抵抗が大きくなる。つまり、第1測定室150の拡散抵抗がセンサ素子10での占める割合も大きくなるので、ガス拡散量の温度依存性が大きくなる。   On the other hand, since the first measurement chamber 150 is a space, molecular diffusion is dominant and the temperature dependence of gas diffusion is large. Furthermore, when the length of the first measurement chamber 150 is large, the path length through which the exhaust gas flows becomes large, and thus the diffusion resistance increases. That is, since the proportion of the diffusion resistance of the first measurement chamber 150 occupied by the sensor element 10 also increases, the temperature dependence of the gas diffusion amount increases.

また、後者の、電流Ip1(酸素濃度出力)に応じて電流Ip2(NOx濃度出力)を補正する点について、正しく補正をする場合には、電流Ip1(酸素濃度出力/酸素排出量)に応じて新たに流入する排ガス量が安定している必要があるが、流入する排ガス量は、第1多孔質部151の温度によって変動する、という温度依存性を有する。   Further, in the latter case where the current Ip2 (NOx concentration output) is corrected according to the current Ip1 (oxygen concentration output), in the case of correct correction, according to the current Ip1 (oxygen concentration output / oxygen discharge amount). Although the amount of exhaust gas that newly flows in needs to be stable, the amount of exhaust gas that flows in has a temperature dependency that varies depending on the temperature of the first porous portion 151.

このような点から、第1多孔質部151の拡散抵抗、及び第1測定室150の拡散抵抗の最適化を図ることで、温度依存性の影響を軽減すること、及び第1多孔質部151の温度依存性を低減すること、が求められる。   From such a point, by optimizing the diffusion resistance of the first porous portion 151 and the diffusion resistance of the first measurement chamber 150, the influence of temperature dependency can be reduced, and the first porous portion 151 can be reduced. To reduce the temperature dependence of the.

このために、本願出願人は、第1多孔質部151の組成を工夫することにより、上記問題を解決している。具体的には、前述したような製造例により第1多孔質部151を形成して、上記問題を解決した。以下、この点について、本願出願人が行った実験内容及び実験結果と共に説明する。   For this reason, the present applicant has solved the above problem by devising the composition of the first porous portion 151. Specifically, the first porous portion 151 was formed by the manufacturing example as described above to solve the above problem. Hereinafter, this point will be described together with the contents and results of experiments conducted by the applicant of the present application.

図6は、第1多孔質部151の組成と温度依存性との関係を表すものである。   FIG. 6 shows the relationship between the composition of the first porous portion 151 and the temperature dependence.

また、図5は、温度依存性を評価するための制御処理を表すフローチャートである。   FIG. 5 is a flowchart showing a control process for evaluating temperature dependency.

まず、図5について説明することとする。図5に示すように、温度依存性は、センサ素子10を、通常の制御(第1多孔質部151の温度:750℃)から、高温下(第1多孔質部151の温度:850℃)での制御に変更させたときの電流Ip1の変動量により評価した。例えば、電流Ip1の変動量が大きいほど、温度依存性が高い(温度変動により排ガスの流入量が変動しやすい)ということが分かる。   First, FIG. 5 will be described. As shown in FIG. 5, the temperature dependency is determined by controlling the sensor element 10 at a high temperature (temperature of the first porous portion 151: 850 ° C.) from normal control (temperature of the first porous portion 151: 750 ° C.). Evaluation was performed based on the amount of fluctuation of the current Ip1 when the control was changed to the above. For example, it can be seen that the greater the fluctuation amount of the current Ip1, the higher the temperature dependency (the inflow amount of the exhaust gas is likely to fluctuate due to the temperature fluctuation).

図5の制御処理では、まず、S110で、ヒータパターン164に通電を開始する。   In the control process of FIG. 5, first, energization of the heater pattern 164 is started in S110.

次に、S120に移行し、センサ素子10の抵抗値(Vsセル120の抵抗値)としてのRpvsが300Ω未満か否かを判定する。尚、センサ素子10の温度が上がるに従って、センサ素子10の抵抗値(Vsセル120の抵抗値)としてのRpvsが低下する。   Next, the process proceeds to S120, and it is determined whether or not Rpvs as the resistance value of the sensor element 10 (resistance value of the Vs cell 120) is less than 300Ω. As the temperature of the sensor element 10 increases, Rpvs as the resistance value of the sensor element 10 (resistance value of the Vs cell 120) decreases.

S120で、300Ω未満でないと判定すると(S120:NO)、再びS120の処理を繰り返す。   If it is determined in S120 that it is not less than 300Ω (S120: NO), the process of S120 is repeated again.

一方、S120でRpvsが300Ω未満であると判定すると、センサ素子10が活性化したものとして、S130に移行する。   On the other hand, if it is determined in S120 that Rpvs is less than 300Ω, the sensor element 10 is assumed to be activated, and the process proceeds to S130.

S130では、Rpvsがターゲット値である250Ωとなった際の電流Ip1を取得する。尚、この際、第1多孔質部151の温度は約750℃であり、Vsセル120の温度は約680℃である。   In S130, the current Ip1 when Rpvs becomes the target value of 250Ω is acquired. At this time, the temperature of the first porous portion 151 is about 750 ° C., and the temperature of the Vs cell 120 is about 680 ° C.

次に、S140に進み、Rpvsが次のターゲット値である150Ωとなった際の電流Ip1を取得する。尚、この際、第1多孔質部151の温度は約850℃であり、Vsセル120の温度は約780℃である。   Next, in S140, the current Ip1 when Rpvs becomes the next target value of 150Ω is acquired. At this time, the temperature of the first porous portion 151 is about 850 ° C., and the temperature of the Vs cell 120 is about 780 ° C.

本実施形態では、以上のような処理により取得した、Rpvsが250Ωの際の電流Ip1とRpvsが150Ωの際の電流Ip1とを比較し、両者の変動量を調べることによって、温度依存性を評価することとしている。   In the present embodiment, the temperature dependence is evaluated by comparing the current Ip1 obtained when the Rpvs is 250Ω and the current Ip1 obtained when the Rpvs is 150Ω, and by examining the amount of variation between them. To do.

次に、図6について説明する。図6に示すように、アルミナ組成、カーボン組成、及びアルミナ・カーボンの混合割合を変化させ、その際の温度依存性(電流Ip1の変動量)を評価した。   Next, FIG. 6 will be described. As shown in FIG. 6, the alumina composition, the carbon composition, and the mixing ratio of alumina and carbon were changed, and the temperature dependency (variation amount of current Ip1) at that time was evaluated.

また、ここでは、以下の条件を満たすように構成している。具体的に、第1多孔質部の拡散抵抗をD1、前記第1測定室における拡散抵抗をD2とした場合、0.5<D1/(D1+D2)≦0.9を満たすようにしている。   Also, here, it is configured to satisfy the following conditions. Specifically, when the diffusion resistance of the first porous portion is D1 and the diffusion resistance in the first measurement chamber is D2, 0.5 <D1 / (D1 + D2) ≦ 0.9 is satisfied.

尚、D1/(D1+D2)の値は、以下のように算出した。   The value D1 / (D1 + D2) was calculated as follows.

具体的には、第1多孔質部151を設けない場合において検出される電流Ip1の値Ip1D2と、第1多孔質部151を設けた場合において検出される電流Ip1の値Ip1(D1+D2)とを定義する。   Specifically, the value Ip1D2 of the current Ip1 detected when the first porous portion 151 is not provided and the value Ip1 (D1 + D2) of the current Ip1 detected when the first porous portion 151 is provided. Define.

次に、電流値Ip1D2及び電流値Ip1(D1+D2)は、D2及び(D1+D2)の逆数に比例することから、
Ip1D2∝1/D2、Ip1(D1+D2)∝1/(D1+D2)とできる。
Next, since the current value Ip1D2 and the current value Ip1 (D1 + D2) are proportional to the inverse of D2 and (D1 + D2),
Ip1D2∝1 / D2, Ip1 (D1 + D2) ∝1 / (D1 + D2).

これより、(D1+D2)∝1/Ip1(D1+D2)、D1∝1/Ip1(D1+D2)−1/Ip1D2となり、
D1/(D1+D2)の値は、
D1/(D1+D2)=1−Ip1(D1+D2)/Ip1D2
にて算出される。
From this, (D1 + D2) ∝1 / Ip1 (D1 + D2), D1∝1 / Ip1 (D1 + D2) −1 / Ip1D2,
The value of D1 / (D1 + D2) is
D1 / (D1 + D2) = 1-Ip1 (D1 + D2) / Ip1D2
It is calculated by.

比較(A):まず、粒径2μm(100%)のアルミナに、粒径5μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ35vol%、カーボン65vol%とした。この場合、温度依存性は15%となった。   Comparison (A): First, carbon having a particle diameter of 5 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 2 μm (100%). The mixing ratio was 35 vol% alumina and 65 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 15%.

比較(B):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径5μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ65vol%、カーボン35vol%とした。この場合、温度依存性は12%となった。   Comparison (B): Next, carbon having a particle size of 5 μm was mixed with alumina having a particle size of 0.3 μm (50%) and a particle size of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 65 vol% alumina and 35 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 12%.

この比較(A)、(B)の条件では、温度依存性は10%を超える高い値となった。   Under the conditions of the comparisons (A) and (B), the temperature dependency was a high value exceeding 10%.

対策(a):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径4μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ55vol%、カーボン45vol%とした。この場合、温度依存性は9%となった。   Countermeasure (a): Next, carbon having a particle diameter of 4 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 0.3 μm (50%) and a particle diameter of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 55 vol% alumina and 45 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 9%.

対策(b):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径0.1μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ55vol%、カーボン45vol%とした。この場合、温度依存性は8%となった。   Countermeasure (b): Next, carbon having a particle diameter of 0.1 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 0.3 μm (50%) and a particle diameter of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 55 vol% alumina and 45 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 8%.

対策(c):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径4μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ65vol%、カーボン35vol%とした。この場合、温度依存性は4%となった。   Countermeasure (c): Next, carbon having a particle diameter of 4 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 0.3 μm (50%) and a particle diameter of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 65 vol% alumina and 35 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 4%.

対策(d):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径0.1μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ65vol%、カーボン35vol%とした。この場合、温度依存性は2%となった。   Countermeasure (d): Next, carbon having a particle diameter of 0.1 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 0.3 μm (50%) and a particle diameter of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 65 vol% alumina and 35 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 2%.

対策(e):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径0.05μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ65vol%、カーボン35vol%とした。この場合、温度依存性は1%となった。   Countermeasure (e): Next, carbon having a particle diameter of 0.05 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 0.3 μm (50%) and a particle diameter of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 65 vol% alumina and 35 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 1%.

対策(f):次に、粒径0.3μm(50%)、粒径0.5μm(50%)のアルミナに、粒径0.1μmのカーボンを混合した。混合割合は、アルミナ75vol%、カーボン25vol%とした。この場合、温度依存性は1%となった。   Countermeasure (f): Next, carbon having a particle diameter of 0.1 μm was mixed with alumina having a particle diameter of 0.3 μm (50%) and a particle diameter of 0.5 μm (50%). The mixing ratio was 75 vol% alumina and 25 vol% carbon. In this case, the temperature dependency was 1%.

このように、対策(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)の条件下において温度依存性が改善されていることがわかる。そして、この対策(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)の条件下で形成した第1多孔質部151においては、気孔径は、10〜4000nmとなっている。特に、対策(d)、(e)、(f)の条件下において、温度依存性が大幅に改善されていることが分かる。そして、この対策(d)、(e)、(f)の条件で形成した第1多孔質部151においては、気孔径は10〜200nmの範囲となっている。また、気孔率は、5〜45vol%の範囲となっている。   Thus, it can be seen that the temperature dependency is improved under the conditions of measures (a), (b), (c), (d), (e), and (f). And in the 1st porous part 151 formed on the conditions of this countermeasure (a), (b), (c), (d), (e), (f), a pore diameter is 10-4000 nm. It has become. In particular, it can be seen that the temperature dependence is greatly improved under the conditions of measures (d), (e), and (f). And in the 1st porous part 151 formed on the conditions of this countermeasure (d), (e), (f), the pore diameter is the range of 10-200 nm. The porosity is in the range of 5 to 45 vol%.

温度依存性が小さいほど、第1多孔質部151における温度変化に伴う排ガスの流入量の変動量は小さくなる。よって、温度変動下でも第1ポンプセル電流から推測される排ガスの酸素濃度と実際の酸素濃度との誤差が小さくなる。即ち、NOx濃度出力の温度依存性を低減し、NOx濃度をより高精度に検出することができる。   The smaller the temperature dependency, the smaller the fluctuation amount of the inflow amount of the exhaust gas accompanying the temperature change in the first porous portion 151. Therefore, the error between the oxygen concentration of the exhaust gas estimated from the first pump cell current and the actual oxygen concentration is small even under temperature fluctuations. That is, the temperature dependence of the NOx concentration output can be reduced, and the NOx concentration can be detected with higher accuracy.

尚、本実施形態において、第1ポンプセル(Ip1セル)110が特許請求の範囲の第1ポンプセルに相当し、電極112,113が一対の第1電極に相当し、固体電解質体111が第1固体電解質体に相当し、第2ポンプセル(Ip2セル)130が特許請求の範囲の第2ポンプセルに相当し、電極132,133が一対の第2電極に相当し、固体電解質体131が第2固体電解質体に相当し、Vsセル120が酸素濃度検知セルに相当し、電極122,123が一対の第3電極に相当し、補正回路300が補正手段に相当し、電流Ip1は第1ポンプセルに流れる電流に相当し、電流Ip2は第2ポンプセルに流れる電流に相当している。   In the present embodiment, the first pump cell (Ip1 cell) 110 corresponds to the first pump cell in the claims, the electrodes 112 and 113 correspond to the pair of first electrodes, and the solid electrolyte body 111 corresponds to the first solid. The second pump cell (Ip2 cell) 130 corresponds to the second pump cell in the claims, the electrodes 132 and 133 correspond to a pair of second electrodes, and the solid electrolyte body 131 corresponds to the second solid electrolyte. The Vs cell 120 corresponds to an oxygen concentration detection cell, the electrodes 122 and 123 correspond to a pair of third electrodes, the correction circuit 300 corresponds to correction means, and the current Ip1 is a current flowing through the first pump cell. The current Ip2 corresponds to the current flowing through the second pump cell.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内において種々の形態をとることができる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various form can be taken within the technical scope of this invention.

また、上記実施形態において、第1多孔質部151の奥行き寸法(外側面から第1測定室150側の面までの寸法:図3参照)は、0.1〜5.0mmの範囲でどのような値をとってもよい。   In the above embodiment, the depth dimension of the first porous portion 151 (the dimension from the outer surface to the surface on the first measurement chamber 150 side: see FIG. 3) is in the range of 0.1 to 5.0 mm. You may take any value.

ガス濃度検出装置1の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a gas concentration detection device 1. FIG. ガス濃度検出装置1の詳細な構成図である。1 is a detailed configuration diagram of a gas concentration detection device 1. FIG. センサ素子10の断面図である。1 is a cross-sectional view of a sensor element 10. FIG. センサ素子10の製造例を表す図面である。2 is a diagram illustrating a manufacturing example of the sensor element 10. 温度依存性の評価のための制御処理を表すフローチャートである。It is a flowchart showing the control processing for evaluation of temperature dependence. 第1多孔質部151の組成例を表す図面である。4 is a diagram illustrating a composition example of a first porous portion 151.

符号の説明Explanation of symbols

1…ガス濃度検出装置、5…センサ制御装置、10…センサ素子、51…基準電圧比較回路、52…Ip1ドライブ回路、53…Vs検出回路、54…Icp供給回路、55…Ip2検出回路、56…Vp2印加回路、57…ヒータ駆動回路、58…電気回路部、60…マイクロコンピュータ、64…信号入出力部、65…A/Dコンバータ、90…ECU、110…第1ポンプセル(Ip1セル)、111,121,131…固体電解質体、112,113,122,123,132,133…電極、114…保護層、120…Vsセル、125…開口部、130…(第2ポンプセル)Ip2セル、140…絶縁体、141…開口部、145…絶縁体、150…第1測定室、151…第1多孔質部、152…第2多孔質部、160…第2測定室、161…ヒータ素子、162…絶縁層、164…ヒータパターン、170…基準酸素室、200…センサ制御回路、210…酸素濃度検出手段、220…NOx濃度検出手段、300…補正回路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas concentration detection apparatus, 5 ... Sensor control apparatus, 10 ... Sensor element, 51 ... Reference voltage comparison circuit, 52 ... Ip1 drive circuit, 53 ... Vs detection circuit, 54 ... Icp supply circuit, 55 ... Ip2 detection circuit, 56 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Vp2 application circuit, 57 ... Heater drive circuit, 58 ... Electric circuit part, 60 ... Microcomputer, 64 ... Signal input / output part, 65 ... A / D converter, 90 ... ECU, 110 ... 1st pump cell (Ip1 cell), 111, 121, 131 ... solid electrolyte body, 112, 113, 122, 123, 132, 133 ... electrode, 114 ... protective layer, 120 ... Vs cell, 125 ... opening, 130 ... (second pump cell) Ip2 cell, 140 ... Insulator 141 ... Opening part 145 ... Insulator 150 ... First measurement chamber 151 ... First porous part 152 ... Second porous part 160 ... Second measurement Chamber, 161 ... heater element, 162 ... insulating layer, 164 ... heater pattern, 170 ... reference oxygen chamber, 200 ... sensor control circuit, 210 ... oxygen concentration-detecting means, 220 ... NOx concentration detection means, 300 ... correction circuit.

Claims (4)

第1多孔質部を介して測定対象ガスが導入される第1測定室と、
第1固体電解質体及び該第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、その一対の第1電極の一方の電極が前記第1測定室内に配置され、前記第1測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第1ポンプセルと、
前記第1測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第2多孔質部を介して導入される第2測定室と、
第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、その一対の第2電極のうち一方の電極が前記第2測定室内に配置されて、その第2測定室における窒素酸化物濃度に応じた電流が流れる第2ポンプセルと、
一対の第3電極を有し、その一対の第3電極の一方の電極が第1測定室内及び/又は第2測定室内で、且つ前記測定対象ガスが流れる流路における前記第1電極と前記第2電極との間に配置され、前記第1測定室内及び/又は第2測定室内の酸素濃度に応じて前記第3電極に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、
前記第1ポンプセルに基づいて得られる酸素濃度に応じて、前記第2ポンプセルに流れる電流に基づいて得られる窒素酸化物濃度を補正する補正手段と、
を備えた窒素酸化物濃度検出装置において、
前記第1多孔質部の拡散抵抗をD1、前記第1測定室における拡散抵抗をD2とした場合、0.5<D1/(D1+D2)≦0.9を満たすように構成され、
かつ、前記第1多孔質部は、気孔径が10〜4000nmの範囲に含まれるように構成されている
ことを特徴とする窒素酸化物濃度検出装置。
A first measurement chamber into which a measurement target gas is introduced via the first porous portion;
A first solid electrolyte body and a pair of first electrodes formed on the first solid electrolyte body, one electrode of the pair of first electrodes being disposed in the first measurement chamber, the first measurement A first pump cell for pumping or pumping oxygen to the measurement target gas introduced into the chamber;
A second measurement chamber into which the measurement target gas into which oxygen has been pumped or pumped in the first measurement chamber is introduced via a second porous portion;
A second solid electrolyte body and a pair of second electrodes formed on the second solid electrolyte body, and one electrode of the pair of second electrodes is disposed in the second measurement chamber; A second pump cell through which a current corresponding to the nitrogen oxide concentration in the two measurement chambers flows;
A pair of third electrodes, and one electrode of the pair of third electrodes is in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber, and the first electrode and the second electrode in the flow path through which the measurement target gas flows An oxygen concentration detection cell disposed between two electrodes and generating a voltage in the third electrode in accordance with the oxygen concentration in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber;
Correction means for correcting the nitrogen oxide concentration obtained based on the current flowing through the second pump cell according to the oxygen concentration obtained based on the first pump cell;
In a nitrogen oxide concentration detection apparatus comprising:
When the diffusion resistance of the first porous portion is D1, and the diffusion resistance in the first measurement chamber is D2, the structure is configured to satisfy 0.5 <D1 / (D1 + D2) ≦ 0.9,
And the said 1st porous part is comprised so that a pore diameter may be contained in the range of 10-4000 nm. The nitrogen oxide concentration detection apparatus characterized by the above-mentioned.
前記第1多孔質部は、気孔率が5〜45vol%の範囲に含まれるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の窒素酸化物濃度検出装置。   The said 1st porous part is comprised so that a porosity may be contained in the range of 5-45 vol%, The nitrogen oxide concentration detection apparatus of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記第1多孔質部は、その第1多孔質部における前記測定対象ガスの導入側の面から前記第1測定室側の面までの寸法が、0.1〜5.0mmの範囲に含まれるように構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の窒素酸化物濃度検出装置。   The first porous portion includes a dimension from the measurement target gas introduction side surface to the first measurement chamber side surface in the first porous portion in a range of 0.1 to 5.0 mm. The nitrogen oxide concentration detection device according to claim 1 or 2, wherein the nitrogen oxide concentration detection device is configured as described above. 第1多孔質部を介して測定対象ガスが導入される第1測定室と、
第1固体電解質体及び該第1固体電解質体上に形成された一対の第1電極を有し、その一対の第1電極の一方の電極が前記第1測定室内に配置され、前記第1測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第1ポンプセルと、
前記第1測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第2多孔質部を介して導入される第2測定室と、
第2固体電解質体及び該第2固体電解質体上に形成された一対の第2電極を有し、その一対の第2電極のうち一方の電極が前記第2測定室内に配置されて、その第2測定室における窒素酸化物濃度に応じた電流が流れる第2ポンプセルと、
一対の第3電極を有し、その一対の第3電極の一方の電極が第1測定室内及び/又は第2測定室内で、且つ前記測定対象ガスが流れる流路における前記第1電極と前記第2電極との間に配置され、前記第1測定室内及び/又は第2測定室内の酸素濃度に応じて前記第3電極に電圧を発生する酸素濃度検知セルと、
を有するガスセンサ素子の製造方法であって、
平均粒径0.1μm〜0,7μmのアルミナ粉末に粒径0.05〜4.0μmのカーボン粉末を25〜45vol%添加してペースト材料を調合し、該調合したペースト材料を積層し、該積層したペースト材料を焼成して前記第1多孔質部を形成する工程を有することを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
A first measurement chamber into which a measurement target gas is introduced via the first porous portion;
A first solid electrolyte body and a pair of first electrodes formed on the first solid electrolyte body, one electrode of the pair of first electrodes being disposed in the first measurement chamber, the first measurement A first pump cell for pumping or pumping oxygen to the measurement target gas introduced into the chamber;
A second measurement chamber into which the measurement target gas into which oxygen has been pumped or pumped in the first measurement chamber is introduced via a second porous portion;
A second solid electrolyte body and a pair of second electrodes formed on the second solid electrolyte body, wherein one of the pair of second electrodes is disposed in the second measurement chamber, A second pump cell through which a current corresponding to the nitrogen oxide concentration in the two measurement chambers flows;
A pair of third electrodes, wherein one electrode of the pair of third electrodes is in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber, and the first electrode and the second electrode in the flow path through which the measurement target gas flows An oxygen concentration detection cell disposed between two electrodes and generating a voltage in the third electrode in accordance with the oxygen concentration in the first measurement chamber and / or the second measurement chamber;
A gas sensor element manufacturing method comprising:
A paste material is prepared by adding 25 to 45 vol% of carbon powder having a particle size of 0.05 to 4.0 μm to alumina powder having an average particle size of 0.1 to 0.7 μm, and the prepared paste material is laminated, A method for producing a gas sensor element, comprising: firing a laminated paste material to form the first porous portion.
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