JP2019138764A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検出ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects the concentration of a specific gas contained in a detection gas.
ガスセンサは、例えば、車両等の内燃機関から排気される排ガスを検出ガスとして、検出ガスにおける酸素ガスの濃度又は特定ガスの濃度を検出するために用いられる。排ガス中のNOx等の特定ガスの濃度を検出するガスセンサにおいては、排ガスにおける酸素ガスを汲み出すためのポンプ電極と、ポンプ電極によって酸素ガスの濃度が調整された後の排ガスにおける特定ガスの濃度を検出するセンサ電極とが固体電解質体に設けられている。また、固体電解質体及び各電極は、ヒータによって酸素ガス及び特定ガスに対する活性を示す温度に加熱される。このような排ガスにおける特定ガスを検出するガスセンサとしては、例えば、特許文献1に示されたものがある。
The gas sensor is used, for example, to detect the concentration of oxygen gas or the concentration of a specific gas in the detection gas using exhaust gas exhausted from an internal combustion engine such as a vehicle as the detection gas. In a gas sensor that detects the concentration of a specific gas such as NOx in the exhaust gas, the pump electrode for pumping out oxygen gas in the exhaust gas, and the concentration of the specific gas in the exhaust gas after the oxygen gas concentration is adjusted by the pump electrode A sensor electrode to be detected is provided on the solid electrolyte body. Further, the solid electrolyte body and each electrode are heated to a temperature showing activity with respect to oxygen gas and a specific gas by a heater. As such a gas sensor for detecting a specific gas in the exhaust gas, there is one disclosed in
排ガスにおける特定ガスの濃度を検出する従来のガスセンサに用いられるセンサ電極は、酸素ガス及び特定ガスに対して触媒活性を有する。そのため、ポンプ電極を用いて、排ガスにおける酸素ガスの濃度を極力低くしないと、特定ガスの濃度を精度よく検出することができない。 A sensor electrode used in a conventional gas sensor that detects the concentration of a specific gas in exhaust gas has catalytic activity for oxygen gas and the specific gas. Therefore, unless the concentration of oxygen gas in the exhaust gas is reduced as much as possible using the pump electrode, the concentration of the specific gas cannot be detected with high accuracy.
また、ポンプ電極による酸素ガスの汲み出しに変動が生じた場合には、酸素ガスの濃度が調整された後の排ガス中に残留する酸素ガスの濃度も変動する。この場合には、特定ガスの濃度を検出する精度が悪化するおそれがある。つまり、従来のガスセンサにおいては、排ガスにおける特定ガスの濃度を検出する精度は、ポンプ電極の性能による影響を受ける。 Further, when the oxygen gas is pumped out by the pump electrode, the concentration of the oxygen gas remaining in the exhaust gas after the oxygen gas concentration is adjusted also varies. In this case, the accuracy of detecting the concentration of the specific gas may deteriorate. That is, in the conventional gas sensor, the accuracy of detecting the concentration of the specific gas in the exhaust gas is affected by the performance of the pump electrode.
従って、ガスセンサにおいて、排ガス(検出ガス)における酸素ガスの濃度の影響を受けずに、排ガスにおける特定ガスの濃度を精度よく検出するためには、更なる改善の余地がある。 Therefore, in the gas sensor, there is room for further improvement in order to accurately detect the concentration of the specific gas in the exhaust gas without being affected by the concentration of the oxygen gas in the exhaust gas (detection gas).
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、検出ガスにおける酸素ガスの濃度の影響を受けずに、検出ガスにおける特定ガスの濃度を精度よく検出することができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。 The present invention has been made in view of such problems, and is obtained by providing a gas sensor capable of accurately detecting the concentration of a specific gas in a detection gas without being affected by the concentration of the oxygen gas in the detection gas. It is a thing.
本発明の一態様は、酸素イオンの伝導性を有する固体電解質体(21)、及び前記固体電解質体を介する両側の表面(211,212)に一対に設けられた電極(22,23)を有するセンサ素子(2)と、
前記センサ素子を活性温度に加熱するためのヒータ(3)と、を備え、
前記固体電解質体を介して一対の前記電極の間に生じる起電力又は電流を検出するよう構成されたガスセンサ(1)において、
前記固体電解質体は、A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z(ただし、A:La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群のうちの少なくとも一種の元素、T:Si及びGeの少なくとも一種の元素、M:B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群のうちの少なくとも一種の元素、x:−1.00〜1.00、y:1.00〜3.00、z:−2.00〜2.00とし、Mのモル数に対するAのモル数の比率(A/M)が3.00〜10.0とする。)の化学式を有する配向性アパタイト型固体電解質によって構成されており、
前記ヒータの制御温度は、一対の前記電極のうちの検出ガス(g)に晒される検出電極(22)の中心位置(C)の表面温度が300〜550℃の範囲内になるよう設定されており、
前記起電力又は前記電流に基づき、前記検出ガスにおける酸素濃度の影響を受けず、前記検出ガスに含まれる、酸素分子を除く、酸素原子を含む特定ガスの濃度を検出するよう構成されている、ガスセンサにある。
One aspect of the present invention includes a solid electrolyte body (21) having oxygen ion conductivity, and a pair of electrodes (22, 23) provided on both surfaces (211 and 212) through the solid electrolyte body. A sensor element (2);
A heater (3) for heating the sensor element to an activation temperature,
In the gas sensor (1) configured to detect an electromotive force or current generated between the pair of electrodes via the solid electrolyte body,
The solid electrolyte body, A 9.33 + x [T 6.00 -y M y] O 26.0 + z ( However, A: La, Ce, Pr , Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Be, Mg, Ca At least one element selected from the group consisting of Sr and Ba, at least one element selected from T: Si and Ge, at least one element selected from the group consisting of M: B, Ge, Zn, Sn, W and Mo; x: -1.00 to 1.00, y: 1.00 to 3.00, z: -2.00 to 2.00, and the ratio of the number of moles of A to the number of moles of M (A / M) is 3.00 to 10.0.) Is formed of an oriented apatite solid electrolyte having a chemical formula of
The control temperature of the heater is set so that the surface temperature of the center position (C) of the detection electrode (22) exposed to the detection gas (g) of the pair of electrodes is within a range of 300 to 550 ° C. And
Based on the electromotive force or the current, it is configured not to be affected by the oxygen concentration in the detection gas, and is configured to detect the concentration of a specific gas containing oxygen atoms, excluding oxygen molecules, contained in the detection gas. In the gas sensor.
前記一態様のガスセンサにおいては、A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+zの化学式を有する配向性アパタイト型固体電解質を固体電解質体として用いる。この固体電解質体は、300〜550℃の低温域においても活性化され、酸素イオン(酸化物イオン、O2-)を伝導させる性質を有する。また、ガスセンサにおけるヒータの制御温度は、固体電解質体に設けられた検出電極の中心位置の表面温度が300〜550℃の範囲内になるよう設定されている。 In the gas sensor of one embodiment, an oriented apatite solid electrolyte having a chemical formula of A 9.33 + x [T 6.00- y My ] O 26.0 + z is used as the solid electrolyte body. This solid electrolyte body is activated even in a low temperature range of 300 to 550 ° C. and has a property of conducting oxygen ions (oxide ions, O 2− ). Further, the control temperature of the heater in the gas sensor is set so that the surface temperature at the center position of the detection electrode provided in the solid electrolyte body is within a range of 300 to 550 ° C.
検出電極の中心位置の表面温度が300〜550℃の範囲内に加熱されることにより、固体電解質体における、検出電極と対向する位置の温度も、300〜550℃の範囲内に近い温度の範囲内に加熱される。そして、300〜550℃の低温域においては、検出電極に接触する検出ガスに含まれる酸素ガス(酸素分子)がほとんど分解されない。また、この低温域においては、検出ガスにおけるガス成分のうち、検出電極において分解されるガスのほとんどが特定ガスとなる状態を形成することができる。これにより、ガスセンサにおいては、検出ガスにおける特定ガスの濃度を検出するために、酸素ガスの濃度を調整する必要がなくなる。 When the surface temperature of the center position of the detection electrode is heated within the range of 300 to 550 ° C., the temperature at the position facing the detection electrode in the solid electrolyte body is also in the temperature range close to the range of 300 to 550 ° C. Heated inside. And in the low temperature range of 300-550 degreeC, oxygen gas (oxygen molecule) contained in the detection gas which contacts a detection electrode is hardly decomposed | disassembled. Further, in this low temperature region, it is possible to form a state in which most of the gas components in the detection gas decomposed at the detection electrode become the specific gas. Thereby, in the gas sensor, it is not necessary to adjust the concentration of the oxygen gas in order to detect the concentration of the specific gas in the detection gas.
そのため、検出ガスから酸素ガスを汲み出すための電極を用いなくても、検出ガスにおける特定ガスの濃度を検出することが可能になる。そして、検出ガスにおける酸素ガスの濃度が変動した場合でも、この影響を受けずに、検出ガスにおける特定ガスの濃度を検出することができる。 Therefore, the concentration of the specific gas in the detection gas can be detected without using an electrode for pumping oxygen gas from the detection gas. Even when the concentration of oxygen gas in the detection gas varies, the concentration of the specific gas in the detection gas can be detected without being affected by this.
それ故、前記一態様のガスセンサによれば、検出ガスにおける酸素ガスの濃度の影響を受けずに、検出ガスにおける特定ガスの濃度を精度よく検出することができる。 Therefore, according to the gas sensor of the above aspect, the concentration of the specific gas in the detection gas can be accurately detected without being affected by the concentration of the oxygen gas in the detection gas.
ヒータの制御による検出電極の中心位置の表面温度が300℃未満となる場合には、検出電極及び固体電解質体の温度が低すぎて、これらが活性化しないおそれがある。一方、ヒータの制御による検出電極の中心位置の表面温度が550℃超過となる場合には、検出電極及び固体電解質体の温度が高く、特定ガスの濃度の検出が、酸素ガスの濃度による影響を受けるおそれがある。 When the surface temperature at the center position of the detection electrode under the control of the heater is less than 300 ° C., the temperature of the detection electrode and the solid electrolyte body may be too low and they may not be activated. On the other hand, when the surface temperature at the center position of the detection electrode under the control of the heater exceeds 550 ° C., the temperature of the detection electrode and the solid electrolyte body is high, and the detection of the concentration of the specific gas has an influence by the concentration of oxygen gas. There is a risk of receiving.
ヒータの制御によって加熱される検出電極の一部は、300℃未満又は550℃超過となっていてもよい。また、ヒータの制御によって、検出電極の全体が300〜550℃の範囲内になるようにすることができる。 A part of the detection electrode heated by the control of the heater may be less than 300 ° C. or more than 550 ° C. Further, the entire detection electrode can be within a range of 300 to 550 ° C. by controlling the heater.
固体電解質体は、550℃を超える温度においても酸素イオンを伝導させる性質を有していてもよい。 The solid electrolyte body may have a property of conducting oxygen ions even at a temperature exceeding 550 ° C.
また、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。 In addition, the reference numerals in parentheses of the constituent elements shown in one embodiment of the present invention indicate the correspondence with the reference numerals in the drawings in the embodiments, but the constituent elements are not limited only to the contents of the embodiments.
(配向性アパタイト型固体電解質)
配向性アパタイト型固体電解質の具体的な構成について説明する。
配向性アパタイト型固体電解質における「配向性」とは、固体電解質体が配向軸(結晶軸)を有しているという意味であり、配向軸は、一軸であっても二軸であってもよい。特に、配向性アパタイト型固体電解質は、c軸配向性を有していることが好ましい。
(Oriented apatite solid electrolyte)
A specific configuration of the oriented apatite solid electrolyte will be described.
“Orientation” in an oriented apatite solid electrolyte means that the solid electrolyte body has an orientation axis (crystal axis), and the orientation axis may be uniaxial or biaxial. . In particular, the oriented apatite solid electrolyte preferably has c-axis orientation.
前記化学式の「A」元素として挙げられた、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Be、Mg、Ca、Sr及びBaは、正の電荷を有するイオンとなり、アパタイト型六方晶構造を構成し得るランタノイド又はアルカリ土類金属である元素である。この中でも、酸素イオンの伝導率をより高めることができる観点から、La、Nd、Ba、Sr、Ca及びCeからなる群のうちの少なくとも一種を用いることが好ましい。また、LaもしくはNdのいずれか、あるいは、Laと、Nd、Ba、Sr、Ca及びCeからなる群のうちの少なくとも一種との組み合わせの元素を用いることがさらに好ましい。 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba mentioned as the “A” element in the chemical formula are ions having a positive charge, and are apatite. It is an element that is a lanthanoid or an alkaline earth metal that can constitute a type hexagonal crystal structure. Among these, it is preferable to use at least one of the group consisting of La, Nd, Ba, Sr, Ca, and Ce from the viewpoint of further improving the conductivity of oxygen ions. More preferably, either La or Nd, or a combination of La and at least one of the group consisting of Nd, Ba, Sr, Ca and Ce is used.
前記化学式の「T」元素には、Si、Ge、又はSiとGeとの組み合わせの元素を用いることができる。
前記化学式の「M」元素は、気相中において、準安定な前駆体(後述するA2.00+xTO5.00+z)との反応により導入される。これにより、この前駆体をアパタイト構造に変化させるとともに、固体電解質における結晶を一方向に配向させることができる。
As the “T” element in the chemical formula, Si, Ge, or a combination of Si and Ge can be used.
The “M” element of the chemical formula is introduced in the gas phase by reaction with a metastable precursor (A 2.00 + x TO 5.00 + z described later). Thereby, while changing this precursor to an apatite structure, the crystal | crystallization in a solid electrolyte can be orientated to one direction.
A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+zの化学式を有する配向性アパタイト型固体電解質は、A2.00+xTO5.00+zの化学式を有する前駆体を、M元素を含有する気相中で加熱して、前駆体とM元素とを反応させて得ることができる。なお、この化学式の「A」は、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群のうちの少なくとも一種の元素を示す。化学式の「T」は、Si及びGeの少なくとも一方を含む元素を示す。化学式の「x」は、−1.00〜1.00の範囲内の数値を示し、化学式の「z」は、−2.00〜2.00の範囲内の数値を示す。「M元素」とは、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群のうちの少なくとも一種の元素を示す。 A 9.33 + x [T 6.00- y M y] O 26.0 + orientation apatitic solid electrolyte having the formula of z is a precursor having the chemical formula of A 2.00 + x TO 5.00 + z , feel containing M element It can be obtained by heating in the phase and reacting the precursor with the M element. “A” in this chemical formula represents at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. “T” in the chemical formula represents an element containing at least one of Si and Ge. “X” in the chemical formula represents a numerical value in the range of −1.00 to 1.00, and “z” in the chemical formula represents a numerical value in the range of −2.00 to 2.00. “M element” refers to at least one element selected from the group consisting of B, Ge, Zn, Sn, W, and Mo.
「M」元素としては、前駆体がアパタイト構造をとることになる1000℃以上の温度で気相となって、必要な蒸気圧を得ることができる元素であればよい。「必要な蒸気圧」とは、雰囲気中を気相状態で移動でき、前駆体の表面から内部に向って、粒内拡散して反応を進めることができる蒸気圧のことを示す。この観点から、「M」元素としては、例えばB、Ge、Zn、W、Sn及びMoからなる群のうちの少なくとも一種の元素を挙げることができる。この中でも、高配向度や高生産性(配向速度)の点で、B、Ge及びZnのうちの少なくとも一種を用いることが好ましい。 As the “M” element, any element can be used as long as the precursor can be in a gas phase at a temperature of 1000 ° C. or higher at which the precursor has an apatite structure and a necessary vapor pressure can be obtained. “Necessary vapor pressure” refers to a vapor pressure that can move in an atmosphere in a gas phase, and can diffuse within the grain from the surface of the precursor to the inside to advance the reaction. From this viewpoint, examples of the “M” element include at least one element selected from the group consisting of B, Ge, Zn, W, Sn, and Mo. Among these, it is preferable to use at least one of B, Ge, and Zn in terms of a high degree of orientation and high productivity (orientation speed).
「A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z」の化学式における「x」は、配向度及び酸素イオンの伝導性を高めることができる観点から、−1.00〜1.00であることが好ましく、0.00〜0.70であることがより好ましく、0.45〜0.65であることがさらに好ましい。前記化学式における「y」は、アパタイト型結晶格子における「T」元素の位置を埋めるという観点から、1.00〜3.00であることが好ましく、1〜2であることがより好ましく、1.00〜1.62であることがさらに好ましい。前記化学式における「z」は、アパタイト型結晶格子内において電気的中性を保つという観点から、−2.00〜2.00であることが好ましく、−1.50〜1.50であることがより好ましく、−1.00〜1.00であることがさらに好ましい。 "X" in the chemical formula of the "A 9.33 + x [T 6.00- y M y] O 26.0 + z ", from the viewpoint of can increase the conductivity of the orientation degree and the oxygen ions, -1.00~1.00 It is preferable that it is 0.00-0.70, and it is further more preferable that it is 0.45-0.65. “Y” in the chemical formula is preferably from 1.00 to 3.00, more preferably from 1 to 2, more preferably from the viewpoint of filling the position of the “T” element in the apatite-type crystal lattice. More preferably, it is 00 to 1.62. “Z” in the chemical formula is preferably −2.00 to 2.00, and preferably −1.50 to 1.50 from the viewpoint of maintaining electrical neutrality in the apatite crystal lattice. More preferably, it is more preferably -1.00 to 1.00.
また、前記化学式において、「M」元素のモル数に対する「A」元素のモル数の比率(A/M)、言い換えれば、前記化学式における(9.33+x)/yの比率は、アパタイト型結晶格子における空間的な占有率を保つという観点から、3.00〜10.0であることが好ましく、6.20〜9.20であることがより好ましく、7.00〜9.00であることがさらに好ましい。 Further, in the chemical formula, the ratio (A / M) of the number of moles of the “A” element to the number of moles of the “M” element, in other words, the ratio of (9.33 + x) / y in the chemical formula is the apatite crystal lattice. From the viewpoint of maintaining the spatial occupancy ratio in the case, it is preferably 3.00 to 10.0, more preferably 6.20 to 9.20, and 7.00 to 9.00. Further preferred.
「A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z」の化学式の具体例としては、La9.33+x(Si4.70B1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Ge1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Zn1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70W1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Sn1.30)O26.0+z、La9.33+x(Ge4.70B1.30)O26.0+zなどを挙げることができる。ただし、配向性アパタイト型固体電解質はこれらのみに限定されない。 "A 9.33 + x [T 6.00- y M y] O 26.0 + z " Specific examples of the formula of, La 9.33 + x (Si 4.70 B 1.30) O 26.0 + z, La 9.33 + x (Si 4.70 Ge 1.30 ) O 26.0 + z , La 9.33 + x (Si 4.70 Zn 1.30 ) O 26.0 + z , La 9.33 + x (Si 4.70 W 1.30 ) O 26.0 + z , La 9.33 + x (Si 4.70 Sn 1.30 ) O 26.0 + z La 9.33 + x (Ge 4.70 B 1.30 ) O 26.0 + z . However, the oriented apatite solid electrolyte is not limited to these.
配向性アパタイト型固体電解質の、ロットゲーリング法で測定した配向度であるロットゲーリング配向度は、0.6以上とすることが好ましく、0.8以上とすることがより好ましく、0.9以上とすることがさらに好ましい。配向性アパタイト型固体電解質のロットゲーリング配向度を0.6以上とするためには、A2.00+xTO5.00+zによって示される前駆体を単一相かつ高密度(相対密度80%以上)に調製することが好ましい。ただし、配向性アパタイト型固体電解質の製造方法は、この製造方法のみに限定されない。 The Lotgering orientation degree, which is the orientation degree measured by the Lotgering method of the oriented apatite solid electrolyte, is preferably 0.6 or more, more preferably 0.8 or more, and 0.9 or more. More preferably. In order to set the Lotgering orientation degree of the oriented apatite solid electrolyte to 0.6 or more, the precursor represented by A 2.00 + x TO 5.00 + z has a single phase and a high density (relative density of 80% or more). It is preferable to prepare. However, the manufacturing method of the oriented apatite solid electrolyte is not limited to this manufacturing method.
500℃における配向性アパタイト型固体電解質の酸素イオンの伝導率は、10-4S/cm以上とすることが好ましく、10-3S/cm以上とすることがより好ましく、10-2S/cm以上とすることがさらに好ましい。この酸素イオンの伝導率を10-4S/cm以上とするためには、ロットゲーリング配向度を0.6以上とすることが好ましい。 The oxygen ion conductivity of the oriented apatite solid electrolyte at 500 ° C. is preferably 10 −4 S / cm or more, more preferably 10 −3 S / cm or more, and 10 −2 S / cm. More preferably, the above is used. In order to set the oxygen ion conductivity to 10 −4 S / cm or more, the Lotgering orientation degree is preferably set to 0.6 or more.
配向性アパタイト型固体電解質の輸率は、0.80以上とすることが好ましく、0.90以上とすることがより好ましく、0.95以上とすることがさらに好ましい。この輸率を0.80以上とするためには、「A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z」の純度を90%以上とすることが好ましい。 The transport number of the oriented apatite solid electrolyte is preferably 0.80 or more, more preferably 0.90 or more, and further preferably 0.95 or more. In order to set this transport number to 0.80 or more, it is preferable to set the purity of “A 9.33 + x [T 6.00- y My ] O 26.0 + z ” to 90% or more.
(配向性アパタイト型固体電解質の製造方法)
配向性アパタイト型固体電解質の製造方法は、国際公開WO2016/111110公報に記載された内容を援用することができる。
(Method for producing oriented apatite solid electrolyte)
The content described in International Publication WO2016 / 111110 can be used for the manufacturing method of an oriented apatite type solid electrolyte.
(電極)
一対の前記電極は、300〜550℃の低温域においても、電子伝導性を有する電極材料から構成することが好ましい。一対の前記電極のうちの前記検出電極は、300〜550℃の低温域においても、酸素分子を除く、酸素原子を含む特定ガスに対する触媒活性を有する電極材料から構成することが好ましい。
(electrode)
The pair of electrodes is preferably composed of an electrode material having electron conductivity even in a low temperature range of 300 to 550 ° C. The detection electrode of the pair of electrodes is preferably composed of an electrode material having catalytic activity for a specific gas containing oxygen atoms, excluding oxygen molecules, even in a low temperature range of 300 to 550 ° C.
検出電極は、300〜550℃の低温域において、検出ガスにおける特定ガスとしてのNO、NO2、N2O、CO、H2O又はCO2に対する触媒活性を有する電極材料から構成することが好ましい。特に、検出電極には、NO2に対する触媒活性の選択性を有する電極材料として、W(タングステン)の酸化物を用いることができる。 The detection electrode is preferably composed of an electrode material having catalytic activity for NO, NO 2 , N 2 O, CO, H 2 O or CO 2 as a specific gas in the detection gas in a low temperature range of 300 to 550 ° C. . In particular, an oxide of W (tungsten) can be used for the detection electrode as an electrode material having selectivity of catalytic activity with respect to NO 2 .
また、電極材料の耐熱性を向上させるために、検出電極には、Wと他の元素との化合物を用いることが好ましい。また、検出電極は、電極材料の昇華を抑え、電極材料の表面の塩基性を増加させるために、Zn(亜鉛)を含有することができる。なお、塩基性を増加させることによって、検出電極が酸性ガスを吸着しやすくすることができる。また、検出電極は、電極材料における電子伝導性を向上させるドナーを形成するために、Re(レニウム)を含有することができる。 In order to improve the heat resistance of the electrode material, it is preferable to use a compound of W and another element for the detection electrode. The detection electrode can contain Zn (zinc) in order to suppress sublimation of the electrode material and increase the basicity of the surface of the electrode material. In addition, by increasing the basicity, the detection electrode can easily adsorb the acidic gas. Further, the detection electrode can contain Re (rhenium) in order to form a donor that improves the electron conductivity in the electrode material.
検出電極は、AxZn1-xByW1-yO4+x/2+y/2(ただし、A:In、B:Re、x:0〜0.1、y:0〜0.1とする。)の化学式を有する電極材料を用いて構成することができる。この場合には、検出電極が300〜550℃における耐熱性を有し、NO2に対する触媒活性の選択性を有する検出電極を形成することができる。
Sensing electrodes, A x Zn 1-x B y W 1-
なお、AxZn1-xByW1-yO4+x/2+y/2の化学式の「A」及び「B」は、NO2に対する触媒活性の選択性を有すれば、それぞれn又はReとは異なる元素とすることもできる。
Incidentally, "A" and "B" in the formula A x Zn 1-x B y W 1-
一対の電極のうちの基準電極は、Pt、Pt合金(Ptと他の貴金属との合金)、ぺロブスカイト型酸化物などの電気伝導性酸化物等を用いて構成することができる。基準電極とは、固体電解質体を介して検出電極と対向する電極のことをいう。基準電極は、大気に晒される大気電極とすることができる。 The reference electrode of the pair of electrodes can be configured using Pt, a Pt alloy (an alloy of Pt and another noble metal), an electrically conductive oxide such as a perovskite oxide, or the like. The reference electrode refers to an electrode facing the detection electrode through the solid electrolyte body. The reference electrode can be an atmospheric electrode that is exposed to the atmosphere.
検出電極及び基準電極は、固体電解質体の表面に設けられた電極材料を、固体電解質体とともに焼結する場合には、電極材料中に、固体電解質体と同質の成分を含有していてもよい。一方、メッキ処理等を行って固体電解質体の表面に検出電極及び基準電極を形成する場合には、電極材料中に、固体電解質体と同質の成分を含有していなくてもよい。 When the electrode material provided on the surface of the solid electrolyte body is sintered together with the solid electrolyte body, the detection electrode and the reference electrode may contain the same components as the solid electrolyte body in the electrode material. . On the other hand, when the detection electrode and the reference electrode are formed on the surface of the solid electrolyte body by performing plating or the like, the electrode material may not contain the same components as the solid electrolyte body.
前述したガスセンサにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
<実施形態1>
本形態のガスセンサ1は、図1に示すように、センサ素子2及びヒータ3を備える。センサ素子2は、酸素イオン(酸化物イオン、O2-)の伝導性を有する固体電解質体21と、固体電解質体21を介する両側の表面に一対に設けられた電極22,23とを有する。ヒータ3は、センサ素子2を活性温度に加熱するよう構成されている。ガスセンサ1は、固体電解質体21を介して一対の電極22,23の間に生じる起電力Eを検出するよう構成されている。なお、同図は、ガスセンサ1の主要部を概略的に示す。
A preferred embodiment of the gas sensor described above will be described with reference to the drawings.
<
As shown in FIG. 1, the
固体電解質体21は、A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+zの化学式を有する配向性アパタイト型固体電解質によって構成されている。ここで、化学式の「A」は、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群のうちの少なくとも一種の元素を示す。化学式の「T」は、Si及びGeの少なくとも一種の元素を示す。化学式の「M」は、B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群のうちの少なくとも一種の元素を示す。化学式の「x」は、−1.00〜1.00の範囲内の数値を示し、化学式の「y」は、1.00〜3.00の範囲内の数値を示し、化学式の「z」は、−2.00〜2.00の範囲内の数値を示す。また、「M」のモル数に対する「A」のモル数の比率(A/M)は、3.00〜10.0とする。
The
ヒータ3の制御温度は、一対の電極22,23のうちの検出ガスgに晒される検出電極22の中心位置Cの表面温度が300〜550℃になるよう設定されている。ガスセンサ1は、起電力Eに基づき、検出ガスgにおける酸素濃度の影響を受けず、検出ガスgに含まれる、酸素分子(O2)を除く、酸素原子(O)を含む特定ガスの濃度を検出するよう構成されている。
The control temperature of the
以下に、本形態のガスセンサ1について説明する。
(内燃機関5)
図2に示すように、本形態のガスセンサ1は、車両の内燃機関(エンジン)5の排気系統の配管51内に配置されて、配管51内を流れる排ガスを検出ガスgとして、検出ガスg中の特定ガスを検出するものである。ガスセンサ1は、配管51内における、触媒52の配置箇所よりも上流側に設けることができ、配管51内における、触媒52の配置箇所よりも下流側に設けることもできる。また、ガスセンサ1を配置する配管は、排ガスを利用して内燃機関5が吸入する空気の密度を高める過給機の吸入側の配管とすることもできる。また、ガスセンサ1を配置する配管は、内燃機関5から排気通路に排気される排ガスの一部を、内燃機関5の吸気通路に再循環させる排気再循環機構における配管とすることもできる。
Below, the
(Internal combustion engine 5)
As shown in FIG. 2, the
また、ガスセンサ1は、燃料を用いて走行する一般的な車両の配管の他、ハイブリッド車両の配管等に配置することができる。また、本形態のガスセンサ1は、内燃機関5から排気される排ガス中の、酸素分子を除く、酸素原子を含む特定ガスの濃度を検出する用途に用いられる。
Further, the
(ガスセンサ1)
本形態のガスセンサ1は、酸素分子を除く、酸素原子を含む特定ガスとしてのNO2を検出する。NO2は、550℃を超える高温になると、NOに分解される性質を有する。そのため、ヒータ3によって固体電解質体21及び一対の電極22,23を加熱するための制御温度は、300〜550℃の範囲内とし、検出ガスgに含まれるNO2がNOに分解されることを防ぐ。
(Gas sensor 1)
The
図1に示すように、本形態のガスセンサ1は、大気a中の酸素濃度から決まる大気電極23の電位と、検出ガスg中の特定ガスの濃度から決まる検出電極22の電位との差によって、固体電解質体21を介して大気電極23と検出電極22との間に生じる起電力Eを検出するよう構成されている。ガスセンサ1は、一対の電極22,23間に生じる起電力Eを検出する起電力検出回路41と、ヒータ3に通電を行う通電回路42とを有する。起電力検出回路41及び通電回路42は、センサコントロールユニット(SCU,電子制御装置)4に形成されている。
As shown in FIG. 1, the
なお、ガスセンサ1は、固体電解質体21を介して一対の電極22,23の間に生じる電流を検出するよう構成することもできる。この場合、固体電解質体21を介して一対の電極22,23の間には、電圧を印加することができる。
The
(センサ素子2)
本形態の固体電解質体21は、La9.33+x[Si6.00-yMy]O26.0+zの化学式を有する、ランタンシリケート系の配向性アパタイト型固体電解質によって構成されている。このランタンシリケート系の配向性アパタイト型固体電解質としては、例えば、La9.33+x(Si4.70B1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Ge1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Zn1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70W1.30)O26.0+z、La9.33+x(Si4.70Sn1.30)O26.0+z、La9.33+x(Ge4.70B1.30)O26.0+z等を用いることができる。ランタンシリケート系の固体電解質は、酸素イオンの伝導性に異方性を有する。そのため、結晶粒の配向を行うことによって、ランタンシリケート系の固体電解質の酸素イオンの伝導性を高めることができる。
(Sensor element 2)
The
図1に示すように、固体電解質体21は板形状に形成されている。一対の電極22,23は、固体電解質体21の第1の板面211に設けられ、検出ガスgに晒される検出電極22と、固体電解質体21の第2の板面212に設けられ、基準ガスとしての大気aに晒される大気電極23(基準電極)とからなる。第2の板面212は第1の板面211の反対側に位置する。大気電極23は、固体電解質を介して検出電極22と対向する位置に設けられている。固体電解質体21には、検出ガスgが検出電極22へ導かれる経路と、大気aが大気電極23へ導かれる経路とを分けるための絶縁性の部材24が配置される。
As shown in FIG. 1, the
本形態の固体電解質体21は、円盤形状に形成されている。そして、部材24は、円筒形状に形成されており、部材24の内周側に固体電解質体21が配置されている。
The
また、図3に示すように、固体電解質体21は、有底円筒形状(コップ形状)に形成することもできる。この場合には、有底円筒形状の固体電解質体21の外周面に検出電極22を設け、有底円筒形状の固体電解質体21の内周面に大気電極23を設けることができる。また、検出電極22の表面には、多孔質のセラミック材料による保護層を設けることができる。同図は、ガスセンサ1の主要部を概略的に示す。
Moreover, as shown in FIG. 3, the
図示は省略するが、ガスセンサ1は、センサ素子2を配管51等に取り付けるためのハウジング、ハウジングに取り付けられ、センサ素子2のガス検知部を覆う第1カバー、一対の電極22,23及びヒータ3をセンサコントロールユニット4に配線するための配線部、ハウジングに取り付けられ、配線部を覆う第2カバー等を備える。
Although not shown, the
本形態の固体電解質体21の結晶粒は、結晶軸としてのc軸に配向されている。固体電解質体21においては、一対の電極22,23が対向する板厚方向に、平行な方向又は傾斜する方向に、固体電解質の結晶粒のc軸が向けられている。酸素イオンは、c軸の方向に沿って容易に移動することができる。
The crystal grains of the
検出電極22は、InxZn1-xReyW1-yO4+x/2+y/2(ただし、x:0〜0.1、y:0〜0.1とする。)の化学式を有する電極材料を用いて構成されている。この検出電極22は、300〜550℃における耐熱性を有し、また、NO2(二酸化窒素ガス)に対する触媒活性の選択性を有する。つまり、この検出電極22は、検出ガスg中の特定ガスとしてのNO2に対して触媒活性を有する。また、この検出電極22は、NO2を吸着する性能及びNO2を分解する性能に優れる。
Detection electrode 22, In x Zn 1-x Re y W 1-
大気電極23は、Ptを用いて構成されている。大気電極23は、電子伝導性を有する種々の電極材料によって構成することができる。
The
図1に示すように、検出電極22が平板状に形成されているときには、検出電極22の中心位置Cとは、検出電極22の平面内の重心位置のことをいう。また、図3に示すように、検出電極22が筒状に形成されているときには、検出電極22の中心位置Cとは、検出電極22の軸線方向における周状の中心位置のことをいう。
As shown in FIG. 1, when the
(ヒータ3)
図1に示すように、ヒータ3は、通電加熱を行って固体電解質体21及び一対の電極22,23を加熱するよう構成されている。ヒータ3は、通電を行った際にジュール熱を発生させる発熱体を用いて形成されている。本形態のヒータ3は、円筒形状の部材24における、固体電解質体21の周囲に配置されている。ヒータ3を構成する発熱体は、その抵抗値を大きくするために線状に近い状態に形成し、適宜蛇行する状態で配置することができる。また、ヒータ3は、固体電解質体21に対して所定の間隔を空けて積層することもできる。
(Heater 3)
As shown in FIG. 1, the
通電回路42によるヒータ3の制御温度は、ガスセンサ1によって特定ガスの濃度の検出を行うときの検出電極22の目標温度として設定することができる。検出電極22は、ヒータ3によって300〜550℃の範囲内のうちの特定の温度に制御される。これに応じ、大気電極23、及び固体電解質体21における、検出電極22と大気電極23との間に挟持された部分も、特定の温度に近い温度に制御される。
The control temperature of the
ヒータ3の発熱中心は、検出電極22の中心位置Cと対向する位置、又は検出電極22の中心位置Cと対向する位置の近傍に配置することができる。ヒータ3の発熱中心とは、ヒータ3を構成する発熱体の中心位置のことをいう。
The heat generation center of the
図3におけるガスセンサ1のヒータ3は、絶縁性のセラミックスの中心軸部30の回りに設けられた発熱体によって構成することができる。この場合のヒータ3の発熱中心とは、ヒータ3の軸線方向における周状の中心位置のことをいう。
The
ヒータ3の制御温度、言い換えれば検出電極22の目標温度は、ヒータ3の発熱体への印加電圧、通電時間等を適宜変更して調整することができる。通電回路42は、PWM(パルス幅変調)等を行った交流電圧をヒータ3へ印加することができる。
The control temperature of the
検出電極22の温度は、一対の電極22,23間のインピーダンス又はヒータ3の両端のインピーダンスを測定し、このインピーダンスの大きさに応じて求めることができる。また、検出電極22の温度は、温度検出素子等によって測定することも可能である。通電回路42は、検出電極22の温度のフィードバックを受けて、検出電極22の温度が目標温度になるよう、ヒータ3への通電量を調整することができる。
The temperature of the
(作用効果)
本形態のガスセンサ1においては、A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+zの化学式を有する配向性アパタイト型固体電解質を固体電解質体21として用いる。この固体電解質体21は、300〜550℃の低温域においても活性化され、酸素イオンを伝導させる性質を有する。また、ガスセンサ1におけるヒータ3の制御温度は、固体電解質体21に設けられた検出電極22の温度が300〜550℃になるよう設定されている。
(Function and effect)
In the
検出電極22の中心位置Cの表面温度が300〜550℃の範囲内に加熱されることにより、固体電解質体21における、検出電極22と対向する位置の温度も、300〜550℃の範囲内に近い温度の範囲内に加熱される。そして、300〜550℃の低温域においては、検出電極22に接触する検出ガスgに含まれる酸素ガス(酸素分子)がほとんど分解されない。また、この低温域においては、検出ガスgにおけるガス成分のうち、検出電極22において分解されるガスのほとんどが特定ガスとなる。これにより、ガスセンサ1においては、検出ガスgにおける特定ガスの濃度を検出するために、酸素ガスの濃度を調整する必要がなくなる。
When the surface temperature of the center position C of the
そのため、検出ガスgから酸素ガスを汲み出すための電極を用いなくても、検出ガスgにおけるNO2の濃度を検出することが可能になる。そして、検出ガスgにおける酸素ガスの濃度が変動した場合でも、この影響を受けずに、検出ガスgにおけるNO2の濃度を検出することができる。 Therefore, the concentration of NO 2 in the detection gas g can be detected without using an electrode for pumping oxygen gas from the detection gas g. Even when the concentration of the oxygen gas in the detection gas g varies, the concentration of NO 2 in the detection gas g can be detected without being affected by this.
それ故、本形態のガスセンサ1によれば、検出ガスgにおける酸素ガスの濃度の影響を受けずに、検出ガスgにおける特定ガスとしてのNO2の濃度を精度よく検出することができる。
Therefore, according to the
従来のガスセンサの固体電解質体は、イットリアが添加されたジルコニア等によって構成されている。そして、この固体電解質体による酸素イオンの伝導性を活性化させるためには、固体電解質体を600〜650℃以上に加熱する必要がある。そして、固体電解質体に設けられた検出電極は、検出ガスg中の、酸素ガス、及び酸素原子を含有するNOx等の特定ガスを分解する。そのため、特定ガスの濃度を検出するためには、検出ガスg中の酸素ガスの濃度を極力低くする必要がある。 A solid electrolyte body of a conventional gas sensor is composed of zirconia to which yttria is added. And in order to activate the conductivity of oxygen ion by this solid electrolyte body, it is necessary to heat a solid electrolyte body to 600-650 degreeC or more. And the detection electrode provided in the solid electrolyte body decomposes | disassembles specific gas, such as NOx containing oxygen gas and oxygen atom in the detection gas g. Therefore, in order to detect the concentration of the specific gas, it is necessary to make the concentration of the oxygen gas in the detection gas g as low as possible.
一方、本形態のガスセンサ1の固体電解質体21は、酸素ガスが分解されない低温域において、酸素イオンの伝導性を有する。そのため、本形態のガスセンサ1は、この低温域において、検出ガスg中の特定ガスの濃度を検出することにより、酸素ガスの濃度(酸素分圧)の影響を受けずに、特定ガスの濃度を検出することができる。
On the other hand, the
<実施形態2>
本形態のガスセンサ1は、図4、図5及び図6に示すように、特定ガスの濃度の変化に応じて、固体電解質体21を介して検出電極22と大気電極23との間に生じる起電力E又は電流Iを検出するよう構成されている。
<
As shown in FIGS. 4, 5, and 6, the
本形態のセンサ素子2は、板状の固体電解質体21に積層された絶縁体240にヒータ3が形成された、積層タイプのものである。検出電極22は、固体電解質体21における、検出ガスgに晒される第1の板面211に配置されている。
The
本形態のヒータ3は、固体電解質体21の第2の板面212に積層された絶縁体240に埋設された発熱体によって構成されている。絶縁体240は、アルミナ(酸化アルミニウム)等の絶縁性のセラミックスによって形成されている。なお、固体電解質体21の第1の板面211には、検出電極22を覆う保護層が形成されていてもよい。保護層は、セラミックスの多孔質体によって形成することができる。
The
また、図4及び図6に示すように、絶縁体240には、大気aが導入される大気ダクト26が形成されている。大気ダクト26は、絶縁体240に形成された凹部242と、大気電極23が設けられた、固体電解質体21の第2の板面212との間に形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 6, the
本形態のセンサコントロールユニット4は、通電回路42の他に、固体電解質体21を介して検出電極22と大気電極23との間に生じる起電力E又は電流Iを検出する検出回路43を有する。
The
本形態のセンサ素子2及びヒータ3は、一対の電極22,23が設けられた固体電解質体21に、ヒータ3が設けられた絶縁体240のグリーンシートを積層し、焼結することによって形成される。この焼結を行う前において、一対の電極22,23は、板状の固体電解質体21に、電極材料のペーストを印刷することによって形成することができる。また、焼結を行う前において、ヒータ3を構成する発熱体は、絶縁体240の一方のグリーンシートに、発熱体材料のペーストを印刷し、このペーストを絶縁体240の他方のグリーンシートとの間に挟み込むことによって形成することができる。また、絶縁体240における凹部242は、セラミックス材料のペーストを用いて形成することができる。
The
本形態のガスセンサ1における、固体電解質体21、一対の電極22,23等のその他の構成は、実施形態1に示した構成と同様である。また、本形態においても、実施形態1の場合と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1に示した構成要素と同様である。
In the
<実施形態3>
本形態のガスセンサ1は、図7〜図9に示すように、特定ガスの濃度の変化に応じて、固体電解質体21を介して検出電極22と大気電極23との間に生じる電流Iを検出するよう構成されている。また、本形態のガスセンサ1は、検出電極22へ供給される検出ガスgの流量を制限し、大気電極23と検出電極22との間に、限界電流特性を生じさせる電圧Fを印加した状態において、特定ガスの濃度によって変化する電流Iを検出する構成を有する。
<
As shown in FIGS. 7 to 9, the
本形態のセンサ素子2は、板状の固体電解質体21に積層された絶縁体24A,24Bに、検出ガス室25及びヒータ3が形成された、積層タイプのものである。検出電極22は、固体電解質体21に積層された第1絶縁体24Aによって形成された検出ガス室25内に配置されている。検出ガス室25は、第1絶縁体24Aに形成された凹部241と、検出電極22が設けられた、固体電解質体21の第1の板面211との間に形成されている。
The
図7及び図8に示すように、第1絶縁体24Aには、検出ガスgを所定の拡散抵抗下において検出ガス室25内へ導入するための拡散抵抗部251が設けられている。拡散抵抗部251は、第1絶縁体24Aに形成されたピンホール等の貫通穴によって構成することができる。また、拡散抵抗部251は、第1絶縁体24Aに形成された貫通穴の内部又は表面に配置された、セラミックスの多孔質体によって構成することもできる。また、セラミックスの多孔質体は、貫通穴の全部又は一部に充填することができる。
As shown in FIGS. 7 and 8, the
本形態のヒータ3は、固体電解質体21の第2の板面212に積層された第2絶縁体24Bに埋設された発熱体によって構成されている。第2の板面212は、固体電解質体21において、第1絶縁体24Aが積層された第1の板面211とは反対側に位置する。第1絶縁体24A及び第2絶縁体24Bは、アルミナ(酸化アルミニウム)等の絶縁性のセラミックスによって形成されている。
The
また、図7及び図9に示すように、第2絶縁体24Bには、大気aが導入される大気ダクト26が形成されている。大気ダクト26は、第2絶縁体24Bに形成された凹部242と、大気電極23が設けられた、固体電解質体21の第2の板面212との間に形成されている。
As shown in FIGS. 7 and 9, the
本形態のセンサコントロールユニット4は、通電回路42の他に、大気電極23と検出電極22との間に電圧Fを印加する電圧印加回路44と、固体電解質体21を介して検出電極22と大気電極23との間に生じる電流Iを検出する電流検出回路45とを有する。
The
本形態のセンサ素子2及びヒータ3は、一対の電極22,23が設けられた固体電解質体21に、第1絶縁体24A、及びヒータ3が設けられた第2絶縁体24Bのグリーンシートを積層し、焼結することによって形成される。この焼結を行う前において、一対の電極22,23は、板状の固体電解質体21に、電極材料のペーストを印刷することによって形成することができる。また、焼結を行う前において、ヒータ3を構成する発熱体は、絶縁体24Bの一方のグリーンシートに、発熱体材料のペーストを印刷し、このペーストを絶縁体24Bの他方のグリーンシートとの間に挟み込むことによって形成することができる。また、第1絶縁体24Aにおける凹部241及び第2絶縁体24Bにおける凹部242は、セラミックス材料のペーストを用いて形成することができる。
In the
本形態のガスセンサ1においては、限界電流特性を利用して特定ガスの濃度を検出することにより、その検出精度を高めることができる。本形態のガスセンサ1における、固体電解質体21、一対の電極22,23等のその他の構成は、実施形態1に示した構成と同様である。また、本形態においても、実施形態1の場合と同様の作用効果を得ることができる。さらに、本形態においても、実施形態1に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態1に示した構成要素と同様である。
In the
<その他の実施形態>
実施形態1〜3において、ガスセンサ1は、NO2の濃度を検出する以外にも、NO、N2O、CO、H2O、CO2のうちのいずれかを特定ガスとして、この特定ガスの濃度を検出するよう構成することができる。この場合、検出電極22は、検出する特定ガスに対する触媒活性の選択性を有する電極材料から構成することができる。
<Other embodiments>
In the first to third embodiments, in addition to detecting the concentration of NO 2 , the
また、検出電極22は、NO、NO2、N2Oを含むNOxに対する触媒活性を有するものとすることもできる。この場合には、ガスセンサ1は、検出ガスgにおける特定ガスとしてのNOxを検出するNOxセンサとして機能する。このNOxセンサは、低温域において動作するものであり、酸素ガスの濃度の影響をほとんど受けずにNOxを検出することができる。
The
<確認試験1>
本確認試験においては、実施形態1に示したガスセンサ1を用いて検出ガスgにおけるNO2の濃度を検出する際に、検出ガスgにおけるO2の濃度を変化させ、NO2の濃度の検出が、O2の濃度の変化の影響を受けるかについて確認した。
<
In this confirmation test, when the concentration of NO 2 in the detection gas g is detected using the
大気電極23と検出電極22との間には、0.45Vの電圧を印加し、検出ガスgにおけるNO2の濃度は、200ppmとした。また、ヒータ3によって検出電極22を加熱する制御温度(目標温度)は、400℃とした。また、検出ガスgにおけるO2の濃度は、5〜15体積%の間で変化させた。なお、検出ガスgにおける残部はN2とした。
A voltage of 0.45 V was applied between the
本確認試験において、検出ガスgにおけるNO2の濃度を検出した結果を図10に示す。同図において、検出ガスgにおけるO2の濃度を5〜15体積%の間で変化させたときの検出ガスgにおけるNO2の濃度を示す電流密度[nA/cm2]は、681〜710nA/cm2の間で若干変化したものの、ほとんど変化しなかった。この結果より、実施形態1に示したガスセンサ1によれば、NO2の濃度の検出が、O2の濃度の変化の影響をほとんど受けないことが確認された。
FIG. 10 shows the result of detecting the concentration of NO 2 in the detection gas g in this confirmation test. In the figure, the current density [nA / cm 2 ] indicating the concentration of NO 2 in the detection gas g when the concentration of O 2 in the detection gas g is varied between 5 and 15% by volume is 681 to 710 nA / Although it changed slightly between cm 2 , it hardly changed. From this result, according to the
<確認試験2>
本確認試験においては、実施形態3に示したガスセンサ1を用いて検出ガスgにおけるNO2の濃度を、定量的(リニヤ)に検出することができるかの確認をした。
<
In this confirmation test, it was confirmed whether or not the concentration of NO 2 in the detection gas g can be quantitatively detected using the
大気電極23と検出電極22との間には、0.45Vの電圧を印加し、ヒータ3によって検出電極22を加熱する制御温度(目標温度)は、400℃とした。また、検出ガスgにおけるNO2の濃度は、100〜400ppmの間で変化させた。また、検出ガスgにおけるO2の濃度は10体積%とし、検出ガスgにおける残部はN2とした。
A voltage of 0.45 V was applied between the
本確認試験において、検出ガスgにおけるNO2の濃度を検出した結果を図11に示す。同図において、検出ガスgにおけるNO2の濃度を100〜400ppmの間で変化させたときの、検出されるNO2の濃度を示す電流密度[nA/cm2]は、NO2の濃度が高くなるほど高く検出された。この結果より、実施形態3に示したガスセンサ1によれば、検出ガスgにおけるNO2の濃度を定量的に検出できることが確認された。
FIG. 11 shows the result of detecting the concentration of NO 2 in the detection gas g in this confirmation test. In the figure, the current density [nA / cm 2 ] indicating the concentration of NO 2 detected when the concentration of NO 2 in the detection gas g is changed between 100 and 400 ppm is high in the concentration of NO 2. It was detected so high. From this result, it was confirmed that according to the
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。 The present invention is not limited only to each embodiment, and further different embodiments can be configured without departing from the scope of the invention. Further, the present invention includes various modifications, modifications within an equivalent range, and the like.
1 ガスセンサ
2 センサ素子
21 固体電解質体
22 検出電極
23 大気電極
3 ヒータ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記センサ素子を活性温度に加熱するためのヒータ(3)と、を備え、
前記固体電解質体を介して一対の前記電極の間に生じる起電力又は電流を検出するよう構成されたガスセンサ(1)において、
前記固体電解質体は、A9.33+x[T6.00-yMy]O26.0+z(ただし、A:La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Be、Mg、Ca、Sr及びBaからなる群のうちの少なくとも一種の元素、T:Si及びGeの少なくとも一種の元素、M:B、Ge、Zn、Sn、W及びMoからなる群のうちの少なくとも一種の元素、x:−1.00〜1.00、y:1.00〜3.00、z:−2.00〜2.00とし、Mのモル数に対するAのモル数の比率(A/M)が3.00〜10.0とする。)の化学式を有する配向性アパタイト型固体電解質によって構成されており、
前記ヒータの制御温度は、一対の前記電極のうちの検出ガス(g)に晒される検出電極(22)の中心位置(C)の表面温度が300〜550℃の範囲内になるよう設定されており、
前記起電力又は前記電流に基づき、前記検出ガスにおける酸素濃度の影響を受けず、前記検出ガスに含まれる、酸素分子を除く、酸素原子を含む特定ガスの濃度を検出するよう構成されている、ガスセンサ。 A sensor element (2) having a solid electrolyte body (21) having oxygen ion conductivity, and a pair of electrodes (22, 23) provided on both surfaces (211 and 212) through the solid electrolyte body;
A heater (3) for heating the sensor element to an activation temperature,
In the gas sensor (1) configured to detect an electromotive force or current generated between the pair of electrodes via the solid electrolyte body,
The solid electrolyte body, A 9.33 + x [T 6.00 -y M y] O 26.0 + z ( However, A: La, Ce, Pr , Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Be, Mg, Ca At least one element selected from the group consisting of Sr and Ba, at least one element selected from T: Si and Ge, at least one element selected from the group consisting of M: B, Ge, Zn, Sn, W and Mo; x: -1.00 to 1.00, y: 1.00 to 3.00, z: -2.00 to 2.00, and the ratio of the number of moles of A to the number of moles of M (A / M) is 3.00 to 10.0.) Is formed of an oriented apatite solid electrolyte having a chemical formula of
The control temperature of the heater is set so that the surface temperature of the center position (C) of the detection electrode (22) exposed to the detection gas (g) of the pair of electrodes is within a range of 300 to 550 ° C. And
Based on the electromotive force or the current, it is configured not to be affected by the oxygen concentration in the detection gas, and is configured to detect the concentration of a specific gas containing oxygen atoms, excluding oxygen molecules, contained in the detection gas. Gas sensor.
前記大気中の酸素濃度から決まる前記大気電極の電位と前記特定ガスの濃度から決まる検出電極の電位との差によって、前記固体電解質体を介して前記大気電極と前記検出電極との間に生じる起電力(E)を検出するよう構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 Of the pair of electrodes, an electrode provided on the opposite side of the detection electrode via the solid electrolyte body is exposed to the atmosphere as an atmospheric electrode (23),
Due to the difference between the potential of the atmospheric electrode determined from the oxygen concentration in the atmosphere and the potential of the detection electrode determined from the concentration of the specific gas, an occurrence occurs between the atmospheric electrode and the detection electrode via the solid electrolyte body. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is configured to detect electric power (E).
前記センサ素子は、所定の拡散抵抗下において前記検出電極に前記検出ガスが接触するよう構成されており、
前記大気電極と前記検出電極との間に電圧(F)が印加された状態で、前記特定ガスの濃度の変化に応じて、前記固体電解質体を介して前記検出電極と前記大気電極との間に生じる電流(I)を検出するよう構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。 Of the pair of electrodes, an electrode provided on the opposite side of the detection electrode via the solid electrolyte body is exposed to the atmosphere as an atmospheric electrode (23),
The sensor element is configured such that the detection gas contacts the detection electrode under a predetermined diffusion resistance,
In a state where a voltage (F) is applied between the atmospheric electrode and the detection electrode, according to a change in the concentration of the specific gas, between the detection electrode and the atmospheric electrode via the solid electrolyte body. The gas sensor of any one of Claims 1-3 comprised so that the electric current (I) which arises in this may be detected.
前記第1絶縁体には、前記検出ガスを所定の拡散抵抗下において前記検出ガス室内へ導入するための拡散抵抗部(251)が設けられており、
前記ヒータは、前記固体電解質体における、前記第1絶縁体が積層された側とは反対側に積層された第2絶縁体(24B)に埋設された発熱体によって構成されている、請求項5に記載のガスセンサ。 The detection electrode is disposed in a detection gas chamber (25) formed by a first insulator (24A) laminated on the solid electrolyte body,
The first insulator is provided with a diffusion resistance portion (251) for introducing the detection gas into the detection gas chamber under a predetermined diffusion resistance,
The said heater is comprised with the heat generating body embed | buried under the 2nd insulator (24B) laminated | stacked on the opposite side to the side on which the said 1st insulator was laminated | stacked in the said solid electrolyte body. The gas sensor described in 1.
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