JP2021051061A - Sensor element, gas sensor, and gas sensor unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ素子、ガスセンサ及びガスセンサユニットに関する。 The present invention relates to a sensor element, a gas sensor and a gas sensor unit.
自動車等の内燃機関から排出される排ガスの規制強化に伴い、排ガス中の窒素酸化物(NOx)量の低減が要求されている。そこで、近年、排ガス中のNOx濃度を直接測定できるNOxセンサの開発が進んでいる。NOxセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなるポンプセル及びNOx濃度の検知セルを有するNOxセンサ素子を備えている。 With the tightening of regulations on exhaust gas emitted from internal combustion engines such as automobiles, it is required to reduce the amount of nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas. Therefore, in recent years, the development of NOx sensors capable of directly measuring the NOx concentration in exhaust gas has been progressing. The NOx sensor includes a NOx sensor element having a pump cell formed by forming a pair of electrodes on the surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia and a NOx concentration detecting cell.
NOxセンサは、NOxを含む被測定ガス空間に連通する測定室内の酸素をポンプセルによって汲み出し又は汲み入れる。このとき、測定室内が所定の酸素濃度となるようにポンプセルを制御する。さらに、酸素濃度が制御(調整)された被測定ガスのNOx濃度が検知セルで検出される。
上記構成のNOxセンサは、電極を固体電解質体に設けただけでは、NOxセンサ素子(検出素子)の電極が十分に活性せず、十分なセンサ特性が得られない。
そこで、ポンプセルの一対の電極間に電圧を印加し、エージング処理を施して酸素分解活性を向上させる技術が提案されている(特許文献1参照)。この技術においては、電極の厚み方向に沿う断面にて、電極に含まれる貴金属と、固体電解質体の成分を含む混在領域の割合を30%以上にすることで、酸素分解活性が向上するとしている。
The NOx sensor pumps or pumps oxygen in the measurement chamber communicating with the space to be measured containing NOx by a pump cell. At this time, the pump cell is controlled so that the measurement chamber has a predetermined oxygen concentration. Further, the NOx concentration of the gas to be measured whose oxygen concentration is controlled (adjusted) is detected in the detection cell.
In the NOx sensor having the above configuration, the electrodes of the NOx sensor element (detection element) are not sufficiently activated and sufficient sensor characteristics cannot be obtained only by providing the electrodes on the solid electrolyte.
Therefore, a technique has been proposed in which a voltage is applied between a pair of electrodes of a pump cell and an aging treatment is performed to improve the oxygen decomposition activity (see Patent Document 1). In this technology, it is said that the oxygen decomposition activity is improved by setting the ratio of the mixed region containing the noble metal contained in the electrode and the component of the solid electrolyte to 30% or more in the cross section along the thickness direction of the electrode. ..
しかしながら、混在領域は結合性に劣るため、混在領域が多すぎると、電極が固体電解質体から剥離し易くなるという問題がある。又、基準セルの電位が一定になるよう、ポンプセルに流れる電流をフィードバック制御する場合、混在領域を含むポンプセルの電極と、基準セルの電極との応答性の差が大きくなり、発振の原因にもなり得る。
一方、混在領域が少なすぎると、電極の内部抵抗が低温時に上昇し、ポンプセルの電圧(Vp1)が高くなって排ガス中の測定対象成分を分解してしまう等の不具合がある。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ポンプセルにおける電極の酸素分解活性を向上させると共に、電極が固体電解質体から剥離することを抑制したセンサ素子、ガスセンサ及びガスセンサユニットの提供を目的とする。
However, since the mixed region is inferior in bondability, there is a problem that if the mixed region is too large, the electrode is likely to be separated from the solid electrolyte. Further, when the current flowing through the pump cell is feedback-controlled so that the potential of the reference cell becomes constant, the difference in responsiveness between the electrode of the pump cell including the mixed region and the electrode of the reference cell becomes large, which may cause oscillation. Can be.
On the other hand, if the mixed region is too small, the internal resistance of the electrode rises at a low temperature, the voltage of the pump cell (Vp1) becomes high, and the component to be measured in the exhaust gas is decomposed.
The present invention has been made in view of this background, and an object of the present invention is to provide a sensor element, a gas sensor, and a gas sensor unit that improve the oxygen decomposition activity of an electrode in a pump cell and suppress the electrode from peeling from a solid electrolyte. And.
上記課題を解決するため、本発明のセンサ素子は、測定室と、固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室に曝される内側電極と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室の外部に配置される外側電極と、を有し、前記測定室内に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し及び汲み入れを行うことで前記測定室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、前記測定室内の前記被測定ガス中の酸素濃度に応じた電圧を発生する基準セルと、を有するセンサ素子であって、前記内側電極及び前記外側電極のうち少なくとも一方の電極は、貴金属と前記固体電解質体の成分とを含有してなり、かつ厚み方向に沿って断面を観察した場合に、前記貴金属からなる貴金属領域と、前記固体電解質体の成分からなる固体電解質体領域と、前記貴金属と前記固体電解質体の成分とが共存してなる共存領域とを有し、前記少なくとも一方の電極の前記断面において、{前記共存領域/(前記貴金属領域+前記固体電解質体領域+前記共存領域)}で表される前記共存領域の面積割合SRが15.5%以上、30%未満であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the sensor element of the present invention includes a measurement chamber, a solid electrolyte, an inner electrode formed on the surface of the solid electrolyte and exposed to the measurement chamber, and a surface of the solid electrolyte. It has an outer electrode formed in the measurement chamber and arranged outside the measurement chamber, and the oxygen concentration in the measurement chamber is increased by pumping and pumping oxygen in the gas to be measured introduced into the measurement chamber. A sensor element having a pump cell to be adjusted and a reference cell that generates a voltage corresponding to the oxygen concentration in the gas to be measured in the measurement chamber, wherein at least one of the inner electrode and the outer electrode is , The noble metal region composed of the noble metal and the solid electrolyte region composed of the components of the solid electrolyte body when the noble metal and the component of the solid electrolyte body are contained and the cross section is observed along the thickness direction. , The coexistence region in which the noble metal and the component of the solid electrolyte coexist, and in the cross section of the at least one electrode, {the coexistence region / (the noble metal region + the solid electrolyte region + the said Coexistence region)} is characterized in that the area ratio SR of the coexistence region is 15.5% or more and less than 30%.
このセンサ素子によれば、ポンプセルにおける上記した一方の電極の酸素分解活性を向上させると共に、結合性に劣る共存領域が多過ぎないので上記した一方の電極が固体電解質体から剥離することを抑制できる。
又、基準セルの電位が一定になるよう、ポンプセルに流れる電流をフィードバック制御する場合に、共存領域を含む上記した一方の電極と、基準セルの電極との応答性の差が大きくなり過ぎず、発振を抑制できる。
さらに、共存領域が少なすぎて上記した一方の電極の内部抵抗が上昇することを抑制し、ポンプセルの電圧(Vp1)が高くなって測定対象のガス成分を分解してしまうことも抑制できる。なお、Vp1は、ポンプセルの両電極間に正方向又は負方向にポンプ電流(Ip1)を流して酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際、ポンプセルの両電極間に印加する電圧(ポンプ電圧)である。
According to this sensor element, the oxygen decomposition activity of the above-mentioned one electrode in the pump cell can be improved, and since there are not too many coexisting regions having poor binding properties, it is possible to prevent the above-mentioned one electrode from peeling off from the solid electrolyte. ..
Further, when the current flowing through the pump cell is feedback-controlled so that the potential of the reference cell becomes constant, the difference in responsiveness between the above-mentioned one electrode including the coexistence region and the electrode of the reference cell does not become too large. Oscillation can be suppressed.
Further, it is possible to suppress an increase in the internal resistance of one of the electrodes described above due to too few coexisting regions, and it is also possible to suppress an increase in the voltage (Vp1) of the pump cell and decomposition of the gas component to be measured. Vp1 is a voltage (pump voltage) applied between both electrodes of the pump cell when a pump current (Ip1) is passed between both electrodes of the pump cell in a positive direction or a negative direction to pump or pump oxygen. ..
本発明のセンサ素子は、前記酸素濃度を調整後の前記被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を測定するためのNOx検知セルをさらに有し、前記少なくとも一方の電極は、少なくとも前記内側電極を含み、前記内側電極の前記断面における前記共存領域の面積割合SRが15.5%以上、30%未満であってもよい。
このセンサ素子によると、一般にNOx検知セルを有するガスセンサにおいて、酸素濃度の調整はほとんど酸素の汲み出しであり、内側電極が上記割合の共存領域を有することで、特に効果的に酸素濃度を調整することができる。
The sensor element of the present invention further has a NOx detection cell for measuring the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured after adjusting the oxygen concentration, and at least one of the electrodes has at least the inner electrode. Including, the area ratio SR of the coexisting region in the cross section of the inner electrode may be 15.5% or more and less than 30%.
According to this sensor element, in a gas sensor having a NOx detection cell in general, the adjustment of the oxygen concentration is almost the pumping out of oxygen, and the inner electrode has the coexistence region of the above ratio, so that the oxygen concentration can be adjusted particularly effectively. Can be done.
本発明のセンサ素子において、前記共存領域の面積割合SRが16%以上、27%以下であってもよい。 In the sensor element of the present invention, the area ratio SR of the coexisting region may be 16% or more and 27% or less.
本発明のガスセンサは、前記センサ素子と、前記センサ素子を保持する主体金具と、を備えてなる。 The gas sensor of the present invention includes the sensor element and a main metal fitting for holding the sensor element.
本発明のガスセンサユニットは、前記ガスセンサと、前記ガスセンサに接続されるガスセンサ制御部と、を備え、前記ガスセンサ制御部は、前記基準セルの電位が一定になるよう、前記ポンプセルに流れる電流をフィードバック制御することを特徴とする。 The gas sensor unit of the present invention includes the gas sensor and a gas sensor control unit connected to the gas sensor, and the gas sensor control unit feedback-controls the current flowing through the pump cell so that the potential of the reference cell becomes constant. It is characterized by doing.
この発明によれば、ポンプセルにおける電極の酸素分解活性を向上させると共に、電極が固体電解質体から剥離することを抑制できる。 According to the present invention, it is possible to improve the oxygen decomposition activity of the electrode in the pump cell and suppress the electrode from peeling from the solid electrolyte.
以下、本発明の実施形態に係るガスセンサ(NOxセンサ)1について、図面を用いて説明する。図1は、NOxセンサ1の軸線O方向に沿う断面図である。なお、以下では、図1における下側をNOxセンサ1の先端側と呼び、図1における上側をNOxセンサ1の後端側と呼ぶ。 Hereinafter, the gas sensor (NOx sensor) 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the axis O direction of the NOx sensor 1. In the following, the lower side in FIG. 1 is referred to as the front end side of the NOx sensor 1, and the upper side in FIG. 1 is referred to as the rear end side of the NOx sensor 1.
図1に示すように、NOxセンサ1は、主体金具5と、センサ素子(NOxセンサ素子)7と、セラミックスリーブ9と、絶縁セパレータ13と、6個のリードフレーム(端子金具)15と、を備える。なお、図1では、6個のリードフレーム15の一部のみを図示する。
センサ素子7は、軸線O方向に延びる板状形状の積層部材である。センサ素子7は、主体金具5を貫通し、先端側が測定対象となる排気ガスに向けられている。排気ガスは被測定ガスに対応する。センサ素子7の先端側に検出部17が形成され、検出部17は、図示しない保護層に覆われている。
As shown in FIG. 1, the NOx sensor 1 includes a
The
図2に示すように、センサ素子7の後端側に、電極パッド23、25、27、29、31、33が形成されている。電極パッド23、25、27は、センサ素子7の外表面のうち、一方の面である第1板面19に形成されている。電極パッド29、31、33は、センサ素子7の外表面のうち、第1板面19とは反対の面である第2板面21に形成されている。
As shown in FIG. 2,
セラミックスリーブ9は筒状の形態を有し、センサ素子7の径方向周囲を取り囲むように配置されている。絶縁セパレータ13は、例えば、アルミナからなる絶縁性材料で形成され、軸線O方向に貫通する素子挿通孔11を有する。素子挿通孔11は、センサ素子7及びリードフレーム15の少なくとも一部を取り囲む。
絶縁セパレータ13が、素子挿通孔11の内部でリードフレーム15及びセンサ素子7を保持することで、リードフレーム15は、センサ素子7の電極パッド23〜33に、それぞれ電気的に接続される。また、リードフレーム15は、外部からセンサの内部に配設されるリード線35にも電気的に接続されており、リード線35が接続される外部機器と電極パッド23〜33との間に流れる電流の電流経路を形成する。
The
The
主体金具5は、例えばステンレス鋼からなる略筒状形状の金属部材である。主体金具5は、軸線O方向に貫通する貫通孔37を有するとともに、貫通孔37の内部において径方向内側に突出する棚部39を有する。主体金具5の外表面には、排気管に固定するためのネジ部3が形成されている。主体金具5は、貫通孔37に挿通されたセンサ素子7を保持するよう構成され、貫通孔37の先端側外部にセンサ素子7の検出部17を配置し、貫通孔37の後端側外部に電極パッド23〜33を配置する状態である。
The
貫通孔37の内部には、センサ素子7の径方向周囲を取り囲む状態で、環状形状のセラミックホルダ41、粉末充填層(滑石リング)43、45、上述のセラミックスリーブ9が、この順に先端側から後端側にかけて積層されている。
セラミックスリーブ9と主体金具5の後端部47との間には、加締リング49が配置されている。セラミックホルダ41と主体金具5の棚部39との間には、金属カップ51が配置されている。なお、後端部47は、加締リング49を介してセラミックスリーブ9を先端側に押し付けるように、加締められている。
Inside the through
A crimping
主体金具5の先端側には、センサ素子7の先端側を覆うように、例えばステンレス鋼からなる筒状のプロテクタ52が配置されている。プロテクタ52は、排気ガスの通過が可能な通気孔53を有している。プロテクタ52は、内側プロテクタ、及び外側プロテクタから成る二重プロテクタの構造を有する。
主体金具5の後端側には、例えばステンレス鋼からなる外筒55が固定されている。外筒55の後端側における開口部57は、例えばフッ素ゴムからなるグロメット59によって閉塞されている。
なお、絶縁セパレータ13は、後端側がグロメット59に当接した状態で、外筒55内に保持されている。絶縁セパレータ13の保持は、保持部材61によって行われている。保持部材61は、加締めによって、外筒55の内側に固定されている。
On the tip end side of the
An outer cylinder 55 made of, for example, stainless steel is fixed to the rear end side of the
The insulating
次に、センサ素子7の構成を図2〜図3に基づき説明する。図2はセンサ素子7を軸線O方向の一部を省略して示す斜視図、図3はセンサ素子7の先端側を厚み方向に破断しその内部構造を拡大して示す説明図である。
図2に示すように、センサ素子7は、長方形状の軸断面を有する板状をなし、素子部63と、ヒータ65とが積層された構造を有する。素子部63及びヒータ65は、それぞれ、軸線O方向に延びる板状に形成されている。
図3に示すように、センサ素子7は、図3における上方から順に、絶縁層67、第1固体電解質体69、絶縁層71、第2固体電解質体73、絶縁層75、第3固体電解質体77、及び絶縁層79、81が積層された構造を有している。このうち、絶縁層67、第1固体電解質体69、絶縁層71、第2固体電解質体73、絶縁層75、及び第3固体電解質体77は素子部63に対応する。センサ素子7は、第1ポンプセル83、基準セル85、及び第2ポンプセル87を備える。
Next, the configuration of the
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIG. 3, the
第1固体電解質体69と第2固体電解質体73との間には、第1測定室89が形成されている。図3において、第1測定室89の左端は入口である。この入口に、第1拡散抵抗部91が配置されている。第1拡散抵抗部91を介して、排気ガスGMが外部から第1測定室89に導入される。第1測定室89における入口とは反対側の端には、第2拡散抵抗部93が配置されている。
第2拡散抵抗部93の右側には、第2測定室95が形成されている。第2測定室95は、第2拡散抵抗部93を介して第1測定室89と連通する。第2測定室95は、第1固体電解質体69と第3固体電解質体77との間に形成されている。第2固体電解質体73のうち、第2測定室95に該当する部分は切り欠かれている。
A
A
第1〜第3固体電解質体69、73、77は、それぞれ、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主成分とする。各絶縁層67、71、75、79、81は、それぞれ、アルミナを主成分とする。第1、第2拡散抵抗部91、93は、それそれ、アルミナ等の多孔質物質から成る。なお、主成分とは、セラミック層中における含有量が50質量%以上である成分を意味する。
絶縁層79、81の間には、抵抗発熱体97が埋設されている。抵抗発熱体97は、図3における左右方向に沿って延びる。抵抗発熱体97は、例えば、白金から成る。絶縁層79、81と、抵抗発熱体97とは、ヒータ65を構成する。ヒータ65は、センサ素子7を所定の活性温度に昇温し、第1〜第3固体電解質体69、73、77の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させる作用を奏する。
The first to third
A
第1ポンプセル83は、第1固体電解質体69と、第1電極101と、第2電極99と、を備える。第1電極101及び第2電極99は第1固体電解質体69を挟む。
第1電極101は、白金と、ジルコニアと、後述する共存領域と、気孔と、を含む。ジルコニアは第1固体電解質体69に含まれるセラミック成分に対応する。第2電極99は、白金を主成分とする。
第1電極101は、第1測定室89に面している。第1電極101の表面は、ガスの通過が可能な多孔質層107で覆われている。第2電極99は、センサ素子7の外部に面している。第2電極99は、多孔質層105により覆われている。多孔質層105は、絶縁層67の開口部103に埋め込まれている。多孔質層105は、酸素等のガスが通過可能な多孔質体から成る。この多孔質体として、例えばアルミナ等が挙げられる。
The
The
The
基準セル85は、第2固体電解質体73と、第3電極109と、第4電極111と、を備える。基準セル85は、は第1測定室89内の被測定ガス中の酸素濃度に応じた(第1測定室89内の被測定ガスの雰囲気を基に)電圧を発生させる。第3電極109及び第4電極111は第2固体電解質体73を挟む。第3電極109は第1測定室89に面する。第4電極111は、後述する基準酸素室113に面する。第3電極109及び第4電極111は、それぞれ、白金を主成分とする。
基準酸素室113は、絶縁層75の一部が切り抜かれた部分である。基準酸素室113は、第2固体電解質体73、第3固体電解質体77、及び絶縁層75により周囲を囲まれた空間である。基準酸素室113では、酸素濃度が所定の濃度に維持される。
The
The
第2ポンプセル87は、第3固体電解質体77と、第5電極115と、第6電極117と、を備える。第5電極115及び第6電極117は、それぞれ、第3固体電解質体77の一方の表面に形成されている。第5電極115は、第2測定室95に面している。第6電極117は、基準酸素室113に面している。第5電極115と、第6電極117とは、絶縁層75により隔てられている。第5電極115及び第6電極117は、それぞれ、白金を主成分とする。第6電極117は、多孔質から成る絶縁保護層165により覆われている。基準酸素室113には、何も充填されていない空間である空隙167が存在する。
The
なお、第1測定室89、第1固体電解質体69、第1電極101、第2電極99、第1ポンプセル83が、それぞれ特許請求の範囲の「測定室」、「固体電解質体」、「内側電極」、「外側電極」、「ポンプセル」に相当する。
基準セル85が特許請求の範囲の「基準セル」に相当する。
第2ポンプセル87が特許請求の範囲の「NOx検知セル」に相当する。
又、後述するセンサ制御装置169が特許請求の範囲の「ガスセンサ制御部」に相当する。
The
The
The
Further, the
次に、図4を参照し、第1電極101について説明する。図4は、第1電極101の厚み方向に沿う断面のFE-SEMにより得られた反射電子像である。
上記したように、断面201を観察した場合に、第1電極101は、白金(貴金属)からなる貴金属領域205と、ジルコニア(固体電解質体の成分)からなる固体電解質体領域203と、貴金属と固体電解質体の成分とが共存してなる共存領域207と、気孔209と、を含む。
なお、断面201としては、例えば視野の大きさが8.5μm×12μmのSEM像を用いることができる。
Next, the
As described above, when the cross section 201 is observed, the
As the cross section 201, for example, an SEM image having a visual field size of 8.5 μm × 12 μm can be used.
そして、{共存領域207/(貴金属領域205+固体電解質体領域203+共存領域207)}で表される共存領域の面積割合SRが15.5%以上、30%未満である。
これにより、第1ポンプセル83における第1電極101の酸素分解活性を向上させると共に、結合性に劣る共存領域が多過ぎないので第1電極101が第1固体電解質体69から剥離することを抑制できる。
又、基準セル85の電位が一定になるよう、第1ポンプセル83に流れる電流をフィードバック制御する場合に、共存領域を含む第1電極101と、検知電極(第3電極109)との応答性の差が大きくなり過ぎず、発振を抑制できる。
さらに、共存領域が少なすぎて第1電極101の内部抵抗が上昇することを抑制し、第1ポンプセル83の電圧が高くなって測定対象のガス成分を分解してしまうことも抑制できる。
The area ratio SR of the coexisting region represented by {
As a result, the oxygen decomposition activity of the
Further, when the current flowing through the
Further, it is possible to suppress an increase in the internal resistance of the
共存領域207の面積割合SRが15.5%未満であると、第1電極101の内部抵抗が低温時に上昇し、第1ポンプセル83の電圧(Vp1)が高くなって被測定ガス中の測定対象成分である特定ガスを分解してしまい、測定精度が低下する。
一方、共存領域207の面積割合SRが30%以上であると、共存領域207は電極焼成時の結合性に劣るため、第1電極101が第1固体電解質体69から剥離し易くなる。又、基準セル85の電位が一定になるよう、第1ポンプセル83に流れる電流(Ip1)をフィードバック制御する場合、共存領域207を含む第1電極101と、第3電極109との応答性の差が大きくなり、発振の原因にもなり得る。
なお、上記したIp1の発振(ノイズ)は、基準セル85の電圧を基にして、第1ポンプセル83をフィードバック制御していることに起因するものである。
When the area ratio SR of the
On the other hand, when the area ratio SR of the
The oscillation (noise) of Ip1 described above is due to feedback control of the
断面201における貴金属領域205、固体電解質体領域203、共存領域207、及び気孔209の判別は次のように行う。
まず、断面201をFIB加工によって作製する。
そして、この断面201につき、STEM/EDSで元素分析を行い、O(酸素)が検出されるか否かで共存領域207か、合金かが分かる。Oが検出されると固体電解質体の成分がZrO2の状態で存在するため、共存領域207である。Oが検出されないと固体電解質体の成分が金属Zrの状態で存在するため、合金である。
又、貴金属領域205及び固体電解質体領域203は、以下のEDS分析から同定できる。
気孔209は、SEM画像において入射電子に対する応答がほとんどないため、黒く見え、他の領域と判別することができる。
The
First, the cross section 201 is manufactured by FIB processing.
Then, elemental analysis is performed on this cross section 201 by STEM / EDS, and whether O (oxygen) is detected or not indicates whether it is a
Further, the
Since the
次に、共存領域207の面積は、EDS分析、及びSEM画像の解析から求めることができる。具体的には、EDS分析により、貴金属(Pt)を含む領域の面積A(=貴金属領域205+共存領域207+合金)と、Zrを含む領域の面積B(=固体電解質体領域203+共存領域207+合金)とがそれぞれ求められる。
(面積A+面積B)=固体電解質体領域203+貴金属領域205+2×共存領域207+2×合金、となる。
次に、視野全体のうち、気孔209を除いた領域の面積C(=固体電解質体領域203+貴金属領域205+共存領域207+合金)を求める。
(面積A+面積B)−面積C=(共存領域207+合金)となるが、ここから上述のように合金(Oが検出されない領域)の面積を除くと、共存領域207の面積が求められる。
つまり、共存領域207は、EDSでZrが検出され、かつOが検出されない領域を除く部分であり、その面積割合SRが15.5%である。
Next, the area of the
(Area A + Area B) =
Next, the area C (=
(Area A + Area B) -Area C = (
That is, the
なお、図5に示すように、SEMの反射電子像のコントラスト等を調整して各領域のコントラストを際立たせることで、貴金属領域205、固体電解質体領域203、共存領域207、及び気孔209の判別及び面積A,B,Cを確実に求めることができる。
ここで、例えば、BMP形式のSEM像をCSV形式にし、その際にグレースケールをカラースケールの数値(RGB:0〜255)に変換する。その後、RGBの数値範囲が所定の範囲内の領域を同一の領域であると判定し、グループ分けを行うことにより、貴金属領域205、固体電解質体領域203、共存領域207、及び気孔209を区別できる。
なお、共存領域207には貴金属と固体電解質体の両方が共存しているが、例えば10×10ドットのエリアにおける貴金属と固体電解質体のRGBの分散度が一定値以上である場合は、共存領域であるといった判定により区別できる。
As shown in FIG. 5, the
Here, for example, the SEM image in BMP format is converted to CSV format, and the gray scale is converted into the numerical value (RGB: 0 to 255) of the color scale at that time. After that, it is possible to distinguish the
Both the noble metal and the solid electrolyte coexist in the
共存領域の面積割合SRを、15.5%以上、30%未満に管理する方法としては、第1電極101のエージング処理の温度や印加電圧、印加時間などの条件を管理することが挙げられる。例えば、エージング処理の温度及び印加電圧を高く、印加時間を長くすると、共存領域の面積割合SRは増える傾向にある。
エージング処理の条件は、例えば、以下のとおりである。
第1電極の雰囲気:リッチ雰囲気
第1電極の温度: 800℃以上950℃未満
第1電極と第2電極との間の電圧: 0.75〜1.00V
エージング処理の時間:40〜200sec
リッチ雰囲気とは、理論空燃料比率(λ=1)に対して酸素の割合が少ない雰囲気である。理論空燃料比率とは、理想的な完全燃焼ができる空気と燃料との混合比である。
エージング処理温度が高過ぎると、第1固体電解質体69の内部抵抗が下がることで、エージング処 理中に第1固体電解質体69に流れる電流が増加する。エージング処理は、通常、酸素欠乏雰囲気での処理であるため、エージング処理温度が高過ぎると、電流を流そうとして第1固体電解質体69に含まれる酸素をポンピングしようするブラックニング現象が起きるという懸念がある。従って、エージング温度は1000°C以下が好ましい。
As a method of controlling the area ratio SR of the coexistence region to 15.5% or more and less than 30%, it is possible to control conditions such as the temperature, applied voltage, and applied time of the aging treatment of the
The conditions of the aging process are as follows, for example.
Atmosphere of 1st electrode: Rich atmosphere Temperature of 1st electrode: 800 ° C or higher and lower than 950 ° C Voltage between 1st electrode and 2nd electrode: 0.75 to 1.00V
Aging process time: 40-200 sec
The rich atmosphere is an atmosphere in which the ratio of oxygen is small with respect to the theoretical empty fuel ratio (λ = 1). The theoretical empty fuel ratio is the mixing ratio of air and fuel that enables ideal complete combustion.
If the aging treatment temperature is too high, the internal resistance of the first
又、第1電極101と第2電極99の少なくとも一方の共存領域の面積割合SRが上記範囲であればよく、両電極101、99の両方の共存領域の面積割合SRが上記範囲であってもよい。特に、少なくとも第1電極101の共存領域の面積割合SRが上記範囲であると、被測定ガスの流速等によるポンプセルの電圧変動が抑えられ、測定精度が向上する。
例えばNOxセンサであれば、NOxはリーン時に多く存在し、リーン時には酸素をポンプアウトする方向に動くため、第1電極101の面積割合SRを規定することによる効果が高い。又、酸素センサであっても、リーン時に第1電極101の面積割合SRを規定することによる効果が高い。
エージング処理において第1電極101及び/又は第2電極99を加熱する手段は、ヒータ65であってもよいし、外部のヒータであってもよい。
第1電極と第2電極の間に正電圧と負電圧を印加する方法は、交番電圧でもよく、まずどちらか一方の極性で一方の電極のエージング処理を終了した後、反対の極性で他方の電極のエージング処理をしてもよい。
Further, the area ratio SR of at least one coexisting region of the
For example, in the case of a NOx sensor, NOx is abundant at the time of leaning and moves in the direction of pumping out oxygen at the time of leaning, so that the effect of defining the area ratio SR of the
The means for heating the
The method of applying a positive voltage and a negative voltage between the first electrode and the second electrode may be an alternating voltage. First, the aging process of one electrode is completed with one of the polarities, and then the other with the opposite polarity. The electrode may be aged.
次に、図6に基づきセンサ素子7の動作を制御するセンサ制御装置169の構成を説明する。図6は、センサ制御装置169の構成を示す図である。
センサ制御装置169は、マイクロコンピュータ171、電気回路部173等を有している。マイクロコンピュータ171は、各種演算を実行するCPU175と、演算結果等が記憶されるRAM177と、CPU175が実行するプログラム等を記憶するROM179とを備えている。
また、マイクロコンピュータ171は、A/Dコンバータ181と、信号入出力部185と、図示しないタイマクロック等を備えている。信号入出力部185は、A/Dコンバータ181を介して電気回路部173に接続すると共に、ECU183と通信する。
電気回路部173は、基準電圧比較回路187、Ip1ドライブ回路189、Vs検出回路191、Icp供給回路193、抵抗検出回路194、Ip2検出回路195、Vp2印加回路197、及びヒータ駆動回路199から構成される。電気回路部173は、マイクロコンピュータ171による制御を受けて、センサ素子7を用いて排気ガスGM中のNOx濃度の検出を行う。
第1電極101、第3電極109、及び第5電極115は、基準電位に接続されている。また、抵抗発熱体97の一方の電極は接地されている。
Next, the configuration of the
The
Further, the
The
The
次に、センサ制御装置169及びNOxセンサ1が実行する、排気ガスGM中のNOx濃度を検出する処理を説明する。ヒータ駆動回路199は抵抗発熱体97に駆動電流を流す。抵抗発熱体97は昇温し、第1〜第3固体電解質体69、73、77を加熱し、活性化する。これにより、第1ポンプセル83、基準セル85、及び第2ポンプセル87が動作するようになる。
排気ガスGMは、第1拡散抵抗部91による流通量の制限を受けつつ第1測定室89内に導入される。ここで、Icp供給回路193は、基準セル85において、第4電極111から第3電極109へ微弱な電流Icpを流す。このため、排気ガスGM中の酸素は、負極側となる第1測定室89内の第3電極109から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって第2固体電解質体73内を流れ、基準酸素室113内に移動する。つまり、第3電極109と第4電極111との間で電流Icpが流されることによって、第1測定室89内の酸素が基準酸素室113内に送り込まれる。
Next, the process of detecting the NOx concentration in the exhaust gas GM, which is executed by the
The exhaust gas GM is introduced into the
Vs検出回路191は、第3電極109と第4電極111との間の電圧Vsを検出する。電圧Vsは、第1測定室89内と基準酸素室113内との酸素濃度差に応じた電圧である。Vs検出回路191は、検出した電圧Vsを、基準電圧比較回路187を用いて基準電圧(425mV)と比較し、比較結果をIp1ドライブ回路189に対し出力する。ここで、電圧Vsが425mV付近で一定となるように、第1測定室89内の酸素濃度を調整すれば、第1測定室89内の排気ガスGM中の酸素濃度は所定値(例えば10-8〜10-8atm)に近づくこととなる。
The Vs detection circuit 191 detects the voltage Vs between the
Ip1ドライブ回路189は、第1測定室89内に導入された排気ガスGMの酸素濃度が所定値より薄い場合、第2電極99側が負極となるように第1ポンプセル83に電流Ip1を流し、センサ素子7の外部から第1測定室89内へ酸素のみ入れを行う。一方、第1測定室89内に導入された排気ガスGMの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ip1ドライブ回路189は、第1電極101側が負極となるように第1ポンプセル83に電流Ip1を流し、第1測定室89内からセンサ素子7の外部へ酸素のみ出しを行う。
In the
第1測定室89において酸素濃度が調整された排気ガスGMは、第2拡散抵抗部93を介し、第2測定室95内に導入される。第2測定室95内で第5電極115と接触した排気ガスGM中のNOxは、Vp2印加回路197により第6電極117と第5電極115との間に電圧Vp2を印加することで、第5電極115上でN2とO2とに分解される。分解された酸素は、酸素イオンとなって第3固体電解質体77内を流れ、基準酸素室113内に移動する。このため、第2ポンプセル87を流れる電流は、NOx濃度に応じた値を示す。
The exhaust gas GM whose oxygen concentration has been adjusted in the
センサ制御装置169は、Ip2検出回路195により第2ポンプセル87を流れる電流Ip2を検出し、電流Ip2から、排気ガスGM中のNOx濃度の検出を行う。詳しくは、NOx濃度と電流Ip2との関係を予め求めて、予めマップ等を作製しておき、測定された電流Ip2をこのマップに参照して、NOx濃度を求める。
The
NOxセンサ1は、例えば以下のようにして製造することができる。
まず、絶縁層67、第1固体電解質体69、第2固体電解質体73、第3固体電解質体77、及び絶縁層79、81の原材料となるセラミックシートを用意する。セラミックシートには、適宜、スルーホール等を形成する。また、セラミックシート上へのスクリーン印刷により、絶縁層71、75を形成する。
次に、各電極99、101、109、111、115、117を形成するために、対応するセラミックシートの表面に、電極の原料を含むペーストを塗布する。第1電極101を形成するためのペーストは、白金と、ZrO2とを含む。他の電極を形成するためのペーストは、白金を主成分とする。
The NOx sensor 1 can be manufactured, for example, as follows.
First, a ceramic sheet as a raw material for the insulating layer 67, the first
Next, in order to form the
次に、セラミックシートを積層して積層体を作製し、この積層体を焼成する。このとき、後に第1電極101となる部分には、第1電極前駆体が形成される。第1電極前駆体は、白金とZrO2とを含む。第1電極前駆体に含まれる白金の質量を100質量部とした場合、第1電極前駆体に含まれるZrO2の質量は22質量部である。また、第1電極前駆体において、白金が占める体積は56体積%であり、ZrO2が占める体積は44体積%である。
Next, the ceramic sheets are laminated to prepare a laminate, and the laminate is fired. At this time, the first electrode precursor is formed in the portion that will later become the
次に、第1電極前駆体に対し、エージング処理を行う。エージング処理の条件は、上述の通りである。第1電極前駆体の温度は、チノ社製の赤外放射温度計を用いて測定した値である。
エージング処理により、第1電極前駆体から第1電極101が形成され、ガスセンサ素子7が完成する。
NOxセンサ1のうち、ガスセンサ素子7以外の部分は、公知の方法で製造できる。
Next, the first electrode precursor is subjected to an aging treatment. The conditions of the aging treatment are as described above. The temperature of the first electrode precursor is a value measured using an infrared radiation thermometer manufactured by Chino.
By the aging treatment, the
The portion of the NOx sensor 1 other than the
本発明は、上述の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various embodiments without departing from the present invention.
第1固体電解質体69のうち、第1電極101及び第2電極99に挟まれない部分の全部又は一部は、固体電解質以外の材料から成っていてもよい。固体電解質以外の材料として、例えば、アルミナ等が挙げられる。
また、第2固体電解質体73のうち、第3電極109及び第4電極111に挟まれない部分の全部又は一部は、固体電解質以外の材料からなっていてもよい。固体電解質以外の材料として、例えば、アルミナ等が挙げられる。
Of the first
Further, in the second
本開示のセンサは、NOxセンサ以外のセンサであってもよい。例えば、上述したNOxセンサ1から、第2ポンプセル87を除いたセンサであってもよい。このセンサは、通電量Ip1に基づき、被測定ガス中の酸素濃度を測定するセンサとすることができる
The sensor of the present disclosure may be a sensor other than the NOx sensor. For example, it may be a sensor obtained by removing the
第1固体電解質体69、及び第1電極101に含まれるセラミック成分はジルコニア以外のものであってもよい。ジルコニア以外のセラミック成分として、例えば、CeO2(セリア)、ThO2(トリア)、HfO2、Bi2O3等が挙げられる。
セラミック成分CeO2である場合、エージング処理により、第1電極101にCeO2を含む共存領域が生じる。セラミック成分がThO2、HfO2、Bi2O3の場合も、同様にそれぞれを含む共存領域が生じる。
The ceramic component contained in the first
In the case of the ceramic component CeO 2 , the aging treatment produces a coexistence region containing CeO 2 in the first electrode 101. When the ceramic component is ThO 2 , HfO 2 , or Bi 2 O 3 , a coexistence region containing each of them is similarly generated.
上記各実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
上述したNOxセンサの他、当該NOxセンサを構成要素とするシステム等、種々の形態で本開示を実現することもできる。
The function of one component in each of the above embodiments may be shared by a plurality of components, or the function of the plurality of components may be exerted by one component. Further, a part of the configuration of each of the above embodiments may be omitted. In addition, at least a part of the configuration of each of the above embodiments may be added or replaced with respect to the configuration of the other embodiment. It should be noted that all aspects included in the technical idea specified from the wording described in the claims are embodiments of the present disclosure.
In addition to the NOx sensor described above, the present disclosure can be realized in various forms such as a system having the NOx sensor as a component.
[実施例1]
上述した方法でNOxセンサ1を製造した。
エージング処理の温度条件は、以下のようにした。
第1電極前駆体の雰囲気:リッチ雰囲気
第1電極前駆体の温度:800〜870℃
第1電極前駆体の温度は、チノ社製の赤外放射温度計を用いて測定した値である。
[Example 1]
The NOx sensor 1 was manufactured by the method described above.
The temperature conditions for the aging treatment were as follows.
Atmosphere of 1st Electrode Precursor: Rich Atmosphere Temperature of 1st Electrode Precursor: 800-870 ° C
The temperature of the first electrode precursor is a value measured using an infrared radiation thermometer manufactured by Chino.
エージング処理以外の条件は以下のとおりである。
エージング処理における第1電極前駆体の雰囲気:H2=2.35体積%、H2O=0.8体積%、N2=残部
エージング処理における第1電極前駆体と第2電極99との間の電圧:0.77V
エージング処理の時間:40sec
エージング処理後、NOxセンサ1について、第1電極101における共存領域の面積割合SRを上述の方法により測定した。
その結果、図4に示す断面像から、第1電極101における共存領域の面積割合SRが約16%となった。
The conditions other than the aging process are as follows.
Atmosphere of 1st Electrode Precursor in Aging Treatment: H 2 = 2.35% by Volume, H 2 O = 0.8% by Volume, N 2 = Between 1st Electrode Precursor and
Aging process time: 40 sec
After the aging treatment, the area ratio SR of the coexisting region in the
As a result, from the cross-sectional image shown in FIG. 4, the area ratio SR of the coexisting region in the
[実施例2]
上述した方法で、共存領域の面積割合SRを種々変化させたNOxセンサ1を製造した。各NOxセンサ1につき、センサ制御装置169の温度設定を変えてセンサ素子100の温度を変化させ、被測定ガスを大気としたときのVp1を測定した。
図7は、共存領域の面積割合SRを変化させたときの、センサ素子100の温度と、Vp1との関係を示す。
ここで、図7の横軸は、センサ素子100の所定の温度TMを基準(0)としたときの、温度変化ΔTを示す。例えば、「−40℃」は、センサ素子100の温度が所定温度TMより40℃低いときを表す。図7の縦軸は、共存領域の面積割合SRが16%のセンサ素子100の所定温度TMにおけるVp1を基準(V0)としたときのVp1の変化ΔVp1を示す。例えば、「5mV」は、センサ素子100のVp1がV0より5mV高いときを表す。
[Example 2]
By the method described above, the NOx sensor 1 in which the area ratio SR of the coexisting region was variously changed was manufactured. For each NOx sensor 1, the temperature setting of the
FIG. 7 shows the relationship between the temperature of the sensor element 100 and Vp1 when the area ratio SR of the coexistence region is changed.
Here, the horizontal axis of FIG. 7 indicates the temperature change ΔT when the predetermined temperature TM of the sensor element 100 is used as a reference (0). For example, "-40 ° C" represents when the temperature of the sensor element 100 is 40 ° C lower than the predetermined temperature TM. The vertical axis of FIG. 7 shows the change ΔVp1 of Vp1 when Vp1 at a predetermined temperature TM of the sensor element 100 having an area ratio SR of 16% in the coexistence region is used as a reference (V0). For example, "5 mV" represents when Vp1 of the sensor element 100 is 5 mV higher than V0.
図7に示すように、共存領域の面積割合SRがそれぞれ16%、27%、33%の場合、センサ素子100の温度が低下するとVp1が減少した。これは、温度低下に伴って被測定ガス(大気)の拡散速度も低下するためであり、正常なセンサ素子が示す傾向を表している。
一方、共存領域の面積割合SRがそれぞれ12%、5%の場合、センサ素子100の温度が低下してもVp1がほとんど減少しないか(SR=12%)、又は却ってVp1が上昇した(SR=5%)。これにより、SR=12%、5%の場合、外乱の影響等によって温度が低下した際に、第1電極101の内部抵抗が上昇し、第1ポンプセル83の電圧(Vp1)が高くなって被測定ガス中の測定対象成分である特定ガスを分解してしまい、測定精度が低下するものと考えられる。
また、SR=16%,27%,33%の場合、Vp1の温度依存性に寄与する要因として、被測定ガスの拡散速度の影響が大きく、一方でSRの値による要因が小さいため、設計や補正によって、Vp1の温度依存性を考慮した上で測定精度を容易に高めることができる。しかし、この傾向と異なるSR=12%,5%の場合、Vp1の温度依存性に対して、内部抵抗などのSRの値によって大きく変化する要因の影響が大きくなるため、設計や補正によって測定精度を高めることが困難となる。
As shown in FIG. 7, when the area ratio SR of the coexistence region was 16%, 27%, and 33%, respectively, Vp1 decreased as the temperature of the sensor element 100 decreased. This is because the diffusion rate of the gas to be measured (atmosphere) decreases as the temperature decreases, which shows the tendency of a normal sensor element.
On the other hand, when the area ratio SR of the coexistence region is 12% and 5%, respectively, Vp1 hardly decreases even if the temperature of the sensor element 100 decreases (SR = 12%), or Vp1 increases on the contrary (SR =). 5%). As a result, when SR = 12% and 5%, the internal resistance of the
Further, when SR = 16%, 27%, and 33%, the factor contributing to the temperature dependence of Vp1 is largely influenced by the diffusion rate of the gas to be measured, while the factor due to the SR value is small. By the correction, the measurement accuracy can be easily improved in consideration of the temperature dependence of Vp1. However, when SR = 12% and 5%, which are different from this tendency, the influence of factors such as internal resistance that greatly change depending on the SR value becomes large on the temperature dependence of Vp1, so the measurement accuracy depends on the design and correction. It becomes difficult to increase.
[実施例3]
上述した方法で、共存領域の面積割合SRを種々変化させたNOxセンサ1を製造した。各NOxセンサ1につき、センサ素子100の温度を所定温度に制御し、被測定ガスを大気として所定時間中のIp1を測定した。
図8は、共存領域の面積割合SRを変化させたときのIp1(正確には以下のノイズレベルNL)を示す。
ここで、図8の縦軸NL(Noise Level)は、所定時間中のIp1の最大値と最小値の差である。横軸に沿った太線は、NLの許容閾値TH(NLがこれ以上になると酸素の測定精度が低下する)を示す。例えば、「0.01mA」は、センサ素子100のNLがSHより0.01mA高いときを表す。
[Example 3]
By the method described above, the NOx sensor 1 in which the area ratio SR of the coexisting region was variously changed was manufactured. For each NOx sensor 1, the temperature of the sensor element 100 was controlled to a predetermined temperature, and Ip1 during a predetermined time was measured using the gas to be measured as the atmosphere.
FIG. 8 shows Ip1 (to be exact, the following noise level NL) when the area ratio SR of the coexistence region is changed.
Here, the vertical axis NL (Noise Level) in FIG. 8 is the difference between the maximum value and the minimum value of Ip1 during a predetermined time. The thick line along the horizontal axis indicates the permissible threshold value TH of NL (when NL becomes higher than this, the measurement accuracy of oxygen decreases). For example, "0.01 mA" represents when the NL of the sensor element 100 is 0.01 mA higher than the SH.
図8に示すように、共存領域の面積割合SRが33%の場合、NLが急激に上昇して許容閾値THを超えた。このように、Ip1の変動(ノイズ)が大きいと、外乱要因(被測定ガス中の酸素濃度やガス流速の急変等)による発振を起こしやすくなる。つまり、共存領域207を含む第1電極101と、第3電極109との応答性の差が大きくなり、発振し易くなると考えられる。
以上のことより、面積割合SRが15.5%以上、30%未満であると、測定精度の低下を抑制し、発振も抑制できることがわかった。
As shown in FIG. 8, when the area ratio SR of the coexisting region was 33%, the NL rapidly increased and exceeded the permissible threshold TH. As described above, when the fluctuation (noise) of Ip1 is large, oscillation due to a disturbance factor (such as a sudden change in oxygen concentration in the gas to be measured or a gas flow velocity) is likely to occur. That is, it is considered that the difference in responsiveness between the
From the above, it was found that when the area ratio SR is 15.5% or more and less than 30%, the decrease in measurement accuracy can be suppressed and the oscillation can also be suppressed.
1 NOxセンサ(ガスセンサ)
5 主体金具
69 第1固体電解質体(固体電解質体)
83 第1ポンプセル(ポンプセル)
85 基準セル(基準セル)
87 第2ポンプセル(NOx検知セル)
89 第1測定室(測定室)
99 第2電極(外側電極)
100 NOxセンサ素子(センサ素子)
101 第1電極(内側電極)
169 センサ制御装置(ガスセンサ制御部)
201 断面
203 固体電解質体領域
205 貴金属領域
207 共存領域
1 NOx sensor (gas sensor)
5
83 First pump cell (pump cell)
85 Reference cell (reference cell)
87 Second pump cell (NOx detection cell)
89 1st measurement room (measurement room)
99 Second electrode (outer electrode)
100 NOx sensor element (sensor element)
101 First electrode (inner electrode)
169 Sensor control device (gas sensor control unit)
Claims (5)
固体電解質体と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室に曝される内側電極と、前記固体電解質体の表面に形成されて前記測定室の外部に配置される外側電極と、を有し、前記測定室内に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し及び汲み入れを行うことで前記測定室内の酸素濃度を調整するポンプセルと、
前記測定室内の前記被測定ガス中の酸素濃度に応じた電圧を発生させる基準セルと、を有するセンサ素子であって、
前記内側電極及び前記外側電極のうち少なくとも一方の電極は、貴金属と前記固体電解質体の成分とを含有してなり、かつ厚み方向に沿って断面を観察した場合に、前記貴金属からなる貴金属領域と、前記固体電解質体の成分からなる固体電解質体領域と、前記貴金属と前記固体電解質体の成分とが共存してなる共存領域とを有し、
前記少なくとも一方の電極の前記断面において、{前記共存領域/(前記貴金属領域+前記固体電解質体領域+前記共存領域)}で表される前記共存領域の面積割合SRが15.5%以上、30%未満であることを特徴とするセンサ素子。 The measurement room and
A solid electrolyte, an inner electrode formed on the surface of the solid electrolyte and exposed to the measurement chamber, and an outer electrode formed on the surface of the solid electrolyte and arranged outside the measurement chamber. A pump cell that adjusts the oxygen concentration in the measurement chamber by pumping and pumping oxygen in the gas to be measured that is introduced into the measurement chamber.
A sensor element having a reference cell that generates a voltage corresponding to the oxygen concentration in the gas to be measured in the measurement chamber.
At least one of the inner electrode and the outer electrode contains a noble metal and a component of the solid electrolyte, and when the cross section is observed along the thickness direction, the noble metal region composed of the noble metal is formed. It has a solid electrolyte region composed of the components of the solid electrolyte body and a coexistence region in which the noble metal and the components of the solid electrolyte body coexist.
In the cross section of the at least one electrode, the area ratio SR of the coexisting region represented by {the coexisting region / (the noble metal region + the solid electrolyte region + the coexisting region)} is 15.5% or more, 30 A sensor element, characterized in that it is less than%.
前記少なくとも一方の電極は、少なくとも前記内側電極を含み、
前記内側電極の前記断面における前記共存領域の面積割合SRが15.5%以上、30%未満であることを特徴とする請求項1に記載のセンサ素子。 It further has a NOx detection cell for measuring the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured after adjusting the oxygen concentration.
The at least one electrode comprises at least the inner electrode.
The sensor element according to claim 1, wherein the area ratio SR of the coexisting region in the cross section of the inner electrode is 15.5% or more and less than 30%.
前記ガスセンサに接続されるガスセンサ制御部と、を備え、
前記ガスセンサ制御部は、前記基準セルの電位が一定になるよう、前記ポンプセルに流れる電流をフィードバック制御することを特徴とするガスセンサユニット。 The gas sensor according to claim 4 and
A gas sensor control unit connected to the gas sensor is provided.
The gas sensor control unit is a gas sensor unit characterized in that the current flowing through the pump cell is feedback-controlled so that the potential of the reference cell becomes constant.
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Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
WO2024029403A1 (en) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本碍子株式会社 | SENSOR ELEMENT OF NOx SENSOR |
WO2024029402A1 (en) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本碍子株式会社 | SENSOR ELEMENT OF NOx SENSOR |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014122878A (en) * | 2012-11-22 | 2014-07-03 | Denso Corp | Electrode for gas sensor and gas sensor element using the same |
JP2017020838A (en) * | 2015-07-08 | 2017-01-26 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Pump electrode and reference electrode for gas sensor |
JP2017150933A (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-31 | 株式会社Soken | Gas sensor element |
JP2019070551A (en) * | 2017-10-06 | 2019-05-09 | 日本特殊陶業株式会社 | Sensor and method for manufacturing sensor |
JP2019158866A (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-19 | 日本特殊陶業株式会社 | Sensor and method for manufacturing the same |
-
2020
- 2020-07-23 JP JP2020125870A patent/JP7229204B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014122878A (en) * | 2012-11-22 | 2014-07-03 | Denso Corp | Electrode for gas sensor and gas sensor element using the same |
JP2017020838A (en) * | 2015-07-08 | 2017-01-26 | 株式会社日本自動車部品総合研究所 | Pump electrode and reference electrode for gas sensor |
JP2017150933A (en) * | 2016-02-24 | 2017-08-31 | 株式会社Soken | Gas sensor element |
JP2019070551A (en) * | 2017-10-06 | 2019-05-09 | 日本特殊陶業株式会社 | Sensor and method for manufacturing sensor |
JP2019158866A (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-19 | 日本特殊陶業株式会社 | Sensor and method for manufacturing the same |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2024029403A1 (en) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本碍子株式会社 | SENSOR ELEMENT OF NOx SENSOR |
WO2024029402A1 (en) * | 2022-08-05 | 2024-02-08 | 日本碍子株式会社 | SENSOR ELEMENT OF NOx SENSOR |
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