JP3873351B2 - NOx sensor element - Google Patents

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Description

【0001】
【技術分野】
本発明は,自動車用内燃機関より排出される排ガス等の被測定ガス中のNO,NO2 等のNOxガス濃度を検出するためのNOxセンサ素子に関する。
【0002】
【従来技術】
排ガスを原因とする大気汚染は現代社会に深刻な問題を引き起こしており,排ガス中の公害物質に対する浄化基準法規が年々厳しくなってきている。そのため,ガソリン,もしくはディーゼルエンジンに対する燃焼制御と触媒コンバータを利用した,自動車等の内燃機関より排出される排ガス中の公害物質の低減検討が進められている。
【0003】
米国においてはOBD−II規制にて,排ガスをクリーンにするために用いている触媒が適切であるかどうか判定する機能を要求している。
これに対し,2つのO2 センサを用いた2O2 センサモニターシステムが導入されているが,この方法は公害物質の直接的な検出方法ではないため,排ガス中より公害物質が事実低減しているのか否か,その正確な検出・判定が困難である。
【0004】
仮に,燃焼制御モニタ,触媒モニタ等が排ガス中のNOx濃度を直接検出可能となれば,より正確で効果的な排ガス中の公害物質の低減が可能となる。
即ち,例えば,排ガス中のNOx濃度の知見から燃料噴射やEGR率などをフィードバック制御することができれば,内燃機関から排出される公害成分を低減することができる。
また,例えば,排ガス浄化用の触媒コンバータに担持させた触媒の劣化は,該コンバータより排ガス流れ下流側にNOxセンサを設けることによりたやすく判定できる。
このような背景から,近年,車載可能なNOxセンサが望まれている。
【0005】
このような用途に用いるNOxセンサは,コンパクトかつ安価であり,使用中に高温の排ガスに曝されることがあるため,熱的にも化学的にも劣化し難いものである必要がある。そして,実車での運転条件下にてNOx濃度を連続的に検出できなければならない。
【0006】
上記NOxセンサに搭載するNOxセンサ素子としては,In2 3 −SnO2 ,Cr2 3 −Nb2 5 ,WO3 といった半導体酸化物をベースとしたものが,従来いろいろ報告されているが,これらのNOxセンサ素子の使用条件は500℃以下の温度に限られる上に,水等に対する耐久性の点で問題がある。
【0007】
また,NASICON(Na3 Zn2 Si2 PO12),または,β’/β”アルミナといったNa+ イオン伝導体を固体電解質体とし,硝酸塩または亜硝酸塩を用いたNOxセンサ素子も報告されている。しかしながら,硝酸塩及び亜硝酸塩の融点が低いため,500℃以上では上記NOxセンサ素子は作動が困難であるという問題を有している。
【0008】
このようなことから,熱的にも化学的にも安定しており,市場実績のあるZrO2 固体電解質体を用いた,図11に示すごときNOxセンサ素子が従来提案されていた(特開平6−18480号)。
【0009】
図11に示すごとく,上記NOxセンサ素子9は,ジルコニア固体電解質体よりなる本体90と該本体90内部に形成された3つのチャンバー931,932,933よりなる。そして,上記本体90は酸素ポンピングセル901,903と,NOx検出セル902とを有してなる。
【0010】
上記チャンバー931は本体90における外壁921と仕切壁922とにより形成された空間である。また,上記チャンバー933は本体90における外壁924と仕切壁923により形成された空間である。更に,上記チャンバー932は仕切壁922と仕切壁923とにより区画された空間である。
そして,上記仕切壁922,923には,チャンバー931とチャンバー932,またチャンバー932とチャンバー933との間を連通させる連通口942,943が設けてある。
また,上記チャンバー931,933には,被測定ガスを導入するための導入口941,944が設けてある。
【0011】
上記NOx検出セル902は仕切壁923に設けられている。また,上記酸素ポンピングセル901,903はそれぞれ外壁921,924に設けられている。
上記酸素ポンピングセル901は,上記外壁921と該外壁921に設けられた一対のPt製の第一電極911及び第二電極912よりなる。上記第一電極911はNOxセンサ素子9の外部に露出しており,上記第二電極912はチャンバー931に面してなる。
【0012】
また,上記酸素ポンピングセル903も,上記外壁924と該外壁924に設けられた一対のPt製の第三電極913及び第四電極914よりなる。上記第四電極914はNOxセンサ素子9の外部に露出しており,上記第三電極913はチャンバー933に面してなる。
そして,上記第一電極911及び第二電極912は電源991に,第三電極913及び第四電極914は電源993に接続されてなる。
【0013】
上記NOx検出セル901は,上記仕切壁922と該仕切壁922に設けられた一対のPt製第五電極915および第六電極916よりなる。上記第五電極915はチャンバー932に面してなり,上記第六電極916はチャンバー933に面してなる。
また,上記両電極915,916は電圧測定用デバイス992に接続されてなる。
【0014】
なお,上記本体90には絶縁領域981,982が設けてなる。これにより,上記酸素ポンピングセル901,903に対して印加された電圧が上記NOx検出セル902の出力に混じることを防止できる。
【0015】
上記NOxセンサ素子9において,NOx濃度の検出は以下に示すごとく行われる。
上記NOxセンサ素子9に対し,上記導入口941,944よりそれぞれチャンバー931,933内に被測定ガスが導入される。そして,上記酸素ポンピングセル901,903の各電極911,912,913,914に対し,電源991,993より電圧を印加する。
これにより,上記酸素ポンピングセル901,903が作動し,上記チャンバー931,933内において上記被測定ガス中に含まれる酸素ガスが除去される。
【0016】
その後,上記チャンバー931,933内の被測定ガスは連通口942,943を経由してチャンバー932内に導入される。
また,上記第五電極915と上記第六電極916において上記被測定ガス中のNOxガスにおける酸素原子は還元され,酸素イオンとなる。
【0017】
そして,上記チャンバー932とチャンバー933とは,チャンバーの寸法上の相違及びガス導入口あるいは連通口の寸法上の相違により,上記第五電極と第六電極とのNOx→酸素イオンの還元量はそれぞれ異なる。
そのため,上記NOx検出セル923は酸素濃淡電池として作用する。
よって,上記NOx検出セル923に接続された電圧測定用デバイス992において,両電極間の電圧を測定することにより,被測定ガス中のNOx濃度を測定することができる。
【0018】
【解決しようとする課題】
しかしながら,上述のNOxセンサ素子9には以下に示す問題点がある。
上記被測定ガスにおけるNOx濃淡変化は,該被測定ガス中の酸素分圧の影響を受けやすい。
即ち,上記被測定ガス中に元々含まれている酸素ガスは上記酸素ポンピングセル901,903により除去しているが,どの程度除去すればよいのかという判断は,別途チャンバー内に酸素濃度検出セルを設けねば知ることができない。
そして,酸素濃度検出セルが存在しない場合には,NOxセンサ素子9の出力が,真実被測定ガス中のNOx濃度に比例しているのかどうかということが不明瞭である。
【0019】
また,上記NOxセンサ素子9は,チャンバーが3つ(931,932,933),導入口が2つ(941,944)設けられた複雑な構造であり,製造や寸法精度の維持が困難である。そして,上記NOxセンサ素子9における特性には素子の形状,チャンバー,各電極の寸法精度等が大いに影響を及ぼす。
従って,上記NOxセンサ素子9は信頼性の低い構造である。
【0020】
また,上記NOxセンサ素子9においては,上記酸素ポンピングセル901,903に接続する信号線が2本×2,NOx検出セル902に接続される信号線が2本,このため最低6本の信号線が必要である(図10参照)。このため,上記NOxセンサ素子9は,この点からみても構造が複雑で,アセンブリ化が困難である。
更に,上述したごとく酸素濃度検出セルを別途設けることとなった場合には,更に信号線が増えることとなり,ますます構造が複雑で製造が困難となってしまう。
【0021】
本発明は,かかる問題点に鑑み,寸法精度を高く保つことができ,精度高くNOx濃度を検出することができ,その構造が単純で,製造容易なNOxセンサ素子を提供しようとするものである。
【0022】
【課題の解決手段】
請求項1の発明は,NOx検出セルと,その上面に積層配置した被測定ガス導入路用のガス拡散抵抗層と,該ガス拡散抵抗層の更に上面に積層配置した酸素を排出する機能を有する酸素ポンピングセルとよりなると共に,
上記NOx検出セルは,酸素イオン導電性の第一固体電解質体と,上記ガス拡散抵抗層に面する被測定ガス側NOx活性電極と,その反対面に設けられた対向電極とよりなり,
また,上記酸素ポンピングセルは,酸素イオン導電性の第二固体電解質体とその表面に設けた一対の電極とよりなり,該電極の面積は,上記NOx検出セルにおける被測定ガス側NOx活性電極の面積よりも大きく,
かつ,上記被測定ガス側NOx活性電極に対して上記酸素ポンピングセルの電極を投影した際に,上記被測定ガス側NOx活性電極は,上記酸素ポンピングセルの電極の投影部分に含まれるような位置に設けられていることを特徴とするNOxセンサ素子。
【0023】
上記NOx検出セルにおいて,上記被測定ガス側NOx活性電極とは,上記被測定ガス中のNOxガスを酸素ガスに還元可能な電極である。
そして,上記被測定ガス側NOx活性電極としては,Pt,Rh,Pdあるいはそれらの混合体よりなるものを使用することができる。
また,上記対向電極は,NOx活性作用を有する必要はなく,Ptベースの材料より構成することができる。
なお,上記NOx活性作用とは,NOxガスをN(イオン)とO(イオン)とに分解する作用のことである。
【0024】
また,上記ガス拡散抵抗層としては,多孔質なセラミック,例えば,アルミナ,スピネル,ステアタイト等の材質よりなるものを用いることができる。
また,上記ガス拡散抵抗層は,上記NOxセンサ素子の側面に露出してなり,ここより被測定ガスが導入できるよう構成されていることが好ましい。
これにより,被測定ガスの拡散量を絞ることが容易となる。このため,被測定ガス中の酸素ガスの酸素ポンプセルによる排出が容易となる。
【0025】
なお,上記ガス拡散抵抗層は,例えば原材料となるペーストをシート成形し,これを貼着する,または原材料となるペーストを印刷形成する等の製造方法により製造することが可能である。
【0026】
本発明の作用につき,以下に説明する。
本発明にかかるNOxセンサ素子においては,被測定ガスはガス拡散抵抗層を通じて被測定ガス側NOx電極に導入される。
このため,内部に空洞を設けた構成の従来のNOxセンサ素子と比較して,本発明にかかるNOxセンサ素子は素子形状の変形が生じ難く,寸法精度を維持しながら製造することができる。
【0027】
また,上記NOxセンサ素子は,酸素ポンピングセルに電圧を印加するための信号線が2本,NOx検出セルより出力を取出すための信号線が2本あれば稼動することができる。従って,本発明にかかるNOxセンサ素子はアセンブリが容易,即ち製造容易である。また,その構造も単純である。
【0028】
以上のように,本発明によれば,寸法精度を高く保つことができ,精度高くNOx濃度を検出することができ,その構造が単純で,製造容易なNOxセンサ素子を提供することができる。
【0029】
また,上記ガス拡散抵抗層を用いることで,仮に被測定ガスの流通量が変動した場合においても,ガス拡散抵抗層がバッファとしての役割を果たすことができるため,正確なNOx濃度検出を行うことができる。
また,ガスが通過する孔の分布も均一に制御しやすいという理由から応答性に優れたNOxセンサ素子を得ることができる。
【0030】
次に,請求項2の発明のように,上記ガス拡散抵抗層は,気孔率が1〜20%であることが好ましい。
これにより,高い酸素濃度を含む雰囲気下においても,NOx濃度を精度良く測定できる。
なお,上記気孔率が1%未満である場合には,酸素除去するための印加電圧を小さくすることが可能で,ZrO2 固体電解質の耐久性に対して有利となるものの,ガス透過量が少なく,出力値が小さくなるおそれがある。一方,20%を越えた場合には,酸素を除去するための印加電圧が大きくなりZrO2 固体電解質の耐久性が損なわれるおそれがある。
【0031】
次に,上記請求項1において,上記酸素ポンピングセルは,酸素イオン導電性の第二固体電解質体とその表面に設けた一対の電極とよりなり,該電極の面積は,上記NOx検出セルにおける被測定ガス側NOx活性電極の面積よりも大きい。
【0032】
これにより,上記被測定ガスはまず酸素ポンピングセルを構成する電極に到達し,その後,上記NOx検出セルにかかる被測定ガス側NOx活性電極に到達することができる。
従って,酸素ポンピングセルにより予め酸素ガスを除去された被測定ガスが検出セルに到達することができるため,精度の高いNOxセンサ素子を得ることができる。
【0033】
また,上記被測定ガス側NOx活性電極は,その投影像が上記酸素ポンピングセルにおける電極の内周部に含まれるよう形成されている。
【0034】
これにより,酸素ポンピングセルにより酸素ガスを予め除去された被測定ガスが検出セルに到達することができるため,精度の高いNOxセンサ素子を得ることができる。
【0035】
次に,請求項の発明のように,上記NOx検出セルの下面には,上記対向電極に対向するよう配置され,被測定ガスから遮蔽され,NOxセンサ素子の内部の大気雰囲気まで連なる空間を形成する絶縁性セラミック基体を設けてなることが好ましい。
これにより,検出に用いた分解酸素は測定ガス雰囲気側とは完全に遮蔽されているため,発生酸素による測定誤差を除去できる。
また,絶縁性セラミック基体としたのは,後述する通り,このNOxセンサ素子は必要に応じてヒータ部を設けることを余儀なくされるので,NOx検出セルとヒータ部との絶縁という観点からである。
【0036】
次に,請求項の発明のように,上記NOxセンサ素子にはヒータ部が設けてあることが好ましい。
これにより,NOxセンサ素子をNOx濃度が検出可能となる素子活性化温度まで速やかに加熱することができ,低温環境下でのNOxセンサ素子の始動性を高めることができる。
【0037】
ところで,上記NOxセンサ素子は素子活性化温度に達しなくては,酸素ポンピングセル,NOx検出セルを作動させることができない。このため,上記NOxセンサ素子を自動車用内燃機関等の排ガス中のNOx濃度検出の用途に用いる場合には,内燃機関始動直後は排ガス温度が低いことから正確な濃度検出が困難であった。
本請求項の発明によれば,上記素子活性化温度まで加熱するためのヒータが設けてあることから,内燃機関始動直後より正確なNOx濃度が検出可能なNOxセンサ素子を得ることができる。
【0038】
【発明の実施の形態】
実施形態例1
本発明の実施形態例にかかるNOxセンサ素子につき,図1〜図8を用いて説明する。なお,本例のNOxセンサ素子は,自動車用内燃機関の排気経路に設置され,内燃機関の燃焼制御に利用されるものである。
図1〜図3に示すごとく,本例のNOxセンサ素子1は,NOx検出セル11と,その上面に積層配置した被測定ガス導入路用のガス拡散抵抗層13と,該ガス拡散抵抗層13の更に上面に積層配置した酸素を排出する機能を有する酸素ポンピングセル12とよりなる。
【0039】
上記NOx検出セル11は,酸素イオン導電性の第一固体電解質体110とその表面に設けた対向電極112と,その反対面に設けられ,上記ガス拡散抵抗層13に面する被測定ガス側NOx活性電極111とよりなる。
なお,図1において符号16は酸素ポンピングセルにかかる電極121やリード部128を保護するための保護シートである。
【0040】
上記ガス拡散抵抗層13はアルミナよりなり,その気孔率は5%,厚みは200μmである。
また,上記ガス拡散抵抗層13は上記NOx検出セル11,酸素ポンピングセル12に対して部分的に設けられており,図1に示すごとく,その右側にはセラミックシート130が設けてある。
【0041】
また,上記ガス拡散抵抗層13は,NOxセンサ素子1の側面に露出しており,被測定ガス中のNOx濃度検出の際は,この露出した部分より,被測定ガスが導入されることとなる。
なお,上記セラミックシート130を略して,上記ガス拡散抵抗層13をNOx検出セル11,酸素ポンピングセル12の間の全体に対して設けることもできる。
【0042】
図1に示すごとく,上記NOx検出セル11には,被測定ガス側NOx活性電極111に対しリード部118を介して電極端子119が設けてある。
また,上記対向電極112についても同様に電極端子117が設けてある。
なお,上記対向電極112と導通したリード部は図1には図示されていないが,上記第一固体電解質体110の下面に対し設けてある。そして,上記第一固体電解質体110の下面に設けられたリード部と,上記第一固体電解質体110の上面に設けられた電極端子117との間はスルーホールにより接続されてなる。
【0043】
また,図1に示すごとく,上記酸素ポンピングセル12は,酸素イオン導電性の第二固体電解質体120とその表面に設けた一対の電極121,122とよりなる。
上記酸素ポンピングセル12には,上記電極121に対しリード部128を介して電極端子129が設けてある。また,上記電極122についても同様に電極端子127が設けてある。
なお,上記対向電極122と導通したリード部は図1には図示されていないが,上記第二固体電解質体120の下面に対し設けてある。そして,上記第二固体電解質体120の下面に設けられたリード部と,上記第二固体電解質体120の上面に設けられた電極端子127との間はスルーホールにより接続されてなる。
【0044】
なお,上記電極端子117はセラミックシート130に設けられたスルーホール133によって上記第二固体電解質体120に設けた電極端子125と導通状態にある。また,上記電極端子119についても同様にセラミックシート130に設けられたスルーホール139によって上記第二固体電解質体120に設けた電極端子127と導通状態にある。
【0045】
そして,図2に示すごとく,上述した電極端子125,127,129は,図2に示すごとく,NOxセンサ素子1の外部に露出しており,ここに対してリード線が接続される。上記電極端子125はNOx検出セル11より出力を取出すための電極端子である。上記電極端子129は酸素ポンピングセル12に電圧を印加するための電極端子である。また,上記電極端子127はNOx検出セル11及び酸素ポンピングセル12のグランドのための電極端子である。
【0046】
また,上記NOx検出セル11における,被測定ガス側NOx活性電極111と対向電極112とは同形状かつ同サイズである。また,上記酸素ポンピングセル12における電極121,122についても同様に同形状,同サイズである(図4参照)。
そして,上記被測定ガス側NOx活性電極111に対し,上記電極122を投影した際の状態について図4に示す。
【0047】
同図に示すごとく,上記被測定ガス側NOx活性電極111は上記電極122の設置された部分に含まれるような位置に設けられてなる。
なお,上記被測定ガス側NOx活性電極111,対向電極112の長径は8.5mm,短径は1.2mm,上記電極121,122の長径は12.0mm,また,短径は3.6mmである。
【0048】
上記NOx検出セル11の下方には絶縁性セラミック基体14が設けてある。そして,上記絶縁性セラミック基体14は上記対向電極112と対向するよう設けられた大気に連なる空間141を有する
【0049】
また,上記NOxセンサ素子1にはヒータ部15が設けてある。
上記ヒータ部15は,ヒータシート150に対し,Ptを主成分とする材料によりヒータパターン151が形成されている。また,上記ヒータパターン151の上にはこれを被覆する被覆シート159が設けてある。
【0050】
また,該ヒータパターン151に通電するための電極端子が,リード部152,図示を略したスルーホールを介し,ヒータシート150の下面に設けてある。なお,上記ヒータパターン151は,図1に示すごとき形状に設けられてなり,かつ上記ヒータパターン151は上記被測定ガス側NOx活性電極111,上記対向電極112,また上記電極121,122を投影的にみた場合に,これらの電極を覆うような位置に設けてある。
【0051】
次に,上記NOxセンサ素子1の製造方法につき説明する。
まず,上記NOx検出セル11と上記酸素ポンピングセル12における,第一固体電解質体110,第二固体電解質体120となるジルコニア生シートの作成につき説明する。
【0052】
6モル%のY2 3 と94モル%のZrO2 よりなる平均粒径0.5μmのイットリア部分安定化ジルコニア100部(重量部,以下同様),α−アルミナ1部,PVB(ポリビニルブチラール)5部,DBP(ジブチルフタレート)10部,エタノール10部,トルエン10部よりなるセラミック混合物を準備した。次いで,上記セラミック混合物をボールミル中にて混合し,該混合により得られたスラリーをドクターブレード法にて乾燥厚みが0.4mmとなるように成形し,シート成形体を得た。
【0053】
次いで,上記シート成形体を5×70mmの長方形に切断した。
次いで,各電極等より得られた出力を同一平面上より取り出すために,また各電極へ印加する電圧を同一平面上より付与するために必要なスルーホールを上記シート成形体に設けた。
【0054】
次いで,上記シート成形体の一枚に,1〜10wt%のPdを添加した白金ペーストを用い,被測定ガス側NOx活性電極111となる印刷部をスクリーン印刷により形成した。また,上記印刷部を設けた面とは反対面に,白金ペーストを用い,対向電極112,リード部118,電極端子119となる印刷部をスクリーン印刷により形成した(図1,図3参照)。
以上によりNOx検出セル11となるジルコニア生シートを得た。
【0055】
次に,上記NOx検出セル1と同様に,上記シート成形体を5×70mmの長方形に切断し,スルーホールを設けた。次に,1〜10wt%のAuを添加した白金ペーストを用い,被測定ガス側の電極122となる印刷部をスクリーン印刷により形成した。また,上記印刷部を設けた面とは反対面に,白金ペーストを用い,電極121,リード部128,電極端子129,127をスクリーン印刷により形成した(図1,図3参照)。
以上により酸素ポンピングセル12となるジルコニア生シートを得た。
【0056】
次に,上記セラミック基体14,ヒータシート150,被覆シート159となるアルミナ生シートの作成につき説明する。
平均粒径0.3μmのα−アルミナ98部,6モル%イットリア部分安定化ジルコニア3部,PVB10部,DBP10部,エタノール30部,トルエン30部よりなるセラミック混合物を準備した。
【0057】
次いで,このセラミック混合物より,上述した手順と同様にして,乾燥厚みが0.5mm(セラミック基体14用),0.3mm(ヒータシート150,被覆シート159用),かつその大きさが5×70mmの長方形である2種類のアルミナ生シートを得た。
その後,上記セラミック基体14となるアルミナ生シートは一端が閉じ,他端が開放され,全体としてコの字となるような大きさが2×65mmとなる溝をカットにより設けた。これが空間141となる。
その後,上記ヒータシート150用のアルミナ生シートには,Ptに10wt%のアルミナが含有されたペーストを用いて,ヒータパターン151,リード部152となる印刷部をスクリーン印刷により形成した。
【0058】
次に,上記ガス拡散抵抗層13となるアルミナ生シートの作成について説明する。
平均粒径0.4μmのα−アルミナ100部,PVB10部,DBP10部,エタノール30部,トルエン30部よりなるセラミック混合物を準備した。
上記セラミック混合物より,上述した手順と同様にして,乾燥厚みが0.25mmかつその大きさが5×20mmの長方形であるアルミナ生シートを得た。
【0059】
次に,上記保護シート16となるアルミナ生シートの作成について説明する。平均粒径0.5μmのα−アルミナ100部,PVB10部,DBP10部,エタノール30部,トルエン30部よりなるセラミック混合物を準備した。
上記セラミック混合物より,上述した手順と同様にして,乾燥厚みが0.3mmかつその大きさが5×50mmの長方形であるアルミナ生シートとした。
【0060】
また,上記セラミックシート130となるアルミナ生シートは,セラミック基体,保護シートと同様のセラミック混合物を用いて,乾燥厚みが0.25mmかつその大きさが5×50mmの長方形となるよう作成した。
【0061】
上述のようにして得られた各生シートを図1に示す順序にて,かつ各生シート間には常温にて感圧接着性を有するペーストを設け,積層,圧着した。
その後,この積層体を大気中1500℃にて1時間で焼成,本例にかかるNOxセンサ素子1を得た。
【0062】
次に,NOxセンサ素子1を自動車の排気経路に取付ける方法につき説明する。
図5に示すごとく,上記NOxセンサ素子1は,ガスセンサアッセンブリ4に組付けられ,このガスセンサアッセンブリ4ごと排気経路に取付ける。
上記ガスセンサアッセンブリ4は,NOxセンサ素子1を保持するホルダ42と,該ホルダ42の排気ガスに曝される側を被覆し,サンプルガスである排ガスよりNOxセンサ素子1を保護するためのカバー41よりなる。
【0063】
また,上記NOxセンサ素子1には,図3に示すごとく出力の引き出し,電圧の印加等の目的から複数のリード線が接続されているが,該リード線を格納するためのハウジング44が上記ガスセンサアッセンブリ4に設けてある。
更に,上記ガスセンサアッセンブリ4には,これを排気経路に固定するためのフランジ43が設けてある。
なお,上記カバー41にはサンプルガスとなる排ガスを流通させるための通気穴410が複数個設けてある。なお,上記リード線は1つに束ねられて,ハウジング44より被覆線49として引き出されてある。
【0064】
そして,図6に示すごとく,上記ガスセンサアッセンブリ4は,自動車用エンジン51の排気経路である排気管50において,三元触媒53の下流側に設置される。そして,上記排気経路には,フランジ43において,図示されていないガスケットを介し,ボルトにより固定されている。
なお,上記三元触媒53の上流側にはA/Fセンサ52が配置される。
上記の構成において,本例のNOxセンサ素子1及び上記A/Fセンサ52の信号をもとに,上記エンジン51のリーンバーン精密制御,あるいは三元触媒53の劣化検出等が行われる。
【0065】
次に,本例にかかるNOxセンサ素子の特性につき評価した。
即ち,上記NOxセンサ素子を温度400℃,組成が0〜5000ppmNO+5%O2 /N2 (1.2リットル/分)の被測定ガスに対して曝し,また,NOxセンサ素子自体の温度を750℃に保持して,NOxセンサ素子からの出力電流の値を測定した。
上記測定結果を図7の線図に記した。
【0066】
同図によれば,本例にかかるNOxセンサ素子からの出力電流値は被測定ガス中のNO濃度に比例することが分かった。
即ち,本例にかかるNOxセンサ素子は精度良くNOx濃度を測定できることが分かった。
【0067】
次に,本例にかかるNOxセンサ素子1のガス拡散抵抗層13について図8を用いて説明する。
図8に示すごとく,ガス拡散抵抗層13はガスの拡散を律速する,例えば雰囲気ガス中の酸素濃度を変えた場合,それぞれの濃度に対応して酸素分子の拡散が律速されるのでセンサ出力が図8に示すごとく,濃度に比例したものとなる。
【0068】
次に,本例における作用効果につき説明する。
上記NOxセンサ素子1において,被測定ガスはガス拡散抵抗層13に導入される。
このため,内部に空洞を設けた構成のNOxセンサ素子と比較して,上記NOxセンサ素子1は素子形状の変形が生じ難く,寸法精度を維持しながら製造することができる。
【0069】
また,上記ガス拡散抵抗層13は生シートより製造することから,寸法精度を高めることができる。
上記ガス拡散抵抗層13の大きさはNOxセンサ素子の特性に影響することから,上記のことより精度が高く,製品間のばらつきの少ないNOxセンサ素子を製造することができる。
【0070】
また,本例のNOxセンサ素子1は,NOx検出セル11より出力を取出すためのリード線,酸素ポンピングセル12に電圧を印加するためのリード線,NOx検出セル11及び酸素ポンピングセル12のグランドのためのリード線,またヒータ部15に電圧を印加するためのリード線が2本接続されてなり,あわせて5本のリード線により稼動可能に構成されている。
従って,上記NOxセンサ素子1は,アセンブリ化が容易である。
【0071】
従って,本例によれば,寸法精度を高く保つことができ,精度高くNOx濃度を検出することができ,その構造が単純で,製造容易なNOxセンサ素子を提供することができる。
【0072】
実施形態例2
本例のNOxセンサ素子において,図9に示すごとく,酸素ポンピングセルが環状の電極を有するものである。
即ち,図9(a)に示すごとく,上記酸素ポンピングセル12における電極122は環状に形成されてなる。また,図9(b)に示すごとく,NOx検出セル11における被測定ガス側NOx活性電極111の投影像が上記環状に形成された電極122の内周部200に含まれるよう形成されている。
その他,NOxセンサ素子の構造は実施形態例1と同様である。
【0073】
本例にかかるNOxセンサ素子は,実施形態例1と同様にNOxセンサ素子の側面に露出したガス拡散抵抗層より導入された被測定ガスは,まず,酸素ポンピングセルにかかる上記環状の電極に到達する。そして,ここにおいて含まれる酸素ガスが除去される。その後,上記環状の電極の内周部に含まれるよう形成されたNOx検出セルにかかる被測定ガス側NOx活性電極に到達することができる。このため,精度の高いNOx濃度の検出を行うことができる。
その他は実施形態例1と同様である。
【0074】
実施形態例3
本例のNOxセンサ素子3は,図10に示すごとく,対向電極に対し保護層を設けたものである。
即ち,図10に示すごとく,本例のNOxセンサ素子3は,NOx検出セル11と,その上面に積層配置したガス拡散抵抗層13と,該ガス拡散抵抗層13の更に上面に積層配置した酸素ポンピングセル12とよりなる。
【0075】
上記NOx検出セル11は,酸素イオン導電性の第一固体電解質体110とその表面に設けた対向電極112と,その反対面に設けられ,上記ガス拡散抵抗層13に面する被測定ガス側NOx活性電極111とよりなる。
また,上記酸素ポンピングセル12は,酸素イオン導電性の第二固体電解質体120とその表面に設けた一対の電極121,122よりなる。なお,上記電極121の表面は保護シート16により被覆されてなる。
【0076】
上記NOx検出セル11の下面にはセラミック基体34が,更にその下面にはヒータ部35が設けてなる。上記ヒータ部35はヒータパターン351を設けたヒータシート350,該ヒータパターン351を被覆する被覆シート359とよりなる。
【0077】
そして,上記セラミック基体34及びヒータ部35には空間341が設けてなり,この空間341はNOxセンサセル11の酸素を排出するための空間である。
なお,上記空間341は上記NOxセンサセル11における対向電極112に対面するよう設けてなり,また上記対向電極112の表面は保護層30にて被覆されてなる。
その他は実施形態例1と同様である。
【0078】
本例にかかるNOxセンサ素子3は,NOx検出セルにて排出される酸素を除去するための閉空間が不用となり素子構造が簡単になる。
その他は実施形態例1と同様の作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1にかかる,NOxセンサ素子の斜視展開図。
【図2】実施形態例1にかかる,NOxセンサ素子の斜視図。
【図3】実施形態例1にかかる,NOxセンサ素子の,図2のA−A矢視断面図。
【図4】実施形態例1にかかる,NOx検出セルの被測定ガス側NOx活性電極と酸素ポンピングセルの電極との位置関係を示す説明図。
【図5】実施形態例1にかかる,NOxセンサ素子を組み付けたガスセンサアッセンブリを示す説明図。
【図6】実施形態例1にかかる,ガスセンサアッセンブリを自動車の排気経路に取り付けた状態を示す説明図。
【図7】実施形態例1にかかる,NOxセンサ素子の出力である電流値と被測定ガス中のNO濃度との関係を示す線図。
【図8】実施形態例1にかかる,ガス拡散抵抗層の性質を示す線図。
【図9】実施形態例2にかかる,(a)酸素ポンピングセルにおける電極を示す説明図,(b)NOx検出セルにおける被測定ガス側NOx活性電極を示す説明図。
【図10】実施形態例3にかかる,対向電極に保護層を設けたNOxセンサ素子を示す説明図。
【図11】従来例にかかる,3つのチャンバーを有するNOxセンサ素子の説明図。
【符号の説明】
1...NOxセンサ素子,
11...NOx検出セル,
110...第一固体電解質,
111...被測定ガス側NOx活性電極,
112...対向電極,
12...酸素ポンピングセル,
120...第二固体電解質,
121,122...電極,
13...ガス拡散抵抗層,
14...絶縁セラミック基体,
141...空間,
15...ヒータ部,
[0001]
【Technical field】
The present invention relates to NO, NO in a gas to be measured such as exhaust gas discharged from an automobile internal combustion engine.2The present invention relates to a NOx sensor element for detecting the concentration of NOx gas such as.
[0002]
[Prior art]
Air pollution caused by exhaust gas has caused serious problems in modern society, and purification standards and regulations for pollutants in exhaust gas are becoming stricter year by year. Therefore, studies are underway to reduce pollutants in exhaust gas discharged from internal combustion engines such as automobiles using combustion control and catalytic converters for gasoline or diesel engines.
[0003]
In the United States, the OBD-II regulations require a function for determining whether or not a catalyst used for cleaning exhaust gas is appropriate.
In contrast, two O22O using a sensor2Although a sensor monitor system has been introduced, this method is not a direct detection method for pollutants, so it is difficult to accurately detect and judge whether pollutants are actually reduced from the exhaust gas. .
[0004]
If the combustion control monitor, catalyst monitor, etc. can directly detect the NOx concentration in the exhaust gas, it is possible to more accurately and effectively reduce pollutants in the exhaust gas.
That is, for example, if the fuel injection, the EGR rate, and the like can be feedback controlled from the knowledge of the NOx concentration in the exhaust gas, the pollutant component discharged from the internal combustion engine can be reduced.
Further, for example, the deterioration of the catalyst carried on the exhaust gas purification catalytic converter can be easily determined by providing a NOx sensor on the downstream side of the exhaust gas flow from the converter.
Against this background, a NOx sensor that can be mounted on a vehicle has been desired in recent years.
[0005]
The NOx sensor used for such applications is compact and inexpensive, and may be exposed to high-temperature exhaust gas during use. Therefore, the NOx sensor needs to be difficult to deteriorate both thermally and chemically. In addition, the NOx concentration must be able to be detected continuously under actual vehicle operating conditions.
[0006]
As the NOx sensor element mounted on the NOx sensor, In2OThree-SnO2, Cr2OThree-Nb2OFive, WOThreeVarious semiconductor oxide-based materials have been reported in the past, but the use conditions of these NOx sensor elements are limited to temperatures of 500 ° C. or lower, and there are problems with durability against water and the like. .
[0007]
NASICON (NaThreeZn2Si2PO12) Or Na such as β '/ β "alumina+A NOx sensor element using an ion conductor as a solid electrolyte and using nitrate or nitrite has also been reported. However, since the melting points of nitrate and nitrite are low, the NOx sensor element has a problem that it is difficult to operate above 500 ° C.
[0008]
For this reason, ZrO is thermally and chemically stable and has a proven track record.2Conventionally, a NOx sensor element as shown in FIG. 11 using a solid electrolyte body has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 6-18480).
[0009]
As shown in FIG. 11, the NOx sensor element 9 includes a main body 90 made of a zirconia solid electrolyte body and three chambers 931, 932 and 933 formed inside the main body 90. The main body 90 includes oxygen pumping cells 901 and 903 and a NOx detection cell 902.
[0010]
The chamber 931 is a space formed by the outer wall 921 and the partition wall 922 in the main body 90. The chamber 933 is a space formed by the outer wall 924 and the partition wall 923 in the main body 90. Further, the chamber 932 is a space defined by a partition wall 922 and a partition wall 923.
The partition walls 922 and 923 are provided with communication ports 942 and 943 that allow the chamber 931 and the chamber 932 and the chamber 932 and the chamber 933 to communicate with each other.
The chambers 931 and 933 are provided with inlets 941 and 944 for introducing a gas to be measured.
[0011]
The NOx detection cell 902 is provided on the partition wall 923. The oxygen pumping cells 901 and 903 are provided on the outer walls 921 and 924, respectively.
The oxygen pumping cell 901 includes the outer wall 921 and a pair of Pt first electrode 911 and second electrode 912 provided on the outer wall 921. The first electrode 911 is exposed to the outside of the NOx sensor element 9, and the second electrode 912 faces the chamber 931.
[0012]
The oxygen pumping cell 903 is also composed of the outer wall 924 and a pair of Pt third electrode 913 and fourth electrode 914 provided on the outer wall 924. The fourth electrode 914 is exposed to the outside of the NOx sensor element 9, and the third electrode 913 faces the chamber 933.
The first electrode 911 and the second electrode 912 are connected to a power source 991, and the third electrode 913 and the fourth electrode 914 are connected to a power source 993.
[0013]
The NOx detection cell 901 includes the partition wall 922 and a pair of Pt fifth electrode 915 and sixth electrode 916 provided on the partition wall 922. The fifth electrode 915 faces the chamber 932, and the sixth electrode 916 faces the chamber 933.
The electrodes 915 and 916 are connected to a voltage measuring device 992.
[0014]
The main body 90 is provided with insulating regions 981, 982. Thereby, it is possible to prevent the voltage applied to the oxygen pumping cells 901 and 903 from being mixed with the output of the NOx detection cell 902.
[0015]
In the NOx sensor element 9, the NOx concentration is detected as follows.
A gas to be measured is introduced into the chambers 931 and 933 from the inlets 941 and 944 to the NOx sensor element 9, respectively. A voltage is applied from a power source 991, 993 to the electrodes 911, 912, 913, 914 of the oxygen pumping cells 901, 903.
As a result, the oxygen pumping cells 901 and 903 are operated, and the oxygen gas contained in the measured gas is removed in the chambers 931 and 933.
[0016]
Thereafter, the gas to be measured in the chambers 931 and 933 is introduced into the chamber 932 through the communication ports 942 and 943.
Further, in the fifth electrode 915 and the sixth electrode 916, oxygen atoms in the NOx gas in the measurement gas are reduced to oxygen ions.
[0017]
The chamber 932 and the chamber 933 differ in the amount of NOx → oxygen ion reduction between the fifth electrode and the sixth electrode due to the difference in the dimensions of the chamber and the difference in the dimensions of the gas introduction port or the communication port. Different.
Therefore, the NOx detection cell 923 functions as an oxygen concentration battery.
Therefore, the voltage measuring device 992 connected to the NOx detection cell 923 can measure the voltage between both electrodes to measure the NOx concentration in the gas to be measured.
[0018]
[Problems to be solved]
However, the NOx sensor element 9 described above has the following problems.
The NOx concentration change in the measurement gas is easily affected by the partial pressure of oxygen in the measurement gas.
That is, the oxygen gas originally contained in the gas to be measured is removed by the oxygen pumping cells 901 and 903, but the determination of how much to remove is performed by separately installing an oxygen concentration detection cell in the chamber. You can't know without it.
When there is no oxygen concentration detection cell, it is unclear whether the output of the NOx sensor element 9 is proportional to the NOx concentration in the true measured gas.
[0019]
Further, the NOx sensor element 9 has a complicated structure in which three chambers (931, 932, 933) and two introduction ports (941, 944) are provided, and it is difficult to manufacture and maintain dimensional accuracy. . The characteristics of the NOx sensor element 9 are greatly affected by the shape of the element, the chamber, the dimensional accuracy of each electrode, and the like.
Therefore, the NOx sensor element 9 has a low reliability structure.
[0020]
Further, in the NOx sensor element 9, there are 2 signal lines connected to the oxygen pumping cells 901 and 903, and 2 signal lines connected to the NOx detection cell 902. Therefore, at least 6 signal lines are connected. Is necessary (see FIG. 10). For this reason, the NOx sensor element 9 has a complicated structure from this point of view and is difficult to assemble.
In addition, when the oxygen concentration detection cell is separately provided as described above, the number of signal lines is further increased, making the structure more complicated and difficult to manufacture.
[0021]
In view of such problems, the present invention is intended to provide a NOx sensor element that can maintain high dimensional accuracy, can detect NOx concentration with high accuracy, has a simple structure, and is easy to manufacture. .
[0022]
[Means for solving problems]
  The invention according to claim 1 has a NOx detection cell, a gas diffusion resistance layer for a gas introduction path to be measured arranged on the upper surface thereof, and a function of discharging oxygen arranged on the upper surface of the gas diffusion resistance layer. With an oxygen pumping cell,
  The NOx detection cell comprises an oxygen ion conductive first solid electrolyte body, a measured gas side NOx active electrode facing the gas diffusion resistance layer, and a counter electrode provided on the opposite surface,
  The oxygen pumping cell includes an oxygen ion conductive second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the surface thereof, and the area of the electrode is the same as that of the NOx active electrode to be measured in the NOx detection cell. Larger than the area,
  And the measured gas side NOx active electrodeOn the other hand, when the electrode of the oxygen pumping cell is projected, the NOx active electrode to be measured gas side is provided at a position included in the projected portion of the electrode of the oxygen pumping cell.The NOx sensor element characterized by the above-mentioned.
[0023]
In the NOx detection cell, the measured gas side NOx active electrode is an electrode capable of reducing NOx gas in the measured gas into oxygen gas.
And as said to-be-measured gas side NOx active electrode, what consists of Pt, Rh, Pd, or those mixtures can be used.
The counter electrode does not need to have a NOx activity and can be made of a Pt-based material.
The NOx activation action is an action for decomposing NOx gas into N (ions) and O (ions).
[0024]
As the gas diffusion resistance layer, a porous ceramic, for example, a material made of alumina, spinel, steatite or the like can be used.
Further, it is preferable that the gas diffusion resistance layer is exposed on the side surface of the NOx sensor element so that the gas to be measured can be introduced therefrom.
This makes it easy to reduce the amount of diffusion of the gas to be measured. For this reason, the oxygen gas in the gas to be measured can be easily discharged by the oxygen pump cell.
[0025]
The gas diffusion resistance layer can be manufactured by, for example, a manufacturing method such as forming a paste as a raw material into a sheet and attaching it, or printing a paste as a raw material.
[0026]
The operation of the present invention will be described below.
In the NOx sensor element according to the present invention, the measurement gas is introduced to the measurement gas side NOx electrode through the gas diffusion resistance layer.
For this reason, the NOx sensor element according to the present invention is less prone to deformation of the element shape and can be manufactured while maintaining the dimensional accuracy as compared with the conventional NOx sensor element having a configuration in which a cavity is provided.
[0027]
The NOx sensor element can be operated if there are two signal lines for applying a voltage to the oxygen pumping cell and two signal lines for extracting the output from the NOx detection cell. Therefore, the NOx sensor element according to the present invention is easy to assemble, that is, easy to manufacture. The structure is also simple.
[0028]
As described above, according to the present invention, the dimensional accuracy can be kept high, the NOx concentration can be detected with high accuracy, and the NOx sensor element having a simple structure and easy to manufacture can be provided.
[0029]
In addition, by using the gas diffusion resistance layer, even if the flow rate of the gas to be measured fluctuates, the gas diffusion resistance layer can serve as a buffer, so that accurate NOx concentration detection can be performed. Can do.
In addition, a NOx sensor element with excellent responsiveness can be obtained because the distribution of holes through which gas passes can be easily controlled uniformly.
[0030]
Next, as in the invention of claim 2, the gas diffusion resistance layer preferably has a porosity of 1 to 20%.
As a result, the NOx concentration can be accurately measured even in an atmosphere containing a high oxygen concentration.
When the porosity is less than 1%, the applied voltage for removing oxygen can be reduced, and ZrO2Although this is advantageous for the durability of the solid electrolyte, the gas permeation amount is small and the output value may be small. On the other hand, when it exceeds 20%, the applied voltage for removing oxygen increases and ZrO2The durability of the solid electrolyte may be impaired.
[0031]
  next,In claim 1 aboveThe oxygen pumping cell comprises an oxygen ion conductive second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the surface thereof, and the area of the electrodes is the area of the gas-side NOx active electrode to be measured in the NOx detection cell. Larger thanYes.
[0032]
As a result, the measured gas first reaches the electrode constituting the oxygen pumping cell, and then reaches the measured gas side NOx active electrode applied to the NOx detection cell.
Therefore, since the gas to be measured, from which oxygen gas has been removed in advance by the oxygen pumping cell, can reach the detection cell, a highly accurate NOx sensor element can be obtained.
[0033]
  Also,UpCoatMeasurement gas side NOx active electrode,ThatProjection image aboveIn oxygen pumping cellFormed to be included in the inner periphery of the electrode.The
[0034]
  This,acidSince the measurement gas from which oxygen gas has been removed in advance by the elementary pumping cell can reach the detection cell, a highly accurate NOx sensor element can be obtained.
[0035]
  Next, the claim3As described above, the insulating ceramic substrate is disposed on the lower surface of the NOx detection cell so as to face the counter electrode, is shielded from the gas to be measured, and forms a space extending to the atmospheric atmosphere inside the NOx sensor element. Is preferably provided.
  Thereby, since the decomposed oxygen used for detection is completely shielded from the measurement gas atmosphere side, measurement errors due to the generated oxygen can be eliminated.
  Further, the reason why the insulating ceramic substrate is used is that, as will be described later, this NOx sensor element is required to be provided with a heater portion as necessary, so that the NOx detection cell and the heater portion are insulated.
[0036]
  Next, the claim4As in the present invention, the NOx sensor element is preferably provided with a heater portion.
  As a result, the NOx sensor element can be quickly heated to the element activation temperature at which the NOx concentration can be detected, and the startability of the NOx sensor element in a low temperature environment can be improved.
[0037]
By the way, the oxygen pumping cell and the NOx detecting cell cannot be operated unless the NOx sensor element reaches the element activation temperature. For this reason, when the NOx sensor element is used for detecting NOx concentration in exhaust gas such as an automobile internal combustion engine, it is difficult to detect the concentration accurately because the exhaust gas temperature is low immediately after the internal combustion engine is started.
According to the present invention, since the heater for heating to the element activation temperature is provided, a NOx sensor element capable of detecting an accurate NOx concentration immediately after the internal combustion engine is started can be obtained.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
A NOx sensor element according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The NOx sensor element of this example is installed in the exhaust path of an automobile internal combustion engine and is used for combustion control of the internal combustion engine.
As shown in FIGS. 1 to 3, the NOx sensor element 1 of the present example includes a NOx detection cell 11, a gas diffusion resistance layer 13 for the gas introduction path to be measured, which is laminated on the upper surface thereof, and the gas diffusion resistance layer 13. And an oxygen pumping cell 12 having a function of discharging oxygen, which is laminated on the upper surface.
[0039]
The NOx detection cell 11 includes a first solid electrolyte body 110 having an oxygen ion conductivity, a counter electrode 112 provided on the surface thereof, an opposite surface thereof, and a measured gas side NOx facing the gas diffusion resistance layer 13. It consists of an active electrode 111.
In FIG. 1, reference numeral 16 denotes a protective sheet for protecting the electrode 121 and the lead portion 128 related to the oxygen pumping cell.
[0040]
The gas diffusion resistance layer 13 is made of alumina and has a porosity of 5% and a thickness of 200 μm.
The gas diffusion resistance layer 13 is partially provided for the NOx detection cell 11 and the oxygen pumping cell 12, and as shown in FIG. 1, a ceramic sheet 130 is provided on the right side thereof.
[0041]
The gas diffusion resistance layer 13 is exposed on the side surface of the NOx sensor element 1, and when the NOx concentration in the gas to be measured is detected, the gas to be measured is introduced from the exposed portion. .
The ceramic sheet 130 may be omitted, and the gas diffusion resistance layer 13 may be provided between the NOx detection cell 11 and the oxygen pumping cell 12.
[0042]
As shown in FIG. 1, the NOx detection cell 11 is provided with an electrode terminal 119 via a lead portion 118 for the measured gas side NOx active electrode 111.
Similarly, an electrode terminal 117 is provided for the counter electrode 112.
Although not shown in FIG. 1, the lead portion that is electrically connected to the counter electrode 112 is provided on the lower surface of the first solid electrolyte body 110. The lead portion provided on the lower surface of the first solid electrolyte body 110 and the electrode terminal 117 provided on the upper surface of the first solid electrolyte body 110 are connected by a through hole.
[0043]
As shown in FIG. 1, the oxygen pumping cell 12 includes an oxygen ion conductive second solid electrolyte body 120 and a pair of electrodes 121 and 122 provided on the surface thereof.
The oxygen pumping cell 12 is provided with an electrode terminal 129 with respect to the electrode 121 through a lead portion 128. Similarly, an electrode terminal 127 is provided for the electrode 122.
Although not shown in FIG. 1, the lead portion that is electrically connected to the counter electrode 122 is provided on the lower surface of the second solid electrolyte body 120. The lead portion provided on the lower surface of the second solid electrolyte body 120 and the electrode terminal 127 provided on the upper surface of the second solid electrolyte body 120 are connected by a through hole.
[0044]
The electrode terminal 117 is in electrical continuity with the electrode terminal 125 provided in the second solid electrolyte body 120 through a through hole 133 provided in the ceramic sheet 130. Similarly, the electrode terminal 119 is electrically connected to the electrode terminal 127 provided in the second solid electrolyte body 120 through a through hole 139 provided in the ceramic sheet 130.
[0045]
As shown in FIG. 2, the electrode terminals 125, 127, and 129 described above are exposed to the outside of the NOx sensor element 1 as shown in FIG. 2, and lead wires are connected thereto. The electrode terminal 125 is an electrode terminal for taking out an output from the NOx detection cell 11. The electrode terminal 129 is an electrode terminal for applying a voltage to the oxygen pumping cell 12. The electrode terminal 127 is an electrode terminal for grounding the NOx detection cell 11 and the oxygen pumping cell 12.
[0046]
Further, the measured gas side NOx active electrode 111 and the counter electrode 112 in the NOx detection cell 11 have the same shape and the same size. Similarly, the electrodes 121 and 122 in the oxygen pumping cell 12 have the same shape and size (see FIG. 4).
FIG. 4 shows a state when the electrode 122 is projected onto the measured gas side NOx active electrode 111.
[0047]
As shown in the figure, the measured gas side NOx active electrode 111 is provided at a position so as to be included in the portion where the electrode 122 is installed.
The measured gas side NOx active electrode 111 and the counter electrode 112 have a major axis of 8.5 mm and a minor axis of 1.2 mm, the electrodes 121 and 122 have a major axis of 12.0 mm and a minor axis of 3.6 mm. is there.
[0048]
An insulating ceramic base 14 is provided below the NOx detection cell 11. The insulating ceramic substrate 14 has a space 141 connected to the atmosphere provided to face the counter electrode 112.
[0049]
The NOx sensor element 1 is provided with a heater portion 15.
The heater unit 15 has a heater pattern 151 formed on the heater sheet 150 with a material mainly composed of Pt. Further, a covering sheet 159 is provided on the heater pattern 151 to cover it.
[0050]
Further, electrode terminals for energizing the heater pattern 151 are provided on the lower surface of the heater sheet 150 through lead portions 152 and through holes (not shown). The heater pattern 151 has a shape as shown in FIG. 1, and the heater pattern 151 projects the measured gas side NOx active electrode 111, the counter electrode 112, and the electrodes 121 and 122 in a projective manner. When viewed, the electrode is provided at a position that covers these electrodes.
[0051]
Next, a manufacturing method of the NOx sensor element 1 will be described.
First, the production of zirconia green sheets that will be the first solid electrolyte body 110 and the second solid electrolyte body 120 in the NOx detection cell 11 and the oxygen pumping cell 12 will be described.
[0052]
6 mol% Y2OThreeAnd 94 mol% ZrO2100 parts of yttria partially stabilized zirconia having an average particle size of 0.5 μm (parts by weight, the same applies hereinafter), 1 part of α-alumina, 5 parts of PVB (polyvinyl butyral), 10 parts of DBP (dibutyl phthalate), 10 parts of ethanol, A ceramic mixture consisting of 10 parts of toluene was prepared. Next, the ceramic mixture was mixed in a ball mill, and the slurry obtained by the mixing was molded by a doctor blade method so as to have a dry thickness of 0.4 mm to obtain a sheet compact.
[0053]
Next, the sheet compact was cut into a 5 × 70 mm rectangle.
Next, through holes required for taking out the output obtained from each electrode and the like from the same plane and for applying a voltage to be applied to each electrode from the same plane were provided in the sheet molded body.
[0054]
Next, a printing portion to be the gas-side NOx active electrode 111 to be measured was formed by screen printing using a platinum paste to which 1 to 10 wt% of Pd was added on one sheet molded body. Further, on the surface opposite to the surface provided with the printing portion, a printing portion serving as the counter electrode 112, the lead portion 118, and the electrode terminal 119 was formed by screen printing using platinum paste (see FIGS. 1 and 3).
The raw zirconia sheet | seat used as the NOx detection cell 11 was obtained by the above.
[0055]
Next, similarly to the NOx detection cell 1, the sheet compact was cut into a 5 × 70 mm rectangle to provide a through hole. Next, using a platinum paste to which 1 to 10 wt% of Au was added, a printing portion to be an electrode 122 on the measurement gas side was formed by screen printing. Further, the electrode 121, the lead portion 128, and the electrode terminals 129 and 127 were formed by screen printing on the surface opposite to the surface provided with the printing portion (see FIGS. 1 and 3).
Thus, a zirconia raw sheet to be the oxygen pumping cell 12 was obtained.
[0056]
Next, the production of the alumina raw sheet to be the ceramic substrate 14, the heater sheet 150, and the covering sheet 159 will be described.
A ceramic mixture comprising 98 parts of α-alumina having an average particle size of 0.3 μm, 3 parts of 6 mol% yttria partially stabilized zirconia, 10 parts of PVB, 10 parts of DBP, 30 parts of ethanol, and 30 parts of toluene was prepared.
[0057]
Next, from this ceramic mixture, the dry thickness is 0.5 mm (for the ceramic substrate 14), 0.3 mm (for the heater sheet 150 and the covering sheet 159), and the size is 5 × 70 mm in the same manner as described above. Two types of raw alumina sheets having a rectangular shape were obtained.
Thereafter, the raw alumina sheet used as the ceramic substrate 14 was closed by cutting one end thereof, the other end being opened, and a groove having a size of 2 × 65 mm so as to form a U-shape as a whole. This becomes the space 141.
Thereafter, a printing portion to be the heater pattern 151 and the lead portion 152 was formed on the alumina raw sheet for the heater sheet 150 by screen printing using a paste containing 10 wt% alumina in Pt.
[0058]
Next, the production of an alumina raw sheet to be the gas diffusion resistance layer 13 will be described.
A ceramic mixture comprising 100 parts of α-alumina having an average particle size of 0.4 μm, 10 parts of PVB, 10 parts of DBP, 30 parts of ethanol, and 30 parts of toluene was prepared.
From the ceramic mixture, an alumina raw sheet having a rectangular shape with a dry thickness of 0.25 mm and a size of 5 × 20 mm was obtained in the same manner as described above.
[0059]
Next, the production of the raw alumina sheet to be the protective sheet 16 will be described. A ceramic mixture comprising 100 parts of α-alumina having an average particle size of 0.5 μm, 10 parts of PVB, 10 parts of DBP, 30 parts of ethanol, and 30 parts of toluene was prepared.
An alumina raw sheet having a dry thickness of 0.3 mm and a size of 5 × 50 mm was obtained from the ceramic mixture in the same manner as described above.
[0060]
Moreover, the alumina raw sheet used as the said ceramic sheet 130 was created using the ceramic mixture similar to a ceramic base | substrate and a protection sheet so that it might become a rectangle whose dry thickness is 0.25 mm and the magnitude | size is 5x50 mm.
[0061]
Each green sheet obtained as described above was provided in the order shown in FIG. 1 and a paste having pressure-sensitive adhesiveness was provided between the green sheets at room temperature, and was laminated and pressure-bonded.
Thereafter, this laminate was fired in the atmosphere at 1500 ° C. for 1 hour to obtain the NOx sensor element 1 according to this example.
[0062]
Next, a method for attaching the NOx sensor element 1 to an automobile exhaust path will be described.
As shown in FIG. 5, the NOx sensor element 1 is assembled to the gas sensor assembly 4, and the gas sensor assembly 4 is attached to the exhaust path.
The gas sensor assembly 4 covers a holder 42 that holds the NOx sensor element 1 and a cover 41 that covers the side of the holder 42 that is exposed to the exhaust gas and protects the NOx sensor element 1 from exhaust gas that is a sample gas. Become.
[0063]
Further, as shown in FIG. 3, the NOx sensor element 1 is connected to a plurality of lead wires for the purpose of drawing out the output and applying a voltage. A housing 44 for storing the lead wires includes a gas sensor. It is provided in the assembly 4.
Further, the gas sensor assembly 4 is provided with a flange 43 for fixing it to the exhaust path.
Note that the cover 41 is provided with a plurality of vent holes 410 for allowing the exhaust gas to be sample gas to circulate. The lead wires are bundled into one and drawn out as a covered wire 49 from the housing 44.
[0064]
As shown in FIG. 6, the gas sensor assembly 4 is installed on the downstream side of the three-way catalyst 53 in the exhaust pipe 50 that is the exhaust path of the automobile engine 51. The flange 43 is fixed to the exhaust path with bolts via a gasket (not shown).
An A / F sensor 52 is disposed on the upstream side of the three-way catalyst 53.
In the above configuration, the lean burn precision control of the engine 51 or the deterioration detection of the three-way catalyst 53 is performed based on the signals of the NOx sensor element 1 and the A / F sensor 52 of this example.
[0065]
Next, the characteristics of the NOx sensor element according to this example were evaluated.
That is, the NOx sensor element has a temperature of 400 ° C. and a composition of 0 to 5000 ppm NO + 5% O.2/ N2It was exposed to a gas to be measured (1.2 liters / minute), and the temperature of the NOx sensor element itself was kept at 750 ° C., and the value of the output current from the NOx sensor element was measured.
The measurement results are shown in the diagram of FIG.
[0066]
According to the figure, it was found that the output current value from the NOx sensor element according to this example is proportional to the NO concentration in the gas to be measured.
That is, it was found that the NOx sensor element according to this example can measure the NOx concentration with high accuracy.
[0067]
Next, the gas diffusion resistance layer 13 of the NOx sensor element 1 according to this example will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 8, the gas diffusion resistance layer 13 controls the diffusion of the gas. For example, when the oxygen concentration in the atmospheric gas is changed, the diffusion of oxygen molecules is controlled according to each concentration, so that the sensor output is reduced. As shown in FIG. 8, it is proportional to the concentration.
[0068]
Next, the effect in this example is demonstrated.
In the NOx sensor element 1, the gas to be measured is introduced into the gas diffusion resistance layer 13.
Therefore, the NOx sensor element 1 is less likely to be deformed as compared with a NOx sensor element having a configuration in which a cavity is provided, and can be manufactured while maintaining dimensional accuracy.
[0069]
Further, since the gas diffusion resistance layer 13 is manufactured from a raw sheet, the dimensional accuracy can be improved.
Since the size of the gas diffusion resistance layer 13 affects the characteristics of the NOx sensor element, it is possible to manufacture a NOx sensor element with higher accuracy and less variation between products.
[0070]
Further, the NOx sensor element 1 of this example has a lead wire for taking out an output from the NOx detection cell 11, a lead wire for applying a voltage to the oxygen pumping cell 12, and the ground of the NOx detection cell 11 and the oxygen pumping cell 12. For this purpose, two lead wires for applying a voltage to the heater section 15 are connected, and a total of five lead wires can be operated.
Therefore, the NOx sensor element 1 can be easily assembled.
[0071]
Therefore, according to this example, the dimensional accuracy can be kept high, the NOx concentration can be detected with high accuracy, and the NOx sensor element having a simple structure and easy to manufacture can be provided.
[0072]
Embodiment 2
In the NOx sensor element of this example, as shown in FIG. 9, the oxygen pumping cell has an annular electrode.
That is, as shown in FIG. 9A, the electrode 122 in the oxygen pumping cell 12 is formed in an annular shape. Further, as shown in FIG. 9B, the projected image of the measured gas side NOx active electrode 111 in the NOx detection cell 11 is formed so as to be included in the inner peripheral portion 200 of the annularly formed electrode 122.
In addition, the structure of the NOx sensor element is the same as that of the first embodiment.
[0073]
In the NOx sensor element according to this example, the gas to be measured introduced from the gas diffusion resistance layer exposed on the side surface of the NOx sensor element first reaches the annular electrode applied to the oxygen pumping cell as in the first embodiment. To do. And the oxygen gas contained here is removed. Thereafter, it is possible to reach the measured gas side NOx active electrode applied to the NOx detection cell formed so as to be included in the inner peripheral portion of the annular electrode. For this reason, it is possible to detect the NOx concentration with high accuracy.
Others are the same as the first embodiment.
[0074]
Embodiment 3
As shown in FIG. 10, the NOx sensor element 3 of this example is provided with a protective layer for the counter electrode.
That is, as shown in FIG. 10, the NOx sensor element 3 of this example includes a NOx detection cell 11, a gas diffusion resistance layer 13 stacked on the upper surface thereof, and an oxygen layer stacked on the upper surface of the gas diffusion resistance layer 13. It consists of a pumping cell 12.
[0075]
The NOx detection cell 11 includes a first solid electrolyte body 110 having an oxygen ion conductivity, a counter electrode 112 provided on the surface thereof, an opposite surface thereof, and a measured gas side NOx facing the gas diffusion resistance layer 13. It consists of an active electrode 111.
The oxygen pumping cell 12 includes an oxygen ion conductive second solid electrolyte body 120 and a pair of electrodes 121 and 122 provided on the surface thereof. The surface of the electrode 121 is covered with a protective sheet 16.
[0076]
A ceramic base 34 is provided on the lower surface of the NOx detection cell 11, and a heater portion 35 is provided on the lower surface thereof. The heater unit 35 includes a heater sheet 350 provided with a heater pattern 351 and a covering sheet 359 covering the heater pattern 351.
[0077]
The ceramic base 34 and the heater section 35 are provided with a space 341, which is a space for discharging oxygen from the NOx sensor cell 11.
The space 341 is provided so as to face the counter electrode 112 in the NOx sensor cell 11, and the surface of the counter electrode 112 is covered with a protective layer 30.
Others are the same as the first embodiment.
[0078]
The NOx sensor element 3 according to this example does not require a closed space for removing oxygen discharged from the NOx detection cell, and the element structure is simplified.
The other effects are the same as those of the first embodiment.
[Brief description of the drawings]
1 is an exploded perspective view of a NOx sensor element according to Embodiment 1;
FIG. 2 is a perspective view of a NOx sensor element according to Embodiment 1;
3 is a cross-sectional view of the NOx sensor element taken along the line AA in FIG. 2 according to the first embodiment.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a positional relationship between a measured gas side NOx active electrode of the NOx detection cell and an electrode of the oxygen pumping cell according to the first embodiment.
FIG. 5 is an explanatory view showing a gas sensor assembly in which a NOx sensor element is assembled according to Embodiment 1;
6 is an explanatory view showing a state in which the gas sensor assembly according to the first embodiment is attached to the exhaust path of the automobile. FIG.
7 is a diagram showing the relationship between the current value, which is the output of the NOx sensor element, and the NO concentration in the gas to be measured according to Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing the properties of a gas diffusion resistance layer according to Embodiment 1;
9A is an explanatory diagram showing an electrode in an oxygen pumping cell, and FIG. 9B is an explanatory diagram showing a measured gas side NOx active electrode in a NOx detection cell according to Embodiment 2. FIG.
10 is an explanatory view showing a NOx sensor element in which a protective layer is provided on a counter electrode according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a NOx sensor element having three chambers according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
1. . . NOx sensor element,
11. . . NOx detection cell,
110. . . First solid electrolyte,
111. . . Measured gas side NOx active electrode,
112. . . Counter electrode,
12 . . Oxygen pumping cell,
120. . . Second solid electrolyte,
121, 122. . . electrode,
13. . . Gas diffusion resistance layer,
14 . . Insulating ceramic substrate,
141. . . space,
15. . . Heater section,

Claims (4)

NOx検出セルと,その上面に積層配置した被測定ガス導入路用のガス拡散抵抗層と,該ガス拡散抵抗層の更に上面に積層配置した酸素を排出する機能を有する酸素ポンピングセルとよりなると共に,
上記NOx検出セルは,酸素イオン導電性の第一固体電解質体と,上記ガス拡散抵抗層に面する被測定ガス側NOx活性電極と,その反対面に設けられた対向電極とよりなり,
また,上記酸素ポンピングセルは,酸素イオン導電性の第二固体電解質体とその表面に設けた一対の電極とよりなり,該電極の面積は,上記NOx検出セルにおける被測定ガス側NOx活性電極の面積よりも大きく,
かつ,上記被測定ガス側NOx活性電極に対して上記酸素ポンピングセルの電極を投影した際に,上記被測定ガス側NOx活性電極は,上記酸素ポンピングセルの電極の投影部分に含まれるような位置に設けられていることを特徴とするNOxセンサ素子。
And a NOx detection cell, a gas diffusion resistance layer for the gas introduction path to be measured stacked on the upper surface thereof, and an oxygen pumping cell having a function of discharging oxygen stacked on the upper surface of the gas diffusion resistance layer. ,
The NOx detection cell comprises an oxygen ion conductive first solid electrolyte body, a measured gas side NOx active electrode facing the gas diffusion resistance layer, and a counter electrode provided on the opposite surface,
The oxygen pumping cell comprises an oxygen ion conductive second solid electrolyte body and a pair of electrodes provided on the surface thereof, and the area of the electrode is the same as that of the NOx active electrode to be measured in the NOx detection cell. Larger than the area,
Further, when the electrode of the oxygen pumping cell is projected onto the measured gas side NOx active electrode, the measured gas side NOx active electrode is included in the projected portion of the electrode of the oxygen pumping cell. A NOx sensor element, characterized in that the NOx sensor element is provided .
請求項1において,上記ガス拡散抵抗層は,気孔率が1〜20%であることを特徴とするNOxセンサ素子。  The NOx sensor element according to claim 1, wherein the gas diffusion resistance layer has a porosity of 1 to 20%. 請求項1又は2において,上記NOx検出セルの下面には,上記対向電極に対向するよう配置され,被測定ガスから遮蔽され,NOxセンサ素子の内部の大気雰囲気まで連なる空間を形成する絶縁性セラミック基体を設けてなることを特徴とするNOxセンサ素子。  3. The insulating ceramic according to claim 1 or 2, wherein an insulating ceramic is disposed on a lower surface of the NOx detection cell so as to face the counter electrode, is shielded from a gas to be measured, and forms a space extending to an atmospheric atmosphere inside the NOx sensor element. A NOx sensor element comprising a base. 請求項1〜3のいずれか一項において,上記NOxセンサ素子にはヒータ部が設けてあることを特徴とするNOxセンサ素子。  The NOx sensor element according to any one of claims 1 to 3, wherein the NOx sensor element is provided with a heater portion.
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