JP5204638B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサに関するものである。 The present invention relates to a gas sensor.
従来より、窒素酸化物(NOx)や酸素といった特定のガス成分の検出や、特定のガス成分の濃度の測定を行うガスセンサが利用されている。このようなガスセンサとしては、固体電解質体と、固体電解質体上に形成された一対の電極とを有するものが知られている。 Conventionally, a gas sensor that detects a specific gas component such as nitrogen oxide (NOx) or oxygen and measures the concentration of the specific gas component has been used. As such a gas sensor, one having a solid electrolyte body and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte body is known.
ところで、電極材料としては、特許文献1のようにPt、Rh等の貴金属を用いることが知られているが、さらに、固体電解質を含有する材料を含むように電極を形成すれば、電極の耐久性(例えば、電極と固体電解質体との密着性)を高めることができる。ところが、電極の耐久性を向上させるために、電極に固体電解質の含有量の増やすことによって、電極本来の役割である電極活性が低下する場合があった。その結果、被検出ガス中の特定ガス成分の検出精度が低下する場合があった。
By the way, it is known that noble metals such as Pt and Rh are used as an electrode material as in
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、耐久性と電極活性とを両立させることができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve at least a part of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of achieving both durability and electrode activity.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]拡散抵抗部を介して外部から被検出ガスが導入される検出室と、固体電解質体および前記固体電解質体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極である内部電極が前記検出室内に配置され、前記検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う酸素ポンプセルと、を備えたガスセンサにおいて、前記内部電極は、下流電極と、前記下流電極と導通するとともに前記下流電極よりも前記検出室における前記被検出ガスのガス流の上流側に配置された上流電極とを、含み、前記上流電極と前記下流電極とのそれぞれは、前記固体電解質体の主成分と導電材料とを含み、前記上流電極における前記固体電解質体の主成分の含有量は、前記下流電極における前記固体電解質体の主成分の含有量よりも、多い、ことを特徴とする、ガスセンサ。 [Application Example 1] A detection chamber into which a gas to be detected is introduced from the outside through a diffusion resistance portion, a solid electrolyte body, and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte body, An internal electrode, which is one of the electrodes, is disposed in the detection chamber, and includes an oxygen pump cell that pumps or pumps oxygen into the detection gas introduced into the detection chamber. A downstream electrode, and an upstream electrode that is electrically connected to the downstream electrode and disposed upstream of the downstream electrode in the gas flow of the gas to be detected in the detection chamber, and the upstream electrode and the downstream electrode Each includes a main component of the solid electrolyte body and a conductive material, and a content of the main component of the solid electrolyte body in the upstream electrode is determined by the solid electrolyte body in the downstream electrode. Than the content of the main component, frequently, characterized in that the gas sensor.
上流電極は、検出室内における下流電極よりも被検出ガスのガス流の上流側に配置されている。よって、上流電極に晒される被検出ガスは、下流電極に晒される被検出ガスよりも、被検出ガス中の酸素濃度が高くなり得る。これにより、上流電極の酸化がより生じやすく、電極の耐久性がより低下するおそれがあるが、固体電解質体の主成分の含有量がより多く含有されることで、上流電極において耐久性を向上させることができる。他方、下流電極の酸化は上流電極よりも生じにくいため、固体電解質体の主成分の含有量をより少なく含有することで、下流電極において電極活性を向上させることができ、被検出ガス中の特定ガス成分の検出精度を高めることができる。よって、内部電極の耐久性と電極活性とを両立させることができる。 The upstream electrode is arranged on the upstream side of the gas flow of the gas to be detected from the downstream electrode in the detection chamber. Therefore, the detected gas exposed to the upstream electrode may have a higher oxygen concentration in the detected gas than the detected gas exposed to the downstream electrode. As a result, the oxidation of the upstream electrode is more likely to occur, and the durability of the electrode may be further reduced, but the durability of the upstream electrode is improved by containing a larger amount of the main component of the solid electrolyte body. Can be made. On the other hand, since the oxidation of the downstream electrode is less likely to occur than the upstream electrode, the content of the main component of the solid electrolyte body can be reduced to improve the electrode activity in the downstream electrode, and the specificity in the detected gas The detection accuracy of the gas component can be increased. Therefore, it is possible to achieve both durability of the internal electrode and electrode activity.
[適用例2]適用例1に記載のガスセンサであって、さらに、前記ガスセンサを加熱するヒータを備え、前記ヒータによる発熱中心が、前記下流電極よりも前記上流電極に近い位置に配置されている、ガスセンサ。 Application Example 2 The gas sensor according to Application Example 1, further including a heater for heating the gas sensor, wherein a heat generation center by the heater is disposed at a position closer to the upstream electrode than the downstream electrode. , Gas sensor.
ガスセンサには、ガスセンサによる早期検知を行うためにヒータを備えるものもある。この場合、ヒータの発熱中心を下流電極よりも上流電極に近い位置に配置することで、下流電極が、上流電極と比べて過剰に加熱されることを防止できる。よって、下流電極の過剰な劣化を防止でき、被検出ガス中の特定ガス成分の検出精度を高めることができる。 Some gas sensors include a heater for early detection by the gas sensor. In this case, by arranging the heat generation center of the heater at a position closer to the upstream electrode than the downstream electrode, the downstream electrode can be prevented from being heated excessively compared to the upstream electrode. Therefore, excessive deterioration of the downstream electrode can be prevented, and the detection accuracy of the specific gas component in the gas to be detected can be increased.
[適用例3]適用例1または適用例2に記載のガスセンサであって、前記下流電極の一部と前記上流電極の一部とが重なる重なり部を有する、ガスセンサ。 Application Example 3 The gas sensor according to Application Example 1 or Application Example 2, wherein the gas sensor has an overlapping portion where a part of the downstream electrode and a part of the upstream electrode overlap.
この構成によれば、上流電極と下流電極とを容易に導通させることができるとともに、検出室を小さくすることができ、ガスセンサが小型化することができる。 According to this configuration, the upstream electrode and the downstream electrode can be easily conducted, the detection chamber can be made small, and the gas sensor can be miniaturized.
[適用例4]適用例3に記載のガスセンサであって、前記重なり部では、前記上流電極が前記固体電解質体に接すると共に、前記下流電極が前記上流電極上に、重なっている、ガスセンサ。 Application Example 4 The gas sensor according to Application Example 3, wherein the upstream electrode is in contact with the solid electrolyte body and the downstream electrode overlaps the upstream electrode in the overlapping portion.
この構成によれば、固体電解質体の主成分の含有量がより多く含有される上流電極と固体電解質体との間の密着性を十分に確保しつつ、重なり部において下流電極が検出室に晒されることになり、広範囲にわたって検出ガス中の特定ガス成分の検出精度を高めることができる。さらに、上流電極と下流電極との間の密着性とを、両立させることができる。 According to this configuration, the downstream electrode is exposed to the detection chamber in the overlapping portion while ensuring sufficient adhesion between the upstream electrode containing the greater amount of the main component of the solid electrolyte body and the solid electrolyte body. Therefore, the detection accuracy of the specific gas component in the detection gas can be enhanced over a wide range. Furthermore, the adhesion between the upstream electrode and the downstream electrode can be made compatible.
[適用例5]適用例3または適用例4に記載のガスセンサであって、前記固体電解質体から立設し、前記検出室を形成する側壁を備え、前記重なり部は、前記側壁から離れた位置に、形成されている、ガスセンサ。 Application Example 5 In the gas sensor according to Application Example 3 or Application Example 4, the gas sensor is provided with a side wall standing from the solid electrolyte body and forming the detection chamber, and the overlapping portion is located away from the side wall. The gas sensor is formed on.
この構成によれば、上流電極と下流電極とのそれぞれの形成位置がずれた場合であっても、上流電極と下流電極との重なり部が側壁と干渉することを抑制できる。よって、電極厚みが相対的に厚くなる重なり部が、側壁に干渉することによって生じるクラックの発生を防止できる。 According to this configuration, even when the formation positions of the upstream electrode and the downstream electrode are shifted, it is possible to suppress the overlapping portion between the upstream electrode and the downstream electrode from interfering with the side wall. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of cracks caused by the overlapping portion where the electrode thickness is relatively thick interfering with the side wall.
[適用例6]適用例1ないし適用例5のいずれかに記載のガスセンサであって、前記固体電解質体と前記内部電極との積層方向に沿って見たときに、前記検出室における前記拡散抵抗部と前記下流電極との間は、前記上流電極によって仕切られている、ガスセンサ。 Application Example 6 The gas sensor according to any one of Application Example 1 to Application Example 5, wherein the diffusion resistance in the detection chamber when viewed in the stacking direction of the solid electrolyte body and the internal electrode. The gas sensor is partitioned between the upstream electrode and the downstream electrode.
この構成によれば、酸素濃度が過剰に高いガスが下流電極に流れることが、上流電極による酸素濃度の調整によって抑制されるので、下流電極の耐久性の過剰な低下を抑制できる。 According to this configuration, since the gas having an excessively high oxygen concentration flows to the downstream electrode by the adjustment of the oxygen concentration by the upstream electrode, an excessive decrease in the durability of the downstream electrode can be suppressed.
[適用例7]適用例1ないし適用例6のいずれかに記載のガスセンサであって、前記上流電極における前記導電材料の含有量を100wt%としたときに前記固体電解質体の主成分の含有量は、20wt%以上であり、前記下流電極における前記導電材料の含有量を100wt%としたときに前記固体電解質体の主成分の含有量は、15wt%以下である、ガスセンサ。 [Application Example 7] The gas sensor according to any one of Application Examples 1 to 6, wherein the content of the main component of the solid electrolyte body when the content of the conductive material in the upstream electrode is 100 wt% Is 20 wt% or more, and when the content of the conductive material in the downstream electrode is 100 wt%, the content of the main component of the solid electrolyte body is 15 wt% or less.
この構成によれば、上流電極の良好な耐久性と、下流電極における良好な活性とを、実現することができる。 According to this configuration, good durability of the upstream electrode and good activity in the downstream electrode can be realized.
[適用例8]適用例1ないし適用例7のいずれかに記載のガスセンサであって、前記上流電極における気孔率は、前記下流電極における気孔率よりも小さい、ガスセンサ。
Application Example 8] The gas sensor according to any one of
この構成によれば、上流電極の酸化がより生じやすく、電極の耐久性がより低下するおそれがあるが、固体電解質体の主成分の含有量がより多く含有されることで、上流電極において耐久性を向上させることができる。他方、下流電極の酸化は上流電極よりも生じにくいため、固体電解質体の主成分の含有量をより少なく含有することで、下流電極において電極活性を向上させることができ、被検出ガス中の特定ガス成分の検出精度を高めることができる。よって、内部電極の耐久性と電極活性とを両立させることができる。 According to this configuration, the oxidation of the upstream electrode is more likely to occur, and the durability of the electrode may be further reduced. However, since the content of the main component of the solid electrolyte body is more contained, the upstream electrode is durable. Can be improved. On the other hand, since the oxidation of the downstream electrode is less likely to occur than the upstream electrode, the content of the main component of the solid electrolyte body can be reduced to improve the electrode activity in the downstream electrode, and the specificity in the detected gas The detection accuracy of the gas component can be increased. Therefore, it is possible to achieve both durability of the internal electrode and electrode activity.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ガスセンサ、そのガスセンサとガスセンサの制御装置とを含むガスセンサシステム、等の態様で実現することができる。 In addition, this invention can be implement | achieved in various aspects, for example, can be implement | achieved in aspects, such as a gas sensor system containing the gas sensor and its gas sensor, and the control apparatus of a gas sensor.
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.第1実施例:
B.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. First embodiment:
B. Variations:
A.第1実施例:
A1.装置構成:
図1は、本発明の一実施例としてのガスセンサ200を示す断面図である。このガスセンサ200は、図示しない内燃機関(エンジン)の排気管に固定されて、窒素酸化物(NOx)の濃度を測定する(以下、ガスセンサ200のことを「NOxセンサ200」とも呼ぶ)。図1は、NOxセンサ200の長手方向D1と平行な断面を示している。以下、図1における下方向(下側)をNOxセンサ200の先端方向(先端側)FWDと呼び、図1における上方向(上側)をNOxセンサ200の後端方向(後端側)BWDと呼ぶ。
A. First embodiment:
A1. Device configuration:
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
NOxセンサ200は、筒状の主体金具138と、長手方向D1に延びる板状形状をなすNOxセンサ素子10(ガスセンサ素子10)と、NOxセンサ素子10を囲む筒状のセラミックスリーブ106と、絶縁コンタクト部材166と、6個の接続端子110(図1では、2個図示されている)と、を備えている。主体金具138の外表面には、排気管に固定されるためのねじ部139が形成されている。セラミックスリーブ106は、NOxセンサ素子10の径方向周囲を取り囲むように配置されている。絶縁コンタクト部材166には、長手方向D1に貫通するコンタクト挿通孔168が形成されている。絶縁コンタクト部材166は、コンタクト挿通孔168の内壁面がNOxセンサ素子10の後端部の周囲を取り囲むように、配置されている。各接続端子110は、NOxセンサ素子10と絶縁コンタクト部材166との間に配置されている。
The
主体金具138は、軸線方向に貫通する貫通孔154を有し、貫通孔154の径方向内側に突出する棚部152を有する略筒状形状に構成されている。主体金具138は、NOxセンサ素子10の先端が貫通孔154の先端側(FWD側)の外部に配置され、NOxセンサ素子10の後端側が貫通孔154の後端側(BWD側)の外部に配置されるように、NOxセンサ素子10を貫通孔154内に保持している。棚部152は、長手方向D1に垂直な平面に対して傾斜したテーパ面を含んでいる。このテーパ面は、先端側(FWD側)の直径が、後端側(BWD側)の直径と比べて小さくなるように、形成されている。
The
主体金具138の貫通孔154の内部には、セラミックホルダ151、粉末充填層153、156(以下、滑石リング153、156ともいう)、セラミックスリーブ106が、この順に先端側から後端側に向かって積層されている。以下、セラミックホルダ151、滑石リング153、156、セラミックスリーブ106の全体は、NOxセンサ素子10を保持する保持部に相当し、以下「保持部160」とも呼ぶ。これらの保持部160の形状は、ぞれぞれ、NOxセンサ素子10の径方向周囲を取り囲む環状形状である。なお、NOxセンサ素子10は、保持部160によって保持されている。
Inside the through
セラミックスリーブ106と主体金具138の後端部140との間には、加締めパッキン157が配置されている。セラミックホルダ151と主体金具138の棚部152との間には、滑石リング153とセラミックホルダ151を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ158が配置されている。なお、主体金具138の後端部140は、加締めパッキン157を介してセラミックスリーブ106を先端側に押し付けるように、加締められている。
A caulking packing 157 is disposed between the
また、図1に示すように、主体金具138の先端側(図1における下方)の外周には、外部プロテクタ142および内部プロテクタ143が、溶接等によって取り付けられている。この二重のプロテクタ142、143は、複数の孔を有する金属(例えば、ステンレスなど)によって形成されており、NOxセンサ素子10の突出部分を覆っている。
Moreover, as shown in FIG. 1, the
主体金具138の後端側外周には、外筒144が固定されている。外筒144の後端側(図1における上方)の開口部には、グロメット150が配置されている。グロメット150には、リード線挿通孔161が形成されている。リード線挿通孔161には、6本のリード線146が挿通される(図1では5本のリード線146のみが示されている)。これらのリード線146は、NOxセンサ素子10の後端側の外表面に設けられた電極パッド(図示せず)にそれぞれ電気的に接続される。
An
また、主体金具138の後端部140より突出されたNOxセンサ素子10の後端側(図1における上方)には、絶縁コンタクト部材166が配置される。この絶縁コンタクト部材166は、NOxセンサ素子10の後端側の表面に形成される電極バッド(図示せず)の周囲に配置される。絶縁コンタクト部材166は、長手方向D1に貫通するコンタクト挿通孔168を有する筒状形状に形成され、そして、外表面から径方向外側に突出する鍔部167を備えている。絶縁コンタクト部材166と外筒144との間には、保持部材169が挿入されている。保持部材169は、外筒144と鍔部167とに接触することによって、絶縁コンタクト部材166を外筒144の内部に配置する。
Further, an insulating
図2は、NOxセンサ素子10の断面図である。この断面図は、長手方向D1と平行な断面を示している。図2において、左方向は先端方向(先端側)FWDを示し、右方向は後端方向(後端側)BWDを示している。NOxセンサ素子10は、絶縁層14e、第1固体電解質層11a、絶縁層14a、第3固体電解質層12a、絶縁層14b、第2固体電解質層13a、及び絶縁層14c、14dをこの順に積層した構造を有する。これらの層は、長手方向D1とは垂直な積層方向D2に沿って積層されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
第1固体電解質層11aと第3固体電解質層12aとの間には、第1検出室16が形成されている。図3は、図2に示すNOxセンサ素子10のA−A断面図である。この断面図は、積層方向D2と垂直な断面を示している。図3には、NOxセンサ素子10の先端方向FWDの一部分(第1検出室16を含む一部分)が示されている。また、図3には、後述する内側第1ポンプ電極11c(上流電極11cUと下流電極11cD)も示されている。なお、図3には、左右に2つの断面図が示されている。これらの断面図は、同一の断面を表している。これらの断面図では、互いに異なる部材にハッチングが付されている。
A
図3に示すように、本実施例では、絶縁層14aの先端側(FWD側)は、NOxセンサ素子10の先端方向FWDの端部に配置された先端部14a3と、短手方向D3の一方側(図3の左側)に配置された第1側壁部14a1と、短手方向D3の他方側(図3の右側)に配置された第2側壁部14a2と、から形成されている。なお、短手方向D3は、長手方向D1と積層方向D2との両方と垂直な方向を示している。先端部14a3は、短手方向D3に沿って、一方の端から他方の端まで延びている。2つの側壁部14a1、14a2は、先端部14a3とは後端方向BWDに離れた位置に配置されている。2つの側壁部14a1、14a2は、それぞれ、長手方向D1に沿って延びている。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the front end side (FWD side) of the insulating
第1側壁部14a1と先端部14a3との間には、第1拡散抵抗体15a1が配置されている。第2側壁部14a2と先端部14a3との間には、第1拡散抵抗体15a2が配置されている。以下、これらの第1拡散抵抗体15a1、15a2の全体を、単に「第1拡散抵抗体15a」とも呼ぶ。さらに、第1側壁部14a1と第2側壁部14a2との間には、第2拡散抵抗体15bが配置されている。
A first diffusion resistor 15a1 is disposed between the first side wall portion 14a1 and the tip end portion 14a3. A first diffusion resistor 15a2 is disposed between the second side wall portion 14a2 and the tip end portion 14a3. Hereinafter, the entire first diffusion resistors 15a1 and 15a2 are also simply referred to as “
第1検出室16は、これらの第1側壁部14a1、第2側壁部14a2、先端部14a3、第1拡散抵抗体15a、第2拡散抵抗体15bによって囲まれている。そして、第1検出室16には、第1拡散抵抗体15aを介して外部から被測定ガスGMが導入され、第2拡散抵抗体15bを介してガスが第1検出室16から排出される。
The
図2に示すように、第1検出室16の後端方向BWDには、第2拡散抵抗体15bを介して第1検出室16と連通する第2検出室18が形成されている。第2検出室18は、第3固体電解質層12aを貫通して第1固体電解質層11aと第2固体電解質層13aとの間に形成されている。
As shown in FIG. 2, in the rear end direction BWD of the
絶縁層14c、14dの間には、長手方向D1に沿って延びるヒータ50が埋設されている。ヒータ50は、ガスセンサ素子10を所定の活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。ヒータ50は、タングステン等の導体によって形成された発熱抵抗体であり、供給された電力によって熱を生じる。なお、ヒータ50は、2つの層14c、14dによって支持されている。
A
ガスセンサ素子10は、第1酸素ポンプセル11と、酸素濃度検出セル12と、第2酸素ポンプセル13とを有している。
The
第1酸素ポンプセル11は、第1固体電解質層11aと、これを挟持するように配置された内側第1ポンプ電極11c(以下、「第1内部電極11c」とも呼ぶ)、及び、対極である第1対極電極11b(外側第1ポンプ電極11bとも呼ぶ)とを備えている。第1内部電極11cは第1検出室16に面している。第1内部電極11c及び外側第1ポンプ電極11bはいずれも白金を主体として形成されている。第1内部電極11cの表面は多孔質体からなる保護層11eで覆われている。また、絶縁層14eのうちの外側第1ポンプ電極11bと対向する部分11dは、ガス(例えば、酸素)が通過可能な多孔質(例えば、アルミナ)で形成されている。なお、一対の電極11b、11cは、特許請求の範囲における「酸素ポンプセルの一対の電極」に相当する。なお、図2、図3に示すように、本実施例では、第1内部電極11cは、上流電極11cUと下流電極11cDとに分割されている。この理由については、後述する。
The first
酸素濃度検出セル12は、第3固体電解質層12aと、これを挟持するように配置された検知電極12b及び基準電極12cとを備えている。検知電極12bは第1内部電極11cより下流側で第1検出室16に面している。検知電極12b及び基準電極12cはいずれも白金を主体として形成されている。
The oxygen
絶縁層14bは、第3固体電解質層12aに接する基準電極12cが内部に配置されるように切り抜かれている。その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室17を形成している。酸素濃度検出セル12に予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素が第1検出室16から基準酸素室17内に送り込まれる。そして、基準酸素室17内の酸素濃度は、所定の濃度に維持される。これにより、基準酸素室17は、酸素濃度の基準として利用される。
The insulating
第2酸素ポンプセル13は、第2固体電解質層13aと、第2固体電解質層13aのうち第2検出室18に面した表面に配置された内側第2ポンプ電極13b、及び、対極である第2対極電極(対極第2ポンプ電極13c)とを備えている。内側第2ポンプ電極13b及び対極第2ポンプ電極13cはいずれも白金を主体として形成されている。なお、対極第2ポンプ電極13cは、第2固体電解質層13a上における絶縁層14bの切り抜き部に配置され、基準電極12cに対向して基準酸素室17に面している。内側第2ポンプ電極13bは、第2検出室18に面している。
The second
なお、本実施例では、固体電解質層11a、12a、13aは、それぞれ、酸素イオン伝導性を有するジルコニア(本実施例では、部分安定化ジルコニア)を用いて形成されている。絶縁層14a〜14eはアルミナを主に用いて形成されており、第1拡散抵抗体15a及び第2拡散抵抗体15bは、アルミナ等の多孔質物質を用いて形成されている。固体電解質層と絶縁層との8つの層のうちの6つの層14e、11a、12a、13a、14c、14dは、それぞれ、原材料のシートを用いて形成されている(例えば、ジルコニアやアルミナ等のセラミックのシート)。各電極と、2つの絶縁層14a、14bとは、セラミックシート上へのスクリーン印刷によって形成されている。そして、焼成前の各層を積層して得られる積層体を焼成することによって、NOxセンサ素子10が形成される。
In this embodiment, the
また、図2には、NOxセンサ200(NOxセンサ素子10)の制御部CUも示されている。制御部CUには、図1に示す接続端子110とリード線146とを介して、ヒータ50と、各電極11b、11c、12b、12c、13b、13cが接続されている(本実施例では、一部の複数の電極は、共通のリード線146に接続されている)。後述するように、制御部CUは、ヒータ50に電力を供給する。また、制御部CUは、各電極11b、11c、12b、12c、13b、13cに対して信号を送受信することによって、NOxセンサ200(NOxセンサ素子10)を制御する。なお、本実施例では、制御部CUは、オペアンプ等を用いて形成された電子回路である。この代わりに、制御部CUを、CPUとメモリとを有するコンピュータを用いて形成してもよい。
FIG. 2 also shows the control unit CU of the NOx sensor 200 (NOx sensor element 10). The control unit CU is connected to the
次に、NOxセンサ素子10の動作の一例について説明する。まず、エンジンの始動によって制御部CUが起動する。制御部CUは、ヒータ50に電力を供給する。ヒータ50は、第1酸素ポンプセル11、酸素濃度検出セル12、第2酸素ポンプセル13を活性化温度まで加熱する。そして、各セル11〜13が活性化温度まで加熱されたことに応じて、制御部CUは、第1酸素ポンプセル11に電流を流す。これにより、第1酸素ポンプセル11は、第1検出室16に流入した被測定ガス(排ガス)GM中の過剰な酸素を第1内部電極11cから第1対電極11bへ向かって汲み出す。
Next, an example of the operation of the
制御部CUは、酸素濃度検出セル12の電極間電圧(端子間電圧)が一定電圧V1(例えば425mV)になるように、第1酸素ポンプセル11の電極間電圧(端子間電圧)を制御する。酸素濃度検出セル12の電圧は、検知電極12bにおける酸素濃度を表している。この制御によって、第1検出室16内の酸素濃度は、NOxを少しだけ分解させる程度に調整される。第1検出室16内の酸素が不足する場合には、外側第1ポンプ電極11bから第1内部電極11cへ酸素が供給される。第1酸素ポンプセル11の電極間電圧の極性を切り換えることによって、第1検出室16に対する酸素の汲み出しと汲み入れとを切り換えることができる。
The control unit CU controls the interelectrode voltage (interterminal voltage) of the first
酸素濃度が調整された被測定ガスGNは、第2拡散抵抗体15bを介して、第2検出室18に導入される。制御部CUは、第2酸素ポンプセル13に電極間電圧(端子間電圧)を印加する。この電圧は、被測定ガスGN中のNOxガスが酸素と窒素ガスに分解する程度の一定電圧に設定されている(酸素濃度検出セル12の制御電圧の値より高い電圧、例えば450mV)。これにより、被測定ガスGN中のNOxが、窒素と酸素に分解される。
The gas to be measured GN whose oxygen concentration is adjusted is introduced into the
制御部CUは、NOxの分解により生じた酸素を第2検出室18から汲み出すように、第2酸素ポンプセル13に第2ポンプ電流を流す。第2ポンプ電流は、NOxの分解により生じた酸素の量(濃度)にほぼ比例して増大する。従って、第2ポンプ電流を検出することによって被測定ガスGN中のNOx濃度を検出することができる。
The control unit CU supplies a second pump current to the second
具体的には、本実施例では、上述したように、第1検出室16内の酸素濃度は、NOxを少し分解させる程度に調整される。すなわち、第1検出室16から排出される被測定ガスGNの中に微量(一定濃度)の酸素が含まれるように、第1酸素ポンプセル11の電極間電圧が制御される。このように、被測定ガスGMの中のNOxの有無に係わらずに、被測定ガスGNには一定濃度の酸素が含まれる。従って、第2酸素ポンプセル13を流れる第2ポンプ電流は、この酸素濃度に相当するオフセット(一定値)と、被測定ガスGN中のNOxの濃度に相当するゲイン(可変値)との合計値を示す。なお、被測定ガスGNの酸素濃度が小さいことが好ましい。特に、オフセットが、ゲインの変動幅と同程度、あるいは、それ以下となるように、酸素濃度が設定されることが好ましい。
Specifically, in the present embodiment, as described above, the oxygen concentration in the
次に、第1内部電極11c(上流電極11cUと下流電極11cD)の構成について説明する。本実施例では、上流電極11cUと下流電極11cDとのそれぞれは、白金と、部分安定化ジルコニアとを含む材料を用いて形成されている。部分安定化ジルコニアは、第1固体電解質層11aの主成分である。従って、両電極11cU、11cDと第1固体電解質層11aとの密着性を向上させることができる。なお、主成分は、全成分の合計重量に対する重量の割合が最も大きい成分を意味している。
Next, the configuration of the first
ところで、第1内部電極11cには、酸素濃度の高い被測定ガスGMが接触し得る(例えば、空燃比が理論空燃比よりも高い場合(リーン))。酸素濃度が高い場合には、電極中の白金が酸化し易い。白金の酸化は、電極の劣化を引き起こし得る(例えば、白金が昇華する)。そして、電極の劣化は、電極の第1固体電解質層11aからの剥離を引き起こし得る。
Incidentally, the gas to be measured GM having a high oxygen concentration can come into contact with the first
そこで、本実施例では、2つの電極11cU、11cDを、以下のように構成している。図4は、図3に示すNOxセンサ素子10のB−B断面図である。この断面図は、長手方向D1と垂直な断面を示し、上流電極11cUと第1拡散抵抗体15aとを横切る断面を示している。図4には、第1検出室16の周辺の一部が示されている。
Therefore, in this embodiment, the two electrodes 11cU and 11cD are configured as follows. 4 is a cross-sectional view of the
図4に示すように、第1拡散抵抗体15a(15a1、15a2)は、第1固体電解質層11aの内壁11aWと、第3固体電解質層12aの内壁12aW(内壁11aWと対向する壁)との間に配置されている。そして、被測定ガスGMは、第1拡散抵抗体15aを介して、第1検出室16に流入する。図3に示すように、上流電極11cUと下流電極11cDとは長手方向D1に沿って並んで配置されている(下流電極11cDは、上流電極11cUの後端方向BWDに配置されている)。第1拡散抵抗体15aは、上流電極11cUから見て、長手方向D1と垂直な(長手方向D1と交差する)短手方向D3に形成されている。このように、上流電極11cUは、下流電極11cDよりも第1検出室16におけるガス流の上流側に配置されている。そして、第1拡散抵抗体15aから下流電極11cDへ至る流路の途中に、上流電極11cUが形成されている。積層方向D2(すなわち、第1固体電解質層11aと第1内部電極11cとの積層方向)に沿って見たときに、第1検出室16における第1拡散抵抗体15aと下流電極11cDとの間は、上流電極11cUによって仕切られている。すなわち、上流電極11cUと対向する部分を通らずには、ガスは第1拡散抵抗体15aから下流電極11cDへ到達できない。従って、第1拡散抵抗体15aを介して流入した被測定ガスGMは、まず、上流電極11cUに接触する。そして、上流電極11cUによって酸素濃度が調整された後のガスが、下流電極11cDに接触する。
As shown in FIG. 4, the
このように、上流電極11cUには、下流電極11cDと比べて、酸素濃度の高いガスが接触し得る。従って、上流電極11cUは、下流電極11cDと比べて、劣化し易い環境下にある。そこで、本実施例では、上流電極11cUにおける部分安定化ジルコニアの含有量が、下流電極11cDにおける部分安定化ジルコニアの含有量よりも、大きな値に設定されている(図3)。本実施例では、上流電極11cUにおける部分安定化ジルコニアの含有量MUは22wt%であり、下流電極11cDにおけるジルコニアの含有量MDは14wt%である。これにより、上流電極11cUと第1固体電解質層11aとの密着性を、下流電極11cDと第1固体電解質層11aとの密着性よりも、強くすることができる。その結果、上流電極11cUの剥離を抑制できる。すなわち、第1内部電極11cの全体の耐久性を向上させることができる。また、下流電極11cDにおける活性を、上流電極11cUと比べて、高めることができる。その結果、第1内部電極11cの総合的な活性の過剰な低下を防止できる。これらにより、耐久性と電極活性とを両立させることができる。また、電極活性の過剰な低下の防止によって、ガスセンサ200による特定ガス成分(本実施例では、NOx)の検出精度を高めることができる。
As described above, the upstream electrode 11cU can be in contact with a gas having a higher oxygen concentration than the downstream electrode 11cD. Therefore, the upstream electrode 11cU is in an environment that is more likely to deteriorate than the downstream electrode 11cD. Therefore, in this example, the content of partially stabilized zirconia in the upstream electrode 11cU is set to a value larger than the content of partially stabilized zirconia in the downstream electrode 11cD (FIG. 3). In the present embodiment, the content MU of partially stabilized zirconia in the upstream electrode 11cU is 22 wt%, and the content MD of zirconia in the downstream electrode 11cD is 14 wt%. Thereby, the adhesiveness between the upstream electrode 11cU and the first
なお、電極11cU、11cDにおける部分安定化ジルコニアの含有量は、白金の含有量を基準(100wt%)とする部分安定化ジルコニアの含有量(wt%)を示している。例えば、1.0gの白金と0.2gのジルコニアとの混合材料を用いる場合には、ジルコニアの含有量は、0.2/1.0=20wt%である。 The partially stabilized zirconia content in the electrodes 11cU and 11cD indicates the partially stabilized zirconia content (wt%) based on the platinum content (100 wt%). For example, when a mixed material of 1.0 g of platinum and 0.2 g of zirconia is used, the content of zirconia is 0.2 / 1.0 = 20 wt%.
また、図3には、各電極11cU、11cDの気孔率PU、PDも示されている。気孔率は、電極の鏡面研磨した断面をSEM(scanning electron microscope:走査型電子顕微鏡)によって観察し、視野中の断面の全面積に対する空孔部の面積の割合を算出することによって、得られる。本実施例では、上流電極11cUの気孔率PUが10%であり、下流電極11cDの気孔率PDが40%である。このように、上流電極11cUの気孔率PUが低いので、上流電極11cUと第1固体電解質層11aとの密着性を高めることができる。また、下流電極11cDの気孔率PDが高いので、下流電極11cDにおけるガスと電極との接触を促進することができる。その結果、下流電極11cDの活性を高めることができる。
FIG. 3 also shows the porosity PU and PD of the electrodes 11cU and 11cD. The porosity is obtained by observing a mirror-polished cross section of the electrode with an SEM (scanning electron microscope) and calculating the ratio of the area of the void portion to the total area of the cross section in the field of view. In this embodiment, the porosity PU of the upstream electrode 11cU is 10%, and the porosity PD of the downstream electrode 11cD is 40%. Thus, since the porosity PU of the upstream electrode 11cU is low, the adhesion between the upstream electrode 11cU and the first
なお、各電極11cU、11cDの気孔率としては、他の種々の値を採用してもよい。いずれの場合も、上流電極11cUにおける気孔率PUが、下流電極11cDにおける気孔率PDよりも小さいことが好ましい。こうすれば、上流電極11cUにおいて耐久性を向上させ、下流電極11cDにおいて活性を向上させることができる。ただし、上流電極11cUにおける気孔率PUが、下流電極11cDにおける気孔率PDよりも大きくてもよい。 In addition, you may employ | adopt other various values as a porosity of each electrode 11cU and 11cD. In any case, the porosity PU in the upstream electrode 11cU is preferably smaller than the porosity PD in the downstream electrode 11cD. If it carries out like this, durability can be improved in the upstream electrode 11cU, and activity can be improved in the downstream electrode 11cD. However, the porosity PU in the upstream electrode 11cU may be larger than the porosity PD in the downstream electrode 11cD.
各電極11cU、11cDの気孔率を調整する方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、電極の材料に添加される有機バインダの含有量を調整することによって、気孔率を調整してもよい(有機バインダの含有量が多いほど気孔率が高くなる)。上述の上流電極11cUの材料としては、例えば、白金(Pt)と、22wt%の部分安定化ジルコニアと、7wt%の有機バインダとの混合物を採用してもよい(含有量は白金の含有量を基準(100wt%)とする値である)。下流電極11cDの材料としては、例えば、白金と、14wt%の部分安定化ジルコニアと、10wt%の有機バインダとの混合物を採用してもよい。有機バインダとしては、乾燥や焼成によって除去され得る種々の樹脂を採用可能である。例えば、エチルセルロースを採用してもよい。また、これらの混合物に溶剤(例えば、ブチルカルビトール)を添加することによって、材料の流動性を高めることができ、電極の形成を容易に行うことができる。 Various methods can be adopted as a method of adjusting the porosity of each electrode 11cU, 11cD. For example, the porosity may be adjusted by adjusting the content of the organic binder added to the electrode material (the higher the organic binder content, the higher the porosity). As a material of the above-described upstream electrode 11cU, for example, a mixture of platinum (Pt), 22 wt% partially stabilized zirconia, and 7 wt% organic binder may be adopted (the content is the platinum content). It is a value used as a reference (100 wt%). As a material of the downstream electrode 11cD, for example, a mixture of platinum, 14 wt% partially stabilized zirconia, and 10 wt% organic binder may be employed. As the organic binder, various resins that can be removed by drying or baking can be used. For example, ethyl cellulose may be employed. Moreover, by adding a solvent (for example, butyl carbitol) to these mixtures, the fluidity of the material can be increased, and the electrode can be easily formed.
図5は、図3に示すNOxセンサ素子10のC−C断面図である。この断面図は、短手方向D3と垂直な断面を示し、先端部14a3と上流電極11cUと下流電極11cDとを横切る断面を示している。図5には、第1検出室16の周辺の一部が示されている。なお、図2に示す断面図も、C−C断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the
第1固体電解質層11a(内壁11aW)には上流電極11cUと下流電極11cDとが積層されている。ここで、下流電極11cDの一部は、上流電極11cUの一部と重なっている(重なり部11v)。これにより、上流電極11cUと下流電極11cDとを容易に導通させることができる。また、第1内部電極11cの全体を小型化できる。これにより、第1検出室16、ひいては、ガスセンサ素子10(ガスセンサ200)の小型化が、可能である。また、本実施例では、重なり部11vにおいて、上流電極11cUが第1固体電解質層11a(内壁11aW)と接触している。そして、上流電極11cU上に、下流電極11cDが重なっている。従って、上流電極11cUと第1固体電解質層11aとの間に下流電極11cDを挟む場合と比べて、上流電極11cUと第1固体電解質層11aとの間の密着性を強くすることができる。また、両方の電極11cU、11cDが、共通の成分(白金と部分安定化ジルコニア)を含むので、これらの電極11cU、11cDの間の密着性を強くすることもできる。また、重なり部11vにおいて、下流電極11cDが第1検出室16に晒されるので、検出ガス中の特定ガス成分(本実施例ではNOx)の検出精度を高めることができる。
An upstream electrode 11cU and a downstream electrode 11cD are stacked on the first
図3の右の断面図では、重なり部11vにハッチングが付されている。また、図中には、第1検出室16の側壁SWが太線で示されている。図中には、側壁SWに含まれる6つの側壁SW1〜SW6が示されている。6つの側壁SW1〜SW6は、それぞれ、第1側壁部14a1、第1入口拡散抵抗体15a1、先端部14a3、第2入口拡散抵抗体15a2、第2側壁部14a2、第2拡散抵抗体15bの内壁である。なお、側壁SWは、第1固体電解質層11aから立設している。本実施例では、側壁SWは、第1固体電解質層11aの内壁11aWに接続されるとともに内壁11aWと平行な方向(本実施例では、長手方向D1や短手方向D3)の第1検出室16の範囲を定めている。
In the right sectional view of FIG. 3, the overlapping
図示するように、重畳部分11vは、側壁SWから離れた位置に、形成されている。従って、各電極11cU、11cDの形成位置がずれた場合であっても、厚い重畳部分11vが側壁SWと干渉することを抑制できる。例えば、側壁SWと第1固体電解質層11a(内壁11aW)との間に重畳部分11vが挟まるという不具合を抑制できる。また、重なり部11vが、側壁SWと干渉することによって生じるクラックの発生を防止できる。
As shown in the drawing, the overlapping
図6は、ヒータ50による発熱中心の説明図である。発熱中心は、NOxセンサ素子10における最も温度の高い部分を示している。一般的には、NOxセンサ素子10を放射温度計で測定することによって得られる温度分布のピーク位置が、発熱中心を示している。
FIG. 6 is an explanatory diagram of the center of heat generation by the
図6の上部には、NOxセンサ素子10の図2と同じ断面図が示されている。図6の中央には、温度Tと距離dtとの関係を示すグラフが示されている。図6の下部には、積層方向D2に沿って見た第1内部電極11cとヒータ50とが示されている。図6においては、長手方向D1(図6の水平方向)の位置は、4つの表示に共通である。
In the upper part of FIG. 6, the same sectional view of the
図6のグラフは、ヒータ50によって加熱されたNOxセンサ素子10の温度分布を示している。横軸は、NOxセンサ素子10の先端10eからの距離dtを示し、縦軸は、温度Tを示している。温度Tは、絶縁層14eの表面を放射温度計によって測定することによって得られた温度を示している。この温度分布は、積層方向D2に沿って見たときのNOxセンサ素子10の中心線CL上の温度の分布を示している。図6の下部の第1内部電極11cとヒータ50とには、中心線CLが示されている。図6の上部の断面図は、この中心線CLを通る断面図である。
The graph of FIG. 6 shows the temperature distribution of the
図示するように、本実施例では、上流電極11cUと対向する位置PPに、温度TのピークTPがある。また、図示は省略するが、中心線CLから離れた位置に関しても、位置PPから遠いほど、温度Tは低くなる。このような位置PPを中心とする温度分布は、NOxセンサ素子10の内部においても同様であると推定できる。従って、本実施例では、位置PPは、ヒータ50による発熱中心の積層方向D2に沿って見た位置を表している。
As shown in the figure, in the present embodiment, there is a peak TP of temperature T at a position PP facing the upstream electrode 11cU. Although not shown, the temperature T becomes lower as the position is farther from the position PP, even with respect to the position away from the center line CL. It can be estimated that such a temperature distribution centered on the position PP is the same inside the
このように、本実施例では、積層方向D2に沿って見たときに、温度分布のピーク位置PP(発熱中心)が、下流電極11cDではなく上流電極11cUと重なる位置にある。従って、下流電極11cDの温度を、上流電極11cUの温度以下に調整することができる。その結果、活性向上を担う下流電極11cDの過剰な劣化を防止できる。例えば、下流電極11cDの温度が過剰に高い場合には、下流電極11cDにおける白金の昇華が促進され得る。しかし、本実施例では、このような劣化を抑制できる。従って、被検出ガス中の特定ガス成分(本実施例では、NOx)の検出精度を高めることもできる。 Thus, in this example, when viewed along the stacking direction D2, the peak position PP (heat generation center) of the temperature distribution is not at the downstream electrode 11cD but at the position overlapping the upstream electrode 11cU. Therefore, the temperature of the downstream electrode 11cD can be adjusted to be equal to or lower than the temperature of the upstream electrode 11cU. As a result, it is possible to prevent excessive deterioration of the downstream electrode 11cD responsible for activity improvement. For example, when the temperature of the downstream electrode 11cD is excessively high, platinum sublimation at the downstream electrode 11cD can be promoted. However, in this embodiment, such deterioration can be suppressed. Therefore, the detection accuracy of the specific gas component (NOx in this embodiment) in the gas to be detected can be increased.
なお、積層方向D2に沿って見たときに、発熱中心(ピーク位置PP)が、上流電極11cUと重なっていなくてもよい。一般には、発熱中心(ピーク位置PP)が、下流電極11cDよりも上流電極11cUに近い位置に配置されていることが好ましい。こうすれば、下流電極11cDの温度を、上流電極11cUの温度以下に調整することができる。 Note that when viewed along the stacking direction D2, the heat generation center (peak position PP) may not overlap the upstream electrode 11cU. In general, the heat generation center (peak position PP) is preferably disposed at a position closer to the upstream electrode 11cU than the downstream electrode 11cD. In this way, the temperature of the downstream electrode 11cD can be adjusted to be equal to or lower than the temperature of the upstream electrode 11cU.
また、発熱中心が望ましい位置に配置されるようにヒータ50を形成する方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、発熱中心の望ましい位置に近い部分に、多くの発熱抵抗体を配置してもよい。なお、図6に示すように、発熱中心(位置PP)は、ヒータ50の外部に配置され得る。
Various methods can be adopted as a method of forming the
A2.電極の評価:
以下に示す表1は、第1内部電極11cに関する、電極の活性と電極の耐久性(剥がれ)との評価結果と、電解質の主成分の含有量との関係を示している。
A2. Electrode evaluation:
Table 1 shown below shows the relationship between the evaluation results of the electrode activity and the electrode durability (peeling) with respect to the first
図7は、表1の評価のための評価システムを示している。この評価システムESは、空気ブロワBLと、空気ブロワBLに接続されたガス流路FPと、ガス流路FPに固定されたガスセンサ200Aと、を含んでいる。空気ブロワBLとしては、最大3m3/分の能力のブロワが採用されている。評価用のガスセンサ200Aと実施例のガスセンサ200との差違は、第1内部電極11cの全体が1つの電極で形成されている点だけである。ガスセンサ200Aの他の構成は、上述のガスセンサ200(図1〜図6)と同じである。第1内部電極11cの全体を1つの電極で形成する理由は、電解質の主成分の含有量が電極の活性と耐久性とに与える影響を評価するためである。
FIG. 7 shows an evaluation system for the evaluation of Table 1. This evaluation system ES includes an air blower BL, a gas flow path FP connected to the air blower BL, and a
電極活性の評価方法は、以下の通りである。室温(摂氏20度〜30度程度)の大気雰囲気下に評価システムESを配置する。NOxセンサ素子の制御温度は摂氏700度程度である。この条件下で、空気ブロワBLによるガス流(空気流)の流速を0m/秒に設定する(流速は、ガス流路FP内における流速を表している)。この状態でのオフセットを測定する(第1オフセットと呼ぶ)。次に、ガス流の流速を30m/秒に設定する。この状態でのオフセットを測定する(第2オフセットと呼ぶ)。第1オフセットに対する第1と第2のオフセットの差分の割合((第2オフセット−第1オフセット)/第1オフセット:以下、オフセットの変化割合と呼ぶ)に応じて、以下の4段階の評価結果を得る。
A評価:オフセットの変化割合が±2ppm(parts per million)以下
B評価:オフセットの変化割合が±2〜3ppmの範囲内
C評価:オフセットの変化割合が±3〜5ppmの範囲内
D評価:オフセットの変化割合が±5ppmよりも大きい
The evaluation method of electrode activity is as follows. The evaluation system ES is placed in an air atmosphere at room temperature (about 20 to 30 degrees Celsius). The control temperature of the NOx sensor element is about 700 degrees Celsius. Under this condition, the flow rate of the gas flow (air flow) by the air blower BL is set to 0 m / second (the flow rate represents the flow rate in the gas flow path FP). The offset in this state is measured (referred to as the first offset). Next, the flow rate of the gas flow is set to 30 m / sec. The offset in this state is measured (referred to as a second offset). According to the ratio of the difference between the first and second offsets with respect to the first offset ((second offset-first offset) / first offset: hereinafter referred to as offset change ratio), the following four-stage evaluation results Get.
A Evaluation: Offset change rate is within ± 2 ppm (parts per million) B Evaluation: Offset change rate is within ± 2 to 3 ppm C Evaluation: Offset change rate is within ± 3 to 5 ppm D Evaluation: Offset Change rate is greater than ± 5ppm
一般には、第1内部電極11cの活性が低いほど、第1酸素ポンプセル11による酸素濃度調整の安定性が低下する。従って、第1内部電極11cの活性が低いほど、ガスの流速の変化といった外乱によるオフセットの変化量が増大する。例えば、ガスの流速の増大によってガスセンサ200A(NOxセンサ素子)が一時的に冷却され得る。ここで、第1内部電極11cの活性が低い場合には、第1酸素ポンプセル11による酸素の汲み出し量が低下して、被測定ガスGNにおける酸素濃度(すなわちオフセット)が増大し得る。あるいは、第1酸素ポンプセル11による酸素の汲み入れ量が低下して、被測定ガスGNにおける酸素濃度(すなわちオフセット)が減少し得る。第1内部電極11cの活性が低い場合には、このようなメカニズムに限らず、種々のメカニズムに従って、オフセットが変動し得る。従って、オフセットの差分の割合が小さいほど電極の活性が良い、と評価することができる。
In general, the lower the activity of the first
表1に示すように、第1内部電極11cにおける電解質の主成分(本実施例では、部分安定化ジルコニア)の含有量が少ないほど、電極活性の評価が良い。これは、電解質の主成分の含有量が少ないほど、第1内部電極11cにおける導電材料(白金)の割合が高くなるからである。また、表1に示すように、特に、電解質の主成分の含有量が15wt%以下の場合に、電極活性の評価が良い。従って、下流電極11cDにおいては、電解質の主成分の含有量が15wt%以下であることが好ましい。ただし、15wt%よりも大きな値を採用してもよい。なお、電解質の主成分の含有量は、導電材料(本実施例ではPt(白金))の含有量を基準(100wt%)とする値である。
As shown in Table 1, the lower the content of the electrolyte main component (partially stabilized zirconia in this example) in the first
電極剥がれの評価方法は以下の通りである。室温の大気雰囲気下に評価システムESを配置する。空気ブロワBLによるガス流(空気流)の流速を0m/秒に設定する。この条件下で、第1酸素ポンプセル11の電極間電圧を測定する(第1電圧と呼ぶ)。次に、1分間の通常制御と、通常制御に続く1分間の制御停止との1サイクルを、80000回繰り返す。通常制御によって、ヒータ50に対する電力供給と、ガスセンサ200A(NOxセンサ素子)の電極に対する信号の送受信とが、行われる。制御停止によって、ヒータ50に対する電力供給と、NOxセンサ素子の電極に対する信号の送受信との両方が、停止される。80000回のサイクルの最中では、空気ブロワBLによる流速は0m/秒に維持されている。次に、第1電圧と同じ条件下で、第1酸素ポンプセル11の電極間電圧を測定する(第2電圧と呼ぶ)。第2電圧の測定後、NOxセンサ素子を切断する。その断面は、図2に示すものと同じである。そして、断面における第1内部電極11cと第1固体電解質層11aとの境界を、SEMを用いて観察する。観察結果は、以下の3つの状態に分類される。
(R1)境界の全体に亘って、電極11cが第1固体電解質層11aから剥がれていない。
(R2)境界の一部分において、電極11cが第1固体電解質層11aから剥がれている。
(R3)境界の全体に亘って、電極11cが第1固体電解質層11aから剥がれている。
The evaluation method of electrode peeling is as follows. The evaluation system ES is placed in an air atmosphere at room temperature. The flow rate of the gas flow (air flow) by the air blower BL is set to 0 m / sec. Under this condition, the voltage between the electrodes of the first
(R1) The
(R2) In a part of the boundary, the
(R3) The
観察結果と、第1電圧に対する第1と第2の電圧の差分の割合((第2電圧−第1電圧)/第1電圧:以下、電圧の変化割合と呼ぶ)に応じて、以下の4段階の評価結果を得る。
A評価: 電圧の変化割合が10%以下、かつ、観察結果が第1結果R1である
B評価: 電圧の変化割合が10〜20%の範囲内であり、かつ、観察結果が第2結果R2である
C評価: 電圧の変化割合が20〜100%の範囲内であり、かつ、観察結果が第2結果R2である
D評価: 電圧の変化割合が100%よりも大きく、かつ、観察結果が第3結果R3である
Depending on the observation result and the ratio of the difference between the first and second voltages to the first voltage ((second voltage-first voltage) / first voltage: hereinafter referred to as voltage change ratio), the following 4 Get the evaluation result of the stage.
A evaluation: Voltage change rate is 10% or less and the observation result is the first result R1 B evaluation: Voltage change rate is within the range of 10 to 20%, and the observation result is the second result R2 C evaluation: The voltage change rate is in the range of 20 to 100%, and the observation result is the second result R2. D evaluation: The voltage change rate is greater than 100%, and the observation result is The third result is R3
一般には、第1内部電極11cが第1固体電解質層11aから剥がれると、両部材11a、11c間の電気抵抗が大きくなるので、同じ条件下(すなわち、第1酸素ポンプセル11を流れる電流が同じ)における第1酸素ポンプセル11の電極間電圧が高くなる。従って、80000回のサイクルによって第1内部電極11cが劣化した場合には、第2電圧が第1電圧よりも大きくなり得る。そして、第1内部電極11cのうちの第1固体電解質層11aから剥がれた部分が広いほど、第2電圧が大きくなる。従って、第1酸素ポンプセル11の電極間電圧の変化割合が大きいほど電極の劣化が進行している、と評価することができる。
Generally, when the first
表1に示すように、第1内部電極11cにおける電解質の主成分の含有量が多いほど、電極剥がれの評価が良い。これは、電解質の主成分の含有量が多いほど、第1内部電極11cと第1固体電解質層11aとの密着性が良くなるからである。また、表1に示すように、特に、電解質の主成分の含有量が20wt%以上の場合に、電極剥がれの評価が良い。従って、上流電極11cUにおいては、電解質の主成分の含有量が20wt%以上であることが好ましい。ただし、20wt%よりも小さい値を採用してもよい。
As shown in Table 1, the higher the content of the main component of the electrolyte in the first
図8は、上述の実施例のNOxセンサ素子10の電極11cU、11cDの配置と、下流電極11cDの評価結果とを示す説明図である。電極活性と電極剥がれとの評価方法は、上述の評価方法と同じである。図8には、図3と同じ断面図が示されている。本実施例では、下流電極11cDに関しては、電極活性と電極剥がれとの両方がA評価である。この理由は、以下のように推定される。すなわち、上述したように、積層方向D2に沿って見たときに、第1拡散抵抗体15aと下流電極11cDとの間が、上流電極11cUによって仕切られているからである。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing the arrangement of the electrodes 11cU and 11cD of the
図9は、他の構成のNOxセンサ素子10Bの電極11cU、11cDの配置と、下流電極11cDの評価結果とを示す説明図である。図8に示す実施例との差違は、2つの電極11cU、11cDの間の境界が、先端方向FWDにシフトしている点だけである。この他の構成では、下流電極11cDに関しては、電極活性はA評価であるが、電極剥がれはC評価である。この理由は、以下のように推定される。この他の構成では、積層方向D2に沿って見たときに、側壁SWと上流電極11cUとの間にギャップGPが生じている。また、図中には、被測定ガスGMの流れる2つの経路PG1、PG2が示されている。第1経路PG1は、上流電極11cUと対向する部分を通って、下流電極11cDと対向する部分に至る経路である。第2経路PG2は、このギャップGPを通ることによって、上流電極11cUと対向する部分を通らずに、上流電極11cUと対向する部分に至る経路である。第2経路PG2を通る被測定ガスGMは、上流電極11cUと対向する部分を通らずに、下流電極11cDに接触する。すなわち、酸素濃度の高いガスが、下流電極11cDに接触し得る。その結果、下流電極11cDの劣化が進行し易い。
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the arrangement of the electrodes 11cU and 11cD of the
以上から、下流電極11cDの劣化を抑制するためには、第1固体電解質層11aと第1内部電極11cとの積層方向(積層方向D2)に沿って見たときに、第1拡散抵抗体15aと下流電極11cDとの間を、上流電極11cUによって仕切ることが好ましい。すなわち、その積層方向に沿って見たときに、第1拡散抵抗体15aから下流電極11cDへ流れる被測定ガスGMの全ての経路を塞ぐように上流電極11cUが形成されていることが好ましい。換言すれば、その積層方向に沿って見たときに、第1拡散抵抗体15aから下流電極11cDへ流れる被測定ガスGMの全ての経路が、上流電極11cUと対向する部分を通ることが好ましい。なお、このような電極11cU、11cDの構成としては、図8に示す実施例の構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、積層方向D2に沿って見たときに、上流電極11cUが、第1拡散抵抗体15aと接しても良い。ただし、図9に示すような構成を採用してもよい。
From the above, in order to suppress the deterioration of the downstream electrode 11cD, when viewed along the stacking direction (stacking direction D2) of the first
B.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
B. Variations:
In addition, elements other than the elements claimed in the independent claims among the constituent elements in the above embodiments are additional elements and can be omitted as appropriate. The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
変形例1:
上述の各実施例において、NOxセンサ素子10の構成としては、図2〜図6に示す構成に限らず、他の種々の構成を採用可能である。例えば、図3に示す実施例において、第1拡散抵抗体15aが、NOxセンサ素子10の先端部分(先端部14a3)に配置されていてもよい。この場合も、第1固体電解質層11aと第1内部電極11cとの積層方向に沿って見たときに、第1検出室16における第1拡散抵抗体15aと下流電極11cDとの間は、上流電極11cUによって仕切られていることが好ましい。ただし、図3、図8に示す実施例のように、壁(例えば、絶縁層14a)によって区切られた複数の多孔質部材を用いて第1拡散抵抗体15aを形成すれば、局所的にNOxセンサ素子の強度が過剰に下がることを防止できる。また、被測定ガスGMの入口を大きくすることができる。また、図2に示す実施例において、検知電極12bが、第1検出室16の代わりに第2検出室18に露出していてもよい。また、発熱中心(図6)が上流電極11cUよりも下流電極11cDに近い位置に配置されてもよい。また、重畳部分11v(図3)が、側壁SWと接触してもよい。また、下流電極11cDが上流電極11cUに重なっていなくてもよい。例えば、上流電極11cUと下流電極11cDとの間が、別の導電部材によって、導通されてもよい。また、第1内部電極11cが、3以上の電極に分割されていてもよい。
Modification 1:
In each of the above-described embodiments, the configuration of the
また、ヒータ50のパターンとしては、図6に示すパターンに限らず、他の種々のパターンを採用可能である。また、ガスセンサ200の構成としても、図1に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。
Moreover, as a pattern of the
変形例2:
上述の各実施例において、電極の導電材料としては、白金に限らず、他の種々の導電材料を採用可能である。例えば、金や銀を採用してもよい。また、他の部材の材料としても、種々の材料を採用可能である。
Modification 2:
In each of the above-described embodiments, the conductive material of the electrode is not limited to platinum, and other various conductive materials can be employed. For example, gold or silver may be used. Moreover, various materials can be adopted as the material of the other members.
変形例3:
上述の各実施例において、ガスセンサ(ガスセンサ素子)としては、図2に示すNOxセンサに限らず、他の種々のセンサ(素子)を採用可能である。例えば、第1酸素ポンプセルと酸素濃度検出セルとを備える空燃比センサ(酸素センサ)を採用してもよい。このような空燃比センサの構成としては、図2に示すガスセンサ素子10から、第2検出室18と第2酸素ポンプセル13とを省略した構成を採用可能である。
Modification 3:
In each of the above-described embodiments, the gas sensor (gas sensor element) is not limited to the NOx sensor shown in FIG. 2, and other various sensors (elements) can be employed. For example, an air-fuel ratio sensor (oxygen sensor) including a first oxygen pump cell and an oxygen concentration detection cell may be employed. As a configuration of such an air-fuel ratio sensor, a configuration in which the
10…ガスセンサ素子
10e…先端
11…第1酸素ポンプセル
11a…第1固体電解質層
11b…外側第1ポンプ電極
11c…内側第1ポンプ電極
11e…保護層
11v…重なり部
11cU…上流電極
11cD…下流電極
11aW…内壁(表面)
12…酸素濃度検出セル
12a…第3固体電解質層
12b…検知電極
12c…基準電極
12aW…内壁
13…第2酸素ポンプセル
13a…第2固体電解質層
13b…内側第2ポンプ電極
13c…対極第2ポンプ電極
14a、14b、14c、14d、14e…絶縁層
14a1…第1側壁部
14a2…第2側壁部
14a3…先端部
15a…第1拡散抵抗体
15a1…第1入口拡散抵抗体
15a2…第2入口拡散抵抗体
15b…第2拡散抵抗体
16…第1検出室
17…基準酸素室
18…第2検出室
50…ヒータ
106…セラミックスリーブ
110…接続端子
138…主体金具
139…ねじ部
140…後端部
142…外部プロテクタ
143…内部プロテクタ
144…外筒
146…リード線
150…グロメット
151…セラミックホルダ
152…棚部
153…滑石リング(粉末充填層)
154…貫通孔
157…パッキン
158…金属ホルダ
160…保持部
161…リード線挿通孔
166…絶縁コンタクト部材
167…鍔部
168…コンタクト挿通孔
169…保持部材
200…ガスセンサ
200A…ガスセンサ
BL…空気ブロワ
GM…被測定ガス
GN…被測定ガス
PP…ピーク位置
FP…ガス流路
GP…ギャップ
ES…評価システム
CU…制御部
SW…側壁
PG1…第1経路
PG2…第2経路
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
154... Through
Claims (8)
固体電解質体および前記固体電解質体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極のうちの一方の電極である内部電極が前記検出室内に配置され、前記検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う酸素ポンプセルと、
を備えたガスセンサにおいて、
前記内部電極は、下流電極と、前記下流電極と導通するとともに前記下流電極よりも前記検出室における前記被検出ガスのガス流の上流側に配置された上流電極とを、含み、
前記上流電極と前記下流電極とのそれぞれは、前記固体電解質体の主成分と導電材料とを含み、
前記上流電極における前記固体電解質体の主成分の含有量は、前記下流電極における前記固体電解質体の主成分の含有量よりも、多い、
ことを特徴とする、ガスセンサ。 A detection chamber into which a gas to be detected is introduced from the outside via a diffusion resistance unit;
A solid electrolyte body and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte body, and an internal electrode which is one of the pair of electrodes is disposed in the detection chamber and introduced into the detection chamber An oxygen pump cell that pumps or pumps oxygen to the gas to be detected;
In the gas sensor with
The internal electrode includes a downstream electrode, and an upstream electrode that is electrically connected to the downstream electrode and disposed upstream of the downstream electrode in the gas flow of the gas to be detected in the detection chamber.
Each of the upstream electrode and the downstream electrode includes a main component of the solid electrolyte body and a conductive material,
The content of the main component of the solid electrolyte body in the upstream electrode is larger than the content of the main component of the solid electrolyte body in the downstream electrode.
A gas sensor.
前記ガスセンサを加熱するヒータを備え、
前記ヒータによる発熱中心が、前記下流電極よりも前記上流電極に近い位置に配置されている、
ガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, further comprising:
A heater for heating the gas sensor;
The heat generation center by the heater is disposed at a position closer to the upstream electrode than the downstream electrode,
Gas sensor.
前記下流電極の一部と前記上流電極の一部とが重なる重なり部を有する、
ガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1 or 2, wherein
Having an overlapping portion where a part of the downstream electrode and a part of the upstream electrode overlap;
Gas sensor.
前記重なり部では、前記上流電極が前記固体電解質体に接すると共に、前記下流電極が前記上流電極上に、重なっている、
ガスセンサ。 The gas sensor according to claim 3,
In the overlapping portion, the upstream electrode contacts the solid electrolyte body, and the downstream electrode overlaps the upstream electrode.
Gas sensor.
前記固体電解質体から立設し、前記検出室を形成する側壁を備え、
前記重なり部は、前記側壁から離れた位置に、形成されている、
ガスセンサ。 The gas sensor according to claim 3 or 4, wherein
Standing up from the solid electrolyte body, comprising a side wall forming the detection chamber,
The overlapping portion is formed at a position away from the side wall,
Gas sensor.
前記固体電解質体と前記内部電極との積層方向に沿って見たときに、前記検出室における前記拡散抵抗部と前記下流電極との間は、前記上流電極によって仕切られている、
ガスセンサ。 A gas sensor according to any one of claims 1 to 5,
When viewed along the stacking direction of the solid electrolyte body and the internal electrode, the diffusion resistance portion in the detection chamber and the downstream electrode are partitioned by the upstream electrode,
Gas sensor.
前記上流電極における前記導電材料の含有量を100wt%としたときに前記固体電解質体の主成分の含有量は、20wt%以上であり、
前記下流電極における前記導電材料の含有量を100wt%としたときに前記固体電解質体の主成分の含有量は、15wt%以下である、
ガスセンサ。 The gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
When the content of the conductive material in the upstream electrode is 100 wt%, the content of the main component of the solid electrolyte body is 20 wt% or more,
When the content of the conductive material in the downstream electrode is 100 wt%, the content of the main component of the solid electrolyte body is 15 wt% or less.
Gas sensor.
前記上流電極における気孔率は、前記下流電極における気孔率よりも小さい、ガスセンサ。 A gas sensor according to any one of claims 1 to 7,
Porosity in the upstream electrode is smaller than the porosity of the downstream electrode, the gas sensor.
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