JP5937995B2 - Manufacturing method of internal electrode of pump cell - Google Patents

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Description

本発明は、ポンプセルの内部電極の製法及びポンプセルに関する。   The present invention relates to a method for producing an internal electrode of a pump cell and the pump cell.

従来より、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるNOx濃度を検出するNOxセンサが知られている。こうしたNOxセンサは、一般的に、主ポンプセルと測定用ポンプセルとを備えている。主ポンプセルでは、センサの内部に導入された被測定ガスの酸素濃度がゼロになるように被測定ガスから酸素を外部へ汲み出す。また、測定用ポンプセルでは、主ポンプセルで処理された後の被測定ガスに含まれるNOxを窒素と酸素に分解し、分解後の酸素濃度に応じて測定用ポンプセルを流れる電流に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を検出する。ここで、主ポンプセルは、外部空間に露呈する外側ポンプ電極とNOxを含む被測定ガスが導入される内部空間に露呈する内側ポンプ電極とで固体電解質層を挟んだ構造を有している。この主ポンプセルの内側ポンプ電極は、NOxを窒素と酸素に分解してしまうことがないことが要求される。こうした要求を満足する内側ポンプ電極は、例えば、白金粉末にAu粉末を微量混合した電極ペーストを印刷後、焼成して作製される(特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, NOx sensors that detect NOx concentration in a gas to be measured such as automobile exhaust gas are known. Such NOx sensors generally include a main pump cell and a measurement pump cell. In the main pump cell, oxygen is pumped out of the measurement gas so that the oxygen concentration of the measurement gas introduced into the sensor becomes zero. In the measurement pump cell, NOx contained in the gas to be measured after being processed in the main pump cell is decomposed into nitrogen and oxygen, and the gas to be measured is based on the current flowing through the measurement pump cell according to the oxygen concentration after decomposition. The NOx concentration is detected. Here, the main pump cell has a structure in which the solid electrolyte layer is sandwiched between the outer pump electrode exposed to the outer space and the inner pump electrode exposed to the inner space into which the gas to be measured including NOx is introduced. The inner pump electrode of the main pump cell is required not to decompose NOx into nitrogen and oxygen. An inner pump electrode that satisfies these requirements is manufactured, for example, by printing and baking an electrode paste in which a trace amount of Au powder is mixed with platinum powder (see Patent Document 1).

特開平9−288086号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-288086

しかしながら、Au粉末は保管中に凝集しやすい性質を持つため、電極ペースト中のAu粉末の分散形態はAu粉末の作製ロットや保管期間によって変化してしまう。電極ペースト中のAu粉末の分散状態が変わると、主ポンプセルの内側ポンプ電極に要求される性質、すなわちNOxの分解を低く抑える性質を損なうことがあるため、好ましくない。   However, since Au powder tends to aggregate during storage, the dispersion form of the Au powder in the electrode paste varies depending on the Au powder production lot and storage period. If the dispersion state of the Au powder in the electrode paste is changed, the property required for the inner pump electrode of the main pump cell, that is, the property of suppressing the decomposition of NOx may be impaired, which is not preferable.

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、NOxセンサの内部空間のNOxの分解を低く抑えながら該内部空間の酸素を外部空間へ汲み出すことが可能なポンプセルの内部電極を安定して供給することを目的とする。   The present invention has been made to solve such a problem, and is an internal electrode of a pump cell capable of pumping out oxygen in the internal space to the external space while keeping decomposition of NOx in the internal space of the NOx sensor low. The purpose is to provide a stable supply.

本発明のポンプセルの内部電極の製法は、
外部空間に露呈する外部電極とNOxを含む被測定ガスが導入される内部空間に露呈する内部電極とで固体電解質層を挟んだ構造を有し、前記内部空間の酸素を前記外部空間へ汲み出すことが可能なポンプセルの、前記内部電極を製造する方法であって、
Au粉末を150〜300℃で加熱することにより前記Au粉末のレーザ回折/散乱法による粒度d50が2〜7μmになるようにする熱処理工程と、
白金族元素を主成分とし前記熱処理工程後のAu粉末を副成分とする電極ペーストを作製し、該電極ペーストを印刷したあと焼成して前記内部電極を形成する電極形成工程と、
を含むものである。
The method for producing the internal electrode of the pump cell of the present invention is as follows.
It has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between an external electrode exposed to the external space and an internal electrode exposed to the internal space into which the measurement gas containing NOx is introduced, and pumps oxygen from the internal space to the external space A method of manufacturing the internal electrode of a pump cell capable of:
A heat treatment step of heating the Au powder at 150 to 300 ° C. so that the particle size d50 of the Au powder by laser diffraction / scattering method is 2 to 7 μm;
Forming an electrode paste having a platinum group element as a main component and Au powder after the heat treatment step as a subcomponent, printing the electrode paste, and firing to form the internal electrode; and
Is included.

この製法によって得られる内部電極は、使用するAu粉末の作製ロットや保管期間にかかわらず、内部空間のNOxの分解を低く抑えながら該内部空間内の酸素を外部空間へ汲み出すことが可能になる。つまり、電極性能が安定した内部電極を提供することができる。   The internal electrode obtained by this manufacturing method can pump out oxygen in the internal space to the external space while keeping the decomposition of NOx in the internal space low regardless of the production lot and storage period of the Au powder to be used. . That is, an internal electrode with stable electrode performance can be provided.

なお、「白金族元素」とは、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金であるが、このうち白金が好ましい。   The “platinum group element” is ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, or platinum. Of these, platinum is preferable.

本発明のポンプセルの内部電極の製法において、前記熱処理工程では、前記Au粉末を大気中、常圧下150〜300℃で熱処理することが好ましい。こうすれば、大気中、常圧下で熱処理を行うため、特殊な雰囲気が不要であり、熱処理工程のコストが嵩まない。   In the method for producing an internal electrode of the pump cell of the present invention, in the heat treatment step, the Au powder is preferably heat-treated at 150 to 300 ° C. under atmospheric pressure in the atmosphere. By doing so, since the heat treatment is performed in the atmosphere under normal pressure, a special atmosphere is unnecessary, and the cost of the heat treatment process is not increased.

本発明のポンプセルは、上述した製法により製造された内部電極を備えたポンプセルである。このポンプセルは内部電極の性能が安定化しているため、検出されるNOx濃度は信頼性の高いものとなる。   The pump cell of this invention is a pump cell provided with the internal electrode manufactured by the manufacturing method mentioned above. Since the performance of the internal electrode of this pump cell is stabilized, the detected NOx concentration is highly reliable.

ガスセンサ100の断面模式図。2 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 100. FIG. 実施例8,9及び比較例3の粒度分布図。4 is a particle size distribution diagram of Examples 8 and 9 and Comparative Example 3. FIG. 実施例8,9及び比較例6のSEM写真。SEM photographs of Examples 8 and 9 and Comparative Example 6.

次に、本発明の実施の形態の一例であるガスセンサ100の概略構成について説明する。図1は、ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。このガスセンサ100は、被測定ガス中のNOx濃度を検出するセンサ素子101を備えている。   Next, a schematic configuration of the gas sensor 100 as an example of the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the gas sensor 100. The gas sensor 100 includes a sensor element 101 that detects the NOx concentration in the gas to be measured.

センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第1基板層1と、第2基板層2と、第3基板層3と、第1固体電解質層4と、スペーサ層5と、第2固体電解質層6との6つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら6つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子101は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。 The sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, a third substrate layer 3, and a first solid electrolyte layer 4 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). The spacer layer 5 and the second solid electrolyte layer 6 are elements having a structure in which the layers are laminated in this order from the bottom in the drawing. The solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured, for example, by performing predetermined processing and circuit pattern printing on a ceramic green sheet corresponding to each layer, stacking them, and firing and integrating them.

センサ素子101の一先端部であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10と、第1拡散律速部11と、緩衝空間12と、第2拡散律速部13と、第1内部空所20と、第3拡散律速部30と、第2内部空所40とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。   One end of the sensor element 101, and between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, is a gas inlet 10, a first diffusion rate limiting unit 11, and a buffer space. 12, the second diffusion rate limiting part 13, the first internal space 20, the third diffusion rate limiting part 30, and the second internal space 40 are adjacently formed in such a manner that they communicate in this order.

ガス導入口10と、緩衝空間12と、第1内部空所20と、第2内部空所40とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。   The gas introduction port 10, the buffer space 12, the first internal space 20, and the second internal space 40 are provided on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 with the upper portion provided in a state in which the spacer layer 5 is cut out. The space inside the sensor element 101 is defined by the lower part being the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 and the side parts being the side surfaces of the spacer layer 5.

第1拡散律速部11と、第2拡散律速部13と、第3拡散律速部30とはいずれも、2本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第2内部空所40に至る部位をガス流通部とも称する。   Each of the first diffusion rate controlling unit 11, the second diffusion rate controlling unit 13, and the third diffusion rate controlling unit 30 is provided as two horizontally long slits (the opening has a longitudinal direction in a direction perpendicular to the drawing). . In addition, the site | part from the gas inlet 10 to the 2nd internal space 40 is also called a gas distribution part.

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第3基板層3の上面と、スペーサ層5の下面との間であって、側部を第1固体電解質層4の側面で区画される位置に基準ガス導入空間43が設けられている。基準ガス導入空間43には、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。   Further, at a position farther from the front end side than the gas circulation part, the side part is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4 between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5. The reference gas introduction space 43 is provided at the position. For example, the atmosphere is introduced into the reference gas introduction space 43 as a reference gas when measuring the NOx concentration.

大気導入層48は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層48には基準ガス導入空間43を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層48は、基準電極42を被覆するように形成されている。   The atmosphere introduction layer 48 is a layer made of porous alumina, and the reference gas is introduced into the atmosphere introduction layer 48 through the reference gas introduction space 43. The air introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42.

基準電極42は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間43につながる大気導入層48が設けられている。また、後述するように、基準電極42を用いて第1内部空所20内や第2内部空所40内の酸素濃度(酸素分圧)を測定することが可能となっている。   The reference electrode 42 is an electrode formed in such a manner that it is sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4. As described above, the reference electrode 42 leads to the reference gas introduction space 43. An air introduction layer 48 is provided. Further, as will be described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 and the second internal space 40 using the reference electrode 42.

ガス流通部において、ガス導入口10は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口10を通じて外部空間からセンサ素子101内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。   In the gas circulation part, the gas inlet 10 is a part opened to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10.

第1拡散律速部11は、ガス導入口10から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。   The first diffusion control unit 11 is a part that provides a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken from the gas inlet 10.

緩衝空間12は、第1拡散律速部11より導入された被測定ガスを第2拡散律速部13へと導くために設けられた空間である。   The buffer space 12 is a space provided to guide the gas to be measured introduced from the first diffusion rate controlling unit 11 to the second diffusion rate controlling unit 13.

第2拡散律速部13は、緩衝空間12から第1内部空所20に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。   The second diffusion rate limiting unit 13 is a part that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20.

被測定ガスが、センサ素子101外部から第1内部空所20内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動(被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動)によってガス導入口10からセンサ素子101内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第1内部空所20へ導入されるのではなく、第1拡散律速部11、緩衝空間12、第2拡散律速部13を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第1内部空所20へ導入されるようになっている。これによって、第1内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。   When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 to the inside of the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (exhaust pressure pulsation if the gas to be measured is an automobile exhaust gas) ), The gas to be measured that is suddenly taken into the sensor element 101 from the gas inlet 10 is not directly introduced into the first internal space 20, but the first diffusion control unit 11, the buffer space 12, the second After the concentration variation of the gas to be measured is canceled through the diffusion control unit 13, the gas is introduced into the first internal space 20. As a result, the concentration fluctuation of the gas to be measured introduced into the first internal space is almost negligible.

第1内部空所20は、第2拡散律速部13を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル21が作動することによって調整される。   The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced through the second diffusion rate limiting unit 13. The oxygen partial pressure is adjusted by the operation of the main pump cell 21.

主ポンプセル21は、第1内部空所20に面する第2固体電解質層6の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部22aを有する内側ポンプ電極22と、第2固体電解質層6の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極23と、これらの電極に挟まれた第2固体電解質層6とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。   The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An electrochemical pump cell comprising an outer pump electrode 23 provided in a manner exposed to the external space in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a, and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. is there.

内側ポンプ電極22は、第1内部空所20を区画する上下の固体電解質層(第2固体電解質層6および第1固体電解質層4)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。具体的には、第1内部空所20の天井面を与える第2固体電解質層6の下面には天井電極部22aが形成され、また、底面を与える第1固体電解質層4の上面には底部電極部22bが形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第1内部空所20の両側壁部を構成するスペーサ層5の側壁面(内面)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。   The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first inner space 20, and the spacer layer 5 that provides side walls. Yes. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom portion is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. Spacer layers in which the electrode portions 22b are formed and the side electrode portions (not shown) constitute both side walls of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portions 22a and the bottom electrode portions 22b. 5 is formed on the side wall surface (inner surface), and is disposed in a tunnel-shaped structure at the portion where the side electrode portion is disposed.

内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23とは、多孔質サーメット電極(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極22は、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt and ZrO 2 containing 1% of Au). The inner pump electrode 22 in contact with the gas to be measured is formed using a material that has a reduced reduction ability for the NOx component in the gas to be measured.

主ポンプセル21においては、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に所望のポンプ電圧Vp0を印加して、内側ポンプ電極22と外側ポンプ電極23との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ip0を流すことにより、第1内部空所20内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第1内部空所20に汲み入れることが可能となっている。   In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp 0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and the pump current is positive or negative between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20.

また、第1内部空所20における雰囲気中の酸素濃度(酸素分圧)を検出するために、内側ポンプ電極22と、第2固体電解質6と、スペーサ層5と、第1固体電解質4と、第3基板層3と、基準電極42によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。   In order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte 4, The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control.

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力V0を測定することで第1内部空所20内の酸素濃度(酸素分圧)がわかるようになっている。さらに、起電力V0が一定となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所内20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。   By measuring the electromotive force V0 in the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Further, the pump current Ip0 is controlled by feedback controlling the pump voltage Vp0 of the variable power source 24 so that the electromotive force V0 is constant. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be kept at a predetermined constant value.

第3拡散律速部30は、第1内部空所20で主ポンプセル21の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第2内部空所40に導く部位である。   The third diffusion control unit 30 provides a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and the gas under measurement is supplied to the gas under measurement. This is the part that leads to the second internal space 40.

第2内部空所40は、第3拡散律速部30を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。NOx濃度の測定は、主として、補助ポンプセル50により酸素濃度が調整された第2内部空所40において、さらに、測定用ポンプセル41の動作によりNOx濃度が測定される。   The second internal space 40 is provided as a space for performing a process related to the measurement of the nitrogen oxide (NOx) concentration in the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit 30. The NOx concentration is measured mainly in the second internal space 40 in which the oxygen concentration is adjusted by the auxiliary pump cell 50, and further by measuring the pump cell 41 for measurement.

第2内部空所40では、あらかじめ第1内部空所20において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第3拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル50による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第2内部空所40内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ100においては精度の高いNOx濃度測定が可能となる。   In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in the first internal space 20 in advance, the auxiliary pump cell 50 further supplies the gas to be measured introduced through the third diffusion control unit. The oxygen partial pressure is adjusted. Thereby, since the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.

補助ポンプセル50は、第2内部空所40に面する第2固体電解質層6の下面の略全体に設けられた天井電極部51aを有する補助ポンプ電極51と、外側ポンプ電極23(外側ポンプ電極23に限られるものではなく、センサ素子101と外側の適当な電極であれば足りる)と、第2固体電解質層6とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。   The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23). The auxiliary electrochemical pump cell is configured by the second solid electrolyte layer 6 and the sensor element 101 and an appropriate electrode on the outside.

係る補助ポンプ電極51は、先の第1内部空所20内に設けられた内側ポンプ電極22と同様なトンネル形態とされた構造において、第2内部空所40内に配設されている。つまり、第2内部空所40の天井面を与える第2固体電解質層6に対して天井電極部51aが形成され、また、第2内部空所40の底面を与える第1固体電解質層4には、底部電極部51bが形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。   The auxiliary pump electrode 51 is disposed in the second internal space 40 in the same tunnel configuration as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51 a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 is formed on the first solid electrolyte layer 4. The bottom electrode part 51b is formed, and the side electrode part (not shown) connecting the ceiling electrode part 51a and the bottom electrode part 51b is provided on the spacer layer 5 that provides the side wall of the second internal space 40. It has a tunnel-type structure formed on both wall surfaces.

なお、補助ポンプ電極51についても、内側ポンプ電極22と同様に、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。   Note that the auxiliary pump electrode 51 is also formed using a material having a reduced reducing ability with respect to the NOx component in the gas to be measured, like the inner pump electrode 22.

補助ポンプセル50においては、補助ポンプ電極51と外側ポンプ電極23との間に所望の電圧Vp1を印加することにより、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第2内部空所40内に汲み入れることが可能となっている。   In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is pumped to the external space, or It is possible to pump into the second internal space 40 from the space.

また、第2内部空所40内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極51と、基準電極42と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。   Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte. The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81.

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力V1に基づいて電圧制御される可変電源52にて、補助ポンプセル50がポンピングを行う。これにより第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧は、NOxの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。   The auxiliary pump cell 50 performs pumping by the variable power source 52 that is voltage-controlled based on the electromotive force V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その起電力V0が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。   At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, and the electromotive force V0 is controlled, so that the third diffusion rate limiting unit 30 controls the second internal space. The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the gas 40 is controlled so as to be always constant. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.

測定用ポンプセル41は、第2内部空所40内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第2内部空所40に面する第1固体電解質層4の上面であって第3拡散律速部30から離間した位置に設けられた測定電極44と、外側ポンプ電極23と、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4とによって構成された電気化学的ポンプセルである。   The measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the second internal space 40. The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on a top surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the second internal space 40 and spaced from the third diffusion rate-determining portion 30, an outer pump electrode 23, The electrochemical pump cell is constituted by the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4.

測定電極44は、多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第2内部空所40内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。さらに、測定電極44は、第4拡散律速部45によって被覆されてなる。   The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere in the second internal space 40. Further, the measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion rate controlling part 45.

第4拡散律速部45は、アルミナ(Al23)を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担うとともに、測定電極44の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ip2として検出することができる。 The fourth diffusion rate-determining part 45 is a film composed of a porous body mainly composed of alumina (Al 2 O 3 ). The fourth diffusion control unit 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44 and also functions as a protective film for the measurement electrode 44. In the measurement pump cell 41, oxygen generated by the decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the generated amount can be detected as the pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、測定電極44と、基準電極42とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力V2に基づいて可変電源46が制御される。   In order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, that is, a first solid electrolyte layer 4, a third substrate layer 3, a measurement electrode 44, and a reference electrode 42, that is, A measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 is configured. The variable power supply 46 is controlled on the basis of the electromotive force V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82.

第2内部空所40内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第4拡散律速部45を通じて測定電極44に到達することとなる。測定電極44の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された制御電圧V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御される。測定電極44の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The gas to be measured introduced into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 through the fourth diffusion rate-determining unit 45 under the condition where the oxygen partial pressure is controlled. Nitrogen oxide in the gas to be measured around the measurement electrode 44 is reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the variable power source is set so that the control voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. 46 voltage Vp2 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxide in the gas to be measured, the nitrogen oxide in the gas to be measured using the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41. The concentration will be calculated.

また、測定電極44と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と基準電極42を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極44の周りの雰囲気中のNOx成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のNOx成分の濃度を求めることも可能である。   In addition, if the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are combined to form an oxygen partial pressure detecting means as an electrochemical sensor cell, The electromotive force according to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx component in the surrounding atmosphere and the amount of oxygen contained in the reference atmosphere can be detected, thereby the concentration of the NOx component in the gas to be measured Is also possible.

また、第2固体電解質層6と、スペーサ層5と、第1固体電解質層4と、第3基板層3と、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的なセンサセル83が構成されており、このセンサセル83によって得られる起電力Vrefによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。   The second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell 83. The oxygen partial pressure in the gas to be measured outside the sensor can be detected by the electromotive force Vref obtained by the sensor cell 83.

このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。   In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx). A gas to be measured is supplied to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the measurement gas is determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measurement pump cell 41 in proportion to the NOx concentration in the measurement gas. You can know.

さらに、センサ素子101は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子101を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部70を備えている。ヒータ部70は、ヒータ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75とを備えている。   Furthermore, the sensor element 101 includes a heater unit 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and maintaining the sensor element 101 in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater unit 70 includes a heater electrode 71, a heater 72, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure dissipation hole 75.

ヒータ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。   The heater electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1. By connecting the heater electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater unit 70 from the outside.

ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータ電極71と接続されており、該ヒータ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。   The heater 72 is an electric resistor formed in a form sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater electrode 71 through the through-hole 73, generates heat when power is supplied from outside through the heater electrode 71, and heats and keeps the solid electrolyte forming the sensor element 101.

また、ヒータ72は、第1内部空所20から第2内部空所40の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。   The heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the second internal space 40, and the entire sensor element 101 can be adjusted to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.

ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。   The heater insulating layer 74 is an insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 by an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72.

圧力放散孔75は、第3基板層3を貫通し、基準ガス導入空間43に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。   The pressure dissipating hole 75 is a portion that is provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and communicate with the reference gas introduction space 43, and is for the purpose of alleviating the increase in internal pressure accompanying the temperature increase in the heater insulating layer 74. Formed.

次に、センサ素子101の主ポンプセル21の内側ポンプ電極22や補助ポンプセル50の補助ポンプ電極51の製造方法について説明する。内側ポンプ電極22及び補助ポンプ電極51は、上述したように、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成されたものである。以下には、内側ポンプ電極22の製造方法について説明するが、補助ポンプ電極51も同様に製造される。   Next, a method for manufacturing the inner pump electrode 22 of the main pump cell 21 of the sensor element 101 and the auxiliary pump electrode 51 of the auxiliary pump cell 50 will be described. As described above, the inner pump electrode 22 and the auxiliary pump electrode 51 are formed using a material having a reduced reducing ability with respect to the NOx component in the gas to be measured. Below, although the manufacturing method of the inner side pump electrode 22 is demonstrated, the auxiliary pump electrode 51 is manufactured similarly.

まず、予めAu粉末に熱処理を施す。熱処理前のAu粉末の粒度d50(レーザ回折/散乱法による、以下同じ)は、2μm未満のものを使用する。熱処理は、150〜300℃で加熱することによりAu粉末の粒度d50が2〜7μmになるようにする。具体的には、大気中、常圧下で150〜300℃で加熱する。熱処理後のAu粉末の粒度d50が2μm未満では、NOxを窒素ガスと酸素ガスに分解する能力を十分抑制できないため好ましくなく、7μmを超えると、膜厚を薄く制御するのが困難になり、取り扱いにくいうえ経済的にも不利なため好ましくない。熱処理時の温度が150℃未満では、熱処理後のAu粉末の粒度d50が2μm未満になるため好ましくなく、300℃を超えると、熱処理後のAu粉末が焼結して粒度d50が7μmを超えるため好ましくない。熱処理時間は粒度d50が2〜7μmになるように、例えば1〜10時間の範囲で適宜設定すればよい。Au粉末の熱処理は、窒素雰囲気などの不活性雰囲気で行ってもよいが、大気雰囲気でも十分なため、コストを考慮して大気雰囲気で行うことが好ましい。この熱処理は、加圧雰囲気で行ってもよいが、常圧でも十分なため、コストを考慮して常圧で行うことが好ましい。   First, the Au powder is preliminarily heat treated. A particle size d50 (by laser diffraction / scattering method, the same applies hereinafter) of the Au powder before the heat treatment is less than 2 μm. The heat treatment is performed at 150 to 300 ° C. so that the particle size d50 of the Au powder becomes 2 to 7 μm. Specifically, heating is performed at 150 to 300 ° C. under normal pressure in the atmosphere. When the particle size d50 of the Au powder after the heat treatment is less than 2 μm, the ability to decompose NOx into nitrogen gas and oxygen gas cannot be sufficiently suppressed, which is not preferable, and when it exceeds 7 μm, it becomes difficult to control the film thickness thinly. It is not preferable because it is difficult and economically disadvantageous. If the temperature during the heat treatment is less than 150 ° C., the particle size d50 of the Au powder after the heat treatment is less than 2 μm, which is not preferable. If the temperature exceeds 300 ° C., the Au powder after the heat treatment is sintered and the particle size d50 exceeds 7 μm. It is not preferable. What is necessary is just to set the heat processing time suitably in the range of 1 to 10 hours, for example so that the particle size d50 may be set to 2-7 micrometers. The heat treatment of the Au powder may be performed in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere, but since an air atmosphere is sufficient, it is preferably performed in an air atmosphere in consideration of cost. This heat treatment may be performed in a pressurized atmosphere, but since normal pressure is sufficient, it is preferably performed at normal pressure in consideration of cost.

次に、Pt粉末を主成分とし熱処理後のAu粉末を副成分とする電極ペーストを作製し、該電極ペーストをセラミックグリーンシートに所定のパターンとなるようにスクリーン印刷したあと焼成する。電極ペーストは、バインダを溶剤に溶解したバインダ液に、Pt粉末、熱処理工程後のAu粉末及び固体電解質粉末を入れ、得られた混合物を混合することにより、作製する。Au粉末は、Pt粉末に対して質量比で0.01%以上2%未満使用するのが好ましい。固体電解質粉末は、第2固体電解質層6と同じ成分のものを用いる。セラミックグリーンシートは、焼成すると第2固体電解質層6となるものを用いる。電極ペーストの印刷は、印刷乾燥後の膜厚が5〜20μmとなるように行う。   Next, an electrode paste having Pt powder as a main component and heat-treated Au powder as a subcomponent is prepared, and the electrode paste is screen-printed on a ceramic green sheet so as to have a predetermined pattern, followed by firing. The electrode paste is prepared by putting Pt powder, Au powder after the heat treatment step and solid electrolyte powder in a binder solution obtained by dissolving a binder in a solvent, and mixing the resulting mixture. The Au powder is preferably used in a mass ratio of 0.01% or more and less than 2% with respect to the Pt powder. As the solid electrolyte powder, the same component as that of the second solid electrolyte layer 6 is used. As the ceramic green sheet, one that becomes the second solid electrolyte layer 6 when fired is used. The electrode paste is printed so that the film thickness after printing and drying is 5 to 20 μm.

その後、電極ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを、大気雰囲気中、常圧下で1300〜1400℃で焼成する。これにより、セラミックグリーンシートは第2固体電解質層6となり、印刷された電極ペーストは内側ポンプ電極22となる。なお、実際には、センサ素子101は、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、その積層体を上述した条件で焼成して一体化させることによって製造する。このため、電極ペーストの焼成は、こうした積層体の焼成と同時に行われることになる。   Thereafter, the ceramic green sheet on which the electrode paste is printed is fired at 1300 to 1400 ° C. under normal pressure in an air atmosphere. Thereby, the ceramic green sheet becomes the second solid electrolyte layer 6, and the printed electrode paste becomes the inner pump electrode 22. Actually, the sensor element 101 is laminated after ceramics green sheets corresponding to each layer are subjected to predetermined processing and circuit pattern printing, and the laminated body is fired and integrated under the above-described conditions. To make it. For this reason, the firing of the electrode paste is performed simultaneously with the firing of such a laminate.

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の主ポンプセル21及び補助ポンプセル50のいずれもが本発明のポンプセルに相当し、外側ポンプ電極23が外部電極に相当し、内側ポンプ電極22及び補助ポンプ電極51のいずれもが内部電極に相当し、第1内部空所20及び第2内部空所40のいずれも内部空間に相当する。   Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. Both the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 of the present embodiment correspond to the pump cell of the present invention, the outer pump electrode 23 corresponds to the outer electrode, and both the inner pump electrode 22 and the auxiliary pump electrode 51 serve as the inner electrode. Both the first internal space 20 and the second internal space 40 correspond to the internal space.

以上詳述した本実施形態によれば、内側ポンプ電極22や補助ポンプ電極51は、使用するAu粉末の作製ロットや保管期間にかかわらず、第1内部空所20や第2内部空所40のNOxの分解を低く抑えながら各内部空所20,40内の酸素を外部空間へ汲み出すことが可能になる。つまり、電極性能が安定した内側ポンプ電極22や補助ポンプ電極51を得ることができる。   According to this embodiment described in detail above, the inner pump electrode 22 and the auxiliary pump electrode 51 are provided in the first internal space 20 and the second internal space 40 regardless of the production lot and storage period of the Au powder to be used. Oxygen in each of the internal cavities 20 and 40 can be pumped out to the external space while keeping NOx decomposition low. That is, the inner pump electrode 22 and the auxiliary pump electrode 51 with stable electrode performance can be obtained.

また、主ポンプセル21や補助ポンプセル50は、上述した製法により製造された内側ポンプ電極22や補助ポンプ電極51を備えたポンプセルであるため、検出されるNOx濃度は信頼性の高いものとなる。   In addition, since the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 are pump cells including the inner pump electrode 22 and the auxiliary pump electrode 51 manufactured by the above-described manufacturing method, the detected NOx concentration is highly reliable.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態では、補助ポンプセル50を設けたが、第2内部空所40内の酸素濃度を主ポンプセル21のみで十分低くすることができる場合や、それほど精度の高いNOx濃度測定が要求されない場合には、補助ポンプセル50を省略してもよい。   For example, in the above-described embodiment, the auxiliary pump cell 50 is provided. However, when the oxygen concentration in the second internal space 40 can be sufficiently reduced only by the main pump cell 21, or when the NOx concentration measurement with high accuracy is required. If not, the auxiliary pump cell 50 may be omitted.

上述した実施形態では、内側ポンプ電極22や補助ポンプ電極51として、Pt粉末に微量のAu粉末を混合した材料を用いたが、そのほかの白金族元素(例えばPdなど)が含まれていてもよい。   In the embodiment described above, the inner pump electrode 22 and the auxiliary pump electrode 51 are made of a material in which a small amount of Au powder is mixed with Pt powder, but may contain other platinum group elements (for example, Pd). .

[一般的製造手順]
各実施例及び各比較例のセンサ素子101は、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、その積層体を大気雰囲気中、常圧下で1350℃で焼成して一体化させることによって製造した。特に、内側ポンプ電極22は、電極ペーストを作製し、該電極ペーストをセラミックグリーンシートに所定のパターンとなるようにスクリーン印刷し、その後焼成することにより作製した。電極ペーストは、バインダであるブチラール樹脂3gを溶剤であるブチルカルビトール18gに溶解したバインダ液に、Pt粉末60g、Au粉末0.6g及びジルコニア粉末15gを入れ、得られた混合物を擂潰機(らいかいき)で混合後、トリロールミルで分散処理することにより、作製した。電極ペーストの印刷は、印刷乾燥後の膜厚が9〜16μmとなるように行った。電極ペーストは、各セラミックスグリーンシートを積層した積層体を焼成した際に同時に焼成した。
[General manufacturing procedure]
The sensor element 101 of each example and each comparative example is laminated on a ceramic green sheet corresponding to each layer after performing predetermined processing and printing of a circuit pattern, and the laminated body is subjected to atmospheric pressure and normal pressure. It was manufactured by firing at 1350 ° C. and integrating. In particular, the inner pump electrode 22 was prepared by preparing an electrode paste, screen-printing the electrode paste on a ceramic green sheet so as to have a predetermined pattern, and then firing it. The electrode paste was prepared by adding 60 g of Pt powder, 0.6 g of Au powder and 15 g of zirconia powder to a binder solution prepared by dissolving 3 g of butyral resin as a binder in 18 g of butyl carbitol as a solvent, and crushing the resulting mixture ( The mixture was prepared by dispersing with a tri-roll mill after mixing with Raikaiki. The electrode paste was printed so that the film thickness after printing and drying was 9 to 16 μm. The electrode paste was fired at the same time as the laminate in which the ceramic green sheets were laminated.

熱処理前のAu粉末としては、ロットA〜Eの5種類を用いた。各ロットの熱処理前の粒度d50の値を表1に示す。   As Au powder before the heat treatment, five types of lots A to E were used. Table 1 shows the value of the particle size d50 before heat treatment of each lot.

[比較例1〜5,実施例1〜9]
比較例1〜5では、ロットA〜EのAu粉末を熱処理せずにそのまま電極ペーストの成分として使用して、センサ素子101を作製した。そして、被測定ガスとして、N2ガスをベースとしてO2:18%、NO:500ppm、H2O:3%(いずれも体積比)を含有させたガスを用い、主ポンプセル21のポンプ電流Ip0を3.0mAとしたときのポンプ電圧Vp0を測定した。その結果を表2に示す。また、比較例3の粒度分布を図2に示す。
[Comparative Examples 1-5, Examples 1-9]
In Comparative Examples 1 to 5, the sensor element 101 was produced using the Au powders of lots A to E as they were as the components of the electrode paste without being heat-treated. A gas containing N 2 gas as a base and containing O 2 : 18%, NO: 500 ppm, H 2 O: 3% (both volume ratios) is used as the measurement gas, and the pump current Ip0 of the main pump cell 21 is used. The pump voltage Vp0 was measured at a current of 3.0 mA. The results are shown in Table 2. The particle size distribution of Comparative Example 3 is shown in FIG.

実施例1〜5では、表2に示すように、ロットA〜EのAu粉末を大気中、常圧下150℃で2〜4時間処理することにより、熱処理後の粒度d50が2.6〜3.3μmとなるようにした。このように熱処理したAu粉末を電極ペーストの成分として使用し、センサ素子101を作製した。そして、上述した被測定ガスを用い、主ポンプセル21のポンプ電流Ip0を3.0mAとしたときのポンプ電圧Vp0を測定した。その結果を表2に示す。   In Examples 1 to 5, as shown in Table 2, by treating the Au powders of lots A to E in the atmosphere at 150 ° C. for 2 to 4 hours, the particle size d50 after the heat treatment is 2.6 to 3 .. 3 μm. The sensor element 101 was manufactured using the Au powder thus heat-treated as a component of the electrode paste. And the pump voltage Vp0 when the pump current Ip0 of the main pump cell 21 was 3.0 mA was measured using the gas to be measured. The results are shown in Table 2.

実施例6〜9では、表2に示すように、ロットCのAu粉末を大気中、常圧下150℃で3〜10時間処理することにより、熱処理後の粒度d50が3.0〜7.0μmとなるようにした。このように熱処理したAu粉末を電極ペーストの成分として使用し、センサ素子101を作製した。そして、上述した被測定ガスを用い、主ポンプセル21のポンプ電流Ip0を3.0mAとしたときのポンプ電圧Vp0を測定した。その結果を表2に示す。また、実施例8,9の粒度分布及びSEM写真をそれぞれ図2及び図3に示す。   In Examples 6 to 9, as shown in Table 2, by treating the Au powder of lot C at 150 ° C. under atmospheric pressure for 3 to 10 hours, the particle size d50 after the heat treatment is 3.0 to 7.0 μm. It was made to become. The sensor element 101 was manufactured using the Au powder thus heat-treated as a component of the electrode paste. And the pump voltage Vp0 when the pump current Ip0 of the main pump cell 21 was 3.0 mA was measured using the gas to be measured. The results are shown in Table 2. Moreover, the particle size distribution and SEM photograph of Examples 8 and 9 are shown in FIGS. 2 and 3, respectively.

表2において、異なるロットのAu粉末を用いた実施例1〜5及び比較例1〜5を比べると、ポンプ電圧Vp0は、実施例1〜5では530〜580mVであったのに対して、比較例1〜5では660〜760mVであった。ポンプ電圧Vp0が高いということは、内側ポンプ電極22で被測定ガス中のNOx成分が窒素ガスと酸素ガスに分解しやすいことを意味する。実施例1〜5のように予めAu粉末を熱処理して粒度d50を2.6〜3.3μmの範囲に入るようにした場合には、Au粉末のロットにかかわらず、第1内部空所20のNOxを分解を低く抑えながら第1内部空所20内の酸素を外部空間へ汲み出すことができることがわかった。また、実施例5〜9では、同じロットCのAu粉末を用いて150℃での保持時間を変更して、熱処理後のAu粉末の粒度d50が2.6〜7.0μの範囲になるようにした。その結果、150℃での保持時間が長くなるにつれて、粒度d50の値が上昇すると共にポンプ電圧Vp0が低くなることがわかった。以上の実施例1〜9から、ロットの異なるAu粉末であっても、熱処理条件を適宜設定すれば、ポンプ電圧Vp0をほぼ同等の値にすることつまり被測定ガス中のNOx成分の分解を低く抑える能力を同程度にすることが可能なことがわかった。   In Table 2, when comparing Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 using Au powder of different lots, the pump voltage Vp0 was 530 to 580 mV in Examples 1 to 5, whereas In Examples 1 to 5, it was 660 to 760 mV. The high pump voltage Vp0 means that the NOx component in the gas to be measured is easily decomposed into nitrogen gas and oxygen gas at the inner pump electrode 22. When the Au powder is heat-treated in advance as in Examples 1 to 5 so that the particle size d50 falls within the range of 2.6 to 3.3 μm, the first internal space 20 regardless of the lot of Au powder. It was found that oxygen in the first internal space 20 can be pumped out to the external space while suppressing decomposition of NOx. In Examples 5 to 9, the Au powder of the same lot C was used and the holding time at 150 ° C. was changed so that the particle size d50 of the Au powder after heat treatment was in the range of 2.6 to 7.0 μm. I made it. As a result, it was found that as the holding time at 150 ° C. becomes longer, the value of the particle size d50 increases and the pump voltage Vp0 decreases. From the above Examples 1 to 9, even if Au powders of different lots are used, if the heat treatment conditions are set appropriately, the pump voltage Vp0 is set to substantially the same value, that is, the decomposition of the NOx component in the gas to be measured is reduced. It turned out that the ability to suppress can be made comparable.

[比較例6]
比較例6では、ロットCのAu粉末を大気中、常圧下150℃で10時間処理したところ、粒度d50は測定不能となった。これは、加熱しすぎたため、Au粉末の焼結が起こり、粒子が粗大化したためである。この比較例6のSEM写真を図3に示す。
[Comparative Example 6]
In Comparative Example 6, when the Au powder of lot C was treated at 150 ° C. under atmospheric pressure for 10 hours, the particle size d50 became unmeasurable. This is because the Au powder was sintered due to excessive heating and the particles became coarse. The SEM photograph of this comparative example 6 is shown in FIG.

[実施例10,11及び比較例7,8]
実施例10では、ロットDのAu粉末を大気中、常圧下250℃で2時間処理し、熱処理後のAu粉末の粒度d50を2.7μmとした。実施例11では温度を300℃に変更し、熱処理後のAu粉末の粒度d50を4.3μmとした。これらのAu粉末を電極ペーストの成分として使用し、センサ素子101を作製して上述した条件でポンプ電圧Vp0を測定したところ、ポンプ電圧Vp0はそれぞれ550mV及び420mVであった(表2参照)。一方、比較例7では温度を350℃に、比較例8では温度を400℃に変更したところ、いずれもAu粉末の焼結が進み、粒度d50を測定できなかった。これらの結果から、Au粉末の熱処理の上限は300℃であることがわかった。
[Examples 10 and 11 and Comparative Examples 7 and 8]
In Example 10, the Au powder of lot D was treated at 250 ° C. under atmospheric pressure for 2 hours in the atmosphere, and the particle size d50 of the Au powder after the heat treatment was set to 2.7 μm. In Example 11, the temperature was changed to 300 ° C., and the particle size d50 of the Au powder after the heat treatment was set to 4.3 μm. Using these Au powders as a component of the electrode paste, the sensor element 101 was fabricated and the pump voltage Vp0 was measured under the above-described conditions. The pump voltage Vp0 was 550 mV and 420 mV, respectively (see Table 2). On the other hand, in Comparative Example 7, the temperature was changed to 350 ° C., and in Comparative Example 8, the temperature was changed to 400 ° C. As a result, the sintering of Au powder proceeded, and the particle size d50 could not be measured. From these results, it was found that the upper limit of the heat treatment of the Au powder was 300 ° C.

本発明は、NOxセンサに利用可能である。   The present invention is applicable to NOx sensors.

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、10 ガス導入口、11 拡散律速部、12 緩衝空間、13 拡散律速部、20 第1内部空所、21 主ポンプセル、22 内側ポンプ電極、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24 可変電源、30 拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、42 基準電極、43 基準ガス導入空間、44 測定電極、45 拡散律速部、46 可変電源、48 大気導入層、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、70 ヒータ部、71 ヒータ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、100 ガスセンサ、101 センサ素子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate layer, 2nd 2nd board | substrate layer, 3rd board | substrate layer, 4th 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 10 gas inlet, 11 diffusion control part, 12 buffer space, 13 diffusion limiting part, 20 first internal space, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode part, 22b bottom electrode part, 23 outer pump electrode, 24 variable power supply, 30 diffusion limiting part, 40 second internal space , 41 Measurement pump cell, 42 Reference electrode, 43 Reference gas introduction space, 44 Measurement electrode, 45 Diffusion limiting part, 46 Variable power supply, 48 Air introduction layer, 50 Auxiliary pump cell, 51 Auxiliary pump electrode, 51a Ceiling electrode part, 51b Bottom electrode part, 52 Variable power supply, 70 Heater part, 71 Heater electrode, 72 Heater, 73 Through hole, 74 Heater insulation layer, 75 Pressure dissipation , 80 main pump-controlling oxygen-partial, 81 auxiliary-pump-controlling oxygen-partial-pressure detection sensor cell 82 measuring-pump-controlling oxygen-partial-pressure detection sensor cell 83 sensor cell 100 gas sensor 101 sensor elements.

Claims (2)

外部空間に露呈する外部電極とNOxを含む被測定ガスが導入される内部空間に露呈する内部電極とで固体電解質層を挟んだ構造を有し、前記内部空間の酸素を前記外部空間へ汲み出すことが可能なポンプセルの、前記内部電極を製造する方法であって、
Au粉末を150〜300℃で加熱することにより前記Au粉末のレーザ回折/散乱法による粒度d50が2〜7μmになるようにする熱処理工程と、
白金族元素を主成分とし前記熱処理工程後のAu粉末を副成分とする電極ペーストを作製し、該電極ペーストを印刷したあと焼成して前記内部電極を形成する電極形成工程と、
を含むポンプセルの内部電極の製法。
It has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between an external electrode exposed to the external space and an internal electrode exposed to the internal space into which the measurement gas containing NOx is introduced, and pumps oxygen from the internal space to the external space A method of manufacturing the internal electrode of a pump cell capable of:
A heat treatment step of heating the Au powder at 150 to 300 ° C. so that the particle size d50 of the Au powder by laser diffraction / scattering method is 2 to 7 μm;
Forming an electrode paste having a platinum group element as a main component and Au powder after the heat treatment step as a subcomponent, printing the electrode paste, and firing to form the internal electrode; and
Of the internal electrode of the pump cell containing
前記熱処理工程では、前記Au粉末を大気中、常圧下150〜300℃で熱処理する、
請求項1に記載のポンプセルの内部電極の製法。
In the heat treatment step, the Au powder is heat treated at 150 to 300 ° C. under atmospheric pressure in the atmosphere.
The manufacturing method of the internal electrode of the pump cell of Claim 1.
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