JP6517613B2 - Gas sensor - Google Patents

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和久 藤林
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガス中に含まれる特定ガスのガス濃度を検出するのに好適に用いられるガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor suitably used to detect the gas concentration of a specific gas contained in combustion gas or exhaust gas of, for example, a combustor or an internal combustion engine.

従来から、内燃機関の排気ガス中の特定成分(酸素、NO等)の濃度を検出するガスセンサが用いられている(特許文献1、2)。例えば特許文献1記載のガスセンサの場合、図13に示すようにガスセンサは自身の内部にセンサ素子1000を有し、センサ素子1000は2つのセル1300、1400を有している。
このうち、セル1400は固体電解質層1090の両面に形成された電極1080、1100を有し、電極1100は多孔質層1130を介して外部との間で排気ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルとなっている。一方、セル1300は、測定室1070に面して測定室1070内の排気ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧(起電力)を出力する酸素濃度検出セルとなっている。そして、この出力電圧が一定となるようにポンピングセル1400に電圧(Vp電圧)を印加してポンプ電流Ipを流し、該ポンプ電流Ipに応じた排気ガス中の酸素濃度を検出するようになっている。
Conventionally, a gas sensor for detecting the concentration of a specific component in the exhaust gas of an internal combustion engine (oxygen, NO x, etc.) have been used (Patent Documents 1 and 2). For example, in the case of the gas sensor described in Patent Document 1, as shown in FIG. 13, the gas sensor has a sensor element 1000 inside, and the sensor element 1000 has two cells 1300 and 1400.
Among these, the cell 1400 has electrodes 1080 and 1100 formed on both sides of the solid electrolyte layer 1090, and the electrode 1100 pumps out or pumps in oxygen in the exhaust gas with the outside through the porous layer 1130. It is a pumping cell to perform. On the other hand, the cell 1300 is an oxygen concentration detection cell that faces the measuring chamber 1070 and outputs an output voltage (electromotive force) according to the oxygen concentration in the exhaust gas in the measuring chamber 1070. Then, a voltage (Vp voltage) is applied to the pumping cell 1400 so that the output voltage becomes constant, and the pump current Ip flows, and the oxygen concentration in the exhaust gas according to the pump current Ip is detected. There is.

特開2012−173146号公報JP 2012-173146 A 特許第4966266号公報Patent No. 4966266

ところで、図14に示すように、測定室1070内の排気ガス中の空燃比(A/F)がリッチからリーンに変化した場合、λセンサである酸素濃度検出セル1300の出力電圧は急激に変化し、それに応じてポンピングセル1400に印加されるVp電圧も急激に変化する。すると、ポンピングセル1400から出力されるポンプ電流Ipにオーバーシュート現象(リップル(Ripple)現象)と称される余分な脈動電流Riが重畳され、酸素濃度の検出値が不正確になるという問題がある。
この原因は、図15に示すように、ポンピングセル1400の固体電解質層1090と電極1100との間にコンデンサ回路が形成され、コンデンサの電極間の電圧(Vp電圧)が時間的に変化すると、それに比例してコンデンサの電極間の電荷が時間的に変化して電流が流れ出すためと考えられる。つまり、このコンデンサ回路におけるコンデンサの容量Cと、コンデンサの電荷の変化ΔQと、コンデンサの電極間のVp電圧の変化ΔVpとは、次式(1)の関係にある。
ΔQ=C×ΔVp (1)
ΔQ=Riであるから、
Ri=C×ΔVp (2)
となる。式(2)より、Vp電圧の時間変化であるΔVpを小さくするほど、脈動電流(オーバーシュート電流)Riを低減することになる。
一方、図16に示すように、排気ガス中の空燃比(A/F)がストイキ点を跨がないときには、酸素濃度検出セル1300の出力電圧、ひいてはVp電圧は急激に変化しないので、ポンプ電流Ipに脈動電流Riは重畳されない。
Incidentally, as shown in FIG. 14, when the air-fuel ratio (A / F) in the exhaust gas in the measurement chamber 1070 changes from rich to lean, the output voltage of the oxygen concentration detection cell 1300 which is a λ sensor changes rapidly Accordingly, the Vp voltage applied to the pumping cell 1400 also changes rapidly. Then, an extra pulsating current Ri referred to as an overshoot phenomenon (ripple phenomenon) is superimposed on the pump current Ip output from the pumping cell 1400, and there is a problem that the detected value of the oxygen concentration becomes inaccurate. .
This is because, as shown in FIG. 15, when a capacitor circuit is formed between the solid electrolyte layer 1090 of the pumping cell 1400 and the electrode 1100, and the voltage (Vp voltage) between the electrodes of the capacitor changes with time, It is considered that the charge between the electrodes of the capacitor changes temporally in proportion to current flow. That is, the capacitance C of the capacitor in the capacitor circuit, the change ΔQ in the charge of the capacitor, and the change ΔVp in the voltage Vp between the electrodes of the capacitor have a relationship of the following equation (1).
ΔQ = C × ΔVp (1)
Since ΔQ = Ri,
Ri = C × ΔVp (2)
It becomes. From the equation (2), the pulsation current (overshoot current) Ri is reduced as the time change ΔVp of the Vp voltage is reduced.
On the other hand, as shown in FIG. 16, when the air-fuel ratio (A / F) in the exhaust gas does not cross the stoichiometric point, the output voltage of the oxygen concentration detection cell 1300 and hence the Vp voltage do not change rapidly, so the pump current The pulsating current Ri is not superimposed on Ip.

そして、ΔVpを小さくする方策として、ポンピングセル1400の起電力変化を妨げる、つまり(1)多孔質層1130の通気抵抗を大きくする、(2)電極1100での電極反応を遅くする、ことが考えられる。
このうち(1)については、多孔質層1130を緻密にしたり、その大きさを小さくする方策が挙げられる。しかしながら、多孔質層1130は一般に絶縁体粒子を焼成して製造されるため、気孔の分布や厚みを一定にすることには限界がある。このため、多孔質層1130を緻密にしたり、小さくしても、気孔率や大きさが局所的にばらつき、安定した効果が得られ難いと共に、多孔質層1130の製造が困難になるという問題がある。
又、(2)については、電極1100を緻密にしたり、その厚みを厚くする方策が挙げられる。しかしながら、電極1100の厚みを厚くすると、電極材料である貴金属(Pt等)の使用量が増えて電極のコストアップに繋がる。又、電極1100を緻密にすると、電極1100と固体電解質層1090と気相との3相界面が減少して電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)が上昇し、ひいてはセンサ素子の動作電圧が上昇し、後述するブラックニングの発生や、電気回路上の制約が生じるという問題がある。さらに、リッチ雰囲気においては、電極1100は酸素源(排気ガス中のH2O,CO2等)から測定室1070へ酸素をポンピングするが、電極1100を緻密にしたり厚くすると、電極1100へ到達するガスが減少してリッチ側の測定範囲が狭くなるという問題がある。
Then, as a measure to reduce ΔVp, it is considered that the electromotive force change of the pumping cell 1400 is hindered, that is, (1) the air flow resistance of the porous layer 1130 is increased, (2) the electrode reaction at the electrode 1100 is delayed. Be
Among them, as to (1), there is a method of densifying the porous layer 1130 or reducing its size. However, since the porous layer 1130 is generally manufactured by firing insulator particles, there is a limit in making the distribution and thickness of pores constant. For this reason, even if the porous layer 1130 is made dense or small, the porosity and the size locally vary, and it is difficult to obtain a stable effect, and it becomes difficult to manufacture the porous layer 1130. is there.
As for (2), there is a method of densifying the electrode 1100 or increasing its thickness. However, if the thickness of the electrode 1100 is increased, the amount of use of noble metal (Pt or the like) which is an electrode material is increased, which leads to an increase in cost of the electrode. In addition, when the electrode 1100 is made dense, the three-phase interface between the electrode 1100, the solid electrolyte layer 1090 and the gas phase decreases, the electrode resistance (the internal resistance of the sensor element) increases, and the operating voltage of the sensor element increases. However, there are problems such as the occurrence of blackening, which will be described later, and restrictions on the electric circuit. Furthermore, in a rich atmosphere, the electrode 1100 pumps oxygen from the oxygen source (H 2 O, CO 2 in exhaust gas, etc.) to the measurement chamber 1070, but if the electrode 1100 is made dense or thick, the gas reaching the electrode 1100 decreases. As a result, there is a problem that the measurement range on the rich side becomes narrow.

一方、本発明者は(1)について、多孔質層1130の気孔率や大きさを従来と同等としつつも、多孔質層1130の一部に重なることで、外部から多孔質層1130を介して電極1100に到達する酸素源(排気ガス)の量を減少させる方策を検討した。この場合、上記した(1)、(2)の問題を抑制することができる。
しかしながら、多孔質層1130に重なる位置によっては、ブラックニングと称される固体電解質層1090の特性劣化が生じることが判明した。ブラックニングは、固体電解質層1090を介して電極反応が生じている状態で、固体電解質層1090に酸素不足が生じて固体電解質層1090中の金属酸化物が還元される現象である。ブラックニングが生じると、固体電解質層1090の特性(イオン伝導性)が劣化し、ポンピング性能が低下する。
例えば図17に示すように、多孔質層1130と電極1100との間に、多孔質層1130の外周側に接するように重なる通気抵抗層1200を設けた場合、通気抵抗層1200と重なる固体電解質層1090の部位Brでブラックニングが生じるおそれがある。つまり、部位Brでは、通気抵抗層1200によって多孔質層1130からの酸素源(排気ガスG)の供給が妨げられるにも関わらず、固体電解質層1090を挟む電極1100、1080によって固体電解質層1090から強制的に酸素イオンを移動させる電極反応が生じ、固体電解質層1090に酸素不足が生じる。
On the other hand, with regard to (1), while making the porosity and the size of the porous layer 1130 equal to those of the conventional one, the present inventor overlaps from part of the porous layer 1130, thereby making the porous layer 1130 from the outside. A strategy for reducing the amount of oxygen source (exhaust gas) reaching the electrode 1100 was examined. In this case, the problems (1) and (2) described above can be suppressed.
However, it has been found that depending on the position overlapping with the porous layer 1130, characteristic deterioration of the solid electrolyte layer 1090 referred to as blackening occurs. Blacking is a phenomenon in which oxygen deficiency occurs in the solid electrolyte layer 1090 and the metal oxide in the solid electrolyte layer 1090 is reduced in a state where an electrode reaction occurs via the solid electrolyte layer 1090. When blackening occurs, the characteristics (ion conductivity) of the solid electrolyte layer 1090 are degraded, and the pumping performance is degraded.
For example, as shown in FIG. 17, when a flow resistance layer 1200 is provided between the porous layer 1130 and the electrode 1100 so as to contact the outer peripheral side of the porous layer 1130, a solid electrolyte layer overlapping the flow resistance layer 1200 is provided. Blacking may occur at a site Br of 1090. That is, in the portion Br, although the supply of the oxygen source (exhaust gas G) from the porous layer 1130 is prevented by the air flow resistance layer 1200, the electrodes 1100 and 1080 sandwiching the solid electrolyte layer 1090 from the solid electrolyte layer 1090 An electrode reaction that forcibly moves oxygen ions occurs, and a lack of oxygen occurs in the solid electrolyte layer 1090.

そこで、本発明は、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下することを抑制すると共に、固体電解質層の特性劣化を抑制したガスセンサの提供を目的とする。   Therefore, the present invention is a gas sensor that suppresses the deterioration of gas detection accuracy due to a rapid change of the cell's electromotive force with the change of the atmosphere of the measurement gas, and suppresses the characteristic deterioration of the solid electrolyte layer. The purpose is to provide.

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、測定室と、板状の固体電解質層、並びに前記固体電解質層の表面に配置され、前記測定室に面する第1電極及び前記測定室に面しない第2電極を有し、前記測定室内のガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、前記第2電極の表面に積層され、前記第2電極と外部との間で前記ガスが出入可能な多孔質層と、を備えたセンサ素子を有するガスセンサであって、積層方向から見たときに、前記第2電極の外周縁が前記多孔質層の外周縁より内側に位置し、前記多孔質層の表面又は内部に、前記第2電極と離間しつつ、前記積層方向から見たときに前記第2電極と前記多孔質層との重なり領域の一部に重なる通気抵抗体を有する。 In order to solve the above problems, the gas sensor of the present invention is disposed on the surface of a measurement chamber, a plate-like solid electrolyte layer , and the solid electrolyte layer , and faces the first electrode and the measurement chamber facing the measurement chamber. a second electrode which is not, a pumping cell for pumping or pump-priming insertion of oxygen in the gas said measuring chamber, is laminated on a surface of the second electrode, the gas between the second electrode and the outside A gas sensor having a sensor element provided with an accessible porous layer, wherein the outer peripheral edge of the second electrode is located inside the outer peripheral edge of the porous layer when viewed from the stacking direction, The porous resistor has a flow resistance member which overlaps with a part of the overlapping region of the second electrode and the porous layer when viewed from the stacking direction while being separated from the second electrode on the surface or inside of the porous layer.

このガスセンサによれば、外部から多孔質層を介して電極に到達するガス中の酸素源の時間当たりの量は、通気抵抗体が通気抵抗になって減少し、電極上のガス交換速度が遅くなる。これにより、酸素ポンピングを行うセルでの電圧の時間変化が小さくなり、ポンプ電流に重畳される脈動電流(オーバーシュート電流)を低減してガスの検出精度の低下を抑制できる。又、多孔質層自身を緻密にしたり、その大きさを小さくして通気抵抗を実現した場合に比べ、安定して通気抵抗を高くすることができる共に、多孔質層の製造が困難になることも回避される。同様に、電極自身を緻密にしたり、その厚みを厚くする必要がないので、電極のコストアップを抑制すると共に、電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)の上昇によるブラックニングの発生を抑制し、リッチ側の測定範囲が狭くなることをも抑制できる。
さらに、通気抵抗体を、絶縁体ペーストを印刷塗布して形成した場合には、印刷による寸法精度が高いので、通気抵抗体の寸法精度も高くなり、上記した効果を安定して発揮することができる。
According to this gas sensor, the amount of oxygen source in the gas that reaches the electrode from the outside through the porous layer per hour decreases due to the flow resistance becoming flow resistance, and the gas exchange rate on the electrode decreases. Become. Thereby, the time change of the voltage in the cell which performs oxygen pumping becomes small, and it is possible to reduce the pulsation current (overshoot current) superimposed on the pump current and to suppress the decrease in the detection accuracy of the gas. In addition, compared with the case where the porous layer itself is made dense or the size thereof is reduced to realize the air flow resistance, the air flow resistance can be stably increased and manufacturing of the porous layer becomes difficult. Is also avoided. Similarly, since it is not necessary to make the electrode itself compact or to increase its thickness, the cost increase of the electrode is suppressed, and the occurrence of blackening due to the increase of the electrode resistance (the internal resistance of the sensor element) is suppressed. It is also possible to suppress the narrowing of the measurement range on the side.
Furthermore, when the ventilation resistor is formed by printing and coating the insulator paste, the dimensional accuracy by printing is high, so the dimensional accuracy of the ventilation resistor is also high, and the above effect can be stably exhibited. it can.

又、本発明のガスセンサは、測定室と、板状の固体電解質層、並びに前記固体電解質層の表面に配置され、前記測定室に面する第1電極及び前記測定室に面しない第2電極を有し、前記測定室内のガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、前記第2電極の表面に積層され、前記第2電極と外部との間で前記ガスが出入可能な多孔質層と、を備えたセンサ素子を有するガスセンサであって、積層方向から見たときに、前記第2電極の外周縁が前記多孔質層の外周縁より内側に位置し、前記多孔質層の表面又は内部に、前記第2電極と離間しつつ、前記積層方向から見たときに前記第2電極と前記多孔質層との重なり領域の一部に重なる通気抵抗体を有し、前記セル及び前記多孔質層を有し、かつ前記通気抵抗体を有しないセンサ素子を備えたガスセンサを基準ガスセンサとし、該基準ガスセンサの出力安定時のIp値を100%とし、かつそのオーバーシュート電流の最大値を(100+X)%で表したとき、前記ガスセンサのオーバーシュート電流の最大値が(100+X/2)%以下であるガスセンサである。但し、前記オーバーシュート電流は、ガス中の空燃比がリッチからリーンに変化した場合に、前記測定室に導入される前記ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う前記ポンピングセルら出力され脈動電流の最大値である。 Further, the gas sensor of the present invention comprises a measuring chamber, a plate-like solid electrolyte layer , and a first electrode disposed on the surface of the solid electrolyte layer and facing the measuring chamber and a second electrode not facing the measuring chamber. A porous cell which is laminated on the surface of the second electrode and has a pumping cell through which the gas can flow between the second electrode and the outside. And the outer peripheral edge of the second electrode is located inside the outer peripheral edge of the porous layer when viewed from the stacking direction, and the surface of the porous layer or within, the while spaced apart from the second electrode, wherein said second electrode when viewed from the laminating direction has a ventilation resistor that overlaps a portion of the overlap region between the porous layer, the cell and the It has a porous layer and does not have the ventilation resistor When a gas sensor provided with a sensor element is used as a reference gas sensor, the Ip value when the output of the reference gas sensor is stabilized is 100%, and the maximum overshoot current is represented by (100 + X)%, the overshoot current of the gas sensor The gas sensor has a maximum value of (100 + X / 2)% or less. However, the overshoot current, when the air-fuel ratio of the gas is changed from rich to lean, the Ru output pumping cell or found to perform pumping or pumping in of oxygen in the gas to be introduced into the measurement chamber It is the maximum value of the pulsating current.

このガスセンサによれば、外部から多孔質層を介して電極に到達するガス中の酸素源の時間当たりの量は、通気抵抗体が通気抵抗になって減少し、電極上のガス交換速度が遅くなる。これにより、酸素ポンピングを行うセルでの電圧の時間変化が小さくなり、ポンプ電流に重畳される脈動電流(オーバーシュート電流)を低減してガスの検出精度の低下を抑制できる。又、多孔質層自身を緻密にしたり、その大きさを小さくして通気抵抗を実現した場合に比べ、安定して通気抵抗を高くすることができる共に、多孔質層の製造が困難になることも回避される。同様に、電極自身を緻密にしたり、その厚みを厚くする必要がないので、電極のコストアップを抑制すると共に、電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)の上昇によるブラックニングの発生を抑制し、リッチ側の測定範囲が狭くなることをも抑制できる。
さらに、通気抵抗体を、絶縁体ペーストを印刷塗布して形成した場合には、印刷による寸法精度が高いので、通気抵抗体の寸法精度も高くなり、上記した効果を安定して発揮することができる。
According to this gas sensor, the amount of oxygen source in the gas that reaches the electrode from the outside through the porous layer per hour decreases due to the flow resistance becoming flow resistance, and the gas exchange rate on the electrode decreases. Become. Thereby, the time change of the voltage in the cell which performs oxygen pumping becomes small, and it is possible to reduce the pulsation current (overshoot current) superimposed on the pump current and to suppress the decrease in the detection accuracy of the gas. In addition, compared with the case where the porous layer itself is made dense or the size thereof is reduced to realize the air flow resistance, the air flow resistance can be stably increased and manufacturing of the porous layer becomes difficult. Is also avoided. Similarly, since it is not necessary to make the electrode itself compact or to increase its thickness, the cost increase of the electrode is suppressed, and the occurrence of blackening due to the increase of the electrode resistance (the internal resistance of the sensor element) is suppressed. It is also possible to suppress the narrowing of the measurement range on the side.
Furthermore, when the ventilation resistor is formed by printing and coating the insulator paste, the dimensional accuracy by printing is high, so the dimensional accuracy of the ventilation resistor is also high, and the above effect can be stably exhibited. it can.

前記通気抵抗体はガス不透過性であってもよい。
このガスセンサによれば、通気抵抗体が確実に外部から多孔質層を介して電極に到達するガス中の酸素源の時間当たりの量を減少させる通気抵抗として機能する。
The vent resistor may be gas impermeable.
According to this gas sensor, the ventilation resistor functions as a ventilation resistance that reduces the amount of oxygen source in the gas which reliably reaches the electrode from the outside through the porous layer and reduces the amount of oxygen.

前記積層方向から見たときに、前記通気抵抗体は前記重なり領域の25.0〜97.5%の面積に重なるようにしてもよい。
このガスセンサによれば、通気抵抗体の通気抵抗としての上記効果を発揮するとともに、重なり領域に重なり過ぎて通気抵抗が大きくなり過ぎ、電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)が上昇してブラックニングが発生したり、ポンプ電流がほとんど流れなくなる不具合を解消できる。
The flow resistance may overlap an area of 25.0 to 97.5% of the overlapping area when viewed from the stacking direction.
According to this gas sensor, the above-mentioned effect as the ventilation resistance of the ventilation resistor is exhibited, and the ventilation resistance becomes too large overlapping in the overlapping region, the electrode resistance (the internal resistance of the sensor element) rises, and blacking occurs It is possible to solve the problem that occurs or the pump current hardly flows.

前記センサ素子はさらに、前記測定室内の前記被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧を出力する酸素濃度検出セルを備えた酸素センサ素子であって、前記出力電圧が一定となるように前記ポンピングセルにポンプ電流を流し、該ポンプ電流に応じた前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ素子であってもよい。
このガスセンサによれば、酸素センサ素子に本発明を適用できる。
The sensor element further, an oxygen sensor element having an oxygen concentration detection cell for outputting an output voltage corresponding to the oxygen concentration of the measurement gas in the measurement chamber, so that the output voltage becomes constant It may be an oxygen sensor element which supplies a pump current to the pumping cell and detects the oxygen concentration in the gas to be measured according to the pump current.
According to this gas sensor, the present invention can be applied to the oxygen sensor element.

前記センサ素子はさらに、酸素濃度が調整された前記被測定ガス中のNO濃度に応じたポンプ電流が流れる第2ポンピングセルを備えたNOセンサ素子であってもよい。
このガスセンサによれば、NOセンサ素子に本発明を適用できる。


The sensor element may further be a NO x sensor element having a second pumping cell pumping current oxygen concentration corresponding to the concentration of NO x of the measurement gas which is adjusted to flow.
According to this gas sensor, the present invention can be applied to the NO x sensor element.


前記電極は、Pt及びAuを合計で50質量%以上含有してもよい。
このガスセンサによれば、電極上でのガス反応を緩やかにし、ほぼλ=1におけるポンプ電流のオーバーシュート又は逆シュートを低減し、検出精度を向上させることができる。
なお、電極がPt及びAuを含有する形態としては、Pt−Au合金、PtとAuの混合体(PtとAuの粒子を含むペーストを焼成し、合金とならないもの)、Ptの表面にAuめっきした層構造、PtにAuを含浸させたもの、が例示される。又、電極がAuを0.1〜10質量%含有すると好ましい。Ptの表面にAuめっきした層構造の場合、Auめっきが極めて薄く、Auの含有量が0.1質量%でも機能するからである。又、PtにAuを含浸させる方法としては、Pt基体にAuの塩(例えば、HAuCl)を含浸させた後に焼成し、塩を熱分解させてAuを残存させる方法が挙げられる。
The electrode may contain 50% by mass or more in total of Pt and Au.
According to this gas sensor, it is possible to moderate the gas reaction on the electrode, reduce overshoot or reverse shoot of the pump current at approximately λ = 1, and improve detection accuracy.
In addition, as a form in which the electrode contains Pt and Au, a Pt-Au alloy, a mixture of Pt and Au (a paste containing particles of Pt and Au is fired to form no alloy), and Au plating on the surface of Pt A layered structure, one in which Pt is impregnated with Au, is exemplified. Moreover, it is preferable that an electrode contains 0.1-10 mass% of Au. In the case of a layer structure in which the surface of Pt is plated with Au, the Au plating is extremely thin, and even when the content of Au is 0.1% by mass, it functions. Further, as a method of impregnating Pt with Au, there is a method of impregnating a Pt base with a salt of Au (for example, HAuCl 4 ) and baking it to thermally decompose the salt to leave Au.

この発明によれば、被測定ガスの雰囲気の変化に伴ってセルの起電力が急激に変化してガスの検出精度が低下することを抑制すると共に、固体電解質層の特性劣化を抑制したガスセンサが得られる。   According to the present invention, the gas sensor suppresses the deterioration of the detection accuracy of the gas due to the rapid change of the electromotive force of the cell with the change of the atmosphere of the measurement gas, and the deterioration of the characteristics of the solid electrolyte layer. can get.

本発明の実施形態に係るガスセンサ(酸素センサ)の長手方向に沿う断面図である。It is a sectional view which meets a longitudinal direction of a gas sensor (oxygen sensor) concerning an embodiment of the present invention. センサ素子の模式分解斜視図である。It is a model disassembled perspective view of a sensor element. センサ素子の先端側の部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of the tip side of a sensor element. センサ素子の軸線方向に直交する断面図である。It is sectional drawing orthogonal to the axial direction of a sensor element. 第4電極と多孔質層との位置関係を示す積層方向から見た平面図である。It is the top view seen from the lamination direction which shows the positional relationship of a 4th electrode and a porous layer. 図5のA−A線に沿う断面図である。It is sectional drawing in alignment with the AA of FIG. 通気抵抗層が第4電極と離間することによる作用を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the effect | action by a ventilation resistance layer separating with a 4th electrode. 通気抵抗層が第4電極と接していることによる作用を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the effect | action by the ventilation resistance layer being in contact with a 4th electrode. 通気抵抗層の変形例を示す軸線方向に直交する断面図である。It is sectional drawing orthogonal to the axial direction which shows the modification of a ventilation resistance layer. 通気抵抗層の別の変形例を示す軸線方向に直交する断面図である。It is sectional drawing orthogonal to the axial direction which shows another modification of a ventilation resistance layer. NOセンサ素子の長手方向に沿う断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the longitudinal direction of the NO x sensor element. 重なり率を75%とし、ガス中の空燃比(A/F)をリッチからリーンに変化させたときの、酸素ポンプセルのポンプ電流Ipの時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the pump current Ip of an oxygen pump cell at the time of making an overlap rate into 75% and changing the air fuel ratio (A / F) in gas from rich to lean. 従来のガスセンサにおけるセンサ素子の軸線方向に直交する断面図である。It is sectional drawing orthogonal to the axial direction of the sensor element in the conventional gas sensor. ガス中の空燃比(A/F)をリッチからリーンに変化させたときの、酸素ポンピングセルのポンプ電流Ipの時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the pump current Ip of an oxygen pumping cell when the air fuel ratio (A / F) in gas is changed from rich to lean. 酸素ポンピングセルの等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of an oxygen pumping cell. 排気ガス中の空燃比(A/F)ががストイキ点を跨がないときの、酸素ポンピングセルのポンプ電流Ipの時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the pump current Ip of an oxygen pumping cell when the air fuel ratio (A / F) in exhaust gas does not cross a stoichiometry point. 酸素ポンピングセルの多孔質層と電極との間に通気抵抗層を設けた場合のブラックニングの発生を示す断面図である。It is sectional drawing which shows generation | occurrence | production of the blackening at the time of providing a ventilation resistance layer between the porous layer of an oxygen pumping cell, and an electrode.

以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は本発明の実施形態に係るガスセンサ(酸素センサ)1の長手方向(軸線L方向)に沿う断面図、図2はセンサ素子100の模式分解斜視図、図3はセンサ素子100の軸線L方向の断面図、図4はセンサ素子100の軸線L方向に直交する断面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view taken along the longitudinal direction (axis L direction) of a gas sensor (oxygen sensor) 1 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic exploded perspective view of a sensor element 100, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view orthogonal to the direction of the axis L of the sensor element 100.

図1に示すように、ガスセンサ1は、センサ素子100、センサ素子100等を内部に保持する主体金具(ハウジング)30、主体金具30の先端部に装着されるプロテクタ24等を有している。センサ素子100は軸線L方向に延びるように配置されている。   As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 includes a sensor element 100, a metal shell (housing) 30 for holding the sensor element 100 and the like inside, and a protector 24 mounted on the tip of the metal shell 30. The sensor element 100 is arranged to extend in the direction of the axis L.

センサ素子100は、ヒータ部200と検出素子部300とを備える。
ヒータ部200は、図2に示すように、アルミナを主体とする第1基体101及び第2基体103と、第1基体101と第2基体103とに挟まれ、白金を主体とする発熱体102を有している。発熱体102は、先端側に位置する発熱部102aと、発熱部102aから第1基体101の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部102bとを有している。そして、ヒータリード部102bの端末は、第1基体101に設けられるヒータ側スルーホール101aに形成された導体を介してヒータ側パッド120と電気的に接続している。第1基体101及び第2基体103を積層したものが絶縁セラミック体にあたる。
The sensor element 100 includes a heater unit 200 and a detection element unit 300.
As shown in FIG. 2, the heater unit 200 is sandwiched between a first base 101 and a second base 103 mainly composed of alumina, and the first base 101 and the second base 103, and a heating element 102 mainly composed of platinum. have. The heat generating body 102 has a heat generating portion 102 a located on the tip end side, and a pair of heater lead portions 102 b extending along the longitudinal direction of the first base 101 from the heat generating portion 102 a. The terminal of the heater lead portion 102 b is electrically connected to the heater side pad 120 through a conductor formed in the heater side through hole 101 a provided in the first base 101. A stack of the first base 101 and the second base 103 corresponds to the insulating ceramic body.

検出素子部300は、酸素濃度検出セル130と酸素ポンプセル140との2つのセルを備える。酸素濃度検出セル130は、第1固体電解質層105と、その第1固体電解質105の両面に形成された第1電極104及び第2電極106とから形成されている。第1電極104は、第1電極部104aと、第1電極部104aから第1固体電解質層105の長手方向に沿って延びる第1リード部104bとから形成されている。第2電極106は、第2電極部106aと、第2電極部106aから第1固体電解質層105の長手方向に沿って延びる第2リード部106bとから形成されている。   The detection element unit 300 includes two cells of an oxygen concentration detection cell 130 and an oxygen pump cell 140. The oxygen concentration detection cell 130 is formed of a first solid electrolyte layer 105 and first and second electrodes 104 and 106 formed on both sides of the first solid electrolyte 105. The first electrode 104 is formed of a first electrode portion 104 a and a first lead portion 104 b extending along the longitudinal direction of the first solid electrolyte layer 105 from the first electrode portion 104 a. The second electrode 106 is formed of a second electrode portion 106 a and a second lead portion 106 b extending along the longitudinal direction of the first solid electrolyte layer 105 from the second electrode portion 106 a.

そして、第1リード部104bの端末は、第1固体電解質層105に設けられる第1スルーホール105a、後述する絶縁層107に設けられる第2スルーホール107a、第2固体電解質層109に設けられる第4スルーホール109a及び絶縁保護層111に設けられる第6スルーホール111aのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。一方、第2リード部106bの端末は、後述する絶縁層107に設けられる第3スルーホール107b、第2固体電解質層109に設けられる第5スルーホール109b及び絶縁保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。   The end of the first lead portion 104 b is formed by a first through hole 105 a provided in the first solid electrolyte layer 105, a second through hole 107 a provided in the insulating layer 107 described later, and a second solid electrolyte layer 109. It is electrically connected to the detection element side pad 121 through a conductor formed in each of the fourth through holes 109 a and the sixth through holes 111 a provided in the insulating protection layer 111. On the other hand, the terminal of the second lead portion 106b is a third through hole 107b provided in the insulating layer 107 described later, a fifth through hole 109b provided in the second solid electrolyte layer 109, and a seventh through provided in the insulating protection layer 111. It electrically connects with the detection element side pad 121 via the conductor formed in each of the holes 111b.

一方、酸素ポンプセル140は、第2固体電解質層109と、その第2固体電解質層109の両面に形成された第3電極108、第4電極110とから形成されている。第3電極108は、第3電極部108aと、この第3電極部108aから第2固体電解質層109の長手方向に沿って延びる第3リード部108bとから形成されている。第4電極110は、第4電極部110aと、この第4電極部110aから第2固体電解質層109の長手方向に沿って延びる第4リード部110bとから形成されている。   On the other hand, the oxygen pump cell 140 is formed of the second solid electrolyte layer 109, and the third electrode 108 and the fourth electrode 110 formed on both sides of the second solid electrolyte layer 109. The third electrode 108 is formed of a third electrode portion 108 a and a third lead portion 108 b extending along the longitudinal direction of the second solid electrolyte layer 109 from the third electrode portion 108 a. The fourth electrode 110 is formed of a fourth electrode portion 110 a and a fourth lead portion 110 b extending along the longitudinal direction of the second solid electrolyte layer 109 from the fourth electrode portion 110 a.

そして、第3リード部108bの端末は、第2固体電解質層109に設けられる第5スルーホール109b及び絶縁保護層111に設けられる第7スルーホール111bのそれぞれに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。一方、第4リード部110bの端末は、後述する絶縁保護層111に設けられる第8スルーホール111cに形成される導体を介して検出素子側パッド121と電気的に接続する。なお、第2リード部106bと第3リード部108bは同電位となっている。   The terminal of the third lead portion 108 b is a detection element through a conductor formed in each of the fifth through hole 109 b provided in the second solid electrolyte layer 109 and the seventh through hole 111 b provided in the insulating protection layer 111. It electrically connects with the side pad 121. On the other hand, the terminal of the fourth lead portion 110 b is electrically connected to the detection element side pad 121 via a conductor formed in an eighth through hole 111 c provided in the insulating protection layer 111 described later. The second lead portion 106 b and the third lead portion 108 b are at the same potential.

これら第1固体電解質層105、第2固体電解質層109は、ジルコニア(ZrO)に安定化剤としてイットリア(Y)又はカルシア(CaO)を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。 The first solid electrolyte layer 105 and the second solid electrolyte layer 109 are partially stabilized zirconia sintered bodies obtained by adding yttria (Y 2 O 3 ) or calcia (CaO) as a stabilizer to zirconia (ZrO 2 ). It consists of

発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Pt、Rh、Pd等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。   The heating element 102, the first electrode 104, the second electrode 106, the third electrode 108, the fourth electrode 110, the heater side pad 120, and the detection element side pad 121 can be formed of a platinum group element. Pt, Rh, Pd etc. can be mentioned as a suitable platinum group element which forms these, These can also be used individually by 1 type, and can also use 2 or more types together.

もっとも、発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとPtを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体102、第1電極104、第2電極106、第3電極108、第4電極110、ヒータ側パッド120及び検出素子側パッド121は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。このセラミック成分は、固着という観点から、積層される側の主体となる材料(例えば、第1固体電解質層105、第2固体電解質層109の主体となる成分)と同様の成分であることが好ましい。   However, in consideration of heat resistance and oxidation resistance, the heating element 102, the first electrode 104, the second electrode 106, the third electrode 108, the fourth electrode 110, the heater side pad 120, and the detection element side pad 121 are mainly Pt. It is even more preferable to form it. Furthermore, the heat generating element 102, the first electrode 104, the second electrode 106, the third electrode 108, the fourth electrode 110, the heater side pad 120 and the detection element side pad 121 contain a ceramic component in addition to the main platinum group element. It is preferable to contain. It is preferable that this ceramic component is the same component as the material (for example, the component which is the main component of the first solid electrolyte layer 105 and the second solid electrolyte layer 109) which is the main component of the side to be stacked. .

そして、上記酸素ポンプセル140と酸素濃度検出セル130との間に、絶縁層107が形成されている。絶縁層107は、絶縁部114と拡散律速部115とからなる。この絶縁層107の絶縁部114には、第2電極部106a及び第3電極部108aに対応する位置に中空のガス検出室107cが形成されている。このガス検出室107cは、絶縁層107の幅方向で外部と連通しており、該連通部分には、外部とガス検出室107cとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部115が配置されている。   An insulating layer 107 is formed between the oxygen pump cell 140 and the oxygen concentration detection cell 130. The insulating layer 107 includes the insulating portion 114 and the diffusion control portion 115. In the insulating portion 114 of the insulating layer 107, a hollow gas detection chamber 107c is formed at a position corresponding to the second electrode portion 106a and the third electrode portion 108a. The gas detection chamber 107c is in communication with the outside in the width direction of the insulating layer 107, and in the communication portion, diffusion-limited to realize gas diffusion between the outside and the gas detection chamber 107c under predetermined rate-limiting conditions The part 115 is arranged.

絶縁部114は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されなく、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。   The insulating portion 114 is not particularly limited as long as it is a ceramic sintered body having an insulating property, and examples thereof include oxide-based ceramics such as alumina and mullite.

拡散律速部115は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部115によって検出ガスがガス検出室(測定室)107cへ流入する際の律速が行われる。   The diffusion controlling portion 115 is a porous body made of alumina. The diffusion limiting portion 115 performs rate limiting when the detection gas flows into the gas detection chamber (measurement chamber) 107 c.

また、第2固体電解質層109の表面には、第4電極110を挟み込むようにして、絶縁保護層111が積層されている。この絶縁保護層111の先端側には、第4電極部110aを取り囲むように略矩形の貫通孔112aが設けられ、貫通孔112aには多孔質層113aが埋設されている。多孔質層113aは第4電極部110aを覆い、第4電極部110aを被毒から防御すると共に、外部に露出して第4電極部110aと外部との間で多孔質層113aを介してガスが出入可能になっている。
さらに、多孔質層113aの外部に向く表面には、多孔質層113aの外周側を覆いつつ、多孔質層113aの中央部が開口する矩形環状で絶縁性の通気抵抗層150が積層されている。
なお、本実施の形態のセンサ素子100は、酸素濃度検出セル130の電極間に生じるVs電圧(起電力)が所定の値(例えば、450mV)となるように、酸素ポンプセル140の電極間に流れる電流(Ip電流)の方向及び大きさが調整され、酸素ポンプセル140に流れるIp電流に応じた被測定ガス中の酸素濃度をリニアに検出する酸素センサ素子に相当する。
又、図3に示すように、センサ素子100の先端側の全周を覆う多孔質保護層20が設けられている。
Further, the insulating protection layer 111 is stacked on the surface of the second solid electrolyte layer 109 so as to sandwich the fourth electrode 110. A substantially rectangular through hole 112a is provided on the tip end side of the insulating and protective layer 111 so as to surround the fourth electrode portion 110a, and a porous layer 113a is embedded in the through hole 112a. The porous layer 113a covers the fourth electrode portion 110a, protects the fourth electrode portion 110a from poisoning, and is exposed to the outside to allow gas to pass through the porous layer 113a between the fourth electrode portion 110a and the outside. Are accessible.
Furthermore, on the surface of the porous layer 113a facing the outside, a rectangular annular insulating ventilation resistance layer 150 is laminated, in which the central portion of the porous layer 113a opens while covering the outer peripheral side of the porous layer 113a. .
The sensor element 100 according to the present embodiment flows between the electrodes of the oxygen pump cell 140 such that the Vs voltage (electromotive force) generated between the electrodes of the oxygen concentration detection cell 130 becomes a predetermined value (for example, 450 mV). The direction and the magnitude of the current (Ip current) are adjusted, which corresponds to an oxygen sensor element that linearly detects the oxygen concentration in the measurement gas according to the Ip current flowing to the oxygen pump cell 140.
Further, as shown in FIG. 3, a porous protective layer 20 is provided to cover the entire circumference of the tip end of the sensor element 100.

酸素ポンプセル140が特許請求の範囲の「ポンピングセル」に相当する。又、第4電極110(正確には第4電極部110a)、第2固体電解質層109、通気抵抗層150が、それぞれ特許請求の範囲の「電極」、「固体電解質層」、「通気抵抗体」に相当する。   The oxygen pump cell 140 corresponds to a "pumping cell" in the claims. In addition, the fourth electrode 110 (precisely, the fourth electrode portion 110a), the second solid electrolyte layer 109, and the flow resistance layer 150 are respectively “electrode”, “solid electrolyte layer”, and “flow resistance” in the claims. Equivalent to

絶縁保護層111は、例えば絶縁性を有するセラミック焼結体を用いることができ、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを例示することができる。
多孔質層113aとしては、アルミナ等やムライト等のセラミックからなる多孔質体を例示することができる。多孔質層113aは、例えば上記セラミックとカーボン粒子の混合ペーストを焼成する際に、カーボンを焼失させて製造することができる。なお、後述する図3〜図5に示すように、本実施形態では、第4電極110(第4電極部110a)の外周縁が多孔質層113aの外周縁より内側に位置している。この場合、第2固体電解質層109の表面に形成する第4電極110の外形を貫通孔112aの外形よりも小さくすることで、貫通孔112aに多孔質層113aとなるペーストを埋設した際、貫通孔112aと第4電極110との間の第2固体電解質層109の表面にも多孔質層113aが形成されるようになる。
For example, a ceramic sintered body having an insulating property can be used for the insulating and protective layer 111, and an oxide-based ceramic such as alumina or mullite can be exemplified.
As the porous layer 113a, a porous body made of ceramic such as alumina or mullite can be exemplified. The porous layer 113a can be produced, for example, by burning away carbon when firing the mixed paste of the ceramic and the carbon particles. In addition, as shown in FIGS. 3-5 mentioned later, in this embodiment, the outer periphery of 4th electrode 110 (4th electrode part 110a) is located inside the outer periphery of the porous layer 113a. In this case, the outer diameter of the fourth electrode 110 formed on the surface of the second solid electrolyte layer 109 is smaller than the outer diameter of the through hole 112a, whereby the paste to be the porous layer 113a is embedded in the through hole 112a. The porous layer 113 a is also formed on the surface of the second solid electrolyte layer 109 between the hole 112 a and the fourth electrode 110.

通気抵抗層150は、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックのペーストを塗布(印刷)して形成することができる。特に、通気抵抗層150を多孔質層113aと同一組成とすると、多孔質層113aとの接着性が向上するので好ましい。
通気抵抗層150は、多孔質層113aよりもガスの通気抵抗が大きいものであればよい。又、通気抵抗層150は、第4電極110及び第2固体電解質層109と接しない限り、必ずしも絶縁性を有していなくてもよい。絶縁性を有しない通気抵抗層150としては、金属、第2固体電解質層109と同様な部分安定化ジルコニアを用いることができる。但し、通気抵抗層150が第4電極110又は第2固体電解質層109と接する場合は、絶縁性を有している必要がある。
又、通気抵抗層150の通気抵抗は、ポンプ電流に重畳される脈動電流(オーバーシュート電流)を低減する効果を発揮するように適宜調整すればよい。
The air flow resistance layer 150 can be formed by applying (printing) a paste of an oxide ceramic such as alumina or mullite. In particular, it is preferable to make the gas permeation resistance layer 150 the same composition as the porous layer 113a because the adhesion with the porous layer 113a is improved.
The gas flow resistance layer 150 may have a gas flow resistance higher than that of the porous layer 113a. Also, the air flow resistance layer 150 may not necessarily have insulation unless it is in contact with the fourth electrode 110 and the second solid electrolyte layer 109. As the air flow resistance layer 150 having no insulating property, metal and partially stabilized zirconia similar to the second solid electrolyte layer 109 can be used. However, when the flow resistance layer 150 is in contact with the fourth electrode 110 or the second solid electrolyte layer 109, it is necessary to have insulation.
Further, the flow resistance of the flow resistance layer 150 may be appropriately adjusted so as to exert the effect of reducing the pulsating current (overshoot current) superimposed on the pump current.

図1に戻り、主体金具30は、SUS430製のものであり、ガスセンサを排気管に取り付けるための雄ねじ部31と、取り付け時に取り付け工具をあてがう六角部32とを有している。また、主体金具30には、径方向内側に向かって突出する金具側段部33が設けられており、この金具側段部33はセンサ素子100を保持するための金属ホルダ34を支持している。そしてこの金属ホルダ34の内側にはセラミックホルダ35、滑石36が先端側から順に配置されている。この滑石36は金属ホルダ34内に配置される第1滑石37と金属ホルダ34の後端に渡って配置される第2滑石38とからなる。金属ホルダ34内で第1滑石37が圧縮充填されることによって、センサ素子100は金属ホルダ34に対して固定される。また、主体金具30内で第2滑石38が圧縮充填されることによって、センサ素子100の外面と主体金具30の内面との間のシール性が確保される。そして第2滑石38の後端側には、アルミナ製のスリーブ39が配置されている。このスリーブ39は多段の円筒状に形成されており、軸線に沿うように軸孔39aが設けられ、内部にセンサ素子100を挿通している。そして、主体金具30の後端側の加締め部30aが内側に折り曲げられており、ステンレス製のリング部材40を介してスリーブ39が主体金具30の先端側に押圧されている。   Returning to FIG. 1, the metal shell 30 is made of SUS430, and has an externally threaded portion 31 for attaching the gas sensor to the exhaust pipe, and a hexagonal portion 32 for attaching an attachment tool at the time of attachment. Further, the metal shell 30 is provided with a metal fitting side step 33 projecting radially inward, and the metal fitting side step 33 supports a metal holder 34 for holding the sensor element 100. . A ceramic holder 35 and a talc 36 are arranged in this order from the front end side inside the metal holder 34. The talc 36 comprises a first talc 37 disposed within the metal holder 34 and a second talc 38 disposed across the rear end of the metal holder 34. By compression-loading the first talc 37 in the metal holder 34, the sensor element 100 is fixed to the metal holder 34. In addition, since the second talc 38 is compressed and filled in the metal shell 30, the sealability between the outer surface of the sensor element 100 and the inner surface of the metal shell 30 is secured. A sleeve 39 made of alumina is disposed on the rear end side of the second talc 38. The sleeve 39 is formed in a multistage cylindrical shape, and an axial hole 39a is provided along the axis, and the sensor element 100 is inserted inside. The crimped portion 30a on the rear end side of the metal shell 30 is bent inward, and the sleeve 39 is pressed to the front end side of the metal shell 30 via the ring member 40 made of stainless steel.

また、主体金具30の先端側外周には、主体金具30の先端から突出するセンサ素子100の先端部を覆うと共に、複数のガス取り入れ孔24aを有する金属製のプロテクタ24が溶接によって取り付けられている。このプロテクタ24は、二重構造をなしており、外側には一様な外径を有する有底円筒状の外側プロテクタ41、内側には後端部42aの外径が先端部42bの外径よりも大きく形成された有底円筒状の内側プロテクタ42が配置されている。   Further, a metal protector 24 having a plurality of gas intake holes 24 a is attached by welding to the outer periphery on the front end side of the metal shell 30 while covering the front end portion of the sensor element 100 projecting from the front end of the metal shell 30. . The protector 24 has a double structure and has a bottomed cylindrical outer protector 41 having a uniform outer diameter on the outer side, and an outer diameter of the rear end 42a on the inner side than the outer diameter of the tip 42b. Also, a bottomed cylindrical inner protector 42 formed to a large size is disposed.

一方、主体金具30の後端側には、SUS430製の外筒25の先端側が挿入されている。この外筒25は先端側の拡径した先端部25aを主体金具30にレーザ溶接等により固定している。外筒25の後端側内部には、セパレータ50が配置され、セパレータ50と外筒25の隙間に保持部材51が介在している。この保持部材51は、後述するセパレータ50の突出部50aに係合し、外筒25を加締めることにより外筒25とセパレータ50とにより固定されている。   On the other hand, at the rear end side of the metal shell 30, the front end side of the outer cylinder 25 made of SUS430 is inserted. The outer cylinder 25 is fixed to the metal shell 30 by laser welding or the like for the enlarged end portion 25a of the end side. A separator 50 is disposed inside the rear end side of the outer cylinder 25, and a holding member 51 is interposed in a gap between the separator 50 and the outer cylinder 25. The holding member 51 engages with a protrusion 50 a of the separator 50 described later, and is fixed by the outer cylinder 25 and the separator 50 by caulking the outer cylinder 25.

また、セパレータ50には、検出素子部300やヒータ部200用のリード線11〜15を挿入するための通孔50bが先端側から後端側にかけて貫設されている(なお、リード線14、15については図示せず)。通孔50b内には、リード線11〜15と、検出素子部300の検出素子側パッド121及びヒータ部200のヒータ側パッド120とを接続する接続端子16が収容されている。各リード線11〜15は、外部において、図示しないコネクタに接続されるようになっている。このコネクタを介してECU等の外部機器と各リード線11〜15とは電気信号の入出力が行われることになる。また、各リード線11〜15は詳細に図示しないが、導線を樹脂からなる絶縁皮膜にて披覆した構造を有している。   In addition, through holes 50b for inserting the lead wires 11 to 15 for the detection element unit 300 and the heater unit 200 are penetrated from the front end side to the rear end side of the separator 50 (note that the lead wire 14, 15 not shown). In the through holes 50 b, connection terminals 16 for connecting the lead wires 11 to 15, the detection element side pads 121 of the detection element unit 300 and the heater side pads 120 of the heater unit 200 are accommodated. Each of the lead wires 11 to 15 is externally connected to a connector (not shown). Electrical signals are input / output between an external device such as an ECU and the lead wires 11 to 15 through the connector. Each of the lead wires 11 to 15 is not shown in detail, but has a structure in which the conducting wire is covered with an insulating film made of resin.

さらに、セパレータ50の後端側には、外筒25の後端側の開口部25bを閉塞するための略円柱状のゴムキャップ52が配置されている。このゴムキャップ52は、外筒25の後端内に装着された状態で、外筒25の外周を径方向内側に向かって加締めることにより、外筒25に固着されている。ゴムキャップ52にも、リード線11〜15をそれぞれ挿入するための通孔52aが先端側から後端側にかけて貫設されている。   Further, on the rear end side of the separator 50, a substantially cylindrical rubber cap 52 for closing the opening 25b on the rear end side of the outer cylinder 25 is disposed. The rubber cap 52 is fixed to the outer cylinder 25 by caulking the outer periphery of the outer cylinder 25 radially inward in a state where the rubber cap 52 is mounted in the rear end of the outer cylinder 25. Also in the rubber cap 52, through holes 52a for inserting the lead wires 11 to 15 respectively are penetrated from the front end side to the rear end side.

図3、図4に示すように、通気抵抗層150は多孔質層113aの表面に形成されて第4電極110と離間しつつ、多孔質層113aの外周部を覆っている。そこで、以下、図5〜図8を参照し、通気抵抗層150について詳細に説明する。
なお、図3、図4に示すように、多孔質保護層20は、センサ素子100の先端面を含み、軸線L方向に沿って後端側に延びるように形成され、かつセンサ素子100(積層体)の表裏面及び両側面の4面を完全に囲んで形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the flow resistance layer 150 is formed on the surface of the porous layer 113 a and covers the outer peripheral portion of the porous layer 113 a while being separated from the fourth electrode 110. Therefore, the ventilation resistance layer 150 will be described in detail below with reference to FIGS. 5 to 8.
As shown in FIGS. 3 and 4, the porous protective layer 20 is formed to include the front end face of the sensor element 100 and extend to the rear end side along the axis L direction, and the sensor element 100 (laminated Body) is formed to completely surround the four sides of the front and back and both sides of the body.

次に、通気抵抗層150について説明する。
図5は第4電極110と多孔質層113aとの位置関係を示す積層方向から見た平面図、図6は図5のA−A線に沿う断面図、図8は第4電極110が多孔質層113aの内側に位置した場合の積層方向から見た平面図、図7は通気抵抗層150が第4電極110と離間することによる作用を示す模式図、図8は通気抵抗層150が第4電極110と接していることによる作用を示す模式図、である。
Next, the ventilation resistance layer 150 will be described.
5 is a plan view seen from the stacking direction showing the positional relationship between the fourth electrode 110 and the porous layer 113a, FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. FIG. 7 is a schematic view showing the function of the flow resistance layer 150 separating from the fourth electrode 110, and FIG. 8 is a plan view of the flow resistance layer 150 when the flow resistance layer 150 is positioned. It is a schematic diagram which shows the effect | action by contacting with 4 electrode 110. FIG.

図5に示すように、本実施形態では、第4電極110(第4電極部110a)の外周縁が多孔質層113aの外周縁より内側に位置している。
ここで、第4電極110は、第4電極部110aと第4リード部110bとから形成されており、このうち第4電極部110aが電極反応に寄与する電極として作用する。従って、第4電極110の「外周縁」とは、電極反応に寄与する第4電極部110aの外周縁を表し、かつ第4リード部110bを除外するよう、以下のように規定する。すなわち、第4電極110の「外周縁」とは、積層方向から見たときに、第4電極110のうち、第4リード部110bに接する部分を除く外周縁をいう。又、「第4電極110のうち第4リード部110bに接する部分」とは、第4リード部110bにつながる第4電極部110aの辺(本例では2つの辺)を通る接線M1、M2で第4電極110を切ったとき、接線M1、M2で表される第4リード部110bと第4電極部110aの境界線をいう。
従って、図5の例では、第4電極110の「外周縁」とは、(1)第4リード部110bとつながらない部位における第4電極部110aの実際の外周縁と、(2)接線M1、M2で表される第4リード部110bと第4電極部110aの境界線と、からなる。又、例えば接線M1、M2の交点が多孔質層113aの外周縁より外側に位置する場合、この交点は「第4電極110のうち第4リード部110bに接する部分」であるから、第4電極110の「外周縁」には該当しない。従って、この場合も、当該交点と境界線を除外した第4電極110の外周縁が多孔質層113aの外周縁より内側に位置する限り、「第4電極110(第4電極部110a)の外周縁が多孔質層113aの外周縁より内側に位置している」ことになる。
又、第4電極部110aと多孔質層113aとの重なり領域Sは、第4電極110の外周縁で囲まれる領域(図5のクロスハッチング部分)である。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the outer peripheral edge of the fourth electrode 110 (fourth electrode portion 110 a) is located inside the outer peripheral edge of the porous layer 113 a.
Here, the fourth electrode 110 is formed of a fourth electrode portion 110a and a fourth lead portion 110b, among which the fourth electrode portion 110a acts as an electrode contributing to the electrode reaction. Therefore, the “outer peripheral edge” of the fourth electrode 110 represents the outer peripheral edge of the fourth electrode portion 110 a contributing to the electrode reaction, and is defined as follows so as to exclude the fourth lead portion 110 b. That is, the “outer peripheral edge” of the fourth electrode 110 refers to the outer peripheral edge of the fourth electrode 110 excluding the portion in contact with the fourth lead portion 110 b when viewed in the stacking direction. Also, "a portion of the fourth electrode 110 in contact with the fourth lead portion 110b" is a tangent M1 or M2 passing through the side (two sides in this example) of the fourth electrode portion 110a connected to the fourth lead portion 110b. When the fourth electrode 110 is cut, the boundary line between the fourth lead portion 110 b and the fourth electrode portion 110 a represented by tangent lines M 1 and M 2 is used.
Therefore, in the example of FIG. 5, the “outer peripheral edge” of the fourth electrode 110 is (1) the actual outer peripheral edge of the fourth electrode portion 110 a at a portion not connected to the fourth lead portion 110 b; It consists of the 4th lead part 110b denoted by M2, and the borderline of the 4th electrode part 110a. Also, for example, when the intersection of the tangents M1 and M2 is located outside the outer peripheral edge of the porous layer 113a, this intersection is "a portion of the fourth electrode 110 in contact with the fourth lead portion 110b". It does not correspond to the "outer periphery" of 110. Therefore, in this case as well, as long as the outer peripheral edge of the fourth electrode 110 excluding the intersection and the boundary line is positioned inside the outer peripheral edge of the porous layer 113a, “the fourth electrode 110 (fourth electrode portion 110a) The periphery is located inside the outer periphery of the porous layer 113a.
The overlapping region S between the fourth electrode portion 110a and the porous layer 113a is a region (cross hatched portion in FIG. 5) surrounded by the outer peripheral edge of the fourth electrode 110.

次に、通気抵抗層150による作用について説明する。
図6に示すように、通気抵抗層150は第4電極110と離間しつつ、多孔質層113aの外周を覆い、通気抵抗層150の中央の開口Opから多孔質層113aが露出している。このため、外部から多孔質層113a(開口Op)を介して第4電極110に到達する酸素源(排気ガス)の時間当たりの量は、通気抵抗層150が通気抵抗になって減少し、第4電極110上のガス交換速度が遅くなる。これにより、酸素ポンプセル140でのVp電圧の時間変化(ΔVp)が小さくなり、脈動電流(オーバーシュート電流)Riを低減してガスの検出精度の低下を抑制できる。又、多孔質層113a自身を緻密にしたり、その大きさを小さくする必要がないので、安定して通気抵抗を高くすることができる共に、多孔質層の製造が困難になることも回避される。同様に、第4電極110自身を緻密にしたり、その厚みを厚くする必要がないので、電極のコストアップを抑制すると共に、電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)の上昇によるブラックニングの発生を抑制し、リッチ側の測定範囲が狭くなることをも抑制できる。
さらに、通気抵抗層150を、絶縁体ペーストを印刷塗布して形成した場合には、印刷による寸法精度が高いので、通気抵抗層150の寸法精度も高くなり、上記した効果を安定して発揮することができる。
Next, the function of the air flow resistance layer 150 will be described.
As shown in FIG. 6, the flow resistance layer 150 is separated from the fourth electrode 110 to cover the outer periphery of the porous layer 113a, and the porous layer 113a is exposed from the central opening Op of the flow resistance layer 150. Therefore, the amount per unit time of the oxygen source (exhaust gas) reaching the fourth electrode 110 from the outside through the porous layer 113a (opening Op) is reduced by the flow resistance layer 150 becoming a flow resistance, The gas exchange rate on the four electrodes 110 is reduced. As a result, the time change (ΔVp) of the Vp voltage in the oxygen pump cell 140 is reduced, and the pulsation current (overshoot current) Ri can be reduced to suppress the decrease in gas detection accuracy. In addition, since it is not necessary to make the porous layer 113a itself compact or to reduce its size, it is possible to stably increase the air flow resistance, and it is also avoided that the production of the porous layer becomes difficult. . Similarly, since it is not necessary to make the fourth electrode 110 itself dense or thick, it is possible to suppress the cost increase of the electrode and to suppress the occurrence of blackening due to the increase of the electrode resistance (the internal resistance of the sensor element) Also, the narrow measurement range on the rich side can be suppressed.
Furthermore, when the ventilation resistance layer 150 is formed by printing and coating the insulator paste, the dimensional accuracy by printing is high, so the dimensional accuracy of the ventilation resistance layer 150 is also high, and the above effects are stably exhibited. be able to.

なお、図5に示すように、積層方向から見たときに、第4電極110(第4電極部110a)の外周縁が多孔質層113aの外周縁より外側にはみ出さず、内側に位置するので、多孔質層113aのうち第4電極110より外側の部位Tを通気抵抗層150が覆っても、第4電極110に到達する酸素源(排気ガス)の通気抵抗として機能しない。つまり、通気抵抗層150は、多孔質層113a内で実際に電極として機能する部位となる、第4電極部110aと多孔質層113aとの重なり領域Sの一部を覆う必要がある。   As shown in FIG. 5, when viewed in the stacking direction, the outer peripheral edge of the fourth electrode 110 (fourth electrode portion 110 a) does not protrude outside the outer peripheral edge of the porous layer 113 a, and is positioned inside Therefore, even if the flow resistance layer 150 covers the portion T of the porous layer 113a outside the fourth electrode 110, it does not function as the flow resistance of the oxygen source (exhaust gas) reaching the fourth electrode 110. That is, the flow resistance layer 150 needs to cover a part of the overlapping region S of the fourth electrode portion 110a and the porous layer 113a, which is a portion actually functioning as an electrode in the porous layer 113a.

又、通気抵抗層150による重なり領域Sの重なり率は、式1から求めることができる。
式1:重なり率(%)=[{(重なり領域Sの面積)−(開口Opの面積)}/(重なり領域Sの面積)]×100で求めることができる。なお、各面積は、図5のように積層方向に投影した場合の面積とする。ここで、開口Opの面積は、重なり領域Sのうち、通気抵抗層150と重ならない面積、つまり通気抵抗層150によって積層方向に閉塞されない部位の面積に相当する。
重なり率が25.0〜97.5%であることが好ましい。
重なり率が25.0%未満であると、上記した通気抵抗層150の通気抵抗としての効果が減少し、脈動電流Riを低減することが困難になる場合がある。重なり率が97.5%を超えると、通気抵抗としての効果が大きくなり過ぎ、電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)が上昇してブラックニングが発生したり、Ip電流がほとんど流れなくなることがある。
Further, the overlapping ratio of the overlapping region S due to the air flow resistance layer 150 can be obtained from Expression 1.
Formula 1: Overlap rate (%) = [{(area of overlapping area S) − (area of opening Op)} / (area of overlapping area S)] × 100. Each area is an area when projected in the stacking direction as shown in FIG. Here, the area of the opening Op corresponds to the area of the overlapping region S that does not overlap with the flow resistance layer 150, that is, the area of the portion that is not blocked by the flow resistance layer 150 in the stacking direction.
The overlap rate is preferably 25.0 to 97.5%.
If the overlapping rate is less than 25.0%, the effect as the ventilation resistance of the ventilation resistance layer 150 described above may be reduced, and it may be difficult to reduce the pulsating current Ri. If the overlap rate exceeds 97.5%, the effect as air flow resistance becomes too large, and the electrode resistance (internal resistance of the sensor element) may increase to cause blackening or cause almost no Ip current flow .

次に、通気抵抗層150を第4電極110から離間させることによる作用について説明する。
図7に示すように、通気抵抗層150が第4電極110から離間していると、通気抵抗層150が第4電極110を覆っている部位においても、通気抵抗層150と第4電極110との間隙から酸素源(排気ガス)が第4電極110及びその下側の第2固体電解質層109に供給されるので、ブラックニングの発生を抑制できる。
一方、図8に示すように、通気抵抗層150が第4電極110に接していると、通気抵抗層150が第4電極110を覆っている部位では、酸素源(排気ガス)が第4電極110及びその下側の第2固体電解質層109に供給されず、ブラックニングが発生するおそれがある。特に、上述のように重なり率が25.0%以上になると、通気抵抗層150が第4電極110を覆っている部位に隣接する第2固体電解質層109から、通気抵抗層150と重なる第2固体電解質層109の部位Brへの酸素源(排気ガス)の供給が追い付かず、図6とは異なりブラックニングが発生する可能性が高くなる。
Next, the operation of separating the flow resistance layer 150 from the fourth electrode 110 will be described.
As shown in FIG. 7, when the flow resistance layer 150 is separated from the fourth electrode 110, the flow resistance layer 150 and the fourth electrode 110 can be separated from the fourth electrode 110 even at the portion where the flow resistance layer 150 covers the fourth electrode 110. Since the oxygen source (exhaust gas) is supplied to the fourth electrode 110 and the second solid electrolyte layer 109 below it from the gap between the two, it is possible to suppress the occurrence of blackening.
On the other hand, as shown in FIG. 8, when the flow resistance layer 150 is in contact with the fourth electrode 110, the oxygen source (exhaust gas) is the fourth electrode at the portion where the flow resistance layer 150 covers the fourth electrode 110. It is not supplied to the second solid electrolyte layer 109 under 110 and the lower side thereof, and blackening may occur. In particular, when the overlapping rate becomes 25.0% or more as described above, the second solid electrolyte layer 109 adjacent to the portion where the flow resistance layer 150 covers the fourth electrode 110 overlaps the flow resistance layer 150. The supply of the oxygen source (exhaust gas) to the portion Br of the solid electrolyte layer 109 does not catch up, and unlike in FIG. 6, the possibility of the occurrence of blackening is increased.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、上記実施形態では通気抵抗層150の中央に開口Opを形成し、この開口Op部分では重なり領域Sを閉塞しないように構成したが、通気抵抗層150の形状、配置位置、個数等はこれに限定されない。つまり、図9に示すように、重なり領域Sの中央部に対応する多孔質層113aの表面に通気抵抗層152を設け、通気抵抗層152の周囲に多孔質層113aを露出させてもよい。
又、図10に示すように、重なり領域Sの複数の位置に対応して、複数の通気抵抗層153、154を設けてもよい。なお、図10の例では、多孔質層113aの内部に複数の通気抵抗層153、154が埋設され、通気抵抗層153、154の隙間は重なり領域Sに重ならないように構成されている。通気抵抗層153、154の埋設位置が積層方向に異なっていてもよい。
又、上記実施形態では、第2固体電解質層109の表面には、第4電極110を挟み込むようにして、貫通孔112aを有する絶縁保護層111が積層され、貫通孔112aに多孔質層113aが埋設されていたが、絶縁保護層111を設けずに、多孔質層113aを直接第4電極110上に積層してもよい。
It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments, but extends to various modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention.
For example, in the above embodiment, the opening Op is formed at the center of the ventilation resistance layer 150, and the overlapping region S is not closed in the opening Op portion. However, the shape, arrangement position, number, etc. of the ventilation resistance layers 150 are not limited. It is not limited to. That is, as shown in FIG. 9, the flow resistance layer 152 may be provided on the surface of the porous layer 113a corresponding to the central portion of the overlapping region S, and the porous layer 113a may be exposed around the flow resistance layer 152.
Further, as shown in FIG. 10, a plurality of ventilation resistance layers 153, 154 may be provided corresponding to a plurality of positions in the overlapping region S. In the example of FIG. 10, a plurality of flow resistance layers 153 and 154 are embedded in the porous layer 113a, and the gap between the flow resistance layers 153 and 154 is configured not to overlap the overlapping region S. The embedding position of the ventilation resistance layers 153 and 154 may be different in the stacking direction.
In the above embodiment, the insulating protective layer 111 having the through holes 112a is stacked on the surface of the second solid electrolyte layer 109 so as to sandwich the fourth electrode 110, and the porous layer 113a is formed on the through holes 112a. Although it has been embedded, the porous layer 113a may be laminated directly on the fourth electrode 110 without providing the insulating protective layer 111.

又、本発明は、固体電解質層の表面に配置された電極を有するセルと、電極の表面に配置されて電極と外部との間でガスが出入可能な多孔質層とを備えたセンサ素子を有するあらゆるガスセンサに適用可能であり、本実施の形態の酸素センサ(酸素センサ素子)に適用することができるが、これらの用途に限られず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、被測定ガス中のNOx濃度を検出するNOxセンサ(NOxセンサ素子)や、HC濃度を検出するHCセンサ(HCセンサ素子)等に本発明を適用してもよい。   Further, the present invention provides a sensor element including a cell having an electrode disposed on the surface of a solid electrolyte layer, and a porous layer disposed on the surface of the electrode and capable of entering and exiting a gas between the electrode and the outside. The present invention is applicable to any gas sensor having the same and applicable to the oxygen sensor (oxygen sensor element) of the present embodiment, but is not limited to these applications, and various modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention It goes without saying that it extends to things. For example, the present invention may be applied to a NOx sensor (NOx sensor element) that detects the NOx concentration in the gas to be measured, an HC sensor (HC sensor element) that detects the HC concentration, or the like.

図11は、センサ素子であるNOセンサ素子100Bを長手方向に沿って切断した断面図である。
NOセンサ素子100Bは概ね長尺の板状体をなし、固体電解質層2c、6c、4cをこの順に積層して構成されている。又、固体電解質層2c、6cの間には絶縁層63が介装され、固体電解質層6c、4cの間には絶縁層65が介装されるとともに、固体電解質層2cの外側(絶縁層63とは反対側)には絶縁保護層61が積層され、固体電解質層4cの外側(絶縁層65とは反対側)には絶縁層18、19がこの順で積層されている。
ここで、後述する第1ポンピングセル2の第1対向電極2bが多孔質層79を介して外部に露出するので特許請求の範囲の「電極」に対応する。
さらに、絶縁層68、69の間にはNOセンサ素子の長手方向に沿って延び、NOセンサを活性温度に昇温するヒータ20が埋設されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view of the NO x sensor element 100B, which is a sensor element, cut along the longitudinal direction.
The NO x sensor element 100B is in the form of a generally long plate, and is formed by laminating solid electrolyte layers 2c, 6c, 4c in this order. Further, an insulating layer 63 is interposed between the solid electrolyte layers 2c and 6c, and an insulating layer 65 is interposed between the solid electrolyte layers 6c and 4c. The insulating protection layer 61 is stacked on the opposite side of the above, and the insulating layers 18 and 19 are stacked in this order on the outer side of the solid electrolyte layer 4c (the opposite side to the insulating layer 65).
Here, since the first counter electrode 2b of the first pumping cell 2 described later is exposed to the outside through the porous layer 79, it corresponds to the "electrode" in the claims.
Furthermore, a heater 20 is embedded between the insulating layers 68 and 69 and extends along the longitudinal direction of the NO x sensor element to raise the NO x sensor to the activation temperature.

絶縁層63は平面視コの字状に切り抜かれ、コの字の開口が図11の左を向くように配置される。これにより、絶縁層63の切り抜き部分が空隙となり、固体電解質層6cの表面(図11の上面)、固体電解質層2cの裏面(図11の下面)、及び絶縁層63の側面によって内部空間が形成される。又、外部からの被測定ガスの導入口である上記開口(図11の固体電解質層2c、6cの左端)には、拡散抵抗を有する拡散律速部70が設けられている。一方、上記内部空間における右端から中央よりの所定位置に当該内部空間を図11の紙面方向に区画する拡散律速部71が配置され、拡散律速部70、71の間の内部空間が第1測定室S1となる。
第1測定室S1に面した固体電解質層2cの裏面には、平面視ほぼ矩形状の第1内側電極2aが配置され、固体電解質層2cの表面には第1内側電極2aと対向する位置に第1対向電極2bが配置されている。そして、第1内側電極2a、第1対向電極2b、固体電解質層2cとによって第1ポンピングセル2が構成されている。なお、絶縁保護層61は、固体電解質層2cに接する第1対向電極2bが内部に配置されるように平面視ほぼ矩形状に切り抜かれた貫通孔61aを備え、貫通孔61aの内部に多孔質層79が充填されている。
The insulating layer 63 is cut out in a U-shape in plan view, and the U-shaped opening is arranged to face the left in FIG. Thus, the cut-out portion of the insulating layer 63 becomes an air gap, and an inner space is formed by the surface of the solid electrolyte layer 6c (upper surface in FIG. 11), the back surface of the solid electrolyte layer 2c (lower surface in FIG. 11), and the side surface of the insulating layer 63. Be done. Further, a diffusion control portion 70 having a diffusion resistance is provided in the opening (the left end of the solid electrolyte layers 2c and 6c in FIG. 11) which is an introduction port of the measurement gas from the outside. On the other hand, a diffusion control portion 71 is provided at a predetermined position from the right end to the center in the internal space, which divides the internal space in the direction of the paper of FIG. 11. The internal space between the diffusion control portions 70 and 71 is the first measurement chamber It becomes S1.
The first inner electrode 2a having a substantially rectangular shape in plan view is disposed on the back surface of the solid electrolyte layer 2c facing the first measurement chamber S1, and the surface of the solid electrolyte layer 2c is opposed to the first inner electrode 2a. The first counter electrode 2 b is disposed. And the 1st pumping cell 2 is comprised by the 1st inner side electrode 2a, the 1st counter electrode 2b, and the solid electrolyte layer 2c. The insulating protective layer 61 has a through hole 61a cut out in a substantially rectangular shape in plan view so that the first counter electrode 2b in contact with the solid electrolyte layer 2c is disposed inside, and the porous inside of the through hole 61a is provided. Layer 79 is filled.

さらに、多孔質層79の表面には、第1対向電極2bと多孔質層79との重なり領域の一部に重なる絶縁性の通気抵抗層156が設けられている。
なお、NOセンサ素子100Bにおいても、第1対向電極2bの外周縁が多孔質層79の外周縁より内側に位置する。そして、通気抵抗層156は多孔質層79及び第1対向電極2bの外周部を覆うように形成され、通気抵抗層156の中央部が略矩形上に開口する。なお、第1対向電極2bは、絶縁保護層30bと同一の層として、絶縁保護層30bに切り抜かれた貫通孔の内部に配置されている。
Furthermore, on the surface of the porous layer 79, an insulating flow-resistant layer 156 overlapping a part of the overlapping region of the first counter electrode 2b and the porous layer 79 is provided.
Also in the NO x sensor element 100B, the outer peripheral edge of the first counter electrode 2b is positioned inside the outer peripheral edge of the porous layer 79. The air flow resistance layer 156 is formed to cover the outer peripheral portions of the porous layer 79 and the first counter electrode 2b, and the central portion of the air flow resistance layer 156 opens in a substantially rectangular shape. The first opposing electrode 2b is disposed in the through hole cut out in the insulating protective layer 30b as the same layer as the insulating protective layer 30b.

一方、第1測定室S1に面した固体電解質層6cの表面には、拡散律速部71よりやや左側で、かつ第1内側電極2aの右端より右側の位置に、平面視ほぼ矩形状で第1内側電極2aより小さい検知電極6aが配置されている。又、固体電解質層6cの裏面には検知電極6aと対向する位置に検知電極とほぼ同寸の基準電極6bが配置されている。そして、検知電極6a、基準電極6b、固体電解質層6cと、によって酸素濃度検知セル6が構成されている。なお、基準電極6bは、絶縁層65の平面視ほぼ矩形状の切り抜き部を介して固体電解質層6cに接し、基準電極6bの裏面(切り抜き部)には多孔質体又は絶縁体からなる充填層75が充填され、充填層75内に所定分圧の酸素を充填できるようになっている。
なお、酸素濃度検知セル6に予め微弱な電流Icpを流すことにより、酸素を基準電極6b側の充填層75に充填する。
On the other hand, the surface of the solid electrolyte layer 6c facing the first measurement chamber S1 has a substantially rectangular shape in plan view at a position slightly to the left of the diffusion control portion 71 and to the right of the right end of the first inner electrode 2a. A detection electrode 6a smaller than the inner electrode 2a is disposed. Further, on the back surface of the solid electrolyte layer 6c, a reference electrode 6b having substantially the same size as the detection electrode is disposed at a position facing the detection electrode 6a. And the oxygen concentration detection cell 6 is comprised by the detection electrode 6a, the reference electrode 6b, and the solid electrolyte layer 6c. The reference electrode 6b is in contact with the solid electrolyte layer 6c through the cutout portion substantially rectangular in plan view of the insulating layer 65, and the back surface (cutout portion) of the reference electrode 6b is a filling layer made of a porous body or an insulator. 75 is filled so that the filling layer 75 can be filled with oxygen at a predetermined partial pressure.
Note that oxygen is filled in the filling layer 75 on the side of the reference electrode 6 b by supplying a weak current Icp in advance to the oxygen concentration detection cell 6.

固体電解質層6c、絶縁層65は拡散律速部71よりも右側で平面視矩形状に切り抜かれ、これらの切り抜き部は上記内部空間の右端に重なるように位置している。これにより、上記内部空間の右端から下方に延びる空隙が形成され、この空隙と、上記内部空間のうち拡散律速部71より右側の部分とによってNO測定室S2が規定される。
そして、外部から拡散律速部70を介して導入された被測定ガスは、第1測定室S1を図11の左から右へ流れた後、拡散律速部71を介してNO測定室S2へ流れるようになっている。
The solid electrolyte layer 6c and the insulating layer 65 are cut out in a rectangular shape in plan view on the right side of the diffusion control portion 71, and these cut out portions are positioned to overlap the right end of the internal space. As a result, an air gap extending downward from the right end of the inner space is formed, and the NO X measurement chamber S2 is defined by the air gap and a portion of the inner space to the right of the diffusion control portion 71.
Then, the gas to be measured introduced from the outside through the diffusion control unit 70 flows from the left to the right in FIG. 11 in the first measurement chamber S1, and then flows into the NO x measurement chamber S2 through the diffusion control unit 71. It is supposed to be.

NO測定室S2に面した固体電解質層4cの表面には、平面視ほぼ矩形状の第2内側電極4aが配置されている。又、充填層75に面した固体電解質層4cの表面には、第2内側電極の外側電極となる第2外側電極4bが配置されている。そして、第2内側電極4a、第2外側電極4b、固体電解質層4cと、によって第2ポンピングセル4が構成されている。 On the surface of the solid electrolyte layer 4c facing the NO x measurement chamber S2, a second inner electrode 4a substantially rectangular in plan view is disposed. Further, on the surface of the solid electrolyte layer 4c facing the filling layer 75, a second outer electrode 4b serving as an outer electrode of the second inner electrode is disposed. The second pumping cell 4 is configured by the second inner electrode 4a, the second outer electrode 4b, and the solid electrolyte layer 4c.

各絶縁保護層61〜69、多孔質層79、固体電解質層2c、4c、6c、各電極2a〜6b、及びヒータ20としては、それぞれ上記センサ素子100と同様な材料を用いることができる。
特に、被測定ガスに接触する第1内側電極2a及び検知電極6aとしては、測定ガス中のNO成分に対する還元能力が低い(又は還元能力のない)材料を用いることが好ましく、例えばLa3 CuO4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、Au等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、又はAu等の触媒活性の低い金属とPt族金属とセラミックスとのサーメットを用いることが好ましい。更に、電極材料としてAuとPt族金属の合金を用いる場合、Au含有量を合金全体の0.03〜35vol%にすることが好ましい。また、第2内側電極4aとしては、RhとZrO2からなる多孔質サーメットを例示できる。
As each of the insulating and protective layers 61 to 69, the porous layer 79, the solid electrolyte layers 2c, 4c, and 6c, the electrodes 2a to 6b, and the heater 20, the same materials as those of the sensor element 100 can be used.
In particular, as the first inner electrode 2a and the detection electrode 6a in contact with the gas to be measured, it is preferable to use a material having a low reduction ability (or no reduction ability) to the NO x component in the measurement gas, for example, La 3 CuO It is preferable to use a compound having a perovskite structure such as 4 or the like, a metal having low catalytic activity such as Au and a ceramic cermet, or a metal having low catalytic activity such as Au and a Pt group metal and a ceramic. Furthermore, when using the alloy of Au and Pt group metal as an electrode material, it is preferable to make Au content 0.03 to 35 vol% of the whole alloy. In addition, as the second inner electrode 4a, a porous cermet composed of Rh and ZrO 2 can be exemplified.

拡散律速部は、被測定ガスが流入する際の律速が行われるものであればよく、スリットの他、多孔質体等を用いることができ、アルミナ等からなる多孔質体を例示することができる。拡散律速部は、センサ内と外気(又は拡散律速部で区画される空間同士)の直接接触を遮断しつつガスをセンサ内に出入させ、センサ内の電極周囲の酸素濃度を安定化する。   The diffusion-limited portion may be any as long as the rate-determining is performed when the gas to be measured flows in, and in addition to the slit, a porous body or the like can be used, and a porous body made of alumina or the like can be exemplified. . The diffusion control unit allows gas to enter and leave the sensor while blocking direct contact between the inside of the sensor and the outside air (or the spaces defined by the diffusion control unit), thereby stabilizing the oxygen concentration around the electrodes in the sensor.

以上のようにしてNOセンサ(素子)が構成され、例えば以下のように動作する。まず、ヒータが作動し、センサを活性化温度まで加熱する。被測定ガス(排ガス)は拡散律速部70を通って第1測定室S1に流入し、第1ポンピングセル2は、第1測定室S1内の排ガス中の過剰な酸素を第1内側電極2aから第1対向電極2cへ向かって汲み出す。
酸素が汲み出されたガスは第1測定室S1の下流に流れ、酸素濃度検知セル6(電極6a)に到達する。従って、酸素濃度検知セル6の両端電圧Vsをモニタすることにより、第1測定室S1内の酸素濃度を検出することができる。そして、Vsが所定電圧となるように第1ポンピングセル2の電極間電圧(端子間電圧)Vp1を制御することにより、第1測定室S1内の酸素濃度をNOが分解しない程度に管理する。
Configured the NO x sensor (element) as described above, for example, operates as follows. First, the heater is activated to heat the sensor to the activation temperature. The gas to be measured (exhaust gas) flows into the first measurement chamber S1 through the diffusion control unit 70, and the first pumping cell 2 generates excess oxygen in the exhaust gas in the first measurement chamber S1 from the first inner electrode 2a. It pumps out toward the 1st counter electrode 2c.
The gas from which oxygen is pumped flows downstream of the first measurement chamber S1 and reaches the oxygen concentration detection cell 6 (electrode 6a). Therefore, by monitoring the voltage Vs across the oxygen concentration detection cell 6, the oxygen concentration in the first measurement chamber S1 can be detected. By Vs to control the first inter-electrode voltage of the pumping cell 2 (terminal voltage) Vp1 to a predetermined voltage, the oxygen concentration in the first measurement chamber S1 is NO x managed so as not to decompose .

酸素濃度が管理された排ガス(NOガス)は、拡散律速部71を通ってNO測定室S2内の第2ポンピングセル4(第2内側電極4a)に向かって流れる。従って、第2ポンピングセル4にNOガスが酸素とNガスに分解する程度の電圧を印加することにより、NOガスの分解により生じた酸素をNO測定室S2から汲み出すことができる。この際、第2ポンピングセル4に流れる第2ポンプ電流Ip2とNOxガス濃度の間には比例関係があるため、Ip2を検出することにより被測定ガス中のNOx濃度を検出することができる。
なお、第2ポンピングセル4で汲み出された酸素は、第2対向電極4cから充填層75に充填される。又、第2内側電極4aとして多孔質ロジウム等の触媒機能を有する電極を用いると、NOガスの分解を促進することができる。
Exhaust gas oxygen concentration was controlled (NO x gas) flows toward the second pumping cell 4 (second inner electrodes 4a) in the NO x measurement housing S2 through the diffusion control part 71. Therefore, by NO x gas into the second pumping cell 4 applies a voltage of about decomposes into oxygen and N 2 gas, the oxygen generated by the decomposition of the NO x gas can be pumped out from the NO x measurement housing S2 . In this case, between the second pump current Ip2 and NO x gas concentration flowing through the second pumping cell 4 because there is a proportional relationship, it is possible to detect the concentration of NO x in the measurement gas by detecting the Ip2 .
The oxygen pumped out by the second pumping cell 4 is filled in the filling layer 75 from the second opposing electrode 4c. In addition, when an electrode having a catalytic function such as porous rhodium is used as the second inner electrode 4a, the decomposition of the NO x gas can be promoted.

NOセンサ素子100Bにおいても、通気抵抗層156が通気抵抗になって第1対向電極2b上のガス交換速度が遅くなる。これにより、Vp電圧の時間変化(ΔVp)が小さくなり、脈動電流(オーバーシュート電流)Riを低減してガスの検出精度の低下を抑制できる。 Also in the NO x sensor element 100B, the gas flow resistance layer 156 becomes a gas flow resistance, and the gas exchange speed on the first counter electrode 2b becomes slow. As a result, the time change (ΔVp) of the Vp voltage is reduced, and the pulsation current (overshoot current) Ri can be reduced to suppress the decrease in gas detection accuracy.

図1〜図5に示すセンサ素子(酸素センサ素子)100を有するガスセンサ1を製造した。第4電極部110aと多孔質層113aとの重なり領域Sの大きさを一定とし、通気抵抗層150の開口Opの大きさを種々に変えて重なり率が0〜99.0%の間のガスセンサを複数製造した。通気抵抗層150は、アルミナペーストを絶縁保護層111及び多孔質層113aの多孔質層113aの外周部に塗布(印刷)した後、センサ素子100と同時に焼成して形成した。
なお、重なり率(%)=[{(重なり領域Sの面積)−(開口Opの面積)}/(重なり領域Sの面積)]×100で表される。
The gas sensor 1 having the sensor element (oxygen sensor element) 100 shown in FIGS. 1 to 5 was manufactured. A gas sensor having an overlap ratio of 0 to 99.0% by changing the size of the opening Op of the flow resistance layer 150 variously while keeping the size of the overlap region S between the fourth electrode portion 110a and the porous layer 113a constant. Several were manufactured. The air flow resistance layer 150 was formed by applying (printing) an alumina paste on the outer peripheral portion of the insulating protective layer 111 and the porous layer 113a of the porous layer 113a, and firing it simultaneously with the sensor element 100.
Note that the overlap ratio (%) = [{(area of overlapping area S) − (area of opening Op)} / (area of overlapping area S)] × 100.

以上のようにして得られたガスセンサを用い、脈動電流(オーバーシュート電流)Riの抑制効果、及び酸素ポンプセル140の限界電流を測定した。
脈動電流(オーバーシュート電流)Riの抑制効果は、各ガスセンサを排気量2000ccの並列4気筒エンジンに繋がれた排気管に取り付け、センサ制御を行った後、3000rpmのエンジン回転数で排気ガスのλ(空燃比)を0.95から1.05に切り替えたとき、酸素ポンプセル140のポンプ電流Ipに、図14に示した脈動電流Riが発生したか否かを評価した。具体的には、通気抵抗層150を設けない従来品からなる基準ガスセンサ(表1の重なり率0.0%のガスセンサ)における出力安定時のIp値を100%としたとき、オーバーシュート電流Riの最大値を上記Ip値を基準として(100+X)%で表す。一方、各実施例のガスセンサでのオーバーシュート電流Riの最大値が上記Ip値を基準として(100+X/2)%以下となれば評価○とした。例えば、基準ガスセンサのRiの最大値が110%である場合、実施例のガスセンサでのRiの最大値が105%以下であれば、評価が○である。
限界電流は、モデルガスの空燃比(A/F)をA/F=10の極リッチ雰囲気とし、Vsを450mVに制御できれば評価○とした。
得られた結果を表1に示す。
The suppression effect of the pulsation current (overshoot current) Ri and the limit current of the oxygen pump cell 140 were measured using the gas sensor obtained as described above.
The effect of suppressing the pulsation current (overshoot current) Ri is to attach each gas sensor to an exhaust pipe connected to a parallel 4-cylinder engine with a displacement of 2000 cc and perform sensor control, and then λ of exhaust gas at an engine speed of 3000 rpm. When (air-fuel ratio) was switched from 0.95 to 1.05, it was evaluated whether or not the pulsating current Ri shown in FIG. 14 was generated in the pump current Ip of the oxygen pump cell 140. Specifically, assuming that the Ip value at the time of stable output in a reference gas sensor (a gas sensor with an overlap ratio of 0.0% in Table 1) consisting of a conventional product without the ventilation resistance layer 150 is 100%, the overshoot current Ri The maximum value is represented by (100 + X)% based on the above Ip value. On the other hand, when the maximum value of the overshoot current Ri in the gas sensor of each example was (100 + X / 2)% or less based on the above-mentioned Ip value, it was evaluated as ○. For example, when the maximum value of Ri of the reference gas sensor is 110%, the evaluation is で あ れ ば if the maximum value of Ri in the gas sensor of the embodiment is 105% or less.
The limiting current was evaluated as ○ if the air-fuel ratio (A / F) of the model gas was set to a pole rich atmosphere of A / F = 10 and Vs could be controlled to 450 mV.
The obtained results are shown in Table 1.

Figure 0006517613
Figure 0006517613

表1から明らかなように、重なり率を25.0〜97.5%とすると、脈動電流Riが低減されたとともに、十分なIp電流が得られ、ガスセンサの動作に支障がなかった。
重なり率が25.0%未満であると、脈動電流Riを低減することが困難になった。重なり率が97.5%を超えると、電極抵抗(センサ素子の内部抵抗)が上昇してIp電流が小さくなり、ガスセンサの動作に支障が生じて不適であった。
なお、図12は、重なり率を75%とし、ガス中の空燃比(A/F)をリッチからリーンに変化させたときの、酸素ポンプセル140のポンプ電流Ipの時間変化を示す。脈動電流Riが抑制されたことがわかる。
As apparent from Table 1, when the overlap rate is set to 25.0 to 97.5%, the pulsating current Ri is reduced, and a sufficient Ip current is obtained, and there is no problem in the operation of the gas sensor.
When the overlapping rate is less than 25.0%, it has become difficult to reduce the pulsating current Ri. When the overlapping rate exceeds 97.5%, the electrode resistance (internal resistance of the sensor element) is increased, the Ip current is decreased, and the operation of the gas sensor is not suitable.
FIG. 12 shows the time change of the pump current Ip of the oxygen pump cell 140 when the air-fuel ratio (A / F) in the gas is changed from rich to lean with an overlap rate of 75%. It can be seen that the pulsating current Ri is suppressed.

1 ガスセンサ
100、100B センサ素子
109、2c 固体電解質層
110、2b 電極
113a、79 多孔質層
130、4 セル(酸素濃度検出セル、第2ポンピングセル)
140、2 セル(ポンピングセル、第1ポンピングセル)
150、152、153、154、156 通気抵抗体(通気抵抗層)
S 電極と多孔質層との重なり領域
107c、S1 測定室
Reference Signs List 1 gas sensor 100, 100B sensor element 109, 2c solid electrolyte layer 110, 2b electrode 113a, 79 porous layer 130, 4 cell (oxygen concentration detection cell, second pumping cell)
140, 2 cells (pumping cell, first pumping cell)
150, 152, 153, 154, 156 vent resistor (vent resistor layer)
Overlap area 107c of S electrode and porous layer, S1 measuring chamber

Claims (7)

測定室と、
板状の固体電解質層、並びに前記固体電解質層の表面に配置され、前記測定室に面する第1電極及び前記測定室に面しない第2電極を有し、前記測定室内のガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
前記第2電極の表面に積層され、前記第2電極と外部との間で前記ガスが出入可能な多孔質層と、
を備えたセンサ素子を有するガスセンサであって、
積層方向から見たときに、前記第2電極の外周縁が前記多孔質層の外周縁より内側に位置し、
前記多孔質層の表面又は内部に、前記第2電極と離間しつつ、前記積層方向から見たときに前記第2電極と前記多孔質層との重なり領域の一部に重なる通気抵抗体を有するガスセンサ。
Measurement room,
A plate-like solid electrolyte layer , and a first electrode disposed on the surface of the solid electrolyte layer and facing the measurement chamber and a second electrode not facing the measurement chamber, wherein oxygen in the gas in the measurement chamber A pumping cell for pumping out or pumping in;
Laminated on the surface of the second electrode, wherein the gas and the porous layer capable and out between the second electrode and the outside,
A gas sensor having a sensor element provided with
When viewed from the stacking direction, the outer peripheral edge of the second electrode is located inside the outer peripheral edge of the porous layer,
On or within the porous layer, while apart from the second electrode, having a ventilation resistance material overlapping portion of the second electrode and the overlapping region of the porous layer when viewed from the stacking direction Gas sensor.
測定室と、
板状の固体電解質層、並びに前記固体電解質層の表面に配置され、前記測定室に面する第1電極及び前記測定室に面しない第2電極を有し、前記測定室内のガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行うポンピングセルと、
前記第2電極の表面に積層され、前記第2電極と外部との間で前記ガスが出入可能な多孔質層と、
を備えたセンサ素子を有するガスセンサであって、
積層方向から見たときに、前記第2電極の外周縁が前記多孔質層の外周縁より内側に位置し、
前記多孔質層の表面又は内部に、前記第2電極と離間しつつ、前記積層方向から見たときに前記第2電極と前記多孔質層との重なり領域の一部に重なる通気抵抗体を有し、
前記セル及び前記多孔質層を有し、かつ前記通気抵抗体を有しないセンサ素子を備えたガスセンサを基準ガスセンサとし、該基準ガスセンサの出力安定時のIp値を100%とし、かつそのオーバーシュート電流の最大値を(100+X)%で表したとき、前記ガスセンサのオーバーシュート電流の最大値が(100+X/2)%以下であるガスセンサ。
但し、前記オーバーシュート電流は、ガス中の空燃比がリッチからリーンに変化した場合に、前記測定室に導入される前記ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う前記ポンピングセルら出力され脈動電流の最大値である。
Measurement room,
A plate-like solid electrolyte layer , and a first electrode disposed on the surface of the solid electrolyte layer and facing the measurement chamber and a second electrode not facing the measurement chamber, wherein oxygen in the gas in the measurement chamber A pumping cell for pumping out or pumping in;
Laminated on the surface of the second electrode, wherein the gas and the porous layer capable and out between the second electrode and the outside,
A gas sensor having a sensor element provided with
When viewed from the stacking direction, the outer peripheral edge of the second electrode is located inside the outer peripheral edge of the porous layer,
Yes on or within the porous layer, while apart from the second electrode, the ventilation resistor that overlaps a portion of the overlap region between the porous layer and the second electrode when viewed from the stacking direction And
A gas sensor provided with a sensor element having the cell and the porous layer and not having the ventilation resistor is used as a reference gas sensor, the Ip value when the output of the reference gas sensor is stabilized is 100%, and the overshoot current A gas sensor in which the maximum value of the overshoot current of the gas sensor is (100 + X / 2)% or less when the maximum value of is represented by (100 + X)%.
However, the overshoot current, when the air-fuel ratio of the gas is changed from rich to lean, the Ru output pumping cell or found to perform pumping or pumping in of oxygen in the gas to be introduced into the measurement chamber It is the maximum value of the pulsating current.
前記通気抵抗体はガス不透過性である請求項1又は2記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 1 or 2, wherein the ventilation resistor is gas impermeable. 前記積層方向から見たときに、前記通気抵抗体は前記重なり領域の25.0〜97.5%の面積に重なる請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow resistance resistor overlaps an area of 25.0 to 97.5% of the overlapping region when viewed from the stacking direction. 前記センサ素子は
さらに、前記測定室内の前記被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力電圧を出力する酸素濃度検出セルを備えた酸素センサ素子であって、
前記出力電圧が一定となるように前記ポンピングセルにポンプ電流を流し、該ポンプ電流に応じた前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサ素子である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
Said sensor element,
Furthermore, the oxygen sensor element has an oxygen concentration detection cell that outputs an output voltage according to the oxygen concentration in the measurement gas in the measurement chamber,
The oxygen sensor element according to any one of claims 1 to 4, wherein a pump current is supplied to the pumping cell such that the output voltage becomes constant, and the oxygen concentration in the gas to be measured according to the pump current is detected. The gas sensor as described in a term.
前記センサ素子は
さらに、酸素濃度が調整された前記被測定ガス中のNO濃度に応じたポンプ電流が流れる第2ポンピングセルを備えたNOセンサ素子である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
Said sensor element,
Further, the oxygen concentration is NO x sensor element having a second pumping cell pumping current corresponding to the concentration of NO x in the measurement gas is adjusted, according to any one of claims 1-4 Gas sensor.
前記電極は、Pt及びAuを合計で50質量%以上含有する請求項1〜6のいずれか一項に記載のガスセンサ。   The gas sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the electrode contains 50% by mass or more in total of Pt and Au.
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