JPH07113618B2 - Oxygen gas detector - Google Patents

Oxygen gas detector

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JPH07113618B2
JPH07113618B2 JP61212075A JP21207586A JPH07113618B2 JP H07113618 B2 JPH07113618 B2 JP H07113618B2 JP 61212075 A JP61212075 A JP 61212075A JP 21207586 A JP21207586 A JP 21207586A JP H07113618 B2 JPH07113618 B2 JP H07113618B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、内燃機関の排ガスの平衡状態における酸素ガ
ス成分の濃度を検出するための酸素ガス検出器に関する
ものであって、特に感ガス性の金属酸化物を用いた酸素
ガス検出器に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an oxygen gas detector for detecting the concentration of an oxygen gas component in the equilibrium state of exhaust gas of an internal combustion engine, and particularly to the gas sensitivity. The present invention relates to an oxygen gas detector using the above metal oxide.

[従来の技術] 従来より、内燃機関の排ガスの平衡状態における酸素ガ
ス成分の濃度(即ち空燃比)を検出する酸素ガス検出器
が実用化されている。
[Prior Art] Conventionally, an oxygen gas detector for detecting the concentration of an oxygen gas component (that is, an air-fuel ratio) in an equilibrium state of exhaust gas of an internal combustion engine has been put into practical use.

これらの中に、ガスが接触した場合に、その電気抵抗が
変化する特性を持った感ガス性の金属酸化物を使用して
いるものがある。例えばTiO2、CoO、NiO等の遷移金属元
素の酸化物等は酸素ガス検出器として使用できる。
Among these, there is one using a gas-sensitive metal oxide having a characteristic that its electric resistance changes when it comes into contact with gas. For example, oxides of transition metal elements such as TiO 2 , CoO, and NiO can be used as oxygen gas detectors.

ここで例示した遷移金属酸化物は、非化学量論的化合物
である。そして、この非化学量論的化合物中の荷電担体
(ホール、電子)の量は、周囲の酸素ガス分圧によって
変化する。そのために、周囲の酸素ガス分圧に応じて導
電率が変化するのである。
The transition metal oxides illustrated here are non-stoichiometric compounds. Then, the amount of charge carriers (holes, electrons) in this non-stoichiometric compound changes depending on the partial pressure of oxygen gas in the surroundings. Therefore, the conductivity changes according to the partial pressure of oxygen gas in the surroundings.

ところで、上記酸素ガス検出器は、内燃機関の排ガスの
ような非平衡ガスに対し、その空燃比を精度よく検出す
るためには、非平衡ガスを平衡化する必要があり、これ
に対処するために、従来では、例えば、排ガス中のCO、
HCの酸化反応を促進する触媒である白金と、NOxを還元
する触媒であるロジウムとの合金を粒子状にして感ガス
層中に均一に分散担持させている。
By the way, the oxygen gas detector, for non-equilibrium gas such as exhaust gas of an internal combustion engine, in order to accurately detect the air-fuel ratio, it is necessary to equilibrate the non-equilibrium gas, in order to cope with this In the past, for example, CO in exhaust gas,
An alloy of platinum, which is a catalyst for promoting the oxidation reaction of HC, and rhodium, which is a catalyst for reducing NOx, is made into particles and uniformly dispersed and supported in the gas sensitive layer.

[発明が解決しようとする問題点] ところが、上記触媒合金は、焼成時あるいは使用時に一
方の金属が合金粒子の表面に析出することが分かった。
例えば、酸化雰囲気中で加熱すると合金粒子の表面にロ
ジウムが析出して、白金を覆ってしまい白金の表面積が
小さくなり、酸化反応の促進がされない。すなわち、酸
素ガス検出器の出力特性が、上記ロジウムの析出形態に
大きく依存し、安定な酸素ガス検出器を製造することが
容易ではなかった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, it has been found that, in the above catalyst alloy, one of the metals is deposited on the surface of the alloy particles during firing or during use.
For example, when heated in an oxidizing atmosphere, rhodium is deposited on the surfaces of the alloy particles and covers the platinum, reducing the surface area of the platinum and not promoting the oxidation reaction. That is, the output characteristics of the oxygen gas detector largely depend on the rhodium deposition form, and it was not easy to manufacture a stable oxygen gas detector.

[問題点を解決するための手段] 本発明は上記問題点を解決するために次の手段を採用し
た。
[Means for Solving Problems] The present invention employs the following means in order to solve the above problems.

即ち、本発明の要旨は、 内燃機関の排気ガスの平衡状態における酸素ガス成分の
濃度を検出するための酸素ガス検出器であって、 一対の電極と、 該一対の電極を覆い、感ガス性金属酸化物を含み、周囲
の酸素ガス成分の濃度に応じて電気抵抗が変化する多孔
質の感ガス層と、 該感ガス層を覆う上層と、 を備え、 上記上層は、 還元反応を促進する触媒を担持した耐熱金属酸化物から
なる還元触媒層と、 酸化反応を促進する触媒を担持した耐熱金属酸化物から
なる酸化触媒層と が各々一層以上交互に積層されてなることを特徴とする
酸素ガス検出器にある。
That is, the gist of the present invention is an oxygen gas detector for detecting the concentration of an oxygen gas component in the equilibrium state of exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a pair of electrodes and a pair of electrodes covering the pair of electrodes. A porous gas-sensitive layer containing a metal oxide, the electric resistance of which changes according to the concentration of the surrounding oxygen gas component, and an upper layer which covers the gas-sensitive layer, wherein the upper layer promotes a reduction reaction. Oxygen, characterized in that a reduction catalyst layer made of a refractory metal oxide supporting a catalyst and an oxidation catalyst layer made of a refractory metal oxide supporting a catalyst for promoting an oxidation reaction are alternately laminated in one or more layers. On the gas detector.

ここで、上記電極としては、耐熱性の導電体であれば特
に限定はないが、通常、タングステン、モリブデン、
銀、金あるいは白金族を主成分としたものが用いられ
る。
Here, the electrode is not particularly limited as long as it is a heat-resistant conductor, but usually, tungsten, molybdenum,
A material containing silver, gold or a platinum group as a main component is used.

感ガス層に用いられる感ガス性金属酸化物としては、通
常用いられるものとして、TiO2、SnO2、CoO、ZnO、Nb2O
5、Cr2O3、NiO等の遷移金属酸化物があげられ、本発明
においてもこれらのうちのいずれか1つまたは2つ以上
の組合せの物質を用いればよい。
Examples of the gas-sensitive metal oxide used in the gas-sensitive layer include TiO 2 , SnO 2 , CoO, ZnO and Nb 2 O which are usually used.
Examples thereof include transition metal oxides such as 5 , Cr 2 O 3 , and NiO. In the present invention, any one or a combination of two or more of these may be used.

酸化反応を促進する触媒としては、酸素ガス検出器の使
用される状態に応じてその物質を選択すればよいが、本
発明では、酸素ガス検出器を内燃機関の排ガス中の酸素
ガス分圧測定に使用するので、白金、パラジウム等をあ
げることが出来る。
As the catalyst for promoting the oxidation reaction, the substance may be selected according to the state of use of the oxygen gas detector, but in the present invention, the oxygen gas detector is used to measure the oxygen gas partial pressure in the exhaust gas of an internal combustion engine. Since it is used for, platinum, palladium, etc. can be mentioned.

還元反応を促進する触媒も、上述の酸化反応を促進する
触媒と同じく、酸素ガス検出器の使用される状態に応じ
てその物質を選択すればよいが、本発明では、酸素ガス
検出器を内燃機関の排ガス中の酸素ガス分圧測定に使用
するので、ロジウム、ルテニウム等をあげることが出来
る。
As for the catalyst that promotes the reduction reaction, like the catalyst that promotes the above-mentioned oxidation reaction, the substance may be selected according to the state of use of the oxygen gas detector, but in the present invention, the oxygen gas detector is Since it is used for measuring the partial pressure of oxygen gas in engine exhaust gas, rhodium, ruthenium, etc. can be mentioned.

上記触媒を担持する触媒層の母材としては、熱的に安定
な多孔質材料であれば特に限定されない。例えば、アル
ミナ、マグネシアスピネル、ジルコニア、フォルステラ
イト、コーディエライト等を用いることが出来る。
The base material of the catalyst layer supporting the catalyst is not particularly limited as long as it is a thermally stable porous material. For example, alumina, magnesia spinel, zirconia, forsterite, cordierite, etc. can be used.

これらの触媒は、例えば、担体となる多孔質触媒層母材
に触媒成分元素を含む溶液を含浸させた後に、熱分解、
還元等によって触媒を触媒層母材に分散担持する含浸法
によって触媒層に担持される。この含浸法以外にも、触
媒元素を含む塩の溶液に沈澱剤を加えて、触媒を担持と
なる触媒層母材表面上に沈澱させたり、触媒層母材成分
と触媒成分との両者を同時に沈澱させる(共沈させる)
沈澱法、担持である触媒層のイオン交換性を利用したイ
オン交換法や、触媒成分元素を含む溶液からの吸着を利
用した吸着法等によって、触媒は触媒層に担持される。
These catalysts are, for example, pyrolyzed after impregnating a solution containing a catalyst component element in a porous catalyst layer base material serving as a carrier.
The catalyst is supported on the catalyst layer by an impregnation method in which the catalyst is dispersed and supported on the catalyst layer base material by reduction or the like. In addition to this impregnation method, a precipitant is added to a salt solution containing a catalyst element to precipitate the catalyst on the surface of the catalyst layer base material that supports the catalyst, or both the catalyst layer base material component and the catalyst component are simultaneously added. Precipitate (coprecipitate)
The catalyst is supported on the catalyst layer by a precipitation method, an ion exchange method that utilizes the ion exchange property of the catalyst layer that is supported, an adsorption method that utilizes adsorption from a solution containing a catalyst component element, or the like.

本発明の酸素ガス検出器は、例えば、セラミック基板上
に厚膜技術等のハイブリッド技術により感ガス層等を設
けることにより作成できる。あるいは、厚膜技術等を使
用せずに、サーミスタ等で用いられる、ディスク型、ビ
ード型等に形成してもよい。
The oxygen gas detector of the present invention can be produced, for example, by providing a gas sensitive layer or the like on a ceramic substrate by a hybrid technique such as a thick film technique. Alternatively, it may be formed into a disk type, a bead type or the like used in a thermistor or the like without using the thick film technique or the like.

さらに、測定時の酸素ガス検出器の温度特性変動の減少
を目的として、発熱体を感ガス層の近傍に設けても良
い。そして、この発熱体の一部と酸素ガス検出器の一方
の電極とを連結して感ガス層に電圧を印加し、端子の数
を減らすと共に、測定回路を簡単にしてもよい。
Furthermore, a heating element may be provided in the vicinity of the gas sensitive layer for the purpose of reducing the temperature characteristic fluctuation of the oxygen gas detector during measurement. Then, a part of this heating element and one electrode of the oxygen gas detector may be connected to apply a voltage to the gas sensitive layer to reduce the number of terminals and simplify the measurement circuit.

また、感ガス層を保護することを目的として、感ガス層
に重ねて、コート層を設けてもよい。このコート層は、
感ガス性金属酸化物に対する鉛等の有毒物質を吸着捕獲
し、有毒物質が感ガス層に達することを防ぐ。コート層
の材質としては、熱的に安定な材質であれば特に限定は
なく、例えば、アルミナ、マグネシアスピネル、ジルコ
ニア等を用いることが出来る。
Further, for the purpose of protecting the gas sensitive layer, a coat layer may be provided so as to overlap the gas sensitive layer. This coat layer is
Adsorbs and captures toxic substances such as lead on gas-sensitive metal oxides and prevents toxic substances from reaching the gas-sensitive layer. The material of the coat layer is not particularly limited as long as it is a thermally stable material, and for example, alumina, magnesia spinel, zirconia or the like can be used.

[作用] 本発明では、還元反応を促進する触媒と、酸化反応を促
進する触媒とが各々異なった層中に担持されて存在す
る。そのため、焼成時あるいは使用時に、一方の触媒が
他方の触媒の表面に析出して、他方の触媒作用を妨害す
るような触媒同士の相互作用が起こらない。
[Operation] In the present invention, the catalyst that promotes the reduction reaction and the catalyst that accelerates the oxidation reaction are supported by different layers. Therefore, at the time of calcination or use, one catalyst does not deposit on the surface of the other catalyst, and interaction between the catalysts that hinders the other catalyst action does not occur.

また、還元反応を促進する触媒と酸化反応を促進する触
媒とが近接しているので、お互いに相手の反応の生成物
を利用し易く、より効率的な反応を行える。すなわち、
例えば、NOxの還元によって生じた酸素を利用して、CO,
HCの酸化を行うのである。
Further, since the catalyst that promotes the reduction reaction and the catalyst that promotes the oxidation reaction are in close proximity to each other, it is easy to utilize the products of the reaction of the other party, and a more efficient reaction can be performed. That is,
For example, using oxygen generated by the reduction of NOx, CO,
It oxidizes HC.

そのため、各々の触媒作用が充分発揮できるとともに、
感ガス反応が安定する。
Therefore, each of the catalyst functions can be sufficiently exerted,
The gas sensitive reaction becomes stable.

[発明の効果] 本発明では、上述のように触媒の相互作用が起こらな
い。そのため、非平衡ガス中でも優れた性能を発揮する
と共に、触媒の劣化が少なく長期に渡って安定した性能
を発揮する。
[Effect of the Invention] In the present invention, the interaction of the catalyst does not occur as described above. Therefore, it exhibits excellent performance even in a non-equilibrium gas, and exhibits stable performance over a long period with little deterioration of the catalyst.

また、内燃機関の排ガスは、非平衡状態にあるため、内
燃機関の排ガス中の酸素濃度を酸素分圧としてそのまま
測定しても、(排ガスの平衡状態における酸素濃度分圧
に相当する)空燃比を検出することはできないが、本発
明の酸素ガス検出器においては、非平衡状態の排ガス中
の還元性ガス(CO,HC等)を、酸化反応を促進する酸化
触媒層において酸素と反応させ、一方、酸化性ガス(NO
x)を、還元反応を促進する還元触媒層によって窒素と
酸素に分解するので、各々の非平衡ガスを、従来より効
率よく反応させることができる。つまり、本発明では、
従来の酸素ガス検出器よりも、より平衡状態に近いガス
に変化させてから酸素分圧を検出するので、正確に空燃
比を検出することができる。
Further, since the exhaust gas of the internal combustion engine is in a non-equilibrium state, even if the oxygen concentration in the exhaust gas of the internal combustion engine is directly measured as the oxygen partial pressure, the air-fuel ratio (corresponding to the oxygen concentration partial pressure in the exhaust gas in the equilibrium state) However, in the oxygen gas detector of the present invention, the reducing gas (CO, HC, etc.) in the non-equilibrium exhaust gas is reacted with oxygen in the oxidation catalyst layer that promotes the oxidation reaction, On the other hand, oxidizing gas (NO
Since x) is decomposed into nitrogen and oxygen by the reduction catalyst layer that promotes the reduction reaction, each nonequilibrium gas can be reacted more efficiently than before. That is, in the present invention,
Since the oxygen partial pressure is detected after the gas is changed to a gas closer to the equilibrium state than in the conventional oxygen gas detector, the air-fuel ratio can be accurately detected.

更に、本発明では、触媒層の母材として、例えばアルミ
ナの様な耐熱金属酸化物を用いるので、内燃機関の排ガ
スの様な高温にまで達するガスに対しても、熱的に安定
な触媒層を形成できる。
Furthermore, in the present invention, since a refractory metal oxide such as alumina is used as the base material of the catalyst layer, the catalyst layer that is thermally stable even to a gas that reaches a high temperature such as exhaust gas of an internal combustion engine. Can be formed.

[実施例] 本発明の一実施例を図面を用いて説明する。尚、説明上
各図の縮尺は異なる。
[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the scale of each drawing is different for the sake of explanation.

本実施例は、感ガス層としてTiO2を用い、上層としてア
ルミナに白金を担持した酸化触媒層とアルミナにロジウ
ムを担持した還元触媒層とを交互に積層した酸素ガス検
出器10である。
The present embodiment is an oxygen gas detector 10 in which TiO 2 is used as a gas sensitive layer, and an oxidation catalyst layer in which platinum is supported on alumina and a reduction catalyst layer in which rhodium is supported on alumina are alternately stacked as an upper layer.

上記酸素ガス検出器10は、第1図のの部分破断した斜視
図に示すように、セラミック基板12と、このセラミック
基板12上に形成され、かつ、端子13a、13b、13eで白金
リード線14a、14b、14eに接続された検出用電極16a、16
bおよび熱抵抗電極16e等の電極パターン16と、上記セラ
ミック基板12上および電極パターン16上に積層してセラ
ミック基板12と一体化され、かつ、窓部18aを有するセ
ラミック積層板18と、上記セラミック積層板18の窓部18
aに、検出用電極パターン16a、16bを覆うように充填さ
れた感ガス層20と、上記セラミック基板12と感ガス層20
との間に分散介在して両者の剥離を防ぐ球形造粒粒子22
と、感ガス層20上に交互に積層された酸化触媒層24aお
よび還元触媒層24bからなる上層24と、該上層24に積層
されたAl2O3からなるコート層26と、から構成されてい
る。尚、図では説明上、上層24を構成する酸化触媒層24
aと還元触媒層24bとは各々1層づつであるが、必要に応
じて更に重ねてもよい。
As shown in the partially cutaway perspective view of FIG. 1, the oxygen gas detector 10 is formed on a ceramic substrate 12 and the platinum lead wire 14a formed on the ceramic substrate 12 and terminals 13a, 13b, 13e. , 14b, 14e connected to the detection electrodes 16a, 16
b and the electrode pattern 16 such as the thermal resistance electrode 16e, the ceramic substrate 12 and the electrode pattern 16 are laminated on the ceramic substrate 12 and integrated with the ceramic substrate 12, and a ceramic laminated plate 18 having a window portion 18a; Window part 18 of laminated board 18
a, the gas-sensitive layer 20 filled so as to cover the detection electrode patterns 16a and 16b, the ceramic substrate 12 and the gas-sensitive layer 20.
Spherical granulated particles that are dispersed between and prevent the separation of the two
And an upper layer 24 composed of an oxidation catalyst layer 24a and a reduction catalyst layer 24b alternately stacked on the gas-sensitive layer 20, and a coat layer 26 composed of Al 2 O 3 laminated on the upper layer 24. There is. In the figure, for the sake of explanation, the oxidation catalyst layer 24 constituting the upper layer 24
The a and the reduction catalyst layer 24b are each one layer, but they may be further layered if necessary.

次に、本実施例である酸素ガス検出器10の製造工程を第
2図ないし第5図にしたがって説明する。
Next, a manufacturing process of the oxygen gas detector 10 of this embodiment will be described with reference to FIGS.

アルミナ92wt%、マグネシア3wt%、及び焼結助剤
(シリカ、カルシア等)5wt%をポットミルにて20時間
混合する。その後、該混合物に有機バインダーとしてポ
リビニールブチラール12wt%、フタル酸ジブチル4wt%
を添加し、溶剤としてメチルエチルケトン、トルエン等
を加えた。更にポットミルで15時間混合してスラリーと
し、ドクタープレート法により基板用および積層用グリ
ーンシート12A、18Aを形成する。
92 wt% alumina, 3 wt% magnesia, and 5 wt% sintering aid (silica, calcia, etc.) are mixed in a pot mill for 20 hours. Then, the mixture was mixed with polyvinyl butyral 12 wt% and dibutyl phthalate 4 wt% as an organic binder.
Was added, and methyl ethyl ketone, toluene and the like were added as a solvent. Further, the mixture is mixed in a pot mill for 15 hours to obtain a slurry, and the substrate and laminating green sheets 12A and 18A are formed by the doctor plate method.

上記グリーンシートの形状は基板用グリーンシート12A
で47.8mm×4.0mm×0.8mmt、積層用グリーンシート18Aで
47.8mm×4.0mm×0.26mmtであり、そして、上記積層用グ
リーンシート18Aには、3.05mm×2.0mmの窓部18aを形成
する。
The shape of the above green sheet is the green sheet 12A for the substrate.
47.8mm × 4.0mm × 0.8mm t , with laminated green sheet 18A
It has a size of 47.8 mm × 4.0 mm × 0.26 mm t , and a 3.05 mm × 2.0 mm window portion 18a is formed in the lamination green sheet 18A.

次に、白金黒とスポンジ状白金とを、2:1の比率に
調合し、他に上記で用いたグリーンシートの材料混合
物を10wt%添加し、ブチルカルビドール、エトセル等の
溶剤を加えて、電極用ペーストとする。
Next, platinum black and sponge-like platinum were blended in a ratio of 2: 1, 10 wt% of the material mixture of the green sheet used above was added, and a solvent such as butyl carbidol and Ethocel was added, Use as electrode paste.

次に、で調整する電極用ペーストを用い厚膜印刷
により基板用グリーンシート12A上に電極パターン16を
形成する。電極パターン16として、上述したように検出
用電極パターン16a、16b、および感ガス部20を加熱する
ためのヒータとなる熱抵抗電極パターン16eと、上記両
パターン16の端子となる端子パターン13a、13b、13eを
形成する。(第2図(イ)、(ロ)) その後、上記端子パターン13a、13b、13eに、直径
0.2mmの白金リード線14a、14b、14eを、それぞれ接続す
る(第3図(イ)、(ロ))。
Next, an electrode pattern 16 is formed on the substrate green sheet 12A by thick film printing using the electrode paste adjusted in. As the electrode pattern 16, as described above, the detection electrode patterns 16a and 16b, and the thermal resistance electrode pattern 16e that serves as a heater for heating the gas-sensitive portion 20, and the terminal patterns 13a and 13b that serve as the terminals of both patterns 16 described above. , 13e are formed. (Fig. 2 (a), (b)) Then, on the terminal patterns 13a, 13b, 13e, the diameter
The platinum lead wires 14a, 14b, 14e of 0.2 mm are connected to each other (Fig. 3 (a), (b)).

次に、上記基板用グリーンシート12A上に積層用グ
リーンシート18Aを積層熱圧着して積層体を形成する。
このとき、該積層用グリーンシート18Aの窓部18aには、
検出用電極パターン16a、16bの先端が露出している。そ
して、窓部18aの中にで調整したグリーンシートと同
一の材料からなる80〜150メッシュの球形造粒粒子(2
次粒子)22を分散付着させてから、上記積層体を1500℃
で大気とほぼ同一雰囲気中にて2時間焼成することで一
体となったセラミック基板12およびセラミック積層板18
を形成する(第4図(イ)、(ロ))。
Next, the lamination green sheet 18A is laminated and thermocompression-bonded on the substrate green sheet 12A to form a laminate.
At this time, the window portion 18a of the laminated green sheet 18A,
The tips of the detection electrode patterns 16a and 16b are exposed. Then, 80-150 mesh spherical granulated particles (2 particles made of the same material as the green sheet prepared in the window portion 18a) (2
Secondary particles) 22 are dispersed and adhered, and then the above laminated body is subjected to 1500 ° C.
The ceramic substrate 12 and the ceramic laminated plate 18 which are integrated by firing in the same atmosphere as the atmosphere for 2 hours.
Are formed (Fig. 4 (a), (b)).

上述のように球形造粒粒子22を分散付着させて焼成する
と、第4図(ハ)に拡大図示するように各粒子22が1重
に分散して、セラミック基板12上に凹凸面を形成させ
る。
When the spherical granulated particles 22 are dispersed and adhered as described above and fired, each particle 22 is dispersed in a single layer as shown in the enlarged view of FIG. 4C to form an uneven surface on the ceramic substrate 12. .

次に、セラミック積層板18の窓部18a内に、感ガス
層として若干の白金を担持したチタニア粒のペーストを
充填し、重ねて上層24を構成する酸化触媒層24a、還元
触媒層24bとして酸化触媒粒ペースト、還元触媒粒ペー
ストを充填するのであるが、充填の前に以下のようにし
て各ペーストを調整する。
Next, the window portion 18a of the ceramic laminate 18 is filled with a paste of titania particles supporting a small amount of platinum as a gas-sensitive layer, and is oxidized as the oxidation catalyst layer 24a and the reduction catalyst layer 24b which are stacked to form the upper layer 24. The catalyst grain paste and the reduction catalyst grain paste are filled, and each paste is adjusted as follows before filling.

先ず、チタニア粒ペーストを調整する。First, a titania grain paste is prepared.

大気中1200℃で1時間仮焼した平均粒径1.2μmのTiO2
粉末100gに対して、白金10gを含む塩化白金酸水溶液100
ccを加え、大気中200℃で24時間乾燥させた後、水素炉
中700℃で2時間に渡り熱分解し、TiO2粉末表面に白金
を析出させてチタニア粒を得る。
TiO 2 with an average particle size of 1.2 μm, calcined in the air at 1200 ° C for 1 hour
100 g of powder, 100 g of chloroplatinic acid aqueous solution containing 10 g of platinum
After adding cc and drying in air at 200 ° C. for 24 hours, thermal decomposition was performed in a hydrogen furnace at 700 ° C. for 2 hours to deposit platinum on the surface of the TiO 2 powder to obtain titania particles.

このチタニア粒粉末100gに対し、バインダーとして2gの
エチルセルロースを添加し、これらをブチカルビトール
(2−(2−ブトキシエトキシ)エタノールの商品名)
中で混合し、300ポイズの粘度にしてチタニア粒ペース
トを調整する。
To 100 g of this titania grain powder, 2 g of ethyl cellulose was added as a binder, and these were added to butycarbitol (trade name of 2- (2-butoxyethoxy) ethanol).
Mix in and adjust to a viscosity of 300 poise to prepare the titania grain paste.

次いで、酸化触媒層ペーストを調整する。Next, the oxidation catalyst layer paste is prepared.

アルミナ96重量%、シリカ3重量%及びCaO1重量%から
なる平均粒径0.5μmの混合アルミナ粉末80gに対して、
白金黒あるいはパラジウム20gを加えて混合粉末とす
る。この混合粉末100gに対し、バインダーとして2gのエ
チルセルロースを添加し、これらをブチカルビトール
(2−(2−ブトキシエトキシ)エタノールの商品名)
中で混合し、300ポイズの粘度にして酸化触媒層ペース
トを調整する。
To 80 g of mixed alumina powder consisting of 96% by weight of alumina, 3% by weight of silica and 1% by weight of CaO and having an average particle size of 0.5 μm,
Add 20g of platinum black or palladium to make a mixed powder. To 100 g of this mixed powder, 2 g of ethyl cellulose was added as a binder, and these were added to butycarbitol (trade name of 2- (2-butoxyethoxy) ethanol).
Mix in and adjust to a viscosity of 300 poise to prepare the oxidation catalyst layer paste.

次いで、還元触媒粒を調整する。Next, the reducing catalyst particles are adjusted.

アルミナ96重量%、シリカ3重量%及びCaO1重量%から
なる平均粒径0.5μmの混合アルミナ粉末80gに対して、
スポンジ状ロジウム(ロジウムブラック)あるいはスポ
ンジ状ルテニウム(ルテニウムブラック)20gを加えて
混合粉末とする。この混合粉末100gに対し、バインダー
として2gのエチルセルロースを添加し、これらをブチカ
ルビトール(2−(2−ブトキシエトキシ)エタノール
の商品名)中で混合し、300ポイズの粘度にして還元触
媒層ペーストを調整する。
To 80 g of mixed alumina powder consisting of 96% by weight of alumina, 3% by weight of silica and 1% by weight of CaO and having an average particle size of 0.5 μm,
Add 20 g of sponge-like rhodium (rhodium black) or sponge-like ruthenium (ruthenium black) to obtain a mixed powder. To 100 g of this mixed powder, 2 g of ethyl cellulose was added as a binder, and these were mixed in butycarbitol (a trade name of 2- (2-butoxyethoxy) ethanol) to give a viscosity of 300 poise, and a reduction catalyst layer paste. Adjust.

そして、先ず、チタニア粒ペーストを厚膜印刷技術で窓
部18aに充填し、次いで、所定の組合せ(第1表参照)
で酸化触媒層ペーストと還元触媒層ペーストとをチタニ
ア粒ペーストに重ねて充填し、さらにAl2O3のコート層2
4を積層する。
Then, first, the titania grain paste is filled in the window portion 18a by a thick film printing technique, and then a predetermined combination (see Table 1).
Then, the oxidation catalyst layer paste and the reduction catalyst layer paste are stacked and filled in the titania grain paste, and the Al 2 O 3 coating layer 2
Stack 4

その後、上記工程を終えた積層体を1200℃の大気中に1
時間放置して焼成する。(第5図(イ)、(ロ))。
After that, the laminated body that has undergone the above steps is placed in the atmosphere at 1200 ° C for 1
Let stand for time and bake. (Fig. 5 (a), (b)).

<実験> 還元触媒及び還元触媒を異なった層に担持させた場合
(実施例)について、下記のように応答速度、耐久性を
調べた。
<Experiment> When the reducing catalyst and the reducing catalyst were loaded on different layers (Example), the response speed and durability were examined as follows.

上記の工程において形成する還元触媒層と酸化触媒層
との組合せを第1表のように変えて本実施例の酸素ガス
検出器の試料を作成する。尚、第1表中で、Pt層は上記
の工程でPt黒を含む酸化触媒層ペーストを用いて形成
された酸化触媒層を示し、Pd層も同じくパラジウムを含
む酸化触媒層ペーストを用いて形成された酸化触媒層を
示し、Rh層も同じくロジウムを含む還元触媒ペーストを
用いて形成された還元触媒層を示し、Ru層も同じくルテ
ニウムを含む還元触媒ペーストを用いて形成された還元
触媒層を示す。
The combination of the reduction catalyst layer and the oxidation catalyst layer formed in the above steps is changed as shown in Table 1 to prepare a sample of the oxygen gas detector of this embodiment. In Table 1, the Pt layer indicates the oxidation catalyst layer formed by using the oxidation catalyst layer paste containing Pt black in the above process, and the Pd layer is also formed by using the oxidation catalyst layer paste containing palladium. Shows the oxidation catalyst layer, the Rh layer also shows a reduction catalyst layer formed by using a reduction catalyst paste containing rhodium, and the Ru layer also shows a reduction catalyst layer formed by using a reduction catalyst paste containing ruthenium. Show.

また比較例として、第1表に示すように、感ガス層のみ
の試料、チタニア中に還元触媒(ロジウム2重量%)と
酸化触媒(白金18重量%)とを担持した試料、上層が還
元触媒(ロジウム2重量%)と酸化触媒(白金18重量
%)との合金を担持した試料、上層が還元触媒(ロジウ
ム)層のみからなる試料、上層が酸化触媒(白金)のみ
からなる試料を作成し、実施例の試料と同じく応答性、
耐久性について調べた。
As a comparative example, as shown in Table 1, a sample having only a gas sensitive layer, a sample in which a reduction catalyst (rhodium 2% by weight) and an oxidation catalyst (platinum 18% by weight) are supported in titania, and an upper layer is a reduction catalyst. A sample carrying an alloy of (rhodium 2% by weight) and an oxidation catalyst (platinum 18% by weight), a sample having an upper layer consisting only of a reduction catalyst (rhodium), and a sample having an upper layer consisting only of an oxidation catalyst (platinum) were prepared. , The same responsiveness as the sample of the example,
The durability was investigated.

このようにして、作成した試料を酸素ガス検出器に組み
立たてた後に、次の実験によって各試料の非平衡ガスに
おける応答速度、耐久性を測定する。実験の結果も第1
表に合わせて示す。尚、第1表中において、応答速度の
単位はmsec、である。
After assembling the sample thus prepared in the oxygen gas detector, the response speed and durability of each sample in the non-equilibrium gas are measured by the following experiments. The result of the experiment is also the first
Shown according to the table. In Table 1, the unit of response speed is msec.

・非平衡ガス中における応答速度 排ガスが非平衡ガスであるプロパンガスバーナの排
ガス中に酸素ガス検出器として組み立てられた試料Sを
さらす。このプロパンガスバーナは排気温が350℃で、
かつ1秒毎に空気燃料比が燃料過剰(以下リッチとい
う、空気燃料比λ=0.9)と燃料不足(以下リーンとい
う、λ=1.1)との間で変化するよう制御されている。
この空燃比の変更は第6図に示すように、燃焼後の排気
温500℃の排ガス中に空気あるいはプロパンガスを添加
することによって行う。
-Response speed in non-equilibrium gas The sample S assembled as an oxygen gas detector is exposed to the exhaust gas of a propane gas burner whose exhaust gas is a non-equilibrium gas. This propane gas burner has an exhaust temperature of 350 ° C,
Moreover, the air-fuel ratio is controlled to change between the fuel excess (hereinafter referred to as rich, air fuel ratio λ = 0.9) and the fuel shortage (hereinafter referred to as lean λ = 1.1) every second.
This change of the air-fuel ratio is carried out by adding air or propane gas to the exhaust gas having an exhaust temperature of 500 ° C. after combustion, as shown in FIG.

排ガスが燃料過剰のときに酸素ガス検出器10の出力
が1V、リーンの時の出力が0Vとなるように、酸素ガス検
出器に加える電圧を調整する。
The voltage applied to the oxygen gas detector is adjusted so that the output of the oxygen gas detector 10 is 1 V when the exhaust gas is in excess of fuel and the output is 0 V when lean.

応答速度として、雰囲気がリーンからリッチに変わ
る時の酸素ガス検出器10の出力が300mVから600mVに変化
する時間(表中では1→rと記す)と、雰囲気がリッチ
からリーンに変わる時の出力が600mVから300mVに変化す
る時間(表中ではr→1と記す)を測定する。
As the response speed, the time when the output of the oxygen gas detector 10 changes from 300 mV to 600 mV when the atmosphere changes from lean to rich (indicated as 1 → r in the table), and the output when the atmosphere changes from rich to lean Is measured from 600 mV to 300 mV (r → 1 in the table).

・耐久性 酸素ガス検出器として組み立てられた試料を実車に
取り付け、所定の耐久パターンで運転し、運転の前後の
応答速度変化から耐久性を調べる。すなわち、酸素ガス
検出器Sは、第7図に示すように市販の2000ccのEFI付
3元触媒車のエンジンEngと3元触媒THCとの間の排気管
Manに取り付けられる。そして、制御ユニットUniは酸素
ガス検出器Sの出力に応じてエンジンの運転状態を制御
する。酸素ガス検出器Sの出力は第8図の如き回路で検
出される。ここで、Bは電源、Rcは比較抵抗である。
-Durability A sample assembled as an oxygen gas detector is attached to an actual vehicle, operated according to a specified durability pattern, and durability is examined from the change in response speed before and after operation. That is, as shown in FIG. 7, the oxygen gas detector S is an exhaust pipe between the engine Eng and the three-way catalyst THC of a commercially available 2000cc three-way catalyst vehicle with EFI.
Attached to Man. Then, the control unit Uni controls the operating state of the engine according to the output of the oxygen gas detector S. The output of the oxygen gas detector S is detected by the circuit as shown in FIG. Here, B is a power supply and Rc is a comparison resistance.

上記エンジンEngを、第9図に示す耐久パターンで3
00時間運転する。なお、図中の実線は試料の温度、破線
は排気ガスの温度を示している。
The engine Eng described above is used in the endurance pattern shown in FIG.
Drive for 00 hours. The solid line in the figure shows the temperature of the sample, and the broken line shows the temperature of the exhaust gas.

この運転の前後で、上述の応答速度を測定し、その変化
をもって耐久性の結果とする。すなわち、運転の前後
で、応答速度の変化の少ない試料ほど耐久性に優れてい
ると判定する。なお、第1表中では、運転前を初期、運
転後を耐久試験後と記す。
The response speed described above is measured before and after this operation, and the change is taken as the durability result. That is, it is determined that the sample having less change in response speed before and after the operation has more excellent durability. In Table 1, before operation is described as initial and after operation as after durability test.

上記実験から次のことが分かった。 From the above experiment, the following was found.

本実施例の酸素ガス検出器(試料番号6〜10)は、
比較例の酸素ガス検出器(試料番号1〜5)に比べ、耐
久性が優れる。特に比較例では、耐久試験後にリーンか
らリッチへの応答性が極度に低下するのに対し、本実施
例では応答性の低下は僅かである。これは、本実施例で
は、酸化触媒と還元触媒とが異なったそうに担持されて
おり、[発明が解決しようとする問題点]で述べた還元
触媒と酸化触媒との相互作用がないためであると思われ
る。
The oxygen gas detectors (sample numbers 6 to 10) of this example are
The durability is superior to the oxygen gas detectors (sample numbers 1 to 5) of the comparative example. Particularly, in the comparative example, the response from lean to rich is extremely reduced after the durability test, whereas in this example, the response is slightly reduced. This is because in the present example, the oxidation catalyst and the reduction catalyst were loaded differently, and there was no interaction between the reduction catalyst and the oxidation catalyst described in [Problems to be Solved by the Invention]. It appears to be.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の一実施例の部分破断斜視図、 第2図ないし第5図は実施例の製造の説明図、 第6図は応答性の試験に用いるプロパンガスバーナの説
明図、 第7図および第8図は酸素ガス検出器を内燃機関に使用
する耐久性試験の要領説明図、 第9図はその耐久パターン図である。 10……酸素ガス検出器、 12……セラミック基板、 16、16a、16b……検出用電極、 16e……熱抵抗電極、 18a……窓部、 18……セラミック積層板、 20……感ガス層、 22……球形造粒粒子、 24……上層、 24a……酸化触媒層、 24b……還元触媒層
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of an embodiment of the present invention, FIGS. 2 to 5 are illustrations of manufacturing of the embodiment, FIG. 6 is an illustration of a propane gas burner used for a response test, and FIG. FIG. 8 and FIG. 8 are explanatory views of the procedure of a durability test using an oxygen gas detector in an internal combustion engine, and FIG. 9 is a durability pattern diagram thereof. 10 ... Oxygen gas detector, 12 ... Ceramic substrate, 16, 16a, 16b ... Detection electrode, 16e ... Thermal resistance electrode, 18a ... Window, 18 ... Ceramic laminated plate, 20 ... Sensitive gas Layer, 22 ... Spherical granulated particles, 24 ... upper layer, 24a ... Oxidation catalyst layer, 24b ... Reduction catalyst layer

フロントページの続き (72)発明者 高見 昭雄 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭54−134697(JP,A)Front Page Continuation (72) Inventor Akio Takami 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya, Aichi Nihon Special Ceramics Co., Ltd. (56) Reference JP-A-54-134697 (JP, A)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】内燃機関の排気ガスの平衡状態における酸
素ガス成分の濃度を検出するための酸素ガス検出器であ
って、 一対の電極と、 該一対の電極を覆い、感ガス性金属酸化物を含み、周囲
の酸素ガス成分の濃度に応じて電気抵抗が変化する多孔
質の感ガス層と、 該感ガス層を覆う上層と、 を備え、 上記上層は、 還元反応を促進する触媒を担持した耐熱金属酸化物から
なる還元触媒層と、 酸化反応を促進する触媒を担持した耐熱金属酸化物から
なる酸化触媒層と が各々一層以上交互に積層されてなることを特徴とする
酸素ガス検出器。
1. An oxygen gas detector for detecting the concentration of an oxygen gas component in the equilibrium state of exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a pair of electrodes and a gas-sensitive metal oxide covering the pair of electrodes. And a porous gas-sensitive layer whose electric resistance changes according to the concentration of the surrounding oxygen gas component, and an upper layer that covers the gas-sensitive layer, the upper layer carrying a catalyst that promotes a reduction reaction. An oxygen gas detector characterized in that at least one reduction catalyst layer made of a refractory metal oxide and an oxidation catalyst layer made of a refractory metal oxide carrying a catalyst for promoting an oxidation reaction are alternately laminated. .
【請求項2】上記酸化反応を促進する触媒が、白金、パ
ラジウムおよび白金とパラジウムとの合金のいずれかで
ある特許請求の範囲第1項記載の酸素ガス検出器。
2. The oxygen gas detector according to claim 1, wherein the catalyst for promoting the oxidation reaction is any one of platinum, palladium, and an alloy of platinum and palladium.
【請求項3】上記還元反応を促進する触媒が、ロジウ
ム、ルテニウムおよびロジウムとルテニウムとの合金の
いずれかである特許請求の範囲第1項又は第2項記載の
酸素ガス検出器。
3. The oxygen gas detector according to claim 1 or 2, wherein the catalyst for promoting the reduction reaction is any one of rhodium, ruthenium and an alloy of rhodium and ruthenium.
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