JP3518792B2 - Exhaust gas sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
Exhaust gas sensor and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスセンサと
その製造方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an exhaust gas sensor and a method for manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】自動車等の排気ガスに含有される炭化水
素(以下、HCという)やCO、あるいは窒素酸化物
(以下、NOXという)等の被検出成分を検出するため
のセンサとして、例えば抵抗型センサが知られている。
これは、検出素子としてSnO2等の酸化物半導体が使
用され、被検出成分の吸着に伴う酸化物半導体の抵抗変
化に基づき、該被検出成分の排気ガス中の含有量を検出
するものである。また、これとは別に、ジルコニア素子
の両面にPt多孔質電極を形成するとともに一方の多孔
質電極を酸化触媒で覆った構造のCOセンサも提案され
ている。該センサにCOと酸素とを含有するガスを接触
させると、酸化触媒で覆わない側の電極ではCOの酸化
反応が起こり、電極電位はCO濃度の影響を受けた混成
電位となるのに対し、酸化触媒で覆った電極側ではCO
が完全に酸化されて、ガス中の酸素濃度に依存した電位
となる。そして、両電極間の電位差を出力として取り出
せば、これに基づいてガス中のCO濃度を知ることがで
きる。2. Description of the Related Art As a sensor for detecting a detected component such as hydrocarbon (hereinafter referred to as HC), CO, or nitrogen oxide (hereinafter referred to as NOx) contained in exhaust gas of automobiles, for example, a resistance is used. Type sensors are known.
In this method, an oxide semiconductor such as SnO 2 is used as a detection element, and the content of the detected component in exhaust gas is detected based on the resistance change of the oxide semiconductor due to adsorption of the detected component. . Separately, a CO sensor having a structure in which Pt porous electrodes are formed on both surfaces of a zirconia element and one porous electrode is covered with an oxidation catalyst has also been proposed. When a gas containing CO and oxygen is brought into contact with the sensor, an oxidation reaction of CO occurs at the electrode not covered with the oxidation catalyst, and the electrode potential becomes a mixed potential affected by CO concentration. CO on the electrode side covered with an oxidation catalyst
Are completely oxidized to a potential that depends on the oxygen concentration in the gas. Then, if the potential difference between both electrodes is taken out as an output, the CO concentration in the gas can be known based on this.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】まず、前者の抵抗型セ
ンサにおいては、酸化物半導体による検出素子の出力
が、排気ガス中に含有される酸素濃度により変化する特
性を有している。そのため、同じ汚染物質濃度に対して
も、排気ガス中の酸素濃度により検出出力値が変動して
しまう問題がある。そこで、例えば特開平5−1807
94等に開示されているように、固体電解質を用いたポ
ンプ素子により排気ガス中に酸素を送り込んでその濃度
を高め、ガス中の酸素濃度の相対的な変動を小さくする
ことにより検出精度を高める提案がなされている。しか
しながら、排気ガス中の酸素の濃度が大きく変化した場
合には、ポンプ素子からの酸素導入による相対濃度変動
の抑制効果が不十分となり、満足な検出精度が得られな
い欠点がある。一方、後者の混成電位を用いるタイプの
センサも、酸化触媒で覆った電極の電位がガス中の酸素
濃度に応じて変化するため、同様の問題が生ずる。First, the former resistance type sensor has a characteristic that the output of the detection element made of an oxide semiconductor changes depending on the concentration of oxygen contained in the exhaust gas. Therefore, even if the pollutant concentration is the same, there is a problem that the detected output value varies depending on the oxygen concentration in the exhaust gas. Therefore, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-1807
94, etc., oxygen is sent into the exhaust gas by a pump element using a solid electrolyte to increase its concentration, and the relative fluctuation of the oxygen concentration in the gas is reduced to improve detection accuracy. Proposals have been made. However, when the concentration of oxygen in the exhaust gas changes greatly, the effect of suppressing the relative concentration fluctuation due to the introduction of oxygen from the pump element becomes insufficient, and there is a drawback that satisfactory detection accuracy cannot be obtained. On the other hand, in the latter type of sensor using a mixed potential, the same problem occurs because the potential of the electrode covered with the oxidation catalyst changes according to the oxygen concentration in the gas.
【0004】本発明は、排気ガス中の酸素濃度が変化し
ても、その被検出成分の濃度を高精度で検出できる排気
ガスセンサとその製造方法とを提供することをその第一
の課題とする。また、センサの組立工程を省略又は簡略
化でき、センサの製造効率を高めることができる排気ガ
スセンサとその製造方法とを提供することをその第二の
課題とする。It is a first object of the present invention to provide an exhaust gas sensor which can detect the concentration of a component to be detected with high accuracy and a manufacturing method thereof even if the oxygen concentration in the exhaust gas changes. . It is a second object of the present invention to provide an exhaust gas sensor and a method for manufacturing the same that can omit or simplify the assembly process of the sensor and improve the manufacturing efficiency of the sensor.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段及び作用・効果】本発明
は、排気ガス中に含まれる被検出成分の検出を行うため
のセンサに関するものであり、その要部は下記のように
構成される。すなわち、該排気ガスセンサは、酸素イオ
ン伝導性固体電解質により構成され、その両面に電極が
形成された酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体
電解質により構成されて両面に電極が形成され、かつ酸
素濃淡電池素子との間において、被測定雰囲気からの排
気ガスの流通が許容された所定量の隙間が形成されるよ
うに、該酸素濃淡電池素子に対向配置されるとともに、
該酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が
減少する方向に、上記隙間に酸素を汲み込み又は該隙間
から酸素を汲み出す酸素ポンプ素子と、酸素ポンプ素子
と酸素濃淡電池素子との少なくとも一方を、予め定めら
れたセンサ作動温度に加熱する加熱素子とを備え、酸素
濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とが、隙間を生じさせた
状態で互いに積層された一体の焼成体として構成され
る。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to a sensor for detecting a component to be detected contained in exhaust gas, the main part of which is configured as follows. That is, the exhaust gas sensor is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, an oxygen concentration battery element having electrodes formed on both surfaces thereof, and an electrode formed on both surfaces composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and oxygen. Between the concentration cell element, so as to form a gap of a predetermined amount allowed to flow the exhaust gas from the atmosphere to be measured, while being arranged to face the oxygen concentration cell element,
An oxygen pump element that pumps oxygen into the gap or pumps oxygen from the gap in a direction in which the absolute value of the concentration battery electromotive force generated in the oxygen concentration battery element decreases; and an oxygen pump element and an oxygen concentration battery element. A heating element for heating at least one of them to a predetermined sensor operating temperature is provided, and the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element are configured as an integrated fired body that is laminated together in a state in which a gap is formed. .
【0006】上記排気ガスセンサの構成によれば、酸素
濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とは、互いに積層された
一体の焼成体として構成されるので、次のような効果が
達成され、
酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とが焼成と同時に
一体化されるので、焼成後の組立工程を省略又は簡略化
でき、センサの製造効率が高められる。
例えば酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とをそれぞ
れ別々に焼成し、該焼成後に貼合わせ等により一体化す
る構成の場合、素子の焼成時の変形等により隙間の形成
量を一定にすることが困難となり、センサ個体間で出力
レベルのばらつきを生ずる場合がある。しかしながら、
上記焼成により一体化する構成では、隙間の形成量を制
御しやすいので、そのような問題を生じにくい。
酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とは、センサのコ
ンパクト化のため、薄板状(例えば、厚さ1mm以下、具
体的には0.2〜0.4mm)に形成した場合、焼成後の
貼合わせ等で一体化する構成では、機械的強度、例えば
耐衝撃性が不足して、素子に割れやクラックが生じやす
くなる場合がある。しかしながら、それらを焼成により
一体化することで素子が相互に補強し合い、機械的強度
を向上させることができる。According to the structure of the above exhaust gas sensor, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are constituted as an integrated fired body laminated on each other, so that the following effects can be achieved. Since the oxygen pump element and the oxygen pump element are integrated at the same time as firing, the assembly process after firing can be omitted or simplified, and the manufacturing efficiency of the sensor can be improved. For example, in the case of a structure in which the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are separately fired and then integrated by bonding or the like after the firing, it is difficult to make the gap formation amount constant due to deformation during firing of the element. Therefore, the output level may vary among the individual sensors. However,
In the configuration in which the above-mentioned firing is integrated, it is easy to control the amount of formation of the gap, and therefore such a problem is unlikely to occur. When the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are formed in a thin plate shape (for example, a thickness of 1 mm or less, specifically 0.2 to 0.4 mm) to make the sensor compact, they are laminated after firing. In a configuration in which the elements are integrated with each other, mechanical strength, for example, impact resistance may be insufficient, and the element may be easily cracked or cracked. However, by integrating them by firing, the elements reinforce each other and the mechanical strength can be improved.
【0007】上述のような一体化構造は、例えば次のよ
うな製法により能率的に得ることができる。まず、酸素
濃淡電池素子となるべき第一のセラミック粉末成形体の
両面に、電極となるべき電極パターンを電極材料粉末ペ
ーストを用いて印刷形成し、また、酸素ポンプ素子とな
るべき第二のセラミック粉末成形体の両面にも同様に電
極パターンを印刷形成する。次に、それら第一及び第二
のセラミック粉末成形体を、第一電極及び第二電極とな
るべき電極パターン同士が互い対向し、かつその対向す
る電極パターンの間に隙間が形成されるように互いに積
層する。そして、その積層体を焼成することにより、互
いに一体化された酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子
とを得る。The integrated structure as described above can be efficiently obtained, for example, by the following manufacturing method. First, an electrode pattern to be an electrode is formed by printing using an electrode material powder paste on both surfaces of a first ceramic powder molded body to be an oxygen concentration battery element, and a second ceramic to be an oxygen pump element is formed. Similarly, electrode patterns are printed on both surfaces of the powder compact. Next, the first and second ceramic powder compacts are formed so that the electrode patterns to be the first electrode and the second electrode face each other, and a gap is formed between the facing electrode patterns. Stack on top of each other. Then, the laminated body is fired to obtain an oxygen concentration battery element and an oxygen pump element which are integrated with each other.
【0008】酸素ポンプ素子及び酸素濃淡電池素子は、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成され
る。そのような固体電解質としては、Y2O3ないしCa
Oを固溶させたZrO2が代表的なものであるが、それ
以外のアルカリ土類金属元素ないし希土類金属元素の酸
化物とZrO2との固溶体を使用してもよい。また、ベ
ースとなるZrO2にはHfO2が含有されていてもよ
い。The oxygen pump element and the oxygen concentration cell element are
It is composed of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. As such a solid electrolyte, Y 2 O 3 or Ca can be used.
ZrO 2 in which O is solid-dissolved is a typical one, but a solid solution of ZrO 2 with an oxide of another alkaline earth metal element or rare earth metal element may be used. Moreover, HfO 2 may be contained in the base ZrO 2 .
【0009】また、本発明の排気ガスセンサは、より具
体的には以下のように構成することができる。すなわ
ち、該排気ガスセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質
により構成され、その両面に酸素透過性を有する電極が
形成された酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体
電解質により構成されて両面に酸素透過性を有する電極
が形成され、かつ酸素濃淡電池素子との間に排気ガスの
流通が許容された所定量の隙間が形成されるように、該
酸素濃淡電池素子に対向配置された酸素ポンプ素子と、
酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との少なくとも一方
を、予め定められたセンサ作動温度に加熱する加熱素子
とを備える。酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池素子に生
ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向に、上記隙
間に酸素を汲み込み又は該隙間から酸素を汲み出す働き
をなす。一方、上記隙間と、酸素濃淡電池素子を挟んで
これと反対側の空間(反対空間)とには、それぞれ被検
出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入される。Further, the exhaust gas sensor of the present invention can be more specifically configured as follows. That is, the exhaust gas sensor is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and an oxygen concentration battery element in which electrodes having oxygen permeability are formed on both surfaces thereof, and an oxygen ion conductive solid electrolyte, and oxygen permeation of both surfaces is performed. And an oxygen pump element disposed opposite to the oxygen concentration battery element so that a predetermined amount of clearance is formed between the oxygen concentration battery element and the oxygen concentration battery element, which allows the exhaust gas to flow therethrough. ,
A heating element for heating at least one of the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element to a predetermined sensor operating temperature is provided. The oxygen pump element has a function of pumping oxygen into the gap or pumping oxygen from the gap in a direction in which the absolute value of the concentration battery electromotive force generated in the oxygen concentration battery element decreases. On the other hand, exhaust gas containing a component to be detected and oxygen is introduced into the gap and a space (opposite space) on the opposite side of the oxygen concentration battery element.
【0010】また、酸素ポンプ素子の隙間側の電極を第
一電極、酸素濃淡電池素子の隙間側の電極を第二電極、
酸素濃淡電池素子の反対空間側の電極を第三電極とし
て、隙間と反対空間とに導入された排気ガス中の被検出
成分は、少なくともそれら隙間と反対空間との一方にお
いて、第一〜第三電極の少なくともいずれかを酸化触媒
として排気ガス中の酸素と反応することにより消費され
るとともに、隙間と反対空間との間で酸素との反応によ
る被検出成分の消費量に差が生じるように、それら第一
〜第三電極の被検出成分と酸素との反応に対する触媒活
性が調整される。そして、酸素濃淡電池素子の濃淡電池
起電力が、予め定められた起電力目標値ECに到達した
ときの酸素ポンプ素子に流れる電流値を、排気ガス中の
被検出成分の濃度を反映した情報として取り出すととも
に、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とが、第一電極
と第二電極との間に隙間を生じさせた状態で互いに積層
された一体の焼成体として構成される。The electrode on the gap side of the oxygen pump element is the first electrode, the electrode on the gap side of the oxygen concentration battery element is the second electrode,
With the electrode on the opposite space side of the oxygen concentration battery element as the third electrode, the components to be detected in the exhaust gas introduced into the gap and the opposite space are at least in one of the gap and the opposite space, the first to third parts. It is consumed by reacting at least one of the electrodes with oxygen in the exhaust gas as an oxidation catalyst, and there is a difference in the consumption amount of the detected component due to the reaction with oxygen between the gap and the opposite space, Catalytic activity for the reaction between the detected components of the first to third electrodes and oxygen
Sex is adjusted. Then, the concentration battery electromotive force of the oxygen concentration battery element, the current value flowing in the oxygen pump element when reaching the predetermined electromotive force target value E C, as the information that reflects the concentration of the detected component in the exhaust gas When taken out, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are configured as an integrated fired body that is laminated on each other with a gap formed between the first electrode and the second electrode.
【0011】上述のように構成された排気ガスセンサで
は、酸素濃淡電池素子を挟んで上記隙間と反対空間側と
に被検出成分と酸素とを含有した排気ガスが導入され、
隙間に面する側に配置された第一及び第二電極と、反対
空間側に配置された第三電極の酸化触媒としての活性
が、上記隙間側と反対空間側とで被検出成分の酸化によ
る消費量に差が生ずるように調整されており、被検出成
分が多く消費される側では酸素も多く消費されることと
なる。これにより、酸素濃淡電池素子の両側には酸素濃
度差が生じ、それに基づく濃淡電池起電力が発生するこ
ととなる。酸素ポンプ素子は、例えば隙間側が低酸素濃
度側となる場合には該隙間に酸素を汲み込み、逆に高酸
素濃度側となる場合には該隙間から酸素を汲み出して、
上記濃淡電池起電力を起電力目標値ECになるように制
御する。In the exhaust gas sensor constructed as described above, the exhaust gas containing the component to be detected and oxygen is introduced into the space opposite to the space with the oxygen concentration cell element interposed therebetween.
The activity of the first and second electrodes arranged on the side facing the gap as the oxidation catalyst of the third electrode arranged on the opposite space side is due to the oxidation of the component to be detected on the gap side and the opposite space side. The amounts of consumption are adjusted so that there is a difference, and oxygen is also consumed in large amounts on the side where the detected components are consumed in large amounts. As a result, a difference in oxygen concentration occurs on both sides of the oxygen concentration cell element, and concentration cell electromotive force is generated based on the difference. The oxygen pump element pumps oxygen into the gap when the gap side is on the low oxygen concentration side, and pumps oxygen out of the gap when the gap side is on the high oxygen concentration side,
The concentration battery electromotive force is controlled to reach the electromotive force target value EC.
【0012】そして、濃淡電池起電力が起電力目標値E
Cに到達したときの酸素ポンプ素子に流れる電流(以
下、ポンプ電流という)は、排気ガス中の被検出成分の
濃度値をほぼ反映した値となることから、これに基づい
て上記被検出成分の濃度を検出することができる。ま
た、上記ポンプ電流の値は、排気ガス中の被検出成分の
濃度が変化しない限り、排気ガス中の酸素濃度の影響を
ほとんど受けず、また、被検出成分の濃度変化に対する
ポンプ電流の値の変化もほぼ直線的となる。これによ
り、酸素濃度が所定の範囲で変化しても、排気ガス中の
被検出成分の濃度を精度よく検出することができる。ま
た、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とが、互いに積
層された一体の焼成体として構成されるので、前述の
〜の効果も合わせて達成することができる。The concentration battery electromotive force is the electromotive force target value E.
The current that flows through the oxygen pump element when it reaches C (hereinafter referred to as the pump current) is a value that almost reflects the concentration value of the detected component in the exhaust gas. The concentration can be detected. Further, the value of the pump current is hardly affected by the oxygen concentration in the exhaust gas unless the concentration of the detected component in the exhaust gas changes, and the value of the pump current for the change in the concentration of the detected component is The change is also almost linear. As a result, even if the oxygen concentration changes within a predetermined range, the concentration of the component to be detected in the exhaust gas can be accurately detected. In addition, since the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are configured as an integrated fired body that is laminated on each other, the above-mentioned effects (1) to (3) can also be achieved.
【0013】酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との間
に形成される隙間の大きさは、例えば1mm以下に設定す
るのがよい。隙間の大きさが1mmを超えると、隙間によ
る新たな排気ガスの流入規制効果が小さくなり、センサ
の検出精度が低下する場合がある。また、第一電極の面
積Spと第二電極の面積Ssとの比をSp/Ssを1以上と
すれば、第二電極付近の酸素濃度を一定にすることがで
き、ひいてはセンサ出力の精度及び安定性を向上させる
ことができる。The size of the gap formed between the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element is preferably set to, for example, 1 mm or less. If the size of the gap exceeds 1 mm, the effect of restricting the inflow of new exhaust gas due to the gap becomes small, and the detection accuracy of the sensor may deteriorate. Further, if the ratio of the area Sp of the first electrode to the area Ss of the second electrode is set to Sp / Ss of 1 or more, the oxygen concentration in the vicinity of the second electrode can be made constant, and thus the accuracy of the sensor output and The stability can be improved.
【0014】さて、上記構成の排気ガスセンサにおいて
は、酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力の絶対値が10
mV以下に設定された起電力目標値ECに到達したとき
の、上記酸素ポンプ素子に流れる電流値を、排気ガス中
の被検出成分の濃度を反映した情報として取り出すこと
ができる。In the exhaust gas sensor having the above structure, the absolute value of the concentration cell electromotive force of the oxygen concentration cell element is 10%.
The current value flowing through the oxygen pump element when the electromotive force target value E C set to mV or less is reached can be taken out as information that reflects the concentration of the detected component in the exhaust gas.
【0015】一方、酸素を1体積%以上含有し、かつセ
ンサ作動温度において酸素と反応する成分を実質的に含
有しない試験ガスを上記隙間及び反対空間に導入したと
きの、酸素濃淡電池素子に生ずるオフセット起電力の絶
対値をEOS(単位:mV)とし、これに対応して起電力
目標値ECが(EOS−5)mV以上(EOS+5)mV以
下の範囲内で設定されるとともに、酸素濃淡電池素子の
濃淡電池起電力の絶対値が上記起電力目標値ECに到達
したときの酸素ポンプ素子に流れる電流値を、排気ガス
中の被検出成分の濃度を反映した情報として取り出すこ
ともできる。On the other hand, when a test gas containing 1% by volume or more of oxygen and containing substantially no component that reacts with oxygen at the sensor operating temperature is introduced into the gap and the opposite space, the oxygen-concentrated battery element is produced. The absolute value of the offset electromotive force is EOS (unit: mV), and the electromotive force target value EC is set in the range of (EOS-5) mV or more and (EOS + 5) mV or less, and the oxygen concentration battery The current value flowing in the oxygen pump element when the absolute value of the concentration battery electromotive force of the element reaches the electromotive force target value EC can be taken out as information reflecting the concentration of the detected component in the exhaust gas.
【0016】例えば、酸素濃淡電池素子を挟んで隙間側
と反対空間側とで、酸素濃度が互いに等しくなるよう
に、酸素ポンプ素子による隙間への酸素の汲み込みない
しは汲み出しを行うようにすれば、それら両空間での被
検出成分の消費量の差に対し、ポンプ電流が直接的に対
応することになるから、被検出成分の濃度をさらに精度
よく検出することができ、また検出結果の解析も容易と
なる。この場合、酸素濃淡電池素子の両側の酸素濃度が
等しくなれば、濃淡電池起電力は理論上は0となるか
ら、酸素ポンプ素子は、該濃淡電池起電力が0となるよ
うに隙間に対する酸素の汲み込みないしは汲み出しを行
うこととなる。しかしながら、酸素濃淡電池素子の両側
の酸素濃度が等しくなっても、通常は、酸素濃淡電池素
子の起電力は0にはならず、一定のオフセット起電力が
残ることが多い。For example, if oxygen is pumped into or out of the gap by the oxygen pump element so that the oxygen concentration becomes equal to each other between the gap side and the opposite space side with the oxygen concentration battery element sandwiched therebetween, Since the pump current directly corresponds to the difference in the consumption amount of the detected component in the two spaces, the concentration of the detected component can be detected more accurately, and the detection result can be analyzed. It will be easy. In this case, if the oxygen concentrations on both sides of the oxygen concentration cell element are equal, the concentration cell electromotive force is theoretically 0. Therefore, the oxygen pump element uses oxygen to the gap so that the concentration cell electromotive force is 0. It will be pumped in or pumped out. However, even if the oxygen concentrations on both sides of the oxygen concentration battery element become equal, the electromotive force of the oxygen concentration battery element usually does not become zero, and a constant offset electromotive force often remains.
【0017】本発明者らは、一般に使用されているほと
んどの酸素イオン伝導性固体電解質について、該固体電
解質により酸素濃淡電池素子を構成した場合のオフセッ
ト起電力の絶対値が10mV以下の範囲に収まっている
ことに着眼するとともに、本発明の排気ガスセンサの第
一の構成において、起電力目標値ECを10mV以下に
設定し、濃淡電池起電力の絶対値が該起電力目標値EC
に到達したときの酸素ポンプ素子に流れる電流値を検出
信号として採用することで、排気ガス中の被検出成分の
濃度を正確に検出できることを見い出したのである。な
お、測定雰囲気の酸素濃度範囲が判っている場合は、そ
の範囲の最大酸素濃度におけるオフセット起電力を起電
力目標値とするのが望ましい。The present inventors have found that for most of the commonly used oxygen ion conductive solid electrolytes, the absolute value of the offset electromotive force is within the range of 10 mV or less when the oxygen concentration battery element is formed of the solid electrolyte. In the first configuration of the exhaust gas sensor of the present invention, the electromotive force target value EC is set to 10 mV or less, and the absolute value of the concentration battery electromotive force is the electromotive force target value EC.
It has been found that the concentration of the component to be detected in the exhaust gas can be accurately detected by adopting the value of the current flowing through the oxygen pump element when it reaches the detection signal as the detection signal. When the oxygen concentration range of the measurement atmosphere is known, it is desirable to set the offset electromotive force at the maximum oxygen concentration within that range as the electromotive force target value.
【0018】一方、本発明者らは鋭意検討の結果、次の
ことを見い出し、本発明の第二の構成を完成するに至っ
たのである。すなわち、酸素濃淡電池素子のオフセット
起電力が、検出に係る排気ガス中の酸素濃度が低くなる
ほど変動しやすくなり、一定以下の酸素濃度におけるオ
フセット起電力を基準として起電力目標値ECを設定す
ると、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度の影響を受け
やすくなる。そしてこれを解決するためには、酸素を1
体積%以上含有し、かつセンサ作動温度において酸素と
反応する成分を実質的に含有しない試験ガスを隙間及び
反対空間に導入したときの、酸素濃淡電池素子に生ずる
オフセット起電力の絶対値をEOS(単位:mV)とし、
これを基準として起電力目標値ECを(EOS−5.0)
mV以上(EOS+5.0)mV以下の範囲内で設定する
ことが有効となる。そして、起電力目標値ECを上記範
囲で設定することで、排気ガス中の酸素濃度の影響を受
けない、より安定したセンサ出力を得ることができる。
この場合、起電力目標値ECは、なるべくEOSに近い値
として設定することが、センサの検出精度を高める上で
望ましい。なお、EOSを決定するための試験ガス中の酸
素濃度は、望ましくは10%以上のものを使用するか、
あるいは大気を使用するのがよい。また、起電力目標値
ECを、第一の構成と同様に10mV以下に設定するこ
とにより、より安定で精度の高いセンサ出力を得ること
ができる。On the other hand, as a result of earnest studies, the present inventors have found the following, and have completed the second constitution of the present invention. That is, the offset electromotive force of the oxygen concentration battery element is more likely to fluctuate as the oxygen concentration in the exhaust gas relating to detection becomes lower, and when the electromotive force target value EC is set on the basis of the offset electromotive force at a certain oxygen concentration or less, The sensor output is easily affected by the oxygen concentration in the exhaust gas. And in order to solve this, 1 oxygen
The absolute value of the offset electromotive force generated in the oxygen concentration cell element when the test gas containing at least volume% and containing substantially no component that reacts with oxygen at the sensor operating temperature is introduced into the gap and the opposite space is EOS ( Unit: mV),
Based on this, the electromotive force target value EC is (EOS-5.0)
It is effective to set within the range of mV or more (EOS + 5.0) mV or less. By setting the electromotive force target value E C within the above range, a more stable sensor output that is not affected by the oxygen concentration in the exhaust gas can be obtained.
In this case, it is desirable to set the electromotive force target value EC as a value as close to EOS as possible in order to improve the detection accuracy of the sensor. The oxygen concentration in the test gas for determining EOS is preferably 10% or more.
Alternatively, it is better to use the atmosphere. Further, by setting the electromotive force target value E C to 10 mV or less as in the first configuration, it is possible to obtain a more stable and highly accurate sensor output.
【0019】本発明の排気ガスセンサは、例えばガソリ
ンエンジンの酸化触媒コンバータ、あるいは三元触媒コ
ンバータの下流側に配置され、該コンバータ中の三元触
媒の劣化を検知するものとして構成することができる。
この場合、排気ガス中の酸素は、上流側の触媒において
COあるいはHCの酸化のためにかなりの部分が消費さ
れた状態で、排気ガスセンサに導入されることとなる。
この場合、検出に係る排気ガス中の酸素濃度は、おおむ
ね5000ppm以下のレベルとなっていることから、
排気ガスセンサとしては、酸素濃度が上述のように低い
領域で被検出成分を精度よく検出できるように構成する
ことが望ましい。そのためには、例えば酸素濃度が10
0ppmに対応するセンサ出力をQ100とし、1000
ppmに対応するセンサ出力をQ1000として、出力変化
率Δ(%)={|Q100−Q1000|/Q100}×100が
±30%以下、より望ましくは±10%以下となるよう
に、前述の起電力目標値ECを設定するのがよい。The exhaust gas sensor of the present invention may be arranged, for example, on the downstream side of an oxidation catalytic converter or a three-way catalytic converter of a gasoline engine to detect deterioration of the three-way catalyst in the converter.
In this case, the oxygen in the exhaust gas is introduced into the exhaust gas sensor in a state where a considerable part of the oxygen is consumed by the oxidation of CO or HC in the upstream catalyst.
In this case, the oxygen concentration in the exhaust gas for detection is approximately 5000 ppm or less,
It is desirable that the exhaust gas sensor be configured so that the detected component can be accurately detected in the region where the oxygen concentration is low as described above. For that purpose, for example, the oxygen concentration is 10
The sensor output corresponding to 0 ppm is Q100, 1000
When the sensor output corresponding to ppm is Q1000, the output change rate Δ (%) = {| Q100−Q1000 | / Q100} × 100 becomes ± 30% or less, more preferably ± 10% or less, and It is preferable to set the electric power target value EC.
【0020】なお、参考技術として、酸化触媒活性の異
なる電極を酸素濃淡電池素子の両面に形成し、その一方
の側に一定量の隙間を形成した状態で酸素ポンプ素子を
対向配置したタイプのセンサとしては、例えば特開昭6
1−95243号公報に開示された空燃比センサがあ
る。しかしながら、上記公報のセンサは、混合気中のC
OあるいはHC等の燃焼成分濃度と酸素濃度との比を空
燃比として検出するためのものであり、排気ガス中の被
検出成分の量を、該排気ガス中の酸素濃度とは無関係に
検出する本発明のセンサとは、根本的にその目的及び作
用・効果が異なるものである。そして、その当然の帰結
として本発明の排気ガスセンサは、酸素濃淡電池素子に
対する起電力目標値ECが、上記公報の空燃比センサと
は異なる上記本発明特有の使用目的に適合するように設
定され、また酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池素子の起
電力を該起電力目標値ECに近付けるように作動すると
いう、上記公報技術には全く開示されていない特徴を有
しているのである。As a reference technique, a sensor of a type in which electrodes having different oxidation catalyst activities are formed on both sides of an oxygen concentration battery element, and oxygen pump elements are arranged to face each other with a certain amount of gap formed on one side thereof. For example, Japanese Patent Laid-Open No.
There is an air-fuel ratio sensor disclosed in Japanese Patent Publication No. 1-95243. However, the sensor disclosed in the above-mentioned publication uses C in the air-fuel mixture.
This is for detecting the ratio between the concentration of the combustion component such as O or HC and the oxygen concentration as an air-fuel ratio, and detects the amount of the component to be detected in the exhaust gas regardless of the oxygen concentration in the exhaust gas. The sensor of the present invention is fundamentally different in its purpose, action and effect. And, as a natural consequence thereof, the exhaust gas sensor of the present invention is set so that the electromotive force target value E C for the oxygen concentration battery element is adapted to the purpose of use peculiar to the present invention different from the air-fuel ratio sensor of the above publication, Further, the oxygen pump element has a feature that is not disclosed at all in the technology of the above publication, that it operates so as to bring the electromotive force of the oxygen concentration battery element closer to the electromotive force target value EC.
【0021】次に、上記排気ガスセンサは、酸素濃淡電
池素子及び酸素ポンプ素子の少なくともいずれかに対
し、隙間とは反対側に加熱素子が積層され、それら酸素
濃淡電池素子と、酸素ポンプ素子と、加熱素子とが、互
いに積層された一体の焼成体として構成することができ
る。これにより、加熱素子も含めてセンサの組立工程を
簡略化でき、また、センサ全体をよりコンパクトに構成
できるほか、一体化された加熱素子による補強効果によ
り、センサ全体の機械的強度をさらに向上させることが
できる。Next, in the exhaust gas sensor, a heating element is laminated on the opposite side of the gap to at least one of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, and the oxygen concentration battery element, the oxygen pump element, and The heating element and the heating element can be configured as an integral fired body that is laminated on each other. As a result, the sensor assembly process including the heating element can be simplified, the entire sensor can be made more compact, and the reinforcing effect of the integrated heating element further improves the mechanical strength of the entire sensor. be able to.
【0022】上記構成のセンサは、前述の方法におい
て、第一及び第二のセラミック粉末成形体の少なくとも
いずれかに対し、隙間とは反対側に加熱素子となるべき
第三のセラミック粉末成形体を積層し、その積層体を焼
成することにより、互いに一体化された酸素濃淡電池素
子、酸素ポンプ素子及び加熱素子を得るようにすること
で、能率的に製造することができる。In the sensor having the above structure, in the above-mentioned method, a third ceramic powder compact is provided on the opposite side of the gap to at least one of the first and second ceramic powder compacts. By stacking and firing the stacked body to obtain an oxygen concentration battery element, an oxygen pump element and a heating element which are integrated with each other, it is possible to efficiently manufacture.
【0023】本発明の排気ガスセンサにおいて、前述の
隙間は、例えば酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との
積層体側縁に形成された連通部において外側空間と連通
するように構成することができる。これにより連通部か
ら上記隙間に対し、排気ガスをスムーズに導入すること
ができる。この場合、その連通部は、上記隙間と外側空
間との間で気体の流通を許容する多孔質セラミック体に
より構成することができる。こうすれば、排気ガス中に
含まれる煤や油滴等の汚れ粒子が隙間に侵入しにくくな
り、ひいては隙間に面している第一ないし第二電極の、
上記汚れ粒子の付着に伴う劣化を防止ないし抑制するこ
とができる。この場合、多孔質セラミック体による連通
部を形成する方法としては、前述の方法において第一及
び第二のセラミック粉末成形体の間に、該連通部となる
べき連通部パターンを、多孔質セラミック粉末(例えば
多孔質Al2O3粉末)又は焼成後に多孔質セラミック体
となる粉末混合物等からなるペーストを用いて印刷等に
より形成する形で挟み込み、これを一体焼成する方法を
例示することができる。In the exhaust gas sensor of the present invention, the above-mentioned gap may be configured to communicate with the outer space at a communication portion formed at the side edge of the stack of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, for example. This allows the exhaust gas to be smoothly introduced from the communication portion into the gap. In this case, the communicating portion can be formed of a porous ceramic body that allows the gas to flow between the gap and the outer space. This makes it difficult for dirt particles such as soot and oil droplets contained in the exhaust gas to enter the gap, and thus the first or second electrode facing the gap,
It is possible to prevent or suppress the deterioration due to the attachment of the dirt particles. In this case, as a method of forming the communicating portion by the porous ceramic body, the communicating portion pattern to be the communicating portion is formed between the first and second ceramic powder compacts in the above-described method by forming the porous ceramic powder. An example is a method in which a paste made of (for example, porous Al 2 O 3 powder) or a powder mixture that becomes a porous ceramic body after firing is sandwiched in a form formed by printing or the like, and this is integrally fired.
【0024】次に、上記隙間において酸素濃淡電池素子
と酸素ポンプ素子との間には、該隙間に対する気体の出
入りを妨げない状態で、該隙間の間隔を規定する支柱部
を形成することができる。例えば、酸素濃淡電池素子と
酸素ポンプ素子とを板状に形成する場合、前述の第一及
び第二のセラミック粉末成形体として、セラミック粉末
と有機バインダとを混練してシート状に成形した、いわ
ゆるセラミックグリーンシートが使用されることが多
い。この場合、隙間を形成した状態で積層されたセラミ
ックグリーンシートが焼成時に変形して隙間側に垂れ下
がり、最終的に形成される隙間の量がばらついたり、甚
だしい場合には隙間が潰れて上下の電極が接触してしま
ったりするトラブルが生ずる場合がある。そこで、上述
のように、隙間の間隔を規定する支柱部を酸素濃淡電池
素子と酸素ポンプ素子との間に形成しておけば、所期の
大きさの隙間を安定して形成することができ、ひいては
隙間量のばらつきに伴うセンサ個体間の出力ばらつきと
いった問題を生じにくくすることができる。Next, in the gap, between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, a column portion can be formed which defines the gap between the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element without hindering gas from entering and leaving the gap. . For example, when the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are formed in a plate shape, the first and second ceramic powder molded bodies described above are kneaded with a ceramic powder and an organic binder and molded into a sheet shape, so-called. Ceramic green sheets are often used. In this case, the ceramic green sheets laminated with a gap formed are deformed during firing and hang down toward the gap side, and the amount of the finally formed gap fluctuates, or in extreme cases, the gap is crushed and the upper and lower electrodes are crushed. There may be problems such as contact with. Therefore, as described above, by forming the column portion that defines the gap between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, it is possible to stably form a gap of a desired size. As a result, it is possible to prevent problems such as output variations among the individual sensors due to variations in the gap amount.
【0025】上記支柱部は、次のような方法により効率
的に形成することができる。すなわち、第一及び第二の
セラミック粉末成形体の少なくともいずれかに対し、上
記隙間に対応する領域内に、セラミック粉末を用いて支
柱部となるべき支柱部パターンを形成する。次いで、そ
れら第一及び第二のセラミック粉末成形体を、支柱部パ
ターンが形成された側において隙間が形成されるように
互いに積層する。そして、その積層体を焼成することに
より、酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子との間に、
上記支柱部パターンに基づく支柱部を形成する。支柱部
パターンは、セラミック粉末成形体(例えばセラミック
グリーンシート)の配置、あるいはセラミック粉末ペー
ストを用いたパターン印刷等により形成することができ
る。The pillars can be efficiently formed by the following method. That is, a pillar portion pattern to be a pillar portion is formed by using the ceramic powder in at least one of the first and second ceramic powder compacts in a region corresponding to the gap. Next, the first and second ceramic powder compacts are laminated with each other so that a gap is formed on the side where the strut pattern is formed. Then, by firing the laminate, between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element,
A pillar portion based on the pillar pattern is formed. The pillar pattern can be formed by arranging a ceramic powder compact (for example, a ceramic green sheet) or by pattern printing using a ceramic powder paste.
【0026】支柱部は、具体的には、隙間の形成領域内
に散点状あるいは千鳥状に分散して形成したり、あるい
は酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との積層方向と交
差する向きにおいて、上記隙間を2以上の空間に仕切る
仕切り壁状に形成することができる。なお、支柱部の材
質としては、酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子と同
一材質のセラミック材料(すなわち、酸素イオン導電性
固体電解質セラミック)で構成しても、異なる材質のセ
ラミック材料(例えば、Al2O3(多孔質体を含む))
で構成してもいずれでもよいが、焼成により酸素濃淡電
池素子及び酸素ポンプ素子と一体化し得る材質のもので
構成することが特に好ましい。Specifically, the supporting columns are formed in a dispersed manner in a spot-like or staggered manner in the gap forming region, or in a direction intersecting the stacking direction of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. It is possible to form the partition into a partition wall shape that partitions the gap into two or more spaces. In addition, as the material of the supporting column, even if it is made of the same ceramic material as the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element (that is, oxygen ion conductive solid electrolyte ceramic), a different ceramic material (for example, Al 2 O 3 (including porous material))
However, it is particularly preferable to use a material that can be integrated with the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element by firing.
【0027】次に、酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素
子は、それぞれ横長の板状に構成してこれを互いに対向
配置することができる。この場合、第一〜第三電極はそ
れら酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子の板面長手方
向における一方の端部側に形成することができる。ま
た、同じくその板面長手方向における他方の端部側にお
いてそれら酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子の間に
は、隙間の間隔とほぼ同厚さのスペーサ部を介挿し、該
スペーサ部と酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子とを
焼成により互いに一体化する構成とすることができる。
酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子との間にスペーサ
部を配置することにより、必要な隙間を容易に形成でき
る他、スペーサ部を一体化することで板状の酸素濃淡電
池素子及び酸素ポンプ素子を補強でき、ひいてはセンサ
の機械的強度を向上させることができる。Next, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element can be formed in a horizontally long plate shape and can be arranged to face each other. In this case, the first to third electrodes can be formed on one end side in the plate surface longitudinal direction of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. Similarly, on the other end side in the longitudinal direction of the plate surface, between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, a spacer portion having substantially the same thickness as the gap is inserted, and the spacer portion and the oxygen concentration element are inserted. The battery element and the oxygen pump element can be integrated with each other by firing.
By arranging the spacer portion between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, a necessary gap can be easily formed, and by integrating the spacer portion, a plate-shaped oxygen concentration battery element and an oxygen pump element can be formed. It can be reinforced, and thus the mechanical strength of the sensor can be improved.
【0028】このような構成の排気ガスセンサは、下記
のような方法により効率的に製造することができる。す
なわち、前述の方法において、第一及び第二のセラミッ
ク粉末成形体を、それぞれ横長の板状に形成して互いに
対向配置し、電極パターンをそれら第一及び第二のセラ
ミック粉末成形体の板面長手方向における一方の端部側
に形成する。また、板面長手方向における他方の端部側
においてそれら第一及び第二のセラミック粉末成形体の
間に、スペーサ部となるべきスペーサ成形体を介挿す
る。そして、それらスペーサ成形体と第一及び第二のセ
ラミック粉末成形体との積層体を焼成することにより、
酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子とを、該スペーサ成
形体に基づくスペーサ部を介して互いに接合・一体化す
る。The exhaust gas sensor having such a structure can be efficiently manufactured by the following method. That is, in the above-mentioned method, the first and second ceramic powder compacts are respectively formed in the shape of a horizontally long plate and are arranged to face each other, and the electrode patterns are arranged on the plate surfaces of the first and second ceramic powder compacts. It is formed on one end side in the longitudinal direction. Further, a spacer compact to be a spacer portion is inserted between the first and second ceramic powder compacts on the other end side in the plate surface longitudinal direction. Then, by firing a laminate of the spacer compact and the first and second ceramic powder compacts,
The oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are joined and integrated with each other via a spacer portion based on the spacer molded body.
【0029】この場合、該隙間には前述の支柱部を形成
すると、隙間寸法精度を向上させることができる。ま
た、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との間には、そ
の長手方向において隙間に関してスペーサ部と反対位置
に補助スペーサ部を介挿する構成とすることもできる。
こうすれば、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との隙
間形成部分が、その長手方向においてスペーサ部と補助
スペーサ部とにより両側で支持されるので、隙間部分に
おけるセンサの機械的強度を大幅に向上させることがで
きる。一方、隙間の周縁の一部、例えば酸素濃淡電池素
子と酸素ポンプ素子の板幅方向両側の側縁部に沿うよう
に、補強スペーサ部をそれら酸素濃淡電池素子と酸素ポ
ンプ素子との間に介挿し一体化する構成とすることによ
っても、同様に隙間部分におけるセンサの機械的強度を
向上させることができる。なお、該構成においてスペー
サ部、支柱部、補助スペーサ部あるいは補強スペーサ部
は、酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子と同一材質の
セラミックにより構成することができる。この場合、そ
れらと、酸素濃淡電池素子あるいは酸素ポンプ素子の少
なくとも一方との間には、酸素濃淡電池素子と酸素ポン
プ素子との間の電流漏洩を阻止する絶縁層を介挿するこ
とが望ましい。In this case, the dimensional accuracy of the gap can be improved by forming the above-mentioned pillar portion in the gap. Further, between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, an auxiliary spacer portion may be inserted at a position opposite to the spacer portion with respect to the gap in the longitudinal direction.
In this way, the gap forming portion between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element is supported on both sides in the longitudinal direction by the spacer portion and the auxiliary spacer portion, so that the mechanical strength of the sensor in the gap portion is significantly improved. Can be made. On the other hand, a reinforcing spacer is interposed between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element so as to extend along a part of the peripheral edge of the gap, for example, along side edges on both sides of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element in the plate width direction. The mechanical strength of the sensor in the gap portion can be similarly improved by the insertion and integration. In this configuration, the spacer portion, the column portion, the auxiliary spacer portion, or the reinforcing spacer portion can be made of the same ceramic material as the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. In this case, it is desirable to interpose an insulating layer between them and at least one of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element to prevent current leakage between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element.
【0030】一方、より簡便なセンサ構成としては、下
記のようなものを例示することができる。すなわち、酸
素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子を、それぞれ同様に
横長の板状に構成し互いに対向配置し、各電極をそれら
酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子の板面長手方向に
おける一方の端部側に形成する一方、上記隙間において
酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との間には、該隙間
に対する気体の出入りを妨げない状態で、該隙間の間隔
を規定する支柱部を形成する。さらに、上記隙間を除く
他の領域においてそれら酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ
素子とを絶縁層を介して互いに接合・一体化する。該構
成によれば、スペーサ部を用いることなく隙間を形成す
ることができるのでセンサをよりコンパクトに構成で
き、さらに、スペーサ部の作製とその積層配置の工程と
を省略できるので、センサの製造をより能率的に行うこ
とができる。On the other hand, as a simpler sensor structure, the following can be exemplified. That is, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are similarly formed in the shape of a horizontally long plate and are arranged to face each other, and each electrode is arranged on one end side in the plate surface longitudinal direction of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. On the other hand, between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element in the above-mentioned gap, a pillar portion that defines the gap between the oxygen-concentration battery element and the oxygen pump element is formed so as to prevent the gas from entering and leaving the gap. Further, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are joined and integrated with each other through an insulating layer in the other region except the gap. According to this configuration, since the gap can be formed without using the spacer portion, the sensor can be made more compact, and the steps of manufacturing the spacer portion and stacking the spacer portions can be omitted. It can be done more efficiently.
【0031】その具体的な製造方法として、下記のよう
なものを例示できる。該方法においては、第一及び第二
のセラミック粉末成形体は、それぞれ横長の板状に形成
されて互いに積層され、電極パターンはそれら第一及び
第二のセラミック粉末成形体の板面長手方向における一
方の端部側に形成される。そして、第一及び第二のセラ
ミック粉末成形体との間の上記隙間に予定された領域
に、セラミック粉末ペーストを用いて支柱部となるべき
支柱部パターンを形成し、その支柱部パターンと重なり
を生じない位置において同じく該隙間に予定された領域
に、焼成時に燃焼ないし分解する(あるいは燃焼ないし
分解して消失する)材質の粉末ペーストにより補助支持
パターンを形成する。さらに、上記隙間に予定された領
域を除く他の領域において第一及び第二のセラミック粉
末成形体との間には絶縁層パターンを形成する。そし
て、その積層体を焼成することにより、酸素濃淡電池素
子と酸素ポンプ素子との間に、隙間と上記支柱部パター
ンに基づく支柱部とを形成する一方、隙間を除く他の領
域においてそれら酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子と
を、絶縁層パターンに基づく絶縁層を介して互いに接合
する。なお、支柱部パターンあるいは補助支持パターン
は印刷により形成することができる。The following is an example of the specific manufacturing method. In the method, the first and second ceramic powder compacts are each formed in a horizontally long plate shape and stacked on each other, and the electrode pattern is formed in the plate surface longitudinal direction of the first and second ceramic powder compacts. It is formed on one end side. Then, in a region scheduled in the gap between the first and second ceramic powder compacts, a pillar portion pattern to be a pillar portion is formed using the ceramic powder paste, and the pillar portion pattern is overlapped. In a position where it does not occur, an auxiliary support pattern is formed in a region that is also planned in the gap by a powder paste made of a material that burns or decomposes (or burns or decomposes and disappears) during firing. Further, an insulating layer pattern is formed between the first and second ceramic powder compacts in regions other than the region scheduled for the gap. Then, by firing the laminated body, a gap and a pillar portion based on the above pillar portion pattern are formed between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, while the oxygen concentration in other areas except the gap is increased. The battery element and the oxygen pump element are bonded to each other via an insulating layer based on the insulating layer pattern. The pillar pattern or the auxiliary support pattern can be formed by printing.
【0032】支柱部パターンと補助支持パターンとを、
上述のように印刷等で相補的に形成することで、第一及
び第二のセラミック粉末成形体を積層した際に、補助支
持パターンによる補強効果に基づき、支柱部パターンが
両者の間で潰れることが防止ないし抑制される。そし
て、焼成により、補助支持パターンは燃焼ないし分解し
て消失するから、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子と
の間には一定量の隙間を精度よく、しかも極めて簡単に
形成することができる。また、第一及び第二のセラミッ
ク粉末成形体を例えばセラミックグリーンシートで形成
することで、絶縁層パターンが支柱部パターンよりもか
なり薄く形成されていたとしても、第一及び第二のセラ
ミック粉末成形体が少し橈むことで、両者は絶縁層パタ
ーンを介して密着でき、焼成により支障なく一体化する
ことができる。The pillar pattern and the auxiliary support pattern are
When the first and second ceramic powder compacts are laminated by forming them complementarily by printing or the like as described above, the pillar pattern is crushed between the first and second ceramic powder compacts based on the reinforcing effect of the auxiliary support pattern. Is prevented or suppressed. Since the auxiliary support pattern is burnt or decomposed and disappears by firing, a certain amount of gap can be accurately and extremely easily formed between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. Further, by forming the first and second ceramic powder compacts with, for example, ceramic green sheets, even if the insulating layer pattern is formed to be considerably thinner than the pillar pattern, the first and second ceramic powder compacts are formed. By slightly bending the body, the two can adhere to each other through the insulating layer pattern and can be integrated by firing without any trouble.
【0033】なお、絶縁層パターンは、絶縁性セラミッ
ク粉末、例えばAl2O3粉末のペーストを用いて形成す
ることができる。この場合、支柱部パターンは、絶縁層
パターンよりも粒径の大きい絶縁性セラミック粉末、例
えばAl2O3多孔質粉末等のペーストを用いて形成する
ことで、積層時のパターンの潰れをより起こりにくくす
ることができる。一方、補助支持パターンは、例えば主
にカーボン粉末で構成されたペーストを用いて形成する
ことができる。The insulating layer pattern can be formed by using a paste of insulating ceramic powder, for example, Al 2 O 3 powder. In this case, the pillar pattern is formed using a paste such as an insulating ceramic powder having a larger particle size than the insulating layer pattern, for example, Al 2 O 3 porous powder, so that the pattern is more crushed during lamination. Can be hardened. On the other hand, the auxiliary support pattern can be formed, for example, by using a paste mainly composed of carbon powder.
【0034】次に、上記排気ガスセンサにおいては、酸
素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間の隙間は、これ
をなるべく小さくして(望ましくは1mm以下)当該隙
間による新たな排気ガスの流入規制効果をなるべく高め
ることが、センサの検出精度を向上させる上で有利であ
る。逆に言えば、該隙間の寸法が大きすぎると、触媒活
性を有した電極上でのHCと酸素との反応が不安定化
し、酸素濃淡電池起電力が小さくなってセンサ出力が十
分に得られなくなることもありうる。この傾向は、測定
対象となる排気ガス中の酸素濃度の変動が大きかった
り、あるいはガス中の水蒸気濃度が高い場合に特に著し
くなる。また、酸素濃淡電池素子の第三電極の形成され
た側に、該酸素濃淡電池素子との間に所定の隙間(別の
隙間)を形成する隙間形成部材を配置する場合は、その
隙間の大きさも同様の理由によりなるべく小さくするこ
とが望ましい(望ましくは1mm以下)。Next, in the above exhaust gas sensor, the gap between the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element is made as small as possible (preferably 1 mm or less), and a new exhaust gas inflow regulation effect by the gap is provided. It is advantageous to improve the detection accuracy of the sensor. Conversely, if the size of the gap is too large, the reaction between HC and oxygen on the electrode having catalytic activity becomes unstable, the electromotive force of the oxygen concentration cell becomes small, and a sufficient sensor output can be obtained. It may disappear. This tendency becomes particularly remarkable when the fluctuation of the oxygen concentration in the exhaust gas to be measured is large or the water vapor concentration in the gas is high. When a gap forming member that forms a predetermined gap (another gap) between the oxygen concentration battery element and the third electrode is formed on the side where the third electrode is formed, the size of the gap is increased. Also for the same reason, it is desirable to make it as small as possible (desirably 1 mm or less).
【0035】しかしながら、上記素子間の隙間量を小さ
くし過ぎると、今度は焼成により酸素ポンプ素子、酸素
濃淡電池素子あるいは隙間形成部材を製造した際に、焼
成時の僅かな変形が隙間形成量に大きな影響を及ぼし、
センサ個体間で出力のばらつきやすくなる問題が生ずる
こともある。そこで、これを解決するためには次のよう
なセンサ構造とすることが有効である。すなわち、酸素
ポンプ素子の隙間側の電極を第一電極、酸素濃淡電池素
子の隙間側の電極を第二電極、酸素濃淡電池素子の反対
空間側の電極を第三電極として、第二電極及び第三電極
の少なくともいずれかに対し、これと接するように測定
室を形成し、また、測定室の壁部を被測定雰囲気側から
測定室側へ貫くようにガス連通部を形成する。そして、
このガス連通部を、小孔、スリット、及び多孔質セラミ
ック又は多孔質金属により構成された多孔質連通部の少
なくともいずれかを含む拡散規制流通部として構成する
ようにする。However, if the gap amount between the elements is made too small, a slight deformation at the time of firing will produce a gap forming amount when the oxygen pump element, the oxygen concentration battery element or the gap forming member is produced by firing this time. Have a big impact,
There may be a problem that the output tends to vary among the individual sensors. Therefore, in order to solve this, it is effective to use the following sensor structure. That is, the electrode on the gap side of the oxygen pump element is the first electrode, the electrode on the gap side of the oxygen concentration battery element is the second electrode, and the electrode on the opposite space side of the oxygen concentration battery element is the third electrode. A measurement chamber is formed so as to contact at least one of the three electrodes, and a gas communication portion is formed so as to penetrate a wall portion of the measurement chamber from the measured atmosphere side to the measurement chamber side. And
The gas communication part is configured as a diffusion regulation flow part including at least one of a small hole, a slit, and a porous communication part made of porous ceramic or porous metal.
【0036】また、本発明の排気ガスセンサの第三の構
成は、酸素イオン伝導性固体電解質により構成され、そ
の両面に電極が形成された酸素濃淡電池素子と、酸素イ
オン伝導性固体電解質により構成されて両面に電極が形
成され、かつ酸素濃淡電池素子との間に排気ガスの流通
が許容された所定量の隙間が形成されるように、該酸素
濃淡電池素子に対向配置されるとともに、該酸素濃淡電
池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
に、隙間に酸素を汲み込み又は該隙間から酸素を汲み出
す酸素ポンプ素子と、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素
子との少なくとも一方を、予め定められたセンサ作動温
度に加熱する加熱素子と、酸素ポンプ素子の上記隙間側
の電極を第一電極、酸素濃淡電池素子の上記隙間側の電
極を第二電極、酸素濃淡電池素子の反対空間側の電極を
第三電極として、第二電極及び第三電極の少なくともい
ずれかに対し、これと接するように形成された測定室
と、測定室の壁部を被測定雰囲気側から測定室側へ貫く
ように形成されたガス連通部とを有し、該ガス連通部
が、小孔、スリット、及び多孔質セラミック又は多孔質
金属により構成された多孔質連通部の少なくともいずれ
かを含む拡散規制流通部とされたことを特徴とする。The third structure of the exhaust gas sensor of the present invention is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and is composed of an oxygen concentration battery element having electrodes formed on both surfaces thereof and an oxygen ion conductive solid electrolyte. And electrodes are formed on both sides of the oxygen-concentrated battery element, and the oxygen-concentrated battery element is disposed so as to face the oxygen-concentrated battery element so as to form a predetermined amount of clearance allowing the passage of exhaust gas. In a direction in which the absolute value of the concentration battery electromotive force generated in the concentration battery element decreases, an oxygen pump element that pumps oxygen into the gap or pumps oxygen from the gap, and at least one of the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element. , A heating element for heating to a predetermined sensor operating temperature, an electrode on the gap side of the oxygen pump element is a first electrode, an electrode on the gap side of the oxygen concentration battery element is a second electrode, an acid. At least one of the second electrode and the third electrode, and the measurement chamber formed so as to be in contact with the second electrode and the electrode on the space side opposite to the concentration cell element as the third electrode A gas communication portion formed so as to penetrate from the side to the measurement chamber side, wherein the gas communication portion is at least one of a small hole, a slit, and a porous communication portion made of porous ceramic or porous metal. It is characterized as a diffusion control distribution department including
【0037】このようにすれば、隙間の大きさをある程
度以上に大きくした場合でも、排気ガスは拡散規制流通
部から拡散を規制されつつ測定室に流入し、また測定室
に導入された後は同じく拡散規制流通部により拡散を規
制されつつ被測定雰囲気中へ排出される。従って、一旦
導入された排気ガスの測定室内での滞留時間が長くな
り、その間に被検出雰囲気中の排気ガス組成(特に酸素
あるいは水蒸気量)が変化しても、測定室内のガスへの
影響が小さくなるので、安定で高いセンサ出力を得るこ
とができ、ひいてはセンサの検出精度を高めることがで
きる。In this way, even when the size of the gap is increased to a certain extent or more, the exhaust gas flows into the measurement chamber while the diffusion is regulated from the diffusion regulation flow section, and after being introduced into the measurement chamber. Similarly, it is discharged into the atmosphere to be measured while the diffusion is regulated by the diffusion regulation distribution unit. Therefore, even if the exhaust gas once introduced stays in the measurement chamber for a long period of time and the composition of the exhaust gas (especially the amount of oxygen or water vapor) in the atmosphere to be detected changes during that time, the effect on the gas in the measurement chamber is not affected. Since the size is small, a stable and high sensor output can be obtained, which in turn can improve the sensor detection accuracy.
【0038】測定室及び拡散規制流通部の組は、酸素濃
淡電池素子の第二電極側に形成しても第三電極側に形成
してもいずれでもよいが、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電
池素子との隙間及び反対空間のうち、少なくともその触
媒活性の高くなる側、すなわち酸素とHCとの反応がよ
り活発に起こる側に上記組を形成することが、センサ出
力を図るうえで一層望ましく、該組を双方の側に形成す
ればさらによい。The set of the measurement chamber and the diffusion control and flow section may be formed either on the second electrode side or the third electrode side of the oxygen concentration battery element, but the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element may be formed. It is more desirable for the sensor output to form the above group at least on the side where the catalytic activity is high, that is, on the side where the reaction between oxygen and HC becomes more active, among the gap and the opposite space. It is even better if the sets are formed on both sides.
【0039】次に、測定室及び拡散規制流通部の形成形
態であるが、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との間
の隙間側に形成する場合は、第二電極の周囲を取り囲む
ように壁部を形成し、その壁部内面と酸素濃淡電池素子
及び酸素ポンプ素子の各対向面とによって囲まれた空間
を測定室とすることができる。また、拡散規制流通部
は、壁部及び酸素濃淡電池素子の少なくともいずれかに
対しこれを被測定雰囲気側から測定室側へ貫通する形態
で形成され、それら被測定雰囲気と測定室とを互いに連
通させるスリット又は小孔とすることができる。なお、
上記隙間と被測定雰囲気との間で気体の流通を許容する
前述の多孔質セラミック体(あるいは多孔質金属体でも
よい)も、拡散規制流通部として機能しうる。Next, regarding the formation form of the measurement chamber and the diffusion regulation flow part, when forming it in the gap side between the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element, a wall is formed so as to surround the periphery of the second electrode. It is possible to form a portion and form a space surrounded by the inner surface of the wall portion and the respective facing surfaces of the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element as a measurement chamber. In addition, the diffusion control and flow portion is formed in a form that penetrates at least one of the wall portion and the oxygen concentration battery element from the measured atmosphere side to the measurement chamber side, and communicates the measured atmosphere and the measurement chamber with each other. It can be a slit or a small hole. In addition,
The above-mentioned porous ceramic body (or a porous metal body) which allows the gas to flow between the gap and the atmosphere to be measured can also function as the diffusion regulation and flow section.
【0040】拡散規制流通部として上記スリットを形成
する場合、例えば酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子と
の間に、上記壁部の少なくとも一部を構成する壁部形成
体を配置し、その壁部形成体と酸素濃淡電池素子及び酸
素ポンプ素子の少なくともいずれかとの間に上記スリッ
トを、それら酸素濃淡電池素子ないし酸素ポンプ素子の
板面に沿う形態で形成することができる。これにより、
スリットを介して測定室内に排気ガスをスムーズにかつ
空間的な偏りを生ずることなく導入することができる。When the slit is formed as the diffusion-regulating flow portion, for example, a wall portion forming body that constitutes at least a part of the wall portion is arranged between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, and the wall portion is formed. The slit may be formed between the formed body and at least one of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element in a form along the plate surface of the oxygen concentration battery element or the oxygen pump element. This allows
Exhaust gas can be smoothly introduced into the measurement chamber through the slit without causing a spatial deviation.
【0041】次に、上記スリットの幅(間隔)をd、酸
素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子の対向方向における
測定室の寸法(以下、測定室の高さという)をhとした
場合、d/hは1/100〜1/4の範囲で調整するの
がよい。d/hが1/4を超えるとスリットにおける排
気ガスの拡散規制効果が不十分となり、センサ出力が十
分に得られなくなる場合がある。d/hが1/100未
満になると測定室へのガスの流入速度、あるいは測定室
からのガスの流出速度が小さくなり過ぎ、センサの検出
精度が却って低下してしまう場合がある。d/hは、よ
り望ましくは1/20〜1/8の範囲で設定するのがよ
い。なお、スリット内の空間体積Vに対するスリット内
周面の面積の比S/Vは、同様の理由により4〜10
0、望ましくは20〜50の範囲で調整するのがよい。Next, when the width (spacing) of the slit is d and the dimension of the measurement chamber in the direction in which the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element face each other (hereinafter referred to as the height of the measurement chamber) is h, d / It is preferable to adjust h in the range of 1/100 to 1/4. If d / h exceeds 1/4, the effect of restricting the diffusion of exhaust gas in the slit becomes insufficient, and the sensor output may not be obtained sufficiently. If d / h is less than 1/100, the inflow rate of gas into the measurement chamber or the outflow rate of gas from the measurement chamber becomes too small, and the detection accuracy of the sensor may deteriorate. More preferably, d / h is set in the range of 1/20 to 1/8. The ratio S / V of the area of the inner surface of the slit to the space volume V in the slit is 4 to 10 for the same reason.
It is preferable to adjust it to 0, preferably 20 to 50.
【0042】一方、スリット幅dの絶対値は、0.01
〜1.0mmの範囲で調整するのがよい。dが1.0m
mを超えると、スリットにおける排気ガスの拡散規制効
果が不十分となり、センサ出力が十分に得られなくなる
場合がある。一方、dが0.01mm未満になると測定
室へのガスの流入速度、あるいは測定室からのガスの流
出速度が小さくなり過ぎ、センサの検出精度が却って低
下してしまう場合がある。なお、dは、より望ましくは
0.02〜0.05mmの範囲で設定するのがよい。On the other hand, the absolute value of the slit width d is 0.01
It is preferable to adjust in the range of 1.0 mm. d is 1.0m
If it exceeds m, the effect of regulating the diffusion of exhaust gas in the slit becomes insufficient, and the sensor output may not be sufficiently obtained. On the other hand, if d is less than 0.01 mm, the inflow speed of gas into the measurement chamber or the outflow speed of gas from the measurement chamber becomes too small, and the detection accuracy of the sensor may deteriorate. It should be noted that d is more preferably set in the range of 0.02 to 0.05 mm.
【0043】スリットは、壁部形成体の厚さ方向(酸素
濃淡電池素子と酸素ポンプ素子との積層方向)中間部に
形成する態様も可能であるが、壁部形成体と酸素濃淡電
池素子及び酸素ポンプ素子の少なくともいずれかとの間
に形成する構成がセンサの製造上より有利である。すな
わち、前者の場合は、壁部形成体となるべきセラミック
成形体(以下、壁部形成用成形体という)に予めスリッ
トとなるべき隙間を穿設しておくか、あるいは該セラミ
ック成形体を厚さ方向に隣接する2部分に形成し、それ
ら部分の間に隙間を生じさせた状態で焼成するなど、若
干の工数増加が不可避となる。一方、後者の場合は、壁
部形成用成形体と酸素濃淡電池素子ないし酸素ポンプ素
子となるべきセラミック成形体(以下、素子形成用成形
体という)との間に所定量の隙間を形成して焼成するの
みで、上記構造の排気ガスセンサを簡単に製造すること
ができる。Although the slit may be formed in the middle of the wall forming body in the thickness direction (the stacking direction of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element), the wall forming body and the oxygen concentration battery element may be formed. The structure formed with at least one of the oxygen pump elements is more advantageous in manufacturing the sensor. That is, in the former case, a ceramic molded body to be a wall forming body (hereinafter referred to as a wall forming body) is provided with a gap to be a slit in advance, or the ceramic molded body is thickened. It is inevitable that the number of man-hours will be slightly increased, such as by forming it in two parts adjacent to each other in the vertical direction and firing it with a gap formed between them. On the other hand, in the latter case, a predetermined amount of gap is formed between the wall forming molded body and the ceramic molded body to be the oxygen concentration cell element or the oxygen pump element (hereinafter referred to as element forming molded body). The exhaust gas sensor having the above structure can be easily manufactured only by firing.
【0044】上記スリットは、例えばスリット形成が予
定された領域において壁部形成用成形体と素子形成用成
形体との間に、焼成により焼失する材料(例えばカーボ
ンペーストなど)で形成された層を挟み込み、その積層
体を焼成して該層を焼失させることにより形成すること
ができる。この場合、形成されるスリットの幅は、形成
する層の厚さに応じて自由に調整することができる。The slits are, for example, a layer formed of a material (for example, carbon paste) which is burned out by firing between the wall portion forming compact and the element forming compact in a region where the slit is to be formed. It can be formed by sandwiching and firing the laminate to burn off the layer. In this case, the width of the formed slit can be freely adjusted according to the thickness of the layer to be formed.
【0045】次に、壁部形成体は、酸素ポンプ素子及び
酸素濃淡電池素子の少なくともいずれかと焼成により一
体化することができる。焼成によりこれらを一体化する
ことで、センサの機械的強度を向上させることができ
る。なお、壁部形成体と酸素ポンプ素子及び酸素濃淡電
池素子のいずれか一方との間にのみスリットを形成する
場合には、スリットを形成しない側では壁部形成用成形
体と素子形成用成形体とをそれらの積層面のほぼ全面に
おいて一体化する一方、スリットの形成側においては、
上記シートを積層面に対し部分的に挟み込むことでスリ
ットを形成し、該シートを介在させない積層面領域で壁
部形成用成形体と素子形成用成形体とを一体化する構成
が可能である。この場合、壁部形成体酸素ポンプ素子な
いし酸素濃淡電池素子とは、スリットの形成側において
もスリット形成領域以外の部分で互いに一体化するの
で、センサの強度を一層高めることができる。Next, the wall forming body can be integrated with at least one of the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element by firing. By integrating these by firing, the mechanical strength of the sensor can be improved. When the slit is formed only between the wall forming body and one of the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element, the wall forming body and the element forming body are formed on the side where the slit is not formed. On the other hand, on the slit forming side,
It is possible to form a slit by partially sandwiching the sheet with respect to the laminated surface, and to integrate the wall forming molded body and the element forming molded body in the laminated surface region where the sheet is not interposed. In this case, the oxygen pump element or the oxygen concentration cell element for forming the wall portion is integrated with each other on the slit forming side in the portion other than the slit forming region, so that the strength of the sensor can be further increased.
【0046】一方、スリットに代えて小孔により拡散規
制流通部を形成する場合には、該小孔を、例えば壁部形
成体に形成できる。この場合、排気ガスを測定室に対し
偏りなく流入させるには、複数の小孔を、例えば板状の
酸素ポンプ素子ないし酸素濃淡電池素子の板面方向に所
定の間隔で形成するのがよい。また、小孔は、酸素濃淡
電池素子を厚さ方向に貫く形で形成することもできる。
この場合、該小孔は複数のものを、第二電極ないし第三
電極の周縁に沿って所定の間隔で形成することが、偏り
のない排気ガスの流入状態を形成する上で望ましい。On the other hand, in the case where the diffusion regulation flow portion is formed by a small hole instead of the slit, the small hole can be formed in, for example, the wall portion forming body. In this case, in order to allow the exhaust gas to flow into the measurement chamber without any deviation, it is preferable to form a plurality of small holes at predetermined intervals in the plate surface direction of the plate-shaped oxygen pump element or the oxygen concentration battery element. Further, the small holes may be formed in a shape penetrating the oxygen concentration battery element in the thickness direction.
In this case, it is desirable to form a plurality of the small holes at predetermined intervals along the peripheral edges of the second electrode or the third electrode in order to form an inflow state of the exhaust gas without any deviation.
【0047】次に、酸素ポンプ素子及び酸素濃淡電池素
子は横長板状に形成でき、拡散規制流通部は、それら酸
素ポンプ素子及び酸素濃淡電池素子の板面幅方向両側に
形成されたスリットないし所定間隔で配列する複数の小
孔群とすることができる。こうすれば、上記スリットな
いし小孔群の一方のものから測定室内に流入した排気ガ
スは、他方のものから排出されるので、測定室内にスム
ーズな排気ガスの流れが形成され、ひいてはセンサ出力
の応答性を向上させることができる。Next, the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element can be formed in a laterally long plate shape, and the diffusion control and flow portion has slits or predetermined portions formed on both sides of the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element in the plate surface width direction. It may be a plurality of small hole groups arranged at intervals. In this way, the exhaust gas flowing into the measuring chamber from one of the slits or small holes is discharged from the other, so that a smooth exhaust gas flow is formed in the measuring chamber, and the sensor output The responsiveness can be improved.
【0048】次に、上記排気ガスセンサにおいては、酸
素濃淡電池素子の隙間に面しているのとは反対側に測定
室を形成するようにしてもよい。すなわち、酸素濃淡電
池素子の上記反対側と対向して該酸素濃淡電池素子との
間に別の隙間を形成する前述の隙間形成部材を配置し、
その隙間形成部材と酸素濃淡電池素子との間に第三電極
の周囲を取り囲むように壁部を形成し、その壁部内面と
隙間形成部材及び酸素濃淡電池素子の各対向面とによっ
て囲まれた空間を測定室とする。Next, in the above exhaust gas sensor, a measuring chamber may be formed on the side opposite to the side facing the gap between the oxygen concentration cell elements. That is, the above-mentioned gap forming member that forms another gap between the oxygen concentration battery element and the opposite side of the oxygen concentration battery element is arranged,
A wall portion is formed between the gap forming member and the oxygen concentration battery element so as to surround the periphery of the third electrode, and is surrounded by the inner surface of the wall portion and each facing surface of the gap forming member and the oxygen concentration battery element. The space is the measurement room.
【0049】この場合も拡散規制流通部は、前述の酸素
ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間に測定室を形成す
る場合とほぼ同様の態様で形成できる。すなわち、該拡
散規制流通部は、壁部及び隙間形成部材の少なくともい
ずれかに対しこれを被測定雰囲気側から測定室側へ貫通
する形態で形成され、それら被測定雰囲気と測定室とを
互いに連通させるスリット又は小孔として構成できる。
また、隙間形成部材と酸素濃淡電池素子との間に、壁部
の少なくとも一部を構成する壁部形成体を配置でき、該
壁部形成体と隙間形成部材及び酸素濃淡電池素子の少な
くともいずれかとの間に上記スリットを、それら隙間形
成部材ないし酸素濃淡電池素子の板面に沿う形態で形成
することができる。Also in this case, the diffusion control and flow section can be formed in substantially the same manner as in the case where the measurement chamber is formed between the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element. That is, the diffusion control and circulation portion is formed in such a manner that it penetrates at least one of the wall portion and the gap forming member from the measurement atmosphere side to the measurement chamber side, and the measurement atmosphere and the measurement chamber communicate with each other. It can be configured as a slit or a small hole.
In addition, between the gap forming member and the oxygen concentration battery element, a wall forming body that constitutes at least a part of the wall can be arranged, and at least one of the wall forming body, the gap forming member, and the oxygen concentration battery element. The slits can be formed between the gap forming members or the plate surface of the oxygen concentration battery element.
【0050】また、壁部形成体は、隙間形成部材及び酸
素濃淡電池素子の少なくともいずれかと焼成により一体
化することができる。さらに、隙間形成部材及び酸素濃
淡電池素子は横長板状に形成することができ、拡散規制
流通部は、それら隙間形成部材及び酸素濃淡電池素子の
板面幅方向両側に形成されたスリットとすることができ
る。The wall forming body can be integrated with at least one of the gap forming member and the oxygen concentration battery element by firing. Further, the gap forming member and the oxygen concentration battery element can be formed in a laterally long plate shape, and the diffusion regulation and flow portion is a slit formed on both sides in the plate surface width direction of the gap forming member and the oxygen concentration battery element. You can
【0051】次に、酸素濃淡電池素子の両面に形成され
た第二及び第三電極は、被検出成分に対する被検出成分
と酸素との反応に対する触媒活性が互いに異なるものと
して構成することができる。これにより、前述の隙間と
反対空間との間の被検出成分の消費量の差が大きくな
り、センサ出力レベルが高められて、被検出成分の検出
感度を向上させることができる。この場合、第二電極の
上記被検出成分と酸素との反応に対する触媒活性が第三
電極よりも大きくなるようにすれば、排気ガス中の被検
出成分の濃度に対するセンサ出力の直線性が高められ、
ひいては被検出成分の検出精度をさらに向上できる場合
がある。なお、該構成において酸素ポンプ素子は、酸素
濃淡電池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少す
るように、隙間に酸素を汲み込むものとされる。ここ
で、第一電極及び第二電極の双方について、被検出成分
と酸素との反応に対する触媒活性を第三電極よりも大き
くすると、上記隙間と反対空間との間の被検出成分の消
費量の差がさらに大きくなり、被検出成分の検出感度を
高めることができる。Next, the second and third electrodes formed on both sides of the oxygen concentration battery element are used to detect the detected component relative to the detected component.
And catalytic activity for the reaction of oxygen with oxygen can be configured to be different from each other. As a result, the difference in the consumption amount of the detected component between the gap and the opposite space becomes large, the sensor output level is increased, and the detection sensitivity of the detected component can be improved. In this case, the linearity of the sensor output with respect to the concentration of the detected component in the exhaust gas is enhanced by making the catalytic activity of the second electrode for the reaction between the detected component and oxygen larger than that of the third electrode. ,
In some cases, the detection accuracy of the detected component can be further improved. In this configuration, the oxygen pump element pumps oxygen into the gap so that the absolute value of the concentration cell electromotive force generated in the oxygen concentration cell element decreases. Here, for both the first electrode and the second electrode, the detected component
If the catalytic activity for the reaction of oxygen with oxygen is made larger than that of the third electrode, the difference in the consumption amount of the detected component between the gap and the opposite space becomes further large, and the detection sensitivity of the detected component can be increased. .
【0052】より具体的には、第二電極と第三電極と
は、次のように定義される被検出成分転換率ηの差が2
0%以上となるものを組み合わせて使用することが望ま
しい。すなわち、直径12mm×厚さ1mmの酸素イオン伝
導性固体電解質の円板上に、第二電極ないし第三電極と
同一の材質及び条件により直径8mmの円板状の多孔質電
極を形成した試料を、ガスの入口と出口とを有した筒状
体内に配置するとともにこれをセンサ作動温度に加熱
し、その状態で該筒状体に対し、酸素300ppmと被
検出成分350ppmと水蒸気3%とを含有し、残部が
アルゴンからなる試験ガスを入口から流速100ml/
分で導入して、これを出口から排出させたときの、排出
後の試験ガス中の被検出成分濃度をCs(単位:pp
m)として、上記被検出成分転換率η(%)を、次式:
η={(350−Cs)/350}×100 ‥‥(1)
により求める。More specifically, the second electrode and the third electrode have a difference of 2 in the detected component conversion rate η defined as follows.
It is desirable to use a combination of 0% or more. That is, a sample in which a disk-shaped porous electrode having a diameter of 8 mm was formed on the disk of an oxygen ion conductive solid electrolyte having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm by the same material and condition as the second electrode or the third electrode. , Placed in a tubular body having a gas inlet and outlet and heated to a sensor operating temperature, and in that state, the tubular body contains 300 ppm of oxygen, 350 ppm of a component to be detected, and 3% of water vapor. The test gas, the balance of which is argon, is supplied from the inlet at a flow rate of 100 ml /
The concentration of the component to be detected in the test gas after discharge when Cs (unit: pp
As m), the detected component conversion rate η (%) is determined by the following equation: η = {(350-Cs) / 350} × 100 (1).
【0053】すなわち、試験ガス中に含まれる被検出成
分が、電極を酸化触媒として酸化され消費されると、排
出後の試験ガス中の被検出成分濃度Csは減少すること
から、上記被検出成分転換率ηは大きくなる。従って該
ηを、センサ中の各電極の被検出成分に対する被検出成
分と酸素との反応に対する触媒活性を表すパラメータ、
ひいては隙間ないし反対空間における被検出成分の消費
量を反映したパラメータとして用いることができる。そ
して、第二電極と第三電極との間で、上記ηの値の差を
20%以上とすることにより、隙間と反対空間との間の
被検出成分の消費量の差が大きくなり、センサ出力レベ
ルが高められて、被検出成分の検出感度を向上させるこ
とができる。例えば第二電極を第三電極よりも被検出成
分と酸素との反応に対する触媒活性の高いものとして構
成する場合は、第二電極を、その被検出成分転換率ηが
第三電極のそれよりも20%以上高くなるように構成す
るのがよい。なお、ηの値の差はより望ましくは30%
以上とするのがよい。That is, when the component to be detected contained in the test gas is oxidized and consumed by using the electrode as an oxidation catalyst, the concentration Cs of the component to be detected in the test gas after discharge is reduced, so that the component to be detected is The conversion rate η increases. The thus the eta, the detected formed with respect to the detection component of each electrode in the sensor
A parameter that represents the catalytic activity for the reaction of the minute with oxygen ,
As a result, it can be used as a parameter reflecting the consumption amount of the component to be detected in the gap or the opposite space. By setting the difference in the value of η between the second electrode and the third electrode to be 20% or more, the difference in consumption of the detected component between the gap and the opposite space becomes large, and the sensor The output level can be increased and the detection sensitivity of the detected component can be improved. For example, the second electrode is more sensitive than the third electrode.
In the case where the second electrode is configured to have a high catalytic activity for the reaction between oxygen and oxygen, it is preferable to configure the second electrode so that the detected component conversion rate η is 20% or more higher than that of the third electrode. . The difference in η is more preferably 30%
The above is preferable.
【0054】ここで、電極の上記ηの値はセンサ作動温
度に応じて変化する。そして、センサ作動温度は、上記
ηの差が20%以上、望ましくは30%以上となるよう
に設定するのが望ましいといえる。この場合、印加電圧
を一定とした場合の酸素ポンプ素子のポンプ電流値がな
るべく高くなるように、センサ作動温度を設定すれば、
被検出成分の検出感度はさらに向上する。Here, the value of η of the electrode changes depending on the sensor operating temperature. It can be said that it is desirable to set the sensor operating temperature so that the difference in η is 20% or more, preferably 30% or more. In this case, if the sensor operating temperature is set so that the pump current value of the oxygen pump element when the applied voltage is constant is as high as possible,
The detection sensitivity of the component to be detected is further improved.
【0055】次に、被検出成分が例えばCOあるいはH
Cの場合、上記第一〜第三電極のうち、酸素との反応に
対する触媒活性が高くなるべきものは、Pt、Pd及び
Rhのいずれかを主体とする金属(単体又は合金)又
は、Pt−Pd系合金、Pt−Rh系合金、Rh−Pd
系合金、Pd−Ag系合金等(以下、本明細書において
は、これらを高活性金属グループという)で構成するこ
とができる。また、逆に触媒活性が低くなるべきもの
は、Au、Ni及びAgのいずれかを主体とする金属
(単体又は合金)又は、Pt−Au系合金,Pt−Ni
系合金、Pt−Ag系合金,Ag−Pd系合金、Au−
Pd系合金等(以下、本明細書において、これらを低活
性金属グループという)により構成することができる。
いずれの金属も、前述の素子を構成する固体電解質へ酸
素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電
解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対
する可逆的な触媒機能(以下、酸素解離触媒機能とい
う)は高いが、炭化水素系の被検出成分と酸素との反応
に対する触媒活性については、前者のグループと後者グ
ループとの間では大きな差がある。そして、例えば第一
電極と第二電極とをPt、Pd及びRhのいずれかを主
体とする金属等の高活性金属グループに属するもので構
成し、第三電極をAu、Ni及びAgのいずれかを主体
とする金属等の低活性金属グループに属するものにより
構成すれば、前述の隙間と反対空間との間の被検出成分
の消費量の差が大きくなり、センサ出力レベルが高めら
れて被検出成分の検出感度を向上させることができる。
上記被検出成分と酸素との反応に対する触媒活性につい
ては、Pt又はPdとAuとの間の差が特に著しく、こ
れらを主体とする金属を電極材料として採用すること
は、上述の効果を高める上でさらに望ましいといえる。Next, the component to be detected is, for example, CO or H.
In the case of C, among the above-mentioned first to third electrodes, the one having a high catalytic activity for the reaction with oxygen is a metal (a simple substance or an alloy) containing Pt, Pd, or Rh as a main component, or Pt-. Pd-based alloy, Pt-Rh-based alloy, Rh-Pd
The alloy may be composed of a system alloy, a Pd-Ag system alloy or the like (hereinafter, these are referred to as a high activity metal group in the present specification). On the contrary, the one whose catalytic activity should be low is a metal (a simple substance or an alloy) mainly containing any of Au, Ni and Ag, or a Pt-Au alloy, Pt-Ni.
Alloys, Pt-Ag alloys, Ag-Pd alloys, Au-
It can be composed of a Pd-based alloy or the like (hereinafter, these are referred to as a low activity metal group in the present specification).
Any of the metals has a reversible catalytic function for the dissociation reaction of oxygen molecules for injecting oxygen into the solid electrolyte constituting the above-described device and the recombination reaction of oxygen for releasing oxygen from the solid electrolyte (hereinafter , The oxygen dissociation catalytic function) is high, but there is a large difference between the former group and the latter group in the catalytic activity for the reaction between the hydrocarbon-based component to be detected and oxygen. Then, for example, the first electrode and the second electrode are composed of those belonging to a high-activity metal group such as a metal mainly containing Pt, Pd or Rh, and the third electrode is any one of Au, Ni and Ag. If it is made of a metal that belongs to the low-activity metal group such as a metal mainly composed of, the difference in consumption of the detected component between the above-mentioned gap and the opposite space becomes large, and the sensor output level is increased to detect the detected component. The detection sensitivity of the component can be improved.
Regarding the catalytic activity for the reaction of the above-mentioned components to be detected with oxygen, the difference between Pt or Pd and Au is particularly remarkable, and the use of a metal mainly containing these as the electrode material enhances the above-mentioned effect. Can be said to be more desirable.
【0056】被検出成分が例えばメタンである場合、例
えば上記材質の電極の組合せにより、その検出感度と選
択性が特に向上する場合がある。とりわけ、被検出成分
と酸素との反応に対する触媒活性の高い側の電極をPt
又はPdを主体とする金属で構成し、同じく低い側の電
極をAuを主体とする金属で構成した場合には、メタン
検出に対する選択性を著しく向上させることができる。When the component to be detected is, for example, methane, the detection sensitivity and selectivity may be particularly improved by combining the electrodes made of the above materials. Above all, detected components
The electrode with the higher catalytic activity for the reaction of hydrogen and oxygen with Pt
Alternatively, when Pd is the main metal and the lower electrode is also the Au main metal, the selectivity for methane detection can be significantly improved.
【0057】なお、被検出成分と酸素との反応に対する
触媒活性の小さい電極を構成する場合、その少なくとも
排気ガスとの接触表面を含んだ部分を、被検出成分と酸
素との反応に対して触媒不活性な材料で構成することが
できる。この場合、電極の全体を上記触媒不活性な材料
で構成できることはもちろんであるが、排気ガスとの接
触部において、その表層部のみを触媒不活性な材料で構
成するようにしてもよく、例えば触媒活性な材料で本体
部を形成し、その表面に触媒不活性な材料によりコーテ
ィングを施して電極を得るようにしてもよい。触媒不活
性な材料としては、例えば、前述のAu、Ni及びAg
のいずれかを主体とする金属等の低活性金属グループに
属するもの、あるいはSnO2、ZnO、In2O3、
WO3、Bi2O3等の酸化物を例示することができ
る。It should be noted that for the reaction between the component to be detected and oxygen
In the case of forming an electrode having a small catalytic activity , at least a portion including a contact surface with exhaust gas can be formed of a material which is catalytically inactive with respect to a reaction between a component to be detected and oxygen. In this case, it goes without saying that the entire electrode can be made of the above-mentioned catalytically inactive material, but at the contact portion with the exhaust gas, only the surface layer portion may be made of the catalytically inactive material, for example, The electrode may be obtained by forming the main body with a catalytically active material and coating the surface with a catalytically inactive material. Examples of the catalyst-inactive material include Au, Ni and Ag described above.
A metal belonging to a low activity metal group such as a metal mainly containing any one of SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 ,
Oxides such as WO 3 and Bi 2 O 3 can be exemplified.
【0058】次に、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子
との間に形成される隙間には、金属メッシュ又は多孔質
金属で構成されたガス保持部材を介挿してもよい。この
ようにすると、該ガス保持部材が上記隙間形成のための
スペーサとして機能し、隙間の寸法精度を高めることが
できる。なお、上記ガス保持部材をメッシュで構成する
場合、その網目の形成密度が100〜500メッシュの
ものを使用することが望ましい。Next, a gas holding member made of a metal mesh or a porous metal may be inserted in the gap formed between the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element. By doing so, the gas holding member functions as a spacer for forming the gap, and the dimensional accuracy of the gap can be improved. When the gas holding member is made of mesh, it is desirable to use a mesh having a mesh formation density of 100 to 500 mesh.
【0059】また、酸素濃淡電池素子の第三電極の形成
された側に、該酸素濃淡電池素子との間に所定の隙間を
形成する隙間形成部材を配置することができる。こうす
れば、前述のオフセット起電力の絶対値が小さくなり、
またその変動が少なくなって、センサの検出精度が高め
られる場合がある。この場合、隙間形成部材は、酸素濃
淡電池素子をセンサ作動温度に加熱するための板状の加
熱素子とすることができる。こうすれば、加熱素子が隙
間形成部材を兼ねることになり、センサをコンパクトに
構成できる。On the side of the oxygen concentration battery element on which the third electrode is formed, a gap forming member for forming a predetermined gap between the oxygen concentration battery element and the oxygen concentration battery element can be arranged. By doing this, the absolute value of the aforementioned offset electromotive force becomes smaller,
In addition, the fluctuation may be reduced and the detection accuracy of the sensor may be improved. In this case, the gap forming member may be a plate-shaped heating element for heating the oxygen concentration battery element to the sensor operating temperature. In this case, the heating element also serves as the gap forming member, and the sensor can be made compact.
【0060】上述のような本発明の排気ガスセンサを用
いて、下記のような排気ガスセンサシステム(以下、単
に「センサシステム」ともいう)を構成することができ
る。すなわち、該センサシステムは、上記排気ガスセン
サと、酸素濃淡電池素子に発生する濃淡電池起電力を検
出する起電力検出手段と、その検出された濃淡電池起電
力の絶対値が減少する方向において、該酸素ポンプ素子
と酸素濃淡電池素子との間の隙間に酸素を汲み込み、又
は該隙間から酸素が汲み出されるように、酸素ポンプ素
子に印加される電圧を調整するポンプ素子電圧調整手段
と、濃淡電池起電力の絶対値が上記起電力目標値ECに
到達したときの、酸素ポンプ素子を流れる電流値又は該
電流値を反映した情報を、被検出成分の濃度を反映した
情報として出力する出力手段とを備える。Using the exhaust gas sensor of the present invention as described above, the following exhaust gas sensor system (hereinafter also simply referred to as "sensor system") can be constructed. That is, the sensor system, the exhaust gas sensor, an electromotive force detection means for detecting the concentration battery electromotive force generated in the oxygen concentration battery element, in the direction in which the absolute value of the detected concentration battery electromotive force decreases, Pump element voltage adjusting means for adjusting the voltage applied to the oxygen pump element so that oxygen is pumped into or discharged from the gap between the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element, and Output means for outputting the current value flowing through the oxygen pump element or information reflecting the current value when the absolute value of the battery electromotive force reaches the electromotive force target value EC as information reflecting the concentration of the detected component With.
【0061】この場合、酸素濃淡電池素子の温度が予め
定められた温度目標値に近づくように、加熱素子の発熱
を制御する発熱制御手段を設けることができる。すなわ
ち、上記センサシステムにおいては、酸素濃淡電池素子
に生ずる濃淡電池起電力を参照し酸素ポンプ素子の作動
が制御されるのであるが、該濃淡電池起電力は素子の温
度によって変化するため、同一の被検出成分の濃度が同
一であっても酸素濃淡電池素子の温度が変化すると、濃
淡電池起電力、ひいては濃度検出情報となるポンプ電流
の値が変動して測定誤差の増加につながる。しかしなが
ら、上述のような発熱制御手段を設けることにより、酸
素濃淡電池素子の温度が予め定められた温度目標値に近
づくように加熱素子の発熱が制御されるので、上記素子
の温度変化に基づく被検出成分の測定誤差を小さくする
ことができ、測定精度を高めることができる。In this case, heat generation control means for controlling heat generation of the heating element can be provided so that the temperature of the oxygen concentration battery element approaches a predetermined temperature target value. That is, in the sensor system, the operation of the oxygen pump element is controlled with reference to the concentration cell electromotive force generated in the oxygen concentration cell element, but since the concentration cell electromotive force changes depending on the element temperature, the same If the temperature of the oxygen concentration battery element changes even if the concentration of the component to be detected is the same, the concentration battery electromotive force, and consequently the value of the pump current serving as concentration detection information, fluctuates, leading to an increase in measurement error. However, by providing the heat generation control means as described above, the heat generation of the heating element is controlled so that the temperature of the oxygen concentration battery element approaches the predetermined temperature target value. The measurement error of the detection component can be reduced, and the measurement accuracy can be improved.
【0062】発熱制御手段は、酸素濃淡電池素子の温度
を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の温度検出
結果に基づいて、酸素濃淡電池素子の温度が温度目標値
に近づくように、発熱素子の通電を制御する通電制御手
段とを備えたものとして構成できる。これにより、仮に
酸素濃淡電池素子の温度が、排気ガス温度の急変等によ
り一時的に変化することがあっても、検出された温度の
情報に基づいてポンプ電流情報が補正されるので、被検
出成分の検出精度を良好に維持することができる。この
場合、酸素濃淡電池素子の温度は、サーミスタや熱電対
など、別途設けられた温度センサを用いて測定してもよ
いが、該濃淡電池素子の内部抵抗の値が温度によって変
化するので、これを利用して温度を測定するようにすれ
ば温度センサを設ける必要がなくなり、ひいては測定系
の構成を単純化できる利点がある。The heat generation control means heats the temperature of the oxygen concentration battery element based on the temperature detection means for detecting the temperature of the oxygen concentration battery element and the temperature detection result of the temperature detection means. An energization control unit that controls energization of the element can be provided. As a result, even if the temperature of the oxygen concentration battery element changes temporarily due to a sudden change in exhaust gas temperature, the pump current information is corrected based on the detected temperature information, It is possible to maintain good detection accuracy of the component. In this case, the temperature of the oxygen concentration battery element may be measured by using a separately provided temperature sensor such as a thermistor or a thermocouple, but since the value of the internal resistance of the concentration battery element changes depending on the temperature, If the temperature is measured by utilizing, there is no need to provide a temperature sensor, and there is an advantage that the configuration of the measurement system can be simplified.
【0063】この場合、上記センサシステムには、温度
検出手段が検出する温度の情報とポンプ電流情報とに基
づいて、温度補償された被検出成分濃度情報を生成する
被検出成分濃度情報補正手段と、その生成された被検出
成分濃度情報を補正測定結果として出力する補正測定結
果出力手段とを設けることができる。In this case, the sensor system includes a detected component concentration information correction means for generating temperature-compensated detected component concentration information based on the temperature information detected by the temperature detection means and the pump current information. A correction measurement result output means for outputting the generated concentration information of the detected component as a correction measurement result can be provided.
【0064】具体的には、被検出成分濃度情報補正手段
は、温度目標値からの温度偏差と、ポンプ電流情報に対
する補正量(ポンプ電流補正量)との関係を与える温度
偏差−ポンプ電流補正量関係情報を補正参照情報として
記憶する補正参照情報記憶手段と、温度検出手段が検出
する温度と温度目標値との差に対応するポンプ電流補正
量を、補正参照情報を参照して決定するポンプ電流補正
量決定手段と、その決定されたポンプ電流補正量に基づ
いて、測定されたポンプ電流情報を補正する演算を行う
補正演算手段とを備えるものとして構成できる。これに
よれば、目標温度からの温度偏差をポンプ電流補正量に
換算する形で上記ポンプ電流情報を補正できるから、補
正処理のアルゴリズムを簡略化でき、ひいては被検出成
分濃度測定結果の補正出力の応答性を高めることができ
る。Specifically, the detected component concentration information correction means gives the relationship between the temperature deviation from the temperature target value and the correction amount for the pump current information (pump current correction amount) -temperature deviation-pump current correction amount. A correction reference information storage unit that stores related information as correction reference information, and a pump current that determines a pump current correction amount corresponding to a difference between a temperature detected by the temperature detection unit and a temperature target value by referring to the correction reference information. It can be configured to include a correction amount determination unit and a correction calculation unit that performs a calculation for correcting the measured pump current information based on the determined pump current correction amount. According to this, since the pump current information can be corrected by converting the temperature deviation from the target temperature into the pump current correction amount, the correction processing algorithm can be simplified, and by extension, the correction output of the detected component concentration measurement result can be obtained. The responsiveness can be enhanced.
【0065】この場合、被検出成分濃度情報補正手段に
は、上記ポンプ電流情報を被検出成分濃度情報へ変換す
るポンプ電流情報−被検出成分濃度情報変換手段を設け
ることができ、補正測定結果出力手段はその変換された
被検出成分濃度情報を、温度補償された被検出成分濃度
情報として出力するものとすることができる。また、ポ
ンプ電流情報−被検出成分濃度情報変換手段は、具体的
にはポンプ電流値と被検出成分濃度との関係を示すポン
プ電流値−被検出成分濃度関係情報を記憶する記憶手段
と、その記憶されたポンプ電流値−被検出成分濃度関係
情報を参照して、補正後のポンプ電流情報が示す被検出
成分濃度を算出する被検出成分濃度算出手段とを含むも
のとして構成することができ、補正測定結果出力手段は
その算出結果を出力するものとして構成することができ
る。一方、その補正されたポンプ電流情報をそのまま外
部に出力するようにしてもよい。In this case, the detected component concentration information correction means can be provided with pump current information-detected component concentration information conversion means for converting the pump current information into detected component concentration information, and output the corrected measurement result. The means may output the converted detected component concentration information as temperature-compensated detected component concentration information. Further, the pump current information-detected component concentration information conversion means, specifically, a storage means for storing pump current value-detected component concentration relationship information indicating the relationship between the pump current value and the detected component concentration, and its storage means. With reference to the stored pump current value-detection component concentration relationship information, it is possible to configure as a detection component concentration calculation means for calculating the detection component concentration indicated by the corrected pump current information, The corrected measurement result output means can be configured to output the calculation result. On the other hand, the corrected pump current information may be directly output to the outside.
【0066】一方、被検出成分濃度情報補正手段は、ポ
ンプ電流値と被検出成分濃度値との関係を、各種温度毎
に示すポンプ電流情報−被検出成分濃度関係情報を補正
参照情報として記憶する補正参照情報記憶手段と、温度
検出手段が検出する温度の情報と測定されたポンプ電流
情報とに基づいて、上記補正参照情報を参照することに
より、当該温度とポンプ電流値に対応する被検出成分濃
度値を、温度補償された被検出成分濃度情報として生成
する補正濃度情報生成手段とを備えたものとして構成す
ることもできる。この構成によれば、各温度毎のポンプ
電流情報−被検出成分濃度関係情報を用意する必要はあ
るが、検出温度からポンプ電流補正量を算出することな
く、測定された温度とポンプ電流とに対応する被検出成
分濃度を直接的に決定することができ、被検出成分濃度
出力における応答性をさらに高めることができる。On the other hand, the detected component concentration information correction means stores pump current information-detected component concentration relation information indicating the relationship between the pump current value and the detected component concentration value for each temperature as correction reference information. Based on the correction reference information storage means, the temperature information detected by the temperature detection means, and the measured pump current information, by referring to the correction reference information, the detected component corresponding to the temperature and the pump current value is detected. It may be configured to include a correction density information generating unit that generates the density value as the temperature information of the detected component density information. According to this configuration, it is necessary to prepare pump current information for each temperature-detected component concentration relationship information, but the measured temperature and pump current can be calculated without calculating the pump current correction amount from the detected temperature. The corresponding detected component concentration can be directly determined, and the responsiveness in the detected component concentration output can be further enhanced.
【0067】次に、温度検出手段は、酸素濃淡電池素子
の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、その測定さ
れた内部抵抗値に基づいて酸素濃淡電池素子の温度の情
報を生成する温度情報生成手段と、その生成された温度
の情報を出力する温度情報出力手段とを備えるものとし
て構成できる。前述の通り、該構成によれば温度センサ
等を別途設ける必要がなくなり、装置構成を単純化でき
る利点がある。Next, the temperature detecting means is an internal resistance measuring means for measuring the internal resistance of the oxygen concentration battery element, and temperature information for generating information on the temperature of the oxygen concentration battery element based on the measured internal resistance value. It can be configured to include a generation unit and a temperature information output unit that outputs the generated temperature information. As described above, according to this configuration, it is not necessary to separately provide a temperature sensor or the like, and there is an advantage that the device configuration can be simplified.
【0068】内部抵抗測定手段は、具体的には、酸素濃
淡電池素子に対し一定の内部抵抗検出電流を通電する内
部抵抗検出電流通電手段と、該内部抵抗検出電流を通電
したときに酸素濃淡電池素子に印加される電圧を反映し
た情報(電圧情報)を検出する電圧情報検出手段とを備
え、その検出された電圧情報に基づいて酸素濃淡電池素
子の内部抵抗値を測定するものとすることができる。こ
れによれば、定電流通電時の印加電圧から酸素濃淡電池
素子の内部抵抗を簡単に測定することができる。Specifically, the internal resistance measuring means includes an internal resistance detection current supplying means for supplying a constant internal resistance detection current to the oxygen concentration battery element, and an oxygen concentration battery when the internal resistance detection current is supplied. And a voltage information detecting means for detecting information (voltage information) reflecting the voltage applied to the element, and measuring the internal resistance value of the oxygen concentration battery element based on the detected voltage information. it can. According to this, the internal resistance of the oxygen concentration battery element can be easily measured from the applied voltage when a constant current is applied.
【0069】ここで、酸素濃淡電池素子の両側において
酸素濃度に差が生じている場合は、酸素濃淡電池素子に
は濃淡電池起電力が生じ、検出された電圧情報にその濃
淡電池起電力の情報が含まれないし重畳されて誤差の原
因となる場合がある。この場合、酸素濃淡電池素子の内
部抵抗の測定に当たっては、内部抵抗検出電流を一定以
上に大きく設定することで酸素濃淡電池素子に印加され
る電圧を高め、濃淡電池起電力の影響を相対的に小さく
することが内部抵抗測定の精度を高める上で有効であ
る。一方、重畳されるか、ないしは含まれる濃淡電池起
電力の影響を除去ないし低減するためには、次のような
方式も有効である。すなわち、内部抵抗測定手段に、酸
素濃淡電池素子に内部抵抗検出電流を通じない状態で、
該酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力を測定する濃淡電
池起電力測定手段と、該測定された濃淡電池起電力の情
報に基づいて、検出された電圧情報の内容を補正する電
圧情報補正手段とを設ける。具体的には、濃淡電池起電
力測定手段による濃淡電池起電力の測定結果を、電圧情
報の検出結果から減ずることにより、濃淡電池起電力成
分の影響を効果的に除去することができる。Here, when there is a difference in oxygen concentration on both sides of the oxygen concentration battery element, a concentration battery electromotive force is generated in the oxygen concentration battery element, and the concentration voltage electromotive force information is included in the detected voltage information. May not be included or may be superimposed to cause an error. In this case, in measuring the internal resistance of the oxygen concentration battery element, the voltage applied to the oxygen concentration battery element is increased by setting the internal resistance detection current larger than a certain value, and the influence of the concentration battery electromotive force is relatively increased. Reducing the size is effective for improving the accuracy of internal resistance measurement. On the other hand, in order to eliminate or reduce the influence of the electromotive force of the concentration cell that is superposed or included, the following method is also effective. That is, in the internal resistance measuring means, in a state in which the internal resistance detection current is not passed through the oxygen concentration battery element,
Concentration battery electromotive force measuring means for measuring the concentration battery electromotive force of the oxygen concentration battery element, and voltage information correction means for correcting the content of the detected voltage information based on the information of the measured concentration battery electromotive force. To provide. Specifically, the influence of the concentration battery electromotive force component can be effectively removed by subtracting the measurement result of the concentration battery electromotive force by the concentration battery electromotive force measuring means from the detection result of the voltage information.
【0070】次に、酸素濃淡電池素子に内部抵抗測定用
電流を通電すると、酸素濃淡電池素子内においてその通
電と逆方向に酸素が輸送され(すなわち、酸素ポンプと
なる)、酸素濃淡電池素子両側の酸素濃度に変化を生ず
る。その結果、排気ガスセンサによる被検出成分濃度の
測定に復帰した際に、その酸素濃度の変化が被検出成分
濃度の測定精度に対する誤差の要因ともなりうる。ま
た、酸素濃淡電池素子の内部抵抗値が高い場合には、酸
素濃淡電池素子内の酸素イオンが移動しにくくなって、
電流通電に伴い分極を生ずることもある。そこで、修正
電流通電手段により、酸素濃淡電池素子に対し内部抵抗
検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素
濃淡電池素子に対し、内部抵抗検出電流と逆方向に修正
電流を通電するようにすれば、その通電により上記とは
逆向きに酸素が輸送されるので、変化した酸素濃度が内
部抵抗測定前の状態に近づいて、復帰後の被検出成分濃
度の測定精度が高められるとともに、酸素濃淡電池素子
の分極状態も解消することができる。この場合、修正電
流の大きさ及び通電時間は、内部抵抗検出電流通電時に
輸送されると考えられる酸素量とほぼ同量の酸素が、該
修正電流の通電により逆輸送されるように設定するのが
よく、例えば内部抵抗検出電流とほぼ大きさが同じ電流
を、該内部抵抗検出電流とほぼ同時間通電するのがよ
い。Next, when an internal resistance measuring current is applied to the oxygen concentration battery element, oxygen is transported in the oxygen concentration battery element in the opposite direction of the current application (that is, serves as an oxygen pump), and both sides of the oxygen concentration battery element are transported. Changes in the oxygen concentration of. As a result, when returning to the measurement of the concentration of the detected component by the exhaust gas sensor, the change in the oxygen concentration may cause an error in the measurement accuracy of the concentration of the detected component. Further, when the internal resistance value of the oxygen concentration battery element is high, it becomes difficult for oxygen ions in the oxygen concentration battery element to move,
Polarization may occur when a current is applied. Therefore, the correction current energizing means applies an internal resistance detection current to the oxygen concentration battery element to measure its internal resistance, and then applies a correction current to the oxygen concentration battery element in a direction opposite to the internal resistance detection current. By doing so, since the oxygen is transported in the opposite direction by the energization, the changed oxygen concentration approaches the state before the internal resistance measurement, and the measurement accuracy of the concentration of the detected component after restoration is improved. At the same time, the polarization state of the oxygen concentration battery element can be eliminated. In this case, the magnitude of the correction current and the energization time are set so that approximately the same amount of oxygen that is considered to be transported when the internal resistance detection current is energized is transported backward by the energization of the correction current. For example, it is preferable that a current having substantially the same magnitude as the internal resistance detection current is supplied for approximately the same time as the internal resistance detection current.
【0071】次に、酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力
を所定の制御基準値と比較し、該濃淡電池起電力と起電
力目標値ECとの差に応じたポンプ電流を酸素ポンプ素
子に向けて出力するポンプ電流制御手段を設けることが
できる。これにより、濃淡電池起電力が起電力目標値E
Cに近づくようにポンプ電流値が制御されることとな
る。ここで、内部抵抗測定手段は、ポンプ電流制御手段
による酸素ポンプ素子へのポンプ電流の出力を、予め定
められたタイミングで遮断するポンプ電流遮断手段を備
えるとともに、内部抵抗検出電流通電手段は、ポンプ電
流の出力が遮断された状態で酸素濃淡電池素子に対し内
部抵抗検出電流を通電するものとして構成することがで
きる。これにより、内部抵抗検出電流とポンプ電流との
干渉が防止され、酸素濃淡電池素子の内部抵抗を精度よ
く検出することができる。Next, the concentration cell electromotive force of the oxygen concentration cell element is compared with a predetermined control reference value, and a pump current corresponding to the difference between the concentration cell electromotive force and the electromotive force target value EC is directed to the oxygen pump element. It is possible to provide a pump current control means for outputting the output. As a result, the concentration battery electromotive force is equal to the electromotive force target value E.
The pump current value will be controlled so that it approaches C. Here, the internal resistance measuring means includes a pump current interruption means for interrupting the pump current output to the oxygen pump element by the pump current control means at a predetermined timing, and the internal resistance detection current conducting means is a pump current interruption means. The internal resistance detection current may be applied to the oxygen concentration battery element while the output of the current is cut off. Thereby, the interference between the internal resistance detection current and the pump current is prevented, and the internal resistance of the oxygen concentration battery element can be accurately detected.
【0072】この場合、ポンプ電流の出力を長時間に亙
って遮断すると、濃淡電池起電力が起電力目標値ECか
ら外れて不安定化し、排気ガス中の被検出成分の検出と
いう本発明の装置の本来の目的に支障をきたすこともあ
りうる。そこで、内部抵抗測定手段においてポンプ電流
遮断手段は、ポンプ電流制御手段によるポンプ電流の出
力を所定の時間間隔で周期的に遮断するものとし、それ
によって該内部抵抗測定手段は、その周期的なポンプ電
流出力の遮断に対応して酸素濃淡電池素子の内部抵抗を
周期的に測定するものとして構成することができる。こ
れにより、ポンプ電流の出力を長時間連続的に中断する
ことなく、内部抵抗測定の頻度を高めることができ、ひ
いては被検出成分の濃度測定結果に対する温度補償をよ
り高精度で行うことが可能になるとともに、該内部抵抗
値を温度情報として用いる発熱制御手段の、発熱素子に
対する温度制御の精度を高めることができる。In this case, if the output of the pump current is interrupted for a long time, the concentration battery electromotive force deviates from the electromotive force target value E C and becomes unstable, and detection of the detected component in the exhaust gas of the present invention. The original purpose of the device may be impaired. Therefore, in the internal resistance measuring means, the pump current cutoff means periodically cuts off the pump current output by the pump current control means at predetermined time intervals, whereby the internal resistance measuring means causes the internal pumping current cutoff means to periodically cut the pump current. It can be configured to periodically measure the internal resistance of the oxygen concentration battery element corresponding to the interruption of the current output. As a result, the frequency of the internal resistance measurement can be increased without continuously interrupting the output of the pump current for a long time, which in turn makes it possible to perform temperature compensation for the concentration measurement result of the detected component with higher accuracy. In addition, it is possible to improve the accuracy of the temperature control of the heating element by the heating control means that uses the internal resistance value as the temperature information.
【0073】[0073]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図1は、本発明の一
実施例としての排気ガスセンサ1を示している。すなわ
ち、排気ガスセンサ1は、それぞれ横長板状に形成され
た第一のヒータ2(加熱素子)、酸素ポンプ素子3、酸
素濃淡電池素子4及び第二のヒータ5(加熱素子)がこ
の順序で積層されたものとして構成されている。酸素ポ
ンプ素子3及び酸素濃淡電池素子4は、酸素イオン伝導
性を有する固体電解質により構成されている。そのよう
な固体電解質としては、Y2O3ないしCaOを固溶させ
たZrO2が代表的なものであるが、それ以外のアルカ
リ土類金属ないし希土類金属の酸化物とZrO2との固
溶体を使用してもよい。また、ベースとなるZrO2に
はHfO2が含有されていてもよい。本実施例では、Y2
O3ないしCaOを固溶させたZrO2固体電解質セラミ
ックが使用されているものとする。一方、第一及び第二
のヒータ2,5は、公知のセラミックヒータで構成され
ている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the present invention will be described below with reference to the examples shown in the drawings. FIG. 1 shows an exhaust gas sensor 1 as an embodiment of the present invention. That is, in the exhaust gas sensor 1, a first heater 2 (heating element), an oxygen pump element 3, an oxygen concentration battery element 4, and a second heater 5 (heating element) each formed in a horizontally long plate shape are laminated in this order. It is configured as The oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 are composed of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. As such a solid electrolyte, ZrO 2 in which Y 2 O 3 or CaO is solid-dissolved is typical, but a solid solution of ZrO 2 with an oxide of an alkaline earth metal or a rare earth metal other than that is used. You may. Moreover, HfO 2 may be contained in the base ZrO 2 . In this embodiment, Y 2
It is assumed that a ZrO 2 solid electrolyte ceramic in which O 3 or CaO is dissolved is used. On the other hand, the first and second heaters 2 and 5 are composed of known ceramic heaters.
【0074】酸素ポンプ素子3は横長板状に形成され、
その長手方向における一方の端部寄りにおいてその両面
に、酸素分子解離能を有した多孔質電極10,11が形
成されている。また、酸素濃淡電池素子4(温度検出手
段としても機能する)には、上記酸素ポンプ素子3の電
極10,11に対応する位置においてその両面に、同様
の多孔質電極12,13が形成されている。そして、上
記電極10〜13の形成部分を除いて、酸素ポンプ素子
3と酸素濃淡電池素子4との間には、それら素子と同一
材質の固体電解質セラミックにより構成された板状のス
ペーサ部200が介挿されており、Al2O3等で構成さ
れた絶縁層201,202を介してその両面が、酸素ポ
ンプ素子3及び酸素濃淡電池素子4と焼成により一体化
されている。これにより、酸素ポンプ素子3の電極11
と酸素濃淡電池素子4の電極12との間には隙間15が
形成されることとなる。また、その隙間15において、
酸素濃淡電池素子4と酸素ポンプ素子3との間には、そ
の板幅方向両側の側縁部に沿うように、スペーサ部20
0と一体の細長い補強スペーサ部203が介挿・一体化
されている。そして、該隙間15は、酸素濃淡電池素子
4及び酸素ポンプ素子3の端面において、両補強スペー
サ部203の間に開口する開口部204を連通部とし
て、外側空間と連通することにより、排気ガスが出入り
可能になっている。The oxygen pump element 3 is formed in a horizontally long plate shape,
Porous electrodes 10 and 11 having the ability to dissociate oxygen molecules are formed on both surfaces near one end in the longitudinal direction. Further, in the oxygen concentration battery element 4 (which also functions as a temperature detecting means), similar porous electrodes 12 and 13 are formed on both surfaces of the oxygen pump element 3 at positions corresponding to the electrodes 10 and 11. There is. A plate-shaped spacer portion 200 made of the same solid electrolyte ceramic as that of the elements is provided between the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4 except for the portions where the electrodes 10 to 13 are formed. Both surfaces thereof are integrated with the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 by firing, with the insulating layers 201 and 202 made of Al 2 O 3 or the like interposed therebetween. Thereby, the electrode 11 of the oxygen pump element 3 is
A gap 15 is formed between the electrode 12 and the electrode 12 of the oxygen concentration battery element 4. In the gap 15,
Between the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3, the spacer portion 20 is provided along the side edge portions on both sides in the plate width direction.
An elongated reinforcing spacer portion 203 integrated with 0 is inserted and integrated. Then, the gap 15 communicates with the outer space by using the opening portion 204 opened between both the reinforcing spacer portions 203 as a communication portion on the end faces of the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3, so that the exhaust gas is discharged. It is possible to go in and out.
【0075】一方、第一のヒータ2と酸素ポンプ素子3
との間、及び酸素濃淡電池素子4と第二のヒータ5との
間には、それぞれガラスあるいはセメント等で構成され
たスペーサ6及び8(図2)が介挿されており、各素子
間には所定量の隙間14及び16がそれぞれ形成されて
いる。なお、隙間15は、請求項でいう酸素ポンプ素子
と酸素濃淡電池素子との間の隙間に、また隙間16は同
じく反対空間に相当する。また、第二のヒータ5は、隙
間形成部材の役割を果たしている。On the other hand, the first heater 2 and the oxygen pump element 3
Spacers 6 and 8 (FIG. 2) made of glass, cement, or the like are interposed between the oxygen concentration cell element 4 and the second heater 5, respectively. Has a predetermined amount of gaps 14 and 16, respectively. The gap 15 corresponds to the gap between the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element, and the gap 16 corresponds to the opposite space. The second heater 5 also serves as a gap forming member.
【0076】図2は、排気ガスセンサ1の内部構造を示
すために、スペーサ部200と補助スペーサ部203と
を省略して描いた図である。酸素ポンプ素子3の各多孔
質電極10,11からは、該素子3の長手方向に沿って
排気ガスセンサ1の取付基端側に向けて延びる電極リー
ド部10a,11aがそれぞれ一体に形成されており、
該基端側において酸素ポンプ素子3には接続端子10
b,11bの一端が埋設されている。そして、例えば、
接続端子10b,11bは、図2(b)に示すように、
金属ペーストを焼結することにより形成された導通部1
0fにより、電極リード部10a,11aの末端に対し
て電気的に接続されている。また、酸素濃淡電池素子4
の各多孔質電極12,13にも同様に電極リード部12
a及び13aが一体に形成されており、それぞれ接続端
子12b,13bが取り付けられている。FIG. 2 is a drawing in which the spacer portion 200 and the auxiliary spacer portion 203 are omitted in order to show the internal structure of the exhaust gas sensor 1. From the porous electrodes 10 and 11 of the oxygen pump element 3, electrode lead portions 10a and 11a extending integrally along the longitudinal direction of the element 3 toward the mounting base end side of the exhaust gas sensor 1 are integrally formed. ,
A connection terminal 10 is connected to the oxygen pump element 3 at the base end side.
One ends of b and 11b are buried. And, for example,
The connection terminals 10b and 11b are, as shown in FIG.
Conducting part 1 formed by sintering metal paste
0f electrically connects to the ends of the electrode lead portions 10a and 11a. In addition, the oxygen concentration battery element 4
Similarly, for each of the porous electrodes 12, 13 of
a and 13a are integrally formed with connection terminals 12b and 13b, respectively.
【0077】図3(a)は、排気ガスセンサ1の全体の
構成例を、また(b)はその内部構造を示している。す
なわち、排気ガスセンサ1の要部は、図1及び図2に示
した第一のヒータ2、酸素ポンプ素子3、酸素濃淡電池
素子4及び第二のヒータ5からなる積層体31であり、
角型の貫通孔30aを有するセラミックストッパ30
が、積層体31に対し外側から嵌着されている。上記積
層体31は、一端側が開放し、貫通孔32aが形成され
た底部32bを他端側に有するセラミック碍管32の内
側に、各電極10〜13の形成された端部(以下、検出
端部という)31aが貫通孔32aから突出するように
配置されるとともに、該碍管32と積層体31との間に
はガラスGが充填されいる。なお、セラミックストッパ
30は、その端面が碍管32の底部32bの内面と当接
することにより、積層体31の碍管32からの突出量を
規定する役割も果たしている。FIG. 3A shows an example of the entire structure of the exhaust gas sensor 1, and FIG. 3B shows its internal structure. That is, the main part of the exhaust gas sensor 1 is a laminated body 31 including the first heater 2, the oxygen pump element 3, the oxygen concentration battery element 4 and the second heater 5 shown in FIGS. 1 and 2,
Ceramic stopper 30 having square through hole 30a
Are fitted to the laminated body 31 from the outside. One end side of the laminated body 31 is opened, and the inside end of the ceramic porcelain tube 32 having the bottom portion 32b in which the through hole 32a is formed is formed on the other end side. 31a is arranged so as to project from the through hole 32a, and glass G is filled between the porcelain bushing 32 and the laminated body 31. The ceramic stopper 30 also plays a role of defining the amount of protrusion of the laminated body 31 from the porcelain tube 32 by contacting the end surface thereof with the inner surface of the bottom portion 32b of the porcelain tube 32.
【0078】また、碍管32の外側は、金属製の外筒3
3と、かしめ結合部34aにより該外筒33と一体化さ
れた主体金具34とにより覆われている。主体金具34
の外周面には、センサ1を排気管等の図示しない取付部
に取り付けるための雄ねじ部34bが形成されるととも
に、その先端側に形成された開口部34cおいて、前述
の積層体31の検出端部31aを突出させている。ま
た、主体金具34の開口部34cの周縁には円環状のプ
ロテクタ取付スリーブ34dが一体的に形成されてい
る。そして、検出端部31aを覆うとともに、該検出端
部31aへの排気ガスの流通を許容する多数の貫通孔3
5aを有した円筒状のプロテクタ35が、上記プロテク
タ取付スリーブ34dに対し外側から嵌着され、さらに
スポット溶接等により接合され一体化されている。一
方、碍管32の中間部において主体金具34との間に形
成される空間には、そのかしめ結合部34aに近い側
に、かしめ時の加工力を受けとめるためのかしめ金具3
6が配置され、さらに残余の空間には充填材80が充填
されている。The outer side of the porcelain insulator 32 is provided with a metal outer cylinder 3
3 and the metal shell 34 integrated with the outer cylinder 33 by the caulking coupling portion 34a. Metal shell 34
A male screw portion 34b for attaching the sensor 1 to an attachment portion (not shown) such as an exhaust pipe is formed on the outer peripheral surface of the, and the above-mentioned laminated body 31 is detected in the opening portion 34c formed at the tip side thereof. The end 31a is projected. An annular protector mounting sleeve 34d is integrally formed on the periphery of the opening 34c of the metal shell 34. A large number of through holes 3 that cover the detection end portion 31a and allow exhaust gas to flow to the detection end portion 31a.
A cylindrical protector 35 having 5a is fitted to the protector mounting sleeve 34d from the outside and further joined and integrated by spot welding or the like. On the other hand, in the space formed between the metal shell 34 and the intermediate portion of the porcelain bush 32, the caulking metal fitting 3 for receiving the processing force at the time of caulking is provided on the side close to the caulking coupling portion 34a.
6 is arranged, and the remaining space is filled with the filler 80.
【0079】一方、積層体31を構成する各素子2〜5
の接続端子(図1等)には、リード線37が溶接等によ
り接合されており、その末端側が碍管32及び外筒33
の端部から外側に延出している。なお、リード線37の
中間部はゴム等の弾性材料で構成されたシール部材38
により覆われており、そのさらに外側には金属製の保護
外筒39がはめ込まれている。そして、該保護外筒39
の端縁側が外筒33に対してかしめにより一体化されて
いる。On the other hand, each element 2 to 5 constituting the laminated body 31
A lead wire 37 is joined to the connection terminal (Fig. 1 etc.) of the same by welding or the like, and the terminal side of the lead wire 37 and the outer tube 33.
Extends outward from the end of. The middle portion of the lead wire 37 is a seal member 38 made of an elastic material such as rubber.
The outer protective cylinder 39 made of metal is fitted on the outer side of the protective outer cylinder 39. Then, the protective outer tube 39
The edge side of the is integrated with the outer cylinder 33 by caulking.
【0080】上記排気ガスセンサ1は、例えば排気管に
設けられた取付部に対し、プロテクタ35側が該排気管
内に位置するように取り付けられる。図4に示すよう
に、この状態で酸素ポンプ素子3には、多孔質電極1
0,11の一方が正、他方が負となるように前述のリー
ド線37(図3)を介して電圧が印加される。そして、
極性が正となる多孔質電極においては、これと接する排
気ガス中の酸素分子が該電極上で解離され、上記印加さ
れた電圧が駆動力となって解離された酸素がイオンの形
で素子3内に送り込まれる。また、上記電圧印加により
素子3内を輸送される酸素イオンは、極性が負となる多
孔質電極上で電子を受け取り、さらに酸素分子に再結合
して雰囲気中に放出される。The exhaust gas sensor 1 is attached to, for example, a mounting portion provided on the exhaust pipe so that the protector 35 side is located inside the exhaust pipe. As shown in FIG. 4, in this state, the oxygen pump element 3 has a porous electrode 1
Voltage is applied through the lead wire 37 (FIG. 3) so that one of 0 and 11 is positive and the other is negative. And
In a porous electrode having a positive polarity, oxygen molecules in exhaust gas in contact with the porous electrode are dissociated on the electrode, and the dissociated oxygen acts as a driving force by the dissociated oxygen in the form of an element 3 Sent in. The oxygen ions transported in the element 3 by the voltage application receive electrons on the porous electrode having a negative polarity, are further recombined with oxygen molecules, and are released into the atmosphere.
【0081】また、酸素濃淡電池素子4においては、多
孔質電極12,13には電圧が印加されず、それら電極
12,13とそれぞれ接する排気ガス中の酸素分子が該
電極12,13上で解離され、それぞれ酸素イオンの形
で素子4内に拡散する。そして、電極12側と13側と
で酸素濃度に差がある場合には、素子4内に酸素イオン
の濃度勾配が生じ、その濃度勾配に応じた濃淡電池起電
力が両電極12,13間に生ずることとなる。なお、以
下においては、酸素ポンプ素子3と酸素濃淡電池素子4
との間に形成されている隙間15に関し、酸素ポンプ素
子3の該隙間15に面さない多孔質電極10を外側電
極、同じく隙間15に面する多孔質電極11を第一電
極、隙間15に面する酸素濃淡電池素子4の多孔質電極
12を第二電極、同じく隙間15に面さない多孔質電極
13を第三電極と呼ぶことにする。In the oxygen concentration battery element 4, no voltage is applied to the porous electrodes 12 and 13, and the oxygen molecules in the exhaust gas contacting the electrodes 12 and 13 are dissociated on the electrodes 12 and 13. And diffuse into the element 4 in the form of oxygen ions, respectively. When there is a difference in oxygen concentration between the electrodes 12 and 13 side, a concentration gradient of oxygen ions is generated in the element 4, and a concentration cell electromotive force corresponding to the concentration gradient is generated between the electrodes 12 and 13. Will occur. In the following, the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4 will be described.
With respect to the gap 15 formed between the first electrode and the gap 15, the porous electrode 10 of the oxygen pump element 3 that does not face the gap 15 is the outer electrode, and the porous electrode 11 that also faces the gap 15 is the first electrode and the gap 15. The facing porous electrode 12 of the oxygen concentration battery element 4 is referred to as a second electrode, and the porous electrode 13 not facing the gap 15 is referred to as a third electrode.
【0082】一方、上記多孔質電極10〜13のうち、
少なくとも一部のものは、上述の酸素分子の解離ないし
再結合を行う役割のほかに、これと接する排気ガス中の
炭化水素系の被検出成分と酸素との結合反応、すなわち
被検出成分の燃焼反応を促進する酸化触媒としても機能
する。そして、本発明の排気ガスセンサでは、上記4つ
の電極10〜13のうち、第一電極11、第二電極12
及び第三電極13の3つのものについて、被検出成分に
対する被検出成分と酸素との反応に対する触媒活性(以
下、酸化触媒活性ともいう)が、酸素濃淡電池素子4の
両側(すなわち隙間15側と隙間16側)において酸素
との反応による被検出成分の消費量に差が生じるように
調整される。On the other hand, of the above porous electrodes 10 to 13,
At least some of them have a function of dissociating or recombining oxygen molecules as described above, and a binding reaction between a hydrocarbon-based component to be detected in the exhaust gas in contact with oxygen, that is, combustion of the component to be detected. It also functions as an oxidation catalyst that accelerates the reaction. In the exhaust gas sensor of the present invention, the first electrode 11 and the second electrode 12 among the above four electrodes 10 to 13 are used.
And the third electrode 13, the catalytic activity for the reaction between the detected component and oxygen with respect to the detected component (hereinafter,
Below, the oxidation catalyst activity) is adjusted so that there is a difference in the consumption amount of the detected component due to the reaction with oxygen on both sides of the oxygen concentration battery element 4 (that is, the gap 15 side and the gap 16 side).
【0083】具体的には、図4において、第一電極11
と第二電極12とが例えば炭化水素に対する酸化触媒活
性が高いPt多孔質電極により、また、第三電極13が
該酸化触媒活性が低いAu多孔質電極によりそれぞれ構
成される。なお、隙間15及び隙間16の大きさはそれ
ぞれ1mm以下の範囲で調整される。一方、第一電極11
の面積Spは第二電極12の面積SSと等しいか、それよ
りも大きく設定される。Specifically, referring to FIG. 4, the first electrode 11
The second electrode 12 and the second electrode 12 are, for example, Pt porous electrodes having a high oxidation catalytic activity for hydrocarbons, and the third electrode 13 is an Au porous electrode having a low oxidation catalytic activity. The sizes of the gap 15 and the gap 16 are adjusted within the range of 1 mm or less. On the other hand, the first electrode 11
The area Sp of the second electrode 12 is equal to or larger than the area SS of the second electrode 12.
【0084】以下、酸素ポンプ素子3と酸素濃淡電池素
子4とを一体焼成する方法について、図5を参照して説
明する。すなわち、一体焼成体を形成するための未焼成
組立体310は、酸素ポンプ素子3を形成するための第
一部分211(第一のセラミック粉末成形体に相当す
る)、酸素濃淡電池素子4を形成するための第二部分2
12(第二のセラミック粉末成形体に相当する)、及び
隙間15を形成するための第三部分213から成り立っ
ている。まず、第一部分211は、ZrO2粉末を有機
バインダとともに混練した生素地を用いて形成された、
酸素ポンプ素子3の本体となるべきZrO2グリーンシ
ート220を含んでいる。そのZrO2グリーンシート
220の両面の、電極10,11(図2等)の形成が予
定された部分を除く領域に、リード部10a,11aと
酸素ポンプ素子3との間を絶縁するための絶縁コート
(絶縁層パターン)221及び222がAl2O3ペース
ト等を用いて形成される。それら絶縁コート221及び
222を形成した後、電極10,11及びリード部10
a,11aを形成するための電極パターン223及び2
24がPtペースト等により印刷形成される。また外側
電極10となる側の電極パターン223の上には保護用
のオーバーコート225がAl2O3ペースト等により形
成される。A method of integrally firing the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 will be described below with reference to FIG. That is, the unfired assembly 310 for forming the integrally fired body forms the first portion 211 (corresponding to the first ceramic powder compact) for forming the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4. For the second part 2
12 (corresponding to a second ceramic powder compact) and a third portion 213 for forming the gap 15. First, the first portion 211 is formed by using a green body obtained by kneading ZrO 2 powder with an organic binder,
It contains a ZrO 2 green sheet 220 to be the body of the oxygen pump element 3. Insulation for insulating between the lead portions 10a, 11a and the oxygen pump element 3 in the regions on both surfaces of the ZrO 2 green sheet 220 except the portions where the electrodes 10, 11 (FIG. 2 etc.) are planned to be formed. The coats (insulating layer patterns) 221 and 222 are formed by using Al 2 O 3 paste or the like. After forming the insulating coats 221 and 222, the electrodes 10 and 11 and the lead portion 10 are formed.
electrode patterns 223 and 2 for forming a and 11a
24 is printed by Pt paste or the like. Further, a protective overcoat 225 is formed of Al 2 O 3 paste or the like on the electrode pattern 223 on the side to be the outer electrode 10.
【0085】一方、第二部分212も同様に、酸素濃淡
電池素子4の本体となるべきZrO2グリーンシート2
30の両面に、絶縁コート(絶縁層パターン)231及
び232が形成される。ここで、絶縁コート231側に
は、電極12とそのリード部12aを形成するための電
極パターン233が形成されるが、Auで構成される電
極13(第三電極)は融点が低くZrO2との一体焼成
が不可能なため、絶縁コート232側には、リード部1
3aを形成するための電極リード部パターン234のみ
が形成され、その上にAl2O3ペーストにより保護用の
オーバーコート235が施される。On the other hand, similarly, the second portion 212 is also the ZrO 2 green sheet 2 to be the main body of the oxygen concentration battery element 4.
Insulating coats (insulating layer patterns) 231 and 232 are formed on both surfaces of 30. Here, an electrode pattern 233 for forming the electrode 12 and its lead portion 12a is formed on the side of the insulating coat 231, but the electrode 13 (third electrode) made of Au has a low melting point and is made of ZrO 2 . Since it is impossible to integrally burn the lead part,
Only an electrode lead portion pattern 234 for forming 3a is formed, and a protective overcoat 235 is applied thereon with an Al 2 O 3 paste.
【0086】次に、第三部分213は、スペーサ部20
0となるべき部分200a(スペーサ成形体)と、補強
スペーサ部203となるべき部分203aとが一体に形
成されたZrO2グリーンシート240を主体に構成さ
れ、その両面には貼合わせコート241と242とがそ
れぞれAl2O3ペースト等を用いて形成されている。こ
れら貼合わせコート241及び242は、前述の絶縁コ
ート222及び231とともに、焼成によりそれぞれ絶
縁層201及び202となり、スペーサ部200及び補
強スペーサ部203と、酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡
電池素子4とを互いに接合する役割を果たす。Next, the third portion 213 is the spacer portion 20.
A ZrO 2 green sheet 240 in which a portion 200a to be 0 (spacer molded body) and a portion 203a to be the reinforcing spacer portion 203 are integrally formed is mainly configured, and the bonding coats 241 and 242 are formed on both surfaces thereof. And are formed by using Al 2 O 3 paste or the like. The pasting coats 241 and 242 together with the above-mentioned insulating coats 222 and 231 become insulating layers 201 and 202 by firing, respectively, and form the spacer portion 200 and the reinforcing spacer portion 203, the oxygen pump element 3, and the oxygen concentration cell element 4. Play a role of joining each other.
【0087】第一部分211と第三部分213とは互い
に積層され、両者の間にはリード部10a及び11aの
末端部に対応して、端子10b及び11b(図2)を形
成するためのPt−Rh合金線243a,243bの一
方の端部側がそれぞれ挟み込まれる。なお、ZrO2グ
リーンシート220のリード部10aの末端に対応する
位置には貫通孔220aが孔設されており、リード部1
0aのパターンを形成する際にペーストがここに充填さ
れ、図2(b)に示すように、焼成によりその充填され
たペーストが焼結されて導通部10fとなり、端子10
b(Pt−Rh合金線243b)とリード部10bとが
導通するようになっている。一方、リード部11aのパ
ターンと、Pt−Rh合金線243aとは、ZrO2グ
リーンシート220及び240の間で挟み付けられて直
接接触する。The first portion 211 and the third portion 213 are laminated on each other, and Pt- for forming the terminals 10b and 11b (FIG. 2) corresponding to the end portions of the lead portions 10a and 11a between them. One end side of each of the Rh alloy wires 243a and 243b is sandwiched. A through hole 220a is formed at a position corresponding to the end of the lead portion 10a of the ZrO 2 green sheet 220.
When forming the pattern of 0a, the paste is filled therein, and as shown in FIG. 2B, the filled paste is sintered to become the conductive portion 10f and the terminal 10 is formed.
b (Pt-Rh alloy wire 243b) is electrically connected to the lead portion 10b. On the other hand, the pattern of the lead portion 11a and the Pt—Rh alloy wire 243a are sandwiched between the ZrO 2 green sheets 220 and 240 and are in direct contact with each other.
【0088】また、第二部分212も第三部分213に
対し第一部分211とは反対側から積層され、リード部
12a及び13aの末端部に対応して、端子12b及び
13b(図2)を形成するためのPt−Rh合金線24
4a,244bの一方の端部側がそれぞれ挟み込まれ、
未焼成組立体310が完成する。なお、ZrO2グリー
ンシート230のリード部13aの末端に対応する位置
には、第一部分211の貫通孔220aと同様に貫通孔
230aが孔設されており、ここに充填されたペースト
に基づく導通部により、端子13bとリード部13aと
が導通するようになっている。また、リード部12aの
パターンと、端子12bとなるPt−Rh合金線244
aとは、ZrO2グリーンシート240及び230の間
で挟み付けられて直接接触する。The second portion 212 is also laminated from the side opposite to the first portion 211 with respect to the third portion 213, and terminals 12b and 13b (FIG. 2) are formed corresponding to the end portions of the lead portions 12a and 13a. Pt-Rh alloy wire 24 for
4a, 244b is sandwiched on one end side,
The green assembly 310 is completed. A through hole 230a is provided at a position corresponding to the end of the lead portion 13a of the ZrO 2 green sheet 230, similarly to the through hole 220a of the first portion 211, and a conductive portion based on the paste filled therein is formed. Thus, the terminal 13b and the lead portion 13a are electrically connected. In addition, the pattern of the lead portion 12a and the Pt-Rh alloy wire 244 that becomes the terminal 12b.
The a is sandwiched between the ZrO 2 green sheets 240 and 230 and is in direct contact therewith.
【0089】そして、上記未焼成組立体310を焼成す
ることにより、図1及び図2に示す酸素ポンプ素子3
と、第三電極13が未形成の状態の酸素濃淡電池素子4
との一体焼成物が得られる。そして、図5に示すよう
に、Au粉末ペーストを用いてパターン245を酸素濃
淡電池素子4の対応する位置にペースト印刷し、さらに
セラミックスの焼成温度より低い温度(例えば850〜
1000℃)で焼き付けて二次メタライズ処理すること
により、第三電極13が形成されて排気ガスセンサの要
部が完成する。By firing the unfired assembly 310, the oxygen pump element 3 shown in FIGS.
And the oxygen concentration battery element 4 with the third electrode 13 not formed.
An integrated fired product of is obtained. Then, as shown in FIG. 5, a pattern 245 is paste-printed on a corresponding position of the oxygen concentration battery element 4 using Au powder paste, and the temperature is lower than the firing temperature of the ceramics (for example, 850 to 850).
The third electrode 13 is formed by baking at 1000 ° C. and performing the secondary metallization process, and the main part of the exhaust gas sensor is completed.
【0090】排気ガスセンサ1の作動原理の概要は以下
の通りである。図4に示すように、排気ガスセンサ1を
排気管に取り付け、酸素ポンプ素子3と酸素濃淡電池素
子4との間の隙間15と、酸素濃淡電池素子4とヒータ
5との間の隙間16(反対空間)とに、それぞれ炭化水
素系の被検出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入さ
れると、隙間15側に位置する電極11,12がいずれ
もPtで形成されており、隙間16側に位置する電極1
3がAuで構成されていることから、該排気ガス中の被
検出成分の酸化による消費量は、隙間15側において隙
間16側よりも大きくなる。そして、被検出成分の消費
量の大きい側においては、排気ガスEG中の酸素の消費
量も大きくなることから、隙間16内の酸素濃度は隙間
15内のそれよりも高くなり、酸素濃淡電池素子4には
隙間16側を正とする濃淡電池起電力が生ずる。The outline of the operating principle of the exhaust gas sensor 1 is as follows. As shown in FIG. 4, the exhaust gas sensor 1 is attached to the exhaust pipe, and the gap 15 between the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 and the gap 16 between the oxygen concentration battery element 4 and the heater 5 (opposite When exhaust gas containing a hydrocarbon-based component to be detected and oxygen is introduced into the space), the electrodes 11 and 12 located on the gap 15 side are both formed of Pt and the gap 16 side. Electrode 1 located at
Since 3 is composed of Au, the amount of consumption of the component to be detected in the exhaust gas due to oxidation is larger on the gap 15 side than on the gap 16 side. On the side where the amount of component to be detected is large, the amount of oxygen in the exhaust gas EG is also large. Therefore, the oxygen concentration in the gap 16 becomes higher than that in the gap 15, and the oxygen concentration battery element 4, a concentration cell electromotive force is generated with the gap 16 side being positive.
【0091】そして、上記濃淡電池起電力の絶対値が例
えば10mV以下の一定値となるように、酸素ポンプ素
子3により隙間14側から隙間15側へ酸素を汲み込む
と、該酸素ポンプ素子3を流れる電流(以下、酸素ポン
プ電流あるいはポンプ電流という)は、被検出成分の酸
化に消費された酸素量を反映した値となる。また、排気
ガスEG中の被検出成分の濃度が高くなると、その酸化
により消費される酸素量は増大し、結果としてポンプ電
流も大きくなる。従って、ポンプ電流を測定することに
より、排気ガスEG中の被検出成分の濃度を知ることが
できる。Then, when oxygen is pumped from the gap 14 side to the gap 15 side by the oxygen pump element 3 so that the absolute value of the concentration battery electromotive force becomes a constant value of, for example, 10 mV or less, the oxygen pump element 3 is removed. The flowing current (hereinafter, referred to as oxygen pump current or pump current) has a value that reflects the amount of oxygen consumed for the oxidation of the component to be detected. Further, when the concentration of the detected component in the exhaust gas EG increases, the amount of oxygen consumed by the oxidation increases, and as a result, the pump current also increases. Therefore, by measuring the pump current, the concentration of the component to be detected in the exhaust gas EG can be known.
【0092】次に、上記排気ガスセンサ1においては、
図6に示すように、隙間15において酸素濃淡電池素子
4と酸素ポンプ素子3との間に、該隙間15に対する気
体の出入りを妨げない状態で該隙間15の間隔を規定す
る支柱部210を形成することができる。図6に示す例
においては、支柱部210は、酸素ポンプ素子3及び酸
素濃淡電池素子4と同材質の固体電解質セラミックによ
り、隙間15をその長手方向中間位置で2部分に仕切る
仕切壁状に形成されている。また、隙間15に関してス
ペーサ部200と反対側には補助スペーサ部215が介
挿・一体化されている。そして、隙間15は、酸素ポン
プ素子3と酸素濃淡電池素子4との積層体の幅方向両側
面において、支柱部210の両側に形成された開口部2
04を連通部として外側空間と連通することにより、排
気ガスが出入り可能となる。Next, in the exhaust gas sensor 1,
As shown in FIG. 6, a column portion 210 is formed between the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3 in the gap 15 to define the gap of the gap 15 without hindering gas from entering and leaving the gap 15. can do. In the example shown in FIG. 6, the support column 210 is formed of a solid electrolyte ceramic of the same material as the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 into a partition wall shape that divides the gap 15 into two parts at an intermediate position in the longitudinal direction. Has been done. An auxiliary spacer portion 215 is inserted and integrated on the side opposite to the spacer portion 200 with respect to the gap 15. The gap 15 is formed in each of the openings 2 formed on both sides of the support column 210 on both side surfaces in the width direction of the stack of the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4.
The exhaust gas can enter and exit by communicating with the outer space with 04 as a communication portion.
【0093】この支柱部210は、図7に示す未焼成組
立体310の焼成により、酸素ポンプ素子3及び酸素濃
淡電池素子4と一体形成することができる。図7の未焼
成組立体310は、第三部分213を除いて図5に示す
ものと全く同一に構成されている。そして、その第三部
分213においては、スペーサ部200を形成するため
のスペーサ成形体200aと、隙間15に予定された空
間を挟んでこれと反対側に配置された補助スペーサ部2
15を形成するための補助スペーサ成形体215aと、
さらに両者の間に配置された支柱部パターンとしての支
柱部成形体210aとがZrO2グリーンシート240
を用いて形成され、それらの両側に前述の第一部分21
1と第二部分212とが積層される。The column 210 can be integrally formed with the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 by firing the unfired assembly 310 shown in FIG. The green assembly 310 of FIG. 7 is constructed exactly as shown in FIG. 5 except for the third portion 213. Then, in the third portion 213, the spacer molded body 200a for forming the spacer portion 200 and the auxiliary spacer portion 2 arranged on the opposite side to the space scheduled in the gap 15 are sandwiched therebetween.
Auxiliary spacer molding 215a for forming 15 and
Further, the pillar portion molded body 210a as the pillar portion pattern arranged between the two is formed of the ZrO 2 green sheet 240.
Formed on both sides of the above-mentioned first portion 21
1 and the second portion 212 are laminated.
【0094】そして、これを焼成することにより、酸素
濃淡電池素子4と酸素ポンプ素子3との間に、上記支柱
部成形体210aに基づく支柱部210が形成される。
焼成時に上記支柱部成形体210aを介挿することによ
り、隙間を形成した状態で積層されたZrO2グリーン
シートが焼成時に変形して隙間側に垂れ下がることが防
止され、所期の大きさの隙間15を安定して形成するこ
とができる。なお、図6に示す例では、支柱部210
は、電極11及び12を幅方向に横切るように形成され
ていたが、これを図8に示すように電極11及び12と
干渉しない位置に形成するようにしてもよい。同図にお
いては、支柱部210は、酸素濃淡電池素子4及び酸素
ポンプ素子3の幅方向両側おいて、それらの長手方向に
沿うように、それぞれ複数のものが所定の間隔で配置さ
れている。一方、隙間15の、酸素濃淡電池素子4と酸
素ポンプ素子3との長手方向おける長さがそれほど大き
くない場合には、図9に示すように支柱部210を省略
する構成とすることも可能である。Then, by firing this, the column portion 210 based on the column portion molded body 210a is formed between the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3.
By inserting the pillar portion molded body 210a at the time of firing, it is possible to prevent the ZrO 2 green sheets laminated with a gap formed therebetween from being deformed at the time of firing and hanging down to the gap side. 15 can be stably formed. In addition, in the example shown in FIG.
Is formed so as to cross the electrodes 11 and 12 in the width direction, but it may be formed at a position where it does not interfere with the electrodes 11 and 12 as shown in FIG. In the figure, a plurality of column portions 210 are arranged at predetermined intervals on both sides of the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3 in the width direction so as to extend along the longitudinal direction thereof. On the other hand, if the length of the gap 15 in the longitudinal direction between the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3 is not so large, the strut portion 210 may be omitted as shown in FIG. is there.
【0095】また、酸素濃淡電池素子4及び酸素ポンプ
素子3に対し、第一及び第二のヒータ2及び5の少なく
ともいずれかを、焼成により一体化する構成としてもよ
い。図10はその一例を示しており、酸素ポンプ素子3
に対し、隙間15とは反対側に第一のヒータ2が積層さ
れ、酸素ポンプ素子3と酸素濃淡電池素子4と第一のヒ
ータ2とが、互いに積層された一体の焼成体として構成
されている。なお、第二のヒータ5は省略されている。
ここで、第一のヒータ2と外側電極10との間には隙間
14が形成されており、その隙間14以外の領域におい
て第一のヒータ2と酸素ポンプ素子3とはAl2O3等で
構成された絶縁層2cを介して接合されている。At least one of the first and second heaters 2 and 5 may be integrated with the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3 by firing. FIG. 10 shows an example of the oxygen pump element 3
On the other hand, the first heater 2 is laminated on the side opposite to the gap 15, and the oxygen pump element 3, the oxygen concentration cell element 4, and the first heater 2 are formed as an integral fired body laminated on each other. There is. The second heater 5 is omitted.
Here, a gap 14 is formed between the first heater 2 and the outer electrode 10, and in the area other than the gap 14, the first heater 2 and the oxygen pump element 3 are made of Al 2 O 3 or the like. It is joined via the configured insulating layer 2c.
【0096】上記センサ構造は、図11に示すように、
基本的には図7に示す未焼成組立体において、その第一
部分211に対し、第三部分213とは反対側から第一
のヒータ2となるべき第四部分(第三のセラミック粉末
成形体)214を積層し、その積層体として得られる未
焼成組立体310を焼成することにより得られる。以
下、図7との相違点について説明すれば、第一部分21
1から図7のオーバーコート225を省略し、その電極
パターン223に対しこれに近い側から、ヒータ通電用
の端子2a,2b(図10)となるPt−Rh合金線2
57a,257b、貼合わせコート256(Al2O3ペ
ースト等による)、隙間形成用補助支持パターン255
(カーボンペースト等による)、オーバーコート254
(Al2O3ペースト等による)、ヒータパターン253
(Ptペースト等による)、絶縁コート252(Al2
O3ペースト等による)、ZrO2グリーンシート251
(ヒータ本体となる)、及びオーバーコート250(A
l2O3ペースト等による)がこの順序で積層されて第四
部分214が形成される。なお、支柱部210は、図9
の構成と同様に省略されている。ここで、隙間形成用補
助支持パターン255は、電極パターン223に対し外
側電極10に対応する領域に選択的に形成され、焼成時
に消失して、図10に示すように、ZrO2グリーンシ
ート251に基づくヒータ本体2と酸素ポンプ素子3と
の間に隙間14を形成することとなる。The above sensor structure has a structure as shown in FIG.
Basically, in the unfired assembly shown in FIG. 7, the fourth portion (third ceramic powder compact) to be the first heater 2 from the side opposite to the third portion 213 with respect to the first portion 211. It is obtained by stacking 214 and firing the unbaked assembly 310 obtained as the laminate. Hereinafter, the difference from FIG. 7 will be described. First portion 21
1 to 7, the overcoat 225 of FIG. 7 is omitted, and the Pt—Rh alloy wire 2 serving as the terminals 2a and 2b (FIG. 10) for energizing the heater from the side closer to the electrode pattern 223 is formed.
57a, 257b, bonding coat 256 (using Al 2 O 3 paste, etc.), auxiliary support pattern 255 for gap formation
(With carbon paste, etc.), overcoat 254
(Al 2 O 3 paste etc.), heater pattern 253
(Using Pt paste or the like), insulating coat 252 (Al 2
O 3 by paste or the like), ZrO 2 green sheet 251
(Becomes the heater body), and overcoat 250 (A
1 2 O 3 paste or the like) is laminated in this order to form the fourth portion 214. In addition, the column part 210 is shown in FIG.
It is omitted as in the configuration of FIG. Here, the auxiliary support pattern 255 for forming a gap is selectively formed in a region corresponding to the outer electrode 10 with respect to the electrode pattern 223, disappears during firing, and becomes a ZrO 2 green sheet 251, as shown in FIG. A gap 14 is formed between the heater body 2 and the oxygen pump element 3 which are based on each other.
【0097】次に、図12は、より簡便な構成として
の、スペーサ部を使用しない排気ガスセンサの構成例を
示している。すなわち、該排気ガスセンサ1において
は、酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡電池素子4は、それ
ぞれ横長の板状に構成されて互いに対向配置され、各電
極10〜13はそれら酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡電
池素子4の板面長手方向における一方の端部側に形成さ
れている。そして、隙間15において酸素ポンプ素子3
及び酸素濃淡電池素子4との間には支柱部210が形成
される一方、隙間15を除く領域において酸素ポンプ素
子3と酸素濃淡電池素子4とは、支柱部210の高さよ
りも厚さが小さい絶縁層260を介して互いに接合・一
体化されている。なお、第一及び第二のヒータ2及び5
は少なくともいずれかが設けられるが、図12はこれを
省略して描いている。Next, FIG. 12 shows an example of the structure of an exhaust gas sensor which does not use a spacer portion, as a simpler structure. That is, in the exhaust gas sensor 1, the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 are respectively formed in a horizontally long plate shape and are arranged to face each other, and the electrodes 10 to 13 are arranged in the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery, respectively. The element 4 is formed on one end side in the longitudinal direction of the plate surface. Then, in the gap 15, the oxygen pump element 3
While the column portion 210 is formed between the oxygen concentration cell element 4 and the oxygen concentration battery element 4, the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4 have a thickness smaller than the height of the column portion 210 in the region excluding the gap 15. They are joined and integrated with each other via the insulating layer 260. The first and second heaters 2 and 5
Although at least one is provided, this is omitted in FIG.
【0098】隙間15は、酸素ポンプ素子3及び酸素濃
淡電池素子4の積層体の幅方向両側面部に開放して、排
気ガスが出入り可能な連通部261が形成されている。
なお、各電極10〜13の端子10b,11b,13b
は、酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡電池素子4の長手方
向における端面側において、基端側が両者の間に挟み込
まれる形で突出している。なお、電極10及び13に対
する端子10b及び13bの接続形態は、図2(b)に
示すものと同様である。また、電極11及び12は後述
する通り共通接地されるため、端子11bが両電極1
1,12の間で共有され、図2の構成における端子12
bが省略されている。また、支柱部210は、図12
(c)に示すように、方形断面のものが散点状あるいは
千鳥状に形成されているが、これを同図(d)に示すよ
うに円形断面に形成したり、あるいは同図(e)に示す
ように、長さの異なる方形断面のものを混在させた形で
構成してもよい。The gap 15 is opened to both side surfaces in the width direction of the laminated body of the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4, and a communication portion 261 through which exhaust gas can flow in and out is formed.
The terminals 10b, 11b, 13b of the electrodes 10 to 13 are
On the end face side in the longitudinal direction of the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4, the base end side is projected so as to be sandwiched therebetween. The connection form of the terminals 10b and 13b to the electrodes 10 and 13 is the same as that shown in FIG. Also, since the electrodes 11 and 12 are commonly grounded as described later, the terminal 11b is connected to both electrodes 1
1 and 12 are shared between the terminals 1 and 12, and the terminal 12 in the configuration of FIG.
b is omitted. In addition, the column part 210 is shown in FIG.
As shown in (c), a rectangular cross section is formed in a scattered or staggered shape, but it may be formed in a circular cross section as shown in (d) of the figure, or (e) in the figure. As shown in FIG. 5, the rectangular cross sections having different lengths may be mixed.
【0099】上記センサ構造の製造方法について図13
を用いて説明する。この場合も基本的には、前述の第一
部分211と第二部分212とを含む未焼成組立体31
0の焼成により製造される。しかしながら、図1等に示
すセンサ構造とは、下記のような製法上の違いを有す
る。まず、スペーサ部を形成するためのZrO2グリー
ンシートを含む第三部分が省略され、代わって第一部分
211と第二部分212との各々の対向面において隙間
15に予定された領域に、セラミック粉末ペースト(例
えば多孔質Al2O3粉末ペースト)を用いて、支柱部2
10となるべき支柱部パターン266a及び266bが
形成される。また、その支柱部パターン266a及び2
66bと重なりを生じない位置において同じく該隙間1
5に予定された領域に、焼成時に燃焼ないし分解する材
質の粉末ペースト(例えばカーボンペースト)により補
助支持パターン267a及び267bが形成される。さ
らに、上記隙間15に予定された領域を除く他の領域に
は、絶縁層パターンとしての貼合わせコート269がA
l2O3粉末ペースト等により支柱部パターン266a及
び266bの合計の高さよりも小さい厚さで形成され
る。Regarding the manufacturing method of the above sensor structure, FIG.
Will be explained. Also in this case, basically, the green assembly 31 including the first portion 211 and the second portion 212 described above is basically used.
It is manufactured by firing 0. However, it has the following manufacturing method differences from the sensor structure shown in FIG. First, the third portion including the ZrO 2 green sheet for forming the spacer portion is omitted, and instead, the ceramic powder is provided in the area scheduled to be the gap 15 on the respective facing surfaces of the first portion 211 and the second portion 212. Using a paste (for example, a porous Al 2 O 3 powder paste), the pillar 2
Column patterns 266a and 266b to be 10 are formed. In addition, the pillar pattern 266a and 2
The gap 1 is also provided at a position where it does not overlap with 66b.
Auxiliary support patterns 267a and 267b are formed in a region scheduled for No. 5 by a powder paste (for example, carbon paste) made of a material that burns or decomposes during firing. Further, a bonding coat 269 as an insulating layer pattern is formed in the area other than the area scheduled for the gap 15 as described above.
The support pattern 266a and 266b is formed of l 2 O 3 powder paste or the like with a thickness smaller than the total height of the support pattern 266a and 266b.
【0100】上記未焼成組立体310を焼成することに
より、図15に示すように、酸素濃淡電池素子4と酸素
ポンプ素子3との間においては、補助支持パターン26
7a及び267bが消失するとともに、上記支柱部パタ
ーン266a,266bが焼成により一体化して支柱部
210が形成され、該支柱部210により大きさが規定
された形で隙間15が形成される。一方、隙間15を除
く他の領域においてそれら酸素濃淡電池素子4と酸素ポ
ンプ素子3とは、貼合わせコート269に基づく絶縁層
260を介して互いに接合される。By firing the unfired assembly 310, as shown in FIG. 15, the auxiliary support pattern 26 is provided between the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3.
7a and 267b disappear, and the pillar patterns 266a and 266b are integrated by firing to form the pillar 210, and the pillar 210 forms the gap 15 in a size-defined manner. On the other hand, in regions other than the gap 15, the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3 are bonded to each other via the insulating layer 260 based on the bonding coat 269.
【0101】ここで、図14に示すように、支柱部パタ
ーン266a,266bと、補助支持パターン267
a,267bとは平面をほぼ埋め尽くすように相補的に
形成され、第一部分211と第二部分212とを積層し
た際に、補助支持パターン267a,267bによる補
強効果に基づき、支柱部パターン266a,266bが
両者の間で潰れることが防止ないし抑制される。また、
第一部分211と第二部分212とは、その要部がZr
O2グリーンシート220及び230で形成されている
ため、図15(a)に誇張して示すように、貼合わせコ
ート269が266a,266bの合計厚さよりもかな
り薄く形成されていたとしても、ZrO2グリーンシー
ト220及び230が少し橈むことで、両者は貼合わせ
コート269を介して密着でき、焼成により支障なく一
体化することができる。Here, as shown in FIG. 14, the support column patterns 266a and 266b and the auxiliary support pattern 267 are provided.
a and 267b are formed complementarily so as to almost completely fill the plane, and when the first portion 211 and the second portion 212 are laminated, based on the reinforcing effect of the auxiliary support patterns 267a and 267b, the pillar pattern 266a, It is prevented or suppressed that the 266b is crushed between the two. Also,
The main parts of the first part 211 and the second part 212 are Zr.
Since the O 2 green sheets 220 and 230 are formed, as shown in an exaggerated manner in FIG. 15A, even if the laminating coat 269 is formed to be considerably thinner than the total thickness of 266a and 266b, the ZrO By slightly bending the two green sheets 220 and 230, the two green sheets 220 and 230 can be adhered to each other through the laminating coat 269 and can be integrated by firing without any trouble.
【0102】図16は、図13に示したものと類似の製
法により得られるセンサ構造の変形例を示している。該
構成においては、隙間15の連通部が開放部ではなく、
多孔質Al2O3焼成体により多孔質セラミック体270
として構成されている。また、支柱部210は形成され
ていない。FIG. 16 shows a modification of the sensor structure obtained by a manufacturing method similar to that shown in FIG. In this structure, the communicating portion of the gap 15 is not the open portion,
Porous Ceramic Body 270 Made of Porous Al 2 O 3 Fired Body
Is configured as. Moreover, the column part 210 is not formed.
【0103】上記構造の製造方法について、図13との
相違点を中心に図17を用いて説明する。まず、図13
の支柱部パターン266a,266bに代えて、多孔質
セラミック体270を形成するための連通部パターン2
71aと271bとが多孔質Al2O3粉末ペーストによ
り形成され、隙間形成部には図13と同様にカーボンペ
ーストによる隙間形成用補助支持パターン272a及び
272bが形成される。これを焼成することにより、連
通部パターン271aと271bとは一体化して多孔質
セラミック体270となり、隙間形成用補助支持パター
ン272a及び272bは消失して隙間15を形成す
る。A method of manufacturing the above structure will be described with reference to FIGS. 17A and 17B, focusing on differences from FIG. First, FIG.
In place of the pillar portions patterns 266a and 266b, the communicating portion pattern 2 for forming the porous ceramic body 270.
71a and 271b are formed of a porous Al 2 O 3 powder paste, and auxiliary support patterns 272a and 272b for forming a gap made of carbon paste are formed in the gap forming portion as in FIG. By firing this, the communicating portion patterns 271a and 271b are integrated to form the porous ceramic body 270, and the gap forming auxiliary support patterns 272a and 272b disappear to form the gap 15.
【0104】以下、上記排気ガスセンサを使用したセン
サシステムについて説明する。図18は、排気ガスセン
サ1を用いたセンサシステムの一例の電気的構成を示す
ブロック図である。すなわち、該センサシステム50
は、上記排気ガスセンサ1と、マイクロプロセッサ51
と、それら排気ガスセンサ1とマイクロプロセッサ51
とを接続する周辺回路50aとから構成されている。な
お、マイクロプロセッサ51のCPU53は、ROM5
5に格納された制御プログラム55aにより、被検出成
分濃度情報補正手段、通電制御手段、ポンプ電流補正量
決定手段、補正演算手段、補正濃度情報生成手段、内部
抵抗測定手段、温度情報生成手段、濃淡電池起電力測定
手段及び電圧情報補正手段の主体をなす。A sensor system using the above exhaust gas sensor will be described below. FIG. 18 is a block diagram showing an electrical configuration of an example of a sensor system using the exhaust gas sensor 1. That is, the sensor system 50
Is the exhaust gas sensor 1 and the microprocessor 51.
And the exhaust gas sensor 1 and the microprocessor 51
It is composed of a peripheral circuit 50a for connecting to. The CPU 53 of the microprocessor 51 is the ROM 5
5, the detected component concentration information correction means, energization control means, pump current correction amount determination means, correction calculation means, correction concentration information generation means, internal resistance measurement means, temperature information generation means, and light and shade It is the main body of the battery electromotive force measuring means and the voltage information correcting means.
【0105】排気ガスセンサ1の酸素濃淡電池素子4は
第二電極12が接地される一方、第三電極13はスイッ
チ機構、例えばCMOS−IC等で構成された両極性型
アナログスイッチ回路60のスイッチSw1を介して反
転増幅用のオペアンプ61(ポンプ電流制御手段)の負
端子側に接続されている。一方、オペアンプ61の正端
子側には起電力目標値ECを与えるための電源回路65
が接続されている。該電源回路65は、起電力目標値E
Cの設定値を一定の範囲で変更可能に構成されている。
例えば図に示す例においては、3つの固定抵抗66a〜
66cと1つの可変抵抗66dを各辺に備えるブリッジ
回路66と、これに接続された電源67とを含んで構成
されている。可変抵抗66dの抵抗レンジをRmin〜Rm
axとして、Rmin<Re<Rmaxとなるある抵抗値Reにお
いてブリッジが平衡し、オペアンプ61の端子への出力
電圧が0となるように、固定抵抗66a〜66cの各抵
抗値が調整されている。そして、可変抵抗66dの抵抗
値をReからそれぞれRmin又はRmax側にずらせること
により、起電力目標値ECは0Vを挟んでそれぞれ正負
両側に一定の範囲で変更可能となる。In the oxygen concentration battery element 4 of the exhaust gas sensor 1, the second electrode 12 is grounded, while the third electrode 13 is a switch mechanism, for example, the switch Sw1 of the bipolar analog switch circuit 60 composed of a CMOS-IC or the like. Is connected to the negative terminal side of the operational amplifier 61 (pump current control means) for inverting amplification via. On the other hand, on the positive terminal side of the operational amplifier 61, a power supply circuit 65 for giving an electromotive force target value EC
Are connected. The power supply circuit 65 has an electromotive force target value E
It is configured so that the set value of C can be changed within a certain range.
For example, in the example shown in the drawing, three fixed resistors 66a to
66c and one variable resistor 66d on each side, a bridge circuit 66, and a power supply 67 connected thereto. The variable resistor 66d has a resistance range of Rmin to Rm.
As ax, the resistance values of the fixed resistors 66a to 66c are adjusted so that the bridge is balanced at a certain resistance value Re where Rmin <Re <Rmax and the output voltage to the terminal of the operational amplifier 61 becomes zero. By shifting the resistance value of the variable resistor 66d from Re to the Rmin or Rmax side, the electromotive force target value EC can be changed within a certain range on both positive and negative sides with 0V interposed therebetween.
【0106】次に、オペアンプ61は、周辺の抵抗器6
1a〜61dとともに差動増幅器を構成し、その出力側
は電流検出用の抵抗器62を介して酸素ポンプ素子3の
外側電極10に接続されている。一方、酸素ポンプ素子
3の第一電極11側は、酸素濃淡電池素子4の第二電極
12と共通接地されている。これにより、オペアンプ6
1は、酸素濃淡電池素子4の濃淡電池起電力入力Em
と、起電力目標値ECとの差電圧Em−ECを反転増幅し
て酸素ポンプ素子3の第一電極11側に印加することと
なる。なお、抵抗器61a及び61bの電気抵抗値をそ
れぞれR1及びR2とすれば、オペアンプ61の電圧ゲイ
ンはA1=R1/R2である。Next, the operational amplifier 61 is provided with the peripheral resistor 6
A differential amplifier is configured with 1a to 61d, and its output side is connected to the outer electrode 10 of the oxygen pump element 3 via a resistor 62 for current detection. On the other hand, the first electrode 11 side of the oxygen pump element 3 is commonly grounded with the second electrode 12 of the oxygen concentration battery element 4. As a result, the operational amplifier 6
1 is the concentration cell electromotive force input Em of the oxygen concentration cell element 4
Then, the differential voltage Em−EC from the electromotive force target value EC is inverted and amplified and applied to the first electrode 11 side of the oxygen pump element 3. If the electric resistance values of the resistors 61a and 61b are R1 and R2, respectively, the voltage gain of the operational amplifier 61 is A1 = R1 / R2.
【0107】ここで、図19に示すように、Em>ECで
あればEm−EC>0であるから、オペアンプ61の出力
電圧−A1(Em−EC)は負となり、酸素ポンプ素子3
には第一電極11側が負となるように電圧が印加され、
酸素ポンプ素子3には隙間15に酸素を汲み込む方向に
ポンプ電流Ipが流れる。このポンプ電流Ipは、電流検
出用抵抗器62(抵抗値R3)の両端電圧差の形で、周
辺の抵抗器64a〜64dとともに差動増幅器を構成す
るオペアンプ64により電圧信号として取り出され、さ
らに図18に示すように、ダイポーラ型のA/D変換器
70でデジタル化されてマイクロプロセッサ51に入力
される。なお、64a,64bは、オペアンプ64のゲ
イン調整用抵抗器(それぞれ抵抗値R5、R6)である。Here, as shown in FIG. 19, if Em> EC, then Em-EC> 0. Therefore, the output voltage -A1 (Em-EC) of the operational amplifier 61 becomes negative and the oxygen pump element 3
Is applied with a voltage so that the first electrode 11 side becomes negative,
A pump current Ip flows through the oxygen pump element 3 in a direction in which oxygen is drawn into the gap 15. This pump current Ip is taken out as a voltage signal in the form of a voltage difference between both ends of the current detection resistor 62 (resistance value R3) by the operational amplifier 64 that constitutes a differential amplifier together with the peripheral resistors 64a to 64d. As shown in FIG. 18, it is digitized by the dipolar A / D converter 70 and input to the microprocessor 51. Incidentally, 64a and 64b are gain adjusting resistors (resistance values R5 and R6, respectively) of the operational amplifier 64.
【0108】次に、図18に示すように酸素濃淡電池素
子4の第三電極13側には、アナログスイッチ回路60
のSw2及びSw3を介して、電流値ICで極性が互いに
異なる定電流電源回路73と74とがそれぞれ接続され
ている。また、上記第三電極13側の電圧信号VSは、
ダイポーラ型のA/D変換器71でデジタル変換されて
マイクロプロセッサ51に入力されるようになってい
る。なお、アナログスイッチ回路60の各スイッチSw
1〜Sw3は、マイクロプロセッサ51からの制御信号を
受けてオン・オフする。Next, as shown in FIG. 18, the analog switch circuit 60 is provided on the third electrode 13 side of the oxygen concentration battery element 4.
The constant current power supply circuits 73 and 74 having different current values IC and different polarities are connected to each other through Sw2 and Sw3. The voltage signal VS on the third electrode 13 side is
It is adapted to be digitally converted by a dipolar type A / D converter 71 and input to the microprocessor 51. In addition, each switch Sw of the analog switch circuit 60
1 to Sw3 are turned on / off in response to a control signal from the microprocessor 51.
【0109】また、排気ガスセンサ1の第一及び第二の
ヒータ2及び5は、例えば共通のヒータ通電回路72を
介してマイクロプロセッサ51に接続されている。図2
0(a)にヒータ通電回路72の一例を示している。該
ヒータ通電回路72は、マイクロプロセッサ51から与
えられるヒータ制御値をアナログ変換するD/A変換器
80と、これに接続された電流増幅用のトランジスタ8
2とを備え、このトランジスタ82にヒータ2及び5が
接続されている。トランジスタ82は能動領域で作動
し、与えられるヒータ制御値に応じてヒータ2,5の通
電電流を増加させる。The first and second heaters 2 and 5 of the exhaust gas sensor 1 are connected to the microprocessor 51 via, for example, a common heater energizing circuit 72. Figure 2
An example of the heater energizing circuit 72 is shown in 0 (a). The heater energizing circuit 72 includes a D / A converter 80 for converting a heater control value given from the microprocessor 51 into an analog signal, and a current amplification transistor 8 connected to the D / A converter 80.
2 and the heaters 2 and 5 are connected to the transistor 82. The transistor 82 operates in the active region and increases the energization current of the heaters 2 and 5 according to the applied heater control value.
【0110】一方、図20(b)は、PWM(pulse wi
dth modulation)制御方式を採用したヒータ通電回路7
2の例を示すものである。この回路72の主体をなすの
はPWM制御回路85であり、マイクロプロセッサ51
から与えられるヒータ制御値をアナログ変換するD/A
変換器86と、三角波(あるいはのこぎり波)発生回路
87と、それらD/A変換器86及び三角波発生回路8
7からの出力がそれぞれ入力される単電源オペアンプ8
8とを含んで構成されている。単電源オペアンプ88
は、ヒータ制御値と三角波入力値との大小関係に応じて
ゼロ及びゼロでない所定電圧Vのいずれかを出力するコ
ンパレータとして作動する(本実施例では、三角波入力
値が大きい場合に+V、ヒータ制御値が大きい場合にゼ
ロが出力されるものとする)。以下、オペアンプ88を
コンパレータ88とよぶ。On the other hand, FIG. 20B shows PWM (pulse wi
Heater energizing circuit 7 adopting dth modulation) control method
2 shows an example. The main part of this circuit 72 is the PWM control circuit 85, which
D / A that converts the heater control value given by
Converter 86, triangular wave (or sawtooth wave) generating circuit 87, D / A converter 86 and triangular wave generating circuit 8
Single power supply operational amplifier 8 to which the output from 7 is input respectively
And 8 are included. Single power supply operational amplifier 88
Operates as a comparator that outputs either zero or a predetermined voltage V that is not zero according to the magnitude relationship between the heater control value and the triangular wave input value (in this embodiment, + V when the triangular wave input value is large, heater control Zero shall be output when the value is large). Hereinafter, the operational amplifier 88 is referred to as a comparator 88.
【0111】また、図20(c)は、三角波発生回路8
7の一例を示すものであり、その要部はコンパレータと
して機能するオペアンプ89と、オペアンプ98と抵抗
器97及びコンデンサ99とからなる積分回路100と
からなる。オペアンプ89は、図中A点とB点の電圧加
算値が正であるか負であるかに応じて、それぞれ正負の
最大電圧を出力する。そして、このオペアンプ89の出
力電圧は、ダイオード群92〜95とツェナーダイオー
ド96により、0Vに対する正負の電圧が一定値VZDの
方形波となり、これが積分回路100によって0Vに対
する正負の最大振幅がVZDの三角波に変換される。な
お、三角波の周期λ(図21)は、積分回路100の抵
抗器97の抵抗値とコンデンサ99の容量に応じて調整
できる。発生した三角波は、オペアンプ101により所
定の振幅に増幅されて図20(b)のコンパレータ88
に出力される。Further, FIG. 20C shows a triangular wave generating circuit 8
7 shows an example, and the main part thereof is composed of an operational amplifier 89 functioning as a comparator, and an integrating circuit 100 composed of an operational amplifier 98, a resistor 97 and a capacitor 99. The operational amplifier 89 outputs maximum positive and negative voltages, respectively, depending on whether the voltage added value at points A and B in the figure is positive or negative. The output voltage of the operational amplifier 89 is a square wave whose positive and negative voltage with respect to 0V is a constant value VZD due to the diode groups 92 to 95 and the Zener diode 96, and this is a triangular wave with the maximum positive and negative amplitude with respect to 0V being VZD by the integrating circuit 100. Is converted to. The period λ of the triangular wave (FIG. 21) can be adjusted according to the resistance value of the resistor 97 and the capacitance of the capacitor 99 of the integrating circuit 100. The generated triangular wave is amplified to a predetermined amplitude by the operational amplifier 101, and the comparator 88 of FIG.
Is output to.
【0112】図21は、PWM制御回路85の作動説明
図であり、コンパレータ88の入力において、ヒータ制
御電圧値Viが三角波入力Vtよりも小さくなっている期
間においてはコンパレータ88の出力は+Vとなり、そ
うでない場合は0となる。これにより、コンパレータ8
8はデューティ比が{(Vi+Vmax)/2Vmax}×λ
(ただし、−Vmax≦Vi≦+Vmax、Vmaxは三角波入力
の最大振幅)のPWM波を出力することとなる。このP
WM波出力により図20(b)のトランジスタ82が高
速でスイッチングされ、ヒータ2,5は上記デューティ
比により断続的に通電される。そして、このデューティ
比がヒータ制御電圧値Viに応じて変化することによ
り、ヒータ2,5の発熱が調整される。FIG. 21 is a diagram for explaining the operation of the PWM control circuit 85. At the input of the comparator 88, the output of the comparator 88 is + V while the heater control voltage value Vi is smaller than the triangular wave input Vt. Otherwise, it is 0. As a result, the comparator 8
No. 8 has a duty ratio of {(Vi + Vmax) / 2Vmax} × λ
(However, -Vmax≤Vi≤ + Vmax, where Vmax is the maximum amplitude of the triangular wave input), the PWM wave is output. This P
The transistor 82 in FIG. 20B is switched at high speed by the WM wave output, and the heaters 2 and 5 are intermittently energized at the above duty ratio. Then, by changing the duty ratio according to the heater control voltage value Vi, the heat generation of the heaters 2 and 5 is adjusted.
【0113】次に、図18に示すマイクロプロセッサ5
1は、周辺回路50aとの間の出入力インターフェース
となるI/Oポート52と、これに接続されたCPU5
3、RAM54、ROM55及びクロック回路56等に
より構成されている。そのRAM54には、CPU53
のワークエリア54aと、後述する処理において取り込
まれる各種測定値のデータ、あるいは後述する制御処理
の過程で生ずる各種カウンタ値を格納するための測定値
メモリエリア54bが形成されている。また、ROM5
5には、センサシステム50の被検出成分の出力値決定
の演算とその出力制御を司る制御プログラム55aと、
該制御プログラム55aが使用する補正参照情報55b
(内容については後述する)が格納されている。また、
CPU53は、クロック回路56が発する一定周期のク
ロックパルスのカウントにより、後述の処理において使
用される時間計測のためのタイマー機能を実現する。Next, the microprocessor 5 shown in FIG.
Reference numeral 1 denotes an I / O port 52 serving as an input / output interface with the peripheral circuit 50a, and a CPU 5 connected to the I / O port 52.
3, RAM 54, ROM 55, clock circuit 56 and the like. In the RAM 54, the CPU 53
And a measured value memory area 54b for storing data of various measured values fetched in the process described later or various counter values generated in the process of the control process described later. Also, ROM5
5, a control program 55a that controls the output value determination of the detected component of the sensor system 50 and its output control,
Correction reference information 55b used by the control program 55a
(The content will be described later) is stored. Also,
The CPU 53 realizes a timer function for time measurement used in the process described later by counting clock pulses of a constant cycle generated by the clock circuit 56.
【0114】以下、センサシステム50の作動につい
て、マイクロプロセッサ51のCPU53からみた処理
の流れにより説明する。図30〜図32はそのフローチ
ャートを示している。まず、図30のS1において、排
気ガスセンサ1の活性化処理を行う。活性化処理の目的
は、ヒータ2,5の通電を開始し、酸素ポンプ素子3と
酸素濃淡電池素子4とを所定の作動温度に安定化させる
ことにある。そして、素子温度の検出は、酸素濃淡電池
素子4の内部抵抗を測定し、その内部抵抗値RVSが図2
4(a)に示すように一定の温度依存性を示すことを利
用して行う。The operation of the sensor system 50 will be described below with reference to the flow of processing viewed from the CPU 53 of the microprocessor 51. 30 to 32 show the flowcharts thereof. First, in S1 of FIG. 30, activation processing of the exhaust gas sensor 1 is performed. The purpose of the activation process is to start the energization of the heaters 2 and 5 to stabilize the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 at a predetermined operating temperature. Then, the element temperature is detected by measuring the internal resistance of the oxygen concentration cell element 4, and the internal resistance value RVS is shown in FIG.
This is performed by utilizing the fact that the temperature dependence is constant as shown in FIG.
【0115】その処理の詳細を図31に示している。す
なわちS101において、ヒータ通電回路72に制御値
Viとして所期設定値Vh0を設定する。このとき、アナ
ログスッチ回路60のSw1〜Sw3は全てオフとし、オ
ペアンプ61も非作動状態とする。この状態で、S10
2でヒータ通電回路72に対し、ヒータ制御電圧値Vi
の初期設定値Vh0を出力することでヒータの通電が開始
される。そして、S103において通電開始から一定時
間t0が経過したら、温度制御処理に入る。まずS10
4で、図18のアナログスイッチ回路60のSw2をオ
ンとし、S105で活性化判断カウンタ値Nをクリアす
る。Details of the processing are shown in FIG. That is, in S101, the heater energizing circuit 72 is set to the desired set value Vh0 as the control value Vi. At this time, Sw1 to Sw3 of the analog switch circuit 60 are all turned off, and the operational amplifier 61 is also deactivated. In this state, S10
2 to the heater energizing circuit 72, the heater control voltage value Vi
The heater energization is started by outputting the initial setting value Vh0. Then, when a certain time t0 has elapsed from the start of energization in S103, the temperature control process is started. First S10
In step 4, Sw2 of the analog switch circuit 60 in FIG. 18 is turned on, and in step S105, the activation judgment counter value N is cleared.
【0116】次いで、S106に進み、酸素濃淡電池素
子4の第三電極13側の電圧VSの値をA/D変換器7
1(図18)を介して取り込み、S107でそのVSの
値から酸素濃淡電池素子4の内部抵抗RVSを算出する。
すなわち、Sw1がオフであり、オペアンプ61も非作
動であるから、定電流電源73(電流Ic:内部抵抗検
出用電流)の作動により酸素濃淡電池素子4に対し図2
2に示す通電経路が形成される。ここで、酸素濃淡電池
素子4の第二電極12側が接地されていることから、第
三電極13側の電圧VSは、酸素濃淡電池素子4の内部
抵抗をRVSとして、
VS=IC×RVS‥‥‥(1)
で表される。ここで、VSは酸素濃淡電池素子4に印加
される電圧情報としての意味を持ち、内部抵抗値RVS
は、
RVS=VS/IC‥‥‥(2)
で求めることができる。なお、厳密には電圧VSには酸
素濃淡電池素子4の濃淡電池起電力Emが重畳されてい
るのであるが、本活性化処理においては電流Icが十分
大きく、濃淡電池起電力Emは酸素濃淡電池素子4にか
かる分圧に比べて無視できるものとして、その補正は行
っていない。ただし、後述する方法により補正を行って
もよい。Next, in S106, the value of the voltage VS on the third electrode 13 side of the oxygen concentration battery element 4 is set to the A / D converter 7.
1 (FIG. 18), and the internal resistance RVS of the oxygen concentration battery element 4 is calculated from the value of VS in S107.
That is, since Sw1 is off and the operational amplifier 61 is also inactive, the constant current power supply 73 (current Ic: current for detecting internal resistance) is actuated to the oxygen concentration battery element 4 as shown in FIG.
The energization path shown in 2 is formed. Since the second electrode 12 side of the oxygen concentration battery element 4 is grounded, the voltage VS on the third electrode 13 side is VS = IC × RVS with the internal resistance of the oxygen concentration battery element 4 as RVS. It is represented by (1). Here, VS has the meaning as voltage information applied to the oxygen concentration battery element 4, and the internal resistance value RVS
Can be obtained by RVS = VS / IC (2). Strictly speaking, the concentration battery electromotive force Em of the oxygen concentration battery element 4 is superposed on the voltage VS, but the current Ic is sufficiently large in this activation process, and the concentration battery electromotive force Em is The partial pressure applied to the element 4 is negligible as compared with the partial pressure applied to the element 4, and the correction is not performed. However, the correction may be performed by the method described below.
【0117】前述の通り、図24(a)に示すように、
RVSの値は酸素濃淡電池素子4の素子温度Tと一定の関
係を有しており、該関係を補正参照情報55bとしてR
OM55(図18)に記憶しておけば、RVSの値から素
子温度Tを決定することができる。また、RVSの値その
ものを温度情報として使用することもできる。本実施例
では、説明をわかりやすくするために、図24(b)に
示すように、各種内部抵抗RVSの値と素子温度Tの値と
を互いに対応付けて示すマップ301がROM55に記
憶されており、このマップ301を参照して補間法によ
りRVSに対応する温度Tを求めるようにしている(S1
07)。なお、算出された内部抵抗RVSの値は、図18
の測定値メモリエリア54bに格納され、新たな内部抵
抗RVSの検出・算出が行われた場合は上書き更新され
る。As described above, as shown in FIG.
The value of RVS has a constant relationship with the element temperature T of the oxygen concentration battery element 4, and this relationship is used as the correction reference information 55b for R
If stored in the OM 55 (FIG. 18), the element temperature T can be determined from the value of RVS. Further, the RVS value itself can be used as the temperature information. In the present embodiment, in order to make the explanation easy to understand, as shown in FIG. 24B, a map 301 indicating the values of various internal resistances RVS and the element temperatures T in association with each other is stored in the ROM 55. Therefore, the temperature T corresponding to RVS is obtained by the interpolation method with reference to this map 301 (S1).
07). The value of the calculated internal resistance RVS is shown in FIG.
Is stored in the measured value memory area 54b, and is overwritten and updated when a new internal resistance RVS is detected and calculated.
【0118】この決定された素子温度Tが、上限値Tma
x、下限値Tminの設定温度範囲内に入っているか否かが
S108、S110で判断される。素子温度Tが上限値
Tmaxよりも大きくなっている場合は、ヒータ制御電圧
値Viが一定の値ΔViだけ減少してヒータ2,5の発熱
が抑制され、逆に下限値Tminを下回っている場合には
ヒータ制御電圧値ViがΔViだけ増加してヒータ2,5
の発熱が促進される(S109,S111)。また、T
min≦T≦TmaxであればVi現状の値が維持され、活性
化判断カウンタ値Nをインクリメントする(S112,
S113)。This determined element temperature T is the upper limit value Tma.
It is determined in S108 and S110 whether or not the temperature is within the set temperature range of x and the lower limit value Tmin. When the element temperature T is higher than the upper limit value Tmax, the heater control voltage value Vi is reduced by a constant value ΔVi to suppress the heat generation of the heaters 2 and 5, and conversely is lower than the lower limit value Tmin. The heater control voltage value Vi is increased by ΔVi to increase the heaters 2, 5
Of heat is promoted (S109, S111). Also, T
If min≤T≤Tmax, the current value of Vi is maintained and the activation determination counter value N is incremented (S112,
S113).
【0119】そして、活性化判断カウンタ値Nの値が、
例えば設定値NSに到達するまで、上記S106〜S1
13の処理を一定の時間間隔taで繰返し(S114,
S115)、NがNSに到達すれば、素子温度Tはほぼ
上記設定温度範囲内に維持されたものとみなし、図18
においてアナログスイッチ回路60のSw2をオフ、S
w1をオンとし、さらにオペアンプ61を作動状態とし
て所定時間twだけウォームアップした後、活性化処理
が終了する(S116,S117)。Then, the value of the activation judgment counter value N is
For example, until the set value NS is reached, the above S106 to S1
13 is repeated at a constant time interval ta (S114,
S115), if N reaches NS, it is considered that the element temperature T has been maintained substantially within the set temperature range, as shown in FIG.
, The switch 2 of the analog switch circuit 60 is turned off, S
After turning on w1, turning on the operational amplifier 61 and warming up for a predetermined time tw, the activation process ends (S116, S117).
【0120】図30に戻り、活性化処理S1が終了する
とS2に進み、酸素ポンプ素子3のポンプ電流Ipの検
出を開始する。この状態では、アナログスイッチ回路6
0は、Sw1のみがオンとなっているから、通電経路は
図19に示す通りとなる。この状態におけるセンサ1の
作動について以下に説明する。Returning to FIG. 30, when the activation process S1 is completed, the process proceeds to S2, and the detection of the pump current Ip of the oxygen pump element 3 is started. In this state, the analog switch circuit 6
For 0, only Sw1 is turned on, so the energization path is as shown in FIG. The operation of the sensor 1 in this state will be described below.
【0121】すなわち、センサ1が排気ガスと接触する
に伴い、隙間15内では被検出成分としてのメタン等の
炭化水素(以下、HCと記す)と酸素とが反応すること
で、酸素濃度が減少し、酸素濃淡電池素子4には第三電
極13側を正とする濃淡電池起電力Emが発生する。こ
こで、オペアンプ61に入力される起電力目標値ECが
例えば0であるとすれば、Em−EC>0であるから、オ
ペアンプ61の出力電圧−A1(Em−EC)は負とな
り、酸素ポンプ素子3には第一電極11側が負となるよ
うに電圧が印加され、酸素ポンプ素子3には隙間15に
酸素を汲み込む方向にポンプ電流Ipが流れる。する
と、酸素ポンプ素子3による隙間15への酸素の汲み込
みが進み、濃淡電池起電力Emは次第に小さくなるか
ら、酸素ポンプ電流Ipは小さくなる方向に制御され
る。その結果、最終的には濃淡電池起電力Emはほぼ0
に近づくように酸素ポンプ電流が制御され、そのときの
酸素ポンプ電流Ipの平衡値から被検出成分の濃度を知
ることができる。ポンプ電流Ipの信号は、前述の通り
オペアンプ64により電流検出用抵抗器62の両端電圧
の差を取ることで電圧信号に変換され、A/D変換器7
0でデジタル化されてマイクロプロセッサ51に入力さ
れる。しかしながら、起電力目標値ECは実際には必ず
しも0に設定されるとは限らない。その理由について以
下に説明する。That is, as the sensor 1 comes into contact with the exhaust gas, a hydrocarbon such as methane (hereinafter referred to as HC) as a component to be detected reacts with oxygen in the gap 15 to reduce the oxygen concentration. Then, a concentration battery electromotive force Em having a positive value on the third electrode 13 side is generated in the oxygen concentration battery element 4. Here, if the electromotive force target value EC input to the operational amplifier 61 is 0, for example, Em-EC> 0. Therefore, the output voltage -A1 (Em-EC) of the operational amplifier 61 becomes negative and the oxygen pump A voltage is applied to the element 3 so that the first electrode 11 side becomes negative, and a pump current Ip flows in the oxygen pump element 3 in a direction to pump oxygen into the gap 15. Then, oxygen is pumped into the gap 15 by the oxygen pump element 3 and the concentration cell electromotive force Em gradually decreases, so that the oxygen pump current Ip is controlled to decrease. As a result, finally, the concentration cell electromotive force Em is almost zero.
The oxygen pump current is controlled so that the concentration of the component to be detected can be known from the equilibrium value of the oxygen pump current Ip at that time. As described above, the signal of the pump current Ip is converted into a voltage signal by taking the difference between the voltages across the resistor 62 for current detection by the operational amplifier 64, and the A / D converter 7
It is digitized by 0 and input to the microprocessor 51. However, the electromotive force target value EC is not always set to 0 in practice. The reason will be described below.
【0122】まず、濃淡電池起電力が0であるというこ
とは、理論上は酸素濃淡電池素子4の両側(すなわち、
隙間15及び16)の酸素濃度が等しくなっていること
を意味する。このことは、ポンプ電流が隙間15と16
とにおける被検出成分の消費量の差に直接的に対応して
いることも意味するから、被検出成分の濃度を精度よく
検出でき、また検出結果の解析も容易になる。しかしな
がら通常は、隙間15及び16の酸素濃度が等しくなっ
ても、酸素濃淡電池素子4の起電力は実際には0にはな
らず、一定のオフセット起電力が残ることが多い。この
場合は、上記オフセット起電力に対応する起電力目標値
ECを10mV以下の範囲で設定し、濃淡電池起電力の
絶対値が該起電力目標値ECに到達したときの酸素ポン
プ素子3に流れる電流値を検出信号として採用すること
で、排気ガス中の被検出成分の濃度をより正確に検出で
きる。First, the fact that the concentration cell electromotive force is 0 means that both sides of the oxygen concentration cell element 4 (ie,
This means that the oxygen concentrations in the gaps 15 and 16) are equal. This means that the pump current is
It also means that it directly corresponds to the difference in the consumption amount of the component to be detected in and, so that the concentration of the component to be detected can be accurately detected and the detection result can be easily analyzed. However, usually, even if the oxygen concentrations in the gaps 15 and 16 become equal, the electromotive force of the oxygen concentration battery element 4 does not actually become 0, and a constant offset electromotive force often remains. In this case, the electromotive force target value EC corresponding to the offset electromotive force is set in the range of 10 mV or less, and the oxygen pump element 3 flows when the absolute value of the concentration battery electromotive force reaches the electromotive force target value EC. By using the current value as the detection signal, the concentration of the component to be detected in the exhaust gas can be detected more accurately.
【0123】また、酸素濃淡電池素子4のオフセット起
電力は、検出に係る排気ガス中の酸素濃度が低くなるほ
ど変動しやすくなり、一定以下の酸素濃度におけるオフ
セット起電力を基準として起電力目標値ECを設定する
と、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度の影響を受けや
すくなる。そこで、酸素を例えば1体積%以上(望まし
くは10体積%以上)含有し、かつセンサ作動温度にお
いて酸素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガス
を、隙間15及び16にそれぞれ導入したときのオフセ
ット起電力の絶対値をEOS(単位:mV)とし、これを
基準として起電力目標値ECを(EOS−5)mV以上
(EOS+5)mV以下の範囲内で設定することが有効で
ある。Further, the offset electromotive force of the oxygen concentration battery element 4 tends to fluctuate as the oxygen concentration in the exhaust gas relating to detection decreases, and the electromotive force target value EC is set on the basis of the offset electromotive force at a certain oxygen concentration or less. When is set, the sensor output is easily affected by the oxygen concentration in the exhaust gas. Therefore, when a test gas containing, for example, 1% by volume or more (preferably 10% by volume or more) of oxygen and substantially no component that reacts with oxygen at the sensor operating temperature is introduced into the gaps 15 and 16, respectively. It is effective to set the absolute value of the offset electromotive force to EOS (unit: mV), and set the electromotive force target value EC within the range of (EOS-5) mV or more and (EOS + 5) mV or less with reference to this.
【0124】この起電力目標値ECの変更・調整は、前
述の通り電源回路65の可変抵抗66dの調整により行
うことができる。なお、酸素濃淡電池素子4のオフセッ
ト起電力は、酸素濃淡電池素子4毎に互いに異なる値と
はなっても、同一の酸素濃淡電池素子4においては比較
的長期に亙って安定した値を示し続けることが多い。そ
こで、可変抵抗66dは、例えば装置50の出荷時等に
おいて、使用されている酸素濃淡電池素子4の固有のオ
フセット起電力に対応して一旦抵抗値を調整してしまえ
ば、後は変更の必要性がなくなることも十分に考えられ
る。この場合は、可変抵抗66dを半固定抵抗器により
構成しておけば便利である。The change / adjustment of the electromotive force target value EC can be performed by adjusting the variable resistor 66d of the power supply circuit 65 as described above. Note that the offset electromotive force of the oxygen concentration battery element 4 shows a stable value over a relatively long period in the same oxygen concentration battery element 4, although the offset concentration of each oxygen concentration battery element 4 is different from each other. I often continue. Therefore, the variable resistor 66d needs to be changed after the resistance value is once adjusted in accordance with the offset electromotive force peculiar to the oxygen concentration battery element 4 being used, for example, at the time of shipment of the device 50. It is possible that there is no sex. In this case, it is convenient to configure the variable resistor 66d with a semi-fixed resistor.
【0125】さて、図30に戻り、ポンプ電流Ipの値
が検出されたら、このポンプ電流Ipに対応する被検出
成分の濃度を決定する。しかしながら、ポンプ電流Ip
の値は素子温度Tによって変動するから、以下のように
して補正を行う。まず、RAM54(図18)に記憶さ
れている酸素濃淡電池素子4の内部抵抗値RVSの値を読
み込んで、対応する温度Tを前述のマップ301(図2
4)を参照して決定する(図30:S3)。そして、ポ
ンプ電流Ipの値に対する各温度毎のポンプ電流補正量
ΔIpは、例えば図25(b)に示すような形で実験的
に決定することが可能であるから、各ΔIpの値と素子
温度Tの値とを互いに対応付けて示すマップ302をこ
れに基づいて作成し、これをROM55(補正参照情報
記憶手段)に記憶しておけば、各ポンプ電流補正量ΔI
pはこのマップ302(温度偏差−ポンプ電流補正量関
係情報)を参照して補間法によりに決定することができ
る(図3:S4)。なお、図29(a)に示すように、
内部抵抗値RVSとポンプ電流補正量ΔIpとを直接対応
させたマップ302aを記憶しておき、内部抵抗値RVS
の値から直接補正量ΔIpを決定するようにしてもよ
い。Now, returning to FIG. 30, when the value of the pump current Ip is detected, the concentration of the detected component corresponding to this pump current Ip is determined. However, the pump current Ip
Since the value of changes with the element temperature T, the correction is performed as follows. First, the value of the internal resistance value RVS of the oxygen concentration battery element 4 stored in the RAM 54 (FIG. 18) is read, and the corresponding temperature T is determined by the map 301 (FIG. 2).
4) and determine (FIG. 30: S3). Since the pump current correction amount ΔIp for each temperature with respect to the value of the pump current Ip can be experimentally determined in the form as shown in FIG. 25B, the value of each ΔIp and the element temperature can be determined. If a map 302 showing the values of T in association with each other is created based on this and stored in the ROM 55 (correction reference information storage means), each pump current correction amount ΔI is obtained.
p can be determined by an interpolation method with reference to this map 302 (temperature deviation-pump current correction amount relation information) (FIG. 3: S4). Note that, as shown in FIG.
The map 302a in which the internal resistance value RVS and the pump current correction amount ΔIp are directly associated is stored, and the internal resistance value RVS is stored.
The correction amount ΔIp may be directly determined from the value of.
【0126】次いでS5に進み、ポンプ電流補正量ΔI
pを実測されたポンプ電流Ipに加算してこれを補正する
とともに、その補正後のポンプ電流Ip’に対応する被
検出成分濃度としての炭化水素濃度CHCを決定する。す
なわち、各種ポンプ電流Ip’の値に対する炭化水素濃
度CHCの値は、例えば図27に示すような、ポンプ電流
Ip’と炭化水素濃度CHCとの関係を与えるマップ30
4(ROM55に記憶されている)を参照して、補間法
により決定することができる。こうして、炭化水素濃度
CHCが決定されれば、S6において、これを温度補償さ
れた濃度検出値として出力する。以降はS2に戻って以
降の処理が繰り返される。Next, in S5, the pump current correction amount ΔI
The p is added to the actually measured pump current Ip to correct it, and the hydrocarbon concentration CHC as the concentration of the detected component corresponding to the corrected pump current Ip 'is determined. That is, the value of the hydrocarbon concentration CHC with respect to the value of the various pump currents Ip 'is a map 30 that gives the relationship between the pump current Ip' and the hydrocarbon concentration CHC as shown in FIG. 27, for example.
4 (stored in the ROM 55), it can be determined by the interpolation method. When the hydrocarbon concentration CHC is thus determined, it is output as a temperature-compensated concentration detection value in S6. After that, the process returns to S2 and the subsequent processes are repeated.
【0127】なお、図29(b)に示すように、素子温
度Tの各種値毎に、ポンプ電流Ipと炭化水素濃度CHC
とを互いに対応付けて示した二次元的なマップ302b
(ポンプ電流情報−被検出成分濃度関係情報)により、
検出されたポンプ電流Ipの値と素子温度Tの値との組
に対応する炭化水素濃度CHCの値を、二次元補間により
直接的に決定するようにしてもよい。また、あるいは上
述の方法により温度補償を行ったポンプ電流Ipの値を
そのまま出力するようにしてもよい。As shown in FIG. 29B, the pump current Ip and the hydrocarbon concentration CHC are set for each value of the element temperature T.
And a two-dimensional map 302b in which
(Pump current information-detected component concentration relationship information)
The value of the hydrocarbon concentration CHC corresponding to the detected value of the pump current Ip and the value of the element temperature T may be directly determined by two-dimensional interpolation. Alternatively, the value of the pump current Ip that has been temperature-compensated by the above method may be output as it is.
【0128】次に、素子温度Tは、活性化処理の際に設
定された後も、上記炭化水素濃度の検出処理と並行して
その制御が継続される。その処理の流れを図32に示し
ている。なお、この処理ルーチンは、図30のルーチン
に対する割り込み処理ルーチンとして、クロックパルス
(クロック回路56(図18)による)に基づく時間計
測によりCPU53が周期的に実行するものである。該
実行の周期であるが、例えば0.3〜1msの範囲で設
定することができる。実行周期が1msを超えると、温
度測定ひいてはセンサによる濃度検出精度が十分確保で
きなくなる場合がある。一方、0.3ms未満になる
と、CPU53の処理時間に占める温度測定処理の比率
が大きくなり過ぎ、酸素ポンプ素子の作動停止時間が長
くなって濃度検出精度が十分確保できなくなる場合があ
る。ただし、CPU53としてクロック周波数の高いも
のなど、高速処理の可能なものを採用することで、実行
周期を上記値以下とできる可能性もある。なお、図23
に、その処理におけるアナログスイッチ回路60のSw
1〜Sw3の作動タイミング図を、検出される濃淡電池素
子4の第三電極13側の電圧信号VSと対応付けて示し
ている。Next, after the element temperature T is set during the activation process, the control is continued in parallel with the hydrocarbon concentration detection process. The flow of the process is shown in FIG. Note that this processing routine is an interrupt processing routine for the routine of FIG. 30, and is periodically executed by the CPU 53 by time measurement based on a clock pulse (by the clock circuit 56 (FIG. 18)). The execution cycle may be set in the range of 0.3 to 1 ms, for example. If the execution cycle exceeds 1 ms, it may not be possible to secure sufficient temperature measurement, and thus the accuracy of concentration detection by the sensor. On the other hand, if it is less than 0.3 ms, the ratio of the temperature measurement processing to the processing time of the CPU 53 becomes too large, the operation stop time of the oxygen pump element becomes long, and the concentration detection accuracy may not be sufficiently secured. However, there is a possibility that the execution cycle can be set to be equal to or less than the above value by adopting, as the CPU 53, a CPU capable of high-speed processing such as a high clock frequency. Note that FIG.
And Sw of the analog switch circuit 60 in the processing
The operation timing charts 1 to Sw3 are shown in association with the detected voltage signal VS on the third electrode 13 side of the concentration cell element 4.
【0129】まず、S201において、図18のアナロ
グスイッチ回路60のSw1をオンしたままの状態で、
酸素濃淡電池素子4の第三電極13側の電圧信号VSを
読み込み、これを検出値VS1としてRAM54の測定値
メモリエリア54bに格納する。この電圧信号VSは、
オペアンプ61に入力される濃淡電池起電力Emに対応
する値となる。次いで、S202で、Sw1をオフと
し、代わってSw2をオンとする。すると、通電経路は
図22に示す状態となり、酸素濃淡電池素子4に内部抵
抗検出用の定電流ICが通電される。そして、定電流IC
の通電開始から一定時間t1だけ経過後に電圧信号VSを
読み込み、これを検出値VS2としてRAM54の測定値
メモリエリア54bに格納する(S203,S20
4)。前述の通りこのときの電圧信号VSは、酸素濃淡
電池素子4の内部抵抗を反映したものとなるが、ここに
は該酸素濃淡電池素子4の濃淡電池起電力Emが重畳な
いし含まれた形になっている。そこで、VS2とVS1との
差をとることにより、濃淡電池起電力Em成分の影響を
取り除くことができる(S209)。First, in S201, with Sw1 of the analog switch circuit 60 of FIG.
The voltage signal VS on the third electrode 13 side of the oxygen concentration battery element 4 is read and stored in the measured value memory area 54b of the RAM 54 as the detected value VS1. This voltage signal VS is
The value corresponds to the concentration battery electromotive force Em input to the operational amplifier 61. Next, in S202, Sw1 is turned off and Sw2 is turned on instead. Then, the energization path becomes the state shown in FIG. 22, and the oxygen concentration battery element 4 is energized with the constant current IC for detecting the internal resistance. And constant current IC
The voltage signal VS is read after a lapse of a fixed time t1 from the start of the energization of No. 2 and stored in the measured value memory area 54b of the RAM 54 as the detected value VS2 (S203, S20)
4). As described above, the voltage signal VS at this time reflects the internal resistance of the oxygen concentration battery element 4, but in the form in which the concentration battery electromotive force Em of the oxygen concentration battery element 4 is superimposed or included. Has become. Therefore, by taking the difference between VS2 and VS1, the influence of the concentration cell electromotive force Em component can be removed (S209).
【0130】ここで、定電流ICの通電開始から一定時
間t1だけ経過後にVSを測定しているのは次の理由によ
る。すなわち、酸素濃淡電池素子4に定電流ICを通電
すると、酸素濃淡電池素子4内においてその通電と逆方
向(すなわち隙間16側から15側へ向かう方向)に酸
素が輸送され、酸素濃淡電池素子4両側の酸素濃度に変
化を生ずる。その結果、図23に示すように、濃淡電池
起電力EmひいてはVSの値も電流ICの通電継続に伴い
変化する。ここで、内部抵抗測定の精度を確保するため
には、通電により不可避的に生ずるVSの変化を常にほ
ぼ一定のものとすることが大切である。そして、内部抵
抗測定用電流として一定の電流ICが使用されるわけで
あるから、VS測定までの通電時間が常にt1となるよう
に制御すれば、それによる酸素輸送量すなわち酸素濃淡
電池素子4両側の酸素濃度変化もほぼ一定となり、濃淡
電池起電力EmひいてはVSの変化をほぼ一定とすること
ができる。なお、アナログスイッチ回路60のスイッチ
ング速度が十分速く、通電経路切替え後の電流レベルの
安定化も十分速い場合には、定電流ICの通電開始直後
にVSを測定するようにしてもよい。The reason why VS is measured after a lapse of a fixed time t1 from the start of the energization of the constant current IC is as follows. That is, when a constant current IC is applied to the oxygen-concentrated battery element 4, oxygen is transported in the oxygen-concentrated battery element 4 in the direction opposite to the energization (that is, from the gap 16 side to the 15 side), and the oxygen-concentrated battery element 4 is discharged. A change occurs in the oxygen concentration on both sides. As a result, as shown in FIG. 23, the concentration battery electromotive force Em and thus the value of VS also change as the current IC continues to flow. Here, in order to ensure the accuracy of the internal resistance measurement, it is important that the change in VS inevitably caused by energization be almost constant. Since a constant current IC is used as a current for measuring internal resistance, if the energization time until VS measurement is controlled to be t1 at all times, the oxygen transport amount, that is, both sides of the oxygen concentration battery element 4 can be controlled. The change in the oxygen concentration is also almost constant, and the change in the concentration cell electromotive force Em and thus VS can be made substantially constant. If the switching speed of the analog switch circuit 60 is sufficiently fast and the current level is stabilized sufficiently after switching the energizing path, VS may be measured immediately after the start of energizing the constant current IC.
【0131】次に、定電流ICの通電により、酸素濃淡
電池素子4両側の酸素濃度変化が生ずることにより、別
の問題として、排気ガスセンサ1が炭化水素濃度の測定
に復帰した際に、その酸素濃度の変化が被検出成分濃度
の測定精度に影響を及ぼす場合がある。また、酸素濃淡
電池素子4の内部抵抗値が高い場合には、酸素濃淡電池
素子4内の酸素イオンが移動しにくくなって、電流通電
に伴い分極を生ずることもある。この問題を解決するた
めに、本実施例では次のような方式を採用している。す
なわち、図32のS205〜S208において、VSの
検出後さらに一定時間t2が経過後にSw2をオフとして
定電流ICの通電が終了する一方、代わってSw3をオン
とすることにより、極性が逆の定電流電源74(修正電
流通電手段)によりICとは逆方向で大きさが同じ修正
電流IAを、ICの合計通電時間t1+t2にほぼ等しい時
間t3だけ通電し、その後Sw3をオフとする。これによ
り、酸素濃淡電池素子4において上記とは逆向きにほぼ
同量の酸素が輸送され、IC通電により隙間16側から
隙間15側汲み込んだ酸素がいわば汲み戻される形とな
り、変化した酸素濃度が内部抵抗測定前の状態に近づけ
ることができる。なお、酸素濃淡電池素子4の内部抵抗
測定用の電流ICの通電時間を十分短くできる場合な
ど、酸素濃淡電池素子4両側の酸素濃度変化に及ぼす影
響が小さいと判断できる場合には、図34に示すよう
に、修正電流IAを発生するための定電流電源74を省
略することも可能である(なお、これに対応してアナロ
グスイッチ回路60も、スイッチチャンネル数の少ない
ものを用いればよい)。Next, when the constant current IC is applied, the oxygen concentration on both sides of the oxygen concentration battery element 4 changes. As another problem, when the exhaust gas sensor 1 returns to the measurement of the hydrocarbon concentration, the oxygen concentration is changed. The change in concentration may affect the measurement accuracy of the concentration of the detected component. Further, when the internal resistance value of the oxygen concentration battery element 4 is high, the oxygen ions in the oxygen concentration battery element 4 become difficult to move, and polarization may occur due to current application. In order to solve this problem, this embodiment adopts the following method. That is, in S205 to S208 of FIG. 32, after a constant time t2 has elapsed after the detection of VS, Sw2 is turned off to end the energization of the constant current IC, while by turning on Sw3, the polarity is reversed. The current source 74 (correction current energizing means) energizes the correction current IA having the same magnitude in the opposite direction to IC for a time t3 substantially equal to the total energization time t1 + t2 of IC, and then turns off Sw3. As a result, approximately the same amount of oxygen is transported in the oxygen concentration cell device 4 in the opposite direction to the above, and the oxygen pumped from the gap 16 side to the gap 15 side is pumped back as a result of the IC energization, so to speak, and the changed oxygen concentration is changed. Can approach the state before measuring the internal resistance. If it can be determined that the effect on the oxygen concentration change on both sides of the oxygen concentration battery element 4 is small, such as when the energization time of the current IC for measuring the internal resistance of the oxygen concentration battery element 4 can be shortened sufficiently, FIG. As shown, the constant current power supply 74 for generating the correction current IA can be omitted (correspondingly, the analog switch circuit 60 having a small number of switch channels may be used).
【0132】図32に戻り、修正電流IAの通電が終了
すれば、前述の通りS209でVS2とVS1との差ΔVS
を算出し、そのΔVSをVSとみなすことで前述の(2)式
によりRVSを算出する。以下、RVSから素子温度Tを決
定し、それに基づいてヒータ制御電圧値Viを決定する
S210〜S215に至る処理は、図31のセンサ活性
化処理のS107〜S112に至る処理とほぼ同一であ
るので、説明を省略する。その後、S216で時間t4
だけ待機した後、S217でSw1をオンとし、内部抵
抗測定処理は終了する。以降は、再び図30の炭化水素
濃度の測定処理ルーチンの実行となる。素子温度Tの測
定値は該内部抵抗測定処理が行われる毎に更新され、常
にその更新された素子温度Tの情報が、図30の炭化水
素濃度の測定処理ルーチンにおいても使用される。ま
た、ヒータ温度も、素子温度Tの測定値に基づいて定期
的に補正されることとなる。Returning to FIG. 32, when the supply of the correction current IA is completed, the difference ΔVS between VS2 and VS1 in S209 as described above.
Then, RVS is calculated by the above equation (2) by calculating ΔVS as VS. Hereinafter, the process from S210 to S215 for determining the element temperature T from RVS and determining the heater control voltage value Vi based on it is almost the same as the process from S107 to S112 of the sensor activation process of FIG. , Description is omitted. After that, at S216, time t4
After standing by for a while, Sw1 is turned on in S217, and the internal resistance measuring process is ended. Thereafter, the hydrocarbon concentration measurement processing routine shown in FIG. 30 is executed again. The measured value of the element temperature T is updated every time the internal resistance measurement processing is performed, and the updated information of the element temperature T is always used in the hydrocarbon concentration measurement processing routine of FIG. Further, the heater temperature is also periodically corrected based on the measured value of the element temperature T.
【0133】これにより、ヒータ2,5により酸素濃淡
電池素子4の温度が設定値に精度よく保持され、排気ガ
ス中の炭化物濃度の測定精度が向上する。また、図25
に示すように、自動車エンジン等において急加減速を行
った場合に排気ガス温度が急激に変化し、これに対応し
て酸素濃淡電池素子4の温度Tが急激に変化した場合で
も、酸素ポンプ電流Ipの温度変化分を補正することに
より、素子温度Tの復帰を待たなくても、比較的精度の
高い炭化物濃度の測定を続行することが可能となる。As a result, the heaters 2 and 5 accurately maintain the temperature of the oxygen concentration battery element 4 at the set value, and the accuracy of measurement of the carbide concentration in the exhaust gas is improved. In addition, FIG.
As shown in, even if the exhaust gas temperature changes abruptly when a vehicle engine or the like undergoes rapid acceleration / deceleration, even if the temperature T of the oxygen concentration battery element 4 changes correspondingly, the oxygen pump current By correcting the temperature change of Ip, it becomes possible to continue the relatively accurate measurement of the carbide concentration without waiting for the element temperature T to be restored.
【0134】なお、内部抵抗測定処理は、炭化水素濃度
の測定処理ルーチンに対する割り込みルーチンとするの
ではなく、該測定処理ルーチンのサブルーチンとして実
行させることもできる。この場合のフローチャートの例
を図33に示す。S1〜S6の炭化水素濃度の決定・出
力処理は図30と全く同じであるが、異なる点はS30
1〜S303のステップを追加することにより、1回終
了する毎に測定カウンタNmをカウントアップするよう
になっている点である。そして、S302でNmが一定
のカウント数Nqに到達した場合に、S304として図
32に示したものと全く同一の内部抵抗測定処理が実行
される。なお、内部抵抗測定処理実行後は、S301へ
戻って測定カウンタNmが1に戻り、以下同様の処理が
繰り返される。この方法においては、内部抵抗測定処理
が定期的に行われる点では変わりはないが、必ずしも一
定の時間間隔ではなく、炭化水素濃度の測定処理が一定
回数終了する毎に実行される点に特徴がある。こうすれ
ば、炭化水素濃度の測定処理が内部抵抗測定処理のため
に中断されることがなくなり、エラー等の発生頻度も少
なくなる。The internal resistance measuring process may be executed as a subroutine of the hydrocarbon concentration measuring process routine instead of as an interrupt routine. FIG. 33 shows an example of a flowchart in this case. The hydrocarbon concentration determination / output processing of S1 to S6 is exactly the same as that of FIG. 30, except that S30 is different.
By adding steps 1 to S303, the measurement counter Nm is incremented each time it is completed. Then, when Nm reaches a certain count number Nq in S302, the same internal resistance measurement processing as that shown in FIG. 32 is executed as S304. After execution of the internal resistance measurement process, the process returns to S301, the measurement counter Nm returns to 1, and the same process is repeated. In this method, there is no difference in that the internal resistance measurement process is performed regularly, but the characteristic is that the hydrocarbon concentration measurement process is executed every time a certain number of times, not necessarily at a constant time interval. is there. In this way, the hydrocarbon concentration measurement process is not interrupted due to the internal resistance measurement process, and the frequency of occurrence of errors and the like is reduced.
【0135】また、図28に示すように、内部抵抗RVS
の各種値と対応付けて、ヒータ通電回路72に与えるべ
き制御電圧値Viの値を記憶したマップ305を記憶し
てき、これを参照することにより、内部抵抗RVS(すな
わち素子温度T)の値に応じて、現在の電圧値とは無関
係に該制御電圧値Viの値を決定するようにしてもよ
い。As shown in FIG. 28, the internal resistance RVS
The map 305 storing the value of the control voltage value Vi to be given to the heater energizing circuit 72 is stored in association with various values of the above, and by referring to this map, the map 305 is stored according to the value of the internal resistance RVS (ie, the element temperature T). The control voltage value Vi may be determined regardless of the current voltage value.
【0136】さらに、定電流発生回路を図18に示す7
3と74との2台を用いる代わりに、図示しない極性切
替え回路を用いて1台のものを随時極性を切り替えて使
用するようにしてもよい。また、マイクロプロセッサ5
1側から指令された電流値及び極性により、その内容に
応じた電流を発生できる回路を用いてもよい。その一例
を図35に示している。すなわち、該構成では、定電流
発生回路73,74に代えて電圧・電流変換回路189
が用いられている。Further, the constant current generating circuit is shown in FIG.
Instead of using two units of 3 and 74, one unit may be used by switching the polarity at any time by using a polarity switching circuit (not shown). Also, the microprocessor 5
It is also possible to use a circuit capable of generating a current according to the contents of the current and polarity instructed from the first side. An example thereof is shown in FIG. That is, in this configuration, the voltage / current conversion circuit 189 is used instead of the constant current generation circuits 73 and 74.
Is used.
【0137】この回路189においては、マイクロプロ
セッサ51からの電流指示電圧ViがD/A変換器(ダ
イポーラ型のもの)190を介してオペアンプ191に
入力されるとともに、オペアンプ191の出力側には電
流検出用の抵抗器195が接続され、さらに該オペアン
プ191の出力による抵抗器195での電圧降下がボル
テージホロワ192を介してフィードバックされるよう
になっている。これにより、抵抗器195での電圧降下
すなわち電流値IOは、接続される負荷に関係なく、入
力電圧Viに応じた一定値に保持される。なお、図にお
いて抵抗器193及び194の抵抗値をそれぞれRf、
Rkとし、抵抗器195の抵抗値をRSとすれば、
IO=(Vi×Rf)/(Rk×RS)‥‥‥(3)
となる。この場合、所定の電流指示電圧Viにより内部
抵抗測定用の電流ICを発生させるとともに、修正電流
は、電圧Viとは逆極性の電流指示電圧Vi’を与えるこ
とにより、電流ICとは逆方向の電流として発生させる
こともできる。また、発生させるべき電流レベル及び通
電時間も、マイクロプロセッサ51側からの電流指示電
圧値及びその出力時間を変更することにより、自由に設
定することができる。In the circuit 189, the current instruction voltage Vi from the microprocessor 51 is input to the operational amplifier 191 via the D / A converter (dipolar type) 190, and the current is supplied to the output side of the operational amplifier 191. A detection resistor 195 is connected, and the voltage drop in the resistor 195 due to the output of the operational amplifier 191 is fed back via the voltage follower 192. As a result, the voltage drop in the resistor 195, that is, the current value IO, is maintained at a constant value according to the input voltage Vi regardless of the connected load. In the figure, the resistance values of the resistors 193 and 194 are Rf,
If Rk and the resistance value of the resistor 195 are RS, then I0 = (Vi × Rf) / (Rk × RS) (3) In this case, the current IC for measuring the internal resistance is generated by the predetermined current instruction voltage Vi, and the correction current is applied in the direction opposite to the current IC by giving the current instruction voltage Vi 'having the opposite polarity to the voltage Vi. It can also be generated as an electric current. Further, the current level to be generated and the energization time can be freely set by changing the current instruction voltage value and its output time from the microprocessor 51 side.
【0138】以下、本発明の装置に使用される排気ガス
センサについて、各種可能な変形態様を例示する。Hereinafter, various possible modifications of the exhaust gas sensor used in the apparatus of the present invention will be illustrated.
【0139】まず、酸素ポンプ素子3の外側電極側は、
排気ガス雰囲気から隔離して、ここに大気を導入するよ
うにしてもよい。また、酸素ポンプ素子3と酸素濃淡電
池素子4の各電極10〜13の材質の組合せは、酸素濃
淡電池素子4の両側で、被検出成分の酸化による消費量
に差が生ずるものであれば、図36(a)に示す上述の
組合せ以外にも各種採用することができる。図36
(b)においては、酸素ポンプ素子3の外側電極10を
酸化触媒活性の低いAu多孔質電極で構成した例であ
る。また、(c)及び(e)は、隙間15に面する第一
電極11及び第二電極12の一方をAu多孔質電極で構
成した例である。また、(d)は、第一電極11及び第
二電極12をいずれも酸化触媒活性の低いAu多孔質電
極で構成し、第三電極13を酸化触媒活性の高いPt多
孔質電極で構成した例である。この場合、被検出成分の
消費量は隙間16側において15側よりも高くなり、酸
素ポンプ素子3は隙間15から酸素を汲み出すように作
動することとなる。(f)は、該構成で第一電極11を
Au多孔質電極で置き換えた例である。First, on the outer electrode side of the oxygen pump element 3,
The atmosphere may be introduced here by separating it from the exhaust gas atmosphere. In addition, the combination of the materials of the electrodes 10 to 13 of the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 is such that, if there is a difference in the consumption amount due to the oxidation of the detected component on both sides of the oxygen concentration battery element 4, Various combinations other than the above-described combinations shown in FIG. Fig. 36
(B) is an example in which the outer electrode 10 of the oxygen pump element 3 is composed of an Au porous electrode having a low oxidation catalytic activity. Further, (c) and (e) are examples in which one of the first electrode 11 and the second electrode 12 facing the gap 15 is made of an Au porous electrode. Further, (d) is an example in which both the first electrode 11 and the second electrode 12 are made of Au porous electrodes having low oxidation catalytic activity, and the third electrode 13 is made of Pt porous electrode having high oxidation catalytic activity. Is. In this case, the consumption amount of the component to be detected becomes higher on the side of the gap 16 than on the side of the 15th side, and the oxygen pump element 3 operates so as to pump out oxygen from the gap 15. (F) is an example in which the first electrode 11 is replaced with a porous Au electrode in the configuration.
【0140】一方、酸化触媒活性の低い電極は、図37
(a)に示すように、Pt、Rh、Pd、Ir等、高活
性金属グループに属するもので多孔質電極の本体部10
1を形成しておき、その排気ガスとの接触表面側に、触
媒不活性な材料(例えば、Au又はAgを主体とする金
属などの低活性金属グループに属するもの、あるいはS
nO2、ZnO、In2O3、WO3、Bi2O3等の酸化
物)によるコーティング102を施して最終的な電極と
してもよい。On the other hand, the electrode with low oxidation catalytic activity is shown in FIG.
As shown in (a), the body portion 10 of the porous electrode, which belongs to the high-activity metal group such as Pt, Rh, Pd, Ir, etc.
1 is formed, and a catalytically inactive material (for example, a metal belonging to a low activity metal group such as a metal mainly containing Au or Ag, or S
A final electrode may be formed by applying a coating 102 of oxides such as nO 2 , ZnO, In 2 O 3 , WO 3 , and Bi 2 O 3 .
【0141】この場合、上記コーティング102は、例
えば図37(b)に示すように、上記触媒不活性な材料
粒子を含んだペーストを本体部101上に塗付して再焼
成する方法により形成したり、あるいは同図(c)に示
すように、真空蒸着やスパッタリング等の気相製膜法に
より形成することができる。なお、上記図37(b)な
いし(c)に示すように、多孔質に形成された本体部1
01には、多数の空隙Pが入り組んで形成されているた
め、コーティング102がそのような空隙Pの内面奥深
くにまで必ずしも形成されない場合もありうるが、被検
出成分と酸素との反応に対する触媒活性を十分に小さく
できるのであれば、そのような未コーティング部が形成
されていても差し支えない。In this case, the coating 102 is formed by, for example, as shown in FIG. 37 (b), a method in which a paste containing the above-mentioned catalytically inactive material particles is applied to the main body 101 and re-baked. Alternatively, as shown in FIG. 3C, it can be formed by a vapor phase film forming method such as vacuum deposition or sputtering. Incidentally, as shown in FIGS. 37 (b) to 37 (c), the main body portion 1 formed into a porous body
Since 01 has a large number of voids P formed intricately, the coating 102 may not necessarily be formed deep inside the void P, but the catalytic activity for the reaction between the component to be detected and oxygen is not always required. If it can be made sufficiently small, such an uncoated portion may be formed.
【0142】また、図38に示すように、酸素ポンプ素
子3と酸素濃淡電池素子4との間に形成される隙間15
には、金属メッシュ又は多孔質金属(例えばPt製のも
の)で構成されたガス保持部材160を介挿することが
できる。なお、上記ガス保持部材160を金属メッシュ
で構成する場合、その網目の形成密度が100〜500
メッシュのものを使用することが望ましい。Further, as shown in FIG. 38, a gap 15 formed between the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4.
A gas holding member 160 made of a metal mesh or a porous metal (made of Pt, for example) can be inserted in the above. When the gas holding member 160 is made of a metal mesh, the mesh formation density is 100 to 500.
It is desirable to use a mesh.
【0143】次に、図1等に示した排気ガスセンサ1に
おいては、酸素ポンプ素子3と酸素濃淡電池素子4との
間の隙間15は、これをなるべく小さくして(望ましく
は1mm以下)当該隙間15による新たな排気ガスの流
入規制効果をなるべく高めることが、センサ1の検出精
度を向上させる上で有利である。逆に言えば、該隙間1
5の寸法が大きすぎると、触媒活性を有した電極(本実
施例では第二電極11及び第三電極12)上でのHCと
酸素との反応が不安定化し、酸素濃淡電池起電力が小さ
くなってセンサ出力が十分に得られなくなることもあり
うる。しかしながら、上記素子3,4間の隙間15の量
を小さくし過ぎると、今度は焼成により酸素ポンプ素子
3及び酸素濃淡電池素子4を製造した際に、焼成時の僅
かな変形が隙間15の形成量に大きな影響を及ぼし、セ
ンサ個体間での出力のばらつきが生じやすくなる場合が
ある。以下、これを解決するために有効なセンサ構造に
ついて説明する(なお、既に説明したセンサ構造と共通
の部分については同一の符号を付してその詳細な説明は
省略する)。Next, in the exhaust gas sensor 1 shown in FIG. 1 and the like, the gap 15 between the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 is made as small as possible (desirably 1 mm or less). It is advantageous to improve the detection accuracy of the sensor 1 by increasing the new exhaust gas inflow restriction effect of the sensor 15. Conversely, the gap 1
If the size of 5 is too large, the reaction between HC and oxygen on the electrodes having catalytic activity (the second electrode 11 and the third electrode 12 in this embodiment) becomes unstable, and the electromotive force of the oxygen concentration battery becomes small. Therefore, the sensor output may not be sufficiently obtained. However, if the amount of the gap 15 between the elements 3 and 4 is made too small, when the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 are manufactured by firing this time, a slight deformation during firing forms the gap 15. This may have a large effect on the quantity, and variations in output may easily occur among the individual sensors. Hereinafter, a sensor structure effective for solving this will be described (note that the same parts as those of the sensor structure already described are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted).
【0144】すなわち、図56に示す排気ガスセンサ4
00においては、酸素濃淡電池素子4と酸素ポンプ素子
3との間に、壁部形成体としてのスペーサ部401が介
挿され、そのスペーサ部401の電極11及び12に対
応する位置には、厚さ方向にこれを貫通する窓部401
aが形成されている。スペーサ部401は該窓部401
aにより、電極11,12の周囲を取り囲む壁部401
bを形成する。そして、その壁部401bの内面と酸素
濃淡電池素子4及び酸素ポンプ素子3の各対向面とによ
って囲まれた空間が測定室403(隙間15)とされて
いる。そして、上記測定室403に対応する位置におい
て壁部401bと酸素ポンプ素子3との間には、該酸素
ポンプ素子3の幅方向両側においてそれぞれ測定室40
3と外側の被検出雰囲気とを連通させる拡散流通規制部
としてのスリット402が形成されている。That is, the exhaust gas sensor 4 shown in FIG.
In 00, a spacer portion 401 as a wall portion forming body is inserted between the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3, and the spacer portion 401 has a thickness at a position corresponding to the electrodes 11 and 12. Window part 401 that penetrates this in the vertical direction
a is formed. The spacer portion 401 is the window portion 401.
The wall portion 401 surrounding the electrodes 11 and 12 by a.
b is formed. The space surrounded by the inner surface of the wall portion 401b and the facing surfaces of the oxygen concentration battery element 4 and the oxygen pump element 3 is a measurement chamber 403 (gap 15). Then, between the wall portion 401b and the oxygen pump element 3 at a position corresponding to the measurement chamber 403, the measurement chamber 40 is provided on both sides in the width direction of the oxygen pump element 3.
3 is formed with a slit 402 as a diffusion and flow restricting portion that communicates the outside 3 with the atmosphere to be detected.
【0145】図56(c)に示すように、該スリット4
02は、第二電極12の幅方向両側において壁部401
bの酸素ポンプ素子3との積層面側部分を一定厚さ切り
欠いた形態で形成されており、同図(a)に示すよう
に、電極12の対応する縁に沿って酸素ポンプ素子3の
長手方向に延びている。また、その幅dは測定室403
の高さhよりも小さく設定されており、具体的にはd/
hが1/100〜1/4、より望ましくは1/20〜1
/8の範囲で設定されている。また、スリット幅dの絶
対値は、0.01〜1.0mm、より望ましくは0.0
2〜0.05mmの範囲で設定されている。さらに、ス
リット402内の空間体積Vに対するスリット内周面の
面積の比S/Vは4〜100、望ましくは20〜50の
範囲で調整されている。なお、該スリット402は、同
様の形態で壁部401bと酸素濃淡電池素子4との間に
形成してもよい。As shown in FIG. 56 (c), the slit 4
02 is a wall portion 401 on both sides of the second electrode 12 in the width direction.
The portion of the oxygen pump element 3 on the side of the laminated surface with the oxygen pump element 3 is formed by cutting out with a constant thickness, and as shown in FIG. It extends in the longitudinal direction. Further, the width d is the measurement chamber 403.
Is set to be smaller than the height h of, and specifically d /
h is 1/100 to 1/4, more preferably 1/20 to 1
It is set in the range of / 8. The absolute value of the slit width d is 0.01 to 1.0 mm, more preferably 0.0.
It is set in the range of 2 to 0.05 mm. Furthermore, the ratio S / V of the area of the slit inner peripheral surface to the space volume V in the slit 402 is adjusted in the range of 4 to 100, preferably 20 to 50. The slit 402 may be formed between the wall portion 401b and the oxygen concentration battery element 4 in the same manner.
【0146】スペーサ部401(壁部401b)は、酸
素濃淡電池素子4に対してはその積層面のほぼ全面にお
いて、また、酸素ポンプ素子3に対しては、上記スリッ
ト402の形成領域を除いて同様にその積層面のほぼ全
面において、それぞれ焼成により一体化されている。ま
た、第一のヒータ2及び第二のヒータ5は、スペーサ6
及び8を介して酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡電池素子
4に対しそれぞれ積層されている。The spacer portion 401 (wall portion 401b) is formed on the oxygen concentration cell element 4 over almost the entire stacking surface thereof, and for the oxygen pump element 3 except for the area where the slit 402 is formed. Similarly, almost all of the laminated surfaces are integrated by firing. In addition, the first heater 2 and the second heater 5 are the spacers 6
And 8 are laminated on the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4, respectively.
【0147】上記排気ガスセンサ400の要部をなす酸
素ポンプ素子3、スペーサ部401及び酸素濃淡電池素
子4の一体積層体は、例えば図5等に示すのと同様の方
法により、それぞれ上記各部3,401,4となるべき
セラミックグリーンシート(成形体)を積層して焼成す
ることにより製造することができる。このとき、酸素ポ
ンプ素子3となるべきグリーンシート(セラミック成形
体)と、スペーサ部となるべきグリーンシートとの間に
おいてスリット402の形成が予定された領域に、焼成
温度で焼失する材料(例えばカーボンペーストなど)で
形成された所定厚さの層を挟みこんでおけば、焼成時に
この層が焼失して上記スリット402を簡単に形成する
ことができる。An integral laminated body of the oxygen pump element 3, the spacer portion 401 and the oxygen concentration battery element 4 which is a main part of the exhaust gas sensor 400 is formed by the same method as shown in FIG. It can be manufactured by stacking and firing ceramic green sheets (molded bodies) to be 401 and 4. At this time, in a region where the slit 402 is to be formed between the green sheet (ceramic molded body) to be the oxygen pump element 3 and the green sheet to be the spacer part, a material (for example, carbon) that is burned down at the firing temperature is used. If a layer having a predetermined thickness formed of paste or the like is sandwiched, this layer is burnt off during firing, and the slit 402 can be easily formed.
【0148】上述のセンサ構造によれば、測定室403
の高さh(すなわち隙間15の大きさ)をある程度以上
に大きくした場合でも、排気ガスはスリット402にお
いて拡散を規制されつつ測定室403に流入し、また測
定室403に導入された後は同じくスリット402を通
って拡散を規制されつつ被測定雰囲気中へ排出される。
従って、一旦導入された排気ガスの測定室403内での
滞留時間が長くなり、その間に被検出雰囲気中の排気ガ
ス組成(特に酸素あるいは水蒸気量)が変化しても、測
定室内のガスへの影響が小さくなるので、センサ400
の出力が向上し、ひいてはセンサ400の検出精度を高
めることができる。また、酸素ポンプ素子3及び酸素濃
淡電池素子4とは、スペーサ部401を介して一体化さ
れているから、センサ400の機械的強度が高められて
いる。According to the above sensor structure, the measurement chamber 403
Even when the height h of the exhaust gas (that is, the size of the gap 15) is increased to a certain extent or more, the exhaust gas flows into the measurement chamber 403 while the diffusion of the exhaust gas is restricted by the slit 402, and after being introduced into the measurement chamber 403, the same. It is discharged into the atmosphere to be measured while the diffusion is regulated through the slit 402.
Therefore, the residence time of the exhaust gas once introduced in the measurement chamber 403 becomes long, and even if the exhaust gas composition (especially the amount of oxygen or water vapor) in the atmosphere to be detected changes during that time, Since the influence is small, the sensor 400
Output is improved, which in turn can improve the detection accuracy of the sensor 400. Further, since the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4 are integrated with each other through the spacer portion 401, the mechanical strength of the sensor 400 is enhanced.
【0149】なお、同様の構成の測定室は、酸素濃淡電
池素子4の第三電極13側にも形成することができる。
図57は、その一例を示している。すなわち、同図のセ
ンサ400においては、窓部404aを有した第二電極
12側と同様のスペーサ部404を介して、隙間形成部
材としての隙間形成用セラミック板406が一体化され
ており、そのスペーサ部404による壁部404bの内
面と、酸素濃淡電池素子4及び隙間形成用セラミック板
406の各対向面とによって測定室407が形成されて
いる。また、この測定室407に対応する位置において
壁部404bと酸素濃淡電池素子4との間には、第二電
極12側と同様のスリット405が形成されている。ま
た、第二ヒータ5は隙間形成用セラミック板406に積
層されている。該構成により、さらに安定で高出力のセ
ンサを実現できる。A measurement chamber having a similar structure can also be formed on the third electrode 13 side of the oxygen concentration battery element 4.
FIG. 57 shows an example thereof. That is, in the sensor 400 of the same figure, the gap forming ceramic plate 406 as the gap forming member is integrated via the spacer portion 404 similar to the side of the second electrode 12 having the window portion 404a. A measurement chamber 407 is formed by the inner surface of the wall portion 404b formed by the spacer portion 404 and the respective facing surfaces of the oxygen concentration battery element 4 and the gap forming ceramic plate 406. A slit 405 similar to that on the second electrode 12 side is formed between the wall portion 404b and the oxygen concentration battery element 4 at a position corresponding to the measurement chamber 407. The second heater 5 is laminated on the gap forming ceramic plate 406. With this configuration, a more stable and high output sensor can be realized.
【0150】なお、スリットに代えて小孔により拡散規
制流通部を構成することもできる。例えば、図62に示
す例おいては、酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡電池素子
4の板面方向において壁部401bを貫く小孔410
が、第一及び第二電極11,12の周方向に沿って所定
の間隔で複数形成されている。一方、図63に示す例に
おいては、酸素濃淡電池素子4を厚さ方向に貫く小孔4
10が、第三電極13の周縁に沿って所定の間隔で複数
形成されている。Note that the diffusion restricting flow section may be constituted by a small hole instead of the slit. For example, in the example shown in FIG. 62, a small hole 410 penetrating the wall portion 401b in the plate surface direction of the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4.
Are formed along the circumferential direction of the first and second electrodes 11 and 12 at predetermined intervals. On the other hand, in the example shown in FIG. 63, the small holes 4 penetrating the oxygen concentration battery element 4 in the thickness direction.
A plurality of 10 are formed along the periphery of the third electrode 13 at predetermined intervals.
【0151】次に、図58に示す構成においては、酸素
濃淡電池素子4に上記スペーサ部401が焼成により一
体化される一方、酸素ポンプ素子3は一体化せずに分離
して構成した例を示す。この場合、スリット402は、
酸素ポンプ素子3の板面と壁部401bの対向面との間
に形成されることとなる。また、第一のヒータ2、酸素
ポンプ素子3、酸素濃淡電池素子4及び第二のヒータ5
がスペーサ6〜8を介して積層されて積層体31が形成
されるとともに、角型の貫通孔30aを有するセラミッ
クストッパ30が、積層体31に対し外側から嵌着され
ている。なお、図58に示すように、スペーサ7はスペ
ーサ部401と酸素ポンプ素子3との間に介挿され、両
者の間に所定の大きさのスリット402を形成する役割
を果たす。Next, in the structure shown in FIG. 58, the oxygen concentration battery element 4 is integrated with the spacer portion 401 by firing, while the oxygen pump element 3 is not integrated but separated. Show. In this case, the slit 402 is
It is formed between the plate surface of the oxygen pump element 3 and the facing surface of the wall portion 401b. In addition, the first heater 2, the oxygen pump element 3, the oxygen concentration cell element 4 and the second heater 5
Are laminated via the spacers 6 to 8 to form a laminated body 31, and a ceramic stopper 30 having a rectangular through hole 30a is fitted to the laminated body 31 from the outside. As shown in FIG. 58, the spacer 7 is inserted between the spacer portion 401 and the oxygen pump element 3 and plays a role of forming a slit 402 having a predetermined size therebetween.
【0152】上記排気ガスセンサ400の組み立ては、
例えば以下のようにして行うことができる。すなわち、
図59(a)に示すように、素子2〜5をスペーサ6〜
8を介して積層して積層体31を作り、(b)に示すよ
うにこれにセラミックストッパ30を嵌着する。続い
て、(c)に示すように、素子2〜5の各接続端子に例
えばステンレス鋼製のリード線37を溶接により接合
し、さらに(d)に示すように、該積層体31を碍管3
2内に挿入し、その内側にガラス粉末を充填した後、こ
れを所定の炉で900〜1000℃に加熱してガラス粉
末を溶融させ、碍管32と積層体31との間をガラスシ
ールする。Assembly of the exhaust gas sensor 400 is as follows.
For example, it can be performed as follows. That is,
As shown in FIG. 59A, the elements 2 to 5 are connected to the spacers 6 to
8 is laminated to form a laminated body 31, and a ceramic stopper 30 is fitted to this as shown in FIG. Subsequently, as shown in (c), a lead wire 37 made of, for example, stainless steel is joined to each connection terminal of the elements 2 to 5 by welding, and further, as shown in (d), the laminated body 31 is attached to the porcelain tube 3
After being inserted in 2, and the inside thereof is filled with glass powder, this is heated to 900 to 1000 ° C. in a predetermined furnace to melt the glass powder, and a glass seal is made between the porcelain tube 32 and the laminated body 31.
【0153】そして、図60(a)に示すように、積層
体31が一体化された碍管32を主体金具34内に配置
し、また、碍管32と主体金具34との間にかしめ金具
36を挿入し、さらに碍管32の主体金具34からの露
出部分に外筒33を被せ、次いで主体金具34を外筒3
3に向けて加熱しながらかしめることにより、かしめ結
合部34aが形成され、主体金具34と外筒33とが一
体化される。続いて、同図(b)に示すように、シール
部材38と保護外筒39とが一体化された別のリード線
群37aを、それぞれ対応するリード線37に溶接する
(以下、一体化された両リード線に改めて符号37を付
与する)。そして、シール部材38と保護外筒39とを
リード線37上を滑らせてその末端部を外筒33内に挿
入し、両者の間をかしめることにより図60(c)に示
す状態となり、さらにプロテクタ35を主体金具34に
対して溶接により取付ければ、図60(d)に示すよう
に、排気センサ400の組み立てが完了する。Then, as shown in FIG. 60 (a), the porcelain bushing 32 in which the laminated body 31 is integrated is arranged in the metallic shell 34, and the caulking metal fitting 36 is provided between the porcelain bushing 32 and the metallic shell 34. After inserting, the outer tube 33 is covered on the exposed portion of the porcelain bushing 32 from the metal shell 34, and then the metal shell 34 is attached to the outer tube 3.
By caulking while heating toward 3, the caulking coupling portion 34a is formed, and the metal shell 34 and the outer cylinder 33 are integrated. Subsequently, as shown in FIG. 2B, another lead wire group 37a in which the seal member 38 and the protective outer cylinder 39 are integrated is welded to the corresponding lead wire 37 (hereinafter, integrated. Both lead wires are again given the reference numeral 37). Then, the seal member 38 and the protective outer cylinder 39 are slid on the lead wire 37, the ends thereof are inserted into the outer cylinder 33, and the space between them is caulked, whereby the state shown in FIG. Further, when the protector 35 is attached to the metal shell 34 by welding, the assembly of the exhaust sensor 400 is completed, as shown in FIG.
【0154】なお、この場合も図61に示すように、第
三電極13側にも測定室407を形成する構成が可能で
ある。すなわち、同図のセンサ400においては、酸素
濃淡電池素子4の第三電極13側に測定室407を形成
するためのスペーサ部404が一体化され、そのスペー
サ部404による壁部404bの内面と、酸素濃淡電池
素子4及び第二のヒータ5の各対向面とによって測定室
407が形成されている。また、スペーサ部404と第
二のヒータ5との間には、第二電極12側と同様のスリ
ット405が形成されている。該構成では、第二のヒー
タ5が隙間形成部材の役割を果たしている。In this case as well, as shown in FIG. 61, a structure in which the measurement chamber 407 is formed on the third electrode 13 side is also possible. That is, in the sensor 400 of the same drawing, the spacer portion 404 for forming the measurement chamber 407 is integrated on the third electrode 13 side of the oxygen concentration battery element 4, and the inner surface of the wall portion 404b by the spacer portion 404, A measurement chamber 407 is formed by the oxygen concentration battery element 4 and the facing surfaces of the second heater 5. A slit 405 similar to that on the second electrode 12 side is formed between the spacer portion 404 and the second heater 5. In this configuration, the second heater 5 serves as a gap forming member.
【0155】[0155]
【実施例】排気ガスセンサについて、下記の実験を行っ
た。
(実施例1)
実験1
Y2O3粉末とZrO2粉末とを含有するセラミックグリ
ーンシートを円板状に打抜き、その片面に、Pd(52
重量%)−Ag(48重量%)からなる合金粉末ないし
Au粉末にZrO2粉末を所定量配合したペースト(い
ずれも金属粉末の平均粒径1.0μm)により円形の電
極パターンを形成し、これを温度1470℃で焼成し
て、直径12mm、厚さ1mmの、Y2O3を5モル%含有す
るZrO2焼結体からなる固体電解質の円板上に、直径
8mmの円板状のPd多孔質電極ないしAu多孔質電極を
形成した試料をそれぞれ作製した。次に、図39(a)
に示すように、ガスの入口171と出口172とを有し
た筒状体173内に各試料174を配置するとともに、
これを電気炉175により675〜850℃の各種温度
に保持した。そして、その状態で酸素300ppmと、
被検出成分としてのメタン350ppmと、水蒸気3%
とを含有して残部がアルゴンからなる試験ガスを、入口
171から流速100ml/分で導入し、これを出口1
72から排出させたときの、排出後の試験ガス中のメタ
ン濃度Cs(単位:ppm)を測定して、
η={(350−Cs)/350}×100(単位:
%)
により定義されるメタン転換率ηを各温度にて求めた。
図40(a)に、メタン転換率ηの各温度毎の測定結果
を示す。すなわち、Au多孔質電極を用いた試料は転換
率ηがおおむね10%以下の低い値を示しているのに対
し、Pd多孔質電極を用いた試料はηが温度の上昇とと
もに増大し、700℃で両試料のηの差は約20%、7
50℃以上では30〜40%に達していることがわか
る。Example The following experiment was conducted on the exhaust gas sensor. (Example 1) Experiment 1 A ceramic green sheet containing Y 2 O 3 powder and ZrO 2 powder was punched into a disk shape, and Pd (52
%)-Ag (48% by weight) alloy powder or Au powder mixed with a predetermined amount of ZrO2 powder to form a circular electrode pattern with a paste (all having an average particle diameter of metal powder of 1.0 μm). A Pd porous plate having a diameter of 8 mm was formed on a disk of a solid electrolyte made of a ZrO 2 sintered body having a diameter of 12 mm and a thickness of 1 mm and containing 5 mol% of Y 2 O 3 by firing at a temperature of 1470 ° C. A sample having a porous electrode or a porous Au electrode was prepared. Next, FIG. 39 (a)
As shown in, each sample 174 is placed in a tubular body 173 having a gas inlet 171 and a gas outlet 172, and
This was kept at various temperatures of 675 to 850 ° C. by an electric furnace 175. And in that state, 300 ppm oxygen,
Methane 350ppm as a component to be detected, and water vapor 3%
A test gas containing and containing argon as the balance was introduced from an inlet 171 at a flow rate of 100 ml / min, and was introduced into the outlet 1
The methane concentration Cs (unit: ppm) in the test gas after being discharged when it was discharged from 72 was measured, and η = {(350-Cs) / 350} × 100 (unit:
%) Was obtained at each temperature.
FIG. 40 (a) shows the measurement result of the methane conversion rate η for each temperature. That is, in the sample using the Au porous electrode, the conversion rate η shows a low value of about 10% or less, whereas in the sample using the Pd porous electrode, η increases as the temperature rises, and 700 ° C. The difference in η between both samples is about 20%, 7
It can be seen that it reaches 30 to 40% at 50 ° C or higher.
【0156】実験2
次に、実験1と同一の材質及び寸法の固体電解質板の両
面に、外側電極及び第一電極として直径8mmの円板状の
Au多孔質電極を、実験1と同一の条件にて形成して酸
素ポンプ素子を作製した。また、同様の固体電解質円板
の一方の面に第二電極として直径8mmのPd多孔質電極
を、また他方の面に第三電極として直径3mmのAu多孔
質電極を形成して酸素濃淡電池素子を作製した。そして
両素子を、第一電極と第二電極とが対向するように、間
に100〜500メッシュのPtメッシュあるいはAu
メッシュを挟んで重ね合わせてセンサを作製した。Experiment 2 Next, a disk-shaped Au porous electrode having a diameter of 8 mm was used as an outer electrode and a first electrode on both surfaces of a solid electrolyte plate of the same material and size as in Experiment 1, under the same conditions as in Experiment 1. To form an oxygen pump element. Further, a Pd porous electrode having a diameter of 8 mm is formed as a second electrode on one surface of the same solid electrolyte disk, and an Au porous electrode having a diameter of 3 mm is formed as a third electrode on the other surface, thereby forming an oxygen concentration battery element. Was produced. Then, both elements are arranged so that the first electrode and the second electrode face each other, and a Pt mesh or Au of 100 to 500 mesh is interposed therebetween.
A sensor was produced by sandwiching the mesh and stacking them.
【0157】そして、図39(b)に示す回路に各素子
(すなわち、酸素ポンプ素子3及び酸素濃淡電池素子
4)を接続し、同図(a)に示す装置を用いて、Pd多
孔質電極とAu多孔質電極との間で実験1で測定したη
の差が最も大きくなる温度である750℃にこれを加熱
した。Then, each element (that is, the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4) is connected to the circuit shown in FIG. 39 (b), and the Pd porous electrode is used by using the device shown in FIG. 39 (a). Η measured in Experiment 1 between the Au and Au porous electrodes
This was heated to 750 ° C., which is the temperature at which the difference between the two becomes maximum.
【0158】図39(b)の回路200においては、上
記排気ガスセンサ1の酸素濃淡電池素子4の第二電極1
2と第三電極13とが、それぞれ非反転増幅器20(ポ
ンプ素子電圧調整手段、起電力検出手段)のマイナス端
子(接地端子)とプラス端子にそれぞれ接続される。こ
れにより、該素子4で生ずる濃淡電池起電力は、非反転
増幅器20の接地側に接続された抵抗器22の電気抵抗
値をR50、同じく負帰還接続された抵抗器21の電気抵
抗値をR51として、ゲインR51/R50で増幅される。In the circuit 200 of FIG. 39 (b), the second electrode 1 of the oxygen concentration battery element 4 of the exhaust gas sensor 1 is used.
2 and the third electrode 13 are respectively connected to the negative terminal (ground terminal) and the positive terminal of the non-inverting amplifier 20 (pump element voltage adjusting means, electromotive force detecting means). As a result, the concentration battery electromotive force generated in the element 4 has an electric resistance value R50 of the resistor 22 connected to the ground side of the non-inverting amplifier 20 and an electric resistance value R51 of the resistor 21 also connected in the negative feedback connection. Is amplified with a gain R51 / R50.
【0159】一方、非反転増幅器20の出力側は酸素ポ
ンプ素子3の第一電極11に接続されており、上記増幅
された濃淡電池起電力が酸素ポンプ素子3に印加され
る。ここで、酸素濃度は隙間16側で高くなるので、酸
素濃淡電池素子4には第三電極13側を正とする濃淡電
池起電力が生ずる。そして、その濃淡電池起電力は、非
反転増幅器20により極性反転せずに増幅され、酸素ポ
ンプ素子3の第一電極11に印加される。これにより、
酸素ポンプ素子3には第一電極11側を正としてポンプ
電流が流れることとなり、図中矢印で示すように、隙間
14内の酸素が隙間15側へ汲み込まれる。このポンプ
電流は、反転増幅器23(出力手段)の出力電圧によ
り、これが排気ガスEG中のメタン濃度を反映したセン
サ出力として取り出されることとなる。また、本実施例
では、該反転増幅器23の出力は、ゲイン1の反転増幅
器24(R4=R5)により極性反転されるようになって
いる。On the other hand, the output side of the non-inverting amplifier 20 is connected to the first electrode 11 of the oxygen pump element 3, and the amplified concentration cell electromotive force is applied to the oxygen pump element 3. Here, since the oxygen concentration becomes higher on the side of the gap 16, a concentration cell electromotive force having a positive value on the third electrode 13 side is generated in the oxygen concentration cell element 4. Then, the concentration cell electromotive force is amplified by the non-inverting amplifier 20 without the polarity being inverted, and is applied to the first electrode 11 of the oxygen pump element 3. This allows
A pump current flows in the oxygen pump element 3 with the first electrode 11 side being positive, and oxygen in the gap 14 is pumped to the gap 15 side as indicated by an arrow in the figure. This pump current is taken out as a sensor output reflecting the methane concentration in the exhaust gas EG by the output voltage of the inverting amplifier 23 (output means). In this embodiment, the output of the inverting amplifier 23 is inverted in polarity by the inverting amplifier 24 (R4 = R5) having a gain of 1.
【0160】上述のように回路接続した状態で、50〜
700ppmの各種濃度の被検出成分としてのメタン
と、300ppmの酸素と、3体積%の水蒸気と、残部
アルゴンからなる試験ガスを100ml/分の流速で流
通し、平衡時の酸素濃淡電池素子の起電力EMFを測定
するとともに、その起電力EMFが起電力目標値ECに
なるように酸素ポンプ素子を作動させ、そのポンプ電流
Ipを測定した。With the circuit connected as described above, 50-
Methane as a component to be detected having various concentrations of 700 ppm, oxygen of 300 ppm, water vapor of 3% by volume, and a balance of a test gas consisting of argon were passed at a flow rate of 100 ml / min to start the oxygen concentration cell element at equilibrium. While measuring the electric power EMF, the oxygen pump element was operated so that the electromotive force EMF became the electromotive force target value EC, and the pump current Ip was measured.
【0161】その結果、図41に示すように、ポンプ電
流Ip(図中「●」で示す)は、試験ガス中のメタン濃
度に対してほぼ直線的に増大し、該Ipからメタン濃度
を検出できることがわかった。また、図40(b)に示
すように、メタン濃度を300ppmに固定して、セン
サ温度を650〜850℃で変化させて測定を行ったと
ころ、センサ出力は前述のηの差が最も大きくなる75
0℃近傍で最大値を示しており、ηの差がなるべく大き
くなる温度でセンサを作動させることが、センサ感度を
向上させる上で有効であることもわかった。なお、参考
のため、酸素ポンプ素子を作動させなかった場合の、酸
素濃淡電池素子の起電力を、各メタン濃度について測定
した(図41中「○」で示す)。その結果、試験ガス中
の酸素濃度に対してほぼ理論空燃比をなすメタン含有量
(約200ppm)の近傍で起電力は急増していること
がわかった。このことは、上記組成以上の領域では、メ
タンに対する酸化触媒活性が大きいPdで構成された第
二電極側(すなわち隙間側)でメタンのほぼ全量が酸化
により消費され、逆に酸化触媒活性の低いAuで構成さ
れた第三電極側(すなわち反対空間側)ではメタンがあ
まり消費されないために、酸素濃淡電池素子の両側で大
きな酸素濃度差が生じたことを意味するものである。な
お、酸素濃淡電池素子として、第二電極と第三電極とを
いずれもAu多孔質電極としたもの、及びいずれもPd
多孔質電極としたものを作製し、これを用いて同様の実
験を行ったところ、図42に示すように、これら試料で
はメタン濃度によらず起電力はほとんど生じなかった。As a result, as shown in FIG. 41, the pump current Ip (indicated by "●" in the figure) increases almost linearly with respect to the methane concentration in the test gas, and the methane concentration is detected from the Ip. I knew I could do it. Further, as shown in FIG. 40 (b), when the methane concentration was fixed to 300 ppm and the sensor temperature was changed from 650 to 850 ° C., the measurement was performed, and the sensor output showed the largest difference in η. 75
The maximum value is shown in the vicinity of 0 ° C., and it was also found that operating the sensor at a temperature at which the difference in η is as large as possible is effective in improving the sensor sensitivity. For reference, the electromotive force of the oxygen concentration battery element when the oxygen pump element was not operated was measured for each methane concentration (indicated by “◯” in FIG. 41). As a result, it was found that the electromotive force sharply increased in the vicinity of the methane content (about 200 ppm), which is almost the stoichiometric air-fuel ratio with respect to the oxygen concentration in the test gas. This means that in the region of the above composition or higher, almost all the amount of methane is consumed by the oxidation on the second electrode side (that is, the gap side) made of Pd having a large oxidation catalytic activity for methane, and conversely the oxidation catalytic activity is low. This means that methane is not consumed so much on the third electrode side (that is, on the opposite space side) made of Au, so that a large oxygen concentration difference occurs on both sides of the oxygen concentration battery element. As the oxygen concentration cell device, both the second electrode and the third electrode were Au porous electrodes, and both were Pd.
When a porous electrode was prepared and the same experiment was conducted using this, as shown in FIG. 42, almost no electromotive force was generated in these samples regardless of the methane concentration.
【0162】また、試験ガス中に、水蒸気(7.5
%)、炭酸ガス(10.0%)、一酸化窒素(284p
pm)、一酸化炭素(300ppm)のいずれかを妨害
ガスとして混在させたときの、ポンプ電流Ipのメタン
濃度依存性に及ぼす影響についても調べた。図43に結
果を示す通り、Ipのメタン濃度依存性は妨害ガスの影
響をほとんど受けず、メタン検出に対する選択性が良好
であることがわかる。Further, in the test gas, water vapor (7.5
%), Carbon dioxide (10.0%), nitric oxide (284p
pm) and carbon monoxide (300 ppm) were mixed as an interfering gas, the influence of the pump current Ip on the methane concentration dependence was also investigated. As shown in the results in FIG. 43, it can be seen that the dependence of Ip on the methane concentration is hardly affected by the interfering gas, and the selectivity for methane detection is good.
【0163】次に、試験ガス中のメタン濃度を350p
pmに固定し、酸素濃度を100〜800ppmの範囲
で各種変化させて同様の実験を行った結果を図44に示
す。すなわち、ポンプ電流Ipは試験ガス中の酸素濃度
によらずほぼ一定の値を示しており、センサ出力として
のIpに対する試験ガス中の酸素濃度の影響が小さいこ
とがわかる。Next, the methane concentration in the test gas was adjusted to 350 p
FIG. 44 shows the result of performing the same experiment with the oxygen concentration fixed to pm and variously changed in the range of 100 to 800 ppm. That is, the pump current Ip shows a substantially constant value regardless of the oxygen concentration in the test gas, and it can be seen that the influence of the oxygen concentration in the test gas on Ip as the sensor output is small.
【0164】(実施例2)実施例1の実験1と同一の材
質及び寸法の固体電解質板の両面に、外側電極及び第一
電極として直径8mmの円板状のAu多孔質電極を、実験
1と同一の条件にて形成して酸素ポンプ素子を作製し
た。また、同様の固体電解質円板の一方の面に第二電極
として直径8mmのPdないしAuの多孔質電極(Auは
比較例)を、また他方の面に第三電極として直径3mmの
Au多孔質電極を形成して酸素濃淡電池素子を作製し
た。そして両素子を、第一電極と第二電極とが対向する
ように、間に100〜500メッシュのPtメッシュあ
るいはAuメッシュを挟んで重ね合わせてセンサを作製
した。(Example 2) A disk-shaped Au porous electrode having a diameter of 8 mm was used as the outer electrode and the first electrode on both surfaces of a solid electrolyte plate having the same material and size as in Experiment 1 of Example 1. An oxygen pump element was manufactured by forming under the same conditions as described above. In addition, a Pd or Au porous electrode having a diameter of 8 mm (Au is a comparative example) is used as a second electrode on one surface of the same solid electrolyte disk, and a Au porous material having a diameter of 3 mm is used as a third electrode on the other surface. An electrode was formed to produce an oxygen concentration battery element. Then, a sensor was manufactured by stacking both elements with a Pt mesh or Au mesh of 100 to 500 mesh interposed therebetween so that the first electrode and the second electrode face each other.
【0165】そして、図39(b)に示すものと同様の
回路に各素子(すなわち、酸素ポンプ素子3及び酸素濃
淡電池素子4)を接続し、同図(a)に示す装置を用い
て、850〜900℃に加熱しながら、0.3〜0.8
体積%の各種濃度の被検出成分としてのメタンと、0.
5体積%の酸素と、5体積%の水蒸気と、残部アルゴン
からなる試験ガスを該炉内に100ml/分の流速で流
通し、平衡時の酸素濃淡電池素子の起電力EMFを測定
するとともに、その起電力EMFが起電力目標値ECに
なるように酸素ポンプ素子を作動させ、ポンプ電流Ip
を測定した。また、ポンプ電流Ipは、図45に示すよ
うに、試験ガス中のメタン濃度に対してほぼ直線的に増
大し、該Ipからメタン濃度を検出できることがわかっ
た。Then, each element (that is, the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration battery element 4) is connected to a circuit similar to that shown in FIG. 39 (b), and the apparatus shown in FIG. 39 (a) is used. 0.3 to 0.8 while heating to 850 to 900 ° C
Methane as a component to be detected in various concentrations of 0.
A test gas consisting of 5% by volume of oxygen, 5% by volume of water vapor, and the balance of argon was passed through the furnace at a flow rate of 100 ml / min to measure the electromotive force EMF of the oxygen concentration battery element at equilibrium, The oxygen pump element is operated so that the electromotive force EMF becomes the electromotive force target value EC, and the pump current Ip
Was measured. Further, it was found that the pump current Ip increased almost linearly with the methane concentration in the test gas as shown in FIG. 45, and the methane concentration could be detected from the Ip.
【0166】また、試験ガス中のメタン濃度を0.5%
に固定し、酸素濃度を0.3〜0.8体積%の範囲で各
種変化させて同様の実験を行った結果を図46に示す。
すなわち、ポンプ電流Ipは試験ガス中の酸素濃度によ
らずほぼ一定の値を示しており、センサ出力としてのI
pに対する試験ガス中の酸素濃度の影響が小さいことが
わかる。Further, the methane concentration in the test gas was 0.5%.
FIG. 46 shows the result of carrying out a similar experiment with the oxygen concentration fixed to 0.3% and variously changed in the range of 0.3 to 0.8% by volume.
That is, the pump current Ip shows a substantially constant value regardless of the oxygen concentration in the test gas, and I as the sensor output.
It can be seen that the effect of the oxygen concentration in the test gas on p is small.
【0167】また、酸素濃淡電池素子を酸素ポンプ素子
に対して上記とは反転させた状態、すなわちAu多孔質
電極が第二電極となり、Pd多孔質電極が第三電極とな
るように配置した状態で、メタン濃度を各種変化させた
試験ガスを用いて同様の実験を行った結果を図47に示
す。この場合は、酸素濃淡電池素子を反転させない図4
5の結果と比較して、Ipのメタン濃度に対する変化率
(勾配)が大きくなっており、センサの感度が向上して
いることがわかる。Further, the oxygen concentration battery element is reversed from the above with respect to the oxygen pump element, that is, the Au porous electrode is the second electrode and the Pd porous electrode is the third electrode. FIG. 47 shows the results of a similar experiment performed using test gases with various changes in methane concentration. In this case, the oxygen concentration battery element is not inverted.
As compared with the result of No. 5, it can be seen that the rate of change (gradient) of Ip with respect to the methane concentration is large, and the sensitivity of the sensor is improved.
【0168】(実施例3)図1及び図2に示す排気ガス
センサ1において、外側電極10、第一電極11及び第
二電極12をPt多孔質電極により、第三電極13をA
u多孔質電極により形成したものを作製した。ただし、
各素子2〜5に使用した固体電解質は上記実施例1及び
2と同じものを使用し、その寸法は4mm×45mm×0.
4mmとした。また、隙間14の高さを0.06mm、隙間
15の高さを0.15mm、隙間16の高さを0.07mm
とした。該センサ1を酸素を50〜250000pp
m、水蒸気10%、炭酸ガス10%、残部窒素からなる
試験ガス中に保持して素子3及び4が800℃になるよ
うにヒータ2,5により加熱した。なお、この時のヒー
タの温度は900℃であった。その状態で、酸素ポンプ
素子3に通電しない場合の酸素濃淡電池素子4に生ずる
起電力(オフセット起電力)EOSを各酸素濃度毎に測定
した。結果を図48に示す。すなわち、オフセット起電
力EOSは酸素濃度が10000ppm(1体積%)未満
では急増しているのに対し、10000ppm以上、特
に100000ppm以上ではほぼ1〜1.5mVの範
囲(大気中で1.22mV)で安定化していることがわ
かる。Example 3 In the exhaust gas sensor 1 shown in FIGS. 1 and 2, the outer electrode 10, the first electrode 11 and the second electrode 12 are Pt porous electrodes, and the third electrode 13 is A.
What was formed by u porous electrode was produced. However,
The solid electrolyte used in each of the elements 2 to 5 was the same as in the above-mentioned Examples 1 and 2, and its dimensions were 4 mm × 45 mm × 0.1 mm.
It was 4 mm. The height of the gap 14 is 0.06 mm, the height of the gap 15 is 0.15 mm, and the height of the gap 16 is 0.07 mm.
And The sensor 1 is supplied with oxygen at 50 to 250,000 pp.
m, steam 10%, carbon dioxide gas 10%, and the balance was kept in a test gas, and the elements 3 and 4 were heated by the heaters 2 and 5 so as to reach 800 ° C. The temperature of the heater at this time was 900 ° C. In that state, the electromotive force (offset electromotive force) EOS generated in the oxygen concentration battery element 4 when the oxygen pump element 3 was not energized was measured for each oxygen concentration. Results are shown in FIG. That is, the offset electromotive force EOS rapidly increases when the oxygen concentration is less than 10000 ppm (1% by volume), whereas it is approximately 1 to 1.5 mV (more than 100,000 ppm) (1.22 mV in the atmosphere). You can see that it has stabilized.
【0169】次に、上記センサ1を排気管に取り付け、
設定センサ作動温度800℃、起電力目標値ECを−5
〜8.3mVの各種値として酸素ポンプ素子3を作動さ
せ、ここに酸素100〜1000ppm、水蒸気10
%、炭酸ガス10%、メタン0又は300ppm、残部
窒素からなる試験ガス(温度300℃)を12L/分の
流速で流通して、ポンプ電流Ip(センサ出力)を測定
した。結果を、各起電力目標値ECに対応するセンサ出
力の酸素濃度依存性の形で図49及び図50に示す。い
ずれのメタン濃度においても、EC=1.22mV(大
気中でのEOSに相当)、−1.8mV、0mV、3.7m
V及び4.2mV(EOS±5mVの範囲内)について
は、センサ出力の酸素濃度依存性は小さくなっているの
に対し、(EOS−5)mV以上(EOS+5)mV以下の
範囲から外れるEC=−5mV、5.1mV及び8.3m
Vでは、センサ出力の酸素濃度依存性が大きくなってい
ることがわかる。Next, the sensor 1 is attached to the exhaust pipe,
Set sensor operating temperature 800 ℃, electromotive force target value E C -5
The oxygen pump element 3 is operated at various values of ˜8.3 mV, where oxygen 100 to 1000 ppm and water vapor 10
%, Carbon dioxide gas 10%, methane 0 or 300 ppm, and balance test gas (temperature 300 ° C.) at a flow rate of 12 L / min, and the pump current Ip (sensor output) was measured. The results are shown in FIGS. 49 and 50 in the form of oxygen concentration dependence of the sensor output corresponding to each electromotive force target value EC. At any methane concentration, Ec = 1.22 mV (equivalent to EOS in the atmosphere), -1.8 mV, 0 mV, 3.7 m
Regarding V and 4.2 mV (within the range of EOS ± 5 mV), the oxygen concentration dependency of the sensor output is small, while Ec = out of the range of (EOS-5) mV or more and (EOS + 5) mV or less -5mV, 5.1mV and 8.3m
It can be seen that at V, the oxygen concentration dependency of the sensor output is large.
【0170】(実施例4)実施例3と同一の排気ガスセ
ンサ1を排気管に取り付け、ここに酸素1000pp
m、炭酸ガス10%、メタン0〜500ppm、残部窒
素からなる試験ガスを4〜20L/分の各種流速で流通
して、ポンプ電流Ip(センサ出力)を測定した。結果
を、各流速に対応するセンサ出力のメタン濃度依存性の
形で図51に示す。すなわち、上記本発明のセンサ1は
メタン濃度に対して直線的な出力を示し、ガス流速の影
響も小さいことがわかる。(Embodiment 4) The same exhaust gas sensor 1 as in Embodiment 3 is attached to the exhaust pipe, and oxygen is added at 1000 pp.
m, carbon dioxide gas 10%, methane 0 to 500 ppm, and the balance nitrogen was passed through the test gas at various flow rates of 4 to 20 L / min, and the pump current Ip (sensor output) was measured. The results are shown in FIG. 51 in the form of the methane concentration dependence of the sensor output corresponding to each flow velocity. That is, it can be seen that the sensor 1 of the present invention described above exhibits a linear output with respect to the methane concentration, and the influence of the gas flow velocity is small.
【0171】(実施例5)実施例3と同一の排気ガスセ
ンサ1を排気管に取り付け、ここに酸素100〜100
0ppm、炭酸ガス10%、メタン0〜500ppm、
残部窒素からなる試験ガスを12L/分の流速で流通し
て、ポンプ電流Ip(センサ出力)を測定した。結果
を、各酸素濃度に対応するセンサ出力の、メタン濃度依
存性の形で図52に示す。すなわち、上記本発明のセン
サ1はメタン濃度に対して直線的な出力を示し、酸素濃
度の影響も小さいことがわかる。(Embodiment 5) The same exhaust gas sensor 1 as in Embodiment 3 is attached to the exhaust pipe, and oxygen 100 to 100 is attached here.
0ppm, carbon dioxide 10%, methane 0-500ppm,
The test gas consisting of the balance nitrogen was passed at a flow rate of 12 L / min, and the pump current Ip (sensor output) was measured. The results are shown in FIG. 52 in the form of methane concentration dependence of the sensor output corresponding to each oxygen concentration. That is, it can be seen that the sensor 1 of the present invention shows a linear output with respect to the methane concentration, and the influence of the oxygen concentration is small.
【0172】(実施例6)図56に示す排気ガスセンサ
400において、外側電極10、第一電極11及び第二
電極12をPt多孔質電極により、第三電極13をAu
多孔質電極により形成したものを作製した。ただし、各
素子2〜5に使用した固体電解質は上記実施例1及び2
と同じものを使用し、その寸法は4mm×45mm×0.4
mmとした。また、隙間14の高さを0.06mm、隙間1
5(すなわち測定室403)の高さhを0.4mm、スリ
ット402の幅dを0.05mm、隙間16の高さを0.
07mmとした。この排気ガスセンサ400を排気管に取
り付け、ここに酸素1000ppm、炭酸ガス10%、
メタン0〜500ppm、水蒸気0又は10%、残部窒
素からなる試験ガスを12L/分の流速で流通して、ポ
ンプ電流Ip(センサ出力)を測定した。結果を、各水
蒸気量に対応するセンサ出力の、メタン濃度依存性の形
で図53に示す。すなわち、上記本発明のセンサ1はメ
タン濃度に対して直線的な出力を示し、またガスを10
%加湿してもその影響は小さいことがわかる。Example 6 In the exhaust gas sensor 400 shown in FIG. 56, the outer electrode 10, the first electrode 11 and the second electrode 12 are Pt porous electrodes, and the third electrode 13 is Au.
What was formed with the porous electrode was produced. However, the solid electrolytes used in the respective elements 2 to 5 are the same as those in Examples 1 and 2 above.
The same size is used, and the dimensions are 4mm × 45mm × 0.4
mm. In addition, the height of the gap 14 is 0.06 mm, the gap 1
5 (that is, the measurement chamber 403) has a height h of 0.4 mm, the slit 402 has a width d of 0.05 mm, and the gap 16 has a height of 0.
It was set to 07 mm. This exhaust gas sensor 400 is attached to the exhaust pipe, where oxygen 1000ppm, carbon dioxide gas 10%,
A test gas consisting of 0 to 500 ppm of methane, 0 or 10% of water vapor, and the balance of nitrogen was passed at a flow rate of 12 L / min to measure the pump current Ip (sensor output). The results are shown in FIG. 53 in the form of methane concentration dependence of the sensor output corresponding to each amount of water vapor. That is, the above-mentioned sensor 1 of the present invention shows a linear output with respect to the methane concentration,
It can be seen that the effect is small even when humidified.
【0173】(実施例7)実施例3と同一の排気ガスセ
ンサ1を排気管に取り付け、ここに酸素1000pp
m、炭酸ガス10%、メタン0〜500ppm、水蒸気
0又は10%、残部主に窒素からなり、さらに一酸化窒
素(270ppm)、一酸化炭素(270ppm)、プ
ロピレン(270ppmC(ppmCは炭素換算濃度を
示す))のいずれかを妨害ガスとして混在させた試験ガ
スを12L/分の流速で流通して、ポンプ電流Ip(セ
ンサ出力)を測定した。結果を、各妨害ガス成分毎のセ
ンサ出力のメタン濃度依存性の形で図54に示す。すな
わち、上記本発明のセンサ1はメタン濃度に対して直線
的な出力を示し、また妨害ガスの影響は小さく、メタン
に対して優れた選択性を示していることがわかる。(Embodiment 7) The same exhaust gas sensor 1 as in Embodiment 3 is attached to the exhaust pipe, and oxygen is added at 1000 pp.
m, carbon dioxide gas 10%, methane 0 to 500 ppm, water vapor 0 or 10%, the balance mainly consisting of nitrogen, and further nitric oxide (270 ppm), carbon monoxide (270 ppm), propylene (270 ppmC (ppmC is the carbon equivalent concentration The test gas containing any one of (1)) as a disturbing gas was circulated at a flow rate of 12 L / min to measure the pump current Ip (sensor output). The results are shown in FIG. 54 in the form of the methane concentration dependence of the sensor output for each interfering gas component. That is, it can be seen that the above-mentioned sensor 1 of the present invention exhibits a linear output with respect to the methane concentration, has a small influence of the interfering gas, and exhibits excellent selectivity with respect to methane.
【0174】次に、本発明の測定装置の性能を確認する
ために以下の実験を行った。
(実施例8)実施例3と同様の排気ガスセンサを使用
し、これを図18に示すセンサシステム50に組み込ん
だ。なお、上記排気ガスセンサの酸素濃淡電池素子のオ
フセット起電力は+1.2mVであり、起電力目標値E
Cは+1.2mVに設定した。また、ヒータ2,5によ
る酸素濃淡電池素子の温度設定を750℃とした。この
状態でセンサを排気管に取り付け、ここに酸素100p
pm、炭酸ガス10%、メタン300ppm、残部窒素
からなる試験ガスを所定の加熱装置で温度650℃〜8
30℃に加熱して12L/分の流速で流通し、排気ガス
センサの出力をポンプ電流Ipの形で測定した。まず、
酸素濃淡電池素子の温度を、その内部起電力の値からモ
ニタしたところ、排気ガス温度が変化しても、素子温度
は750±20℃の範囲で制御できた。一方、比較のた
めに、ヒータ2,5への通電電圧を一定として特に制御
を行わなかった場合は、温度は750±50℃とばらつ
いた。また、図26は、ポンプ電流Ipの出力値を示し
ている。温度制御を行った場合(図中「●」で示す)は
排気ガス温度によらずIpの出力値はほぼ一定となって
いるが、温度制御を行わなかった場合(図中「○」で示
す)は、排気ガス温度によってIpが大きく変動してい
ることがわかる。Next, the following experiment was conducted to confirm the performance of the measuring apparatus of the present invention. (Embodiment 8) An exhaust gas sensor similar to that of Embodiment 3 was used and incorporated into a sensor system 50 shown in FIG. The offset electromotive force of the oxygen concentration battery element of the exhaust gas sensor is +1.2 mV, and the electromotive force target value E
C was set to +1.2 mV. Further, the temperature setting of the oxygen concentration battery element by the heaters 2 and 5 was set to 750 ° C. In this state, attach the sensor to the exhaust pipe and place oxygen 100p here.
A test gas composed of pm, carbon dioxide gas 10%, methane 300 ppm, and the balance nitrogen was heated at a temperature of 650 ° C to 8 with a predetermined heating device.
After heating to 30 ° C. and flowing at a flow rate of 12 L / min, the output of the exhaust gas sensor was measured in the form of pump current Ip. First,
When the temperature of the oxygen concentration battery element was monitored from the value of its internal electromotive force, the element temperature could be controlled within the range of 750 ± 20 ° C. even if the exhaust gas temperature changed. On the other hand, for comparison, when the voltage applied to the heaters 2 and 5 was kept constant and no particular control was performed, the temperature fluctuated to 750 ± 50 ° C. Further, FIG. 26 shows the output value of the pump current Ip. When temperature control is performed (indicated by "●" in the figure), the output value of Ip is almost constant regardless of exhaust gas temperature, but when temperature control is not performed (indicated by "○" in the figure). ) Indicates that Ip greatly varies depending on the exhaust gas temperature.
【0175】(実施例9)実施例3の排気ガスセンサの
機械的強度を調べるために、各素子2〜5に使用したも
のと同一寸法(4mm×45mm×0.4mm)の固体電解質
板を単位として、これを3枚積層した形で一体焼成した
試験片(第一のヒータ2、酸素ポンプ素子3及び酸素濃
淡電池素子4を一体焼成したセンサ構造に相当)、同じ
く2枚積層した形で一体焼成した試験片(酸素ポンプ素
子3及び酸素濃淡電池素子4を一体焼成したセンサ構造
に相当)、及び固体電解質板1枚を単独で使用した試験
片の3種類を用意した。これら試験片に対し、固体電解
質板の厚さ方向を曲げ方向として所定の曲げ試験機によ
り、上側スパンを10mm、下側スパンを30mm、クロス
ヘッド速度を0.5mm/分の条件で4点曲げ荷重を付加
し、破壊が生じたときの曲げ荷重を測定した。その結果
を図55に、4点曲げ荷重(試験片に破断が生じたとき
の曲げ荷重で表している)の試験片厚さ依存性の形で示
す。すなわち、試験片さが増大するほど、具体的には試
験片厚さの二乗にほぼ比例して曲げ荷重が向上している
ことがわかる。(Example 9) In order to investigate the mechanical strength of the exhaust gas sensor of Example 3, a solid electrolyte plate having the same dimensions (4 mm x 45 mm x 0.4 mm) as those used for each of the elements 2 to 5 was used as a unit. As a test piece that is integrally fired in the form of three laminated layers (corresponding to a sensor structure in which the first heater 2, the oxygen pump element 3, and the oxygen concentration battery element 4 are integrally fired) Three types of test pieces were prepared: a fired test piece (corresponding to a sensor structure in which the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4 were integrally fired), and one solid electrolyte plate alone. Bending these test pieces with a predetermined bending tester using the thickness direction of the solid electrolyte plate as the bending direction, the upper span was 10 mm, the lower span was 30 mm, and the crosshead speed was 4-point bending at 0.5 mm / min. A load was applied and the bending load when the fracture occurred was measured. The results are shown in FIG. 55 in the form of test piece thickness dependence of a four-point bending load (represented by the bending load when the test piece breaks). That is, as the number of test pieces increases, specifically, the bending load is improved almost in proportion to the square of the thickness of the test piece.
【0176】(実施例10)図56に示す排気ガスセン
サ400において、外側電極10、第一電極11及び第
二電極12をPt多孔質電極により、第三電極13をA
u多孔質電極により形成したものを作製した。ただし、
各素子2〜5に使用した固体電解質は上記実施例1及び
2と同じものを使用し、その寸法は4mm×45mm×0.
4mmとした。また、隙間14の高さを0.06mm、隙間
15(すなわち測定室403)の高さhを0.4mm、ス
リット402の幅dを0.1mm、隙間16の高さを0.
07mmとした。また、参照用に、酸素ポンプ素子3と酸
素濃淡電池素子4とを一体化せず、別途スペーサを介し
て両者の間に、周縁が被測定雰囲気に開放する幅0.4
mmの隙間を形成したセンサも用意した。これら排気ガ
スセンサを排気管に取り付け、次の実験を行った。(Embodiment 10) In the exhaust gas sensor 400 shown in FIG. 56, the outer electrode 10, the first electrode 11 and the second electrode 12 are Pt porous electrodes, and the third electrode 13 is A.
What was formed by u porous electrode was produced. However,
The solid electrolyte used in each of the elements 2 to 5 was the same as in the above-mentioned Examples 1 and 2, and its dimensions were 4 mm × 45 mm × 0.1 mm.
It was 4 mm. Further, the height of the gap 14 is 0.06 mm, the height h of the gap 15 (that is, the measurement chamber 403) is 0.4 mm, the width d of the slit 402 is 0.1 mm, and the height of the gap 16 is 0.
It was set to 07 mm. For reference, the oxygen pump element 3 and the oxygen concentration cell element 4 are not integrated, but a width of 0.4 between the both ends is opened to the atmosphere to be measured through a separate spacer.
A sensor having a gap of mm was also prepared. These exhaust gas sensors were attached to the exhaust pipe and the following experiment was conducted.
【0177】まず、酸素ポンプ素子を作動させず、酸素
100ppm、炭酸ガス10%、メタン0〜500pp
m、水蒸気0又は10%、残部窒素からなる試験ガスを
12L/分の流速で流通して、各メタン濃度毎の酸素濃
淡電池素子4の起電力を測定した。結果を図64に示
す。すなわち、参照例のセンサ(図64(a))におい
ては、水蒸気を添加しない場合の起電力は比較的大きい
が、水蒸気を添加すると起電力が低下していることがわ
かる。これに対し、実施例のセンサ(図64(b))は
加湿による影響が小さいことがわかる。また、酸素ポン
プ素子を作動させ、酸素100ppm、炭酸ガス10
%、メタン0〜500ppm、水蒸気0又は10%、残
部窒素からなる試験ガスを12L/分の流速で流通し
て、各メタン濃度毎のセンサ出力を測定した結果を図6
5に示す。すなわち、参照例のセンサ(図65(a))
においては、水蒸気を添加しない場合のセンサ出力は比
較的大きいが、水蒸気を添加すると出力が低下している
ことがわかる。これに対し、実施例のセンサ(図65
(b))は加湿による影響が小さいことがわかる。First, without operating the oxygen pump element, oxygen 100 ppm, carbon dioxide gas 10%, methane 0 to 500 pp.
A test gas consisting of m, water vapor 0 or 10%, and the balance nitrogen was passed at a flow rate of 12 L / min, and the electromotive force of the oxygen concentration battery element 4 was measured for each methane concentration. The results are shown in Fig. 64. That is, in the sensor of the reference example (FIG. 64 (a)), the electromotive force in the case where the water vapor is not added is relatively large, but the electromotive force is decreased in the case where the water vapor is added. On the other hand, it can be seen that the sensor of the example (FIG. 64 (b)) is less affected by humidification. In addition, the oxygen pump element is activated, oxygen 100 ppm, carbon dioxide 10
%, Methane 0 to 500 ppm, water vapor 0 or 10%, balance nitrogen was passed through at a flow rate of 12 L / min to measure the sensor output for each methane concentration.
5 shows. That is, the sensor of the reference example (FIG. 65 (a))
In Fig. 2, the sensor output is relatively large when water vapor is not added, but it is understood that the output is reduced when water vapor is added. On the other hand, the sensor of the embodiment (see FIG.
It can be seen that the effect of humidification is small in (b)).
【0178】次に、センサ出力に対する酸素濃度の影響
を調べるために、水蒸気濃度を10%に固定する一方酸
素濃度を100又は1000ppmのいずれかに設定
し、他は同条件により同じ実験を行った。結果を図66
に示す。すなわち、参照例のセンサ(図66(a))に
おいては、酸素濃度によりセンサ出力レベルが変化して
いるのに対し、実施例のセンサ(図66(b))は酸素
濃度変化の影響が小さいことがわかる。Next, in order to investigate the effect of oxygen concentration on the sensor output, the same experiment was conducted under the same conditions while fixing the water vapor concentration to 10% and setting the oxygen concentration to either 100 or 1000 ppm. . The result is shown in FIG.
Shown in. That is, in the sensor of the reference example (Fig. 66 (a)), the sensor output level changes depending on the oxygen concentration, whereas in the sensor of the embodiment (Fig. 66 (b)), the influence of the oxygen concentration change is small. I understand.
【図1】本発明の排気ガスセンサの一例の要部を示す平
面図、側面図及びそのA−A断面図。FIG. 1 is a plan view, a side view, and a sectional view taken along line AA of a main part of an example of an exhaust gas sensor of the present invention.
【図2】その詳細な構造を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the detailed structure thereof.
【図3】その組立構造の一例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory view showing an example of the assembly structure.
【図4】上記センサの作動説明図。FIG. 4 is an operation explanatory view of the sensor.
【図5】図1の排気ガスセンサの製造方法を示す分解斜
視図。5 is an exploded perspective view showing a method of manufacturing the exhaust gas sensor of FIG.
【図6】図1の排気ガスセンサの第一の変形例を示す平
面図、側面図及びそのA−A断面図とB−B断面図。6A and 6B are a plan view, a side view, an AA sectional view, and a BB sectional view showing a first modified example of the exhaust gas sensor of FIG.
【図7】図6の排気ガスセンサの製造方法を示す分解斜
視図。7 is an exploded perspective view showing a method of manufacturing the exhaust gas sensor of FIG.
【図8】図1の排気ガスセンサの第二の変形例を示す平
面図、側面図及びそのA−A断面図とB−B断面図。8A and 8B are a plan view, a side view, an AA cross-sectional view, and a BB cross-sectional view showing a second modification of the exhaust gas sensor of FIG.
【図9】同じく第三の変形例を示す平面図、側面図及び
そのA−A断面図とB−B断面図。FIG. 9 is a plan view, a side view, and an AA sectional view and a BB sectional view of the third modified example.
【図10】同じく第四の変形例を示す平面図、側面図及
びそのA−A断面図。FIG. 10 is a plan view, a side view, and a cross-sectional view taken along the line AA of the fourth modification.
【図11】図10の排気ガスセンサの製造方法を示す分
解斜視図。11 is an exploded perspective view showing a method of manufacturing the exhaust gas sensor of FIG.
【図12】図1の排気ガスセンサの第五の変形例を示す
平面図、側面図、B−B断面図、及びその支柱部のいく
つかの変形例をしめす断面図。FIG. 12 is a plan view showing a fifth modification of the exhaust gas sensor of FIG. 1, a side view, a BB cross-sectional view, and cross-sectional views showing some modifications of the column portion thereof.
【図13】図12の排気ガスセンサの製造方法を示す分
解斜視図。13 is an exploded perspective view showing a method of manufacturing the exhaust gas sensor of FIG.
【図14】その支柱部パターンと補助支持パターンの配
置関係を模式的に示す説明図。FIG. 14 is an explanatory view schematically showing the positional relationship between the column pattern and the auxiliary support pattern.
【図15】補助支持パターンの作用説明図。FIG. 15 is an explanatory view of the action of the auxiliary support pattern.
【図16】図1の排気ガスセンサの第六の変形例を示す
平面図、側面図及びA−A断面図。16 is a plan view, a side view, and a cross-sectional view taken along line AA showing a sixth modification of the exhaust gas sensor of FIG.
【図17】図16の排気ガスセンサの製造方法を示す分
解斜視図。17 is an exploded perspective view showing a method of manufacturing the exhaust gas sensor of FIG.
【図18】上記センサを用いた本発明の測定装置の一例
の電気的構成を示すブロック図。FIG. 18 is a block diagram showing an electrical configuration of an example of a measuring apparatus of the present invention using the sensor.
【図19】その炭化水素濃度測定モードにおける回路作
動系統を示すブロック図。FIG. 19 is a block diagram showing a circuit operating system in the hydrocarbon concentration measurement mode.
【図20】ヒータ通電回路のいくつかの例を示すブロッ
ク図。FIG. 20 is a block diagram showing some examples of heater energizing circuits.
【図21】ヒータのPWM制御の説明図。FIG. 21 is an explanatory diagram of PWM control of a heater.
【図22】酸素濃淡電池素子の内部抵抗測定時の回路作
動系統を示すブロック図。FIG. 22 is a block diagram showing a circuit operating system at the time of measuring the internal resistance of the oxygen concentration battery element.
【図23】酸素濃淡電池素子の内部抵抗測定時の各スイ
ッチの作動タイミング図。FIG. 23 is an operation timing chart of each switch when measuring the internal resistance of the oxygen concentration battery element.
【図24】素子温度と酸素濃淡電池素子の内部抵抗との
関係の一例を示すグラフ、及び酸素濃淡電池素子の内部
抵抗と素子温度の関係を示すマップの概念図。FIG. 24 is a graph showing an example of the relationship between the element temperature and the internal resistance of the oxygen concentration battery element, and a conceptual diagram of a map showing the relationship between the internal resistance of the oxygen concentration battery element and the element temperature.
【図25】エンジン急加速あるいは急減速に伴うポンプ
電流変化の測定例を示すプロファイル、素子温度と補正
ポンプ電流値との関係の一例を示すグラフ、及び素子温
度と補正ポンプ電流値との関係を示すマップの概念図。FIG. 25 shows a profile showing an example of measurement of pump current change due to sudden acceleration or deceleration of an engine, a graph showing an example of the relationship between element temperature and corrected pump current value, and the relationship between element temperature and corrected pump current value. The conceptual diagram of the map shown.
【図26】実施例8の測定結果を示すグラフ。FIG. 26 is a graph showing the measurement results of Example 8.
【図27】ポンプ電流値とHC濃度との関係を示すマッ
プの概念図。FIG. 27 is a conceptual diagram of a map showing the relationship between pump current value and HC concentration.
【図28】酸素濃淡電池素子の内部抵抗値とヒータ制御
電圧との関係を示すマップの概念図。FIG. 28 is a conceptual diagram of a map showing the relationship between the internal resistance value of the oxygen concentration battery element and the heater control voltage.
【図29】酸素濃淡電池素子の内部抵抗値と補正ポンプ
電流値との関係を示すマップの概念図、及び素子温度と
ポンプ電流値とHC濃度との関係を示す二次元マップの
概念図。FIG. 29 is a conceptual diagram of a map showing the relationship between the internal resistance value of the oxygen concentration battery element and the corrected pump current value, and a conceptual diagram of a two-dimensional map showing the relationship between the element temperature, the pump current value and the HC concentration.
【図30】図18の装置におけるマイクロプロセッサ側
の制御の流れを示すフローチャート。30 is a flowchart showing the flow of control on the microprocessor side in the apparatus of FIG.
【図31】そのセンサ活性化処理の詳細を示すフローチ
ャート。FIG. 31 is a flowchart showing details of the sensor activation process.
【図32】同じく内部抵抗測定処理の詳細を示すフロー
チャート。FIG. 32 is a flowchart showing the details of the internal resistance measuring process.
【図33】図18の装置におけるマイクロプロセッサ側
の別の制御態様の流れを示すフローチャート。33 is a flowchart showing the flow of another control mode on the microprocessor side in the apparatus of FIG. 18.
【図34】図18の装置において、修正電流通電用の電
源を省略した場合のブロック図。FIG. 34 is a block diagram of the apparatus of FIG. 18 in which a power source for applying a correction current is omitted.
【図35】図18の装置において、内部抵抗測定用及び
修正電流通電用の定電流電源を、電圧−電流変換回路に
置き換えた例を示すブロック図。FIG. 35 is a block diagram showing an example in which a constant-current power supply for measuring internal resistance and for supplying a correction current is replaced with a voltage-current conversion circuit in the device of FIG. 18.
【図36】排気ガスセンサの電極構成のいくつかの変形
例を示す模式図。FIG. 36 is a schematic diagram showing some modifications of the electrode configuration of the exhaust gas sensor.
【図37】コーティングにより触媒不活性な電極を作成
する方法の説明図。FIG. 37 is an explanatory diagram of a method of forming a catalytically inactive electrode by coating.
【図38】酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間に
ガス保持部材を介挿した例を示す模式図。FIG. 38 is a schematic diagram showing an example in which a gas holding member is interposed between an oxygen pump element and an oxygen concentration battery element.
【図39】実施例1で使用した実験装置を示す模式図。FIG. 39 is a schematic diagram showing the experimental apparatus used in Example 1.
【図40】実施例1における、Pd多孔質電極とAu多
孔質電極とのメタンの転換率ηの温度依存性を示すグラ
フ、及びそれら電極を用いた排気ガスセンサの出力の温
度依存性を示すグラフ。FIG. 40 is a graph showing the temperature dependence of the conversion rate η of methane between the Pd porous electrode and the Au porous electrode in Example 1, and the graph showing the temperature dependence of the output of the exhaust gas sensor using these electrodes. .
【図41】実施例1の排気ガスセンサの出力のメタン濃
度依存性を示すグラフ。FIG. 41 is a graph showing the methane concentration dependence of the output of the exhaust gas sensor of the first embodiment.
【図42】その酸素濃淡電池素子の起電力のメタン濃度
依存性を、各種電極の組合せ毎に示すグラフ。FIG. 42 is a graph showing the methane concentration dependence of the electromotive force of the oxygen concentration battery element for each combination of various electrodes.
【図43】実施例1の排気ガスセンサの出力に及ぼす妨
害ガスの影響を示すグラフ。FIG. 43 is a graph showing the influence of interfering gas on the output of the exhaust gas sensor of the first embodiment.
【図44】実施例1の排気ガスセンサの出力に及ぼす酸
素濃度の影響を示すグラフ。FIG. 44 is a graph showing the effect of oxygen concentration on the output of the exhaust gas sensor of the first example.
【図45】実施例2の排気ガスセンサの出力のメタン濃
度依存性を示すグラフ。FIG. 45 is a graph showing the methane concentration dependence of the output of the exhaust gas sensor of the second embodiment.
【図46】実施例2の排気ガスセンサの出力に及ぼす酸
素濃度の影響を示すグラフ。FIG. 46 is a graph showing the effect of oxygen concentration on the output of the exhaust gas sensor of the second embodiment.
【図47】実施例2の変形例の排気ガスセンサにおけ
る、出力のメタン濃度依存性を示すグラフ。FIG. 47 is a graph showing the methane concentration dependence of the output in the exhaust gas sensor of the modified example of Example 2.
【図48】実施例3の排気ガスセンサにおける、酸素濃
淡電池素子のオフセット起電力の酸素濃度依存性を示す
グラフ。48 is a graph showing the oxygen concentration dependence of the offset electromotive force of the oxygen concentration battery element in the exhaust gas sensor of Example 3. FIG.
【図49】実施例3の排気ガスセンサにおいて、起電力
目標値を各種値に設定したときのセンサ出力の酸素濃度
依存性を示すグラフ(メタン濃度0ppm)。FIG. 49 is a graph showing the oxygen concentration dependency of the sensor output when the electromotive force target value is set to various values in the exhaust gas sensor of Example 3 (methane concentration 0 ppm).
【図50】実施例3の排気ガスセンサにおいて、起電力
目標値を各種値に設定したときのセンサ出力の酸素濃度
依存性を示すグラフ(メタン濃度300ppm)。FIG. 50 is a graph showing the oxygen concentration dependence of the sensor output when the electromotive force target value is set to various values in the exhaust gas sensor of Example 3 (methane concentration 300 ppm).
【図51】実施例4の実験結果を示すグラフ。51 is a graph showing the experimental results of Example 4. FIG.
【図52】実施例5の実験結果を示すグラフ。52 is a graph showing the experimental results of Example 5. FIG.
【図53】実施例6の実験結果を示すグラフ。FIG. 53 is a graph showing the experimental results of Example 6;
【図54】実施例7の実験結果を示すグラフ。54 is a graph showing the experimental results of Example 7. FIG.
【図55】実施例9の実験結果を示すグラフ。55 is a graph showing the experimental results of Example 9. FIG.
【図56】測定室にスリットを介して排気ガスを導入す
るようにした構造のセンサの一例を示す平面図、側面図
及びそのA−A断面図。FIG. 56 is a plan view, a side view, and an AA cross-sectional view showing an example of a sensor having a structure in which exhaust gas is introduced into a measurement chamber through a slit.
【図57】その第一の変形例を示す平面図、側面図及び
そのA−A断面図。FIG. 57 is a plan view, a side view, and a sectional view taken along the line AA of the first modification.
【図58】同じく第二の変形例を示す平面図、側面図及
びそのA−A断面図。FIG. 58 is a plan view, a side view, and a sectional view taken along the line AA of the second modification.
【図59】図58のセンサの組立方法の一例を示す工程
説明図。59 is a process explanatory view showing an example of an assembling method of the sensor of FIG. 58. FIG.
【図60】図59に続く工程説明図。FIG. 60 is an explanatory view of the process continued from FIG. 59.
【図61】図56のセンサの第三の変形例を示す平面
図、側面図及びそのA−A断面図。FIG. 61 is a plan view, a side view, and a sectional view taken along the line AA of the third modification of the sensor in FIG. 56.
【図62】測定室に小孔を介して排気ガスを導入するよ
うにした構造のセンサの一例を示す部分平面図、及びそ
のB−B断面図。FIG. 62 is a partial plan view showing an example of a sensor having a structure in which exhaust gas is introduced into a measurement chamber through a small hole, and a BB sectional view thereof.
【図63】その変形例を示す部分平面図及び底面図。FIG. 63 is a partial plan view and a bottom view showing the modified example.
【図64】実施例10の実験結果を示すグラフ。FIG. 64 is a graph showing the experimental results of Example 10.
【図65】同じく別のグラフ。FIG. 65 is another graph.
【図66】同じくさらに別のグラフ。FIG. 66 is also another graph.
【符号の説明】
1,400 排気ガスセンサ
2 第一のヒータ(加熱素子)
3 酸素ポンプ素子
4 酸素濃淡電池素子
5 第二のヒータ(加熱素子、隙間形成部材)
11 第一電極
12 第二電極
13 第三電極
15 隙間
16 隙間(反対空間)
50 センサシステム
50a 周辺回路
51 マイクロプロセッサ
53 CPU(被検出成分濃度情報補正手段、通電制御
手段、ポンプ電流補正量決定手段、補正演算手段、補正
濃度情報生成手段、内部抵抗測定手段、温度情報生成手
段、濃淡電池起電力測定手段、電圧情報補正手段)
55 ROM(補正参照情報記憶手段)
55a 補正参照情報
61 オペアンプ(ポンプ電流制御手段)
74 定電流電源(修正電流通電手段)
200 スペーサ部
201,202 絶縁層
204 開口部
210 支柱部
211 第一部分(第一の粉末成形体)
212 第二部分(第二の粉末成形体)
213 第三部分
240 ZrO2グリーンシート(スペーサ成形体)
241,242 貼合わせコート(絶縁パターン)
266a,266b 支柱部パターン
302 マップ(温度偏差−ポンプ電流補正量関係情
報)
302b マップ(ポンプ電流情報−被検出成分濃度関
係情報)
401,404 スペーサ部(壁部形成体)
401b,404b 壁部
402,405 スリット(拡散規制流通部)
403,407 測定室
410 小孔(拡散規制流通部)[Explanation of reference numerals] 1,400 Exhaust gas sensor 2 First heater (heating element) 3 Oxygen pump element 4 Oxygen concentration battery element 5 Second heater (heating element, gap forming member) 11 First electrode 12 Second electrode 13 Third electrode 15 Gap 16 Gap (opposite space) 50 Sensor system 50a Peripheral circuit 51 Microprocessor 53 CPU (Detected component concentration information correction means, energization control means, pump current correction amount determination means, correction calculation means, correction concentration information generation Means, internal resistance measuring means, temperature information generating means, concentration battery electromotive force measuring means, voltage information correcting means) 55 ROM (correction reference information storage means) 55a correction reference information 61 operational amplifier (pump current control means) 74 constant current power supply ( Correction current energizing means) 200 Spacer parts 201, 202 Insulating layer 204 Opening part 210 Strut part 211 First part (First powder compact) 212 second portion (second powder compact) 213 third portion 240 ZrO 2 green sheet (spacer moldings) 241,242 lamination coating (insulating pattern) 266a, 266b strut pattern 302 map (temperature deviation-pump current correction amount relation information) 302b map (pump current information-detection component concentration relation information) 401, 404 spacer portion (wall portion forming body) 401b, 404b wall portion 402, 405 slit (diffusion regulation) Flow section) 403,407 Measuring chamber 410 Small hole (Diffusion regulation flow section)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒木 由美 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 (72)発明者 喜田 真史 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 (72)発明者 大島 崇文 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 平6−288979(JP,A) 特開 昭62−190459(JP,A) 特開 平9−311120(JP,A) 特開 平5−180794(JP,A) 特開 昭60−210760(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/416 G01N 27/41 G01N 27/419 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued Front Page (72) Inventor Yumi Kuroki 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Special Ceramics Co., Ltd. (72) Inventor Masashi Kita 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya No. 14 Nippon Takara Ware Co., Ltd. (72) Inventor Takafumi Oshima No. 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan (56) Reference JP-A-6-288979 (JP, A) Sho 62-190459 (JP, A) JP 9-311120 (JP, A) JP 5-180794 (JP, A) JP 60-210760 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 7 , DB name) G01N 27/416 G01N 27/41 G01N 27/419
Claims (26)
を行うためのガスセンサであって、酸素イオン伝導性固
体電解質により構成され、その両面に電極が形成された
酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質によ
り構成されて両面に電極が形成され、かつ前記酸素濃淡
電池素子との間に、被測定雰囲気からの排気ガスの流通
が許容された所定量の隙間が形成されるように、該酸素
濃淡電池素子に対向配置されるとともに、該酸素濃淡電
池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
に、前記隙間に酸素を汲み込み又は該隙間から酸素を汲
み出す酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子と前記酸
素濃淡電池素子との少なくとも一方を、予め定められた
センサ作動温度に加熱する加熱素子とを備え、前記隙間
と、前記酸素濃淡電池素子を挟んでこれと反対側の空間
(以下、反対空間という)とに、それぞれ被検出成分と
酸素とを含有する排気ガスが導入され、また、前記酸素
ポンプ素子の前記隙間側の電極を第一電極、前記酸素濃
淡電池素子の前記隙間側の電極を第二電極、前記酸素濃
淡電池素子の前記反対空間側の電極を第三電極として、
前記隙間と前記反対空間とに導入された前記排気ガス中
の前記被検出成分が、少なくともそれら隙間と前記反対
空間との一方において、前記第一〜第三電極の少なくと
もいずれかを酸化触媒として前記排気ガス中の酸素と反
応することにより消費されるとともに、前記隙間と前記
反対空間との間で酸素との反応による前記被検出成分の
消費量に差が生じるように、それら第一〜第三電極の被
検出成分と酸素との反応に対する触媒活性が調整されて
おり、前記酸素濃淡電池素子と前記酸素ポンプ素子と
が、前記隙間を生じさせた状態で互いに積層された一体
の焼成体として構成されていることを特徴とする排気ガ
スセンサ。1. A gas sensor for detecting a component to be detected contained in exhaust gas, comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte, and an oxygen concentration battery element having electrodes formed on both surfaces thereof, and oxygen. Electrodes are formed on both surfaces of the ion-conducting solid electrolyte, and a predetermined amount of clearance is formed between the oxygen-concentrated battery element and the exhaust gas from the atmosphere to be measured. An oxygen pump that is arranged to face the oxygen concentration battery element and pumps oxygen into the gap or pumps oxygen from the gap in a direction in which the absolute value of the concentration battery electromotive force generated in the oxygen concentration battery element decreases. An element, and a heating element for heating at least one of the oxygen pump element and the oxygen concentration cell element to a predetermined sensor operating temperature, the gap
And the space on the opposite side of the oxygen concentration battery element
(Hereinafter referred to as the opposite space),
Exhaust gas containing oxygen is introduced, and the oxygen
The electrode on the gap side of the pump element is the first electrode, and the oxygen concentration is
The electrode on the side of the gap of the light battery element is the second electrode, and the oxygen concentration is
The electrode on the opposite space side of the light battery element as the third electrode,
In the exhaust gas introduced into the gap and the opposite space
The detected component of at least the gap and the opposite of
At least one of the first to third electrodes in one of the spaces
Also uses one of them as an oxidation catalyst to react with oxygen in the exhaust gas.
It is consumed by responding to the
Of the component to be detected due to the reaction with oxygen between the opposite space
In order to make a difference in consumption, the electrodes of the first to third electrodes are covered.
The catalytic activity for the reaction between the detection component and oxygen is adjusted
The exhaust gas sensor is characterized in that the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are configured as an integrated fired body that is laminated with each other with the gap being formed.
を行うためのガスセンサであって、酸素イオン伝導性固
体電解質により構成され、その両面に酸素透過性を有す
る電極が形成された酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝
導性固体電解質により構成されて両面に酸素透過性を有
する電極が形成され、かつ前記酸素濃淡電池素子との間
に排気ガスの流通が許容された所定量の隙間が形成され
るように、該酸素濃淡電池素子に対向配置されるととも
に、該酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対
値が減少する方向に、前記隙間に酸素を汲み込み又は該
隙間から酸素を汲み出す酸素ポンプ素子と、前記酸素ポ
ンプ素子と前記酸素濃淡電池素子との少なくとも一方
を、予め定められたセンサ作動温度に加熱する加熱素子
とを備え、前記隙間と、前記酸素濃淡電池素子を挟んで
これと反対側の空間(以下、反対空間という)とに、そ
れぞれ被検出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入さ
れ、また、前記酸素ポンプ素子の前記隙間側の電極を第
一電極、前記酸素濃淡電池素子の前記隙間側の電極を第
二電極、前記酸素濃淡電池素子の前記反対空間側の電極
を第三電極として、前記隙間と前記反対空間とに導入さ
れた前記排気ガス中の前記被検出成分が、少なくともそ
れら隙間と前記反対空間との一方において、前記第一〜
第三電極の少なくともいずれかを酸化触媒として前記排
気ガス中の酸素と反応することにより消費されるととも
に、前記隙間と前記反対空間との間で酸素との反応によ
る前記被検出成分の消費量に差が生じるように、それら
第一〜第三電極の被検出成分と酸素との反応に対する触
媒活性が調整されており、前記酸素濃淡電池素子の前記
濃淡電池起電力が、予め定められた起電力目標値ECに
到達したときの前記酸素ポンプ素子に流れる電流値を、
前記排気ガス中の前記被検出成分の濃度を反映した情報
として取り出すようにするとともに、前記酸素濃淡電池
素子と前記酸素ポンプ素子とが、前記第一電極と第二電
極との間に前記隙間を生じさせた状態で互いに積層され
た一体の焼成体として構成されていることを特徴とする
排気ガスセンサ。2. A gas sensor for detecting a component to be detected contained in exhaust gas, comprising an oxygen ion-conducting solid electrolyte, and having oxygen permeable electrodes formed on both surfaces thereof. A battery element and electrodes formed of an oxygen ion conductive solid electrolyte and having oxygen permeability are formed on both sides, and a predetermined amount of clearance is formed between the oxygen concentration battery element and the oxygen concentration battery element to allow the flow of exhaust gas. As described above, while being arranged to face the oxygen concentration battery element, oxygen is pumped into the gap or oxygen is discharged from the gap in a direction in which the absolute value of the concentration battery electromotive force generated in the oxygen concentration battery element decreases. An oxygen pump element for pumping out, and a heating element for heating at least one of the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element to a predetermined sensor operating temperature, and the gap Exhaust gas containing a component to be detected and oxygen is introduced into a space on the opposite side of the oxygen concentration battery element (hereinafter referred to as an opposite space), and the gap of the oxygen pump element is introduced. Side electrode is the first electrode, the electrode on the side of the gap of the oxygen concentration battery element is the second electrode, the electrode on the opposite space side of the oxygen concentration battery element is the third electrode, in the gap and the opposite space. The detected component in the introduced exhaust gas is at least in one of the gap and the opposite space, and the first to
It is consumed by reacting with oxygen in the exhaust gas by using at least one of the third electrodes as an oxidation catalyst, and the consumption amount of the component to be detected due to the reaction with oxygen between the gap and the opposite space is increased. In order to make a difference , the reaction of the detected components of the first to third electrodes with the oxygen is touched.
Medium activity is adjusted, the concentration battery electromotive force of the oxygen concentration battery element, the current value flowing in the oxygen pump element when reaching a predetermined electromotive force target value EC,
While taking out as information that reflects the concentration of the detected component in the exhaust gas, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, the gap between the first electrode and the second electrode An exhaust gas sensor, which is configured as an integrated fired body that is laminated with each other in the generated state.
電力の絶対値が、10mV以下に設定された起電力目標
値ECに到達したときの前記酸素ポンプ素子に流れる電
流値を、前記排気ガス中の前記被検出成分の濃度を反映
した情報として取り出すようにした請求項2記載の排気
ガスセンサ。3. The value of current flowing through the oxygen pump element when the absolute value of the concentration battery electromotive force of the oxygen concentration battery element reaches an electromotive force target value EC set to 10 mV or less, The exhaust gas sensor according to claim 2, wherein the exhaust gas sensor is taken out as information that reflects the concentration of the component to be detected therein.
ンサ作動温度において酸素と反応する成分を実質的に含
有しない試験ガスを前記隙間及び反対空間に導入したと
きの、前記酸素濃淡電池素子に生ずるオフセット起電力
の絶対値をEOS(単位:mV)とし、これに対応して起
電力目標値ECが(EOS−5)mV以上(EOS+5)m
V以下の範囲内で設定され、前記酸素濃淡電池素子の前
記濃淡電池起電力の絶対値が前記起電力目標値ECに到
達したときの前記酸素ポンプ素子に流れる電流値を、前
記排気ガス中の前記被検出成分の濃度を反映した情報と
して取り出すようにした請求項2又は3に記載の排気ガ
スセンサ。4. The oxygen-concentrated battery element when a test gas containing 1% by volume or more of oxygen and containing substantially no component that reacts with oxygen at the sensor operating temperature is introduced into the gap and the opposite space. Let EOS (unit: mV) be the absolute value of the offset electromotive force that occurs in the
The value of the current flowing through the oxygen pump element when the absolute value of the concentration battery electromotive force of the oxygen concentration battery element reaches the electromotive force target value EC, which is set within the range of V or less, The exhaust gas sensor according to claim 2, wherein the exhaust gas sensor is extracted as information that reflects the concentration of the component to be detected.
プ素子の少なくともいずれかに対し、前記隙間とは反対
側に前記加熱素子が積層され、それら酸素濃淡電池素子
と、酸素ポンプ素子と、加熱素子とが、互いに積層され
た一体の焼成体として構成されている請求項1ないし4
のいずれかに記載の排気ガスセンサ。5. The heating element is laminated on the opposite side of the gap to at least one of the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element, and the oxygen concentration cell element, the oxygen pump element, and the heating element. And 4 are configured as an integrated fired body laminated on each other.
The exhaust gas sensor according to any one of 1.
と前記酸素ポンプ素子との間には、該隙間に対する気体
の出入りを妨げない状態で、該隙間の間隔を規定する支
柱部が形成されている請求項1ないし5のいずれかに記
載の排気ガスセンサ。6. A column portion is formed between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element in the gap so as to define the gap between the oxygen concentration cell element and the oxygen pump element in a state where the gas does not enter and leave the gap. The exhaust gas sensor according to any one of claims 1 to 5.
電池素子及び前記酸素ポンプ素子と一体化し得る材質の
セラミック材料で構成されている請求項6記載の排気ガ
スセンサ。7. The exhaust gas sensor according to claim 6, wherein the pillar portion is made of a ceramic material that can be integrated with the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element by firing.
プ素子は、それぞれ横長の板状に構成されて互いに対向
配置され、前記第一〜第三電極はそれら酸素濃淡電池素
子及び酸素ポンプ素子の板面長手方向における一方の端
部側に形成される一方、該板面長手方向における他方の
端部側においてそれら酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ
素子の間には前記隙間の間隔とほぼ同厚さのスペーサ部
が介挿され、該スペーサ部と前記酸素濃淡電池素子及び
酸素ポンプ素子とが焼成により互いに一体化されている
請求項1ないし7のいずれかに記載の排気ガスセンサ。8. The oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are respectively formed in a horizontally long plate shape and are arranged to face each other, and the first to third electrodes are plates of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. While being formed on one end side in the longitudinal direction of the surface, on the other end side in the longitudinal direction of the plate, the space between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element is approximately the same thickness as the gap. The exhaust gas sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein a spacer portion is inserted, and the spacer portion and the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are integrated with each other by firing.
プ素子は、それぞれ横長の板状に構成されて互いに対向
配置され、前記各電極はそれら酸素濃淡電池素子及び酸
素ポンプ素子の板面長手方向における一方の端部側に形
成されるとともに、前記隙間において前記酸素濃淡電池
素子と前記酸素ポンプ素子との間には、該隙間に対する
気体の出入りを妨げない状態で、該隙間の間隔を規定す
る支柱部が形成され、さらに、前記隙間を除く他の領域
においてそれら酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子と
は、絶縁層を介して互いに接合されている請求項1ない
し8のいずれかに記載の排気ガスセンサ。9. The oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are respectively formed in a laterally long plate shape and are arranged to face each other, and the electrodes are arranged in the plate surface longitudinal direction of the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. A pillar that is formed on one end side and that defines the gap between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element in the gap without hindering gas from entering and exiting the gap. 9. The exhaust gas sensor according to claim 1, wherein a portion is formed, and the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are bonded to each other in an area other than the gap via an insulating layer. .
極を第一電極、前記酸素濃淡電池素子の前記隙間側の電
極を第二電極、前記酸素濃淡電池素子の前記反対空間側
の電極を第三電極として、前記第二電極及び第三電極の
少なくともいずれかに対し、これと接するように形成さ
れた測定室と、前記測定室の壁部を前記被測定雰囲気側
から前記測定室側へ貫くように形成されたガス連通部と
を有し、該ガス連通部が、小孔、スリット、及び多孔質
セラミック又は多孔質金属により構成された多孔質連通
部の少なくともいずれかを含む拡散規制流通部とされて
いる請求項1ないし9のいずれかに記載の排気ガスセン
サ。10. An electrode on the gap side of the oxygen pump element is a first electrode, an electrode on the gap side of the oxygen concentration battery element is a second electrode, and an electrode on the opposite space side of the oxygen concentration battery element is a first electrode. As the three electrodes, for at least one of the second electrode and the third electrode, a measurement chamber formed so as to be in contact with the second electrode and the third electrode, and a wall portion of the measurement chamber penetrates from the measured atmosphere side to the measurement chamber side. And a gas communication part formed in such a manner that the gas communication part includes at least one of a small hole, a slit, and a porous communication part made of porous ceramic or porous metal. The exhaust gas sensor according to any one of claims 1 to 9, which is said to be.
出を行うためのガスセンサであって、酸素イオン伝導性
固体電解質により構成され、その両面に電極が形成され
た酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質に
より構成されて両面に電極が形成され、かつ前記酸素濃
淡電池素子との間に排気ガスの流通が許容された所定量
の隙間が形成されるように、該酸素濃淡電池素子に対向
配置されるとともに、該酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡
電池起電力の絶対値が減少する方向に、前記隙間に酸素
を汲み込み又は該隙間から酸素を汲み出す酸素ポンプ素
子と、前記酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電池素子との
少なくとも一方を、予め定められたセンサ作動温度に加
熱する加熱素子と、前記隙間と、前記酸素濃淡電池素子
を挟んでこれと反対側の空間(以下、反対空間という)
とに、それぞれ被検出成分と酸素とを含有する排気ガス
が導入され、また、前記酸素ポンプ素子の前記隙間側の
電極を第一電極、前記酸素濃淡電池素子の前記隙間側の
電極を第二電極、前記酸素濃淡電池素子の前記反対空間
側の電極を第三電極として、前記隙間と前記反対空間と
に導入された前記排気ガス中の前記被検出成分が、少な
くともそれら隙間と前記反対空間との一方において、前
記第一〜第三電極の少なくともいずれかを酸化触媒とし
て前記排気ガス中の 酸素と反応することにより消費され
るとともに、前記隙間と前記反対空間との間で酸素との
反応による前記被検出成分の消費量に差が生じるよう
に、それら第一〜第三電極の被検出成分と酸素との反応
に対する触媒活性が調整されており、前記第二電極及び
第三電極の少なくともいずれかに対し、これと接するよ
うに形成された測定室と、前記測定室の壁部を前記被測
定雰囲気側から前記測定室側へ貫くように形成されたガ
ス連通部とを有し、該ガス連通部が、小孔、スリット、
及び多孔質セラミック又は多孔質金属により構成された
多孔質連通部の少なくともいずれかを含む拡散規制流通
部とされていることを特徴とする排気ガスセンサ。11. A gas sensor for detecting a component to be detected contained in exhaust gas, comprising an oxygen ion conductive solid electrolyte, and an oxygen concentration battery element having electrodes formed on both surfaces thereof, and oxygen. The oxygen-concentrated battery element is composed of an ion-conducting solid electrolyte and has electrodes formed on both sides thereof, and a predetermined amount of a clearance is formed between the oxygen-concentrated battery element and the oxygen-concentrated battery element to allow the flow of exhaust gas. And an oxygen pump element that pumps oxygen into the gap or pumps oxygen out of the gap in a direction in which the absolute value of the concentration battery electromotive force generated in the oxygen concentration battery element decreases. A heating element for heating at least one of the element and the oxygen concentration battery element to a predetermined sensor operating temperature, the gap, and the oxygen concentration battery element
The space on the opposite side of the space (hereinafter referred to as the opposite space)
And exhaust gas containing the detected component and oxygen, respectively
Of the oxygen pump element on the gap side of the oxygen pump element.
The electrode is the first electrode, and the gap side of the oxygen concentration battery element
An electrode is the second electrode, and the opposite space of the oxygen concentration cell element is
Side electrode as a third electrode, the gap and the opposite space
The detected component in the exhaust gas introduced into the
In at least one of the gaps and the opposite space,
At least one of the first to third electrodes is used as an oxidation catalyst.
Consumed by reacting with oxygen in the exhaust gas
The oxygen between the gap and the opposite space.
There may be a difference in the consumption of the detected components due to the reaction.
The reaction between the detected components of the first to third electrodes and oxygen.
The catalytic activity for is adjusted, for at least one of the second electrode and the third electrode, a measurement chamber formed so as to be in contact with the second electrode and the third electrode, and a wall portion of the measurement chamber from the measured atmosphere side from the measured atmosphere side. It has a gas communication portion formed so as to penetrate to the measurement chamber side, the gas communication portion, a small hole, a slit,
An exhaust gas sensor, which is a diffusion regulation distribution part including at least one of a porous communication part made of a porous ceramic or a porous metal.
プ素子との間には前記第二電極の周囲を取り囲むように
壁部が形成され、その壁部内面と前記酸素濃淡電池素子
及び酸素ポンプ素子の各対向面とによって囲まれた空間
が前記測定室とされている請求項10又は11に記載の
排気ガスセンサ。12. A wall portion is formed between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element so as to surround the second electrode, and the inner surface of the wall portion, the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element. The exhaust gas sensor according to claim 10 or 11, wherein a space surrounded by each of the facing surfaces is the measurement chamber.
前記酸素濃淡電池素子の少なくともいずれかに対しこれ
を前記被測定雰囲気側から前記測定室側へ貫通する形態
で形成され、それら被測定雰囲気と測定室とを互いに連
通させるスリット又は小孔である請求項12記載の排気
ガスセンサ。13. The diffusion control and flow section is formed in such a manner that it penetrates at least one of the wall section and the oxygen concentration cell element from the measured atmosphere side to the measurement chamber side, and these measured sections are formed. The exhaust gas sensor according to claim 12, wherein the exhaust gas sensor is a slit or a small hole that allows the atmosphere and the measurement chamber to communicate with each other.
プ素子との間には、前記壁部の少なくとも一部を構成す
る壁部形成体が配置され、該壁部形成体と前記酸素濃淡
電池素子及び酸素ポンプ素子の少なくともいずれかとの
間には前記スリットが、それら酸素濃淡電池素子ないし
酸素ポンプ素子の板面に沿う形態で形成されている請求
項12記載の排気ガスセンサ。14. A wall forming body forming at least a part of the wall is arranged between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, and the wall forming body and the oxygen concentration battery element. 13. The exhaust gas sensor according to claim 12, wherein the slit is formed between at least one of the oxygen pumping element and the oxygen pumping element so as to extend along a plate surface of the oxygen concentration cell element or the oxygen pumping element.
子及び前記酸素濃淡電池素子の少なくともいずれかと焼
成により一体化されている請求項14記載の排気ガスセ
ンサ。15. The exhaust gas sensor according to claim 14, wherein the wall portion forming body is integrated with at least one of the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element by firing.
電池素子は横長板状に形成され、前記拡散規制流通部
は、それら酸素ポンプ素子及び酸素濃淡電池素子の板面
幅方向両側に形成されたスリットである請求項13ない
し15のいずれかに記載の排気ガスセンサ。16. The oxygen pump element and the oxygen concentration battery element are formed in a laterally long plate shape, and the diffusion restricting flow portion is a slit formed on both sides of the oxygen pump element and the oxygen concentration battery element in the plate surface width direction. The exhaust gas sensor according to any one of claims 13 to 15, wherein
しているのとは反対側に、これと対向して該酸素濃淡電
池素子との間に別の隙間を形成する隙間形成部材が配置
され、その隙間形成部材と前記酸素濃淡電池素子との間
には、前記第三電極の周囲を取り囲むように壁部が形成
され、その壁部内面と前記隙間形成部材及び酸素濃淡電
池素子の各対向面とによって囲まれた空間が前記測定室
とされている請求項10ないし16のいずれかに記載の
排気ガスセンサ。17. A gap forming member is arranged on the opposite side of the oxygen-concentration battery element from the side facing the gap, facing the gap and forming another gap with the oxygen-concentration battery element. A wall portion is formed between the gap forming member and the oxygen concentration battery element so as to surround the periphery of the third electrode, and the inner surface of the wall portion and the gap forming member and the oxygen concentration battery element are formed. The exhaust gas sensor according to claim 10, wherein a space surrounded by the facing surface is the measurement chamber.
前記隙間形成部材の少なくともいずれかに対しこれを前
記被測定雰囲気側から前記測定室側へ貫通する形態で形
成され、それら被測定雰囲気と測定室とを互いに連通さ
せるスリット又は小孔である請求項17記載の排気ガス
センサ。18. The diffusion regulation and flow portion is formed in a form penetrating at least one of the wall portion and the gap forming member from the measured atmosphere side to the measured chamber side, and the measured atmosphere The exhaust gas sensor according to claim 17, wherein the exhaust gas sensor is a slit or a small hole that connects the measurement chamber with the measurement chamber.
素子との間には、前記壁部の少なくとも一部を構成する
壁部形成体が配置され、該壁部形成体と前記隙間形成部
材及び前記酸素濃淡電池素子の少なくともいずれかとの
間には前記スリットが、それら隙間形成部材ないし前記
酸素濃淡電池素子の板面に沿う形態で形成されている請
求項17記載の排気ガスセンサ。19. A wall portion forming body which constitutes at least a part of the wall portion is arranged between the gap forming member and the oxygen concentration cell element, and the wall portion forming body and the gap forming member and 18. The exhaust gas sensor according to claim 17, wherein the slit is formed between at least one of the oxygen concentration battery elements and the gap forming member or the plate surface of the oxygen concentration battery elements.
及び前記酸素濃淡電池素子の少なくともいずれかと焼成
により一体化されている請求項19記載の排気ガスセン
サ。20. The exhaust gas sensor according to claim 19, wherein the wall forming body is integrated with at least one of the gap forming member and the oxygen concentration battery element by firing.
子は横長板状に形成され、前記拡散規制流通部は、それ
ら隙間形成部材及び酸素濃淡電池素子の板面幅方向両側
に形成されたスリットである請求項19又は20に記載
の排気ガスセンサ。21. The gap forming member and the oxygen concentration battery element are formed in a laterally long plate shape, and the diffusion restricting flow portion is a slit formed on both sides of the gap forming member and the oxygen concentration battery element in the plate surface width direction. The exhaust gas sensor according to claim 19 or 20, which is present.
の排気ガスセンサの製造方法であって、前記酸素濃淡電
池素子となるべき第一のセラミック粉末成形体の両面
に、電極材料粉末ペーストを用いて前記電極となるべき
電極パターンを印刷形成し、前記酸素ポンプ素子となる
べき第二のセラミック粉末成形体の両面に、電極材料粉
末ペーストを用いて前記電極となるべき電極パターンを
印刷形成し、それら第一及び第二のセラミック粉末成形
体を、対応する電極パターン同士が対向し、かつその対
向する電極パターンの間に隙間が形成されるように互い
に積層し、その積層体を焼成することにより、互いに一
体化された前記酸素濃淡電池素子及び酸素ポンプ素子を
得ることを特徴とする排気ガスセンサの製造方法。22. The method of manufacturing an exhaust gas sensor according to claim 1, wherein an electrode material powder paste is used on both surfaces of the first ceramic powder compact to be the oxygen concentration battery element. By printing an electrode pattern to be the electrode, on both sides of the second ceramic powder molded body to be the oxygen pump element, by using an electrode material powder paste to print the electrode pattern to be the electrode, By laminating the first and second ceramic powder compacts so that the corresponding electrode patterns face each other and a gap is formed between the opposing electrode patterns, and firing the laminate. A method for manufacturing an exhaust gas sensor, characterized in that the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element integrated with each other are obtained.
形体の少なくともいずれかに対し、前記隙間とは反対側
に前記加熱素子となるべき第三のセラミック粉末成形体
を積層し、その積層体を焼成することにより、互いに一
体化された前記酸素濃淡電池素子、酸素ポンプ素子及び
加熱素子を得る請求項22記載の排気ガスセンサの製造
方法。23. A third ceramic powder compact, which is to serve as the heating element, is laminated on at least one of the first and second ceramic powder compacts on the side opposite to the gap, and a laminate thereof. The method for manufacturing an exhaust gas sensor according to claim 22, wherein the oxygen concentration battery element, the oxygen pump element, and the heating element integrated with each other are obtained by firing.
形体の少なくともいずれかに対し、前記隙間に対応する
領域に、セラミック粉末を用いて前記支柱部となるべき
支柱部パターンを形成し、次いで、それら第一及び第二
のセラミック粉末成形体を、前記支柱部パターンが形成
された側において前記隙間が形成されるように互いに積
層し、その積層体を焼成することにより、前記酸素濃淡
電池素子及び酸素ポンプ素子との間に、前記該支柱部パ
ターンに基づく前記支柱部を形成する請求項22又は2
3に記載の排気ガスセンサの製造方法。24. For at least one of the first and second ceramic powder compacts, a pillar portion pattern to be the pillar portion is formed by using ceramic powder in a region corresponding to the gap, and then, the pillar portion pattern is formed. The first and second ceramic powder compacts are laminated on each other so that the gap is formed on the side where the pillar pattern is formed, and the laminate is fired to obtain the oxygen-concentrated battery element. And the oxygen pump element, the pillar portion based on the pillar pattern is formed.
3. The method for manufacturing the exhaust gas sensor according to item 3.
形体は、それぞれ横長の板状に形成されて互いに対向配
置され、前記電極パターンはそれら第一及び第二のセラ
ミック粉末成形体の板面長手方向における一方の端部側
に形成される一方、該板面長手方向における他方の端部
側においてそれら第一及び第二のセラミック粉末成形体
の間に、前記スペーサ部となるべきスペーサ成形体が介
挿され、それらスペーサ成形体と前記第一及び第二のセ
ラミック粉末成形体との積層体を焼成することにより、
前記酸素濃淡電池素子と前記酸素ポンプ素子とを、該ス
ペーサ成形体に基づく前記スペーサ部を介して互いに接
合する請求項22ないし24のいずれかに記載の排気ガ
スセンサの製造方法。25. The first and second ceramic powder compacts are each formed in a horizontally long plate shape and are arranged to face each other, and the electrode patterns are formed on the plate surfaces of the first and second ceramic powder compacts. A spacer molded body which is formed on one end side in the longitudinal direction and is to be the spacer section between the first and second ceramic powder molded bodies on the other end side in the plate surface longitudinal direction. Is inserted, and by firing a laminate of the spacer compact and the first and second ceramic powder compacts,
25. The method for manufacturing an exhaust gas sensor according to claim 22, wherein the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element are bonded to each other via the spacer portion based on the spacer molded body.
形体は、それぞれ横長の板状に形成されて互いに積層さ
れ、前記電極パターンはそれら第一及び第二のセラミッ
ク粉末成形体の、板面長手方向における一方の端部側に
形成される一方、前記第一及び第二のセラミック粉末成
形体との間の前記隙間に予定された領域に、セラミック
粉末ペーストを用いて前記支柱部となるべき支柱部パタ
ーンを形成し、その支柱部パターンと重なりを生じない
位置において同じく該隙間に予定された領域に、焼成時
に燃焼ないし分解する材質の粉末ペーストにより補助支
持パターンを形成し、さらに、前記隙間に予定された領
域を除く他の領域において前記第一及び第二のセラミッ
ク粉末成形体との間に絶縁層パターンを形成し、その積
層体を焼成することにより、前記酸素濃淡電池素子と前
記酸素ポンプ素子との間に、前記隙間と前記支柱部パタ
ーンに基づく前記支柱部を形成する一方、前記隙間を除
く他の領域においてそれら酸素濃淡電池素子と酸素ポン
プ素子とを、前記絶縁層パターンに基づく前記絶縁層を
介して互いに接合する請求項22ないし25のいずれか
に記載の排気ガスセンサの製造方法。26. The first and second ceramic powder compacts are each formed in a laterally long plate shape and are stacked on each other, and the electrode pattern is a plate surface of the first and second ceramic powder compacts. While being formed on one end side in the longitudinal direction, the pillar portion should be formed by using a ceramic powder paste in a region scheduled in the gap between the first and second ceramic powder compacts. A pillar pattern is formed, and an auxiliary support pattern is formed by a powder paste of a material that burns or decomposes during firing in a region that is also planned in the gap at a position where it does not overlap with the pillar pattern. Forming an insulating layer pattern between the first and second ceramic powder compacts in a region other than the region scheduled for Thereby, between the oxygen concentration battery element and the oxygen pump element, the pillar and the pillar portion based on the pillar pattern are formed, while the oxygen concentration battery element and the oxygen pump are formed in other areas except the gap. 26. The method for manufacturing an exhaust gas sensor according to claim 22, wherein the element and the element are bonded to each other via the insulating layer based on the insulating layer pattern.
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