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JP2004271515A - Gas sensor element, method of controlling and manufacturing method of same - Google Patents

Gas sensor element, method of controlling and manufacturing method of same Download PDF

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JP2004271515A JP2004008076A JP2004008076A JP2004271515A JP 2004271515 A JP2004271515 A JP 2004271515A JP 2004008076 A JP2004008076 A JP 2004008076A JP 2004008076 A JP2004008076 A JP 2004008076A JP 2004271515 A JP2004271515 A JP 2004271515A
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Takanao Tonomura
孝直 外村
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利孝 斎藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas element which accurately detects the concentration of a specific gas component, such as NOx over a long term by maintaining the NOx decomposition activity of a sensor cell electrode. <P>SOLUTION: The gas sensor element 1 has an oxygen pumping cell 2, which controls the oxygen concentration in an internal space 7 to which a gas to be measured is introduced, and a sensor cell 4, which detects the NOx concentration in the gas to be measured. The gas sensor element 1 is also provided with a control means which maintains the oxygen concentration of the internal space 7 at a low level, when measuring the NOx concentration, and which introduces oxygen into the internal space 7 to allow an electrode 4a, which contains Rh and faces the internal space 7 of the sensor cell 4, to be exposed to an oxidative atmosphere, during specific times, other than when the NOx concentration is measured. By exposing to the oxidative atmosphere, NOx decomposition activity by the electrode 4a is recovered, and degradation in detection accuracy is prevented, when it is used for a long term. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、自動車用内燃機関の排気系等に使用され、被測定ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度等の検出に利用されるガスセンサ素子とガスセンサ素子の制御方法および製造方法に関する。   The present invention relates to a gas sensor element used for an exhaust system of an internal combustion engine for a vehicle and used for detecting a nitrogen oxide (NOx) concentration in a gas to be measured, a control method of the gas sensor element, and a manufacturing method.

自動車用内燃機関から排出される排気ガス等を原因とする大気汚染は、現代社会において大きな問題となっており、排気ガス中の有害物質に対する浄化基準法規が年々厳しくなっている。排ガス中の有害成分を低減する手段としては、例えば、エンジンの燃焼制御により有害成分の発生を抑制するシステムや、触媒コンバータを用いて有害成分を浄化するシステムがあり、排気ガス中の有害成分である窒素酸化物(NOx)濃度を検出し、検出結果をこれらシステムにフィードバックすれば、より効率よく排ガス浄化を行うことができると考えられる。このような背景から、排気ガス中のNOx濃度を精度よく検出可能なガスセンサ素子が求められており、これまでに種々の構成のものが提案されている(例えば、特許文献1)。
特許第2885336号明細書
Air pollution caused by exhaust gas and the like discharged from internal combustion engines for automobiles has become a major problem in modern society, and regulations on purification standards for harmful substances in exhaust gas are becoming stricter year by year. As means for reducing harmful components in exhaust gas, there are, for example, a system for suppressing generation of harmful components by controlling combustion of an engine, and a system for purifying harmful components using a catalytic converter. It is considered that if a certain nitrogen oxide (NOx) concentration is detected and the detection result is fed back to these systems, exhaust gas purification can be performed more efficiently. From such a background, a gas sensor element capable of accurately detecting NOx concentration in exhaust gas has been demanded, and various structures have been proposed so far (for example, Patent Document 1).
Patent No. 2885336

ところで、従来よく知られたガスセンサ素子として、酸素イオン導電性の固体電解質を用いた積層型のガスセンサ素子が挙げられる。これを図12に示すと、ガスセンサ素子1は、固体電解質体51と固体電解質体52の間に形成される内部空間7を有し、この内部空間7に多孔質保護層12、ピンホール11を通じて被測定ガスである排ガスが導入されるようになっている。内部空間7は、第1内部空間7aと第2内部空間7bとに区画されており、第1内部空間7a側に、固体電解質体52とその上下面の電極2b、2aからなる酸素ポンプセル2が配置されている。酸素ポンプセル2に電圧を印加することで、第1内部空間7a内にある酸素を素子外部へポンピングあるいは第1内部空間7a内へ素子外部の酸素をポンピングすることができる。   Meanwhile, as a conventionally well-known gas sensor element, there is a stacked gas sensor element using a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. As shown in FIG. 12, the gas sensor element 1 has an internal space 7 formed between a solid electrolyte body 51 and a solid electrolyte body 52, and the internal space 7 is provided with a porous protective layer 12 and a pinhole 11. Exhaust gas, which is the gas to be measured, is introduced. The internal space 7 is partitioned into a first internal space 7a and a second internal space 7b. On the first internal space 7a side, an oxygen pump cell 2 including a solid electrolyte body 52 and electrodes 2b and 2a on upper and lower surfaces thereof is provided. Are located. By applying a voltage to the oxygen pump cell 2, oxygen in the first internal space 7a can be pumped to the outside of the device or oxygen in the first internal space 7a can be pumped to the outside of the device.

第1内部空間7a側には、また、固体電解質体51とその上下面の電極3a、3bからなり第1内部空間7a内の酸素濃度を検知可能な酸素モニタセル3が設けられる。酸素ポンプセル2は、この酸素モニタセル3により検出される第1内部空間7a内の酸素濃度が一定となるようにフィードバック制御される。一方、第2内部空間7b側には、固体電解質体51とその上下面の電極4a、4bからなるセンサセル4が設けられ、NOxが分解することにより生成される酸素イオンを測定するように構成されている。   On the first internal space 7a side, there is provided an oxygen monitor cell 3 comprising a solid electrolyte body 51 and electrodes 3a and 3b on the upper and lower surfaces thereof and capable of detecting the oxygen concentration in the first internal space 7a. The oxygen pump cell 2 is feedback-controlled so that the oxygen concentration in the first internal space 7a detected by the oxygen monitor cell 3 becomes constant. On the other hand, on the second internal space 7b side, a sensor cell 4 including a solid electrolyte body 51 and electrodes 4a and 4b on the upper and lower surfaces thereof is provided, and is configured to measure oxygen ions generated by decomposition of NOx. ing.

上述したごとく、第1内部空間7a内の酸素濃度は一定に制御されているので、第2内部空間7b内の酸素濃度も一定となる。従って、センサセル4を移動する酸素イオンの量、すなわちセンサセル4における酸素イオン電流の大きさがNOx濃度に対応する。これにより、排ガス中の酸素濃度の増減にかかわらず、正確なNOxを濃度を測定することができる。なお、図中、61、62はスペーサ、81は基準ガス空間、9はヒータである。   As described above, since the oxygen concentration in the first internal space 7a is controlled to be constant, the oxygen concentration in the second internal space 7b is also constant. Therefore, the amount of oxygen ions moving in the sensor cell 4, that is, the magnitude of the oxygen ion current in the sensor cell 4 corresponds to the NOx concentration. Thereby, it is possible to accurately measure the concentration of NOx regardless of the increase or decrease in the oxygen concentration in the exhaust gas. In the drawings, 61 and 62 are spacers, 81 is a reference gas space, and 9 is a heater.

ここで、上記構成のガスセンサ素子1において、NOx濃度を検出するセンサセル4の第2内部空間7b側の電極4aには、NOxの還元・分解を促進するために、金属成分としてロジウム(Rh)を含有するサーメット電極が好適に用いられる。   Here, in the gas sensor element 1 having the above-described configuration, rhodium (Rh) as a metal component is applied to the electrode 4a on the side of the second internal space 7b of the sensor cell 4 for detecting the NOx concentration in order to promote reduction and decomposition of NOx. A contained cermet electrode is preferably used.

しかしながら、本発明者等が上記構成のガスセンサ素子1の耐久試験を行ったところ、長期間作動させる間に、徐々にセンサセル4の電極4aのNOx分解活性が低下することが判明した。そのため、センサセル4における酸素イオン電流がNOx濃度を正確に反映したものとはならず、検出精度が悪化するという問題があった。   However, when the present inventors conducted a durability test of the gas sensor element 1 having the above configuration, it was found that the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell 4 gradually decreased during long-term operation. Therefore, the oxygen ion current in the sensor cell 4 does not accurately reflect the NOx concentration, and there is a problem that the detection accuracy is deteriorated.

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みなされたもので、センサセル4の電極4aのNOx分解活性を維持し、長期に渡り、正確にNOx等の特定ガス成分濃度を検出することができるガスセンサ素子を提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such a conventional problem, and a gas sensor element capable of maintaining the NOx decomposition activity of an electrode 4a of a sensor cell 4 and accurately detecting the concentration of a specific gas component such as NOx over a long period of time. It is intended to provide.

本発明請求項1のガスセンサ素子は、所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルとを有する。また、
上記特定ガス成分濃度測定時には上記内部空間の酸素濃度を低濃度に維持し、上記特定ガス成分濃度測定時を除く特定のタイミングで上記内部空間に酸素を導入して、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極の活性を回復させる制御を行う制御手段を設ける。
The gas sensor element according to claim 1 of the present invention has an internal space into which a gas to be measured is introduced under a predetermined diffusion resistance;
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and oxygen is introduced into the internal space by energizing the pair of electrodes. An oxygen pump cell for discharging and adjusting the oxygen concentration in the internal space,
On the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, there is provided a pair of electrodes provided such that one electrode faces the internal space, and a sensor cell for detecting the concentration of a specific gas component in the gas to be measured. . Also,
During the specific gas component concentration measurement, the oxygen concentration in the internal space is maintained at a low concentration, oxygen is introduced into the internal space at a specific timing except during the specific gas component concentration measurement, and the oxygen is introduced into the internal space of the sensor cell. Control means is provided for controlling the recovery of the activity of the electrode facing the internal space of the sensor cell by exposing the facing electrode to an oxidizing atmosphere.

上記センサセル電極の活性の低下は、電極中に含まれる金属成分の凝集による表面積減少によるものと考えられる。本発明の制御手段は、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝す制御を行い、金属成分の一部を酸化させる。この酸化による体積膨張で、金属成分の凝集が解消され、表面積が増加するので、上記センサセル電極の活性が回復するものと考えられる。よって、長期に渡って高い検出精度を維持することができる。   It is considered that the decrease in the activity of the sensor cell electrode is due to a decrease in surface area due to aggregation of metal components contained in the electrode. The control means of the present invention controls the exposure of the sensor cell electrode to an oxidizing atmosphere to oxidize a part of the metal component. It is considered that the volume expansion due to the oxidation eliminates the aggregation of the metal components and increases the surface area, so that the activity of the sensor cell electrode is restored. Therefore, high detection accuracy can be maintained over a long period.

請求項2の発明では、上記センサセルの上記内部空間に面する電極をロジウムを含有するサーメット電極とする。   According to the second aspect of the present invention, the electrode facing the internal space of the sensor cell is a cermet electrode containing rhodium.

上記センサセルの上記内部空間に面する電極の活性の低下は、例えばNOx等の検出に使用されるロジウムを含む電極において、特に生じやすい。よって、上記センサセル電極がロジウムを含有するサーメット電極であるガスセンサ素子に、本発明の制御手段を設けると効果的であり、高性能で耐久性の高いガスセンサ素子が実現できる。   The decrease in the activity of the electrode facing the internal space of the sensor cell is particularly likely to occur in an electrode containing rhodium used for detecting NOx or the like. Therefore, it is effective to provide the control means of the present invention to the gas sensor element in which the sensor cell electrode is a cermet electrode containing rhodium, and a gas sensor element having high performance and high durability can be realized.

請求項3の発明において、上記制御手段は、上記被測定ガスが高酸素濃度雰囲気の時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を行う。   In the invention of claim 3, the control means introduces oxygen into the internal space by stopping operation of at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell when the gas to be measured is in a high oxygen concentration atmosphere. And controlling the electrode of the sensor cell facing the internal space to be exposed to an oxidizing atmosphere.

上記被測定ガスが酸素の多い状態の時に、上記酸素ポンプセルと上記センサセルの作動を停止すれば、上記内部空間に酸素が導入され、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝すことができる。この時、上記センサセル電極中の金属成分の凝集を解消して、活性を回復する上記効果が得られる。   If the operation of the oxygen pump cell and the sensor cell is stopped when the gas to be measured has a large amount of oxygen, oxygen is introduced into the internal space, and the sensor cell electrode can be exposed to an oxidizing atmosphere. At this time, the above-described effect of resolving the activity by eliminating aggregation of the metal component in the sensor cell electrode is obtained.

具体的には、請求項4の発明のように、上記被測定ガスが内燃機関の排気ガスである時、上記制御手段は、排気ガスがリーン状態の時または内燃機関の停止時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことができる。   Specifically, as in the invention of claim 4, when the gas to be measured is exhaust gas of an internal combustion engine, the control means controls the oxygen pump cell when the exhaust gas is in a lean state or when the internal combustion engine is stopped. By stopping the operation of at least one of the sensor cells, oxygen can be introduced into the internal space, and the electrode of the sensor cell facing the internal space can be exposed to an oxidizing atmosphere.

請求項5の発明では、上記制御手段は、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方を、上記内部空間に酸素を導入するように作動させることにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を行う。   In the invention according to claim 5, the control means activates at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell so as to introduce oxygen into the internal space, thereby causing the electrode of the sensor cell facing the internal space to operate. Control of exposure to an oxidizing atmosphere is performed.

上記酸素ポンプセルまたは上記センサセルへの電圧印加の向きを制御することにより、上記内部空間に酸素を導入することができる。よって、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝して、活性を回復させる同様の効果が得られる。   By controlling the direction of voltage application to the oxygen pump cell or the sensor cell, oxygen can be introduced into the internal space. Therefore, a similar effect of recovering the activity by exposing the sensor cell electrode to an oxidizing atmosphere can be obtained.

請求項6の発明では、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを設ける。この時、上記制御手段は、上記被測定ガス中に酸素が多い状態の時に、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのうち少なくとも一つの作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を行う。   In the invention according to claim 6, on the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte member, one electrode is provided with a pair of electrodes provided so as to face the internal space, and the oxygen concentration in the internal space is detected. An oxygen monitor cell is provided. At this time, the control means introduces oxygen into the internal space by stopping the operation of at least one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell when the measured gas contains a large amount of oxygen, Control of exposing the electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere is performed.

ガスセンサ素子が酸素モニタセルを有すると、上記酸素モニタセルの信号により、上記酸素ポンプセルの印加電圧を制御し、上記内部空間の酸素濃度を一定に制御することができる。この酸素モニタセルを有する構成においては、上記酸素ポンプセル、センサセルまたは酸素モニタセルの作動を停止することで、上記内部空間に酸素が導入され、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝すことができる。これにより、上記センサセル電極中の金属成分の凝集を解消して、活性を回復する同様の効果が得られる。   When the gas sensor element has an oxygen monitor cell, the voltage of the oxygen pump cell can be controlled by the signal of the oxygen monitor cell, and the oxygen concentration in the internal space can be controlled to be constant. In the configuration having the oxygen monitor cell, by stopping the operation of the oxygen pump cell, the sensor cell, or the oxygen monitor cell, oxygen is introduced into the internal space, and the sensor cell electrode can be exposed to an oxidizing atmosphere. As a result, the same effect of resolving the activity can be obtained by eliminating the aggregation of the metal components in the sensor cell electrode.

請求項7の発明では、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを設け、上記被測定ガスを内燃機関の排気ガスとする。この時、上記制御手段は、排気ガスがリーン状態の時または内燃機関の停止時に、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのうち少なくとも一つの作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入することができる。よって、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝して、活性を回復させる同様の効果が得られる。   In the invention according to claim 7, on the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte member, one electrode is provided with a pair of electrodes provided so as to face the internal space, and the oxygen concentration in the internal space is detected. An oxygen monitor cell is provided, and the gas to be measured is used as the exhaust gas of the internal combustion engine. At this time, when the exhaust gas is in a lean state or when the internal combustion engine is stopped, the control means stops the operation of at least one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell to introduce oxygen into the internal space. be able to. Therefore, a similar effect of recovering the activity by exposing the sensor cell electrode to an oxidizing atmosphere can be obtained.

請求項8の発明では、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを設ける。この時、上記制御手段は、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのうち少なくとも一つを、上記内部空間に酸素を導入するように作動させることにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を行う。   In the invention of claim 8, on the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, there is provided a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and detects the oxygen concentration in the internal space. An oxygen monitor cell is provided. At this time, the control means operates at least one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell so as to introduce oxygen into the internal space, thereby oxidizing the electrode of the sensor cell facing the internal space. Control to expose to atmosphere.

上記酸素モニタセルを有する構成においては、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのいずれかを用いて、上記内部空間に酸素を導入することができ、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝して、活性を回復させる同様の効果が得られる。   In the configuration having the oxygen monitor cell, oxygen can be introduced into the internal space by using one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell, and the activity is restored by exposing the sensor cell electrode to an oxidizing atmosphere. Similar effects can be obtained.

請求項9の発明では、上記制御手段は、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を、ガスセンサ素子の温度が400℃以上の状態で行う。上記センサセル電極の活性を回復させる処理を、ガスセンサ素子の温度が高い状態で行うと、金属成分の酸化が促進されるので、より効果的である。   According to the ninth aspect of the present invention, the control means performs control of exposing the electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere while the temperature of the gas sensor element is 400 ° C. or higher. If the process of restoring the activity of the sensor cell electrode is performed in a state where the temperature of the gas sensor element is high, the oxidation of the metal component is promoted, which is more effective.

請求項10の発明では、上記特定ガス成分を窒素酸化物とする。本発明は、窒素酸化物濃度を検出するためのガスセンサ素子に好適に適用される。特に、上記センサセルの上記内部空間に面する電極がロジウムを含む電極である時、上記制御手段を設けることで、排気ガス等の被測定ガス中の窒素酸化物濃度を、長期間、高精度に検出することができる。   In the invention according to claim 10, the specific gas component is nitrogen oxide. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably applied to a gas sensor element for detecting a nitrogen oxide concentration. In particular, when the electrode facing the internal space of the sensor cell is an electrode containing rhodium, by providing the control means, the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured such as exhaust gas can be accurately measured for a long time. Can be detected.

本発明請求項11はガスセンサ素子の制御方法の発明であり、所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルとを有するガスセンサ素子を用い、
上記特定ガス成分濃度測定時には上記内部空間の酸素濃度を低濃度に維持し、上記特定ガス成分濃度測定時を除く特定のタイミングで上記内部空間に酸素を導入して、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極の活性を回復させる制御を行う。
Claim 11 of the present invention is an invention of a control method of a gas sensor element, wherein an internal space into which a gas to be measured is introduced under a predetermined diffusion resistance,
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and oxygen is introduced into the internal space by energizing the pair of electrodes. An oxygen pump cell for discharging and adjusting the oxygen concentration in the internal space,
On the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, there is provided a pair of electrodes provided such that one electrode faces the internal space, and a sensor cell for detecting the concentration of a specific gas component in the gas to be measured. Using a gas sensor element,
During the specific gas component concentration measurement, the oxygen concentration in the internal space is maintained at a low concentration, oxygen is introduced into the internal space at a specific timing except during the specific gas component concentration measurement, and the oxygen is introduced into the internal space of the sensor cell. By exposing the facing electrode to an oxidizing atmosphere, control is performed to restore the activity of the electrode facing the internal space of the sensor cell.

上記センサセル電極の活性の低下は、電極中に含まれる金属成分の凝集による表面積減少によるものと考えられる。そこで、このような構成のガスセンサ素子に対しては、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝し、金属成分の一部を酸化させる。活性が回復するのは、酸化による体積膨張で金属成分の凝集が解消され、表面積が増加するためと考えられ、本制御方法によって、長期に渡って高い検出精度を維持することができる。   It is considered that the decrease in the activity of the sensor cell electrode is due to a decrease in surface area due to aggregation of metal components contained in the electrode. Therefore, in the gas sensor element having such a configuration, the sensor cell electrode is exposed to an oxidizing atmosphere to oxidize a part of the metal component. It is considered that the activity is recovered because the aggregation of the metal component is eliminated by volume expansion due to oxidation, and the surface area is increased. With this control method, high detection accuracy can be maintained for a long time.

請求項12の発明では、上記センサセルの上記内部空間に面する電極をロジウムを含有するサーメット電極とする。   In the twelfth aspect, the electrode facing the internal space of the sensor cell is a cermet electrode containing rhodium.

上記センサセルの上記内部空間に面する電極の活性の低下は、例えばNOx等の検出に使用されるロジウムを含む電極において、特に生じやすい。よって、上記センサセル電極がロジウムを含有するサーメット電極であるガスセンサ素子に、本発明の制御方法を適用すると効果的に性能を向上させ、耐久性を高めることができる。   The decrease in the activity of the electrode facing the internal space of the sensor cell is particularly likely to occur in an electrode containing rhodium used for detecting NOx or the like. Therefore, when the control method of the present invention is applied to a gas sensor element in which the sensor cell electrode is a cermet electrode containing rhodium, performance can be effectively improved and durability can be improved.

請求項13の制御方法では、上記被測定ガスが高酸素濃度雰囲気の時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を行う。   In the control method according to the thirteenth aspect, when the gas to be measured is in a high oxygen concentration atmosphere, by stopping the operation of at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell, oxygen is introduced into the internal space, Control of exposing the electrode facing the internal space to an oxidizing atmosphere is performed.

上記被測定ガスが酸素の多い状態の時に、上記酸素ポンプセルと上記センサセルの作動を停止すれば、上記内部空間に酸素が導入され、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝すことができる。この時、上記センサセル電極中の金属成分の凝集を解消して、活性を回復する上記効果が得られる。   If the operation of the oxygen pump cell and the sensor cell is stopped when the gas to be measured has a large amount of oxygen, oxygen is introduced into the internal space, and the sensor cell electrode can be exposed to an oxidizing atmosphere. At this time, the above-described effect of resolving the activity by eliminating aggregation of the metal component in the sensor cell electrode is obtained.

請求項14の制御方法のように、具体的には、上記被測定ガスは内燃機関の排気ガスであり、排気ガスがリーン状態の時または内燃機関の停止時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことができる。   Specifically, as in the control method of the fourteenth aspect, the gas to be measured is an exhaust gas of an internal combustion engine, and when the exhaust gas is in a lean state or when the internal combustion engine is stopped, the measured gas is one of the oxygen pump cell and the sensor cell. By stopping at least one operation, oxygen can be introduced into the internal space, and the electrode of the sensor cell facing the internal space can be exposed to an oxidizing atmosphere.

請求項15の制御方法では、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方を、上記内部空間に酸素を導入するように作動させることにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を行う。   In the control method according to the fifteenth aspect, at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell is operated to introduce oxygen into the internal space, thereby exposing an electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere. Perform control.

上記酸素ポンプセルまたは上記センサセルへの電圧印加の向きを制御することにより、上記内部空間に酸素を導入することができる。よって、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝して、活性を回復させる同様の効果が得られる。   By controlling the direction of voltage application to the oxygen pump cell or the sensor cell, oxygen can be introduced into the internal space. Therefore, a similar effect of recovering the activity by exposing the sensor cell electrode to an oxidizing atmosphere can be obtained.

請求項16の制御方法では、上記ガスセンサ素子が、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを備えるものとする。   In the control method according to the sixteenth aspect, the gas sensor element includes a pair of electrodes provided on a surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte body such that one electrode faces the internal space, It is provided with an oxygen monitor cell for detecting the oxygen concentration of the sample.

ガスセンサ素子が酸素モニタセルを有すると、上記酸素モニタセルの信号により、上記酸素ポンプセルの印加電圧を制御し、上記内部空間の酸素濃度を一定に制御することができる。この酸素モニタセルを有する構成においても、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセル電極を酸化雰囲気に曝す制御方法を適用することにより、上記センサセル電極中の金属成分の凝集を解消して、活性を回復する同様の効果が得られる。   When the gas sensor element has an oxygen monitor cell, the voltage of the oxygen pump cell can be controlled by the signal of the oxygen monitor cell, and the oxygen concentration in the internal space can be controlled to be constant. Also in the configuration having this oxygen monitor cell, oxygen is introduced into the internal space, and a control method of exposing the sensor cell electrode to an oxidizing atmosphere is applied, thereby eliminating the aggregation of the metal component in the sensor cell electrode and increasing the activity. A similar effect of recovery is obtained.

請求項17はガスセンサ素子の製造方法の発明で、所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルとを有し、
上記センサセルの上記内部空間に面する電極はロジウムを含有するサーメット電極であるガスセンサ素子の製造工程において、
ガスセンサ素子の焼成工程後、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を400〜1000℃の酸化雰囲気に曝すものである。
Claim 17 is an invention of a method of manufacturing a gas sensor element, wherein an internal space into which a gas to be measured is introduced under a predetermined diffusion resistance,
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and oxygen is introduced into the internal space by energizing the pair of electrodes. An oxygen pump cell for discharging and adjusting the oxygen concentration in the internal space,
A sensor cell that has a pair of electrodes provided on the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte so that one electrode faces the internal space, and detects the concentration of a specific gas component in the gas to be measured; And
An electrode facing the internal space of the sensor cell is a cermet electrode containing rhodium in a gas sensor element manufacturing process,
After the firing step of the gas sensor element, the electrode facing the internal space of the sensor cell is exposed to an oxidizing atmosphere at 400 to 1000 ° C.

ガスセンサ素子の製造工程における処理によって、上記センサセルの電極の活性を長期間維持することもできる。電極材であるロジウム(Rh)は、高温の酸化雰囲気下でRh2 O3 になるので、予め、上記センサセルの上記内部空間側電極を、400〜1000℃の酸化雰囲気に曝すことにより、内部のRhをRh2 O3 として徐々に表面に析出させ、表面のRh濃度を高くすることができる。この方法によれば、活性を回復する制御を行うことなく、容易に同様の効果が得られる。   By the processing in the manufacturing process of the gas sensor element, the activity of the electrode of the sensor cell can be maintained for a long time. Rhodium (Rh), which is an electrode material, becomes Rh2 O3 in a high-temperature oxidizing atmosphere. Therefore, by exposing the internal space side electrode of the sensor cell to an oxidizing atmosphere of 400 to 1000 DEG C. in advance, the internal Rh is reduced. Rh2O3 can be gradually deposited on the surface to increase the Rh concentration on the surface. According to this method, the same effect can be easily obtained without performing control for restoring the activity.

請求項18の製造方法では、ガスセンサ素子の焼成工程後、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を400〜1000℃で酸化雰囲気と還元雰囲気に交互に曝すことによりガスセンサ素子を製造する。   In the manufacturing method of the eighteenth aspect, after the baking step of the gas sensor element, the gas sensor element is manufactured by alternately exposing the electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere at 400 to 1000 ° C.

上述したように、上記センサセルの上記内部空間側電極を酸化雰囲気に曝すことにより、内部のRhをRh2 O3 として徐々に表面に析出させ、表面のRh濃度を高くすることができる。ただし、表面がRh2 O3 で覆われるのに従い、Rhの析出速度は減少するので、本製造方法では、一旦、還元雰囲気に曝して表面のRh2 O3 を金属Rhに還元し、その後、再度酸化雰囲気に曝す。これにより、Rhの析出を促進することができる。   As described above, by exposing the internal space side electrode of the sensor cell to the oxidizing atmosphere, the internal Rh is gradually deposited on the surface as Rh2 O3, and the Rh concentration on the surface can be increased. However, as the surface is covered with Rh 2 O 3, the deposition rate of Rh decreases. Therefore, in this manufacturing method, the surface is once exposed to a reducing atmosphere to reduce the Rh 2 O 3 on the surface to metal Rh, and then to an oxidizing atmosphere again. Expose. Thereby, precipitation of Rh can be promoted.

以下、本発明の第1の実施の形態を図面により説明する。図1は本発明のガスセンサ素子1の先端部の模式的な断面図、図2は本発明のガスセンサ素子1の先端部の模式的な分解展開図である。図1では上半部に素子の軸方向断面図、下半部にそのA−A線断面図を示している。本発明のガスセンサ素子1は、被測定ガス存在空間に配設されて被測定ガス中の特定ガス成分、ここでは、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度を検出するために用いられる。測定する際には素子全体を図略の筒状ケースに収容して、被測定ガス存在空間となる内燃機関の排気管壁に固定し、図示する先端部をカバー体で保護した状態で排気管内に挿通配置する。ガスセンサ素子1の後端部はカバー体で保護されて基準酸素濃度ガスとなる大気中に配置される。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the tip of the gas sensor element 1 of the present invention, and FIG. 2 is a schematic exploded development view of the tip of the gas sensor element 1 of the present invention. In FIG. 1, the upper half shows a sectional view in the axial direction of the element, and the lower half shows a sectional view taken along line AA. The gas sensor element 1 according to the present invention is disposed in a measured gas existing space and is used for detecting a specific gas component in a measured gas, here, a nitrogen oxide (NOx) concentration in an exhaust gas. At the time of measurement, the entire element is housed in a cylindrical case (not shown), fixed to the exhaust pipe wall of the internal combustion engine, which serves as a measured gas existence space, and the front end shown in the drawing is protected by a cover. To be placed through. The rear end of the gas sensor element 1 is protected by a cover and placed in the atmosphere, which becomes a reference oxygen concentration gas.

図1、図2において、ガスセンサ素子1は、酸素ポンプセル2を構成するためのシート状の固体電解質体51と、酸素モニタセル3、センサセル4を構成するための固体電解質体52と、内部空間7を形成するためのスペーサ61と、基準ガス空間81、82を形成するためのシート状のスペーサ62、63、64と、これらを加熱するためのヒータ9とを有し、ヒータ9の上方に、スペーサ62、固体電解質体51、スペーサ61、固体電解質体52、スペーサ63、64をこの順に積層して構成される。   1 and 2, the gas sensor element 1 includes a sheet-shaped solid electrolyte member 51 for forming the oxygen pump cell 2, a solid electrolyte member 52 for forming the oxygen monitor cell 3 and the sensor cell 4, and an internal space 7. And a sheet-shaped spacer 62, 63, 64 for forming the reference gas spaces 81, 82, and a heater 9 for heating them. 62, a solid electrolyte member 51, a spacer 61, a solid electrolyte member 52, and spacers 63 and 64 are laminated in this order.

内部空間7は、ガスセンサ素子1の先端部が配置される被測定ガス存在空間より被測定ガスが導入される室であり、図2に示すように、固体電解質体51、52間に位置するスペーサ61に設けた抜き穴61a、61bにて形成される。これら抜き穴61aと抜き穴61bは絞り部61cによって連結されており、内部空間7は、この絞り部61cを境として、ガスセンサ素子1の先端側(図1および図2の左側)から順に、抜き穴61aからなる第1内部空間7aと、抜き穴62bからなる第2内部空間7bが区画形成されている。   The internal space 7 is a chamber into which the gas to be measured is introduced from the space in which the gas to be measured is present, in which the tip of the gas sensor element 1 is disposed. As shown in FIG. It is formed by holes 61a and 61b provided in 61. The hole 61a and the hole 61b are connected by a throttle 61c. The internal space 7 is separated from the tip side (left side in FIGS. 1 and 2) of the gas sensor element 1 with the throttle 61c as a boundary. A first internal space 7a composed of a hole 61a and a second internal space 7b composed of a hole 62b are defined.

第1内部空間7aは、固体電解質体52の先端部を貫通するピンホール11を介して、被測定ガス存在空間と連通している。このピンホール11は拡散抵抗手段として機能するもので、ピンホール11の大きさは、これを通過して第1内部空間7aおよび第2内部空間7bに導入される被測定ガスの拡散速度が所定の速度となるように、適宜設定される。   The first internal space 7 a communicates with the measured gas existing space via the pinhole 11 penetrating the tip of the solid electrolyte body 52. The pinhole 11 functions as a diffusion resistance means, and the size of the pinhole 11 is determined by the diffusion speed of the gas to be measured introduced into the first internal space 7a and the second internal space 7b through the pinhole 11. The speed is appropriately set so as to achieve the speed.

また、固体電解質体52には、被測定ガス存在空間側から、ピンホール11を被覆するように多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層12が形成してあり、内部空間7内に位置する電極の被毒や、ピンホール11の目詰まりを防止している。   Further, a porous protective layer 12 made of porous alumina or the like is formed on the solid electrolyte body 52 so as to cover the pinhole 11 from the side of the space where the gas to be measured exists. , And clogging of the pinhole 11 is prevented.

基準ガス空間81、82は、一定の酸素濃度をもつ基準酸素濃度ガスとしての大気が導入される室である。基準ガス空間81は、固体電解質体51の下方に積層したスペーサ62に設けた抜き穴62a(図2)にて、基準ガス空間82は、固体電解質体52の上方に積層したスペーサ63に設けた抜き穴63aにて形成される。この抜き穴62a、63aは、ガスセンサ素子1の長手方向に延びる溝状の通路部62b、63bを介してそれぞれ大気が存在する外部空間に連通し、該通路部62b、63bを通して基準ガス空間81、82に大気が導入される。   The reference gas spaces 81 and 82 are chambers into which air as a reference oxygen concentration gas having a constant oxygen concentration is introduced. The reference gas space 81 is provided in a hole 62a (FIG. 2) provided in the spacer 62 laminated below the solid electrolyte body 51, and the reference gas space 82 is provided in the spacer 63 laminated above the solid electrolyte body 52. The hole 63a is formed. The holes 62a, 63a communicate with the external space in which the atmosphere exists through groove-shaped passages 62b, 63b extending in the longitudinal direction of the gas sensor element 1, respectively. The reference gas space 81, Atmosphere is introduced into 82.

なお、内部空間7、基準ガス空間81、82を構成するスペーサ61、62、63、64はアルミナ等の絶縁材料よりなる。また、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4を構成するための固体電解質体51、52は、ジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性を有する固体状の電解質からなる。   The spacers 61, 62, 63, and 64 that constitute the internal space 7 and the reference gas spaces 81 and 82 are made of an insulating material such as alumina. The solid electrolyte members 51 and 52 for forming the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 are made of a solid electrolyte having oxygen ion conductivity such as zirconia or ceria.

図1のように、酸素ポンプセル2は、固体電解質体51と、固体電解質体51を挟むように対向配置された一対の電極2a、2bとからなり、内部空間7内に酸素を導入または内部空間7から酸素を排出して内部空間7内の酸素濃度を調整する。一対の電極2a、2bのうち、一方の電極2aは、内部空間7のガス流れの上流側に位置する第1内部空間7aに面するように、固体電解質体51の上面に接して設けられ、他方の電極2bは、基準ガス空間81に面するように固体電解質体51の下面に接して設けられている。   As shown in FIG. 1, the oxygen pump cell 2 includes a solid electrolyte body 51 and a pair of electrodes 2 a and 2 b opposed to each other so as to sandwich the solid electrolyte body 51. Oxygen is discharged from the internal space 7 to adjust the oxygen concentration in the internal space 7. One of the pair of electrodes 2a, 2b is provided in contact with the upper surface of the solid electrolyte body 51 so as to face the first internal space 7a located on the upstream side of the gas flow in the internal space 7, The other electrode 2 b is provided in contact with the lower surface of the solid electrolyte member 51 so as to face the reference gas space 81.

センサセル4は、固体電解質体52と、固体電解質体52を挟むように対向配置された一対の電極4a、4bとからなり、被測定ガス中の特定ガス成分濃度、例えば、NOx濃度を検出する。一対の電極4a、4bのうち、一方の電極4aは、内部空間7のガス流れの下流側に位置する第2内部空間7bに面するように、固体電解質体52の下面に接して設けられ、他方の電極4bは、基準ガス空間82に面するように固体電解質体52の上面に接して設けられている。   The sensor cell 4 includes a solid electrolyte body 52 and a pair of electrodes 4a and 4b opposed to each other so as to sandwich the solid electrolyte body 52, and detects the concentration of a specific gas component in the gas to be measured, for example, the NOx concentration. One of the pair of electrodes 4a and 4b is provided in contact with the lower surface of the solid electrolyte body 52 so as to face the second internal space 7b located on the downstream side of the gas flow in the internal space 7; The other electrode 4 b is provided in contact with the upper surface of the solid electrolyte body 52 so as to face the reference gas space 82.

酸素モニタセル3は、固体電解質体52と、固体電解質体52を挟むように対向配置された一対の電極3a、3bとからなり、内部空間7内の酸素濃度を検出する。一対の電極3a、3bのうち、一方の電極3aは、第2内部空間7bに面するように、固体電解質体52の下面に接して設けられ、他方の電極3bは、基準ガス空間82に面するように固体電解質体52の上面に接して設けられている。また、酸素モニタセル3の電極3a、3bとセンサセル4の電極4a、4bが、被測定ガスの導入方向に対しほぼ同等位置にあると、第2内部空間7bに面する電極3a、電極4a近傍の酸素濃度がほぼ等しくなるため、好ましい。   The oxygen monitor cell 3 includes a solid electrolyte body 52 and a pair of electrodes 3 a and 3 b opposed to each other with the solid electrolyte body 52 interposed therebetween, and detects the oxygen concentration in the internal space 7. One electrode 3a of the pair of electrodes 3a, 3b is provided in contact with the lower surface of the solid electrolyte body 52 so as to face the second internal space 7b, and the other electrode 3b faces the reference gas space 82. The solid electrolyte body 52 is provided in contact with the upper surface of the solid electrolyte body 52. When the electrodes 3a and 3b of the oxygen monitor cell 3 and the electrodes 4a and 4b of the sensor cell 4 are substantially at the same position with respect to the introduction direction of the gas to be measured, the vicinity of the electrodes 3a and 4a facing the second internal space 7b This is preferable because the oxygen concentration becomes almost equal.

ここで、酸素ポンプセル2および酸素モニタセル3の一方の電極2a、3aには、被測定ガス中のNOxの分解を抑制するために、NOxの分解活性の低い電極を用いるとよい。具体的には、主金属成分として白金(Pt)と金(Au)を含有する多孔質サーメット電極が好適に用いられる。この際、金属成分中のAuの含有量は、通常、1〜10重量%程度とすることが望ましい。なお、多孔質サーメット電極は、金属合金粉末とジルコニア、アルミナ等のセラミックスをペースト化し、焼成して得られる。   Here, as one of the electrodes 2a and 3a of the oxygen pump cell 2 and the oxygen monitor cell 3, an electrode having low NOx decomposition activity may be used in order to suppress the decomposition of NOx in the gas to be measured. Specifically, a porous cermet electrode containing platinum (Pt) and gold (Au) as main metal components is preferably used. At this time, the content of Au in the metal component is usually desirably about 1 to 10% by weight. The porous cermet electrode is obtained by forming a paste of a metal alloy powder and ceramics such as zirconia and alumina, and firing the paste.

また、センサセル4の一方の電極4aには、被測定ガス中のNOxを分解するために、NOxの分解活性の高い電極を用いるとよい。具体的には、主金属成分として白金(Pt)とロジウム(Rh)を含有する多孔質サーメット電極が好適に用いられる。この際、金属成分中のRhの含有量は、10〜50重量%程度とすることが好ましい。酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3およびセンサセル4の他方の電極2b、3b、4bには、例えば、Pt多孔質サーメット電極が好適に用いられる。   Further, in order to decompose NOx in the gas to be measured, an electrode having a high activity of decomposing NOx may be used as the one electrode 4a of the sensor cell 4. Specifically, a porous cermet electrode containing platinum (Pt) and rhodium (Rh) as main metal components is preferably used. At this time, the content of Rh in the metal component is preferably about 10 to 50% by weight. As the other electrodes 2b, 3b, 4b of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4, for example, a Pt porous cermet electrode is suitably used.

図2に示すように、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4の電極には、これら各電極2a、2b、3a、3b、4a、4bから電気信号を取り出すためのリード2c、2d、3c、3d、4c、4dが一体に形成されている。ここで、固体電解質体51、52の上下表面には、電極形成部以外の部位、特にリード2c、2d、3c、3d、4c、4dの形成部位において、これらリード2c、2d、3c、3d、4c、4dとの間に、アルミナ等の絶縁層(図略)を形成しておくことが好ましい。   As shown in FIG. 2, the electrodes of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 have leads 2c, 2d, 3c for extracting electric signals from these electrodes 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b. 3d, 4c and 4d are integrally formed. Here, on the upper and lower surfaces of the solid electrolyte members 51 and 52, at the portions other than the electrode formation portion, particularly at the formation portions of the leads 2c, 2d, 3c, 3d, 4c, 4d, these leads 2c, 2d, 3c, 3d, It is preferable to form an insulating layer (not shown) of alumina or the like between 4c and 4d.

ヒータ9は、アルミナ等の絶縁材料からなるヒータシート13の上面に、通電により発熱するヒータ電極14をパターニング形成し、このヒータ電極14の上面(スペーサ62側の面)に、絶縁のためのアルミナ層15を形成してなる。ヒータ電極14には、通常、Ptとアルミナ等のセラミックスとのサーメット電極が用いられる。このヒータ9は、ヒータ電極14を外部からの給電により発熱させ、上記各セル2、3、4を活性化温度まで加熱するものである。   The heater 9 is formed by patterning a heater electrode 14 that generates heat by energization on the upper surface of a heater sheet 13 made of an insulating material such as alumina. The layer 15 is formed. As the heater electrode 14, a cermet electrode of Pt and a ceramic such as alumina is usually used. The heater 9 causes the heater electrode 14 to generate heat by external power supply, and heats the cells 2, 3, and 4 to an activation temperature.

また、図2に示すように、ヒータ電極14および各セル2、3、4の電極2a、2b、3a、3b、4a、4bは、それぞれ、上記リード2c、2d、3c、3d、4c、4dと、固体電解質体51、52、スペーサ61、62、63、64、アルミナ層15およびヒータシート13に形成されたスルーホールSHを通して、センサ基部の端子(パッド電極)Pまで接続されている。そして、この端子Pには図示を略すコネクタを介して圧着やろう付け等によりリード線が接続され、外部回路と各セル2、3、4およびヒータ9との信号のやり取りが可能となっている。   As shown in FIG. 2, the heater electrode 14 and the electrodes 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b of the cells 2, 3, 4 are respectively connected to the leads 2c, 2d, 3c, 3d, 4c, 4d. And the solid electrolyte members 51, 52, spacers 61, 62, 63, 64, the alumina layer 15 and the through-hole SH formed in the heater sheet 13 to the terminal (pad electrode) P of the sensor base. A lead wire is connected to the terminal P via a connector (not shown) by crimping or brazing, so that signals can be exchanged between the external circuit and each of the cells 2, 3, 4, and the heater 9. .

上記構成のガスセンサ素子1の製造方法について説明する。まず、固体電解質体51、52用のジルコニア等からなる生シートと、スペーサ61、62、63、64、ヒータシート13およびアルミナ層15となるアルミナ生シートを作製する。これら生シートは、ドクターブレード法や押出成形法等により、シート形状に成形することができる。次いで、固体電解質体51、52用の生シートと、スペーサ64用の生シートと、ヒータシート13用の生シートの所定位置に、電極2a、2b、3a、3b、4a、4b、ヒータ電極14、リード部2c、2d、3c、3d、4c、4d、端子Pを、スクリーン印刷等により形成する。そして、各シートを上記図1の順序で積層し、大気中で焼成することにより素子の一体化がなされる。   A method for manufacturing the gas sensor element 1 having the above configuration will be described. First, a raw sheet made of zirconia or the like for the solid electrolyte members 51 and 52, and an alumina raw sheet to be the spacers 61, 62, 63 and 64, the heater sheet 13 and the alumina layer 15 are prepared. These raw sheets can be formed into a sheet shape by a doctor blade method, an extrusion molding method, or the like. Next, the electrodes 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, the heater electrode 14 are placed at predetermined positions on the raw sheets for the solid electrolyte bodies 51, 52, the raw sheet for the spacer 64, and the raw sheet for the heater sheet 13. The leads 2c, 2d, 3c, 3d, 4c, 4d and the terminals P are formed by screen printing or the like. Then, the sheets are stacked in the order shown in FIG. 1 and fired in the air to integrate the elements.

次に、上記構成のガスセンサ素子1の動作原理を説明する。図1において、被測定ガスである排ガスは、多孔質保護層12、ピンホール11を通過して第1内部空間7aに導入される。導入されるガス量は、多孔質保護層12、ピンホール11の拡散抵抗により決定される。さらに、導入されたガスは、絞り部61cを介して第1内部空間7aと連通する第2内部空間7bに導入される。   Next, the operating principle of the gas sensor element 1 having the above configuration will be described. In FIG. 1, the exhaust gas as the gas to be measured passes through the porous protective layer 12 and the pinhole 11, and is introduced into the first internal space 7a. The amount of gas introduced is determined by the diffusion resistance of the porous protective layer 12 and the pinhole 11. Further, the introduced gas is introduced into the second internal space 7b communicating with the first internal space 7a via the throttle 61c.

酸素ポンプセル2の一対の電極2a、2bに、基準ガス空間81側の電極2bが+極となるように電圧を印加すると、第1内部空間7a側の電極2a上で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極2b側へ排出される。逆に、第1内部空間7a側の電極2aが+極となるように電圧を印加すると、基準ガス空間81側の電極2b上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極2a側へ導入される。この酸素ポンプ作用により、内部空間7の酸素濃度を制御することができる。   When a voltage is applied to the pair of electrodes 2a and 2b of the oxygen pump cell 2 so that the electrode 2b on the reference gas space 81 side becomes a positive electrode, oxygen in the gas to be measured on the electrode 2a on the first internal space 7a side is reduced. It is reduced to oxygen ions and is discharged to the electrode 2b side by a pumping action. Conversely, when a voltage is applied so that the electrode 2a on the first internal space 7a side becomes a positive electrode, oxygen is reduced on the electrode 2b on the reference gas space 81 side to become oxygen ions, and is pumped to the electrode 2a side. be introduced. By this oxygen pump action, the oxygen concentration in the internal space 7 can be controlled.

一方、酸素モニタセル3の一対の電極3a、3bに、基準ガス空間82側の電極3bが+極となるように所定の電圧(例えば、0.40V)を印加すると、第2内部空間7b側の電極3a上で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極3b側へ排出される。ここで電極3aは、特定ガス成分であるNOxの分解に不活性なPt−Auサーメット電極であるため、電極3a、3b間に流れる酸素イオン電流は、多孔質保護層12、ピンホール11、第1内部空間7a等を通過して、第2内部空間7b内の電極3aに到達する酸素量に依存し、NOx量には依存しない。従って、電極3a、3b間を流れる電流値が所定の一定値(例えば、0.2μA)になるように、酸素ポンプセル2の電極2a、2b間の印加電圧を制御すれば、第2内部空間7bの酸素濃度を一定に制御できる。   On the other hand, when a predetermined voltage (for example, 0.40 V) is applied to the pair of electrodes 3a and 3b of the oxygen monitor cell 3 so that the electrode 3b on the reference gas space 82 side becomes a positive electrode, the second internal space 7b side Oxygen in the gas to be measured is reduced on the electrode 3a to become oxygen ions, and is discharged to the electrode 3b side by a pumping action. Here, since the electrode 3a is a Pt-Au cermet electrode which is inactive in decomposing NOx which is a specific gas component, the oxygen ion current flowing between the electrodes 3a and 3b flows through the porous protective layer 12, the pinhole 11, and the It depends on the amount of oxygen reaching the electrode 3a in the second inner space 7b through the first internal space 7a and the like, and does not depend on the NOx amount. Therefore, if the voltage applied between the electrodes 2a and 2b of the oxygen pump cell 2 is controlled so that the current value flowing between the electrodes 3a and 3b becomes a predetermined constant value (for example, 0.2 μA), the second internal space 7b Oxygen concentration can be controlled to be constant.

センサセル4の一対の電極4a、4bには、基準ガス空間82側の電極4bが+極となるように所定の電圧(例えば、0.40V)を印加する。ここで電極4aは、特定ガス成分であるNOxの分解に活性なPt−Rhサーメット電極であるため、第2内部空間7b側の電極4a上で被測定ガス中の酸素およびNOxが還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極4b側へ排出される。この時、上述したように本実施の形態では、酸素モニタセル3の一対の電極3a、3b間の電流値が所定の一定値(例えば、0.2μA)となるように、酸素ポンプセル2を制御しているので、被測定ガス中にNOxが存在しなければ、センサセル4の電極4a、4b間の電流値も一定値(例えば、0.2μA)に制御される。一方、被測定ガス中にNOxが存在すると、NOx濃度に応じて電流値が増加するため、これにより被測定ガス中のNOx濃度が検出可能となる。   A predetermined voltage (for example, 0.40 V) is applied to the pair of electrodes 4a and 4b of the sensor cell 4 so that the electrode 4b on the reference gas space 82 side becomes a positive electrode. Here, since the electrode 4a is a Pt-Rh cermet electrode that is active in decomposing NOx as a specific gas component, oxygen and NOx in the gas to be measured are reduced on the electrode 4a on the second internal space 7b side to reduce oxygen. It becomes ions and is discharged to the electrode 4b side by the pumping action. At this time, as described above, in the present embodiment, the oxygen pump cell 2 is controlled so that the current value between the pair of electrodes 3a and 3b of the oxygen monitor cell 3 becomes a predetermined constant value (for example, 0.2 μA). Therefore, if NOx does not exist in the gas to be measured, the current value between the electrodes 4a and 4b of the sensor cell 4 is also controlled to a constant value (for example, 0.2 μA). On the other hand, if NOx is present in the gas to be measured, the current value increases in accordance with the NOx concentration, so that the NOx concentration in the gas to be measured can be detected.

図3(a)はセンサセル4の電流−電圧特性を示したものである。これは、NO:1000ppmおよび500ppm、O2 :100ppm、N2 :バランスガスの条件下で、酸素ポンプセル2の印加電圧を電極2bが+極となるように0.3V、酸素モニタセル3を停止状態(酸素モニタセル3電流が0)として測定した。図3(a)に示すように、センサセル4にはNOの分解で生じた酸素イオン電流が流れ、電流−電圧特性はNOx濃度に応じた限界電流(電流値が飽和する状態)を示す。従って、センサセル4の作動電圧をセンサセル電流が限界電流となる電圧(本実施の形態では0.4V)とし、この時のセンサセル電流値(限界電流値)を測定することによりNOx濃度を測定することができる。   FIG. 3A shows a current-voltage characteristic of the sensor cell 4. This is because, under the conditions of NO: 1000 ppm and 500 ppm, O2: 100 ppm, and N2: balance gas, the applied voltage of the oxygen pump cell 2 is set to 0.3 V so that the electrode 2 b becomes a positive electrode, and the oxygen monitor cell 3 is stopped (oxygen The measurement was performed assuming that the current of the monitor cell 3 was 0). As shown in FIG. 3A, an oxygen ion current generated by decomposition of NO flows through the sensor cell 4, and the current-voltage characteristic shows a limit current (a state in which the current value is saturated) according to the NOx concentration. Therefore, the operating voltage of the sensor cell 4 is set to a voltage at which the sensor cell current becomes the limit current (0.4 V in the present embodiment), and the NOx concentration is measured by measuring the sensor cell current value (limit current value) at this time. Can be.

ところが、上記ガスセンサ素子1をエンジン排気管に設置して、走行距離10万kmの耐久試験を実施したところ、センサセル4の電流−電圧特性が変化することが判明した。図3(b)は耐久後のセンサセル電流−電圧特性を示したものである。耐久前の図3(a)と比較すると、電流増加領域(限界電流域より低電圧側の領域)の抵抗値が大きくなり、センサセル4の電極4aのNOx分解活性が低下していることが分かった。そのため、限界電流に到達する印加電圧が大きくなり、センサセル4の作動電圧0.4Vでは限界電流領域から外れてしまう。その結果、図4にNOx濃度とセンサ出力の関係を示すように、耐久前に比べて、耐久後のNOx感度が小さくなり、検出精度が悪化した。なお、図4の測定は、NO:0〜1000ppm、O2 :5%、N2 :バランスガスの条件下で測定した。   However, when the gas sensor element 1 was installed in an engine exhaust pipe and a durability test was performed for a running distance of 100,000 km, it was found that the current-voltage characteristics of the sensor cell 4 changed. FIG. 3B shows the current-voltage characteristics of the sensor cell after the endurance. Compared to FIG. 3A before endurance, the resistance value in the current increasing region (region on the lower voltage side than the limit current region) is increased, and it is found that the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell 4 is reduced. Was. For this reason, the applied voltage that reaches the limit current increases, and the operating voltage of the sensor cell 4 becomes 0.4 V and falls outside the limit current region. As a result, as shown in FIG. 4 showing the relationship between the NOx concentration and the sensor output, the NOx sensitivity after the endurance was smaller than that before the endurance, and the detection accuracy was deteriorated. The measurement in FIG. 4 was performed under the conditions of NO: 0 to 1000 ppm, O2: 5%, and N2: balance gas.

一方、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4の作動を停止し(各セルの電流が0の状態)、ヒータ9のみ通電状態で、耐久後のガスセンサ素子1を空気中に曝すと、センサセル4の電極4aのNOx分解活性が回復することが見出された。上記10万km耐久後のガスセンサ素子1を、10分間、空気中に曝した後のセンサセル電流−電圧特性を図3(c)に示す。また、空気中に曝したガスセンサ素子1のセンサ出力特性(空気中酸化処理後)を上記図4中に示した。図に明らかなように、図3(c)の電流−電圧特性は耐久前の図3(a)とほぼ同様であり、図4のセンサ出力も耐久前と同程度に回復している。   On the other hand, when the operation of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 is stopped (the current of each cell is 0) and only the heater 9 is energized and the gas sensor element 1 after the endurance is exposed to the air, the sensor cell 4 It was found that the NOx decomposition activity of the electrode 4a was restored. FIG. 3C shows the sensor cell current-voltage characteristics after the gas sensor element 1 after the durability of 100,000 km is exposed to the air for 10 minutes. FIG. 4 shows the sensor output characteristics (after oxidation in air) of the gas sensor element 1 exposed to air. As is apparent from the figure, the current-voltage characteristics in FIG. 3C are almost the same as those in FIG. 3A before the endurance, and the sensor output in FIG. 4 has recovered to the same degree as before the endurance.

上記の現象は、センサセル4の電極4aを構成する金属成分の凝集による表面積減少と、酸化による表面積増加によるものと考えられる。すなわち、耐久中においては、第2内部空間7b内は、低酸素濃度雰囲気にあり、次第に電極4aの金属成分が凝集する。それに伴い、電極表面積が減少するため、電極4aのNOx分解活性が低下する。これに対し、分解活性が低下したセンサセル4の電極4aを高酸素濃度雰囲気(電極4a近傍で酸素濃度1%以上となることが望ましい)に曝すと、センサセル4の電極4aに含まれるRhが酸化ロジウム(Rh2 O3 )となり、体積膨張する。これにより、金属成分の凝集が解消され、表面積が増加して電極4aのNOx分解活性が回復するものと考えられる。なお、上記効果を得るためには、通常、センサセル4の電極4aに含まれる全Rh原子の1%以上が酸化されることが望ましい。ただし、Rh2 O3 が多くなると、電極4aによるNOx分解活性が低下するので、好ましくは、電極4aに含有されるRh原子のうちRh2 O3 として存在するものが5%以下となるようにするとよい。   It is considered that the above phenomenon is caused by a decrease in surface area due to agglomeration of a metal component constituting the electrode 4a of the sensor cell 4, and an increase in surface area due to oxidation. That is, during the durability, the inside of the second internal space 7b is in a low oxygen concentration atmosphere, and the metal component of the electrode 4a gradually aggregates. Accordingly, the surface area of the electrode decreases, so that the NOx decomposition activity of the electrode 4a decreases. On the other hand, when the electrode 4a of the sensor cell 4 whose decomposition activity is reduced is exposed to a high oxygen concentration atmosphere (preferably the oxygen concentration becomes 1% or more near the electrode 4a), Rh contained in the electrode 4a of the sensor cell 4 is oxidized. It becomes rhodium (Rh2 O3) and expands in volume. Thereby, it is considered that aggregation of the metal component is eliminated, the surface area increases, and the NOx decomposition activity of the electrode 4a is restored. In order to obtain the above effect, it is usually desirable that at least 1% of all Rh atoms contained in the electrode 4a of the sensor cell 4 be oxidized. However, if the amount of Rh2 O3 increases, the NOx decomposition activity of the electrode 4a decreases. Therefore, it is preferable that the Rh atoms contained in the electrode 4a as Rh2 O3 be 5% or less.

そこで、本発明では、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4の作動を制御する制御手段を設けて、NOx濃度測定時には、上述したように、内部空間7の酸素濃度を低濃度に維持する制御を行い、NOx濃度測定時を除く特定のタイミングで内部空間7内に酸素を導入して、センサセル4の電極4aのNOx分解活性を回復させる制御を行う。具体的には、例えばエンジンを停止した直後のタイミングで、あるいは定期的に(一定時間または走行距離毎に)NOx濃度測定に支障のないタイミングで回復処理を行うことで、電極4aのNOx分解活性を維持することができる。   Therefore, in the present invention, a control means for controlling the operations of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 is provided, and when the NOx concentration is measured, the control for maintaining the oxygen concentration in the internal space 7 at a low concentration as described above. Is performed, and oxygen is introduced into the internal space 7 at a specific timing except when measuring the NOx concentration, and control is performed to restore the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell 4. Specifically, for example, the recovery process is performed at a timing immediately after the engine is stopped or at a timing that does not hinder the NOx concentration measurement (periodically or every traveling distance), so that the NOx decomposition activity of the electrode 4a is reduced. Can be maintained.

より具体的には、センサセル4の電極4aのNOx分解活性を回復させる第1の方法として、内燃機関の排気管内に酸素が多い状態の時に、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4のうち少なくとも一つの作動を停止する。例えば、エンジン停止時や被測定ガスである内燃機関の排気ガスがリーン状態の時に、上記制御を行うと、内部空間7内に高酸素濃度の排気ガスが導入されるので、センサセル4の電極4aを酸化雰囲気に曝すことができる。好ましくは、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4を全て停止させるが、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4のいずれかが作動している状態でも、内部空間7内に酸素が残存している状態となるように制御すれば、上記効果が得られる。また、素子温度が低いとRhが十分酸化されないので、ヒータ9に通電した状態で上記回復制御を行うことが好ましい。好適には、素子温度(センサセル4の電極4aの温度)が400℃以上、1000℃以下となるようにするとよい。好ましくは、素子温度を600℃以上、800℃以下とする。   More specifically, as a first method of restoring the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell 4, at least one of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 when the exhaust pipe of the internal combustion engine has a large amount of oxygen. Stop one operation. For example, if the above control is performed when the engine is stopped or when the exhaust gas of the internal combustion engine, which is the gas to be measured, is in a lean state, the exhaust gas having a high oxygen concentration is introduced into the internal space 7, so that the electrode 4 a of the sensor cell 4 Can be exposed to an oxidizing atmosphere. Preferably, all of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 are stopped, but even if any of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 is operating, oxygen remains in the internal space 7. The above-described effect can be obtained by controlling so as to be in the state of being in the state. If the element temperature is low, Rh is not sufficiently oxidized. Therefore, it is preferable to perform the above-described recovery control while the heater 9 is energized. Preferably, the element temperature (the temperature of the electrode 4a of the sensor cell 4) should be 400 ° C. or more and 1000 ° C. or less. Preferably, the element temperature is set to 600 ° C. or more and 800 ° C. or less.

上記第1の方法により、10時間毎にエンジンを停止し、エンジン停止後もヒータ9のみ5分間通電してセンサセル4の電極4aの回復制御を行い(酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4の作動は停止)、その後エンジンを再始動して、合計10万km走行する耐久試験を行った。その結果、図5に示すように、耐久後においてもNOx感度に変化がなく、高い検出精度を維持できることが分かった。これは、エンジン停止後にガスセンサ素子1が高酸素濃度雰囲気に曝された状態で、ヒータ9のみ通電することで、前述の理由により電極4aのNOx分解活性が維持されているためと考えられる。なお、ここでは、10時間毎に5分間の回復処理を行っているが、回復処理の間隔や処理時間は任意に設定することができる。   According to the first method, the engine is stopped every 10 hours, and after the engine is stopped, only the heater 9 is energized for 5 minutes to control the recovery of the electrode 4a of the sensor cell 4 (oxygen pump cell 2, oxygen monitor cell 3, sensor cell 4). (The operation was stopped.) Then, the engine was restarted, and an endurance test for running a total of 100,000 km was performed. As a result, as shown in FIG. 5, it was found that the NOx sensitivity did not change even after the endurance, and high detection accuracy could be maintained. This is considered to be because the NOx decomposing activity of the electrode 4a is maintained for the above-described reason by energizing only the heater 9 in a state where the gas sensor element 1 is exposed to the high oxygen concentration atmosphere after the engine is stopped. Here, the recovery processing is performed for 5 minutes every 10 hours, but the recovery processing interval and processing time can be set arbitrarily.

制御手段としては、例えば、マイコンを使用したNOxセンサ素子用ECU(図示を略す)が用いられる。このECUによる制御フローチャートの一例を図6に示す。ECUでは、まず、ステップ101において車両のイグニッションスイッチがONしているか否かを判断し、イグニッションスイッチがOFFであればステップ102へ進む。ステップ102においては、イグニッションスイッチがONからOFFとなったばかりかどうかを判断し、ステップ102が肯定判定された場合には、ステップ103へ進んで、その時点から5分間のタイマを起動する。   As the control means, for example, a NOx sensor element ECU (not shown) using a microcomputer is used. FIG. 6 shows an example of a control flowchart by this ECU. The ECU first determines in step 101 whether the ignition switch of the vehicle is ON. If the ignition switch is OFF, the ECU proceeds to step 102. In step 102, it is determined whether or not the ignition switch has just changed from ON to OFF. If the determination in step 102 is affirmative, the routine proceeds to step 103, where a timer for 5 minutes is started from that point.

ステップ104では、タイマ起動後、5分間経過しているか否かを判断し、5分間経過していなければ、ステップ105へ進んで、ヒータ9の通電を維持したまま、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4の印加電圧を遮断する。その後、ステップ101へ戻って以下のステップを繰り返し、ステップ104で、タイマ起動後、5分間経過したのが確認された時点で、ステップ106へ進む。ステップ106では、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4に加えて、ヒータ9もOFFし、回復処理を終了する。ステップ101において車両のイグニッションスイッチがONしている場合は、ステップ107へ進んで、ヒータ9、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4を通常動作させ、NOx濃度を検出する動作を行う。   In step 104, it is determined whether five minutes have elapsed since the timer was started. If not, the routine proceeds to step 105, where the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3 Then, the applied voltage to the sensor cell 4 is cut off. Thereafter, the process returns to step 101 and repeats the following steps. At step 104, when it is confirmed that five minutes have elapsed since the timer was started, the process proceeds to step 106. In step 106, the heater 9 is turned off in addition to the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4, and the recovery process ends. If the ignition switch of the vehicle is ON in step 101, the process proceeds to step 107, where the heater 9, the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 are operated normally to perform an operation of detecting the NOx concentration.

センサセルの電極4aのNOx分解活性を回復する第2の方法として、酸素ポンプセル2、酸素モニタセル3、センサセル4のうち少なくとも一つを、内部空間7内に酸素が導入されるように作動させることもできる。例えば、酸素ポンプセル2に第1内部空間7a側の電極2aが+極となるように電圧を印加すると、第1内部空間7a側へ酸素がポンピングされるので、センサセル4の電極4aを酸化雰囲気に曝すことができる。この場合も、ヒータ9に通電した状態で回復処理を行うことが好ましい。   As a second method of restoring the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell, at least one of the oxygen pump cell 2, the oxygen monitor cell 3, and the sensor cell 4 may be operated so that oxygen is introduced into the internal space 7. it can. For example, when a voltage is applied to the oxygen pump cell 2 so that the electrode 2a on the first internal space 7a side becomes a positive electrode, oxygen is pumped to the first internal space 7a side, so that the electrode 4a of the sensor cell 4 is exposed to an oxidizing atmosphere. Can be exposed. Also in this case, it is preferable to perform the recovery process while the heater 9 is energized.

上記第2の方法の効果を確認するために、以下の試験を実施した。前記10万km耐久試験において、ガスセンサ素子1を連続作動し、1時間毎に1分間、第1内部空間7aに酸素を送り込むように酸素ポンプセル2に電流を流した。(本実施例では、第1内部空間7a側の電極2aが+極となるように0.5Vの電圧を印加した。その結果、上記第1の方法による場合と同様の効果が得られることを確認した。   The following test was conducted to confirm the effect of the second method. In the 100,000 km durability test, the gas sensor element 1 was continuously operated, and an electric current was applied to the oxygen pump cell 2 so as to supply oxygen to the first internal space 7a every hour for one minute. (In the present embodiment, a voltage of 0.5 V is applied so that the electrode 2a on the first internal space 7a side becomes a positive electrode. As a result, the same effect as that obtained by the first method is obtained. confirmed.

この制御を行う際の、酸素ポンプセル2の印加電圧のタイミングチャートを図7に示す。制御手段となるNOxセンサ素子用ECU内に、イベントタイマを設け、図示するように、1時間経過毎に、1分間だけ酸素ポンプセル2の印加電圧を反転させる制御を行えばよい。   FIG. 7 shows a timing chart of the voltage applied to the oxygen pump cell 2 when performing this control. An event timer may be provided in the NOx sensor element ECU serving as the control means, and control may be performed to reverse the applied voltage of the oxygen pump cell 2 for one minute every one hour as shown in the figure.

上記第2の方法の効果を確認するための他の例として、以下の試験を実施した。前記10万km耐久試験において、ガスセンサ素子1を連続作動し、1時間毎に1分間、第2内部空間7bに酸素を送り込むようにセンサセル4に電流を流した。(本実施例では、第2内部空間7b側の電極4aが+極となるように0.5Vの電圧を印加した。このように、酸素ポンプセル2の代わりに、センサセル4を用いて内部空間7内へ酸素を導入するようにしても、上記第1の方法による場合と同様の効果が得られることを確認した。   As another example for confirming the effect of the second method, the following test was performed. In the 100,000 km endurance test, the gas sensor element 1 was continuously operated, and a current was passed through the sensor cell 4 so that oxygen was supplied to the second internal space 7b every hour for one minute. (In the present embodiment, a voltage of 0.5 V is applied so that the electrode 4a on the second internal space 7b side becomes a positive electrode. Thus, the internal space 7 is formed using the sensor cell 4 instead of the oxygen pump cell 2. It was confirmed that the same effect as in the case of the first method was obtained even if oxygen was introduced into the inside.

この制御を行う際の、センサセル4の印加電圧のタイミングチャートを図8に示す。制御手段となるNOxセンサ素子用ECU内に、イベントタイマを設け、図示するように、1時間経過毎に、1分間だけセンサセル4の印加電圧を反転させる制御を行えばよい。   FIG. 8 shows a timing chart of the voltage applied to the sensor cell 4 when performing this control. An event timer may be provided in the NOx sensor element ECU serving as control means, and control may be performed to reverse the applied voltage of the sensor cell 4 for one minute every one hour as shown in the figure.

図9(a)、(b)は、他の動作原理を示した図であり、本発明方法を適用したガスセンサ素子1の第2の実施の形態として説明する。ガスセンサ素子1の構成は上記第1の実施の形態と同じである。上記第1の実施の形態では、酸素モニタセル3の電極3a、3b間の電流値が一定になるように酸素ポンプセル2の電極2a、2b間の印加電圧を制御したが、ここでは、予め求められた酸素ポンプセル印加電圧と酸素ポンプセル電流の関係から、酸素ポンプセル電流が限界電流となるように、酸素濃度に応じた電圧を印加することにより、第1内部空間7a内の酸素濃度を所定の低酸素濃度に制御する。   FIGS. 9A and 9B are diagrams showing another operation principle, and will be described as a second embodiment of the gas sensor element 1 to which the method of the present invention is applied. The configuration of the gas sensor element 1 is the same as that of the first embodiment. In the first embodiment, the voltage applied between the electrodes 2a and 2b of the oxygen pump cell 2 is controlled so that the current value between the electrodes 3a and 3b of the oxygen monitor cell 3 is constant. From the relationship between the applied voltage of the oxygen pump cell and the current of the oxygen pump cell, by applying a voltage corresponding to the oxygen concentration so that the oxygen pump cell current becomes the limiting current, the oxygen concentration in the first internal space 7a is reduced to a predetermined low oxygen level. Control to concentration.

ただし、この方法で内部空間7内の酸素濃度を制御すると、上記第1の実施の形態のような酸素モニタセル3の検出値に基づいた制御に比べて、第2内部空間7b内の酸素濃度が変動しやすく、従って、センサセル4の電極4a、4b間に流れる電流をそのままセンサ信号とすると、NOxの検出精度が悪化する。そこで、本実施の形態では、電流差検出回路を設けて、酸素モニタセル3の電極3a、3b間に流れる電流とセンサセル4の電極4a、4b間に流れる電流との差をセンサ信号とする。このようにすると、第2内部空間7b内における酸素濃度変動の影響をなくし、被測定ガス中の酸素濃度に依存しないセンサ出力を得ることができ、精度よくNOx濃度を検出できる。   However, when the oxygen concentration in the internal space 7 is controlled by this method, the oxygen concentration in the second internal space 7b becomes lower than the control based on the detection value of the oxygen monitor cell 3 as in the first embodiment. If the current flowing between the electrodes 4a and 4b of the sensor cell 4 is used as the sensor signal as it is, the detection accuracy of NOx deteriorates. Therefore, in the present embodiment, a current difference detection circuit is provided, and a difference between a current flowing between the electrodes 3a and 3b of the oxygen monitor cell 3 and a current flowing between the electrodes 4a and 4b of the sensor cell 4 is used as a sensor signal. In this way, the influence of the oxygen concentration fluctuation in the second internal space 7b can be eliminated, a sensor output independent of the oxygen concentration in the gas to be measured can be obtained, and the NOx concentration can be accurately detected.

この構成のガスセンサ素子1においても、上述したように、特定のタイミングでセンサセル4の電極4aのNOx分解活性を回復する処理を行うことで、長期間、高いNOx検出精度を維持できる。   Also in the gas sensor element 1 having this configuration, as described above, by performing the process of recovering the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell 4 at a specific timing, high NOx detection accuracy can be maintained for a long time.

前述の各実施の形態では、第2内部空間7bの酸素濃度を酸素モニタセル3に流れる電流値により検出したが、酸素モニタセル3に発生する起電力により検出することも可能である。これを第3の実施の形態として、図10に基づいて説明する。本実施の形態では、酸素モニタセル3、センサセル4を有する基本構成は上記第1の実施の形態と同様であるが、その配置が異なっており、さらに、第2の酸素ポンプセル20を設置している。また、基準ガス空間82を設けず、基準ガス空間81のみとしている。   In each of the above-described embodiments, the oxygen concentration in the second internal space 7b is detected by the value of the current flowing through the oxygen monitor cell 3, but may be detected by the electromotive force generated in the oxygen monitor cell 3. This will be described as a third embodiment with reference to FIG. In the present embodiment, the basic configuration including the oxygen monitor cell 3 and the sensor cell 4 is the same as that of the first embodiment, but the arrangement is different, and a second oxygen pump cell 20 is provided. . Further, the reference gas space 82 is not provided, and only the reference gas space 81 is provided.

図10において、酸素ポンプセル2は固体電解質体52の上下面に設けた電極2a、2bを有し、第1内部空間7aに面する一方の電極2aは、固体電解質体52の下面に、他方の電極2bは、固体電解質体52の上面に被測定ガス存在空間に面して設けられる。酸素モニタセル3は、一方の電極3aが固体電解質体51の上面に、第1内部空間7aに面するように設けられ、他方の電極3bは、固体電解質体51の下面に、基準ガス空間81に面して設けられる。センサセル4は、第2内部空間7bに面する一方の電極4aが、固体電解質体51の上面に、他方の電極4bは、固体電解質体51の下面に基準ガス空間81に面して設けられる。なお、電極4bは、酸素モニタセル3の電極3bと共通電極としてある。   In FIG. 10, the oxygen pump cell 2 has electrodes 2a and 2b provided on the upper and lower surfaces of a solid electrolyte member 52, and one electrode 2a facing the first internal space 7a is provided on the lower surface of the solid electrolyte member 52 and the other electrode 2a. The electrode 2b is provided on the upper surface of the solid electrolyte body 52 so as to face the space where the gas to be measured exists. The oxygen monitor cell 3 is provided such that one electrode 3a is provided on the upper surface of the solid electrolyte body 51 so as to face the first internal space 7a, and the other electrode 3b is provided on the lower surface of the solid electrolyte body 51 and the reference gas space 81. Provided facing. In the sensor cell 4, one electrode 4 a facing the second internal space 7 b is provided on the upper surface of the solid electrolyte body 51, and the other electrode 4 b is provided on the lower surface of the solid electrolyte body 51 facing the reference gas space 81. Note that the electrode 4b is a common electrode with the electrode 3b of the oxygen monitor cell 3.

第2の酸素ポンプセル20は、固体電解質体52とその表面に設けた一対の電極20a、2bからなる。一方の電極20aは、第2内部空間7bに面するように、固体電解質体52の下面に設けられ、他方の電極2bは、酸素ポンプセル2と共通電極としてある。第2の酸素ポンプセル20は、酸素ポンプセル2で排出されずに第2内部空間7bに導入される被測定ガス中の残留酸素を、被測定ガス存在空間に排出する機能を有する。   The second oxygen pump cell 20 includes a solid electrolyte body 52 and a pair of electrodes 20a and 2b provided on the surface thereof. One electrode 20a is provided on the lower surface of the solid electrolyte body 52 so as to face the second internal space 7b, and the other electrode 2b serves as a common electrode with the oxygen pump cell 2. The second oxygen pump cell 20 has a function of discharging the residual oxygen in the measured gas introduced into the second internal space 7b without being exhausted by the oxygen pump cell 2 to the measured gas existing space.

この場合の作動を図10に基づいて説明する。上記構成において、酸素モニタセル3の電極3aは第1内部空間7aに面し、電極3bは大気が導入される基準ガス空間81に面している。これら電極3a、3b間には、両電極の接する第1内部空間7aと基準ガス空間81の酸素濃度の違いにより、ネルンストの式に基づいた起電力が発生する。基準ガス空間81の酸素濃度は一定であるので、電極3a、3b間に発生する起電力は、第1内部空間7aの酸素濃度を反映することになる。従って、電極3a、3b間に発生する起電力が所定の一定値(例えば、0.20V)となるように、酸素ポンプセル2の電極2a、2b間の印加電圧を制御すれば、第2内部空間7bへ流れ込む酸素濃度を一定に制御できる。さらに、本実施の形態では、固体電解質体52と電極20a、2bにより第2の酸素ポンプセル20が形成してあり、酸素ポンプセル2で排出できずに第2内部空間7bに流入した酸素を外部に排気する。これにより、第2内部空間7b内の酸素濃度はほぼ0となり、センサセル4により、高精度なNOx濃度測定が可能になる。   The operation in this case will be described with reference to FIG. In the above configuration, the electrode 3a of the oxygen monitor cell 3 faces the first internal space 7a, and the electrode 3b faces the reference gas space 81 into which the atmosphere is introduced. An electromotive force based on the Nernst equation is generated between the electrodes 3a and 3b due to a difference in oxygen concentration between the first internal space 7a where both electrodes are in contact and the reference gas space 81. Since the oxygen concentration in the reference gas space 81 is constant, the electromotive force generated between the electrodes 3a and 3b reflects the oxygen concentration in the first internal space 7a. Therefore, if the voltage applied between the electrodes 2a and 2b of the oxygen pump cell 2 is controlled so that the electromotive force generated between the electrodes 3a and 3b becomes a predetermined constant value (for example, 0.20 V), the second internal space The concentration of oxygen flowing into 7b can be controlled to be constant. Further, in the present embodiment, the second oxygen pump cell 20 is formed by the solid electrolyte body 52 and the electrodes 20a and 2b, and the oxygen that cannot be discharged by the oxygen pump cell 2 and flows into the second internal space 7b is Exhaust. As a result, the oxygen concentration in the second internal space 7b becomes substantially zero, and the sensor cell 4 enables highly accurate NOx concentration measurement.

この構成のガスセンサ素子1においても、本発明により特定のタイミングでセンサセル4の電極4aのNOx分解活性を回復する処理を行うことで、長期間、高い精度でNOx濃度を検出できる。   Also in the gas sensor element 1 having this configuration, by performing the process of recovering the NOx decomposition activity of the electrode 4a of the sensor cell 4 at a specific timing according to the present invention, the NOx concentration can be detected with high accuracy for a long time.

上記各実施の形態では、通常の方法で製造したガスセンサ素子1について、長期使用により検出精度が低下した時に、これを回復する制御方法について説明したが、製造方法を変更することで、検出精度の低下を抑制し、回復制御を不要とすることができる。この製造方法は、固体電解質体用のジルコニア等からなる生シートと、スペーサ、ヒータシートおよびアルミナ層となるアルミナ生シートを成形し、電極、ヒータ電極、リード部、端子を印刷した後、積層して大気中で焼成する工程までは、上述した方法と同様に行い、その後、一体化した素子を高温の酸化雰囲気に曝す酸化処理を行う。酸化処理温度は、400〜1000℃がよく、より好ましくは600〜900℃がよい。1000℃以上ではRh2 O3 よりも金属Rhが安定となるため、上記の析出現象が期待できず、また、400℃以下では析出速度が遅くなり、効果が得られない。酸化雰囲気は、通常、酸素濃度1%以上、酸化処理時間は1時間以上とするのがよい。   In the above embodiments, the control method for recovering the gas sensor element 1 manufactured by the normal method when the detection accuracy is reduced by long-term use has been described. However, by changing the manufacturing method, the detection accuracy can be improved. The decrease can be suppressed, and the recovery control can be made unnecessary. This manufacturing method is to form a raw sheet made of zirconia or the like for the solid electrolyte body, a spacer, a heater sheet, and an alumina raw sheet to be an alumina layer, print electrodes, heater electrodes, lead portions, terminals, and then laminate them. The process up to baking in the air is performed in the same manner as described above, and thereafter, an oxidizing process of exposing the integrated device to a high-temperature oxidizing atmosphere is performed. The oxidation treatment temperature is preferably from 400 to 1000C, more preferably from 600 to 900C. At a temperature of 1000 ° C. or higher, the metal Rh is more stable than Rh 2 O 3, so that the above-mentioned precipitation phenomenon cannot be expected. At a temperature of 400 ° C. or lower, the deposition rate becomes slow and no effect is obtained. Generally, the oxidizing atmosphere should preferably have an oxygen concentration of 1% or more and the oxidizing treatment time should be 1 hour or more.

この製造方法による作用効果について説明する。Rhは高温の酸化雰囲気下でRh2 O3 になる。センサセル4の内部空間側の電極4aはPt−Rh電極であり、酸化雰囲気に曝すことにより内部のRhがRh2 O3 として徐々に表面に析出し、表面のRh濃度が高くなる。NOx分解活性成分であるRhの電極表面濃度が高くなる。また、析出したRhは酸素ポンプセル2の電極2a等から飛散した不活性物質(Au)による被毒を受けていないため、センサセル4のNOx分解活性が格段に向上する。   The operation and effect of this manufacturing method will be described. Rh becomes Rh2 O3 in a high-temperature oxidizing atmosphere. The electrode 4a on the inner space side of the sensor cell 4 is a Pt-Rh electrode, and when exposed to an oxidizing atmosphere, internal Rh is gradually deposited on the surface as Rh2 O3, and the Rh concentration on the surface increases. The electrode surface concentration of Rh, which is a NOx decomposition active component, is increased. Further, since the deposited Rh is not poisoned by the inert substance (Au) scattered from the electrode 2a or the like of the oxygen pump cell 2, the NOx decomposition activity of the sensor cell 4 is significantly improved.

図11は、焼成工程後、900℃、空気中で10時間の処理を行なったガスセンサ素子1をエンジン排気管に設置して、走行距離10万kmの耐久試験を実施した結果である。図に明らかなように、耐久前後での感度変化はほとんどないことが分かる。このように、焼成工程後に酸化処理を行って製造したガスセンサ素子1は、長期に渡り高いNOx分解活性を維持することができるので、回復制御の必要がない。従って、回復制御用の装置が不要になり、簡易な構成で高い効果が得られる。   FIG. 11 shows the results of an endurance test for a running distance of 100,000 km, in which the gas sensor element 1 which had been treated in air at 900 ° C. for 10 hours after the firing step was installed in an engine exhaust pipe. As is apparent from the figure, there is almost no change in sensitivity before and after the endurance. As described above, the gas sensor element 1 manufactured by performing the oxidation treatment after the firing step can maintain a high NOx decomposition activity for a long period of time, and thus does not require recovery control. Therefore, a recovery control device is not required, and a high effect can be obtained with a simple configuration.

上記製造方法において、センサセル4の内部空間側のPt−Rh電極4aは、酸化雰囲気に曝されることにより内部のRhがRh2 O3 として徐々に表面に析出し、表面のRh濃度が高くなる。ただし、表面がRh2 O3 で覆われるに従い、Rhの析出速度は減少する。そこで、酸化雰囲気と還元雰囲気に交互に曝すようにしてもよい。すなわち、酸化処理の後、一旦、還元雰囲気に曝し、表面のRh2 O3 を金属Rhに還元する。その後、再度酸化雰囲気に曝すことで、Rhの析出をさらに促進することができる。この方法において、Rh2 O3 を金属Rhに還元する具体的な方法としては、還元雰囲気をH2 等の可燃性ガスを導入することにより形成してもよいし、あるいは、センサセル4に内部空間側の電極4aが負極となるように電圧を印加して電気的に還元してもよい。   In the above-described manufacturing method, when the Pt-Rh electrode 4a on the inner space side of the sensor cell 4 is exposed to an oxidizing atmosphere, the internal Rh is gradually deposited on the surface as Rh2 O3, and the Rh concentration on the surface increases. However, as the surface is covered with Rh2 O3, the deposition rate of Rh decreases. Then, you may make it expose alternately to an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. That is, after the oxidation treatment, the substrate is once exposed to a reducing atmosphere to reduce Rh2 O3 on the surface to metal Rh. Thereafter, by exposing to the oxidizing atmosphere again, the precipitation of Rh can be further promoted. In this method, as a specific method of reducing Rh2 O3 to metal Rh, a reducing atmosphere may be formed by introducing a flammable gas such as H2, or an electrode in the inner space side may be formed in the sensor cell 4. A voltage may be applied so that 4a becomes a negative electrode to perform electrical reduction.

本製造方法は、上記各実施の形態のガスセンサ素子1構成のいずれにも好適に適用することができる。   This manufacturing method can be suitably applied to any of the configurations of the gas sensor elements 1 of the above embodiments.

本発明の第1の実施の形態におけるガスセンサ素子の模式的断面図である。It is a typical sectional view of a gas sensor element in a 1st embodiment of the present invention. 第1の実施の形態におけるガスセンサ素子の分解展開図である。FIG. 2 is an exploded development view of the gas sensor element according to the first embodiment. センサセルの電流−電圧特性を示す線図で、(a)は耐久前、(b)は耐久後、(c)は空気中酸化処理後の特性図である。FIG. 3 is a diagram showing current-voltage characteristics of a sensor cell, in which (a) is a characteristic diagram before endurance, (b) is after endurance, and (c) is a characteristic diagram after oxidation treatment in air. 本発明の効果を説明するためのNOx濃度とセンサ出力の関係を示す線図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between NOx concentration and sensor output for explaining the effect of the present invention. 本発明の効果を説明するためのNOx濃度とセンサ出力の関係を示す線図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between NOx concentration and sensor output for explaining the effect of the present invention. 本発明によるNOx分解活性の回復制御のフローチャートを示す図である。FIG. 4 is a view showing a flowchart of recovery control of NOx decomposition activity according to the present invention. 本発明によるNOx分解活性の回復制御のタイムチャートを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a time chart of recovery control of NOx decomposition activity according to the present invention. 本発明によるNOx分解活性の回復制御のタイムチャートを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a time chart of recovery control of NOx decomposition activity according to the present invention. 本発明の第2の実施の形態におけるガスセンサ素子の模式的断面図である。It is a typical sectional view of a gas sensor element in a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施の形態におけるガスセンサ素子の模式的断面図である。It is a typical sectional view of a gas sensor element in a 3rd embodiment of the present invention. 本発明の効果を説明するためのNOx濃度とセンサ出力の関係を示す線図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between NOx concentration and sensor output for explaining the effect of the present invention. 従来のガスセンサ素子の模式的断面図である。It is a typical sectional view of the conventional gas sensor element.

符号の説明Explanation of reference numerals

1 ガスセンサ素子
11 ピンホール
12 多孔質保護層
2 酸素ポンプセル
21、22 一対の電極
3 酸素モニタセル(モニタセル)
4 センサセル
41、42 一対の電極
51、52 固体電解質体
61、62、63、64 スペーサ
7 内部空間
7a 第1内部空間
7b 第2内部空間
81、82 基準ガス空間
9 ヒータ
P 端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor element 11 Pinhole 12 Porous protective layer 2 Oxygen pump cell 21, 22 A pair of electrodes 3 Oxygen monitor cell (monitor cell)
4 Sensor Cell 41, 42 Pair of Electrodes 51, 52 Solid Electrolyte Body 61, 62, 63, 64 Spacer 7 Internal Space 7a First Internal Space 7b Second Internal Space 81, 82 Reference Gas Space 9 Heater P Terminal

Claims (18)

所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルとを有するガスセンサ素子であって、
上記特定ガス成分濃度測定時には上記内部空間の酸素濃度を低濃度に維持し、上記特定ガス成分濃度測定時を除く特定のタイミングで上記内部空間に酸素を導入して、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極の活性を回復させる制御を行う制御手段を設けたことを特徴とするガスセンサ素子。
An internal space into which the gas to be measured is introduced under a predetermined diffusion resistance,
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and oxygen is introduced into the internal space by energizing the pair of electrodes. An oxygen pump cell for discharging and adjusting the oxygen concentration in the internal space,
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is provided a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and a sensor cell for detecting the concentration of a specific gas component in the gas to be measured. A gas sensor element,
During the specific gas component concentration measurement, the oxygen concentration in the internal space is maintained at a low concentration, oxygen is introduced into the internal space at a specific timing except during the specific gas component concentration measurement, and the oxygen is introduced into the internal space of the sensor cell. A gas sensor element comprising: control means for controlling the recovery of the activity of an electrode facing the internal space of the sensor cell by exposing the facing electrode to an oxidizing atmosphere.
上記センサセルの上記内部空間に面する電極がロジウムを含有するサーメット電極である請求項1記載のガスセンサ素子。   The gas sensor element according to claim 1, wherein the electrode facing the internal space of the sensor cell is a cermet electrode containing rhodium. 上記制御手段は、上記被測定ガスが高酸素濃度雰囲気の時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサ素子。   The control means stops the operation of at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell when the gas to be measured is in a high oxygen concentration atmosphere, thereby introducing oxygen into the internal space and the internal space of the sensor cell. 3. The gas sensor element according to claim 1, wherein the electrode facing the substrate is exposed to an oxidizing atmosphere. 上記被測定ガスが内燃機関の排気ガスであり、上記制御手段は、排気ガスがリーン状態の時または内燃機関の停止時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサ素子。   The gas to be measured is an exhaust gas of an internal combustion engine, and the control means stops the operation of at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell when the exhaust gas is in a lean state or when the internal combustion engine is stopped, 3. The gas sensor element according to claim 1, wherein oxygen is introduced into the internal space, and an electrode of the sensor cell facing the internal space is exposed to an oxidizing atmosphere. 上記制御手段は、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方を、上記内部空間に酸素を導入するように作動させることにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサ素子。   The control means exposes an electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere by operating at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell to introduce oxygen into the internal space. The gas sensor element according to claim 1 or 2, wherein 酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを有し、
上記制御手段は、上記被測定ガス中に酸素が多い状態の時に、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのうち少なくとも一つの作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサ素子。
On the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, one pair of electrodes has a pair of electrodes provided so as to face the internal space, and has an oxygen monitor cell for detecting the oxygen concentration of the internal space,
The control means, when there is a large amount of oxygen in the gas to be measured, by stopping the operation of at least one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell to introduce oxygen into the internal space, 3. The gas sensor element according to claim 1, wherein the electrode facing the internal space is exposed to an oxidizing atmosphere.
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを有し、
上記被測定ガスが内燃機関の排気ガスであり、上記制御手段は、排気ガスがリーン状態の時または内燃機関の停止時に、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのうち少なくとも一つの作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサ素子。
On the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, one pair of electrodes has a pair of electrodes provided so as to face the internal space, and has an oxygen monitor cell for detecting the oxygen concentration of the internal space,
The gas to be measured is an exhaust gas of an internal combustion engine, and the control means stops the operation of at least one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell when the exhaust gas is in a lean state or when the internal combustion engine is stopped. 3. The gas sensor element according to claim 1, wherein oxygen is introduced into the internal space, and an electrode of the sensor cell facing the internal space is exposed to an oxidizing atmosphere.
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを有し、
上記制御手段は、上記酸素ポンプセル、センサセルおよび酸素モニタセルのうち少なくとも一つを、上記内部空間に酸素を導入するように作動させることにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項1または2記載のガスセンサ素子。
On the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, one pair of electrodes has a pair of electrodes provided so as to face the internal space, and has an oxygen monitor cell for detecting the oxygen concentration of the internal space,
The control means exposes an electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere by operating at least one of the oxygen pump cell, the sensor cell, and the oxygen monitor cell to introduce oxygen into the internal space. The gas sensor element according to claim 1 or 2, wherein:
上記制御手段は、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝す制御を、ガスセンサ素子の温度が400℃以上の状態で行う請求項1ないし8のいずれか記載のガスセンサ素子。   The gas sensor element according to any one of claims 1 to 8, wherein the control means controls the exposure of the electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere while the temperature of the gas sensor element is 400 ° C or higher. 上記特定ガス成分が窒素酸化物である請求項1ないし9のいずれか記載のガスセンサ素子。   10. The gas sensor element according to claim 1, wherein the specific gas component is a nitrogen oxide. 所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルとを有するガスセンサ素子を用い、
上記特定ガス成分濃度測定時には上記内部空間の酸素濃度を低濃度に維持し、上記特定ガス成分濃度測定時を除く特定のタイミングで上記内部空間に酸素を導入して、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極の活性を回復させることを特徴とするガスセンサ素子の制御方法。
An internal space into which the gas to be measured is introduced under a predetermined diffusion resistance,
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and oxygen is introduced into the internal space by energizing the pair of electrodes. An oxygen pump cell for discharging and adjusting the oxygen concentration in the internal space,
On the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte body, there is provided a pair of electrodes provided such that one electrode faces the internal space, and a sensor cell for detecting the concentration of a specific gas component in the gas to be measured. Using a gas sensor element,
During the specific gas component concentration measurement, the oxygen concentration in the internal space is maintained at a low concentration, oxygen is introduced into the internal space at a specific timing except during the specific gas component concentration measurement, and the oxygen is introduced into the internal space of the sensor cell. A method for controlling a gas sensor element, comprising recovering the activity of an electrode facing the internal space of the sensor cell by exposing the facing electrode to an oxidizing atmosphere.
上記センサセルの上記内部空間に面する電極がロジウムを含有するサーメット電極である請求項11記載のガスセンサ素子の制御方法。   The control method of a gas sensor element according to claim 11, wherein the electrode facing the internal space of the sensor cell is a cermet electrode containing rhodium. 上記被測定ガスが高酸素濃度雰囲気の時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項11または12記載のガスセンサ素子の制御方法。   When the gas to be measured is in a high oxygen concentration atmosphere, by stopping the operation of at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell, oxygen is introduced into the internal space, and an electrode facing the internal space of the sensor cell. 13. The method according to claim 11, wherein the gas sensor element is exposed to an oxidizing atmosphere. 上記被測定ガスが内燃機関の排気ガスであり、測定ガスがリーン状態の時または内燃機関の停止時に、上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方の作動を停止することにより、上記内部空間に酸素を導入し、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項11または12記載のガスセンサ素子の制御方法。   The gas to be measured is an exhaust gas of the internal combustion engine, and when the measurement gas is in a lean state or when the internal combustion engine is stopped, the operation of at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell is stopped. The method of controlling a gas sensor element according to claim 11, wherein the method further comprises: introducing an electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere. 上記酸素ポンプセルおよび上記センサセルのうち少なくとも一方を、上記内部空間に酸素を導入するように作動させることにより、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を酸化雰囲気に曝すことを特徴とする請求項11または12記載のガスセンサ素子の制御方法。   The electrode facing the internal space of the sensor cell is exposed to an oxidizing atmosphere by operating at least one of the oxygen pump cell and the sensor cell to introduce oxygen into the internal space. Or a method for controlling a gas sensor element according to claim 12. 上記ガスセンサ素子が、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、上記内部空間の酸素濃度を検出する酸素モニタセルを有することを特徴とする請求項11ないし15のいずれか記載のガスセンサ素子の制御方法。   An oxygen monitor cell for detecting the oxygen concentration in the internal space, wherein the gas sensor element has a pair of electrodes provided on a surface of an oxygen ion conductive solid electrolyte body such that one electrode faces the internal space. The method for controlling a gas sensor element according to any one of claims 11 to 15, comprising: 所定の拡散抵抗の下に被測定ガスが導入される内部空間と、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により上記内部空間に酸素を導入または排出して上記内部空間内の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が上記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルとを有し、
上記センサセルの上記内部空間に面する電極はロジウムを含有するサーメット電極であるガスセンサ素子の製造工程において、
ガスセンサ素子の焼成工程後、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を400〜1000℃の酸化雰囲気に曝すことを特徴とするガスセンサ素子の製造方法。
An internal space into which the gas to be measured is introduced under a predetermined diffusion resistance,
On the surface of the oxygen ion-conductive solid electrolyte body, there is a pair of electrodes provided so that one electrode faces the internal space, and oxygen is introduced into the internal space by energizing the pair of electrodes. An oxygen pump cell for discharging and adjusting the oxygen concentration in the internal space,
A sensor cell that has a pair of electrodes provided on the surface of the oxygen ion conductive solid electrolyte so that one electrode faces the internal space, and detects the concentration of a specific gas component in the gas to be measured; And
An electrode facing the internal space of the sensor cell is a cermet electrode containing rhodium in a gas sensor element manufacturing process,
A method for manufacturing a gas sensor element, comprising: exposing an electrode facing the internal space of the sensor cell to an oxidizing atmosphere at 400 to 1000 ° C. after a firing step of the gas sensor element.
ガスセンサ素子の焼成工程後、上記センサセルの上記内部空間に面する電極を400〜1000℃で酸化雰囲気と還元雰囲気に交互に曝すことを特徴とする請求項17記載のガスセンサ素子の製造方法。

18. The method according to claim 17, wherein, after the firing step of the gas sensor element, the electrode facing the internal space of the sensor cell is alternately exposed to an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere at 400 to 1000C.

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