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JPH10325825A - Concentration detector for nitride - Google Patents

Concentration detector for nitride

Info

Publication number
JPH10325825A
JPH10325825A JP10084070A JP8407098A JPH10325825A JP H10325825 A JPH10325825 A JP H10325825A JP 10084070 A JP10084070 A JP 10084070A JP 8407098 A JP8407098 A JP 8407098A JP H10325825 A JPH10325825 A JP H10325825A
Authority
JP
Japan
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oxygen
cell
diffusion
solid electrolyte
measurement chamber
Prior art date
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Granted
Application number
JP10084070A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3431493B2 (en
Inventor
Shigeru Miyata
繁 宮田
Masafumi Ando
雅史 安藤
Hiroshi Inagaki
浩 稲垣
Noboru Ishida
昇 石田
Takafumi Oshima
崇文 大島
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP08407098A priority Critical patent/JP3431493B2/en
Publication of JPH10325825A publication Critical patent/JPH10325825A/en
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  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride concentration meter for detecting NOx concentration accurately through a simple circuit. SOLUTION: The NOx sensor comprises a first measuring chamber 20 conducting through a diffusion control layer to the side of gas being measured, and a second measuring chamber 26 conducting through diffusion limit layers 6d, 22d to the first measuring chamber 20. The quantity of oxygen flowing into the second measuring chamber 26 is controlled constant by controlling a first pump current IP1 such that the output from a Vs cell 6 is equal to a reference voltage VCO. The NOx concentration is detected from the detection signals VIP1, VIP2 of first and second pump currents IP1, IP2 by applying a constant voltage to a second pump cell 8 to decompose the NOx component in the second measuring chamber 26 and pumping oxygen. The electrode 6b on the first measuring chamber 20 side of the Vs cell 6 is formed on the circumferential fringe of the diffusion limit layer 6d or above the diffusion limit layer 6d. According to the arrangement, the quantity of oxygen flowing from the first measuring chamber 20 into the second measuring chamber 26 can be detected accurately and the NOx concentration can be detected from the VIP1, VIP2.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関等の各種
燃焼機器から排出される有害成分である窒素酸化物の濃
度を検出するための窒素酸化物濃度検出器に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nitrogen oxide concentration detector for detecting the concentration of nitrogen oxide, which is a harmful component, discharged from various combustion devices such as internal combustion engines.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、被測定ガス中の窒素酸化物濃
度(NOx)を検出するための窒素酸化物濃度検出器
(NOxセンサ)として、例えば、ヨーロッパ特許出願
公開明細書0678740A1や、SAE paper
No.960334 P137〜142 1996等
に開示されているように、第1拡散律速層を介して被測
定ガス側に連通された第1測定室と、この第1測定室に
第2拡散律速層を介して連通された第2測定室とを、酸
素イオン伝導性の固体電解質層にて形成し、第1測定室
には、固体電解質層を多孔質の電極で挟むことにより第
1酸素ポンピングセルと酸素濃度測定セルとを形成し、
更に、第2測定室には、同じく固体電解質層を多孔質の
電極で挟むことにより第2酸素ポンピングセルを形成し
たものが知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a nitrogen oxide concentration detector (NOx sensor) for detecting a nitrogen oxide concentration (NOx) in a gas to be measured, for example, European Patent Application Publication No. 0678740A1 and SAE paper
No. 960334 P137-142 1996 and the like, a first measurement chamber communicated with the measured gas side via a first diffusion-controlling layer, and a first diffusion-controlling layer connected to the first measurement chamber via a second diffusion-controlling layer. The communicating second measurement chamber is formed by an oxygen ion-conductive solid electrolyte layer, and the first measurement chamber is provided with a first oxygen pumping cell and an oxygen concentration by sandwiching the solid electrolyte layer between porous electrodes. Forming a measuring cell and
Further, a second measurement chamber in which a second oxygen pumping cell is formed by sandwiching a solid electrolyte layer between porous electrodes is also known.

【0003】この種のNOxセンサにおいては、酸素濃
度測定セルからの出力電圧が予め設定された一定値とな
るように、第1酸素ポンピングセルを通電して、第1測
定室から酸素を汲み出すことにより、第1測定室内の酸
素濃度を一定濃度に制御しつつ、第2酸素ポンピングセ
ルに一定電圧を印加して、第2測定室から更に酸素を汲
み出すようにすれば、第2酸素ポンピングセルに流れる
電流(以下、第2ポンプ電流という)から、被測定ガス
中のNOx濃度を検出することができる。
In this type of NOx sensor, the first oxygen pumping cell is energized so as to pump oxygen from the first measuring chamber so that the output voltage from the oxygen concentration measuring cell becomes a preset constant value. Thus, by controlling the oxygen concentration in the first measurement chamber to a constant concentration and applying a constant voltage to the second oxygen pumping cell to pump more oxygen from the second measurement chamber, the second oxygen pumping can be performed. The NOx concentration in the gas to be measured can be detected from a current flowing through the cell (hereinafter, referred to as a second pump current).

【0004】つまり、被測定ガスである内燃機関等から
の排気中には、NOx以外に、酸素、一酸化炭素、二酸
化炭素等の他のガス成分が存在することから、上記従来
のNOxセンサは、まず、第1酸素ポンピングセルに電
流(以下、第1ポンプ電流という)を流して第1測定室
内の酸素のほとんどを抜き取り、更に、酸素が抜き取ら
れた被測定ガスが流入する第2測定室側で、第2酸素ポ
ンピングセルの触媒機能により、被測定ガス中のNOx
を窒素と酸素とに分解して、第2測定室から酸素を抜き
取るように動作させることによって、第2ポンプ電流か
ら、被測定ガス中の他のガス成分に影響されることな
く、被測定ガス中のNOx濃度を検出できるようにされ
ているのである。
[0004] That is, since other gas components such as oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, etc., in addition to NOx, are present in the exhaust gas from the internal combustion engine or the like, which is the gas to be measured, First, a current (hereinafter, referred to as a first pump current) is supplied to the first oxygen pumping cell to extract most of the oxygen in the first measurement chamber, and further, the second measurement chamber into which the measured gas from which the oxygen has been extracted flows. On the side, the catalytic function of the second oxygen pumping cell causes the NOx
Is decomposed into nitrogen and oxygen, and is operated to extract oxygen from the second measurement chamber, so that the gas to be measured is not affected by the other gas components in the gas to be measured from the second pump current. It is designed to detect the concentration of NOx therein.

【0005】また、上記NOxセンサを用いてNOx濃
度を正確に検出するには、NOxセンサを所定活性温度
(例えば800℃以上)まで加熱して、各セルを活性化
させる必要があることから、NOxセンサに加熱用のヒ
ータを設け、このヒータへの通電電流量を制御すること
により、NOxセンサの温度を所定温度に制御すること
も行われている。
In order to accurately detect the NOx concentration using the NOx sensor, it is necessary to heat the NOx sensor to a predetermined activation temperature (for example, 800 ° C. or higher) to activate each cell. In some cases, a heater for heating is provided in the NOx sensor and the amount of current supplied to the heater is controlled to control the temperature of the NOx sensor to a predetermined temperature.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記のNOxセンサに
おいては、NOx濃度の検出精度を確保するために、第
2ポンプ電流から得られたNOx濃度を補正する必要が
あり、そのための信号処理系が複雑になって、検出装置
のコストアップを招くといった問題がある事が解った。
以下、この問題について説明する。
In the above-described NOx sensor, it is necessary to correct the NOx concentration obtained from the second pump current in order to secure the detection accuracy of the NOx concentration. It turned out that there was a problem that it became complicated and increased the cost of the detection device.
Hereinafter, this problem will be described.

【0007】まず、従来のNOxセンサは、第1酸素ポ
ンピングセルを用いて第1測定室から酸素を汲み出し、
第1測定室内の被測定ガスを、酸素を殆ど含まない極低
酸素濃度に制御すれば、第2酸素ポンピングセルに流入
する被測定ガスは略NOx成分だけになり、この被測定
ガスを第2酸素ポンピングセルの触媒作用によって窒素
と酸素とに分解すれば、第2酸素ポンピングセルに流れ
る第2ポンプ電流からNOx濃度を検出できる、との技
術的思想に沿って開発されたものである。
First, a conventional NOx sensor pumps oxygen from a first measurement chamber using a first oxygen pumping cell,
If the gas to be measured in the first measurement chamber is controlled to an extremely low oxygen concentration containing almost no oxygen, the gas to be measured flowing into the second oxygen pumping cell becomes substantially only the NOx component, and the gas to be measured is converted into the second gas. It has been developed in accordance with the technical idea that if the catalyst is decomposed into nitrogen and oxygen by the oxygen pumping cell, the NOx concentration can be detected from the second pump current flowing through the second oxygen pumping cell.

【0008】しかし、実際には、第1測定室の酸素濃度
が略ゼロ(理論的には10-9atm 程度)となるように第
1酸素ポンピングセルを制御すると、第2ポンプ電流か
らNOx濃度を検出することができず、従来のNOxセ
ンサを用いてNOx濃度を高感度に検出するには、第1
測定室内の酸素濃度が1000ppm程度の低酸素濃度
となるように、第1酸素ポンピングセルを制御する必要
がある。
However, in practice, when the first oxygen pumping cell is controlled so that the oxygen concentration in the first measurement chamber becomes substantially zero (theoretically, about 10 −9 atm), the NOx concentration is calculated from the second pump current. In order to detect NOx concentration with high sensitivity using a conventional NOx sensor,
It is necessary to control the first oxygen pumping cell so that the oxygen concentration in the measurement chamber becomes a low oxygen concentration of about 1000 ppm.

【0009】尚、第1測定室内の酸素濃度が略ゼロとな
るように制御した場合に良好な検出感度が得られない理
由は、第1ポンプ電流を制御することによって第1測定
室内の被測定ガス中の一酸化窒素成分が分解されてしま
い、第2測定室には、NOx成分に対応した被測定ガス
が流入しなくなるためであると考えられる。
The reason why good detection sensitivity cannot be obtained when the oxygen concentration in the first measurement chamber is controlled so as to be substantially zero is that by controlling the first pump current, the measured current in the first measurement chamber is controlled. It is considered that the nitrogen monoxide component in the gas is decomposed, and the gas to be measured corresponding to the NOx component does not flow into the second measurement chamber.

【0010】そして、このように第1測定室内の酸素濃
度が1000ppm程度の低酸素濃度となるように第1
酸素ポンピングセルを制御しつつ、第2ポンプ電流から
NOx濃度を検出するようにすると、第2測定室には、
被測定ガス中のNOx(窒素酸化物)だけでなく、第1
測定室内の酸素も流入することから、第2ポンプ電流
は、被測定ガス中のNOx濃度に対応して変化するもの
の、被測定ガス中の酸素濃度の影響も受けるようにな
る。この結果、従来では、NOx濃度の検出結果が、セ
ンサ周囲の被測定ガス中の酸素濃度の影響を受けてしま
い、検出したNOx濃度が実際の値に対応しなくなるこ
とがある。
Then, the first oxygen concentration in the first measurement chamber is reduced to about 1000 ppm as described above.
When the NOx concentration is detected from the second pump current while controlling the oxygen pumping cell, the second measurement chamber includes:
Not only NOx (nitrogen oxide) in the gas to be measured,
Since the oxygen in the measurement chamber also flows, the second pump current changes according to the NOx concentration in the gas to be measured, but is also affected by the oxygen concentration in the gas to be measured. As a result, conventionally, the detection result of the NOx concentration may be affected by the oxygen concentration in the gas to be measured around the sensor, and the detected NOx concentration may not correspond to the actual value.

【0011】こうした問題は、第1酸素ポンピングセル
に流れる電流(以下第1ポンプ電流という)を利用して
解決する事が出来る。即ち、第1ポンプ電流と第2ポン
プ電流をそれぞれ測定し、この2値から、窒素酸化物濃
度を検出する事で、センサ周囲の被測定ガス中の酸素濃
度が変動しても、正確に窒素酸化物濃度を検出できる。
Such a problem can be solved by using a current flowing in the first oxygen pumping cell (hereinafter, referred to as a first pump current). That is, the first pump current and the second pump current are measured, and the nitrogen oxide concentration is detected from the two values, so that even if the oxygen concentration in the gas to be measured around the sensor fluctuates, the nitrogen gas is accurately measured. Oxide concentration can be detected.

【0012】しかし、このように第1ポンプ電流と第2
ポンプ電流から、窒素酸化物濃度を検出するとしても、
これら2値と窒素酸化物濃度との間に比較的簡単な関係
が成立しなければ、補正手段は複雑になり、コストアッ
プを招く原因となる。本発明は、こうした問題に鑑みな
されたものであり、上記NOxセンサを用いてNOx濃
度を検出するに当たって、第1ポンプ電流と第2ポンプ
電流からNOx濃度を検出する際に、これら2値とNO
x濃度が簡単な関係で結ばれ、NOx濃度を高精度に検
出できるようにすることを目的とする。
However, the first pump current and the second
Even if the nitrogen oxide concentration is detected from the pump current,
If a relatively simple relationship is not established between these two values and the nitrogen oxide concentration, the correction means becomes complicated and causes an increase in cost. The present invention has been made in view of such a problem. In detecting the NOx concentration using the NOx sensor, when detecting the NOx concentration from the first pump current and the second pump current, these two values and NO
An object of the present invention is to make it possible to detect the NOx concentration with high accuracy by connecting the x concentrations in a simple relationship.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた本発明(請求項1に記載)の窒素酸化物濃
度検出器は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔質
の電極で挟んでなる第1酸素ポンピングセル及び酸素濃
度測定セルを有し、第1拡散律速層を介して被測定ガス
側に連通された第1測定室と、酸素イオン伝導性の固体
電解質層を多孔質の電極で挟んでなる第2酸素ポンピン
グセルを有し、第2拡散律速層を介して前記第1測定室
と連通された第2測定室と、を備え、前記酸素濃度測定
セルの出力電圧が一定値となるように前記第1酸素ポン
ピングセルにて前記第1測定室から酸素を汲み出すと共
に、前記第2酸素ポンピングセルに前記第2測定室から
酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加することにより、
該第1酸素ポンピングセルに流れる電流及び該第2酸素
ポンピングセルに流れる電流から被測定ガス中の窒素酸
化物を検出する窒素酸化物濃度検出器において、前記酸
素濃度測定セルを、前記第1測定室内の酸素分布に影響
されることなく、前記第1測定室から前記第1拡散律速
層を通って前記第2測定室側に流れる被測定ガスの酸素
量を検出可能な位置に配置したことを特徴とする。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, a nitrogen oxide concentration detector according to the present invention (described in claim 1) comprises an oxygen ion conductive solid electrolyte layer formed of a porous electrode. A first measurement chamber having a first oxygen pumping cell and an oxygen concentration measurement cell interposed therebetween, and a first measurement chamber communicated with the gas to be measured via a first diffusion-controlling layer; A second oxygen pumping cell sandwiched between the electrodes, and a second measuring chamber communicated with the first measuring chamber via a second diffusion-controlling layer. The output voltage of the oxygen concentration measuring cell is The first oxygen pumping cell pumps oxygen from the first measurement chamber so as to have a constant value, and applies a constant voltage to the second oxygen pumping cell in a direction to pump oxygen from the second measurement chamber. By doing
In a nitrogen oxide concentration detector for detecting nitrogen oxides in a gas to be measured from a current flowing in the first oxygen pumping cell and a current flowing in the second oxygen pumping cell, the oxygen concentration measuring cell is connected to the first measurement cell. Without being affected by the oxygen distribution in the room, the oxygen concentration of the gas to be measured flowing from the first measurement chamber through the first diffusion-controlling layer to the second measurement chamber side can be detected. Features.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】このように本発明の窒素酸化物濃
度検出器(NOxセンサ)においては、酸素濃度測定セ
ルが、第1測定室内の酸素分布に影響されることなく、
第1測定室から第1拡散律速層を通って第2測定室側に
流れる被測定ガスの酸素量を検出可能な位置に配置され
る。
As described above, in the nitrogen oxide concentration detector (NOx sensor) according to the present invention, the oxygen concentration measuring cell is not affected by the oxygen distribution in the first measuring chamber.
It is arranged at a position where the amount of oxygen of the gas to be measured flowing from the first measurement chamber to the second measurement chamber through the first diffusion-controlling layer can be detected.

【0015】これは、従来のNOxセンサにおいて、第
1測定室内の酸素濃度を検出可能に配置されていた酸素
濃度測定セルを、第1測定室から第2測定室側に流れる
酸素量を検出可能な位置に配置することにより、第2測
定室に流入する測定ガスの酸素濃度を正確に検出し、そ
の酸素濃度が所定値となるように、第1酸素ポンピング
セルを制御できるようにするためである。
In the conventional NOx sensor, the oxygen concentration measuring cell arranged so as to detect the oxygen concentration in the first measuring chamber can be used to detect the amount of oxygen flowing from the first measuring chamber to the second measuring chamber. In order to accurately detect the oxygen concentration of the measurement gas flowing into the second measurement chamber and to control the first oxygen pumping cell so that the oxygen concentration becomes a predetermined value, the first oxygen pumping cell can be controlled. is there.

【0016】即ち、既述したように、従来のNOxセン
サでは、第1測定室の酸素濃度が略ゼロ(理論的には1
-9atm 程度)となるように第1酸素ポンピングセルを
制御すると、第2ポンプ電流からNOx濃度を検出する
ことができなかったことから、第1測定室内の酸素濃度
が1000ppm程度の低酸素濃度となるように、第1
酸素ポンピングセルを制御していた。そして、この原因
は、第1測定室の酸素濃度が略ゼロとなるように第1酸
素ポンピングセルを制御すると、第1測定室内の被測定
ガス中の一酸化窒素成分が分解されてしまい、第2測定
室には、NOx成分に対応した被測定ガスが流入しなく
なるためであると考えられる。
That is, as described above, in the conventional NOx sensor, the oxygen concentration in the first measurement chamber is substantially zero (theoretically, 1).
0 -9 Controlling the first oxygen pumping cell so atm or so) and consists, since it was not possible to detect the NOx concentration from the second pumping current, hypoxia about the oxygen concentration in the first measurement chamber 1000ppm The first so that the concentration
The oxygen pumping cell was controlled. The cause of this is that if the first oxygen pumping cell is controlled so that the oxygen concentration in the first measurement chamber becomes substantially zero, the nitrogen monoxide component in the gas to be measured in the first measurement chamber is decomposed, It is considered that the measured gas corresponding to the NOx component does not flow into the second measurement chamber.

【0017】本願発明者らが調査したところ、従来のN
Oxセンサでは、酸素濃度測定セルにて第1測定室内の
酸素濃度を検出するために、酸素濃度測定セルの第1測
定室側電極を比較的大きく形成していたことから、第1
測定室内の平均的な酸素濃度は検出できるものの、第1
測定室から第2測定室に流入する被測定ガスの酸素濃度
を検出できていないためであることがわかった。つま
り、第1測定室には、第1拡散律速層を介して外部の被
測定ガスが流入し、第1酸素ポンピングセルにて、この
流入した被測定ガスから酸素が抜き取られることから、
第1測定室内の酸素分布が一様にならず、この結果、従
来のNOxセンサでは、酸素濃度測定セルにて、第1測
定室から第2測定室に流入する被測定ガスの酸素濃度を
正確に検出することができなかった。結果として、第1
ポンプ電流と第2ポンプ電流の2値と窒素酸化物濃度の
関係が複雑になり、その検出を難しくしていた。
The present inventors have investigated and found that the conventional N
In the Ox sensor, the first measurement chamber side electrode of the oxygen concentration measurement cell is formed relatively large in order to detect the oxygen concentration in the first measurement chamber with the oxygen concentration measurement cell.
Although the average oxygen concentration in the measurement chamber can be detected,
It was found that the oxygen concentration of the gas to be measured flowing from the measurement chamber to the second measurement chamber could not be detected. That is, an external gas to be measured flows into the first measurement chamber through the first diffusion-controlling layer, and oxygen is extracted from the gas to be measured by the first oxygen pumping cell.
The oxygen distribution in the first measurement chamber is not uniform. As a result, in the conventional NOx sensor, the oxygen concentration of the gas to be measured flowing from the first measurement chamber to the second measurement chamber is accurately measured by the oxygen concentration measurement cell. Could not be detected. As a result, the first
The relationship between the two values of the pump current and the second pump current and the nitrogen oxide concentration became complicated, making the detection difficult.

【0018】そこで、本発明では、酸素濃度測定セル
を、第1測定室内の酸素濃度ではなく、第1測定室から
第2測定室に流れる酸素量を検出可能な位置に配置する
ことにより、酸素濃度測定セルにて、第1測定室から第
2測定室に流れる酸素量を正確に検出できるようにし
た。
Therefore, in the present invention, the oxygen concentration measuring cell is arranged at a position where the amount of oxygen flowing from the first measuring chamber to the second measuring chamber can be detected instead of the oxygen concentration in the first measuring chamber. In the concentration measurement cell, the amount of oxygen flowing from the first measurement chamber to the second measurement chamber can be accurately detected.

【0019】この結果、本発明によれば、第1酸素ポン
ピングセルの通電制御によって、第1酸素ポンピングセ
ルに、第1測定室内のNOx成分が分解する程度にまで
電流を流し、第1測定室から第2測定室に流れる酸素量
を充分低減することができるようになり、第1ポンプ電
流及び第2ポンプ電流からNOx濃度を正確に検出する
ことができるようになる。
As a result, according to the present invention, by controlling the energization of the first oxygen pumping cell, a current is caused to flow to the first oxygen pumping cell to such an extent that the NOx component in the first measuring chamber is decomposed, Thus, the amount of oxygen flowing into the second measurement chamber can be sufficiently reduced, and the NOx concentration can be accurately detected from the first pump current and the second pump current.

【0020】ここで、本発明の窒素酸化物濃度検出器
は、前述した従来のNOxセンサと同様、各セルを所定
の活性温度に制御してNOx濃度の検出精度を確保する
ために、各セルを加熱するヒータを設けることが望まし
い。そして、このように加熱及び温度制御用のヒータを
設ける際には、請求項2に記載のように、第1酸素ポン
ピングセル,酸素濃度測定セル,及び第2酸素ポンピン
グセルを、夫々、互いに異なる薄板状の固体電解質層に
形成し、各固体電解質層を、第1及び第2酸素ポンピン
グセルを形成した固体電解質層を外側にして、所定の間
隙を介して積層することにより、該間隙にて第1測定室
及び第2測定室を構成すると共に、各固体電解質層の積
層方向両側に、所定の間隙を介して、加熱用のヒータを
備えた薄板状のヒータ基板を夫々配置し、更に、第1酸
素ポンピングセルが形成された固体電解質層の、ヒータ
基板に形成されたヒータ中央部との対向位置に、第1拡
散律速層を形成することが望ましい。
Here, the nitrogen oxide concentration detector of the present invention controls each cell to a predetermined activation temperature and secures the detection accuracy of the NOx concentration, similarly to the above-mentioned conventional NOx sensor. It is desirable to provide a heater for heating the heater. When the heater for heating and temperature control is provided in this manner, the first oxygen pumping cell, the oxygen concentration measuring cell, and the second oxygen pumping cell are different from each other. By forming the solid electrolyte layer in the form of a thin plate, and laminating each solid electrolyte layer through a predetermined gap with the solid electrolyte layers forming the first and second oxygen pumping cells outside, the gaps are formed in the gaps. Along with forming the first measurement chamber and the second measurement chamber, a thin plate-like heater substrate provided with a heater for heating is disposed on both sides of each solid electrolyte layer in the stacking direction via a predetermined gap, and further, It is desirable to form a first diffusion-controlling layer at a position of the solid electrolyte layer in which the first oxygen pumping cell is formed, facing a central portion of the heater formed on the heater substrate.

【0021】つまり、本発明の窒素酸化物濃度検出器を
このように構成すれば、酸素濃度測定セルが形成された
固体電解質層が、第1酸素ポンピングセル及び第2酸素
ポンピングセルが形成された固体電解質層に挟まれ、更
にその積層方向両側にヒータ基板が配置されることにな
るので、ヒータの通電制御によって各セルを所定温度に
制御するのが容易になり、しかも、第1拡散層から第1
測定室,延いては第2測定室に流入する被測定ガスもヒ
ータにより所定温度まで加熱することができるようにな
る。従って、請求項2に記載の発明によれば、センサ本
体における各セルの温度のばらつきを発生し難くすると
共に、各セルが被測定ガスの温度の影響を受け難くし
て、NOx濃度の検出精度をより向上することが可能に
なる。
That is, when the nitrogen oxide concentration detector of the present invention is configured in this manner, the solid electrolyte layer in which the oxygen concentration measurement cell is formed has the first oxygen pumping cell and the second oxygen pumping cell formed therein. Since the heater substrate is disposed between the solid electrolyte layers and further on both sides in the stacking direction, it is easy to control each cell to a predetermined temperature by controlling the power supply to the heater. First
The gas to be measured flowing into the measurement chamber and thus into the second measurement chamber can also be heated to a predetermined temperature by the heater. Therefore, according to the second aspect of the present invention, the temperature variation of each cell in the sensor body is less likely to occur, and each cell is less likely to be affected by the temperature of the gas to be measured. Can be further improved.

【0022】またこの場合、請求項3に記載のように、
第2拡散律速層を、当該窒素酸化物濃度検出器を各固体
電解質層の積層方向から投影したときに第1拡散律速層
の少なくとも一部と重なるように形成すれば、ヒータ制
御によって、第1測定室から第2測定室に流入する被測
定ガスの温度を目標温度により確実に制御することがで
きるようになり、NOx濃度の検出精度を更に向上でき
ることになる。
In this case, as described in claim 3,
If the second diffusion-controlling layer is formed so as to overlap at least a part of the first diffusion-controlling layer when the nitrogen oxide concentration detector is projected from the stacking direction of each solid electrolyte layer, the first diffusion-controlling layer can be controlled by the heater control. The temperature of the gas to be measured flowing from the measurement chamber to the second measurement chamber can be reliably controlled by the target temperature, and the detection accuracy of the NOx concentration can be further improved.

【0023】また次に、本発明(請求項1)のように、
酸素濃度測定セルを、第1測定室内の酸素分布に影響さ
れることなく、第1測定室から第2測定室に流入する被
測定ガスの酸素量を検出可能な位置に配置するには、請
求項4に記載のように、酸素濃度測定セルを、第2拡散
律速層の周縁に形成するようにすればよく、この場合、
特に、請求項5に記載のように、第2拡散律速層を被測
定ガスを拡散律速可能な多孔質の固体電解質層にて構成
し、酸素濃度測定セルの第1測定室側電極を第2拡散律
速層の上に形成するか、或いは、請求項6に記載のよう
に、酸素濃度測定セルの第1測定室側電極を、第1測定
室を構成する固体電解質層と第1拡散律速層との間に形
成するとよい。つまり、このようにすれば、酸素濃度測
定セルにて、第1測定室から第2測定室に流入する被測
定ガスの酸素量をより正確に検出することが可能にな
り、上記効果をより確実に達成することができる。
Next, according to the present invention (claim 1),
To arrange the oxygen concentration measuring cell at a position where the oxygen amount of the gas to be measured flowing from the first measuring chamber to the second measuring chamber can be detected without being affected by the oxygen distribution in the first measuring chamber, As described in Item 4, the oxygen concentration measurement cell may be formed on the periphery of the second diffusion-controlling layer. In this case,
In particular, as described in claim 5, the second diffusion-controlling layer is constituted by a porous solid electrolyte layer capable of controlling the gas to be measured by diffusion, and the first measurement chamber side electrode of the oxygen concentration measuring cell is formed by the second solid-state electrode. The first measurement chamber side electrode of the oxygen concentration measurement cell may be formed on the diffusion control layer or the solid electrolyte layer and the first diffusion control layer forming the first measurement chamber as described in claim 6. It is good to form between. That is, with this configuration, the oxygen concentration measurement cell can more accurately detect the oxygen amount of the gas to be measured flowing from the first measurement chamber to the second measurement chamber, and the above effect can be more reliably achieved. Can be achieved.

【0024】[0024]

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。図1は本発明が適用された実施例の窒素酸化物濃度
検出器(NOxセンサ)の構成を表す分解斜視図、図2
はこのNOxセンサを用いてNOx濃度を検出する窒素
酸化物濃度検出装置全体の構成を表す構成図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a nitrogen oxide concentration detector (NOx sensor) according to an embodiment to which the present invention is applied, and FIG.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of an entire nitrogen oxide concentration detection device that detects a NOx concentration using the NOx sensor.

【0025】図1に示す如く、NOxセンサ2は、第1
酸素ポンピングセル(以下、第1ポンプセルという)
4,酸素濃度測定セル(以下、Vsセルという)6,第
2酸素ポンピングセル(以下、第2ポンプセルという)
8,及びこれら各セルを加熱する一対のヒータ12,1
4を備える。
As shown in FIG. 1, the NOx sensor 2
Oxygen pumping cell (hereinafter referred to as first pump cell)
4, an oxygen concentration measurement cell (hereinafter, referred to as Vs cell) 6, a second oxygen pumping cell (hereinafter, referred to as second pump cell)
8, and a pair of heaters 12, 1 for heating these cells
4 is provided.

【0026】第1ポンプセル4は、板状に形成された固
体電解質層4aの両側に、夫々、矩形状の多孔質電極4
b,4c及びそのリード部4bl,4clを形成し、更に、
多孔質電極4b,4cの中心部分を貫通するように固体
電解質層4aに丸孔を穿設して、その丸孔に、例えばア
ルミナ等からなる多孔質の充填材を詰めることにより、
拡散律速層4dを形成したものである。
The first pump cell 4 has rectangular porous electrodes 4 on both sides of a plate-shaped solid electrolyte layer 4a.
b, 4c and their lead portions 4bl, 4cl are formed.
By forming a round hole in the solid electrolyte layer 4a so as to penetrate through the central portions of the porous electrodes 4b and 4c, and filling the round hole with a porous filler such as alumina, for example,
This is one in which a diffusion controlling layer 4d is formed.

【0027】またVsセル6は、第1ポンプセル4の固
体電解質層4aと同形状の固体電解質層6aの両側に、
夫々、円形状の多孔質電極6b,6c及びそのリード部
6bl,6clを形成し、更に、多孔質電極6b,6cの中
心部分を貫通するように固体電解質層6aに丸孔を穿設
して、その丸孔に、例えばアルミナ等からなる多孔質の
充填材を詰めることにより、拡散律速層6dを形成した
ものである。
The Vs cell 6 is provided on both sides of a solid electrolyte layer 6a having the same shape as the solid electrolyte layer 4a of the first pump cell 4.
Circular porous electrodes 6b, 6c and their lead portions 6bl, 6cl are formed, respectively, and further, a round hole is formed in the solid electrolyte layer 6a so as to penetrate through the center of the porous electrodes 6b, 6c. The diffusion-controlling layer 6d is formed by filling the round hole with a porous filler such as alumina.

【0028】そして、このVsセル6の多孔質電極6
b,6cと第1ポンプセル4の多孔質電極4b,4cと
は、固体電解質層4a,6a上での中心位置が略一致
し、Vsセル6と第1ポンプセル4とを積層した際、各
拡散律速層6d,4dが互いに対向するようにされてい
る。また、Vsセル6に形成される円形状の多孔質電極
6b,6cは、拡散律速層6dの周囲に配置され、第1
ポンプセル4に形成される矩形状の多孔質電極4b,4
cよりも小さくなっている。特に、一対の多孔質電極6
b,6cの内、第1ポンプセル4側の多孔質電極6b
は、拡散律速層6dに流入する酸素量を正確に検出する
ために、拡散律速層6d周縁の極狭い範囲内にのみ形成
されている。
The porous electrode 6 of the Vs cell 6
b, 6c and the porous electrodes 4b, 4c of the first pump cell 4 have substantially the same center positions on the solid electrolyte layers 4a, 6a, and when the Vs cell 6 and the first pump cell 4 are stacked, each diffusion The rate limiting layers 6d and 4d are configured to face each other. The circular porous electrodes 6b and 6c formed in the Vs cell 6 are arranged around the diffusion-controlling layer 6d, and
Rectangular porous electrodes 4b, 4 formed in the pump cell 4
It is smaller than c. In particular, a pair of porous electrodes 6
b, 6c, the porous electrode 6b on the first pump cell 4 side
Is formed only in a very narrow range around the diffusion-controlling layer 6d in order to accurately detect the amount of oxygen flowing into the diffusion-controlling layer 6d.

【0029】また、Vsセル6の表裏面には、リード部
6bl,6clからの電流リークを防止すると共に、多孔質
電極6b,6cにて拡散律速層6dに流入する酸素量を
正確に検出できるようにするために、リード部6bl,6
clを外側から覆うようにジルコニア等からなる絶縁膜6
eが形成されており、しかも各リード部6bl,6cl間に
は、後述の通電制御によって多孔質電極6c側に汲み込
まれた酸素の一部を多孔質電極6b側に漏出させる漏出
抵抗部6fが形成されている。
On the front and back surfaces of the Vs cell 6, current leakage from the lead portions 6bl and 6cl can be prevented, and the amount of oxygen flowing into the diffusion-controlling layer 6d can be accurately detected by the porous electrodes 6b and 6c. To do so, the lead portions 6bl, 6
An insulating film 6 made of zirconia or the like so as to cover cl from the outside
e is formed between the lead portions 6bl and 6cl, and a leakage resistance portion 6f for leaking a part of oxygen pumped into the porous electrode 6c by the energization control described later to the porous electrode 6b. Are formed.

【0030】このように形成された第1ポンプセル4及
びVsセル6は、上記各固体電解質層4a,6aと同形
状の固体電解質層18を介して積層される。そして、こ
の固体電解質層18の各多孔質電極4c,6bとの対向
位置には、多孔質電極4cよりも大きな矩形状の孔が穿
設されており、この孔が第1測定室20として機能す
る。
The first pump cell 4 and the Vs cell 6 thus formed are stacked via the solid electrolyte layer 18 having the same shape as the solid electrolyte layers 4a and 6a. A rectangular hole larger than the porous electrode 4c is formed in the solid electrolyte layer 18 at a position facing each of the porous electrodes 4c and 6b, and the hole functions as the first measurement chamber 20. I do.

【0031】またVsセル6の多孔質電極6c側にも、
上記各固体電解質層4a,6aと同形状の固体電解質層
22が積層される。そして、この固体電解質層22に
は、Vsセル6の拡散律速層6dと同位置に同寸法の丸
孔を穿設して、その丸孔に、アルミナ等からなる多孔質
の充填材を詰めることにより、拡散律速層22dが形成
されている。
The Vs cell 6 also has a porous electrode 6c side.
The solid electrolyte layers 22 having the same shape as the solid electrolyte layers 4a and 6a are stacked. In the solid electrolyte layer 22, a round hole of the same size is formed at the same position as the diffusion-controlling layer 6d of the Vs cell 6, and the round hole is filled with a porous filler such as alumina. Thereby, a diffusion-controlling layer 22d is formed.

【0032】一方、第2ポンプセル8は、第1ポンプセ
ル4と同様、板状に形成された固体電解質層8aの両側
に、夫々、矩形状の多孔質電極8b,8c及びそのリー
ド部8bl,8clを形成したものである。そして、この第
2ポンプセル8は、固体電解質層18と全く同様に形成
された固体電解質層24を介して、Vsセル6に積層さ
れた固体電解質層22に積層される。この結果、固体電
解質層24に穿設された矩形状の孔が第2測定室26と
して機能することになる。
On the other hand, similarly to the first pump cell 4, the second pump cell 8 has rectangular porous electrodes 8b and 8c and lead portions 8bl and 8cl on both sides of the solid electrolyte layer 8a formed in a plate shape. Is formed. Then, the second pump cell 8 is stacked on the solid electrolyte layer 22 stacked on the Vs cell 6 via a solid electrolyte layer 24 formed exactly like the solid electrolyte layer 18. As a result, the rectangular hole formed in the solid electrolyte layer 24 functions as the second measurement chamber 26.

【0033】またこのように積層される第1ポンプセル
4,Vsセル6,第2ポンプセル8の積層体の両側、つ
まり、第1ポンプセル4と第2ポンプセル8の外側に
は、夫々、スペーサ28,29により所定間隔を開け
て、ヒータ12,14が積層される。このヒータ12及
び14は、夫々、上記各固体電解質層4a,6a,…と
同形状のヒータ基板12a,12c及び14a,14c
と、ヒータ基板12aと12cとの間及びヒータ基板1
4aと14cとの間に夫々挟まれ、各ヒータ基板内に埋
設されて形成された、ヒータ配線12b及び14bと、
そのリード部12bl及び14blとから構成される。そし
て、スペーサ28,29は、各ヒータ12,14が、第
1ポンプセル4及び第2ポンプセル8の多孔質電極4b
及び8cと、夫々、間隙を介して互いに対向するよう
に、ヒータ12,14と第1ポンプセル4及び第2ポン
プセル8との間に配置されている。
On both sides of the stacked body of the first pump cell 4, the Vs cell 6, and the second pump cell 8 thus stacked, that is, outside the first pump cell 4 and the second pump cell 8, a spacer 28, 29, the heaters 12, 14 are stacked at a predetermined interval. The heaters 12 and 14 have heater substrates 12a, 12c and 14a, 14c having the same shape as the solid electrolyte layers 4a, 6a,.
Between the heater substrates 12a and 12c and the heater substrate 1
Heater wirings 12b and 14b, which are respectively sandwiched between 4a and 14c and buried in each heater substrate;
It is composed of the leads 12bl and 14bl. The spacers 28 and 29 are arranged such that the heaters 12 and 14 are connected to the porous electrodes 4 b of the first pump cell 4 and the second pump cell 8.
And 8c, and are disposed between the heaters 12, 14 and the first pump cell 4 and the second pump cell 8, respectively, so as to face each other with a gap therebetween.

【0034】ここで、上記各固体電解質層4a,6a,
…を構成する固体電解質としては、ジルコニアとイット
リアの固溶体やジルコニアとカルシアの固溶体が代表的
なものであるが、他にハフニアの固溶体、ペロブスカイ
ト型酸化物固溶体、3価金属酸化物固溶体等も使用でき
る。また各固体電解質層4a,6a,8aの表面に設け
る多孔質電極には、触媒機能を有する白金やロジウム或
はその合金を使用するのが好ましい。そして、その形成
方法としては、たとえば、白金粉末に固体電解質層と同
じ材料の粉末を混合したものをペースト状とし、固体電
解質層上にスクリーン印刷し、次いで焼結する厚膜形成
方法や、溶射による被膜形成方法が知られている。ま
た、拡散律速層4d,6d,22dは、細い貫通孔を有
するセラミックスや多孔質セラミックスを使用するのが
好ましい。
Here, each of the solid electrolyte layers 4a, 6a,
As a solid electrolyte constituting ..., a solid solution of zirconia and yttria or a solid solution of zirconia and calcia is typical. In addition, a solid solution of hafnia, a perovskite-type oxide solid solution, and a trivalent metal oxide solid solution are also used. it can. For the porous electrodes provided on the surfaces of the solid electrolyte layers 4a, 6a, 8a, it is preferable to use platinum, rhodium, or an alloy thereof having a catalytic function. As a forming method, for example, a thick film forming method in which a mixture of platinum powder and a powder of the same material as that of the solid electrolyte layer is made into a paste, screen-printed on the solid electrolyte layer, and then sintered, There is known a method of forming a film by using the method described above. Further, it is preferable that the diffusion controlling layers 4d, 6d, and 22d use ceramics having a small through hole or porous ceramics.

【0035】一方、ヒータ12,14のヒータ配線12
b,14bは、セラミックスと白金又は白金合金の複合
材料とし、そのリード部12bl,14blは、抵抗値を低
下してリード部での電気ロスを低減するために、白金又
は白金合金とすることが好ましい。また、ヒータ基板1
2a,12b,14a,14c及びスペーサ28,29
には、アルミナ、スピネル、フォルステライト、ステア
タイト、ジルコニア等を用いることができる。
On the other hand, the heater wiring 12 of the heaters 12 and 14
b and 14b are made of a composite material of ceramics and platinum or a platinum alloy, and the lead portions 12bl and 14bl are preferably made of platinum or a platinum alloy in order to reduce the resistance value and reduce the electric loss in the lead portion. preferable. Also, the heater substrate 1
2a, 12b, 14a, 14c and spacers 28, 29
For example, alumina, spinel, forsterite, steatite, zirconia, or the like can be used.

【0036】そして、特に、ヒータ基板及びスペーサの
材質にジルコニアを用いた場合は、ヒータと各ポンプセ
ルを同時に一体化して焼結することができるので、NO
xセンサ2を作製する上で好適である。尚、この場合に
は、ヒータ配線12b及びそのリード部12blとヒータ
基板12a,12cとの間、及び、ヒータ配線14b及
びそのリード部14blとヒータ基板14a,14cとの
間に、夫々、絶縁層(アルミナ等からなる)を設ける。
In particular, when zirconia is used for the material of the heater substrate and the spacer, the heater and each pump cell can be simultaneously integrated and sintered, so that NO
This is suitable for producing the x sensor 2. In this case, an insulating layer is provided between the heater wiring 12b and its lead portion 12bl and the heater substrates 12a and 12c, and between the heater wiring 14b and its lead portion 14bl and the heater substrates 14a and 14c, respectively. (Made of alumina or the like).

【0037】また、ヒータ基板にアルミナを用いた場合
には、各ポンプセルとの焼結時の収縮率差や熱膨張率差
によるクラックの発生等を防止するために、スペーサと
しては多孔質体を用いるとよい。また、ヒータと各ポン
プセルは別々に焼結して、後で、セメント等の無機質材
料をスペーサを兼ねた接合材として用いて接合する、と
いう方法で作ることも可能である。
When alumina is used for the heater substrate, a porous body is used as a spacer in order to prevent the occurrence of cracks due to a difference in contraction rate and a difference in thermal expansion coefficient between each pump cell and the other during sintering. Good to use. In addition, the heater and the pump cells can be separately sintered and then joined by using an inorganic material such as cement as a joining material also serving as a spacer.

【0038】次に、上記のように構成されたNOxセン
サ2を用いてNOx濃度を検出する窒素酸化物濃度検出
装置は、図2に示す如く、NOxセンサ2を構成する第
1ポンプセル4及びVsセル6への通電及び通電経路の
切り換えを行なうための駆動回路40と、抵抗器R4を
介して第1ポンプセル4に流れる電流(第1ポンプ電
流)IP1を検出する検出回路45と、NOxセンサ2を
構成する第2ポンプセル8に定電圧を印加してそのとき
流れる電流(第2ポンプ電流)IP2を検出する検出回路
42と、NOxセンサ2に設けられた一対のヒータ1
2,14へ通電して各セル4,6,8を加熱させるヒー
タ通電回路44と、駆動回路40及びヒータ通電回路4
4を駆動制御すると共に、検出回路45からの検出信号
VIP1 と検出回路42からの検出信号VIP2 とに基づき
被測定ガス中のNOx濃度を演算する、マイクロコンピ
ュータからなる電子制御回路(以下、ECUという)5
0とから構成されている。
Next, as shown in FIG. 2, the nitrogen oxide concentration detecting device for detecting the NOx concentration using the NOx sensor 2 constructed as described above has a first pump cell 4 and a Vs A drive circuit 40 for energizing the cell 6 and switching the energization path, a detection circuit 45 for detecting a current (first pump current) IP1 flowing through the first pump cell 4 via the resistor R4, and a NOx sensor 2 A detection circuit 42 for applying a constant voltage to the second pump cell 8 and detecting a current (second pump current) IP2 flowing at that time, and a pair of heaters 1 provided in the NOx sensor 2.
A heater energizing circuit 44 for energizing the cells 2, 14 and heating the cells 4, 6, 8; a driving circuit 40 and a heater energizing circuit 4;
An electronic control circuit (hereinafter referred to as an ECU) composed of a microcomputer that drives and controls the microcomputer 4 and calculates the NOx concentration in the gas to be measured based on the detection signal VIP1 from the detection circuit 45 and the detection signal VIP2 from the detection circuit 42. ) 5
0.

【0039】図2に示すように、NOxセンサ2の第1
ポンプセル4及びVsセル6の第1測定室20側の多孔
質電極4c,6bは、抵抗器R1を介して接地されてお
り、他方の多孔質電極4b及び6cは、駆動回路40に
接続されている。駆動回路40は、一端に定電圧VCPが
印加され、他端が開閉スイッチSW1を介してVsセル
6の多孔質電極6cに接続された抵抗器R2と、−側入
力端子に開閉スイッチSW1を介してVsセル6の多孔
質電極6c及びコンデンサCpの一端が接続され、+側
入力端子に基準電圧VCOが印加され、出力端子が第1ポ
ンプセル4の多孔質電極4bに接続された差動増幅器A
MPと、からなる制御部40aを備える。尚、コンデン
サCpの他端は接地されている。
As shown in FIG. 2, the first NOx sensor 2
The porous electrodes 4c and 6b of the pump cell 4 and the Vs cell 6 on the first measurement chamber 20 side are grounded via the resistor R1, and the other porous electrodes 4b and 6c are connected to the drive circuit 40. I have. The driving circuit 40 has a resistor R2 connected to the porous electrode 6c of the Vs cell 6 at one end through the open / close switch SW1 and a resistor R2 to the other end through the open / close switch SW1. The differential amplifier A is connected to the porous electrode 6c of the Vs cell 6 and one end of the capacitor Cp, the reference voltage VCO is applied to the + input terminal, and the output terminal is connected to the porous electrode 4b of the first pump cell 4.
And a control unit 40a including an MP. The other end of the capacitor Cp is grounded.

【0040】この制御部40aは、開閉スイッチSW1
がオン状態にあるときに次のように動作する。まず、抵
抗器R2を介してVsセル6に一定の微小電流iCPを流
すことにより、第1測定室20内の酸素をVsセル6の
多孔質電極6c側に汲み込む。この多孔質電極6cは、
固体電解質層22により閉塞されると共に、漏出抵抗部
6fを介して多孔質電極6b側と連通していることか
ら、微小電流iCPの通電により多孔質電極6c内の閉塞
空間は一定の酸素濃度となり、内部酸素基準源として機
能する。
The control unit 40a includes an open / close switch SW1
Operates as follows when is in the ON state. First, oxygen in the first measurement chamber 20 is pumped into the porous electrode 6c side of the Vs cell 6 by flowing a constant minute current iCP to the Vs cell 6 via the resistor R2. This porous electrode 6c is
The closed space in the porous electrode 6c has a constant oxygen concentration due to the passage of the minute current iCP because it is closed by the solid electrolyte layer 22 and communicates with the porous electrode 6b through the leak resistance portion 6f. , Functions as an internal oxygen reference source.

【0041】またこのようにVsセル6の多孔質電極6
c側が内部酸素基準源として機能するとVsセル6に
は、第1測定室20内の酸素濃度と内部酸素基準源側の
酸素濃度との比に応じた起電力が発生し、多孔質電極6
c側電圧Vsは、第1測定室20から第2測定室26に
流れ込む被測定ガス中の酸素濃度に応じた電圧となる。
そしてこの電圧は、差動増幅器AMPに入力されること
から、差動増幅器AMPからは、基準電圧VCOとその入
力電圧との偏差(VCO−入力電圧)に応じた電圧が出力
され、この出力電圧が第1ポンプセル4の多孔質電極4
bに印加される。
As described above, the porous electrode 6 of the Vs cell 6
When the c side functions as an internal oxygen reference source, an electromotive force is generated in the Vs cell 6 according to the ratio of the oxygen concentration in the first measurement chamber 20 to the oxygen concentration on the internal oxygen reference source side, and the porous electrode 6
The c-side voltage Vs is a voltage corresponding to the oxygen concentration in the gas to be measured flowing from the first measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26.
Since this voltage is input to the differential amplifier AMP, the differential amplifier AMP outputs a voltage corresponding to a deviation (VCO−input voltage) between the reference voltage VCO and the input voltage. Is the porous electrode 4 of the first pump cell 4
b.

【0042】この結果、第1ポンプセル4には、電流
(第1ポンプ電流)IP1が流れ、この第1ポンプ電流I
P1により、Vsセル6に発生した起電力が一定電圧とな
るように制御される。つまり、この制御部40aは、第
2拡散律速層としての拡散律速層6d,22dを介して
第1測定室20から第2測定室26に流入する酸素量が
所定量となるように、第1測定室20から外部に酸素を
汲み出す制御を実行する。
As a result, a current (first pump current) IP1 flows through the first pump cell 4, and the first pump current
By P1, the electromotive force generated in the Vs cell 6 is controlled to be constant. That is, the control unit 40a performs the first control so that the amount of oxygen flowing from the first measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26 via the diffusion control layers 6d and 22d as the second diffusion control layer becomes a predetermined amount. Control for pumping out oxygen from the measurement chamber 20 to the outside is executed.

【0043】なお、本実施例では、第1測定室20から
第2測定室26への酸素の流入量を充分(理論的には1
-9atm 程度になるまで)低減するために、第1ポンプ
セル4には、第1測定室20内のNOx成分が分解する
程度にまで電流を流すようにされており、この電流(換
言すれば第1測定室20から第2測定室26へ流れ込む
酸素量)を決定する基準電圧VCOには、450mV程度
の値が設定されている。但し、この基準電圧VCOとして
は、必ずしも450mVに設定する必要はなく、350
mV〜450mVの範囲内であればよい。
In this embodiment, the amount of oxygen flowing from the first measuring chamber 20 to the second measuring chamber 26 is sufficient (theoretically, 1).
In order to reduce the current (to about 0 -9 atm), the first pump cell 4 is caused to flow an electric current to such an extent that the NOx component in the first measuring chamber 20 is decomposed. For example, a value of about 450 mV is set as the reference voltage VCO for determining the amount of oxygen flowing from the first measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26). However, it is not always necessary to set the reference voltage VCO to 450 mV,
It suffices if it is within the range of mV to 450 mV.

【0044】次に、駆動回路40には、上記制御部40
aに加えて、開閉スイッチSW2を介してVsセル6の
多孔質電極6cに接続され、多孔質電極6b−6c間に
上記微小電流iCPとは逆方向に定電流を流す定電流回路
40bと、開閉スイッチSW3を介してVsセル6の多
孔質電極6cに接続され、多孔質電極6b−6c間に上
記微小電流iCPと同方向に定電流を流す定電流回路40
cとが備えられている。
Next, the drive circuit 40 includes the control unit 40
a constant current circuit 40b connected to the porous electrode 6c of the Vs cell 6 via the open / close switch SW2 and flowing a constant current between the porous electrodes 6b-6c in a direction opposite to the minute current iCP; A constant current circuit 40 which is connected to the porous electrode 6c of the Vs cell 6 via the open / close switch SW3, and allows a constant current to flow between the porous electrodes 6b-6c in the same direction as the minute current iCP.
c is provided.

【0045】これら各定電流回路40b,40cは、V
sセル6の内部抵抗RVSを検出するためのものである。
そして、この定電流の通電によりVsセル6の内部抵抗
RVSをECU50側で検出できるようにするために、多
孔質電極6c側電圧VsはECU50に入力される。な
お、各定電流回路40b,40cが流す定電流は、電流
方向が異なるだけで同じ電流値に設定されている。そし
て、この電流値は、抵抗器R2を介してVsセル6に供
給される微小電流iCPよりも大きい。
Each of these constant current circuits 40b and 40c
This is for detecting the internal resistance RVS of the s cell 6.
Then, the voltage Vs on the porous electrode 6c side is input to the ECU 50 so that the internal resistance RVS of the Vs cell 6 can be detected by the ECU 50 by applying the constant current. The constant currents flowing through the constant current circuits 40b and 40c are set to the same current value except for the direction of the current. This current value is larger than the minute current iCP supplied to the Vs cell 6 via the resistor R2.

【0046】また、制御部40a,定電流回路40b及
び40cと、Vsセル6の多孔質電極6cとの間に夫々
設けられた開閉スイッチSW1〜SW3は、ECU50
からの制御信号によりオン・オフされ、NOx濃度の検
出動作を行なう通常時には、開閉スイッチSW1のみが
オン状態となって制御部40aが動作し、Vsセル6の
内部抵抗RVSを検出する場合にのみ、開閉スイッチSW
1がオフ状態となって、開閉スイッチSW2,SW3が
順にオン状態に制御される。
The open / close switches SW1 to SW3 provided between the control unit 40a, the constant current circuits 40b and 40c, and the porous electrode 6c of the Vs cell 6, respectively, are connected to the ECU 50.
In the normal state where the operation is performed by the control signal from the controller and the detection operation of the NOx concentration is performed, only the opening / closing switch SW1 is turned on and the control unit 40a operates to detect the internal resistance RVS of the Vs cell 6. , Open / close switch SW
1 is turned off, and the open / close switches SW2 and SW3 are sequentially turned on.

【0047】一方、NOxセンサ2の第2ポンプセル8
の多孔質電極8b,8c間には、上記検出回路42を構
成する定電圧印加手段としての抵抗器R3を介して、定
電圧VP2が印加される。この定電圧VP2の印加方向は、
第2ポンプセル8において多孔質電極8cから8b側に
電流が流れて、第2測定室26内の酸素が外部に汲み出
されるように、多孔質電極8c側が正極,多孔質電極8
b側が負極となるように設定されている。また、この定
電圧VP2は、第1測定室20から拡散律速層6d,22
dを介して流入してくる第2測定室26内の被測定ガス
中のNOx成分を分解して、その酸素成分を汲み出すこ
とができる電圧、例えば450mVに設定されている。
On the other hand, the second pump cell 8 of the NOx sensor 2
A constant voltage VP2 is applied between the porous electrodes 8b and 8c via a resistor R3 as a constant voltage applying means constituting the detection circuit 42. The application direction of this constant voltage VP2 is
In the second pump cell 8, the porous electrode 8c side is a positive electrode and the porous electrode 8 is so configured that an electric current flows from the porous electrode 8c to the 8b side and oxygen in the second measurement chamber 26 is pumped out.
The b side is set to be the negative electrode. The constant voltage VP2 is supplied from the first measurement chamber 20 to the diffusion-controlling layers 6d and 22d.
The voltage is set to a voltage that can decompose the NOx component in the gas to be measured in the second measurement chamber 26 flowing through d and pump out the oxygen component, for example, 450 mV.

【0048】なお、抵抗器R3は、この定電圧VP2の印
加によって第2ポンプセル8に流れる第2ポンプ電流I
P2を電圧VIP2 に変換し、第2ポンプ電流IP2の検出信
号としてECU50に入力するためのものである。この
ように構成された本実施例の窒素酸化物濃度検出装置に
おいては、駆動回路40内の開閉スイッチSW1をオン
し、開閉スイッチSW2,SW3をオフしておけば、制
御部40aの動作によって、拡散律速層(第1拡散律速
層)4dを介して流入した第1測定室20内の被測定ガ
スが拡散律速層(第2拡散律速層)6d,22dを介し
て第2測定室26に流入する際の酸素量を充分(理論的
には10-9atm 程度にまで)抑制できるため、第1ポン
プセル4に流れる第1ポンプ電流IP1及び第2ポンプセ
ル8に流れる第2ポンプ電流IP2から、正確にNOx濃
度を測定する事が出来る。即ち、ECU50側で第1ポ
ンプ電流IP1の検出信号VIP1 及び、第2ポンプ電流I
P2の検出信号VIP2 を読み込み、所定の演算処理を実行
することにより、この検出信号VIP1 (換言すれば第1
ポンプ電流IP1)及び検出信号VIP2 (換言すれば第2
ポンプ電流IP2)から被測定ガス中のNOx濃度を検出
することができる。
The resistor R3 applies a second pump current I flowing through the second pump cell 8 by applying the constant voltage VP2.
This is for converting P2 into a voltage VIP2 and inputting it to the ECU 50 as a detection signal of the second pump current IP2. In the nitrogen oxide concentration detection device of this embodiment configured as described above, if the open / close switch SW1 in the drive circuit 40 is turned on and the open / close switches SW2 and SW3 are turned off, the operation of the control unit 40a causes The gas to be measured in the first measurement chamber 20 flowing through the diffusion-controlled layer (first diffusion-controlled layer) 4d flows into the second measurement chamber 26 through the diffusion-controlled layer (second diffusion-controlled layer) 6d and 22d. Since the amount of oxygen at the time of cleaning can be sufficiently suppressed (theoretically to about 10 −9 atm), the first pump current IP1 flowing through the first pump cell 4 and the second pump current IP2 flowing through the second pump cell 8 can be accurately determined. And the NOx concentration can be measured. That is, the detection signal VIP1 of the first pump current IP1 and the second pump current I
By reading the detection signal VIP2 of P2 and executing predetermined arithmetic processing, the detection signal VIP1 (in other words, the first
The pump current IP1) and the detection signal VIP2 (in other words, the second
The NOx concentration in the gas to be measured can be detected from the pump current IP2).

【0049】ところで、NOx濃度の検出精度を確保す
るには、上記各セル4,6,8の温度、特に第1測定室
20内の酸素濃度を検出するVsセル6の温度を、一定
に制御する必要があり、このためには、ヒータ通電回路
44から各ヒータ12,14への通電電流量を、Vsセ
ル6の温度が目標温度となるように制御する必要があ
る。そこで、ECU50は、通常は開閉スイッチSW1
をオンし、開閉スイッチSW2,SW3をオフして、第
1ポンプ電流IP1の検出信号VIP1 及び、第2ポンプ電
流IP2の検出信号VIP2 を読み込むことにより、被測定
ガス中のNOx濃度を検出する、NOx濃度検出処理を
実行するが、所定時間T0毎に、開閉スイッチSW1を
オフして、他の開閉スイッチSW2,SW3をオン・オ
フすることにより、Vsセル6の内部抵抗RVSからセン
サ温度を検出し、その温度が目標温度(例えば850
℃)となるように、ヒータ通電回路44からヒータ1
2,14への通電量を制御するヒータ通電制御処理も実
行する。
To ensure the detection accuracy of the NOx concentration, the temperature of each of the cells 4, 6 and 8, particularly the temperature of the Vs cell 6 for detecting the oxygen concentration in the first measurement chamber 20, is controlled to be constant. For this purpose, it is necessary to control the amount of current supplied from the heater power supply circuit 44 to each of the heaters 12 and 14 so that the temperature of the Vs cell 6 becomes the target temperature. Therefore, the ECU 50 normally operates the open / close switch SW1
Is turned on, the on / off switches SW2 and SW3 are turned off, and the detection signal VIP1 of the first pump current IP1 and the detection signal VIP2 of the second pump current IP2 are read to detect the NOx concentration in the gas to be measured. The NOx concentration detection process is executed. At a predetermined time T0, the switch temperature is detected from the internal resistance RVS of the Vs cell 6 by turning off the open / close switch SW1 and turning on / off the other open / close switches SW2 and SW3. And the temperature reaches a target temperature (for example, 850).
° C) from the heater energizing circuit 44
A heater energization control process for controlling the amount of energization to the heaters 2 and 14 is also executed.

【0050】即ち、図3に示す如く、ECU50は、こ
のヒータ通電制御処理を開始すると(時点t1)、ま
ず、Vsセル6の多孔質電極6c側電圧Vsを読み込む
と共に、開閉スイッチSW1をオフ、開閉スイッチSW
2をオンすることにより、Vsセル6に微小電流iCPと
は逆方向に定電流を流し、その後、一定時間T1(例え
ば60μsec.)が経過した時点t2で、再度、Vsセル
6の多孔質電極6c側電圧Vsを読み込む。また、制御
開始後、所定時間T2(例えば100μsec.)が経過し
た時点t3で、開閉スイッチSW2をオフ、開閉スイッ
チSW3をオンして、Vsセル6に微小電流iCPと同方
向(つまり第1測定室20内の酸素を閉塞空間側に汲み
込む方向)に定電流を流す。そして、制御開始後、所定
時間T3(例えば200μsec.)が経過した時点t4に
て、開閉スイッチSW3をオフし、更に、制御開始後、
所定時間T4(例えば500μsec.)が経過すると、開
閉スイッチSW1をオンして、NOx濃度検出処理に戻
る。
That is, as shown in FIG. 3, when starting the heater energization control process (time t1), the ECU 50 first reads the voltage Vs on the porous electrode 6c side of the Vs cell 6, and turns off the open / close switch SW1. Open / close switch SW
2, a constant current is applied to the Vs cell 6 in a direction opposite to the small current iCP, and then at a time t2 after a lapse of a predetermined time T1 (for example, 60 μsec.), The porous electrode of the Vs cell 6 is again turned on. 6c side voltage Vs is read. Further, at the time point t3 when a predetermined time T2 (for example, 100 μsec.) Has elapsed after the start of the control, the open / close switch SW2 is turned off and the open / close switch SW3 is turned on, so that the Vs cell 6 has the same direction as the minute current iCP (ie A constant current is supplied in a direction in which oxygen in the chamber 20 is pumped into the closed space side. Then, at the time t4 when a predetermined time T3 (for example, 200 μsec.) Has elapsed after the start of the control, the open / close switch SW3 is turned off.
After a lapse of a predetermined time T4 (for example, 500 μsec.), The open / close switch SW1 is turned on, and the process returns to the NOx concentration detection process.

【0051】また、このヒータ通電制御処理の実行中、
ECU50は、時点t1及び時点t2で夫々検出した多
孔質電極6c側電圧Vsの偏差△VsからVsセル6の
内部抵抗RVSを算出し、この内部抵抗RVSが目標値とな
るようにヒータ通電回路44からヒータ12,14に供
給する電流量を制御する。この結果、ヒータ12,14
への通電電流量は、Vsセル6の内部抵抗RVS(延いて
はセンサ温度)が一定となるように制御されることにな
り、NOxセンサ2は目標温度に保持される。
Also, during execution of the heater energization control process,
The ECU 50 calculates the internal resistance RVS of the Vs cell 6 from the deviation ΔVs of the porous electrode 6c side voltage Vs detected at the time t1 and the time t2, respectively, and sets the heater energizing circuit 44 so that the internal resistance RVS becomes a target value. Controls the amount of current supplied to the heaters 12 and 14 from. As a result, the heaters 12, 14
Is controlled so that the internal resistance RVS (and, consequently, the sensor temperature) of the Vs cell 6 becomes constant, and the NOx sensor 2 is maintained at the target temperature.

【0052】以上説明したように、本実施例の窒素酸化
物濃度検出装置においては、Vsセル6を構成する第1
ポンプセル4側の多孔質電極6bを、拡散律速層6d周
縁の極狭い範囲内にのみ形成することにより、Vsセル
6にて第1測定室20から第2測定室26に流入する酸
素量を正確に検出できるようにし、NOx濃度の検出時
には、Vsセンサ6からの出力電圧が基準電圧VCOとな
って、第1測定室20から第2測定室26への酸素の流
入量が所定値となるように、第1ポンプ電流IP1を制御
する。
As described above, in the nitrogen oxide concentration detecting apparatus of the present embodiment, the first
By forming the porous electrode 6b on the side of the pump cell 4 only within a very narrow range around the diffusion-controlling layer 6d, the amount of oxygen flowing from the first measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26 in the Vs cell 6 can be accurately determined. When the NOx concentration is detected, the output voltage from the Vs sensor 6 becomes the reference voltage VCO, and the amount of oxygen flowing from the first measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26 becomes a predetermined value. Next, the first pump current IP1 is controlled.

【0053】従って、本実施例によれば、第1ポンプ電
流IP1及び第2ポンプ電流IP2からNOx濃度を正確に
検出できるようになる。ここで、上記実施例では、拡散
律速層(第1拡散律速層)4dを、第1ポンプセル4を
構成する電極4b,4cの中央に形成することにより、
ヒータ12(詳しくはヒータ配線12bの中央)に対向
させたが、例えば、図4,図5に示す如く、第1測定室
20を構成する固体電解質層18に、第1拡散律速層と
しての拡散律速層20a,20bを形成することによ
り、被測定ガスをNOxセンサ2の側面から取り込むよ
うに構成してもよい。
Therefore, according to the present embodiment, the NOx concentration can be accurately detected from the first pump current IP1 and the second pump current IP2. Here, in the above embodiment, the diffusion-controlling layer (first diffusion-controlling layer) 4 d is formed at the center of the electrodes 4 b and 4 c constituting the first pump cell 4,
Although opposed to the heater 12 (specifically, the center of the heater wiring 12b), for example, as shown in FIGS. 4 and 5, the solid electrolyte layer 18 forming the first measurement chamber 20 is diffused as a first diffusion-controlling layer. The gas to be measured may be taken in from the side surface of the NOx sensor 2 by forming the rate controlling layers 20a and 20b.

【0054】また、上記実施例では、Vsセル6にて第
1測定室20から第2測定室26に流入する酸素量を正
確に検出できるようにするために、Vsセル6を構成す
る第1ポンプセル4側の多孔質電極6bを、拡散律速層
6dの周縁に形成したが、この多孔質電極6bは、例え
ば、図6に示す如く、拡散律速層6dの上に形成しても
よく、或いは、図7に示す如く、拡散律速層6dと第1
測定室20を構成する各固体電解質層6aとの間に形成
してもよい。
Further, in the above embodiment, the first Vs cell 6 is constituted so that the Vs cell 6 can accurately detect the amount of oxygen flowing from the first measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26. Although the porous electrode 6b on the pump cell 4 side is formed on the periphery of the diffusion-controlling layer 6d, the porous electrode 6b may be formed on the diffusion-controlling layer 6d, for example, as shown in FIG. As shown in FIG. 7, the diffusion-controlling layer 6d and the first
You may form between each solid electrolyte layer 6a which comprises the measurement chamber 20.

【0055】但し、多孔質電極6bを拡散律速層6dの
上(第1測定室20側上面)に形成する場合には、電極
6b−6c間に第2測定室26に流入する酸素量に対応
した電圧を発生させるために、拡散律速層6dを、被測
定ガスを拡散律速可能な多孔質の固体電解質(ジルコニ
ア等)で構成する必要はある。
However, when the porous electrode 6b is formed on the diffusion-controlling layer 6d (the upper surface on the first measuring chamber 20 side), the porous electrode 6b corresponds to the amount of oxygen flowing into the second measuring chamber 26 between the electrodes 6b and 6c. In order to generate such a voltage, the diffusion-controlling layer 6d needs to be formed of a porous solid electrolyte (such as zirconia) capable of controlling the diffusion of the gas to be measured.

【0056】なお、図4〜図7に示したNOxセンサ
は、上記説明箇所以外は、図1及び図2にしたNOxセ
ンサ2と同様の構成をしているので、詳細な説明は省略
する。次に、Vsセル6の多孔質電極6bを、拡散律速
層6d周縁に形成するか、或いは拡散律速層6dの上に
形成することにより、NOx濃度の検出精度がどの程度
改善されるかを測定した実験結果について説明する。
The NOx sensor shown in FIGS. 4 to 7 has the same configuration as that of the NOx sensor 2 shown in FIGS. 1 and 2 except for the above-described parts, and thus a detailed description is omitted. Next, it is measured how much the detection accuracy of the NOx concentration is improved by forming the porous electrode 6b of the Vs cell 6 on the periphery of the diffusion-controlling layer 6d or on the diffusion-controlling layer 6d. The following describes the results of the experiment.

【0057】尚、この実験には、図1,図2に示した第
1実施例のNOxセンサ(つまり、第1拡散律速層をヒ
ータ12に対向させたNOxセンサ)と、図4,図5に
示した第2実施例のNOxセンサ(つまり、第1拡散律
速層をセンサの側面に設けたNOxセンサ)との2タイ
プのNOxセンサを用いた。また、実験は、これら各タ
イプのNOxセンサ毎に、多孔質電極6bの大きさ(直
径)を、2mm,1mmとしたセンサと、更に、多孔質
電極6bを図6に示したように第2拡散律速層の上に形
成したセンサとを夫々作製し、これら各NOxセンサ
(合計6種類のNOxセンサ)を、夫々、内燃機関の排
気管に取り付け、内燃機関を加速及び減速させたとき
に、NOx濃度の検出結果(つまり第2ポンプ電流IP
2)が安定するまでの時間△Tの平均をとることにより
行った(図8参照)。
In this experiment, the NOx sensor of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 (that is, the NOx sensor in which the first diffusion-controlling layer is opposed to the heater 12) was used. And the NOx sensor of the second embodiment (that is, the NOx sensor in which the first diffusion-controlling layer is provided on the side surface of the sensor). In addition, in the experiments, the size (diameter) of the porous electrode 6b was set to 2 mm and 1 mm for each of these types of NOx sensors, and the porous electrode 6b was set to the second type as shown in FIG. When a sensor formed on the diffusion-controlling layer is manufactured, and each of these NOx sensors (a total of six types of NOx sensors) is attached to the exhaust pipe of the internal combustion engine, respectively, when the internal combustion engine is accelerated and decelerated, The detection result of the NOx concentration (that is, the second pump current IP
This was performed by averaging the time ΔT until 2) became stable (see FIG. 8).

【0058】その結果、下記の[表1]に示す如く、い
ずれのタイプのNOxセンサにおいても、多孔質電極6
bを拡散律速層6dの周縁に形成する場合には、多孔質
電極6bを小さくするほど、被測定ガスの過渡変化(こ
の場合、温度・酸素濃度が共に変化する)に対して、N
Ox濃度が安定するまでの時間△Tが短くなり、多孔質
電極6bを拡散律速層6dの周縁に形成するよりも、拡
散律速層6dの上に直接形成した方が、NOx濃度が安
定する時間△Tを短くできることがわかった。これは、
多孔質電極6dを拡散律速層6dに近づけるほど、第1
測定室20から第2測定室26に流入する酸素量を正確
に検出でき、第1ポンプ電流と第2ポンプ電流の2値とが
NOx濃度の関係が簡単になり、精度が向上したためで
ある。
As a result, as shown in Table 1 below, the porous electrode 6 was used in any type of NOx sensor.
When b is formed on the periphery of the diffusion-controlling layer 6d, the smaller the porous electrode 6b is, the smaller the N changes with respect to the transient change of the gas to be measured (in this case, both the temperature and the oxygen concentration change).
The time ΔT required to stabilize the Ox concentration becomes shorter, and the time when the porous electrode 6b is formed directly on the diffusion-controlling layer 6d is more stable than when the porous electrode 6b is formed on the periphery of the diffusion-controlling layer 6d. It was found that ΔT could be shortened. this is,
The closer the porous electrode 6d is to the diffusion-controlling layer 6d, the more the first
This is because the amount of oxygen flowing from the measurement chamber 20 to the second measurement chamber 26 can be accurately detected, and the relationship between the two values of the first pump current and the second pump current is simplified, and the accuracy is improved.

【0059】また、第1拡散律速層は、第2実施例のN
Oxセンサのようにセンサの側面に設けるよりも、第1
実施例のNOxセンサのようにヒータ12に対向させる
方が、被測定ガスの過渡変化に対してNOx濃度が安定
するまでの時間△Tを短くできることがわかった。これ
は、第1拡散律速層をヒータ12に対向させれば、第1
測定室20に流入する被測定ガスをヒータ12により加
熱することができ、被測定ガスの温度変化がNOx濃度
の検出結果に影響を受ける割合を小さくできるためであ
る。
Further, the first diffusion-controlling layer is formed by the N diffusion layer of the second embodiment.
Rather than being provided on the side of the sensor like an Ox sensor,
It was found that facing the heater 12 like the NOx sensor of the embodiment can shorten the time ΔT until the NOx concentration stabilizes with respect to the transient change of the gas to be measured. This is because if the first diffusion-controlling layer faces the heater 12, the first
This is because the gas to be measured flowing into the measurement chamber 20 can be heated by the heater 12, and the rate at which the temperature change of the gas to be measured is affected by the detection result of the NOx concentration can be reduced.

【0060】[0060]

【表1】 [Table 1]

【0061】なお、上記実験に使用した第1実施例のN
Oxセンサの各部の寸法は、図9(a)に示すように、
第1ポンプセル4,Vsセル6,第2ポンプセル8,第
1測定室20,拡散律速層22d,第2測定室26を構
成する各固体電解質層4a,6a,8a,18,22,
24とヒータ12,14の厚みAが、夫々、0.25m
mであり、ヒータ12,14と第1,第2ポンプセル
4,8との間隙を決定するスペーサ28,29の厚みB
が0.1mmである。従って、ヒータ12,14を除く
NOxセンサ本体部の厚みDは1.5mm、拡散律速層
6d,22dからなる第2拡散律速層の厚みCが0.5
mmである。
Note that N in the first embodiment used in the above experiment was used.
The dimensions of each part of the Ox sensor are as shown in FIG.
The first pump cell 4, the Vs cell 6, the second pump cell 8, the first measuring chamber 20, the diffusion-controlling layer 22d, and the solid electrolyte layers 4a, 6a, 8a, 18, 22,
24 and the thickness A of the heaters 12 and 14 are each 0.25 m.
m, and the thickness B of the spacers 28, 29 for determining the gap between the heaters 12, 14 and the first and second pump cells 4, 8.
Is 0.1 mm. Therefore, the thickness D of the NOx sensor main body excluding the heaters 12 and 14 is 1.5 mm, and the thickness C of the second diffusion control layer composed of the diffusion control layers 6d and 22d is 0.5.
mm.

【0062】また、第1及び第2拡散律速層を構成する
各拡散律速層4d,6d,22dの直径は、0.5mm
であり、第1測定室20及び第2測定室26のNOxセ
ンサ短手方向の幅Fは、2.5mm、NOxセンサの幅
Gは、3.5mmである。また、図9(b)に示すよう
に、拡散律速層(第1拡散律速層)4dの周囲に形成さ
れる多孔質電極4b,4cの幅Iは、2.4mmであ
り、センサ長手方向の長さHは、3.0mmである。ま
た、図9(c)に示すように、固体電解質層18に穿設
されて第1測定室20を形成する矩形状の孔は、センサ
の上端からK(K=0.5mm)、左右側面よりJ(J
=0.5mm)の位置に形成し、多孔質電極6bを拡散
律速層6dの周縁に形成する場合には、その直径Lが2
mm,1mmとなるように形成した。また、多孔質電極
6bを拡散律速層6dの上に形成する場合には、多孔質
電極6bの直径を0.4mmとした。
The diameter of each of the diffusion-controlling layers 4d, 6d, 22d constituting the first and second diffusion-controlling layers is 0.5 mm.
The width F of the first measurement chamber 20 and the second measurement chamber 26 in the lateral direction of the NOx sensor is 2.5 mm, and the width G of the NOx sensor is 3.5 mm. Further, as shown in FIG. 9B, the width I of the porous electrodes 4b and 4c formed around the diffusion-controlling layer (first diffusion-controlling layer) 4d is 2.4 mm, and is in the sensor longitudinal direction. The length H is 3.0 mm. Further, as shown in FIG. 9C, the rectangular hole formed in the solid electrolyte layer 18 to form the first measurement chamber 20 is K (K = 0.5 mm) from the upper end of the sensor, and the left and right sides. J (J
= 0.5 mm), and when the porous electrode 6b is formed on the periphery of the diffusion-controlling layer 6d, the diameter L is 2 mm.
mm and 1 mm. When the porous electrode 6b was formed on the diffusion-controlling layer 6d, the diameter of the porous electrode 6b was 0.4 mm.

【0063】また、第2実施例のNOxセンサに関して
は、センサの側面に形成される拡散律速層(第1拡散律
速層)20a,20bのセンサ長手方向に沿った長さ
を、1mmとし、第1ポンプセルを構成する多孔質電極
4b,4cは、2.4mm×3.0mmの寸法で、中空
部を形成することなく全面に形成した。そして、これ以
外の寸法は、第1実施例のNOxセンサと全く同様にし
た。
In the NOx sensor according to the second embodiment, the length of the diffusion-controlling layers (first diffusion-controlling layers) 20a and 20b formed on the side surface of the sensor along the sensor longitudinal direction is set to 1 mm. The porous electrodes 4b and 4c that constitute one pump cell were 2.4 mm × 3.0 mm in size and formed over the entire surface without forming a hollow portion. The other dimensions were exactly the same as those of the NOx sensor of the first embodiment.

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

【図1】 実施例のNOxセンサの構成を表わす分解斜
視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a configuration of a NOx sensor according to an embodiment.

【図2】 実施例の窒素酸化物濃度検出装置全体の構成
を表わす概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating a configuration of an entire nitrogen oxide concentration detection device according to an embodiment.

【図3】 実施例のECUにおいてセンサ温度を制御す
るために実行されるヒータ通電制御処理の動作を表すタ
イムチャートである。
FIG. 3 is a time chart illustrating an operation of a heater energization control process executed to control a sensor temperature in the ECU of the embodiment.

【図4】 第1拡散制限層をセンサの側面に設けたNO
xセンサの構成を表す分解斜視図である。
FIG. 4 shows a NO having a first diffusion limiting layer provided on a side surface of a sensor.
FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a configuration of an x sensor.

【図5】 図4に示したNOxセンサの電極配置を表す
断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an electrode arrangement of the NOx sensor shown in FIG.

【図6】 Vsセルを構成する第1測定室側の電極を第
2拡散層の上に形成したNOxセンサの電極配置を表す
断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an electrode arrangement of a NOx sensor in which an electrode on a first measurement chamber side constituting a Vs cell is formed on a second diffusion layer.

【図7】 Vsセルを構成する第1測定室側の電極を第
2拡散層と固体電解質層との間に形成したNOxセンサ
の電極配置を表す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an electrode arrangement of a NOx sensor in which an electrode on a first measurement chamber side constituting a Vs cell is formed between a second diffusion layer and a solid electrolyte layer.

【図8】 被測定ガスの過渡変化に対する第1ポンプ電
流と第2ポンプ電流の変化を表すタイムチャートであ
る。
FIG. 8 is a time chart showing changes of a first pump current and a second pump current with respect to a transient change of a gas to be measured.

【図9】 実験に使用したNOxセンサの各部の寸法を
説明する説明図である。
FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating dimensions of each part of the NOx sensor used in the experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2…NOxセンサ(窒素酸化物濃度検出器) 4…第1ポンプセル(第1酸素ポンピングセル) 6…Vsセル(酸素濃度測定セル) 8…第2ポンプセル(第2酸素ポンピングセル) 1
2,14…ヒータ 4a,6a,8a,18,22,24…固体電解質層 4b,4c,6b,6c,8b,8c…多孔質電極 4d,20a,20b…拡散律速層(第1拡散律速層) 6d,22d…拡散律速層(第2拡散律速層) 6e
…絶縁膜 6f…漏出抵抗部 12a,12c,14a,14c
…ヒータ基板 12b,14b…ヒータ配線 20…第1測定室
26…第2測定室
2 NOx sensor (nitrogen oxide concentration detector) 4 1st pump cell (first oxygen pumping cell) 6 Vs cell (oxygen concentration measuring cell) 8 2nd pump cell (second oxygen pumping cell) 1
2, 14 ... heaters 4a, 6a, 8a, 18, 22, 24 ... solid electrolyte layers 4b, 4c, 6b, 6c, 8b, 8c ... porous electrodes 4d, 20a, 20b ... diffusion control layers (first diffusion control layers) 6d, 22d... Diffusion controlling layer (second diffusion controlling layer) 6e
... insulating film 6f ... leakage resistance parts 12a, 12c, 14a, 14c
... heater boards 12b and 14b ... heater wiring 20 ... first measurement chamber
26 ... second measurement room

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 昇 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Noboru Ishida 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Inside Japan Specialty Ceramics Co., Ltd. No. 18 Japan Special Ceramics Co., Ltd.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔
質の電極で挟んでなる第1酸素ポンピングセル及び酸素
濃度測定セルを有し、第1拡散律速層を介して被測定ガ
ス側に連通された第1測定室と、 酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔質の電極で挟ん
でなる第2酸素ポンピングセルを有し、第2拡散律速層
を介して前記第1測定室と連通された第2測定室と、を
備え、 前記酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように
前記第1酸素ポンピングセルにて前記第1測定室から酸
素を汲み出すと共に、前記第2酸素ポンピングセルに前
記第2測定室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加
することにより、該第1酸素ポンピングセルに流れる電
流及び該第2酸素ポンピングセルに流れる電流から被測
定ガス中の窒素酸化物を検出する窒素酸化物濃度検出器
において、 前記酸素濃度測定セルを、前記第1測定室内の酸素分布
に影響されることなく、前記第1測定室から前記第1拡
散律速層を通って前記第2測定室側に流れる被測定ガス
の酸素量を検出可能な位置に配置したことを特徴とする
窒素酸化物濃度検出器。
A first oxygen pumping cell and an oxygen concentration measuring cell in which an oxygen ion conductive solid electrolyte layer is sandwiched between porous electrodes, and the first oxygen pumping cell and the oxygen concentration measuring cell communicate with the gas to be measured via the first diffusion-controlling layer. And a second oxygen pumping cell in which an oxygen ion-conductive solid electrolyte layer is sandwiched between porous electrodes, and is connected to the first measurement chamber via a second diffusion-controlling layer. A second measurement chamber, wherein oxygen is pumped from the first measurement chamber by the first oxygen pumping cell so that the output voltage of the oxygen concentration measurement cell becomes a constant value, and the second oxygen pumping is performed. By applying a constant voltage to the cell in a direction in which oxygen is pumped from the second measurement chamber, the nitrogen oxides in the gas to be measured can be calculated from the current flowing in the first oxygen pumping cell and the current flowing in the second oxygen pumping cell. Detect In the elemental oxide concentration detector, the oxygen concentration measurement cell is passed through the first diffusion-controlling layer from the first measurement room without being affected by the oxygen distribution in the first measurement room. A nitrogen oxide concentration detector which is arranged at a position where the amount of oxygen of the gas to be measured flowing to the side can be detected.
【請求項2】 前記第1酸素ポンピングセル,酸素濃度
測定セル,及び第2酸素ポンピングセルを、夫々、互い
に異なる薄板状の固体電解質層に形成し、該各固体電解
質層を、前記第1及び第2酸素ポンピングセルを形成し
た固体電解質層を外側にして、所定の間隙を介して積層
することにより、該間隙にて前記第1測定室及び第2測
定室を構成すると共に、 前記各固体電解質層の積層方向両側に、所定の間隙を介
して、加熱用のヒータを備えた薄板状のヒータ基板を夫
々配置し、 更に、前記第1酸素ポンピングセルが形成された固体電
解質層の、前記ヒータ基板に形成されたヒータの中央部
との対向位置に、前記第1拡散律速層を形成してなるこ
とを特徴とする請求項1に記載の窒素酸化物濃度検出
器。
2. The first oxygen pumping cell, the oxygen concentration measuring cell, and the second oxygen pumping cell are respectively formed on mutually different thin plate-shaped solid electrolyte layers, and each of the solid electrolyte layers is formed by the first and second solid electrolyte layers. The first and second measurement chambers are formed in the gap by laminating the solid electrolyte layer forming the second oxygen pumping cell on the outside with a predetermined gap between the solid electrolyte layers. A thin plate-like heater substrate provided with a heater for heating is disposed on both sides in the stacking direction of the layers with a predetermined gap therebetween, and the heater of the solid electrolyte layer in which the first oxygen pumping cell is formed is further provided. The nitrogen oxide concentration detector according to claim 1, wherein the first diffusion-controlling layer is formed at a position facing a central portion of a heater formed on a substrate.
【請求項3】 前記第2拡散律速層を、当該窒素酸化物
濃度検出器を前記積層方向から投影したときに前記第1
拡散律速層の少なくとも一部と重なるように形成してな
ることを特徴とする請求項2に記載の窒素酸化物濃度検
出器。
3. The method according to claim 1, wherein the second diffusion-controlling layer is formed by projecting the nitrogen oxide concentration detector from the stacking direction.
The nitrogen oxide concentration detector according to claim 2, wherein the nitrogen oxide concentration detector is formed so as to overlap at least a part of the diffusion-controlling layer.
【請求項4】 前記酸素濃度測定セルを、前記第2拡散
律速層の周縁に形成したことを特徴とする請求項1〜請
求項3いずれか記載の窒素酸化物濃度検出器。
4. The nitrogen oxide concentration detector according to claim 1, wherein said oxygen concentration measurement cell is formed on a periphery of said second diffusion-controlling layer.
【請求項5】 前記第2拡散律速層を、被測定ガスを拡
散律速可能な多孔質の固体電解質層にて構成し、前記酸
素濃度測定セルの前記第1測定室側電極を該第2拡散律
速層の上に形成したことを特徴とする請求項4に記載の
窒素酸化物濃度検出器。
5. The second diffusion-controlling layer is constituted by a porous solid electrolyte layer capable of controlling the gas to be measured by diffusion, and the first measurement chamber side electrode of the oxygen concentration measuring cell is connected to the second diffusion-controlling layer. The nitrogen oxide concentration detector according to claim 4, wherein the nitrogen oxide concentration detector is formed on a rate-controlling layer.
【請求項6】 前記酸素濃度測定セルの前記第1測定室
側電極を、前記第1測定室を構成する固体電解質層と前
記第2拡散律速層との間に形成したことを特徴とする請
求項4に記載の窒素酸化物濃度検出器。
6. The first measuring chamber side electrode of the oxygen concentration measuring cell is formed between a solid electrolyte layer constituting the first measuring chamber and the second diffusion-controlling layer. Item 6. A nitrogen oxide concentration detector according to Item 4.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008170341A (en) * 2007-01-12 2008-07-24 Ngk Spark Plug Co Ltd Gas sensor element
JP2015200642A (en) * 2014-03-31 2015-11-12 日本碍子株式会社 Sensor element and gas sensor

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