JP2000088800A

JP2000088800A - ガス検出装置

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Publication number: JP2000088800A
Application number: JP10279390A
Authority: JP
Inventors: Keigo Mizutani; 圭吾水谷; Tomio Sugiyama; 富夫杉山
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-09-14
Filing date: 1998-09-14
Publication date: 2000-03-31
Anticipated expiration: 2018-09-14
Also published as: JP4148572B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高いガス検出感度および応答性が得られ、検
出精度の良好なガス検出装置を提供する。【解決手段】酸素ポンプセル４の電極４１、４２に所
定の電圧を印加し、このときに流れる電流より大きい所
定の電流を、Ｈ₂Ｏ分解セル２に流して、第１室内に一
定量のＨ₂を発生させる。ＮＯｘ検知セル３の電極３
１、３２の間に発生する起電力は、第１室５１内のＨ₂
量に対応し、ＮＯｘ活性な電極３１上で、ＮＯｘとＨ₂
が反応すると、平衡酸素濃度が増加して起電力が減少す
る。よって、この起電力の変化量を測定することでＮＯ
ｘ濃度を精度よく検出でき、感度および応答性も良好で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定ガス中の特
定ガス成分濃度を測定するためのガス検出装置、特に内
燃機関の排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出するのに適
したガス検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】車両等の内燃機関から排出される排気エ
ミッションを低減するために、従来より、三元触媒を用
いた排ガス浄化システムが採用されている。このシステ
ムは、空燃比を理論空燃比近傍にフィードバック制御す
るとともに、排気系に設置した三元触媒により排気エミ
ッション成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）を除去するもので
ある。また、近年、排気エミッションの規制が強化され
てきており、米国では、排気エミッション成分関連部品
の故障、例えば、三元触媒の劣化を検知して運転者に知
らせることを義務付ける自己診断規制（ＯＢＤ−ＩＩ）
が導入されている。

【０００３】三元触媒の劣化を検知する方法としては、
いわゆる２Ｏ₂ センサシステムが知られている。これ
は、三元触媒の上流および下流に配置した２つの酸素セ
ンサを用いるもので、その出力信号を比較することによ
り劣化を間接的に検知することができる。しかしなが
ら、近年、有害成分の排出規制がさらに強化される傾向
にあり、検出を間接的に行う２Ｏ₂ センサシステムで
は、検出精度が不十分である。このため、排気ガス中の
窒素酸化物（ＮＯｘ）等、排気エミッション成分を直接
検出可能なガス検出装置の開発が必要となっている。

【０００４】排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を直
接検出するガス検出装置には、例えば、特開平８−２７
１４７６号公報に記載されるような、酸素イオン導電性
の固体電解質を用いた固体電解質式のガス検出装置があ
る。かかる装置の構成を図１６に示すと、ガス検出装置
２００は、固体電解質２０１と固体電解質２０２の間に
配したスペーサ内に形成した、第一の内部空所２０３と
第二の内部空所２０４を有し、被測定ガスは第一の拡散
律速通路２０５を通じて第一の内部空所２０３に導入さ
れる。第一の内部空所２０３内の酸素濃度は、酸素セン
サセル２００Ａにより検出され、これにより検出される
酸素濃度が所定値となるように、第一のポンプセル２０
０Ｂの駆動電圧がフィードバック制御される。酸素セン
サセル２００Ａは、固体電解質２０２の表面に設けた電
極２０２ａ、２０２ｂを大気通路２０７および第一の内
部空所２０３にそれぞれ露出してなる。第一のポンプセ
ル２００Ｂは、固体電解質２０１とその両面の電極２０
１ａ、２０１ｂよりなり、電極２０１ａは被測定ガス
に、電極２０１ｂは第一の内部空所２０３に露出してい
る。

【０００５】第二の拡散律速通路２０６を通じて第一の
内部空所２０３に連通する第二の内部空所２０４には、
第二の内部空所２０４内の酸素を排出する第二のポンプ
セル２００Ｃが設けられる。第二のポンプセル２００Ｃ
は、固体電解質２０２と電極２０２ａ、２０２ｃとで構
成され、第二の内部空所２０４に露出する電極２０２ｃ
は、ＮＯｘに対して還元活性を有している。第二の内部
空所２０４では、被測定ガス中のＮＯｘが還元分解して
新たな酸素が生成し、第二のポンプセル２００Ｃを流れ
るポンプ電流が増減する。第一の内部空所２０３より第
二の内部空所２０４に拡散する被測定ガス中の酸素濃度
は一定であるから、このポンプ電流の増減はＮＯｘの還
元に基づくものであり、これを測定することでＮＯｘ濃
度を検出することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、上記構成
のガス検出装置では、ＮＯｘを電極２０２ｃで分解して
酸素を生成し、これに伴う酸素濃度の変化からＮＯｘ濃
度を検出している。しかしながら、ＮＯｘを酸素に分解
して検出するため、被測定ガス中の酸素に対する選択性
がなく、第二の内部空所２０４に拡散する被測定ガス中
の酸素濃度を一定にする必要がある。上記構成では、第
一の内部空所２０３と第二の内部空所２０４を分離する
第二の拡散律速通路２０６を設けて、被測定ガス中の酸
素濃度が一定になるようにしているが、他方で、検出感
度が小さく、応答性も十分ではないという問題が生じ
た。なお、検出感度、応答性を重視して第二の拡散律速
通路２０６を省略すると、流出入する酸素により第二の
酸素ポンプセル２００Ｃの電極近傍における酸素濃度が
変動し、検出誤差が生じることになる。このため、検出
感度および応答性と検出精度の両立が大きな課題となっ
ている。

【０００７】本発明は、上記課題を解決しようとするも
ので、その目的は、高いガス検出感度および応答性が得
られ、しかも検出精度の良好なガス検出装置を提供する
ことにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１のガス
検出装置は、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガ
ス検出装置であって、被測定ガスが拡散抵抗手段を介し
て導入される第１室と、酸素イオン導電性の固体電解質
の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電
極を上記第１室に露出させるとともに上記特定ガス成分
に対し不活性な電極で構成し、上記一対の電極に所定の
電流を流して、上記第１室内に上記特定ガス成分と反応
可能なガス成分を所定量、発生または残留させる第１ポ
ンプ部と、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する
両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第１
室に、他方の電極を基準酸素濃度ガスが存在する基準酸
素濃度ガス室に露出させるとともに、上記一方の電極を
上記特定ガス成分に対して活性な電極で構成して、上記
特定ガス成分と上記ガス成分の反応に基づく、上記一対
の電極間に発生する起電力の変化から上記特定ガス成分
濃度を測定するガス検知部とを有している。

【０００９】リーン状態の排気ガスを被測定ガスとし、
特定ガス成分としてＮＯｘを検出する場合、上記第１ポ
ンプ部の一対の電極間に上記第１室から酸素を排出する
ように所定の電流を流して、上記第１室内のＨ₂Ｏを分
解し、ＮＯｘと反応可能な一定量のＨ₂を発生させる。
排気ガスがリッチ状態の場合には、上記第１室内に酸素
を汲み入れるように所定の電流を流し、一定量の未燃ガ
スを残留させる。上記ガス検知部の一対の電極間に発生
する起電力は、上記第１室内のＨ₂または未燃ガス量に
対応し、ＮＯｘが存在すると上記一方の電極でＮＯｘと
Ｈ₂または未燃ガスが反応して平衡酸素濃度が増加する
ために、起電力が減少する。よって、起電力の変化量か
らＮＯｘ濃度を測定することができる。このように、酸
素濃度によらず、精度よいＮＯｘの検出が可能である。
また、起電力を測定する方式であるので、検出感度が高
く、応答性も良好である。

【００１０】請求項２の構成では、さらに、被測定ガス
が拡散抵抗手段を介して導入される、上記第１室と独立
な第２室と、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向す
る両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第
２室に露出させるとともに上記特定ガス成分に対し不活
性な電極で構成した第２ポンプ部を設ける。そして、上
記第２ポンプ部の一対の電極間に所定の電圧を印加した
ときに両電極間を流れる電流値を基に、上記第１ポンプ
部の一対の電極への通電量を決定する。

【００１１】例えば、上記第２ポンプ部の一対の電極間
に、Ｈ₂Ｏの分解域以下の所定の電圧を印加し、上記第
２室内の酸素を排出するように電流を流すと、酸素濃度
に比例した限界電流が流れる。よって、この電流値に一
定の電流を加えた電流を、上記第１ポンプ部に流せば、
一定量のＨ₂を発生させることができる。このように、
第２ポンプ部を流れる電流を基に上記第１ポンプ部の一
対の電極への通電量を設定することで、上記第１室内の
Ｈ₂発生量の制御が容易になり、高い検出精度が得られ
る。

【００１２】請求項３の構成では、酸素イオン導電性の
固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、そ
の一方の電極を上記第２室に、他方の電極を基準酸素濃
度ガスが存在する基準酸素濃度ガス室に露出させ、上記
一対の電極間に発生する起電力から上記第２室内の酸素
濃度を検知する酸素検知部を設ける。そして、上記起電
力が所定の値となるように、上記第２ポンプ部の一対の
電極に印加する電圧を制御することで、排気ガスがリッ
チ状態でも上記第２室内を一定酸素濃度に保持すること
ができる。この時、上記第２ポンプ部を流れる電流より
所定の値だけ小さい電流を上記第１ポンプ部に流せば、
上記第１室に一定量の未燃ガスが残ることになる。よっ
て、広い空燃比範囲での検出が可能である。

【００１３】請求項４の構成では、上記第１室内に発生
する上記ガス成分の量を測定するためのガス成分検知手
段を設ける。上記ガス成分検知手段の検知結果が一定と
なるように、第１ポンプ部への印加電圧を調整すること
で、上記第１室内に一定量の上記ガス成分を発生させる
ことができる。このように、直接、Ｈ₂等のガス成分の
発生量を検出する構成としてもよく、同様の効果が得ら
れる。

【００１４】請求項５の構成では、上記第１ポンプ部の
上記一方の電極の分極を測定するための基準極を設け
る。上記一方の電極の分極の大きさに応じて、上記第１
室内に発生する上記ガス成分の量が増加し、また、上記
基準極と上記一方の電極の間の電圧を測定することで、
分極の大きさを知ることができる。よって、上記基準極
と上記一方の電極の間の電圧が所定の値となるように、
第１ポンプ部への印加電圧を調整すれば、上記第１室内
に一定量の上記ガス成分を発生させることができる。こ
のように、分極の大きさから上記第１室内のＨ₂等の発
生量を知る構成としてもよく、同様の効果が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）の検出に適用した第１の実施の形態について、図１
〜図５により説明する。図３は窒素酸化物（ＮＯｘ）検
出装置の全体構成を示す断面図で、筒状ハウジングＨ内
に絶縁材に外周を保持せしめて本発明のガス検出装置１
が収納されている。該ガス検出装置１は細長い平板状
で、その先端部（図の下端部）は、上記ハウジングＨよ
り突出して図の下方に延び、ハウジングＨの下端に固定
される容器状の排気カバーＨ１内に位置している。上記
排気カバーＨ１は、ステンレス製の内部カバーＨ１１と
外部カバーＨ１２の二重構造となっており、これらカバ
ーＨ１１、Ｈ１２の側壁と底壁には、被測定ガスである
排気ガスを排気カバーＨ１内に取り込むための排気口Ｈ
１３、Ｈ１４がそれぞれ形成してある。

【００１６】上記ハウジングＨの上端には、筒状のメイ
ンカバーＨ２１とその後端部を被うサブカバーＨ２２か
らなる大気カバーＨ２が固定されている。これらメイン
カバーＨ２１とサブカバーＨ２２は、その側壁の対向位
置に大気口Ｈ２３、Ｈ２４をそれぞれ有して、これら大
気口Ｈ２３、Ｈ２４より基準酸素濃度ガスである大気を
大気カバーＨ２内に取り込むようになしてある。また、
上記大気口Ｈ２３、Ｈ２４の形成位置において、上記メ
インカバーＨ２１とサブカバーＨ２２の間に、防水のた
めに撥水性のフィルタＨ２５を設置してある。上記大気
カバーＨ２は、上端が開口しており、上記ガス検出装置
１の後端部に接続されるリード線Ｈ３が、この上端開口
より外部に延びている。

【００１７】図１、２は本発明のガス検出装置１の先端
部の模式的な断面図および展開図である。図において、
上記ガス検出装置１は、上から順に、固体電解質Ａと一
対の電極２１、２２からなり第１ポンプ部となるＨ₂Ｏ
分解セル２、第１室５１を形成するスペーサ５、固体電
解質Ｂと一対の電極３１、３２からなるガス検知部とし
てのＮＯｘ検知セル３、基準酸素濃度ガス室となる大気
室６１を形成するスペーサ６、各セルを加熱するための
ヒータ８、第２室７１を形成するスペーサ７、固体電解
質Ｃと一対の電極４１、４２からなり第２ポンプ部とな
る酸素ポンプセル４を積層して構成される。

【００１８】最上層の上記Ｈ₂Ｏ分解セル２は、その下
方の第１室５１内のＨ₂Ｏを分解して所定量のＨ₂を発
生させるもので、シート状に成形した酸素イオン導電性
の固体電解質Ａと、その両面の対向位置にスクリーン印
刷等により形成した一対の電極２１、２２からなる。酸
素イオン導電性の固体電解質Ａとしては、例えばイット
リア添加ジルコニア等が用いられる。上記一対の電極２
１、２２のうち、上方の電極２１は、通常の電極材料、
例えば、多孔質Ｐｔ電極等よりなり、排気ガスが存在す
る排気カバーＨ１内空間（図３）に露出している。

【００１９】上記一対の電極２１、２２のうち、下方の
電極２２は、アルミナ製のスペーサ５に設けた抜き穴５
ａ（図２）にて形成される上記第１室５１（図１）に露
出するように形成される。この電極２２は、ＮＯｘに対
しては不活性であるが、Ｏ₂に対しては活性であるよう
に、電極活性を調整してあり、具体的には、ＰｔにＡｕ
を１〜５重量％程度添加した多孔質電極が好適に用いら
れる。これにより、ＮＯｘ濃度に影響を与えることな
く、一定量のＨ₂ を発生させることができる。ＰｔにＡ
ｕを添加する方法としては、Ｐｔ粉末とＡｕ粉末を混合
したり、ＰｔとＡｕを合金化する等の方法が採られる。
あるいは、Ｐｔの粒径を大きくして表面積を小さくし活
性を低下させた電極を用いることもできる。

【００２０】上記Ｈ₂Ｏ分解セル２の上記固体電解質Ａ
および一対の電極２１、２２を貫通して、所定の大きさ
の拡散抵抗手段であるピンホール２３が形成してある。
このピンホール２３の大きさは、これを通過して上記第
１室５１に導入される排気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。また、排気ガス側の上
記電極２１およびピンホール２３を被覆して、多孔質ア
ルミナ等よりなる多孔質保護層２４が形成してあり、電
極２１の被毒やピンホール２３が排気ガスに含まれるス
ス等で目詰まりするのを防止している。

【００２１】上記固体電解質Ａの上下表面には、一対の
電極２１、２２間に所定の電流を流すためのリード２１
ａ、２２ａが形成されている。なお、上記固体電解質Ａ
の電極形成部以外、特にリード形成部においては、固体
電解質Ａとリード２１ａ、２２ａの間にアルミナ等の絶
縁層を介在させるのがよい。

【００２２】最下層の上記酸素ポンプセル４は、排気ガ
ス中の酸素濃度を測定するためのもので、シート状に成
形した酸素イオン導電性の固体電解質Ｃと、その両面の
対向位置に、スクリーン印刷等により形成した一対の電
極４１、４２からなる。酸素イオン導電性の固体電解質
Ｃとしては、例えばイットリア添加ジルコニア等が用い
られる。上記一対の電極４１、４２のうち、下方の電極
４１は、被測定ガス存在空間、すなわち図３における排
気カバーＨ１内空間に露出しており、通常の電極材料、
例えば、多孔質Ｐｔ電極等で構成される。

【００２３】上記一対の電極４１、４２のうち、上方の
電極４２は、アルミナ製のスペーサ７に設けた抜き穴７
ａ（図２）にて形成される第２室７１（図１）に露出す
るように形成してある。上記電極４２としては、上記Ｈ
₂Ｏ分解セル２の電極２２と同様の電極活性を有するも
のを用いる。具体的には、ＮＯｘに対して不活性であ
り、Ｏ₂ に対しては活性であるような電極、例えばＰｔ
にＡｕを１〜５重量％程度添加した多孔質電極が好適に
用いられる。これによりＮＯｘ濃度の影響を受けること
なく、排気ガス中の酸素濃度を測定することができる。

【００２４】上記酸素ポンプセル４の上記固体電解質Ｃ
と一対の電極４１、４２を貫通して、所定の大きさの拡
散抵抗手段であるピンホール４３が形成されている。こ
のピンホール４３の大きさは、通常、上記Ｈ₂Ｏ分解セ
ル２のピンホール２３と同じ大きさに形成され、上記第
２室７１に、上記第１室５１と同じ拡散抵抗で排気ガス
が導入されるようにすることが望ましい。また、排気ガ
ス側の上記電極４１およびピンホール４３を被覆して、
多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層４４が形成して
あり、電極４１の被毒やピンホール４３が排気ガスに含
まれるスス等で目詰まりするのを防止している。

【００２５】上記固体電解質Ｃの上下表面には、図２の
ように、上記一対の電極４１、４２に接続するリード４
１ａ、４２ａが形成されている。この場合も、上記固体
電解質Ｃの電極形成部以外、特にリード形成部におい
て、固体電解質Ｃとリード４１ａ、４２ａの間にアルミ
ナ等の絶縁層を介在させるのがよい。

【００２６】上記Ｈ₂Ｏ分解セル２の下方には、ＮＯｘ
検知セル３が配設される。ＮＯｘ検知セル３は、ＮＯｘ
とＨ₂の反応による起電力の変化からＮＯｘ濃度を検出
するもので、シート状の固体電解質３と、その両面の対
向位置にスクリーン印刷等により形成した一対の電極３
１、３２からなる。この一対の電極３１、３２のうち、
上方の電極３１は、上記第１室５１に露出するように形
成され、また、ＮＯｘに対し活性な電極で構成されてい
る。具体的には、例えば、多孔質Ｐｔ電極を用いてＮＯ
ｘに対して活性を有するように調整したものが用いられ
る。

【００２７】上記一対の電極３１、３２のうち、下方の
電極３２は、その下方の大気室６１（図１）に露出する
ように形成され、例えば、多孔質Ｐｔ電極等、通常の電
極材よりなる。大気室６１は、アルミナ等よりなるスペ
ーサ６に設けた抜き孔６ａ、６ｂ（図２）にて形成さ
れ、抜き孔６ｂはスペーサ６の右端に開口して大気カバ
ーＨ２内空間（図３）に通じている。これにより大気室
６１には基準酸素濃度ガスとなる大気が導入される。

【００２８】上記固体電解質Ｂの上下表面には、一対の
電極３１、３２に接続するリード３１ａ、３２ａが形成
されている。この場合も、上記固体電解質Ｂの電極形成
部以外、特にリード形成部において、固体電解質Ｂとリ
ード３１ａ、３２ａの間にアルミナ等の絶縁層を介在さ
せるのがよい。

【００２９】上記スペーサ６、７間に位置する上記ヒー
タ８は、アルミナ製のヒータシート８２の上面にヒータ
電極８１を形成してなる。ヒータ電極８１としては、通
常、Ｐｔ電極が用いられ、その上面にはアルミナ等から
なる絶縁層８３が形成される。上記ヒータ電極８１には
リード８１ａが接続され、該リード８１ａはヒータシー
ト８２、スペーサ７、固体電解質Ｃに設けたスルーホー
ルを通じて、センサ基部の端子まで接続される。上記酸
素ポンプセル４、Ｈ₂Ｏ分解セル２、ＮＯｘ検知セル３
の各電極のリード部も、同様にして、センサ基部の端子
に接続される。

【００３０】上記構成のガス検出装置１の作動について
図４を使って説明する。ここでは、被測定ガスである排
気ガスはリーン状態のみを想定しており、上記酸素ポン
プセル４は、排気ガスに含まれる酸素濃度を測定するた
めの限界電流式の酸素濃度センサとして作動する。排気
ガスは、ピンホール４３を通り第２室７１に導入され
る。ここで、上記一対の電極４１、４２に、排気ガス側
の上記電極４１が＋極となるようにして所定の電圧を加
えると、上記第２室７１側の上記電極４２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上記
電極４１側に排出される。

【００３１】この時の酸素ポンプセル４に加える電圧と
流れる電流の関係を図４に示す。酸素ポンプセル４に加
える電圧は、一対の電極４１、４２間を流れる電流がピ
ンホール４３で酸素の拡散が律速されるような値、いわ
ゆる限界電流となるように設定する。これを図４にＶ1
で示す。この電圧は一定でもよいが、広い酸素濃度領域
で作動させるのであれば、酸素濃度に応じて電圧を変化
させることも可能である。ここで、上記第２室７１側の
上記電極４２は、ＮＯｘに対して不活性としてあるの
で、上記第２室７１内でＮＯｘの還元による酸素は生成
しない。従って、酸素ポンプセル４には、ＮＯｘ濃度に
よらない、酸素濃度に比例した電流Ｉ1 が流れる。な
お、上記電極４２上でＨ₂ 等の未燃ガスが燃焼する際に
酸素が使用されるので、正確には、電流Ｉ1 は未燃ガス
の燃焼後に残る酸素の濃度に応じた電流となる。

【００３２】次に、上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２に、上記酸素
ポンプセル４に流れる酸素電流Ｉ1より、所定の値だけ
大きい電流Ｉ1 ＋Ｉ2 を流す。上記ピンホール４３とピ
ンホール２３は、同一の拡散抵抗に設定してあるので、
上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２に流す電流をＩ1 ＋Ｉ2 とすれ
ば、上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２の設定電圧は図４のようにＨ
₂ Ｏ分解域となり、上記電極２２で排気ガス中に多量に
含まれるＨ₂ Ｏが分解されて、Ｈ₂ を発生する。上記電
極２２は、上記電極４２と同様にＮＯｘに対して不活性
に調整してあるので、以上のような電流設定により電極
２２上では、酸素濃度、ＮＯｘ濃度、Ｈ₂ Ｏ濃度に依存
せず、一定量のＨ₂ Ｏを分解する。言い換えると一定量
のＨ₂ を内部空間５１内に発生することとなる。

【００３３】上記ＮＯｘ検知セル３の一対の電極３１、
３２の間には、両電極上の酸素濃度の違いに基づいた起
電力が発生する。電極３１上では、Ｈ₂ とＯ₂ が下記式

【化１】で示される平衡状態にあるため、ＮＯｘ検知セル３の起
電力は上記第１室５１内のＨ₂ 量に対応する。ここで、
排気ガス中にＮＯｘが含まれると、電極３１はＮＯｘに
対して活性であるので、電極３１上でＨ₂ とＮＯｘが反
応する。ＮＯｘと反応してＨ₂ が減少すると、Ｈ₂ とＯ
₂ の平衡がずれてＯ₂ 量が増加し、ＮＯｘ検知セル３の
起電力が減少する。この起電力の変化量から排気ガス中
に含まれるＮＯｘ濃度を検知することができる。

【００３４】なお、上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２で発生するＨ
₂ の量を、過剰に大きな値に設定すると、上記ＮＯｘ検
知セル３の起電力が約１Ｖで飽和してしまい、排気ガス
中に含まれるＮＯｘ濃度が変化してもＮＯｘ検知セル３
の起電力が変化しなくなるため、好ましくない。従っ
て、ＮＯｘ検知セル３の起電力の変化を十分検出可能な
ように、上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２の設定電圧を、適宜、調
整するのがよい。

【００３５】また、ピンホール２３とピンホール４３の
拡散抵抗の大きさに差があると、上記酸素ポンプセル４
と上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２で酸素の限界電流の値に差が生
じ、、上記Ｈ₂ Ｏ分解セル２で発生するＨ₂ の量が酸素
濃度に比例して変動してしまう。すると、ＮＯｘ検知セ
ル３の起電力も変動してしまい、誤差要因となるので、
この場合は、ピンホール２３とピンホール４３の拡散抵
抗の大きさの差を予め求めておき、酸素ポンプセル４で
計測する酸素濃度からセンサ出力を補正することによ
り、より精度が向上する。

【００３６】以上の原理により、本発明によれば、排気
ガス中の酸素濃度変化等の影響をうけることなく、ＮＯ
ｘ濃度を精度よく測定することができる。また、本発明
のガス検出装置によるＮＯｘの感度は図５に示すよう
に、ｍＶオーダーの比較的大きいものとなる。よって、
高いガス検出感度と高い応答性が得られ、しかも検出精
度の良好なガス検出装置を実現することができる。

【００３７】本発明の第２の実施の形態を図６、７で説
明する。上記第１の実施の形態では、各セルに対応する
３枚の固体電解質を使用したが、本実施の形態では固体
電解質を２枚としており、また、上記第１の実施の形態
の構成に加えて、上記第２室７１内の酸素濃度を検知す
るための酸素検知部たる酸素検知セル９を設けている。
図６、７において、上記酸素ポンプセル４は、上記Ｈ₂
Ｏ分解セル２と共通の固体電解質Ａと、その両面の対向
位置に形成した一対の電極４１、４２とで構成され、上
方の電極４１は排気カバーＨ１内空間（図３）に、下方
の電極４２は、スペーサ５に設けた第２室７１に露出し
ている。第２室７１は、スペーサ５内に、上記第１室５
１を構成する抜き孔５ａと独立に設けた抜き孔５ｂによ
って形成される（図７）。また、上記電極４１の表面
は、上記電極２１と共通の多孔質保護層２４で被覆され
ている。

【００３８】上記酸素検知セル９は、上記酸素ポンプセ
ル４の下方に位置し、ＮＯｘ検知セル３と共通な固体電
解質Ｂと、その両面の対向位置に形成した一対の電極９
１、９２からなる。上方の電極９１は上記第２室７１
に、下方の電極９２は大気室６１に露出している。上記
第２室７１に露出する上記電極９１は、ＮＯｘに対して
不活性に調整された電極、例えば、多孔質Ｐｔ−Ａｕ電
極からなり、上記電極９２は、例えば、多孔質Ｐｔ電極
等で構成され、この時、一対の電極９１、９２間には、
上記第２室７１と大気室６１の酸素濃度差に基づいた起
電力が発生する。上記Ｈ₂Ｏ分解セル２とＮＯｘ検知セ
ル３、およびヒータ部８の構成は、上記第１の実施の形
態と同様である。

【００３９】上記第２の実施の形態の作動について、上
記第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。上記
第１の実施の形態では、酸素ポンプセル４に加える電圧
Ｖ1を予め設定しておいたが、本実施の形態では、酸素
検知セル９の一対の電極９１、９２間に生じる起電力が
所定の値となるように、酸素ポンプセル４に加える電圧
Ｖ1 をフィードバック制御して決める。つまり、上記酸
素ポンプセル４および酸素検知セル９は、いわゆる２セ
ルＡ／Ｆセンサと呼ばれる酸素センサと同じ動作をし、
上記酸素ポンプセル４は、リーン状態では上記第２室７
１内の酸素を排出しリッチ状態では酸素を汲み入れて、
第２室７１内の酸素濃度を一定に保持する。

【００４０】このように、酸素検知セル９を設けた構成
では、排気ガスがリッチ状態でも第２室７１内を一定酸
素濃度に維持できる。この場合、上記Ｈ₂Ｏ分解セル２
に、酸素ポンプセル４に流れる電流より所定の値だけ小
さい電流を、上記第１室５１内に酸素を汲み入れるよう
に流すと、第１室５１に一定量の未燃ガスが残ることに
なる。この未燃ガスはＨ₂に限らず、ＣＯ、ＨＣ等でも
よく、またその混合ガスであってもよい。このように、
リッチ状態ではＨ₂Ｏの分解によりＨ₂を発生させる代
わりに、第１室５１に、ＮＯｘと反応可能な一定量の未
燃ガスを残留させる。そして、この一定量の未燃ガスと
ＮＯｘが反応することにより、ＮＯｘ検知セル３の起電
力が変化する。この時のＮＯｘ検知セル３の特性は上記
第１の実施の形態と同様であり、高い感度で精度よくＮ
Ｏｘ濃度を検知することができる。

【００４１】よって、本実施の形態では、排気ガスがリ
ッチ状態でもＮＯｘ濃度を検知することができ、広い空
燃比範囲で検出が可能になる。また、固体電解質を一部
共通としたので、構成が簡単で、コンパクトになる。

【００４２】本発明の第３の実施の形態を図８、９で説
明する。本実施の形態では、上記第１の実施の形態にお
ける酸素ポンプセル４を省略した構成になっている。Ｈ
₂Ｏ分解セル２、ＮＯｘ検知セル３、その他の構成は、
上記第１の実施の形態と同様である。

【００４３】本実施の形態では、上記Ｈ₂Ｏ分解セル２
に印加する電圧を、予め設定した所定の電圧Ｖ2 （図
４）とすることで、上記第１室５１内に一定量のＨ₂を
発生させる。設定電圧Ｖ2 は、一定としても、Ｈ₂Ｏ分
解セル２の電流値に応じて適宜変化させてもよい。ま
た、別に設けた酸素センサの出力信号から、その値を決
定してもよい。このようにしても、ＮＯｘ検知セル３
は、上記第１の実施の形態と同様の特性を示す。よっ
て、より簡易な構成で、ＮＯｘ濃度の検出が可能であ
り、製造が容易でコストの低減が可能である。

【００４４】図１０、１１に、本発明の第４の実施の形
態を示す。本実施の形態では、上記第３の実施の形態
に、ガス検知手段としてのＨ₂検知セル１０を追加した
構成となっている。Ｈ₂検知セル１０は、ＮＯｘ検知セ
ル３と共通の固体電解質Ｂを用いて、その両面の対向位
置に一対の電極１０１、１０２を形成してなり、上方の
電極１０１は第１室５１に、下方の電極１０２は大気室
６１に露出している。上記電極１０１は、ＮＯｘに対し
て不活性に調整された電極、例えば、多孔質Ｐｔ−Ａｕ
電極からなり、上記電極１０２は、例えば、多孔質Ｐｔ
電極等で構成される。なお、本実施の形態において、Ｎ
Ｏｘ検知セル３の一対の電極３１、３２は、Ｈ₂検知セ
ル１０を配置するために、上記各実施の形態より小さく
形成され、上記電極１０１、１０２は、これら電極３
１、３２にそれぞれ隣接して形成される。その他の構成
は、上記第３の実施の形態と同様である。

【００４５】本実施の形態において、上記Ｈ₂検知セル
１０は、上記第１室５１内の酸素と未燃ガスの比率によ
り、一対の電極１０１、１０２間に起電力を発生する。
上記Ｈ₂Ｏ分解セル２により上記第１室５１内の酸素を
排気していくと、Ｈ₂Ｏの分解とともにＨ₂の比率が増
加する。Ｈ₂の比率が増加すると、一対の電極１０１、
１０２間の起電力は５００ｍＶ〜９５０ｍＶとなり、そ
の起電力の値からＨ₂量を検出できる。また、電極１０
１はＮＯｘに対し不活性に調整されているので、ＮＯｘ
濃度によらない検出が可能である。そこで、本実施の形
態では、上記第１室５１内に一定量のＨ₂を満たすため
に、上記Ｈ₂検知セル１０の起電力が５００ｍＶ〜９５
０ｍＶの範囲で一定となるように、上記Ｈ₂Ｏ分解セル
２の印加電圧を調整する。これにより、上記第１室５１
内に一定量のＨ₂を発生させ、同様にしてＮＯｘ濃度を
検知することができる。この時、ＮＯｘ検知セル３は上
記第１の実施の形態と同様の特性を示し、高感度かつ精
度よい検出が可能である。

【００４６】図１２、１３に、本発明の第５の実施の形
態を示す。本実施の形態は、上記第３の実施の形態にお
ける上記Ｈ₂Ｏ分解セル２の電極２２の分極を測定する
ために、上記Ｈ₂Ｏ分解セル２に隣接して基準極１１を
設けた構成となっている。上記基準極１１は、例えば、
多孔質Ｐｔ電極からなり、上記スペーサ５内に形成され
る空間１２に露出している。この空間１２は、固体電解
質Ｂを貫通する連通孔１３を通じて大気室６１に連通し
ている。その他の構成は、上記第３の実施の形態と同様
である。

【００４７】上記第３の実施の形態では、上記Ｈ₂Ｏ分
解セル２に加えるＶ2 を所定の値に設定することで、第
１室５１内に一定量のＨ₂を発生したが、本実施の形態
では、上記電極２２の分極の大きさを所定の値に設定し
て一定量のＨ₂を発生させる。上記電極２２の分極の大
きさは、共通の固体電解質Ｂに形成した基準極１１との
間の電圧を測定することで分かる。すなわち、上記基準
極１１は、大気室６１から連通孔１３を通じて上記空間
１２に導入される、一定酸素濃度の大気に露出しており
一定の電位を示す。上記Ｈ₂Ｏ分解セル２で上記第１室
５１内の酸素を排気していくと、酸素濃度が減少するの
に応じて、上記電極２２の分極は大きくなる。Ｈ₂Ｏ分
解域では、さらに大きな値を示すため、この値からＨ₂
Ｏの分解量、つまりＨ₂発生量を決めることができる。

【００４８】このように、上記基準極１１を用いて上記
電極２２の分極の大きさを所定の値に設定し、一定量の
Ｈ₂を発生させる構成としてもよく、ＮＯｘ検知セル３
の特性は、上記第１の実施の形態と同様となる。また、
上記構成によれば、排気ガスがリッチ状態でも作動させ
ることができ、簡単な構造で、広い空燃比での測定が可
能となる。

【００４９】図１４、１５に、本発明の第６の実施の形
態を示す。本実施の形態では、上記第１の実施の形態に
おける上記Ｈ₂Ｏ分解セル２と酸素ポンプセル４の固体
電解質を共通にした構成とする。すなわち、上記酸素ポ
ンプセル４を、上記Ｈ₂Ｏ分解セル２と共通の固体電解
質Ａの両面に一対の電極４１、４２を設けて構成し、上
方の電極４１を排気ガスに、下方の電極４２を、上記ス
ペーサ５に形成した第２室７１に露出する。第２室７１
は、上記スペーサ５に設けた抜き孔５ｂで構成され、上
記固体電解質Ａと一対の電極４１、４２を貫通するピン
ホール４３より被測定ガスが導入されるようになしてあ
る。また、第２室７１は、上記スペーサ５に形成した抜
き孔５ｃよりなる連通孔５２によって、上記Ｈ₂Ｏ分解
セル２の第１室５１と連通している。上記酸素ポンプセ
ル４の電極４１、上記Ｈ₂Ｏ分解セル２の電極２１の表
面は共通の多孔質保護層２４で被覆されている。

【００５０】本実施の形態の作動について説明する。上
記Ｈ₂Ｏ分解セル２には、電極２１が＋極となるように
して所定の電圧を加え、上記第１室５１内のＨ₂Ｏを分
解する。印加電圧は、Ｈ₂Ｏ分解域となるように、通常
５００ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定することが望まし
い。そして、上記Ｈ₂Ｏ分解セル２に流れる電流が一定
値となるように、すなわち、Ｈ₂Ｏの分解量が一定とな
るように酸素ポンプセル４に加える電圧をフィードバッ
ク制御する。上記Ｈ₂Ｏ分解セル２に流れる電流は、酸
素ポンプセル４において上記ピンホール４３で酸素が拡
散律速された限界電流が流れるように設定する。この結
果、上記電極２２では、一定量のＨ₂Ｏが分解して、一
定量のＨ₂が発生する。このようにしても、ＮＯｘ検知
セル３の特性は上記第１の実施の形態と同様となり、簡
単な構成で、高感度かつ精度よいＮＯｘ濃度の検出が可
能である。

【００５１】上記各実施の形態において、第１室５１、
第２室７１へ被測定ガスを導入するための拡散抵抗手段
は、拡散性（酸素濃度差に速度が依存）であればよく、
ピンホールに代えて多孔質層を用いてもよい。また、上
記各実施の形態では、本発明をＮＯｘ濃度を測定するガ
ス検出装置に適用した例について説明したが、本発明の
用途は必ずしもこれに限るものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施の形態を示すガス検
出装置の要部断面図である。

【図２】図２は第１の実施の形態のガス検出装置の展開
図である。

【図３】図３は第１の実施の形態のガス検出装置を含む
ＮＯｘ検出装置の全体断面図である。

【図４】図４は第１の実施の形態におけるガス検出装置
の作動原理を説明するための図である。

【図５】図５は第１の実施の形態のガス検出装置のＮＯ
ｘ濃度とセンサ出力の関係を示す図である。

【図６】図６は本発明の第２の実施の形態を示すガス検
出装置の要部断面図である。

【図７】図７は第２の実施の形態のガス検出装置の展開
図である。

【図８】図８は本発明の第３の実施の形態を示すガス検
出装置の要部断面図である。

【図９】図９は第３の実施の形態のガス検出装置の展開
図である。

【図１０】図１０は本発明の第４の実施の形態を示すガ
ス検出装置の要部断面図である。

【図１１】図１１は第４の実施の形態のガス検出装置の
展開図である。

【図１２】図１２は本発明の第５の実施の形態を示すガ
ス検出装置の要部断面図である。

【図１３】図１３は第５の実施の形態のガス検出装置の
展開図である。

【図１４】図１４は本発明の第６の実施の形態を示すガ
ス検出装置の要部断面図である。

【図１５】図１５は第６の実施の形態のガス検出装置の
展開図である。

【図１６】図１６は従来のガス検出装置の要部断面図で
ある。

【符号の説明】

Ａ、Ｂ、Ｃ固体電解質１ガス検出装置２Ｈ₂Ｏ分解セル（第１ポンプ部）２１、２２一対の電極２３ピンホール（拡散抵抗手段）２４多孔質保護層３ＮＯｘ検知セル（ガス検知部）３１、３２一対の電極４酸素ポンプセル（第２ポンプ部）４１、４２一対の電極４３ピンホール（拡散抵抗手段）４４多孔質保護層５スペーサ５１第１室６スペーサ６１大気室（基準酸素濃度ガス室）７スペーサ７１第２室８ヒータ９酸素検知セル（酸素検知部）９１、９２一対の電極１０Ｈ₂検知セル（ガス成分検知手段）１１基準極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定ガス中の特定ガス成分を検出する
ガス検出装置であって、被測定ガスが拡散抵抗手段を介して導入される第１室
と、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対
の電極を設けて、その一方の電極を上記第１室に露出さ
せるとともに上記特定ガス成分に対し不活性な電極で構
成し、上記一対の電極に所定の電流を流して、上記第１
室内に上記特定ガス成分と反応可能なガス成分を所定
量、発生または残留させる第１ポンプ部と、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対
の電極を設けて、その一方の電極を上記第１室に、他方
の電極を基準酸素濃度ガスが存在する基準酸素濃度ガス
室に露出させるとともに、上記一方の電極を上記特定ガ
ス成分に対して活性な電極で構成し、上記特定ガス成分
と上記ガス成分の反応による、上記一対の電極間の起電
力の変化から上記特定ガス成分濃度を測定するガス検知
部とを有することを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】被測定ガスが拡散抵抗手段を介して導入
される第２室と、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対
の電極を設けて、その一方の電極を上記第２室に露出さ
せるとともに上記特定ガス成分に対し不活性な電極で構
成した第２ポンプ部を設け、上記第２ポンプ部の一対の
電極間に所定の電圧を印加したときに両電極間を流れる
電流値に基づいて、上記第１ポンプ部の一対の電極への
通電量を決定する請求項１記載のガス検出装置。
【請求項３】酸素イオン導電性の固体電解質の相対向
する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記
第２室に、他方の電極を上記基準酸素濃度ガス室に露出
させ、上記一対の電極間に発生する起電力から上記第２
室内の酸素濃度を検知する酸素検知部を設けて、上記起
電力が所定の値となるように、上記第２ポンプ部の一対
の電極に印加する電圧を制御する請求項２記載のガス検
出装置。
【請求項４】上記第１室内に発生する上記ガス成分の
量を測定するためのガス成分検知手段を設けた請求項１
記載のガス検出装置。
【請求項５】上記第１ポンプ部の上記一方の電極の分
極を測定するための基準極を設けた請求項１記載のガス
検出装置。