JP2008191043A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができるガスセンサを提供する。
【解決手段】ガスセンサのセンサ素子に使用する固体電解質体として、その温度が３００℃のときに０．０００３Ｓ／ｃｍ以上の導電率を示すものを用い、ＮＯｘ濃度の検出の際に３００〜５５０℃となるように制御した。尿素ＳＣＲシステムのフィードバック制御にこのガスセンサを用いた場合、上記温度範囲では排気ガス中に残存するＮＨ_３の酸化によるＮＯｘの生成を抑制でき、排気ガス中にもとから含まれるＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、尿素ＳＣＲシステムを搭載した自動車等の内燃機関から排出される被検出ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出するガスセンサに関するものである。

内燃機関等から排出される排気ガスにはＣＯやＨＣの他にＮＯｘが含まれており、この有害なＮＯｘを無害なガスに還元してから排出するシステムが提案されている。例えば自動車には、エンジンから排出される排気ガスの排気通路の途中にＮＯｘ吸蔵還元触媒を配設し、ＮＯｘ排出量を低減するシステムが搭載されている。ＮＯｘ吸蔵還元触媒は、燃焼前の混合気の空燃比がリーンのときに排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比がリッチとなったときに吸蔵したＮＯｘを還元して放出する特性を有する。このＮＯｘ吸蔵還元触媒を利用したシステムでは、リーン運転中に間欠的に空燃比がリッチとなるように排気ガスに対し燃料の噴射を行い、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵したＮＯｘを無害なガスに還元して排出する処理が行われる。

また、上記ＮＯｘ吸蔵還元触媒に代えてＮＯｘ選択還元触媒を配設し、還元剤溶液としての尿素水を排気ガスに噴射してからＮＯｘ選択還元触媒を通過させることで、ＮＯｘを無害なガスに還元して排出する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムも利用されている。ＮＯｘ選択還元触媒では、排気ガス中に噴射された尿素から加水分解によりアンモニア（ＮＨ_３）が生成され、そのＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘがＨ_２ＯとＮ_２に還元される。その際に余剰となったＮＨ_３は酸化されてＮＯを生成し、さらにＮＯが酸化されることによってＮＯ_２が生成される。ＮＨ_３から生成されたＮＯｘは再びＮＨ_３によって還元され、Ｈ_２ＯとＮ_２に分解されて排出される。このように、ＮＯｘ選択還元触媒ではＮＯｘの還元とＮＨ_３の酸化とが並行して行われることで、ＮＯｘおよびＮＨ_３の濃度が低減され、排気ガスの浄化が行われるのである。

こうした排気ガスの浄化システムでは、ＮＯｘの濃度を検出することができるガスセンサが利用されている。例えば尿素ＳＣＲシステムでは尿素水噴射装置の上流側にガスセンサを配設し、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を検出している。そしてＮＯｘ濃度の検出結果に基づき排気ガス中に噴射する尿素水の量やタイミングを調整することで、ＮＯｘ選択還元触媒にて効率よくＮＯｘを還元させて排気ガス中のＮＯｘ濃度を効率よく低減させる制御を行っている。

このようなガスセンサとしては２室限界電流式ガスセンサが開発されており、この２室限界電流式ガスセンサは、例えば、Ｉｐ１セル、Ｉｐ２セルと呼ばれる２枚以上の板状の固体電解質体（固体電解質層）を積層した構成を有する。内部には、排気ガスが導入される第１検出室（第一の内部空所）と、第１検出室で酸素の汲み出しが行われた排気ガスがさらに導入される第２検出室（第二の内部空所）とが設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

上記のように第１検出室に導入された排気ガスは、Ｉｐ１セルにより含有する酸素のほとんどが外部に汲み出され、第２検出室に導入された際には、排気ガス中の酸素濃度が非常に低い状態となっている。この第２検出室では、ＰｔやＲｈ等の貴金属からなる電極（内部ポンプ電極）に電圧が印加されており、この電極が触媒となって第２検出室に導入された排気ガス中のＮＯｘが還元される。そして、このとき還元されたＮＯｘ由来の酸素（もともとＮＯｘを構成していた酸素）がＩｐ２セルにより汲み出され、酸素イオンに運搬される電子が電流Ｉｐ２として検出されることにより、ＮＯｘ由来の酸素の濃度、すなわちＮＯｘ濃度の検出が行われるのである。

ところで、尿素ＳＣＲシステムにおいてより効率よくＮＯｘ濃度の低減を行うには、ＮＯｘ選択還元触媒の下流側にガスセンサを配置し、ＮＯｘ選択還元触媒を通過する排気ガス中に残存するＮＯｘの濃度を検出して、ＮＯｘ選択還元触媒の上流側で排気ガス中に噴射する尿素水の量やタイミングを調整するフィードバック制御を行うことが望ましい。
特許第２８８５３３６号公報

しかしながら尿素ＳＣＲシステムにおいて、ＮＨ_３の一部はＮＯｘ選択還元触媒において完全に浄化されず排出されてしまうため、ＮＯｘ選択還元触媒の下流側にてＮＨ_３が酸化するとＮＯｘが生成されてしまう場合があった。そして、ＮＨ_３由来のＮＯｘが、ＮＯｘ選択還元触媒によって還元しきれずに排気ガス中に残った残存ＮＯｘと混合してしまうと、特許文献１に記載のガスセンサでは両者を区別することができず、ＮＯｘ濃度検出精度が低下し、尿素ＳＣＲシステムにおけるフィードバック制御に影響を及ぼしてしまう虞があった。

なお、ＮＨ_３の酸化は雰囲気温度が４００℃を超えるあたりから温度が上昇するに従って促進され、４５０℃で相対比約２０％、５５０℃で相対比約４０％、６００℃では相対比約５０％、７００℃では約８０％を超えるＮＨ_３が酸化されてＮＯが生成されることが知られている。排気ガスの温度は通常３００〜５００℃であり、この雰囲気温度ではＮＨ_３由来のＮＯｘは生成されにくい。そこで、上記のようなＮＯｘ選択還元触媒を通過したＮＨ_３からＮＯｘが生成される過程について発明者等が研究を進めたところ、ガスセンサの検出素子に用いられる固体電解質体を活性化させるために行われる６００℃以上の加熱によって、ＮＨ_３の酸化が促進されてしまうことがわかった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができるガスセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のガスセンサは、固体電解質体およびその固体電解質体上に形成された一対の電極を有し、当該一対の電極のうち被検出ガスに晒される一方の電極にて、当該被検出ガスに含まれるＮＯｘが還元または分解された際に、前記一対の電極間にＮＯｘ由来の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素ポンプセルと、前記固体電解質体の加熱を行うため、通電により発熱するヒータとを備え、前記電流に基づいて、前記被検出ガスに含まれるＮＯｘ濃度の検出を行うガスセンサにおいて、前記固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となると共に、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる際には、前記固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のガスセンサは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる際には、前記固体電解質体の温度が３００℃〜４５０℃となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御されることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のガスセンサは、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記固体電解質体は、スカンジア安定化ジルコニア、ガドリニウムドープセリア、およびサマリウムドープセリアのうちのいずれかを主成分とすることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のガスセンサは、固体電解質体およびその固体電解質体上に形成された一対の電極を有し、当該一対の電極のうち被検出ガスに晒される一方の電極にて、当該被検出ガスに含まれるＮＯｘが還元または分解された際に、前記一対の電極間にＮＯｘ由来の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素ポンプセルと、前記固体電解質体の加熱を行うため、通電により発熱するヒータとを備えるガスセンサにおいて、前記固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となると共に、前記固体電解質体の温度が３００〜５５０℃の範囲に含まれる第１温度となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御された際に、前記酸素ポンプセルに流れる電流の値である第１電流値と、前記固体電解質体の温度が５５０℃より高い第２温度となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御された際に、前記酸素ポンプセルに流れる電流の値である第２電流値とに基づいて、アンモニア濃度の検出が行われることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明のガスセンサは、第１拡散抵抗部を介して被検出ガスが導入される第１検出室と、第１固体電解質体および当該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、前記一対の第１電極のうちの一方の電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素ポンプセルと、前記第１検出室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記被検出ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２検出室と、第２固体電解質体および当該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極が前記第２検出室内に配置され、前記第２検出室におけるＮＯｘ濃度に応じて電流が流れる第２酸素ポンプセルと、前記第１固体電解質体および前記第２固体電解質体の加熱を行うため、通電により発熱するヒータとを備え、前記第２酸素ポンプセルに流れる電流に基づいて、前記被検出ガスに含まれるＮＯｘ濃度の検出を行うガスセンサにおいて、前記第１固体電解質体および前記第２固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となると共に、前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる際には、前記第１固体電解質体および前記第２固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御されること特徴とする。

また、請求項６に係る発明のガスセンサは、請求項５に記載の発明の構成に加え、第３固体電解質体および当該第３固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有し、前記一対の第３電極のうち一方の電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室内の酸素濃度に応じて電圧を発生する酸素濃度検知セルをさらに備え、前記第１酸素ポンプセルは、前記第３電極間に発生する出力信号が一定値になるように前記第１検出室における酸素濃度を調整することを特徴とする。

ガスセンサに用いられる固体電解質体は加熱されると導電率が高まり、活性化する性質を有する。請求項１に係る発明のガスセンサに用いられる固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上であり、検出時には、３００〜５５０℃となるように制御されるので、少なくとも０．０００３Ｓ／ｃｍ以上の導電率を得ることができる。つまり、一般的な固体電解質体の活性化に必要な６００℃以上の温度よりも低い温度でも、本発明に係る固体電解質体は、活性化できるのである。固体電解質体の加熱によって、被検出ガス中に含まれる他のガス成分が酸化する虞があるが、上記のように、固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように制御することで、被検出ガス中に含まれる他のガス成分の酸化を抑制することが可能となる。もっとも、固体電解質体の活性化にはより高い温度に加熱することが望ましいが、３００℃であるときにすでに導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上を示す本発明に係る固体電解質体は、活性化に６００℃以上の加熱が必要な一般的な固体電解質体よりも３００〜５５０℃の温度に加熱されたときの感度が高い。従って、こうした固体電解質体を用いたガスセンサを作製すれば、酸化した他のガス成分に起因するＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができる。

このようなガスセンサを、例えば尿素ＳＣＲシステムにおけるフィードバック制御に用いることは好適である。尿素ＳＣＲシステムは、被検出ガスとして内燃機関から排出される排気ガスに尿素水を噴射し、その尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤としてＮＯｘ選択還元触媒内にて排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元し排気ガスの浄化を行うものである。フィードバック制御のためにはガスセンサをＮＯｘ選択還元触媒の下流側に配置する必要があるが、ＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気ガス中にはＮＨ_３が含まれる場合がある。ＮＨ_３は雰囲気温度が４００℃を超えるあたりから温度が上昇するに従って酸化が促進され、４５０℃で相対比約２０％、５５０℃で相対比約４０％、６００℃では相対比約５０％が酸化されてＮＯｘを生成するが、請求項１に係る発明のガスセンサでは固体電解質体への加熱が３００〜５５０℃に制御されるため、ＮＨ_３の酸化によるＮＯｘの生成を抑制することができる。つまり、ＮＨ_３由来のＮＯｘが排気ガス中にもとから含まれるＮＯｘと混合されてしまうことを抑制することができるので、ＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができる。

なお、固体電解質体への加熱が３００℃未満であると、固体電解質体を十分に活性化させることができない。また、固体電解質体への加熱が５５０℃を超えると、相対比で約４０％より多くのＮＨ_３が酸化されＮＯｘを生成するため、排気ガス中の残存ＮＯｘ濃度の検出への影響が大きくなってしまう。

こうしたＮＨ_３由来のＮＯｘの生成をさらに抑制するにはガスセンサの駆動をより低い温度で行うことが望ましく、請求項２に係る発明のように、固体電解質体への加熱が３００〜４５０℃となるように制御することが好ましい。固体電解質体への加熱が４５０℃を超えると、相対比で約２０％より多くのＮＨ_３が酸化されＮＯｘを生成する。そこで上記のように、固体電解質体の加熱を３００〜４５０℃とすれば、排気ガス中の残存ＮＯｘ濃度の検出への影響をより低減することができるのである。

このように、加熱温度をより低くしてもＮＯｘ濃度の検出を十分に行うことができる固体電解質体を得るには、請求項３に係る発明のように、その主成分として、スカンジア安定化ジルコニア、ガドリニウムドープセリア、およびサマリウムドープセリアのうちのいずれかを用いるとよい。このような材料を主成分として形成される固体電解質体は、一般に用いられるイットリア安定化ジルコニアを主成分とする固体電解質体よりも上記のように導電率が高いことに加え、より低い温度で同等の相対密度に焼き固めて十分な硬度を得ることができる。このため、焼成の際に酸素ポンピングセルを構成する一対の電極が酸化されにくく、電極自体の抵抗が上がってしまうことを抑制することができるので、酸素ポンピングセルとして完成された際により高い電導性を得ることができるのである。なお、本発明において「主成分」とは、その成分が、含有される全成分のうち最も多くを占める成分であることを示す。

上記のように、ガスセンサの固体電解質体として温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となるものを用いた場合、その固体電解質体は、ＮＨ_３の酸化が促進されやすい６００℃以上の温度よりも低い温度においても活性化することができ、ＮＯｘ濃度の検知が可能な状態となる。そこで請求項４に係る発明のように、固体電解質体を、その温度が３００〜５５０℃の範囲に含まれる第１温度となるように加熱し、酸素ポンプセルに流れる第１電流値を得る。次に固体電解質体を５５０℃より高い第２温度となるように加熱し、酸素ポンプセルに流れる第２電流値を得る。この第１電流値に対応したＮＯｘ濃度と、第２電流値に対応したＮＯｘ濃度との差濃度は、第１温度においてもとから存在したＮＯｘ濃度およびＮＨ_３が酸化して生成されたＮＯｘ濃度の合計濃度と、第２温度においてもとから存在したＮＯｘ濃度およびＮＨ_３が酸化して生成されたＮＯｘ濃度の合計濃度との差濃度に相当する。もとから存在したＮＯｘの濃度は一定であるため、上記差濃度は、固体電解質体の温度が第１温度から第２温度に昇温されるにあたってＮＨ_３が酸化し生成されたＮＯｘの濃度といえる。このため、温度と、その温度の上昇に応じて酸化されるＮＨ_３の濃度および生成されるＮＯｘの濃度との相関関係を求めれば、第１電流値および第２電流値に基づくＮＨ_３の濃度を求めることができる。

また、温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上であり、一般的な固体電解質体の活性化に必要な６００℃以上の温度よりも低い温度でも活性化することが可能な固体電解質体を、請求項５に係る発明のように、２室限界電流式のガスセンサに用いることは好適である。２室限界電流式のガスセンサは、第１検出室内に導入される被検出ガスに対し酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われることによって、その被検出ガスが第２検出室内に導入される際には含有される酸素の濃度を調整することができるため、ＮＯｘ濃度の検出を精度よく行うことができるものである。

このガスセンサによる被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出の際に、固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように制御することで、その加熱によって被検出ガス中に含まれる他のガス成分が酸化する虞は低減する。従って、酸化した他のガス成分に起因するＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制することができ、ＮＯｘ濃度の検出精度をより高くすることができる。固体電解質体の加熱によって、被検出ガス中に含まれる他のガス成分が酸化する虞があるが、上記のように、固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように制御することで、被検出ガス中に含まれる他のガス成分の酸化を抑制することが可能となる。もっとも、固体電解質体の活性化にはより高い温度に加熱することが望ましいが、３００℃であるときにすでに導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上を示す本発明に係る固体電解質体は、活性化に６００℃以上の加熱が必要な一般的な固体電解質体よりも３００〜５５０℃の温度に加熱されたときの感度が高い。従って、こうした固体電解質体を、ＮＯｘ濃度の検出を精度よく行うことができる上記の２室限界電流式のガスセンサに用いれば、酸化した他のガス成分に起因するＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制しつつ、ＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができる。

このようなガスセンサを、例えば尿素ＳＣＲシステムにおけるフィードバック制御に用いることは好適である。尿素ＳＣＲシステムは、被検出ガスとして内燃機関から排出される排気ガスに尿素水を噴射し、その尿素水から生成されるアンモニア（ＮＨ_３）を還元剤としてＮＯｘ選択還元触媒内にて排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元し排気ガスの浄化を行うものである。フィードバック制御のためにはガスセンサをＮＯｘ選択還元触媒の下流側に配置する必要があるが、ＮＯｘ選択還元触媒を通過した排気ガス中にはＮＨ_３が含まれる場合がある。ＮＨ_３は雰囲気温度が４００℃を超えるあたりから温度が上昇するに従って酸化が促進され、６００℃では相対比で約５０％を超えて酸化されてＮＯｘを生成するが、請求項５に係る発明のガスセンサでは固体電解質体への加熱が３００〜５５０℃に制御されるため、ＮＨ_３の酸化によるＮＯｘの生成を抑制することができる。つまり、ＮＨ_３由来のＮＯｘが排気ガス中にもとから含まれるＮＯｘと混合されてしまうことを抑制することができるので、ＮＯｘ濃度の検出精度をより高めることができる。

なお、上記の２室限界電流式のガスセンサにおいて、請求項６に係る発明のように、酸素濃度検知セルを用い第１検出室における被検出ガス中の酸素濃度の調整を行えば、被検出ガスが第２検出室内に導入される際の酸素濃度をより確実に調整することができるので、ＮＯｘ濃度の検出をさらに精度よく行うことができる。

以下、本発明を具体化したガスセンサの一実施の形態について、図面を参照して説明する。まず図１を参照し、特定ガスとしてＮＯｘの濃度およびアンモニア（ＮＨ_３）の濃度を検出することができるガスセンサ１を本発明に係るガスセンサの一例として用い、このガスセンサ１が取り付けられる内燃機関１００の排気系周りの概略的な構成について説明する。図１は、内燃機関１００の排気系周りの概略的な構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１００は、ピストン２１やシリンダ２２を有し自動車を駆動するためのエンジン２０を備え、このエンジン２０には、エンジン２０から排出される排気ガスを車外に放出するための排気管３０が接続されている。排気管３０の経路上には排気ガスの浄化を行うためのＮＯｘ選択還元触媒４０が設けられており、そのＮＯｘ選択還元触媒４０の上流側（排気ガスの流路上流側）に、排気管３０内を流れる排気ガスに対しタンク７０から供給される尿素水を噴射するためのインジェクタ６０が配設されている。また、排気管３０の経路上でＮＯｘ選択還元触媒４０の下流側には、ＮＯｘ選択還元触媒４０を通過した排気ガス中に残存するＮＯｘの濃度を検出するためのガスセンサ１が配設されている。ガスセンサ１はセンサ制御装置５と電気的に接続されており、センサ制御装置５の駆動制御によってＮＯｘ濃度およびＮＨ_３濃度の検出を行うものである。このセンサ制御装置５はエンジン制御装置（ＥＣＵ）９０と電気的に接続されており、ガスセンサ１を用いて検出したＮＯｘ濃度の検出信号がＥＣＵ９０に入力される。そしてＥＣＵ９０ではＮＯｘ濃度の検出結果に基づいてインジェクタ６０から尿素水を噴射するタイミングや噴射量を制御するフィードバック制御が行われている。

ここで、ＮＯｘ選択還元触媒４０について簡単に説明する。ＮＯｘ選択還元触媒４０は、排気管３０内を流通する排気ガス中の有害ガス成分であるＮＯｘをアンモニア（ＮＨ_３）と反応させて無害なＮ_２とＨ_２Ｏに還元して排出するための触媒として設けられるものである。還元剤としてのＮＨ_３は排気ガス中に噴射される尿素水の加水分解によって生成されるように構成されている。ＮＯｘ選択還元触媒４０では、以下の化学反応が行われる。まず、排気ガスに噴射された尿素（水）が加水分解され、ＮＨ_３が生成される。
（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ → ２ＮＨ_３＋ＣＯ_２
そして生成されたＮＨ_３を還元剤としてＮＯｘの還元が行われ、Ｎ_２とＨ_２Ｏが生成される。
４ＮＯ＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ４Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
２ＮＯ_２＋４ＮＨ_３＋Ｏ_２ → ３Ｎ_２＋６Ｈ_２Ｏ
なお、ＮＯｘの還元において余剰となったＮＨ_３は酸化によってＮＯを生成し、さらにＮＯが酸化されるとＮＯ_２が生成されるが、ＮＯｘ選択還元触媒４０において再びＮＨ_３によって還元され、Ｎ_２とＨ_２Ｏとして排出されることとなる。本実施の形態の内燃機関１００には、このような化学反応を用いて排気ガスの浄化を行うため、ＮＯｘ選択還元触媒４０を通過した排気ガス中に残存するＮＯｘの濃度を検出し、ＮＯｘの還元に必要とされるＮＨ_３が適宜生成されるようにフィードバック制御を行う尿素ＳＣＲシステムが搭載されている。

次に、図２を参照し、ガスセンサ１の詳細について説明する。図２は、センサ制御装置５に接続されたガスセンサ１の概略的な構成を示す図である。なお、図２において、ガスセンサ１のセンサ素子１０は、先端側部分における内部構造を示す断面図をもって図示しており、図中左側がセンサ素子１０の先端側となっている。

図２に示す、本実施の形態のガスセンサ１は、細長で長尺な板状体の形状をなすセンサ素子１０を、排気管３０（図１参照）に取り付けるためのハウジング（図示外）内で保持した構造を有する。ガスセンサ１からは、このセンサ素子１０の出力する信号を取り出すための信号線が引き出されており、ガスセンサ１とは離れた位置に取り付けられるセンサ制御装置５（図１参照）に電気的に接続されている。

まず、センサ素子１０の構造について説明する。センサ素子１０は、３枚の板状の固体電解質体１１１，１２１，１３１を、間にアルミナ等からなる絶縁体１４０，１４５をそれぞれ挟んで層状に形成した構造を有する。また、固体電解質体１１１側の外層には、アルミナを主体とする絶縁層の内部にＰｔを主体とするヒータパターン１６２を埋設したヒータ素子１６１が配設されている。このヒータ素子１６１と固体電解質体１１１との間には、排気ガスが出入り自由な間隙を有している。なお、ヒータパターン１６２に電流を流すことにより発熱を行うヒータ素子１６１が、本発明における「ヒータ」に相当する。

固体電解質体１１１，１２１，１３１は固体電解質であるジルコニアからなり、酸素イオン電導性を有する。センサ素子１０の積層方向において固体電解質体１１１の両面には、固体電解質体１１１を挟むように多孔質性の電極１１２，１１３がそれぞれ設けられており、そのうちの電極１１２は、ヒータ素子１６１と向き合う側の面に形成されている。この電極１１２，１１３は、ＰｔまたはＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメットなどから形成されている。Ｐｔは酸素を吸着すると共に触媒として機能することが知られており、排気ガス中の未燃焼ガスの燃焼（酸化）が促進される。また、電極１１２，１１３の表面上にはセラミックスからなる多孔質性の保護層１１４が設けられており、電極１１２，１１３が排気ガスに含まれる被毒性ガス（還元雰囲気）に晒されることによりＰｔが昇華しないように保護している。なお、固体電解質体１３１が、本発明の請求項１における「固体電解質体」に相当し、請求項５における「第２固体電解質体」に相当する。また、固体電解質体１１１，１２１が、それぞれ、本発明における「第１固体電解質体」，「第３固体電解質体」に相当する。そして、電極１１２，１１３が、本発明における「一対の第１電極」に相当する。

固体電解質体１１１は、両電極１１２，１１３間に電圧を印加することで、電極１１２の接する雰囲気（センサ素子１０の外部の雰囲気）と電極１１３の接する雰囲気（後述する第１検出室１５０内の雰囲気）との間で酸素の汲み出しおよび汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行うことができる。本実施の形態では、固体電解質体１１１および電極１１２，１１３を、Ｉｐ１セル１１０と称することとする。なお、Ｉｐ１セルが、本発明における「第１酸素ポンプセル」に相当する。

次に、固体電解質体１２１は、絶縁体１４０を挟んで固体電解質体１１１と向き合うように配置されている。センサ素子１０の積層方向における固体電解質体１２１の両面にも、固体電解質体１２１を挟むように多孔質性の電極１２２，１２３がそれぞれ設けられており、同様に、ＰｔまたはＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメットなどから形成されている。そのうちの電極１２２は、固体電解質体１１１と向き合う側の面に形成されている。なお、電極１２２，１２３が、本発明における「一対の第３電極」に相当する。

また、固体電解質体１１１と固体電解質体１２１との間には小空間としての第１検出室１５０が形成されており、固体電解質体１１１側の電極１１３と、固体電解質体１２１側の電極１２２とが第１検出室１５０内に配置されている。この第１検出室１５０は、排気通路内を流通する排気ガスがセンサ素子１０内に最初に導入される小空間であり、第１検出室１５０のセンサ素子１０における先端側には、第１検出室１５０内外の仕切りとして、第１検出室１５０内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する多孔質性の第１拡散抵抗部１５１が設けられている。同様に、第１検出室１５０のセンサ素子１０における後端側にも、後述する第２検出室１６０につながる開口部１４１と第１検出室１５０との仕切りとして、排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する第２拡散抵抗部１５２が設けられている。

固体電解質体１２１および両電極１２２，１２３は、主として、固体電解質体１２１により隔てられた雰囲気（電極１２２の接する第１検出室１５０内の雰囲気と、電極１２３の接する後述する基準酸素室１７０内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生することができるものであり、本実施の形態ではＶｓセル１２０と称することとする。なお、Ｖｓセル１２０が、本発明における「酸素濃度検知セル」に相当する。

次に、固体電解質体１３１は、絶縁体１４５を挟んで固体電解質体１２１と向き合うように配置されている。固体電解質体１３１の固体電解質体１２１側の面にも同様に、ＰｔまたはＰｔ合金あるいはＰｔとセラミックスを含むサーメットなどから形成された多孔質性の電極１３２，１３３がそれぞれ設けられている。なお、電極１３２，１３３が、本発明の請求項１における「一対の電極」に相当し、請求項５における「一対の第２電極」に相当する。

電極１３２が形成された位置には絶縁体１４５が配置されておらず、独立した小空間としての基準酸素室１７０が形成されている。この基準酸素室１７０内には、Ｖｓセル１２０の電極１２３が配置されている。なお、図示しないが、基準酸素室１７０内には、多孔質体が充填されている。また、電極１３３が形成された位置にも絶縁体１４５が配置されておらず、基準酸素室１７０との間に絶縁体１４５を隔て、独立した小空間としての第２検出室１６０が形成されている。そして、この第２検出室１６０に連通するように、固体電解質体１２１および絶縁体１４０のそれぞれに開口部１２５，１４１が設けられており、前述したように、第１検出室１５０と開口部１４１とが、間に第２拡散抵抗部１５２を挟んで接続されている。

固体電解質体１３１および両電極１３２，１３３は、上記のＩｐ１セル１１０と同様に、絶縁体１４５により隔てられた雰囲気（電極１３２の接する基準酸素室１７０内の雰囲気と、電極１３３の接する第２検出室１６０内の雰囲気）間にて酸素の汲み出しを行うことができるものであり、本実施の形態ではＩｐ２セル１３０と称することとする。なお、Ｉｐ２セルが、本発明の請求項１における「酸素ポンプセル」に相当し、請求項５における「第２酸素ポンプセル」に相当する。

次に、ガスセンサ１のセンサ素子１０と電気的に接続されたセンサ制御装置５の構成について説明する。センサ制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＣＵ９０や電気回路部５８と通信するための信号入出力部等、公知の構成を有するマイクロコンピュータ５９を主要部とする装置である。電気回路部５８は、基準電圧比較回路５１、Ｉｐ１ドライブ回路５２、Ｖｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４、Ｉｐ２検出回路５５、Ｖｐ２印加回路５６およびヒータ駆動回路５７から構成され、マイクロコンピュータ５９による制御を受けて、ガスセンサ１のセンサ素子１０を用いた排気ガス中のＮＯｘ濃度およびＮＨ_３濃度の検出を行う。

Ｉｐ１セル１１０の第１検出室１５０側の電極１１３と、Ｖｓセル１２０の基準酸素室１７０側の電極１２３と、Ｉｐ２セル１３０の第２検出室１６０側の電極１３３とは接地されている。Ｉｃｐ供給回路５４は、Ｖｓセル１２０の電極１２２，１２３間に電流Ｉｃｐを供給し、第１検出室１５０内から基準酸素室１７０内への酸素の汲み出しを行っている。Ｖｓ検出回路５３は、電極１２２，１２３間の電圧を検出するための回路であり、その検出結果を基準電圧比較回路５１に対し出力している。基準電圧比較回路５１は、Ｖｓ検出回路５３に検出されたＶｓセル１２０の電極１２２，１２３間の電圧を、基準となる基準電圧（例えば４２５ｍＶ）と比較するための回路であり、その比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力している。

Ｉｐ１ドライブ回路５２は、Ｉｐ１セル１１０の電極１１２，１１３間に電流Ｉｐ１を供給するための回路である。電流Ｉｐ１の大きさや向きは、基準電圧比較回路５１によるＶｓセル１２０の電極１２２，１２３間の電圧の比較結果に基づいてＶｓセル１２０の電極１２２，１２３間の電圧が基準電圧と略一致するように調整されている。その結果Ｉｐ１セル１１０により、第１検出室１５０内からセンサ素子１０外部への酸素の汲み出し、あるいはセンサ素子１０外部から第１検出室１５０内への酸素の汲み入れが行われる。換言すると、Ｉｐ１セル１１０は、Ｖｓセル１２０の電極１２２，１２３間の電圧が一定値（基準電圧の値）に保たれるように、第１検出室１５０内における酸素濃度の調整を行っている。

また、Ｖｐ２印加回路５６は、Ｉｐ２セル１３０の電極１３２，１３３間へ電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加するための回路であり、第２検出室１６０内から基準酸素室１７０内へ酸素の汲み出しが行われる。Ｉｐ２検出回路５５は、Ｉｐ２セル１３０の電極１３３から電極１３２に流れた電流Ｉｐ２の値の検出を行う回路である。

ヒータ駆動回路５７は、ヒータ素子１６１のヒータパターン１６２へ所定の大きさの電流を流し、固体電解質体１１１，１２１，１３１の加熱を行うと共に、固体電解質体１１１，１２１，１３１の温度を所定の温度に保たせるための回路である。ヒータパターン１６２はヒータ素子１６１内で繋がる一本の電極パターンであり、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路５７に接続されている。ヒータパターン１６２を流れる電流の大きさと固体電解質体１１１，１２１，１３１の温度との関係は予め実験等により求められており、固体電解質体１１１，１２１，１３１の狙いの温度にあわせた大きさの電流がヒータ駆動回路５７よりヒータパターン１６２に流されるように構成されている。

このような構成のセンサ制御装置５によって、ガスセンサ１のセンサ素子１０を用いた排気ガス中のＮＯｘ濃度およびＮＨ_３濃度の検出が行われる。まず、ガスセンサ１を用いたＮＯｘ濃度の検出の際の動作について説明する。

図２に示す、ガスセンサ１のセンサ素子１０を構成する固体電解質体１１１，１２１，１３１は、ヒータ駆動回路５７から所定の大きさの駆動電流が流されたヒータパターン１６２の昇温に伴い加熱され、活性化する。これにより、Ｉｐ１セル１１０，Ｖｓセル１２０およびＩｐ２セル１３０が動作するようになる。

排気通路（図示外）内を流通する排気ガスは、第１拡散抵抗部１５１による流通量の制限を受けつつ第１検出室１５０内に導入される。ここで、Ｉｃｐ供給回路５４によりＶｓセル１２０には電極１２３側から電極１２２側へ微弱な電流Ｉｃｐが流されている。このため排気ガス中の酸素は、負極側となる第１検出室１５０内の電極１２２から電子を受け取ることができ、酸素イオンとなって固体電解質体１２１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。つまり、電極１２２，１２３間で電流Ｉｃｐが流されることによって、第１検出室１５０内の酸素が基準酸素室１７０内に送り込まれている。

Ｖｓ検出回路５３では電極１２２，１２３間の電圧が検出されており、基準電圧比較回路５１により基準電圧（４２５ｍＶ）と比較されて、その比較結果がＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力されている。ここで、電極１２２，１２３間の電位差が４２５ｍＶ付近で一定となるように、第１検出室１５０内の酸素濃度を調整すれば、第１検出室１５０内の排気ガス中の酸素濃度は所定値（１０^−８〜１０^−９ａｔｍ）に近づくこととなる。

そこで、Ｉｐ１ドライブ回路５２では、第１検出室１５０内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より薄い場合、電極１１２側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、センサ素子１０外部から第１検出室１５０内へ酸素の汲み入れを行う。一方、第１検出室１５０内に導入された排気ガスの酸素濃度が所定値より濃い場合、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電極１１３側が負極となるようにＩｐ１セル１１０に電流Ｉｐ１を流し、第１検出室１５０内からセンサ素子１０外部へ酸素の汲み出しを行う。このとき、Ｉｐ１セル１１０により第１検出室１５０内からセンサ素子１０外部へ酸素を汲み出すために流れた電流Ｉｐ１の値が、酸素濃度の所定値（１０^−８〜１０^−９ａｔｍ）に対し余剰となる酸素の量に比例することとなる。センサ制御装置５では、Ｉｐ１セル１１０に流した電流Ｉｐ１の値と向きから、排気ガス中の酸素濃度の検出を行うことができる。

このように、第１検出室１５０において酸素濃度が調整された排気ガスは、第２拡散抵抗部１５２を介し、第２検出室１６０内に導入される。第２検出室１６０内で電極１３３と接触した排気ガス中のＮＯｘは、電極１３３を触媒としてＮ_２とＯ_２に分解（還元）される。そして単離された酸素は、電極１３３から電子を受け取り、酸素イオンとなって固体電解質体１３１内を流れ、基準酸素室１７０内に移動する。このとき、第１検出室で汲み残された残留酸素も同様に、Ｉｐ２セル１３０によって基準酸素室１７０内に移動する。また、電極１３２，１３３間に印加されている電圧Ｖｐ２は４５０ｍＶ程度と小さいため、ＮＯｘ以外の燃焼ガス（ＣＯ_２やＨ_２Ｏなど）は還元されず、酸素が単離されない。このため、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流は、ＮＯｘ由来の電流および残留酸素由来の電流となる。ここで、第１検出室で汲み残された残留酸素の濃度は上記のように所定値に調整されているため、その残留酸素由来の電流は略一定とみなすことができ、ＮＯｘ由来の電流の変動に対し影響は小さく、Ｉｐ２セル１３０を流れる電流はＮＯｘ濃度に比例することとなる。センサ制御装置５では、Ｉｐ２検出回路５５によりＩｐ２セル１３０を流れる電流Ｉｐ２を検出し、その電流値から、公知の残留酸素由来のオフセット電流の補正計算処理を行い、排気ガス中のＮＯｘ濃度の検出を行うのである。

ところで前述したように、尿素水から生成されたＮＨ_３がＮＯｘ選択還元触媒４０を通過して排気ガスと共にガスセンサ１の第１検出室１５０内に進入すると、ヒータ素子１６１による加熱環境下において、電極１１３，１２２のＰｔ成分の触媒作用を受けて酸化し、ＮＯｘが生成される。このＮＨ_３由来のＮＯｘが排気ガス中の残存ＮＯｘと混合することによって、残存ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を防止するため、本実施の形態のガスセンサ１では、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、およびサマリウムドープセリア（ＳＤＣ）のうちのいずれかを主成分として固体電解質体１１１，１２１，１３１を作製している。一般的な固体電解質体はその主成分としてイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が用いられるが、ＳｃＳＺ、ＧＤＣ、またはＳＤＣを主成分として作製される本実施の形態の固体電解質体は、ＹＳＺを主成分とする固体電解質体と比べ、より低温で活性化させることができる。このことは、具体的には図３のグラフに示される。図３は、固体電解質体が晒される雰囲気の温度とその固体電解質体の導電率との関係を示す片対数グラフである。

図３に示すように、ＹＳＺを主成分とする固体電解質体は、雰囲気温度が４００℃ではほとんど電導性を示さず導電率が０に近い値であるが、４００℃を超えると電導性（導電率）が高まり、対数的に直線に近い上昇を示し、８００℃では約０．０５Ｓ／ｃｍを示す。一方、ＳｃＳＺやＧＤＣを主成分とする固体電解質体は、雰囲気温度が３００℃のときにすでに０．０００３Ｓ／ｃｍ以上の導電率を示し、４００℃では約０．００２Ｓ／ｃｍの導電率を示す。そして温度の上昇と共に導電率も対数的に直線に近い上昇を示し、８００℃では、約０．２Ｓ／ｃｍの導電率を示す。これより、ＳｃＳＺやＧＤＣを主成分とする固体電解質体は、ＹＳＺを主成分とする固体電解質体と比べ、より低い雰囲気温度でより高い電導性を示すこと、すなわちより低い雰囲気温度で活性化することがわかる。図示しないが、ＳＤＣを主成分とする固体電解質体も、ＳｃＳＺやＧＤＣを主成分とする固体電解質体と同等の雰囲気温度に対する電導性（導電率）を示すことが知られている。

また、ＮＨ_３の酸化は雰囲気温度が４００℃を超えるあたりから温度が上昇するに従って促進され、４５０℃で相対比約２０％、５５０℃で相対比約４０％、６００℃では相対比約５０％、７００℃では約８０％を超えるＮＨ_３が酸化されてＮＯが生成されることが知られている。上記のＳｃＳＺ、ＧＤＣ、ＳＤＣ等を主成分として用いた固体電解質体であれば、その温度を３００〜５５０℃、より望ましくは３００〜４５０℃に保っても十分に活性化させることができるので、加熱によるＮＨ_３由来のＮＯｘの生成を抑制することができるのである。

次に、センサ制御装置５による排気ガス中のＮＨ_３濃度の検出の際の動作について、図２，図４，図５を参照して説明する。図４は、ＮＨ_３を投入してその濃度を１００ｐｐｍとした排気ガスの温度と、排気ガス中に含まれるＮＨ_３、そのＮＨ_３から生成されるＮＯ、ＮＯ_２の濃度との関係を示すグラフである。図５は、ＮＨ_３濃度検出プログラムのフローチャートである。

まず、ＮＨ_３の濃度を検出する原理について簡単に説明する。前述したように、ＮＨ_３は４００℃を超えるあたりから酸化が促進されＮＯが生成される。そこでＮＨ_３の濃度を１００ｐｐｍとした雰囲気を加熱し、温度と、酸化によって減少したＮＨ_３の濃度や生成されたＮＯおよびＮＯ_２の濃度を元のＮＨ_３の濃度（１００ｐｐｍ）に対して比較した相対比との関係を予め求める。なお、ここでいう相対比とは、ＮＨ_３由来のＮＯｘが存在しないときのＮＨ_３の濃度を１００％としたときのＮＨ_３およびＮＨ_３由来のＮＯｘ（ＮＯ，ＮＯ_２）の各分解比をいう。図４のグラフはその結果を示したものであるが、ＮＨ_３の加熱によって生成されるＮＯの濃度は４００℃では約１０％であるのに対し、５００℃では約３０％、５５０℃では約４０％となって徐々に増えていく。そして６００℃では約５０％、７００℃では約８０％のＮＯが、ＮＨ_３の酸化によって生成される。また、ＮＯがさらに酸化されてＮＯ_２も若干生成される。そして生成されたＮＯｘの相対比が増えるに従って、ＮＨ_３の相対比は減少していく。

そこで、ＮＨ_３の酸化が比較的少ない３００〜５５０℃に含まれる所定の第１温度においてＮＯｘ濃度（第１濃度）を求め、ＮＨ_３の酸化が比較的多い５５０℃より高い所定の第２温度において同様にＮＯｘ濃度（第２濃度）を求める。雰囲気中にもとから含まれるＮＯｘ濃度は一定であるため、第２濃度と第１濃度との差濃度を求めれば、温度上昇により増加したＮＯｘ濃度が求まる。これを図４のグラフと照らし合わせれば、差濃度分のＮＯｘを生成するのにあたって酸化したＮＨ_３の濃度が求まるのである。

本実施の形態のセンサ制御装置５のマイクロコンピュータ５９のＲＯＭの所定の記憶エリアには、上記原理に基づいて、ガスセンサ１によるＮＯｘ濃度の検出結果を用い排気ガス中に含まれるＮＨ_３の濃度を検出するためのＮＨ_３濃度検出プログラム（図５参照）が記憶されている。

マイクロコンピュータ５９のＣＰＵにより、図５に示す、ＮＨ_３濃度検出プログラムが実行されると、まず、電気回路部５８のヒータ駆動回路５７から予め値の定められた電流がヒータパターン１６２に流され、ヒータ素子１６１の発熱によって固体電解質体１１１，１２１，１３１の温度が３００〜５５０℃の範囲で設定された第１温度になるように加熱される（Ｓ１０）。そして固体電解質体１１１，１２１，１３１の温度が第１温度となるのに十分な昇温時間が経過するまで待機が行われる（Ｓ１１：ＮＯ）。昇温時間が経過すると（Ｓ１１：ＹＥＳ）、Ｉｐ２検出回路５５によってＩｐ２セル１３０の両電極１３２，１３３を流れる電流Ｉｐ２の値が第１電流値として取得される（Ｓ１２）。さらに第１電流値から、上記したように公知の残留酸素由来のオフセット電流の補正計算処理を行い、補正された第１電流値に応じた排気ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる（Ｓ１４）。第１電流値に対応するＮＯｘ濃度を求めるには、予め実験によって得られた換算式を用いてもよいし、あるいは両者を対応させたテーブル等を用いて求めてもよい。得られたＮＯｘ濃度は、第１濃度として、マイクロコンピュータ５９のＲＡＭの所定の記憶エリアに記憶される。

次に、ヒータ駆動回路５７から予め値の定められた電流がヒータパターン１６２に流され、固体電解質体１１１，１２１，１３１の温度が５５０℃より高く設定された第２温度となるようにさらに加熱される（Ｓ１５）。そして固体電解質体１１１，１２１，１３１の温度が第２温度となるのに十分な昇温時間が経過するまで待機が行われ（Ｓ１６：ＮＯ）、昇温時間が経過すると（Ｓ１６：ＹＥＳ）、上記同様、電流Ｉｐ２の値が第２電流値として取得される（Ｓ１８）。さらに上記同様に、第２電流値に応じた排気ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる（Ｓ１９）。得られたＮＯｘ濃度は、第２濃度として、マイクロコンピュータ５９のＲＡＭの所定の記憶エリアに記憶される。

次いで、第２濃度と第１濃度との差分（差濃度）が算出される（Ｓ２０）。排気ガス中にもとから含まれるＮＯｘ濃度は一定であり、この差濃度は、第１温度において排気ガス中に含まれるＮＨ_３が酸化することにより生成された分のＮＯｘの濃度と、第２温度においてさらにＮＨ_３が酸化することにより生成された分のＮＯｘの濃度との差分に相当する。

そこで、算出されたＮＯｘの差濃度から、図４に示されるグラフから得られる以下の換算式を用いてＮＨ_３の濃度の計算が行われる（Ｓ２２）。
ＮＨ_３の濃度＝ＮＯｘの差濃度／｛（第１温度におけるＮＨ_３の相対比−第２温度におけるＮＨ_３の相対比）／１００｝
得られたＮＨ_３の濃度の情報はＥＣＵ９０に送信され、インジェクタ６０から噴射される尿素水の噴射量やタイミングなどを調整するフィードバック制御に用いられる。

このように、温度条件によってＮＨ_３が酸化され生成されるＮＯｘの相対比が異なることを利用すれば、排気ガス中に含まれるＮＨ_３の濃度を検出することができる。

以上、本発明に係るガスセンサの一例としてガスセンサ１について説明したが、本発明は上記実施の形態に限らず、各種の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、ガスセンサとして、第１検出室１５０を介して酸素濃度を調整した排気ガスを第２検出室１６０へ導入してＮＯｘ濃度の検出を行う２室限界電流式のガスセンサ１を例に挙げたが、第１検出室１５０の無い構成や第１検出室内に電極１３３が配置された構成であってもよい。また、基準酸素室１７０が小部屋として構成されていなくともよく、電極１２３，１３２が、それぞれ固体電解質体１２１，１３１と絶縁体１４５との間に挟まれた構成であってもよい。

また、本実施の形態では、ガスセンサ１がＮＯｘ濃度の検出に加えＮＨ_３濃度の検出を行えるものとしたが、必ずしもＮＨ_３濃度を検出可能である必要はなく、単なるＮＯｘセンサであってもよい。なお、前述したが、ガスセンサ１では、Ｉｐ１ドライブ回路５２に流す電流の大きさや向きから排気ガス中の酸素濃度を検出することが可能であり、ひいては排気ガスの空燃比の検出も可能である。

なお、ヒータパターン１６２を流れる電流の大きさは、ガスセンサ１を構成するＩｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０のいずれかに所定の大きさの電流ないし電圧を定期的に供給し、そのときにセルを介して得られるセンサ抵抗信号に基づき、制御することもできる。なお、このセンサ抵抗信号は、公知の手法（回路構成）によって取得することができるものであるため、説明は省略するが、具体的には、Ｖｓセル１２０に対し定期的に所定の大きさの電流を流し、そのときにＶｓセル１２０を介して得られる出力をサンプルホールドし、このサンプルホールドした出力をセンサ抵抗信号としてＣＰＵに出力するものである。

内燃機関１００の排気系周りの概略的な構成を示す図である。 センサ制御装置５に接続されたガスセンサ１の概略的な構成を示す図である。 固体電解質体が晒される雰囲気の温度とその固体電解質体の導電率との関係を示す片対数グラフである。 ＮＨ_３を投入してその濃度を１００ｐｐｍとした排気ガスの温度と、排気ガス中に含まれるＮＨ_３、そのＮＨ_３から生成されるＮＯ、ＮＯ_２の濃度との関係を示すグラフである。 ＮＨ_３濃度検出プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１ ガスセンサ
１１０ Ｉｐ１セル
１１１，１２１，１３１ 固体電解質体
１１２，１１３，１２２，１２３，１３２，１３３ 電極
１２０ Ｖｓセル
１３０ Ｉｐ２セル
１５０ 第１検出室
１５１ 第１拡散抵抗部
１５２ 第２拡散抵抗部
１６０ 第２検出室
１６１ ヒータ素子

Claims (6)

1. 固体電解質体およびその固体電解質体上に形成された一対の電極を有し、当該一対の電極のうち被検出ガスに晒される一方の電極にて、当該被検出ガスに含まれるＮＯｘが還元または分解された際に、前記一対の電極間にＮＯｘ由来の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素ポンプセルと、
   前記固体電解質体の加熱を行うため、通電により発熱するヒータと
   を備え、
   前記電流に基づいて、前記被検出ガスに含まれるＮＯｘ濃度の検出を行うガスセンサにおいて、
   前記固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となると共に、
   前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる際には、前記固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御されることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる際には、前記固体電解質体の温度が３００℃〜４５０℃となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御されることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記固体電解質体は、スカンジア安定化ジルコニア、ガドリニウムドープセリア、およびサマリウムドープセリアのうちのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 固体電解質体およびその固体電解質体上に形成された一対の電極を有し、当該一対の電極のうち被検出ガスに晒される一方の電極にて、当該被検出ガスに含まれるＮＯｘが還元または分解された際に、前記一対の電極間にＮＯｘ由来の酸素濃度に応じた電流が流れる酸素ポンプセルと、
   前記固体電解質体の加熱を行うため、通電により発熱するヒータと
   を備えるガスセンサにおいて、
   前記固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となると共に、
   前記固体電解質体の温度が３００〜５５０℃の範囲に含まれる第１温度となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御された際に、前記酸素ポンプセルに流れる電流の値である第１電流値と、
   前記固体電解質体の温度が５５０℃より高い第２温度となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御された際に、前記酸素ポンプセルに流れる電流の値である第２電流値とに基づいて、アンモニア濃度の検出が行われることを特徴とするガスセンサ。
5. 第１拡散抵抗部を介して被検出ガスが導入される第１検出室と、
   第１固体電解質体および当該第１固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、前記一対の第１電極のうちの一方の電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室に導入された前記被検出ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素ポンプセルと、
   前記第１検出室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記被検出ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２検出室と、
   第２固体電解質体および当該第２固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、前記一対の第２電極のうちの一方の電極が前記第２検出室内に配置され、前記第２検出室におけるＮＯｘ濃度に応じて電流が流れる第２酸素ポンプセルと、
   前記第１固体電解質体および前記第２固体電解質体の加熱を行うため、通電により発熱するヒータと
   を備え、
   前記第２酸素ポンプセルに流れる電流に基づいて、前記被検出ガスに含まれるＮＯｘ濃度の検出を行うガスセンサにおいて、
   前記第１固体電解質体および前記第２固体電解質体は、その温度が３００℃であるときの導電率が０．０００３Ｓ／ｃｍ以上となると共に、
   前記被検出ガス中のＮＯｘ濃度の検出が行われる際には、前記第１固体電解質体および前記第２固体電解質体の温度が３００〜５５０℃となるように前記ヒータに流す電流の大きさが制御されること特徴とするガスセンサ。
6. 第３固体電解質体および当該第３固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有し、前記一対の第３電極のうち一方の電極が前記第１検出室内に配置され、前記第１検出室内の酸素濃度に応じて電圧を発生する酸素濃度検知セルをさらに備え、
   前記第１酸素ポンプセルは、前記第３電極間に発生する出力信号が一定値になるように前記第１検出室における酸素濃度を調整することを特徴とする請求項５に記載のガスセンサ。

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