JP2012137363A

JP2012137363A - ガスセンサ

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Publication number: JP2012137363A
Application number: JP2010289465A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kato; 健次加藤; Kohei Ito; 浩平伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: US8826727B2; JP5192031B2; US20120160012A1; EP2469274A1; EP2469274B1

Abstract

【課題】ＮＯｘに対する感度を向上することができるガスセンサを提供する。
【解決手段】
第１測定室１０１への排気ガスの流通を制限するため設けられた第１拡散抵抗部１０３よりも上流側に、排気ガスに含まれるＮＯ_２をＮＯに還元する還元部１８を設けた。第１拡散抵抗部１０３をＮＯｘが通過する場合において、ＮＯよりも分子量の大きなＮＯ_２は、ＮＯと比べての拡散の度合いが低い。還元部１８によってＮＯ_２をＮＯに還元することで、第１拡散抵抗部１０３を通過する排気ガスにはＮＯ_２がほとんど含まれず、第１拡散抵抗部１０３におけるＮＯｘの流通がＮＯ_２によって律速されることがないため、ＮＯｘ検出の感度を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、検出対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出する検出素子を備えるガスセンサに関するものである。

自動車エンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の特定ガス（酸素やＮＯｘなど）の濃度に応じて出力が変化する検出素子を備えたガスセンサが知られている。例えば、ＮＯｘ濃度を検出可能なＮＯｘセンサの検出素子は、固体電解質体に一対の電極を設けたセルを少なくとも１つ以上積層した構造を有する。検出素子の内部には、拡散抵抗部（First diffusion path）を介して排気ガスが導入される第１測定室（First internal cavity）と、第１測定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測定室（Second internal cavity）とが設けられている（例えば、非特許文献１参照）。

第１測定室に導入された排気ガスは、含有する酸素がセルによって外部に汲み出され、第２測定室に導入される際には、排気ガス中に残存する酸素の濃度が所定の低い濃度に調整されている。また、排気ガス中のＮＯｘにはＮＯとＮＯ_２とが含まれており、非特許文献１によれば、第１測定室においてほとんどのＮＯ_２がＮＯに還元される。そして第２測定室では、ＰｔやＲｈ等の貴金属からなる電極が触媒となって、ＮＯが窒素と酸素とに分解される。このとき分解されたＮＯに由来する酸素（もともとＮＯまたはＮＯ_２（ＮＯｘ）を構成していた酸素）が、セルにより汲み出される。セルにおいて、酸素イオンに運搬される電子が電流として検出され、残存酸素濃度（上記調整された酸素濃度）がオフセットされることにより、ＮＯｘ由来の酸素の濃度、ひいてはＮＯｘ濃度の検出が行われる。

N. Kato et al., "Thick Film ZrO2 NOx Sensor", SAE Technical paper series 960334 (1996)

しかしながら、非特許文献１によれば、検出素子のＮＯ_２に対する感度はＮＯに対する感度より低く、およそ８０％であることがわかっており、ＮＯ_２に対する感度の向上、ひいてはＮＯｘに対する感度の向上が望まれていた。なお、感度の違いについては、非特許文献１によれば、上記のように第１測定室においてＮＯ_２がＮＯに還元される化学反応を経ることと、ＮＯと比べてＮＯ_２の拡散の度合いが低い（つまり拡散抵抗部の通過速度が遅い）ことによるものと考えられていた。

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、ＮＯｘに対する感度を向上す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。

本発明の実施態様によれば、検出対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出するガスセンサであって、前記検出対象ガスの流通を制限する拡散抵抗部を介して前記検出対象ガスが導入される第１測定室と、前記拡散抵抗部よりも上流側に設けられ、前記第１測定室へ導入される前記検出対象ガスに含まれるＮＯ_２をＮＯに還元する還元部と、第１固体電解質層および一対の第１電極を備え、前記一対の第１電極が前記第１測定室の内側と外側とに設けられる第１酸素ポンプセルと、前記第１測定室よりも下流側に位置し、前記第１測定室から前記検出対象ガスが導入される第２測定室と、第２固体電解質層および一対の第２電極を備え、前記一対の第２電極が前記第２測定室の内側と外側とに設けられた第２酸素ポンプセルであって、前記第２測定室に導入された前記検出対象ガスに含まれるＮＯの分解によって生じた酸素量に基づく電流が前記一対の第２電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるガスセンサが提供される。

検出対象ガスに含まれるＮＯ_２は、ＮＯと比べて拡散抵抗部の流通抵抗を受けやすい（通過速度が遅い）が、拡散抵抗部の上流側に還元部を設けたことによって、あらかじめＮＯ_２をＮＯに還元させてから拡散抵抗部を通過させることができる。すなわち、検出対象ガスを第１測定室に導入する際にＮＯ_２が拡散抵抗部を通過する際の通過速度が、ＮＯｘ濃度の検出における律速とはならないので、ガスセンサの感度を高めることができる。

本発明の態様において、前記還元部を加熱するヒータをさらに備えてもよい。この場合に、前記ヒータの加熱によって、前記還元部は、前記還元部を流通する前記検出対象ガスを、ＮＯ_２のＮＯへの還元に必要な温度である還元温度以上に加熱してもよい。ヒータによって還元部を加熱することで、検出対象ガスに含まれるＮＯ_２が還元部を通過する際に還元温度以上に加熱されるようにすれば、還元部においてＮＯ_２のＮＯへの還元をより確実に行うことができ、ガスセンサの感度をより確実に高めることができる。

本発明の態様において、前記還元部には、ＮＯ_２のＮＯへの還元反応を触媒する還元触媒が担持されてもよい。還元触媒によってＮＯ_２のＮＯへの還元反応を促進すれば、還元部においてＮＯ_２のＮＯへの還元をさらに確実に行うことができ、ガスセンサの感度をさらに高めることができる。

本発明の態様において、前記拡散抵抗部および前記還元部は、前記検出対象ガスを流通させる多数の連続する気孔が形成された多孔質体からなるものであってもよい。この場合に、前記還元部の気孔率は、前記拡散抵抗部の気孔率に比べて高くてもよい。還元部が多孔質体であれば蓄熱効果が高く、還元部を通過する検出対象ガスに含まれるＮＯ_２のＮＯへの還元反応を促進することができる。また、還元部の気孔率が拡散抵抗部の気孔率と比べて高ければ、ＮＯへの還元前のＮＯ_２に対して還元部が流通抵抗となりにくいので、還元部を設けたことによってＮＯｘ濃度の検出が律速されてしまうことがなく、ガスセンサの感度を確保することができる。

ＮＯｘセンサ１の断面図である。センサ制御装置１９０に接続された検出素子１０の先端部１１における断面図である。

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、一例としてのＮＯｘセンサ１の構造について、図１を参照して説明する。なお、図１ではＮＯｘセンサ１の軸線Ｏ方向（一点鎖線で示す）を上下方向として図示し、内部に保持する検出素子１０の先端部１１側をＮＯｘセンサ１の先端側、後端部１２側をＮＯｘセンサ１の後端側として説明する。

図１に示すＮＯｘセンサ１は、自動車の排気管（図示外）に取り付けられ、内部に保持する検出素子１０の先端部１１が排気管内を流通する排気ガスに曝されて、その排気ガス中に含まれるＮＯｘの濃度を検出する。検出素子１０は、軸線Ｏ方向に延びる細幅の板形状をなし、ＮＯｘ濃度の検出を行うガス検出体１４（図２参照）と、そのガス検出体１４を早期活性化させるために加熱するヒータ体１５（図２参照）とが互いに積層され、略角柱状をなす積層体として一体化されたものである。図１では、紙面左右方向を検出素子１０の板厚方向とし、紙面表裏方向を板幅方向として示している。なお、検出素子１０の詳細な構造については後述する。また、検出素子１０の先端部１１内にはＮＯｘ濃度を検出するための部位が形成され、先端部１１の外周には、後述する還元部１８が設けられている。検出素子１０の後端部１２には、検出素子１０と外部回路（図示外）との電気的な接続を行うための６つの電極パッド１６（図１ではそのうちの２つを図示している）が形成されている。

検出素子１０の胴部１３の中央よりやや先端側の位置には、有底筒状で底壁に開口２５を有する金属製の金属カップ２０が配置されている。検出素子１０は、開口２５を通じて金属カップ２０に挿通されており、先端部１１は開口２５よりも先端側に突出されている。金属カップ２０は主体金具５０内に検出素子１０を保持するための部材であり、底壁の縁部分には、底壁から外周壁にかけてテーパ状をなす先端周縁部２３が形成されている。金属カップ２０内には、アルミナ製のセラミックリング２１と、滑石粉末を圧縮して固めた滑石リング２２とが検出素子１０の周囲を取り巻きつつ軸線Ｏ方向に層状に配置され、収容されている。滑石リング２２は金属カップ２０内で押し潰されて細部に充填されており、これにより、検出素子１０が金属カップ２０内で位置決めされて、保持されている。

金属カップ２０と一体となった検出素子１０は、その周囲を、筒状の主体金具５０に取り囲まれて保持されている。主体金具５０はＮＯｘセンサ１を自動車の排気管（図示外）に取り付け固定するためのものであり、外周先端側に、排気管への取り付け用の雄ねじが形成された取付部５１が設けられている。この取付部５１よりも先端側には、後述するプロテクタ８が係合される先端係合部５６が形成されている。また、主体金具５０の外周中央には取り付け用の工具が係合する工具係合部５２が形成されている。工具係合部５２の後端側には、後述する外筒３０が係合される後端係合部５７が形成されており、さらにその後端側に、主体金具５０内に検出素子１０を加締め保持するための加締部５３が形成されている。そして工具係合部５２と取付部５１との間には、排気管に取り付けた際のガス抜けを防止する環状のガスケット５５が嵌挿されている。

次に、主体金具５０の内周には、取付部５１付近に段状の部位が設けられており、その段状の部位には、前述した検出素子１０を保持する金属カップ２０の先端周縁部２３が係止されている。そして主体金具５０の内周には、滑石リング２６が、自身に検出素子１０を挿通させた状態で、金属カップ２０の後端側から装填されている。さらにその滑石リング２６を後端側から押さえるように、筒状のスリーブ２７が、自身に検出素子１０を挿通させつつ主体金具５０内に嵌め込まれている。スリーブ２７は後端側外周に、段状に形成された肩部２８を有し、その肩部２８に、円環状のパッキン２９が配置されている。この状態で主体金具５０の加締部５３が内向きに加締められ、加締部５３は、パッキン２９を介し、スリーブ２７の肩部２８を先端側に向けて押圧する。この加締めによって、スリーブ２７に押圧された滑石リング２６が主体金具５０内で押し潰されて、細部にわたって充填されている。そして、この滑石リング２６と、金属カップ２０内にあらかじめ装填された滑石リング２２とによって、金属カップ２０および検出素子１０が、主体金具５０内で位置決め保持される。

主体金具５０の先端係合部５６は筒状に形成されており、プロテクタ８が嵌められている。このプロテクタ８は、検出素子１０の先端部１１の外周を取り囲んで、検出素子１０を、被水や物理的な衝撃による折損等から保護している。プロテクタ８は、抵抗溶接やレーザ溶接によって先端係合部５６に固定されている。このプロテクタ８は、有底筒状の内側プロテクタ９０と、内側プロテクタ９０の外周面との間に空隙を有した状態でその径方向周囲を取り囲む筒状の外側プロテクタ８０とから構成される２重構造を有する。

内側プロテクタ９０には、周壁９２の後端側に複数の内側導入孔９５と、周壁９２の先端側に複数の水抜き孔９６と、底壁９３に排出口９７とが開口されている。そして開口端側（後端側）の基端部９１が先端係合部５６の外周に係合されている。また、外側プロテクタ８０には、周壁８２の先端側に、複数の外側導入孔８５が開口されている。そして、開口端側の基端部８１が内側プロテクタ９０の基端部９１の外周に係合されている。その状態で、基端部８１の外周にレーザ溶接が施されており、内側プロテクタ９０の基端部９１ごと主体金具５０の先端係合部５６に接合され、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０とが主体金具５０に固定されている。さらに、外側プロテクタ８０と内側プロテクタ９０との間の空隙を閉じるように、外側プロテクタ８０の先端部８３が内側プロテクタ９０の周壁９２に向けて、内側に折り曲げられている。

一方、主体金具５０に保持される検出素子１０の後端部１２は、主体金具５０の後端（加締部５３）よりも後方に突出されており、その後端部１２に、絶縁性セラミックス（本実施形態では、アルミナ）からなる筒状のセパレータ６０が被せられている。セパレータ６０は、先端側セパレータ６１と後端側セパレータ６６とからなり、先端側セパレータ６１に設けられた径方向外側に突出する鍔部６２に対して、後端側セパレータ６６が係合されている。先端側セパレータ６１は、検出素子１０の後端部１２に形成された６つの電極パッド１６と、電極パッド１６のそれぞれと電気的に接続される６つの接続端子（金属端子）４４（図１ではそのうちの４つを図示している）との接続部位（接点）を、内部に収容する。換言すると、接続端子４４と電極パッド１６との電気的な接続は、先端側セパレータ６１内で行われる。後端側セパレータ６６は、各接続端子４４とＮＯｘセンサ１の外部に引き出される６本のリード線４１との接続部位を内部に収容する。

そして、セパレータ６０が嵌められた検出素子１０の後端部１２の周囲を囲うように、金属製で筒状の外筒３０が配設されている。外筒３０は、先端側の開口端３１が、主体金具５０の後端係合部５７の外周に係合されている。その開口端３１は外周側から加締められ、さらに外周を一周してレーザ溶接が施されて、後端係合部５７に接合されており、これにより、外筒３０と主体金具５０とが一体となっている。

また、外筒３０と先端側セパレータ６１との間の間隙には、金属製で筒状の保持金具４２が配設されている。保持金具４２は、自身の後端を内側に折り曲げて構成した支持部４３を有する。保持金具４２の内部に挿通される先端側セパレータ６１の鍔部６２が支持部４３に係合されて、先端側セパレータ６１が保持金具４２に保持される。この状態で、保持金具４２が配置された部分の外筒３０の外周面が内向きに加締められることにより、先端側セパレータ６１を支持した保持金具４２が外筒３０に固定されている。

次に、外筒３０の後端側の開口には、フッ素系ゴム製のグロメット４５が嵌め込まれ、外筒３０内が密閉されている。グロメット４５は６つの挿通孔４６（図１ではそのうちの２つを図示している）を有し、各挿通孔４６に、セパレータ６０から引き出された上記６本のリード線４１が挿通されている。この状態でグロメット４５は、後端側セパレータ６６を先端側セパレータ６１に押圧しつつ、外筒３０の外周から加締められて、外筒３０の後端に固定されている。

次に、検出素子１０の構造について、図２を参照して説明する。なお、図２に示す検出素子１０の先端部１１は、紙面左手側を、検出素子１０の先端側とする。また、図２では、後述する動作説明のため、検出素子１０の駆動を制御するセンサ制御装置１９０にＮＯｘセンサ１を接続した状態を図示している。センサ制御装置１９０は公知のマイクロコンピュータ１８０を備え、ガス検出体１４とヒータ体１５とのそれぞれの駆動のための電流を生成する検出体駆動回路１６０とヒータ体駆動回路１７０とを、マイクロコンピュータ１８０が制御する。以下の説明において、センサ制御装置１９０の装置構成や動作の詳細については公知であるため、説明を省略または簡略化する。

まず、検出素子１０のガス検出体１４の構成を説明する。図２に示すように、ガス検出体１４は、３枚の板状の固体電解質体１１１，１２１，１３１の間に、アルミナ等からなる絶縁体１４１，１４６をそれぞれ挟み、層状をなすように形成されている。ガス検出体１４は、第１測定室１０１と、第２測定室１０２と、基準酸素室１０５と、第１酸素ポンプセル１１０と、酸素分圧検知セル１２０と、第２酸素ポンプセル１３０とを備える。なお以下では、便宜上、第１酸素ポンプセル１１０、酸素分圧検知セル１２０、第２酸素ポンプセル１３０を、それぞれ、Ｉｐ１セル１１０、Ｖｓセル１２０、Ｉｐ２セル１３０とよぶこととする。

第１測定室１０１は、排気管（図示外）内の排気ガスが、ガス検出体１４内に最初に導入される小空間である。第１測定室１０１は、固体電解質体１１１と固体電解質体１２１との間に形成されている。第１測定室１０１の固体電解質体１１１側の面には電極１１３が配置され、固体電解質体１２１側の面には電極１２２が配置されている。

第１測定室１０１のガス検出体１４における先端側には、アルミナ等のセラミックスからなり複数の連続する気孔を有する多孔質体である第１拡散抵抗部１０３が設けられている。第１拡散抵抗部１０３は、第１測定室１０１内外の仕切りとして機能し、第１測定室１０１内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。同様に、第１測定室１０１のガス検出体１４における後端側にも、アルミナ等のセラミックスからなり複数の連続する気孔を有する多孔質体である第２拡散抵抗部１０４が設けられている。第２拡散抵抗部１０４は、第１測定室１０１と第２測定室１０２との仕切りとして機能し、第１測定室１０１から第２測定室１０２内へのガスの単位時間あたりの流通量を制限する。

第２測定室１０２は、固体電解質体１１１と、第２拡散抵抗部１０４と、絶縁体１４１の開口部１４２と、固体電解質体１２１の開口部１２４と、絶縁体１４６の開口部１４７と、固体電解質体１１１とによって囲まれた小空間である。第２測定室１０２は第２拡散抵抗部１０４を介して第１測定室１０１と連通し、Ｉｐ１セル１１０によって酸素濃度が調整された後の排気ガスが導入される。第２測定室１０２に露出する固体電解質体１３１の表面には電極１３３が配置されている。

基準酸素室１０５は、第２測定室１０２とは独立に絶縁体１４６に設けられた開口と、固体電解質体１２１および固体電解質体１３１とによって囲まれた小空間である。基準酸素室１０５において、固体電解質体１２１の面には電極１２３が配置され、固体電解質体１３１の面には電極１３２が配置されている。基準酸素室１０５内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。

Ｉｐ１セル１１０は、固体電解質体１１１と、多孔質性の一対の電極１１２，１１３とを備える。固体電解質体１１１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。電極１１２，１１３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１１１の両面にそれぞれ設けられている。上記したように、電極１１３は第１測定室１０１内に配置され、電極１１２は、固体電解質体１１１を挟んで電極１１３に対応する位置に配置されている。電極１１２，１１３は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。Ｐｔを主成分とする材料としては、例えば、Ｐｔと、Ｐｔ合金と、Ｐｔとセラミックスとを含むサーメットとが挙げられる。なお、この電極１１２，１１３を構成するＰｔ合金の例示としては、ＰｔとＮＯｘの分解能力が低いＡｕとのＰｔ合金を挙げることができる。また、電極１１２，１１３の表面には、セラミックスからなる多孔質性の保護層１１４，１１５がそれぞれ形成されている。Ｉｐ１セル１１０の電極１１２は、センサ制御装置１９０の検出体駆動回路１６０のＩｐ１＋ポートに接続され、電極１１３は、検出体駆動回路１６０のＣＯＭポート（基準電位）に接続されている。

Ｖｓセル１２０は、固体電解質体１２１と、多孔質性の一対の電極１２２，１２３とを備える。固体電解質体１２１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１２１は、絶縁体１４１を挟んで固体電解質体１１１と対向するように配置されている。電極１２２，１２３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１２１の両面にそれぞれ設けられている。上記したように、電極１２３は基準酸素室１０５内に配置され、電極１２２は、第１測定室１０１内で、固体電解質体１２１を挟んで電極１２３に対応する位置に配置されている。電極１２２，１２３は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｖｓセル１２０の電極１２２は、検出体駆動回路１６０のＣＯＭポートに接続され、電極１２３は、検出体駆動回路１６０のＶｓ＋ポートに接続されている。

Ｉｐ２セル１３０は、固体電解質体１３１と、多孔質性の一対の電極１３２，１３３とを備える。固体電解質体１３１は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１３１は、絶縁体１４６を挟んで固体電解質体１２１と対向するように配置されている。電極１３２，１３３は、検出素子１０の積層方向において、固体電解質体１３１の固体電解質体１２１側の面に設けられている。上記したように、電極１３２は第２測定室１０２内に配置され、電極１３３は、固体電解質体１３１を挟んで電極１３２と対になるように、基準酸素室１０５内に配置されている。電極１３２，１３３は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。Ｉｐ２セル１３０の電極１３２は、検出体駆動回路１６０のＩｐ２＋ポートに接続され、電極１３３は、検出体駆動回路１６０のＣＯＭポートに接続されている。

次に、ヒータ体１５について説明する。ヒータ体１５は、絶縁層１５２，１５３と、ヒータパターン１５１とを備える。絶縁層１５２，１５３は、アルミナを主成分とするシートからなる。ヒータパターン１５１は、絶縁層１５２，１５３の間に埋設され、ヒータ体１５内で繋がる一本の電極パターンである。ヒータパターン１５１は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成され、自身の温度と抵抗値とに相関関係を有する。ヒータパターン１５１は、一方の端部がヒータ体駆動回路１７０のＨｔｒ−ポートに接続されて、接地され、他方の端部がＨｔｒ＋ポートに接続されている。マイクロコンピュータ１８０の指示に基づき、ヒータ体駆動回路１７０によって、ヒータパターン１５１の抵抗値に応じてＨｔｒ＋ポートへの通電のオン・オフのデューティ比が制御されることで、ヒータパターン１５１の発熱温度が調整される。

このような構造の検出素子１０の先端部１１に、アルミナ等のセラミックスからなる多孔質体の還元部１８が設けられている。還元部１８は検出素子１０の先端部１１の外周を覆って設けられている。第１測定室１０１に排気ガスが導入される際に、排気ガスが、第１拡散抵抗部１０３よりも先に還元部１８を通過するように、第１拡散抵抗部１０３よりも上流側に還元部１８が配置されている。還元部１８の気孔率は、第１拡散抵抗部１０３の気孔率に比べて高い。多孔質体は、ガスを流通させる多数の連続する気孔を有し、気孔率とは、それら気孔によって生ずる空間の体積が、多孔質体全体の体積（気孔を含む体積）に占める割合をいう。気孔率が低いほど、多孔質体を通過（流通）するガスが通過の際に受ける流通抵抗が大きい（通過しにくい）。第１拡散抵抗部１０３は、排気ガスが無制限に第１測定室１０１に導入されないよう、排気ガスの導入速度を制限する流通抵抗として機能させるために設けられる。これに対し、還元部１８は、後述するが、排気ガスに含まれるＮＯｘのうちのＮＯ_２の還元反応を行う場として機能させるために設けられる。ゆえに、還元部１８の気孔率は、排気ガスの流通を妨げない程度の気孔率であることが望ましく、よって、第１拡散抵抗部１０３の気孔率よりも高いことが望ましい。なお、還元部１８の気孔率を、第１拡散抵抗部１０３の気孔率よりも高くするにあたっては、焼成されて還元部１８，第１拡散抵抗部１０３となる前駆体を構成するセラミックスの原料粉末の大きさを調整したり、前駆体に含まれるバインダの含有量を調整したり、または、焼成後に気孔を構成する気孔化剤を含有させる場合には、その気孔化剤の含有量を調整したりして、適宜行うことができる。

次に、検出素子１０の動作について、図２を参照して簡単に説明する。ガス検出体１４を構成する固体電解質体１１１，１２１，１３１は、加熱されることにより活性化する。上記のように、ヒータ体駆動回路１７０によってＨｔｒ＋ポートとＨｔｒ−ポートとの間に流す電流が制御され、固体電解質体１１１，１２１，１３１の早期活性化がなされるとともに、活性化後は、ヒータパターン１５１の発熱温度が所定の温度（例えば７５０℃）に維持される。また、ヒータパターン１５１が固体電解質体１１１，１２１，１３１を加熱する上で検出素子１０の先端部１１の全体を加熱するため、先端部１１に設けられた還元部１８も加熱される。

排気管内を流通する排気ガスは、ＮＯｘセンサ１のプロテクタ８（図１参照）内に導入されると、還元部１８を通過し、さらに第１拡散抵抗部１０３を通過して第１測定室１０１内に導入される。排気ガスに含まれるＮＯｘにはＮＯとＮＯ_２とが含まれるが、排気ガスが還元部１８を通過する際に、還元部１８によって、排気ガスが、自身に含まれるＮＯ_２をＮＯに還元するのに必要な還元温度以上（例えば、６５０℃以上）に加熱される。これにより、排気ガスに含まれるＮＯ_２は、そのほとんどがＮＯに還元され、排気ガスが第１拡散抵抗部１０３を通過する際には、排気ガスに含まれるＮＯｘは、ほとんどがＮＯ（排気ガスにもとから含まれるＮＯと、ＮＯ_２が還元されたＮＯ）となっている。

マイクロコンピュータ１８０の指示に基づき、検出体駆動回路１６０は、Ｖｓ＋ポートに所定の電圧を印加し、Ｖｓセル１２０によって、基準酸素室１０５内の酸素分圧が所定の分圧となるように、酸素の汲み出しまたは汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。ここで、第１測定室１０１内に導入された排気ガス中の酸素分圧が基準酸素室１０５内の酸素分圧と異なれば、分圧平衡になるように、Ｖｓセル１２０を介して第１測定室１０１と基準酸素室１０５との間で酸素イオンが移動するため、電極１２２，１２３間に起電力が発生する。

検出体駆動回路１６０は、Ｖｓ＋ポートの電圧が上記の所定の電圧（例えば、４２５ｍＶ）になるように、Ｉｐ１＋ポートに流す電流を制御する。これにより、電極１１３の接する第１測定室１０１内の雰囲気と、検出素子１０の電極１１２の接する外部の雰囲気との間で、酸素の汲み出しおよび汲み入れが行われ、排気ガス中の酸素濃度が所定の低濃度に調整される。

酸素濃度が調整された排気ガスは、第２拡散抵抗部１０４を介して第２測定室１０２に導入される。第２測定室１０２内において、排気ガスに含まれるＮＯがＰｔを主成分とする電極１３２を触媒に分解されることによって、ＮＯｘ由来の酸素（排気ガスにもとから含まれるＮＯと、ＮＯ_２が還元されたＮＯとに由来する酸素）が生ずる。ＮＯｘ由来の酸素は、酸素イオンとしてＩｐ２セル１３０を流れる。これにより、Ｉｐ２セルに電流が流れ、Ｉｐ２＋ポートの出力が排気ガス中のＮＯｘの濃度に対応する出力として得られる。

以上説明したように、本実施の形態の本実施の形態のＮＯｘセンサ１では、検出素子１０の第１拡散抵抗部１０３よりも上流側に多孔質状の還元部１８を設けたことによって、排気ガスに含まれるＮＯ_２をＮＯに還元させた上で、第１拡散抵抗部１０３を通過させることができる。第１拡散抵抗部１０３をＮＯｘが通過する場合において、ＮＯよりも分子量の大きなＮＯ_２は、ＮＯと比べての拡散の度合いが低い（通過速度が遅い）。還元部１８において、ＮＯ_２をＮＯに還元することによって、第１拡散抵抗部１０３を通過する排気ガスは、ＮＯ_２がほとんど含まれていない状態となるので、第１拡散抵抗部１０３におけるＮＯｘの通過（流通）が、ＮＯ_２によって律速されることがない。ゆえに、本実施の形態の検出素子１０は、還元部１８を備えることで、ＮＯｘ検出の感度を高めることができる。なお、還元部１８において排気ガスに含まれるＮＯ_２のすべてがＮＯに還元されることが望ましいが、一部のＮＯ_２が還元されずに残ったとしても、ＮＯｘが第１拡散抵抗部１０３を通過する際の律速となるＮＯ_２を減少させることができれば、ＮＯｘ検出の感度を向上することができる。

また、還元部１８においてＮＯ_２がＮＯに還元されるので、第１測定室１０１内ではＮＯ_２の還元反応を行わずとも済む。さらに、還元部１８は気孔率が第１拡散抵抗部１０３と比べて高いので、還元部１８における流通抵抗は、排気ガスの通過の妨げとはなりにくい。ゆえに、本実施の形態の検出素子１０は、還元部１８を備えることで、ＮＯｘ検出の感度を高めることができるのである。

この還元部１８は、ヒータ体１５のヒータパターン１５１が発熱することによって、固体電解質体１１１，１２１，１３１とともに、加熱される。高温になった還元部１８を排気ガスが通過する際に、ＮＯ_２が、所定の還元温度以上に加熱されて、ＮＯに還元される。還元温度としては、例えば６５０℃以上であれば、ＮＯ_２を完全にＮＯに還元することができて好ましい。もちろん、６５０℃より低い温度であっても、還元部１８においてＮＯ_２をＮＯに還元するのに十分な温度を得られれば足りる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。還元部１８が多孔質体であることは、通過する排気ガスに含まれるＮＯｘのうちのＮＯ_２を効率よくＮＯに還元するための加熱を行う上で好ましいが、排気ガスを還元温度以上に加熱できる構造であれば、還元部１８は多孔質体でなくともよい。例えば、第１拡散抵抗部１０３の上流側に通路を設け、その通路を通る排気ガスが還元温度以上に加熱された上で（ＮＯ_２がＮＯに還元された上で）、第１拡散抵抗部１０３を介して第１測定室１０１に導入されるようにしてもよい。また、還元部１８は、検出素子１０の先端部１１を覆って設けたが、第１拡散抵抗部１０３の上流側に配置されていれば、先端部１１を覆わなくともよい。

また、還元部１８の加熱を、固体電解質体１１１，１２１，１３１を加熱するヒータ体１５によって行ったが、還元部１８を加熱するヒータをヒータ体１５とは別に設けてもよい。還元部１８加熱用のヒータを別途設ければ、ＮＯｘセンサの取付位置や素子構成に影響を受けることなく、還元部の加熱を行うことが可能となる。

また、還元部１８に、ＮＯ_２のＮＯへの還元反応を触媒する、例えばＰｔやＲｈなどの還元触媒を担持させてもよい。還元触媒によって反応を促進すれば、還元部におけるＮＯ_２のＮＯへの還元をさらに確実に行うことができ、ＮＯｘセンサ１の感度をさらに高めることができる。なお、還元部１８に上記還元触媒を担持させることで、還元部１８の加熱温度を低めに設定することも可能となる。また、還元部１８は、排気ガスに晒される検出素子１０を被毒から保護するための保護層として機能してもよい。

なお、本発明においては、第１拡散抵抗部１０３が、「拡散抵抗部」に相当する。固体電解質体１１１および電極１１２，１１３が、「第１固体電解質層および一対の第１電極」に相当する。固体電解質体１３１および電極１３２，１３３が、「第２固体電解質層および一対の第２電極」に相当する。ヒータパターン１５１が、「ヒータ」に相当する。

１ＮＯｘセンサ
１８還元部
１０１第１測定室
１０２第２測定室
１０３第１拡散抵抗部
１１０Ｉｐ１セル
１１１固体電解質体
１１２電極
１１３電極
１３０Ｉｐ２セル
１３１固体電解質体
１３２電極
１３３電極
１５１ヒータパターン

Claims

検出対象ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出するガスセンサであって、
前記検出対象ガスの流通を制限する拡散抵抗部を介して前記検出対象ガスが導入される第１測定室と、
前記拡散抵抗部よりも上流側に設けられ、前記第１測定室へ導入される前記検出対象ガスに含まれるＮＯ_２をＮＯに還元する還元部と、
第１固体電解質層および一対の第１電極を備え、前記一対の第１電極が前記第１測定室の内側と外側とに設けられる第１酸素ポンプセルと、
前記第１測定室よりも下流側に位置し、前記第１測定室から前記検出対象ガスが導入される第２測定室と、
第２固体電解質層および一対の第２電極を備え、前記一対の第２電極が前記第２測定室の内側と外側とに設けられた第２酸素ポンプセルであって、前記第２測定室に導入された前記検出対象ガスに含まれるＮＯの分解によって生じた酸素量に基づく電流が前記一対の第２電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、
を備えることを特徴とするガスセンサ。
前記還元部を加熱するヒータをさらに備え、
前記ヒータの加熱によって、前記還元部は、前記還元部を流通する前記検出対象ガスを、ＮＯ_２のＮＯへの還元に必要な温度である還元温度以上に加熱することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記還元部には、ＮＯ_２のＮＯへの還元反応を触媒する還元触媒が担持されてい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。
前記拡散抵抗部および前記還元部は、前記検出対象ガスを流通させる多数の連続する気孔が形成された多孔質体からなり、
前記還元部の気孔率は、前記拡散抵抗部の気孔率に比べて高いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のガスセンサ。