JP2020085465A - ガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ Download PDF

Info

Publication number
JP2020085465A
JP2020085465A JP2018214827A JP2018214827A JP2020085465A JP 2020085465 A JP2020085465 A JP 2020085465A JP 2018214827 A JP2018214827 A JP 2018214827A JP 2018214827 A JP2018214827 A JP 2018214827A JP 2020085465 A JP2020085465 A JP 2020085465A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
end side
side region
detection electrode
gas
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018214827A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2020085465A5 (ja
JP7149166B2 (ja
Inventor
原田　敏彦
Toshihiko Harada
敏彦 原田
健介 瀧澤
Kensuke Takizawa
健介 瀧澤
大樹 市川
Daiju Ichikawa
大樹 市川
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.)
Denso Corp
Soken Inc
Original Assignee
Denso Corp
Soken Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp, Soken Inc filed Critical Denso Corp
Priority to JP2018214827A priority Critical patent/JP7149166B2/ja
Priority to DE112019005751.0T priority patent/DE112019005751T5/de
Priority to PCT/JP2019/043175 priority patent/WO2020100644A1/ja
Publication of JP2020085465A publication Critical patent/JP2020085465A/ja
Publication of JP2020085465A5 publication Critical patent/JP2020085465A5/ja
Priority to US17/319,428 priority patent/US20210262974A1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7149166B2 publication Critical patent/JP7149166B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4071—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases using sensor elements of laminated structure

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)

Abstract

【課題】定常時及び過渡時のいずれにおいても、検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度を精度よく検出す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１は、アンモニア素子部２、ヒータ部４及び電位差検出部５１を備える。電位差検出部５１は、検出電極２２における、検出対象ガスＧに含まれる酸素の電気化学的還元反応と検出対象ガスＧに含まれるアンモニアの電気化学的酸化反応とが等しくなるときに生じる、検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。発熱部４１１の発熱中心Ｐは、検出電極２２における長手方向Ｄの先端側領域２２１の平均温度と、検出電極２２における長手方向Ｄの基端側領域２２２の平均温度とが異なるよう、検出電極２２における長手方向Ｄの中心位置Ｏから先端側Ｄ１にずれた位置に対向している。【選択図】図１

Description

本発明は、検出素子部を備えるガスセンサに関する。
例えば、車両においては、内燃機関としてのディーゼルエンジン等から排気される排ガス中のＮＯ、ＮＯ2等のＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するための触媒が、排気管内に配置される。触媒の一つとしての選択式還元触媒（ＳＣＲ）においては、ＮＯｘを還元するために、尿素水等に含まれるアンモニア（ＮＨ3）が触媒担体に付着され、触媒担体においてアンモニアとＮＯｘとが化学反応して、ＮＯｘが窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元される。
また、排気管内における、選択式還元触媒よりも排ガスの流れの上流側位置には、還元剤としてのアンモニアを、選択式還元触媒へ供給する還元剤供給装置が配置される。また、例えば、排気管内における、選択式還元触媒の排ガスの流れの下流側位置には、排ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、排ガスにおけるアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサとが配置される。そして、ＮＯｘセンサ及びアンモニアセンサを用いてＮＯｘ及びアンモニアの量を検出することにより、選択式還元触媒からのアンモニアの流出を抑えつつ、アンモニアによるＮＯｘの浄化率を向上させている。
例えば、特許文献１においては、ＮＯｘ濃度に応じた電流を検出するＮＯｘセンサ部と、ＮＯｘセンサ部の外表面に形成されたアンモニアセンサ部とが設けられたマルチガスセンサについて開示されている。このマルチガスセンサにおいては、１つのガスセンサによってＮＯｘ濃度とアンモニア濃度とを測定可能にしている。
特開２０１０−３８８０６号公報
アンモニアセンサにおいては、固体電解質体における、アンモニアを検出するための電極は、その温度が４００℃近くの低温に近くなるほど、アンモニアに対する感度が高くなる傾向にある。また、電極に、アンモニアが含まれる検出対象ガスが接触しやすくすることにより、アンモニアに対する電極の感度が高くなる傾向にある。そのため、特許文献１のマルチガスセンサにおいては、アンモニアセンサ部をアンモニアセンサにおける外側の部位に配置し、アンモニアセンサ部の温度が約４００℃になるようにしている。
しかし、アンモニアセンサ部に検出対象ガスが当たりやすくするとともに、アンモニアセンサ部の温度が低温になるように制御する際には、次の課題が生じる。すなわち、検出対象ガスの流速が急激に変動したとき等においては、アンモニアセンサ部が急冷されて、アンモニアセンサ部が約４００℃の付近よりもさらに低下し、アンモニアセンサ部が作動温度よりも低くなるおそれがある。この場合には、特許文献１のマルチガスセンサによっては、アンモニア濃度の検出精度が悪化するおそれがある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、定常時及び過渡時のいずれにおいても、検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度を精度よく検出することができるガスセンサを提供しようとして得られたものである。
本発明の一態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の表面に設けられて、検出対象ガス（Ｇ）に晒される検出電極（２２）、及び前記固体電解質体の表面に設けられた基準電極（２３）を有するとともに、長手方向（Ｄ）に長い形状を有する検出素子部（２）と、
通電によって発熱する発熱部（４１１）を有し、前記発熱部の発熱によって前記固体電解質体、前記検出電極及び前記基準電極を加熱するヒータ部（４）と、
前記検出電極における、前記検出対象ガスに含まれる酸素の電気化学的還元反応と前記検出対象ガスに含まれる特定ガス成分の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる、前記検出電極と前記基準電極との間の電位差（ΔＶ）を検出する電位差検出部（５１）と、を備え、
前記発熱部の発熱中心（Ｐ）は、前記検出電極における前記長手方向の先端側領域（２２１）の平均温度と、前記検出電極における前記長手方向の基端側領域（２２２）の平均温度とが異なるよう、前記検出電極における前記長手方向の中心位置（Ｏ）から先端側（Ｄ１）又は基端側（Ｄ２）にずれた位置に対向している、ガスセンサ（１）にある。
前記一態様のガスセンサにおいては、検出電極とヒータ部の発熱部との位置関係に工夫をし、検出電極の温度が、長手方向の先端側領域と基端側領域とにおいて互いに異なるようにしている。具体的には、発熱部の発熱中心が、検出電極における長手方向の中心位置から先端側又は基端側にずれた位置に対向するようにしている。そして、検出電極における長手方向の先端側領域の平均温度と、検出電極における長手方向の基端側領域の平均温度とが、意図的に異なるようにしている。
この構成により、例えば、検出電極における先端側領域と基端側領域との一方を、触媒作用が活性化する作動温度又は特定ガス成分に対する感度がよい適切な温度に設定し、他方を、作動温度又は適切な温度よりも高い温度に設定することができる。そして、ガスセンサの定常時においては、作動温度又は適切な温度に制御された一方の領域によって特定ガス成分に対する感度が維持される。また、検出対象ガスの温度の低下、流速の増加等を受けて、ガスセンサ（検出素子部）の温度が急激に低下する過渡時においては、一方の領域における温度が作動温度又は適切な温度よりも下がる一方、他方の領域における温度が作動温度又は適切な温度になる、といった状況を形成することができる。
これにより、定常時及び過渡時のいずれにおいても、検出電極の先端側領域及び基端側領域の少なくとも一方を、作動温度又は適切な温度に維持することができる。それ故、前記一態様のガスセンサによれば、定常時及び過渡時のいずれにおいても、検出対象ガスにおける特定ガス成分の濃度を精度よく検出することができる。
なお、検出電極をその長手方向における中心位置において長手方向に２分割したときに、長手方向の先端側に位置する領域を「先端側領域」とし、長手方向の基端側に位置する領域を「基端側領域」とする。また、「先端側領域の平均温度」は、先端側領域における複数箇所の温度の平均値とし、「基端側領域の平均温度」は、基端側領域における複数箇所の温度の平均値とすることができる。
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
実施形態１にかかる、ガスセンサの構成を示す断面説明図。 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のII−II断面図。 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のIII−III断面図。 実施形態１にかかる、他のセンサ素子を示す、図１のIII−III断面相当図。 実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のV−V断面図。 実施形態１にかかる、センサ制御ユニットにおけるアンモニア濃度の検出に関する電気的構成を示す説明図。 実施形態１にかかる、ガスセンサが内燃機関に配置された状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、検出電極において生じる混成電位を示す説明図。 実施形態１にかかる、アンモニア濃度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図。 実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図。 実施形態１にかかる、検出電極の温度が変化したときに検出電極において生じる混成電位を示す説明図。 実施形態１にかかる、検出電極の温度と電位差の補正量との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、測定ガスにＣＯ及びＣ3Ｈ8の他ガスが含まれる場合に、検出電極において生じる混成電位を示す説明図。 実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときの、アンモニア濃度と電位差との関係を示すグラフ。 実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときの、電位差と酸素補正後のアンモニア濃度との関係を示すグラフ。 実施形態２にかかる、センサ素子を示す、図１のIII−III断面相当図。 実施形態２にかかる、他のセンサ素子を示す、図１のIII−III断面相当図。 実施形態３にかかる、ガスセンサの構成を示す断面説明図。 実施形態３にかかる、センサ素子を示す、図１８のXIX−XIX断面図。 実施形態４にかかる、センサ素子を示す断面説明図。 実施形態４にかかる、ガスセンサの構成を示す、図２０のXXI−XXI断面図。 確認試験１にかかる、検出電極の温度とセンサ出力との関係を示すグラフ。 確認試験１にかかる、検出電極の温度とセンサ出力の応答時間との関係を示すグラフ。 確認試験２にかかる、定常状態から過渡状態に変化したときの、検出電極の先端側領域及び基端側領域の平均温度の推移を示すグラフ。
前述したガスセンサ１にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガスセンサ１は、図１〜図３及び図５に示すように、検出素子部としてのアンモニア素子部２、ヒータ部４及び電位差検出部５１を備える。アンモニア素子部２及びヒータ部４は、センサ素子１０の一部を構成する。アンモニア素子部２は、酸素イオン伝導性の第１固体電解質体２１と、第１固体電解質体２１の第１表面２１１に設けられて、酸素（Ｏ2）及びアンモニア（ＮＨ3）が含まれる検出対象ガスＧに晒される検出電極（アンモニア電極）２２と、第１固体電解質体２１における、第１表面２１１とは反対側の第２表面２１２に設けられた基準電極２３とを有する。アンモニア素子部２は、長手方向Ｄに長い形状を有する。ヒータ部４は、通電によって発熱する発熱部４１１を有しており、発熱部４１１の発熱によって第１固体電解質体２１、検出電極２２及び基準電極２３を加熱するよう構成されている。
図１及び図３に示すように、電位差検出部５１は、検出電極２２における、検出対象ガスＧに含まれる酸素の電気化学的還元反応と検出対象ガスＧに含まれる特定ガス成分としてのアンモニアの電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる、検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。発熱部４１１の発熱中心Ｐは、検出電極２２における長手方向Ｄの先端側領域２２１の平均温度と、検出電極２２における長手方向Ｄの基端側領域２２２の平均温度とが異なるよう、検出電極２２における長手方向Ｄの中心位置Ｏから先端側Ｄ１にずれた位置に対向している。
以下に、本形態のガスセンサ１について詳説する。
（ガスセンサ１）
図１に示すように、本形態のガスセンサ１は、電位差式としての混成電位式のものである。このガスセンサ１においては、酸素及びアンモニアが含まれる状態の検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出する。ガスセンサ１はアンモニアセンサを構成する。本形態の電位差検出部５１は、検出電極２２における、酸素の電気化学的還元反応（以下、単に還元反応という。）による還元電流とアンモニアの電気化学的酸化反応（以下、単に酸化反応という。）による酸化電流とが等しくなるときに生じる、検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。
なお、ガスセンサ１のセンサ素子１０の検出電極２２は、アンモニア以外にも、種々の特定ガス成分を混成電位によって検出するものとすることができる。例えば、検出電極２２は、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯ（一酸化窒素）、ＮＯ2（二酸化窒素）、Ｎ2Ｏ（亜酸化窒素）、Ｈ2(水素)、Ｈ2Ｏ（水）、ＨＣ（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10、Ｃ2Ｈ4、Ｃ3Ｈ6、Ｃ4Ｈ8、Ｃ2Ｈ2等の炭化水素）を混成電位によって検出するものとすることができる。
図７に示すように、ガスセンサ１は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１において、ＮＯｘを還元する触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出するものである。検出対象ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気された排ガスである。排ガスの組成は、内燃機関７における燃焼状態によって変化する。内燃機関７における、空気と燃料との質量比である空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リッチな状態にあるときには、排ガスの組成においては、未燃ガスに含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、Ｈ2（水素）等の割合が多くなる一方、ＮＯ、ＮＯ2、Ｎ2Ｏ等のＮＯｘ（窒素酸化物）の割合が少なくなる。内燃機関７における空燃比が、理論空燃比に比べて燃料リーンな状態にあるときには、排ガスの組成においては、ＨＣ、ＣＯ等の割合が少なくなる一方、ＮＯｘの割合が多くなる。また、燃料リッチな状態においては、検出対象ガスＧに酸素（空気）がほとんど含まれず、燃料リーンな状態においては、検出対象ガスＧに酸素（空気）がより多く含まれる。
（触媒７２）
同図に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管７１へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
本形態の内燃機関７は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。また、触媒７２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニア（ＮＨ3）と化学反応させて窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元する選択式還元触媒（ＳＣＲ）である。
なお、図示は省略するが、排気管７１における、触媒７２の上流側位置には、ＮＯのＮＯ2への変換（酸化）、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の低減を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されていてもよい。
（マルチガスセンサ）
図７に示すように、本形態のガスセンサ１は、排気管７１における、触媒７２よりも下流側位置に配置される。なお、排気管７１に配置されるのは、厳密には、電位差検出部５１等を含むセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５を除く、センサ素子１０を含むセンサ本体である。便宜上、本形態においては、センサ本体のことをガスセンサ１ということがある。
本形態のガスセンサ１は、アンモニア濃度の検出だけでなく、酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出も可能なマルチガスセンサ（複合センサ）として形成されている。そして、ガスセンサ１において、酸素濃度は、アンモニア濃度を補正するために使用される。また、ガスセンサ１によるアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度は、内燃機関７の制御装置としてのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって、還元剤供給装置７３から排気管７１へ還元剤Ｋとしてのアンモニアを供給する時期を決定するために使用される。
なお、制御装置には、エンジンを制御するエンジン制御ユニット５０、ガスセンサ１を制御するセンサ制御ユニット５の他、種々の電子制御ユニットがある。制御装置とは、種々のコンピュータ（処理装置）のことをいう。
エンジン制御ユニット５０は、ガスセンサ１によって、検出対象ガスＧ中にＮＯｘが存在することが検出されるときには、触媒７２においてアンモニアが不足していると検知し、還元剤供給装置７３から尿素水を噴射し、触媒７２へアンモニアを供給するよう構成されている。一方、エンジン制御ユニット５０は、ガスセンサ１によって、検出対象ガスＧ中にアンモニアが存在することが検出されるときには、触媒７２においてアンモニアが過剰に存在していると検知し、還元剤供給装置７３からの尿素水の噴射を停止し、触媒７２へのアンモニアの供給を停止するよう構成されている。触媒７２には、ＮＯｘを還元するためのアンモニアが過不足なく供給されることが好ましい。
エンジン制御ユニット５０によるアンモニアの供給制御が行われることにより、触媒７２の下流側位置（触媒出口７２１）及びガスセンサ１の配置位置に存在する検出対象ガスＧ中のＮＯｘ及びアンモニアの濃度領域においては、ＮＯｘがアンモニアによって適切に還元される状態と、ＮＯｘの流出量が多くなる状態と、アンモニアの流出量が多くなる状態とが、時間を変えて生じることになる。
（センサ本体）
図示は省略するが、ガスセンサ１のセンサ本体は、ヒータ部４が配置されてアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出するためのセンサ素子１０と、センサ素子１０を保持して排気管７１に取り付けるためのハウジングと、ハウジングの先端側Ｄ１に取り付けられてセンサ素子１０を保護する先端側カバーと、ハウジングの基端側Ｄ２に取り付けられてセンサ素子１０の電気配線部分を保護する基端側カバーとを備える。図１〜図３に示すように、センサ素子１０には、ヒータ部４を構成する発熱体４１が埋設されている。
（センサ素子１０）
図１及び図２に示すように、センサ素子１０は、マルチガスセンサを構成するために、アンモニア濃度を検出するためのアンモニア素子部２、並びに酸素濃度及びＮＯｘ濃度を検出するための酸素素子部３を有する。センサ素子１０は、アンモニア素子部２を形成するための第１固体電解質体２１、及び酸素素子部３を形成するための第２固体電解質体３１を有する。
第１固体電解質体２１及び第２固体電解質体３１は、直方体状であって板状に形成されている。第１固体電解質体２１及び第２固体電解質体３１には、板状の絶縁体２５，３６，４２が積層されている。第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１との間に位置する絶縁体２５には、基準電極２３が収容された基準ガスダクト２４が形成されている。検出電極２２は、センサ素子１０の外側表面を形成するとともに検出対象ガスＧに露出される、第１固体電解質体２１の外側表面としての第１表面２１１に設けられている。第１固体電解質体２１の第１表面２１１は、センサ素子１０の最表面となり、検出対象ガスＧが所定の流速で衝突する表面となる。
図１及び図６に示すように、本形態のガスセンサ１は、アンモニア素子部２、ヒータ部４及び電位差検出部５１の他に、アンモニア濃度算出部５２及び通電制御部５８を備える。アンモニア濃度算出部５２は、検出対象ガスＧにおける酸素濃度、及び電位差検出部５１による電位差ΔＶに基づいて、酸素濃度に応じた補正が行われた、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出するよう構成されている。通電制御部５８は、検出電極２２の温度が３５０〜６００℃の範囲内の目標制御温度になるよう、発熱体４１への通電量を制御するよう構成されている。また、アンモニア濃度算出部５２は、通電制御部５８による目標制御温度が高いほど、酸素濃度が所定量変化したときのアンモニア濃度の補正量を小さくするよう構成されている。ヒータ部４は、通電によって発熱する発熱体４１を有する。
（アンモニア素子部２）
図１及び図２に示すように、第１固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニアを主成分とする種々の材料によって構成することができる。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることができる。
検出電極２２は、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する金（Ａｕ）を含有する貴金属材料を用いて構成されている。検出電極２２の貴金属材料は、白金−金合金、白金−パラジウム合金、パラジウム−金合金等によって構成することができる。基準電極２３は、酸素に対する触媒活性を有する白金（Ｐｔ）等の貴金属材料を用いて構成されている。また、検出電極２２及び基準電極２３は、第１固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有していてもよい。
第１固体電解質体２１の、検出対象ガスＧに晒される第１表面２１１は、ガスセンサ１のセンサ素子１０における最も外側の表面を形成する。そして、第１表面２１１に設けられた検出電極２２には、検出対象ガスＧが接触しやすい状態が形成されている。本形態の検出電極２２の表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層が設けられていない。そして、検出電極２２には、検出対象ガスＧが拡散律速されずに接触する。なお、検出電極２２の表面には、検出対象ガスＧの流速を極力低下させない保護層を設けることも可能である。
第１固体電解質体２１の第２表面２１２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１の第２表面２１２には、大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）２４が隣接して形成されている。
（電位差検出部５１及び電位差ΔＶ）
図１に示すように、本形態の電位差検出部５１は、検出電極２２に混成電位が生じたときの検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出する。検出電極２２においては、検出電極２２に接触する検出対象ガスＧ中にアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、２ＮＨ3＋３Ｏ2-→Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-によって表される。そして、検出電極２２における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、検出電極２２における、アンモニアの酸化反応（速度）と酸素の還元反応（速度）とが等しくなるときの電位として生じる。
図８は、検出電極２２において生じる混成電位を説明するための図である。同図においては、横軸に、基準電極２３に対する検出電極２２の電位（電位差ΔＶ）をとり、縦軸に、検出電極２２と基準電極２３との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、同図においては、検出電極２２においてアンモニアの酸化反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第１ラインＬ１と、検出電極２２において酸素の還元反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第２ラインＬ２とを示す。第１ラインＬ１及び第２ラインＬ２は、いずれも右肩上がりのラインによって示す。
電位差ΔＶが０（ゼロ）の場合は、検出電極２２の電位が基準電極２３の電位と同じであることを示す。混成電位は、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合ったときの電位となる。そして、検出電極２２における混成電位は、基準電極２３に対してマイナス側の電位として検出される。
また、図９に示すように、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａが急になる。この場合には、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側へシフトする。これにより、アンモニア濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する検出電極２２の電位がマイナス側に大きくなる。言い換えれば、アンモニア濃度が高くなるほど、検出電極２２と基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが大きくなる。そのため、アンモニア濃度が高くなるほど電位差ΔＶが大きくなり、電位差ΔＶを検出することにより、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度を検出することが可能になる。
また、図１０に示すように、検出対象ガスＧにおける酸素濃度が高くなるときには、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓが急になる。この場合には、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、マイナス側におけるゼロに近い位置へシフトする。これにより、酸素濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する検出電極２２のマイナス側の電位が小さくなる。言い換えれば、酸素濃度が高くなるほど、検出電極２２と基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる。そのため、酸素濃度が高くなるほど、電位差ΔＶ又はアンモニア濃度を高くする補正を行うことにより、アンモニア濃度の検出精度を高めることができる。
（検出電極２２の温度と電位差ΔＶ）
図１１に示すように、検出電極２２（及びアンモニア素子部２）の温度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａが急になるとともに、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓも急になる。同図においては、検出電極２２の温度が４５０℃から５００℃に変化した場合を示す。そして、検出電極２２の温度が高くなると、アンモニアの酸化反応による酸化電流と酸素の還元反応による還元電流とが大きくなるとともに、電位差（混成電位）ΔＶは小さくなる。なお、検出電極２２の温度が低くなると、これとは逆の変化が生じる。
また、同図においては、検出電極２２の温度が４５０℃及び５００℃のそれぞれの場合について、酸素濃度が５％（体積％）から１０％に変化したときの電位差（混成電位）ΔＶの変化も示す。酸素濃度が増加したときには、前述したように電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる。そして、検出電極２２の温度が４５０℃の場合において、酸素濃度が５％から１０％に変化するときに電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる変化量は、検出電極２２の温度が５００℃の場合において、酸素濃度が５％から１０％に変化するときに電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる変化量に比べて大きい。
言い換えれば、検出電極２２の温度が高い状態にあるほど、酸素濃度が変化したときの電位差（混成電位）ΔＶの変化量は小さくなる。これに基づき、検出電極２２の温度が高くなるほど、すなわち通電制御部５８による目標制御温度が高くなるほど、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度の変化量に応じたアンモニア濃度の補正量を小さくする。
図１２には、検出電極２２の温度が４００〜６００℃の間の所定の温度にある場合に、検出対象ガスＧの酸素濃度が５％から１０％に変化したときに、酸素濃度の変化に応じて、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度がどれだけ補正されたかを示す。アンモニア濃度の補正量は、電位差ΔＶの補正量［ｍＶ］として示す。また、この場合の電位差ΔＶの補正量は、酸素濃度が高くなった場合の補正量であり、電位差ΔＶを高くする補正量である。
同図においては、検出電極２２へ供給する検出対象ガスＧは、窒素中に、酸素が５％（体積％）及びアンモニアが１００ｐｐｍ含まれる状態から、窒素中に、酸素が１０％及びアンモニアが１００ｐｐｍ含まれる状態に変化させた。検出対象ガスＧは、５００ｍｌ／ｍｉｎの流量で検出電極２２へ供給した。基準電極２３は大気に接触させた。
検出電極２２の温度が４００℃程度に低い場合には、酸素濃度が所定量変化したときの（酸素濃度の変化量に応じた）電位差ΔＶ（アンモニア濃度）の補正量が相対的に大きくなる。一方、検出電極２２の温度が５５０℃程度に高い場合には、酸素濃度が所定量変化したときの（酸素濃度の変化量に応じた）電位差ΔＶ（アンモニア濃度）の補正量が相対的に小さくなる。なお、電位差ΔＶはアンモニア濃度を示すため、電位差ΔＶを補正することと、アンモニア濃度を補正することとは同じことを示す。
本形態のガスセンサ１においては、通電制御部５８によって、検出電極２２の温度が３５０〜６００℃の温度範囲内のいずれかの温度になるよう制御される。そして、検出電極２２が３５０〜６００℃の温度範囲内にあることにより、酸素濃度に応じた補正を行ってアンモニア濃度を算出する精度を高めることができる。言い換えれば、検出電極２２の温度が３５０〜６００℃の温度範囲内にあるといった条件は、酸素濃度に応じた補正を行ってアンモニア濃度を求める混成電位式のガスセンサ１にとって不可欠であることが発明者らによって見出された。
図１３には、検出対象ガスＧ中に、アンモニア及び酸素以外の他ガス、例えば、ＣＯ、ＮＯ、炭化水素（Ｃ3Ｈ8等）が存在する場合に、他ガスが電位差（混成電位）ΔＶに与える影響を示す。同図においては、他ガスがＣＯ及びＣ3Ｈ8である場合について示す。同図において、検出対象ガスＧ中に酸素、ＣＯ及びＣ3Ｈ8が存在するときには、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２上のマイナス側の電流は、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１上のプラス側の電流と釣り合おうとするとともに、ＣＯ及びＣ3Ｈ8の他ガスの還元反応を示す第３ラインＬ３上のマイナス側の電流とも釣り合おうとする。
ＣＯ及びＣ3Ｈ8によるマイナス側の電位がアンモニアによるマイナス側の電位よりも小さいことにより、酸素の還元反応とＣＯ及びＣ3Ｈ8の酸化反応とが釣り合う混成電位ΔＶ２は、酸素の還元反応とアンモニアの酸化反応とが釣り合う混成電位ΔＶ１よりも低くなる（マイナス側のゼロに近い位置になる）。これにより、アンモニア濃度を示す混成電位ΔＶ１が、他ガスの濃度を示す混成電位ΔＶ２による影響を受け、混成電位ΔＶ１の検出精度が悪化するおそれがある。言い換えれば、混成電位ΔＶ１は、混成電位ΔＶ２と複合されたような電位となるおそれがある。また、混成電位ΔＶ１と混成電位ΔＶ２との温度依存性は異なる。
同図において、検出電極２２の温度が低くなると、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａ、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓ、及び他ガスの酸化反応を示す第３ラインＬ３の傾きθｘが小さくなり、アンモニア濃度を示す電位差（混成電位）ΔＶ１が、他ガスによる影響をより受けやすくなる。
検出電極２２の温度が３５０℃以上である場合には、アンモニアに対する検出電極２２の酸化触媒性能が、他ガスに対する検出電極２２の酸化触媒性能よりも大幅に高い。そのため、アンモニアの酸化反応と酸素の還元反応とによる混成電位ΔＶ１が、他ガスの酸化反応と酸素の還元反応とによる混成電位ΔＶ２の影響をほとんど受けない。
一方、検出電極２２の温度が３５０℃未満である場合には、アンモニアに対する検出電極２２の酸化触媒性能と、他ガスに対する検出電極２２の酸化触媒性能との差が小さくなる。そのため、アンモニアの酸化反応と酸素の還元反応とによる混成電位ΔＶ１が、他ガスの酸化反応と酸素の還元反応とによる混成電位ΔＶ２の影響を受けやすくなる。
また、検出電極２２の温度が６００℃超過である場合には、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａ、及び酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓがかなり急になる。そして、アンモニアの酸化反応を示すプラス側の電流と、酸素の還元反応を示すマイナス側の電流とが、電位差ΔＶがゼロの原点付近で釣り合いやすくなる。そのため、混成電位ΔＶ１又はアンモニア濃度の絶対値が小さくなり、アンモニア濃度の検出精度が低下する。
従って、通電制御部５８によって、検出電極２２の温度が３５０〜６００℃の温度範囲内のいずれかの温度になるよう制御することによって、酸素補正後のアンモニア濃度の検出精度を高く維持することができる。なお、検出対象ガスＧとしての排ガスに含まれる可能性がある、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の他ガスは、検出電極２２の温度が３５０〜６００℃の範囲内にあり、検出対象ガスＧ中に例えば１０ｐｐｍ以上のアンモニアが含まれる場合には、アンモニア濃度の検出精度にあまり影響を与えないことが確認された。
（酸素素子部３）
図１及び図６に示すように、本形態のガスセンサ１は、マルチガスセンサを形成するために、アンモニア素子部２、電位差検出部５１、アンモニア濃度算出部５２、ヒータ部４及び通電制御部５８の他に、酸素素子部３、ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４、酸素濃度算出部５５、ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７を備える。また、酸素素子部３には、酸素素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。
酸素素子部３は、第２固体電解質体３１、ガス室３５、拡散抵抗部３５１、ポンプ電極３２、ＮＯｘ電極３３及び他の基準電極３４を有する。第２固体電解質体３１は、第１固体電解質体２１に対向して配置されている。第２固体電解質体３１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオンを伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。このジルコニア材料は、第１固体電解質体２１の場合と同様である。
なお、ガスセンサ１がＮＯｘを検出する機能を持たない場合には、酸素素子部３は、ＮＯｘ電極３３を有さず、ガスセンサ１はＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７を備えていなくてもよい。
図１、図２及び図５に示すように、ガス室３５は、第２固体電解質体３１の第３表面３１１に接して形成されている。ガス室３５は、ガス室用絶縁体３６によって形成されている。ガス室用絶縁体３６は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。拡散抵抗部３５１は、多孔質のセラミックス層として形成されており、ガス室３５へ拡散速度を制限して検出対象ガスＧを導入するための部分である。
ポンプ電極３２は、第３表面３１１におけるガス室３５内に収容されており、ガス室３５内の検出対象ガスＧに晒される。ＮＯｘ電極３３は、第３表面３１１におけるガス室３５内に収容されており、ポンプ電極３２によって酸素濃度が調整された後の検出対象ガスＧに晒される。他の基準電極３４は、第２固体電解質体３１における、第３表面３１１とは反対側の第４表面３１２に設けられている。
ポンプ電極３２は、酸素に対する触媒活性を有する一方、ＮＯｘに対する触媒活性を有しない貴金属材料を用いて構成されている。ポンプ電極３２の貴金属材料は、白金−金合金又は白金及び金を含有する材料から構成することができる。ＮＯｘ電極３３は、ＮＯｘ及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属材料を用いて構成されている。ＮＯｘ電極３３の貴金属材料は、白金−ロジウム合金又は白金及びロジウム（Ｒｈ）を含有する材料から構成することができる。他の基準電極３４は、酸素に対する触媒活性を有する白金等の貴金属材料を用いて構成されている。また、ポンプ電極３２、ＮＯｘ電極３３及び他の基準電極３４は、第２固体電解質体３１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有していてもよい。
本形態の他の基準電極３４は、第２固体電解質体３１を介して、ポンプ電極３２と対向する位置及びＮＯｘ電極３３と対向する位置のそれぞれに設けられている。なお、他の基準電極３４は、ポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３と対向する位置の全体に１つ設けられていてもよい。
図１〜図３に示すように、第２固体電解質体３１の第４表面３１２に設けられた他の基準電極３４は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１とは、基準ガスダクト２４を形成するダクト用絶縁体２５を介して積層されている。ダクト用絶縁体２５は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
基準ガスダクト２４は、第１固体電解質体２１の第２表面２１２における基準電極２３と、第２固体電解質体３１の第４表面３１２における他の基準電極３４とに大気を接触させる状態で形成されている。基準電極２３及び他の基準電極３４は、基準ガスダクト２４内に収容されている。基準ガスダクト２４は、センサ素子１０の基端からガス室３５に対向する位置まで形成されている。
ガスセンサ１の基端側カバー内に導入された基準ガスＡは、基準ガスダクト２４の基端側Ｄ２の開口部から基準ガスダクト２４内に導入される。本形態のセンサ素子１０は、第１固体電解質体２１と第２固体電解質体３１との間に基準ガスダクト２４を有することにより、基準電極２３及び他の基準電極３４の全体をまとめて大気に接触させることができる。
（ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及び酸素濃度算出部５５）
図１に示すように、ポンピング部５３は、他の基準電極３４をプラス側として、ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に直流電圧を印加して、ガス室３５内の検出対象ガスＧにおける酸素を汲み出すよう構成されている。ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極３２に接触する、ガス室３５内の検出対象ガスＧにおける酸素が、酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を他の基準電極３４に向けて通過し、基準電極２３から基準ガスダクト２４へと排出される。これにより、ガス室３５内の酸素濃度が、ＮＯｘの検出に適した濃度に調整される。
ポンプ電流検出部５４は、ポンプ電極３２と他の基準電極３４との間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。酸素濃度算出部５５は、ポンプ電流検出部５４によって検出された直流電流に基づいて、検出対象ガスＧにおける酸素濃度を算出するよう構成されている。ポンプ電流検出部５４においては、ポンピング部５３によってガス室３５内から基準ガスダクト２４へ排出される酸素の量に比例した直流電流が検出される。
また、ポンピング部５３は、ガス室３５内の検出対象ガスＧにおける酸素濃度が所定の濃度になるまで、ガス室３５内から基準ガスダクト２４へ酸素を排出する。そのため、酸素濃度算出部５５は、ポンプ電流検出部５４によって検出される直流電流を監視することにより、アンモニア素子部２及び酸素素子部３に到達する検出対象ガスＧにおける酸素濃度を算出することができる。
酸素濃度算出部５５によって算出される酸素濃度は、アンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を補正するための酸素濃度として利用される。
（ＮＯｘ検出部５６及びＮＯｘ濃度算出部５７）
図１に示すように、ＮＯｘ検出部５６は、他の基準電極３４をプラス側としてＮＯｘ電極３３と他の基準電極３４との間に直流電圧を印加して、ＮＯｘ電極３３と他の基準電極３４との間に流れる直流電流を検出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流に基づいて、検出対象ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を差し引いて補正後ＮＯｘ濃度を算出するよう構成されている。ＮＯｘ検出部５６においては、ＮＯｘだけでなくアンモニアも検出される。そのため、ＮＯｘ濃度算出部５７においては、アンモニアの検出量を差し引くことにより実際のＮＯｘの検出量が得られる。
ＮＯｘ濃度算出部５７によるＮＯｘ濃度は、２種類あるものとする。ＮＯｘ検出部５６に生じる電流に基づくＮＯｘ濃度を補正前ＮＯｘ濃度とする。補正前ＮＯｘ濃度においては、ＮＯｘ電極３３において反応するアンモニアによるアンモニア濃度が含まれる。一方、ＮＯｘ濃度算出部５７による補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度算出部５２によるアンモニア濃度を差し引いた濃度を、補正後ＮＯｘ濃度とする。補正後ＮＯｘ濃度は、アンモニアによる影響が除外されたＮＯｘ濃度を示す。アンモニア濃度とＮＯｘ濃度とが比較される場合には、補正後ＮＯｘ濃度が用いられる。
ＮＯｘ電極３３には、ポンプ電極３２によって酸素濃度が調整された後の検出対象ガスＧが接触する。そして、ＮＯｘ検出部５６において、ＮＯｘ電極３３と他の基準電極３４との間に直流電圧が印加されるときには、ＮＯｘ電極３３に接触するＮＯｘが窒素と酸素に分解され、酸素が酸素イオンとなって第２固体電解質体３１を他の基準電極３４に向けて通過し、基準電極２３から基準ガスダクト２４へと排出される。また、ＮＯｘ検出部５６にアンモニアが到達するときには、アンモニアが酸化されて生成されたＮＯｘも同様に窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯｘ濃度算出部５７は、ＮＯｘ検出部５６によって検出される直流電流を監視することにより、酸素素子部３に到達する検出対象ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度を算出し、補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度を差し引いて、ＮＯｘ濃度を補正後ＮＯｘ濃度として算出する。
ガスセンサ１を、アンモニア濃度だけでなく酸素濃度及びＮＯｘ濃度も検出するマルチガスセンサとしたことにより、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出する際に、排気管７１に配置するガスセンサ１の使用数を減らすことができる。また、ＮＯｘ濃度を検出するために使用されるポンプ電極３２及びポンピング部５３を利用して、ポンプ電流検出部５４及び酸素濃度算出部５５によって酸素濃度を検出することができる。
ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及びＮＯｘ検出部５６は、アンプ等を用いてセンサ制御ユニット５内に形成されている。酸素濃度算出部５５及びＮＯｘ濃度算出部５７は、コンピュータ等を用いてセンサ制御ユニット５内に形成されている。
なお、図１においては、便宜的に、電位差検出部５１、ポンピング部５３、ポンプ電流検出部５４及びＮＯｘ検出部５６を、センサ制御ユニット５と区別して記載する。実際には、これらは、センサ制御ユニット５内に構築されている。また、図示は省略するが、各電極２２，２３，３２，３３，３４には、電気接続用のリード部が、発熱体４１のリード部４１２と同様に、センサ素子１０の基端側Ｄ２の位置まで形成されている。
（アンモニア濃度算出部５２）
図１及び図６に示すように、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度算出部５５による酸素濃度と電位差検出部５１による電位差ΔＶとに基づいて、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度を算出する。
図１４は、混成電位式のアンモニア素子部２において、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度の変化に応じて検出される、電位差検出部５１による検出電極２２と基準電極２３との間の電位差（混成電位）ΔＶが、酸素濃度の影響を受けて変化することを示す。同図に示すように、電位差検出部５１によって検出される電位差（混成電位）ΔＶは、酸素濃度が高くなるほど小さく検出される（マイナス側のゼロに近い位置で検出される）。この理由は、図１０における傾きθｓによって説明したとおりである。
図１５に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部５２においては、検出対象ガスＧにおける酸素濃度をパラメータとして、電位差検出部５１による電位差ΔＶと、酸素濃度に応じた補正が行われた酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係を示す関係マップＭ１が設定されている。この関係マップＭ１は、酸素濃度が所定の値にあるときの電位差ΔＶ（酸素補正前のアンモニア濃度Ｃ０）と酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係として作成されている。アンモニア濃度算出部５２は、検出対象ガスＧにおける酸素濃度及び電位差検出部５１による電位差ΔＶを関係マップＭ１に照合して、検出対象ガスＧにおける酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出するよう構成されている。
より具体的には、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度算出部５５による酸素濃度と、電位差検出部５１による電位差ΔＶとを、関係マップＭ１の酸素濃度及び電位差ΔＶにそれぞれ照合する。そして、関係マップＭ１から、電位差ΔＶのときの酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を読み取る。そして、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度が高いほど、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１が高くなるように補正する。こうして、図６に示すように、酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１は、酸素濃度に応じて補正された、ガスセンサ１から出力されるアンモニア出力濃度となる。なお、関係マップＭ１においては、電位差ΔＶを、酸素補正前のアンモニア濃度Ｃ０としてもよい。
同図においては、検出対象ガスＧ中の酸素濃度が、例えば、５［体積％］、１０［体積％］、２０［体積％］である場合の関係マップＭ１を示す。この関係マップＭ１を用いることにより、酸素濃度に応じたアンモニア濃度Ｃ１又は電位差ΔＶの補正を容易にすることができる。電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係マップＭ１は、ガスセンサ１の試作・実験時等において求めておくことができる。
また、図１５の関係マップＭ１は、検出電極２２の温度ごとに設定することができる。そして、検出電極２２の温度の違いを反映して、酸素濃度に応じた酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を算出することができる。また、関係マップＭ１から算出された酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１を、検出電極２２の温度に応じて定められた温度補正係数を用いて補正することもできる。
電位差検出部５１及びアンモニア濃度算出部５２は、ガスセンサ１に電気接続されたセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５内に形成されている。電位差検出部５１は、検出電極２２と基準電極２３との電位差ΔＶを測定するアンプ等を用いて形成されている。アンモニア濃度算出部５２は、コンピュータ等を用いて形成されている。また、センサ制御ユニット５は、内燃機関７のエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）５０に接続されており、エンジン制御ユニット５０による、内燃機関７、還元剤供給装置７３等の動作の制御に利用される。
なお、アンモニア濃度算出部５２は、酸素濃度に応じたアンモニア濃度の補正を行う際には、ＮＯｘ検出部５６による補正前ＮＯｘ濃度又は補正後ＮＯｘ濃度も加味してアンモニア濃度を補正することもできる。酸素素子部３におけるＮＯｘ電極３３は、ＮＯｘに対する触媒活性を有するだけでなく、アンモニアに対する触媒活性も有する。そのため、アンモニア濃度は、ＮＯｘ電極３３において、補正前ＮＯｘ濃度として検出することが可能である。これにより、アンモニア濃度算出部５２においては、酸素濃度、検出電極２２の温度及びＮＯｘ濃度に基づいて、電位差ΔＶによるアンモニア濃度を補正することもできる。
（ヒータ部４及び通電制御部５８）
図１及び図２に示すように、第２固体電解質体３１の、第１固体電解質体２１が積層された側とは反対側には、酸素素子部３及びアンモニア素子部２を加熱するヒータ部４が積層されている。換言すれば、ヒータ部４は、酸素素子部３に対して、アンモニア素子部２が積層された側とは反対側に積層されている。
ヒータ部４は、通電によって発熱する発熱体４１と、発熱体４１を埋設するヒータ用絶縁体４２とによって形成されている。ヒータ用絶縁体４２は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。基準ガスＡが導入される基準ガスダクト２４は、アンモニア素子部２と酸素素子部３との間に形成されている。基準電極２３及び他の基準電極３４は、基準ガスダクト２４内に収容されている。
図１〜図３に示すように、発熱体４１は、発熱部４１１と、発熱部４１１に繋がるリード部４１２とによって形成されており、発熱部４１１は、各固体電解質体２１，３１と各絶縁体２５，３６，４２とが積層された方向（以下、積層方向Ｓという。）において、各電極２２，２３，３２，３３，３４に対向する位置に形成されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５８が接続されている。通電制御部５８による発熱体４１への通電量は、発熱体４１へ印加する電圧を変化させることによって調整することができる。通電制御部５８は、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。通電制御部５８は、センサ制御ユニット５内に形成されている。
アンモニア素子部２とヒータ部４との距離は、酸素素子部３とヒータ部４との距離よりも大きい。そして、ヒータ部４によって酸素素子部３を加熱する温度に比べて、ヒータ部４によってアンモニア素子部２を加熱する温度は低い。酸素素子部３のポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３は、６００〜９００℃の作動温度範囲内において使用され、アンモニア素子部２の検出電極２２は、３５０〜６００℃の作動温度範囲内において使用される。検出電極２２の下限作動温度は３５０℃となり、上限作動温度は６００℃となる。なお、検出電極２２の下限作動温度は４００℃とすることもできる。
検出電極２２の温度は、ヒータ部４の加熱によって、３５０〜６００℃の作動温度範囲内のいずれかの温度を目標として制御される。通電制御部５８は、検出電極２２の温度を目標制御温度に制御するときには、ＮＯｘ電極３３を、６００〜９００℃の作動温度範囲内に加熱するよう構成されている。この構成により、通電制御部５８によるヒータ部４の加熱制御によって、アンモニア素子部２の検出電極２２及び酸素素子部３のＮＯｘ電極３３のそれぞれを、アンモニアの検出及びＮＯｘの検出に適切な温度に加熱することができる。
また、酸素素子部３とアンモニア素子部２との間に基準ガスダクト２４が形成されていることにより、ヒータ部４によって酸素素子部３及びアンモニア素子部２を加熱する際に、基準ガスダクト２４を断熱層として作用させることができる。これにより、酸素素子部３のポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３の温度に比べて、アンモニア素子部２の検出電極２２の温度を容易に低くすることができる。また、通電制御部５８による通電制御を行うことにより、酸素素子部３及びアンモニア素子部２の温度を目標とする温度に制御する。
（温度設定部５０１）
図６に示すように、ガスセンサ１は、通電制御部５８による検出電極２２の先端側領域２２１及び基端側領域２２２の目標制御温度を設定するための温度設定部５０１を備える。温度設定部５０１においては、検出電極２２の目標制御温度が、３５０〜６００℃の作動温度範囲内のうちの特定の温度として設定されている。検出電極２２の目標制御温度は、３５０〜６００℃の作動温度範囲内において適宜変更することができる。
（検出電極２２と発熱中心Ｐとの位置関係）
図１及び図３に示すように、本形態のガスセンサ１のセンサ素子１０においては、検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏよりも、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｐを長手方向Ｄの先端側Ｄ１に配置している。また、図３に示すように、本形態の発熱部４１１の発熱中心Ｐは、検出電極２２の先端側領域２２１よりも長手方向Ｄの先端側Ｄ１の位置にある。なお、発熱部４１１の発熱中心Ｐは、図４に示すように、検出電極２２の先端側領域２２１と積層方向Ｓにおいて対向する位置（重なる位置）にあってもよい。
そして、検出電極２２においては、長手方向Ｄの先端側領域２２１の平均温度が、長手方向Ｄの基端側領域２２２の平均温度よりも高い。ここで、先端側領域２２１とは、検出電極２２をその長手方向Ｄにおける中心位置Ｏにおいて長手方向Ｄに２分割したときに、長手方向Ｄの先端側Ｄ１に位置する領域のことを示し、基端側領域２２２とは、先端側領域２２１を除く領域のことであって、長手方向Ｄの基端側Ｄ２に位置する領域のことを示す。
発熱部４１１の発熱による長手方向Ｄの温度分布は、発熱部４１１の発熱中心Ｐに近い位置ほど温度が高い山型の分布となる。そして、検出電極２２の長手方向Ｄの各部位においては、発熱部４１１の発熱中心Ｐに近いほど高い温度に加熱される。
また、先端側領域２２１及び基端側領域２２２における各温度は、検出電極２２の表面温度とする。そして、先端側領域２２１の平均温度は、先端側領域２２１の複数箇所における表面温度の平均値とし、基端側領域２２２の平均温度は、基端側領域２２２の複数箇所における表面温度の平均値とする。先端側領域２２１の平均温度は、例えば、先端側領域２２１における５〜１００箇所の表面温度を測定したときの算術平均値とすることができる。基端側領域２２２の平均温度は、例えば、基端側領域２２２における５〜１００箇所の表面温度を測定したときの算術平均値とすることができる。検出電極２２の表面温度は、例えば、赤外線を利用して非接触で温度を測定するサーモグラフィを用いて測定することができる。
検出電極２２の先端側領域２２１及び基端側領域２２２を加熱する温度は、通電制御部５８による発熱体４１への通電電流の大きさ等を変更することによって変更可能である。また、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差は、１０〜６０℃の範囲内にすることができる。この温度差は、発熱部４１１の発熱中心Ｐの長手方向Ｄの位置に対して、検出電極２２の中心位置Ｏの長手方向Ｄの位置を変更することによって調整することができる。また、温度差は、通電制御部５８による発熱体４１への通電電流の大きさ等によって調整することもできる。
本形態においては、発熱体４１の発熱部４１１は、ポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３を６００〜９００℃の作動温度に加熱するために、積層方向Ｓにおいてポンプ電極３２及びＮＯｘ電極３３に対向する位置に配置されている。一方、検出電極２２は、３５０〜６００℃の作動温度になるよう、発熱体４１の発熱中心Ｐに対する長手方向Ｄの配置位置を適宜変更することができる。発熱中心Ｐに対して検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏが先端側Ｄ１又は基端側Ｄ２に離れるほど、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差を大きくすることができる。
発熱部４１１の発熱中心Ｐを、検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏ（先端側領域２２１と基端側領域２２２との境界位置）に近づけるほど温度差が小さくなり、発熱部４１１の発熱中心Ｐを、検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏから長手方向Ｄに遠ざけるほど温度差が大きくなる。先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差を、１０〜６０℃の範囲内として適切に設定することにより、検出対象ガスＧの温度変化を受けたガスセンサ１の定常時及び過渡時のいずれにおいても、先端側領域２２１及び基端側領域２２２の少なくとも一方の温度を、３５０℃以上の作動温度に維持することができる。
また、本形態の検出電極２２においては、先端側領域２２１の全部位の温度が、基端側領域２２２の全部位の温度以上になるように、検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏに対する発熱部４１１の発熱中心Ｐの長手方向Ｄの位置を設定している。この構成により、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差が出やすくして、先端側領域２２１及び基端側領域２２２の少なくとも一方が３５０℃以上の作動温度に維持されやすくすることができる。
ガスセンサ１の定常時において、検出電極２２の先端側領域２２１の平均温度は、３９０〜４８０℃の範囲内になるようにすることができる。また、ガスセンサ１の定常時において、検出電極２２の基端側領域２２２の平均温度は、先端側領域２２１の平均温度よりも低く、かつ３８０〜４２０℃の範囲内になるようにすることができる。
（作用効果）
本形態のガスセンサ１においては、検出電極２２とヒータ部４の発熱部４１１との位置関係に工夫をし、検出電極２２の温度が、長手方向Ｄの先端側領域２２１と基端側領域２２２とにおいて互いに異なるようにしている。具体的には、センサ素子１０の積層方向Ｓにおいて、発熱部４１１の発熱中心Ｐが、検出電極２２における長手方向Ｄの中心位置Ｏから先端側Ｄ１にずれた位置に対向するようにしている。換言すれば、センサ素子１０を各固体電解質体２１，３１と各絶縁体２５，３６，４２との積層方向Ｓから見たときに、発熱部４１１の発熱中心Ｐが、検出電極２２における長手方向Ｄの中心位置Ｏから先端側Ｄ１にずれた位置に配置されている。そして、検出電極２２における長手方向Ｄの先端側領域２２１の平均温度が、検出電極２２における長手方向Ｄの基端側領域２２２の平均温度よりも高くなるようにしている。
ガスセンサ１によってアンモニアセンサを構成する際には、アンモニアを検出するための検出電極２２の加熱温度は、作動温度範囲内の３５０℃又は４００℃の下限作動温度近くまで低い方が、アンモニアを検出するための検出電極２２の感度が高いことが分かっている。そのため、発熱体４１によって検出電極２２を加熱する温度は、作動温度範囲内の下限作動温度近くに設定することが好ましい。しかし、検出電極２２を加熱する温度を下限作動温度付近にすると、内燃機関の運転状況に応じて検出対象ガスＧとしての排ガスの温度が急激に下がる場合には、センサ素子１０が排ガスによって急冷されて、検出電極２２の温度が下限作動温度よりも低くなるおそれがある。
そこで、本形態のガスセンサ１においては、検出電極２２を加熱する温度を、その先端側領域２２１と基端側領域２２２とにおいて異ならせ、基端側領域２２２の平均温度は作動温度範囲内の下限作動温度に近い温度に設定し、先端側領域２２１の平均温度は基端側領域２２２の平均温度よりも高い温度に設定する。これにより、ガスセンサ１の定常時においては、下限作動温度に近い温度に制御された基端側領域２２２によってＮＯｘに対する感度が高く維持される。また、検出対象ガスＧの温度の低下、流速の増加等を受けて、アンモニア素子部２の温度が急激に低下する過渡時において、基端側領域２２２における平均温度が下限作動温度よりも下がった場合でも、先端側領域２２１における平均温度が作動温度範囲内の下限作動温度に近い温度になる、といった状況を形成することができる。
これにより、定常時及び過渡時のいずれにおいても、検出電極２２の先端側領域２２１及び基端側領域２２２の少なくとも一方を、作動温度範囲内の下限作動温度に近い温度に維持することができる。それ故、本形態のガスセンサ１によれば、定常時及び過渡時のいずれにおいても、検出対象ガスＧにおける特定ガス成分の濃度を精度よく検出することができる。
＜実施形態２＞
本形態は、検出電極２２と発熱中心Ｐとの位置関係が実施形態１の場合と異なるセンサ素子１０について示す。
図１６に示すように、本形態のガスセンサ１のセンサ素子１０においては、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｐは、検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏから長手方向Ｄの基端側Ｄ２にずれた位置にある。また、本形態の発熱部４１１の発熱中心Ｐは、検出電極２２の基端側領域２２２よりも長手方向Ｄの基端側Ｄ２の位置にある。なお、発熱部４１１の発熱中心Ｐは、図１７に示すように、積層方向Ｓにおいて検出電極２２の基端側領域２２２と対向する位置（重なる位置）にあってもよい。本形態の検出電極２２においては、長手方向Ｄの基端側領域２２２の平均温度が、長手方向Ｄの先端側領域２２１の平均温度よりも高い。
本形態の検出電極２２においては、先端側領域２２１の全部位の温度が、基端側領域２２２の全部位の温度以下になるように、検出電極２２の長手方向Ｄの中心位置Ｏに対する発熱部４１１の発熱中心Ｐの位置を設定している。この構成により、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差が出やすくして、先端側領域２２１及び基端側領域２２２の少なくとも一方が３５０℃以上の作動温度範囲内に維持されやすくすることができる。
ガスセンサ１の定常時において、検出電極２２の基端側領域２２２の平均温度は、３９０〜４８０℃の範囲内になるようにすることができる。また、ガスセンサ１の定常時において、検出電極２２の先端側領域２２１の平均温度は、基端側領域２２２の平均温度よりも低く、かつ３８０〜４２０℃の範囲内になるようにすることができる。
本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の場合と同様である。
＜実施形態３＞
本形態は、酸素素子部３を備えないセンサ素子１０について示す。
図１８及び図１９に示すように、センサ素子１０がアンモニア濃度のみを検出する場合には、センサ素子１０は、検出電極２２と基準電極２３とが設けられた第１固体電解質体２１と、基準ガスダクト２４が形成された絶縁体２５と、発熱体４１が埋設された絶縁体４２とが積層されたものとすることができる。本形態の固体電解質体は１つであるが、検出電極２２及び基準電極２３が設けられた第１固体電解質体２１として示す。
検出電極２２は、検出対象ガスＧに晒される第１固体電解質体２１の外側表面としての第１表面２１１に配置されており、基準電極２３は、基準ガスダクト２４内に配置されている。この場合にも、検出電極２２の先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度とを異ならせることができる。また、この場合には、ガスセンサ１においてアンモニア濃度を求めるために、他のガスセンサによって測定された酸素濃度を利用することができる。
本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１，２の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１，２に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１，２の場合と同様である。
＜実施形態４＞
本形態も、酸素素子部３及び基準ガスダクト２４を備えないセンサ素子１０について示す。
図２０及び図２１に示すように、基準電極２３を基準ガスダクト２４内に配置しない場合には、検出電極２２及び基準電極２３を、センサ素子１０の外側表面を構成する第１固体電解質体２１の第１表面２１１に配置することができる。この場合には、検出電極２２と基準電極２３とのアンモニアに対する触媒活性の違いに基づき、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出することができる。この場合にも、検出電極２２の先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度とを異ならせることができる。
本形態のガスセンサ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１，２の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１，２に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１，２の場合と同様である。
＜確認試験１＞
確認試験１においては、検出電極２２の温度と、検出電極２２のセンサ出力及び応答時間との関係について確認した。図２２には、検出電極２２の温度［℃］と、センサ出力［ｍＶ］との関係について確認した結果を示す。検出電極２２の温度は、検出電極２２の中心位置Ｏの温度として示す。センサ出力は、検出電極２２に生じる混成電位（検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶ）として示す。検出電極２２には試験ガスを接触させ、基準電極２３には大気を接触させた。試験ガスは、酸素を１０体積％、アンモニアを１００ｐｐｍ含有するとともに、残部が窒素からなるものとした。試験ガスの温度は２５０℃とし、検出電極２２に供給する試験ガスの流量は３Ｌ／ｍｉｎとした。
同図において、検出電極２２の温度が３５０〜６００℃の範囲内にあるときには、センサ出力が得られ、この範囲が検出電極２２の作動温度であることが分かる。また、検出電極２２における混成電位は、３５０〜６００℃の作動温度の範囲内においては、できるだけ温度を低くした方が大きくなることが分かる。一方、検出電極２２の温度が３５０℃未満の場合には、固体電解質体の酸素イオン伝導性が低下して、検出電極２２に混成電位が発現しないことが確認された。また、検出電極２２の温度が６００℃超過の場合には、アンモニアが検出電極２２上において反応・消失することにより、検出電極２２に混成電位が発現しないことが確認された。
図２３には、検出電極２２の温度［℃］と、試験ガスのアンモニア濃度を変化させたときのセンサ出力の応答時間［ｓ］との関係について確認した結果を示す。検出電極２２の温度は、検出電極２２の中心位置Ｏの温度として示す。センサ出力の応答時間は、試験ガスにおけるアンモニアの濃度を１００ｐｐｍから２００ｐｐｍに切り替えたときに、センサ出力が、切り換え後のセンサ出力と切り換え前のセンサ出力との出力差の１０％の出力から９０％の出力に変化するまでの時間として示す。試験ガスの他の条件は、図２２のセンサ出力の試験の場合と同様である。
図２３において、検出電極２２の温度が高いほど応答時間が短くなることが分かる。一方、検出電極２２の温度が３５０℃付近まで低くなると応答時間が長くなることが分かる。
図２２のセンサ出力の結果、及び図２３の応答時間の結果を総合すると、検出電極２２の温度は作動温度範囲内において３５０℃に近くなるまで低い方が、検出電極２２の感度（センサ出力）が大きくなるものの、検出電極２２の応答性が悪化する（応答時間が長くなる）。そのため、検出電極２２の温度は、センサ出力と応答時間とのバランスから、４００〜５００℃の範囲内に設定することが、より好ましいと考える。
＜確認試験２＞
確認試験２においては、検出電極２２に先端側領域２２１及び基端側領域２２２が形成されたセンサ素子１０の試作品を作製し、先端側領域２２１と基端側領域２２２との温度の変化について観察した。試作品のセンサ素子１０は、アルミナからなる絶縁体と、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）からなる第１固体電解質体２１とを積層したものとした。検出電極２２と基準電極２３とは、第１固体電解質体２１を挟んで互いに対向する位置に配置した。検出電極２２は、ＡｕとＹＳＺのサーメット電極から構成し、基準電極２３は、ＰｔとＹＳＺのサーメット電極から構成した。また、絶縁体には、基準電極２３が収容される基準ガスダクト２４を形成した。
また、本確認試験におけるセンサ素子１０は、図１８及び図１９に示すセンサ素子１０において、第１固体電解質体２１に対するヒータ部４の位置を変更可能にしたものである。そして、サーモグラフィによって検出電極２２の先端側領域２２１及び基端側領域２２２の表面の温度分布を測定し、サーモグラフィによる温度分布が所望の分布になるように、ヒータ部４に対する検出電極２２の位置を設定するとともに、ヒータ部４への通電量を制御した。検出電極２２及び基準電極２３の面積は、１０ｍｍ2（２ｍｍ×５ｍｍ）とした。
また、検出電極２２には試験ガスを接触させ、基準電極２３には大気を接触させた。試験ガスは、酸素を１０体積％、アンモニアを１００ｐｐｍ含有するとともに、残部が窒素からなるものとした。試験ガスの温度は２５０℃とし、検出電極２２に晒される試験ガスの流量は、定常状態においては０．３Ｌ／ｍｉｎとし、過渡状態においては３０Ｌ／ｍｉｎとした。
そして、２５０℃の試験ガスが０．３Ｌ／ｍｉｎ流れる定常状態において、先端側領域２２１の平均温度が４４０℃程度、基端側領域２２２の平均温度が４００℃程度になるようにヒータ部４を制御し、所定時間経過後に、試験ガスが３０Ｌ／ｍｉｎ流れる過渡状態に変化させた。そして、時間が経過する過程における、先端側領域２２１の平均温度及び基端側領域２２２の平均温度を、サーモグラフィによって測定した。なお、過渡状態に変化してから所定時間経過した後には、ヒータ部４による検出電極２２の先端側領域２２１及び基端側領域２２２の温度制御により、先端側領域２２１の平均温度が４４０℃程度に回復し、基端側領域２２２の平均温度が４００℃程度に回復した。
図２４には、本確認試験における温度の測定結果を示す。同図に示すように、検出電極２２の下限作動温度は３５０℃とし、検出電極２２の上限作動温度は６００℃とする。試験ガスの状態が、定常状態から過渡状態に変化した後には、先端側領域２２１の平均温度及び基端側領域２２２の平均温度がともに下がっていることが分かる。この平均温度の低下は、試験ガスの流量が増加したことにより、試作品のセンサ素子１０が冷やされたために生じた。
この平均温度の低下時において、基端側領域２２２の平均温度は、下限作動温度である３５０℃よりも低い温度に低下した。このとき、基端側領域２２２の少なくとも一部は、３５０℃未満となり、基端側領域２２２は、センサ出力を発生させるための酸素イオン伝導性を発現しにくい状態になったと推察される。ただし、このときにおいても、先端側領域２２１の平均温度は４００℃以上程度に維持されており、先端側領域２２１は、センサ出力を発生させるための酸素イオン伝導性を発現できる状態に維持されている。
この試験結果より、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度とを異ならせた検出電極２２を用いたセンサ素子１０を使用することにより、センサ素子１０の温度が急激に低下する過渡時においても、検出電極２２の全体によって検出電極２２の感度を維持できることが確認された。なお、基端側領域２２２の平均温度を先端側領域２２１の平均温度よりも高くする場合についても、本確認試験と同様の結果が得られた。
＜確認試験３＞
確認試験３においては、検出電極２２における、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差がどれだけあればよいかを確認した。本確認試験においては、先端側領域２２１を高温側領域とし、基端側領域２２２を、高温側領域の平均温度よりも平均温度が低い低温側領域とした。また、温度差が５〜７０℃の範囲内で互いに異なる試作品１〜８のセンサ素子１０を作製した。
そして、各試作品について、検出ガスに供給する試験ガスの流量が０．３Ｌ／ｍｉｎである定常状態から、試験ガスの流量が３０Ｌ／ｍｉｎである過渡状態に変化させたときに、ガスセンサ１のセンサ出力（検出電極２２と基準電極２３との間の電位差ΔＶ）がどれだけ変化したかを測定し、この変化をセンサ出力の変化率［％］として求めた。センサ出力の変化率は、定常状態におけるセンサ出力をＸ１［ｍＶ］、過渡状態におけるセンサ出力をＸ２［ｍＶ］としたとき、（Ｘ１−Ｘ２）／Ｘ１×１００［％］の式によって求められる。
また、各試作品について、センサ出力のばらつきがどれだけ生じたかを、センサ出力の安定性として確認した。この安定性については、ばらつきが少なかった場合を○によって示し、ばらつきが多かった場合を×によって示す。
本確認試験を行った結果を表１に示す。同表において、試作品１〜８について、検出電極２２として適切か否かを判定し、適切である場合を○、適切でない場合を×として示す。
Figure 2020085465
温度差が５℃である試作品１については、センサ出力の変化率が５５％と大きくなり、判定が×となった。また、温度差が７０℃である試作品８については、センサ出力の安定性が×となり、判定が×となった。一方、温度差が１０〜６０℃である試作品２〜７については、センサ出力の変化率が小さく、かつセンサ出力の安定性が良好であり、判定が○となった。この結果より、検出電極２２における、先端側領域２２１の平均温度と基端側領域２２２の平均温度との温度差は、１０〜６０℃の範囲内にあることが好ましいことが分かった。
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
１ ガスセンサ
１０ センサ素子
２１ 第１固体電解質体
２２ 検出電極
２２１ 先端側領域
２２２ 基端側領域
２３ 基準電極
４ ヒータ部
５１ 電位差検出部

Claims (6)

  1. 酸素イオン伝導性の固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の表面に設けられて、検出対象ガス（Ｇ）に晒される検出電極（２２）、及び前記固体電解質体の表面に設けられた基準電極（２３）を有するとともに、長手方向（Ｄ）に長い形状を有する検出素子部（２）と、
    通電によって発熱する発熱部（４１１）を有し、前記発熱部の発熱によって前記固体電解質体、前記検出電極及び前記基準電極を加熱するヒータ部（４）と、
    前記検出電極における、前記検出対象ガスに含まれる酸素の電気化学的還元反応と前記検出対象ガスに含まれる特定ガス成分の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる、前記検出電極と前記基準電極との間の電位差（ΔＶ）を検出する電位差検出部（５１）と、を備え、
    前記発熱部の発熱中心（Ｐ）は、前記検出電極における前記長手方向の先端側領域（２２１）の平均温度と、前記検出電極における前記長手方向の基端側領域（２２２）の平均温度とが異なるよう、前記検出電極における前記長手方向の中心位置（Ｏ）から先端側（Ｄ１）又は基端側（Ｄ２）にずれた位置に対向している、ガスセンサ（１）。
  2. 前記先端側領域の全部位の温度は、前記基端側領域の全部位の温度以上又は前記基端側領域の全部位の温度以下である、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記発熱部の発熱中心は、前記先端側領域に対向する位置、又は前記先端側領域よりも前記長手方向の先端側の位置にあり、
    前記先端側領域の平均温度は、前記基端側領域の平均温度よりも高い、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 前記発熱部の発熱中心は、前記基端側領域に対向する位置、又は前記基端側領域よりも前記長手方向の基端側の位置にあり、
    前記基端側領域の平均温度は、前記先端側領域の平均温度よりも高い、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  5. 前記先端側領域の平均温度と前記基端側領域の平均温度との差は、１０〜６０℃の範囲内にある、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  6. 前記固体電解質体は、板状に形成されており、
    前記固体電解質体には、板状の絶縁体（２５，４２）が積層されており、
    前記ヒータ部は、前記発熱部が形成されて前記絶縁体内に埋設された発熱体（４１）を有しており、
    前記絶縁体には、前記基準電極が収容された基準ガスダクト（２４）が形成されており、
    前記検出電極は、前記検出対象ガスに露出される、前記固体電解質体の外側表面に設けられている、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
JP2018214827A 2018-11-15 2018-11-15 ガスセンサ Active JP7149166B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018214827A JP7149166B2 (ja) 2018-11-15 2018-11-15 ガスセンサ
DE112019005751.0T DE112019005751T5 (de) 2018-11-15 2019-11-04 Gassensor
PCT/JP2019/043175 WO2020100644A1 (ja) 2018-11-15 2019-11-04 ガスセンサ
US17/319,428 US20210262974A1 (en) 2018-11-15 2021-05-13 Gas sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018214827A JP7149166B2 (ja) 2018-11-15 2018-11-15 ガスセンサ

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2020085465A true JP2020085465A (ja) 2020-06-04
JP2020085465A5 JP2020085465A5 (ja) 2020-12-10
JP7149166B2 JP7149166B2 (ja) 2022-10-06

Family

ID=70731518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018214827A Active JP7149166B2 (ja) 2018-11-15 2018-11-15 ガスセンサ

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20210262974A1 (ja)
JP (1) JP7149166B2 (ja)
DE (1) DE112019005751T5 (ja)
WO (1) WO2020100644A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111948270A (zh) * 2020-07-29 2020-11-17 张旭 一种用于高温恶劣工况下的危险气体报警器

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11166913A (ja) * 1997-10-03 1999-06-22 Riken Corp ガスセンサ
JPH11201943A (ja) * 1997-11-12 1999-07-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 可燃性ガス成分濃度測定装置、ｃｈ４ガスセンサ及びｃｈ４ガス成分の濃度測定方法
JP2011075546A (ja) * 2009-09-03 2011-04-14 Ngk Spark Plug Co Ltd マルチガスセンサの制御方法及びマルチガスセンサの制御装置
JP2013040959A (ja) * 2012-11-13 2013-02-28 Ngk Spark Plug Co Ltd マルチガスセンサ及びガスセンサ制御装置
JP2016020894A (ja) * 2014-06-16 2016-02-04 株式会社デンソー ガスセンサ
JP2017167166A (ja) * 2013-12-16 2017-09-21 株式会社Ｓｏｋｅｎ ガスセンサ
JP2018021819A (ja) * 2016-08-03 2018-02-08 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ素子及びガスセンサ
JP2018072315A (ja) * 2016-10-24 2018-05-10 日本碍子株式会社 アンモニア濃度測定装置，アンモニア濃度測定システム，排ガス処理システム，及びアンモニア濃度測定方法
JP2018173397A (ja) * 2016-10-24 2018-11-08 日本碍子株式会社 アンモニア濃度測定装置，アンモニア濃度測定システム，排ガス処理システム，及びアンモニア濃度測定方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60259951A (ja) * 1984-06-06 1985-12-23 Ngk Insulators Ltd 電気化学的素子
JP3571494B2 (ja) * 1997-05-20 2004-09-29 日本碍子株式会社 ガスセンサ
JP2001041927A (ja) * 1999-07-30 2001-02-16 Riken Corp 窒素酸化物ガスセンサ
JP5209401B2 (ja) 2008-08-07 2013-06-12 日本特殊陶業株式会社 マルチガスセンサ及びガスセンサ制御装置
US10436739B1 (en) * 2014-10-06 2019-10-08 Bjr Sensors Llc Low cost, fast and sensitive NOx and NH3 sensor
JP6759001B2 (ja) * 2016-08-26 2020-09-23 日本碍子株式会社 ガスセンサおよびガスセンサによるガス濃度測定方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11166913A (ja) * 1997-10-03 1999-06-22 Riken Corp ガスセンサ
JPH11201943A (ja) * 1997-11-12 1999-07-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 可燃性ガス成分濃度測定装置、ｃｈ４ガスセンサ及びｃｈ４ガス成分の濃度測定方法
JP2011075546A (ja) * 2009-09-03 2011-04-14 Ngk Spark Plug Co Ltd マルチガスセンサの制御方法及びマルチガスセンサの制御装置
JP2013040959A (ja) * 2012-11-13 2013-02-28 Ngk Spark Plug Co Ltd マルチガスセンサ及びガスセンサ制御装置
JP2017167166A (ja) * 2013-12-16 2017-09-21 株式会社Ｓｏｋｅｎ ガスセンサ
JP2016020894A (ja) * 2014-06-16 2016-02-04 株式会社デンソー ガスセンサ
JP2018021819A (ja) * 2016-08-03 2018-02-08 日本特殊陶業株式会社 ガスセンサ素子及びガスセンサ
JP2018072315A (ja) * 2016-10-24 2018-05-10 日本碍子株式会社 アンモニア濃度測定装置，アンモニア濃度測定システム，排ガス処理システム，及びアンモニア濃度測定方法
JP2018173397A (ja) * 2016-10-24 2018-11-08 日本碍子株式会社 アンモニア濃度測定装置，アンモニア濃度測定システム，排ガス処理システム，及びアンモニア濃度測定方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20210262974A1 (en) 2021-08-26
WO2020100644A1 (ja) 2020-05-22
JP7149166B2 (ja) 2022-10-06
DE112019005751T5 (de) 2021-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3029290B1 (en) Catalyst deterioration diagnosis system and catalyst deterioration diagnosis method
EP3029292B1 (en) Catalyst deterioration diagnosis method
JPH09318596A (ja) 酸化物センサ
US11530665B2 (en) Deterioration determination apparatus for ammonia sensor
JP3623065B2 (ja) 窒素酸化物センサ
JP3664558B2 (ja) ガスセンサ
JP2007315943A (ja) ガス濃度検出装置
JP4901825B2 (ja) アンモニア検出素子及びこれを備えたアンモニアセンサ
JP3692182B2 (ja) ガスセンサ、ガスセンサの制御方法及びガス濃度制御器
WO2020145042A1 (ja) ガス濃度検出装置
JP3619344B2 (ja) 窒素酸化物の測定装置
JP2011043333A (ja) ＮＯｘセンサ
WO2020100644A1 (ja) ガスセンサ
JP7071873B2 (ja) マルチガスセンサ
JP7075818B2 (ja) マルチガスセンサ
JP2001133429A (ja) 車載用ｎｏｘセンサのオフセット再校正方法
JP2019203838A (ja) アンモニア濃度検出装置
JP2005121666A (ja) ＮＯｘセンサ
JP7089942B2 (ja) アンモニア濃度検出装置
JP7146619B2 (ja) アンモニアセンサ
JP7304317B2 (ja) アンモニア濃度検出装置
JP7402786B2 (ja) ガス濃度検出装置
JP2022514762A (ja) 測定ガス中の、結合酸素を有する測定ガス成分の少なくとも一部を検出するセンサシステムの動作方法
JP7071874B2 (ja) アンモニア濃度検出装置
JP2023003623A (ja) ガス検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201027

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210518

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220607

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220715

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220830

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220926

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7149166

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150