JP7075817B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質体を用いたセンサ素子を有するガスセンサに関する。

内燃機関の燃焼状態や排ガス処理装置の作動を監視するために、排ガス通路には、排ガスに含まれる各種ガス濃度を検出するためのガスセンサが配置されている。このような排ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサとしては、従来から、固体電解質を用いた電気化学式センサ等、種々の検出方式のものがあり、測定しようとするガス種に適した検出方式や周囲の環境に応じた制御手法等が提案されている。

排ガス処理装置として、排ガスに含まれるＮＯｘを低減するための尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られており、選択還元型ＮＯｘ触媒の上流に尿素水添加弁が配置されて、還元剤としてのアンモニアを生成する尿素水を供給している。尿素水の供給量は、例えば、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流に配置されるＮＯｘセンサの検出結果に基づいて制御されている。尿素ＳＣＲシステムにおいて、効率よくＮＯｘを還元浄化するためには、尿素水が過不足なく供給されることが必要となる。そのため、選択還元型ＮＯｘ触媒を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度のみならず、アンモニア濃度を検出して、フィードバック制御に反映させることが望まれている。

例えば、特許文献１には、酸素の汲み出しまたは汲み入れを行うポンピングセルと、ＮＯｘ濃度に応じたポンピング電流が流れるポンピングセルとを備えた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を備えるマルチガスセンサが開示されている。アンモニアセンサ部はインピーダンス式であり、絶縁層上に構成された一対の電極と、一対の電極を覆う感応部とを含み、アンモニア濃度に応じて感応部のインピーダンスが変化することを利用して、アンモニア濃度を検出する。

特許文献１において、アンモニアセンサ部は、ＮＯｘセンサ部の制御温度と同じ温度になるようにヒータ制御されている。また、感応部を完全に覆うように多孔質の拡散層が形成されて、ＮＯｘセンサ部と検出タイミングが同等となるように、拡散速度が調整されている。

特許第５２１５５００号公報

特許文献１のマルチガスセンサは、ＮＯｘセンサ部におけるＮＯｘ濃度の計算に、アンモニアセンサ部の検出結果を用いるために、アンモニアセンサ部の検出タイミングがＮＯｘセンサ部と合うように拡散速度が調整されている。一方で、尿素ＳＣＲシステムにおいて、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流に排出される微量のアンモニア濃度を、より応答性よく検出することが望まれており、その場合には、特許文献１のアンモニアセンサ部では、十分な応答性が得られない。

そこで、尿素ＳＣＲシステムにおいて、選択還元型ＮＯｘ触媒の下流に排出される微量のアンモニア濃度を、より応答性よく検出するために、混成電位式のアンモニアセンサを採用することが検討されている。混成電位式のアンモニアセンサは、非平衡反応に基づく電位を検出するものであり、応答性を向上させるためには、排ガスが検出電極に到達しやすい構造として、電極表面でのガス交換を促進する必要がある。また、センサ出力が温度依存性を有するために、所定の作動温度を大きく外れると、センサ出力が十分出なくなるおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、被測定ガス中のアンモニア濃度を応答性よく検出し、かつ高い検出感度を有するセンサ素子を備えるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されていると共に、
上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との間に、基準ガスが導入される基準ガス室（２４）を備え、
上記第１センサ部は、上記基準ガス室に面する上記第１固体電解質体の表面（２１２）に、上記第１基準電極を備え、上記基準ガス室と反対側の上記第１固体電解質体の表面（２１１）に、上記第１検出電極を備えて、上記第１検出電極と上記第１基準電極との電位差に基づく混成電位信号を出力するものであり、
上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にある、ガスセンサにある。
本発明の他の一態様は、
酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
上記センサ素子の積層方向（Ｘ）において、上記第１検出電極及び上記第２検出電極は、上記発熱部と少なくとも一部が重なる位置にある、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の一態様は、
酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
上記第１センサ部において、上記第１検出電極と上記第１基準電極とは、上記第１固体電解質体を挟んで対向して位置しており、かつ、上記第１基準電極の面積は、上記第１検出電極の面積よりも大きい、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の一態様は、
酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
上記被測定ガス室は、上記第２固体電解質体を挟んで上記第１センサ部と反対側に配置されており、上記センサ素子は、ガス拡散層（４３）を介して上記被測定ガス室に導入される被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプ部（６）を備え、
上記第２検出電極は、上記被測定ガス室に面する上記第２固体電解質体の表面（２２１）に配置されており、上記第２センサ部は、上記被測定ガス室と反対側の上記第２固体電解質体の表面（２２２）に、上記第２基準電極を備えて、上記第２検出電極と上記第２基準電極との間に流れる酸素イオン電流信号を出力するものである、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の一態様は、
酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
上記センサ素子は、上記被測定ガス室への被測定ガスの導入口となる表面に、酸化触媒層（７）を有すると共に、上記第２センサ部において、アンモニアの酸化により生成されたＮＯｘの濃度を検出する、ガスセンサにある。
本発明のさらに他の一態様は、
酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
上記センサ素子は、
第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
上記第１検出電極は、上記ヒータによって４００℃～６００℃に加熱される位置に配置されており、上記第２検出電極は、上記ヒータによって６００℃～８００℃に加熱される位置に配置されている、ガスセンサにある。

上記一態様において、センサ素子は、第１センサ部にてアンモニア濃度を検出し、第２センサ部にてＮＯｘ濃度を検出する。このうち、混成電位式の第１センサ部は、第１検出電極が被測定ガスに晒される第１固体電解質体の表面に配置されるので、電極界面におけるガス交換が促進されて、検出応答性を向上させることができる。
また、ヒータの発熱中心と第１検出電極との距離が、第２センサ部の第２電極との距離よりも遠くなるように配置されているので、第１センサ部の方が第２センサ部よりも温度が低くなる。非平衡反応に基づく電位を検出する混成電位式では、作動温度が高くなると平衡反応に近づいてセンサ出力が低下する傾向にあるが、第１センサ部の作動温度を第２センサ部よりも低くすることができるので、検出感度が向上する。

以上のごとく、上記態様によれば、被測定ガス中のアンモニア濃度を応答性よく検出し、かつ高い検出感度を有するセンサ素子を備えるガスセンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、ガスセンサの全体概略構成図。 実施形態１における、ガスセンサの要部であるセンサ素子の長手方向断面図であり、積層方向におけるセンサ部の電極中心とヒータの発熱中心との位置関係を説明する図。 実施形態１における、センサ素子の第１センサ部及び第２センサ部を通る断面の温度変化を示す図。 実施形態１における、センサ素子のヒータのヒータパターン例を示す模式図。 試験例１における、評価用のテストピースを用いた検出電位の測定に使用する試験装置の概略構成図。 試験例１における、評価用のテストピースの温度と検出電位の関係を示す図。 試験例１における、評価用のテストピースの検出電位の時間変化を示す図。 試験例１における、評価用のテストピースの温度と検出電位変化時間の関係を示す図。 試験例２における、試験用センサ素子の概略構成を示す長手方向断面図。 試験例２における、参照用センサ素子の概略構成を示す長手方向断面図。 試験例２における、試験用センサ素子の検出電位と酸素濃度の関係を、参照用センサ素子と比較して示す図。 試験例２における、酸素共存化での検出電位の測定に使用する試験装置の概略構成図。 ガスセンサが適用される内燃機関の排ガス浄化システムの概略構成図。 実施形態２における、ガスセンサの要部であるセンサ素子の概略構成を示す長手方向断面図。 実施形態２における、センサ素子の変形例を示す長手方向断面図。 実施形態２における、センサ素子の変形例を示す長手方向断面図。 実施形態３における、ガスセンサの要部であるセンサ素子の概略構成を示す長手方向断面図。 実施形態３における、センサ素子の変形例を示す長手方向断面図。 実施形態３における、センサ素子の変形例を示す長手方向断面図。 実施形態４における、ガスセンサの要部であるセンサ素子の概略構成を示す長手方向断面図。

（実施形態１）
以下、ガスセンサに係る実施形態１について、図１～図１３を参照して説明する。
図１に示すように、本形態のガスセンサ１は、酸素イオン導電性の第１固体電解質体２１及び第２固体電解質体２２を用いたセンサ素子２を有する。センサ素子２は、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するものであり、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部３と、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部４と、ヒータ５と、が積層されて構成されている。

第１センサ部３は、第１固体電解質体２１の表面に形成される第１検出電極３１及び第１基準電極３２を有し、少なくとも第１検出電極３１が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する。
第２センサ部４は、第２固体電解質体２２の表面に形成される第２検出電極４１及び第２基準電極４２を有し、第２検出電極４１が、被測定ガス室２３に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する。

ヒータ５は、通電により発熱する発熱部５１を有して、第１センサ部３及び第２センサ部４を加熱する。このとき、図２に示すように、積層方向において、第１センサ部３及び第２センサ部４は、発熱部５１の発熱中心５Ａと第１検出電極３１の電極中心３Ａとの距離ｄ１と、発熱中心５Ａと第２検出電極４１の電極中心４Ａとの距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にある。
被測定ガスは、例えば、内燃機関から排出される排ガスであり、後述するように、ガスセンサ１は、内燃機関の排ガス通路に取り付けられて、尿素ＳＣＲシステム等の排ガス浄化システムの一部を構成することができる。

次に、ガスセンサ１を構成する各部の詳細構造について説明する。
図１に主要部構成を示すセンサ素子２は、排ガス中のアンモニア濃度を検出するための第１センサ部３、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するための第２センサ部４及びヒータ５が、この順序で積層された積層型の素子構造を有する。センサ素子２は、さらに、第２センサ部４におけるＮＯｘ濃度の検出に先立ち、排ガス中の酸素濃度を調整するための酸素ポンプ部６を有する。
本形態では、センサ素子２の積層方向をＸ方向とし、Ｘ方向と直交するセンサ素子２の長手方向を、Ｙ方向とする。また、第１センサ部３及び第２センサ部４が配置されるＸ方向の一端側を、センサ素子２の先端側とし、その反対側を、基端側とする。

ガスセンサ１は、センサ素子２の外部に設けられるセンサ制御部１０を、さらに備える。センサ制御部１０のガス濃度検出部１０Ａは、第２センサ部４及び酸素ポンプ部６へ所定の電圧を印加すると共に、第１センサ部３、第２センサ部４及び酸素ポンプ部６からの出力信号に基づいて、排ガス中のアンモニア濃度、ＮＯｘ濃度及び酸素濃度を検出する。また、センサ制御部１０の素子温度制御部１０Ｂにより、ヒータ５への通電を制御し、センサ素子２の各部を所定の温度範囲に制御する。

センサ素子２は、第１センサ部３を構成する第１固体電解質体２１と、第２センサ部４を構成する第２固体電解質体２２とが、Ｘ方向に間隔をおいて平行配置され、その間に、基準ガスが導入される基準ガス室２４を備えている。基準ガス室２４は、Ｙ方向の基端側が開放されており、排ガス通路の外部から、基準ガスとしての大気が導入されるように構成されている。

基準ガス室２４は、例えば、第１絶縁性基板２５に設けられた、Ｙ方向に延びる貫通溝にて構成される。この第１絶縁性基板２５を挟んで、第１固体電解質体２１と第２固体電解質体２２とが積層されることにより、貫通溝の内側面と、貫通溝に面する第１固体電解質体２１及び第２固体電解質体２２の表面とを室壁とする基準ガス室２４が形成される。

第１固体電解質体２１、第２固体電解質体２２は、例えば、酸素イオン導電性を有する固体電解質を、平板状に成形してなる。酸素イオン導電性を有する固体電解質としては、例えば、イットリアが添加された安定化ジルコニア等が好適に使用される。

第１センサ部３には、基準ガス室２４と反対側に位置し、被測定ガスである排ガスに晒される第１固体電解質体２１の外側の表面２１１に、第１検出電極３１が形成される。また、基準ガス室２４に面する第１固体電解質体２１の内側の表面２１２に、第１基準電極３２が形成される。
本形態では、第１検出電極３１と第１基準電極３２とは、Ｘ方向において、第１固体電解質体２１を挟んで対向する位置にあり、概略同一形状である。

第１センサ部３は、混成電位式センサの検出原理に基づいて、第１検出電極３１と第１基準電極３２との電位差Ｖに基づく混成電位信号を出力する。すなわち、第１検出電極３１においては、検出しようとするアンモニア（すなわち、ＮＨ₃）が関与する電気化学的酸化反応（１）と、酸素（すなわち、Ｏ₂）が関与する電気化学的還元反応（２）が同時に進行する。第１基準電極３２では、酸素が関与する電気化学的還元反応（２）が進行する。
（１）２ＮＨ₃＋３Ｏ^2-⇔Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ＋６e^-
（２）Ｏ₂＋４e^-⇔２Ｏ^2-

このとき、第１検出電極３１上において、電気化学的酸化反応（１）による酸化電流と、電気化学的還元反応（２）による還元電流とが釣り合うことで、混成電位が発現する。第１検出電極３１の電位は、これら２つの電気化学的反応による混成電位によって決定され、第１基準電極３２との電位差Ｖを、混成電位信号として取り出すことができる。混成電位信号は、随時、センサ制御部１０のガス濃度検出部１０Ａに入力される。

第１検出電極３１、第１基準電極３２は、このような電気化学的反応による電位差が検出可能な組み合わせであればよく、例えば、貴金属又は貴金属合金を含む電極にて構成することができる。好適には、第１検出電極３１は、例えば、Ａｕを含有する多孔質サーメット電極にて構成され、第１基準電極３２は、例えば、Ｐｔを含有する多孔質サーメット電極にて構成される。

センサ素子２は、第２固体電解質体２２を挟んで、第１センサ部３及び基準ガス室２４と反対側に、被測定ガス室２３を備えている。被測定ガス室２３は、Ｙ方向の先端側が、ガス拡散層４３を介して排ガス通路に連通しており、排ガス通路から所定の拡散抵抗で排ガスが導入されるようになっている。

被測定ガス室２３は、例えば、ヒータ５の基体を兼ねる第２絶縁性基板５２の表面に設けられた凹部にて構成される。この凹部が第２固体電解質体２２側を向くように、第２固体電解質体２２と第２絶縁性基板５２とが積層されることにより、凹部の内表面と、凹部に面する第２固体電解質体２２及びガス拡散層４３の表面とを室壁とする被測定ガス室２３が形成される。

第２センサ部４には、基準ガス室２４と反対側に位置し、排ガスに晒される第２固体電解質体２２の表面２２１に、第２検出電極４１が形成される。また、基準ガス室２４に面する第２固体電解質体２２の表面２２２に、第２基準電極３２が形成される。第２検出電極４１と第２基準電極４２とは、Ｘ方向において、第２固体電解質体２２を挟んで対向する位置にあり、概略同一形状である。

Ｙ方向において、第２センサ部４の先端側には、ポンプ電極６１と第３基準電極６２を備える酸素ポンプ部６が設けられる。ポンプ電極６１は、第２センサ部４の第２検出電極４１とガス拡散層４３との間において、被測定ガス室２３に面する第２固体電解質体２２の表面２２１に配置される。また、被測定ガス室２３と反対側に形成される基準ガス室２４に面する第２固体電解質体２２の表面２２２に、第３基準電極６２が形成される。ポンプ電極６１と第３基準電極６２とは、Ｘ方向において、第２固体電解質体２２を挟んで対向する位置にあり、概略同一形状である。

酸素ポンプ部６のポンプ電極６１と第３基準電極６２との間には、ポンプ電極６１が負極となるように直流電圧が印加される。これにより、被測定ガス室２３に導入される排ガス中の酸素が分解され、発生した酸素イオンが第２固体電解質体２２を通過して基準ガス室２４側へ排出されて、酸素濃度が低減する。また、酸素ポンプ部６は、限界電流式の酸素センサとして機能し、酸素の分解により生じる酸素イオン電流信号を出力する。

酸素ポンプ部６の下流側に位置する第２センサ部４には、酸素濃度が低減した排ガスが導入される。第２センサ部４には、第２検出電極４１が負極となるように、第２検出電極４１と第２基準電極４２との間に直流電圧が印加される。これにより、第２検出電極４１に到達した排ガス中のＮＯｘが分解され、発生した酸素イオンが第２固体電解質体２２を通過して基準ガス室２４側へ排出される。
このように、第２センサ部４は、限界電流式センサの検出原理に基づいて、排ガス中のＮＯｘの分解により生じる酸素イオン電流信号を出力する。

第２検出電極４１と第２基準電極４２、ポンプ電極６１と第３基準電極６２は、例えば、貴金属又は貴金属合金を含む電極にて構成することができる。好適には、ポンプ電極６１は、ＮＯｘの分解活性が低い電極、例えば、Ａｕを含有する多孔質サーメット電極にて構成される。第２検出電極４１と第２基準電極４２、第３基準電極６２は、例えば、Ｐｔを含有する多孔質サーメット電極にて構成することができる。

ヒータ５は、これら第１センサ部３、第２センサ部４及び酸素ポンプ部６を、所定の作動温度範囲となるように加熱する。
ヒータ５は、第２絶縁性基板５２内に、発熱部５１と、発熱部５１に接続されるリード部５３とが埋設されて構成されている。通電経路となるリード部５３は、Ｙ方向の先端側に位置する発熱部５１から基端側へ延びており、図示しない通電用端子を介して、外部のセンサ制御部１０に接続される。発熱部５１は、Ｘ方向において、被測定ガス室２３と重なるように配置されている。

第２絶縁性基板５２は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料にて構成され、複数のセラミックス基板を積層することにより一体化されている。発熱部５１及びリード部５３は、未焼成のセラミックス基板の表面に形成され、別のセラミックス基板を積層して、焼成することにより、一体化された第２絶縁性基板５２の内部に埋設される。

図４に示すように、発熱部５１及びリード部５３は、第２絶縁性基板５２を構成するセラミックス基板５２ａの表面に、所定のヒータパターンＨとして形成される。本形態において、ヒータパターンＨは、それぞれＹ方向に直線状に延び、平行に配置される一対のリード部５３の先端側に、概略Ｗ字状をなす発熱部５１の両端が、重なるように接続された、一連なりの電極パターンからなる。発熱部５１は、リード部５３との接続部５１ａよりも先端側においては、リード部５３よりも幅狭に形成されており、接続部５１ａから先端側へ延びると共に、Ｕ字状に繰り返し折り返されて全体が概略Ｗ字状をなしている。

ここで、発熱部５１の外周縁に沿う概略矩形の領域を、発熱部５１が配置される発熱領域５０とし、その表面の幾何学的中心位置を、発熱部５１の発熱中心５Ａとする。本形態では、上記図１において、発熱部５１が配置される領域５０は、Ｘ方向において、被測定ガス室２３及びガス拡散層４３の一部と重なるように配置されている。また、第１検出電極３１及び第１基準電極３２と、第２検出電極４１及び第２基準電極４２とは、Ｘ方向において重なる位置にあり、概略同一形状である。第１基準電極３２と第２基準電極４２とは、基準ガス室２４を挟んで対向している。

また、上記図２に示すように、第１固体電解質体２１に接する表面において、第１検出電極３１の幾何学的中心を電極中心３Ａとし、第２固体電解質体２２に接する表面において、第２検出電極４１の幾何学的中心を電極中心４Ａとする。このとき、電極中心３Ａと発熱部５１の発熱中心５Ａとの距離ｄ１は、電極中心４Ａと発熱中心５Ａとの距離ｄ２よりも長く、ｄ１＞ｄ２の関係にある。第２センサ部４の第２検出電極４１は、酸素ポンプ部６のポンプ電極６１と共に被測定ガス室２３に面し、発熱部５１の発熱中心５Ａに対して、概略同等位置にある。

混成電位式センサを用いた第１センサ部３は、原理的に、電極表面でのガス交換が必要なため、第１検出電極３１を第１固体電解質体２１の外側の表面２１１に配置して、排ガスが到達しやすい構造としている。また、非平衡反応に基づく電位を検出するために、最適な作動温度が一般的な排ガスセンサよりも低く、例えば、３５０℃～６００℃の範囲であることが望ましい。作動温度が、４００℃未満又は６００℃を超えると、混成電位が発現しにくくなり、センサ出力が不足するために、検出精度が低下するおそれがある。
限界電流式センサを用いた第２センサ部４、酸素ポンプ部６の作動温度は、例えば、６００℃～８００℃の範囲であることが望ましい。

本形態のガスセンサ１は、第１基準電極３２が配置される基準ガス室２４を、第２固体電解質体２２との間に設けたので、第１検出電極３１が、第２検出電極４１の外側に離れて位置する。したがって、発熱中心５Ａとの距離ｄ１とｄ２の差が大きくなり、また、熱伝導率の小さい基準ガス室２４内の大気を挟んでいるので、ヒータ５の発熱による第１検出電極３１の温度上昇が抑制される。

これにより、図３に示すように、第１検出電極３１の電極中心３Ａ及び第２検出電極４１の電極中心４Ａを通る断面において、最高温度となるヒータ５の発熱部５１から、積層方向（すなわち、Ｘ方向）により離れて位置する電極中心３Ａの温度を、電極中心４Ａの温度に対して、大きく低下させることができる。

したがって、第１センサ部３の作動温度を、第２センサ部４の作動温度よりも低い所望の温度範囲に制御して、アンモニア濃度の検出を精度よく行うことができる。また、第１センサ部３の第１基準電極３２が、十分な酸素を含む大気が存在する基準ガス室２４に配置されるので、電極界面における電気化学的反応が速やかに進行し、感度よい検出が可能になる。第２センサ部４の作動温度を最適となる範囲に制御して、アンモニア濃度の検出を精度よく行うことができる。

（試験例１）
図５に示す構成の評価用の試験装置と、ガスセンサ１の第１センサ部３に相当するテストピースＰを用いて、アンモニアの検出を行い、検出される混成電位の温度依存性を調べた。結果を図６に示す。テストピースＰは、以下のようにして作製した。まず、厚さ１ｍｍの酸素イオン導電性の固体電解質体Ｐ１を用意し、その厚さ方向の端面（すなわち、図の下端面）に、第１検出電極３１を、反対側の端面（すなわち、図の上端面）に、第１基準電極３２を形成した。
第１センサ部３の第１固体電解質体２１に相当する固体電解質体Ｐ１は、イットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺと称する）からなり、第１検出電極３１は、Ａｕ－ＹＳＺ電極、第１基準電極３２は、Ｐｔ－ＹＳＺ電極からなる。第１基準電極３２は、ＰｔとＹＳＺの体積比を、Ｐｔ：ＹＳＺ＝８０：２０とし、直径φ８ｍｍとなるように印刷形成した後、大気雰囲気下、１２００℃×２時間、焼成して形成した。第１検出電極３１は、ＡｕとＹＳＺの体積比を、Ａｕ：ＹＳＺ＝８０：２０とし、直径φ８ｍｍとなるように印刷形成した後、大気雰囲気下、８５０℃×２時間、焼成することで形成し、評価用のテストピースＰとした。

図５において、評価用のテストピースＰを、電気炉１００内に配置したアルミナ管１０１に収容し、電気炉１００にて加熱した。テストピースＰは、両端開放のアルミナ管１０１内を区画するように配置され、第１基準電極３２側は大気開放とした。第１検出電極３１側には、被測定ガスとして、Ｎ₂ベースの５％Ｏ₂とＮ₂ベースの１００ｐｐｍＮＨ₃との混合ガスを供給した。ガス流量は、５００ｍｌ／ｍｉｎとした。

この状態で、第１検出電極３１における検出電位の温度依存性を検討するために、電気炉１００により加熱されるテストピースＰの温度を変更したときの、第１検出電極３１と第１基準電極３２の間の電圧を測定した。測定温度は、３００℃～８００℃の範囲で、５０℃間隔で変更した。

図６に示されるように、３００℃では、混成電位は発現しない。これは、固体電解質体Ｐ１に使用したＹＳＺの酸素イオン導電性が低く、テストピースＰから出力される電位がふらつき、安定しないためである。アンモニアを含む被測定ガスを供給することによる混成電位は、３５０℃から発現し、温度が高くなるにつれて、混成電位の大きさは、小さくなる。ここで、混成電位の大きさは、マイナスの電位である検出電位の絶対値の大きさで示され、温度が低いほど、混成電位が大きくなる。

混成電位の大きさは、６５０℃から顕著に減少する。これは温度上昇により平衡電位に近づくことに加えてアンモニアが電極上で燃焼するためと推察される。したがって、混成電位を発現させるためには、第１検出電極３１の作動温度を、３５０℃～６００℃に制御する必要があることがわかる。

次に、図７、図８により、検出応答性の温度依存性について検討した。この場合は、Ｎ₂ベースの５％Ｏ₂を５００ｍｌ／ｍｉｎで第１検出電極３１へ供給する状態から、Ｎ₂ベースの５％Ｏ₂とＮ₂ベースの１００ｐｐｍＮＨ₃との混合ガスを５００ｍｌ／ｍｉｎで第１検出電極３１へ供給する状態へ変化させて、第１検出電極３１における検出電位の時間変化を調べた。
図７は、４５０℃における検出電位の時間変化の計測例であり、検出電位は、ある時点において基準電位から急減した後、安定する。このとき、基準電位から検出電位が安定するまでの変化量を、検出電位変化１００％とし、その１０％変化時点から９０％変化時点までの時間を、検出電位変化時間とする。図８に、各温度における検出電位変化時間を、比較して示した。

図８において、上述したように、３００℃では、混成電位は発現しないため、検出電位変化時間は計測できない。混成電位は、３５０℃にて発現し、温度が上昇するにつれて電位変化時間が短くなる。ただし、３５０℃における電位変化時間は、４００℃以上の範囲に比べると、顕著に遅くなっている。これは、３５０℃では温度が低く、第１検出電極３１におけるアンモニアの吸着-脱離が進行するには、充分な温度でないためと推察される。

図６、図８の結果から、混成電位式の第１センサ部３において、安定した混成電位が発現し、検出電位変化時間が短くなる温度範囲は、４００℃～６００℃となる。一方、限界電流式の第２センサ部４は、作動温度が７００℃～８５０℃となることが望ましい。
上記図２、図３に示したように、上記実施形態１の構成において、第１センサ部３は、第２センサ部４よりも温度が低くなる位置にある。したがって、好適には、ヒータ５への通電時に、第１検出電極３１の電極中心３Ａが、４００℃～６００℃となる位置に配置され、第２検出電極４１の電極中心４Ａが、７００℃～８５０℃となる位置に配置されるように、例えば、発熱中心５Ａと電極中心３Ａとの距離ｄ１、又は電極中心４Ａとの距離ｄ２を調整するのがよい。

そして、センサ制御部１０の素子温度制御部１０Ｂにより、これら温度が維持されるように、ヒータ５への通電を制御することが望ましい。素子温度は、素子各部の構成部材、例えば、第１、第２固体電解質体２１、２２の抵抗（インピーダンス）やヒータ５の発熱部５１の抵抗が温度特性を持つことを利用して検出することができる。また、検出部位は任意であり、上記図３の関係を利用して、素子各部の温度を推定することができる。

これにより、第１センサ部３によるアンモニアの検出を応答性よく行い、かつ検出感度を向上させることができる。

（試験例２）
図９に示す構成の試験用センサ素子２Ｓと、図１０に示す構成の参照用センサ素子２Ｓrefを用いて、アンモニアの検出を行い、検出される混成電位の酸素依存性を比較した。結果を図１１に示す。
図９において、試験用センサ素子２Ｓは、実施形態１のセンサ素子２における第１センサ部３とヒータ５とが積層され、第２センサ部４が省略された構成となっている。具体的には、第１センサ部３を構成する第１固体電解質体２１、基準ガス室２４を構成する第１絶縁性基板２５及びヒータ５を構成する第２絶縁性基板５２が、この順に積層された試験用センサ素子２Ｓを、以下のようにして製造した。

まず、第２絶縁性基板５２となるセラミックスグリーンシートの積層体と、第１固体電解質体２１となるＹＳＺグリーンシートを用意した。これらの間に、第１絶縁性基板２５となるセラミックスグリーンシートを挟んで積層し、圧着したものを、１４５０℃で２時間加熱して、素子基板を作製した。
ＹＳＺグリーンシートには、予め、第１絶縁性基板２５側の表面に、第１基準電極３２となるＰｔ－ＹＳＺ電極が印刷形成されている。
セラミックスグリーンシートの積層体は、第２絶縁性基板５２を構成する複数のセラミックス基板となるセラミックスグリーンシートが積層されたものであり、予め、ヒータ５の発熱体５１及びリード部５３を構成するヒータパターンＨが埋設形成されている。第１絶縁性基板２５、第２絶縁性基板５２となるセラミックスグリーンシートは、アルミナからなる。

作製した素子基板は、第１固体電解質体２１の露出する表面において、第１基準電極３２と対向する位置に、第１検出電極３１となるＡｕ－ＹＳＺ電極を印刷形成し、８５０℃で２時間焼成した。このようにして、第１検出電極３１が非測定ガス雰囲気に、第１基準電極３２が大気雰囲気に晒される、試験用センサ素子２Ｓを作製した。

次に、図１０に示す参照用センサ素子２Ｓrefを作製した。参照用センサ素子２Ｓrefは、試験センサ素子２Ｓにおける第１絶縁性基板２５を有さず、固体電解質体２１とヒータ５とが直接積層されて、基準ガス室を有しない構成となっている。第１検出電極３１と第１基準電極３２とは、第１固体電解質体２１の同じ面において、幅方向に並んで配設されている。この参照用センサ素子２Ｓrefを、以下のようにして製造した。

まず、第２絶縁性基板５２となるセラミックグリーンシートの積層体を用意し、第１固体電解質体２１となるＹＳＺグリーンシートを積層して圧着したものを、１４５０℃で２時間加熱して素子基板を作成した。得られた素子基板の露出する表面に、Ａｕ－ＹＳＺ電極とＡｕ－Ｐｔ電極とを印刷形成し、８５０℃で２時間焼成することで、第１検出電極３１と第１基準電極３２を形成した。セラミックグリーンシートの積層体は、試験用センサ素子２Ｓと基本構成は同じであり、基準ガス室を有しない分の厚みを加えて、素子全体の厚さが試験用センサ素子２Ｓと同等となるようにした。
このようにして、第１検出電極３１と第１基準電極３２の両方が、非測定ガス雰囲気に晒される、参照用センサ素子２Ｓrefを作製した。

図１２に示す評価用の試験装置は、電気炉１００により加熱可能な配管１０２が設けられ、配管１０２内にアンモニアと酸素を含む被測定ガスが導入可能に構成されている。配管１０２の菅壁には、電気炉１００の下流側に、試験用センサ素子２Ｓと、参照用センサ素子２Ｓrefとが取り付けている。
この試験装置に、被測定ガスとして、Ｎ₂ベースの所定濃度Ｏ₂と、Ｎ₂ベースの１００ｐｐｍＮＨ₃との混合ガスを供給したときの、試験用センサ素子２Ｓと、参照用センサ素子２Ｓrefによる検出電位を比較した。Ｏ₂濃度は、５％、１０％、２０％とし、被測定ガス流量は、２０００ｍｌ／ｍｉｎ、被測定ガス温度は、２５０℃、素子温度は、５００℃とした。なお、素子温度は、第１検出電極３１が配置される固体電解質体２１の温度とした。

図１１に示されるように、試験用センサ素子２Ｓと、参照用センサ素子２Ｓrefのいずれについても、アンモニアの供給による混成電位が発現した。ただし、参照用センサ素子２Ｓrefでは、Ｏ₂濃度が大きくなるほど混成電位の大きさ（すなわち、検出電位の絶対値の大きさ）が小さくなり、検出電位の酸素濃度依存性が大きい。これは、参照用センサ素子２Ｓrefでは、第１検出電極３１だけでなく第１基準電極３２も被測定ガスに晒される位置にあり、第１基準電極３２においてもアンモニアの吸着－乖離反応が進行するためである。

一方、試験用センサ素子２Ｓでは、第１基準電極３２が基準ガス室２４にあり、一定の大気雰囲気に晒される安定した環境にある。そのため、発現する混成電位の酸素濃度依存性は、第１検出電極３１のみに依存する。したがって、アンモニアを精度よく検出するために、好適には、第１基準電極３２が基準ガス室２４に配置されて、大気雰囲気に晒される構造であるのがよい。

上記構成のガスセンサ１は、例えば、図１３に示す排ガス浄化システム２００に適用されて、排ガス通路ＥＸにおいてＳＣＲ触媒２０１の下流側に配置される。排ガス通路ＥＸには、エンジンＥから排出される排ガスに含まれる粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタＦが配置され、その下流側に、排ガス温度センサ２０２、尿素水添加弁２０３、ＳＣＲ触媒２０１が順に配置されている。ＳＣＲ触媒２０１は、排ガスに含まれるＮＯｘを、尿素水から生成するアンモニアと反応させて還元浄化する尿素ＳＣＲシステムを構成している。

ガスセンサ１は、例えば、図示しないハウジングにてセンサ素子２の外周を保持し、排ガス通路ＥＸ内に突出する先端側を通気性のカバー体に収容した状態で、排ガス通路ＥＸの通路壁に取り付けられる。センサ素子２は、第１センサ部３により、ＮＯｘと反応せずにＳＣＲ触媒２０１を通過した排ガス中のアンモニア濃度を検出する。また、第２センサ部４により、アンモニアと反応せずにＳＣＲ触媒２０１を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。これらの検出結果は、センサ制御部１０（例えば、図１参照）を含む排ガス浄化システム２００の制御装置ＥＣＵに出力され、尿素水の供給量にフィードバックされる。これにより、ＳＣＲ触媒２０１におけるＮＯｘ浄化反応を効率よく実施することができる。

（実施形態２）
ガスセンサに係る実施形態２について、図１４を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１は、上記実施形態１のセンサ素子２と、第１センサ部３の電極配置が異なっている。それ以外のセンサ素子２の基本構成と、センサ制御部１０の構成及びその基本作動は、上記実施形態１と同様であり、図示及び説明を省略する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１４に示すように、本形態のセンサ素子２は、第１センサ部３の第１検出電極３１が、Ｘ方向において、ヒータ５の発熱部５１が配置される領域５０と重ならず、Ｙ方向において、領域５０よりも基端側に配置されている。また、第１基準電極３２は、Ｘ方向において、第２センサ部４の第２検出電極４１及び第２基準電極４２と重なると共に、第１検出電極３１と重なるように、Ｙ方向に延びている。すなわち、第１基準電極３２の面積は、第１検出電極３１の面積よりも大きい。

上記実施形態１のセンサ素子２は、第１センサ部３の第１検出電極３１と、第２センサ部４の第２検出電極４１の両方が、Ｘ方向において、ヒータ５の発熱部５１が配置される領域５０と重なるように配置したが、第１センサ部３の配置は、これに限るものではない。
そして、本形態の配置とすることで、第１センサ部３の第１検出電極は、第２センサ部４及びヒータ５から、より離れた位置となる。すなわち、発熱中心５Ａと電極中心３Ａとの距離ｄ１と、発熱中心５Ａと電極中心４Ａとの距離ｄ２とは、ｄ１＞ｄ２の関係にあり、その差は、上記実施形態１の構成よりも大きい。

したがって、第１センサ部３の第１検出電極３１を、より温度の低い位置に配置することができるので、第１センサ部３の温度を適切に制御して、アンモニアの検出応答性及び検出感度を向上させることができる。また、第１基準電極３２が大きく形成されることで、第上記（１）、（２）に示した電気化学的反応がより円滑になされるので、第１検出電極３１における混成電位が安定して発現し、精度よいアンモニアの検出が可能になる。

図１５に変形例として示すように、本形態の第１検出電極３１の配置において、第１基準電極３２と第１検出電極３１と同じ形状として、対向配置することももちろんできる。
あるいは、図１６に変形例として示すように、第１基準電極３２と第１検出電極３１と同じ形状として対向させた配置とし、Ｘ方向において、酸素ポンプ部６の両電極６１、６２と重なる位置にあってもよい。
いずれの場合も、発熱中心５Ａと電極中心３Ａとの距離ｄ１と、発熱中心５Ａと電極中心４Ａとの距離ｄ２とは、ｄ１＞ｄ２の関係にあり、その差は、上記実施形態１の構成よりも大きい。

（実施形態３）
ガスセンサに係る実施形態３について、図１７を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１は、上記実施形態１のセンサ素子２と、第１センサ部３の電極配置が異なっている。それ以外のセンサ素子２の基本構成と、センサ制御部１０の構成及びその基本作動は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。

図１７に示すように、本形態のセンサ素子２は、発熱部５１が配置される領域５０が、Ｘ方向において、ガス拡散層４３とは重ならず、被測定ガス室２３のみと重なるように配置されている。第１センサ部３の第１検出電極３１は、Ｙ方向において、領域５０及び基準ガス室２４の先端側よりも先端側に延び、Ｘ方向において、ガス拡散層４３の一部及び酸素ポンプ部６の両電極６１、６２の一部と重なる位置にある。この場合も、発熱中心５Ａと電極中心３Ａとの距離ｄ１と、発熱中心５Ａと電極中心４Ａとの距離ｄ２とは、ｄ１＞ｄ２の関係にあり、その差は、上記実施形態１の構成よりも大きい。第１基準電極３２は、上記実施形態２と同様の位置にあり、Ｘ方向において、領域５０と重なると共に、Ｙ方向において、領域５０よりも基端側へ延びている。

本形態のセンサ素子２は、ヒータ５の発熱部５１が領域５０に近接して、第２センサ部４と酸素ポンプ部６を集中的に加熱する配置となっている。その場合には、センサ素子２の先端側が発熱中心Ａからより離れて位置し、より低温となるので、第１センサ部３の第１検出電極３１が、先端側に配置されていても、十分に低い温度とすることができる。なお、第１基準電極３２は、Ｘ方向において、一部が第１検出電極３１と重ならない位置となるが、第１検出電極３１よりも十分に大きな面積を有するので、上記（１）、（２）に示した電気化学的反応が妨げられることはなく、安定してアンモニアを検出が可能である。

また、図１８に変形例として示すように、本形態のヒータ５の発熱部５１及び第１基準電極３２の配置としたときに、上記実施形態２と同様に、第１検出電極３１を、Ｙ方向において被測定ガス室２３よりも基端側に配置することもできる。
その場合には、図１９に変形例として示すように、Ｘ方向において、第１検出電極３１の一部が、被測定ガス室２３と重なるように配置されていてもよい。
いずれの場合も、発熱中心５Ａと電極中心３Ａとの距離ｄ１と、発熱中心５Ａと電極中心４Ａとの距離ｄ２とは、ｄ１＞ｄ２の関係にあり、その差は、上記実施形態１の構成よりも大きい。

このように、センサ素子２の第１センサ部３は、第１固体電解質体２１を挟んで第１検出電極３１と第１基準電極３２が配置されるので、両電極３１、３２の配置の自由度が高い。したがって、第１検出電極３１が、第２センサ部２の第２検出電極４１よりも温度が低い位置となり、かつヒータ５により第１検出電極３１及び第２検出電極４１が、それぞれ所望の作動温度に制御されるように、第１検出電極３１の配置を変更することができる。

（実施形態４）
ガスセンサに係る実施形態４について、図２０を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１は、上記実施形態２のセンサ素子２と同様の構成において、さらに、センサ素子２の表面に、保護層及び酸化触媒層を形成している。具体的には、第１センサ部３を保護する第１保護層３３と、第２センサ部４を保護すると共に、酸化触媒層を兼ねる第２保護層７が形成されている。この場合には、第２センサ部４は、アンモニアが酸化されたＮＯｘを検出することができ、アンモニア検出部として機能する。
第１センサ部３の電極配置以外のセンサ素子２の基本構成と、センサ制御部１０の構成及びその基本作動は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。

図２０に示すように、本形態のセンサ素子２は、第１センサ部３の第１検出電極３１が、Ｘ方向において、ヒータ５の発熱部５１が配置される領域５０と重ならず、Ｙ方向において、領域５０よりも基端側に配置されている。第１基準電極３２は、Ｘ方向において、領域５０と重なると共に、第１検出電極３１と重なるように、Ｙ方向に延びている。また、ヒータ５の発熱部５１が配置される領域５０は、Ｘ方向において、被測定ガス室２３及びガス拡散層４３の一部と重なるように配置される。

さらに、本形態のセンサ素子２には、第１検出電極３１の外側の表面を覆って、第１保護層３３が形成されている。第１保護層３３は、例えば、ガス透過性のセラミックス多孔体にて構成することができ、排ガスが速やかに第１検出電極３１に到達するように、セラミックス多孔体の気孔率や気孔径を調整することが望ましい。

また、センサ素子２の先端側の表面には、第１保護層３３の形成部位を除く表面を覆って、第２保護層７が形成されている。第２保護層７は、第１保護層３３と同様のガス透過性のセラミックス多孔体を基材とし、さらに酸化触媒を担持させた構成となっている。第２保護層７は、センサ素子２の先端面とこれに続く側面の一部を覆っており、被測定ガス室２３への排ガスの導入口となるガス拡散層４３の表面を覆っている。

これにより、第１センサ部３、第２センサ部４に導入される排ガス中の被毒成分や水分等が、第１保護層３３、第２保護層７に捕捉されて、第１検出電極３１、第２検出電極４１に到達するのを防止できる。また、第２保護層７を通過することにより、排ガス中のアンモニアがＮＯｘに酸化される。このとき、ヒータ５の発熱部５１がガス拡散層４３とＸ方向において重なる位置にあるので、ガス拡散層４３が加熱されることにより、アンモニアの酸化が促進される。

ここで、上記図１３に示した排ガス浄化システム２００において、ＳＣＲ触媒２０１に供給される尿素水の供給量が、排ガス中のＮＯｘに対して多いと、ＳＣＲ触媒２０１の下流側に排出されるアンモニアが増加する。一方、尿素水の供給量が少ないと、ＳＣＲ触媒２０１の下流側に排出されるＮＯｘが増加する。つまり、アンモニアの排出量が多いときは、ＮＯｘがほとんど排出されないので、第２センサ部４において検出されるＮＯｘは、ほぼアンモニアに由来するものとなる。

したがって、アンモニア濃度に応じて、第１センサ部３と第２センサ部４とを使い分けることができる。例えば、アンモニアの排出量が少ないときには、第１センサ部３を用いて、アンモニアの検出を行い、アンモニアの排出量が多いときは、第２センサ部４を用いて、アンモニアの検出を行うことで、広い濃度範囲において、精度よい検出が可能になる。

なお、第１保護層３３、第２保護層７は、上記実施形態２に限らず、他の実施形態に示した構成のセンサ素子２適用することができる。
また、第１保護層３３、第２保護層７を設けない構成において、例えば、排ガスの導入口となるガス拡散層４３が、酸化触媒層を兼ねる構成としてもよい。

本発明は上記各実施形態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種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記各実施形態では、ガスセンサを内燃機関の排ガス浄化システムに適用した例について説明したが、被測定ガスは内燃機関からの排ガスに限らず、任意のガスとすることができる。

１ ガスセンサ
２ センサ素子
２１ 第１固体電解質体
２２ 第２固体電解質体
３ 第１センサ部
３１ 第１検出電極
３２ 第１基準電極
４ 第２センサ部
５ ヒータ
５１ 発熱部

Claims (16)

1. 酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
   上記センサ素子は、
   第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
   第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
   通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されていると共に、
   上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体との間に、基準ガスが導入される基準ガス室（２４）を備え、
   上記第１センサ部は、上記基準ガス室に面する上記第１固体電解質体の表面（２１２）に、上記第１基準電極を備え、上記基準ガス室と反対側の上記第１固体電解質体の表面（２１１）に、上記第１検出電極を備えて、上記第１検出電極と上記第１基準電極との電位差に基づく混成電位信号を出力するものであり、
   上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
   上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にある、ガスセンサ。
2. 酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
   上記センサ素子は、
   第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
   第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
   通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
   上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
   上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
   上記センサ素子の積層方向（Ｘ）において、上記第１検出電極及び上記第２検出電極は、上記発熱部と少なくとも一部が重なる位置にある、ガスセンサ。
3. 上記センサ素子は、上記基準ガス室が構成される第１絶縁性基板（２５）を挟んで、上記第１固体電解質体と上記第２固体電解質体とが積層され、上記基準ガス室と反対側において、上記第２固体電解質体に上記ヒータが積層されて構成されており、
   上記ヒータは、上記第２固体電解質体に積層される第２絶縁性基板（５２）の内部に、上記発熱部と上記発熱部に接続されるリード部（５３）とが埋設されて構成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
4. 上記センサ素子の積層方向（Ｘ）において、上記第１検出電極及び上記第２検出電極は、上記発熱部と少なくとも一部が重なる位置にある、請求項１又は３に記載のガスセンサ。
5. 上記センサ素子の積層方向（Ｘ）において、上記第１検出電極は、上記第２検出電極と重ならない位置にあり、上記第２検出電極は上記発熱部と少なくとも一部が重なる位置にある、請求項１又は３に記載のガスセンサ。
6. 上記センサ素子の長手方向（Ｙ）において、上記第１検出電極の電極中心は、上記第２検出電極の電極中心よりも上記センサ素子の先端側又は基端側にずれて配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 上記第１センサ部において、上記第１検出電極と上記第１基準電極とは、上記第１固体電解質体を挟んで対向して位置しており、かつ、上記第１基準電極の面積は、上記第１検出電極の面積よりも大きい、請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 上記被測定ガス室は、上記第２固体電解質体を挟んで上記第１センサ部と反対側に配置されており、上記センサ素子は、ガス拡散層（４３）を介して上記被測定ガス室に導入される被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプ部（６）を備え、
   上記第２検出電極は、上記被測定ガス室に面する上記第２固体電解質体の表面（２２１）に配置されており、上記第２センサ部は、上記被測定ガス室と反対側の上記第２固体電解質体の表面（２２２）に、上記第２基準電極を備えて、上記第２検出電極と上記第２基準電極との間に流れる酸素イオン電流信号を出力するものである、請求項１～７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
9. 上記酸素ポンプ部は、上記第２センサ部と上記ガス拡散層との間において、上記被測定ガス室に面する上記第２固体電解質体の表面に配置されるポンプ電極（６１）と、上記被測定ガス室と反対側の上記第２固体電解質体の表面に配置される第３基準電極（６２）と、を備えている、請求項８に記載のガスセンサ。
10. 上記センサ素子は、上記被測定ガス室への被測定ガスの導入口となる表面に、酸化触媒層（７）を有すると共に、上記第２センサ部において、アンモニアの酸化により生成されたＮＯｘの濃度を検出する、請求項１～９のいずれか１項に記載のガスセンサ。
11. 上記センサ素子は、上記第１検出電極の外側の表面に形成される第１保護層（３３）と、上記第１保護層の形成部位を除く表面に形成されると共に上記酸化触媒層を兼ねる第２保護層を備えている、請求項１０に記載のガスセンサ。
12. 上記第１検出電極は、上記ヒータによって４００℃～６００℃に加熱される位置に配置されており、上記第２検出電極は、上記ヒータによって６００℃～８００℃に加熱される位置に配置されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載のガスセンサ。
13. 酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
    上記センサ素子は、
    第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
    第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
    通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
    上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
    上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
    上記第１センサ部において、上記第１検出電極と上記第１基準電極とは、上記第１固体電解質体を挟んで対向して位置しており、かつ、上記第１基準電極の面積は、上記第１検出電極の面積よりも大きい、ガスセンサ。
14. 酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
    上記センサ素子は、
    第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
    第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
    通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
    上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
    上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
    上記被測定ガス室は、上記第２固体電解質体を挟んで上記第１センサ部と反対側に配置されており、上記センサ素子は、ガス拡散層（４３）を介して上記被測定ガス室に導入される被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプ部（６）を備え、
    上記第２検出電極は、上記被測定ガス室に面する上記第２固体電解質体の表面（２２１）に配置されており、上記第２センサ部は、上記被測定ガス室と反対側の上記第２固体電解質体の表面（２２２）に、上記第２基準電極を備えて、上記第２検出電極と上記第２基準電極との間に流れる酸素イオン電流信号を出力するものである、ガスセンサ。
15. 酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
    上記センサ素子は、
    第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
    第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
    通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
    上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
    上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
    上記センサ素子は、上記被測定ガス室への被測定ガスの導入口となる表面に、酸化触媒層（７）を有すると共に、上記第２センサ部において、アンモニアの酸化により生成されたＮＯｘの濃度を検出する、ガスセンサ。
16. 酸素イオン導電性の第１固体電解質体（２１）及び第２固体電解質体（２２）を用いたセンサ素子（２）を有するガスセンサ（１）であって、
    上記センサ素子は、
    第１固体電解質体（２１）の表面（２１１、２１２）に形成される第１検出電極（３１）及び第１基準電極（３２）を有し、少なくとも上記第１検出電極が被測定ガスに晒されることにより、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部（３）と、
    第２固体電解質体（２２）の表面（２２１、２２２）に形成される第２検出電極（４１）及び第２基準電極（４２）を有し、上記第２検出電極が、被測定ガス室（２３）に導入される被測定ガスに晒されることにより、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部（４）と、
    通電により発熱する発熱部（５１）を有して、上記第１センサ部及び上記第２センサ部を加熱するヒータ（５）と、が積層されて構成されており、
    上記第１センサ部及び上記第２センサ部は、
    上記発熱部の発熱中心（５Ａ）と上記第１検出電極の電極中心（３Ａ）との距離ｄ１と、上記発熱中心と上記第２検出電極の電極中心（４Ａ）との距離ｄ２とが、ｄ１＞ｄ２の関係にあると共に、
    上記第１検出電極は、上記ヒータによって４００℃～６００℃に加熱される位置に配置されており、上記第２検出電極は、上記ヒータによって６００℃～８００℃に加熱される位置に配置されている、ガスセンサ。

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