KR20160026800A

KR20160026800A - 가스 농도 검출 장치

Info

Publication number: KR20160026800A
Application number: KR1020150122451A
Authority: KR
Inventors: 다츠히로 하시다; 가즈히로 와카오; 게이이치로 아오키
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2016-03-09
Also published as: CN105388195A; US20160061769A1; MY187633A; US9891188B2; JP2016050878A; KR101737696B1; BR102015021238B1; JP6048463B2; AR101734A1; CN105388195B; RU2617915C2; BR102015021238A2; RU2015136646A; AR101733A1

Abstract

가스 농도 검출 장치는 가스 농도 검출 소자 및 전자 제어 유닛을 포함하고, 상기 가스 농도 검출 소자는 제1 전기 화학 셀 및 제2 전기 화학 셀을 포함하고, 상기 전자 제어 유닛은, 상기 제2 전기 화학 셀에 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전기 화학 셀에 측정용 전압이 인가되고 있을 때 취득되는 상기 제1 전기 화학 셀에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출한다. 상기 제1 제거용 전압은 제2 전기 화학 셀이 질소산화물의 분해를 개시하는 전압 이상의 전압 또한 제2 전기 화학 셀에 있어서 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상의 전압 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만의 전압이다.

Description

가스 농도 검출 장치{GAS CONCENTRATION DETECTING DEVICE}

본 발명은 내연 기관의 배기 중에 포함되는 황 산화물(SOx)의 농도를 보다 정확하게 취득할 수 있는 가스 농도 검출 장치에 관한 것이다.

종래부터, 내연 기관을 제어하기 위해서, 배기 중에 포함되는 산소(O₂)의 농도에 기초하여 연소실 내의 혼합기의 공연비(A/F)를 취득하는 공연비 센서(A/F 센서)가 널리 사용되고 있다. 이러한 공연비 센서의 하나의 타입으로서, 한계 전류식 가스 센서를 들 수 있다.

상기와 같은 공연비 센서로서 사용되는 한계 전류식 가스 센서는, 산화물 이온 전도성을 갖는 고체 전해질체와, 고체 전해질체의 표면에 고착된 한 쌍의 전극을 포함하는 전기 화학 셀인 펌핑 셀을 구비한다. 한 쌍의 전극의 한쪽은, 확산 저항부를 통해 도입되는 피검 가스로서의 내연 기관의 배기에 노출되고, 다른 쪽은 대기에 노출되어 있다. 상기 한쪽 전극을 음극으로 하고, 상기 다른 쪽 전극을 양극으로 하고, 이 한 쌍의 전극 사이에 산소의 분해가 시작되는 전압(분해 개시 전압) 이상의 전압을 인가하면, 피검 가스 중에 포함되는 산소가 환원 분해되어 산화물 이온(O^2-)으로 된다. 이 산화물 이온은 상기 고체 전해질체를 통해 양극에 전도되어 산소로 되어, 대기 중으로 배출된다. 이러한 음극측으로부터 양극측으로의 고체 전해질체를 개재하는 산화물 이온의 전도에 의한 산소의 이동은 「산소 펌핑 작용」이라고 불린다.

상기 산소 펌핑 작용에 수반하는 산화물 이온의 전도에 의해, 상기 한 쌍의 전극 사이에 전류가 흐른다. 이와 같이 한 쌍의 전극 사이에 흐르는 전류는 「전극 전류」라고 불린다. 이 전극 전류는 한 쌍의 전극간에 인가되는 전압(이후, 간단히 「인가 전압」이라고 불리는 경우가 있음)이 상승할수록 커지는 경향을 갖는다. 그러나, 상기 한쪽 전극(음극)에 도달하는 피검 가스의 유량이 확산 저항부에 의해 제한되므로, 이윽고 산소 펌핑 작용에 수반하는 산소의 소비 속도가 음극에의 산소의 공급 속도를 초과하게 된다. 즉, 음극에 있어서의 산소의 환원 분해 반응이 확산 율속 상태로 된다.

상기 확산 율속 상태에 있어서는, 인가 전압을 상승시켜도 전극 전류가 증대하지 않고, 대략 일정해진다. 이러한 특성은 「한계 전류 특성」이라고 불리고, 한계 전류 특성이 발현되는(관측되는) 인가 전압의 범위는 「한계 전류 영역」이라고 불린다. 또한, 한계 전류 영역에 있어서의 전극 전류는 「한계 전류」라고 불리고, 한계 전류의 크기(한계 전류값)는 음극에의 산소의 공급 속도에 대응한다. 상기와 같이 음극에 도달하는 피검 가스의 유량이 확산 저항부에 의해 일정하게 유지되고 있으므로, 음극에의 산소의 공급 속도는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 대응한다.

따라서, 공연비 센서로서 사용되는 한계 전류식 가스 센서에 있어서 「한계 전류 영역 내의 소정의 전압」에 인가 전압을 설정했을 때의 전극 전류(한계 전류)는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 대응한다. 이와 같이 산소의 한계 전류 특성을 이용하여, 공연비 센서는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하고, 거기에 따라서 연소실 내의 혼합기의 공연비를 취득할 수 있다.

또한, 상기와 같은 한계 전류 특성은 산소 가스에만 한정되는 특성이 아니다. 구체적으로는, 분자 중에 산소 원자를 포함하는 가스(이후, 「산소 함유 가스」라고 불리는 경우가 있음) 중에는, 인가 전압 및 음극의 구성을 적절하게 선택함으로써 한계 전류 특성을 발현시킬 수 있는 것이 있다. 이러한 산소 함유 가스의 예로서는, 예를 들어, 황 산화물(SOx), 물(H₂O) 및 이산화탄소(CO₂) 등을 들 수 있다.

그런데, 내연 기관의 연료(예를 들어, 경유 및 가솔린 등)에는 미량의 황(S) 성분이 포함된다. 특히, 조악 연료라고도 불리는 연료는, 비교적 높은 함유율로 황 성분을 함유하고 있는 경우가 있다. 연료 중의 황 성분의 함유율(이후, 간단히 「황 함유율」이라고 불리는 경우가 있음)이 높으면, 내연 기관의 구성 부재의 열화 및/또는 고장, 배기 정화 촉매의 피독, 배기에 있어서의 백연의 발생 등의 문제가 발생할 우려가 높아진다. 그로 인해, 연료 중의 황 성분의 함유율을 취득하고, 취득된 황 함유율을, 예를 들어, 내연 기관의 제어에 반영시키거나, 내연 기관의 고장에 관한 경고를 발하거나, 배기 정화 촉매의 자기 고장 진단(OBD)의 개선에 도움되거나 하는 것이 요망된다.

내연 기관의 연료가 황 성분을 함유하고 있으면, 연소실로부터 배출되는 배기 중에 황 산화물이 포함된다. 또한, 연료 중의 황 성분의 함유율(황 함유율)이 높아질수록, 배기 중에 포함되는 황 산화물의 농도(이후, 간단히 「SOx 농도」라고 불리는 경우가 있음)도 높아진다. 따라서, 배기 중의 SOx 농도를 정확하게 취득할 수 있으면, 취득된 SOx 농도에 기초하여 황 함유율을 정확하게 취득할 수 있다고 생각된다.

그래서, 당해 기술 분야에 있어서는, 상술한 산소 펌핑 작용을 이용하는 한계 전류식 가스 센서에 의해 내연 기관의 배기 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 취득하는 시도가 이루어져 있다. 구체적으로는, 피검 가스로서의 내연 기관의 배기가 확산 저항부를 통해 유도되는 내부 공간에 음극이 면하도록 직렬로 배치된 2개의 펌핑 셀을 구비하는 한계 전류식 가스 센서(2셀식의 한계 전류식 가스 센서)가 사용된다.

이 센서에 있어서는, 상류측의 펌핑 셀의 전극간에 상대적으로 낮은 전압을 인가함으로써, 상류측의 펌핑 셀의 산소 펌핑 작용에 의해 피검 가스 중에 포함되는 산소를 제거한다. 또한, 하류측의 펌핑 셀의 전극간에 상대적으로 높은 전압을 인가함으로써, 하류측의 펌핑 셀에 의해 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물을 음극에 있어서 환원 분해시키고, 그 결과로서 발생하는 산화물 이온을 양극에 전도한다. 이 산소 펌핑 작용에 기인하는 전극 전류값의 변화에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도가 취득된다(예를 들어, 일본 특허 공개 평 11-190721을 참조).

일본 특허 공개 평 11-190721호 공보

상술한 바와 같이, 당해 기술 분야에 있어서는, 산소 펌핑 작용을 이용하는 한계 전류식 가스 센서에 의해, 내연 기관의 배기 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 취득하는 시도가 이루어져 있다. 그러나, 배기 중에 포함되는 황 산화물의 농도는 매우 낮고, 황 산화물의 분해에 기인하는 전류(분해 전류)도 매우 작다. 또한, 황 산화물 이외의 산소 함유 가스(예를 들어, 물 및 이산화탄소 등)에 기인하는 분해 전류도 전극 사이로 흐를 수 있다. 그로 인해, 황 산화물에 기인하는 분해 전류만을 고정밀도로 구별해서 검출하는 것은 곤란하다.

본 발명은 한계 전류식 가스 센서를 사용해서 피검 가스로서의 배기 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 가능한 한 고정밀도로 취득할 수 있는 가스 농도 검출 장치를 제공한다.

본 발명자는, 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 계속해 왔다. 그 결과, 산소 펌핑 작용을 갖는 전기 화학 셀(펌핑 셀)에 있어서 소정의 인가 전압으로 물 및 황 산화물을 분해시킬 때의 전극 전류가 피검 가스로서의 내연 기관의 배기 중의 황 산화물의 농도에 따라서 변화되는 것을 알아내었다.

보다 구체적으로는, 2셀식의 한계 전류식 가스 센서에 있어서, 상류측의 펌핑 셀의 전극간에 상대적으로 낮은 전압을 인가함으로써, 상류측의 펌핑 셀의 산소 펌핑 작용에 의해 피검 가스 중에 포함되는 산소를 제거한다. 또한, 하류측의 펌핑 셀의 전극간에 상대적으로 높은 전압을 인가함으로써, 하류측의 펌핑 셀에 의해 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해시킨다. 이때의 하류측의 펌핑 셀의 전극 전류는, 물에 기인하는 분해 전류 및 황 산화물에 기인하는 분해 전류를 포함한다.

일반적으로, 내연 기관의 배기에 있어서의 물의 농도는 황 산화물의 농도보다도 높으므로, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물만에 기인하는 분해 전류보다도 상기 전극 전류는 크고, 용이하게 또한 고정밀도로 검출할 수 있다. 본 발명자는, 이 전극 전류의 크기가 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화되는 것을 알아내었다. 게다가, 상기 구성에 의하면, 상류측의 펌핑 셀에 의해 피검 가스 중에 포함되는 산소는 제거되어 있으므로, 하류측의 펌핑 셀의 전극 전류는, 산소에 기인하는 분해 전류는 포함하지 않는다. 따라서, 본 발명자는, 이 전극 전류에 대응하는 검출값을 취득하고, 이 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 취득할 수 있다는 생각에 이르렀다.

그런데, 내연 기관의 배기 중에는, 질소산화물(NOx)이 포함되는 경우가 있고, 그 농도(이후, 간단히 「NOx 농도」라고 불리는 경우가 있음)는, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비 및 연소 상태에 따라 변화된다. 이 질소산화물도 또한, 하류측의 펌핑 셀에 의해 분해되어, 질소산화물에 기인하는 분해 전류를 발생한다. 따라서, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 취득하기 위해서는, 상류측의 펌핑 셀에 의해 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 제거하는 것이 바람직하다.

본 발명의 하나의 형태에 관한 가스 농도 검출 장치는, 가스 농도 검출 소자와 제1 전류 검출기와 제1 전원과 제2 전원과 ECU(전자 제어 유닛)를 구비한다.

상기 가스 농도 검출 소자는 제1 전기 화학 셀, 제2 전기 화학 셀, 치밀체 및 확산 저항부를 포함한다. 상기 제1 전기 화학 셀은 제1 고체 전해질체, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖는다. 상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 상기 제1 고체 전해질체의 표면에 각각 배치된다. 상기 제2 전기 화학 셀은 제2 고체 전해질체, 제3 전극 및 제4 전극을 포함한다. 상기 제2 고체 전해질은 산화물 이온 전도성을 갖는다. 상기 제3 전극과 상기 제4 전극은 상기 제2 고체 전해질체의 표면에 각각 배치된다. 또한, 제1 고체 전해질체와 제2 고체 전해질체는 별개의 고체 전해질체(예를 들어, 박판체)이어도 된다. 또는, 제1 전기 화학 셀과 제2 전기 화학 셀이 1개의 고체 전해질체(예를 들어, 박판체)를 공유하고 있어도 된다.

또한, 상기 제1 고체 전해질체와 상기 제2 고체 전해질체와 상기 치밀체와 상기 확산 저항부는 내부 공간을 획정한다. 상기 확산 저항부는 상기 내부 공간에 상기 확산 저항부를 통해 피검 가스로서의 내연 기관의 배기를 도입한다. 상기 제1 전극은 상기 내부 공간에 노출된다. 상기 제2 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제1 별도 공간에 노출된다. 상기 제3 전극은 상기 내부 공간 내의 상기 제1 전극보다도 상기 확산 저항부에 가까운 위치에 배치된다. 상기 제4 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제2 별도 공간에 노출된다. 상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극쌍에 제1 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해한다. 상기 제3 전극은 상기 제3 전극과 상기 제4 전극을 포함하는 제2 전극쌍에 제2 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 분해한다.

상기 제1 전류 검출기는 상기 제1 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값을 출력한다. 상기 제1 전원은 상기 제1 전극쌍에 전압을 인가한다. 상기 제2 전원은 상기 제2 전극쌍에 전압을 인가한다. 상기 ECU는 제1 제거용 전압을 상기 제2 전극쌍에 인가하는 상기 제2 전원을 제어한다. 상기 제1 제거용 전압은 상기 제2 소정 전압 이상의 전압 또한 상기 제3 전극에 있어서 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상의 전압 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만의 전압이다. 상기 ECU는 측정용 전압을 상기 제1 전극쌍에 인가하는 상기 제1 전원을 제어한다. 상기 측정용 전압은 상기 제1 소정 전압 이상의 전압 또한 상기 제1 전극에 있어서 물의 분해가 개시되는 전압 이상의 전압이다. 상기 ECU는 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제1 전류 검출기로부터 상기 제1 검출값을 취득한다. 상기 ECU는 취득한 상기 제1 검출값에 기초하여 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출한다.

상기 형태에 관한 가스 농도 검출 장치에 의하면, 상기 제1 전극은, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 제1 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되어 있다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 물 및 황 산화물을 분해시키는 것이 가능한 제1 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다.

상기 제3 전극은, 상기 제3 전극과 상기 제4 전극 사이에 제2 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되어 있다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 산소 및 질소산화물을 분해시키는 것이 가능한 제3 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다.

그리고, 상기 ECU는, 상기 제2 소정 전압 이상의 전압이며, 상기 제3 전극에 있어서 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상이며 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만인 소정의 제1 제거용 전압을 상기 제2 전극쌍에 인가하도록 제2 전원을 제어한다. 따라서, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되고, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물이 내부 공간으로부터 배출된다. 한편, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물은, 제1 제거용 전압이 인가된 제3 전극에 있어서는 분해되지 않는다.

그리고, 상기 ECU는, 상기 제1 소정 전압 이상의 전압이며, 상기 제1 전극에 있어서 물의 분해가 개시되는 전압 이상의 소정의 측정용 전압을 상기 제1 전극쌍에 인가하도록 제1 전원을 제어한다. 「물의 분해가 개시되는 전압」은 「황 산화물의 분해가 개시되는 전압」보다도 높으므로, 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물의 분해에 기인하는 전극 전류가, 이 전극 사이에 흐른다. 이 전극 전류의 크기는, 상술한 바와 같이, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다.

그래서, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하도록 구성된다. 상술한 바와 같이, 제1 제거용 전압은, 제2 소정 전압 이상의 전압이며, 제3 전극에 있어서 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상이며 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만인 소정의 전압이다. 따라서, 제2 전극쌍에 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우, 산소 및 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되고, 제2 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물이 제거된다.

한편, 측정용 전압은, 제1 소정 전압 이상의 전압이며, 제1 전극에 있어서 물의 분해가 개시되는 전압 이상의 소정의 전압이다. 따라서, 제1 전극쌍에 측정용 전압이 인가되고 있는 경우, 제1 전기 화학 셀에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물이 분해되고, 이들 성분에 기인하는 분해 전류가 전극 전류로서 흐른다. 게다가, 상기 내부 공간에 있어서 제1 전기 화학 셀의 상류측에 있는 제2 전기 화학 셀에 의해 피검 가스 중에 포함되는 산소뿐만 아니라 질소산화물도가 피검 가스로부터 제거된다. 따라서, 이 전극 전류의 크기는, 내부 공간에 도입되었을 때 피검 가스 중에 포함되어 있던 산소 및 질소산화물에 의한 영향을 받지 않고, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다.

즉, 상기 ECU는, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 취득할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 ECU는, 예를 들어, 미리 취득된 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도(SOx 농도)와 제1 검출값과의 대응 관계에 기초하여, 취득된 제1 검출값에 대응하는 SOx 농도를 특정할 수 있다. 이와 같이 하여, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 매우 높은 정밀도로 검출할 수 있다.

이 경우, 예를 들어, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 제1 검출값(예를 들어, 전극 전류의 크기)과 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도와의 대응 관계를 미리 사전 실험 등에 의해 구해 둔다. 이 대응 관계를 나타내는 데이터 테이블(예를 들어, 데이터 맵 등)을 예를 들어 ECU가 구비하는 데이터 기억 장치(예를 들어, ROM 등)에 저장해 두고, 상기 검출시에 CPU에 참조시키도록 할 수 있다. 이에 의해, 상기 제1 검출값으로부터 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 특정할 수 있다.

또한, 내연 기관으로부터 배출되는 배기 중에 포함되는 물의 농도는, 예를 들어, 상기 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비 등에 따라서 변화된다. 피검 가스로서의 내연 기관의 배기 중에 포함되는 물의 농도가 변화되면, 제1 검출값에 기초하여 검출되는 황 산화물의 농도 정밀도가 저하될 우려가 있다. 따라서, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 예를 들어 내연 기관의 정상 운전시 등, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비가 소정의 값으로 유지되고 있을 때 제1 검출값을 검출하는 것이 바람직하다.

그런데, 상기와 같이 제1 전극과 제2 전극 사이에 측정용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 제1 검출값이 피검 가스 중의 황 산화물의 농도에 따라서 변화하는 메커니즘의 상세에 대해서는 불분명하다. 그러나, 상기와 같이 제1 전극쌍에 측정용 전압이 인가되고 있을 때, 피검 가스에 포함되는 물뿐만 아니라, 피검 가스에 포함되는 황 산화물도 또한 분해된다. 그 결과, 황 산화물의 분해 생성물(예를 들어, 황(S) 및 황 화합물 등)이 음극인 제1 전극에 흡착되어, 물의 분해에 기여할 수 있는 제1 전극의 면적이 감소된다고 생각된다. 이로 인해, 제1 전극쌍에 제1 소정 전압이 인가되고 있을 때의 전극 전류에 대응하는 제1 검출값이 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다고 생각된다.

상기 메커니즘에 의하면, 제1 전극쌍에 측정용 전압이 인가되고 있는 기간이 길수록, 보다 많은 황 산화물의 분해 생성물이 제1 전극에 흡착되고, 제1 검출값에 대응하는 전극 전류의 저하폭이 커진다. 즉, 제1 전극쌍에 측정용 전압이 인가되고 있는 기간의 길이에 따라, 제1 검출값에 대응하는 전극 전류의 저하폭이 변화된다. 따라서, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출하기 위해서는, 제1 전극쌍에 측정용 전압이 미리 정해진 소정 기간에 걸쳐서 인가된 시점에 있어서 제1 검출값을 검출하는 것이 바람직하다. 또한, 상술한 SOx 농도와 제1 검출값과의 대응 관계도 또한, 제1 전극쌍에 측정용 전압이 미리 정해진 소정 기간에 걸쳐서 인가된 시점에 있어서의 제1 검출값을 사용해서 취득하는 것이 바람직하다.

게다가, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도 검출에 사용한 후에, 다시 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하고자 하는 경우에는 제1 전극에 흡착된 분해 생성물을 제거할 필요가 있다. 제1 전극에 흡착된 분해 생성물을 제거하는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 상기 분해 생성물을 재산화시켜서 다시 황 산화물로 하는 방법을 들 수 있다. 이러한 재산화는, 예를 들어, (황 산화물을 환원 분해시킬 때와는 반대로) 제1 전극을 양극으로 하고, 제2 전극을 음극으로 하고, 상기 분해 생성물을 재산화할 수 있는 소정의 전압을 제1 전극쌍에 인가함으로써 행할 수 있다.

제1 검출값은, 상기 전극 전류에 대응하는 어떠한 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 상기 제1 검출값은, 상기 제1 전극쌍에 흐르는 전류의 크기이면 된다. 바꾸어 말하면, 상기 ECU는, 상기 제1 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제1 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다.

또한, 상술한 바와 같이, 제1 전극과 제2 전극 사이에 측정용 전압이 인가되고 있는 경우에 제1 전극과 제2 전극 사이에 흐르는 전극 전류의 크기는, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다. 구체적으로는 후술하는 바와 같이, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도가 높을수록 상기 전극 전류가 작다. 따라서, 상기와 같이 제1 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 제1 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제1 검출값이 작을수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물(SOx)의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하도록 구성되어도 된다.

그런데, 상술한 바와 같이, 제2 전기 화학 셀의 제2 전극쌍에 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우, 산소의 한계 전류 특성이 발현된다. 본 명세서의 첫머리에 있어서 설명한 바와 같이, 한계 전류의 크기는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 따라서 변화되므로, 산소의 한계 전류 특성을 이용해서 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출할 수 있다.

따라서, 상기 ECU는 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 취득하도록 구성되어도 된다. 이 경우, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제2 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다.

상기 형태에 의하면, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출함과 함께, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출할 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 취득되는 산소 농도에 기초하여, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비를 취득하도록 해도 된다. 따라서, 이것에 의하면, 예를 들어, 내연 기관의 제어 시스템의 저비용화 및/또는 소형화를 도모할 수 있다.

또한, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도는, 제2 전극쌍에 제1 제거용 전압이 인가되고 있을 때 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값에 기초하여 검출된다. 제1 제거용 전압은, 제2 소정 전압 이상의 전압이며, 제3 전극에 있어서 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상이며 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만인 소정의 전압이다. 또한, 제3 전극은, 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압을 인가했을 때 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성된다. 따라서, 제2 검출값에 대응하는 전극 전류에는, 산소의 한계 전류뿐만 아니라 질소산화물의 한계 전류도 포함된다.

즉, 엄밀하게는 상기와 같이 해서 검출되는 산소의 농도에는, 산소의 농도 외에, 질소산화물의 농도도 포함된다. 그러나, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도는 산소의 농도와 비교해서 충분히 낮다. 따라서, 상기와 같이 해서 검출되는 산소의 농도를 산소만의 농도라고 간주해도, 일반적인 용도(예를 들어, 혼합기의 공연비의 산출 등)에 있어서는, 실질적인 문제는 없다.

그런데, 상기에 있어서, 제2 검출값은, 상기 전극 전류에 대응하는 어떠한 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 상기 제2 검출값은, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기이면 된다. 바꾸어 말하면, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제2 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다.

또한, 제2 전극쌍에 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 이들 전극 사이에 흐르는 전극 전류는 피검 가스 중에 포함되는 산소(및 질소산화물)의 한계 전류이며, 본 명세서의 첫머리에 있어서 설명한 바와 같이, 이 한계 전류의 크기는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 따라서 변화된다. 구체적으로는, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 높을수록 상기 한계 전류가 크다. 따라서, 상기와 같이 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 제2 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제2 검출값이 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하도록 구성되어도 된다.

상기 형태에 있어서는, 상류측의 펌핑 셀(제2 전기 화학 셀)에 의해 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 양쪽을 제거하고 있었다. 그러나, 본 발명 장치는, 피검 가스 중에 포함되는 산소와 질소산화물을 각각 별개의 펌핑 셀에 의해 제거하도록 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 가스 농도 검출 소자는, 산화물 이온 전도성을 갖는 제3 고체 전해질체와 동일 제3 고체 전해질체의 표면에 각각 형성된 제5 전극 및 제6 전극을 포함하는 제3 전기 화학 셀을 더 구비해도 된다. 또한, 제3 고체 전해질체는, 제1 고체 전해질체 및 제2 고체 전해질체와는 별개의 고체 전해질체(예를 들어, 박판체)이어도 된다. 또는, 제3 전기 화학 셀은, 제1 전기 화학 셀 및 제2 전기 화학 셀 중 어느 하나 또는 양쪽과 고체 전해질체(예를 들어, 박판체)를 공유하고 있어도 된다.

또한, 상기 가스 농도 검출 소자는, 상기 제3 전극보다도 상기 확산 저항부에 가까운 위치에 있어서 상기 제5 전극이 상기 내부 공간에 노출되고, 또한 상기 제6 전극이 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제3 별도 공간에 노출되도록 구성되어도 된다. 즉, 이 내부 공간에 있어서, 상기 제5 전극은 상기 제3 전극보다도 상류측(상기 확산 저항부에 가까운 측)의 위치에 형성되어도 된다. 바꾸어 말하면, 제3 전기 화학 셀은 제2 전기 화학 셀보다도 상류측에 형성되어도 된다.

상기 형태에 있어서, 상기 ECU는 상기 제5 전극과 상기 제6 전극을 포함하는 제3 전극쌍에 전압을 인가하도록 제3 전원을 제어해도 된다. 상기 ECU는, 예를 들어 배터리 등으로부터 공급되는 전력을 제어해서 소정의 전압을 각각 제3 전극쌍에 인가하는 내연 기관의 ECU이어도 된다.

상기 제5 전극은, 상기 제53 전극쌍에 제3 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 분해시키지 않고 산소를 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되어도 된다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 질소산화물을 분해시키지 않고 산소를 분해시키는 것이 가능한 제5 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다.

그리고, 상기 ECU는, 상기 제3 소정 전압 이상의 전압이며, 상기 제5 전극에 있어서 산소의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상이며 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만인 소정의 제2 제거용 전압을 상기 제3 전극쌍에 인가하도록 제3 전원을 제어해도 된다.

또한, 상기 ECU는, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다.

제3 전극쌍에 제2 제거용 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 한계 전류 특성이 발현되고, 제3 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 산소가 내부 공간으로부터 배출된다. 제2 전극쌍에 제1 제거용 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되고, 제2 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물이 내부 공간으로부터 배출된다. 그 결과, 가장 하류측에 배치된 제1 전기 화학 셀의 제1 전극에 도달하는 피검 가스에는 산소 및 질소산화물이 실질적으로 포함되지 않는다. 따라서, 상기 ECU에 의해 취득되는 제1 검출값은, 내부 공간에 도입되었을 때 피검 가스 중에 포함되어 있던 산소 및 질소산화물에 의한 영향을 받지 않고, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다.

상기에 있어서, 제3 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 산소가 내부 공간으로부터 배출되고, 제2 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물이 내부 공간으로부터 배출된다. 따라서, 제3 전기 화학 셀에 있어서의 산소의 분해에 기인하는 전극 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출할 수 있다. 마찬가지로, 제2 전기 화학 셀에 있어서의 질소산화물의 분해에 기인하는 전극 전류에 대응하는 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출할 수 있다.

이 경우, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 출력하는 제2 전류 검출기와, 상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값을 출력하는 제3 전류 검출기를 구비해도 된다.

또한, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제2 소정 전압이 인가되고 있을 때 취득되는 상기 제2 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다. 보다 구체적으로는, 상기 ECU는, 예를 들어, 미리 취득된 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도(NOx 농도)와 제2 검출값과의 대응 관계에 기초하여, 취득된 제2 검출값에 대응하는 NOx 농도를 특정해도 된다.

게다가, 상기 ECU는, 상기 제3 전극쌍에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있을 때 취득되는 상기 제3 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다. 이와 같이 하여 취득되는 산소 농도에 기초하여, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비를 취득하도록 해도 된다.

제2 전류 검출기는, 예를 들어 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값(예를 들어, 전류값, 전압값 및 저항값 등)을 출력하는 검출 수단(예를 들어, 센서 등)이어도 된다. 제3 전류 검출기는, 예를 들어 제3 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값(예를 들어, 전류값, 전압값 및 저항값 등)을 출력하는 검출 수단(예를 들어, 센서 등)이면 된다. 상기 ECU는 이들 제2 전류 검출기 및 제3 전류 검출기로부터의 제2 검출값 및 제3 검출값의 출력 신호를 수취하게 구성되어 있어도 된다.

상기와 같이 하여, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출함과 함께, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와 질소산화물의 농도를 개별로 검출할 수 있다. 따라서, 이것에 의하면, 예를 들어, 내연 기관의 제어 시스템의 저비용화 및/또는 소형화를 도모할 수 있다.

그런데, 상기에 있어서, 제3 검출값은, 제3 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 어떠한 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 상기 제3 검출값은, 상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류의 크기이면 된다. 바꾸어 말하면, 상기 ECU는, 상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제3 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다.

또한, 제3 전극쌍에 제2 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 이들 전극 사이에 흐르는 전극 전류는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 한계 전류이며, 본 명세서의 첫머리에 있어서 설명한 바와 같이, 이 한계 전류의 크기는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도에 따라서 변화된다. 구체적으로는, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 높을수록 상기 한계 전류가 크다. 따라서, 상기와 같이 제3 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 제3 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있을 때 취득되는 상기 제3 검출값이 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하도록 구성되어도 된다.

그런데, 상기에 있어서, 제2 검출값은, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 어떠한 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 전형적으로는, 상기 제2 검출값은, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기이면 된다. 바꾸어 말하면, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제2 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다.

또한, 제2 전극쌍에 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 이들 전극 사이에 흐르는 전극 전류는 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 한계 전류이며, 이 한계 전류의 크기는 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도에 따라서 변화된다. 구체적으로는, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도가 높을수록 상기 한계 전류가 크다. 따라서, 상기와 같이 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 제2 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제2 검출값이 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하도록 구성되어도 된다.

상기 형태에서는, 제2 전기 화학 셀의 더욱 상류측에 제3 전기 화학 셀이 배치되어 있다. 즉, 제2 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀은 직렬로 배치되어 있다. 그러나, 제2 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀은 병렬로 배치되어도 된다.

여기서 말하는 「병렬」이란, 제2 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀이 기하학적인 의미에 있어서 병렬로 배치되어 있는 경우에 한정되지 않는다. 구체적으로는, 상기 「병렬」은, 제2 전기 화학 셀에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와, 제3 전기 화학 셀에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 실질적으로 동일하게 되도록, 제2 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀이 배치되어 있는 경우를 포함하는 넓은 개념이어도 된다.

이 경우, 상기 가스 농도 검출 소자는, 산화물 이온 전도성을 갖는 제3 고체 전해질체와 동일 제3 고체 전해질체의 표면에 각각 형성된 제5 전극 및 제6 전극을 포함하는 제3 전기 화학 셀을 더 구비해도 된다. 또한, 제3 고체 전해질체는, 제1 고체 전해질체 및 제2 고체 전해질체와는 별개의 고체 전해질체(예를 들어, 박판체)이어도 된다. 또는, 제3 전기 화학 셀은, 제1 전기 화학 셀 및 제2 전기 화학 셀 중 어느 하나 또는 양쪽과 고체 전해질체(예를 들어, 박판체)을 공유하고 있어도 된다.

또한, 상기 가스 농도 검출 소자는, 상기 제3 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와 동일한 농도의 산소를 포함하는 피검 가스가 도달하는 영역에 있어서 상기 제5 전극이 상기 내부 공간에 노출되고 또한 상기 제6 전극이 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제3 별도 공간에 노출되도록 구성되어도 된다.

한편, 상기 제3 전원이 상기 제3 전극쌍에 전압을 인가하는 점, 상기 제5 전극은, 상기 제3 전극쌍에 제3 소정 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 분해시키지 않고 산소를 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되는 점, 및 상기 ECU는, 상기 제3 소정 전압 이상의 전압이며, 상기 제5 전극에 있어서 산소의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상이며 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만인 소정의 제2 제거용 전압을 상기 제3 전극쌍에 인가하도록 제3 전원을 제어하도록 구성되는 점에 대해서는, 상술한 제2 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀이 직렬로 배치되는 형태와 마찬가지이다.

또한, 상기 ECU는, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있을 때 취득되는 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하도록 구성되는 점에 대해서도, 상술한 제2 전기 화학 셀과 제3 전기 화학 셀이 직렬로 배치되는 형태와 마찬가지이다.

즉, 이 경우도 또한, 가장 하류측에 배치된 제1 전기 화학 셀의 제1 전극에 도달하는 피검 가스에는 산소 및 질소산화물이 실질적으로 포함되지 않는다. 따라서, 상기 ECU에 의해 취득되는 제1 검출값은, 내부 공간에 도입되었을 때 피검 가스 중에 포함되어 있던 산소 및 질소산화물에 의한 영향을 받지 않고, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다. 따라서, 상기 ECU는, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 취득할 수 있다.

상기에 있어서, 제3 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 의해, 피검 가스 중에 포함되는 산소가 내부 공간으로부터 배출된다. 이에 비해, 제2 전기 화학 셀의 산소 펌핑 작용에 따라서는, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물이 내부 공간으로부터 배출된다. 따라서, 제3 전기 화학 셀에 있어서의 전극 전류는 산소의 분해 전류에 기인한다. 한편, 제2 전기 화학 셀에 있어서의 전극 전류는 산소 및 질소산화물의 분해 전류에 기인한다.

그런데, 상술한 바와 같이, 제2 전기 화학 셀에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와, 제3 전기 화학 셀에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도는 실질적으로 동일하다. 따라서, 제2 전기 화학 셀에 있어서의 전극 전류에 대응하는 제2 검출값과, 제3 전기 화학 셀에 있어서의 전극 전류에 대응하는 제3 검출값의 차이는, 제2 전기 화학 셀에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 반영하고 있다. 즉, 제3 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출할 수 있고, 제2 검출값과 제3 검출값의 차이에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출할 수 있다.

이 경우, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 출력하는 제2 전류 검출기와, 상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값을 출력하는 제3 전류 검출기를 더 구비해도 된다.

또한, 상기 ECU는, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제3 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다. 이와 같이 하여 취득되는 산소 농도에 기초하여, 내연 기관의 연소실에 있어서 연소된 혼합기의 공연비를 취득하도록 해도 된다.

한편, 상기 ECU는, 제2 검출값과 제3 검출값의 차이에 기초하여, 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출하도록 구성되어도 된다. 이 제3 검출값은, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있을 때 취득되는 제3 검출값이며, 이 제2 검출값은, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 제2 검출값이다. 상기 ECU는, 예를 들어, 미리 취득된 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도(NOx 농도)와 「제2 검출값과 제3 검출값의 차」라는 대응 관계에 기초하여, 취득된 제2 검출값과 제3 검출값의 차에 대응하는 NOx 농도를 특정할 수 있다.

상기와 같이 하여, 본 발명 장치에 의하면, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출함과 함께, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와 질소산화물의 농도를 개별로 검출할 수 있다. 따라서, 이것에 의하면, 예를 들어, 내연 기관의 제어 시스템의 저비용화 및/또는 소형화를 도모할 수 있다.

상기에 있어서, 상기 제3 전류 검출기는, 상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제3 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다. 이와 같이 제3 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 제3 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는, 상기 3 전극쌍에 상기 제3 소정 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제3 검출값이 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제2 전류 검출기는, 상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제2 검출값으로서 취득하도록 구성되어도 된다. 이와 같이 제2 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 제2 검출값으로 하는 경우, 상기 ECU는, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 경우에 취득되는 상기 제2 검출값이 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하도록 구성될 수 있다.

그런데, 상술한 바와 같이, 제5 전극은, 제3 전극쌍에 제3 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 분해시키지 않고 산소를 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되어도 된다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 질소산화물을 분해시키지 않고 산소를 분해시키는 것이 가능한 제5 전극도 또한, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다. 전형적으로는, 상기 제5 전극은, 백금(Pt), 금(Au), 납(Pb) 및 은(Ag)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 바와 같이, 제3 전극은, 제2 전극쌍에 제2 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되어도 된다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 산소 및 질소산화물을 분해시키는 것이 가능한 제3 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다. 이러한 제3 전극을 구성하는 재료는, 예를 들어, 제2 전극쌍에 제2 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 분해시킬 수 있는 활성을 갖는 물질(예를 들어, 귀금속)을 포함한다. 전형적으로는, 상기 제1 전극은, 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 바와 같이, 제1 전극은, 제1 전극쌍에 제1 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해시키는 것이 가능하게 되도록 구성되어도 된다. 이와 같이 소정의 인가 전압에 있어서 물 및 황 산화물을 분해시키는 것이 가능한 제1 전극은, 예를 들어 전극 재료를 구성하는 물질의 종류 및 전극을 제작할 때의 열처리 조건 등을 적절히 선택함으로써 제작할 수 있다. 이러한 제1 전극을 구성하는 재료는, 예를 들어, 제1 전극과 제2 전극 사이에 제1 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해시킬 수 있는 활성을 갖는 물질(예를 들어, 귀금속)을 포함한다. 전형적으로는, 상기 제1 전극은, 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적, 다른 특징 및 부수되는 이점은, 이하의 도면을 참조하면서 기술되는 본 발명의 각 실시 형태에 따른 설명으로부터 용이하게 이해될 것이다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 장점 및 기술적 및 산업적 현저성은 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 농도 검출 장치(제1 장치)가 구비하는 소자부의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도.
도 2는 제1 장치가 구비하는 제1 전기 화학 셀을 구성하는 제1 전극과 제2 전극 사이에 인가되는 전압(인가 전압) Vm1과, 이들 전극 사이에 흐르는 전극 전류 Im1과의 관계를 도시하는 모식적인 그래프.
도 3은 제1 장치에 있어서 인가 전압 Vm1이 1.0V일 때의 전극 전류 Im1의 크기와 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황(SO₂)의 농도와의 관계를 도시하는 모식적인 그래프.
도 4는 제1 장치가 구비하는 취득부가 실행하는 「SOx 농도의 취득 처리 루틴」을 도시하는 흐름도.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제2 장치)가 구비하는 소자부의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도.
도 6a는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제3 장치)가 구비하는 소자부의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도.
도 6b는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(제3 장치)가 구비하는 소자부의 구성의 일례를 도시하는 모식적인 단면도이며, 도 6a의 6B-6B 단면을 도시하는 도면.

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 가스 농도 검출 장치(이하, 「제1 장치」라고 불리는 경우가 있음)에 대해서 설명한다.

제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 제1 고체 전해질체(11s) 및 제2 고체 전해질체(12s), 제1 알루미나층(21a), 제2 알루미나층(21b), 제3 알루미나층(21c), 제4 알루미나층(21d), 제5 알루미나층(21e) 및 제6 알루미나층(21f), 확산 저항부(확산 율속층)(32) 및 히터(41)를 구비한다. 고체 전해질체(11s)는, 지르코니아 등을 포함하고, 산화물 이온 전도성을 갖는 박판체다. 고체 전해질체(11s)를 형성하는 지르코니아는, 예를 들어, 스칸듐(Sc) 및 이트륨(Y) 등의 원소를 포함하고 있어도 된다. 제2 고체 전해질체(12s)도 마찬가지이다. 제1 내지 제6 알루미나층(21a 내지 21f)는, 알루미나를 포함하는 치밀(가스 불투과성)의 층(치밀체)이다. 확산 저항부(32)는, 다공질의 확산 율속층이며, 가스 투과성의 층(박판체)이다. 히터(41)는, 예를 들어, 백금(Pt)과 세라믹스(예를 들어, 알루미나 등)의 서멧의 박판체이며, 통전에 의해 발열하는 발열체이다.

가스 농도 검출 소자(10)의 각 층은, 하방으로부터, 제5 알루미나층(21e), 제4 알루미나층(21d), 제3 알루미나층(21c), 제1 고체 전해질체(11s), 확산 저항부(32) 및 제2 알루미나층(21b), 제2 고체 전해질체(12s), 제6 알루미나층(21f), 제1 알루미나층(21a) 순으로 적층되어 있다.

내부 공간(31)은, 제1 고체 전해질체(11s), 제2 고체 전해질체(12s), 확산 저항부(32) 및 제2 알루미나층(21b)에 의해 획정되는 공간이며, 그 안에 확산 저항부(32)를 통해 피검 가스로서의 내연 기관의 배기가 도입되게 되어 있다. 즉, 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는, 내부 공간(31)은 확산 저항부(32)를 통하여, 내연 기관의 배기관(모두 도시하지 않음)의 내부와 연통되어 있다. 따라서, 배기관 내의 배기가 내부 공간(31) 내에 피검 가스로서 유도된다.

제1 대기 도입로(51)는, 제1 고체 전해질체(11s), 제3 알루미나층(21c) 및 제4 알루미나층(21d)에 의해 획정되고, 배기관의 외부 대기에 개방되어 있다. 또한, 제1 대기 도입로(51)는, 제1 별도 공간에 해당한다. 제2 대기 도입로(52)는, 제2 고체 전해질체(12s), 제1 알루미나층(21a) 및 제6 알루미나층(21f)에 의해 획정되고, 배기관의 외부 대기에 개방되어 있다. 또한, 제2 대기 도입로(52)는, 제2 별도 공간에 해당한다.

제1 전극(11a)은 음극이며, 제2 전극(11b)은 양극이다. 제1 전극(11a)은, 제1 고체 전해질체(11s)의 한쪽 측의 표면(구체적으로는, 내부 공간(31)을 획정하는 제1 고체 전해질체(11s)의 표면)에 고착되어 있다. 한편, 제2 전극(11b)은, 제1 고체 전해질체(11s)의 다른 쪽 측의 표면(구체적으로는, 제1 대기 도입로(51)를 획정하는 제1 고체 전해질체(11s)의 표면)에 고착되어 있다. 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b) 및 제1 고체 전해질체(11s)는, 산소 펌핑 작용에 의한 산소 배출 능력을 갖는 제1 전기 화학 셀(11c)을 구성하고 있다.

제3 전극(12a)은 음극이며, 제4 전극(12b)은 양극이다. 제3 전극(12a)은, 제2 고체 전해질체(12s)의 한쪽 측의 표면(구체적으로는, 내부 공간(31)을 획정하는 제2 고체 전해질체(12s)의 표면)에 고착되어 있다. 한편, 제4 전극(12b)은, 제2 고체 전해질체(12s)의 다른 쪽 측의 표면(구체적으로는, 제2 대기 도입로(52)를 획정하는 제2 고체 전해질체(12s)의 표면)에 고착되어 있다. 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b) 및 제2 고체 전해질체(12s)는, 산소 펌핑 작용에 의한 산소 배출 능력을 갖는 제2 전기 화학 셀(12c)을 구성하고 있다. 이 제1 전기 화학 셀(11c) 및 제2 전기 화학 셀(12c)은, 히터(41)에 의해, 활성화 온도까지 가열된다.

제1 고체 전해질체(11s) 및 제2 고체 전해질체(12s) 및 제1 내지 제6 알루미나층(21a 내지 21f)의 각 층은, 예를 들어 닥터 블레이드법, 압출성형법 등에 의해, 시트 형상으로 성형할 수 있다. 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b), 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b), 및 이들 전극에 통전하기 위한 배선 등은, 예를 들어 스크린 인쇄법 등에 의해 형성할 수 있다. 이 시트를 상술한 바와 같이 적층해서 소성함으로써, 상기와 같은 구조를 갖는 가스 농도 검출 소자(10)를 일체적으로 제조할 수 있다.

제1 전극(11a)은, 백금(Pt)과 로듐(Rh)의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 한편, 제2 전극(11b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 마찬가지로, 제3 전극(12a)은, 백금(Pt)과 로듐(Rh)의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 한편, 제4 전극(12b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

또한, 도 1에 도시한 예에 있어서는, 제2 전기 화학 셀(12c)은, 제1 전기 화학 셀(11c)을 구성하는 제1 고체 전해질체(11s)와는 별개의 제2 고체 전해질체(12s)를 포함한다. 그러나, 제2 전기 화학 셀(12c)은, 제1 고체 전해질체(11s)를 제1 전기 화학 셀(11c)와 공유하고 있어도 된다. 이 경우, 제1 대기 도입로(51)는, 제1 별도 공간 및 제2 별도 공간으로서 기능한다.

제1 장치는, 또한, 전원 (61), 전류계(71) 및 ECU(81)(전자 제어 유닛)을 구비한다. 전원(61) 및 전류계(71)는 ECU(81)에 접속되어 있다. 전원(61)은, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제2 전극(11b)의 전위가 제1 전극(11a)의 전위보다도 높아지도록 소정의 전압을 인가할 수 있게 되어 있다. 전원(61)의 작동은 ECU(81)에 의해 제어된다. 전류계(71)는, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 흐르는 전류(따라서, 제1 고체 전해질체(11s)를 흐르는 전류)인 전극 전류의 크기를 계측하여, 그 계측값을 ECU(81)에 출력하게 되어 있다.

게다가, 제1 장치는, 전원(62), 전류계(72)를 더 구비한다. 전원(62) 및 전류계(72)는 ECU(81)에 접속되어 있다. 전원(62)은, 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 제4 전극(12b)의 전위가 제3 전극(12a)의 전위보다도 높아지도록 소정의 전압을 인가할 수 있게 되어 있다. 전원(62)의 작동은 ECU(81)에 의해 제어된다. 전류계(72)는, 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 흐르는 전류(따라서, 제2 고체 전해질체(12s)를 흐르는 전류)인 전극 전류의 크기를 계측하여, 그 계측값을 ECU(81)에 출력하게 되어 있다.

ECU(81)는, CPU, CPU가 실행하는 프로그램 및 맵 등을 기억하는 ROM 및 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM 등을 포함하는 마이크로컴퓨터로서 구성된다. ECU(81)는, 도시하지 않은 내연 기관의 액추에이터(연료 분사 밸브, 스로틀 밸브 및 EGR 밸브 등)에 접속되어 있어도 된다. 이 경우에는 ECU(81)는, 이 액추에이터에 구동(지시) 신호를 송출하고, 내연 기관의 제어도 실행하게 되어 있다.

ECU(81)는, 전원(61)을 제어해서 제1 전극(11a) 및 제2 전극(11b)에 인가되는 인가 전압 Vm1을 제어할 수 있다. 또한, ECU(81)는, 전류계(71)로부터 출력되는 제1 전기 화학 셀(11c)을 흐르는 전극 전류 Im1에 대응하는 신호를 수취할 수 있다. 게다가, ECU(81)는, 전원(62)을 제어해서 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)에 인가되는 인가 전압 Vm2를 제어할 수 있다. 또한, ECU(81)는, 전류계(72)로부터 출력되는 제2 전기 화학 셀(12c)을 흐르는 전극 전류 Im2에 대응하는 신호를 수취할 수 있다.

또한, 도 1에 도시한 예에 있어서는, 전원(61)과 전원(62)을, 별개의 전원으로서 포함한다. 그러나, 이 전원은, 소기의 인가 전압을 소기의 전극간에 각각 인가하는 것이 가능한 한, 1개의 전원으로서 구성되어 있어도 된다. 또한, 하나의 전력원(예를 들어 배터리)에 복수의 전압 제어 수단이 병렬로 접속된 구성이어도 된다.

내연 기관으로부터 배출되는 배기 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도는, 예를 들어, 상기 내연 기관의 연소실에 있어서 연소되는 혼합기의 공연비 및 연소 상태에 따라, 다양하게 변화할 수 있다. 그 결과, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도가 변화되는 경우가 있다. 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도가 변화되면, 산소 펌핑 작용을 갖는 전기 화학 셀이 구비하는 전극 사이에 흐르는 전류의 크기도 변화되므로, 농도를 측정하려고 하는 성분(예를 들어, 물 및 황 산화물 등)의 농도 검출 정밀도의 저하를 초래할 우려가 있다.

그러나, 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는, 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 제1 제거용 전압을 인가함으로써, 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 산소 및 질소산화물을 배출할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)가 각각 음극 및 양극이 되도록, 이들 전극간에 제1 제거용 전압을 인가하면, 내부 공간(31)으로부터 제2 대기 도입로(52)에 산소 및 질소산화물이 배출된다. 이와 같이, 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는, 제2 전기 화학 셀(12c)에 의해, 내부 공간(31) 내의 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 실질적으로 제거할 수 있다.

즉, 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는, 가령 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도가 변화되어도, 상기와 같이 제2 전기 화학 셀(12c)의 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 산소 및 질소산화물을 배출함으로써, 내부 공간(31) 내의 산소 및 질소산화물의 농도를 일정(전형적으로는, 대략 0(제로)ppm)하게 조정할 수 있다.

한편, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에, 제2 전극(11b)의 전위가 제1 전극(11a)의 전위보다도 높아지도록, 측정용 전압이 인가되면, 피검 가스 중에 포함되는 물뿐만 아니라, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물도 또한 제1 전극(11a)에 있어서 분해된다. 황 산화물의 분해 생성물(예를 들어, 황 또는 황 화합물)은 제1 전극(11a)에 흡착되어, 물의 분해에 기여할 수 있는 제1 전극(11a)의 면적을 감소시킨다고 생각된다. 그 결과, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 측정용 전압을 인가했을 때의 전극 전류에 대응하는 제1 검출값이, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도에 따라서 변화된다.

상기에 있어서, 제1 전극(11a)에 도달한 피검 가스 중에 산소 및/또는 질소산화물이 포함되어 있으면, 이들 성분도 또한 제1 전극(11a)에 있어서 분해된다. 즉, 상기 제1 검출값이 피검 가스 중에 포함되는 산소 및/또는 질소산화물의 영향을 받는다. 그러나, 상술한 바와 같이, 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는, 제1 전기 화학 셀(11c)의 상류측에 배치된 제2 전기 화학 셀(12c)에 의해, 내부 공간(31) 내의 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물이 실질적으로 제거된다. 따라서, 제1 장치에 있어서는, 가령 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도가 변화되어도, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서 검출되는 전극 전류 Im1에의 영향을 유효하게 저감할 수 있다. 그 결과, 제1 장치에 의하면, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

여기서, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서의 인가 전압 Vm1과 전극 전류 Im1과의 관계에 대해서, 더욱 구체적으로 설명한다. 도 2는, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서, 인가 전압 Vm1을 서서히 상승시켰을(승압 스위프했을) 때의 인가 전압 Vm1과 전극 전류 Im1과의 관계를 도시하는 모식적인 그래프이다. 또한, 이 예에 있어서는, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물로서의 이산화유황(SO₂)의 농도가 각각 0, 100, 300 및 500ppm인 서로 다른 4종의 피검 가스를 사용하였다. 또한, 제1 전기 화학 셀(11c)의 제1 전극(11a)(음극)에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도는, 제1 전기 화학 셀(11c)의 상류측에 배치된 제2 전기 화학 셀(12c)에 의해, 어떠한 피검 가스에 있어서도 일정(실질적으로 0(제로)ppm)하게 유지되어 있다.

우선, 실선의 곡선 L1은, 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도가 0(제로)ppm인 경우에 있어서의 인가 전압 Vm1과 전극 전류 Im1과의 관계를 나타내고 있다. 상기한 바와 같이 가스 농도 검출 소자(10)에 있어서는 제2 전기 화학 셀(12c)에 의해 내부 공간(31) 내의 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물이 실질적으로 제거되므로, 인가 전압 Vm1이 약 0.6V 미만인 영역에서는, 전극 전류는 흐르지 않는다(Im1=0㎂). 인가 전압 Vm1이 약 0.6V 이상으로 되면, 전극 전류 Im1이 증대하기 시작한다. 이 전극 전류 Im1의 증대는, 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해가 시작된 것에 기인한다.

이어서, 점선의 곡선 L2는, 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도가 100ppm인 경우에 있어서의 인가 전압 Vm1과 전극 전류 Im1과의 관계를 나타내고 있다. 이 경우도, 인가 전압 Vm1이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해가 시작되는 전압(분해 개시 전압)(약 0.6V) 미만일 때에는, 인가 전압 Vm1과 전극 전류 Im1과의 관계는 곡선 L1(피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도가 0(제로)ppm인 경우)과 마찬가지이다. 즉, 인가 전압 Vm1이 약 0.6V 미만인 영역에서는, 전극 전류 Im1은 흐르지 않는다. 한편, 인가 전압 Vm1이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 이상일 때에는, 물의 분해에 기인해서 전극 전류 Im1이 흐른다. 그러나, 곡선 L1과 비교해서 전극 전류 Im1이 작고, 인가 전압 Vm1에 대한 전극 전류 Im1의 증가율도 또한 곡선 L1과 비교해서 작다(기울기가 작다).

또한, 일점쇄선 및 파선에 의해 표현되는 곡선 L3 및 4는, 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도가 각각 300ppm 및 500ppm인 경우에 있어서의 인가 전압 Vm1과 전극 전류 Im1과의 관계를 나타내고 있다. 이들의 경우도 또한, 인가 전압 Vm1이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 미만일 때에는, 전극 전류 Im1은 흐르지 않는다. 한편, 인가 전압 Vm1이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 이상일 때에는, 물의 분해에 기인해서 전극 전류 Im1이 흐른다. 그러나, 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도가 높을수록 전극 전류 Im1이 작고, 인가 전압 Vm1에 대한 전극 전류 Im1의 증가율도 또한 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도가 높을수록 작다(기울기가 작다).

이상과 같이, 인가 전압 Vm1이 제1 전극(11a)에 있어서의 물의 분해 개시 전압(약 0.6V) 이상일 때의 전극 전류 Im1의 크기는, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물로서의 이산화유황의 농도에 따라서 변화된다. 예를 들어, 도 2에 도시한 그래프에 있어서의 인가 전압 Vm1이 1.0V일 때의 곡선 L1 내지 L4에 있어서의 전극 전류 Im1의 크기를 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도에 대하여 플롯하면, 도 3에 도시한 그래프가 얻어진다. 도 3에 있어서 점선의 곡선에 의해 표시되어 있는 바와 같이, 특정한 인가 전압 Vm1(이 경우에는 1.0V)에 있어서의 전극 전류 Im1의 크기가 피검 가스 중에 포함되는 이산화유황의 농도에 따라서 변화된다. 따라서, 특정한 인가 전압 Vm1(물의 분해 개시 전압 이상의 소정 전압이며, 「제1 소정 전압」이라고도 호칭됨)에 있어서의 전극 전류 Im1(에 대응하는 제1 검출값)을 취득하면, 그 (제1 검출값에 대응하는) 전극 전류 Im1에 대응하는 황 산화물의 농도를 취득할 수 있다.

또한, 도 2에 도시되어 있는 그래프의 횡축에 도시되어 있는 인가 전압 Vm1, 종축에 도시되어 있는 전극 전류 Im1, 및 상기 설명에 있어서 설명되어 있는 인가 전압 Vm1의 개개의 구체적인 값은, 도 2에 도시되어 있는 그래프를 얻기 위해서 행한 실험의 조건(예를 들어, 피검 가스 중에 포함되는 각종 성분의 농도 등)에 의해 변동되는 경우가 있고, 인가 전압 Vm1 및 전극 전류 Im1의 값이 항상 상술한 값이 된다고는 할 수 없다.

여기서, 제1 장치에 있어서 실행되는 SOx 농도 취득 처리 루틴에 대해서, 보다 구체적으로 설명한다. 도 4는, 가스 농도 검출 소자(10)를 사용해서 ECU(81)가 실행하는 「SOx 농도 취득 처리 루틴」을 도시하는 흐름도이다. 예를 들어, 상술한 ECU(81)가 구비하는 CPU(이후, 간단히 「CPU」라고 호칭되는 경우가 있음)는, 소정의 타이밍에서 스텝 400부터 처리를 개시하고, 스텝 410으로 진행한다.

우선, 스텝 410에 있어서, CPU는, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 취득하는 요구(SOx 농도 취득 요구)가 있는지 여부를 판정한다. SOx 농도 취득 요구는, 예를 들어, 제1 장치가 적용되는 내연 기관이 탑재되는 차량에 있어서 연료 탱크에의 연료의 충전이 행하여졌을 때 발생한다. 또한, 연료 탱크에의 연료의 충전이 행하여진 후에 SOx 농도 취득 처리 루틴이 실행되어 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도가 취득된 이력이 있는 경우에는 SOx 농도 취득 요구를 해제하도록 해도 된다.

상기 스텝 410에 있어서 SOx 농도 취득 요구가 있다고 판정한 경우(스텝 410: YES), CPU는 다음 스텝 420으로 진행하여, 제1 장치가 적용되는 내연 기관(E/G)이 정상 상태에 있는지 여부를 판정한다. CPU는, 예를 들어, 소정 기간 내에 있어서의 부하의 최댓값과 최솟값의 차가 역치 미만일 때, 또는 소정 기간 내에 있어서의 액셀러레이터 조작량의 최댓값과 최솟값의 차가 역치 미만일 때, 내연 기관이 정상 상태에 있다고 판정한다.

상기 스텝 420에 있어서 내연 기관이 정상 상태에 있다고 판정한 경우(스텝 420: YES), CPU는 다음 스텝 430으로 진행하여, 제1 제거용 전압(제1 장치에 있어서는 0.4V)을 인가 전압 Vm2로서 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 인가함과 함께 , 측정용 전압(제1 장치에 있어서는 1.0V)을 인가 전압 Vm1로서 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 인가한다.

이어서, CPU는 스텝 440으로 진행하여, 인가 전압 Vm1로서의 측정용 전압 및 인가 전압 Vm2로서의 제1 제거용 전압이 인가되고 있는 기간의 계속 시간이 소정의 역치(Tth)와 일치했는지 여부를 판정한다. 이 역치 Tth는, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에의 인가 전압 Vm1을 제1 소정 전압으로 함으로써 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물이 분해되고, 그 분해 생성물이 음극인 제1 전극(11a)에 흡착해서 전극 전류를 저감시키는 데 충분한 기간의 길이에 대응한다. 이 역치 Tth의 구체적인 값(시간적 길이)은 예를 들어 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)를 사용하는 사전 실험 등에 의해 정할 수 있다.

상기 스텝 440에 있어서 상기 기간의 계속 시간이 소정의 역치와 일치했다고 판정한 경우(스텝 440: YES), CPU는 다음 스텝 450으로 진행하여, 전극 전류 Im1을 제1 검출값으로서 취득한다. 이어서, CPU는 스텝 460으로 진행하여, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같은 데이터 맵을 참조하여, 제1 검출값에 대응하는 황 산화물의 농도를 취득한다. 그리고, CPU는 스텝 470으로 진행하여, 상기 루틴을 종료한다. 이와 같이 하여, 제1 장치는, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 상기 스텝 410에 있어서 SOx 농도 취득 요구가 없다고 판정한 경우(스텝 410: NO), 상기 스텝 420에 있어서 내연 기관이 정상 상태에 없다고 판정한 경우(스텝 420: NO), 및 상기 스텝 440에 있어서 상기 계속 시간이 소정의 역치(Tth)와 일치하지 않는다고 판정한 경우(스텝 440: NO), CPU는 스텝 470으로 진행하여, 상기 루틴을 종료한다.

이상과 같은 루틴을 CPU에 실행시키기 위한 프로그램은, ECU(81)가 구비하는 데이터 기억 장치(예를 들어, ROM 등)에 저장할 수 있다. 또한, 인가 전압 Vm1을 측정용 전압(제1 장치에 있어서는 1.0V)으로 했을 때의 제1 검출값으로서의 전극 전류 Im1과 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도와의 대응 관계는, 예를 들어, 황 산화물의 농도가 기지의 피검 가스를 사용하는 사전 실험에 의해 미리 구해 둘 수 있다. 그리고, 상기 대응 관계를 나타내는 데이터 테이블(예를 들어, 데이터 맵 등)을 ECU(81)가 구비하는 데이터 기억 장치(예를 들어, ROM 등)에 저장해 두고, 상기 스텝(460)에 있어서 CPU에 참조시킬 수 있다.

또한, 제1 장치에 있어서는, 상술한 바와 같이, 제1 제거용 전압을 0.4V로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제1 제거용 전압은, 제3 전극(12a)을 음극으로 하고, 제4 전극(12b)을 양극으로 하여, 이 전극간에 인가한 경우에, 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상이며 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만인 소정의 전압이라면, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 질소산화물의 한계 전류 영역은 약 0.1V 내지 0.2V 이상이며, 황 산화물의 분해가 개시되는 전압은 약 0.5V 내지 0.6V이다. 이 전압대에 있어서는 산소의 한계 전류 특성도 또한 발현된다.

상기에 있어서, 질소산화물의 한계 전류 영역은, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 높아질수록 고전압측으로 시프트하는 경향이 있다. 따라서, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 높을수록 제1 제거용 전압을 보다 높게 하도록 제2전압 인가부를 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 제1 장치에 있어서는, 측정용 전압을 1.0V로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 측정용 전압은, 제1 전극(11a)을 음극으로 하고, 제2 전극(11b)을 양극으로 한 경우에, 이 전극간에 인가함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해시키는 것이 가능하게 되는 소정의 전압이면, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 전술한 바와 같이, 물의 분해가 개시되는 전압은 약 0.6V이다. 따라서, 측정용 전압은, 0.6V 이상의 소정의 전압인 것이 바람직하다.

한편, 인가 전압 Vm1이 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 이상의 전압이 되면, 확산 저항부를 통해 제1 전극(음극)에 도달하는 물의 공급 속도를 제1 전극에 있어서의 물의 분해 속도가 초과하게 된다. 즉, 물의 한계 전류 특성이 발현하게 된다. 이러한 경우, 제1 검출값에 기초하여 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출하는 것이 곤란해질 우려가 있다. 또한, 인가 전압 Vm1이 과도하게 높은 전압으로 되면, 피검 가스 중에 포함되는 다른 성분(예를 들어, 이산화탄소(CO₂) 등) 및/또는 제1 고체 전해질체(11s)의 분해를 초래할 우려가 있다. 따라서, 측정용 전압은, 물의 한계 전류 영역의 하한 전압 미만의 소정의 전압인 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, 측정용 전압은, 물의 분해가 개시되는 전압 이상이며 또한 물의 한계 전류 특성이 발현되는(관측되는) 전압대의 하한 미만의 소정의 전압인 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어 피검 가스 중에 포함되는 물의 농도 및 측정 조건 등에 의해 약간의 변동은 보이지만, 물의 한계 전류 영역의 하한 전압은 약 2.0V이다.

또한, 제1 장치에 있어서는, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 측정용 전압이 인가되고 있을 때 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 흐르는 전극 전류의 크기를 제1 검출값으로 하였다. 그러나, 전술한 바와 같이, 제1 검출값은, 상기 전극 전류에 대응하는 어떠한 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값, 저항값 등)인 한, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 제1 검출값으로서 상기 전극 전류와 정의 상관을 갖는 신호의 값(예를 들어, 전압값, 전류값)을 채용한 경우에는, 제1 장치는 제1 검출값이 작을수록 SOx 농도를 큰 값으로서 검출하도록 구성된다. 반대로, 제1 검출값으로서 상기 전극 전류와 부의 상관을 갖는 신호의 값을 채용한 경우에는, 제1 장치는 제1 검출값이 클수록 SOx 농도를 큰 값으로서 검출하도록 구성된다.

제1 장치에 있어서는, 제3 전극(12a)은, 백금(Pt)과 로듐(Rh)과의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이며, 제4 전극(12b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 그러나, 제3 전극(12a)을 구성하는 재료는, 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 제2 소정 전압을 인가했을 때, 확산 저항부(32)를 통해 내부 공간(31)에 유도된 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 환원 분해시키는 것이 가능한 한, 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 제3 전극(12a)을 구성하는 재료는, 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 등의 백금족 원소 또는 그들의 합금 등을 주성분으로서 포함한다. 보다 바람직하게는, 제3 전극(12a)은, 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

마찬가지로, 제1 장치에 있어서는, 제1 전극(11a)은, 백금(Pt)과 로듐(Rh)과의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이며, 제2 전극(11b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 그러나, 제1 전극(11a)을 구성하는 재료는, 제1 전극(11a)과 제2 전극(11b) 사이에 제1 소정 전압을 인가했을 때, 확산 저항부(32)을 통해 내부 공간(31)에 유도된 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 환원 분해시키는 것이 가능한 한, 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게는, 제1 전극(11a)을 구성하는 재료는, 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 등의 백금족 원소 또는 그들의 합금 등을 주성분으로서 포함한다. 보다 바람직하게는, 제1 전극(11a)은, 백금(Pt), 로듐(Rh) 및 팔라듐(Pd)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다.

이하, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(이하, 「제2 장치」라고 불리는 경우가 있음)에 대해서 설명한다.

제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)는, 제2 전기 화학 셀(12c)의 상류측(확산 저항부(32)측)에 배치된 제3 전기 화학 셀(13c)을 더 구비하는 점을 제외하고, 제1 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(10)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 따라서, 이하의 설명에 있어서는, 제1 장치와의 상위점에 주목하여, 제2 장치의 구성에 대해서 설명한다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서는, 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b) 및 제2 고체 전해질체(12s)에 의해 구성되는 제3 전기 화학 셀(13c)이, 제2 전기 화학 셀(12c)의 상류측(확산 저항부(32)측)에 배치되어 있다. 제5 전극(13a)은 음극이며, 제6 전극(13b)은 양극이다. 제5 전극(13a)은, 제2 고체 전해질체(12s)의 한쪽 측의 표면(구체적으로는, 내부 공간(31)을 획정하는 제2 고체 전해질체(12s)의 표면)에 고착되어 있다. 한편, 제6 전극(13b)은, 제2 고체 전해질체(12s)의 다른 쪽 측의 표면(구체적으로는, 제2 대기 도입로(52)를 획정하는 제2 고체 전해질체(12s)의 표면)에 고착되어 있다. 제5 전극(13a)은, 제3 전극(12a)보다도 확산 저항부(32)에 보다 가까운 위치에 있어서 내부 공간(31)에 면하게 배치되어 있다.

전원(63)은, 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 제6 전극(13b)의 전위가 제5 전극(13a)의 전위보다도 높아지게 소정의 전압을 인가할 수 있게 되어 있다. 전원(63)의 작동은 ECU(81)에 의해 제어된다. 이와 같이, ECU(81)는, 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b)에 인가되는 인가 전압 Vm3을 제어할 수 있다. 또한, 제2 장치에 있어서는, 제2 제거용 전압 및 제1 제거용 전압을 모두 0.4V로 한다.

전류계(73)는, 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 흐르는 전류(따라서, 제2 고체 전해질체(12s)를 흐르는 전류)인 전극 전류 Im3의 크기를 계측하여, 그 계측값을 ECU(81)에 출력하게 되어 있다. 이와 같이, ECU(81)는, 전류계(73)로부터 출력되는 제3 전기 화학 셀(13c)을 흐르는 전극 전류 Im3에 대응하는 신호를 수취할 수 있다.

제3 전극(12a)은, 백금(Pt)과 로듐(Rh)과의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이며, 제4 전극(12b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 한편, 제5 전극(13a)은, 백금(Pt)과 금(Au)과의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이며, 제6 전극(13b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 즉, 제5 전극(13a)은, 소정의 인가 전압에 있어서도, 산소는 분해하지만, 질소산화물을 실질적으로 분해하지 않도록, 전극 자체가 제작되어 있다.

상기에 의해, 제3 전기 화학 셀(13c)은, 제2 전기 화학 셀(12c)의 인가 전압 Vm2와 동일한 인가 전압 Vm3(0.4V)이 인가되고 있음에도 불구하고, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 실질적으로 분해하지 않고, 산소만을 분해한다. 즉, 제3 전기 화학 셀의 전극 전류 Im3은, 질소산화물의 분해에 기인하는 전류를 실질적으로 포함하지 않고, 산소의 분해에 기인하는 전류만을 포함한다. 한편, 제2 전기 화학 셀(12c)은, 제3 전기 화학 셀(13c)의 하류에 배치되어 있다. 피검 가스 중에 포함되는 산소는 제3 전기 화학 셀에 의해 제거되므로, 제2 전기 화학 셀(12c)은 질소산화물만을 분해한다. 즉, 제2 전기 화학 셀의 전극 전류 Im2는, 산소의 분해에 기인하는 전류를 실질적으로 포함하지 않고, 질소산화물의 분해에 기인하는 전류만을 포함한다.

따라서, 제2 장치에 의하면, 제3 전기 화학 셀(13c)의 전극 전류 Im3에 대응하는 제3 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출할 수 있다. 게다가, 제2 전기 화학 셀(12c)의 전극 전류 Im2에 대응하는 제2 검출값에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출할 수 있다. 구체적으로는, 제2 장치는, 제3 전기 화학 셀(13c)의 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 제2 제거용 전압(인가 전압 Vm3=0.4V)을 인가했을 때의 전극 전류 Im3(제3 검출값)과, 제2 전기 화학 셀(12c)의 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 제1 제거용 전압(인가 전압 Vm2=0.4V)을 인가했을 때의 전극 전류 Im2(제2 검출값)에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도를 각각 개별로 검출할 수 있다.

가스 농도 검출 소자(20)에 있어서, 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b)을 각각 음극 및 양극으로 하여, 이 전극간에 제2 제거용 전압을 인가하면, 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 산소가 배출된다. 또한, 제3 전극(12a) 및 제4 전극(12b)을 각각 음극 및 양극으로 하여, 이들 전극간에 제1 제거용 전압을 인가하면, 산소 펌핑 작용에 의해 내부 공간(31)으로부터 질소산화물이 배출된다. 이와 같이, 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서는, 제3 전기 화학 셀(13c) 및 제2 전기 화학 셀(12c)에 의해, 내부 공간(31) 내의 산소 및 질소산화물을 제거한다. 따라서, 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서도, 제1 전기 화학 셀(11c)의 제1 전극(11a)(음극)에 도달하는 피검 가스 중에는 산소 및 질소산화물이 실질적으로 포함되어 있지 않다.

즉, 가스 농도 검출 소자(20)에 있어서는, 가령 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도가 변화되어도, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서 검출되는 전극 전류 Im1에의 영향을 유효하게 저감할 수 있다. 그 결과, 제2 장치에 있어서도, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 예에 있어서는, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c)은 제2 고체 전해질체(12s)를 공유하게 구성되어 있다. 이 경우, 제2 대기 도입로(52)는, 제2 별도 공간 및 제3 별도 공간으로서 기능하고 있다. 그러나, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c)은, 각각 별개의 고체 전해질을 포함하도록 구성되어 있어도 된다. 또한, 도 5에 도시한 예에 있어서는, 제3 전기 화학 셀(13c) 및 제2 전기 화학 셀(12c)은, 제1 전기 화학 셀(11c)을 구성하는 제1 고체 전해질체(11s)와는 별개의 제2 고체 전해질체(12s)를 포함한다. 그러나, 제3 전기 화학 셀(13c) 및 제2 전기 화학 셀(12c) 중 어느 한쪽 또는 양쪽이, 제1 고체 전해질체(11s)를 제1 전기 화학 셀(11c)과 공유하고 있어도 된다. 이 경우, 제1 대기 도입로(51)는, 제1 별도 공간으로서 뿐만 아니라, 제3 별도 공간 및 제2 별도 공간 중 어느 한쪽 또는 양쪽으로서도 기능한다.

이하, 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 가스 농도 검출 장치(이하, 「제3 장치」라고 불리는 경우가 있음)에 대해서 설명한다.

도 6a 및 도 6b에 도시하는 바와 같이, 제3 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(30)는, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c)이, 내부 공간(31)에 있어서, 각각 상류측 및 하류측에 (직렬로) 배치되어 있는 것이 아니라, 서로의 근방에 병렬로 배치되어 있는 점을 제외하고, 제2 장치가 구비하는 가스 농도 검출 소자(20)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 여기서 말하는 「근방」이란, 이들 전기 화학 셀의 음극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와 동일한 농도의 산소를 포함하는 피검 가스가 도달하는 영역을 가리킨다. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 제2 장치와의 상위점에 주목하여, 제3 장치의 구성에 대해서 설명한다.

도 6b는, 도 6a에 도시한 선분 6B-6B를 포함하는 평면에 의한 가스 농도 검출 소자(30)의 단면도이다. 도 6b에 도시한 예에 있어서, 제3 장치는, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c)이 서로 근방에 병설되어 있다. 구체적으로는, 제3 장치에 있어서는, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c)은, 내부 공간(31)에 있어서, 확산 저항부(32)로부터 동일한 거리만큼 하류측으로 이격된 위치에 배치되어 있다.

제3 전기 화학 셀(13c)은, 제2 고체 전해질체(12s)를 제2 전기 화학 셀(12c)과 공유하고, 그 표면에 배치된 한 쌍의 전극인 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b)을 갖는다. 제3 장치에 있어서는, 제5 전극(13a)은 내부 공간(31)에 면하게 배치되고, 제6 전극(13b)은 제2 대기 도입로(52)에 면하게 배치되어 있다.

전원(63)은, 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에, 제6 전극(13b)의 전위가 제5 전극(13a)의 전위보다도 높아지도록, 인가 전압 Vm3을 인가한다. 전류계(73)는, 제3 전기 화학 셀(13c)을 흐르는 전극 전류 Im3에 대응하는 신호를 ECU(81)에 출력한다. ECU(81)는, 제5 전극(13a) 및 제6 전극(13b)에 인가되는 인가 전압을 제어할 수 있다. 또한, 제3 장치에 있어서는, 제2 제거용 전압 및 제1 제거용 전압을 모두 0.4V로 한다. 또한, ECU(81)는, 전류계(73)로부터 출력되는 제3 전기 화학 셀(13c)을 흐르는 전극 전류 Im3에 대응하는 신호를 수취할 수 있다. 또한, ECU(81)는, 전류계(72)로부터 출력되는 제2 전기 화학 셀(12c)을 흐르는 전극 전류 Im2에 대응하는 신호를 수취할 수 있다. 이에 의해, ECU(81)는 제2 전기 화학 셀(12c)을 흐르는 전극 전류 Im2와 제3 전기 화학 셀(13c)을 흐르는 전극 전류 Im3의 차를 검출할 수 있다.

제2 장치와 마찬가지로, 제3 전극(12a)은, 백금(Pt)과 로듐(Rh)과의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이며, 제4 전극(12b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 한편, 제5 전극(13a)은, 백금(Pt)과 금(Au)과의 합금을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이며, 제6 전극(13b)은, 백금(Pt)을 주성분으로서 포함하는 다공질 서멧 전극이다. 즉, 제5 전극(13a)은, 소정의 인가 전압에 있어서도, 산소는 분해하지만, 질소산화물을 실질적으로 분해하지 않도록, 전극 자체가 제작되어 있다.

상기에 의해, 제3 전기 화학 셀(13c)은, 제2 전기 화학 셀(12c)의 인가 전압 Vm2와 동일한 인가 전압 Vm3(0.4V)이 인가되고 있음에도 불구하고, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 실질적으로 분해하지 않고, 산소만을 분해한다. 즉, 제3 전기 화학 셀의 전극 전류 Im3은, 질소산화물의 분해에 기인하는 전류를 실질적으로 포함하지 않고, 산소의 분해에 기인하는 전류만을 포함한다. 한편, 제2 전기 화학 셀(12c)은, 제3 전기 화학 셀(13c)과 동일한 인가 전압이 인가되고 있음에도 불구하고, 피검 가스 중에 포함되는 산소와 질소산화물의 양쪽을 분해한다. 즉, 제2 전기 화학 셀의 전극 전류 Im2는, 산소의 분해에 기인하는 전류 및 질소산화물의 분해에 기인하는 전류의 양쪽을 포함한다. 따라서, 제3 전기 화학 셀(13c)의 전극 전류 Im3에 대응하는 제3 검출값과 제2 전기 화학 셀(12c)의 전극 전류 Im2에 대응하는 제2 검출값의 차를 취함으로써, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출할 수 있다.

구체적으로는, 제3 장치는, 제3 전기 화학 셀(13c)의 제5 전극(13a)과 제6 전극(13b) 사이에 제2 제거용 전압(인가 전압 Vm3=0.4V)을 인가했을 때의 전극 전류 Im3(제3 검출값)에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다. 또한, 제2 전기 화학 셀(12c)의 제3 전극(12a)과 제4 전극(12b) 사이에 제1 제거용 전압(인가 전압 Vm2=0.4V)을 인가했을 때의 전극 전류 Im2(제2 검출값)와, 전극 전류 Im3(제3 검출값)의 차를 ECU(81)가 검출하고, 이 검출한 차에 기초하여, 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다. 이와 같이, 제3 장치는, 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도를 각각 개별로 검출할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 가스 농도 검출 소자(30)에 있어서도, 제3 전기 화학 셀(13c) 및 제2 전기 화학 셀(12c)에 의해, 내부 공간(31) 내의 산소 및 질소산화물을 제거한다. 따라서, 가스 농도 검출 소자(30)에 있어서도, 제1 전기 화학 셀(11c)의 제1 전극(11a)(음극)에 도달하는 피검 가스 중에는 산소 및 질소산화물이 실질적으로 포함되어 있지 않다.

즉, 가스 농도 검출 소자(30)에 있어서도, 가령 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물의 농도가 변화되어도, 제1 전기 화학 셀(11c)에 있어서 검출되는 전극 전류 Im1에의 영향을 유효하게 저감할 수 있다. 그 결과, 제3 장치에 있어서도, 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있다.

또한, 도 6a 및 6b에 나타낸 예에 있어서는, 제3 전기 화학 셀(13c)은, 제2 고체 전해질체(12s)를 제2 전기 화학 셀(12c)과 공유하고 있다. 그러나, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c))은, 각각 별개의 고체 전해질체를 포함해도 된다.

또한, 도 6a 및 6b에 나타낸 예에 있어서는, 제3 전기 화학 셀(13c)과 제2 전기 화학 셀(12c)은 서로의 근방에 배치되어 있다. 그러나, 제3 전기 화학 셀(13c)의 음극인 제5 전극(13a)에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와, 제2 전기 화학 셀(12c)의 음극인 제3 전극(12a)에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도가 동일하다는 조건을 충족하는 한, 이들 전기 화학 셀의 위치 관계는 특별히 한정되지 않는다.

이상, 본 발명을 설명하는 것을 목적으로 하여, 특정한 구성을 갖는 몇 가지의 실시 형태 및 변형예에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서 설명하였지만, 본 발명의 범위는, 이들 예시적인 실시 형태 및 변형예에 한정된다고 해석되어서는 안 되고, 특허 청구 범위 및 명세서에 기재된 사항의 범위 내에서, 적절히 수정을 가하는 것이 가능한 것은 물론이다.

Claims

제1 전기 화학 셀, 제2 전기 화학 셀, 치밀체 및 확산 저항부를 포함하는 가스 농도 검출 소자;
상기 제1 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제1 검출값을 출력하는 제1 전류 검출기;
상기 제1 전극쌍에 전압을 인가하는 제1 전원;
상기 제2 전극쌍에 전압을 인가하는 제2 전원; 및
전자 제어 유닛을 포함하고,
상기 제1 전기 화학 셀은 제1 고체 전해질체, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 제1 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제2 전기 화학 셀은 제2 고체 전해질체, 제3 전극 및 제4 전극을 포함하고, 상기 제2 고체 전해질은 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제3 전극 및 상기 제4 전극은 상기 제2 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제1 고체 전해질체와 상기 제2 고체 전해질체와 상기 치밀체와 상기 확산 저항부는 내부 공간을 획정하고, 상기 확산 저항부는 상기 내부 공간에 상기 확산 저항부를 통해 피검 가스로서의 내연 기관의 배기를 도입하고, 상기 제1 전극은 상기 내부 공간에 노출되고, 상기 제2 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제1 별도 공간에 노출되고, 상기 제3 전극은 상기 내부 공간 내의 상기 제1 전극보다도 상기 확산 저항부에 가까운 위치에 배치되고, 상기 제4 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제2 별도 공간에 노출되고, 상기 제1 전극은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 포함하는 제1 전극쌍에 제1 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 물 및 황 산화물을 분해하고, 상기 제3 전극은 상기 제3 전극과 상기 제4 전극을 포함하는 제2 전극쌍에 제2 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소 및 질소산화물을 분해하고;
상기 전자 제어 유닛은:
(i) 제1 제거용 전압을 상기 제2 전극쌍에 인가하는 상기 제2 전원을 제어하고, 상기 제1 제거용 전압은 상기 제2 소정 전압 이상의 전압 또한 상기 제3 전극에 있어서 질소산화물의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상의 전압 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만의 전압이고;
(ii) 측정용 전압을 상기 제1 전극쌍에 인가하는 상기 제1 전원을 제어하고, 상기 측정용 전압은 상기 제1 소정 전압 이상의 전압 또한 상기 제1 전극에 있어서 물의 분해가 개시되는 전압 이상의 전압이고;
(iii) 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제1 전류 검출기로부터 상기 제1 검출값을 취득하고;
(iv) 취득한 상기 제1 검출값에 기초하여 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하는 것을 특징으로 하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제1 전극쌍에 흐르는 전류의 크기를 상기 제1 검출값으로서 취득하는, 가스 농도 검출 장치.
제2항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제1 검출값이 작을수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 출력하는 제2 전류 검출기를 더 포함하고,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제2 전류 검출기로부터 상기 제2 검출값을 취득하고,
상기 전자 제어 유닛은, 취득한 상기 제2 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가스 농도 검출 소자는 제3 전기 화학 셀을 포함하고, 상기 제3 전기 화학 셀은 제3 고체 전해질체, 제5 전극 및 제6 전극을 포함하고, 상기 제3 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제5 전극 및 상기 제6 전극은 상기 제3 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제5 전극은 상기 내부 공간에 노출되고, 상기 제5 전극은 상기 내부 공간 내의 상기 제3 전극보다도 상기 확산 저항부에 가까운 위치에 배치되고, 상기 제6 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제3 별도 공간에 노출되고, 상기 제5 전극은 상기 제5 전극과 상기 제6 전극을 포함하는 제3 전극쌍에 제3 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 분해하지 않고 산소를 분해하는 제3 전원을 더 포함하고,
상기 제3 전원은 상기 제3 전극쌍에 전압을 인가하고,
상기 전자 제어 유닛은, 제2 제거용 전압을 상기 제3 전극쌍에 인가하는 상기 제3 전원을 제어하고, 상기 제2 제거용 전압은 상기 제3 소정 전압 이상의 전압 또한 상기 제5 전극에 있어서 산소의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상의 전압 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만의 전압이고,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제1 전류 검출기로부터 상기 제1 검출값을 취득하고,
상기 전자 제어 유닛은, 취득한 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 출력하는 제2 전류 검출기; 및
상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값을 출력하는 제3 전류 검출기를 더 포함하고,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제2 전류 검출기로부터 상기 제2 검출값을 취득하고, 상기 전자 제어 유닛은, 취득한 상기 제2 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출하고,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제3 전류 검출기로부터 제3 검출값을 취득하고, 상기 전자 제어 유닛은, 취득한 상기 제3 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
재1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
제3 전원을 더 포함하고,
상기 가스 농도 검출 소자는 제3 전기 화학 셀을 포함하고, 상기 제3 전기 화학 셀은 제3 고체 전해질체를 포함하고, 제5 전극 및 제6 전극, 상기 제3 고체 전해질체는 산화물 이온 전도성을 갖고, 상기 제5 전극 및 상기 제6 전극은 상기 제3 고체 전해질체의 표면에 각각 배치되고, 상기 제5 전극은 상기 내부 공간에 노출되고, 상기 제5 전극은 상기 내부 공간 내의 상기 제3 전극에 도달하는 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도와 동일한 농도의 산소를 포함하는 피검 가스가 도달하는 영역에 배치되고, 상기 제6 전극은 상기 내부 공간과는 다른 공간인 제3 별도 공간에 노출되고, 상기 제5 전극은 상기 제5 전극과 상기 제6 전극을 포함하는 제3 전극쌍에 제3 소정 전압 이상의 전압을 인가했을 때 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물을 분해하지 않고 산소를 분해하고,
상기 제3 전원은 상기 제3 전극쌍에 전압을 인가하고,
상기 전자 제어 유닛은, 제2 제거용 전압을 상기 제3 전극쌍에 인가하는 상기 제3 전원을 제어하고, 상기 제2 제거용 전압은 상기 제3 소정 전압 이상의 전압 또한 상기 제5 전극에 있어서 산소의 한계 전류 특성이 발현되는 전압대의 하한 이상의 전압 또한 황 산화물의 분해가 개시되는 전압 미만의 전압이고,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있고, 또한 상기 제1 전극쌍에 상기 측정용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제1 전류 검출기로부터 상기 제1 검출값을 취득하고,
상기 전자 제어 유닛은, 취득된 상기 제1 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 황 산화물의 농도를 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
제7항에 있어서,
상기 제2 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제2 검출값을 출력하는 제2 전류 검출기; 및
상기 제3 전극쌍에 흐르는 전류에 대응하는 제3 검출값을 출력하는 제3 전류 검출기를 더 포함하고,
상기 전자 제어 유닛은 상기 제3 전극쌍에 상기 제2 제거용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제3 전류 검출기로부터 상기 제3 검출값을 취득하고,
상기 전자 제어 유닛은, 취득된 상기 제3 검출값에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 검출하고,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제2 전극쌍에 상기 제1 제거용 전압이 인가되고 있을 때, 상기 제2 전류 검출기로부터 상기 제2 검출값을 취득하고, 상기 전자 제어 유닛은, 취득된 상기 제3 검출값과 상기 제2 검출값의 차에 기초하여, 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
제8항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛은, 상기 제3 검출값이 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 산소의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하고,
상기 상기 전자 제어 유닛은, 상기 제2 검출값과 상기 제3 검출값의 차가 클수록, 상기 피검 가스 중에 포함되는 질소산화물의 농도를 보다 큰 값으로서 검출하는, 가스 농도 검출 장치.
제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제5 전극은, 백금, 금, 납 및 은으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제3 전극은, 백금, 로듐 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 가스 농도 검출 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극은, 백금, 로듐 및 팔라듐으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종을 포함하는, 가스 농도 검출 장치.