WO2020100644A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2020100644A1
WO2020100644A1 PCT/JP2019/043175 JP2019043175W WO2020100644A1 WO 2020100644 A1 WO2020100644 A1 WO 2020100644A1 JP 2019043175 W JP2019043175 W JP 2019043175W WO 2020100644 A1 WO2020100644 A1 WO 2020100644A1
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WO
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end side
detection electrode
gas
temperature
ammonia
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PCT/JP2019/043175
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English (en)
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原田　敏彦
健介 瀧澤
大樹 市川
Original Assignee
株式会社デンソー
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Publication date
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Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor including a detection element unit.
  • a catalyst for purifying NOx nitrogen oxide
  • NOx nitrogen oxide
  • NO 2 nitrogen oxide
  • a selective reduction catalyst as one of the catalysts, in order to reduce NOx, ammonia (NH 3 ) contained in urea water or the like is attached to a catalyst carrier, and ammonia and NOx are chemically mixed in the catalyst carrier.
  • NOx is reduced to nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O).
  • a reducing agent supply device that supplies ammonia as a reducing agent to the selective reduction catalyst is arranged at a position in the exhaust pipe upstream of the flow of the exhaust gas with respect to the selective reduction catalyst.
  • a NOx sensor for detecting the NOx concentration in the exhaust gas and an ammonia sensor for detecting the ammonia concentration in the exhaust gas are arranged at a position on the downstream side of the exhaust gas flow of the selective reduction catalyst in the exhaust pipe. The NOx sensor and the ammonia sensor are used to detect the amounts of NOx and ammonia, thereby suppressing the outflow of ammonia from the selective reduction catalyst and improving the purification rate of NOx by ammonia.
  • Patent Document 1 discloses a multi-gas sensor provided with a NOx sensor section for detecting a current according to the NOx concentration and an ammonia sensor section formed on the outer surface of the NOx sensor section.
  • the NOx concentration and the ammonia concentration can be measured by one gas sensor.
  • the electrode for detecting ammonia in the solid electrolyte body tends to have higher sensitivity to ammonia as the temperature approaches a low temperature near 400 ° C. Further, in the ammonia sensor, the sensitivity of the electrode with respect to ammonia tends to be increased by making it easier for the detection target gas containing ammonia to come into contact with the electrode. Therefore, in the multi-gas sensor of Patent Document 1, the ammonia sensor section is arranged at an outer portion of the ammonia sensor so that the temperature of the ammonia sensor section becomes about 400 ° C.
  • the present disclosure has been obtained in an attempt to provide a gas sensor capable of accurately detecting the concentration of a specific gas component in a gas to be detected in both steady state and transient state.
  • One embodiment of the present disclosure includes a solid electrolyte body having oxygen ion conductivity, a detection electrode provided on the surface of the solid electrolyte body and exposed to a gas to be detected, and a reference electrode provided on the surface of the solid electrolyte body. And a detection element portion having a shape elongated in the longitudinal direction, A heating section that has a heating section that generates heat when energized, and that heats the solid electrolyte body, the detection electrode, and the reference electrode by the heating of the heating section; The detection electrode and the reference electrode, which occur when the electrochemical reduction reaction of oxygen contained in the detection target gas and the electrochemical oxidation reaction of the specific gas component contained in the detection target gas in the detection electrode are balanced.
  • a potential difference detection unit that detects a potential difference between The center of heat generation of the heat generating portion is such that the average temperature of the distal end region in the longitudinal direction of the detection electrode and the average temperature of the proximal end region of the detection electrode in the longitudinal direction are different from each other.
  • the gas sensor faces the position displaced from the center position in the direction toward the tip end side or the base end side.
  • the positional relationship between the detection electrode and the heat generating portion of the heater portion is devised so that the temperature of the detection electrode is different between the tip end side region and the base end side region in the longitudinal direction. ..
  • the heat generation center of the heat generating portion is arranged to face a position displaced from the center position in the longitudinal direction of the detection electrode toward the tip end side or the base end side. Then, the average temperature of the tip end side region in the longitudinal direction of the detection electrode and the average temperature of the base end side region of the detection electrode in the longitudinal direction are intentionally made different from each other.
  • one of the distal end side region and the proximal end side region of the detection electrode is set to an operating temperature at which the catalytic action is activated or an appropriate temperature with high sensitivity to a specific gas component, and the other is set to the operating temperature.
  • the temperature can be set higher than the appropriate temperature.
  • the sensitivity to the specific gas component is maintained by one of the regions controlled to the operating temperature or the appropriate temperature.
  • the temperature in one region is lower than the operating temperature or the appropriate temperature. It is possible to create a situation in which the temperature in the other region goes down to the operating temperature or an appropriate temperature while going down.
  • the gas sensor of the one aspect it is possible to accurately detect the concentration of the specific gas component in the detection target gas in both the steady state and the transient state.
  • the region located on the distal end side in the longitudinal direction is referred to as “tip side region”, and the region located on the proximal end side in the longitudinal direction is referred to as “region”. It is referred to as a “base end side region”.
  • the "average temperature of the tip side region” is an average value of temperatures at a plurality of points in the tip side region
  • the "average temperature of the base end side region” is an average value of temperatures at a plurality of points in the base end side region. be able to.
  • FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view showing a configuration of a gas sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II of FIG. 1 showing the sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of FIG. 1 showing the sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to the III-III cross section of FIG. 1 showing another sensor element according to the first embodiment.
  • 5 is a sectional view taken along line VV of FIG. 1 showing the sensor element according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an electrical configuration related to detection of ammonia concentration in the sensor control unit according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing a state in which the gas sensor is arranged in the internal combustion engine according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing a mixed potential generated in the detection electrode according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing a mixed potential generated in the detection electrode when the ammonia concentration changes according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing a mixed potential generated in the detection electrode when the oxygen concentration changes according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing a mixed potential generated in the detection electrode when the temperature of the detection electrode changes according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the temperature of the detection electrode and the correction amount of the potential difference according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram showing a mixed potential generated in the detection electrode when the measurement gas according to the first embodiment contains CO and another gas of C 3 H 8 .
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the ammonia concentration and the potential difference when the oxygen concentration changes according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the potential difference and the ammonia concentration after oxygen correction when the oxygen concentration changes according to the first embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view corresponding to the III-III section of FIG. 1 showing the sensor element according to the second embodiment.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view corresponding to the III-III cross section of FIG.
  • FIG. 18 is a cross-sectional explanatory diagram showing the configuration of the gas sensor according to the third embodiment.
  • 19 is a sectional view taken along line XIX-XIX in FIG. 18, showing a sensor element according to the third embodiment.
  • FIG. 20 is a cross-sectional explanatory view showing a sensor element according to the fourth embodiment.
  • 21 is a sectional view taken along line XXI-XXI of FIG. 20, showing the configuration of the gas sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 22 is a graph showing the relationship between the temperature of the detection electrode and the sensor output according to the confirmation test 1.
  • FIG. 23 is a graph showing the relationship between the temperature of the detection electrode and the response time of the sensor output according to the confirmation test 1.
  • FIG. 24 is a graph showing the transition of the average temperature of the tip end side region and the base end side region of the detection electrode when the steady state is changed to the transient state according to the confirmation test 2.
  • the gas sensor 1 of this embodiment includes an ammonia element section 2 as a detection element section, a heater section 4, and a potential difference detection section 51.
  • the ammonia element portion 2 and the heater portion 4 form a part of the sensor element 10.
  • the ammonia element unit 2 is provided on the first solid electrolyte body 21 having oxygen ion conductivity and the first surface 211 of the first solid electrolyte body 21, and detects oxygen (O 2 ) and ammonia (NH 3 ).
  • the heater unit 4 has a heat generating unit 411 that generates heat when energized, and is configured to heat the first solid electrolyte body 21, the detection electrode 22, and the reference electrode 23 by the heat generation of the heat generating unit 411.
  • the potential difference detection unit 51 includes an electrochemical reduction reaction of oxygen contained in the detection target gas G in the detection electrode 22 and ammonia as a specific gas component contained in the detection target gas G. It is configured to detect a potential difference ⁇ V between the detection electrode 22 and the reference electrode 23, which occurs when the electrochemical oxidation reaction is balanced.
  • the heat generation center P of the heat generating portion 411 is such that the average temperature of the tip end side region 221 of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D and the average temperature of the base end side region 222 of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D are different. It is opposed to a position deviated from the center position O in the longitudinal direction D to the tip side D1.
  • the gas sensor 1 of this embodiment will be described below in detail.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment is of a mixed potential type as a potential difference type.
  • the gas sensor 1 detects the concentration of ammonia in the detection target gas G containing oxygen and ammonia.
  • the gas sensor 1 constitutes an ammonia sensor.
  • a reduction current due to an electrochemical reduction reaction of oxygen hereinafter, simply referred to as a reduction reaction
  • an electrochemical oxidation reaction of ammonia hereinafter, simply referred to as an oxidation reaction
  • It is configured to detect the potential difference ⁇ V between the detection electrode 22 and the reference electrode 23, which occurs when the oxidation current due to Eq.
  • the detection electrode 22 of the sensor element 10 of the gas sensor 1 may detect various specific gas components other than ammonia by the mixed potential.
  • the detection electrode 22 includes CO (carbon monoxide), NO (nitric oxide), NO 2 (nitrogen dioxide), N 2 O (nitrous oxide), H 2 (hydrogen), H 2 O (water), detected by HC hybrid potential (CH 4, C 2 H 6 , C 3 H 8, C 4 H 10, C 2 H 4, C 3 H 6, C 4 H 8, C 2 hydrocarbons H 2, etc.) Can be something.
  • the gas sensor 1 detects the concentration of ammonia flowing out from a catalyst 72 that reduces NOx in an exhaust pipe 71 of an internal combustion engine (engine) 7 of a vehicle.
  • the detection target gas G is the exhaust gas exhausted from the internal combustion engine 7 to the exhaust pipe 71.
  • the composition of the exhaust gas changes depending on the combustion state in the internal combustion engine 7.
  • Catalyst 72 As shown in FIG. 7, in the exhaust pipe 71, a catalyst 72 for reducing NOx and a reducing agent supply device 73 for supplying the reducing agent K containing ammonia to the catalyst 72 are arranged.
  • the catalyst 72 has ammonia as a NOx reducing agent K attached to a catalyst carrier.
  • the amount of ammonia adhering to the catalyst carrier of the catalyst 72 decreases with the NOx reduction reaction. Then, when the amount of ammonia adhering to the catalyst carrier decreases, ammonia is newly replenished from the reducing agent supply device 73 to the catalyst carrier.
  • the reducing agent supply device 73 is arranged in the exhaust pipe 71 at a position upstream of the exhaust gas flow with respect to the catalyst 72, and supplies ammonia gas generated by injecting urea water to the exhaust pipe 71. Ammonia gas is produced by hydrolysis of urea water.
  • a urea water tank 731 is connected to the reducing agent supply device 73.
  • the internal combustion engine 7 of the present embodiment is a diesel engine that performs combustion operation by using self-ignition of light oil.
  • the catalyst 72 is a selective reduction catalyst (SCR) that chemically reacts NOx (nitrogen oxide) with ammonia (NH 3 ) to reduce nitrogen (N 2 ) and water (H 2 O).
  • SCR selective reduction catalyst
  • an oxidation catalyst (DOC) for converting NO to NO 2 (oxidation) and reducing CO, HC (hydrocarbons) and the like is provided at a position upstream of the catalyst 72 in the exhaust pipe 71.
  • DOC oxidation catalyst
  • HC hydrocarbons
  • DOC oxidation catalyst
  • DPF filter
  • the gas sensor 1 of the present embodiment is arranged at a position downstream of the catalyst 72 in the exhaust pipe 71.
  • a sensor main body including the sensor element 10 excluding the sensor control unit (SCU) 5 including the potential difference detection unit 51 and the like.
  • the sensor body may be referred to as the gas sensor 1.
  • the gas sensor 1 of this embodiment is formed as a multi-gas sensor (composite sensor) capable of detecting not only the ammonia concentration but also the oxygen concentration and the NOx concentration. Then, in the gas sensor 1, the oxygen concentration is used to correct the ammonia concentration. Further, the ammonia concentration and the NOx concentration by the gas sensor 1 are determined by the engine control unit (ECU) 50, which is a control device for the internal combustion engine 7, when the ammonia as the reducing agent K is supplied from the reducing agent supply device 73 to the exhaust pipe 71. Used to make a decision.
  • ECU engine control unit
  • the control device includes an engine control unit 50 that controls the engine, a sensor control unit 5 that controls the gas sensor 1, and various electronic control units.
  • the control device refers to various computers (processing devices).
  • the engine control unit 50 detects that the catalyst 72 is short of ammonia and injects urea water from the reducing agent supply device 73. Then, the ammonia is supplied to the catalyst 72.
  • the engine control unit 50 detects that the catalyst 72 has excess ammonia, and the reducing agent supply device 73 detects that the ammonia is present. Of the urea water is stopped, and the supply of ammonia to the catalyst 72 is stopped. Ammonia for reducing NOx is preferably supplied to the catalyst 72 without excess or deficiency.
  • the sensor body of the gas sensor 1 includes a sensor element 10 for detecting the ammonia concentration and NOx concentration in which the heater portion 4 is disposed, and a housing for holding the sensor element 10 and attaching it to the exhaust pipe 71. And a tip end side cover attached to the tip end side D1 of the housing to protect the sensor element 10, and a base end side cover attached to the base end side D2 of the housing to protect the electric wiring portion of the sensor element 10. As shown in FIGS. 1 to 3, the sensor element 10 is embedded with a heating element 41 that constitutes the heater portion 4.
  • the sensor element 10 includes an ammonia element portion 2 for detecting the ammonia concentration and an oxygen element portion 3 for detecting the oxygen concentration and the NOx concentration in order to configure a multi-gas sensor.
  • the sensor element 10 has a first solid electrolyte body 21 for forming the ammonia element portion 2 and a second solid electrolyte body 31 for forming the oxygen element portion 3.
  • the first solid electrolyte body 21 and the second solid electrolyte body 31 have a rectangular parallelepiped shape and are formed in a plate shape. Plate-shaped insulators 25, 36, 42 are laminated on the first solid electrolyte body 21 and the second solid electrolyte body 31.
  • a reference gas duct 24 accommodating a reference electrode 23 is formed in an insulator 25 located between the first solid electrolyte body 21 and the second solid electrolyte body 31.
  • the detection electrode 22 is provided on a first surface 211 that forms an outer surface of the sensor element 10 and is exposed to the gas G to be detected and that is an outer surface of the first solid electrolyte body 21.
  • the first surface 211 of the first solid electrolyte body 21 becomes the outermost surface of the sensor element 10, and becomes the surface on which the detection target gas G collides at a predetermined flow velocity.
  • the gas sensor 1 of this embodiment includes an ammonia concentration calculator 52 and an energization controller 58 in addition to the ammonia element unit 2, the heater unit 4, and the potential difference detector 51.
  • the ammonia concentration calculation unit 52 is configured to calculate the ammonia concentration in the detection target gas G, which has been corrected according to the oxygen concentration, based on the oxygen concentration in the detection target gas G and the potential difference ⁇ V by the potential difference detection unit 51. Has been done.
  • the energization control unit 58 is configured to control the energization amount to the heating element 41 so that the temperature of the detection electrode 22 reaches the target control temperature within the range of 350 to 600 ° C.
  • ammonia concentration calculation unit 52 is configured to decrease the correction amount of the ammonia concentration when the oxygen concentration changes by a predetermined amount as the target control temperature by the energization control unit 58 increases.
  • the heater unit 4 has a heating element 41 that generates heat when energized.
  • the first solid electrolyte body 21 is formed in a plate shape, and is made of a zirconia material having a property of conducting oxygen ions at a predetermined temperature.
  • the zirconia material can be composed of various materials containing zirconia as a main component.
  • a stabilized zirconia obtained by substituting a part of zirconia with a rare earth metal element such as yttria (yttrium oxide) or an alkaline earth metal element, or partially stabilized zirconia can be used.
  • the detection electrode 22 is made of a noble metal material containing gold (Au) having a catalytic activity for ammonia and oxygen.
  • the noble metal material of the detection electrode 22 can be made of platinum-gold alloy, platinum-palladium alloy, palladium-gold alloy, or the like.
  • the reference electrode 23 is made of a noble metal material such as platinum (Pt) having a catalytic activity for oxygen. Further, the detection electrode 22 and the reference electrode 23 may contain a zirconia material that is a co-material when sintering with the first solid electrolyte body 21.
  • the first surface 211 of the first solid electrolyte body 21 exposed to the detection target gas G forms the outermost surface of the sensor element 10 of the gas sensor 1.
  • the detection electrode 22 provided on the first surface 211 is formed in a state in which the detection target gas G easily comes into contact with the detection electrode 22.
  • the surface of the detection electrode 22 of this embodiment is not provided with a protective layer made of a ceramic porous material or the like.
  • the detection target gas G contacts the detection electrode 22 without being diffusion-controlled.
  • a protective layer that does not reduce the flow velocity of the detection target gas G as much as possible can be provided on the surface of the detection electrode 22.
  • the reference electrode 23 provided on the second surface 212 of the first solid electrolyte body 21 is exposed to the atmosphere as the reference gas A.
  • a reference gas duct (atmosphere duct) 24 into which the atmosphere is introduced is formed adjacent to the second surface 212 of the first solid electrolyte body 21.
  • the potential difference detection unit 51 of the present embodiment detects a potential difference ⁇ V between the detection electrode 22 and the reference electrode 23 when a mixed potential is generated in the detection electrode 22.
  • the detection electrode 22 when ammonia and oxygen are present in the detection target gas G that contacts the detection electrode 22, the oxidation reaction of ammonia and the reduction reaction of oxygen simultaneously proceed.
  • the oxidation reaction of ammonia is typically represented by 2NH 3 + 3O 2- ⁇ N 2 + 3H 2 O + 6e ⁇ .
  • the oxygen reduction reaction is typically represented by O 2 + 4e ⁇ ⁇ 2O 2 ⁇ .
  • the mixed potential of ammonia and oxygen at the detection electrode 22 is generated as a potential when the oxidation reaction (speed) of ammonia and the reduction reaction (speed) of oxygen at the detection electrode 22 become equal.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a mixed potential generated in the detection electrode 22.
  • the horizontal axis represents the potential of the detection electrode 22 with respect to the reference electrode 23 (potential difference ⁇ V), and the vertical axis represents the current flowing between the detection electrode 22 and the reference electrode 23. Show how.
  • the first line L1 showing the relationship between the potential and the current when the oxidation reaction of ammonia is performed in the detection electrode 22, and the potential and the current when the reduction reaction of oxygen is performed in the detection electrode 22
  • a second line L2 showing the relationship.
  • Each of the first line L1 and the second line L2 is shown by a line that rises to the right.
  • the mixed potential is a potential when the positive current on the first line L1 indicating the oxidation reaction of ammonia and the negative current on the second line L2 indicating the reduction reaction of oxygen are balanced. Then, the mixed potential at the detection electrode 22 is detected as a potential on the negative side with respect to the reference electrode 23.
  • FIG. 11 shows a case where the temperature of the detection electrode 22 changes from 450 ° C. to 500 ° C. Then, when the temperature of the detection electrode 22 increases, the oxidation current due to the oxidation reaction of ammonia and the reduction current due to the reduction reaction of oxygen increase, and the potential difference (mixed potential) ⁇ V decreases. It should be noted that when the temperature of the detection electrode 22 becomes low, the opposite change occurs.
  • the change in the potential difference (mixed potential) ⁇ V when the oxygen concentration changes from 5% (volume%) to 10% when the temperature of the detection electrode 22 is 450 ° C. and 500 ° C. is also shown. Show.
  • the potential difference (mixed potential) ⁇ V decreases as described above.
  • the temperature of the detection electrode 22 is 450 ° C.
  • the amount of change in which the potential difference (mixed potential) ⁇ V decreases when the oxygen concentration changes from 5% to 10% is when the temperature of the detection electrode 22 is 500 ° C.
  • the potential difference (mixed potential) ⁇ V becomes large when the oxygen concentration changes from 5% to 10%, which is larger than the change amount.
  • FIG. 12 shows changes in the oxygen concentration when the temperature of the detection electrode 22 is at a predetermined temperature between 400 and 600 ° C. and the oxygen concentration of the gas G to be detected changes from 5% to 10%. Accordingly, it shows how much the ammonia concentration calculated by the ammonia concentration calculation unit 52 is corrected.
  • the correction amount of the ammonia concentration is shown as a correction amount [mV] of the potential difference ⁇ V.
  • the correction amount of the potential difference ⁇ V in this case is a correction amount when the oxygen concentration is high, and is a correction amount of increasing the potential difference ⁇ V.
  • the detection target gas G to be supplied to the detection electrode 22 is from a state in which 5% (volume%) of oxygen and 100 ppm of ammonia are contained in nitrogen, and 10% of oxygen and 100 ppm of ammonia are contained in the nitrogen. It was changed to the included state.
  • the detection target gas G was supplied to the detection electrode 22 at a flow rate of 500 ml / min.
  • the reference electrode 23 was brought into contact with the atmosphere.
  • the correction amount of the potential difference ⁇ V (ammonia concentration) when the oxygen concentration changes by a predetermined amount (corresponding to the change amount of oxygen concentration) becomes relatively large.
  • the correction amount of the potential difference ⁇ V (ammonia concentration) (depending on the change amount of oxygen concentration) when the oxygen concentration changes by a predetermined amount is relatively small. Become. Since the potential difference ⁇ V indicates the ammonia concentration, the correction of the potential difference ⁇ V and the correction of the ammonia concentration are the same.
  • the energization control unit 58 controls the temperature of the detection electrode 22 to be any temperature within the temperature range of 350 to 600 ° C. Since the detection electrode 22 is in the temperature range of 350 to 600 ° C., it is possible to improve the accuracy of calculating the ammonia concentration by performing the correction according to the oxygen concentration. In other words, the condition that the temperature of the detection electrode 22 is within the temperature range of 350 to 600 ° C. is indispensable for the mixed potential type gas sensor 1 that corrects the oxygen concentration to obtain the ammonia concentration. Found by others.
  • FIG. 13 when a gas other than ammonia and oxygen, for example, CO, NO, hydrocarbons (C 3 H 8, etc.) is present in the detection target gas G, the other gas has a potential difference (mixed potential) ⁇ V. Shows the effect on.
  • FIG. 13 shows the case where the other gases are CO and C 3 H 8 .
  • the negative current on the second line L2 indicating the oxygen reduction reaction is the first line indicating the ammonia oxidation reaction.
  • the mixed potential ⁇ V2 in which the reduction reaction of oxygen and the oxidation reaction of CO and C 3 H 8 are balanced is the oxygen reduction reaction. And becomes lower than the mixed potential ⁇ V1 in which the oxidation reaction of ammonia is balanced (position near zero on the minus side).
  • the mixed potential ⁇ V1 indicating the ammonia concentration is affected by the mixed potential ⁇ V2 indicating the concentration of another gas, and the detection accuracy of the mixed potential ⁇ V1 may deteriorate.
  • the mixed potential ⁇ V1 may be a potential combined with the mixed potential ⁇ V2. Further, the temperature dependence of the mixed potential ⁇ V1 and the mixed potential ⁇ V2 is different.
  • the oxidation catalytic performance of the detection electrode 22 for ammonia is significantly higher than the oxidation catalytic performance of the detection electrode 22 for other gases. Therefore, the mixed potential ⁇ V1 due to the oxidation reaction of ammonia and the reduction reaction of oxygen is hardly affected by the mixed potential ⁇ V2 due to the oxidation reaction of another gas and the reduction reaction of oxygen.
  • the temperature of the detection electrode 22 is lower than 350 ° C.
  • the difference between the oxidation catalytic performance of the detection electrode 22 for ammonia and the oxidation catalytic performance of the detection electrode 22 for other gases becomes small. Therefore, the mixed potential ⁇ V1 due to the oxidation reaction of ammonia and the reduction reaction of oxygen is easily affected by the mixed potential ⁇ V2 due to the oxidation reaction of another gas and the reduction reaction of oxygen.
  • the temperature of the detection electrode 22 exceeds 600 ° C.
  • the inclination ⁇ a of the first line L1 indicating the oxidation reaction of ammonia and the inclination ⁇ s of the second line L2 indicating the reduction reaction of oxygen become considerably steep. ..
  • the positive-side current indicating the oxidation reaction of ammonia and the negative-side current indicating the oxygen reduction reaction are easily balanced near the origin where the potential difference ⁇ V is zero. Therefore, the absolute value of the mixed potential ⁇ V1 or the ammonia concentration becomes small, and the detection accuracy of the ammonia concentration decreases.
  • the temperature of the detection electrode 22 is controlled to be any temperature within the temperature range of 350 to 600 ° C. by the energization control unit 58, the detection accuracy of the oxygen concentration after oxygen correction can be maintained high. it can.
  • Other gases such as NOx, CO, and HC (hydrocarbons) that may be included in the exhaust gas as the detection target gas G have a temperature of the detection electrode 22 within the range of 350 to 600 ° C. It was confirmed that when the gas G contains, for example, 10 ppm or more of ammonia, the detection accuracy of the ammonia concentration is not significantly affected.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment includes an ammonia element part 2, a potential difference detection part 51, an ammonia concentration calculation part 52, a heater part 4 and an energization control part 58 in order to form a multi-gas sensor.
  • the oxygen element unit 3 the pumping unit 53, the pump current detection unit 54, the oxygen concentration calculation unit 55, the NOx detection unit 56, and the NOx concentration calculation unit 57 are provided.
  • the oxygen element section 3 is laminated with a heater section 4 for heating the oxygen element section 3 and the ammonia element section 2.
  • the oxygen element part 3 has a second solid electrolyte body 31, a gas chamber 35, a diffusion resistance part 351, a pump electrode 32, a NOx electrode 33, and another reference electrode 34.
  • the second solid electrolyte body 31 is arranged so as to face the first solid electrolyte body 21.
  • the second solid electrolyte body 31 is formed in a plate shape and is made of a zirconia material having a property of conducting oxygen ions at a predetermined temperature. This zirconia material is the same as that of the first solid electrolyte body 21.
  • the oxygen element section 3 does not have the NOx electrode 33, and the gas sensor 1 does not have to have the NOx detection section 56 and the NOx concentration calculation section 57. Good.
  • the gas chamber 35 is formed in contact with the third surface 311 of the second solid electrolyte body 31.
  • the gas chamber 35 is formed by a gas chamber insulator 36.
  • the gas chamber insulator 36 is made of a ceramic material such as alumina.
  • the diffusion resistance portion 351 is formed as a porous ceramic layer and is a portion for introducing the detection target gas G into the gas chamber 35 while limiting the diffusion speed.
  • the pump electrode 32 is housed in the gas chamber 35 on the third surface 311, and is exposed to the detection target gas G in the gas chamber 35.
  • the NOx electrode 33 is housed in the gas chamber 35 on the third surface 311, and is exposed to the detection target gas G whose oxygen concentration has been adjusted by the pump electrode 32.
  • the other reference electrode 34 is provided on the fourth surface 312 of the second solid electrolyte body 31 opposite to the third surface 311.
  • the pump electrode 32 is made of a noble metal material that has a catalytic activity for oxygen but does not have a catalytic activity for NOx.
  • the noble metal material of the pump electrode 32 can be composed of a platinum-gold alloy or a material containing platinum and gold.
  • the NOx electrode 33 is composed of a noble metal material having a catalytic activity for NOx and oxygen.
  • the noble metal material of the NOx electrode 33 can be composed of a platinum-rhodium alloy or a material containing platinum and rhodium (Rh).
  • the other reference electrode 34 is made of a noble metal material such as platinum having a catalytic activity for oxygen.
  • the pump electrode 32, the NOx electrode 33, and the other reference electrode 34 may contain a zirconia material that serves as a co-material when sintering with the second solid electrolyte body 31.
  • the other reference electrode 34 of the present embodiment is provided at each of the position facing the pump electrode 32 and the position facing the NOx electrode 33 via the second solid electrolyte body 31. It should be noted that the other reference electrode 34 may be provided in the entire position facing the pump electrode 32 and the NOx electrode 33.
  • the other reference electrode 34 provided on the fourth surface 312 of the second solid electrolyte body 31 is exposed to the atmosphere as the reference gas A.
  • the first solid electrolyte body 21 and the second solid electrolyte body 31 are laminated via a duct insulator 25 forming a reference gas duct 24.
  • the duct insulator 25 is made of a ceramic material such as alumina.
  • the reference gas duct 24 is formed in a state where the reference electrode 23 on the second surface 212 of the first solid electrolyte body 21 and the other reference electrode 34 on the fourth surface 312 of the second solid electrolyte body 31 are in contact with the atmosphere. There is.
  • the reference electrode 23 and the other reference electrode 34 are housed in the reference gas duct 24.
  • the reference gas duct 24 is formed from the base end of the sensor element 10 to a position facing the gas chamber 35.
  • the reference gas A introduced into the base end side cover of the gas sensor 1 is introduced into the reference gas duct 24 through the opening on the base end side D2 of the reference gas duct 24. Since the sensor element 10 of the present embodiment has the reference gas duct 24 between the first solid electrolyte body 21 and the second solid electrolyte body 31, the whole of the reference electrode 23 and the other reference electrode 34 are collectively brought into contact with the atmosphere. Can be made
  • the pumping unit 53 applies a DC voltage between the pump electrode 32 and the other reference electrode 34 with the other reference electrode 34 on the positive side to detect the target gas in the gas chamber 35. It is configured to pump oxygen in G.
  • a DC voltage is applied between the pump electrode 32 and the other reference electrode 34, oxygen in the gas to be detected G in the gas chamber 35, which is in contact with the pump electrode 32, becomes oxygen ions and becomes the second solid electrolyte. It passes through the body 31 toward the other reference electrode 34 and is discharged from the other reference electrode 34 to the reference gas duct 24. As a result, the oxygen concentration in the gas chamber 35 is adjusted to a concentration suitable for detecting NOx.
  • the pump current detector 54 is configured to detect a direct current flowing between the pump electrode 32 and another reference electrode 34.
  • the oxygen concentration calculation unit 55 is configured to calculate the oxygen concentration in the detection target gas G based on the direct current detected by the pump current detection unit 54.
  • the pumping unit 53 detects a DC current proportional to the amount of oxygen discharged from the gas chamber 35 to the reference gas duct 24.
  • the pumping unit 53 discharges oxygen from the gas chamber 35 to the reference gas duct 24 until the oxygen concentration in the detection target gas G in the gas chamber 35 reaches a predetermined concentration. Therefore, the oxygen concentration calculating unit 55 can calculate the oxygen concentration in the detection target gas G reaching the ammonia element unit 2 and the oxygen element unit 3 by monitoring the direct current detected by the pump current detecting unit 54. it can.
  • the oxygen concentration calculated by the oxygen concentration calculation unit 55 is used as the oxygen concentration for correcting the ammonia concentration by the ammonia concentration calculation unit 52.
  • the NOx detection unit 56 applies a DC voltage between the NOx electrode 33 and the other reference electrode 34 with the other reference electrode 34 on the positive side, and the NOx electrode 33 and the other reference electrode 34. It is configured to detect a direct current flowing between the device and the device.
  • the NOx concentration calculator 57 calculates the uncorrected NOx concentration in the detection target gas G based on the direct current detected by the NOx detector 56, and subtracts the ammonia concentration calculated by the ammonia concentration calculator 52 from the uncorrected NOx concentration. It is configured to calculate the corrected NOx concentration.
  • the NOx detector 56 detects not only NOx but also ammonia. Therefore, in the NOx concentration calculator 57, the actual detected amount of NOx is obtained by subtracting the detected amount of ammonia.
  • the NOx concentration calculator 57 There are two types of NOx concentration calculated by the NOx concentration calculator 57.
  • the NOx concentration based on the current generated in the NOx detector 56 is defined as the pre-correction NOx concentration.
  • the NOx concentration before correction includes the ammonia concentration due to the ammonia that reacts at the NOx electrode 33.
  • the concentration obtained by subtracting the ammonia concentration by the ammonia concentration calculation unit 52 from the NOx concentration before correction by the NOx concentration calculation unit 57 is set as the corrected NOx concentration.
  • the corrected NOx concentration indicates the NOx concentration excluding the influence of ammonia. When the ammonia concentration and the NOx concentration are compared, the corrected NOx concentration is used.
  • the detection target gas G after the oxygen concentration is adjusted by the pump electrode 32 comes into contact with the NOx electrode 33. Then, in the NOx detection unit 56, when a DC voltage is applied between the NOx electrode 33 and another reference electrode 34, NOx contacting the NOx electrode 33 is decomposed into nitrogen and oxygen, and oxygen becomes oxygen ions. And passes through the second solid electrolyte body 31 toward the other reference electrode 34, and is discharged from the other reference electrode 34 to the reference gas duct 24. Further, when ammonia reaches the NOx detection unit 56, NOx produced by oxidizing ammonia is also decomposed into nitrogen and oxygen.
  • the NOx concentration calculation unit 57 monitors the direct current detected by the NOx detection unit 56 to calculate the uncorrected NOx concentration in the detection target gas G that reaches the oxygen element unit 3, and calculates the uncorrected NOx concentration from the uncorrected NOx concentration.
  • the NOx concentration is calculated as the corrected NOx concentration by subtracting the ammonia concentration.
  • the gas sensor 1 is a multi-gas sensor that detects not only the ammonia concentration but also the oxygen concentration and the NOx concentration, the number of the gas sensors 1 arranged in the exhaust pipe 71 can be reduced when detecting the ammonia concentration and the NOx concentration. it can. Further, the pump electrode 32 and the pumping unit 53 used for detecting the NOx concentration can be used to detect the oxygen concentration by the pump current detection unit 54 and the oxygen concentration calculation unit 55.
  • the pumping unit 53, the pump current detection unit 54, and the NOx detection unit 56 are formed in the sensor control unit 5 using an amplifier or the like.
  • the oxygen concentration calculator 55 and the NOx concentration calculator 57 are formed in the sensor control unit 5 using a computer or the like.
  • each electrode 22, 23, 32, 33, and 34 has a lead portion for electrical connection, which is similar to the lead portion 412 of the heating element 41 on the base end side D2 of the sensor element 10. It is formed up to the position.
  • ammonia concentration calculation unit 52 calculates the ammonia concentration in the detection target gas G based on the oxygen concentration by the oxygen concentration calculation unit 55 and the potential difference ⁇ V by the potential difference detection unit 51.
  • FIG. 14 shows the potential difference (mixed potential) between the detection electrode 22 and the reference electrode 23 detected by the potential difference detection unit 51, which is detected in the mixed potential type ammonia element unit 2 according to the change in the ammonia concentration in the gas G to be detected. ) ⁇ V changes under the influence of oxygen concentration.
  • the potential difference (mixed potential) ⁇ V detected by the potential difference detection unit 51 is detected smaller as the oxygen concentration is higher (detected at a position closer to zero on the minus side). The reason for this is as explained by the inclination ⁇ s in FIG.
  • the oxygen concentration is corrected by the potential difference ⁇ V by the potential difference detecting unit 51 and the oxygen concentration using the oxygen concentration in the detection target gas G as a parameter.
  • a relationship map M1 showing a relationship with the subsequent ammonia concentration C1 is set. This relationship map M1 is created as a relationship between the potential difference ⁇ V (ammonia concentration C0 before oxygen correction) when the oxygen concentration is a predetermined value and the ammonia concentration C1 after oxygen correction.
  • the ammonia concentration calculation unit 52 is configured to collate the oxygen concentration in the detection target gas G and the potential difference ⁇ V by the potential difference detection unit 51 with the relation map M1 to calculate the ammonia concentration C1 in the detection target gas G after oxygen correction. There is.
  • the ammonia concentration calculation unit 52 collates the oxygen concentration by the oxygen concentration calculation unit 55 and the potential difference ⁇ V by the potential difference detection unit 51 with the oxygen concentration and the potential difference ⁇ V of the relation map M1. Then, the ammonia concentration C1 after oxygen correction when the potential difference ⁇ V is read from the relation map M1. Then, the ammonia concentration calculation unit 52 corrects the higher the oxygen concentration, the higher the ammonia concentration C1 after oxygen correction.
  • the ammonia concentration C1 after oxygen correction becomes the ammonia output concentration output from the gas sensor 1 corrected according to the oxygen concentration.
  • the potential difference ⁇ V may be the ammonia concentration C0 before oxygen correction.
  • FIG. 15 shows a relation map M1 when the oxygen concentration in the detection target gas G is, for example, 5 [volume%], 10 [volume%], or 20 [volume%].
  • this relationship map M1 it is possible to easily correct the ammonia concentration C0 or the potential difference ⁇ V according to the oxygen concentration.
  • the relationship map M1 between the potential difference ⁇ V and the ammonia concentration C1 after oxygen correction can be obtained in advance during the trial manufacture and experiment of the gas sensor 1.
  • the relation map M1 of FIG. 15 can be set for each temperature of the detection electrode 22. Then, the ammonia concentration C1 after oxygen correction according to the oxygen concentration can be calculated by reflecting the difference in temperature of the detection electrode 22. Further, the ammonia concentration C1 after oxygen correction calculated from the relationship map M1 can be corrected using a temperature correction coefficient determined according to the temperature of the detection electrode 22.
  • the potential difference detection unit 51 and the ammonia concentration calculation unit 52 are formed in the sensor control unit (SCU) 5 electrically connected to the gas sensor 1.
  • the potential difference detection unit 51 is formed using an amplifier or the like that measures the potential difference ⁇ V between the detection electrode 22 and the reference electrode 23.
  • the ammonia concentration calculation unit 52 is formed using a computer or the like.
  • the sensor control unit 5 is connected to an engine control unit (ECU) 50 of the internal combustion engine 7, and is used by the engine control unit 50 to control the operations of the internal combustion engine 7, the reducing agent supply device 73 and the like.
  • ECU engine control unit
  • the ammonia concentration calculation unit 52 can also correct the ammonia concentration by taking into consideration the NOx concentration before correction or the NOx concentration after correction by the NOx detection unit 56. ..
  • the NOx electrode 33 in the oxygen element portion 3 has not only catalytic activity for NOx but also catalytic activity for ammonia. Therefore, the ammonia concentration can be detected by the NOx electrode 33 as the NOx concentration before correction.
  • the ammonia concentration calculation unit 52 can correct the ammonia concentration based on the potential difference ⁇ V based on the oxygen concentration, the temperature of the detection electrode 22, and the NOx concentration.
  • Heater part 4 and energization control part 58 As shown in FIGS. 1 and 2, on the side of the second solid electrolyte body 31 opposite to the side on which the first solid electrolyte body 21 is laminated, a heater section for heating the oxygen element section 3 and the ammonia element section 2 is provided. 4 are stacked. In other words, the heater portion 4 is laminated on the oxygen element portion 3 on the side opposite to the side on which the ammonia element portion 2 is laminated.
  • the heater portion 4 is formed by a heating element 41 that generates heat when energized, and a heater insulator 42 in which the heating element 41 is embedded.
  • the heater insulator 42 is made of a ceramic material such as alumina.
  • the reference gas duct 24 into which the reference gas A is introduced is formed between the ammonia element part 2 and the oxygen element part 3.
  • the reference electrode 23 and the other reference electrode 34 are housed in the reference gas duct 24.
  • the heating element 41 is formed by a heating section 411 and a lead section 412 connected to the heating section 411, and the heating section 411 separates the solid electrolyte bodies 21 and 31 from each other. It is formed at a position facing each electrode 22, 23, 32, 33, 34 in the direction in which the bodies 25, 36, 42 are stacked (hereinafter referred to as the stacking direction S).
  • An energization control unit 58 for energizing the heating element 41 is connected to the heating element 41. The amount of electricity supplied to the heating element 41 by the energization control unit 58 can be adjusted by changing the voltage applied to the heating element 41.
  • the energization control unit 58 is formed by using a drive circuit or the like that applies a voltage subjected to PWM (pulse width modulation) control or the like to the heating element 41.
  • the energization control unit 58 is formed in the sensor control unit 5.
  • the distance between the ammonia element part 2 and the heater part 4 is larger than the distance between the oxygen element part 3 and the heater part 4.
  • the temperature at which the heater element 4 heats the ammonia element portion 2 is lower than the temperature at which the heater element 4 heats the ammonia element portion 2.
  • the pump electrode 32 and the NOx electrode 33 of the oxygen element part 3 are used within the operating temperature range of 600 to 900 ° C.
  • the detection electrode 22 of the ammonia element part 2 is used within the operating temperature range of 350 to 600 ° C. ..
  • the lower limit operating temperature of the detection electrode 22 is 350 ° C.
  • the upper limit operating temperature is 600 ° C.
  • the lower limit operating temperature of the detection electrode 22 may be 400 ° C.
  • the temperature of the detection electrode 22 is controlled by heating the heater unit 4 with a target temperature in the operating temperature range of 350 to 600 ° C.
  • the energization control unit 58 is configured to heat the NOx electrode 33 within the operating temperature range of 600 to 900 ° C. when controlling the temperature of the detection electrode 22 to the target control temperature. With this configuration, the heating control of the heater unit 4 by the energization control unit 58 causes the detection electrode 22 of the ammonia element unit 2 and the NOx electrode 33 of the oxygen element unit 3 to be at appropriate temperatures for ammonia detection and NOx detection. It can be heated.
  • the reference gas duct 24 is formed between the oxygen element part 3 and the ammonia element part 2, the reference gas duct 24 is insulated when the oxygen element part 3 and the ammonia element part 2 are heated by the heater part 4. It can act as a layer. This makes it possible to easily lower the temperature of the detection electrode 22 of the ammonia element unit 2 compared to the temperatures of the pump electrode 32 and the NOx electrode 33 of the oxygen element unit 3. Further, the energization control unit 58 controls energization to control the temperatures of the oxygen element section 3 and the ammonia element section 2 to target temperatures.
  • the gas sensor 1 includes a temperature setting unit 501 for setting target control temperatures of the tip end side region 221 and the base end side region 222 of the detection electrode 22 by the energization control unit 58.
  • the target control temperature of the detection electrode 22 is set as a specific temperature within the operating temperature range of 350 to 600 ° C.
  • the target control temperature of the detection electrode 22 can be appropriately changed within the operating temperature range of 350 to 600 ° C.
  • the heat generation center P of the heat generating portion 411 of the heat generating element 41 is longer than the center position O of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D. It is arranged on the front end side D1 of D. Further, as shown in FIG. 3, the heat generation center P of the heat generating portion 411 of the present embodiment is located on the tip side D1 in the longitudinal direction D with respect to the tip side region 221 of the detection electrode 22. Note that the heat generation center P of the heat generating portion 411 may be at a position (overlapping position) facing the front end side region 221 of the detection electrode 22 in the stacking direction S, as shown in FIG. 4.
  • the average temperature of the tip end side region 221 in the longitudinal direction D is higher than the average temperature of the base end side region 222 in the longitudinal direction D.
  • the tip end side region 221 indicates a region located on the tip end side D1 in the longitudinal direction D when the detection electrode 22 is divided into two in the longitudinal direction D at the central position O in the longitudinal direction D
  • the end side region 222 is a region in the detection electrode 22 excluding the front end side region 221, and is a region located on the base end side D2 in the longitudinal direction D.
  • the temperature distribution in the longitudinal direction D due to the heat generation of the heat generating part 411 becomes a mountain-shaped distribution in which the temperature is higher at a position closer to the heat generating center P of the heat generating part 411. Then, in each part of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D, the closer to the heat generation center P of the heat generating part 411, the higher the temperature is heated.
  • the respective temperatures in the front end side region 221 and the base end side region 222 are the surface temperature of the detection electrode 22.
  • the average temperature of the front end side region 221 is the average value of the surface temperatures at a plurality of points in the front end side region 221
  • the average temperature of the base end side region 222 is the average value of the surface temperatures at a plurality of points in the base end side region 222.
  • the average temperature of the tip end side region 221 can be, for example, an arithmetic mean value when the surface temperature at 5 to 100 points in the tip end side region 221 is measured.
  • the average temperature of the proximal region 222 can be, for example, an arithmetic average value when the surface temperature of 5 to 100 points in the proximal region 222 is measured.
  • the surface temperature of the detection electrode 22 can be measured using, for example, a thermography that measures the temperature in a non-contact manner using infrared rays.
  • the temperature for heating the front end side region 221 and the base end side region 222 of the detection electrode 22 can be changed by changing the magnitude of the electric current supplied to the heating element 41 by the electric current control unit 58. Further, the temperature difference between the average temperature of the front end side region 221 and the average temperature of the base end side region 222 can be within the range of 10 to 60 ° C. This temperature difference can be adjusted by changing the position in the longitudinal direction D of the center position O of the detection electrode 22 with respect to the position in the longitudinal direction D of the heat generation center P of the heat generating portion 411. The temperature difference can also be adjusted by the magnitude of the current supplied to the heating element 41 by the power supply controller 58.
  • the heating portion 411 of the heating element 41 is located at a position facing the pump electrode 32 and the NOx electrode 33 in the stacking direction S in order to heat the pump electrode 32 and the NOx electrode 33 to the operating temperature of 600 to 900 ° C. It is located in.
  • the arrangement position of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D with respect to the heat generation center P of the heat generating element 41 can be appropriately changed so that the operating temperature becomes 350 to 600 ° C.
  • the temperature difference between the average temperature of the distal end side region 221 and the average temperature of the proximal end side region 222. Can be increased.
  • the temperature difference increases as the center P is moved away from the center position O of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D in the longitudinal direction D.
  • the temperature of all the parts of the tip end side region 221 is equal to or higher than the temperature of all the parts of the base end side region 222 with respect to the center position O in the longitudinal direction D of the detection electrode 22.
  • the position of the heat generating center P of the heat generating portion 411 in the longitudinal direction D is set.
  • the average temperature of the tip side region 221 of the detection electrode 22 can be set within the range of 390 to 480 ° C. Further, when the gas sensor 1 is stationary, the average temperature of the base end side region 222 of the detection electrode 22 may be lower than the average temperature of the tip end side region 221 and within the range of 380 to 420 ° C. ..
  • the positional relationship between the detection electrode 22 and the heat generating portion 411 of the heater portion 4 is devised so that the temperature of the detection electrode 22 becomes the front end side region 221 and the base end side region 222 in the longitudinal direction D.
  • the heat generation center P of the heat generating portion 411 is opposed to a position displaced from the center position O in the longitudinal direction D of the detection electrode 22 to the tip side D1.
  • the heat generation center P of the heat generating portion 411 is the longitudinal direction of the detection electrode 22. It is arranged at a position deviated from the center position O of D to the tip side D1.
  • the average temperature of the tip end side region 221 in the longitudinal direction D of the detection electrode 22 is set to be higher than the average temperature of the base end side region 222 of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D.
  • the heating temperature of the detection electrode 22 for detecting ammonia is lower when it is near the lower limit operating temperature of 350 ° C. or 400 ° C. within the operating temperature range, and ammonia is detected. It has been found that the detection electrode 22 has a high sensitivity. Therefore, the temperature at which the detection electrode 22 is heated by the heating element 41 is preferably set near the lower limit operating temperature within the operating temperature range. However, when the temperature for heating the detection electrode 22 is set near the lower limit operating temperature and the temperature of the exhaust gas as the detection target gas G sharply decreases according to the operating condition of the internal combustion engine, the sensor element 10 is rapidly cooled by the exhaust gas. As a result, the temperature of the detection electrode 22 may become lower than the lower limit operating temperature.
  • the temperature for heating the detection electrode 22 is made different between the tip end side region 221 and the base end side region 222, and the average temperature of the base end side region 222 is the lower limit within the operating temperature range.
  • the temperature is set close to the operating temperature, and the average temperature of the front end side region 221 is set higher than the average temperature of the base end side region 222.
  • the sensitivity to NOx is kept high by the base end side region 222 controlled to a temperature close to the lower limit operating temperature.
  • the average temperature in the base end side region 222 becomes lower than the lower limit operating temperature during a transient time in which the temperature of the ammonia element part 2 sharply decreases due to a decrease in the temperature of the detection target gas G, an increase in the flow velocity, and the like. Even in such a case, it is possible to form a situation in which the average temperature in the tip end side region 221 becomes a temperature close to the lower limit operating temperature within the operating temperature range.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment it is possible to accurately detect the concentration of the specific gas component in the detection target gas G in both the steady state and the transient state.
  • the present embodiment shows a sensor element 10 in which the positional relationship between the detection electrode 22 and the heat generation center P is different from that in the first embodiment.
  • the heat generation center P of the heat generating portion 411 of the heat generating element 41 is from the central position O in the longitudinal direction D of the detection electrode 22 to the base end in the longitudinal direction D. It is at a position displaced to the side D2. Further, the heat generation center P of the heat generating portion 411 of the present embodiment is located closer to the base end side D2 in the longitudinal direction D than the base end side region 222 of the detection electrode 22.
  • the heat generation center P of the heat generating portion 411 may be at a position (overlapping position) facing the base end side region 222 of the detection electrode 22 in the stacking direction S, as shown in FIG.
  • the average temperature of the base end side region 222 in the longitudinal direction D is higher than the average temperature of the tip end side region 221 in the longitudinal direction D.
  • the heat generating portion with respect to the central position O of the detection electrode 22 in the longitudinal direction D is set so that the temperature of all parts of the distal end side region 221 becomes equal to or lower than the temperature of all parts of the base end side region 222.
  • the position of the heat generation center P of 411 is set.
  • the average temperature of the base end side region 222 of the detection electrode 22 can be set within the range of 390 to 480 ° C. Further, in the steady state of the gas sensor 1, the average temperature of the tip end side region 221 of the detection electrode 22 can be set lower than the average temperature of the base end side region 222 and within the range of 380 to 420 ° C. ..
  • the present embodiment shows a sensor element 10 that does not include the oxygen element portion 3.
  • the sensor element 10 when the sensor element 10 detects only the ammonia concentration, the sensor element 10 includes a first solid electrolyte body 21 provided with a detection electrode 22 and a reference electrode 23, and a reference.
  • the insulator 25 in which the gas duct 24 is formed and the insulator 42 in which the heating element 41 is embedded may be laminated.
  • the solid electrolyte body of the present embodiment is one first solid electrolyte body 21 provided with the detection electrode 22 and the reference electrode 23.
  • the detection electrode 22 is arranged on the first surface 211 as the outer surface of the first solid electrolyte body 21 exposed to the detection target gas G, and the reference electrode 23 is arranged in the reference gas duct 24. Also in this case, the average temperature of the front end side region 221 and the average temperature of the base end side region 222 of the detection electrode 22 can be made different. Further, in this case, in order to obtain the ammonia concentration in the gas sensor 1, the oxygen concentration measured by another gas sensor can be used.
  • the present embodiment shows the sensor element 10 that does not include the oxygen element portion 3 and the reference gas duct 24.
  • the detection electrode 22 and the reference electrode 23 are provided in the first solid electrolyte body 21 that constitutes the outer surface of the sensor element 10. It can be disposed on the first surface 211.
  • the concentration of ammonia in the detection target gas G can be detected based on the difference in the catalytic activity of ammonia between the detection electrode 22 and the reference electrode 23.
  • the average temperature of the front end side region 221 and the average temperature of the base end side region 222 of the detection electrode 22 can be made different.
  • FIG. 22 shows the result of checking the relationship between the temperature [° C.] of the detection electrode 22 and the sensor output [mV].
  • the temperature of the detection electrode 22 is shown as the temperature at the center position O of the detection electrode 22.
  • the sensor output is shown as a mixed potential (potential difference ⁇ V between the detection electrode 22 and the reference electrode 23) generated in the detection electrode 22.
  • the detection electrode 22 was brought into contact with the test gas, and the reference electrode 23 was brought into contact with the atmosphere.
  • the test gas contained 10% by volume of oxygen and 100 ppm of ammonia, and the balance was nitrogen.
  • the temperature of the test gas was 250 ° C., and the flow rate of the test gas supplied to the detection electrode 22 was 3 L / min.
  • FIG. 23 shows the result of checking the relationship between the temperature [° C.] of the detection electrode 22 and the response time [s] of the sensor output when the ammonia concentration of the test gas is changed.
  • the temperature of the detection electrode 22 is shown as the temperature at the center position O of the detection electrode 22.
  • the response time of the sensor output is 90% from the output of 10% of the output difference between the sensor output after switching and the sensor output before switching when the concentration of ammonia in the test gas is switched from 100 ppm to 200 ppm. Shown as the time until the output changes to.
  • Other conditions of the test gas are the same as in the case of the sensor output test of FIG.
  • the sensitivity of the detection electrode 22 is lower when the temperature of the detection electrode 22 is close to 350 ° C. within the operating temperature range.
  • the response of the detection electrode 22 deteriorates (the response time becomes longer). Therefore, it is more preferable to set the temperature of the detection electrode 22 within the range of 400 to 500 ° C. in view of the balance between the sensor output and the response time.
  • ⁇ Confirmation test 2> a prototype of the sensor element 10 in which the tip end side region 221 and the base end side region 222 are formed in the detection electrode 22 is produced, and the temperature change between the tip end side region 221 and the base end side region 222 is examined. I observed.
  • the prototype sensor element 10 was formed by laminating an insulator made of alumina and a first solid electrolyte body 21 made of yttria-stabilized zirconia (YSZ).
  • the detection electrode 22 and the reference electrode 23 were arranged at positions facing each other with the first solid electrolyte body 21 in between.
  • the detection electrode 22 was composed of Au and YSZ cermet electrodes
  • the reference electrode 23 was composed of Pt and YSZ cermet electrodes.
  • a reference gas duct 24 accommodating the reference electrode 23 is formed in the insulator.
  • the sensor element 10 in this confirmation test is the sensor element 10 shown in FIGS. 18 and 19 in which the position of the heater portion 4 with respect to the first solid electrolyte body 21 can be changed. Then, the temperature distribution of the surface of the front end side region 221 and the base end side region 222 of the detection electrode 22 is measured by thermography, and the position of the detection electrode 22 with respect to the heater unit 4 is adjusted so that the temperature distribution by thermography becomes a desired distribution. The amount of electricity supplied to the heater unit 4 was controlled while setting. The area of the detection electrode 22 and the reference electrode 23 was 10 mm 2 (2 mm ⁇ 5 mm).
  • test electrode was brought into contact with the test gas, and the reference electrode 23 was brought into contact with the atmosphere.
  • the test gas contained 10 vol% oxygen, 100 ppm ammonia, and the balance nitrogen.
  • the temperature of the test gas was 250 ° C., and the flow rate of the test gas exposed to the detection electrode 22 was 0.3 L / min in the steady state and 30 L / min in the transient state.
  • the heater unit 4 is set so that the average temperature of the front end side region 221 is about 440 ° C. and the average temperature of the base end side region 222 is about 400 ° C. It was controlled, and after a lapse of a predetermined time, the test gas was changed to a transient state where 30 L / min flowed. Then, the average temperature of the distal end side region 221 and the average temperature of the proximal end side region 222 were measured by thermography in the course of time. After a lapse of a predetermined time after the transition to the transient state, the average temperature of the front end side region 221 is about 440 ° C. by the temperature control of the front end side region 221 and the base end side region 222 of the detection electrode 22 by the heater unit 4. Then, the average temperature of the proximal region 222 is recovered to about 400 ° C.
  • Fig. 24 shows the temperature measurement results in this confirmation test.
  • the lower limit operating temperature of the detection electrode 22 is 350 ° C.
  • the upper limit operating temperature of the detection electrode 22 is 600 ° C. It can be seen that, after the state of the test gas has changed from the steady state to the transient state, both the average temperature of the distal end side region 221 and the average temperature of the proximal end side region 222 have decreased. This decrease in average temperature was caused by cooling the prototype sensor element 10 due to the increase in the flow rate of the test gas.
  • the average temperature of the proximal region 222 decreased to a temperature lower than the lower limit operating temperature of 350 ° C.
  • the base end side region 222 becomes lower than 350 ° C., and it is presumed that the base end side region 222 is in a state in which oxygen ion conductivity for generating a sensor output is difficult to be expressed.
  • the average temperature of the tip side region 221 is maintained at about 400 ° C. or higher, and the tip side region 221 is maintained in a state where oxygen ion conductivity for generating the sensor output can be expressed. There is.
  • the gas sensor 1 The amount of change in the sensor output (potential difference ⁇ V between the detection electrode 22 and the reference electrode 23) was measured, and this change was obtained as a change rate [%] of the sensor output.
  • the rate of change of the sensor output is calculated by the formula (X1 ⁇ X2) / X1 ⁇ 100 [%] when the sensor output in the steady state is X1 [mV] and the sensor output in the transient state is X2 [mV].
  • the rate of change in sensor output was as large as 55%, and the judgment was x.
  • the stability of the sensor output is x, and the determination is x.
  • the change rate of the sensor output was small, the stability of the sensor output was good, and the judgment was “good”. From these results, it was found that the temperature difference between the average temperature of the tip end side region 221 and the average temperature of the base end side region 222 in the detection electrode 22 is preferably in the range of 10 to 60 ° C.

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Abstract

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。

Description

ガスセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１８年１１月１５日に出願された日本の特許出願番号２０１８－２１４８２７号に基づくものであり、その記載内容を援用する。
　本開示は、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、アンモニアセンサにおいては、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。
　本開示は、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。
　本開示の一態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質体、前記固体電解質体の表面に設けられて、検出対象ガスに晒される検出電極、及び前記固体電解質体の表面に設けられた基準電極を有するとともに、長手方向に長い形状を有する検出素子部と、
　通電によって発熱する発熱部を有し、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を検出する電位差検出部と、を備え、
　前記発熱部の発熱中心は、前記検出電極における前記長手方向の先端側領域の平均温度と、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から先端側又は基端側にずれた位置に対向している、ガスセンサにある。
　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、本開示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。
　本開示についての目的、特徴、利点等は、添付の図面を参照する後記の詳細な記述によって、より明確になる。本開示の図面を以下に示す。
図１は、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である。 図２は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のII－II断面図である。 図３は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のIII－III断面図である。 図４は、実施形態１にかかる、他のセンサ素子を示す、図１のIII－III断面相当図である。 図５は、実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のV－V断面図である。 図６は、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である。 図７は、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である。 図８は、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である。 図９は、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である。 図１０は、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である。 図１１は、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である。 図１２は、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である。 図１３は、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である。 図１４は、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である。 図１５は、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である。 図１６は、実施形態２にかかる、センサ素子を示す、図１のIII－III断面相当図である。 図１７は、実施形態２にかかる、他のセンサ素子を示す、図１のIII－III断面相当図である。 図１８は、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である。 図１９は、実施形態３にかかる、センサ素子を示す、図１８のXIX－XIX断面図である。 図２０は、実施形態４にかかる、センサ素子を示す断面説明図である。 図２１は、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断面図である。 図２２は、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である。 図２３は、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である。 図２４は、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である。
　前述したガスセンサ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）
　図７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。図８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、図８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。図１１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、図１１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を大きくする補正量である。
　図１２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。図１３においては、他ガスがＣＯ及びＣ3Ｈ8である場合について示す。図１３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。
　図１３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、他の基準電極３４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、他の基準電極３４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、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。図１４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。
　図１５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Ｃ０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、検出電極２２における、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、検出電極２２及び基準電極２３が設けられた１つの第１固体電解質体２１である。
　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＞
　本形態は、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。
　図２２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に混成電位がほとんど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。図２４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 JPOXMLDOC01-appb-T000001
　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。
　本開示は、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、本開示は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本開示から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本開示の技術思想に含まれる。

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。
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