(57)【要約】【課題】少なくとも２種類のガス成分濃度を検出する場合に、電位差に基づく第２ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができるガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】ガス濃度検出装置１は、第１素子部２、第１検出部５１、第２素子部３、第２検出部５２及び感度補正部５４を備える。感度補正部５４は、検出対象ガスＧに含まれる、第１検出部５１及び第２検出部５２の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、第１検出部５１及び第２検出部５２によって検出されるときの、第１検出部５１による第１応答時間と第２検出部５２による第２応答時間との時間差に基づいて、第２検出部５２による第２ガス成分濃度を補正するよう構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン伝導性の第１固体電解質体（２１）、前記第１固体電解質体に設けられた一対の第１電極（２２，２３，２４）、及び拡散抵抗部（２５１）を介して検出対象ガス（Ｇ）が導入されるとともに一対の前記第１電極の一方を収容するガス室（２５）を有する第１素子部（２）と、
前記拡散抵抗部によって前記ガス室への前記検出対象ガスの流量が律速されるとともに一対の前記第１電極間に直流電圧が印加される状態において、一対の前記第１電極間に流れる直流電流に基づいて前記検出対象ガスにおける第１ガス成分濃度を検出する第１検出部（５１）と、
前記第１固体電解質体に絶縁体（３５）を介して積層されたイオン伝導性の第２固体電解質体（３１）、及び前記第２固体電解質体に設けられた一対の第２電極（３２，３３）を有する第２素子部（３）と、
前記第２固体電解質体の前記検出対象ガスに晒される外表面（３１１）に一対の前記第２電極の少なくとも一方が設けられた状態において、一対の前記第２電極間に生じる電位差（ΔＶ）に基づいて前記検出対象ガスにおける第２ガス成分濃度を検出する第２検出部（５２）と、
前記検出対象ガスに含まれる、前記第１検出部及び前記第２検出部の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、前記第１検出部及び前記第２検出部によって検出されるときの、前記第１検出部による第１出力変化時（Ｂ１）と前記第２検出部による第２出力変化時（Ｂ２）との時間差（ΔＴ）、前記第１検出部による第１応答時間（Ｔ１）と前記第２検出部による第２応答時間（Ｔ２）との時間差（ΔＴ）、又は前記第１検出部による第１応答速度（Ｕ１）と前記第２検出部による第２応答速度（Ｕ２）との速度差（ΔＵ）に基づいて、前記第２検出部による前記第２ガス成分濃度を補正する感度補正部（５４）と、を備えるガス濃度検出装置（１）。
【請求項２】
前記第１素子部及び前記第２素子部は、センサ素子（１０）を構成しており、
前記ガス濃度検出装置は、前記センサ素子を保持して、前記検出対象ガスが流れる配管（７１）に螺合されるおねじ部（６１１）を有するハウジング（６１）をさらに備え、
前記感度補正部は、
前記ハウジングが前記おねじ部によって前記配管に取り付けられた状態において、前記検出対象ガスの流れの上流側方向（Ｊ）と、前記第２固体電解質体の前記外表面の面方向（Ｅ）との間の角度の違いを受けて前記第２検出部に生じる誤差を補正するよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記ガス濃度検出装置の使用初期において求めた、前記第１検出部による第１出力変化時と前記第２検出部による第２出力変化時との初期時間差（ΔＴａ）と、前記ガス濃度検出装置の使用開始後の所定時間経過後において求めた、前記第１検出部による第１出力変化時と前記第２検出部による第２出力変化時との使用後時間差（ΔＴｂ）との違い、
前記ガス濃度検出装置の使用初期において求めた、前記第１検出部による第１応答時間と前記第２検出部による第２応答時間との初期時間差（ΔＴａ）と、前記ガス濃度検出装置の使用開始後の所定時間経過後において求めた、前記第１検出部による第１応答時間と前記第２検出部による第２応答時間との使用後時間差（ΔＴｂ）との違い、
又は前記ガス濃度検出装置の使用初期において求めた、前記第１検出部による第１応答速度と前記第２検出部による第２応答速度との初期速度差（ΔＵａ）と、前記ガス濃度検出装置の使用開始後の所定時間経過後において求めた、前記第１検出部による第１応答速度と前記第２検出部による第２応答速度との使用後速度差（ΔＵｂ）との違いに基づいて、
前記第２素子部における劣化の有無又は劣化度合を判定する劣化判定部（５５）をさらに備える、請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記第１固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面には、前記ガス室内に収容された状態で、前記ガス室内の前記検出対象ガスにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極（２２）と、前記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の前記ガス室内の前記検出対象ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘ電極（２３）とが設けられており、
前記第１固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面と反対側の表面には、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガスダクト（３４）が隣接して形成されるとともに、前記基準ガスダクト内に収容された第１基準電極（２４）が設けられており、
一対の前記第１電極は、前記ポンプ電極と前記第１基準電極とによって構成されており、
前記第１検出部は、前記第１ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されており、
前記第２固体電解質体の前記外表面には、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アンモニア又は二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極（３２）が設けられており、
前記第２固体電解質体における、前記基準ガスダクトが隣接する表面には、前記基準ガスダクト内に収容された第２基準電極（３３）が設けられており、
一対の前記第２電極は、前記混成電位電極と前記第２基準電極とによって構成されており、
前記第２検出部は、前記第２ガス成分濃度としてのアンモニア濃度又は二酸化窒素を検出するよう構成されており、
前記感度補正部は、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記第１固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面には、前記ガス室内に収容された状態で、前記ガス室内の前記検出対象ガスにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極（２２）と、前記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の前記ガス室内の前記検出対象ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘ電極（２３）とが設けられており、
前記第１固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面と反対側の表面には、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガスダクト（３４）が隣接して形成されるとともに、前記基準ガスダクト内に収容された第１基準電極（２４）が設けられており、
一対の前記第１電極は、前記ＮＯｘ電極と前記第１基準電極とによって構成されており、
前記第１検出部は、前記第１ガス成分濃度としてのＮＯｘ濃度を検出するよう構成されており、
前記第２固体電解質体の前記外表面には、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アンモニア又は二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極（３２）が設けられており、
前記第２固体電解質体における、前記基準ガスダクトが隣接する表面には、前記基準ガスダクト内に収容された第２基準電極（３３）が設けられており、
一対の前記第２電極は、前記混成電位電極と前記第２基準電極とによって構成されており、
前記第２検出部は、前記第２ガス成分濃度としてのアンモニア濃度又は二酸化窒素を検出するよう構成されており、
前記感度補正部は、前記共通ガス成分としてのアンモニア又は二酸化窒素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記第１固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面には、前記ガス室内に収容された状態で、前記ガス室内の前記検出対象ガスにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極（２２）が設けられており、
前記第１固体電解質体における、前記ガス室が隣接する表面と反対側の表面には、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガスダクト（３４）が隣接して形成されるとともに、前記基準ガスダクト内に収容された第１基準電極（２４）が設けられており、
一対の前記第１電極は、前記ポンプ電極と前記第１基準電極とによって構成されており、
前記第１検出部は、前記第１ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されており、
前記第２固体電解質体の前記外表面には、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アンモニア又は二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極（３２）が設けられており、
前記第２固体電解質体における、前記基準ガスダクトが隣接する表面には、前記基準ガスダクト内に収容された第２基準電極（３３）が設けられており、
一対の前記第２電極は、前記混成電位電極と前記第２基準電極とによって構成されており、
前記第２検出部は、前記第２ガス成分濃度としてのアンモニア濃度又は二酸化窒素を検出するよう構成されており、
前記感度補正部は、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記ガス濃度検出装置は、ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒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）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において使用されるものであり、
前記感度補正部は、
前記内燃機関のフューエルカット運転の開始時又は終了時に、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項４又は６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
前記ガス濃度検出装置は、ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒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）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において使用されるものであり、
前記感度補正部は、
前記内燃機関のアイドリング運転の終了時に、前記共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項４又は６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
前記ガス濃度検出装置は、ＮＯｘを還元する触媒（７２）及び前記触媒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）が配置された、内燃機関（７）の排気管（７１）において使用されるものであり、
前記感度補正部は、
前記内燃機関のフューエルカット運転時又はアイドリング運転時に、前記共通ガス成分としてのアンモニアの濃度の基準変化量以上の変化を利用するものである、請求項５に記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２種類のガス成分の濃度を検出可能なガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
また、例えば、特許文献１のマルチガスセンサにおいては、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ部と、被測定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部とが一体的に設けられている。アンモニアセンサ部は、被測定ガスが十分に接触するように、ＮＯｘセンサ部の外表面に配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−４０９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ガス濃度検出装置において、検出対象ガスに含まれるアンモニアを検出する場合には、アンモニア検出部の電極に十分な流量の検出対象ガスを衝突させることによって、アンモニアに対するアンモニア検出部の感度を高めることができる。そのため、アンモニアを検出する場合には、アンモニアを検出するための固体電解質体及び電極を、直方体状のセンサ素子の片側の外表面に設けることが行われる。また、センサ素子は、ハウジングによって保持されており、ハウジングのおねじ部が排気管の取付口のめねじ部に螺合されることによって、ガス濃度検出装置におけるセンサ本体が排気管に取り付けられる。
【０００７】
ところが、センサ素子及びハウジングを有するセンサ本体を排気管に取り付けたときには、センサ本体が排気管の取付口に対して回転することにより、アンモニアを検出するための固体電解質体及び電極が位置するセンサ素子の外表面が、排気管におけるどちらの方向に向けられるかが定まらない。そして、例えば、アンモニアを検出するための固体電解質体及び電極が位置するセンサ素子の外表面が、排気管における検出対象ガスの流れの上流側に向けられた場合と、排気管における検出対象ガスの流れの下流側に向けられた場合とにおいては、アンモニアに対するアンモニア検出部の感度に違いが生じることが見出された。
【０００８】
つまり、発明者の研究により、センサ素子におけるアンモニア検出部の感度は、センサ本体が排気管に取り付けられた使用場面において指向性を有することが見出された。そして、ガス濃度検出装置によって検出されるアンモニア濃度には、指向性による感度の低下を受けた誤差が含まれることが分かった。
【０００９】
特許文献１のマルチガスセンサにおいては、アンモニア検出部の感度が指向性を有することについては何ら考慮されていない。一方、一般的なガスセンサにおいては、ハウジングに、センサ素子を覆うカバーを取り付け、カバーに、検出対象ガスが流通する流通孔を設けることが行われている。そして、この流通孔の形成の仕方により、センサ素子に衝突する検出対象ガスの流れをある程度は調整することができる。しかし、カバーを使用することによっては、アンモニアに対するアンモニア検出部の感度の低下を若干緩和することができるにすぎず、感度のずれを十分に補正することはできない。
【００１０】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、少なくとも２種類のガス成分濃度を検出する場合に、電位差に基づく第２ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができるガス濃度検出装置を提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、イオン伝導性の第１固体電解質体（２１）、前記第１固体電解質体に設けられた一対の第１電極（２２，２３，２４）、及び拡散抵抗部（２５１）を介して検出対象ガス（Ｇ）が導入されるとともに一対の前記第１電極の一方を収容するガス室（２５）を有する第１素子部（２）と、
前記拡散抵抗部によって前記ガス室への前記検出対象ガスの流量が律速されるとともに一対の前記第１電極間に直流電圧が印加される状態において、一対の前記第１電極間に流れる直流電流に基づいて前記検出対象ガスにおける第１ガス成分濃度を検出する第１検出部（５１）と、
前記第１固体電解質体に絶縁体（３５）を介して積層されたイオン伝導性の第２固体電解質体（３１）、及び前記第２固体電解質体に設けられた一対の第２電極（３２，３３）を有する第２素子部（３）と、
前記第２固体電解質体の前記検出対象ガスに晒される外表面（３１１）に一対の前記第２電極の少なくとも一方が設けられた状態において、一対の前記第２電極間に生じる電位差（ΔＶ）に基づいて前記検出対象ガスにおける第２ガス成分濃度を検出する第２検出部（５２）と、
前記検出対象ガスに含まれる、前記第１検出部及び前記第２検出部の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、前記第１検出部及び前記第２検出部によって検出されるときの、前記第１検出部による第１出力変化時（Ｂ１）と前記第２検出部による第２出力変化時（Ｂ２）との時間差（ΔＴ）、前記第１検出部による第１応答時間（Ｔ１）と前記第２検出部による第２応答時間（Ｔ２）との時間差（ΔＴ）、又は前記第１検出部による第１応答速度（Ｕ１）と前記第２検出部による第２応答速度（Ｕ２）との速度差（ΔＵ）に基づいて、前記第２検出部による前記第２ガス成分濃度を補正する感度補正部（５４）と、を備えるガス濃度検出装置（１）にある。
【発明の効果】
【００１２】
前記一態様のガス濃度検出装置においては、その使用場面において、電位差を利用する第２検出部の、第２ガス成分に対する感度を補正して、第２検出部による第２ガス成分濃度に誤差が生じにくくする工夫をしている。より具体的には、ガス濃度検出装置は、限界電流に基づいて第１ガス成分濃度を検出する第１検出部と、電位差に基づいて第２ガス成分濃度を検出する第２検出部とを備え、第１検出部及び第２検出部が共通ガス成分を検出する際の、第１検出部と第２検出部とにおける出力変化時、応答時間又は応答速度の差を利用して、第２検出部による第２ガス成分濃度を補正するものである。
【００１３】
第１検出部は、検出対象ガスの流量が律速（制限）されるとともに一対の第１電極間に直流電圧が印加される状態において検出される限界電流を利用するものであり、第１検出部による第１ガス成分濃度の検出には、第１電極の触媒性能はほとんど影響しない。そして、第１検出部による第１ガス成分濃度の検出には、第１電極の触媒性能による誤差がほとんど生じない。
【００１４】
一方、第２検出部は、検出対象ガスが第２電極に接触するときに検出される電位差を利用するものであり、第２検出部による第２ガス成分濃度の検出には、第２電極の触媒性能が大きく影響する。そして、第２検出部による第２ガス成分濃度の検出には、第２電極の触媒性能による誤差が生じやすい。
【００１５】
そこで、感度補正部においては、第１検出部によって共通ガス成分を検出する際の第１出力変化時、第１応答時間又は第１応答速度を基準とする。そして、この第１出力変化時、第１応答時間又は第１応答速度に対して、第２検出部によって共通ガス成分を検出する際の第２出力変化時、第２応答時間又は第２応答速度がどれだけ異なるかを検知して、第２検出部による第２ガス成分濃度を補正する量を求める。
【００１６】
より具体的には、感度補正部においては、第１素子部における第１電極及び第２素子部における第２電極に接触する共通ガス成分の濃度が基準変化量以上変化したときの第１出力変化時及び第２出力変化時、第１応答時間及び第２応答時間、又は第１応答速度及び第２応答速度を測定する。第２検出部において第２ガス成分濃度の変化を検出する際の第２出力変化時、第２応答時間又は第２応答速度、及び第２ガス成分濃度を検出する感度は、いずれも第２電極の触媒性能の影響を受けるものである。そして、第１出力変化時及び第２出力変化時における時間差、第１応答時間及び第２応答時間における時間差又は第１応答速度及び第２応答速度における速度差と、第２検出部が第２ガス成分濃度を検出する感度とは互いに関連している。
【００１７】
前記一態様のガス濃度検出装置の感度補正部においては、この時間差又は速度差と第２検出部の感度との関係性を利用する。そして、感度補正部においては、この時間差又は速度差は、第２検出部の感度を反映するものとして、この時間差を第２検出部による第２ガス成分濃度の補正に利用する。これにより、ガス濃度検出装置の使用場面において、ガス濃度検出装置の組付状態等の影響を受けて、第２ガス成分に対する第２検出部の感度の低下が生じている場合でも、感度補正部によって第２ガス成分濃度を補正し、ガス濃度検出装置から出力される第２ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができる。
【００１８】
それ故、前記一態様のガス濃度検出装置によれば、少なくとも２種類のガス成分濃度を検出する場合に、電位差に基づく第２ガス成分濃度に誤差が生じにくくすることができる。
【００１９】
感度補正部は、第１応答時間と第２応答時間との時間差等に基づいて、第２検出部による電位差又は第２ガス成分濃度を補正するための感度補正係数を求めることができる。そして、感度補正部は、電位差又は第２ガス成分濃度に感度補正係数を乗算することによって、第２ガス成分濃度を補正することができる。なお、電位差を補正することと、第２ガス成分濃度を補正することとは同義である。また、第１出力変化時と第２出力変化時との時間差、又は第１応答速度と第２応答速度との速度差を求める場合についても同様である。
【００２０】
感度補正部は、ガス濃度検出装置の使用初期において、１回又は数回、第１応答時間と第２応答時間との時間差等を測定し、感度補正係数を求めることができる。この場合には、感度補正部は、一旦求められた感度補正係数を、第２検出部によって逐次検出される電位差又は第２ガス成分濃度に乗算することによって、第２ガス成分濃度を逐次補正することができる。なお、第１出力変化時と第２出力変化時との時間差、又は第１応答速度と第２応答速度との速度差を求める場合についても同様である。
【００２１】
なお、本発明の一態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置の構成を示す断面説明図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施形態１にかかる、センサ素子を示す、図１のIV−IV断面図。
【図５】実施形態１にかかる、センサ制御ユニットにおける電気的構成を示す説明図。
【図６】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。
【図７】実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置のセンサ本体が内燃機関の排気管に配置された状態を示す説明図。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度と、第１検出部及び第２検出部の各センサ出力との関係を示すグラフ。
【図１４ａ】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度が９０°である場合のセンサ素子を示す説明図。
【図１４ｂ】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度が１３５０°である場合のセンサ素子を示す説明図。
【図１４ｃ】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度が１８０°である場合のセンサ素子を示す説明図。
【図１４ｄ】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度が２２５°である場合のセンサ素子を示す説明図。
【図１４ｅ】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度が２７０°である場合のセンサ素子を示す説明図。
【図１５】実施形態１にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度と、第１検出部及び第２検出部の各応答時間との関係を示すグラフ。
【図１６】実施形態１にかかる、第１センサ部及び第２センサ部の各センサ出力が増加する場合の各応答時間の求め方を示すグラフ。
【図１７】実施形態１にかかる、第１センサ部及び第２センサ部の各センサ出力が減少する場合の各応答時間の求め方を示すグラフ。
【図１８】実施形態１にかかる、第２センサ部のセンサ出力の補正の仕方を示すグラフ。
【図１９】実施形態１にかかる、第１センサ部及び第２センサ部の各センサ出力が増加する場合の各出力変化時の求め方を示すグラフ。
【図２０】実施形態１にかかる、第１センサ部及び第２センサ部の各センサ出力が増加する場合の各応答速度の求め方を示すグラフ。
【図２１】実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置の制御方法を示すフローチャート。
【図２２】実施形態２にかかる、センサ制御ユニットにおける電気的構成を示す説明図。
【図２３】実施形態２にかかる、排ガスの流れの上流側方向に対するアンモニア電極の面方向の角度と、第１検出部及び第２検出部の各応答時間との関係を示すグラフ。
【図２４】実施形態２にかかる、第２センサ部のセンサ出力の補正の仕方を示すグラフ。
【図２５】実施形態３にかかる、センサ制御ユニットにおける電気的構成を示す説明図。
【図２６】実施形態３にかかる、ガス濃度検出装置の制御方法を示すフローチャート。
【図２７】実施形態３にかかる、ガス濃度検出装置の制御方法を示すフローチャート。
【図２８】実施形態４にかかる、ガス濃度検出装置の構成を示す断面説明図。
【図２９】実施形態４にかかる、センサ制御ユニットにおける電気的構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
前述したガス濃度検出装置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＞
本形態のガス濃度検出装置１は、図１及び図５に示すように、第１素子部（酸素素子部）２、第１検出部５１、第２素子部（アンモニア素子部）３、第２検出部５２及び感度補正部５４を備える。第１素子部２は、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に設けられた一対の第１電極２２，２４と、拡散抵抗部２５１を介して検出対象ガスＧが導入されるとともに一方の第１電極２２，２４を収容するガス室２５とを有する。第１検出部５１は、拡散抵抗部２５１によってガス室２５への検出対象ガスＧの流量が律速されるとともに一対の第１電極２２，２４間に直流電圧が印加される状態において、一対の第１電極２２，２４間に流れる限界電流に基づいて検出対象ガスＧにおける第１ガス成分濃度を検出するよう構成されている。
【００２４】
第２素子部３は、第１固体電解質体２１にダクト用絶縁体３５を介して積層されたイオン伝導性の第２固体電解質体３１と、第２固体電解質体３１に設けられた一対の第２電極３２，３３とを有する。第２検出部５２は、第２固体電解質体３１の検出対象ガスＧに晒される外表面に一方の第２電極３２が設けられた状態において、一対の第２電極３２，３３間に生じる電位差ΔＶに基づいて検出対象ガスＧにおける第２ガス成分濃度を検出するよう構成されている。
【００２５】
図１５及び図１８に示すように、感度補正部５４は、検出対象ガスＧに含まれる、第１検出部５１及び第２検出部５２の両方に感度を有する共通ガス成分の濃度の基準変化量以上の変化が、第１検出部５１及び第２検出部５２によって検出されるときの、第１検出部５１による第１応答時間Ｔ１と第２検出部５２による第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴに基づいて、第２検出部５２による第２ガス成分濃度を補正するよう構成されている。
【００２６】
以下に、本形態のガス濃度検出装置１について詳説する。
（ガス濃度検出装置１）
図１に示すように、本形態のガス濃度検出装置１は、検出対象ガスＧに含まれる２種類以上のガス成分濃度を検出するよう構成されている。ガス濃度検出装置１は、いわゆるマルチガスセンサとして機能する。本形態においては、検出対象ガスＧは、内燃機関７から排気される排ガスであり、第１ガス成分はＮＯｘ（窒素酸化物）であり、第２ガス成分はアンモニア（ＮＨ3）である。
【００２７】
図６に示すように、ガス濃度検出装置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、ＮＯｘ及び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へ排気される排ガスである。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。
【００２８】
（触媒７２）
同図に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアガスを排気管７１へ供給するものである。アンモニアガスは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
（マルチガスセンサ）
図６に示すように、本形態のガス濃度検出装置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、ガス濃度検出装置１におけるセンサ本体１００であり、ガス濃度検出装置１における制御部分としてのセンサ制御ユニット（ＳＣＵ）５は、排気管７１の外部に配置される。便宜上、本形態においては、センサ本体１００のことをガス濃度検出装置１ということがある。
【００３２】
本形態のガス濃度検出装置１は、アンモニア濃度、酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出が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、ガス濃度検出装置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、ガス濃度検出装置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。
【００３３】
なお、内燃機関７の制御装置には、エンジンを制御するエンジン制御ユニット５０、ガス濃度検出装置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。
【００３４】
エンジン制御ユニット５０は、ガス濃度検出装置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、ガス濃度検出装置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。
【００３５】
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）及びガス濃度検出装置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。
【００３６】
（センサ本体１００）
図７に示すように、ガス濃度検出装置１のセンサ本体１００は、第１素子部（酸素素子部）２、第２素子部（アンモニア素子部）３等が形成されたセンサ素子１０と、センサ素子１０を保持して、配管としての排気管７１の取付口７１１に螺合されるハウジング６１と、ハウジング６１の先端側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６２と、ハウジング６１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６３とを備える。
【００３７】
ハウジング６１は、検出対象ガスＧが流れる排気管７１の取付口７１１のめねじ部７１２に螺合されるおねじ部６１１を有する。先端側カバー６２は、ハウジング６１に取り付けられた円筒部６２１と、円筒部６２１の先端側を閉塞する底部６２２とを有する。円筒部６２１及び底部６２２には、検出対象ガスＧが流通する流通孔６２３が形成されている。円筒部６２１に形成された流通孔６２３は、円筒部６２１の周方向の複数箇所に形成されている。
【００３８】
図７のガス濃度検出装置１は模式的に示すものである。先端側カバー６２及び先端側カバー６２に設ける流通孔６２３は、種々の形態にすることができる。例えば、先端側カバー６２は、内側カバーと、内側カバーの外周側に配置された外側カバーとの二重カバー構造としてもよい。
【００３９】
（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、酸素濃度及びＮＯｘ濃度を検出するための第１素子部（酸素素子部）２、並びにアンモニア濃度を検出するための第２素子部（アンモニア素子部）３を有する。また、センサ素子１０は、第１素子部２を形成するための第１固体電解質体２１、及び第２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。また、図１〜図３に示すように、センサ素子１０には、第１素子部２及び第２素子部３を加熱するヒータ部４が設けられている。
【００４０】
本形態のセンサ素子１０は、一方向に長い長尺形状に形成されている。センサ素子１０の長尺方向の先端部には、後述する拡散抵抗部２５１が設けられている。図１においては、長尺方向を矢印Ｄによって示し、長尺方向Ｄの先端側を矢印Ｄ１によって示し、長尺方向Ｄの基端側を矢印Ｄ２によって示す。
【００４１】
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形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２６，３５，４２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との間に位置するダクト用絶縁体３５には、第２基準電極３３が収容された基準ガスダクト３４が形成されている。アンモニア電極３２は、第２固体電解質体３１の外表面３１１に設けられている。第２固体電解質体３１の外表面３１１は、センサ素子１０の片側の外表面（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。
【００４２】
（第１素子部２，第２素子部３）
図１〜図４に示すように、第１固体電解質体２１における、ガス室２５が隣接する外表面２１１には、ガス室２５内に収容された状態で、ガス室２５内の検出対象ガスＧにおける酸素濃度を調整するためのポンプ電極２２と、ポンプ電極２２によって酸素濃度が調整された後のガス室２５内の検出対象ガスＧにおけるＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘ電極２３とが設けられている。第１固体電解質体２１における、ガス室２５が隣接する表面と反対側の内表面２１２には、基準ガスＡが導入される基準ガスダクト３４が隣接して形成されるとともに、基準ガスダクト３４内に収容された第１基準電極２４が設けられている。一対の第１電極２２，２４は、ポンプ電極２２と第１基準電極２４とによって構成されている。第１検出部５１は、第１ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するよう構成されている。
【００４３】
第１素子部２としての酸素素子部２は、第１固体電解質体２１、ポンプ電極２２、ＮＯｘ電極２３、第１基準電極２４、ガス室２５及び拡散抵抗部２５１によって形成されている。本形態においては、一対の第１電極２２，２４のうち、ガス室２５内に収容されて検出対象ガスＧに晒される第１電極はポンプ電極２２とし、基準ガスダクト３４内に配置されて基準ガスＡに晒される第１電極は第１基準電極２４とする。なお、ガス室２５内に収容されて検出対象ガスＧに晒される第１電極は、ＮＯｘ電極２３とする場合もある。
【００４４】
第２固体電解質体３１の外表面３１１には、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釣り合うときに生じる混成電位を検出するための混成電位電極としてのアンモニア電極３２が設けられている。第２固体電解質体３１における、基準ガスダクト３４が隣接する内表面３１２には、基準ガスダクト３４内に収容された第２基準電極３３が設けられている。
【００４５】
第２素子部３としてのアンモニア素子部３は、第２固体電解質体３１、アンモニア電極３２及び第２基準電極３３によって形成されている。一対の第２電極３２，３３のうち、検出対象ガスＧに晒される第２電極はアンモニア電極（混成電位電極）３２とし、基準ガスダクト３４内に配置されて基準ガスＡに晒される第２電極は第２基準電極３３とする。
【００４６】
（第１検出部５１，第２検出部５２）
図１及び図５に示すように、本形態の第１検出部５１は、第１ガス成分濃度としての酸素濃度を検出するものである。第１検出部５１は、後述するポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３によって構成されている。本形態の第２検出部５２は、第２ガス成分濃度としてのアンモニア濃度を検出するものである。第２検出部５２は、後述する電位差検出部５２１及びアンモニア濃度算出部５２２によって構成されている。本形態の感度補正部５４は、共通ガス成分としての酸素の濃度の変化を利用するものである。
【００４７】
なお、後述する実施形態２に示すが、第１検出部５１は、第１ガス成分濃度としてのＮＯｘ濃度を検出するものとすることもできる。この場合には、第１検出部５１は、後述するＮＯｘ検出部５１４及びＮＯｘ濃度算出部５１５によって構成される。
【００４８】
ポンピング部５１１においては、検出対象ガスＧにおける酸素がガス室２５から排出される。ポンプ電流検出部５１２においてはポンプ電極２２と第１基準電極２４との間に生じる限界電流が検出され、酸素濃度算出部５１３においては、限界電流に基づいて酸素濃度が算出される。
【００４９】
電位差検出部５２１においてはアンモニア電極３２と第２基準電極３３との間に生じる混成電位（電位差ΔＶ）が検出され、アンモニア濃度算出部５２２においては、混成電位に基づいてアンモニア濃度が算出される。
【００５０】
（センサ制御ユニット５）
図１及び図５に示すように、第１検出部５１及び第２検出部５２は、ガス濃度検出装置１のセンサ制御ユニット５に形成されている。また、センサ制御ユニット５は、第２検出部５２によるアンモニアの感度のずれによって生じる電位差ΔＶ又は第２ガス成分濃度の誤差を補正する感度補正部５４を有する。また、センサ制御ユニット５は、ヒータ部４を構成する発熱体４１に通電を行う通電制御部５３を有する。
【００５１】
（第２素子部としてのアンモニア素子部３の詳細）
図１及び図２に示すように、第２素子部としてのアンモニア素子部３は、アンモニア濃度を検出するためのセンサ素子１０の部分である。アンモニア素子部３は、酸素イオン伝導性の第２固体電解質体３１と、第２固体電解質体３１の外表面３１１に設けられて、検出対象ガスＧに晒されるアンモニア電極３２と、第２固体電解質体３１の内表面３１２に設けられて、基準ガスＡに晒される第２基準電極３３を有する。一対の第２電極３２，３３は、アンモニア電極３２と第２基準電極３３とからなる。
【００５２】
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。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。
【００５３】
アンモニア電極３２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。アンモニア電極３２の貴金属材料は、Ｐｔ（白金）−Ａｕ（金）合金、Ｐｔ−Ｐｄ（パラジウム）合金、Ａｕ−Ｐｄ合金等によって構成することができる。第２基準電極３３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、アンモニア電極３２及び第２基準電極３３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。
【００５４】
第２固体電解質体３１の、検出対象ガスＧに晒される外表面３１１は、ガス濃度検出装置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、外表面３１１に設けられたアンモニア電極３２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。本形態のアンモニア電極３２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、アンモニア電極３２には、検出対象ガスＧが拡散律速されずに接触する。なお、アンモニア電極３２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。
【００５５】
第２固体電解質体３１の内表面３１２に設けられた第２基準電極３３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。第２固体電解質体３１の内表面３１２には、大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）３４が隣接して形成されている。
【００５６】
（電位差検出部５２１及び電位差ΔＶ）
図１に示すように、第２検出部５２を構成する電位差検出部５２１における電位差ΔＶは、第２固体電解質体３１の外表面３１１に設けられたアンモニア電極３２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（以下、単に還元反応という。）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（以下、単に酸化反応という。）とが釣り合うときに生じる混成電位である。第２検出部５２は、電位差ΔＶ式としての混成電位式のものである。電位差検出部５２１は、アンモニア電極３２における、還元反応による還元電流と、アンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、アンモニア電極３２と第２基準電極３３との間の電位差ΔＶを検出するよう構成されている。
【００５７】
本形態の電位差検出部５２１は、アンモニア電極３２に混成電位が生じたときのアンモニア電極３２と第２基準電極３３との間の電位差ΔＶを検出する。アンモニア電極３２においては、アンモニア電極３２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、アンモニア電極３２における、アンモニアと酸素とによる混成電位は、アンモニア電極３２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。
【００５８】
図８は、アンモニア電極３２において生じる混成電位を説明するための図である。同図においては、横軸に、第２基準電極３３に対するアンモニア電極３２の電位（電位差ΔＶ）をとり、縦軸に、アンモニア電極３２と第２基準電極３３との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、同図においては、アンモニア電極３２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、アンモニア電極３２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。
【００５９】
電位差ΔＶが０（ゼロ）の場合は、アンモニア電極３２の電位が第２基準電極３３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、アンモニア電極３２における混成電位は、第２基準電極３３に対してマイナス側の電位として検出される。
【００６０】
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、第２基準電極３３に対するアンモニア電極３２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、アンモニア電極３２と第２基準電極３３との電位差ΔＶ（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。
【００６１】
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、第２基準電極３３に対するアンモニア電極３２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、アンモニア電極３２と第２基準電極３３との電位差ΔＶ（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。
【００６２】
（第１素子部としての酸素素子部２の詳細）
図１及び図２に示すように、第１素子部としての酸素素子部２は、酸素濃度及びＮＯｘ濃度を検出するためのセンサ素子１０の部分である。酸素素子部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の外表面２１１に設けられて、検出対象ガスＧに晒されるポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３と、第１固体電解質体２１の内表面２１２に設けられて、基準ガスＡに晒される第１基準電極２４とを有する。一対の第１電極２２，２４は、ポンプ電極２２と第１基準電極２４とからなる。また、酸素素子部２は、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３を収容するガス室２５を有し、ガス室２５には、拡散抵抗部２５１を介して検出対象ガスＧが導入される。
【００６３】
第１固体電解質体２１は、基準ガスダクト３４を介して第２固体電解質体３１に対向して配置されている。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。このジルコニア材料は、第２固体電解質体３１の場合と同様である。
【００６４】
図１、図２及び図４に示すように、ガス室２５は、第１固体電解質体２１の外表面２１１に接して形成されている。ガス室２５は、ガス室用絶縁体２６によって形成されている。ガス室用絶縁体２６は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。拡散抵抗部２５１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２５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。
【００６５】
ポンプ電極２２は、ガス室２５内に収容された状態で第１固体電解質体２１の外表面２１１に設けられており、ガス室２５内の検出対象ガスＧに晒される。ＮＯｘ電極２３は、ガス室２５内に収容された状態で第１固体電解質体２１の外表面２１１に設けられており、ポンプ電極２２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。第１基準電極２４は、第１固体電解質体２１における、外表面２１１とは反対側の内表面２１２に設けられている。
【００６６】
ポンプ電極２２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２２の貴金属材料は、Ｐｔ−Ａｕ合金、又はＰｔ及びＡｕを含有する材料から構成することができる。ＮＯｘ電極２３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２３の貴金属材料は、Ｐｔ−Ｒｈ（ロジウム）合金、又はＰｔ及びＲｈを含有する材料から構成することができる。第１基準電極２４は、酸素に対する触媒活性を有するＰｔ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２２、ＮＯｘ電極２３及び第１基準電極２４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。
【００６７】
本形態の第１基準電極２４は、第１固体電解質体２１を介して、ポンプ電極２２と対向する位置及びＮＯｘ電極２３と対向する位置のそれぞれに設けられている。なお、第１基準電極２４は、ポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３と対向する位置の全体に１つ設けられていてもよい。
【００６８】
図１〜図３に示すように、第１固体電解質体２１の内表面２１２に設けられた第１基準電極２４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３４を形成するダクト用絶縁体３５を介して積層されている。ダクト用絶縁体３５は、アルミナ等のセラミックス材料からなる。
【００６９】
基準ガスダクト３４は、第１固体電解質体２１の内表面２１２における第１基準電極２４と、第２固体電解質体３１の内表面３１２における第２基準電極３３とに大気を接触させる状態で形成されている。第１基準電極２４及び第２基準電極３３は、基準ガスダクト３４内に収容されている。基準ガスダクト３４は、センサ素子１０の基端からガス室２５に対向する位置まで形成されている。
【００７０】
図７に示すように、センサ本体１００の基端側カバー６３に形成された大気導入孔から基端側カバー６３内に導入された基準ガスＡは、基準ガスダクト３４の基端側の開口部から基準ガスダクト３４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３４を有することにより、第１基準電極２４及び第２基準電極３３の全体をまとめて大気に接触させることができる。
【００７１】
（ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３）
図１及び図５に示すように、ポンピング部５１１は、第１基準電極２４をプラス側として、ポンプ電極２２と第１基準電極２４との間に直流電圧を印加して、ガス室２５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２２と第１基準電極２４との間に直流電圧が印加されるときには、ポンプ電極２２に接触する、ガス室２５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１固体電解質体２１を第１基準電極２４に向けて通過し、第１基準電極２４から基準ガスダクト３４へと排出される。これにより、ガス室２５内の酸素濃度が、ＮＯｘの検出に適した濃度に調整される。
【００７２】
ポンプ電流検出部５１２は、ポンピング部５１１によってポンプ電極２２と第１基準電極２４との間に直流電圧が印加されるときに、ポンプ電極２２と第１基準電極２４との間に流れる直流電流（ポンプ電流）としての限界電流を検出するよう構成されている。酸素濃度算出部５１３は、ポンプ電流検出部５１２によって検出された限界電流に基づいて、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５１２においては、ポンピング部５１１によってガス室２５内から基準ガスダクト３４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。
【００７３】
また、ポンピング部５１１は、ガス室２５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２５内から基準ガスダクト３４へ酸素を排出する。そのため、酸素濃度算出部５１３は、ポンプ電流検出部５１２によって検出される限界電流を監視することにより、酸素素子部２及びアンモニア素子部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。
【００７４】
酸素濃度算出部５１３によって算出される酸素濃度は、アンモニア濃度算出部５２２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。
【００７５】
（ＮＯｘ検出部５１４及びＮＯｘ濃度算出部５１５）
図１及び図５に示すように、ＮＯｘ検出部５１４は、第１基準電極２４をプラス側としてＮＯｘ電極２３と第１基準電極２４との間に直流電圧を印加して、ＮＯｘ電極２３と第１基準電極２４との間に流れる直流電流（センサ電流）としての限界電流を検出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度算出部５１５は、ＮＯｘ検出部５１４によって検出される限界電流に基づいて、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５２２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５１４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５１５においては、ＮＯｘの検出量から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。
【００７６】
ＮＯｘ濃度算出部５１５によるＮＯｘ濃度は、２種類あるものとする。ＮＯｘ検出部５１４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２３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５１５による補正前ＮＯｘ濃度からアンモニア濃度算出部５２２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。
【００７７】
ＮＯｘ電極２３には、ポンプ電極２２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５１４において、ＮＯｘ電極２３と第１基準電極２４との間に直流電圧が印加されるときには、ＮＯｘ電極２３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１固体電解質体２１を第１基準電極２４に向けて通過し、第１基準電極２４から基準ガスダクト３４へと排出される。また、ＮＯｘ電極２３には、アンモニアが酸化されて生成されたＮＯｘも到達し、このＮＯｘも窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯｘ濃度算出部５１５は、ＮＯｘ検出部５１４によって検出される限界電流を監視することにより、酸素素子部２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。
【００７８】
ガス濃度検出装置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に配置するガス濃度検出装置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２２及びポンピング部５１１を利用して、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３によって酸素濃度を検出することができる。
【００７９】
ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及びＮＯｘ検出部５１４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５１３及びＮＯｘ濃度算出部５１５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。
【００８０】
なお、図１においては、便宜的に、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２、ＮＯｘ検出部５１４及び電位差検出部５２１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２２，２３，２４，３２，３３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。
【００８１】
（アンモニア濃度算出部５２２）
図１及び図５に示すように、アンモニア濃度算出部５２２は、酸素濃度算出部５１３による酸素濃度と電位差検出部５２１による電位差ΔＶとに基づいて、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。
【００８２】
図１１は、混成電位式の第２検出部５２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５２１によるアンモニア電極３２と第２基準電極３３との間の電位差（混成電位）ΔＶが、酸素濃度の影響を受けて変化することを示す。同図に示すように、電位差検出部５２１によって検出される電位差ΔＶ（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。
【００８３】
図１２に示すように、本形態のアンモニア濃度算出部５２２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５２１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５２２は、検出対象ガスＧにおける酸素濃度及び電位差検出部５２１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。
【００８４】
より具体的には、アンモニア濃度算出部５２２は、酸素濃度算出部５１３による酸素濃度と、電位差検出部５２１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５２２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５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、ガス濃度検出装置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。
【００８５】
図１２においては、検出対象ガスＧ中の酸素濃度が、例えば、５［体積％］、１０［体積％］、２０［体積％］である場合の関係マップＭ１を示す。この関係マップＭ１を用いることにより、酸素濃度に応じたアンモニア濃度Ｃ１又は電位差ΔＶの補正を容易にすることができる。電位差ΔＶと酸素補正後のアンモニア濃度Ｃ１との関係マップＭ１は、ガス濃度検出装置１の試作・実験時等において求めておくことができる。
【００８６】
また、同図の関係マップＭ１は、アンモニア電極３２の温度ごとに設定することができる。そして、アンモニア電極３２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、アンモニア電極３２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。
【００８７】
電位差検出部５２１及びアンモニア濃度算出部５２２は、ガス濃度検出装置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５２１は、アンモニア電極３２と第２基準電極３３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５２２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。
【００８８】
なお、アンモニア濃度算出部５２２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５１４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２におけるＮＯｘ電極２３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２３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５２２においては、酸素濃度及び補正前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。
【００８９】
（ヒータ部４及び通電制御部５３）
図１〜図４に示すように、第１固体電解質体２１における、第２固体電解質体３１が積層された側とは反対側には、第１固体電解質体２１及び第２固体電解質体３１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２に対して、アンモニア素子部３が積層された側とは反対側に積層されている。
【００９０】
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３４は、酸素素子部２とアンモニア素子部３との間に形成されている。第１基準電極２４及び第２基準電極３３は、基準ガスダクト３４内に収容されている。
【００９１】
図１〜図４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２６，３５，４２とが積層された方向において、各電極２２，２３，２４，３２，３３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５３が接続されている。通電制御部５３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５３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５３は、センサ制御ユニット５内に形成されている。
【００９２】
アンモニア素子部３とヒータ部４との距離は、酸素素子部２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２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３を加熱する温度は低い。酸素素子部２のポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３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３のアンモニア電極３２は、４００〜６００℃の作動温度範囲内において使用される。
【００９３】
アンモニア電極３２の温度は、ヒータ部４の加熱によって、４００〜６００℃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５３は、アンモニア電極３２の温度を目標制御温度に制御するときには、ＮＯｘ電極２３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５３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３のアンモニア電極３２及び酸素素子部２のＮＯｘ電極２３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。
【００９４】
また、酸素素子部２とアンモニア素子部３との間に基準ガスダクト３４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２及びアンモニア素子部３を加熱する際に、基準ガスダクト３４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２のポンプ電極２２及びＮＯｘ電極２３の温度に比べて、アンモニア素子部３のアンモニア電極３２の温度を容易に低くすることができる。また、通電制御部５３による通電制御を行うことにより、酸素素子部２及びアンモニア素子部３の温度を目標とする温度に制御する。
【００９５】
（感度補正部５４）
図７に示すように、センサ素子１０及びハウジング６１を有するセンサ本体１００を排気管７１の取付口７１１に取り付けたときには、センサ本体１００がハウジング６１のおねじ部６１１によって排気管７１の取付口７１１に対して回転することにより、アンモニア電極３２が位置するセンサ素子１０の外表面３１１が、排気管７１におけるどちらの方向に向けられるかが定まらない。感度補正部５４は、センサ本体１００が排気管７１の取付口７１１に取り付けられた状態において、検出対象ガスＧの流れの上流側方向Ｊと、第２固体電解質体３１の外表面３１１の面方向Ｅとの間の角度の違いを受けて第２検出部５２に生じる誤差を補正するよう構成されている。
【００９６】
換言すれば、本形態の感度補正部５４は、センサ本体１００を排気管７１の取付口７１１に取り付けた際に、アンモニア電極３２が設けられた第２固体電解質体３１の外表面３１１が、検出対象ガスＧの流れの上流側方向Ｊに対してどちら側に向けられたかによって、アンモニア電極３２を有する第２素子部としてのアンモニア素子部３がアンモニアを検出する感度が変化するといった知見に基づき、感度の変化による検出誤差を補正するものである。
【００９７】
アンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２は、アンモニア電極３２に接触する検出対象ガスＧの流れ、換言すれば、アンモニア電極３２に供給される検出対象ガスＧの流量がある程度確保されることによって、センサ出力としての混成電位（電位差ΔＶ）を出力する。センサ本体１００を排気管７１の取付口７１１に取り付ける際には、センサ本体１００のハウジング６１のおねじ部６１１を、取付口７１１のめねじ部７１２に締め付ける。このとき、センサ本体１００が、おねじ部６１１の中心及びセンサ素子１０の中心を通る中心軸線の回りに回転し、おねじ部６１１がめねじ部７１２に締め付けられたところで、排気管７１内の検出対象ガスＧとしての排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するセンサ素子１０の向きが決まる。
【００９８】
（センサ素子１０の向きとセンサ出力との関係）
排気管７１の取付口７１１に取り付けられたセンサ本体１００のセンサ素子１０の向き（角度）によって、排ガスの流れの上流側に対するアンモニア電極３２の向きは異なる。図１３には、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対する、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度（向き）を異ならせた場合に、アンモニア電極３２及び第２基準電極３３を用いた第２検出部５２の混成電位（電位差ΔＶ）によるセンサ出力がどれだけ変化するかを示す。また、この場合に、ポンプ電極２２及び第１基準電極２４を用いた第１検出部５１の限界電流によるセンサ出力がどれだけ変化するかも示す。
【００９９】
同図において、第２検出部５２の混成電位を検出する際に、センサ本体１００に供給される検出対象ガスＧは、窒素中に、アンモニアが１００ｐｐｍ、酸素が１０体積％含まれるものとした。第１検出部５１の限界電流を検出する際に、センサ本体１００に供給される検出対象ガスＧは、窒素中に、ＮＯｘが１００ｐｐｍ、酸素が１０体積％含まれるものとした。第１検出部５１及び第２検出部５２のセンサ出力においては、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対して、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が９０°である場合を基準値とし、角度が９０°から変化するに連れてセンサ出力が基準値からどれだけ低下するかを示す。なお、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度を変化させたそれぞれの状態において、検出対象ガスＧの流速及び温度は一定になるようにした。
【０１００】
ここで、図１４ａには、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対して、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が９０°である場合を示す。この場合には、アンモニア電極３２に対して排ガスが正面から衝突しやすく、アンモニア電極３２に排ガスが供給されやすい状態が形成される。面方向Ｅの角度が４５０°の場合は、９０°の場合と同じとする。
【０１０１】
また、図１４ｂには、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対して、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１３５°である場合を示す。図１４ｃには、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対して、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１８０°である場合を示す。これらの場合には、アンモニア電極３２に対して排ガスが斜め方向又は横方向から衝突しやすい状態が形成される。面方向Ｅの角度が３６０°の場合は、１８０°の場合と同じとし、面方向Ｅの角度が４０５°の場合は、１３５°の場合と同じとする。
【０１０２】
また、図１４ｄには、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対して、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が２２５°である場合を示す。また、図１４ｅには、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対して、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が２７０°である場合を示す。これらの場合には、アンモニア電極３２に対して排ガスが衝突しにくい状態が形成される。特に、２７０°の場合には、アンモニア電極３２に排ガスが供給されにくい状態が形成される。面方向Ｅの角度が３１５°の場合は、２７０°の場合と同じとする。
【０１０３】
図１３において、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が変化した場合でも、第１検出部５１の限界電流によるセンサ出力にはほとんど変化がない。このことは、第１検出部５１の酸素濃度を示すセンサ出力としての感度には、センサ素子１０の向きによる指向性がほとんどないことを意味する。そして、第１検出部５１の酸素濃度を示すセンサ出力は、第２検出部５２のセンサ出力としての感度の変化を測定する際の基準となることが分かる。なお、第１検出部５１を、ＮＯｘ電極２３と第１基準電極２４との間に生じる限界電流からＮＯｘ濃度を検出するものとした場合にも、同様の結果となる。
【０１０４】
同図に示すように、第２検出部５２の混成電位によるセンサ出力は、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１３５°及び１８０°の場合には、基準値となる９０°の場合と比べて、ほとんど変化していないことが分かる。これらの場合には、アンモニア電極３２に対して検出対象ガスＧが十分に供給され、第２検出部５２による混成電位が十分に得られたためである。
【０１０５】
一方、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が２２５°及び２７０°の場合の第２検出部５２の混成電位によるセンサ出力は、基準値となる９０°の場合と比べて、低下していることが分かる。これらの場合には、アンモニア電極３２に対して検出対象ガスＧが十分に供給されず、アンモニアに対するアンモニア電極３２の感度が低下したためである。
【０１０６】
第２検出部５２によるアンモニア濃度を示すセンサ出力の低下は、検出対象ガスＧが、センサ素子１０を回り込んでアンモニア電極３２に到達することによって生じる。そして、第２検出部５２のセンサ出力が低下する際には、第２検出部５２がアンモニア濃度の変化を検出するための応答時間に遅れが生じる。換言すれば、第２検出部５２のセンサ出力と第２検出部５２の応答時間との間には密接な関係がある。そのため、感度補正部５４は、第２検出部５２の応答時間の遅れを検出し、これに基づいて、第２検出部５２のセンサ出力に生じる低下量を補正する。
【０１０７】
（感度補正係数Ｋ）
感度補正部５４は、第２検出部５２の指向性によって第２検出部５２のセンサ出力に生じる低下量を、センサ出力の低下がない状態に補正するための感度補正係数Ｋとして記憶することができる。そして、感度補正部５４は、電位差検出部５２１によって検出される電位差ΔＶに感度補正係数Ｋを乗算して、補正後電位差ΔＶを算出することができる。そして、アンモニア濃度算出部５２２は、補正後電位差ΔＶ及び酸素濃度に基づいて、補正後アンモニア濃度を算出することができる。感度補正係数Ｋは、後述する図１８の補正マップによって説明する。
【０１０８】
（共通ガス成分を酸素とした場合の、センサ素子１０の向きと第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２との関係）
図１５には、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対する、センサ素子１０のアンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度（向き）を異ならせた場合に、第２検出部５２が、酸素濃度の変化を混成電位（電位差ΔＶ）によって検出するために要する第２応答時間Ｔ２を示す。また、この場合に、ポンプ電極２２及び第１基準電極２４を用いた、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３による第１検出部５１が、酸素濃度の変化を限界電流によって検出するために要する第１応答時間Ｔ１も示す。
【０１０９】
第１検出部５１の第１応答時間Ｔ１及び第２検出部５２の第２応答時間Ｔ２においては、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が９０°である場合を基準値とし、角度が９０°から変化するに連れて各応答時間Ｔ１，Ｔ２が基準値からどれだけ長くなるかを示す。使用する検出対象ガスＧの組成、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度は、図１３の場合と同様である。
【０１１０】
図１６に示すように、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２は、検出対象ガスＧにおける酸素濃度が変化する際に、センサ出力が、濃度変化後の最終出力の１０％になった時点から、濃度変化後の最終出力の９０％になった時点までの時間として表す。各応答時間Ｔ１，Ｔ２は、第１検出部５１及び第２検出部５２の各センサ出力における変化前出力及び変化後出力を検出した後に求める。各応答時間Ｔ１，Ｔ２は、変化後出力から変化前出力を差し引いた出力変化量に対して１０％出力になった時点と、出力変化量に対して９０％出力になった時点との時間差ΔＴから求めることができる。なお、各応答時間Ｔ１，Ｔ２を求める際の出力変化量に対する出力時点は、適宜変更することができる。
【０１１１】
同図に示すように、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度を変更した場合においても、第１検出部５１が酸素濃度の変化を検出するために要する第１応答時間Ｔ１はほとんど変化しない。ガス室２５内へ検出対象ガスＧを導入する拡散抵抗部２５１はセンサ素子１０の先端部に形成されていることにより、第１検出部５１のセンサ出力及び第１検出部５１の第１応答時間Ｔ１は、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するセンサ素子１０の配置角度の影響を受けないと考える。また、第１検出部５１は、限界電流を利用するものであるため、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するセンサ素子１０の配置角度の影響を受けないと考える。
【０１１２】
また、第２検出部５２がアンモニア濃度の変化を検出する際の第２応答時間Ｔ２は、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１３５°及び１８０°の場合には、基準値となる９０°の場合と比べて、ほとんど変化していないことが分かる。一方、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が２２５°及び２７０°の場合の第２検出部５２の第２応答時間Ｔ２は、基準値となる９０°の場合と比べて、長くなっていることが分かる。これらの場合の理由については、図１３の場合と同様である。
【０１１３】
感度補正部５４によって第２検出部５２のセンサ出力としてのアンモニア濃度を補正する際には、第２検出部５２の第２応答時間Ｔ２と第１検出部５１の第１応答時間Ｔ１との時間差ΔＴを利用する。第１検出部５１の第１応答時間Ｔ１は、アンモニア電極３２の面方向Ｅの角度による影響を受けないため、第２検出部５２に生じる第２応答時間Ｔ２の遅れを求める際の基準となる。
【０１１４】
また、各検出部５１，５２によるセンサ出力の変化は、図１６に示すように、増加する場合だけでなく、図１７に示すように、減少する場合もある。図１７においても、図１６の場合と同様に、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴを求めることができる。
【０１１５】
（共通ガス成分を酸素とする場合の関係グラフＮ１及び補正マップＮ２）
ガス濃度検出装置１の使用前の試験時においては、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度と、第２検出部５２のセンサ出力の低下量との関係を求める。ここで、第１検出部５１は、ポンプ電極２２及び第１基準電極２４を利用する、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３によって構成する。また、ポンプ電極２２及びアンモニア電極３２に供給する共通ガス成分は酸素とする。また、試験時において、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度と、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２における時間差ΔＴとの関係を求める。
【０１１６】
この場合には、図１５に示すように、第２検出部５２の応答速度が、酸素濃度を検出する第１検出部５１の応答速度よりも遅い関係により、第２応答時間Ｔ２が第１応答時間Ｔ１よりも大きな値として測定される。第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴは、絶対値として扱うことができる。つまり、時間差ΔＴは、ΔＴ＝｜Ｔ１−Ｔ２｜によって求めることができる。そして、図１８に示すように、試験時において、アンモニア電極３２の面方向Ｅが複数の角度である場合について、センサ出力と時間差ΔＴとの関係を関係グラフＮ１として求める。この関係グラフＮ１は、時間差ΔＴが長いほどセンサ出力が小さい関係として求められる。
【０１１７】
また、図１８に示すように、試験時において、関係グラフＮ１におけるセンサ出力が最大であるときを基準とし、時間差ΔＴが短くなるに連れて補正係数が大きくなる補正マップＮ２を、関係グラフＮ１の逆数の関係として求める。この補正マップＮ２は、ガス濃度検出装置１の使用時において、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１８０°を超えて大きくなった場合に生じる第２検出部５２のセンサ出力の低下量分を、面方向Ｅの角度が９０°である場合の、基準となるセンサ出力の大きさに合わせるためのものである。
【０１１８】
また、ガス濃度検出装置１の試験時において、補正マップＮ２を感度補正部５４に記憶する。感度補正係数Ｋは、ガス濃度検出装置１の使用時において求められた時間差ΔＴを、ガス濃度検出装置１の使用前の試験時において求められた補正マップＮ２に照合したときに、所定の係数として得られる。
【０１１９】
同図に示すように、ガス濃度検出装置１の使用時においては、感度補正部５４は、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２とから求まる時間差ΔＴを補正マップＮ２に代入して、第２検出部５２のセンサ出力としてのアンモニア濃度を補正する。これにより、センサ本体１００が排気管７１の取付口７１１に取り付けられたときに、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１８０°を超えて大きくなった場合であっても、感度補正部５４によって、第２検出部５２によるアンモニア濃度を示すセンサ出力が補正される。そのため、排気管７１に対するセンサ本体１００の組付状態によって、第２検出部５２によって検出されるアンモニア濃度にばらつきが生じることを防止することができる。
【０１２０】
なお、センサ素子１０において、ポンプ電流検出部５１２によるポンプ電流の検出の応答速度は、電位差検出部５２１による電位差ΔＶの検出の応答速度よりも速く、電位差検出部５２１による電位差ΔＶの検出の応答速度は、ＮＯｘ検出部５１４によるＮＯｘの検出の応答速度よりも速い関係にある。
【０１２１】
（第１出力変化時Ｂ１及び第２出力変化時Ｂ２）
感度補正部５４は、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２における時間差ΔＴを利用する代わりに、種々の時間差ΔＴを利用することができる。例えば、図１９に示すように、感度補正部５４は、第１検出部５１による第１出力変化時Ｂ１と第２検出部５２による第２出力変化時Ｂ２との時間差ΔＴを利用することもできる。第１出力変化時Ｂ１と第２出力変化時Ｂ２との時間差ΔＴは、絶対値として扱うことができる。つまり、時間差ΔＴは、ΔＴ＝｜Ｃ１−Ｃ２｜によって求めることができる。各出力変化時Ｂ１，Ｃ２は、各検出部５１，５２のセンサ出力の変化が開始する時とすることができる。この場合の時間差ΔＴは、第１検出部５１の第１出力変化開始時と第２検出部５２の第２出力変化開始時との時間差ΔＴとすることができる。
【０１２２】
また、例えば、各出力変化時Ｂ１，Ｃ２は、各検出部５１，５２のセンサ出力の変化が終了する時とすることもできる。この場合の時間差ΔＴは、第１検出部５１の第１出力変化終了時と第２検出部５２の第２出力変化終了時との時間差ΔＴとすることができる。さらに、例えば、各出力変化時Ｂ１，Ｃ２は、各検出部５１，５２のセンサ出力が変化後の最終出力の５０％に到達した時点とすることもできる。この場合の時間差ΔＴは、第１検出部５１の出力が５０％に到達した時点と、第２検出部５２の出力が５０％に到達した時点との時間差ΔＴとすることができる。
【０１２３】
（第１応答速度Ｕ１及び第２応答速度Ｕ２）
また、感度補正部５４は、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２における時間差ΔＴに代えて、図２０に示すように、第１検出部５１による第１応答速度Ｕ１と第２検出部５２による第２応答速度Ｕ２との速度差ΔＵを利用することもできる。各応答速度Ｕ１，Ｕ２は、各検出部５１，５２のセンサ出力が変化するときの変化量を時間で割った値、換言すれば、時間とセンサ出力との関係グラフＮ１における傾きとすることができる。第１応答速度Ｕ１と第２応答速度Ｕ２との速度差ΔＵは、絶対値として扱うことができる。つまり、速度差ΔＵは、ΔＵ＝｜Ｕ１−Ｕ２｜によって求めることができる。各応答速度Ｕ１，Ｕ２を用いる場合にも、各応答時間Ｔ１，Ｔ２を用いる場合と同様に、関係グラフＮ１及び補正マップＮ２を形成することができる。
【０１２４】
第１出力変化時Ｂ１及び第２出力変化時Ｂ２、又は第１応答速度Ｕ１及び第２応答速度Ｕ２を求める場合においても、各検出部５１，５２によるセンサ出力の変化は、増加する場合だけでなく、減少する場合であってもよい。
【０１２５】
（共通ガス成分としての酸素濃度が基準変化量以上変化する変化形成時期）
基準変化量以上の、共通ガス成分の濃度の変化が形成される変化形成時期は、次の種々のタイミングとすることができる。例えば、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３による、酸素濃度を検出する第１検出部５１を用い、共通ガス成分として酸素を用いる場合には、車両の内燃機関７のフューエルカット運転の開始時又は終了時を変化形成時期とすることができる。
【０１２６】
フューエルカット運転の開始時においては、燃料噴射装置等から内燃機関７の各気筒に供給するための燃料の噴射が停止される。このとき、内燃機関７の各気筒から排気管７１に排気される、検出対象ガスＧとしての排ガスの組成は、酸素濃度が低い状態から酸素濃度が高い状態に変化する。そして、排ガスにおける酸素濃度が高くなる方向に基準変化量以上変化し、この変化のタイミングを感度補正部５４に利用することができる。
【０１２７】
また、フューエルカット運転の停止時においては、燃料噴射装置等から内燃機関７の各気筒に供給するための燃料の噴射が再開される。このとき、内燃機関７の各気筒から排気管７１に排気される、検出対象ガスＧとしての排ガスの組成は、酸素濃度が高い状態から酸素濃度が低い状態に変化する。そして、排ガスにおける酸素濃度が低くなる方向に基準変化量以上変化し、この変化のタイミングを感度補正部５４に利用することができる。
【０１２８】
また、例えば、ポンプ電極２２、第１基準電極２４、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３による、酸素濃度を検出する第１検出部５１を用い、共通ガス成分として酸素を用いる場合には、車両の内燃機関７のアイドリング運転の終了時を変化形成時期とすることができる。アイドリング運転の終了時においては、車両の運転手等によってアクセルペダルが踏み込まれ、燃料噴射装置等から内燃機関７の各気筒に供給される燃料の噴射量が増加する。このとき、内燃機関７の各気筒から排気管７１に排気される、検出対象ガスＧとしての排ガスの組成は、酸素濃度が高い状態から酸素濃度が低い状態に変化する。そして、排ガスにおける酸素濃度が低くなる方向に基準変化量以上変化することがある。そして、この変化のタイミングを感度補正部５４に利用することができる。
【０１２９】
（感度補正係数Ｋを求めるタイミング）
センサ制御ユニット５においては、電位差検出部５２１による電位差ΔＶ、ポンプ電流検出部５１２によるポンプ電流（限界電流）、及びＮＯｘ検出部５１４によるセンサ電流（限界電流）を、これらの検出が行われるごとに適宜保存することができる。センサ制御ユニット５は、エンジン制御ユニット５０からフューエルカット運転の開始時又は停止時、アイドリング運転の終了時を示す感度補正信号を受け取ることができる。そして、感度補正部５４は、感度補正信号を受け取った後、記憶した過去の所定期間内の電位差ΔＶ、ポンプ電流及びセンサ電流のデータを用いて、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴを求めることができる。そして、この時間差ΔＴに基づいて、電位差ΔＶ又はアンモニア濃度を補正するための感度補正係数Ｋを求めることができる。
【０１３０】
この感度補正係数Ｋの求め方は、第１出力変化時Ｂ１及び第２出力変化時Ｂ２、又は第１応答速度Ｕ１及び第２応答速度Ｕ２を求める場合においても同様である。
【０１３１】
（ガス濃度検出装置１の制御方法）
次に、本形態のガス濃度検出装置１の制御方法の一例を、図２１のフローチャートを参照して説明する。
車両の内燃機関７の燃焼運転が開始されたときには、ガス濃度検出装置１、還元剤供給装置７３等が動作する。また、ガス濃度検出装置１における通電制御部５３によって発熱体４１が通電され、センサ素子１０が活性温度になるまで加熱される。そして、センサ素子１０が活性化された後、ガス濃度検出装置１による、アンモニア濃度、ＮＯｘ濃度、酸素濃度の検出が開始される（ステップＳ１０１）。
【０１３２】
具体的には、ガス濃度検出装置１においては、電位差検出部５２１によって、アンモニア電極３２と第２基準電極３３との間に生じる電位差ΔＶが検出されるとともに、ポンプ電流検出部５１２によって、ポンプ電極２２と第１基準電極２４との間に流れるポンプ電流が検出される。また、ＮＯｘ検出部５１４によってＮＯｘ電極２３と第１基準電極２４との間に生じるセンサ電流が検出される（ステップＳ１０２）。
【０１３３】
また、酸素濃度算出部５１３によって、ポンプ電流検出部５１２によるポンプ電流に基づいて、検出対象ガスＧにおける酸素濃度が算出される（ステップＳ１０３）。また、アンモニア濃度算出部５２２によって、電位差検出部５２１による電位差ΔＶに感度補正係数Ｋが乗算されて、酸素濃度及び感度補正係数Ｋによって補正された、検出対象ガスＧにおける補正後アンモニア濃度が算出される（ステップＳ１０４）。感度補正係数Ｋの変更がなされていない初期時においては、感度補正係数Ｋは、補正がないことを示す１とする。また、ＮＯｘ濃度算出部５１５によって、ＮＯｘ検出部５１４によるセンサ電流に基づいて、検出対象ガスＧにおける補正前ＮＯｘ濃度が算出され、補正前ＮＯｘ濃度から補正後アンモニア濃度が差し引かれて補正後ＮＯｘ濃度が算出される（ステップＳ１０５）。
【０１３４】
また、センサ制御ユニット５においては、電位差ΔＶ及びポンプ電流の検出時から遡った所定期間における、電位差検出部５２１による電位差ΔＶ（混成電位）及びポンプ電流検出部５１２によるポンプ電流（限界電流）が記憶される（ステップＳ１０６）。次いで、アンモニア濃度を検出する第２検出部５２による感度を補正する条件としての感度補正条件が満たされたか否かが判定される（ステップＳ１０７）。具体的には、感度補正条件は、例えば、共通ガス成分としての酸素の濃度の基準変化量以上の変化が形成されるフューエルカット運転の開始時が検出された時とする。
【０１３５】
そして、感度補正条件が満たされたとき、すなわち、センサ制御ユニット５が、エンジン制御ユニット５０からフューエルカット運転が開始されたことの情報を受信したときには、感度補正部５４によって、記憶した所定期間におけるポンプ電流のデータから第１応答時間Ｔ１が求められるとともに、記憶した所定期間における電位差ΔＶのデータから第２応答時間Ｔ２が求められる（ステップＳ１０８）。また、感度補正部５４によって、第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴから、電位差ΔＶを補正するための補正係数が求められ、この補正係数によって感度補正係数Ｋを変更する（ステップＳ１０９）。感度補正係数Ｋは、感度補正部５４によって、時間差ΔＴが補正マップＮ２に代入されたときに求められる。
【０１３６】
次いで、再び、ステップＳ１０４において、アンモニア濃度算出部５２２によって、電位差検出部５２１による電位差ΔＶに基づいて、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度が算出されるときには、感度補正部５４によって、電位差ΔＶに感度補正係数Ｋが乗算されて、電位差ΔＶが補正される。これにより、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するセンサ素子１０の向きによって生じる第２検出部５２の感度のずれ（低下）によるアンモニア濃度の誤差が補正される。以後、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６が繰り返し実行されてアンモニア濃度が算出されるごとに、感度補正係数Ｋによるアンモニア濃度の補正がなされる。
【０１３７】
感度補正係数Ｋは、ステップＳ１０７の感度補正条件が複数回満たされたときに求められる値の平均値としてもよい。また、適宜タイミングで、内燃機関７の燃焼運転が停止されたときには、ガス濃度検出装置１による、アンモニア濃度、ＮＯｘ濃度、酸素濃度の検出が終了される。
【０１３８】
（作用効果）
【０１３９】
本形態のガス濃度検出装置１は、限界電流（ポンプ電流）に基づいて酸素濃度を検出する第１検出部５１と、電位差ΔＶ（混成電位）に基づいてアンモニア濃度を検出する第２検出部５２とを備える場合に、第１検出部５１及び第２検出部５２が共通ガス成分としての酸素を検出する際の、第１検出部５１の第１応答時間Ｔ１と第２検出部５２の第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴを利用して、第２検出部５２によるアンモニア濃度を補正するものである。
【０１４０】
第１検出部５１を構成するポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３は、検出対象ガスＧの流量が律速（制限）されるとともにポンプ電極２２と第１基準電極２４との間に直流電圧が印加される状態において検出される限界電流を利用するものである。そのため、ポンプ電流検出部５１２によるポンプ電流の検出にポンプ電極２２の触媒性能はほとんど影響しない。そして、酸素濃度算出部５１３による酸素濃度の検出には誤差がほとんど生じない。
【０１４１】
一方、第２検出部５２を構成する電位差検出部５２１及びアンモニア濃度算出部５２２は、検出対象ガスＧがアンモニア電極３２に接触するときに検出される電位差ΔＶを利用するものであり、電位差検出部５２１による電位差ΔＶの検出にアンモニア電極３２の触媒性能が大きく影響する。そして、アンモニア濃度算出部５２２によるアンモニア濃度の検出には誤差が生じやすい。
【０１４２】
感度補正部５４においては、第１検出部５１によって共通ガス成分としての酸素の濃度を検出する際の第１応答時間Ｔ１を、第２検出部５２の感度の補正を行うための基準とする。そして、感度補正部５４は、第１応答時間Ｔ１に対して、第２検出部５２によって共通ガス成分としての酸素の濃度を検出する際の第２応答時間Ｔ２がどれだけ異なるかを検知して、第２検出部５２によるアンモニア濃度を補正する量を求める。
【０１４３】
より具体的には、感度補正部５４においては、ポンプ電極２２及びアンモニア電極３２に接触する共通ガス成分としての酸素の濃度が基準変化量以上変化したときの第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２を求める。アンモニアに対する電位差検出部５２１の感度は、アンモニア電極３２の触媒性能の影響を受ける。そして、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２における時間差ΔＴと、電位差検出部５２１がアンモニアを検出する感度とは互いに関連している。
【０１４４】
本形態のガス濃度検出装置１の感度補正部５４においては、時間差ΔＴと、アンモニアに対する電位差検出部５２１の感度との関係性を利用する。そして、感度補正部５４においては、時間差ΔＴは、アンモニアに対する電位差検出部５２１の感度を反映するものとして、アンモニア濃度算出部５２２によるアンモニア濃度の補正に利用する。
【０１４５】
これにより、アンモニアに対する電位差検出部５２１の感度が、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度の影響を受けて変化する、指向性を有していても、感度補正部５４によって、アンモニア濃度算出部５２２によるアンモニア濃度を補正し、ガス濃度検出装置１から出力されるアンモニア出力濃度に誤差が生じにくくすることができる。
【０１４６】
それ故、本形態のガス濃度検出装置１によれば、酸素濃度及びアンモニア濃度を検出する場合に、電位差ΔＶに基づくアンモニア出力濃度に誤差が生じにくくすることができる。
【０１４７】
なお、第２検出部５２によって検出する第２ガス成分は、アンモニアとする以外にも、二酸化窒素（ＮＯ2）とすることもできる。この場合には、第２素子部の混成電位電極には、二酸化窒素に対する触媒活性を有する電極を用いる。また、この場合には、混成電位電極においては、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に含まれる二酸化窒素の電気化学的酸化反応とが釣り合うときに生じる混成電位が検出される。この場合においても、アンモニア濃度を検出する場合と同様の作用効果が得られる。
【０１４８】
＜実施形態２＞
本形態は、図２２に示すように、第１検出部５１をＮＯｘ検出部５１４及びＮＯｘ濃度算出部５１５によって構成し、かつ第１検出部５１を第１ガス成分濃度としてのＮＯｘ濃度を検出するものとしたガス濃度検出装置１について示す。本形態のガス濃度検出装置１は、第２検出部５２による第２ガス成分濃度の補正に利用する第１検出部５１を、ＮＯｘ濃度を検出するものに変更したものである。本形態のセンサ素子１０の基本的な構造は、実施形態１の場合と同様である。
【０１４９】
本形態の感度補正部５４において用いる共通ガス成分は、ＮＯｘ検出部５１４及び電位差検出部５２１に対する感度を有するアンモニアとする。アンモニアは、例えば６００℃以上の高い温度に晒されたときに酸化し、ＮＯｘを生成することが知られている。そして、アンモニアは、６００℃以上に加熱された第１固体電解質体２１、ポンプ電極２２、拡散抵抗部２５１等によってＮＯｘに変換された状態でＮＯｘ電極２３に到達すると考えられる。そのため、ＮＯｘ検出部５１４及び電位差検出部５２１に対して感度を有する共通ガス成分はアンモニアとすることができる。
【０１５０】
共通ガス成分をアンモニアとする場合には、第１応答時間Ｔ１は、第１検出部５１が、ＮＯｘ電極２３、第１基準電極２４、ＮＯｘ検出部５１４及びＮＯｘ濃度算出部５１５を用いて、アンモニア濃度を検出するために要する時間とする。この場合に、第１検出部５１は、アンモニアの酸化によって生成されたＮＯｘの濃度を検出することになる。また、第２応答時間Ｔ２は、第２検出部５２が、アンモニア濃度の変化を混成電位（電位差ΔＶ）によって検出するために要する時間とする。
【０１５１】
（共通ガス成分をアンモニアとする場合の関係グラフＮ１及び補正マップＮ２）
本形態のガス濃度検出装置１の使用前の試験時においても、排気管７１における排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度と、第２検出部５２のセンサ出力の低下量との関係を求める。また、試験時において、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度と、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２における時間差ΔＴとの関係を求める。
【０１５２】
この場合には、図２３に示すように、アンモニアが変換されて生成されたＮＯｘを検出する第１検出部５１の応答速度が、第２検出部５２の応答速度よりも遅い関係により、第１応答時間Ｔ１が第２応答時間Ｔ２よりも大きな値として測定される。第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴは、絶対値として扱うことができる。そして、図２４に示すように、試験時において、アンモニア電極３２の面方向Ｅが複数の角度である場合について、センサ出力と時間差ΔＴとの関係を関係グラフＮ１として求める。この関係グラフＮ１は、時間差ΔＴが長いほどセンサ出力が大きい関係として求められる。
【０１５３】
また、図２４に示すように、関係グラフＮ１におけるセンサ出力が最大であるときを基準とし、時間差ΔＴが短くなるに連れて補正係数が大きくなる補正マップＮ２を、関係グラフＮ１の逆数の関係として求める。この補正マップＮ２は、ガス濃度検出装置１の使用時において、排ガスの流れの上流側方向Ｊに対するアンモニア電極３２の面方向Ｅの角度が１８０°を超えて大きくなった場合に生じる第２検出部５２のセンサ出力の低下量分を、基準となるセンサ出力の大きさに合わせるためのものである。また、ガス濃度検出装置１の試験時において、補正マップＮ２を感度補正部５４において記憶する。
【０１５４】
（共通ガス成分としてのアンモニア濃度が基準変化量以上変化する変化形成時期）
ＮＯｘ検出部５１４及びＮＯｘ濃度算出部５１５による、アンモニア濃度を検出する第１検出部５１を用い、共通ガス成分としてアンモニアを用いる場合には、感度補正部５４が利用する変化形成時期は、車両の内燃機関７のフューエルカット運転時又はアイドリング運転時に、共通ガス成分としてのアンモニアの濃度が基準変化量以上変化する場合を変化形成時期とすることができる。
【０１５５】
還元剤供給装置７３から内燃機関７の排気管７１に供給される還元剤Ｋとしてのアンモニアは、触媒７２に付着されなくなったときには、触媒７２から排気管７１へ流出する。このとき、第２検出部５２においては、共通ガス成分としてのアンモニア濃度が高くなる方向に基準変化量以上変化することがある。また、触媒７２から排気管７１へ流出するアンモニアの量が減少するとき、第２検出部５２においては、共通ガス成分としてのアンモニア濃度が低くなる方向に基準変化量以上変化することがある。そして、この変化のタイミングを感度補正部５４に利用することができる。
【０１５６】
また、共通ガス成分として利用する、検出対象ガスＧ中のアンモニアは、還元剤供給装置７３から噴射する尿素水によって、触媒７２に付着されるよりも若干過剰に存在して、触媒７２から流出するアンモニアとすることができる。この場合には、アンモニアを意図的に発生させ、検出対象ガスＧにおけるアンモニア濃度が基準変化量以上変化する状態を形成することができる。
【０１５７】
本形態のガス濃度検出装置１の制御方法は、実施形態１の場合と同様である。本形態においては、図２１のステップＳ１０７における感度補正条件が満たされる変化形成時期は、フューエルカット運転時又はアイドリング運転時に設定することができる。
【０１５８】
なお、アンモニア電極３２においては、検出対象ガスＧにおけるＮＯｘを検出することができる場合もある。この場合には、感度補正部５４において利用する共通ガス成分を、ＮＯｘとしてもよい。
【０１５９】
本形態のガス濃度検出装置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。
【０１６０】
＜実施形態３＞
本形態のガス濃度検出装置１は、図２５に示すように、感度補正部５４等の他に、第２素子部としてのアンモニア素子部３における劣化の有無又は劣化度合を判定する劣化判定部５５を備える。劣化判定部５５は、内燃機関７から排気管７１へ排気される検出対象ガスＧとしての排ガスの組成が変化しにくい状態において、ガス濃度検出装置１の使用初期において求めた初期時間差ΔＴａと、ガス濃度検出装置１の使用開始後の所定時間経過後において求めた使用後時間差ΔＴｂとの時間差ΔＴｃを判定する。
【０１６１】
初期時間差ΔＴａは、ガス濃度検出装置１の使用初期において、第１検出部５１による第１応答時間Ｔ１と第２検出部５２による第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴとして求める。使用後時間差ΔＴｂは、ガス濃度検出装置１の所定時間経過後において、第１検出部５１による第１応答時間Ｔ１と第２検出部５２による第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴとして求める。
【０１６２】
そして、劣化判定部５５は、初期時間差ΔＴａと使用後時間差ΔＴｂとの時間差ΔＴｃが所定の時間差ΔＴ０を超えた場合には、アンモニア素子部３に劣化が生じたと判定することができる。また、劣化判定部５５は、初期時間差ΔＴａと使用後時間差ΔＴｂとの時間差ΔＴｃが所定の時間差ΔＴ０以内の場合には、アンモニア素子部３には劣化が生じていない又はアンモニア素子部３に生じた劣化は許容できるものと判定することができる。時間差ΔＴｃは、絶対値として、ΔＴｃ＝｜ΔＴａ−ΔＴｂ｜によって求めることができる。
【０１６３】
使用後時間差ΔＴｂを求める時期を決定する所定時間は、ガス濃度検出装置１が搭載された車両の走行距離が所定の走行距離になったときとすることができる。また、劣化判定部５５は、初期時間差ΔＴａと使用後時間差ΔＴｂとの時間差ΔＴｃ、初期時間差ΔＴａに対する使用後時間差ΔＴｂの比等に基づいて、アンモニア素子部３における劣化度合を判定することもできる。
【０１６４】
また、劣化判定部５５は、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２の代わりに、実施形態１の場合と同様に、第１出力変化時Ｂ１及び第２出力変化時Ｂ２を用いることもできる。この場合には、劣化判定部５５は、ガス濃度検出装置１の使用初期において求めた、第１検出部５１による第１出力変化時Ｂ１と第２検出部５２による第２出力変化時Ｂ２との初期時間差ΔＴａと、ガス濃度検出装置１の使用開始後の所定時間経過後において求めた、第１検出部５１による第１出力変化時Ｂ１と第２検出部５２による第２出力変化時Ｂ２との使用後時間差ΔＴｂとの時間差ΔＴｃに基づいて劣化の有無又は劣化度合を判定することができる。
【０１６５】
また、劣化判定部５５は、第１応答時間Ｔ１及び第２応答時間Ｔ２の代わりに、実施形態１の場合と同様に、第１応答速度Ｕ１及び第２応答速度Ｕ２を用いることもできる。この場合には、劣化判定部５５は、ガス濃度検出装置１の使用初期において求めた、第１検出部５１による第１応答速度Ｕ１と第２検出部５２による第２応答速度Ｕ２との初期速度差ΔＵａと、ガス濃度検出装置１の使用開始後の所定時間経過後において求めた、第１検出部５１による第１応答速度Ｕ１と第２検出部５２による第２応答速度Ｕ２との使用後速度差ΔＵｂとの速度差ΔＵｃに基づいて劣化の有無又は劣化度合を判定することができる。
【０１６６】
また、第１検出部５１は、共通ガス成分を酸素とする場合には、実施形態１の場合と同様に、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３によって構成することができる。また、第１検出部５１は、共通ガス成分をアンモニアとする場合には、実施形態２の場合と同様に、ＮＯｘ検出部５１４及びＮＯｘ濃度算出部５１５によって構成することができる。
【０１６７】
（ガス濃度検出装置１の制御方法）
次に、本形態のガス濃度検出装置１の制御方法の一例を、図２６及び図２７のフローチャートを参照して説明する。
本形態においても、実施形態１の図２１のステップＳ１０１と同様に、センサ素子１０が活性化された後、ガス濃度検出装置１による、アンモニア濃度、ＮＯｘ濃度、酸素濃度の検出が開始される（図２６のステップＳ２０１）。次いで、検出ルーチン（ステップＳ２０２）として、実施形態１の図２１のステップＳ１０２〜Ｓ１０６と同様にして、図２７のステップＳ２５１〜Ｓ２５５が実行される。
【０１６８】
次いで、ガス濃度検出装置１の動作を開始した後、劣化判定を行うための所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。所定時間が経過する前においては、アンモニア濃度を検出する第２検出部５２による感度を補正する条件としての感度補正条件が満たされたか否かが判定される（ステップＳ２０４）。そして、感度補正条件が満たされたときには、実施形態１の図２１のステップＳ１０８及びＳ１０９と同様にして、図２６のステップＳ２０５及びＳ２０６が実行される。ステップＳ２０５及びＳ２０６においては、感度補正部５４によって求められた第１応答時間Ｔ１と第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴを、初期時間差ΔＴａとする。
【０１６９】
一方、ステップＳ２０３において、所定時間が経過したと判定されたときには、感度補正部５４は、使用後時間差ΔＴｂを、第１検出部５１による第１応答時間Ｔ１と第２検出部５２による第２応答時間Ｔ２との時間差ΔＴとして求める（ステップＳ２０７）。次いで、劣化判定部５５は、初期時間差ΔＴａと使用後時間差ΔＴｂとの時間差ΔＴｃが所定の時間差ΔＴ０を超えたか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ΔＴｃは、ΔＴｃ＝｜ΔＴａ−ΔＴｂ｜によって求める。
【０１７０】
ステップＳ２０８において、時間差ΔＴｃが所定の時間差ΔＴ０以内にある場合には、劣化判定部５５は、アンモニア素子部３に劣化が生じていないことを検知する（ステップＳ２０９）。そして、劣化判定を行う時期を決定するための所定時間をリセットし（ステップＳ２１０）、ステップＳ２０２の検出ルーチンが再び繰り返し行われるようにする。
【０１７１】
ステップＳ２０８において、時間差ΔＴｃが所定の時間差ΔＴ０を超えた場合には、劣化判定部５５は、アンモニア素子部３に劣化が生じたことを検知する（ステップＳ２１１）。そして、劣化判定部５５は、ランプ表示等によって、劣化が発生したことを警告することができる（ステップＳ２１２）。この場合にも、劣化判定を行う時期を決定するための所定時間をリセットし（ステップＳ２１０）、ステップＳ２０２の検出ルーチンが再び繰り返し行われるようにする。
【０１７２】
（作用効果）
アンモニア素子部３におけるアンモニア電極３２は、混成電位を検出するものであり、その触媒性能の劣化が検出精度に影響を与えやすい。アンモニア電極３２は、加熱されることによって劣化するとともに、検出対象ガスＧとしての排ガスに含まれる被毒物質等の影響を受けても劣化する。アンモニア素子部３を用いた第２検出部５２によるアンモニア濃度の検出においては、アンモニア電極３２の触媒能力による影響を受けて誤差が生じやすい。
【０１７３】
そこで、本形態のガス濃度検出装置１においては、感度補正部５４による第２検出部５２の感度の補正を行うとともに、劣化判定部５５によるアンモニア素子部３の劣化の有無を判定する。これにより、アンモニア素子部３に、アンモニア濃度の検出精度を悪化させる程度の劣化が生じた場合には、車両の乗員に警告をし、ガス濃度検出装置１のメンテナンスを行うことを促すことができる。
【０１７４】
本形態のガス濃度検出装置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。
【０１７５】
＜実施形態４＞
本形態は、酸素濃度及びアンモニア濃度を検出する機能を有する一方、ＮＯｘを検出する機能を有しないセンサ素子１０について示す。図２８及び図２９に示すように、第１固体電解質体２１には、ポンプ電極２２及び第１基準電極２４が形成されており、ＮＯｘ電極２３は形成されていない。酸素素子部２は、第１固体電解質体２１、ポンプ電極２２、第１基準電極２４、ガス室２５及び拡散抵抗部２５１によって形成されている。本形態のアンモニア素子部３の構成は、実施形態１の場合と同様である。
【０１７６】
本形態の第１検出部５１は、検出対象ガスＧにおける酸素濃度を検出するよう、ポンピング部５１１、ポンプ電流検出部５１２及び酸素濃度算出部５１３によって構成されている。本形態における感度補正部５４の構成は、実施形態１の場合と同様である。本形態のガス濃度検出装置１の構成は、ＮＯｘを検出する機能を有していない点以外は、実施形態１の場合と同様である。
【０１７７】
本形態のガス濃度検出装置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１〜３の場合と同様である。また、本形態においても、実施形態１〜３に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１〜３の場合と同様である。
【０１７８】
実施形態１〜４のガス濃度検出装置１のセンサ素子１０において、基準ガスダクト３４は形成しないこともできる。
また、アンモニア素子部３の第２基準電極３３は、基準ガスダクト３４内に配置しないこともできる。この場合には、アンモニア電極３２及び第２基準電極３３を、センサ素子１０の外側表面を構成する第２固体電解質体３１の外表面３１１に配置することができる。この場合には、アンモニア電極３２と第２基準電極３３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。
【０１７９】
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【０１８０】
１  ガス濃度検出装置
２  酸素素子部（第１素子部）
２１  第１固体電解質体
２２，２３，２４  第１電極
２５  ガス室
３  アンモニア素子部（第２素子部）
３１  第２固体電解質体
３２，３３  第２電極
５１  第１検出部
５２  第２検出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１４ｅ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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