(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線方向に延び、自身の先端部にＮＯｘセンサ部及びアンモニアセンサ部を設けると共に、該先端部の外表面に該アンモニアセンサ部を露出させたガスセンサ素子であって、
第１固体電解質体、及び第１測定室の内部と外部に位置するように該第１固体電解質体上に設けられた一対の第１電極を有し、ガス拡散孔を介して前記第１測定室内に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第１ポンピングセルと、第２固体電解質体、及び前記第１測定室に連通するＮＯｘ測定室の内部と外部に位置するように該第２固体電解質体上に設けられた一対の第２電極を有し、前記第１測定室にて酸素濃度が調整されて前記ＮＯｘ測定室内に流入した被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた第２ポンピング電流が前記一対の第２電極間に流れる第２ポンピングセルと、を備えたＮＯｘセンサ部と、
少なくとも一対の電極が固体電解質体上に配置された、アンモニア濃度出力を出力するアンモニアセンサ部と、
を共に設けたガスセンサ素子；
前記ガスセンサ素子の先端部を自身の先端から突出させつつ、該ガスセンサ素子を保持する筒状の主体金具；
及び前記主体金具の先端部に固定され、前記ガスセンサ素子の前記先端部を覆う有底筒状のプロテクタであって、
該プロテクタの側壁に前記被測定ガスを導入するガス導入孔が設けられると共に、前記プロテクタの先端壁に前記被測定ガスが排出されるガス排出孔が設けられたプロテクタ；
を備えたマルチガスセンサにおいて、
前記アンモニアセンサ部は、前記ガス導入孔と前記ガス排出孔との軸線方向の間の位置に少なくとも一部が配置され、
前記ガス導入孔と前記アンモニアセンサ部との最短距離は、前記ガス導入孔と前記ガス拡散孔との最短距離よりも短いマルチガスセンサ。
【請求項２】
前記ガス拡散孔は、前記ガス排出孔と前記アンモニアセンサ部との軸線方向の間の位置に配置されている請求項１記載のマルチガスセンサ。
【請求項３】
前記アンモニアセンサ部と前記プロテクタの側壁の内側面との最短距離は、前記アンモニアセンサ部を除く前記ガスセンサ素子と前記プロテクタの側壁の内側面との最短距離より短い請求項１又は２記載のマルチガスセンサ。
【請求項４】
前記プロテクタの側壁のうち、前記アンモニアセンサ部と最短距離となる部位は、前記プロテクタを径方向内側に突出させて形成されている請求項３記載のマルチガスセンサ。
【請求項５】
前記ＮＯｘセンサ部と前記アンモニアセンサ部とが軸線方向において重なる請求項１〜４のいずれかに記載のマルチガスセンサ。
【請求項６】
前記アンモニアセンサ部と前記ガス導入孔との最短距離は、前記アンモニアセンサ部と前記ガス排出孔との最短距離より短い請求項１〜５のいずれかに記載のマルチガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガス中の窒素酸化物濃度及びアンモニア濃度を検出するに適したマルチガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気ガス等の被測定ガス中の特定ガスの濃度を測定するガスセンサとして、固体電解質体を用いつつ被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサや、一対の電極間のインピーダンス変化又は起電力変化を利用して被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するアンモニアセンサが知られている。
さらに、被測定ガス中のＮＯｘ濃度とアンモニア濃度を同時に測定する技術として、被測定ガスをＮＨ３強酸化触媒に接触させてアンモニアをＮＯｘに変換して全ＮＯｘ濃度を測定する工程と、被測定ガスをＮＨ３弱酸化触媒に接触させてアンモニアの一部をＮＯｘに変換してＮＯｘ濃度を測定する工程とを有し、これらの工程の２つの検出値からＮＯｘ濃度とアンモニア濃度を演算する技術が提案されている（特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、触媒能の違いにより測定を行うため、測定環境（温度、流速、圧力等）の変化によって触媒能が変化し、正確な測定ができないことがある。さらに、複数種のガス濃度を別個のセンサで測定すると、各センサの位置が同一場所でないため、ガス濃度や温度分布等が各センサ毎に異なり、又、各センサでの計測に遅れが生じる。そして、これらに起因して測定に影響を与えることがある。
【０００３】
このようなことから、１つのガスセンサ素子にＮＯｘセンサ部とアンモニアセンサ部とを共に設けることで、ガス濃度や温度分布等が各センサ部共に一致し、各センサ部での計測の遅れを抑制してＮＯｘ濃度とアンモニア濃度を高精度で測定可能なマルチガスセンサが提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３３４４７号公報
【特許文献２】特開２０１０−３８８０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２のようなマルチガスセンサのガスセンサ素子は、通常、先端部にＮＯｘセンサ部及びアンモニアガスセンサ部を設けている。そして、ガスセンサ素子は、先端部を筒状の主体金具の先端から突出させて主体金具に保持され、さらに、主体金具の先端部に固定されたプロテクタにより、この先端部を覆う構成となっている。このプロテクタは、排気管中の水分が直接ガスセンサ素子に被水することを抑制するために設けられており、側面にプロテクタ内部に被測定ガスが導入可能なガス導入孔、先端面にプロテクタ内部の被測定ガスが排出可能なガス排出孔を有する有底筒状をなしている。
【０００６】
ところで、被測定ガス中のＮＯｘ濃度出力を適切に検出するため、ＮＯｘセンサ部は750℃程度に昇温制御されている。このため、ガス導入孔からプロテクタ内に導入された被測定ガスがＮＯｘセンサ部の近傍（より具体的には、プロテクタとガスセンサ素子との間隙のうち、ＮＯｘセンサ部が配置された近傍の間隙）を通過した後、アンモニアセンサ部に到達すると、ＮＯｘセンサ部の高い制御温度によって被測定ガス中のアンモニアが熱分解してしまい、アンモニアセンサ部に到達した被測定ガス中のアンモニア濃度出力が正確に計測できない可能性がある。
従って本発明は、１つのガスセンサ素子でＮＯｘ濃度出力とアンモニア濃度出力を測定可能で、かつ高温のＮＯｘセンサ部を通過してアンモニアが熱分解された被測定ガスがアンモニアセンサ部に到達するのを防止し、アンモニア濃度出力を正確に測定可能なマルチガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明のマルチガスセンサは、軸線方向に延び、自身の先端部にＮＯｘセンサ部及びアンモニアセンサ部を設けると共に、該先端部の外表面に該アンモニアセンサ部を露出させたガスセンサ素子であって、第１固体電解質体、及び第１測定室の内部と外部に位置するように該第１固体電解質体上に設けられた一対の第１電極を有し、ガス拡散孔を介して前記第１測定室内に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行う第１ポンピングセルと、第２固体電解質体、及び前記第１測定室に連通するＮＯｘ測定室の内部と外部に位置するように該第２固体電解質体上に設けられた一対の第２電極を有し、前記第１測定室にて酸素濃度が調整されて前記ＮＯｘ測定室内に流入した被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた第２ポンピング電流が前記一対の第２電極間に流れる第２ポンピングセルと、を備えたＮＯｘセンサ部と、少なくとも一対の電極が固体電解質体上に配置された、アンモニア濃度出力を出力するアンモニアセンサ部と、を共に設けたガスセンサ素子；前記ガスセンサ素子の先端部を自身の先端から突出させつつ、該ガスセンサ素子を保持する主体金具；及び前記主体金具の先端部に固定され、前記ガスセンサ素子の先端部を覆う有底筒状のプロテクタであって、該プロテクタの側壁に前記被測定ガスを導入するガス導入孔が設けられると共に、前記プロテクタの先端壁に前記被測定ガスが排出されるガス排出孔が設けられたプロテクタ；を備えたマルチガスセンサにおいて、前記アンモニアセンサ部は、前記ガス導入孔と前記ガス排出孔との軸線方向の間の位置に少なくとも一部が配置され、前記ガス導入孔と前記アンモニアセンサ部との最短距離は、前記ガス導入孔と前記ガス拡散孔との最短距離よりも短い。
【０００８】
このようなマルチガスセンサによれば、ガス導入孔とアンモニアセンサ部との最短距離ｄ１＜ガス導入孔とガス拡散孔との最短距離ｄ２の関係であるので、ガス拡散孔よりもガス導入孔に近いアンモニアセンサ部に被測定ガスが最初に接触する。これにより、ガス導入孔からプロテクタ内に導入された被測定ガスが昇温されたＮＯｘセンサ部の近傍を通過した後にアンモニアガスセンサ部に到達することが無く、アンモニアが熱分解する前の新鮮な被測定ガス（つまり、ガス導入孔を通過する状態での被測定ガス）をアンモニアセンサ部に到達させることができ、アンモニア濃度出力の測定精度が向上する。又、ＮＯｘセンサ部を制御温度に十分昇温することもできるので、ＮＯｘ濃度出力の測定精度も向上する。
又、ガス導入孔とガス排出孔との軸線方向の間の位置にアンモニアセンサ部の少なくとも一部が配置される。このため、ガス導入孔からガス排出孔への被測定ガスの流路上にアンモニアセンサ部が存在することになり、アンモニアセンサ部に十分な被測定ガスが供給（拡散）された状態でアンモニア濃度を測定することができ、被測定ガスのガス流速が変化しても安定してアンモニア濃度を測定でき、その結果、アンモニア濃度出力の検知の応答性も速くなる。
なお、ガス導入孔からガス排出孔への被測定ガスの流れは、マルチガスセンサが排気管等に取り付けられた際に、マルチガスセンサ先端側のガス排出孔近傍で被測定ガスの流速が速くなり、プロテクタ内圧がガス排出孔の方がガス導入孔より低圧になるために生じる。
【０００９】
さらに、本発明のマルチガスセンサにおいては、前記ガス拡散孔は、前記ガス排出孔と前記アンモニアセンサ部との軸線方向の間の位置に配置されていてもよい。
このような構成とすると、ガス導入孔からガス排出孔への被測定ガスの流路上にガス拡散孔が存在することとなり、ＮＯｘセンサ部に十分な被測定ガスが供給（拡散）された状態でＮＯｘ濃度出力を測定することができ、ＮＯｘ検知の応答性が速くなり、その結果、安定してＮＯｘを測定できる。
【００１０】
さらに、本発明のマルチガスセンサにおいては、前記アンモニアセンサ部と前記プロテクタの側壁の内側面との最短距離は、前記アンモニアセンサ部を除く前記ガスセンサ素子と前記プロテクタの側壁の内側面との最短距離より短いとよい。
このような構成とすると、ベンチュリ効果により、プロテクタとガスセンサ素子との間隙のうち、アンモニアセンサ部近傍の間隙における被測定ガスの流速が周囲のプロテクタとガスセンサ素子との間隙における被測定ガスの流速より速くなるため、アンモニアセンサ部に十分な被測定ガスが供給（拡散）され、アンモニア濃度出力の測定精度がさらに向上する。
【００１１】
そして、上述の構成を達成するためには、前記プロテクタの側壁のうち、前記アンモニアセンサ部と最短距離となる部位は、前記プロテクタを径方向内側に突出させて形成されてもよい。
このような構成とすると、上記したベンチュリ効果を容易に実現することができる。
【００１２】
さらに、本発明のガスセンサは、前記軸線方向において、前記ＮＯｘセンサ部と前記アンモニアセンサ部とが重なってもよい。
このような構成とすると、ＮＯｘセンサ部とアンモニアセンサ部とが軸線方向に重ならない（離間している）場合に比べ、ほぼ同一の被測定ガスを両センサ部に晒すことができるため、ＮＯｘ濃度出力及びアンモニア濃度出力をより精度よく測定できる。
【００１３】
前記アンモニアセンサ部と前記ガス導入孔との最短距離は、前記アンモニアセンサ部と前記ガス排出孔との最短距離より短くてもよい。
このような構成とすると、ガス排出孔へ向かって拡散する前であり、ガス導入孔を通過する状態での被測定ガスをアンモニアセンサ部に到達させることができるため、アンモニア濃度出力の測定精度が向上する。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、１つのガスセンサ素子でＮＯｘ濃度出力とアンモニア濃度出力を測定可能で、かつ高温のＮＯｘセンサ部を通過してアンモニアが熱分解された被測定ガスがアンモニアセンサ部に到達するのを防止し、アンモニア濃度出力を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るマルチガスセンサの長手方向に沿う断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るマルチガスセンサ及び制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】ＮＯｘセンサ部の概略構成を示す斜視図である。
【図４】アンモニアセンサ部の構成を示す展開図である。
【図５】プロテクタの各孔と、ＮＯｘセンサ部及びアンモニアセンサ部との位置関係を示す断面図である。
【図６】マルチガスセンサの変形例を示す断面図である。
【図７】マルチガスセンサの別の変形例を示す断面図である。
【図８】比較例となるマルチガスセンサを示す断面図である。
【図９】各実施例及び比較例のアンモニア濃度の検知精度（NH3＝20,50ppmでのアンモニア濃度出力）を示す図である。
【図１０】実施例１、７のアンモニア濃度検知の流速依存性を示す図である。
【図１１】実施例８、比較例１のアンモニア濃度検知の流速依存性を示す図である。
【図１２】実施例１のアンモニア検知応答性を示す図である。
【図１３】比較例１のアンモニア検知応答性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るマルチガスセンサ２００Ａの長手方向（軸線方向Ｏ）に沿う断面図を示す。マルチガスセンサ２００Ａは、アンモニア濃度及びＮＯｘ濃度を検出するガスセンサ素子１００Ａを組み付けたアッセンブリである。マルチガスセンサ２００Ａは、軸線方向Ｏに延びる板状のガスセンサ素子１００Ａと、排気管に固定されるためのねじ部１３９が外表面に形成された筒状の主体金具１３８と、主体金具１３８の先端部に固定された有底円筒状のプロテクタ１４１と、ガスセンサ素子１００Ａの径方向周囲を取り囲むように配置される筒状のセラミックスリーブ１０６と、軸線方向Ｏに貫通するコンタクト挿通孔１６８の内壁面がガスセンサ素子１００Ａの後端部の周囲を取り囲む状態で配置される絶縁コンタクト部材１６６と、ガスセンサ素子１００Ａと絶縁コンタクト部１６６との間に配置される複数個（図１では２つのみ図示）の接続端子１１０とを主に備えている。
なお、軸線方向Ｏに見て図１の下側（ガスセンサ素子１００Ａ側）を「先端側」とし、図１の上側（グロメット１５０側）を「後端側」とする。
【００１７】
詳しくは後述するが、ガスセンサ素子１００Ａは、先端部１０５にＮＯｘセンサ部３０及びアンモニアセンサ部４２を有し、アンモニアセンサ部４２はガスセンサ素子１００Ａの外表面に露出している。又、ＮＯｘセンサ部３０の内部に被測定ガスを導入するためのガス拡散孔８ａがガスセンサ素子１００Ａの側面に開口している。
【００１８】
主体金具１３８は、軸線方向Ｏに貫通する貫通孔１５４を有し、貫通孔１５４の径方向内側に突出する棚部１５２を有する略筒状形状に構成されている。また、主体金具１３８は、ガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５を貫通孔１５４の先端側外部に配置し、電極端子部８０Ａ、８２Ａを貫通孔１５４の後端側外部に配置する状態で、ガスセンサ素子１００Ａを貫通孔１５４に保持している。さらに、棚部１５２は、軸線方向Ｏに垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。
【００１９】
なお、主体金具１３８の貫通孔１５４の内部には、ガスセンサ素子１００Ａの径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックホルダ１５１、粉末充填層１５３、１５６（以下、滑石リング１５３、１５６ともいう）、および上述のセラミックスリーブ１０６がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。また、セラミックスリーブ１０６と主体金具１３８の後端部１４０との間には、加締めパッキン１５７が配置されており、セラミックホルダ１５１と主体金具１３８の棚部１５２との間には、滑石リング１５３やセラミックホルダ１５１を保持し、気密性を維持するための金属ホルダ１５８が配置されている。なお、主体金具１３８の後端部１４０は、加締めパッキン１５７を介してセラミックスリーブ１０６を先端側に押し付けるように、加締められている。
【００２０】
一方、図１に示すように、主体金具１３８の先端側（図１における下方）外周には、ガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５を覆うと共に、複数の外側ガス導入孔１４２ａ、内側ガス導入孔１４３ａ、内側ガス排出孔１４３ｂを有する金属製（例えば、ステンレスなど）の有底円筒状のプロテクタ１４１が、溶接等によって取り付けられている。なお、プロテクタ１４１の詳細については、後述するが、この実施形態では、プロテクタ１４１は、有底筒状の内部プロテクタ１４３の外側に、筒状の外部プロテクタ１４２を離間配置した二重構造になっていて、外部プロテクタ１４２の底壁１４２ｔの開口から内部プロテクタ１４３の先端壁１４３ｔが先端側に突出している。
【００２１】
一方、主体金具１３８の後端側外周には、外筒１４４が固定されている。また、外筒１４４の後端側（図１における上方）の開口部には、ガスセンサ素子１００Ａの電極端子部８０Ａ，８２Ａとそれぞれ電気的に接続される複数本のリード線１４６（図１では３本のみ図示）が挿通されるリード線挿通孔１６１が形成されたグロメット１５０が配置されている。なお、簡略化のため、図１ではガスセンサ素子１００Ａの表面と裏面の電極端子部をそれぞれ符号８０Ａ，８２Ａで代表させたが、実際には、後述するＮＯｘセンサ部３０やアンモニアセンサ部４２が有する電極等の数に応じて、複数の電極端子部が形成されている。
【００２２】
また、主体金具１３８の後端部１４０より突出されたガスセンサ素子１００Ａの後端側（図１における上方）には、絶縁コンタクト部材１６６が配置される。なお、この絶縁コンタクト部材１６６は、ガスセンサ素子１００Ａの後端側の表裏面に形成される電極端子部８０Ａ，８２Ａの周囲に配置される。この絶縁コンタクト部材１６６は、軸線方向Ｏに貫通するコンタクト挿通孔１６８を有する筒状形状に形成されると共に、外表面から径方向外側に突出する鍔部１６７が備えられている。絶縁コンタクト部材１６６は、鍔部１６７が保持部材１６９を介して外筒１４４に当接することで、外筒１４４の内部に配置される。そして、絶縁コンタクト部材１６６側の接続端子１１０と、ガスセンサ素子１００Ａの電極端子部８０Ａ，８２Ａとが電気的に接続され、リード線１４６により外部と導通するようになっている。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態に係る制御装置（コントロ−ラ）３００、及びこれに接続されるガスセンサ素子１００Ａの構成を示すブロック図である。なお、図２では説明の便宜のため、マルチガスセンサ２００Ａ内に収容されたガスセンサ素子１００Ａの長手方向に沿う断面のみを表示している。
マルチガスセンサ２００Ａ（ガスセンサ素子１００Ａ）、及び制御装置３００は図示しない内燃機関（以下、エンジンともいう）を備える車両に搭載され、制御装置３００は車両側制御装置（以下、適宜「ＥＣＵ」という）４００に電気的に接続されている。なお、マルチガスセンサ２００Ａから伸びるリード線１４６の端はコネクタに接続され、このコネクタを制御装置３００側のコネクタに電気的に接続するようになっている。
ＥＣＵ４００は、制御装置３００で算出された排気ガス中のアンモニア濃度及びＮＯｘ濃度のデータを受信し、それに基づいてエンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化などの処理を実行する。
【００２４】
次に、ガスセンサ素子１００Ａの構成について説明する。ガスセンサ素子１００Ａは、公知のＮＯｘセンサと同様な構成を有するＮＯｘセンサ部３０と、公知のアンモニアセンサと同様な構成を有するアンモニアセンサ部４２とを備え、詳しくは後述するようにアンモニアセンサ部４２はガスセンサ素子１００Ａの外表面に露出している。
【００２５】
まず、ＮＯｘセンサ部３０は、絶縁層２３ｆ、アンモニアセンサ部用固体電解質体２５、絶縁層２３ｅ、第１固体電解質体２ａ、絶縁層２３ｄ、第３固体電解質体６ａ、絶縁層２３ｃ、第２固体電解質体４ａ、及び絶縁層２３ｂ、２３ａをこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質体２ａと第３固体電解質体６ａとの層間に第１測定室Ｓ１が画成されており、さらに第１測定室Ｓ１は、の先端側の側部に設けられた連通部により、ガスセンサ素子１００Ａの側面に形成された矩形のガス拡散孔８ａを介して外部と連通している（図３参照）。ガス拡散孔８ａから第１測定室Ｓ１への連通部には第１拡散抵抗体８ａｓ（図３参照）が配置され、外部（ガスセンサ素子１００Ａの側面）から被測定ガスが所定の拡散抵抗で第１測定室Ｓ１へ導入される。
第１測定室Ｓ１の後端には第２拡散抵抗体８ｂが配置され、第２拡散抵抗体８ｂを介して第１測定室Ｓ１の後端側には、第１測定室Ｓ１と連通する第２測定室（本発明の「ＮＯｘ測定室」に相当）Ｓ２が画成されている。第２測定室Ｓ２は、第３固体電解質体６ａを貫通して第１固体電解質体２ａと第２固体電解質体４ａとの層間に形成されている。
【００２６】
第１ポンピングセル２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質体２ａと、これを挟持するように配置された内側第１ポンピング電極２ｂ及び対極となる外側第１ポンピング電極２ｃ（各電極が特許請求の範囲の「第１電極」に相当）とを備え、内側第１ポンピング電極２ｂは第１測定室Ｓ１に面している。内側第１ポンピング電極２ｂ及び外側第１ポンピング電極２ｃはいずれも白金を主体とし、内側第１ポンピング電極２ｂの表面は多孔質体からなる保護層１１で覆われている。
又、外側第１ポンピング電極２ｃの上面に相当する絶縁層２３ｅはくり抜かれて多孔質体１３が充填され、外側第１ポンピング電極２ｃと外部とを連通させてガス（酸素）の出入を可能としている。
【００２７】
酸素濃度検出セル６は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質体６ａと、これを挟持するように配置された検知電極６ｂ及び基準電極６ｃとを備え、検知電極６ｂは内側第１ポンピング電極２ｂより下流側で第１測定室Ｓ１に面している。検知電極６ｂ及び基準電極６ｃはいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層２３ｃは、第３固体電解質体６ａに接する基準電極６ｃが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１５を形成している。そして、酸素濃度検出セル６にＩｃｐ供給回路５４を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室Ｓ１から基準酸素室１５内に送り込み、酸素基準とする。
【００２８】
第２ポンピングセル４は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質体４ａと、第２固体電解質体４ａのうち第２測定室Ｓ２に面した表面に配置された内側第２ポンピング電極４ｂ及び対極となる第２ポンピング対電極４ｃ（各電極が特許請求の範囲の「第２電極」に相当）とを備えている。内側第２ポンピング電極４ｂ及び第２ポンピング対電極４ｃはいずれも白金を主体としている。
なお、第２ポンピング対電極４ｃは、第２固体電解質体４ａ上における絶縁層２３ｃの切り抜き部に配置され、基準電極６ｃに対向して基準酸素室１５に面している。
【００２９】
そして、内側第１ポンピング電極２ｂ、検知電極６ｂ、内側第２ポンピング電極４ｂはそれぞれ基準電位に接続されている。
【００３０】
なお、後述するプロテクタ１４１の内側ガス導入孔１４３ａ、内側ガス排出孔１４３ｂと、ＮＯｘセンサ部３０との位置関係を規定するため、第１ポンピングセル２、第２ポンピングセル４、酸素濃度検出セル６、第１測定室Ｓ１、第２測定室Ｓ２及び第１測定室Ｓ１に連通するＮＯｘセンサ部ガス拡散孔８ａの各外形部分を合わせた領域を、ＮＯｘセンサ部３０（の大きさ）とみなす。例えば、軸線方向Ｏおいては、第１測定室Ｓ１の先端から第２測定室Ｓ２の後端まで、軸線方向Ｏに垂直な方向においては、保護層１３（絶縁層２３ｅ）から第２固体電解質体４ａまでの積層部分の領域３０ＲがＮＯｘセンサ部３０の占める大きさとなる（図２においては、軸線方向Ｏ、軸線方向Ｏに垂直な方向のそれぞれにおいて、領域３０Ｒを示す）。
ここで、保護層１３のように多孔質である構成物は、ＮＯｘセンサ部３０の占める領域とみなす。これは、多孔質部分では通気抵抗のために被測定ガスが滞留するので、ＮＯｘセンサ部３０外部の自由な被測定ガスの流れとは異なるからである。
【００３１】
絶縁層２３ｂ、２３ａの間にはガスセンサ素子１００Ａの長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ２１が埋設されている。ヒータ２１はＮＯｘセンサ部３０及びアンモニアセンサ部４２を所定の温度（例えば、第１ポンピングセル２を７５０℃、第２ポンピングセル４及びアンモニアセンサ部４２を６００℃）に昇温し、固体電解質体の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
各絶縁層２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆはアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体８ａｓ及び第２拡散抵抗体８ｂはアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ２１は白金等からなる。
【００３２】
図３は、ＮＯｘセンサ部３０の概略構成を示す斜視図である。第１測定室Ｓ１は、先端側の側部に設けられた連通部により、ガスセンサ素子１００Ａの側面に形成された矩形のガス拡散孔８ａを介して外部と連通し、この連通部に第１拡散抵抗体８ａｓが配置されている。又、第２測定室Ｓ２は第１測定室Ｓ１の後端側に画成されている。
【００３３】
図２に戻り、アンモニアセンサ部４２は、ＮＯｘセンサ部３０の外表面をなす絶縁層２３ｆ上に形成されている。但し、絶縁層２３ｆの一部は矩形状に切り抜かれてアンモニアセンサ部用固体電解質体２５が表出し、この表出部分の上にアンモニアセンサ部４２の一対の電極４２ａが形成されており、一対の電極４２ａ間の起電力変化によって被測定ガス中のアンモニア濃度を検出するようになっている。
又、多孔質からなる拡散層４４Ｂが一対の電極４２ａを完全に覆うように形成され、外部からアンモニアセンサ部４２に流入する被測定ガスの拡散速度を調整可能になっている。また、拡散層４４Ｂを形成することで、一対の電極４２ａの短絡防止や、耐被毒性、耐被水性を高める働きを行う。
【００３４】
なお、後述するプロテクタ１４１の内側ガス導入孔１４３ａ、内側ガス排出孔１４３ｂと、アンモニアセンサ部４２との位置関係を規定するため、アンモニアセンサ部用固体電解質体２５、一対の電極４２ａの各外形部分を合わせた領域を、アンモニアセンサ部４２（の大きさ）とみなす。但し、この実施形態では、一対の電極４２ａの表面に多孔質の拡散層４４Ｂが形成され、拡散層４４Ｂでは通気抵抗のために被測定ガスが滞留してアンモニアセンサ部４２外部の自由な被測定ガスの流れとは異なる。このため、拡散層４４Ｂを含めた領域を、アンモニアセンサ部４２（の大きさ）とみなす。
例えば、軸線方向Ｏにおいては、拡散層４４Ｂの先端から後端まで、軸線方向Ｏに垂直な方向においては、拡散層４４Ｂからアンモニアセンサ部用固体電解質体２５までの積層部分の領域４２Ｒがアンモニアセンサ部４２の占める大きさとなる（図２においては、軸線方向Ｏ、軸線方向Ｏに垂直な方向のそれぞれにおいて、領域４２Ｒを示す）。
【００３５】
図４は、アンモニアセンサ部４２の構成を示す展開図である。アンモニアセンサ部用固体電解質体２５上に一対の電極４２ａ１、４２ａ２（これらをまとめて一対の電極４２ａとする）が配置され、各電極４２ａ１、４２ａ２からアンモニアセンサ部用固体電解質体２５の長手方向に沿ってそれぞれリード４２ａｘ、４２ａｙが延び、リード４２ａｘ、４２ａｙ上下に絶縁層２３ｆが被覆されている。但し、リード４２ａｘ、４２ａｙの右端はこの絶縁層２３ｆで被覆されずに露出し、それぞれ所定の電極端子部（図示せず）を形成している。
電極４２ａ１、４２ａ２はアンモニアセンサ部用固体電解質体２５の短手方向に沿って離間して並び、電極４２ａ１は金と金属酸化物とを主成分とする材料で構成されて検知電極として作用し、電極４２ａ２は白金を主成分とする材料で構成されて基準電極として作用する。基準電極４２ａ２に比べ、検知電極４２ａ１の方がアンモニアとの反応性が高いため、検知電極４２ａ１と基準電極４２ａ２との間で起電力が生じる。
また、電極４２ａ１の金属酸化物は、被測定ガス中のアンモニア以外の可燃性ガス成分を燃焼させる役割やアンモニアを選択的に反応させる役割を持ち、可燃性ガス成分の影響を受けずに被測定ガス中のアンモニアを検出することができる。金属酸化物としては、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）、酸化ビスマス（Ｂｉ２Ｏ３）、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）等が挙げられ、特に、酸化ビスマスバナジウム：ＢｉＶＯ４、酸化コバルト（Ｃｏ３Ｏ４）から形成することが好ましい。
なお、電極４２ａ１、電極４２ａ２においては、アンモニアセンサ部用固体電解質体２５との密着性を考慮し、ジルコニア、アルミナ等のセラミック材料が含有されていても良い。
また、アンモニアセンサ部用固体電解質体２５は例えばＺｒＯ２等の酸素イオン伝導性材料で構成され、リード４２ａｘ、４２ａｙは、例えば白金を主成分とする材料で構成されている。
【００３６】
拡散層４４Ｂとしては、例えばアルミナ、スピネル（MgAl2O4）、シリカアルミナ、及びムライトの群から選ばれる少なくとも１種が例示される。そして、拡散層４４Ｂの厚み、粒径、粒度分布、気孔率、配合比等を適宜調整することで、選択反応層４２ｂ、及び電極４２ａ１、４２ａ２に到達するガス拡散時間が任意に調整可能である。
【００３７】
次に、図２に戻り、制御装置３００の構成、並びにＮＯｘ及びアンモニア濃度の測定方法について説明する。制御装置３００は、回路基板上に（アナログ）制御回路５９とマイクロコンピュータ（マイコン）６０とを備えている。マイクロコンピュータ６０は制御装置３００全体を制御し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）６１、ＲＡＭ６２、ＲＯＭ６３、信号入出力部６４、Ａ／Ｄコンバータ６５、及び図示しないクロックを備え、ＲＯＭ６３等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
制御回路５９は、詳しくは後述する基準電圧比較回路５１、Ｉｐ１ドライブ回路５２、Ｖｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４、Ｉｐ２検出回路５５、Ｖｐ２印加回路５６、ヒータ駆動回路５７、アンモニアセンサ部起電力検出回路５８を備える。
制御回路５９は、ＮＯｘセンサ部３０を制御し、ＮＯｘセンサ部３０に流れる第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出してマイクロコンピュータ６０に出力する。
アンモニアセンサ部起電力検出回路５８は、一対の電極４２ａ１、４２ａ２間のアンモニア濃度出力（起電力）を検出してマイクロコンピュータ６０に出力する。
【００３８】
詳細には、ＮＯｘセンサ部３０の外側第１ポンピング電極２ｃはＩｐ１ドライブ回路５２に接続され、基準電極６ｃはＶｓ検出回路５３及びＩｃｐ供給回路５４に並列に接続されている。又、第２ポンピング対電極４ｃはＩｐ２検出回路５５及びＶｐ２印加回路５６に並列に接続されている。ヒータ回路５７はヒータ２１に接続されている。
又、アンモニアセンサ部４２の一対の電極４２ａ１、４２ａ２がそれぞれアンモニアセンサ部起電力検出回路５８に接続されている。
【００３９】
各回路５１〜５６は、以下のような機能を有する。
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、内側第１ポンピング電極２ｂ及び外側第１ポンピング電極２ｃの間に第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給しつつ、その際の第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。
Ｖｓ検出回路５３は、検知電極６ｂ及び基準電極６ｃの間の電圧Ｖｓを検出し、検出結果を基準電圧比較回路５１に出力する。
基準電圧比較回路５１は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路５３の出力（電圧Ｖｓ）とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に出力する。そして、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電圧Ｖｓが上記基準電圧に等しくなるようにＩｐ１電流の流れる向き及び大きさを制御し、第１測定室Ｓ１内の酸素濃度をＮＯｘが分解しない程度の所定値に調整する。
Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極６ｂ及び基準電極６ｃの間に微弱な電流Ｉｃｐを流し、酸素を第１測定室Ｓ１から基準酸素室１５内に送り込み、基準電極６ｃを基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
Ｖｐ２印加回路５６は、内側第２ポンピング電極４ｂ及び第２ポンピング対電極４ｃの間に、被測定ガス中のＮＯｘガスが酸素とＮ２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。
Ｉｐ２検出回路５５は、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室Ｓ２から第２固体電解質体４ａを介して第２ポンピング対電極４ｃ側に汲み出される際に、第２ポンピングセル４に流れる第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出する。
【００４０】
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、検出した第１ポンピング電流Ｉｐ１の値をＡ／Ｄコンバータ６５に出力する。又、Ｉｐ２検出回路５５は、検出した第２ポンピング電流Ｉｐ２の値をＡ／Ｄコンバータ６５に出力する。
Ａ／Ｄコンバータ６５はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部６４を介してＣＰＵ６１に出力する。
【００４１】
次に、制御回路５９を用いた制御の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ回路５７を介してヒータ２１が作動し、第１ポンピングセル２、酸素濃度検出セル６、第２ポンピングセル４を活性化温度まで加熱する。又、Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極６ｂ及び基準電極６ｃの間に微弱な電流Ｉｃｐを流し、酸素を第１測定室Ｓ１から基準酸素室１５内に送り込み、酸素基準とする。
又、ヒータ２１によってＮＯｘセンサ部３０が適温まで加熱されると、それに伴ってＮＯｘセンサ部３０上のアンモニアセンサ部４２も所望の温度に昇温される。
【００４２】
そして、各セルが活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル２は、第１測定室Ｓ１に流入した被測定ガス（排ガス）中の酸素を内側第１ポンピング電極２ｂから外側第１ポンピング電極２ｃへ向かって汲み出す。
このとき、第１測定室Ｓ１内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル６の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｓに対応したものとなるため、この電極間電圧Ｖｓが上記基準電圧になるように、Ｉｐ１ドライブ回路５２が第１ポンピングセル２に流れる第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御し、第１測定室Ｓ１内の酸素濃度をＮＯｘが分解しない程度に調整する。
【００４３】
酸素濃度が調整された被測定ガスは第２測定室Ｓ２に向かってさらに流れる。そして、Ｖｐ２印加回路５６は、第２ポンピングセル４の電極間電圧（端子間電圧）として、被測定ガス中のＮＯｘガスが酸素とＮ２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。そして、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室Ｓ２から汲み出されるよう、第２ポンピングセル４に第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。この際、第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐ２検出回路５５が第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出することにより、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００４４】
又、アンモニアセンサ部起電力検出回路５８が一対の電極４２ａ１、４２ａ２間のアンモニア濃度出力（起電力）を検出することにより、被測定ガス中のアンモニア濃度を検出することができる。なお、電極４２ａ１、４２ａ２間の起電力（アンモニア濃度が０のときのベース起電力値と、アンモニア存在時の起電力値との変化率（感度）を用いることも可能）に基づくアンモニア濃度換算値をマイコン６０に記憶させておくことで、ＮＨ３濃度を算出する。
【００４５】
本発明のマルチガスセンサ２００Ａは、例えば、エンジン装置本体の付帯装置として設けられている触媒の劣化検知、尿素SCRシステムでの尿素噴射量の最適化、触媒後流から排出されたガス成分（ＮＯｘ、アンモニア）の正確な測定、に応用することができる。例えば、ＮＯｘセンサのみを装置のセンシングに用いた場合、触媒後流からアンモニアが排出された際に、(i)尿素過剰添加によるアンモニア排出、(ii)尿素過少添加によるＮＯｘ排出、(iii)SCR触媒劣化に伴うアンモニア排出のいずれかであるかを明確に区別することができなかったが、本発明のマルチガスセンサを用いれば、これらの判別が可能である。
【００４６】
本発明のマルチガスセンサ２００Ａは、公知のＮＯｘセンサやアンモニアセンサと同様にして製造することができる。例えば、公知のＮＯｘセンサと同様にして、ＮＯｘセンサ部の固体電解質体をグリーンシートから形成し、各電極、リードや絶縁層をペースト印刷することにより、ＮＯｘセンサ部の未焼結体を形成する。次に、ＮＯｘセンサ部の未焼結体表面の所定位置に、アンモニアセンサ部の未焼結体を形成する。アンモニアセンサ部の未焼結体は、このセンサ部を構成する電極、リード、感応部、固体電解質体、拡散層等をペースト印刷することにより形成することができる。
そして、アンモニアセンサ部の未焼結体が表面に形成されたＮＯｘセンサ部の未焼結体を、全体として所定温度で焼成することにより、マルチガスセンサのセンサ素子部を製造し、これをハウジングに組み付けてマルチガスセンサが得られる。なお、電極４２ａ１と保護層４４とは、その他の部位を先に焼成後、焼成温度よりも低温にて熱処理を行っても良い。
【００４７】
次に、図５を参照し、プロテクタ１４１の内側ガス導入孔１４３ａ、内側ガス排出孔１４３ｂと、ＮＯｘセンサ部３０及びアンモニアセンサ部４２との位置関係について説明する。
【００４８】
まず、プロテクタ１４１について詳細に説明する。プロテクタ１４１は、内側側壁１４３ｄ及びその先端側に先端壁１４３ｔを有する内側プロテクタ１４３と、内側側壁１４３ｄの径方向周囲を外側側壁１４２ｄで取り囲む筒状をなす外側プロテクタ１４２とから構成される２重構造を有する。この内側プロテクタ１４３の内側側壁１４３ｄと、外側プロテクタ１４２の外側側壁１４２ｄとの間には空隙が形成されており、ガス室１１９として構成されている。
【００４９】
内側プロテクタ１４３は、後端側の基端部１４３ｅが主体金具１３８先端部の外周に係合するように拡径されている。また、先端壁１４３ｔの周縁部分は内側側壁１４３ｄへ向けてテーパ状に拡がるテーパ部１４３ｆとして構成されている。この内側側壁１４３ｄの後端側の位置には、周方向に沿って複数（本実施の形態では６個）の内側ガス導入孔１４３ａが開口されている。内側ガス導入孔１４３ａは、後述する外側プロテクタ１４２の外側ガス導入孔１４２ａを介してガス室１１９に導入される被測定ガスを、内側プロテクタ１４３の内部、すなわちガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５が配置されたガス検出室１２９内に導入するための孔である。
さらに、内側プロテクタ１４３の先端壁１４３ｔには、内側ガス排出孔１４３ｂが開口されている。この内側ガス排出孔１４３ｂは、内側ガス導入孔１４３ａを介してガス検出室１２９内に導入されるガス成分を外部に排出するための孔である。
【００５０】
次に、外側プロテクタ１４２は、後端側の基端部１４２ｅが内側プロテクタ１４３の基端部１４３ｅの外周に係合されている。外側プロテクタ１４２の基端部１４２ｅを内側プロテクタ１４３の基端部１４３ｅに重ねた状態で、全周レーザ溶接が施されている。
また、この外側プロテクタ１４３の底壁１４２ｔは、内側プロテクタ１４３のテーパ部１４３ｆ付近にて内側に折り曲げられている。これにより、ガス室１１９が先端側にて閉塞されている。
さらに、外側プロテクタ１４２の外側側壁１４２ｄには、外側プロテクタ１４２の外部とガス室１１９とを連通する複数（本実施の形態では６個）の外側ガス導入孔１４２ａが、周方向に沿って形成されている。外側ガス導入孔１４２ａは、軸線Ｏ方向において、内側プロテクタ１４２の内側ガス導入孔１４２ａの形成位置よりも先端側の位置に形成されている。この外側ガス導入孔１４２ａには、それぞれ、内側（ガス室１１９内）に向けて延出するルーバー１４２ｆが付設されている。このルーバー１４２ｆは、外部から外側ガス導入孔１４２ａを介してガス室１１９内に導入された排気ガスに、内側プロテクタ１４３の内側側壁１４３ｄを取り囲む状態で旋回流を生じさせる機能を担う。
【００５１】
なお、本発明において、プロテクタ１４１が多重プロテクタの場合、最も内側のプロテクタ（内側プロテクタ１４３）のガス導入孔１４３ａが特許請求の範囲の「ガス導入孔」に相当する。同様に、本発明において、「プロテクタの側壁の内側面」とは、最も内側のプロテクタ（内側プロテクタ１４３）の内側側壁１４３ｄの内側面１４３ｓをいう。
【００５２】
ここで、マルチガスセンサ２００Ａは、ねじ部１３９によって排気管５００に固定され、内側ガス排出孔１４３ｂが内側ガス導入孔１４３ａよりも排気管５００の中心寄りに位置している。そして、排気管５００を流れる被測定ガスＶ２が、内側プロテクタ１４３のテーパ部１４３ｆによりガス流れ方向を変えることにより、内側プロテクタ１４３の先端壁１４３ｔ付近に負圧を生じさせる。これにより、被測定ガスはプロテクタ１４１内を、外側ガス導入孔１４２ａから内側ガス導入孔１４３ａを経て内側ガス排出孔１４３ｂへ流れるようになっている（図５の破線の矢印の流れ）。
【００５３】
従って、内側ガス導入孔１４３ａとアンモニアセンサ部４２との最短距離ｄ１を、内側ガス導入孔１４３ａとガス拡散孔８ａとの最短距離ｄ２より短くすると、内側ガス導入孔１４３ａに近いアンモニアセンサ部４２にガス室１１９を通過した被測定ガスが最初に接触する。これにより、内側ガス導入孔１４３ａからガス検出室１２９内に導入された被測定ガスが昇温されたＮＯｘセンサ部３０の近傍を通過した後にアンモニアセンサ部４２に到達することが無く、アンモニアが熱分解する前の新鮮な被測定ガスをアンモニアセンサ部４２に到達させることができ、アンモニア濃度出力の検知精度が向上する。又、ＮＯｘセンサ部３０を制御温度に十分昇温することもできるので、ＮＯｘ濃度出力の検知精度も向上する。
なお、最短距離ｄ１、ｄ２は、３次元的な空間での最短距離をいい、例えばガス導入孔１４３ａやガス拡散孔８ａが複数個設けられている場合、それらのうちの最短距離を採用する。
【００５４】
又、本発明においては、内側ガス導入孔１４３ａと内側ガス排出孔１４３ｂとの軸線方向Ｏの間の位置Ｒ１にアンモニアセンサ部４２の少なくとも一部が配置される。このため、内側ガス導入孔１４３ａから内側ガス排出孔１４３ｂへの被測定ガスの流路（図５の矢印の流れ）上にアンモニアセンサ部４２が存在することになり、アンモニアセンサ部４２に十分な被測定ガスが供給（拡散）された状態でアンモニア濃度を測定することができ、被測定ガスのガス流速が変化しても安定してアンモニア濃度を測定でき、その結果、アンモニア濃度出力の検知の応答性も速くなる。これに対し、位置Ｒ１にアンモニアセンサ部４２が配置されない場合には、内側ガス導入孔１４３ａから内側ガス排出孔１４３ｂへの被測定ガスの流路上にアンモニアセンサ部４２が存在しない。このため、例えば、乱流等で不安定な流れとなった被測定ガスがアンモニアセンサ部４２に到達し、十分な被測定ガスが供給（拡散）されず、被測定ガスのガス流速が変化するとアンモニア濃度出力が安定せず、アンモニア濃度出力の検知の応答性も遅くなる。
ここで、「位置Ｒ１にアンモニアセンサ部４２の少なくとも一部が配置される」とは、位置Ｒ１の領域内にアンモニアセンサ部４２の一部が配置されていればよいことをいう。例えば、軸線方向Ｏに見て、アンモニアセンサ部４２が内側ガス導入孔１４３ａに対して最も後端側に位置する場合、アンモニアセンサ部４２の先端縁が内側ガス導入孔１４３ａの後端縁と一致する。ここで、アンモニアセンサ部４２の占める大きさ（例えば、図２の領域４２Ｒ）は、既に述べた通りである。
【００５５】
又、この実施形態では、ガス拡散孔８ａは、内側ガス排出孔１４３ｂとアンモニアセンサ部４２との軸線方向の間の位置Ｒ２に配置されている。このようにすると、内側ガス導入孔１４３ａから内側ガス排出孔１４３ｂへの被測定ガスの流路（図５の矢印の流れ）上にガス拡散孔８ａが存在することとなり、ＮＯｘセンサ部３０に十分な被測定ガスが供給（拡散）された状態でＮＯｘ濃度出力を測定することができ、ＮＯｘ検知の応答性が速くなり、その結果、安定してＮＯｘを測定できる。
なお、「ガス排出孔１４３ｂとアンモニアセンサ部４２との間の位置Ｒ２」とは、軸線方向Ｏにおいてアンモニアセンサ部４２を含まない位置、つまりアンモニアセンサ部４２の先端より先端側の領域をいう。
【００５６】
さらに、この実施形態では、アンモニアセンサ部４２がガスセンサ素子１００Ａから突出している。そのため、アンモニアセンサ部４２と内側プロテクタ１４３の内側側壁１４３ｄの内側面１４３ｓとの最短距離ｄ３は、アンモニアセンサ部４２を除くガスセンサ素子１００Ａと内側プロテクタ１４３の内側側壁１４３ｄの内側面１４３ｓとの最短距離ｄ４より短い。
このようにすると、ベンチュリ効果により、内側プロテクタ１４３とガスセンサ素子１００Ａとの間隙（ガス検出室１２９）のうち、アンモニアセンサ部４２近傍の間隙における被測定ガスの流速が周囲の内側プロテクタ１４３とガスセンサ素子１００Ａとの間隙における被測定ガスの流速より速くなるため、アンモニアセンサ部４２に十分な被測定ガスが供給（拡散）され、アンモニア濃度出力の検知精度がさらに向上する。
【００５７】
さらに、この実施形態では、軸線方向Ｏにおいて、ＮＯｘセンサ部３０とアンモニアセンサ部４２とが重なっている。このため、ＮＯｘセンサ部３０とアンモニアセンサ部４２とが重ならない（離間している）場合に比べ、ほぼ同一の被測定ガスを両センサ部３０、４２に晒すことができるため、ＮＯｘ濃度出力及びアンモニア濃度出力をより精度よく測定できる。
又、この実施形態では、アンモニアセンサ部４２と内側ガス導入孔１４３ａとの最短距離ｄ１は、アンモニアセンサ部４２と内側ガス排出孔１４３ｂとの最短距離ｄ５より短い。このため、内側ガス排出孔１４３ｂへ向かって拡散する前であり、内側ガス導入孔１４３ａを通過する状態での被測定ガスをアンモニアセンサ部４２に到達させることができるため、アンモニア濃度出力の検知精度が向上する。
【００５８】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、ＮＯｘセンサ部３０を構成する固体電解質体を３層としたが、固体電解質体を２層としてもよい。固体電解質体が２層であるＮＯｘセンサ部の素子構造は、例えば特開２００４−３５４４００号公報（図２）に記載されている。
この場合、第２測定室Ｓ２は、図２における固体電解質体２ａ、６ａの間に画成され、第１測定室Ｓ１及び第２測定室Ｓ２は第２拡散抵抗体８ｂで区画される。そして、内側第２ポンピング電極４ｂは固体電解質体６の上面に配置される。又、固体電解質体６の下面は外部に露出し、この露出面に第２ポンピング対電極４ｃが配置される。
【００５９】
また、上記実施形態では、内側プロテクタ１４３と外側プロテクタ１４２からなる二重のプロテクタ１４１を用いたが、これに限られず、一重のプロテクタであってもよいし、三重以上のプロテクタであってもよい。
【００６０】
また、上記実施形態では、ガスセンサ素子１００Ａとして、絶縁層２３ｆ、及びアンモニアセンサ部用固体電解質体２５をガスセンサ素子１００Ａの長手方向に延びる形態で設けたが、これに限られず、絶縁層２３ｆ、及びアンモニアセンサ部用固体電解質体２５をアンモニアセンサ部４２の近傍のみ設けても良い。
【００６１】
また、上記実施形態では、アンモニアセンサ部４２の電極４２ａ１として、金と金属酸化物とを主成分とする材料にて形成したが、これに限られず、電極４２ａ１として、金を主成分とする材料にて形成すると共に、金属酸化物を主成分とする選択反応層にて電極４２ａ１を覆う構成であっても良い。
【００６２】
また、上記実施形態では、ＮＯｘ濃度出力及びアンモニア濃度出力をそれぞれ検出し、この出力値を基にＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度を特定したが、これに限られず、一方の濃度出力を他方の濃度出力の補正値として用いても良い。
【００６３】
さらに、上記実施形態では、ガス拡散孔８ａは、内側ガス排出孔１４３ｂとアンモニアセンサ部４２との軸線方向の間の位置Ｒ２に配置されていたが、これに限られず、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、ガス拡散孔８ａが内側ガス導入孔１４３ａよりも後端側に配置されていても良い。
さらに、上記実施形態では、軸線方向Ｏにおいて、ＮＯｘセンサ部３０とアンモニアセンサ部４２とが重なっていたが、これに限られず、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、ＮＯｘセンサ部３０とアンモニアセンサ部４２とが重ならなくても良い。
さらに、上記実施形態では、アンモニアセンサ部４２をガスセンサ素子１００Ａの外表面から突出させて、最短距離ｄ３を最短距離ｄ４より短くしたが、これに限られず、図６（ｄ）、及び図７（ａ）、（ｂ）に示すように、内側プロテクタ１４３の内側側壁１４３ｄのうち、アンモニアセンサ部４２と最短距離となる部位を、内側プロテクタ１４３を径方向内側に突出させて縮径部１４３ｐを形成しても良い。なお、内側プロテクタ１４３の縮径部１４３ｐの部位にあわせて外側プロテクタ１４２の外側側壁１４２ｄも縮径していても良い。
さらに、上記実施形態では、アンモニアセンサ部４２をガスセンサ素子１００Ａの外表面から突出させたが、これに限られず、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、アンモニアセンサ部４２をガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５に埋設させると共に、先端部１０５の外表面にアンモニアセンサ部４２を露出させても良い。
【実施例】
【００６４】
（１）センサの作製
上記実施形態（図１〜図５）に係るマルチガスセンサ２００Ａを作製した。ＮＯｘセンサ部３０の内側第１ポンピング電極２ｂ、外側第１ポンピング電極２ｃ、検知電極６ｂ、基準電極６ｃ、内側第２ポンピング電極４ｂ、外側第２ポンピング電極４ｃは、それぞれ白金を主成分としている。一方、起電力式のアンモニアセンサ部４２の一対の電極４２ａは、Ｃｏ３Ｏ４を１０質量％、ＹＳＺを５％含み残部金からなる検知電極４２ａ１、白金を主成分とする基準電極４２ａ２をそれぞれ用いた。又、一対の電極４２ａを覆う拡散層４４Ｂとしてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の多孔質層を形成した。図１〜図５に示されたマルチガスセンサ２００Ａを「実施例１」と称する。
また、実施例２〜９、又は比較例１〜３として、図６〜図８に示すような、ガスセンサ素子１００ＡのＮＯｘセンサ部３０及びアンモニアセンサ部４２の位置や、プロテクタ１４１の内側ガス導入孔１４３ａ及び内側ガス排出孔１４３ｂの位置を変更したマルチガスセンサも同様に作製した。
【００６５】
ここで、実施例２は、図６（ａ）に示すように、実施例１における内側ガス導入孔１４３ａの位置を、アンモニアセンサ部４２の軸線方向Ｏの中央に移動させた変形例である。
実施例３は、図６（ｂ）に示すように、実施例１におけるＮＯｘセンサ部３０を内側ガス導入孔１４３ａよりも軸線方向Ｏ後端側に移動させた変形例である。
実施例４は、図６（ｃ）に示すように、実施例３における内側ガス導入孔１４３ａの位置を、アンモニアセンサ部４２の軸線方向Ｏの中央に移動させた変形例である。
実施例５は、図６（ｄ）に示すように、実施例１におけるアンモニアセンサ部４２に対向する内側プロテクタ１４３の内側側壁１４３ｄを縮径させて縮径部１４３ｐを形成させた変形例である。
【００６６】
実施例６は、図７（ａ）に示すように、実施例２における内側ガス導入孔１４３ａの周縁を縮径させた変形例である。
実施例７は、図７（ｂ）に示すように、実施例５において、アンモニアセンサ部４２の最表面をガスセンサ素子１００Ａの外表面と面一に形成した（つまり、アンモニアセンサ部４２をガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５に埋設させた）変形例である。
実施例８は、図７（ｃ）に示すように、実施例１において、アンモニアセンサ部４２の最表面をガスセンサ素子１００Ａの外表面と面一に形成した（つまり、アンモニアセンサ部４２をガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５に埋設させた）変形例である。
実施例９は、図７（ｄ）に示すように、実施例２において、アンモニアセンサ部４２の最表面をガスセンサ素子１００Ａの外表面と面一に形成した（つまり、アンモニアセンサ部４２をガスセンサ素子１００Ａの先端部１０５に埋設させた）変形例である。
【００６７】
一方、比較例１は、図８（ａ）に示すように、実施例２において、アンモニアセンサ部４２の位置をガス導入孔１４３ａよりもさらに後端側に移動させた変形例である。
比較例２は、図８（ｂ）に示すように、実施例３において、ガス導入孔１４３ａの軸線方向Ｏの位置をガス拡散孔８ａより後端側に移動させた変形例である。
比較例３は、図８（ｃ）に示すように、実施例３において、ガス導入孔１４３ａの軸線方向Ｏの位置をアンモニアセンサ部４２より先端側に移動させた変形例である。
【００６８】
各実施例及び比較例において、内側プロテクタ１４３の内側ガス導入孔１４３ａ、内側ガス排出孔１４３ｂと、ＮＯ ｘ センサ部３０及びアンモニアセンサ部４２との位置関係を表１にまとめた。
【００６９】
（２）センサの特性評価
２−１  アンモニア濃度の検知精度
モデルガス発生装置を使用し、センサ特性の評価を行った。モデルガス発生装置のガス組成を、NH3=20,50ppmにそれぞれ変え、  O2=10%  CO2=5%  H2O=5%  N2=balとした。ガス温度280℃、ガス流速7.5m/s、アンモニアセンサ部４２の一対の電極４２ａの中心部の制御温度600℃とした。
上記モデルガス発生装置のガス流中にマルチガスセンサを配置し、ガス流中にそれぞれ20,50ppmのNH3を添加し、アンモニアセンサ部４２のアンモニア濃度出力（ＥＭＦ）を検出した。
２−２  アンモニア濃度検知の流速依存性
上記モデルガス発生装置のガス組成を、NH3=0〜50ppmの間で変え、  O2=10%  CO2=5%  H2O=5%  N2=balとした。又、ガス流速を1.2、3.7、7.5m/sにそれぞれ変え、ガス温度280℃、アンモニアセンサ部４２の一対の電極の中心部の制御温度600℃とした。
上記モデルガス発生装置のガス流中にマルチガスセンサを配置し、上記各流速に設定したガス流中に0〜50ppmの間でそれぞれNH3を添加し、アンモニアセンサ部４２のアンモニア濃度出力（ＥＭＦ）を検出した。
【００７０】
２−３  アンモニア及びＮＯｘの検知応答性
上記モデルガス発生装置のガス組成を、NH3（又はＮＯｘ）=0から50ppmへ切り換え、又は50ppmから0へ切り換え、  O2=10%  CO2=5%  H2O=5%  N2=balとした。ガス温度280℃、ガス流速7.5m/sとした。アンモニアセンサ部４２の一対の電極４２ａの中心部の制御温度600℃とし、ＮＯｘセンサ部３０の第１ポンピングセル２の制御温度７５０℃、第２ポンピングセル４の制御温度６００℃とした。
上記モデルガス発生装置のガス流中にマルチガスセンサを配置し、NH3（又はＮＯｘ）=0のガス流中に別流路から電磁弁を開いて50ppmのNH3（又はＮＯｘ）が含まれるガス流に切替えた際の、アンモニアセンサ部４２（又はＮＯｘセンサ部３０）の出力の時間変化を検出した。同様に、別流路から電磁弁を開いて50ppmのNH3（又はＮＯｘ）が含まれるガス流中でアンモニアセンサ部４２（又はＮＯｘセンサ部３０）の出力を検出している途中で電磁弁を閉じてNH3（又はＮＯｘ）=0となるガス流に切替えた際の、アンモニアセンサ部４２（又はＮＯｘセンサ部３０）の出力の時間変化を検出した。なお、本装置上のガス交換に要する時間0.02秒はセンサ出力結果から除外している。
なお、電磁弁の信号変化点を時間０とし、NH3（又はＮＯｘ）=0から50ppmに急激に変化させた実験では、センサ出力の飽和値に対して63%の出力に到達するまでの時間を応答時間とした。又、NH3（又はＮＯｘ）=50 ppmから0に急激に変化させた実験では、センサ出力の飽和値に対して63%の出力まで減少したときの時間を応答時間とした。
【００７１】
上記の結果を表１、図９〜図１３に示す。なお、表１のアンモニアセンサ部４２及びＮＯｘセンサ部３０の検知特性の評価において、実施例１の測定値に対する乖離率が±10%未満を○、乖離率が±20%未満を△、乖離率が±20%以上を×とした。評価が○、△であれば実用上問題ない。
又、図９は、各実施例及び比較例のアンモニア濃度の検知精度（NH3＝20,50ppmでのアンモニア濃度出力）を示す。図１０は、実施例１、７のアンモニア濃度検知の流速依存性を示す。図１１は、実施例８、比較例１のアンモニア濃度検知の流速依存性を示す。図１２は、実施例１のアンモニア検知応答性を示す。図１３は、比較例１のアンモニア検知応答性を示す。
【００７２】
【表１】
0005416686.tif 000002
【００７３】
表１、図９〜図１３より、位置Ｒ１にアンモニアセンサ部４２が少なくとも重なり、かつｄ１＜ｄ２である実施例１〜９の場合、内側ガス導入孔１４３ａに近いアンモニアセンサ部４２に被測定ガスが最初に接触し、ＮＯｘセンサ部３０に流入する前の新鮮な被測定ガスをアンモニアセンサ部４２に到達させることができ、アンモニア濃度の検知精度が向上した。
一方、アンモニアセンサ部４２が位置Ｒ１の範囲外に位置する比較例１，３の場合、アンモニア濃度検知の流速依存性が大きくなり、アンモニア検知の応答性が大幅に劣った。これは、
内側ガス導入孔１４３ａから内側ガス排出孔１４３ｂへの被測定ガスの流路上にアンモニアセンサ部４２が存在しないため、例えば、乱流等で十分な被測定ガスがアンモニアセンサ部４２に供給（拡散）されず、被測定ガスのガス流速が変化するとアンモニア濃度の測定値が安定せず、アンモニア検知の応答性も遅くなるためと考えられる。
又、ｄ１＞ｄ２である比較例２の場合、アンモニア濃度の検知精度が大幅に劣化した。これは、被測定ガスが先に高温のＮＯｘセンサ部３０の近傍を通過した後、アンモニアセンサ部４２に到達したため、アンモニアが熱分解してしまい、この被測定ガスをアンモニアセンサ部４２が検知したためと考えられる。
【００７４】
さらに、ガス拡散孔８ａを、内側ガス排出孔１４３ｂとアンモニアセンサ部４２との軸線方向の間の位置Ｒ２に配置した実施例１、２、５〜７の場合、内側ガス導入孔１４３ａから内側ガス排出孔１４３ｂへの被測定ガスの流路（図５の矢印の流れ）上にガス拡散孔８ａが存在することとなり、ＮＯｘセンサ部３０に十分な被測定ガスが供給（拡散）された状態でＮＯｘを測定することができ、ＮＯｘ検知の応答性が速くなり、その結果、安定してＮＯｘを測定できる。
【００７５】
さらに、アンモニアセンサ部４２がガスセンサ素子１００Ａから突出している実施例１〜４、及びアンモニアセンサ部４２に対向する内側プロテクタ１４３に縮径部１４３ｐを形成させた実施例５〜７の場合、ベンチュリ効果により、内側プロテクタ１４３とガスセンサ素子１００Ａとの間隙（ガス検出室１２９）のうち、アンモニアセンサ部４２近傍の間隙における被測定ガスの流速が周囲の内側プロテクタ１４３とガスセンサ素子１００Ａとの間隙における被測定ガスの流速より速くなるため、アンモニアセンサ部４２に十分な被測定ガスが供給（拡散）され、アンモニア濃度の測定精度が向上したと考えられる。
【符号の説明】
【００７６】
２ａ                      第１固体電解質体
２ｂ、２ｃ                第１電極（内側第１ポンピング電極、外側第１ポンピング電極）
２                        第１ポンピングセル
４ａ                      第２固体電解質体
４ｂ、４ｃ                第２電極（内側第２ポンピング電極、第２ポンピング対電極）
４                        第２ポンピングセル
８ａ                      ガス拡散孔
２５                      （アンモニアセンサ部用）固体電解質体
３０                      ＮＯｘセンサ部
４２                      アンモニアセンサ部
４２ａ                    一対の電極
４４Ａ、４４Ｂ            拡散層
１００Ａ                  ガスセンサ素子
１０５                    ガスセンサ素子の先端部
１３８                    主体金具
１４１、１４２、１４３    プロテクタ
１４２ａ                  (外側)ガス導入孔
１４３ａ                  (内側)ガス導入孔
１４３ｂ                  (内側)ガス排出孔
１４３ｄ                  プロテクタの(内側)側壁
１４３ｔ                  （プロテクタの）先端壁
１４３ｓ                  （プロテクタの）側壁の内側面
１４３ｐ                  （プロテクタの）縮径部
２００Ａ                  マルチガスセンサ
ｄ１                       ガス導入孔とアンモニアセンサ部との最短距離
ｄ２                       ガス導入孔とガス拡散孔との最短距離
ｄ３                       アンモニアセンサ部とプロテクタの側壁の内側面との最短距離
ｄ４                       アンモニアセンサ部を除くガスセンサ素子とプロテクタの側壁の内側面との最短距離
ｄ５                       アンモニアセンサ部とガス排出孔との最短距離
Ｓ１                      第１測定室
Ｓ２                      ＮＯｘ測定室
Ｒ１                    軸線方向に沿ってガス導入孔とガス排出孔との間の位置
Ｒ２                    軸線方向に沿ってガス排出孔とアンモニアセンサ部との間の位置
Ｏ              軸線方向
【図１】
0005416686.tif 000003
【図２】
0005416686.tif 000004
【図３】
0005416686.tif 000005
【図４】
0005416686.tif 000006
【図５】
0005416686.tif 000007
【図６】
0005416686.tif 000008
【図７】
0005416686.tif 000009
【図８】
0005416686.tif 000010
【図９】
0005416686.tif 000011
【図１０】
0005416686.tif 000012
【図１１】
0005416686.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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