(57)【要約】  ＮＯｘ濃度を測定する装置および方法が開示される。１つの方法は、ＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流を供給するステップであって、ＮＯ濃度とＮＯ２濃度の和が全ＮＯｘ濃度であるステップと、第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流を、第１の温度の酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させるステップと、第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流を、第２の温度の酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させるステップと、第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサの応答、および第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサの応答を測定することによって、全ＮＯｘ濃度を決定するステップとを含む。第２の温度は第１の温度とは異なる。【選択図】図１
2009507225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流を供給するステップであって、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ２濃度の和が全ＮＯｘ濃度であるステップと、
第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、前記ガス流を、前記第１の温度の酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させるステップと、
第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、前記ガス流を、前記第２の温度の酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させるステップであって、前記第２の温度が前記第１の温度とは異なるステップと、
前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサの応答、および前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサの応答を測定することによって、前記全ＮＯｘ濃度を決定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、ガス流を供給する前記ステップが、ある酸素濃度をさらに含むガス流を供給するステップを含む、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記ガス流を酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させる前記ステップが、前記ガス流を、前記第１の温度における前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させるステップを含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記ガス流を酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させる前記ステップが、前記ガス流を、前記第２の温度における前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させるステップを含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記ガス流を酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させる前記ステップが、前記ガス流を、前記第１の温度における前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させるステップを含み、前記ガス流を酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させる前記ステップが、前記ガス流を、前記第２の温度における前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させるステップを含む、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法であって、前記決定するステップが、前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサの前記応答と、前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサの前記応答との差を測定することによって、前記全ＮＯｘ濃度を決定するステップを含む、方法。
【請求項７】
第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流を供給するステップであって、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ２濃度の合計が全ＮＯｘ濃度であるステップと、
第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、前記ガス流を、前記第２の温度の酸化ジルコニウムベースの酸素センサと接触させるステップであって、前記第２の温度が前記第１の温度とは異なるステップと、
前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの酸素センサの応答を測定することによって、前記全ＮＯｘ濃度を決定するステップと
を含む方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記第１の温度における前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む多孔質媒質を通過するように、前記ガス流を流すステップをさらに含み、前記多孔質媒質が前記第１の温度を有する、方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、ガス流を供給する前記ステップが、ある酸素濃度をさらに含むガス流を供給するステップを含む、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載のであって、前記接触させるステップが、前記ガス流を、前記第２の温度における前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの酸素センサと接触させるステップを含む、方法。
【請求項１１】
ＮＯｘガス源と流体接続し、センサコントローラと電気接続した酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサであって、第１の白金センス電極を含む酸素センサと、
前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと熱連通した加熱要素と、
ＮＯｘガス源と流体接続し、センサコントローラと電気接続した酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサであって、酸化ジルコニウムベースの前記第１の酸素センサが第２の白金センス電極を含む酸素センサと
を含むＮＯｘセンサ装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の装置であって、前記酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと熱連通した第２の加熱要素をさらに含む、装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の装置であって、前記第１および第２の白金センス電極が、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡を助ける触媒を含む、装置。
【請求項１４】
請求項１１に記載の装置であって、前記第１および第２の白金センス電極が、金、ニッケルまたはロジウムからなるグループから選択された触媒を含む、装置。
【請求項１５】
請求項１１に記載の装置であって、前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサおよび前記酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサの周囲に配置されたハウジングをさらに含む、装置。
【請求項１６】
請求項１１に記載の装置であって、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡およびＮＯｘガス源との流体連通を助ける触媒を含み、前記ガス源と前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサとの間、または前記ガス源と前記酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサとの間に配置された多孔質媒質をさらに含む、装置。
【請求項１７】
ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡およびＮＯｘガス源との流体連通を助ける触媒を含む多孔質媒質と、
前記多孔質媒質と流体連通し、センサコントローラと電気接続した酸化ジルコニウムベースの酸素センサであって、白金センス電極を含む酸素センサと、
前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと熱連通した加熱要素と
を含むＮＯｘセンサ装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の装置であって、前記多孔質媒質と熱連通した第２の加熱要素をさらに含む、装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の装置であって、前記白金センス電極が、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡を助ける触媒を含む、装置。
【請求項２０】
請求項１７に記載の装置であって、前記白金センス電極が、金、ニッケルまたはロジウムからなるグループから選択された触媒を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ガス成分の濃度を決定するガスセンサおよび方法に関し、いくつかの事例では、ガス雰囲気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を決定するセンサおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの排気などのガス混合物の酸素組成を決定するセンサは当技術分野において知られている。例えば、米国特許第４２７２３２９号、４２７２３３０号および４２７２３３１号は、固体ジルコニア電解質およびそれに取り付けられた薄い白金電極をそれぞれが有するポンプ電池およびセンサ電池を含む酸素センサを教示している。このセンサ電池およびポンプ電池は、セラミック管とともに、セラミック管の漏れ開口によって周囲の空気がその中で平衡を確立する囲われた容積を形成する。ポンプ電池は、外部回路によって電気入力に接続され、センサ電池は、外部回路によって、電気出力測定および制御手段に結合される。
【０００３】
前記３２９号特許によって教示された酸素センサは、囲われた容積からポンピングされる酸素の量が、漏れ穴を通して囲われた容積内へ拡散する酸素の量と釣り合った定常状態に達するまで、囲われた容積から酸素を電気化学的にポンピングするようにポンプ電池に電圧が印加される定常状態モードで動作する。定常状態では、囲われた容積内の酸素分圧がその周囲よりも低くなり、それによって、センサ電池の電極間にＥＭＦが生じる。センサ電池の電圧が一定になるようにポンプ電池の電流を調整することにより、ポンプ電池の電流は、周囲雰囲気中の酸素百分率に正比例する。
【０００４】
前記３３０号特許によって教示された酸素センサは、過渡モードで動作する同様の素子を使用して、酸素分圧を測定する。囲われた容積内に、所望の酸素分圧の周囲雰囲気が確立された後、囲われた空間から酸素を抜き取るようにポンプ電池が活動化される。囲われた空間内の酸素分圧の低下によって、センサ電池の両端間にＥＭＦが生じる。電圧降下の開始時またはその直後のセンサ電池電圧／時間の最初の微分係数は、周囲の酸素分圧に反比例する。また、周囲酸素分圧を決定するために、囲われた空間内へ酸素をポンピングし、当初のセンサ電池電圧の符号を反転させることによって、この酸素センサを動作させることもできる。
【０００５】
前記３３１号特許によって教示された酸素センサは、センサ電池からの電圧入力に応答して、一連の酸素ポンピング電流がポンプ電池に繰返し流れる振動モードで動作する同様の素子を使用する。ポンプ電池は、センサ電池において誘導される電圧降下が所定の基準値と等しくなるまで、囲われた空間から酸素を抜き取る。次いで、ポンプ電池電流の極性が反転されて、センサ電池の電圧が別の所定の基準値に達するまで囲われた空間内へ酸素がポンピングされ、その時点で、ポンプ電池電流が再び反転され、このサイクルが繰り返される。ポンプ電池電流の絶対値が固定された場合、この振動の周期は酸素分圧に比例する。
【０００６】
エンジンの排気などのガス混合物の窒素酸化物（ＮＯｘ）組成を決定するセンサは当技術分野において知られている。例えば、米国特許第６３４４１３４号は、直列２空間ＮＯｘセンサを使用してＮＯｘ濃度を測定する方法を開示している。このセンサは、固体電解質をそれぞれが含む第１のポンピング電池および第２のポンピング電池を含む。このセンサでは、測定ガス空間、第１の空間および第２の空間が互いに直列に連通する。この方法は、第２の空間のガス入口の近傍の酸素濃度が、第１の空間のＮＯの一部が解離するような濃度となるように、第１のポンピング電池の作用によって、第１の空間から例えば測定ガス空間内へ酸素をポンピングし、または例えば測定ガス空間から第１の空間内へ酸素をポンピングするステップと、第１の空間から第２の空間内へ導入されたガス中の残留ＮＯおよびＯ２を、第２のポンピング電池の作用によって解離させるステップと、ＮＯおよびＯ２の解離によって発生した酸素イオンを第２のポンピング電池の作用によって第２の空間から外へポンピングするステップと、測定ガス中のＮＯｘ濃度を、第１および第２のポンピング電池から発せられた信号（例えばポンピング電流）に基づいて決定するステップとを含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
酸化物ベースの既存のガスセンサは、新たな環境規制、特にエンジンの排気に関する新たな環境規制に対処するのに必要な性能上およびコスト上の要件を満たさない。改良された酸化物ベースのガスセンサが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は一般に、ガス成分の濃度を決定するガスセンサおよび方法に関し、いくつかの事例では、ガス雰囲気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を決定するセンサおよび方法に関する。
【０００９】
例示的な一実施形態では、ガス成分の濃度を測定する方法が開示される。この方法は、ＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流を供給するステップであって、ＮＯ濃度とＮＯ２濃度の和が全ＮＯｘ濃度であるステップと、第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流を、第１の温度の酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させるステップと、第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流を、第２の温度の酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させるステップと、第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサの応答、および第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサの応答を測定することによって、全ＮＯｘ濃度を決定するステップとを含む。第２の温度は第１の温度とは異なる。
【００１０】
他の実施形態では、一方法が、第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流を供給するステップであって、ＮＯ濃度とＮＯ２濃度の合計が全ＮＯｘ濃度であるステップと、第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流を、第２の温度の酸化ジルコニウムベースの酸素センサと接触させるステップであって、第２の温度が第１の温度とは異なるステップと、第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの酸素センサの応答を測定することによって、全ＮＯｘ濃度を決定するステップとを含む。
【００１１】
他の実施形態では、ＮＯｘセンサ装置が、ＮＯｘガス源と流体接続し、センサコントローラと電気接続した酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサを含む。酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサは第１の白金センス電極を含む。加熱要素が、酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと熱連通する。酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサが、ＮＯｘガス源と流体接続し、センサコントローラと電気接続する。酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサは第２の白金センス電極を含む。
【００１２】
他の実施形態では、ＮＯｘセンサ装置が、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡およびＮＯｘガス源との流体連通を助ける触媒を含む多孔質媒質を含む。酸化ジルコニウムベースの酸素センサが、多孔質媒質と流体連通し、センサコントローラと電気接続する。酸化ジルコニウムベースの酸素センサは白金センス電極を含み、加熱要素が、酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと熱連通する。
【００１３】
本出願のこれらの態様およびその他の態様は、以下の詳細な説明から明白となろう。しかし、本発明の上記の概要を、特許請求の内容を限定するものと解釈してはならない。特許請求の内容は、添付の特許請求の範囲のみによって定義され、添付の特許請求の範囲は、手続き追行中に補正されることがある。
【００１４】
本発明は、本発明のさまざまな実施形態の以下の詳細な説明を添付図面とともに検討することによって、より完全に理解することができる。
本発明は、さまざまな変更および代替形態を容易に受け入れ、本発明の明細は、図面に例として示されており、後に詳細に説明される。しかし、その意図は、記載された例示的な特定の実施形態に本発明を限定することではないことに留意されたい。それとは逆に、その意図は、本発明の趣旨および範囲に含まれる全ての変更、等価および代替形態をカバーすることにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の説明は図面を参照して読むべきであり、異なる図面中の同様の要素には同様の符号がつけられている。必ずしも一定の尺度では描かれていないこれらの図面は、選択された実施形態を示すものであり、本発明の範囲を限定する意図を持たない。さまざまな要素に対して構造、寸法および材料の例が示されるが、示されるこれらの例の多くは、利用することができる適当な代替物を有することを当業者は認識するであろう。
【００１６】
本発明は一般に、ガス雰囲気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を決定するガスセンサおよび方法に関する。本発明はそれらだけに限定されるものではなく本発明のさまざまな態様は、以下に示される例示的なさまざまな実施形態および例の議論を通して認識されるであろう。
【００１７】
ガス中の窒素酸化物の濃度は一般に、以下の平衡によって支配される。
ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２
加えて、下式から、平衡時のＮＯ２とＮＯの比を予測することができる。
【００１８】
（ｐＮＯ２）／ｐＮＯ＝１．６×１０−４・ｅｘｐ（１３，９００／ＲＴ）・（ｐＯ２）１／２
例えば、摂氏７５０度、過剰酸素１％で、平衡比は０．０１５０３である（すなわちＮＯ  ９８．５％、ＮＯ２  １．５％）。したがって、指定された任意の温度において、酸素濃度が既知ならば、平衡時のＮＯ２とＮＯの比を予測することができる。
【００１９】
本明細書に記載された酸素センサは、センサ温度におけるＮＯ２とＮＯの平衡比への接近を監視するために、センサ温度におけるＮＯ２とＮＯの平衡比でない初期比を有するガス試料に対する応答を提供する。いくつかの実施形態では、このセンサ装置が、酸化ジルコニウムベースの２つの酸素センサを使用し、あるいは、酸化ジルコニウムベースの１つの酸素センサと多孔質触媒膜とを使用して、個々のセンサ温度におけるＮＯ２とＮＯの平衡比への接近を監視し、これらの要素は全て既知の温度に維持される。これらの要素を異なる温度に維持することによって、ガス源の初期条件を知る必要なしに、異なる平衡に近づく。例えば一酸化炭素、メタンなどによる競合反応は完了まで進み、それらの反応は全ＮＯｘの決定を妨害しない。
【００２０】
図１は、例示的なＮＯｘセンサ装置１００の概略平面図である。センサ１００は、ＮＯｘガス源Ｆと流体接続し、センサコントローラ１４０と電気接続した酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ１１０（後述）を含む。酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ１２０がＮＯｘガス源Ｆと流体接続し、さらにセンサコントローラ１４０と電気接続する。多くの実施形態では、センサ装置１００が、酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ１１０および酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ１２０の周囲に配置されたハウジング１３０を含む。いくつかの実施形態では、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡を助ける触媒を含む多孔質媒質が、ＮＯｘガス源Ｆと流体連通し、この多孔質媒質が、ガス源Ｆと酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ１３０との間、またはガス源Ｆと酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ１４０との間に配置される。
【００２１】
動作時、例示的なＮＯｘセンサ装置１００は、ＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流１０１を供給し、第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流１０１を、第１の温度の酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ１１０と接触させ、第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流１０１を、第２の温度の酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ１２０と接触させることによって機能する。第２の温度は第１の温度とは異なる。ＮＯ濃度とＮＯ２濃度の和が全ＮＯｘ濃度である。全ＮＯｘ濃度は、第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ１１０の応答、および第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ１２０の応答を測定することによって決定される。多くの実施形態では、ガス流１０１が、ある酸素濃度の酸素を含む。酸化ジルコニウムベースの第１および第２の酸素センサ１１０、１２０から流出する退出ガス流１０３が示されている。
【００２２】
多くの実施形態では、酸化ジルコニウムベースの第１のセンサ１１０および／または酸化ジルコニウムベースの第２のセンサ１１０が、指定されたそれぞれの温度における指定されたＮＯ：ＮＯ２平衡（ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２）を有するガス流を提供するのを助ける触媒を含む。この触媒は、後述するような有用な任意の触媒とすることができる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、全ＮＯｘ濃度が、第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ１１０の応答と、第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ１２０の応答との差を測定することによって決定される。図５は、図１に示されたセンサ装置１００のＮＯｘ濃度に対するセンサ応答を示す例示的なグラフである。
【００２４】
図２は、例示的な他のＮＯｘセンサ装置２００の概略平面図である。センサ装置２００は、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡およびＮＯｘガス源Ｆとの流体連通を助ける触媒を含む多孔質媒質２１０を含む。この触媒は、後述するような有用な任意の触媒とすることができる。酸化ジルコニウムベースの酸素センサ２２０（後述）が、多孔質媒質２１０と流体連通し、センサコントローラ２４０と電気接続する。多孔質媒質２１０と熱連通した任意選択の加熱要素２１５が示されている。
【００２５】
動作時、例示的なＮＯｘセンサ装置２００は、第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流２０２を供給し、第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、ガス流２０２を、第２の温度の酸化ジルコニウムベースの酸素センサ２２０と接触させることによって機能する。第２の温度は第１の温度とは異なる。ＮＯ濃度とＮＯ２濃度の和が全ＮＯｘ濃度である。全ＮＯｘ濃度は、第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための酸化ジルコニウムベースの酸素センサ２２０の応答を測定することによって決定することができる。酸化ジルコニウムベースの酸素センサ２２０から流出する退出ガス流２０３が示されている。
【００２６】
多くの実施形態では、第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を提供するのを助ける触媒を含む第１の温度の多孔質媒質２１０を通過するようにソースガス２０１を流すことによって、ガス流２０２が提供される。この触媒は、後述するような有用な任意の触媒とすることができる。多くの実施形態では、ガス流２０２が、ある酸素濃度の酸素を含む。図６は、図２に示されたセンサ装置２００のＮＯｘ濃度に対するセンサ応答を示す例示的なグラフである。
【００２７】
図３は、第１の位置１にある、例示的な酸化ジルコニウムベースの酸素センサ３１０の概略断面図である。ガスセンサ３１０は、ポンプコントローラ３３０およびセンスコントローラ３４０に電気的に結合されたセンサ要素３２０を含む。本明細書で使用されるとき、用語「コントローラ」は、電子装置および／またはソフトウェアを指す。センサ要素３２０は、センサ要素３２０によって測定される例えば酸素、窒素酸化物などの１種または数種のガスを含むガス源と流体連通した第１の空間３０５の中に配置される。多くの実施形態では、測定されるガスが、ＮＯおよびＮＯ２、またはＮＯｘであり、ＮＯｘ＝ＮＯ＋ＮＯ２である。ヒータコントローラ３６０に電気的に結合され、センサ３１０と熱連通した任意選択の加熱要素３１５が示されている。加熱要素３１５は、センサ要素３２０が感知する際の温度を変化させることができる。示されたこの例示的な実施形態では、ポンプコントローラ３３０、センスコントローラ３４０およびヒータコントローラ３６０が、コントローラモジュール３７０の中に配置されているが、これは必須ではない。センサ要素３２０は、第１の電池３２１および第２の電池３２２を含む。センサ要素３２０は、例えば円筒形、平面など、任意の形状とすることができる。
【００２８】
第１の電池３２１は、第１の電池の２つの導電性電極３２５、３２７間に配置された酸化ジルコニウム層などの酸素イオン伝導性固体電解質層３２３を含む。一実施形態では、第１の電池の導電性電極３２５および３２７が、第１の電池の白金電極３２５、３２７である。いくつかの実施形態では、第１の電池の電極３２７が、ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡を助ける触媒３１９を含む。触媒３１９は、例えば金、ニッケル、ロジウムなど、有用な任意の触媒とすることができる。触媒３１９は、第１の電池の電極３２７の外面に配置された触媒層とすることができる。多くの実施形態では、触媒３１９が、厚さ０．１から５マイクロメートルの層として形成され、有用な任意の付着技法によって付着させることができる。
【００２９】
第２の電池３２２は、第２の電池の２つの導電性電極３２６、３２８間に配置された酸化ジルコニウム層などの酸素イオン伝導性固体電解質層３２４を含む。いくつかの実施形態では、第２の電池の導電性電極３２６および３２８がともに、第２の電池の白金電極３２６および３２８である。一実施形態では、第１の電池３２１および第２の電池３２２の内側の電極３２５および３２６が共通の白金電極である。センサ要素３２０内に、密封された測定空間３２９が配置される。
【００３０】
図３は、第１の位置１にあるポンプコントローラ３３０およびセンスコントローラ３４０に電気的に結合されたセンサ要素３２０を示す。この実施形態では、第１の電池３２１が、ポンプコントローラ３３０に電気的に結合され、第２の電池３２２が、センスコントローラ３４０に電気的に結合される。一実施形態では、第１の電池３２１が、外側電極３２７と内側電極３２５の間に配置された酸化ジルコニウム層３２３を有し、第２の電池３２２が、外側電極３２８と内側電極３２６の間に配置された酸化ジルコニウム層３２４を有する。この構成では、全ＮＯｘガス濃度を決定することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、任意選択で、図４に示されているように、第１の電池３２１または第２の電池３２２に電気的に結合されるように、ポンプコントローラ３３０およびセンスコントローラ３４０を、切換え要素３５０によって切り換えることができる。図４では、センサ要素３２０が、第２の位置２にあるポンプコントローラ３３０およびセンスコントローラ３４０に電気的に結合されている。この構成では、酸素濃度を測定することができる。
【００３２】
切換え要素３５０は、第１の電池３２１および第２の電池３２２から、ポンプコントローラ３３０およびセンスコントローラ３４０に送る電気信号を切り換えることができるハードウェアおよび／またはソフトウェアによって制御することができる。ポンプコントローラ３３０およびセンスコントローラ３４０は当技術分野においてよく知られている。ポンプコントローラ３３０が例えば第１の電池３２１に電気的に結合され、ポンピング電流が流されると、第１の電池の電極３２５、３２７間でイオンポンピング作用が生じる。同時に、第２の電池の電極３２６および３２８は協同で、それらの電極間に誘導された起電力を、知られているとおりに検出する。
【００３３】
本発明が上述の特定の例に限定されるとは考えてはならず、むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲に公正に記載された本発明の全ての態様をカバーすると理解すべきである。本明細書を再検討した本発明の提示対象である当業者には、さまざまな変更、等価のプロセスおよび本発明を適用することができる多数の構造が、直ちに明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】例示的なＮＯｘセンサ装置の概略平面図である。
【図２】例示的な他のＮＯｘセンサ装置の概略平面図である。
【図３】第１の位置にある、例示的な酸化ジルコニウムベースの酸素センサ素子の概略断面図である。
【図４】第２の位置にある、例示的な酸化ジルコニウムベースの酸素センサ素子の概略断面図である。
【図５】図１に示されたセンサ装置のＮＯｘ濃度に対するセンサ応答を示す例示的なグラフである。
【図６】図２に示されたセンサ装置のＮＯｘ濃度に対するセンサ応答を示す例示的なグラフである。
【図１】
2009507225.tif 000003
【図２】
2009507225.tif 000004
【図３】
2009507225.tif 000005
【図４】
2009507225.tif 000006
【図５】
2009507225.tif 000007
【図６】
2009507225.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年5月12日(2008.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流（１０１）を供給するステップであって、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ２濃度の和が全ＮＯｘ濃度であるステップと、
第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、前記ガス流を、前記第１の温度の酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ（１１０）と接触させるステップと、
第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、前記ガス流を、前記第２の温度の酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ（１２０）と接触させるステップであって、前記第２の温度が前記第１の温度とは異なるステップと、
前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサの応答、および前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサの応答を測定することによって、前記全ＮＯｘ濃度を決定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記ガス流を酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させる前記ステップが、前記ガス流を、前記第１の温度における前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと接触させるステップを含み、前記ガス流を酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させる前記ステップが、前記ガス流を、前記第２の温度における前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサと接触させるステップを含む、方法。
【請求項３】
第１の温度における第１のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有するガス流（２０１）を供給するステップであって、前記ＮＯ濃度と前記ＮＯ２濃度の合計が全ＮＯｘ濃度であるステップと、
第２の温度における第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するために、前記ガス流を、前記第２の温度の酸化ジルコニウムベースの酸素センサ（２２０）と接触させるステップであって、前記第２の温度が前記第１の温度とは異なるステップと、
前記第２のＮＯ：ＮＯ２平衡を達成するための前記酸化ジルコニウムベースの酸素センサの応答を測定することによって、前記全ＮＯｘ濃度を決定するステップと
を含む方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、前記第１の温度における前記第１のＮＯ：ＮＯ２平衡状態にあるＮＯ濃度およびＮＯ２濃度を有する前記ガス流を提供するのを助ける触媒を含む多孔質媒質（２１０）を通過するように、前記ガス流を流すステップをさらに含み、前記多孔質媒質が前記第１の温度を有する、方法。
【請求項５】
ＮＯｘガス源（Ｆ）と流体接続し、センサコントローラ（１４０）と電気接続した酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサ（１１０）であって、第１の白金センス電極（３２７）を含む酸素センサと、
前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと熱連通した加熱要素（３１５）と、
ＮＯｘガス源と流体接続し、センサコントローラと電気接続した酸化ジルコニウムベースの第２の酸素センサ（１２０）であって、酸化ジルコニウムベースの前記第１の酸素センサが第２の白金センス電極（３２８）を含む酸素センサと
を含むＮＯｘセンサ装置（１００）。
【請求項６】
ＮＯ＋１／２Ｏ２⇔ＮＯ２平衡およびＮＯｘガス源（Ｆ）との流体連通を助ける触媒を含む多孔質媒質（２１０）と、
前記多孔質媒質と流体連通し、センサコントローラ（２４０）と電気接続した酸化ジルコニウムベースの酸素センサ（２２０）であって、白金センス電極（３２７）を含む酸素センサと、
前記酸化ジルコニウムベースの第１の酸素センサと熱連通した加熱要素（３１５）と
を含むＮＯｘセンサ装置（２００）。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であって、前記多孔質媒質と熱連通した第２の加熱要素（２１５）をさらに含む、装置。
【国際調査報告】
2009507225.tif 000009
2009507225.tif 000010
2009507225.tif 000011