(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するＮＯｘセンサ部と、
前記被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度を測定するアンモニアセンサ部と、
前記ＮＯｘセンサ部および前記アンモニアセンサ部を加熱するヒータ部と、
が一体に設けられたセンサ素子部を有し、軸線方向に延びるマルチガスセンサであって、
前記アンモニアセンサ部は、同じ構成要素からなる第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部を有し、
前記第２アンモニアセンサ部は、前記センサ素子部のうち、前記第１アンモニアセンサ部よりも温度が低い領域に配置されていることを特徴とするマルチガスセンサ。
【請求項２】
前記センサ素子部には、前記ＮＯｘセンサ部の加熱を制御するために用いられる温度を測定する温度検出部が設けられ、
前記第１アンモニアセンサ部は、前記センサ素子部のうち、前記第２アンモニアセンサ部と比較して前記温度検出部に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載のマルチガスセンサ。
【請求項３】
前記ＮＯｘセンサ部は、
第１固体電解質体、および該第１固体電解質体上に設けられ、第１測定室の内部と外部に位置する一対の第１電極を有し、前記第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出しまた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、および該第２固体電解質体上に設けられ、第２測定室の内部と外部に位置する一対の第２電極とを有し、前記第１測定室にて酸素濃度が調整されて前記第２測定室に流入したガス中の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、
前記温度検出部が、前記第１ポンピングセルの下流側で、かつ前記第２ポンピングセルの上流側に設けられてなり、
前記第１アンモニアセンサ部は、前記センサ素子部の外表面であり、前記軸線方向における前記温度検出部と同じ位置に設けられることを特徴とする請求項２記載のマルチガスセンサ。
【請求項４】
前記第１アンモニアセンサ部および前記第２アンモニアセンサ部は、共通の基準電極を用いて構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマルチガスセンサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のマルチガスセンサと、
前記ＮＯｘセンサ部の出力、前記第１アンモニアセンサ部の出力、および、前記第２アンモニアセンサ部の出力に基づいて、前記被測定ガスに含まれる一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を算出する演算部と、
が設けられていることを特徴とするマルチガスセンサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度およびアンモニアの濃度の測定に用いられるマルチガスセンサおよびマルチガスセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する技術として、尿素ＳＣＲ（選択触媒還元）システムが注目されている。尿素ＳＣＲシステムは、アンモニア（ＮＨ3）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを化学反応させて、窒素酸化物を窒素（Ｎ2）に還元することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するシステムである。
【０００３】
この尿素ＳＣＲシステムでは、窒素酸化物に対して供給されるアンモニアの量が過剰になると、未反応のアンモニアが排気ガスに含まれたまま外部に放出されるおそれがあった。このようなアンモニアの放出を抑制するために、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度を測定するセンサ素子を含む複数種類のガス濃度を測定可能なマルチガスセンサが尿素ＳＣＲシステムに用いられている（例えば、特許文献１および２参照）。この尿素ＳＣＲシステムでは、マルチガスセンサで測定されるアンモニアの濃度、つまり排気ガスに含まれるアンモニアの濃度が所定範囲内になるように、窒素酸化物の還元に用いられるアンモニアの量が調節されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０７５５４６号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０１６１２４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１に記載されたマルチガスセンサは、ＮＯｘセンサにＮＨ3検知セルを設けたものである。このマルチガスセンサでは、ＮＯｘセンサから出力される測定信号と、ＮＨ3検知セルから出力される測定信号しか得られない。そのため、測定対象のガス種が３つの場合、例えば一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）およびアンモニア（ＮＨ3）の場合には、３つのガス種の正確な濃度の算出は困難であり、不十分な精度の濃度しか求めることができない虞があった。
【０００６】
上述の特許文献２に記載されたマルチガスセンサは、ＮＨ3検知セル、ＮＯ2検知セルおよびＮＯｘセルを組合せたものであり、ＮＨ3検知セルの測定信号、ＮＯ2検知セルの測定信号、および、ＮＯｘセルの測定信号に基づいて、アンモニア、一酸化窒素、二酸化窒素のそれぞれの濃度を算出するものである。
【０００７】
しかしながら、特許文献２に記載されたマルチガスセンサでは、ＮＨ3検知セルの電極と、ＮＯ2検知セルの電極とが異なる材料から形成されている。そのため、ＮＨ3検知セルおよびＮＯ2検知セルのそれぞれに対して信頼性を確保する措置を取る必要があった。つまり、電極の劣化度合いが異なるおそれがあり、マルチガスセンサの使用期間が長くなると、電極の劣化度合いの差が大きくなり、ガス種の濃度の測定精度が悪化する可能性があるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、一酸化窒素の濃度、二酸化窒素の濃度およびアンモニアの濃度の測定精度の悪化を抑制することができるマルチガスセンサおよびマルチガスセンサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のマルチガスセンサは、被測定ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するＮＯｘセンサ部と、前記被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度を測定するアンモニアセンサ部と、前記ＮＯｘセンサ部および前記アンモニアセンサ部を加熱するヒータ部と、が一体に設けられたセンサ素子部を有し、軸線方向に延びるマルチガスセンサであって、前記アンモニアセンサ部は、同じ構成要素からなる第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部を有し、前記第２アンモニアセンサ部は、前記センサ素子部のうち、前記第１アンモニアセンサ部よりも温度が低い領域に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明のマルチガスセンサによれば、測定時において第１アンモニアセンサ部と第２アンモニアセンサ部との間に温度差があるため、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部における一酸化窒素および二酸化窒素に対する反応の程度に差が生じる。そのため、ＮＯｘセンサ部、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部のそれぞれから異なる値の出力を得ることができる。この３つの出力を用いて演算を行うことにより、一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を求めることができる。
【００１１】
なお、好ましくは第１アンモニアセンサ部と第２アンモニアセンサ部との間の温度差を５０℃以上とすることで、第１アンモニアセンサ部と、第２アンモニアセンサ部との間の出力差を十分に確保できる。そのため、３つの異なる値の出力を確実に確保することができ、演算により求める一酸化窒素濃度、二酸化窒素濃度およびアンモニア濃度の精度をより確保しやすくなる。
【００１２】
また、具体的な演算方法としては、アンモニアの影響が含まれるＮＯｘセンサ部の出力（窒素酸化物濃度の出力値）、窒素酸化物（一酸化窒素および二酸化窒素）の影響が含まれる第１アンモニアセンサ部の出力（アンモニア濃度の出力値）、および、同じく窒素酸化物の影響が含まれる第２アンモニアセンサ部の出力（アンモニア濃度の出力値）の３つの出力から、アンモニアおよび二酸化窒素の影響を取り除いた一酸化窒素の濃度、アンモニアおよび一酸化窒素の影響を取り除いた二酸化窒素の濃度、および、一酸化窒素および二酸化窒素の影響を取り除いたアンモニアの濃度を算出することができる。
【００１３】
ここで、高温領域に配置される第１アンモニアセンサ部と、低温領域に配置される第２アンモニアセンサ部とは構成要素が同じであっても、配置される領域の温度（つまりセンサ部の温度）が異なることにより、出力における窒素酸化物の影響の度合いが変わってくる。言い換えると、出力における窒素酸化物の影響度はセンサ部の温度に依存している。そのため、第１アンモニアセンサ部の出力と、第２アンモニアセンサ部の出力とは、異なる出力として扱うことができ、これにＮＯｘセンサ部の出力を加えた３つの異なる出力を用いて、一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を求めることができる。
【００１４】
また、第１アンモニアセンサ部と第２アンモニアセンサ部とを構成する要素を同じとすることにより、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部の経時的な劣化の程度も同程度となる。そのため、別々の構成要素を用いて第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部を構成する場合と比較して、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部の間の出力の関係を一定に保ちやすくできる。言い換えると、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部の出力を較正する必要性が低くなり、一酸化窒素濃度、二酸化窒素濃度およびアンモニア濃度の精度を保ちやすくなる。
【００１５】
なお「構成要素が同じ」とは、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部が同材料からなる同構成を有していることを指し、たとえば、公知のようにアンモニアセンサ部が固体電解質体、およびその表面に設けられた一対の電極にて構成されている場合、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部が、それぞれ固体電解質体および一対の電極（構成）にて形成されており、かつこの固体電解質体、および一対の電極が同材料であることを指す。
【００１６】
さらに、ＮＯｘセンサ部、第１アンモニアセンサ部の温度および第２アンモニアセンサ部の温度のうち、低温側の温度の下限は５００℃であることが好ましく、高温側の温度の上限は８００℃であることが好ましい。このように、低温側の温度の下限を５００℃とすることでＮＯｘセンサ部、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部のセンサを活性化させることができ、高温側の温度の上限を８００℃とすることで、ＮＯｘセンサ部、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部のアンモニア検出性能の低下を抑制することができる。
【００１７】
上記発明において前記センサ素子部には、前記ＮＯｘセンサ部の加熱を制御するために用いられる温度を測定する温度検出部が設けられ、前記第１アンモニアセンサ部は、前記センサ素子部のうち、前記第２アンモニアセンサ部と比較して前記温度検出部に近い位置に配置されていることが好ましい。
【００１８】
このように高温領域に配置される第１アンモニアセンサ部を、温度検出部に近い位置に配置することにより、第１アンモニアセンサ部の温度を正確に制御することができる。特に、第１アンモニアセンサ部の温度を、上述の上限温度である８００℃に近い温度に制御する場合には、上限温度を超えることによる第１アンモニアセンサ部の検出性能の低下を抑制しやすくなる。
【００１９】
上記発明において前記ＮＯｘセンサ部は、第１固体電解質体、および該第１固体電解質体上に設けられ、第１測定室の内部と外部に位置する一対の第１電極を有し、前記第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出しまた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、および該第２固体電解質体上に設けられ、第２測定室の内部と外部に位置する一対の第２電極とを有し、前記第１測定室にて酸素濃度が調整されて前記第２測定室に流入したガス中の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、前記温度検出部が、前記第１ポンピングセルの下流側で、かつ前記第２ポンピングセルの上流側に設けられてなり、前記第１アンモニアセンサ部は、前記センサ素子部の外表面であり、前記軸線方向における前記温度検出部と同じ位置に設けられることが好ましい。
【００２０】
このように、ＮＯｘセンサ部が上述の構成で形成されている場合には、温度検出部を、第１ポンピングセルの下流側で、かつ第２ポンピングセルの上流側に設けることで、ＮＯｘセンサ部の略中央の温度を測定することができ、ＮＯｘセンサ部の加熱を良好に制御することができる。その上、第１アンモニアセンサ部を、センサ素子部の外表面であり、軸線方向における温度検出部と同じ位置に設けることで、第１アンモニアセンサ部の温度をより正確に制御することができる。
【００２１】
上記発明においては、前記第１アンモニアセンサ部および前記第２アンモニアセンサ部は、共通の基準電極を用いて構成されていることが好ましい。
【００２２】
このように第１アンモニアセンサ部の基準電極および第２アンモニアセンサ部の基準電極を共通の電極とすることにより、マルチガスセンサにおける測定精度の悪化を抑制できる。具体的には、第１アンモニアセンサ部の基準電極の劣化度合いと、第２アンモニアセンサ部の基準電極の劣化度合いが一致するため、基準電極を別々に設けた場合と比較して、劣化度合いの違いによる測定精度の悪化が抑制される。
【００２３】
本発明のマルチガスセンサ装置は、上記本発明のマルチガスセンサと、前記ＮＯｘセンサ部の出力、前記第１アンモニアセンサ部の出力、および、前記第２アンモニアセンサ部の出力に基づいて、前記被測定ガスに含まれる一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を算出する演算部と、が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明のマルチガスセンサ装置によれば、上記本発明のマルチガスセンサが設けられているため、ＮＯｘセンサ部、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部のそれぞれから異なる値の出力に基づいて演算を行い、一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を出力することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のマルチガスセンサおよびマルチガスセンサ装置によれば、測定時において第１アンモニアセンサ部と第２アンモニアセンサ部との間に温度差を設けることにより、ＮＯｘセンサ部、第１アンモニアセンサ部および第２アンモニアセンサ部のそれぞれから異なる値の出力を得ることができる。この異なる値の３つの出力に基づく演算によって、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびＮＨ3濃度を求めることにより、一酸化窒素の濃度、二酸化窒素の濃度およびアンモニアの濃度の測定精度の悪化を抑制できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るマルチガスセンサの構成を説明する長手方向に沿う断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るマルチガスセンサ装置の構成を説明するブロック図である。
【図３】第１および第２アンモニアセンサ部の構成を説明する展開図である。
【図４】第１および第２アンモニアセンサ部、並びにＮＯｘセンサ部の検出特性を説明する図である。
【図５】第１および第２アンモニアセンサ部、並びにＮＯｘセンサ部の検出特性を説明する図である。
【図６】第１および第２アンモニアセンサ部、並びにＮＯｘセンサ部の検出特性を説明する図である。
【図７】第１および第２アンモニアセンサ部、並びにＮＯｘセンサ部の検出特性を説明する図である。
【図８】本実施形態の補正処理を行う前後のＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびＮＨ3濃度の違いを説明する図である。
【図９】本実施形態の補正処理を行う前後のＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびＮＨ3濃度の違いを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明の一実施形態に係るマルチガスセンサ装置１について、図１から図９までを参照しながら説明する。本実施形態のマルチガスセンサ装置１は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス（被測定ガス）に含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する尿素ＳＣＲシステムに用いられるものである。より具体的には、排気ガスに含まれるＮＯｘと、アンモニア（尿素）とを反応させた後の排気ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）およびアンモニアの濃度を測定するものである。
【００２８】
なお、本実施形態のマルチガスセンサ装置１が適用されるエンジンは、上述のディーゼルエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンにも適用することができ、特にエンジンの形式を限定するものではない。
【００２９】
マルチガスセンサ装置１には、図１および図２に示すように、センサ本体であるマルチガスセンサ２と、マルチガスセンサ２を制御すると共にセンサ出力を演算処理することにより、ＮＯ、ＮＯ2およびアンモニアの濃度を算出する制御部（演算部）３と、が主に設けられている。
【００３０】
マルチガスセンサ２には、図１に示すように、センサ素子部１０と、主体金具１１０と、セパレータ１３４と、接続端子１３８と、が主に設けられている。なお、以下の説明では、マルチガスセンサ２のセンサ素子部１０が配置されている側（図１の下側）を先端側、接続端子１３８が配置されている側（図１の上側）を後端側と表記する。
【００３１】
センサ素子部１０は、軸線Ｏ方向に延びる板形状を有する。センサ素子部１０の後端には電極端子部１０Ａ、１０Ｂが配置されている。図１においては、図示を容易にするために、センサ素子部１０に形成された電極端子部を、電極端子部１０Ａおよび電極端子部１０Ｂのみとしているが、実際には、後述するＮＯｘセンサ部１１や第１アンモニアセンサ部２１や第２アンモニアセンサ部２２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。なお、センサ素子部１０のより詳細な説明は後述する。
【００３２】
主体金具１１０は、マルチガスセンサ２をディーゼルエンジンの排気管に固定するネジ部１１１が外表面に形成された筒状の部材である。主体金具１１０には、軸線方向に貫通する貫通孔１１２と、貫通孔１１２の径方向内側に突出する棚部１１３と、が主に設けられている。棚部１１３は、貫通孔１１２の径方向外側から中心に向かって先端側へ近づく傾きを有する内向きのテ―パ面として形成されている。
【００３３】
また、主体金具１１０は、センサ素子部１０の先端側を、貫通孔１１２から先端側に突出させ、センサ素子部１０の後端側を貫通孔１１２の後端側に突出させた状態で保持するものである。
【００３４】
主体金具１１０の貫通孔１１２の内部には、先端側から後端側に向かって順に、センサ素子部１０の径方向周囲を取り囲む筒状の部材であるセラミックホルダ１１４、粉末充填層である滑石リング１１５，１１６、セラミックスリーブ１１７が積層されている。
【００３５】
セラミックスリーブ１１７と主体金具１１０の後端側の端部との間には、加締めパッキン１１８が配置されている。セラミックホルダ１１４と主体金具１１０の棚部１１３との間には、金属ホルダ１１９が配置されている。金属ホルダ１１９は、滑石リング１１５やセラミックホルダ１１４を保持するものである。主体金具１１０の後端側の端部は、加締めパッキン１１８を介してセラミックスリーブ１１７を先端側に向かって押し付けるように加締められる部分である。
【００３６】
主体金具１１０の先端側の端部には、外部プロテクタ１２１および内部プロテクタ１２２が設けられている。外部プロテクタ１２１および内部プロテクタ１２２は、先端側の端部が閉塞されたステンレス鋼などの金属材料から形成された筒状の部材である。内部プロテクタ１２２は、センサ素子部１０の先端側の端部を覆った状態で主体金具１１０に溶接され、外部プロテクタ１２１は、内部プロテクタ１２２を覆った状態で主体金具１１０に溶接されている。
【００３７】
主体金具１１０の後端側の端部には、筒状に形成された外筒１３１の先端側の端部が固定されている。さらに、外筒１３１の後端側の端部である開口には、当該開口を閉塞するグロメット１３２が配置されている。
【００３８】
グロメット１３２には、リード線１４１が挿通されるリード線挿通孔１３３が形成されている。リード線１４１は、センサ素子部１０の電極端子部１０Ａや、電極端子部１０Ｂに電気的に接続されるものである。
【００３９】
セパレータ１３４は、センサ素子部１０の後端側に配置された筒状に形成された部材である。セパレータ１３４の内部に形成された空間は、軸線方向に貫通する挿通孔１３５である。セパレータ１３４の外表面には、径方向外側に突出する鍔部１３６が形成されている。
【００４０】
セパレータ１３４の挿通孔１３５には、センサ素子部１０の後端部が挿入され、電極端子部１０Ａ、１０Ｂがセパレータ１３４の内部に配置される。
【００４１】
セパレータ１３４と外筒１３１との間には、筒状に形成された保持部材１３７が配置されている。保持部材１３７は、セパレータ１３４の鍔部１３６と当接すると共に、外筒１３１の内面とも当接することにより、セパレータ１３４を外筒１３１に対して固定保持するものである。
【００４２】
接続端子１３８は、セパレータ１３４の挿通孔１３５内に配置される部材であり、センサ素子部１０の電極端子部１０Ａや電極端子部１０Ｂと、リード線１４１と、をそれぞれ独立に電気的に接続する導電部材である。なお、図１では、図示を容易にするために、２つの接続端子１３８のみが図示されている。
【００４３】
マルチガスセンサ装置１の制御部３は、図２に示すように、マルチガスセンサ装置１が搭載された車両の車両側制御装置であるＥＣＵ２００と電気的に接続されている。ＥＣＵ２００は、制御部３で算出された排気ガス中のＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびアンモニア濃度を示すデータを受信し、受信データに基づいてディーゼルエンジンの運転状態の制御処理を実行したり、触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化処理を実行したりするものである。
【００４４】
ここで、センサ素子部１０の構成の詳細について、図２を参照しながら説明する。なお、図２では説明の便宜のために、センサ素子部１０の長手方向に沿う断面図のみを表示している。
【００４５】
センサ素子部１０には、ＮＯｘセンサ部１１と、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２と、が主に設けられている。本実施形態におけるＮＯｘセンサ部１１、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２は、それぞれ公知のＮＯｘセンサと同様な構成、公知のアンモニアセンサと同様な構成を有している。
【００４６】
ＮＯｘセンサ部１１は、主に、絶縁層１０ｅ、第１固体電解質体１２ａ、絶縁層１０ｄ、第３固体電解質体１６ａ、絶縁層１０ｃ、第２固体電解質体１８ａ、及び絶縁層１０ｂ、１０ａが、この順に積層された構造となっている。上述の各絶縁層１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅはアルミナを主体として形成されている。
【００４７】
さらにＮＯｘセンサ部１１には、第１測定室Ｓ１が第１固体電解質体１２ａと第３固体電解質体１６ａとの層間に設けられ、ＮＯｘ測定室に相当する第２測定室Ｓ２が、第１固体電解質体１２ａと第２固体電解質体１８ａとの層間に、第３固体電解質体１６ａを貫通して設けられている。
【００４８】
被測定ガスが導入される第１測定室Ｓ１の入口端（図２の左側の端）には、第１拡散抵抗体１４が配置されている。第１測定室Ｓ１における入口端と反対側の端（図２の右側の端）には、第１測定室Ｓ１と第２測定室Ｓ２とを区画する第２拡散抵抗体１５が配置されている。上述の第１拡散抵抗体１４および第２拡散抵抗体１５はアルミナ等の多孔質物質から形成され、被測定ガスの透過性を有している。
【００４９】
ＮＯｘセンサ部１１には、さらに、ＮＯｘセンサ部１１や、第１アンモニアセンサ部２１や、第２アンモニアセンサ部２２を活性温度にまで昇温し、それぞれのセンサを構成する固体電解質体における酸素イオンの導電性を高めるヒータ（ヒータ部）１９が設けられている。ヒータ１９は、白金または白金を含む合金を、センサ素子部１０の長手方向に沿って延びる長尺板状に形成したものであり、絶縁層１０ｂおよび絶縁層１０ａの間に埋設されるものである。
【００５０】
その他にＮＯｘセンサ部１１には、第１ポンピングセル１２と、酸素濃度検出セル１６と、第２ポンピングセル１８と、が設けられている。
【００５１】
第１ポンピングセル１２は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質体１２ａと、白金を主体とする内側第１ポンピング電極（第１電極）１２ｂおよび外側第１ポンピング電極（第１電極）１２ｃと、から主に構成されている。
【００５２】
内側第１ポンピング電極１２ｂは、第１固体電解質体１２ａにおける第１測定室Ｓ１に露出する面に設けられている。さらに内側第１ポンピング電極１２ｂは、多孔質体からなる保護層１２ｄによって第１測定室Ｓ１側の表面が覆われている。
【００５３】
外側第１ポンピング電極１２ｃは、内側第１ポンピング電極１２ｂの対極となる電極であり、内側第１ポンピング電極１２ｂとの間に第１固体電解質体１２ａを挟んで配置されるものである。絶縁層１０ｅにおける外側第１ポンピング電極１２ｃが配置された領域に相当する部分は、くり抜かれて多孔質体１２ｅが充填されている。多孔質体１２ｅは、外側第１ポンピング電極１２ｃと外部との間でガス（酸素）の出入りを可能とするものである。
【００５４】
酸素濃度検出セル１６は、第１ポンピングセル１２と下流側で、かつ第２ポンピングセル１８の上流側に配置されている。この酸素濃度検知セル１６は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質体１６ａと、白金を主体とし、第３固体電解質体１６ａを間に挟んで配置された検知電極１６ｂおよび基準電極１６ｃと、から主に構成されている。
【００５５】
検知電極１６ｂは、第３固体電解質体１６ａにおける第１測定室Ｓ１に露出する面であって、内側第１ポンピング電極１２ｂよりも下流側、言い換えると、第２拡散抵抗体１５側の領域に設けられている。
【００５６】
検知電極１６ｂの対極である基準電極１６ｃは、絶縁層１０ｃを切り抜いて形成した基準酸素室１７の内部に配置されている。この基準酸素室１７の内部には、多孔質体が充填されている。基準酸素室１７には、第１測定室Ｓ１から送りこまれた酸素が存在し、基準酸素室１７内の酸素が酸素基準とされている。
【００５７】
第２ポンピングセル１８は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質体１８ａと、白金を主体とする内側第２ポンピング電極（第２電極）１８ｂおよび第２ポンピング対電極（第２電極）１８ｃと、から主に構成されている。
【００５８】
内側第２ポンピング電極１８ｂは、第２固体電解質体１８ａにおける第２測定室Ｓ２に露出する領域に設けられている。第２ポンピング対電極１８ｃは、第２固体電解質体１８ａにおける基準酸素室１７に露出する領域であって、基準電極１６ｃと対向する部分に設けられている。
【００５９】
さらに、上述の内側第１ポンピング電極１２ｂ、検知電極１６ｂ、および、内側第２ポンピング電極１８ｂは、それぞれ基準電位に接続されている。
【００６０】
その一方で、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２は、ＮＯｘセンサ部１１の外表面、より具体的には、絶縁層１０ｅの上に形成されている。第１アンモニアセンサ部２１は、ＮＯｘセンサ部１１における基準電極１６ｃと軸線Ｏ方向に略同位置（例えば図２の上側）に配置され、第２アンモニアセンサ部２２は、第１アンモニアセンサ部２１に対して後端側に隣接して配置されている。
【００６１】
本発明においては、酸素濃度検知セル１６の温度が測定されており（本発明の温度検知部に相当）、この測定された温度をもとに、ヒータ１９が加熱されている。また、第１アンモニアセンサ部２１の温度が６５０℃となる位置に、第１アンモニアセンサ部２１が配置されている。なお、本実施形態では、第２アンモニアセンサ部２２は、第１アンモニアセンサ部２１よりも温度が１００℃低くなる位置に配置されている。
【００６２】
第１アンモニアセンサ部２１は、図２および図３に示すように、白金を主体とする第１基準電極（基準電極）２１ａと、ジルコニアを主体とするアンモニア用固体電解質体２３と、酸化コバルトおよびジルコニアを主体とする第１中間層２１ｂと、金を主体とする第１アンモニア電極２１ｃと、から主に構成されている。第２アンモニアセンサ部２２は、白金を主体とする第２基準電極（基準電極）２２ａと、アンモニア用固体電解質体２３と、酸化コバルトおよびジルコニアを主体とする第２中間層２２ｂと、金を主体とする第２アンモニア電極２２ｃと、から主に構成されている。さらに、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２は、多孔質からなる保護層２４によって一体に覆われている。
【００６３】
第１基準電極２１ａおよび第２基準電極２２ａは、絶縁層１０ｅの外側面（図３の上側の面）に配置された矩形状の電極であり、絶縁層１０ｅの長手方向（図３の左右方向）に延びる、白金を主体とする基準電極リード２５により一体的に形成されている。基準電極リード２５の後端側（図３の右側）の端部は、電極端子部を形成している。
【００６４】
アンモニア用固体電解質体２３は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸素イオン伝導性材料で構成されたものであり、絶縁層１０ｅとの間に第１基準電極２１ａおよび第２基準電極２２ａを挟んで配置されるものである。言い換えると、アンモニア用固体電解質体２３は、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２に共通のものである。
【００６５】
第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂは、酸化コバルト（Ｃｏ3Ｏ4）を含む材料から形成された層であり、第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂは、アンモニア用固体電解質体２３の外側面であって、それぞれ第１基準電極２１ａおよび第２基準電極２２ａと対向する位置に配置されたものである。
【００６６】
第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃは、金を主成分とする材料から形成された電極であり、検知電極として働くものである。第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃは、それぞれ第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂの外側面に配置されたものである。言い換えると、第１アンモニア電極２１ｃは、第１基準電極２１ａとの間にアンモニア用固体電解質体２３および第１中間層２１ｂを挟んで配置されたものであり、第２アンモニア電極２２ｃは、第２基準電極２２ａとの間にアンモニア用固体電解質体２３および第２中間層２２ｂを挟んで配置されたものである。
【００６７】
第１アンモニア電極２１ｃには、第１アンモニア電極リード２１ｄが第１アンモニア電極２１ｃから後端側に向かって延びて形成され、第２アンモニア電極２２ｃには、第２アンモニア電極リード２２ｄが第２アンモニア電極２２ｃから後端側に向かって延びて形成されている。第１アンモニア電極リード２１ｄおよび第２アンモニア電極リード２２ｄは、白金を主成分とする材料で形成されている。また、第１アンモニア電極リード２１ｄおよび第２アンモニア電極リード２２ｄの後端側の端部は、電極端子部を形成している。
【００６８】
第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃは、アンモニアとの反応性が高い。そのため、第１アンモニア電極２１ｃと第１基準電極２１ａとの間、および、第２アンモニア電極２２ｃと第２基準電極２２ａとの間には起電力（電位差）が生じる。
【００６９】
なお、本実施形態では、第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃと第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂとを分けて設けているが、第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃに、第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂに含まれる酸化コバルトを含有させて、第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂを省略してもよい。
【００７０】
保護層２４は、第１アンモニア電極２１ｃ及び第２アンモニア電極２２ｃへの被毒物質の付着を防止すると共に、外部から第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２に流入する被測定ガスの拡散速度を調整するものである。保護層２４を形成する材料としては、アルミナ（酸化アルミニウム）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、シリカアルミナ、および、ムライトの群から選ばれる少なくとも１種の材料を例示できる。保護層２４による被測定ガスの拡散速度は、保護層２４の厚さや、粒径や、粒度分布や、気孔率や、配合比率などを調整することにより調整される。
【００７１】
なお、上述の実施形態のように保護層２４を設けてもよいし、保護層２４を設けることなく第１アンモニア電極２１ｃや、第２アンモニア電極２２ｃなどを露出させてもよく、特に限定するものではない。
【００７２】
上述の第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２は、以下の説明のようにして製造することができる。
【００７３】
まず、絶縁層１０ｅの上に第１基準電極２１ａおよび第２基準電極２２ａを形成する材料を印刷と同様な手法（以下、「印刷手法」と表記する。）を用いて配置し、その上に、アンモニア用固体電解質体２３を形成する材料を印刷手法で配置する。その後、１５００℃で焼成することにより、第１基準電極２１ａ、第２基準電極２２ａ、および、アンモニア用固体電解質体２３が形成される。
【００７４】
次いで、アンモニア用固体電解質体２３の上に、第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂを形成する材料を印刷手法で配置する。その後、１０００℃で焼成することにより、第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂが形成される。
【００７５】
さらに、第１中間層２１ｂおよび第２中間層２２ｂの上に、それぞれ第１アンモニア電極２１ｃ及び第２アンモニア電極２２ｃを形成する材料を印刷により配置し、所定温度（例えば、１０００℃）で焼成することにより、第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃが配置される。最後に、第１基準電極２１ａ、第２基準電極２２ａ、アンモニア用固体電解質体２３、第１中間層２１ｂ、第２中間層２２ｂ、第１アンモニア電極２１ｃおよび第２アンモニア電極２２ｃを覆うように、アルミナ等を含むペーストをスクリーン印刷により配置し、所定温度（例えば、１０００℃）で焼成することにより、保護層２４が形成される。以上により第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２が完成する。
【００７６】
制御部３には、図２に示すように、回路基板上に配置されたアナログ回路である制御回路５０と、マイクロコンピュータ６０と、が設けられている。
【００７７】
マイクロコンピュータ６０は、制御部３の全体を制御するものである。マイクロコンピュータ６０には、中央演算処理装置であるＣＰＵ６１と、記憶手段であるＲＡＭ６２およびＲＯＭ６３と、信号入出力部６４と、Ａ／Ｄコンバータ６５と、クロック（図示せず。）と、が主に設けられている。マイクロコンピュータ６０は、ＲＯＭ６３などに予め格納されたプログラムをＣＰＵ６１が実行することにより、各種の処理を行うものである。
【００７８】
制御回路５０は、基準電圧比較回路５１と、Ｉｐ１ドライブ回路５２と、Ｖｓ検出回路５３と、Ｉｃｐ供給回路５４と、Ｉｐ２検出回路５５と、Ｖｐ２印加回路５６と、ヒータ駆動回路５７と、第１起電力検出回路５８と、第２起電力検出回路５９と、から主に構成されている。
【００７９】
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、ＮＯｘセンサ部１１の外側第１ポンピング電極１２ｃに電気的に接続され、Ｖｓ検出回路５３およびＩｃｐ供給回路５４は、基準電極１６ｃに並列に電気的に接続されている。Ｉｐ２検出回路５５およびＶｐ２印加回路５６は、第２ポンピング対電極１８ｃに並列に電気的に接続され、ヒータ駆動回路５７は、ヒータ１９に電気的に接続されている。
【００８０】
第１起電力検出回路５８は、第１アンモニアセンサ部２１における第１基準電極２１ａおよび第１アンモニア電極２１ｃに電気的に接続され、第２起電力検出回路５９は、第２アンモニアセンサ部２２における第２基準電極２２ａおよび第２アンモニア電極２２ｃに電気的に接続されている。さらに、第１起電力検出回路５８は、第１基準電極２１ａおよび第１アンモニア電極２１ｃの間の起電力である、第１アンモニア起電力ＥＭＦを検出してマイクロコンピュータ６０に出力している。第２起電力検出回路５９は、同様に、第２基準電極２２ａおよび第２アンモニア電極２２ｃの間の起電力である、第２アンモニア起電力ＥＭＦを検出してマイクロコンピュータ６０に出力している。
【００８１】
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、内側第１ポンピング電極１２ｂと外側第１ポンピング電極１２ｃとの間に第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給するとともに、供給した第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出するものである。
【００８２】
Ｖｓ検出回路５３は、検知電極１６ｂと基準電極１６ｃとの間の電圧Ｖｓを検出し、検出した結果を基準電圧比較回路５１に出力するものである。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、比較した結果をＩｐ１ドライブ回路５２に出力するものである。
【００８３】
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電圧Ｖｓが上述の基準電圧と等しくなるようにＩｐ１電流の流れる向きと、大きさとを制御するとともに、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ものである。
【００８４】
Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極１６ｂと基準電極１６ｃとの間に微弱な電流Ｉｃｐを流すものであり、電流Ｉｃｐを供給することで、酸素を第１測定室Ｓ１から基準酸素室１７内に送り込み、基準電極１６ｃを基準となる所定の酸素濃度に晒させるものである。
【００８５】
Ｖｐ２印加回路５６は、内側第２ポンピング電極１８ｂと第２ポンピング対電極１８ｃとの間に、一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解させるものである。一定電圧Ｖｐ２は、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電圧である。
【００８６】
Ｉｐ２検出回路５５は、第２ポンピングセル１８に流れる第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出するものである。第２ポンピング電流Ｉｐ２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１８ａを介して第２ポンピング対電極１８ｃ側に汲み出される際に流れる電流である。
【００８７】
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に出力するものであり、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に出力するものである。Ａ／Ｄコンバータ６５は、第１ポンピング電流Ｉｐ１および第２ポンピング電流Ｉｐ２の値をデジタル変換し、信号入出力部６４を介してＣＰＵ６１に出力するものである。
【００８８】
次に、制御回路５０による制御について以下に説明する。
まず、エンジンが始動されて外部から制御回路５０に電力が供給されると、ヒータ駆動回路５７からヒータ１９に電力が供給される。電力が供給されたヒータ１９は熱を発生して、第１ポンピングセル１２、酸素濃度検出セル１６、および、第２ポンピングセル１８を活性化温度まで加熱させる。
【００８９】
ヒータ１９によってＮＯｘセンサ部１１が目標とする温度まで加熱されると、それに伴ってＮＯｘセンサ部１１の上に配置された第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２もそれぞれの所望温度に昇温される。
【００９０】
さらに、Ｉｃｐ供給回路５４から、検知電極１６ｂと基準電極１６ｃとの間に電流Ｉｃｐが供給される。すると酸素が酸素を第１測定室Ｓ１から基準酸素室１７内に送り込まれ、送りこまれた酸素は酸素基準となる。
【００９１】
第１ポンピングセル１２や、酸素濃度検出セル１６や、および、第２ポンピングセル１８が活性化温度に加熱されると、第１ポンピングセル１２により、第１測定室Ｓ１内の酸素の汲み出しが行われる。つまり、第１測定室Ｓ１に流入した被測定ガス（排ガス）中の酸素が、第１ポンピングセル１２の内側第１ポンピング電極１２ｂから外側第１ポンピング電極１２ｃに向かって汲み出される。
【００９２】
第１測定室Ｓ１内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル１６の電極間電圧Ｖｓに対応した濃度になる。Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電極間電圧Ｖｓが上述の基準電圧となるように、第１ポンピングセル１２に流れる第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御する。このようにすることで、第１測定室Ｓ１内の酸素濃度は、ＮＯｘが分解しない程度に調整される。
【００９３】
第１測定室Ｓ１において酸素濃度が調整された被測定ガスは、次に、第２測定室Ｓ２に流入する。第２測定室Ｓ２において被測定ガスに含まれるＮＯｘは、窒素と酸素に分解される。つまり、第２ポンピングセル１８の電極間電圧として、Ｖｐ２印加回路５６から一定電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）が印加されると、ＮＯｘは窒素と酸素に分解される。一定電圧Ｖｐ２は、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電圧であり、酸素濃度検出セル１６の制御電圧の値より高い電圧である。
【００９４】
ＮＯｘの分解により生じた酸素は、第２ポンピングセル１８により第２測定室Ｓ２から汲み出される。このとき第２ポンピングセル１８には、酸素を汲み出すために第２ポンピング電流Ｉｐ２が供給される。第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との間には直線比例関係があるため、Ｉｐ２検出回路５５によって検知される第２ポンピング電流Ｉｐ２は、ＮＯｘ濃度と直線比例する値となる。
【００９５】
その一方で、第１アンモニアセンサ部２１の第１基準電極２１ａと第１アンモニア電極２１ｃとの間には、被測定ガスに含まれるアンモニア濃度に応じて起電力が発生する。第１起電力検出回路５８は、第１基準電極２１ａと第１アンモニア電極２１ｃとの間の起電力を第１アンモニア起電力として検出する。同様に、第２アンモニアセンサ部２２の第２基準電極２２ａと第２アンモニア電極２２ｃとの間にも、アンモニア濃度に応じて起電力が発生する。第２起電力検出回路５９は、第２基準電極２２ａと第２アンモニア電極２２ｃとの間の起電力を第２アンモニア濃起電力として検出する。
【００９６】
なお、第２ポンピング電流Ｉｐ２の値には、第２測定室Ｓ２における被測定ガスの酸素濃度、ＮＯ2濃度およびアンモニア濃度の影響も含まれている。また、第１アンモニアセンサ部２１から出力される第１アンモニア起電力ＥＭＦおよび第２アンモニアセンサ部２２から出力される第２アンモニア起電力ＥＭＦには、被測定ガスの酸素濃度、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度および各センサ部１１、２１、２２の温度の影響も含まれている。本実施形態では、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力から酸素濃度の影響を取り除いた後に、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびアンモニア濃度を演算処理により求めている。なお、当該演算処理の詳細については後述する。また、酸素濃度は、第１ポンピング電流Ｉｐ１から関係式を用いて求められるものを用いている。
【００９７】
ここで、マイクロコンピュータ６０のＲＯＭ６３には、以下に説明する各種のデータが格納されている。ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６３から当該各種データを読み込み、第２ポンピング電流Ｉｐ２の値、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力から酸素濃度の影響を取り除くなどの種々の演算処理を行う。
【００９８】
ＲＯＭ６３には、「アンモニア起電力−アンモニア濃度出力関係式」と、「アンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」と、「第２ポンピング電流Ｉｐ２−ＮＯｘ濃度出力関係式」が格納されている。
【００９９】
なお、各種データは、上述のように所定の関係式として設定されていてもよいし、センサの出力から各種ガス濃度を算出するものであればよく、例えばテーブルとして設定されていてもよい。その他にも、予めガス濃度が既知のガスモデルを用いて得られた値（関係式やテーブルなど）とされていてもよい。
【０１００】
「アンモニア起電力−アンモニア濃度出力関係式」は、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２から出力されたアンモニア起電力と、被測定ガスのアンモニア濃度に係るアンモニア濃度出力との関係を表す式である。
【０１０１】
「アンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」は、酸素濃度別に設定されたものであり、酸素濃度の影響を受けた第１アンモニア濃度出力と、酸素濃度の影響を除去した補正アンモニア濃度出力との関係を表す式、および、酸素濃度の影響を受けた第２アンモニア濃度出力と、酸素濃度の影響を除去した補正アンモニア濃度出力との関係を表す式である。
【０１０２】
なお、「アンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」に設定されていない所定の酸素濃度におけるアンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式は、以下のように求めることができる。つまり、所定の酸素濃度よりも低濃度の設定された酸素濃度における「アンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」と、高濃度の設定された酸素濃度における「アンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」と、から外挿法を用いて所定の酸素濃度におけるアンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式を求めることができる。
【０１０３】
「第２ポンピング電流Ｉｐ２−ＮＯｘ濃度出力関係式」は、第２ポンピング電流Ｉｐ２と、被測定ガスのＮＯｘ濃度との関係を表す式である。
【０１０４】
次に、マイクロコンピュータ６０のＣＰＵ６１において実行される、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力ＥＭＦおよび第２アンモニア起電力ＥＭＦから、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびアンモニア濃度を求める演算処理について説明する。
【０１０５】
ＣＰＵ６１は、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力が入力されると、第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力を求める演算処理を行う。具体的には、ＲＯＭ６３から「アンモニア起電力−アンモニア濃度出力関係式」を呼び出し、当該関係式を用いて第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力を算出する処理を行う。
【０１０６】
次いで、第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力から酸素濃度の影響を取り除いた補正第１アンモニア濃度出力および補正第２アンモニア濃度出力を求める演算処理を行う。具体的には、ＲＯＭ６３から「アンモニア濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」を呼び出し、当該関係式を用いて補正第１アンモニア濃度出力および補正第２アンモニア濃度出力を算出する処理を行う。
【０１０７】
さらに、第２ポンピング電流Ｉｐ２からＮＯｘ濃度出力を求める演算処理を行う。具体的には、ＲＯＭ６３から「第２ポンピング電流Ｉｐ２−ＮＯｘ濃度出力関係式」を呼び出し、当該関係式を用いてＮＯｘ濃度出力を算出する処理を行う。
【０１０８】
ＮＯｘ濃度出力、補正第１アンモニア濃度出力および補正第２アンモニア濃度出力が求められると、ＣＰＵ６１は、以下に説明する補正式（１）から補正式（３）を用いた演算を行うことで、被測定ガスのＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびＮＨ3濃度を求める。
【０１０９】
ｘ＝（１＋ａｙ）（１＋ｂｚ）Ａ＋ｃｚ  ・・・（１）
ｘ＝（１＋ｄｙ＋ｅｚ）Ｂ＋ｆｚ      ・・・（２）
Ｃ＝ｙ＋０．８ｚ＋１．２ｘ          ・・・（３）
ここで、ｘはＮＨ3濃度であり、ｙはＮＯ濃度であり、ｚはＮＯ2濃度である。また、Ａは第１アンモニア濃度出力であり、Ｂは第２アンモニア濃度出力であり、ＣはＮＯｘ濃度出力である。さらに、ａ，ｂ，ｃ，ｅ，ｆは補正係数である。
【０１１０】
なお、補正式（１）は第１アンモニアセンサ部２１の特性に基づいて定まり、補正式（２）は第２アンモニアセンサ部２２の特性に基づいて定まり、補正式（３）はＮＯｘセンサ部１１の特性に基づいて定まる式である。なお、（１）から（３）は、補正式の一例を示したものであり、ガス検知特性に応じて、他の補正式や、係数等を適宜変更しても良い。
【０１１１】
上述の補正式（１）から（３）に基づくＮＯ濃度ｙ、ＮＯ2濃度ｚおよびＮＨ3濃度ｘの計算手順は以下の通りである。
１．補正式（２）および（３）より、式をｘ＝・・・ｚ、ｙ＝・・・ｚの形式に変形する。
２．上述の式を補正式（１）に代入してｚについての２次方程式を求める。
３．求められたＮＯ2濃度ｚの２次方程式についての、解の公式を用いてＮＯ2濃度ｚの値を求める。なお、ｚの２次項の係数が０の場合には、ＮＨ3濃度ｘを０とする。
４．補正式（１）と（３）、ｚの値から、ＮＯ濃度ｙを算出する。
５．補正式（３）にＮＯ濃度ｙおよびＮＯ2濃度ｚを入力してＮＨ3濃度ｘを算出する。
【０１１２】
次に、図４から図９を参照しながら、第１アンモニアセンサ部２１、第２アンモニアセンサ部２２およびＮＯｘセンサ部１１の検出特性を説明するとともに、本実施形態の補正処理を行う前後のＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびＮＨ3濃度の違いについて説明する。
【０１１３】
まず、図４を用いて第１アンモニアセンサ部２１、第２アンモニアセンサ部２２およびＮＯｘセンサ部１１の単体のＮＯ、ＮＯ2およびＮＨ3に対する検出特性について説明する。なお、図４（ａ）が第１アンモニアセンサ部２１の検出特性を説明するグラフであり、図４（ｂ）が第２アンモニアセンサ部２２の検出特性を説明するグラフであり、図４（ｃ）がＮＯｘセンサ部１１検出特性を説明するグラフである。また、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）で表示されたグラフがＮＨ3のみが投入された際のセンサからの出力濃度を表すグラフであり、白抜き三角（△）がＮＯのみが投入された際の出力濃度を表すグラフであり、白抜き丸（○）がＮＯ2のみが投入された際のセンサからの出力濃度を表すグラフである。
【０１１４】
高温側に配置された第１アンモニアセンサ部２１について見ると、ＮＨ3についてのみ、投入濃度に比例した正確な出力濃度が出力されていることが判る。ＮＯに対しては出力がなく、ＮＯ2に対しては投入濃度が高くなるに伴い、出力濃度が低下している。また、低温側に配置された第２アンモニアセンサ部２２についても、第１アンモニアセンサ部２１と略同様な出力濃度となっている。
【０１１５】
ＮＯｘセンサ部１１について見ると、ＮＯ、ＮＯ2およびＮＨ3に対して投入濃度が高くなるに伴い、出力濃度が増加している。特に注目する点としては、ＮＯｘセンサ部１１が、ＮＯやＮＯ2と同様に、ＮＨ3に対しても感度を有していることである。
【０１１６】
次に、図５を用いて、ＮＯを含む被測定ガスに対して投入されるＮＨ3の濃度を変化させた場合（ＮＯ2は含まれていない）の第１アンモニアセンサ部２１、第２アンモニアセンサ部２２およびＮＯｘセンサ部１１の検出特性について説明する。なお、被測定ガスに含まれるＮＯ濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）で表示されたグラフは、ＮＯ濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）は５０ｐｐｍである場合を表している。
【０１１７】
図５（ａ）に示している、第１アンモニアセンサ部２１について見ると、ＮＯ濃度の高低に関わらず、投入されたＮＨ3濃度に比例した正確な出力濃度が出力されていることが判る。言い換えると、第１アンモニアセンサ部２１は、ＮＯ濃度の影響をほとんど受けていないことが判る。
【０１１８】
また、図５（ｂ）に示している、第２アンモニアセンサ部２２について見ると、ＮＯ濃度が高くなるに伴い、投入されたＮＨ3濃度よりも低い出力濃度が出力され、グラフの傾きが変化することが判る。言い換えると、ＮＯ濃度が高くなるに伴い、第２アンモニアセンサ部２２の検出感度が低下することが判る。
【０１１９】
さらに、図５（ｃ）に示している、ＮＯｘセンサ部１１について見ると、投入されたＮＨ3濃度に比例した値の出力濃度が出力され、かつ、ＮＯ濃度が高くなるに伴い出力濃度を示すグラフが高濃度側へ平行移動する（オフセットする）ことが判る。
【０１２０】
次に、図６を用いて、ＮＯ2を含む被測定ガスに対して投入されるＮＨ3の濃度を変化させた場合（ＮＯは含まれていない）の第１アンモニアセンサ部２１、第２アンモニアセンサ部２２およびＮＯｘセンサ部１１の検出特性について説明する。なお、被測定ガスに含まれるＮＯ2濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）で表示されたグラフは、ＮＯ2濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）は５０ｐｐｍである場合を表している。
【０１２１】
図６（ａ）に示している、第１アンモニアセンサ部２１について見ると、投入されるＮＨ3濃度の変化に対する出力濃度の値の変化に与えるＮＯ2濃度の影響は小さいが、投入されるＮＨ3濃度の変化に対する出力濃度の値そのものは小さくなることが判る。つまり、出力濃度のグラフの傾きの変化は小さいが、グラフが低濃度側に平行移動することが判る。言い換えると、ＮＯ2濃度が高くなると、第１アンモニアセンサ部２１は、主に出力濃度が低濃度側にオフセットすることが判る。
【０１２２】
図６（ｂ）に示している、第２アンモニアセンサ部２２について見ると、投入されるＮＨ3濃度の変化に対する出力濃度の値の変化に与えるＮＯ2濃度の影響が大きいことが判る。つまり、出力濃度のグラフの傾きの変化が大きいことが判る。その一方で、当該グラフの平行移動は、第１アンモニアセンサ部２１と比較すると小さい。言い換えると、ＮＯ2濃度が高くなると、第２アンモニアセンサ部２２は、主に検出感度が低下することが判る。
【０１２３】
図６（ｃ）に示している、ＮＯｘセンサ部１１について見ると、投入されたＮＨ3濃度に比例した値の出力濃度が出力され、かつ、ＮＯ2濃度が高くなるに伴い出力濃度を示すグラフが高濃度側へ平行移動する（オフセットする）ことが判る。
【０１２４】
次に、図７を用いて、ＮＯを含む被測定ガスに対して投入されるＮＯ2の濃度を変化させた場合（ＮＨ3は含まれていない）の第１アンモニアセンサ部２１、第２アンモニアセンサ部２２およびＮＯｘセンサ部１１の検出特性について説明する。なお、被測定ガスに含まれるＮＯ濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）で表示されたグラフは、ＮＯ濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）は５０ｐｐｍである場合を表している。
【０１２５】
図７（ａ）に示している、第１アンモニアセンサ部２１について見ると、投入されるＮＯ2濃度が高くなるに伴い出力濃度の値は低下し、かつ、出力濃度はＮＯ濃度の高低の影響をほとんど受けていないことが判る。
【０１２６】
図７（ｂ）に示している、第２アンモニアセンサ部２２について見ると、第１アンモニアセンサ部２１と同様に、投入されるＮＯ2濃度が高くなるに伴い出力濃度の値は低下し、かつ、出力濃度はＮＯ濃度の高低の影響をほとんど受けていないことが判る。
【０１２７】
図７（ｃ）に示している、ＮＯｘセンサ部１１について見ると、投入されるＮＯ2濃度に比例した値の出力濃度が出力され、かつ、ＮＯ濃度が高くなるに伴い出力濃度を示すグラフが高濃度側へ平行移動する（オフセットする）ことが判る。
【０１２８】
次に図８および図９を用いて、本実施形態の補正処理を行う前後のＮＯ濃度、ＮＯ2濃度およびＮＨ3濃度の違いについて説明する。図８（ａ）は、妨害ガスであるＮＯを含む被測定ガスに対して投入されるＮＨ3の濃度を変化させた場合（ＮＯ2は含まれていない）の求められた補正前のＮＨ3濃度と、補正後のＮＨ3濃度とを示すグラフである。
【０１２９】
なお、被測定ガスに含まれるＮＯ濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）および黒塗りの菱形（◆）で表示されたグラフは、ＮＯ濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）および黒塗り三角（▲）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）および黒塗り丸（●）は５０ｐｐｍである場合を表している。さらに、白抜きマーク（◇，△，○）で表されたグラフは補正前のＮＨ3濃度を表し、黒塗りマーク（◆，▲，●）で表されたグラフは補正後のＮＨ3濃度を表している。
【０１３０】
図８（ａ）に示される補正前のＮＨ3濃度を見ると、ＮＯ濃度が高くなるに伴い、求められたＮＨ3濃度が低下し、感度が低下していることが判る。言い換えると、求められたＮＨ3濃度にＮＯ濃度の影響が含まれていることが判る。これに対して、補正後のＮＨ3濃度を見ると、ＮＯ濃度に関わらず、投入されたＮＨ3濃度を正しく表すＮＨ3濃度が求められていることが判る。言い換えると、ＮＯ濃度の影響が排除されたＮＨ3濃度が求められていることが判る。
【０１３１】
図８（ｂ）は、妨害ガスであるＮＨ3を含む被測定ガスに対して投入されるＮＯの濃度を変化させた場合（ＮＯ2は含まれていない）の求められた補正前のＮＯ濃度と、補正後のＮＯ濃度とを示すグラフである。
【０１３２】
なお、被測定ガスに含まれるＮＨ3濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）および黒塗りの菱形（◆）で表示されたグラフは、ＮＨ3濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）および黒塗り三角（▲）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）および黒塗り丸（●）は５０ｐｐｍである場合を表している。さらに、白抜きマーク（◇，△，○）で表されたグラフは補正前のＮＯ濃度を表し、黒塗りマーク（◆，▲，●）で表されたグラフは補正後のＮＯ濃度を表している。
【０１３３】
図８（ｂ）に示される補正前のＮＯ濃度を見ると、ＮＨ3濃度が高くなるに伴い、求められたＮＯ濃度が増加し、ＮＯ濃度の値がオフセットしていることが判る。言い換えると、求められたＮＯ濃度にＮＨ3濃度の影響が含まれていることが判る。これに対して、補正後のＮＯ濃度を見ると、求められたＮＯ濃度の値がオフセットしているものの、補正前と比較するとオフセット幅が減少していることが判る。言い換えると求められたＮＯ濃度に対するＮＨ3濃度の影響が抑制されていることが判る。
【０１３４】
図８（ｃ）は、妨害ガスであるＮＨ3を含む被測定ガスに対して投入されるＮＯ2の濃度を変化させた場合（ＮＯは含まれていない）の求められた補正前のＮＯ2濃度と、補正後のＮＯ2濃度とを示すグラフである。
【０１３５】
なお、被測定ガスに含まれるＮＨ3濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）および黒塗りの菱形（◆）で表示されたグラフは、ＮＨ3濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）および黒塗り三角（▲）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）および黒塗り丸（●）は５０ｐｐｍである場合を表している。さらに、白抜きマーク（◇，△，○）で表されたグラフは補正前のＮＯ2濃度を表し、黒塗りマーク（◆，▲，●）で表されたグラフは補正後のＮＯ2濃度を表している。
【０１３６】
図８（ｃ）に示される補正前のＮＯ2濃度を見ると、ＮＨ3濃度が高くなるに伴い、求められたＮＯ2濃度が増加し、ＮＯ2濃度の値がオフセットしていることが判る。言い換えると、求められたＮＯ2濃度にＮＨ3濃度の影響が含まれていることが判る。これに対して、補正後のＮＯ2濃度を見ると、求められたＮＯ2濃度の値がオフセットしているものの、補正前と比較するとオフセット幅が減少していることが判る。言い換えると求められたＮＯ2濃度に対するＮＨ3濃度の影響が抑制されていることが判る。
【０１３７】
図９（ａ）は、妨害ガスであるＮＯ2を含む被測定ガスに対して投入されるＮＨ3の濃度を変化させた場合（ＮＯは含まれていない）の求められた補正前のＮＨ3濃度と、補正後のＮＨ3濃度とを示すグラフである。
【０１３８】
なお、被測定ガスに含まれるＮＯ2濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）および黒塗りの菱形（◆）で表示されたグラフは、ＮＯ2濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）および黒塗り三角（▲）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）および黒塗り丸（●）は５０ｐｐｍである場合を表している。さらに、白抜きマーク（◇，△，○）で表されたグラフは補正前のＮＨ3濃度を表し、黒塗りマーク（◆，▲，●）で表されたグラフは補正後のＮＨ3濃度を表している。
【０１３９】
図９（ａ）に示される補正前のＮＨ3濃度を見ると、ＮＯ2濃度が高くなるに伴い、投入されるＮＨ3濃度の変化に対する求められたＮＨ3濃度の値の変化が減少するとともに、求められたＮＨ3濃度の値も低下することが判る。言い換えるとグラフの傾きが小さくなると共に、グラフが低濃度側にオフセットすることが判る。これに対して、補正後のＮＨ3濃度を見ると、求められたＮＨ3濃度におけるＮＯ2濃度の影響が大幅に抑制されていることが判る。
【０１４０】
図９（ｂ）は、妨害ガスであるＮＯ2を含む被測定ガスに対して投入されるＮＯの濃度を変化させた場合（ＮＨ3は含まれていない）の求められた補正前のＮＯ濃度と、補正後のＮＯ濃度とを示すグラフである。
【０１４１】
なお、被測定ガスに含まれるＮＯ2濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）および黒塗りの菱形（◆）で表示されたグラフは、ＮＯ2濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）および黒塗り三角（▲）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）および黒塗り丸（●）は５０ｐｐｍである場合を表している。さらに、白抜きマーク（◇，△，○）で表されたグラフは補正前のＮＯ濃度を表し、黒塗りマーク（◆，▲，●）で表されたグラフは補正後のＮＯ濃度を表している。
【０１４２】
図９（ｂ）に示される補正前のＮＯ濃度を見ると、ＮＯ2濃度が高くなるに伴い、求められたＮＯ濃度が増加し、ＮＯ濃度の値がオフセットしていることが判る。言い換えると、求められたＮＯ濃度にＮＯ2濃度の影響が含まれていることが判る。これに対して、補正後のＮＯ濃度を見ると、求められたＮＯ濃度におけるＮＯ2濃度の影響が大幅に抑制されていることが判る。
【０１４３】
図９（ｃ）は、妨害ガスであるＮＯを含む被測定ガスに対して投入されるＮＯ2の濃度を変化させた場合（ＮＨ3は含まれていない）の求められた補正前のＮＯ2濃度と、補正後のＮＯ2濃度とを示すグラフである。
【０１４４】
なお、被測定ガスに含まれるＮＯ濃度は所定の一定値に固定されており、各グラフにおける白抜きの菱形（◇）および黒塗りの菱形（◆）で表示されたグラフは、ＮＯ濃度が０ｐｐｍの場合を表し、白抜き三角（△）および黒塗り三角（▲）は２０ｐｐｍの場合を表し、白抜き丸（○）および黒塗り丸（●）は５０ｐｐｍである場合を表している。さらに、白抜きマーク（◇，△，○）で表されたグラフは補正前のＮＯ2濃度を表し、黒塗りマーク（◆，▲，●）で表されたグラフは補正後のＮＯ2濃度を表している。
【０１４５】
図９（ｂ）に示される補正前のＮＯ2濃度を見ると、ＮＯ濃度が高くなるに伴い、求められたＮＯ2濃度が増加し、ＮＯ濃度の値がオフセットしていることが判る。言い換えると、求められたＮＯ2濃度にＮＯ濃度の影響が含まれていることが判る。これに対して、補正後のＮＯ2濃度を見ると、求められたＮＯ2濃度におけるＮＯ濃度の影響が大幅に抑制されていることが判る。
【０１４６】
上記の構成のマルチガスセンサ装置１によれば、測定時に第１アンモニアセンサ部２１と第２アンモニアセンサ部２２との間に温度差があるため、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２におけるＮＯおよびＮＯ2に対する検出感度などに差が生じる。そのため、ＮＯｘセンサ部１１、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２のそれぞれから異なる値の出力濃度を得ることができる。この３つの出力濃度を用いて演算を行うことにより、一酸化窒素、二酸化窒素およびアンモニアの濃度を求めることができる。
【０１４７】
また、具体的な演算方法としては、ＮＨ3の影響が含まれるＮＯｘセンサ部１１の出力濃度（ＮＯ濃度の出力濃度）、ＮＯｘ（ＮＯおよびＮＯ2）の影響が含まれる第１アンモニアセンサ部２１の出力濃度（ＮＨ3濃度の出力濃度）、および、同じくＮＯｘの影響が含まれる第２アンモニアセンサ部２２の出力濃度（ＮＨ3濃度の出力濃度）の３つの出力濃度から、ＮＨ3およびＮＯ2の影響を取り除いたＮＯの濃度、ＮＨ3およびＮＯの影響を取り除いたＮＯ2の濃度、および、ＮＯおよびＮＯ2の影響を取り除いたＮＨ3の濃度を算出することができる。
【０１４８】
ここで、高温領域に配置される第１アンモニアセンサ部２１と、低温領域に配置される第２アンモニアセンサ部２２とは構成要素が同じであっても、配置される領域の温度（つまりセンサ部の温度）が異なることにより、出力濃度におけるＮＯｘの影響の度合いが変わってくる。言い換えると、出力濃度におけるＮＯｘの影響度はセンサ部の温度にも依存している。そのため、第１アンモニアセンサ部２１の出力濃度と、第２アンモニアセンサ部２２の出力濃度とは、異なる出力濃度として扱うことができ、これにＮＯｘセンサ部１１の出力を加えた３つの異なる出力濃度を用いて、ＮＯ、ＮＯ2およびＮＨ3の濃度を求めることができる。
【０１４９】
また、第１アンモニアセンサ部２１と第２アンモニアセンサ部２２とを構成する要素を同じとすることにより、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２の経時的な劣化の程度も同程度となる。そのため、別々の構成要素を用いて第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２を構成する場合と比較して、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２の間の出力濃度の関係を一定に保ちやすくなる。言い換えると、第１アンモニアセンサ部２１および第２アンモニアセンサ部２２の出力濃度を較正する必要性が低くなり、ＮＯ、ＮＯ2およびＮＨ3濃度の精度を保ちやすい。
【０１５０】
なお、本実施形態においては、第１アンモニアセンサ部２１は、アンモニア用固体電解質体２３、第１基準電極２１ａ、第１中間層２１ｂ、第１アンモニア電極２１ｃ、および保護層２４からなり、第２アンモニアセンサ部２２は、アンモニア用固体電解質体２３、第２基準電極２２ａ、第２中間層２２ｂ、第２アンモニア電極２１ｃ、および保護層２４からなり、同じ構成を有している。また、第１基準電極２１ａと第２基準電極２２ａ、第１中間層２１ｂと第２中間層２２ｂ、第１アンモニア電極２１ｃと第２アンモニア電極２２ｃとは、同材料からなる。
【０１５１】
高温領域に配置される第１アンモニアセンサ部２１を、温度検出部に相当する酸素濃度検知セル１６に近い位置に配置することにより、第１アンモニアセンサ部２１の温度を正確に制御することができる。特に、第１アンモニアセンサ部２１の温度を、上述の上限温度である８００℃に近い温度に制御する場合には、上限温度を超えることによる第１アンモニアセンサ部２１の検出性能の低下を抑制しやすくなる。
【０１５２】
そして、第１アンモニアセンサ部２１を、センサ素子部１０の外表面であり、軸線Ｏ方向における酸素濃度検知セル１６と同じ位置に設けることで、第１アンモニアセンサ部２１の温度をより正確に制御することができる。なお、「同じ位置」とは、酸素濃度検知セル１６と第１アンモニアセンサ部２１とが軸線Ｏ方向において重なるように配置されていることを指す。
【０１５３】
さらに、第１アンモニアセンサ部２１の第１基準電極２１ａおよび第２アンモニアセンサ部２２の第２基準電極２２ａを共通の電極とすることにより、マルチガスセンサ２およびマルチガスセンサ装置１における測定精度の悪化を抑制できる。具体的には、第１基準電極２１ａの劣化度合いと、第２基準電極２２ａの劣化度合いが一致するため、基準電極を別々に設けた場合と比較して、劣化度合いの違いによる測定精度の悪化が抑制される。
【符号の説明】
【０１５４】
１…マルチガスセンサ装置、２…マルチガスセンサ、３…制御部（演算部）、１１…ＮＯｘセンサ部、１２…第１ポンピングセル、１２ａ…第１固体電解質体、１２ｂ…内側第１ポンピング電極（第１電極）、１２ｃ…外側第１ポンピング電極（第１電極）、１８…第２ポンピングセル、１８ａ…第２固体電解質体、１８ｂ…内側第２ポンピング電極（第２電極）、１８ｃ…第２ポンピング対電極（第２電極）、１９…ヒータ（ヒータ部）、２１…第１アンモニアセンサ部、２１ａ…第１基準電極（基準電極）、２２…第２アンモニアセンサ部、２２ａ…第２基準電極（基準電極）、Ｓ１…第１測定室、Ｓ２…第２測定室
【図１】
0005745455.tif 000002
【図２】
0005745455.tif 000003
【図３】
0005745455.tif 000004
【図４】
0005745455.tif 000005
【図５】
0005745455.tif 000006
【図６】
0005745455.tif 000007
【図７】
0005745455.tif 000008
【図８】
0005745455.tif 000009
【図９】
0005745455.tif 000010