(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガス検出装置であって、
被測定ガスが拡散抵抗手段を介して導入される第１室と、
酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第１室に露出させるとともに上記特定ガス成分に対し不活性な電極で構成し、上記一対の電極に所定の電流を流して、被測定ガス中の水蒸気を分解することにより上記第１室内に水素ガスを所定量発生させる第１ポンプ部と、
酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第１室に、他方の電極を基準酸素濃度ガスが存在する基準酸素濃度ガス室に露出させるとともに、上記一方の電極を上記特定ガス成分に対して活性な電極で構成し、上記特定ガス成分と上記水素ガスの反応による、上記一対の電極間の起電力の変化から上記特定ガス成分濃度を測定するガス検知部とを有することを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
被測定ガスが拡散抵抗手段を介して導入される第２室と、
酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第２室に露出させるとともに上記特定ガス成分に対し不活性な電極で構成した第２ポンプ部を設け、上記第２ポンプ部の一対の電極間に所定の電圧を印加したときに両電極間を流れる限界電流値を求め、その限界電流値より所定の値だけ大きい電流を、上記第１ポンプ部の一対の電極へ通電する請求項１記載のガス検出装置。
【請求項３】
酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第２室に、他方の電極を上記基準酸素濃度ガス室に露出させ、上記一対の電極間に発生する起電力から上記第２室内の酸素濃度を検知する酸素検知部を設けて、上記起電力が所定の値となるように、上記第２ポンプ部の一対の電極に印加する電圧を制御する請求項２記載のガス検出装置。
【請求項４】
上記第１室内に発生する上記ガス成分の量を測定するためのガス成分検知手段を設けた請求項１記載のガス検出装置。
【請求項５】
上記第１ポンプ部の上記一方の電極の分極を測定するための基準極を設けた請求項１記載のガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を測定するためのガス検出装置、特に内燃機関の排気ガス中の窒素酸化物濃度を検出するのに適したガス検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両等の内燃機関から排出される排気エミッションを低減するために、従来より、三元触媒を用いた排ガス浄化システムが採用されている。このシステムは、空燃比を理論空燃比近傍にフィードバック制御するとともに、排気系に設置した三元触媒により排気エミッション成分（ＮＯｘ、ＨＣ、ＣＯ）を除去するものである。また、近年、排気エミッションの規制が強化されてきており、米国では、排気エミッション成分関連部品の故障、例えば、三元触媒の劣化を検知して運転者に知らせることを義務付ける自己診断規制（ＯＢＤ−ＩＩ）が導入されている。
【０００３】
三元触媒の劣化を検知する方法としては、いわゆる２Ｏ2 センサシステムが知られている。これは、三元触媒の上流および下流に配置した２つの酸素センサを用いるもので、その出力信号を比較することにより劣化を間接的に検知することができる。しかしながら、近年、有害成分の排出規制がさらに強化される傾向にあり、検出を間接的に行う２Ｏ2 センサシステムでは、検出精度が不十分である。このため、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等、排気エミッション成分を直接検出可能なガス検出装置の開発が必要となっている。
【０００４】
排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を直接検出するガス検出装置には、例えば、特開平８−２７１４７６号公報に記載されるような、酸素イオン導電性の固体電解質を用いた固体電解質式のガス検出装置がある。かかる装置の構成を図１６に示すと、ガス検出装置２００は、固体電解質２０１と固体電解質２０２の間に配したスペーサ内に形成した、第一の内部空所２０３と第二の内部空所２０４を有し、被測定ガスは第一の拡散律速通路２０５を通じて第一の内部空所２０３に導入される。第一の内部空所２０３内の酸素濃度は、酸素センサセル２００Ａにより検出され、これにより検出される酸素濃度が所定値となるように、第一のポンプセル２００Ｂの駆動電圧がフィードバック制御される。酸素センサセル２００Ａは、固体電解質２０２の表面に設けた電極２０２ａ、２０２ｂを大気通路２０７および第一の内部空所２０３にそれぞれ露出してなる。第一のポンプセル２００Ｂは、固体電解質２０１とその両面の電極２０１ａ、２０１ｂよりなり、電極２０１ａは被測定ガスに、電極２０１ｂは第一の内部空所２０３に露出している。
【０００５】
第二の拡散律速通路２０６を通じて第一の内部空所２０３に連通する第二の内部空所２０４には、第二の内部空所２０４内の酸素を排出する第二のポンプセル２００Ｃが設けられる。第二のポンプセル２００Ｃは、固体電解質２０２と電極２０２ａ、２０２ｃとで構成され、第二の内部空所２０４に露出する電極２０２ｃは、ＮＯｘに対して還元活性を有している。第二の内部空所２０４では、被測定ガス中のＮＯｘが還元分解して新たな酸素が生成し、第二のポンプセル２００Ｃを流れるポンプ電流が増減する。第一の内部空所２０３より第二の内部空所２０４に拡散する被測定ガス中の酸素濃度は一定であるから、このポンプ電流の増減はＮＯｘの還元に基づくものであり、これを測定することでＮＯｘ濃度を検出することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記構成のガス検出装置では、ＮＯｘを電極２０２ｃで分解して酸素を生成し、これに伴う酸素濃度の変化からＮＯｘ濃度を検出している。しかしながら、ＮＯｘを酸素に分解して検出するため、被測定ガス中の酸素に対する選択性がなく、第二の内部空所２０４に拡散する被測定ガス中の酸素濃度を一定にする必要がある。上記構成では、第一の内部空所２０３と第二の内部空所２０４を分離する第二の拡散律速通路２０６を設けて、被測定ガス中の酸素濃度が一定になるようにしているが、他方で、検出感度が小さく、応答性も十分ではないという問題が生じた。なお、検出感度、応答性を重視して第二の拡散律速通路２０６を省略すると、流出入する酸素により第二の酸素ポンプセル２００Ｃの電極近傍における酸素濃度が変動し、検出誤差が生じることになる。このため、検出感度および応答性と検出精度の両立が大きな課題となっている。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決しようとするもので、その目的は、高いガス検出感度および応答性が得られ、しかも検出精度の良好なガス検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１のガス検出装置は、被測定ガス中の特定ガス成分を検出するガス検出装置であって、
被測定ガスが拡散抵抗手段を介して導入される第１室と、
酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第１室に露出させるとともに上記特定ガス成分に対し不活性な電極で構成し、上記一対の電極に所定の電流を流して、被測定ガス中の水蒸気を分解することにより上記第１室内に水素ガスを所定量発生させる第１ポンプ部と、
酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第１室に、他方の電極を基準酸素濃度ガスが存在する基準酸素濃度ガス室に露出させるとともに、上記一方の電極を上記特定ガス成分に対して活性な電極で構成して、上記特定ガス成分と上記水素ガスの反応に基づく、上記一対の電極間に発生する起電力の変化から上記特定ガス成分濃度を測定するガス検知部とを有している。
【０００９】
リーン状態の排気ガスを被測定ガスとし、特定ガス成分としてＮＯｘを検出する場合、上記第１ポンプ部の一対の電極間に上記第１室から酸素を排出するように所定の電流を流して、上記第１室内のＨ2 Ｏを分解し、ＮＯｘと反応可能な一定量のＨ2 を発生させる。上記ガス検知部の一対の電極間に発生する起電力は、上記第１室内のＨ2 に対応し、ＮＯｘが存在すると上記一方の電極でＮＯｘとＨ2 が反応して平衡酸素濃度が増加するために、起電力が減少する。よって、起電力の変化量からＮＯｘ濃度を測定することができる。このように、酸素濃度によらず、精度よいＮＯｘの検出が可能である。また、起電力を測定する方式であるので、検出感度が高く、応答性も良好である。
【００１０】
請求項２の構成では、さらに、被測定ガスが拡散抵抗手段を介して導入される、上記第１室と独立な第２室と、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第２室に露出させるとともに上記特定ガス成分に対し不活性な電極で構成した第２ポンプ部を設ける。そして、上記第２ポンプ部の一対の電極間に所定の電圧を印加したときに両電極間を流れる限界電流値を求め、その限界電流値より所定の値だけ大きい電流を、上記第１ポンプ部の一対の電極へ通電する。
【００１１】
例えば、上記第２ポンプ部の一対の電極間に、Ｈ2 Ｏの分解域以下の所定の電圧を印加し、上記第２室内の酸素を排出するように電流を流すと、酸素濃度に比例した限界電流が流れる。よって、この電流値に一定の電流を加えた電流を、上記第１ポンプ部に流せば、一定量のＨ2 を発生させることができる。このように、第２ポンプ部を流れる電流を基に上記第１ポンプ部の一対の電極への通電量を設定することで、上記第１室内のＨ2 発生量の制御が容易になり、高い検出精度が得られる。
【００１２】
請求項３の構成では、酸素イオン導電性の固体電解質の相対向する両面に一対の電極を設けて、その一方の電極を上記第２室に、他方の電極を基準酸素濃度ガスが存在する基準酸素濃度ガス室に露出させ、上記一対の電極間に発生する起電力から上記第２室内の酸素濃度を検知する酸素検知部を設ける。そして、上記起電力が所定の値となるように、上記第２ポンプ部の一対の電極に印加する電圧を制御することで、排気ガスがリッチ状態でも上記第２室内を一定酸素濃度に保持することができる。この時、上記第２ポンプ部を流れる電流より所定の値だけ小さい電流を上記第１ポンプ部に流せば、上記第１室に一定量の未燃ガスが残ることになる。よって、広い空燃比範囲での検出が可能である。
【００１３】
請求項４の構成では、上記第１室内に発生する上記ガス成分の量を測定するためのガス成分検知手段を設ける。上記ガス成分検知手段の検知結果が一定となるように、第１ポンプ部への印加電圧を調整することで、上記第１室内に一定量の上記ガス成分を発生させることができる。このように、直接、Ｈ2 等のガス成分の発生量を検出する構成としてもよく、同様の効果が得られる。
【００１４】
請求項５の構成では、上記第１ポンプ部の上記一方の電極の分極を測定するための基準極を設ける。上記一方の電極の分極の大きさに応じて、上記第１室内に発生する上記ガス成分の量が増加し、また、上記基準極と上記一方の電極の間の電圧を測定することで、分極の大きさを知ることができる。よって、上記基準極と上記一方の電極の間の電圧が所定の値となるように、第１ポンプ部への印加電圧を調整すれば、上記第１室内に一定量の上記ガス成分を発生させることができる。このように、分極の大きさから上記第１室内のＨ2 等の発生量を知る構成としてもよく、同様の効果が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を窒素酸化物（ＮＯｘ）の検出に適用した第１の実施の形態について、図１〜図５により説明する。図３は窒素酸化物（ＮＯｘ）検出装置の全体構成を示す断面図で、筒状ハウジングＨ内に絶縁材に外周を保持せしめて本発明のガス検出装置１が収納されている。該ガス検出装置１は細長い平板状で、その先端部（図の下端部）は、上記ハウジングＨより突出して図の下方に延び、ハウジングＨの下端に固定される容器状の排気カバーＨ１内に位置している。上記排気カバーＨ１は、ステンレス製の内部カバーＨ１１と外部カバーＨ１２の二重構造となっており、これらカバーＨ１１、Ｈ１２の側壁と底壁には、被測定ガスである排気ガスを排気カバーＨ１内に取り込むための排気口Ｈ１３、Ｈ１４がそれぞれ形成してある。
【００１６】
上記ハウジングＨの上端には、筒状のメインカバーＨ２１とその後端部を被うサブカバーＨ２２からなる大気カバーＨ２が固定されている。これらメインカバーＨ２１とサブカバーＨ２２は、その側壁の対向位置に大気口Ｈ２３、Ｈ２４をそれぞれ有して、これら大気口Ｈ２３、Ｈ２４より基準酸素濃度ガスである大気を大気カバーＨ２内に取り込むようになしてある。また、上記大気口Ｈ２３、Ｈ２４の形成位置において、上記メインカバーＨ２１とサブカバーＨ２２の間に、防水のために撥水性のフィルタＨ２５を設置してある。上記大気カバーＨ２は、上端が開口しており、上記ガス検出装置１の後端部に接続されるリード線Ｈ３が、この上端開口より外部に延びている。
【００１７】
図１、２は本発明のガス検出装置１の先端部の模式的な断面図および展開図である。図において、上記ガス検出装置１は、上から順に、固体電解質Ａと一対の電極２１、２２からなり第１ポンプ部となるＨ2 Ｏ分解セル２、第１室５１を形成するスペーサ５、固体電解質Ｂと一対の電極３１、３２からなるガス検知部としてのＮＯｘ検知セル３、基準酸素濃度ガス室となる大気室６１を形成するスペーサ６、各セルを加熱するためのヒータ８、第２室７１を形成するスペーサ７、固体電解質Ｃと一対の電極４１、４２からなり第２ポンプ部となる酸素ポンプセル４を積層して構成される。
【００１８】
最上層の上記Ｈ2 Ｏ分解セル２は、その下方の第１室５１内のＨ2 Ｏを分解して所定量のＨ2 を発生させるもので、シート状に成形した酸素イオン導電性の固体電解質Ａと、その両面の対向位置にスクリーン印刷等により形成した一対の電極２１、２２からなる。酸素イオン導電性の固体電解質Ａとしては、例えばイットリア添加ジルコニア等が用いられる。上記一対の電極２１、２２のうち、上方の電極２１は、通常の電極材料、例えば、多孔質Ｐｔ電極等よりなり、排気ガスが存在する排気カバーＨ１内空間（図３）に露出している。
【００１９】
上記一対の電極２１、２２のうち、下方の電極２２は、アルミナ製のスペーサ５に設けた抜き穴５ａ（図２）にて形成される上記第１室５１（図１）に露出するように形成される。この電極２２は、ＮＯｘに対しては不活性であるが、Ｏ2 に対しては活性であるように、電極活性を調整してあり、具体的には、ＰｔにＡｕを１〜５重量％程度添加した多孔質電極が好適に用いられる。これにより、ＮＯｘ濃度に影響を与えることなく、一定量のＨ2 を発生させることができる。ＰｔにＡｕを添加する方法としては、Ｐｔ粉末とＡｕ粉末を混合したり、ＰｔとＡｕを合金化する等の方法が採られる。あるいは、Ｐｔの粒径を大きくして表面積を小さくし活性を低下させた電極を用いることもできる。
【００２０】
上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の上記固体電解質Ａおよび一対の電極２１、２２を貫通して、所定の大きさの拡散抵抗手段であるピンホール２３が形成してある。このピンホール２３の大きさは、これを通過して上記第１室５１に導入される排気ガスの拡散速度が所定の速度となるように、適宜設定される。また、排気ガス側の上記電極２１およびピンホール２３を被覆して、多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層２４が形成してあり、電極２１の被毒やピンホール２３が排気ガスに含まれるスス等で目詰まりするのを防止している。
【００２１】
上記固体電解質Ａの上下表面には、一対の電極２１、２２間に所定の電流を流すためのリード２１ａ、２２ａが形成されている。なお、上記固体電解質Ａの電極形成部以外、特にリード形成部においては、固体電解質Ａとリード２１ａ、２２ａの間にアルミナ等の絶縁層を介在させるのがよい。
【００２２】
最下層の上記酸素ポンプセル４は、排気ガス中の酸素濃度を測定するためのもので、シート状に成形した酸素イオン導電性の固体電解質Ｃと、その両面の対向位置に、スクリーン印刷等により形成した一対の電極４１、４２からなる。酸素イオン導電性の固体電解質Ｃとしては、例えばイットリア添加ジルコニア等が用いられる。上記一対の電極４１、４２のうち、下方の電極４１は、被測定ガス存在空間、すなわち図３における排気カバーＨ１内空間に露出しており、通常の電極材料、例えば、多孔質Ｐｔ電極等で構成される。
【００２３】
上記一対の電極４１、４２のうち、上方の電極４２は、アルミナ製のスペーサ７に設けた抜き穴７ａ（図２）にて形成される第２室７１（図１）に露出するように形成してある。上記電極４２としては、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の電極２２と同様の電極活性を有するものを用いる。具体的には、ＮＯｘに対して不活性であり、Ｏ2 に対しては活性であるような電極、例えばＰｔにＡｕを１〜５重量％程度添加した多孔質電極が好適に用いられる。これによりＮＯｘ濃度の影響を受けることなく、排気ガス中の酸素濃度を測定することができる。
【００２４】
上記酸素ポンプセル４の上記固体電解質Ｃと一対の電極４１、４２を貫通して、所定の大きさの拡散抵抗手段であるピンホール４３が形成されている。このピンホール４３の大きさは、通常、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２のピンホール２３と同じ大きさに形成され、上記第２室７１に、上記第１室５１と同じ拡散抵抗で排気ガスが導入されるようにすることが望ましい。また、排気ガス側の上記電極４１およびピンホール４３を被覆して、多孔質アルミナ等よりなる多孔質保護層４４が形成してあり、電極４１の被毒やピンホール４３が排気ガスに含まれるスス等で目詰まりするのを防止している。
【００２５】
上記固体電解質Ｃの上下表面には、図２のように、上記一対の電極４１、４２に接続するリード４１ａ、４２ａが形成されている。この場合も、上記固体電解質Ｃの電極形成部以外、特にリード形成部において、固体電解質Ｃとリード４１ａ、４２ａの間にアルミナ等の絶縁層を介在させるのがよい。
【００２６】
上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の下方には、ＮＯｘ検知セル３が配設される。ＮＯｘ検知セル３は、ＮＯｘとＨ2 の反応による起電力の変化からＮＯｘ濃度を検出するもので、シート状の固体電解質３と、その両面の対向位置にスクリーン印刷等により形成した一対の電極３１、３２からなる。この一対の電極３１、３２のうち、上方の電極３１は、上記第１室５１に露出するように形成され、また、ＮＯｘに対し活性な電極で構成されている。具体的には、例えば、多孔質Ｐｔ電極を用いてＮＯｘに対して活性を有するように調整したものが用いられる。
【００２７】
上記一対の電極３１、３２のうち、下方の電極３２は、その下方の大気室６１（図１）に露出するように形成され、例えば、多孔質Ｐｔ電極等、通常の電極材よりなる。大気室６１は、アルミナ等よりなるスペーサ６に設けた抜き孔６ａ、６ｂ（図２）にて形成され、抜き孔６ｂはスペーサ６の右端に開口して大気カバーＨ２内空間（図３）に通じている。これにより大気室６１には基準酸素濃度ガスとなる大気が導入される。
【００２８】
上記固体電解質Ｂの上下表面には、一対の電極３１、３２に接続するリード３１ａ、３２ａが形成されている。この場合も、上記固体電解質Ｂの電極形成部以外、特にリード形成部において、固体電解質Ｂとリード３１ａ、３２ａの間にアルミナ等の絶縁層を介在させるのがよい。
【００２９】
上記スペーサ６、７間に位置する上記ヒータ８は、アルミナ製のヒータシート８２の上面にヒータ電極８１を形成してなる。ヒータ電極８１としては、通常、Ｐｔ電極が用いられ、その上面にはアルミナ等からなる絶縁層８３が形成される。上記ヒータ電極８１にはリード８１ａが接続され、該リード８１ａはヒータシート８２、スペーサ７、固体電解質Ｃに設けたスルーホールを通じて、センサ基部の端子まで接続される。上記酸素ポンプセル４、Ｈ2 Ｏ分解セル２、ＮＯｘ検知セル３の各電極のリード部も、同様にして、センサ基部の端子に接続される。
【００３０】
上記構成のガス検出装置１の作動について図４を使って説明する。ここでは、被測定ガスである排気ガスはリーン状態のみを想定しており、上記酸素ポンプセル４は、排気ガスに含まれる酸素濃度を測定するための限界電流式の酸素濃度センサとして作動する。排気ガスは、ピンホール４３を通り第２室７１に導入される。ここで、上記一対の電極４１、４２に、排気ガス側の上記電極４１が＋極となるようにして所定の電圧を加えると、上記第２室７１側の上記電極４２上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により上記電極４１側に排出される。
【００３１】
この時の酸素ポンプセル４に加える電圧と流れる電流の関係を図４に示す。酸素ポンプセル４に加える電圧は、一対の電極４１、４２間を流れる電流がピンホール４３で酸素の拡散が律速されるような値、いわゆる限界電流となるように設定する。これを図４にＶ1 で示す。この電圧は一定でもよいが、広い酸素濃度領域で作動させるのであれば、酸素濃度に応じて電圧を変化させることも可能である。ここで、上記第２室７１側の上記電極４２は、ＮＯｘに対して不活性としてあるので、上記第２室７１内でＮＯｘの還元による酸素は生成しない。従って、酸素ポンプセル４には、ＮＯｘ濃度によらない、酸素濃度に比例した電流Ｉ1 が流れる。なお、上記電極４２上でＨ2 等の未燃ガスが燃焼する際に酸素が使用されるので、正確には、電流Ｉ1 は未燃ガスの燃焼後に残る酸素の濃度に応じた電流となる。
【００３２】
次に、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に、上記酸素ポンプセル４に流れる酸素電流Ｉ1 より、所定の値だけ大きい電流Ｉ1 ＋Ｉ2 を流す。上記ピンホール４３とピンホール２３は、同一の拡散抵抗に設定してあるので、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に流す電流をＩ1 ＋Ｉ2 とすれば、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の設定電圧は図４のようにＨ2 Ｏ分解域となり、上記電極２２で排気ガス中に多量に含まれるＨ2 Ｏが分解されて、Ｈ2 を発生する。上記電極２２は、上記電極４２と同様にＮＯｘに対して不活性に調整してあるので、以上のような電流設定により電極２２上では、酸素濃度、ＮＯｘ濃度、Ｈ2 Ｏ濃度に依存せず、一定量のＨ2 Ｏを分解する。言い換えると一定量のＨ2 を内部空間５１内に発生することとなる。
【００３３】
上記ＮＯｘ検知セル３の一対の電極３１、３２の間には、両電極上の酸素濃度の違いに基づいた起電力が発生する。電極３１上では、Ｈ2 とＯ2 が下記式
【化１】
0004148572.tif 000002
で示される平衡状態にあるため、ＮＯｘ検知セル３の起電力は上記第１室５１内のＨ2 量に対応する。ここで、排気ガス中にＮＯｘが含まれると、電極３１はＮＯｘに対して活性であるので、電極３１上でＨ2 とＮＯｘが反応する。ＮＯｘと反応してＨ2 が減少すると、Ｈ2 とＯ2 の平衡がずれてＯ2 量が増加し、ＮＯｘ検知セル３の起電力が減少する。この起電力の変化量から排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を検知することができる。
【００３４】
なお、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２で発生するＨ2 の量を、過剰に大きな値に設定すると、上記ＮＯｘ検知セル３の起電力が約１Ｖで飽和してしまい、排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が変化してもＮＯｘ検知セル３の起電力が変化しなくなるため、好ましくない。従って、ＮＯｘ検知セル３の起電力の変化を十分検出可能なように、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の設定電圧を、適宜、調整するのがよい。
【００３５】
また、ピンホール２３とピンホール４３の拡散抵抗の大きさに差があると、上記酸素ポンプセル４と上記Ｈ2 Ｏ分解セル２で酸素の限界電流の値に差が生じ、、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２で発生するＨ2 の量が酸素濃度に比例して変動してしまう。すると、ＮＯｘ検知セル３の起電力も変動してしまい、誤差要因となるので、この場合は、ピンホール２３とピンホール４３の拡散抵抗の大きさの差を予め求めておき、酸素ポンプセル４で計測する酸素濃度からセンサ出力を補正することにより、より精度が向上する。
【００３６】
以上の原理により、本発明によれば、排気ガス中の酸素濃度変化等の影響をうけることなく、ＮＯｘ濃度を精度よく測定することができる。また、本発明のガス検出装置によるＮＯｘの感度は図５に示すように、ｍＶオーダーの比較的大きいものとなる。よって、高いガス検出感度と高い応答性が得られ、しかも検出精度の良好なガス検出装置を実現することができる。
【００３７】
本発明の第２の実施の形態を図６、７で説明する。上記第１の実施の形態では、各セルに対応する３枚の固体電解質を使用したが、本実施の形態では固体電解質を２枚としており、また、上記第１の実施の形態の構成に加えて、上記第２室７１内の酸素濃度を検知するための酸素検知部たる酸素検知セル９を設けている。図６、７において、上記酸素ポンプセル４は、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２と共通の固体電解質Ａと、その両面の対向位置に形成した一対の電極４１、４２とで構成され、上方の電極４１は排気カバーＨ１内空間（図３）に、下方の電極４２は、スペーサ５に設けた第２室７１に露出している。第２室７１は、スペーサ５内に、上記第１室５１を構成する抜き孔５ａと独立に設けた抜き孔５ｂによって形成される（図７）。また、上記電極４１の表面は、上記電極２１と共通の多孔質保護層２４で被覆されている。
【００３８】
上記酸素検知セル９は、上記酸素ポンプセル４の下方に位置し、ＮＯｘ検知セル３と共通な固体電解質Ｂと、その両面の対向位置に形成した一対の電極９１、９２からなる。上方の電極９１は上記第２室７１に、下方の電極９２は大気室６１に露出している。上記第２室７１に露出する上記電極９１は、ＮＯｘに対して不活性に調整された電極、例えば、多孔質Ｐｔ−Ａｕ電極からなり、上記電極９２は、例えば、多孔質Ｐｔ電極等で構成され、この時、一対の電極９１、９２間には、上記第２室７１と大気室６１の酸素濃度差に基づいた起電力が発生する。上記Ｈ2 Ｏ分解セル２とＮＯｘ検知セル３、およびヒータ部８の構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００３９】
上記第２の実施の形態の作動について、上記第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。上記第１の実施の形態では、酸素ポンプセル４に加える電圧Ｖ1 を予め設定しておいたが、本実施の形態では、酸素検知セル９の一対の電極９１、９２間に生じる起電力が所定の値となるように、酸素ポンプセル４に加える電圧Ｖ1 をフィードバック制御して決める。つまり、上記酸素ポンプセル４および酸素検知セル９は、いわゆる２セルＡ／Ｆセンサと呼ばれる酸素センサと同じ動作をし、上記酸素ポンプセル４は、リーン状態では上記第２室７１内の酸素を排出しリッチ状態では酸素を汲み入れて、第２室７１内の酸素濃度を一定に保持する。
【００４０】
このように、酸素検知セル９を設けた構成では、排気ガスがリッチ状態でも第２室７１内を一定酸素濃度に維持できる。この場合、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に、酸素ポンプセル４に流れる電流より所定の値だけ小さい電流を、上記第１室５１内に酸素を汲み入れるように流すと、第１室５１に一定量の未燃ガスが残ることになる。この未燃ガスはＨ2 に限らず、ＣＯ、ＨＣ等でもよく、またその混合ガスであってもよい。このように、リッチ状態ではＨ2 Ｏの分解によりＨ2 を発生させる代わりに、第１室５１に、ＮＯｘと反応可能な一定量の未燃ガスを残留させる。そして、この一定量の未燃ガスとＮＯｘが反応することにより、ＮＯｘ検知セル３の起電力が変化する。この時のＮＯｘ検知セル３の特性は上記第１の実施の形態と同様であり、高い感度で精度よくＮＯｘ濃度を検知することができる。
【００４１】
よって、本実施の形態では、排気ガスがリッチ状態でもＮＯｘ濃度を検知することができ、広い空燃比範囲で検出が可能になる。また、固体電解質を一部共通としたので、構成が簡単で、コンパクトになる。
【００４２】
本発明の第３の実施の形態を図８、９で説明する。本実施の形態では、上記第１の実施の形態における酸素ポンプセル４を省略した構成になっている。Ｈ2 Ｏ分解セル２、ＮＯｘ検知セル３、その他の構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００４３】
本実施の形態では、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に印加する電圧を、予め設定した所定の電圧Ｖ2 （図４）とすることで、上記第１室５１内に一定量のＨ2 を発生させる。設定電圧Ｖ2 は、一定としても、Ｈ2 Ｏ分解セル２の電流値に応じて適宜変化させてもよい。また、別に設けた酸素センサの出力信号から、その値を決定してもよい。このようにしても、ＮＯｘ検知セル３は、上記第１の実施の形態と同様の特性を示す。よって、より簡易な構成で、ＮＯｘ濃度の検出が可能であり、製造が容易でコストの低減が可能である。
【００４４】
図１０、１１に、本発明の第４の実施の形態を示す。本実施の形態では、上記第３の実施の形態に、ガス検知手段としてのＨ2 検知セル１０を追加した構成となっている。Ｈ2 検知セル１０は、ＮＯｘ検知セル３と共通の固体電解質Ｂを用いて、その両面の対向位置に一対の電極１０１、１０２を形成してなり、上方の電極１０１は第１室５１に、下方の電極１０２は大気室６１に露出している。上記電極１０１は、ＮＯｘに対して不活性に調整された電極、例えば、多孔質Ｐｔ−Ａｕ電極からなり、上記電極１０２は、例えば、多孔質Ｐｔ電極等で構成される。なお、本実施の形態において、ＮＯｘ検知セル３の一対の電極３１、３２は、Ｈ2 検知セル１０を配置するために、上記各実施の形態より小さく形成され、上記電極１０１、１０２は、これら電極３１、３２にそれぞれ隣接して形成される。その他の構成は、上記第３の実施の形態と同様である。
【００４５】
本実施の形態において、上記Ｈ2 検知セル１０は、上記第１室５１内の酸素と未燃ガスの比率により、一対の電極１０１、１０２間に起電力を発生する。上記Ｈ2 Ｏ分解セル２により上記第１室５１内の酸素を排気していくと、Ｈ2 Ｏの分解とともにＨ2 の比率が増加する。Ｈ2 の比率が増加すると、一対の電極１０１、１０２間の起電力は５００ｍＶ〜９５０ｍＶとなり、その起電力の値からＨ2 量を検出できる。また、電極１０１はＮＯｘに対し不活性に調整されているので、ＮＯｘ濃度によらない検出が可能である。そこで、本実施の形態では、上記第１室５１内に一定量のＨ2 を満たすために、上記Ｈ2 検知セル１０の起電力が５００ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で一定となるように、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の印加電圧を調整する。これにより、上記第１室５１内に一定量のＨ2 を発生させ、同様にしてＮＯｘ濃度を検知することができる。この時、ＮＯｘ検知セル３は上記第１の実施の形態と同様の特性を示し、高感度かつ精度よい検出が可能である。
【００４６】
図１２、１３に、本発明の第５の実施の形態を示す。本実施の形態は、上記第３の実施の形態における上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の電極２２の分極を測定するために、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に隣接して基準極１１を設けた構成となっている。上記基準極１１は、例えば、多孔質Ｐｔ電極からなり、上記スペーサ５内に形成される空間１２に露出している。この空間１２は、固体電解質Ｂを貫通する連通孔１３を通じて大気室６１に連通している。その他の構成は、上記第３の実施の形態と同様である。
【００４７】
上記第３の実施の形態では、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に加えるＶ2 を所定の値に設定することで、第１室５１内に一定量のＨ2 を発生したが、本実施の形態では、上記電極２２の分極の大きさを所定の値に設定して一定量のＨ2 を発生させる。上記電極２２の分極の大きさは、共通の固体電解質Ｂに形成した基準極１１との間の電圧を測定することで分かる。すなわち、上記基準極１１は、大気室６１から連通孔１３を通じて上記空間１２に導入される、一定酸素濃度の大気に露出しており一定の電位を示す。上記Ｈ2 Ｏ分解セル２で上記第１室５１内の酸素を排気していくと、酸素濃度が減少するのに応じて、上記電極２２の分極は大きくなる。Ｈ2 Ｏ分解域では、さらに大きな値を示すため、この値からＨ2 Ｏの分解量、つまりＨ2 発生量を決めることができる。
【００４８】
このように、上記基準極１１を用いて上記電極２２の分極の大きさを所定の値に設定し、一定量のＨ2 を発生させる構成としてもよく、ＮＯｘ検知セル３の特性は、上記第１の実施の形態と同様となる。また、上記構成によれば、排気ガスがリッチ状態でも作動させることができ、簡単な構造で、広い空燃比での測定が可能となる。
【００４９】
図１４、１５に、本発明の第６の実施の形態を示す。本実施の形態では、上記第１の実施の形態における上記Ｈ2 Ｏ分解セル２と酸素ポンプセル４の固体電解質を共通にした構成とする。すなわち、上記酸素ポンプセル４を、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２と共通の固体電解質Ａの両面に一対の電極４１、４２を設けて構成し、上方の電極４１を排気ガスに、下方の電極４２を、上記スペーサ５に形成した第２室７１に露出する。第２室７１は、上記スペーサ５に設けた抜き孔５ｂで構成され、上記固体電解質Ａと一対の電極４１、４２を貫通するピンホール４３より被測定ガスが導入されるようになしてある。また、第２室７１は、上記スペーサ５に形成した抜き孔５ｃよりなる連通孔５２によって、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の第１室５１と連通している。上記酸素ポンプセル４の電極４１、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２の電極２１の表面は共通の多孔質保護層２４で被覆されている。
【００５０】
本実施の形態の作動について説明する。上記Ｈ2 Ｏ分解セル２には、電極２１が＋極となるようにして所定の電圧を加え、上記第１室５１内のＨ2 Ｏを分解する。印加電圧は、Ｈ2 Ｏ分解域となるように、通常５００ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定することが望ましい。そして、上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に流れる電流が一定値となるように、すなわち、Ｈ2 Ｏの分解量が一定となるように酸素ポンプセル４に加える電圧をフィードバック制御する。上記Ｈ2 Ｏ分解セル２に流れる電流は、酸素ポンプセル４において上記ピンホール４３で酸素が拡散律速された限界電流が流れるように設定する。この結果、上記電極２２では、一定量のＨ2 Ｏが分解して、一定量のＨ2 が発生する。このようにしても、ＮＯｘ検知セル３の特性は上記第１の実施の形態と同様となり、簡単な構成で、高感度かつ精度よいＮＯｘ濃度の検出が可能である。
【００５１】
上記各実施の形態において、第１室５１、第２室７１へ被測定ガスを導入するための拡散抵抗手段は、拡散性（酸素濃度差に速度が依存）であればよく、ピンホールに代えて多孔質層を用いてもよい。また、上記各実施の形態では、本発明をＮＯｘ濃度を測定するガス検出装置に適用した例について説明したが、本発明の用途は必ずしもこれに限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１の実施の形態を示すガス検出装置の要部断面図である。
【図２】図２は第１の実施の形態のガス検出装置の展開図である。
【図３】図３は第１の実施の形態のガス検出装置を含むＮＯｘ検出装置の全体断面図である。
【図４】図４は第１の実施の形態におけるガス検出装置の作動原理を説明するための図である。
【図５】図５は第１の実施の形態のガス検出装置のＮＯｘ濃度とセンサ出力の関係を示す図である。
【図６】図６は本発明の第２の実施の形態を示すガス検出装置の要部断面図である。
【図７】図７は第２の実施の形態のガス検出装置の展開図である。
【図８】図８は本発明の第３の実施の形態を示すガス検出装置の要部断面図である。
【図９】図９は第３の実施の形態のガス検出装置の展開図である。
【図１０】図１０は本発明の第４の実施の形態を示すガス検出装置の要部断面図である。
【図１１】図１１は第４の実施の形態のガス検出装置の展開図である。
【図１２】図１２は本発明の第５の実施の形態を示すガス検出装置の要部断面図である。
【図１３】図１３は第５の実施の形態のガス検出装置の展開図である。
【図１４】図１４は本発明の第６の実施の形態を示すガス検出装置の要部断面図である。
【図１５】図１５は第６の実施の形態のガス検出装置の展開図である。
【図１６】図１６は従来のガス検出装置の要部断面図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｂ、Ｃ  固体電解質
１  ガス検出装置
２  Ｈ2 Ｏ分解セル（第１ポンプ部）
２１、２２  一対の電極
２３  ピンホール（拡散抵抗手段）
２４  多孔質保護層
３  ＮＯｘ検知セル（ガス検知部）
３１、３２  一対の電極
４  酸素ポンプセル（第２ポンプ部）
４１、４２  一対の電極
４３  ピンホール（拡散抵抗手段）
４４  多孔質保護層
５  スペーサ
５１  第１室
６  スペーサ
６１  大気室（基準酸素濃度ガス室）
７  スペーサ
７１  第２室
８  ヒータ
９  酸素検知セル（酸素検知部）
９１、９２  一対の電極
１０  Ｈ2 検知セル（ガス成分検知手段）
１１  基準極
【図１】
0004148572.tif 000003
【図２】
0004148572.tif 000004
【図３】
0004148572.tif 000005
【図４】
0004148572.tif 000006
【図５】
0004148572.tif 000007
【図６】
0004148572.tif 000008
【図７】
0004148572.tif 000009
【図８】
0004148572.tif 000010
【図９】
0004148572.tif 000011
【図１０】
0004148572.tif 000012
【図１１】
0004148572.tif 000013
【図１２】
0004148572.tif 000014
【図１３】
0004148572.tif 000015
【図１４】
0004148572.tif 000016
【図１５】
0004148572.tif 000017
【図１６】
0004148572.tif 000018