(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスが拡散抵抗を有する被測定ガス導入路を介して導入される中空部と、酸素イオン導電性の固体電解質材の相対向する両面に一対の電極を一方の電極が中空部内に面し、他方の電極が基準の酸素濃度の基準ガスに曝露するように形成し、一方の電極の表面における酸素濃度を検出する酸素センサ部と、酸素イオン導電性の固体電解質材の相対向する両面に一対の電極を一方の電極が中空部外の被測定ガスに曝露し、他方の電極が中空部内に面するように形成し、この一対の電極から固体電解質材にポンプ電流を流し、中空部内と中空部外の間で酸素を移動せしめる酸素ポンプ部と、酸素センサ部で検出される酸素濃度に基づいて酸素ポンプ部のポンプ電流をフィードバック制御する酸素ポンプ制御手段と、酸素イオン導電性の固体電解質材の相対向する両面に一対の電極を一方の電極が中空部内に面し、他方の電極が基準ガスに曝露するように形成した成分ガス検出部と、酸素センサ部の一対の電極間に発生する起電力と同じ大きさの電圧を成分ガス検出部の一対の電極間に中空部側における過不足酸素が排出または供給されるように印加する電圧印加手段と、成分ガス検出部の一対の電極間に流れる電流を検出する電流検出手段とを具備し、かつ酸素センサ部の中空部内に面した電極および成分ガス検出部の中空部内に面した電極は、測定対象とする成分ガスに対する反応性が異なる電極としたことを特徴とするガス検出装置。
【請求項２】
請求項１記載のガス検出装置において、上記酸素センサ部の上記中空部内に面した電極および上記成分ガス検出部の上記中空部内に面した電極は、一方を炭化水素に対する酸化活性を有する電極とし、他方を炭化水素に対して不活性な電極とし、かつ上記成分ガスを炭化水素としたガス検出装置。
【請求項３】
請求項２記載のガス検出装置において、上記酸素センサ部の上記中空部内に面した電極および上記成分ガス検出部の上記中空部内に面した電極は、一方を白金で構成した電極とし、他方を白金に１wt％を越え１０wt％以下の金を添加した合金で構成した電極とし、かつ上記成分ガスをメタンとしたガス検出装置。
【請求項４】
請求項２または３いずれか記載のガス検出装置において、上記酸素ポンプ制御手段を、上記酸素センサ部の一対の電極間に発生する起電力を、１００〜１５０ｍＶの範囲で予め設定した基準の起電力に維持する構成としたガス検出装置。
【請求項５】
請求項１記載のガス検出装置において、上記酸素センサ部の上記中空部内に面した電極および上記成分ガス検出部の上記中空部内に面した電極は、一方を一酸化炭素に対する酸化活性を有する電極とし、他方を一酸化炭素に対して不活性な電極とし、かつ上記成分ガスを一酸化炭素としたガス検出装置。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれかに記載のガス検出装置において、上記酸素ポンプ部の上記中空部内の被測定ガスに曝露する電極を、測定対象とする成分ガスに対して不活性な金属で構成したガス検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし６いずれかに記載のガス検出装置において、被測定ガス側と大気とを隔てる隔離壁に貫通し、先端部が上記被測定ガス側に突出するガス検出体を備え、ガス検出体は、２層の平板状の固体電解質材とこれらに挟まれる電気絶縁性の平板状の絶縁材とが積層する積層構造を有し、絶縁材には先端側に肉抜き部を形成してこれと両固体電解質材とで上記中空部を形成し、一方の固体電解質材にガス検出体の外部と中空部とを連通せしめる小孔を形成して上記被測定ガス導入路とし、ガス検出体内部には他方の固体電解質材の、絶縁材側の面とは反対側の面に沿って一端側が中空部位置まで延び他端側から基準ガスが導入される基準ガス導入路を形成し、一方の固体電解質材に、これを挟んで対向する第１の一対の電極を形成して上記酸素ポンプ部となし、他方の固体電解質材に、これを挟んで対向する第２の一対の電極を形成して上記酸素センサ部となし、他方の固体電解質材に、第２の一対の電極と隣れる位置に上記固体電解質材を挟んで対向するように第３の一対の電極を形成して上記成分ガス検出部となし、かつ被測定ガス導入路は、これを酸素ポンプ部の中空部側の電極の略中心位置に開口するように形成し、酸素センサ部と成分ガス検出部とは、その中空部内側の電極が被測定ガス導入路の開口位置に対して対称位置となるように形成したガス検出装置。
【請求項８】
請求項１ないし６いずれか記載のガス検出装置において、上記酸素センサ部の固体電解質材と上記成分ガス検出部の固体電解質材とを絶縁材で絶縁したガス検出装置。
【請求項９】
請求項８記載のガス検出装置において、被測定ガス側と大気とを隔てる隔離壁に貫通し、先端部が上記被測定ガス側に突出するガス検出体を備え、ガス検出体は、３層の平板状の固体電解質材と２層の平板状の絶縁材とを交互に積層する積層構造を有し、両絶縁材に同じ位置に肉抜き部を形成するとともに、両絶縁材で挟まれた固体電解質材には上記肉抜き部よりも小面積の肉抜き部を形成してこれら肉抜き部と最外層の両固体電解質材により上記中空部を形成し、最外層の一方の固体電解質材にガス検出体の外部と中空部とを連通せしめる小孔を形成して上記被測定ガス導入路とし、中間の固体電解質材と最外層の他方の固体電解質材とで挟まれた絶縁材にその肉抜き部よりも基部側にスリット状の肉抜き部を形成してこれを第１の基準ガス導入路とするとともに、最外層の他方の固体電解質材に沿って一端側が上記中空部位置まで延び、他端側から基準ガスが導入される第２の基準ガス導入路を形成し、最外層の一方の固体電解質材に、これを挟んで対向する第１の一対の電極を形成して、上記酸素ポンプ部となし、両絶縁材で挟まれた固体電解質材に、その両面に中空部内に面して形成された電極と第１の基準ガス導入路に面して形成された電極よりなる第２の一対の電極を形成して、上記酸素センサ部もしくは上記成分ガス検出部の一方となし、最外層の他方の固体電解質材に、その両面に中空部内に面して形成された電極と、第２の基準ガス導入路に面して形成された電極よりなる第３の一対の電極を形成し、上記酸素センサ部もしくは上記成分ガス検出部の他方となしたガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス検出装置に関し、例えば内燃機関の排気管に配設されて内燃機関から排出される排気ガスに含まれる成分ガスの濃度検出に適用されるガス検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両等の内燃機関では、排気エミッション（炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯx ））を改善するため、例えば混合気の空気燃料比が理論空気燃料比になるように燃料の噴射量等をフィードバック制御した後、内燃機関から排出される排気ガスを三元触媒コンバータによりＨＣ等の排気エミッション成分を除去するようにした排気エミッション抑制技術が採用されている。近年、排気エミッションの規制が強化され、米国では既に自己診断規制（略称ＯＢＤ−II）が開始し、三元触媒コンバータ等の排気エミッション抑制関連部品の故障を検知してドライバーに認識させることが義務付けられ、ドライバーも故障した排気エミッション抑制関連部品の修理が義務付けられるようになった。
【０００３】
三元触媒コンバータの劣化診断技術としては、排気管の三元触媒コンバータの上流および下流にそれぞれ酸素濃度センサを設けたいわゆる２Ｏ2 センサシステムが知られている。しかしながら排気ガス規制の強化が上記ＯＢＤ−IIのＬＥＶ（Ｌow  Ｅmission Ｖehicle）からＵＬＥＶ（Ｕltra  Ｌow  Ｅmission Ｖehicle）へと進むと、２つの酸素濃度センサの信号差から間接的に浄化率を検知する２Ｏ2 センサシステムでは検出精度が不十分である。そこで排気エミッション成分（ＨＣ，ＣＯ，ＮＯx ）を直接検出するガス検出装置の必要性が高まっている。
【０００４】
また近年、開発が進められているＣＮＧエンジンにおいては、燃料となる天然ガスの主成分がメタン（ＣＨ4 ）であることから、ＨＣのうちＣＨ4 に特化したガス検出装置の必要性が高まっている。
【０００５】
またＣＯの検出は、内燃機関の排気エミッション検出用としてだけではなく、燃料電池の改質器がメタノール分解時に排出するＣＯの検出用としても望まれている。
【０００６】
上記排気エミッション等の検出しようとする成分ガスを直接検出するガス検出装置としては、酸素イオン導電性の固体電解質材の両面に被測定ガスに曝露する電極と基準の酸素濃度の基準ガスに曝露する電極とを形成して電極間に発生する起電力等の変化を利用する固体電解質式ガス検出装置が種々、提案されている。これらは検出対象である成分ガスを酸化または還元することにより、成分ガス濃度を、酸化または還元により消費または生成した酸素量として検出するもので、被測定ガス中の酸素に対する選択性がなく、被測定ガスの酸素濃度を一定に保つ必要がある。
【０００７】
かかる固体電解質式ガス検出装置として、Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（以下、ＳＡＥという）９６０３３４号記載の厚膜Ｚr Ｏ2 ＮＯx センサがある。この厚膜Ｚr Ｏ2 ＮＯx センサでは被測定ガスが導入される第１室に酸素検出セルと、第１室内の酸素を排出する第１のポンプセルが設けられている。第１室と拡散抵抗路を介して連通する第２室には第２のポンプセルが設けられ、一定の駆動電圧によって室内の酸素を排出するようになっている。その室内側の電極はＮＯx に対して還元活性を有している。第１室内の酸度濃度の変動は第１室に設けた酸素検出セルにより検出され、第１のポンプセルの駆動電圧にフィードバックされる。第２室ではＮＯx の分解により新たに酸素が生成し、第２のポンプセルのポンプ電流がＮＯx 濃度に応じて増減する。ポンプ電流の増減を測定することでＮＯx 濃度を検出している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記ＳＡＥ９６０３３４号記載の厚膜Ｚr Ｏ2 ＮＯx センサはＨＣやＣＯの検出に適用すると、第２ポンプセルにおいてＨＣ等の酸化に供する酸素が不可欠であるから、室内の酸素濃度の影響を受けるため、その補正が必要になる等の問題がある。すなわち被測定ガス中の酸素の影響を免れない。
【０００９】
そこで本発明では被測定ガスの酸素濃度に影響されないガス検出装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、拡散抵抗を有する被測定ガス導入路を介して中空部内に被測定ガスを導入するとともに、酸素イオン導電性の固体電解質材の相対向する両面に一対の電極を一方の電極が中空部内に面し、他方の電極が基準の酸素濃度の基準ガスに曝露するように形成し、一方の電極の表面における酸素濃度を検出する酸素センサ部と、酸素イオン導電性の固体電解質材の相対向する両面に一対の電極を一方の電極が中空部外の被測定ガスに曝露し、他方の電極が中空部内に面するように形成して、この一対の電極から固体電解質材にポンプ電流を流し、中空部内と中空部外の間で酸素を移動せしめる酸素ポンプ部とを設け、酸素センサ部で検出される酸素濃度に基づいて酸素ポンプ制御手段により酸素ポンプ部のポンプ電流をフィードバック制御せしめる。
【００１１】
酸素イオン導電性の固体電解質材の相対向する両面に一対の電極を一方の電極が中空部内に面し、他方の電極が基準ガスに曝露するように形成した成分ガス検出部を設け、電圧印加手段により成分ガス検出部の一対の電極間に、中空部側における過不足酸素が排出または供給されるように、酸素センサ部の一対の電極間に発生する起電力と同じ大きさの電圧を印加し、電流検出手段により成分ガス検出部の一対の電極間に流れる電流を検出する。
【００１２】
酸素センサ部の中空部内に面した電極および成分ガス検出部の中空部内に面した電極は、測定対象とする成分ガスに対する反応性が異なる電極とする。
【００１３】
酸素センサ部で検出される酸素量が一定に保たれるように、上記中空部内の酸素濃度は上記酸素ポンプ部および上記酸素濃度制御手段により制御される。また上記電流検出手段は、上記成分ガス検出部の中空部内の被測定ガスに曝露する電極の表面の酸素濃度を検出する。成分ガスに対して活性な電極が上記酸素センサ部の電極の場合には、上記電極表面において、検出対象である成分ガスの酸化反応により酸素が消費され、上記電極表面における酸素濃度が、消費した酸素量に応じて成分ガス検出部の電極表面における酸素濃度よりも低下する。この酸素濃度差により、酸素センサ部と成分ガス検出部とでは中空部側の酸素濃度と基準ガス導入路側の酸素濃度との酸素分圧比により発生する起電力に差が生じる。成分ガス検出部に酸素センサ部の起電力と同じ電圧が印加されることにより、成分ガス検出部の中空部側の電極表面における過剰な酸素が基準ガス導入路へ排出される。このとき成分ガス検出部の固体電解質材を流れる酸素イオン電流が電流検出手段により検出される。この電流は酸素濃度差すなわち成分ガス濃度に対応している。
【００１４】
成分ガスに対して活性な電極が上記成分ガス検出部の電極の場合には、酸素センサ部の電極を成分ガスに対して不活性な電極とする。この場合は、成分ガス検出部の中空部側の電極表面において酸素が消費され、消費した酸素量に応じて酸素センサ部の電極表面における酸素濃度が成分ガス検出部の電極の酸素濃度よりも高くなる。この酸素濃度差により、酸素センサ部と成分ガス検出部とでは上記起電力に差が生じる。成分ガス検出部に酸素センサ部の起電力と同じ電圧が印加されることにより、成分ガス検出部の中空部側の電極表面における不足酸素が基準ガス導入路から中空部側へ供給される。このとき成分ガス検出部の固体電解質材を流れる酸素イオン電流が電流検出手段により検出される。この電流は上記酸素濃度差すなわち成分ガス濃度に対応している。
【００１５】
いずれの場合も中空部内に導入される被測定ガスの酸素濃度に影響されず、被測定ガスの成分ガス濃度に比例した電流が得られる。
【００１６】
成分ガスとしてＨＣを検出する場合には、請求項２記載の発明のように上記酸素センサ部の上記中空部内に面した電極もしくは上記成分ガス検出部の上記中空部内に面した電極のいずれか一方をＨＣに対して活性な電極で構成し、他方をＨＣに対して不活性な電極で構成する。
【００１７】
ＨＣのうち、特に成分ガスとしてＣＨ4 を検出する場合には、請求項３記載の発明のように上記酸素センサ部の上記中空部内に面した電極および上記成分ガス検出部の上記中空部内に面した電極は、一方を白金（Ｐt ）で構成した電極とし、他方をＰt に１wt％を越え１０wt％以下の金（Ａu ）を添加した合金で構成した電極とする。
【００１８】
Ｐt はＨＣに対して良好な酸化活性を有し、Ｐt に１wt％を越え１０wt％以下のＡu を添加した合金はＨＣのうちで最も反応性の低いＣＨ4 に対して選択的に不活性である。しかしてＣＨ4 に対する良好な検出感度と、高い選択性とが得られる。
【００１９】
請求項４記載の発明では、ＨＣを検出する構成において上記酸素センサ部の一対の電極間に発生する起電力を、１００〜１５０ｍＶの範囲で予め設定した基準の起電力に維持する構成とする。
【００２０】
発明者等の得た知見によれば、ＣＯに対する検出感度は中空部の酸素濃度に応じて減少する。しかして上記基準の起電力を１００〜１５０ｍＶの範囲で設定し中空部内の酸素濃度を高めにすることで、電流検出手段により検出される電流に、中空部内のＣＯ濃度に応じた誤差電流成分が含まれるのを防止することができる。
【００２１】
成分ガスとしてＣＯを検出する場合には、請求項５記載の発明のように上記酸素センサ部の上記中空部内に面した電極もしくは上記成分ガス検出部の上記中空部内に面した電極のいずれか一方をＣＯに対して活性な電極で構成し、他方をＣＯに対して不活性な電極で構成する。
【００２２】
上記酸素ポンプ部の上記中空部内側の被測定ガスに曝露する電極は、望ましくは請求項６記載の発明のように、成分ガスに対して不活性な金属で構成することにより、上記電極表面における成分ガスの酸化反応が防止される。しかして被測定ガスの成分ガス濃度が酸化反応により低下せず、成分ガスの検出誤差が生じるのを防ぐことができる。
【００２３】
請求項７記載の発明では、ガス検出体を、被測定ガス側と大気とを隔てる隔離壁に貫通せしめ、その先端部が上記被測定ガス側に突出するようにする。ガス検出体は、内部に２層の平板状の固体電解質材とこれらに挟まれる電気絶縁性の平板状の絶縁材とが積層する積層構造とし、絶縁材には先端側に肉抜き部を形成してこれを上記中空部とする。一方の固体電解質材にガス検出体の外部と中空部とを連通せしめる小孔を形成して上記被測定ガス導入路とするとともに、ガス検出体内部には他方の固体電解質材の絶縁材側の面とは反対側の面に沿って他端側から導入される基準ガスが中空部位置まで達する基準ガス導入路を形成する。
【００２４】
上記酸素ポンプ部は、これを一方の固体電解質材と、これを挟んで対向する第１の一対の電極とで構成し、上記酸素センサ部および上記成分ガス検出部は、これを他方の固体電解質材と、これを挟んで対向する一対の電極とで構成し、酸素センサ部の一対の電極と成分ガス検出部の一対の電極とを、相隣れる位置に形成する。
【００２５】
被測定ガス導入路は、これを酸素ポンプ部の中空部側の電極の略中心位置に開口するように形成し、酸素センサ部と成分ガス検出部とは、その中空部内側の電極が小孔の開口位置に対して対称位置となるように形成する。
【００２６】
かかる構成とすることによりガス検出装置の主要部を一体にコンパクトに構成でき、積層構造のため製作が容易である。しかも酸素センサ部および成分ガス検出部の一対の電極は、その中空部内側の電極が小孔の開口位置に対して対称位置にあり、中空部内に導入された被測定ガスが酸素センサ部および成分ガス検出部に均等に流れ、その被測定ガス中の酸素は、小孔が酸素ポンプ部の中空部側の電極の略中心位置に開口しているから酸素センサ部側と成分ガス検出部側とで均等に酸素ポンプ部により供給と排出が行われる。したがって酸素センサ部の中空部側の電極に到る被測定ガスの酸素濃度と成分ガス検出部の中空部側の電極に到る被測定ガスの酸素濃度が等しく、検出誤差を抑えることができる。
【００２７】
請求項８記載の発明では、上記酸素センサ部の固体電解質材と上記成分ガス検出部の固体電解質材とを絶縁材で絶縁することにより、酸素センサ部と成分ガス検出部との間における電気的な干渉が防止できる。
【００２８】
請求項９記載の発明では、ガス検出体を被測定ガス側と大気とを隔てる隔離壁に貫通せしめ、先端部が上記被測定ガス側に突出するようにする。ガス検出体は、内部に３層の平板状の固体電解質材と２層の平板状の絶縁材とを交互に積層する積層構造とし、両絶縁材に同じ位置に肉抜き部を形成するとともに、両絶縁材で挟まれた固体電解質材には上記肉抜き部よりも小面積の肉抜き部を形成してこれら肉抜き部により上記中空部を形成し、最外層の一方の固体電解質材にガス検出体の外部と中空部とを連通せしめる小孔を形成して上記被測定ガス導入路とし、最外層の他方の固体電解質材側の絶縁材にその肉抜き部よりも基部側にスリット状の肉抜き部を形成してこれを第１の基準ガス導入路とするとともに、最外層の他方の固体電解質材に沿って一端側が上記中空部位置まで延び、他端側から基準ガスが導入される第２の基準ガス導入路を形成する。
【００２９】
上記酸素ポンプ部は、これを最外層の一方の固体電解質材と、これを挟んで対向する第１の一対の電極とで構成し、上記酸素センサ部と上記成分ガス検出部とのうち一方は、両絶縁材で挟まれた固体電解質材に、一方の電極を中空部内側に形成し、他方の電極を第１の基準ガス導入路側に形成し、上記酸素センサ部と上記成分ガス検出部とのうち他方は、最外層の他方の固体電解質材に、一方の電極を中空部内側に形成し、他方の電極を第２の基準ガス導入路側に形成する。
【００３０】
かかる構成とすることによりガス検出装置の主要部を一体にコンパクトに構成でき、積層構造のため製作が容易である。しかも積層構造の一つの層により酸素センサ部の固体電解質材と成分ガス検出部の固体電解質材とを絶縁するので、実施が容易である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１（Ａ）は内燃機関から排出される排気ガス中のＨＣ濃度の検出に適用した本発明のガス検出装置を示すもので、検出場所に設置されるセンサ部Ｓと、回路部Ｃとから構成してある。センサ部Ｓは内燃機関の隔離壁たる排気管壁Ｗを貫通して筒状のハウジング９１が螺着してあり、ハウジング９１内に内挿される絶縁部材９２１，９２２，９２３がハウジング９１の上端開口を塞ぐ蓋部材９３によりハウジング９１に固定されている。そして絶縁部材９２１，９２２，９２３に設けた貫通穴９２ａに、細長い平板状のガス検出体１Ａが挿通保持され、先端部１ａはハウジング９１より排気管壁Ｗの内側に突出し、基部１ｂは蓋部材９３より突出している。
【００３２】
ガス検出体１Ａの排気管Ｗ内に突出する先端部１ａはハウジング９１の下端に固定される有底筒状の排気カバー９５内に収容されている。排気カバー９５は、ステンレススチール製で、内部側のカバー９５１と外部側のカバー９５２の二重構造となっており、これらカバー９５１，９５２の周壁には、被測定ガスたる排気ガスを排気カバー９５内に取り込むためのガス流通孔９５３，９５４がそれぞれ形成してある。
【００３３】
蓋部材９３の上端には、筒状の大気カバー９４が固定される。大気カバー９４は、ハウジング９１に取りつけられるメインカバー９４１とその後端部を被うサブカバー９４２からなり、その周壁の対向位置に大気導入口９４３，９４４をそれぞれ有し、これら大気導入口９４３，９４４より基準の酸素濃度の基準ガスたる大気を大気カバー９４内に取り込むようになしてある。取り込まれた大気はガス検出体１Ａの基部１ｂに導かれ、基部１ｂ内に導入される。また大気導入口９４３，９４４の形成位置において、メインカバー９４１とサブカバー９４２の間に防水のために溌水性のフィルタ９４５が配設してあり、センサ部Ｓ内部には大気のみが導入され、水分が侵入することが防止される。
【００３４】
また大気カバー９４は上端が開口しており、ガス検出体１Ａの後端部に接続するリード線９６がこの上端開口より外部に延びている。
【００３５】
図１（Ｂ）はガス検出体１Ａの拡大断面図、図２はその分解図であり、ガス検出体１Ａは、排気管Ｗ内に突出する先端部（図の左側）に中空部３、酸素センサ部たるセンサセル５１Ａ、酸素ポンプ部たるポンプセル５２、成分ガス検出部たる検出セル６Ａ等より構成され、これらを構成する部材が積層構造を有している。
【００３６】
この積層構造は、図２において上側から平板状の酸素イオン導電性の固体電解質材１１、絶縁材たるアルミナからなる平板状のスペーサ１２、平板状の酸素イオン導電性の固体電解質材１３となっている。中間のスペーサ１２は先端部側に四角形の肉抜き部１２ａが形成してある。肉抜き部１２ａが固体電解質材１１，１３で閉鎖されて中空部３が形成されている。
【００３７】
また図の下側は固体電解質材１３の下側に、アルミナからなる平板状のスペーサ１４、平板状の加熱ヒータ部１５となっている。中間のスペーサ１４には細長い肉抜き部１４ａが形成してあり、その先端側は、スペーサ１２の肉抜き部１２ａと同じ形状で固体電解材１３を挟んで肉抜き部１２ａと対向しており、基端側はスリット状をなしてスペーサ１４の基端に達している。固体電解質材１３と加熱ヒータ部１５とで挟まれた肉抜き部１４ａの空間が、大気導入孔９４３，９４４（図１（Ａ））より大気をガス検出体１Ａ内へ導入する基準ガス導入路たるダクト４となっている。
【００３８】
固体電解質材１１の下面の中空部３の内表面をなす位置にスクリーン印刷等によりスペーサ１２の肉抜き部１２ａと略同一形状で金製の第１の一対の電極の一方である電極５２２が形成されるとともに、固体電解質材１１の上面には電極５２２と対向して白金製の第１の一対の電極の他方の電極５２１が形成されている。固体電解質材１１、電極５２１，５２２でポンプセル５２を構成している。
【００３９】
また固体電解質材１１、電極５２１，５２２を貫通する被測定ガス導入路たるピンホール２が電極５２１，５２２の中心位置に形成してあり、ガス検出体１Ａ外部から中空部３に被測定ガスとして排気ガスを導入するようになっている。中空部３内から酸素が選択的に排出されると、ピンホール２の拡散抵抗のため中空部３内と中空部３外とで被測定ガスの酸素濃度差ができる。
【００４０】
固体電解質材１３の上面には中空部３の内表面をなす位置にスクリーン印刷等によりＰt 製の第２の一対の電極の一方の電極５１１、Ａu 製の第３の一対の電極の一方の電極６１が形成してある。これらはポンプセル５２の電極５２２の略半分の大きさのもので、ピンホール２の開口２ａ位置に対して左右対称に形成される。固体電解質材１３の下面には電極５１１，６１のそれぞれに対向してＰt 製の第２、第３の一対の電極の他方の電極５１２，６２が形成してある。これらは固体電解質材１３、電極５１１，５１２がセンサセル５１Ａを構成し、固体電解質材１３、電極６１，６２が検出セル６Ａを構成している。
【００４１】
また加熱ヒータ部１５はアルミナよりなる平板状の基板１８の表面にＰt 線１７を形成し、これをアルミナよりなる平板状の被覆層１６で被覆したもので、上記各セルを加熱し、検出感度を高めるようになっている。
【００４２】
ガス検出体１Ａの基部には、上記各電極５１１，５１２，５２１，５２２，６１，６２およびＰt 線１７の両端と導通する端子５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ，６ａ，６ｂ，１７ａ，１７ｂが形成され、リード線（図１（Ａ））に通じている。
【００４３】
またガス検出体１Ａの表面には、ポンプセル５２の電極５２１を被覆してアルミナ等からなる多孔質ペーストを塗布、焼き付けしてなるセラミック保護層１８が形成してあり、ピンホール２が排気ガスに含まれるスス等の粒径の大きなパティキュレートで目詰まりすることを防止している。
【００４４】
なお上記各固体電解質材１１，１３は、イットリア添加ジルコニアで、ドクターブレード法等のシート形成法により形成されたシートであり、その厚さは通常、５０〜３００μｍの範囲とするのがよい。ただし電気抵抗とシート強度との兼ね合いを考慮すると、１００〜２００μｍの範囲とすることが望ましい。また電極の厚さは通常、１〜２０μｍの範囲とするが、耐熱性とガス拡散性とを考慮すると５〜１０μｍ程度とすることが望ましい。
【００４５】
図３は上記ガス検出装置のブロック図で、ここでは回路部Ｃ（図１（Ａ））について説明する。酸素ポンプ制御手段７はセンサセル５１Ａの一対の電極５１１，５１２間の電圧を入力とする起電力検出回路７１と、これより出力される起電力信号を入力とする後段の酸素ポンプ制御回路７２からなる。酸素ポンプ制御回路７２の前段の比較回路７２１は起電力検出回路７１から出力される起電力信号を起電力信号の基準信号値と比較し、その差をポンプ駆動部７２２に出力する。ポンプ駆動部７２２はポンプセル５２の電極５２１，５２２間に電圧を印加するとともに、上記起電力信号と上記基準信号値の差を必要な修正量としてポンプセル５２の一対の電極５２１，５２２間に印加する電圧を増減するようになっている。
【００４６】
信号検出部８は、検出セル６Ａの一対の電極６１，６２間に電圧を印加する電圧印加手段たる検出セル駆動回路８１と、電極６１，６２を出入する電流を測定して検出セル６Ａの固体電解質材１３に流れるイオン電流を検出する電流検出手段たるイオン電流検出回路８２とから構成してある。
【００４７】
検出セル駆動回路８１には起電力検出回路７１から出力される起電力信号が入力せしめてあり、検出セル駆動回路８１は上記起電力信号に基づいてセンサセル５１Ａの一対の電極５１１，５１２間の電圧と等しい電圧を検出セル６Ａの電極６１，６２間に印加するように設定されている。
【００４８】
上記ガス検出装置の作動を図１〜図３により説明する。排気管Ｗ内を流れる排気ガスが被測定ガスとしてカバーユニット９５の各ガス流通孔９５３，９５４からカバーユニット９５内に導入される。導入された被測定ガスはガス検出体１Ａのセラミック保護層１８からピンホール２を通って中空部３に導かれる。一方、センサ部Ｓの大気導入孔９４４，９４５からセンサ部Ｓ内のダクト４に大気が導入され、これにセンサセル５１Ａ、検出セル６Ａのダクト４側の電極５１２，６２が曝露する。
【００４９】
ポンプセル５２はガス検出体１Ａ外側の電極５２１側が正の電圧となっている場合には、中空部３内の酸素が電極５２２で電子を受け取って固体電解質材１１内を移動し、電極５２１で電子を放出してセラミック保護層１８から排気ガス中へ排出される。そしてピンホール２は排気ガスから中空部３へ向かう酸素の拡散を規制するから中空部３の酸素濃度が低下する。一方、センサセル５１Ａでは中空部３とダクト４の酸素分圧比に応じて電極５１１，５１２間に起電力が発生する。この起電力を起電力検出回路７１が検出し、検出された起電力信号と基準信号値とを比較回路７２１が比較し、その差分に基づいてポンプ駆動回路７２２が、検出された起電力が基準の起電力を維持するように、すなわち検出された起電力が基準の起電力を外れると、ポンプセル５２に印加する電圧を変更することでポンプセル５２が中空部３内へ供給する酸素量または中空部３内から排出する酸素量が調整される。
【００５０】
センサセル５１Ａの電極５１１と検出セル６Ａの電極６１とは、ピンホール２の開口２ａ位置に対して対称位置にあり、中空部３内に導入された被測定ガスが電極５１１と電極６１に均等に流れる。その被測定ガス中の酸素は、ピンホール２がポンプセル５２の電極５２２の略中心位置に開口しているから、中空部３の電極５１１側と電極６１側とで均等にポンプセル５２により供給と排出が行われる。従ってセンサセル５１Ａの電極５１１に到る被測定ガスの酸素濃度と検出セル６Ａの電極６１に到る被測定ガスの酸素濃度とは等しい。
【００５１】
センサセル５１Ａの電極５１１はＰt 製であるからＨＣに対して活性を示し、局所的には電極５１１表面でのＨＣの酸化反応により酸素が消費される。一方検出セル６Ａの電極６１はＡu 製であるからＨＣに対して不活性であり、酸素は消費されない。したがって検出セル６Ａの電極６１，６２間の電圧と、センサセル５１Ａの電極５１１，５１２間の電圧とは、センサセル５１Ａの電極５１１表面での酸素の消費量に応じて検出セル６Ａの方が小さくなる。
【００５２】
検出セル駆動回路８１は検出セル６Ａの電極６１，６２間の電圧を、これがセンサセル５１Ａの電極５１１，５１２間の電圧と等しくなるように印加するから、検出セル６Ａの中空部３側の電極６１表面の過剰な酸素が固体電解質材１３を通ってダクト４へ排出される。このときイオン電流検出回路８２が検出する電流は、センサセル５１Ａの電極５１１表面において酸素を消費したＨＣの濃度に対応する。
【００５３】
中空部３内に導入される補測定ガスのＨＣ濃度が０であれば、検出セル６Ａの電極６１，６２間の電圧と、センサセル５１Ａの電極５１１，５１２間の電圧差は０であり、したがってイオン電流検出回路８２が検出する電流は０である。したがってオフセット電流は現れない。
【００５４】
しかもポンプセル５２の中空部３内側に形成した電極５２２をＨＣに不活性な金で構成したから、電極５２２表面でのＨＣの酸化反応が防止され、ＨＣの濃度が変化することがない。
【００５５】
図４は本発明のガス検出装置における、被測定ガスのＨＣ濃度に対する、イオン電流検出回路８２において検出したイオン電流の測定結果である。イオン電流はＨＣ濃度に対して比例し、オフセット電流が０である。
【００５６】
またセンサセル５１Ａの電極５１１をＡu 製とし、検出セル６Ａの電極６１をＰt 製とすることもできる。この場合は検出セル６Ａの電極６１の表面でＨＣの酸化反応により酸素が消費される。したがって消費された酸素の量に応じて電極６１の表面の酸素濃度が、ＨＣに対して不活性なセンサセル５１Ａの電極５１１表面における酸素濃度に比して低くなる。検出セル駆動回路８１は検出セル６Ａの電極６１，６２間の電圧を、これがセンサセル５１Ａの電極５１１，５１２間の電圧と等しくなるように印加するから、ダクト４から酸素が固体電解質材１３から中空部３内へ移動し、検出セル６Ａの中空部３側の電極６１表面の不足酸素が補給される。このときイオン電流検出回路８２が検出する電流は、センサセル５１Ａの電極５１１表面における酸素濃度と検出セル６Ａの電極６１表面における酸素濃度との差すなわち検出セル６Ａの電極６１表面において酸素を消費したＨＣの濃度に対応する。
【００５７】
（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態を図５、図６に示す。図は図１、図２のガス検出装置のセンサセル５１Ａおよび検出セル６Ａに代えて別のセンサセル５１Ｂおよび検出セル６Ｂに代えたものであり、図中、図１、図２と実質的に同一の要素については同一番号を付し、第１実施形態との相違点を中心に説明する。
【００５８】
ガス検出体１Ｂは、三層の平板状の固体電解質材１１，１３１，１３２と、平板状の絶縁材たるスペーサ１２，１４１，１４２とが交互に積層している。スペーサ１２，１４１には、ピンホール２直下に同じ位置に同形の四角形の肉抜き部１２ａ，１４１ａとが形成してある。スペーサ１２とスペーサ１４１とで挟まれた固体電解質材１３１にはスペーサ１２，１４１の肉抜き部１２ａ，１４１ａの中心位置に円形の肉抜き部１３１ａが形成してある。これら肉抜き部１２ａ，１４１ａ，１３１ａが固体電解質材１１、１３２とで閉鎖されて中空部３を構成する。
【００５９】
スペーサ１４１には肉抜き部１４１ａよりも基部側に長手方向に沿ってスリット状の肉抜き部１４１ｂが形成してあり、その固体電解質材１３１と１３２とではさまれた空間が第１の基準ガス導入路たる第１のダクト１４１ｂを構成する。肉抜き部１４１ｂは、肉抜き部１４１ａ側がこれと同じ幅の拡幅部１４１１としてある。
【００６０】
スペーサ１４２は第１実施形態のスペーサ１４と実質的に同じもので、肉抜き部１４２ａがスペーサ１４１の肉抜き部１４１ａ位置まで達している。スペーサ１４２の肉抜き部１４２ａは下側がヒータ部１５により閉鎖され第２の基準ガス導入路たる第２のダクト４２を構成する。
【００６１】
センサセル５１Ｂは固体電解質材１３１とその両面に形成した一対の電極５１３，５１４とで構成してある。センサセル５１Ｂの一方の電極５１３はポンプセル５２の中空部３内側の電極５２２と対向する位置に設けてある。電極５１３は電極５２２と略同形のもので、固体電解質材１３１に形成した肉抜き部１３１ａと同位置が開口し、被測定ガスが流通自在となっている。センサセル５１Ｂの他方の電極５１４は第１のダクト４１位置に設けてある。
【００６２】
検出セル６Ｂは、固体電解質材１３２とその両面に形成した一対の電極６３，６４とで構成してある。電極６３，６４は電極５２１，５２２等と同一形状で、その一方の電極６３は、スペーサ１４１の肉抜き部１４１ａ位置に固体電解質材１３１と対向して形成してあり、他方の電極６４は第２のダクト４２に面し、固体電解質材１３２を挟んで電極６３と対向する位置としてある。
【００６３】
また本実施形態では、回路部は図３の第１実施形態のものと実質的に同じである。
【００６４】
本実施形態では、第１および第２のダクト４１，４２にはいずれも大気が導入され、酸素濃度が等しい。しかしてセンサセル５１Ｂは、中空部３に導入される被測定ガスの電極５１３表面における酸素濃度と、第１のダクト４１に導入される大気の酸素濃度により決まる両者の酸素分圧比に応じて起電力が発生し、起電力より電極５１３表面における被測定ガスの酸素濃度を測定する。
【００６５】
検出セル６Ｂはその電極６３，６４間の印加電圧がセンサセル５１Ｂの電極５１３，５１４間の起電力と同じになるように制御され、第１実施形態と同様に被測定ガス中の酸素の影響を受けることなく被測定ガスのＨＣ濃度に比例した電流が得られる。
【００６６】
本実施形態では、センサセル５１Ｂの固体電解質材１３１と検出セル６Ｂの固体電解質材１３２とがスペーサ１４１により電気的に絶縁しているからセンサセル５１Ｂと検出セル６Ｂとが電気的に干渉することがなく検出精度が向上する。
【００６７】
また第１実施形態のように、センサセルと検出セルとが固体電解質材の両面の電極が並設する構成のガス検出装置においても、センサセルの電極に挟まれる固体電解質材と、検出セルの電極に挟まれる固体電解質材間に絶縁材を介設することで、センサセルと検出セルとの電気的な干渉が防止できる。
【００６８】
なお上記各実施形態はＨＣを検出する構成のものであるが、ＣＯの検出にも適用でき、内燃機関から排出される排気ガスの排気エミッションの検出に好適なガス検出装置とすることができる。
【００６９】
上記各実施形態では、センサセルもしくは検出セルの中空部側の電極を成分ガスに対して酸化活性を有する金属で構成したが、電極の本体となる金属等の電気伝導性の薄膜の表面に１種以上の貴金属元素を含み金属酸化物を有する触媒層を形成することで、電極が成分ガスに対して酸化活性を有するようにしてもよい。
【００７０】
また中空部や検出セル等の各セルを一体に構成したが必ずしもこれに限定されるものではなく、それぞれが別体の構成としてもよい。
【００７１】
またポンプセルでくみ出された酸素は排気ガス中に排出されるようにしたが必ずしもこれに限定されるものではなく、大気中に排出するようにしてもよい。この場合、酸素をセンサ部から排出する排出孔は大気カバーの基準酸素ガス導入孔から離して設け、基準酸素ガス導入孔から導入される大気中の酸素濃度に影響しないようにするのがよい。
【００７２】
また酸素ポンプ制御手段は、センサセルで検出される酸素量に基づいてポンプセルの作動をフィードバック制御するものであれば実施形態記載のものに限定されるものではない。また酸素の供給量または排出量の制御はポンプセルの印加電圧の大きさの制御ではなく、デューティ制御で行ってもよい。
【００７３】
（第３実施形態）
上記各実施形態の、ＨＣ濃度検出用のガス検出装置を、例えばＣＮＧエンジンの制御用として、成分ガスをＣＨ4 に特化した構成について説明する。以下、第１実施形態（図１〜図３）の構成を前提に第１実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、検出セル６Ａの中空部３に面した電極６１を、Ｐt にＡu を添加した合金で構成する。
【００７４】
電極６１におけるＡu の添加量について説明する。このＰt にＡu を添加した合金の、成分ガスに対する活性は、Ａu 添加量に応じて低下し、先ずＨＣのうち最も反応性の低いＣＨ4 に対する活性が低下し、ＣＨ4 に対して電極６１とセンサセル５１Ａの電極５１１とで活性の差が現れる。ＣＨ4 に対する電極５１１と電極６１間の活性の差はＡu 添加量の増加とともに開いてくる。一方、Ｃ3 Ｈ8 等の、ＣＨ4 よりも反応性の高いＨＣに対してはＰt と同様に高い活性を示す。
【００７５】
Ａu 添加量を増加したときのイオン電流検出回路８２で検出される出力電流の大きさについて説明する。図７に検出セル６Ａの直流抵抗と電極６１のＡu 添加量の関係を示す。直流抵抗は固体電解質材１３の抵抗と、酸素がイオン化して固体電解質材１３に入るときの電極反応抵抗の和である。直流抵抗は電極反応抵抗がＡu 添加量に応じて増加することからＡu 添加量が多いと高くなり、図より知られるようにＡu 添加量が多いほど急増する傾向を示す。このためＡu 添加量が１０wt％を越えると出力電流が急減し、要求される検出精度によっては十分ではない場合がある。
【００７６】
図８は電極６１のＡu 添加量が異なる場合の、ＣＨ4 検出感度を比較するもので、１wt％以下では電極５１１と電極６１の活性の差が十分ではなく、実用的な検出感度は得られない。５wt％、１０wt％では高い検出感度と良好な直線性が得られた。したがって望ましくはＡu 添加量は５〜１０wt％とするのがよい。なお５wt％以下で１wt％を越える添加量であれば、検出感度は５〜１０wt％の場合ほどではないが、被測定ガスがＣ3 Ｈ8 等のＨＣを含んでいてもＣＨ4 を選択性良好に検出することができる。
【００７７】
（第４実施形態）
上記各実施形態では、センサセルの中空部内に面した電極と検出セルの中空部内に面した電極にＨＣに対する活性の異なるものを用いることで成分ガス濃度を検出しているが、電極の調製によっては例えば上記両電極がＣＯに対しても多少活性が異なりイオン電流検出回路８２により検出された電流がＣＯ濃度に応じた誤差電流成分を含む。本実施形態はＣＯ濃度に応じた誤差電流成分を低減しより精度の高い装置としたものである。以下、第３実施形態の構成を前提に第３実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７８】
図９はＣＨ4 濃度およびＣＯ濃度を変化させたときの出力電流を示すもので、比較回路７２１における基準信号で設定されるセンサセル５１Ａの基準の起電力は４５０ｍＶである。ＣＯ濃度が高くなると、ＣＨ4 濃度が高くなった場合ほどではないが、出力電流も多くなる。すなわちＣＨ4 の検出において、被測定ガスがＣＯを含む場合、これが検出誤差の原因となる。
【００７９】
発明者等はこの検出誤差の原因となるＣＯの検出感度について鋭意実験研究を重ねた結果、ＣＯの検出感度は中空部３の酸素濃度に依存し、酸素濃度が高いほど低いほとが分かった。
【００８０】
そこで本実施形態では、センサセル５１Ａの電極５１１，５１２間に発生する起電力の制御目標値である上記基準の起電力を１００〜１５０ｍＶの範囲で設定する。１００ｍＶ以上としたのは、１００ｍＶ以下では中空部３の酸素濃度が変化してもセンサセル５１Ａの電極５１１，５１２間の電圧がクリティカルに変化せず、中空部３の酸素濃度を高精度で一定に維持するためのポンプセル５２のポンプ電流のフィードバック制御が複雑化するからである。
【００８１】
図１０は基準の起電力が１５０ｍＶの場合と４５０ｍＶの場合とで、ＣＯに対する検出感度を比較するもので、１５０ｍＶでは４５０ｍＶの場合に比して検出感度が大幅に低減し、殆ど認められない。しかしてＣＨ4 濃度の検出に適用すると、良好な選択性が得られる。
【００８２】
なお本実施形態の構成は、ＣＨ4 に特化しない第１、第２実施形態の構成においても適用できる。
【００８３】
（第５実施形態）
第４実施形態では、制御電圧は低圧側に設定しているが、高圧（例えば４５０ｍＶ）側に設定すると、図１０に示したようにＣＯに対して直線性良好な検出出力を得るから、例えば燃料電池の改質器におけるＣＯの検出用として好適な構成となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態のガス検出装置の全体断面図であり、（Ｂ）は本発明のガス検出装置の要部拡大断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態のガス検出装置の要部の分解図である。
【図３】本発明の第１実施形態のガス検出装置のブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態のガス検出装置の作動を説明するグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態のガス検出装置の要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態のガス検出装置の要部の分解図である。
【図７】本発明の第３実施形態のガス検出装置を説明する第１のグラフである。
【図８】本発明の第３実施形態のガス検出装置を説明する第２のグラフである。
【図９】本発明の第４実施形態のガス検出装置を説明する第１のグラフである。
【図１０】本発明の第４実施形態のガス検出装置を説明する第２のグラフである。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ  ガス検出体
１ａ  先端部
１ｂ  基部
２  ピンホール（被測定ガス導入路）
３  中空部
４  ダクト（基準ガス導入路）
４１  第１のダクト（第１の基準ガス導入路）
４２  第２のダクト（第２の基準ガス導入路）
５１Ａ，５１Ｂ  センサセル（酸素センサ部）
５１１，５１２，５１３，５１４  第２の電極
５２  ポンプセル（酸素ポンプ部）
５２１，５２２  第１の電極
６Ａ，６Ｂ  検出セル（成分ガス検出部）
６１，６２，６３，６４  第３の電極
７  酸素ポンプ制御手段
８１  検出セル駆動回路（電圧印加手段）
８２  イオン電流検出回路（電流検出手段）
Ｗ  排気管壁（隔離壁）
【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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