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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-13
(45)【発行日】2023-12-21
(54)【発明の名称】ガス濃度検出装置
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20231214BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 376
G01N27/416 371G
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020201737
(22)【出願日】2020-12-04
(65)【公開番号】P2022089377
(43)【公開日】2022-06-16
【審査請求日】2023-03-08
(73)【特許権者】
【識別番号】000004695
【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】原田 敏彦
(72)【発明者】
【氏名】下川 弘宣
(72)【発明者】
【氏名】市川 大樹
【審査官】黒田 浩一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－８５４６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１５８４９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２１０５１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２５３９２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１６９８１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－２０３８３３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／４１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２Ａ，２２Ｂ）、前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３）、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体（３）に埋設されて、通電によって発熱する発熱体（４１）を有するセンサ素子部（２）と、複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部（５１Ａ，５１Ｂ）と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部（５２）と、を備え、
複数の前記検出電極は、前記発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、
前記演算部は、複数の前記検出電極の前記加熱温度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置（１）。
【請求項2】
前記演算部は、複数の前記検出部のうちの少なくともいずれかの検出部における混成電位が切替閾値（ｖ１）未満となる第１濃度領域（Ｎ１）においては、加熱温度が最も低い位置に配置された前記検出電極である低温用検出電極（２２Ａ）に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求め、
一方、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となり、複数の前記検出部における混成電位の差が切替差分値（Δｓ）以上となる第２濃度領域（Ｎ２）においては、前記低温用検出電極よりも加熱温度が高い位置に配置された前記検出電極である高温用検出電極（２２Ｂ）に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
【請求項3】
前記演算部は、前記第１濃度領域と前記第２濃度領域との境界において、値が連続するように前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項4】
前記演算部は、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となり、かつ複数の前記検出部における混成電位の差が切替差分値未満となる第３濃度領域（Ｎ３）においては、前記低温用検出電極に対応した前記検出部及び前記高温用検出電極に対応した前記検出部の少なくとも一方における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項5】
前記演算部は、前記第１濃度領域と前記第２濃度領域との境界、及び前記第２濃度領域と前記第３濃度領域との境界において、値が連続するように前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項４に記載のガス濃度検出装置。
【請求項6】
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２Ａ，２２Ｂ）、前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３）、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体（３）に埋設されて、通電によって発熱する発熱体（４１）を有するセンサ素子部（２）と、複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部（５１Ａ，５１Ｂ）と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部（５２）と、を備え、
複数の前記検出電極のうちの少なくとも１つには、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度が互いに異なるよう、前記特定ガスを分解するための多孔質層（２２２）が設けられており、
前記演算部は、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置。
【請求項7】
前記演算部は、複数の前記検出部のうちの少なくともいずれかの検出部における混成電位が切替閾値（ｖ１）未満となる第１濃度領域（Ｎ１）においては、前記多孔質層が設けられていない前記検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求め、
一方、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となる第２濃度領域（Ｎ２）においては、前記多孔質層が設けられた前記検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項8】
前記多孔質層は複数の前記検出電極のそれぞれに設けられており、複数の前記多孔質層における気孔率は互いに異なっており、前記演算部は、
複数の前記検出部のうちの少なくともいずれかの検出部における混成電位が切替閾値（ｖ１）未満となる第１濃度領域（Ｎ１）においては、気孔率が最も大きい前記多孔質層が設けられた前記検出電極である第１検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求め、
一方、複数の前記検出部における混成電位が前記切替閾値以上となる第２濃度領域（Ｎ２）においては、前記第１検出電極に設けられた前記多孔質層の気孔率よりも小さな気孔率の前記多孔質層が設けられた前記検出電極である第２検出電極に対応した前記検出部における混成電位に基づいて前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項６に記載のガス濃度検出装置。
【請求項9】
前記演算部は、前記第１濃度領域と前記第２濃度領域との境界において、値が連続するように前記センサ出力を求めるよう構成されている、請求項７又は８に記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ガス濃度検出装置は、車両の内燃機関の排気管等に配置されたガスセンサを用い、排気管を流れる排ガスを検出対象ガスとして、検出対象ガスにおける特定ガス濃度、酸素濃度等を検出するものである。ガス濃度検出装置には、空燃比、ＮＯｘ（窒素酸化物）等を検出するものの他に、アンモニアガス、炭化水素ガス等の特定ガスを検出するものがある。この特定ガスを検出するガス濃度検出装置は、特定ガス及び酸素ガスに触媒活性を有する検出電極を用いて、特定ガス及び酸素ガスによる混成電位を検出するものがある。
【0003】
アンモニアガス及び酸素ガスによる混成電位を出力するガスセンサとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１のガスセンサにおいては、アンモニア濃度に応じた混成電位信号を出力する混成電位式の第１センサ部と、ＮＯｘ濃度に応じた電流信号を出力する第２センサ部とを用いる。そして、混成電位の検出感度を高くするために、第１センサ部の第１検出電極の電極中心とヒータの発熱部の発熱中心との距離を、第２センサ部の第２検出電極の電極中心とヒータの発熱部の発熱中心との距離よりも大きくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１９－２０３８３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
アンモニアガス等の特定ガスの濃度を混成電位によって検出するガス濃度検出装置においては、本願発明者らの研究により、次の知見が得られている。混成電位を検出するために検出対象ガスに晒される検出電極の温度は、触媒活性を有する限度において３５０～４５０℃程度に低くした方が、混成電位の感度が高くなる。また、アンモニアガス等の特定ガスの濃度が高くなると、混成電位の感度が飽和する。さらに、アンモニアガス等の特定ガスは、検出電極の温度が高くなるほど、検出電極の表面において酸化して消失しやすくなる。
【0006】
混成電位の感度の飽和は、検出可能な信号の最小値と最大値の比率である検出レンジが狭くなる現象として生じる。本願発明者らは、前述した性質を有する混成電位式のガス濃度検出装置において、特定ガスの濃度の広い範囲において検出レンジを広く維持し、混成電位の検出精度を高めるための構成を見出した。特許文献１においては、混成電位の感度が飽和することについての対策はなされておらず、混成電位の検出精度を高めるためには、改善の余地が残る。
【0007】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、混成電位の検出精度を高めることができるガス濃度検出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一態様は、
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２Ａ，２２Ｂ）、前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３）、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体（３）に埋設されて、通電によって発熱する発熱体（４１）を有するセンサ素子部（２）と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部（５１Ａ，５１Ｂ）と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部（５２）と、を備え、
複数の前記検出電極は、前記発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、
前記演算部は、複数の前記検出電極の前記加熱温度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置（１）にある。
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２Ａ，２２Ｂ）、前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３）、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体（３）に埋設されて、通電によって発熱する発熱体（４１）を有するセンサ素子部（２）と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部（５１Ａ，５１Ｂ）と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部（５２）と、を備え、
複数の前記検出電極は、前記発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、
前記演算部は、複数の前記検出電極の前記加熱温度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置（１）にある。
【0009】
本発明の他の態様は、
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２Ａ，２２Ｂ）、前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３）、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体（３）に埋設されて、通電によって発熱する発熱体（４１）を有するセンサ素子部（２）と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部（５１Ａ，５１Ｂ）と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部（５２）と、を備え、
複数の前記検出電極のうちの少なくとも１つには、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度が互いに異なるよう、前記特定ガスを分解するための多孔質層（２２２）が設けられており、
前記演算部は、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置にある。
イオン伝導性を有する固体電解質体（２１）、前記固体電解質体の第１表面（２０１）に設けられて検出対象ガス（Ｇ）に晒される複数の検出電極（２２Ａ，２２Ｂ）、前記固体電解質体の第２表面（２０２）における、複数の前記検出電極に対向する位置に設けられた基準電極（２３）、及び前記固体電解質体に積層された絶縁体（３）に埋設されて、通電によって発熱する発熱体（４１）を有するセンサ素子部（２）と、
複数の前記検出電極と前記基準電極との間に生じる、特定ガス及び酸素ガスに基づく混成電位を、前記検出電極ごとに検出する複数の検出部（５１Ａ，５１Ｂ）と、
複数の前記検出部における混成電位について演算処理をして、前記特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部（５２）と、を備え、
複数の前記検出電極のうちの少なくとも１つには、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度が互いに異なるよう、前記特定ガスを分解するための多孔質層（２２２）が設けられており、
前記演算部は、複数の前記検出電極における前記特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の前記検出部における混成電位を組み合わせて、前記センサ出力を求めるよう構成されている、ガス濃度検出装置にある。
【発明の効果】
【0010】
（一態様のガス濃度検出装置）
前記一態様のガス濃度検出装置は、検出対象ガスに晒される複数の検出電極を有するセンサ素子部と、混成電位を検出電極ごとに検出する複数の検出部と、複数の検出部における混成電位について演算処理をして、特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部とを備える。そして、複数の検出電極は、発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、演算部は、複数の検出電極の加熱温度の違いによって異なる、複数の検出部における混成電位を組み合わせて、センサ出力を求める。
前記一態様のガス濃度検出装置は、検出対象ガスに晒される複数の検出電極を有するセンサ素子部と、混成電位を検出電極ごとに検出する複数の検出部と、複数の検出部における混成電位について演算処理をして、特定ガスの濃度のセンサ出力を求める演算部とを備える。そして、複数の検出電極は、発熱体による加熱温度が互いに異なる位置に配置されており、演算部は、複数の検出電極の加熱温度の違いによって異なる、複数の検出部における混成電位を組み合わせて、センサ出力を求める。
【0011】
加熱温度が相対的に低くなる側に配置された検出電極においては、混成電位の感度が高く、特定ガスの濃度が低い場合の検出レンジが広くなる。一方、この加熱温度が相対的に低くなる側に配置された検出電極においては、特定ガスの濃度が高くなると、混成電位の感度が飽和して、検出レンジが狭くなる。これに対し、加熱温度が相対的に高くなる側に配置された検出電極においては、この検出電極の表面において特定ガスの一部が分解されて消失することにより、特定ガスの濃度が低い場合の検出レンジが狭くなる。一方、この加熱温度が相対的に高くなる側に配置された検出電極においては、特定ガスの濃度が高くなっても混成電位の感度が飽和しにくく、特定ガスの濃度が相対的に高い場合の検出レンジが広くなる。
【0012】
演算部においては、特定ガスの濃度が低い場合には、加熱温度が相対的に低くなる側の検出電極に対応する検出部における混成電位を優先的に採用し、特定ガスの濃度が相対的に高い場合には、加熱温度が相対的に高くなる側の検出電極に対応する検出部における混成電位を優先的に採用すればよい。これにより、特定ガスの濃度が、低い状態から相対的に高くなる状態までの広い濃度範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0013】
それ故、前記一態様のガス濃度検出装置によれば、特定ガスの濃度の広い範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0014】
（他の態様のガス濃度検出装置）
前記他の態様のガス濃度検出装置は、前記一態様の場合と同様のセンサ素子部、複数の検出部及び演算部を備える。そして、複数の検出電極のうちの少なくとも１つには、複数の検出電極における特定ガスの濃度が互いに異なるよう、特定ガスを分解するための多孔質層が設けられており、演算部は、複数の検出電極における特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の検出部における混成電位を組み合わせて、センサ出力を求める。
前記他の態様のガス濃度検出装置は、前記一態様の場合と同様のセンサ素子部、複数の検出部及び演算部を備える。そして、複数の検出電極のうちの少なくとも１つには、複数の検出電極における特定ガスの濃度が互いに異なるよう、特定ガスを分解するための多孔質層が設けられており、演算部は、複数の検出電極における特定ガスの濃度の違いによって異なる、複数の検出部における混成電位を組み合わせて、センサ出力を求める。
【0015】
多孔質層が設けられていない又は多孔質層によって特定ガスがほとんど分解されない検出電極においては、混成電位の感度が高く、特定ガスの濃度が低い場合の検出レンジが広くなる。一方、この検出電極においては、特定ガスの濃度が高くなると、混成電位の感度が飽和して、検出レンジが狭くなる。これに対し、多孔質層が設けられた検出電極においては、多孔質層において特定ガスの一部が分解されて消失することにより、特定ガスの濃度が低い場合の検出レンジが狭くなる。一方、この検出電極においては、特定ガスの濃度が高くなったときに多孔質層によって適度に特定ガスが分解されて消失することにより、混成電位の感度が飽和しにくく、特定ガスの濃度が相対的に高い場合の検出レンジが広くなる。
【0016】
演算部においては、特定ガスの濃度が低い場合には、多孔質層が設けられていない又は多孔質層によって特定ガスがほとんど分解されない検出電極に対応する検出部における混成電位を優先的に採用し、特定ガスの濃度が相対的に高い場合には、多孔質層が設けられた検出電極に対応する検出部における混成電位を優先的に採用すればよい。これにより、特定ガスの濃度が、低い状態から相対的に高くなる状態までの広い濃度範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0017】
それ故、前記他の態様のガス濃度検出装置によっても、特定ガスの濃度の広い範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0018】
なお、本発明の各態様において示す各構成要素のカッコ書きの符号は、実施形態における図中の符号との対応関係を示すが、各構成要素を実施形態の内容のみに限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置を示す説明図。
【図4】実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置が使用される内燃機関を示す説明図。
【図5】実施形態１にかかる、各検出電極において生じる混成電位を示すグラフ。
【図6】実施形態１にかかる、アンモニア濃度が変化したときに各検出電極において生じる混成電位を示すグラフ。
【図7】実施形態１にかかる、酸素濃度が変化したときに各検出電極において生じる混成電位を示すグラフ。
【図8】実施形態１にかかる、検出電極の加熱温度と検出電極における混成電位の感度との関係を示すグラフ。
【図9】実施形態１にかかる、アンモニアの濃度と各検出電極における混成電位の感度との関係を示すグラフ。
【図11】実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例を示すフローチャート。
【図14】実施形態２にかかる、アンモニアの濃度と各検出電極における混成電位の感度との関係を、アンモニアの濃度を対数目盛にして示すグラフ。
【図15】実施形態２にかかる、ガス濃度検出装置によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0020】
前述したガス濃度検出装置にかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガス濃度検出装置１は、図１～図３に示すように、センサ素子部２、複数の検出部５１Ａ，５１Ｂ及び演算部５２を備える。センサ素子部２は、イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられて検出対象ガスＧに晒される複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂと、固体電解質体２１の第２表面２０２における、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂに対向する位置に設けられた基準電極２３と、固体電解質体２１に積層された絶縁体３に埋設されて、通電によって発熱する発熱体４１とを有する。
＜実施形態１＞
本形態のガス濃度検出装置１は、図１～図３に示すように、センサ素子部２、複数の検出部５１Ａ，５１Ｂ及び演算部５２を備える。センサ素子部２は、イオン伝導性を有する固体電解質体２１と、固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられて検出対象ガスＧに晒される複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂと、固体電解質体２１の第２表面２０２における、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂに対向する位置に設けられた基準電極２３と、固体電解質体２１に積層された絶縁体３に埋設されて、通電によって発熱する発熱体４１とを有する。
【0021】
各検出部５１Ａ，５１Ｂは、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に生じる、特定ガス及び酸素ガス（単に酸素という。）に基づく混成電位を検出電極２２Ａ，２２Ｂごとに検出するよう構成されている。演算部５２は、各検出部５１Ａ，５１Ｂにおける混成電位について演算処理をして、特定ガスの濃度のセンサ出力Ａｓを求めるよう構成されている。複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂは、発熱体４１による加熱温度が互いに異なる位置に配置されている。演算部５２は、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度の違いによって異なる、複数の検出部５１Ａ，５１Ｂにおける混成電位を組み合わせて、センサ出力Ａｓを求めるよう構成されている。
【0022】
以下に、本形態のガス濃度検出装置１について詳説する。
（ガス濃度検出装置１）
図１に示すように、本形態のガス濃度検出装置１は、混成電位式のものである。ガス濃度検出装置１によって検出する特定ガスは、アンモニアガス（ＮＨ3）（単にアンモニアという。）である。なお、特定ガスは、アンモニア以外にも、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、水素（Ｈ2）、炭化水素、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）としてもよい。
（ガス濃度検出装置１）
図１に示すように、本形態のガス濃度検出装置１は、混成電位式のものである。ガス濃度検出装置１によって検出する特定ガスは、アンモニアガス（ＮＨ3）（単にアンモニアという。）である。なお、特定ガスは、アンモニア以外にも、一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、水素（Ｈ2）、炭化水素、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、亜酸化窒素（Ｎ2Ｏ）としてもよい。
【0023】
ガス濃度検出装置１は、アンモニアの濃度及び酸素の濃度に基づく混成電位を検出し、この混成電位を酸素の濃度によって補正して、アンモニアの濃度を検出するものである。各検出部５１Ａ，５１Ｂにおいては、酸素の電気化学的還元反応（以下、単に還元反応という。）による還元電流と、アンモニアの電気化学的酸化反応（以下、単に酸化反応という。）による酸化電流とが等しくなるときに生じる、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間の電位差ΔＶを混成電位として検出するよう構成されている。
【0024】
図示は省略するが、アンモニアの濃度を補正する際に用いる酸素の濃度は、ガス濃度検出装置１とは別の酸素センサによって検出すればよい。酸素センサは、排気管７１における、センサ素子部２を有するガスセンサ１０の周囲に配置されたものとする。そして、各検出部５１Ａ，５１Ｂにおいては、酸素センサによる酸素の濃度を利用して、混成電位を補正し、演算部５２においては、補正された混成電位に基づいてアンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める。
【0025】
また、図示は省略するが、ガス濃度検出装置１は、酸素の濃度を検出する機能を有していてもよい。この場合には、センサ素子部２には、酸素の濃度を検出するための、一対の電極が設けられた固体電解質体２１、検出対象ガスＧが拡散抵抗部を介して導入されるガス室等が設けられる。また、この場合には、ガス濃度検出装置１は、他の検出部として、直流電圧が印加された電極間に流れる電流を検出する酸素検出部を備える。
【0026】
（内燃機関７）
図４に示すように、ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２を有するガスセンサ１０を備えており、ガスセンサ１０は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１に配置されて使用される。ガス濃度検出装置１に供給される検出対象ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気される排ガスである。そして、ガス濃度検出装置１は、排気管７１内に配置された、ＮＯｘを還元する触媒７２の排ガスの流れの下流側の位置に配置されており、触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出する。本形態の内燃機関７は、車両に搭載されたものである。
図４に示すように、ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２を有するガスセンサ１０を備えており、ガスセンサ１０は、車両の内燃機関（エンジン）７の排気管７１に配置されて使用される。ガス濃度検出装置１に供給される検出対象ガスＧは、内燃機関７から排気管７１へ排気される排ガスである。そして、ガス濃度検出装置１は、排気管７１内に配置された、ＮＯｘを還元する触媒７２の排ガスの流れの下流側の位置に配置されており、触媒７２から流出するアンモニアの濃度を検出する。本形態の内燃機関７は、車両に搭載されたものである。
【0027】
（触媒７２）
図４に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアを排気管７１へ供給する。アンモニアは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
図４に示すように、排気管７１には、ＮＯｘを還元するための触媒７２と、触媒７２へアンモニアを含む還元剤Ｋを供給する還元剤供給装置７３とが配置されている。触媒７２は、触媒担体に、ＮＯｘの還元剤Ｋとしてのアンモニアが付着されるものである。触媒７２の触媒担体におけるアンモニアの付着量は、ＮＯｘの還元反応に伴って減少する。そして、触媒担体におけるアンモニアの付着量が少なくなったときには、還元剤供給装置７３から触媒担体へ新たにアンモニアが補充される。還元剤供給装置７３は、排気管７１における、触媒７２よりも排ガスの流れの上流側位置に配置されており、尿素水を噴射して発生するアンモニアを排気管７１へ供給する。アンモニアは、尿素水が加水分解されて生成される。還元剤供給装置７３には、尿素水のタンク７３１が接続されている。
【0028】
本形態の内燃機関７は、軽油の自己着火を利用して燃焼運転を行うディーゼルエンジンである。また、触媒７２は、ＮＯｘ（窒素酸化物）をアンモニア（ＮＨ3）と化学反応させて窒素（Ｎ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元する選択式還元触媒（ＳＣＲ）である。
【0029】
なお、図示は省略するが、排気管７１における、触媒７２の上流側位置には、ＮＯのＮＯ2への変換（酸化）、ＣＯ、ＨＣ（炭化水素）等の低減を行う酸化触媒（ＤＯＣ）、微粒子を捕集するフィルタ（ＤＰＦ）等が配置されていてもよい。また、ガス濃度検出装置１は、ガソリンエンジンの排気管７１を流れる排ガスを検出対象ガスＧとして、検出対象ガスＧに含まれるアンモニアを検出するものとしてもよい。
【0030】
（センサ素子部２）
図１～図３に示すように、センサ素子部２は、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３が設けられた固体電解質体２１と、発熱体４１が埋設された絶縁体３とが積層されて形成されている。センサ素子部２は、長尺形状に形成されている。センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位は、ガスセンサ１０を構成するカバー内に収容された状態で、排気管７１内に配置される。センサ素子部２においては、長手方向Ｘに直交して固体電解質体２１と絶縁体３とが積層された方向を積層方向Ｄといい、長手方向Ｘ及び積層方向Ｄの両方に直交する方向を幅方向Ｗという。
図１～図３に示すように、センサ素子部２は、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３が設けられた固体電解質体２１と、発熱体４１が埋設された絶縁体３とが積層されて形成されている。センサ素子部２は、長尺形状に形成されている。センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部位は、ガスセンサ１０を構成するカバー内に収容された状態で、排気管７１内に配置される。センサ素子部２においては、長手方向Ｘに直交して固体電解質体２１と絶縁体３とが積層された方向を積層方向Ｄといい、長手方向Ｘ及び積層方向Ｄの両方に直交する方向を幅方向Ｗという。
【0031】
（固体電解質体２１）
図１～図３に示すように、固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオン（酸化物イオン）を伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）を主成分とする種々の材料によって構成される。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いられる。
図１～図３に示すように、固体電解質体２１は、板状に形成されており、所定の温度において酸素イオン（酸化物イオン）を伝導させる性質を有するジルコニア材料を用いて構成されている。ジルコニア材料は、ジルコニア（二酸化ジルコニウム）を主成分とする種々の材料によって構成される。ジルコニア材料には、イットリア（酸化イットリウム）等の希土類金属元素もしくはアルカリ土類金属元素によってジルコニアの一部を置換させた安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いられる。
【0032】
固体電解質体２１の、検出対象ガスＧに晒される第１表面２０１は、センサ素子部２における最も外側の表面を形成する。そして、第１表面２０１に設けられた検出電極２２Ａ，２２Ｂには、検出対象ガスＧが接触しやすい状態が形成されている。本形態の検出電極２２Ａ，２２Ｂの表面には、セラミックスの多孔質体等による保護層が設けられていない。そして、検出電極２２Ａ，２２Ｂには、検出対象ガスＧが拡散律速されずに接触する。なお、検出電極２２Ａ，２２Ｂの表面には、検出対象ガスＧの流速を極力低下させない保護層を設けてもよい。
【0033】
固体電解質体２１の第２表面２０２及び第２表面２０２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。固体電解質体２１の第２表面２０２には、大気が導入される基準ガスダクト（大気ダクト）２４が隣接して形成されている。
【0034】
（検出電極２２Ａ，２２Ｂ）
図１～図３に示すように、検出電極２２Ａ，２２Ｂは、固体電解質体２１における、酸素及びアンモニアが含まれる検出対象ガスＧに晒される第１表面２０１に設けられている。検出電極２２Ａ，２２Ｂは、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。検出電極２２Ａ，２２Ｂを構成する貴金属には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）－金合金、白金－パラジウム（Ｐｄ）合金、パラジウム－金合金等が用いられる。また、検出電極２２Ａ，２２Ｂは、貴金属及びジルコニア材料の他に、あるいは貴金属に代えて、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物（ペロブスカイト型酸化物）を含有していてもよい。
図１～図３に示すように、検出電極２２Ａ，２２Ｂは、固体電解質体２１における、酸素及びアンモニアが含まれる検出対象ガスＧに晒される第１表面２０１に設けられている。検出電極２２Ａ，２２Ｂは、アンモニア及び酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。検出電極２２Ａ，２２Ｂを構成する貴金属には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）－金合金、白金－パラジウム（Ｐｄ）合金、パラジウム－金合金等が用いられる。また、検出電極２２Ａ，２２Ｂは、貴金属及びジルコニア材料の他に、あるいは貴金属に代えて、金属酸化物、ペロブスカイト構造を有する酸化物（ペロブスカイト型酸化物）を含有していてもよい。
【0035】
図１及び図２に示すように、本形態の検出電極２２Ａ，２２Ｂは、センサ素子部２の長手方向Ｘに２つ並んで配置されている。２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂは、同じ大きさ（表面積）に形成されている。２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂは、所定の隙間を空けて固体電解質体２１の第１表面２０１に設けられている。また、第１表面２０１には、検出電極２２Ａ，２２Ｂに繋がるリード部２２１が設けられている。各検出電極２２Ａ，２２Ｂのリード部２２１は、別々の接続端子、リード線等を介して、センサ制御ユニット５に形成された各検出部５１Ａ，５１Ｂにそれぞれ接続されている。各検出電極２２Ａ，２２Ｂの大きさ（表面積）は、同じであってもよく、異なっていてもよい。
【0036】
２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂのうちの一方の中心Ｏａと発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｏとの間の距離は、２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂのうちの他方の中心Ｏｂと発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心Ｏとの間の距離よりも長い。発熱中心Ｏから遠くに位置する方の検出電極２２Ａは、加熱温度が最も低い位置に配置された検出電極２２Ａである低温用検出電極２２Ａとなる。発熱中心Ｏの近くに位置する方の検出電極２２Ｂは、低温用検出電極２２Ａよりも加熱温度が高い位置に配置された検出電極２２Ｂである高温用検出電極２２Ｂとなる。換言すれば、低温用検出電極２２Ａの中心Ｏａと発熱中心Ｏとの間の距離は、高温用検出電極２２Ｂの中心Ｏｂと発熱中心Ｏとの間の距離よりも長い。
【0037】
図示は省略するが、検出電極は、センサ素子部２の長手方向Ｘに３つ以上並ぶ状態で形成してもよい。この場合には、低温用検出電極２２Ａ及び高温用検出電極２２Ｂの少なくとも一方を、複数の検出電極によって構成してもよい。
【0038】
（基準電極２３）
図１～図３に示すように、基準電極２３は、固体電解質体２１における、第１表面２０１とは反対側の第２表面２０２に設けられている。第２表面２０２及び第２表面２０２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。基準電極２３は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。基準電極２３を構成する貴金属には、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。
図１～図３に示すように、基準電極２３は、固体電解質体２１における、第１表面２０１とは反対側の第２表面２０２に設けられている。第２表面２０２及び第２表面２０２に設けられた基準電極２３は、基準ガスＡとしての大気に晒されている。基準電極２３は、酸素に対する触媒活性を有する貴金属、及び固体電解質体２１と焼結する際の共材となるジルコニア材料を含有している。基準電極２３を構成する貴金属には、白金（Ｐｔ）等を用いることができる。
【0039】
本形態の基準電極２３は、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂの全体に対して固体電解質体２１を介して対向する位置に、共通して１つ形成されている。また、基準電極２３は、各検出電極２２Ａ，２２Ｂに対して固体電解質体２１を介して対向する位置に、個別に形成してもよい。固体電解質体２１の第２表面２０２には、基準電極２３に繋がるリード部２３１が設けられている。
【0040】
センサ素子部２においては、各検出電極２２Ａ，２２Ｂ、基準電極２３、及び各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に挟まれた固体電解質体２１の部分とによって、酸化物イオンが伝導する検出セルが形成されている。発熱体４１の発熱部４１１の発熱によるセンサ素子部２の温度は、検出セルの温度が所定の作動温度になるように制御される。
【0041】
（絶縁体３）
図１～図３に示すように、絶縁体３は、基準ガスダクト２４を形成する切欠き部が設けられたスペーサ絶縁体部３１と、発熱体４１が埋設されたヒータ絶縁体部３２とによって形成されている。絶縁体３は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。基準ガスダクト２４は、基準電極２３が配置された位置から長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置まで形成されている。基準ガスダクト２４内には、長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置に形成された開口部２４１から基準ガスＡとしての大気が導入される。
図１～図３に示すように、絶縁体３は、基準ガスダクト２４を形成する切欠き部が設けられたスペーサ絶縁体部３１と、発熱体４１が埋設されたヒータ絶縁体部３２とによって形成されている。絶縁体３は、アルミナ（酸化アルミニウム）等の絶縁性のセラミックス材料によって構成されている。基準ガスダクト２４は、基準電極２３が配置された位置から長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置まで形成されている。基準ガスダクト２４内には、長手方向Ｘの基端側Ｘ２の位置に形成された開口部２４１から基準ガスＡとしての大気が導入される。
【0042】
（発熱体４１）
図１～図３に示すように、絶縁体３のヒータ絶縁体部３２には、通電によって発熱する発熱体４１が埋設されている。発熱体４１は、発熱部４１１と、発熱部４１１に繋がる発熱体リード部４１２とによって形成されている。発熱部４１１は、各検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３に積層方向Ｄにおいて対向する位置に配置されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５３が接続されている。通電制御部５３は、センサ制御ユニット５内に形成されており、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。
図１～図３に示すように、絶縁体３のヒータ絶縁体部３２には、通電によって発熱する発熱体４１が埋設されている。発熱体４１は、発熱部４１１と、発熱部４１１に繋がる発熱体リード部４１２とによって形成されている。発熱部４１１は、各検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３に積層方向Ｄにおいて対向する位置に配置されている。発熱体４１には、発熱体４１に通電を行うための通電制御部５３が接続されている。通電制御部５３は、センサ制御ユニット５内に形成されており、発熱体４１に、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御等を行った電圧を印加するドライブ回路等を用いて形成されている。
【0043】
発熱部４１１は、直線部分及び曲線部分によって蛇行する線状の導体部によって形成されている。本形態の発熱部４１１の直線部分は、長手方向Ｘに平行に形成されている。発熱体リード部４１２は、直線状の導体部によって形成されている。発熱部４１１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部４１２の単位長さ当たりの抵抗値よりも大きい。発熱体リード部４１２は、長手方向Ｘの基端側Ｘ２の部位まで引き出されている。発熱体４１は、導電性を有する金属材料を含有している。
【0044】
発熱部４１１の断面積は、発熱体リード部４１２の断面積よりも小さく、発熱部４１１の単位長さ当たりの抵抗値は、発熱体リード部４１２の単位長さ当たりの抵抗値よりも高い。この断面積とは、発熱部４１１及び発熱体リード部４１２が延びる方向に直交する面内の断面積のことをいう。そして、一対の発熱体リード部４１２に電圧が印加されると、発熱部４１１がジュール熱によって発熱し、この発熱によって、各検出電極２２Ａ，２２Ｂ、基準電極２３、及び各電極２２Ａ，２２Ｂ，２３の周辺に位置する固体電解質体２１の部分が加熱される。
【0045】
本形態の発熱部４１１の発熱中心Ｏは、センサ素子部２の積層方向Ｄにおいて、高温用検出電極２２Ｂに対向する位置に配置されている。換言すれば、高温用検出電極２２Ｂは、発熱部４１１の発熱中心Ｏを積層方向Ｄに投影した位置に配置されている。
【0046】
（検出部５１Ａ，５１Ｂ）
図１に示すように、ガス濃度検出装置１の各検出部５１Ａ，５１Ｂは、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に生じる混成電位としての電位差（電圧）ΔＶに基づいて、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出する。図５に示すように、各検出部５１Ａ，５１Ｂは、検出電極２２Ａ，２２Ｂにおける、酸素の還元反応による還元電流とアンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出する。各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶは、アンモニア及び酸素が含まれる検出対象ガスＧによって各検出電極２２Ａ，２２Ｂに生じる混成電位を示す。
図１に示すように、ガス濃度検出装置１の各検出部５１Ａ，５１Ｂは、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に生じる混成電位としての電位差（電圧）ΔＶに基づいて、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出する。図５に示すように、各検出部５１Ａ，５１Ｂは、検出電極２２Ａ，２２Ｂにおける、酸素の還元反応による還元電流とアンモニアの酸化反応による酸化電流とが等しくなるときに生じる、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間の電位差ΔＶを検出する。各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶは、アンモニア及び酸素が含まれる検出対象ガスＧによって各検出電極２２Ａ，２２Ｂに生じる混成電位を示す。
【0047】
各検出部５１Ａ，５１Ｂは、車両のエンジン制御ユニット５０に接続されるセンサ制御ユニット５内に形成されている。各検出部５１Ａ，５１Ｂは、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に生じる電位差ΔＶを検出する電位差検出回路５１１、電位差検出回路５１１による電位差ΔＶを酸素の濃度によって補正して、酸素補正後のアンモニアの濃度（又は酸素補正後の混成電位）を求める酸素補正部５１２等を有する。酸素補正部５１２は、酸素の濃度をパラメータとして電位差ΔＶとアンモニアの濃度（又は酸素補正後の混成電位）との関係が求められた関係マップを用い、関係マップに電位差ΔＶと酸素の濃度とを照合して、酸素補正後のアンモニアの濃度（又は酸素補正後の混成電位）を求めるよう構成されている。
【0048】
各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおいては、各検出電極２２Ａ，２２Ｂに接触する検出対象ガスＧにアンモニアと酸素とが存在する場合に、アンモニアの酸化反応と、酸素の還元反応とが同時に進行する。アンモニアの酸化反応は、代表的には、２ＮＨ3＋３Ｏ2-→Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ＋６ｅ-によって表される。酸素の還元反応は、代表的には、Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-によって表される。そして、各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおける、アンモニアと酸素とによる混成電位は、各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおける、アンモニアの酸化反応（速度）と酸素の還元反応（速度）とが等しくなるときの電位として生じる。
【0049】
図５は、各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおいて生じる混成電位を説明するための図である。図５においては、横軸に、基準電極２３に対する各検出電極２２Ａ，２２Ｂの電位（電位差ΔＶ）をとり、縦軸に、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間に流れる電流をとって、混成電位の変化の仕方を示す。また、図５においては、各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおいてアンモニアの酸化反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第１ラインＬ１と、各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおいて酸素の還元反応が行われる際の電位と電流の関係を示す第２ラインＬ２とを示す。第１ラインＬ１及び第２ラインＬ２は、いずれも右肩上がりのラインによって示す。
【0050】
電位（電位差ΔＶ）が０（ゼロ）の場合は、検出電極２２Ａ，２２Ｂの電位が基準電極２３の電位と同じであることを示す。混成電位は、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合ったときの電位となる。そして、各検出電極２２Ａ，２２Ｂにおける混成電位は、基準電極２３に対してマイナス側の電位として検出される。
【0051】
また、図６に示すように、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が高くなるときには、アンモニアの酸化反応を示す第１ラインＬ１の傾きθａが急になる。このとき、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側へシフトする。これにより、アンモニアの濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する各検出電極２２Ａ，２２Ｂの電位がマイナス側に大きくなる。言い換えれば、アンモニアの濃度が高くなるほど、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが大きくなる。そのため、アンモニアの濃度が高くなるほど電位差ΔＶが大きくなり、電位差ΔＶを検出することにより、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度を検出することが可能になる。
【0052】
また、図７に示すように、検出対象ガスＧにおける酸素の濃度が高くなるときには、酸素の還元反応を示す第２ラインＬ２の傾きθｓが急になる。このとき、第１ラインＬ１上のプラス側の電流と、第２ラインＬ２上のマイナス側の電流とが釣り合う電位が、よりマイナス側におけるゼロに近い位置へシフトする。これにより、酸素の濃度が高くなるほど、基準電極２３に対する各検出電極２２Ａ，２２Ｂのマイナス側の電位が小さくなる。言い換えれば、酸素の濃度が高くなるほど、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との電位差（混成電位）ΔＶが小さくなる。そのため、酸素の濃度が高くなるほど、電位差ΔＶ又はアンモニアの濃度を高くする補正を行うことにより、アンモニアの濃度の検出精度を高めることができる。
【0053】
（各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度と各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係）
図８には、各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度と各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係の一例を示す。図における混成電位の感度は、酸素の濃度によって補正された、酸素補正後のアンモニアの濃度を示す、酸素補正後の混成電位の感度とする。各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度は、発熱体４１の発熱部４１１によって加熱される各検出電極２２Ａ，２２Ｂの平均温度として示される。
図８には、各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度と各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係の一例を示す。図における混成電位の感度は、酸素の濃度によって補正された、酸素補正後のアンモニアの濃度を示す、酸素補正後の混成電位の感度とする。各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度は、発熱体４１の発熱部４１１によって加熱される各検出電極２２Ａ，２２Ｂの平均温度として示される。
【0054】
各検出電極２２Ａ，２２Ｂの温度は、検出対象ガスＧの温度の変化を受けて変動することもある。ただし、各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度は、発熱部４１１による加熱状態によって定まる。各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度は、アンモニアが含まれる検出対象ガスＧが各検出電極２２Ａ，２２Ｂに供給される場合の、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間の電位差ΔＶと、アンモニアが含まれない検出対象ガスＧが各検出電極２２Ａ，２２Ｂに供給される場合の、各検出電極２２Ａ，２２Ｂと基準電極２３との間の電位差ΔＶとの差によって示される。
【0055】
図８においては、各検出電極２２Ａ，２２Ｂに、１０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、２００ｐｐｍの各濃度のアンモニアが含まれる検出対象ガスＧが供給される場合に、各検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度の違いによって各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度がどれだけ変化するかについて示す。本形態においては、低温用検出電極２２Ａは、発熱体４１の発熱部４１１によって４００℃の加熱温度に加熱され、高温用検出電極２２Ｂは、発熱体４１の発熱部４１１によって５００℃の加熱温度に加熱されることとする。
【0056】
低温用検出電極２２Ａの加熱温度が４００℃と低い場合において、低温用検出電極２２Ａに１００ｐｐｍ未満の濃度のアンモニアが供給されるときには、低温用検出電極２２Ａの混成電位の感度が良く、アンモニアの検出レンジＲ１が広い。また、低温用検出電極２２Ａの加熱温度が４００℃と低い場合において、低温用検出電極２２Ａに１００ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ未満の濃度のアンモニアが供給されるときには、低温用検出電極２２Ａの混成電位の感度が飽和状態になり、アンモニアの検出レンジＲ２が狭くなる。
【0057】
一方、高温用検出電極２２Ｂの加熱温度が５００℃と高い場合において、高温用検出電極２２Ｂに１００ｐｐｍ未満の濃度のアンモニアが供給されるときには、多くのアンモニアが高温用検出電極２２Ｂの表面において分解（酸化）されて消失することにより、高温用検出電極２２Ｂの混成電位の感度が悪く、アンモニアの検出レンジＲ１が狭い。また、高温用検出電極２２Ｂの加熱温度が５００℃と高い場合において、高温用検出電極２２Ｂに１００以上２００ｐｐｍ未満の濃度のアンモニアが供給されるときには、高温用検出電極２２Ｂの表面において一部のアンモニアが分解されて消失するものの、適度にアンモニアが残ることによって、アンモニアの検出レンジＲ２が広くなる。
【0058】
ここで、検出レンジＲ１，Ｒ２とは、識別可能な信号の最小値と最大値の比率であるダイナミックレンジのことをいう。図８においては、所定のアンモニアの濃度の範囲において、混成電位の感度の幅が広いことによって、検出レンジＲ１，Ｒ２が広いことが分かる。
【0059】
検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度が４００℃と５００℃との間の中間温度である場合には、検出レンジは、４５０℃の場合と５００℃の場合との中間の性質を有する。低温用検出電極２２Ａの加熱温度は、例えば、３５０℃以上４５０℃未満の温度となる。一方、高温用検出電極２２Ｂの加熱温度は、例えば、４５０℃以上５５０℃未満の温度となる。
【0060】
発熱体４１への通電によって制御される、センサ素子部２の各検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３を含む検出セルの目標作動温度は、３５０℃～５５０℃の温度範囲内の特定の温度として設定される。検出電極２２Ａ，２２Ｂ（検出セル）の温度は、通電制御部５３による発熱体４１への通電量によって、目標作動温度になるように制御される。ただし、検出の過渡期等においては、検出対象ガスＧの温度、流速等の変化の影響を受けて、検出電極２２Ａ，２２Ｂ（検出セル）の温度は作動温度内において変化する。
【0061】
（アンモニアの濃度と各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係）
図９には、低温用検出電極２２Ａと高温用検出電極２２Ｂとについて、各検出電極２２Ａ，２２Ｂに供給されるアンモニアの濃度と、各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係の一例を示す。図９における混成電位の感度は、酸素の濃度によって補正された、酸素補正後の混成電位の感度とする。図９において、高温用検出電極２２Ｂの混成電位の感度が良い場合は、アンモニアの濃度の変化に対する混成電位の感度の変化の幅が大きいことによって示される。また、図９においては、低温用検出電極２２Ａを低温用検出部５１Ａとして示し、高温用検出電極２２Ｂを高温用検出部５１Ｂとして示す。
図９には、低温用検出電極２２Ａと高温用検出電極２２Ｂとについて、各検出電極２２Ａ，２２Ｂに供給されるアンモニアの濃度と、各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係の一例を示す。図９における混成電位の感度は、酸素の濃度によって補正された、酸素補正後の混成電位の感度とする。図９において、高温用検出電極２２Ｂの混成電位の感度が良い場合は、アンモニアの濃度の変化に対する混成電位の感度の変化の幅が大きいことによって示される。また、図９においては、低温用検出電極２２Ａを低温用検出部５１Ａとして示し、高温用検出電極２２Ｂを高温用検出部５１Ｂとして示す。
【0062】
低温用検出電極２２Ａにおいては、供給されるアンモニアの濃度が１００ｐｐｍ未満であるときの混成電位の感度が高く、供給されるアンモニアの濃度が１００ｐｐｍ以上になると、混成電位の感度が低くなる。一方、高温用検出電極２２Ｂにおいては、供給されるアンモニアの濃度が１００ｐｐｍ未満であるときには、混成電位がほとんど得られない。そして、高温用検出電極２２Ｂにおいては、供給されるアンモニアの濃度が１００ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ未満の範囲においては、混成電位の感度が高いものの、供給されるアンモニアの濃度が２００ｐｐｍ超過になると、混成電位の感度が低くなる。
【0063】
図１０は、図９のアンモニアの濃度と各検出電極２２Ａ，２２Ｂの混成電位の感度との関係を、アンモニアの濃度を対数目盛にして示す。図１０においては、低温用検出電極２２Ａを低温用検出部５１Ａとして示し、高温用検出電極２２Ｂを高温用検出部５１Ｂとして示す。図１０においては、低温用検出電極２２Ａの混成電位の感度は、アンモニアの濃度に応じて一定の傾きで直線的に変化し、高温用検出電極２２Ｂの混成電位の感度は、アンモニアの濃度が２００ｐｐｍの付近を境界にして、２段階の傾きで直線的に変化する。図１０において、高温用検出電極２２Ｂの混成電位の感度が良い場合は、混成電位のラインの傾きが低温用検出電極２Ａの場合に比べて大きいことによって示される。
【0064】
（ガスセンサ１０）
図４に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子部２を、ハウジングによって保持するとともに、ハウジングにセンサ素子部２を保護する先端側カバー、及びセンサ素子部２に繋がる配線部を保護する基端側カバー等を設けて構成されている。各検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３は、センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部分に配置されており、この先端側Ｘ１の部分は、ハウジングから突出した状態で、先端側カバーによって保護される。
図４に示すように、ガスセンサ１０は、センサ素子部２を、ハウジングによって保持するとともに、ハウジングにセンサ素子部２を保護する先端側カバー、及びセンサ素子部２に繋がる配線部を保護する基端側カバー等を設けて構成されている。各検出電極２２Ａ，２２Ｂ及び基準電極２３は、センサ素子部２の長手方向Ｘの先端側Ｘ１の部分に配置されており、この先端側Ｘ１の部分は、ハウジングから突出した状態で、先端側カバーによって保護される。
【0065】
（センサ制御ユニット５）
図４に示すように、本形態の各検出部５１Ａ，５１Ｂ、演算部５２、通電制御部５３等は、ガスセンサ１０に電気接続されたセンサ制御ユニット５に形成されている。ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２を含むガスセンサ１０としての機械構成要素と、センサ制御ユニット５としての電気構成要素とによって構成されている。センサ制御ユニット５は、コンピュータ、制御回路等によって構成されている。センサ制御ユニット５は、車両のエンジン制御ユニット５０に電気接続されており、エンジン制御ユニット５０の指令を受けて動作可能である。
図４に示すように、本形態の各検出部５１Ａ，５１Ｂ、演算部５２、通電制御部５３等は、ガスセンサ１０に電気接続されたセンサ制御ユニット５に形成されている。ガス濃度検出装置１は、センサ素子部２を含むガスセンサ１０としての機械構成要素と、センサ制御ユニット５としての電気構成要素とによって構成されている。センサ制御ユニット５は、コンピュータ、制御回路等によって構成されている。センサ制御ユニット５は、車両のエンジン制御ユニット５０に電気接続されており、エンジン制御ユニット５０の指令を受けて動作可能である。
【0066】
（演算部５２）
図１及び図９に示すように、本形態の演算部５２は、アンモニアの濃度が、例えば１００ｐｐｍ未満として示される低濃度である場合には、低温用検出電極２２Ａに電気接続された低温用検出部５１Ａによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求め、アンモニアの濃度が、例えば１００ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ未満として示される中濃度である場合には、高温用検出電極２２Ｂに電気接続された高温用検出部５１Ｂによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。さらに、演算部５２は、アンモニアの濃度が、例えば２００ｐｐｍ以上として示される高濃度である場合には、低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂの少なくともいずれかにおける混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
図１及び図９に示すように、本形態の演算部５２は、アンモニアの濃度が、例えば１００ｐｐｍ未満として示される低濃度である場合には、低温用検出電極２２Ａに電気接続された低温用検出部５１Ａによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求め、アンモニアの濃度が、例えば１００ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ未満として示される中濃度である場合には、高温用検出電極２２Ｂに電気接続された高温用検出部５１Ｂによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。さらに、演算部５２は、アンモニアの濃度が、例えば２００ｐｐｍ以上として示される高濃度である場合には、低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂの少なくともいずれかにおける混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0067】
より具体的には、演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度未満である第１濃度領域Ｎ１と、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度以上であって所定の中濃度未満である第２濃度領域Ｎ２と、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の中濃度以上である第３濃度領域Ｎ３との３つの濃度領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３において、センサ出力Ａｓの求め方を異ならせる。３つの濃度領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、ガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度の検出レンジを広くするために設定される。
【0068】
図９に示すように、本形態の演算部５２は、アンモニアの濃度が第１～第３濃度領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３のいずれにあるかを判別するために、切替閾値ｖ１及び切替差分値Δｓを用いる。切替閾値ｖ１は、アンモニアが僅かに検出されるときの混成電位、換言すればアンモニアの濃度が微小濃度になったときの混成電位の値を示す。切替差分値Δｓは、複数の検出部５１Ａ，５１Ｂにおける混成電位の差を示す。
【0069】
高温用検出部５１Ｂにおいては、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が低いときには、高温用検出電極２２Ｂの表面においてアンモニアが分解されて消失することにより、混成電位が検出されない。高温用検出部５１Ｂにおいては、アンモニアの濃度が所定の中濃度以上になったときに初めて、混成電位が検出される。このことを利用して、本形態の演算部５２は、高温用検出部５１Ｂによる混成電位が、アンモニアの濃度が中濃度未満であることを示す切替閾値ｖ１未満であるときには、アンモニアの濃度が第１濃度領域Ｎ１にあることを認識する。
【0070】
高温用検出部５１Ｂによる混成電位は、例えば、アンモニアの濃度が１００ｐｐｍ以上２００ｐｐｍ未満の濃度として示される中濃度領域において、アンモニアの濃度の上昇に応じて急激に上昇する一方、例えばアンモニアの濃度が２００ｐｐｍ以上として示される高濃度領域においては、アンモニアの濃度の上昇に応じて緩やかに上昇する。そして、低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との切替差分値Δｓは、中濃度領域においては大きい一方、高濃度領域においては小さくなる。このことを利用して、本形態の演算部５２は、高温用検出部５１Ｂによる混成電位が、アンモニアの濃度が中濃度以上であることを示す切替閾値ｖ１以上であって、低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との差が切替差分値Δｓ以上であるときには、アンモニアの濃度が第２濃度領域Ｎ２にあることを認識する。また、このことを利用して、本形態の演算部５２は、高温用検出部５１Ｂによる混成電位が切替閾値ｖ１以上であって、低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との差が切替差分値Δｓ未満であるときには、アンモニアの濃度が第３濃度領域Ｎ３にあることを認識する。
【0071】
第１濃度領域Ｎ１においては、低温用検出部５１Ａによる混成電位の感度が高く、低温用検出部５１Ａによる混成電位を用いれば、アンモニアの濃度の検出レンジが最も広くなる。そのため、演算部５２は、第１濃度領域Ｎ１においては、低温用検出部５１Ａによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0072】
第２濃度領域Ｎ２においては、高温用検出部５１Ｂによる混成電位の感度が高く、高温用検出部５１Ｂによる混成電位を用いれば、アンモニアの濃度の検出レンジが最も広くなる。そのため、演算部５２は、第２濃度領域Ｎ２においては、高温用検出部５１Ｂによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0073】
第３濃度領域Ｎ３においては、低温用検出部５１Ａによる混成電位及び高温用検出部５１Ｂによる混成電位のいずれの感度も低い。このことから、第３濃度領域Ｎ３においては、低温用検出部５１Ａによる混成電位及び高温用検出部５１Ｂによる混成電位のいずれを用いても、アンモニアの濃度の検出レンジに大きな差は生じない。本形態の演算部５２は、第３濃度領域Ｎ３においては、低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との平均値に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0074】
なお、演算部５２は、第３濃度領域Ｎ３においては、低温用検出部５１Ａによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求めてもよく、高温用検出部５１Ｂによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求めてもよい。
【0075】
本形態の演算部５２は、第１濃度領域Ｎ１と第２濃度領域Ｎ２との境界、及び第２濃度領域Ｎ２と第３濃度領域Ｎ３との境界において、値が連続するようにセンサ出力Ａｓを求めるよう構成されている。各濃度領域Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３においては、センサ出力Ａｓを求めるために使用する検出部５１Ａ，５１Ｂが異なるため、各境界において、センサ出力Ａｓが急激に変わらないようにする。
【0076】
具体的には、酸素補正後のアンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓ［ｐｐｍ］を決定する際には、演算部５２は、次の演算処理をする。低温用検出部５１Ａによる混成電位をＡ１［Ｖ］とし、高温用検出部５１Ｂによる混成電位をＡ２［Ｖ］とする。また、第２濃度領域Ｎ２内の最大濃度（例えば２００ｐｐｍとして示される。）に対応する低温用検出部５１Ａにおける混成電位をＡ１ｘ［Ｖ］とし、第２濃度領域Ｎ２内の最大濃度に対応する高温用検出部５１Ｂにおける混成電位をＡ２ｘ［Ｖ］とする。また、α及びβは、低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との整合を図るための係数とする。
【0077】
そして、演算部５２は、酸素補正後の混成電位であるセンサ出力Ａｓ［ｐｐｍ］を、第１濃度領域Ｎ１においてはＫ１・Ａ１の関係式によって求め、第２濃度領域Ｎ２においては、Ｋ１・Ａ１＋Ｋ２・α・Ａ２の関係式によって求め、第３濃度領域Ｎ３においては、Ｋ１・Ａ１＋Ｋ２・α・Ａ２＋β・（Ｋ１・Ａ１－Ｋ１・Ａ１ｘ＋Ｋ２・α・Ａ２－Ｋ２・α・Ａ２ｘ）／２の関係式によって求める。ここで、Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３は、混成電位［Ｖ］をアンモニアの濃度［ｐｐｍ］に変換するための係数とする。なお、センサ出力Ａｓは、電圧としてもよく、この場合のＫ１，Ｋ２，Ｋ３は、混成電位［Ｖ］をセンサ出力Ａｓの電圧に変換する係数とする。演算部５２のセンサ出力Ａｓを求める関係式を用いることにより、第１濃度領域Ｎ１と第２濃度領域Ｎ２との境界、及び第２濃度領域Ｎ２と第３濃度領域Ｎ３との境界における、センサ出力Ａｓの値の連続性が保たれる。
【0078】
酸素補正後の混成電位Ａ１，Ａ２と、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓとの関係は、演算部５２において、関係マップとして形成されていてもよい。
【0079】
（ガス濃度検出装置１によるガス濃度の検出方法）
次に、ガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図１１のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関７が起動されるとともにガス濃度検出装置１が起動された後には、センサ制御ユニット５の低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂが、低温用検出電極２２Ａ及び高温用検出電極２２Ｂに検出対象ガスＧが供給されるときに生じる混成電位をそれぞれ検出する（ステップＳ１０１）。また、センサ制御ユニット５の受信部が、酸素センサから、検出対象ガスＧにおける酸素の濃度を受信する（ステップＳ１０２）。次いで、センサ制御ユニット５の演算部５２は、高温用検出部５１Ｂによる混成電位が切替閾値ｖ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
次に、ガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図１１のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関７が起動されるとともにガス濃度検出装置１が起動された後には、センサ制御ユニット５の低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂが、低温用検出電極２２Ａ及び高温用検出電極２２Ｂに検出対象ガスＧが供給されるときに生じる混成電位をそれぞれ検出する（ステップＳ１０１）。また、センサ制御ユニット５の受信部が、酸素センサから、検出対象ガスＧにおける酸素の濃度を受信する（ステップＳ１０２）。次いで、センサ制御ユニット５の演算部５２は、高温用検出部５１Ｂによる混成電位が切替閾値ｖ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。
【0080】
高温用検出部５１Ｂによる混成電位が切替閾値ｖ１未満である場合には、演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第１濃度領域Ｎ１にあることを認識する（ステップＳ１０４）。そして、演算部５２は、低温用検出部５１Ａによる混成電位を酸素の濃度によって補正して、酸素補正後の混成電位Ａ１を求め、Ｋ１・Ａ１の関係式によって、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める（ステップＳ１０５）。高温用検出部５１Ｂによる混成電位が切替閾値ｖ１以上である場合には、演算部５２は、低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との差が、切替差分値Δｓ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。
【0081】
低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との差が、切替差分値Δｓ以上である場合には、演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第２濃度領域Ｎ２にあることを認識する（ステップＳ１０７）。そして、演算部５２は、低温用検出部５１Ａによる混成電位及び高温用検出部５１Ｂによる混成電位を酸素の濃度によって補正して、酸素補正後の低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂによる混成電位Ａ１＋α・Ａ２を求め、Ｋ１・Ａ１＋Ｋ２・α・Ａ２の関係式によって、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める（ステップＳ１０８）。
【0082】
低温用検出部５１Ａによる混成電位と高温用検出部５１Ｂによる混成電位との差が、切替差分値Δｓ未満である場合には、演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第３濃度領域Ｎ３にあることを認識する（ステップＳ１０９）。そして、演算部５２は、低温用検出部５１Ａによる混成電位及び高温用検出部５１Ｂによる混成電位を酸素の濃度によって補正して、酸素補正後の混成電位Ａ１＋α・Ａ２＋β・（Ａ１－Ａ１ｘ＋α・Ａ２－α・Ａ２ｘ）／２を求め、Ｋ１・Ａ１＋Ｋ２・α・Ａ２＋β・（Ｋ１・Ａ１－Ｋ１・Ａ１ｘ＋Ｋ２・α・Ａ２－Ｋ２・α・Ａ２ｘ）／２の関係式によって、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める（ステップＳ１１０）。
【0083】
その後、演算部５２は、エンジン制御ユニット５０からセンサ制御ユニット５に検出停止信号が送られるまで（ステップＳ１１１）、ステップＳ１０１～Ｓ１１０が繰り返される。
【0084】
（作用効果）
本形態のガス濃度検出装置１においては、発熱体４１による加熱温度が互いに異なる位置に配置された低温用検出電極２２Ａ及び高温用検出電極２２Ｂによる各混成電位Ａ１，Ａ２を低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂによってそれぞれ検出し、演算部５２によって、各検出部５１Ａ，５１Ｂによる混成電位Ａ１，Ａ２を適切に組み合わせて、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める。
本形態のガス濃度検出装置１においては、発熱体４１による加熱温度が互いに異なる位置に配置された低温用検出電極２２Ａ及び高温用検出電極２２Ｂによる各混成電位Ａ１，Ａ２を低温用検出部５１Ａ及び高温用検出部５１Ｂによってそれぞれ検出し、演算部５２によって、各検出部５１Ａ，５１Ｂによる混成電位Ａ１，Ａ２を適切に組み合わせて、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める。
【0085】
本形態のガス濃度検出装置１においては、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第１濃度領域Ｎ１にあるときには、低温用検出部５１Ａによる混成電位Ａ１に基づいてセンサ出力Ａｓを求めることにより、第１濃度領域Ｎ１におけるアンモニアの濃度を検出するレンジを広く維持することができる。また、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第２濃度領域Ｎ２にあるときには、高温用検出部５１Ｂによる混成電位Ａ２に基づいてセンサ出力Ａｓを求めることにより、第２濃度領域Ｎ２におけるアンモニアの濃度を検出するレンジを広くすることができる。
【0086】
このように、演算部５２は、アンモニアの濃度が低い第１濃度領域Ｎ１において検出レンジを広く維持するとともに、アンモニアの濃度が相対的に高い第２濃度領域Ｎ２においても検出レンジを広くすることができる。これにより、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が、低い状態から相対的に高くなる状態までの広い濃度範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0087】
それ故、本形態のガス濃度検出装置１によれば、アンモニアの濃度の広い範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0088】
本形態において、検出電極は、固体電解質体２１の第１表面２０１において、発熱体４１による加熱温度が互いに異なる位置に３つ以上配置されていてもよい。この場合には、３つ以上の検出電極のそれぞれに対応する検出部によって混成電位が検出される。また、この場合には、加熱温度がより高くなる検出電極に対応する検出部ほど、アンモニアの濃度が高いときの検出レンジが広くなる。そして、演算部５２が、３つ以上の検出電極による混成電極の検出レンジの違いを、２つの検出電極２２Ａ，２２Ｂの場合と同様に利用することができる。
【0089】
＜実施形態２＞
本形態は、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度を異ならせる代わりに、２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄのうちのいずれかにアンモニアを分解するための多孔質層２２２を設け、各検出電極２２Ｃ，２２Ｄにおけるアンモニアの濃度が互いに異なるようにしたガス濃度検出装置１について示す。実施形態１においては、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの加熱温度が高くなると、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの表面においてアンモニアの一部が分解（酸化）されて消失することを利用した。このアンモニアの一部が分解されて消失する現象は、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの付近にアンモニアが滞在する時間を長くすることによっても得られる。本形態においては、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの１つに多孔質層２２２を設けることにより、この多孔質層２２２においてアンモニアが分解されて消失することを利用する。
本形態は、複数の検出電極２２Ａ，２２Ｂの加熱温度を異ならせる代わりに、２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄのうちのいずれかにアンモニアを分解するための多孔質層２２２を設け、各検出電極２２Ｃ，２２Ｄにおけるアンモニアの濃度が互いに異なるようにしたガス濃度検出装置１について示す。実施形態１においては、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの加熱温度が高くなると、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの表面においてアンモニアの一部が分解（酸化）されて消失することを利用した。このアンモニアの一部が分解されて消失する現象は、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの付近にアンモニアが滞在する時間を長くすることによっても得られる。本形態においては、検出電極２２Ｃ，２２Ｄの１つに多孔質層２２２を設けることにより、この多孔質層２２２においてアンモニアが分解されて消失することを利用する。
【0090】
（検出電極２２Ｃ，２２Ｄ及び多孔質層２２２）
図１２及び図１３に示すように、本形態の２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄは、固体電解質体２１の第１表面２０１において、幅方向Ｗに並んで配置されている。そして、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心から２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄの中心までの距離はほぼ同じである。本形態の２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄは、多孔質層２２２が表面に設けられていない第１検出電極２２Ｃと、多孔質層２２２が表面に設けられた第２検出電極２２Ｄとによって構成されている。
図１２及び図１３に示すように、本形態の２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄは、固体電解質体２１の第１表面２０１において、幅方向Ｗに並んで配置されている。そして、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心から２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄの中心までの距離はほぼ同じである。本形態の２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄは、多孔質層２２２が表面に設けられていない第１検出電極２２Ｃと、多孔質層２２２が表面に設けられた第２検出電極２２Ｄとによって構成されている。
【0091】
多孔質層２２２は、検出対象ガスＧが通過する多数の気孔が形成された、アルミナ等のセラミックス材料によって構成されている。多孔質層２２２は、多数のセラミックスの粒子によって構成し、多数の気孔は、セラミックスの粒子間に形成された隙間とすればよい。多孔質層２２２の気孔率は、多孔質層２２２の全体の体積において、気孔の体積が占める割合のことをいう。多孔質層２２２の気孔率は、多孔質層２２２に含まれる気孔の数、体積等を増やすことによって大きくなる。
【0092】
検出対象ガスＧが多孔質層２２２を通過するときには、検出対象ガスＧに含まれるアンモニアの一部は、多孔質層２２２内に滞在して窒素と水素に分解されて消失する。多孔質層２２２は、第２検出電極２２Ｄを保護する機能も有するため、保護層ということもできる。多孔質層２２２には、アンモニアを酸化させるための酸化触媒が担持されていてもよい。この場合には、多孔質層２２２におけるアンモニアの焼失が促進される。この酸化触媒には、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）を用いてもよい。
【0093】
（第１検出部５１Ｃ及び第２検出部５１Ｄ）
図１３に示すように、本形態の２つの検出部５１Ｃ，５１Ｄは、多孔質層２２２が設けられていない第１検出電極２２Ｃに対応する第１検出部５１Ｃと、多孔質層２２２が設けられた第２検出電極２２Ｄに対応する第２検出部５１Ｄとによって構成されている。第１検出電極２２Ｃにおいては、低温用検出電極２２Ａと同様に、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が低い場合の混成電位の感度が高い一方、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の混成電位の感度が低くなる。第２検出電極２２Ｄにおいては、高温用検出電極２Ｂと同様に、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が低い場合の混成電位の感度が低い一方、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の混成電位の感度が高くなる。
図１３に示すように、本形態の２つの検出部５１Ｃ，５１Ｄは、多孔質層２２２が設けられていない第１検出電極２２Ｃに対応する第１検出部５１Ｃと、多孔質層２２２が設けられた第２検出電極２２Ｄに対応する第２検出部５１Ｄとによって構成されている。第１検出電極２２Ｃにおいては、低温用検出電極２２Ａと同様に、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が低い場合の混成電位の感度が高い一方、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の混成電位の感度が低くなる。第２検出電極２２Ｄにおいては、高温用検出電極２Ｂと同様に、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が低い場合の混成電位の感度が低い一方、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の混成電位の感度が高くなる。
【0094】
（演算部５２）
図１４に示すように、本形態の演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度未満である第１濃度領域Ｎ１と、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度以上である第２濃度領域Ｎ２との２つの濃度領域Ｎ１，Ｎ２において、センサ出力Ａｓの求め方を異ならせている。２つの濃度領域Ｎ１，Ｎ２は、ガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度の検出レンジを広くするために設定される。本形態の演算部５２は、アンモニアの濃度が所定の低濃度以上であるか否かを、第２検出部５１Ｄにおける混成電位が切替閾値ｖ１以上か否かによって求める。
図１４に示すように、本形態の演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度未満である第１濃度領域Ｎ１と、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が所定の低濃度以上である第２濃度領域Ｎ２との２つの濃度領域Ｎ１，Ｎ２において、センサ出力Ａｓの求め方を異ならせている。２つの濃度領域Ｎ１，Ｎ２は、ガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度の検出レンジを広くするために設定される。本形態の演算部５２は、アンモニアの濃度が所定の低濃度以上であるか否かを、第２検出部５１Ｄにおける混成電位が切替閾値ｖ１以上か否かによって求める。
【0095】
第１濃度領域Ｎ１においては、第１検出部５１Ｃによる混成電位の感度が高く、第１検出部５１Ｃによる混成電位を用いれば、アンモニアの濃度の検出レンジが最も広くなる。そのため、演算部５２は、第１濃度領域Ｎ１においては、第１検出部５１Ｃによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0096】
第２濃度領域Ｎ２においては、第２検出部５１Ｄによる混成電位の感度が高く、第２検出部５１Ｄによる混成電位を用いれば、アンモニアの濃度の検出レンジが最も広くなる。そのため、演算部５２は、第２濃度領域Ｎ２においては、第２検出部５１Ｄによる混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0097】
本形態においても、演算部５２は、実施形態１の場合と同様にして、第１濃度領域Ｎ１と第２濃度領域Ｎ２との境界において、値が連続するようにセンサ出力Ａｓを求めるよう構成されている。センサ出力Ａａを求める際に、第１濃度領域Ｎ１においては、第１検出部５１Ｃの混成電位をＡ１として、Ｋ１・Ａ１の関係式が用いられ、第２濃度領域においては、第２検出部５１Ｄの混成電位をＡ２として、Ｋ１・Ａ１＋Ｋ２・α・Ａ２の関係式が用いられる。
【0098】
図１４は、アンモニアの濃度を対数目盛にして、アンモニアの濃度と検出電極２２Ｃ，２２Ｄの混成電位の感度との関係の一例を示す。図１４においては、第１検出電極２２Ｃを第１検出部５１Ｃとして示し、第２検出電極２２Ｄを第２検出部５１Ｄとして示す。図１４においては、第１検出電極２２Ｃの混成電位の感度は、アンモニアの濃度が０ｐｐｍの付近から高くなるに連れて一定の傾きで直線的に変化する。一方、第２検出電極２２Ｄの混成電位の感度は、アンモニアの濃度が１００ｐｐｍの付近から高くなるに連れて一定の傾きで直線的に変化する。
【0099】
多孔質層２２２においては、その気孔率が小さくなるほど（緻密なセラミックス材料が用いられるほど）、アンモニアが滞在する時間が長くなり、アンモニアが分解されて消失する量が多くなる。第２検出電極２２Ｄに設けられた多孔質層２２２の気孔率が小さくなるほど、第２検出電極２２Ｄにアンモニアが到達しにくくなり、アンモニアの検出が可能になる濃度が高くなる。
【0100】
図１４においては、第２検出電極２２Ｄにおいて、アンモニアの濃度が約１００ｐｐｍ未満の場合には、混成電位が得られず、アンモニアの濃度が約１００ｐｐ以上になると、混成電位が得られる。また、第２検出電極２２Ｄによる混成電位のラインの傾きが、第１検出電極２２Ｃによる混成電位のラインの傾きよりも大きいことによって、第２検出電極２２Ｄによる混成電位の感度が第１検出電極２２Ｃによる混成電位の感度よりも良いことが分かる。第２検出電極２２Ｄに設けられた多孔質層２２２の気孔率が大きくなると、図１４の破線で示すように、アンモニアの検出が可能になる濃度が低くなる。
【0101】
第１検出部５１Ｃによる混成電位は、実施形態１の低温用検出部５１Ａと同様に、アンモニアの濃度が高くなると、混成電位の感度が飽和して、検出レンジが狭くなる。一方、第２検出部５１Ｄによる混成電位は、第２検出電極２２Ｄに設けられた多孔質層２２２においてアンモニアの一部が分解されて消失することにより、例えば１００ｐｐｍ未満の低濃度のアンモニアを検出することができない。ただし、第２検出電極２２Ｄにおいては、アンモニアの濃度が、例えば１００ｐｐｍ以上に高くなったときに、多孔質層２２２によって適度にアンモニアが分解されて消失することにより、第１検出電極２２Ｃに比べて混成電位の感度が飽和しにくくなり、アンモニアの濃度が相対的に高い場合の検出レンジが第１検出電極２２Ｃに比べて広くなる。
【0102】
（ガス濃度検出装置１によるガス濃度の検出方法）
次に、本形態のガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図１５のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関７が起動されるとともにガス濃度検出装置１が起動された後には、センサ制御ユニット５の第１検出部５１Ｃ及び第２検出部５１Ｄが、検出対象ガスＧが第１検出電極２２Ｃ及び第２検出電極２２Ｄに供給されるときに生じる混成電位をそれぞれ検出する（ステップＳ２０１）。また、センサ制御ユニット５の受信部が、酸素センサから、検出対象ガスＧにおける酸素の濃度を受信する（ステップＳ２０２）。次いで、センサ制御ユニット５の演算部５２は、第２検出部５１Ｄによる混成電位が切替閾値ｖ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。
次に、本形態のガス濃度検出装置１によるアンモニアの濃度を検出する方法の一例について、図１５のフローチャートを参照して説明する。車両の内燃機関７が起動されるとともにガス濃度検出装置１が起動された後には、センサ制御ユニット５の第１検出部５１Ｃ及び第２検出部５１Ｄが、検出対象ガスＧが第１検出電極２２Ｃ及び第２検出電極２２Ｄに供給されるときに生じる混成電位をそれぞれ検出する（ステップＳ２０１）。また、センサ制御ユニット５の受信部が、酸素センサから、検出対象ガスＧにおける酸素の濃度を受信する（ステップＳ２０２）。次いで、センサ制御ユニット５の演算部５２は、第２検出部５１Ｄによる混成電位が切替閾値ｖ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０３）。
【0103】
第２検出部５１Ｄによる混成電位が切替閾値ｖ１未満である場合には、演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第１濃度領域Ｎ１にあることを認識する（ステップＳ２０４）。そして、演算部５２は、第１検出部５１Ｃによる混成電位を酸素の濃度によって補正して、酸素補正後の混成電位Ａ１を求め、Ｋ１・Ａ１の関係式によって、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める（ステップＳ２０５）。
【0104】
第２検出部５１Ｄによる混成電位が切替閾値ｖ１以上である場合には、演算部５２は、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第２濃度領域Ｎ２にあることを認識する（ステップＳ２０６）。そして、演算部５２は、第１検出部５１Ｃによる混成電位及び第２検出部５１Ｄによる混成電位を酸素の濃度によって補正して、酸素補正後の第１検出部５１Ｃ及び第２検出部５１Ｄによる混成電位Ａ１＋α・Ａ２を求め、Ｋ１・Ａ１＋Ｋ２・α・Ａ２の関係式によって、アンモニアの濃度を示すセンサ出力Ａｓを求める（ステップＳ２０７）。
【0105】
その後、演算部５２は、エンジン制御ユニット５０からセンサ制御ユニット５に検出停止信号が送られるまで（ステップＳ２０８）、ステップＳ２０１～Ｓ２０７が繰り返される。
【0106】
（作用効果）
本形態のガス濃度検出装置１においては、第２検出電極２２Ｄには、第１検出電極２２Ｃにおけるアンモニアの濃度と第２検出電極２２Ｄにおけるアンモニアの濃度とが互いに異なるよう、アンモニアを分解するための多孔質層２２２が設けられている。演算部５２は、各検出電極２２Ｃ，２２Ｄにおけるアンモニアの濃度の違いによって異なる、各検出部５１Ｃ，５１Ｄにおける混成電位Ａ１，Ａ２を組み合わせて、センサ出力Ａｓを求める。
本形態のガス濃度検出装置１においては、第２検出電極２２Ｄには、第１検出電極２２Ｃにおけるアンモニアの濃度と第２検出電極２２Ｄにおけるアンモニアの濃度とが互いに異なるよう、アンモニアを分解するための多孔質層２２２が設けられている。演算部５２は、各検出電極２２Ｃ，２２Ｄにおけるアンモニアの濃度の違いによって異なる、各検出部５１Ｃ，５１Ｄにおける混成電位Ａ１，Ａ２を組み合わせて、センサ出力Ａｓを求める。
【0107】
本形態のガス濃度検出装置１においては、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第１濃度領域Ｎ１にあるときには、第１検出部５１Ｃによる混成電位Ａ１に基づいてセンサ出力Ａｓを求めることにより、第１濃度領域Ｎ１におけるアンモニアの濃度を検出するレンジを広く維持することができる。また、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が第２濃度領域Ｎ２にあるときには、第２検出部５１Ｄによる混成電位Ａ２に基づいてセンサ出力Ａｓを求めることにより、第２濃度領域Ｎ２におけるアンモニアの濃度を検出するレンジを広くすることができる。これにより、検出対象ガスＧにおけるアンモニアの濃度が、低い状態から相対的に高くなる状態までの広い濃度範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0108】
それ故、本形態のガス濃度検出装置１によっても、アンモニアの濃度の広い範囲において、検出レンジを広く維持して、混成電位の検出精度を高めることができる。
【0109】
なお、本形態においても、２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄは、固体電解質体２１の第１表面２０１において、長手方向Ｘに並んで配置してもよい。この場合に、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心から２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄの中心までの距離はほぼ同じにしてもよく、発熱体４１の発熱部４１１の発熱中心から２つの検出電極２２Ｃ，２２Ｄの中心までの距離は互いに異なっていてもよい。
【0110】
（他の構成）
多孔質層２２２は第１検出電極２２Ｃ及び第２検出電極２２Ｄのそれぞれに、気孔率が互いに異なる状態で設けられていてもよい。例えば、第１検出電極２２Ｃには、気孔率が大きな多孔質層２２２が設けられ、第２検出電極２２Ｄには、第１検出電極２２Ｃに設けられた多孔質の気孔率よりも気孔率が小さな多孔質層２２２が設けられる。この場合において、第１検出電極２２Ｃによる混成電位の感度は、図１４における、波線による他の第２検出部５１Ｄによって示され、第２検出電極２２Ｄによる混成電位の感度は、図１４における、実線による第２検出部５１Ｄによって示される。
多孔質層２２２は第１検出電極２２Ｃ及び第２検出電極２２Ｄのそれぞれに、気孔率が互いに異なる状態で設けられていてもよい。例えば、第１検出電極２２Ｃには、気孔率が大きな多孔質層２２２が設けられ、第２検出電極２２Ｄには、第１検出電極２２Ｃに設けられた多孔質の気孔率よりも気孔率が小さな多孔質層２２２が設けられる。この場合において、第１検出電極２２Ｃによる混成電位の感度は、図１４における、波線による他の第２検出部５１Ｄによって示され、第２検出電極２２Ｄによる混成電位の感度は、図１４における、実線による第２検出部５１Ｄによって示される。
【0111】
この場合において、演算部５２は、第２検出電極２２Ｄに対応する第２検出部５１Ｄにおける混成電位が切替閾値ｖ１未満となる第１濃度領域Ｎ１においては、気孔率が最も大きい多孔質層２２２が設けられた第１検出電極２２Ｃに対応した第１検出部５１Ｃにおける混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。一方、演算部５２は、第２検出部５１Ｄ（又は両方の検出部５１Ｃ，５１Ｄ）における混成電位が切替閾値ｖ１以上となる第２濃度領域Ｎ２においては、気孔率が相対的に小さな多孔質層２２２が設けられた第２検出電極２２Ｄに対応した第２検出部５１Ｄにおける混成電位に基づいてセンサ出力Ａｓを求める。
【0112】
この場合は、アンモニアの濃度が例えば１０ｐｐｍ未満と低い場合の検出が不要である場合に有効である。この場合には、第１検出部５１Ａによる、アンモニアの濃度が低い場合における混成電位の感度を高められることがある。
【0113】
本形態のガス濃度検出装置における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。
【0114】
本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。さらに、本発明から想定される様々な構成要素の組み合わせ、形態等も本発明の技術思想に含まれる。
【符号の説明】
【0115】
１ ガス濃度検出装置
２ センサ素子部
２１ 固体電解質体
２２Ａ，２２Ｂ 検出電極
２３ 基準電極
３ 絶縁体
４１ 発熱体
５１Ａ，５１Ｂ 検出部
５２ 演算部
２ センサ素子部
２１ 固体電解質体
２２Ａ，２２Ｂ 検出電極
２３ 基準電極
３ 絶縁体
４１ 発熱体
５１Ａ，５１Ｂ 検出部
５２ 演算部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】