JPH10325825A - 窒素酸化物濃度検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＮＯｘ濃度を簡単な回路で高精度に検出でき
る窒素酸化物濃度測定器を提供する。 【解決手段】 拡散律速層４ｄを介して被測定ガス側に
連通した第１測定室２０と、拡散制限層６ｄ，２２ｄを
介して第１測定室２０と連通した第２測定室２６を有
し、Ｖｓセル６の出力が基準電圧ＶCOとなるように第１
ポンプ電流ＩP1を制御することにより、第２測定室２６
に流入する酸素量を一定に制御すると共に、第２ポンプ
セル８に定電圧を印加して第２測定室２６内のＮＯｘ成
分を分解させて酸素を汲み出すことにより、第１及び第
２ポンプ電流ＩP1，ＩP2の検出信号ＶIP1，ＶIP2からＮ
Ｏｘ濃度を検出するＮＯｘセンサにおいて、Ｖｓセル６
の第１測定室２０側電極６ｂを拡散制限層６ｄ周縁又は
その上部に形成する。この結果、Ｖｓセル６により、第
１測定室２０から第２測定室２６に流入する酸素量を正
確に検出できるようになり、ＶIP1，ＶIP2からＮＯｘ濃
度を高精度に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関等の各種
燃焼機器から排出される有害成分である窒素酸化物の濃
度を検出するための窒素酸化物濃度検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定ガス中の窒素酸化物濃
度（ＮＯｘ）を検出するための窒素酸化物濃度検出器
（ＮＯｘセンサ）として、例えば、ヨーロッパ特許出願
公開明細書０６７８７４０Ａ１や、ＳＡＥ ｐａｐｅｒ
Ｎｏ．９６０３３４ Ｐ１３７〜１４２ １９９６等
に開示されているように、第１拡散律速層を介して被測
定ガス側に連通された第１測定室と、この第１測定室に
第２拡散律速層を介して連通された第２測定室とを、酸
素イオン伝導性の固体電解質層にて形成し、第１測定室
には、固体電解質層を多孔質の電極で挟むことにより第
１酸素ポンピングセルと酸素濃度測定セルとを形成し、
更に、第２測定室には、同じく固体電解質層を多孔質の
電極で挟むことにより第２酸素ポンピングセルを形成し
たものが知られている。

【０００３】この種のＮＯｘセンサにおいては、酸素濃
度測定セルからの出力電圧が予め設定された一定値とな
るように、第１酸素ポンピングセルを通電して、第１測
定室から酸素を汲み出すことにより、第１測定室内の酸
素濃度を一定濃度に制御しつつ、第２酸素ポンピングセ
ルに一定電圧を印加して、第２測定室から更に酸素を汲
み出すようにすれば、第２酸素ポンピングセルに流れる
電流（以下、第２ポンプ電流という）から、被測定ガス
中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

【０００４】つまり、被測定ガスである内燃機関等から
の排気中には、ＮＯｘ以外に、酸素、一酸化炭素、二酸
化炭素等の他のガス成分が存在することから、上記従来
のＮＯｘセンサは、まず、第１酸素ポンピングセルに電
流（以下、第１ポンプ電流という）を流して第１測定室
内の酸素のほとんどを抜き取り、更に、酸素が抜き取ら
れた被測定ガスが流入する第２測定室側で、第２酸素ポ
ンピングセルの触媒機能により、被測定ガス中のＮＯｘ
を窒素と酸素とに分解して、第２測定室から酸素を抜き
取るように動作させることによって、第２ポンプ電流か
ら、被測定ガス中の他のガス成分に影響されることな
く、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出できるようにされ
ているのである。

【０００５】また、上記ＮＯｘセンサを用いてＮＯｘ濃
度を正確に検出するには、ＮＯｘセンサを所定活性温度
（例えば８００℃以上）まで加熱して、各セルを活性化
させる必要があることから、ＮＯｘセンサに加熱用のヒ
ータを設け、このヒータへの通電電流量を制御すること
により、ＮＯｘセンサの温度を所定温度に制御すること
も行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のＮＯｘセンサに
おいては、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保するために、第
２ポンプ電流から得られたＮＯｘ濃度を補正する必要が
あり、そのための信号処理系が複雑になって、検出装置
のコストアップを招くといった問題がある事が解った。
以下、この問題について説明する。

【０００７】まず、従来のＮＯｘセンサは、第１酸素ポ
ンピングセルを用いて第１測定室から酸素を汲み出し、
第１測定室内の被測定ガスを、酸素を殆ど含まない極低
酸素濃度に制御すれば、第２酸素ポンピングセルに流入
する被測定ガスは略ＮＯｘ成分だけになり、この被測定
ガスを第２酸素ポンピングセルの触媒作用によって窒素
と酸素とに分解すれば、第２酸素ポンピングセルに流れ
る第２ポンプ電流からＮＯｘ濃度を検出できる、との技
術的思想に沿って開発されたものである。

【０００８】しかし、実際には、第１測定室の酸素濃度
が略ゼロ（理論的には１０^-9atm 程度）となるように第
１酸素ポンピングセルを制御すると、第２ポンプ電流か
らＮＯｘ濃度を検出することができず、従来のＮＯｘセ
ンサを用いてＮＯｘ濃度を高感度に検出するには、第１
測定室内の酸素濃度が１０００ｐｐｍ程度の低酸素濃度
となるように、第１酸素ポンピングセルを制御する必要
がある。

【０００９】尚、第１測定室内の酸素濃度が略ゼロとな
るように制御した場合に良好な検出感度が得られない理
由は、第１ポンプ電流を制御することによって第１測定
室内の被測定ガス中の一酸化窒素成分が分解されてしま
い、第２測定室には、ＮＯｘ成分に対応した被測定ガス
が流入しなくなるためであると考えられる。

【００１０】そして、このように第１測定室内の酸素濃
度が１０００ｐｐｍ程度の低酸素濃度となるように第１
酸素ポンピングセルを制御しつつ、第２ポンプ電流から
ＮＯｘ濃度を検出するようにすると、第２測定室には、
被測定ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）だけでなく、第１
測定室内の酸素も流入することから、第２ポンプ電流
は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応して変化するもの
の、被測定ガス中の酸素濃度の影響も受けるようにな
る。この結果、従来では、ＮＯｘ濃度の検出結果が、セ
ンサ周囲の被測定ガス中の酸素濃度の影響を受けてしま
い、検出したＮＯｘ濃度が実際の値に対応しなくなるこ
とがある。

【００１１】こうした問題は、第１酸素ポンピングセル
に流れる電流（以下第１ポンプ電流という）を利用して
解決する事が出来る。即ち、第１ポンプ電流と第２ポン
プ電流をそれぞれ測定し、この２値から、窒素酸化物濃
度を検出する事で、センサ周囲の被測定ガス中の酸素濃
度が変動しても、正確に窒素酸化物濃度を検出できる。

【００１２】しかし、このように第１ポンプ電流と第２
ポンプ電流から、窒素酸化物濃度を検出するとしても、
これら２値と窒素酸化物濃度との間に比較的簡単な関係
が成立しなければ、補正手段は複雑になり、コストアッ
プを招く原因となる。本発明は、こうした問題に鑑みな
されたものであり、上記ＮＯｘセンサを用いてＮＯｘ濃
度を検出するに当たって、第１ポンプ電流と第２ポンプ
電流からＮＯｘ濃度を検出する際に、これら２値とＮＯ
ｘ濃度が簡単な関係で結ばれ、ＮＯｘ濃度を高精度に検
出できるようにすることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めになされた本発明（請求項１に記載）の窒素酸化物濃
度検出器は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔質
の電極で挟んでなる第１酸素ポンピングセル及び酸素濃
度測定セルを有し、第１拡散律速層を介して被測定ガス
側に連通された第１測定室と、酸素イオン伝導性の固体
電解質層を多孔質の電極で挟んでなる第２酸素ポンピン
グセルを有し、第２拡散律速層を介して前記第１測定室
と連通された第２測定室と、を備え、前記酸素濃度測定
セルの出力電圧が一定値となるように前記第１酸素ポン
ピングセルにて前記第１測定室から酸素を汲み出すと共
に、前記第２酸素ポンピングセルに前記第２測定室から
酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加することにより、
該第１酸素ポンピングセルに流れる電流及び該第２酸素
ポンピングセルに流れる電流から被測定ガス中の窒素酸
化物を検出する窒素酸化物濃度検出器において、前記酸
素濃度測定セルを、前記第１測定室内の酸素分布に影響
されることなく、前記第１測定室から前記第１拡散律速
層を通って前記第２測定室側に流れる被測定ガスの酸素
量を検出可能な位置に配置したことを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】このように本発明の窒素酸化物濃
度検出器（ＮＯｘセンサ）においては、酸素濃度測定セ
ルが、第１測定室内の酸素分布に影響されることなく、
第１測定室から第１拡散律速層を通って第２測定室側に
流れる被測定ガスの酸素量を検出可能な位置に配置され
る。

【００１５】これは、従来のＮＯｘセンサにおいて、第
１測定室内の酸素濃度を検出可能に配置されていた酸素
濃度測定セルを、第１測定室から第２測定室側に流れる
酸素量を検出可能な位置に配置することにより、第２測
定室に流入する測定ガスの酸素濃度を正確に検出し、そ
の酸素濃度が所定値となるように、第１酸素ポンピング
セルを制御できるようにするためである。

【００１６】即ち、既述したように、従来のＮＯｘセン
サでは、第１測定室の酸素濃度が略ゼロ（理論的には１
０^-9atm 程度）となるように第１酸素ポンピングセルを
制御すると、第２ポンプ電流からＮＯｘ濃度を検出する
ことができなかったことから、第１測定室内の酸素濃度
が１０００ｐｐｍ程度の低酸素濃度となるように、第１
酸素ポンピングセルを制御していた。そして、この原因
は、第１測定室の酸素濃度が略ゼロとなるように第１酸
素ポンピングセルを制御すると、第１測定室内の被測定
ガス中の一酸化窒素成分が分解されてしまい、第２測定
室には、ＮＯｘ成分に対応した被測定ガスが流入しなく
なるためであると考えられる。

【００１７】本願発明者らが調査したところ、従来のＮ
Ｏｘセンサでは、酸素濃度測定セルにて第１測定室内の
酸素濃度を検出するために、酸素濃度測定セルの第１測
定室側電極を比較的大きく形成していたことから、第１
測定室内の平均的な酸素濃度は検出できるものの、第１
測定室から第２測定室に流入する被測定ガスの酸素濃度
を検出できていないためであることがわかった。つま
り、第１測定室には、第１拡散律速層を介して外部の被
測定ガスが流入し、第１酸素ポンピングセルにて、この
流入した被測定ガスから酸素が抜き取られることから、
第１測定室内の酸素分布が一様にならず、この結果、従
来のＮＯｘセンサでは、酸素濃度測定セルにて、第１測
定室から第２測定室に流入する被測定ガスの酸素濃度を
正確に検出することができなかった。結果として、第１
ポンプ電流と第２ポンプ電流の２値と窒素酸化物濃度の
関係が複雑になり、その検出を難しくしていた。

【００１８】そこで、本発明では、酸素濃度測定セル
を、第１測定室内の酸素濃度ではなく、第１測定室から
第２測定室に流れる酸素量を検出可能な位置に配置する
ことにより、酸素濃度測定セルにて、第１測定室から第
２測定室に流れる酸素量を正確に検出できるようにし
た。

【００１９】この結果、本発明によれば、第１酸素ポン
ピングセルの通電制御によって、第１酸素ポンピングセ
ルに、第１測定室内のＮＯｘ成分が分解する程度にまで
電流を流し、第１測定室から第２測定室に流れる酸素量
を充分低減することができるようになり、第１ポンプ電
流及び第２ポンプ電流からＮＯｘ濃度を正確に検出する
ことができるようになる。

【００２０】ここで、本発明の窒素酸化物濃度検出器
は、前述した従来のＮＯｘセンサと同様、各セルを所定
の活性温度に制御してＮＯｘ濃度の検出精度を確保する
ために、各セルを加熱するヒータを設けることが望まし
い。そして、このように加熱及び温度制御用のヒータを
設ける際には、請求項２に記載のように、第１酸素ポン
ピングセル，酸素濃度測定セル，及び第２酸素ポンピン
グセルを、夫々、互いに異なる薄板状の固体電解質層に
形成し、各固体電解質層を、第１及び第２酸素ポンピン
グセルを形成した固体電解質層を外側にして、所定の間
隙を介して積層することにより、該間隙にて第１測定室
及び第２測定室を構成すると共に、各固体電解質層の積
層方向両側に、所定の間隙を介して、加熱用のヒータを
備えた薄板状のヒータ基板を夫々配置し、更に、第１酸
素ポンピングセルが形成された固体電解質層の、ヒータ
基板に形成されたヒータ中央部との対向位置に、第１拡
散律速層を形成することが望ましい。

【００２１】つまり、本発明の窒素酸化物濃度検出器を
このように構成すれば、酸素濃度測定セルが形成された
固体電解質層が、第１酸素ポンピングセル及び第２酸素
ポンピングセルが形成された固体電解質層に挟まれ、更
にその積層方向両側にヒータ基板が配置されることにな
るので、ヒータの通電制御によって各セルを所定温度に
制御するのが容易になり、しかも、第１拡散層から第１
測定室，延いては第２測定室に流入する被測定ガスもヒ
ータにより所定温度まで加熱することができるようにな
る。従って、請求項２に記載の発明によれば、センサ本
体における各セルの温度のばらつきを発生し難くすると
共に、各セルが被測定ガスの温度の影響を受け難くし
て、ＮＯｘ濃度の検出精度をより向上することが可能に
なる。

【００２２】またこの場合、請求項３に記載のように、
第２拡散律速層を、当該窒素酸化物濃度検出器を各固体
電解質層の積層方向から投影したときに第１拡散律速層
の少なくとも一部と重なるように形成すれば、ヒータ制
御によって、第１測定室から第２測定室に流入する被測
定ガスの温度を目標温度により確実に制御することがで
きるようになり、ＮＯｘ濃度の検出精度を更に向上でき
ることになる。

【００２３】また次に、本発明（請求項１）のように、
酸素濃度測定セルを、第１測定室内の酸素分布に影響さ
れることなく、第１測定室から第２測定室に流入する被
測定ガスの酸素量を検出可能な位置に配置するには、請
求項４に記載のように、酸素濃度測定セルを、第２拡散
律速層の周縁に形成するようにすればよく、この場合、
特に、請求項５に記載のように、第２拡散律速層を被測
定ガスを拡散律速可能な多孔質の固体電解質層にて構成
し、酸素濃度測定セルの第１測定室側電極を第２拡散律
速層の上に形成するか、或いは、請求項６に記載のよう
に、酸素濃度測定セルの第１測定室側電極を、第１測定
室を構成する固体電解質層と第１拡散律速層との間に形
成するとよい。つまり、このようにすれば、酸素濃度測
定セルにて、第１測定室から第２測定室に流入する被測
定ガスの酸素量をより正確に検出することが可能にな
り、上記効果をより確実に達成することができる。

【００２４】

【実施例】以下に本発明の実施例を図面と共に説明す
る。図１は本発明が適用された実施例の窒素酸化物濃度
検出器（ＮＯｘセンサ）の構成を表す分解斜視図、図２
はこのＮＯｘセンサを用いてＮＯｘ濃度を検出する窒素
酸化物濃度検出装置全体の構成を表す構成図である。

【００２５】図１に示す如く、ＮＯｘセンサ２は、第１
酸素ポンピングセル（以下、第１ポンプセルという）
４，酸素濃度測定セル（以下、Ｖｓセルという）６，第
２酸素ポンピングセル（以下、第２ポンプセルという）
８，及びこれら各セルを加熱する一対のヒータ１２，１
４を備える。

【００２６】第１ポンプセル４は、板状に形成された固
体電解質層４ａの両側に、夫々、矩形状の多孔質電極４
ｂ，４ｃ及びそのリード部４bl，４clを形成し、更に、
多孔質電極４ｂ，４ｃの中心部分を貫通するように固体
電解質層４ａに丸孔を穿設して、その丸孔に、例えばア
ルミナ等からなる多孔質の充填材を詰めることにより、
拡散律速層４ｄを形成したものである。

【００２７】またＶｓセル６は、第１ポンプセル４の固
体電解質層４ａと同形状の固体電解質層６ａの両側に、
夫々、円形状の多孔質電極６ｂ，６ｃ及びそのリード部
６bl，６clを形成し、更に、多孔質電極６ｂ，６ｃの中
心部分を貫通するように固体電解質層６ａに丸孔を穿設
して、その丸孔に、例えばアルミナ等からなる多孔質の
充填材を詰めることにより、拡散律速層６ｄを形成した
ものである。

【００２８】そして、このＶｓセル６の多孔質電極６
ｂ，６ｃと第１ポンプセル４の多孔質電極４ｂ，４ｃと
は、固体電解質層４ａ，６ａ上での中心位置が略一致
し、Ｖｓセル６と第１ポンプセル４とを積層した際、各
拡散律速層６ｄ，４ｄが互いに対向するようにされてい
る。また、Ｖｓセル６に形成される円形状の多孔質電極
６ｂ，６ｃは、拡散律速層６ｄの周囲に配置され、第１
ポンプセル４に形成される矩形状の多孔質電極４ｂ，４
ｃよりも小さくなっている。特に、一対の多孔質電極６
ｂ，６ｃの内、第１ポンプセル４側の多孔質電極６ｂ
は、拡散律速層６ｄに流入する酸素量を正確に検出する
ために、拡散律速層６ｄ周縁の極狭い範囲内にのみ形成
されている。

【００２９】また、Ｖｓセル６の表裏面には、リード部
６bl，６clからの電流リークを防止すると共に、多孔質
電極６ｂ，６ｃにて拡散律速層６ｄに流入する酸素量を
正確に検出できるようにするために、リード部６bl，６
clを外側から覆うようにジルコニア等からなる絶縁膜６
ｅが形成されており、しかも各リード部６bl，６cl間に
は、後述の通電制御によって多孔質電極６ｃ側に汲み込
まれた酸素の一部を多孔質電極６ｂ側に漏出させる漏出
抵抗部６ｆが形成されている。

【００３０】このように形成された第１ポンプセル４及
びＶｓセル６は、上記各固体電解質層４ａ，６ａと同形
状の固体電解質層１８を介して積層される。そして、こ
の固体電解質層１８の各多孔質電極４ｃ，６ｂとの対向
位置には、多孔質電極４ｃよりも大きな矩形状の孔が穿
設されており、この孔が第１測定室２０として機能す
る。

【００３１】またＶｓセル６の多孔質電極６ｃ側にも、
上記各固体電解質層４ａ，６ａと同形状の固体電解質層
２２が積層される。そして、この固体電解質層２２に
は、Ｖｓセル６の拡散律速層６ｄと同位置に同寸法の丸
孔を穿設して、その丸孔に、アルミナ等からなる多孔質
の充填材を詰めることにより、拡散律速層２２ｄが形成
されている。

【００３２】一方、第２ポンプセル８は、第１ポンプセ
ル４と同様、板状に形成された固体電解質層８ａの両側
に、夫々、矩形状の多孔質電極８ｂ，８ｃ及びそのリー
ド部８bl，８clを形成したものである。そして、この第
２ポンプセル８は、固体電解質層１８と全く同様に形成
された固体電解質層２４を介して、Ｖｓセル６に積層さ
れた固体電解質層２２に積層される。この結果、固体電
解質層２４に穿設された矩形状の孔が第２測定室２６と
して機能することになる。

【００３３】またこのように積層される第１ポンプセル
４，Ｖｓセル６，第２ポンプセル８の積層体の両側、つ
まり、第１ポンプセル４と第２ポンプセル８の外側に
は、夫々、スペーサ２８，２９により所定間隔を開け
て、ヒータ１２，１４が積層される。このヒータ１２及
び１４は、夫々、上記各固体電解質層４ａ，６ａ，…と
同形状のヒータ基板１２ａ，１２ｃ及び１４ａ，１４ｃ
と、ヒータ基板１２ａと１２ｃとの間及びヒータ基板１
４ａと１４ｃとの間に夫々挟まれ、各ヒータ基板内に埋
設されて形成された、ヒータ配線１２ｂ及び１４ｂと、
そのリード部１２bl及び１４blとから構成される。そし
て、スペーサ２８，２９は、各ヒータ１２，１４が、第
１ポンプセル４及び第２ポンプセル８の多孔質電極４ｂ
及び８ｃと、夫々、間隙を介して互いに対向するよう
に、ヒータ１２，１４と第１ポンプセル４及び第２ポン
プセル８との間に配置されている。

【００３４】ここで、上記各固体電解質層４ａ，６ａ，
…を構成する固体電解質としては、ジルコニアとイット
リアの固溶体やジルコニアとカルシアの固溶体が代表的
なものであるが、他にハフニアの固溶体、ペロブスカイ
ト型酸化物固溶体、３価金属酸化物固溶体等も使用でき
る。また各固体電解質層４ａ，６ａ，８ａの表面に設け
る多孔質電極には、触媒機能を有する白金やロジウム或
はその合金を使用するのが好ましい。そして、その形成
方法としては、たとえば、白金粉末に固体電解質層と同
じ材料の粉末を混合したものをペースト状とし、固体電
解質層上にスクリーン印刷し、次いで焼結する厚膜形成
方法や、溶射による被膜形成方法が知られている。ま
た、拡散律速層４ｄ，６ｄ，２２ｄは、細い貫通孔を有
するセラミックスや多孔質セラミックスを使用するのが
好ましい。

【００３５】一方、ヒータ１２，１４のヒータ配線１２
ｂ，１４ｂは、セラミックスと白金又は白金合金の複合
材料とし、そのリード部１２bl，１４blは、抵抗値を低
下してリード部での電気ロスを低減するために、白金又
は白金合金とすることが好ましい。また、ヒータ基板１
２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｃ及びスペーサ２８，２９
には、アルミナ、スピネル、フォルステライト、ステア
タイト、ジルコニア等を用いることができる。

【００３６】そして、特に、ヒータ基板及びスペーサの
材質にジルコニアを用いた場合は、ヒータと各ポンプセ
ルを同時に一体化して焼結することができるので、ＮＯ
ｘセンサ２を作製する上で好適である。尚、この場合に
は、ヒータ配線１２ｂ及びそのリード部１２blとヒータ
基板１２ａ，１２ｃとの間、及び、ヒータ配線１４ｂ及
びそのリード部１４blとヒータ基板１４ａ，１４ｃとの
間に、夫々、絶縁層（アルミナ等からなる）を設ける。

【００３７】また、ヒータ基板にアルミナを用いた場合
には、各ポンプセルとの焼結時の収縮率差や熱膨張率差
によるクラックの発生等を防止するために、スペーサと
しては多孔質体を用いるとよい。また、ヒータと各ポン
プセルは別々に焼結して、後で、セメント等の無機質材
料をスペーサを兼ねた接合材として用いて接合する、と
いう方法で作ることも可能である。

【００３８】次に、上記のように構成されたＮＯｘセン
サ２を用いてＮＯｘ濃度を検出する窒素酸化物濃度検出
装置は、図２に示す如く、ＮＯｘセンサ２を構成する第
１ポンプセル４及びＶｓセル６への通電及び通電経路の
切り換えを行なうための駆動回路４０と、抵抗器Ｒ４を
介して第１ポンプセル４に流れる電流（第１ポンプ電
流）ＩP1を検出する検出回路４５と、ＮＯｘセンサ２を
構成する第２ポンプセル８に定電圧を印加してそのとき
流れる電流（第２ポンプ電流）ＩP2を検出する検出回路
４２と、ＮＯｘセンサ２に設けられた一対のヒータ１
２，１４へ通電して各セル４，６，８を加熱させるヒー
タ通電回路４４と、駆動回路４０及びヒータ通電回路４
４を駆動制御すると共に、検出回路４５からの検出信号
ＶIP1 と検出回路４２からの検出信号ＶIP2 とに基づき
被測定ガス中のＮＯｘ濃度を演算する、マイクロコンピ
ュータからなる電子制御回路（以下、ＥＣＵという）５
０とから構成されている。

【００３９】図２に示すように、ＮＯｘセンサ２の第１
ポンプセル４及びＶｓセル６の第１測定室２０側の多孔
質電極４ｃ，６ｂは、抵抗器Ｒ１を介して接地されてお
り、他方の多孔質電極４ｂ及び６ｃは、駆動回路４０に
接続されている。駆動回路４０は、一端に定電圧ＶCPが
印加され、他端が開閉スイッチＳＷ１を介してＶｓセル
６の多孔質電極６ｃに接続された抵抗器Ｒ２と、−側入
力端子に開閉スイッチＳＷ１を介してＶｓセル６の多孔
質電極６ｃ及びコンデンサＣｐの一端が接続され、＋側
入力端子に基準電圧ＶCOが印加され、出力端子が第１ポ
ンプセル４の多孔質電極４ｂに接続された差動増幅器Ａ
ＭＰと、からなる制御部４０ａを備える。尚、コンデン
サＣｐの他端は接地されている。

【００４０】この制御部４０ａは、開閉スイッチＳＷ１
がオン状態にあるときに次のように動作する。まず、抵
抗器Ｒ２を介してＶｓセル６に一定の微小電流ｉCPを流
すことにより、第１測定室２０内の酸素をＶｓセル６の
多孔質電極６ｃ側に汲み込む。この多孔質電極６ｃは、
固体電解質層２２により閉塞されると共に、漏出抵抗部
６ｆを介して多孔質電極６ｂ側と連通していることか
ら、微小電流ｉCPの通電により多孔質電極６ｃ内の閉塞
空間は一定の酸素濃度となり、内部酸素基準源として機
能する。

【００４１】またこのようにＶｓセル６の多孔質電極６
ｃ側が内部酸素基準源として機能するとＶｓセル６に
は、第１測定室２０内の酸素濃度と内部酸素基準源側の
酸素濃度との比に応じた起電力が発生し、多孔質電極６
ｃ側電圧Ｖｓは、第１測定室２０から第2測定室２６に
流れ込む被測定ガス中の酸素濃度に応じた電圧となる。
そしてこの電圧は、差動増幅器ＡＭＰに入力されること
から、差動増幅器ＡＭＰからは、基準電圧ＶCOとその入
力電圧との偏差（ＶCO−入力電圧）に応じた電圧が出力
され、この出力電圧が第１ポンプセル４の多孔質電極４
ｂに印加される。

【００４２】この結果、第１ポンプセル４には、電流
（第１ポンプ電流）ＩP1が流れ、この第１ポンプ電流Ｉ
P1により、Ｖｓセル６に発生した起電力が一定電圧とな
るように制御される。つまり、この制御部４０ａは、第
２拡散律速層としての拡散律速層６ｄ，２２ｄを介して
第１測定室２０から第２測定室２６に流入する酸素量が
所定量となるように、第１測定室２０から外部に酸素を
汲み出す制御を実行する。

【００４３】なお、本実施例では、第１測定室２０から
第２測定室２６への酸素の流入量を充分（理論的には１
０^-9atm 程度になるまで）低減するために、第１ポンプ
セル４には、第１測定室２０内のＮＯｘ成分が分解する
程度にまで電流を流すようにされており、この電流（換
言すれば第１測定室２０から第２測定室２６へ流れ込む
酸素量）を決定する基準電圧ＶCOには、４５０ｍＶ程度
の値が設定されている。但し、この基準電圧ＶCOとして
は、必ずしも４５０ｍＶに設定する必要はなく、３５０
ｍＶ〜４５０ｍＶの範囲内であればよい。

【００４４】次に、駆動回路４０には、上記制御部４０
ａに加えて、開閉スイッチＳＷ２を介してＶｓセル６の
多孔質電極６ｃに接続され、多孔質電極６ｂ−６ｃ間に
上記微小電流ｉCPとは逆方向に定電流を流す定電流回路
４０ｂと、開閉スイッチＳＷ３を介してＶｓセル６の多
孔質電極６ｃに接続され、多孔質電極６ｂ−６ｃ間に上
記微小電流ｉCPと同方向に定電流を流す定電流回路４０
ｃとが備えられている。

【００４５】これら各定電流回路４０ｂ，４０ｃは、Ｖ
ｓセル６の内部抵抗ＲVSを検出するためのものである。
そして、この定電流の通電によりＶｓセル６の内部抵抗
ＲVSをＥＣＵ５０側で検出できるようにするために、多
孔質電極６ｃ側電圧ＶｓはＥＣＵ５０に入力される。な
お、各定電流回路４０ｂ，４０ｃが流す定電流は、電流
方向が異なるだけで同じ電流値に設定されている。そし
て、この電流値は、抵抗器Ｒ２を介してＶｓセル６に供
給される微小電流ｉCPよりも大きい。

【００４６】また、制御部４０ａ，定電流回路４０ｂ及
び４０ｃと、Ｖｓセル６の多孔質電極６ｃとの間に夫々
設けられた開閉スイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、ＥＣＵ５０
からの制御信号によりオン・オフされ、ＮＯｘ濃度の検
出動作を行なう通常時には、開閉スイッチＳＷ１のみが
オン状態となって制御部４０ａが動作し、Ｖｓセル６の
内部抵抗ＲVSを検出する場合にのみ、開閉スイッチＳＷ
１がオフ状態となって、開閉スイッチＳＷ２，ＳＷ３が
順にオン状態に制御される。

【００４７】一方、ＮＯｘセンサ２の第２ポンプセル８
の多孔質電極８ｂ，８ｃ間には、上記検出回路４２を構
成する定電圧印加手段としての抵抗器Ｒ３を介して、定
電圧ＶP2が印加される。この定電圧ＶP2の印加方向は、
第２ポンプセル８において多孔質電極８ｃから８ｂ側に
電流が流れて、第２測定室２６内の酸素が外部に汲み出
されるように、多孔質電極８ｃ側が正極，多孔質電極８
ｂ側が負極となるように設定されている。また、この定
電圧ＶP2は、第１測定室２０から拡散律速層６ｄ，２２
ｄを介して流入してくる第２測定室２６内の被測定ガス
中のＮＯｘ成分を分解して、その酸素成分を汲み出すこ
とができる電圧、例えば４５０ｍＶに設定されている。

【００４８】なお、抵抗器Ｒ３は、この定電圧ＶP2の印
加によって第２ポンプセル８に流れる第２ポンプ電流Ｉ
P2を電圧ＶIP2 に変換し、第２ポンプ電流ＩP2の検出信
号としてＥＣＵ５０に入力するためのものである。この
ように構成された本実施例の窒素酸化物濃度検出装置に
おいては、駆動回路４０内の開閉スイッチＳＷ１をオン
し、開閉スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオフしておけば、制
御部４０ａの動作によって、拡散律速層（第１拡散律速
層）４ｄを介して流入した第１測定室２０内の被測定ガ
スが拡散律速層（第２拡散律速層）６ｄ，２２ｄを介し
て第２測定室２６に流入する際の酸素量を充分（理論的
には１０^-9atm 程度にまで）抑制できるため、第１ポン
プセル４に流れる第１ポンプ電流ＩP1及び第２ポンプセ
ル８に流れる第２ポンプ電流ＩP2から、正確にＮＯｘ濃
度を測定する事が出来る。即ち、ＥＣＵ５０側で第１ポ
ンプ電流ＩP1の検出信号ＶIP1 及び、第２ポンプ電流Ｉ
P2の検出信号ＶIP2 を読み込み、所定の演算処理を実行
することにより、この検出信号ＶIP1 （換言すれば第１
ポンプ電流ＩP1）及び検出信号ＶIP2 （換言すれば第２
ポンプ電流ＩP2）から被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出
することができる。

【００４９】ところで、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保す
るには、上記各セル４，６，８の温度、特に第１測定室
２０内の酸素濃度を検出するＶｓセル６の温度を、一定
に制御する必要があり、このためには、ヒータ通電回路
４４から各ヒータ１２，１４への通電電流量を、Ｖｓセ
ル６の温度が目標温度となるように制御する必要があ
る。そこで、ＥＣＵ５０は、通常は開閉スイッチＳＷ１
をオンし、開閉スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオフして、第
１ポンプ電流ＩP1の検出信号ＶIP1 及び、第２ポンプ電
流ＩP2の検出信号ＶIP2 を読み込むことにより、被測定
ガス中のＮＯｘ濃度を検出する、ＮＯｘ濃度検出処理を
実行するが、所定時間Ｔ０毎に、開閉スイッチＳＷ１を
オフして、他の開閉スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオン・オ
フすることにより、Ｖｓセル６の内部抵抗ＲVSからセン
サ温度を検出し、その温度が目標温度（例えば８５０
℃）となるように、ヒータ通電回路４４からヒータ１
２，１４への通電量を制御するヒータ通電制御処理も実
行する。

【００５０】即ち、図３に示す如く、ＥＣＵ５０は、こ
のヒータ通電制御処理を開始すると（時点ｔ１）、ま
ず、Ｖｓセル６の多孔質電極６ｃ側電圧Ｖｓを読み込む
と共に、開閉スイッチＳＷ１をオフ、開閉スイッチＳＷ
２をオンすることにより、Ｖｓセル６に微小電流ｉCPと
は逆方向に定電流を流し、その後、一定時間Ｔ１（例え
ば６０μsec.）が経過した時点ｔ２で、再度、Ｖｓセル
６の多孔質電極６ｃ側電圧Ｖｓを読み込む。また、制御
開始後、所定時間Ｔ２（例えば１００μsec.）が経過し
た時点ｔ３で、開閉スイッチＳＷ２をオフ、開閉スイッ
チＳＷ３をオンして、Ｖｓセル６に微小電流ｉCPと同方
向（つまり第１測定室２０内の酸素を閉塞空間側に汲み
込む方向）に定電流を流す。そして、制御開始後、所定
時間Ｔ３（例えば２００μsec.）が経過した時点ｔ４に
て、開閉スイッチＳＷ３をオフし、更に、制御開始後、
所定時間Ｔ４（例えば５００μsec.）が経過すると、開
閉スイッチＳＷ１をオンして、ＮＯｘ濃度検出処理に戻
る。

【００５１】また、このヒータ通電制御処理の実行中、
ＥＣＵ５０は、時点ｔ１及び時点ｔ２で夫々検出した多
孔質電極６ｃ側電圧Ｖｓの偏差△ＶｓからＶｓセル６の
内部抵抗ＲVSを算出し、この内部抵抗ＲVSが目標値とな
るようにヒータ通電回路４４からヒータ１２，１４に供
給する電流量を制御する。この結果、ヒータ１２，１４
への通電電流量は、Ｖｓセル６の内部抵抗ＲVS（延いて
はセンサ温度）が一定となるように制御されることにな
り、ＮＯｘセンサ２は目標温度に保持される。

【００５２】以上説明したように、本実施例の窒素酸化
物濃度検出装置においては、Ｖｓセル６を構成する第１
ポンプセル４側の多孔質電極６ｂを、拡散律速層６ｄ周
縁の極狭い範囲内にのみ形成することにより、Ｖｓセル
６にて第１測定室２０から第２測定室２６に流入する酸
素量を正確に検出できるようにし、ＮＯｘ濃度の検出時
には、Ｖｓセンサ６からの出力電圧が基準電圧ＶCOとな
って、第１測定室２０から第２測定室２６への酸素の流
入量が所定値となるように、第１ポンプ電流ＩP1を制御
する。

【００５３】従って、本実施例によれば、第１ポンプ電
流ＩP1及び第２ポンプ電流ＩP2からＮＯｘ濃度を正確に
検出できるようになる。ここで、上記実施例では、拡散
律速層（第１拡散律速層）４ｄを、第１ポンプセル４を
構成する電極４ｂ，４ｃの中央に形成することにより、
ヒータ１２（詳しくはヒータ配線１２ｂの中央）に対向
させたが、例えば、図４，図５に示す如く、第１測定室
２０を構成する固体電解質層１８に、第１拡散律速層と
しての拡散律速層２０ａ，２０ｂを形成することによ
り、被測定ガスをＮＯｘセンサ２の側面から取り込むよ
うに構成してもよい。

【００５４】また、上記実施例では、Ｖｓセル６にて第
１測定室２０から第２測定室２６に流入する酸素量を正
確に検出できるようにするために、Ｖｓセル６を構成す
る第１ポンプセル４側の多孔質電極６ｂを、拡散律速層
６ｄの周縁に形成したが、この多孔質電極６ｂは、例え
ば、図６に示す如く、拡散律速層６ｄの上に形成しても
よく、或いは、図７に示す如く、拡散律速層６ｄと第１
測定室２０を構成する各固体電解質層６ａとの間に形成
してもよい。

【００５５】但し、多孔質電極６ｂを拡散律速層６ｄの
上（第１測定室２０側上面）に形成する場合には、電極
６ｂ−６ｃ間に第２測定室２６に流入する酸素量に対応
した電圧を発生させるために、拡散律速層６ｄを、被測
定ガスを拡散律速可能な多孔質の固体電解質（ジルコニ
ア等）で構成する必要はある。

【００５６】なお、図４〜図７に示したＮＯｘセンサ
は、上記説明箇所以外は、図１及び図２にしたＮＯｘセ
ンサ２と同様の構成をしているので、詳細な説明は省略
する。次に、Ｖｓセル６の多孔質電極６ｂを、拡散律速
層６ｄ周縁に形成するか、或いは拡散律速層６ｄの上に
形成することにより、ＮＯｘ濃度の検出精度がどの程度
改善されるかを測定した実験結果について説明する。

【００５７】尚、この実験には、図１，図２に示した第
１実施例のＮＯｘセンサ（つまり、第１拡散律速層をヒ
ータ１２に対向させたＮＯｘセンサ）と、図４，図５に
示した第２実施例のＮＯｘセンサ（つまり、第１拡散律
速層をセンサの側面に設けたＮＯｘセンサ）との２タイ
プのＮＯｘセンサを用いた。また、実験は、これら各タ
イプのＮＯｘセンサ毎に、多孔質電極６ｂの大きさ（直
径）を、２ｍｍ，１ｍｍとしたセンサと、更に、多孔質
電極６ｂを図６に示したように第２拡散律速層の上に形
成したセンサとを夫々作製し、これら各ＮＯｘセンサ
（合計６種類のＮＯｘセンサ）を、夫々、内燃機関の排
気管に取り付け、内燃機関を加速及び減速させたとき
に、ＮＯｘ濃度の検出結果（つまり第２ポンプ電流ＩP
2）が安定するまでの時間△Ｔの平均をとることにより
行った（図８参照）。

【００５８】その結果、下記の［表１］に示す如く、い
ずれのタイプのＮＯｘセンサにおいても、多孔質電極６
ｂを拡散律速層６ｄの周縁に形成する場合には、多孔質
電極６ｂを小さくするほど、被測定ガスの過渡変化（こ
の場合、温度・酸素濃度が共に変化する）に対して、Ｎ
Ｏｘ濃度が安定するまでの時間△Ｔが短くなり、多孔質
電極６ｂを拡散律速層６ｄの周縁に形成するよりも、拡
散律速層６ｄの上に直接形成した方が、ＮＯｘ濃度が安
定する時間△Ｔを短くできることがわかった。これは、
多孔質電極６ｄを拡散律速層６ｄに近づけるほど、第１
測定室２０から第２測定室２６に流入する酸素量を正確
に検出でき、第1ポンプ電流と第2ポンプ電流の2値とが
ＮＯｘ濃度の関係が簡単になり、精度が向上したためで
ある。

【００５９】また、第１拡散律速層は、第２実施例のＮ
Ｏｘセンサのようにセンサの側面に設けるよりも、第１
実施例のＮＯｘセンサのようにヒータ１２に対向させる
方が、被測定ガスの過渡変化に対してＮＯｘ濃度が安定
するまでの時間△Ｔを短くできることがわかった。これ
は、第１拡散律速層をヒータ１２に対向させれば、第１
測定室２０に流入する被測定ガスをヒータ１２により加
熱することができ、被測定ガスの温度変化がＮＯｘ濃度
の検出結果に影響を受ける割合を小さくできるためであ
る。

【００６０】

【表１】

【００６１】なお、上記実験に使用した第１実施例のＮ
Ｏｘセンサの各部の寸法は、図９（ａ）に示すように、
第１ポンプセル４，Ｖｓセル６，第２ポンプセル８，第
１測定室２０，拡散律速層２２ｄ，第２測定室２６を構
成する各固体電解質層４ａ，６ａ，８ａ，１８，２２，
２４とヒータ１２，１４の厚みＡが、夫々、０．２５ｍ
ｍであり、ヒータ１２，１４と第１，第２ポンプセル
４，８との間隙を決定するスペーサ２８，２９の厚みＢ
が０．１ｍｍである。従って、ヒータ１２，１４を除く
ＮＯｘセンサ本体部の厚みＤは１．５ｍｍ、拡散律速層
６ｄ，２２ｄからなる第２拡散律速層の厚みＣが０．５
ｍｍである。

【００６２】また、第１及び第２拡散律速層を構成する
各拡散律速層４ｄ，６ｄ，２２ｄの直径は、０．５ｍｍ
であり、第１測定室２０及び第２測定室２６のＮＯｘセ
ンサ短手方向の幅Ｆは、２．５ｍｍ、ＮＯｘセンサの幅
Ｇは、３．５ｍｍである。また、図９（ｂ）に示すよう
に、拡散律速層（第１拡散律速層）４ｄの周囲に形成さ
れる多孔質電極４ｂ，４ｃの幅Ｉは、２．４ｍｍであ
り、センサ長手方向の長さＨは、３．０ｍｍである。ま
た、図９（ｃ）に示すように、固体電解質層１８に穿設
されて第１測定室２０を形成する矩形状の孔は、センサ
の上端からＫ（Ｋ＝０．５ｍｍ）、左右側面よりＪ（Ｊ
＝０．５ｍｍ）の位置に形成し、多孔質電極６ｂを拡散
律速層６ｄの周縁に形成する場合には、その直径Ｌが２
ｍｍ，１ｍｍとなるように形成した。また、多孔質電極
６ｂを拡散律速層６ｄの上に形成する場合には、多孔質
電極６ｂの直径を０．４ｍｍとした。

【００６３】また、第２実施例のＮＯｘセンサに関して
は、センサの側面に形成される拡散律速層（第１拡散律
速層）２０ａ，２０ｂのセンサ長手方向に沿った長さ
を、１ｍｍとし、第１ポンプセルを構成する多孔質電極
４ｂ，４ｃは、２．４ｍｍ×３．０ｍｍの寸法で、中空
部を形成することなく全面に形成した。そして、これ以
外の寸法は、第１実施例のＮＯｘセンサと全く同様にし
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例のＮＯｘセンサの構成を表わす分解斜
視図である。

【図２】 実施例の窒素酸化物濃度検出装置全体の構成
を表わす概略構成図である。

【図３】 実施例のＥＣＵにおいてセンサ温度を制御す
るために実行されるヒータ通電制御処理の動作を表すタ
イムチャートである。

【図４】 第１拡散制限層をセンサの側面に設けたＮＯ
ｘセンサの構成を表す分解斜視図である。

【図５】 図４に示したＮＯｘセンサの電極配置を表す
断面図である。

【図６】 Ｖｓセルを構成する第１測定室側の電極を第
２拡散層の上に形成したＮＯｘセンサの電極配置を表す
断面図である。

【図７】 Ｖｓセルを構成する第１測定室側の電極を第
２拡散層と固体電解質層との間に形成したＮＯｘセンサ
の電極配置を表す断面図である。

【図８】 被測定ガスの過渡変化に対する第1ポンプ電
流と第２ポンプ電流の変化を表すタイムチャートであ
る。

【図９】 実験に使用したＮＯｘセンサの各部の寸法を
説明する説明図である。

【符号の説明】

２…ＮＯｘセンサ（窒素酸化物濃度検出器） ４…第１ポンプセル（第１酸素ポンピングセル） ６…Ｖｓセル（酸素濃度測定セル） ８…第２ポンプセル（第２酸素ポンピングセル） １
２，１４…ヒータ ４ａ，６ａ，８ａ，１８，２２，２４…固体電解質層 ４ｂ，４ｃ，６ｂ，６ｃ，８ｂ，８ｃ…多孔質電極 ４ｄ，２０ａ，２０ｂ…拡散律速層（第１拡散律速層） ６ｄ，２２ｄ…拡散律速層（第２拡散律速層） ６ｅ
…絶縁膜 ６ｆ…漏出抵抗部 １２ａ，１２ｃ，１４ａ，１４ｃ
…ヒータ基板 １２ｂ，１４ｂ…ヒータ配線 ２０…第１測定室
２６…第２測定室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 昇 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔
   質の電極で挟んでなる第１酸素ポンピングセル及び酸素
   濃度測定セルを有し、第１拡散律速層を介して被測定ガ
   ス側に連通された第１測定室と、 酸素イオン伝導性の固体電解質層を多孔質の電極で挟ん
   でなる第２酸素ポンピングセルを有し、第２拡散律速層
   を介して前記第１測定室と連通された第２測定室と、を
   備え、 前記酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように
   前記第１酸素ポンピングセルにて前記第１測定室から酸
   素を汲み出すと共に、前記第２酸素ポンピングセルに前
   記第２測定室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加
   することにより、該第１酸素ポンピングセルに流れる電
   流及び該第２酸素ポンピングセルに流れる電流から被測
   定ガス中の窒素酸化物を検出する窒素酸化物濃度検出器
   において、 前記酸素濃度測定セルを、前記第１測定室内の酸素分布
   に影響されることなく、前記第１測定室から前記第１拡
   散律速層を通って前記第２測定室側に流れる被測定ガス
   の酸素量を検出可能な位置に配置したことを特徴とする
   窒素酸化物濃度検出器。
2. 【請求項２】 前記第１酸素ポンピングセル，酸素濃度
   測定セル，及び第２酸素ポンピングセルを、夫々、互い
   に異なる薄板状の固体電解質層に形成し、該各固体電解
   質層を、前記第１及び第２酸素ポンピングセルを形成し
   た固体電解質層を外側にして、所定の間隙を介して積層
   することにより、該間隙にて前記第１測定室及び第２測
   定室を構成すると共に、 前記各固体電解質層の積層方向両側に、所定の間隙を介
   して、加熱用のヒータを備えた薄板状のヒータ基板を夫
   々配置し、 更に、前記第１酸素ポンピングセルが形成された固体電
   解質層の、前記ヒータ基板に形成されたヒータの中央部
   との対向位置に、前記第１拡散律速層を形成してなるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物濃度検出
   器。
3. 【請求項３】 前記第２拡散律速層を、当該窒素酸化物
   濃度検出器を前記積層方向から投影したときに前記第１
   拡散律速層の少なくとも一部と重なるように形成してな
   ることを特徴とする請求項２に記載の窒素酸化物濃度検
   出器。
4. 【請求項４】 前記酸素濃度測定セルを、前記第２拡散
   律速層の周縁に形成したことを特徴とする請求項１〜請
   求項３いずれか記載の窒素酸化物濃度検出器。
5. 【請求項５】 前記第２拡散律速層を、被測定ガスを拡
   散律速可能な多孔質の固体電解質層にて構成し、前記酸
   素濃度測定セルの前記第１測定室側電極を該第２拡散律
   速層の上に形成したことを特徴とする請求項４に記載の
   窒素酸化物濃度検出器。
6. 【請求項６】 前記酸素濃度測定セルの前記第１測定室
   側電極を、前記第１測定室を構成する固体電解質層と前
   記第２拡散律速層との間に形成したことを特徴とする請
   求項４に記載の窒素酸化物濃度検出器。