JP2007078531A - ガスセンサ評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスセンサの活性化所要時間を評価するにあたり、活性化所要時間の検出誤差による検出精度の低下を抑制できる評価方法を提供する。
【解決手段】 本実施形態のガスセンサ評価装置においては、ヒータ起動タイミング（Ｓ１４０）が試料ガスの切換時期を基準として定められることから（Ｓ１３０）、試料ガスの切換時期に対するヒータ起動時期の相対時間を一定にすることができる。このため、本実施形態のガスセンサ評価装置を用いたガスセンサ評価方法によれば、試料ガスの濃度切換時期とヒータ起動時期との時間間隔にバラツキが生じるのを防止でき、活性化所要時間の検出結果に誤差が生じるのを防止できることから、活性化所要時間の評価精度の向上を図ることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ヒータの加熱により測定対象ガス中の特定成分を検出可能な活性化状態となるガスセンサについて、ヒータによる加熱開始からガスセンサが活性化状態となるまでの活性化所要時間を評価するガスセンサ評価方法に関する。

従来より、ガスセンサの評価方法としては、ガスセンサが検出する特定成分（特定ガス）を含む試料ガスを生成してガスセンサに供給して、試料ガスに対するセンサ出力に基づいてガスセンサの特性を評価する方法がある。

例えば、試料ガスに含まれる特定成分の濃度を周期的に変化させて、特定成分の濃度変化に対するセンサ出力の変化波形に基づいて、ガスセンサの特性を評価することができる（特許文献１参照）。

また、ガスセンサとしては、酸素イオン伝導性の固体電解質体や半導電性の遷移金属酸化物を用いて構成されるが、この種のガスセンサは、高温状態になることで特定成分を検出可能な活性化状態となるため、早期にガスセンサを活性化状態に遷移させる目的で活性化用のヒータを備えるものがある。そのようなヒータを備えるガスセンサにおいては、ヒータによる加熱開始時点からガスセンサが活性化状態となるまでの活性化所要時間を評価することがある。

そして、活性化所要時間の評価方法としては、評価対象のガスセンサを、一定周期で成分の異なる２種類の試料ガスが供給される環境下に設置した後、ヒータを起動して、ガスセンサのセンサ出力が試料ガスの変化に対応した変化状態になるまでの所要時間を検出して、その所要時間を活性化所要時間として評価するガスセンサ評価方法がある。
特開２００３−１８５６２１号公報（請求項１）

しかし、活性化所要時間を評価する上記従来のガスセンサ評価方法においては、活性化所要時間の検出値に誤差が生じることがあり、検出精度が低下するおそれがある。
つまり、従来のガスセンサ評価方法では、２種類の試料ガスの切換時期に対してランダムにヒータの起動時期を設定しているため、同一のガスセンサに対して活性化所要時間の評価を行う場合であっても、２種類の試料ガスの切り換え時期とヒータ起動時期との相対的な時間差の変動に起因して活性化所要時間の検出に誤差が生じることがある。

なお、この時間差の変動に起因した活性化所要時間の誤差は１秒程度であるが、近年のガスセンサでは活性化所要時間を１０秒以下（例えば、５秒）とするものも出現しているため、上記の１秒程度の誤差は無視できないレベルといえ、より精度の高いガスセンサの活性化所要時間の評価方法が求められている。

そこで、本発明はこうした問題に鑑みなされたものであり、ガスセンサの活性化所要時間を評価するにあたり、活性化所要時間の検出誤差による検出精度の低下を抑制できる評価方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明方法は、ヒータの加熱により測定対象ガス中の特定成分を検出可能な活性化状態となるガスセンサについて、ヒータによる加熱開始からガスセンサが活性化状態となるまでの活性化所要時間を評価するガスセンサ評価方法であって、特定成分を含む試料ガスをガスセンサに供給し、試料ガスに対するガスセンサのセンサ出力に基づいて活性化所要時間を評価するにあたり、試料ガスとして特定成分の濃度が異なる第１ガスと第２ガスを周期的に切り換えつつ試料ガスを供給し、試料ガスにおける第１ガスから第２ガスへの切換時期または第２ガスから第１ガスへの切換時期を基準として定められる時期に、ヒータによるガスセンサの加熱を開始し、センサ出力が試料ガスにおける特定成分の濃度変化に応じた変化状態となる活性化時期を検出し、ヒータによる加熱開始時期から活性化時期までの時間を活性化所要時間として評価すること、を特徴とするガスセンサ評価方法である。

このガスセンサ素子評価方法によれば、ヒータによるガスセンサの加熱開始時期が、試料ガスにおける第１ガスから第２ガスへの切換時期または第２ガスから第１ガスへの切換時期のいずれか一方を基準として定められることから、試料ガスの切り換え時期とヒータ起動時期との相対的な時間差が一定となる。

よって、このガスセンサ評価方法によれば、試料ガスのガス雰囲気の切換時期とヒータ起動時期との時間間隔にバラツキが生じるのを防止でき、活性化所要時間の検出結果に誤差が生じるのを防止できることから、同一品番のガスセンサにおける活性化所要時間の評価を行うにあたっての評価精度の向上を図ることができる。

ところで、ガスセンサの評価においては、試料ガスがガスセンサに直接触れることから、ガスセンサの温度は、試料ガスの温度の影響を受けると考えられる。つまり、試料ガスの温度が高い場合には、試料ガスからガスセンサに移動する熱量が増大するため、ガスセンサの活性化所要時間が短くなり易いのに対して、反対に、試料ガスの温度が低い場合には、試料ガスからガスセンサに移動する熱量が減少するため、ガスセンサの活性化所要時間が長くなり易いと考えられる。

そこで、上記のガスセンサ評価方法においては、試料ガスの温度を一定にしておくことが好ましい。
このように試料ガスの温度を一定にすることで、試料ガスの温度変動の影響によるガスセンサの温度変動を抑制することができる。これにより、活性化所要時間の評価にあたり、試料ガスの温度変動に起因して活性化所要時間に誤差が生じるのを防止できる。

よって、本発明方法によれば、試料ガスの温度変化に起因する活性化所要時間の検出誤差が生じるのを防止することができ、活性化所要時間の検出精度のさらなる向上を図ることができる。

そして、上述のガスセンサ評価方法においては、測定対象ガスが内燃機関の排気ガスであり、特定成分が酸素であり、試料ガスにおける酸素濃度を周期的に切り換えるにあたり、予め定められたリッチ空燃比に対応した酸素濃度となるように調整された第１ガスと、予め定められたリーン空燃比に対応した酸素濃度となるように調整された第２ガスと、に切り換えてもよい。

このように、試料ガスにおける酸素濃度を切り換えることで、試料ガスの切り換えによってガスセンサのセンサ出力が大きく変化することから、ガスセンサの活性化状態の判定が容易になると共に、活性化状態の誤判定を防止できる。

よって、本発明方法によれば、ガスセンサの活性化状態の誤判定に起因する活性化所要時間の検出誤差を抑制することができ、活性化所要時間の検出精度のさらなる向上を図ることができる。

以下に、本発明方法の実施形態を説明する。
なお、本発明方法は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明方法の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

図１は、本発明方法を実施するためのガスセンサ評価装置１の概略構成を示す構成図である。
ガスセンサ評価装置１は、試料ガス供給部１１と、センサ反応部１３と、装置制御部１５と、試料ガス分析部１７と、ヒータ駆動回路５３と、添加ガス供給部６１と、を備えて構成されている。

試料ガス供給部１１は、ベースガス（Ｎ₂ 、ＣＯ₂ 、Ｏ₂ ）とその他のガス（ＣＯ、Ｈ₂ 、Ｃ₃Ｈ₆、Ｃ₃Ｈ₈、ＮＯ、ＣＨ₄ ）とを貯蔵するガス貯蔵部２１と、各ガスの供給量を調整する流量調整部２３（マスフローコントローラ（ＭＦＣ））と、試料ガスに水分を添加する水分添加部１９と、を備えている。そして、試料ガス供給部１１は、装置制御部１５からの指令に応じて、ベースガスを第１ガス供給経路３１を介してセンサ反応部１３に供給し、その他のガスを第２ガス供給経路３３を介してセンサ反応部１３に供給する。なお、各ガスの供給量は、装置制御部１５からの指令に基づき設定される。

水分添加部１９は、水（Ｈ₂Ｏ ）を貯蔵する水貯蔵部３５と、水分の供給量を調整する水流量調整部３７とを備えており、第１ガス供給経路３１を流れるベースガスに対して、装置制御部１５からの指令に応じた量の水分を供給することにより、試料ガスの水分含有量を調整する。

添加ガス供給部６１は、リーン空燃比の排気ガスに含まれるリーン排気ガス成分、即ち酸化性雰囲気のガス（Ｎ₂ 、Ｏ₂ 、ＮＯ、ＮＯ₂ ）およびリッチ空燃比の排気ガスに含まれるリッチ排気ガス成分、即ち還元性雰囲気のガス（ＣＯ、Ｈ₂ 、ＨＣ、Ｎ₂ ）を貯蔵する添加ガス貯蔵部６３と、各ガスの供給量を調整する添加量調整部６５（マスフローコントローラ（ＭＦＣ））と、各ガスを噴射する複数のガス用インジェクタ６７と、を備えている。なお、ガス用インジェクタ６７は、例えば、天然ガスを噴射する公知のインジェクタを用いることができ、詳細な説明は省略する。

そして、添加ガス供給部６１は、装置制御部１５からの指令に応じて、酸化性雰囲気のリーン添加ガスをリーン添加ガス供給経路６９を介してセンサ反応部１３に供給し、または、還元性雰囲気のリッチ添加ガスをリッチ添加ガス供給経路７１を介してセンサ反応部１３に供給する。

なお、装置制御部１５は、内燃機関の排気ガスに含まれる成分と同一成分を有する試料ガスを供給するように、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１を制御している。
センサ反応部１３は、試料ガスの流路になるとともに評価対象ガスセンサ５１が設置される反応部ガス配管４１と、反応部ガス配管４１における試料ガスを加熱するガス加熱部４３と、を備えている。

反応部ガス配管４１は、上流から下流にかけて、第１ガス導入部４５、第２ガス導入部４７、添加ガス導入部４８、評価対象ガスセンサ設置部４９を備えている。そして、反応部ガス配管４１は、第１ガス導入部４５から導入されるベースガスと、第２ガス導入部４７から導入されるその他のガスと、添加ガス導入部４８から導入される添加ガスと、を混合してなる試料ガスを、評価対象ガスセンサ５１に対して供給する構成である。

詳細には、反応部ガス配管４１は、添加ガス導入部４８として、リーン添加成分導入部７３およびリッチ添加成分導入部７５を備えており、ベースガスに対して添加ガス（リッチ添加ガスまたはリーン添加ガス）を添加するよう構成されている。

ガス加熱部４３は、反応部ガス配管４１のうち第１ガス導入部４５と第２ガス導入部４７との間の部位を取り囲むように配置されて、反応部ガス配管４１を加熱することで、ベースガス温度を調整している。なお、ガス加熱部４３は、反応部ガス配管４１の内部温度を温度センサ（図示省略）を用いて検知してフィードバック制御を行うことで、ガス温度を目標温度（本実施形態では、４５０［℃］）に制御する。

また、リーン添加ガス供給経路６９およびリッチ添加ガス供給経路７１には、添加ガス加熱部７７が備えられている。
添加ガス加熱部７７は、リーン添加ガス供給経路６９の一部およびリッチ添加ガス供給経路７１の一部を取り囲むように配置されており、リーン添加ガス供給経路６９およびリッチ添加ガス供給経路７１を加熱することで、リーン添加ガスおよびリッチ添加ガスの温度を添加ガス目標温度（本実施形態では、１２０［℃］）に調整している。なお、添加ガス加熱部７７は、反応部ガス配管４１の内部温度を図示しない温度センサを用いて検知してフィードバック制御を行うことで、添加ガス温度を目標温度に制御する。

装置制御部１５（ＣＰＵ１５）は、試料ガスの供給時に評価対象ガスセンサ５１が出力するセンサ出力に基づいて、評価対象ガスセンサ５１の活性化所要時間を評価するための活性化所要時間判定処理を行う。なお、評価対象ガスセンサ５１の活性化所要時間とは、評価対象ガスセンサ５１に備えられるヒータ（後述する、セラミックヒータ１０３）による加熱開始時期から評価対象ガスセンサ５１が活性化状態となる時期（活性化時期）までの所要時間である。

活性化所要時間判定処理では、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１に対して指令信号を出力し、試料ガスに含まれる各ガス成分の供給量を制御することで、任意の空燃比λに相当する試料ガスを評価対象ガスセンサ５１に対して供給する処理や、試料ガス供給時における評価対象ガスセンサのセンサ出力を検出する処理などを行う。なお、装置制御部１５で実行される活性化所要時間判定処理の詳細な処理内容は、後述する。

試料ガス分析部１７は、センサ反応部１３のうち評価対象ガスセンサ設置部４９の近傍における試料ガス成分を分析し、評価対象ガスセンサ５１に対して実際に供給される試料ガス成分の分析結果を装置制御部１５に対して出力するよう構成されている。なお、装置制御部１５は、試料ガス分析部１７からの分析結果に基づき、評価対象ガスセンサ５１に供給されている試料ガスに相当する排気ガスの空燃比λを判定する。

ヒータ駆動回路５３は、装置制御部１５（ＣＰＵ１５）からヒータ起動指令を受け取ると、評価対象ガスセンサ５１に備えられるヒータを起動して、評価対象ガスセンサ５１を加熱する処理を行う。なお、本実施形態では、評価対象ガスセンサ５１に備えられるヒータは通電により発熱する構成であり、ヒータ駆動回路５３は、ヒータへの通電を行うことでヒータを起動する。

次に、評価対象ガスセンサ５１の一例として、内燃機関の排気管等に装着されて排気ガス中の酸素を検出するガスセンサ１０１（酸素センサ１０１）について、図２を用いて説明する。なお、図２は、ガスセンサ１０１の全体構成を示す断面図である。また、図２に示すガスセンサ１０１のうち、図中の下側を「ガスセンサの先端側」として、図中の上側を「ガスセンサの後端側」として説明する。

図２に示すように、ガスセンサ１０１は、ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）を主成分とする酸素イオン伝導性固体電解質体により先端部が閉じた中空軸状に形成された検出素子１０２、検出素子１０２の内部に配置された軸状のセラミックヒータ１０３、検出素子１０２を収容するケーシング１０４などから構成されている。

検出素子１０２は、測定対象ガスを検出するための検出部１２５を先端部（図における下側端部）に備えると共に、検出部１２５にて検出される測定対象ガスに応じたガス検出信号を出力するための一対の信号出力電極（外側信号出力電極１２６および内側信号出力電極１２７）を備えて構成されている。なお、外側信号出力電極１２６および内側信号出力電極１２７は、例えば、ＰｔあるいはＰｔ合金により形成された多孔質電極として構成される。

セラミックヒータ１０３は、棒状形状に形成されると共に、内部に抵抗発熱線（図示せず）を有する発熱部１４２を備えており、ヒータ用リード線１１９，１２２を経て通電されることにより発熱部１４２が発熱して、検出素子１０２の先端部（検出部１２５）を加熱する。

ケーシング１０４は、検出素子１０２を保持すると共にその検出部１２５を排気管等の内部に突出させる主体金具１０５と、主体金具１０５の後端側開口部に接続される筒状形状の内筒部材１１４と、内筒部材１１４の後端側開口部に接続される筒状形状の外筒部材１１６と、を備えて構成されている。主体金具１０５、内筒部材１１４および外筒部材１１６が接続されてケーシング１０４が形成されると、ケーシング１０４の内部に、ガス検知（本実施例では、酸素検知）に用いる基準ガス（大気）を蓄積するための基準ガス空間１５８（内部空間）が形成される。

素子用リード線１２０，１２１およびヒータ用リード線１１９，１２２は、シール部材１１１のシール部材リード線挿通孔１１７、セパレータ１０７のセパレータリード線挿通孔１７１を通じて、外部からケーシング１０４の内部に設けられる基準ガス空間１５８に向けて配設される。素子用リード線１２０は、素子外面固定金具１４３を経て、検出素子１０２の外側信号出力電極１２６と電気的に接続されている。他方の素子用リード線１２１は、素子内面固定金具１４４を経て検出素子１０２の内側信号出力電極１２７と電気的に接続されている。

このように構成されたガスセンサ１０１は、セラミックヒータ１０３の加熱により検出素子１０２が活性化状態になった状態で先端部が測定対象ガスに晒されると、測定対象ガス中の酸素濃度変化に応じたガス検出信号（センサ出力信号）を出力することにより、測定対象ガス中の酸素濃度を検出するよう構成されている。

そのため、ガスセンサ１０１をガスセンサ評価装置１で評価する際には、ガスセンサ１０１の先端側が評価対象ガスセンサ設置部４９から反応部ガス配管４１の内部に配置される状態で、ガスセンサ１０１を評価対象ガスセンサ５１としてセンサ反応部１３に取り付て試料ガスを供給することで、ガスセンサ１０１の評価を行う。

次に、装置制御部１５が実行する活性化所要時間判定処理の処理内容を表すフローチャートを図３に示すとともに、活性化所要時間判定処理の処理内容について説明する。
処理が起動されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す。以下同様。）では、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１に対してガス供給開始指令信号を出力する。これにより、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１は、センサ反応部１３に対して試料ガス（ベースガス、その他のガス、水分、添加ガス）の供給を開始する。

次のＳ１２０では、試料ガスに含まれるガス成分を周期的に切り換える試料ガス切換制御処理を起動する処理を行う。
試料ガス切換制御処理では、試料ガス供給部１１および添加ガス供給部６１に対してガス切換指令信号（酸素濃度を指令する信号）を出力して、試料ガスにおける酸素濃度が異なる２パターンの試料ガスを周期的に交互に切り換える処理を行う。なお、本実施形態における試料ガスの２パターンの酸素濃度は、所定のリッチ空燃比（本実施形態では、λ＝０．９に設定）に対応した酸素濃度と、所定のリーン空燃比（本実施形態では、λ＝１．１に設定）に対応した酸素濃度とである。

つまり、試料ガス切換制御処理は、リッチ空燃比の排気ガスに相当する試料ガスと、リーン空燃比の排気ガスに相当する試料ガスとを、交互に切り換えて評価対象ガスセンサ５１に供給する処理を行う。なお、試料ガス切換制御処理は、活性化所要時間判定処理が終了するまで繰り返し実行される。

なお、この２パターンの試料ガス（リッチ空燃比の排気ガスに相当する試料ガス、リーン空燃比の排気ガスに相当する試料ガス）は、特許請求の範囲に記載の第１ガスおよび第２ガスに相当する。

次のＳ１３０では、Ｓ１２０で開始された試料ガス切換制御処理における試料ガスの切換タイミングであるか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１４０に移行し、否定判定する場合には同ステップを繰り返し実行することで待機する。

Ｓ１３０で肯定判定されてＳ１４０に移行すると、Ｓ１４０では、評価対象ガスセンサ５１のヒータを起動すると共に、タイマ計測処理を開始する処理を行う。
ヒータの起動は、ヒータ駆動回路５３に対してヒータ起動指令を出力することで実行し、ヒータ起動指令を受けたヒータ駆動回路５３は、評価対象ガスセンサ５１のヒータ（換言すれば、酸素センサ１０１のセラミックヒータ１０３）への通電を開始して、評価対象ガスセンサ５１（詳細には、検出素子１０２）を加熱する処理を開始する。

また、タイマ計測処理は、ヒータによる加熱開始時期から評価対象ガスセンサ５１の活性化時期までの時間を計測するために実行する処理である。なお、タイマ計測処理は、活性化所要時間判定処理が終了するまで継続して実行される。

次のＳ１５０では、評価対象ガスセンサ５１のセンサ出力を検出するセンサ出力検出処理を開始すると共に、検出したセンサ出力結果（出力波形）を装置制御部１５の記憶部（メモリなど）に記憶する処理を開始する。これにより、試料ガスの酸素濃度変化（換言すれば、空燃比変化）に対する評価対象ガスセンサ５１のセンサ出力特性を検出する処理を実行する。なお、センサ出力検出処理は、活性化所要時間判定処理が終了するまで継続して実行される。

次のＳ１６０では、センサ出力が条件１を満たすか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１７０に移行し、否定判定する場合には同ステップを繰り返し実行することで待機する。

本実施形態の条件１は、「センサ出力が４５０［ｍＶ］を超えること」であり、Ｓ１６０では、ヒータ起動後にセンサ出力が初めて４５０［ｍＶ］を超える時期を検出する。なお、本実施形態の評価対象ガスセンサ５１は、理論空燃比（λ＝１．０）に対応した酸素濃度を検出したときに４５０［ｍＶ］を出力する特性を有している。

Ｓ１６０で肯定判定されてＳ１７０に移行すると、Ｓ１７０では、Ｓ１４０で開始したタイマ計測処理のタイマ時間を第１条件時間変数Ｔ１として装置制御部１５の記憶部（メモリなど）に記録する処理を行う。つまり、Ｓ１７０では、ヒータ起動から条件１が満足されるまでの所要時間を第１条件時間変数Ｔ１として記憶する処理を行う。

次のＳ１８０では、センサ出力が条件２を満たすか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１９０に移行し、否定判定する場合には同ステップを繰り返し実行することで待機する。

本実施形態の条件２は、「センサ出力が３５０［ｍＶ］を下回った後センサ出力が５５０［ｍＶ］を超えること」であり、Ｓ１８０では、ヒータ起動後にセンサ出力が初めて４５０［ｍＶ］を超えた後において、センサ出力が３５０［ｍＶ］未満の値および５５０［ｍＶ］を超える値をそれぞれ出力可能となる時期を検出する。

なお、本実施形態の評価対象ガスセンサ５１は、リッチ空燃比（λ＝０．９）での排気ガスにおける酸素濃度を検出する際に５５０［ｍＶ］よりも大きいセンサ出力を示し、リーン空燃比（λ＝１．１）での排気ガスにおける酸素濃度を検出する際に３５０［ｍＶ］よりも小さいセンサ出力を示す特性を有している。

Ｓ１８０で肯定判定されてＳ１９０に移行すると、Ｓ１９０では、Ｓ１４０で開始したタイマ計測処理のタイマ時間を第２条件時間変数Ｔ２として装置制御部１５の記憶部（メモリなど）に記録する処理を行う。つまり、Ｓ１９０では、ヒータ起動から条件２が満足されるまでの所要時間を第２条件時間変数Ｔ２として記憶する処理を行う。

次のＳ２００では、第２条件時間変数Ｔ２を評価対象ガスセンサ５１の活性化所要時間として装置制御部１５の記憶部（メモリなど）に記録する処理を行う。
Ｓ２００での処理が終了すると、活性化所要時間判定処理が終了する。

なお、活性化所要時間判定処理で得られた活性化所要時間は、必要に応じて他の制御処理などが装置制御部１５の記憶部（メモリなど）から読み取ることができる。
ここで、同一のガスセンサを評価した場合における試料ガスの切換時期に対するヒータ起動時期の相対時間が異なる２つのケースについて、ガス雰囲気およびセンサ出力の各波形のタイムチャートを図４に示す。

なお、図４では、試料ガスの切換時期を試料ガス分析部１７が検出するガス雰囲気（リッチまたはリーン）として表し、ヒータ起動時期をヒータ動作（ＯＮまたはＯＦＦ）として表している。また、ケース１は、ヒータ起動時期が試料ガスの切換時期（リーンからリッチへの切換時期）と同時期となる場合の波形であり、ケース２は、ヒータ起動時期が試料ガスの切換時期（リーンからリッチへの切換時期）よりも僅かに遅れた時期となる場合（換言すれば、ヒータ起動時期と試料ガスの切換時期とにズレがある場合）の波形である。

図４に示すように、同一のガスセンサについての評価であっても、試料ガスの切換時期に対するヒータ起動時期の相対時間が異なることにより、センサ出力の波形が異なる波形を示すこととなり、その結果、条件１を満たす第１条件時間変数Ｔ１や条件２を満たす第２条件時間変数Ｔ２が異なる値を示すことが判る。この理由としては、試料ガスの切換時期に対するガスセンサの活性化状態の違いに原因があると考えられる。

つまり、ケース１では、ヒータ起動から２．５［ｓｅｃ］経過した時点が、試料ガスがリッチ雰囲気であり、かつガスセンサが４５０［ｍＶ］を出力可能な活性化状態であることから、ヒータ起動後２．５［ｓｅｃ］経過時点において、センサ出力が４５０［ｍＶ］を超える値を示し、条件１を満たしている。

これに対して、ケース２では、ヒータ起動から２．５［ｓｅｃ］経過した時点は、ガスセンサとしてはケース１と同様に４５０［ｍＶ］を出力可能な活性化状態であるとしても、試料ガスがリーン雰囲気であるために、センサ出力が４５０［ｍＶ］を超える値を示すことはなく、条件１を満たすことはない。このため、ケース２において条件１を満たす時期は、ケース１よりも遅い時期となり、第１条件時間変数Ｔ１は、ケース１とケース２とで異なる値を示すことになる。

条件２を満たす時期についても同様に、ヒータ起動から３．５［ｓｅｃ］経過した時点におけるガスセンサの活性化状態がケース１とケース２とで異なることから、第２条件時間変数Ｔ２は、ケース１とケース２とで異なる値を示すことになる。

つまり、同一のガスセンサを評価する場合であっても、試料ガスの切換時期に対するヒータ起動時期の相対時間が異なる場合には、活性化所要時間の検出結果が異なる値となる可能性があることが判る。

これに対して、本実施形態のガスセンサ評価装置においては、上述したように、ヒータ起動タイミング（Ｓ１４０）が試料ガスの切換時期を基準として定められることから（Ｓ１３０）、試料ガスの切換時期に対するヒータ起動時期の相対時間を一定にすることができる。このため、本実施形態のガスセンサ評価装置を用いたガスセンサ評価方法によれば、試料ガスのガス雰囲気の切換時期とヒータ起動時期との時間間隔にバラツキが生じるのを防止でき、活性化所要時間の検出結果に誤差が生じるのを防止できる。

ここで、ガスセンサの活性化所要時間を評価したときの評価結果について、本実施形態のガスセンサ評価装置を用いた場合（より具体的には、上記ケース１のみでガスセンサの活性化所要時間を評価した場合）と、従来のガスセンサ評価装置を用いた場合とを比較した測定結果を、図５に示す。

なお、比較測定は、同一のガスセンサについて複数回にわたり活性化所要時間の評価を行い、活性化所要時間のバラツキを調べる方法により実施した。図５では、従来のガスセンサ評価装置における測定結果を比較例として記載している。

図５に示す測定結果から分かるように、従来のガスセンサ評価装置を用いた場合には、活性化所要時間の検出結果に大きなバラツキが生じているのに対して、本実施形態のガスセンサ評価装置を用いた場合には、活性化所要時間の検出結果におけるバラツキが小さくなっていることが判る。

このことから、本発明方法を適用した本実施形態のガスセンサ評価装置は、従来の装置に比べて、活性化所要時間の検出誤差が小さくなることから、活性化所要時間の検出精度の向上を図ることができる。

以上説明したように、本実施形態のガスセンサ評価装置によるガスセンサ評価方法によれば、試料ガスにおける酸素の濃度切換時期を基準としてヒータによるガスセンサの加熱開始時期が一定時期に定められることから、試料ガスの切り換え時期とヒータ起動時期との相対的な時間差が一定となる。

よって、本実施形態のガスセンサ評価装置によるガスセンサ評価方法によれば、試料ガスのガス雰囲気の切換時期とヒータ起動時期との時間間隔にバラツキが生じるのを防止でき、活性化所要時間の検出結果に誤差が生じるのを防止できることから、同一品番のガスセンサにおける活性化所要時間の評価を行うにあたっての評価精度の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、ガス加熱部４３および添加ガス加熱部７７が図示しない温度センサを用いて検知してフィードバック制御を行うことで試料ガスの温度を目標温度に制御しており、試料ガスの温度を一定に制御している。このように試料ガスの温度を一定にすることで、試料ガスの温度の影響による評価対象ガスセンサ５１の温度変化を抑制することができる。これにより、活性化所要時間の評価にあたり、試料ガスの温度が変動することに起因して活性化所要時間に誤差が生じるのを防止できる。

よって、本実施形態のガスセンサ評価装置におけるガスセンサ評価方法によれば、試料ガスの温度変化に起因する活性化所要時間の検出誤差が生じるのを防止でき、活性化所要時間の検出精度をさらに向上することができる。

また、本実施形態のガスセンサ評価装置においては、試料ガスにおける酸素濃度を切り換えるにあたり、リッチ空燃比における排気ガスの酸素濃度、リーン空燃比における排気ガスの酸素濃度のいずれかに切り換えている。試料ガスの酸素濃度をこのように切り換えることで、試料ガスの切り換えによってガスセンサのセンサ出力が大きく変化することから、ガスセンサの活性化状態の判定が容易になる。

これにより、活性化状態であるにもかかわらず、未活性化状態であると誤判定されるのを防止でき、活性化状態の誤判定を防止できることから、これに伴い、活性化所要時間を検出する際に検出誤差が生じるのを抑制できる。

よって、本実施形態のガスセンサ評価装置におけるガスセンサ評価方法によれば、ガスセンサの活性化状態の誤判定に起因する活性化所要時間の検出誤差を抑制することができ、活性化所要時間の検出精度をさらに向上できる。

以上、本発明方法の実施形態について説明したが、本発明方法は、上記実施形態に限定されることはなく、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、試料ガスにおける特定成分（酸素）の濃度切換時期と同時期にヒータ起動時期を設定する形態について説明したが、ヒータ起動時期は試料ガスのガス雰囲気の切換時期と同時期に限られることはなく、例えば、試料ガスのガス雰囲気の切換時期から一定時間経過後にヒータ起動時期を設定しても良い。

つまり、試料ガスのガス雰囲気の切換時期から一定時間経過後にヒータ起動時期を設定する場合においても、試料ガスの切り換え時期とヒータ起動時期との相対的な時間差が一定となることから、試料ガスのガス雰囲気の切換時期とヒータ起動時期との時間間隔にバラツキが生じるのを防止でき、活性化所要時間の検出結果に誤差が生じるのを防止できることから、活性化所要時間の評価精度の向上を図ることができる。

また、評価対象のガスセンサは、酸素を検出する酸素センサに限られることはなく、ＮＯｘセンサなど他のガスを検出するものであっても良く、ヒータの加熱により活性化する構成のガスセンサであれば、本発明方法のガスセンサ評価方法を適用することができる。さらに、内燃機関の排気ガスにおける酸素濃度を検出するガスセンサとしては、理論空燃比（λ＝１．０）を境界としてセンサ出力が変化することでリッチ空燃比又はリーン空燃比の判定が可能な酸素センサ（いわゆるλセンサ）に限られず、空燃比に応じてセンサ出力が変化する全領域空燃比センサであってもよい。

なお、全領域空燃比センサを評価する場合には、試料ガスとして、リッチまたはリーンの２種類の試料ガスを用いる場合に限られることはなく、センサ出力が異なる２種類の試料ガスを供給すればよい。例えば、リッチ空燃比における異なる２つの空燃比（例えば、λ＝０．７とλ＝０．９の２種類の空燃比）にそれぞれ対応する２種類の試料ガスを切り換えて供給しても良く、あるいは、リーン空燃比における異なる２つの空燃比（例えば、λ＝１．１とλ＝１．３の２種類の空燃比）にそれぞれ対応する２種類の試料ガスを切り換えて供給しても良い。

また、評価対象のガスセンサは、有底筒型のセンサ素子（検出素子）を備える構成に限られることはなく、板型のセンサ素子を備える構成であってもよい。
さらに、活性化所要時間の判定条件は、上記の条件１および条件２を満たす判定条件に限られることはなく、例えば、「ヒータ起動後、初めて５５０［ｍＶ］を超えたこと」のように活性化所要時間の判定条件を単純にしても良い。あるいは、上記の条件１および条件２に対してさらに「条件２を満足した後、１［ｓｅｃ］経過したこと」を加えた条件を活性化所要時間の判定条件とすることで、ガスセンサが確実に活性化状態となっている時期を活性化所要時間として判定しても良い。また、判定条件におけるセンサ出力の値は、上記実施形態の数値に限られることはなく、評価対象ガスセンサの特性に応じて適宜設定すればよい。

また、上記実施形態では、ガス加熱部４３により試料ガスの温度を一定にする実施形態を記載したが、試料ガス供給部１１における各ガスの温度が一定温度となる環境下の場合には、ガス加熱部４３による温度制御を行わなくてもよい。

さらに、試料ガスの生成方法は、ガス貯蔵部に貯蔵された各種ガスを混合して試料ガスを生成する実施形態に限られることはなく、実際の内燃機関を用いて生成される排気ガスを試料ガスとして用いても良い。この場合、内燃機関の空燃比を切り換えることで、試料ガス中の特定成分の濃度を切り換えることができる。

なお、図４によれば、活性化所要時間の検出誤差は、試料ガスの切替周期が長くなるほど検出誤差は大きくなると理解できる。このことから、試料ガスの切替周期を長く設定する必要がある用途において本発明方法を適用することで、活性化所要時間の検出誤差が生じるのを効果的に抑制でき、検出精度の向上を図ることができる。

ところで、製造ラインにおいて多数のガスセンサを検査する場合には、活性化所要時間の検出誤差によって製品検査結果が誤った結果となると、本来であれば合格品と評価されるべきガスセンサが誤って不良品と判定されることや、本来であれば不良品と評価されるべきガスセンサが誤って合格品と判定されることが生じる。

そのため、製造ラインにおいて多数のガスセンサを検査する場合に、本発明方法のガスセンサ評価方法を適用することで、活性化所要時間の誤検出に起因するガスセンサの合否判定に誤りが生じるのを防止でき、ガスセンサの合否判定精度を向上できる。

ガスセンサ評価装置の概略構成を示す構成図である。 ガスセンサの全体構成を示す断面図である。 活性化所要時間判定処理の処理内容を表すフローチャートである。 試料ガスの切換時期に対するヒータ起動時期の相対時間が異なる２つのケースにおけるガス雰囲気およびセンサ出力の各波形のタイムチャートである。 本実施形態のガスセンサ評価装置を用いた場合と従来のガスセンサ評価装置を用いた場合とを比較した測定結果を表す説明図である。

符号の説明

１…ガスセンサ評価装置、１１…試料ガス供給部、１３…センサ反応部、１５…装置制御部、１７…試料ガス分析部、１９…水分添加部、２１…ガス貯蔵部、４１…反応部ガス配管、４３…ガス加熱部、４５…第１ガス導入部、４７…第２ガス導入部、４９…評価対象ガスセンサ設置部、５１…評価対象ガスセンサ、５３…ヒータ駆動回路、１０１…ガスセンサ（酸素センサ）、１０２…検出素子、１０３…セラミックヒータ、１０４…ケーシング。

Claims (3)

1. ヒータの加熱により測定対象ガス中の特定成分を検出可能な活性化状態となるガスセンサについて、前記ヒータによる加熱開始から前記ガスセンサが活性化状態となるまでの活性化所要時間を評価するガスセンサ評価方法であって、
   前記特定成分を含む試料ガスを前記ガスセンサに供給し、前記試料ガスに対する前記ガスセンサのセンサ出力に基づいて前記活性化所要時間を評価するにあたり、
   前記試料ガスとして前記特定成分の濃度が異なる第１ガスと第２ガスを周期的に切り換えつつ前記試料ガスを供給し、
   前記試料ガスにおける前記第１ガスから前記第２ガスへの切換時期または第２ガスから第１ガスへの切換時期を基準として定められる時期に、前記ヒータによる前記ガスセンサの加熱を開始し、
   前記センサ出力が前記試料ガスにおける前記特定成分の濃度変化に応じた変化状態となる活性化時期を検出し、
   前記ヒータによる加熱開始時期から前記活性化時期までの時間を前記活性化所要時間として評価すること、
   を特徴とするガスセンサ評価方法。
2. 前記試料ガスの温度が一定であること、
   を特徴とする請求項１に記載のガスセンサ評価方法。
3. 前記測定対象ガスが内燃機関の排気ガスであり、
   前記特定成分が酸素であり、
   前記試料ガスにおける酸素濃度を周期的に切り換えるにあたり、予め定められたリッチ空燃比に対応した酸素濃度となるように調整された前記第１ガスと、予め定められたリーン空燃比に対応した酸素濃度となるように調整された前記第２ガスと、に切り換えること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ評価方法。

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