JP2021039088A

JP2021039088A - ガスセンサおよびガスセンサの動作制御方法

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Publication number: JP2021039088A
Application number: JP2020104695A
Authority: JP
Inventors: 悠介渡邉; Yusuke Watanabe; 高幸関谷; Takayuki Sekiya; 大智市川; Daichi Ichikawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2020-06-17
Publication date: 2021-03-11

Abstract

【課題】被測定ガス中の酸素濃度が高い場合においても精度よくＮＯｘの測定を行うことができるガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサのコントローラが、動作状態にあるガスセンサが所定の診断条件を充足していると判定された場合に、ガスセンサの制御状況を診断する診断処理と、診断処理における診断結果に応じてガスセンサの制御条件を調整する調整処理と、を実行可能とされてなり、診断処理においては、主ポンプ電圧と主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、調整処理においては、診断処理において主ポンプ電圧が診断閾値以上であると診断された場合に、少なくともヒータ部が素子駆動温度を動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、主ポンプ電圧を診断閾値よりも低下させる、温度調整処理を行う、ようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を求めるガスセンサに関するものであり、特に、高ＮＯｘ濃度範囲における測定精度確保のための動作制御に関する。

酸素イオン伝導性の固体電解質を主たる構成成分とするセンサ素子を用いた、限界電流型のガスセンサ（ＮＯｘセンサ）がすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。このようなガスセンサにおいて、ＮＯｘ濃度を求めるにあたってはまず、被測定ガスがセンサ素子の内部に設けた空所（内部空所）に所定の拡散抵抗の下で導入され、係る被測定ガス中の酸素が、例えば主ポンプセルおよび補助ポンプセルなどと称される（特許文献１においては第一および第二の電気化学的ポンプセル）二段階に設けられた電気化学的ポンプセルにて汲み出されて、被測定ガス中の酸素濃度があらかじめ十分に低下させられる。その後、被測定ガス中のＮＯｘが、還元触媒として機能する測定電極（特許文献１においては第三内側ポンプ電極）において還元または分解され、これによって生じる酸素が、測定電極を含む、例えば測定ポンプセルなどと称される（特許文献１においては第三の電気化学的ポンプセル）上記とは別の電気化学的ポンプセルにて汲み出される。そして、係る測定ポンプセルを流れる電流（ＮＯｘ電流）がＮＯｘの濃度との間に一定の関数関係を有することを利用して、ＮＯｘの濃度が求められるようになっている。

係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）において、主ポンプセルが内部空所から酸素を汲み出す際にＮＯｘが分解されてしまうことを抑制し、ＮＯｘの検出精度を高めることを目的として、内部空所に設けられてなり主ポンプセルを構成する内側ポンプ電極の金属成分に、Ａｕが添加されたＰｔ（Ａｕ−Ｐｔ合金）を用いる態様も、すでに公知である（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。

特許第３０５０７８１号公報特開２０１４−１９０９４０号公報特開２０１４−２０９１２８号公報

上述のようなガスセンサにおいては、測定電極に到達した被測定ガス中のＮＯｘが測定電極の触媒作用により還元されることで生じる酸素の量に基づき、ＮＯｘの濃度が求められる。その際、被測定ガス中の酸素は、被測定ガスが測定電極に到達するまでの間に電気化学的ポンプセルによって汲み出されるが、係る酸素の汲み出しは、ＮＯｘの分解が生じない範囲で被測定ガスの酸素分圧（酸素濃度）が十分に低められる態様にて行われる。測定電極に到達する前にＮＯｘが分解してしまうと、測定電極に到達するＮＯｘの量が減少し、濃度を精度よく求めることができなくなるためである。

しかしながら、内部空所に導入される被測定ガスの酸素濃度が高い場合、酸素の汲み出しの際にＮＯｘの分解が生じてしまう場合がある。この点について、本発明の発明者が鋭意検討したところ、主ポンプ電極やヒータの劣化などに起因して、主ポンプセルのインピーダンスが増大しているガスセンサにおいて、主ポンプセルに印加されるポンプ電圧が大きくなる傾向があり、結果としてＮＯｘの分解が生じやすくなっているとの知見が得られた。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合においても精度よくＮＯｘの測定を行うことができるガスセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサであって、前記センサ素子が、外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、前記第１の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられた空所外ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルと、前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第１の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、を有してなり、かつ、前記ガスセンサの動作を制御するコントローラ、を備え、少なくとも、前記ヒータ部が前記センサ素子を所定の素子駆動温度に加熱し、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプセルに主ポンプ電圧が印加され、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプセルに測定ポンプ電圧が印加されることで、前記センサ素子がＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態とされ、前記コントローラは、前記ガスセンサが前記動作状態にあるときに、前記ガスセンサが所定の診断条件を充足しているか否かを判定する条件判定処理を行う判定手段と、前記ガスセンサが前記診断条件を充足していると判定された場合に、前記ガスセンサの制御状況を診断する診断処理を行う診断手段と、前記診断処理における診断結果に応じて前記ガスセンサの制御条件を調整する調整処理を行う調整手段と、を備え、前記診断手段は前記診断処理において、前記主ポンプ電圧と前記主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、前記調整手段は、前記調整処理として温度調整処理を行う温度調整手段を備え、前記温度調整処理は、前記診断処理において前記主ポンプ電圧が前記診断閾値以上であると診断された場合に、少なくとも前記ヒータ部が前記素子駆動温度を前記動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理である、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、請求項１に記載のガスセンサであって、前記センサ素子が、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、をさらに備え、前記測定電極が、前記第２の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有するように設けられてなり、かつ、前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に前記主ポンプ電圧を印加する第１の可変電源と、前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第２の可変電源と、前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に前記測定ポンプ電圧を印加する第３の可変電源と、を有してなり、前記第１の可変電源が、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプ電圧を印加し、前記第２の可変電源が、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、前記第３の可変電源が、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプ電圧を印加することで、前記センサ素子がＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態とされ、前記調整手段が、前記調整処理として起電力調整処理を行う起電力調整手段と、前記調整処理として補助ポンプ電流調整処理を行う補助ポンプ電流調整手段と、をさらに備え、前記起電力調整処理は、前記第２の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、前記補助ポンプ電流調整処理は、前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、前記調整手段は、前記温度調整手段による前記温度調整処理に代えて、あるいは前記温度調整処理と併せて、前記起電力調整手段による前記起電力調整処理と前記補助ポンプ電流調整手段による前記補助ポンプ電流調整処理の少なくとも一方を、前記調整処理として行う、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様に係るガスセンサであって、前記起電力調整処理においてはさらに、前記第１の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を低下させる、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第２または第３の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記コントローラが、前記測定ポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて前記被測定ガスのＮＯｘ濃度値を求める濃度演算手段、をさらに備え、前記濃度演算手段は、前記温度調整処理による上昇後の前記素子駆動温度と、前記補助ポンプ電流調整処理による増大後の前記補助ポンプ電流との少なくとも一方に基づいて、前記濃度演算手段によって求められるＮＯｘ濃度値を補正する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第４の態様に係るガスセンサであって、前記被測定ガスがＮＯｘを含まないときに前記測定ポンプセルを流れる電流をオフセット電流とするときに、前記コントローラが、あらかじめ特定された、前記素子駆動温度と前記補助ポンプ電流とのすくなくとも一方と前記オフセット電流との関係を示す補正マップを記憶しており、前記濃度演算手段は、前記補正マップに基づいて前記ＮＯｘ濃度値を補正する、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１ないし第５の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記素子駆動温度が７００℃〜９００℃の範囲で設定され、前記条件判定処理においては、少なくとも前記センサ素子が前記素子駆動温度に到達しているとともに前記センサ素子の内部に導入される前記被測定ガスが大気雰囲気あるときに、前記診断条件が充足されていると判定され、前記診断閾値が７５０ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定される、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサの、動作制御方法であって、前記センサ素子が、外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、前記第１の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられた空所外ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルと、前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第１の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、を有してなり、かつ、前記ガスセンサは、少なくとも、前記センサ素子が前記ヒータ部によって所定の素子駆動温度に加熱され、前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように主ポンプ電圧が印加され、前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように測定ポンプ電圧が印加されることで、ＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態とされ、前記ガスセンサが前記動作状態にあるときに、前記ガスセンサが所定の診断条件を充足しているか否かを判定する条件判定工程と、前記条件判定工程において前記ガスセンサが前記診断条件を充足していると判定された場合に、前記ガスセンサの制御状況を診断する診断工程と、前記診断工程における診断結果に応じて前記ガスセンサの制御条件を調整する調整工程と、を備え、前記診断工程においては、前記主ポンプ電圧と前記主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、前記調整工程においては、前記診断工程において前記主ポンプ電圧が前記診断閾値以上であると診断された場合に、少なくとも前記ヒータ部が前記素子駆動温度を前記動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、温度調整処理を行う、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第７の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記センサ素子が、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、をさらに備え、前記測定電極が、前記第２の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有するように設けられてなり、かつ、ＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態においてはさらに、前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように補助ポンプ電圧が印加され、前記調整工程においては、前記温度調整処理に代えて、あるいは前記温度調整処理と併せて、前記第２の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、起電力調整処理と、前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、補助ポンプ電流調整処理と、の少なくとも一方を行う、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第８の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記起電力調整処理においてはさらに、前記第１の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を低下させる、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、第８または第９の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記ガスセンサは、前記測定ポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて前記被測定ガスのＮＯｘ濃度値を求めるようになっており、かつ、前記ガスセンサは、前記温度調整処理が行われた場合には少なくとも上昇後の前記素子駆動温度に基づいて、前記補助ポンプ電流調整処理が行われた場合には少なくとも増大後の前記補助ポンプ電流に基づいて、前記ＮＯｘ濃度を補正する、ことを特徴とする。

本発明の第１１の態様は、第１０の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記被測定ガスがＮＯｘを含まないときに前記測定ポンプセルを流れる電流をオフセット電流とするときに、前記素子駆動温度と前記補助ポンプ電流とのすくなくとも一方と前記オフセット電流との関係を示す補正マップがあらかじめ特定されており、前記ガスセンサは、前記補正マップに基づいて前記ＮＯｘ濃度値を補正する、ことを特徴とする。

本発明の第１２の態様は、第７ないし第１１の態様のいずれかに係るガスセンサの動作制御方法であって、前記素子駆動温度が７００℃〜９００℃の範囲で設定され、前記条件判定工程においては、少なくとも前記センサ素子が前記素子駆動温度に到達しているとともに前記センサ素子の内部に導入される前記被測定ガスが大気雰囲気あるときに、前記診断条件が充足されていると判定され、前記診断閾値が７５０ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定される、ことを特徴とする。

本発明の第１ないし第１２の態様によれば、ガスセンサにおけるセンサ素子の動作制御が、主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解が生じるような不適正な状況のもとでなされることが、好適に抑制される。特に、経時的な劣化に起因して、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合の主ポンプ電圧が高くなり、それゆえ主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解が生じ得る状態にあるガスセンサにおいても、係る分解を抑制して精度よくＮＯｘの測定を行うことができる。

特に、第４、第５、第１０、および第１１の態様によれば、主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解を抑制することに起因した、ＮＯｘの測定精度の低下が、好適に抑制される。

センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。コントローラ１１０の機能的構成を示す図である。感度特性を示すＮＯｘ濃度とＮＯｘ電流Ｉｐ２との関数関係について例示する図である。状態の異なる２つのガスセンサ１００によるモデルガス測定により得られたＮＯｘ電流Ｉｐ２を、モデルガスの酸素濃度に対してプロットした図である。決定係数Ｒ^２と、主ポンプセル２１において被測定ガスにおける酸素濃度が大きい場合に印加される主ポンプ電圧Ｖｐ０との相関を示す図である。ガスセンサ１００における制御状況診断処理の流れを示す図である。補助ポンプ電流Ｉｐ１と主ポンプ電圧Ｖｐ０との関係を例示する図である。ヒータ温度とオフセット電流の実測値との関係を例示する図である。制御電流とオフセット電流の実測値との関係を例示する図である。ガスセンサ１００における制御状況診断処理における処理の流れを、その後工程も含めて示す図である。新品センサ、劣化センサ、実施例１〜実施例３について、モデルガス測定にて得られたＮＯｘ電流Ｉｐ２を、モデルガスの酸素濃度に対してプロットした図である。

＜第１の実施の形態＞
＜ガスセンサの概略構成＞
初めに、本発明の第１の実施の形態に係るセンサ素子１０１を含む、ガスセンサ１００の概略構成について説明する。本実施の形態において、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によってＮＯｘを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のＮＯｘセンサである。また、ガスセンサ１００は、各部の動作を制御するとともに、センサ素子１０１を流れるＮＯｘ電流に基づいてＮＯｘ濃度を特定するコントローラ１１０をさらに備える。

図１は、センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。

センサ素子１０１は、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（ＺｒＯ_２）からなる（例えばイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる）、第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの固体電解質層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する、平板状の（長尺板状の）素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。なお、以降においては、図１におけるこれら６つの層のそれぞれの上側の面を単に上面、下側の面を単に下面と称することがある。また、センサ素子１０１のうち固体電解質からなる部分全体を基体部と総称する。

係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１０１の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内や第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。

ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。

第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。

第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面（センサ素子１０１の一方主面）の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側（空所外）ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）に形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成されてなる。これら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとは、第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。

天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂは、平面視矩形状に設けられてなる。ただし、天井電極部２２ａのみ、あるいは、底部電極部２２ｂのみが設けられる態様であってもよい。

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極として形成される。特に、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。例えば、５％〜４０％の気孔率を有し、Ａｕを０．６ｗｔ〜１．４ｗｔ％程度含むＡｕ−Ｐｔ合金とＺｒＯ_２とのサーメット電極として、５μｍ〜２０μｍの厚みに形成される。Ａｕ−Ｐｔ合金とＺｒＯ_２との重量比率は、Ｐｔ：ＺｒＯ_２＝７．０：３．０〜５．０：５．０程度であればよい。

一方、外側ポンプ電極２３は、例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ_２とのサーメット電極として、平面視矩形状に形成される。

主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に可変電源２４によって所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向に主ポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。なお、主ポンプセル２１において内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に印加されるポンプ電圧Ｖｐ０を、主ポンプ電圧Ｖｐ０とも称する。

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセルである主センサセル８０が構成されている。

主センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。

さらに、コントローラ１１０が、起電力Ｖ０が一定となるように主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これにより、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保たれるようになっている。

第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、さらに、測定ポンプセル４１が動作することによりなされる。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様の形態にて、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成されてなり、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成されてなる。これら天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂは、平面視矩形状をなしているとともに、第２内部空所４０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。

なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

補助ポンプセル５０においては、コントローラ１１０による制御のもと、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセルである補助センサセル８１が構成されている。

この補助センサセル８１にて検出される、第２内部空所４０内の酸素分圧に応じた起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これとともに、その補助ポンプ電流Ｉｐ１が、主センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、補助ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

測定ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定ポンプセル４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

測定電極４４は、多孔質サーメット電極である。例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ_２とのサーメット電極として形成される。測定電極４４は、第２内部空所４０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。さらに、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。

第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護膜としても機能する。

測定ポンプセル４１においては、コントローラ１１０による制御のもと、測定電極４４の周囲の雰囲気中におけるＮＯｘの分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセルである測定センサセル８２が構成されている。測定センサセル８２にて検出される、測定電極４４の周囲の酸素分圧に応じた起電力Ｖ２に基づいて、可変電源４６が制御される。

第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中のＮＯｘは還元されて（２ＮＯ→Ｎ_２＋Ｏ_２）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に比例するものであるから、測定ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が算出されることとなる。以降、係るポンプ電流Ｉｐ２のことを、ＮＯｘ電流Ｉｐ２とも称する。

また、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と基準電極４２を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。

また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

センサ素子１０１は、さらに、基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。

ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータエレメント７２と、ヒータリード７２ａと、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、図１においては図示を省略するヒータ抵抗検出リード７５（図２）とを、主として備えている。また、ヒータ部７０は、ヒータ電極７１を除いて、センサ素子１０１の基体部に埋設されてなる。

ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面（センサ素子１０１の他方主面）に接する態様にて形成されてなる電極である。

ヒータエレメント７２は、第２基板層２と第３基板層３との間に設けられた抵抗発熱体である。ヒータエレメント７２は、図１においては図示を省略する、センサ素子１０１の外部に備わるヒータ電源７６（図２）から、通電経路であるヒータ電極７１、スルーホール７３、およびヒータリード７２ａを通じて給電されることより、発熱する。ヒータエレメント７２は、Ｐｔにて、あるいはＰｔを主成分として、形成されてなる。ヒータエレメント７２は、センサ素子１０１のガス流通部が備わる側の所定範囲に、素子厚み方向においてガス流通部と対向するように埋設されている。ヒータエレメント７２は、１０μｍ〜２０μｍ程度の厚みを有するように設けられる。

センサ素子１０１においては、ヒータ電極７１を通じてヒータエレメント７２に電流を流すことにより、ヒータエレメント７２を発熱させることで、センサ素子１０１の各部を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。具体的には、センサ素子１０１は、ガス流通部付近の固体電解質および電極の温度が７００℃〜９００℃程度になるように加熱される。係る加熱によって、センサ素子１０１において基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。なお、ガスセンサ１００が使用される際の（センサ素子１０１が駆動される際の）ヒータエレメント７２による加熱温度を、センサ素子駆動温度と称する。

ヒータエレメント７２による発熱の程度は、ヒータエレメント７２の抵抗値の大きさ（ヒータ抵抗）によって把握される。ヒータ抵抗検出リード７５は、係るヒータ抵抗の測定のために、設けられてなる。

＜コントローラ＞
次に、コントローラ１１０の機能についてより詳細に説明する。図２は、ガスセンサ１００に備わるコントローラ１１０の機能的構成を示す図である。

コントローラ１１０は、汎用のあるいは専用のコンピュータによって実現されるものであり、そのＣＰＵ、メモリなどにより実現される機能的構成要素として、統括制御部１１１と、主ポンプ制御部１１２と、補助ポンプ制御部１１３と、測定ポンプ制御部１１４と、ヒータ制御部１１５と、濃度演算部１１６と、制御状況診断部１１７とを備える。なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンからの排気に含まれるＮＯｘを検知および測定の対象とし、センサ素子１０１が排気経路に取り付けられるものである場合、コントローラ１１０の一部あるいは全部の機能が、当該自動車に搭載されてなるＥＣＵ（電子制御装置）により実現されてもよい。

統括制御部１１１は、コントローラ１１０における種々の処理を統括的に制御する。すなわち、上述したコントローラ１１０各制御部がＮＯｘの検知および濃度演算その他のために各ポンプセルやヒータなどに対して行う制御動作を統括的に制御するほか、濃度演算部１１６における演算処理や制御状況診断部１１７における診断処理を制御する。

主ポンプ制御部１１２は、主ポンプセル２１の動作を制御する。具体的には、第１内部空所内２０内の酸素分圧に応じて主センサセル８０に生じる起電力Ｖ０の値を取得し、係る起電力Ｖ０の値が所望の酸素分圧に応じた値となるよう、可変電源２４が主ポンプセル２１に印加する主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御し、その際に主ポンプセル２１に流れる主ポンプ電流Ｉｐ０の値を取得する。

補助ポンプ制御部１１３は、補助ポンプセル５０の動作を制御する。具体的には、第２内部空所内４０内の酸素分圧に応じて補助センサセル８１に生じる起電力Ｖ１の値を取得し、係る起電力Ｖ１の値が所望の酸素分圧に応じた値となるよう、可変電源５２が補助ポンプセル５０に印加する主ポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御し、その際に補助ポンプセル５０に流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１の値を取得する。

測定ポンプ制御部１１４は、測定ポンプセル４１の動作を制御する。具体的には、測定電極４４近傍の酸素分圧に応じて測定センサセル８２に生じる起電力Ｖ２の値を取得し、係る起電力Ｖ２の値が所望の酸素分圧に応じた値となるよう、可変電源４６が測定ポンプセル４１に印加する測定ポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御し、その際に測定ポンプセル４１に流れるポンプ電流（ＮＯｘ電流）Ｉｐ２の値を取得する。

ヒータ制御部１１５は、ヒータ部７０の動作を制御する。具体的には、ヒータ抵抗検出リード７５とヒータリード７２ａとの間の抵抗値として得られるヒータ抵抗（ヒータエレメント７２の抵抗）の値が、所望する加熱温度に応じた値となるよう、ヒータ電源７６に印加されるヒータ電圧を制御する。ヒータエレメント７２は係る態様にて制御されたヒータ抵抗に応じた発熱量にて発熱する。ヒータ制御部１１５が係るヒータ抵抗の値を所望のセンサ素子駆動温度に応じて制御することにより、当該センサ素子駆動温度が実現される。

濃度演算部１１６は、測定ポンプセル４１に流れるポンプ電流（ＮＯｘ電流）Ｉｐ２の値を取得し、あらかじめセンサ素子１０１について設定された感度特性を記述してなる感度特性データＤ１に基づいて、ＮＯｘ濃度を算出し、出力する。

ガスセンサ１００においては、主ポンプ制御部１１２および補助ポンプ制御部１１３が主ポンプセル２１さらには補助ポンプセル５０を作動させることによって被測定ガスに含まれる酸素を汲み出し、酸素分圧がＮＯｘの測定に実質的に影響がない程度（例えば０．０００１ｐｐｍ〜１ｐｐｍ）にまで十分に低められた被測定ガスが、測定電極４４に到達する。測定電極４４においては、到達した被測定ガス中のＮＯｘが還元されることによって、酸素が発生する。係る酸素は、測定ポンプ制御部１１４の制御のもと、測定ポンプセル４１より汲み出される。係る汲み出しの際に流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２と、被測定ガス中のＮＯｘの濃度との間における、一定の関数関係を、感度特性と称する。

係る感度特性は、ガスセンサ１００を実使用するに先立ってあらかじめ、ＮＯｘ濃度が既知の複数種類のモデルガスを用いて特定され、そのデータである感度特性データＤ１がコントローラ１１０に（より詳細には濃度演算部１１６として機能するメモリに）記憶される。

そして、ガスセンサ１００の実使用時には、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度に応じて流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２の値を表す信号が濃度演算部１１６に時々刻々と与えられ、濃度演算部１１６においては、その値と特定した感度特性とに基づいて、ＮＯｘ濃度が次々と演算され、その値（ＮＯｘ濃度値）がコントローラ１１０の外部へと出力される。これにより、ガスセンサ１００によれば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度をほぼリアルタイムで知ることができるようになっている。

図３は、感度特性を示すＮＯｘ濃度とＮＯｘ電流Ｉｐ２との関数関係について例示する図である。より具体的には、図３においては、ＮＯｘを既知の濃度Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３にて含むほか、酸素（あるいはさらに水）を既知濃度にて含み、残余が窒素であるモデルガスとをそれぞれに測定対象としてガスセンサ１００により測定を行ったときのＮＯｘ電流（測定ポンプセル４１を流れる電流）Ｉｐ２の値がそれぞれ、ｉ１、ｉ２、ｉ３となっている。

さらに、図３においては、ＮＯｘを含まない（つまりはＮＯｘ濃度が０である）ほかは同様の成分を含むモデルガスを対象として同様の測定を行ったときに測定ポンプセル４１を流れる電流Ｉｐ２の値がIp2_ofsとなっている（当該電流も便宜上ＮＯｘ電流Ｉｐ２と称する）。この、ＮＯｘ濃度が０であるときのＮＯｘ電流Ｉｐ２を特に、オフセット電流と称する。

オフセット電流は、測定電極４４に到達した被測定ガスにわずかながら残存している酸素が、換言すれば、主ポンプセル２１および補助ポンプセル５０により分解されることなく測定電極４４に到達した酸素が、測定ポンプセル４１にて汲み出される際に流れる電流に、相当する。オフセット電流は小さいほど好ましいが、大きくてもせいぜい、０．２μＡ程度である。

そして、図３においては、Ip2_ofsなる値を縦軸の切片とする、ＮＯｘ濃度とＮＯｘ電流Ｉｐ２との関係を示す、つまりは感度特性を示す直線（１次関数）が、示されている。係る直線の式は、回帰分析にて特定することができる。

なお、感度特性の特定の仕方は上述の例に限られない。例えば、ＮＯｘを含まないモデルガスによる測定値を切片として固定せずに、回帰分析を行うようにしてもよい。その場合は、特定された直線の式における切片の値が、オフセット電流値となる。

また、感度特性を直線として特定する代わりに、曲線として特定する態様であってもよい。

制御状況診断部１１７は、コントローラ１１０によるセンサ素子１０１の制御状況を診断する。コントローラ１１０においては、係る制御状況診断部１１７の診断結果に基づいて、統括制御部１１１がセンサ素子１０１の各部の動作条件を変更させる、制御状況診断処理が行えるようになっている。コントローラ１１０には（より詳細には制御状況診断部１１７として機能するメモリには）、係る制御状況診断処理の際に使用する診断閾値を記述した診断閾値データＤ２があらかじめ記憶されてなる。制御状況診断処理の詳細については後述する。

＜主ポンプ電圧とＮＯｘの分解との関係＞
図４は、状態の異なる２つのガスセンサ１００により、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍで一定である一方で酸素濃度が０％、５％、１０％、１８％の４水準に違えられた４つのモデルガス（いずれも残余はＮ２）を対象とする測定（以下、モデルガス測定と称する）を行うことで、それぞれの場合について得られたＮＯｘ電流Ｉｐ２を、モデルガスの酸素濃度に対してプロットした図である。なお、センサ素子駆動温度は８００℃であった。

具体的には、グラフＧ１は新品のガスセンサ１００についての測定結果のプロットであり、グラフＧ２は、新品であったセンサ素子１０１を大気中に配置し、上記素子駆動温度で３０００時間の連続動作試験を実施したガスセンサ１００についての、測定結果のプロットである。係る連続動作試験は、経時的劣化の程度を評価するための（加速）耐久試験と位置づけられる。なお、新品とは必ずしも全くの未使用を意味するわけではない。数時間程度の使用がなされていてもよい。

図４に示すように、グラフＧ１においてはＮＯｘ電流Ｉｐ２と酸素濃度との間に単調増加の線型的な変化がある。決定係数（相関係数の二乗値）Ｒ^２を求めたところ、実質的に直線とみなせる０．９９９であった。もう一方のグラフＧ２においては、全般的にグラフＧ１よりもＮＯｘ電流Ｉｐ２の値が小さいほか、酸素濃度が１０％以下では単調増加の傾向があるものの、酸素濃度が１０％と１８％の間では横ばいとなっている。決定係数Ｒ^２は、主ポンプセル２１におけるポンプ能力の酸素濃度変化に対する安定性を示す指標であると、捉えることができる。

係る結果は、使用が長期にあるいは継続的になされたガスセンサ１００においては、新品のガスセンサ１００に比してＮＯｘ電流Ｉｐ２の測定値が小さくなることに加え、被測定ガスにおける酸素濃度が大きい場合、測定電極４４に到達するまでの段階で（例えば第１内部空所２０において）被測定ガス中のＮＯｘが分解されてしまうという可能性を、示唆している。

図５は、決定係数Ｒ^２と、主ポンプセル２１において被測定ガスにおける酸素濃度が大きい場合に印加される主ポンプ電圧Ｖｐ０との相関を示す図である。具体的には、多数の新品のガスセンサ１００と、上記と同条件での連続動作試験を実施した後の多数のガスセンサ１００とのそれぞれを対象としたモデルガス測定を行い、その結果に基づいて得られる図４と同様のＮＯｘ電流Ｉｐ２と酸素濃度との相関関係から決定係数Ｒ^２の値を求めたうえで、酸素濃度を１８％に設定したモデルガス測定での主ポンプ電圧Ｖｐ０に対してプロットしているのが、図５である。

主ポンプ電圧Ｖｐ０は、例えばガスセンサ１００の実使用時など、本来的には、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化する主センサセル８０における起電力Ｖ０の値を一定に制御するべく動的に変化させられる値であり、かつ、酸素濃度が大きいほど大きな値となる。

しかしながら、上述のモデルガス測定のように酸素濃度が一定である被測定ガスを測定対象とする場合、それぞれのガスセンサ１００において、主ポンプ電圧Ｖｐ０は酸素濃度に応じた略一定の値となる。

従って、上述した４水準に酸素濃度を違えたモデルガス測定の場合であれば、酸素濃度を１８％に設定したときの主ポンプ電圧Ｖｐ０の値が最大となる。その一方で、主ポンプ電圧Ｖｐ０の値が大きいほど、主ポンプセル２１においてＮＯｘが分解されやすくなる傾向がある。

それゆえ、図５は、被測定ガスにおける酸素濃度変化に対する主ポンプセル２１におけるポンプ能力の安定性と、係る主ポンプセル２１におけるポンピングの際に主ポンプ電圧Ｖｐ０が到達する上限値との、ひいては主ポンプセル２１におけるＮＯｘの分解のされやすさとの、相関関係を、示しているといえる。

図５からはまず、新品のガスセンサ１００の場合は主ポンプ電圧Ｖｐ０はおおよそ７６０ｍＶ以下の範囲にあり、特に、主ポンプ電圧Ｖｐ０が７００ｍＶ以下の場合には決定係数Ｒ^２がほぼ０．９９以上であることがわかる。

これは、新品のガスセンサ１００の場合、主ポンプセル２１は被測定ガスにおける酸素濃度変化に対し優れた安定性を有しており、酸素濃度が高い範囲においても主ポンプ電圧Ｖｐ０を過度に増大させることなく酸素を好適にポンピングできており、主ポンプセル２１においてＮＯｘの分解も生じない、ということを示している。

これに対し、連続動作試験後のガスセンサ１００の場合は、主ポンプ電圧Ｖｐ０がおおよそ８００ｍＶ以下の範囲にある限りにおいては決定係数Ｒ^２はほぼ０．９８以上の範囲に収まり、主ポンプ電圧Ｖｐ０が９００ｍＶ以下の範囲においても決定係数Ｒ^２は０．９５以上の範囲に収まっているが、主ポンプ電圧Ｖｐ０が９００ｍＶを上回ることのあるガスセンサ１００については、主ポンプ電圧Ｖｐ０が大きくなるにつれて決定係数Ｒ^２が顕著に減少していることがわかる。なお、係る決定係数Ｒ^２の減少は、図４に示したグラフＧ２と同様、主ポンプセル２１においてＮＯｘの分解が生じていることによる、酸素濃度が高い範囲におけるＮＯｘ電流Ｉｐ２の横ばいに起因するものであることが、確認されている。

係る結果は、継続的な使用により劣化したガスセンサ１００においては、少なくとも酸素濃度が高い範囲においては主ポンプ電圧Ｖｐ０が大きくなる傾向があること、さらには、主ポンプ電圧Ｖｐ０が８００ｍＶを上回ることのあるガスセンサ１００については、被測定ガスにおける酸素濃度が大きい場合、測定電極４４に到達するまでの段階で（例えば第１内部空所２０において）被測定ガス中のＮＯｘが分解されてしまう可能性があるということを、示唆するものである。

本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、これらの知見を踏まえ、主ポンプ電圧Ｖｐ０の大きさに基づいてセンサ素子１０１の制御状況を診断し、その診断結果に基づいて、適宜、センサ素子１０１の制御条件を調整する、制御状況診断処理を行えるようになっている。その具体的な内容については次述する。

なお、図４のグラフＧ１は、主ポンプセル２１におけるポンピングが適正な場合、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の値が被測定ガスにおける酸素濃度に依存する傾向があることを示している。モデルガスにおけるＮＯｘ濃度は一定であるにも関わらず、このような依存性があるということは、ＮＯｘ濃度をより正確に求めるには、感度特性に基づきＮＯｘ濃度を求めるに際して、酸素濃度による補正を行うことが有効である、ということを示唆している。これは例えば、ＮＯｘ電流Ｉｐ２を被測定ガス中の酸素濃度を示す情報（例えば主ポンプ電流Ｉｐ０や起電力Ｖｒｅｆ）に基づいて補正することなどにより実現可能である。

＜制御状況診断処理＞
図６は、ガスセンサ１００における制御状況診断処理の流れを示す図である。制御状況診断処理は概略、コントローラ１１０によるセンサ素子１０１の動作制御が、被測定ガス中の酸素濃度が大きいときの主ポンプ電圧Ｖｐ０の値が過度に大きくなり、主ポンプセル２１においてＮＯｘの分解が生じるような不適正な状況のもとでなされているか否かを診断し、そのような状況にある場合、主ポンプ電圧Ｖｐ０の値が抑制されるよう、制御条件を調整する処理である。

上述のように、主ポンプ電圧Ｖｐ０はガスセンサ１００の実使用時には被測定ガス中の酸素濃度に応じて動的に変化させられる値であるが、例えば主センサセル８０における起電力Ｖ０の値など、変化の前提となる制御条件が変更された場合には、これに応じてその取り得る範囲も変更され得る。本実施の形態における制御状況診断処理は、このことを利用して、主ポンプセル２１に印加される主ポンプ電圧Ｖｐ０の増大を抑制し、主ポンプセル２１において被測定ガス中のＮＯｘが分解されないようにする。

係る制御状況診断処理においてはまず、制御状況診断部１１７が、制御状況診断処理の実行にあたっての前提条件である診断条件が充足されているか否かを判断する（ステップＳ１）。診断条件としては例えば、センサ素子１０１が素子駆動温度に到達していること、少なくとも一時的に被測定ガスが大気雰囲気となりセンサ素子１０１の内部に大気（酸素濃度約２１％）のみが導入されていること、などが例示される。センサ素子１０１が自動車の排気経路に取り付けられてなる場合であれば、フューエルカット時などが診断条件を充足する状況に該当する。診断条件が充足されない（ステップＳ１でＮＯ）限りは、係る判断が繰り返される。

一方、診断条件が充足されていると判断された場合（ステップＳ１でＹＥＳ）、制御状況診断部１１７は統括制御部１１１を介して、主ポンプ制御部１１２に対しその時点における主ポンプ電圧Ｖｐ０の測定を実行させ（ステップＳ２）、その値を取得する。あるいは、診断条件が充足されているか否かを問わず、主ポンプ制御部１１２による制御のもとで主ポンプ電圧Ｖｐ０の測定が連続的に行われている場合であれば、診断条件が充足された時点における主ポンプ電圧Ｖｐ０を取得する態様であってもよい。

主ポンプ電圧Ｖｐ０を取得すると、制御状況診断部１１７は、その取得値と診断閾値データＤ２に記述されてなる診断閾値とを比較し（ステップＳ３）、その結果を統括制御部１１１に与える。

ここで、診断閾値は、ＮＯｘの分解が定常的に生じる可能性のある主ポンプ電圧Ｖｐ０の値の範囲の下限値である。換言すれば、主ポンプ電圧Ｖｐ０の値が診断閾値未満である限りは、ＮＯｘの分解は生じていないということになる。なお、主ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導性の固体電解質がジルコニアであること、および、主ポンプ電流Ｉｐ０が主ポンプ電圧Ｖｐ０に応じた限界電流として流れることを考慮すると、素子駆動温度が７００℃〜９００℃である場合、係る診断閾値は、７５０ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定するのが妥当である。これは、酸素濃度が１８％のときの主ポンプ電圧Ｖｐ０を９００ｍＶ以下とする設定に相当する。あるいは、素子駆動温度に応じて診断閾値が違えられてもよい。

なお、図１に示したセンサ素子１０１とは異なる構造を有するセンサ素子についても、当該センサ素子において被測定ガス中の酸素を汲み出すポンプセルにおいてＮＯｘの分解を生じさせないようにする場合には、当該ポンプセルにおけるポンプ電圧の値を上述の診断閾値未満とする必要がある点において共通する。

主ポンプ電圧Ｖｐ０が診断閾値未満である場合（ステップＳ３でＮＯ）、そのまま診断は終了する（ステップＳ４）。これはすなわち、コントローラ１１０によるセンサ素子１０１の動作制御は正常に行われており、主ポンプセル２１においてＮＯｘの分解も生じていないことを意味する。

一方、主ポンプ電圧Ｖｐ０が診断閾値以上である場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、主ポンプセル２１においてＮＯｘの分解が生じている可能性がある。それゆえ、係る状況を解消するべく、統括制御部１１１からの制御指示により、ヒータ温度（素子駆動温度）、制御電圧（補助センサセル８１における起電力Ｖ１の目標値）、制御電流（補助ポンプセル５０を流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１）の少なくとも１つが調整される（ステップＳ５）。

素子駆動温度が調整対象とされる場合、統括制御部１１１はヒータ制御部１１５に対し、素子駆動温度を所定の温度幅で上昇させる制御指示を与える。ヒータ制御部１１５はこれに応答して、ヒータ電源７６に印加されるヒータ電圧を当該温度幅に応じて増大させる温度調整処理を行う。

素子駆動温度が高くなると、主ポンプセル２１を構成する固体電解質であるジルコニアの抵抗が小さくなるので、主ポンプ電流Ｉｐ０が大きくなるとともに主ポンプ電圧Ｖｐ０が小さくなる。上昇させる温度幅は、主ポンプ電圧Ｖｐ０と診断閾値との差分値に応じて定められてもよいし、あらかじめ設定された一定値であってもよい。ただし、素子駆動温度は通常９００℃が上限とされる。

補助センサセル８１における起電力Ｖ１の目標値が調整対象とされる場合、統括制御部１１１は補助ポンプ制御部１１３に対し、起電力Ｖ１の目標値を従前よりも大きくするよう、制御指示を与える。補助ポンプ制御部１１３はこれに応答して、新たな目標値が実現されるよう、補助ポンプセル５０の動作を制御する。これらを起電力調整処理と称する。これはすなわち、従前よりも補助ポンプ電圧Ｖｐ１を増大させ、補助ポンプ電流Ｉｐ１を増大させる制御を行うことを意味する。

補助センサセル８１における起電力Ｖ１の目標値を大きくするということは、第２内部空所４０における設定酸素分圧をより低めるということである。これは、第１内部空所２０から第２内部空所４０への酸素の流入を促進し、第１内部空所２０における主ポンプセル２１による酸素の汲み出しを、第２内部空所４０における補助ポンプセル５０による酸素の汲み出しに肩代わりさせることによって、主ポンプ電圧Ｖｐ０の増大を抑制するという効果がある。

補助センサセル８１を流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１が調整対象とされる場合、統括制御部１１１は補助ポンプ制御部１１３に対し、補助ポンプ電流Ｉｐ１が従前よりも大きくなるよう、制御指示を与える。補助ポンプ制御部１１３はこれに応答して、補助ポンプ電流Ｉｐ１が増大するよう、補助ポンプセル５０の動作を制御する。これらを補助ポンプ電流調整処理と称する。これはすなわち、従前よりも補助ポンプ電圧Ｖｐ１を増大させる制御を行うことを意味する。

この場合も、第１内部空所２０から第２内部空所４０への酸素の流入を促進し、第１内部空所２０における主ポンプセル２１による酸素の汲み出しを、第２内部空所４０における補助ポンプセル５０による酸素の汲み出しに肩代わりさせることによって、主ポンプ電圧Ｖｐ０の増大を抑制するという効果がある。

図７は、補助ポンプ電流Ｉｐ１と主ポンプ電圧Ｖｐ０との関係を例示する図である。具体的には、酸素濃度を２０．５％で一定とした（残余は窒素）モデルガスを被測定ガスとし、補助ポンプ電流Ｉｐ１の値を種々に違えたときの、主ポンプ電圧Ｖｐ０の変化の様子を示している。

図７からは、補助ポンプ電流Ｉｐ１を大きくするほど主ポンプ電圧Ｖｐ０が小さくなることが、確認される。

なお、ステップＳ５における処理は必ずしも選択的に行われる必要はない。例えば、ヒータ温度（素子駆動温度）の調整を優先的に行うようにし、係る調整のみでは主ポンプ電圧Ｖｐ０の抑制が十分に行い得ない場合に、他の２通りの調整手法の一方または両方が行われるのが、調整の容易性や確実性の点から好適な一対応である。

いずれかの手法による主ポンプ電圧Ｖｐ０の抑制がなされると、診断は終了となる（ステップＳ６）。

なお、いったん制御状況診断処理が終了した以降も、適宜のタイミングで、改めて制御状況診断処理が実行される態様であってよい。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサにおけるコントローラによるセンサ素子の動作制御が、主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解が生じるような不適正な状況のもとでなされることが、好適に抑制される。特に、経時的な劣化に起因して、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合の主ポンプ電圧が高くなり、それゆえ主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解が生じ得る状態にあるガスセンサにおいても、係る分解を抑制して精度よくＮＯｘの測定を行うことができる。

＜第２の実施の形態＞
上述した第１の実施の形態では、制御状況診断処理において制御状況診断部１１７が主ポンプ電圧Ｖｐ０が診断閾値以上であると判定した場合、ヒータ温度（素子駆動温度）の上昇、制御電圧（起電力Ｖｐ１）の増大、および制御電流（補助ポンプ電流Ｉｐ１）の増大の少なくとも１つが行われるが、このうち、ヒータ温度と、制御電流については、オフセット電流の大きさと相関があることがわかっている。

図８は、ヒータ温度（図８においては「駆動温度」）とオフセット電流の実測値（図８においては「Ip2 offset」）との関係を例示する図である。また、図９は、制御電流（図９においては「Ip1」）とオフセット電流の実測値（図９においては「Ip2 offset」）との関係を例示する図である。ここで、オフセット電流の「実測値」なる文言は、感度特性を特定する際にある駆動条件の下で固定的に特定されるオフセット電流値と区別するために用いている。また、両図に示されたＲ^２なる値は、近似曲線の決定係数（相関係数Ｒの２乗）である。

図８および図９に示すように、オフセット電流の実測値は、ヒータ温度が上昇するほど、また、制御電流が増大するほど、増大する傾向がある。これは、すなわち、第1の実施の形態にて示す制御状況診断処理が実行されることにより、ヒータ温度が上昇させられるか、あるいは、制御電流が増大させられた場合、本来的には固定値であるべきオフセット電流の実測値が大きくなることを意味する。

そのため、制御状況診断処理にてヒータ温度が上昇させられるか制御電流が増大させられた場合、その後のガスセンサ１００においては、実際のオフセット電流値が、感度特性の特定の結果としてコントローラ１１０に記憶されている値（いわばオフセット電流値の初期値）よりも大きくなっているものと考えられる。このことはすなわち、制御状況診断処理後に測定されるＮＯｘ電流Ｉｐ２の精度が、処理前よりも低下する可能性を示唆している。

図８および図９からもわかるように、制御状況診断処理におけるヒータ温度の上昇や制御電流の増大が大きいほど、オフセット電流値の増大は顕著である。そして、そのような場合においては、特にＮＯｘ電流Ｉｐ２の大きさが小さい低濃度のＮＯｘが測定対象となる場合に、精度低下のおそれが高くなる。

本実施の形態においては、主ポンプセルにおけるＮＯｘの分解抑制については第１の実施の形態と同様に制御状況診断処理を実行することによって対処しつつ、その結果として生じる、オフセット電流値の増大に起因する測定精度の低下の抑制についても、後工程において好適に対処するようにする。

図１０は、本実施の形態において行う、ガスセンサ１００における制御状況診断処理における処理の流れを、その後工程も含めて示す図である。具体的には、ステップＳ１からステップＳ５までは、第１の実施の形態における制御状況診断処理と同じであるので、それらのステップについての詳細な説明は省略する。

本実施の形態においては、制御状況診断処理のステップＳ５が終了すると、続いてステップＳ５における調整対象が素子駆動温度（ヒータ温度）であるか補助センサセル８１を流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１（制御電流）であった場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）、濃度演算部１１６は、ＮＯｘ電流Ｉｐ２と感度特性とから求めたＮＯｘ濃度値を、あらかじめコントローラ１１０に記憶されてなる補正マップに基づき補正する（ステップＳ１７）。

補正マップは、例えば図８や図９に示すグラフのような、ヒータ温度または制御電流とオフセット電流との関係を示す２次元のデータセットである。あるいは、ヒータ温度と制御電流とオフセット電流との関係を総合的に示す３次元のデータセットであってもよい。濃度演算部１１６に補正を好適に行える限り、その具体的な記述形式は特に限定されない。

係る補正マップは、ガスセンサ１００の実使用に先立ってあらかじめ、ＮＯｘを含まないモデルガスを用いて種々のヒータ温度および制御電流のもとでＮＯｘ電流Ｉｐ２を測定することにより作成され、コントローラ１１０にて（より詳細にはそのメモリにて）保持されてなる。

例えば、素子駆動温度が８００℃という条件でオフセット電流値が０．０４μＡと特定されていたガスセンサ１００において、図８に示すグラフが補正マップとして適用される場合であれば、ステップＳ３における判断の結果としてステップＳ５にて素子駆動温度が８５０℃にまで上昇させられると、補正マップに基づきオフセット電流値が０．０８μＡに改められる。そして、この新たなオフセット電流値を用いて、感度特性に基づき得られるＮＯｘ濃度値が補正される。これにより、オフセット電流値の増大に伴うＮＯｘの測定精度の低下が好適に抑制される。

具体的な補正の仕方には、種々の態様があり得る。例えば、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の値からオフセット電流値の増大分を差し引いたうえで感度特性に基づきＮＯｘ濃度値を求める態様であってもよいし、あるいは、新たなオフセット電流値を用いて感度特性そのものを修正し、修正後の感度特性に基づいてＮＯｘ濃度値を求める態様であってもよい。

ＮＯｘ濃度値の補正がなされると、一連の処理は終了する（ステップＳ１８）。

また、ステップＳ５における調整対象が起電力Ｖ１（制御電圧）であった場合（ステップＳ１６でＮＯ）もそのまま、処理は終了する（ステップＳ１８）。

以上、説明したように、本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に制御状況診断処理を行うことにより、ガスセンサにおけるコントローラによるセンサ素子の動作制御が、主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解が生じるような不適正な状況のもとでなされることが、好適に抑制される。

加えて、制御状況診断処理に伴い、オフセット電流が増大する場合であっても、これに伴うＮＯｘの測定精度の低下が、好適に抑制される。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、測定電極４４が、多孔質の保護膜として機能するとともに被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第４拡散律速部４５に被覆される態様にて第２内部空所４０に配置されてなり、該第４拡散律速部４５によって、測定電極４４に流入するＮＯｘの量が制限されていたが、これに代わり、被測定ガスに対し第４拡散律速部４５と同等の拡散抵抗を付与する、例えばスリット状のあるいは多孔質の拡散律速部にて第２内部空所４０と連通する第３内部空所を設け、該第３内部空所に測定電極４４を設けるようにしてもよい。

新品のセンサ素子１０１を備えるガスセンサ１００（以下、新品センサ）と、劣化状態を再現するべく、同一条件で作製された新品であったセンサ素子１０１を大気中に配置し、８００℃で３０００時間の連続動作試験を実施したガスセンサ１００（以下、劣化センサ）とを用意し、それぞれについて、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍで一定である一方で酸素濃度が０％、５％、１０％、１８％の４水準に違えられた４つのモデルガス（いずれも残余はＮ２）を対象とするモデルガス測定を行った。いずれの場合も、素子駆動温度は８００℃とし、補助センサセル８１における起電力Ｖ１の目標値は３５０ｍＶとし、補助ポンプ電流Ｉｐ１の目標値は７μＡとした。

また、劣化センサについては、上述の実施形態にて行われる制御状況診断処理のステップＳ５における３通りの調整手法に対応させて、駆動温度を８５０℃に変更したうえでのモデルガス測定（以下、実施例１）と、補助センサセル８１における起電力Ｖ１の目標値を４００ｍＶに変更したうえでのモデルガス測定（以下、実施例２）と、補助センサセル８１を流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１を１４μＡに変更したうえでのモデルガス測定（以下、実施例３）とについても行った。これらはいずれも、診断閾値を９５０ｍＶに設定した場合を想定している。

図１１は、これらのモデルガス測定にて得られたＮＯｘ電流Ｉｐ２を、モデルガスの酸素濃度に対してプロットした図である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、実施例１、実施例２、および実施例３についての結果を、新品センサの結果と、調整処理前の劣化センサの結果と併せて示す図である。ただし、図１１において、新品センサについての結果を「新品」とし、劣化センサについての結果を「比較例」としている。

図１１（ａ）に代表して示すように、新品センサについては、ＮＯｘ電流Ｉｐ２と酸素濃度との間に単調増加の線型的な変化があり、プロット結果から定まる決定係数Ｒ^２の値が０．９９９と高い数値になったのに対し、劣化センサの場合は、全般的に新品センサよりもＮＯｘ電流Ｉｐ２の値が小さいほか、酸素濃度が１０％以下では単調増加の傾向があるものの、酸素濃度が１０％と１８％の間では横ばいとなった。また、主ポンプ電圧Ｖｐ０の最大値は９００ｍＶとなる一方、決定係数Ｒ^２は０．９００に留まった。

しかしながら、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、劣化センサに対して３通りの調整処理を施した実施例１〜実施例３においては、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の値こそ新品センサよりも小さいものの、劣化センサでは酸素濃度が１０％以下の範囲に留まっていた単調増加の傾向が、酸素濃度が１０％と１８％の間においても維持された。それぞれの決定係数は順に、０．９９３、０．９８０、０．９７３と、新品センサと同等の値となった。また、酸素濃度が１８％のときの主ポンプ電圧Ｖｐ０の値はそれぞれ、９００ｍＶよりも小さい７００ｍＶ、７６５ｍＶ、７８０ｍＶとなった。

係る結果は、ステップＳ５において行われる３通りの調整処理が、ガスセンサの制御態様を改善し、ひいては、経時的な劣化が生じているガスセンサにおいても、ＮＯｘ濃度の測定精度を確保できることを示唆している。

なお、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の値の全体的な低下が測定に与える影響は、適用する感度特性を係る電流値の低下に応じたものとすることで、キャンセルすることが可能である。

１０ガス導入口
１１第１拡散律速部
１２緩衝空間
１３第２拡散律速部
２０第１内部空所
２１主ポンプセル
２２内側ポンプ電極
２３外側ポンプ電極
３０第３拡散律速部
４０第２内部空所
４１測定ポンプセル
４２基準電極
４３基準ガス導入空間
４４測定電極
４５第４拡散律速部
４８大気導入層
５０補助ポンプセル
５１補助ポンプ電極
７０ヒータ部
７１ヒータ電極
７２ヒータエレメント
７２ａヒータリード
７３スルーホール
７４ヒータ絶縁層
８０主センサセル
８１補助センサセル
８２測定センサセル
１００ガスセンサ
１０１センサ素子
１１０コントローラ

Claims

酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサであって、
前記センサ素子が、
外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、
前記第１の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられた空所外ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルと、
前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第１の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、
前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、
前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を有してなり、
かつ、
前記ガスセンサの動作を制御するコントローラ、
を備え、少なくとも、
前記ヒータ部が前記センサ素子を所定の素子駆動温度に加熱し、
前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプセルに主ポンプ電圧が印加され、
前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプセルに測定ポンプ電圧が印加されることで、
前記センサ素子がＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態とされ、
前記コントローラは、
前記ガスセンサが前記動作状態にあるときに、前記ガスセンサが所定の診断条件を充足しているか否かを判定する条件判定処理を行う判定手段と、
前記ガスセンサが前記診断条件を充足していると判定された場合に、前記ガスセンサの制御状況を診断する診断処理を行う診断手段と、
前記診断処理における診断結果に応じて前記ガスセンサの制御条件を調整する調整処理を行う調整手段と、
を備え、
前記診断手段は前記診断処理において、前記主ポンプ電圧と前記主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、
前記調整手段は、前記調整処理として温度調整処理を行う温度調整手段を備え、
前記温度調整処理は、前記診断処理において前記主ポンプ電圧が前記診断閾値以上であると診断された場合に、少なくとも前記ヒータ部が前記素子駆動温度を前記動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理である、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記センサ素子が、
前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、
前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、
をさらに備え、
前記測定電極が、前記第２の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有するように設けられてなり、
かつ、
前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に前記主ポンプ電圧を印加する第１の可変電源と、
前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第２の可変電源と、
前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に前記測定ポンプ電圧を印加する第３の可変電源と、
を有してなり、
前記第１の可変電源が、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプ電圧を印加し、
前記第２の可変電源が、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、
前記第３の可変電源が、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプ電圧を印加することで、
前記センサ素子がＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態とされ、
前記調整手段が、
前記調整処理として起電力調整処理を行う起電力調整手段と、
前記調整処理として補助ポンプ電流調整処理を行う補助ポンプ電流調整手段と、
をさらに備え、
前記起電力調整処理は、前記第２の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、
前記補助ポンプ電流調整処理は、前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる処理であり、
前記調整手段は、前記温度調整手段による前記温度調整処理に代えて、あるいは前記温度調整処理と併せて、前記起電力調整手段による前記起電力調整処理と前記補助ポンプ電流調整手段による前記補助ポンプ電流調整処理の少なくとも一方を、前記調整処理として行う、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項２に記載のガスセンサであって、
前記起電力調整処理においてはさらに、前記第１の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を低下させる、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項２または請求項３に記載のガスセンサであって、
前記コントローラが、前記測定ポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて前記被測定ガスのＮＯｘ濃度値を求める濃度演算手段、
をさらに備え、
前記濃度演算手段は、前記温度調整処理による上昇後の前記素子駆動温度と、前記補助ポンプ電流調整処理による増大後の前記補助ポンプ電流との少なくとも一方に基づいて、前記濃度演算手段によって求められるＮＯｘ濃度値を補正する、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項４に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガスがＮＯｘを含まないときに前記測定ポンプセルを流れる電流をオフセット電流とするときに、
前記コントローラが、あらかじめ特定された、前記素子駆動温度と前記補助ポンプ電流とのすくなくとも一方と前記オフセット電流との関係を示す補正マップを記憶しており、
前記濃度演算手段は、前記補正マップに基づいて前記ＮＯｘ濃度値を補正する、
ことを特徴とするガスセンサ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のガスセンサであって、
前記素子駆動温度が７００℃〜９００℃の範囲で設定され、
前記条件判定処理においては、少なくとも前記センサ素子が前記素子駆動温度に到達しているとともに前記センサ素子の内部に導入される前記被測定ガスが大気雰囲気あるときに、前記診断条件が充足されていると判定され、
前記診断閾値が７５０ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定される、
ことを特徴とするガスセンサ。
酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサの、動作制御方法であって、
前記センサ素子が、
外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、
前記第１の内部空所に面して設けられた内側ポンプ電極と、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられた空所外ポンプ電極と、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである主ポンプセルと、
前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第１の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、
前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、測定ポンプセルと、
前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を有してなり、
かつ、
前記ガスセンサは、少なくとも、
前記センサ素子が前記ヒータ部によって所定の素子駆動温度に加熱され、
前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように主ポンプ電圧が印加され、
前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように測定ポンプ電圧が印加されることで、
ＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態とされ、
前記ガスセンサが前記動作状態にあるときに、前記ガスセンサが所定の診断条件を充足しているか否かを判定する条件判定工程と、
前記条件判定工程において前記ガスセンサが前記診断条件を充足していると判定された場合に、前記ガスセンサの制御状況を診断する診断工程と、
前記診断工程における診断結果に応じて前記ガスセンサの制御条件を調整する調整工程と、
を備え、
前記診断工程においては、前記主ポンプ電圧と前記主ポンプセルにおいてＮＯｘの分解を生じさせない電圧値としてあらかじめ設定されてなる診断閾値とを比較し、
前記調整工程においては、前記診断工程において前記主ポンプ電圧が前記診断閾値以上であると診断された場合に、少なくとも前記ヒータ部が前記素子駆動温度を前記動作状態における温度から所定の上昇幅にて上昇させることによって、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、温度調整処理を行う、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。
請求項７に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記センサ素子が、
前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、
前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される電気化学的ポンプセルである、補助ポンプセルと、
をさらに備え、
前記測定電極が、前記第２の内部空所との間に少なくとも拡散律速部を有するように設けられてなり、
かつ、
ＮＯｘ濃度を測定可能な動作状態においてはさらに、前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように補助ポンプ電圧が印加され、
前記調整工程においては、前記温度調整処理に代えて、あるいは前記温度調整処理と併せて、
前記第２の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、起電力調整処理と、
前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流の目標値を増大させることによって、前記補助ポンプセルによる酸素の汲み出しを促進させることで、前記主ポンプ電圧を前記診断閾値よりも低下させる、補助ポンプ電流調整処理と、
の少なくとも一方を行う、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。
請求項８に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記起電力調整処理においてはさらに、前記第１の内部空所の目標酸素濃度に応じて設定される前記内側ポンプ電極と前記基準電極との間に生じる起電力の目標値を低下させる、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。
請求項８または請求項９に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記ガスセンサは、前記測定ポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて前記被測定ガスのＮＯｘ濃度値を求めるようになっており、
かつ、
前記ガスセンサは、前記温度調整処理が行われた場合には少なくとも上昇後の前記素子駆動温度に基づいて、前記補助ポンプ電流調整処理が行われた場合には少なくとも増大後の前記補助ポンプ電流に基づいて、前記ＮＯｘ濃度を補正する、
ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
請求項１０に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記被測定ガスがＮＯｘを含まないときに前記測定ポンプセルを流れる電流をオフセット電流とするときに、
前記素子駆動温度と前記補助ポンプ電流とのすくなくとも一方と前記オフセット電流との関係を示す補正マップがあらかじめ特定されており、
前記ガスセンサは、前記補正マップに基づいて前記ＮＯｘ濃度値を補正する、
ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
請求項７ないし請求項１１のいずれかに記載のガスセンサの動作制御方法であって、
前記素子駆動温度が７００℃〜９００℃の範囲で設定され、
前記条件判定工程においては、少なくとも前記センサ素子が前記素子駆動温度に到達しているとともに前記センサ素子の内部に導入される前記被測定ガスが大気雰囲気あるときに、前記診断条件が充足されていると判定され、
前記診断閾値が７５０ｍＶ〜９５０ｍＶの範囲で設定される、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作制御方法。