JP2021085665A - Gas sensor and method for detecting crack - Google Patents

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Abstract

To provide a gas sensor and a method for detecting a crack that can detect a crack when a measurement target gas contains oxygen in a high concentration.SOLUTION: A gas sensor 100 applies a predetermined pump voltage Vp3 for which current flowing between a reference electrode 42 and an inside pump electrode 22 is a limitation current, between the reference electrode 42 and the inside pump electrode 22 to take oxygen from around the reference electrode 42 to around the inside pump electrode 22, acquires a pump current Ip3 flowing between the reference electrode 42 and the inside pump electrode 22 when the pump voltage Vp3 is applied, and detects a crack in the element body on the basis of the acquired pump current Ip3.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、ガスセンサ及びクラック検出方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor and a crack detection method.

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおける酸素やNOxなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサとして、安定化ジルコニアなどの固体電解質を用いたものが知られている。例えば、特許文献1には、被測定ガスが流通する排気チャンバに設けられた第1電極と、基準ガスが導入される大気ダクトに設けられた第2電極と、第1,2電極に挟まれた固体電解質層とを有するセンサ素子を備え、被測定ガス中の酸素濃度に応じてセンサ出力を生じさせるガスセンサが記載されている。また、特許文献1には、第2電極側から第1電極側に酸素を供給するように両電極間に所定電圧を印加し、酸素供給に伴い生じる両電極間の電流の変化速度を示す速度パラメータを算出し、その速度パラメータに基づいて固体電解質層のクラックを検出することが記載されている。特許文献1では、固体電解質層にクラックが生じると、大気チャンバに酸素濃度の低い被測定ガスが流入して第2電極周囲の酸素濃度が低くなり、第2電極側から第1電極側への電流が流れにくくなることを利用して、固体電解質層のクラックを検出している。 Conventionally, as a gas sensor that detects a specific gas concentration such as oxygen or NOx in a gas to be measured such as an automobile exhaust gas, a gas sensor using a solid electrolyte such as stabilized zirconia is known. For example, in Patent Document 1, it is sandwiched between the first electrode provided in the exhaust chamber through which the gas to be measured flows, the second electrode provided in the atmospheric duct into which the reference gas is introduced, and the first and second electrodes. Described is a gas sensor having a sensor element having a solid electrolyte layer and generating a sensor output according to the oxygen concentration in the gas to be measured. Further, in Patent Document 1, a predetermined voltage is applied between both electrodes so as to supply oxygen from the second electrode side to the first electrode side, and the rate of change of the current between both electrodes caused by oxygen supply is shown. It is described that the parameters are calculated and the cracks in the solid electrolyte layer are detected based on the velocity parameters. In Patent Document 1, when a crack occurs in the solid electrolyte layer, a gas to be measured having a low oxygen concentration flows into the atmosphere chamber, the oxygen concentration around the second electrode becomes low, and the oxygen concentration from the second electrode side to the first electrode side is reduced. Cracks in the solid electrolyte layer are detected by utilizing the fact that it becomes difficult for current to flow.

特開2014−235107号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-235107

しかしながら、特許文献1では、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にはクラックを検出できないという問題があった。このため、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にクラックを検出可能なガスセンサ及びクラック検出方法が望まれていた。 However, Patent Document 1 has a problem that cracks cannot be detected when the oxygen concentration of the gas to be measured is high. Therefore, a gas sensor and a crack detection method capable of detecting cracks when the oxygen concentration of the gas to be measured is high have been desired.

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にクラックを検出可能なガスセンサ及びクラック検出方法を提供することを主目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor capable of detecting cracks when the oxygen concentration of the gas to be measured is high and a crack detecting method.

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The present invention has taken the following measures to achieve the above-mentioned main object.

本発明のガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出するクラック検出手段と、
を備えたものである。
The gas sensor of the present invention
An element body having an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and an internal measurement gas flow section for introducing and circulating the measurement gas, and an element body.
The electrode to be measured gas side arranged in the gas flow unit to be measured and the electrode to be measured
A reference electrode arranged inside the element body and
A reference gas introduction unit that introduces a reference gas that serves as a reference for detecting the specific gas concentration of the gas to be measured from the reference gas inlet and distributes the reference gas to the reference electrode and imparts diffusion resistance to the reference gas.
A predetermined detection voltage is applied between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode so that the current flowing between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode becomes a limit current, and the reference electrode is applied. Oxygen is pumped from the periphery of the electrode to the gas side electrode to be measured, and the detection current flowing between the reference electrode and the gas side electrode to be measured is acquired when the detection voltage is applied. A crack detecting means for detecting a crack in the element body based on the detection current, and
It is equipped with.

このガスセンサでは、基準ガス導入部が基準ガスに対して拡散抵抗を付与するように形成されている。このため、基準電極と被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を両電極の間に印加して基準電極の周囲から被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行うと、基準ガス導入部に導入される酸素量に対応した検出用電流が流れる。このとき、例えば素子本体のうち被測定ガスに接触する被測定ガス側部分と基準ガスに接触する基準ガス側部分との間にクラックがあると、被測定ガス側部分の周囲の酸素がクラックを介して基準ガス導入部に導入される。このため、クラックがある場合には基準ガス導入部に導入される酸素量が増加し、クラックがない場合と比べて検出用電流が大きくなる。特に、被測定ガス側部分の周囲に存在する酸素が多いほどクラックの有無による検出用電流の差が大きくなるため、被測定ガスの酸素濃度が高いほど検出用電流に基づいてクラックを精度よく検出できる。したがって、本発明では、被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、検出用電流に基づいて素子本体のクラックを検出できる。所定の検出用電圧は、同じ構造のガスセンサを用いて経験的に定めた値とすればよい。 In this gas sensor, the reference gas introduction portion is formed so as to impart diffusion resistance to the reference gas. Therefore, a predetermined detection voltage is applied between both electrodes so that the current flowing between the reference electrode and the gas-side electrode to be measured becomes the critical current, and the circumference of the reference electrode to the periphery of the gas-measured gas-side electrode is measured. When oxygen is pumped into the electrode, a detection current corresponding to the amount of oxygen introduced into the reference gas introduction section flows. At this time, for example, if there is a crack between the part of the element body on the gas side to be measured that comes into contact with the gas to be measured and the part on the side of the reference gas that comes into contact with the reference gas, oxygen around the part to be measured gas cracks. It is introduced into the reference gas introduction section via. Therefore, when there is a crack, the amount of oxygen introduced into the reference gas introduction portion increases, and the detection current becomes larger than when there is no crack. In particular, the greater the oxygen present around the portion to be measured, the greater the difference in the detection current depending on the presence or absence of cracks. Therefore, the higher the oxygen concentration of the gas to be measured, the more accurately the cracks are detected based on the detection current. it can. Therefore, in the present invention, when the oxygen concentration of the gas to be measured is high, cracks in the element body can be detected based on the detection current. The predetermined detection voltage may be a value empirically determined using a gas sensor having the same structure.

本発明のガスセンサにおいて、前記クラック検出手段は、前記検出用電流が所定の検出用閾値を超える場合に、前記クラックが形成されていると判断してもよい。 In the gas sensor of the present invention, the crack detecting means may determine that the crack is formed when the detecting current exceeds a predetermined detection threshold value.

本発明のガスセンサは、前記素子本体の内部に設けられたヒータ及び前記ヒータを覆うように配置され多孔質でガスの流通が可能なヒータ絶縁層を有するヒータ部と、前記基準ガス導入部のうち前記基準ガス入口より内側の部分と前記ヒータ部との間をガスの流通が可能な状態で連結する連結部と、を備えていてもよい。素子本体の内部にヒータを有するガスセンサでは、ヒータ昇温時などにヒータと被測定ガス流通部との間の部分の温度勾配が大きくなりやすくその部分に熱応力によるクラックが生じることがあるが、ヒータ絶縁層及び連結部を備えていれば、こうしたクラックを検出できる。例えば、素子本体のうちヒータ部と被測定ガス流通部との間の部分にクラックがある場合、被測定ガス流通部の酸素が、クラック、ヒータ絶縁層及び連結部を介して基準ガス導入部に導入され、クラックがない場合と比べて検出用電流が大きくなるため、検出用電流に基づいてクラックを検出できる。 The gas sensor of the present invention includes a heater provided inside the element body, a heater portion arranged so as to cover the heater and having a porous heater insulating layer capable of gas flow, and a reference gas introduction portion. A connecting portion that connects the portion inside the reference gas inlet and the heater portion in a state in which gas can flow may be provided. In a gas sensor having a heater inside the element body, the temperature gradient of the part between the heater and the gas flow part to be measured tends to be large when the heater is heated, and cracks may occur in that part due to thermal stress. Such cracks can be detected if the heater insulating layer and the connecting portion are provided. For example, when there is a crack in the part of the element body between the heater part and the gas flow part to be measured, oxygen in the gas flow part to be measured enters the reference gas introduction part through the crack, the heater insulating layer and the connecting part. Since the detection current is larger than that in the case where the crack is not introduced, the crack can be detected based on the detection current.

本発明のガスセンサは、前記被測定ガス側電極を複数備え、前記クラック検出手段は、前記被測定ガス側電極の各々に対して個別に、前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、前記被測定ガス側電極の各々に対して個別に取得した前記検出用電流に基づいて、前記クラックの位置を推定してもよい。基準電極の周囲から各被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行うと、被測定ガス側電極がクラックに近いほど被測定ガス側電極の周囲に汲み入れられた酸素がクラックに到達しやすく、クラックを介して基準ガス導入部に到達しやすい。このため、基準電極と被測定ガス側電極のうちクラックに近い電極との間に検出用電圧を印加した場合には、クラックがある場合の検出用電流が大きくなりやすい。このため、被測定ガス側電極の各々に対して個別に測定した検出用電流に基づいて、クラックの位置を推定できる。 The gas sensor of the present invention includes a plurality of the electrode to be measured, and the crack detecting means is individually placed between the reference electrode and the electrode to be measured for each of the electrodes to be measured. A predetermined detection voltage such that the flowing current becomes the limit current is applied between the reference electrode and the electrode to be measured, and oxygen is transferred from the periphery of the reference electrode to the periphery of the gas side electrode to be measured. The detection is performed, and the detection current flowing between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode when the detection voltage is applied is acquired, and the detection is individually acquired for each of the gas-measured gas-side electrodes. The position of the crack may be estimated based on the working current. When oxygen is pumped from around the reference electrode to around each gas-side electrode to be measured, the closer the electrode to be measured is to the crack, the more oxygen pumped around the gas-to-measure electrode reaches the crack. It is easy to reach the reference gas introduction part through the crack. Therefore, when a detection voltage is applied between the reference electrode and the electrode on the gas side to be measured that is close to the crack, the detection current when there is a crack tends to increase. Therefore, the position of the crack can be estimated based on the detection current measured individually for each of the electrodes on the gas side to be measured.

本発明のクラック検出方法は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
を備えたセンサ素子のクラック検出方法であって、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出する、
ものである。
The crack detection method of the present invention
An element body having an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and an internal measurement gas flow section for introducing and circulating the measurement gas, and an element body.
The electrode to be measured gas side arranged in the gas flow unit to be measured and the electrode to be measured
A reference electrode arranged inside the element body and
A reference gas introduction unit that introduces a reference gas that serves as a reference for detecting the specific gas concentration of the gas to be measured from the reference gas inlet and distributes the reference gas to the reference electrode and imparts diffusion resistance to the reference gas.
It is a crack detection method of a sensor element equipped with
A predetermined detection voltage is applied between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode so that the current flowing between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode becomes a limit current, and the reference electrode is applied. Oxygen is drawn from the periphery of the electrode to the gas side electrode to be measured, and the detection current flowing between the reference electrode and the gas side electrode to be measured is acquired when the detection voltage is applied. A crack in the element body is detected based on the detection current.
It is a thing.

このクラック検出方法では、上述したガスセンサと同様に、クラックがあると検出用電流が大きくなることを利用して、素子本体のクラックを検出できる。 In this crack detection method, similarly to the gas sensor described above, a crack in the element body can be detected by utilizing the fact that the detection current increases when there is a crack.

ガスセンサ100の縦断面図。A vertical sectional view of the gas sensor 100. センサ素子101の構成の一例を概略的に示した断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the sensor element 101. 制御装置95と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。The block diagram which shows the electrical connection relationship between a control device 95 and each cell. クラック検出処理の一例を示すフローチャート。The flowchart which shows an example of a crack detection process. ポンプ電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係の一例を示すV−I曲線。FIG. 6 is a VI curve showing an example of the relationship between the pump voltage Vp3 and the pump current Ip3. クラック検出処理時の酸素の流れを示す説明図。Explanatory drawing which shows the flow of oxygen at the time of a crack detection process. 被測定ガスの酸素濃度とIp3の限界電流値との関係の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the relationship between the oxygen concentration of the measured gas and the critical current value of Ip3. 変形例のセンサ素子201の断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the sensor element 201 of the modified example.

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態であるガスセンサ100の縦断面図である。図2は、ガスセンサ100が備えるセンサ素子101の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図3は、制御装置95と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。なお、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図2の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図2の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。 Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical sectional view of a gas sensor 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the sensor element 101 included in the gas sensor 100. FIG. 3 is a block diagram showing an electrical connection relationship between the control device 95 and each cell. The sensor element 101 has a long rectangular body shape, the longitudinal direction of the sensor element 101 (horizontal direction in FIG. 2) is the front-rear direction, and the thickness direction of the sensor element 101 (vertical direction in FIG. 2) is up and down. The direction. Further, the width direction (direction perpendicular to the front-rear direction and the vertical direction) of the sensor element 101 is defined as the left-right direction.

図1に示すように、ガスセンサ100は、センサ素子101と、センサ素子101の前端側を保護する保護カバー130と、センサ素子101と導通するコネクタ150を含むセンサ組立体140と、制御装置95(図3参照)とを備えている。このガスセンサ100は、図示するように例えば車両の排ガス管などの配管190に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるNOxやO2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ100は特定ガス濃度としてNOx濃度を測定するものとした。 As shown in FIG. 1, the gas sensor 100 includes a sensor element 101, a protective cover 130 that protects the front end side of the sensor element 101, a sensor assembly 140 including a connector 150 that conducts with the sensor element 101, and a control device 95 ( (See FIG. 3). As shown in the figure, the gas sensor 100 is attached to a pipe 190 such as an exhaust gas pipe of a vehicle and is used to measure the concentration of a specific gas such as NOx or O 2 contained in the exhaust gas as a gas to be measured. .. In the present embodiment, the gas sensor 100 measures the NOx concentration as a specific gas concentration.

保護カバー130は、センサ素子101の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー131と、この内側保護カバー131を覆う有底筒状の外側保護カバー132とを備えている。内側保護カバー131及び外側保護カバー132には、被測定ガスを保護カバー130内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー131で囲まれた空間としてセンサ素子室133が形成されており、センサ素子101の前端はこのセンサ素子室133内に配置されている。 The protective cover 130 includes a bottomed tubular inner protective cover 131 that covers the front end of the sensor element 101, and a bottomed tubular outer protective cover 132 that covers the inner protective cover 131. The inner protective cover 131 and the outer protective cover 132 are formed with a plurality of holes for allowing the gas to be measured to flow into the protective cover 130. The sensor element chamber 133 is formed as a space surrounded by the inner protective cover 131, and the front end of the sensor element 101 is arranged in the sensor element chamber 133.

センサ組立体140は、センサ素子101を封入固定する素子封止体141と、素子封止体141に取り付けられたボルト147,外筒148と、センサ素子101の後端の表面(上下面)に形成された図示しないコネクタ電極(後述するヒータコネクタ電極71のみ図2に図示した)に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ150と、を備えている。 The sensor assembly 140 is provided on the surface (upper and lower surfaces) of the element sealing body 141 for sealing and fixing the sensor element 101, the bolt 147 attached to the element sealing body 141, the outer cylinder 148, and the rear end of the sensor element 101. It includes a connector 150 that is in contact with and electrically connected to the formed connector electrodes (only the heater connector electrode 71, which will be described later, is shown in FIG. 2).

素子封止体141は、筒状の主体金具142と、主体金具142と同軸に溶接固定された筒状の内筒143と、主体金具142及び内筒143の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポーター144a〜144c,圧粉体145a,145b,メタルリング146と、を備えている。センサ素子101は素子封止体141の中心軸上に位置しており、素子封止体141を前後方向に貫通している。内筒143には、圧粉体145bを内筒143の中心軸方向に押圧するための縮径部143aと、メタルリング146を介してセラミックスサポーター144a〜144c,圧粉体145a,145bを前方に押圧するための縮径部143bとが形成されている。縮径部143a,143bからの押圧力により、圧粉体145a,145bが主体金具142及び内筒143とセンサ素子101との間で圧縮されることで、圧粉体145a,145bが保護カバー130内のセンサ素子室133と外筒148内の空間149との間を封止すると共に、センサ素子101を固定している。 The element sealing body 141 is sealed in a tubular main metal fitting 142, a tubular inner cylinder 143 that is coaxially welded and fixed to the main metal fitting 142, and inside through holes of the main metal fitting 142 and the inner cylinder 143. It includes ceramics supporters 144a to 144c, green compacts 145a and 145b, and a metal ring 146. The sensor element 101 is located on the central axis of the element encapsulant 141 and penetrates the element encapsulant 141 in the front-rear direction. The inner cylinder 143 has a reduced diameter portion 143a for pressing the green compact 145b in the central axis direction of the inner cylinder 143, ceramics supporters 144a to 144c, and compacts 145a and 145b forward via a metal ring 146. A reduced diameter portion 143b for pressing is formed. The green compacts 145a and 145b are compressed between the main metal fitting 142 and the inner cylinder 143 and the sensor element 101 by the pressing force from the reduced diameter portions 143a and 143b, so that the green compacts 145a and 145b are protected by the protective cover 130. The sensor element chamber 133 inside and the space 149 inside the outer cylinder 148 are sealed, and the sensor element 101 is fixed.

ボルト147は、主体金具142と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ボルト147の雄ネジ部は、配管190に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材191内に挿入されている。これにより、ガスセンサ100のうちセンサ素子101の前端や保護カバー130の部分が配管190内に突出した状態で、ガスセンサ100が配管190に固定されている。 The bolt 147 is fixed coaxially with the main metal fitting 142, and a male screw portion is formed on the outer peripheral surface. The male threaded portion of the bolt 147 is inserted into a fixing member 191 welded to the pipe 190 and provided with a female threaded portion on the inner peripheral surface. As a result, the gas sensor 100 is fixed to the pipe 190 with the front end of the sensor element 101 and the portion of the protective cover 130 of the gas sensor 100 protruding into the pipe 190.

外筒148は、内筒143,センサ素子101,コネクタ150の周囲を覆っており、コネクタ150に接続された複数のリード線155が後端から外部に引き出されている。このリード線155は、コネクタ150を介してセンサ素子101の各電極(後述)と導通している。外筒148とリード線155との隙間はゴム栓157によって封止されている。外筒148内の空間149は基準ガス(本実施形態では大気)で満たされている。センサ素子101の後端はこの空間149内に配置されている。 The outer cylinder 148 covers the periphery of the inner cylinder 143, the sensor element 101, and the connector 150, and a plurality of lead wires 155 connected to the connector 150 are pulled out from the rear end. The lead wire 155 is electrically connected to each electrode (described later) of the sensor element 101 via the connector 150. The gap between the outer cylinder 148 and the lead wire 155 is sealed by a rubber stopper 157. The space 149 in the outer cylinder 148 is filled with a reference gas (atmosphere in this embodiment). The rear end of the sensor element 101 is arranged in this space 149.

図2に示すように、センサ素子101は、それぞれがジルコニア(ZrO2)等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第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つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。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。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。 As shown in FIG. 2, the sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3 , each of which is composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2). , The six layers of the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5, and the second solid electrolyte layer 6 are laminated in this order from the bottom in the drawing. Further, the solid electrolyte forming these six layers is a dense and airtight one. The sensor element 101 is manufactured, for example, by performing predetermined processing, printing of a circuit pattern, or the like on a ceramic green sheet corresponding to each layer, laminating them, and further firing and integrating them.

センサ素子101の一端(図2の左側)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、第4拡散律速部60と、第3内部空所61とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。 At one end of the sensor element 101 (on the left side in FIG. 2), between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, a gas introduction port 10 and a first diffusion rate-determining unit 11 are located. , The buffer space 12, the second diffusion rate-determining section 13, the first internal space 20, the third diffusion rate-determining section 30, the second internal space 40, the fourth diffusion rate-determining section 60, and the third interior. The vacant space 61 is formed adjacent to each other in this order.

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、第3内部空所61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。 The gas introduction port 10, the buffer space 12, the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61 have an upper portion provided in a manner in which the spacer layer 5 is hollowed out. The space inside the sensor element 101 is defined by the lower surface of the second solid electrolyte layer 6, the lower portion is the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, and the side portion is partitioned by the side surface of the spacer layer 5.

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。また、第4拡散律速部60は、第2固体電解質層6の下面との隙間として形成された1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3内部空所61に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。 The first diffusion rate-determining section 11, the second diffusion rate-determining section 13, and the third diffusion rate-determining section 30 are all provided as two horizontally long slits (openings have a longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing). .. Further, the fourth diffusion rate-determining portion 60 is provided as one horizontally long slit (the opening has a longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing) formed as a gap with the lower surface of the second solid electrolyte layer 6. The portion from the gas introduction port 10 to the third internal space 61 is also referred to as a gas distribution section to be measured.

第3基板層3の上面と第1固体電解質層4の下面との間には、大気導入層48が設けられている。大気導入層48は、例えばアルミナなどのセラミックスからなる多孔質体である。大気導入層48は、後端面が入口部48cとなっており、この入口部48cはセンサ素子101の後端面に露出している。入口部48cは、図1の空間149内に露出している(図1参照)。大気導入層48には、この入口部48cから、NOx濃度の測定を行う際の基準ガスが導入される。基準ガスは、本実施形態では大気(図1の空間149内の雰囲気)とした。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。この大気導入層48は、入口部48cから導入された基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつこれを基準電極42に導入する。 An atmosphere introduction layer 48 is provided between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the first solid electrolyte layer 4. The atmosphere introduction layer 48 is a porous body made of ceramics such as alumina. The rear end surface of the atmosphere introduction layer 48 is an inlet portion 48c, and the inlet portion 48c is exposed on the rear end surface of the sensor element 101. The entrance portion 48c is exposed in the space 149 of FIG. 1 (see FIG. 1). A reference gas for measuring the NOx concentration is introduced into the atmosphere introduction layer 48 from the inlet portion 48c. The reference gas was the atmosphere (atmosphere in the space 149 of FIG. 1) in the present embodiment. Further, the atmosphere introduction layer 48 is formed so as to cover the reference electrode 42. The atmosphere introduction layer 48 introduces the reference gas introduced from the inlet portion 48c into the reference electrode 42 while imparting a predetermined diffusion resistance.

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、大気導入層48が設けられている。なお、基準電極42は、第3基板層3の上面に直に形成されており、第3基板層3の上面に接する部分以外が大気導入層48に覆われている。ただし、基準電極42は少なくとも一部が大気導入層48に覆われていればよい。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,第2内部空所40内,第3内部空所61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。基準電極42は、多孔質サーメット電極(例えば、PtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。 The reference electrode 42 is an electrode formed so as to be sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and as described above, the atmosphere introduction layer 48 is provided around the reference electrode 42. ing. The reference electrode 42 is formed directly on the upper surface of the third substrate layer 3, and the portion other than the portion in contact with the upper surface of the third substrate layer 3 is covered with the atmosphere introduction layer 48. However, at least a part of the reference electrode 42 may be covered with the atmosphere introduction layer 48. Further, as will be described later, it is possible to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61 using the reference electrode 42. It has become. The reference electrode 42 is formed as a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt and ZrO 2 ).

被測定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圧力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圧力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。 In the gas distribution section to be measured, the gas introduction port 10 is a portion that is open to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas introduction port 10. There is. The first diffusion rate-determining unit 11 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured taken in from the gas introduction port 10. The buffer space 12 is a space provided for guiding the gas to be measured introduced from the first diffusion rate-determining unit 11 to the second diffusion rate-determining unit 13. The second diffusion rate-determining unit 13 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20. When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 to the inside of the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (if the gas to be measured is the exhaust gas of an automobile, the pulsation of the exhaust pressure). ) Suddenly taken into the inside of the sensor element 101 from the gas introduction port 10), the gas to be measured is not directly introduced into the first internal space 20, but the first diffusion rate-determining unit 11, the buffer space 12, and the second. After the pressure fluctuation of the gas to be measured is canceled through the diffusion rate-determining unit 13, the gas is introduced into the first internal space 20. As a result, the pressure fluctuation of the gas to be measured introduced into the first internal space 20 becomes almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced through the second diffusion rate-determining unit 13. The oxygen partial pressure is adjusted by operating the main pump cell 21.

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の上面の天井電極部22aと対応する領域に外部空間(図1のセンサ素子室133)に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極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。 The main pump cell 21 has an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal space 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. An outer pump electrode 23 provided in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a so as to be exposed to an external space (sensor element chamber 133 in FIG. 1), and a second solid electrolyte layer 6 sandwiched between these electrodes. It is an electrochemical pump cell composed of.

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)、および、側壁を与えるスペーサ層5にまたがって形成されている。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が直に形成され、そして、それら天井電極部22aと底部電極部22bとを接続するように、側部電極部(図示省略)が第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)に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。 The inner pump electrode 22 is formed so as to straddle the upper and lower solid electrolyte layers (second solid electrolyte layer 6 and first solid electrolyte layer 4) that partition the first internal space 20 and the spacer layer 5 that provides the side wall. There is. Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal space 20, and a bottom portion is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. The electrode portion 22b is directly formed, and the side electrode portion (not shown) constitutes both side wall portions of the first internal space 20 so as to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b. It is formed on the side wall surface (inner surface) of the spacer layer 5, and is arranged in a structure in the form of a tunnel at the arrangement portion of the side electrode portion.

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(例えば、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。なお、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。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt containing 1% Au and ZrO 2 ). The inner pump electrode 22 that comes into contact with the gas to be measured is formed by using a material having a weakened reducing ability for the NOx component in the gas to be measured.

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。 In the main pump cell 21, a desired pump voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23, and a pump current is applied in the positive or negative direction between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. By flowing Ip0, the oxygen in the first internal space 20 can be pumped into the external space, or the oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20.

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、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80が構成されている。 Further, in order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4 are used. The third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling a main pump.

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80における起電力(電圧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、電圧V0が目標値となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御することでポンプ電流Ip0が制御されている。これによって、第1内部空所20内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。 By measuring the electromotive force (voltage V0) in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Further, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the voltage V0 becomes the target value. As a result, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be maintained at a predetermined constant value.

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。 The third diffusion rate-determining unit 30 imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, and applies the gas to be measured. It is a part leading to the second internal space 40.

第2内部空所40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30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を行うための空間として設けられている。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。 In the second internal space 40, after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in advance in the first internal space 20, the auxiliary pump cell 50 is further applied to the gas to be measured introduced through the third diffusion rate-determining unit 30. It is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure. As a result, the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, so that the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.

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の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。 The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal space 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23). It is an auxiliary electrochemical pump cell composed of a suitable electrode on the outside of the sensor element 101) and a second solid electrolyte layer 6.

係る補助ポンプ電極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と同様なトンネル形態とされた構造において、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、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の上面には、底部電極部51bが直に形成され、そして、それらの天井電極部51aと底部電極部51bとを連結する側部電極部(図示省略)が、第2内部空所40の側壁を与えるスペーサ層5の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。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。 The auxiliary pump electrode 51 is arranged in the second internal space 40 in a structure having a tunnel shape similar to that of the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20. That is, the ceiling electrode portion 51a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40. The bottom electrode portion 51b is directly formed, and the side electrode portion (not shown) connecting the ceiling electrode portion 51a and the bottom electrode portion 51b provides a side wall of the second internal space 40. It has a tunnel-like structure formed on both wall surfaces of the spacer layer 5. The auxiliary pump electrode 51 is also formed by using a material having a weakened reducing ability for the NOx component in the gas to be measured, similarly to the inner pump electrode 22.

補助ポンプセル50においては、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。 In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is pumped out to the external space or outside. It is possible to pump from the space into the second internal space 40.

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、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81が構成されている。 Further, in order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte are used. The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling an auxiliary pump.

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される起電力(電圧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。 The auxiliary pump cell 50 pumps with a variable power supply 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force (voltage V1) detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81. As a result, the partial pressure of oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

また、これとともに、そのポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル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、ポンプ電流Ip1は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80に入力され、その電圧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。 At the same time, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump. Specifically, the pump current Ip1 is input to the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump as a control signal, and the voltage V0 is controlled so that the third diffusion rate control unit 30 to the second internal space 40 The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the pump is controlled to be constant at all times. When used as a NOx sensor, the oxygen concentration in the second internal space 40 is maintained at a constant value of about 0.001 ppm by the action of the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50.

第4拡散律速部60は、第2内部空所40で補助ポンプセル50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3内部空所61に導く部位である。第4拡散律速部60は、第3内部空所61に流入するNOxの量を制限する役割を担う。 The fourth diffusion rate-determining unit 60 imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the auxiliary pump cell 50 in the second internal space 40, and transfers the gas to be measured. It is a part leading to the third internal space 61. The fourth diffusion rate-determining unit 60 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the third internal space 61.

第3内部空所61は、あらかじめ第2内部空所40において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第4拡散律速部60を通じて導入された被測定ガスに対して、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、第3内部空所61において、測定用ポンプセル41の動作により行われる。 The third internal space 61 is in the gas to be measured with respect to the gas to be measured introduced through the fourth diffusion rate-determining unit 60 after the oxygen concentration (oxygen partial pressure) is adjusted in advance in the second internal space 40. It is provided as a space for performing a process related to the measurement of the nitrogen oxide (NOx) concentration of the above. The measurement of the NOx concentration is mainly performed by the operation of the measurement pump cell 41 in the third internal space 61.

測定用ポンプセル41は、第3内部空所61内において、被測定ガス中のNOx濃度の測定を行う。測定用ポンプセル41は、第3内部空所61に面する第1固体電解質層4の上面に直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、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極22よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極(例えば、PtとZrO2とのサーメット電極)である。測定電極44は、第3内部空所61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。 The measurement pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the third internal space 61. The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided directly on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the third internal space 61, an outer pump electrode 23, a second solid electrolyte layer 6, and a spacer layer. It is an electrochemical pump cell composed of 5 and a 1st solid electrolyte layer 4. The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode (for example, a cermet electrode of Pt and ZrO 2 ) made of a material having a reduction ability for a NOx component in the gas to be measured higher than that of the inner pump electrode 22. The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx existing in the atmosphere in the third internal space 61.

測定用ポンプセル41においては、測定電極44の周囲の雰囲気中における窒素酸化物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。 In the measurement pump cell 41, oxygen generated by decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the amount of oxygen generated can be detected as the pump current Ip2.

また、測定電極44の周囲の酸素分圧を検出するために、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、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された起電力(電圧V2)に基づいて可変電源46が制御される。 Further, in order to detect the oxygen partial pressure around the measurement electrode 44, an electrochemical sensor cell, that is, a reference electrode 42 is used by the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measurement electrode 44, and the reference electrode 42. The oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump is configured. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force (voltage V2) detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measurement pump.

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60を通じて第3内部空所61内の測定電極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窒素酸化物は還元されて(2NO→N2+O2)酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル41によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された電圧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、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル41におけるポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。 The gas to be measured guided into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 in the third internal space 61 through the fourth diffusion rate-determining unit 60 under the condition that the oxygen partial pressure is controlled. .. Nitrogen oxides in the gas to be measured around the measurement electrode 44 are reduced (2NO → N 2 + O 2 ) to generate oxygen. Then, the generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41, and at that time, the variable power supply 46 is set so that the voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 becomes constant. The voltage Vp2 of is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measurement electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured, the nitrogen oxides in the gas to be measured are used by using the pump current Ip2 in the measurement pump cell 41. The concentration will be calculated.

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(電圧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。 Further, the electrochemical sensor cell 83 is composed of the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42. The electromotive force (voltage Vref) obtained by the sensor cell 83 makes it possible to detect the partial pressure of oxygen in the gas to be measured outside the sensor.

このような構成を有するガスセンサ100においては、主ポンプセル21と補助ポンプセル50とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値(NOxの測定に実質的に影響がない値)に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル41に与えられる。したがって、被測定ガス中のNOxの濃度に略比例して、NOxの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル41より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ip2に基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を知ることができるようになっている。 In the gas sensor 100 having such a configuration, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect the measurement of NOx) by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50. The gas to be measured is supplied to the measurement pump cell 41. Therefore, the NOx concentration in the gas to be measured is determined based on the pump current Ip2 that flows when oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out from the measurement pump cell 41 in substantially proportional to the concentration of NOx in the gas to be measured. You can know it.

また、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とによって、電気化学的なポンプセル、すなわち、検出用第1ポンプセル85が構成されている。この検出用第1ポンプセル85は、基準電極42と内側ポンプ電極22との間に接続された可変電源86が印加するポンプ電圧Vp3によりポンプ電流Ip3が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、検出用第1ポンプセル85は、基準電極42の周囲の空間(大気導入層48)から内側ポンプ電極22の周囲の空間(第1内部空所20)に酸素の汲み入れを行う。 Further, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are used to form an electrochemical pump cell, that is, a reference electrode 42. A first detection pump cell 85 is configured. The first pump cell for detection 85 pumps oxygen by causing a pump current Ip3 to flow by a pump voltage Vp3 applied by a variable power source 86 connected between the reference electrode 42 and the inner pump electrode 22. As a result, the detection first pump cell 85 draws oxygen from the space around the reference electrode 42 (atmosphere introduction layer 48) to the space around the inner pump electrode 22 (first internal space 20).

また、補助ポンプ電極51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とによって、電気化学的なポンプセル、すなわち、検出用第2ポンプセル87が構成されている。この検出用第2ポンプセル87は、基準電極42と補助ポンプ電極51との間に接続された可変電源88が印加するポンプ電圧Vp4によりポンプ電流Ip4が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、検出用第2ポンプセル87は、基準電極42の周囲の空間(大気導入層48)から補助ポンプ電極51の周囲の空間(第2内部空所40)に酸素の汲み入れを行う。 Further, the auxiliary pump electrode 51, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 form an electrochemical pump cell, that is, a reference electrode 42. A second detection pump cell 87 is configured. The second pump cell for detection 87 pumps oxygen by causing a pump current Ip4 to flow by a pump voltage Vp4 applied by a variable power source 88 connected between the reference electrode 42 and the auxiliary pump electrode 51. As a result, the detection second pump cell 87 draws oxygen from the space around the reference electrode 42 (atmosphere introduction layer 48) to the space around the auxiliary pump electrode 51 (second internal space 40).

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とによって、電気化学的なポンプセルセル、すなわち、検出用第3ポンプセル89が構成されている。この検出用第3ポンプセル89は、基準電極42と測定電極44との間に接続された可変電源90が印加するポンプ電圧Vp5によりポンプ電流Ip5が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、検出用第3ポンプセル89は、基準電極42の周囲の空間(大気導入層48)から測定電極44の周囲の空間(第3内部空所61)に酸素の汲み入れを行う。 Further, the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 constitute an electrochemical pump cell cell, that is, a third pump cell 89 for detection. The detection third pump cell 89 pumps oxygen by causing a pump current Ip5 to flow by a pump voltage Vp5 applied by a variable power source 90 connected between the reference electrode 42 and the measurement electrode 44. As a result, the detection third pump cell 89 draws oxygen from the space around the reference electrode 42 (atmosphere introduction layer 48) to the space around the measurement electrode 44 (third internal space 61).

さらに、センサ素子101は、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、ヒータコネクタ電極71と、ヒータ72と、スルーホール73と、ヒータ絶縁層74と、圧力放散孔75とを備えている。 Further, the sensor element 101 includes a heater unit 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and keeping the sensor element 101 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater unit 70 includes a heater connector electrode 71, a heater 72, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a pressure dissipation hole 75.

ヒータコネクタ電極71は、第1基板層1の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極71を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70へ給電することができるようになっている。 The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1. By connecting the heater connector electrode 71 to an external power source, power can be supplied to the heater unit 70 from the outside.

ヒータ72は、第2基板層2と第3基板層3とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ72は、スルーホール73を介してヒータコネクタ電極71と接続されており、該ヒータコネクタ電極71を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子101を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。 The heater 72 is an electric resistor formed in a manner of being sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 via a through hole 73, and generates heat when power is supplied from the outside through the heater connector electrode 71 to heat and retain heat of the solid electrolyte forming the sensor element 101. ..

また、ヒータ72は、第1内部空所20から第3内部空所61の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。 Further, the heater 72 is embedded in the entire area from the first internal space 20 to the third internal space 61, and the entire sensor element 101 can be adjusted to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.

ヒータ絶縁層74は、ヒータ72の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成された多孔質の絶縁層である。ヒータ絶縁層74は、第2基板層2とヒータ72との間の電気的絶縁性、および、第3基板層3とヒータ72との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。 The heater insulating layer 74 is a porous insulating layer formed on the upper and lower surfaces of the heater 72 by an insulator such as alumina. The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of obtaining electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72.

圧力放散孔75は、第3基板層3及び大気導入層48を貫通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層74内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。圧力放散孔75は、大気導入層48のうち基準ガスの入口(ここでは入口部48c)よりも内側の部分と、ヒータ部70と、の間をガスの流通が可能な状態で連結している。 The pressure dissipation hole 75 is a portion provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and the atmosphere introduction layer 48, and is formed for the purpose of alleviating an increase in internal pressure due to a temperature increase in the heater insulating layer 74. .. The pressure dissipation hole 75 connects a portion of the atmosphere introduction layer 48 inside the inlet of the reference gas (here, the inlet portion 48c) and the heater portion 70 in a state in which gas can flow. ..

なお、図2に示した可変電源24,46,52,86,88,90などは、実際にはセンサ素子101内に形成された図示しないリード線や図1のコネクタ150及びリード線155を介して、各電極と接続されている。 The variable power supplies 24, 46, 52, 86, 88, 90 and the like shown in FIG. 2 are actually via lead wires (not shown) formed in the sensor element 101 and the connectors 150 and lead wires 155 of FIG. It is connected to each electrode.

制御装置95は、上述した可変電源24,46,52,86,88,90と、制御部91と、を備えている。制御部91は、CPU92及び記憶部94などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部94は、各種プログラムや各種データを記憶する装置である。制御部91は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80にて検出される電圧V0、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル81にて検出される電圧V1、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出される電圧V2、センサセル83にて検出される電圧Vref、主ポンプセル21にて検出されるポンプ電流Ip0、補助ポンプセル50にて検出されるポンプ電流Ip1及び測定用ポンプセル41にて検出されるポンプ電流Ip2、検出用第1ポンプセル85にて検出されるポンプ電流Ip3、検出用第2ポンプセル87にて検出されるポンプ電流Ip4、検出用第3ポンプセル89にて検出されるポンプ電流Ip5を入力する。また、制御部91は可変電源24,46,52,86,88,90へ制御信号を出力することで可変電源24,46,52,86,88,90が出力する電圧Vp0,Vp1,Vp2,Vp3,Vp4,Vp5を制御し、これにより、主ポンプセル21,測定用ポンプセル41,補助ポンプセル50,検出用第1ポンプセル85,検出用第2ポンプセル87,検出用第3ポンプセル89を制御する。記憶部94には、後述する目標値V0*,V1*,V2*なども記憶されている。制御部91のCPU92は、これらの目標値V0*,V1*,V2*を参照して、各セル21,41,50の制御を行い、後述するNOx濃度検出処理を行う。また、記憶部94には、後述する設定値Vsp3,Vsp4,Vsp5なども記憶されている。制御部91のCPU92は、これらの設定値Vsp3,Vsp4,Vsp5を参照して、各セル85,87,89の制御を行い、後述するクラック検出処理を行う。なお、制御部91は、NOx濃度検出処理を行う際には、各セル85,87,89を作動させない、つまり、電圧Vp3,Vp4,Vp5を出力しないように可変電源86,88,90を制御する。 The control device 95 includes the above-mentioned variable power supplies 24, 46, 52, 86, 88, 90 and a control unit 91. The control unit 91 is a microprocessor including a CPU 92, a storage unit 94, and the like. The storage unit 94 is a device that stores various programs and various data. The control unit 91 detects the voltage V0 detected by the main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 80, the voltage V1 detected by the auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 81, and the measurement pump control oxygen partial pressure detection. The voltage V2 detected by the sensor cell 82, the voltage Vref detected by the sensor cell 83, the pump current Ip0 detected by the main pump cell 21, the pump current Ip1 detected by the auxiliary pump cell 50, and the measurement pump cell 41. The detected pump current Ip2, the pump current Ip3 detected by the first detection pump cell 85, the pump current Ip4 detected by the second detection pump cell 87, and the pump current detected by the third detection pump cell 89. Enter Ip5. Further, the control unit 91 outputs a control signal to the variable power supplies 24, 46, 52, 86, 88, 90, and the voltages Vp0, Vp1, Vp2, output by the variable power supplies 24, 46, 52, 86, 88, 90 are output. It controls Vp3, Vp4, and Vp5, thereby controlling the main pump cell 21, the measurement pump cell 41, the auxiliary pump cell 50, the detection first pump cell 85, the detection second pump cell 87, and the detection third pump cell 89. The storage unit 94 also stores target values V0 *, V1 *, V2 *, etc., which will be described later. The CPU 92 of the control unit 91 controls the cells 21, 41, and 50 with reference to these target values V0 *, V1 *, and V2 *, and performs NOx concentration detection processing described later. Further, the storage unit 94 also stores set values Vsp3, Vsp4, Vsp5 and the like, which will be described later. The CPU 92 of the control unit 91 controls each cell 85, 87, 89 with reference to these set values Vsp3, Vsp4, Vsp5, and performs a crack detection process described later. The control unit 91 controls the variable power supplies 86, 88, 90 so as not to operate the cells 85, 87, 89, that is, to output the voltages Vp3, Vp4, Vp5 when performing the NOx concentration detection process. To do.

次に、ガスセンサ100を用いて被測定ガス中のNOx濃度を検出するNOx濃度検出処理の一例について説明する。NOx濃度検出処理が開始されると、制御装置95の制御部91は、電圧V0が目標値(目標値V0*と称する)となるように(つまり第1内部空所20の酸素濃度が目標濃度となるように)可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御する。ポンプ電流Ip0は被測定ガスの酸素濃度ひいては被測定ガスの空燃費(A/F)に応じて変化する。 Next, an example of the NOx concentration detection process for detecting the NOx concentration in the gas to be measured using the gas sensor 100 will be described. When the NOx concentration detection process is started, the control unit 91 of the control device 95 sets the voltage V0 to the target value (referred to as the target value V0 *) (that is, the oxygen concentration in the first internal space 20 is the target concentration). The pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 is feedback-controlled. The pump current Ip0 changes according to the oxygen concentration of the gas to be measured and the air-fuel ratio (A / F) of the gas to be measured.

また、制御部91は、電圧V1が一定値(目標値V1*と称する)となるように(つまり第2内部空所40の酸素濃度がNOxの測定に実質的に影響がない所定の低酸素濃度となるように)可変電源52の電圧Vp1をフィードバック制御する。これとともに、制御部91は、電圧Vp1によって流れるポンプ電流Ip1が一定値(目標値Ip1*と称する)となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて電圧V0の目標値V0*を設定(フィードバック制御)する。これにより、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。また、第2内部空所40内の雰囲気中の酸素分圧が、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。目標値V0*は、第1内部空所20の酸素濃度が0%よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。 Further, the control unit 91 sets a predetermined low oxygen so that the voltage V1 becomes a constant value (referred to as a target value V1 *) (that is, the oxygen concentration of the second internal space 40 does not substantially affect the measurement of NOx). The voltage Vp1 of the variable power supply 52 is feedback-controlled (so that the concentration becomes high). At the same time, the control unit 91 sets the target value V0 * of the voltage V0 based on the pump current Ip1 so that the pump current Ip1 flowing by the voltage Vp1 becomes a constant value (referred to as the target value Ip1 *) (feedback control). To do. As a result, the gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced from the third diffusion rate-determining unit 30 into the second internal space 40 is always constant. Further, the partial pressure of oxygen in the atmosphere in the second internal space 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx. The target value V0 * is set to a value such that the oxygen concentration of the first internal space 20 is higher than 0% and the oxygen concentration is low.

さらに、制御部91は、電圧V2が一定値(目標値V2*と称する)となるように(つまり第3内部空所61内の酸素濃度が所定の低濃度になるように)可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御する。これにより、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第3内部空所61内から酸素が汲み出される。そして、制御部91は、特定ガス(ここではNOx)に由来して第3内部空所61で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ip2を取得し、このポンプ電流Ip2に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を算出する。このように、センサ素子101内に導入された被測定ガス中の特定ガスに由来する酸素の汲み出しを行い、汲み出す酸素量に基づいて(本実施形態ではポンプ電流Ip2に基づいて)特定ガス濃度を検出する方式を、限界電流方式と称する。 Further, the control unit 91 controls the variable power supply 46 so that the voltage V2 becomes a constant value (referred to as a target value V2 *) (that is, the oxygen concentration in the third internal space 61 becomes a predetermined low concentration). The voltage Vp2 is feedback-controlled. As a result, oxygen is pumped out from the third internal space 61 so that the oxygen generated by the reduction of NOx in the gas to be measured in the third internal space 61 becomes substantially zero. Then, the control unit 91 acquires the pump current Ip2 as a detection value corresponding to the oxygen generated in the third internal space 61 derived from the specific gas (NOx in this case), and is measured based on the pump current Ip2. Calculate the NOx concentration in the gas. In this way, oxygen derived from the specific gas in the gas to be measured introduced into the sensor element 101 is pumped out, and the specific gas concentration is based on the amount of oxygen pumped out (based on the pump current Ip2 in this embodiment). The method of detecting the above is called the limit current method.

記憶部94には、ポンプ電流Ip2とNOx濃度との対応関係として、関係式(例えば一次関数の式)やマップなどが記憶されている。このような関係式又はマップは、予め実験により求めておくことができる。制御部91のCPU92は、取得したポンプ電流Ip2と記憶部94に記憶された対応関係とに基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を検出する。 The storage unit 94 stores a relational expression (for example, an expression of a linear function), a map, or the like as a correspondence relationship between the pump current Ip2 and the NOx concentration. Such a relational expression or map can be obtained experimentally in advance. The CPU 92 of the control unit 91 detects the NOx concentration in the gas to be measured based on the acquired pump current Ip2 and the correspondence relationship stored in the storage unit 94.

次に、ガスセンサ100におけるクラック検出処理の一例について、図4を用いて説明する。図4は、クラック検出処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、例えば一定時間毎などの所定のクラック検出タイミングで実行される。ここでは、上述したNOx濃度検出処理に引き続いてクラック検出処理を行う場合について説明する。 Next, an example of the crack detection process in the gas sensor 100 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart showing an example of the crack detection process. This process is executed at a predetermined crack detection timing, for example, at regular time intervals. Here, a case where the crack detection process is performed following the NOx concentration detection process described above will be described.

クラック検出処理が開始されると、制御部91は、まず、被測定ガスの酸素濃度情報を取得する(S100)。ここでは、制御部91は、酸素濃度情報として上述のNOx濃度検出処理で検出されたポンプ電流Ip0を入力する。記憶部94には、ポンプ電流Ip0と被測定ガスの酸素濃度との対応関係として関係式(例えば一次関数の式)やマップなどが記憶されているものとし、制御部91のCPU92は取得したポンプ電流Ip0と記憶部94に記憶された対応関係とに基づいて被測定ガスの酸素濃度を導出するものとしてもよい。被測定ガスの酸素濃度情報を取得すると、制御部91は、ポンプ電圧Vp0,Vp1,Vp2の印加を中止して(S110)、NOx濃度検出処理を一旦中断する。続いて、制御部91は、設定値Vsp3に設定されたポンプ電圧Vp3を印加するように検出用第1ポンプセル85の可変電源86を制御する(S120)。これにより、基準電極42の周囲から内側ポンプ電極22の周囲の空間(第1内部空所20)に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ip3が流れる。そして、制御部91は、このときのポンプ電流Ip3を入力し(S130)、ポンプ電圧Vp3の印加を中止する(S140)。続いて、制御部91は、設定値Vsp4に設定されたポンプ電圧Vp4を印加するように検出用第2ポンプセル87の可変電源88を制御する(S150)。これにより、基準電極42の周囲から補助ポンプ電極51の周囲の空間(第2内部空所40)に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ip4が流れる。そして、制御部91は、このときのポンプ電流Ip4を入力し(S160)、ポンプ電圧Vp4の印加を中止する(S170)。続いて、制御部91は、設定値Vsp5に設定されたポンプ電圧Vp5を印加するように検出用第3ポンプセル89の可変電源90を制御する(S180)。これにより、基準電極42の周囲から測定電極44の周囲の空間(第3内部空所61)に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ip5が流れる。そして、制御部91は、このときのポンプ電流Ip5を入力し(S190)、ポンプ電圧Vp5の印加を中止する(S200)。こうしてポンプ電流Ip3〜Ip5を入力すると、制御部91は、記憶部94に記憶された検出用閾値Tp3〜Tp5に基づいて、ポンプ電流Ip3が検出用閾値Tp3以上であるか、ポンプ電流Ip4が検出用閾値Tp4以上であるか、ポンプ電流Ip5が検出用閾値Tp5以上であるか、の1以上を満たすか否かを判定する(S210)。制御部91は、S210において上述した1以上を満たすならば、センサ素子101にクラックがあると判定し、クラックの位置を推定する処理を行う(S220)。S220の詳細については後述する。その後、制御部91は、クラック検出信号とクラック位置を外部に出力し(S230)、本ルーチンを終了し、必要に応じてNOx濃度検出処理を再開する。一方、制御部91は、S210で上述した1以上を満たさないならば、そのまま本ルーチンを終了し、必要に応じてNOx濃度検出処理を再開する。 When the crack detection process is started, the control unit 91 first acquires the oxygen concentration information of the gas to be measured (S100). Here, the control unit 91 inputs the pump current Ip0 detected by the above-mentioned NOx concentration detection process as the oxygen concentration information. It is assumed that the storage unit 94 stores a relational expression (for example, a linear function expression) or a map as a correspondence relationship between the pump current Ip0 and the oxygen concentration of the gas to be measured, and the CPU 92 of the control unit 91 has acquired the pump. The oxygen concentration of the gas to be measured may be derived based on the correspondence between the current Ip0 and the correspondence stored in the storage unit 94. When the oxygen concentration information of the gas to be measured is acquired, the control unit 91 stops applying the pump voltages Vp0, Vp1 and Vp2 (S110), and temporarily interrupts the NOx concentration detection process. Subsequently, the control unit 91 controls the variable power supply 86 of the detection first pump cell 85 so as to apply the pump voltage Vp3 set to the set value Vsp3 (S120). As a result, oxygen is pumped from the periphery of the reference electrode 42 to the space around the inner pump electrode 22 (first internal space 20), and the pump current Ip3 flows. Then, the control unit 91 inputs the pump current Ip3 at this time (S130), and stops applying the pump voltage Vp3 (S140). Subsequently, the control unit 91 controls the variable power supply 88 of the second detection pump cell 87 so as to apply the pump voltage Vp4 set to the set value Vsp4 (S150). As a result, oxygen is pumped from the periphery of the reference electrode 42 into the space (second internal space 40) around the auxiliary pump electrode 51, and the pump current Ip4 flows. Then, the control unit 91 inputs the pump current Ip4 at this time (S160), and stops applying the pump voltage Vp4 (S170). Subsequently, the control unit 91 controls the variable power supply 90 of the detection third pump cell 89 so as to apply the pump voltage Vp5 set to the set value Vsp5 (S180). As a result, oxygen is pumped from the periphery of the reference electrode 42 into the space around the measurement electrode 44 (third internal space 61), and the pump current Ip5 flows. Then, the control unit 91 inputs the pump current Ip5 at this time (S190), and stops applying the pump voltage Vp5 (S200). When the pump currents Ip3 to Ip5 are input in this way, the control unit 91 detects whether the pump current Ip3 is equal to or higher than the detection threshold value Tp3 or the pump current Ip4 is detected based on the detection threshold values Tp3 to Tp5 stored in the storage unit 94. It is determined whether or not one or more of the threshold value Tp4 or more and the pump current Ip5 is one or more of the detection threshold value Tp5 or more is satisfied (S210). If the above-mentioned 1 or more is satisfied in S210, the control unit 91 determines that the sensor element 101 has a crack and performs a process of estimating the position of the crack (S220). Details of S220 will be described later. After that, the control unit 91 outputs the crack detection signal and the crack position to the outside (S230), terminates this routine, and restarts the NOx concentration detection process if necessary. On the other hand, if the control unit 91 does not satisfy the above-mentioned 1 or more in S210, the control unit 91 terminates this routine as it is, and restarts the NOx concentration detection process if necessary.

ポンプ電圧Vp3の設定値Vsp3及びポンプ電流Ip3の検出用閾値Tp3は、予め実験を行ってポンプ電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を示すV−I曲線を取得し、得られたV−I曲線に基づいて設定することができる。設定値Vsp4,Vsp5及び検出用閾値Tp4,Tp5も同様である。ここではまず、V−I曲線を取得する実験の一例として、ポンプ電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を示すV−I曲線を取得する実験について説明する。まず、クラック有りのセンサ素子101とクラック無しのセンサ素子101とを準備する。クラック有りのセンサ素子101は、例えば素子を急昇温することによりセンサ素子101の内部にクラックを形成してもよい。クラックは、例えば、後述する図6に示すように、第1内部空所20とヒータ部70との間に形成する。次に、各センサ素子101について、センサ素子101のガス導入口10側が所定の被測定ガス(ここではモデルガス)中に配置され、大気導入層48の入口部48c側が大気中に配置されるようにガスセンサ100を配置し、ヒータ72に通電してセンサ素子101を所定の駆動温度(例えば850℃)まで加熱する。可変電源24,52,46,86,88,90はいずれも電圧を印加しない状態とする。センサ素子101の温度が安定した後、基準電極42の周囲から内側ポンプ電極22の周囲への酸素の汲み入れが行われるように、可変電源86によって基準電極42と内側ポンプ電極22との間にポンプ電圧Vp3を印加する。ポンプ電圧Vp3は、徐々に(例えば2mV/sec)増加させながら印加する。そして、このときに流れるポンプ電流Ip3を測定し、ポンプ電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を示すV−I曲線を得る。ポンプ電圧Vp4とポンプ電流Ip4との関係を示すV−I曲線や、ポンプ電圧Vp5とポンプ電流Ip5との関係を示すV−I曲線についても、ポンプ電圧を印加しポンプ電流を測定する電極を変更する以外は、ポンプ電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を示すV−I曲線と同様に取得すればよい。 For the set value Vsp3 of the pump voltage Vp3 and the detection threshold Tp3 of the pump current Ip3, an experiment was conducted in advance to obtain a VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp3 and the pump current Ip3, and the obtained VI curve. Can be set based on. The same applies to the set values Vsp4 and Vsp5 and the detection threshold values Tp4 and Tp5. Here, first, as an example of an experiment for acquiring a VI curve, an experiment for acquiring a VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp3 and the pump current Ip3 will be described. First, a sensor element 101 with cracks and a sensor element 101 without cracks are prepared. The sensor element 101 with cracks may form cracks inside the sensor element 101, for example, by rapidly raising the temperature of the element. The crack is formed between the first internal space 20 and the heater portion 70, for example, as shown in FIG. 6 described later. Next, for each sensor element 101, the gas introduction port 10 side of the sensor element 101 is arranged in a predetermined gas to be measured (here, a model gas), and the inlet portion 48c side of the atmosphere introduction layer 48 is arranged in the atmosphere. A gas sensor 100 is arranged in the heater 72, and the heater 72 is energized to heat the sensor element 101 to a predetermined driving temperature (for example, 850 ° C.). The variable power supplies 24, 52, 46, 86, 88, and 90 are all in a state where no voltage is applied. After the temperature of the sensor element 101 stabilizes, oxygen is drawn from the periphery of the reference electrode 42 to the periphery of the inner pump electrode 22 by the variable power supply 86 between the reference electrode 42 and the inner pump electrode 22. A pump voltage Vp3 is applied. The pump voltage Vp3 is applied while gradually increasing (for example, 2 mV / sec). Then, the pump current Ip3 flowing at this time is measured, and a VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp3 and the pump current Ip3 is obtained. For the VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp4 and the pump current Ip4 and the VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp5 and the pump current Ip5, the electrodes for measuring the pump current by applying the pump voltage are changed. Except for this, it may be acquired in the same manner as the VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp3 and the pump current Ip3.

図5に、ポンプ電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を示すV−I曲線の一例を示す。図5に示すように、ポンプ電圧Vp3が低いうちはポンプ電圧Vp3の増加に伴いポンプ電流Ip3が増加するが、ポンプ電圧Vp3が高くなるとポンプ電圧Vp3が増加してもポンプ電流Ip3が増加せずに飽和するようになる。このようにポンプ電圧が増加してもポンプ電流が増加せずに飽和する飽和値を限界電流値という。図5に示すように、クラック有りのセンサ素子101では、クラック無しのセンサ素子101よりもポンプ電流Ip3の限界電流値が高くなる。この理由は以下のように推察される。 FIG. 5 shows an example of a VI curve showing the relationship between the pump voltage Vp3 and the pump current Ip3. As shown in FIG. 5, while the pump voltage Vp3 is low, the pump current Ip3 increases as the pump voltage Vp3 increases, but when the pump voltage Vp3 increases, the pump current Ip3 does not increase even if the pump voltage Vp3 increases. Will be saturated with. The saturation value that saturates without increasing the pump current even if the pump voltage increases is called the limit current value. As shown in FIG. 5, the limit current value of the pump current Ip3 is higher in the sensor element 101 with cracks than in the sensor element 101 without cracks. The reason for this can be inferred as follows.

ガスセンサ100において、クラック検出処理が開始され、ポンプ電圧Vp3が印加されると、図6に示すように、基準電極42の周囲の空間から内側ポンプ電極22の周囲の空間に酸素の汲み入れが行われる。ここで、センサ素子101にクラックが有ると、センサ素子室133(図1参照)から被測定ガス流通部に導入された被測定ガスに含まれる酸素及びポンプ電流Ip3によって内側ポンプ電極22の周囲の空間に汲み入れられた酸素のうちの少なくとも一方がクラックを介してヒータ絶縁層74に到達し、ヒータ絶縁層74、圧力放散孔75及び大気導入層48を通って基準電極42の周囲に到達するため、基準電極42の周囲の酸素量が増加する。このため、センサ素子101にクラックが有る場合には、クラックが無い場合よりも、ポンプ電流Ip3の限界電流値が大きくなる。このため、ガスセンサ100では、ポンプ電流Ip3に基づいてクラックを検出できる。ポンプ電流Ip4,Ip5も、Ip3と同様に、クラックがある場合にはクラックがない場合よりも限界電流値が大きくなる。したがって、ガスセンサ100では、ポンプ電流Ip4やポンプ電流Ip5に基づいてクラックを検出できる。 When the crack detection process is started in the gas sensor 100 and the pump voltage Vp3 is applied, oxygen is pumped from the space around the reference electrode 42 to the space around the inner pump electrode 22 as shown in FIG. It is said. Here, if the sensor element 101 has a crack, the oxygen contained in the measured gas introduced from the sensor element chamber 133 (see FIG. 1) into the measured gas flow section and the pump current Ip3 cause the surrounding of the inner pump electrode 22 to be cracked. At least one of the oxygen pumped into the space reaches the heater insulating layer 74 through the crack, and reaches the periphery of the reference electrode 42 through the heater insulating layer 74, the pressure dissipation hole 75, and the air introduction layer 48. Therefore, the amount of oxygen around the reference electrode 42 increases. Therefore, when the sensor element 101 has a crack, the limit current value of the pump current Ip3 becomes larger than when there is no crack. Therefore, the gas sensor 100 can detect cracks based on the pump current Ip3. Similar to Ip3, the pump currents Ip4 and Ip5 also have a larger critical current value when there is a crack than when there is no crack. Therefore, the gas sensor 100 can detect cracks based on the pump current Ip4 and the pump current Ip5.

ポンプ電圧Vp3の設定値Vsp3は、ポンプ電流Ip3が限界電流となるようなポンプ電圧Vp3の電圧範囲(例えば図5の限界電流範囲)から選択すればよい。ポンプ電圧Vp4,Vp5の設定値Vsp4,Vsp5についても、ポンプ電圧Vp3の設定値Vsp3と同様に設定すればよい。なお、設定値Vsp3,Vsp4,Vsp5は全て同じ値としてもよいし、Vsp3,Vsp4,Vsp5のうちの1以上を異なる値としてもよい。また、ポンプ電流Ip3の検出用閾値Tp3は、設定値Vsp3に設定されたポンプ電圧Vp3を印加したときに、クラック無しの場合のポンプ電流Ip3よりも高くクラック有りの場合のポンプ電流Ip3よりも低い電流範囲から選択すればよく、クラック無しの場合のポンプ電流Ip3とクラック有りの場合のポンプ電流Ip3とを区別できるように定めればよい。例えば図5に示すように、クラック無しの場合のポンプ電流Ip3をNp3とし、クラック有りの場合のポンプ電流Ip3をCp3として、Np3とCp3との間の電流範囲から選択してもよい。なお、図5では、検出用閾値Tp3を定めるにあたり、クラック有りとクラック無しのセンサ素子101を1本ずつ準備した場合について説明したが、各々複数準備し、それぞれについてV−I曲線を取得し、Np3の最大値とCp3の最小値との間の電流範囲から検出用閾値Tp3を選択してもよい。ポンプ電流Ip4,Ip5の検出用閾値Tp4,Tp5についても、ポンプ電流Ip3の検出用閾値Tp3と同様に設定すればよい。 The set value Vsp3 of the pump voltage Vp3 may be selected from the voltage range of the pump voltage Vp3 (for example, the limit current range of FIG. 5) such that the pump current Ip3 becomes the limit current. The set values Vsp4 and Vsp5 of the pump voltages Vp4 and Vp5 may be set in the same manner as the set values Vsp3 of the pump voltage Vp3. The set values Vsp3, Vsp4, and Vsp5 may all be the same value, or one or more of Vsp3, Vsp4, and Vsp5 may be different values. Further, the detection threshold Tp3 of the pump current Ip3 is higher than the pump current Ip3 without cracks and lower than the pump current Ip3 with cracks when the pump voltage Vp3 set to the set value Vsp3 is applied. It may be selected from the current range, and the pump current Ip3 when there is no crack and the pump current Ip3 when there is a crack may be defined so as to be distinguishable. For example, as shown in FIG. 5, the pump current Ip3 without cracks may be Np3, and the pump current Ip3 with cracks may be Cp3, which may be selected from the current range between Np3 and Cp3. In addition, in FIG. 5, in determining the detection threshold value Tp3, the case where one sensor element 101 with a crack and one without a crack are prepared has been described, but a plurality of each of the sensor elements 101 are prepared, and a VI curve is obtained for each of them. The detection threshold Tp3 may be selected from the current range between the maximum value of Np3 and the minimum value of Cp3. The detection threshold values Tp4 and Tp5 of the pump currents Ip4 and Ip5 may be set in the same manner as the detection threshold values Tp3 of the pump currents Ip3.

ところで、上述したように、ガスセンサ100では、被測定ガス流通部に存在する酸素、例えば被測定ガス流通部に導入された被測定ガスに含まれる酸素がクラックを介して基準電極42の周囲に到達する。このため、センサ素子101にクラックがある場合には、図7に破線で示すように、被測定ガスの酸素濃度が高くなるほどポンプ電流Ip3の限界電流値は大きくなる。一方で、センサ素子101にクラックがない場合には被測定ガス流通部に存在する酸素が基準電極42の周囲に到達することがない。このため、センサ素子101にクラックがない場合には、図7に実線で示すように、被測定ガスの酸素濃度に関わらずポンプ電流Ip3の限界電流値は略一定となる。このように、ガスセンサ100では、被測定ガスの酸素濃度が高いほど、クラックがある場合とクラックがない場合とのポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5の限界電流値の差が大きくなる。そこで、ここでは、検出用閾値Tp3は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど高くなる傾向で変化させる。検出用閾値Tp3は、例えば図7に一点鎖線で示すように被測定ガスの酸素濃度との関係が一次関数となるように直線的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。検出用閾値Tp3は、図7に一点鎖線で示すように各酸素濃度においてCp3からTp3を引いた差とTp3からNp3を引いた差との比率が略一定となるように変化させてもよい。検出用閾値Tp3を被測定ガスの酸素濃度と対応付けて変化させるにあたり、記憶部94には、検出用閾値Tp3と被測定ガスの酸素濃度との対応関係を示す式又はマップを記憶させてもよい。その場合、制御部91は、S100で取得した被測定ガスの酸素濃度と、記憶部94に記憶された式又はマップとを用いて検出用閾値Tp3を導出すればよい。検出用閾値Tp4,Tp5についても同様である。 By the way, as described above, in the gas sensor 100, oxygen existing in the gas flow section to be measured, for example, oxygen contained in the gas to be measured introduced into the gas flow section to be measured reaches the periphery of the reference electrode 42 through a crack. To do. Therefore, when the sensor element 101 has a crack, as shown by the broken line in FIG. 7, the limit current value of the pump current Ip3 increases as the oxygen concentration of the gas to be measured increases. On the other hand, when the sensor element 101 has no cracks, the oxygen existing in the gas flow section to be measured does not reach the periphery of the reference electrode 42. Therefore, when there are no cracks in the sensor element 101, the limit current value of the pump current Ip3 is substantially constant regardless of the oxygen concentration of the gas to be measured, as shown by the solid line in FIG. As described above, in the gas sensor 100, the higher the oxygen concentration of the gas to be measured, the larger the difference between the limit current values of the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5 between the case where there is a crack and the case where there is no crack. Therefore, here, the detection threshold value Tp3 is changed so that the higher the oxygen concentration of the gas to be measured, the higher the threshold value Tp3. The detection threshold Tp3 may be changed linearly or stepwise so that the relationship with the oxygen concentration of the gas to be measured becomes a linear function, for example, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. .. The detection threshold Tp3 may be changed so that the ratio of the difference between Cp3 minus Tp3 and the difference between Tp3 minus Np3 is substantially constant at each oxygen concentration as shown by the alternate long and short dash line in FIG. In order to change the detection threshold Tp3 in association with the oxygen concentration of the gas to be measured, the storage unit 94 may store an expression or a map showing the correspondence between the detection threshold Tp3 and the oxygen concentration of the gas to be measured. Good. In that case, the control unit 91 may derive the detection threshold value Tp3 by using the oxygen concentration of the gas to be measured acquired in S100 and the formula or map stored in the storage unit 94. The same applies to the detection thresholds Tp4 and Tp5.

次に、S220のクラック位置の推定について説明する。ガスセンサ100では、内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,測定電極44のうち、クラックに近い電極では、汲み入れられた酸素がクラックに到達しやすく、クラックを介して基準電極42に到達しやすいため、ポンプ電流の限界電流値が大きくなりやすい。制御部91は、このことを利用して、クラックの位置を推定する。クラックの位置を推定する処理では、例えば、入力したポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5から各々の検出用閾値を引いた差が最も大きい電極の周囲にクラックが形成されていると推定してもよい。また例えば、入力したポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5のうち各々の検出用閾値以上のものが1つしかない場合には、入力したポンプ電流が検出用閾値以上となる電極の周囲にクラックが形成されていると推定してもよい。 Next, the estimation of the crack position of S220 will be described. In the gas sensor 100, of the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51, and the measurement electrode 44, the electrode close to the crack easily reaches the crack, and the pumped oxygen easily reaches the reference electrode 42 through the crack. , The limit current value of the pump current tends to increase. The control unit 91 uses this to estimate the position of the crack. In the process of estimating the position of the crack, for example, it may be estimated that the crack is formed around the electrode having the largest difference between the input pump currents Ip3, Ip4, and Ip5 minus the respective detection threshold values. Further, for example, when there is only one of the input pump currents Ip3, Ip4, and Ip5 that is equal to or higher than the detection threshold value, a crack is formed around the electrode in which the input pump current is equal to or higher than the detection threshold value. It may be presumed that it is.

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第1基板層1,第2基板層2,第3基板層3,第1固体電解質層4,スペーサ層5及び第2固体電解質層6が本発明の素子本体に相当し、ガス導入口10,第1拡散律速部11,緩衝空間12,第2拡散律速部13,第1内部空所20,第3拡散律速部30,第2内部空所40,第4拡散律速部60及び第3内部空所61が被測定ガス流通部に相当し、内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,測定電極44のそれぞれが被測定ガス側電極に相当し、基準電極42が基準電極に相当し、大気導入層48が基準ガス導入部に相当し、入口部48cが基準ガス入口に相当し、ガスセンサ100がガスセンサに相当する。また、設定値Vsp3に設定されたポンプ電圧Vp3,設定値Vsp4に設定されたポンプ電圧Vp4,設定値Vsp5に設定されたポンプ電圧Vp5が検出用電圧に相当し、各検出用電圧を印加したときのポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5のそれぞれが検出用電流に相当し、制御部91がクラック検出手段に相当する。また、検出用閾値Tp3,Tp4,Tp5が検出用閾値に相当する。また、ヒータ72がヒータに相当し、ヒータ絶縁層74がヒータ絶縁層に相当し、ヒータ部70がヒータ部に相当し、圧力放散孔75が連結部に相当する。また、センサ素子101がセンサ素子に相当する。また、上述した実施形態では、ガスセンサ100の動作を説明することにより、本発明のクラック検出方法の一例も明らかにしている。 Here, the correspondence between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The first substrate layer 1, the second substrate layer 2, the third substrate layer 3, the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5 and the second solid electrolyte layer 6 of the present embodiment correspond to the element body of the present invention, and the gas Introduction port 10, first diffusion rate-determining section 11, buffer space 12, second diffusion rate-determining section 13, first internal space 20, third diffusion rate-determining section 30, second internal space 40, fourth diffusion rate-determining section 60, and The third internal space 61 corresponds to the gas flow section to be measured, the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51, and the measurement electrode 44 each correspond to the gas side electrode to be measured, and the reference electrode 42 corresponds to the reference electrode. The atmosphere introduction layer 48 corresponds to the reference gas introduction portion, the inlet portion 48c corresponds to the reference gas inlet, and the gas sensor 100 corresponds to the gas sensor. Further, when the pump voltage Vp3 set in the set value Vsp33, the pump voltage Vp4 set in the set value Vsp44, and the pump voltage Vp5 set in the set value Vsp5 correspond to the detection voltage, and each detection voltage is applied. Each of the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5 corresponds to the detection current, and the control unit 91 corresponds to the crack detecting means. Further, the detection thresholds Tp3, Tp4, and Tp5 correspond to the detection thresholds. Further, the heater 72 corresponds to the heater, the heater insulating layer 74 corresponds to the heater insulating layer, the heater portion 70 corresponds to the heater portion, and the pressure dissipation hole 75 corresponds to the connecting portion. Further, the sensor element 101 corresponds to the sensor element. Further, in the above-described embodiment, an example of the crack detection method of the present invention is also clarified by explaining the operation of the gas sensor 100.

以上詳述した本実施形態のガスセンサ100では、上述したとおり、設定値Vsp3に設定されたポンプ電圧Vp3を印加したときのポンプ電流Ip3,設定値Vsp4に設定されたポンプ電圧Vp4を印加したときのポンプ電流Ip4,設定値Vsp5に設定されたポンプ電圧Vp5を印加したときのポンプ電流Ip5、のうちのいずれか1以上に基づいて素子本体のクラックを検出できる。特に、ガスセンサ100では、上述したとおり、被測定ガスの酸素濃度が高いほどクラックがある場合とクラックがない場合とのポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5の限界電流値の差が大きくなるため、被測定ガスの酸素濃度が高いほどクラックを精度よく検出できる。なお、ガスセンサ100では、基準電極42の周囲から被測定ガス側電極(内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,測定電極44)の周囲に酸素の汲み入れを行うため、被測定ガス自体に酸素が含まれていなくても、被測定ガス流通部には酸素が存在し、この酸素がクラックを介して基準電極42の周囲に到達する。このため、被測定ガス自体に酸素が含まれていない場合でもポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいて素子本体のクラックを検出できる。また、ガスセンサ100では、被測定ガスにNOxなどの酸化物が含まれていれば、それらが被測定ガス側電極(例えばNOxに対する還元能力を高めた材料で構成された測定電極44)で還元されて酸素を発生し、発生した酸素がクラックを介して基準電極42の周囲に到達する。このため、被測定ガス自体に酸素が含まれていない場合でもポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいて素子本体のクラックを検出できる。 In the gas sensor 100 of the present embodiment described in detail above, as described above, when the pump current Ip3 when the pump voltage Vp3 set to the set value Vsp3 is applied and the pump voltage Vp4 set to the set value Vsp4 are applied. A crack in the element body can be detected based on any one or more of the pump current Ip4 and the pump current Ip5 when the pump voltage Vp5 set to the set value Vsp5 is applied. In particular, in the gas sensor 100, as described above, the higher the oxygen concentration of the gas to be measured, the larger the difference between the limit current values of the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5 between the case where there is a crack and the case where there is no crack. The higher the oxygen concentration of the gas, the more accurately the crack can be detected. In the gas sensor 100, oxygen is drawn from the periphery of the reference electrode 42 to the vicinity of the electrode to be measured (inner pump electrode 22, auxiliary pump electrode 51, measurement electrode 44), so that the gas to be measured itself contains oxygen. Even if it is not contained, oxygen is present in the gas flow section to be measured, and this oxygen reaches the periphery of the reference electrode 42 through the crack. Therefore, even when the gas to be measured does not contain oxygen, cracks in the element body can be detected based on the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5. Further, in the gas sensor 100, if the gas to be measured contains oxides such as NOx, they are reduced by the electrode to be measured on the gas side (for example, the measurement electrode 44 made of a material having an enhanced reducing ability with respect to NOx). Oxygen is generated, and the generated oxygen reaches the periphery of the reference electrode 42 through the crack. Therefore, even when the gas to be measured does not contain oxygen, cracks in the element body can be detected based on the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5.

また、ガスセンサ100では、ヒータ絶縁層74及び圧力放散孔75を備えているため、被測定ガス流通部とヒータ部70との間のクラックを検出できる。 Further, since the gas sensor 100 includes the heater insulating layer 74 and the pressure dissipation hole 75, cracks between the gas flow section to be measured and the heater section 70 can be detected.

さらに、ガスセンサ100では、ポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5を取得するため、このポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいてクラック位置を推定できる。 Further, since the gas sensor 100 acquires the pump currents Ip3, Ip4, Ip5, the crack position can be estimated based on the pump currents Ip3, Ip4, Ip5.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various aspects as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

上述した実施形態では、内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,測定電極44を被測定ガス側電極として用いたが、これらのうちの1つ又は2つを被測定ガス側電極として用いなくてもよい。つまり、制御部91は、内側ポンプ電極22を含む検出用第1ポンプセル85を用いたS120〜S140の処理,補助ポンプ電極51を含む検出用第2ポンプセル87を用いたS150〜S170の処理,測定電極44を含む検出用第3ポンプセル89を用いたS180〜S200の処理のうちの1つ又は2つを行わなくてもよい。その場合、検出用第1ポンプセル85及びそれに接続された可変電源86,検出用第2ポンプセル87及びそれに接続された可変電源88,検出用第3ポンプセル89及びそれに接続された可変電源90のうちの1つ又は2つを省略してもよい。例えば、後述する図8のガスセンサ200のように、検出用第1ポンプセル85及びそれに接続された可変電源86を備え、検出用第2ポンプセル87及びそれに接続された可変電源88や、検出用第3ポンプセル89及びそれに接続された可変電源90を備えなくてもよい。また、制御部91は、上述した、S120〜S140の処理、S150〜S170の処理、S180〜S200の処理を、順序を入れ替えて行ってもよい。 In the above-described embodiment, the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51, and the measurement electrode 44 are used as the measurement gas side electrodes, but one or two of them may not be used as the measurement gas side electrodes. Good. That is, the control unit 91 processes and measures S120 to S140 using the first detection pump cell 85 including the inner pump electrode 22, and processes and measures S150 to S170 using the second detection pump cell 87 including the auxiliary pump electrode 51. It is not necessary to perform one or two of the treatments of S180 to S200 using the detection third pump cell 89 including the electrode 44. In that case, of the detection first pump cell 85 and the variable power supply 86 connected to it, the detection second pump cell 87 and the variable power supply 88 connected to it, the detection third pump cell 89 and the variable power supply 90 connected to it. One or two may be omitted. For example, as in the gas sensor 200 of FIG. 8 described later, the first pump cell for detection 85 and the variable power supply 86 connected to the first pump cell 85 for detection are provided, the second pump cell 87 for detection and the variable power supply 88 connected to the second pump cell 87 for detection, and the third detection power supply 88. The pump cell 89 and the variable power supply 90 connected to the pump cell 89 may not be provided. Further, the control unit 91 may perform the above-described processing of S120 to S140, processing of S150 to S170, and processing of S180 to S200 in a different order.

また、上述した実施形態では、制御部91は、S120〜S200の処理を全て行った後にポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5のうちの1以上が検出用閾値以上か否かをまとめて判定したが、S120〜S140の処理,S150〜S170の処理,S180〜S200の処理を行うごとに、ポンプ電流が検出用閾値以上か否かを個別に判定してもよい。その場合、ポンプ電流が検出用閾値以上であればクラック検出信号を外部に出力して残りの処理を行わずに本ルーチンを終了し、ポンプ電流が検出用閾値未満であれば引き続き残りの処理を行ってもよい。このように、クラックの位置の推定は行わずにクラックの検出のみを行ってもよい。 Further, in the above-described embodiment, the control unit 91 collectively determines whether or not one or more of the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5 is equal to or more than the detection threshold value after all the processes of S120 to S200 are performed. Each time the processing of S120 to S140, the processing of S150 to S170, and the processing of S180 to S200 are performed, it may be individually determined whether or not the pump current is equal to or higher than the detection threshold value. In that case, if the pump current is equal to or higher than the detection threshold, the crack detection signal is output to the outside and this routine is terminated without performing the remaining processing. If the pump current is less than the detection threshold, the remaining processing is continued. You may go. In this way, the crack may be detected only without estimating the position of the crack.

上述した実施形態では、検出用閾値Tp3は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど高くなる傾向で変化させたが、検出用閾値Tp3は、被測定ガスの酸素濃度にかかわらず一定の値としてもよい。上述の通り、センサ素子101にクラックがある場合には被測定ガスの酸素濃度が高くなるほどポンプ電流Ip3の限界電流値は大きくなる一方で、センサ素子101にクラックがない場合には被測定ガスの酸素濃度に関わらずポンプ電流Ip3の限界電流値は略一定となる。このため、被測定ガスの酸素濃度が低いときにクラック無しの場合のポンプ電流Ip3とクラック有りの場合のポンプ電流Ip3とを区別できるように検出用閾値Tp3を定めれば、被測定ガスの酸素濃度がそれよりも高い場合にもクラックを検出できる。検出用閾値Tp4,Tp5についても同様である。 In the above-described embodiment, the detection threshold value Tp3 is changed so that the higher the oxygen concentration of the measurement gas is, the higher the detection threshold value Tp3 is. However, the detection threshold value Tp3 may be a constant value regardless of the oxygen concentration of the measurement gas. Good. As described above, when the sensor element 101 has cracks, the higher the oxygen concentration of the gas to be measured, the larger the limit current value of the pump current Ip3, while when the sensor element 101 has no cracks, the measured gas has a crack. The limit current value of the pump current Ip3 is substantially constant regardless of the oxygen concentration. Therefore, if the detection threshold Tp3 is set so that the pump current Ip3 without cracks and the pump current Ip3 with cracks can be distinguished when the oxygen concentration of the gas to be measured is low, the oxygen of the gas to be measured is oxygenated. Cracks can be detected even when the concentration is higher than that. The same applies to the detection thresholds Tp4 and Tp5.

上述した実施形態において、設定値Vsp3は、被測定ガスの酸素濃度に関わらず一定としてもよいし、被測定ガスの酸素濃度に応じて変化させてもよい。設定値Vsp3は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど高くなる傾向で変化させてもよく、例えば被測定ガスの酸素濃度との関係が一次関数となるように直線的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。設定値Vsp3を被測定ガスの酸素濃度と対応付けて変化させるにあたり、記憶部94には、設定値Vsp3と被測定ガスの酸素濃度との対応関係を示す式又はマップを記憶させてもよい。その場合、制御部91は、S100で取得した被測定ガスの酸素濃度と、記憶部94に記憶された式又はマップとを用いて設定値Vsp3を導出すればよい。設定値Vsp4,Vsp5についても同様である。 In the above-described embodiment, the set value Vsp3 may be constant regardless of the oxygen concentration of the gas to be measured, or may be changed according to the oxygen concentration of the gas to be measured. The set value Vsp3 may be changed so that it tends to increase as the oxygen concentration of the gas to be measured increases. For example, the set value Vsp3 may be changed linearly so that the relationship with the oxygen concentration of the gas to be measured becomes a linear function. , May be changed step by step. In order to change the set value Vsp3 in association with the oxygen concentration of the gas to be measured, the storage unit 94 may store an expression or a map showing the correspondence between the set value Vsp3 and the oxygen concentration of the gas to be measured. In that case, the control unit 91 may derive the set value Vsp3 by using the oxygen concentration of the gas to be measured acquired in S100 and the formula or map stored in the storage unit 94. The same applies to the set values Vsp4 and Vsp5.

上述した実施形態では、制御部91は、S100で被測定ガスの酸素濃度情報を取得したが、例えば、被測定ガスの酸素濃度が既知の場合や、被測定ガスの酸素濃度にかかわらず検出用閾値Tp3,Tp4,Tp5や設定値Vsp3,Vsp4,Vsp5を一定の値とする場合には、S100を省略してもよい。 In the above-described embodiment, the control unit 91 has acquired the oxygen concentration information of the gas to be measured in S100. For example, when the oxygen concentration of the gas to be measured is known or for detection regardless of the oxygen concentration of the gas to be measured. When the threshold values Tp3, Tp4, Tp5 and the set values Vsp3, Vsp4, Vsp5 are set to constant values, S100 may be omitted.

上述した実施形態において、制御部91は、S100の後に、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれているか否かを判定する処理を行ってもよい。この処理で被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれていたならば、制御部91はS110以降の処理を行う一方、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれていないならば、制御部91はそのまま本ルーチンを終了して必要に応じてNOx濃度検出処理を再開してもよい。上述した通り、ガスセンサ100では、被測定ガスの酸素濃度が高いほどポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいてクラックを精度よく検出できる。したがって、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいてクラックを検出する処理を行うことで、素子本体のクラックを効率よく検出できる。被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれるか否かを判定する処理においては、求められるクラック検出精度に応じて、所定の高濃度領域を設定してもよい。例えば、酸素濃度が1%以上の領域や、3%以上の領域、5%以上の領域などを所定の高濃度領域としてもよい。被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれるか否かを判定する処理において、制御部91は、S100で入力したポンプ電流Ip0が所定の閾値以上である場合に被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれると判定してもよい。所定の閾値は、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれるようなポンプ電流Ip0の下限値としてもよく、ポンプ電流Ip0と被測定ガスの酸素濃度との対応関係から予め導出され、記憶部94に記憶されていてもよい。 In the above-described embodiment, the control unit 91 may perform a process after S100 to determine whether or not the oxygen concentration of the gas to be measured is contained in a predetermined high concentration region. If the oxygen concentration of the gas to be measured is contained in the predetermined high concentration region in this treatment, the control unit 91 performs the processing after S110, while the oxygen concentration of the gas to be measured is contained in the predetermined high concentration region. If not, the control unit 91 may end this routine as it is and restart the NOx concentration detection process if necessary. As described above, in the gas sensor 100, the higher the oxygen concentration of the gas to be measured, the more accurately the crack can be detected based on the pump currents Ip3, Ip4 and Ip5. Therefore, when the oxygen concentration of the gas to be measured is high, the cracks in the element body can be efficiently detected by performing the process of detecting the cracks based on the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5. In the process of determining whether or not the oxygen concentration of the gas to be measured is included in the predetermined high concentration region, a predetermined high concentration region may be set according to the required crack detection accuracy. For example, a region having an oxygen concentration of 1% or more, a region having an oxygen concentration of 3% or more, a region having an oxygen concentration of 5% or more, and the like may be defined as a predetermined high concentration region. In the process of determining whether or not the oxygen concentration of the gas to be measured is included in the predetermined high concentration region, the control unit 91 sets the oxygen of the gas to be measured when the pump current Ip0 input in S100 is equal to or higher than the predetermined threshold value. It may be determined that the concentration is included in a predetermined high concentration region. The predetermined threshold value may be the lower limit value of the pump current Ip0 such that the oxygen concentration of the gas to be measured is included in the predetermined high concentration region, and is derived in advance from the correspondence relationship between the pump current Ip0 and the oxygen concentration of the gas to be measured. , May be stored in the storage unit 94.

上述した実施形態において、制御部91は、S100の後に、被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれているか否かを判定する処理を行ってもよい。この処理で被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれていたならば、制御部91はS110以降の処理をそのまま行う一方、被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれていないならば、制御部91はS110以降の処理を行うにあたり、クラック位置を推定する処理(S220)を省略するとともにS230においてクラック位置の外部への出力を省略してクラックの検出のみを行ってもよい。上述した通り、S220では、内側ポンプ電極22,補助ポンプ電極51,測定電極44のうちクラックに近い電極では汲み入れられた酸素がクラックに到達しやすいことを利用してクラックの位置を推定する。このため、被測定ガス流通部に存在する酸素のうち汲み入れられた酸素の割合が多いほど、つまり被測定ガスの酸素濃度が低いほど、クラックの位置を精度よく推定できる。したがって、被測定ガスの酸素濃度が低い場合にクラック位置を推定する処理を行うことで、素子本体のクラック位置を精度よく推定できる。被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定する処理においては、求められるクラック位置の推定精度に応じて、所定の低濃度領域を設定してもよい。例えば、被測定ガス流通部に存在する酸素のうち汲み入れられた酸素の割合が十分に大きくなる領域として、酸素濃度が5%以下の領域や、3%以下の領域、1%以下の領域などを所定の低濃度領域としてもよい。また、所定の低濃度領域は、上述した高濃度領域よりも酸素濃度が低い領域としてもよい。被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定する処理において、制御部91は、S100で入力したポンプ電流Ip0が所定の閾値以下である場合に被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれていると判定してもよい。所定の閾値は、被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれるようなポンプ電流Ip0の上限値としてもよく、ポンプ電流Ip0と被測定ガスの酸素濃度との対応関係から予め導出され、記憶部94に記憶されていてもよい。 In the above-described embodiment, the control unit 91 may perform a process after S100 to determine whether or not the oxygen concentration of the gas to be measured is contained in a predetermined low concentration region. If the oxygen concentration of the gas to be measured is contained in the predetermined low concentration region in this treatment, the control unit 91 performs the processing after S110 as it is, while the oxygen concentration of the gas to be measured is contained in the predetermined low concentration region. If not, the control unit 91 omits the process of estimating the crack position (S220) and omits the output of the crack position to the outside in S230 and only detects the crack when performing the process after S110. You may. As described above, in S220, the position of the crack is estimated by utilizing the fact that the oxygen pumped in the electrode close to the crack among the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51, and the measurement electrode 44 easily reaches the crack. Therefore, the position of the crack can be estimated more accurately as the ratio of the oxygen taken in from the oxygen existing in the gas flow section to be measured increases, that is, the oxygen concentration of the gas to be measured decreases. Therefore, the crack position of the element body can be estimated accurately by performing the process of estimating the crack position when the oxygen concentration of the gas to be measured is low. In the process of determining whether or not the oxygen concentration of the gas to be measured is included in the predetermined low concentration region, a predetermined low concentration region may be set according to the required estimation accuracy of the crack position. For example, as a region where the ratio of the pumped oxygen to the oxygen existing in the gas flow section to be measured is sufficiently large, an oxygen concentration of 5% or less, a region of 3% or less, a region of 1% or less, etc. May be set as a predetermined low concentration region. Further, the predetermined low concentration region may be a region having a lower oxygen concentration than the above-mentioned high concentration region. In the process of determining whether or not the oxygen concentration of the gas to be measured is included in the predetermined low concentration region, the control unit 91 determines the oxygen of the gas to be measured when the pump current Ip0 input in S100 is equal to or less than a predetermined threshold value. It may be determined that the concentration is contained in a predetermined low concentration region. The predetermined threshold value may be an upper limit value of the pump current Ip0 such that the oxygen concentration of the gas to be measured is included in the predetermined low concentration region, and is derived in advance from the correspondence relationship between the pump current Ip0 and the oxygen concentration of the gas to be measured. , May be stored in the storage unit 94.

上述した実施形態では、制御部91は、酸素濃度情報を取得するにあたり、NOx濃度検出処理で検出されたポンプ電流Ip0を入力したが、これに限定されない。例えば、制御部91は、酸素濃度情報を取得するにあたり、NOx濃度検出処理とは別に酸素濃度を検出する処理のみを行ってもよい。その場合、制御部91は、電圧V0が目標値V0*となるように可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御し、そのときのポンプ電流Ip0を入力してもよい。また、制御部91は、酸素濃度情報を取得するにあたり、他のガスセンサで測定した酸素濃度情報を取得してもよい。他のガスセンサで測定した酸素濃度情報を取得する場合、他のガスセンサは、自らと同種のガスセンサ(ここではNOxセンサ)でもよいし、異種のガスセンサでもよい。他のガスセンサは、例えば、限界電流検出型の酸素センサとしてもよいし、電位検出型の酸素センサ(ラムダセンサ)としてもよい。NOx濃度検出処理以外の方法で酸素濃度情報を取得する場合には、NOx濃度検出処理に引き続いてクラック検出処理を行う必要はない。 In the above-described embodiment, the control unit 91 inputs the pump current Ip0 detected by the NOx concentration detection process when acquiring the oxygen concentration information, but the present invention is not limited to this. For example, when acquiring the oxygen concentration information, the control unit 91 may perform only a process of detecting the oxygen concentration separately from the NOx concentration detection process. In that case, the control unit 91 may feedback-control the pump voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the voltage V0 becomes the target value V0 *, and input the pump current Ip0 at that time. Further, the control unit 91 may acquire the oxygen concentration information measured by another gas sensor when acquiring the oxygen concentration information. When acquiring the oxygen concentration information measured by another gas sensor, the other gas sensor may be a gas sensor of the same type as itself (here, a NOx sensor) or a different type of gas sensor. The other gas sensor may be, for example, a limit current detection type oxygen sensor or a potential detection type oxygen sensor (lambda sensor). When the oxygen concentration information is acquired by a method other than the NOx concentration detection process, it is not necessary to perform the crack detection process following the NOx concentration detection process.

上述した実施形態では、第1内部空所20とヒータ部70との間のクラックの検出について説明したが、その他のクラックを検出することもできる。例えば、第1内部空所20以外の被測定ガス流通部(例えば緩衝空間12,第2内部空所40、第3内部空所61)とヒータ部70との間のクラックも検出できる。また例えば、被測定ガス流通部と大気導入層48との間のクラックも検出できる。このようなクラックがある場合でも、センサ素子室133(図1参照)から被測定ガス流通部に導入された被測定ガスに起因する酸素(例えば被測定ガス自体に含まれる酸素や被測定ガスに含まれる酸化物が還元されて発生した酸素)及び検出用電流によって被測定ガス流通部に汲み入れられた酸素のうちの少なくとも一方がクラックを介して基準電極42の周囲に到達し、基準電極42の周囲の酸素量が増加する。このため、ガスセンサ100では、ポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいてクラックを検出できる。また、被測定ガスに酸素が含まれる場合には、素子本体の外側のうちセンサ素子室133に配置される部分とヒータ部70や大気導入層48との間のクラックも検出できる。このようなクラックがある場合でも、被測定ガスに含まれる酸素がセンサ素子室133からクラックを介して基準電極42の周囲に到達し、基準電極42の周囲の酸素量が増加するため、ガスセンサ100では、ポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいてクラックを検出できる。 In the above-described embodiment, the detection of cracks between the first internal space 20 and the heater portion 70 has been described, but other cracks can also be detected. For example, a crack between the gas flow unit to be measured other than the first internal space 20 (for example, the buffer space 12, the second internal space 40, the third internal space 61) and the heater unit 70 can be detected. Further, for example, a crack between the gas flow section to be measured and the atmosphere introduction layer 48 can be detected. Even if there is such a crack, the oxygen caused by the measured gas introduced into the measured gas flow unit from the sensor element chamber 133 (see FIG. 1) (for example, the oxygen contained in the measured gas itself or the measured gas) At least one of the oxygen (oxygen generated by reducing the contained oxide) and the oxygen drawn into the gas flow section to be measured by the detection current reaches the periphery of the reference electrode 42 through the crack, and the reference electrode 42 The amount of oxygen around the body increases. Therefore, the gas sensor 100 can detect cracks based on the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5. Further, when oxygen is contained in the gas to be measured, cracks between the portion of the outside of the element main body arranged in the sensor element chamber 133 and the heater portion 70 or the atmosphere introduction layer 48 can be detected. Even if there is such a crack, oxygen contained in the gas to be measured reaches the periphery of the reference electrode 42 from the sensor element chamber 133 through the crack, and the amount of oxygen around the reference electrode 42 increases, so that the gas sensor 100 Then, cracks can be detected based on the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5.

上述した実施形態では、大気導入層48は基準電極42からセンサ素子101の長手方向の後端面までに亘って配設されていたが、これに限られない。図8は、この場合の変形例のセンサ素子201の断面模式図である。図8に示すように、センサ素子201は、大気導入層248の上方に基準ガス導入空間43を有している。基準ガス導入空間43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配設された空間である。基準ガス導入空間43の後端は、センサ素子201の後端面に開口している。基準ガス導入空間43は、前後方向で圧力放散孔75よりも前方まで配設されており、圧力放散孔75は基準ガス導入空間43に開口している。大気導入層248は、大気導入層48とは異なり、センサ素子201の後端までは配設されていない。そのため、大気導入層248はセンサ素子201の後端面には露出していない。代わりに、大気導入層248の上面の一部が基準ガス導入空間43に露出している。この露出部分が大気導入層248の入口部48cとなっている。大気導入層248には、この基準ガス導入空間43を介して入口部48cから基準ガスが導入される。なお、センサ素子201において、大気導入層248の後端がセンサ素子201の後端まで配設されていてもよい。図8の態様では、大気導入層248と基準ガス導入空間43とが、基準ガス導入部に相当し、基準ガス導入空間43の後端側の開口が基準ガス入口に相当する。なお、図8の態様において、圧力放散孔75は基準ガス導入空間43に開口するのではなく、第1固体電解質層4に突き当たる位置に設けられていてもよい。こうすれば、クラック及びヒータ絶縁層74を介して圧力放散孔75に到達した酸素が、大気中に放出されにくく、基準電極42の周囲に到達しやすいため、ポンプ電流Ip3,Ip4,Ip5に基づいてクラックを精度よく検出できる。 In the above-described embodiment, the atmosphere introduction layer 48 is arranged from the reference electrode 42 to the rear end surface of the sensor element 101 in the longitudinal direction, but the present invention is not limited to this. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the sensor element 201 of the modified example in this case. As shown in FIG. 8, the sensor element 201 has a reference gas introduction space 43 above the atmosphere introduction layer 248. The reference gas introduction space 43 is a space arranged between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5 at a position where the side portion is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4. .. The rear end of the reference gas introduction space 43 is open to the rear end surface of the sensor element 201. The reference gas introduction space 43 is arranged in the front-rear direction to the front of the pressure dissipation hole 75, and the pressure dissipation hole 75 is open to the reference gas introduction space 43. Unlike the atmosphere introduction layer 48, the atmosphere introduction layer 248 is not arranged up to the rear end of the sensor element 201. Therefore, the atmosphere introduction layer 248 is not exposed on the rear end surface of the sensor element 201. Instead, a part of the upper surface of the atmosphere introduction layer 248 is exposed to the reference gas introduction space 43. This exposed portion is the inlet portion 48c of the atmosphere introduction layer 248. The reference gas is introduced into the atmosphere introduction layer 248 from the inlet portion 48c through the reference gas introduction space 43. In the sensor element 201, the rear end of the atmosphere introduction layer 248 may be arranged up to the rear end of the sensor element 201. In the aspect of FIG. 8, the atmosphere introduction layer 248 and the reference gas introduction space 43 correspond to the reference gas introduction portion, and the opening on the rear end side of the reference gas introduction space 43 corresponds to the reference gas inlet. In the aspect of FIG. 8, the pressure dissipation hole 75 may be provided at a position where it abuts on the first solid electrolyte layer 4 instead of opening in the reference gas introduction space 43. In this way, oxygen that has reached the pressure dissipation hole 75 through the crack and the heater insulating layer 74 is less likely to be released into the atmosphere and easily reaches the periphery of the reference electrode 42, and is therefore based on the pump currents Ip3, Ip4, and Ip5. The crack can be detected accurately.

上述した実施形態では、ガスセンサ100のセンサ素子101は第1内部空所20,第2内部空所40,第3内部空所61を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、上述した図8のセンサ素子201のように、第3内部空所61を備えないものとしてもよい。図8に示した変形例のセンサ素子201では、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。また、測定電極44は、第2内部空所40内の第1固体電解質層4の上面に配設されている。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(Al23)などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第4拡散律速部45は、上述した実施形態の第4拡散律速部60と同様に、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担う。また、第4拡散律速部45は、測定電極44の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極51の天井電極部51aは、測定電極44の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子201であっても、上述した実施形態と同様に、測定用ポンプセル41によりNOx濃度を検出できる。図8のセンサ素子201では、測定電極44の周囲が第3内部空所61と同様の役割を果たすことになる。 In the above-described embodiment, the sensor element 101 of the gas sensor 100 includes a first internal space 20, a second internal space 40, and a third internal space 61, but is not limited thereto. For example, as in the sensor element 201 of FIG. 8 described above, the third internal space 61 may not be provided. In the modified example sensor element 201 shown in FIG. 8, a gas introduction port 10 and a first diffusion rate-determining portion 11 are provided between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4. The buffer space 12, the second diffusion rate-determining section 13, the first internal space 20, the third diffusion rate-determining section 30, and the second internal space 40 are formed adjacent to each other in this order. .. Further, the measurement electrode 44 is arranged on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 in the second internal space 40. The measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion rate-determining portion 45. The fourth diffusion rate-determining unit 45 is a film made of a ceramic porous body such as alumina (Al 2 O 3). The fourth diffusion rate-determining unit 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44, similarly to the fourth diffusion rate-determining unit 60 of the above-described embodiment. The fourth diffusion rate-determining unit 45 also functions as a protective film for the measurement electrode 44. The ceiling electrode portion 51a of the auxiliary pump electrode 51 is formed up to directly above the measurement electrode 44. Even with the sensor element 201 having such a configuration, the NOx concentration can be detected by the measurement pump cell 41 as in the above-described embodiment. In the sensor element 201 of FIG. 8, the periphery of the measurement electrode 44 plays the same role as the third internal space 61.

上述した実施形態において、外側ポンプ電極23を含むセンサ素子101の前側(センサ素子室133に露出する部分)の表面が、アルミナなどのセラミックスからなる多孔質保護層で被覆されていてもよい。 In the above-described embodiment, the surface of the front side (the portion exposed to the sensor element chamber 133) of the sensor element 101 including the outer pump electrode 23 may be coated with a porous protective layer made of ceramics such as alumina.

上述した実施形態では、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル82にて検出された電圧V2が一定となるように可変電源46の電圧Vp2が制御され、このときのポンプ電流Ip2を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されるものとしたが、基準電極42と測定電極44との間の電圧に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、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とを組み合わせて、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電極42の周囲の酸素の量との差に応じた電圧を電圧V2として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ができる。 In the above-described embodiment, the voltage Vp2 of the variable power supply 46 is controlled so that the voltage V2 detected by the oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for measuring pump control becomes constant, and the pump current Ip2 at this time is used to cover the voltage Vp2. The nitrogen oxide concentration in the measurement gas is calculated, but if the specific gas concentration in the measurement gas is detected based on the voltage between the reference electrode 42 and the measurement electrode 44, this is used. Not limited. For example, if the measurement electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, and the reference electrode 42 are combined to form an oxygen partial pressure detecting means as an electrochemical sensor cell, the measurement electrode A voltage corresponding to the difference between the amount of oxygen generated by the reduction of the NOx component in the atmosphere around 44 and the amount of oxygen around the reference electrode 42 can be detected as the voltage V2, thereby in the gas to be measured. The concentration of the NOx component of can be determined.

上述した実施形態では、基準ガスは大気としたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度の検出の基準となるガスであれば、これに限られない。例えば、予め所定の酸素濃度(>被測定ガスの酸素濃度)に調整したガスが基準ガスとして空間149に満たされていてもよい。 In the above-described embodiment, the reference gas is the atmosphere, but the gas is not limited to this as long as it is a gas that serves as a reference for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured. For example, a gas adjusted to a predetermined oxygen concentration (> oxygen concentration of the gas to be measured) may be filled in the space 149 as a reference gas.

上述した実施形態では、センサ素子101は被測定ガス中のNOx濃度を検出するものとしたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、NOxに限らず他の酸化物濃度を特定ガス濃度としてもよい。特定ガスが酸化物の場合には、上述した実施形態と同様に特定ガスそのものを第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、測定用ポンプセル41はこの酸素に応じた検出値(例えばポンプ電流Ip2)を取得して特定ガス濃度を検出できる。また、特定ガスがアンモニアなどの非酸化物であってもよい。特定ガスが非酸化物の場合には、特定ガスを酸化物に変換(例えばアンモニアであればNOに変換)することで、変換後のガスが第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、測定用ポンプセル41はこの酸素に応じた検出値(例えばポンプ電流Ip2)を取得して特定ガス濃度を検出できる。例えば、第1内部空所20の内側ポンプ電極22が触媒として機能することにより、第1内部空所20においてアンモニアをNOに変換できる。 In the above-described embodiment, the sensor element 101 detects the NOx concentration in the gas to be measured, but the present invention is not limited to this as long as it detects the concentration of the specific gas in the gas to be measured. For example, not only NOx but also other oxide concentrations may be used as the specific gas concentration. When the specific gas is an oxide, oxygen is generated when the specific gas itself is reduced in the third internal space 61 as in the above-described embodiment, so that the measurement pump cell 41 has a detection value corresponding to the oxygen. (For example, pump current Ip2) can be acquired to detect a specific gas concentration. Further, the specific gas may be a non-oxide such as ammonia. When the specific gas is non-oxide, by converting the specific gas to oxide (for example, if it is ammonia, it is converted to NO), oxygen is released when the converted gas is reduced in the third internal space 61. Since it is generated, the measurement pump cell 41 can acquire a detected value (for example, pump current Ip2) corresponding to this oxygen and detect a specific gas concentration. For example, when the inner pump electrode 22 of the first internal space 20 functions as a catalyst, ammonia can be converted to NO in the first internal space 20.

上述した実施形態では、センサ素子101の素子本体は複数の固体電解質層(層1〜6)を有する積層体としたが、これに限られない。センサ素子101の素子本体は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも1つ含んでいればよい。例えば、図2において第2固体電解質層6以外の層1〜5は固体電解質層以外の材質からなる層(例えばアルミナからなる層)としてもよい。この場合、センサ素子101が有する各電極は第2固体電解質層6に配設されるようにすればよい。例えば、図2の測定電極44は第2固体電解質層6の下面に配設すればよい。また、大気導入層48を第1固体電解質層4と第3基板層3との間に設ける代わりに第2固体電解質層6とスペーサ層5との間に設け、基準電極42を第3内部空所61よりも後方且つ第2固体電解質層6の下面に設ければよい。 In the above-described embodiment, the element body of the sensor element 101 is a laminate having a plurality of solid electrolyte layers (layers 1 to 6), but the present invention is not limited to this. The element body of the sensor element 101 may include at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer. For example, in FIG. 2, the layers 1 to 5 other than the second solid electrolyte layer 6 may be a layer made of a material other than the solid electrolyte layer (for example, a layer made of alumina). In this case, each electrode of the sensor element 101 may be arranged on the second solid electrolyte layer 6. For example, the measurement electrode 44 of FIG. 2 may be arranged on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6. Further, instead of providing the atmosphere introduction layer 48 between the first solid electrolyte layer 4 and the third substrate layer 3, it is provided between the second solid electrolyte layer 6 and the spacer layer 5, and the reference electrode 42 is provided in the third internal space. It may be provided behind the place 61 and on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6.

上述した実施形態では、内側ポンプ電極22は、Auを1%含むPtとZrO2とのサーメット電極としたが、これに限られない。内側ポンプ電極22は、触媒活性を有する貴金属(例えばPt,Rh,Ir,Ru,Pdの少なくともいずれか)と、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属(例えばAu)と、を含んでいればよい。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、触媒活性を有する貴金属と、触媒活性抑制能を有する貴金属と、を含んでいればよい。外側ポンプ電極23,基準電極42,測定電極44は、それぞれ、上述した触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。各電極22,23,42,44,51は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物(例えばZrO2)とを含むサーメット であることが好ましいが、これらの電極の1以上がサーメットでなくてもよい。各電極22,23,42,44,51は、それぞれ、多孔質体であることが好ましいが、これらの電極の1以上が多孔質体でなくてもよい。 In the above-described embodiment, the inner pump electrode 22 is a cermet electrode of Pt containing 1% Au and ZrO 2 , but is not limited thereto. The inner pump electrode 22 is a noble metal having catalytic activity (for example, at least one of Pt, Rh, Ir, Ru, and Pd) and a noble metal having a catalytic activity-suppressing ability to suppress the catalytic activity of the noble metal having catalytic activity with respect to a specific gas. (For example, Au) and may be included. Similar to the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 may also contain a noble metal having catalytic activity and a noble metal having an ability to suppress catalytic activity. The outer pump electrode 23, the reference electrode 42, and the measurement electrode 44 may each contain the noble metal having the above-mentioned catalytic activity. Each of the electrodes 22, 23, 42, 44, 51 is preferably a cermet containing a noble metal and an oxide having oxygen ion conductivity (for example, ZrO 2 ), but one or more of these electrodes are cermets. It does not have to be. Each of the electrodes 22, 23, 42, 44, 51 is preferably a porous body, but one or more of these electrodes may not be a porous body.

上述した実施形態では、ポンプ電流Ip1が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80の電圧V0の制御に用いられたが、これに限られない。例えば、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいてポンプ電圧Vp0をフィードバック制御してもよい。すなわち、ポンプ電流Ip1に基づく電圧V0の制御を省略して、ポンプ電流Ip1に基づいて直接的にポンプ電圧Vp0を制御(ひいてはポンプ電流Ip0を制御)してもよい。 In the above-described embodiment, the pump current Ip1 is used for controlling the voltage V0 of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, but the present invention is not limited to this. For example, the pump voltage Vp0 may be feedback-controlled based on the pump current Ip1 so that the pump current Ip1 becomes the target value Ip1 *. That is, the control of the voltage V0 based on the pump current Ip1 may be omitted, and the pump voltage Vp0 may be directly controlled (and thus the pump current Ip0) based on the pump current Ip1.

1 第1基板層、2 第2基板層、3 第3基板層、4 第1固体電解質層、5 スペーサ層、6 第2固体電解質層、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、22a 天井電極部、22b 底部電極部、23 外側ポンプ電極、24 可変電源、30 第3拡散律速部、40 第2内部空所、41 測定用ポンプセル、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、46 可変電源、48,248 大気導入層、48c 入口部、50 補助ポンプセル、51 補助ポンプ電極、51a 天井電極部、51b 底部電極部、52 可変電源、60 第4拡散律速部、61 第3内部空所、70 ヒータ部、71 ヒータコネクタ電極、72 ヒータ、73 スルーホール、74 ヒータ絶縁層、75 圧力放散孔、80 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、81 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、82 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、83 センサセル、85 検出用第1ポンプセル、86 可変電源、87 検出用第2ポンプセル、88 可変電源、89 検出用第3ポンプセル、90 可変電源、91 制御部、92 CPU、94 記憶部、95 制御装置、100 ガスセンサ、101,201 センサ素子、130 保護カバー、131 内側保護カバー、132 外側保護カバー、133 センサ素子室、140 センサ組立体、141 素子封止体、142 主体金具、143 内筒、143a,143b 縮径部、144a〜144c サポーター、145a,145b 圧粉体、146 メタルリング、147 ボルト、148 外筒、149 空間、150 コネクタ、155 リード線、157 ゴム栓、190 配管、191 固定用部材。 1 1st substrate layer, 2 2nd substrate layer, 3 3rd substrate layer, 4 1st solid electrolyte layer, 5 spacer layer, 6 2nd solid electrolyte layer, 10 gas inlet, 11 1st diffusion rate controlling part, 12 buffer Space, 13 2nd diffusion rate control section, 20 1st internal space, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode section, 22b bottom electrode section, 23 outer pump electrode, 24 variable power supply, 30 3rd diffusion rate control section , 40 2nd internal space, 41 measurement pump cell, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 4th diffusion rate control part, 46 variable power supply, 48, 248 atmosphere introduction layer, 48c inlet part, 50 Auxiliary pump cell, 51 Auxiliary pump electrode, 51a Ceiling electrode part, 51b Bottom electrode part, 52 Variable power supply, 60 4th diffusion rate control part, 61 3rd internal space, 70 Heater part, 71 Heater connector electrode, 72 Heater, 73 Thru Hall, 74 Heater insulation layer, 75 Pressure dissipation hole, 80 Main pump control oxygen partial pressure detection sensor cell, 81 Auxiliary pump control oxygen partial pressure detection sensor cell, 82 Measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell, 83 sensor cell, 85 1st pump cell for detection, 86 variable power supply, 87 2nd pump cell for detection, 88 variable power supply, 89 3rd pump cell for detection, 90 variable power supply, 91 control unit, 92 CPU, 94 storage unit, 95 control device, 100 gas sensor, 101, 201 sensor element, 130 protective cover, 131 inner protective cover, 132 outer protective cover, 133 sensor element chamber, 140 sensor assembly, 141 element sealant, 142 main metal fitting, 143 inner cylinder, 143a, 143b reduced diameter part , 144a to 144c supporters, 145a, 145b green compact, 146 metal rings, 147 bolts, 148 outer cylinders, 149 spaces, 150 electrodes, 155 lead wires, 157 rubber stoppers, 190 pipes, 191 fixing members.

Claims (5)

酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出するクラック検出手段と、
を備えたガスセンサ。
An element body having an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and an internal measurement gas flow section for introducing and circulating the measurement gas, and an element body.
The electrode to be measured gas side arranged in the gas flow unit to be measured and the electrode to be measured
A reference electrode arranged inside the element body and
A reference gas introduction unit that introduces a reference gas that serves as a reference for detecting the specific gas concentration of the gas to be measured from the reference gas inlet and distributes the reference gas to the reference electrode and imparts diffusion resistance to the reference gas.
A predetermined detection voltage is applied between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode so that the current flowing between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode becomes a limit current, and the reference electrode is applied. Oxygen is pumped from the periphery of the electrode to the gas side electrode to be measured, and the detection current flowing between the reference electrode and the gas side electrode to be measured is acquired when the detection voltage is applied. A crack detecting means for detecting a crack in the element body based on the detection current, and
Gas sensor equipped with.
前記クラック検出手段は、前記検出用電流が所定の検出用閾値を超える場合に、前記クラックが形成されていると判断する、請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein the crack detecting means determines that the crack is formed when the detecting current exceeds a predetermined detection threshold value. 請求項1又は2に記載のガスセンサであって、
前記素子本体の内部に設けられたヒータ及び前記ヒータを覆うように配置され多孔質でガスの流通が可能なヒータ絶縁層を有するヒータ部と、
前記基準ガス導入部のうち前記基準ガス入口より内側の部分と前記ヒータ部との間をガスの流通が可能な状態で連結する連結部と、
を備えた、ガスセンサ。
The gas sensor according to claim 1 or 2.
A heater provided inside the element body, a heater portion arranged so as to cover the heater and having a porous heater insulating layer capable of flowing gas, and a heater portion.
A connecting portion that connects a portion of the reference gas introduction portion inside the reference gas inlet and the heater portion in a state in which gas can flow.
With, gas sensor.
前記被測定ガス側電極を複数備え、
前記クラック検出手段は、前記被測定ガス側電極の各々に対して個別に、前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、前記被測定ガス側電極の各々に対して個別に取得した前記検出用電流に基づいて、前記クラックの位置を推定する、
請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
A plurality of electrodes on the gas side to be measured are provided.
The crack detecting means individually applies a predetermined detection voltage to each of the electrodes to be measured so that the current flowing between the reference electrode and the electrode to be measured becomes a limit current. It is applied between the reference electrode and the gas side electrode to be measured to draw oxygen from the periphery of the reference electrode to the periphery of the gas side electrode to be measured, and when the detection voltage is applied, the reference electrode and the said The detection current flowing between the electrode to be measured and the electrode to be measured is acquired, and the position of the crack is estimated based on the detection current individually acquired for each of the electrodes to be measured.
The gas sensor according to any one of claims 1 to 3.
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
を備えたセンサ素子のクラック検出方法であって、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出する、
クラック検出方法。
An element body having an oxygen ion conductive solid electrolyte layer and an internal measurement gas flow section for introducing and circulating the measurement gas, and an element body.
The electrode to be measured gas side arranged in the gas flow unit to be measured and the electrode to be measured
A reference electrode arranged inside the element body and
A reference gas introduction unit that introduces a reference gas that serves as a reference for detecting the specific gas concentration of the gas to be measured from the reference gas inlet and distributes the reference gas to the reference electrode and imparts diffusion resistance to the reference gas.
It is a crack detection method of a sensor element equipped with
A predetermined detection voltage is applied between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode so that the current flowing between the reference electrode and the gas-measured gas-side electrode becomes a limit current, and the reference electrode is applied. Oxygen is drawn from the periphery of the electrode to the gas side electrode to be measured, and the detection current flowing between the reference electrode and the gas side electrode to be measured is acquired when the detection voltage is applied. A crack in the element body is detected based on the detection current.
Crack detection method.
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