JP2023124819A - ＮＯｘセンサおよびＮＯｘセンサの動作方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リッチ雰囲気下での使用に際しセンサ素子を保護可能なＮＯｘセンサを提供する。【解決手段】ＮＯｘセンサのコントローラは、センサ素子に備わる複数の内部空所のそれぞれに設けられた内側電極と内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ外側電極と両電極間の固体電解質とを備える電気化学的ポンプセルのうち、測定ポンプセル以外における酸素の汲み入れ動作の指標となる判断対象値が、所定の判断時間において閾値を超えたか否かを判断し、判断対象値が閾値を超えない限りは、複数の内部空所のそれぞれにおける酸素濃度を一定に保ちつつ測定電極でのＮＯｘの還元により測定電極と外側電極との間を流れるポンプ電流に基づいてＮＯｘの濃度を特定する基本モードにてＮＯｘセンサを制御し、判断対象値が閾値を超えた場合には、基本モードを停止し測定電極を過剰な還元から保護する保護実行モードにてＮＯｘセンサを制御する、ようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、限界電流型のＮＯｘセンサに関し、特に、リッチ雰囲気下での使用における当該ＮＯｘセンサの動作制御に関する。
例えばイットリア安定化ジルコニアなどの酸素イオン伝導性の固体電解質を主たる構成成分とするセンサ素子を用いた、限界電流型のＮＯｘセンサがすでに公知である。係るＮＯｘセンサにおいては、被測定ガスがセンサ素子の内部に連続的に設けられた複数の空所（内部空所）に順次に導入される。そして、これらの内部空所のそれぞれに面して設けられた複数の内側電極のそれぞれと、素子内部に備わり基準ガスに接触する基準電極との電位差を、所望の空所内酸素濃度に応じた所定の値に保つ制御が行われる。
係る制御は概略、それぞれの内側電極と、空所外に備わる外側電極（空所外電極）と、両電極間に存在する固体電解質領域とから構成される電気化学的ポンプセルにおいて、両電極間にポンピング電圧を印加し、内部空所と外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うことによって行われる。係るポンピング電圧の印加により、内側電極と外側電極との間には、空所内の酸素濃度に応じた大きさおよび向きの酸素ポンピング電流が流れる。
特に、最奥部の内部空所に設けられる内側電極である測定電極と基準電極との電位差は、ＮＯｘの還元により生じる酸素が全て汲み出される値に制御される。ＮＯｘセンサにおいては、係る制御に際して測定電極と外側電極との間に流れる酸素ポンピング電流の大きさに基づいて、ＮＯｘの濃度が特定される。
このようなガスセンサの一例として、センサ素子の外面に外側電極を備えるとともに、所定の拡散抵抗を付与するスリット部が係る外側電極の周囲に形成されるようにセラミックス層を設けたガスセンサも、すでに公知である（例えば、特許文献１参照）。
また、酸素濃度検出セルと酸素ポンプセルとが絶縁層を介して素子厚み方向に積層され、絶縁層の一部に設けられた多孔質体からなる拡散律速部を通じて検出ガスが内部に導入される構成のセンサ素子を備えるガスセンサも、すでに公知である（例えば、特許文献２参照）。
特開２０２１－１６２４６５号公報 特開２０１２－１７３１４６号公報
上述のような限界電流型のＮＯｘセンサを、例えばガソリンエンジンからの排気経路の途中など、空燃比が理論空燃比よりも小さいリッチガスが素子内部に導入され得る環境で、使用する場合がある。
係る場合、リッチガスが内部空所に導入されると、電気化学的ポンプセルにおいては通常、空所内の酸素濃度を一定するべく、素子外部から内部空所に酸素を汲み入れる動作（ポンピング動作）が実行される。すなわち、酸素が内部空所に汲み入れられるように（酸素イオンが素子外部から内部空所へと移動するように）ポンピング電圧が印加され、これに応じた酸素ポンピング電流が内側電極と外側電極との間に流れる。
この酸素の汲み入れに際しては、内部空所に導入されるリッチガスの量が多いほど、ポンピング電圧が大きくなり酸素ポンプ電流が大きくなる傾向にある。しかしながら、被測定ガスのリッチ度合いが過度に大きくなると、ポンピング電圧の増大に応じた外部からの酸素の汲み入れが困難となり、多くの場合は被測定ガスの流通部の最奥部に備わる測定電極が、リッチガスによって過剰に還元されてしまう場合がある。測定電極において係る過剰な還元がいったん生じてしまうと、内部空所に導入される被測定ガスが理論空燃比あるいはリーンな状態になったとしても、測定電極が安定するまでに時間を要する（例えば２０分程度）こととなり、それまでの間は、ＮＯｘ濃度を正確に測定することが出来ないという問題が生じる。なお、測定電極の安定は、測定電極と外側電極との間を流れる酸素ポンピング電流の安定性に基づいて判断が可能である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、リッチ雰囲気下での使用に際し測定電極を保護可能なＮＯｘセンサを提供することを、目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、被測定ガス中のＮＯｘを検知可能に構成されたＮＯｘセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成されてなるセンサ素子と、前記ＮＯｘセンサの動作を制御するコントローラと、を備え、前記センサ素子が、前記被測定ガスの導入口から所定の拡散抵抗の下で順次に連通し、内側電極が設けられてなる複数の内部空所と、前記複数の内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ電極と、基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、を備え、それぞれの前記内側電極と前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電源にてポンプ電圧を印加することによって前記複数の内部空所のうち対応する内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能に構成され複数の電気化学的ポンプセルと、それぞれの前記内側電極と前記基準電極との間に、前記対応する内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された複数の電気化学的センサセルと、さらに備え、前記複数の内部空所のそれぞれに備わる前記内側電極の１つがＮＯｘを還元可能な測定電極であり、前記複数の電気化学的ポンプセルが、前記測定電極を含む測定ポンプセルと、前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルと、からなり、前記複数の電気化学的センサセルが、前記測定電極を含む測定センサセルと、前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルと、からなり、前記コントローラは、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルに含まれる判断対象ポンプセルにおける酸素の汲み入れ動作の指標となる所定の判断対象値が、所定の判断時間において所定の閾値を超えたか否かを判断し、前記判断対象値が前記所定の閾値を超えない限りは、前記複数の電気化学的ポンプセルを動作させることによって前記複数の内部空所のそれぞれにおける酸素濃度を一定に保ちつつ、前記測定電極にてＮＯｘが還元されることにより前記測定ポンプセルにおいて前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間をＮＯｘの濃度に応じて流れる測定ポンプ電流に基づいてＮＯｘの濃度を特定する、基本モードにて前記ＮＯｘセンサを制御し、前記判断対象値が前記所定の閾値を超えた場合には、前記基本モードを停止し、前記測定電極を過剰な還元から保護する保護実行モードにて前記ＮＯｘセンサを制御する、ことを特徴とする。
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るＮＯｘセンサであって、前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの停止の要否を判断するための停止閾値であり、前記コントローラは、前記判断対象値が前記停止閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を停止させ、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの制御を再開する、ことを特徴とする。
本発明の第３の態様は、第１の態様に係るＮＯｘセンサであって、前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更の要否を判断するための変更閾値であり、前記コントローラは、前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの制御を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの制御を前記基本モードに復帰させる、ことを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第１の態様に係るＮＯｘセンサであって、前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更を判断するための変更閾値であり、前記コントローラは、前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの制御を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの制御を前記基本モードに復帰させ、前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値が前記変更閾値より値の大きい停止閾値を超えない限りは、前記ポンプセル動作値のモニタを継続し、前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値がさらに、前記停止閾値を超えた場合には、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの制御を再開する、ことを特徴とする。
本発明の第５の態様は、第１ないし第４の態様のいずれかに係るＮＯｘセンサであって、前記判断対象値が、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差の実測値である、ことを特徴とする。
本発明の第６の態様は、第１ないし第４の態様のいずれかに係るＮＯｘセンサであって、前記判断対象値が、前記判断対象ポンプセルにおいて酸素を汲み入れるときのポンプ電流の値である、ことを特徴とする。
本発明の第７の態様は、第１ないし第６の態様のいずれかに係るＮＯｘセンサであって、前記複数の内部空所が、拡散抵抗部を介して順次に連通する第１内部空所と、第２内部空所と、第３内部空所であり、前記測定電極以外の前記内側電極が、前記第１内部空所に設けられた主ポンプ電極と、前記第２内部空所に設けられた補助ポンプ電極であり、前記測定電極が前記第３内部空所に設けられてなり、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルが、前記第１内部空所の酸素濃度を制御する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を制御する補助ポンプセルであり、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルが、前記主ポンプ電極と前記基準電極との間に前記第１内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された主センサセルと、前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に前記第２内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された補助センサセルであり、前記コントローラは、少なくとも前記基本モードにおいて、前記第１内部空所と前記第２内部空所とにおける酸素濃度がそれぞれに所定の一定値に保たれるように前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルを動作させつつ、前記第３内部空所に導入された酸素濃度調整済みの前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの濃度に応じて前記測定ポンプセルを流れる前記測定ポンプ電流の大きさに基づいて、ＮＯｘの濃度を特定する、ことを特徴とする。
本発明の第８の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成されてなるセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘを検知可能に構成されたＮＯｘセンサの動作方法であって、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入される導入口から所定の拡散抵抗の下で順次に連通する複数の内部空所と、前記複数の内部空所のそれぞれに面して設けられてなる複数の内側電極と、前記複数の内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ電極と、基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、を備え、それぞれの前記内側電極と前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電源にてポンプ電圧を印加することによって前記複数の内部空所のうち対応する内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能に構成され複数の電気化学的ポンプセルと、それぞれの前記内側電極と前記基準電極との間に、前記対応する内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された複数の電気化学的センサセルと、をさらに備え、前記複数の内部空所のそれぞれに備わる前記内側電極の１つがＮＯｘを還元可能な測定電極であり、前記複数の電気化学的ポンプセルが、前記測定電極を含む測定ポンプセルと、前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルと、からなり、前記複数の電気化学的センサセルが、前記測定電極を含む測定センサセルと、前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルと、からなる場合において、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルに含まれる判断対象ポンプセルにおける酸素の汲み入れ動作の指標となる所定の判断対象値が、所定の判断時間において所定の閾値を超えたか否かを判断する判断工程、を有し、前記判断工程において前記判断対象値が前記所定の閾値を超えない限りは、前記複数の内部空所のそれぞれにおける酸素濃度を一定に保ちつつ、前記測定電極にてＮＯｘが還元されることにより前記測定ポンプセルにおいて前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間をＮＯｘの濃度に応じて流れる測定ポンプ電流に基づいてＮＯｘの濃度を特定する、基本モードにて前記ＮＯｘセンサを制御し、前記判断工程において前記判断対象値が前記所定の閾値を超えた場合には、前記基本モードを停止し、前記測定電極を過剰な還元から保護する保護実行モードにて前記ＮＯｘセンサを動作させる、ことを特徴とする。
本発明の第９の態様は、第８の態様に係るＮＯｘセンサの動作方法であって、前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの停止の要否を判断するための停止閾値であり、前記判断工程において前記判断対象値が前記停止閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を停止させ、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの動作を再開する、ことを特徴とする。
本発明の第１０の態様は、第８の態様に係るＮＯｘセンサの動作方法であって、前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更の要否を判断するための変更閾値であり、前記判断工程において前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を前記所定の通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記所定の通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの動作を前記基本モードに復帰させる、ことを特徴とする。
本発明の第１１の態様は、第８の態様に係るＮＯｘセンサの動作方法であって、前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更を判断するための変更閾値であり、前記判断工程において前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの制御を前記基本モードに復帰させ、前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値が前記変更閾値より値の大きい停止閾値を超えない限りは、前記ポンプセル動作値のモニタを継続し、前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値がさらに、前記停止閾値を超えた場合には、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの動作を再開する、ことを特徴とする。
本発明の第１２の態様は、第８ないし第１１の態様のいずれかに係るＮＯｘセンサの動作方法であって、前記判断対象値を、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差の実測値とする、ことを特徴とする。
本発明の第１３の態様は、第８ないし第１１の態様のいずれかに係るＮＯｘセンサの動作方法であって、前記判断対象値を、前記判断対象ポンプセルにおいて酸素を汲み入れるときのポンプ電流の値とする、ことを特徴とする。
本発明第１ないし第１３の態様によれば、被測定ガスが空燃比の小さいリッチガスとなり得る環境においてＮＯｘセンサが使用される場合であっても、内部空所に酸素を汲み入れることが困難となって、酸素濃度制御不能の状況が生じることが、好適に回避される。加えて、リッチガスによって測定電極が過剰還元されることが好適に抑制されるので、ＮＯｘの測定の再開に際し、測定電極を速やかに使用可能な状態とすることができる。
ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。 素子保護モードの第１の態様における動作フローを示す図である。 素子保護モードの第２の態様における動作フローを示す図である。 素子保護モードの第３の態様における動作フローを示す図である。 素子保護モードの第３の態様における動作フローを示す図である。 ガスセンサ１００Ｂの構成の一例を概略的に示す図である。
＜ガスセンサの概略構成＞
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によってＮＯｘを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のＮＯｘセンサである。また、ガスセンサ１００は、各部の動作を制御するとともに、センサ素子１０１を流れるＮＯｘ電流に基づいてＮＯｘ濃度を特定するコントローラ１１０をさらに備える。図１は、センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。
センサ素子１０１は、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（ＺｒＯ２）からなる（例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる）、第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの固体電解質層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する、平板状の（長尺板状の）セラミックス製の素子体である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。なお、以降においては、図１におけるこれら６つの層のそれぞれの上側の面を単に上面、下側の面を単に下面と称することがある。また、センサ素子１０１のうち固体電解質からなる部分全体を基体部と総称する。
係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
センサ素子１０１の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０を兼ねる第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。
緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０、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（領域）である。なお、ガス導入口１０についても同様に、第１拡散律速部１１とは別に、センサ素子１０１の先端面（図面視左端）においてスペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられてなる態様であってもよい。係る場合、第１拡散律速部１１がガス導入口１０よりも内部に隣接形成されることになる。
第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０と、第４拡散律速部６０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至る部位をガス流通部とも称する。
また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。
大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。
基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内や第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。
ガス流通部において、ガス導入口１０（第１拡散律速部１１）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、取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。
第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。
第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。
主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面（センサ素子１０１の一方主面）の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側（空所外）ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）に形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成されてなる。これら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとは、第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。
天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂは、平面視矩形状に設けられてなる。ただし、天井電極部２２ａのみ、あるいは、底部電極部２２ｂのみが設けられる態様であってもよい。
内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極として形成される。特に、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。例えば、５％～４０％の気孔率を有し、Ａｕを０．６ｗｔ～１．４ｗｔ％程度含むＡｕ－Ｐｔ合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として、５μｍ～２０μｍの厚みに形成される。Ａｕ－Ｐｔ合金とＺｒＯ２との重量比率は、Ｐｔ：ＺｒＯ２＝７．０：３．０～５．０：５．０程度であればよい。
一方、外側ポンプ電極２３は、例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として、平面視矩形状に形成される。
主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に可変電源２４によって所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向に主ポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。なお、主ポンプセル２１において内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に印加されるポンプ電圧Ｖｐ０を、主ポンプ電圧Ｖｐ０とも称する。
また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセルである主センサセル８０が構成されている。
主センサセル８０における内側ポンプ電極２２と基準電極４２との電位差である起電力Ｖ０を測定することで、第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。
さらに、コントローラ１１０が、起電力Ｖ０が一定となるように主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これにより、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保たれるようになっている。
第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。
第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧をさらに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、補助ポンプセル５０が作動することによって調整される。第２内部空所４０においては、被測定ガスの酸素濃度がさらに高精度に調整される。
第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部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が行われるようになっている。
補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様の形態にて、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成されてなり、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成されてなる。これら天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂは、平面視矩形状をなしているとともに、第２内部空所４０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。
なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
補助ポンプセル５０においては、コントローラ１１０による制御のもと、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧（補助ポンプ電圧）Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。
また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセルである補助センサセル８１が構成されている。補助センサセル８１においては、第２内部空所４０内の酸素分圧に応じて補助ポンプ電極５１と基準電極４２との間に生じる電位差である起電力Ｖ１が、検出される。
補助ポンプセル５０は、この補助センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、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フィードバック制御されるようになっている。
また、これとともに、その補助ポンプ電流Ｉｐ１が、主センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、補助ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。
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３内部空所６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間（測定用内部空所）として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、第３内部空所６１において、測定ポンプセル４１が動作することによりなされる。第３内部空所６１には、第２内部空所４０において酸素濃度が高精度に調整された被測定ガスが導入されるため、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。
測定ポンプセル４１は、第３内部空所６１内に導入された被測定ガスのＮＯｘ濃度を測定するためのものである。測定ポンプセル４１は、第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。
測定電極４４は、貴金属と固体電解質との多孔質サーメット電極である。例えばＰｔあるいはＰｔとＲｈなどの他の貴金属との合金と、センサ素子１０１の構成材料たるＺｒＯ２とのサーメット電極として形成される。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。
測定ポンプセル４１においては、コントローラ１１０による制御のもと、第３内部空所６１内の雰囲気中におけるＮＯｘの分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって、電気化学的なセンサセルである測定センサセル８２が構成されている。測定センサセル８２にて検出される、第３内部空所６１内の酸素分圧に応じて測定電極４４と基準電極４２との間に生じる電位差である起電力Ｖ２に基づいて、可変電源４６がフィードバック制御される。
第３内部空所６１内に導かれた被測定ガス中のＮＯｘは測定電極４４により還元され（２ＮＯ→Ｎ２＋Ｏ２）、酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧（測定ポンプ電圧）Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に比例するものであるから、測定ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が算出されることとなる。以降、係るポンプ電流Ｉｐ２のことを、ＮＯｘ電流Ｉｐ２とも称する。
また、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と基準電極４２を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。
また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
センサ素子１０１は、さらに、基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。
ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータエレメント７２と、ヒータリード７２ａと、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５と、図１においては図示を省略するヒータ抵抗検出リードとを、主として備えている。また、ヒータ部７０は、ヒータ電極７１を除いて、センサ素子１０１の基体部に埋設されてなる。
ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面（センサ素子１０１の他方主面）に接する態様にて形成されてなる電極である。
ヒータエレメント７２は、第２基板層２と第３基板層３との間に設けられた抵抗発熱体である。ヒータエレメント７２は、図１においては図示を省略する、センサ素子１０１の外部に備わる図示しないヒータ電源から、通電経路であるヒータ電極７１、スルーホール７３、およびヒータリード７２ａを通じて給電されることより、発熱する。ヒータエレメント７２は、Ｐｔにて、あるいはＰｔを主成分として、形成されてなる。ヒータエレメント７２は、センサ素子１０１のガス流通部が備わる側の所定範囲に、素子厚み方向においてガス流通部と対向するように埋設されている。ヒータエレメント７２は、１０μｍ～２０μｍ程度の厚みを有するように設けられる。
センサ素子１０１においては、ヒータ電極７１を通じてヒータエレメント７２に電流を流すことにより、ヒータエレメント７２を発熱させることで、センサ素子１０１の各部を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。具体的には、センサ素子１０１は、ガス流通部付近の固体電解質および電極の温度が７００℃～９００℃程度になるように加熱される。係る加熱によって、センサ素子１０１において基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。なお、ガスセンサ１００が使用される際の（センサ素子１０１が駆動される際の）ヒータエレメント７２による加熱温度を、センサ素子駆動温度と称する。
ヒータエレメント７２による発熱の程度（ヒータ温度）は、ヒータエレメント７２の抵抗値の大きさ（ヒータ抵抗）によって把握される。
なお、図１においては図示を省略しているが、センサ素子１０１の一方主面側に、外側ポンプ電極２３を保護する目的で、外側ポンプ電極２３を被覆する電極保護層が備わっていてもよい。
また、センサ素子１０１の一先端部側（図面視左端側）の所定範囲の外周に、センサ素子１０１を覆う単層または多層の多孔質層である耐熱衝撃保護層がさらに備わる態様であってもよい。係る耐熱衝撃保護層は、ガスセンサ１００の使用時に被測定ガスに含まれる水分がセンサ素子１０１に付着して凝縮することに伴い生じる熱衝撃により、センサ素子１０１にクラックが発生することを防ぐ目的や、被測定ガス中に混在する被毒物質がセンサ素子１０１の内部に入り込むことを防ぐ目的で、設けられる。なお、センサ素子１０１と耐熱衝撃保護層との間に層状の空隙（空隙層）が形成される態様であってもよい。
また、センサ素子１０１は、ガス導入口１０側と基準ガス導入空間４３側との間が気密に封止される態様にて図示しない金属製の収容部材（ケーシング）に収容される。これらセンサ素子１０１と収容部材とが、ガスセンサ１００の本体部を構成する。そして、ガスセンサ１００が実際に使用される際には、係る本体部が、例えばエンジン排気管などの使用箇所に取り付けられる。また、収容部材からは、内部においてセンサ素子１０１の各部との電気的接続が確保された配線が引き出され、それらの配線は、コントローラ１１０や各種電源等へと適宜に接続される。
＜通常モードでの動作＞
以上のような構成を有するガスセンサ１００においてＮＯｘの濃度が測定される際には、主ポンプセル２１さらには補助ポンプセル５０を作動させることによって、第１内部空所２０さらには第２内部空所４０において酸素濃度が一定とされるフィードバック制御が実行され、酸素濃度一定とされた被測定ガスが、第３内部空所６１へと導入され、測定電極４４に到達する。例えば、被測定ガスがリーン雰囲気である場合、酸素分圧がＮＯｘの測定に実質的に影響がない程度（例えば０．０００１ｐｐｍ～１ｐｐｍ）にまで十分に低めた被測定ガスが、第３内部空所６１へと導入される。
そして、測定電極４４においては、到達した被測定ガス中のＮＯｘが還元されることによって、酸素が発生する。係る酸素は、測定ポンプセル４１より汲み出されるが、係る汲み出しの際に流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２は、被測定ガス中のＮＯｘの濃度と一定の関数関係（以下、感度特性と称する）を有する。
係る感度特性は、ガスセンサ１００を実使用するに先立ってあらかじめ、ＮＯｘ濃度が既知の複数種類のモデルガスを用いて特定され、そのデータがコントローラ１１０に記憶される。そして、ガスセンサ１００の実使用時には、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度に応じて流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２の値を表す信号がコントローラ１１０に時々刻々と与えられる。コントローラ１１０においては、その値と特定した感度特性とに基づいて、ＮＯｘ濃度が次々と演算され、ＮＯｘセンサ検出値として出力される。これにより、ガスセンサ１００においては、被測定ガス中のＮＯｘ濃度をほぼリアルタイムで把握することができるようになっている。
本実施の形態においては、以上のようなＮＯｘの濃度の特定に係るガスセンサ１００の動作を、ガスセンサ１００の通常モードでの動作と称する。
なお、係る通常モードにおいて主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、および測定ポンプセル４１のそれぞれをフィードバック制御する際の主センサセル８０、補助センサセル８１、および測定センサセル８２における起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２の目標値は、具体的なセンサ素子１０１の各部の構成、サイズ、さらにはガスセンサ１００の使用状況、使用態様などに応じて、適宜に設定されてよいが、以降においては、例示的態様として、それら起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２の目標値がそれぞれ、２５０ｍＶ、３８５ｍＶ、および４００ｍＶに設定される場合を想定する。これらの値は、センサ素子１０１を構成する酸素イオン伝導性固体電解質がジルコニアである場合に、概ね標準的に設定される値である。
＜素子保護モードでの動作＞
本実施の形態に係るガスセンサ１００は主として、リーン雰囲気など、被測定ガスに酸素が比較的十分に含まれる状況下で、上述した通常モードで動作することが、つまりは被測定ガス中のＮＯｘの濃度を特定することが、想定されている。
より詳細には、ガスセンサ１００の通常モードでの動作時、主ポンプセル２１は、主センサセル８０に生じる起電力Ｖ０が第１内部空所２０における酸素濃度値（あるいは酸素分圧値）として所望される値に応じた所定の値となるように作動するものであるところ、外部空間から第１内部空所２０に導入される被測定ガスにおける酸素濃度は時々刻々変化するため、主ポンプセル２１においては、酸素の汲み出しあるいは汲み入れの双方が行われ得る。
これに対し、補助ポンプセル５０および測定ポンプセル４１は、構成上酸素の汲み入れも可能とされてはいるものの、それぞれのポンプセルを作動させる際の制御目標値たる、補助センサセル８１における起電力Ｖ１と測定センサセル８２における起電力Ｖ２の設定値は、ＮＯｘ濃度の測定原理上、酸素の汲み出しを行われることを前提に設定される。すなわち、ガスセンサ１００が通常モードにて動作する際、補助ポンプセル５０および測定ポンプセル４１においては専ら、酸素の汲み出しが行われる。
ただし、ガスセンサ１００は必ずしも酸素を十分に含む雰囲気下で使用されるとは限らず、ガスセンサ１００の本体部が例えばガソリンエンジンの排気経路に取り付けられて当該エンジンからの排ガスが被測定ガスとされる場合など、雰囲気ガスが空燃比の小さいリッチガスとなり得る環境下で使用される場合もある。係る場合、センサ素子１０１の内部に導入される被測定ガスもリッチガスとなる。係る場合、主ポンプセル２１は、外部からの酸素の汲み入れにより第１内部空所２０内の酸素濃度値を保とうとする。
しかしながら、センサ素子１０１の内部に導入された被測定ガスが過度にリッチであると、主ポンプセル２１に印加される主ポンプ電圧Ｖｐ０が増大させられたとしても、係る主ポンプ電圧Ｖｐ０に応じた量の酸素を外部から汲み入れることができなくなり、第１内部空所２０において目標の酸素濃度が実現されない、酸素濃度制御不能の状況が起こり得る。加えて、ガス流通部の最奥部に備わる測定電極４４がリッチガスによって過剰に還元されてしまうという不具合が発生することも起こり得る。
なお、このような外部からの酸素の汲み入れが好適に行い得ない状況は、例えば特許文献１に開示されているガスセンサのように、外部空間からの酸素の取り込み箇所である外側ポンプ電極２３の周囲における雰囲気ガスの出入りが所定の拡散抵抗にて律速されるような場合ほど、生じやすい。図６は、そのようなガスセンサ１００の一態様としてのガスセンサ１００Ｂの構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ１００Ｂは、第２固体電解質層６の上にセラミックス層７と多孔体領域８とをさらに備えるほかは、図１に示したガスセンサ１００と共通の構成を有する。多孔体領域８は、気孔率が３０％～６０％程度の多孔質体（例えばアルミナなど）にて、外側ポンプ電極２３を覆うように、かつ、図示しない素子短手方向の両端部において露出するように設けられてなる。セラミックス層７は、例えば第２固体電解質層６などと同程度に緻密なセラミックス（例えば、ジルコニア、アルミナなど）にて、多孔体領域８を含む第２固体電解質層６の上面全体を覆うように、設けられてなる。係るガスセンサ１００Ｂにおいては、外側ポンプ電極２３の周囲における雰囲気ガスの出入りが多孔体領域８の与える拡散抵抗にて律速される。
以上の点を踏まえ、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、被測定ガスが過度にリッチとなった場合には、酸素濃度制御不能の状況を回避しつつ測定電極４４の過剰還元を回避して測定電極４４さらにはセンサ素子１０１を保護することを優先的に行う、素子保護モードでの動作が可能となっている。
係る素子保護モードには、処理手順の異なる３通りの態様がある。以下、それらについて順次に説明する。
（第１の態様）
図２は、素子保護モードの第１の態様における動作フローを示す図である。第１の態様は、概略、被測定ガスが過度にリッチ雰囲気となった場合に、外部からの酸素の汲み入れ動作を含むガスセンサ１００におけるＮＯｘの測定動作を一時的に停止することで、測定電極の過剰還元を回避する手法である。
本態様では、まず、ガスセンサ１００が素子保護モードでの動作を開始するように設定される（ステップＳ１－１）。これは例えば、ガスセンサの使用者（操作者）が図示しない所定のインターフェースを通じてコントローラ１１０に対し適宜の設定指示を与えることで実現される。あるいは、ガスセンサ１００が常時、素子保護モードにて動作するように設定されていてもよい。
素子保護モードの開始後も、基本的には、コントローラ１１０による制御のもと、通常モードと同様のＮＯｘ濃度の測定が、連続的に行われる。このように、素子保護モードの実行中であっても通常モードと変わらずＮＯｘ濃度の測定が行われる場合の動作態様を特に、基本モードとも称する。なお、通常モードにおける動作も含め、基本モードでの動作と称する場合がある。ただし、素子保護モードが開始されると、係る通常モードでの動作に並行して、コントローラ１１０が所定の判断対象値のモニタを開始する（ステップＳ１－２）。
本態様において、判断対象値とは、ＮＯｘの測定動作の停止を判断する際の指標となる値である。具体的には、起電力Ｖ０の実測値が用いられる。第１内部空所２０に導入される被測定ガスの酸素濃度があらかじめ規定されている第１内部空所２０の目標酸素濃度よりも小さい場合、起電力Ｖ０を目標値に保つべく主ポンプセル２１において酸素の汲み入れが行われるが、過度にリッチな被測定ガスが導入された場合、酸素の汲み入れが十分に行い得なくなり、起電力Ｖ０の実測値が目標値からずれていく（目標値よりも大きくなっていく）ことになる。係るずれが許容される限界での起電力Ｖ０の値を、停止閾値としてあらかじめ設定しておく。停止閾値は例えば３５０ｍＶに設定される。
判断対象値のモニタは、あらかじめ設定された所定の時間（判断時間）が経過（終了）するまで継続される（ステップＳ１－３）。判断時間は、例えば１０秒程度に設定される。
そして、判断時間が経過（終了）した時点（ステップＳ１－３でＹｅｓ）で、コントローラ１１０は、当該判断時間の間に判断対象値が所定の停止閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ１－４）。あるいは、判断時間終了時の判断対象値が所定の停止閾値を超えたか否かを判断する態様であってもよい。
判断時間において判断対象値が所定の停止閾値を超えることがなかった場合（ステップＳ１－４でＮｏ）、コントローラ１１０はガスセンサ１００における測定動作をそのまま継続させる（ステップＳ１－５）。係る測定動作は、素子保護モードを終了し通常モードとして継続されてもよいし、素子保護モードを改めて開始し直すことにより基本モードとして継続されてもよい。
一方、判断時間において判断対象値が所定の停止閾値を超えることがあった場合（ステップＳ１－４でＹｅｓ）、コントローラ１１０は、ＮＯｘの測定動作を停止させる保護実行モードへと移行する。具体的には、主ポンプセル２１および補助ポンプセル５０におけるポンプ制御（フィードバック制御）を停止させ、測定ポンプセル４１については、測定電極保護制御のもとでの動作に切り替える（ステップＳ１－６）。ここで、測定電極保護制御とは、測定電極４４を過剰にリッチな被測定ガスによる過剰な還元から保護することを目的として、第３内部空所６１に対し外部から酸素を汲み入れるように測定ポンプセル４１を動作させる、制御態様である。ただし、センサ素子１０１にクラックが発生することを避けるため、測定電極保護制御に際し測定ポンプセル４１に印加される汲み入れ電圧（測定ポンプ電圧）Ｖｐ２の絶対値は、２０００ｍＶ以下とする。
係る場合、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０はいずれも動作をしないので、ガス導入口１０から導入された被測定ガスはそのまま、第１内部空所２０から第２内部空所４０を経て第３内部空所６１へと入り込むが、一方で、第３内部空所６１には測定ポンプセル４１により酸素が汲み入れられるので、過度にリッチな被測定ガスによる測定電極４４の過剰な還元は好適に抑制される。
主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０のポンプ制御が停止されると、それまでは所望の酸素濃度に応じた所定の一定値となるように制御されていた主センサセル８０および補助センサセル８１における起電力Ｖ０およびＶ１の実測値はそれぞれ、第１内部空所２０および第２内部空所４０に流入する酸素濃度が調整されていない被測定ガスの酸素濃度に応じた値となる。これらの、ポンプ制御が停止された状態において各センサセルに生じる起電力を特に、ＯＰＥＮ起電力と称する。
ＯＰＥＮ起電力は、各内部空所に流入した被測定ガスの酸素濃度に応じて変動し、当該酸素濃度が大きいほど大きな値となる。それゆえ、それぞれのＯＰＥＮ起電力は、ポンプ制御が停止されている状態において各センサセルに対応した内部空所に存在する被測定ガスの、酸素濃度の大小を示す指標として、用いることができる。
コントローラ１１０は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０におけるポンプ制御の停止と測定ポンプセル４１を対象とした測定電極保護制御の実行とを開始するとともに、ＯＰＥＮ起電力のモニタを開始し（ステップＳ１－７）、係るＯＰＥＮ起電力が所定の再開閾値を下回るか否かを判断する（ステップＳ１－８）。その際には、測定センサセル８２以外のいずれか１つのセンサセル（例えば主センサセル８０）におけるＯＰＥＮ起電力がモニタされ、再開閾値との大小関係が判断される態様であってもよい。ＯＰＥＮ起電力が再開閾値を下回らない（ステップＳ１－８でＮｏ）間は、ＯＰＥＮ起電力のモニタは継続される。
再開閾値は、ＯＰＥＮ起電力がその値になった段階でそれぞれのポンプセルにおけるポンプ制御を再開したとしても各ポンプセルにおける酸素の汲み入れあるいは汲み出しを問題なく行い得る程度にまで、各内部空所に流入している被測定ガスの酸素濃度が大きくなったと判断することが出来る値に、設定される。係る再開閾値は、例えば、あらかじめ実験的に特定しておいた、被測定ガスの空燃比とＯＰＥＮ起電力値との対応関係（関数関係）に基づいて、設定することができる。
例えばガソリンエンジンの排ガスが被測定ガスとされるような場合、あるタイミングで過度にリッチな排ガスが被測定ガスとしてセンサ素子１０１の内部に流入したとしても、通常は、係る流入は永続的なものではなく、しばらくの時間が経過すれば、排ガスの酸素濃度は各ポンプセルが好適に作動する程度にまで回復する。
主センサセル８０におけるＯＰＥＮ起電力がモニタ対象とされる場合であれば、再開閾値は４５０ｍＶに設定されるのが好適な一例である。ＯＰＥＮ起電力が４５０ｍＶ以下となった場合、第１内部空所２０の内部の雰囲気はストイキ組成あるいはリーン組成となることが、あらかじめ確認されている。
ＯＰＥＮ起電力が所定の再開閾値を下回ったと判断された場合（ステップＳ１－８でＹｅｓ）、コントローラ１１０は、それまで停止していたポンプ制御動作を再開する（ステップＳ１－９）。すなわち、測定ポンプセル４１を対象とした測定電極保護制御は停止され、第１内部空所２０、第２内部空所４０、および第３内部空所６１における酸素濃度が所望の値となるように、主センサセル８０、補助センサセル８１、および測定センサセル８２における起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２の目標値がそれぞれ再設定され、これらの目標値が実現されるように、各ポンプセルが再び作動させられる。
最終的に、それぞれのポンプセルにおいてこれら起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２の目標値に基づくフィードバック制御が可能な状態になると、ＮＯｘの測定動作が再開される（ステップＳ１－１０）。係る測定動作は、素子保護モードを終了し通常モードとして継続されてもよいし、素子保護モードを改めて開始し直すことによって基本モードとして継続されてもよい。
本態様においては、酸素濃度制御不能の状況を回避するべくＮＯｘの測定動作が停止されている間、測定電極４４を過剰還元から保護する目的で、測定電極保護制御のもと測定ポンプセル４１にて第３内部空所６１内に酸素を汲み入れているので、ＮＯｘの測定動作の再開に際し、測定電極４４は速やかに、通常のフィードバック制御が可能な状態に復帰する。
このように、本態様では、過度にリッチなガスが被測定ガスとしてセンサ素子１０１内に導入された場合に、酸素濃度制御不能の状況を回避するべく主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０の動作を停止する一方で、第３内部空所６１に対しては測定電極４４の過剰還元を抑制するべく測定ポンプセル４１により酸素を汲み入れるようにする。これにより、過度にリッチな被測定ガスが第３内部空所６１にまで到達するような場合であっても、過剰な酸素の汲み入れ動作の発生を防いでポンプセルを保護することができ、かつ測定電極４４の過剰還元を好適に抑制することができる。また、導入される被測定ガスの酸素濃度が、ポンプセルによる酸素の汲み入れが可能な程度にまで回復したと判断された時点における、ＮＯｘの測定の再開に際し、測定電極を速やかに使用可能な状態とすることができる。
（第２の態様）
図３は、素子保護モードの第２の態様における動作フローを示す図である。第２の態様は、概略、被測定ガスが過度にリッチ雰囲気となった場合に、第１内部空所２０における目標酸素濃度を一時的に低減させることによって主ポンプセル２１における過剰な汲み入れを抑制しつつ、測定電極の過剰還元を回避する手法である。
係る第２の態様のステップＳ２－１～ステップＳ２－５はそれぞれ、第１の態様におけるステップＳ１－１～ステップＳ１－５と概ね同様である。また、判断対象値が具体的には起電力Ｖ０の実測値である点も、第１の態様と同じである。
ただし、本態様の場合、判断対象値は、第１内部空所２０における目標酸素濃度の変更を判断する際の指標として用いられる。より詳細には、係る目標酸素濃度に応じた主センサセル８０の起電力Ｖ０の目標値を変更する際の指標として、用いられる。なお、起電力Ｖ０の目標値が大きいほど、第１内部空所２０における目標酸素濃度は小さくなるという関係がある。
すなわち、本態様の場合、過度にリッチな被測定ガスが第１内部空所２０に導入された結果として起電力Ｖ０の実測値が目標値からずれていく際の、係るずれが許容される限界での起電力Ｖ０の値を、変更閾値としてあらかじめ設定しておく。そして、コントローラ１１０は、第１の態様と同様に素子保護モード（基本モード）を開始（ステップＳ２－１）し、判断対象値のモニタを開始（ステップＳ２－２）した後、判断時間が経過（終了）した時点（ステップＳ２－３でＹｅｓ）で、当該判断時間の間に判断対象値が所定の変更閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ２－４）。変更閾値は、第１の態様における停止閾値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
判断時間において判断対象値が所定の変更閾値を超えることがなかった場合（ステップＳ２－４でＮｏ）は、第１の態様と同様、コントローラ１１０はガスセンサ１００における測定動作を通常モードあるいは素子保護モード（基本モード）においてそのまま継続させる（ステップＳ２－５）。
一方、判断時間において判断対象値が所定の変更閾値を超えることがあった場合（ステップＳ２－４でＹｅｓ）、本態様でも基本モードから保護実行モードへと移行する。ただし、本態様の場合、コントローラ１１０は、ＮＯｘ濃度の測定に際して行うポンプ制御における制御基準値を、基本モード時（通常モード時）の値（通常の値）から変更する（ステップＳ２－６）。
具体的には、コントローラ１１０は、少なくとも、主ポンプセル２１におけるポンプ制御の基準となる主センサセル８０の起電力Ｖ０の目標値を、通常の値よりも（さらには変更閾値よりも）大きくする変更を行う。例えば、起電力Ｖ０の目標値を、通常モード時の値である２５０ｍＶから３５０ｍＶに変更する。係る変更後の起電力Ｖ０の目標値を、変更後基準値と称する。係る態様にて起電力Ｖ０の目標値が変更されることにより、第１内部空所２０における目標酸素濃度は引き下げられる。これに加え、補助ポンプセル５０におけるポンプ制御の際の制御基準値についても、通常モード時の値から変更するようにしてもよい。
そして、コントローラ１１０は、主ポンプセル２１（あるいはさらに補助ポンプセル５０）については変更後基準値に基づく制御を開始させる一方で、測定ポンプセル４１については、測定電極保護制御のもとでの動作に切り替える（ステップＳ２－７）。結果として、本態様の場合も、保護実行モードにおいてはＮＯｘの測定は停止される。なお、本態様においても、測定電極保護制御に際し測定ポンプセル４１に印加される汲み入れ電圧（測定ポンプ電圧）Ｖｐ２の絶対値は、２０００ｍＶ以下とする。
起電力Ｖ０の目標値が通常の値よりも大きい変更後基準値とされ、第１内部空所２０における目標酸素濃度が引き下げられることで、係る目標酸素濃度と、第１内部空所２０に入り込んだ過度にリッチな被測定ガスにおける酸素濃度との差分は、通常モードの場合よりも小さくなる。すると、変更後基準値に基づいて各ポンプセルを制御した場合、変更前に比して、目標酸素濃度を達成するために主ポンプセル２１によって第１内部空所２０に汲み入れることが必要な酸素の量は低減される。その結果として、主ポンプセル２１における主ポンプ電流Ｉｐ０または主ポンプ電圧Ｖｐ０の過度な増大が抑制される。
しかも、第１の態様の場合、判断対象値が停止閾値を超えて保護実行モードへと移行すると主ポンプセル２１および補助ポンプセル５０は停止されるが、本態様の場合は、これらのポンプセルにおけるポンプ制御動作自体は継続されるので、第１の態様に比べると、保護実行モードの終了から測定の再開までに要する時間が短くて済む。
コントローラ１１０は、測定ポンプセル４１に測定電極保護制御に基づく動作を開始させるとともに、ポンプセル動作値のモニタを開始し（ステップＳ２－８）、ポンプセル動作値が復帰閾値を下回るか否かを判断する（ステップＳ２－９）。
ポンプセル動作値とは、具体的には、主ポンプ電流Ｉｐ０または主ポンプ電圧Ｖｐ０である。ポンプセル動作値は、酸素の汲み入れ量が多いほど大きな値となる。また、復帰閾値は、ポンプセル動作値がその値になった段階で制御基準値を変更後基準値から通常の値に戻したとしても、各ポンプセルにおける酸素の汲み入れあるいは汲み出しを問題なく行い得る程度にまで各内部空所に流入している被測定ガスの酸素濃度が大きくなったと判断することが出来る値に、設定される。
ポンプセル動作値が復帰閾値を下回らない（ステップＳ２－９でＮｏ）限りは、ポンプセル動作値のモニタは継続される。
一方、ポンプセル動作値が所定の復帰閾値を下回ったと判断された場合（ステップＳ２－９でＹｅｓ）、コントローラ１１０は、制御基準値を変更後基準値から通常の値に戻す（ステップＳ２－１０）。そして、測定電極保護制御に基づく測定ポンプセル４１の動作を停止させ、代わって、通常の制御基準値に基づくＮＯｘの測定動作を再開する（ステップＳ２－１１）。係る測定動作は、素子保護モードを終了し通常モードとして継続されてもよいし、素子保護モードを改めて開始し直すことで継続されてもよい。
このように、本態様の場合、過度にリッチなガスが被測定ガスとしてセンサ素子１０１内に導入された場合に、酸素濃度制御不能の状況を回避するべく第１内部空所２０における目標酸素濃度を一時的に低減させることによって主ポンプセル２１における過剰な汲み入れを抑制する一方で、第３内部空所６１に対しては測定電極４４の過剰還元を抑制するべく測定ポンプセル４１により酸素を汲み入れるようにする。これにより、第１の態様と同様、過度にリッチな被測定ガスが第３内部空所６１にまで到達するような場合であっても、測定電極４４の過剰還元が好適に抑制される。また、第１の態様とは異なり、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０の動作を停止させるわけではないので、導入される被測定ガスの酸素濃度が、ポンプセルによる酸素の汲み入れが可能な程度にまで回復したと判断された時点における、ＮＯｘの測定の再開に際し、測定電極を速やかに使用可能な状態とすることができる。
（第３の態様）
図４および図５は、素子保護モードの第３の態様における動作フローを示す図である。第３の態様は、第１の態様と第２の態様とを組み合わせ、被測定ガスが過度にリッチ雰囲気となった場合に、測定電極の過剰還元を回避しつつ、主ポンプセル２１における酸素濃度制御不能な状況への対応については、その程度に応じて２段階に行う手法である。
概略的には、被測定ガスが過度にリッチ雰囲気となった場合、まずは第２の態様と同様に、測定ポンプセル４１については測定電極保護制御を行う一方で、第１内部空所２０における目標酸素濃度を一時的に低減させることによって主ポンプセル２１における過剰な汲み入れを抑制する。そして、それでも第１内部空所２０における酸素濃度が十分に回復しない場合には、第１の態様と同様に外部からの酸素の汲み入れ動作を含むガスセンサ１００におけるＮＯｘの測定動作を一時的に停止する。
係る第３の態様のステップＳ３－１～ステップＳ３－７はそれぞれ、第２の態様におけるステップＳ２－１～ステップＳ２－７と同じである。すなわち、第３の態様においても、まずは第２の態様と同様、コントローラ１１０は、素子保護モード（基本モード）を開始（ステップＳ３－１）し、判断対象値のモニタを開始（ステップＳ３－２）した後、判断時間が経過（終了）した時点（ステップＳ３－３でＹｅｓ）で、当該判断時間の間に判断対象値が所定の変更閾値を超えたか否かを判断する（ステップＳ３－４）。なお、本態様の場合も、判断対象値は具体的には起電力Ｖ０の実測値である。
判断時間において判断対象値が所定の変更閾値を超えることがなかった場合（ステップＳ３－４でＮｏ）は、第１および第２の態様と同様、コントローラ１１０はガスセンサ１００における測定動作を通常モードあるいは素子保護モード（基本モード）においてそのまま継続させる（ステップＳ３－５）。
一方、判断時間において判断対象値が所定の変更閾値を超えることがあった場合（ステップＳ３－４でＹｅｓ）、本態様でも基本モードから保護実行モードへと移行する。コントローラ１１０は、主ポンプセル２１（あるいはさらに補助ポンプセル５０）については制御基準値を基本モード時（通常モード時）の値（通常の値）から変更し（ステップＳ３－６）、変更後基準値に基づく制御を開始させる一方で、測定ポンプセル４１については、測定電極保護制御のもとでの動作に切り替える（ステップＳ３－７）。結果として、ＮＯｘの測定は停止される。なお、本態様においても、測定電極保護制御に際し測定ポンプセル４１に印加される汲み入れ電圧（測定ポンプ電圧）Ｖｐ２の絶対値は、２０００ｍＶ以下とする。
また、併せてポンプセル動作値のモニタが開始され（ステップＳ３－８）、ポンプセル動作値が所定の復帰閾値を下回ったと判断された場合（ステップＳ３－９でＹｅｓ）には、コントローラ１１０が制御基準値を変更後基準値から通常の値に戻し（ステップＳ３－１０）、測定電極保護制御に基づく測定ポンプセル４１の動作を停止させ、代わって、通常の制御基準値に基づくＮＯｘの測定動作を通常モードまたは素子保護モード（基本モード）にて再開する（ステップＳ３－１１）点も、第２の態様と同様である。
一方、ポンプセル動作値が復帰閾値を下回っていないと判断された場合（ステップＳ３－９でＮｏ）は、判断対象値が所定の停止閾値を超えたか否かが判断される（ステップＳ３－１２）。なお、本態様においては、停止閾値の方が変更閾値よりも大きな値に設定される。
判断対象値が停止閾値を超えていない場合（ステップＳ３－１２でＮｏ）は、ステップＳ３－８に戻ってポンプセル動作値のモニタが再開され、ステップＳ３－９以降の処理が改めて行われる。ゆえに、ポンプセル動作値が所定の復帰閾値以上であるが判断対象値が停止閾値以下である状況では、ステップＳ３－８→ステップＳ３－９→ステップＳ３－１２→ステップＳ３－８→・・・というループが繰り返されることになる。これは、リッチガスのセンサ素子１０１内部への導入に伴い生じる、主ポンプセル２１による過度の酸素の汲み入れが、第２の態様と同様の、目標酸素濃度を低減させることによって回避可能な程度である場合には、係る態様での対処が継続されることを、意味する。係る状況においても、測定ポンプセル４１を対象とする測定電極保護制御は依然として継続される。
制御基準値を変更した後の判断対象値が停止閾値を超えている場合（ステップＳ３－１２でＹｅｓ）は、第１の態様と同様の手順が実行される。係る手順は、目標酸素濃度を低減させるだけではポンプセルの保護を十分に行い得ない場合に、係る保護をより確実に実現することを意図したものである。
具体的にはまず、コントローラ１１０が、主ポンプセル２１および補助ポンプセル５０におけるポンプ制御を停止させる（ステップＳ３－１３）。それゆえ、係る状態において動作しているポンプセルは、測定電極保護制御がなされている測定ポンプセル４１のみとなる。すなわち、主ポンプセル２１による過度の酸素の汲み入れが、目標酸素濃度を低減させることによっても回避困難となり得る場合には、主ポンプセル２１および補助ポンプセル５０の保護のためにこれらのポンプセルの動作を停止させる。
コントローラ１１０はさらに、測定センサセル８２以外のセンサセルにおけるＯＰＥＮ起電力のモニタを開始し（ステップＳ３－１４）、係るＯＰＥＮ起電力が所定の再開閾値を下回るか否かを判断する（ステップＳ３－１５）。主センサセル８０におけるＯＰＥＮ起電力がモニタ対象とされる場合であれば、再開閾値は４５０ｍＶに設定されるのが好適な一例である。ＯＰＥＮ起電力が再開閾値を下回らない（ステップＳ３－１５でＮｏ）間は、ＯＰＥＮ起電力のモニタは継続される。
ＯＰＥＮ起電力が再開閾値を下回ったと判断された場合（ステップＳ３－１５でＹｅｓ）、コントローラ１１０は、測定ポンプセル４１を対象とする測定電極保護制御を停止したうえで、各ポンプセルについて制御基準値を通常の値に再設定し、ポンプ制御動作を再開する（ステップＳ３－１６）。最終的に、それぞれのポンプセルにおいて起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２に基づくフィードバック制御が可能な状態になると、通常モードまたは素子保護モード（基本モード）でのＮＯｘの測定動作が再開される（ステップＳ３－１７）。
このように、本態様では、第１の態様と第２の態様とが組み合わされており、センサ素子１０１の内部に導入される被測定ガスのリッチ度合いによって、保護実行モードにおける酸素濃度制御不能の状況を回避するための対処の仕方を段階的に切り替える一方で、測定電極４４の過剰還元からの保護については、第１の態様および第２の態様と同様に行われる。これにより、過度にリッチな被測定ガスが第３内部空所６１にまで到達するような場合であっても、測定電極４４の過剰還元が好適に抑制される。一方で、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とが停止される状況は最低限度に留められる。また、導入される被測定ガスの酸素濃度が、ポンプセルによる酸素の汲み入れが可能な程度にまで回復したと判断された時点における、ＮＯｘの測定の再開に際し、測定電極を速やかに使用可能な状態とすることができる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、例えばガソリンエンジンからの排ガスなど、被測定ガスが空燃比の小さいリッチガスとなり得る環境においてガスセンサが使用される場合であっても、内部空所に酸素を汲み入れることが困難となって、酸素濃度制御不能の状況が生じることが、好適に回避される。加えて、リッチガスによって測定電極が過剰還元されることが好適に抑制されるので、ＮＯｘの測定の再開に際し、測定電極を速やかに使用可能な状態とすることができる。
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、判断対象値として起電力Ｖ０の実測値が用いられているが、これに代わり、主ポンプセル２１において酸素の汲み入れが生じているときの主ポンプ電流Ｉｐ０の値を判断対象値とする態様であってもよい。係る主ポンプ電流Ｉｐ０は第１内部空所２０への酸素の汲み入れ量に応じて増大するため、第１内部空所２０への酸素の汲み入れ度合の指標となり得る。第１の態様における停止閾値や第２および第３の態様における変更閾値は、用いられる判断対象値に応じて設定される。
また、通常モードおよび素子保護モードの基本モードにおいては、一定の大きさの補助ポンプ電流Ｉｐ１が流れるように補助ポンプセル５０を制御する、Ｉｐ１一定制御なる制御態様にてガスセンサ１００を動作させるようにしてもよく、係る場合、起電力Ｖ０の実測値に代えて、あるいは起電力Ｖ０の実測値と併用する態様にて、補助ポンプ電流Ｉｐ１の実測値が、素子保護モードの保護実行モードにおける判断対象値とされてもよい。第１内部空所２０から第２内部空所４０へと導入される被測定ガスにおける酸素濃度が所定値に保たれる間は、補助ポンプセル５０が酸素を汲み出す際の補助ポンプ電流Ｉｐ１をあらかじめ設定された一定値に保つことによって、第２内部空所４０における酸素濃度を所定値に制御することが可能である。しかしながら、過度にリッチな被測定ガスが第１内部空所２０に導入され、第１内部空所２０における酸素濃度の調整が行えなくなった結果として、第２内部空所４０にまで酸素濃度の小さい被測定ガスが入り込んでしまうと、補助ポンプセル５０が第2内部空所４０から酸素を汲み出すことができなくなり、起電力Ｖ１の実測値が一定値から上昇するとともに、補助ポンプ電流Ｉｐ１の実測値は設定されていた一定値から減少していく。それゆえ、補助ポンプ電流Ｉｐ１の実測値についても、判断対象値として用いることができる。
上述の実施の形態においては、ガスセンサが、内部に３つの空所を有するセンサ素子を備える場合を対象としていたが、過度にリッチな被測定ガスセンサ素子の内部に取り込まれることに起因したブラックニングが発生し得るセンサ素子の構成は、上述の実施の形態のものに限られない。
そのような場合も、ガスセンサが、電気化学的ポンプセルによる酸素の汲み入れまたは汲み出しを行うことにより酸素濃度が一定に保たれる内部空所を有するセンサ素子を備える限り、上述した第１ないし第３の態様を、必要であれば素子構成に応じて適宜に修正しつつ適用することによって、当該センサ素子において酸素濃度制御不能の状況が生じることを回避することが可能である。また、リッチガスによって測定電極が過剰還元されることを好適に抑制することも可能である。すなわち、リッチガス雰囲気下においてセンサ素子を好適に保護することが出来る。
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
１３ 第２拡散律速部
２０ 第１内部空所
２１ 主ポンプセル
２２ 内側ポンプ電極
２３ 外側ポンプ電極
２４、４６、５２ 可変電源
３０ 第３拡散律速部
４０ 第２内部空所
４１ 測定ポンプセル
４２ 基準電極
４３ 基準ガス導入空間
４４ 測定電極
５０ 補助ポンプセル
５１ 補助ポンプ電極
６０ 第４拡散律速部
６１ 第３内部空所
７０ ヒータ部
８０ 主センサセル
８１ 補助センサセル
８２ 測定センサセル
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
Ｉｐ０ 主ポンプ電流
Ｉｐ１ 補助ポンプ電流
Ｉｐ２ ＮＯｘ電流

Claims (13)

  1. 被測定ガス中のＮＯｘを検知可能に構成されたＮＯｘセンサであって、
    酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成されてなるセンサ素子と、
    前記ＮＯｘセンサの動作を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記センサ素子が、
    前記被測定ガスの導入口から所定の拡散抵抗の下で順次に連通し、内側電極が設けられてなる複数の内部空所と、
    前記複数の内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ電極と、
    基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
    を備え、
    それぞれの前記内側電極と前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電源にてポンプ電圧を印加することによって前記複数の内部空所のうち対応する内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能に構成され複数の電気化学的ポンプセルと、
    それぞれの前記内側電極と前記基準電極との間に、前記対応する内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された複数の電気化学的センサセルと、
    をさらに備え、
    前記複数の内部空所のそれぞれに備わる前記内側電極の１つがＮＯｘを還元可能な測定電極であり、
    前記複数の電気化学的ポンプセルが、
    前記測定電極を含む測定ポンプセルと、
    前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルと、
    からなり、
    前記複数の電気化学的センサセルが、
    前記測定電極を含む測定センサセルと、
    前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルと、
    からなり、
    前記コントローラは、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルに含まれる判断対象ポンプセルにおける酸素の汲み入れ動作の指標となる所定の判断対象値が、所定の判断時間において所定の閾値を超えたか否かを判断し、
    前記判断対象値が前記所定の閾値を超えない限りは、前記複数の電気化学的ポンプセルを動作させることによって前記複数の内部空所のそれぞれにおける酸素濃度を一定に保ちつつ、前記測定電極にてＮＯｘが還元されることにより前記測定ポンプセルにおいて前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間をＮＯｘの濃度に応じて流れる測定ポンプ電流に基づいてＮＯｘの濃度を特定する、基本モードにて前記ＮＯｘセンサを制御し、
    前記判断対象値が前記所定の閾値を超えた場合には、前記基本モードを停止し、前記測定電極を過剰な還元から保護する保護実行モードにて前記ＮＯｘセンサを制御する、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  2. 請求項１に記載のＮＯｘセンサであって、
    前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの停止の要否を判断するための停止閾値であり、
    前記コントローラは、
    前記判断対象値が前記停止閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を停止させ、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、
    モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの制御を再開する、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  3. 請求項１に記載のＮＯｘセンサであって、
    前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更の要否を判断するための変更閾値であり、
    前記コントローラは、
    前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの制御を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、
    前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの制御を前記基本モードに復帰させる、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  4. 請求項１に記載のＮＯｘセンサであって、
    前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更を判断するための変更閾値であり、
    前記コントローラは、
    前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの制御を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、
    前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの制御を前記基本モードに復帰させ、
    前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値が前記変更閾値より値の大きい停止閾値を超えない限りは、前記ポンプセル動作値のモニタを継続し、
    前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値がさらに、前記停止閾値を超えた場合には、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、
    モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの制御を再開する、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＮＯｘセンサであって、
    前記判断対象値が、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差の実測値である、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＮＯｘセンサであって、
    前記判断対象値が、前記判断対象ポンプセルにおいて酸素を汲み入れるときのポンプ電流の値である、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  7. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のＮＯｘセンサであって、
    前記複数の内部空所が、拡散抵抗部を介して順次に連通する第１内部空所と、第２内部空所と、第３内部空所であり、
    前記測定電極以外の前記内側電極が、前記第１内部空所に設けられた主ポンプ電極と、前記第２内部空所に設けられた補助ポンプ電極であり、
    前記測定電極が前記第３内部空所に設けられてなり、
    前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルが、前記第１内部空所の酸素濃度を制御する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を制御する補助ポンプセルであり、
    前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルが、前記主ポンプ電極と前記基準電極との間に前記第１内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された主センサセルと、前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間に前記第２内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された補助センサセルであり、
    前記コントローラは、少なくとも前記基本モードにおいて、前記第１内部空所と前記第２内部空所とにおける酸素濃度がそれぞれに所定の一定値に保たれるように前記主ポンプセルおよび前記補助ポンプセルを動作させつつ、前記第３内部空所に導入された酸素濃度調整済みの前記被測定ガスに含まれるＮＯｘの濃度に応じて前記測定ポンプセルを流れる前記測定ポンプ電流の大きさに基づいて、ＮＯｘの濃度を特定する、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサ。
  8. 酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成されてなるセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘを検知可能に構成されたＮＯｘセンサの動作方法であって、
    前記センサ素子が、
    前記被測定ガスが導入される導入口から所定の拡散抵抗の下で順次に連通する複数の内部空所と、
    前記複数の内部空所のそれぞれに面して設けられてなる複数の内側電極と、
    前記複数の内部空所以外の箇所に配置された空所外ポンプ電極と、
    基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
    を備え、
    それぞれの前記内側電極と前記空所外ポンプ電極との間に所定のポンプ電源にてポンプ電圧を印加することによって前記複数の内部空所のうち対応する内部空所と前記センサ素子の外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しが可能に構成され複数の電気化学的ポンプセルと、
    それぞれの前記内側電極と前記基準電極との間に、前記対応する内部空所における酸素濃度に応じた電位差が生じるように構成された複数の電気化学的センサセルと、
    をさらに備え、
    前記複数の内部空所のそれぞれに備わる前記内側電極の１つがＮＯｘを還元可能な測定電極であり、
    前記複数の電気化学的ポンプセルが、
    前記測定電極を含む測定ポンプセルと、
    前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルと、
    からなり、
    前記複数の電気化学的センサセルが、
    前記測定電極を含む測定センサセルと、
    前記測定電極以外の前記内側電極を含む少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルと、
    からなる場合において、
    前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルに含まれる判断対象ポンプセルにおける酸素の汲み入れ動作の指標となる所定の判断対象値が、所定の判断時間において所定の閾値を超えたか否かを判断する判断工程、
    を有し、
    前記判断工程において前記判断対象値が前記所定の閾値を超えない限りは、前記複数の内部空所のそれぞれにおける酸素濃度を一定に保ちつつ、前記測定電極にてＮＯｘが還元されることにより前記測定ポンプセルにおいて前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間をＮＯｘの濃度に応じて流れる測定ポンプ電流に基づいてＮＯｘの濃度を特定する、基本モードにて前記ＮＯｘセンサを制御し、
    前記判断工程において前記判断対象値が前記所定の閾値を超えた場合には、前記基本モードを停止し、前記測定電極を過剰な還元から保護する保護実行モードにて前記ＮＯｘセンサを動作させる、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサの動作方法。
  9. 請求項８に記載のＮＯｘセンサの動作方法であって、
    前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの停止の要否を判断するための停止閾値であり、
    前記判断工程において前記判断対象値が前記停止閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を停止させ、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、
    モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの動作を再開する、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサの動作方法。
  10. 請求項８に記載のＮＯｘセンサの動作方法であって、
    前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更の要否を判断するための変更閾値であり、
    前記判断工程において前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を前記所定の通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、
    前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記所定の通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの動作を前記基本モードに復帰させる、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサの動作方法。
  11. 請求項８に記載のＮＯｘセンサの動作方法であって、
    前記所定の閾値が、前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の印加を制御する際の、対応する前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルにおける前記電位差の目標値の変更を判断するための変更閾値であり、
    前記判断工程において前記判断対象値が前記変更閾値を超えた場合、前記保護実行モードを開始し、前記保護実行モードにおいては、前記目標値を通常値よりも大きな値に変更したうえで前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルの動作を継続し、前記測定ポンプセルには酸素を汲み入れさせるとともに、少なくとも前記判断対象ポンプセルを含む前記少なくとも１つの酸素濃度制御ポンプセルにおける前記ポンプ電圧の値または電流の値であるポンプセル動作値のモニタを開始し、
    前記ポンプセル動作値が復帰閾値を下回った時点で、前記目標値を前記通常値に復帰させて前記ＮＯｘセンサの制御を前記基本モードに復帰させ、
    前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値が前記変更閾値より値の大きい停止閾値を超えない限りは、前記ポンプセル動作値のモニタを継続し、
    前記ポンプセル動作値が前記復帰閾値を下回らず、かつ、前記判断対象値がさらに、前記停止閾値を超えた場合には、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差のモニタを開始し、
    モニタされる前記電位差が所定の再開閾値を下回った時点で、前記基本モードでの前記ＮＯｘセンサの動作を再開する、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサの動作方法。
  12. 請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のＮＯｘセンサの動作方法であって、
    前記判断対象値を、前記少なくとも１つの酸素濃度検知センサセルのうち前記判断対象ポンプセルに対応するセンサセルにおける前記電位差の実測値とする、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサの動作方法。
  13. 請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のＮＯｘセンサの動作方法であって、
    前記判断対象値を、前記判断対象ポンプセルにおいて酸素を汲み入れるときのポンプ電流の値とする、
    ことを特徴とするＮＯｘセンサの動作方法。
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