JP3613661B2 - 酸素濃度検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸素イオン伝導性固体電解質よりなる素子を挟むようにして一対の電極を配設し、その一対の電極から出力される検出信号に基づいて、燃焼ガス或いは同燃焼ガスの構成成分（例えば窒素酸化物等）に含まれる酸素の濃度を検出するようにした酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の酸素濃度検出装置としては、例えば、
［濃淡電池式］素子上に配設された一対の電極のうち、一方の電極を燃焼ガスに接触させるとともに、他方の電極をこの燃焼ガスから隔絶した状態にして酸素濃度が一定の基準ガスに接触させる。そして、燃焼ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差（酸素分圧差）に応じて発生する各電極間の電圧を検出し、その検出電圧に基づいて燃焼ガスの酸素濃度を検出する。
【０００３】
［限界電流式］素子上の各電極間に所定の電圧を印加した際に各電極間に流れる限界電流の大きさを検出し、その限界電流値に基づいて燃焼ガスの酸素濃度を検出する。或いは、燃焼ガスの構成成分中における酸素濃度を検出し、その酸素濃度に基づいて同構成成分の濃度を間接的に検出する。
といったものが従来より提案されている。
【０００４】
ところで、こうした酸素濃度検出装置にあっては、素子上の各電極に酸素や燃焼ガス中に含まれる未燃成分が吸着することにより、その検出特性が変化してしまうことがある。従って、こうした検出特性の変化を防止するためには、酸素や未燃成分といった電極に吸着する吸着物質を除去する必要がある。
【０００５】
その除去方法としては、
（イ）［未燃成分の除去］各電極間に所定の電圧を印加し、未燃成分が吸着している電極側に向けて他方の電極から酸素（酸素イオン）を供給することにより、未燃成分をその移動した酸素とともに燃焼させる。
【０００６】
（ロ）［酸素の除去］各電極間に所定の電圧を印加し、両電極間に発生する電界の静電力によって電極に吸着している酸素（酸素イオン）を強制的に脱離させ、他方の電極側へ移動させる。
といった方法が有効であり、こうした除去操作を定期的に実行することにより、酸素濃度検出装置における所期の検出特性を長期間に亘って維持することができるようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように吸着物質を電極から除去する際において、電極の周縁部分に吸着している吸着物質は同電極の中央部分に吸着している吸着物質と比較して除去し難いものとなっている。
【０００８】
これは以下の理由によるものと考えられる。即ち、電極の周縁部近傍では電束の漏れが発生し易く、電界強度が中央部近傍と比較して相対的に低下する傾向があるため、このように電界強度が低下している電極の周縁部近傍では酸素イオンの移動速度が低下するようになる。その結果、吸着物質が吸着している電極に対して単位時間当たりに供給される酸素イオンの量、或いは同電極から他方の電極へ単位時間当たりに移動する酸素イオンの量が減少するようになるため、上記（イ）、（ロ）のいずれの方法により吸着物質を除去するにせよ、電極の周縁部分に吸着している吸着物質は除去され難いものとなる。
【０００９】
従って、電極の周縁部分に吸着している吸着物質までも確実に除去しようとすると、その除去処理に要する時間が長くなってしまい、酸素濃度の検出を長期間停止させなければならなくなる。一方、各電極に印加する電圧を高く設定すれば上記除去処理時間の短縮化は可能になるが、このように印加電圧を高くすると、素子中に含まれる酸素イオン（又は原子）が欠落して同素子が黒化する現象、いわゆるブラックニングが発生するようになり、同素子の変質や強度低下が避けられないものとなる。
【００１０】
この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は素子の変質や強度低下を抑制しつつ酸素濃度検出用の電極に吸着した吸着物質を短時間で除去することにより所期の検出特性を長期間安定して維持することのできる酸素濃度検出装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明では、酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、各電極間に除去用電圧を印加し素子を介して各電極間で酸素イオンを移動させることにより各電極の少なくとも一方に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを備えた酸素濃度検出装置において、第１の電極の周縁部分に近接するように同第１の電極と隣接して第３の電極を素子上に配設するとともに、除去手段は第１の電極と第２の電極との間に除去用電圧を印加するときに第３の電極を第１の電極と同極にして第２の電極と第３の電極との間にも除去用電圧を印加するものであるとしている。
【００１２】
上記構成によれば、第２の電極と第３の電極との間には第１の電極と第２の電極との間の電界と同じ向きの電界が形成される。また、第３の電極が第１の電極の周縁部分に近接して配設されていることから、上記電界は第１の電極の周縁部分の近傍に形成されるようになる。そして、こうした電界が形成されることにより、第１の電極の周縁部分と第２の電極との間における電束の漏れが抑制され、両者の間には十分な強度の電界が形成されるようになる。従って、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を強制的に脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極力低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００１３】
また、請求項２に記載した発明のように、上記請求項１に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極及び第３の電極を陽極に第２の電極を陰極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に第２の電極から十分な量の酸素イオンを供給することができるため、同周縁部分に吸着した未燃成分をその供給される酸素イオンによって確実に燃焼させて除去することができるようになる。
【００１４】
或いは、請求項３に記載した発明のように、上記請求項１に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極及び第３の電極を陰極に第２の電極を陽極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分から十分な量の酸素イオンを脱離させて第２の電極へ移動させることができるため、同周縁部分に吸着した酸素を確実に除去することができるようになる。
【００１５】
加えて、請求項４に記載した発明のように、上記請求項１に記載した構成において、
・除去手段は、第１の電極及び第３の電極を陽極に第２の電極を陰極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、第１の電極及び第３の電極を陰極に第２の電極を陽極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができるとともに、同周縁部分に吸着した酸素を確実に脱離させて除去することができるようになる。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項５に記載した発明では、酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、各電極間に除去用電圧を印加し素子を介して各電極間で酸素イオンを移動させることにより各電極の少なくとも一方に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを備えた酸素濃度検出装置において、第１の電極の周縁部分に近接するように同第１の電極と隣接して第３の電極を素子上に配設するとともに、除去手段は第１の電極と第２の電極との間に除去用電圧を印加するときに第３の電極を第２の電極と同極にして第１の電極と第３の電極との間にも除去用電圧を印加するものであるとしている。
【００１７】
上記構成によれば、第１の電極と第３の電極との間に電界が形成されるため、第１の電極と第２の電極との間の電界により生じる両電極間の酸素イオンの移動に加え、第１の電極と第３の電極との間においても酸素イオンが移動するようになる。ここで、第３の電極が第１の電極の周縁部分に近接して配設されていることから、これら電極間の電界は第１の電極の周縁部分の近傍に形成されるようになるため、同周縁部分近傍の電界強度を増大させることができる。従って、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を強制的に脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極力低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００１８】
また、請求項６に記載した発明のように、上記請求項５に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極を陽極に第２の電極及び第３の電極を陰極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に第２の電極及び第３の電極から十分な量の酸素イオンを供給することができるため、同周縁部分に吸着した未燃成分をその供給される酸素イオンによって確実に燃焼させ除去することができるようになる。
【００１９】
或いは、請求項７に記載した発明のように、上記請求項５に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極を陰極に第２の電極及び第３の電極を陽極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分から十分な量の酸素イオンを脱離させて第２の電極及び第３の電極へ移動させることができるため、同周縁部分に吸着した酸素を確実に除去することができるようになる。
【００２０】
加えて、請求項８に記載した発明のように、上記請求項５に記載した構成において、
・除去手段は、第１の電極を陽極に第２の電極及び第３の電極を陰極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、第１の電極を陰極に第２の電極及び第３の電極を陽極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができるとともに、同周縁部分に吸着した酸素を確実に脱離させて除去することができるようになる。
【００２１】
また、請求項９に記載した発明のように、上記請求項１乃至８のいずれかに記載した構成において更に、
・第３の電極は第１の電極の周縁部分を略全周に亘り囲むようにして素子上に配設されるものである、
といった構成を採用すれば、吸着物質の除去を第１の電極全体に亘って確実に行うことができるようになる。
【００２２】
更に、上記目的を達成するために、請求項１０に記載した発明では、酸素イオン伝導性固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素の濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備えた酸素濃度検出装置において、第１の電極を櫛歯状に形成するとともに、第１の電極と噛み合うようにして素子上に配設された櫛歯状をなす第３の電極と、第１の電極と第３の電極との間に除去用電圧を印加し素子を介して各電極間で酸素イオンを移動させることにより第１の電極に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを更に備えるようにしている。
【００２３】
上記構成によれば、第１の電極と第３の電極との間に除去用電圧が印加されることによって両電極の間には電界が形成されるようになる。ここで、これら第１の電極及び第３の電極はいずれも櫛歯状に形成され、互いに噛み合うようにして素子上に配設されているため、これら両電極の噛み合う部分を極めて近接した状態にすることができる。従って、除去用電圧を極めて低く設定した場合であっても両電極の間には十分な強さの電界が形成されるようになる。その結果、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極めて低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００２４】
更に、請求項１１に記載した発明のように、請求項１０に記載した構成に加えて、
・除去手段は、第１の電極を陽極に第３の電極を陰極にそれぞれ設定して当該各電極間に除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、第１の電極を陰極に第３の電極を陽極にそれぞれ設定して当該各電極間に除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極及び第３の電極に吸着した未燃成分及び酸素のいずれをも確実に除去することができるようになる。
【００２５】
また、請求項１２に記載した発明のように、請求項１１に記載した発明において更に、
・第３の電極は第１の電極及び第２の電極からの検出信号に基づいて燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度が検出される際に第１の電極と電気的に接続されるものである、
といった構成を採用すれば、燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する際には第３の電極を第１の電極と同様、酸素濃度検出用の電極として利用することができるようになる。
【００２６】
また、請求項１３に記載した発明のように、請求項４、８、１１のいずれかに記載した構成において更に、
・除去手段は第１の電圧印加態様と第２の電圧印加態様とを交互に連続して切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、同じ向きの除去用電圧が素子に連続して印加される時間を極力短く設定して吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００２７】
また、請求項１４に記載した発明のように、請求項１乃至１３のいずれかに記載した構成において、
・第１の電極は燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物の還元触媒として機能する還元触媒材料により形成されるものであり、
・酸素濃度検出手段は第１の電極の還元作用に基づき窒素酸化物から分解される酸素が同第１の電極から素子を介して第２の電極に移動するときに各電極との間に流れる電流値に基づいて燃焼ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極と第２の電極間に流れる電流値に基づいて燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出する酸素濃度検出装置において上記請求項１乃至１３のいずれかに記載した発明の作用を奏することができるようになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
以下、本発明に係る酸素濃度検出装置を窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ 」という）の濃度を検出するＮＯｘ 濃度検出装置として具体化した第１の実施形態について説明する。
【００２９】
図１はＮＯｘ 濃度検出装置を構成するセンサ本体５００の先端側断面を示し、図２はセンサ本体５００が取り付けられるエンジン１０の排気管２０等を示している。また、図３は図１の３−３線に沿った断面を示し、図４は図１の４−４線に沿った断面を示している。
【００３０】
図２に示すように、センサ本体５００はその先端側部分が排気管２０を通過する排出ガスに接触するようにして同排気管２０に取り付けらている。このセンサ本体５００はエンジン１０の各種制御を実行する電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と略記する）３０により通電制御されるようになっている。
【００３１】
センサ本体５００は全体が矩形板状をなしており、ヒータ部５１０と同ヒータ部５１０上に積層された検出部５５０とを有して構成されている。
ヒータ部５１０は検出部５５０を所定温度にまで加熱するためのものである。このヒータ部５１０は第１の基板層５１１、この第１の基板層５１１に積層された第２の基板層５１２、これら両基板層５１１，５１２の間に介在された発熱体５１３、同発熱体５１３を両基板層５１１，５１２から隔絶するように被覆する絶縁層５１４によって構成されている。上記各基板層５１１，５１２はいずれもジルコニア（ＺｒＯ２ ）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質材料によって形成されており、発熱体５１３は白金（Ｐｔ）等の電導性材料によって形成されている。また、絶縁層５１４はアルミナ（Ａｌ２ Ｏ３ ）等の絶縁性セラミック材料により形成されている。
【００３２】
一方、検出部５５０は第１のスペーサ層５５１、第１の固体電解質層５５２、第２のスペーサ層５５３、第２の固体電解質層５５４が上記第２の基板層５１２に順に積層されることにより構成されている。これら各層５５１〜５５４はいずれも、ヒータ部５１０の各基板層５１１，５１２と同様の固体電解質材料によって形成されている。
【００３３】
図３に示すように、第２のスペーサ層５５３には第１の矩形孔５５３ａ及び第２の矩形孔５５３ｂが形成されている。また、この第２のスペーサ層５５３において第１の矩形孔５５３ａよりも先端側（同図の左側）の部分と、両矩形孔５５３ａ，５５３ｂに挟まれる部分とにはそれぞれ切欠き５５３ｃ，５５３ｄが形成されている。更に、図４に示すように、第１のスペーサ層５５１には矩形状の切欠き５５１ａが形成されている。
【００３４】
第２の基板層５１２と第１の固体電解質層５５２との間には基準ガス導入空間５６０が形成されている。この基準ガス導入空間５６０は第２の基板層５１２の上面、切欠き５５１ａの内壁面、第１の固体電解質層５５２の下面によって区画されており、その基端側部分（図１の右側部分）が開放されることにより、酸素分圧が一定の大気が基準ガスとしてその内部に導入されるようになっている。
【００３５】
第２のスペーサ層５５３を挟んで第１の固体電解質層５５２と第２の固体電解質層５５４との間には、第１室５６１、第２室５６２、第１の拡散律速孔５６３、及び第２の拡散律速孔５６４がそれぞれ形成されている。
【００３６】
第１の拡散律速孔５６３は第１室５６１と排出ガスが存在する外部とを連通することにより、排出ガスを所定の拡散抵抗のもとで第１室５６１内に導入させるためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、切欠き５５３ｃの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画形成されている。
【００３７】
第１室５６１は第１の拡散律速孔５６３を通じて導入される排出ガスの酸素分圧を所定圧に調節するためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、第１の矩形孔５５３ａの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画されている。
【００３８】
また、第２の拡散律速孔５６４は第１室５６１と第２室５６２とを連通することにより、第１室５６１内の排出ガスを所定の拡散抵抗のもとで第２室５６２に移動させるためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、切欠き５５３ｄの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画されている。
【００３９】
第２室５６２は第１室５６１から導入される排出ガスのＮＯｘ 濃度を検出するためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、第２の矩形孔５５３ｂの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画されている。
【００４０】
第２の固体電解質層５５４の下面において第１室５６１の内部に位置する部分にはＰｔ等の金属とＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料により略矩形状に形成された内側ポンプ電極５７０が設けられている。また、第２の固体電解質層５５４の上面において内側ポンプ電極５７０と対応する位置には同内側ポンプ電極５７０と同様の多孔質サーメット材料により略矩形状に形成された外側ポンプ電極５７１が設けられている。
【００４１】
これら内側ポンプ電極５７０及び外側ポンプ電極５７１と、第２の固体電解質層５５４において両電極５７０，５７１に挟まれた部分とにより、第１室５６１と外部との間で酸素を移動（ポンピング）させるための主ポンプセル５７２が構成されている。
【００４２】
この主ポンプセル５７２において、内側ポンプ電極５７０と外側ポンプ電極５７１との間に制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ１が印加されると、その制御電圧Ｖｐ１の大きさに応じた量の酸素が第２の固体電解質層５５４を介して第１室５６１から外部に、或いは外部から第１室５６１にポンピングされる。従って、この制御電圧Ｖｐ１を制御することにより、第１室５６１内における酸素分圧（酸素濃度）を所望の値に調節することができる。
【００４３】
また、第１の固体電解質層５５２の上面において第２室５６２の内部に位置する部分には検出電極５８０が設けられている。一方、第１の固体電解質層５５２の下面において同層５５２を挟んで検出電極５８０と対応する位置には基準ガス導入空間５６０内の大気と接触する基準電極５８１が設けられている。
【００４４】
検出電極５８０は基準電極５８１とともにポンピング電極として機能する他、ＮＯｘ 還元触媒としての機能を併せ有するものであり、ロジウム（Ｒｈ）に対して所定重量比のＰｔが添加された金属と、ＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料とによって略矩形状に形成されている。一方、基準電極５８１は前記各ポンプ電極５７０，５７１と同様、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料によって略矩形状に形成されている。
【００４５】
これら検出電極５８０及び基準電極５８１と、第１の固体電解質層５５２において両電極５８０，５８１に挟まれた部分とにより、第２室５６２と基準ガス導入空間５６０との間で酸素をポンピングするための測定用ポンプセル５８２が構成されている。
【００４６】
前述したように、第１室５６１において酸素分圧が所定圧に調節された排出ガスは第２の拡散律速孔５６４を通じて所定の拡散抵抗のもとで第２室５６２に導入され、検出電極５８０に接触する。そして、排出ガスに含まれるＮＯｘ が検出電極５８０の還元作用によって窒素（Ｎ２ ）と酸素（Ｏ２ ）とに分解されることにより、検出電極５８０の近傍における酸素濃度は同ＮＯｘ の濃度に応じた濃度になる。
【００４７】
更に、測定用ポンプセル５８２において、検出電極５８０と基準電極５８１との間に一定の検出用電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ２が印加されると、検出電極５８０近傍のＯ２ が酸素イオン（陰イオン）となって検出電極５８０から基準電極５８１にポンピングされる。その結果、検出電極５８０及び基準電極５８１間にはＮＯｘ の還元分解によって生成されたＯ２ の濃度に応じたポンプ電流（限界電流）Ｉｐ２が流れるようになる。従って、このポンプ電流Ｉｐ２の値に基づいてＮＯｘ 濃度を検出することができる。
【００４８】
因みに、この場合、検出電極５８０近傍の酸素イオンを基準電極５８１にポンピングするため、検出用電圧Ｖｐ２は検出電極５８０を陰極、基準電極５８１を陽極として両電極５８０，５８１間に印加される（図１参照）。
【００４９】
また、図３に示すように、第１の固体電解質層５５２の上面において第２室５６２の内部に位置する部分には検出電極５８０と隣接して補助電極５８３が設けられている。この補助電極５８３は後述するように検出電極５８０に吸着した炭化水素等の燃料の未燃成分を効果的に除去するためのものである。
【００５０】
補助電極５８３は検出電極５８０と同様の多孔質サーメット材料により帯状（線幅：例えば０．３〜０．７ｍｍ）に形成されており、検出電極５８０を略全周に亘り囲むようにして設けられている。更に、この補助電極５８３は検出電極５８０の周縁部から極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて配置されており、これら両者の間隔は第１の固体電解質層５５２の厚さ（例えば６００〜８００μｍ）よりも十分に狭く設定されている。
【００５１】
更に、内側ポンプ電極５７０及び基準電極５８１と、第２の固体電解質層５５４、第２のスペーサ層５５３、第１の固体電解質層５５２の各層５５２，５５３，５５４とにより、第１室５６１内の酸素分圧を検出するための酸素分圧検出セル５９０が構成されている。
【００５２】
この酸素分圧検出セル５９０において、第１室５６１の排出ガスが内側ポンプ電極５７０に接触するとともに、基準ガス導入空間５６０の大気が基準電極５８１に接触することにより、両電極５７０，５８１間には、これら排出ガスと大気との間の酸素分圧差に基づいた起電力Ｖ１が発生する。従って、この起電力Ｖ１の大きさに基づいて第１室５６１内の酸素分圧を検出することができる。
【００５３】
次に、上記ＮＯｘ 濃度検出装置によるＮＯｘ 濃度の検出手順について説明する。
まず、ＮＯｘ 濃度の検出を開始するのに先立ち、ＥＣＵ３０は駆動回路（図示略）を通じてヒータ部５１０の発熱体５１３を通電制御することにより、同発熱体５１３を発熱させ、その熱により検出部５５０を所定温度（例えば、４００〜９００℃）にまで加熱する。その結果、検出部５５０の各層５５１〜５５４は酸素イオンが移動可能な状態、即ち、活性化された状態になる。
【００５４】
次に、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて主ポンプセル５７２の内側ポンプ電極５７０及び外側ポンプ電極５７１間に制御電圧Ｖｐ１を印加するとともに、その制御電圧Ｖｐ１の大きさを酸素分圧検出セル５９０の起電力Ｖ１に基づいて制御する。
【００５５】
より詳細に説明すると、ＥＣＵ３０は第１室５６１内の酸素分圧が極めて低い所定値（例えば、１×１０＾−８ 〜１．７×１０＾−４ ａｔｍ）となるときの起電力Ｖ１の値と等しくなるように、制御電圧Ｖｐ１の大きさをフィードバック制御する。こうしたフィードバック制御が実行される結果、第１室５６１における排出ガスの酸素分圧は低下し、同第１室５６１から第２の拡散律速孔５６４を通じて第２室５６２に導入される排出ガスは分子単体としての酸素を殆ど含まない状態になる。
【００５６】
更に、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて測定用ポンプセル５８２の検出電極５８０及び基準電極５８１間に検出用電圧Ｖｐ２を印加するとともに、これら両電極間５８０，５８１に流れるポンプ電流Ｉｐ２を入力回路（図示略）を通じて読み込む。前述したように、このポンプ電流Ｉｐ２はＮＯｘ の還元分解によって生成されたＯ２ の濃度に応じて変化するものであるため、ＥＣＵ３０はこのポンプ電流Ｉｐ２の大きさに基づいてＮＯｘ 濃度を検出することができる。
【００５７】
ＥＣＵ３０は上記のようにしてＮＯｘ 濃度の検出処理を実行する他、所定の実行条件が満たされた場合に検出電極５８０に吸着している燃料の未燃成分を除去するための処理を実行する。
【００５８】
因みに、この除去処理の実行条件が満たされる場合としては、前回の除去処理が行われてからの機関始動回数が所定回数を超えたときや、前回の除去処理が行われてからの機関運転時間が所定時間を超えたとき等を挙げることができる。即ち、この除去処理は検出電極５８０に所定量以上の未燃成分が吸着し、この未燃成分の吸着による検出特性の変化が無視できないと判断される場合に実行される。
【００５９】
以下、こうした未燃成分の除去処理に関する処理手順について説明する。
まず、ＥＣＵ３０はこの除去処理の実行に先立ち、ＮＯｘ 濃度の検出を一時的に停止する。即ち、ＥＣＵ３０は主ポンプセル５７２に対する制御電圧Ｖｐ１の印加、測定用ポンプセル５８２に対する検出用電圧Ｖｐ２の印加、酸素分圧検出セル５９０における起電力Ｖ１の検出、及び測定用ポンプセル５８２におけるポンプ電流Ｉｐ２の検出をいずれも停止する。尚、この場合でも、ヒータ部５１０への通電制御は引き続き実行され、検出部５５０は活性化された状態に維持される。
【００６０】
次に、図５に示すように、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて測定用ポンプセル５８２の各電極５８０，５８１間に、検出用電圧Ｖｐ２とはその極性が反転された除去用電圧Ｖｒを印加する。即ちこの場合、除去用電圧Ｖｒは検出電極５８０を陽極、基準電極５８１を陰極にそれぞれ設定して両電極間５８０，５８１に印加される。尚、この除去用電圧Ｖｒは第１の固体電解質層５５２にブラックニングを発生させない程度の大きさ（例えば０．５〜１．０Ｖ）に設定されている。
【００６１】
更にＥＣＵ３０は、補助電極５８３を検出電極５８０と同様、陽極に設定し、この補助電極５８３と陰極に設定された基準電極５８１との間にも除去用電圧Ｖｒを印加する。
【００６２】
このように各電極５８０，５８１，５８３の間に除去用電圧Ｖｒが印加される結果、補助電極５８３と基準電極５８１との間には検出電極５８０と基準電極５８１との間の電界Ｅ１と同じ向きの電界Ｅ２が形成される。そして、これら各電極５８０，５８１，５８３間に形成される電界Ｅ１，Ｅ２により基準電極５８１から検出電極５８０及び補助電極５８３に向け酸素イオンが移動するようになる。
【００６３】
ここで、補助電極５８３は検出電極５８０の周縁部分に近接して配設されていることから、補助電極５８３と基準電極５８１との間に形成される電界Ｅ２は検出電極５８０の周縁部分の近傍に形成されるようになる。従って、この電界Ｅ２により検出電極５８０の周縁部分と基準電極５８１との間における電束の漏れが抑制されるようになる。このため、第１の固体電解質層５５２にブラックニングが発生しない程度に除去用電圧Ｖｒを低く設定していても、検出電極５８０の周縁部分と基準電極５８１との間に十分な強度の電界を形成することができるようになる。
【００６４】
その結果、検出電極５８０の中央部分のみならず、その周縁部分に対しても基準電極５８１側から十分な量の酸素イオンが供給されるようになるため、検出電極５８０に吸着している未燃成分をこの酸素イオンによって確実に燃焼させて除去することができる。
【００６５】
このように本実施形態によれば、
（１）除去用電圧Ｖｒを極力低く抑えてブラックニングに起因した第１の固体電解質層５５２の変質や強度低下を抑制しつつ、同層５５２に吸着した未燃成分を確実に除去することができ、ＮＯｘ 濃度検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる。
【００６６】
（２）また、上記補助電極５８３により検出電極５８０を略全周に亘り囲むようにしているため、未燃成分の除去を検出電極５８０全体に亘って確実に行うことができ、これら未燃成分が検出電極５８０に吸着することに起因した検出特性の変化をより確実に抑制することができるようになる。
【００６７】
［第２の実施形態］
次に、本発明に係る第２の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６８】
上記第１の実施形態では検出電極５８０に吸着した未燃成分を効果的に除去するために、補助電極５８３と検出電極５８０とを同極（陽極）に設定し、これら各電極５８０，５８３と基準電極５８１（陰極）との間に除去用電圧Ｖｒを印加するようにしたが、本実施形態ではこの除去用電圧Ｖｒの印加態様が上記第１の実施形態と相異している。
【００６９】
即ち、本実施形態では、図６に示すように、前述した未燃成分の除去処理を実行する際に、補助電極５８３を基準電極５８１と同様、陰極に設定し、これら各電極５８１，５８３と検出電極５８０（陽極）との間に除去用電圧Ｖｒを印加するようにしている。
【００７０】
従って、検出電極５８０と補助電極５８３との間に電界Ｅ３が形成され、検出電極５８０と基準電極５８１との間の電界Ｅ１によって生じる両電極５８０，５８１間の酸素イオンの移動に加えて検出電極５８０と補助電極５８３との間においても酸素イオンが移動するようになるため、検出電極５８０の周縁部分に十分な量の酸素イオンを供給することができるようになる。その結果、除去用電圧Ｖｒを極力低く抑えたつつ、検出電極５８０の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができ、本実施形態においても上記第１の実施形態に記載した（１）及び（２）と同等の作用効果を奏することができるようになる。
【００７１】
更に、こうした電界Ｅ３が形成される補助電極５８３と基準電極５８１との間の距離は第１の固体電解質層５５２の厚さ、換言すれば検出電極５８０と基準電極５８１との間の間隔よりも十分に狭く設定されていることから、この電界Ｅ３の強度を検出電極５８０と基準電極５８１との間における電界Ｅ１の強度よりも更に増大させることができるようになる。
【００７２】
従って、本実施形態によれば、
（３）この電界Ｅ３によって生じる酸素イオンの移動により検出電極５８０の周縁部分に吸着した未燃成分をより確実に除去することができ、また、その除去処理に要する時間の短縮化を図ることもできるようになる。
【００７３】
また、このように上記除去時間の短縮化を図るうえでは、発熱体５１３の発熱量を増大させて検出部５５０の温度を更に上昇させることにより、酸素イオンが移動する際の第１の固体電解質層５５２内における抵抗を減少させて酸素イオンの移動量を増大させるといった方法も有効である。しかしながら、この方法ではＮＯｘ 濃度検出装置における消費電力量の増大が避けられないものとなる。
【００７４】
この点、本実施形態によれば、
（４）こうしたＮＯｘ 濃度検出装置における消費電力量の増大を招くことなく上記除去処理に要する時間の短縮化を図ることができるようになる。
【００７５】
［第３の実施形態］
次に、本発明に係る第３の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００７６】
本実施形態では検出電極間に流れる限界電流の大きさに基づいて排出ガスの酸素濃度を検出し、その酸素濃度からエンジン１０に供給される混合気の空燃比を間接的に検出するようにした空燃比検出装置として本発明を具体化するようにしている。
【００７７】
この空燃比検出装置は上記ＮＯｘ 濃度検出装置におけるセンサ本体５００と同様、その先端側部分が排出ガスに接触するように排気管２０に取り付けられたセンサ本体６００と、同センサ本体６００を通電制御するＥＣＵ３０とによって構成されている。
【００７８】
図７は上記センサ本体６００の先端側部分を示す斜視図であり、図８は図７の８−８線に沿った断面図である。
センサ本体６００は全体が矩形板状をなしており、ヒータ部６１０と同ヒータ部６１０上に積層された検出部６５０とを有して構成されている。
【００７９】
ヒータ部６１０は第１の基板層６１１、この第１の基板層６１１に積層された第２の基板層６１２、これら両基板層６１１，６１２の間に介在された発熱体６１３、同発熱体６１３を被覆する絶縁層６１４によって構成されている。上記各基板層６１１，６１２はいずれも、ＺｒＯ２ 等の酸素イオン伝導性を有した固体電解質材料によって形成されており、発熱体６１３はＰｔ等の電導性材料によって形成されている。また、絶縁層６１４はＡｌ２ Ｏ３ 等の絶縁性セラミック材料により形成されている。
【００８０】
一方、検出部６５０は全体がコ字形状をなすスペーサ層６５１と固体電解質層６５２とが前記第２の基板層６１２上に順に積層されることにより構成されている。これら各層６５１，６５２はいずれも、ヒータ部６１０の各基板層６１１，６１２と同様の固体電解質材料によって形成されている。
【００８１】
スペーサ層６５１を挟んで第２の基板層６１２と固体電解質層６５２との間には大気導入空間６６０が設けられている。この大気導入空間６６０は第２の基板層６１２の上面、スペーサ層６５１の内壁面、固体電解質層６５２の下面によって区画されており、その基端側部分（図７の右側部分）が開放されることにより、その内部に大気が導入されるようになっている。
【００８２】
固体電解質層６５２の上面には排出ガスに接触する第１の検出電極６８０が設けられている。また、固体電解質層６５２の下面において同層６５２を挟んで第１の検出電極６８０と対応する位置には第２の検出電極６８１が設けられている。これら各電極６８０，６８１はいずれもＰｔ等の金属とＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料によって略矩形状に形成されている。
【００８３】
これら各検出電極６８０，６８１と、固体電解質層６５２において両検出電極６８０，６８１に挟まれた部分とにより、限界電流値測定用セル６８２が構成されている。
【００８４】
また、固体電解質層６５２の上面において第１の検出電極６８０の周囲には補助電極６８３が隣接して設けられている。この補助電極６８３は後述するように第１の検出電極６８０に吸着した炭化水素等の燃料の未燃成分や酸素といった吸着物質を効果的に除去するためのものである。
【００８５】
補助電極６８３は各検出電極６８０，６８１と同様の多孔質サーメット材料により帯状（線幅：例えば０．３〜０．７ｍｍ）に形成されており、図７に示すように、上記第１の検出電極６８０を略全周に亘り囲むようにして設けられている。更に、補助電極６８３は第１の検出電極６８０の周縁部から極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて配置されており、これら両者の間隔は固体電解質層６５２の厚さ（例えば６００〜８００μｍ）よりも十分に狭く設定されている。
【００８６】
更に、固体電解質層６５２上には、第１の検出電極６８０を覆うようにしてＡｌ２ Ｏ３ 等の多孔質材料からなる拡散律速層６９０と、補助電極６８３を覆うようにして同じくＡｌ２ Ｏ３ 等の多孔質材料からなる保護層６９１とがそれぞれ設けられている。拡散律速層６９０は第１の検出電極６８０に接触する排出ガスを拡散律速させる機能を有するものである。また、保護層６９１は補助電極６８３に未燃成分や酸素が吸着するのを抑制する機能を有するものであり、上記拡散律速層６９０よりも緻密な多孔質材料によって形成されている。
【００８７】
次に、上記空燃比検出装置による空燃比の検出手順について説明する。
まず、空燃比の検出を開始するのに先立ち、ＥＣＵ３０は駆動回路（図示略）を通じてヒータ部６１０の発熱体６１３を通電制御することにより検出部６５０の各層６５１，６５２を酸素イオンの移動可能な活性化された状態になるまで加熱する。
【００８８】
次に、ＥＣＵ３０は限界電流値測定用セル６８２の第１の検出電極６８０を陰極に設定するとともに、第２の検出電極６８１を陽極に設定して両検出電極６８０，６８１間に検出用電圧（例えば１．０Ｖ）を印加する。この検出用電圧が印加されることにより、両検出電極６８０，６８１間には第１の検出電極６８０に接触する排出ガスの酸素濃度に応じた限界電流が流れるようになる。ＥＣＵ３０はこの限界電流の大きさを入力回路（図示略）を通じて読み込む。
【００８９】
因みに、排出ガス中における酸素濃度はエンジン１０に供給される混合気の空燃比に応じて変化するものであり、例えば空燃比がリーンになるほど酸素濃度は増大し、逆に空燃比がリッチになるほど酸素濃度は減少するようになる。従って、ＥＣＵ３０はこの酸素濃度に応じて変化する限界電流に基づいて混合気の空燃比を検出することができる。
【００９０】
ＥＣＵ３０は上記のようにして空燃比の検出処理を実行する他、所定の実行条件が満たされた場合に第１の検出電極６８０に吸着している燃料の未燃成分や酸素を除去するための処理を実行する。この除去処理は第１の検出電極６８０に所定量以上の未燃成分や酸素が吸着することにより、第１の実施形態における除去処理の実行条件と同様、検出特性の変化が無視できないと判断される場合に実行される。
【００９１】
まず、ＥＣＵ３０はこの除去処理の実行に先立ち、空燃比の検出を一時的に停止する。即ち、ＥＣＵ３０は限界電流値測定用セル６８２における各検出電極６８０，６８１間の検出用電圧の印加、限界電流の検出をいずれも停止する。尚、この場合でも、ヒータ部６１０への通電制御は引き続き実行され、検出部６５０は活性化された状態に維持される。
【００９２】
次に、図９（拡散律速層６９０及び保護層６９１の図示は省略する）に示すように、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて限界電流値測定用セル６８２の各電極６８０，６８１間に、検出用電圧とはその極性が反転された除去用電圧Ｖｒを印加する。即ちこの場合、除去用電圧Ｖｒは第１の検出電極６８０を陽極、第２の検出電極６８１を陰極にそれぞれ設定して両電極間６８０，６８１に印加される。尚、この除去用電圧Ｖｒは第１の固体電解質層５５２にブラックニングを発生させない程度の大きさ（例えば０．５〜１．０Ｖ）に設定されている。
【００９３】
更にＥＣＵ３０は、補助電極６８３を第２の検出電極６８１と同様、陰極に設定し、この補助電極６８３と陽極に設定された第１の検出電極６８０との間にも除去用電圧Ｖｒを印加する。
【００９４】
従って、第１の検出電極６８０と補助電極６８３との間に電界が形成され、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間の電界によって生じる両電極６８０，６８１間の酸素イオンの移動に加え、第１の検出電極６８０と補助電極６８３との間においても酸素イオンが移動するようになるため、第１の検出電極６８０の周縁部分に十分な量のＯ２ を供給することができるようになる。その結果、除去用電圧Ｖｒを極力低く抑えつつ、第１の検出電極６８０の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができるため、本実施形態においても第１及び第２の実施形態にて記載した上記（１）〜（４）と同等の作用効果を奏することができる。
【００９５】
更に、ＥＣＵ３０はこうした未燃成分の除去処理を所定時間実行した後、引き続き第１の検出電極６８０に吸着した酸素を除去するための処理を実行する。
即ち、図１０（拡散律速層６９０及び保護層６９１の図示は省略する）に示すように、ＥＣＵ３０は除去用電圧Ｖｒの極性を反転し、第１の検出電極６８０を陰極に、第２の検出電極６８１及び補助電極６８３を陽極にそれぞれ設定して除去用電圧Ｖｒをこれら各電極６８０，６８１，６８３に印加する。またこの場合、ＥＣＵ３０は除去用電圧Ｖｒの大きさを検出用電圧よりも大きく、且つ、固体電解質層６５２にブラックニングが発生しない程度の大きさ（例えば１．２〜１．３Ｖ）に設定する。
【００９６】
そして、このように未燃成分の除去処理を行うときと極性が反転した除去用電圧Ｖｒが各電極６８０，６８１，６８３間に印加されることにより、第１の検出電極６８０から第２の検出電極６８１及び補助電極６８３側に向けて酸素イオンを移動させる電界が形成されるようになる。その結果、第１の検出電極６８０に吸着している酸素はこの電界により同電極６８０から脱離し、酸素イオンとして第２の検出電極６８１及び補助電極６８３側に移動するようになるため、同電極６８０から酸素を除去することができるようになる。
【００９７】
ここで、補助電極６８３は第１の検出電極６８０の周縁部分に近接して配設されていることから、これら各電極６８０，６８３間に形成される電界は第１の検出電極６８０の周縁部近傍においても十分な強度を有して形成されるようになる。
【００９８】
従って、本実施形態によれば、
（５）除去用電圧Ｖｒをブラックニングが発生しない程度に除去用電圧Ｖｒを低く設定していても、第１の検出電極６８０と補助電極６８３との間に形成される電界により第１の検出電極６８０の周縁部分から十分な量の酸素を脱離させて確実に除去することができるため、空燃比検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる
（６）更に、未燃成分の除去処理と酸素の除去処理とを連続して実行するようにしているため、これら除去処理の実行に伴って空燃比の検出処理が頻繁に停止されてしまうのを回避しつつ、未燃成分及び酸素の双方を第１の検出電極６８０から除去することができるようになる。
【００９９】
［第４の実施形態］
次に、本発明に係る第４の実施形態について上記第３の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第３の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１００】
上記第３の実施形態では未燃成分の除去処理を所定時間実行した後、除去用電圧Ｖｒの極性を反転して酸素の除去処理を実行するようにし、これら各除去処理が実行される時間については特に規定していないが、本実施形態ではこれら各除去処理が連続して実行される時間を極力短く設定するとともに、これら各除去処理を交互に繰り返して実行するようにしている。従って、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１及び補助電極６８３との間にはその極性が周期的に反転する除去用電圧Ｖｒが印加されるようになる。因みに、これら各除去処理のそれぞれの継続時間としては例えば０．０５〜０．５ｓｅｃ．（除去用電圧Ｖｒの反転周期にすれば１〜１０Ｈｚ）を選択することができる。
【０１０１】
一般に、固体電解質層６５２におけるブラックニングの発生は両検出電極６８０，６８１に印加される除去用電圧Ｖｒの大きさのみならず、その除去用電圧Ｖｒが連続して印加される時間によっても影響を受ける。例えば、除去用電圧Ｖｒを相対的に低く設定した場合でも、除去用電圧Ｖｒの連続印加時間が長くなればブラックニングは発生し易くなり、逆に除去用電圧Ｖｒを相対的に高く設定した場合でも、同連続印加時間が短ければブラックニングは発生し難くなる。
【０１０２】
この点、本実施形態にあっては、極性が周期的に反転する除去用電圧Ｖｒを両検出電極６８０，６８１間に印加するようにしているため、各除去処理が実行される総時間を変えることなく、両検出電極６８０，６８１間に同じ向きの電圧が連続して印加される時間を大幅に短縮することができる。
【０１０３】
（７）従って、本実施形態によれば、固体電解質層６５２におけるブラックニングの発生を確実に抑制することができ、同ブラックニングに起因した固体電解質層６５２の変質や強度低下を更に確実に抑制することができるようになる。
【０１０４】
［第５の実施形態］
次に、本発明に係る第５の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態では排出ガスと大気との酸素分圧差（酸素濃度差）に応じて各検出電極間に発生する起電力を検出し、その起電力に基づいて混合気の空燃比を間接的に検出するようにした空燃比検出装置として本発明を具体化するようにしている。
【０１０６】
この空燃比検出装置は上記ＮＯｘ 濃度検出装置におけるセンサ本体５００と同様、その先端側部分が排出ガスに接触するように排気管２０に取り付けられたセンサ本体７００と、同センサ本体７００を通電制御するＥＣＵ３０とによって構成されている。
【０１０７】
図１１はセンサ本体７００の先端側部分を示す斜視図であり、図１２は同先端側部分の縦断面図である。
センサ本体７００は略有底円筒状に形成された固体電解質体７５２を含む検出部７５０と、同検出部７５０の内部に挿入され、発熱体７１３を内蔵するたヒータ部７１０とを有して構成されている。固体電解質体７５２はＺｒＯ２ 等の酸素イオン伝導性を有した固体電解質材料によって形成されている。また、ヒータ部７１０はＡｌ２ Ｏ３ 等の絶縁性セラミック材料により形成されており、発熱体７１３はＰｔ等の電導性材料によって形成されている。
【０１０８】
固体電解質体７５２の外周面にはその一部を覆うようにして検出電極７８０が設けらている。図１３は検出電極７８０を平面上に展開して示す展開図である。検出電極７８０は略矩形状の展開形状を有しており、固体電解質体７５２の外周面に巻き付けられるようにして同外周面上に設けられている。排気管２０内を通過する排出ガスはこの検出電極７８０に接触する。
【０１０９】
また、図１２に示すように、固体電解質体７５２の内周面において同固体電解質体７５２を挟んで上記検出電極７８０と対応する部分には基準電極７８１が設けられている。固体電解質体７５２はその基端側部分（図１２の上側部分）が開放されることにより、内部に酸素分圧が一定の大気が基準ガスとして導入されている。基準電極７８１はこのように固体電解質体７５２の内部に導入される大気に接触する。
【０１１０】
これら各検出電極７８０及び基準電極７８１と、固体電解質体７５２において検出電極７８０と基準電極７８１とに挟まれた部分とにより、起電力測定用セル７８２が構成されている。
【０１１１】
また、図１１及び図１３に示すように、固体電解質体７５２の外周面上において検出電極７８０の周囲には補助電極７８３が隣接して設けられている。この補助電極７８３は後述するように検出電極７８０に吸着した炭化水素等の燃料の未燃成分や酸素といった吸着物質を効果的に除去するためのものである。
【０１１２】
補助電極７８３は各電極７８０，７８１と同様の多孔質サーメット材料により帯状（線幅：例えば０．５〜１ｍｍ）に形成されており、検出電極７８０を略全周に亘り囲むようにして設けられている。更に、補助電極７８３は検出電極７８０の周縁部から極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて配置されており、これら両者の間隔は固体電解質体７５２の厚さ（例えば６００〜８００μｍ）よりも十分に狭く設定されている。
【０１１３】
次に、上記空燃比検出装置による空燃比の検出手順について説明する。
まず、空燃比の検出を開始するのに先立ち、ＥＣＵ３０は駆動回路（図示略）を通じてヒータ部７１０の発熱体７１３を通電制御することにより、同発熱体を発熱させ、その熱により固体電解質体７５２を所定温度（例えば４００〜９００℃）にまで加熱する。その結果、固体電解質体７５２は酸素イオンが移動可能な活性化された状態になる。
【０１１４】
次に、ＥＣＵ３０は起電力測定用セル７８２の両電極７８０，７８１間に発生する起電力を入力回路を通じて読み込む。前述したように、検出電極７８０と基準電極７８１との間には排出ガスと大気との酸素分圧差に応じた起電力が発生するようになる。また、この起電力の大きさは大気の酸素分圧が一定であることから、排出ガスの酸素分圧に応じて変化するようになる。更に、この酸素濃度は空燃比の大きさに応じて変化するため、この起電力の大きさに基づいて空燃比を検出することができる。
【０１１５】
因みに、ＥＣＵ３０はこの起電力が所定値（例えば０．４５Ｖ）以上である場合には空燃比を理論空燃比よりもリッチとして検出し、同起電力が所定値未満である場合には空燃比を理論空燃比よりもリーンとして検出する。
【０１１６】
ＥＣＵ３０は上記のようにして空燃比の検出処理を実行する他、所定の実行条件が満たされた場合に検出電極７８０に吸着している燃料未燃成分や酸素を除去するための処理を実行する。この除去処理は第１の実施形態における除去処理と同様、未燃成分や酸素が検出電極７８０に吸着することに起因した検出特性の変化が無視できないと判断される場合に実行される。
【０１１７】
まず、ＥＣＵ３０はこの除去処理の実行に先立ち、空燃比の検出を一時的に停止する。即ち、ＥＣＵ３０は起電力測定用セル７８２の各電極７８０，７８１間における起電力の読み込みを停止する。尚、この場合でも、ヒータ部７１０への通電制御は引き続き実行され、固体電解質体７５２は活性化された状態に維持される。
【０１１８】
次に、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて起電力測定用セル７８２の各電極７８０，７８１間にブラックニングを発生させない程度（例えば０．５〜１．０Ｖ）の除去用電圧Ｖｒを印加する。この際、ＥＣＵ３０は、第４の実施形態と同様、除去用電圧Ｖｒを交番的に両電極７８０，７８１間に印加する。
【０１１９】
即ち、ＥＣＵ３０は、
・検出電極７８０及び補助電極７８３を陽極、基準電極７８１を陰極にそれぞれ設定して両電極間７８０，７８１に除去用電圧Ｖｒを印加する。
【０１２０】
・検出電極７８０及び補助電極７８３を陰極、基準電極７８１を陽極にそれぞれ設定して両電極間７８０，７８１に除去用電圧Ｖｒを印加する。
といった２つの除去用電圧Ｖｒの印加態様を所定周期で交互に切り替える。
【０１２１】
従って、第１の実施形態と同様、検出電極７８０の周縁部分と基準電極７８１との間には十分な強度の電界が形成されるようになり、同周縁部分に十分な量の酸素イオンを基準電極７８１から供給して未燃成分を燃焼させることができるとともに、同周縁部分に吸着している酸素を確実に脱離させることができるようになる。その結果、本実施形態によれば、第１の実施形態において記載した（１），（２）と同等の作用効果を奏することができるのに加え、
（８）検出電極７８０の周縁部分に吸着した未燃成分及び酸素の双方を除去することができ、これら吸着物質が検出電極７８０に吸着することに起因した空燃比の検出特性変化を確実に抑制することができるようになる。
【０１２２】
更に、除去用電圧Ｖｒを交番的に印加するようにしているため、第４の実施形態において記載した（７）と同等の作用効果を奏することもできる。
［第６の実施形態］
次に、本発明に係る第６の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１２３】
図１４は本実施形態におけるＮＯｘ 濃度検出装置のセンサ本体５００の先端側部分を示す斜視図であり、図１５は図１４の１５−１５線に沿った断面図である。これら各図に示すように、本実施形態では検出電極５８０を櫛歯状に形成するとともに、補助電極５８３も同様に櫛歯状に形成し、これら検出電極５８０と基準電極５８１とを噛み合わせるようにして第２の固体電解質層５５４上に配設している。これら各電極５８０，５８１において噛み合わされる各部分は互いに極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて隣接しており、両者の間隔は第２の固体電解質層５５４の厚さよりも十分に狭く設定されている。
【０１２４】
そして、図１５に示すように、ＮＯｘ 濃度を検出する場合、ＥＣＵ３０は検出電極５８０及び補助電極５８３を電気的に接続し、これら電極５８０，５８３と基準電極５８１との間に検出用電圧Ｖｐ２を印加する。従って、補助電極５８３は実質的に検出電極５８０と同様、ＮＯｘ 還元触媒の機能を有したポンピング電極として機能するようになる。そして、前述したように、ＥＣＵ３０はこれら各電極５８０，５８３と基準電極５８１との間に流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ 濃度を検出する。
【０１２５】
一方、検出電極５８０に吸着している未燃成分や酸素を除去する場合、ＥＣＵ３０は検出電極５８０と補助電極５８３との電気的な接続を解除するとともに、駆動回路を通じてこれら検出電極５８０と補助電極５８３との間に除去用電圧Ｖｒを印加する。
【０１２６】
ここで、ＥＣＵ３０は除去用電圧Ｖｒの印加態様を図１６（ａ）に示すように、検出電極５８０を陽極に、補助電極５８３を陰極に設定した態様と、同図（ｂ）に示すように、検出電極５８０を陰極に、補助電極５８３を陽極に設定した態様との間で交互に切り替え、同除去用電圧Ｖｒの極性を例えば１〜１０Ｈｚといった周期で反転させる。
【０１２７】
こうした印加態様にて除去用電圧Ｖｒが印加されることにより、検出電極５８０と補助電極５８３との間の第２の固体電解質層５５４には、同図（ａ），（ｂ）に矢印で示すように、その向きが周期的に変化する電界が形成される。その結果、検出電極５８０及び補助電極５８３に吸着している未燃成分や酸素をこの電界によって生じる酸素イオンの移動に基づいて除去することができる。
【０１２８】
ここで、本実施形態では、これら検出電極５８０及び補助電極５８３をいずれも櫛歯状に形成し、互いに噛み合うようにして第２の固体電解質層５５４上に配設している。従って、これら両電極５８０，５８３の噛み合う部分を極めて近接した状態に配置することができ、両電極５８０，５８３の間に十分な強さの電界を形成することができるようになる。
【０１２９】
従って、本実施形態によれば、
（９）除去用電圧Ｖｒを極めて低く抑えつつ、検出電極５８０及び補助電極５８３の双方に吸着している未燃成分及び酸素を確実に除去することができ、また、その除去処理に要する時間の短縮化を図ることもできるようになる。
【０１３０】
更に、除去用電圧Ｖｒを交番的に印加するようにしているため、第４の実施形態において記載した（７）と同等の作用効果を奏することもできる。
以上、本発明を具体化した各実施形態について説明したが、これら各実施形態は以下のように構成を変更して実施することもできる。
【０１３１】
・第３の実施形態において、補助電極６８３を被覆するように設けられた保護層６９１は第１の検出電極６８０を被覆するように設けられた拡散律速層６９０よりも緻密な多孔質材料によって形成されているため、補助電極６８３は第１の検出電極６８０よりも吸着物質が吸着し難くいものとなっている。このため、この補助電極６８３を第１の検出電極６８０における吸着物質の吸着量を推定するために利用することができる。
【０１３２】
即ち、第１の検出電極６８０及び補助電極６８３を陰極に設定するとともに、第２の検出電極６８１を陽極に設定してこれら電極６８０，６８１，６８３間に検出用電圧を印加する。この際、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流に加え、補助電極６８３と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流をも同時に検出する。
【０１３３】
ここで、補助電極６８３は第１の検出電極６８０よりも吸着物質が吸着し難くいため、補助電極６８３と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流は、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流と比較して吸着物質による影響を受け難いものとなる。
【０１３４】
従って、吸着物質が吸着していないときに、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流の大きさを補助電極６８３と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流の大きさと関連付けて予め記憶しておけば、この記憶されている関係と検出される各限界電流の大きさに基づいて第１の検出電極６８０における吸着物質の吸着量を推定することができるようになる。
【０１３５】
・第１の実施形態では検出電極５８０及び補助電極５８３を陽極に、基準電極５８１を陰極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した未燃成分を燃焼させて除去するようにしたが、検出電極５８０及び補助電極５８３を陰極に、基準電極５８１を陽極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した酸素を脱離させて除去するようにしてもよい。
【０１３６】
・第２の実施形態では基準電極５８１及び補助電極５８３を陰極に、検出電極５８０を陽極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した未燃成分を燃焼させて除去するようにしたが、基準電極５８１及び補助電極５８３を陽極に、検出電極５８０を陰極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した酸素を脱離させて除去するようにしてもよい。
【０１３７】
・第３の実施形態では補助電極６８３及び第２の検出電極６８１を陰極に第１の検出電極６８０を陽極に設定して除去用電圧を印加した後、その極性を反転して除去用電圧を印加するようにしたが、最初に補助電極６８３及び第２の検出電極６８１を陽極に第１の検出電極６８０を陰極に設定して除去用電圧を印加した後、その極性を反転して除去用電圧を印加するようにしてもよい。
【０１３８】
・第４の実施形態において、第１の検出電極６８０及び補助電極６８３を陰極に第２の検出電極６８１を陽極に設定して除去用電圧を印加する印加態様と、第１の検出電極６８０及び補助電極６８３を陽極に第２の検出電極６８１を陰極に設定して除去用電圧を印加する印加態様とを周期的に切り替えるようにしてもよい。
【０１３９】
・第５の実施形態において、検出電極７８０及び基準電極７８１を陽極に補助電極７８３を陰極に設定して除去用電圧を印加する印加態様と、その極性を反転して検出電極７８０及び基準電極７８１を陰極に補助電極７８３を陽極に設定して除去用電圧を印加する印加態様とを周期的に切り替えるようにしてもよい。
【０１４０】
・第６の実施形態では除去用電圧を上記各電極５８０，５８３間に印加する際にその極性を周期的に反転させるようにしたが、こうした極性の反転を行わないようにしてもよい。
【０１４１】
・第６の実施形態では検出電極５８０と補助電極５８３との間にのみ除去用電圧を印加するようにしたが、これに加え、基準電極５８１を補助電極５８３と同極に設定し同基準電極５８１と検出電極５８０との間にも除去用電圧を印加するようにしてもよい。
【０１４２】
・上記第１〜５の実施形態では、補助電極５８３，６８３，７８３と他の電極（５８０，５８１，６８０，６８１，７８０，７８１）との間に印加される除去用電圧の大きさと、各検出電極５８０，７８０（或いは第１の検出電極６８０）及び基準電極５８１，７８１（或いは第２の検出電極６８１）間に印加される除去用電圧の大きさとを等しく設定するようにしたが、これら除去用電圧の大きさを異なるように設定することもできる。
【０１４３】
・第１、２、５の実施形態において補助電極５８３，７８３を基準電極５８１，７８３の周囲に、第３及び第４の実施形態において補助電極６８３を第２の検出電極６８１の周囲に設けるようにしてもよい。
【０１４４】
・第６の実施形態では検出電極５８０及び補助電極５８３を櫛歯状に形成してこれら各電極５８０，５８３を噛み合わせるようにしたが、同補助電極５８３と基準電極５８１とを櫛歯状に形成してこれら各電極５８１，５８３を噛み合わせる構成を採用することもできる。
【０１４５】
・第１、２、６の実施形態ではＮＯｘ 濃度検出装置、第３及び第４の実施形態では限界電流式の空燃比検出装置、また、第５の実施形態では濃淡電池式の空燃比検出装置についてそれぞれ説明したが、これら各実施形態や上記各変更例において示した構成はこうしたＮＯｘ 濃度検出装置、限界電流式の空燃比検出装置、濃淡電池式の空燃比検出装置のいずれにも適用することができる。
【０１４６】
以上の各実施形態から把握できる技術的思想についてその効果とともに記載する。
・請求項１乃至１４のいずれかに記載した酸素濃度検出装置において、前記第３の電極と前記第１の電極との間の間隔を前記第１の電極と前記第２の電極との間の間隔よりも狭く設定したことを特徴とする酸素濃度検出装置。
【０１４７】
上記構成によれば、第１の電極の周縁近傍に形成される電界の強度を更に増大させることができ、第１の電極の吸着物質をより確実に除去することができるようになる。
【０１４８】
【発明の効果】
請求項１乃至１４に記載した発明によれば、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極力低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。その結果、素子の変質や強度低下を抑制しつつ第１の電極に吸着した吸着物質を短時間で除去することができ、酸素濃度検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる。
【０１４９】
特に請求項２又は６に記載した発明によれば、第１の電極の周縁部分に十分な量の酸素イオンを供給することができるため、同周縁部分に吸着した未燃成分をその供給される酸素イオンによって確実に燃焼させて除去することができるようになる。
【０１５０】
また、請求項３又は７に記載した発明によれば、第１の電極の周縁部分から十分な量の酸素イオンを脱離させて第２の電極へ移動させることができるため、同周縁部分に吸着した酸素を確実に脱離させ除去することができるようになる。
【０１５１】
更に、請求項４又は８に記載した発明によれば、第１の電極の周縁部分に吸着した未燃成分及び酸素の双方を除去することができ、これら吸着物質が第１の電極に吸着することに起因した検出特性の変化を確実に抑制することができるようになる。
【０１５２】
加えて、請求項９に記載した発明によれば、吸着物質の除去を第１の電極全体に亘って確実に行うことができ、これら吸着物質が第１の電極に吸着することに起因した検出特性の変化をより確実に抑制することができるようになる。
【０１５３】
更に、請求項１０乃至１２に記載した発明によれば、第１の電極及び第３の電極の噛み合う部分を極めて近接した状態にすることができるため、除去用電圧を極めて低く設定した場合であっても両電極の間には十分な強さの電界が形成されるようになる。従って、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極めて低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。その結果、素子の変質や強度低下を抑制しつつ第１の電極に吸着した吸着物質を短時間で除去することができ、酸素濃度検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる。
【０１５４】
特に、請求項１１に記載した発明によれば、第１の電極及び第３の電極に吸着した未燃成分及び酸素の双方を確実に除去することができ、酸素濃度検出装置の検出特性を長期間より安定して維持することができるようになる。
【０１５５】
加えて、請求項１２に記載した発明によれば、燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する際には第３の電極を第１の電極と同様、酸素濃度検出用の電極として利用することができるようになるため、第３の電極を素子上に配設することによる同素子の大型化、ひいては検出装置全体の大型化を抑制することができるようになる。
【０１５６】
更に、請求項１３に記載した発明によれば、同じ向きの除去用電圧が素子に連続して印加される時間を極力短く設定して吸着物質の除去を行うことができるため、素子の変質や強度低下を更に確実に抑制することができるようになる。
【０１５７】
また、請求項１４に記載した発明によれば、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出する酸素濃度検出装置において上記作用効果を奏することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態におけるＮＯｘ 濃度検出装置のセンサ本体を示す断面図。
【図２】同センサ本体の取付状態を示す概略構成図。
【図３】図１の３−３線に沿った断面図。
【図４】図１の４−４線に沿った断面図。
【図５】除去用電圧の印加態様を示す断面図。
【図６】第２の実施形態における除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【図７】第３の実施形態における空燃比検出装置のセンサ本体を示す斜視図。
【図８】図７の８−８線に沿った断面図。
【図９】第３の実施形態における除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【図１０】同じく除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【図１１】第５の実施形態における空燃比検出装置のセンサ本体を示す斜視図。
【図１２】同センサ本体の縦断面構造を示す断面図。
【図１３】検出電極及び補助電極を平面上に展開して示す展開図。
【図１４】第６の実施形態における空燃比検出装置のセンサ本体を示す斜視図。
【図１５】検出電圧の印加態様を示す回路図。
【図１６】除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【符号の説明】
１０…エンジン、２０…排気管、３０…ＥＣＵ、５００，６００，７００…センサ本体、５１０，６１０，７１０…ヒータ部、５１１…第１の基板層、５１２…第２の基板層、５１３，６１３…発熱体、５１４…絶縁層、５５０，６５０，７５０…検出部、５５１…第１のスペーサ層、５５１ａ…切欠部、５５２…第１の固体電解質層、５５３…第２のスペーサ層、５５３ａ…第１の矩形孔、５５３ｂ…第２の矩形孔、５５３ｃ…第１の連通部、５５３ｄ…第２の連通部、５５４…第２の固体電解質層、５６０…基準ガス導入空間、５６１…第１室、５６２…第２室、５６３…第１の拡散律速孔、５６４…第２の拡散律速孔、５７０…内側ポンプ電極、５７１…外側ポンプ電極、５７２…主ポンプセル、５８０，７８０…検出電極、５８１，７８１…基準電極、５８２…測定用ポンプセル、５８３，６８３，７８３…補助電極、５９０…酸素分圧検出セル、６１１…第１の基板層、６１２…第２の基板層、６１４…絶縁層、６５１…スペーサ層、６５２…固体電解質層、６６０…大気導入空間、６８０…第１の検出電極、６８１…第２の検出電極、６８２…限界電流値測定用セル、６８４…第２の補助電極、６９０…拡散律速層、６９１…保護層、７８２…起電力測定用セル。
【発明の属する技術分野】
この発明は、酸素イオン伝導性固体電解質よりなる素子を挟むようにして一対の電極を配設し、その一対の電極から出力される検出信号に基づいて、燃焼ガス或いは同燃焼ガスの構成成分（例えば窒素酸化物等）に含まれる酸素の濃度を検出するようにした酸素濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の酸素濃度検出装置としては、例えば、
［濃淡電池式］素子上に配設された一対の電極のうち、一方の電極を燃焼ガスに接触させるとともに、他方の電極をこの燃焼ガスから隔絶した状態にして酸素濃度が一定の基準ガスに接触させる。そして、燃焼ガスと基準ガスとの間の酸素濃度差（酸素分圧差）に応じて発生する各電極間の電圧を検出し、その検出電圧に基づいて燃焼ガスの酸素濃度を検出する。
【０００３】
［限界電流式］素子上の各電極間に所定の電圧を印加した際に各電極間に流れる限界電流の大きさを検出し、その限界電流値に基づいて燃焼ガスの酸素濃度を検出する。或いは、燃焼ガスの構成成分中における酸素濃度を検出し、その酸素濃度に基づいて同構成成分の濃度を間接的に検出する。
といったものが従来より提案されている。
【０００４】
ところで、こうした酸素濃度検出装置にあっては、素子上の各電極に酸素や燃焼ガス中に含まれる未燃成分が吸着することにより、その検出特性が変化してしまうことがある。従って、こうした検出特性の変化を防止するためには、酸素や未燃成分といった電極に吸着する吸着物質を除去する必要がある。
【０００５】
その除去方法としては、
（イ）［未燃成分の除去］各電極間に所定の電圧を印加し、未燃成分が吸着している電極側に向けて他方の電極から酸素（酸素イオン）を供給することにより、未燃成分をその移動した酸素とともに燃焼させる。
【０００６】
（ロ）［酸素の除去］各電極間に所定の電圧を印加し、両電極間に発生する電界の静電力によって電極に吸着している酸素（酸素イオン）を強制的に脱離させ、他方の電極側へ移動させる。
といった方法が有効であり、こうした除去操作を定期的に実行することにより、酸素濃度検出装置における所期の検出特性を長期間に亘って維持することができるようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のように吸着物質を電極から除去する際において、電極の周縁部分に吸着している吸着物質は同電極の中央部分に吸着している吸着物質と比較して除去し難いものとなっている。
【０００８】
これは以下の理由によるものと考えられる。即ち、電極の周縁部近傍では電束の漏れが発生し易く、電界強度が中央部近傍と比較して相対的に低下する傾向があるため、このように電界強度が低下している電極の周縁部近傍では酸素イオンの移動速度が低下するようになる。その結果、吸着物質が吸着している電極に対して単位時間当たりに供給される酸素イオンの量、或いは同電極から他方の電極へ単位時間当たりに移動する酸素イオンの量が減少するようになるため、上記（イ）、（ロ）のいずれの方法により吸着物質を除去するにせよ、電極の周縁部分に吸着している吸着物質は除去され難いものとなる。
【０００９】
従って、電極の周縁部分に吸着している吸着物質までも確実に除去しようとすると、その除去処理に要する時間が長くなってしまい、酸素濃度の検出を長期間停止させなければならなくなる。一方、各電極に印加する電圧を高く設定すれば上記除去処理時間の短縮化は可能になるが、このように印加電圧を高くすると、素子中に含まれる酸素イオン（又は原子）が欠落して同素子が黒化する現象、いわゆるブラックニングが発生するようになり、同素子の変質や強度低下が避けられないものとなる。
【００１０】
この発明は、こうした従来の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は素子の変質や強度低下を抑制しつつ酸素濃度検出用の電極に吸着した吸着物質を短時間で除去することにより所期の検出特性を長期間安定して維持することのできる酸素濃度検出装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明では、酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、各電極間に除去用電圧を印加し素子を介して各電極間で酸素イオンを移動させることにより各電極の少なくとも一方に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを備えた酸素濃度検出装置において、第１の電極の周縁部分に近接するように同第１の電極と隣接して第３の電極を素子上に配設するとともに、除去手段は第１の電極と第２の電極との間に除去用電圧を印加するときに第３の電極を第１の電極と同極にして第２の電極と第３の電極との間にも除去用電圧を印加するものであるとしている。
【００１２】
上記構成によれば、第２の電極と第３の電極との間には第１の電極と第２の電極との間の電界と同じ向きの電界が形成される。また、第３の電極が第１の電極の周縁部分に近接して配設されていることから、上記電界は第１の電極の周縁部分の近傍に形成されるようになる。そして、こうした電界が形成されることにより、第１の電極の周縁部分と第２の電極との間における電束の漏れが抑制され、両者の間には十分な強度の電界が形成されるようになる。従って、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を強制的に脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極力低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００１３】
また、請求項２に記載した発明のように、上記請求項１に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極及び第３の電極を陽極に第２の電極を陰極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に第２の電極から十分な量の酸素イオンを供給することができるため、同周縁部分に吸着した未燃成分をその供給される酸素イオンによって確実に燃焼させて除去することができるようになる。
【００１４】
或いは、請求項３に記載した発明のように、上記請求項１に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極及び第３の電極を陰極に第２の電極を陽極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分から十分な量の酸素イオンを脱離させて第２の電極へ移動させることができるため、同周縁部分に吸着した酸素を確実に除去することができるようになる。
【００１５】
加えて、請求項４に記載した発明のように、上記請求項１に記載した構成において、
・除去手段は、第１の電極及び第３の電極を陽極に第２の電極を陰極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、第１の電極及び第３の電極を陰極に第２の電極を陽極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができるとともに、同周縁部分に吸着した酸素を確実に脱離させて除去することができるようになる。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項５に記載した発明では、酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、各電極間に除去用電圧を印加し素子を介して各電極間で酸素イオンを移動させることにより各電極の少なくとも一方に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを備えた酸素濃度検出装置において、第１の電極の周縁部分に近接するように同第１の電極と隣接して第３の電極を素子上に配設するとともに、除去手段は第１の電極と第２の電極との間に除去用電圧を印加するときに第３の電極を第２の電極と同極にして第１の電極と第３の電極との間にも除去用電圧を印加するものであるとしている。
【００１７】
上記構成によれば、第１の電極と第３の電極との間に電界が形成されるため、第１の電極と第２の電極との間の電界により生じる両電極間の酸素イオンの移動に加え、第１の電極と第３の電極との間においても酸素イオンが移動するようになる。ここで、第３の電極が第１の電極の周縁部分に近接して配設されていることから、これら電極間の電界は第１の電極の周縁部分の近傍に形成されるようになるため、同周縁部分近傍の電界強度を増大させることができる。従って、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を強制的に脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極力低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００１８】
また、請求項６に記載した発明のように、上記請求項５に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極を陽極に第２の電極及び第３の電極を陰極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に第２の電極及び第３の電極から十分な量の酸素イオンを供給することができるため、同周縁部分に吸着した未燃成分をその供給される酸素イオンによって確実に燃焼させ除去することができるようになる。
【００１９】
或いは、請求項７に記載した発明のように、上記請求項５に記載した構成において特に、
・除去手段は除去用電圧を印加する際に第１の電極を陰極に第２の電極及び第３の電極を陽極にそれぞれ設定するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分から十分な量の酸素イオンを脱離させて第２の電極及び第３の電極へ移動させることができるため、同周縁部分に吸着した酸素を確実に除去することができるようになる。
【００２０】
加えて、請求項８に記載した発明のように、上記請求項５に記載した構成において、
・除去手段は、第１の電極を陽極に第２の電極及び第３の電極を陰極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、第１の電極を陰極に第２の電極及び第３の電極を陽極にそれぞれ設定して除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができるとともに、同周縁部分に吸着した酸素を確実に脱離させて除去することができるようになる。
【００２１】
また、請求項９に記載した発明のように、上記請求項１乃至８のいずれかに記載した構成において更に、
・第３の電極は第１の電極の周縁部分を略全周に亘り囲むようにして素子上に配設されるものである、
といった構成を採用すれば、吸着物質の除去を第１の電極全体に亘って確実に行うことができるようになる。
【００２２】
更に、上記目的を達成するために、請求項１０に記載した発明では、酸素イオン伝導性固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素の濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備えた酸素濃度検出装置において、第１の電極を櫛歯状に形成するとともに、第１の電極と噛み合うようにして素子上に配設された櫛歯状をなす第３の電極と、第１の電極と第３の電極との間に除去用電圧を印加し素子を介して各電極間で酸素イオンを移動させることにより第１の電極に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを更に備えるようにしている。
【００２３】
上記構成によれば、第１の電極と第３の電極との間に除去用電圧が印加されることによって両電極の間には電界が形成されるようになる。ここで、これら第１の電極及び第３の電極はいずれも櫛歯状に形成され、互いに噛み合うようにして素子上に配設されているため、これら両電極の噛み合う部分を極めて近接した状態にすることができる。従って、除去用電圧を極めて低く設定した場合であっても両電極の間には十分な強さの電界が形成されるようになる。その結果、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極めて低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００２４】
更に、請求項１１に記載した発明のように、請求項１０に記載した構成に加えて、
・除去手段は、第１の電極を陽極に第３の電極を陰極にそれぞれ設定して当該各電極間に除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、第１の電極を陰極に第３の電極を陽極にそれぞれ設定して当該各電極間に除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極及び第３の電極に吸着した未燃成分及び酸素のいずれをも確実に除去することができるようになる。
【００２５】
また、請求項１２に記載した発明のように、請求項１１に記載した発明において更に、
・第３の電極は第１の電極及び第２の電極からの検出信号に基づいて燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度が検出される際に第１の電極と電気的に接続されるものである、
といった構成を採用すれば、燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する際には第３の電極を第１の電極と同様、酸素濃度検出用の電極として利用することができるようになる。
【００２６】
また、請求項１３に記載した発明のように、請求項４、８、１１のいずれかに記載した構成において更に、
・除去手段は第１の電圧印加態様と第２の電圧印加態様とを交互に連続して切り替えるものである、
といった構成を採用すれば、同じ向きの除去用電圧が素子に連続して印加される時間を極力短く設定して吸着物質の除去を行うことができるようになる。
【００２７】
また、請求項１４に記載した発明のように、請求項１乃至１３のいずれかに記載した構成において、
・第１の電極は燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物の還元触媒として機能する還元触媒材料により形成されるものであり、
・酸素濃度検出手段は第１の電極の還元作用に基づき窒素酸化物から分解される酸素が同第１の電極から素子を介して第２の電極に移動するときに各電極との間に流れる電流値に基づいて燃焼ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するものである、
といった構成を採用すれば、第１の電極と第２の電極間に流れる電流値に基づいて燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出する酸素濃度検出装置において上記請求項１乃至１３のいずれかに記載した発明の作用を奏することができるようになる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
以下、本発明に係る酸素濃度検出装置を窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ 」という）の濃度を検出するＮＯｘ 濃度検出装置として具体化した第１の実施形態について説明する。
【００２９】
図１はＮＯｘ 濃度検出装置を構成するセンサ本体５００の先端側断面を示し、図２はセンサ本体５００が取り付けられるエンジン１０の排気管２０等を示している。また、図３は図１の３−３線に沿った断面を示し、図４は図１の４−４線に沿った断面を示している。
【００３０】
図２に示すように、センサ本体５００はその先端側部分が排気管２０を通過する排出ガスに接触するようにして同排気管２０に取り付けらている。このセンサ本体５００はエンジン１０の各種制御を実行する電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」と略記する）３０により通電制御されるようになっている。
【００３１】
センサ本体５００は全体が矩形板状をなしており、ヒータ部５１０と同ヒータ部５１０上に積層された検出部５５０とを有して構成されている。
ヒータ部５１０は検出部５５０を所定温度にまで加熱するためのものである。このヒータ部５１０は第１の基板層５１１、この第１の基板層５１１に積層された第２の基板層５１２、これら両基板層５１１，５１２の間に介在された発熱体５１３、同発熱体５１３を両基板層５１１，５１２から隔絶するように被覆する絶縁層５１４によって構成されている。上記各基板層５１１，５１２はいずれもジルコニア（ＺｒＯ２ ）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質材料によって形成されており、発熱体５１３は白金（Ｐｔ）等の電導性材料によって形成されている。また、絶縁層５１４はアルミナ（Ａｌ２ Ｏ３ ）等の絶縁性セラミック材料により形成されている。
【００３２】
一方、検出部５５０は第１のスペーサ層５５１、第１の固体電解質層５５２、第２のスペーサ層５５３、第２の固体電解質層５５４が上記第２の基板層５１２に順に積層されることにより構成されている。これら各層５５１〜５５４はいずれも、ヒータ部５１０の各基板層５１１，５１２と同様の固体電解質材料によって形成されている。
【００３３】
図３に示すように、第２のスペーサ層５５３には第１の矩形孔５５３ａ及び第２の矩形孔５５３ｂが形成されている。また、この第２のスペーサ層５５３において第１の矩形孔５５３ａよりも先端側（同図の左側）の部分と、両矩形孔５５３ａ，５５３ｂに挟まれる部分とにはそれぞれ切欠き５５３ｃ，５５３ｄが形成されている。更に、図４に示すように、第１のスペーサ層５５１には矩形状の切欠き５５１ａが形成されている。
【００３４】
第２の基板層５１２と第１の固体電解質層５５２との間には基準ガス導入空間５６０が形成されている。この基準ガス導入空間５６０は第２の基板層５１２の上面、切欠き５５１ａの内壁面、第１の固体電解質層５５２の下面によって区画されており、その基端側部分（図１の右側部分）が開放されることにより、酸素分圧が一定の大気が基準ガスとしてその内部に導入されるようになっている。
【００３５】
第２のスペーサ層５５３を挟んで第１の固体電解質層５５２と第２の固体電解質層５５４との間には、第１室５６１、第２室５６２、第１の拡散律速孔５６３、及び第２の拡散律速孔５６４がそれぞれ形成されている。
【００３６】
第１の拡散律速孔５６３は第１室５６１と排出ガスが存在する外部とを連通することにより、排出ガスを所定の拡散抵抗のもとで第１室５６１内に導入させるためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、切欠き５５３ｃの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画形成されている。
【００３７】
第１室５６１は第１の拡散律速孔５６３を通じて導入される排出ガスの酸素分圧を所定圧に調節するためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、第１の矩形孔５５３ａの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画されている。
【００３８】
また、第２の拡散律速孔５６４は第１室５６１と第２室５６２とを連通することにより、第１室５６１内の排出ガスを所定の拡散抵抗のもとで第２室５６２に移動させるためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、切欠き５５３ｄの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画されている。
【００３９】
第２室５６２は第１室５６１から導入される排出ガスのＮＯｘ 濃度を検出するためのものであり、第１の固体電解質層５５２の上面、第２の矩形孔５５３ｂの内壁面、第２の固体電解質層５５４の下面によって区画されている。
【００４０】
第２の固体電解質層５５４の下面において第１室５６１の内部に位置する部分にはＰｔ等の金属とＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料により略矩形状に形成された内側ポンプ電極５７０が設けられている。また、第２の固体電解質層５５４の上面において内側ポンプ電極５７０と対応する位置には同内側ポンプ電極５７０と同様の多孔質サーメット材料により略矩形状に形成された外側ポンプ電極５７１が設けられている。
【００４１】
これら内側ポンプ電極５７０及び外側ポンプ電極５７１と、第２の固体電解質層５５４において両電極５７０，５７１に挟まれた部分とにより、第１室５６１と外部との間で酸素を移動（ポンピング）させるための主ポンプセル５７２が構成されている。
【００４２】
この主ポンプセル５７２において、内側ポンプ電極５７０と外側ポンプ電極５７１との間に制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ１が印加されると、その制御電圧Ｖｐ１の大きさに応じた量の酸素が第２の固体電解質層５５４を介して第１室５６１から外部に、或いは外部から第１室５６１にポンピングされる。従って、この制御電圧Ｖｐ１を制御することにより、第１室５６１内における酸素分圧（酸素濃度）を所望の値に調節することができる。
【００４３】
また、第１の固体電解質層５５２の上面において第２室５６２の内部に位置する部分には検出電極５８０が設けられている。一方、第１の固体電解質層５５２の下面において同層５５２を挟んで検出電極５８０と対応する位置には基準ガス導入空間５６０内の大気と接触する基準電極５８１が設けられている。
【００４４】
検出電極５８０は基準電極５８１とともにポンピング電極として機能する他、ＮＯｘ 還元触媒としての機能を併せ有するものであり、ロジウム（Ｒｈ）に対して所定重量比のＰｔが添加された金属と、ＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料とによって略矩形状に形成されている。一方、基準電極５８１は前記各ポンプ電極５７０，５７１と同様、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料によって略矩形状に形成されている。
【００４５】
これら検出電極５８０及び基準電極５８１と、第１の固体電解質層５５２において両電極５８０，５８１に挟まれた部分とにより、第２室５６２と基準ガス導入空間５６０との間で酸素をポンピングするための測定用ポンプセル５８２が構成されている。
【００４６】
前述したように、第１室５６１において酸素分圧が所定圧に調節された排出ガスは第２の拡散律速孔５６４を通じて所定の拡散抵抗のもとで第２室５６２に導入され、検出電極５８０に接触する。そして、排出ガスに含まれるＮＯｘ が検出電極５８０の還元作用によって窒素（Ｎ２ ）と酸素（Ｏ２ ）とに分解されることにより、検出電極５８０の近傍における酸素濃度は同ＮＯｘ の濃度に応じた濃度になる。
【００４７】
更に、測定用ポンプセル５８２において、検出電極５８０と基準電極５８１との間に一定の検出用電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ２が印加されると、検出電極５８０近傍のＯ２ が酸素イオン（陰イオン）となって検出電極５８０から基準電極５８１にポンピングされる。その結果、検出電極５８０及び基準電極５８１間にはＮＯｘ の還元分解によって生成されたＯ２ の濃度に応じたポンプ電流（限界電流）Ｉｐ２が流れるようになる。従って、このポンプ電流Ｉｐ２の値に基づいてＮＯｘ 濃度を検出することができる。
【００４８】
因みに、この場合、検出電極５８０近傍の酸素イオンを基準電極５８１にポンピングするため、検出用電圧Ｖｐ２は検出電極５８０を陰極、基準電極５８１を陽極として両電極５８０，５８１間に印加される（図１参照）。
【００４９】
また、図３に示すように、第１の固体電解質層５５２の上面において第２室５６２の内部に位置する部分には検出電極５８０と隣接して補助電極５８３が設けられている。この補助電極５８３は後述するように検出電極５８０に吸着した炭化水素等の燃料の未燃成分を効果的に除去するためのものである。
【００５０】
補助電極５８３は検出電極５８０と同様の多孔質サーメット材料により帯状（線幅：例えば０．３〜０．７ｍｍ）に形成されており、検出電極５８０を略全周に亘り囲むようにして設けられている。更に、この補助電極５８３は検出電極５８０の周縁部から極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて配置されており、これら両者の間隔は第１の固体電解質層５５２の厚さ（例えば６００〜８００μｍ）よりも十分に狭く設定されている。
【００５１】
更に、内側ポンプ電極５７０及び基準電極５８１と、第２の固体電解質層５５４、第２のスペーサ層５５３、第１の固体電解質層５５２の各層５５２，５５３，５５４とにより、第１室５６１内の酸素分圧を検出するための酸素分圧検出セル５９０が構成されている。
【００５２】
この酸素分圧検出セル５９０において、第１室５６１の排出ガスが内側ポンプ電極５７０に接触するとともに、基準ガス導入空間５６０の大気が基準電極５８１に接触することにより、両電極５７０，５８１間には、これら排出ガスと大気との間の酸素分圧差に基づいた起電力Ｖ１が発生する。従って、この起電力Ｖ１の大きさに基づいて第１室５６１内の酸素分圧を検出することができる。
【００５３】
次に、上記ＮＯｘ 濃度検出装置によるＮＯｘ 濃度の検出手順について説明する。
まず、ＮＯｘ 濃度の検出を開始するのに先立ち、ＥＣＵ３０は駆動回路（図示略）を通じてヒータ部５１０の発熱体５１３を通電制御することにより、同発熱体５１３を発熱させ、その熱により検出部５５０を所定温度（例えば、４００〜９００℃）にまで加熱する。その結果、検出部５５０の各層５５１〜５５４は酸素イオンが移動可能な状態、即ち、活性化された状態になる。
【００５４】
次に、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて主ポンプセル５７２の内側ポンプ電極５７０及び外側ポンプ電極５７１間に制御電圧Ｖｐ１を印加するとともに、その制御電圧Ｖｐ１の大きさを酸素分圧検出セル５９０の起電力Ｖ１に基づいて制御する。
【００５５】
より詳細に説明すると、ＥＣＵ３０は第１室５６１内の酸素分圧が極めて低い所定値（例えば、１×１０＾−８ 〜１．７×１０＾−４ ａｔｍ）となるときの起電力Ｖ１の値と等しくなるように、制御電圧Ｖｐ１の大きさをフィードバック制御する。こうしたフィードバック制御が実行される結果、第１室５６１における排出ガスの酸素分圧は低下し、同第１室５６１から第２の拡散律速孔５６４を通じて第２室５６２に導入される排出ガスは分子単体としての酸素を殆ど含まない状態になる。
【００５６】
更に、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて測定用ポンプセル５８２の検出電極５８０及び基準電極５８１間に検出用電圧Ｖｐ２を印加するとともに、これら両電極間５８０，５８１に流れるポンプ電流Ｉｐ２を入力回路（図示略）を通じて読み込む。前述したように、このポンプ電流Ｉｐ２はＮＯｘ の還元分解によって生成されたＯ２ の濃度に応じて変化するものであるため、ＥＣＵ３０はこのポンプ電流Ｉｐ２の大きさに基づいてＮＯｘ 濃度を検出することができる。
【００５７】
ＥＣＵ３０は上記のようにしてＮＯｘ 濃度の検出処理を実行する他、所定の実行条件が満たされた場合に検出電極５８０に吸着している燃料の未燃成分を除去するための処理を実行する。
【００５８】
因みに、この除去処理の実行条件が満たされる場合としては、前回の除去処理が行われてからの機関始動回数が所定回数を超えたときや、前回の除去処理が行われてからの機関運転時間が所定時間を超えたとき等を挙げることができる。即ち、この除去処理は検出電極５８０に所定量以上の未燃成分が吸着し、この未燃成分の吸着による検出特性の変化が無視できないと判断される場合に実行される。
【００５９】
以下、こうした未燃成分の除去処理に関する処理手順について説明する。
まず、ＥＣＵ３０はこの除去処理の実行に先立ち、ＮＯｘ 濃度の検出を一時的に停止する。即ち、ＥＣＵ３０は主ポンプセル５７２に対する制御電圧Ｖｐ１の印加、測定用ポンプセル５８２に対する検出用電圧Ｖｐ２の印加、酸素分圧検出セル５９０における起電力Ｖ１の検出、及び測定用ポンプセル５８２におけるポンプ電流Ｉｐ２の検出をいずれも停止する。尚、この場合でも、ヒータ部５１０への通電制御は引き続き実行され、検出部５５０は活性化された状態に維持される。
【００６０】
次に、図５に示すように、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて測定用ポンプセル５８２の各電極５８０，５８１間に、検出用電圧Ｖｐ２とはその極性が反転された除去用電圧Ｖｒを印加する。即ちこの場合、除去用電圧Ｖｒは検出電極５８０を陽極、基準電極５８１を陰極にそれぞれ設定して両電極間５８０，５８１に印加される。尚、この除去用電圧Ｖｒは第１の固体電解質層５５２にブラックニングを発生させない程度の大きさ（例えば０．５〜１．０Ｖ）に設定されている。
【００６１】
更にＥＣＵ３０は、補助電極５８３を検出電極５８０と同様、陽極に設定し、この補助電極５８３と陰極に設定された基準電極５８１との間にも除去用電圧Ｖｒを印加する。
【００６２】
このように各電極５８０，５８１，５８３の間に除去用電圧Ｖｒが印加される結果、補助電極５８３と基準電極５８１との間には検出電極５８０と基準電極５８１との間の電界Ｅ１と同じ向きの電界Ｅ２が形成される。そして、これら各電極５８０，５８１，５８３間に形成される電界Ｅ１，Ｅ２により基準電極５８１から検出電極５８０及び補助電極５８３に向け酸素イオンが移動するようになる。
【００６３】
ここで、補助電極５８３は検出電極５８０の周縁部分に近接して配設されていることから、補助電極５８３と基準電極５８１との間に形成される電界Ｅ２は検出電極５８０の周縁部分の近傍に形成されるようになる。従って、この電界Ｅ２により検出電極５８０の周縁部分と基準電極５８１との間における電束の漏れが抑制されるようになる。このため、第１の固体電解質層５５２にブラックニングが発生しない程度に除去用電圧Ｖｒを低く設定していても、検出電極５８０の周縁部分と基準電極５８１との間に十分な強度の電界を形成することができるようになる。
【００６４】
その結果、検出電極５８０の中央部分のみならず、その周縁部分に対しても基準電極５８１側から十分な量の酸素イオンが供給されるようになるため、検出電極５８０に吸着している未燃成分をこの酸素イオンによって確実に燃焼させて除去することができる。
【００６５】
このように本実施形態によれば、
（１）除去用電圧Ｖｒを極力低く抑えてブラックニングに起因した第１の固体電解質層５５２の変質や強度低下を抑制しつつ、同層５５２に吸着した未燃成分を確実に除去することができ、ＮＯｘ 濃度検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる。
【００６６】
（２）また、上記補助電極５８３により検出電極５８０を略全周に亘り囲むようにしているため、未燃成分の除去を検出電極５８０全体に亘って確実に行うことができ、これら未燃成分が検出電極５８０に吸着することに起因した検出特性の変化をより確実に抑制することができるようになる。
【００６７】
［第２の実施形態］
次に、本発明に係る第２の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６８】
上記第１の実施形態では検出電極５８０に吸着した未燃成分を効果的に除去するために、補助電極５８３と検出電極５８０とを同極（陽極）に設定し、これら各電極５８０，５８３と基準電極５８１（陰極）との間に除去用電圧Ｖｒを印加するようにしたが、本実施形態ではこの除去用電圧Ｖｒの印加態様が上記第１の実施形態と相異している。
【００６９】
即ち、本実施形態では、図６に示すように、前述した未燃成分の除去処理を実行する際に、補助電極５８３を基準電極５８１と同様、陰極に設定し、これら各電極５８１，５８３と検出電極５８０（陽極）との間に除去用電圧Ｖｒを印加するようにしている。
【００７０】
従って、検出電極５８０と補助電極５８３との間に電界Ｅ３が形成され、検出電極５８０と基準電極５８１との間の電界Ｅ１によって生じる両電極５８０，５８１間の酸素イオンの移動に加えて検出電極５８０と補助電極５８３との間においても酸素イオンが移動するようになるため、検出電極５８０の周縁部分に十分な量の酸素イオンを供給することができるようになる。その結果、除去用電圧Ｖｒを極力低く抑えたつつ、検出電極５８０の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができ、本実施形態においても上記第１の実施形態に記載した（１）及び（２）と同等の作用効果を奏することができるようになる。
【００７１】
更に、こうした電界Ｅ３が形成される補助電極５８３と基準電極５８１との間の距離は第１の固体電解質層５５２の厚さ、換言すれば検出電極５８０と基準電極５８１との間の間隔よりも十分に狭く設定されていることから、この電界Ｅ３の強度を検出電極５８０と基準電極５８１との間における電界Ｅ１の強度よりも更に増大させることができるようになる。
【００７２】
従って、本実施形態によれば、
（３）この電界Ｅ３によって生じる酸素イオンの移動により検出電極５８０の周縁部分に吸着した未燃成分をより確実に除去することができ、また、その除去処理に要する時間の短縮化を図ることもできるようになる。
【００７３】
また、このように上記除去時間の短縮化を図るうえでは、発熱体５１３の発熱量を増大させて検出部５５０の温度を更に上昇させることにより、酸素イオンが移動する際の第１の固体電解質層５５２内における抵抗を減少させて酸素イオンの移動量を増大させるといった方法も有効である。しかしながら、この方法ではＮＯｘ 濃度検出装置における消費電力量の増大が避けられないものとなる。
【００７４】
この点、本実施形態によれば、
（４）こうしたＮＯｘ 濃度検出装置における消費電力量の増大を招くことなく上記除去処理に要する時間の短縮化を図ることができるようになる。
【００７５】
［第３の実施形態］
次に、本発明に係る第３の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００７６】
本実施形態では検出電極間に流れる限界電流の大きさに基づいて排出ガスの酸素濃度を検出し、その酸素濃度からエンジン１０に供給される混合気の空燃比を間接的に検出するようにした空燃比検出装置として本発明を具体化するようにしている。
【００７７】
この空燃比検出装置は上記ＮＯｘ 濃度検出装置におけるセンサ本体５００と同様、その先端側部分が排出ガスに接触するように排気管２０に取り付けられたセンサ本体６００と、同センサ本体６００を通電制御するＥＣＵ３０とによって構成されている。
【００７８】
図７は上記センサ本体６００の先端側部分を示す斜視図であり、図８は図７の８−８線に沿った断面図である。
センサ本体６００は全体が矩形板状をなしており、ヒータ部６１０と同ヒータ部６１０上に積層された検出部６５０とを有して構成されている。
【００７９】
ヒータ部６１０は第１の基板層６１１、この第１の基板層６１１に積層された第２の基板層６１２、これら両基板層６１１，６１２の間に介在された発熱体６１３、同発熱体６１３を被覆する絶縁層６１４によって構成されている。上記各基板層６１１，６１２はいずれも、ＺｒＯ２ 等の酸素イオン伝導性を有した固体電解質材料によって形成されており、発熱体６１３はＰｔ等の電導性材料によって形成されている。また、絶縁層６１４はＡｌ２ Ｏ３ 等の絶縁性セラミック材料により形成されている。
【００８０】
一方、検出部６５０は全体がコ字形状をなすスペーサ層６５１と固体電解質層６５２とが前記第２の基板層６１２上に順に積層されることにより構成されている。これら各層６５１，６５２はいずれも、ヒータ部６１０の各基板層６１１，６１２と同様の固体電解質材料によって形成されている。
【００８１】
スペーサ層６５１を挟んで第２の基板層６１２と固体電解質層６５２との間には大気導入空間６６０が設けられている。この大気導入空間６６０は第２の基板層６１２の上面、スペーサ層６５１の内壁面、固体電解質層６５２の下面によって区画されており、その基端側部分（図７の右側部分）が開放されることにより、その内部に大気が導入されるようになっている。
【００８２】
固体電解質層６５２の上面には排出ガスに接触する第１の検出電極６８０が設けられている。また、固体電解質層６５２の下面において同層６５２を挟んで第１の検出電極６８０と対応する位置には第２の検出電極６８１が設けられている。これら各電極６８０，６８１はいずれもＰｔ等の金属とＺｒＯ２ 等のセラミックスとからなる多孔質サーメット材料によって略矩形状に形成されている。
【００８３】
これら各検出電極６８０，６８１と、固体電解質層６５２において両検出電極６８０，６８１に挟まれた部分とにより、限界電流値測定用セル６８２が構成されている。
【００８４】
また、固体電解質層６５２の上面において第１の検出電極６８０の周囲には補助電極６８３が隣接して設けられている。この補助電極６８３は後述するように第１の検出電極６８０に吸着した炭化水素等の燃料の未燃成分や酸素といった吸着物質を効果的に除去するためのものである。
【００８５】
補助電極６８３は各検出電極６８０，６８１と同様の多孔質サーメット材料により帯状（線幅：例えば０．３〜０．７ｍｍ）に形成されており、図７に示すように、上記第１の検出電極６８０を略全周に亘り囲むようにして設けられている。更に、補助電極６８３は第１の検出電極６８０の周縁部から極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて配置されており、これら両者の間隔は固体電解質層６５２の厚さ（例えば６００〜８００μｍ）よりも十分に狭く設定されている。
【００８６】
更に、固体電解質層６５２上には、第１の検出電極６８０を覆うようにしてＡｌ２ Ｏ３ 等の多孔質材料からなる拡散律速層６９０と、補助電極６８３を覆うようにして同じくＡｌ２ Ｏ３ 等の多孔質材料からなる保護層６９１とがそれぞれ設けられている。拡散律速層６９０は第１の検出電極６８０に接触する排出ガスを拡散律速させる機能を有するものである。また、保護層６９１は補助電極６８３に未燃成分や酸素が吸着するのを抑制する機能を有するものであり、上記拡散律速層６９０よりも緻密な多孔質材料によって形成されている。
【００８７】
次に、上記空燃比検出装置による空燃比の検出手順について説明する。
まず、空燃比の検出を開始するのに先立ち、ＥＣＵ３０は駆動回路（図示略）を通じてヒータ部６１０の発熱体６１３を通電制御することにより検出部６５０の各層６５１，６５２を酸素イオンの移動可能な活性化された状態になるまで加熱する。
【００８８】
次に、ＥＣＵ３０は限界電流値測定用セル６８２の第１の検出電極６８０を陰極に設定するとともに、第２の検出電極６８１を陽極に設定して両検出電極６８０，６８１間に検出用電圧（例えば１．０Ｖ）を印加する。この検出用電圧が印加されることにより、両検出電極６８０，６８１間には第１の検出電極６８０に接触する排出ガスの酸素濃度に応じた限界電流が流れるようになる。ＥＣＵ３０はこの限界電流の大きさを入力回路（図示略）を通じて読み込む。
【００８９】
因みに、排出ガス中における酸素濃度はエンジン１０に供給される混合気の空燃比に応じて変化するものであり、例えば空燃比がリーンになるほど酸素濃度は増大し、逆に空燃比がリッチになるほど酸素濃度は減少するようになる。従って、ＥＣＵ３０はこの酸素濃度に応じて変化する限界電流に基づいて混合気の空燃比を検出することができる。
【００９０】
ＥＣＵ３０は上記のようにして空燃比の検出処理を実行する他、所定の実行条件が満たされた場合に第１の検出電極６８０に吸着している燃料の未燃成分や酸素を除去するための処理を実行する。この除去処理は第１の検出電極６８０に所定量以上の未燃成分や酸素が吸着することにより、第１の実施形態における除去処理の実行条件と同様、検出特性の変化が無視できないと判断される場合に実行される。
【００９１】
まず、ＥＣＵ３０はこの除去処理の実行に先立ち、空燃比の検出を一時的に停止する。即ち、ＥＣＵ３０は限界電流値測定用セル６８２における各検出電極６８０，６８１間の検出用電圧の印加、限界電流の検出をいずれも停止する。尚、この場合でも、ヒータ部６１０への通電制御は引き続き実行され、検出部６５０は活性化された状態に維持される。
【００９２】
次に、図９（拡散律速層６９０及び保護層６９１の図示は省略する）に示すように、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて限界電流値測定用セル６８２の各電極６８０，６８１間に、検出用電圧とはその極性が反転された除去用電圧Ｖｒを印加する。即ちこの場合、除去用電圧Ｖｒは第１の検出電極６８０を陽極、第２の検出電極６８１を陰極にそれぞれ設定して両電極間６８０，６８１に印加される。尚、この除去用電圧Ｖｒは第１の固体電解質層５５２にブラックニングを発生させない程度の大きさ（例えば０．５〜１．０Ｖ）に設定されている。
【００９３】
更にＥＣＵ３０は、補助電極６８３を第２の検出電極６８１と同様、陰極に設定し、この補助電極６８３と陽極に設定された第１の検出電極６８０との間にも除去用電圧Ｖｒを印加する。
【００９４】
従って、第１の検出電極６８０と補助電極６８３との間に電界が形成され、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間の電界によって生じる両電極６８０，６８１間の酸素イオンの移動に加え、第１の検出電極６８０と補助電極６８３との間においても酸素イオンが移動するようになるため、第１の検出電極６８０の周縁部分に十分な量のＯ２ を供給することができるようになる。その結果、除去用電圧Ｖｒを極力低く抑えつつ、第１の検出電極６８０の周縁部分に吸着した未燃成分を確実に燃焼させて除去することができるため、本実施形態においても第１及び第２の実施形態にて記載した上記（１）〜（４）と同等の作用効果を奏することができる。
【００９５】
更に、ＥＣＵ３０はこうした未燃成分の除去処理を所定時間実行した後、引き続き第１の検出電極６８０に吸着した酸素を除去するための処理を実行する。
即ち、図１０（拡散律速層６９０及び保護層６９１の図示は省略する）に示すように、ＥＣＵ３０は除去用電圧Ｖｒの極性を反転し、第１の検出電極６８０を陰極に、第２の検出電極６８１及び補助電極６８３を陽極にそれぞれ設定して除去用電圧Ｖｒをこれら各電極６８０，６８１，６８３に印加する。またこの場合、ＥＣＵ３０は除去用電圧Ｖｒの大きさを検出用電圧よりも大きく、且つ、固体電解質層６５２にブラックニングが発生しない程度の大きさ（例えば１．２〜１．３Ｖ）に設定する。
【００９６】
そして、このように未燃成分の除去処理を行うときと極性が反転した除去用電圧Ｖｒが各電極６８０，６８１，６８３間に印加されることにより、第１の検出電極６８０から第２の検出電極６８１及び補助電極６８３側に向けて酸素イオンを移動させる電界が形成されるようになる。その結果、第１の検出電極６８０に吸着している酸素はこの電界により同電極６８０から脱離し、酸素イオンとして第２の検出電極６８１及び補助電極６８３側に移動するようになるため、同電極６８０から酸素を除去することができるようになる。
【００９７】
ここで、補助電極６８３は第１の検出電極６８０の周縁部分に近接して配設されていることから、これら各電極６８０，６８３間に形成される電界は第１の検出電極６８０の周縁部近傍においても十分な強度を有して形成されるようになる。
【００９８】
従って、本実施形態によれば、
（５）除去用電圧Ｖｒをブラックニングが発生しない程度に除去用電圧Ｖｒを低く設定していても、第１の検出電極６８０と補助電極６８３との間に形成される電界により第１の検出電極６８０の周縁部分から十分な量の酸素を脱離させて確実に除去することができるため、空燃比検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる
（６）更に、未燃成分の除去処理と酸素の除去処理とを連続して実行するようにしているため、これら除去処理の実行に伴って空燃比の検出処理が頻繁に停止されてしまうのを回避しつつ、未燃成分及び酸素の双方を第１の検出電極６８０から除去することができるようになる。
【００９９】
［第４の実施形態］
次に、本発明に係る第４の実施形態について上記第３の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第３の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１００】
上記第３の実施形態では未燃成分の除去処理を所定時間実行した後、除去用電圧Ｖｒの極性を反転して酸素の除去処理を実行するようにし、これら各除去処理が実行される時間については特に規定していないが、本実施形態ではこれら各除去処理が連続して実行される時間を極力短く設定するとともに、これら各除去処理を交互に繰り返して実行するようにしている。従って、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１及び補助電極６８３との間にはその極性が周期的に反転する除去用電圧Ｖｒが印加されるようになる。因みに、これら各除去処理のそれぞれの継続時間としては例えば０．０５〜０．５ｓｅｃ．（除去用電圧Ｖｒの反転周期にすれば１〜１０Ｈｚ）を選択することができる。
【０１０１】
一般に、固体電解質層６５２におけるブラックニングの発生は両検出電極６８０，６８１に印加される除去用電圧Ｖｒの大きさのみならず、その除去用電圧Ｖｒが連続して印加される時間によっても影響を受ける。例えば、除去用電圧Ｖｒを相対的に低く設定した場合でも、除去用電圧Ｖｒの連続印加時間が長くなればブラックニングは発生し易くなり、逆に除去用電圧Ｖｒを相対的に高く設定した場合でも、同連続印加時間が短ければブラックニングは発生し難くなる。
【０１０２】
この点、本実施形態にあっては、極性が周期的に反転する除去用電圧Ｖｒを両検出電極６８０，６８１間に印加するようにしているため、各除去処理が実行される総時間を変えることなく、両検出電極６８０，６８１間に同じ向きの電圧が連続して印加される時間を大幅に短縮することができる。
【０１０３】
（７）従って、本実施形態によれば、固体電解質層６５２におけるブラックニングの発生を確実に抑制することができ、同ブラックニングに起因した固体電解質層６５２の変質や強度低下を更に確実に抑制することができるようになる。
【０１０４】
［第５の実施形態］
次に、本発明に係る第５の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１０５】
本実施形態では排出ガスと大気との酸素分圧差（酸素濃度差）に応じて各検出電極間に発生する起電力を検出し、その起電力に基づいて混合気の空燃比を間接的に検出するようにした空燃比検出装置として本発明を具体化するようにしている。
【０１０６】
この空燃比検出装置は上記ＮＯｘ 濃度検出装置におけるセンサ本体５００と同様、その先端側部分が排出ガスに接触するように排気管２０に取り付けられたセンサ本体７００と、同センサ本体７００を通電制御するＥＣＵ３０とによって構成されている。
【０１０７】
図１１はセンサ本体７００の先端側部分を示す斜視図であり、図１２は同先端側部分の縦断面図である。
センサ本体７００は略有底円筒状に形成された固体電解質体７５２を含む検出部７５０と、同検出部７５０の内部に挿入され、発熱体７１３を内蔵するたヒータ部７１０とを有して構成されている。固体電解質体７５２はＺｒＯ２ 等の酸素イオン伝導性を有した固体電解質材料によって形成されている。また、ヒータ部７１０はＡｌ２ Ｏ３ 等の絶縁性セラミック材料により形成されており、発熱体７１３はＰｔ等の電導性材料によって形成されている。
【０１０８】
固体電解質体７５２の外周面にはその一部を覆うようにして検出電極７８０が設けらている。図１３は検出電極７８０を平面上に展開して示す展開図である。検出電極７８０は略矩形状の展開形状を有しており、固体電解質体７５２の外周面に巻き付けられるようにして同外周面上に設けられている。排気管２０内を通過する排出ガスはこの検出電極７８０に接触する。
【０１０９】
また、図１２に示すように、固体電解質体７５２の内周面において同固体電解質体７５２を挟んで上記検出電極７８０と対応する部分には基準電極７８１が設けられている。固体電解質体７５２はその基端側部分（図１２の上側部分）が開放されることにより、内部に酸素分圧が一定の大気が基準ガスとして導入されている。基準電極７８１はこのように固体電解質体７５２の内部に導入される大気に接触する。
【０１１０】
これら各検出電極７８０及び基準電極７８１と、固体電解質体７５２において検出電極７８０と基準電極７８１とに挟まれた部分とにより、起電力測定用セル７８２が構成されている。
【０１１１】
また、図１１及び図１３に示すように、固体電解質体７５２の外周面上において検出電極７８０の周囲には補助電極７８３が隣接して設けられている。この補助電極７８３は後述するように検出電極７８０に吸着した炭化水素等の燃料の未燃成分や酸素といった吸着物質を効果的に除去するためのものである。
【０１１２】
補助電極７８３は各電極７８０，７８１と同様の多孔質サーメット材料により帯状（線幅：例えば０．５〜１ｍｍ）に形成されており、検出電極７８０を略全周に亘り囲むようにして設けられている。更に、補助電極７８３は検出電極７８０の周縁部から極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて配置されており、これら両者の間隔は固体電解質体７５２の厚さ（例えば６００〜８００μｍ）よりも十分に狭く設定されている。
【０１１３】
次に、上記空燃比検出装置による空燃比の検出手順について説明する。
まず、空燃比の検出を開始するのに先立ち、ＥＣＵ３０は駆動回路（図示略）を通じてヒータ部７１０の発熱体７１３を通電制御することにより、同発熱体を発熱させ、その熱により固体電解質体７５２を所定温度（例えば４００〜９００℃）にまで加熱する。その結果、固体電解質体７５２は酸素イオンが移動可能な活性化された状態になる。
【０１１４】
次に、ＥＣＵ３０は起電力測定用セル７８２の両電極７８０，７８１間に発生する起電力を入力回路を通じて読み込む。前述したように、検出電極７８０と基準電極７８１との間には排出ガスと大気との酸素分圧差に応じた起電力が発生するようになる。また、この起電力の大きさは大気の酸素分圧が一定であることから、排出ガスの酸素分圧に応じて変化するようになる。更に、この酸素濃度は空燃比の大きさに応じて変化するため、この起電力の大きさに基づいて空燃比を検出することができる。
【０１１５】
因みに、ＥＣＵ３０はこの起電力が所定値（例えば０．４５Ｖ）以上である場合には空燃比を理論空燃比よりもリッチとして検出し、同起電力が所定値未満である場合には空燃比を理論空燃比よりもリーンとして検出する。
【０１１６】
ＥＣＵ３０は上記のようにして空燃比の検出処理を実行する他、所定の実行条件が満たされた場合に検出電極７８０に吸着している燃料未燃成分や酸素を除去するための処理を実行する。この除去処理は第１の実施形態における除去処理と同様、未燃成分や酸素が検出電極７８０に吸着することに起因した検出特性の変化が無視できないと判断される場合に実行される。
【０１１７】
まず、ＥＣＵ３０はこの除去処理の実行に先立ち、空燃比の検出を一時的に停止する。即ち、ＥＣＵ３０は起電力測定用セル７８２の各電極７８０，７８１間における起電力の読み込みを停止する。尚、この場合でも、ヒータ部７１０への通電制御は引き続き実行され、固体電解質体７５２は活性化された状態に維持される。
【０１１８】
次に、ＥＣＵ３０は駆動回路を通じて起電力測定用セル７８２の各電極７８０，７８１間にブラックニングを発生させない程度（例えば０．５〜１．０Ｖ）の除去用電圧Ｖｒを印加する。この際、ＥＣＵ３０は、第４の実施形態と同様、除去用電圧Ｖｒを交番的に両電極７８０，７８１間に印加する。
【０１１９】
即ち、ＥＣＵ３０は、
・検出電極７８０及び補助電極７８３を陽極、基準電極７８１を陰極にそれぞれ設定して両電極間７８０，７８１に除去用電圧Ｖｒを印加する。
【０１２０】
・検出電極７８０及び補助電極７８３を陰極、基準電極７８１を陽極にそれぞれ設定して両電極間７８０，７８１に除去用電圧Ｖｒを印加する。
といった２つの除去用電圧Ｖｒの印加態様を所定周期で交互に切り替える。
【０１２１】
従って、第１の実施形態と同様、検出電極７８０の周縁部分と基準電極７８１との間には十分な強度の電界が形成されるようになり、同周縁部分に十分な量の酸素イオンを基準電極７８１から供給して未燃成分を燃焼させることができるとともに、同周縁部分に吸着している酸素を確実に脱離させることができるようになる。その結果、本実施形態によれば、第１の実施形態において記載した（１），（２）と同等の作用効果を奏することができるのに加え、
（８）検出電極７８０の周縁部分に吸着した未燃成分及び酸素の双方を除去することができ、これら吸着物質が検出電極７８０に吸着することに起因した空燃比の検出特性変化を確実に抑制することができるようになる。
【０１２２】
更に、除去用電圧Ｖｒを交番的に印加するようにしているため、第４の実施形態において記載した（７）と同等の作用効果を奏することもできる。
［第６の実施形態］
次に、本発明に係る第６の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【０１２３】
図１４は本実施形態におけるＮＯｘ 濃度検出装置のセンサ本体５００の先端側部分を示す斜視図であり、図１５は図１４の１５−１５線に沿った断面図である。これら各図に示すように、本実施形態では検出電極５８０を櫛歯状に形成するとともに、補助電極５８３も同様に櫛歯状に形成し、これら検出電極５８０と基準電極５８１とを噛み合わせるようにして第２の固体電解質層５５４上に配設している。これら各電極５８０，５８１において噛み合わされる各部分は互いに極めて短い間隔（例えば１００〜１５０μｍ）を隔てて隣接しており、両者の間隔は第２の固体電解質層５５４の厚さよりも十分に狭く設定されている。
【０１２４】
そして、図１５に示すように、ＮＯｘ 濃度を検出する場合、ＥＣＵ３０は検出電極５８０及び補助電極５８３を電気的に接続し、これら電極５８０，５８３と基準電極５８１との間に検出用電圧Ｖｐ２を印加する。従って、補助電極５８３は実質的に検出電極５８０と同様、ＮＯｘ 還元触媒の機能を有したポンピング電極として機能するようになる。そして、前述したように、ＥＣＵ３０はこれら各電極５８０，５８３と基準電極５８１との間に流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ 濃度を検出する。
【０１２５】
一方、検出電極５８０に吸着している未燃成分や酸素を除去する場合、ＥＣＵ３０は検出電極５８０と補助電極５８３との電気的な接続を解除するとともに、駆動回路を通じてこれら検出電極５８０と補助電極５８３との間に除去用電圧Ｖｒを印加する。
【０１２６】
ここで、ＥＣＵ３０は除去用電圧Ｖｒの印加態様を図１６（ａ）に示すように、検出電極５８０を陽極に、補助電極５８３を陰極に設定した態様と、同図（ｂ）に示すように、検出電極５８０を陰極に、補助電極５８３を陽極に設定した態様との間で交互に切り替え、同除去用電圧Ｖｒの極性を例えば１〜１０Ｈｚといった周期で反転させる。
【０１２７】
こうした印加態様にて除去用電圧Ｖｒが印加されることにより、検出電極５８０と補助電極５８３との間の第２の固体電解質層５５４には、同図（ａ），（ｂ）に矢印で示すように、その向きが周期的に変化する電界が形成される。その結果、検出電極５８０及び補助電極５８３に吸着している未燃成分や酸素をこの電界によって生じる酸素イオンの移動に基づいて除去することができる。
【０１２８】
ここで、本実施形態では、これら検出電極５８０及び補助電極５８３をいずれも櫛歯状に形成し、互いに噛み合うようにして第２の固体電解質層５５４上に配設している。従って、これら両電極５８０，５８３の噛み合う部分を極めて近接した状態に配置することができ、両電極５８０，５８３の間に十分な強さの電界を形成することができるようになる。
【０１２９】
従って、本実施形態によれば、
（９）除去用電圧Ｖｒを極めて低く抑えつつ、検出電極５８０及び補助電極５８３の双方に吸着している未燃成分及び酸素を確実に除去することができ、また、その除去処理に要する時間の短縮化を図ることもできるようになる。
【０１３０】
更に、除去用電圧Ｖｒを交番的に印加するようにしているため、第４の実施形態において記載した（７）と同等の作用効果を奏することもできる。
以上、本発明を具体化した各実施形態について説明したが、これら各実施形態は以下のように構成を変更して実施することもできる。
【０１３１】
・第３の実施形態において、補助電極６８３を被覆するように設けられた保護層６９１は第１の検出電極６８０を被覆するように設けられた拡散律速層６９０よりも緻密な多孔質材料によって形成されているため、補助電極６８３は第１の検出電極６８０よりも吸着物質が吸着し難くいものとなっている。このため、この補助電極６８３を第１の検出電極６８０における吸着物質の吸着量を推定するために利用することができる。
【０１３２】
即ち、第１の検出電極６８０及び補助電極６８３を陰極に設定するとともに、第２の検出電極６８１を陽極に設定してこれら電極６８０，６８１，６８３間に検出用電圧を印加する。この際、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流に加え、補助電極６８３と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流をも同時に検出する。
【０１３３】
ここで、補助電極６８３は第１の検出電極６８０よりも吸着物質が吸着し難くいため、補助電極６８３と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流は、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流と比較して吸着物質による影響を受け難いものとなる。
【０１３４】
従って、吸着物質が吸着していないときに、第１の検出電極６８０と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流の大きさを補助電極６８３と第２の検出電極６８１との間に流れる限界電流の大きさと関連付けて予め記憶しておけば、この記憶されている関係と検出される各限界電流の大きさに基づいて第１の検出電極６８０における吸着物質の吸着量を推定することができるようになる。
【０１３５】
・第１の実施形態では検出電極５８０及び補助電極５８３を陽極に、基準電極５８１を陰極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した未燃成分を燃焼させて除去するようにしたが、検出電極５８０及び補助電極５８３を陰極に、基準電極５８１を陽極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した酸素を脱離させて除去するようにしてもよい。
【０１３６】
・第２の実施形態では基準電極５８１及び補助電極５８３を陰極に、検出電極５８０を陽極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した未燃成分を燃焼させて除去するようにしたが、基準電極５８１及び補助電極５８３を陽極に、検出電極５８０を陰極に設定して除去用電圧を印加することにより検出電極５８０に吸着した酸素を脱離させて除去するようにしてもよい。
【０１３７】
・第３の実施形態では補助電極６８３及び第２の検出電極６８１を陰極に第１の検出電極６８０を陽極に設定して除去用電圧を印加した後、その極性を反転して除去用電圧を印加するようにしたが、最初に補助電極６８３及び第２の検出電極６８１を陽極に第１の検出電極６８０を陰極に設定して除去用電圧を印加した後、その極性を反転して除去用電圧を印加するようにしてもよい。
【０１３８】
・第４の実施形態において、第１の検出電極６８０及び補助電極６８３を陰極に第２の検出電極６８１を陽極に設定して除去用電圧を印加する印加態様と、第１の検出電極６８０及び補助電極６８３を陽極に第２の検出電極６８１を陰極に設定して除去用電圧を印加する印加態様とを周期的に切り替えるようにしてもよい。
【０１３９】
・第５の実施形態において、検出電極７８０及び基準電極７８１を陽極に補助電極７８３を陰極に設定して除去用電圧を印加する印加態様と、その極性を反転して検出電極７８０及び基準電極７８１を陰極に補助電極７８３を陽極に設定して除去用電圧を印加する印加態様とを周期的に切り替えるようにしてもよい。
【０１４０】
・第６の実施形態では除去用電圧を上記各電極５８０，５８３間に印加する際にその極性を周期的に反転させるようにしたが、こうした極性の反転を行わないようにしてもよい。
【０１４１】
・第６の実施形態では検出電極５８０と補助電極５８３との間にのみ除去用電圧を印加するようにしたが、これに加え、基準電極５８１を補助電極５８３と同極に設定し同基準電極５８１と検出電極５８０との間にも除去用電圧を印加するようにしてもよい。
【０１４２】
・上記第１〜５の実施形態では、補助電極５８３，６８３，７８３と他の電極（５８０，５８１，６８０，６８１，７８０，７８１）との間に印加される除去用電圧の大きさと、各検出電極５８０，７８０（或いは第１の検出電極６８０）及び基準電極５８１，７８１（或いは第２の検出電極６８１）間に印加される除去用電圧の大きさとを等しく設定するようにしたが、これら除去用電圧の大きさを異なるように設定することもできる。
【０１４３】
・第１、２、５の実施形態において補助電極５８３，７８３を基準電極５８１，７８３の周囲に、第３及び第４の実施形態において補助電極６８３を第２の検出電極６８１の周囲に設けるようにしてもよい。
【０１４４】
・第６の実施形態では検出電極５８０及び補助電極５８３を櫛歯状に形成してこれら各電極５８０，５８３を噛み合わせるようにしたが、同補助電極５８３と基準電極５８１とを櫛歯状に形成してこれら各電極５８１，５８３を噛み合わせる構成を採用することもできる。
【０１４５】
・第１、２、６の実施形態ではＮＯｘ 濃度検出装置、第３及び第４の実施形態では限界電流式の空燃比検出装置、また、第５の実施形態では濃淡電池式の空燃比検出装置についてそれぞれ説明したが、これら各実施形態や上記各変更例において示した構成はこうしたＮＯｘ 濃度検出装置、限界電流式の空燃比検出装置、濃淡電池式の空燃比検出装置のいずれにも適用することができる。
【０１４６】
以上の各実施形態から把握できる技術的思想についてその効果とともに記載する。
・請求項１乃至１４のいずれかに記載した酸素濃度検出装置において、前記第３の電極と前記第１の電極との間の間隔を前記第１の電極と前記第２の電極との間の間隔よりも狭く設定したことを特徴とする酸素濃度検出装置。
【０１４７】
上記構成によれば、第１の電極の周縁近傍に形成される電界の強度を更に増大させることができ、第１の電極の吸着物質をより確実に除去することができるようになる。
【０１４８】
【発明の効果】
請求項１乃至１４に記載した発明によれば、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極力低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。その結果、素子の変質や強度低下を抑制しつつ第１の電極に吸着した吸着物質を短時間で除去することができ、酸素濃度検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる。
【０１４９】
特に請求項２又は６に記載した発明によれば、第１の電極の周縁部分に十分な量の酸素イオンを供給することができるため、同周縁部分に吸着した未燃成分をその供給される酸素イオンによって確実に燃焼させて除去することができるようになる。
【０１５０】
また、請求項３又は７に記載した発明によれば、第１の電極の周縁部分から十分な量の酸素イオンを脱離させて第２の電極へ移動させることができるため、同周縁部分に吸着した酸素を確実に脱離させ除去することができるようになる。
【０１５１】
更に、請求項４又は８に記載した発明によれば、第１の電極の周縁部分に吸着した未燃成分及び酸素の双方を除去することができ、これら吸着物質が第１の電極に吸着することに起因した検出特性の変化を確実に抑制することができるようになる。
【０１５２】
加えて、請求項９に記載した発明によれば、吸着物質の除去を第１の電極全体に亘って確実に行うことができ、これら吸着物質が第１の電極に吸着することに起因した検出特性の変化をより確実に抑制することができるようになる。
【０１５３】
更に、請求項１０乃至１２に記載した発明によれば、第１の電極及び第３の電極の噛み合う部分を極めて近接した状態にすることができるため、除去用電圧を極めて低く設定した場合であっても両電極の間には十分な強さの電界が形成されるようになる。従って、第１の電極に酸素イオンを供給し同電極に吸着している未燃成分を燃焼させて同電極から除去する場合であれ、或いは第１の電極に吸着している酸素を脱離させて同電極から除去する場合であれ、除去用電圧を極めて低く抑えつつ確実な吸着物質の除去を行うことができるようになる。その結果、素子の変質や強度低下を抑制しつつ第１の電極に吸着した吸着物質を短時間で除去することができ、酸素濃度検出装置における所期の検出特性を長期間安定して維持することができるようになる。
【０１５４】
特に、請求項１１に記載した発明によれば、第１の電極及び第３の電極に吸着した未燃成分及び酸素の双方を確実に除去することができ、酸素濃度検出装置の検出特性を長期間より安定して維持することができるようになる。
【０１５５】
加えて、請求項１２に記載した発明によれば、燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する際には第３の電極を第１の電極と同様、酸素濃度検出用の電極として利用することができるようになるため、第３の電極を素子上に配設することによる同素子の大型化、ひいては検出装置全体の大型化を抑制することができるようになる。
【０１５６】
更に、請求項１３に記載した発明によれば、同じ向きの除去用電圧が素子に連続して印加される時間を極力短く設定して吸着物質の除去を行うことができるため、素子の変質や強度低下を更に確実に抑制することができるようになる。
【０１５７】
また、請求項１４に記載した発明によれば、燃焼ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を検出する酸素濃度検出装置において上記作用効果を奏することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態におけるＮＯｘ 濃度検出装置のセンサ本体を示す断面図。
【図２】同センサ本体の取付状態を示す概略構成図。
【図３】図１の３−３線に沿った断面図。
【図４】図１の４−４線に沿った断面図。
【図５】除去用電圧の印加態様を示す断面図。
【図６】第２の実施形態における除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【図７】第３の実施形態における空燃比検出装置のセンサ本体を示す斜視図。
【図８】図７の８−８線に沿った断面図。
【図９】第３の実施形態における除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【図１０】同じく除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【図１１】第５の実施形態における空燃比検出装置のセンサ本体を示す斜視図。
【図１２】同センサ本体の縦断面構造を示す断面図。
【図１３】検出電極及び補助電極を平面上に展開して示す展開図。
【図１４】第６の実施形態における空燃比検出装置のセンサ本体を示す斜視図。
【図１５】検出電圧の印加態様を示す回路図。
【図１６】除去用電圧の印加態様を示す回路図。
【符号の説明】
１０…エンジン、２０…排気管、３０…ＥＣＵ、５００，６００，７００…センサ本体、５１０，６１０，７１０…ヒータ部、５１１…第１の基板層、５１２…第２の基板層、５１３，６１３…発熱体、５１４…絶縁層、５５０，６５０，７５０…検出部、５５１…第１のスペーサ層、５５１ａ…切欠部、５５２…第１の固体電解質層、５５３…第２のスペーサ層、５５３ａ…第１の矩形孔、５５３ｂ…第２の矩形孔、５５３ｃ…第１の連通部、５５３ｄ…第２の連通部、５５４…第２の固体電解質層、５６０…基準ガス導入空間、５６１…第１室、５６２…第２室、５６３…第１の拡散律速孔、５６４…第２の拡散律速孔、５７０…内側ポンプ電極、５７１…外側ポンプ電極、５７２…主ポンプセル、５８０，７８０…検出電極、５８１，７８１…基準電極、５８２…測定用ポンプセル、５８３，６８３，７８３…補助電極、５９０…酸素分圧検出セル、６１１…第１の基板層、６１２…第２の基板層、６１４…絶縁層、６５１…スペーサ層、６５２…固体電解質層、６６０…大気導入空間、６８０…第１の検出電極、６８１…第２の検出電極、６８２…限界電流値測定用セル、６８４…第２の補助電極、６９０…拡散律速層、６９１…保護層、７８２…起電力測定用セル。
Claims (14)
- 酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて前記素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記各電極間に除去用電圧を印加し前記素子を介して前記各電極間で酸素イオンを移動させることにより前記各電極の少なくとも一方に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを備えた酸素濃度検出装置において、
前記第１の電極の周縁部分に近接するように同第１の電極と隣接して第３の電極を前記素子上に配設するとともに、
前記除去手段は前記第１の電極と前記第２の電極との間に除去用電圧を印加するときに前記第３の電極を前記第１の電極と同極にして前記第２の電極と前記第３の電極との間にも除去用電圧を印加するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は前記除去用電圧を印加する際に前記第１の電極及び前記第３の電極を陽極に前記第２の電極を陰極にそれぞれ設定するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は前記除去用電圧を印加する際に前記第１の電極及び前記第３の電極を陰極に前記第２の電極を陽極にそれぞれ設定するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は、前記第１の電極及び前記第３の電極を陽極に前記第２の電極を陰極にそれぞれ設定して前記除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、前記第１の電極及び前記第３の電極を陰極に前記第２の電極を陽極にそれぞれ設定して前記除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて前記素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、前記各電極間に除去用電圧を印加し前記素子を介して前記各電極間で酸素イオンを移動させることにより前記各電極の少なくとも一方に吸着した吸着物質を除去する除去手段とを備えた酸素濃度検出装置において、
前記第１の電極の周縁部分に近接するように同第１の電極と隣接して第３の電極を前記素子上に配設するとともに、
前記除去手段は前記第１の電極と前記第２の電極との間に除去用電圧を印加するときに前記第３の電極を前記第２の電極と同極にして前記第１の電極と前記第３の電極との間にも除去用電圧を印加するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項５に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は前記除去用電圧を印加する際に前記第１の電極を陽極に前記第２の電極及び前記第３の電極を陰極にそれぞれ設定するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項５に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は前記除去用電圧を印加する際に前記第１の電極を陰極に前記第２の電極及び前記第３の電極を陽極にそれぞれ設定するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項５に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は、前記第１の電極を陽極に前記第２の電極及び前記第３の電極を陰極にそれぞれ設定して前記除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、前記第１の電極を陰極に前記第２の電極及び前記第３の電極を陽極にそれぞれ設定して前記除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１乃至８のいずれかに記載した酸素濃度検出装置において、
前記第３の電極は前記第１の電極の周縁部分を略全周に亘り囲むようにして前記素子上に配設されるものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 酸素イオン伝導性固体電解質よりなる素子を挟んで対向するように当該素子上に配設された第１の電極及び第２の電極と、当該各電極から出力される検出信号に基づいて前記素子が配置される燃焼ガス雰囲気中の酸素の濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備えた酸素濃度検出装置において、
前記第１の電極を櫛歯状に形成するとともに、
前記第１の電極と噛み合うようにして前記素子上に配設された櫛歯状をなす第３の電極と、
前記第１の電極と前記第３の電極との間に除去用電圧を印加し前記素子を介して前記各電極間で酸素イオンを移動させることにより前記第１の電極に吸着した吸着物質を除去する除去手段と
を更に備える
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１０に記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は、前記第１の電極を陽極に前記第３の電極を陰極にそれぞれ設定して当該各電極間に除去用電圧を印加する第１の電圧印加態様と、前記第１の電極を陰極に前記第３の電極を陽極にそれぞれ設定して当該各電極間に除去用電圧を印加する第２の電圧印加態様とを選択的に切り替えるものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１１に記載した酸素濃度検出装置において、
前記第３の電極は前記第１の電極及び前記第２の電極からの検出信号に基づいて前記燃焼ガス雰囲気中の酸素濃度が検出される際に前記第１の電極と電気的に接続されるものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項４、８、１１のいずれかに記載した酸素濃度検出装置において、
前記除去手段は前記第１の電圧印加態様と前記第２の電圧印加態様とを交互に連続して切り替えるものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。 - 請求項１乃至１３のいずれかに記載した酸素濃度検出装置において、
前記第１の電極は前記燃焼ガス中に含まれる窒素酸化物の還元触媒として機能する還元触媒材料により形成されるものであり、
前記酸素濃度検出手段は前記第１の電極の還元作用に基づき前記窒素酸化物から分解される酸素が同第１の電極から前記素子を介して前記第２の電極に移動するときに前記各電極間に流れる電流値に基づいて前記燃焼ガス中の窒素酸化物の濃度を検出するものである
ことを特徴とする酸素濃度検出装置。
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