JP4663535B2 - センサ素子劣化判定装置およびセンサ素子劣化判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサ素子の劣化状態を判定するセンサ素子劣化判定装置およびセンサ素子劣化判定方法に関する。

従来より、第１測定室、第１酸素イオンポンプセル、第２測定室、第２酸素イオンポンプセル、基準酸素室、酸素分圧検知セルを備えるガスセンサ素子が知られている。
そして、このようなガスセンサ素子の状態を判定する装置としては、ガスセンサ素子を構成する各種セルに流れる電流値や、セルから出力される電圧値、セルのインピーダンスなどを測定し、これらの測定結果が許容範囲内にあるか否かに基づいて、ガスセンサ素子の故障状態を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。
特開平１１−０１４５８９号公報 国際公開第０３／０８３４６５号パンフレット

しかし、上記従来の装置においては、ガスセンサ素子の各種状態のうち、断線やショート等の致命的な故障状態を判定することはできるが、セルの感度が悪くなる等のガスセンサ素子の劣化状態までは判定できないという問題点があった。

つまり、致命的な故障状態に到ったガスセンサ素子においては、各種セルの電流値、電圧値、インピーダンス等の値が、正常状態のガスセンサ素子とは明らかに異なる範囲の数値を示す。このことから、上記従来の装置を用いることで、ガスセンサ素子の故障状態を判定することは可能である。

これに対して、劣化状態のガスセンサ素子においては、各種セルの電流値、電圧値、インピーダンス等の値が、正常状態のガスセンサ素子と略同様の範囲に含まれる数値を示すことから、上記の各値に基づいて正常状態と劣化状態とを区別することは難しく、上記従来の装置では、ガスセンサ素子の劣化状態を判定することは困難であった。

なお、劣化状態のガスセンサ素子は、正常状態のガスセンサ素子と比べてガス検知特性が変化するため、正常状態のガスセンサ素子と同様のガス検知結果を得ることができず、ガス検知精度が低下する虞がある。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、各種セルを備えるガスセンサ素子における劣化状態を判定できるセンサ素子劣化判定装置およびセンサ素子劣化判定方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、第１拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される第１測定室と、第１測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた測定対象ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２測定室と、基準酸素分圧雰囲気に設定された基準酸素室と、酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、一対の電極の一方が第１測定室に配置されるとともに一対の電極の他方が第１測定室の外かつ第２測定室の外かつ基準酸素室の外に配置されて、第１測定室に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素イオンポンプセルと、酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、一対の電極のうち一方が第２測定室に配置されるとともに一対の電極の他方が基準酸素室に配置されて、第２測定室における特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２酸素イオンポンプセルと、酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、一対の電極の一方が第１測定室に配置され、他方の電極が基準酸素室に配置された酸素分圧検知セルと、を備えるガスセンサ素子の劣化状態を判定するセンサ素子劣化判定装置であって、第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧を、特定ガスよりも解離しがたい成分を解離可能な高解離電圧値に設定する第２セル高解離電圧設定手段と、第２酸素イオンポンプセルに流れる第２ポンプ電流のうち、第２セル高解離電圧値の印加時に流れる高解離時電流値を検出する第２セル高解離時電流検出手段と、ガスセンサ素子の劣化状態を判定するために定められた劣化判定用閾値と高解離時電流値とを比較し、高解離時電流値が劣化判定用閾値以上であるときにはガスセンサ素子を正常状態と判定し、高解離時電流値が劣化判定用閾値よりも小さいときにはガスセンサ素子を劣化状態と判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とするセンサ素子劣化判定装置である。

また、上記目的を達成するためになされた請求項３に記載の発明方法は、第１拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される第１測定室と、第１測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた測定対象ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２測定室と、基準酸素分圧雰囲気に設定された基準酸素室と、酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、一対の電極の一方が第１測定室に配置されるとともに一対の電極の他方が第１測定室の外かつ第２測定室の外かつ基準酸素室の外に配置されて、第１測定室に導入された測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素イオンポンプセルと、酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、一対の電極のうち一方が第２測定室に配置されるとともに一対の電極の他方が基準酸素室に配置されて、第２測定室における特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２酸素イオンポンプセルと、酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、一対の電極の一方が第１測定室に配置され、他方の電極が基準酸素室に配置された酸素分圧検知セルと、を備えるガスセンサ素子の劣化状態を判定するセンサ素子劣化判定方法であって、第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧を、特定ガスよりも解離しがたい成分を解離可能な高解離電圧値に設定する第２セル高解離電圧設定工程と、第２酸素イオンポンプセルに流れる第２ポンプ電流のうち、第２セル高解離電圧値の印加時に流れる高解離時電流値を検出する第２セル高解離時電流検出工程と、ガスセンサ素子の劣化状態を判定するために定められた劣化判定用閾値と高解離時電流値とを比較し、高解離時電流値が劣化判定用閾値以上であるときにはガスセンサ素子を正常状態と判定し、高解離時電流値が劣化判定用閾値よりも小さいときにはガスセンサ素子を劣化状態と判定する劣化判定工程と、を有すること特徴とするセンサ素子劣化判定方法である。

つまり、第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧が高解離電圧値に設定されると、第２酸素イオンポンプセルが劣化状態ではなく正常状態であれば、第２酸素イオンポンプセルは、特定ガス（例えば、ＮＯｘなど）のみならず、特定ガスよりも解離しがたい成分も解離することができる。つまり、このときの第２酸素イオンポンプセルに流れる第２ポンプ電流の電流値（高解離時電流値）は、特定ガスの解離量に加えて、特定ガスよりも解離しがたい成分の解離量が加えられた値を示す。

しかし、第２酸素イオンポンプセルの劣化が進行すると、第２酸素イオンポンプセルにおけるガスの解離能力が低下してしまい、第２測定室に解離対象となるガス（特定ガスなど）が存在している場合であっても、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値が低減する。つまり、第２酸素イオンポンプセルの劣化が進行した場合には、高解離電圧値を印加したとしても、そのときの第２酸素イオンポンプセルに流れる高解離時電流値は、第２測定室における解離対象ガス（特定ガスおよび特定ガスよりも解離しがたい成分など）の量に応じた電流値よりも小さい電流値を示すことになる。

このため、第２セル高解離時電流検出手段にて検出される高解離時電流値と、劣化状態を判定するために定められた劣化判定用閾値とを比較することで、第２酸素イオンポンプセルの状態が「許容できない程度の劣化状態（特定ガスの検出が不可能な状態）」であるか否かを判定することができる。

そして、本発明では、劣化判定手段または劣化判定工程において、劣化判定用閾値と前記高解離時電流値とを比較し、高解離時電流値が劣化判定用閾値以上であるときにはガスセンサ素子を正常状態と判定し、高解離時電流値が劣化判定用閾値よりも小さいときにはガスセンサ素子を劣化状態と判定する。

よって、本発明のセンサ素子劣化判定装置およびセンサ素子劣化判定方法によれば、第２酸素イオンポンプセルが劣化状態であることを判定できることから、各種セルを備えるガスセンサ素子の劣化状態を判定することが出来る。

なお、高解離時電流値の検出タイミングは、第２測定室の酸素濃度が低濃度（特定ガス濃度よりも低い濃度）である時に設定することが望ましい。
つまり、第２測定室の酸素濃度が高い場合には、酸素の解離による影響を受けて第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値が大きくなることから、特定ガスを解離できない程度にまで劣化した第２酸素イオンポンプセルにおいても、電流値が大きくなり、劣化判定に悪影響を及ぼす虞がある。

これに対して、第２測定室の酸素濃度が低い場合には、酸素の解離による影響を受けがたくなり、正常状態の第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値は、特定ガスおよび特定ガスよりも解離しがたい成分の解離量に応じた電流値を示し、劣化状態の第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値は、劣化状態に応じた小さい値を示す。

このことから、第２測定室の酸素濃度が低濃度（特定ガス濃度よりも低い濃度）である条件下で、第２酸素イオンポンプセルへ高解離電圧値を印加して高解離時電流値を検出し、高解離時電流値に基づいてガスセンサ素子の劣化判定を行うことで、劣化判定精度を向上させることができる。

ところで、高解離時電流値に基づいてガスセンサ素子の劣化状態を精度良く判定するには、第２酸素イオンポンプセルに対して解離対象ガスが解離可能な電圧を印加する必要がある。

そこで、上述のセンサ素子劣化判定装置においては、特定ガスをＮＯｘとすると共に、高解離電圧値を、第２酸素イオンポンプセルにおいてＨ ₂ Ｏ が解離できる電圧値とすることができる。

つまり、Ｈ ₂ Ｏ は大気中にも含まれており、第２測定室におけるＨ ₂ Ｏ の濃度は、ＮＯｘ濃度に比べて高い。このため、Ｈ ₂ Ｏ の解離が可能な高解離電圧値を印加した場合には、第２酸素イオンポンプセルが正常状態であれば、高解離時電流値として少なくともＨ ₂ Ｏ の濃度に応じた電流が流れる。

また、第２酸素イオンポンプセルが劣化状態であれば、解離対象となる成分（Ｈ ₂ Ｏ ）が十分に存在するにも関わらず、劣化の影響により第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値（高解離時電流値）が小さくなる。

よって、本発明によれば、第２酸素イオンポンプセルが正常状態である場合と劣化状態である場合とで、高解離時電流値が確実に異なる値となることから、第２酸素イオンポンプセルの劣化状態を精度良く判定することができ、ガスセンサ素子の劣化判定精度を向上出来る。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用されたガスセンサ制御装置１９０を備えるガス検出装置１の概略構成を示す構成図である。

ガス検出装置１は、ガスセンサ制御装置１９０と、ＮＯｘガスセンサ素子１０と、を備えており、自動車の内燃機関やボイラ等の各種燃焼機器の排気ガス中の特定ガス（本実施形態では、ＮＯｘ）を検出する用途などに用いられる。

ガスセンサ制御装置１９０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、信号入出力部等を備えるマイクロコンピュータを主要部として構成されている。そして、ガスセンサ制御装置１９０は、ＮＯｘガスセンサ素子１０を駆動制御する処理やＮＯｘガスセンサ素子１０による検出信号に基づき排気ガス中の特定ガスを検出する処理や、ＮＯｘガスセンサ素子１０の劣化状態を判定するセンサ診断処理（On Board Diagnosis処理（ＯＢＤ処理））などを実行する。

なお、図１では、ＮＯｘガスセンサ素子１０については、内部構造を示す断面図として記載している。以下の説明では、図１に示すＮＯｘガスセンサ素子１０のうち左側を先端側として、右側を後端側として説明する。また、図１では、ＮＯｘガスセンサ素子１０のうち先端側部分における内部構成を示しており、後端部分は図示を省略している。

まず、ＮＯｘガスセンサ素子１０について説明する。
ＮＯｘガスセンサ素子１０は、第１ポンプセル１１１，酸素分圧検知セル１１２，第２ポンプセル１１３を、アルミナを主体とする絶縁層１１４，１１５を介して積層した構造を有する。また、ＮＯｘガスセンサ素子１０においては、第２ポンプセル１１３側に、ヒータ部１８０が積層されている。

このうち、第１ポンプセル１１１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第１固体電解質層１３１と、第１固体電解質層１３１を挟み込むように配置された第１ポンプ用第１電極１３５と第１ポンプ用第２電極１３７とからなる第１多孔質電極１２１とを備えて形成されている。なお、第１ポンプ用第１電極１３５および第１ポンプ用第２電極１３７は、白金、白金合金、白金とセラミックス（例えば、固体電解質体）を含むサーメットなどで形成されており、それぞれの表面には、多孔質体からなる保護層１２２が形成されている。

酸素分圧検知セル１１２は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる検知用固体電解質層１５１と、検知用固体電解質層１５１を挟み込むように配置された検知用電極１５５と基準用電極１５７とからなる検知用多孔質電極１２３とを備えて形成されている。なお、検知用電極１５５および基準用電極１５７は、白金、白金合金、白金とセラミックス（例えば、固体電解質体）を含むサーメットなどで形成されている。

第２ポンプセル１１３は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第２固体電解質層１４１と、第２固体電解質層１４１の表面のうち絶縁層１１５に面する表面に配置された第２ポンプ用第１電極１４５および第２ポンプ用第２電極１４７からなる第２多孔質電極１２５とを備えて形成されている。

なお、第２ポンプ用第１電極１４５、第２ポンプ用第２電極１４７は、白金、白金合金、白金とセラミックス（例えば、固体電解質体）を含むサーメットなどで形成されている。

そして、ＮＯｘガスセンサ素子１０の内部には、測定対象ガスが導入される第１測定室１５９が形成されている。第１測定室１５９には、第１ポンプセル１１１と酸素分圧検知セル１１２との間に配置された第１拡散抵抗体１１６を介して、外部から測定対象ガスが導入される。

第１拡散抵抗体１１６は、多孔質体で構成されており、ＮＯｘガスセンサ素子１０のうち先端側開口部から第１測定室１５９に至る測定対象ガスの導入経路１４に配置されて、第１測定室１５９への単位時間あたりの測定対象ガスの導入量（通過量）を制限している。

なお、導入経路１４は、第１ポンプセル１１１および酸素分圧検知セル１１２に包囲される空間のうち、第１測定室１５９よりも先端側（図における左側）の領域である。また、第１ポンプセル１１１の第１ポンプ用第１電極１３５（詳細には、保護層１２２で覆われた第１ポンプ用第１電極１３５）、および酸素分圧検知セル１１２の検知用電極１５５は、第１測定室１５９に面するように配置されている。

また、第１測定室１５９の後端側（図における右側）には、多孔質体からなる第２拡散抵抗体１１７が備えられており、第２ポンプ用第１電極１４５と第２拡散抵抗体１１７との間には、第２測定室１６１が形成されている。なお、第２測定室１６１は、酸素分圧検知セル１１２を積層方向に貫通する状態で形成される。

さらに、ＮＯｘガスセンサ素子１０の内部のうち、酸素分圧検知セル１１２の検知用固体電解質層１５１と第２ポンプセル１１３の第２固体電解質層１４１との間には、第２測定室１６１の他に基準酸素室１１８が形成されている。なお、第２測定室１６１、基準酸素室１１８は、この順に後端側から先端側にかけて第２ポンプセル１１３に沿って形成されている。また、基準酸素室１１８は、所定の酸素分圧雰囲気（濃度検知の基準となる酸素分圧雰囲気）に設定される。

そして、酸素分圧検知セル１１２の基準用電極１５７と、第２ポンプセル１１３の第２ポンプ用第２電極１４７とが、基準酸素室１１８に面するように配置されている。
ヒータ部１８０は、例えばアルミナ等の絶縁性セラミックスからなるシート状の絶縁層１７１，１７３を積層することにより構成されている。そして、このヒータ部１８０は、各絶縁層１７１，１７３の間に、Ｐｔを主体とするヒータ１７５を備えている。

このように構成されたＮＯｘガスセンサ素子１０は、第１ポンプセル１１１により第１測定室１５９の内部に存在する酸素のポンピング（汲み出し、汲み入れ）が可能であり、酸素分圧検知セル１１２により、酸素濃度（酸素分圧）を一定に制御された基準酸素室１１８と第１測定室１５９との酸素濃度差（酸素分圧差）、つまり第１測定室１５９の内部の酸素濃度（酸素分圧）を測定可能である。

なお、このＮＯｘガスセンサ素子１０は、別途備えられるガスセンサ制御装置１９０により駆動されるものであり、ガスセンサ制御装置１９０がヒータ１７５への印加電圧（ヒータ印加電圧Ｖｈ）を制御（換言すれば、ヒータ１７５を駆動制御）することにより、各セル（第１ポンプセル１１１、第２ポンプセル１１３、酸素分圧検知セル１１２）を活性化温度まで加熱する。

そして、ガスセンサ制御装置１９０は、ヒータ１７５を駆動制御してＮＯｘガスセンサ素子１０を活性化温度（例えば７５０℃）まで加熱し、この状態で、酸素分圧検知セル１１２の両端電圧Ｖｓが予め設定された一定電圧（例えば４２５ｍＶ）となるように、第１ポンプセル１１１に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御する。

また、ガスセンサ制御装置１９０は、第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御すると共に、第２ポンプセル１１３に対して、予め定められた第２ポンプ電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加する。これにより、第２測定室１６１では、第２ポンプセル１１３を構成する第２多孔質電極１２５の触媒作用によって、ＮＯｘが解離（還元）され、その解離により得られた酸素イオンが第２ポンプ用第１電極１４５と第２ポンプ用第２電極１４７との間の第２固体電解質層１４１を移動することにより第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。つまり、第２ポンプセル１１３は、第２測定室１６１に存在する特定ガス成分（ＮＯｘ（窒素酸化物））を解離させて、第２測定室１６１から基準酸素室１１８に酸素を汲み出す。

なお、第２測定室１６１の第２ポンプ用第１電極１４５で解離された酸素イオン（Ｏ^2-）は、第２固体電解質層１４１を介して第２ポンプ用第２電極１４７に移動し、第２ポンプ用第２電極１４７において酸素（Ｏ₂ ）として基準酸素室１１８に放出される。

つまり、ガスセンサ制御装置１９０は、ＮＯｘガスセンサ素子１０に接続された状態で、第１ポンプセル１１１のポンピング動作により第１測定室１５９の酸素濃度（酸素分圧）を調整し、第２測定室１６１の酸素濃度（酸素分圧）をＮＯｘ検知が可能なＮＯｘ検知用濃度に設定して、第２ポンプ電流Ｉｐ２の大きさや積分値などに基づいてＮＯｘを検出する処理を行う。

次に、ガスセンサ制御装置１９０で実行されるセンサ診断処理（On Board Diagnosis処理（ＯＢＤ処理））の処理内容について説明する。図２に、センサ診断処理の処理内容を表すフローチャートを示す。

センサ診断処理が開始されると、まず、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）では、酸素分圧検知セル１１２の両端電圧Ｖｓが予め定められた一定電圧（例えば、４２５ｍＶ）となるように、第１ポンプセル１１１に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御し、このときの酸素分圧検知セル１１２の両端電圧Ｖｓを検出する処理を実行する。

次のＳ１２０では、Ｓ１１０で検出した酸素分圧検知セル１１２の両端電圧Ｖｓが濃度判定基準値（本実施形態では、４２５ｍＶ）以上であるか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１３０に移行し、否定判定する場合にはＳ１１０に移行して、同ステップ（Ｓ１１０，Ｓ１２０）を繰り返し実行することで待機する。

なお、濃度判定基準値は、第１測定室１５９の酸素濃度が低濃度（ＮＯｘ濃度よりも低い濃度）であるか否かの判定が可能な数値範囲に設定されている。本実施形態では、濃度判定基準値は「酸素濃度が３０ｐｐｍとなる時の電圧値」に設定されている。

つまり、Ｓ１２０では、第１測定室１５９に導入された測定対象ガスの酸素濃度（酸素分圧）が低濃度に設定されたか否かを判断しており、酸素分圧検知セル１１２の両端電圧Ｖｓが濃度判定基準値以上となる場合には肯定判定し、酸素分圧検知セル１１２の両端電圧Ｖｓが濃度判定基準値よりも小さい場合には否定判定する。

このようにして、測定対象ガスは、第１測定室１５９において酸素濃度が低濃度に設定された後、第２測定室１６１に導入される。
Ｓ１２０で肯定判定されてＳ１３０に移行すると、Ｓ１３０では、第２ポンプセル１１３に印加する第２ポンプ電圧Ｖｐ２の電圧値を、ＮＯｘの解離が可能なＮＯｘ解離用電圧値（例えば、４５０［ｍＶ］）から、ＮＯｘよりも解離しがたい成分を解離可能な高解離電圧値に設定する処理を実行する。

なお、本実施形態では、高解離電圧値として、ＮＯｘよりも解離しがたいＨ₂Ｏ を解離可能な電圧値（例えば、７５０［ｍＶ］）を設定している。
これにより、第２測定室１６１では、第２ポンプセル１１３を構成する第２多孔質電極１２５の触媒作用によって、ＮＯｘが解離（還元）されるとともに、Ｈ₂Ｏ が解離（還元）される。そして、ＮＯｘおよびＨ₂Ｏ の解離により得られた酸素イオンが、第２ポンプ用第１電極１４５と第２ポンプ用第２電極１４７との間の第２固体電解質層１４１を移動することにより第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。

ここで、第２ポンプセル１１３への印加電圧（第２ポンプ電圧Ｖｐ２）と第２ポンプセル１１３に流れる電流値（第２ポンプ電流Ｉｐ２）との相関関係を表す説明図を、図３に示す。

なお、図３では、第２ポンプセル１１３が正常状態（劣化していない状態）であり、第２測定室１６１に酸素（Ｏ₂ ）、ＮＯｘ、Ｈ₂Ｏ が存在するときの相関関係を実線で示し、第２ポンプセル１１３が劣化状態であり、第２測定室１６１に酸素（Ｏ₂ ）、ＮＯｘ、Ｈ₂Ｏ が存在するときの相関関係を点線で示している。また、図３では、縦軸を第２ポンプ電流Ｉｐ２とし、横軸を第２ポンプ電圧Ｖｐ２とする座標平面において、相関関係を表す波形を示している。

図３に示すように、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が２００［ｍＶ］である場合には、解離される成分が酸素（Ｏ₂ ）のみであるため、第２ポンプ電流Ｉｐ２が小さい値となるのに対して、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が４５０［ｍＶ］である場合には、解離される成分が酸素（Ｏ₂ ）およびＮＯｘとなることから、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が２００［ｍＶ］である場合に比べて、第２ポンプ電流Ｉｐ２が増大している。さらに、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が７５０［ｍＶ］である場合には、解離される成分として、酸素（Ｏ₂ ）およびＮＯｘに加えて、Ｈ₂Ｏ が含まれるため、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が４５０［ｍＶ］である場合に比べて、第２ポンプ電流Ｉｐ２がさらに増大することが判る。

このことから、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が大きくなるほど、第２ポンプセル１１３で解離可能な成分が増えて、第２ポンプ電流Ｉｐ２が大きくなることが判る。
また、第２ポンプセル１１３が正常状態であるときの第２ポンプ電流Ｉｐ２は、劣化状態であるときの第２ポンプ電流Ｉｐ２に比べて大きい値を示しており、第２ポンプセル１１３が正常状態であるか劣化状態であるかによって、第２ポンプ電流Ｉｐ２の大きさが変化することが判る。

ここで、第２ポンプセル１１３の劣化が進行すると、第２ポンプセル１１３におけるガスの解離能力が低下してしまい、第２測定室１６１に解離対象となるガス（ＮＯｘなど）が存在している場合であっても、第２ポンプセル１１３に流れる電流値が低減する。

つまり、第２ポンプセル１１３の劣化が進行した場合には、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が高解離電圧値に設定されたとしても、そのときの第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）は、第２測定室１６１における解離対象のガス（酸素（Ｏ₂ ）、ＮＯｘ、Ｈ₂Ｏ など）の量に応じた電流値よりも小さい電流値となる。

このため、第２ポンプ電圧Ｖｐ２が高解離電圧値に設定されたときの第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）を検出し、その高解離時電流値の大きさが、正常状態の第２ポンプセル１１３に対応する電流値であるのか、劣化状態の第２ポンプセル１１３に対応する電流値であるのかを判断することで、第２ポンプセル１１３の劣化状態を判定することができる。

図２のフローチャートに戻り、次のＳ１４０では、経過時間を計測するためのタイマ処理を開始する。
続くＳ１５０では、タイマ処理による時間計測の開始時点から安定化待機時間が経過したか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１６０に移行し、否定判定する場合には同ステップを繰り返し実行することで待機する。

なお、本実施形態では、安定化待機時間として、０．５［ｓｅｃ］が設定されている。
Ｓ１５０で肯定判定されてＳ１６０に移行すると、Ｓ１６０では、経過時間を計測するタイマ処理を停止する。

次のＳ１７０では、第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２を検出する処理を実行する。このときの第２ポンプセル１１３には、Ｓ１３０での処理によって高解離電圧値に設定された第２ポンプ電圧Ｖｐ２が印加されており、Ｓ１７０では、このときの第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値を高解離時電流値として検出する。

なお、このときの第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）は、第２測定室１６１に存在する解離対象ガス（酸素（Ｏ₂ ）、ＮＯｘ、Ｈ₂Ｏ など）の解離量に応じた電流値、あるいは、第２ポンプセル１１３の劣化状態に応じた電流値を示す。

次のＳ１８０では、Ｓ１７０で検出した第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）が予め定められた劣化判定用閾値以上であるか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１９０に移行し、否定判定する場合にはＳ２００に移行する。

つまり、Ｓ１８０では、第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）が劣化判定用閾値以上である場合には、第２ポンプセル１１３が正常状態であると判定し、第２ポンプ電流Ｉｐ２が劣化判定用閾値以上ではない場合には、第２ポンプセル１１３が劣化状態であると判定している。

そして、Ｓ１８０での判定に用いる劣化判定用閾値は、本実施形態では、０．４［μＡ］に設定されている。このため、Ｓ１８０で肯定判定される場合には、ＮＯｘガスセンサ素子１０が、第２ポンプセル１１３の解離能力として、少なくとも０．４［μＡ］以上の第２ポンプ電流Ｉｐ２を発生可能な解離能力を有していると判断できる。

なお、本実施形態のＮＯｘガスセンサ素子１０は、第２ポンプセル１１３が正常状態であり、第２測定室１６１に濃度３０ｐｐｍのＯ₂ を含むガスが導入され。第２ポンプ電圧Ｖｐ２がＮＯｘ解離用電圧値に設定されている場合において、濃度５０ｐｐｍのＮＯｘを検出する際に、第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値が０．４［μＡ］（ＮＯｘの解離電流：０．２５μＡ、Ｏ₂ の解離電流：０．１５μＡ）となるような特性を有している。

このことから、Ｓ１８０で肯定判定されるＮＯｘガスセンサ素子１０については、濃度５０ｐｐｍのＮＯｘを検出するための解離能力を有していると判断でき、ＮＯｘ検出が不可能な状態（劣化状態）ではなく、ＮＯｘ検出が可能な状態（正常状態）と判定することができる。

Ｓ１８０で肯定判定されてＳ１９０に移行すると、Ｓ１９０では、ＮＯｘガスセンサ素子１０が正常状態であると判定すると共に、第２ポンプセル１１３に印加する第２ポンプ電圧Ｖｐ２の電圧値を、ＮＯｘよりも解離しがたい成分を解離可能な高解離電圧値から、ＮＯｘの解離が可能なＮＯｘ解離用電圧値（例えば、４５０［ｍＶ］）に設定する処理を実行する。

これにより、第２ポンプセル１１３でのガス解離能力は、ＮＯｘが解離（還元）できるが、Ｈ₂Ｏ が解離（還元）できないレベルに設定されることになり、ＮＯｘガスセンサ素子１０がＮＯｘ検出可能な状態に設定される。

なお、ガスセンサ制御装置１９０は、センサ診断処理とは別の内部処理としてＮＯｘ検出処理を実行することで、ＮＯｘガスセンサ素子１０の第２ポンプ電流Ｉｐ２を検出し、検出した第２ポンプ電流Ｉｐ２に基づきＮＯｘ検出を行う。

Ｓ１８０で否定判定されてＳ２００に移行すると、Ｓ２００では、ＮＯｘガスセンサ素子１０が劣化状態であると判定すると共に、第２ポンプセル１１３が劣化状態であることを表す異常発生信号を、ガスセンサ制御装置１９０の出力端子（図示省略）から外部機器に対して出力する処理を行う。

そして、異常発生信号を受け取った外部機器は、ＮＯｘガスセンサ素子１０が劣化状態であることを使用者に通知するための処理を行う。具体的な処理としては、例えば、ＮＯｘガスセンサ素子１０が劣化状態であることを示す警告ランプを点灯する処理や、ＮＯｘガスセンサ素子１０が劣化状態であることを示す音声メッセージを出力する処理などを挙げることができる。

Ｓ１９０またはＳ２００が終了すると、本制御処理（センサ診断処理）は終了する。
以上説明したように、本実施形態のガス検出装置１に備えられるガスセンサ制御装置１９０は、Ｓ１３０での処理により、第２ポンプセル１１３へ印加する第２ポンプ電圧Ｖｐ２を高解離電圧値（ＮＯｘよりも解離しがたい成分を解離可能な電圧値）に設定した状態で、Ｓ１７０での処理により、第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）を検出する処理を実行する。

そして、ガスセンサ制御装置１９０は、Ｓ１８０において、劣化判定用閾値と高解離時電流値とを比較し、高解離時電流値が劣化判定用閾値以上であるときにはＮＯｘガスセンサ素子１０を正常状態と判定し、高解離時電流値が劣化判定用閾値よりも小さいときにはＮＯｘガスセンサ素子１０を劣化状態と判定する処理を実行する。

つまり、第２ポンプセル１１３への印加電圧が高解離電圧値に設定されると、第２ポンプセル１１３が劣化状態ではなく正常状態であれば、第２ポンプセル１１３は、ＮＯｘのみならず、Ｈ₂Ｏ も解離する。そして、このときの第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値（高解離時電流値）は、ＮＯｘの解離量に加えて、Ｈ₂Ｏ の解離量が加えられた値を示す。

しかし、第２ポンプセル１１３の劣化が進行すると、第２ポンプセル１１３におけるガスの解離能力が低下してしまい、解離対象となるガス（ＮＯｘ、Ｈ₂Ｏ など）が第２測定室１６１に存在している場合であっても、第２ポンプセル１１３に流れる電流値が低減する。つまり、第２ポンプセル１１３の劣化が進行した場合には、高解離電圧値を印加したとしても、そのときの第２ポンプセル１１３に流れる高解離時電流値は、第２測定室１６１における解離対象ガス（ＮＯｘ、Ｈ₂Ｏ など）の量に応じた電流値よりも小さい電流値を示すことになる。

このため、Ｓ１７０で検出される高解離時電流値（第２ポンプ電流Ｉｐ２の電流値）と、劣化状態を判定するために定められた劣化判定用閾値とを比較することで、第２ポンプセル１１３の状態が「許容できない程度の劣化状態（ＮＯｘ検出が不可能な状態）」であるか否かを判定できる。

そして、本実施形態では、Ｓ１８０での処理において、劣化判定用閾値と高解離時電流値とを比較し、高解離時電流値が劣化判定用閾値以上であるときにはガスセンサ素子を正常状態と判定し（Ｓ１９０）、高解離時電流値が劣化判定用閾値よりも小さいときにはガスセンサ素子を劣化状態と判定する（Ｓ２００）。

よって、本実施形態のガスセンサ制御装置１９０によれば、第２ポンプセル１１３が劣化状態であることを判定できることから、各種セルを備えるＮＯｘガスセンサ素子１０の劣化状態を判定することが出来る。

また、本実施形態のガスセンサ制御装置１９０では、高解離時電流値の検出タイミングが、第２測定室１６１の酸素濃度が低濃度（ＮＯｘ濃度よりも低い濃度）である時に設定されている。これにより、第２測定室１６１の酸素濃度が大気中の酸素濃度と同濃度である時に劣化判定する場合に比べて、ガスセンサ制御装置１９０は、ＮＯｘガスセンサ素子１０の劣化判定精度を向上できる。

つまり、第２測定室１６１の酸素濃度が高い場合には、酸素（Ｏ₂ ）の解離による影響を受けて第２ポンプセル１１３に流れる電流値が大きくなることから、ＮＯｘを解離できない程度にまで劣化した第２ポンプセル１１３においても、電流値が大きくなり、劣化判定に悪影響を及ぼす虞がある。

これに対して、第２測定室１６１の酸素濃度が低い場合には、酸素（Ｏ₂ ）の解離による影響を受けがたくなり、正常状態の第２ポンプセル１１３に流れる電流値は、ＮＯｘおよびＨ₂Ｏ の解離量に応じた電流値を示し、劣化状態の第２ポンプセル１１３に流れる電流値は、劣化状態に応じた小さい値を示す。

このことから、本実施形態のガスセンサ制御装置１９０は、第２測定室１６１の酸素濃度が低濃度（ＮＯｘ濃度よりも低い濃度）である条件下で（Ｓ１２０で肯定判定）、第２ポンプセル１１３へ高解離電圧値を印加した状態で（Ｓ１３０）、高解離時電流値を検出し（Ｓ１７０）、高解離時電流値に基づいてガスセンサ素子の劣化判定を行う（Ｓ１８０）ことから、劣化判定精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、Ｓ１３０において第２ポンプセル１１３に印加する高解離電圧値が、第２ポンプセル１１３においてＨ ₂ Ｏ が解離できる電圧値に設定されている。これにより、本実施形態のガスセンサ制御装置１９０は、第２ポンプセル１１３の劣化状態を精度良く判定することができ、ＮＯｘガスセンサ素子１０の劣化判定精度を向上出来る。

つまり、Ｈ ₂ Ｏ は大気中にも含まれており、第２測定室１６１におけるＨ ₂ Ｏ の濃度は、ＮＯｘ濃度に比べて高い。このため、Ｈ ₂ Ｏ の解離が可能な高解離電圧値を印加した場合には、第２ポンプセル１１３が正常状態であれば、高解離時電流値として少なくともＨ ₂ Ｏ の濃度に応じた電流が流れる。

また、第２ポンプセル１１３が劣化状態であれば、解離対象となる成分（Ｈ ₂ Ｏ ）が十分に存在するにも関わらず、劣化の影響により第２ポンプセル１１３に流れる電流値（高解離時電流値）が小さくなる。

よって、本実施形態によれば、第２ポンプセル１１３が正常状態である場合と劣化状態である場合とで、高解離時電流値が確実に異なる値となることから、第２ポンプセル１１３の劣化状態を精度良く判定することができ、ＮＯｘガスセンサ素子１０の劣化判定精度を向上出来る。

なお、本実施形態においては、ガスセンサ制御装置１９０が特許請求の範囲に記載のセンサ素子劣化判定装置に相当し、第１拡散抵抗体１１６が第１拡散抵抗部に相当し、第２拡散抵抗体１１７が第２拡散抵抗部に相当し、第１ポンプセル１１１が第１酸素イオンポンプセルに相当し、第２ポンプセル１１３が第２酸素イオンポンプセルに相当している。

また、Ｓ１３０の処理を行うガスセンサ制御装置１９０が第２セル高解離電圧設定手段に相当し、Ｓ１７０の処理を行うガスセンサ制御装置１９０が第２セル高解離時電流検出手段に相当し、Ｓ１８０の処理を行うガスセンサ制御装置１９０が劣化判定手段に相当している。

さらに、ガスセンサ制御装置１９０によるＮＯｘガスセンサ素子１０の劣化判定方法が、特許請求の範囲に記載のセンサ素子劣化判定方法に相当しており、Ｓ１３０の処理を行う工程が第２セル高解離電圧設定工程に相当し、Ｓ１７０の処理を行う工程が第２セル高解離時電流検出工程に相当し、Ｓ１８０の処理を行う工程が劣化判定工程に相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されることなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。

例えば、Ｓ１２０での濃度判定基準値は、上記の電圧値に限られることはなく、他の電圧値（酸素濃度が５００ｐｐｍとなるときの電圧値、酸素濃度が１０００ｐｐｍとなるときの電圧値、酸素濃度が１００００ｐｐｍとなるときの電圧値など）に設定しても良い。

また、Ｓ１５０での安定化待機時間は、上記実施形態では０．５［ｓｅｃ］に設定されているが、この数値に限定されることはなく、Ｓ１３０での処理によって第２ポンプ電圧Ｖｐ２が高解離電圧値に設定された後、第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２が安定するのに要する時間が経過した後に、Ｓ１７０にて高解離時電流値を検出できるように、安定化待機時間を設定すればよい。

あるいは、Ｓ１３０での処理によって第２ポンプ電圧Ｖｐ２が高解離電圧値に設定された後、即座に、第２ポンプセル１１３に流れる第２ポンプ電流Ｉｐ２が安定する用途においては、待機時間を計測する処理（Ｓ１４０，Ｓ１５０、Ｓ１６０）を省略しても良い。

また、Ｓ１８０での劣化判定用閾値については、上述した値（０．４０［μＡ］）に限られることはなく、検出許容誤差範囲を考慮して、上述の値（０．４０［μＡ］）に許容係数（例えば、２／３）を乗じた値（０．４０×２／３）を劣化判定用閾値として設定しても良い。

ガスセンサ制御装置を備えるガス検出装置の概略構成を示す構成図である。 センサ診断処理の処理内容を表すフローチャートである。 第２ポンプセルへの印加電圧（第２ポンプ電圧Ｖｐ２）と第２ポンプセルに流れる電流値（第２ポンプ電流Ｉｐ２）との相関関係を表す説明図である。

符号の説明

１…ガス検出装置、１０…ＮＯｘガスセンサ素子、１１１…第１ポンプセル、１１２…酸素分圧検知セル、１１３…第２ポンプセル、１１６…第１拡散抵抗体、１１７…第２拡散抵抗体、１１８…基準酸素室、１５９…第１測定室、１６１…第２測定室、１９０…ガスセンサ制御装置。

Claims (3)

1. 第１拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される第１測定室と、
   前記第１測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２測定室と、
   基準酸素分圧雰囲気に設定された基準酸素室と、
   酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極の一方が前記第１測定室に配置されるとともに前記一対の電極の他方が前記第１測定室の外かつ前記第２測定室の外かつ前記基準酸素室の外に配置されて、前記第１測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素イオンポンプセルと、
   酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極のうち一方が前記第２測定室に配置されるとともに前記一対の電極の他方が前記基準酸素室に配置されて、前記第２測定室における特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２酸素イオンポンプセルと、
   酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極の一方が前記第１測定室に配置され、他方の電極が前記基準酸素室に配置された酸素分圧検知セルと、
   を備えるガスセンサ素子の劣化状態を判定するセンサ素子劣化判定装置であって、
   前記第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧を、前記特定ガスよりも解離しがたい成分を解離可能な高解離電圧値に設定する第２セル高解離電圧設定手段と、
   前記第２酸素イオンポンプセルに流れる第２ポンプ電流のうち、前記第２セル高解離電圧値の印加時に流れる高解離時電流値を検出する第２セル高解離時電流検出手段と、
   前記ガスセンサ素子の劣化状態を判定するために定められた劣化判定用閾値と前記高解離時電流値とを比較し、前記高解離時電流値が前記劣化判定用閾値以上であるときには前記ガスセンサ素子を正常状態と判定し、前記高解離時電流値が前記劣化判定用閾値よりも小さいときには前記ガスセンサ素子を劣化状態と判定する劣化判定手段と、
   を備えることを特徴とするセンサ素子劣化判定装置。
2. 前記特定ガスは、ＮＯｘであり、
   前記高解離電圧値は、前記第２酸素イオンポンプセルにおいてＨ ₂ Ｏ が解離できる電圧値であること、
   を特徴とする請求項１に記載のセンサ素子劣化判定装置。
3. 第１拡散抵抗部を介して測定対象ガスが導入される第１測定室と、
   前記第１測定室において酸素の汲み出しまたは汲み入れが行われた前記測定対象ガスが第２拡散抵抗部を介して導入される第２測定室と、
   基準酸素分圧雰囲気に設定された基準酸素室と、
   酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極の一方が前記第１測定室に配置されるとともに前記一対の電極の他方が前記第１測定室の外かつ前記第２測定室の外かつ前記基準酸素室の外に配置されて、前記第１測定室に導入された前記測定対象ガスに対する酸素の汲み出しまたは汲み入れを行う第１酸素イオンポンプセルと、
   酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極のうち一方が前記第２測定室に配置されるとともに前記一対の電極の他方が前記基準酸素室に配置されて、前記第２測定室における特定ガス濃度に応じた電流が流れる第２酸素イオンポンプセルと、
   酸素イオン導電体および該酸素イオン導電体上に形成された一対の電極を有し、前記一対の電極の一方が前記第１測定室に配置され、他方の電極が前記基準酸素室に配置された酸素分圧検知セルと、
   を備えるガスセンサ素子の劣化状態を判定するセンサ素子劣化判定方法であって、
   前記第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧を、前記特定ガスよりも解離しがたい成分を解離可能な高解離電圧値に設定する第２セル高解離電圧設定工程と、
   前記第２酸素イオンポンプセルに流れる第２ポンプ電流のうち、前記第２セル高解離電圧値の印加時に流れる高解離時電流値を検出する第２セル高解離時電流検出工程と、
   前記ガスセンサ素子の劣化状態を判定するために定められた劣化判定用閾値と前記高解離時電流値とを比較し、前記高解離時電流値が前記劣化判定用閾値以上であるときには前記ガスセンサ素子を正常状態と判定し、前記高解離時電流値が前記劣化判定用閾値よりも小さいときには前記ガスセンサ素子を劣化状態と判定する劣化判定工程と、
   を有すること特徴とするセンサ素子劣化判定方法。