JP6560152B2 - ガスセンサ素子の劣化判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象ガス中に含まれる特定ガスを検出するためのガスセンサ素子の劣化を判定するガスセンサ素子の劣化判定装置に関する。

従来、測定対象ガス（例えば排気ガス等）に含まれる特定ガス（例えばＮＯｘ等）を検出するために、ガスセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。
例えば、特許文献１には、特定ガスとして窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出するガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）と、これを制御して測定対象ガス中のＮＯｘ濃度を算出するガスセンサ制御装置とを備えたガスセンサ（ＮＯｘセンサ）が開示されている。

前記ＮＯｘセンサは、第１測定室と第２測定室とを備えるとともに、それぞれの測定室に応じて、第１ポンプセルと第２ポンプセルとが設けられている。
このＮＯｘセンサでは、第１測定室に測定対象ガスが導入され、第１ポンプセルによって、第１測定室内のガスが、所定の酸素濃度に制御される。また、第２ポンプセルに所定の電圧を印加することによって、第２測定室内のガス中の酸素分子及び構造内に酸素元素を含む酸素含有ガス（ＮＯｘ）が解離される。これにより、第２測定室内ガス中の酸素分子及びＮＯｘの濃度に応じた濃度電流が流れるので、この濃度電流の大きさから、ＮＯｘの濃度を検知することができる。

ところで、近年では、このようなＮＯｘセンサに用いられるＮＯｘセンサ素子は、使用等により劣化すると、応答性が遅くなることが分かってきている。
つまり、ＮＯｘセンサは、近年の車両のＮＯｘ規制に対応するために、良好な応答性が要求されているが、ＮＯセンサ素子の劣化によって、ＮＯｘセンサの応答性が遅くなると、要求される応答性を満足できなくなるおそれがある。

そのため、このような応答性が遅くなったＮＯｘセンサ素子の劣化状態を、（ＮＯｘセンサを車両に取り付けた状態にて）適切に判定できることが求められている。
この対策として、例えば特許文献２には、第２ポンプセルとして、第１ポンプセル通過後の第２測定室内の残留酸素濃度を検出するモニタセルと、この第２測定室内のガスからＮＯｘ濃度を検出するセンサセルとを設けたＮＯｘセンサ素子について、その劣化を検出する方法が提案されている。

この劣化検出の方法とは、第１センサセルへの印加電圧を変更して第１測定室における酸素のポンピング状態（従って酸素濃度）を変更し、その際の第２測定室におけるモニタセル及びセンサセルの出力変化に基づいてＮＯｘセンサ素子の劣化を検出するものである。

特開２００９−１６８７９８号公報 特開２０１５−５９９２６号公報

しかしながら、上述した従来技術では、第１ポンプセルのポンピング状態を変更してＮＯｘセンサ素子の劣化を検出するので、劣化検出の精度が十分ではないという問題があった。

詳しくは、第１測定室における（酸素のポンピング前の）酸素の濃度は例えば１００００ｐｐｍ程度であり、その濃度の酸素をポンピングするために、第１ポンプセルに印加される電圧によって流れる電流（ポンピング電流）は、例えばｍＡオーダーの大きな電流である。それに対して、第２測定室におけるＮＯｘの濃度は例えば９０ｐｐｍ程度であり、よって、センサセルに流れる電流はμＡオーダーの微小な電流である。

つまり、第１ポンプセルとセンサセルとでは、扱う電流のレンジ（電流値の範囲）が大きく異なるので、第１ポンプセルの動作を制御しても、センサセルの微小な出力の変化に基づいて、ＮＯｘセンサ素子の劣化を精度良く検出することは容易ではない。

本発明は、そのような課題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサ素子の劣化を精度良く検出できるガスセンサ素子の劣化判定装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の第１局面のガスセンサ素子の劣化判定装置は、測定室と主ポンプセルと補助ポンプセルとセンサセルとを備えている。
測定室には、開口部より測定対象ガスが導入される。

主ポンプセルは、酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有しており、一対の第１電極の一方の第１内側電極が測定室に露出している。そして、一対の第１電極への通電により測定室に対する酸素の汲み出し又は汲み入れが行われる。

補助ポンプセルは、主ポンプセルより測定対象ガスの流路の下流側に配置されている。また、酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有しており、一対の第２電極の一方の第２内側電極が前記測定室に露出している。そして、一対の第２電極への通電により測定室に対する酸素の汲み出しが可能である。

センサセルは、主ポンプセルより測定対象ガスの流路の下流側に配置されている。また、酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有しており、一対の第３電極の一方の第３内側電極が前記測定室に露出している。そして、一対の第３電極に流れる電流に基づいて、測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出する。

さらに、このガスセンサ素子の劣化判定装置は、ガスセンサ素子の劣化を検出する構成として、酸素量変更手段とセンサ出力検出手段と劣化判定手段とを備えている。
酸素量変更手段は、主ポンプセルによって酸素の汲み出し又は汲み入れの動作を行っている場合に、補助ポンプセルにて測定室から汲み出す酸素量を特定ガスの検出の際に汲み出す酸素量に対して変更する。例えば、汲み出す酸素量を低減する。

センサ出力検出手段は、酸素量変更手段によって汲み出す酸素量を変更した場合に、センサセルの出力を検出する。
劣化判定手段は、センサ出力検出手段によって検出したセンサセルの出力に基づいて、ガスセンサ素子の劣化の判定を行う。

このように、本第１局面では、主ポンプセルによって酸素の汲み出し又は汲み入れの動作を行っている場合に、補助ポンプセルにて測定室から汲み出す酸素量を特定ガスの検出の際に汲み出す酸素量に対して変更し、そのときに検出したセンサセルの出力に基づいて、ガスセンサ素子の劣化の判定を行うので、ガスセンサ素子の劣化を精度良く検出することができる。

特に、本第１局面では、従来のような大きな電流が流される主ポンプセルのポンピングの状態を変化させるのではなく、微小電流が流される補助ポンプセルの動作状態（例えば目標電圧）を変化させる。よって、補助ポンプセルに流れる微小電流（従って酸素の汲出量）とセンサセルに流れる微小電流（即ちセンサセルの出力）との関係から、センサセルの出力の変化を精度良く求めることができるので、そのセンサセルの出力の変化から、ガスセンサ素子の劣化を精度良く検出することができる。

ここで、ガスセンサ素子の劣化の検出の原理を説明する。
補助ポンプセルの動作状態（即ち酸素の汲出量）を変化させると、測定室の下流側の酸素濃度が変化する。詳しくは、補助ポンプセルの第２内側電流の近傍の雰囲気中の酸素濃度が変化する。従って、同様な下流側のセンサセルの第３内側電流の近傍の雰囲気中の酸素濃度も変化するので、その近傍の酸素分子及び酸素含有ガスの濃度も変化する。そのため、センサセルの出力（詳しくはセンサセルに流れる電流である濃度電流）も変化する。

一方、本発明者等の研究によれば、センサセルの濃度電流に生ずる変化の状態は、ガスセンサ素子の劣化の度合いによって異なることが分かっている。従って、この濃度電流の変化から、ガスセンサ素子の劣化を判定することができる。

なお、ここで、「特定ガスの検出」として、特定ガスの有無の検出や特定ガスの濃度の検出が挙げられる。
（２）本発明の第２局面では、酸素量変更手段は、測定室からの酸素の汲み出しを中止する、又は、測定室から汲み出す酸素量を特定ガスの検出の際に汲み出す酸素量に対して低減する。

本第２局面では、測定室からの酸素の汲み出しを中止する、又は、測定室から汲み出す酸素量を特定ガスの検出の際に汲み出す酸素量に対して低減するので、それによるセンサセルの出力の変化（過渡応答）から、ガスセンサ素子の劣化を判定することができる。

（３）本発明の第３局面では、劣化判定手段は、濃度電流検出手段により検出された濃度電流の変化と、予め求められた正常なガスセンサ素子における濃度電流の変化とを比較することにより、ガスセンサ素子の劣化の判定を行う。

本第３局面では、正常なガスセンサ素子の過渡応答と劣化したガスセンサ素子の過渡応答とを比べ、その違いに基づいて、ガスセンサ素子の劣化を判定することができる。
なお、ここで「正常なガスセンサ素子」とは、劣化しているガスセンサ素子に対して、優れた性能（例えば応答性）を有するガスセンサ素子（実際の使用可能範囲の性能を有するガスセンサ素子）であり、例えば劣化していないガスセンサ素子を用いることが好ましい。

（４）本発明の第４局面では、劣化判定手段は、濃度電流が第１電流値から（第１電流値と異なる）第２電流値に達するまでの時間に基づいて、ガスセンサ素子の劣化の判定を行う。

非劣化品と劣化品とでは、濃度電流の過渡応答である第１電流値から第２電流値に達するまでの時間が異なるので、その時間に基づいて、ガスセンサ素子の劣化の判定することができる。

（５）本発明の第５局面では、測定室は、測定対象ガスの流路に沿って上流側に配置された第１測定室と、流路の下流側に配置された第２測定室と、第１測定室と第２測定室との間に配置されて測定対象ガスの流れを抑制する抑制部とを備え、第１測定室に第１内側電極を備えるとともに、第２測定室に第２内側電極及び第３内側電極を備えている。

このような構成のガスセンサ素子により、好適に特定ガスを検出することができるとともに、ガスセンサ素子の劣化を判定することができる。

本発明のガスセンサ素子の劣化検出装置によれば、ガスセンサ素子の劣化を精度良く検出することができるという効果がある。

ＮＯｘセンサが用いられるエンジンシステムを示す説明図である。 ガスセンサ素子の先端側を長手方向に沿って厚み方向に破断し、且つ、電気的構成を付加して示す説明図である。 補助ポンプによる酸素の汲出量を低減した場合のセンサセルの出力（濃度電流）の変化を示すグラフである。 ガスセンサ制御装置にて実施される劣化判定等の処理を示すフローチャートである。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
なお、以下に示す実施形態では、ガスセンサの一種であるＮＯｘセンサを例に挙げる。具体的には、自動車や各種内燃機関における排気管に装着されるガスセンサであって、測定対象となる排気ガス中の特定ガス（窒素酸化物：ＮＯｘ）を検出するガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）が組み付けられて構成されるＮＯｘセンサを例に挙げて説明する。

［１．実施形態］
［１−１．ＮＯｘセンサシステム］
まず、ＮＯｘセンサを制御するシステム構成（ＮＯｘセンサシステム）について、図１に基づいて説明する。

図１に示す様に、本実施形態におけるＮＯｘセンサシステム１は、内燃機関（エンジン）３を備える車両（図示せず）に搭載されており、ガスセンサ制御装置５によって、ＮＯｘセンサ７の動作を制御することにより、エンジン３の排気ガス（測定対象ガス）中のＮＯｘ濃度を検知するものである。

このうち、ＮＯｘセンサ７は、ＮＯｘセンサ素子９（図２参照）及びこれを保持する主体金具１１等から構成されている。
なお、前記ガスセンサ制御装置５は、後に詳述するように、ＮＯｘセンサ素子９の劣化の判定を行う劣化判定装置としての機能を有する。

［１−２．ＮＯｘセンサ素子］
次に、ＮＯｘセンサ素子９の構成について、図２に基づいて説明する。
なお、図２において、左右方向である長手方向（Ｙ軸方向）がＮＯｘセンサ７の軸線方向に沿う形態となる。また、図２のＸ軸方向は、長手方向に垂直な積層方向（平面視の方向）である。また、図２の左方向がＮＯｘセンサ素子９の先端側（即ちＮＯｘセンサ７の先端側）であり、右方向がＮＯｘセンサ素子９の後端側である。

＜ＮＯｘセンサ素子の先端側の構成＞
図２に示す様に、ＮＯｘセンサ素子９は、長手方向（Ｙ軸方向）に延びる長尺で、直方体形状の板材である。

このＮＯｘセンサ素子９は、長手方向の先端側に、測定対象ガス（即ち排気ガス）に含まれる特定ガス（即ちＮＯｘ）の濃度を検出する検知部１３を備える。また、ＮＯｘセンサ素子９の先端には、測定対象ガスを検知部１３の内部の測定室１５（詳しくは上流側の第１測定室１５ａ）に導入する開口部１７が設けられている。

このＮＯｘセンサ素子９は、複数のセラミック層が積層された積層体である。
詳しくは、ＮＯｘセンサ素子９は、図２の上方より、第１絶縁層２１、第２絶縁層２３、第１固体電解質層２５、第３絶縁層２７、第２固体電解質層２９、第４絶縁層３１、第５絶縁層３３、第６絶縁層３５が積層された構造を有する。

このうち、第１固体電解質層２５と第２固体電解質層２９との間には、長手方向に延びる開口部分である測定室１５を有する第３絶縁層２７が配置されている。この測定室１５の先端側領域である第１測定室１５ａは、多孔質の拡散抵抗体３７が充填された開口部１７を介して外部に繋がっている。そして、この拡散抵抗体３７を介して、外部から測定対象ガス（Ｇ）である外気（ここでは排気ガス）が、ＮＯｘセンサ素子９の内部に導入される。

前記測定室１５内では、同図の矢印方向に沿って測定対象ガスが流れる流路が形成されている。つまり、測定室１５は、流路の上流側に設けられた第１測定室１５ａと、第１測定室１５ａの下流側に設けられた第２測定室１５ｂとを備えており、第１測定室１５ａと第２測定室１５ｂとの間には、第１測定室１５ａと第２測定室１５ｂとを連通するとともに、ガスの流れを一部抑制する抑制部１５ｃが設けられている。

なお、この抑制部１５ｃとしては、前記拡散抵抗体３７と同様な多孔質体を配置して、ガス拡散を制限するようにしてもよい。或いは、抑制部１５ｃを省略して、単一の測定室１５とし、その測定室１５の上流側を第１測定室１５ａとし、下流側を第２測定室１５ｂとしてもよい。

また、第１絶縁層２１と第１固体電解質層２５との間には、第２絶縁層２３の開口部分２３ａに、後端側より大気が導入される第１基準酸素室４１が設けられている。なお、この第１基準酸素室４１は、平面視で、ＮＯｘセンサ素子９の後端側から第２測定室１５ｂの先端側の位置にまで設けられている。

同様に、第２固体電解質層２９と第５絶縁層３３との間には、第４絶縁層３１の開口部分３１ａに、後端側より大気が導入される第２基準酸素室４３が設けられている。なお、この第２基準酸素室４３は、平面視で、ＮＯｘセンサ素子９の後端側から第１測定室１５ａの先端側の位置にまで設けられている。

そして、後に詳述するように、第２固体電解質層２９とその厚み方向（積層方向）の両側に形成された第１内側電極４５及び第１外側電極４７とによって、主ポンプセル４９が形成されている。

また、第１固体電解質層２５とその厚み方向の両側に形成された第２内側電極５１及び第２外側電極５３とによって、補助ポンプセル５５が形成されている。
同様に、第１固体電解質層２５とその厚み方向の両側に形成された第３内側電極５７及び第３外側電極５９とによって、センサセル６１が形成されている。なお、第２外側電極５３と第３外側電極５９とは共通の電極であり、補助ポンプセル５５とセンサセル６１とは第１固体電解質層２５を共有して各セルを形成する。

ここで、補助ポンプセル５５とセンサセル６１とは、それぞれの第２内側電極５１と第３内側電極５７とが、同じ第２測定室１５ｂ内に配置されていればよい。例えば第２内側電極５１と第３内側電極５７とのどちらが上流側であってもよく、あるいは、並列に配置されて、第１測定室１５ａに対して同じ位置（即ち同じ距離）にあってもよい。

また、第５絶縁層３３と第６絶縁層３５との間には、タングステン等の導体によって形成された発熱抵抗体６３を備えたヒータ６５が配置されている。
ヒータ６５は、外部から供給された電力によって発熱抵抗体６３が発熱することで、ＮＯｘセンサ素子９（特に、検知部１３）を所定の活性温度に昇温し、固体電解質体の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。

なお、前記第１、第２固体電解質層２５、２９は、それぞれ、酸素イオン伝導性を有する固体電解質である例えばジルコニアを主成分に用いて形成された部材（固体電解質体）である。また、第１〜第６絶縁層２１、２３、２７、３１、３３、３５は、電気絶縁材料である例えばアルミナを主成分に用いて形成されており、気体等の流体の透過（流通）を防止できる程度に密に形成されている。拡散抵抗体３７は、アルミナ等の多孔質物質を用いて形成され、気体の流通が可能になっている。

ここで、主成分とは「セラミック層中の主材料の含有量が５０ｗｔ％以上であること」を指し、例えば、第１、第２固体電解質層２５、２９は、ジルコニアが５０ｗｔ％以上含有されている。

＜各セルの構成＞
次に、各セル４９、５５、６１の構成等を、図２に基づいて詳細に説明する。
上述したように、主ポンプセル４９は、固体電解質体からなる第２固体電解質層２９と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第１内側電極４５及び第１外側電極４７とを備えている。

このうち、第１内側電極４５は、第１測定室１５ａに面しており、第１外側電極４７は、第２基準酸素室４３に面している。なお、第１内側電極４５と第１外側電極４７とは、平面視で、同じ形状であり、第１測定室１５ａとほぼ同様な平面形状である。

また、上述したように、補助ポンプセル５５は、前記第１固体電解質層２５と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第２内側電極５１及び第２外側電極５３とを備えている。

このうち、第２内側電極５１は、第２測定室１５ｂに面しており、第２外側電極５３は、第１基準酸素室４１に面している。
さらに、上述したように、センサセル６１は、前記第１固体電解質層２５と、これを挟持するように配置された一対の矩形状の電極、即ち第３内側電極５７及び第３外側電極５９とを備えている。

このうち、第３内側電極５７は、第２内側電極５１と同様に、第２測定室１５ｂに面しており、第３外側電極５９は、第１基準酸素室４１に面している。
また、上述した各電極４５、４７、５１、５３（５９）、５７は、電極反応を良好に維持するために、気体を内部に流通可能な程度の多孔質状に形成されている。すなわち、測定対象ガスの気体（酸素やＮＯｘ等の気相）と電極（触媒相）と固体電解質（酸素イオン伝導相）とが接する三相界面を良好に形成する程度の多孔質状に形成されている。

また、各電極４５、４７、５１、５３（５９）、５７のうち、センサセル６１の第３内側電極５７は、他の電極４５、４７、５１、５３（５９）、よりも高い触媒活性の材料（ＮＯｘの分解活性の高い材料）が使用されている。

詳しくは、第３内側電極５７としては、白金及びロジウムを主成分とする材料が使用されており、第１内側電極４５、第１外側電極４７、第２内側電極５１、第２外側電極５３としては、白金及び金を主成分とする材料が用いられている。

なお、上述したガスセンサ素子は、周知の方法によって製造することができる。
［１−３．ガスセンサ制御装置］
次に、ガスセンサ制御装置５の構成及びその動作等について、前記図２に基づいて説明する。

ガスセンサ制御装置５は、周知のマイクロコンピュータ７１を備えた電子制御装置である。このガスセンサ制御装置５では、ＮＯｘ濃度を検出する際やＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定する際には、主ポンプセル４９と補助ポンプセル５５とセンサセル６１とを作動させる。

＜ＮＯｘ濃度の検出＞
まず、ＮＯｘ濃度を検出する場合の動作について説明する。
ＮＯｘ濃度を検出する場合には、マイクロコンピュータ７１によって、第１測定室１５ａ内の酸素濃度を目標とする酸素濃度に調整するために、主ポンプセル４９の第１内側電極４５と第１外側電極４７との間に印加する主ポンプセル電圧Ｖｐを制御する。つまり、第１測定室１５ａ中の酸素の第２基準酸素室４３への汲み出し又は第２基準酸素室４３中の酸素の第１測定室１５ａへの汲み入れを行って、第１測定室１５ａ内の酸素濃度を目標とする酸素濃度に調整する。

なお、その際には、第１内側電極４５と第１外側電極４７との間に流れる主ポンプセル電流Ｉｐを検出する。
また、第２測定室１５ｂ内の酸素濃度を所定の低濃度（例えば０．０１ｐｐｍ）とするために、補助ポンプセル５５の第２内側電極５１と第２外側電極５３との間に印加する補助ポンプセル電圧Ｖｈを制御する。つまり、第２測定室１５ｂ中の酸素の第１基準酸素室４１への汲み出し行って、第２測定室１５ｂ内の酸素濃度を所定の低濃度に調整する。

なお、その際には、第２内側電極５１と第２外側電極５３との間に流れる補助ポンプセル電流Ｉｈを検出する。
さらに、第２測定室１５ｂ内のＮＯｘ濃度を検出するために、センサセル６１の第３内側電極５７と第３外側電極５９との間に印加するセンサセル電圧Ｖｓを制御する。このとき、第３内側電極５７では、ＮＯｘの分解が行われて酸素が発生するので、センサセル６１では、第２測定室１５ｂ中の酸素（ＮＯｘの分解によって発生した酸素）の第１基準酸素室４１への汲み出し行う。そして、この際に、第３内側電極５７と第３外側電極５９との間に流れるセンサセル電流Ｉｓを検出する。

このセンサセル電流Ｉｓは、第２測定室１５ｂ内のＮＯｘ濃度に対応した濃度電流Ｉｓであるので、この濃度電流ＩｓからＮＯｘ濃度を求めることができる。
なお、第２測定室１５ｂ内には、補助ポンプセル５５にて汲み出し切れなかった残余の酸素があるが、その量は僅かであるので、実質的にＮＯｘ濃度の検出には支障はない。

＜ＮＯｘセンサ素子の劣化の検出＞
次に、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定する場合の動作について説明する。
ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定する場合には、上述したＮＯｘ濃度の検出の場合と同様にして主ポンプセル４９を作動させる。

一方、補助ポンプセル５５では、第２測定室１５ｂからの酸素の汲出量をＮＯｘ濃度を検出する場合よりも低減する。例えば酸素の汲み出しを中止する。具体的には、補助ポンプセル電圧Ｖｈ（目標電圧）を低減して、酸素を汲み出さない電圧に設定する。

そして、センサセル６１では、補助ポンプセル５５の酸素の汲み出しを中止してからの濃度電流Ｉｓを検出し、その濃度電流Ｉｓの変化からＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定する。

ここで、濃度電流Ｉｓの変化からＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定する方法について説明する。
図３に示すように、補助ポンプセル５５の酸素の汲み出しを所定のタイミング（例えば図３の時刻０秒）で中止した場合、劣化していないＮＯｘセンサ素子９（非劣化品）では、濃度電流Ｉｓが所定の第１電流値Ｉｓ１から（第１電流値Ｉｓ２より大きな）所定の第１電流値Ｉｓ２に到るまので応答時間Ｔｒ１は短い。

それに対して、劣化しているＮＯｘセンサ素子９（劣化品）では、濃度電流Ｉｓが第１電流値Ｉｓ１から第１電流値Ｉｓ２に到る応答時間Ｔｒ２は、非劣化品の応答時間Ｔｒ１より長い。

従って、この応答時間Ｔｒの違いから、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定すること（即ち劣化を検出すること）ができる。
例えば、応答時間Ｔｒが所定の判定値以上であった場合には、ＮＯｘセンサ素子９が劣化していると判定し、判定値未満の場合には、劣化していないと判定することができる。この判定値は、非劣化品と劣化品とを用いた実験等によって求めることができる。

なお、第１電流値Ｉｓ１としては、補助ポンプセル５５による酸素の汲み出しを中止した場合に、センサセルの濃度電流Ｉｓが変化を開始してから安定するまで電流値を１００％とすると、その電流値の１０％が挙げられる。同様に、第２電流値Ｉｓとしては、前記電流値の９０％が挙げられる。

ここで、ＮＯｘセンサ素子９の劣化の判定は、燃料の供給を行う場合と行わない場合とで実施することが可能である。
例えば、燃料の供給を行う場合に劣化を判定するときとしては、ＮＯｘ濃度が安定している運転状態の場合が挙げられる。例えばアクセル開度が一定のアイドリング時等に劣化を判定することができる。

一方、燃料の供給を行わない場合に劣化を判定するときには、測定対象ガスは排気ガスではなく大気になるので、濃度電流は第２測定室１５ｂ内の酸素濃度に対応したものとなる。この場合でも、補助ポンプセル５５の動作の変化に伴うセンサセル６１の過渡応答（即ち応答時間Ｔｒ）から、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定することができる。

［１−４．ガスセンサ制御装置による処理］
次に、ガスセンサ制御装置５による制御処理の内容について説明する。このガスセンサ制御装置では、ＮＯｘ濃度の検出とＮＯｘセンサ素子９の劣化判定とを行う。

図４に示すように、車両のエンジン３が始動されると、ステップ（Ｓ）１００では、ヒータ６５に電圧を印加して、ＮＯｘセンサ素子９を暖気する処理を行う。
次に、ステップ１１０では、ＮＯｘセンサ素子９がＮＯｘの検出を行う温度に達したか（即ち暖気が完了したか）否かを判定する。ここで肯定判断されるとステップ１２０に進み、一方否定判断されるとステップ１００に戻る。

ステップ１２０では、ＮＯｘ濃度を検出する処理を行う。
具体的には、上述したように、主ポンプセル４９により酸素のポンピングを行って、第１測定室１５ａ内の酸素濃度を所定値に低減するとともに、補助ポンプセル５５により、第２測定室１５ｂ内の酸素濃度を更に低濃度に調整する。そして、センサセル６１に流れる濃度電流Ｉｓに基づいて、ＮＯｘ濃度を検出する。

続くステップ１３０では、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定（検出）するタイミングか否かを判定し、ここで肯定判断されるとステップ１４０に進み、一方否定判断されるとステップ１２０に戻る。なお、ここでは、例えば燃料供給をカット（フューエルカット）するタイミングを、ＮＯｘセンサ素子９の劣化の判定のタイミングとする。

ステップ１４０では、補助ポンプセル５５によって、第２測定室１５ｂから酸素を汲み出す（ポンピングする）動作を低減する。即ち、補助ポンプセル５５に印加する補助ポンプセル電圧Ｖｈを、ＮＯｘ濃度の検出の際の補助ポンプセル電圧Ｖｈより小さくして、酸素の汲出量をＮＯｘ濃度の検出の際の酸素の汲出量より少なくする。例えば補助ポンプセル５５のポンピング動作を停止して、酸素の汲出量を０にする。

続くステップ１５０では、センサセル６１の濃度電流Ｉｐを測定する。
続くステップ１６０では、上述のように、濃度電流Ｉｐの変化から、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定する。詳しくは、濃度電流Ｉｐの変化を示す応答時間Ｔｒを求め、その応答時間Ｔｒが所定の判定値以上であった場合には、ＮＯｘセンサ素子９が劣化していると判定する。その後、ステップ１２０に戻る。

［１−５．効果］
本実施形態では、主ポンプセル４９によって酸素の汲み出し又は汲み入れの動作を行っている場合に、補助ポンプセル５５にて第２測定室１５ｂから汲み出す酸素量をＮＯｘ濃度の検出の際に汲み出す酸素量に対して低減し、そのときに検出したセンサセル６１の出力（濃度電流Ｉｓ）に基づいて、ＮＯｘセンサ素子９の劣化の判定を行うので、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を精度良く検出することができる。

特に、本実施形態では、従来のような大きな電流が流される主ポンプセル４９のポンピングの状態を変化させるのではなく、微小電流が流される補助ポンプセル５５の動作状態（例えば目標電圧）を変化させる。よって、補助ポンプセル５５に流れる微小電流（従って酸素の汲出量）とセンサセル６１に流れる微小電流（即ち濃度電流Ｉｓ）との関係から、センサセル６１の濃度電流Ｉｓの変化を精度良く求めることができるので、その濃度電流Ｉｓの変化から、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を精度良く検出することができる。

詳しくは、劣化のないＮＯｘセンサ素子（非劣化品）の過渡応答と劣化したＮＯｘセンサ素子（劣化品）９の過渡応答とを比べ、その違いに基づいて、ＮＯｘセンサ素子９の劣化を判定することができる。

つまり、非劣化品と劣化品とでは、濃度電流Ｉｓの過渡応答である第１電流値から第２電流値に達するまでの応答時間Ｔｒが異なるので、その応答時間Ｔｒ基づいて、ＮＯｘセンサ素子９の劣化の判定することができる。

［１−６．特許請求の範囲との対応関係］
ここで、特許請求の範囲と実施形態とにおける文言の対応関係について説明する。
実施形態の、開口部１７、測定室１５、主ポンプセル４９、補助ポンプセル５５、センサセル６１、ＮＯｘセンサ素子９、ガスセンサ制御装置５が、それぞれ、本発明の、開口部、測定室、主ポンプセル、補助ポンプセル、センサセル、ガスセンサ素子、劣化判定装置の一例に相当する。

また、実施形態の、第１内側電極４５及び第１外側電極４７、第２内側電極５１及び第２外側電極５３、第３内側電極５７及び第３外側電極５９が、それぞれ、本発明の、第１電極、第２電極、第３電極の一例に相当する。さらに、実施形態の、第１固体電解質層２５及び第２固体電解質層２９が、固体電解質体の一例に相当する。

［２．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（１）例えば、前記実施形態では、補助ポンプセルとして、第２測定室から酸素を汲み出す構成を採用したが、第２測定室に対して酸素の汲み出しと酸素汲み入れとが可能な補助ポンプセルを用いてもよい。

（２）また、前記実施形態では、第２測定室から汲み出す酸素量をＮＯｘ濃度の検出の際に汲み出す酸素量に対して低減し（例えば汲み出しを中止し）、その際のセンサセルの出力の変化（過渡応答）から、ＮＯｘセンサ素子の劣化を判定したが、それとは別に、第２測定室から汲み出す酸素量をＮＯｘ濃度の検出の際に汲み出す酸素量より増加させ、その際のセンサセルの出力の変化（過渡応答）から、ＮＯｘセンサ素子の劣化を判定してもよい。

（３）さらに、前記実施形態では、第１測定室と第２測定室との間に、ガスの流れを抑制する抑制部を有する測定室を用いたが、そのような抑制部の無い単一の測定室を用いてもよい。

（４）また、前記実施形態では、ＮＯｘセンサ素子の平面形状（平面視での形状）と同様な形状の固体電解質体の基板を用い、その固体電解質体の基板の厚さ方向の両側に電極を配置したが、それとは別に、絶縁基板に埋め込み式のセルを形成してもよい。

例えばアルミナ等の各絶縁基板の一部に開口部を設け、詳しくは主ポンプセル、補助ポンプセル、センサセルとなる部分（少なくとも１つのセル）に、板厚方向に貫通する開口部を設け、その開口部に固体電解質体を配置する。そして、この固体電解質体の両側に電極を配置する。

（５）さらに、前記実施形態では、ガスセンサとしてＮＯｘセンサを例に挙げたが、本発明は、例えばアンモニアセンサ等の他のガスセンサにも適用することができる。
（６）なお、上述した実施形態の構成要素を適宜組み合わせることも可能である。

５…ガスセンサ制御装置
７…ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）
９…ガスセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子）
１５、１５ａ、１５ｂ…測定室
１５ｃ…抑制部
１７…開口部
２５…第１固体電解質層
２９…第２固体電解質層
４５…第１内側電極、
４７…第１外側電極
４９…主ポンプセル
５１…第２内側電極
５３…第２外側電極
５５…補助ポンプセル
５７…第３内側電極
５９…第３外側電極
６１…センサセル
７１…マイクロコンピュータ

Claims (5)

1. 開口部より測定対象ガスが導入される測定室と、
   酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第１電極を有し、該一対の第１電極の一方の第１内側電極が前記測定室に露出し、前記一対の第１電極への通電により前記測定室に対する酸素の汲み出し又は汲み入れを行う主ポンプセルと、
   前記主ポンプセルより前記測定対象ガスの流路の下流側に配置され、酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第２電極を有し、該一対の第２電極の一方の第２内側電極が前記測定室に露出し、前記一対の第２電極への通電により前記測定室に対する酸素の汲み出しが可能な補助ポンプセルと、
   前記主ポンプセルより前記測定対象ガスの流路の下流側に配置され、酸素イオン導電性を有する固体電解質体、及び該固体電解質体上に形成された一対の第３電極を有し、該一対の第３電極の一方の第３内側電極が前記測定室に露出し、前記一対の第３電極に流れる濃度電流に基づいて、前記測定対象ガスに含まれる特定ガスを検出するセンサセルと、
   を備えたガスセンサ素子の劣化を判定するガスセンサ素子の劣化判定装置において、
   前記主ポンプセルによって前記酸素の汲み出し又は汲み入れの動作を行っている場合に、前記補助ポンプセルにて前記測定室から汲み出す酸素量を、前記特定ガスの検出の際に汲み出す酸素量に対して変更する酸素量変更手段と、
   前記酸素量変更手段によって前記汲み出す酸素量を変更した場合に、前記センサセルの前記濃度電流を検出する濃度電流検出手段と、
   前記濃度電流検出手段によって検出した前記濃度電流の変化に基づいて、前記ガスセンサ素子の劣化の判定を行う劣化判定手段と、
   を備えたことを特徴とするガスセンサ素子の劣化判定装置。
2. 前記酸素量変更手段は、前記測定室からの前記酸素の汲み出しを中止する、又は、前記測定室から汲み出す酸素量を前記特定ガスの検出の際に汲み出す酸素量に対して低減することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ素子の劣化判定装置。
3. 前記劣化判定手段は、前記濃度電流検出手段により検出された前記濃度電流の変化と、予め求められた正常な前記ガスセンサ素子における前記濃度電流の変化とを比較することにより、前記ガスセンサ素子の劣化の判定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ素子の劣化判定装置。
4. 前記劣化判定手段は、前記濃度電流が第１電流値から該第１電流値と異なる第２電流値に達するまでの時間に基づいて、前記ガスセンサ素子の劣化の判定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ素子の劣化判定装置。
5. 前記測定室は、前記測定対象ガスの流路に沿って上流側に配置された第１測定室と、前記流路の下流側に配置された第２測定室と、前記第１測定室と前記第２測定室との間に配置されて前記測定対象ガスの流れを抑制する抑制部とを備え、
   前記第１測定室に前記第１内側電極を備えるとともに、前記第２測定室に前記第２内側電極及び前記第３内側電極を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ素子の劣化判定装置。