JP7194555B2

JP7194555B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP7194555B2
Application number: JP2018194997A
Authority: JP
Inventors: 諒大西; 康英幸島
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2022-12-22
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: CN111060578A; US20220074885A1; JP2020063942A; US20200116665A1; DE102019007117A1

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車の排ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘや酸素などの所定のガス濃度を検出する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１参照）。近年、排ガス規制の強化によりこうしたガスセンサを早期に始動する必要性が高まっている。

特開２０１６－１０９６８５号公報

ガスセンサを早期に始動する場合、まずはガスセンサを作動温度まで昇温させる。しかし、配管内に凝縮水が存在していると、その凝縮水の影響により昇温中のガスセンサにクラックが発生することがある。この点に鑑み、ガスセンサの昇温は、配管内の凝縮水が存在しなくなるのを待って開始される。換言すれば、配管内の凝縮水が存在しなくなるまでガスセンサの昇温は開始されない。そのため、配管内に凝縮水が存在しているとガスセンサを早期に始動することができなかった。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、ガスセンサを早期に作動温度まで昇温させることを主目的とする。

本発明のガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
前記固体電解質層に内蔵された抵抗発熱体と、
前記固体電解質層の先端部に設けられたガス流通部と、
前記ガス流通部に導入された被測定ガス内の特定ガスを検出する特定ガス検出部と、
前記ガスセンサの始動前に、前記先端部の温度が予め設定された目標温度になるように前記抵抗発熱体へ供給する電力を設定し、該設定した電力を前記抵抗発熱体へ供給したときの前記先端部の昇温速度に基づいて、その電力を前記抵抗発熱体へ供給する昇温制御を継続するか否かを判定する制御部と、
を備えたものである。

このガスセンサでは、ガスセンサの始動前に、先端部の温度が予め設定された目標温度になるように抵抗発熱体へ供給する電力を設定し、設定した電力を抵抗発熱体へ供給したときの先端部の昇温速度に基づいて、その電力を抵抗発熱体へ供給する昇温制御を継続するか否かを判定する。ガスセンサの始動前に先端部の温度が目標温度になるように抵抗発熱体へ供給する電力を調整して供給する昇温制御では、ガスセンサの被水量が多いほどガスセンサにクラックが発生しやすく、ガスセンサの被水量が多いほど素子先端部の昇温速度が遅い。また、ガスセンサにクラックが発生する事象は抵抗発熱体へ供給する電力に依存する。そのため、設定した電力を抵抗発熱体に供給したときの先端部の昇温速度に基づいて昇温制御を継続するか否かを判定することで、ガスセンサにクラックが発生しないようにしながらガスセンサを早期に作動温度まで昇温させることができる。なお、固体電解質層の先端部は、固体電解質層の先端面だけではなく先端側の部分を含む。固体電解質層の先端部に設けられたガス流通部は、固体電解質層の先端面に入口（ガス導入口）を有していてもよいし、側面や上面、下面に入口を有していてもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記設定した電力を前記抵抗発熱体へ供給したときに前記先端部の昇温速度が前記ガスセンサにクラックが生じる被水量に対応した閾値を超えたか否かを判定し、肯定判定だったならば前記昇温制御を継続するようにしてもよい。設定した電力を抵抗発熱体へ供給したときに先端部の昇温速度が閾値を超える場合にはガスセンサにクラックが生じるおそれは少ない。そのため、判定結果が肯定判定だったならば、昇温制御を継続する。その結果、ガスセンサにクラックが発生しないようにしながらガスセンサを早期に作動温度まで昇温させることができる。

本発明のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記判定の結果が否定判定だったならば、前記設定した電力未満の範囲で前記抵抗発熱体へ電力を供給するようにしてもよい（例えば、先端部の温度が目標温度よりも低い所定の温度（所定の低温）になるように抵抗発熱体へ供給する電力を制御してもよい）。昇温制御では抵抗発熱体に供給する電力が比較的大きく設定されるため、ガスセンサの被水量が多い場合にはガスセンサにクラックが生じてしまうおそれがある。そこで、昇温制御で供給する電力未満の範囲で抵抗発熱体へ電力を供給する。これにより、昇温速度が閾値以下のときに抵抗発熱体への電力供給を停止してしまう場合に比べて、ガスセンサをより早期に作動温度まで昇温させることができる。

このとき、前記制御部は、前記設定した電力未満の範囲で前記抵抗発熱体へ電力を供給し始めたあと、所定のタイミングで、再び前記先端部の温度が前記目標温度になるように前記抵抗発熱体へ供給する電力を設定し、該設定した電力を前記抵抗発熱体へ供給したときの前記先端部の昇温速度に基づいて、その電力を前記抵抗発熱体へ供給する昇温制御を継続するか否かを判定するようにしてもよい。こうすれば、適時、昇温制御を再開することができるため、作動温度に到達するのに要する時間をより短くすることができる。なお、所定のタイミングは、例えば、所定時間経過後でもよいし、先端部の温度が所定の低温に達した後でもよい。

本発明のガスセンサは、前記固体電解質層のうち少なくとも前記特定ガス検出部の外部露出電極及び前記ガス流通部の入口を被覆する多孔質保護膜を備えていてもよい。こうすれば、多孔質保護膜の存在により比較的被水量が多くてもクラックが生じにくい。そのため、例えば上述した閾値を高めに設定することができる。

ガスセンサ１００の縦断面図。センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した斜視図。図２のＡ－Ａ断面図。制御装置９０の一例を示したブロック図。始動前温度制御の一例を示すフローチャート。予備実験におけるガスセンサ１００の最大水量の説明図。予備実験における時間ｔと温度Ｔｈとの関係を表すグラフ。他のセンサ素子２０１の断面図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の縦断面図、図２はセンサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した斜視図、図３は図２のＡ－Ａ断面図、図４は制御装置９０の一例を示したブロック図である。図１に示したようなガスセンサ１００の構造は公知であり、例えば特開２０１２－２１０６３７号公報に記載されている。

ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と、センサ素子１０１の長手方向の一端（図１の下端）を覆って保護する保護カバー１１０と、センサ素子１０１を封入固定する素子封止体１２０と、素子封止体１２０に取り付けられたナット１３０と、を備えている。このガスセンサ１００は、図示するように例えば車両の排ガス管などの配管１４０に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれる特定ガス（本実施形態ではＮＯｘ）の濃度を測定するために用いられる。センサ素子１０１は、センサ素子本体１０１ａと、センサ素子本体１０１ａを被覆する多孔質保護膜１０１ｂと、を備えている。なお、センサ素子本体１０１ａは、センサ素子１０１のうち多孔質保護膜１０１ｂ以外の部分を指す。

保護カバー１１０は、センサ素子１０１の一端を覆う有底筒状の内側保護カバー１１１と、この内側保護カバー１１１を覆う有底筒状の外側保護カバー１１２とを備えている。内側保護カバー１１１及び外側保護カバー１１２には、被測定ガスを保護カバー１１０内に流通させるための複数の孔が形成されている。センサ素子１０１の一端は、内側保護カバー１１１で囲まれた空間内に配置されている。

素子封止体１２０は、円筒状の主体金具１２２と、主体金具１２２の内側の貫通孔内に封入されたセラミックス製のサポーター１２４と、主体金具１２２の内側の貫通孔内に封入されタルクなどのセラミックス粉末を成形した圧粉体１２６と、を備えている。センサ素子１０１は素子封止体１２０の中心軸上に位置しており、素子封止体１２０を前後方向に貫通している。圧粉体１２６は主体金具１２２とセンサ素子１０１との間で圧縮されている。これにより、圧粉体１２６が主体金具１２２内の貫通孔を封止すると共にセンサ素子１０１を固定している。

ナット１３０は、主体金具１２２と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ナット１３０の雄ネジ部は、配管１４０に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた取付用部材１４１内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１の一端や保護カバー１１０の部分が配管１４０内に突出した状態で、配管１４０に固定できるようになっている。

センサ素子１０１は、図２及び図３に示すように長尺な直方体形状をしている。以下には、センサ素子１０１について詳説するが、説明の便宜上、センサ素子１０１の長手方向を前後方向、センサ素子１０１の厚み方向を上下方向、センサ素子１０１の幅方向を左右方向と称することとする。

図３に示すように、センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１０１の一先端部（前方向の端部）である素子先端部１０１ｃにおいて、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層４８は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内や第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。

ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるように可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、さらに、測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

測定電極４４は、多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第２内部空所４０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。さらに、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。

第４拡散律速部４５は、セラミックス多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護膜としても機能する。測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。

第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された制御電圧Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

また、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と基準電極４２を組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。

また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５と、を備えている。

ヒータコネクタ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極７１を外部電源７８（図４参照）と接続することによって、外部からヒータ部７０のヒータ７２へ給電することができるようになっている。

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通して外部電源７８（図４参照）から給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。制御装置９０は、ヒータ７２の抵抗を測定し、その抵抗をヒータ温度に換算する。なお、ヒータ７２の抵抗は素子先端部１０１ｃの温度の一次関数の式で表すことができる。

また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第２内部空所４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１の素子先端部１０１ｃ全体を上記固体電解質が活性化する温度（例えば８００～９００℃）に調整することが可能となっている。

ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

多孔質保護膜１０１ｂは、図２及び図３に示すように、センサ素子本体１０１ａの前端面から後方に向かって外側ポンプ電極２３を覆うように設けられている。ガス導入口１０は多孔質保護膜１０１ｂによって覆われているが、被測定ガスは多孔質保護膜１０１ｂの内部を流通してガス導入口１０に到達可能である。多孔質保護膜１０１ｂは、例えば被測定ガス中の水分等が付着してセンサ素子本体１０１ａにクラックが生じるのを抑制する役割を果たす。また、多孔質保護膜１０１ｂは、被測定ガスに含まれるオイル成分等が外側ポンプ電極２３に付着するのを抑制して、外側ポンプ電極２３の劣化を抑制する役割を果たす。多孔質保護膜１０１ｂは、多孔質体であり、構成粒子としてセラミックス粒子を含むことが好ましく、アルミナ，ジルコニア，スピネル，コージェライト，チタニア，及びマグネシアの少なくともいずれかの粒子を含むことがより好ましい。本実施形態では、多孔質保護膜１０１ｂはアルミナ多孔質体からなるものとした。多孔質保護膜１０１ｂの気孔率は例えば５体積％～４０体積％である。

制御装置９０は、図４に示すように、ＣＰＵ９２やメモリ９４などを備えた周知のマイクロプロセッサである。制御装置９０は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される起電力Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される起電力Ｖ２、主ポンプセル２１にて検出される電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出される電流Ｉｐ１及び測定用ポンプセル４１にて検出される電流Ｉｐ２を入力する。また、制御装置９０は、主ポンプセル２１の可変電源２４、補助ポンプセル５０の可変電源５２及び測定用ポンプセル４１の可変電源４６へ制御信号を出力する。更に、制御装置９０は、ヒータ７２の抵抗を入力して素子先端部１０１ｃの温度に換算したり、外部電源７８を介してヒータ７２に電力を供給したりする。外部電源７８がヒータ７２へ供給する電力は、一定の電圧を通電する時間によって制御される。すなわち、所定の周期におけるオン時間の割合であるデューティ比によって調整される。こうした制御にはパルス幅変調（ＰＷＭ）を利用可能である。

制御装置９０は、起電力Ｖ０が目標値となるように可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。そのため、ポンプ電流Ｉｐ０は被測定ガスに含まれる酸素濃度ひいては被測定ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）に応じて変化する。そのため、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガスの酸素濃度やＡ／Ｆを算出することができる。

制御装置９０は、起電力Ｖ１が一定となるように（つまり第２内部空所４０の酸素濃度がＮＯｘの測定に実質的に影響がない所定の低酸素濃度となるように）可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。これとともに、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて起電力Ｖ０の目標値を設定する。これにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。

制御装置９０は、起電力Ｖ２が一定となるように（つまり被測定ガス中の窒素酸化物が測定電極４４で還元されることにより発生した酸素の濃度が実質的にゼロとなるように）可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御し、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中の窒素酸化物濃度を算出する。

制御装置９０は、ガスセンサ１００の始動前に、ガスセンサ１００を所定の作動温度（例えば８００℃とか８５０℃）に昇温する始動前温度制御を実行する。この始動前温度制御について図５を用いて説明する。図５は始動前温度制御の一例を示すフローチャートである。

制御装置９０のＣＰＵ９２は、始動前温度制御が開始されると、まずセーフフラグをオフにする（Ｓ１００）。セーフフラグは、昇温速度に基づいて昇温制御を継続すると判定されたときにオンにセットされるフラグである。次に、ＣＰＵ９２は、ヒータ７２の抵抗から現在の素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈを換算し、素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈを初期温度Ｔ０として設定する（Ｓ１１０）。続いて、ＣＰＵ９２は、予めメモリ９４に記憶されている素子先端部１０１ｃの目標温度Ｔｈ＊（ここでは作動温度と同じとする）を取得し、ヒータ７２の抵抗から換算した現在の温度Ｔｈと目標温度Ｔｈ＊との温度差ΔＴを算出する（Ｓ１２０）。続いて、ＣＰＵ９２は、温度差ΔＴがゼロになるようにデューティ比Ｔｖを設定する（Ｓ１３０）。つまり、温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊になるようにフィードバック制御を行う。デューティ比Ｔｖは、一定の周期に対するヒータ７２への電圧印加時間の割合である。電圧印加時間は、所定の電圧（一定）を印加し続ける時間である。そのため、デューティ比Ｔｖは、ヒータ７２へ供給する電力とみなすことができる。Ｓ１３０では、デューティ比Ｔｖは温度差ΔＴが大きいほど大きくなるように、また温度差ΔＴがゼロに近いほど小さくなるように設定される。続いて、ＣＰＵ９２は、設定されたデューティ比Ｔｖで外部電源７８からヒータ７２へ電力を供給する（Ｓ１４０）。こうして昇温制御（Ｓ１２０～Ｓ１４０）を開始すると、ＣＰＵ９２は、セーフフラグがオンになっているか否かを判定する（Ｓ１５０）。今回は、Ｓ１００でセーフフラグがオフにされているため、つまりＳ１５０で否定判定されるため、ＣＰＵ９２は、所定の計測時間ｔ（例えばｔ＝４ｓｅｃ）が経過したか否かを判定し（Ｓ１６０）、所定の計測時間を経過していないならば、つまりＳ１６０で否定判定されたならば、所定の計測時間が経過するまでＳ１２０～Ｓ１６０を繰り返し実行する。所定の計測時間は、昇温制御を開始したときからの時間であり、その時間に亘って昇温制御を実行してもガスセンサ１００にクラックが発生しないような範囲で設定される。Ｓ１６０で所定の計測時間が経過したならば、つまりＳ１６０で肯定判定されたならば、ＣＰＵ９２は、ヒータ７２の抵抗から現在の素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈを換算し、Ｓ１１０で設定した初期温度Ｔ０からの昇温速度Ｖｈを算出する（Ｓ１７０）。昇温速度Ｖｈは、下記式（１）から算出される値である。続いて、ＣＰＵ９２は、昇温速度Ｖｈが所定の閾値を超えたか否かを判定し（Ｓ１８０）、昇温速度が所定の閾値を超えたならば、つまりＳ１８０で肯定判定されたならば、クラック発生のおそれがないとみなし、セーフフラグをオンにする（Ｓ１９０）。それ以降、ＣＰＵ９２は、Ｓ１２０～Ｓ１５０を繰り返し実行して昇温制御を継続する。一方、Ｓ１８０で昇温速度Ｖｈが所定の閾値を超えていなければ、つまりＳ１８０で否定判定されたならば、ＣＰＵ９２はデューティ比Ｔｖを所定値以下（所定値は、今回のデューティ比未満の値）になるように再設定し（Ｓ２００）、再設定後のデューティ比Ｔｖで外部電源７８からヒータ７２へ電力が供給されるようにする（Ｓ２１０）。その後、ＣＰＵ９２は、その状態で所定の回避時間が経過したか否かを判定し（Ｓ２２０）、所定の回避時間が経過していなければＳ２００に戻り、所定の回避時間が経過したならばＳ１１０に戻る。こうすることにより、ガスセンサ１００にクラックが発生しない範囲でできる限り速やかに始動前のガスセンサ１００を作動温度に昇温することができる。
Ｖｈ＝（Ｔｈ－Ｔ０）／ｔ・・・（１）

所定の閾値は、予め予備実験を行うことにより定めることができる。実際に行った予備
実験の一例を以下に説明する。まず、図１のガスセンサ１００を上下逆さにして内側保護カバー１１１の先端の孔はそのまま残し側面の孔を塞いだ状態で、内側保護カバー１１１の内側に水を入れた。水量は最大水量、中間水量、最小水量、水なし（ドライ）の４段階とした。最大水量は、図６に示すように、水位がセンサ素子１０１のガス導入口１０が開口している先端面より僅かに下がった位置になったときの水量とした。中間水量は最大水量の半分、最小水量は中間水量の半分とした。次に、室温のガスセンサ１００を用意し、水を添加せずドライの状態で予めＮＯｘ濃度が既知のサンプルガスをガス流通部に導入した。そして、所定タイミングごとに現在の素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈと目標温度Ｔｈ＊との温度差ΔＴがゼロになるようにデューティ比Ｔｖを設定し、そのデューティ比Ｔｖでヒータ７２に電力を供給し、センサ素子１０１のポンプ電流Ｉｐ２にクラック発生による異常値がみられたか否かのクラック判定を行った。続いて、内側保護カバー１１１の内側に最小水量、中間水量、最大水量の水をそれぞれ入れた状態で、同様にしてクラック判定を行った。予備実験の結果を図７及び表１に示す。図７は、経過時間ｔと素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈとの関係を表すグラフである。表１において、昇温速度Ｖｈ’［－］は、昇温制御を開始してから４秒間での昇温速度Ｖｈ（図７におけるｔ＝０ｓｅｃとｔ＝４ｓｅｃの２点間での傾き）についてドライを１として規格化した値であり、Ｖｈ＊［％］は、下記式（２）から得られる値である。式（２）中、基準値はドライにおける昇温速度Ｖｈの値である。表１に示すように、ドライ及び最小水量ではクラックが発生せず、中間水量及び最大水量ではクラックが発生したことから、Ｖｈ＊が５．０％以上となるとクラックが発生すると判断し、Ｖｈ＊が５．０％のときの昇温速度を閾値とした。なお、中間水量の場合や最大水量の場合において、クラックが生じたのは、昇温制御を開始してから４秒を経過した後であった。
Ｖｈ＊＝１００×（Ｖｈ－基準値）／基準値・・・（２）

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、本発明の固体電解質層に相当する。また、ヒータ７２が抵抗発熱体に相当し、素子先端部１０１ｃが先端部に相当し、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位がガス流通部に相当する。更に、主ポンプセル２１，測定用ポンプセル４１，補助ポンプセル５０，主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０，補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１及び測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が特定ガス検出部に相当し、制御装置９０が制御部に相当する。また、外側ポンプ電極２３が外部露出電極に相当する。

以上説明した本実施形態によれば、ガスセンサ１００の始動前に、素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈが素子先端部１０１ｃの目標温度Ｔｈ＊になるようにデューティ比Ｔｖ（ヒータ７２へ供給する電力に相当）を設定し（Ｓ１３０）、該設定したデューティ比Ｔｖに基づいて、そのデューティ比Ｔｖで電力をヒータ７２へ供給する（Ｓ１４０）。そして、昇温制御（Ｓ１２０～Ｓ１４０）を開始してから所定の計測時間が経過するまでの素子先端部１０１ｃの昇温速度Ｖｈに基づいて、昇温制御を継続するか否かを判定する（Ｓ１８０）。ガスセンサ１００の始動前に素子先端部１０１ｃの温度が目標温度になるようにヒータ７２へ供給する電力を調整する昇温制御では、ガスセンサ１００の被水量が多いほどガスセンサ１００にクラックが発生しやすく、ガスセンサ１００の被水量が多いほど素子先端部１０１ｃの昇温速度が遅い。また、ガスセンサ１００にクラックが発生する事象はデューティ比Ｔｖに依存する。そのため、設定したデューティ比Ｔｖでヒータ７２へ電力を供給したときの素子先端部１０１ｃの昇温速度に基づいて昇温制御を継続するか否かを判定することで、ガスセンサ１００にクラックが発生しないようにしながらガスセンサ１００を早期に作動温度まで昇温させることができる。また、エンジン始動前にこうした始動前温度制御を実行すれば、エンジン始動後速やかにガスセンサ１００を作動させることができる。

また、制御装置９０は、昇温速度Ｖｈがガスセンサ１００にクラックが生じる被水量に対応した閾値を超えたか否かを判定し（Ｓ１８０）、肯定判定だったならば昇温制御（Ｓ１２０～Ｓ１４０）を継続する。昇温速度Ｖｈが閾値を超える場合にはガスセンサ１００にクラックが生じるおそれは少ない。そのため、判定結果が肯定判定だったならば、昇温制御を継続する。その結果、ガスセンサ１００にクラックが発生しないようにしながらガスセンサ１００を早期に作動温度まで昇温させることができる。

更に、制御装置９０は、Ｓ１８０の判定の結果が否定判定だったならば、デューティ比Ｔｖを所定値以下（所定値は、今回のデューティ比未満の値）の範囲で再設定し、再設定後のデューティ比Ｔｖでヒータ７２へ電力を供給する（Ｓ２００，Ｓ２１０）。昇温制御ではデューティ比Ｔｖが比較的大きく設定されるため、ガスセンサ１００の被水量が多い場合にはガスセンサ１００にクラックが生じてしまうおそれがある。そこで、デューティ比Ｔｖを昇温制御のデューティ比（つまり今回のデューティ比）未満の範囲に再設定してヒータ７２へ電力を供給する。これにより、昇温速度Ｖｈが閾値以下のときにヒータ７２への電力供給を停止してしまう場合に比べて、ガスセンサ１００をより早期に作動温度まで昇温させることができる。

更にまた、制御装置９０は、Ｓ２１０で再設定後のデューティ比Ｔｖでヒータ７２へ電力を供給し始めたあと所定の回避時間が経過するのを待って（Ｓ２２０でＹＥＳ）、Ｓ１１０～Ｓ１８０を再び実行して昇温制御を継続するか否かを判定する。そのため、適時、昇温制御を再開することができ、作動温度に到達するのに要する時間をより短くすることができる。

そして、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１のうち外側ポンプ電極２３及びガス導入口１０を被覆する多孔質保護膜１０１ｂを備えているため、比較的被水量が多くてもクラックが生じにくい。そのため、上述した閾値を高めに設定することができる。

そしてまた、制御装置９０は、素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊になるようにデューティ比Ｔｖを設定するにあたり、温度差ΔＴが大きいほどデューティ比Ｔｖが大きくなるように、また温度差ΔＴがゼロに近いほどデューティ比Ｔｖが小さくなるように設定する。そのため、ガスセンサ１００の温度に応じて適切にデューティ比Ｔｖを設定することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態の始動前温度制御のＳ２００において、デューティ比Ｔｖを再設定するにあたり、ＣＰＵ９２は、素子先端部１０１ｃの温度Ｔｈが所定の低温（例えば目標温度Ｔｈ＊の２／３とか３／４）で維持されるようにデューティ比Ｔｖを再設定してもよい。この場合、所定の低温は、今回のデューティ比未満の範囲のデューティ比Ｔｖで電力をヒータ７２に供給したときに到達し得る温度とする。このようにしても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。なお、この場合、Ｓ２２０において、所定の回避時間が経過したか否かを判定する代わりに、素子先端部１０１ｃの温度が所定の低温に達したか否かを判定してもよい。

上述した実施形態では、制御装置９０は、デューティ比によってヒータ７２へ供給する電力を制御したが、特にこれに限定されるものではなく、例えばヒータ７２へ印加する電圧によってヒータ７２へ供給する電力を制御してもよいし、ヒータ７２へ流す電流によってヒータ７２へ供給する電力を制御してもよい。

上述した実施形態では、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は第２内部空所４０に第４拡散律速部４５で被覆された測定電極４４を備えるものとしたが、特にこの構成に限られるものではない。例えば、図８のセンサ素子２０１のように、測定電極４４を被覆せずに露出させ、その測定電極４４と補助ポンプ電極５１との間にスリット状の第４拡散律速部６０を設けてもよい。第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で補助ポンプセル５０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを奥の第３内部空所６１に導く部位である。第４拡散律速部６０は、第３内部空所６１に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。このような構成のセンサ素子２０１であっても、上述した実施形態と同様に、測定用ポンプセル４１によりＮＯｘ濃度を検出できる。なお、図８のうち図１と同じ構成要素については同じ符号を付した。

上述した実施形態では、ＮＯｘ濃度を検出するガスセンサ１００を例示したが、酸素濃度を検出するガスセンサやアンモニア濃度を検出するガスセンサに本発明を適用してもよい。

上述した実施形態では、制御装置９０が素子先端部１０１ｃの温度をヒータ７２の抵抗から換算して求めたため、制御装置９０が素子先端部１０１ｃの温度を検出する温度検出部の役割を果たしたが、特にこれに限定されない。例えば、温度検出部として、素子先端部１０１ｃそのものの温度を測定する温度センサを用いてもよい。温度センサは、熱電対などでもよい。

上述した実施形態では、素子先端部１０１ｃにおいて、センサ素子１０１の前端面にガス導入口１０が開口しているものとしたが、センサ素子１０１の側面や上面、下面にガス導入口が開口していてもよい。

１第１基板層、２第２基板層、３第３基板層、４第１固体電解質層、５スペーサ層、６第２固体電解質層、１０ガス導入口、１１第１拡散律速部、１２緩衝空間、１３第２拡散律速部、２０第１内部空所、２１主ポンプセル、２２内側ポンプ電極、２２ａ天井電極部、２２ｂ底部電極部、２３外側ポンプ電極、２４可変電源、３０第３拡散律速部、４０第２内部空所、４１測定用ポンプセル、４２基準電極、４３基準ガス導入空間、４４測定電極、４５第４拡散律速部、４６可変電源、４８大気導入層、５０補助ポンプセル、５１補助ポンプ電極、５１ａ天井電極部、５１ｂ底部電極部、５２可変電源、６０第４拡散律速部、６１第３内部空所、７０ヒータ部、７１ヒータコネクタ電極、７２ヒータ、７３スルーホール、７４ヒータ絶縁層、７５圧力放散孔、７８外部電源、８０主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３センサセル、９０制御装置、９２ＣＰＵ、９４メモリ、１００ガスセンサ、１０１センサ素子、１０１ａセンサ素子本体、１０１ｂ多孔質保護膜、１０１ｃ素子先端部、１１０保護カバー、１１１内側保護カバー、１１２外側保護カバー、１２０素子封止体、１２２主体金具、１２４サポーター、１２６圧粉体、１３０ナット、１４０配管、１４１取付用部材、２０１センサ素子。

Claims

ガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層と、
前記固体電解質層に内蔵された抵抗発熱体と、
前記固体電解質層の先端部に設けられたガス流通部と、
前記ガス流通部に導入された被測定ガス内の特定ガスを検出する特定ガス検出部と、
前記ガスセンサの始動前に、前記先端部の温度が予め設定された目標温度になるように前記抵抗発熱体へ供給する電力を設定し、該設定した電力を前記抵抗発熱体へ供給したときの前記先端部の昇温速度に基づいて、その電力を前記抵抗発熱体へ供給する昇温制御を継続するか否かを判定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記設定した電力を前記抵抗発熱体へ供給したときに前記先端部の昇温速度が前記ガスセンサにクラックが生じる被水量に対応した閾値を超えたか否かを判定し、肯定判定だったならば前記昇温制御を継続する、ガスセンサ。
前記制御部は、前記判定の結果が否定判定だったならば、前記設定した電力未満の範囲で前記抵抗発熱体へ電力を供給する、
請求項１に記載のガスセンサ。
前記制御部は、前記設定した電力未満の範囲で前記抵抗発熱体へ電力を供給し始めたあと、所定のタイミングで、再び前記先端部の温度が前記目標温度になるように前記抵抗発熱体へ供給する電力を設定し、該設定した電力を前記抵抗発熱体へ供給したときの前記先端部の昇温速度に基づいて、その電力を前記抵抗発熱体へ供給する昇温制御を継続するか否かを判定する、
請求項２に記載のガスセンサ。
請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記固体電解質層のうち少なくとも前記特定ガス検出部の外部露出電極及び前記ガス流通部の入口を被覆する多孔質保護膜、
を備えたガスセンサ。