次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。まず、本実施形態のガスリーク検出方法を行う対象となるガスセンサについて説明ずる。図1は、ガスセンサ100の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図2は、ガスセンサ100が備えるセンサ素子101の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図3は、制御装置90と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。なお、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図2の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図2の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。
図1に示すように、ガスセンサ100は、センサ素子101と素子封止体141とを含む組立体115と、センサ素子101の前端側を保護する保護カバー130と、センサ素子101の後端側を保護する外筒148と、ボルト147と、コネクタ150と、リード線155と、ゴム栓157と、制御装置90(図3参照)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190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NOxやO2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ100は特定ガス濃度としてNOx濃度を測定するものとした。
素子封止体141は、センサ素子101を封入固定する部材であり、主体金具142及び内筒143を備えた筒状体140と、筒状体140の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポーター144a~144c,封止材145a,145b,メタルリング146と、を備えている。封止材145a,145bは、例えば粉末を成型した圧粉体である。センサ素子101は素子封止体141の中心軸上に位置しており、素子封止体141を前後方向に貫通している。内筒143には、封止材145bを内筒143の中心軸に向けて押圧するための縮径部143aと、メタルリング146を介してセラミックスサポーター144a~144c,封止材145a,145bを前方に押圧するための縮径部143bとが形成されている。縮径部143a,143bからの押圧力により、封止材145a,145bが主体金具142及び内筒143とセンサ素子101との間で圧縮されることで、封止材145a,145bが保護カバー130内のセンサ素子室133と外筒148内の空間149との間を封止すると共に、センサ素子101を固定している。つまり、封止材145a,145bが、センサ素子101と筒状体140との間の空間を、被測定ガス側空間であるセンサ素子室133と、基準ガス側空間である空間149とに区画している。主体金具142及び内筒143は、例えば金属製部材であり、その材質としては、例えばCr-Fe系合金(例えばSUS430)などのステンレス鋼が挙げられる。セラミックスサポーター144a~144cは、例えばアルミナ、ステアタイト、ジルコニア、スピネルなどのセラミックスからなる部材である。封止材145a,145bの材質としては、タルクのほか、アルミナ粉末、ボロンナイトライドなどのセラミックス粉末が挙げられ、封止材145a,145bはそれぞれこれらの少なくともいずれかを含んでいてもよい。
保護カバー130は、センサ素子101の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー131と、この内側保護カバー131を覆う有底筒状の外側保護カバー132とを備えている。内側保護カバー131及び外側保護カバー132には、被測定ガスを保護カバー130内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー131で囲まれた空間としてセンサ素子室133が形成されており、センサ素子101の前端はこのセンサ素子室133内に配置されている。保護カバー130は、例えば金属製部材であり、主体金具142に溶接されている。
ボルト147は、主体金具142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。ボルト147の雄ネジ部は、配管190に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材191内に挿入されている。これにより、ガスセンサ100のうちセンサ素子101の前端や保護カバー130の部分が配管190内に突出した状態で、ガスセンサ100が配管190に固定されている。
外筒148は、筒状の金属製部材であり、内筒143,センサ素子101,コネクタ150の周囲を覆っている。外筒148の内側には主体金具142の後端が挿入されている。外筒148の下端は主体金具142と溶接されている。外筒148の後端からは、コネクタ150に接続された複数のリード線155が外部に引き出されている。このリード線155は、コネクタ150を介してセンサ素子101の各電極(後述)と導通している。コネクタ150は、センサ素子101の後端の表面(上下面)に形成された図示しないコネクタ電極(後述するヒータコネクタ電極71のみ図2に図示した)に接触してこれらと電気的に接続されている。外筒148とリード線155との隙間はゴム栓157によって封止されている。外筒148内の空間149は基準ガス(本実施形態では大気)で満たされている。センサ素子101の後端はこの空間149内に配置されている。外筒148は、センサ素子101の後端を保護する役目も果たす。
センサ素子101は、図2に示すように、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積層体である素子本体102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。また、センサ素子101は、素子本体102の一部を含んで構成される各セル21,41,50,80~83を備えている。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の先端部側(図2の左端部側)であって、第2固体電解質層6の下面と第1固体電解質層4の上面との間には、ガス導入口10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、第4拡散律速部60と、第3内部空所61とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
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、第3内部空所61とは、スペーサ層5をくり抜いた態様にて設けられた上部を第2固体電解質層6の下面で、下部を第1固体電解質層4の上面で、側部をスペーサ層5の側面で区画されたセンサ素子101内部の空間である。
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。また、第4拡散律速部60は、第2固体電解質層6の下面との隙間として形成された1本の横長の(図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する)スリットとして設けられる。なお、ガス導入口10から第3内部空所61に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。
また、被測定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、基準ガス導入空間43の後端にある入口43cから、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,第2内部空所40内,及び第3内部空所61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。基準電極42は、多孔質サーメット電極(例えば、PtとZrO2とのサーメット電極)として形成される。
被測定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、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を行うための空間として設けられている。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の上述した目標値が制御されることにより、第3拡散律速部30から第2内部空所40内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。NOxセンサとして使用する際は、主ポンプセル21と補助ポンプセル50との働きによって、第2内部空所40内での酸素濃度は約0.001ppm程度の一定の値に保たれる。
第4拡散律速部60は、第2内部空所40で補助ポンプセル50の動作により酸素濃度(酸素分圧)が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第3内部空所61に導く部位である。第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。
第3内部空所61は、あらかじめ第2内部空所40において酸素濃度(酸素分圧)が調整された後、第4拡散律速部60を通じて導入された被測定ガスに対して、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、第3内部空所61において、測定用ポンプセル41の動作により行われる。
測定用ポンプセル41は、第3内部空所61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3内部空所61に面する第1固体電解質層4の上面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、被測定ガス中のNOx成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極22よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極44は、第3内部空所61内の雰囲気中に存在するNOxを還元するNOx還元触媒としても機能する。
測定用ポンプセル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60を通じて第3内部空所61内の測定電極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にて検出された起電力V2が一定(目標値)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、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(電圧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を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部70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を通して外部より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。
また、ヒータ72は、第1内部空所20から第3内部空所61の全域に渡って埋設されており、センサ素子101全体を上記固体電解質が活性化する温度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及び大気導入層48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。
制御装置90は、図3に示すように、上述した可変電源24,46,52と、制御部91と、を備えている。
制御部91は、CPU92及び記憶部94などを備えたマイクロプロセッサである。制御部91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、センサセル83にて検出される電圧Vref、主ポンプセル21にて検出されるポンプ電流Ip0、補助ポンプセル50にて検出されるポンプ電流Ip1及び測定用ポンプセル41にて検出されるポンプ電流Ip2を入力する。また、制御部91は、可変電源24,46,52が出力する電圧Vp0,Vp1,Vp2を制御し、これにより、主ポンプセル21,測定用ポンプセル41及び補助ポンプセル50を制御する。また、制御部91は図示しないヒータ電源を制御してヒータ72に給電を行い、センサ素子101の加熱と保温を行う。記憶部94には、後述する目標値V0*,V1*,V2*,Ip1*なども記憶されている。制御部91のCPU92は、これらの目標値V0*,V1*,V2*,Ip1*を参照して、各ポンプセル21,41,50の制御を行う。
制御部91は、第2内部空所40の酸素濃度が目標濃度となるように補助ポンプセル50を制御する補助ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部91は、起電力V1が一定値(目標値V1*と称する)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とで、補助ポンプセル50を制御する。目標値V1*は、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濃度となるような値として定められている。
制御部91は、補助ポンプセル50が第2内部空所40の酸素を汲み出し、且つ補助ポンプセル50が第2内部空所40の酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流Ip1が目標値(目標値Ip1*と称する)となるように主ポンプセル21を制御する主ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部91は、電圧Vp1が酸素を汲み出すような向き(つまり内側ポンプ電極22よりも外側ポンプ電極23が高電位)となり、且つ、電圧Vp1によって流れるポンプ電流Ip1が一定の目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて起電力V0の目標値(目標値V0*と称する)を設定(フィードバック制御)する。そして、制御部91は、起電力V0が目標値V0*となるように(つまり第1内部空所20の酸素濃度が目標濃度となるように)可変電源24のポンプ電圧Vp0をフィードバック制御する。この主ポンプ制御処理により、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。また、この主ポンプ制御処理中に流れるポンプ電流Ip0は、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化する。そのため、制御部91は、ポンプ電流Ip0に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。
更に、制御部91は、起電力V2に基づいて、第3内部空所61内の酸素濃度が所定の低濃度になるように特定ガス(ここではNOx)に由来して第3内部空所61で発生する酸素を第3内部空所61から外へ汲み出すよう測定用ポンプセル41を制御する測定用ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部91は、起電力V2が一定値(目標値V2*と称する)となるように(つまり第3内部空所61内の酸素濃度が所定の低濃度になるように)可変電源46の電圧Vp2をフィードバック制御することで、測定用ポンプセル41を制御する。これにより、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第3内部空所61内から酸素が汲み出される。そして、制御部91は、上述した補助ポンプ制御処理及び主ポンプ制御処理を含む上流ポンプ制御処理と、測定用ポンプ制御処理と、の実行中に、特定ガス(ここではNOx)に由来して第3内部空所61で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ip2を取得し、このポンプ電流Ip2に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を算出する。
記憶部94には、検出値(ここではポンプ電流Ip2)と特定ガス濃度(ここではNOx濃度)との対応関係(特定ガス濃度用対応関係と称する)として、関係式(例えば一次関数の式)やマップなどが記憶されている。このような関係式又はマップは、予め実験により求めておくことができる。
次に、こうして構成されたガスセンサ100に対して行う本実施形態の封止材のガスリーク検出方法を含む評価方法について、図4を用いて説明する。図4は、ガスセンサ100の評価処理の一例を示すフローチャートである。この評価処理では、封止材145a,145bのガスリークの検出のほか、センサ素子101の初期ガスリークの検出、ガスセンサ100の出力特性の検査、センサ素子101の後発ガスリークの検出も行う。なお、封止材145a,145bのガスリークは、例えば、封止材145a,145bの内部、封止材145a,145bと筒状体140との間、又は封止材145a,145bとセンサ素子101との間に、前後に貫通する隙間など(封止材ガスリーク経路とも称する)が存在する場合に発生する。こうした隙間は、封止材145a,145bの材料粉末を圧粉するときの成型不良などによって生じる。一方、センサ素子101のガスリークは、センサ素子101の被測定ガス流通部と、センサ素子101のうち基準ガスと接触する部分(例えば、基準ガス導入空間43やヒータ部70)との間を貫通するクラックなどが存在する場合に発生する。こうしたクラックは、センサ素子101の製造時に生じるほか、センサ素子101を使用するためにヒータ72によってセンサ素子101を加熱したときや、その状態でセンサ素子101を使用したとき(例えば出力特性の検査中)の熱応力などによっても生じることがある。そこで、本実施形態では、出力特性の検査前からセンサ素子101に存在するクラック等によって発生するガスリークであるセンサ素子101の初期ガスリークの検出のほか、出力特性の検査中にセンサ素子101に発生するクラック等によって発生するガスリークであるセンサ素子101の後発ガスリークの検出も行う。本実施形態では、上述した制御装置90を用いて評価処理を実行する。
本実施形態では、評価処理の準備として、ガスセンサ100を実験用のチャンバーとしての配管190に取り付ける(図1参照)。配管190には、上流側に接続された図示しない給気部及び下流側に接続された図示しない排気部を備えた給排気装置が接続されている。給気部には、N2ボンベ、O2ボンベ、NOボンベなどが接続されている。そして、この給排気装置に、上述した制御部91を接続する。制御部91の記憶部94には、評価処理に用いる被測定ガスの組成や流速(流量)等のシーケンスを記憶させておく。このシーケンスに従って、制御部91のCPU92は、評価処理において配管190に導入される被測定ガスの組成や流速(流量)等を調整するよう給排気装置を制御する。また、制御部91の記憶部94には、後述する閾値Ip0LT,Ip0CT及び、出力特性の検査に用いる後述する近似直線の傾き及び切片の許容範囲、センサ出力の差の上限値などを記憶させておく。これらを用いて、制御部91は、評価処理において、封止材145a,145bのリーク検査や、センサ素子101のガスリーク検査、ガスセンサ100の出力特性の検査を行う。こうした評価処理の準備が完了し、作業者が制御部91に評価処理開始の指示を与えると、制御部91は、図4に示す評価処理を開始する。
評価処理を開始すると、制御部91は、まず、上述した上流ポンプ制御処理及び上述した測定用ポンプ制御処理の実行を開始する(S100,S110)。なお、S100及びS110の前に、制御部91は上述したヒータ電源の制御を開始してセンサ素子101の加熱と保温を行っているものとする。
ここで、S100の上流ポンプ制御処理の実行中の酸素の流れについて、図5,6を用いて、封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークがない場合とある場合とに分けて説明する。図5は、封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークがない場合の酸素の流れを示す説明図である。図6は、封止材145a,145b又はセンサ素子101のガスリークがある場合の酸素の流れを示す説明図である。図5,6では、一例として、被測定ガスがN2ガス(酸素濃度0%設定、以下同じ)の場合について説明する。なお、図5,6では、ポンプ電流Ip0,Ip1によって理論上流れる(流そうとする)酸素の流れを破線の白抜き矢印で示す。図6では、封止材145a,145bのガスリークによる酸素の流れを「a」を付した実線の白抜き矢印で示し、センサ素子101のガスリークによる酸素の流れを「b」を付した実線の白抜き矢印で示す。
上述した通り、上流ポンプ制御処理では、制御部91は、第2内部空所40の酸素濃度が目標濃度となるように補助ポンプセル50を制御する補助ポンプ制御処理と、補助ポンプセル50が第2内部空所40から酸素を汲み出し且つそのときに補助ポンプセル50に流れるポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように主ポンプセル21を制御する主ポンプ制御処理を実行する。目標値Ip1*は、例えば30μA以下の値である。本実施形態では、ポンプ電流Ip1*は、ガスセンサ100の実際の使用時(例えば車両の排気ガスのNOx濃度を測定するとき)に実行する上流ポンプ制御処理で設定する目標値Ip1*と同じ値とした。ここで、被測定ガスに酸素が含まれない場合、封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークがなければ、第1内部空所20及び第2内部空所40には理論上酸素は存在しない。このため、図5に示すように、封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークがない場合、ポンプ電流Ip1によって第2内部空所40から汲み出される酸素を補うために、制御部91は、第1内部空所20に酸素を汲み入れるように主ポンプセル21を制御する。このため、ポンプ電流Ip0は、第1内部空所20の酸素を汲み出す方向を正とすると、負の値となる。一方、封止材145a,145b又はセンサ素子101のガスリークがある場合、ガスリークによって第1内部空所20又は第2内部空所40に酸素が到達し、第1内部空所20又は第2内部空所40の酸素濃度が高くなる。例えば、封止材145a,145bのガスリークがある場合、空間149(図1参照)の大気中の酸素が、セラミックスサポーター144cとセンサ素子101又は筒状体140との間の空間、封止材145bの上述した封止材ガスリーク経路、セラミックスサポーター144bとセンサ素子101は筒状体140との間の空間、封止材145aの上述した封止材ガスリーク経路、及びセラミックスサポーター144aとセンサ素子101は筒状体140との間の空間を通ってセンサ素子室133に到達する。そして、センサ素子室133に到達した酸素は、ガス導入口10から被測定ガス流通部に導入され、緩衝空間12を通って少なくとも第1内部空所20まで到達する。また、センサ素子101のガスリークがある場合、例えば、図6のように第1内部空所20とヒータ絶縁層74とを連通するクラックがある場合、空間149の大気中の酸素が、センサ素子101の入口43cから基準ガス導入空間43に導入され、圧力放散孔75、ヒータ絶縁層74を通ってクラックに到達し、クラックを介して少なくとも第1内部空所20まで到達する。第1内部空所20に到達した酸素は、主ポンプセル21によって第1内部空所20から汲み出されるか、第2内部空所40まで拡散する。こうして、封止材145a,145b又はセンサ素子101のガスリークがある場合、第1内部空所20又は第2内部空所40の酸素濃度が高くなる。このため、第1内部空所20又は第2内部空所40の高くなった酸素濃度を目標濃度にするために、制御部91は、第1内部空所20の酸素を汲み出すように主ポンプセル21を制御する。このため、ポンプ電流Ip0は、第1内部空所20の酸素を汲み出す方向を正とすると、正の値となり、したがってガスリークがない場合よりも大きな値となる。具体的には、ガスリークによって第1内部空所20の酸素濃度が高くなった場合、ガスリークがない場合よりも起電力V0が小さくなる。そして、制御部91は起電力V0が目標値V0*となるように主ポンプセル21を制御するため、主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0は正の値になる。また、ガスリークによって第2内部空所40の酸素濃度が高くなった場合、ガスリークがない場合よりも起電力V1が小さくなる。そして、制御部91は、起電力V1が目標値V1*になるように補助ポンプセル50を制御するため、補助ポンプセル50に流れるポンプ電流Ip1が大きい値になる。そして、大きくなったポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるよう、制御部91は、起電力V0の目標値V0*をガスリークがない場合よりも大きい値に設定する。つまり、制御部91は、ガスリークがない場合よりも第1内部空所20の酸素濃度を低くするように目標値V0*を設定する。そして、制御部91は、起電力V0が目標値V0*となるように、主ポンプセル21を制御するため、主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0は、正の値となる。このように、封止材145a,145b又はセンサ素子101のガスリークがある場合、封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークがない場合よりも上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0が大きくなる。
ところで、上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0の値は、ガスリークの有無によってだけでなく、配管190内のガス流速によっても変化する。この点について図7を用いて説明する。図7は、配管190内のガス流速とポンプ電流Ip0との関係を示すグラフである。図7では、「封止材NG素子OK」「封止材NG素子NG」「封止材OK素子OK」「封止材OK素子NG」の4種類のガスセンサ100を各1本ずつ準備し、各々について、以下のように調べたガス流速とポンプ電流Ip0との関係を示した。なお、NGはガスリークがあることを意味し、OKはガスリークがないことを意味する。これらのガスセンサ100は、以下のように準備した。まず、センサ素子101を複数準備した。そして、X線CTを用いてクラックの有無を判定し、いずれにもクラックがないことを確認した。続いて、各センサ素子101について、センサ素子101を素子封止体141に封入固定した組立体115(一次組立品とも称する)を作製した。一次組立品の作製時には、封止材145a,145bを押圧により圧縮し(例えば、特開2016-173360号公報参照)、規定の押圧量で押圧したものを封止材OK品とし、規定より少ない押圧量で押圧したものを封止材NG品として、作り分けた。なお、この一次組立品に対して、被測定ガス側の空間を加圧雰囲気にし、基準ガス側の空間へのガスリーク量に基づいて、封止材145a,145bのガスリークの有無を判定したところ、封止材OK品ではガスリークがなく、封止材NG品ではガスリークがあることが確認された。そして、各一次組立品について、主体金具142に内側保護カバー131及び外側保護カバー132を溶接固定して保護カバー130を形成し、ボルト147内に一次組立品を挿入して主体金具142にボルト147を取り付けて二次組立品とした。そして、ゴム栓157内を通したリード線155と、これに接続されたコネクタ150とを用意して、コネクタ150をセンサ素子101のコネクタ電極に接続した。その後、外筒148を主体金具142に溶接固定し、外筒148の後端をゴム栓157で封止した。ゴム栓157としては、外筒148又はリード線155との間に気体の流通が可能な隙間ができるものを用い、空間149が常に大気で満たされるようにした。最後に、リード線155を介して制御装置90を接続して、ガスセンサ100を得た。その後、封止材NG品及び封止材OK品を用いたガスセンサ100の各々について、ヒータ72によってセンサ素子101を急昇温させることでクラックを発生させた素子NG品と、そのような処理を行わなかった素子OK品とに分けた。なお、ガスセンサ100のセンサ素子101に対してX線CTを用いてクラックの有無を判定したところ、素子NG品には第1内部空所20とヒータ絶縁層74とを連通するクラック(図6参照)があり、素子OK品にはクラックがないことが確認された。得られたガスセンサ100を、上述した評価処理の準備と同様に配管190に取り付け、その後、上述した上流ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理の実行を開始した。配管190には、N2ガスを流速を変えながら流し、各ガス流速でのポンプ電流Ip0を取得した。
図7に示すように、「封止材OK素子OK」(白丸)と「封止材NG素子OK」(黒丸)とを比較すると、どの流速でも「封止材NG素子OK」の方がIp0値が大きかったが、ガス流速が遅いほどIp0値の差が大きかった。この理由は以下のように推察される。封止材145a,145bのガスリークがあると、空間149(図1参照)の大気中の酸素が拡散などによってセンサ素子室133に到達する。ここで、配管190内のガス流速が遅いほど、配管190内からセンサ素子室133内に流入するガス流量が少ない。このため、封止材145a,145bのガスリークによる酸素リーク量が同じなら配管190内のガス流速が遅いほど、センサ素子室133内のガスの酸素濃度が高くなり、センサ素子室133からガスが導入される被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度も高くなる。結果として、配管190内のガス流速が遅いほど、Ip0値が大きくなり、「封止材OK素子OK」と「封止材NG素子OK」とのIp0値の差が大きくなる。なお、「封止材OK素子OK」の場合でも、ガス流速が遅いほどIp0値が大きくなっているが、これは、封止材145a,145bのガスリーク以外のガスリーク(例えばガスセンサ100と配管190との接続部のガスリーク。以下では、接続部のガスリークとも称する)によるものと推察される。つまり、接続部のガスリークがあると、配管190の外部の酸素が拡散などによって配管190内に到達する。ここで、配管190内のガス流速が遅いほど、配管190内のガス流量が少ない。このため、接続部190のガスリークによる酸素リーク量が同じなら配管190内のガス流速が遅いほど、配管190内のガスの酸素濃度が高くなる。これにより、配管190からガスが導入されるセンサ素子室133内のガスの酸素濃度や、センサ素子室133からガスが導入される被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度も高くなる。結果として、配管190内のガス流速が遅いほど、ポンプ電流Ip0が大きくなる。
また、「封止材OK素子OK」(白丸)と「封止材OK素子NG」(白三角)とを比較すると、どの流速でも「封止材OK素子NG」の方がIp0値が大きかったが、ガス流速が速いほどIp0値の差が大きかった。この理由は以下のように推察される。センサ素子101のガスリーク(クラック)があると、空間149の大気中の酸素が拡散などによって直接被測定ガス流通部(ここでは第1内部空所20)に到達し、被測定ガス流通部の酸素濃度が高くなるため、ポンプ電流Ip0が大きくなる。ここで、上述したように、配管190内のガス流速が遅いほど、接続部のガスリークによってセンサ素子室133内のガスや被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度が高くなる。このため、配管190内のガス流速が遅いほど、被測定ガス流通部と空間149との間の酸素濃度勾配が小さくなり、センサ素子101のガスリークによって空間149から被測定ガス流通部へ移動する酸素の拡散流束が小さくなることにより、センサ素子101のガスリークによる酸素リーク量が少なくなり、Ip0値はセンサ素子101のガスリークがない場合の値に近づく。これにより、配管190内のガス流速が遅い場合には、「封止材OK素子OK」と「封止材OK素子NG」とのIp0値の差が小さくなる。一方、配管190内のガス流速が速いほど、接続部のガスリークによるセンサ素子室133内のガスや被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度上昇が抑えられる。このため、配管190内のガス流速が速いほど、被測定ガス流通部と空間149との間の酸素濃度勾配が大きくなり、センサ素子101のガスリークによって空間149から被測定ガス流通部へ移動する酸素の拡散流束が大きくなることにより、センサ素子101のガスリークによる酸素リーク量が多くなる。これにより、配管190内のガス流速が速い場合には、「封止材OK素子OK」と「封止材OK素子NG」とのIp0値の差が大きくなる。
また、「封止材OK素子NG」(白三角)と「封止材NG素子NG」(黒三角)とを比較すると、流速が遅い場合には「封止材NG素子NG」の方がIp0値が大きかったが、流速が速くなるとIp0値の差がなくなった。この理由は以下のように推察される。上述したように、配管190内のガス流速が遅いほど、接続部や封止材145a,145bのガスリークによってセンサ素子室133内のガスや比測定ガス流通部内のガスの酸素濃度が高くなる。このため、「封止材OK素子NG」では、「封止材OK素子OK」と「封止材OK素子NG」との比較で説明したように、配管190内のガス流速が遅いほどIp0値がセンサ素子101のガスリークがない場合(つまり「封止材OK素子OK」)のIp0値に近づく。同様の理由で「封止材NG素子NG」では、配管190内のガス流速が遅いほどIp0値がセンサ素子101のガスリークがない場合(つまり「封止材NG素子OK」)のIp0値に近づく。このため、配管190内のガス流速が遅いほど、「封止材OK素子NG」よりも「封止材NG素子NG」の方がIp0値が大きくなる。一方で、配管190内のガス流速が速いほど、接続部や封止材145a、145bのガスリークによるセンサ素子室133内のガスや比測定ガス流通部内のガスの酸素濃度上昇が抑えられる。このため、配管190内のガス流速が速いほど「封止材NG素子NG」のIp0値が封止材145a,145bにガスリークがない場合(つまり「封止材OK素子NG」)のIp0値に近づく。
以上より、配管190内のガス流速が遅いほど、封止材145a,145bのガスリークがある場合(「封止材NG素子OK」(黒丸)及び「封止材NG素子NG」(黒三角))と封止材145a,145bのガスリークがない場合(「封止材OK素子OK」(白丸)及び「封止材OK素子NG」(白三角))とのIp0値の差が大きくなり、封止材145a,145bのガスリークの検出に適していることがわかる。一方、配管190内のガス流速が速いほど、センサ素子101のガスリークがある場合(「封止材OK素子NG」(白三角)及び「封止材NG素子NG」(黒三角))とない場合(「封止材OK素子OK」(白丸)及び「封止材NG素子OK」(黒丸))とのIp0値の差が大きくなり、センサ素子101のガスリークの検出に適していることがわかる。
本実施形態では、図7を用いて、封止材145a,145bのガスリークを検出するときのガス流速(以下では第1流速とも称する)と、センサ素子101のガスリークを検出するときのガス流速(以下では第2流速とも称する)を定めた。図7によれば、ガス流速が0.1m/s以下では封止材145a,145bのガスリークがある場合とない場合とのIp0値の差が特に大きく、封止材145a,145bのガスリークの検出精度が高いことがわかる。このため、第1流速は0.1m/s以下とした。また、図7によれば、ガス流速が1m/s以上では、センサ素子101のガスリークがある場合とない場合とのIp0値の差が特に大きく、センサ素子101のガスリークの検出精度が高いことがわかる。このため、第2流速は1m/s以上とした。
図4の評価処理の説明に戻る。制御部91は、封止材145a,145bのガスリークの有無を判定するため、0.1m/s以下の第1流速でリーク検出用被測定ガス(本実施形態ではN2ガス)をチャンバー(ここでは配管190)に流すよう給排気装置を制御する(S120)。配管190内のリーク検出用被測定ガスは、保護カバー130の孔からセンサ素子室133に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口10がリーク検出用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間149にセンサ素子101の後端が配置されているため、基準ガス導入空間43の入口43cはリーク検出用基準ガスとしての大気に接触する。
制御部91は、この状態で主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0(ポンプ電流Ip0Lとする)及びこの状態で測定用ポンプセル41に流れるポンプ電流Ip2(ポンプ電流Ip2Lとする)を取得する(S130)。続いて、制御部91は、ポンプ電流Ip0Lが、記憶部94に記憶された閾値Ip0LT以上か否かを判定する(S140)。閾値Ip0LTは、上述した図7などを用いて、封止材145a,145bのガスリークがある場合とない場合とを区別できるような値を事前に定め、記憶部94に記憶させておけばよい。
S140でポンプ電流Ip0Lが閾値Ip0LT未満であれば、制御部91は、封止材のガスリークなしと判定して、センサ素子101の初期ガスリークの有無を判定する処理に移る。具体的には、制御部91は、リーク検出用被測定ガスの流速を1m/s以上の第2流速に切り替えるよう給排気装置を制御する(S150)。配管190に導入されたリーク検出用被測定ガスは、保護カバー130の孔からセンサ素子室133に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口10がリーク検出用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間149にセンサ素子101の後端が配置されているため、基準ガス導入空間43の入口43cはリーク検出用基準ガスとしての大気に接触する。
制御部91は、この状態で主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0(ポンプ電流Ip0C1とする)及びこの状態で測定用ポンプセル41に流れるポンプ電流Ip2(ポンプ電流Ip2C1とする)を取得する(S160)。続いて、制御部91は、ポンプ電流Ip0C1が、記憶部94に記憶された閾値Ip0CT以上か否かを判定する(S170)。閾値Ip0CTは、上述した図7などを用いて、センサ素子101のガスリークがある場合とない場合とを区別できるような値を事前に定め、記憶部94に記憶させておけばよい。
S170でポンプ電流Ip0C1が閾値Ip0CT未満であれば、制御部91は、センサ素子の初期ガスリークなしと判定して、センサ素子101の出力特性の検査に用いる検出値を取得する処理に移る。本実施形態では、出力特性を検査する処理では、被測定ガスに含まれるNOガス濃度とセンサ出力(検出値)との対応関係が所定の関係(例えば所定の比例関係)となっているかを検査する。この検査は、複数の流速(ここでは第2流速と同じ流速と、第1流速と同じ流速)について流速毎に行う。また、被測定ガスの流速とNOガス濃度が同じ条件で異なるタイミングで取得したセンサ出力(検出値)の差が所定の範囲内であるか(センサ出力が安定しているか)を検査する。こうした出力特性の検査に用いる検出値を取得する処理では、具体的には、まず、配管190内のガスを最初の条件の出力特性検査用被測定ガス(本実施形態では、NO濃度が0ppmのN2ガスであり、流速は第2流速と同じ流速)に切り替えるよう給排気装置を制御する(S180)。配管190に導入された出力特性検査用被測定ガスは、保護カバー130の孔からセンサ素子室133に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口10が出力特性検査用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間149にセンサ素子101の後端が配置されているため、基準ガス導入空間43の入口43cは出力特性検査用基準ガスとしての大気に接触する。
制御部91は、この状態で測定用ポンプセル41に流れるポンプ電流Ip2(ポンプ電流Ip2Dとする)を取得する(S190)。そして、制御部91は、全条件(本実施形態では、第2流速でNO濃度0ppm,500ppm,1000ppm,1500ppm、第1流速でNO濃度0ppm,500ppm,1000ppm,1500ppmの各条件をこの順に行うものとする)でポンプ電流Ip2Dを取得したかを判定する(S200)。S200において、全条件でポンプ電流Ip2Dを取得していない場合には、チャンバー内のガスを次の条件の出力特性検査用被測定ガスに切り替えるよう給排気装置を制御し(S210)、全条件でIp2Dを取得するまでS190~S210の処理を繰り返す。そして、制御部91は、S200で全条件でIp2Dを取得している場合には、センサ素子101の後発ガスリークの有無を判定する処理に移る。具体的には、制御部91は、配管190内のガスをS150と同じ第2流速のリーク検出用被測定ガスに切り替えるよう給排気装置を制御する(S220)。配管190に導入されたリーク検出用被測定ガスは、保護カバー130の孔からセンサ素子室133に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口10がリーク検出用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間149にセンサ素子101の後端が配置されているため、基準ガス導入空間43の入口43cはリーク検出用基準ガスとしての大気に接触する。
制御部91は、この状態で主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0(ポンプ電流Ip0C2とする)及びこの状態で測定用ポンプセル41に流れるポンプ電流Ip2(ポンプ電流Ip2C2とする)を取得する(S230)。続いて、制御部91は、ポンプ電流Ip0C2が記憶部94に記憶された上述した閾値Ip0CT以上か否かを判定する(S240)。
S240でポンプ電流Ip0C2が閾値Ip0CT未満であれば、制御部91は、センサ素子の後発ガスリークなしと判定し、S130で取得したポンプ電流Ip2L、S160で取得したポンプ電流Ip2C1、S190で取得した各Ip2D、及びS230で取得したIp2C2に基づいてガスセンサ100の出力特性を検査する(S250)。本実施形態では、流速毎に各被測定ガスのNO濃度と各ポンプ電流Ip2Dとの対応関係を調べ、対応関係が所定の関係(例えば所定の比例関係)となっているかを検査する。具体的には、流速毎に被測定ガスのNO濃度と各ポンプ電流Ip2Dとの対応関係を表す近似直線を求め、その近似直線の傾き及び切片が許容範囲内の場合に対応関係OKと判定し、近似直線の傾き及び切片の少なくとも一方が許容範囲外の場合に対応関係NGと判定してもよい。また、本実施形態では、被測定ガスの流速とNOガス濃度が同じ条件で異なるタイミングで取得したセンサ出力(検出値)の差が所定の範囲内であるかを検査する。具体的には、ポンプ電流Ip2Lと第1流速でNO濃度0ppmのときのポンプ電流Ip2Dとの差(第1流速でのセンサ出力の差)や、ポンプ電流Ip2C1,Ip2C2及び第2流速でNO濃度0ppmのときのポンプ電流Ip2Dのうちの最大値と最小値との差(第2流速でのセンサ出力の差)を求め、センサ出力の差が所定値以下の場合に安定性OKと判断し、差が所定値を超える場合に安定性NGと判定してもよい。近似直線の傾き及び切片の許容範囲や、センサ出力の差の上限値は、予め実験により求めておき、記憶部94に記憶させておけばよい。
制御部91は、S250の処理を終えると、結果(ここでは「封止材のガスリークなし、センサ素子の初期ガスリークなし、センサ素子の後発ガスリークなし」及び「出力特性の検査結果」)を出力し(S260)、評価処理を終了する。
一方、S140でポンプ電流Ip0Lが閾値Ip0LT以上であれば、制御部91は、封止材のガスリークありと判定し(S270)、センサ素子101の初期ガスリークの有無を判定する処理に移る。具体的には、制御部91は、S150と同様に、リーク検出用被測定ガスの流速を1m/s以上の第2流速に切り替えるよう給排気装置を制御する(S280)。制御部91は、この状態で主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0C1を取得する(S290)。続いて、制御部91は、ポンプ電流Ip0C1が、記憶部94に記憶された上述の閾値Ip0CT以上か否かを判定する(S300)。S300でポンプ電流Ip0C1が閾値Ip0CT以上であれば、制御部91は、センサ素子の初期ガスリークありと判定し(S310)、結果(ここでは「封止材のガスリークあり、センサ素子の初期ガスリークあり」)を出力し(S260)、評価処理を終了する。
また、S300でポンプ電流Ip0C1が閾値Ip0CT未満であれば、制御部91は、センサ素子の初期ガスリークなしと判定して、結果(ここでは「封止材のガスリークあり、センサ素子の初期ガスリークなし」)を出力し(S260)、評価処理を終了する。
また、S170でポンプ電流Ip0C1が閾値Ip0CT以上であれば、制御部91は、センサ素子の初期ガスリークありと判定し(S310)、結果(ここでは「封止材のガスリークなし、センサ素子の初期ガスリークあり」)を出力し(S260)、評価処理を終了する。
また、S240でポンプ電流Ip0C2が閾値Ip0CT以上であれば、制御部91は、センサ素子の後発ガスリークありと判定し(S320)、結果(ここでは「封止材のガスリークなし、センサ素子の初期ガスリークなし、センサ素子の後発ガスリークあり」)を出力し(S260)、評価処理を終了する。
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。本実施形態の素子本体102が本発明の素子本体に相当し、第1内部空所20が第1内部空所に相当し、主ポンプセル21が主ポンプセルに相当し、第2内部空所40が第2内部空所に相当し、補助ポンプセル50が補助ポンプセルに相当し、第3内部空所61が測定室に相当し、測定電極44が測定電極に相当し、基準電極42が基準電極に相当し、基準ガス導入空間43及び大気導入層48が基準ガス導入部に相当する。また、筒状体140が筒状体に相当し、ガス導入口10が被測定ガス流通部の入口に相当し、センサ素子室133が被測定ガス側空間に相当し、入口43cが基準ガス導入部の入口に相当し、空間149が基準ガス側空間に相当し、封止材145a,145bが封止材に相当する。また、配管190がチャンバーに相当する。また、ポンプ電流Ip1が補助ポンプ電流に相当し、ポンプ電流Ip0が主ポンプ電流に相当する。また、測定用ポンプセル41が測定用ポンプセルに相当し、ポンプ電流Ip2が測定用ポンプ電流に相当し、起電力V2が測定用電圧に相当する。また、S100の実行中に行うS120及びS130のポンプ電流Ip0Lの取得が封止材用主ポンプ電流取得工程に相当し、S140が封止材リーク検出工程に相当し、S100の実行中に行うS150及びS160のポンプ電流Ip0C1の取得,S220及びS230のポンプ電流Ip0C2の取得,S280及びS290のポンプ電流Ip0C1の取得の各々が素子用主ポンプ電流取得工程に相当し、S170,S240,S300の各々が素子リーク検出工程に相当し、S100及びS110の実行中に行うS120及びS130のポンプ電流Ip2Lの取得が検出値取得工程に相当し、S250が出力特性検査工程に相当する。
以上説明した本実施形態によれば、上述の通り、封止材145a.145bのガスリークがある場合には、上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0が大きくなることを利用して、ポンプ電流Ip0に基づいて封止材145a,145bのガスリークを検出できる。なお、上述のように、被測定ガス側の空間を加圧雰囲気にし、基準ガス側の空間へのガスリーク量に基づいて、組立体115における封止材145a,145bのガスリークの有無を判定する方法も可能である。しかし、その場合、基準ガス側の空間へのガスリーク量を測定するために基準ガス側の空間も開放されている必要がある。このため、空間149が外筒148及びゴム栓157で閉じられた完成品のガスセンサ100の状態で検査をすることはできないなど、この方法は汎用性が低い。これに対し、本実施形態の封止材のガスリーク検出方法では、空間149が開放状態(例えば上述した一次組立品又は二次組立品の状態)でも、ゴム栓157で閉じられた完成品の状態でも、ポンプ電流Ip0に基づいて封止材145a,145bのガスリークを検出できるため、汎用性が高い。
また、封止材145a,145bのガスリークを検出するときに、リーク検出用被測定ガスとしてN2ガスを用いており、リーク検出用被測定ガスの酸素濃度が設定では0%であるため、封止材145a,145bのガスリークがある場合とない場合とのポンプ電流Ip0の値の区別がしやすく、封止材145a,145bのガスリークを精度よく検出できる。
さらに、評価処理において、ポンプ電流Ip1の目標値Ip1*を30μA以下の値に設定している。リーク検出用被測定ガスの酸素濃度に対してポンプ電流Ip1が大きすぎると、第2内部空所40の酸素が不足して代わりに各層1~6の酸素が奪われることなどによって、各層1~6の黒化などの不具合が生じることがある。しかし、目標値Ip1*が30μA以下であれば、そうした不具合が生じにくい。ここで、各層1~6の黒化は、固体電解質層を構成するZrO2の酸素が奪われることによって生じると考えられる不可逆反応であり、ZrO2の黒化が生じるとガスセンサ100のセンサ出力に異常が生じることがある。なお、目標値Ip1*が15μA以下であれば、そうした不具合がより生じにくい。目標値Ip1*は、第2内部空所40の酸素を汲み出すことができる値、つまり0μA超過であればよいが、電気的なノイズ成分の影響を考慮して、3μA以上としてもよく、5μA以上としてもよい。
さらにまた、上述の通り、センサ素子101のガスリークがある場合には、上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0が大きくなることを利用して、ポンプ電流Ip0に基づいてセンサ素子101のガスリークを検出できる。また、センサ素子101のガスリークを検出するときに、リーク検出用被測定ガスとしてN2ガスを用いており、リーク検出用被測定ガスの酸素濃度が設定では0%であるため、センサ素子101のガスリークがある場合とない場合とのポンプ電流Ip0の値の区別がしやすく、センサ素子101のガスリークを精度よく検出できる。
そして、封止材145a,145bのガスリークを検出するときのガス流速を0.1m/s以下とし、センサ素子101のガスリークを検出するときのガス流速を1m/s以上とするため、封止材145a,145b及びセンサ素子101のどちらもガスリークがないのか、封止材145a,145bのみガスリークがあるのか、センサ素子101のみガスリークがあるのか、封止材145a,145b及びセンサ素子101の両方にガスリークがあるのかを、精度よく判定できる。
そしてまた、上流ポンプ制御処理の実行中に測定用ポンプ制御処理も実行し、ポンプ電流Ip0L,Ip0C1,Ip0C2だけでなくポンプ電流Ip2L,Ip2C1,Ip2C2も取得し、これらのポンプ電流Ip2L,Ip2C1,Ip2C2を出力特性の検査に用いるため、ガスセンサ100を効率よく評価できる。
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、上述した実施形態では、評価処理において、封止材145a,145bのガスリークの検出のほか、センサ素子101の初期ガスリークの検出、ガスセンサ100の出力特性の検査、センサ素子101の後発ガスリークの検出も行ったが、少なくとも封止材145a,145bのガスリークの検出を行えばよい。また、上述した実施形態では、封止材145a,145bのガスリークの検出をした後にセンサ素子101の初期ガスリークの検出を行ったが、この順序は逆でもよい。
上述した実施形態では、S130でポンプ電流Ip0Lの取得と並行してポンプ電流Ip2Lを取得したが、ポンプ電流Ip0Lの取得と並行してポンプ電流Ip2Lを取得しなくてもよい。その場合、測定用ポンプ制御処理の実行開始(S110)を省略してもよいし、測定用ポンプ制御処理の実行開始(S110)をS130以降の必要なタイミングで行ってもよい。
上述した実施形態では、S120において、0.1m/s以下の第1流速でリーク検出用被測定ガスを流したが、第1流速は0.1m/s超過でもよい。例えば、センサ素子101のガスリークの有無を予めX線CT等を用いて確認するなどして、センサ素子101のガスリークのないガスセンサ100に対して封止材145a,145bのガスリークの検出を行う場合には、流速20m/s以下とすればよい。図7に示すように、流速20m/s以下では、「封止材OK素子OK」(白丸)に対して「封止材NG素子OK」(黒丸)のIp0値が大きいため、封止材145a,145bのガスリークを検出できる。なお、図7に示すように、リーク検出用被測定ガスの流速が遅いほど、「封止材OK素子OK」(白丸)に対する「封止材NG素子OK」(黒丸)の増分が大きく、封止材145a,145bのガスリークを精度よく検出できるため、第1流速は、0.5m/s以下が好ましく、0.25m/s以下がより好ましい。なお、0.25m/s以下であれば、封止材145a,145bのガスリークがない場合(「封止材OK素子OK」(白丸)及び「封止材OK素子NG」(白三角))に対して封止材145a,145bのガスリークがある場合(「封止材NG素子OK」(黒丸)及び「封止材NG素子NG」(黒三角))のIp0値が大きいため、センサ素子101のガスリークがあるものが混在していても、封止材145a,145bのガスリークの検出は可能である。第1流速は0m/s以上であればよい、つまりリーク検出用被測定ガスの流れがなくてもよい。
上述した実施形態では、S150、S220,280において、1m/s以上の第2流速でリーク検出用被測定ガスを流したが、第2流速は1m/s未満でもよい。図7に示すように、流速1m/s未満でも、「封止材OK素子OK」(白丸)に対して「封止材OK素子NG」(白三角)のIp0値が大きいし、「封止材NG素子OK」(黒丸)に対して「封止材NG素子NG」(黒三角)のIp0値が大きいため、封止材145a,145bのガスリークの有無が予め分かっていれば、センサ素子101のガスリークを検出できる。本実施形態では、S140で封止材145a,145bのガスリークの有無を判定しているため、封止材145a,145bのガスリークがある場合とない場合とで閾値Ip0CTを個別に設定すれば、第2流速が1m/s未満でもセンサ素子101のガスリークを検出できる。なお、図7に示すように、リーク検出用被測定ガスの流速が遅すぎると、「封止材OK素子OK」(白丸)と「封止材OK素子NG」(白三角)とのIp0値の差が小さくて区別しにくいし、「封止材NG素子OK」(黒丸)と「封止材NG素子NG」(黒三角)とのIp0値の差が小さくて区別しにくいため、第2流速は0.1m/s以上が好ましい。
上述した実施形態では、リーク検出用被測定ガスはN2ガス(酸素濃度0%設定)としたが、リーク検出用基準ガスよりも酸素濃度が低い酸素濃度既知のガスであれば、こうしたものに限定されない。リーク検出用被測定ガスの酸素濃度が比較的高い(例えば250ppm超過)場合には、封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークがなくても第1内部空所20及び第2内部空所40に酸素が存在する。このため、図5とは異なり、制御部91は、第1内部空所20の酸素を汲み出すように主ポンプセル21を制御し、ポンプ電流Ip0は正の値となる。この場合でも、封止材145a,145b又はセンサ素子101のガスリークがある場合、ガスリークによって第1内部空所20又は第2内部空所40の酸素濃度が高くなるため、図6を用いて説明したのと同様の理由で、ポンプ電流Ip0は、ガスリークがない場合よりも大きな値となる。ただし、リーク検出用被測定ガスの酸素濃度が低いほど、封止材145a,145bのガスリークやセンサ素子101のガスリークを精度よく検出できるため、リーク検出用被測定ガスの酸素濃度は、例えば250ppm以下が好ましい。
上述した実施形態では、リーク検出用基準ガスを大気としたが、リーク検出用被測定ガスよりも酸素濃度が高い酸素濃度既知のガスであれば、こうしたものに限定されない。
上述した実施形態では、評価処理において、目標値Ip1*をガスセンサ100の実際の使用時に実行する上流ポンプ制御処理で設定する目標値Ip1*と同じ値としたが、これに限定されない。
上述した実施形態において、S120では、制御部91は、配管190内を減圧してもよい。こうすれば、センサ素子室133の気圧が空間149よりも低くなるため、封止材145a,145bのガスリークがある場合にガスリーク量が多くなる。このため、封止材145aのガスリークがない場合のポンプ電流Ip0に対する封止材145a,145bのガスリークがある場合のポンプ電流Ip0の増分が大きくなり、ガスリークを精度よく検出できる。配管190内を減圧する場合、第1流速を0m/sとしてもよい。
上述した実施形態において、S250では、Ip2L,Ip2C1,Ip2C2及び各Ip2Dに基づいて出力特性を検査したが、これらのうちの一部を用いて出力特性を検査してもよい。例えば、各Ip2Dのみに基づいて出力特性を検査してもよい。具体的には、センサ出力の安定性の検査を省略し、NOガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査のみを行ってもよい。また、上述した実施形態では、NOガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査を第1流速及び第2流速の各々について行ったが、第1流速及び第2流速のうちの一方のみについて行ってもよいし、その他の流速で行ってもよい。また、上述した実施形態では、第2流速におけるNOガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査には、NO濃度0ppm,500ppm,1000ppm,1500ppmの各条件でのポンプ電流Ip2Dを用いたが、このうちNO濃度0ppmのときのポンプ電流Ip2Dに代えてポンプ電流Ip2C1又はIp2C2を用いてもよい。また、第1流速におけるNOガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査には、NO濃度0ppm,500ppm,1000ppm,1500ppmの各条件でのポンプ電流Ip2Dを用いたが、このうち、NO濃度0ppmのときのポンプ電流Ip2Dに代えてポンプ電流Ip2Lを用いてもよい。
上述した実施形態では、ガスセンサ100の出力特性を検査する処理では、被測定ガスに含まれるNOガス濃度とセンサ出力との対応関係が所定の関係となっているかを検査したが、例えば、被測定ガスに含まれるO2ガス濃度とセンサ出力との対応関係が所定の関係(例えば所定の比例関係)となっているかを検査する処理を行ってもよい。この場合、出力特性検査用被測定ガスは、O2を含みNOを含まないものとしてもよいし、O2を含み濃度固定でNOを含むものとしてもよい。また、ガスセンサ100の出力特性を検査する処理では、これらの静的特性を検査する処理のほか、ガスセンサ100の応答特性を検査する処理や、ガスセンサ100のライトオフ特性(NOx濃度が正しく検出できるようになるまでの時間)を検査する処理を行ってもよい。
上述した実施形態では、センサ素子101のガスリークの一例として、第1内部空所20とヒータ絶縁層74とを連通するクラックがある場合について説明したが、これに限らず、センサ素子101内に被測定ガス流通部と基準ガス導入部とを連通させるクラックがある場合であれば、ポンプ電流Ip0に基づいて上述した実施形態と同様にセンサ素子101のガスリークを検出できる。例えば、緩衝空間12とヒータ絶縁層74とを連通するクラックがある場合、空間149の大気中の酸素が第1内部空所20ではなく緩衝空間12に到達するが、その酸素は拡散により少なくとも第1内部空所20に到達する。また、第2内部空所40とヒータ絶縁層74とを連通するクラックがある場合、空間149の大気中の酸素が第1内部空所20ではなく第2内部空所40に到達する。このため、いずれにしても、第1内部空所20又は第2内部空所40の酸素濃度が高くなる。したがって、これらの場合でも、センサ素子101のガスリークがない場合よりも上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル21に流れるポンプ電流Ip0が大きい値になり、ポンプ電流Ip0に基づいてセンサ素子101のガスリークを検出できる。
上述した実施形態では、制御部91は、主ポンプ制御処理において、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいて起電力V0の目標値V0*を設定(フィードバック制御)し、起電力V0が目標値V0*となるようにポンプ電圧Vp0をフィードバック制御したが、他の処理を行ってもよい。例えば、制御部91は、主ポンプ制御処理として、ポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるように、ポンプ電流Ip1に基づいてポンプ電圧Vp0をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御部91は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル80からの起電力V0の取得や目標値V0*の設定を省略して、ポンプ電流Ip1に基づいて直接的にポンプ電圧Vp0を制御(ひいてはポンプ電流Ip0を制御)してもよい。この場合においても、上流ポンプ制御処理の実行中のポンプ電流Ip0は、封止材145a、145b及びセンサ素子101のガスリークがない場合よりも封止材145a、145b又はセンサ素子101のガスリークがある場合の方が大きな値となる。具体的には、ガスリークによって第2内部空所40の酸素濃度が高くなった場合、ガスリークがない場合よりも起電力V1が小さくなる。そして、制御部91は、起電力V1が目標値V1*になるように補助ポンプセル50を制御する(ポンプ電圧Vp1を大きくする)ため、補助ポンプセル50に流れるポンプ電流Ip1が大きい値になる。そして、大きくなったポンプ電流Ip1が目標値Ip1*となるよう、制御部91は、ガスリークがない場合よりも第1内部空所20の酸素濃度を低くするように主ポンプセル21を制御する。すなわち、制御部91は、ガスリークがない場合よりも第1内部空所20の酸素がより多く汲み出されるようにポンプ電圧Vp0を制御するから、ポンプ電流Ip0が大きくなる。また、ガスリークによって第1内部空所20の酸素濃度が高くなった場合、それのみによっては起電力V1及びポンプ電流Ip1が変化しないため、ポンプ電流Ip0もガスリークがない場合と比べて変化しない。しかし、ポンプ電流Ip0が変化しないことでガスリークによって第1内部空所20に到達した酸素が汲み出されずに第2内部空所40の酸素濃度が高くなる。その結果、上述した制御が行われて、やはりガスリークがない場合よりもポンプ電流Ip0が大きくなる。したがって、制御部91がこのような主ポンプ制御処理を行う場合でも、ポンプ電流Ip0に基づいて封止材145a,145b及びセンサ素子101のガスリークを検出できる。
上述した実施形態では、制御部91は、測定用ポンプ制御処理として、起電力V2が目標値V2*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する処理(こうした制御を目標電圧設定型制御処理とも称する)を行い、このときの検出値(ポンプ電流Ip2)に基づいて被測定ガス中のNOx濃度を検出したが、これに限られない。例えば、制御部91は、測定用ポンプ制御処理として、ポンプ電流Ip2が一定の目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41を制御(例えば電圧Vp2を制御)し(こうした制御を目標電流設定型制御処理とも称する)、このときの検出値(起電力V2)を用いてNOx濃度を検出してもよい。ポンプ電流Ip2が目標値Ip2*となるように測定用ポンプセル41が制御されることで、ほぼ一定の流量で第3内部空所61から酸素が汲み出されることになる。そのため、被測定ガス中のNOxが第3内部空所61で還元されることにより発生する酸素の多寡に応じて第3内部空所61の酸素濃度が変化し、これにより起電力V2が変化する。したがって、起電力V2が被測定ガス中のNOx濃度に応じた値になる。そのため、この起電力V2に基づいてNOx濃度を算出できる。例えば予め記憶部94に起電力V2とNOx濃度との対応関係を記憶しておけばよい。なお、目標電流設定型制御処理として、制御部91は、可変電源46の電圧Vp2を一定値で固定して、結果としてポンプ電流Ip2が一定となるように測定用ポンプセル41を制御してもよい。
上述した実施形態では、ガスセンサ100は特定ガス濃度としてNOx濃度を検出したが、これに限らず他の酸化物濃度を特定ガス濃度としてもよい。特定ガスが酸化物の場合には、上述した実施形態と同様に特定ガスそのものを第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、制御部91はこの酸素に応じた検出値を取得して特定ガス濃度を検出できる。また、特定ガスがアンモニアなどの非酸化物であってもよい。特定ガスが非酸化物の場合には、特定ガスを酸化物に変換(例えばアンモニアであればNOに変換)することで、変換後のガスが第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、制御部91はこの酸素に応じた検出値を取得して特定ガス濃度を検出できる。例えば内側ポンプ電極22がアンモニアの酸化を促進する触媒機能を有する金属を含んでいれば、内側ポンプ電極22の触媒機能により第1内部空所20内でアンモニアを酸化物に変換することができる。アンモニアは酸化物としてNOに変換されるため、アンモニア濃度測定は、基本的にはNOx濃度測定と同じ原理によって行われる。
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1内部空所20,第2内部空所40,第3内部空所61を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図8のセンサ素子201のように、第3内部空所61を備えないものとしてもよい。図8に示した変形例のセンサ素子201では、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。また、測定電極44は、第2内部空所40内の第1固体電解質層4の上面に配設されている。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、アルミナ(Al2O3)などの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、上述した実施形態の第4拡散律速部60と同様に、測定電極44に流入するNOxの量を制限する役割を担う。また、第4拡散律速部45は、測定電極44の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極51の天井電極部51aは、測定電極44の直上まで形成されている。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例えばポンプ電流Ip2に基づいてNOx濃度を検出できる。この場合、測定電極44の周囲が測定室として機能することになる。
上述した実施形態では、センサ素子101の素子本体102は複数の固体電解質層(層1~6)を有する積層体としたが、これに限られない。センサ素子101の素子本体102は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも1つ含み、且つ被測定ガス流通部が内部に設けられていればよい。例えば、図1において第2固体電解質層6以外の層1~5は固体電解質以外の材質からなる構造層(例えばアルミナからなる層)としてもよい。この場合、センサ素子101が有する各電極は第2固体電解質層6に配設されるようにすればよい。例えば、図1の測定電極44は第2固体電解質層6の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間43を第1固体電解質層4の代わりにスペーサ層5に設け、大気導入層48を第1固体電解質層4と第3基板層3との間に設ける代わりに第2固体電解質層6とスペーサ層5との間に設け、基準電極42を第3内部空所61よりも後方且つ第2固体電解質層6の下面に設ければよい。
上述した実施形態では、外側ポンプ電極23は、主ポンプセル21の一部であり素子本体102の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル50の一部であり素子本体102の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側補助ポンプ電極と、測定用ポンプセル41の一部であり素子本体102の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側測定電極と、を兼ねていたが、これに限られない。外側主ポンプ電極,外側補助ポンプ電極,及び外側測定電極のうちのいずれか1以上を、外側ポンプ電極23とは別に素子本体102の外側に設けてもよい。
上述した実施形態では、制御装置90が評価処理を行ったが、制御装置90以外の制御装置を用いて評価処理を行ってもよい。すなわち、評価処理を行う制御装置は、ガスセンサ100の実際の使用時(例えば車両の排気ガスのNOx濃度を測定するとき)にセンサ素子101に接続される制御装置90とは別の、評価処理用の装置であってもよい。また、図4の各ステップのうちS100及びS110以外の処理は、制御装置90を用いず手動で行ってもよい。