JP7312095B2

JP7312095B2 - ガスセンサ及びクラック検出方法

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Publication number: JP7312095B2
Application number: JP2019212175A
Authority: JP
Inventors: 悠介渡邉; 高幸関谷; 斎西川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: JP2021085663A

Description

本発明は、ガスセンサ及びクラック検出方法に関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおける酸素やＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサとして、安定化ジルコニアなどの固体電解質を用いたものが知られている。例えば、特許文献１には、被測定ガスが流通する排気チャンバに設けられた第１電極と、基準ガスが導入される大気ダクトに設けられた第２電極と、第１，２電極に挟まれた固体電解質層とを有するセンサ素子を備え、被測定ガス中の酸素濃度に応じてセンサ出力を生じさせるガスセンサが記載されている。また、特許文献１には、第２電極側から第１電極側に酸素を供給するように両電極間に所定電圧を印加し、酸素供給に伴い生じる両電極間の電流の変化速度を示す速度パラメータを算出し、その速度パラメータに基づいて固体電解質層のクラックを検出することが記載されている。特許文献１では、固体電解質層にクラックが生じると、大気チャンバに酸素濃度の低い被測定ガスが流入して第２電極周囲の酸素濃度が低くなり、第２電極側から第１電極側への電流が流れにくくなることを利用して、固体電解質層のクラックを検出している。

特開２０１４－２３５１０７号公報

しかしながら、特許文献１では、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にはクラックを検出できないという問題があった。このため、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にクラックを検出可能なガスセンサ及びクラック検出方法が望まれていた。

本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、被測定ガスの酸素濃度が高い場合にクラックを検出可能なガスセンサ及びクラック検出方法を提供することを主目的とする。

本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

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を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出するクラック検出手段と、
を備えたものである。

このガスセンサでは、基準ガス導入部が基準ガスに対して拡散抵抗を付与するように形成されている。このため、基準電極と被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を両電極の間に印加して基準電極の周囲から被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行うと、基準ガス導入部に導入される酸素量に対応した検出用電流が流れる。このとき、例えば素子本体のうち被測定ガスに接触する被測定ガス側部分と基準ガスに接触する基準ガス側部分との間にクラックがあると、被測定ガス側部分の周囲の酸素がクラックを介して基準ガス導入部に導入される。このため、クラックがある場合には基準ガス導入部に導入される酸素量が増加し、クラックがない場合と比べて検出用電流が大きくなる。特に、被測定ガス側部分の周囲に存在する酸素が多いほどクラックの有無による検出用電流の差が大きくなるため、被測定ガスの酸素濃度が高いほど検出用電流に基づいてクラックを精度よく検出できる。したがって、本発明では、被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、検出用電流に基づいて素子本体のクラックを検出できる。所定の検出用電圧は、同じ構造のガスセンサを用いて経験的に定めた値とすればよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記クラック検出手段は、前記検出用電流が所定の検出用閾値を超える場合に、前記クラックが形成されていると判断してもよい。

本発明のガスセンサは、前記素子本体の内部に設けられたヒータ及び前記ヒータを覆うように配置され多孔質でガスの流通が可能なヒータ絶縁層を有するヒータ部と、前記基準ガス導入部のうち前記基準ガス入口より内側の部分と前記ヒータ部との間をガスの流通が可能な状態で連結する連結部と、を備えていてもよい。素子本体の内部にヒータを有するガスセンサでは、ヒータ昇温時などにヒータと被測定ガス流通部との間の部分の温度勾配が大きくなりやすくその部分に熱応力によるクラックが生じることがあるが、ヒータ絶縁層及び連結部を備えていれば、こうしたクラックを検出できる。例えば、素子本体のうちヒータ部と被測定ガス流通部との間の部分にクラックがある場合、被測定ガス流通部の酸素が、クラック、ヒータ絶縁層及び連結部を介して基準ガス導入部に導入され、クラックがない場合と比べて検出用電流が大きくなるため、検出用電流に基づいてクラックを検出できる。

本発明のガスセンサにおいて、前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度情報を取得し、前記被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合に、前記検出用電流に基づいて前記クラックを検出する処理を行ってもよい。本発明のガスセンサでは、上述したように、被測定ガス側部分の周囲に存在する酸素が多いほど、検出用電流に基づいてクラックを精度良く検出できる。このため、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合に検出用電流に基づいてクラックを検出する処理を行えば、クラックを精度良く検出できる。

本発明のガスセンサは、前記被測定ガス流通部に配設された内側電極を備え、前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスに対して拡散抵抗を付与するように形成され、前記被測定ガス側電極は、前記素子本体の外側に配設された外側電極であり、前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度情報を取得し、前記被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合には、前記検出用電流に基づいて前記クラックを検出する処理を行い、前記被測定ガスの酸素濃度が前記高濃度領域よりも低い所定の低濃度領域に含まれる場合には、前記内側電極と前記外側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の低酸素用検出用電圧を前記内側電極と前記外側電極との間に印加して、前記内側電極の周囲から前記外側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記低酸素用検出用電圧印加時に前記内側電極と前記外側電極との間に流れる低酸素用検出用電流を取得し、取得した前記低酸素用検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出する処理を行ってもよい。このガスセンサでは、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合には、上述したように検出用電流に基づいてクラックを精度よく検出できる。また、このガスセンサでは、被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれる場合には、以下に示すように、低酸素用検出用電流に基づいてクラックを精度良く検出できる。このガスセンサでは、内側電極が配設された被測定ガス流通部は、被測定ガスに対して拡散抵抗を付与するように形成されている。このため、内側電極と外側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の低酸素用検出用電圧を両電極の間に印加して内側電極の周囲から外側電極の周囲に酸素の汲み入れを行うと、被測定ガス流通部に導入される酸素量に対応した低酸素用検出用電流が流れる。このとき、例えば素子本体のうち上述した被測定ガス流通部と基準ガス側部分との間にクラックがあると、基準ガス側部分の周囲にある酸素がクラックを介して被測定ガス流通部に導入される。このため、クラックがある場合には被測定ガス流通部に導入される酸素量が増加し、クラックがない場合と比べて低酸素用検出用電流が大きくなる。特に、被測定ガスの酸素濃度が低いほど、クラックがない場合の低酸素用検出用電流に対する、クラックがある場合の低酸素用検出用電流の変化率が大きくなる。このため、被測定ガスの酸素濃度が低いほど低酸素用検出用電流に基づいてクラックを精度よく検出できる。したがって、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合には検出用電流に基づいてクラックを検出し、被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれる場合には低酸素用検出用電流に基づいてクラックを検出することで、被測定ガスの酸素濃度にかかわらずクラックを精度よく検出できる。所定の低酸素用検出用電圧は、同じ構造のガスセンサを用いて経験的に定めた値とすればよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記クラック検出手段は、前記低酸素用検出用電流が所定の低酸素用検出用閾値を超える場合に、前記クラックが形成されていると判断してもよい。

本発明のガスセンサにおいて、前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度が高いほど前記低酸素用検出用閾値が高くなる傾向で、前記低酸素用検出用閾値を変化させてもよい。被測定ガスの酸素濃度が高いほど低酸素用検出用電流も高くなる傾向があるため、それに合わせて低酸素用検出用閾値を変化させれば、クラックをより精度よく検出できる。

本発明のガスセンサは、前記内側電極を複数備え、前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度が前記高濃度領域よりも低い所定の低濃度領域に含まれる場合には、前記内側電極の各々に対して個別に、前記内側電極と前記外側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の低酸素用検出用電圧を前記内側電極と前記外側電極との間に印加して、前記内側電極の周囲から前記外側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記低酸素用検出用電圧印加時に前記内側電極と前記外側電極との間に流れる低酸素用検出用電流を取得し、前記内側電極の各々に対して個別に取得した前記低酸素用検出用電流に基づいて、前記クラックの位置を推定してもよい。複数の内側電極がある場合、クラックに近い内側電極の周囲では、酸素量が特に増加するため、低酸素用検出用電流が大きくなりやすい。このため、内側電極の各々に対して個別に測定した低酸素用検出用電流に基づいて、クラックの位置を推定できる。

本発明のクラック検出方法は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
を備えたセンサ素子のクラック検出方法であって、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出する、
ものである。

このクラック検出方法では、上述したガスセンサと同様に、クラックがあると検出用電流が大きくなることを利用して、素子本体のクラックを検出できる。

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断面模式図。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。クラック検出処理の一例を示すフローチャート。ポンプ電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係の一例を示すＶ－Ｉ曲線。ポンプ電圧Ｖｐ０とポンプ電流Ｉｐ０との関係の一例を示すＶ－Ｉ曲線。ポンプ電圧Ｖｐ１とポンプ電流Ｉｐ１との関係の一例を示すＶ－Ｉ曲線。ポンプ電圧Ｖｐ２とポンプ電流Ｉｐ２との関係の一例を示すＶ－Ｉ曲線。高酸素用クラック検出処理時の酸素の流れを示す説明図。低酸素用クラック検出処理時の酸素の流れを示す説明図。被測定ガスの酸素濃度とＩｐ３の限界電流値との関係の一例を示すグラフ。クラック検出処理の変形例を示すフローチャート。変形例のセンサ素子２０１の断面模式図。

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、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と導通するコネクタ１５０を含むセンサ組立体１４０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。

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。

センサ組立体１４０は、センサ素子１０１を封入固定する素子封止体１４１と、素子封止体１４１に取り付けられたボルト１４７，外筒１４８と、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たコネクタ１５０と、を備えている。

素子封止体１４１は、筒状の主体金具１４２と、主体金具１４２と同軸に溶接固定された筒状の内筒１４３と、主体金具１４２及び内筒１４３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，圧粉体１４５ａ，１４５ｂ，メタルリング１４６と、を備えている。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、圧粉体１４５ｂを内筒１４３の中心軸方向に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，圧粉体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、圧粉体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、圧粉体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。

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、内筒１４３，センサ素子１０１，コネクタ１５０の周囲を覆っており、コネクタ１５０に接続された複数のリード線１５５が後端から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。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。

図２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積層体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の一端（図２の左側）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。

第３基板層３の上面と第１固体電解質層４の下面との間には、大気導入層４８が設けられている。大気導入層４８は、例えばアルミナなどのセラミックスからなる多孔質体である。大気導入層４８は、後端面が入口部４８ｃとなっており、この入口部４８ｃはセンサ素子１０１の後端面に露出している。入口部４８ｃは、図１の空間１４９内に露出している（図１参照）。大気導入層４８には、この入口部４８ｃから、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスが導入される。基準ガスは、本実施形態では大気（図１の空間１４９内の雰囲気）とした。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。この大気導入層４８は、入口部４８ｃから導入された基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつこれを基準電極４２に導入する。

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、大気導入層４８が設けられている。なお、基準電極４２は、第３基板層３の上面に直に形成されており、第３基板層３の上面に接する部分以外が大気導入層４８に覆われている。ただし、基準電極４２は少なくとも一部が大気導入層４８に覆われていればよい。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，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（図１のセンサ素子室１３３）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が直に形成され、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（電圧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、電圧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の上面には、底部電極部５１ｂが直に形成され、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（電圧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、その電圧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。

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の上面に直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（例えば、ＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）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（電圧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、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。

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検出用ポンプセル８５が構成されている。この検出用ポンプセル８５は、外側ポンプ電極２３と基準電極４２との間に接続された可変電源８６が印加するポンプ電圧Ｖｐ３によりポンプ電流Ｉｐ３が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、検出用ポンプセル８５は、基準電極４２の周囲の空間（大気導入層４８）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（図１のセンサ素子室１３３）に酸素の汲み入れを行う。検出用ポンプセル８５は、例えば被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合のクラック検出に使用される、高酸素用のポンプセルである。被測定ガスの酸素濃度が高濃度領域よりも低い所定の低濃度領域に含まれる場合のクラック検出には、上述した主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，測定用ポンプセル４１が、低酸素用の検出用ポンプセル８７として使用される。検出用ポンプセル８７として使用される場合、主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，測定用ポンプセル４１は、ともに作動するのではなく個別に作動するように制御される。検出用ポンプセル８７としての主ポンプセル２１は、内側ポンプ電極２２の周囲の空間（第１内部空所２０）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（センサ素子室１３３）に酸素の汲み入れを行う。検出用ポンプセル８７としての補助ポンプセル５０は、補助ポンプ電極５１の周囲の空間（第２内部空所４０）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（センサ素子室１３３）に酸素の汲み入れを行う。検出用ポンプセル８７としての測定用ポンプセル４１は、測定電極４４の周囲の空間（第３内部空所６１）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（センサ素子室１３３）に酸素の汲み入れを行う。

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た多孔質の絶縁層である。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。圧力放散孔７５は、大気導入層４８のうち基準ガスの入口（ここでは入口部４８ｃ）よりも内側の部分と、ヒータ部７０と、の間をガスの流通が可能な状態で連結している。

なお、図２に示した可変電源２４，４６，５２，８６などは、実際にはセンサ素子１０１内に形成された図示しないリード線や図１のコネクタ１５０及びリード線１５５を介して、各電極と接続されている。

制御装置９０は、上述した可変電源２４，４６，５２，８６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。記憶部９４は、各種プログラムや各種データを記憶する装置である。制御部９１は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される電圧Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される電圧Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される電圧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、検出用ポンプセル８５にて検出されるポンプ電流Ｉｐ３を入力する。また、制御部９１は可変電源２４，４６，５２，８６へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２，８６が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２，Ｖｐ３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，補助ポンプセル５０及び検出用ポンプセル８５を制御する。記憶部９４には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊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＊を参照して、各セル２１，４１，５０の制御を行い、後述するＮＯｘ濃度検出処理を行う。また、記憶部９４には、後述する設定値Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２，Ｖｓｐ３なども記憶されている。制御部９１のＣＰＵ９２は、これらの設定値Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２，Ｖｓｐ３を参照して、各セル２１，４１，５０，８５の制御を行い、後述するクラック検出処理を行う。

次に、ガスセンサ１００を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出処理の一例について説明する。ＮＯｘ濃度検出処理が開始されると、制御装置９０の制御部９１は、電圧Ｖ０が目標値（目標値Ｖ０＊と称する）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。ポンプ電流Ｉｐ０は被測定ガスの酸素濃度ひいては被測定ガスの空燃費（Ａ／Ｆ）に応じて変化する。

また、制御部９１は、電圧Ｖ１が一定値（目標値Ｖ１＊と称する）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、制御部９１は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定値（目標値Ｉｐ１＊と称する）となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）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。また、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧が、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。目標値Ｖ０＊は、第１内部空所２０の酸素濃度が０％よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。

さらに、制御部９１は、電圧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、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。このように、センサ素子１０１内に導入された被測定ガス中の特定ガスに由来する酸素の汲み出しを行い、汲み出す酸素量に基づいて（本実施形態ではポンプ電流Ｉｐ２に基づいて）特定ガス濃度を検出する方式を、限界電流方式と称する。

記憶部９４には、ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係として、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。制御部９１のＣＰＵ９２は、取得したポンプ電流Ｉｐ２と記憶部９４に記憶された対応関係とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。

次に、ガスセンサ１００におけるクラック検出処理の一例について、図４を用いて説明する。図４は、クラック検出処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、例えば一定時間毎などの所定のクラック検出タイミングで実行される。ここでは、上述したＮＯｘ濃度検出処理に引き続いてクラック検出処理を行う場合について説明する。

クラック検出処理が開始されると、制御部９１は、まず、被測定ガスの酸素濃度情報を取得し（Ｓ１００）、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれるか否かを判定する（Ｓ１１０）。ここでは、制御部９１は、酸素濃度情報として上述のＮＯｘ濃度検出処理で検出されたポンプ電流Ｉｐ０を入力し、ポンプ電流Ｉｐ０が所定の閾値以上である場合に被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれると判定する。所定の閾値は、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれるようなポンプ電流Ｉｐ０の下限値であり、ポンプ電流Ｉｐ０と被測定ガスの酸素濃度との対応関係から予め導出され、記憶部９４に記憶されている。

そして、制御部９１は、Ｓ１１０で被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれていたならば、ポンプ電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２の印加を中止して（Ｓ１２０）、ＮＯｘ濃度検出処理を一旦中断する。続いて、制御部９１は、設定値Ｖｓｐ３に設定されたポンプ電圧Ｖｐ３を印加するように検出用ポンプセル８５の可変電源８６を制御する（Ｓ１３０）。これにより、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（図１のセンサ素子室１３３）に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ｉｐ３が流れる。そして、制御部９１は、このときのポンプ電流Ｉｐ３を入力し（Ｓ１４０）、ポンプ電圧Ｖｐ３の印加を中止する（Ｓ１５０）。続いて、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ３が記憶部９４に記憶された所定の検出用閾値Ｔｐ３以上か否かを判定する（Ｓ１６０）。制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ３が所定の検出用閾値Ｔｐ３以上であれば、センサ素子１０１にクラックがあると判定して、クラック検出信号を外部に出力し（Ｓ１７０）、本ルーチンを終了する。一方、制御部９１は、Ｓ１６０でポンプ電流Ｉｐ３が検出用閾値Ｔｐ３未満であれば、そのまま本ルーチンを終了し、必要に応じてＮＯｘ濃度検出処理を再開する。

一方、制御部９１は、Ｓ１１０で被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれていないならば、つまり、被測定ガスの酸素濃度が高濃度領域よりも低い所定の低濃度領域に含まれているならば、ポンプ電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２の印加を中止して（Ｓ１８０）、ＮＯｘ濃度検出処理を一旦中断する。次に、制御部９１は、設定値Ｖｓｐ０に設定されたポンプ電圧Ｖｐ０を印加するように主ポンプセル２１の可変電源２４を制御する（Ｓ１９０）。これにより、内側ポンプ電極２２の周囲の空間（第１内部空所２０）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（センサ素子室１３３）に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ｉｐ０が流れる。そして、制御部９１は、このときのポンプ電流Ｉｐ０を入力し（Ｓ２００）、ポンプ電圧Ｖｐ０の印加を中止する（Ｓ２１０）。続いて、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０が記憶部９４に記憶された所定の検出用閾値Ｔｐ０以上か否かを判定する（Ｓ２２０）。制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０が所定の検出用閾値Ｔｐ０以上であれば、センサ素子１０１にクラックがあると判定して、クラック検出信号を外部に出力し（Ｓ１７０）、本ルーチンを終了する。一方、制御部９１は、Ｓ２２０でポンプ電流Ｉｐ０が検出用閾値Ｔｐ０未満であれば、設定値Ｖｓｐ１に設定されたポンプ電圧Ｖｐ１を印加するように補助ポンプセル５０の可変電源５２を制御する（Ｓ２３０）。これにより、補助ポンプ電極５１の周囲の空間（第２内部空所４０）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（センサ素子室１３３）に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ｉｐ１が流れる。そして、制御部９１は、このときのポンプ電流Ｉｐ１を入力し（Ｓ２４０）、ポンプ電圧Ｖｐ１の印加を中止する（Ｓ２５０）。続いて、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ１が記憶部９４に記憶された所定の検出用閾値Ｔｐ１以上か否かを判定する（Ｓ２６０）。制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ１が検出用閾値Ｔｐ１以上であれば、センサ素子１０１にクラックがあると判定して、クラック検出信号を外部に出力し（Ｓ１７０）、本ルーチンを終了する。一方、制御部９１は、Ｓ２６０でポンプ電流Ｉｐ１が検出用閾値Ｔｐ１未満であれば、設定値Ｖｓｐ２に設定されたポンプ電圧Ｖｐ２を印加するように測定用ポンプセル４１の可変電源４６を制御する（Ｓ２７０）。これにより、測定電極４４の周囲の空間（第３内部空所６１）から外側ポンプ電極２３の周囲の空間（センサ素子室１３３）に酸素の汲み入れが行われ、ポンプ電流Ｉｐ２が流れる。そして、制御部９１は、このときのポンプ電流Ｉｐ２を入力し（Ｓ２８０）、ポンプ電圧Ｖｐ２の印加を中止する（Ｓ２９０）。続いて、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２が記憶部９４に記憶された所定の検出用閾値Ｔｐ２以上か否かを判定する（Ｓ３００）。制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２が検出用閾値Ｔｐ２以上であれば、センサ素子１０１にクラックがあると判定して、クラック検出信号を外部に出力し（Ｓ１７０）、本ルーチンを終了する。一方、制御部９１は、Ｓ３００でポンプ電流Ｉｐ２が検出用閾値Ｔｐ２未満であれば、そのまま本ルーチンを終了し、必要に応じてＮＯｘ濃度検出処理を再開する。

ポンプ電圧Ｖｐｎ（ｎ＝０，１，２，３、以下同じ）の設定値Ｖｓｐｎ及びポンプ電流Ｉｐｎの検出用閾値Ｔｐｎは、予め実験を行ってポンプ電圧Ｖｐｎとポンプ電流Ｉｐｎとの関係を示すＶ－Ｉ曲線を取得し、得られたＶ－Ｉ曲線に基づいて設定することができる。ここではまず、Ｖ－Ｉ曲線を取得する実験の一例として、ポンプ電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を示すＶ－Ｉ曲線を取得する実験について説明する。まず、クラック有りのセンサ素子１０１とクラック無しのセンサ素子１０１を準備する。クラック有りのセンサ素子１０１は、例えば素子を急昇温することによりセンサ素子１０１の内部にクラックを形成してもよい。次に、各センサ素子１０１について、センサ素子１０１のガス導入口１０側が所定の被測定ガス（ここではモデルガス）中に配置され、大気導入層４８の入口部４８ｃ側が大気中に配置されるようにガスセンサ１００を配置し、ヒータ７２に通電してセンサ素子１０１を所定の駆動温度（ここでは８５０℃）まで加熱する。可変電源２４，５２，４６，８６はいずれも電圧を印加しない状態とする。センサ素子１０１の温度が安定した後、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲への酸素の汲み入れが行われるように、可変電源８６によって基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間にポンプ電圧Ｖｐ３を印加する。ポンプ電圧Ｖｐ３は、徐々に（例えば２ｍＶ／ｓｅｃ）増加させながら印加する。そして、このときに流れるポンプ電流Ｉｐ３を測定し、ポンプ電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を示すＶ－Ｉ曲線を得る。ポンプ電圧Ｖｐ０とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すＶ－Ｉ曲線や、ポンプ電圧Ｖｐ１とポンプ電流Ｉｐ１との関係を示すＶ－Ｉ曲線、ポンプ電圧Ｖｐ２とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すＶ－Ｉ曲線についても、ポンプ電圧を印加しポンプ電流を測定する電極を変更する以外は、ポンプ電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を示すＶ－Ｉ曲線と同様に取得すればよい。

図５に、ポンプ電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を示すＶ－Ｉ曲線の一例を示す。また、図６にポンプ電圧Ｖｐ０とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すＶ－Ｉ曲線の一例を示し、図７にポンプ電圧Ｖｐ１とポンプ電流Ｉｐ１との関係を示すＶ－Ｉ曲線の一例を示し、図８にポンプ電圧Ｖｐ２とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すＶ－Ｉ曲線の一例を示す。なお、クラック有りのセンサ素子１０１は、後述する図９，１０に示すように、第１内部空所２０とヒータ部７０との間にクラックが形成されているものとした（以下同じ）。図５のＶ－Ｉ曲線は、被測定ガスとして大気を用いた場合のＶ－Ｉ曲線である。図５では、クラック有り，クラック無し、各６つのセンサ素子１０１についてそれぞれＶ－Ｉ曲線を求め、その結果を示した。図６Ａ，図７Ａ，図８ＡのＶ－Ｉ曲線は、被測定ガスとしてＮ₂ガスを用いた場合のＶ－Ｉ曲線であり、図６Ｂ，図７Ｂ，図８ＢのＶ－Ｉ曲線は、被測定ガスとしてＮ₂ガスをベースガスとしＯ₂濃度を１０００ｐｐｍとしたモデルガスを用いた場合のＶ－Ｉ曲線である。なお、図６，７，８では、縦軸の最小値及び最大値を統一し、横軸の最小値及び最大値も統一した。

図５に示すように、ポンプ電圧Ｖｐ３が低いうちはポンプ電圧Ｖｐ３の増加に伴いポンプ電流Ｉｐ３が増加するが、ポンプ電圧Ｖｐ３が高くなるとポンプ電圧Ｖｐ３が増加してもポンプ電流Ｉｐ３が増加せずに飽和するようになる。このようにポンプ電圧が増加してもポンプ電流が増加せずに飽和する飽和値を限界電流値という。図５に示すように、クラック有りのセンサ素子１０１では、クラック無しのセンサ素子１０１よりもポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値が高くなる。この理由は以下のように推察される。

ガスセンサ１００において、クラック検出処理が開始され、ポンプ電圧Ｖｐ３が印加されると、図９に示すように、基準電極４２の周囲の空間から外側ポンプ電極２３の周囲の空間に酸素の汲み入れが行われる。ここで、センサ素子１０１にクラックが有ると、センサ素子室１３３（図１参照）から被測定ガス流通部に導入された酸素がクラックを介してヒータ絶縁層７４に到達し、ヒータ絶縁層７４、圧力放散孔７５及び大気導入層４８を通って基準電極４２の周囲に到達するため、基準電極４２の周囲の酸素量が増加する。このため、センサ素子１０１にクラックが有る場合には、クラックが無い場合よりも、ポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値が大きくなる。このため、ガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出できる。

ポンプ電圧Ｖｐ３の設定値Ｖｓｐ３は、ポンプ電流Ｉｐ３が限界電流となるようなポンプ電圧Ｖｐ３の電圧範囲（例えば図５の限界電流範囲）から選択すればよい。また、ポンプ電流Ｉｐ３の検出用閾値Ｔｐ３は、設定値Ｖｓｐ３に設定されたポンプ電圧Ｖｐ３を印加したときに、クラック無しの場合のポンプ電流Ｉｐ３よりも高くクラック有りの場合のポンプ電流Ｉｐ３よりも低い電流範囲から選択すればよく、クラック無しの場合のポンプ電流Ｉｐ３とクラック有りの場合のポンプ電流Ｉｐ３とを区別できるように定めればよい。例えば図５を用いて検出用閾値Ｔｐ３を定める場合、クラック無しの場合のポンプ電流Ｉｐ３（Ｖｐ３＝Ｖｓｐ３のとき）の最大値をＮｐ３とし、クラック有りの場合のポンプ電流Ｉｐ３（Ｖｐ３＝Ｖｓｐ３のとき）の最小値をＣｐ３として、Ｎｐ３とＣｐ３との間の電流範囲から選択してもよい。なお、図５に示した設定値Ｖｓｐ３は、５００ｍＶとした。

図６に示すように、ポンプ電流Ｉｐ０も、ポンプ電流Ｉｐ３と同様にクラックがある場合にはクラックが無い場合よりも限界電流値が大きくなる。この理由は、以下のように推察される。ガスセンサ１００において、クラック検出処理が開始され、ポンプ電圧Ｖｐ０が印加されると、図１０に示すように内側ポンプ電極２２の周囲の空間から外側ポンプ電極２３の周囲の空間に酸素の汲み入れが行われる。ここで、センサ素子１０１にクラックがあると、空間１４９（図１参照）から大気導入層４８に導入された大気中の酸素が、圧力放散孔７５及びヒータ絶縁層７４を通ってクラックに到達し、クラックを介して内側ポンプ電極２２の周囲に到達するため、内側ポンプ電極２２の周囲の酸素量が増加する。このため、センサ素子１０１にクラックがある場合には、クラックがない場合よりも、ポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値が大きくなる。したがって、ガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいてクラックを検出できる。図７，８に示すように、ポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２も、Ｉｐ０と同様に、クラックがある場合にはクラックが無い場合よりも限界電流値が大きくなる。したがって、ガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐ１やポンプ電流Ｉｐ２に基づいてクラックを検出できる。ポンプ電圧Ｖｐ０～Ｖｐ２の設定値Ｖｓｐ０～Ｖｓｐ２及びポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ２の検出用閾値Ｔｐ０～Ｔｐ２は、ポンプ電圧を印加しポンプ電流を測定する電極を変更する以外は、設定値Ｖｓｐ３及び検出用閾値Ｔｐ３と同様に設定すればよい。なお、図６～８に示した設定値Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２は全て４００ｍＶとした。設定値Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２は全て同じ値としてもよいし、Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２のうちの１以上を異なる値としてもよい。

ところで、図１１に示すように、ポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値は、被測定ガスの酸素濃度に応じて変化することがある。図１１は、被測定ガスの酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値との関係の一例を示すグラフである。図１１には、Ｎ₂ガスをベースガスとし、Ｏ₂濃度を０％，５％，１０％，２０．５％に調整したモデルガスを被測定ガスとして用い、設定値Ｖｓｐ３＝５００ｍＶに設定されたポンプ電圧Ｖｐ３を印加したときのポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値を示した。図１１では、クラック有りのセンサ素子１０１を４つと、クラック無しのセンサ素子１０１を３つについて、被測定ガスの酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値との関係を示した。図１１に示すように、ポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値は、センサ素子１０１にクラックが有る場合には、被測定ガスの酸素濃度が高いほど大きくなる一方、センサ素子１０１にクラックが無い場合には、被測定ガスの酸素濃度が高くなっても略一定となる。これは、被測定ガスの酸素濃度が高いほど、ガス導入口１０から導入されてクラックを介して基準電極４２の周囲に到達する酸素量が増加し、クラックがある場合とクラックがない場合とのポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値の差が大きくなるためと推察される。このため、被測定ガスの酸素濃度が高いほどポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを精度よく検出できる。したがって、ガスセンサ１００では、被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出する処理を行うことで、素子本体のクラックを精度よく検出できる。そこで、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれるか否かを判定するＳ１１０においては、求められるクラック検出精度に応じて、所定の高濃度領域を設定してもよい。例えば、図１１の結果から、上述したＣｐ３とＮｐ３とに明確な差が現れる領域として、酸素濃度が３％以上の領域や、５％以上の領域、１０％以上の領域などを所定の高濃度領域としてもよい。なお、このガスセンサ１００では、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素の汲み入れを行うため、被測定ガス自体に酸素が含まれていなくても、図１のセンサ素子室１３３には酸素が存在する。このため、理論的には、被測定ガス自体に酸素が含まれていない場合でもポンプ電流Ｉｐ３に基づいて素子本体のクラックを検出できる。図１１では、クラック有りのセンサ素子１０１とクラック無しのセンサ素子１０１とは別の素子であり、個体差による限界電流のバラツキを含んでいるため、酸素濃度の低い領域では、クラックの有無によるポンプ電流Ｉｐ３の変化がわかりにくくなっている。しかし、同一のセンサ素子１０１でクラック無しからクラック有りに変わった場合には、ポンプ電圧Ｖｐ３の印加によって外側ポンプ電極２３の周囲に汲み入れた酸素が基準電極４２に戻ってくることによってポンプ電流Ｉｐ３が明確に増加するため、検出用閾値Ｔｐ３を用いてクラックを検出できると考えられる。

また、上述の通り、ポンプ電流Ｉｐ３の限界電流値は、センサ素子１０１にクラックが有る場合には被測定ガスの酸素濃度が高いほど大きくなる一方、センサ素子１０１にクラックが無い場合には被測定ガスの酸素濃度が高くなっても略一定となる。そこで、検出用閾値Ｔｐ３は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど高くなる傾向で変化させてもよい。その場合、検出用閾値Ｔｐ３は、例えば図１１に一点鎖線で示すように被測定ガスの酸素濃度との関係が一次関数となるよう直線的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。検出用閾値Ｔｐ３は、図１１に一点鎖線で示すように、各酸素濃度においてＣｐ３からＴｐ３を引いた差とＴｐ３からＮｐ３を引いた差との比率が略一定となるように変化させてもよい。検出用閾値Ｔｐ３を被測定ガスの酸素濃度と対応付けて変化させるにあたり、記憶部９４には、検出用閾値Ｔｐ３と被測定ガスの酸素濃度との対応関係を示す式又はマップを記憶させてもよい。その場合、制御部９１は、Ｓ１００で取得した被測定ガスの酸素濃度と、記憶部９４に記憶された式又はマップとを用いて検出用閾値Ｔｐ３を導出すればよい。検出用閾値Ｔｐ３は、図１１に二点鎖線で示すように、被測定ガスの酸素濃度にかかわらず一定の値としてもよい。

図６Ａと図６Ｂとの比較からわかるように、ポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値は、被測定ガスの酸素濃度が低いほど、クラック無しの場合のポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値に対する、クラック有りの場合のポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値の変化率が大きくなる。具体的には、被測定ガスの酸素濃度にかかわらず、クラックがある場合のポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値（Ｃｐ０とも称する）とクラックがない場合のポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値（Ｎｐ０とも称する）との差（ΔＩｐ０とも称する）は略一定となる。一方で、被測定ガスの酸素濃度が低いほど、クラックがない場合のポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値Ｎｐ０に対する、上述した差ΔＩｐ０の割合、つまりΔＩｐ０／Ｎｐ０の値が大きくなる。このため、被測定ガスの酸素濃度が低いほどポンプ電流Ｉｐ０に基づいてクラックを精度よく検出できる。したがって、ガスセンサ１００では、被測定ガスの酸素濃度が低い場合に、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいてクラックを検出する処理を行うことで、素子本体のクラックを精度良く検出できる。ポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２も、図７，８に示すように、被測定ガスの酸素濃度が低いほど、クラック無しの場合のポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２の限界電流値に対する、クラック有りの場合のポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２の限界電流値の変化率が大きくなる。したがって、ガスセンサ１００では、被測定ガスの酸素濃度が低いほどポンプ電流Ｉｐ１やポンプ電流Ｉｐ２に基づいてクラックを精度よく検出できる。

また、図６Ａと図６Ｂとの比較からわかるように、ポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値は、センサ素子１０１にクラックが有るか無いかにかかわらず、被測定ガスの酸素濃度が高いほど大きくなる。このため、検出用閾値Ｔｐ０は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど高くなる傾向で変化させることが好ましい。その場合、検出用閾値Ｔｐ０は、例えば被測定ガスの酸素濃度との関係が一次関数となるように直線的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。検出用閾値Ｔｐ０は、図１１に一点鎖線で示したＴｐ３と同様に、各酸素濃度においてＣｐ０からＴｐ０を引いた差とＴｐ０からＮｐ０を引いた差との比率が略一定となるように変化させてもよい。検出用閾値Ｔｐ０を被測定ガスの酸素濃度と対応付けて変化させる場合、記憶部９４には、検出用閾値Ｔｐ０と被測定ガスの酸素濃度との対応関係を示す式又はマップを記憶させてもよい。その場合、制御部９１は、Ｓ１００で取得した被測定ガスの酸素濃度と、記憶部９４に記憶された式又はマップとを用いて検出用閾値Ｔｐ０を導出する。検出用閾値Ｔｐ１，Ｔｐ２についても同様である。

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。本実施形態の第１基板層１，第２基板層２，第３基板層３，第１固体電解質層４，スペーサ層５及び第２固体電解質層６が本発明の素子本体に相当し、ガス導入口１０，第１拡散律速部１１，緩衝空間１２，第２拡散律速部１３，第１内部空所２０，第３拡散律速部３０，第２内部空所４０，第４拡散律速部６０及び第３内部空所６１が被測定ガス流通部に相当し、外側ポンプ電極２３が外側電極としての被測定ガス側電極に相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、大気導入層４８が基準ガス導入部に相当し、入口部４８ｃが基準ガス入口に相当し、ガスセンサ１００がガスセンサに相当する。また、設定値Ｖｓｐ３に設定されたポンプ電圧Ｖｐ３が検出用電圧（高酸素用検出用電圧とも称する）に相当し、検出用電圧を印加したときのポンプ電流Ｉｐ３が検出用電流（高酸素用検出用電流とも称する）に相当し、制御部９１がクラック検出手段に相当する。また、検出用閾値Ｔｐ３が検出用閾値（高酸素用検出用閾値とも称する）に相当する。また、ヒータ７２がヒータに相当し、ヒータ絶縁層７４がヒータ絶縁層に相当し、ヒータ部７０がヒータ部に相当し、圧力放散孔７５が連結部に相当する。また、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４のそれぞれが内側電極に相当し、設定値Ｖｓｐ０に設定されたポンプ電圧Ｖｐ０，設定値Ｖｓｐ１に設定されたポンプ電圧Ｖｐ１，設定値Ｖｓｐ２に設定されたポンプ電圧Ｖｐ２のそれぞれが低酸素用検出用電圧に相当し、各低酸素用検出用電圧を印加したときのポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２のそれぞれが低酸素用検出用電流に相当し、検出用閾値Ｔｐ０，Ｔｐ１，Ｔｐ２のそれぞれが低酸素用検出用閾値に相当する。また、センサ素子１０１がセンサ素子に相当する。また、上述した実施形態では、ガスセンサ１００の動作を説明することにより、本発明のクラック検出方法の一例も明らかにしている。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００では、上述したとおり、設定値Ｖｓｐ３に設定されたポンプ電圧Ｖｐ３を印加したときのポンプ電流Ｉｐ３に基づいて素子本体のクラックを検出できる。

また、ガスセンサ１００では、ヒータ絶縁層７４及び圧力放散孔７５を備えているため、被測定ガス流通部とヒータ部７０との間のクラックを検出できる。

さらに、ガスセンサ１００では、制御部９１は、被測定ガスの酸素濃度情報を取得し、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合に、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出する処理を行うため、クラックを精度良く検出できる。

さらにまた、ガスセンサ１００では、被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれる場合にはポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出し、被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域（高濃度領域よりも酸素濃度が低い領域）に含まれる場合にはポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２に基づいてクラックを検出することで、被測定ガスの酸素濃度にかかわらずクラックを精度よく検出できる。

そして、ガスセンサ１００において、制御部９１は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど検出用閾値Ｔｐ０，Ｔｐ１，Ｔｐ２が高くなる傾向で、検出用閾値Ｔｐ０，Ｔｐ１，Ｔｐ２を変化させれば、クラックをより精度よく検出できる。

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、外側ポンプ電極２３を被測定ガス側電極として用いたが、被測定ガス側電極は、内側ポンプ電極２２としてもよいし、補助ポンプ電極５１としてもよいし、測定電極４４としてもよい。つまり、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４のうちのいずれかと基準電極４２との間に設定値Ｖｓｐ３に設定されたポンプ電圧Ｖｐ３を印加して、そのときのポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出してもよい。

上述した実施形態では、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４を内側電極として用いたが、これらのうちの１以上を内側電極として用いなくてもよい。つまり、制御部９１は、内側ポンプ電極２２を含む主ポンプセル２１を検出用ポンプセル８７として用いたＳ１９０～Ｓ２２０の処理，補助ポンプ電極５１を含む補助ポンプセル５０を検出用ポンプセル８７として用いたＳ２３０～Ｓ２６０の処理，測定電極４４を含む測定用ポンプセル４１を検出用ポンプセル８７として用いたＳ２７０～Ｓ３００の処理のうちの１以上を行わなくてもよい。制御部９１は、Ｓ１９０～Ｓ３００の全ての処理を行わない場合には、Ｓ１８０の処理も行わなくてよい。また、制御部９１は、上述した、Ｓ１９０～Ｓ２２０の処理、Ｓ２３０～Ｓ２６０の処理、Ｓ２７０～Ｓ３００の処理を、順序を入れ替えて行ってもよい。

また、上述した実施形態において、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０が検出用閾値Ｔｐ０以上か否かを判定する処理（Ｓ２２０），ポンプ電流Ｉｐ１が検出用閾値Ｔｐ１以上か否かを判定する処理（Ｓ２６０），ポンプ電流Ｉｐ２が検出用閾値Ｔｐ２以上か否かを判定する処理（Ｓ３００）を省略し、これらをまとめて行ってもよい。つまり、制御部９１は、図１２に示すように、Ｓ１８０～Ｓ３００のうちＳ２２０，Ｓ２６０，Ｓ３００を省略し、Ｓ２９０に引き続いて、ポンプ電流Ｉｐ０が検出用閾値Ｔｐ０以上であるか、ポンプ電流Ｉｐ１が検出用閾値Ｔｐ１以上であるか、ポンプ電流Ｉｐ２が検出用閾値Ｔｐ２以上であるか、の１以上を満たすか否かを判定してもよい（Ｓ３１０）。制御部９１は、Ｓ３１０において、上述した１以上を満たすならば、センサ素子１０１にクラックがあると判定して、そのままクラック検出信号を外部に出力してもよいが、図１２に示すように、以下のような処理を行ってもよい。すなわち、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４のうち、クラックに近い電極の周囲では酸素量が特に増加してポンプ電流の限界電流値が大きくなりやすいことを利用してクラックの位置を推定し（Ｓ３２０）、クラック検出信号とクラック位置を外部に出力してもよい（Ｓ３３０）。Ｓ３３０では、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４のうち、入力したポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２から各々の検出用閾値を引いた差が最も大きい電極の周囲にクラックが形成されていると推定してもよい。また例えば、入力したポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２のうち各々の検出用閾値以上のものが１つしかない場合には、入力したポンプ電流が検出用閾値以上となる電極の周囲にクラックが形成されていると推定してもよい。

上述した実施形態では、制御部９１は、酸素濃度情報を取得するにあたり、ＮＯｘ濃度検出処理で検出されたポンプ電流Ｉｐ０を入力したが、これに限定されない。例えば、制御部９１は、酸素濃度情報を取得するにあたり、ＮＯｘ濃度検出処理とは別に酸素濃度を検出する処理のみを行ってもよい。その場合、制御部９１は、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊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し、そのときのポンプ電流Ｉｐ０を入力してもよい。また、制御部９１は、酸素濃度情報を取得するにあたり、他のガスセンサで測定した酸素濃度情報を取得してもよい。他のガスセンサで測定した酸素濃度情報を取得する場合、他のガスセンサは、自らと同種のガスセンサ（ここではＮＯｘセンサ）でもよいし、異種のガスセンサでもよい。他のガスセンサは、例えば、限界電流検出型の酸素センサとしてもよいし、電位検出型の酸素センサ（ラムダセンサ）としてもよい。ＮＯｘ濃度検出処理以外の方法で酸素濃度情報を取得する場合には、ＮＯｘ濃度検出処理に引き続いてクラック検出処理を行う必要はない。

上述した実施形態では、第１内部空所２０とヒータ部７０との間のクラックの検出について説明したが、その他のクラックを検出することもできる。例えば、第１内部空所２０以外の被測定ガス流通部（例えば緩衝空間１２，第２内部空所４０、第３内部空所６１）とヒータ部７０との間のクラックも検出できるし、被測定ガス流通部と大気導入層４８との間のクラックも検出できる。このようなクラックがある場合でも、センサ素子室１３３（図１参照）から被測定ガス流通部に導入された被測定ガスに起因する酸素（例えば被測定ガス自体に含まれる酸素や被測定ガスに含まれる酸化物が測定電極４４などの内側電極で還元されて発生した酸素）及び検出用電流によって被測定ガス側電極の周囲に汲み入れられた酸素のうちの少なくとも一方がクラックを介して基準電極４２の周囲に到達する。これにより、基準電極４２の周囲の酸素量が増加するため、ガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出できる。また、このようなクラックがある場合でも、空間１４９（図１参照）からセンサ素子１０１に導入された大気中の酸素がクラックに到達し、クラックを介して内側電極（内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４）の周囲に到達し、内側電極の周囲の酸素量が増加するため、Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２に基づいてクラックを検出できる。また、被測定ガスに酸素が含まれる場合には、素子本体の外側のうち被測定ガスと接触する部分（センサ素子室１３３に配置される部分）とヒータ部７０や大気導入層４８との間のクラックも検出できる。このようなクラックがある場合でも、被測定ガスに含まれる酸素がセンサ素子室１３３からクラックを介して基準電極４２の周囲に到達し、基準電極４２の周囲の酸素量が増加するため、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを検出できる。また、被測定ガスにＮＯｘなどの酸化物や酸素が含まれる場合には、素子本体の外側のうち被測定ガスと接触する部分と被測定ガス流通部との間（例えば固体電解質層６）のクラックも検出できる。このようなクラックがある場合でも、被測定ガスにＮＯｘなどの酸化物や酸素が含まれていれば、それらがクラックを介して内側電極の周囲に到達し、ＮＯｘなどの酸化物は内側電極（例えばＮＯｘに対する還元能力を高めた材料で構成された測定電極４４）で還元されて酸素を発生する。これにより、内側電極の周囲の酸素量が増加するため、ポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２に基づいてクラックを検出できる。

上述した実施形態において、設定値Ｖｓｐ３は、被測定ガスの酸素濃度に関わらず一定としてもよいし、被測定ガスの酸素濃度に応じて変化させてもよい。設定値Ｖｓｐ３は、被測定ガスの酸素濃度が高いほど高くなる傾向で変化させてもよく、例えば、被測定ガスの酸素濃度との関係が一次関数となるように直線的に変化させてもよいし、段階的に変化させてもよい。設定値Ｖｓｐ３を被測定ガスの酸素濃度と対応付けて変化させるにあたり、記憶部９４には、設定値Ｖｓｐ３と被測定ガスの酸素濃度との対応関係を示す式又はマップを記憶させてもよい。その場合、制御部９１は、Ｓ１００で取得した被測定ガスの酸素濃度と、記憶部９４に記憶された式又はマップとを用いて設定値Ｖｓｐ３を導出すればよい。設定値Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２についても同様である。

上述した実施形態では、制御部９１は、Ｓ１００で被測定ガスの酸素濃度情報を取得し、Ｓ１１０で酸素濃度が高濃度領域に含まれるか否かを判定したが、Ｓ１１０を省略して、酸素濃度に関わらずＳ１２０～Ｓ１７０の処理を行ってもよい。また、制御部９１は、被測定ガスの酸素濃度が既知である場合や、被測定ガスの酸素濃度に関わらず各検出用閾値Ｔｐ０，Ｔｐ１，Ｔｐ２，Ｔｐ３や各設定値Ｖｓｐ０，Ｖｓｐ１，Ｖｓｐ２，Ｖｓｐ３を一定の値とする場合などには、Ｓ１００を省略してもよい。

上述した実施形態では、制御部９１は、Ｓ１１０で被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域に含まれていない場合にはＳ１８０以降の処理を行うものとしたが、Ｓ１８０の前に被測定ガスの酸素濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定する処理を行ってもよい。この処理で、被測定ガスの酸素濃度が低濃度領域に含まれる場合にはＳ１８０以降の処理を行う一方、低濃度領域に含まれない場合にはそのまま本ルーチンを終了し、必要に応じてＮＯｘ濃度検出処理を再開してもよい。所定の低濃度領域は、例えば、上述したポンプ電流Ｉｐ０の限界電流値の変化率が十分大きい領域や、上述したポンプ電流Ｉｐ１の限界電流値の変化率が十分大きい領域や、上述したポンプ電流Ｉｐ２の限界電流値の変化率が十分大きい領域としてもよい。所定の低濃度領域は、例えば、酸素濃度が５％以下の領域、３％以下の領域、１％以下の領域などとしてもよい。

上述した実施形態では、制御部９１は、Ｓ１５０でポンプ電圧Ｖｐ３の印加を中止してからＳ１６０でポンプ電流Ｉｐ３が検出用閾値Ｔｐ３以上か否かを判定したが、Ｓ１５０とＳ１６０の順序を入れ替えてもよい。Ｓ２１０とＳ２２０，Ｓ２５０とＳ２６０，Ｓ２９０とＳ３００についても同様に順序を入れ替えてもよい。

上述した実施形態では、大気導入層４８は基準電極４２からセンサ素子１０１の長手方向の後端面までに亘って配設されていたが、これに限られない。図１３は、この場合の変形例のセンサ素子２０１の断面模式図である。図１３に示すように、センサ素子２０１は、大気導入層２４８の上方に基準ガス導入空間４３を有している。基準ガス導入空間４３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配設された空間である。基準ガス導入空間４３の後端は、センサ素子２０１の後端面に開口している。基準ガス導入空間４３は、前後方向で圧力放散孔７５よりも前方まで配設されており、圧力放散孔７５は基準ガス導入空間４３に開口している。大気導入層２４８は、大気導入層４８とは異なり、センサ素子２０１の後端までは配設されていない。そのため、大気導入層２４８はセンサ素子２０１の後端面には露出していない。代わりに、大気導入層２４８の上面の一部が基準ガス導入空間４３に露出している。この露出部分が大気導入層２４８の入口部４８ｃとなっている。大気導入層２４８には、この基準ガス導入空間４３を介して入口部４８ｃから基準ガスが導入される。なお、センサ素子２０１において、大気導入層２４８の後端がセンサ素子２０１の後端まで配設されていてもよい。図１３の態様では、大気導入層２４８と基準ガス導入空間４３とが、基準ガス導入部に相当し、基準ガス導入空間４３の後端側の開口が基準ガス入口に相当する。なお、図１３の態様において、圧力放散孔７５は基準ガス導入空間４３に開口するのではなく、第１固体電解質層４に突き当たる位置に設けられていてもよい。こうすれば、クラック及びヒータ絶縁層７４を介して圧力放散孔７５に到達した酸素が、大気中に放出されにくく、基準電極４２の周囲に到達しやすいため、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいてクラックを精度よく検出できる。

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、上述した図１３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１３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、測定用ポンプセル４１によりＮＯｘ濃度を検出できる。図１３のセンサ素子２０１では、測定電極４４の周囲が第３内部空所６１と同様の役割を果たすことになる。

上述した実施形態において、外側ポンプ電極２３を含むセンサ素子１０１の前側（センサ素子室１３３に露出する部分）の表面が、アルミナなどのセラミックスからなる多孔質保護層で被覆されていてもよい。

上述した実施形態では、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、このときのポンプ電流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ものとしたが、基準電極４２と測定電極４４との間の電圧に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、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とを組み合わせて、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電極４２の周囲の酸素の量との差に応じた電圧を電圧Ｖ２として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ができる。

上述した実施形態では、基準ガスは大気としたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度の検出の基準となるガスであれば、これに限られない。例えば、予め所定の酸素濃度（＞被測定ガスの酸素濃度）に調整したガスが基準ガスとして空間１４９に満たされていてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子１０１は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとしたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、ＮＯｘ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、測定用ポンプセル４１はこの酸素に応じた検出値（例えばポンプ電流Ｉｐ２）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、測定用ポンプセル４１はこの酸素に応じた検出値（例えばポンプ電流Ｉｐ２）を取得して特定ガス濃度を検出できる。例えば、第１内部空所２０の内側ポンプ電極２２が触媒として機能することにより、第１内部空所２０においてアンモニアをＮＯに変換できる。

上述した実施形態では、センサ素子１０１の素子本体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つ含んでいればよい。例えば、図２において第２固体電解質層６以外の層１～５は固体電解質層以外の材質からなる層（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２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、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、内側ポンプ電極２２は、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極としたが、これに限られない。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくともいずれか）と、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属（例えばＡｕ）と、を含んでいればよい。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、触媒活性を有する貴金属と、触媒活性抑制能を有する貴金属と、を含んでいればよい。外側ポンプ電極２３，基準電極４２，測定電極４４は、それぞれ、上述した触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。各電極２２，２３，４２，４４，５１は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物（例えばＺｒＯ₂）とを含むサーメットであることが好ましいが、これらの電極の１以上がサーメットでなくてもよい。各電極２２，２３，４２，４４，５１は、それぞれ、多孔質体であることが好ましいが、これらの電極の１以上が多孔質体でなくてもよい。

上述した実施形態では、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の電圧Ｖ０の制御に用いられたが、これに限られない。例えば、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、ポンプ電流Ｉｐ１に基づく電圧Ｖ０の制御を省略して、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。

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、４８，２４８大気導入層、４８ｃ入口部、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、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、８５検出用ポンプセル（高酸素用）、８６可変電源、８７検出用ポンプセル（低酸素用）、９０制御装置、９１制御部、９２ＣＰＵ、９４記憶部、１００ガスセンサ、１０１，２０１センサ素子、１３０保護カバー、１３１内側保護カバー、１３２外側保護カバー、１３３センサ素子室、１４０センサ組立体、１４１素子封止体、１４２主体金具、１４３内筒、１４３ａ，１４３ｂ縮径部、１４４ａ～１４４ｃサポーター、１４５ａ，１４５ｂ圧粉体、１４６メタルリング、１４７ボルト、１４８外筒、１４９空間、１５０コネクタ、１５５リード線、１５７ゴム栓、１９０配管、１９１固定用部材。

Claims

酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出するクラック検出手段と、
を備えたガスセンサ。
前記クラック検出手段は、前記検出用電流が所定の検出用閾値を超える場合に、前記クラックが形成されていると判断する、請求項１に記載のガスセンサ。
請求項１又は２に記載のガスセンサであって、
前記素子本体の内部に設けられたヒータ及び前記ヒータを覆うように配置され多孔質でガスの流通が可能なヒータ絶縁層を有するヒータ部と、
前記基準ガス導入部のうち前記基準ガス入口より内側の部分と前記ヒータ部との間をガスの流通が可能な状態で連結する連結部と、
を備えた、ガスセンサ。
前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度情報を取得し、前記被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域である３％以上の領域に含まれる場合に、前記検出用電流に基づいて前記クラックを検出する処理を行う、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガス流通部に配設された内側電極を備え、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスに対して拡散抵抗を付与するように形成され、
前記被測定ガス側電極は、前記素子本体の外側に配設された外側電極であり、
前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度情報を取得し、前記被測定ガスの酸素濃度が所定の高濃度領域である３％以上の領域に含まれる場合には、前記検出用電流に基づいて前記クラックを検出する処理を行い、前記被測定ガスの酸素濃度が前記高濃度領域よりも低い所定の低濃度領域に含まれる場合には、前記内側電極と前記外側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の低酸素用検出用電圧を前記内側電極と前記外側電極との間に印加して、前記内側電極の周囲から前記外側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記低酸素用検出用電圧印加時に前記内側電極と前記外側電極との間に流れる低酸素用検出用電流を取得し、取得した前記低酸素用検出用電流に基づいて前記素子本体のクラックを検出する処理を行う、
ガスセンサ。
前記クラック検出手段は、前記低酸素用検出用電流が所定の低酸素用検出用閾値を超える場合に、前記クラックが形成されていると判断する、請求項５に記載のガスセンサ。
前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度が高いほど前記低酸素用検出用閾値が高くなる傾向で、前記低酸素用検出用閾値を変化させる、請求項６に記載のガスセンサ。
前記内側電極を複数備え、
前記クラック検出手段は、前記被測定ガスの酸素濃度が前記高濃度領域よりも低い所定の低濃度領域に含まれる場合には、前記内側電極の各々に対して個別に、前記内側電極と前記外側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の低酸素用検出用電圧を前記内側電極と前記外側電極との間に印加して、前記内側電極の周囲から前記外側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記低酸素用検出用電圧印加時に前記内側電極と前記外側電極との間に流れる低酸素用検出用電流を取得し、前記内側電極の各々に対して個別に取得した前記低酸素用検出用電流に基づいて、前記クラックの位置を推定する、
請求項５～７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に配設された被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
前記被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを基準ガス入口から導入して前記基準電極に流通させるとともに前記基準ガスに対して拡散抵抗を付与する基準ガス導入部と、
を備えたセンサ素子のクラック検出方法であって、
前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる電流が限界電流となるような所定の検出用電圧を前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に印加して、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み入れを行い、前記検出用電圧印加時に前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間に流れる検出用電流を取得し、取得した前記検出用電流に基づいて、前記素子本体のクラックを検出する、
クラック検出方法。