JP7495012B2

JP7495012B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP7495012B2
Application number: JP2023520960A
Authority: JP
Inventors: 大樹市川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2021-05-12
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2042-04-26
Also published as: JPWO2022239645A1; WO2022239645A1

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０２１年５月１２日に出願された特許出願番号２０２１－０８０９４４号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

本開示は、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するガスセンサに関する。

例えば、車両用のガスセンサにおいては、始動時に速やかにガス検出を開始するために、固体電解質体を用いたガスセンサ素子の早期活性化が求められる。ガスセンサ素子は、被測定ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ＮＯｘ等の特定ガスを検出するためのセンサセルとを備えており、ポンプセル及びセンサセルの固体電解質体及び電極は、所定の活性温度となるように、内蔵ヒータ等を用いて加熱される。

また、センサセルの電極材料にロジウムが含まれる場合には、始動前に酸素が電極材料に吸蔵されることに起因して、センサ出力が変動することが知られている。そこで、センサ出力の安定化のために、ポンプセルを用いた早期活性制御を行うことが提案されている。例えば、特許文献１には、ガス濃度の検出を行うセンサ始動時に、ポンプセルへの印加電圧を、吸蔵される酸素を除去するための除去用電圧とし、被測定ガス中の水分等の分解により、水素等の還元ガスを発生させるポンプセル制御部が開示されている。

特開２０１６－７０９２２号公報

特許文献１において、ポンプセル制御部は、例えば、除去用電圧の印加時間を調整して、酸素の除去に十分な還元ガスが発生するように制御する。その場合、ポンプセルにて発生する還元ガスは、センサセルの電極に吸蔵される酸素との反応により消費される分に加えて、余剰分を含むことになる。余剰分の還元ガスは、通常は、基準電極側から固体電解質体を介して供給される酸素との反応により除去される。

一方、センサセルとポンプセルとが、それぞれ異なる固体電解質体に形成されたガスセンサが知られている。この構成では、センサセルの基準電極側に配置され、酸素を含む基準ガスを導入するための基準ガス導入路と、ポンプセルの基準電極側の基準ガス導入路とが、別々に設けられる。その場合には、素子組付けの観点から素子厚さが制約され、出力の小さいセンサセル側の基準ガス導入路は、ポンプセル側よりも小さくなる。ところが、このセンサ構成に、上述した早期活性制御を適用すると、センサ電極における還元ガスの除去に時間がかかり、ＮＯｘ検出開始に遅れが生じるおそれがあることが判明した。

本開示の目的は、早期活性制御において発生する還元ガスを速やかに除去し、特定ガスの検出を遅延なく開始することができるガスセンサを提供しようとするものである。

本開示の一態様は、
被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサであって、
上記被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
上記被測定ガス室を挟んで対向する第１固体電解質体及び第２固体電解質体と、
酸素を含む基準ガスが導入される第１基準ガス導入路及び第２基準ガス導入路と、
上記第１固体電解質体の上記被測定ガス室に面する表面にポンプ電極を有し、上記第１基準ガス導入路に面する表面に第１基準電極を有して、上記被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセルと、
上記第２固体電解質体の上記被測定ガス室に面する表面にセンサ電極を有し、上記第２基準ガス導入路に面する表面に第２基準電極を有して、上記特定ガスに基づく出力を生じるセンサセルと、によって構成されるセンサ素子と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部に設けられて、
センサ始動時に上記ポンプセルへ印加される電圧を、通常時の制御電圧よりも高い始動時電圧に制御し、上記被測定ガスに含まれる水の分解によって上記被測定ガス室に発生する還元ガスを用いて、上記センサ電極に吸蔵された酸素を除去する早期活性制御部と、を備えており、
上記センサ素子の長手方向の一端側に、上記第１基準ガス導入路に上記基準ガスを導入するための第１基準ガス導入口及び上記第２基準ガス導入路に上記基準ガスを導入するための第２基準ガス導入口が、それぞれ開口しており、
上記長手方向の他端側に設けられる上記被測定ガス室において、上記長手方向をガス流れ方向として、上記ポンプ電極よりも下流側に、上記センサ電極が配置されており、
上記第２基準ガス導入路は、上記センサ始動時に、余剰となる上記還元ガスの除去に用いられる酸素の供給流路を形成し、上記第２基準ガス導入路から上記センサ電極へ向けて供給される酸素の限界量を、上記第２固体電解質体を流れる電流値として示す酸素限界電流値が、２０μＡ以上となるように形成されており、上記酸素限界電流値の大きさは、上記第２基準ガス導入口から上記第２基準電極に至る上記第２基準ガス導入路の流路構造に依存して定まる、ガスセンサにある。

上記構成のガスセンサにおいて、早期活性制御部により、ガスセンサのポンプセルに、通常時の制御電圧よりも高い始動時電圧が印加されると、被測定ガス室内の水の分解により還元ガスが発生する。還元ガスは、センサセルへ供給されて、センサ電極に吸蔵されている酸素を還元除去するために消費される。余剰となった還元ガスは、第２基準ガス導入路内の酸素が第２基準電極でイオン化し、第２固体電解質を介して供給されることにより、順次除去される。このとき、吸蔵酸素の除去に十分な還元ガスが供給される一方で、素子厚の制約等から第２基準ガス導入路が小さくなると、第２基準ガス導入路からの酸素供給量が、還元ガスの発生量に対して不足して、活性化に遅れが生じることが判明した。これは、第２基準ガス導入路における酸素濃度が低下し、還元ガスがセンサ電極に滞留することによると考えられる。

上記構成のガスセンサは、第２基準ガス導入路が、センサ始動時にセンサ電極へ向けて供給される酸素の限界量を、第２固体電解質体を流れる電流値として示す酸素限界電流値が２０μＡ以上となるように形成されることにより、還元ガスの発生量に対応させた酸素量を、第２基準ガス導入路から供給可能となる。これにより、還元ガスの滞留を抑制することができるので、発生する還元ガスを除去して早期活性化を図ることができ、被測定ガス中の特定ガスの検出を、速やかに開始することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、早期活性制御において発生する還元ガスを速やかに除去し、特定ガスの検出を遅延なく開始することができるガスセンサを提供することができる。

本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、実施形態１における、ガスセンサの主要部であるセンサ素子及びセンサ制御部の概略構成を示す長手方向断面図であり、図２は、実施形態１における、ガスセンサの全体構成を示す長手方向断面図であり、図３は、実施形態１における、ガスセンサの早期活性制御時の酸素供給量と活性時間との関係を示す図であり、図４は、実施形態１における、ガスセンサの早期活性制御時の水素発生量と活性時間との関係を示す図であり、図５は、実施形態１における、ガスセンサの早期活性制御時に流れるポンプ電流値の時間推移を示す図であり、図６は、実施形態１における、センサ素子の詳細構成を示す長手方向断面図で、図７のａ－ａ線断面図であり、図７は、実施形態１における、センサ素子の詳細構成を示す軸直方向断面図であり、図８は、実施形態１における、ガスセンサの早期活性制御時のＮＯｘ出力の時間推移を示す図であり、図９は、実施形態１における、実施形態１における、ガスセンサの早期活性制御時のＮＯｘ出力の時間推移を示す図であり、図１０は、実施形態１における、ガスセンサの早期活性制御時の酸素供給量と活性時間との関係を示す図であり、図１１は、実施形態１における、ガスセンサの水素発生量による早期活性制御時のＮＯｘ出力の時間推移の変化を示す図であり、図１２は、実施形態１における、センサ制御部によるセンサ制御の手順を示すフローチャート図であり、図１３は、実施形態２における、センサ素子の要部構成を示す幅方向断面図であり、図１４は、実施形態３における、センサ素子の概略構成を示す長手方向断面図であり、図１５は、実施形態３の変形例における、センサ素子の概略構成を示す長手方向断面図であり、図１６は、実施形態３の変形例における、センサ素子の要部構成を示す端面図及びそのｂ－ｂ線断面図である長手方向断面図であり、図１７は、実施形態３の変形例における、センサ素子の要部構成を示す端面図及びそのｃ－ｃ線断面図である長手方向断面図である。

（実施形態１）
ガスセンサに係る実施形態１について、図１～図１２を参照して説明する。
図１、図２に示すように、本形態のガスセンサ１は、例えば、車両用エンジン等の内燃機関の排ガス通路に設置されて、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出する限界電流式センサとして構成される。その場合の被測定ガスは、排ガス通路を流通する排ガスＧであり、特定ガスとして、例えば、排ガスＧ中のＮＯｘ（すなわち、窒素酸化物）の濃度が検出される。ガスセンサ１に導入される排ガスＧには、例えば、排ガス通路に存在する水分等が含まれる。

図１において、ガスセンサ１は、排ガスＧが被測定ガスとして導入される被測定ガス室２と、被測定ガス室２を挟んで対向する第１固体電解質体１１及び第２固体電解質体１２と、大気Ａが基準ガスとして導入される第１基準ガス導入路３１及び第２基準ガス導入路３２と、第１固体電解質体１１を用いて形成されるポンプセル４と、第２固体電解質体１２を用いて形成されるセンサセル５とを備えるセンサ素子１Ａと、早期活性制御部１０１を備えるセンサ制御部１０と、を備えている。

図１中に矢印で示すように、センサ素子１Ａの長手方向Ｘ（すなわち、図中の左右方向）において、排ガスＧはセンサ素子１Ａの先端側（すなわち、図中の左端側）から、大気Ａはセンサ素子１Ａの基端側（すなわち、図中の右端側）から、その内部へ導入される。被測定ガス室２におけるガス流れ方向は、排ガスＧの導入方向と同じ方向となる。

好適には、センサ素子１Ａにはヒータ６が設けられて、ポンプセル４及びセンサセル５を、検出に適した温度に加熱可能となっている。また、センサ制御部１０には、検出制御部１０２が設けられて、通常の検出時のセンサ素子１Ａの作動を制御する共に、ヒータ制御部１０３が設けられて、ヒータ６の作動を制御するようになっている。

ポンプセル４は、第１固体電解質体１１とその表面の一対の電極４１、４２にて構成される。具体的には、第１固体電解質体１１の被測定ガス室２に面する表面にポンプ電極４１を有し、第１基準ガス導入路３１に面する表面に第１基準電極４２を有して、被測定ガス室２の酸素濃度を調整する。また、センサセル５は、第２固体電解質体１２とその表面の一対の電極５１、５２にて構成される。具体的には、第２固体電解質体１２の被測定ガス室２に面する表面にセンサ電極５１を有し、第２基準ガス導入路３２に面する表面に第２基準電極５２を有して、排ガスＧ中のＮＯｘに基づく出力を生じる。

第１固体電解質体１１は、被測定ガス室２と第１基準ガス導入路３１との間に配置されており、第２固体電解質体１２は、被測定ガス室２と第２基準ガス導入路３２との間に配置されている。ポンプセル４とセンサセル５では、イオン伝導体である第１固体電解質体１１又は第２固体電解質体１２を介して、被測定ガス室２と第１基準ガス導入路３１又は第２基準ガス導入路３２との間でイオン伝導させることにより、ガス濃度を調整し又はガス濃度を検出することができる。

ポンプセル４では、一対の電極４１、４２に所定の電圧が印加されることにより、ポンプ電極４１にて排ガスＧ中の酸素（すなわち、Ｏ₂）が酸化物イオン（すなわち、Ｏ^2-）に分解され、第１固体電解質体１１を透過して第１基準電極４２側へ移動し、再び酸素となって第１基準ガス導入路３１へ排出される。このポンピング作用により、被測定ガス室２内が、所定の低酸素濃度に調整され、ポンプセル４の下流側に位置するセンサセル５における酸素の影響を排除又はごく小さくすることができる。センサセル５では、センサ電極５１に到達したＮＯｘが窒素（すなわち、Ｎ₂）と酸素に分解され、一対の電極５１、５２間に所定の電圧が印加されることにより、酸素が分解されてイオン化する。この酸化物イオンが第２固体電解質体１２を透過して第２基準電極５２側へ移動し、再び酸素となって第２基準ガス導入路３２へ排出される。このとき、センサセル５の電流出力はＮＯｘ濃度に応じたものとなり、この関係に基づいて、特定ガスの濃度を検出することができる。

センサ素子１Ａは、好適には、ポンプセル４及びセンサセル５に加えて、センサセル５と並設されるモニタセル５０を備えて、排ガスＧに残留する酸素を検出する構成とすることができる。モニタセル５０は、第２固体電解質体１２とその表面に形成される一対の電極５３、５２として、第２固体電解質体１２の被測定ガス室２に面する表面にモニタ電極５３を有し、第２基準ガス導入路３２に面する表面に、センサセル５と共通の第２基準電極５２を有する。モニタセル５０では、ＮＯｘは分解されず、残留酸素のみに起因する電流が流れるように構成されることにより、モニタセル５０の出力とセンサセル５の出力との差分値から、ＮＯｘ濃度を精度よく検出できる。

このような通常の特定ガスの検出制御に先立ち、センサ制御部１０は、早期活性制御部１０１を用いて、早期活性制御を行う。早期活性制御部１０１は、センサ始動時にポンプセル４へ印加される電圧を、通常時の制御電圧Ｖ１よりも高い始動時電圧Ｖ２に制御する。この早期活性制御により、被測定ガスに含まれる水の分解によって被測定ガス室２に発生する還元ガスを用いて、センサ電極５１に吸蔵された酸素を速やかに除去することができる。センサ始動時には、吸蔵された酸素を除去するのに十分な還元ガスが発生するように早期活性制御部が制御される。第２基準ガス導入路３２は、その際に、センサ電極５１に還元ガスが滞留せずに、第２基準電極５２側からの酸素供給によって除去される構成となっている。

具体的には、第２基準ガス導入路３２は、センサ始動時に、第２基準ガス導入路３２からセンサ電極５１へ向けて供給される酸素の限界量（以下、適宜、酸素供給量と称する）を示す酸素限界電流値が、２０μＡ以上となるように形成されている。後述するように、酸素供給量を示す酸素限界電流値は、例えば、第２基準ガス導入路３２の流路構造等に基づいて定まる。これにより、第２基準ガス導入路３２からの酸素供給が制限される構成であっても、酸素の除去に使用されずに被測定ガス室２に滞留する還元ガスに対して、第２基準電極５２側から十分な酸素が供給されて、還元ガスの滞留を抑制することが可能になる。

このとき、図３に示すように、素子活性化に要する時間を示す活性時間（単位：秒）が低減し、早期活性制御時における酸素の除去と還元ガスの除去をバランスよく実施することができる。センサ始動時の酸素供給量を示す酸素限界電流値が、２０μＡ未満であると、還元ガスの除去のための酸素供給が不足し、還元ガスの滞留が生じて活性時間が長くなり、早期活性化が良好になされないおそれがある。活性時間は、具体的には、後述するように、早期活性制御の開始からセンサ出力が所定の閾値範囲に収束するまでに要する時間とすることができる。

好適には、第２基準ガス導入路３２は、センサ始動時の酸素供給量を示す酸素限界電流値が、２５００μＡ以下となるように構成されることが望ましい。酸素限界電流値が２５００μＡを超えると、例えば、第２基準ガス導入路３２となる空間部が大きくなって、素子組付けの際に要求される強度を満足しないおそれがある。第２基準ガス導入路３２からの酸素供給量が、上述した酸素限界電流値の上下限値で規定される範囲内となることにより、発生させた還元ガスに対して十分な酸素を供給し、還元ガスを速やかに除去して早期活性化を図りつつ、素子強度の低下を抑制することができる。

早期活性制御時には、ポンプセル４のポンプ電極４１において、排ガスＧに含まれる酸素が分解すると共に、例えば、排ガスＧに含まれる水蒸気の分解により、還元ガスとなる水素（すなわち、Ｈ₂）が発生する。センサ電極５１に吸蔵されている酸素は、ポンプセル４から供給される水素との反応により、水（すなわち、Ｈ₂Ｏ）となって除去される。発生した還元ガスは、センサ電極５１において吸蔵酸素との反応により消費されると共に、第２固体電解質体１２を介して供給される酸素との反応により、水となって除去される。

図４、図５に示すように、センサ始動時に発生する水素の総量を示すクーロン量（以下、適宜、水素発生量と称する）は、活性時間と相関があり、早期活性制御部１０１は、吸蔵されている酸素の除去に十分な水素が発生するように、ポンプセル４の作動を制御する。好適には、ポンプセル４における水素発生量が、２０００μＡ・ｓ以上１１０００μＡ・ｓ以下の範囲となるように、ポンプセル４が制御されることが望ましい。水素発生量が２０００μＡ・ｓ以上となるように制御することで、吸蔵酸素の除去に必要な量の水素を発生させ、１１０００μＡ・ｓ以下とすることで、過剰な水素の除去に時間を要して活性時間が遅延することを回避できる。水素発生量は、例えば、ポンプセル４に印加される始動時電圧Ｖ２とその印加時間を調整することにより、制御することができる。

図５において、早期活性制御時の始動時電圧Ｖ２の印加により、ポンプセル４を流れるポンプ電流値（単位：μＡ）は、排ガスＧに含まれる酸素に基づく出力と、水蒸気の分解により水素と共に発生する酸素に基づく出力の和として表れる。このうちの後者に基づく出力は、早期活性制御が終了するタイミング（例えば、図中の時点（ｔ１））で、通常時の制御電圧Ｖ１に切り替わるまで継続し、その間に発生する水素の総量、すなわち、センサ始動時の水素発生量は、図中に斜線で示す面積（すなわち、単位時間毎のポンプ電流値の積算値）に相当するクーロン量（単位：μＡ×ｓ）として算出することができる。

図３中に式1として示すように、センサ始動時において、第２基準電極５２側からセンサ電極５１側へ向けて酸素が移動することにより第２固体電解質体１２を流れる電流は、第２基準ガス導入路３２を通過して第２基準電極５２に到達する酸素量に依存する限界電流特性を示す。このとき、センサ始動時にセンサ電極５１へ向けて供給される酸素の限界量を、第２固体電解質体１２を流れる電流値を用いて、酸素限界電流値ＩＬ（単位：μＡ）と定義する。式１から、センサ始動時の酸素供給量を示す酸素限界電流値ＩＬは、第２基準ガス導入路３２内の酸素の拡散による移動に支配され、酸素濃度や温度等の環境条件の変化がないとき、第２基準ガス導入路３２の流路構造を示す流路断面積Ｓ又は流路長さＬに応じて、酸素供給量（ＩＬ）が定まる。
式１：ＩＬ＝（４ＦＰ／ＲＴ）・Ｄ・（Ｓ／Ｌ）・Ｌｎ［１－（Ｐ_Ｏ2／Ｐ）］×１０⁶
ＩＬ：酸素供給量≒酸素限界電流値（μＡ）
Ｆ：ファラデー定数
Ｐ：大気圧（ａｔｍ）
Ｒ：気体定数
Ｄ：拡散係数
Ｔ：温度（Ｋ）
Ｓ: 流路断面積（ｍ²）
Ｌ：流路長さ（ｍ）
Ｐ_Ｏ2:酸素分圧（ａｔｍ）

具体的には、第２基準ガス導入路３２の流路断面積Ｓと流路長さＬの比率が大きいほど、酸素供給量（ＩＬ）が大きくなる。このうち、流路長さＬは、センサ素子１Ａの長さ等に制約されるので、通常のセンサ素子１Ａにおける流路長さＬの範囲において、所望の酸素供給量（ＩＬ）となるように、流路断面積Ｓの大きさ等を調整することが望ましい。これにより、水素発生量に対応する十分な酸素供給量と素子強度を両立させることができる。

このように、ガスセンサ１のセンサ素子１Ａが、複数の固体電解質体１１、１２と複数の基準ガス導入路３１、３２を有する構成において、センサセル５の第２基準電極５２側からの酸素供給量を所定範囲とすることにより、早期活性制御部１０１による早期活性制御を良好に実施することができる。

以下、ガスセンサ１の構成及び制御の詳細について説明する。
図２において、ＮＯｘセンサとしてのガスセンサ１は、筒状のハウジングＨと、その内側に挿通保持されるセンサ素子１Ａと、素子カバーＣ１及び大気カバーＣ２とを有している。センサ素子１Ａは、ハウジングＨの軸方向を長手方向Ｘ（すなわち、図２の上下方向）として、その両端がハウジングＨから外方に突出し、ハウジングＨの両端にそれぞれ固定される素子カバーＣ１及び大気カバーＣ２の内側に収容される。素子カバーＣ１は、センサ素子１Ａの先端側（すなわち、図２の下端側）の外周側を覆うように配置され、大気カバーＣ２は、センサ素子１Ａの基端側（すなわち、図２の上端側）の外周側を覆うように配置される。

ハウジングＨは、図示しない排ガス通路の通路壁に固定されており、センサ素子１Ａは、素子カバーＣ１に収容される先端側が排ガス通路内に突出位置する。素子カバーＣ１は、例えば、底面を有する二重筒構造となっており、外側カバーＣ１１及び内側カバーＣ１２の側面には、それぞれ複数のガス流通孔Ｃ１３１、Ｃ１３２が設けられ、内側カバーＣ１２の底面にはガス流通孔Ｃ１３３が設けられる。また、筒状の大気カバーＣ２には、側面に複数のガス流通孔Ｃ２１が設けられる。これにより、排ガス通路を流通する排ガスＧが、素子カバーＣ１の内部に取り込まれて、センサ素子１Ａの先端側に到達すると共に、大気カバーＣ２の内部に取り込まれる大気Ａが、センサ素子１Ａの基端側に到達する。

センサ素子１Ａは、素子カバーＣ１に収容される先端側が、被測定ガスである排ガスＧに晒される検出部となり、大気カバーＣ２に収容される基端側から取り込まれる大気Ａを基準ガスとして、特定ガスである排ガス中のＮＯｘを検出する。検出部への制御信号又は検出信号は、センサ素子１Ａの基端側の端子部に電気的に接続されるリード線Ｌ１を介して、外部のセンサ制御部１０から入力又は出力される。センサ素子１Ａの基端側は、リード線Ｌ１の端部に設けられるバネ端子部Ｌ２に挟持されている。

図１において、センサ素子１Ａの検出部には、ポンプセル４及びセンサセル５が設けられると共に、モニタセル５０が設けられており、センサ制御部１０によって作動が制御されるようになっている。ポンプセル４は、被測定ガス室２に導入される排ガスＧと、第１基準ガス導入路３１に導入される大気Ａに晒されており、センサセル５及びモニタセル５０は、被測定ガス室２に導入される排ガスＧと、第２基準ガス導入路３２に導入される大気Ａに晒される。また、センサ素子１Ａには、ヒータ６が内蔵されており、センサ制御部１０によって作動が制御されて、検出部に対応する部位を所定温度に加熱可能となっている。

センサ制御部１０は、センサ始動時に早期活性制御を行う早期活性制御部１０１と、ＮＯｘ検出制御を行う検出制御部１０２と、ヒータ６の通電制御を行うヒータ制御部１０３とを有して、センサ素子１Ａの作動を制御する。検出制御部１０２は、具体的には、図２に示すように、ポンプセル制御部１０２Ａと、センサセル検出部１０２Ｂと、モニタセル検出部１０２Ｃとを有する。ポンプセル制御部１０２Ａは、通常時にポンプセル４に印加する電圧を制御するとともに、ポンプセル４が出力する電流を検出する。センサセル検出部１０２Ｂは、センサセル５が出力する電流を検出し、モニタセル検出部１０２Ｃは、モニタセル５０が出力する電流を検出する。センサ制御部１０のこれら各部による制御については、後述する。

図６、図７に詳細構成を示すように、センサ素子１Ａは、セラミックス層の積層体からなり、検出部となる先端側（すなわち、図６の左端側）の外周全体を覆って、多孔質保護層１５が形成されている。センサ素子１Ａは、長手方向Ｘと直交する方向（すなわち、図６、図７の上下方向）を積層方向として、遮蔽層１４、第２固体電解質体１２、スペーサ層１３、第１固体電解質体１１、及び、ヒータ６を構成するヒータ絶縁層６１が、この順で配置される。第１固体電解質体１１と第２固体電解質体１２は、被測定ガス室２となる空間が形成されるスペーサ層１３を挟んで対向し、第１固体電解質体１１の外側に配置されるヒータ絶縁層６１には、第１基準ガス導入路３１となる空間が形成される。第２固体電解質体１２の外側に配置される遮蔽層１４には、第２基準ガス導入路３２となる空間が形成される。

図６において、被測定ガス室２は、スペーサ層１３の先端側に埋設される拡散抵抗部２１を介して、排ガスＧが存在する素子カバーＣ１（例えば、上述の図２参照）内の空間と連通している。ガス導入部となる拡散抵抗部２１は、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料にて構成される多孔質体であり、所定の拡散抵抗下で排ガスＧが導入されるように調整されている。

第１固体電解質体１１及び第２固体電解質体１２は、酸化物イオン伝導性を有するジルコニア系の固体電解質材料によって構成される。ジルコニア系の固体電解質材料としては、例えば、イットリア等の安定化剤を含有する部分安定化ジルコニア又は安定化ジルコニアを用いることができる。被測定ガス室２に面する第１固体電解質体１１の表面には、ポンプセル４のポンプ電極４１が形成されており、第１基準ガス導入路３１に面する第１固体電解質体１１の表面には、ポンプセル４の第１基準電極４２が形成されている。また、被測定ガス室２に面する第２固体電解質体１２の表面には、センサセル５のセンサ電極５１が形成されており、第２基準ガス導入路３２に面する第２固体電解質体１２の表面には、センサセル５の第２基準電極５２が形成されている。

スペーサ層１３、遮蔽層１４、ヒータ絶縁層６１は、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を用いて構成される。また、多孔質保護層１５は、センサ素子１Ａの検出部を被毒成分等から保護するためのもので、排ガスＧの導入を妨げない程度の気孔率に調整された多孔質セラミックスにて構成することができる。

第１基準ガス導入路３１の通路壁となるヒータ絶縁層６１の内部には、通電により発熱する発熱体６２が埋設されて、ヒータ６を構成している。発熱体６２は、ポンプセル４、センサセル５及びモニタセル５０の電極が形成される部位に対応して配置され、検出部となる素子先端側の全体を加熱可能となっている。

第２基準電極５２が配置される第２基準ガス導入路３２は、センサ素子１Ａの基端側（すなわち、図６の右端側）まで延びており、その端面に開口する第２基準ガス導入口３２１を介して、大気Ａが存在する素子カバーＣ１（例えば、上述の図２参照）内の空間と連通している。同様に、ポンプセル４の第１基準電極４２が配置される第１基準ガス導入路３１は、センサ素子１Ａの基端側まで延びており、その端面に開口する第１基準ガス導入口３１１を介して大気Ａと連通している。

センサ素子１Ａの基端部において、積層方向の両表面には、端子部７１、７２が設けられる。具体的には、第２基準ガス導入路３２側の表面（すなわち、図６における上表面）、及び、第１基準ガス導入路３１側の表面（すなわち、図６における下表面）には、それぞれ複数の端子部７１、７２が配置され、大気カバーＣ２内にてバネ端子部Ｌ２（例えば、上述の図２参照）と電気的に接続される。端子部７１、７２の各端子は、検出部の各セルを構成する電極、又は、ヒータ６の発熱体６２の正負端子と、それぞれリード部を介して、電気的に接続されている。これにより、センサ制御部１０から各セルへの制御信号又は各セルからの検出信号が入出力され、また、ヒータ６の通電制御が可能になる。なお、端子部７１、７２を構成する端子数や配置、接続構造は、適宜変更することができる。

被測定ガス室２において、ポンプセル４のポンプ電極４１は、排ガスＧのガス流れ方向の上流側に配置されており、センサセル５のセンサ電極５１は、ポンプ電極４１よりも下流側に配置されている。ポンプセル４の第１基準電極４２は、第１固体電解質体１１を挟んで、ポンプ電極４１と対向する位置にあり、センサセル５の第２基準電極５２は、第２固体電解質体１２を挟んで、センサ電極５１と対向する位置にある。また、モニタセル５０のモニタ電極５３は、ガス流れ方向において、センサセル５のセンサ電極５１と同等の位置にある。

図７に示すように、ガス流れ方向と直交する断面において、センサセル５のセンサ電極５１と、モニタセル５０のモニタ電極５３とは、隣接して配置される。第２基準電極５２は、センサセル５とモニタセル５０とで共通となっており、センサ電極５１及びモニタ電極５３の両方と対向するように配置されている。ヒータ６の発熱体６２は、第１固体電解質体１１に対向する第１基準ガス導入路３１の底壁内に埋設されて、所定のヒータパターンを形成し、検出部の全体を均等加熱可能となっている。

ポンプセル４、センサセル５及びモニタセル５０の電極は、貴金属又は貴金属合金材料とジルコニア系固体電解質とを含む多孔質サーメット電極とすることができる。センサセル５のセンサ電極５１は、検出しようとするＮＯｘに対して分解活性を有する電極材料を用いて構成することができる。このようなセンサ電極５１は、例えば、白金及びロジウムを含む電極（以下、適宜、Ｐｔ－Ｒｈ電極と称する）であり、酸素及びＮＯｘの分解活性を有する。

ポンプセル４のポンプ電極４１とモニタセル５０のモニタ電極５３は、酸素の分解活性を有しＮＯｘ分解活性を有しない電極材料を用いて、例えば、白金及び金を含む電極（以下、適宜、Ｐｔ－Ａｕ電極と称する）として構成することができる。また、第１基準電極４２及び第２基準電極５２は、例えば、白金を含む電極（以下、適宜、Ｐｔ電極と称する）として構成することができる。

なお、センサ電極５１は、Ｐｔ－Ｒｈ電極に限らず、同様の作用を有する電極材料にて形成されてもよい。このような電極材料としては、例えば、白金に対して、パラジウム（Ｐｄ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）等の金属を混合した合金材料が用いられる。

ここで、ガスセンサ１による検出を行う前のセンサ始動時には、被測定ガス室２に導入されている排ガスＧの酸素濃度が高くなっており、センサ始動に際しては、速やかに所定の低酸素濃度に調整することが望ましい。また、センサ素子１Ａの各セルが低活性状態となっており、速やかに所定の活性温度に昇温することが望まれる。一方、センサセル５のセンサ電極５１がＰｔ－Ｒｈ電極である場合には、ロジウムが酸素を吸蔵することが知られることから、検出を行うための準備期間として、センサ素子１Ａの昇温制御を行うと共に、ポンプセル４を利用して還元ガスとなる水素を発生させることにより吸蔵酸素を除去する早期活性制御が行われる。

早期活性制御では、ポンプセル４の一対の電極４１、４２に、通常時の制御電圧Ｖ１よりも高い始動時電圧Ｖ２が印加される。このとき、ポンプ電極４１において、被測定ガス室２に存在する排ガスＧ中の酸素が分解されると共に、水蒸気の分解により、還元ガスとなる水素が発生する。発生した水素はガス流れの下流側に位置するセンサセル５に供給され、センサ電極５１に吸蔵されている酸素との反応に消費される。水蒸気の分解により、水素と共に発生する酸素は、ポンプ電極４１において分解される。ポンプ電極４１においてイオン化した酸素は、第１固体電解質体１１の内部を移動し、第１基準電極４２から第１基準ガス導入路３１へ排出される。

早期活性制御において、ポンプセル４の一対の電極４１、４２に印加される始動時電圧Ｖ２は、ポンプ電極４１上において、排ガスＧ中の酸素が分解すると共に、水蒸気の分解により、還元ガスとなる水素が発生可能な電圧に設定される。このとき、水蒸気の分解により水素と共に発生する酸素は、排ガスＧ中の酸素と同様に、ポンプ電極４１上にて分解されて、第１固体電解質体１１内を移動し（例えば、図６中に実線矢印で示す）、第１基準電極４２側へ排出される。

なお、通常時の制御電圧Ｖ１は、被測定ガス室２における酸素濃度が、所定の濃度以下になるように調整される。制御電圧Ｖ１の大きさは、例えば、０．３～０．４Ｖであり、第１固体電解質体１１が、ポンプセル４への印加電圧が変化しても、ポンプセル４に流れる電流がほとんど変化しない限界電流特性を示す電圧値の範囲内で決定される。これに対して、始動時電圧Ｖ２は、制御電圧Ｖ１よりも高く設定されており、限界電流特性を示す電圧値よりも高い電圧値として設定される。本形態の始動時電圧Ｖ２は、例えば、０．５～２Ｖの範囲内で設定することができる。

このようにして、ポンプセル４において、還元ガスとしての水素を十分な量となるように発生させ、センサセル５のセンサ電極５１に吸蔵された酸素を、酸素の還元反応を利用して除去することができる。このとき、センサ電極５１において余剰となる水素に対して、第２基準電極５２側でイオン化した酸素が、第２固体電解質体１２を介して供給され（例えば、図６中に点線矢印で示す）、水が生成することにより脱離して除去される。ただし、供給される酸素の量は、第２基準ガス導入路３２を通過して第２基準電極５２に到達する酸素の量に依存するため、余剰の水素の除去が進まないと、早期活性に要する時間が長くなるおそれがある。

上述の図３～図５に示したように、早期活性制御時において、センサ電極５１への酸素供給量は、式１にて定義される酸素限界電流値ＩＬとして表され、水素発生量は、ポンプセル４を流れるポンプ電流値と時間との関係に基づいて制御することができる。酸素供給量は、例えば、式１における第２基準ガス導入路３２の流路断面積Ｓ及び流路長さＬ等によって、酸素限界電流値ＩＬが２０μＡ以上、好適には、２５００μＡ以下となるように設定され、所望の水素発生量において、吸蔵酸素の除去と、滞留する水素の除去の両方が、好適に実施可能となっている。好適には、水素発生量は、２０００μＡ・ｓ以上１１０００μＡ・ｓ以下の範囲となるように制御され、適正な酸素供給量との組み合わせにより、早期活性制御時の活性時間を短縮することができる。

図８に示すように、早期活性制御時のセンサセル５の出力に基づくＮＯｘ濃度が、正側又は負側において所定の閾値範囲内となり、ほぼ０に収束するまでの時間を、活性時間とする。このときのＮＯｘ出力波形と活性時間は、酸素供給量と相関があり、図中に破線で示すように、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）が２０μＡより小さい１０μＡの場合には、ＮＯｘ出力波形が、早期活性制御終了の時点（ｔ１）において負側から正側へ振れた後、緩やかに減少しているために、活性時間（すなわち、正側の閾値に到達する時点（ｔ３）までの時間）が長くなる。これは、被測定ガス室２に水素が滞留する一方、第２基準ガス導入路３２ではセンサ電極５１側への酸素供給により酸素が欠乏し、第２基準ガス導入路３２の酸素濃度が低下することに起因する。そのために、被測定ガス室２内の酸素分圧と第２基準ガス導入路３２内の酸素分圧との差が変化して、センサセル５の一対の電極５１、５２間の起電力が変化し、ＮＯｘ出力の変動が生じると考えられる。

これに対して、図中に実線で示すように、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）が２０μＡの場合には、時点（ｔ１）において正側へ振れることなく、収束に向かう。そのために、速やかに負側の閾値に到達し（すなわち、時点（ｔ２））、活性時間が短くなる。好適には、図９中に一点鎖線で示すように、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）が４０μＡに増加すると、より速やかに負側の閾値に到達し（すなわち、時点（ｔ１１））、活性時間はより短くなる。図１０に示すように、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）が２０μＡから４０μＡ付近までは、活性時間が徐々に短縮され、４０μＡを超えると、活性時間はほぼ一定となる。

したがって、好適には、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）が４０μＡ以上となるように、第２基準ガス導入路３２が構成されているのがよく、十分な量の酸素を供給して活性時間を短縮することができる。一方、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）がより多くなると、第２基準ガス導入路３２となる空間容積が大きくなることで、素子強度が低下するおそれがある。上述したように、センサ素子１Ａは、第２基準ガス導入路３２が開口する基端部に、端子部７１、７２が配置されて、バネ端子部Ｌ２にて挟持される構成であり、好適には、素子強度を確保できるように、酸素供給量（酸素限界電流値ＩＬ）の上限値は、２５００μＡ以下、より好適には、１０００μＡ以下に設定されるのがよい。

また、図１１に示すように、水素発生量が、上述の所望の範囲（すなわち、２０００μＡ・ｓ以上１１０００μＡ・ｓ以下）で変化したときには、同様のＮＯｘ出力波形となり、水素発生量が少ない方が、早期活性制御の終了タイミングが早くなり、活性時間が短くなる。例えば、水素発生量が５０００μＡ・ｓの場合には、時点（ｔ１２）で負側の閾値に到達しているのに対し、水素発生量が１００００μＡ・ｓの場合には、より遅い時点（ｔ１３）で負側の閾値に到達することになる。したがって、好適には、水素発生量が５０００μＡ・ｓ以上１００００μＡ・ｓ以下の範囲で、所望の活性時間となるように、水素発生量を調整することができる。

次に、図１２のフローチャートにより、センサ制御部１０による制御について説明する。センサ制御部１０は、例えば、ガスセンサ１の全体を制御するセンサ制御ユニット（以下、適宜、ＳＣＵと称する）として構成されており、車両用エンジンの全体を制御するエンジン制御ユニット（以下、適宜、ＥＣＵと称する）からの制御指令に基づいて作動する。ＳＣＵは、図１に示す早期活性制御部１０１、検出制御部１０２、ヒータ制御部１０３を備えると共に、図示しない通信部や演算部等を備えており、送受信された信号に基づく制御や演算等を行ってＮＯｘ濃度を検出し、検出結果を随時ＥＣＵへ出力することができる。

図８において、センサ制御部１０による制御開始に際し、まず、ステップＳ１において、センサ始動が許可されているか否かが判定され、センサ始動が許可されるとステップＳ２以降へ進む。ステップＳ２は、ヒータ制御部１０３によるヒータ制御に相当し、ステップＳ３～Ｓ５は、早期活性制御部１０１による早期活性制御に相当する。ステップＳ５～Ｓ７は、検出制御部１０２による、ＮＯｘ検出制御に相当し、ステップＳ６はポンプセル制御部１０２Ａに、ステップＳ７は、センサセル検出部１０２Ｂ及びモニタセル検出部１０２Ｃに相当する。ステップＳ１では、これら制御を実施する前に、センサ素子１Ａの状態を確認することで、センサ素子１Ａの破損や誤検出等を防止する。

具体的には、センサ素子１Ａに凝縮水が付着しやすい低温時には、ヒータ通電による破損のおそれがあり、また、検出部を構成する各セル４、５、５０及びヒータ６の電気系統等の異常により誤検出が生じるおそれがある。そこで、別の制御フローに基づいてセンサ素子１Ａの温度や異常の有無を確認し、正常動作可能と判断された場合にのみ許可信号が出力されるようにすることができる。ステップＳ１が肯定判定された場合には、ＳＣＵが起動されて、ステップＳ２へ進み、センサ素子１Ａの通電が開始される。ステップＳ１が否定判定された場合には、ＳＣＵが起動されずに、本処理が終了される。

ステップＳ２においては、ヒータ６への通電制御が開始されて、センサ素子１Ａの固体電解質体及び電極を所定の活性温度まで昇温させる。この通電制御は、センサ素子１Ａの各セルのインピーダンスが温度によって変化することを利用し、検出されるインピーダンスが所定の値となるように通電量を制御することによって行うことができる。具体的には、ポンプセル４のインピーダンスが、所定の活性温度に相当する活性判定インピーダンスに到達するまでは、ヒータ６の通電デューティを大きく設定し（例えば、１００％）、到達後は、目標インピーダンスとの偏差に基づいて、ヒータ６の通電デューティをＰＩ制御することによって行うことができる。インピーダンスの検出は、ポンプセル４に限らず、他のセルやヒータ６について行うこともできる。

ステップＳ２により、ヒータ６への通電制御を開始したら、ステップＳ３へ進んで、早期活性制御部１０１による早期活性制御を開始する。具体的には、ポンプセル４の一対の電極４１、４２への印加電圧を、予め設定された始動時電圧Ｖ２へ上昇させる。次いで、ステップＳ４へ進んで、予め設定された所定時間が経過したか否かを判定する。ステップＳ４が肯定判定された場合には、ステップＳ５へ進み、否定判定された場合には、所定時間が経過するまで、ステップＳ４を繰り返す。

ポンプセル４の一対の電極４１、４２に印加される始動時電圧Ｖ２は、通常時の制御電圧Ｖ１（例えば、０．３～０．４Ｖ）よりも高く設定される（例えば、０．５～２Ｖ）。これにより、ポンプ電極４１上において、排ガスＧ中の酸素が分解すると共に、水蒸気が分解して、還元ガスとなる水素が発生する。発生した水素は、被測定ガス室２内に拡がってセンサセル５に到達し、センサ電極５１に吸蔵された酸素と反応して除去される。

ステップＳ４における所定時間は、上述の図５、図８において、早期活性制御の開始から終了の時点（ｔ１）までの時間に相当し、始動時電圧Ｖ２の印加時間が長いほど、水素発生量が多くなる。また、上述の図１１に示したように、水素発生量が多くなるほど、活性時間は長くなる。したがって、所望の水素発生量と活性時間とを考慮して、予め設定されることが望ましい。あるいは、所望の水素発生量と活性時間が得られる範囲で、ステップＳ２のヒータ６への通電制御において、所定の活性温度になるまでの昇温時間として設定することもできる。所定時間の下限値は、例えば、５秒以上であり、より確実に活性温度になるように、例えば、１０秒以上とすることもできる。所定時間の上限値は、検出開始までの準備時間として確保できる時間、例えば、３０秒以下であり、吸蔵酸素の除去に必用な水素を発生可能であれば、例えば、２０秒以下であってもよい。

ステップＳ４において、所定時間が経過したら、ステップＳ５へ進んで、早期活性制御部１０１による制御を終了し、検出制御部１０２による通常制御へ切り替える。具体的には、ステップＳ６において、ポンプセル制御部１０２Ａを用いて、ポンプセル４の一対の電極４１、４２に印加されていた始動時電圧Ｖ２を、それよりも低い制御電圧Ｖ１へ低下させる。これにより、ポンプセル４では、被測定ガス室２内の酸素の分解による電流が流れ、ポンプセル４の出力電流を検出して、所定の低濃度となるように制御することができる。

次いで、ステップＳ６へ進んで、センサセル検出部１０２Ｂを用いて、センサセル５の出力電流を検出し、モニタセル検出部１０２Ｃを用いて、モニタセル５０の出力電流を検出する。センサセル５及びモニタセル５０には、限界電流特性を示す所定の電圧が印加されており、被測定ガス室２内の残留酸素とＮＯｘに基づくセンサセル５の出力電流から、残留酸素のみに基づくモニタセル５０の出力電流を差し引くことにより、残留酸素の影響が補正されたＮＯｘ濃度を算出することができる。

以上のように、本形態の構成によれば、センサ始動時の早期活性制御の遅延を抑制し、特定ガスの検出を速やかに開始することができる。

（実施形態２）
ガスセンサに係る実施形態２について、図１３を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１の基本構成は、上述の図１、図２と同様であるため図示及び説明を省略し、図１３には、センサ素子１Ａの主要部であるセンサセル５とその周辺の構成示している。以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１３に示すように、本形態では、上記実施形態１におけるモニタセル５０を設けておらず、センサセル５のセンサ電極５１と第２基準電極５２とが、第２固体電解質体１２を挟んで、同等位置に対向して配置されている。センサ電極５１は、被測定ガス室２に面する第２固体電解質体１２の表面に配置され、第２固体電解質体１２と対向する第１固体電解質体１１の表面には、ポンプセル４のポンプ電極４１が配置される。

通常の検出時において、ポンプセル４により被測定ガス室２から第１基準ガス導入路３１へ排出される酸素に基づくポンプ電流に対して、センサセル５における残留酸素及びＮＯｘに基づくセンサ電流はごく小さくなる。そのため、第２基準ガス導入路３２を第１基準ガス導入路３１と別に設けることで、酸素の排出に伴う濃度変動の影響を受けにくい等の利点がある一方で、センサ素子１Ａの小型化の観点から、第２基準ガス導入路３２となる空間容積が小さくなると、上述したように、早期活性制御時の酸素供給量が十分確保できないおそれがある。また、第１基準ガス導入路３１となる空間容積が大きくなると、上述したように、センサ素子１Ａの強度が低下するおそれがある。

そのために、第２基準ガス導入路３２は、流路断面形状が、流路幅に対して流路高さ（すなわち、積層方向の長さ）が十分小さい扁平形状となるように構成される。これにより、積層方向の素子厚さを抑えて、第２基準電極５２上に大気Ａを導入しやすくなる。また、第２基準ガス導入路３２が形成される遮蔽層１４の厚さｔに対して、第２基準ガス導入路３２の流路高さｈの比率を十分小さくすることが望ましい。これにより、第２基準ガス導入路３２の流路壁となる遮蔽層１４の厚さを確保して、素子強度を保ちながら、早期活性制御時に必要な流路断面積Ｓを確保して、所望の酸素供給量とすることができる。

早期活性制御時に、上述した式１に基づく酸素供給量（ＩＬ）を所望の範囲とするために、好適には、第２基準ガス導入路３２の流路断面積Ｓが、０．００７ｍｍ²以上となるように構成されることが望ましい。流路断面積Ｓは、図１３中に点線で囲まれる領域で表され、第２基準電極５２が配置される先端側の空間部において、ガス流れ方向（例えば、図１における長手方向Ｘ）と直交する方向における断面積として定義される。これにより、通常のＮＯｘセンサ構成において（例えば、図２参照）、上述した図３の酸素供給量（ＩＬ）の下限値である２０μＡ以上を満たす構成とすることができる。

また、好適には、第２基準ガス導入路３２の流路断面積Ｓは、８０ｍｍ²以下となるように構成されることが望ましい。これにより、上述した図３の酸素供給量（ＩＬ）の上限値である２５００μＡ以下を満たす構成とすることができる。なお、式１に基づく酸素供給量（ＩＬ）の算出に際しては、第２基準ガス導入路３２の先端側から基端側までの流路長さＬの全体において、同一の流路断面積Ｓとしており、また、温度条件等の異なるブロック毎に酸素供給量を求め、それらの総和として全体の酸素供給量（ＩＬ）を算出している。なお、流路長さＬは、例えば、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下となるように構成されることが望ましい。

また、第２基準ガス導入路３２の流路高さｈと、第２基準ガス導入路３２が形成される遮蔽層１４の厚さｔとの比（ｈ／ｔ）は、具体的には、（ｈ／ｔ）＜１／４、好適には、（ｈ／ｔ）＜１／５の関係にあることが望ましい。このとき、第２基準ガス導入路３２の形成位置における遮蔽層１４の厚さｔは、流路高さｈの４倍ないし５倍以上となり、センサ素子１Ａの端面に第２基準ガス導入路３２が開口する構成においても、十分な素子強度とすることができる。また、必要な流路断面積Ｓと、素子組付けの際に要求される素子強度とを高度に満足させる観点から、好適には、０．０３＜（ｈ／ｔ）＜０．１３、より好適には、０．０４＜（ｈ／ｔ）＜０．１１の関係となるように、構成することができる。

（実施形態３）
ガスセンサに係る実施形態３について、図１４～図１７を参照して説明する。
本形態のガスセンサ１の基本構成は、上述の図１、図２と同様であるため図示及び説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。図１４に示すように、本形態では、上記実施形態１におけるセンサ素子１Ａの構成において、その一端側である基端側の端面に、第２基準ガス導入路３２を開口させる代わりに、第２基準ガス導入路３２の基端部において、遮蔽層１４を積層方向に貫通するスルーホールを形成して、第２基準ガス導入口３２１としている。

第２基準ガス導入口３２１は、遮蔽層１４の基端側の表面に配置される端子部７１に隣接する位置に形成されて、第２基準ガス導入路３２の基端側の流路端部に接続している。このとき、センサ素子１Ａは、端子部７１が配置される基端部に空間が形成されないので、素子組付けの際に要求される素子強度を確保することができる。また、第２基準ガス導入路３２の流路長さＬは、基端側の端面に第２基準ガス導入口３２１が開口する構成よりも短くなり、上記式１における流路断面積Ｓと流路長さＬの比（Ｓ／Ｌ）が大きくなるので、酸素供給量を確保しやすくなる。なお、本形態においては、第２基準ガス導入口３２１を通過する部位については、スルーホールの断面積を用い、流路断面積Ｓとしてスルーホールの断面積及び第２基準ガス導入路３２の断面積を用いて、酸素供給量の算出を行っている。

図１５に変形例として示すように、上記実施形態１におけるセンサ素子１Ａの構成において、第２基準ガス導入路３２の内部に、多孔質セラミックスからなる多孔質体が充填された拡散層（以下、多孔質拡散層と略称する）３３が形成された構成とすることもできる。この場合には、第２基準ガス導入路３２の第２基準ガス導入口３２１が、基端側の端面に開口する構成であっても、多孔質拡散層３３によって、素子強度を向上させることができる。

なお、多孔質拡散層３３が配置されることにより、第２基準ガス導入路３２の拡散抵抗は大きくなるので、上述の式１における酸素供給量は、第２基準ガス導入路３２が同等容積の空間部である場合に比べて減少することになる。酸素供給量をより多くしたい場合には、第２基準ガス導入路３２の流路断面積Ｓを大きくするか、多孔質拡散層３３が充填される部位を低減することができる。後者の場合には、多孔質拡散層３３は、少なくとも、第２基準ガス導入口３２１が開口する基端面から端子部７１が形成される基端部を含むように配置されていればよく、素子組付けの際に挟持される基端部を補強して、組付け性を向上させることができる。

または、図１６に変形例として示すように、第２基準ガス導入路３２の流路壁に、柱状の補強部材が埋設された補強部３４を備える構成としてもよい。補強部３４は、具体的には、第２基準ガス導入口３２１が開口する基端面の近傍から、端子部７１が形成される基端部を含む部位において、第２基準ガス導入路３２の流路幅の範囲内で配置することができる。このようにしても、センサ素子１Ａの素子組付けの際に挟持される基端部を補強して、組付け性を向上させることができる。

補強部３４は、例えば、流路壁となる遮蔽層１４よりも高い強度を有し、第２基準ガス導入路３２の端部における強度が向上するように形成されていればよく、遮蔽層１４と同じセラミックス材料であっても異なる材料であってもよい。また、ここでは、補強部３４に埋設される補強部材を、扁平な矩形板状に形成しているが、形状や大きさ等は、適宜変更することができる。また、補強部材は、流路壁の内部に埋設されているが、例えば、第２基準ガス導入口３２１が形成される端面に、一部が露出する構成であってもよい。

さらに、図１７に変形例として示すように、第２基準ガス導入路３２の幅方向の流路壁に、複数の第２基準ガス導入口３２１が開口する構成としてもよい。第２基準ガス導入路３２は、端子部７１（例えば、図１５参照）が配置される基端部には形成されず、第２基準ガス導入路３２となる空間部は、基端側の端部から二股に分岐して、両側壁に開口する複数の第２基準ガス導入口３２１に連通している。二股の分岐路は、基端側へ斜めに両側壁を貫通し、第２基準ガス導入口３２１の近傍には、それぞれ、多孔質拡散層３３が充填されている。

このようにしても、センサ素子１Ａの素子組付けの際に挟持される基端部に空間部が設けられず、また、複数の第２基準ガス導入口３２１は、多孔質拡散層３３によって補強されるので、素子強度が向上し、組付け性を向上させることができる。多孔質拡散層３３は、第２基準ガス導入路３２の全体に充填されていてもよく、あるいは、多孔質拡散層３３が充填されない構成とすることもできる。なお、これらの構成の酸素供給量の算出に際し、二股の分岐路については、その断面積と多孔質拡散層３３の配置に応じた酸素供給量をそれぞれ求めて、全体の酸素供給量に反映させることができる。

本形態において、多孔質拡散層３３は、図１４及び図１６に示した第２基準ガス導入路３２に限らず、図１４又は図１７の第２基準ガス導入路３２に適用することもできる。その場合、多孔質拡散層３３は、少なくとも第２基準ガス導入口３２１及びその近傍に設けられることで、開口部の強度を向上させることができる。また、第２基準ガス導入路３２の流路形状は、図示したものに限らず、適宜変更することができる。

上記各実施形態では、ガスセンサ１をＮＯｘセンサとして用いる場合について説明したが、特定ガスは、ＮＯｘに限らず、排ガスＧに含まれる任意のガスの検出に適用することができる。また、ガスセンサ１やセンサ素子１Ａの各部構成や形状は、図示したものに限らず、適宜変更することができる。

本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
以下、参考形態の例を示す。
項１．
被測定ガス（Ｇ）に含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサ（１）であって、
上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室を挟んで対向する第１固体電解質体（１１）及び第２固体電解質体（１２）と、
酸素を含む基準ガス（Ａ）が導入される第１基準ガス導入路（３１）及び第２基準ガス導入路（３２）と、
上記第１固体電解質体の上記被測定ガス室に面する表面にポンプ電極（４１）を有し、上記第１基準ガス導入路に面する表面に第１基準電極（４２）を有して、上記被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセル（４）と、
上記第２固体電解質体の上記被測定ガス室に面する表面にセンサ電極（５１）を有し、上記第２基準ガス導入路に面する表面に第２基準電極（５２）を有して、上記特定ガスに基づく出力を生じるセンサセル（５）と、によって構成されるセンサ素子（１Ａ）と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部（１０）に設けられて、センサ始動時に上記ポンプセルへ印加される電圧を、通常時の制御電圧（Ｖ１）よりも高い始動時電圧（Ｖ２）に制御し、上記被測定ガスに含まれる水の分解によって上記被測定ガス室に発生する還元ガスを用いて、上記センサ電極に吸蔵された酸素を除去する早期活性制御部（１０１）と、を備えており、
上記センサ素子の長手方向（Ｘ）の一端側に、上記第１基準ガス導入路に上記基準ガスを導入するための第１基準ガス導入口（３１１）及び上記第２基準ガス導入路に上記基準ガスを導入するための第２基準ガス導入口（３２１）が、それぞれ開口しており、
上記長手方向の他端側に設けられる上記被測定ガス室において、上記長手方向をガス流れ方向として、上記ポンプ電極よりも下流側に、上記センサ電極が配置されており、
上記第２基準ガス導入路は、上記センサ始動時に余剰となる上記還元ガスの除去に用いられる酸素の供給流路を形成し、上記第２基準ガス導入路から上記センサ電極へ向けて供給される酸素の限界量を、上記第２固体電解質体を流れる電流値として示す酸素限界電流値が、２０μＡ以上となるように形成されており、上記酸素限界電流値の大きさは、上記第２基準ガス導入口から上記第２基準電極に至る上記第２基準ガス導入路の流路構造に依存して定まる、ガスセンサ。
項２．
上記酸素限界電流値は、２５００μＡ以下である、項１に記載のガスセンサ。
項３．
上記早期活性制御部は、上記センサ始動時に発生する上記還元ガスの総量を示すクーロン量が、２０００μＡ・ｓ以上１１０００μＡ・ｓ以下の範囲となるように、上記始動時電圧及び上記始動時電圧の印加時間を制御する、項１又は２に記載のガスセンサ。
項４．
上記第２基準ガス導入路は、上記第２基準電極の形成部位における流路断面積が、０．００７ｍｍ ² 以上である、項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
項５．
上記第２基準ガス導入路は、上記第２基準電極の形成部位における流路断面積が、０．８０ｍｍ ² 以下である、項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
項６．
上記センサ素子は、上記第１基準ガス導入路となる空間の容積よりも上記第２基準ガス導入路となる空間の容積が小さくなるよう形成されており、
上記酸素限界電流値の大きさは、上記第２基準ガス導入路の流路構造を示す流路断面積（Ｓ）又は流路長さ（Ｌ）に応じて定まる、項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
項７．
上記第２基準ガス導入口を取り囲む流路壁の少なくとも一部に、補強部（３４）が形成されている、項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
項８
上記第２基準ガス導入口は、上記センサ素子の上記一端側において、上記長手方向に延びる上記第２基準ガス導入路の流路壁を積層方向に貫通するスルーホールにて形成される、項１～７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
項９．
上記センサ素子の上記一端側において、複数の上記第２基準ガス導入口が開口していると共に、複数の上記第２基準ガス導入口は、上記長手方向に延びる上記第２基準ガス導入路の両側壁を貫通して設けられる、項１～７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
項１０．
上記第２基準ガス導入口に続く上記第２基準ガス導入路の少なくとも一部に、多孔質体が充填された拡散層（３３）が形成されている、項１～９のいずれか１項に記載のガスセンサ。

Claims

被測定ガス（Ｇ）に含まれる特定ガスの濃度を検出するガスセンサ（１）であって、
上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室を挟んで対向する第１固体電解質体（１１）及び第２固体電解質体（１２）と、
酸素を含む基準ガス（Ａ）が導入される第１基準ガス導入路（３１）及び第２基準ガス導入路（３２）と、
上記第１固体電解質体の上記被測定ガス室に面する表面にポンプ電極（４１）を有し、上記第１基準ガス導入路に面する表面に第１基準電極（４２）を有して、上記被測定ガス室の酸素濃度を調整するポンプセル（４）と、
上記第２固体電解質体の上記被測定ガス室に面する表面にセンサ電極（５１）を有し、上記第２基準ガス導入路に面する表面に第２基準電極（５２）を有して、上記特定ガスに基づく出力を生じるセンサセル（５）と、によって構成されるセンサ素子（１Ａ）と、
上記センサ素子の作動を制御するセンサ制御部（１０）に設けられて、センサ始動時に上記ポンプセルへ印加される電圧を、通常時の制御電圧（Ｖ１）よりも高い始動時電圧（Ｖ２）に制御し、上記被測定ガスに含まれる水の分解によって上記被測定ガス室に発生する還元ガスを用いて、上記センサ電極に吸蔵された酸素を除去する早期活性制御部（１０１）と、を備えており、
上記センサ素子の長手方向（Ｘ）の一端側に、上記第１基準ガス導入路に上記基準ガスを導入するための第１基準ガス導入口（３１１）及び上記第２基準ガス導入路に上記基準ガスを導入するための第２基準ガス導入口（３２１）が、それぞれ開口しており、
上記長手方向の他端側に設けられる上記被測定ガス室において、上記長手方向をガス流れ方向として、上記ポンプ電極よりも下流側に、上記センサ電極が配置されており、
上記第２基準ガス導入路は、上記センサ始動時に余剰となる上記還元ガスの除去に用いられる酸素の供給流路を形成し、上記第２基準ガス導入路から上記センサ電極へ向けて供給される酸素の限界量を、上記第２固体電解質体を流れる電流値として示す酸素限界電流値が、２０μＡ以上となるように形成されており、上記酸素限界電流値の大きさは、上記第２基準ガス導入口から上記第２基準電極に至る上記第２基準ガス導入路の流路構造に依存して定まる、ガスセンサ。
上記酸素限界電流値は、２５００μＡ以下である、請求項１に記載のガスセンサ。
上記早期活性制御部は、上記センサ始動時に発生する上記還元ガスの総量を示すクーロン量が、２０００μＡ・ｓ以上１１０００μＡ・ｓ以下の範囲となるように、上記始動時電圧及び上記始動時電圧の印加時間を制御する、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記第２基準ガス導入路は、上記第２基準電極の形成部位における流路断面積が、０．００７ｍｍ²以上である、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記第２基準ガス導入路は、上記第２基準電極の形成部位における流路断面積が、０．８０ｍｍ²以下である、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記センサ素子は、上記第１基準ガス導入路となる空間の容積よりも上記第２基準ガス導入路となる空間の容積が小さくなるよう形成されており、
上記酸素限界電流値の大きさは、上記第２基準ガス導入路の流路構造を示す流路断面積（Ｓ）又は流路長さ（Ｌ）に応じて定まる、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記第２基準ガス導入口を取り囲む流路壁の少なくとも一部に、補強部（３４）が形成されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記第２基準ガス導入口は、上記センサ素子の上記一端側において、上記長手方向に延びる上記第２基準ガス導入路の流路壁を積層方向に貫通するスルーホールにて形成される、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記センサ素子の上記一端側において、複数の上記第２基準ガス導入口が開口していると共に、複数の上記第２基準ガス導入口は、上記長手方向に延びる上記第２基準ガス導入路の両側壁を貫通して設けられる、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
上記第２基準ガス導入口に続く上記第２基準ガス導入路の少なくとも一部に、多孔質体が充填された拡散層（３３）が形成されている、請求項１又は２に記載のガスセンサ。