WO2015029842A1

WO2015029842A1 - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: WO2015029842A1
Application number: PCT/JP2014/071683
Authority: WO
Inventors: 水谷　圭吾; 充伸中藤; 岳人木全; 貴司荒木
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2015-03-05
Also published as: JP2015045581A

Abstract

　ガス濃度検出装置１は、被測定ガスｇに含まれる特定ガスの濃度を測定するガスセンサ素子１０と、判断部１１とを備える。ガスセンサ素子１０は、被測定ガス室７と、基準ガス室１２と、固体電解質体２と、複数個の電極８と、ヒータ６とを備える。固体電解質体２とその両面に形成された電極８とによって、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とが形成されている。判断部１１は、ヒータ６への通電を開始した後、モニタセル電流Ｉｍが上昇し、その後減少して、予め定められた閾値αよりも低くなったときに、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断する。

Description

ガス濃度検出装置

　本発明は、ガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子がガス濃度を正確に測定できる状態になったか否かを判断する判断部とを備えるガス濃度検出装置に関する。

　例えば、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を測定するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子がＮＯｘ濃度を正確に測定できる状態になったか否かを判断する判断部とを備えるガス濃度検出装置が知られている（下記特許文献１参照）。上記ガスセンサ素子は、被測定ガス（排気ガス）が導入される被測定ガス室と、大気等の基準ガスが導入される基準ガス室と、これら被測定ガス室と基準ガス室との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に形成した複数個の電極とを備える。

　このガスセンサ素子には、固体電解質体と上記電極とによって、ポンプセルと、モニタセルと、センサセルとの３個のセルを形成してある。ポンプセルは、被測定ガス中の酸素分子を上記基準ガス室へ排出するセルである。モニタセルは、ポンプセルによって酸素濃度を排出した後の被測定ガスに残留する酸素の濃度を検出するセルである。また、センサセルは、ポンプセルによって酸素濃度を排出した後の被測定ガスに含まれる酸素分子とＮＯｘ分子との合計の濃度を検出するセルである。これら３個のセル、即ち、ポンプセルと、モニタセルと、センサセルとを用いることにより、被測定ガス中のＮＯｘ（特定ガス）の濃度を算出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度の測定は、ポンプセルによって被測定ガス中の酸素濃度を充分に低減した状態で行われる。

　固体電解質体は一般に、数百℃程度まで加熱しないと活性化しない。そのため、上記ガスセンサ素子には、固体電解質体を加熱するためのヒータが設けられている。

　ガスセンサ素子の使用を開始する前の状態では、ヒータに電力を通電しておらず、固体電解質体は加熱されていないため、固体電解質体の温度は外気温程度まで低下している状態である。したがってヒータへの通電を開始した後、暫く時間が経過し、固体電解質体の温度が所定の温度へ上昇するまで、セルは正しく機能しない。そのため上記ガス濃度検出装置では、ヒータに通電した後、固体電解質体の温度を測定しており、固体電解質体の温度が所定温度まで上昇したときに、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断して、特定ガスの濃度測定を開始するよう構成されている。

特許４８７３３２９号公報

　しかしながら、上記した従来のガス濃度検出装置では、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度を正確に測定できない状態であるにもかかわらず、測定できる状態であると誤って判断することがある。すなわち、ガスセンサ素子の使用を開始する前の状態、即ちガスセンサ素子が正しく動作する以前の状態では、大気中の酸素分子が、排気管等を通って上記被測定ガス室に混入していることがある。そのため、ヒータに通電して各セルを活性化させ、さらに上記ポンプセルを使って被測定ガス室内の酸素分子を充分に排出した後でなければ、固体電解質体が所定温度まで加熱されていたとしても、特定ガスの濃度を正確に測定できない。つまり、固体電解質体を加熱しただけでは充分ではなく、被測定ガス室内の酸素濃度が充分に低減した後でなければ、特定ガスの正確な濃度測定は開始できない。

　上記した従来のガス濃度検出装置では、ガスセンサ素子の使用開始時に、被測定ガス室内の酸素濃度が低減したか否かは確認しておらず、固体電解質体の温度のみを用いて、ガスセンサ素子が濃度測定を正確に行える状態になったか否かの判断をしている。そのため、固体電解質体の温度が上昇し、ガスセンサ素子が濃度測定を正確に行える状態になったと、判断部が判断した場合でも、実際には被測定ガス室内に酸素分子が残存している場合があり、特定ガスの濃度測定を正確に行えないことがある。

　本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かの判断を、間違いなく正しく行えるガス濃度検出装置を提供しようとするものである。

　本発明の一態様は、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定するガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子が上記特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かを判断する判断部とを備えるガス濃度検出装置であって、上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室と、基準ガスが導入される基準ガス室と、上記被測定ガス室と上記基準ガス室との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に形成された複数個の電極と、上記固体電解質体を加熱するヒータとを備え、上記固体電解質体とその両面に形成された上記電極とによって、上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセルと、該ポンプセルによって酸素濃度を調整した後の上記被測定ガスに含まれる酸素の濃度に対応した量の電流が流れるモニタセルと、上記ポンプセルによって酸素濃度を調整した後の上記被測定ガスに含まれる酸素と上記特定ガスとの合計の濃度に対応した量の電流が流れるセンサセルとが形成されており、上記判断部は、上記ヒータへの通電を開始した後、上記モニタセルに流れる電流が上昇し、その後減少して、予め定められた閾値よりも低くなった場合に、上記ガスセンサ素子が上記特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断し、上記ガスセンサ素子による上記特定ガスの濃度測定を開始させるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置にある。

　上記ガス濃度検出装置の判断部は、ヒータへの通電を開始した後、モニタセルに流れる電流（以下、モニタセル電流とも記す）が上昇し、その後減少して上記閾値よりも低くなった場合に、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断する。そのため、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かの判断を、間違いなく行うことができる。すなわち、ヒータへの通電を開始すると、固体電解質体の温度が上昇し、各セルが徐々に活性化される。そして、被測定ガス室内に混入していた酸素分子が、ポンプセルによって徐々に排出されると共に、モニタセルによっても排出され、これがモニタセル電流となって測定される。つまり、ヒータへの通電を開始すると、モニタセル電流は一旦、上昇する。その後、暫く経過すると、ポンプセルによって被測定ガス室内の酸素分子が殆ど排出され、酸素濃度が低下するため、モニタセルを流れる酸素イオンの量が低減する。そのため、モニタセル電流が減少する。

　このように、ヒータへの通電を開始すると、モニタセル電流は一旦上昇し、その後、減少して上記閾値を下回る。モニタセル電流が閾値を下回った後の状態では、固体電解質体が充分に加熱されて各セルが活性化しており、かつ、被測定ガス室内の酸素濃度が充分に低減している。この状態であれば、ガスセンサ素子によって、特定ガスの濃度を正確に測定することができる。したがって上述のように、ヒータへの通電を開始した後、モニタセル電流が一旦上昇し、その後低減して上記閾値を下回ったか否かを判断基準とすれば、ガスセンサ素子が濃度測定を正確に行える状態になったか否かの判断を、間違いなく正しく行うことができる。

　なお、上記ガス濃度検出装置では、センサセルに流れる電流（以下、センサセル電流とも記す）を用いるのではなく、モニタセル電流を用いて、上記判断を行っている。センサセルには、酸素濃度と特定ガス濃度との合計の濃度に対応した電流が流れる。そのため、被測定ガス室内の酸素濃度が充分に低下した場合でも、特定ガスの濃度が高いときは、この影響を受けて大きなセンサセル電流が流れてしまう。したがって、仮にセンサセル電流を用いて上記判断を行ったとすると、被測定ガス室内の酸素濃度が充分に低下した場合でも、これを検知することができない場合が生じる。そのため、被測定ガス室内の酸素濃度が充分に低下して、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度測定を正確に行える状態になっているにもかかわらず、この状態になっていないと判断する場合が生じ得る。

　これに対して、モニタセル電流は、特定ガス濃度の影響を受けず、酸素濃度の影響のみを受ける。そのため、モニタセル電流を用いれば、被測定ガス室内の酸素濃度が充分に低下したことを検知でき、ガスセンサ素子が濃度測定を正確に行える状態になったと、確実に正しく判断することができる。

　以上のごとく、本発明によれば、ガスセンサ素子が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かの判断を、間違いなく正しく行えるガス濃度検出装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係るガス濃度検出装置内のガスセンサ素子および判断部を示す断面図である。図１のＩＩ-ＩＩ断面図である。図１のＩＩＩ-ＩＩＩ断面図である。本発明の実施例１に係るガス濃度検出装置におけるガスセンサ素子の分解斜視図である。本発明の実施例１に係るガス濃度検出装置において、ヒータに通電した後の、センサセル電流とモニタセル電流の時間変化を表したグラフである。図５の一部を拡大したグラフである。本発明の実施例１に係るガス濃度検出装置における、判断部の動作を示すフローチャートである。本発明の実施例２に係るガス濃度検出装置内のガスセンサ素子および判断部を示す断面図である。図８のＩＸ‐ＩＸ断面図である。本発明の実施例３に係るガス濃度検出装置内の判断部の動作を示すフローチャートである。

　上記ガスセンサ素子は、例えば、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を測定するための、ＮＯｘセンサ素子に適用可能である。

（実施例１）上記ガス濃度検出装置に係る実施例について、図１～図７を用いて説明する。図１～図３に示すごとく、本実施例１に係るガス濃度検出装置１は、被測定ガスｇに含まれる特定ガスの濃度を測定するガスセンサ素子１０と、判断部１１とを備える。判断部１１は、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かを判断する。

　ガスセンサ素子１０は、被測定ガス室７と、基準ガス室１２と、板状の固体電解質体２と、複数個の電極８（８ｐ，８ｍ，８ｓ，８ｂ）と、板状のヒータ６とを備える。被測定ガス室７には、被測定ガスｇが導入される。基準ガス室１２には、大気等の基準ガスが導入される。固体電解質体２は、被測定ガス室７と基準ガス室１２との間に介在して配置されており、酸素イオン伝導性を有する材料から構成される。電極８（８ｐ，８ｍ，８ｓ，８ｂ）は、固体電解質体２の両面に形成されている。ヒータ６は、固体電解質体２を加熱して活性化するために設けられている。

　固体電解質体２とその両面に形成された電極８とによって、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とが形成されている。ポンプセル３は、被測定ガスｇの酸素濃度を調整するためのセルである。モニタセル４は、ポンプセル３によって酸素濃度を調整した後の被測定ガスｇに含まれる酸素の濃度に対応した量の電流（モニタセル電流Ｉｍ）が流れるよう構成されている。センサセル５は、ポンプセル３によって酸素濃度を調整した後の被測定ガスｇに含まれる酸素と特定ガスとの合計の濃度に対応した量の電流（センサセル電流Ｉｓ）が流れるよう構成されている。

　図７に示すごとく、判断部１１は、ヒータ６への通電を開始した後、モニタセル電流Ｉｍが上昇し、その後減少して、予め定められた閾値αよりも低くなった場合に、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断する。そして、ガスセンサ素子１０による特定ガスの濃度測定を開始させる。

　本実施例１に係るガス濃度検出装置１でのガスセンサ素子１０は、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘセンサ素子である。すなわち、本実施例における被測定ガスｇは自動車の排気ガスであり、特定ガスはＮＯｘである。ガスセンサ素子１０全体は、図示しない筒状のケースに収容され、自動車の排気管に取り付けられている。ガスセンサ素子１０の先端部１００は排気管内に差し込まれ、後端部は、基準ガスである大気に露出している。

　図１～図４に示すごとく、電極８には、固体電解質体２の被測定ガス室７側の主面２１に形成されたポンプ電極８ｐ及びモニタ電極８ｍ及びセンサ電極８ｓと、固体電解質体２の基準ガス室１２側の主面２２に形成された基準電極８ｂとがある。尚、図１では、モニタ電極８ｍは、センサ電極８ｓの背後に形成されているので図示されていない。センサ電極８ｓとモニタ電極８ｍとの位置関係は、例えば図２，３，４に示されている。固体電解質体２と、ポンプ電極８ｐと、基準電極８ｂとによって、上記ポンプセル３が形成されている。また、固体電解質体２と、モニタ電極８ｍと、基準電極８ｂとによって、上記モニタセル４が形成されている。また、固体電解質体２と、センサ電極８ｓと、基準電極８ｂとによって、上記センサセル５が形成されている。

　被測定ガスｇ中のＮＯｘ濃度を測定する方法について説明する。図１に示すごとく、被測定ガスｇは、拡散抵抗層１３を通って、被測定ガス室７に導入される。被測定ガスｇには酸素分子が含まれるため、ポンプセル３を使って、酸素分子を排出する。すなわち、基準電極８ｂとポンプ電極８ｐとの間に、基準電極８ｂが高電位となるように直流電圧を加える。このようにすると、ポンプ電極８ｐにおいて酸素分子が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により基準ガス室１２へ排出される。ポンプセル３に加える直流電圧の大きさを調整することにより、被測定ガス室７内の酸素濃度を制御するよう構成されている。

　酸素濃度が低減した被測定ガスｇは、モニタセル４とセンサセル５へ導入される。この被測定ガスｇには、ポンプセル３において排出しきれなかった酸素分子が含まれているため、この酸素分子の濃度をモニタセル４によって測定する。図３に示すごとく、モニタセル４では、基準電極８ｂとモニタ電極８ｍとの間に、基準電極８ｂが高電位となるように直流電圧を加える。このようにすると、被測定ガスｇに含まれる酸素分子が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により基準ガス室１２へ排出される。モニタ電極８ｍは、後述するように、ＮＯｘの分解に不活性なＰｔ－Ａｕサーメット電極によって形成されているため、モニタセル４に流れる電流（モニタセル電流Ｉｍ）は、被測定ガスｇに含まれる酸素分子の濃度のみに依存し、ＮＯｘの濃度には依存しない。したがって、電流センサ１４１を使ってモニタセル電流Ｉｍを測定すれば、被測定ガスｇに含まれる酸素分子の濃度を測定できる。

　また、センサセル５においても、基準電極８ｂとセンサ電極８ｓとの間に、基準電極８ｂが高電位となるように直流電圧を加える。センサ電極８ｓは、後述するように、ＮＯｘの分解に活性なＰｔ－Ｒｈサーメット電極によって形成されているため、センサ電極８ｓ上において酸素分子とＮＯｘ分子とがそれぞれ還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用によって基準ガス室１２へ排出される。したがって、電流センサ１５１を使って、センサセル５を流れる電流（センサセル電流Ｉｓ）を測定すれば、被測定ガスｇに含まれる酸素分子とＮＯｘ分子との合計の濃度を算出することができる。

　このように、ポンプセル３によって酸素濃度を低減した後の被測定ガスｇに含まれる酸素分子の濃度Ａを、モニタセル４によって測定し、ポンプセル３によって酸素濃度を低減した後の被測定ガスｇに含まれる酸素とＮＯｘとの合計の濃度Ｂを、センサセル５によって測定する。そして、上記濃度Ｂから上記濃度Ａを減算することにより、被測定ガスｇ中のＮＯｘの濃度を算出するよう構成されている。ＮＯｘ濃度の算出は、マイコン１１０によって行われる。マイコン１１０は、ＮＯｘ濃度の算出を行う濃度算出部と、上記判断部１１とを兼ねている。

　次に、ガスセンサ素子１０の使用を開始した直後、すなわちヒータ６への通電を開始した直後に、固体電解質体２の温度と、センサセル電流Ｉｓと、モニタセル電流Ｉｍとが時間的にどのように変化するかを、図５、図６を用いて説明する。ヒータ６に通電する直前の状態では、固体電解質体２の温度は外気温程度まで低下している。また、大気中の酸素分子が、排気管等を通って被測定ガス室７に混入している。ヒータ６への通電を開始すると、固体電解質体２の温度が上昇し、ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５が徐々に活性化する。そして、ポンプセル３によって被測定ガス室７内の酸素分子が次第に排出されると共に、モニタセル４のポンピング作用によっても酸素分子が排出され、これがモニタセル電流Ｉｍとして検出される。暫く時間が経つと、被測定ガス室７内の酸素濃度が低減するため、モニタセル電流Ｉｍが低下する。このように、ヒータ６への通電を開始すると、モニタセル電流Ｉｍは一旦上昇し、その後、減少する。

　本実施例１に係るガス濃度検出装置１では、ヒータ６への通電を開始した後、モニタセル電流Ｉｍが上昇して閾値αを超え、その後低減して閾値α以下になったときに、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断する。このときであれば、固体電解質体２は充分に加熱されてポンプセル３、モニタセル４、センサセル５のそれぞれは活性化しており、かつ、被測定ガス室７内の酸素分子が充分に排出されているため、特定ガスの濃度を正確に測定することができる。

　なお、センサセル５には、酸素分子の還元により発生した酸素イオンと、ＮＯｘ分子の還元により発生した酸素イオンとが両方とも流れるため、センサセル電流Ｉｓは、モニタセル電流ＩｍよりもＮＯｘ分子の還元電流分だけ高い値となる。

　図７に、ガス濃度検出装置１における判断部１１の動作を示すフローチャートを示す。まず、判断部１１は、ステップＳ１において、エンジンを始動したか否かを判断する。ここでＹｅｓと判断したときはステップＳ２に進み、Ｎｏと判断されたときは図７のフローチャートに示す処理を終了する。ステップＳ２では、ヒータ６への通電を開始すると共に、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとをそれぞれ測定する。ステップＳ２を処理した後、ステップＳ３に移る。ステップＳ３では、モニタセル電流Ｉｍが上昇して閾値αを超え、その後減少して閾値α以下になったか否かを判断する。ここでＹｅｓと判断された場合はステップＳ４に移動し、Ｎｏと判断された場合はステップＳ２に戻る。ステップＳ４では、ガスセンサ素子１０が、特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を正確に測定できる状態になったと判断する。そして、ガスセンサ素子１０による特定ガスの濃度測定を開始させる。

　次に、ガスセンサ素子１０の構造について、さらに詳細に説明する。図１～図４に示すごとく、本実施例１に係るガス濃度検出装置１のガスセンサ素子１０は、固体電解質体２を１枚のみ備える。この１枚の固体電解質体２に、ポンプ電極８ｐと、モニタ電極８ｍと、センサ電極８ｓと、基準電極８ｂとを形成してある。すなわち、本実施例１のガス濃度検出装置１では、１枚の固体電解質体２を使って、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５との３個のセルを形成している。

　図１、図４に示すごとく、本実施例１に係るガス濃度検出装置１におけるガスセンサ素子１０は、セラミック等からなる絶縁板１９１と、被測定ガス室７を形成するためのシート状の第１スペーサ１９２と、固体電解質体２と、基準ガス室１２を形成するためのシート状の第２スペーサ１９３と、ヒータ６とを、該ヒータ６の厚さ方向（Ｚ方向）に積層することにより構成されている。

　図４に示すごとく、第１スペーサ１９２には切欠部７９を形成してあり、この切欠部７９が被測定ガス室７となる。また、第１スペーサ１９２には、拡散抵抗層１３を設けてある。この拡散抵抗層１３を通して、排気管から被測定ガス室７へ被測定ガスｇが導入される。拡散抵抗層１３によって、被測定ガスｇの流入速度を制限している。

　また、第２スペーサ１９３には貫通穴１２９が形成されている。この貫通穴１２９が、基準ガス室１２となる。貫通穴１２９は、被測定ガスｇの流れ方向（Ｘ方向）に延びる溝状の通路部１２１を介して、大気が存在する外部空間に連通している。この通路部１２１を通して、基準ガス室１２に大気が導入される。なお、第１スペーサ１９２及び第２スペーサ１９３は、アルミナ等の絶縁材料よりなる。

　ポンプ電極８ｐとモニタ電極８ｍとは、ＮＯｘに対する分解活性が低い金属材料から構成されている。具体的には、これらの電極８ｐ，８ｍは、主成分として金Ａｕと白金Ｐｔとを含有する多孔質サーメット電極からなる。電極８ｐ，８ｍ中の金Ａｕの含有量は、１～１０重量％程度である。また、センサ電極８ｓは、ＮＯｘに対する分解活性が高い金属材料から構成されている。具体的には、センサ電極８ｓは、主成分として白金ＰｔとロジウムＲｈとを含有する多孔質サーメット電極からなる。

　図４に示すごとく、電極８には、電流の経路となるリード１６が形成されている。また、固体電解質体２、第１スペーサ１９２、絶縁板１９１には、Ｚ方向に貫通したスルーホール１７が形成されている。このスルーホール１７内に、金属製のプラグを形成してある。また、絶縁板１９１の表面には、外部機器と電気接続するためのパッド１５を複数個形成してある。個々のパッド１５と電極８とは、上記プラグとリード１６とを介して、それぞれ電気的に接続されている。

　ヒータ６は、セラミック製のヒータシート６２と、該ヒータシート６２の表面に形成され通電により発熱するヒータ電極６３と、該ヒータ電極６３を被覆する絶縁層６１とからなる。ヒータ６は、ヒータ電極６３を外部からの給電により発熱させ、上記したポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とをそれぞれ活性化温度まで加熱するよう構成されている。また、ヒータシート６２にはスルーホール１７とパッド１８とが形成されている。スルーホール１７内には、金属製のプラグが形成されている。このプラグにより、ヒータ電極６３とパッド１８とを電気的に接続している。

　また、ヒータ電極６３の発熱中心は、ポンプセル３側に偏っている。すなわち、ポンプセル３の方が、モニタセル４やセンサセル５よりも高温になるように、ヒータ電極６３を使って、ポンプセル３，モニタセル４，センサセル５のそれぞれを加熱するよう構成されている。

　図１、図２に示すごとく、本実施例１に係るガス濃度検出装置１でのガスセンサ素子１０における被測定ガス室７は、ポンプ電極８ｐを設けた側から、モニタ電極８ｍ及びセンサ電極８ｓを設けた側まで、全体にわたって、Ｚ方向における間隔が一定であると共に、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における間隔が一定であり、一体的に形成されている。すなわち、被測定ガス室７内における、ポンプ電極８ｐを設けた側と、モニタ電極８ｍ及びセンサ電極８ｓを設けた側との間には、絞り部や隔壁のように、Ｚ方向間隔またはＹ方向間隔を狭くする部位が形成されていない。これにより、被測定ガスｇが、ポンプ電極８ｐを設けた側から、モニタ電極８ｍ及びセンサ電極８ｓを設けた側へスムーズに流れるよう構成してある。

　また、本実施例１では図２に示すごとく、Ｘ方向における、ポンプ電極８ｐからモニタ電極８ｍまでの距離Ｌ１と、ポンプ電極８ｐからセンサ電極８ｓまでの距離Ｌ２とが互いに等しい。

　また、本実施例１では図１、図４に示すごとく、基準電極８ｂを共通化してある。すなわち、基準電極８ｂのうち、ポンプセル３を構成する部位と、モニタセル４を構成する部位と、センサセル５を構成する部位とが一体化している。

　本実施例１に係るガス濃度検出装置１の作用効果について説明する。ガス濃度検出装置１の判断部１１は、図７に示すごとく、ヒータ６への通電を開始した後（ステップＳ２）、モニタセル電流Ｉｍが上昇し、その後減少して閾値αよりも低くなった場合に（ステップＳ３の判断で「ＹＥＳ」の場合）、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断する。そのため、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かの判断を、間違いなく正しく行うことができる。すなわち、ヒータ６への通電を開始すると、固体電解質体２の温度が上昇し、各セルが徐々に活性化される（図６参照）。そして、被測定ガス室７内に混入していた酸素分子が、ポンプセル３によって徐々に排出されると共に、モニタセル４によっても排出され、これがモニタセル電流Ｉｍとなって測定される。つまり、ヒータ６への通電を開始すると、モニタセル電流Ｉｍは一旦、上昇する。その後、暫く経過すると、ポンプセル３によって被測定ガス室７内の酸素分子が殆ど排出され、酸素濃度が低下するため、モニタセル４を流れる酸素イオンの量が低減する。そのため、モニタセル電流Ｉｍが減少する。

　このように、ヒータ６への通電を開始すると、モニタセル電流Ｉｍは一旦上昇し、その後、減少して閾値αを下回る。この状態では、固体電解質体２が充分に加熱されて各セルが活性化しており、かつ、被測定ガス室７内の酸素濃度が充分に低減している。この状態であれば、ガスセンサ素子１０によって、特定ガスの濃度を正確に測定することができる。したがって上述のように、ヒータ６への通電を開始した後、モニタセル電流Ｉｍが一旦上昇し、その後低減して閾値αを下回ったか否かを判断基準とすれば、ガスセンサ素子１０が濃度測定を正確に行える状態になったか否かの判断を間違いなく行うことができる。

　なお、本実施例１に係るガス濃度検出装置１では、センサセル電流Ｉｓを用いるのではなく、モニタセル電流Ｉｍを用いて、上記判断を行っている。センサセル５には、酸素濃度と特定ガス濃度との合計の濃度に対応した電流が流れる。そのため、被測定ガスｇ中の酸素濃度が充分に低下した場合でも、特定ガスの濃度が高いときは、この影響を受けて大きなセンサセル電流Ｉｓが流れてしまう（図５参照）。したがって、仮にセンサセル電流Ｉｓを用いて上記判断を行ったとすると、被測定ガスｇ中の酸素濃度が充分に低下した場合でも、これを検知することができない場合が生じる。そのため、被測定ガスｇの酸素濃度が充分に低下して、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度測定を正確に行える状態になっているにもかかわらず、この状態になっていないと判断する場合が生じ得る。

　これに対して、モニタセル電流Ｉｍは、特定ガス濃度の影響を受けず、酸素濃度の影響のみを受ける。そのため、モニタセル電流Ｉｍを用いれば、被測定ガスｇ中の酸素濃度が充分に低下したことを検知でき、ガスセンサ素子１０が濃度測定を正確に行える状態になったと、確実に判断できる。

　なお、図５に示すごとく、ヒータ６への通電を開始し、固体電解質体２の温度が充分に高くなった状態（温度Ｔ１になった状態）でも、モニタセル電流Ｉｍは流れている。すなわち、被測定ガス室７内に酸素分子が残存している。そのため従来のように、固体電解質体２の温度を判断基準に用い、この温度が所定値よりも高くなったときに、ガスセンサ素子１０が濃度測定を正確に行える状態になったと判断すると、被測定ガス室７内に酸素分子が残存しており、濃度測定を正確に行えないにもかかわらず、正確に測定できると誤って判断してしまう場合が生じ得る。これに対して本実施例１では、上述したように、モニタセル電流Ｉｍが一旦上昇し、その後低減して閾値αを下回ったか否かを判断基準としている。モニタセル電流Ｉｍが閾値αを下回った場合には、被測定ガス室７内の酸素濃度が充分に低下しているため、ガスセンサ素子１０が濃度測定を正確に行える状態になったと、間違いなく正しく判断することができる。

　また、本実施例１に係るガス濃度検出装置１では図２に示すごとく、Ｘ方向における、ポンプ電極８ｐからモニタ電極８ｍまでの距離Ｌ１と、ポンプ電極８ｐからセンサ電極８ｓまでの距離Ｌ２とが互いに等しい（Ｌ１＝Ｌ２）。そのため、モニタ電極８ｍが設けられた環境と、センサ電極８ｓが設けられた環境とは殆ど等しい。したがって、モニタセル電流Ｉｍは、被測定ガス室７内の局所的な酸素濃度を代表した値ではなく、モニタ電極８ｍ上の酸素濃度と、センサ電極８ｓ上の酸素濃度との、双方を代表した値となる。そのため、モニタセル電流Ｉｍが上記閾値α以下となったときに、被測定ガス室７内全体の酸素濃度が充分に低下したと、高い信頼性をもって判断することが可能になる。

　また、本実施例１に係るガス濃度検出装置１では、図１～図４に示すごとく、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とを、一つの固体電解質体２の表面に形成してある。すなわち、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とが、同一の固体電解質体２を共有している。そのため、固体電解質体２の使用枚数が１枚ですみ、ガスセンサ素子１０の製造コストを低減できる。また、固体電解質体２を１枚しか用いていないため、Ｚ方向におけるガスセンサ素子１０の長さを短くすることができ、ガスセンサ素子１０を小型化できる。

　また、本実施例１に係るガス濃度検出装置１では、固体電解質体２のうちポンプセル３を構成する部位２ｐからヒータ６までの距離Ｄ１と、固体電解質体２のうちモニタセル４を構成する部位２ｍからヒータ６までの距離Ｄ２と、固体電解質体２のうちセンサセル５を構成する部位２ｓからヒータ６までの距離Ｄ３とが、互いに等しい。つまり、３つのセル３，４，５のうちいずれか１つのみをヒータ６に接近配置したのではなく、ポンプセル３、モニタセル４、センサセル５の３つ全てをヒータ６に近い位置に配置してある。そのため、ヒータ６によって、３つのセル３，４，５をそれぞれ容易に加熱することができ、ヒータ６の消費電力を低減することができる。

　また、本実施例１に係るガス濃度検出装置１のガスセンサ素子１０では図４に示すごとく、基準電極８ｂを１個にしてある。つまり、３つのセル、即ちポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５に対して、基準電極８ｂを共通化してある。そのため、基準電極８ｂのリード１６ｂをセル毎に分ける必要がなくなり、リード１６ｂを１本にすることができる。したがって、ガスセンサ素子１０の構成を簡素にすることができる。

　以上のごとく、本実施例１に係るガス濃度検出装置１によれば、ガスセンサ素子１０が特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かの判断を、間違いなく行えるガス濃度検出装置を提供することができる。

（実施例２）
　以下の実施例２の説明において、図面で用いた符号のうち、実施例１の説明で用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１で示したものと同様の構成要素等であることを示す。

　本実施例２に係るガス濃度検出装置１では、ガスセンサ素子１０の構造を変更した例である。図８、図９に示すごとく、本例のガスセンサ素子１０は、第１固体電解質体２ａと第２固体電解質体２ｂとの、２枚の固体電解質体２を備える。また、ガスセンサ素子１０には、第１基準ガス室１２ａと第２基準ガス室１２ｂとの、２つの基準ガス室１２を形成してある。第１基準ガス室１２ａと被測定ガス室７との間に、第１固体電解質体２ａが介在している。また、第２基準ガス室１２ｂと被測定ガス室７との間に、第２固体電解質体２ｂが介在している。

　第１固体電解質体２ａの表面には、ポンプ電極８ｐと第１基準電極８１とが形成されている。これらの電極８ｐ，８１と第１固体電解質体２ａとによって、ポンプセル３を形成してある。また、第２固体電解質体２ｂの表面には、モニタ電極８ｍと、センサ電極８ｓと、２つの第２基準電極８２（８２ａ，８２ｂ）とが形成されている。一方の第２基準電極８２ａと第２固体電解質体２ｂとモニタ電極８ｍとによって、モニタセル４を形成してある。また、他方の第２基準電極８２ｂと第２固体電解質体２ｂとセンサ電極８ｓとによって、センサセル５を形成してある。

　本実施例２に係るガス濃度検出装置におけるガスセンサ素子では、実施例１で示したガスセンサ素子１０の構成（図２参照）と同様に、ポンプ電極８ｐからモニタ電極８ｍまでのＸ方向距離Ｌ１と、ポンプ電極８ｐからセンサ電極８ｓまでのＸ方向距離Ｌ２とが、互いに等しい。

　その他、本実施例２に係るガス濃度検出装置は、実施例１に係るガス濃度検出装置と同様の構成および作用効果を有する。

（実施例３）
　本実施例３に係るガス濃度検出装置では、判断部１１の動作を変更した例を示す。判断部１１の動作を図１０のフローチャートで示す。図１０に示すごとく、本実施例３では、実施例１で示した判断部１１の動作を示すフローチャート（図７参照）における、ステップＳ３とＳ４との間に、ステップＳ３０を追加してある。本実施例３に係る図１０のフローチャートでは、ステップＳ３においてＹｅｓと判断した後、ステップＳ３０に移動し、ここで所定時間を経過したか否かを判断する。ステップＳ３０でＹｅｓと判断したときには、ステップＳ４に移動し、ガスセンサ素子１０がＮＯｘ濃度を正確に測定できる状態になったと判断して、ＮＯｘ濃度の測定を開始させる。

　つまり、本例では、ヒータ６への通電開始に伴ってモニタセル電流Ｉｍが上昇し、その後減少して、モニタセル電流Ｉｍが閾値αよりも低くなったとき（ステップＳ３）から、所定時間を経過した（ステップＳ３０）後に、ガスセンサ素子１０がＮＯｘ濃度を正確に測定できる状態になったと判断する（ステップＳ４）。

　このようにすると、被測定ガス室７内の酸素濃度がより充分に低下した後で、特定ガスの濃度測定が開始される。そのため、特定ガスの濃度測定を、より正確に行うことが可能になる。

　１　ガス濃度検出装置
　１０　ガスセンサ素子
　１１　判断部
　１２　基準ガス室
　２　固体電解質体
　３　ポンプセル
　４　モニタセル
　５　センサセル
　６　ヒータ
　７　被測定ガス室
　８　電極
　ｇ　被測定ガス

Claims

　被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定するガスセンサ素子（１０）と、該ガスセンサ素子（１０）が上記特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったか否かを判断する判断部（１１）とを備えるガス濃度検出装置（１）であって、
　上記ガスセンサ素子（１０）は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（７）と、基準ガスが導入される基準ガス室（１２）と、上記被測定ガス室（７）と上記基準ガス室（１２）との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）の両面に形成された複数個の電極（８）と、上記固体電解質体（２）を加熱するヒータ（６）とを備え、
　上記固体電解質体（２）とその両面に形成された上記電極（８）とによって、上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（３）と、該ポンプセル（３）によって酸素濃度を調整した後の上記被測定ガスに含まれる酸素の濃度に対応した量の電流が流れるモニタセル（４）と、上記ポンプセル（３）によって酸素濃度を調整した後の上記被測定ガスに含まれる酸素と上記特定ガスとの合計の濃度に対応した量の電流が流れるセンサセル（５）とが形成されており、
　上記判断部（１１）は、上記ヒータ（６）への通電を開始した後、上記モニタセル（４）に流れる電流が上昇し、その後減少して、予め定められた閾値（α）よりも低くなった場合に、上記ガスセンサ素子（１０）が上記特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断し、上記ガスセンサ素子（１０）による上記特定ガスの濃度測定を開始させるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置（１）。
　上記電極（８）のうち上記固体電解質体（２）の上記被測定ガス室（７）側の主面に形成された電極（８）には、上記ポンプセル（３）を構成するポンプ電極（８ｐ）と、上記モニタセル（４）を構成するモニタ電極（８ｍ）と、上記センサセル（５）を構成するセンサ電極（８ｓ）とがあり、上記被測定ガスの流れ方向において、上記ポンプ電極（８ｐ）から上記モニタ電極（８ｍ）までの距離（Ｌ１）と、上記ポンプ電極（８ｐ）から上記センサ電極（８ｓ）までの距離（Ｌ２）とが互いに等しいことを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置（１）。
　上記ポンプセル（３）と上記モニタセル（４）と上記センサセル（５）とは、同一の上記固体電解質体（２）を共有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス濃度検出装置（１）。
　上記判断部（１１）は、上記モニタセル（４）に流れる電流が上記閾値（α）よりも低くなったときから、所定時間を経過した後に、上記ガスセンサ素子（１０）が上記特定ガスの濃度を正確に測定できる状態になったと判断し、上記ガスセンサ素子（１０）による上記特定ガスの濃度測定を開始させるよう構成されていることを特徴とする、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置（１）。
　上記固体電解質体（２）は、第１固体電解質体（２ａ）と第２固体電解質体（２ｂ）とから構成され、
　上記第１固体電解質体（２ａ）の表面には、上記ポンプセル（３）を形成する上記ポンプ電極（８ｐ）と第１基準電極（８１）とが形成され、
　上記第２固体電解質体（２ｂ）の表面には、上記モニタ電極（８ｍ）と、上記センサ電極（８ｓ）と、２つの第２基準電極８２（８２ａ，８２ｂ）とが形成され、

　上記モニタセル（４）は、一方の上記第２基準電極（８２ａ）と上記第２固体電解質体（２ｂ）と上記モニタ電極（８ｍ）とによって形成され、
　上記センサセル（５）は、他方の上記第２基準電極（８２ｂ）と上記第２固体電解質体（２ｂ）と上記センサ電極（８ｓ）とにより形成されていることを特徴とする、請求項２または４に記載のガス濃度検出装置（１）。