WO2016052707A1 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

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WO2016052707A1
WO2016052707A1 PCT/JP2015/077967 JP2015077967W WO2016052707A1 WO 2016052707 A1 WO2016052707 A1 WO 2016052707A1 JP 2015077967 W JP2015077967 W JP 2015077967W WO 2016052707 A1 WO2016052707 A1 WO 2016052707A1
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gas
cell
sensor
measured
pump cell
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PCT/JP2015/077967
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祐介 藤堂
岳人 木全
祐輔 河本
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas concentration detection device that detects the concentration of a specific gas in a gas to be measured.
  • the gas concentration detection device gas sensor
  • the oxygen concentration in the space into which the gas to be measured is introduced is high, and it is desirable to make this oxygen concentration below a predetermined concentration as soon as possible.
  • rhodium may occlude oxygen particularly when the gas concentration detector is not used.
  • the detection electrode of the sensor cell when configured by an electrode of Rh or Pt-Rh having high NOx decomposition performance, the sensor cell is higher than the normal first control voltage at the time of starting the sensor. It is disclosed that a second control voltage is applied for a predetermined time to decompose oxygen adsorbed on a detection electrode. This shortens the time required to stabilize the sensor cell current value for detecting the NOx concentration.
  • the present disclosure has been made in view of such a background, and has been obtained by providing a gas concentration detection device that can quickly remove oxygen stored in a sensor electrode and can achieve early activation. It is.
  • One aspect of the present disclosure includes a measurement gas chamber into which a measurement gas is introduced; A solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and a pump cell having a pair of electrodes provided on the solid electrolyte; A solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and a sensor cell having a pair of electrodes provided on the solid electrolyte; A pump cell controller that applies a voltage to the pump cell and adjusts the concentration of oxygen in the gas to be measured in the gas chamber to be measured; A sensor cell detector for applying a voltage to the sensor cell and detecting the concentration of a specific gas in the gas to be measured in the gas chamber to be measured after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell; and The pump cell control unit removes oxygen occluded in the sensor electrode arranged in the measured gas chamber from the pair of electrodes of the sensor cell when the sensor is started before the gas concentration is detected.
  • the gas concentration detection device is configured to apply a removal voltage to the pump cell to decompose a substance present in the gas chamber to be measured to
  • the gas concentration detection device includes a pump cell control unit that applies a removal voltage to the pump cell.
  • This pump cell control unit applies a removal voltage to the pump cell at the time of starting the sensor of the gas concentration detection device before detecting the gas concentration, decomposes the substance present in the measured gas chamber, and To generate reducing gas.
  • This reducing gas can be generated by decomposing a substance present in the measurement gas in the measurement gas chamber.
  • the gas concentration detection device employs a method of supplying a reducing gas for reducing oxygen stored in the sensor electrode to the sensor electrode when the sensor is started before the gas concentration is detected. Therefore, oxygen occluded in the sensor electrode can be removed using a reduction reaction of oxygen.
  • oxygen stored in the sensor electrode can be quickly removed, and the gas concentration detector can be activated early.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating a cross section of a sensor element in the gas concentration detection device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a sensor element in the gas concentration detection device according to the first embodiment, and is an explanatory diagram illustrating a cross section taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a sensor element in the gas concentration detection device according to the first embodiment, and is an explanatory diagram illustrating a cross section taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 9 is a flowchart showing a method for controlling a gas concentration detection apparatus by a control computer according to a second embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method for controlling a sensor control unit in a control computer according to a second embodiment.
  • the removal voltage applied to the pump cell by the pump cell control unit may be applied only once when the sensor is started.
  • the removal voltage may be repeatedly applied a plurality of times.
  • the pump cell control unit may apply a removal voltage having the same voltage value to the pump cell one or more times.
  • the removal voltage is applied once, the voltage value of the removal voltage may be changed during the application. Further, when the removal voltage is applied a plurality of times, the voltage value of the removal voltage may be changed every time.
  • the reducing gas may be hydrogen generated when water present in the gas to be measured is decomposed by the pump cell control unit.
  • the gas to be measured is exhaust gas or the like exhausted from an internal combustion engine, and includes water present in the atmosphere. Therefore, water in the gas to be measured can be decomposed into hydrogen and oxygen by applying a removal voltage to the pump cell by the pump cell control unit. Then, this hydrogen reacts with the oxygen stored in the sensor electrode to generate water, whereby the oxygen stored in the sensor electrode can be removed.
  • the sensor electrode may contain platinum and rhodium, and the pump cell control unit may be configured to remove oxygen occluded in rhodium in the sensor electrode by the reducing gas.
  • Rhodium used for the sensor electrode has a high ability to decompose NOx (nitrogen oxide) as a specific gas contained in the gas to be measured, but has a property of occluding oxygen. Further, platinum used for the sensor electrode is excellent in adhesion to the solid electrolyte body, heat resistance, and the like.
  • the sensor electrode by configuring the sensor electrode with a material containing platinum and rhodium, a gas that has excellent adhesion to the solid electrolyte body, heat resistance, etc., and can detect the concentration of NOx as a specific gas with high detection accuracy.
  • a concentration detection device can be formed.
  • the sensor electrode is formed by mixing rhodium (Rh) with platinum (Pt), but also with palladium (Pd), iron (Fe), cobalt (Co), or nickel (Ni) with respect to platinum. ) And the like may be mixed. Palladium, iron, cobalt, or nickel can also give NOx decomposition performance to the sensor electrode.
  • the gas concentration detection device of the present embodiment includes a gas chamber 101 to be measured, a solid electrolyte body 2 having oxygen ion conductivity, a pump cell 41, a sensor cell 42, a pump cell control unit 61, and A sensor cell detector 62 is provided.
  • the measured gas chamber 101 is a space into which the measured gas G is introduced.
  • the pump cell 41 includes a solid electrolyte 2X as a part of the solid electrolyte body 2 and a pair of electrodes 21 and 25 provided on both surfaces of the solid electrolyte 2X.
  • the sensor cell 42 includes a solid electrolyte 2Y as a part of the solid electrolyte body 2 and a pair of electrodes 22 and 25 provided on both surfaces of the solid electrolyte 2Y.
  • One of the pair of electrodes 22 and 25 is configured as a sensor electrode 22 that is exposed to the gas chamber 101 to be measured.
  • the pump cell control unit 61 applies a voltage to the pair of electrodes 21 and 25 in the pump cell 41 to adjust the concentration of oxygen in the measured gas G in the measured gas chamber 101.
  • the sensor cell detection unit 62 applies a voltage to the pair of electrodes 22 and 25 in the sensor cell 42 and adjusts the oxygen concentration by the pump cell 41, and then the concentration of the specific gas in the measured gas G in the measured gas chamber 101. It is for detecting.
  • the pump cell control unit 61 is configured to apply a removal voltage V ⁇ b> 2 to the pump cell 41 when the sensor is started before the gas concentration is detected.
  • V ⁇ b> 2 a removal voltage
  • water (H 2 O) present in the gas chamber 101 to be measured is decomposed to generate hydrogen (H 2 ) as a reducing gas, and this hydrogen generates a pair of sensor cells 42.
  • oxygen (O 2 ) occluded in the sensor electrode 22 exposed to the measured gas chamber 101 is removed.
  • the gas concentration detection device of this embodiment is used by being disposed in an exhaust pipe through which exhaust gas from an internal combustion engine flows.
  • the gas G to be measured is exhaust gas flowing through the exhaust pipe, and the gas concentration detection device detects the concentration of NOx (nitrogen oxide) as the specific gas in the exhaust gas.
  • the sensor element 1 includes a solid electrolyte body 2 such as zirconia and a heater 5 for heating the solid electrolyte body 2.
  • the gas chamber 101 to be measured, the pump cell 41, the sensor cell 42, and the like are formed in the sensor element 1.
  • the sensor element 1 is held in a housing to constitute a gas sensor.
  • an insulator 31 is laminated via a first spacer 33, and a measured gas chamber 101 surrounded by the insulator 31 and the first spacer 33 is formed. ing.
  • the heater 5 is laminated via the second spacer 34, and the reference gas chamber 102 surrounded by the heater 5 and the second spacer 34 is formed.
  • An inlet 331 for the gas G to be measured is formed at the tip of the first spacer 33, and a diffusion resistor 32 made of a porous material is embedded in the inlet 331.
  • the measured gas G that has passed through the diffusion resistor 32 is introduced into the measured gas chamber 101. Then, the measured gas G can be introduced into the measured gas chamber 101 under a predetermined diffusion resistance by the diffusion resistor 32.
  • the heater 5 is formed by providing a conductor layer 52 that generates heat when energized between ceramic substrates 51.
  • the sensor element 1 is provided with a monitor cell 43 in addition to the pump cell 41 and the sensor cell 42.
  • the monitor cell 43 includes a solid electrolyte 2Z as a part of the solid electrolyte body 2 and a pair of electrodes 23 and 25 provided on both surfaces of the solid electrolyte 2Z.
  • the gas concentration detection device includes a monitor cell detection unit 63 that detects the concentration of residual oxygen in the measurement gas G in the measurement gas chamber 101 after the oxygen concentration is adjusted by the pump cell 41. Further, the gas concentration detection device subtracts the output of the monitor cell detection unit 63 from the output of the sensor cell detection unit 62, thereby calculating the concentration of the specific gas in the measurement gas G (see FIG. 9 described later). ).
  • the gas concentration detection device includes a gas sensor 10 including the sensor element 1 and a control computer connected to the gas sensor 10.
  • the control computer is configured to operate the pump cell control unit 61 and the heater control unit of the heater 5 to detect the sensor signal of the sensor cell detection unit 62 and the sensor signal (monitor signal) of the monitor cell detection unit 63. Further, the control computer is configured to calculate the concentration of the specific gas in the gas G to be measured by collating the sensor signal of the sensor cell detection unit 62 with the monitor signal of the monitor cell detection unit 63 by the calculation unit 661. .
  • control computer subtracts the current flowing through the monitor cell 43 due to oxygen ions moving through the solid electrolyte 2Z from the current flowing through the sensor cell 42 due to oxygen ions moving through the solid electrolyte 2Y, thereby measuring the gas chamber 101 to be measured.
  • concentration of the specific gas (NOx) in the gas G to be measured is detected by correcting the influence of residual oxygen.
  • one surface 201 of the solid electrolyte body 2 has one of a pair of electrodes 21 and 25 of the pump cell 41 as an electrode disposed in the gas chamber 101 to be measured.
  • the pump electrode 21 is disposed at a position close to the diffusion resistor 32 and upstream of the flow of the gas G to be measured.
  • the sensor electrode 22 and the monitor electrode 23 are arranged adjacent to each other in the lateral direction on the downstream side of the flow of the gas G to be measured with respect to the pump electrode 21.
  • the other electrode 25 of the pump cell 41, the sensor cell 42, and the other electrode 25 of the monitor cell 43 are arranged as electrodes arranged in the reference gas chamber 102. These electrodes 25 are exposed to a reference gas (atmosphere) A introduced into the reference gas chamber 102.
  • one electrode 25 is provided for the entire pump cell 41, sensor cell 42, and monitor cell 43. The electrode 25 may be provided separately for these cells 41, 42, 43.
  • the voltage applied to the pump cell 41 includes the normal voltage V1 (see FIG. 1) applied to the pump cell 41 when the gas concentration detection device detects the gas concentration by the pump cell control unit 61 and the pump cell 41 when the sensor of the gas concentration detection device is started. It is possible to switch to two stages with the removal voltage V2 (see FIG. 4) to be applied.
  • the sensor element 1 includes a single plate-like solid electrolyte body 2, and includes a solid electrolyte 2 ⁇ / b> X of a pump cell 41, a solid electrolyte 2 ⁇ / b> Y of a sensor cell 42, and a monitor cell 43.
  • the solid electrolyte 2Z is formed as a part of the same solid electrolyte body 2.
  • the measured gas chamber 101 in the sensor element 1 houses the pump electrode 21 in the pump cell 41, the sensor electrode 22 in the sensor cell 42, and the monitor electrode 23 in the monitor cell 43 in one room not partitioned by a diaphragm wall or the like. Formed in the structure.
  • the flow path cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the measurement gas G in the measurement gas chamber 101 is from the upstream side to the downstream side in the flow direction of the measurement gas G because a wall such as a throttle wall is not formed. Multiply constant. Further, the flow path cross-sectional area of the portion of the measured gas chamber 101 where the pump electrode 21 is disposed is the same as the flow passage cross-sectional area of the portion of the measured gas chamber 101 where the sensor electrode 22 is disposed. Further, since no wall such as a throttle wall is formed in the measured gas chamber 101, hydrogen generated in the pump electrode 21 can be quickly supplied to the sensor electrode 22 when the sensor is started. Thereby, the oxygen occluded in the sensor electrode 22 can be quickly removed.
  • the gas chamber 101 to be measured may be provided so that the flow path cross-sectional area perpendicular to the flow direction of the gas G to be measured in the gas chamber 101 to be measured changes continuously.
  • the gas chamber 101 to be measured may be provided so that the flow path cross-sectional area continuously changes with a gentle gradient. In this case as well, a similar effect can be obtained that quickly removes the oxygen stored in the sensor electrode 22.
  • the normal voltage V1 by the pump cell control unit 61 is adjusted so that the oxygen concentration in the measured gas chamber 101 is equal to or lower than a predetermined concentration.
  • the magnitude of the normal voltage V1 is 0.3 to 0.4V, and the solid electrolyte 2 has a limit current characteristic in which the current flowing through the pump cell 41 hardly changes even when the voltage applied to the pump cell 41 changes. Determined within the range of values.
  • the removal voltage V2 by the pump cell control unit 61 is set higher than the normal voltage V1, and is set as a voltage value higher than the voltage value indicating the limit current characteristic.
  • the removal voltage V2 in this embodiment is set within a range of 0.5 to 2V.
  • a predetermined voltage indicating the limit current characteristic is applied to the sensor cell 42 by the sensor cell detection unit 62, and the limit current characteristic is applied to the monitor cell 43. Is applied by the monitor cell detector 63.
  • the gas sensor 10 of the present embodiment includes a sensor element 1 formed in a long shape.
  • the longitudinal direction L of the sensor element 1 is parallel to the axial direction Z of the gas sensor 10.
  • the pump electrode 21, the sensor electrode 22, the monitor electrode 23, and the electrode 25 are disposed at the distal end portion 11 in the longitudinal direction L of the sensor element 1.
  • the tip 11 protrudes from the housing 72 and is exposed to the gas G to be measured.
  • the lead portion connected to each electrode 21, 22, 23, 25 and the lead portion connected to the conductor layer 52 of the heater 5 are disposed at the base end portion 12 in the longitudinal direction L of the sensor element 1.
  • the gas sensor 10 includes a front end side insulator 71 that holds the sensor element 1, a housing 72 that holds the front end side insulator 71, a front end side cover 73 provided on the front end side of the housing 72, A proximal end cover 74 provided on the proximal end side.
  • the front end side cover 73 includes an inner cover 731 and an outer cover 732 disposed outside the inner cover 731.
  • the front end portion 11 of the sensor element 1 is covered with an inner cover 731 and an outer cover 732, and an introduction hole 733 for introducing the measurement gas G is formed in the inner cover 731 and the outer cover 732.
  • the base end side insulator 75 on which the spring terminal 76 is disposed is overlapped with the base end side of the front end side insulator 71.
  • a spring terminal 76 connected to the lead wire 78 is in contact with each lead portion at the base end portion 12 of the sensor element 1.
  • the base end side cover 74 is formed with an introduction hole 741 for introducing the reference gas (atmosphere) A into the reference gas chamber (duct) 102 of the sensor element 1 in the gas sensor 10. Further, the base end cover 74 holds a rubber bush 77 that holds the lead wire 78.
  • the range for controlling the temperatures of the pump cell 41, the sensor cell 42, and the monitor cell 43 at the time of starting the sensor before detecting the gas concentration in this embodiment is the same as the temperature range set at the time of detecting the gas concentration.
  • the temperature of the sensor element 1 can be controlled by utilizing the fact that the impedance in the pump cell 41 varies with temperature and adjusting the amount of heating by the heater 5 so that this impedance becomes a predetermined value.
  • the pump cell control unit 61 applies the normal voltage V1 to the pump cell 41 at the time of gas concentration detection after applying the removal voltage V2 to the pump cell 41 for a predetermined time at the time of starting the sensor before detecting the gas concentration. It is configured.
  • the oxygen in the measurement gas G is decomposed by the normal voltage V1, while the water in the measurement gas G is not decomposed.
  • the pump cell 41 at the time of starting the sensor as shown in FIG. 4, not only the oxygen in the measurement gas G is decomposed by the removal voltage V2, but also the water in the measurement gas G is decomposed. Is done.
  • the hydrogen generated by the decomposition of the water is used to remove oxygen stored in the sensor electrode 22.
  • the lower limit value of the predetermined time for applying the removal voltage V2 to the pair of pump electrodes 21 and 25 of the pump cell 41 by the pump cell control unit 61 is to start heating the solid electrolyte body 2 by the heater 5, and to determine the temperature of the solid electrolyte body 2 Can be set as the time required to reach a predetermined activation temperature.
  • the lower limit value of the predetermined time may be set to 5 seconds, for example. When the lower limit of the predetermined time is less than 5 seconds, the water in the gas G to be measured is not sufficiently decomposed, and the oxygen stored in the sensor electrode 22 may not be sufficiently removed.
  • the lower limit value of the predetermined time for applying the removal voltage V2 may be set to a time longer than 5 seconds so that the solid electrolyte body 2 reaches the activation temperature more reliably, and may be, for example, 10 seconds or more. .
  • the upper limit value of the predetermined time for applying the removal voltage V2 can be set as a time that can be secured as a preparation time until the gas concentration detection is started.
  • the upper limit value of the predetermined time may be 30 seconds. If the upper limit of the predetermined time exceeds 30 seconds, the preparation time until the gas concentration is detected is long, the start of the gas concentration detection is delayed, and the request from the control computer may not be met.
  • the upper limit value of the predetermined time for applying the removal voltage V2 may be a time for generating an amount of hydrogen necessary for removing oxygen occluded in the sensor electrode 22, and may be a time shorter than 30 seconds. Good. For example, the amount of hydrogen required for removing oxygen stored in the sensor electrode 22 can be generated as long as it can be 20 seconds or less.
  • the upper limit of the predetermined time for applying the removal voltage V2 can be 30 seconds.
  • the sensor electrode 22 is formed of a material in which rhodium (Rh) is mixed with platinum (Pt) in order to impart NOx decomposition activity.
  • the oxygen stored in the sensor electrode 22 is oxygen stored in the rhodium in the sensor electrode 22. This oxygen is mainly stored in rhodium when combustion of the internal combustion engine is stopped and the gas concentration detection device is not operating. More specifically, when the application of voltage to the sensor electrode 22 by the sensor cell detector 62 is stopped in a state where the sensor electrode 22 is heated to the activation temperature for detecting the gas concentration, the measurement target is performed. Oxygen remaining in the gas chamber 101 is occluded in the sensor electrode 22.
  • the pump cell control unit 61 removes oxygen occluded in rhodium in the sensor electrode 22 by hydrogen generated when water in the gas to be measured G is decomposed at the time of starting the sensor before detecting the gas concentration. It is configured.
  • the electrodes other than the sensor electrode 22, that is, the pump electrodes 21 and 25, the monitor electrode 23, and the electrode 25 are formed of a material in which gold (Au) is mixed with platinum.
  • the pump cell control unit 61 applies a removal voltage V2 higher than the normal voltage V1 to the pump cell 41 when the sensor is started before the gas concentration is detected, and the gas to be measured Water in the measurement gas G in the chamber 101 is decomposed to generate hydrogen in the measurement gas chamber 101.
  • the hydrogen generated in the measured gas chamber 101 spreads in the measured gas chamber 101 and flows to the sensor electrode 22 in the sensor cell 42. Thereby, hydrogen reacts with oxygen occluded in rhodium of the sensor electrode 22 to generate water, and oxygen is removed from the rhodium of the sensor electrode 22.
  • hydrogen for reducing oxygen occluded in rhodium of the sensor electrode 22 is supplied to the sensor electrode 22 at the time of starting the sensor before detecting the gas concentration. Adopt the method to do. Therefore, oxygen occluded in the sensor electrode 22 can be removed by utilizing the oxygen reduction reaction without forcibly decomposing by energization of the sensor electrode 22. Note that oxygen stored in the sensor electrode 22 reacts with hydrogen to become water or the like.
  • the oxygen stored in the rhodium of the sensor electrode 22 can be quickly removed, and the gas concentration detection device can be activated early.
  • the generated hydrogen can be efficiently supplied to the sensor electrode 22, and the oxygen occluded in the rhodium of the sensor electrode 22 can be quickly removed. Further, since hydrogen is generated by the pump cell 41, a sufficient amount of hydrogen can be generated to remove oxygen occluded in the rhodium of the sensor electrode 22.
  • a reference gas chamber 102 into which a reference gas (atmosphere) A is introduced is provided in the sensor element 1, and the electrodes 25 in the pump cell 41, sensor cell 42, and monitor cell 43 are connected to the reference gas chamber 102. Has been placed.
  • oxygen ions can be actively moved to the sensor electrode 22 via the electrode 25.
  • the hydrogen generated in the measured gas chamber 101 due to the decomposition of the water in the measured gas G is all utilized for the reduction reaction with the oxygen stored in the sensor electrode 22.
  • it is not easy to control the amount of hydrogen generated and excessive hydrogen may be generated to reduce most of the oxygen stored in the sensor electrode 22.
  • surplus hydrogen can be eliminated (returned to water or the like) by reacting with oxygen ions sent from the electrode 25 to the sensor electrode 22.
  • the case where the pump electrode 21, the sensor electrode 22, the monitor electrode 23, and the electrode 25 are formed on the single solid electrolyte body 2 has been described.
  • two solid electrolyte bodies 2, 2 ⁇ / b> A are used, and the pair of pump electrodes 21 ⁇ / b> A, 21 ⁇ / b> B of the pump cell 4 are formed on a solid electrolyte body 2 ⁇ / b> A different from the solid electrolyte body 2.
  • one pump electrode 2 ⁇ / b> A is disposed outside the measured gas chamber 101, and the other pump electrode 2 ⁇ / b> B is disposed within the measured gas chamber 101.
  • the diffusion resistor 32 is provided on the surface of another solid electrolyte body 2A.
  • the configurations of the sensor cell 42 and the monitor cell 43 are the same as those in FIGS. Further, in the measured gas chamber 101, between the space 101A in which the pump cell 41 is disposed and the space 101B in which the sensor cell 42 and the monitor cell 43 are disposed, a diffusion rate controlling portion by a slit 332 through which the measured gas G can pass. Can be provided. Even in this case, the same effect as that of the gas concentration detection apparatus shown in this embodiment can be obtained.
  • the configuration of the pump cell control unit 61 and the like described above can also be applied to a gas concentration detection device that does not include the monitor cell 43. Also in this case, the same effect as the gas concentration detection apparatus shown in this embodiment can be obtained.
  • the control computer of the gas concentration detection device includes an ECU (engine control unit) 81 that performs overall control of an internal combustion engine such as an automobile, and an SCU (sensor control unit) that performs overall control of the gas concentration detection device. 82.
  • the conductor layer 52 of the heater 5 is energized by the heater control unit 64.
  • the pump cell control unit 61, the sensor cell detection unit 62, the monitor cell detection unit 63, and the heater control unit 64 are formed in the SCU 82.
  • part or all of the SCU 82 is configured as an analog circuit or a digital processor including a memory.
  • a functional control block is configured in the SCU 82 in order to perform a function of outputting a control signal based on the received electrical signal.
  • the SCU 82 includes a common cell detection unit 65, a microcomputer 66, a power supply circuit 67, and a CAN communication unit 68 in addition to the pump cell control unit 61, the sensor cell detection unit 62, the monitor cell detection unit 63, and the heater control unit 64.
  • the pump cell control unit 61 is a part that controls a voltage applied to the pump cell 41 and detects a current output from the pump cell 41.
  • the pump cell control unit 61 outputs a signal indicating the detected current to the microcomputer.
  • the sensor cell detection unit 62 is a part that detects a current output from the sensor cell 42.
  • the sensor cell detection unit 62 outputs a signal indicating the detected current to the microcomputer.
  • the monitor cell detection unit 63 is a part that detects a current output from the monitor cell 43.
  • the monitor cell detection unit 63 outputs a signal indicating the detected current to the microcomputer.
  • the heater control unit 64 is a part that controls the voltage applied to the conductor layer 52 of the heater 5 and controls the amount of heat generated by the heater 5.
  • the common cell detection unit 65 is a part that detects a current output from the electrode 25 exposed to the atmosphere as the reference gas A.
  • the common cell detection unit 65 outputs a signal indicating the detected current to the microcomputer 66.
  • the microcomputer 66 is a control unit in the SCU 82.
  • the microcomputer 66 outputs a control signal for controlling the temperature of the heater 5 to the heater control unit 64.
  • the microcomputer 66 is a part that calculates the NOx concentration of the exhaust gas as the gas G to be measured based on the current detected by the sensor cell detector 62 and the current detected by the monitor cell detector 63.
  • the microcomputer 66 subtracts the output current of the monitor cell 43 from the output current of the sensor cell 42, thereby removing the current portion due to the residual oxygen concentration of the exhaust gas detected by the sensor cell 42 from the output current of the sensor cell 42 and calculating the NOx concentration of the exhaust gas. To do.
  • the microcomputer 66 outputs a signal indicating the calculated NOx concentration to the CAN communication unit 68.
  • the power supply circuit 67 is a power supply circuit in the SCU 82.
  • the CAN communication unit 68 transmits a signal output from the microcomputer 66 to the CAN bus, and outputs a signal received from the CAN bus to the microcomputer 66.
  • the SCU 82 In controlling the gas concentration detection device by the control computer, first, as shown in the flowchart of FIG. 10, the SCU 82 has an abnormality in the electrical system in the pump cell 41, sensor cell 42, monitor cell 43 and heater 5 of the gas concentration detection device. It is confirmed whether it has occurred (step S1). And the presence or absence of abnormality in a gas concentration detection apparatus is transmitted from SCU82 to ECU81 (S2). When the ECU receives a signal indicating that there is no abnormality in the gas concentration detection device from the SCU 82, the ECU transmits an activation permission signal to the SCU 82, and the SCU 82 is activated (S3).
  • the SCU 82 starts energizing the conductor layer 52 in the heater 5 by the heater control unit 64, and the removal voltage V2 between the pair of electrodes 21 and 25 in the pump cell 41 by the pump cell control unit 61. Is applied (S4). Control of the heater 5 by the heater control unit 64 will be described later. Then, the SCU 82 counts by the time counter and continues to apply the removal voltage V2 by the pump cell control unit 61 until a predetermined time elapses (S5).
  • the SCU 82 resets the time counter and changes the voltage applied from the pump cell control unit 61 to the pair of electrodes 21 and 25 in the pump cell 41 from the removal voltage V2 to the normal voltage V1 (S6).
  • the SCU 82 applies a predetermined voltage from the sensor cell detection unit 62 to the sensor cell 42, and applies a predetermined voltage from the monitor cell detection unit 63 to the monitor cell 43 (S7).
  • the NOx concentration is detected under the control of the pump cell control unit 61, the sensor cell detection unit 62, and the monitor cell detection unit 63 at the time of gas concentration detection. .
  • the heater energization control routine when the heater energization control routine is started, first, whether or not the sensor element 1 is activated (whether or not the temperature is raised to the activation temperature), and the impedance of the pump cell 41 is the activation determination impedance. The determination is made based on whether or not the following has occurred (step S11). This activity determination impedance is set to a value corresponding to the activation temperature of the sensor element 1.
  • the temperature increase control is executed (S12).
  • the sensor element 1 is heated by setting the energization duty of the heater 5 to an energization duty for temperature increase (for example, 100%).
  • impedance control is executed (S13).
  • the energization duty of the heater 5 is feedback controlled so that the impedance of the sensor element 1 matches the target impedance.
  • the energization duty of the heater 5 is calculated by PI control or the like so as to reduce the deviation between the impedance of the sensor element 1 and the target impedance.
  • the other configurations of the gas concentration detection device and the reference numerals in the figure are the same as those in the first embodiment. Also in this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • the time is plotted on the horizontal axis and the output current in the sensor cell 42 is plotted on the vertical axis, and the output current until the output current converges to almost zero when the sensor is started before the gas concentration is detected.
  • the waveform of the change of is shown.
  • test products A1, A2 and A3 when the voltage value of the removal voltage V2 applied to the pump cell 41 is high and the application time t1 is short (test product A1), the voltage of the removal voltage V2 applied to the pump cell 41 Measurement is performed in three cases: when the value is low and the application time t2 is long (test product A2), and when the voltage value of the removal voltage V2 applied to the pump cell 41 is low and the application time t3 is short (test product A3). It was. In the figure, t1, t2, and t3 indicate times when the removal voltage V2 is applied. In the waveforms of the test products A1, A2, and A3, the time point when the voltage applied to the pump cell 41 is changed from the removal voltage V2 to the normal voltage V1 is indicated by a black dot.
  • the output current of the sensor cell 42 has changed greatly from the state of large fluctuation to the plus side immediately after the start of the gas concentration detection device to the minus side.
  • the reason why the output current of the sensor cell 42 is changed to the negative side is considered to be that hydrogen is supplied from the pump electrode 21 to the sensor electrode 22.
  • the output current of the sensor cell 42 quickly converges to almost zero due to the high voltage value of the removal voltage V2.
  • the output current of the sensor cell 42 converges to almost zero over a little time by increasing the application time t2 of the removal voltage V2. is doing.
  • the test product A3 although the voltage value of the removal voltage V2 is low, the application time t3 of the removal voltage V2 is shortened, so that the output current of the sensor cell 42 converges to almost zero. The time is equivalent to that of the comparative product B1.
  • the voltage value of the removal voltage V2 is preferable to make the voltage value of the removal voltage V2 as large as possible. However, if the voltage value of the removal voltage V2 is too high, the solid electrolyte body 2 may be damaged.
  • the voltage value of the removal voltage V2 can be determined within a range of 0.5 to 2V. In order to shorten the time for removing oxygen occluded in the sensor electrode 22, the voltage value of the removal voltage V2 is preferably determined within a range of 1 to 2V. If the voltage value of the removal voltage V2 is less than 0.5V, the effect of removing oxygen occluded in the sensor electrode 22 is diminished, and if the voltage value of the removal voltage V2 exceeds 2V, the solid electrolyte body 2 is damaged. There is a risk of it.
  • the higher the temperature of the pump cell 41 the easier it is to decompose water in the gas G to be measured.
  • the temperature of the pump cell 41 is too high, there is a possibility that the output of current will be reduced due to the aggregation of the pump electrodes 21 and 25. Accordingly, even when the sensor is started before the gas concentration is detected, the temperature of the pump cell 41 is within the normal temperature range maintained when the gas concentration is detected by the gas concentration detector (for example, a range of 700 to 900 ° C.). Inside). Further, the temperature of the sensor cell 42 and the monitor cell 43 at the time of starting the sensor before detecting the gas concentration can be set within the normal temperature range.
  • FIG. 13 shows waveforms C1 and C2 of changes in the output current until the output current in the sensor cell 42 converges to almost zero at the time of sensor start.
  • FIG. 14 shows waveforms D1 and D2 of changes in the output current until the output current in the monitor cell 43 converges to almost zero when the sensor is started.
  • the time when the voltage applied to the pump cell 41 is changed from the removal voltage V2 to the normal voltage V1 is indicated by a black dot.
  • the change when the removal voltage V2 is applied to the pump cell 41 is shown by the waveform D1
  • the change when the voltage is applied to the monitor cell 43 is shown by the waveform D2.
  • the output current waveform D1 of the monitor cell 43 converges to zero in a slightly shorter time than the output current waveform D2 of the monitor cell 43.
  • the time until the waveform D2 of the output current of the monitor cell 43 converges to zero is until the waveform C2 of the output current of the sensor cell 42 converges to zero. It is understood that it is shorter than the time.
  • FIG. 15 shows the output current waveform E1 when the NOx concentration is obtained by subtracting the output current of the monitor cell 43 from the output current of the sensor cell 42 and the output current when the NOx concentration is obtained using only the sensor cell 42.
  • a case where the waveforms C1 (same as the waveform C1 of the output current of the sensor cell 42 described above) is compared is shown.
  • the waveform E1 of the output current when determining the concentration of NOx is the sensor cell 42.
  • the output current waveform C1 of the monitor cell 43 is subtracted from the output current waveform C1. It can be seen that the time until the output current of the waveform E1 converges to zero is shorter than the time until the output current of the waveform C1 converges to zero.
  • the zero point of the output current indicating the NOx concentration can be adjusted more quickly when the sensor is activated. It can be seen that the measurement of the NOx concentration can be started more quickly.

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Abstract

　センサ電極に吸蔵された酸素を迅速に除去することができ、さらなる早期活性化を図ることができるガス濃度検出装置を提供する。ガス濃度検出装置は、被測定ガス室１０１、固体電解質体２、ポンプセル４１、センサセル４２、ポンプセル制御部６１及びセンサセル検出部６２を備えている。ポンプセル制御部６１は、ガス濃度検出を行う前の始動時において、ポンプセル４１に除去用電圧Ｖ２を印加する。この除去用電圧Ｖ２の印加により、被測定ガス室１０１内に存在する水が分解されて還元ガスとしての水素が発生し、この水素によって、センサセル４２におけるセンサ電極２２に吸蔵された酸素が除去される。

Description

ガス濃度検出装置 関連出願の相互参照
　本出願は２０１４年１０月１日に出願された日本出願番号２０１４－２０３１６０号及び２０１５年９月３日に出願された日本出願番号２０１５－１７３９１９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濃度検出装置に関する。
　ガス濃度検出装置（ガスセンサ）においては、固体電解質体及び電極を所定の活性温度にできるだけ早く加熱して、できるだけ早く使用できる状態にすることが望まれる。また、ガス濃度の検出を行う前のガス濃度検出装置のセンサ始動時には、被測定ガスが導入される空間の酸素濃度が高く、この酸素濃度をできるだけ早く所定の濃度以下にすることが望まれる。
　また、特定ガスとしてのＮＯｘを検出するためのセンサ電極に、白金及びロジウムを含有する材料を用いる場合には、特にガス濃度検出装置を使用していないときに、ロジウムが酸素を吸蔵することが知られている。
　例えば、特許文献１のガス検出装置においては、センサセルの検出電極をＮＯｘ分解性能の高いＲｈ又はＰｔ－Ｒｈの電極によって構成する場合に、センサ始動時に、センサセルに通常の第１制御電圧よりも高い第２制御電圧を所定時間印加して、検出電極に吸着した酸素を分解することが開示されている。これにより、ＮＯｘ濃度を検出するセンサセル電流値の安定化に要する時間を短縮している。
特開２００１－１４１６９６号公報
　しかしながら、特許文献１のガス検出装置においては、センサセルの検出電極に吸蔵された酸素を、センサセルに印加する電圧を高めて分解する。つまり、このガス検出装置は、検出電極に接触する被測定ガス中の酸素を分解する場合と同様の原理で、検出電極に吸蔵された酸素も強制的に分解しようとするものである。そのため、検出電極に吸蔵された酸素を分解する時間が長くなり、ガス検出装置の早期活性をより高めるには不十分である。
　本開示は、かかる背景に鑑みてなされたもので、センサ電極に吸蔵された酸素を迅速に除去することができ、早期活性化を図ることができるガス濃度検出装置を提供しようとして得られたものである。
　本開示の一態様は、被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
　酸素イオン伝導性を有する固体電解質、及び該固体電解質上に設けられた一対の電極を有するポンプセルと、
　酸素イオン伝導性を有する固体電解質、及び該固体電解質上に設けられた一対の電極を有するセンサセルと、
　上記ポンプセルに電圧を印加して、上記被測定ガス室における被測定ガス中の酸素の濃度を調整するポンプセル制御部と、
　上記センサセルに電圧を印加して、上記ポンプセルによって酸素濃度が調整された後の、上記被測定ガス室における被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するためのセンサセル検出部と、を備え、
　上記ポンプセル制御部は、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、上記センサセルの上記一対の電極のうち、上記被測定ガス室に配置されるセンサ電極に吸蔵された酸素を除去するために、上記ポンプセルに除去用電圧を印加して、上記被測定ガス室内に存在する物質を分解して還元ガスを発生させるよう構成されている、ガス濃度検出装置にある。
　上記ガス濃度検出装置は、ポンプセルに除去用電圧を印加するポンプセル制御部を備えている。このポンプセル制御部は、ガス濃度の検出を行う前のガス濃度検出装置のセンサ始動時において、ポンプセルに除去用電圧を印加し、被測定ガス室内に存在する物質を分解して、被測定ガス室内に還元ガスを発生させる。この還元ガスは、被測定ガス室における被測定ガス中に存在する物質を分解して発生させることができる。
　そして、被測定ガス室内に発生した還元ガスは、被測定ガス室内に広がり、センサセルにおけるセンサ電極へと流れる。これにより、還元ガスが、センサ電極に吸蔵された酸素と反応して、この酸素がセンサ電極から除去される。このように、上記ガス濃度検出装置においては、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、センサ電極に吸蔵された酸素を還元するための還元ガスをセンサ電極へ供給する方法を採用する。そのため、センサ電極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。
　それ故、センサ電極に吸蔵された酸素を迅速に除去することができ、ガス濃度検出装置の早期活性化を図ることができる。
実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置におけるセンサ素子の断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置におけるセンサ素子を示す図で、図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置におけるセンサ素子を示す図で、図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置におけるセンサ素子の断面を示す図、ガス濃度検出装置のセンサ始動時において、ポンプセルに除去用電圧を印加する状態を示す説明図。 実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置におけるセンサ素子の全体の断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、ガス濃度検出装置におけるガスセンサの断面を示す説明図。 実施形態１にかかる、他のガス濃度検出装置におけるセンサ素子の断面を示す説明図。 実施形態２にかかる、ガス濃度検出装置におけるセンサ素子及び制御コンピュータを模式的に示す説明図。 実施形態２にかかる、制御コンピュータにおけるセンサ制御ユニットを模式的に示す説明図。 実施形態２にかかる、制御コンピュータによるガス濃度検出装置の制御方法を示すフローチャート。 実施形態２にかかる、制御コンピュータにおけるセンサ制御ユニットの制御方法を示すフローチャート。 確認試験１にかかる、横軸に時間をとり、縦軸にセンサセルにおける出力電流をとって、ガス濃度検出装置のセンサ始動時において、出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形を示すグラフ。 確認試験２にかかる、横軸に時間をとり、縦軸にセンサセルにおける出力電流をとって、ガス濃度検出装置のセンサ始動時において、出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形を示すグラフ。 確認試験２にかかる、横軸に時間をとり、縦軸にモニタセルにおける出力電流をとって、ガス濃度検出装置のセンサ始動時において、出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形を示すグラフ。 確認試験２にかかる、横軸に時間をとり、縦軸にＮＯｘ濃度の出力電流をとって、ガス濃度検出装置のセンサ始動時において、出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形を示すグラフ。
　上述したガス濃度検出装置における好ましい実施の形態について説明する。
　上記ガス濃度検出装置において、センサ始動時において、上記ポンプセル制御部によって上記ポンプセルに印加する上記除去用電圧は、１回だけ印加するとよい。また、上記除去用電圧は、複数回繰り返し印加してもよい。また、ポンプセル制御部は、同じ電圧値の除去用電圧を１回又は複数回ポンプセルに印加するとよい。除去用電圧を１回印加する場合には、印加途中で除去用電圧の電圧値を変化させてもよい。また、除去用電圧を複数回印加する場合には、各回ごとに除去用電圧の電圧値を変化させてもよい。
　また、上記還元ガスは、上記ポンプセル制御部によって上記被測定ガス中に存在する水が分解されたときに発生する水素であるとよい。
　被測定ガスは、内燃機関から排気される排ガス等であり、大気中等に存在する水を含んでいる。そのため、ポンプセル制御部によるポンプセルへの除去用電圧の印加により、被測定ガス中の水を水素と酸素とに分解することができる。そして、この水素がセンサ電極に吸蔵された酸素と反応して水を生成することにより、センサ電極に吸蔵された酸素を除去することができる。
　また、上記センサ電極は、白金及びロジウムを含有しており、上記ポンプセル制御部は、上記還元ガスによって上記センサ電極におけるロジウムに吸蔵された酸素を除去するよう構成するとよい。
　センサ電極に用いられるロジウムは、被測定ガス中に含まれる特定ガスとしてのＮＯｘ（窒素酸化物）の分解性能が高い反面、酸素を吸蔵する性質を有している。また、センサ電極に用いられる白金は、固体電解質体との密着性、耐熱性等に優れている。
　そこで、センサ電極を白金及びロジウムを含有する材料で構成することにより、固体電解質体との密着性、耐熱性等に優れ、高い検出精度で特定ガスとしてのＮＯｘの濃度を検出することができるガス濃度検出装置を形成することができる。
　また、センサ電極は、白金（Ｐｔ）に対してロジウム（Ｒｈ）を混合して形成する以外にも、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）等を混合して形成してもよい。パラジウム、鉄、コバルト又はニッケルによっても、センサ電極にＮＯｘの分解性能を付与することができる。
　パラジウム、鉄、コバルト又はニッケルがセンサ電極に含有される場合においても、これらの物質に吸蔵される酸素を、ポンプセル制御部によって発生させる還元ガスによって除去することができると考えられる。
（実施形態１）
　以下に、ガス濃度検出装置にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
　本形態のガス濃度検出装置は、図１、図２、図５に示すように、被測定ガス室１０１、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２、ポンプセル４１、センサセル４２、ポンプセル制御部６１及びセンサセル検出部６２を備えている。被測定ガス室１０１は、被測定ガスＧが導入される空間である。ポンプセル４１は、固体電解質体２の一部としての固体電解質２Ｘと、固体電解質２Ｘの両面に設けられた一対の電極２１，２５とによって構成されている。センサセル４２は、固体電解質体２の一部としての固体電解質２Ｙと、固体電解質２Ｙの両面に設けられた一対の電極２２，２５とによって構成されている。この一対の電極２２，２５のうちの一方は、被測定ガス室１０１に晒されるセンサ電極２２として構成されている。
　ポンプセル制御部６１は、ポンプセル４１における一対の電極２１，２５に電圧を印加して、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧ中の酸素の濃度を調整するものである。センサセル検出部６２は、センサセル４２における一対の電極２２，２５に電圧を印加して、ポンプセル４１によって酸素濃度が調整された後の、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧ中の特定ガスの濃度を検出するためのものである。
　ポンプセル制御部６１は、図４に示すように、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、ポンプセル４１に除去用電圧Ｖ２を印加するよう構成されている。そして、ガス濃度検出装置においては、被測定ガス室１０１内に存在する水（Ｈ2Ｏ）が分解されて還元ガスとしての水素（Ｈ2）が発生し、この水素によって、センサセル４２の一対の電極２２，２５のうちの被測定ガス室１０１に晒されるセンサ電極２２に吸蔵された酸素（Ｏ2）が除去される。
　以下に、本形態のガス濃度検出装置について、図１～図７を参照して詳説する。
　本形態のガス濃度検出装置は、内燃機関の排ガスが流れる排気管に配置して使用される。被測定ガスＧは排気管を流れる排ガスであり、ガス濃度検出装置は、排ガス中の特定ガスとしてのＮＯｘ（窒素酸化物）の濃度を検出する。
　図１、図２、図５に示すように、センサ素子１は、ジルコニア等の固体電解質体２と、固体電解質体２を加熱するためのヒータ５とを備えている。被測定ガス室１０１、ポンプセル４１、センサセル４２等はセンサ素子１において形成されている。センサ素子１は、ハウジング内に保持されてガスセンサを構成している。
　固体電解質体２の一方の表面２０１には、第１スペーサ３３を介して絶縁体３１が積層されており、かつ、絶縁体３１及び第１スペーサ３３によって囲まれた被測定ガス室１０１が形成されている。固体電解質体２の他方の表面２０２には、第２スペーサ３４を介してヒータ５が積層されており、かつ、ヒータ５及び第２スペーサ３４によって囲まれた基準ガス室１０２が形成されている。第１スペーサ３３の先端部には、被測定ガスＧの導入口３３１が形成されており、導入口３３１には、多孔質体からなる拡散抵抗体３２が埋設されている。被測定ガス室１０１には、拡散抵抗体３２を通過した被測定ガスＧが導入される。そして、拡散抵抗体３２によって、所定の拡散抵抗下において被測定ガスＧを被測定ガス室１０１に導入することができる。ヒータ５は、セラミックス基板５１の間に、通電によって発熱する導体層５２を設けて形成されている。
　図２に示すように、センサ素子１には、ポンプセル４１及びセンサセル４２の他に、モニタセル４３が設けられている。モニタセル４３は、固体電解質体２の一部としての固体電解質２Ｚと、固体電解質２Ｚの両面に設けられた一対の電極２３，２５とによって構成されている。また、ガス濃度検出装置は、ポンプセル４１によって酸素濃度が調整された後の、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧ中の残留酸素の濃度を検出するモニタセル検出部６３を備えている。また、ガス濃度検出装置は、センサセル検出部６２の出力からモニタセル検出部６３の出力を減算することにより、被測定ガスＧ中の特定ガスの濃度を算出する算出部６６１（後述する図９を参照）を備えている。
　ガス濃度検出装置は、センサ素子１を含むガスセンサ１０と、ガスセンサ１０に接続された制御コンピュータとを備えている。制御コンピュータは、ポンプセル制御部６１及びヒータ５のヒータ制御部を動作させ、センサセル検出部６２のセンサ信号及びモニタセル検出部６３のセンサ信号（モニタ信号）を検出するよう構成されている。また、制御コンピュータは、算出部６６１によって、センサセル検出部６２のセンサ信号とモニタセル検出部６３のモニタ信号とを照合して、被測定ガスＧ中の特定ガスの濃度を算出するよう構成されている。より具体的には、制御コンピュータは、固体電解質２Ｙを移動する酸素イオンによってセンサセル４２に流れる電流から、固体電解質２Ｚを移動する酸素イオンによってモニタセル４３に流れる電流を差し引くことにより、被測定ガス室１０１における残留酸素の影響を補正して、被測定ガスＧ中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を検出する。
　図１～図３、図５に示すように、固体電解質体２の一方の表面２０１には、被測定ガス室１０１に配置される電極として、ポンプセル４１の一対の電極２１，２５のうちの一方であるポンプ電極２１と、センサセル４２の一対の電極２２，２５のうちの一方であるセンサ電極２２と、モニタセル４３の一対の電極２３，２５のうちの一方であるモニタ電極２３とが設けられている。ポンプ電極２１は、拡散抵抗体３２に近い位置であって、被測定ガスＧの流れの上流側に配置されている。センサ電極２２及びモニタ電極２３は、ポンプ電極２１に対する、被測定ガスＧの流れの下流側において、横方向に互いに隣接して配置されている。
　固体電解質体２の他方の表面２０２には、基準ガス室１０２に配置される電極として、ポンプセル４１の他方の電極２５、センサセル４２及びモニタセル４３の他方の電極２５が配置されている。これらの電極２５は、基準ガス室１０２に導入される基準ガス（大気）Ａに晒されている。本形態において、電極２５は、ポンプセル４１、センサセル４２及びモニタセル４３の全体に対して１つ設けられている。なお、電極２５は、これらのセル４１，４２，４３に対して別々に設けるようにしてもよい。
　ポンプセル４１に印加される電圧は、ポンプセル制御部６１によって、ガス濃度検出装置のガス濃度検出時にポンプセル４１に印加される通常電圧Ｖ１（図１参照）と、ガス濃度検出装置のセンサ始動時にポンプセル４１に印加させる除去用電圧Ｖ２（図４参照）との２段階に切換え可能である。
　図１、図２、図５に示すように、センサ素子１は、１枚の板状の固体電解質体２を有しており、ポンプセル４１の固体電解質２Ｘ、センサセル４２の固体電解質２Ｙ及びモニタセル４３の固体電解質２Ｚは、同じ固体電解質体２の一部としてそれぞれ形成されている。
　センサ素子１における被測定ガス室１０１は、ポンプセル４１におけるポンプ電極２１と、センサセル４２におけるセンサ電極２２と、モニタセル４３におけるモニタ電極２３とを、絞り壁等によって区画されていない１つの部屋に収納する構造に形成されている。
　被測定ガス室１０１における、被測定ガスＧの流れ方向に直交する流路断面積は、絞り壁等の壁が形成されていないことにより、被測定ガスＧの流れ方向の上流側から下流側に掛けて一定である。また、ポンプ電極２１が配置された被測定ガス室１０１の部分の流路断面積と、センサ電極２２が配置される被測定ガス室１０１の部分の流路断面積とは、同じである。そして、被測定ガス室１０１に絞り壁等の壁が形成されていないことにより、センサ始動時において、ポンプ電極２１において発生させた水素を、迅速にセンサ電極２２へ供給することができる。これにより、センサ電極２２に吸蔵された酸素を迅速に除去することができる。
　なお、被測定ガス室１０１における、被測定ガスＧの流れ方向に直交する流路断面積が、連続的に変化するように、被測定ガス室１０１を設けてもよい。特に、流路断面積が、緩やかな勾配で連続的に変化するように被測定ガス室１０１を設けるとよい。この場合にも、センサ電極２２に吸蔵された酸素を迅速に除去する同様の作用効果を得ることができる
　ポンプセル制御部６１による通常電圧Ｖ１は、被測定ガス室１０１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。通常電圧Ｖ１の大きさは、０．３～０．４Ｖであり、固体電解質体２が、ポンプセル４１への印加電圧が変化してもポンプセル４１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。
　ポンプセル制御部６１による除去用電圧Ｖ２は、通常電圧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。本形態の除去用電圧Ｖ２は、０．５～２Ｖの範囲内で設定される。
　また、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時及びガス濃度検出時において、センサセル４２には、限界電流特性を示す所定の電圧がセンサセル検出部６２によって印加され、モニタセル４３には、限界電流特性を示す所定の電圧がモニタセル検出部６３によって印加される。
　図６に示すごとく、本形態のガスセンサ１０は、長尺状に形成されたセンサ素子１を備えている。センサ素子１の長尺方向Ｌは、ガスセンサ１０の軸方向Ｚと平行である。ポンプ電極２１、センサ電極２２、モニタ電極２３及び電極２５は、センサ素子１の長尺方向Ｌにおける先端部１１に配置されている。この先端部１１は、ハウジング７２から突出しており、被測定ガスＧに晒される。また、各電極２１，２２，２３，２５に繋がるリード部、及びヒータ５の導体層５２に繋がるリード部は、センサ素子１の長尺方向Ｌにおける基端部１２に配置されている。
　本形態のガスセンサ１０は、センサ素子１を保持する先端側絶縁碍子７１と、先端側絶縁碍子７１を保持するハウジング７２と、ハウジング７２の先端側に設けられた先端側カバー７３と、ハウジング７２の基端側に設けられた基端側カバー７４とを備える。先端側カバー７３は、内側カバー７３１と、内側カバー７３１の外側に配置された外側カバー７３２とからなる。センサ素子１の先端部１１は、内側カバー７３１及び外側カバー７３２によって覆われており、内側カバー７３１及び外側カバー７３２には、被測定ガスＧを導入するための導入孔７３３が形成されている。
　先端側絶縁碍子７１の基端側には、バネ端子７６が配置された基端側絶縁碍子７５が重なって配置されている。センサ素子１の基端部１２における各リード部には、リード線７８に接続されたバネ端子７６が接触している。基端側カバー７４には、ガスセンサ１０におけるセンサ素子１の基準ガス室（ダクト）１０２内に基準ガス（大気）Ａを導入するための導入孔７４１が形成されている。また、基端側カバー７４には、リード線７８を保持するゴムブッシュ７７が保持されている。
　本形態のガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時における、ポンプセル４１、センサセル４２及びモニタセル４３の温度を制御する範囲は、ガス濃度検出時に設定される温度の範囲と同様である。センサ素子１の温度の制御は、ポンプセル４１におけるインピーダンスが温度によって変化することを利用し、このインピーダンスが所定の値になるようにヒータ５による加熱量を調整して行うことができる。
　ポンプセル制御部６１は、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、除去用電圧Ｖ２をポンプセル４１に所定時間印加した後には、ガス濃度検出時において、通常電圧Ｖ１をポンプセル４１に印加するよう構成されている。
　ガス濃度検出時のポンプセル４１においては、図１、図２に示すように、通常電圧Ｖ１によって、被測定ガスＧ中の酸素が分解される一方、被測定ガスＧ中の水は分解されない。これに対し、センサ始動時のポンプセル４１においては、図４に示すように、除去用電圧Ｖ２によって、被測定ガスＧ中の酸素が分解されるだけでなく、被測定ガスＧ中の水も分解される。そして、この水の分解によって生じる水素が、センサ電極２２に吸蔵された酸素を除去するために使用される。
　ポンプセル制御部６１によって除去用電圧Ｖ２をポンプセル４１の一対のポンプ電極２１，２５に印加する所定時間の下限値は、ヒータ５による固体電解質体２の加熱を開始して、固体電解質体２の温度が所定の活性温度になるまでに要する時間として設定することができる。所定時間の下限値は、例えば５秒にするとよい。所定時間の下限値が５秒未満である場合には、被測定ガスＧ中の水の分解が不十分となり、センサ電極２２に吸蔵された酸素を十分に除去できないおそれがある。除去用電圧Ｖ２を印加する所定時間の下限値は、より確実に固体電解質体２が活性温度に達するように５秒より長い時間を設定してもよく、例えば、１０秒以上とすることもできる。
　また、除去用電圧Ｖ２を印加する所定時間の上限値は、ガス濃度の検出を開始するまでの準備時間として確保できる時間として設定することができる。所定時間の上限値は、例えば３０秒にするとよい。所定時間の上限値が３０秒超過である場合には、ガス濃度の検出を行うまでの準備時間が長く、ガス濃度の検出の開始が遅れ、制御コンピュータからの要求に対応できないおそれがある。また、除去用電圧Ｖ２を印加する所定時間の上限値は、センサ電極２２に吸蔵された酸素を除去するために必要な量の水素を生じさせる時間であればよく、３０秒より短い時間としてもよい。例えば、センサ電極２２に吸蔵された酸素を除去するために必要な量の水素を生じさせることができれば、２０秒以下としてもよい。
　また、ガス濃度の検出を開始するまでの準備時間を十分長く確保できる場合には、除去用電圧Ｖ２を印加する所定時間の上限値は、３０秒とすることもできる。
　センサ電極２２は、ＮＯｘの分解活性を付与するために、白金（Ｐｔ）に対してロジウム（Ｒｈ）が混合された材料によって形成されている。センサ電極２２に吸蔵された酸素は、センサ電極２２におけるロジウムに吸蔵された酸素である。この酸素は、主に、内燃機関の燃焼が停止され、ガス濃度検出装置が動作していないときにロジウムに吸蔵されるものである。より具体的には、センサ電極２２が、ガス濃度の検出を行うための活性温度に加熱された状態において、センサセル検出部６２によるセンサ電極２２への電圧の印加が停止されたときに、被測定ガス室１０１内に残留する酸素がセンサ電極２２に吸蔵される。
　ポンプセル制御部６１は、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、被測定ガスＧ中の水を分解したときに発生する水素によって、センサ電極２２におけるロジウムに吸蔵された酸素を除去するよう構成されている。
　また、センサ電極２２以外の電極、すなわちポンプ電極２１，２５、モニタ電極２３及び電極２５は、白金に対して金（Ａｕ）が混合された材料によって形成されている。
　本形態のガス濃度検出装置においては、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、ポンプセル制御部６１がポンプセル４１に、通常電圧Ｖ１よりも高い除去用電圧Ｖ２を印加して、被測定ガス室１０１における被測定ガスＧ中の水を分解して、被測定ガス室１０１内に水素を発生させる。そして、被測定ガス室１０１内に発生した水素は、被測定ガス室１０１内に広がり、センサセル４２におけるセンサ電極２２へと流れる。これにより、水素が、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素と反応して水を生成し、酸素がセンサ電極２２のロジウムから除去される。
　このように、本形態のガス濃度検出装置においては、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を還元するための水素を、センサ電極２２へ供給する方法を採用する。そのため、センサ電極２２に吸蔵された酸素を、センサ電極２２への通電によって強制的に分解することなく、酸素の還元反応を利用して除去することができる。なお、センサ電極２２に吸蔵されていた酸素は水素と反応して水等になる。
　それ故、本形態のガス濃度検出装置によれば、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を迅速に除去することができ、ガス濃度検出装置の早期活性化を図ることができる。
　また、ポンプセル４１により水素を発生させるため、発生させた水素を効率的にセンサ電極２２に供給することができ、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を迅速に除去することができる。さらに、ポンプセル４１により水素を発生させるため、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を除去するために十分な量の水素を発生させることができる。
　また、本形態においては、センサ素子１内に、基準ガス（大気）Ａが導入される基準ガス室１０２を設けており、ポンプセル４１、センサセル４２及びモニタセル４３における電極２５は、基準ガス室１０２に配置されている。センサ素子１に、大気が導入される基準ガス室１０２を設けることによって、特に、電極２５を経由してセンサ電極２２へ酸素イオンを積極的に移動させることが可能になる。
　被測定ガスＧ中の水の分解によって被測定ガス室１０１内に発生した水素は、センサ電極２２に吸蔵された酸素との還元反応に全て利用されることが理想である。しかし、水素を発生させる量を制御することは容易ではなく、センサ電極２２に吸蔵された酸素のほとんどを還元させるためには、余剰な水素を発生させることがある。この場合、余剰な水素は、電極２５からセンサ電極２２に送られる酸素イオンと反応させて、なくす（水等に戻す）ことができる。
　本形態においては、１枚の固体電解質体２に対して、ポンプ電極２１、センサ電極２２、モニタ電極２３、電極２５を形成する場合について説明した。これ以外にも、図７に示すように、２枚の固体電解質体２，２Ａを用い、ポンプセル４の一対のポンプ電極２１Ａ，２１Ｂは、固体電解質体２とは別の固体電解質体２Ａに形成することもできる。この場合、一方のポンプ電極２Ａは被測定ガス室１０１の外部に配置され、他方のポンプ電極２Ｂは被測定ガス室１０１内に配置される。また、拡散抵抗体３２は、別の固体電解質体２Ａの表面に設けられる。
　この場合においても、センサセル４２、モニタセル４３の構成は、図１、図２の場合と同様である。また、被測定ガス室１０１における、ポンプセル４１が配置された空間１０１Ａと、センサセル４２及びモニタセル４３が配置された空間１０１Ｂとの間には、被測定ガスＧが通過可能なスリット３３２による拡散律速部を設けることができる。この場合においても、本形態に示したガス濃度検出装置と同様の作用効果が得られる。
　また、上述したポンプセル制御部６１等の構成は、モニタセル４３を備えないガス濃度検出装置にも適用することができる。この場合にも、本形態に示したガス濃度検出装置と同様の作用効果が得られる。
（実施形態２）
　本形態においては、制御コンピュータによるガス濃度検出装置の制御方法を具体的に示す。
　図８に示すように、ガス濃度検出装置の制御コンピュータは、自動車等の内燃機関の制御全般を行うＥＣＵ（エンジン制御ユニット）８１と、ガス濃度検出装置の制御全般を行うＳＣＵ（センサ制御ユニット）８２とを備えている。ヒータ５の導体層５２には、ヒータ制御部６４によって通電が行われる。ポンプセル制御部６１、センサセル検出部６２、モニタセル検出部６３及びヒータ制御部６４は、ＳＣＵ８２において形成されている。
　図９に示すように、ＳＣＵ８２は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した電気信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、ＳＣＵ８２には機能的な制御ブロックが構成される。
　ＳＣＵ８２の機能的な構成要素について説明する。ＳＣＵ８２は、ポンプセル制御部６１、センサセル検出部６２、モニタセル検出部６３及びヒータ制御部６４の他に、共通セル検出部６５、マイコン６６、電源回路６７及びＣＡＮ通信部６８を備えている。
　ポンプセル制御部６１は、ポンプセル４１に印加する電圧を制御するとともに、ポンプセル４１が出力する電流を検出する部分である。ポンプセル制御部６１は、検出した電流を示す信号をマイコンに出力する。センサセル検出部６２は、センサセル４２が出力する電流を検出する部分である。センサセル検出部６２は、検出した電流を示す信号をマイコンに出力する。モニタセル検出部６３は、モニタセル４３が出力する電流を検出する部分である。モニタセル検出部６３は、検出した電流を示す信号をマイコンに出力する。ヒータ制御部６４は、ヒータ５の導体層５２に印加する電圧を制御し、ヒータ５の発熱量を制御する部分である。
　共通セル検出部６５は、基準ガスＡとしての大気に晒される電極２５が出力する電流を検出する部分である。共通セル検出部６５は、検出した電流を示す信号をマイコン６６に出力する。マイコン６６は、ＳＣＵ８２内の制御部である。マイコン６６は、ヒータ制御部６４にヒータ５の温度を制御するための制御信号を出力する。マイコン６６は、センサセル検出部６２が検出した電流及びモニタセル検出部６３が検出した電流に基づいて、被測定ガスＧとしての排ガスのＮＯｘ濃度を算出する部分である。マイコン６６は、センサセル４２の出力電流からモニタセル４３の出力電流を減算することによって、センサセル４２の出力電流から、センサセル４２が検出した排ガスの残留酸素濃度による電流部分を除き、排ガスのＮＯｘ濃度を算出する。マイコン６６は、算出したＮＯｘ濃度を示す信号をＣＡＮ通信部６８に出力する。電源回路６７は、ＳＣＵ８２内の電源回路である。ＣＡＮ通信部６８は、マイコン６６が出力する信号をＣＡＮバスに送信し、ＣＡＮバスから受信する信号をマイコン６６に出力する。
　制御コンピュータによるガス濃度検出装置の制御を行うに当たっては、まず、図１０のフローチャートに示すように、ＳＣＵ８２が、ガス濃度検出装置のポンプセル４１、センサセル４２、モニタセル４３及びヒータ５における電気系統に異常が生じていないかを確認する（ステップＳ１）。そして、ＳＣＵ８２からＥＣＵ８１へガス濃度検出装置における異常の有無を送信する（Ｓ２）。ＥＣＵは、ＳＣＵ８２からガス濃度検出装置に異常がないことを示す信号を受けたときには、ＳＣＵ８２に起動許可の信号を送信し、ＳＣＵ８２が起動される（Ｓ３）。
　ＳＣＵ８２が起動されたセンサ起動時において、ＳＣＵ８２は、ヒータ制御部６４によってヒータ５における導体層５２に通電を開始するとともに、ポンプセル制御部６１によってポンプセル４１における一対の電極２１，２５に除去用電圧Ｖ２を印加する（Ｓ４）。ヒータ制御部６４によるヒータ５の制御については、後述する。そして、ＳＣＵ８２は、時間カウンタによるカウントを行って、所定時間が経過するまでポンプセル制御部６１による除去用電圧Ｖ２の印加を継続する（Ｓ５）。このとき、ポンプセル４１における電極２１に接触する被測定ガス（排ガス）Ｇ中の水が分解されて水素が発生し、この水素と、センサ電極２２に吸蔵された酸素とが反応し、センサ電極２２から酸素が除去される。
　次いで、ＳＣＵ８２は、時間カウンタをリセットするとともに、ポンプセル制御部６１からポンプセル４１における一対の電極２１，２５に印加する電圧を、除去用電圧Ｖ２から通常電圧Ｖ１に変更する（Ｓ６）。また、ＳＣＵ８２は、センサセル検出部６２からセンサセル４２に所定の電圧を印加し、モニタセル検出部６３からモニタセル４３に所定の電圧を印加する（Ｓ７）。
　こうして、センサ電極２２に吸蔵された酸素が除去された後には、ガス濃度検出時として、ポンプセル制御部６１、センサセル検出部６２及びモニタセル検出部６３の制御を受けて、ＮＯｘの濃度が検出される。
　また、ＳＣＵ８２が実行するヒータ通電制御ルーチンの処理内容を、図１１のフローチャートを参照して説明する。
　同図に示すように、ヒータ通電制御ルーチンが起動されると、まず、センサ素子１が活性化したか否か（活性温度まで昇温したか否か）を、ポンプセル４１のインピーダンスが活性判定インピーダンス以下になったか否かによって判定する（ステップＳ１１）。この活性判定インピーダンスは、センサ素子１の活性温度に相当する値に設定されている。
　ポンプセル４１のインピーダンスが活性判定インピーダンスよりも大きく、センサ素子１が活性化していないと判定された場合には、昇温制御を実行する（Ｓ１２）。この昇温制御においては、ヒータ５の通電デューティを昇温用の通電デューティ（例えば１００％）に設定してセンサ素子１を加熱する。
　一方、ポンプセル４１のインピーダンスが活性判定インピーダンス以下であり、センサ素子１が活性化したと判定された場合には、インピーダンス制御を実行する（Ｓ１３）。このインピーダンス制御においては、センサ素子１のインピーダンスを目標インピーダンスに一致させるようにヒータ５の通電デューティをフィードバック制御する。具体的には、センサ素子１のインピーダンスと目標インピーダンスとの偏差を小さくするようにＰＩ制御等によりヒータ５の通電デューティを算出する。
　本形態において、ガス濃度検出装置のその他の構成及び図中の符号等は、実施形態１と同様である。また、本形態においても、実施形態１と同様の作用効果を得ることができる。
（確認試験１）
　本確認試験においては、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、ポンプ電極２１から発生する水素を用いて、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素の除去を行う場合（試験品Ａ１，Ａ２，Ａ３）の性能を確認した。また、比較として、センサセル４２に印加される電圧によって、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素の除去を行う場合（比較品Ｂ１）の性能も確認した。
　本確認試験においては、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、ＮＯｘを含まない大気が被測定ガス室１０１に導入される状態において、センサセル４２における出力電流の変化を測定した。
　図１２には、横軸に時間をとり、縦軸にセンサセル４２における出力電流をとって、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形を示す。
　比較品Ｂ１においては、センサセル４２の出力電流がほぼゼロに収束するまでに長い時間を要している。この場合、センサセル４２に印加される通常の電圧によって、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素が分解されるため、この酸素が除去されるまでの収束時間が長くなる。
　一方、試験品Ａ１，Ａ２，Ａ３においては、ポンプセル４１に印加する除去用電圧Ｖ２の電圧値が高くかつ印加時間ｔ１が短い場合（試験品Ａ１）、ポンプセル４１に印加する除去用電圧Ｖ２の電圧値が低くかつ印加時間ｔ２が長い場合（試験品Ａ２）、ポンプセル４１に印加する除去用電圧Ｖ２の電圧値が低くかつ印加時間ｔ３が短い場合（試験品Ａ３）の３つの場合について測定を行った。図中のｔ１，ｔ２，ｔ３は、除去用電圧Ｖ２を印加した時間を示す。試験品Ａ１，Ａ２，Ａ３の波形において、ポンプセル４１に印加する電圧を除去用電圧Ｖ２から通常電圧Ｖ１に変更した時点を黒点によって示す。
　試験品Ａ１，Ａ２，Ａ３において、センサセル４２の出力電流は、ガス濃度検出装置の始動直後、プラス側に大きく振れている状態から、マイナス側に大きく変化していることがわかる。ここで、センサセル４２の出力電流がマイナス側に変化している理由は、ポンプ電極２１からセンサ電極２２に水素が供給されたことに起因すると考えられる。
　また、試験品Ａ１においては、除去用電圧Ｖ２の印加時間ｔ１が短くても、除去用電圧Ｖ２の電圧値が高いことにより、センサセル４２の出力電流が迅速にほぼゼロに収束している。試験品Ａ２においては、除去用電圧Ｖ２の電圧値が低くても、除去用電圧Ｖ２の印加時間ｔ２を長くしていることにより、センサセル４２の出力電流が、若干時間を掛けてほぼゼロに収束している。試験品Ａ３においては、除去用電圧Ｖ２の電圧値が低いにも拘らず、除去用電圧Ｖ２の印加時間ｔ３を短くしてしまったことにより、センサセル４２の出力電流がほぼゼロに収束するまでの時間が、比較品Ｂ１と同等になっている。
　これらの結果により、除去用電圧Ｖ２の電圧値はできるだけ大きくすることが好ましい。ただし、除去用電圧Ｖ２の電圧値を高くし過ぎると、固体電解質体２が損傷するおそれが生じる。除去用電圧Ｖ２の電圧値は、０．５～２Ｖの範囲内で決定することができる。センサ電極２２に吸蔵された酸素を除去する時間を短くするためには、除去用電圧Ｖ２の電圧値は１～２Ｖの範囲内で決定することが好ましい。除去用電圧Ｖ２の電圧値が０．５Ｖ未満であると、センサ電極２２に吸蔵された酸素を除去する効果が薄れ、除去用電圧Ｖ２の電圧値が２Ｖを超えると、固体電解質体２が損傷してしまうおそれがある。
　また、ポンプセル４１の温度が高いほど、被測定ガスＧ中の水を分解しやすくなると考えられる。ただし、ポンプセル４１の温度を高くし過ぎると、ポンプ電極２１，２５の凝集による電流の出力低下が生じるおそれがある。従って、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時においても、ポンプセル４１の温度は、ガス濃度検出装置のガス濃度検出時において保たれる通常の温度の範囲内（例えば、７００～９００℃の範囲内）とすることができる。また、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時における、センサセル４２及びモニタセル４３の温度についても、通常の温度の範囲内とすることができる。
（確認試験２）
　本確認試験においては、センサ素子１において、センサセル４２と合わせてモニタセル４３を利用することによる他の優れた効果を確認した。
　本確認試験においては、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、ポンプ電極２１から発生する水素を用いて、センサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素の除去を行う際に、センサ電極２２における出力電流とモニタ電極２３における出力電流とを測定した。本確認試験も、ＮＯｘを含まない大気が被測定ガス室１０１に導入される状態において行った。
　図１３には、センサ始動時において、センサセル４２における出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形Ｃ１，Ｃ２を示す。図１４には、センサ始動時において、モニタセル４３における出力電流がほぼゼロに収束するまでの、出力電流の変化の波形Ｄ１，Ｄ２を示す。波形Ｃ１，Ｄ１において、ポンプセル４１に印加する電圧を除去用電圧Ｖ２から通常電圧Ｖ１に変更した時点を黒点によって示す。
　図１３に示すように、センサセル４２については、ポンプセル４１に除去用電圧Ｖ２を印加する際に被測定ガス中の水が分解されて発生する水素によってセンサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を除去する場合を波形Ｃ１で示し、比較として、センサセル４２に印加する電圧によってセンサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を除去する場合を波形Ｃ２で示す。センサセル４２の出力電流の波形Ｃ１は、センサセル４２の出力電流の波形Ｃ２に比べて短い時間でゼロに収束することがわかる。
　また、図１４に示すように、モニタセル４３については、ポンプセル４１に除去用電圧Ｖ２を印加する際の変化を波形Ｄ１で示し、比較として、モニタセル４３に電圧を印加する際の変化を波形Ｄ２で示す。モニタセル４３の出力電流の波形Ｄ１は、モニタセル４３の出力電流の波形Ｄ２に比べて若干短い時間でゼロに収束することがわかる。また、モニタセル４３のモニタ電極２３には酸素が吸蔵されていないため、モニタセル４３の出力電流の波形Ｄ２がゼロに収束するまでの時間は、センサセル４２の出力電流の波形Ｃ２がゼロに収束するまでの時間よりも短いことがわかる。
　図１５には、センサセル４２の出力電流からモニタセル４３の出力電流を差し引いて、ＮＯｘの濃度を求める際の出力電流の波形Ｅ１と、センサセル４２のみを用いてＮＯｘの濃度を求める際の出力電流の波形Ｃ１（上述したセンサセル４２の出力電流の波形Ｃ１と同じ。）を比較した場合を示す。
　同図に示すように、ポンプ電極２１において発生させる水素を利用してセンサ電極２２のロジウムに吸蔵された酸素を除去する場合において、ＮＯｘの濃度を求める際の出力電流の波形Ｅ１は、センサセル４２の出力電流の波形Ｃ１からモニタセル４３の出力電流の波形Ｄ１を差し引いたものとなる。そして、波形Ｅ１の出力電流がゼロに収束するまでの時間は、波形Ｃ１の出力電流がゼロに収束するまでの時間よりも短いことがわかる。このことより、センサセル４２とモニタセル４３とを併用してＮＯｘの濃度を求めるセンサ素子１によれば、センサ起動時に、ＮＯｘ濃度を示す出力電流のゼロ点の調整をより迅速に行うことができ、ＮＯｘ濃度の測定をより迅速に開始できることがわかる。
　１　センサ素子
　１０１　被測定ガス室
　２　固体電解質体
　２１　ポンプ電極
　２２　センサ電極
　４１　ポンプセル
　４２　センサセル
　６１　ポンプセル制御部
　６２　センサセル検出部

Claims (11)

  1. 　被測定ガス（Ｇ）が導入される被測定ガス室（１０１）と、
    　酸素イオン伝導性を有する固体電解質（２Ｘ）、及び該固体電解質（２Ｘ）上に設けられた一対の電極（２１，２５又は２１Ａ，２１Ｂ）を有するポンプセル（４１）と、
    　酸素イオン伝導性を有する固体電解質（２Ｙ）、及び該固体電解質（２Ｙ）上に設けられた一対の電極（２２，２５）を有するセンサセル（４２）と、
    　上記ポンプセル（４１）に電圧を印加して、上記被測定ガス室（１０１）における被測定ガス（Ｇ）中の酸素の濃度を調整するポンプセル制御部（６１）と、
    　上記センサセル（４２）に電圧を印加して、上記ポンプセル（４１）によって酸素濃度が調整された後の、上記被測定ガス室（１０１）における被測定ガス（Ｇ）中の特定ガスの濃度を検出するためのセンサセル検出部（６２）と、を備え、
    　上記ポンプセル制御部（６１）は、ガス濃度の検出を行う前のセンサ始動時において、上記センサセル（４２）の上記一対の電極（２２，２５）のうち、上記被測定ガス室（１０１）に配置されるセンサ電極（２２）に吸蔵された酸素を除去するために、上記ポンプセル（４１）に除去用電圧（Ｖ２）を印加して、上記被測定ガス室（１０１）内に存在する物質を分解して還元ガスを発生させるよう構成されている、ガス濃度検出装置。
  2. 　上記除去用電圧（Ｖ２）は、上記ガス濃度検出装置のガス濃度検出時に上記ポンプセル（４１）に印加する通常電圧（Ｖ１）よりも高く設定されており、
    　上記ポンプセル制御部（６１）は、上記除去用電圧（Ｖ２）を上記ポンプセル（４１）に所定時間印加した後には、上記通常電圧（Ｖ１）を上記ポンプセル（４１）に印加するよう構成されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
  3. 　上記還元ガスは、上記ポンプセル制御部（６１）によって上記被測定ガス（Ｇ）中に存在する水が分解されたときに発生する水素である、請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置。
  4. 　上記センサ電極（２２）は、白金及びロジウムを含有しており、
    　上記ポンプセル制御部（６１）は、上記還元ガスによって上記センサ電極（２２）におけるロジウムに吸蔵された酸素を除去するよう構成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
  5. 　上記除去用電圧（Ｖ２）は、０．５～２Ｖの大きさである、請求項１～４のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
  6. 　上記除去用電圧（Ｖ２）が上記ポンプセル（４１）に印加される上記所定時間は、５～３０秒である、請求項２に記載のガス濃度検出装置。
  7. 　上記固体電解質（２Ｘ，２Ｙ）に対して上記被測定ガス室（１０１）が対向する側とは反対側には、基準ガス（Ａ）が導入される基準ガス室（１０２）が設けられており、
    　上記ポンプセル（４１）における上記一対の電極（２１，２５）のうちの一つ（２５）と、上記センサセル（４２）における上記一対の電極（２２，２５）のうちの一つ（２５）とは、上記基準ガス室（１０２）に配置されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
  8. 　上記被測定ガス（Ｇ）は、内燃機関から排出される、水を含む排ガスであり、
    　上記センサセル検出部（６２）によって検出する上記被測定ガス（Ｇ）中の特定ガスは、窒素酸化物であり、
    　上記除去用電圧（Ｖ２）は、上記被測定ガス（Ｇ）中に含まれる水から水素を発生させるための大きさに設定されている、請求項１に記載のガス濃度検出装置。
  9. 　上記ポンプセル（４１）の上記固体電解質（２Ｘ）と上記センサセル（４２）の上記固体電解質（２Ｙ）とは、同じ固体電解質体（２）の一部としてそれぞれ形成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
  10. 　上記ポンプセル（４１）における上記一対の電極（２１，２５）のうちの一つ（２１）が配置される上記被測定ガス室（１０１）の部分の上記被測定ガス（Ｇ）が流れる方向に直交する流路断面積と、上記センサセル（４２）における上記センサ電極（２２）が配置される上記被測定ガス室（１０１）の部分の上記被測定ガス（Ｇ）が流れる方向に直交する流路断面積とは、同じである又は連続的に変化している、請求項１～９のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
  11. 　酸素イオン伝導性を有する固体電解質（２Ｚ）、及び該固体電解質（２Ｚ）上に設けられた一対の電極（２３，２５）を有するモニタセル（４３）と、
    　該モニタセル（４３）に電圧を印加して、上記ポンプセル（４１）によって酸素濃度が調整された後の、上記被測定ガス室（１０１）における被測定ガス（Ｇ）中の酸素の濃度を検出するためのモニタセル検出部（６３）と、
    　上記センサセル検出部（６２）の出力から上記モニタセル検出部（６３）の出力を減算することにより、被測定ガス（Ｇ）中の特定ガスの濃度を算出する算出部（６６１）と、を備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載のガス濃度検出装置。
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