(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路内に配置され、固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面上に配置されかつ拡散律速層及び／又はトラップ層を介して排ガスに曝される第１電極層と、該固体電解質層のもう一方の面上に配置された第２電極層とを備え、前記固体電解質層が自己治癒性セラミック材料を含むか並びに／あるいは前記拡散律速層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサ、並びに
前記第１電極層と前記第２電極層の間に電圧を印加するための電圧印加装置
を備え、定期的に及び／又は前記自己治癒性セラミック材料を含む層が破損したと判断した場合に、通常時よりも前記自己治癒性セラミック材料を含む層に流れる酸素量が大きくなるように前記電圧印加装置によって前記第１電極層と前記第２電極層の間に印加される電圧を変更する再生処理を実施するようにした、自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサの制御装置。
【請求項２】
前記自己治癒性セラミック材料を含む層の温度が５５０℃以上である場合に前記再生処理が実施される、請求項１に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項３】
前記排ガスセンサが電気ヒータをさらに備え、前記自己治癒性セラミック材料を含む層の温度が５５０℃未満である場合には、前記再生処理を実施する前に前記自己治癒性セラミック材料を含む層の温度を前記電気ヒータによって５５０℃以上に加熱するようにした、請求項１又は２に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項４】
前記再生処理が前記内燃機関の始動後に所定の時間にわたり実施される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項５】
前記再生処理が前記内燃機関の停止後に所定の時間にわたり実施される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項６】
前記排ガスセンサからの出力値が所定の範囲内にない場合に、前記自己治癒性セラミック材料を含む層が破損したと判断して前記再生処理が所定の時間にわたり実施される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項７】
前記再生処理前のフューエルカット時における前記排ガスセンサからの出力値と前記再生処理後のフューエルカット時における前記排ガスセンサからの出力値との差が所定の範囲内にない場合には、更なる再生処理を実施するようにした、請求項１〜６のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項８】
前記排ガスセンサが、空燃比センサ、酸素センサ、又はＮＯｘセンサである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項９】
前記排ガスセンサが空燃比センサであり、該空燃比センサが、
（ａ）酸素イオン伝導性の前記固体電解質層と、
（ｂ）前記固体電解質層の排ガス側面上に配置された排ガス側電極層である前記第１電極層と、
（ｃ）前記固体電解質層の基準側面上に配置された基準側電極層である前記第２電極層と、
（ｄ）前記排ガス側電極層上に配置された前記拡散律速層及び／又はトラップ層と
を備え、前記拡散律速層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項１０】
前記空燃比センサが前記拡散律速層と前記トラップ層の両方を含み、前記拡散律速層と前記トラップ層が一体的に形成されている、請求項９に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項１１】
前記再生処理が、前記第１電極層の電位が前記第２電極層の電位よりも高くなるように前記電圧印加装置によって前記第１電極層と前記第２電極層の間に電圧を印加することを含む、請求項９又は１０に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項１２】
前記自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、並びに前記セラミック母材中に分散された金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有する複合材料である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項１３】
前記セラミック母材が、アルミナ、ムライト、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１２に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項１４】
前記金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子が、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化ハフニウム、炭化クロム、炭化ジルコニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１２又は１３に記載の排ガスセンサの制御装置。
【請求項１５】
前記金属又は半金属の炭化物の微粒子が、前記セラミック母材に対して１質量％〜５０質量％の割合で含有されている、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、使用中に発生した損傷を自発的に修復できる自己治癒能力を有する材料が開発されている。このような材料は極めて高い機械的信頼性と長い使用寿命を示し、したがって次世代の構造及び機械材料として期待されている。
【０００３】
自己治癒機能は化学反応により生じる現象であり、自己治癒材料は、その化学反応によって治癒を達成するための反応体（以後、「治癒発現材料」としても言及する）を母材が内包した複合材の形態を有する。
【０００４】
具体的には、治癒発現材料の高温酸化を利用した自己治癒性セラミック材料が提案されている（特許文献１〜３）。特に、このような自己治癒性セラミック材料としては、炭化ケイ素等の酸化可能な治癒発現材料の粒子を、セラミック母材中に分散複合させ、セラミック母材に割れが生じたときに、その治癒発現材料が酸化及び膨張して割れを充填することによって自己治癒が起こる、粒子分散型の自己治癒性セラミック材料が提案されている（特許文献３）。
【０００５】
このような自己治癒性セラミック材料によれば、セラミック材料の大きな問題点、すなわち耐熱性が大きいものの、靭性が小さく、それによって割れに弱いという問題点を克服することが可能である。したがって、自己治癒性セラミック材料は、耐熱性と機械的強度の両方が求められる用途、例えばガスタービン部材、ジェットエンジン部材、自動車用エンジン部材、セラミックスばね材等の用途において利用することが提案されている（特許文献１）。
【０００６】
なお、自動車用エンジンのような内燃機関では、様々な箇所でセラミック部品が用いられており、上記のような耐熱性と機械的強度の両方が求められるエンジン部材だけでなく、内燃機関からの排気流路においても多くのセラミック部品が用いられている。例えば、内燃機関からの排気流路には、排ガスの空燃比を算出及び／又は制御するために酸素センサや空燃比センサ、さらには排気ガス中のＮＯｘを検出するためのＮＯｘセンサ等の排ガスセンサが用いられており、これらの排ガスセンサでは、その一部にセラミック部品が用いられている。
【０００７】
しかしながら、セラミック部品を使用した排ガスセンサでは、例えば、内燃機関の冷間始動時等の低温下において、排ガス中に含まれる水蒸気等の水分が凝縮し、この凝縮水が排ガスセンサ中のセラミック部品に付着してしまう場合がある。この場合には、当該セラミック部品は、被水による急激な温度変化に伴う熱衝撃等のために比較的容易に割れを生じてしまうという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−１４８９６３号公報
【特許文献２】特開平１０−２９１８５３号公報
【特許文献３】特開２００９−０６７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば、このようなセラミック部品に自己治癒性セラミック材料を使用した場合に、割れを生じた自己治癒性セラミック材料が自己治癒するためには、高温かつ酸化雰囲気等の条件を満たすことが必要である。しかしながら、例えば、排ガスの雰囲気は、自動車の走行条件等によって大きく変動するため、このような条件を確実に作り出すことは非常に困難である。
【００１０】
そこで、本発明では、自己治癒性セラミック材料を使用した排ガスセンサの制御装置について検討を行った。したがって、本発明の目的は、自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサの制御装置であって、必ずしも排ガスの雰囲気によらずに自己治癒性セラミック材料を治癒することができる排ガスセンサの制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明は下記にある。
（１）内燃機関の排気通路内に配置され、固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面上に配置されかつ拡散律速層及び／又はトラップ層を介して排ガスに曝される第１電極層と、該固体電解質層のもう一方の面上に配置された第２電極層とを備え、前記固体電解質層が自己治癒性セラミック材料を含むか並びに／あるいは前記拡散律速層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサ、並びに
前記第１電極層と前記第２電極層の間に電圧を印加するための電圧印加装置
を備え、定期的に及び／又は前記自己治癒性セラミック材料を含む層が破損したと判断した場合に、通常時よりも前記自己治癒性セラミック材料を含む層に流れる酸素量が大きくなるように前記電圧印加装置によって前記第１電極層と前記第２電極層の間に印加される電圧を変更する再生処理を実施するようにした、自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサの制御装置。
（２）前記自己治癒性セラミック材料を含む層の温度が５５０℃以上である場合に前記再生処理が実施される、上記（１）に記載の排ガスセンサの制御装置。
（３）前記排ガスセンサが電気ヒータをさらに備え、前記自己治癒性セラミック材料を含む層の温度が５５０℃未満である場合には、前記再生処理を実施する前に前記自己治癒性セラミック材料を含む層の温度を前記電気ヒータによって５５０℃以上に加熱するようにした、上記（１）又は（２）に記載の排ガスセンサの制御装置。
（４）前記再生処理が前記内燃機関の始動後に所定の時間にわたり実施される、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（５）前記再生処理が前記内燃機関の停止後に所定の時間にわたり実施される、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（６）前記排ガスセンサからの出力値が所定の範囲内にない場合に、前記自己治癒性セラミック材料を含む層が破損したと判断して前記再生処理が所定の時間にわたり実施される、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（７）前記再生処理前のフューエルカット時における前記排ガスセンサからの出力値と前記再生処理後のフューエルカット時における前記排ガスセンサからの出力値との差が所定の範囲内にない場合には、更なる再生処理を実施するようにした、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（８）前記排ガスセンサが、空燃比センサ、酸素センサ、又はＮＯｘセンサである、上記（１）〜（７）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（９）前記排ガスセンサが空燃比センサであり、該空燃比センサが、
（ａ）酸素イオン伝導性の前記固体電解質層と、
（ｂ）前記固体電解質層の排ガス側面上に配置された排ガス側電極層である前記第１電極層と、
（ｃ）前記固体電解質層の基準側面上に配置された基準側電極層である前記第２電極層と、
（ｄ）前記排ガス側電極層上に配置された前記拡散律速層及び／又はトラップ層と
を備え、前記拡散律速層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（１０）前記空燃比センサが前記拡散律速層と前記トラップ層の両方を含み、前記拡散律速層と前記トラップ層が一体的に形成されている、上記（９）に記載の排ガスセンサの制御装置。
（１１）前記再生処理が、前記第１電極層の電位が前記第２電極層の電位よりも高くなるように前記電圧印加装置によって前記第１電極層と前記第２電極層の間に電圧を印加することを含む、上記（９）又は（１０）に記載の排ガスセンサの制御装置。
（１２）前記自己治癒性セラミック材料が、セラミック母材、並びに前記セラミック母材中に分散された金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有する複合材料である、上記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
（１３）前記セラミック母材が、アルミナ、ムライト、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記（１２）に記載の排ガスセンサの制御装置。
（１４）前記金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子が、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化ハフニウム、炭化クロム、炭化ジルコニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記（１２）又は（１３）に記載の排ガスセンサの制御装置。
（１５）前記金属又は半金属の炭化物の微粒子が、前記セラミック母材に対して１質量％〜５０質量％の割合で含有されている、上記（１２）〜（１４）のいずれか１項に記載の排ガスセンサの制御装置。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の排ガスセンサの制御装置によれば、被水によって排ガスセンサ、特には当該排ガスセンサにおける拡散律速層等に破損又は割れが生じた場合においても、電圧印加装置によって第１電極層と第２電極層の間に印加される電圧を適切に制御することで、当該拡散律速層等に含まれる自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な量の酸素を当該拡散律速層等に流通させることができる。その結果として、本発明の排ガスセンサの制御装置によれば、排ガスの雰囲気に依存することなしに、当該自己治癒性セラミック材料中の治癒発現材料の高温酸化を利用した自己治癒を確実に生じさせることができる。さらに、本発明の好ましい実施態様によれば、このような再生処理の前後の排ガスセンサからの出力値を比較しそしてそれらの出力値の差が所定の範囲内にない場合には、更なる再生処理を実施することで、自己治癒性セラミック材料の自己治癒を効率よくかつ確実に実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は空燃比センサの概略断面図を示し、（ｂ）は当該空燃比センサのエレメント部の模式図を示す。
【図２】空燃比センサの動作を概略的に示した模式図である。
【図３】各排ガス空燃比におけるセンサ印加電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。
【図４】空燃比センサにおける排ガス空燃比と限界電流ＩＬとの関係を示す図である。
【図５】拡散律速層及びトラップ層を概念的に示す断面図である。
【図６】拡散律速層及びトラップ層における自己治癒の効果を概念的に示す断面図である。
【図７】本発明による排ガスセンサの制御装置の好ましい実施態様を示す模式図である。
【図８】（ａ）異常出力時、（ｂ）一部治癒状態、及び（ｃ）正常出力時の空燃比センサにおけるセンサ印加電圧Ｖｒと出力電流Ｉｒとの関係を示す図である。
【図９】空燃比センサを使用した場合における本発明による排ガスセンサの制御装置の再生処理操作を示すフローチャートである。
【図１０】空燃比センサを使用した場合における本発明による排ガスセンサの制御装置の再生処理操作を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサの制御装置は、内燃機関の排気通路内に配置され、固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面上に配置されかつ拡散律速層及び／又はトラップ層を介して排ガスに曝される第１電極層と、該固体電解質層のもう一方の面上に配置された第２電極層とを備え、前記固体電解質層が自己治癒性セラミック材料を含むか並びに／あるいは前記拡散律速層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサ、並びに
前記第１電極層と前記第２電極層の間に電圧を印加するための電圧印加装置
を備え、定期的に及び／又は前記自己治癒性セラミック材料を含む層が破損したと判断した場合に、通常時よりも前記自己治癒性セラミック材料を含む層に流れる酸素量が大きくなるように前記電圧印加装置によって前記第１電極層と前記第２電極層の間に印加される電圧を変更する再生処理を実施するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
内燃機関の通常運転時においては排気管が十分に温められているため、排ガス中に含まれる水蒸気等の水分は凝縮することなくそのまま外部へ放出される。しかしながら、内燃機関の冷間始動時等の低温下においては排気管が十分に温められていないため、排ガス中の水蒸気が当該排気管で冷やされて凝縮し、あるいは排ガス中で細かい水滴を形成することがある。一方で、このような低温下では、排気通路内に配置された排ガスセンサによって排ガスのセンシングを行うためには、電気ヒータ等により当該排ガスセンサを所定の温度まで昇温して活性化することが必要である。しかしながら、当該活性化された排ガスセンサ中のセラミック部品に上記のようにして排気管内で発生した水が付着した場合には、当該セラミック部品は、被水による急激な温度変化に伴う熱衝撃等のために比較的容易に割れ（クラック）を生じてしまうという問題がある。
【００１６】
このため、内燃機関の冷間始動時には排ガスセンサを使用することができず、排気悪化を招く虞がある。また、被水による排ガスセンサの破損又は割れを防ぐためには、様々な装備、例えば被水カバーやコーティング技術等による対策が必要となる。しかしながら、このような装備や対策はコストや搭載スペース等の観点からも実現が困難である。また、たとえこのような装備や対策を施したとしても、許容以上の水が発生し又は熱衝撃を受けた場合には、排ガスセンサの破損を回避することができない。
【００１７】
そこで、本発明者らは、このようなセラミック部品に自己治癒性セラミック材料を使用した排ガスセンサについて検討を行った。一方で、排ガスの雰囲気は、自動車の走行条件等によってストイキを中心にリッチ（燃料過剰雰囲気）側又はリーン（燃料希薄雰囲気）側に大きく変動するため、通常のエンジン運転時に、自己治癒性セラミック材料を使用した排ガスセンサにおいて当該自己治癒性セラミック材料が自己治癒する条件、すなわち高温かつ酸化雰囲気等の条件を確実に作り出すことは非常に困難である。
【００１８】
本発明者らは、内燃機関の排気通路内に配置され、固体電解質層と、当該固体電解質層の一方の面上に配置されかつ拡散律速層及び／又はトラップ層を介して排ガスに曝される第１電極層と、当該固体電解質層のもう一方の面上に配置された第２電極層とを備え、当該固体電解質層が自己治癒性セラミック材料を含むか並びに／あるいは当該拡散律速層及び／又はトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサにおいて、電圧印加装置によって当該第１電極層と当該第２電極層の間に印加される電圧を適切に制御することで、通常時よりも自己治癒性セラミック材料を含む層に流れる酸素量を大きくすることができることを見出した。その結果として、本発明者らは、自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な量の酸素を当該自己治癒性セラミック材料を含む層に流通させることができ、それゆえ排ガスの雰囲気に依存することなしに、当該自己治癒性セラミック材料中の治癒発現材料の高温酸化を利用した自己治癒を確実に生じさせることができることを見出した。
【００１９】
なお、本発明において「通常時」とは、通常走行時において排ガスセンサによって排ガス成分の検出又は測定が行われているときを意味するものである。また、例えば、本明細書において「通常時よりも自己治癒性セラミック材料を含む層に流れる酸素量が大きい」という表現は、一般的には自己治癒性セラミック材料を含む層が破損したとき又はその直前に当該自己治癒性セラミック材料を含む層に流れている酸素量の絶対値よりも大きいことを意味するものである。特定の態様においては、当該表現は、通常走行時において排ガスセンサによって排ガス成分の検出又は測定が行われている場合に、自己治癒性セラミック材料を含む層に流れている酸素量の絶対値の最大値よりも大きいことを意味する場合がある。
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の自己治癒性セラミック材料を含む排ガスセンサの制御装置の好ましい実施態様について詳しく説明する。特に、本明細書では、理解を容易にするため、排ガスセンサとして空燃比センサを使用した場合の制御装置についてより詳しく説明する。しかしながら、以下の説明は、本発明の好ましい実施態様の単なる例示を意図するものであって、本発明をこのような特定の実施態様に限定することを意図するものではない。
【００２１】
＜空燃比センサの構成＞
まず、図１を参照して、本実施態様における空燃比センサ１０の構成について詳しく説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ空燃比センサの概略断面図及び当該空燃比センサのエレメント部の模式図を示す。図１（ａ）及び（ｂ）からわかるように、本実施態様における空燃比センサ１０は、固体電解質層及び一対の電極からなるセルが１つである１セル型の空燃比センサである。
【００２２】
図１（ｂ）において示されるように、空燃比センサ１０は、酸素イオン伝導性の固体電解質層１１と、当該固体電解質層１１の排ガス側面上に配置された排ガス側電極層（第１電極層）１２と、当該固体電解質層１１の基準側面上に配置された基準側電極層（第２電極層）１３と、当該排ガス側電極層１２上に配置されそして通過する排ガスの拡散律速を行う拡散律速層１４と、任意選択で当該拡散律速層１４の排ガス側面上に配置された当該拡散律速層１４を保護するためのトラップ層１５と、さらに任意選択で空燃比センサ１０の加熱を行うためのヒータ部１６とを備えている。
【００２３】
また、固体電解質層１１とヒータ部１６との間には基準ガス室１７が形成され、この基準ガス室１７内には基準ガスが導入されている。本実施態様では、基準ガス室１７は大気に開放されており、よって当該基準ガス室１７内には基準ガスとして大気が導入されている。基準側電極層１３は、基準ガス室１７内に配置され、したがって、当該基準側電極層１３は、基準ガス（基準雰囲気）に曝されている。さらに、任意選択のヒータ部１６には複数の電気ヒータ１８が設けられており、これら複数の電気ヒータ１８によって空燃比センサ１０の温度を制御することができる。
【００２４】
［固体電解質層］
固体電解質層１１は、一般的にはＺｒＯ2（ジルコニア）、ＨｆＯ2、ＴｈＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等に必要に応じてＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3等の安定剤を添加した酸素イオン伝導性酸化物の焼結体によって形成することができる。好ましくは、固体電解質層１１は、上記の１つ又は複数の安定剤を添加した部分安定化ジルコニアからなる酸素イオン伝導性酸化物の焼結体によって形成することができる。また、固体電解質層１１は、以下で詳しく説明される自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成することもできる。
【００２５】
［拡散律速層及びトラップ層］
拡散律速層１４は、一般的にはアルミナ、ムライト等の耐熱性無機物質の多孔質焼結体によって形成することができる。好ましくは、拡散律速層１４は、以下で詳しく説明される自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成することができる。また、任意選択のトラップ層１５は、排ガス中の水分等が拡散律速層１４に直接付着するのを防止しつつ排ガスが当該拡散律速層１４に到達するように多孔質材料で形成することができる。一般的には、トラップ層１５は、拡散律速層１４と同様の多孔質焼結体によって形成することができる。好ましくは、トラップ層１５は、拡散律速層１４と同様に、自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成することができる。
【００２６】
また、拡散律速層１４及びトラップ層１５のいずれかのみが自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成してもよい。あるいはまた、拡散律速層１４とトラップ層１５の両方が自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成してもよい。さらに、拡散律速層１４及びトラップ層１５は、異なる材料によって別々に形成してもよいし、あるいはまた同じ材料によって１つの層として一体的に形成してもよい。
【００２７】
［第１電極層及び第２電極層］
排ガス側電極層１２（第１電極層）及び基準側電極層１３（第２電極層）は、特に限定されないが、一般的には白金等の貴金属によって形成することができる。また、これらの電極層は、固体電解質層１１を少なくとも部分的に基準ガス及び排ガスに曝すことができる形状、例えばメッシュ等の形状を有することができるか又は複数の開口部を含む形状を有することができる。
【００２８】
また、排ガス側電極層１２と基準側電極層１３との間には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）（図示せず）に搭載された電圧印加装置２０によってセンサ印加電圧Ｖｒが印加される。加えて、ＥＣＵには、電圧印加装置２０によってセンサ印加電圧Ｖｒを印加したときに固体電解質層１１を介してこれらの電極層１２及び１３間に流れる電流を検出するための電流検出装置２１が設けられている。この電流検出装置２１によって検出される電流が空燃比センサ１０の出力電流Ｉｒである。
【００２９】
＜空燃比センサの動作＞
次に、図２を参照して、このように構成された空燃比センサ１０の動作の基本的な概念について説明する。図２は、空燃比センサ１０の動作を概略的に示した模式図である。使用時において、空燃比センサ１０は、トラップ層１５及び拡散律速層１４の外周面が排ガスに曝されるように配置されている。また、空燃比センサ１０の基準ガス室１７には大気が導入されている。
【００３０】
排ガス側電極層１２と基準側電極層１３との間には一定のセンサ印加電圧Ｖｒが印加されている。当該センサ印加電圧Ｖｒは、一般的には、図２（ａ）及び（ｂ）において示されるように、基準側電極層１３の電位が排ガス側電極層１２の電位よりも高くなるように印加されている。
【００３１】
ここで、図２（ａ）に示されるように、トラップ層１５及び拡散律速層１４を通過して排ガス側電極層１２に到達した排ガス中に過剰な酸素が含まれているとき、すなわち排ガス側電極層１２に到達した排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（約１４．６）よりもリーンであるときには、トラップ層１５及び拡散律速層１４を通過した排ガス中の酸素（Ｏ2）は、センサ印加電圧Ｖｒと固体電解質層１１の酸素ポンプ特性とによって酸素イオン（２Ｏ2-）として排ガス側電極層１２から固体電解質層１１中を通って基準側電極層１３へと移動する。
【００３２】
次いで、この酸素イオン（２Ｏ2-）は、基準側電極層１３で電子（ｅ-）を放出して、再び酸素（Ｏ2）に戻り、基準ガス室１７内に導かれる。なお、「酸素ポンプ特性」とは、固体電解質層の両側に電位差が与えられると、この電位差に応じて固体電解質層の両側で酸素濃度比が生じるように、酸素イオンの移動を引き起こそうとする特性をいうものである。
【００３３】
これに対し、図２（ｂ）に示されるように、トラップ層１５及び拡散律速層１４を通過して排ガス側電極層１２に到達した排ガス中に過剰な未燃物、例えば炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が含まれているとき、すなわち排ガス側電極層１２に到達した排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりもリッチであるときには、基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素（Ｏ2）が、固体電解質層１１の酸素電池特性によって酸素イオン（２Ｏ2-）として基準側電極層１３から固体電解質層１１中を通って排ガス側電極層１２へと移動する。
【００３４】
次いで、この酸素イオン（２Ｏ2-）は、排ガス側電極層１２で電子（ｅ-）を放出して、再び酸素（Ｏ2）に戻り、少なくともその一部は排ガス側電極層１２に到達した未燃物、すなわち炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）等と反応する。なお、「酸素電池特性」とは、酸素濃度の高い側から酸素濃度の低い側へ酸素イオンを移動させようとする起電力が発生する特性をいうものである。
【００３５】
このような酸素イオン（Ｏ2-）の移動量は、拡散律速層１４の存在により、当該拡散律速層１４に到達した排ガスの空燃比に応じた値に制限される。換言すると、当該酸素イオンの移動により生じる出力電流Ｉｒは排ガスの空燃比に応じた値（すなわち、限界電流ＩＬ）となる（図３を参照）。
【００３６】
したがって、上記のように構成された空燃比センサ１０では、図４に示されるように、空燃比と限界電流ＩＬがリニアな関係を示す出力特性が得られる。すなわち、空燃比センサ１０では、空燃比が大きくなるほど（すなわち、リーンになるほど）、空燃比センサ１０の限界電流ＩＬが大きくなる。加えて、空燃比センサ１０は、空燃比が理論空燃比であるときに限界電流ＩＬがゼロになるように構成される。それゆえ、この限界電流ＩＬの大きさを電流検出装置２１によって検出することで、排ガスの空燃比を知ることが可能である。
【００３７】
このように、空燃比センサ１０においては、拡散律速層１４及び任意選択のトラップ層１５の外周面が排ガスに曝されるようにして配置され、また、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５は、先に記載したとおり、アルミナ、ムライト等のセラミック材料で構成されている。したがって、本発明の制御装置において、排ガスセンサとして空燃比センサ１０を使用した場合には、排気管内で発生した水の付着による熱衝撃等のために当該空燃比センサ１０中の拡散律速層１４及びトラップ層１５において破損又は割れが生じるおそれがある。また、このような場合には、同様にジルコニア等のセラミック材料で構成されている固体電解質層１１においても破損又は割れが生じる可能性がある。
【００３８】
そこで、本実施態様によれば、拡散律速層１４及び任意選択のトラップ層１５は、自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成される。加えて、本実施態様では、固体電解質層１１は、自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成されてもよい。とりわけ、拡散律速層１４及び任意選択のトラップ層１５が自己治癒性セラミック材料を含むか、主成分が当該自己治癒性セラミック材料であるか、又は当該自己治癒性セラミック材料で構成することで、排ガス中の水分の付着によって拡散律速層１４及びトラップ層１５に破損又は割れが生じた場合においても、空燃比センサ１０周りにおける排ガスの雰囲気に依存することなしに又は空燃比センサ１０がフューエルカット運転時のような極端な酸化性雰囲気にさらされるのを待つことになしに、例えば、基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素を利用してこのような破損又は割れを修復（すなわち治癒）することが可能となる。その結果として、本実施態様によれば、空燃比センサ１０の初期の出力特性又はそれに近い出力特性を長期間にわたって維持することが可能となる。
【００３９】
［自己治癒性セラミック材料］
本発明によれば、自己治癒性セラミック材料は、セラミック母材、並びに当該セラミック母材中に分散された金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子を有する複合材料であってよい。
【００４０】
本発明によれば、このセラミック母材は、例えば、アルミナ、ムライト、酸化チタン、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料であってよい。
【００４１】
本発明によれば、この金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子は、例えば、炭化チタン、炭化ケイ素、炭化バナジウム、炭化ニオブ、炭化ホウ素、炭化タンタル、炭化タングステン、炭化ハフニウム、炭化クロム、炭化ジルコニウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される材料であってよい。
【００４２】
金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子は、１μｍ以下、７００ｎｍ以下、又は５００ｎｍ以下の粒子径を有することができる。また、金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子は、１０ｎｍ以上、５０ｎｍ以上、又は１００ｎｍ以上の粒子径を有することができる。金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子がこのような比較的小さい粒子径を有する場合には、当該微粒子の酸化による自己治癒機能の発現を容易にすることができる。
【００４３】
ここで、本発明において、粒子径とは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等によって撮影した画像を元に直接に投影面積円相当粒子径を計測し、集合数１００以上からなる粒子群を解析することで、数平均一次粒子径として求めることができる。
【００４４】
金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子は、上記のセラミック母材に対して１質量％以上、５質量％以上、又は１０質量％以上の割合で含有されていてよい。また、金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子は、上記のセラミック母材に対して７０質量％以下、５０質量％以下、又は３０質量％以下の割合で含有されていてよい。
【００４５】
次に、図５及び６を参照して、自己治癒性セラミック材料の自己治癒のメカニズムについて詳しく説明する。
【００４６】
図５は、拡散律速層１４及びトラップ層１５を概念的に示す断面図である。なお、図５では、拡散律速層１４及びトラップ層１５は、１つの層として一体的に形成されている。ここで、拡散律速層１４及びトラップ層１５は、図５（ａ）に示されるような気孔３１によって通気性を提供する多孔質層であってもよいし、あるいはまた、図５（ｂ）に示されるような微細な貫通孔３２によって通気性を提供する層であってもよい。
【００４７】
このような拡散律速層１４及びトラップ層１５が自己治癒性セラミック材料で構成されていることにより、例えば、使用の間に拡散律速層１４及びトラップ層１５に割れ等が生じて当該拡散律速層１４及びトラップ層１５における酸素の拡散速度が変化した場合であっても、自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能により、このような拡散速度の変化を少なくとも部分的に低減することができる。
【００４８】
例えば、このような効果は、図６で示されるように、拡散律速層１４及びトラップ層１５がセラミック母材３３並びに当該セラミック母材３３中に分散された金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子３４を有する自己治癒性セラミック材料で構成されかつ微細な貫通孔３２によって通気性を提供する場合に得ることが可能である。
【００４９】
より具体的に説明すると、当初は、図６（ａ）で示されるように、貫通孔３２を通る排ガスの拡散のみが生じている。その後、使用の間に排気管内において発生した水の付着による熱衝撃等のために、図６（ｂ）で示されるように拡散律速層１４及びトラップ層１５において割れ３５が生じ、それによって当該拡散律速層１４及びトラップ層１５における酸素の拡散速度が変化する場合がある。しかしながら、このような場合であっても、図６（ｃ）で示されるように、自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能によってこの割れ３５が塞がれ（図６（ｃ）中の３６）、それによって拡散速度の変化を少なくとも部分的に低減することができる。したがって、たとえ拡散律速層１４及びトラップ層１５において割れが生じても、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に含まれる自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能によってこのような割れを修復して当該拡散律速層１４及びトラップ層１５を確実に再生することが可能である。
【００５０】
次に、本発明の好ましい実施態様における拡散律速層１４及びトラップ層１５における再生処理操作についてより詳しく説明する。
【００５１】
＜再生処理操作１＞
空燃比センサ１０周りにおける排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりもリーンであるときには、図２（ａ）に関連して説明したとおり、トラップ層１５及び拡散律速層１４を通過した排ガス中の酸素（Ｏ2）が、センサ印加電圧Ｖｒと固体電解質層１１の酸素ポンプ特性とによって酸素イオン（２Ｏ2-）として排ガス側電極層１２から固体電解質層１１中を通って基準側電極層１３へと移動する。
【００５２】
このような条件下において、排気管内で発生した水の付着によってトラップ層１５及び拡散律速層１４に割れが生じたときには、リーン空燃比の値に依存してトラップ層１５及び拡散律速層１４を通過する酸素の量のみによっては必ずしも当該トラップ層１５及び拡散律速層１４における自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能を十分に働かせることができない場合がある。この場合には、当該自己治癒性セラミック材料を自己治癒させることができないか又は当該自己治癒性セラミック材料の自己治癒を促進させることができないため、トラップ層１５及び拡散律速層１４における酸素の拡散速度が変化して空燃比センサ１０の出力特性が大きく変化してしまうことになる。その結果として、当該空燃比センサ１０を利用した内燃機関の燃料供給系及び／又は排気系の正確かつ適切な制御を実施することができなくなる場合がある。
【００５３】
これに対し、本実施態様によれば、電圧印加装置２０によって排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間に印加される電圧を適切に制御することで、通常時よりも拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れる酸素量を大きくすることができ、特には自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な酸素量を拡散律速層１４及びトラップ層１５に流通させることが可能である。その結果として、自己治癒性セラミック材料中の治癒発現材料が酸化及び膨張して割れを充填することによって拡散律速層１４及びトラップ層１５を確実に再生することができるか又は当該拡散律速層１４及びトラップ層１５の再生を促進させることができる。
【００５４】
好ましくは、このような再生処理は、空燃比センサ１０の出力電流Ｉｒがマイナスの値を示すように（図３及び４を参照）、すなわち基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素が、基準側電極層１３、固体電解質層１１及び排ガス側電極層１２を介して拡散律速層１４及びトラップ層１５に導入されるように排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間により低い電圧を印加することにより実施される。
【００５５】
より好ましくは、このような再生処理は、図７に示すように、排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間に印加される電圧を負電圧にすること、すなわち排ガス側電極層１２（第１電極層）の電位が基準側電極層１３（第２電極層）の電位よりも高くなるように電圧印加装置２０によって排ガス側電極層１２（第１電極層）と基準側電極層１３（第２電極層）の間に電圧を印加することを含む。これにより、基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素に電圧印加装置２０からの電子を基準側電極層１３側で強制的に付与することができる。そして、得られた酸素イオンは、酸素イオン伝導性の固体電解質層１１を通って排ガス側電極層１２において電子を放出して再び酸素に戻り、そうして得られた酸素が自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な量で以って当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に導入される。
【００５６】
なお、本実施態様において「通常時よりも拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れる酸素量が大きい」という表現は、一般的には拡散律速層１４及び／又はトラップ層１５が破損したとき又はその直前の空燃比において当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れている酸素量よりも大きいことを意味する。あるいはまた、当該表現は、通常走行時において空燃比センサ１０によって排ガスの酸素濃度又は空燃比の検出又は測定が行われている場合に、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れている酸素量の最大値よりも大きいことを意味することもできる。例えば、当該表現は、空燃比（Ａ／Ｆ）が２０又はそれよりも大きな特定の空燃比に相当する酸素量よりも大きいことを意味することができる。本実施態様では、例えば、上記のように、排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間に印加される電圧を負電圧にすることで、確実に通常時よりも拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れる酸素量を大きくすることが可能である。
【００５７】
なお、通常時よりも拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れる酸素量が大きいか否かの判断に際し、酸素が流れる方向は特に考慮されない。すなわち、通常時よりも拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れる酸素量が大きいか否かの判断は、酸素が排ガス側電極層１２から拡散律速層１４及びトラップ層１５に流れるか又は拡散律速層１４及びトラップ層１５から排ガス側電極層１２に流れるかに関係なく、通常時の酸素量の絶対値と再生処理時の酸素量の絶対値を単に比較することにより行われる。
【００５８】
一方、空燃比センサ１０周りにおける排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比よりもリッチであるときには、図２（ｂ）に関連して説明したとおり、基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素（Ｏ2）が、固体電解質層１１の酸素電池特性によって酸素イオン（２Ｏ2-）として基準側電極層１３から固体電解質層１１中を通って排ガス側電極層１２へと移動する。そして、この酸素イオン（２Ｏ2-）は、排ガス側電極層１２において電子（ｅ-）を放出して、再び酸素（Ｏ2）に戻る。
【００５９】
しかしながら、このようにして排ガス側電極層１２で生成した酸素の量は一般に非常に少ない。しかも、その一部又は全部は、排ガス側電極層１２に到達した排ガス中に含まれるＨＣ及びＣＯ等の未燃物と反応してしまう。したがって、このような条件下において、排気管内で発生した水の付着によってトラップ層１５及び拡散律速層１４に破損又は割れが生じたとしても、当該トラップ層１５及び拡散律速層１４における自己治癒性セラミック材料を自己治癒させるのに十分な酸素量を確保できない場合がある。この場合には、空燃比センサ１０を利用した内燃機関の燃料供給系及び／又は排気系の正確かつ適切な制御を実施することができなくなる。
【００６０】
これに対し、本実施態様によれば、電圧印加装置２０によって排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間に印加される電圧を適切に制御すること、好ましくはリーン空燃比の場合と同様に排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間により低い電圧を印加すること、より好ましくは負電圧を印加することによって基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素に電圧印加装置２０からの電子を基準側電極層１３側で強制的に付与することができる（図７を参照）。
【００６１】
その結果として、リッチ空燃比の値に依存して基準側電極層１３側で得られる酸素イオンよりも多くの酸素イオンを生成することができる。そして、生成した酸素イオンは、酸素イオン伝導性の固体電解質層１１を通って排ガス側電極層１２で電子を放出して再び酸素に戻り、自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な量で以って拡散律速層１４及びトラップ層１５に導入することが可能である。したがって、自己治癒性セラミック材料中の治癒発現材料が酸化及び膨張して割れ１９を充填することによって拡散律速層１４及びトラップ層１５を確実に再生することができるか又は当該拡散律速層１４及びトラップ層１５の再生を促進させることができる。
【００６２】
空燃比センサ１０周りにおける排ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比（約１４．６）であるときには、空燃比センサ１０内へ流入する酸素及び未燃ガスの量が化学当量比となっている。その結果として、固体電解質層１１の両側面間の酸素濃度比は変動せずに、センサ印加電圧Ｖｒに対応した酸素濃度比のまま維持される。このため、酸素ポンプ特性による酸素イオンの移動は起こらず、図３において示されるように、空燃比センサの出力電流Ｉｒはゼロとなる。
【００６３】
このような条件下では、基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素を、基準側電極層１３、固体電解質層１１及び排ガス側電極層１２を介して拡散律速層１４及びトラップ層１５に供給することはできない。したがって、このような場合には、水の付着等により当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に割れが生じたとしても、自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能を十分に働かせることができないことがある。
【００６４】
しかしながら、本実施態様によれば、このような場合においても、電圧印加装置２０によって排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間に印加される電圧を適切に制御すること、好ましくはリーン空燃比及びリッチ空燃比の場合と同様に排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間により低い電圧を印加すること、より好ましくは負電圧を印加することによって基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素に電圧印加装置２０からの電子を基準側電極層１３側で強制的に付与することができる（図７を参照）。
【００６５】
その結果として、基準側電極層１３側で多くの酸素イオンを生成することができ、そうして生成した酸素イオンを、酸素イオン伝導性の固体電解質層１１を通して排ガス側電極層１２へと移動させそして当該排ガス側電極層１２側で電子を放出させて再び酸素に戻し、当該酸素を自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な量で以って拡散律速層１４及びトラップ層１５に導入することが可能である。したがって、自己治癒性セラミック材料中の治癒発現材料が酸化及び膨張して割れ１９を充填することによって拡散律速層１４及びトラップ層１５を確実に再生することができるか又は当該拡散律速層１４及びトラップ層１５の再生を促進させることができる。
【００６６】
それゆえ、本実施態様によれば、空燃比センサ１０周りにおける排ガスの雰囲気に依存することなしに又は空燃比センサ１０がフューエルカット運転時のような極端な酸化性雰囲気にさらされるのを待つことになしに、例えば、基準ガス室１７内の基準ガス中に含まれる酸素を利用して、拡散律速層１４及びトラップ層１５に生じた破損又は割れを確実に再生することができるか又はその再生を促進することができる。その結果として、本実施態様によれば、空燃比センサ１０の初期の出力特性又はそれに近い出力特性を長期間にわたって維持することが可能となる。
【００６７】
上記の再生処理は、拡散律速層１４及びトラップ層１５の破損又は割れの程度、当該当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に含まれる自己治癒性セラミック材料の特性等に応じて、適切な印加電圧及び時間において実施することができる。特に限定されないが、例えば、当該再生処理は、一般的には−１．０以上０．４５Ｖ（理論空燃比に相当する電位差）未満、好ましくは−１．０以上０Ｖ未満の印加電圧において５秒〜２分の時間にわたって実施することができる。
【００６８】
この再生処理は、自己治癒性セラミック材料を含む層である拡散律速層１４及びトラップ層１５の温度が５５０℃以上である場合に実施することが好ましい。
【００６９】
拡散律速層１４及びトラップ層１５の温度が５５０℃よりも低い場合には、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に含まれる自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能を十分に働かせることができないか又は当該自己治癒性セラミック材料の自己治癒を促進させることができない場合がある。したがって、本実施態様においては、拡散律速層１４及びトラップ層１５の温度は、一般的には５５０℃以上、特には６００℃以上、６５０℃以上、７００℃以上、７５０℃以上、８００℃以上、８５０℃以上、９００℃以上、９５０℃以上又は１，０００℃以上であることが好ましい。また、この温度は、一般的には１，５００℃以下、特には１，４００℃以下、１，３００℃以下、１，２００℃以下、１，１００℃以下であることが好ましい。このような温度において再生処理を実施することで、自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能を十分に働かせることができるか又は当該自己治癒性セラミック材料の自己治癒を促進させることができる。
【００７０】
本発明によれば、自己治癒性セラミック材料を含む層である拡散律速層１４及びトラップ層１５の温度が５５０℃未満である場合には、再生処理を実施する前に当該温度を任意選択の電気ヒータ１８によって上記の温度範囲、例えば５５０℃以上、特には６００℃以上、及び／又は１，５００℃以下、特には１，４００℃以下に加熱することが好ましい。なお、拡散律速層１４及びトラップ層１５の温度は、例えば、空燃比センサ１０の上流側又は下流側排気通路内に取り付けられた温度センサ等によって検出することが可能である。
【００７１】
本発明によれば、再生処理は、定期的に実施することができ、好ましくは内燃機関の始動後又は停止後に所定の時間にわたり実施することができる。
【００７２】
内燃機関の始動後又は停止後は、排ガス中の水蒸気が排気管等で急激に冷やされて凝縮しあるいは排ガス中で細かい水滴を形成することがある。それゆえ、内燃機関の始動後又は停止後は、被水によって空燃比センサ１０、特には拡散律速層１４及びトラップ層１５に破損又は割れの生じる可能性が当該内燃機関の通常運転時の場合と比較して極めて高い。したがって、このようなタイミングにおいて自己治癒性セラミック材料の再生処理を定期的に所定の時間、例えば５秒〜２分の時間にわたって実施することで、拡散律速層１４及びトラップ層１５の破損又は割れを比較的早期に修復又は治癒することが可能である。
【００７３】
加えて、拡散律速層１４及びトラップ層１５の破損又は割れを比較的早期に修復又は治癒することで、再生処理に要する時間を短縮することが可能である。本発明の制御装置では、先に説明したとおり、再生処理の間、空燃比センサ１０には、当該空燃比センサ１０の通常操作の場合とは異なる電圧が印加される。
【００７４】
とりわけ、再生処理において排ガス側電極層１２と基準側電極層１３の間に負電圧を印加した場合には、図３において示されるように、センサ印加電圧Ｖｒに比例して出力電流Ｉｒが変化するため、いわゆる限界電流ＩＬは生じない。したがって、この場合、再生処理の間は空燃比センサ１０の本質的な機能、すなわち限界電流ＩＬの値を測定することによって排ガスの空燃比を検出する機能が失われることになる。それゆえ、拡散律速層１４及びトラップ層１５に破損又は割れが生じる可能性が高い条件下において定期的に再生処理を実施して当該再生処理に要する時間を短縮することは、空燃比センサ１０を利用した内燃機関の燃料供給系及び／又は排気系の正確かつ適切な制御を実施する上で非常に有利である。
【００７５】
上記のとおり、再生処理の間は空燃比センサ１０のセンサとしての機能が失われる場合がある。したがって、当該再生処理は、例えば、空燃比センサの機能が求められないタイミングにおいて実施してもよい。特に限定されないが、例えば、当該再生処理は、フューエルカット中や、フューエルカット後のリッチ制御等の時点において実施することも可能である。
【００７６】
再生処理を定期的に実施することに加えて又はそれに代えて、当該再生処理は、自己治癒性セラミック材料を含む層である拡散律速層１４及びトラップ層１５が破損したと判断した場合に実施することができる。好ましくは、再生処理は、空燃比センサ１０からの出力値が所定の範囲内にない場合に、拡散律速層１４及びトラップ層１５が破損したと判断して所定の時間にわたり実施することができる。
【００７７】
例えば、拡散律速層１４及びトラップ層１５に破損又は割れが生じた場合には、拡散律速層１４及びトラップ層１５における酸素の拡散速度が変化する場合がある。この場合には、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５を介して固体電解質層１１に供給される酸素の量が変化して空燃比センサ１０の出力特性が大きく変化してしまうことになる。より具体的には、拡散律速層１４及びトラップ層１５における酸素の拡散速度が速くなり、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５を介して固体電解質層１１に供給される酸素の量が多くなるため、それに応じて空燃比センサ１０の出力電流Ｉｒの値が一般に大きくなる。したがって、例えば、当該空燃比センサ１０の出力電流Ｉｒが所定の値、例えば２０ｍＡ（既存の空燃比センサに関する値）よりも大きくなった場合には、拡散律速層１４及びトラップ層１５が破損したと判断して、再生処理を所定の時間、例えば５秒〜２分の時間にわたって実施することが可能である。なお、このような電流値は、空燃比センサ１０の電極面積等によって定まる適合値である。
【００７８】
＜再生処理操作２＞
次に、自己治癒性セラミック材料の自己治癒を効率よくかつ確実に実施することができる本発明による排ガスセンサの制御装置のさらに好ましい実施態様について詳しく説明する。
【００７９】
先に記載したとおり、拡散律速層１４及びトラップ層１５に破損又は割れが生じた場合には、拡散律速層１４及びトラップ層１５における酸素の拡散速度が速くなり、それゆえ当該拡散律速層１４及びトラップ層１５を介して固体電解質層１１に供給される酸素の量が多くなる。その結果、空燃比センサ１０の出力電流Ｉｒの値は、正常出力時の値（図８の（ｃ））と比較して一般に大きくなる（図８の（ａ）を参照）。例えば、拡散律速層１４及びトラップ層１５の破損又は割れの程度が比較的大きい場合には、たとえ先に説明した通常の再生処理操作を実施したとしても、実際には当該破損又は割れの一部のみしか再生又は治癒されない場合があり得る。このような場合には、空燃比センサ１０の出力電流Ｉｒは、正常出力時の値までは回復しない（図８の（ｂ）を参照）。
【００８０】
そこで、本発明のさらに好ましい実施態様によれば、通常の再生処理前後の空燃比センサ１０からの出力値を比較し、それらの出力値の差が所定の範囲内にない場合には、更なる再生処理が実施される。より具体的には、再生処理前のフューエルカット時における空燃比センサ１０からの出力値と当該再生処理後のフューエルカット時における空燃比センサ１０からの出力値との差が所定の範囲内にない場合には、更なる再生処理を実施することができる。
【００８１】
図９は、空燃比センサを使用した場合における本発明による排ガスセンサの制御装置の再生処理操作を示すフローチャートである。
【００８２】
図９を参照すると、まず初めにステップ１００では、空燃比センサ１０の上流側又は下流側排気通路内に取り付けられた温度センサ等によって検出される拡散律速層１４及びトラップ層１５の温度ＴAが、当該拡散律速層１４及びトラップ層１５に含まれる自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能を十分に働かせることができる所定の温度Ｔ1に達しているか否かが判定され、ＴA≧Ｔ1の場合はステップ１０１に進んで再生処理が、例えば所定の時間にわたり実施される。ここで、温度Ｔ1としては、例えば、先に記載したとおり５５０℃と設定することができる。一方で、ステップ１００において、ＴA＜Ｔ1の場合には、再生処理は実施せずにルーチンを終了する。
【００８３】
ステップ１０１における所定時間の再生処理が終了した後、ステップ１０２において、フューエルカット（Ｆ／Ｃ）中であるか否かが判定され、フューエルカット中である場合にはステップ１０３に進む。ステップ１０３では、空燃比センサ１０の温度ＴBが、当該空燃比センサ１０が活性化される所定の温度Ｔ2に達しているか否かが判定され、ＴB≧Ｔ2の場合はステップ１０４に進む。一方で、ステップ１０３において、ＴB＜Ｔ2の場合には、ステップ１０５に進み、空燃比センサ１０を活性化させるために電気ヒータ１８をオンにする。ここで、空燃比センサ１０の活性化温度Ｔ2としては、特に限定されないが、一般的には５００℃、特には６００℃と設定することができる。
【００８４】
次に、ステップ１０４において空燃比センサ１０の出力学習を行う。具体的には、ステップ１０４においてフューエルカット中の空燃比センサ１０からの出力電流ＩｒAの値を記憶する。次いで、ステップ１０６において、それを前回のフューエルカット時に記憶した空燃比センサ１０からの出力電流ＩｒBの値と比較する。そして、それらの出力電流値の差ΔＩｒがΔＩｒ≦Ｉ1である場合には、空燃比センサ１０からの出力電流ＩｒAの値が正常であると判断してステップ１０７に進む。一方で、ΔＩｒ＞Ｉ1である場合には、再生処理操作が完了していないと判断して再度ステップ１００に戻る。そして、更なる再生処理が実施され、空燃比センサ１０からの出力電流値が正常に戻るまで同じ操作が繰り返される。最後に、ステップ１０７では、電気ヒータがオフであるか否かが判定され、電気ヒータがオフの場合にはそのままルーチンを終了する。一方で、電気ヒータがオンの場合には、ステップ１０８において電気ヒータをオフにした後、ルーチンを終了する。なお、電気ヒータは、空燃比センサ１０の温度ＴBが所定の温度、例えば１０００℃に達した場合にオフとしてもよい。
【００８５】
このような制御を実施することで、先の再生処理操作によって拡散律速層１４及びトラップ層１５の破損又は割れが十分に再生又は治癒されていない場合でも、後の再生処理操作によって効率よくかつ確実に当該破損又は割れを再生又は治癒することが可能となる。また、このような再生処理操作によって治癒された拡散律速層１４及びトラップ層１５中の自己治癒性セラミック材料では、当該治癒による微小な気孔率の変化のためにその特性、例えば拡散係数が変化する場合がある。そして、当該自己治癒性セラミック材料の拡散係数が変化した場合には、空燃比センサ１０の出力特性もわずかに変化するものと考えられる。したがって、上記の制御を実施することで、治癒による自己治癒性セラミック材料の特性変化についても学習することが可能となる。
【００８６】
なお、本実施態様では、再生処理前後のフューエルカット時における空燃比センサ１０からの出力電流値が比較されているが、フューエルカット時の出力電流値を比較すること自体は必ずしも重要ではなく、再生処理の前後で空燃比センサ１０が同じ雰囲気にさらされている任意の時点の出力電流値を比較することが可能である。しかしながら、排ガスの雰囲気は、自動車の走行条件等によって大きく変動するため、内燃機関の通常運転時において再生処理の前後で空燃比センサ１０が同じ雰囲気にさらされる条件を見出すことは非常に困難である。したがって、本実施態様では、上記のとおり、再生処理の前後で空燃比センサ１０が確実に同じ雰囲気にさらされるフューエルカット時における空燃比センサ１０からの出力電流値を比較することが好ましい。
【００８７】
＜タイムチャートを用いた制御の説明＞
図１０を参照して、上述したような操作について具体的に説明する。図１０は、空燃比センサを使用した場合における本発明による排ガスセンサの制御装置の再生処理操作を示すタイムチャートである。
【００８８】
まず初めに時刻ｔ1〜ｔ2において、センサ印加電圧Ｖｒを負電圧にすることにより通常の再生処理が実施される。次いで、時刻ｔ3でフューエルカット制御が開始され、空燃比センサ１０周りの雰囲気が理論空燃比（ストイキ）から大気に変更される。次いで、時刻ｔ4〜ｔ5において空燃比センサ１０の出力学習をオンにし、その際の当該空燃比センサ１０からの出力値を記憶する。
【００８９】
次に、フューエルカット制御が終了して通常運転が開始された後、時刻ｔ6〜ｔ7において再びセンサ印加電圧Ｖｒを負電圧にすることにより通常の再生処理が実施される。次いで、時刻ｔ8でフューエルカット制御が開始され、空燃比センサ１０周りの雰囲気が理論空燃比（ストイキ）から大気に変更される。次いで、時刻ｔ9〜ｔ10において空燃比センサ１０の出力学習をオンにし、その際の当該空燃比センサ１０からの出力値と前回のフューエルカット時に記憶した出力値とを比較する。そして、それらの出力値の差（図１０中のＡ）が所定の範囲内にない場合には、ｔ11〜ｔ12において更なる再生処理が実施される。図１０の例では、再生処理を確実に完了させ又は促進させるために、先の通常の再生処理よりも長い時間にわたって更なる再生処理が実施されている。
【００９０】
なお、本明細書では、理解を容易にするため、排ガスセンサにおける拡散律速層、さらには任意選択のトラップ層が自己治癒性セラミック材料を含む実施態様について詳しく説明した。しかしながら、本発明の制御装置は、拡散律速層等が自己治癒性セラミック材料を含む場合だけでなく、固体電解質層が自己治癒性セラミック材料を含む場合についても適用することが可能である。この場合には、再生処理は、固体電解質層の両側に配置された第１及び第２電極層間に印加する電圧を適切に制御して、当該固体電解質層中の自己治癒性セラミック材料の自己治癒を達成又は促進させるのに十分な酸素量を当該固体電解質層に流通させるように実施することができる。これにより、被水等によって固体電解質層に破損又は割れが生じた場合においても、当該固体電解質層に含まれる自己治癒性セラミック材料の自己治癒機能によってこのような破損又は割れを修復して当該固体電解質層を確実に再生することが可能である。
【００９１】
同様に、本明細書では、理解を容易にするため、排ガスセンサとして空燃比センサ、特には１セル型の空燃比センサを使用した場合の制御装置についてより詳しく説明した。しかしながら、本発明の制御装置は、このような特定の実施態様には限定されず、酸素ポンプセルと、酸素濃度検出セルである起電力セルとを備えたいわゆる２セル型の空燃比センサについても適用することが可能である。また、本発明の制御装置は、例えば、固体電解質層、当該固体電解質層の両側に配置された一対の電極層、及び拡散律速層を備え、当該固体電解質層と当該拡散律速層のうち少なくとも一方がセラミック材料を含み、さらにはこれらの電極層間に電圧を印加することができる任意の排ガスセンサについて適用することが可能である。このような排ガスセンサとしては、上記の空燃比センサ以外にも、酸素センサやＮＯｘセンサを挙げることができる。
【００９２】
例えば、酸素センサは、空燃比がリッチかリーンかに応じて出力値が変化するものであり、一般的には、固体電解質であるＺｒＯ2（ジルコニア）を大気に接触する基準電極と排ガスに接触する測定電極とで挟み両電極の酸素濃度差に応じて発生する起電力を検出するものである。したがって、酸素センサは、その検出原理からすると、電極間に電圧を印加する必要はない。しかしながら、一般に使用されている酸素センサでは、センサ抵抗に基づいて酸素センサの温度制御が行われており、それゆえ当該酸素センサには、センサ抵抗を測定するために定期的にパルス電圧を印加する回路が基本的に組み込まれている。したがって、酸素センサを本発明による排ガスセンサの制御装置に適用した場合には、このような回路を利用して電極間に電圧を適切に印加し又はその電圧を制御することで、当該酸素センサにおける拡散律速層、さらには固体電解質層に生じた破損又は割れを確実に再生又は修復することが可能である。
【符号の説明】
【００９３】
１０    空燃比センサ
１１    固体電解質層
１２    排ガス側電極層（第１電極層）
１３    基準側電極層（第２電極層）
１４    拡散律速層
１５    トラップ層
１６    ヒータ部
１７    基準ガス室
１８    電気ヒータ
１９    割れ
２０    電圧印加装置
２１    電流検出装置
３１    気孔
３２    貫通孔
３３    セラミック母材
３４    金属及び／又は半金属の炭化物の微粒子
３５    割れ
３６    自己治癒によって塞がれた割れ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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