(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、上記センサセルの出力電流がプラス側からマイナス側に変化するよう、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４１６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
本発明は、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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、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、上記センサセルの出力電流がプラス側からマイナス側に変化するよう、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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
本形態のガスセンサ１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。
【００２９】
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１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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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秒とすることもできる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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）。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
（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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
（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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【符号の説明】
【００６０】
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
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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