特開 2024-119106 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024119106

(43)【公開日】2024-09-03

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/419 20060101AFI20240827BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

G01N27/419 327R

G01N27/419

G01N27/419 327B

G01N27/419 327E

G01N27/416 331

G01N27/416 321

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023025751

(22)【出願日】2023-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥村 英正

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 悠介

(72)【発明者】

【氏名】橋川 凌

(57)【要約】

【課題】センサ素子のライトオフ時間を十分に短縮する。
【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御装置とを備える。制御装置は、センサ素子１０１の通常駆動時には電圧Ｖ２が通常時目標値になるように測定用ポンプセル４１を制御して第３内部空所６１の酸素濃度を調整する通常時測定用ポンプ制御処理を行う。制御装置は、通常駆動時より前のセンサ素子１０１の起動時には、電圧Ｖ２が通常時目標値よりも高い起動時目標値になるように測定用ポンプセル４１を制御して第３内部空所６１の酸素濃度を調整する起動時測定用ポンプ制御処理を行う。制御装置は、通常時測定用ポンプ制御処理によって測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。制御装置は、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値が小さくなる傾向に、起動時目標値を設定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた外側測定電極と、前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極と、を有し、前記内側測定電極の周囲と前記外側測定電極の周囲との間で酸素の汲み出し及び汲み入れを行う測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
前記基準電極と前記内側測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出センサセルと、
を有するセンサ素子と、
前記センサ素子の通常駆動時には前記測定用電圧が通常時目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素濃度を調整する通常時測定用ポンプ制御処理を行い、前記通常駆動時より前の前記センサ素子の起動時には、前記測定用電圧が前記通常時目標値よりも高い起動時目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素濃度を調整する起動時測定用ポンプ制御処理を行うポンプセル制御部と、
前記通常時測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出部と、
を備え、
前記ポンプセル制御部は、前記被測定ガス中の酸素濃度が低いほど前記起動時目標値が小さくなる傾向に、前記起動時目標値を設定する、
ガスセンサ。

【請求項2】

請求項１に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部、
を備え、
前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が検出した前記酸素濃度に基づいて、前記起動時目標値を設定する、
ガスセンサ。

【請求項3】

請求項２に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた酸素濃度検出用電極と、
前記基準電極と前記酸素濃度検出用電極との間の電圧を検出する酸素濃度検出用センサセルと、
を備え、
前記酸素濃度検出部は、前記酸素濃度検出用センサセルの前記電圧に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する、
ガスセンサ。

【請求項4】

前記酸素濃度検出部は、前記被測定ガス中の酸素濃度の検出として、前記酸素濃度検出用センサセルの前記電圧に基づいて前記被測定ガスがリッチ雰囲気とリーン雰囲気とのいずれであるかの判定を行い、
前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリッチ雰囲気であると判定した場合には、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリーン雰囲気であると判定した場合と比べて前記起動時目標値を小さい値に設定する、
請求項３に記載のガスセンサ。

【請求項5】

請求項２に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガス流通部のうち前記測定室の上流側に設けられた酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセル、
を備え、
前記酸素濃度検出部は、前記調整用ポンプセルが前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整するときに流れる調整用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する、
ガスセンサ。

【請求項6】

前記酸素濃度検出部は、前記被測定ガス中の酸素濃度の検出として、前記調整用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガスがリッチ雰囲気とリーン雰囲気とのいずれであるかの判定を行い、
前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリッチ雰囲気であると判定した場合には、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリーン雰囲気であると判定した場合と比べて前記起動時目標値を小さい値に設定する、
請求項５に記載のガスセンサ。

【請求項7】

請求項２～６のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記被測定ガス中の酸素濃度と前記起動時目標値との対応関係を記憶する記憶部、
を備え、
前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が検出した前記酸素濃度と前記記憶部に記憶された前記対応関係とに基づいて、前記起動時目標値を設定する、
ガスセンサ。

【請求項8】

前記ポンプセル制御部は、前記起動時測定用ポンプ制御処理から前記通常時測定用ポンプ制御処理への切り替えを行う際に、前記測定用電圧の目標値を前記起動時目標値から前記通常時目標値に徐々に切り替える、
請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む素子本体を有するセンサ素子と、素子本体の内部の測定室に配設された内側測定電極を有する測定用ポンプセルと、基準ガスと接触するように素子本体の内部に配設された基準電極と、基準電極と内側測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出センサセルと、を備えたガスセンサが記載されている。このガスセンサでは、センサ素子の通常駆動時には測定用電圧が通常時目標値になるように測定用ポンプセルを制御して測定室の酸素を汲み出す通常時測定用ポンプ制御処理が行われる。また、通常駆動時より前のセンサ素子の起動時には、測定用電圧が通常時目標値よりも高い起動時目標値になるように測定用ポンプセルを制御して測定室の酸素を汲み出す起動時測定用ポンプ制御処理が行われる。そして、通常時測定用ポンプ制御処理によって測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が検出される。このように、通常駆動時より前のセンサ素子の起動時に起動時測定用ポンプ制御処理が行われることで、センサ素子の起動前から測定室に存在する酸素を速やかに測定室から除去することができる。これにより、センサ素子の起動時から測定用ポンプ電流が被測定ガス中の特定ガス濃度に対応する値になるまでの時間であるライトオフ時間を短くすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－０９１６６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、起動時測定用ポンプ制御処理を行った場合でも、ライトオフ時間を短くする効果が十分高くならない場合があった。本発明者らが検討したところ、被測定ガス中の酸素濃度に応じて起動時測定用ポンプ制御処理によるライトオフ時間の短縮効果が変化することが判明した。

【0005】

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、センサ素子のライトオフ時間を十分に短縮することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

［１］本発明のガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた外側測定電極と、前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極と、を有し、前記内側測定電極の周囲と前記外側測定電極の周囲との間で酸素の汲み出し及び汲み入れを行う測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
前記基準電極と前記内側測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出センサセルと、
を有するセンサ素子と、
前記センサ素子の通常駆動時には前記測定用電圧が通常時目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素濃度を調整する通常時測定用ポンプ制御処理を行い、前記通常駆動時より前の前記センサ素子の起動時には、前記測定用電圧が前記通常時目標値よりも高い起動時目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素濃度を調整する起動時測定用ポンプ制御処理を行うポンプセル制御部と、
前記通常時測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出部と、
を備え、
前記ポンプセル制御部は、前記被測定ガス中の酸素濃度が低いほど前記起動時目標値が小さくなる傾向に、前記起動時目標値を設定する、
ものである。

【0008】

このガスセンサでは、センサ素子の通常駆動時には、測定用電圧が通常時目標値になるように測定用ポンプセルを制御して測定室の酸素濃度を調整する通常時測定用ポンプ制御処理が行われる。そして、通常時測定用ポンプ制御処理によって測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が検出される。また、このガスセンサでは、通常駆動時より前のセンサ素子の起動時には、測定用電圧が通常時目標値よりも高い起動時目標値になるように測定用ポンプセルを制御して測定室の酸素濃度を調整する起動時測定用ポンプ制御処理が行われる。すなわち、起動時測定用ポンプ制御処理では、測定室の酸素濃度の目標値を通常駆動時よりも低い値として、測定室の酸素濃度を調整する。これにより、センサ素子の起動時から通常時測定用ポンプ制御処理を行う場合と比較して、センサ素子の起動前から測定室に存在する酸素を速やかに測定室から除去することができる。したがって、センサ素子のライトオフ時間が短くなる。

【0009】

さらに、このガスセンサでは、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値が小さくなる傾向に起動時目標値が設定される。ここで、起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理への切り替え時には、測定用電圧の目標値が起動時目標値から通常時目標値に切り替わるから、測定室の酸素濃度の目標値が高い値に切り替わることになる。このとき、被測定ガス中の酸素濃度が低いと、測定室の酸素濃度が切り替え後の通常時目標値に対応する値になるまで通常時測定用ポンプ制御処理によって多くの酸素を測定室に汲み入れる必要があり、測定室の酸素濃度が通常時目標値に対応する値に到達するまでの時間が長くなる。そのため、被測定ガス中の酸素濃度に関わらず同じ値の起動時目標値を用いると、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合にライトオフ時間の短縮効果が不十分になる場合がある。これに対して、本発明のガスセンサでは、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値が小さくなる傾向に起動時目標値が設定される。すなわち、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値が通常時目標値に近くなる傾向に起動時目標値が設定される。これにより、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合に、通常時測定用ポンプ制御処理に切り替わってから測定室に汲み入れる必要がある酸素の量を少なくすることができる。したがって、被測定ガス中の酸素濃度に関わらず同じ値の起動時目標値を用いる場合と比較して、ライトオフ時間を十分に短縮することができる。

【0010】

ここで、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合には、被測定ガス中の酸素濃度が負の値である場合（被測定ガスがリッチ雰囲気である場合）も含む。また、センサ素子の起動前から測定室に存在する酸素としては、例えば、測定室内の空間に存在する酸素分子（Ｏ₂），内側測定電極の表面に付着した酸素分子（Ｏ₂），及び内側測定電極の構成材料と結合している（構成材料を酸化させている）酸素，が挙げられる。

【0011】

［２］上述したガスセンサ（前記［１］に記載のガスセンサ）は、前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部、を備え、前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が検出した前記酸素濃度に基づいて、前記起動時目標値を設定してもよい。こうすれば、被測定ガス中の酸素濃度を本発明のガスセンサが検出できるから、本発明のガスセンサとは別のセンサによって検出された酸素濃度を取得する必要がない。

【0012】

［３］上述したガスセンサ（前記［２］に記載のガスセンサ）は、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた酸素濃度検出用電極と、前記基準電極と前記酸素濃度検出用電極との間の電圧を検出する酸素濃度検出用センサセルと、を備え、前記酸素濃度検出部は、前記酸素濃度検出用センサセルの前記電圧に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を検出してもよい。

【0013】

［４］上述したガスセンサ（前記［３］に記載のガスセンサ）において、前記酸素濃度検出部は、前記被測定ガス中の酸素濃度の検出として、前記酸素濃度検出用センサセルの前記電圧に基づいて前記被測定ガスがリッチ雰囲気とリーン雰囲気とのいずれであるかの判定を行い、前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリッチ雰囲気であると判定した場合には、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリーン雰囲気であると判定した場合と比べて前記起動時目標値を小さい値に設定してもよい。

【0014】

［５］上述したガスセンサ（前記［２］に記載のガスセンサ）は、前記被測定ガス流通部のうち前記測定室の上流側に設けられた酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセル、を備え、前記酸素濃度検出部は、前記調整用ポンプセルが前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整するときに流れる調整用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を検出してもよい。

【0015】

［６］上述したガスセンサ（前記［５］に記載のガスセンサ）において、前記酸素濃度検出部は、前記被測定ガス中の酸素濃度の検出として、前記調整用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガスがリッチ雰囲気とリーン雰囲気とのいずれであるかの判定を行い、前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリッチ雰囲気であると判定した場合には、前記酸素濃度検出部が前記被測定ガスがリーン雰囲気であると判定した場合と比べて前記起動時目標値を小さい値に設定してもよい。

【0016】

［７］上述したガスセンサ（前記［２］～［６］のいずれかに記載のガスセンサ）は、前記被測定ガス中の酸素濃度と前記起動時目標値との対応関係を記憶する記憶部、を備え、前記ポンプセル制御部は、前記酸素濃度検出部が検出した前記酸素濃度と前記記憶部に記憶された前記対応関係とに基づいて、前記起動時目標値を設定してもよい。

【0017】

［８］上述したガスセンサ（前記［１］～［７］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記ポンプセル制御部は、前記起動時測定用ポンプ制御処理から前記通常時測定用ポンプ制御処理への切り替えを行う際に、前記測定用電圧の目標値を前記起動時目標値から前記通常時目標値に徐々に切り替えてもよい。こうすれば、測定用電圧の目標値を起動時目標値から通常時目標値に瞬時に切り替える場合と比較して、起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理への切り替え時に測定室に酸素を汲み入れるべく流れる測定用ポンプ電流が大きくなりにくい。これにより、ライトオフ時間をより一層短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】ガスセンサ１００の断面模式図。

【図2】制御装置９０と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図。

【図3】起動時制御処理の一例を示すフローチャート。

【図4】起動時制御処理及び通常時制御処理の実行中のポンプ電流Ｉｐ２の一例を示すグラフ。

【図5】変形例のセンサ素子２０１の断面模式図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、制御装置９０と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ１００は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられている。ガスセンサ１００は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中のＮＯｘなどの特定ガスの濃度を検出する。ガスセンサ１００は、長尺な直方体形状をしたセンサ素子１０１と、センサ素子１０１の一部を含んで構成される各セル２１，４１，５０，８０～８３と、センサ素子１０１の内部に設けられたヒータ部７０と、ガスセンサ１００全体を制御する制御装置９０と、を備えている。

【0020】

センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

【0021】

センサ素子１０１の先端部側（図１の左端部側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

【0022】

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０と、第３内部空所６１とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

【0023】

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部６０は、第２固体電解質層６の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。

【0024】

また、被測定ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

【0025】

基準ガス導入層４８は、多孔質セラミックスからなる層であって、基準ガス導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、基準ガス導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

【0026】

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる基準ガス導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内，第２内部空所４０内，及び第３内部空所６１内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極４２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。

【0027】

被測定ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

【0028】

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

【0029】

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

【0030】

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

【0031】

主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。

【0032】

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。

【0033】

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力（電圧Ｖ０）を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、電圧Ｖ０が目標値となるように可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

【0034】

第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

【0035】

第２内部空所４０は、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

【0036】

補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

【0037】

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

【0038】

補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

【0039】

また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。

【0040】

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力（電圧Ｖ１）に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

【0041】

また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その電圧Ｖ０の上述した目標値が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

【0042】

第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で補助ポンプセル５０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所６１に導く部位である。第４拡散律速部６０は、第３内部空所６１に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。

【0043】

第３内部空所６１は、あらかじめ第２内部空所４０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所６１において、測定用ポンプセル４１の動作により行われる。

【0044】

測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極４４は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極２２よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第３内部空所６１内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。

【0045】

具体的には、測定電極４４は、触媒活性を有する貴金属であるＰｔ及びＲｈの少なくともいずれかを含む電極である。測定電極４４は、Ｐｔ及びＲｈの少なくともいずれかと、酸素イオン導電性を有する酸化物（ここではＺｒＯ₂）とを含むサーメットからなる電極とすることが好ましい。また、測定電極４４は、多孔質体であることが好ましい。本実施形態では、測定電極４４は、Ｐｔ及びＲｈとＺｒＯ₂との多孔質サーメット電極とした。

【0046】

測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

【0047】

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力（電圧Ｖ２）に基づいて可変電源４６が制御される。

【0048】

第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部６０を通じて第３内部空所６１内の測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された電圧Ｖ２が一定（目標値）となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

【0049】

また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力（電圧Ｖｒｅｆ）によりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

【0050】

このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

【0051】

さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。

【0052】

ヒータコネクタ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

【0053】

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通してヒータ電源７６（図２参照）により給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

【0054】

また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第３内部空所６１の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。

【0055】

ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

【0056】

圧力放散孔７５は、第３基板層３及び基準ガス導入層４８を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

【0057】

制御装置９０は、図２に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２と、ヒータ電源７６と、制御部９１と、を備えている。制御部９１は、ＣＰＵ９２及び記憶部９４などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部９４は、例えば各種プログラムや各種データを記憶する装置である。制御部９１は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される電圧Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される電圧Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２、センサセル８３にて検出される電圧Ｖｒｅｆ、主ポンプセル２１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出されるポンプ電流Ｉｐ１及び測定用ポンプセル４１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ２を入力する。また、制御部９１は可変電源２４，４６，５２へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２を制御し、これにより、主ポンプセル２１，測定用ポンプセル４１及び補助ポンプセル５０を制御する。制御部９１は、ヒータ電源７６に制御信号を出力することでヒータ電源７６がヒータ７２に供給する電力を制御する。記憶部９４には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２ａ＊，Ｖ２ｂ＊なども記憶されている。また、記憶部９４には、起動時目標値Ｖ２ａ＊の値として、後述する２種類の値Ａ，値Ｂが記憶されている。制御部９１のＣＰＵ９２は、これらの目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２ａ＊，Ｖ２ｂ＊を参照して、各セル２１，４１，５０の制御を行う。

【0058】

制御部９１は、第２内部空所４０の酸素濃度が目標濃度となるように補助ポンプセル５０を制御する補助ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、電圧Ｖ１が一定値（目標値Ｖ１＊と称する）となるように可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御することで、補助ポンプセル５０を制御する。目標値Ｖ１＊は、第２内部空所４０の酸素濃度がＮＯｘの測定に実質的に影響がない所定の低濃度となるような値として定められている。

【0059】

制御部９１は、補助ポンプ制御処理によって補助ポンプセル５０が第２内部空所４０の酸素濃度を調整するときに流れるポンプ電流Ｉｐ１が目標電流（目標電流Ｉｐ１＊と称する）になるように主ポンプセル２１を制御する主ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定の目標電流Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値（目標値Ｖ０＊と称する）を設定（フィードバック制御）する。そして、制御部９１は、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。この主ポンプ制御処理により、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。目標値Ｖ０＊は、第１内部空所２０の酸素濃度が０％よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。また、この主ポンプ制御処理中に流れるポンプ電流Ｉｐ０は、ガス導入口１０から被測定ガス流通部内に流入する被測定ガス（すなわちセンサ素子１０１の周囲の被測定ガス）の酸素濃度に応じて変化する。そのため、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出することもできる。

【0060】

上述した主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理をまとめて調整用ポンプ制御処理とも称する。また、第１内部空所２０及び第２内部空所４０をまとめて酸素濃度調整室とも称する。主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０をまとめて調整用ポンプセルとも称する。制御部９１が調整用ポンプ制御処理を行うことで、調整用ポンプセルが酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する。

【0061】

さらに、制御部９１は、電圧Ｖ２が一定値（目標値）となるように（つまり第３内部空所６１内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）測定用ポンプセル４１を制御する測定用ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、電圧Ｖ２が目標値となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御することで、測定用ポンプセル４１を制御する。この測定用ポンプ制御処理により、第３内部空所６１内の酸素濃度が調整される。また、制御部９１は、測定用ポンプ制御処理として、センサ素子１０１の通常駆動時に行う通常時測定用ポンプ制御処理と、通常駆動時より前のセンサ素子１０１の起動時に行う起動時測定用ポンプ制御処理と、を行う。通常時測定用ポンプ制御処理と起動時測定用ポンプ制御処理とでは、電圧Ｖ２の目標値が異なる。起動時測定用ポンプ制御処理における電圧Ｖ２の目標値を起動時目標値Ｖ２ａ＊と称する。通常時測定用ポンプ制御処理における電圧Ｖ２の目標値を通常時目標値Ｖ２ｂ＊と称する。起動時目標値Ｖ２ａ＊は、通常時目標値Ｖ２ｂ＊よりも高い値に設定されている。すなわちＶ２ａ＊＞Ｖ２ｂ＊となるようにＶ２ａ＊及びＶ２ｂ＊が設定されている。ここで、電圧Ｖ２は基準電極４２の周囲と第３内部空所６１の酸素濃度差に関連する値であり、第３内部空所６１の酸素濃度が低いほど酸素濃度差が大きくなり電圧Ｖ２も大きい値になる。したがって、起動時目標値Ｖ２ａ＊が通常時目標値Ｖ２ｂ＊よりも高い値であるということは、起動時測定用ポンプ制御処理の実行時には、通常時測定用ポンプ制御処理の実行時と比べて、第３内部空所６１の酸素濃度の目標値をより低い値に設定することを意味する。

【0062】

通常時測定用ポンプ制御処理が行われることで、被測定ガス中のＮＯｘが第３内部空所６１で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第３内部空所６１内から酸素が汲み出される。そして、制御部９１は、特定ガス（ここではＮＯｘ）に由来して第３内部空所６１で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ｉｐ２を取得し、このポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。

【0063】

記憶部９４には、ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係として、関係式（例えば一次関数の式）やマップなどが記憶されている。このような関係式又はマップは、予め実験により求めておくことができる。

【0064】

こうして構成されたガスセンサ１００の制御部９１が行う、センサ素子１０１の起動時の処理である起動時制御処理の一例について説明する。図３は起動時制御処理の一例を示すフローチャートである。図４は起動時制御処理及び通常時制御処理の実行中のポンプ電流Ｉｐ２の一例を示すグラフである。

【0065】

制御部９１のＣＰＵ９２は、起動時制御処理が開始されると、まず、ヒータ７２の温度であるヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊になるようにヒータ７２に通電してヒータ７２を発熱させるヒータ制御処理を開始する（ステップＳ１００）。ヒータ温度Ｔｈはヒータ７２の抵抗値の一次関数の式で表すことができる。そこで、本実施形態のヒータ制御処理では、ＣＰＵ９２はヒータ７２の抵抗値を算出して、算出した抵抗値が目標抵抗値（目標温度Ｔｈ＊に対応する抵抗値）になるようにヒータ電源７６をフィードバック制御する。ＣＰＵ９２は、例えばヒータ７２の電圧及びヒータ７２を流れる電流を取得して、取得した電圧及び電流に基づいてヒータ７２の抵抗値を算出することができる。ＣＰＵ９２は、例えば３端子法又は４端子法によりヒータ７２の抵抗値を算出してもよい。ＣＰＵ９２は、算出したヒータ７２の抵抗値が目標抵抗値になるようにヒータ電源７６に制御信号を出力して、ヒータ電源７６が供給する電力をフィードバック制御する。ヒータ電源７６は、例えばヒータ７２に印加する電圧の値を変化させることで、ヒータ７２に供給する電力を調整する。目標温度Ｔｈ＊は、センサ素子１０１の固体電解質を十分活性化させることができるような温度（例えば８００℃）として、予め定められている。ステップＳ１００でヒータ制御処理が開始されると、時間の経過と共にヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊まで上昇していき、ヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊に到達した以降はヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊付近で維持される。

【0066】

ステップＳ１００でヒータ制御処理を開始した後、ＣＰＵ９２は、起動時測定用ポンプ制御処理の開始条件が成立したか否かを判定する。本実施形態では、ＣＰＵ９２は、ヒータ温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈｒｅｆ１以上に到達したか否かを判定して（ステップＳ１１０）、判定結果が肯定判定であった場合に起動時測定用ポンプ制御処理の開始条件が成立したとみなす。閾値Ｔｈｒｅｆ１は、目標温度Ｔｈ＊以下の値であり、目標温度Ｔｈ＊未満の値としてもよい。閾値Ｔｈｒｅｆ１は、起動時測定用ポンプ制御処理で制御される測定用ポンプセル４１に含まれる固体電解質（本実施形態では第２固体電解質層６，スペーサ層５，及び第１固体電解質層４）を活性化させる（固体電解質のイオン伝導性が発現する）のに必要なヒータ温度Ｔｈの下限値として、予め定められて記憶部９４に記憶されている。例えば、閾値Ｔｈｒｅｆ１は、第２固体電解質層６，スペーサ層５，及び第１固体電解質層４を６００℃以上に加熱するために必要なヒータ温度Ｔｈの下限値として、実験により予め定めておいてもよい。また、閾値Ｔｈｒｅｆ１は、目標温度Ｔｈ＊に所定の割合（１未満の値）を乗じた値として定めてもよい。本実施形態では、閾値Ｔｈｒｅｆ１＝０．８×Ｔｈ＊とした。すなわち、ＣＰＵ９２は、ヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊の８０％以上に到達した場合に、起動時測定用ポンプ制御処理の開始条件が成立したと判定することとした。

【0067】

ＣＰＵ９２は、ステップＳ１１０で否定判定だった場合には、ステップＳ１１０を繰り返し実行して、肯定判定になるまで待つ。ステップＳ１１０で肯定判定だった場合には、ＣＰＵ９２は、センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆを入力し（ステップＳ１１２）、入力した電圧Ｖｒｅｆに基づいてセンサ素子１０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度が低いか否か、より具体的には被測定ガスがリッチ雰囲気か否かを判定する（ステップＳ１１４）。電圧Ｖｒｅｆは外側ポンプ電極２３の周囲の被測定ガスと基準電極４２の周囲の基準ガスとの酸素濃度差に応じた値となるから、ＣＰＵ９２は、電圧Ｖｒｅｆに基づいてセンサ素子１０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。本実施形態では、例えば被測定ガスの空燃比が理論空燃比の場合の電圧Ｖｒｅｆの値を閾値として予め記憶部９４に記憶しておく。そして、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１１４において、センサセル８３から取得した電圧Ｖｒｅｆをこの閾値に基づいて２値化する（バイナリデータにする）ことで、被測定ガスがリッチ雰囲気（被測定ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比より小さい状態）とリーン雰囲気（被測定ガスの空燃比が理論空燃比より大きい状態）とのいずれであるかを判定する。なお、被測定ガスがリッチ雰囲気の場合、被測定ガスには未燃のガス成分が含まれているため、そのガス成分を過不足なく酸化させるのに必要な酸素量から酸素濃度を求めることができる。この場合、酸素濃度はマイナスで表される。

【0068】

ステップＳ１１４で被測定ガスがリッチ雰囲気であると判定した場合、ＣＰＵ９２は起動時測定用ポンプ制御処理の起動時目標値Ｖ２ａ＊を値Ａに設定する（ステップＳ１１６）。一方、ステップＳ１１４でリッチ雰囲気ではないと判定した場合、ＣＰＵ９２は起動時目標値Ｖ２ａ＊を値Ｂに設定する（ステップＳ１１８）。値Ａは値Ｂよりも小さい。そのため、ステップＳ１１６，Ｓ１１８では、ＣＰＵ９２は、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合に起動時目標値Ｖ２ａ＊を小さい値Ａに設定し、被測定ガス中の酸素濃度が高い場合に起動時目標値Ｖ２ａ＊を値Ａよりも大きい値Ｂに設定することになる。なお、値Ａは通常時目標値Ｖ２ｂ＊よりは大きい。そのため、起動時目標値Ｖ２ａ＊を値Ａに設定することは、起動時測定用ポンプ制御処理における第３内部空所６１の酸素濃度の目標値を、通常駆動時の酸素濃度の目標値より低い値且つ値Ｂに対応する酸素濃度の目標値より高い値にすることを意味する。

【0069】

ステップＳ１１６又はＳ１１８を行うと、ＣＰＵ９２は、設定した起動時目標値Ｖ２ａ＊を用いて、上述した起動時測定用ポンプ制御処理を開始する（ステップＳ１２０）。図４の例では、時刻ｔ０でヒータ制御処理が開始され、時刻ｔ１においてヒータ温度Ｔｈが閾値Ｔｈｒｅｆ１に到達してＣＰＵ９２がステップＳ１１２～Ｓ１２０を実行すると共に起動時測定用ポンプ制御処理が開始された場合のポンプ電流Ｉｐ２を示している。ＣＰＵ９２は、起動時測定用ポンプ制御処理を開始すると、電圧Ｖ２が起動時目標値Ｖ２ａ＊になるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御し、これにより測定用ポンプセル４１が制御される。測定用ポンプセル４１は、電圧Ｖｐ２が印加されることで測定電極４４の周囲と外側ポンプ電極２３の周囲との間で酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、これにより第３内部空所６１の酸素濃度が調整される。このとき、測定用ポンプセル４１には酸素の移動量に応じたポンプ電流Ｉｐ２が流れる。ここで、センサ素子１０１の起動前には、第３内部空所６１を含む被測定ガス流通部内は酸素（特定ガスに由来しない酸素）が多く存在する状態（例えば大気雰囲気など）になっている。この状態における第３内部空所６１の酸素濃度は起動時目標値Ｖ２ａ＊に対応する酸素濃度よりも高いから、起動時測定用ポンプ制御処理を行うことで、そのような起動前から第３内部空所６１に存在する酸素が外側ポンプ電極２３の周囲に汲み出される。そのため、図４に示すように、時刻ｔ１からポンプ電流Ｉｐ２が急上昇し、比較的大きなポンプ電流Ｉｐ２が流れる。センサ素子１０１の起動前から第３内部空所６１に存在する酸素としては、具体的には、第３内部空所６１内の空間に存在する酸素分子（Ｏ₂），測定電極４４の表面に付着した酸素分子（Ｏ₂），及び測定電極４４の構成材料と結合している酸素が挙げられる。本実施形態では測定電極４４にはＲｈ及びＰｔが含まれているから、測定電極４４内にはＲｈ₂Ｏ₃及びＰｔＯ₂の少なくとも一方が存在する場合がある。このＲｈ₂Ｏ₃及びＰｔＯ₂中の酸素（Ｏ）が、測定電極４４の構成材料と結合している酸素である。起動時測定用ポンプ制御処理によって、酸素分子だけでなくこのように測定電極４４の構成材料と結合している酸素も汲み出すことができ、これによりＲｈ₂Ｏ₃及びＰｔＯ₂は還元されていく。また、本実施形態では測定電極４４は多孔質体であるため、測定電極４４の開気孔の中及び閉気孔の中に酸素分子（Ｏ₂）が存在する場合があるが、これらの酸素分子も起動時測定用ポンプ制御処理によって汲み出すことができる。

【0070】

また、本実施形態では、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１２０で起動時測定用ポンプ制御処理を開始すると共に、上述した調整用ポンプ制御処理（主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）も開始する。これにより、センサ素子１０１の起動前から酸素濃度調整室（第１内部空所２０及び第２内部空所４０）に存在する酸素も外側ポンプ電極２３の周囲に汲み出される。また、第２内部空所４０の酸素濃度よりも第３内部空所６１の酸素濃度が高い場合には、第３内部空所６１内の酸素が第２内部空所４０に逆拡散（逆流）する場合がある。そのため、調整用ポンプ制御処理によって第３内部空所６１の酸素を汲み出すこともできる。

【0071】

ステップＳ１２０で起動時測定用ポンプ制御処理を開始した後、ＣＰＵ９２は、起動時測定用ポンプ制御処理の終了条件が成立したか否かを判定する。本実施形態では、ＣＰＵ９２は、ヒータ温度Ｔｈが所定の閾値Ｔｈｒｅｆ２以上に到達したか否かを判定して（ステップＳ１３０）、判定結果が肯定判定であった場合に起動時測定用ポンプ制御処理の終了条件が成立したとみなす。閾値Ｔｈｒｅｆ２は、閾値Ｔｈｒｅｆ１より大きい値であり、且つ、目標温度Ｔｈ＊以下の値である。閾値Ｔｈｒｅｆ２は、ヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊に十分近づいたとみなせる値として予め定められて記憶部９４に記憶されている。また、閾値Ｔｈｒｅｆ２は、目標温度Ｔｈ＊に所定の割合（１以下の値）を乗じた値として定めてもよい。本実施形態では、閾値Ｔｈｒｅｆ２＝０．９５×Ｔｈ＊とした。すなわち、ＣＰＵ９２は、ヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊の９５％以上に到達した場合に、起動時測定用ポンプ制御処理の終了条件が成立したと判定することとした。

【0072】

ＣＰＵ９２は、ステップＳ１３０で否定判定だった場合には、ステップＳ１３０を繰り返し実行して、肯定判定になるまで待つ。ステップＳ１３０で肯定判定だった場合には、ＣＰＵ９２は、上述した起動時測定用ポンプ制御処理を終了し通常時測定用ポンプ制御処理を開始して（ステップＳ１４０）、起動時制御処理を終了する。これにより、ＣＰＵ９２が行う処理は起動時制御処理から通常時制御処理に移行する。通常時制御処理では、ＣＰＵ９２は、通常時測定用ポンプ制御処理を行うと共に、上述した調整用ポンプ制御処理（主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）を起動時制御処理から引き続き行う。そして、ＣＰＵ９２は、通常時測定用ポンプ制御処理によって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。

【0073】

図４の例では、時刻ｔ２においてヒータ温度Ｔｈが閾値Ｔｈｒｅｆ２に到達してＣＰＵ９２がステップＳ１３０で肯定判定をした場合のポンプ電流Ｉｐ２を示している。したがって、図４では、ＣＰＵ９２は時刻ｔ２から通常時制御処理を開始する。通常時制御処理が開始されると、測定用ポンプ制御処理における電圧Ｖ２の目標値が起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊（＜Ｖ２ａ＊）に切り替わる、すなわち第３内部空所６１の酸素濃度の目標値が高い値に切り替わる。その後、通常時測定用ポンプ制御処理によって電圧Ｖ２が通常時目標値Ｖ２ｂ＊付近になると、第３内部空所６１内に存在する酸素はほぼ全て被測定ガス中のＮＯｘに由来する酸素となるため、ポンプ電流Ｉｐ２の値が被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応する値になる。図４の例では、時刻ｔ３においてポンプ電流Ｉｐ２の値が被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応する値になっている。そのため、時刻ｔ３以降はポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができるようになる。このようにセンサ素子１０１の起動時からポンプ電流Ｉｐ２の値が被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応する値になる（ライトオフする）までの時間（時刻ｔ０～ｔ３）が、ライトオフ時間である。なお、図４ではポンプ電流Ｉｐ２の挙動をわかりやすくするために被測定ガス中のＮＯｘ濃度が一定である場合の様子を示しており、時刻ｔ３以降のポンプ電流Ｉｐ２が一定になっている。実際のセンサ素子１０１の使用時には、被測定ガス中のＮＯｘ濃度は時々刻々と変動するため、時刻ｔ３以降のポンプ電流Ｉｐ２の値はＮＯｘ濃度に応じて変動する。

【0074】

ここで、センサ素子１０１の起動時には、上述したように電圧Ｖ２が通常時目標値Ｖ２ｂ＊より高い起動時目標値Ｖ２ａ＊になるように測定用ポンプセル４１を制御して第３内部空所６１の酸素を汲み出す起動時測定用ポンプ制御処理が行われる。すなわち、起動時測定用ポンプ制御処理では、第３内部空所６１の酸素濃度の目標値を通常駆動時よりも低い値として、第３内部空所６１内の酸素の汲み出しを行っている。これにより、センサ素子１０１の起動時から通常時測定用ポンプ制御処理を行う場合と比較して、起動前から第３内部空所６１内に存在する酸素を速やかに第３内部空所６１から除去することができる。例えば、図４において時刻ｔ１から起動時測定用ポンプ制御処理ではなく通常時制御ポンプ制御処理を開始すると、時刻ｔ１以降のポンプ電流Ｉｐ２は図４に示すポンプ電流Ｉｐ２ほど大きい値にならず、第３内部空所６１内の酸素の汲み出し量が少なくなる。そのため、センサ素子１０１の起動前から第３内部空所６１内に存在する酸素を十分に汲み出すまでに要する時間が長くなり、ライトオフ時間も長くなる。このように、センサ素子１０１の起動時には通常時測定用ポンプ制御処理ではなく起動時測定用ポンプ制御処理を行うことで、センサ素子１０１のライトオフ時間を短くすることができる。

【0075】

ただし、図４に示すように、時刻ｔ２において起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理への切り替えが行われると、ポンプ電流Ｉｐ２が直ちに被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応する値になるのではなく、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートが生じてポンプ電流Ｉｐ２が負の値になり、その後にポンプ電流Ｉｐ２の値が被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応する値になる場合がある。そのため、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートが生じている期間の長短もライトオフ時間の長短に影響する。

【0076】

このようなアンダーシュートが生じる理由は、以下のように考えられる。起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理に切り替わると、電圧Ｖ２の目標値が起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊（＜Ｖ２ａ＊）に変化するから、切り替わった直後の第３内部空所６１の酸素濃度は通常時目標値Ｖ２ｂ＊に対応する酸素濃度よりも低くなっている場合がある。そのため、通常時測定用ポンプ制御処理に切り替わった直後において、ＣＰＵ９２は、第３内部空所６１の酸素濃度を通常時目標値Ｖ２ｂ＊に対応する酸素濃度まで上昇させるべく、第３内部空所６１から酸素を汲み出すのではなく第３内部空所６１に酸素を汲み入れるように測定用ポンプセル４１を制御する場合がある。この場合、ポンプ電流Ｉｐ２は負の値になる（起動時測定用ポンプ制御処理中のポンプ電流Ｉｐ２に対して正負が逆になる）。このように第３内部空所６１に酸素を汲み入れる制御が行われると、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートが生じることになる。そして、その後に第３内部空所６１の酸素濃度が通常時目標値Ｖ２ｂ＊に対応する酸素濃度付近になると、センサ素子１０１がライトオフする。

【0077】

さらに、被測定ガス中の酸素濃度（センサ素子１０１の被測定ガス流通部に流入する前の酸素濃度）が低いと、起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理に切り替わった直後の第３内部空所６１の酸素濃度も低くなりやすい。そのため、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど、第３内部空所６１の酸素濃度が通常時目標値Ｖ２ｂ＊に対応する値になるまで通常時測定用ポンプ制御処理によってより多くの酸素を第３内部空所６１に汲み入れる必要が生じる。その結果、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートが大きくなり、ライトオフ時間も長くなる。そのため、被測定ガス中の酸素濃度に関わらず同じ値の起動時目標値Ｖ２ａ＊を用いると、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合に起動時測定用ポンプ制御処理によるライトオフ時間の短縮効果が不十分になる場合がある。これに対して、本実施形態のガスセンサ１００では、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値Ｖ２ａ＊が小さくなる傾向に起動時目標値Ｖ２ａ＊が設定される。言い換えると、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値Ｖ２ａ＊が通常時目標値Ｖ２ｂ＊に近くなる傾向に起動時目標値Ｖ２ａ＊が設定される。より具体的には、ステップＳ１１４～Ｓ１１８で説明したように、ＣＰＵ９２は、被測定ガスがリッチ雰囲気である場合に、リッチ雰囲気でない場合の値Ｂよりも小さく通常時目標値Ｖ２ｂ＊よりも大きい値Ａを起動時目標値Ｖ２ａ＊に設定する。これにより、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合に、通常時測定用ポンプ制御処理に切り替わってから第３内部空所６１に汲み入れる必要がある酸素の量を少なくすることができるから、ライトオフ時間を十分に短縮することができる。例えば、被測定ガスがリッチ雰囲気である場合も起動時目標値Ｖ２ａ＊を値Ｂに設定した場合、図４の破線で示すようにポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートが大きくなり、ライトオフする時刻が時刻ｔ３よりも遅い時刻ｔ３’となってライトオフ時間が長くなる。これに対して、本実施形態のガスセンサ１００では、被測定ガスがリッチ雰囲気である場合には起動時目標値Ｖ２ａ＊を値Ａに設定するから、図４の破線よりもポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートを小さくできる。

【0078】

なお、本実施形態ではＣＰＵ９２は起動時制御処理中に調整用ポンプ制御処理（主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）も実行するから、センサ素子１０１の被測定ガス流通部に流入する前の被測定ガス中の酸素濃度が低い場合に、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との少なくとも一方によって被測定ガス流通部に酸素が汲み入れられる場合もある。しかし、起動時制御処理中はヒータ温度Ｔｈが目標温度Ｔｈ＊に到達していないから、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０を構成する固体電解質が十分活性化されず、酸素の汲み入れ量が不足することが多い。そのため、起動時制御処理中に調整用ポンプ制御処理を実行していても、被測定ガス流通部に流入する前の被測定ガス中の酸素濃度が低い場合には、第３内部空所６１の酸素濃度も低くなりやすい。そのため、起動時制御処理中に調整用ポンプ制御処理を実行する場合であっても、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値Ｖ２ａ＊が小さくなる傾向に起動時目標値Ｖ２ａ＊を設定する意義はあり、これによりライトオフ時間を十分に短縮することができる。

【0079】

ＣＰＵ９２は、ステップＳ１４０において起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理への切り替えを行う際に、測定用ポンプセル４１のフィードバック制御に用いる電圧Ｖ２の目標値を起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊に徐々に切り替えることが好ましい。こうすれば、電圧Ｖ２の目標値を起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊に瞬時に切り替える場合と比較して、起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理への切り替え時に第３内部空所６１に酸素を汲み入れるべく流れるポンプ電流Ｉｐ２が大きくなりにくい。すなわちポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートが小さくなりやすい。これにより、ライトオフ時間をより一層短縮することができる。ＣＰＵ９２は、電圧Ｖ２の目標値を起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊に向けて時間の経過と共に連続的に変更してもよいし、ステップ関数的に変更してもよい。

【0080】

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１と第２基板層２と第３基板層３と第１固体電解質層４とスペーサ層５と第２固体電解質層６との６つの層がこの順に積層された積層体が本発明の素子本体に相当し、外側ポンプ電極２３が外側測定電極に相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定電極４４が内側測定電極に相当し、測定用ポンプセル４１が測定用ポンプセルに相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が測定用電圧検出センサセルに相当し、センサ素子１０１がセンサ素子に相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が測定用ポンプ電流に相当し、制御装置９０がポンプセル制御部及び特定ガス濃度検出部に相当する。また、外側ポンプ電極２３が酸素濃度検出用電極に相当し、センサセル８３が酸素濃度検出用センサセルに相当し、制御装置９０が酸素濃度検出部に相当する。

【0081】

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１の起動時には、電圧Ｖ２が通常時目標値Ｖ２ｂ＊より高い起動時目標値Ｖ２ａ＊になるように測定用ポンプセル４１を制御して第３内部空所６１の酸素を汲み出す起動時測定用ポンプ制御処理が行われるため、センサ素子１０１の起動時から通常時測定用ポンプ制御処理を行う場合と比較して、起動前から第３内部空所６１に存在する酸素を速やかに除去することができる。したがって、センサ素子１０１のライトオフ時間が短くなる。さらに、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値Ｖ２ａ＊が小さくなる傾向に起動時目標値Ｖ２ａ＊が設定されるから、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合に、通常時測定用ポンプ制御処理に切り替わってから第３内部空所６１に汲み入れる必要がある酸素の量を少なくすることができる。したがって、被測定ガス中の酸素濃度に関わらず同じ値の起動時目標値Ｖ２ａ＊を用いる場合と比較して、ライトオフ時間を十分に短縮することができる。

【0082】

また、ガスセンサ１００は、被測定ガスと接触するように素子本体の外側に設けられた外側ポンプ電極２３と、基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の電圧Ｖｒｅｆを検出するセンサセル８３と、センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆに基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出する制御部９１と、を備えている。そして、制御部９１は、検出された酸素濃度に基づいて、起動時目標値Ｖ２ａ＊を設定する。これにより、被測定ガス中の酸素濃度をガスセンサ１００自身が検出できるから、ガスセンサ１００とは別のセンサによって検出された酸素濃度を取得する必要がない。

【0083】

さらに、制御部９１は、起動時測定用ポンプ制御処理から通常時測定用ポンプ制御処理への切り替えを行う際に、電圧Ｖ２の目標値を起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊に徐々に切り替える。これにより、電圧Ｖ２の目標値を起動時目標値Ｖ２ａ＊から通常時目標値Ｖ２ｂ＊に瞬時に切り替える場合と比較して、ライトオフ時間をより一層短縮できる。

【0084】

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

【0085】

例えば、上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆに基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出したが、これに限られない。例えば、ＣＰＵ９２は、被測定ガス流通部のうち第３内部空所６１の上流側に設けられた酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルが酸素濃度調整室の酸素濃度を調整するときに流れる調整用ポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度を検出してもよい。具体的には、ＣＰＵ９２は、主ポンプ制御処理によって主ポンプセル２１が第１内部空所２０の酸素濃度を調整するときに流れるポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出してもよい。上述したように、主ポンプ制御処理中のポンプ電流Ｉｐ０は、ガス導入口１０から被測定ガス流通部内に流入する被測定ガス（すなわちセンサ素子１０１の周囲の被測定ガス）の酸素濃度に応じて変化するから、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出することもできる。例えば、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１１２においてポンプ電流Ｉｐ０を入力し、ステップＳ１１４においてポンプ電流Ｉｐ０に基づいてセンサ素子１０１の外側の被測定ガスがリッチ雰囲気か否かを判定してもよい。この場合、ＣＰＵ９２はステップＳ１１２より前に主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理を開始しておく。こうしても、上述した実施形態と同様に、被測定ガス中の酸素濃度をガスセンサ１００自身が検出できる。ただし、上述したように起動時制御処理中は主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０を構成する固体電解質が十分活性化されていないから、ポンプ電流Ｉｐ０が被測定ガス中の酸素濃度と十分に対応しない場合や十分に対応するまでに時間がかかる場合もある。そのため、ポンプ電流Ｉｐ０を用いるよりは電圧Ｖｒｅｆを用いて被測定ガス中の酸素濃度を検出することが好ましい。なお、ＣＰＵ９２は、電圧Ｖｒｅｆやポンプ電流Ｉｐ０を用いる代わりに、ガスセンサ１００を用いた他の手法（例えばセンサ素子１０１の他の電圧又は電流）を用いて被測定ガス中の酸素濃度を検出してもよい。また、ＣＰＵ９２は、ガスセンサ１００とは別のセンサによって検出された被測定ガス中の酸素濃度を取得してもよい。

【0086】

上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、被測定ガスがリッチ雰囲気であるか否かに応じて２種類の値（値Ａ及び値Ｂ）のいずれかを起動時目標値Ｖ２ａ＊に設定したが、これに限られない。ＣＰＵ９２は、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値Ｖ２ａ＊が小さくなる傾向に起動時目標値Ｖ２ａ＊を設定すればよく、起動時目標値Ｖ２ａ＊の値が３種類以上存在していてもよい。例えば、酸素濃度と起動時目標値Ｖ２ａ＊との対応関係を表すマップが記憶部９４に記憶されており、ＣＰＵ９２は被測定ガス中の酸素濃度と記憶部９４に記憶された対応関係とに基づいて起動時目標値Ｖ２ａ＊を設定してもよい。この対応関係は直線的な対応関係であってもよいし、酸素濃度が低いほどステップ関数的に起動時目標値Ｖ２ａ＊が減少するような対応関係であってもよい。

【0087】

上述した実施形態では、起動時測定用ポンプ制御処理の開始条件が成立したか否か及び終了条件が成立したか否かを、ヒータ温度Ｔｈに基づいて判定したが、これに限られない。例えば、ヒータ７２に通電を開始してからの経過時間に基づいて開始条件が成立したか否かを判定してもよいし、終了条件が成立したか否かを判定してもよい。起動時測定用ポンプ制御処理を開始してからの経過時間に基づいて終了条件が成立したか否かを判定してもよい。なお、図４では、起動時測定用ポンプ制御処理が開始された時刻ｔ１からポンプ電流Ｉｐ２が急上昇した後、起動時測定用ポンプ制御処理を終了する時刻ｔ２までの間はポンプ電流Ｉｐ２が大きい値のままであるが、起動時制御用ポンプ制御処理によって第３内部空所６１の酸素濃度が起動時目標値Ｖ２ａ＊に対応する酸素濃度に近づくと、ポンプ電流Ｉｐ２は減少していく。そのため、起動時測定用ポンプ制御処理の終了タイミングによっては、ポンプ電流Ｉｐ２が減少し始めてから起動時測定用ポンプ制御処理が終了する場合もある。

【0088】

上述した実施形態では特に説明しなかったが、測定用ポンプセル４１に印加する電圧Ｖｐ２は１５００ｍＶ未満とすることが好ましい。電圧Ｖｐ２が１５００ｍＶ以上の場合は、固体電解質内の酸素イオンが欠乏して、固体電解質の電子伝導が発現し、センサ素子１０１が黒化して使用できなくなる可能性があるが、電圧Ｖｐ２を１５００ｍＶ未満とすることでそのような不具合を抑制できる。起動時目標値Ｖ２ａ＊が高い値であるほど、起動時測定用ポンプ制御処理時の電圧Ｖｐ２は高い値になるため、電圧Ｖｐ２が１５００ｍＶ以上とならないような値として起動時目標値Ｖ２ａ＊を定めておくことが好ましい。また、固体電解質が十分活性化していない状態で起動時測定用ポンプ制御処理を行うと、第３内部空所６１の酸素が汲み出されず電圧Ｖ２が起動時目標値Ｖ２ａ＊に近づかないため、フィードバック制御により電圧Ｖｐ２が高い値になりやすい。したがって、固体電解質が十分活性化していない状態で起動時測定用ポンプ制御処理が行われると、起動時測定用ポンプ制御処理中に電圧Ｖｐ２が１５００ｍＶ以上になりやすい。この点を考慮して、電圧Ｖｐ２が１５００ｍＶ以上とならないように、起動時測定用ポンプ制御処理の開始条件（上述した実施形態では閾値Ｔｈｒｅｆ１の値）を適切に定めることが好ましい。なお、被測定ガス中の酸素濃度が低いほど起動時目標値Ｖ２ａ＊が小さくなる傾向に起動時目標値Ｖ２ａ＊が設定されれば、被測定ガス中の酸素濃度が低い場合には電圧Ｖｐ２も低くなる傾向がある。例えば、上述した実施形態では、被測定ガスがリッチ雰囲気である場合の方がリーン雰囲気である場合と比べて電圧Ｖｐ２が低い値になりやすい。そのため、被測定ガスがリッチ雰囲気である場合はセンサ素子１０１の黒化を抑制しやすい。

【0089】

上述した実施形態では特に説明しなかったが、起動時目標値Ｖ２ａ＊及び通常時目標値Ｖ２ａ＊は、それぞれ、０．３Ｖ以上１．０Ｖ以下としてもよい。また、リッチ雰囲気時の起動時目標値Ｖ２ａ＊である値Ａを０．６Ｖより高い値としてもよい。被測定ガス中の酸素濃度にかかわらず、起動時目標値Ｖ２ａ＊を０．６Ｖより高い値としてもよい。

【0090】

上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、起動時測定用ポンプ制御処理を開始すると同時に調整用ポンプ制御処理（主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）も開始したが、これに限られない。調整用ポンプ制御処理の開始タイミングと起動時測定用ポンプ制御処理の開始タイミングとの間に時間差があってもよい。起動時測定用ポンプ制御処理の開始と同時又はそれよりも前に、調整用ポンプ制御処理（主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）を開始することが好ましい。また、起動時測定用ポンプ制御処理中は調整用ポンプ制御処理（主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）も行うことが好ましい。

【0091】

上述した実施形態では、酸素濃度調整室は第１内部空所２０と第２内部空所４０とを有していたが、これに限らず例えば酸素濃度調整室がさらに別の内部空所を備えていてもよいし、第１内部空所２０と第２内部空所４０との一方を省略してもよい。同様に、上述した実施形態では調整用ポンプセルは主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを有していたが、これに限らず例えば調整用ポンプセルがさらに別のポンプセルを備えていてもよいし、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との一方を省略してもよい。例えば、主ポンプセル２１のみで被測定ガス中の酸素濃度を十分低くすることができる場合は、補助ポンプセル５０を省略してもよい。この場合、ＣＰＵ９２は、調整用ポンプ制御処理として、例えば酸素濃度調整室（第１内部空所２０）の酸素濃度が目標濃度となるように主ポンプセル２１を制御する処理を行ってもよい。より具体的には、目標値Ｖ０＊を予め定めておき、ＣＰＵ９２は、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプセル２１を制御してもよい。

【0092】

上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３は、主ポンプセル２１の一部であり被測定ガスと接触するようにセンサ素子１０１の外側に配設された外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル５０の一部であり被測定ガスと接触するようにセンサ素子１０１の外側に配設された外側補助ポンプ電極と、測定用ポンプセル４１の一部であり被測定ガスと接触するようにセンサ素子１０１の外側に配設された外側測定電極と、センサセル８３の一部であり被測定ガスと接触するようにセンサ素子１０１の外側に配設された酸素濃度検出用電極と、を兼ねていたが、これに限られない。外側主ポンプ電極，外側補助ポンプ電極，外側測定電極，及び酸素濃度検出用電極のうちのいずれか１以上を、外側ポンプ電極２３とは別にセンサ素子１０１の外側に設けてもよい。

【0093】

上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３はセンサ素子１０１の外部に露出しているが、これに限らず外側ポンプ電極２３は被測定ガスと接触するように素子本体（層１～６）の外側に設けられていればよい。例えば、センサ素子１０１が素子本体（層１～６）を被覆する多孔質保護層を備えており、外側ポンプ電極２３も多孔質保護層に被覆されていてもよい。

【0094】

上述した実施形態では、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図５のセンサ素子２０１のように、第３内部空所６１を備えないものとしてもよい。図５に示した変形例のセンサ素子２０１では、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。また、測定電極４４は、第２内部空所４０内の第１固体電解質層４の上面に配設されている。測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、上述した実施形態の第４拡散律速部６０と同様に、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。また、第４拡散律速部４５は、測定電極４４の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａは、測定電極４４の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子２０１であっても、上述した実施形態と同様に例えばポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出できる。この場合、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。

【0095】

上述した実施形態では、センサ素子１０１の素子本体は複数の固体電解質層（層１～６）を有する積層体としたが、これに限られない。センサ素子１０１の素子本体は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも１つ含み、且つ被測定ガス流通部が内部に設けられていればよい。例えば、図１において第２固体電解質層６以外の層１～５は固体電解質以外の材質からなる構造層（例えばアルミナからなる層）としてもよい。この場合、センサ素子１０１が有する各電極は第２固体電解質層６に配設されるようにすればよい。例えば、図１の測定電極４４は第２固体電解質層６の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間４３を第１固体電解質層４の代わりにスペーサ層５に設け、基準ガス導入層４８を第１固体電解質層４と第３基板層３との間に設ける代わりに第２固体電解質層６とスペーサ層５との間に設け、基準電極４２を第３内部空所６１よりも後方且つ第２固体電解質層６の下面に設ければよい。

【0096】

上述した実施形態では、制御装置９０は、主ポンプ制御処理において、ポンプ電流Ｉｐ１が目標電流Ｉｐ１＊となるようにポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）し、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるようにポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御したが、他の制御を行ってもよい。例えば、制御装置９０は、主ポンプ制御処理において、ポンプ電流Ｉｐ１が目標電流Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいてポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御装置９０は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０からの電圧Ｖ０の取得及び目標値Ｖ０＊の設定を省略して、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて直接的にポンプ電圧Ｖｐ０を制御（ひいてはポンプ電流Ｉｐ０を制御）してもよい。

【0097】

上述した実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を検出したが、これに限らず他の酸化物濃度を特定ガス濃度としてもよい。特定ガスが酸化物の場合には、上述した実施形態と同様に特定ガスそのものを第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、ＣＰＵ９２はこの酸素に応じた検出値に基づいて特定ガス濃度を検出できる。また、特定ガスがアンモニアなどの非酸化物であってもよい。特定ガスが非酸化物の場合には、特定ガスが例えば第１内部空所２０で酸化物に変換（例えばアンモニアであれば酸化されてＮＯに変換）されることで、変換後の酸化物が第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、ＣＰＵ９２はこの酸素に応じた検出値を取得して特定ガス濃度を検出できる。このように、特定ガスが酸化物と非酸化物とのいずれであっても、ガスセンサ１００は、特定ガスに由来して第３内部空所６１で発生する酸素に基づいて特定ガス濃度を検出できる。

【産業上の利用可能性】

【0098】

本発明は、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガスの濃度を検出するガスセンサに利用可能である。

【符号の説明】

【0099】

１ 第１基板層、２ 第２基板層、３ 第３基板層、４ 第１固体電解質層、５ スペーサ層、６ 第２固体電解質層、１０ ガス導入口、１１ 第１拡散律速部、１２ 緩衝空間、１３ 第２拡散律速部、２０ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ 天井電極部、２２ｂ 底部電極部、２３ 外側ポンプ電極、２４ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０ 第２内部空所、４１ 測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４ 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６ 可変電源、４８ 基準ガス導入層、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、５２ 可変電源、６０ 第４拡散律速部、６１ 第３内部空所、７０ ヒータ部、７１ コネクタ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、７６ ヒータ電源、８０ 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１ 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２ 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３ センサセル、９０ 制御装置、９１ 制御部、９２ ＣＰＵ、９４ 記憶部、１００ ガスセンサ、１０１，２０１ センサ素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】