(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】P2024132529
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】ガスセンサの動作方法および車両システム
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20240920BHJP
G01N 27/26 20060101ALI20240920BHJP
F01N 3/00 20060101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 331
G01N27/26 391Z
F01N3/00 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043330
(22)【出願日】2023-03-17
(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】100088672
【弁理士】
【氏名又は名称】吉竹 英俊
(74)【代理人】
【識別番号】100088845
【弁理士】
【氏名又は名称】有田 貴弘
(74)【代理人】
【識別番号】100134991
【弁理士】
【氏名又は名称】中尾 和樹
(74)【代理人】
【識別番号】100148507
【弁理士】
【氏名又は名称】喜多 弘行
(72)【発明者】
【氏名】藤井 雄介
(72)【発明者】
【氏名】吉田 宗一郎
(72)【発明者】
【氏名】藤村 昇平
【テーマコード（参考）】
3G091
【Ｆターム（参考）】
3G091AA17
3G091BA27
3G091HA37
(57)【要約】
【課題】ＨＣガスの吸着に起因する始動時の不具合発生を回避可能な、ガスセンサ動作方法を提供する。
【解決手段】当該動作方法が、センサ素子の加熱昇温開始とともに、通常駆動条件に従い、測定ポンプセルによる測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含むセンサ素子の動作を開始させる工程と、測定ポンプ電流をモニタし、所定の条件をみたす変化の有無を判断する工程と、当該変化が生じていると判断された場合に、あらかじめ設定されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い測定用内部空所に酸素を汲み入れさせる工程と、汲み入れ時間経過時点でセンサ素子を通常駆動条件での動作に復帰させる工程と、を備え、汲み入れ電流値および汲み入れ時間は、ＨＣガスが全て酸化されるように、ガスセンサの実使用時に先立ってあらかじめ設定される、ようにした。
【選択図】図５
【解決手段】当該動作方法が、センサ素子の加熱昇温開始とともに、通常駆動条件に従い、測定ポンプセルによる測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含むセンサ素子の動作を開始させる工程と、測定ポンプ電流をモニタし、所定の条件をみたす変化の有無を判断する工程と、当該変化が生じていると判断された場合に、あらかじめ設定されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い測定用内部空所に酸素を汲み入れさせる工程と、汲み入れ時間経過時点でセンサ素子を通常駆動条件での動作に復帰させる工程と、を備え、汲み入れ電流値および汲み入れ時間は、ＨＣガスが全て酸化されるように、ガスセンサの実使用時に先立ってあらかじめ設定される、ようにした。
【選択図】図５
【特許請求の範囲】
【請求項1】
内部に被測定ガスを導入して前記被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたセンサ素子を備えるガスセンサの動作方法であって、
前記センサ素子が、
酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部と、
前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる、測定用内部空所と、
前記測定用内部空所に設けられた測定電極と、前記測定用内部空所以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された測定ポンプセルと、
前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を備えるものであり、
前記ヒータ部による前記センサ素子の加熱昇温を開始させるともに、前記所定ガス成分の濃度を測定するための通常駆動条件に従い、前記測定ポンプセルによる前記測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含む前記センサ素子の動作を開始させる素子始動工程と、
前記素子始動工程において動作が開始された前記センサ素子において前記測定ポンプセルを流れる測定ポンプ電流をモニタするモニタ工程と、
前記モニタ工程においてモニタされる前記測定ポンプ電流に所定の条件をみたす変化が生じたか否かを判断する判断工程と、
前記判断工程において前記所定の条件をみたす変化が生じていると判断された場合に、あらかじめ設定されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、前記測定ポンプセルに前記測定用内部空所に対し酸素を汲み入れさせる汲み入れ工程と、
前記汲み入れ時間が経過した時点で前記センサ素子を前記通常駆動条件に基づく動作に復帰させる復帰工程と、
を備え、
前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスが前記汲み入れ工程によって全て酸化されるように、前記ガスセンサの実使用時に先立ってあらかじめ設定されてなる、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作方法。
前記センサ素子が、
酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部と、
前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる、測定用内部空所と、
前記測定用内部空所に設けられた測定電極と、前記測定用内部空所以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された測定ポンプセルと、
前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を備えるものであり、
前記ヒータ部による前記センサ素子の加熱昇温を開始させるともに、前記所定ガス成分の濃度を測定するための通常駆動条件に従い、前記測定ポンプセルによる前記測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含む前記センサ素子の動作を開始させる素子始動工程と、
前記素子始動工程において動作が開始された前記センサ素子において前記測定ポンプセルを流れる測定ポンプ電流をモニタするモニタ工程と、
前記モニタ工程においてモニタされる前記測定ポンプ電流に所定の条件をみたす変化が生じたか否かを判断する判断工程と、
前記判断工程において前記所定の条件をみたす変化が生じていると判断された場合に、あらかじめ設定されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、前記測定ポンプセルに前記測定用内部空所に対し酸素を汲み入れさせる汲み入れ工程と、
前記汲み入れ時間が経過した時点で前記センサ素子を前記通常駆動条件に基づく動作に復帰させる復帰工程と、
を備え、
前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスが前記汲み入れ工程によって全て酸化されるように、前記ガスセンサの実使用時に先立ってあらかじめ設定されてなる、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作方法。
【請求項2】
請求項１に記載のガスセンサの動作方法であって、
前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記ガスセンサの実使用時までに行われる設定工程において設定される値であり、
前記設定工程が、
前記ガスセンサの実使用前に、前記センサ素子の前記測定用内部空所に、前記ガスセンサの実使用時に見込まれる吸着量と同等以上の炭化水素ガスを導入させる炭化水素ガス導入工程と、
前記炭化水素ガス導入工程において炭化水素ガスが導入された前記ガスセンサにおいて、前記ヒータ部による前記センサ素子の加熱昇温を行いつつ前記通常駆動条件に従い前記センサ素子の動作を開始させたときに前記測定ポンプ電流に生じる一時的な減少における、前記測定ポンプ電流の減少量と減少継続時間とを特定し、前記減少量と前記減少継続時間との積を必要酸素量相当値とする酸素量特定工程と、
前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間との積が前記必要酸素量相当値と等しくなるように、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間とを設定する、始動時パラメータ設定工程と、
を備えることを特徴とする、ガスセンサの動作方法。
前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記ガスセンサの実使用時までに行われる設定工程において設定される値であり、
前記設定工程が、
前記ガスセンサの実使用前に、前記センサ素子の前記測定用内部空所に、前記ガスセンサの実使用時に見込まれる吸着量と同等以上の炭化水素ガスを導入させる炭化水素ガス導入工程と、
前記炭化水素ガス導入工程において炭化水素ガスが導入された前記ガスセンサにおいて、前記ヒータ部による前記センサ素子の加熱昇温を行いつつ前記通常駆動条件に従い前記センサ素子の動作を開始させたときに前記測定ポンプ電流に生じる一時的な減少における、前記測定ポンプ電流の減少量と減少継続時間とを特定し、前記減少量と前記減少継続時間との積を必要酸素量相当値とする酸素量特定工程と、
前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間との積が前記必要酸素量相当値と等しくなるように、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間とを設定する、始動時パラメータ設定工程と、
を備えることを特徴とする、ガスセンサの動作方法。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載のガスセンサの動作方法であって、
前記判断工程において前記測定ポンプ電流に所定の閾値以上の減少が生じたと判断されたタイミングで前記汲み入れ工程を開始する、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作方法。
前記判断工程において前記測定ポンプ電流に所定の閾値以上の減少が生じたと判断されたタイミングで前記汲み入れ工程を開始する、
ことを特徴とする、ガスセンサの動作方法。
【請求項4】
内燃機関が搭載された車両と、前記内燃機関の排気管に設けられてなり、前記内燃機関からの排ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたガスセンサと、制御手段とを備える、車両システムであって、
前記ガスセンサが、
内部に被測定ガスを導入して前記被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたセンサ素子と、
前記センサ素子の動作を制御するセンサコントローラと、
を備え、
前記センサ素子が、
酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部と、
前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる、測定用内部空所と、
前記測定用内部空所に設けられた測定電極と、前記測定用内部空所以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された測定ポンプセルと、
前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を備えるものであり、
前記制御手段は、
前記センサ素子において、前記ヒータ部による加熱昇温と、前記測定ポンプセルによる前記測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含む、前記所定ガス成分の濃度を測定するための通常駆動条件に従う動作とを開始させた状態で、前記測定ポンプセルを流れる測定ポンプ電流をモニタして、前記測定ポンプ電流に所定の条件をみたす変化が生じたか否かを判断するように構成されてなり、
前記測定ポンプ電流に前記所定の条件をみたす変化が生じていると判断される場合、あらかじめ設定されて前記センサコントローラに格納されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、前記測定ポンプセルに前記測定用内部空所に酸素を汲み入れさせ、これによって前記測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスを全て酸化させ、
前記汲み入れ時間が経過した時点で前記センサ素子を前記通常駆動条件に基づく動作に復帰させる、
ことを特徴とする車両システム。
前記ガスセンサが、
内部に被測定ガスを導入して前記被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたセンサ素子と、
前記センサ素子の動作を制御するセンサコントローラと、
を備え、
前記センサ素子が、
酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部と、
前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる、測定用内部空所と、
前記測定用内部空所に設けられた測定電極と、前記測定用内部空所以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された測定ポンプセルと、
前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
を備えるものであり、
前記制御手段は、
前記センサ素子において、前記ヒータ部による加熱昇温と、前記測定ポンプセルによる前記測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含む、前記所定ガス成分の濃度を測定するための通常駆動条件に従う動作とを開始させた状態で、前記測定ポンプセルを流れる測定ポンプ電流をモニタして、前記測定ポンプ電流に所定の条件をみたす変化が生じたか否かを判断するように構成されてなり、
前記測定ポンプ電流に前記所定の条件をみたす変化が生じていると判断される場合、あらかじめ設定されて前記センサコントローラに格納されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、前記測定ポンプセルに前記測定用内部空所に酸素を汲み入れさせ、これによって前記測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスを全て酸化させ、
前記汲み入れ時間が経過した時点で前記センサ素子を前記通常駆動条件に基づく動作に復帰させる、
ことを特徴とする車両システム。
【請求項5】
請求項４に記載の車両システムであって、
前記制御手段が実使用時に見込まれる吸着量と同等以上の炭化水素ガスが導入されてなる実使用前の前記ガスセンサの前記センサ素子において前記ヒータ部による加熱昇温と前記通常駆動条件に従う動作とを開始させたときに前記測定ポンプ電流に生じる一時的な減少における、前記測定ポンプ電流の減少量と減少継続時間との積を、前記測定用内部空所に吸着すると見込まれる炭化水素ガスを全て酸化させる際の必要酸素量に対応する必要酸素量相当値と定義するときに、
前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間との積が、前記必要酸素量相当値と等しくなるように、設定されてなる、
ことを特徴とする、車両システム。
前記制御手段が実使用時に見込まれる吸着量と同等以上の炭化水素ガスが導入されてなる実使用前の前記ガスセンサの前記センサ素子において前記ヒータ部による加熱昇温と前記通常駆動条件に従う動作とを開始させたときに前記測定ポンプ電流に生じる一時的な減少における、前記測定ポンプ電流の減少量と減少継続時間との積を、前記測定用内部空所に吸着すると見込まれる炭化水素ガスを全て酸化させる際の必要酸素量に対応する必要酸素量相当値と定義するときに、
前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間との積が、前記必要酸素量相当値と等しくなるように、設定されてなる、
ことを特徴とする、車両システム。
【請求項6】
請求項４または請求項５に記載の車両システムであって、
前記制御手段は、前記測定ポンプ電流が０にまで減少したと判断されるタイミングで、前記測定ポンプセルに前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間に従い前記測定用内部空所に酸素を汲み入れさせる、
ことを特徴とする、車両システム。
前記制御手段は、前記測定ポンプ電流が０にまで減少したと判断されるタイミングで、前記測定ポンプセルに前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間に従い前記測定用内部空所に酸素を汲み入れさせる、
ことを特徴とする、車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関の排気管に設けられてなるガスセンサの動作方法に関し、特に、始動時における炭化水素ガスの吸着に起因する問題を回避する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
ガソリン車両における環境性能を確保・維持する観点から、エンジンの排気経路においてＴＷＣ（三元触媒）とＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）とを備える触媒部から下流側へと排出されるＮＯｘおよびアンモニア（ＮＨ３）の排出量を、正確にかつ経時的に把握することが、求められている。ＴＷＣの内部がリーン雰囲気である場合にはＮＯｘが排出され、リッチ雰囲気である場合にはＮＨ３が排出される。ＮＯｘおよびＮＨ３の排出量を把握することにより、触媒部の劣化の度合を診断することが可能となる。
【0003】
ＮＯｘセンサをガソリンエンジンの排気経路に取り付け、使用する態様は、すでに公知である（例えば特許文献１および特許文献２参照）。
【0004】
また、特許文献１および特許文献２に開示されているようなＮＯｘを検出可能なガスセンサにおいて、ＮＨ３を検出可能であることも、すでに公知である（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０２１－１１３７７０号公報
【特許文献2】特開２０２１－１４８６１２号公報
【特許文献3】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】
【0006】
特許文献１ないし特許文献３に開示されているようなガスセンサを用いた、エンジンの排気経路における被測定ガス中のＮＯｘおよびＮＨ３の濃度の測定は通常、車両の使用を開始するためのエンジンの始動とともに、内部に備わるヒータによる加熱・昇温が開始されたセンサ素子が所定の駆動温度に到達した状態で、行われる。
【0007】
一方で、エンジンが停止状態にあるときは、ガスセンサも動作せず常温にある。そのような状態のガスセンサにおいては、その内部に、具体的にはセンサ素子の内部空所にまで炭化水素（ＨＣ）ガスが流入し、吸着していることがある。係るＨＣガスは、例えば、排気管に残存している排ガスなどに由来する。また、センサ素子の昇温時にＨＣガスが吸着する場合も起こり得る。
【0008】
このようなＨＣガスがセンサ素子の内部に吸着した状態でガスセンサの使用を開始するべくヒータによるセンサ素子の加熱が開始された場合、センサ素子がある温度域に達すると、吸着していたＨＣガスがセンサ素子の内部に存在する酸素にて酸化されるようになる。係るＨＣガスの酸化は、センサ素子に吸着していた全てのＨＣガスが酸化されるまで継続するが、場合によっては、センサ素子が駆動温度に到達後、ＮＯｘおよびＮＨ３の濃度測定が開始された以降においても起こり得る。
【0009】
測定電極が備わる内部空所に吸着しているＨＣガスが酸化される場合には、当該内部空所に存在する酸素が消費されることになる。しかしながら、濃度測定の開始後に当該内部空所においてＨＣガスが酸化される際に消費される酸素は、当該内部空所に導入された窒素酸化物の分解によって生じるものである。係る酸素がＨＣガスの酸化に消費されてしまうと、濃度の特定に用いる測定ポンプ電流が本来の値よりも減少してしまい、結果として、ＮＯｘおよびＮＨ３の濃度値が本来の値からずれてしまうことになる。
【0010】
あるいは、当該内部空所に存在する酸素の量が少ない場合、ＮＯｘおよびＮＨ３の濃度値を得るための本来の動作である汲み出し動作とは反対の、酸素の汲み入れ動作が生じてしまうことも起こり得る。
【0011】
なお、当該内部空所に存在する全てのＨＣガスが酸化されてしまえば、酸素ポンプ電流は本来の値に戻ることにはなるため、始動後の一定時間、濃度値の特定を行わないようにすれば、濃度値のズレの問題は生じないが、そのような測定不能時間を許容することは必ずしも望ましい態様とはいえず、そもそも、どの程度の時間、測定ポンプ電流が減少状態にあるのかが不明である。
【0012】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、炭化水素ガスの吸着に起因する測定精度の劣化と測定不能時間の発生という問題を回避可能な、ガスセンサの動作方法を提供することを、目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、内部に被測定ガスを導入して前記被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたセンサ素子を備えるガスセンサの動作方法であって、前記センサ素子が、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部と、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる、測定用内部空所と、前記測定用内部空所に設けられた測定電極と、前記測定用内部空所以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された測定ポンプセルと、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、を備えるものであり、前記ヒータ部による前記センサ素子の加熱昇温を開始させるともに、前記所定ガス成分の濃度を測定するための通常駆動条件に従い、前記測定ポンプセルによる前記測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含む前記センサ素子の動作を開始させる素子始動工程と、前記素子始動工程において動作が開始された前記センサ素子において前記測定ポンプセルを流れる測定ポンプ電流をモニタするモニタ工程と、前記モニタ工程においてモニタされる前記測定ポンプ電流に所定の条件をみたす変化が生じたか否かを判断する判断工程と、前記判断工程において前記所定の条件をみたす変化が生じていると判断された場合に、あらかじめ設定されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、前記測定ポンプセルに前記測定用内部空所に対し酸素を汲み入れさせる汲み入れ工程と、前記汲み入れ時間が経過した時点で前記センサ素子を前記通常駆動条件に基づく動作に復帰させる復帰工程と、を備え、前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスが前記汲み入れ工程によって全て酸化されるように、前記ガスセンサの実使用時に先立ってあらかじめ設定されてなる、ことを特徴とする。
【0014】
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサの動作方法であって、前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記ガスセンサの実使用時までに行われる設定工程において設定される値であり、前記設定工程が、前記ガスセンサの実使用前に、前記センサ素子の前記測定用内部空所に、前記ガスセンサの実使用時に見込まれる吸着量と同等以上の炭化水素ガスを導入させる炭化水素ガス導入工程と、前記炭化水素ガス導入工程において炭化水素ガスが導入された前記ガスセンサにおいて、前記ヒータ部による前記センサ素子の加熱昇温を行いつつ前記通常駆動条件に従い前記センサ素子の動作を開始させたときに前記測定ポンプ電流に生じる一時的な減少における、前記測定ポンプ電流の減少量と減少継続時間とを特定し、前記減少量と前記減少継続時間との積を必要酸素量相当値とする酸素量特定工程と、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間との積が前記必要酸素量相当値と等しくなるように、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間とを設定する、始動時パラメータ設定工程と、を備えることを特徴とする。
【0015】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係るガスセンサの動作方法であって、前記判断工程において前記測定ポンプ電流に所定の閾値以上の減少が生じたと判断されたタイミングで前記汲み入れ工程を開始する、ことを特徴とする。
【0016】
本発明の第４の態様は、内燃機関が搭載された車両と、前記内燃機関の排気管に設けられてなり、前記内燃機関からの排ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたガスセンサと、制御手段とを備える、車両システムであって、前記ガスセンサが、内部に被測定ガスを導入して前記被測定ガスに含まれる所定ガス成分の濃度を特定可能に構成されたセンサ素子と、前記センサ素子の動作を制御するセンサコントローラと、を備え、前記センサ素子が、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の基体部と、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる、測定用内部空所と、前記測定用内部空所に設けられた測定電極と、前記測定用内部空所以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された測定ポンプセルと、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、を備えるものであり、前記制御手段は、前記センサ素子において、前記ヒータ部による加熱昇温と、前記測定ポンプセルによる前記測定用内部空所からの酸素の汲み出し動作を含む、前記所定ガス成分の濃度を測定するための通常駆動条件に従う動作とを開始させた状態で、前記測定ポンプセルを流れる測定ポンプ電流をモニタして、前記測定ポンプ電流に所定の条件をみたす変化が生じたか否かを判断するように構成されてなり、前記測定ポンプ電流に前記所定の条件をみたす変化が生じていると判断される場合、あらかじめ設定されて前記センサコントローラに格納されてなる汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、前記測定ポンプセルに前記測定用内部空所に酸素を汲み入れさせ、これによって前記測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスを全て酸化させ、前記汲み入れ時間が経過した時点で前記センサ素子を前記通常駆動条件に基づく動作に復帰させる、ことを特徴とする。
【0017】
本発明の第５の態様は、第４の態様に係る車両システムであって、前記制御手段が実使用時に見込まれる吸着量と同等以上の炭化水素ガスが導入されてなる実使用前の前記ガスセンサの前記センサ素子において前記ヒータ部による加熱昇温と前記通常駆動条件に従う動作とを開始させたときに前記測定ポンプ電流に生じる一時的な減少における、前記測定ポンプ電流の減少量と減少継続時間との積を、前記測定用内部空所に吸着すると見込まれる炭化水素ガスを全て酸化させる際の必要酸素量に対応する必要酸素量相当値と定義するときに、前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間は、前記汲み入れ電流値と前記汲み入れ時間との積が、前記必要酸素量相当値と等しくなるように、設定されてなる、ことを特徴とする。
【0018】
本発明の第６の態様は、第４または第５の態様に係る車両システムであって、前記制御手段は、前記測定ポンプ電流が０にまで減少したと判断されるタイミングで、前記測定ポンプセルに前記汲み入れ電流値および前記汲み入れ時間に従い前記測定用内部空所に酸素を汲み入れさせる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0019】
本発明の第１ないし第６の態様によれば、測定用内部空所に吸着している炭化水素ガスを短時間で意図的にかつ確実に全て酸化させることにより、係る意図的な汲み入れを行わない場合に比して、炭化水素ガスの酸化が原因で酸素ポンプ電流に基づく測定を好適に行い得ない時間を、短縮することができる。これにより、ガスセンサにおいて測定を行っている途中で、炭化水素ガスの酸化に伴い酸素ポンプ電流が減少することを、回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】車両システム１０００の要部の構成を模式的に示す図である。
【図2】ガスセンサ１００の長手方向に沿った要部断面図である。
【図3】センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示す、素子長手方向に沿った垂直断面図である。
【図4】、ガスセンサ１００を実使用する前の段階における、必要酸素量指標値の特定について説明するための図である。
【図5】ガスセンサ１００の使用開始時に、汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙに基づく酸素の汲み入れ動作を短時間で行う場合の、測定ポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を示す図である。
【図6】ガスセンサ１００の製造の流れを示す図である。
【図7】始動時汲み入れパラメータの設定に係る処理の流れを示す図である。
【図8】車両システム１０００の始動時の処理の流れを示す図である。
【図9】実施例に係るガスセンサ１００を大気中にて通常の駆動条件で駆動したときの、加熱開始からの測定ポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
図１は、本実施の形態に係る動作方法の実施対象であるガスセンサ１００を含む、車両システム１０００の要部の構成を、模式的に示す図である。
【0022】
車両システム１０００は、ガスセンサ１００に加え、図示しない車両（自動車）本体に搭載された、当該車両の動力源たるガソリンエンジン（以下、単にエンジンとも称する）２００と、エンジン２００から排出される排ガスの排気管３００と、排気管３００の途中に設けられてなる触媒部４００と、車両システム１０００の動作を制御するＥＣＵ（電子制御装置）５００とを、主として備える。
【0023】
ガスセンサ１００は、排気管３００において触媒部４００よりも下流側に設けられてなり、エンジン２００から排出された後、触媒部４００を通過した排ガスにおけるＮＯｘおよびＮＨ３を検知し、その濃度を特定するためのものである。ガスセンサ１００は、センサコントローラ１５０を介してＥＣＵ５００に接続されており、時々刻々と測定されるＮＯｘおよびＮＨ３の濃度の時間積分値をＥＣＵ５００にて演算することにより、ＮＯｘおよびＮＨ３の排出量が求められるようになっている。
【0024】
触媒部４００は、ＴＷＣ（三元触媒）４００ａと、ＧＰＦ（ガソリン・パティキュレート・フィルタ）４００ｂとを備える。図１においては、ＴＷＣ４００ａと、ＧＰＦ４００ｂとが一体となった構成を示しているが、これは一例であり、両者は別体に設けられる場合もある。ＴＷＣ４００ａは、エンジン２００の排ガスがλ＜１のリッチ雰囲気である場合には主に排ガス中のＮＯｘを浄化し、排ガスがλ＞１のリーン雰囲気にあるときは主に排ガス中のＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）を浄化し、λ＝１近傍のストイキ雰囲気では排ガス中のＮＯｘ、ＨＣ、およびＣＯを全て浄化する。ＧＰＦ４００ｂは、エンジン２００の排ガスに含まれるＰＭ（粒子状物質）を捕集するフィルタである。ＰＭ（粒子状物質）の一種として、炭素の微粒子である煤がある。
【0025】
ＥＣＵ５００は、車両の運転全般に係る制御を担う。ＥＣＵ５００は少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）およびメモリ（図示せず）を含んでおり、ＥＣＵ５００が有する各機能は、プロセッサがメモリに格納されているソフトウェアを実行することによって実現される。メモリは、例えば、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。
【0026】
センサコントローラ１５０は、ガスセンサ１００に電気的に接続されてなるものであり、ＥＣＵ５００の制御のもと、ガスセンサ１００における濃度測定のための種々の駆動動作を制御する。センサコントローラ１５０も、少なくとも１つのプロセッサ（図示せず）およびメモリ（図示せず）を含んでおり、センサコントローラ１５０が有する各機能は、プロセッサがメモリに格納されているソフトウェアを実行することによって実現される。メモリは、例えば、不揮発性または揮発性の半導体メモリである。
【0027】
センサコントローラ１５０は、ガスセンサ１００の製造時に、個々のガスセンサ１００に固有のものが用意され、接続される。そして、後述するように、個々のガスセンサ１００に固有の特性情報が、接続されたセンサコントローラ１５０のメモリに格納されるようになっている。
【0028】
【0029】
ガスセンサ１００は、主として、センサ素子１０１と、その周囲に環装されてなる環装部品１２０と、環装部品１２０の周囲にさらに環装され、該環装部品１２０を収容してなる筒状体１３０とが、保護カバー１０２と、固定ボルト１０３と、外筒１０４とによって被覆された構成を有する。換言すれば、ガスセンサ１００においては、概略、センサ素子１０１が筒状体１３０の内部の軸中心位置において軸方向に貫通し、環装部品１２０が、筒状体１３０の内部においてセンサ素子１０１に環装された構成を有する。主として、筒状体１３０と、保護カバー１０２と、外筒１０４とが、センサ素子１０１のケーシング（収容部材）を構成している。
【0030】
センサ素子１０１は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスからなる素子体を主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子１０１は、筒状体１３０の長手方向に沿った中心軸上に配置されてなる。以降、筒状体１３０の長手方向と一致する中心軸の延在方向を軸線方向とも称する。図２において、軸線方向はｚ軸方向と一致している。
【0031】
センサ素子１０１は、第１先端部１０１ａの側にガス導入口や内部空所などを備える検知部を有するとともに、素子体表面および内部に種々の電極や配線パターンを備えた構成を有する。センサ素子１０１においては、内部空所に導入された被検ガスが内部空所内で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。ガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被検ガス中における当該ガス成分の濃度に比例することに基づいて、係るガス成分の濃度が求められる。すなわち、ガスセンサ１００は、限界電流式のガスセンサである。
【0032】
センサ素子１０１の表面の、第１先端部１０１ａから長手方向における所定の範囲は、保護膜１１１で被覆されてなる。保護膜１１１は、内部空所や電極等が設けられてなるセンサ素子１０１の第１先端部１０１ａ近傍を被水などによる熱的な衝撃から保護するために設けられ、耐熱衝撃保護層とも称される。保護膜１１１は、例えばＡｌ２Ｏ3などからなる厚みが１０μｍ～２０００μｍ程度の多孔質膜である。保護膜１１１は、その目的に照らして、５０Ｎ程度までの力に耐え得るように形成されるのが好ましい。ただし、図２における保護膜１１１の形成範囲はあくまで例示であって、実際の形成範囲は、センサ素子１０１の具体的構造に応じて適宜に定められる。
【0033】
保護カバー１０２は、センサ素子１０１のうち、使用時に被検ガスに直接に接触する部分である第１先端部１０１ａを保護する、略円筒状の外装部材である。保護カバー１０２は、筒状体１３０の図面視下側（ｚ軸方向負側）の外周端部（後述する縮径部１３１の外周）に、溶接固定されてなる。
【0034】
図２に示す場合においては、保護カバー１０２は、外側カバー１０２ａと内側カバー１０２ｂとの２層構造となっている。外側カバー１０２ａと内側カバー１０２ｂは、それぞれ、気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈ１およびＨ２と、Ｈ３およびＨ４が設けられてなる。なお、図２に示す貫通孔の種類、配置個数、配置位置、形状などあくまで例示であって、保護カバー１０２の内部への被測定ガスの流入態様を考慮して適宜に定められてよい。
【0035】
固定ボルト１０３は、ガスセンサ１００を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト１０３は、ねじ切りがされたボルト部１０３ａと、ボルト部１０３ａを螺合する際に保持される保持部１０３ｂとを備えている。ボルト部１０３ａは、ガスセンサ１００の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部１０３ａが螺合されることで、ガスセンサ１００は、保護カバー１０２の側が排気管３００内に露出する態様にて該排気管３００に固定される。
【0036】
外筒１０４は、その一方端部（図面視下端部）が筒状体１３０の図面視上側（ｚ軸方向正側）の外周端部に溶接固定されてなる、金属製の円筒状部材である。外筒１０４の内部にはコネクタ１０５が配されている。また、外筒１０４の他方端部（図面視上端部）には、シール（封止）部材として、ゴム栓１０６が嵌め込まれている。ガスセンサ１００においては、筒状体１３０とゴム栓１０６との間において、外筒１０４に囲繞されてなる空間が、基準ガス空間ＳＰとなっている。換言すれば、基準ガス空間ＳＰは、ゴム栓１０６にて封止されてなる。基準ガス空間ＳＰには、センサ素子１０１の第２先端部１０１ｂが突出してなる。係る基準ガス空間ＳＰ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。
【0037】
コネクタ１０５には、センサ素子１０１の第２先端部１０１ｂに備わる図示しない複数の端子電極と接する複数の接点部材１５１が備わっている。接点部材１５１は、ゴム栓１０６に挿通されたリード線１０７と接続されてなる。リード線１０７は、ガスセンサ１００外部の図２においては図示しないセンサコントローラ１５０や各種電源に接続されてなる。
【0038】
なお、図２には、接点部材１５１とリード線１０７とをそれぞれ２つずつのみ示しているが、これは例示である。
【0039】
筒状体１３０は、主体金具とも称される金属製の筒状部材である。筒状体１３０の内部には、センサ素子１０１と環装部品１２０とが収容されてなる。換言すれば、筒状体１３０は、センサ素子１０１の周りに環装された環装部品１２０の周囲に、さらに環装されてなる。
【0040】
筒状体１３０は、軸線方向に平行な円筒状の内面１３０ａによって円筒状の内空間をなしている厚肉の主部１３０Ｍと、図面視で軸線方向下端部（ｚ軸方向負側）に備わり、主部１３０Ｍよりもさらに厚肉の縮径部１３１と、図面視で軸線方向の上端に位置する主部１３０Ｍの端面１３０ｃからさらに上方に延在しつつ、軸中心へ向かう向きへと屈曲させられてなる薄肉のかしめ部１３２と、周方向外側へと突出してなる係止部１３３とを主として備える。
【0041】
かしめ部１３２は、屈曲させられてなることで、内部に配置された環装部品１２０を（直接的には第２セラミックサポータ１２３を）図面視上方から押圧しつつ固定（拘束）してなる。なお、かしめ部１３２は、後述するように、センサ素子１０１および環装部品１２０の環装後に屈曲させられてなる。
【0042】
環装部品１２０は、第１セラミックサポータ１２１と、圧粉体１２２と、第２セラミックサポータ１２３とからなる。
【0043】
第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３は、セラミックス製の碍子である。より詳細には、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３の軸中心位置には、センサ素子１０１の断面形状に応じた矩形状の貫通孔（図示省略）が設けられており、当該貫通孔にセンサ素子１０１が挿通されることによって、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３はセンサ素子１０１に環装されてなる。なお、第１セラミックサポータ１２１は、図面視下方において筒状体１３０のテーパー面１３０ｂに係止されてなる。
【0044】
一方、圧粉体１２２は、タルクなどのセラミックス粉末を成型してなり、かつ、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３と同様、貫通孔にセンサ素子１０１が挿通されることによってセンサ素子１０１の周囲に環装された状態で筒状体１３０の内部に配置された後、さらに圧縮されて一体となったものである。より詳細には、圧粉体１２２をなすセラミックス粒子は、第１セラミックサポータ１２１および第２セラミックサポータ１２３と筒状体１３０とに囲繞され、かつ、センサ素子１０１が貫通する空間に、密に充填されてなる。
【0045】
ガスセンサ１００においては、概略、第１セラミックサポータ１２１のテーパー面１３０ｂによる係止と、第２セラミックサポータ１２３の図面視上側からのかしめ部１３２による押圧とによって、筒状体１３０の内部におけるセンサ素子１０１と環装部品１２０との固定が、実現されてなる。加えて、圧粉体１２２の圧縮充填により、センサ素子１０１の第１先端部１０１ａ側と、第２先端部１０１ｂ側との間の気密封止が、実現されてなる。
【0046】
＜センサ素子の概略構成＞
図３は、センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示す、素子長手方向に沿った垂直断面図である。図３においては、センサ素子１０１の第１先端部１０１ａ側に備わる保護膜１１１の図示を省略している。
図３は、センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示す、素子長手方向に沿った垂直断面図である。図３においては、センサ素子１０１の第１先端部１０１ａ側に備わる保護膜１１１の図示を省略している。
【0047】
センサ素子１０１は、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（ＺｒＯ２）からなる（例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる）、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つの固体電解質層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する、平板状の（長尺板状の）セラミックス製の素子体である。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。なお、以降においては、図３におけるこれら６つの層のそれぞれの上側の面を単に上面、下側の面を単に下面と称することがある。また、センサ素子１０１のうち固体電解質からなる部分全体を基体部と総称する。
【0048】
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（例えば、電極、電極リード、リード絶縁層など）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。
【0049】
センサ素子１０１の第１先端部１０１ａ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を兼ねる第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。
【0050】
緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０、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（領域）である。なお、ガス導入口１０についても同様に、第１拡散律速部１１とは別に、第１先端部１０１ａにおいてスペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられてなる態様であってもよい。係る場合、第１拡散律速部１１がガス導入口１０よりも内部に隣接形成されることになる。
【0051】
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、第４拡散律速部６０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。なお、ガス導入口１０から最奥の内部空所である第３内部空所６１に至る部位をガス流通部とも称する。
【0052】
また、センサ素子１０１の第２先端部１０１ｂ側には、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所４３が設けられている。基準ガス導入空所４３は、外筒１０４内の基準ガス空間ＳＰに対し開口しており、基準ガス空間ＳＰから基準ガスたる大気が導入される。
【0053】
大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空所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、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。
【0054】
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、基準ガス導入空所４３につながる大気導入層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内や第２内部空所４０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。
【0055】
ガス流通部において、ガス導入口１０（第１拡散律速部１１）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。
【0056】
第１拡散律速部１１は、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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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濃度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濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。
【0060】
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濃度（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。
【0061】
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（主ポンプ電極とも称する）２２と、第２固体電解質層６の上面（センサ素子１０１の一方主面）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（空所外）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。
【0062】
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）に形成されている。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が形成されてなる。これら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとは、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）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。
【0063】
天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂは、平面視矩形状に設けられてなる。ただし、天井電極部２２ａのみ、あるいは、底部電極部２２ｂのみが設けられる態様であってもよい。
【0064】
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として形成される。特に、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が弱められてなる一方で、ＮＨ３に対する酸化能力を有する材料を用いて形成される。被測定ガスにＮＨ３が含まれている場合、係るＮＨ３は内側ポンプ電極２２の触媒能により酸化されてＮＯに変換される。
【0065】
内側ポンプ電極２２は、例えば、５％～４０％の気孔率を有し、Ａｕを０．６ｗｔ～１．４ｗｔ％程度含むＡｕ－Ｐｔ合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として、５μｍ～２０μｍの厚みに形成される。Ａｕ－Ｐｔ合金とＺｒＯ２との重量比率は、Ｐｔ：ＺｒＯ２＝７．０：３．０～５．０：５．０程度であればよい。
【0066】
一方、外側ポンプ電極２３は、例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として、平面視矩形状に形成される。
【0067】
なお、図３においては図示を省略しているが、センサ素子１０１の一方主面側に、外側ポンプ電極２３を保護する目的で、外側ポンプ電極２３を被覆する電極保護層が備わっていてもよい。
【0068】
主ポンプセル２１においては、ＥＣＵ５００による制御のもと、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に可変電源２４によって所望のポンプ電圧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主ポンプ電流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。なお、主ポンプセル２１において内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に印加されるポンプ電圧Ｖｐ０を、主ポンプ電圧Ｖｐ０とも称する。
【0069】
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である主センサセル８０が構成されている。
【0070】
主センサセル８０における内側ポンプ電極２２と基準電極４２との電位差である起電力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。
【0071】
さらに、センサコントローラ１５０が、起電力Ｖ０が一定となるように主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これにより、第１内部空所２０内の酸素濃度は所定の一定値に保たれるようになっている。
【0072】
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。
【0073】
第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧をさらに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、補助ポンプセル５０が作動することによって調整される。第２内部空所４０においては、被測定ガスの酸素濃度がさらに高精度に調整される。
【0074】
第２内部空所４０では、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による酸素濃度（酸素分圧）の調整が行われるようになっている。
【0075】
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と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。
【0076】
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と同様の形態にて、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が形成されてなり、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が形成されてなる。これら天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂは、平面視矩形状をなしているとともに、第２内部空所４０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。
【0077】
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。あるいはさらに、ＮＨ３に対する酸化能力をも有する材料を用いて形成される態様であってもよい。係る場合、仮に第２内部空所４０に到達した被測定ガスに第１内部空所２０において内側ポンプ電極２２の触媒能により酸化されなかったＮＨ３が残存している場合であっても、係るＮＨ３をより確実に酸化させてＮＯに変換させることが可能となる。
【0078】
補助ポンプセル５０においては、センサコントローラ１５０による制御のもと、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（補助ポンプ電圧）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。
【0079】
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である補助センサセル８１が構成されている。補助センサセル８１においては、第２内部空所４０内の酸素分圧に応じて補助ポンプ電極５１と基準電極４２との間に生じる電位差である起電力Ｖ１が、検出される。
【0080】
補助ポンプセル５０は、この補助センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、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フィードバック制御されるようになっている。
【0081】
また、これとともに、その補助ポンプ電流Ｉｐ１が、主センサセル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、補助ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０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。
【0082】
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。
【0083】
第３内部空所６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物の濃度の測定に係る処理を行うための空間（測定用内部空所）として設けられている。ここで、窒素酸化物には、もとより被測定ガスに含まれていたＮＯｘと、被測定ガスに含まれていたＮＨ３が酸化されることにより生じたＮＯとが含まれる。窒素酸化物濃度の測定は、第３内部空所６１において、測定ポンプセル４１が動作することによりなされる。第３内部空所６１には、第２内部空所４０において酸素濃度が高精度に調整された被測定ガスが導入されるため、ガスセンサ１００においては精度の高い窒素酸化物濃度測定が可能となる。
【0084】
測定ポンプセル４１は、第３内部空所６１内に導入された被測定ガスの窒素酸化物濃度を測定するためのものである。測定ポンプセル４１は、第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置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。
【0085】
測定電極４４は、貴金属と固体電解質との多孔質サーメット電極である。例えばＰｔあるいはＰｔとＲｈなどの他の貴金属との合金と、センサ素子１０１の構成材料たるＺｒＯ２とのサーメット電極として形成される。測定電極４４は、第３内部空所６１内の雰囲気中に存在する窒素酸化物を還元する窒素酸化物還元触媒としても機能する。
【0086】
測定ポンプセル４１においては、センサコントローラ１５０による制御のもと、第３内部空所６１内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（測定ポンプ電流）Ｉｐ２として検出することができる。
【0087】
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、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、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である測定センサセル８２が構成されている。測定センサセル８２にて検出される、第３内部空所６１内の酸素分圧に応じて測定電極４４と基準電極４２との間に生じる電位差である起電力Ｖ２に基づいて、可変電源４６がフィードバック制御される。なお、測定ポンプセル４１は、起電力Ｖ２の設定によっては外部より酸素を汲み入れることも可能とされてなる。
【0088】
第３内部空所６１内に導かれた被測定ガス中の窒素酸化物は測定電極４４により還元され、酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧（測定ポンプ電圧）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、測定ポンプセル４１におけるポンプ電流（測定ポンプ電流）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。
【0089】
ただし、係る態様にて窒素酸化物濃度を算出するだけでは、その値がリーン雰囲気の被測定ガスに含まれていたＮＯｘの濃度に該当するのか、あるいはリッチ雰囲気の被測定ガスに含まれていたＮＨ３が酸化されることにより生じたＮＯの濃度に該当するのか、不明である。ＮＯｘとＮＨ３の排出量をそれぞれに把握するためには、濃度値の算出対象となっているガス成分が、ＮＯｘとＮＨ３のいずれであるかを判別する必要がある。
【0090】
本実施の形態に係る車両システム１０００においては、係る判別を、ＮＯｘおよびＮＨ３を直接に検出することによって行うのではなく、センサ素子１０１に備わる雰囲気判定セル８３を用いて行うようになっている。
【0091】
雰囲気判定セル８３は、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とから構成される電気化学的なセンサセルである。この雰囲気判定セル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆは、センサ素子１０１の周囲の雰囲気中の酸素分圧、つまりは酸素の多少に応じた値となる。
【0092】
そこで、車両システム１０００においては、被測定ガスがリーン雰囲気であるときの起電力Ｖｒｅｆの値（範囲）とリッチ雰囲気であるときの起電力Ｖｒｅｆの値（範囲）とをあらかじめ特定しておき、センサコントローラ１５０の図示しないメモリに記憶させておくようにする。ガスセンサ１００による測定の実行時、センサコントローラ１５０は、測定ポンプ電流Ｉｐ２の値を示す信号と起電力Ｖｒｅｆの値を示す信号とをセットで取得する。そして、起電力Ｖｒｅｆの値に基づいて、測定ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて演算される窒素酸化物の濃度値を、ＮＯｘによるものかＮＨ３によるものかを判別し、該当するガス種の濃度値として記録または出力する。
【0093】
センサ素子１０１は、さらに、基体部を構成する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。
【0094】
ヒータ部７０は、ヒータ電極７１と、ヒータエレメント７２と、ヒータリード７２ａと、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５と、図３においては図示を省略するヒータ抵抗検出リードとを、主として備えている。また、ヒータ部７０は、ヒータ電極７１を除いて、センサ素子１０１の基体部に埋設されてなる。
【0095】
ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面（センサ素子１０１の他方主面）に接する態様にて形成されてなる電極である。
【0096】
ヒータエレメント７２は、第２基板層２と第３基板層３との間に設けられた抵抗発熱体である。ヒータエレメント７２は、図３においては図示を省略する、センサ素子１０１の外部に備わる図示しないヒータ電源から、通電経路であるヒータ電極７１、スルーホール７３、およびヒータリード７２ａを通じて給電されることより、発熱する。ヒータエレメント７２は、Ｐｔにて、あるいはＰｔを主成分として、形成されてなる。ヒータエレメント７２は、センサ素子１０１のガス流通部が備わる側の所定範囲に、素子厚み方向においてガス流通部と対向するように埋設されている。ヒータエレメント７２は、１０μｍ～３０μｍ程度の厚みを有するように設けられる。
【0097】
センサ素子１０１においては、センサコントローラ１５０による制御のもと、ヒータ電極７１を通じてヒータエレメント７２に電流を流すことにより、ヒータエレメント７２を発熱させることで、センサ素子１０１の各部を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。具体的には、センサ素子１０１は、ガス流通部付近の固体電解質および電極の温度が７００℃～９００℃程度になるように加熱される。係る加熱によって、センサ素子１０１において基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。なお、ガスセンサ１００が使用される際の（センサ素子１０１が駆動される際の）ヒータエレメント７２による加熱温度を、素子駆動温度と称する。
【0098】
ヒータエレメント７２による発熱の程度（ヒータ温度）は、ヒータエレメント７２の抵抗値の大きさ（ヒータ抵抗）によって把握される。
【0099】
以上のような構成を有するガスセンサ１００においてＮＯｘあるいはＮＨ３の濃度が測定される際には、センサコントローラ１５０が主ポンプセル２１さらには補助ポンプセル５０を作動させることによって、第１内部空所２０さらには第２内部空所４０において酸素濃度が一定とされるフィードバック制御が実行され、酸素濃度一定とされた被測定ガスが、第３内部空所６１へと導入され、測定電極４４に到達する。被測定ガスがＮＨ３を含んでいる場合には、ＮＨ３は第１内部空所２０あるいは第２内部空所４０において酸化され、ＮＯに変換される。
【0100】
そして、測定電極４４においては、到達した被測定ガス中の窒素酸化物が還元されることによって、酸素が発生する。係る酸素は、測定ポンプセル４１より汲み出されるが、係る汲み出しの際に流れる測定ポンプ電流Ｉｐ２は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度と一定の関数関係（以下、感度特性と称する）を有する。
【0101】
係る感度特性は、ガスセンサ１００を実使用するに先立ってあらかじめ、窒素酸化物濃度が既知の複数種類のモデルガスを用いて特定され、そのデータがセンサコントローラ１５０のメモリに記憶される。また、上述のように、メモリには、センサ素子１０１の周囲の被測定ガスがリーン雰囲気である場合とリッチ雰囲気である場合のそれぞれに対応する、雰囲気判定セル８３に生じる起電力Ｖｒｅｆの値（範囲）も、あらかじめ記憶されている。
【0102】
そして、ガスセンサ１００の実使用時、つまりは車両システム１０００を備える車両の運転時には、被測定ガスにおける窒素酸化物濃度に応じて流れる測定ポンプ電流Ｉｐ２の値を表す信号と、被測定ガスの雰囲気に応じた値となる起電力Ｖｒｅｆを示す信号とが、センサコントローラ１５０に時々刻々と与えられる。これらの信号は、センサコントローラ１５０からＥＣＵ５００へと与えられ、ＥＣＵ５００においては、測定ポンプ電流Ｉｐ２の値と特定した感度特性とに基づいて、窒素酸化物濃度が次々と演算される。また、起電力Ｖｒｅｆの値に基づいて、被測定ガスがどのような雰囲気にあるかが判定される。被測定ガスがリーン雰囲気であると判定された場合には、演算された窒素酸化物濃度はＮＯｘの濃度を示すものとして取り扱われ、被測定ガスがリッチ雰囲気であると判定された場合には、演算された窒素酸化物濃度はＮＨ３の濃度を示すものとして取り扱われる。
【0103】
これにより、ガスセンサ１００を備える車両システム１０００においては、被測定ガス中のＮＯｘおよびＮＨ３の濃度をほぼリアルタイムで把握することができるようになっている。
【0104】
＜炭化水素ガスの酸化への対応＞
次に、本実施の形態に係る車両システム１０００において実現される、ガスセンサ１００に吸着していた炭化水素（ＨＣ）ガスの酸化に伴う測定精度の劣化と測定不能時間の発生という問題を回避するための動作について説明する。
次に、本実施の形態に係る車両システム１０００において実現される、ガスセンサ１００に吸着していた炭化水素（ＨＣ）ガスの酸化に伴う測定精度の劣化と測定不能時間の発生という問題を回避するための動作について説明する。
【0105】
エンジン２００が停止しており、ガスセンサ１００も動作しておらず常温となっている間、ガスセンサ１００にはＨＣガスが吸着する。あるいはさらに、係るＨＣガスの吸着は、エンジン２００の始動に伴う昇温時に発生する。吸着したＨＣガスは昇温の過程で酸化され、係る酸化は、遅くとも、センサ素子１０１が素子駆動温度に到達後、一定程度の時間が経過するまでの間に、終了する。
【0106】
このようなＨＣガスの吸着さらには酸化に関して特に問題となるのは、測定電極４４が備わる第３内部空所６１に吸着していたＨＣガスの酸化に伴い、測定ポンプセル４１における測定ポンプ電流Ｉｐ２が一時的に減少し、その結果として、係る測定ポンプ電流Ｉｐ２を用いて特定されるＮＯｘおよびＮＨ３の濃度値が本来の値からずれてしまうという点である。
【0107】
ただし、このことは、別の見方をすれば、測定ポンプセル４１における測定ポンプ電流Ｉｐ２の値をモニタすることによって、第３内部空所６１においてＨＣガスの酸化が生じていることを、把握できることを意味する。
【0108】
また、吸着しているＨＣガスの酸化に要する酸素量はＨＣガスの量に比例するところ、ガスセンサ１００の通常の動作時に第３内部空所６１に存在する酸素の量が、吸着しているＨＣガスの量に比べて少ない場合、たとえ通常の動作条件に従い、汲み入れ動作が行われるとしても、ＨＣガスを全て酸化させるのには時間を要する。
【0109】
一方で、個々のガスセンサ１００においてセンサ素子１０１の内部に吸着し得るＨＣガスの量は、その構造（内部空所のサイズや電極の面積、気孔率など）に応じて概ね一定であり、使用が繰り返される都度、再現性があると考えられる。これはすなわち、個々のガスセンサ１００につき、第３内部空所６１に吸着するＨＣガスの酸化に必要な酸素の量を、あらかじめ見積もることが可能であることを意味する。
【0110】
本実施の形態においては、以上の点を鑑み、ガスセンサ１００を実使用する前の段階であらかじめ、第３内部空所６１に吸着しているＨＣガスの酸化に必要な酸素の量を示すための指標値（以下、必要酸素量指標値）を特定する。そして、ガスセンサ１００を使用する都度、ＨＣガスの酸化が生じ始めたことに起因して測定ポンプ電流Ｉｐ２が本来とるべき値よりも減少し始めるタイミングで、係る指標値に基づく量の酸素を、短時間で意図的に（強制的に）汲み入れ、ＨＣガスを意図的にかつ確実に短時間で全て酸化させるようにする。ＨＣガスを意図的に酸化させている間は測定を行い得ないものの、係る意図的な酸化の時間を、これを行わない場合において酸素ポンプ電流Ｉｐ２の異常値が継続する時間に比して十分に短くすることで、結果的には、酸素ポンプ電流Ｉｐ２に基づく測定を好適に行い得ない時間は短縮される。
【0111】
なお、センサ素子１０１の内部におけるＨＣガスの吸着と、駆動開始時におけるその酸化とは、第３内部空所６１のみならず、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至るまでのガス流通部全体で起こり得るが、第３内部空所６１以外に吸着しているＨＣガスの酸化は基本的に、主ポンプセル２１により第１内部空所２０から汲み出される酸素の量と、補助ポンプセル５０により第２内部空所４０から酸素の汲み出される酸素の量を低減させるだけであるので、窒素酸化物濃度の測定精度に対し直接には影響を及ぼさない。
【0112】
図４は、ガスセンサ１００を実使用する前の段階における、必要酸素量指標値の特定について説明するための図である。具体的には、図４は、センサ素子１０１の内部にＨＣガスを意図的に十分に吸着させた実使用前のガスセンサ１００を、大気中において通常の駆動条件で動作させたときの、測定ポンプ電流Ｉｐ２の駆動開始からの時間変化を示す図である。なお、係る場合におけるＨＣガスの吸着は、ガスセンサ１００の実使用時に通常生じ得る吸着において見込まれる吸着量と同等あるいはそれ以上の吸着量にてなされるようにするのが好ましい。また、ヒータ部７０によるセンサ素子１０１の加熱温度は必ずしも７００℃～９００℃程度の素子駆動温度と同じとする必要はなく、ＨＣガスの酸化が好適に生じる温度としてもよい。
【0113】
係る場合、大気中の酸素の濃度は一定であり、かつ、大部分の酸素は主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とによって汲み出されるため、測定ポンプ電流Ｉｐ２は、駆動開始から十分に時間が経てば、オフセット電流値とも称される０に近いある一定の値Ip2_ｏｆｓとなる。しかしながら、これまで説明したように、これに先立つ幾何かの時間、測定ポンプ電流Ｉｐ２は、酸素がＨＣガスの酸化に消費されるために減少する。
【0114】
ここで、図４に示すように、測定ポンプ電流Ｉｐ２の減少開始時の減少量をＡとし、係る減少が継続する時間（減少継続時間）をＢとすると、これらの値の積Ａ×Ｂは、ＨＣガスの酸化に要した酸素の量に応じた値となる。それゆえ、本実施の形態においては、これらの値ＡおよびＢを、必要酸素量指標値と定義し、積Ａ×Ｂを必要酸素量相当値と定義する。なお、測定ポンプ電流Ｉｐ２の本来の値からの減少量は時間経過とともに変化し得るが、通常は、減少開始時の減少量Ａが最大となるため、積Ａ×Ｂが実際にＨＣガスを酸化させるのに必要な酸素の量に比して過小となる可能性は小さいことから、必要酸素量相当値の特定にあたり減少量Ａを用いることに特段の不具合はない。
【0115】
なお、図４においては、減少量Ａの絶対値がIp2_ｏｆｓよりも大きいために、減少継続時間Ｂにおける測定ポンプ電流Ｉｐ２の値は負となっている（つまりは酸素が汲み入れられている）が、Ip2_ｏｆｓの大きさと、ＨＣガスの吸着量との兼ね合いによっては、減少量Ａの絶対値がIp2_ｏｆｓよりも小さく減少継続時間Ｂにおける測定ポンプ電流Ｉｐ２の値がプラスのままとなることもあり得る。
【0116】
必要酸素量指標値である減少量Ａと減少継続時間Ｂとが特定されることにより必要酸素量相当値が定まると、ガスセンサ１００の使用開始時に係る必要酸素量相当値に相当する酸素を第３内部空所６１に汲み入れるための測定ポンプ電流Ｉｐ２（汲み入れ電流）の電流の大きさ（絶対値）である汲み入れ電流値Ｘと、汲み入れ時間Ｙとは、
Ａ×Ｂ＝Ｘ×Ｙ ・・・（１）
Ｘ≫Ａ ・・・（２）
Ｙ≪Ｂ ・・・（３）
なる条件に従い設定することができる。
Ａ×Ｂ＝Ｘ×Ｙ ・・・（１）
Ｘ≫Ａ ・・・（２）
Ｙ≪Ｂ ・・・（３）
なる条件に従い設定することができる。
【0117】
ただし、
Ｘ≦１００μＡ ・・・（４）
Ｙ≦１０ｍｉｎ ・・・（５）
とする。
Ｘ≦１００μＡ ・・・（４）
Ｙ≦１０ｍｉｎ ・・・（５）
とする。
【0118】
具体的には、式（１）～（３）は、式（１）の左辺の積Ａ×Ｂにて定まる、第３内部空所６１に吸着しているＨＣガスを全て酸化させるにあたっての必要酸素量相当値に相当する酸素の汲み入れを、減少量Ａに比して十分に大きな汲み入れ電流値Ｘにて、減少継続時間Ｂよりも十分に短い、さらにはセンサ素子１０１が素子駆動温度に達するまでの時間よりも十分に短い汲み入れ時間Ｙで行うための、汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙがみたすべき条件を、示している。
【0119】
また、式（４）および式（５）は、測定電極４４が汲み入れた酸素にて酸化される不具合が生じないようにするための条件である。なお、式（４）の１００μＡ（＝０．１ｍＡ）なる値は、酸素濃度としては５％に相当する。
【0120】
なお、ＸおよびＹの値は必ずしも、式（１）～（５）によって一義的に定まるわけではなく、式（１）～（５）をみたすことを条件に任意の組み合わせを取り得る。それゆえ、実際の汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙの設定の仕方には自由度がある。よって、実際の設定に際しては、例えば汲み入れ時間Ｙの短縮を重視するのであれば、汲み入れ電流値Ｘが式（４）の１００μＡを超えない範囲で汲み入れ時間Ｙの値を最小にし、汲み入れの確実性を重視するのであれば汲み入れ時間Ｙが式（５）の１０ｍｉｎを超えない範囲で汲み入れ電流値を最小にする、などの設定基準に従い設定するようにすればよい。
【0121】
汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙは、ガスセンサ１００の使用開始前までに（典型的には出荷時までに）設定され、センサコントローラ１５０のメモリに格納される。
【0122】
図５は、ガスセンサ１００の使用開始時に、設定された汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙに基づいて必要酸素量相当値に従う酸素の汲み入れ動作を短時間で行う場合の、測定ポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を示す図である。なお、図５においては図示の簡単のため、図４の場合と同様に、測定ポンプ電流Ｉｐ２は十分に時間が経てばあるオフセット電流値Ip2_ｏｆｓとなるものとしているが、実際には必ずしも一定になるわけではなく、当該被測定ガスに含まれるＮＯｘの濃度に応じて変動する。
【0123】
ＥＣＵ５００からの制御指示に基づきセンサコントローラ１５０が通常の駆動条件でセンサ素子１０１の駆動を開始させると、第３内部空所６１にＨＣガスが吸着している場合、例えばセンサ素子１０１の昇温途中など、センサ素子１０１の駆動開始後のある任意のタイミングで、係るＨＣガスが酸化され始めることに伴い測定ポンプ電流Ｉｐ２は本来の値から急激に減少する。図５においては、時刻ｔ１において減少量Ｃの減少が生じた場合を示している。
【0124】
仮に、係る減少が生じた以降もそれまでの駆動条件が維持された場合には、図５において一点鎖線にて示すように、ＨＣガスの吸着状態に応じたある減少継続時間Ｄの間、測定ポンプ電流Ｉｐ２の減少が継続することになる。
【0125】
しかしながら、本実施の形態においては、測定ポンプ電流Ｉｐ２に所定の閾値以上の減少が生じるタイミングで、あらかじめ設定された汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙに従う汲み入れ動作が実行されるよう、センサ素子１０１の駆動条件が変更される。
【0126】
より詳細には、例えば図５に示すオフセット電流値Ip2_ｏｆｓに収束するプロファイルのような、ガスセンサ１００を始動させたときの測定ポンプ電流Ｉｐ２の時間変化プロファイルを与える、ガスセンサ１００を始動開始後の任意の時刻における測定ポンプ電流Ｉｐ２の値は、車両システム１０００の各構成要素の構造・形状・状態を表す所定のパラメータの値に応じて予測（演算）が可能である。本実施の形態においては、ＥＣＵ５００が、その値を時々刻々と予測しつつ、当該予測値と、測定ポンプ電流Ｉｐ２の実測値とを比較する。そして、始動開始後のある時刻における測定ポンプ電流Ｉｐ２の予測値が、所定の閾値を超えて小さいと判断されたタイミングで、汲み入れ動作が実行される。
【0127】
なお、車両システム１０００の各構成要素の構造・形状・状態を表す所定のパラメータとしては、ガスセンサ１００の構成や駆動条件、エンジン２００の駆動状況（回転数、燃料噴射量）、排気管３００の内径、触媒部４００の状況（温度など）などが例示される。
【0128】
汲み入れ動作の実行にあたっては、測定ポンプ電流Ｉｐ２が汲み入れ電流値Ｘの汲み入れ電流として流れるように、測定センサセル８２における起電力Ｖ２の目標値が、通常の駆動条件に比して小さい値に一時的に変更され、汲み入れ時間Ｙが経過するまで維持される。図５においては、ある時刻ｔ１において、測定ポンプ電流Ｉｐ２があらかじめ設定された閾値を超える減少量Ｃにて減少したことに伴い起電力Ｖ２の目標値が変更された場合を、例示している。
【0129】
このような駆動条件の一時的な変更により、第３内部空所６１に対し、内部に吸着しているＨＣガスを全て酸化させるに足る酸素を、条件を変更しない場合の減少継続時間Ｄに比して十分に短い時間で汲み入れることが、可能となる。なお、その際にはもちろんのこと、汲み入れの時点ですでに第３内部空所６１に存在する酸素も、ＨＣガスの酸化に際し消費される。そして、図５に示すように、汲み入れ時間Ｙの間のみ一時的に大きな汲み入れ電流が流れた後は、ＮＯｘが検出されない限り、測定ポンプ電流Ｉｐ２はオフセット電流値Ip2_ｏｆｓへと収束することになる。
【0130】
なお、係るガスセンサ１００の使用開始の時点での第３内部空所６１におけるＨＣガスの吸着状態（吸着量）と、汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙの設定に用いる必要酸素量指標値（減少量Ａと減少継続時間Ｂ）を特定するべく、実使用前の段階でのガスセンサ１００の駆動に先立ちＨＣガスを意図的に導入させた際の吸着状態（吸着量）とは、必ずしも同じではない。しかしながら、後者はＨＣガスが十分に吸着した状態を想定したものであることから、通常は、汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙに従う酸素の汲み入れを行っておけば、第３内部空所６１におけるＨＣガスは、係る組み入れを行わない場合に比して短い時間で、確実に全て酸化される。すなわち、通常の窒素酸化物濃度の測定動作に代えて意図的な汲み入れ動作を短時間行うことで、結果として、酸素ポンプ電流Ｉｐ２に基づく測定を好適に行い得ない時間は短縮される。
【0131】
以上のように、本実施の形態においては、ＨＣガスの酸化が生じるタイミングで測定電極の備わる内部空所に意図的に酸素を汲み入れて係るＨＣガスを短時間で全て酸化させる。これにより、酸素ポンプ電流Ｉｐ２に基づく測定を好適に行い得ない時間は短縮される。さらには、被測定ガスを対象とした窒素酸化物濃度の測定を行うことが可能となった以降に、係るＨＣガスの酸化に起因して酸素ポンプ電流Ｉｐ２が異常値となって測定不能時間が生じることが、回避される。
【0132】
＜ガスセンサの製造プロセス＞
次に、汲み入れ電流値Ｘと汲み入れ時間Ｙとの設定に係る処理を主たる対象とした、ガスセンサ１００の製造プロセスの例について説明する。図６は、ガスセンサ１００の製造の流れを示す図である。また、以降においては、汲み入れ電流値Ｘと、汲み入れ時間Ｙとを、始動時汲み入れパラメータとも称する。
次に、汲み入れ電流値Ｘと汲み入れ時間Ｙとの設定に係る処理を主たる対象とした、ガスセンサ１００の製造プロセスの例について説明する。図６は、ガスセンサ１００の製造の流れを示す図である。また、以降においては、汲み入れ電流値Ｘと、汲み入れ時間Ｙとを、始動時汲み入れパラメータとも称する。
【0133】
ガスセンサ１００の製造にあたってはまず、センサ素子１０１が作製される（ステップＳ１０）。センサ素子１０１の作製は、従来公知の手法にて行うことができる。概略的にいえば、センサ素子１０１のそれぞれの固体電解質層（図３においては６つの層）に対応するセラミックスグリーンシートを用意し、それらに所定の加工および回路パターン（例えば、電極、電極リード、リード絶縁層など）の印刷などを行ったうえで全てのシートを積層し、さらに、個片化のうえ焼成し、各層を一体化させることによって、多数個のセンサ素子１０１が同時に作製される。
【0134】
係る態様にて製造されたそれぞれのセンサ素子１０１は、保護膜１１１の形成を経て、次に、図２に示したような環装部品１２０、筒状体１３０、保護カバー１０２、固定ボルト１０３、外筒１０４、コネクタ１０５、ゴム栓１０６、リード線１０７などを用いた組立工程（ステップＳ２０）に供される。所定の手順にてこれらの部材が組み付けられることにより、検査前の組立品としてのガスセンサ１００が得られる。さらには、リード線１０７に対しセンサコントローラ１５０が接続される。
【0135】
次に、得られた個々のガスセンサ１００について、使用の際に利用される種々の特性が特定される（ステップＳ３０）。例えば、ＮＯｘあるいはＮＨ３の濃度を特定する際に用いられる感度特性（測定ポンプ電流Ｉｐ２と被測定ガス中の窒素酸化物の濃度との関数関係）や、各内部空所における酸素濃度（酸素分圧）と、対応するセンサセルに生じる起電力値との関係を示す情報や、センサ素子１０１の周囲の被測定ガスがリーン雰囲気かリッチ雰囲気かを判定するための起電力Ｖｒｅｆの値の情報などが、所定の処理に基づき特定される。これらの情報は、それぞれのガスセンサ１００に接続された固有のセンサコントローラ１５０に記憶される。
【0136】
そして、その後の検査工程（Ｓ４０）を合格したガスセンサ１００が、製品として出荷される（ステップＳ５０）。出荷されたガスセンサ１００は、図１に示したように、車両システム１０００の排気管３００の触媒部４００よりも下流側の位置に取り付けられ、ＥＣＵ５００の動作制御に従い使用される。
【0137】
＜始動時汲み入れパラメータの設定プロセス＞
ガスセンサ１００は以上のプロセスにより得られるが、本実施の形態においてはさらに、ステップＳ３０における特性特定のタイミングで、上述した始動時汲み入れパラメータの設定も行われる。図７は、始動時汲み入れパラメータの設定に係る処理の流れを示す図である。
ガスセンサ１００は以上のプロセスにより得られるが、本実施の形態においてはさらに、ステップＳ３０における特性特定のタイミングで、上述した始動時汲み入れパラメータの設定も行われる。図７は、始動時汲み入れパラメータの設定に係る処理の流れを示す図である。
【0138】
まず、ステップＳ２０の組立工程により組み立てられた出荷前の（つまりは実使用前の）ガスセンサ１００の内部に、ＨＣガスを導入し、センサ素子１０１の第３内部空所６１にＨＣガスを十分に吸着させる（ステップＳ３１１）。これは、ガスセンサ１００を所定の時間、ＨＣガスを含む雰囲気ガス内に載置することや、所定の流量のＨＣガスを所定時間、ガスセンサ１００の内部に導入させることなどによって、実現される。
【0139】
次に、ＨＣガスが導入されたガスセンサ１００を大気中で始動させる。すなわち、ヒータ部７０による加熱昇温を開始する（ステップＳ３１２）とともに、センサ素子を通常の駆動条件で動作させる（ステップＳ３１３）。
【0140】
そして、測定ポンプ電流Ｉｐ２のモニタを開始し、図４に示したような時間変化に基づいて、始動時汲み入れパラメータの設定に用いる必要酸素量指標値の値、すなわち、減少量Ａと減少継続時間Ｂの値を特定する（ステップＳ３１４）。
【0141】
これらの必要酸素量指標値が得られると、式（１）～（５）に従うように始動時汲み入れパラメータを設定する（ステップＳ３１５）。設定された始動時汲み入れパラメータは、センサコントローラ１５０に記憶される。
【0142】
＜ガスセンサ始動時の動作＞
次に、車両システム１０００の始動に伴いガスセンサ１００が始動される際の動作について説明する。図８は、車両システム１０００の始動時の処理の流れを示す図である。
次に、車両システム１０００の始動に伴いガスセンサ１００が始動される際の動作について説明する。図８は、車両システム１０００の始動時の処理の流れを示す図である。
【0143】
まず、ＥＣＵ５００は、車両システム１０００のエンジンを始動させる（ステップＳ１１０）とともに、センサコントローラ１５０を通じてガスセンサ１００を駆動させる。ＥＣＵ５００からガスセンサ１００の駆動開始指示を受けたセンサコントローラ１５０は、センサ素子１０１を素子駆動温度にまで昇温させるべくヒータ部７０による加熱を開始させる（ステップＳ１２０）とともに、センサ素子１０１を、ＥＣＵ５００を通じて設定された、窒素酸化物濃度の測定のための通常の駆動条件にて駆動させる（ステップＳ１３０）。
【0144】
センサ素子１０１の駆動が開始されると、ＥＣＵ５００は、測定ポンプ電流Ｉｐ２の値を時々刻々と予測しつつ、センサコントローラ１５０を通じて測定ポンプセル４１を流れる測定ポンプ電流Ｉｐ２の値をモニタし、測定ポンプ電流Ｉｐ２の実測値の、予測値からの減少量が、所定の閾値以上となったか否かを判断する（ステップＳ１４０）。閾値は、あらかじめ定められてＥＣＵ５００に保持されてなる。なお、係る場合の閾値は、ＨＣガスの酸化を確実に捉えることができるような値に設定されるのが好ましい。
【0145】
測定ポンプ電流Ｉｐ２における予測値からの減少量が閾値以上となった場合（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、ＥＣＵ５００は、センサコントローラ１５０に記憶されている始動時汲み入れパラメータに基づく酸素の汲み入れが行われるように、センサコントローラ１５０にガスセンサ１００の駆動条件を変更させる。これにより、図５に示したような汲み入れ電流値Ｘおよび汲み入れ時間Ｙに従い、測定ポンプセル４１が第３内部空所６１に酸素を汲み入れる（ステップＳ１６０）。その結果、第３内部空所６１に吸着していたＨＣガスは全て酸化される。
【0146】
汲み入れ時間Ｙが経過した時点で、ＥＣＵ５００は、センサコントローラ１５０を通じてセンサ素子１０１の駆動条件を通常の条件に復帰させる。これにより、センサ素子１０１は再び、通常の駆動条件にて駆動されるようになり（ステップＳ１６０）、素子駆動温度に達すると、窒素酸化物の濃度の特定が開始される。
【0147】
なお、測定ポンプ電流Ｉｐ２における減少量が閾値未満であった場合（ステップＳ１４０でＮＯ）、センサ素子１０１においてはそのまま、通常の駆動条件での駆動が継続される（ステップＳ１３０）。これは、センサ素子１０１において窒素酸化物の測定に影響を及ぼすようなＨＣガスの酸化が生じていない場合に相当する。
【0148】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、ガスセンサの使用を開始する際、ヒータ部にて加熱昇温されつつ通常の駆動条件に駆動が開始されてなるセンサ素子において、酸素ポンプ電流の減少が生じ始めた時点で、あらかじめ見積もった必要酸素量相当値に基づいて設定した汲み入れ電流値および汲み入れ時間に従い、測定電極が備わる内部空所に対し意図的に酸素を汲み入れることによって、センサ素子が動作していない間に吸着しているＨＣガスを、確実に全て酸化させるようにする。その際の汲み入れ時間は、係る意図的な汲み入れを行わない場合にＨＣガスが全て酸化されるのに要する時間に比して、十分に短くする。これにより、酸素ポンプ電流に基づく測定を好適に行い得ない時間は短縮される。さらには、測定を行っている途中でＨＣガスの酸化に伴い酸素ポンプ電流が減少することを、回避することができる。
【0149】
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、測定に際してセンサ素子の内部に被測定ガスが導入され、かつ測定ポンプセルにおける酸素の汲み入れおよび汲み出しを行い得るガスセンサが、内燃機関の一種であるガソリンエンジンの排気管に取り付けられて使用される場合を対象としているが、センサ素子の駆動開始時の意図的な酸素の汲み入れによる、測定電極が備わる内部空所におけるＨＣガスの酸化は、当該ガスセンサが、例えばディーゼルエンジンなど、他の内燃機関の排気管に取り付けられて使用される場合においても実現可能である。あるいは、不使用時に測定電極が備わる内部空所にＨＣガスが吸着するガスセンサであれば、排気管に取り付けられることなく使用されるものであっても、同様の効果を得ることが可能である。
上述の実施の形態においては、測定に際してセンサ素子の内部に被測定ガスが導入され、かつ測定ポンプセルにおける酸素の汲み入れおよび汲み出しを行い得るガスセンサが、内燃機関の一種であるガソリンエンジンの排気管に取り付けられて使用される場合を対象としているが、センサ素子の駆動開始時の意図的な酸素の汲み入れによる、測定電極が備わる内部空所におけるＨＣガスの酸化は、当該ガスセンサが、例えばディーゼルエンジンなど、他の内燃機関の排気管に取り付けられて使用される場合においても実現可能である。あるいは、不使用時に測定電極が備わる内部空所にＨＣガスが吸着するガスセンサであれば、排気管に取り付けられることなく使用されるものであっても、同様の効果を得ることが可能である。
【実施例0150】
組立工程を経たガスセンサ１００を対象に、始動時汲み入れパラメータを設定するための処理を行った。
【0151】
具体的には、対象となるガスセンサ１００のセンサ素子１０１をヒータ部７０にて８５０℃にまで加熱するようにしつつ、センサ素子１０１を大気中にて通常の駆動条件で駆動し、測定ポンプ電流Ｉｐ２のモニタを開始した。具体的にはＩｐ１＝７μＡ、Ｖ１＝３８５ｍＶ、Ｖ２＝４００ｍＶをみたすように、センサ素子１０１を駆動した。
【0152】
図９は、本実施例係るガスセンサ１００を大気中にて通常の駆動条件で駆動したときの、加熱開始からの測定ポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を示す図である。
【0153】
図９に示した測定ポンプ電流Ｉｐ２のプロファイルより、必要酸素量指標値としての減少量Ａと減少継続時間Ｂとを特定すると、Ａ＝０．２μＡ、Ｂ＝１２０ｍｉｎとなった。なお０．２μＡという測定ポンプ電流Ｉｐ２の減少量は、１００ｐｐｍの酸素濃度の減少に相当する。
【0154】
得られたＡ、Ｂの値より、Ａ×Ｂ＝２４となるので、式（１）～（５）を満たす始動時汲み入れパラメータＸ、Ｙの値を、Ｘ＝２４μＡ、Ｙ＝１ｍｉｎと設定した。
【0155】
このように値Ｘ、Ｙが特定されたガスセンサ１００を車両システム１０００の排気管３００の触媒部４００よりも下流側に取り付け、エンジン２００を始動させるとともに当該ガスセンサ１００の動作を開始させたところ、測定ポンプ電流Ｉｐ２は、センサ素子１０１の昇温途中でＸ＝２４μＡ、Ｙ＝１ｍｉｎなる始動時汲み入れパラメータの設定値に従い一時的にマイナスとなった後、センサ素子１０１が素子駆動温度に到達する前の時点でＶ２＝４００ｍＶに従う一定値となり、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１が素子駆動温度に到達後、直ちに測定可能な状態となった。
【符号の説明】
【0156】
１０ ガス導入口
２０ 第１内部空所
２１ 主ポンプセル
２２ 内側ポンプ電極
２３ 外側ポンプ電極
４０ 第２内部空所
４１ 測定ポンプセル
４２ 基準電極
４４ 測定電極
５０ 補助ポンプセル
５１ 補助ポンプ電極
６１ 第３内部空所
７０ ヒータ部
８０ 主センサセル
８１ 補助センサセル
８２ 測定センサセル
８３ 雰囲気判定セル
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
１０２ 保護カバー
１０４ 外筒
１０５ コネクタ
１０６ ゴム栓
１０７ リード線
１１１ 保護膜
１２０ 環装部品
１３０ 筒状体
１５１ 接点部材
４００ 触媒部
１０００ 車両システム
２０ 第１内部空所
２１ 主ポンプセル
２２ 内側ポンプ電極
２３ 外側ポンプ電極
４０ 第２内部空所
４１ 測定ポンプセル
４２ 基準電極
４４ 測定電極
５０ 補助ポンプセル
５１ 補助ポンプ電極
６１ 第３内部空所
７０ ヒータ部
８０ 主センサセル
８１ 補助センサセル
８２ 測定センサセル
８３ 雰囲気判定セル
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
１０２ 保護カバー
１０４ 外筒
１０５ コネクタ
１０６ ゴム栓
１０７ リード線
１１１ 保護膜
１２０ 環装部品
１３０ 筒状体
１５１ 接点部材
４００ 触媒部
１０００ 車両システム
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】