[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP2023089945A - Gas sensor and diagnostic method for moisture absorption state of gas sensor - Google Patents

Gas sensor and diagnostic method for moisture absorption state of gas sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2023089945A
JP2023089945A JP2022191635A JP2022191635A JP2023089945A JP 2023089945 A JP2023089945 A JP 2023089945A JP 2022191635 A JP2022191635 A JP 2022191635A JP 2022191635 A JP2022191635 A JP 2022191635A JP 2023089945 A JP2023089945 A JP 2023089945A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
moisture absorption
electrode
absorption state
pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022191635A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
悠介 渡邉
Yusuke Watanabe
凌 橋川
Ryo Hashikawa
大智 市川
Daichi Ichikawa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to DE102022132507.5A priority Critical patent/DE102022132507A1/en
Priority to CN202211573465.7A priority patent/CN116265931A/en
Priority to US18/079,026 priority patent/US20230194493A1/en
Publication of JP2023089945A publication Critical patent/JP2023089945A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)

Abstract

To diagnose a moisture absorption state around a reference electrode.SOLUTION: A gas sensor 100 comprises a sensor element 101 and a controller. The sensor element 101 includes: an element body (layers 1 to 6) inside which a gas-to-be-measured flow portion is provided; a measurement electrode 44 disposed on the gas-to-be-measured flow portion; an outer pump electrode 23 provided on the element body to be in contact with gas to be measured; a reference electrode 42 disposed inside the element body; a reference gas introduction portion 49 that causes reference gas to flow from outside of the element body to the reference electrode 42; and a reference gas adjustment pump cell 90 configured to include the outer pump electrode 23 and the reference electrode 42. The controller performs moisture absorption state diagnostic processing for diagnosing a moisture absorption state around the reference electrode 42 on the basis of a pump current Ip3 flowing through the reference gas adjustment pump cell 90 when controlling the reference gas adjustment pump cell 90 to pump oxygen out from around the reference electrode 42 to around the outer pump electrode 23.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、ガスセンサ及びガスセンサの吸湿状態の診断方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor and a method for diagnosing a moisture absorption state of the gas sensor.

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を検出するガスセンサに用いられるセンサ素子が知られている。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有し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、被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、素子本体の内部に配設された基準電極と、被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガス(例えば大気)を導入して基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、を備えたセンサ素子が記載されている。基準ガス導入部は、多孔質の基準ガス導入層を有している。このセンサ素子の基準電極と測定電極との間に生じる起電力に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。 2. Description of the Related Art Conventionally, a sensor element used for a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas such as NOx in a gas to be measured such as automobile exhaust gas is known. For example, Patent Document 1 discloses an element main body having an oxygen ion-conducting solid electrolyte layer and a measurement gas circulation portion for introducing and circulating a measurement gas, and an element main body inside the measurement gas circulation portion. A measurement electrode disposed on the peripheral surface, a reference electrode disposed inside the element body, and a reference gas (e.g., atmospheric air) serving as a reference for detecting the specific gas concentration of the gas to be measured is introduced into the reference electrode. A sensor element is described with a reference gas inlet for circulating to. The reference gas introduction part has a porous reference gas introduction layer. The specific gas concentration in the gas to be measured can be detected based on the electromotive force generated between the reference electrode and the measurement electrode of this sensor element.

特開2020-094899号公報JP 2020-094899 A

ところで、例えばセンサ素子を駆動していない期間に、基準ガス導入部が外部の水を吸着してしまう場合があった。駆動開始するとセンサ素子が加熱されるため基準ガス導入部内の水は気体となって基準ガス導入部から外部に抜けていくが、水が抜けるまでの間は気体の水が存在することで基準電極周りの酸素濃度が低下してしまう。これにより、水が抜けるまでの間は特定ガス濃度の検出精度が低下する場合があった。そのため、基準電極の周囲の吸湿状態を診断したいという要望があった。 By the way, there is a case where the reference gas introduction part adsorbs external water, for example, while the sensor element is not driven. Since the sensor element is heated when the drive starts, the water in the reference gas introduction portion becomes gas and escapes from the reference gas introduction portion to the outside. The oxygen concentration in the surrounding area is reduced. As a result, the detection accuracy of the specific gas concentration may decrease until the water is removed. Therefore, there is a demand for diagnosing the moisture absorption state around the reference electrode.

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、基準電極の周囲の吸湿状態を診断することを主目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and its main object is to diagnose the moisture absorption state around the reference electrode.

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。 The present invention employs the following means in order to achieve the above main object.

本発明のガスセンサは、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、前記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、
前記被測定ガス流通部に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する吸湿状態診断処理を行う制御部と、
を備えたものである。
The gas sensor of the present invention is
A gas sensor for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured,
an element body including a solid electrolyte layer with oxygen ion conductivity and having therein a measured gas flow section for introducing and circulating the measured gas;
a measuring electrode disposed in the measured gas flow portion;
a measured gas side electrode provided on the element body so as to be in contact with the measured gas;
a reference electrode disposed inside the element body;
a reference gas introduction section for circulating a reference gas serving as a reference for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured from the outside of the element main body to the reference electrode;
a reference gas adjustment pump cell including the measured gas side electrode and the reference electrode;
a sensor element having
a moisture absorption state around the reference electrode based on a pump current flowing through the reference gas adjustment pump cell when the reference gas adjustment pump cell is controlled to pump oxygen from around the reference electrode to around the electrode on the side of the gas to be measured; A control unit that performs moisture absorption state diagnosis processing for diagnosing
is provided.

このガスセンサでは、制御部は、基準電極の周囲から被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう基準ガス調整ポンプセルを制御したときに基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて、基準電極の周囲の吸湿状態を診断する。ここで、基準ガス調整ポンプセルが基準電極の周囲から被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流は、基準電極の周囲の水分の多寡によって変化する。そのため、このポンプ電流に基づいて基準電極の周囲の吸湿状態を診断することができる。前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定してもよい。 In this gas sensor, the control section controls the reference gas adjustment pump cell to pump oxygen from around the reference electrode to around the electrode on the side of the gas to be measured based on the pump current that flows through the reference gas adjustment pump cell. Diagnose the moisture absorption state of the surroundings. Here, the pump current that flows when the reference gas adjustment pump cell pumps oxygen from the surroundings of the reference electrode to the surroundings of the measured gas side electrode changes depending on the amount of water around the reference electrode. Therefore, the moisture absorption state around the reference electrode can be diagnosed based on this pump current. In the moisture absorption state diagnosis process, the control unit may determine whether or not there is a large amount of moisture around the reference electrode.

本発明のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧を前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に印加したときの前記ポンプ電流に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断してもよい。限界電流領域の電圧よりも高い電圧を印加すると、基準電極の周囲の水分が分解されやすいから、基準電極の周囲の水分の多寡がポンプ電流に影響しやすい。そのため、このような電圧を印加したときのポンプ電流を用いることで、基準電極の吸湿状態をより適切に診断できる。 In the gas sensor of the present invention, in the moisture absorption state diagnosis process, the control unit applies a predetermined control voltage higher than the voltage in the limiting current region of the reference gas adjustment pump cell between the measured gas side electrode and the reference electrode. A moisture absorption state around the reference electrode may be diagnosed based on the pump current when applied to the reference electrode. If a voltage higher than the voltage in the limiting current region is applied, the moisture around the reference electrode is likely to be decomposed, so the amount of moisture around the reference electrode is likely to affect the pump current. Therefore, by using the pump current when such a voltage is applied, the moisture absorption state of the reference electrode can be more appropriately diagnosed.

この場合において、前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流との比較に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断してもよい。基準電極の周囲の水分が多いほどポンプ電流と限界電流との相違が大きくなるから、これらを比較することで、基準電極の周囲の吸湿状態をより適切に診断できる。この場合において、前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記限界電流との差又は比に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断してもよい。 In this case, in the moisture absorption state diagnosis process, the control unit may diagnose the moisture absorption state around the reference electrode based on a comparison between the pump current and the limit current of the reference gas adjustment pump cell. As the amount of moisture around the reference electrode increases, the difference between the pump current and the limiting current increases. By comparing these, the moisture absorption state around the reference electrode can be more appropriately diagnosed. In this case, in the moisture absorption state diagnosis process, the control unit may diagnose the moisture absorption state around the reference electrode based on the difference or ratio between the pump current and the limit current.

ポンプ電流と限界電流とを比較する態様の本発明のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記限界電流の値を記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記記憶部に記憶された限界電流とを比較してもよい。こうすれば、吸湿状態診断処理において限界電流を測定する必要がない。 In the gas sensor of the present invention in which the pump current and the limit current are compared, the control unit includes a storage unit that stores the value of the limit current, and the control unit controls the pump current in the moisture absorption state diagnosis process. may be compared with the limit current stored in the storage unit. This eliminates the need to measure the limit current in the moisture absorption state diagnosis process.

ポンプ電流と限界電流とを比較する態様の本発明のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルに前記限界電流領域の電圧を印加して測定した前記限界電流とを比較してもよい。こうすれば、吸湿状態診断処理においてポンプ電流だけでなく限界電流も測定するため、より精度良く診断を行うことができる。 In the gas sensor of the present invention, the pump current and the limit current are compared. may be compared with the limit current. By doing this, not only the pump current but also the limit current is measured in the moisture absorption state diagnosis process, so that the diagnosis can be made with higher accuracy.

本発明のガスセンサにおいて、前記所定の制御電圧は、0.8V以上1.5V以下の電圧であってもよい。制御電圧が0.8V以上の値であれば、この範囲の電圧を印加したときのポンプ電流が基準電極の周囲の水分の多寡によって変化しやすいため、吸湿状態診断処理を行うのに適している。制御電圧が1.5V以下では、センサ素子の黒化を抑制できる。 In the gas sensor of the present invention, the predetermined control voltage may be 0.8V or more and 1.5V or less. If the control voltage has a value of 0.8 V or more, the pump current when a voltage in this range is applied is likely to change depending on the amount of moisture around the reference electrode, which is suitable for performing moisture absorption state diagnosis processing. . When the control voltage is 1.5 V or less, blackening of the sensor element can be suppressed.

本発明のガスセンサにおいて、前記素子本体を加熱するヒータ、を備え、前記制御部は、前記ヒータに通電して該ヒータの温度が所定温度以上に到達した後に、前記吸湿状態診断処理を行ってもよい。こうすれば、ヒータの温度が上昇してから吸湿状態診断処理が行われるため、固体電解質層が活性化して酸素イオン伝導性が発揮される状態で基準ガス調整ポンプセルを動作させることができる。したがって、吸湿状態診断処理を適切なタイミングで実行できる。 In the gas sensor of the present invention, a heater for heating the element main body is provided, and the control section performs the moisture absorption state diagnosis process after the heater is energized and the temperature of the heater reaches a predetermined temperature or higher. good. In this way, since the moisture absorption state diagnosis processing is performed after the temperature of the heater rises, the reference gas adjustment pump cell can be operated in a state in which the solid electrolyte layer is activated and oxygen ion conductivity is exhibited. Therefore, the moisture absorption state diagnosis process can be executed at appropriate timing.

本発明のガスセンサの吸湿状態の診断方法は、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサの吸湿状態の診断方法であって、
前記ガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、前記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、
前記被測定ガス流通部に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子、を備え、
前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する吸湿状態診断処理、
を含むものである。
The method for diagnosing the moisture absorption state of the gas sensor of the present invention comprises:
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured, comprising:
The gas sensor is
an element body including a solid electrolyte layer with oxygen ion conductivity and having therein a measured gas flow section for introducing and circulating the measured gas;
a measuring electrode disposed in the measured gas flow portion;
a measured gas side electrode provided on the element body so as to be in contact with the measured gas;
a reference electrode disposed inside the element body;
a reference gas introduction section for circulating a reference gas serving as a reference for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured from the outside of the element main body to the reference electrode;
a reference gas adjustment pump cell including the measured gas side electrode and the reference electrode;
a sensor element having
a moisture absorption state around the reference electrode based on a pump current flowing through the reference gas adjustment pump cell when the reference gas adjustment pump cell is controlled to pump oxygen from around the reference electrode to around the electrode on the side of the gas to be measured; moisture absorption state diagnosis processing to diagnose the
includes.

このガスセンサの吸湿状態の診断方法では、上述したガスセンサと同様に、基準電極の周囲の吸湿状態を診断できる。なお、このガスセンサの吸湿状態の診断方法において、上述したガスセンサの種々の態様を採用してもよいし、また、上述したガスセンサの各機能を実現するような処理を追加してもよい。 In this method for diagnosing the moisture absorption state of the gas sensor, the moisture absorption state around the reference electrode can be diagnosed in the same manner as the gas sensor described above. In this method for diagnosing the moisture absorption state of a gas sensor, various aspects of the gas sensor described above may be adopted, and processing for realizing each function of the gas sensor described above may be added.

ガスセンサ100の縦断面図。FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the gas sensor 100; センサ素子101の構成の一例を概略的に示した断面模式図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the sensor element 101. FIG. 制御装置95と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram showing the electrical connection relationship between a control device 95 and each cell; 基準ガス調整ポンプセル90の電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を示すグラフ。4 is a graph showing the relationship between the voltage Vp3 of the reference gas regulation pump cell 90 and the pump current Ip3; 制御ルーチンの一例を示すフローチャート。4 is a flow chart showing an example of a control routine; 時刻tと電圧V2openとの関係を示すグラフ。4 is a graph showing the relationship between time t and voltage V2open; 変形例の基準ガス導入部249の周辺の構成を示した断面模式図。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration around a reference gas introduction portion 249 of a modified example; 変形例のセンサ素子201の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the sensor element 201 of a modification.

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の縦断面図である。図2は、ガスセンサ100が備えるセンサ素子101の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図3は、制御装置95と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。なお、センサ素子101は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子101の長手方向(図2の左右方向)を前後方向とし、センサ素子101の厚み方向(図2の上下方向)を上下方向とする。また、センサ素子101の幅方向(前後方向及び上下方向に垂直な方向)を左右方向とする。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a gas sensor 100 that is one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the sensor element 101 included in the gas sensor 100. As shown in FIG. FIG. 3 is a block diagram showing electrical connections between the control device 95 and each cell. The sensor element 101 has a long rectangular parallelepiped shape, and the longitudinal direction of the sensor element 101 (horizontal direction in FIG. 2) is the front-rear direction, and the thickness direction of the sensor element 101 (vertical direction in FIG. 2) is the vertical direction. direction. Also, the width direction of the sensor element 101 (the direction perpendicular to the front-back direction and the up-down direction) is defined as the left-right direction.

図1に示すように、ガスセンサ100は、センサ素子101と、センサ素子101の前端側を保護する保護カバー130と、センサ素子101と導通するコネクタ150を含むセンサ組立体140とを備えている。このガスセンサ100は、図示するように例えば車両の排ガス管などの配管190に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるNOxやO2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ100は特定ガス濃度としてNOx濃度を測定するものとした。 As shown in FIG. 1 , gas sensor 100 includes sensor element 101 , protective cover 130 that protects the front end side of sensor element 101 , and sensor assembly 140 including connector 150 electrically connected to sensor element 101 . This gas sensor 100 is attached to a pipe 190 such as an exhaust gas pipe of a vehicle, as shown in the figure, and used to measure the concentration of specific gases such as NOx and O 2 contained in the exhaust gas as the gas to be measured. . In this embodiment, the gas sensor 100 measures the NOx concentration as the specific gas concentration.

保護カバー130は、センサ素子101の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー131と、この内側保護カバー131を覆う有底筒状の外側保護カバー132とを備えている。内側保護カバー131及び外側保護カバー132には、被測定ガスを保護カバー130内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー131で囲まれた空間としてセンサ素子室133が形成されており、センサ素子101の前端はこのセンサ素子室133内に配置されている。 The protective cover 130 includes a bottomed cylindrical inner protective cover 131 that covers the front end of the sensor element 101 and a bottomed cylindrical outer protective cover 132 that covers the inner protective cover 131 . A plurality of holes are formed in the inner protective cover 131 and the outer protective cover 132 for circulating the gas to be measured into the protective cover 130 . A sensor element chamber 133 is formed as a space surrounded by the inner protective cover 131 , and the front end of the sensor element 101 is arranged in this sensor element chamber 133 .

センサ組立体140は、センサ素子101を封入固定する素子封止体141と、素子封止体141に取り付けられたボルト147,外筒148と、センサ素子101の後端の表面(上下面)に形成された図示しないコネクタ電極(後述するヒータコネクタ電極71のみ図2に図示した)に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ150と、を備えている。 The sensor assembly 140 includes an element sealing body 141 for enclosing and fixing the sensor element 101 , bolts 147 and an outer cylinder 148 attached to the element sealing body 141 , and rear end surfaces (upper and lower surfaces) of the sensor element 101 . and a connector 150 which is in contact with and electrically connected to connector electrodes (not shown) formed (only a heater connector electrode 71, which will be described later, is shown in FIG. 2).

素子封止体141は、筒状の主体金具142と、主体金具142と同軸に溶接固定された筒状の内筒143と、主体金具142及び内筒143の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポーター144a~144c,圧粉体145a,145b,メタルリング146と、を備えている。センサ素子101は素子封止体141の中心軸上に位置しており、素子封止体141を前後方向に貫通している。内筒143には、圧粉体145bを内筒143の中心軸方向に押圧するための縮径部143aと、メタルリング146を介してセラミックスサポーター144a~144c,圧粉体145a,145bを前方に押圧するための縮径部143bとが形成されている。縮径部143a,143bからの押圧力により、圧粉体145a,145bが主体金具142及び内筒143とセンサ素子101との間で圧縮されることで、圧粉体145a,145bが保護カバー130内のセンサ素子室133と外筒148内の空間149との間を封止すると共に、センサ素子101を固定している。 The element sealing body 141 includes a cylindrical metal shell 142, a cylindrical inner cylinder 143 welded and fixed coaxially with the metal shell 142, and enclosed in a through hole inside the metal shell 142 and the inner cylinder 143. It has ceramic supporters 144a to 144c, powder compacts 145a and 145b, and a metal ring 146. The sensor element 101 is positioned on the central axis of the element sealing body 141 and penetrates the element sealing body 141 in the front-rear direction. The inner cylinder 143 has a diameter-reduced portion 143a for pressing the green compact 145b in the central axis direction of the inner cylinder 143, ceramic supporters 144a to 144c via a metal ring 146, and the green compacts 145a and 145b forward. A reduced diameter portion 143b for pressing is formed. The compressed powder bodies 145a and 145b are compressed between the metal shell 142 and the inner cylinder 143 and the sensor element 101 by the pressing force from the diameter-reduced parts 143a and 143b. It seals the space between the inner sensor element chamber 133 and the space 149 in the outer cylinder 148 and fixes the sensor element 101 .

ボルト147は、主体金具142と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ボルト147の雄ネジ部は、配管190に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材191内に挿入されている。これにより、ガスセンサ100のうちセンサ素子101の前端や保護カバー130の部分が配管190内に突出した状態で、ガスセンサ100が配管190に固定されている。 The bolt 147 is coaxially fixed to the metal shell 142 and has a male threaded portion on its outer peripheral surface. A male threaded portion of the bolt 147 is inserted into a fixing member 191 welded to the pipe 190 and provided with a female threaded portion on the inner peripheral surface thereof. As a result, the gas sensor 100 is fixed to the pipe 190 with the front end of the sensor element 101 and the protective cover 130 of the gas sensor 100 protruding into the pipe 190 .

外筒148は、内筒143,センサ素子101,コネクタ150の周囲を覆っており、コネクタ150に接続された複数のリード線155が後端から外部に引き出されている。このリード線155は、コネクタ150を介してセンサ素子101の各電極(後述)と導通している。外筒148とリード線155との隙間はゴム栓157によって封止されている。外筒148内の空間149は基準ガス(本実施形態では大気)で満たされている。センサ素子101の後端はこの空間149内に配置されている。 The outer cylinder 148 covers the inner cylinder 143, the sensor element 101, and the connector 150, and a plurality of lead wires 155 connected to the connector 150 are led out from the rear end. The lead wire 155 is electrically connected to each electrode (described later) of the sensor element 101 via the connector 150 . A gap between the outer cylinder 148 and the lead wire 155 is sealed with a rubber plug 157 . A space 149 within the outer cylinder 148 is filled with a reference gas (atmosphere in this embodiment). The rear end of the sensor element 101 is arranged within this space 149 .

図2に示すように、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。 As shown in FIG. 2, the sensor element 101 includes a first substrate layer 1, a second substrate layer 2, and a third substrate layer 3 each made of an oxygen ion conductive solid electrolyte layer such as zirconia (ZrO 2 ). , a first solid electrolyte layer 4, a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6, which are stacked in this order from the bottom as viewed in the drawing. Also, the solid electrolyte forming these six layers is dense and airtight. The sensor element 101 is manufactured by, for example, performing predetermined processing and circuit pattern printing on ceramic green sheets corresponding to each layer, laminating them, and firing them to integrate them.

センサ素子101の一端(図2の左側)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。 At one end (left side in FIG. 2) of the sensor element 101 and between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, a gas inlet 10 and a first diffusion control section 11 are provided. , buffer space 12 , second diffusion rate-limiting portion 13 , first internal space 20 , third diffusion rate-limiting portion 30 , second internal space 40 , fourth diffusion rate-limiting portion 60 , third internal space The voids 61 are formed adjacently in a manner communicating with each other in this order.

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。 The gas inlet 10, the buffer space 12, the first internal cavity 20, the second internal cavity 40, and the third internal cavity 61 are provided in the upper part provided by hollowing out the spacer layer 5. The space inside the sensor element 101 is defined by the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 , the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 in the lower portion, and the side surface of the spacer layer 5 in the lateral portion.

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。 Each of the first diffusion rate-controlling part 11, the second diffusion rate-controlling part 13, and the third diffusion rate-controlling part 30 is provided as two horizontally long slits (the openings of which have the longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing). . Further, the fourth diffusion rate-controlling part 60 is provided as one horizontally long slit (the opening has its longitudinal direction in the direction perpendicular to the drawing) formed as a gap with the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 . A portion from the gas introduction port 10 to the third internal space 61 is also referred to as a measured gas flow portion.

センサ素子101は、センサ素子101の外部から基準電極42にNOx濃度の測定を行う際の基準ガスを流通させる基準ガス導入部49を備えている。基準ガス導入部49は、基準ガス導入空間43と、基準ガス導入層48とを有する。基準ガス導入空間43は、センサ素子101の後端面から内方向に設けられた空間である。基準ガス導入空間43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設けられている。基準ガス導入空間43は、センサ素子101の後端面に開口しており、この開口が基準ガス導入部49の入口部49aとして機能する。入口部49aは、空間149内に露出している(図1参照)。この入口部49aから基準ガス導入空間43内に基準ガスが導入される。基準ガス導入部49は、入口部49aから導入された基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつこれを基準電極42に導入する。基準ガスは、本実施形態では大気(図1の空間149内の雰囲気)とした。 The sensor element 101 has a reference gas introduction part 49 for passing a reference gas from outside the sensor element 101 to the reference electrode 42 when measuring the NOx concentration. The reference gas introduction section 49 has a reference gas introduction space 43 and a reference gas introduction layer 48 . The reference gas introduction space 43 is a space provided inward from the rear end surface of the sensor element 101 . The reference gas introduction space 43 is provided between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the spacer layer 5 at a position defined by the side surface of the first solid electrolyte layer 4 . The reference gas introduction space 43 is open on the rear end surface of the sensor element 101 , and this opening functions as an inlet portion 49 a of the reference gas introduction portion 49 . The inlet portion 49a is exposed in the space 149 (see FIG. 1). A reference gas is introduced into the reference gas introduction space 43 from the inlet 49a. The reference gas introduction part 49 introduces the reference gas introduced from the inlet part 49 a into the reference electrode 42 while imparting a predetermined diffusion resistance to the reference gas. In this embodiment, the reference gas is the air (atmosphere in the space 149 in FIG. 1).

基準ガス導入層48は、第3基板層3の上面と第1固体電解質層4の下面との間に設けられている。基準ガス導入層48は、例えばアルミナなどのセラミックスからなる多孔質体である。基準ガス導入層48の上面の一部は、基準ガス導入空間43内に露出している。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。基準ガス導入層48は、基準ガスを基準ガス導入空間43から基準電極42まで流通させる。 The reference gas introduction layer 48 is provided between the upper surface of the third substrate layer 3 and the lower surface of the first solid electrolyte layer 4 . The reference gas introduction layer 48 is a porous body made of ceramics such as alumina. A portion of the upper surface of the reference gas introduction layer 48 is exposed inside the reference gas introduction space 43 . A reference gas introduction layer 48 is formed to cover the reference electrode 42 . The reference gas introduction layer 48 allows the reference gas to flow from the reference gas introduction space 43 to the reference electrode 42 .

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。 The reference electrode 42 is an electrode formed in a manner sandwiched between the upper surface of the third substrate layer 3 and the first solid electrolyte layer 4, and as described above, is connected to the reference gas introduction space 43 around it. A reference gas introduction layer 48 is provided. In addition, as will be described later, the reference electrode 42 can be used to measure the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61. It is possible. The reference electrode 42 is formed as a porous cermet electrode (eg, a Pt and ZrO 2 cermet electrode).

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。 In the measured gas circulation portion, the gas inlet port 10 is a portion that is open to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the outer space through the gas inlet port 10 . there is The first diffusion control portion 11 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the gas inlet 10 . The buffer space 12 is a space provided for guiding the gas to be measured introduced from the first diffusion rate controlling section 11 to the second diffusion rate controlling section 13 . The second diffusion control portion 13 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the gas to be measured introduced from the buffer space 12 into the first internal space 20 . When the gas to be measured is introduced from the outside of the sensor element 101 into the first internal space 20, the pressure fluctuation of the gas to be measured in the external space (the pulsation of the exhaust pressure if the gas to be measured is automobile exhaust gas) ) is not directly introduced into the first internal space 20, but rather is introduced into the first diffusion rate-determining portion 11, the buffer space 12, the second After pressure fluctuations of the gas to be measured are canceled out through the diffusion control section 13 , the gas is introduced into the first internal cavity 20 . As a result, pressure fluctuations of the gas to be measured introduced into the first internal cavity 20 are almost negligible. The first internal space 20 is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced through the second diffusion control section 13 . The oxygen partial pressure is adjusted by operating the main pump cell 21 .

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(図1のセンサ素子室133)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。 The main pump cell 21 includes an inner pump electrode 22 having a ceiling electrode portion 22a provided on substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the first internal cavity 20, and an upper surface of the second solid electrolyte layer 6. The outer pump electrode 23 is provided in a region corresponding to the ceiling electrode portion 22a so as to be exposed to the external space (the sensor element chamber 133 in FIG. 1), and the second solid electrolyte layer 6 is sandwiched between these electrodes. A constructed electrochemical pump cell.

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。 The inner pump electrode 22 is formed across the upper and lower solid electrolyte layers (the second solid electrolyte layer 6 and the first solid electrolyte layer 4) that define the first internal cavity 20 and the spacer layer 5 that provides side walls. there is Specifically, a ceiling electrode portion 22a is formed on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the first internal cavity 20, and a bottom electrode portion 22a is formed on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface. A spacer layer in which electrode portions 22b are formed, and side electrode portions (not shown) constitute both side wall portions of the first internal cavity 20 so as to connect the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b. 5, and arranged in a tunnel-shaped structure at the arrangement portion of the side electrode portion.

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。 The inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 are formed as porous cermet electrodes (for example, cermet electrodes of Pt and ZrO 2 containing 1% Au). The inner pump electrode 22 that comes into contact with the gas to be measured is made of a material that has a weakened ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

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。 In the main pump cell 21, a desired voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 to generate a positive or negative pump current Ip0 between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23. , the oxygen in the first internal space 20 can be pumped out to the external space, or the oxygen in the external space can be pumped into the first internal space 20 .

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とによって、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。 In order to detect the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the atmosphere in the first internal space 20, the inner pump electrode 22, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte layer 4 , the third substrate layer 3 and the reference electrode 42 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump.

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。 By measuring the electromotive force (voltage V0) in the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first internal space 20 can be known. Furthermore, the pump current Ip0 is controlled by feedback-controlling the voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the voltage V0 becomes the target value. Thereby, the oxygen concentration in the first internal space 20 can be maintained at a predetermined constant value.

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。 The third diffusion control section 30 applies a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the main pump cell 21 in the first internal space 20, thereby reducing the gas under measurement. It is a portion that leads to the second internal space 40 .

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。 After the oxygen concentration (oxygen partial pressure) has been adjusted in the first internal space 20 in advance, the second internal space 40 is provided with the auxiliary pump cell 50 for the measurement gas introduced through the third diffusion control section 30 . It is provided as a space for adjusting the oxygen partial pressure by As a result, the oxygen concentration in the second internal space 40 can be kept constant with high accuracy, so that the gas sensor 100 can measure the NOx concentration with high accuracy.

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。 The auxiliary pump cell 50 includes an auxiliary pump electrode 51 having a ceiling electrode portion 51a provided over substantially the entire lower surface of the second solid electrolyte layer 6 facing the second internal cavity 40, and an outer pump electrode 23 (outer pump electrode 23 any suitable electrode outside the sensor element 101 ) and the second solid electrolyte layer 6 .

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。 The auxiliary pump electrode 51 is arranged in the second internal space 40 in the same tunnel-like structure as the inner pump electrode 22 provided in the first internal space 20 . That is, the ceiling electrode portion 51a is formed on the second solid electrolyte layer 6 that provides the ceiling surface of the second internal space 40, and the first solid electrolyte layer 4 that provides the bottom surface of the second internal space 40 has , bottom electrode portions 51b are formed, and side electrode portions (not shown) connecting the ceiling electrode portions 51a and the bottom electrode portions 51b are formed on the spacer layer 5 that provides side walls of the second internal cavity 40. It has a tunnel-like structure formed on both walls. As with the inner pump electrode 22, the auxiliary pump electrode 51 is also made of a material having a weakened ability to reduce NOx components in the gas to be measured.

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。 In the auxiliary pump cell 50, by applying a desired voltage Vp1 between the auxiliary pump electrode 51 and the outer pump electrode 23, oxygen in the atmosphere inside the second internal cavity 40 is pumped out to the external space, or It is possible to pump from the space into the second internal cavity 40 .

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。 In order to control the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second internal space 40, the auxiliary pump electrode 51, the reference electrode 42, the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, and the first solid electrolyte The layer 4 and the third substrate layer 3 constitute an electrochemical sensor cell, that is, an oxygen partial pressure detection sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump.

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。 The auxiliary pump cell 50 performs pumping with the variable power source 52 whose voltage is controlled based on the electromotive force (voltage V1) detected by the oxygen partial pressure detecting sensor cell 81 for controlling the auxiliary pump. Thereby, the oxygen partial pressure in the atmosphere inside the second internal cavity 40 is controlled to a low partial pressure that does not substantially affect the measurement of NOx.

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。 Along with this, the pump current Ip1 is used to control the electromotive force of the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for main pump control. Specifically, the pump current Ip1 is input as a control signal to the oxygen partial pressure detection sensor cell 80 for controlling the main pump, and the above-described target value of the voltage V0 is controlled, whereby the third diffusion rate-determining section 30 2 The gradient of the oxygen partial pressure in the gas to be measured introduced into the internal space 40 is controlled to be constant. When used as a NOx sensor, the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 work to keep the oxygen concentration in the second internal cavity 40 at a constant value of approximately 0.001 ppm.

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。 The fourth diffusion rate control section 60 applies a predetermined diffusion resistance to the gas under measurement whose oxygen concentration (oxygen partial pressure) is controlled by the operation of the auxiliary pump cell 50 in the second internal space 40, thereby reducing the gas under measurement. It is a portion that leads to the third internal space 61 . The fourth diffusion control section 60 serves to limit the amount of NOx flowing into the third internal space 61 .

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。 After the oxygen concentration (oxygen partial pressure) has been adjusted in the second internal space 40 in advance, the third internal space 61 allows the measurement gas introduced through the fourth diffusion control section 60 to It is provided as a space for performing processing related to measurement of nitrogen oxide (NOx) concentration. The NOx concentration is measured mainly in the third internal space 61 by operating the measuring pump cell 41 .

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。 The measuring pump cell 41 measures the NOx concentration in the gas to be measured in the third internal space 61 . The measurement pump cell 41 includes a measurement electrode 44 provided on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 facing the third internal cavity 61 , an outer pump electrode 23 , a second solid electrolyte layer 6 and a spacer layer 5 . , and a first solid electrolyte layer 4 . The measurement electrode 44 is a porous cermet electrode made of a material having a higher ability to reduce NOx components in the gas to be measured than the inner pump electrode 22 . The measurement electrode 44 also functions as a NOx reduction catalyst that reduces NOx present in the atmosphere inside the third internal cavity 61 .

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。 In the measurement pump cell 41, oxygen generated by decomposition of nitrogen oxides in the atmosphere around the measurement electrode 44 can be pumped out, and the amount of oxygen generated can be detected as a pump current Ip2.

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。 Also, in order to detect the oxygen partial pressure around the measuring electrode 44, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the measuring electrode 44 and the reference electrode 42 form an electrochemical sensor cell, i.e. An oxygen partial pressure detection sensor cell 82 for controlling the measuring pump is configured. The variable power supply 46 is controlled based on the electromotive force (voltage V2) detected by the measuring pump controlling oxygen partial pressure detecting sensor cell 82 .

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。 The measured gas guided into the second internal space 40 reaches the measurement electrode 44 in the third internal space 61 through the fourth diffusion control section 60 under the condition that the oxygen partial pressure is controlled. . Nitrogen oxides in the gas to be measured around the measuring electrode 44 are reduced (2NO→N 2 +O 2 ) to generate oxygen. The generated oxygen is pumped by the measurement pump cell 41. At this time, the voltage V2 detected by the measurement pump control oxygen partial pressure detection sensor cell 82 is kept constant (target value). , the voltage Vp2 of the variable power supply 46 is controlled. Since the amount of oxygen generated around the measuring electrode 44 is proportional to the concentration of nitrogen oxides in the gas to be measured, the pump current Ip2 in the pump cell 41 for measurement is used to measure the nitrogen oxides in the gas to be measured. The concentration will be calculated.

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。 An electrochemical sensor cell 83 is composed of the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23, and the reference electrode 42. The electromotive force (voltage Vref) obtained by the sensor cell 83 can be used to detect the partial pressure of oxygen in the gas to be measured outside the sensor.

さらに、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、外側ポンプ電極23と、基準電極42とから電気化学的な基準ガス調整ポンプセル90が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル90は、外側ポンプ電極23と基準電極42との間に接続された電源回路92が印加する制御電圧(電圧Vp3)により制御電流(ポンプ電流Ip3)が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、基準ガス調整ポンプセル90は、外側ポンプ電極23の周囲の空間(図1のセンサ素子室133)から基準電極42の周囲に酸素の汲み入れを行うことや、基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出すことが可能になっている。 Further, an electrochemical reference gas regulation pump cell 90 is formed from the second solid electrolyte layer 6, the spacer layer 5, the first solid electrolyte layer 4, the third substrate layer 3, the outer pump electrode 23 and the reference electrode 42. is configured. In this reference gas adjustment pump cell 90, a control current (pump current Ip3) flows due to a control voltage (voltage Vp3) applied by a power supply circuit 92 connected between the outer pump electrode 23 and the reference electrode 42, thereby generating oxygen. Do pumping. As a result, the reference gas adjustment pump cell 90 can pump oxygen from the space around the outer pump electrode 23 (sensor element chamber 133 in FIG. 1) to the periphery of the reference electrode 42 and to pump oxygen from the periphery of the reference electrode 42 to the outside. It is possible to pump oxygen around the pump electrode 23 .

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。 In the gas sensor 100 having such a configuration, by operating the main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50, the oxygen partial pressure is always kept at a constant low value (a value that does not substantially affect NOx measurement). A gas to be measured is supplied to the measuring pump cell 41 . Therefore, the NOx concentration in the gas to be measured is determined based on the pump current Ip2 that flows when the oxygen generated by the reduction of NOx is pumped out of the measuring pump cell 41 in substantially proportion to the concentration of NOx in the gas to be measured. It is possible to know.

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、リード線76とを備えている。 Further, the sensor element 101 is provided with a heater section 70 that plays a role of temperature adjustment for heating and keeping the sensor element 101 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte. The heater section 70 includes heater connector electrodes 71 , heaters 72 , through holes 73 , heater insulating layers 74 , pressure dissipation holes 75 , and lead wires 76 .

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。 The heater connector electrode 71 is an electrode formed so as to be in contact with the lower surface of the first substrate layer 1 . By connecting the heater connector electrode 71 to an external power supply, power can be supplied to the heater section 70 from the outside.

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、リード線76及びスルーホール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を通して外部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。 The heater 72 is an electric resistor that is sandwiched between the second substrate layer 2 and the third substrate layer 3 from above and below. The heater 72 is connected to the heater connector electrode 71 via a lead wire 76 and a through hole 73, and is supplied with power from the outside through the heater connector electrode 71 to generate heat to heat the solid electrolyte forming the sensor element 101. and keep warm.

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。 Further, the heater 72 is embedded over the entire area from the first internal space 20 to the third internal space 61, and it is possible to adjust the entire sensor element 101 to a temperature at which the solid electrolyte is activated. ing.

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た多孔質アルミナからなる絶縁層である。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。 The heater insulating layer 74 is an insulating layer made of porous alumina formed of an insulator such as alumina on the upper and lower surfaces of the heater 72 . The heater insulating layer 74 is formed for the purpose of providing electrical insulation between the second substrate layer 2 and the heater 72 and electrical insulation between the third substrate layer 3 and the heater 72 .

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。 The pressure dissipation hole 75 is a portion provided so as to penetrate the third substrate layer 3 and the reference gas introduction layer 48, and is formed for the purpose of alleviating an increase in internal pressure accompanying a temperature rise in the heater insulating layer 74. Become.

制御装置95は、図3に示すように、上述した可変電源24,46,52と、ヒータ電源78と、上述した電源回路92と、制御部96と、を備えている。制御部96は、CPU97,図示しないRAM,及び記憶部98などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部98は、不揮発性メモリであり、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96は、各センサセル80~83の電圧V0~V2及び電圧Vrefを入力する。制御部96は、各ポンプセル21,50,41,90を流れるポンプ電流Ip0~Ip2及びポンプ電流Ip3を入力する。制御部96は、可変電源24,46,52及び電源回路92へ制御信号を出力することで可変電源24,46,52及び電源回路92が出力する電圧Vp0~Vp3を制御し、これにより、各ポンプセル21,41,50,90を制御する。制御部96は、ヒータ電源78に制御信号を出力することでヒータ電源78がヒータ72に供給する電力を制御し、これにより、センサ素子101の温度を調整する。記憶部98には、後述する目標値V0*,V1*,V2*,及び目標電流Ip1*などが記憶されている。制御部96のCPU97は、これらの目標値V0*,V1*,V2*,及び目標電流Ip1*を参照して、各セル21,41,50の制御を行う。 The control device 95 includes the variable power sources 24, 46 and 52 described above, the heater power source 78, the power supply circuit 92 described above, and a control section 96, as shown in FIG. The control unit 96 is a microprocessor including a CPU 97, a RAM (not shown), a storage unit 98, and the like. The storage unit 98 is a nonvolatile memory, and is a device that stores various programs and various data, for example. The control unit 96 inputs the voltages V0 to V2 and the voltage Vref of the sensor cells 80 to 83, respectively. The controller 96 inputs the pump currents Ip0 to Ip2 and the pump current Ip3 that flow through the pump cells 21, 50, 41, and 90, respectively. The control unit 96 controls the voltages Vp0 to Vp3 output by the variable power sources 24, 46, 52 and the power circuit 92 by outputting control signals to the variable power sources 24, 46, 52 and the power circuit 92. It controls the pump cells 21, 41, 50, 90. The control unit 96 outputs a control signal to the heater power supply 78 to control the power supplied from the heater power supply 78 to the heater 72 , thereby adjusting the temperature of the sensor element 101 . The storage unit 98 stores target values V0*, V1*, V2*, a target current Ip1*, and the like, which will be described later. The CPU 97 of the control unit 96 controls each cell 21, 41, 50 with reference to these target values V0*, V1*, V2* and target current Ip1*.

制御部96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96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。 The control unit 96 performs auxiliary pump control processing for controlling the auxiliary pump cell 50 so that the oxygen concentration in the second internal space 40 reaches the target concentration. Specifically, the control unit 96 controls the auxiliary pump cell 50 by feedback-controlling the voltage Vp1 of the variable power supply 52 so that the voltage V1 becomes a constant value (referred to as a target value V1*). The target value V1* is determined as a value such that the oxygen concentration in the second internal space 40 becomes a predetermined low concentration that does not substantially affect the measurement of NOx.

制御部96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96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96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96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。 The control unit 96 controls the main pump cell 21 so that the pump current Ip1 that flows when the auxiliary pump cell 50 adjusts the oxygen concentration in the second internal space 40 by the auxiliary pump control process becomes a target current (referred to as target current Ip1*). main pump control processing for controlling the Specifically, the control unit 96 sets the target value of the voltage V0 (referred to as the target value V0*) based on the pump current Ip1 so that the pump current Ip1 flowing by the voltage Vp1 becomes a constant target current Ip1*. (feedback control). Then, the control unit 96 feedback-controls the voltage Vp0 of the variable power supply 24 so that the voltage V0 becomes the target value V0* (that is, so that the oxygen concentration in the first internal space 20 becomes the target concentration). Due to this main pump control process, the gradient of the partial pressure of oxygen in the gas to be measured introduced from the third diffusion control section 30 into the second internal space 40 is always constant. The target value V0* is set to a value such that the oxygen concentration in the first internal space 20 is higher than 0% and is low. Further, the pump current Ip0 that flows during this main pump control process changes according to the oxygen concentration of the measured gas flowing into the measured gas flow section from the gas inlet 10 (that is, the measured gas surrounding the sensor element 101). do. Therefore, the control section 96 can also detect the oxygen concentration in the gas under measurement based on the pump current Ip0.

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96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。 The above-described main pump control process and auxiliary pump control process are also collectively referred to as adjustment pump control process. Also, the first internal space 20 and the second internal space 40 are collectively referred to as an oxygen concentration adjustment chamber. The main pump cell 21 and the auxiliary pump cell 50 are also collectively referred to as adjustment pump cells. The adjustment pump cell adjusts the oxygen concentration in the oxygen concentration adjustment chamber by the control unit 96 performing the adjustment pump control process.

さらに、制御部96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96は、電圧V2が目標値V2*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内から酸素が汲み出される。 Furthermore, the control unit 96 controls the measurement pump cell 41 so that the voltage V2 becomes a constant value (target value) (that is, so that the oxygen concentration in the third internal space 61 becomes a predetermined low concentration). perform pump control processing. Specifically, the control unit 96 controls the measurement pump cell 41 by feedback-controlling the voltage Vp2 of the variable power supply 46 so that the voltage V2 becomes the target value V2*. Oxygen is pumped out of the third internal space 61 by this measurement pump control process.

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96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。 By performing the measurement pump control process, the pressure inside the third internal space 61 is reduced so that the amount of oxygen generated by the reduction of NOx in the gas to be measured in the third internal space 61 becomes substantially zero. Oxygen is pumped out of Then, the control unit 96 acquires the pump current Ip2 as a detected value corresponding to the oxygen generated in the third internal space 61 due to the specific gas (here, NOx), and based on this pump current Ip2, the measured value is measured. Calculate the NOx concentration in the gas.

記憶部98には、ポンプ電流Ip2とNOx濃度との対応関係として、関係式(例えば一次関数又は二次関数の式)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。 The storage unit 98 stores a relational expression (for example, a linear function or a quadratic function), a map, etc. as the correspondence between the pump current Ip2 and the NOx concentration. Such a relational expression or map can be obtained in advance by experiments.

制御部96は、電圧Vp3が基準ガス調整ポンプセル90に印加されるように電源回路92を制御して、基準ガス調整ポンプセル90にポンプ電流Ip3を流す。制御部96は、電圧Vp3の大きさや正負を変更することで、ポンプ電流Ip3の大きさや流れる向きを制御する。これにより、制御部96は基準電極42と外側ポンプ電極23との間の酸素の移動方向(基準電極42の周囲への酸素の汲み入れ又は基準電極42の周囲からの酸素の汲み出し)を制御したり、酸素の移動量を制御したりすることができる。本実施形態では、電圧Vp3はポンプ電流Ip3が所定の値(一定値の直流電流)となるような直流電圧とした。 The control unit 96 controls the power supply circuit 92 so that the voltage Vp3 is applied to the reference gas adjustment pump cell 90, thereby causing the reference gas adjustment pump cell 90 to flow the pump current Ip3. The control unit 96 controls the magnitude and direction of flow of the pump current Ip3 by changing the magnitude and positive/negative of the voltage Vp3. Thereby, the control unit 96 controls the direction of movement of oxygen between the reference electrode 42 and the outer pump electrode 23 (pumping oxygen to the periphery of the reference electrode 42 or pumping oxygen from the periphery of the reference electrode 42). or control the amount of oxygen transfer. In the present embodiment, the voltage Vp3 is set to a DC voltage such that the pump current Ip3 becomes a predetermined value (constant DC current).

制御部96は、外側ポンプ電極23の周囲から基準電極42の周囲に酸素を汲み入れて基準電極42の周囲の酸素濃度を調整するように基準ガス調整ポンプセル90を制御する基準ガス調整処理を行う。ここで、センサ素子101のうちガス導入口10などの被測定ガス流通部には、図1に示したセンサ素子室133から被測定ガスが導入される。一方、センサ素子101のうち基準ガス導入部49には、図1に示した空間149内の基準ガス(大気)が導入される。そして、このセンサ素子室133と空間149とは、センサ組立体140(特に、圧粉体145a,145b)によって区画され、互いにガスが流通しないように封止されている。しかし、被測定ガス側の圧力が高い場合などにおいて、被測定ガスがわずかに空間149内に侵入してしまい、空間149内の酸素濃度が低下する場合がある。このとき、基準電極42の周囲の酸素濃度まで低下してしまうと、基準電極42の電位である基準電位が変化してしまう。基準ガス調整処理を行うことで、このような基準電極42の周囲の酸素濃度の低下を補うことができる。 The control unit 96 performs a reference gas adjustment process that controls the reference gas adjustment pump cell 90 so as to pump oxygen from around the outer pump electrode 23 to around the reference electrode 42 to adjust the oxygen concentration around the reference electrode 42 . . Here, the gas to be measured is introduced from the sensor element chamber 133 shown in FIG. On the other hand, the reference gas (atmosphere) in the space 149 shown in FIG. The sensor element chamber 133 and the space 149 are partitioned by the sensor assembly 140 (particularly, the powder compacts 145a and 145b) and are sealed so that gas does not flow between them. However, when the pressure of the gas to be measured is high, the gas to be measured may slightly enter the space 149 and the oxygen concentration in the space 149 may decrease. At this time, if the oxygen concentration around the reference electrode 42 is lowered, the reference potential, which is the potential of the reference electrode 42, will change. By performing the reference gas adjustment process, such a decrease in oxygen concentration around the reference electrode 42 can be compensated for.

なお、図2に示した可変電源24,46,52及び電源回路92などを含めて、制御装置95は、実際にはセンサ素子101内に形成された図示しないリード線,図1のコネクタ150及びリード線155を介して、センサ素子101内部の各電極と接続されている。 Incidentally, the control device 95 including the variable power sources 24, 46, 52 and the power supply circuit 92 shown in FIG. It is connected to each electrode inside the sensor element 101 via a lead wire 155 .

ところで、センサ素子101を駆動していない期間に、基準ガス導入部49がセンサ素子101の外部(ここでは空間149内)の水を吸着してしまう場合がある。これに関して、本発明者らは、基準ガス導入部49の吸湿状態と、基準ガス調整ポンプセル90に流れるポンプ電流Ip3との関係を調べた。まず、制御装置95によりセンサ素子101を駆動させた。具体的には、ガスセンサ100を大気雰囲気中に配置した状態で、ヒータ電源78からヒータ72に通電してセンサ素子101を加熱し、センサ素子101の温度を800℃で維持した。この状態で0.5時間が経過するまで待ち、基準ガス導入部49の吸湿量の少ない状態のガスセンサ100とした。続いて、ガスセンサ100を大気雰囲気中に配置した状態で電源回路92が基準ガス調整ポンプセル90に印加する電圧Vp3を0mVから1000mVまで徐々に変化させたときのポンプ電流Ip3の値を測定した。電圧Vp3は、基準ガス調整ポンプセル90が基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出す方向に印加した。こうして測定された、吸湿量の少ない状態のガスセンサ100における電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を、図4に実線のグラフL1として示す。次に、ガスセンサ100を温度40℃,湿度85%の恒温恒湿槽に1週間保管して基準ガス導入部49に水を吸着させることで、吸湿量の多い状態のガスセンサ100とした。このガスセンサ100を大気雰囲気中に配置し、ヒータ72によりセンサ素子101の温度を800℃で維持した。この状態で上記と同様に電圧Vp3を0mVから1000mVまで徐々に変化させたときのポンプ電流Ip3の値を測定した。こうして測定された、吸湿量の多い状態のガスセンサ100における電圧Vp3とポンプ電流Ip3との関係を、図4に破線のグラフL2として示す。 By the way, the reference gas introduction part 49 may adsorb water outside the sensor element 101 (here, inside the space 149) while the sensor element 101 is not driven. In relation to this, the inventors investigated the relationship between the moisture absorption state of the reference gas introduction section 49 and the pump current Ip3 flowing through the reference gas adjustment pump cell 90 . First, the sensor element 101 was driven by the controller 95 . Specifically, with the gas sensor 100 placed in the atmosphere, the heater 72 was energized from the heater power source 78 to heat the sensor element 101, and the temperature of the sensor element 101 was maintained at 800.degree. After waiting for 0.5 hours to pass in this state, the gas sensor 100 in which the amount of moisture absorbed by the reference gas introduction portion 49 is small is obtained. Subsequently, the value of the pump current Ip3 was measured when the voltage Vp3 applied to the reference gas adjustment pump cell 90 by the power supply circuit 92 was gradually changed from 0 mV to 1000 mV with the gas sensor 100 placed in the atmosphere. A voltage Vp3 was applied in a direction in which the reference gas regulating pump cell 90 pumps oxygen from around the reference electrode 42 to around the outer pump electrode 23 . FIG. 4 shows the relationship between the voltage Vp3 and the pump current Ip3 in the gas sensor 100 in the state where the moisture absorption amount is small, which is measured as a solid line graph L1. Next, the gas sensor 100 was stored in a constant temperature/humidity chamber at a temperature of 40° C. and a humidity of 85% for one week to cause the reference gas introduction part 49 to adsorb water, thereby making the gas sensor 100 in a state of a large amount of moisture absorption. This gas sensor 100 was placed in the atmosphere, and the temperature of the sensor element 101 was maintained at 800° C. by the heater 72 . In this state, the value of the pump current Ip3 was measured when the voltage Vp3 was gradually changed from 0 mV to 1000 mV in the same manner as described above. FIG. 4 shows the relationship between the voltage Vp3 and the pump current Ip3 in the gas sensor 100 with a large amount of moisture absorption thus measured as a dashed line graph L2.

図4に示すように、グラフL1及びグラフL2のいずれも、電圧Vp3が100mV~700mVの領域では、電圧Vp3が増加してもポンプ電流Ip3はほぼ一定の値になっていた。すなわちポンプ電流Ip3が限界電流になっていた。限界電流の値は、例えば基準ガス導入部49の拡散抵抗などによって定まる。このような電圧Vp3が変化してもポンプ電流Ip3がほとんど変化しない領域(図4では例えば電圧Vp3が100mV~700mVの領域)を、限界電流領域と称する。また、グラフL1及びグラフL2のいずれも、限界電流領域よりも電圧Vp3が高い領域では、電圧Vp3の増加に伴ってポンプ電流Ip3も増加する傾向が見られた。これは、電圧Vp3が高くなるほど基準ガス導入部49内、特に基準電極42の周辺の水分が分解されて酸素が発生しており、この酸素も基準電極42の周囲から汲み出されているためと考えられる。また、限界電流領域及びそれよりも電圧Vp3が高い領域のいずれにおいても、グラフL2の方がグラフL1よりもポンプ電流Ip3の値が大きかった。すなわち、基準ガス導入部49の吸湿量の多い状態のガスセンサ100の方が、ポンプ電流Ip3の値が大きくなる傾向が確認された。そのため、限界電流領域の電圧Vp3を印加した場合でも、基準電極42の周辺の水分の分解は生じていると考えられる。特に、限界電流領域よりも電圧Vp3が高い領域(例えば図4の電圧Vp3が800mV以上の領域)では、グラフL2とグラフL1とのポンプ電流Ip3の値の相違がより顕著に見られた。例えば電圧Vp3が限界電流領域内の400mVである場合のグラフL1のポンプ電流Ip3の値A1とグラフL2のポンプ電流Ip3の値A2との差(=A2-A1)よりも、電圧Vp3が1000mVである場合のグラフL1のポンプ電流Ip3の値B1とグラフL2のポンプ電流Ip3の値B2との差(=B2-B1)の方が値が大きかった。 As shown in FIG. 4, in both the graphs L1 and L2, the pump current Ip3 remains substantially constant even if the voltage Vp3 increases in the range of the voltage Vp3 from 100 mV to 700 mV. That is, the pump current Ip3 has become the limit current. The value of the limiting current is determined by, for example, the diffusion resistance of the reference gas introducing section 49 . A region in which the pump current Ip3 hardly changes even when the voltage Vp3 changes (for example, a region where the voltage Vp3 is 100 mV to 700 mV in FIG. 4) is called a limit current region. In both graphs L1 and L2, in the region where the voltage Vp3 is higher than the limit current region, the pump current Ip3 tends to increase as the voltage Vp3 increases. This is because the higher the voltage Vp3, the more the moisture in the reference gas introduction part 49, especially around the reference electrode 42, is decomposed to generate oxygen, and this oxygen is also pumped out from around the reference electrode 42. Conceivable. Also, in both the limit current region and the region where the voltage Vp3 is higher than the limit current region, the value of the pump current Ip3 was larger in the graph L2 than in the graph L1. That is, it was confirmed that the value of the pump current Ip3 tends to be greater in the gas sensor 100 in which the amount of moisture absorbed by the reference gas introduction portion 49 is greater. Therefore, even when the voltage Vp3 in the limiting current region is applied, it is considered that the moisture around the reference electrode 42 is decomposed. In particular, in the region where the voltage Vp3 is higher than the limit current region (for example, the region where the voltage Vp3 is 800 mV or higher in FIG. 4), the difference in the value of the pump current Ip3 between the graph L2 and the graph L1 is more pronounced. For example, when the voltage Vp3 is 400 mV in the limit current region, the difference (=A2-A1) between the value A1 of the pump current Ip3 in the graph L1 and the value A2 of the pump current Ip3 in the graph L2 is 1000 mV. The difference (=B2-B1) between the value B1 of the pump current Ip3 in the graph L1 and the value B2 of the pump current Ip3 in the graph L2 in a certain case was larger.

このように、基準ガス調整ポンプセル90が基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流Ip3は、基準電極42の周囲の水分の多寡によって変化する。具体的には基準電極42の周囲の水分が多いほど、ポンプ電流Ip3が大きくなる。そこで、本実施形態の制御部96は、このポンプ電流Ip3に基づいて基準電極42の周囲の吸湿状態を診断する吸湿状態診断処理を行う。より具体的には、本実施形態の制御部96は、吸湿状態診断処理の一例として、ポンプ電流Ip3に基づいて基準電極42の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行う。水分判定処理の詳細については後述する。 Thus, the pump current Ip3 that flows when the reference gas regulating pump cell 90 pumps oxygen from around the reference electrode 42 to around the outer pump electrode 23 varies with the amount of moisture around the reference electrode 42 . Specifically, as the amount of water around the reference electrode 42 increases, the pump current Ip3 increases. Therefore, the control unit 96 of the present embodiment performs moisture absorption state diagnosis processing for diagnosing the moisture absorption state around the reference electrode 42 based on this pump current Ip3. More specifically, the control unit 96 of the present embodiment performs, as an example of moisture absorption state diagnosis processing, moisture determination processing that determines whether or not there is a large amount of moisture around the reference electrode 42 based on the pump current Ip3. Details of the moisture determination process will be described later.

次に、ガスセンサ100の制御部96がNOx濃度の測定を行う処理の一例について説明する。図5は、制御部96が実行する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。制御部96は、このルーチンを例えば記憶部98に記憶している。制御部96は、例えば図示しないエンジンECUから起動指令を入力すると、この制御ルーチンを開始する。 Next, an example of processing for measuring the NOx concentration by the control unit 96 of the gas sensor 100 will be described. FIG. 5 is a flowchart showing an example of a control routine executed by the control section 96. As shown in FIG. The control unit 96 stores this routine in the storage unit 98, for example. The control unit 96 starts this control routine, for example, when a start command is input from an engine ECU (not shown).

制御部96のCPU97は、制御ルーチンが開始されると、まず、ヒータ電源78に制御信号を出力して、ヒータ72の温度が目標温度(例えば800℃など)になるように制御するヒータ制御処理を開始する(ステップS100)。ここで、ヒータ72の温度はヒータ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、CPU97はヒータ72の温度とみなせる値(温度に換算可能な値)としてヒータ72の抵抗値を算出して、算出した抵抗値が目標抵抗値(目標温度に対応する抵抗値)になるようにヒータ電源78をフィードバック制御する。CPU97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。CPU97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。CPU97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78に制御信号を出力して、ヒータ電源78が供給する電力をフィードバック制御する。ヒータ電源78は、ヒータ72に通電するにあたり、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。 When the control routine is started, the CPU 97 of the control unit 96 first outputs a control signal to the heater power supply 78 to perform heater control processing to control the temperature of the heater 72 to a target temperature (eg, 800° C.). is started (step S100). Here, the temperature of the heater 72 can be represented by a linear function expression of the resistance value of the heater 72 . Therefore, in the heater control process of the present embodiment, the CPU 97 calculates the resistance value of the heater 72 as a value that can be regarded as the temperature of the heater 72 (a value that can be converted to temperature), and the calculated resistance value is the target resistance value (target temperature The heater power supply 78 is feedback-controlled so as to obtain a resistance value corresponding to . The CPU 97 can acquire, for example, the voltage of the heater 72 and the current flowing through the heater 72, and calculate the resistance value of the heater 72 based on the acquired voltage and current. The CPU 97 may calculate the resistance value of the heater 72 by, for example, a three-terminal method or a four-terminal method. The CPU 97 outputs a control signal to the heater power supply 78 so that the calculated resistance value of the heater 72 becomes the target resistance value, and feedback-controls the power supplied by the heater power supply 78 . When energizing the heater 72 , the heater power supply 78 adjusts the power supplied to the heater 72 by changing the value of the voltage applied to the heater 72 , for example.

続いて、CPU97は、ヒータ制御処理によってヒータ温度が所定温度以上に到達したか否かを判定する(ステップS110)。この所定温度は、上述したヒータ制御処理の目標温度以下の値として予め定められて記憶部98に記憶されている。所定温度は、センサ素子101の固体電解質が活性化して基準ガス調整ポンプセル90による酸素のポンピングが可能になるような温度として予め定めておく。所定温度は目標温度未満の値としてもよい。所定温度は目標温度の80%以上の値や90%以上の値としてもいい。本実施形態では、所定温度は目標温度の90%の値とした。本実施形態では、CPU97は上述したようにヒータ72の温度を表す値として抵抗値を用いるため、ステップS110の判定もヒータ72の抵抗値を用いて行う。 Subsequently, the CPU 97 determines whether or not the heater temperature has reached a predetermined temperature or higher by the heater control process (step S110). This predetermined temperature is predetermined and stored in the storage unit 98 as a value equal to or lower than the target temperature of the heater control process described above. The predetermined temperature is determined in advance as a temperature at which the solid electrolyte of the sensor element 101 is activated so that the reference gas adjustment pump cell 90 can pump oxygen. The predetermined temperature may be a value less than the target temperature. The predetermined temperature may be 80% or more or 90% or more of the target temperature. In this embodiment, the predetermined temperature is 90% of the target temperature. In this embodiment, the CPU 97 uses the resistance value as the value representing the temperature of the heater 72 as described above, so the determination in step S110 is also performed using the resistance value of the heater 72 .

CPU97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。すなわちヒータ72の温度が所定温度以上に到達するまで待つ。ステップS110で肯定判定だった場合には、CPU97は、水分判定処理として、以下のステップS120,S130を行う。 If the determination in step S110 is negative, the CPU 97 repeats step S110 and waits until the determination is positive. That is, it waits until the temperature of the heater 72 reaches a predetermined temperature or higher. If the determination in step S110 is affirmative, the CPU 97 performs the following steps S120 and S130 as moisture determination processing.

水分判定処理では、CPU97は、まず、基準ガス調整ポンプセル90に電圧Vp3を印加して、そのときに流れるポンプ電流Ip3を取得する(ステップS120)。このとき印加する電圧Vp3の値を電圧Vhaと表記し、取得したポンプ電流Ip3の値をポンプ電流Iphと表記する。電圧Vhaは、基準ガス調整ポンプセル90が基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出す方向に印加する。電圧Vhaの値は、図4で説明した限界電流領域の範囲の値としてもよいが、限界電流領域よりも高い電圧とすることが好ましい。電圧Vhaは、例えば0.8V以上とすることが好ましい。電圧Vhaは、1.5V以下としてもよい。本実施形態では、電圧Vhaは1.0Vとした。 In the moisture determination process, the CPU 97 first applies the voltage Vp3 to the reference gas adjustment pump cell 90 and acquires the pump current Ip3 that flows at that time (step S120). The value of the voltage Vp3 applied at this time is denoted as voltage Vha, and the value of the acquired pump current Ip3 is denoted as pump current Iph. Voltage Vha is applied in a direction that causes reference gas regulation pump cell 90 to pump oxygen from around reference electrode 42 to around outer pump electrode 23 . The value of the voltage Vha may be a value within the range of the limit current region described with reference to FIG. 4, but is preferably a voltage higher than the limit current region. Voltage Vha is preferably 0.8 V or more, for example. The voltage Vha may be 1.5 V or less. In this embodiment, the voltage Vha is set to 1.0V.

続いて、CPU97は、取得したポンプ電流Iphに基づいて、基準電極42の周囲の吸湿状態の判定、具体的には基準電極42の周囲の水分が多いか否かの判定を行う(ステップS130)。本実施形態では、CPU97は、ポンプ電流Iphと基準ガス調整ポンプセル90の限界電流Iplimとの比較に基づいて、この判定を行う。より具体的には、CPU97は、ポンプ電流Iphと限界電流Iplimとの差ΔIが閾値Irefより大きいか否かによって、基準電極42の水分が多いか否かを判定する。基準ガス調整ポンプセル90の限界電流Iplimは、図4で説明した限界電流と同じく、基準ガス調整ポンプセル90が基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出す方向に電圧Vp3を印加したときの限界電流である。本実施形態では、予め実験により測定された基準ガス導入部49の吸湿量が少ない状態のセンサ素子101における限界電流の値(例えば図4の値A1)が、限界電流Iplimとして記憶部98に記憶されているものとした。そのため、CPU97は、ステップS120で取得したポンプ電流Iphと記憶部98に記憶された限界電流Iplimとの差ΔIを算出して、差ΔIが閾値Iref以上か否かを判定する。上述したように基準電極42の周囲の水分が多いほどポンプ電流Iphは大きくなるから、差ΔIも大きくなる。そこで、例えば基準電極42の周囲の水分の量がNOx濃度の検出精度に影響がないとみなせる上限の量である場合の差ΔIの値として閾値Irefを定めておく。例えば図4の例では基準電極42の周囲の水分が多い場合には差ΔI=B2-A1となり、基準電極42の周囲の水分が少ない場合には差ΔI=B1-A1となるから、両者の間の値になるような閾値Irefを定めておく。 Subsequently, the CPU 97 determines the moisture absorption state around the reference electrode 42 based on the acquired pump current Iph, specifically, determines whether or not there is much moisture around the reference electrode 42 (step S130). . In the present embodiment, the CPU 97 makes this determination based on a comparison of the pump current Iph and the limit current Iprim of the reference gas regulation pump cell 90 . More specifically, the CPU 97 determines whether or not the reference electrode 42 has a large amount of moisture depending on whether or not the difference ΔI between the pump current Iph and the limit current Iprim is greater than the threshold value Iref. The limiting current Iprim of the reference gas regulating pump cell 90 applies a voltage Vp3 in the direction in which the reference gas regulating pump cell 90 pumps oxygen from the periphery of the reference electrode 42 to the periphery of the outer pump electrode 23, like the limiting current described in FIG. is the limit current when In the present embodiment, the limit current value (for example, the value A1 in FIG. 4) of the sensor element 101 in a state where the reference gas introduction portion 49 absorbs a small amount of moisture, which is measured in advance by experiment, is stored in the storage unit 98 as the limit current Iprim. It is assumed that Therefore, the CPU 97 calculates the difference ΔI between the pump current Iph acquired in step S120 and the limit current Iprim stored in the storage unit 98, and determines whether the difference ΔI is equal to or greater than the threshold value Iref. As described above, the larger the amount of water around the reference electrode 42, the larger the pump current Iph, and hence the larger the difference ΔI. Therefore, for example, a threshold value Iref is set as the value of the difference ΔI when the amount of water around the reference electrode 42 is the upper limit amount that can be regarded as having no effect on the detection accuracy of the NOx concentration. For example, in the example of FIG. 4, when the water content around the reference electrode 42 is large, the difference ΔI=B2−A1, and when the water content around the reference electrode 42 is small, the difference ΔI=B1−A1. A threshold value Iref is determined so as to have a value in between.

ステップS130で肯定判定だった場合、CPU97は、基準電極42の周囲の水分濃度を低下させるように基準ガス調整ポンプセル90を制御する水分濃度低下処理を実行する(ステップS140)。本実施形態の水分濃度低下処理では、CPU97は、基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出す方向の電圧Vp3を基準ガス調整ポンプセル90に印加する。このときの電圧Vp3の値を電圧Vhcと表記する。上述したように、基準電極42の周囲の酸素を汲み出すように電圧Vp3を基準ガス調整ポンプセル90に印加することで、基準電極42の周辺の水分を分解することができるから、これにより基準電極42の周囲の水分濃度を低下させることができる。電圧Vhcの値は、限界電流領域の範囲の値としてもよいし、限界電流領域よりも高い電圧としてもよい。例えば、電圧Vhcは0.3V以上1.5V以下としてもよい。電圧Vhcは、0.8V以上としてもよい。電圧Vhcは、1.0V以下としてもよい。電圧Vhcは、上述した水分判定処理における電圧Vhaと同じ値としてもよい。本実施形態では、電圧Vhcは1.0Vとした。水分濃度低下処理の実行時間は、5秒以上300秒以下とすることが好ましい。 If the determination in step S130 is affirmative, the CPU 97 executes a water concentration reduction process for controlling the reference gas adjustment pump cell 90 so as to reduce the water concentration around the reference electrode 42 (step S140). In the moisture concentration lowering process of the present embodiment, the CPU 97 applies a voltage Vp3 to the reference gas adjustment pump cell 90 in a direction to pump oxygen from the periphery of the reference electrode 42 to the periphery of the outer pump electrode 23 . The value of voltage Vp3 at this time is expressed as voltage Vhc. As described above, applying voltage Vp3 to reference gas regulating pump cell 90 to pump oxygen around reference electrode 42 can decompose moisture around reference electrode 42, thereby causing the reference electrode to Moisture concentration around 42 can be reduced. The value of voltage Vhc may be a value within the range of the limit current region, or may be a voltage higher than the limit current region. For example, voltage Vhc may be 0.3 V or more and 1.5 V or less. Voltage Vhc may be 0.8 V or higher. Voltage Vhc may be 1.0 V or less. The voltage Vhc may be the same value as the voltage Vha in the moisture determination process described above. In this embodiment, the voltage Vhc is set to 1.0V. It is preferable that the execution time of the water concentration lowering process is 5 seconds or more and 300 seconds or less.

ステップS130で否定判定だった場合、又はステップS140の水分濃度低下処理を実行した後、CPU97は、通常時すなわちNOx濃度を測定する際の制御処理である通常時制御処理を開始する(ステップS150)。具体的には、CPU97は、上述した主ポンプ制御処理,補助ポンプ制御処理,測定用ポンプ制御処理,及び基準ガス調整処理を開始して、本ルーチンを終了する。通常時制御処理を開始した後、CPU97は、例えば所定時間毎にポンプ電流Ip2の値を取得し、取得したポンプ電流Ip2と記憶部98に記憶された対応関係とに基づいて、被測定ガス中のNOx濃度を導出する。CPU97は、導出したNOx濃度の値をエンジンECUに出力したり、記憶部98に記憶したりする。 If the determination in step S130 is negative, or after executing the water concentration lowering process in step S140, the CPU 97 starts the normal time control process, which is the control process for measuring the NOx concentration in the normal time (step S150). . Specifically, the CPU 97 starts the above-described main pump control process, auxiliary pump control process, measurement pump control process, and reference gas adjustment process, and ends this routine. After starting the normal control process, the CPU 97 acquires the value of the pump current Ip2 at predetermined time intervals, for example, and based on the acquired pump current Ip2 and the correspondence stored in the storage unit 98, to derive the NOx concentration of The CPU 97 outputs the derived NOx concentration value to the engine ECU or stores it in the storage unit 98 .

大気雰囲気中でステップS140の水分濃度低下処理を行った場合の例について、図6を用いて説明する。図6は、ヒータ72の温度がステップS110の所定温度に到達した時を時刻t=0秒とした場合の、時刻tと電圧V2openとの関係を示すグラフである。電圧V2openは、測定電極44及び基準電極42に電流を流す制御を行わない状態すなわち開放状態における電圧V2の値である。図6の実線で示す実施例のグラフは、以下のようにして得た。まず、図4のグラフL2の測定と同様に、基準ガス導入部49の吸湿量の多い状態のガスセンサ100を用意して大気雰囲気中に配置した。そして、ヒータ制御処理を開始し、ヒータ72の温度がステップS110の所定温度に到達したタイミング(時刻t=0)から水分濃度低下処理を開始して図6の時刻t=t1まで実行した。時刻t=0から時刻t=t1までの期間すなわち水分濃度低下処理の実行時間は、5秒以上300秒以下の所定の時間とした。電圧Vhcは1.0Vとした。時刻t=t1以降は、基準ガス調整ポンプセル90を動作させず測定電極44と基準電極42との間は開放状態とした。そして、時刻t=0から0.1秒経過毎に電圧V2openを測定して、図6の実線で示す実施例のグラフを得た。時刻t=0から時刻t=t1の間は、瞬間的に水分濃度低下処理を停止して電圧V2openを測定した。また、基準ガス調整ポンプセル90を全く動作させず測定電極44と基準電極42との間を開放状態にし続けた点以外は実施例と同様の測定を行って、図6の破線で示す比較例のグラフを得た。 An example of the case where the water concentration lowering process of step S140 is performed in an air atmosphere will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a graph showing the relationship between time t and voltage V2open when the time when the temperature of heater 72 reaches the predetermined temperature in step S110 is time t=0 seconds. The voltage V2open is the value of the voltage V2 in a state in which no current is controlled to flow through the measurement electrode 44 and the reference electrode 42, that is, in an open state. The graph of the example indicated by the solid line in FIG. 6 was obtained as follows. First, similarly to the measurement of graph L2 in FIG. 4, the gas sensor 100 with the reference gas introduction part 49 having a large amount of moisture absorbed was prepared and placed in the atmosphere. Then, the heater control process was started, and the water concentration reduction process was started at the timing (time t=0) when the temperature of the heater 72 reached the predetermined temperature in step S110, and was executed until time t=t1 in FIG. The period from time t=0 to time t=t1, that is, the execution time of the water concentration lowering process is a predetermined time of 5 seconds or more and 300 seconds or less. The voltage Vhc was set to 1.0V. After time t=t1, the reference gas adjustment pump cell 90 was not operated and the connection between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 was kept open. Then, the voltage V2open was measured every 0.1 seconds after the time t=0 to obtain the graph of the example indicated by the solid line in FIG. From time t=0 to time t=t1, the water concentration lowering process was momentarily stopped and the voltage V2open was measured. The same measurement as in the example was performed except that the reference gas adjustment pump cell 90 was not operated at all and the gap between the measurement electrode 44 and the reference electrode 42 was kept open. got the graph.

図6からわかるように、実施例及び比較例のいずれにおいても、時刻t=0から時間が経過するほど電圧V2openが低下していき、その後に電圧V2openが安定する傾向が確認された。しかし、水分濃度低下処理を行っていない比較例では、実施例と比べて電圧V2openが安定するのが遅かった。また、比較例では電圧V2openが一時的に負の値になっていた。これらは、基準電極42の周囲の水分がヒータ72に加熱されて気体となることで、一時的に基準電極42の周囲の酸素濃度が大気雰囲気の酸素濃度よりも低下しているためと考えられる。このような状態では、基準電極42の電位(基準電位)が不安定であるため、基準電位を基準として測定される電圧V0,V1,V2の値に誤差が生じるから、NOx濃度の検出精度が低下する。これに対し、水分濃度低下処理を行った実施例では、比較例と比べて早期に電圧V2openが安定していた。これは、時刻t=0から時刻t=t1までの間の水分濃度低下処理によって基準電極42の周囲の水分が分解されることで、水分の気化による基準電極42の周囲の酸素濃度の低下が抑制されているためと考えられる。この場合は、基準電位が速やかに安定するため、比較例と比べてNOx濃度の検出精度の低下が抑制される。なお、実施例及び比較例のいずれにおいても、時刻t=0から時間が経過するほど電圧V2openが低下していくのは、電圧V2openに基準電極42と測定電極44との間の熱起電力が含まれており、この熱起電力が時間の経過と共に小さくなっていくためと考えられる。例えば基準電極42及び測定電極44の各々の電極内に温度ばらつきがあると、基準電極42と測定電極44との間の熱起電力が大きくなる。時間の経過と共に各々の電極内の温度が均一化されていくと、熱起電力は小さくなっていく。 As can be seen from FIG. 6, in both the example and the comparative example, it was confirmed that the voltage V2open decreased as time passed from time t=0, and then the voltage V2open stabilized. However, in the comparative example in which the water concentration lowering process was not performed, the stabilization of the voltage V2open was slower than in the example. Also, in the comparative example, the voltage V2open temporarily took a negative value. It is considered that this is because the moisture around the reference electrode 42 is heated by the heater 72 to become gas, and the oxygen concentration around the reference electrode 42 is temporarily lower than the oxygen concentration in the atmosphere. . In such a state, since the potential (reference potential) of the reference electrode 42 is unstable, an error occurs in the values of the voltages V0, V1, and V2 measured with reference to the reference potential. descend. In contrast, in the example in which the water concentration reduction process was performed, the voltage V2open stabilized earlier than in the comparative example. This is because the moisture around the reference electrode 42 is decomposed by the moisture concentration lowering process from time t=0 to time t=t1, so that the oxygen concentration around the reference electrode 42 decreases due to evaporation of the moisture. This is probably because it is suppressed. In this case, since the reference potential is quickly stabilized, the deterioration of the detection accuracy of the NOx concentration is suppressed as compared with the comparative example. In both the working example and the comparative example, the reason why the voltage V2open decreases as time elapses from time t=0 is that the thermoelectromotive force between the reference electrode 42 and the measuring electrode 44 is applied to the voltage V2open. It is considered that this thermoelectromotive force decreases with the lapse of time. For example, if there is temperature variation within each of the reference electrode 42 and the measurement electrode 44, the thermoelectromotive force between the reference electrode 42 and the measurement electrode 44 will increase. As the temperature in each electrode becomes uniform with the lapse of time, the thermoelectromotive force becomes smaller.

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,第2基板層2,第3基板層3,第1固体電解質層4,スペーサ層5及び第2固体電解質層6が本発明の素子本体に相当し、測定電極44が測定電極に相当し、外側ポンプ電極23が被測定ガス側電極に相当し、基準電極42が基準電極に相当し、基準ガス導入部49が基準ガス導入部に相当し、基準ガス調整ポンプセル90が基準ガス調整ポンプセルに相当し、センサ素子101がセンサ素子に相当し、制御部96が制御部に相当する。また、ヒータ72がヒータに相当し、記憶部98が記憶部に相当する。なお、本実施形態では、制御装置95の動作を説明することにより本発明のガスセンサの吸湿状態の診断方法の一例も明らかにしている。 Here, correspondence relationships between the components of the present embodiment and the components of the present invention will be clarified. The first substrate layer 1, the second substrate layer 2, the third substrate layer 3, the first solid electrolyte layer 4, the spacer layer 5 and the second solid electrolyte layer 6 of this embodiment correspond to the element body of the present invention, and the measurement The electrode 44 corresponds to the measurement electrode, the outer pump electrode 23 corresponds to the measured gas side electrode, the reference electrode 42 corresponds to the reference electrode, the reference gas introduction section 49 corresponds to the reference gas introduction section, and the reference gas adjustment is performed. The pump cell 90 corresponds to the reference gas adjustment pump cell, the sensor element 101 corresponds to the sensor element, and the controller 96 corresponds to the controller. Also, the heater 72 corresponds to the heater, and the storage section 98 corresponds to the storage section. In this embodiment, an example of a method for diagnosing the moisture absorption state of the gas sensor of the present invention is clarified by explaining the operation of the control device 95 .

以上詳述した本実施形態のガスセンサ100によれば、制御装置95は、基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出すよう基準ガス調整ポンプセル90を制御したときに基準ガス調整ポンプセル90に流れるポンプ電流Iphに基づいて、基準電極42の周囲の吸湿状態を診断する。上述したように、基準ガス調整ポンプセル90が基準電極42の周囲から外側ポンプ電極23の周囲に酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流Ip3(=Iph)は、基準電極42の周囲の水分の多寡によって変化するから、ポンプ電流Iphに基づいて基準電極42の周囲の吸湿状態を診断することができる。また、制御装置95は、吸湿状態診断処理として、基準電極42の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行う。そして、制御装置95は、水分判定処理で水分が多いと判定した場合に水分濃度低下処理を行う。こうすれば、吸湿状態診断処理の診断結果に基づいて、水分濃度低下処理を行うか否かを適切に決定することができる。また、水分濃度低下処理を行うことで、基準電極42の周囲の水分濃度を速やかに低下させることができるから、基準電極42の周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。 According to the gas sensor 100 of the present embodiment described in detail above, the controller 95 controls the reference gas adjustment pump cell 90 to pump oxygen from around the reference electrode 42 to around the outer pump electrode 23. Based on the pump current Iph flowing through the pump cell 90, the moisture absorption state around the reference electrode 42 is diagnosed. As described above, the pump current Ip3 (=Iph) that flows when the reference gas regulating pump cell 90 pumps oxygen from around the reference electrode 42 to around the outer pump electrode 23 depends on the amount of water around the reference electrode 42. Since it changes, the moisture absorption state around the reference electrode 42 can be diagnosed based on the pump current Iph. Further, the control device 95 performs moisture determination processing for determining whether or not there is a large amount of moisture around the reference electrode 42 as the moisture absorption state diagnosis processing. Then, the control device 95 performs the water concentration reduction process when it is determined in the water content determination process that the water content is high. By doing so, it is possible to appropriately determine whether or not to perform the moisture concentration lowering process based on the diagnosis result of the moisture absorption state diagnosis process. Moreover, since the moisture concentration around the reference electrode 42 can be quickly lowered by performing the moisture concentration lowering process, it is possible to suppress a decrease in detection accuracy of the concentration of the specific gas due to the moisture around the reference electrode 42 . .

また、制御装置95は、吸湿状態診断処理において、基準ガス調整ポンプセル90の限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧(電圧Vha)を外側ポンプ電極23と基準電極42との間に印加したときのポンプ電流Iphに基づいて、基準電極42の周囲の吸湿状態を診断する。限界電流領域の電圧よりも高い電圧Vhaを基準ガス調整ポンプセル90に印加すると、基準電極42の周囲の水分が分解されやすいから、基準電極42の周囲の水分の多寡がポンプ電流Iphに影響しやすい。そのため、このような電圧Vhaを印加したときのポンプ電流Iphを用いることで、基準電極42の周囲の吸湿状態をより適切に診断できる。 In addition, the control device 95 applied a predetermined control voltage (voltage Vha) higher than the voltage in the limiting current region of the reference gas adjustment pump cell 90 between the outer pump electrode 23 and the reference electrode 42 in the moisture absorption state diagnosis process. The moisture absorption state around the reference electrode 42 is diagnosed based on the pump current Iph at the time. When a voltage Vha higher than the voltage in the limiting current region is applied to the reference gas adjustment pump cell 90, the moisture around the reference electrode 42 is likely to be decomposed, so the amount of moisture around the reference electrode 42 is likely to affect the pump current Iph. . Therefore, by using the pump current Iph when such a voltage Vha is applied, the moisture absorption state around the reference electrode 42 can be more appropriately diagnosed.

さらに、制御装置95は、吸湿状態診断処理において、ポンプ電流Iphと基準ガス調整ポンプセル90の限界電流Iplimとの比較に基づいて、基準電極42の周囲の吸湿状態を診断する。限界電流領域の電圧よりも高い電圧Vhaを基準ガス調整ポンプセル90に印加する場合、基準電極42の周囲の水分が多いほどポンプ電流Iphと限界電流Iplimとの相違が大きくなるから、これらを比較することで、基準電極42の周囲の吸湿状態をより適切に診断できる。 Furthermore, in the moisture absorption state diagnosis process, the control device 95 diagnoses the moisture absorption state around the reference electrode 42 based on the comparison between the pump current Iph and the limit current Iprim of the reference gas adjustment pump cell 90 . When a voltage Vha higher than the voltage in the limiting current region is applied to the reference gas regulating pump cell 90, the difference between the pump current Iph and the limiting current Iprim increases as the amount of moisture around the reference electrode 42 increases. Accordingly, the moisture absorption state around the reference electrode 42 can be diagnosed more appropriately.

さらにまた、制御装置95は、吸湿状態診断処理において、ポンプ電流Iphと記憶部98に記憶された限界電流Iplimとを比較する。こうすれば、吸湿状態診断処理において限界電流Iplimを測定する必要がない。 Furthermore, the control device 95 compares the pump current Iph with the limit current Iprim stored in the storage unit 98 in the moisture absorption state diagnosis process. This eliminates the need to measure the limit current Iprim in the moisture absorption state diagnosis process.

そして、電圧Vhaが0.8V以上の値であれば、この範囲の電圧を印加したときのポンプ電流Iphが基準電極42の周囲の水分の多寡によって変化しやすいため、吸湿状態診断処理を行うのに適している。電圧Vhaが1.5Vより大きい場合は、センサ素子101の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Vhaが1.5V以下では、センサ素子101の黒化を抑制できる。 If the voltage Vha is a value of 0.8 V or more, the pump current Iph when a voltage in this range is applied is likely to change depending on the amount of moisture around the reference electrode 42. Therefore, the moisture absorption state diagnosis process is performed. Suitable for If the voltage Vha is higher than 1.5 V, oxygen ions in the solid electrolyte of the sensor element 101 are depleted, electron conduction occurs in the solid electrolyte, and the sensor element 101 may blacken and become unusable. , the voltage Vha is 1.5 V or less, blackening of the sensor element 101 can be suppressed.

そしてまた、制御装置95は、ヒータ72に通電してヒータ72の温度が所定温度以上に到達した後に、吸湿状態診断処理を行う。こうすれば、ヒータ72の温度が上昇してから吸湿状態診断処理が行われるため、固体電解質層が活性化して酸素イオン伝導性が発揮される状態で基準ガス調整ポンプセル90を動作させることができる。したがって、吸湿状態診断処理を適切なタイミングで実行できる。 After the heater 72 is energized and the temperature of the heater 72 reaches a predetermined temperature or higher, the control device 95 performs the moisture absorption state diagnosis process. In this way, since the moisture absorption state diagnosis processing is performed after the temperature of the heater 72 rises, the reference gas adjustment pump cell 90 can be operated in a state in which the solid electrolyte layer is activated and the oxygen ion conductivity is exhibited. . Therefore, the moisture absorption state diagnosis process can be executed at appropriate timing.

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。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present invention.

例えば、上述した実施形態では、吸湿状態診断処理において予め記憶部98に記憶された限界電流Iplimを用いたが、これに限られない。例えば、制御装置95は、吸湿状態診断処理において、基準ガス調整ポンプセル90に限界電流領域の電圧Vp3を印加して、このとき流れるポンプ電流Ip3を限界電流Iplimとして測定してもよい。このとき印加する電圧Vp3の値を電圧Vhbと表記する。電圧Vhbは、限界電流領域の範囲内の値(例えば図4の例であれば100mV~700mVの範囲内の値)として予め定められていてもよい。あるいは、制御装置95は、吸湿状態診断処理において、電圧Vhbの値を徐々に変化させながらポンプ電流Ip3の値を測定し、ポンプ電流Ip3が変化しなくなったとみなせる時の値を限界電流Iplimとして測定してもよい。このように吸湿状態診断処理においてポンプ電流Iphだけでなく限界電流Iplimも測定すれば、より精度良く判定を行うことができる。 For example, in the above-described embodiment, the limit current Iprim stored in advance in the storage unit 98 is used in the moisture absorption state diagnosis process, but the present invention is not limited to this. For example, in the moisture absorption state diagnosis process, the control device 95 may apply a voltage Vp3 in the limit current region to the reference gas adjustment pump cell 90 and measure the pump current Ip3 flowing at this time as the limit current Iprim. The value of the voltage Vp3 applied at this time is expressed as voltage Vhb. Voltage Vhb may be predetermined as a value within the range of the limit current region (for example, a value within the range of 100 mV to 700 mV in the example of FIG. 4). Alternatively, in the moisture absorption state diagnosis process, the control device 95 measures the value of the pump current Ip3 while gradually changing the value of the voltage Vhb, and measures the value when the pump current Ip3 can be considered to have stopped changing as the limiting current Iplim. You may In this manner, if not only the pump current Iph but also the limit current Iprim is measured in the moisture absorption state diagnosis process, the determination can be made with higher accuracy.

上述した実施形態では、ポンプ電流Iphと限界電流Iplimとの差に基づいて基準電極42の周囲の吸湿状態を診断したが、これに限られない。ポンプ電流Iphと限界電流Iplimとを比較して診断を行えばよく、例えばポンプ電流Iphと限界電流Iplimとの比に基づいて診断してもよい。また、ポンプ電流Iphに基づいて診断を行えばよく、限界電流Iplimは診断に用いなくてもよい。例えば、ポンプ電流Iphと所定の閾値とを比較して、ポンプ電流Iphが閾値を超えていたら基準電極42の周囲の水分が多いと判定してもよい。 In the above-described embodiment, the moisture absorption state around the reference electrode 42 is diagnosed based on the difference between the pump current Iph and the limit current Iprim, but the present invention is not limited to this. Diagnosis may be made by comparing the pump current Iph and the limit current Iprim, and for example, the diagnosis may be made based on the ratio between the pump current Iph and the limit current Iprim. Further, the diagnosis may be performed based on the pump current Iph, and the limit current Iprim may not be used for the diagnosis. For example, the pump current Iph may be compared with a predetermined threshold, and if the pump current Iph exceeds the threshold, it may be determined that there is a large amount of moisture around the reference electrode 42 .

上述した実施形態では、制御装置95はステップS110でヒータ72の温度が所定温度以上に到達した場合に吸湿状態診断処理を行ったが、ヒータ72の温度が所定温度以上に到達した直後に限らずヒータ72の温度が所定温度以上に到達してから所定時間経過後に吸湿状態診断処理を行ってもよい。また、制御装置95は、ヒータ72の温度が所定温度以上に到達したか否かの判定を行わず、ヒータ72への通電を開始してから所定時間経過後に吸湿状態診断処理を実行してもよい。 In the above-described embodiment, the control device 95 performed the moisture absorption state diagnosis process when the temperature of the heater 72 reached the predetermined temperature or higher in step S110. After the temperature of the heater 72 reaches a predetermined temperature or higher and a predetermined time has elapsed, the moisture absorption state diagnosis processing may be performed. Further, the control device 95 does not determine whether or not the temperature of the heater 72 has reached a predetermined temperature or higher, and even if the moisture absorption state diagnosis process is executed after a predetermined time has elapsed since the start of energization of the heater 72. good.

上述した実施形態では、制御装置95は、吸湿状態診断処理として、基準電極42の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行ったが、これに限らず基準電極42の周囲の吸湿状態を診断すればよい。例えば、制御装置95は、吸湿状態の診断として、ポンプ電流Iphに基づいて基準電極42の周囲の水分量を算出してもよい。例えば、ポンプ電流Iphと基準電極42の水分量との関係、又は差ΔIと基準電極42の水分量との関係を予め実験により調べて記憶部98に記憶しておき、制御装置95はステップS130においてポンプ電流Iphと記憶部98に記憶された関係とに基づいて水分量を算出してもよい。 In the above-described embodiment, the control device 95 performs moisture determination processing for determining whether or not there is a large amount of moisture around the reference electrode 42 as the moisture absorption state diagnosis processing. Diagnose the moisture absorption state. For example, the control device 95 may calculate the amount of moisture around the reference electrode 42 based on the pump current Iph to diagnose the moisture absorption state. For example, the relationship between the pump current Iph and the water content of the reference electrode 42 or the relationship between the difference ΔI and the water content of the reference electrode 42 is experimentally investigated in advance and stored in the storage unit 98. , the water content may be calculated based on the pump current Iph and the relationship stored in the storage unit 98 .

上述した実施形態では、制御装置95は、吸湿状態診断処理の診断結果を水分濃度低下処理を行うか否かの決定に利用したが、これに限らず診断結果を他の用途に利用してもよい。例えば、基準電極42の周囲の水分量によって基準電極42の電位(基準電位)が変化するから、この水分量に基づいて基準電位の変化を予測して、各ポンプセル21,50,41,90の制御を変更してもよい。具体的には、制御装置95は、吸湿状態診断処理で基準電極42の周囲の水分量を算出して、算出した水分量に応じて目標値V0*,V1*,V2*のうち1以上を変更したり、基準ガス調整処理において基準ガス調整ポンプセル90に印加する電圧Vp3を変更したりしてもよい。 In the above-described embodiment, the control device 95 uses the diagnosis result of the moisture absorption state diagnosis process to determine whether or not to perform the moisture concentration lowering process. good. For example, since the potential (reference potential) of the reference electrode 42 changes depending on the amount of water around the reference electrode 42, the change in the reference potential is predicted based on this amount of water. You can change the controls. Specifically, the control device 95 calculates the moisture content around the reference electrode 42 in the moisture absorption state diagnosis process, and selects one or more of the target values V0*, V1*, V2* according to the calculated moisture content. Alternatively, the voltage Vp3 applied to the reference gas adjustment pump cell 90 in the reference gas adjustment process may be changed.

上述した実施形態では、制御装置95はステップS120,S130の吸湿状態診断処理を実行してからステップS150の通常時制御処理を開始したが、これに限られない。制御装置95は、通常時制御処理を開始した後に、吸湿状態診断処理を実行してもよい。例えば、制御装置95は所定時間経過毎に吸湿状態診断処理を実行してもよい。この場合、吸湿状態診断処理の実行中は一時的に通常時制御処理を停止してもよい。 In the embodiment described above, the control device 95 starts the normal control process in step S150 after executing the moisture absorption state diagnosis process in steps S120 and S130, but the present invention is not limited to this. The control device 95 may execute the moisture absorption state diagnosis process after starting the normal time control process. For example, the control device 95 may execute the moisture absorption state diagnosis process every time a predetermined period of time has elapsed. In this case, the normal time control process may be temporarily stopped during the execution of the moisture absorption state diagnosis process.

上述した実施形態では、電圧Vp3は直流電圧としたが、これに限らずパルス電圧などの繰り返しオンオフされる電圧としてもよい。こうしても、制御装置95が吸湿状態診断処理,水分濃度低下処理,及び基準ガス調整処理を行うことはできる。電圧Vp3が繰り返しオンオフされる電圧である場合、制御装置95は電圧Vp3がオフである期間中(言い換えるとポンプ電流Ip3が流れていない期間中)の電圧V0,V1,V2を測定して通常時制御処理に用いてもよい。こうすることで、吸湿状態診断処理の実行中に一時的に通常時制御処理を停止することなく、吸湿状態診断処理と通常時制御処理とを並行して行うことができる。 In the above-described embodiment, the voltage Vp3 is a DC voltage, but it is not limited to this and may be a voltage that is repeatedly turned on and off, such as a pulse voltage. Even in this way, the control device 95 can perform the moisture absorption state diagnosis process, the moisture concentration reduction process, and the reference gas adjustment process. When the voltage Vp3 is a voltage that is repeatedly turned on and off, the control device 95 measures the voltages V0, V1, and V2 during the period when the voltage Vp3 is off (in other words, during the period when the pump current Ip3 does not flow), It may be used for control processing. By doing so, the moisture absorption state diagnosis process and the normal control process can be performed in parallel without temporarily stopping the normal control process during execution of the moisture absorption state diagnosis process.

上述した実施形態において、制御装置95は、基準ガス調整処理を行わなくてもよい。 In the embodiment described above, the control device 95 does not have to perform the reference gas adjustment process.

上述した実施形態において、基準ガス導入部49は基準ガス導入空間43と基準ガス導入層48とを備えていたが、基準ガス導入空間43と基準ガス導入層48との少なくとも一方を備えていればよい。基準ガス導入層48は水分を吸着しやすいため、基準ガス導入部49が基準ガス導入層48を備えている場合は本発明の吸湿状態診断処理を行う意義が高い。例えば、上述した実施形態において、基準ガス導入部49の代わりに、図7に示す基準ガス導入部249を採用してもよい。基準ガス導入部249は、基準ガス導入空間43を備えておらず、基準ガス導入層48を備えている。図7の基準ガス導入層48は、基準電極42の周囲からセンサ素子101の素子本体の後端面までにわたって配設されている。図7の基準ガス導入層48のうちセンサ素子101の素子本体の後端面に露出する部分が基準ガス導入部249の入口部49aとして機能する。入口部49aは、センサ素子101の外側の空間149内に露出している。 In the above-described embodiment, the reference gas introduction part 49 includes the reference gas introduction space 43 and the reference gas introduction layer 48. However, if at least one of the reference gas introduction space 43 and the reference gas introduction layer 48 is provided, good. Since the reference gas introduction layer 48 easily absorbs moisture, it is highly significant to perform the moisture absorption state diagnosis processing of the present invention when the reference gas introduction part 49 is provided with the reference gas introduction layer 48 . For example, in the above-described embodiment, instead of the reference gas introduction part 49, a reference gas introduction part 249 shown in FIG. 7 may be adopted. The reference gas introduction part 249 does not have the reference gas introduction space 43 but has the reference gas introduction layer 48 . The reference gas introduction layer 48 in FIG. 7 is arranged from the periphery of the reference electrode 42 to the rear end surface of the element body of the sensor element 101 . A portion of the reference gas introduction layer 48 shown in FIG. The inlet portion 49 a is exposed in the space 149 outside the sensor element 101 .

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8に示した変形例のセンサ素子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8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(Al23)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、測定用ポンプセル41によりNOx濃度を検出できる。図8のセンサ素子201では、測定電極44の周囲が測定室として機能することになる。すなわち、測定電極44の周囲が第3内部空所61と同様の役割を果たすことになる。 In the above-described embodiment, the sensor element 101 of the gas sensor 100 is provided with the first internal space 20, the second internal space 40, and the third internal space 61, but it is not limited to this. For example, like the sensor element 201 of the modified example shown in FIG. 8, the third internal space 61 may not be provided. In the sensor element 201 of the modified example shown in FIG. 8, between the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface of the first solid electrolyte layer 4, the gas introduction port 10, the first diffusion control section 11, The buffer space 12, the second diffusion rate-controlling portion 13, the first internal space 20, the third diffusion rate-controlling portion 30, and the second internal space 40 are formed adjacently in a manner communicating in this order. . Also, the measurement electrode 44 is arranged on the upper surface of the first solid electrolyte layer 4 inside the second internal cavity 40 . The measurement electrode 44 is covered with a fourth diffusion control portion 45 . The fourth diffusion control portion 45 is a film made of a ceramic porous material such as alumina (Al 2 O 3 ). The fourth diffusion control section 45 plays a role of limiting the amount of NOx flowing into the measurement electrode 44, like the fourth diffusion control section 60 of the above-described embodiment. Further, the fourth diffusion rate-limiting part 45 also functions as a protective film for the measurement electrode 44 . A ceiling electrode portion 51 a of the auxiliary pump electrode 51 is formed up to just above the measurement electrode 44 . Even with the sensor element 201 having such a configuration, the NOx concentration can be detected by the measuring pump cell 41 as in the above-described embodiment. In the sensor element 201 of FIG. 8, the area around the measuring electrode 44 functions as a measuring chamber. That is, the circumference of the measuring electrode 44 plays the same role as the third internal space 61 .

上述した実施形態において、外側ポンプ電極23を含むセンサ素子101の前側(センサ素子室133に露出する部分)の表面が、アルミナなどのセラミックスからなる多孔質保護層で被覆されていてもよい。 In the above-described embodiment, the surface of the front side of the sensor element 101 (the portion exposed to the sensor element chamber 133) including the outer pump electrode 23 may be covered with a porous protective layer made of ceramics such as alumina.

上述した実施形態では、センサ素子101は被測定ガス中のNOx濃度を検出するものとしたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、NOx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、測定用ポンプセル41はこの酸素に応じた検出値(例えばポンプ電流Ip2)を取得し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、特定ガスを酸化物に変換(例えばアンモニアであればNOに変換)することで、変換後のガスが第3内部空所61で還元したときに酸素が発生するから、測定用ポンプセル41はこの酸素に応じた検出値(例えばポンプ電流Ip2)を取得して特定ガス濃度を検出できる。例えば、第1内部空所20の内側ポンプ電極22が触媒として機能することにより、第1内部空所20においてアンモニアをNOに変換できる。 In the embodiment described above, the sensor element 101 detects the NOx concentration in the gas to be measured, but is not limited to this as long as it detects the concentration of a specific gas in the gas to be measured. For example, the concentration of oxides other than NOx may be used as the specific gas concentration. When the specific gas is an oxide, oxygen is generated when the specific gas itself is reduced in the third internal space 61 as in the above-described embodiment. (for example, pump current Ip2) can be obtained to detect the specific gas concentration. Also, the specific gas may be a non-oxide such as ammonia. When the specific gas is a non-oxide, the specific gas is converted to an oxide (for example, ammonia is converted to NO), so that when the gas after conversion is reduced in the third internal space 61, oxygen is generated. Therefore, the measuring pump cell 41 can acquire a detection value (for example, pump current Ip2) corresponding to this oxygen and detect the specific gas concentration. For example, ammonia can be converted to NO in the first internal cavity 20 by the inner pump electrode 22 of the first internal cavity 20 acting as a catalyst.

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つ含んでいればよい。例えば、図2において第2固体電解質層6以外の層1~5は固体電解質層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2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。 In the above-described embodiment, the element body of the sensor element 101 is a laminate having a plurality of solid electrolyte layers (layers 1 to 6), but it is not limited to this. The element body of the sensor element 101 may include at least one oxygen ion conductive solid electrolyte layer. For example, in FIG. 2, the layers 1 to 5 other than the second solid electrolyte layer 6 may be structural layers made of a material other than the solid electrolyte layer (for example, layers made of alumina). In this case, each electrode of sensor element 101 may be arranged on second solid electrolyte layer 6 . For example, the measurement electrode 44 in FIG. 2 may be arranged on the bottom surface of the second solid electrolyte layer 6 . Further, the reference gas introduction space 43 is provided in the spacer layer 5 instead of the first solid electrolyte layer 4, and the reference gas introduction layer 48 is provided between the first solid electrolyte layer 4 and the third substrate layer 3 instead of the second solid electrolyte layer 4. It may be provided between the solid electrolyte layer 6 and the spacer layer 5 , and the reference electrode 42 may be provided behind the third internal cavity 61 and on the lower surface of the second solid electrolyte layer 6 .

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の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル50の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに晒される部分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の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側測定電極と、基準ガス調整ポンプセル90の一部でありセンサ素子101の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された被測定ガス側電極と、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,及び被測定ガス側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。また、基準ガス調整ポンプセル90の被測定ガス側電極は、被測定ガスと接触するようにセンサ素子101に設けられていればよく、例えばセンサ素子101の外側に限らず内側に配設されていてもよく、より具体的にはセンサ素子101の被測定ガス流通部に配設されていてもよい。例えば、内側ポンプ電極22が主ポンプセル21の電極(内側主ポンプ電極)と基準ガス調整ポンプセル90の被測定ガス側電極とを兼ねており、基準ガス調整ポンプセル90は内側ポンプ電極22の周囲と基準電極42の周囲との間で酸素の汲み入れ又は汲み出しを行ってもよい。 In the above-described embodiment, the outer pump electrode 23 is part of the main pump cell 21 and is arranged in the part exposed to the gas to be measured outside the sensor element 101, and part of the auxiliary pump cell 50. and an outer auxiliary pump electrode disposed in a portion exposed to the gas to be measured outside the sensor element 101, and a part of the measuring pump cell 41 and disposed in a portion exposed to the gas to be measured outside the sensor element 101. and the measured gas side electrode which is a part of the reference gas adjustment pump cell 90 and which is disposed outside the sensor element 101 and exposed to the measured gas. is not limited to Any one or more of the outer main pump electrode, the outer auxiliary pump electrode, the outer measurement electrode, and the measured gas side electrode may be provided outside the sensor element 101 separately from the outer pump electrode 23 . The electrode on the side of the gas to be measured of the reference gas adjustment pump cell 90 may be provided on the sensor element 101 so as to be in contact with the gas to be measured. More specifically, it may be disposed in the measured gas circulation portion of the sensor element 101 . For example, the inner pump electrode 22 serves as both the electrode (inner main pump electrode) of the main pump cell 21 and the measured gas side electrode of the reference gas adjustment pump cell 90 , and the reference gas adjustment pump cell 90 surrounds the inner pump electrode 22 and the reference electrode. Oxygen may be pumped to and from the surroundings of electrode 42 .

本発明者らは、水分濃度低下処理の電圧Vhc及び実行時間と基準電位が安定するまでの時間との関係を以下のようにして調べた。まず、図1~3を用いて説明した上述した実施形態のセンサ素子101及びガスセンサ100を用意した。このガスセンサ100を温度40℃,湿度85%の恒温恒湿槽に1週間保管して、基準ガス導入層48に水を吸着させた。次に、ガスセンサ100を配管に取り付けた。ベースガスを窒素とし、酸素濃度0%、NO濃度を1500ppmとしたモデルガスを用意し、これを被測定ガスとして配管に流した。この状態で制御装置95によりセンサ素子101を駆動させてヒータ制御処理及び水分濃度低下処理を実行した。水分濃度低下処理は、ヒータ制御処理を開始し、ヒータ72の温度が所定温度に到達したタイミング(時刻t=0)から時刻t=t1まで実行した。水分濃度低下処理は、基準電極42の周囲から酸素を汲み出すように基準ガス調整ポンプセル90を制御することで行った。水分濃度低下処理の終了後は、制御装置95が通常時制御処理を実行して、各ポンプセルの制御や、各センサセルからの各電圧V0,V1,V2,Vrefの取得を継続して行っている状態とした。その後はセンサ素子101の駆動開始(加熱開始)から60分経過後の時刻まで通常時制御処理を継続して、その間のポンプ電流Ip2を継続して測定した。センサ素子101の駆動開始から60分経過後のポンプ電流Ip2の値を基準値(100%)として、センサ素子101の駆動開始から10分経過後のポンプ電流Ip2の値の基準値に対する変化率を算出した。以上の手順での変化率の算出を、水分濃度低下処理の電圧Vhc及び実行時間を表1に示すように種々変更して行い、実験例1~14とした。電圧Vhcは、0.3V~1.5Vの範囲で種々変更した。水分濃度低下処理の実行時間(時刻t=0から時刻t=t1までの時間)は、5秒以上300秒以下の範囲で種々変更した。また、水分濃度低下処理を実行せずに時刻t=0から通常時制御処理を開始した点以外は実験例1~14と同様にしてポンプ電流Ip2の変化率を算出し、実験例15とした。なお、実験例1~15のいずれにおいても、通常時制御処理中は基準ガス調整ポンプセル90については動作させない、すなわち基準ガス調整処理は実行しないようにした。ここで、上述したように基準電極42の周囲に水分が存在するとその水分がヒータ72に加熱されて気体となることで一時的に基準電極42の電位が不安定になる。そのため、基準電極42の電位が安定するまでは、被測定ガスのNOx濃度が一定であってもポンプ電流Ip2が安定しない。そして、ポンプ電流Ip2の変化率が小さいほど、駆動開始から10分経過した時点で基準電極42の周囲の水分が少なくなっており基準電極42の電位が安定していると考えられる。したがって、ポンプ電流Ip2の変化率の大小によってセンサ素子101の駆動開始から基準電極42の電位が安定するまでの時間である安定時間の長短を評価できる。安定時間は短いほど好ましい。そこで、実験例1~15の各々について、算出された変化率が3%以下であった場合には安定時間が非常に短い(「A」)と判定した。算出された変化率が3%超過5%以下であった場合には安定時間が短い(「B」)と判定した。算出された変化率が5%超過であった場合には安定時間が長い(「F」)と判定した。表1に実験例1~15の各々の電圧Vhcと実行時間と安定時間の評価結果とを示す。表1に示すように、水分濃度低下処理を実行した実験例1~14は、水分濃度低下処理を実行しなかった実験例15と比べて安定時間を短くできることが確認された。また、実験例1~14の結果から、水分濃度低下処理の電圧Vhcが大きく実行時間が長いほど安定時間を短くできることが確認された。 The present inventors investigated the relationship between the voltage Vhc and execution time of the water concentration reduction process and the time until the reference potential stabilizes as follows. First, the sensor element 101 and the gas sensor 100 of the embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 3 were prepared. This gas sensor 100 was stored in a constant temperature/humidity chamber at a temperature of 40° C. and a humidity of 85% for one week to cause the reference gas introduction layer 48 to adsorb water. Next, the gas sensor 100 was attached to the pipe. A model gas was prepared with nitrogen as the base gas, an oxygen concentration of 0%, and an NO concentration of 1500 ppm. In this state, the controller 95 drives the sensor element 101 to execute the heater control process and the water concentration reduction process. The water concentration lowering process was executed from the timing (time t=0) when the temperature of the heater 72 reached a predetermined temperature after starting the heater control process to time t=t1. The water concentration reduction process was performed by controlling the reference gas regulation pump cell 90 to pump oxygen from around the reference electrode 42 . After the water concentration lowering process is completed, the control device 95 executes the normal control process to continuously control each pump cell and acquire each voltage V0, V1, V2, Vref from each sensor cell. state. Thereafter, the normal control process was continued until 60 minutes after the start of driving (starting of heating) of the sensor element 101, during which the pump current Ip2 was continuously measured. Using the value of the pump current Ip2 after 60 minutes from the start of driving the sensor element 101 as a reference value (100%), the rate of change of the value of the pump current Ip2 after 10 minutes from the start of driving the sensor element 101 with respect to the reference value is Calculated. As shown in Table 1, the calculation of the rate of change in the above procedure was performed by changing the voltage Vhc and the execution time of the water concentration lowering process, and Experimental Examples 1 to 14 were obtained. The voltage Vhc was variously changed in the range of 0.3V to 1.5V. The execution time of the water concentration lowering process (time from time t=0 to time t=t1) was variously changed within the range of 5 seconds or more and 300 seconds or less. Experimental example 15 was obtained by calculating the rate of change of the pump current Ip2 in the same manner as in experimental examples 1 to 14, except that the normal control process was started from time t=0 without executing the water concentration lowering process. . Note that in any of Experimental Examples 1 to 15, the reference gas adjustment pump cell 90 was not operated during the normal control process, that is, the reference gas adjustment process was not executed. Here, as described above, if moisture exists around the reference electrode 42, the moisture is heated by the heater 72 and turns into gas, causing the potential of the reference electrode 42 to temporarily become unstable. Therefore, until the potential of the reference electrode 42 is stabilized, the pump current Ip2 is not stabilized even if the NOx concentration of the measured gas is constant. It is considered that the smaller the rate of change of the pump current Ip2, the less moisture around the reference electrode 42 and the more stable the potential of the reference electrode 42 after 10 minutes from the start of driving. Therefore, the length of the stabilization time, which is the time from the start of driving the sensor element 101 to the stabilization of the potential of the reference electrode 42, can be evaluated depending on the magnitude of the change rate of the pump current Ip2. The shorter the stabilization time, the better. Therefore, for each of Experimental Examples 1 to 15, when the calculated rate of change was 3% or less, it was determined that the stabilization time was extremely short (“A”). When the calculated rate of change was more than 3% and 5% or less, it was determined that the stabilization time was short (“B”). When the calculated rate of change exceeded 5%, it was determined that the stabilization time was long (“F”). Table 1 shows evaluation results of voltage Vhc, execution time, and stabilization time for each of Experimental Examples 1-15. As shown in Table 1, it was confirmed that Experimental Examples 1 to 14, in which the water concentration lowering process was performed, could shorten the stabilization time compared to Experimental Example 15, in which the water concentration lowering process was not performed. Further, from the results of Experimental Examples 1 to 14, it was confirmed that the higher the voltage Vhc of the water concentration reduction process and the longer the execution time, the shorter the stabilization time.

Figure 2023089945000002
Figure 2023089945000002

本明細書では、出願当初の請求項7において「請求項2~4のいずれか1項に記載のガスセンサ」を「請求項2~6のいずれか1項に記載のガスセンサ」に変更した技術思想や、出願当初の請求項8において「請求項1~4のいずれか1項に記載のガスセンサ」を「請求項1~7のいずれか1項に記載のガスセンサ」に変更した技術思想や、出願当初の請求項15において「請求項9~12のいずれか1項に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法」を「請求項9~14のいずれか1項に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法」に変更した技術思想も開示されている。 In this specification, the technical idea of changing "the gas sensor according to any one of claims 2 to 4" to "the gas sensor according to any one of claims 2 to 6" in claim 7 as originally filed. , the technical idea of changing "the gas sensor according to any one of claims 1 to 4" to "the gas sensor according to any one of claims 1 to 7" in claim 8 originally filed, or In the original claim 15, "the method for diagnosing the state of moisture absorption of the gas sensor according to any one of claims 9 to 12" was changed to "the method for diagnosing the state of moisture absorption of the gas sensor according to any one of claims 9 to 14." ” is also disclosed.

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。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas such as NOx in gas to be measured such as automobile exhaust gas.

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、49,249 基準ガス導入部、49a 入口部、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 ヒータコネクタ電極、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 リード線、78 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 基準ガス調整ポンプセル、92 電源回路、95 制御装置、96 制御部、97 CPU、98 記憶部、100 ガスセンサ、101,201 センサ素子、130 保護カバー、131 内側保護カバー、132 外側保護カバー、133 センサ素子室、140 センサ組立体、141 素子封止体、142 主体金具、143 内筒、143a,143b 縮径部、144a~144c セラミックスサポーター、145a,145b 圧粉体、146 メタルリング、147 ボルト、148 外筒、149 空間、150 コネクタ、155 リード線、157 ゴム栓、190 配管、191 固定用部材。 REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate layer 2 second substrate layer 3 third substrate layer 4 first solid electrolyte layer 5 spacer layer 6 second solid electrolyte layer 10 gas introduction port 11 first diffusion control section 12 buffer space, 13 second diffusion rate-limiting section, 20 first internal cavity, 21 main pump cell, 22 inner pump electrode, 22a ceiling electrode section, 22b bottom electrode section, 23 outer pump electrode, 24 variable power supply, 30 third diffusion rate-limiting section , 40 second internal cavity, 41 measurement pump cell, 42 reference electrode, 43 reference gas introduction space, 44 measurement electrode, 45 fourth diffusion rate control section, 46 variable power source, 48 reference gas introduction layer, 49, 249 reference gas introduction Section 49a Inlet Section 50 Auxiliary Pump Cell 51 Auxiliary Pump Electrode 51a Ceiling Electrode Section 51b Bottom Electrode Section 52 Variable Power Source 60 Fourth Diffusion Control Section 61 Third Internal Space 70 Heater Section 71 Heater Connector Electrode 72 Heater 73 Through hole 74 Heater insulating layer 75 Pressure dissipation hole 76 Lead wire 78 Heater power supply 80 Oxygen partial pressure detection sensor cell for main pump control 81 Oxygen partial pressure detection sensor cell for auxiliary pump control 82 Oxygen partial pressure detection sensor cell for controlling pump for measurement, 83 sensor cell, 90 reference gas adjustment pump cell, 92 power supply circuit, 95 control device, 96 control section, 97 CPU, 98 storage section, 100 gas sensor, 101, 201 sensor element, 130 protection Cover 131 inner protective cover 132 outer protective cover 133 sensor element chamber 140 sensor assembly 141 element sealing body 142 metal shell 143 inner cylinder 143a, 143b reduced diameter portion 144a to 144c ceramic supporter 145a , 145b green compact, 146 metal ring, 147 bolt, 148 outer cylinder, 149 space, 150 connector, 155 lead wire, 157 rubber plug, 190 pipe, 191 fixing member.

Claims (15)

被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、前記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、
前記被測定ガス流通部に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する吸湿状態診断処理を行う制御部と、
を備えたガスセンサ。
A gas sensor for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured,
an element body including a solid electrolyte layer with oxygen ion conductivity and having therein a measured gas flow section for introducing and circulating the measured gas;
a measuring electrode disposed in the measured gas flow portion;
a measured gas side electrode provided on the element body so as to be in contact with the measured gas;
a reference electrode disposed inside the element body;
a reference gas introduction section for circulating a reference gas serving as a reference for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured from the outside of the element main body to the reference electrode;
a reference gas adjustment pump cell including the measured gas side electrode and the reference electrode;
a sensor element having
a moisture absorption state around the reference electrode based on a pump current flowing through the reference gas adjustment pump cell when the reference gas adjustment pump cell is controlled to pump oxygen from around the reference electrode to around the electrode on the side of the gas to be measured; a control unit that performs moisture absorption state diagnosis processing for diagnosing
gas sensor with
前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧を前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に印加したときの前記ポンプ電流に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する、
請求項1に記載のガスセンサ。
In the moisture absorption state diagnosing process, the control unit controls the control voltage when a predetermined control voltage higher than the voltage in the limiting current region of the reference gas adjustment pump cell is applied between the measured gas side electrode and the reference electrode. diagnosing a moisture absorption state around the reference electrode based on the pump current;
The gas sensor according to claim 1.
前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流との比較に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する、
請求項2に記載のガスセンサ。
In the moisture absorption state diagnosis process, the control unit diagnoses the moisture absorption state around the reference electrode based on a comparison between the pump current and the limit current of the reference gas adjustment pump cell.
The gas sensor according to claim 2.
前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記限界電流との差又は比に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する、
請求項3に記載のガスセンサ。
In the moisture absorption state diagnosis process, the control unit diagnoses the moisture absorption state around the reference electrode based on the difference or ratio between the pump current and the limit current.
The gas sensor according to claim 3.
前記制御部は、前記限界電流の値を記憶する記憶部を備え、
前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記記憶部に記憶された限界電流とを比較する、
請求項3又は4に記載のガスセンサ。
The control unit includes a storage unit that stores the value of the limit current,
The control unit compares the pump current with the limit current stored in the storage unit in the moisture absorption state diagnosis process.
The gas sensor according to claim 3 or 4.
前記制御部は、前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルに前記限界電流領域の電圧を印加して測定した前記限界電流とを比較する、
請求項3又は4に記載のガスセンサ。
In the moisture absorption state diagnosis process, the control unit compares the pump current with the limit current measured by applying a voltage in the limit current region to the reference gas adjustment pump cell.
The gas sensor according to claim 3 or 4.
前記所定の制御電圧は、0.8V以上1.5V以下の電圧である、
請求項2~4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
The predetermined control voltage is a voltage of 0.8 V or more and 1.5 V or less.
The gas sensor according to any one of claims 2-4.
請求項1~4のいずれか1項に記載のガスセンサであって、
前記素子本体を加熱するヒータ、
を備え、
前記制御部は、前記ヒータに通電して該ヒータの温度が所定温度以上に到達した後に、前記吸湿状態診断処理を行う、
ガスセンサ。
The gas sensor according to any one of claims 1 to 4,
a heater for heating the element body;
with
The control unit performs the moisture absorption state diagnosis process after the heater is energized and the temperature of the heater reaches a predetermined temperature or higher.
gas sensor.
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサの吸湿状態の診断方法であって、
前記ガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、前記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、
前記被測定ガス流通部に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスを前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子、を備え、
前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する吸湿状態診断処理、
を含むガスセンサの吸湿状態の診断方法。
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor for detecting a specific gas concentration in a gas to be measured, comprising:
The gas sensor is
an element body including a solid electrolyte layer with oxygen ion conductivity and having therein a measured gas flow section for introducing and circulating the measured gas;
a measuring electrode disposed in the measured gas flow portion;
a measured gas side electrode provided on the element body so as to be in contact with the measured gas;
a reference electrode disposed inside the element body;
a reference gas introduction section for circulating a reference gas serving as a reference for detecting the concentration of the specific gas in the gas to be measured from the outside of the element main body to the reference electrode;
a reference gas adjustment pump cell including the measured gas side electrode and the reference electrode;
a sensor element having
a moisture absorption state around the reference electrode based on a pump current flowing through the reference gas adjustment pump cell when the reference gas adjustment pump cell is controlled to pump oxygen from around the reference electrode to around the electrode on the side of the gas to be measured; moisture absorption state diagnosis processing to diagnose the
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor, comprising:
前記吸湿状態診断処理において、前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧を前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に印加したときの前記ポンプ電流に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する、
請求項9に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法。
In the moisture absorption state diagnosis process, based on the pump current when a predetermined control voltage higher than the voltage in the limiting current region of the reference gas adjustment pump cell is applied between the measured gas side electrode and the reference electrode. , diagnosing the moisture absorption state around the reference electrode;
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor according to claim 9 .
前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流との比較に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する、
請求項10に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法。
In the moisture absorption state diagnosis process, the moisture absorption state around the reference electrode is diagnosed based on a comparison between the pump current and the limit current of the reference gas adjustment pump cell.
The method for diagnosing the moisture absorption state of the gas sensor according to claim 10.
前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記限界電流との差又は比に基づいて、前記基準電極の周囲の吸湿状態を診断する、
請求項11に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法。
In the moisture absorption state diagnosis process, the moisture absorption state around the reference electrode is diagnosed based on the difference or ratio between the pump current and the limit current.
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor according to claim 11.
前記ガスセンサは、前記限界電流の値を記憶する記憶部を備え、
前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記記憶部に記憶された限界電流とを比較する、
請求項11又は12に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法。
The gas sensor includes a storage unit that stores the value of the limiting current,
comparing the pump current with the limit current stored in the storage unit in the moisture absorption state diagnosis process;
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor according to claim 11 or 12.
前記吸湿状態診断処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルに前記限界電流領域の電圧を印加して測定した前記限界電流とを比較する、
請求項11又は12に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法。
In the moisture absorption state diagnosis process, the pump current is compared with the limit current measured by applying a voltage in the limit current region to the reference gas adjustment pump cell.
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor according to claim 11 or 12.
請求項9~12のいずれか1項に記載のガスセンサの吸湿状態の診断方法であって、
前記ガスセンサは、前記素子本体を加熱するヒータを備え、
前記ヒータに通電して該ヒータの温度が所定温度以上に到達した後に、前記吸湿状態診断処理を行う、
ガスセンサの吸湿状態の診断方法。
A method for diagnosing a moisture absorption state of a gas sensor according to any one of claims 9 to 12,
The gas sensor includes a heater that heats the element body,
After the heater is energized and the temperature of the heater reaches a predetermined temperature or higher, the moisture absorption state diagnosis process is performed.
A method for diagnosing the moisture absorption state of a gas sensor.
JP2022191635A 2021-12-16 2022-11-30 Gas sensor and diagnostic method for moisture absorption state of gas sensor Pending JP2023089945A (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022132507.5A DE102022132507A1 (en) 2021-12-16 2022-12-07 Gas sensor and method for diagnosing a moisture absorption condition of a gas sensor
CN202211573465.7A CN116265931A (en) 2021-12-16 2022-12-08 Gas sensor and method for diagnosing moisture absorption state of gas sensor
US18/079,026 US20230194493A1 (en) 2021-12-16 2022-12-12 Gas sensor and method of diagnosing moisture absorption state of gas sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021203831 2021-12-16
JP2021203831 2021-12-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023089945A true JP2023089945A (en) 2023-06-28

Family

ID=86936325

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022191635A Pending JP2023089945A (en) 2021-12-16 2022-11-30 Gas sensor and diagnostic method for moisture absorption state of gas sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023089945A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6401644B2 (en) Gas sensor
JP7263349B2 (en) gas sensor
JP2018173320A (en) Gas sensor
JP2018173319A (en) Gas sensor
JP2018173318A (en) Gas sensor
CN116490771A (en) Gas sensor
JP7158987B2 (en) gas sensor
JP7286519B2 (en) Gas sensor and crack detection method
JP2023089945A (en) Gas sensor and diagnostic method for moisture absorption state of gas sensor
JP2021156689A (en) Sensor element and gas sensor
JP7286518B2 (en) Gas sensor and crack detection method
JP2023089944A (en) Gas sensor and control method of gas sensor
JP7299852B2 (en) Sensor element and gas sensor
JP7194555B2 (en) gas sensor
US20230194465A1 (en) Gas sensor and method of controlling gas sensor
US20230194493A1 (en) Gas sensor and method of diagnosing moisture absorption state of gas sensor
JP7312095B2 (en) Gas sensor and crack detection method
WO2023248799A1 (en) Gas sensor
JP7169242B2 (en) Gas sensor and gas sensor control method
US20240011942A1 (en) Sensor element and gas sensor
US20240044835A1 (en) Gas sensor and method of identifying deviation of reference potential of the same
US20240011938A1 (en) Sensor element and gas sensor
JP2024000278A (en) gas sensor
US20240011937A1 (en) Sensor element and gas sensor
WO2023120056A1 (en) Sensor element and gas sensor