JP3664980B2 - 複合ガスセンサ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、ガスセンサ、特に燃焼ガス中の窒素酸化物等の酸性ガス濃度と被検ガス雰囲気中の酸素濃度を検知する複合ガスセンサに関するものである。
背景技術
自動車をはじめとした内燃機関、火力発電所、あるいは工場プラント等の燃焼機器から窒素酸化物(ＮＯｘ)をはじめとして炭化水素ガス(ＨＣ)、酸化硫黄(ＳＯｘ)、ＣＯ、ＣＯ₂等の様々な有害なガスが排出されている。これらは環境ガスと呼ばれ、環境ガス排出に対して厳しい法的規制が施行されてきている。このため、排出される環境ガス濃度を低コストで低濃度まで検知できるガスセンサの開発が望まれている。
近年、自動車などのエンジン排ガス中に直接挿入して連続測定が行える全固体型ガスセンサが注目され、これらの研究開発について近年多くの報告がなされている。本発明者らも、既に排気ガス中の総ＮＯｘ濃度をリアルタイムに測定することができる、混成電位式のＮＯｘセンサを提案している。たとえば、特開平１１−２０１９４２号公報では、ジルコニア固体電解質にて形成された測定室内に混成電位式のＮＯｘ検知電極を設置し、同じ測定室内にそれと対面するようにＮＯｘ変換電極を設置してある。すなわち、排ガス中のＮＯｘ（ＮＯおよびＮＯ₂）をＮＯ₂単体ガスに電気化学的に変換し、ＮＯｘ検知極で総ＮＯｘ濃度としてのＮＯ₂濃度を検知するものである。特開平１１−２０１９４２号公報の例では、測定室内のＮＯｘをＮＯ₂に変換するための酸素ポンプ（変換ポンプ）と缶室内の酸素濃度を調節するための酸素ポンプが設置されている。また、前述したＮＯｘ検知極の基準極および缶室内の酸素濃度を測定するための酸素検知極が測定室内に設置されている。同一雰囲気中の酸素濃度に起因する酸素検知極の電位をＮＯｘ検知極の基準電位とすることにより、測定室内の酸素濃度が変動してもＮＯｘセンサの出力が影響を受け難いセンサ構成をとっている。
しかしながら、例えば自動車排ガスでは酸素濃度変動が大きく、更に変化速度も非常に急である。そのため、特開平１１−２０１９４２号公報等に示される缶室構造のＮＯｘセンサ素子においては、ガス測定室内の酸素濃度を、ガス測定室内にＮＯｘと同時に流入するＨＣやＣＯ等の干渉ガスを酸化無害化することや、混成電位型センサに必要な検知極近傍の酸素濃度を、数％レベルのほぼ一定値にする必要がある。従って、ガス測定空間内の酸素濃度検知やその信号出力をフィードバックし酸素ポンプ駆動を行うシステムの異常は本センサ出力の信頼性に大きな誤差を与えることになる。また、その前提条件としてガス測定空間や大気導入ダクトのガス気密性が正常に保たれていることが必要である。
一方、自動車の排ガスの温度は近年益々高くなり、また温度変動もその運転状態により大きく変動する。また、センセ電極に有害な排気ガス成分も多く含まれ、その上車体やエンジン振動も大きい。このような過酷な環境下で用いる排気ガスセンサの信頼性の向上が非常に重要となってくる。
しかしながら、特開平１１−２０１９４２号公報等に開示される従来のＮＯｘセンサでは、前述のガス測定室内の酸素濃度検知やその信号出力をフィードバックし酸素ポンプ駆動を行うシステムに異常が生じても、それがセンサ異常であるかどうか自己診断できなかった。また、ガス測定空間や大気導入ダクトのガス気密性に関して、使用中にガス気密性が低下してセンサ出力に影響を与えても、それがセンサの異常であるかどうか使用者に知らしめる手段を有していなかった。すなわち、前述のＮＯｘセンサのように、センサ使用過程での電極劣化、ガス測定空間の酸素濃度制御異常、ガス測定空間や大気ダクトのガス気密性の低下が生じても、センサ異常であることを判断できないという課題を有していた。
発明の開示
本発明は前述した課題を解決することを解決すべき課題とする。
本発明によれば、酸素イオン伝導性固体電解質で形成された第１のガス測定室と、当該測定室に流入する被検ガス量を制限するための拡散抵抗を有する第１のガス導入口と、この空間を形成する第１の酸素イオン伝導性固体電解質基板の前記ガス測定空間側の面に固定された酸素のみに活性な第１の酸素検知電極と、この同一面上に固定された少なくとも被検ガスおよび酸素に活性なガス検知電極と、前記第１の固体電解質基板上に前記ガス測定空間とは異なる大気雰囲気に連通するように設置された酸素に活性な基準電極と、第１のガス測定室を形成する第１の固体電解質基板に対面する第２の固体電解質基板に固定され酸素のみに活性な電極材で形成された第１のガス測定室内の酸素濃度を調節するための酸素ポンプセルと、前記第２の固体電解質基板上の第１のガス測定室内にガス検知電極と対面するように固定され、被検ガスを化学的あるいは電気化学的に変換または分解するための酸素及び被検ガスに活性なガス処理電極と、前記第２の固体電解質基板上のガス測定室の外側でかつ大気に連通するように設置されたガス処理対極とからなるガス処理ポンプセルと、第１の固体電解質基板上に被検ガス雰囲気と直接触れるように固定され、酸素のみに活性な第２の酸素検知電極とを具備した構成を特徴とする複合ガスセンサが提供される。
さらに本発明によれば、ガス測定空間を形成する固体電解質基板に対面する固体電解質基板に固定され酸素のみに活性な電極材で形成されたガス測定室内の酸素濃度を調節するための酸素ポンプセルと、前記固体電解質基板上のガス測定室内にガス検知電極と対面するように固定され、被検ガスを化学的あるいは電気化学的に変換または分解するための酸素及び被検ガスに活性なガス処理電極と、前記固体電解質基板上のガス測定室の外側でかつ大気に連通するように設置されたガス処理対極とからなるガス処理ポンプセルにおいて、当該酸素ポンプセルの酸素ポンピング量を酸素検知電極と基準電極との間の起電力を信号出力として酸素ポンプのセル印加電圧へフィードバックしガス測定室の酸素濃度を一定に制御するための直流可変電源と、当該ガス処理ポンプセルの酸素ポンピング量を一定にし、かつ被検ガスの電気化学的な分解あるいは変換量を一定にするための直流定電圧電源とが前記酸素ポンプセルおよびガス処理ポンプセルとにそれぞれ接続されたセル駆動回路を有することを特徴とする複合ガスセンサが提供される。
本発明によれば、酸素イオン伝導性固体電解質で形成されたガス測定室を有するガスセンサにおいて、当該ガス測定室内の酸素濃度あるいは酸素ポンプ電流と、被検ガス雰囲気中の酸素濃度とを組み合わせて比較判定することによりガスセンサ素子の異常を自己診断することができる。これによって、従来のガスセンサの作動状態を常に自動的に監視することができる。特に、過酷な環境下で使用される車載用ガスセンサに本発明を適用することで、センサの信頼性は格段に向上する。さらに、本発明のガスセンサは直接被検ガス雰囲気中の酸素濃度を測定することができるので、例えば車載用ＮＯｘセンサであれば排ガス中のＮＯｘ濃度と同時に酸素濃度も同時に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明センサの一例を示す断面構造図である。
図２は、本発明センサの一例を示す断面構造図である。
図３は、本発明センサの一例を示す断面構造図である。
図４は、本発明センサの自己診断方法の一例を示す回路原理図である。
図５は、本発明センサの自己診断方法の一例を示す診断ロジックである。
図６は、本発明センサの自己診断方法の一例を示す診断ロジックである。
図７は、本発明センサの自己診断方法に用いる特性曲線である。
図８は、本発明センサの自己診断方法の一例を示す診断ロジックである。
図９は、本発明センサの自己診断方法に用いる特性曲線である。
図１０は、本発明センサの一例を示す断面構造図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明ガスセンサの基本構造を図１に示す。本センサ構造は、２枚の酸素イオン伝導性固体電解質基板で形成された第１のガス測定室１と、被検ガスの流入量を制限するためのガス拡散抵抗を有する第１のガス導入口１１と、この測定室を形成する第１の酸素イオン伝導性固体電解質基板３ａの前記ガス測定室側の面に固定された酸素のみに活性な第１の酸素検知電極４と、この同一面上に固定された少なくとも被検ガスおよび酸素に活性なガス検知電極６と、第１の固体電解質基板３ａ上にガス測定室１とは異なる大気雰囲気に連通するように設置された酸素に活性な基準電極７と、第１のガス測定室を形成する第１の固体電解質基板に対面する第２の固体電解質基板３ｂに固定され酸素のみに活性な電極材で形成された第１のガス測定室内の酸素濃度を調節するための酸素ポンプセル（８ａ、８ｂ）と、第２の固体電解質基板３ｂ上の第１のガス測定室内にガス検知電極と対面するように固定され、被検ガスを化学的あるいは電気化学的に変換または分解するための酸素及び被検ガスに活性なガス処理電極９ａと、前記第２の固体電解質基板上のガス測定室の外側でかつ大気に連通するように設置されたガス処理対極９ｂとからなるガス処理ポンプセルと、第１の固体電解質基板上に被検ガス雰囲気と直接触れるように固定され、酸素のみに活性な第２の酸素検知電極５とを具備した構成を特徴とする。
本構成のガスセンサの具体的な使用例である複合ＮＯｘセンサにより、以下に詳細な説明を行う。前述の図１によるＮＯｘセンサは、自動車の排気ガス中の総ＮＯｘを検知することができる。まず、ガス導入口１１よりガス測定室１内に拡散流入するＮＯｘ(ＮＯ ＆ ＮＯ₂)と排ガス中に含まれる炭化水素ガス(ＨＣ)、ＣＯ、ＣＯ₂、ＳＯｘ、Ｈ₂Ｏ、Ｏ₂、等のうち、ＨＣやＣＯの還元性ガスを酸素ポンプセル８ａ、８ｂにより大気導入ダクト１３を介して酸素を出し入れし、ガス測定室１内を所定の酸素濃度に保持することで酸化無害化する。これは、通常本ガスセンサが５００℃以上に加熱保持されて用いられるため、ＨＣやＣＯの還元性ガスは、ガス測定室を構成する固体電解質や電極材料の触媒作用により瞬時に酸化し、ＣＯ₂やＨ₂Ｏの無害なガスに変換されるためである。
次に、残ったＮＯｘはガス処理電極９ａであるＮＯｘ変換電極によりＮＯｘ中のＮＯをＮＯ₂に電気化学的に変換される。このＮＯｘ変換電極は、ＮＯｘと酸素に対して活性であり、少なくとも本電極上でポンピングされた酸素によりＮＯをＮＯ₂化することができる。ガス測定室内に設置されたＮＯｘ変換電極をアノードに、ガス測定室の外側で固体電解質基板を挟んで、且つ大気に通ずる大気導入ダクト１３内に設置されるＮＯｘ変換対極をカソードにして、一定の電位を印加することで作動する。ＮＯｘ変換電極とその対極からなるＮＯｘ変換セルは、基本的に酸素ポンプセル（８ａ、８ｂ）と同じであるが、ガス測定室に配置される電極にＮＯｘに対する活性の差異がある。
続いて、ＮＯｘ変換電極によりＮＯ₂化されたＮＯｘは、ＮＯｘ変換電極に対面して設置されているＮＯｘ検知極６により混成電位として検知される。この時のＮＯｘ出力は、基準電極７とＮＯｘ検知極６との間の電位差、あるいはＮＯｘ検知極６と第１の酸素検知電極４との間の電位差を測定することで得られる。すなわち、排ガス中の総ＮＯｘ濃度は本センサによりＨＣ等の干渉ガスに影響されずに検知することができる。
図２に示すセンサ構造では、ガス処理ポンプセルの代わりに、ガス処理触媒層１０が設置されている構造例である。排ガス中の総ＮＯｘ検知を行うセンサの作動方法として、センサ作動温度を高くし、酸素濃度を低めに設定することによりＮＯが主成分のガス平衡状態に導くことができる。すなわち、排ガス中のＮＯｘは、ガス測定室１内でＮＯガスに変換されたといえる効果を有する。この変換されたＮＯを前述のＮＯｘ検知極６で混成電位として検出するものである。この場合においても、センサ異常を検知することは前述の内容と同じである。
先に触れたように図１あるいは図２に示されるセンサ構造では、ガス測定室１内の酸素濃度は、ＨＣ等の干渉ガスの酸化除去、および安定な混成電位出力を得るために酸素濃度を数％レベルの所定濃度に保持されることが必要である。そのために、ガス測定室１内に酸素検知電極４を設置し、基準電極７との間の酸素濃度差に起因する起電力を検出し、その信号出力１（図中Ｖ₀₂での電圧出力）を酸素ポンプセル（８ａ、８ｂ）の駆動電圧にフィードバック制御する。例えば、ガス測定室１内の設定酸素濃度を２％とした場合、設定電圧はセンサ温度６００℃において−４３ｍＶである。
センサの何らかの異常により、ガス測定室１内の酸素濃度を検出する信号出力１が信頼できない状態に陥ると、当然ながらＮＯｘセンサのＮＯｘ濃度出力に大きな誤差を生じることは言うまでもない。すなわち、ガス測定室１内の酸素濃度が異常低下した場合には、排ガス中のＨＣが酸化除去されずに、ＮＯｘ検出極に到達するとＮＯｘ検知信号は大きく低下する。また、ＮＯｘ検出極自体のＮＯ₂感度の酸素濃度依存性は酸素濃度の対数に比例して変化する。そのため、ガス測定室１内の酸素濃度の異常低下は、やはりＮＯｘ検知信号を増大させる。一方、ガス測定室１内の酸素濃度が異常に上昇した場合には、ＮＯｘ検出極自体のＮＯ₂感度の酸素濃度依存性のため、ＮＯｘ検知信号を減少させる。
前記のセンサ異常の原因は、例えば酸素検知電極４、５の被毒等による異常劣化がある。このとき、検出電位（信号出力２）が変化し、所定酸素濃度であっても過剰あるいは過少な酸素ポンピングを行おうとする。また、大気導入ダクト１３のガス気密性が低下した場合には、排ガス雰囲気の酸素濃度は通常大気中に比べて非常に低いため、酸素ポンピング能力が低下し、ガス測定室内の酸素濃度は所定値に達しないことがある。さらに、大気基準ダクト１４のガス気密性が低下した場合には、基準電極７の電位が排ガス雰囲気の酸素濃度に依存し、通常その電位は低下する。そのため、ガス測定室内の酸素検知極５との間の起電力の絶対値は減少し、前述の酸素ポンピングの制御異常の原因となる。
本発明センサの基本構成の一つである図１あるいは図２に示されるセンサ構造においては、それ故第１の固体電解質基板上に被検ガス雰囲気と直接触れるように固定され、酸素のみに活性な第２の酸素検知電極５とを具備した構成とし、基準電極７と酸素検知電極５との間に生ずる起電力（信号出力２）を排ガス雰囲気中の酸素濃度として検知して、前述の信号出力１あるいは酸素ポンプ電流の信号出力と比較判定することにより、センサ異常を検知することができる。
図１や図２に示すガス測定室１内の酸素濃度制御を行う構成のガスセンサの具体的診断方法に関しては、図４の診断回路原理図に例示される異常検出方法が提案される。図４の診断回路原理図は、４つの部分から構成される。第１の部分は入力および電圧比較部、第２の部分は診断モード制御部、第３の部分は信号演算部、第４の部分は診断結果出力部である。酸素ポンプセル（８ａ、８ｂ）の電流信号Ｖｉｐを信号Ｉ、ガス測定室１内の酸素濃度信号Ｖ₀₂を信号II、被検ガス雰囲気中の酸素濃度信号Ｖ^* ₀₂を信号IIIとする。ガス測定室１内の酸素濃度信号Ｖ₀₂が所定の設定値Ｖ_sに等しい場合、すなわちウインド・コンパレータからの出力がゼロの時（Ｖ₀₂＝Ｖ_s）の診断モードを診断Ａとする。
また、ガス測定室１内の酸素濃度が所定の設定値と異なる場合、すなわちウインド・コンパレータからの出力がゼロでない時（Ｖ₀₂≠Ｖ₃）の診断モードを診断Ｒとする。診断モードＡの場合、酸素ポンプ電流がゼロで、かつガス測定室１内の酵素濃度と被検ガス中の酸素濃度が等しければ(Ｖ₀₂＝Ｖ^* ₀₂)、正常作動と判断し、逆に酸素ポンプ電流がゼロにもかかわらず、ガス測定室１内の酸素濃度と被検ガス中の酸素濃度が異なれば（Ｖ₀₂≠Ｖ^* ₀₂）、異常と判断し結果を出力する。同じく、ガス測定室１内の酸素濃度ＶＯ₂と被検ガス中の酸素濃度が等しいにもかかわらず（Ｖ₀₂＝Ｖ^* ₀₂）、酸素ポンプ電流がゼロでなければ、異常と判断し結果を出力する。
一方、診断モードＢの場合を述べる。ガス測定室１内の酸素濃度信号Ｖ₀₂が所定の酸素濃度設定値Ｖｓよりも低ければ、酸素ポンプは測定室１内へ酸素を汲み込む方向になければならない。逆に高い場合には、酸素ポンプは測定室１から酸素を排出する方向である。これらの酸素ポンピング方向と、ガス測定室１内の酸素濃度信号と設定値との差（Ｖ₀₂−Ｖ_s）、および酸素ポンプ電流信号Ｖｉｐとを比較する診断を行い、正常・異常の判断を行う。これらの診断動作はアナログ回路でも実施可能であるが、マイクロコンピュータを用いればより複雑な診断動作を行うことができる。
また、本発明のもう一つの基本構造を図３に示す。本センサ構造は、前述の図１に示されるセンサ構造において酸素ポンプセル８ａ、８ｂを削除し、酸素ポンピングはガス処理ポンプセル９ａ、９ｂによるもののみとなる。更に、図１のセンサ構成と異なる点は、ガス測定室１内の酸素濃度信号を酸素濃度制御としてフィードバックしていないことである。すなわち、酸素ポンピング量はガス処理ポンプセルによる一定の酸素導入による。
図３のセンサ構成においては、ガス測定室１内の酸素濃度制御を行わないため、その酸素濃度は排ガス雰囲気中の酸素濃度変動に有る程度影響される。そのため、本センサ構成においては、ＮＯｘ検知電極６と基準電極７との間の電位差Ｖ_ＮＯｘを直接ＮＯｘ検知出力として用いることは好ましくない。それ故、本センサ構成においては、ＮＯｘ検知電極６と酸素検知電極４との間の電位差Ｖ’_ＮＯｘを測定することが望ましい。あるいは、酸素検知電極４と基準電極７との間の電位差Ｖ₀₂を用いて、ＮＯｘ検知電極６と基準電極７との間の電位差Ｖ_ＮＯｘとの差分をとる方式を用いることが好ましい。
図３のセンサ構造におけるセンサ異常は、基本的に図１あるいは図２の構成にあるセンサと同様である。しかしながら、本センサ構成では、酸素濃度調整用の酸素ポンプ８ａ、８ｂがないため、酸素ポンピング電流ｉｐを自己診断用の信号として用いることはできない。そこで、本センサ構成におけるセンサ異常の自己診断方法は、次のように設定される。すなわち、ガス測定室１内の酸素濃度信号Ｖ₀₂とガス測定室２内の酸素濃度信号（排ガス雰囲気中の酸素濃度信号）Ｖ^* ₀₂とを差分して得られたδＶ₀₂が所定値(０以上)以上にあるか、比較判定を行うことにより少なくとも大きな異常を検知することができる。この自己診断ロジックの基本的な例を図５に示す。
しかしながら、図５に示すような診断ロジックでは、微小なガスシール性の低下などは、検出し難いことが容易に想像できる。そこで、図６に示す診断ロジックが提案される。この方式は、ガス測定室１内の酸素濃度信号Ｖ₀₂とガス測定室２内の酸素濃度信号（排ガス雰囲気中の酸素濃度信号）Ｖ^* ₀₂とを随時マップデータと比較し、所定の偏差量を越えた位置にある時にセンサ異常を発するものである。これは、図６に示されるように随時モニタされるＶ₀₂とＶ^* ₀₂とをマッピング処理（ＭＥＳＤＡＴ）し、その位置データを既に記憶してある正常状態でのマップデータ（ＮＯＲＤＡＴ）と比較する（ＣＯＭＰＤＡＴ）ことで、センサ異常を判定する。マップデータ（ＮＯＲＤＡＴ）は、例えば図７のようなＶ₀₂とＶ^* ₀₂を変数としてＮＯｘ変換ポンプセルの電流値ｉ^* _pにおけるマッピングを行う。例えば、この特性曲線ｉ^* _p1から所定量の誤差を許容したエリアをはずれる場合に、センサ異常を発する。
同様なマップデータ比較判定により、基準電極７が設置されている大気基準ダクトのガス気密性の異常を診断することができる。例えば、図８に示すようにガス測定室１内の酸素濃度信号Ｖ₀₂とガス測定室２内の酸素濃度信号（排ガス雰囲気中の酸素濃度信号）Ｖ^* ₀₂とを差分して得られたδＶ₀₂が、図９のようにV^* ₀₂に対してi^* _pにおけるマッピングを行う。例えば、この特性曲線ｉ^* _p1から所定量の誤差を許容したエリアをはずれる場合に、センサ異常を発する。
図３に示されるセンサ構成における、自己診断方法は図１のセンサ構造にも適用できることは、いうまでもない。更に、本発明のセンサ構成において、被検ガス濃度検知やセンサの自己診断を行えることの他に、被検ガス雰囲気中の酸素濃度も直接検知し、それを他のシステムに利用することができる。
本発明の好ましい実施形態のセンサ断面構造が図１から図３に示されている。これらのセンサの好ましい作製方法としては、酸素イオン伝導性固体電解質のグリーンシートの積層によってなされる。酸素イオン伝導性の固体電解質として、通常、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）添加ジルコニアが用いられる。イットリアの添加量は３〜８ｍｏｌ％であるのが一般的である。添加材としてイットリアの他に、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ）等も用いてもよい。
ジルコニアのグリーンシートの作製には、まず原料粉としてのジルコニア粉が用意される。ジルコニア粉はすでに所定量のＹ₂Ｏ₃やＭｇＯなどが添加されたものが使用される。図１〜図３のセンサを作製する場合、このジルコニアグリーンシート上にスクリーン印刷等で各種電極（４、５、６、７、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１０）用のペーストを塗布形成する。また、各種電極から信号等を取り出すためのリード導体や、絶縁層、ヒーター等も別途印刷形成される。スクリーン印刷完了後、各層のグリーンシートを重ね合わせ、加温しながら圧着する。積層圧着されたクリーン積層体を約６００℃で脱脂焼成したのち、通常１４００℃以上で焼結焼成を行う。最後にリード端子にＰｔなどのリード線を溶接して測定に供される。
前述の電極については、以下のような材料が選定される。酸素検知電極４、５、基準電極７、酸素ポンプ電極８ａ、８ｂ、ガス処理対極９ｂについては、酸素のみに活性なＰｔが用いられる。また、ガス処理電極９ａ、ガス検知電極６は、少なくとも被検ガスと酸素に対して活性を有していることが必要である。ＮＯｘセンサの場合においては、ガス処理電極(ＮＯｘ変換電極)用にＲｈやＰｔ−Ｒｈ合金等が使用される。また、ＮＯｘ検知電極用としては、Ｒｈ、Ｐｔ−Ｒｈ合金、ＮｉＣｒ₂Ｏ₄、ＭｇＣｒ₂Ｏ₄、Ｃｒ₂Ｏ₃等の各種金属材料および金属酸化物材料が供される。
図１〜図３に例示される構造のセンサでは、自己加熱手段は記入されていないが、実際のセンサ使用に際しては、通常、ヒーター基板が設置される。ヒーター基板は熱伝導効率や温度制御性の点からセンサ基板部と一体接合された構造が望ましい。さらに、センサ積層体の温度分布の均一性や、熱ひずみの緩和の点から図１１に示すようにセンサ積層体の両面（図中の上下面）にそれぞれヒーター基板を設置することが望ましい。
これら本発明センサの駆動方法は、前述のごとく酸素ポンプセルには電圧可変型の直流電源１５が用いられる。この電源１５の電圧は酸素検知極４と基準極７との間の起電力をフィードバックし制御する。
一方、ガス処理ポンプセルには、所定の電圧が一定に印加する定電圧の直流電源１６が接続される。この印加電圧は、ガス処理能力や酸素ポンピング能力等の最適な領域が用いられる。
本発明センサの各種信号は、ポンプ電流以外は電極間の電位差として測定される。ガス測定室１、２内の酸素濃度は酸素検知電極４、５と基準電極７との間に生じる濃淡起電力である。一方、ガス検知極６と基準電極７あるいは酸素検知極４間の電位差は混成電位によるものである。濃淡起電力は、同一ガス種の濃度ポテンシャルに起因する電位であることを考慮しなければならない。これらの、電位測定には簡便な方法として、電位差計（回路）が用いられるが電極インピーダンスに比して、通常、３桁以上高い入力インピーダンスを有していることが精度上好ましい。他方、酸素ポンプ電流は電流計で測定されるが、本発明に適用される場合にはポンプ電流を電圧信号として取り出して供される。
本発明の自己診断方法としては、以下の実施例を用いて詳細に説明を行う。
（実施例１）
図１０に示すような構造を有するＮＯｘセンサを以下の方法で作製した。酸素イオン伝導性のＹ₂Ｏ₃固溶ジルコニアのグリーンシート上にＰｔ電極（４、５、７、８ａ、８ｂ、９ｂ）とＰｔ−Ｒｈ合金電極（６、９ａ）を印刷して、前記センサ構造に積層圧着を行った。この積層体を１４００℃の温度で焼結し、センサ素子を作製した。このセンサをヒータ１７ａ、１７ｂを用いて６００℃に加熱保持し、各種酸素濃度とＮＯｘ濃度からなる被検ガスに対するＮＯｘ検知出力を測定した。
ＮＯｘ出力はＮＯｘ検知電極６と酸素検知電極４との間の電位差を測定した。測定結果を表１に示す。このとき、ガス測定室１内の酸素濃度信号を酸素ポンプの可変電源にフィードバックする制御を行っており、被検ガス中の酸素濃度が変化しても測定室内の酸素濃度は、所定の酸素濃度（この場合２．０％）に維持されるので、被検ガス中の干渉（この場合、酸素ガス）濃度の影響を抑え、信頼性の高いＮＯｘ濃度の測定が行われていることが確認された。
【表１】

一方、図４に示す原理の自己診断回路を作製し、センサの駆動回路および測定回路と一緒にセンサに接続した。ここでは、被検ガス中の酸素濃度をガス測定室１の設定酸素濃度に等しい２％にした場合の正常・異常の診断機能について確認した。すなわち、酸素検知電極４と基準電極７との間の起電力に基づいて、ガス測定室１内の酸素濃度を常に２％になるように酸素ポンプセル（８ａ、８ｂ）を駆動しているが、被検ガス中の酸素濃度が２％になると、測定室１中へ酸素ポンピングを行う必要がなくなる。これと同時に、第２の酸素検知極５と基準電極７との間の起電力から、被検ガス中の酸素濃度が２％になっていることが分かる。この場合、酸素ポンプ電流がゼロになり、測定室内の酸素検知電極４と酸素ポンピング制御が正常に作動していることが診断回路の信号出力から確認された。
（実施例２）
実施例１と同様のセンサを作製し、前述の自己診断回路を接続したＮＯｘセンサを用意した。ここでは、被検ガス中の酸素濃度を０．１％にした。この場合、診断回路の出力信号から酸素ポンプの出力電流はガス測定室１内に酸素を送り込むように正の方向で約４００μＡ流れていることが確認された。しかし、測定室１内の酸素検知電極の電位が所定の酸素濃度の２％に対応する電位に上昇せず、すなわちセンサの異常を示した。詳細な検査を行った結果、センサ素子のジルコニア基板の一部に亀裂が生じていたことが確認された。

Claims (8)

1. 第１及び第２の酸素イオン伝導性固体電解質基板（３ａ，３ｂ）により形成される第１のガス測定室（１）と、
   前記第１のガス測定室（１）に流入する被検ガス量を制限するための拡散抵抗を有する第１のガス導入口（１１）と、
   前記第１のガス測定室（１）内の前記第１の固体電解質基板（３ａ）表面に固定され、酸素にのみ活性な第１の酸素検知電極（４）と、
   前記第１の固体電解質基板（３ａ）の前記第１の酸素検知電極（４）が形成された面と同じ面に固定され、少なくとも被検ガスおよび酸素に活性なガス検知電極（６）と、
   前記第１の固体電解質基板（３ａ）の前記第１の酸素電極（４）およびガス検知電極（６）が固定された面の反対側で、前記第１のガス測定室（１）から隔離され大気雰囲気に連通する大気基準ダクト（１４）内の面に固定され、酸素に活性な基準電極（７）と、
   前記第２の固体電解質基板（３ｂ）上の第１のガス測定室内にガス検知電極（６）と対面するように固定され、被検ガスを化学的あるいは電気化学的に変換または分解するための酸素および被検ガスに活性なガス処理電極（９ａ）と、前記第２の固体電解質基板( ３ｂ )上のガス測定室の外側でかつ大気に連通する大気導入ダクト（１３）に設置されたガス処理対極（９ｂ）とからなるガス処理ポンプセルと、第１の固体電解質基板（３ａ）上に被検ガス雰囲気と直接触れるように固定され、酸素のみに活性な第２の酸素検知電極（５）とを具備した構成を特徴とする複合ガスセンサ。
2. 請求項１に記載の複合ガスセンサにおいて、前記第２の固体電解質基板（３ｂ）に固定され酸素のみに活性な電極材で形成された第１のガス測定室（１）内の酸素濃度を調節するための酸素ポンプセル（８ａ，８ｂ）を備えることを特徴とする複合ガスセンサ。
3. 請求項１又は２に記載の複合ガスセンサにおいて、第１の固体電解質基板（３ａ）上に被検ガス雰囲気と直接触れるように固定され、酸素のみに活性な第２の酸素検知電極（５）が、ガス導入口を有し、基準電極（７）が配置されている大気基準ダクト（１４）に隣接する第２のガス測定室（２）内に設置され、前記基準電極（７）との間の濃淡起電力により被検ガス雰囲気中の酸素濃度を測定することを特徴とする複合ガスセンサ。
4. 請求項１又は２に記載の複合ガスセンサにおいて、被検ガスがＮＯおよびＮＯ_２を主成分とする窒素酸化物であることを特徴とする複合ガスセンサ。
5. 請求項２乃至４の何れかに記載の複合ガスセンサにおいて、前記酸素ポンプセル（８ａ，８ｂ）の酸素ポンピング量を第１の酸素検知電極（４）と基準電極（７）との間の起電力を信号出力として酸素ポンプのセル印加電圧へフィードバックしガス測定室の酸素濃度を一定に制御するための直流可変電源( １５ )と、当該ガス処理ポンプセルの酸素ポンピング量を一定にし、かつ被検ガスの電気化学的な分解あるいは変換量を一定にするための直流定電圧電源( １６ )とが前記酸素ポンプセルおよびガス処理ポンプセルとにそれぞれ接続されたセル駆動回路を有することを特徴とする複合ガスセンサ。
6. 請求項５に記載の複合ガスセンサにおいて、第２の酸素検知電極（５）と基準電極（７）との間に生ずる起電力により測定ガス雰囲気中の酸素濃度を直接検知し、当該酸素濃度の信号出力を用いて、センサ異常の自己診断を行うことを特徴とする複合ガスセンサ。
7. 請求項５に記載の複合ガスセンサにおいて、被検ガス雰囲気中の酸素濃度に起因する信号出力(V ^* _O2 )と、前記測定ガス雰囲気中の酸素濃度に起因する信号出力(V _O2 )、酸素ポンプセル（８ａ，８ｂ）のポンプ電流(i _p )、ガス処理ポンプセル（９ａ，９ｂ）のポンプ電流(I ^* _p )を電圧信号として検出し、当該電圧信号間の比較演算を行うことにより、第１の酸素検知電極（４）と基準電極（７）とから構成される第１の酸素検知セル、酸素ポンプセル、ガス処理ポンプセルの異常、あるいはガス測定室、大気導入ダクト（１３）、大気基準ダクト（１４）のガス気密性の異常について自己診断を行うことを特徴とする複合ガスセンサ。
8. 請求項５に記載の複合ガスセンサにおいて、被検ガス雰囲気中の酸素濃度に起因する信号出力(V ^* _O2 )と、前記信号出力を用いた検知マップデータと予め記憶していたマップデータとを比較判定する手段を有し、当該判定結果からセンサ素子の第１の酸素検知電極（４）と基準電極（７）とから構成される第１の酸素検知セル、酸素ポンプセル、ガス処理ポンプセルの異常、あるいはガス測定室、大気導入ダクト（１３）、大気基準ダクト（１４）のガス気密性の異常について自己診断を行うことを特徴とする複合ガスセンサ。

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