WO2023026899A1

WO2023026899A1 - ガスセンサ

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Publication number: WO2023026899A1
Application number: PCT/JP2022/030972
Authority: WO
Inventors: 大智市川; 拓岡本
Original assignee: 日本碍子株式会社
Priority date: 2021-08-25
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2023-03-02
Also published as: DE112022002209T5; CN117751287A; JPWO2023026899A1; US20240192160A1

Abstract

ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御装置とを備える。制御装置は、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートとオーバーシュートとの少なくとも一方に基づいてセンサ素子１０１のリフレッシュの要否を判定する。また、制御装置は、リフレッシュが必要と判定した場合に、通常時調整用ポンプ制御処理と比べて酸素濃度調整室（第１内部空所２０及び第２内部空所４０）の酸素をより多く汲み出すように調整用ポンプセル（主ポンプセル２１又は補助ポンプセル５０）を制御するリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理と、通常時測定用ポンプ制御処理と比べて第３内部空所６１の酸素をより多く汲み出すように測定用ポンプセル４１を制御するリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含むリフレッシュ処理を行う。

Description

ガスセンサ

　本発明は、ガスセンサに関する。

　従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１に記載のＮＯｘセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質とＮＯｘ還元能を有する測定電極とを含んで構成される電気化学的ポンプセルを備えている。このＮＯｘセンサは、測定電極において被測定ガス中のＮＯｘガスをＯ₂ガスに変換し、変換後のＯ₂ガスの濃度に応じて変化する前記電気化学的ポンプセルを流れるポンプ電流に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を出力する。

　また、特許文献１では、こうしたＮＯｘセンサにおいて、例えばエンジンへの燃料供給を停止するフューエルカットが行われたときなどのＮＯｘ濃度がゼロに変化したときに、ＮＯｘ濃度の出力信号が理想的な信号と比べて一時的に過剰に低下するアンダーシュートが生じることが記載されている。このようなアンダーシュートが生じると、ＮＯｘ濃度の測定精度が悪化しやすいため好ましくない。特許文献２では、このような現象は被測定ガス中の水分の変化によって生じることが記載されている。また、特許文献１には、ＮＯｘセンサのセンサ素子をリッチ雰囲気の下で５００℃以上の温度で１５分以上処理するリッチ処理を行うことで、アンダーシュートを抑制できることが記載されている。このときのリッチ雰囲気は、炭化水素を含み、ＮＯの濃度が体積比で０．０５％以上１．０％以下、空気過剰率（λ）が０．８０～０．９９９９のガス雰囲気である。

特開２０１４－１９０９３９号公報国際公開第２００８／０３８７７３号パンフレット

　ところで、製造時に上記のポンプ電流のアンダーシュートが生じないガスセンサであっても、ガスセンサの使用に伴ってアンダーシュートが増大していく場合があった。また、ガスセンサの使用に伴ってアンダーシュートと同様にオーバーシュートも増大していく場合があった。

　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、ガスセンサの使用に伴う測定用ポンプ電流のアンダーシュート及びオーバーシュートの増大を抑制することを主目的とする。

　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。

［１］本発明のガスセンサは、
　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
　前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた外側測定電極と、前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極と、を有し、前記内側測定電極の周囲から前記外側測定電極の周囲に酸素の汲み出しを行う測定用ポンプセルと、
　前記被測定ガス流通部のうち前記測定室の上流側に設けられた酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
　前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
　前記基準電極と前記内側測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出センサセルと、
　を有するセンサ素子と、
　前記調整用ポンプセルを動作させる通常時調整用ポンプ制御処理と、前記センサ素子の前記測定用電圧が目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素を汲み出す通常時測定用ポンプ制御処理と、を行い、該通常時測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出部と、
　前記測定用ポンプ電流の急変時のアンダーシュートとオーバーシュートとの少なくとも一方に基づいて前記センサ素子のリフレッシュの要否を判定するリフレッシュ要否判定処理を行う要否判定部と、
　前記リフレッシュ要否判定処理で前記リフレッシュが必要と判定した場合に、前記通常時調整用ポンプ制御処理と比べて前記酸素濃度調整室の酸素をより多く汲み出すように前記調整用ポンプセルを制御するリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理と、前記通常時測定用ポンプ制御処理と比べて前記測定室の酸素をより多く汲み出すように前記測定用ポンプセルを制御するリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含むリフレッシュ処理を行うリフレッシュ制御部と、
　を備えたものである。

　このガスセンサでは、調整用ポンプセルを動作させる通常時調整用ポンプ制御処理と、センサ素子の測定用電圧が目標値になるように測定用ポンプセルを制御して測定室の酸素を汲み出す通常時測定用ポンプ制御処理と、が行われる。そして、通常時測定用ポンプ制御処理によって測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度が検出される。このようにガスセンサが特定ガス濃度の検出に使用されると、使用に伴って測定用ポンプ電流の急変時のアンダーシュート及びオーバーシュートが増大する場合がある。そこで、このガスセンサでは、測定用ポンプ電流の急変時のアンダーシュートとオーバーシュートとの少なくとも一方に基づいてセンサ素子のリフレッシュの要否を判定するリフレッシュ要否判定処理を行い、リフレッシュが必要と判定した場合に、リフレッシュ処理を行う。リフレッシュ処理は、通常時調整用ポンプ制御処理と比べて酸素濃度調整室の酸素をより多く汲み出すように調整用ポンプセルを制御するリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理と、通常時測定用ポンプ制御処理と比べて測定室の酸素をより多く汲み出すように測定用ポンプセルを制御するリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含んでいる。本発明者らは、このようなリフレッシュ処理を行うことで、ガスセンサの使用に伴って増大したアンダーシュート及びオーバーシュートを低減できることを見出した。このガスセンサでは、リフレッシュの要否判定を行ってリフレッシュが必要と判定された場合にリフレッシュ処理を行うことで、ガスセンサの使用に伴う測定用ポンプ電流のアンダーシュート及びオーバーシュートの増大を抑制できる。

　ここで、リフレッシュ要否判定処理は、測定用ポンプ電流そのものに基づいて判定を行う処理に限らず、測定用ポンプ電流に換算可能な値又は測定用ポンプ電流と同視できる値に基づいて判定を行う処理も含む。例えば、測定用ポンプ電流に基づいて検出された特定ガス濃度の値の急変時のアンダーシュートとオーバーシュートとの少なくとも一方に基づいて、リフレッシュ要否判定処理を行ってもよい。また、前記特定ガス濃度検出部は、前記リフレッシュ処理中には前記通常時測定用ポンプ制御処理を行わないことが好ましく、さらに前記通常時調整用ポンプ制御処理も行わないことがより好ましい。前記リフレッシュ処理中には、前記測定用ポンプセルが前記測定室に酸素を汲み入れるような制御が行われないことが好ましく、さらに前記調整用ポンプセルが前記酸素濃度調整室に酸素を汲み入れるような制御も行われないことがより好ましい。

［２］上述したガスセンサ（前記［１］に記載のガスセンサ）において、前記リフレッシュ処理は、前記リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を含んでいてもよい。リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理は、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と比べて、センサ素子をリフレッシュさせる効果が高い。そのため、リフレッシュ処理において少なくともリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を行うことで、測定用ポンプ電流のアンダーシュート及びオーバーシュートを抑制する効果を高くすることや、リフレッシュ処理をより短時間で行うことができる。この場合において、前記リフレッシュ処理は、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を含まなくてもよい。

［３］この場合において（前記［２］に記載のガスセンサにおいて）、前記酸素濃度調整室は、第１内部空所と、該第１内部空所よりも下流側且つ前記測定室よりも上流側に設けられた第２内部空所と、を有し、前記調整用ポンプセルは、前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、を有し、前記リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理は、前記通常時調整用ポンプ制御処理と比べて前記第１内部空所の酸素をより多く汲み出すように前記主ポンプセルを制御する処理と、前記通常時調整用ポンプ制御処理と比べて前記第２内部空所の酸素をより多く汲み出すように前記補助ポンプセルを制御する処理と、の少なくともいずれかを含んでいてもよい。

［４］上述したガスセンサ（前記［１］～［３］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記被測定ガスは、内燃機関の排ガスであり、前記要否判定部は、前記内燃機関のフューエルカットに伴う前記測定用ポンプ電流の急変時の挙動に基づいて、前記リフレッシュ要否判定処理を行ってもよい。測定用ポンプ電流のアンダーシュート及びオーバーシュートは、被測定ガス中のＨ₂Ｏ濃度（水分）の急変時に生じやすい。そして、内燃機関のフューエルカット時にはＨ₂Ｏ濃度が急変している可能性が高い。そのため、内燃機関のフューエルカットに伴う測定用ポンプ電流の急変時の挙動（アンダーシュート又はオーバーシュートの少なくとも一方）に基づいて要否判定を行うことで、リフレッシュの要否をより適切に判定できる。

［５］上述したガスセンサ（前記［１］～［４］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記要否判定部は、前記測定用ポンプ電流の急変時のアンダーシュート量とオーバーシュート量との少なくとも一方が許容範囲から外れていた場合に、前記リフレッシュが必要であると判定してもよい。こうすれば、アンダーシュート量とオーバーシュート量との少なくとも一方に基づいて、リフレッシュの要否を適切に判定できる。

［６］上述したガスセンサ（前記［１］～［５］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記リフレッシュ制御部は、前記被測定ガス流通部内の前記被測定ガスが炭素を含むとみなせるときに前記リフレッシュ処理を行ってもよい。ここで、リフレッシュ処理は、被測定ガスが炭素を含む状態で行う必要がある。そのため、被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含むとみなせるときにリフレッシュ処理を行うことで、効果的にリフレッシュを行うことができる。これにより、例えばリフレッシュ処理を行ってもアンダーシュート及びオーバーシュートが低減されず再度のリフレッシュ処理が必要になるといった状況になりにくい。ここで、「被測定ガスが炭素を含む」は、被測定ガスが炭素を有する分子を含む場合も含む。例えば、被測定ガスが炭素（Ｃ），一酸化炭素（ＣＯ），二酸化炭素（ＣＯ₂）．炭化水素（ＨＣ）のうち１以上を含んでいる場合、その被測定ガスは炭素を含んでいると言える。

［７］上述したガスセンサ（前記［１］～［６］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記リフレッシュ処理の処理時間は１秒以上１０秒以下としてもよい。処理時間を１秒以上とすることで、センサ素子をより確実にリフレッシュさせることができる。また、リフレッシュ処理は長期間実行してもリフレッシュする効果があまり高くならず、開始から最初の１０秒間でのリフレッシュ効果が比較的高い。また、リフレッシュ処理中は特定ガス濃度を正しく検出できないため、リフレッシュ処理の処理時間は短い方が好ましい。処理時間を１０秒以下とすることで、特定ガス濃度を正しく検出できない時間を短くしつつ、センサ素子のリフレッシュを効率的に行うことができる。

ガスセンサ１００の断面模式図。制御装置９０と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図。ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートの様子を示すグラフ。センサ素子１０１におけるポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートが増大する様子を示すグラフ。リフレッシュ処理の前後でのアンダーシュート及びオーバーシュートの様子を示すグラフ。リフレッシュ処理の処理時間とアンダーシュート量の低減効果との関係を示すグラフ。制御ルーチンの一例を示すフローチャート。変形例のセンサ素子２０１の断面模式図。リフレッシュ処理の処理時間とアンダーシュート量の低減効果との関係を示すグラフ。

　次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、制御装置９０と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ１００は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられている。ガスセンサ１００は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中のＮＯｘなどの特定ガスの濃度を検出する。ガスセンサ１００は、長尺な直方体形状をしたセンサ素子１０１と、センサ素子１０１の一部を含んで構成される各セル１５，２１，４１，５０，８０～８３と、センサ素子１０１の内部に設けられたヒータ部７０と、ガスセンサ１００全体を制御する制御装置９０と、を備えている。

　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。

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

　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。

　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。

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

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

　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につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内，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。

　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。

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

　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。

　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。

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

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

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

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

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

　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。

　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。

　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。

　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。

　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。

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

　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。

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

　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。

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

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

　制御装置９０は、図２に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２と、ヒータ電源７６と、制御部９１と、を備えている。制御部９１は、ＣＰＵ９２及び記憶部９４などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部９４は、例えば各種プログラムや各種データを記憶する装置である。制御部９１は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される電圧Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される電圧Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２、センサセル８３にて検出される電圧Ｖｒｅｆ、主ポンプセル２１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出されるポンプ電流Ｉｐ１及び測定用ポンプセル４１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ２を入力する。また、制御部９１は可変電源２４，４６，５２へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２が出力するポンプ電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２を制御し、これにより、主ポンプセル２１，測定用ポンプセル４１及び補助ポンプセル５０を制御する。制御部９１は、ヒータ電源７６に制御信号を出力することでヒータ電源７６がヒータ７２に供給する電力を制御する。記憶部９４には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ０ｒ＊，Ｖ１＊，Ｖ１ｒ＊，Ｖ２＊，Ｖ２ｒ＊なども記憶されている。制御部９１のＣＰＵ９２は、これらの目標値Ｖ０＊，Ｖ０ｒ＊，Ｖ１＊，Ｖ１ｒ＊，Ｖ２＊，Ｖ２ｒ＊を参照して、各セル２１，４１，５０の制御を行う。

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

　制御部９１は、通常時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を制御する通常時主ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定の目標電流Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値（目標値Ｖ０＊と称する）を設定（フィードバック制御）する。そして、制御部９１は、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。この通常時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、この通常時主ポンプ制御処理中に流れるポンプ電流Ｉｐ０は、ガス導入口１０から被測定ガス流通部内に流入する被測定ガス（すなわちセンサ素子１０１の周囲の被測定ガス）の酸素濃度に応じて変化する。そのため、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出することもできる。

　上述した通常時主ポンプ制御処理及び通常時補助ポンプ制御処理をまとめて通常時調整用ポンプ制御処理とも称する。また、第１内部空所２０及び第２内部空所４０をまとめて酸素濃度調整室とも称する。主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０をまとめて調整用ポンプセルとも称する。制御部９１が通常時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。

　さらに、制御部９１は、電圧Ｖ２が一定値（目標値Ｖ２＊と称する）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を制御する通常時測定用ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、電圧Ｖ２が目標値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。この通常時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。

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

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

　次に、センサ素子１０１のポンプ電流Ｉｐ２に生じるアンダーシュート及びオーバーシュートについて説明する。図３は、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートの様子を示すグラフである。図３は、ガスセンサ１００が被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定している途中で内燃機関のフューエルカットが行われたときのポンプ電流Ｉｐ２の挙動の一例を実線で示している。また、理想的なポンプ電流Ｉｐ２の挙動を破線で示している。

　フューエルカットが開始されると被測定ガス中のＮＯｘ濃度は急激に減少してほぼゼロとなり、フューエルカットが終了すると再び被測定ガス中のＮＯｘ濃度は急激に上昇する。そのため、原理的には、図３に破線で示すように、ＮＯｘ濃度に対応する値であるポンプ電流Ｉｐ２はフューエルカットが開始されるとこれに速やかに追随して対応する値に変化する（図３においてはＩ１→Ｉ０と変化する）はずである。また、フューエルカットが終了するとこれに速やかに追随して対応する値に変化する（図３においてはＩ０→Ｉ１と変化する）はずである。しかしながら、実際には、図３に実線で示すように、ポンプ電流Ｉｐ２には現実のＮＯｘ濃度の変化とは異なる過剰な出力変動が生じてしまう。具体的には、フューエルカットの開始時にはポンプ電流Ｉｐ２には値が一度過剰に低下してから現実のＮＯｘ濃度に対応する値まで上昇するアンダーシュートが生じる。また、フューエルカットの終了時にはポンプ電流Ｉｐ２には値が一度過剰に上昇してから現実のＮＯｘ濃度に対応する値まで下降するオーバーシュートが生じる。例えば製造直後のガスセンサ１００においてはこのようなポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュート及びアンダーシュートが生じない場合もあるが、ガスセンサ１００の使用に伴ってオーバーシュート及びアンダーシュートは増大していく傾向にある。例えば、ガスセンサ１００の使用に伴って図３に示すアンダーシュート量及びオーバーシュート量が大きくなっていく傾向にある。特に、センサ素子１０１がヒータ７２で高温になった状態且つ車両停止時など、センサ素子１０１が高温且つ大気雰囲気に晒されると、このようなオーバーシュート及びアンダーシュートの増大が生じやすい。なお、アンダーシュート量は、例えば、ポンプ電流Ｉｐ２が過剰に低下した際の最低値と、その後にポンプ電流Ｉｐ２が安定したときの値と、の差分として算出することができる。オーバーシュート量は、例えば、ポンプ電流Ｉｐ２が過剰に上昇した際の最高値と、その後にポンプ電流Ｉｐ２が安定したときの値と、の差分値として算出することができる。あるいは、ポンプ電流Ｉｐ２に過剰な出力変動が生じたときの値と、理想的なポンプ電流Ｉｐ２の値と、の差分値の最大値として、アンダーシュート量及びオーバーシュート量を算出することもできる。

　本発明者らは、特定ガス濃度の測定時（通常時）と比べて被測定ガス流通部の酸素をより多く汲み出すようにセンサ素子１０１を制御する処理を行うことで、ガスセンサ１００の使用に伴って増大したアンダーシュート及びオーバーシュートを低減できることを見出した。この処理をリフレッシュ処理と称する。リフレッシュ処理は、具体的には、通常時調整用ポンプ制御処理と比べて酸素濃度調整室の酸素をより多く汲み出すように調整用ポンプセルを制御するリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理と、通常時測定用ポンプ制御処理と比べて第３内部空所６１の酸素をより多く汲み出すように測定用ポンプセル４１を制御するリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含む。

　リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理は、本実施形態では、電圧Ｖ２が上述した目標値Ｖ２＊よりも高い目標値Ｖ２ｒ＊になるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する点以外は、通常時測定用ポンプ制御処理と同じとした。電圧Ｖ２は基準電極４２の周囲と第３内部空所６１との酸素濃度差に関連する値であり、第３内部空所６１の酸素濃度が低いほど酸素濃度差が大きくなり電圧Ｖ２も高い値になる。したがって、目標値Ｖ２ｒ＊が目標値Ｖ２＊よりも高い値であるということは、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理の実行時には、通常時測定用ポンプ制御処理の実行時と比べて、第３内部空所６１の酸素濃度の目標値をより低い値に設定することを意味する。したがって、このリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理では、通常時測定用ポンプ制御処理と比べて第３内部空所６１の酸素をより多く汲み出すように測定用ポンプセル４１が制御される。

　リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理は、通常時主ポンプ制御処理と比べて第１内部空所２０の酸素をより多く汲み出すように主ポンプセル２１を制御するリフレッシュ時主ポンプ制御処理と、通常時補助ポンプ制御処理と比べて第２内部空所４０の酸素をより多く汲み出すように補助ポンプセル５０を制御するリフレッシュ時補助ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含む。リフレッシュ時主ポンプ制御処理及びリフレッシュ時補助ポンプ制御処理は、本実施形態では、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と同様に、フィードバック制御の目標値を通常時よりも高い値にする処理とした。具体的には、リフレッシュ時主ポンプ制御処理は、電圧Ｖ０が上述した目標値Ｖ０＊よりも高い所定の目標値Ｖ０ｒ＊になるように可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する処理とした。なお、通常時主ポンプ制御処理では、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて目標値Ｖ０＊が設定（変更）されるが、リフレッシュ時主ポンプ制御処理では、目標値Ｖ０ｒ＊はポンプ電流Ｉｐ１に基づく変更は行われず予め定められた値を用いる。リフレッシュ時補助ポンプ制御処理は、電圧Ｖ１が目標値Ｖ１＊よりも高い所定の目標値Ｖ１ｒ＊に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点以外は、通常時補助ポンプ制御処理と同じとした。

　リフレッシュ処理中には、通常時測定用ポンプ制御処理を行わないことが好ましく、さらに通常時調整用ポンプ制御処理も行わないことがより好ましい。リフレッシュ処理中には、測定用ポンプセル４１が第３内部空所６１に酸素を汲み入れるような制御が行われないことが好ましく、さらに主ポンプセル２１が第１内部空所２０に酸素を汲み入れるような制御及び補助ポンプセル５０が第２内部空所４０に酸素を汲み入れるような制御も行われないことがより好ましい。例えば、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行う場合は、通常時測定用ポンプ制御処理は当然行うことができないが、通常時調整用ポンプ制御処理も行わないことが好ましい。例えば、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行う場合は、可変電源２４及び可変電源５２は電圧を印加せず、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０は動作していない状態とすることが好ましい。同様に、リフレッシュ時主ポンプ制御処理を行う場合は、可変電源５２及び可変電源４６は電圧を印加せず、補助ポンプセル５０及び測定用ポンプセル４１は動作していない状態とすることが好ましい。リフレッシュ時補助ポンプ制御処理を行う場合は、可変電源２４及び可変電源４６は電圧を印加せず、主ポンプセル２１及び測定用ポンプセル４１は動作していない状態とすることが好ましい。このように、主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，及び測定用ポンプセル４１のうち、リフレッシュ処理に用いないポンプセルについては、通常時のポンプ制御処理及び酸素を汲み入れるような制御が行われないことが好ましく、ポンプセルを動作させない状態とすることが好ましい。

　図４は、実際のセンサ素子１０１におけるポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートが増大する様子を示すグラフである。このグラフは以下のようにして得た。センサ素子１０１を配管に取り付け、モデルガス装置を用いて被測定ガスとしてのモデルガスを配管に流した状態で、制御装置９０がセンサ素子１０１を制御してＮＯｘ濃度の測定を行っている状態とした。モデルガスとして最初に第１モデルガス（ＮＯ濃度５００ｐｐｍ，Ｈ₂Ｏ濃度１２％，酸素濃度０％，ベースガスは窒素）を流し、次に第２モデルガス（ＮＯ濃度０ｐｐｍ，Ｈ₂Ｏ濃度０％，酸素濃度２１％，ベースガスは窒素）を流し、続いて再び第１モデルガスを流すことで、被測定ガスのＮＯ濃度，Ｈ₂Ｏ濃度，及び酸素濃度を急変させて、フューエルカットが行われた状態を模擬した。モデルガスの流量は１００Ｌ／ｍｉｎ，温度は１２０℃とした。そして、このときのポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を測定した。図４の破線は、初期状態（製造直後）のセンサ素子１０１におけるポンプ電流Ｉｐ２の時間変化である。図４の実線は、初期状態から使用された後の状態を模擬したセンサ素子１０１におけるポンプ電流Ｉｐ２の時間変化である。初期状態のセンサ素子１０１をヒータ７２に通電して７００℃～８００℃程度に維持した状態で５分間大気中で放置することで、使用後の状態を模擬したセンサ素子１０１を用意した。図４に示すように、初期状態のセンサ素子１０１ではオーバーシュート及びアンダーシュートがほとんど生じていないのに対し、使用後の状態を模擬したセンサ素子１０１では、オーバーシュート及びアンダーシュートが増大していた。

　次に、上記の使用後の状態を模擬したセンサ素子１０１に対して、以下のようにリフレッシュ処理を行った。ＣＯ₂濃度１５％，Ｈ₂Ｏ濃度１５％，ベースガスは窒素としたモデルガスを被測定ガスとして、センサ素子１０１を取り付けた配管に流した。この状態で、リフレッシュ処理として、上述したリフレッシュ時主ポンプ制御処理を行った。リフレッシュ時主ポンプ制御処理の目標値Ｖ０ｒ＊は１０００ｍＶとし、処理時間は３００秒とした。リフレッシュ処理中は、可変電源４６及び可変電源５２は電圧を印加せず、測定用ポンプセル４１及び補助ポンプセル５０は動作していない状態とした。リフレッシュ処理後のセンサ素子１０１に対して、図４と同様にフューエルカットが行われた状態を模擬したときのポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を測定した。結果を図５に示す。図５の実線は、リフレッシュ処理を行う前のセンサ素子１０１におけるポンプ電流Ｉｐ２の時間変化である。図５の破線は、リフレッシュ処理を行った後のセンサ素子１０１におけるポンプ電流Ｉｐ２の時間変化である。図５に示すように、リフレッシュ処理を行うことでアンダーシュート及びオーバーシュートが低減されて、センサ素子１０１は図４に示した初期状態のセンサ素子１０１とほぼ同じ状態まで回復していた。なお、アンダーシュート及びオーバーシュートが生じるのはポンプ電流Ｉｐ２の波形であることから、リフレッシュ処理によりセンサ素子１０１のうち特に測定電極４４がリフレッシュされていると考えられる。

　次に、図５と同様にリフレッシュ処理としてリフレッシュ時主ポンプ制御処理を行った場合について、処理時間を異ならせて図５と同様にポンプ電流Ｉｐ２の時間変化を測定し、処理時間とアンダーシュート量の低減効果との関係を調べた。また、リフレッシュ処理としてリフレッシュ時補助ポンプ制御処理を行った場合、及びリフレッシュ処理としてリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行った場合についても、同様に処理時間とアンダーシュート量の低減効果との関係を調べた。結果を図６及び表１に示す。なお、リフレッシュ時補助ポンプ制御処理を行う場合の目標値Ｖ１ｒ＊は１０００ｍＶとし、この処理中は主ポンプセル２１及び測定用ポンプセル４１は動作していない状態とした。リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行う場合の目標値Ｖ２ｒ＊は１０００ｍＶとし、この処理中は主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０は動作していない状態とした。図６の縦軸は、初期状態のセンサ素子１０１のアンダーシュート量（ゼロに近い小さい値）を初期値として、初期値とリフレッシュ処理後のアンダーシュート量との差ΔＵＳを初期値を基準とした百分率で表している。この差ΔＵＳが０％に近いほど、アンダーシュート量が低減されて初期状態と同じ状態までセンサ素子１０１が回復（リフレッシュ）していることを意味する。図６では、リフレッシュ時主ポンプ制御処理を行ったときのデータを実線（凡例で「Ｖ０」と表記）で示し、リフレッシュ時補助ポンプ制御処理を行ったときのデータを破線（凡例で「Ｖ１」と表記）で示し、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行ったときのデータを一点鎖線（凡例で「Ｖ２」と表記）で示した。

　図６及び表１からわかるように、リフレッシュ処理の処理時間が０秒のセンサ素子１０１すなわち上述した使用後の状態を模擬したセンサ素子１０１では差ΔＵＳが約－４５０％（アンダーシュート量が初期値の約５．５倍）であったのに対し、処理時間が長くなるほど差ΔＵＳが０％に近くなる傾向が確認された。また、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行った場合（図６及び表１の凡例「Ｖ２」で示すデータ）と比べて、リフレッシュ時主ポンプ制御処理を行った場合及びリフレッシュ時補助ポンプ制御処理を行った場合（図６及び表１の凡例「Ｖ０」及び「Ｖ１」で示すデータ）の方が、差ΔＵＳが短時間で０％に近づくことが確認された。すなわち、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理（ここではリフレッシュ時主ポンプ制御処理及びリフレッシュ時補助ポンプ制御処理）は、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と比べて、センサ素子１０１をリフレッシュさせる効果が高いことが確認された。したがって、リフレッシュ処理は、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を含むことが好ましい。また、図６及び表１からわかるように、処理時間が１０秒以下のときには差ΔＵＳが急激に０％に近づいていき、その後は比較的緩やかに０％に近づく傾向が確認された。そのため、リフレッシュ処理を長時間実行してもリフレッシュする効果はあまり高くならず、開始から最初の１０秒間でのリフレッシュ効果が比較的高いと考えられる。したがって、１回のリフレッシュ処理を長時間行うよりも、短時間のリフレッシュ処理を複数回行った方が効率良くセンサ素子１０１をリフレッシュできると考えられる。また、リフレッシュ処理の処理時間は、１秒以上が好ましい。

　ここで、リフレッシュ処理は被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含む状態で行う必要がある。「被測定ガスが炭素を含む」は、被測定ガスが炭素を有する分子を含む場合も含む。例えば、被測定ガスが炭素（Ｃ），一酸化炭素（ＣＯ），二酸化炭素（ＣＯ₂）．炭化水素（ＨＣ）のうち１以上を含んでいる場合、その被測定ガスは炭素を含んでいると言える。例えば、上述した例におけるリフレッシュ処理はＣＯ₂濃度１５％，Ｈ₂Ｏ濃度１５％，ベースガスは窒素としたモデルガスを用いて行ったが、ＣＯ₂を含まないモデルガスを用いてリフレッシュ処理を行った場合は、アンダーシュート及びオーバーシュートの低減効果が見られなかった。また、ＣＯ₂を含まない代わりにエチレン（Ｃ₂Ｈ₄）を含むモデルガスを用いてリフレッシュ処理を行った場合は、アンダーシュート及びオーバーシュートの低減効果が確認された。

　このように被測定ガスが炭素を含む場合にリフレッシュ処理の効果が得られる理由は、以下のように考えられる。まず、初期状態（製造直後）のセンサ素子１０１では測定電極４４に炭素（Ｃ），一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）の少なくともいずれかが付着しており、これによりアンダーシュート及びオーバーシュートが生じないか又は小さくなっていると考えられる。そして、センサ素子１０１の使用に伴って測定電極４４に付着した上記の物質が減少していくと、アンダーシュート及びオーバーシュートが増大していくと考えられる。ここで、リフレッシュ処理を行うと、被測定ガス流通部内の被測定ガス中の酸素が通常時よりも多く汲み出されて通常時よりも還元雰囲気となる。これにより、被測定ガス中の二酸化炭素（ＣＯ₂）が還元されて炭素（Ｃ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が生成されたり、被測定ガス中の炭素（Ｃ）及び一酸化炭素（ＣＯ）が酸化されて二酸化炭素（ＣＯ₂）になることが抑制されたりする。そのため、リフレッシュ処理を行うことで炭素（Ｃ）と一酸化炭素（ＣＯ）との少なくともいずれかが測定電極４４に付着しやすくなると考えられる。その結果、測定電極４４を初期状態と同様の状態に回復（リフレッシュ）することができ、アンダーシュート及びオーバーシュートが低減されると考えられる。また、被測定ガス中に炭化水素（ＨＣ）が存在する場合には、リフレッシュ処理を行うことで上記の通り被測定ガスが還元雰囲気になるから、炭化水素（ＨＣ）が酸化されて水（Ｈ₂Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成されることが抑制される。そのため、リフレッシュ処理を行うことで炭化水素（ＨＣ）が測定電極４４に付着しやすくなると考えられる。したがって、この場合も測定電極４４を初期状態と同様の状態に回復（リフレッシュ）することができ、アンダーシュート及びオーバーシュートが低減されると考えられる。

　また、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行う場合、測定電極４４の周辺から酸素を通常時よりも多く汲み出すことになり、例えば被測定ガス中の水（Ｈ₂Ｏ）から奪われて生じた酸素の一部が測定電極４４の周辺の炭素（Ｃ）及び一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して二酸化炭素（ＣＯ₂）が生成されてしまうと考えられる。これに対して、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を行う場合は、既に酸素が汲み出された後の被測定ガスが測定電極４４に到達するから、測定電極４４の周辺での二酸化炭素（ＣＯ₂）の生成はほとんど起きないと考えられる。この違いにより、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理を行う場合はリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を行う場合と比較して測定電極４４に付着する炭素（Ｃ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の量が少なくなると考えられる。この理由により、図６で示したように、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理はリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と比べて、センサ素子１０１をリフレッシュさせる効果が高くなっていると考えられる。

　次に、ガスセンサ１００の制御部９１がＮＯｘ濃度の測定及びリフレッシュ処理を行う場合の一例について説明する。図７は、制御部９１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９１は、このルーチンを例えば記憶部９４に記憶している。制御部９１は、例えばヒータ電源７６がヒータ７２に供給する電力を制御し、ヒータ７２の温度が目標温度（例えば８００℃など）になったときにこの制御ルーチンを開始する。

　制御部９１のＣＰＵ９２は、制御ルーチンが開始されると、まず、ＮＯｘ濃度の測定を行うための通常時制御処理を開始する（ステップＳ１００）。通常時制御処理では、ＣＰＵ９２は、上述した通常時調整用ポンプ制御処理（通常時主ポンプ制御処理及び通常時補助ポンプ制御処理）を行うと共に、上述した通常時測定用ポンプ制御処理を行う。そして、ＣＰＵ９２は、通常時測定用ポンプ制御処理によって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。

　次に、ＣＰＵ９２は、センサ素子１０１のリフレッシュの要否を判定する要否判定タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。要否判定タイミングとは、ポンプ電流Ｉｐ２にアンダーシュート又はオーバーシュートが生じる可能性のあるタイミングである。特許文献２にも記載されているように、被測定ガス中のＨ₂Ｏ濃度が変化する時に、アンダーシュート及びオーバーシュートが生じやすい。そのため、被測定ガス流通部内の被測定ガス中のＨ₂Ｏ濃度が急変したとみなせるタイミングを、要否判定タイミングとすることが好ましい。本実施形態では、要否判定タイミングは、内燃機関のフューエルカットの開始時とした。フューエルカットが開始されると、被測定ガスは大気雰囲気と同様の状態になりＨ₂Ｏ濃度が急変する可能性が高いため、要否判定タイミングに適している。なお、フューエルカットが開始されると被測定ガス中のＮＯｘ濃度も急変する。例えば、制御部９１は、内燃機関の図示しないエンジンＥＣＵから取得するフューエルカット実行情報に基づいて、フューエルカットの開始を検出する。例えば、ＣＰＵ９２は、エンジンＥＣＵからフューエルカットがなされた旨のフューエルカット実行情報を取得したか否かを所定時間毎に判定しており、フューエルカット実行情報を取得したときにフューエルカットが開始されたため要否判定タイミングであると判定する。

　ステップＳ１１０で要否判定タイミングであると判定した場合には、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート量を算出して、算出した値が許容範囲内であるか否かを判定するリフレッシュ要否判定処理を行う（ステップＳ１２０）。本実施形態ではフューエルカットの開始時に要否判定タイミングであると判定するため、その直後にポンプ電流Ｉｐ２はフューエルカットに伴い図３～５に示したように急激に減少する。ＣＰＵ９２はこのときのポンプ電流Ｉｐ２の挙動（波形）からアンダーシュート量を算出する。ステップＳ１２０の判定は、今回算出されたアンダーシュート量そのものと許容範囲とを比較して行ってもよいし、センサ素子１０１の初期状態でのアンダーシュート量（初期値）と今回算出されたアンダーシュート量との差と許容範囲とを比較して行ってもよい。例えば、許容範囲の上限値を、ＮＯｘ濃度５ｐｐｍ分に対応するポンプ電流Ｉｐ２の値として設定しておき、アンダーシュート量そのものがこの上限値を超えた場合に、許容範囲を外れたと判定してもよい。あるいは、初期値と今回のアンダーシュート量との差がこの上限値を超えた場合に、許容範囲を外れたと判定してもよい。許容範囲や初期値の情報は、予め記憶部９４に記憶しておけばよい。ステップＳ１２０でアンダーシュート量が許容範囲を外れていたときには、ＣＰＵ９２は、リフレッシュ処理が必要であると判定して、フラグＦを値１に設定する（ステップＳ１３０）。フラグＦは、リフレッシュ処理が必要な場合に値１に設定され、リフレッシュ処理が不要な場合及び制御ルーチンの開始時には値０に設定される。

　ステップＳ１３０のあと、ステップＳ１１０でリフレッシュの要否判定タイミングでないと判定したとき、又はステップＳ１２０でアンダーシュート量が許容範囲内であったときには、ＣＰＵ９２は、リフレッシュ処理の実行タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。リフレッシュ処理の実行タイミングとは、被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含むとみなせるタイミングである。本実施形態では、実行タイミングは、内燃機関の運転中（フューエルカット時以外）とした。フューエルカット時以外であれば、被測定ガス中には基本的に炭素（特にＣＯ₂）が含まれるため、リフレッシュ処理に適している。例えば、ＣＰＵ９２は、内燃機関の図示しないエンジンＥＣＵから取得するフューエルカット実行情報に基づいて、リフレッシュ処理の実行タイミングであるか否かを判定する。例えば、ＣＰＵ９２は、エンジンＥＣＵからフューエルカットがなされた旨のフューエルカット実行情報を取得したか否かを所定時間毎に判定しており、フューエルカット実行情報を取得していないときには現在はフューエルカット時以外の運転中でありリフレッシュ処理の実行タイミングであると判定する。

　ステップＳ１４０でリフレッシュ処理の実行タイミングであると判定すると、ＣＰＵ９２は、フラグＦが値１であるか否かを判定し（ステップＳ１５０）、値１であればステップＳ１００で開始した通常時制御処理を停止して（ステップＳ１６０）、リフレッシュ処理を実行する（ステップＳ１７０）。すなわち、リフレッシュ処理の実行タイミングであり且つリフレッシュが必要であると判定されている（フラグＦが値１である）ときには、ＣＰＵ９２はリフレッシュ処理を行う。ＣＰＵ９２は、例えばリフレッシュ処理としてリフレッシュ時主ポンプ制御処理を１０秒間実行する。この場合、ステップＳ１６０で通常時制御処理を停止しているため、リフレッシュ処理中には通常時補助ポンプ制御処理及び通常時測定用ポンプ制御処理は行われない。そして、リフレッシュ処理が終了すると、ＣＰＵ９２は、フラグＦを値０に設定して（ステップＳ１８０）、再び通常時制御処理を開始して（ステップＳ１９０）、ＮＯｘ濃度の検出を開始する。

　ステップＳ１９０で通常時制御処理を開始したあと、ステップＳ１４０でリフレッシュ処理の実行タイミングでないと判定したとき、又はステップＳ１５０でフラグＦが値１でなかったときには、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１１０以降の処理を実行する。以上のようにＣＰＵ９２が図７の制御ルーチンを行うことで、ＮＯｘ濃度の測定を行いつつ必要に応じてリフレッシュ処理を行うことができる。このように、本発明のリフレッシュ処理は、ガスセンサ１００の製造時又はメンテナンス時に限らずガスセンサ１００の使用時（例えば内燃機関の運転中など）においても行うことができる。

　ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１と第２基板層２と第３基板層３と第１固体電解質層４とスペーサ層５と第２固体電解質層６との６つの層がこの順に積層された積層体が本発明の素子本体に相当し、外側ポンプ電極２３が外側測定電極に相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定電極４４が内側測定電極に相当し、測定用ポンプセル４１が測定用ポンプセルに相当し、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が酸素濃度調整室に相当し、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０が調整用ポンプセルに相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が測定用電圧検出センサセルに相当し、センサ素子１０１がセンサ素子に相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が測定用ポンプ電流に相当し、制御装置９０が特定ガス濃度検出部，要否判定部，及びリフレッシュ制御部に相当する。

　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９０は、ポンプ電流Ｉｐ２の急変時のアンダーシュートに基づいてセンサ素子１０１のリフレッシュの要否を判定するリフレッシュ要否判定処理を行い、リフレッシュが必要と判定した場合に、リフレッシュ処理を行う。リフレッシュ処理は、通常時調整用ポンプ制御処理と比べて酸素濃度調整室（ここでは第１内部空所２０及び第２内部空所４０）の酸素をより多く汲み出すように調整用ポンプセル（ここでは主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０）を制御するリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理と、通常時測定用ポンプ制御処理と比べて第３内部空所６１の酸素をより多く汲み出すように測定用ポンプセル４１を制御するリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含んでいる。このようなリフレッシュ処理を行うことで、ガスセンサ１００の使用に伴うポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートの増大を抑制できる。

　また、リフレッシュ処理は、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を含んでいる。リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理は、リフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と比べて、センサ素子１０１をリフレッシュさせる効果が高い。そのため、リフレッシュ処理において少なくともリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を行うことで、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートを抑制する効果を高くすることや、リフレッシュ処理をより短時間で行うことができる。

　さらに、酸素濃度調整室は、第１内部空所２０と、第１内部空所２０よりも下流側且つ第３内部空所６１よりも上流側に設けられた第２内部空所４０と、を有している。また、調整用ポンプセルは、第１内部空所２０の酸素濃度を調整する主ポンプセル２１と、第２内部空所４０の酸素濃度を調整する補助ポンプセル５０と、を有している。そして、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理は、通常時調整用ポンプ制御処理と比べて第１内部空所２０の酸素をより多く汲み出すように主ポンプセル２１を制御する処理と、通常時調整用ポンプ制御処理と比べて第２内部空所４０の酸素をより多く汲み出すように補助ポンプセル５０を制御する処理と、の少なくともいずれかを含んでいる。

　また、被測定ガスは、内燃機関の排ガスであり、制御部９１は、内燃機関のフューエルカットに伴うポンプ電流Ｉｐ２の急変時の挙動に基づいて、リフレッシュ要否判定処理を行う。上述したように、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートは、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の急変ではなくＨ₂Ｏ濃度の急変時に生じやすい。そして、内燃機関のフューエルカット時には、一時的に被測定ガスが大気雰囲気と同じような状態になるため、Ｈ₂Ｏ濃度が急変している可能性が高い。そのため、内燃機関のフューエルカットに伴うポンプ電流Ｉｐ２の急変時の挙動に基づいて要否判定を行うことで、リフレッシュの要否をより適切に判定できる。例えば、ＮＯｘ濃度が急変してもＨ₂Ｏ濃度が急変していない場合は、実際にはセンサ素子１０１がリフレッシュ処理が必要な状態であっても、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートがあまり大きくならない場合がある。この場合にリフレッシュ要否判定処理を行うと、リフレッシュ処理が不要であると判定してしまい、要否判定が適切に行えない場合がある。これに対し、Ｈ₂Ｏ濃度が急変している可能性の高いフューエルカット時にリフレッシュ要否判定処理を行うことで、リフレッシュの要否をより適切に判定できる。

　さらにまた、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ２の急変時のアンダーシュート量が許容範囲から外れていた場合に、センサ素子１０１のリフレッシュが必要であると判定する。これにより、アンダーシュート量に基づいてリフレッシュの要否を適切に判定できる。

　そして、制御装置９０は、被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含むとみなせるときにリフレッシュ処理を行う。リフレッシュ処理は、被測定ガスが炭素を含む状態で行う必要があるため、被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含むとみなせるときにリフレッシュ処理を行うことで、効果的にリフレッシュを行うことができる。これにより、例えばリフレッシュ処理を行ってもアンダーシュート及びオーバーシュートが低減されず再度のリフレッシュ処理が必要になるといった状況になりにくい。

　そしてまた、リフレッシュ処理の処理時間は１秒以上１０秒以下である。処理時間を１秒以上とすることで、センサ素子１０１をより確実にリフレッシュさせることができる。また、リフレッシュ処理は長期間実行してもリフレッシュする効果があまり高くならず、開始から最初の１０秒間でのリフレッシュ効果が比較的高い。また、リフレッシュ処理中はＮＯｘ濃度を正しく検出できないため、リフレッシュ処理の処理時間は短い方が好ましい。処理時間を１０秒以下とすることで、ＮＯｘ濃度を正しく検出できない時間を短くしつつ、センサ素子１０１のリフレッシュを効率的に行うことができる。なお、リフレッシュ処理の処理時間を１０秒以下とすることで１回のリフレッシュ処理ではポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートが十分低減できない場合もある。ただし、この場合は次のリフレッシュ要否判定処理（例えば図７のステップＳ１７０を行った後のステップＳ１２０）においてリフレッシュ処理が必要であると判定されて再びリフレッシュ処理が実行されることになる。そのため、リフレッシュ要否判定処理でリフレッシュ処理が不要であると判定されるまでは、リフレッシュ処理は繰り返し実行されて、最終的にはリフレッシュ処理が不要と判定される程度にアンダーシュート及びオーバーシュートが低減されることになる。

　また、リフレッシュ処理の処理時間を１０秒以下とすることで、センサ素子１０１のライトオフ時間を短くすることができる。例えば、図７のステップＳ１９０で通常時制御処理を開始してから、ポンプ電流Ｉｐ２がＮＯｘ濃度に対応する値になるまでに時間がかかる場合がある。この時間はライトオフ時間と呼ばれ、ライトオフ時間が経過するまではＮＯｘ濃度を正しく測定できない。そして、リフレッシュ処理時間が長くなるほど、ライトオフ時間も長くなる傾向がある。リフレッシュ処理の処理時間を１０秒以下とすることで、センサ素子１０１のライトオフ時間を短くして、リフレッシュ処理後に速やかにＮＯｘ濃度の測定を開始することができる。

　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。

　例えば、上述した実施形態では、図７のステップＳ１２０において、ＣＰＵ９２はポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート量に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ったが、これに限らずポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートに基づいて要否判定を行えばよい。例えば、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートの最低値に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。あるいは、ポンプ電流Ｉｐ２がアンダーシュートの最低値になったときからその後にポンプ電流Ｉｐ２が安定するまでの時間であるアンダーシュート時間に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。また、ＣＰＵ９２はポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュートに基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。例えば、ポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュート量に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。ポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュートの最高値に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。あるいは、ポンプ電流Ｉｐ２がオーバーシュートの最高値になったときからその後にポンプ電流Ｉｐ２が安定するまでの時間であるオーバーシュート時間に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。また、ＣＰＵ９２はポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートとオーバーシュートとの両方に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行ってもよい。

　ポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュート量に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行う場合、ステップＳ１１０で判定する要否判定タイミングは、オーバーシュートが生じる可能性のあるタイミングとして、例えばフューエルカットの終了時としてもよい。フューエルカットの終了時は、フューエルカット開始時と同様に上述したフューエルカット実行情報に基づいて検出することができる。例えば、ＣＰＵ９２は、エンジンＥＣＵからフューエルカットがなされた旨のフューエルカット実行情報を取得したか否かを所定時間毎に判定しておき、フューエルカット実行情報を取得してから初めてフューエルカット実行情報を取得しなくなったときに、フューエルカットが終了したため要否判定タイミングであると判定してもよい。

　上述した実施形態では、ポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュートに基づいてリフレッシュの要否判定を行ったが、ポンプ電流Ｉｐ２そのものに基づいて判定を行う場合に限らず、ポンプ電流Ｉｐ２に換算可能な値又はポンプ電流Ｉｐ２と同視できる値に基づいて判定を行ってもよい。例えば、ポンプ電流Ｉｐ２に基づくＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］の値の挙動（アンダーシュート及びオーバーシュートの少なくとも一方）に基づいて、リフレッシュの要否判定を行ってもよい。

　上述した実施形態では、ステップＳ１７０のリフレッシュ処理はリフレッシュ時主ポンプ制御処理としたが、上述したようにリフレッシュ処理はリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理とリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理との少なくともいずれかを含んでいればよい。したがって、ステップＳ１７０では、リフレッシュ時主ポンプ制御処理，リフレッシュ時補助ポンプ制御処理，及びリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理のうち１以上を実行すればよい。ただし、図６及び表１を用いて説明したように、リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理の方がリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理よりもリフレッシュ効果が高いため、リフレッシュ処理は、リフレッシュ時主ポンプ制御処理及びリフレッシュ時補助ポンプ制御処理の少なくともいずれかを含むことが好ましい。

　上述した実施形態では、リフレッシュ時主ポンプ制御処理，リフレッシュ時補助ポンプ制御処理，及びリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理は、いずれも通常時と比べて目標値を高くする処理としたが、通常時と比べて被測定ガス流通部内の酸素をより多く汲み出すように制御する処理であればよい。例えば、リフレッシュ時の制御処理は、目標値を用いたフィードバック制御を行わずにポンプセルの定電圧制御を行う処理としたり、ポンプセルの定電流制御を行う処理としてもよい。例えば、リフレッシュ時主ポンプ制御処理は、フィードバック制御を行わずに、ポンプ電圧Ｖｐ０が通常時主ポンプ制御処理中の値よりも高い所定の定電圧になるように、ＣＰＵ９２が可変電源２４を制御する処理としてもよい。あるいは、リフレッシュ時主ポンプ制御処理は、ポンプ電流Ｉｐ０が通常時主ポンプ制御処理中の値よりも高い所定の定電流になるように、ＣＰＵ９２が可変電源２４を制御する処理としてもよい。リフレッシュ時補助ポンプ制御処理及びリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理についても同様である。

　上述した実施形態では、リフレッシュ処理の実行タイミングとして内燃機関のフューエルカット時以外の運転中を例示したが、被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含むとみなせるタイミングであれば、これに限られない。例えば、ガスセンサ１００が取り付けられた車両がハイブリッド車である場合、ハイブリッド車の電気運転時（エンジン停止時）且つ排ガス静止時（センサ素子１０１の周囲に排ガスが残っている時）を、実行タイミングとしてもよい。また、被測定ガスが大気雰囲気でないとみなせるタイミングを、実行タイミングとしてもよい。また、実行タイミングか否かの判定、すなわち被測定ガス流通部内の被測定ガスが炭素を含むとみなせるか否かの判定を行わずに、リフレッシュ処理を行ってもよい。例えば、センサ素子１０１が図７の制御ルーチンを行っているときは、基本的には内燃機関の運転中であり、リフレッシュ処理を行う効果が得られる。そのため、ステップＳ１４０を省略してもよい。この場合、例えば運転中ではなくフューエルカット中にリフレッシュ処理を行ってしまいポンプ電流Ｉｐ２のアンダーシュート及びオーバーシュートを低減できない場合もある。しかし、この場合は次のリフレッシュ要否判定処理でリフレッシュ処理が必要であると判定されて再びリフレッシュ処理が実行されることになり、そのとき内燃機関が運転中であれば、リフレッシュ処理の効果が得られる。このように、リフレッシュ処理の実行タイミングであるか否かを判定しない場合でも、リフレッシュ処理を複数回行うことで最終的にはアンダーシュート及びオーバーシュートを低減することはできる。ただし、上述したようにリフレッシュ処理中はＮＯｘ濃度を正しく測定できないため、そのような時間をなるべく少なくすべく実行タイミングか否かの判定を行うことが好ましい。

　上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、フューエルカット実行情報に基づいてフューエルカットの開始時を検出したりフューエルカット時以外であることを検出したりしたが、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいてこれらを検出してもよい。上述したように、通常時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。そして、被測定ガスが内燃機関の排ガスである場合には、フューエルカット時には被測定ガス中の酸素濃度が大気中の酸素濃度と同程度となる。そのため、ＣＰＵ９２は、通常時主ポンプ制御処理中に流れるポンプ電流Ｉｐ０が、大気中の酸素濃度と同じとみなせる所定範囲の濃度（例えば２０～２２％など）に対応する値であるか否かによって、フューエルカット中か否かを判定することができる。そこで、例えばＣＰＵ９２はステップＳ１１０でポンプ電流Ｉｐ０に基づいてフューエルカットの開始時であるか否かを判定して、開始時であれば要否判定タイミングであると判定してもよい。また、ＣＰＵ９２はステップＳ１４０でポンプ電流Ｉｐ０に基づいてフューエルカット中か否かを判定して、フューエルカット中でなければリフレッシュ処理の実行タイミングであると判定してもよい。ステップＳ１２０でポンプ電流Ｉｐ２のオーバーシュート量に基づいてリフレッシュ処理の要否判定を行う場合は、ＣＰＵ９２はステップＳ１１０でポンプ電流Ｉｐ０に基づいてフューエルカットの終了時であるか否かを判定して、終了時であれば要否判定タイミングであると判定してもよい。

　上述した実施形態では説明しなかったが、ステップＳ１７０のリフレッシュ処理中にフューエルカットが開始されてしまう場合もある。この場合は、処理時間（上述した実施形態では１０秒）の経過を待たずにリフレッシュ処理を終了してもよい。

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

　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と接触す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と接触す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と接触する部分に配設された外側測定電極と、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，及び外側測定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。

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

　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（Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、上述した実施形態の第４拡散律速部６０と同様に、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。また、第４拡散律速部４５は、測定電極４４の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａは、測定電極４４の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子２０１であっても、上述した実施形態と同様に例えばポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出できる。この場合、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。

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

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

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

　上述した実施形態では、リフレッシュ時主ポンプ制御処理における目標値Ｖ０ｒ＊は目標値Ｖ０＊よりも高い値とし、図６では目標値Ｖ０ｒ＊は１０００ｍＶとした。この目標値Ｖ０ｒ＊は、７００ｍＶ超過１１００ｍＶ以下が好ましい。本発明者らは、目標値Ｖ０ｒ＊を７００ｍＶ～１１００ｍＶの範囲で異ならせた場合の、リフレッシュ処理時間とアンダーシュート量の低減効果との関係を調べた。結果を図９に示す。図９の横軸及び縦軸は図６の横軸及び縦軸と同じであり、図９のグラフは目標値Ｖ０ｒ＊を異ならせた点以外は図６の実線（凡例で「Ｖ０」と表記）で示したグラフと同じ条件で測定した。図９では、目標値Ｖ０ｒ＊を７００ｍＶ，８００ｍＶ，９００ｍＶ，１０００ｍＶ，１１００ｍＶの５通りに変化させた場合の結果を示している。図９のうち目標値Ｖ０ｒ＊が１０００ｍＶの場合の結果（図９の二点鎖線のグラフ）は、目標値Ｖ０ｒ＊の値が同じ１０００ｍＶである図６の実線のグラフとほぼ同じ結果になった。図９からわかるように、目標値Ｖ０ｒ＊が大きいほど、差ΔＵＳが短時間で０％に近づく傾向があり、センサ素子１０１をリフレッシュさせる効果が高いことが確認された。また、目標値Ｖ０ｒ＊が７００ｍＶではセンサ素子１０１をリフレッシュさせる効果がほとんど得られなかったことから、目標値Ｖ０ｒ＊は７００ｍＶ超過が好ましく、８００ｍＶ以上がより好ましいと考えられる。また、目標値Ｖ０ｒ＊が高いほどリフレッシュ時主ポンプ制御処理時の電圧Ｖｐ０が高くなる。そして、電圧Ｖｐ０が高すぎると、センサ素子１０１の固体電解質（ここではジルコニア）の還元が生じてしまう場合がある。そのため、目標値Ｖ０ｒ＊は１１００ｍＶ以下が好ましい。リフレッシュ時補助ポンプ制御処理の目標値Ｖ１ｒ＊，及びリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理の目標値Ｖ２ｒ＊についても、目標値Ｖ０ｒ＊と同様に７００ｍＶ超過１１００ｍＶ以下が好ましく、８００ｍＶ以上がより好ましい。

　本出願は、２０２１年８月２５日に出願された日本国特許出願第２０２１－１３７０９４号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。

　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などの特定ガス濃度を検出するガスセンサに利用可能である。

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　大気導入層、５０　補助ポンプセル、５１　補助ポンプ電極、５１ａ　天井電極部、５１ｂ　底部電極部、５２　可変電源、６０　第４拡散律速部、６１　第３内部空所、７０　ヒータ部、７１　コネクタ電極、７２　ヒータ、７３　スルーホール、７４　ヒータ絶縁層、７５　圧力放散孔、７６　ヒータ電源、８０　主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１　補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２　測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３　センサセル、９０　制御装置、９１　制御部、９２　ＣＰＵ、９４　記憶部、１００　ガスセンサ、１０１，２０１　センサ素子。

Claims

　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
　前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた外側測定電極と、前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極と、を有し、前記内側測定電極の周囲から前記外側測定電極の周囲に酸素の汲み出しを行う測定用ポンプセルと、
　前記被測定ガス流通部のうち前記測定室の上流側に設けられた酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
　前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
　前記基準電極と前記内側測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出センサセルと、
　を有するセンサ素子と、
　前記調整用ポンプセルを動作させる通常時調整用ポンプ制御処理と、前記センサ素子の前記測定用電圧が目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素を汲み出す通常時測定用ポンプ制御処理と、を行い、該通常時測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出部と、
　前記測定用ポンプ電流の急変時のアンダーシュートとオーバーシュートとの少なくとも一方に基づいて前記センサ素子のリフレッシュの要否を判定するリフレッシュ要否判定処理を行う要否判定部と、
　前記リフレッシュ要否判定処理で前記リフレッシュが必要と判定した場合に、前記通常時調整用ポンプ制御処理と比べて前記酸素濃度調整室の酸素をより多く汲み出すように前記調整用ポンプセルを制御するリフレッシュ時調整用ポンプ制御処理と、前記通常時測定用ポンプ制御処理と比べて前記測定室の酸素をより多く汲み出すように前記測定用ポンプセルを制御するリフレッシュ時測定用ポンプ制御処理と、の少なくともいずれかを含むリフレッシュ処理を行うリフレッシュ制御部と、
　を備えたガスセンサ。
　前記リフレッシュ処理は、前記リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理を含む、
　請求項１に記載のガスセンサ。
　前記酸素濃度調整室は、第１内部空所と、該第１内部空所よりも下流側且つ前記測定室よりも上流側に設けられた第２内部空所と、を有し、
　前記調整用ポンプセルは、前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、を有し、
　前記リフレッシュ時調整用ポンプ制御処理は、前記通常時調整用ポンプ制御処理と比べて前記第１内部空所の酸素をより多く汲み出すように前記主ポンプセルを制御する処理と、前記通常時調整用ポンプ制御処理と比べて前記第２内部空所の酸素をより多く汲み出すように前記補助ポンプセルを制御する処理と、の少なくともいずれかを含む、
　請求項２に記載のガスセンサ。
　前記被測定ガスは、内燃機関の排ガスであり、
　前記要否判定部は、前記内燃機関のフューエルカットに伴う前記測定用ポンプ電流の急変時の挙動に基づいて、前記リフレッシュ要否判定処理を行う、
　請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
　前記要否判定部は、前記測定用ポンプ電流の急変時のアンダーシュート量とオーバーシュート量との少なくとも一方が許容範囲から外れていた場合に、前記リフレッシュが必要であると判定する、
　請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
　前記リフレッシュ制御部は、前記被測定ガス流通部内の前記被測定ガスが炭素を含むとみなせるときに前記リフレッシュ処理を行う、
　請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
　前記リフレッシュ処理の処理時間は１秒以上１０秒以下である、
　請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。