JP7301781B2

JP7301781B2 - センサ素子のクラック検出方法及びセンサ素子の評価方法

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Publication number: JP7301781B2
Application number: JP2020055467A
Authority: JP
Inventors: 悠介渡邉; 高幸関谷
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2023-07-03
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2021156665A

Description

本発明は、センサ素子のクラック検出方法及びセンサ素子の評価方法に関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおける酸素やＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサとして、酸素イオン伝導性の固体電解質層を有するセンサ素子を用いたものが知られている。例えば、特許文献１には、被測定ガスが流通する排気チャンバに設けられたガス検出電極と、基準ガスが導入される大気ダクトに設けられた基準電極と、ガス検出電極及び基準電極に挟まれた固体電解質層と、を備えたセンサ素子を用いたガスセンサが記載されている。このガスセンサで酸素濃度を検出する場合、ガス検出電極の周囲の酸素を基準電極の周囲に汲み出すように電圧が制御され、そのときに流れる電流に基づいて被測定ガス中の酸素濃度が検出される。

また、例えば、特許文献２には、固体電解質層を有する素子本体と、被測定ガス流通部の酸素濃度を調整する主ポンプセル及び補助ポンプセルと、被測定ガス流通部のうちの下流側に配置された測定電極とを備えたセンサ素子を用いたガスセンサが記載されている。このガスセンサでＮＯｘの濃度を検出する場合、まず、主ポンプセル及び補助ポンプセルによってセンサ素子の内部の被測定ガス流通部とセンサ素子の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われて、被測定ガス流通部内の酸素濃度が調整される。そして、酸素濃度が調整された後の被測定ガス中のＮＯｘが測定電極の周囲で還元される。そして、測定電極の周囲の酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が検出される。

こうしたセンサ素子のクラック検出方法として、例えば、特許文献１には、基準電極側からガス検出電極側に酸素を供給するように両電極間に所定電圧を印加し、酸素供給に伴い生じる両電極間の電流の変化速度に基づいて固体電解質層のクラックを検出することが記載されている。

特開２０１４－２３５１０７号公報特開２０１６－１６６８７１号公報

特許文献１のクラック検出方法では、上記の通り、被測定ガスに対するセンサ出力を取得するための通常の制御とは電圧の印加方向を変えた制御を行っている。一方で、特許文献２に記載のセンサ素子の出力特性を評価する場合には、被測定ガスに対するセンサ出力を取得するための通常の制御として、主ポンプセル及び補助ポンプセルの所定の制御（上流ポンプ制御とも称する）が行われる。そのため、特許文献２のセンサ素子において特許文献１に記載の方法を適用してクラックを検出したい場合には、主ポンプセル及び補助ポンプセルについて上流ポンプ制御とは異なる制御を行う必要があった。

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、被測定ガスに対するセンサ出力を取得するときに行われる主ポンプセル及び補助ポンプセルの制御と同じ制御の実行中にクラックの検出が可能なセンサ素子のクラック検出方法及びセンサ素子の評価方法を提供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。

本発明のセンサ素子のクラック検出方法は、
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、
前記被測定ガス流通部のうちの第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第１内部空所の下流側に設けられた第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第２内部空所の下流側に設けられた測定室に配置された測定電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
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を導入して前記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のクラック検出方法であって、
前記被測定ガス流通部の入口が酸素濃度既知のクラック検出用被測定ガスに接触し、前記基準ガス導入部の入口が酸素濃度既知で前記クラック検出用被測定ガスよりも酸素濃度の高いクラック検出用基準ガスに接触した状態で、前記第２内部空所の酸素濃度が目標濃度となるように前記補助ポンプセルを制御する補助ポンプ制御処理と、前記補助ポンプセルが前記第２内部空所の酸素を汲み出し且つ前記補助ポンプセルが前記第２内部空所の酸素を汲み出すときに前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流が目標値となるように前記主ポンプセルを制御する主ポンプ制御処理と、を含む上流ポンプ制御処理を実行し、該上流ポンプ制御処理の実行中に前記主ポンプセルに流れる主ポンプ電流を取得する主ポンプ電流取得工程と、
前記主ポンプ電流取得工程で取得した前記主ポンプ電流に基づいて前記センサ素子のクラックを検出するクラック検出工程と、
を含むものである。

このセンサ素子のクラック検出方法では、第２内部空所の酸素濃度が目標濃度となるように補助ポンプセルを制御する補助ポンプ制御処理と、補助ポンプセルが第２内部空所の酸素濃度を調整するときに補助ポンプセルが第２内部の酸素を汲み出し且つ補助ポンプセルが第２内部空所の酸素を汲み出すときに補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流が目標値となるように主ポンプセルを制御する主ポンプセル制御処理と、を含む上流ポンプ制御処理が実行される。このとき、例えば被測定ガス流通部に基準ガスと接触する部分から連通するクラックがあると、こうしたクラックがない場合よりも、上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセルに流れる主ポンプ電流が大きくなる。この理由は、例えば以下のように推察される。上述のクラックがあると、クラック検出用被測定ガスよりも酸素濃度の高いクラック検出用基準ガス中の酸素がクラックを介して被測定ガス流通部にリークする。このリークした酸素の分だけ被測定ガス流通部の酸素濃度が高くなるから、主ポンプセルに流れる主ポンプ電流は、第１内部空所の酸素を汲み出す方向を正とすると、クラックがない場合よりも大きくなる。このようにセンサ素子にクラックがある場合には上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセルに流れる主ポンプ電流が大きくなることを利用して、本発明では、主ポンプ電流に基づいてセンサ素子のクラックを検出できる。さらに、上述した上流ポンプ制御処理は、本発明でクラック検出対象となるセンサ素子を用いて被測定ガスに対するセンサ出力（検出値とも称する）を取得するときに行われる主ポンプセル及び補助ポンプセルの制御（すなわち上流ポンプ制御）である。そのため、本発明では、この上流ポンプ制御処理と同じ制御の実行中にクラックの検出が可能となる。

本発明のセンサ素子のクラック検出方法において、前記主ポンプ電流取得工程では、前記被測定ガス流通部の入口が酸素濃度２５０ｐｐｍ以下の前記クラック検出用被測定ガスに接触した状態で前記上流ポンプ制御処理を実行するものとしてもよい。クラック検出用被測定ガスの酸素濃度が低いほど、被測定ガス流通部に存在する酸素のうちクラックを介して被測定ガス流通部に到達した酸素の割合が大きくなり、クラックがない場合とクラックがある場合との主ポンプ電流の値の区別がしやすくなる。このため、酸素濃度２５０ｐｐｍ以下のような酸素濃度の低いクラック検出用被測定ガスを用いれば、クラックを精度よく検出できる。

本発明のセンサ素子のクラック検出方法において、前記主ポンプ電流取得工程では、前記補助ポンプ電流の目標値を３０μＡ以下の値に設定してもよいし、前記補助ポンプ電流の目標値を１５μＡ以下の値に設定してもよい。クラック検出用被測定ガスの酸素濃度に対して補助ポンプ電流が大きすぎると、第２内部空所の酸素が不足して代わりに固体電解質層の酸素が奪われることなどによって、固体電解質層の黒化などの不具合が生じることがあるが、補助ポンプ電流の目標値が３０μＡ以下であれば、そうした不具合が生じにくい。補助ポンプ電流の目標値が１５μＡ以下であれば、そうした不具合がより生じにくい。補助ポンプ電流の目標値は、第２内部空所の酸素を汲み出すことができる値、つまり、０μＡ超過であればよいが、３μＡ以上としてもよく、５μＡ以上としてもよい。補助ポンプ電流の目標値は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するときに実行する上流ポンプ制御処理で設定する補助ポンプ電流の目標値と同じ値としてもよい。

本発明のセンサ素子のクラック検出方法において、前記主ポンプ電流取得工程では、前記クラック検出用被測定ガスが流速０．１ｍ／ｓ以上で流れるチャンバー内に前記被測定ガス流通部の入口が配置された状態で前記上流ポンプ制御処理を実行するものとしてもよい。クラック検出用被測定ガスの流速が０．１ｍ／ｓ以上では、クラックがない場合の主ポンプ電流に対するクラックがある場合の主ポンプ電流の増分が大きくなるため、クラックを精度よく検出できる。

本発明のセンサ素子の評価方法は、上述したいずれかのセンサ素子のクラック検出方法を含むセンサ素子の評価方法であって、前記センサ素子は、前記測定室の酸素濃度を調整する測定用ポンプセルを備え、前記主ポンプ電流取得工程の前記上流ポンプ制御処理の実行中に、前記基準電極と前記測定電極との間の測定用電圧が目標値となるように前記測定室の酸素を汲み出すよう前記測定用ポンプセルを制御する目標電圧設定型制御処理を実行し該目標電圧設定型制御処理の実行中に前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流を第１検出値として取得するか、又は、前記測定用ポンプセルが前記測定室の酸素を汲み出し且つ前記測定用ポンプ電流が目標値となるように前記測定用ポンプセルを制御する目標電流設定型制御処理を実行し、該目標電流設定型制御処理の実行中における前記測定用電圧を第１検出値として取得する第１検出値取得工程と、前記第１検出値に基づいて前記センサ素子の出力特性を検査する出力特性検査工程と、を含むものとしてもよい。このセンサ素子の評価方法では、主ポンプ電流取得工程と第１検出値取得工程とを並行して行うことができるため、センサ素子を効率よく評価できる。

本発明のセンサ素子の評価方法は、上述したいずれかのセンサ素子のクラック検出方法を含むセンサ素子の評価方法であって、前記センサ素子は、前記測定室の酸素濃度を調整する測定用ポンプセルを備え、前記被測定ガス流通部の入口が酸素濃度既知の出力特性検査用被測定ガスに接触し、前記基準ガス導入部の入口が酸素濃度既知の出力特性検査用基準ガスに接触した状態で、前記上流ポンプ制御処理を実行し、該上流ポンプ制御処理の実行中に、前記基準電極と前記測定電極との間の測定用電圧が目標値となるように前記測定室の酸素を汲み出すよう前記測定用ポンプセルを制御する目標電圧設定型制御処理を実行し該目標電圧設定型制御処理の実行中に前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流を第２検出値として取得するか、又は、前記測定用ポンプセルが前記測定室の酸素を汲み出し且つ前記測定用ポンプ電流が目標値となるように前記測定用ポンプセルを制御する目標電流設定型制御処理を実行し、該目標電流設定型制御処理の実行中における前記測定用電圧を第２検出値として取得する第２検出値取得工程と、前記第２検出値に基づいて前記センサ素子の出力特性を検査する出力特性検査工程と、を含み、前記第２検出値取得工程の前後に前記主ポンプ電流取得工程を行うものとしてもよい。こうすれば、第２検出値取得工程の前からクラックが存在していたのか、第２検出値取得工程の途中でクラックが発生したのかを判断できる。

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。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。制御装置９０と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。センサ素子１０１の評価処理の一例を示すフローチャート。クラックがない場合の酸素の流れを示す説明図。クラックがある場合の酸素の流れを示す説明図。ガス流速とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフ。変形例のセンサ素子２０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図。

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。まず、本実施形態のクラック検出方法を行う対象となるセンサ素子及びこれを備えたガスセンサについて説明ずる。図１は、センサ素子１０１を備えたガスセンサ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、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９０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。

図１に示すように、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と素子封止体１４１とを含む組立体１１５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の後端側を保護する外筒１４８と、ボルト１４７と、コネクタ１５０と、リード線１５５と、ゴム栓１５７と、制御装置９０（図３参照）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。

素子封止体１４１は、センサ素子１０１を封入固定する部材であり、主体金具１４２及び内筒１４３を備えた筒状体１４０と、筒状体１４０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，封止材１４５ａ，１４５ｂ，メタルリング１４６と、を備えている。封止材１４５ａ，１４５ｂは、例えば粉末を成型した圧粉体である。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、封止材１４５ｂを内筒１４３の中心軸に向けて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，封止材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、封止材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、封止材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。つまり、封止材１４５ａ，１４５ｂが、センサ素子１０１と筒状体１４０との間の空間を、被測定ガス側空間であるセンサ素子室１３３と、基準ガス側空間である空間１４９とに区画している。主体金具１４２及び内筒１４３は、例えば金属製部材であり、その材質としては、例えばＣｒ－Ｆｅ系合金（例えばＳＵＳ４３０）などのステンレス鋼が挙げられる。セラミックスサポーター１４４ａ～１４４ｃは、例えばアルミナ、ステアタイト、ジルコニア、スピネルなどのセラミックスからなる部材である。封止材１４５ａ，１４５ｂの材質としては、タルクのほか、アルミナ粉末、ボロンナイトライドなどのセラミックス粉末が挙げられ、封止材１４５ａ，１４５ｂはそれぞれこれらの少なくともいずれかを含んでいてもよい。

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。保護カバー１３０は、例えば金属製部材であり、主体金具１４２に溶接されている。

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。

外筒１４８は、筒状の金属製部材であり、内筒１４３，センサ素子１０１，コネクタ１５０の周囲を覆っている。外筒１４８の内側には主体金具１４２の後端が挿入されている。外筒１４８の下端は主体金具１４２と溶接されている。外筒１４８の後端からは、コネクタ１５０に接続された複数のリード線１５５が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。コネクタ１５０は、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。外筒１４８は、センサ素子１０１の後端を保護する役目も果たす。

センサ素子１０１は、図２に示すように、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である素子本体１０２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。また、センサ素子１０１は、素子本体１０２の一部を含んで構成される各セル２１，４１，５０，８０～８３を備えている。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２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、基準ガス導入空間４３の後端にある入口４３ｃから、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、起電力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、その起電力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。

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にて検出された起電力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。

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３に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２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。制御部９１は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される起電力Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される起電力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が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２を制御し、これにより、主ポンプセル２１，測定用ポンプセル４１及び補助ポンプセル５０を制御する。また、制御部９１は図示しないヒータ電源を制御してヒータ７２に給電を行い、センサ素子１０１の加熱と保温を行う。記憶部９４には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，Ｉｐ１＊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＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，Ｉｐ１＊を参照して、各ポンプセル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を制御する補助ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、起電力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、補助ポンプセル５０が第２内部空所４０の酸素を汲み出し、且つ補助ポンプセル５０が第２内部空所４０の酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流Ｉｐ１が目標値（目標値Ｉｐ１＊と称する）となるように主ポンプセル２１を制御する主ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、電圧Ｖｐ１が酸素を汲み出すような向き（つまり内側ポンプ電極２２よりも外側ポンプ電極２３が高電位）となり、且つ、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定の目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて起電力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、起電力Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。この主ポンプ制御処理により、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。また、この主ポンプ制御処理中に流れるポンプ電流Ｉｐ０は、被測定ガス中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できる。

更に、制御部９１は、起電力Ｖ２に基づいて、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で発生する酸素を第３内部空所６１から外へ汲み出すよう測定用ポンプセル４１を制御する測定用ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９１は、起電力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）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。これにより、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、上述した補助ポンプ制御処理及び主ポンプ制御処理を含む上流ポンプ制御処理と、測定用ポンプ制御処理と、の実行中に、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、検出値（ここではポンプ電流Ｉｐ２）と特定ガス濃度（ここではＮＯｘ濃度）との対応関係（特定ガス濃度用対応関係と称する）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、こうして構成されたセンサ素子１０１に対して行う本実施形態のクラック検出方法を含む評価方法について、図４を用いて説明する。図４は、センサ素子１０１の評価処理の一例を示すフローチャートである。この評価処理では、センサ素子１０１の初期クラックの検出のほか、センサ素子１０１の出力特性の検査、センサ素子１０１の後発クラックの検出も行う。なお、センサ素子１０１において、例えば、センサ素子１０１の被測定ガス流通部と、センサ素子１０１のうち基準ガスと接触する部分（例えば、基準ガス導入空間４３やヒータ部７０）との間を貫通するクラックが存在する場合には、クラックを介してセンサ素子１０１にガスリークが発生する。このため、以下では、センサ素子１０１のクラックに起因するガスリークをセンサ素子１０１のガスリークとも称する。センサ素子１０１のクラックは、センサ素子１０１の製造時に生じるほか、センサ素子１０１を使用するためにヒータ７２によってセンサ素子１０１を加熱したときや、その状態でセンサ素子１０１を使用したとき（例えば出力特性の検査中）の熱応力などによっても生じることがある。そこで、本実施形態では、出力特性の検査前からセンサ素子１０１に存在するクラックであるセンサ素子１０１の初期クラックの検出のほか、出力特性の検査中にセンサ素子１０１に発生するクラックであるセンサ素子１０１の後発クラックの検出も行う。本実施形態では、ガスセンサ１００として組み立てられた状態のセンサ素子１０１に対してクラックの検出を行う。また、本実施形態では、上述した制御装置９０を用いて評価処理を実行する。

本実施形態では、評価処理の準備として、ガスセンサ１００を実験用のチャンバーとしての配管１９０に取り付ける（図１参照）。配管１９０には、上流側に接続された図示しない給気部及び下流側に接続された図示しない排気部を備えた給排気装置が接続されている。給気部には、Ｎ₂ボンベ、Ｏ₂ボンベ、ＮＯボンベなどが接続されている。そして、この給排気装置に、上述した制御部９１を接続する。制御部９１の記憶部９４には、評価処理に用いる被測定ガスの組成や流速（流量）等のシーケンスを記憶させておく。このシーケンスに従って、制御部９１のＣＰＵ９２は、評価処理において配管１９０に導入される被測定ガスの組成や流速（流量）等を調整するよう給排気装置を制御する。また、制御部９１の記憶部９４には、後述する閾値Ｉｐ０ＣＴ及び、出力特性の検査に用いる後述する近似直線の傾き及び切片の許容範囲、センサ出力の差の上限値などを記憶させておく。これらを用いて、制御部９１は、評価処理において、センサ素子１０１のクラック検査及び、センサ素子１０１の出力特性の検査を行う。こうした評価処理の準備が完了し、作業者が制御部９１に評価処理開始の指示を与えると、制御部９１は、図４に示す評価処理を開始する。

評価処理を開始すると、制御部９１は、まず、上述した上流ポンプ制御処理及び上述した測定用ポンプ制御処理の実行を開始する（Ｓ１００，Ｓ１１０）。なお、Ｓ１００及びＳ１１０の前に、制御部９１は上述したヒータ電源の制御を開始してセンサ素子１０１の加熱と保温を行っているものとする。

ここで、Ｓ１００の上流ポンプ制御処理の実行中の酸素の流れについて、図５，６を用いて、センサ素子１０１のクラックがない場合とある場合とに分けて説明する。図５は、センサ素子１０１のクラックがない場合の酸素の流れを示す説明図である。図６は、センサ素子１０１のクラックがある場合の酸素の流れを示す説明図である。図５，６では、一例として、被測定ガスがＮ₂ガス（酸素濃度０％設定、以下同じ）の場合について説明する。なお、図５，６では、ポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１によって理論上流れる（流そうとする）酸素の流れを破線の白抜き矢印で示す。図６では、センサ素子１０１のクラックによる酸素の流れを実線の白抜き矢印で示す。

上述した通り、上流ポンプ制御処理では、制御部９１は、第２内部空所４０の酸素濃度が目標濃度となるように補助ポンプセル５０を制御する補助ポンプ制御処理と、補助ポンプセル５０が第２内部空所４０から酸素を汲み出し且つそのときに補助ポンプセル５０に流れるポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊と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実行する。目標値Ｉｐ１＊は、例えば３０μＡ以下の値である。本実施形態では、Ｉｐ１＊は、ガスセンサ１００の実際の使用時（例えば車両の排気ガスのＮＯｘ濃度を測定するとき）に実行する上流ポンプ制御処理で設定する目標値Ｉｐ１＊と同じ値とした。ここで、被測定ガスに酸素が含まれない場合、センサ素子１０１のクラックがなければ、第１内部空所２０及び第２内部空所４０には理論上酸素は存在しない。このため、図５に示すように、センサ素子１０１のクラックがない場合、ポンプ電流Ｉｐ１によって第２内部空所４０から汲み出される酸素を補うために、制御部９１は、第１内部空所２０に酸素を汲み入れるように主ポンプセル２１を制御する。このため、ポンプ電流Ｉｐ０は、第１内部空所２０の酸素を汲み出す方向を正とすると、負の値となる。一方、センサ素子１０１のクラックがある場合、例えば、図６のように第１内部空所２０とヒータ絶縁層７４とを連通するクラックがある場合、空間１４９（図１参照）の大気中の酸素が、センサ素子１０１の入口４３ｃから基準ガス導入空間４３に導入され、圧力放散孔７５、ヒータ絶縁層７４を通ってクラックに到達し、クラックを介して少なくとも第１内部空所２０まで到達する。第１内部空所２０に到達した酸素は、主ポンプセル２１によって第１内部空所２０から汲み出されるか、第２内部空所４０まで拡散する。こうして、センサ素子１０１のクラックがある場合、第１内部空所２０又は第２内部空所４０の酸素濃度が高くなる。このため、第１内部空所２０又は第２内部空所４０の高くなった酸素濃度を目標濃度にするために、制御部９１は、第１内部空所２０の酸素を汲み出すように主ポンプセル２１を制御する。このため、ポンプ電流Ｉｐ０は、第１内部空所２０の酸素を汲み出す方向を正とすると、正の値となり、したがってクラックがない場合よりも大きな値となる。具体的には、クラックによって第１内部空所２０の酸素濃度が高くなった場合、クラックがない場合よりも起電力Ｖ０が小さくなる。そして、制御部９１は起電力Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように主ポンプセル２１を制御するため、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０は正の値になる。また、クラックによって第２内部空所４０の酸素濃度が高くなった場合、クラックがない場合よりも起電力Ｖ１が小さくなる。そして、制御部９１は、起電力Ｖ１が目標値Ｖ１＊になるように補助ポンプセル５０を制御するため、補助ポンプセル５０に流れるポンプ電流Ｉｐ１が大きい値になる。そして、大きくなったポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるよう、制御部９１は、起電力Ｖ０の目標値Ｖ０＊をクラックがない場合よりも大きい値に設定する。つまり、制御部９１は、クラックがない場合よりも第１内部空所２０の酸素濃度を低くするように目標値Ｖ０＊を設定する。そして、制御部９１は、起電力Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように、主ポンプセル２１を制御するため、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０は、正の値となる。このように、センサ素子１０１のクラックがある場合、センサ素子１０１のクラックがない場合よりも上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０が大きくなる。

ところで、上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０の値は、クラックの有無によってだけでなく、配管１９０内のガス流速によっても変化する。この点について図７を用いて説明する。図７は、配管１９０内のガス流速とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフである。図７では、「クラックなし」「クラックあり」の２種類のガスセンサ１００を各１本ずつ準備し、各々について、以下のように調べたガス流速とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示した。これらのガスセンサ１００は、以下のように準備した。まず、センサ素子１０１を複数準備した。そして、Ｘ線ＣＴを用いてクラックの有無を判定し、クラックがあるもの（素子ＮＧ）とクラックがないもの（素子ＯＫ）とに分けた。続いて、各センサ素子１０１について、センサ素子１０１を素子封止体１４１に封入固定した組立体１１５（一次組立品とも称する）を作製した。そして、各一次組立品について、主体金具１４２に内側保護カバー１３１及び外側保護カバー１３２を溶接固定して保護カバー１３０を形成し、ボルト１４７内に一次組立品を挿入して主体金具１４２にボルト１４７を取り付けて二次組立品とした。そして、ゴム栓１５７内を通したリード線１５５と、これに接続されたコネクタ１５０とを用意して、コネクタ１５０をセンサ素子１０１のコネクタ電極に接続した。その後、外筒１４８を主体金具１４２に溶接固定し、外筒１４８の後端をゴム栓１５７で封止した。ゴム栓１５７としては、外筒１４８又はリード線１５５との間に気体の流通が可能な隙間ができるものを用い、空間１４９が常に大気で満たされるようにした。最後に、リード線１５５を介して制御装置９０を接続して、ガスセンサ１００を得た。得られたガスセンサ１００を、上述した評価処理の準備と同様に配管１９０に取り付け、その後、上述した上流ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理の実行を開始した。配管１９０には、Ｎ₂ガスを流速を変えながら流し、各ガス流速でのポンプ電流Ｉｐ０を取得した。

図７に示すように、「クラックなし」では、ガス流速が遅いほどＩｐ０値が大きくなった。これは、例えばガスセンサ１００と配管１９０との接続部のガスリーク（以下では、接続部のガスリークとも称する）によるものと推察される。つまり、接続部のガスリークがあると、配管１９０の外部の酸素が拡散などによって配管１９０内に到達する。ここで、配管１９０内のガス流速が遅いほど、配管１９０内のガス流量が少ない。このため、接続部のガスリークによる酸素リーク量が同じなら配管１９０内のガス流速が遅いほど、配管１９０内のガスの酸素濃度が高くなる。これにより、配管１９０からガスが導入されるセンサ素子室１３３内のガスの酸素濃度や、センサ素子室１３３からガスが導入される被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度も高くなる。結果として、配管１９０内のガス流速が遅いほど、ポンプ電流Ｉｐ０が大きくなる。

また、「クラックなし」と「クラックあり」とを比較すると、どの流速でも「クラックあり」の方がＩｐ０値が大きかったが、ガス流速が速いほどＩｐ０値の差が大きかった。この理由は以下のように推察される。センサ素子１０１のクラックがあると、空間１４９の大気中の酸素が拡散などによってクラックを介して被測定ガス流通部（ここでは第１内部空所２０）に到達し、被測定ガス流通部の酸素濃度が高くなるため、ポンプ電流Ｉｐ０が大きくなる。ここで、上述したように、配管１９０内のガス流速が遅いほど、接続部のガスリークによってセンサ素子室１３３内のガスや被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度が高くなる。このため、配管１９０内のガス流速が遅いほど、被測定ガス流通部と空間１４９との間の酸素濃度勾配が小さくなり、センサ素子１０１のクラックを介して空間１４９から被測定ガス流通部へ移動する酸素の拡散流束が小さくなることにより、センサ素子１０１のクラックによる酸素リーク量が少なくなり、Ｉｐ０値はセンサ素子１０１のクラックがない場合の値に近づく。これにより、配管１９０内のガス流速が遅い場合には、「クラックなし」と「クラックあり」とのＩｐ０値の差が小さくなる。一方、配管１９０内のガス流速が速いほど、接続部のガスリークによるセンサ素子室１３３内のガスや被測定ガス流通部内のガスの酸素濃度上昇が抑えられる。このため、配管１９０内のガス流速が速いほど、被測定ガス流通部と空間１４９との間の酸素濃度勾配が大きくなり、センサ素子１０１のクラックを介して空間１４９から被測定ガス流通部へ移動する酸素の拡散流束が大きくなることにより、センサ素子１０１のクラックによる酸素リーク量が多くなる。これにより、配管１９０内のガス流速が速い場合には、「クラックなし」と「クラックあり」とのＩｐ０値の差が大きくなる。

以上より、配管１９０内のガス流速が速いほど、センサ素子１０１のクラックがある場合とない場合とのＩｐ０値の差が大きくなり、センサ素子１０１のクラックの検出に適していることがわかる。そこで、本実施形態では、図７を用いて、センサ素子１０１のクラックを検出するときのガス流速を定めた。図７によれば、ガス流速が０．１ｍ／ｓ以上では、センサ素子１０１のクラックがある場合とない場合とのＩｐ０値の差が特に大きいことがわかる。このため、ガス流速は０．１ｍ／ｓ以上とした。

図４の評価処理の説明に戻る。制御部９１は、センサ素子１０１の初期クラックの有無を判定するため、０．１ｍ／ｓ以上のガス流速でクラック検出用被測定ガス（本実施形態ではＮ₂ガス）をチャンバー（ここでは配管１９０）に流すように給排気装置を制御する（Ｓ１２０）。配管１９０に導入されたクラック検出用被測定ガスは、保護カバー１３０の孔からセンサ素子室１３３に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口１０がクラック検出用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間１４９にセンサ素子１０１の後端が配置されているため、基準ガス導入空間４３の入口４３ｃはクラック検出用基準ガスとしての大気に接触する。

制御部９１は、この状態で主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０（ポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１とする）及びこの状態で測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２（ポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１とする）を取得する（Ｓ１３０）。続いて、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１が、記憶部９４に記憶された閾値Ｉｐ０ＣＴ以上か否かを判定する（Ｓ１４０）。閾値Ｉｐ０ＣＴは、上述した図７などを用いて、センサ素子１０１のクラックがある場合とない場合とを区別できるような値を事前に定め、記憶部９４に記憶させておけばよい。

Ｓ１４０でポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１が閾値Ｉｐ０ＣＴ未満であれば、制御部９１は、センサ素子の初期クラックなしと判定して、センサ素子１０１の出力特性の検査に用いる検出値を取得する処理に移る。本実施形態では、出力特性を検査する処理では、被測定ガスに含まれるＮＯガス濃度とセンサ出力（検出値）との対応関係が所定の関係（例えば所定の比例関係）となっているかを検査する。また、被測定ガスの流速とＮＯガス濃度が同じ条件で異なるタイミングで取得したセンサ出力（検出値）の差が所定の範囲内であるか（センサ出力が安定しているか）を検査する。こうした出力特性の検査に用いる検出値を取得する処理では、具体的には、まず、配管１９０内のガスを最初の条件の出力特性検査用被測定ガス（本実施形態では、ＮＯ濃度が０ｐｐｍのＮ₂ガスであり、流速はセンサ素子１０１のクラックを検出するときと同じ流速）に切り替えるよう給排気装置を制御する（Ｓ１５０）。配管１９０に導入された出力特性検査用被測定ガスは、保護カバー１３０の孔からセンサ素子室１３３に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口１０が出力特性検査用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間１４９にセンサ素子１０１の後端が配置されているため、基準ガス導入空間４３の入口４３ｃは出力特性検査用基準ガスとしての大気に接触する。

制御部９１は、この状態で測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２（ポンプ電流Ｉｐ２Ｄとする）を取得する（Ｓ１６０）。そして、制御部９１は、全条件（本実施形態では、流速は一定でＮＯ濃度０ｐｐｍ，５００ｐｐｍ，１０００ｐｐｍ，１５００ｐｐｍの各条件をこの順に行うものとする）でポンプ電流Ｉｐ２Ｄを取得したかを判定し（Ｓ１７０）、全条件でポンプ電流Ｉｐ２Ｄを取得していない場合には、チャンバー内のガスを次の条件の出力特性検査用被測定ガスに切り替えるよう給排気装置を制御し（Ｓ１８０）、全条件でＩｐ２Ｄを取得するまでＳ１６０～Ｓ１８０の処理を繰り返す。そして、制御部９１は、Ｓ１７０で全条件でＩｐ２Ｄを取得している場合には、センサ素子１０１の後発クラックの有無を判定する処理に移る。具体的には、制御部９１は、配管１９０内のガスをＳ１２０と同じクラック検出用被測定ガス（ガス流速も同じ）に切り替えるよう給排気装置を制御する（Ｓ１９０）。配管１９０に導入されたクラック検出用被測定ガスは、保護カバー１３０の孔からセンサ素子室１３３に導入され、被測定ガス流通部の入口であるガス導入口１０がクラック検出用被測定ガスに接触する。なお、上述の通り、大気で満たされた空間１４９にセンサ素子１０１の後端が配置されているため、基準ガス導入空間４３の入口４３ｃはクラック検出用基準ガスとしての大気に接触する。

制御部９１は、この状態で主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０（ポンプ電流Ｉｐ０Ｃ２とする）及びこの状態で測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２（ポンプ電流Ｉｐ２Ｃ２とする）を取得する（Ｓ２００）。続いて、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ０Ｃ２が記憶部９４に記憶された上述した閾値Ｉｐ０ＣＴ以上か否かを判定する（Ｓ２１０）。

Ｓ２１０でポンプ電流Ｉｐ０Ｃ２が閾値Ｉｐ０ＣＴ未満であれば、制御部９１は、センサ素子の後発クラックなしと判定し、Ｓ１３０で取得したポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１、Ｓ１６０で取得した各Ｉｐ２Ｄ、及びＳ２００で取得したＩｐ２Ｃ２に基づいてセンサ素子１０１の出力特性を検査する（Ｓ２２０）。本実施形態では、各被測定ガスのＮＯ濃度と各ポンプ電流Ｉｐ２Ｄとの対応関係を調べ、対応関係が所定の関係（例えば所定の比例関係）となっているかを検査する。具体的には、被測定ガスのＮＯ濃度と各ポンプ電流Ｉｐ２Ｄとの対応関係を表す近似直線を求め、その近似直線の傾き及び切片が許容範囲内の場合に対応関係ＯＫと判定し、近似直線の傾き及び切片の少なくとも一方が許容範囲外の場合に対応関係ＮＧと判定してもよい。また、本実施形態では、被測定ガスの流速とＮＯガス濃度が同じ条件で異なるタイミングで取得したセンサ出力（検出値）の差が所定の範囲内であるかを検査する。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１，Ｉｐ２Ｃ２及びＮＯ濃度０ｐｐｍのときのポンプ電流Ｉｐ２Ｄのうちの最大値と最小値との差（センサ出力の差）を求め、センサ出力の差が所定値以下の場合に安定性ＯＫと判定し、差が所定値を超える場合に安定性ＮＧと判定してもよい。近似直線の傾き及び切片の許容範囲や、センサ出力の差の上限値は、予め実験により求めておき、記憶部９４に記憶させておけばよい。

制御部９１は、Ｓ２２０の処理を終えると、結果（ここでは「センサ素子の初期クラックなし、センサ素子の後発クラックなし」「出力特性の検査結果」）を出力し（Ｓ２３０）、評価処理を終了する。

一方、Ｓ１４０でポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１が閾値Ｉｐ０ＣＴ以上であれば、制御部９１は、センサ素子の初期クラックありと判定し（Ｓ２４０）、結果（ここでは「センサ素子の初期クラックあり」）を出力し（Ｓ２３０）、評価処理を終了する。

また、Ｓ２１０でポンプ電流Ｉｐ０Ｃ２が閾値Ｉｐ０ＣＴ以上であれば、制御部９１は、センサ素子の後発クラックありと判定し（Ｓ２５０）、結果（ここでは「センサ素子の初期クラックなし、センサ素子の後発クラックあり」）を出力し（Ｓ２３０）、評価処理を終了する。

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。本実施形態の素子本体１０２が本発明の素子本体に相当し、第１内部空所２０が第１内部空所に相当し、主ポンプセル２１が主ポンプセルに相当し、第２内部空所４０が第２内部空所に相当し、補助ポンプセル５０が補助ポンプセルに相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定電極４４が測定電極に相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、基準ガス導入空間４３及び大気導入層４８が基準ガス導入部に相当する。また、ガス導入口１０が被測定ガス流通部の入口に相当し、入口４３ｃが基準ガス導入部の入口に相当する。また、配管１９０がチャンバーに相当する。また、ポンプ電流Ｉｐ１が補助ポンプ電流に相当し、ポンプ電流Ｉｐ０が主ポンプ電流に相当する。また、測定用ポンプセル４１が測定用ポンプセルに相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が測定用ポンプ電流に相当し、起電力Ｖ２が測定用電圧に相当する。また、Ｓ１００の実行中に行うＳ１２０及びＳ１３０のポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１の取得，Ｓ１９０及びＳ２００のポンプ電流Ｉｐ０Ｃ２の取得の各々が素子用主ポンプ電流取得工程に相当し、Ｓ１４０，Ｓ２１０の各々がクラック検出工程に相当し、Ｓ１００及びＳ１１０の実行中に行うＳ１２０及びＳ１３０のポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１の取得，Ｓ１９０及びＳ２００のポンプ電流Ｉｐ２Ｃ２の取得が第１検出値取得工程に相当し、Ｓ１００及びＳ１１０の実行中に行うＳ１５０及びＳ１６０が第２検出値取得工程に相当し、Ｓ２２０が出力特性検査工程に相当する。

以上説明した本実施形態によれば、上述の通り、センサ素子１０１のクラックがある場合には、上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０が大きくなることを利用して、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて、センサ素子１０１のクラックを検出できる。

また、センサ素子１０１のクラックを検出するときに、クラック検出用被測定ガスとしてＮ₂ガスを用いており、クラック検出用被測定ガスの酸素濃度が設定では０％であるため、センサ素子１０１のクラックがある場合とない場合とのポンプ電流Ｉｐ０の値の区別がしやすく、センサ素子１０１のクラックを精度よく検出できる。

さらに、評価処理において、ポンプ電流Ｉｐ１の目標値Ｉｐ１＊を３０μＡ以下の値に設定している。クラック検出用被測定ガスの酸素濃度に対してポンプ電流Ｉｐ１が大きすぎると、第２内部空所４０の酸素が不足して代わりに各層１～６の酸素が奪われることなどによって、各層１～６の黒化などの不具合が生じることがある。しかし、目標値Ｉｐ１＊が３０μＡ以下であれば、そうした不具合が生じにくい。ここで、各層１～６の黒化は、固体電解質層を構成するＺｒＯ₂の酸素が奪われることによって生じると考えられる不可逆反応であり、ＺｒＯ₂の黒化が生じるとガスセンサ１００のセンサ出力に異常が生じることがある。なお、目標値Ｉｐ１＊が１５μＡ以下であれば、そうした不具合がより生じにくい。目標値Ｉｐ１＊は、第２内部空所４０の酸素を汲み出すことができる値、つまり０μＡ超過であればよいが、電気的なノイズ成分の影響を考慮して、３μＡ以上としてもよく、５μＡ以上としてもよい。

さらにまた、センサ素子１０１のクラックを検出するときに、クラック検出用被測定ガスが流速０．１ｍ／ｓ以上で流れる配管１９０内に被測定ガス流通部の入口であるガス導入口１０が配置された状態で上流ポンプ制御処理を実行している。クラック検出用被測定ガスの流速が０．１ｍ／ｓ以上では、クラックがない場合のポンプ電流Ｉｐ０に対するクラックがある場合のポンプ電流Ｉｐ０の増分が大きくなるため、クラックを精度よく検出できる。

そして、上流ポンプ制御処理の実行中に測定用ポンプ制御処理も実行し、Ｉｐ０Ｃ１，Ｉｐ０Ｃ２だけでなくポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１，Ｉｐ２Ｃ２も取得し、これらのポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１，Ｉｐ２Ｃ２を出力特性の検査に用いるため、ガスセンサ１００を効率よく評価できる。

そしてまた、第２検出値取得工程（Ｓ１００及びＳ１１０の実行中に行うＳ１６０～Ｓ１８０の処理）の前後に主ポンプ電流取得工程（Ｓ１００の実行中に行うＳ１２０及びＳ１３０のポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１の取得，Ｓ１９０及びＳ２００のＩｐ０Ｃ２の取得）を行うため、第２検出値取得工程の前からセンサ素子１０１のクラックが存在していたのか、第２検出値取得工程の途中でクラックが発生したのかを判断できる。

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、評価処理において、センサ素子１０１の初期クラックの検出、センサ素子１０１の出力特性の検査、センサ素子１０１の後発クラックの検出を行ったが、センサ素子１０１の初期クラックの検出、又はセンサ素子１０１の後発クラックの検出のうちの少なくともいずれかを行えばよい。

上述した実施形態では、Ｓ１３０でポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１の取得と並行してポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１を取得したが、ポンプ電流Ｉｐ０Ｃ１の取得と並行してポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１を取得しなくてもよい。その場合、測定用ポンプ制御処理の実行開始（Ｓ１１０）を省略してもよいし、測定用ポンプ制御処理の実行開始（Ｓ１１０）をＳ１３０以降の必要なタイミングで行ってもよい。同様に、Ｓ２００でポンプ電流Ｉｐ０２Ｃ２の取得と並行してポンプ電流Ｉｐ２Ｃ２を取得したが、ポンプ電流Ｉｐ２Ｃ２の取得と並行してポンプ電流Ｉｐ２Ｃ２を取得しなくてもよい。

上述した実施形態では、Ｓ１２０，Ｓ１９０において、０．１ｍ／ｓ以上のガス流速でクラック検出用被測定ガスを流したが、ガス流速は０．１ｍ／ｓ未満でもよい。図７に示すように、流速０．１ｍ／ｓ未満でも、「クラックなし」に対して「クラックあり」のＩｐ０値が大きいため、センサ素子１０１のクラックを検出できる。なお、クラックの検出精度を高める観点からは、ガス流速は０．１ｍ／ｓ以上が好ましい。

上述した実施形態では、クラック検出用被測定ガスはＮ₂ガス（酸素濃度０％設定）としたが、クラック検出用基準ガスよりも酸素濃度が低い酸素濃度既知のガスであれば、こうしたものに限定されない。クラック検出用被測定ガスの酸素濃度が比較的高い（例えば２５０ｐｐｍ超過）場合には、センサ素子１０１のクラックがなくても第１内部空所２０及び第２内部空所４０に酸素が存在する。このため、図５とは異なり、制御部９１は、第１内部空所２０の酸素を汲み出すように主ポンプセル２１を制御し、ポンプ電流Ｉｐ０は正の値となる。この場合でも、センサ素子１０１のクラックがある場合、クラックによって第１内部空所２０又は第２内部空所４０の酸素濃度が高くなるため、図６を用いて説明したのと同様の理由で、ポンプ電流Ｉｐ０は、クラックがない場合よりも大きな値となる。ただし、クラック検出用被測定ガスの酸素濃度が低いほど、センサ素子１０１のクラックを精度よく検出できるため、クラック検出用被測定ガスの酸素濃度は、例えば２５０ｐｐｍ以下が好ましい。

上述した実施形態では、クラック検出用基準ガスを大気としたが、クラック検出用被測定ガスよりも酸素濃度が高い酸素濃度既知のガスであれば、こうしたものに限定されない。

上述した実施形態では、評価処理において、目標値Ｉｐ１＊をガスセンサ１００の実際の使用時に実行する上流ポンプ制御処理で設定する目標値Ｉｐ１＊と同じ値としたが、これに限定されない。

上述した実施形態において、Ｓ２２０では、Ｉｐ２Ｃ１，Ｉｐ２Ｃ２及び各Ｉｐ２Ｄに基づいて出力特性を検査したが、これらのうちの一部を用いて出力特性を検査してもよい。例えば、各Ｉｐ２Ｄのみに基づいて出力特性を検査してもよい。具体的には、センサ出力の安定性の検査を省略し、ＮＯガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査のみを行ってもよい。また、上述した実施形態では、ＮＯガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査を、センサ素子１０１のクラックを検出するときと同じガス流速で行ったが、異なるガス流速で行ってもよい。また、上述した実施形態では、ＮＯガス濃度とセンサ出力との対応関係の検査には、ＮＯ濃度０ｐｐｍ，５００ｐｐｍ，１０００ｐｐｍ，１５００ｐｐｍの各条件でのポンプ電流Ｉｐ２Ｄを用いたが、このうちＮＯ濃度０ｐｐｍのときのポンプ電流Ｉｐ２Ｄに代えてポンプ電流Ｉｐ２Ｃ１又はポンプ電流Ｉｐ２Ｃ２を用いてもよい。

上述した実施形態では、センサ素子１０１の出力特性を検査する処理では、被測定ガスに含まれるＮＯガス濃度とセンサ出力との対応関係が所定の関係となっているかを検査したが、例えば、被測定ガスに含まれるＯ₂ガス濃度とセンサ出力との対応関係が所定の関係（例えば所定の比例関係）となっているかを検査する処理を行ってもよい。この場合、出力特性検査用被測定ガスは、Ｏ₂を含みＮＯを含まないものとしてもよいし、Ｏ₂を含み濃度固定でＮＯを含むものとしてもよい。また、センサ素子１０１の出力特性を検査する処理では、これらの静的特性を検査する処理のほか、ガスセンサ１００の応答特性を検査する処理や、ガスセンサ１００のライトオフ特性（ＮＯｘ濃度が正しく検出できるようになるまでの時間）を検査する処理を行ってもよい。

上述した実施形態では、センサ素子１０１のクラックの一例として、第１内部空所２０とヒータ絶縁層７４とを連通するクラックがある場合について説明したが、これに限らず、センサ素子１０１内に被測定ガス流通部と基準ガス導入部とを連通させるクラックがある場合であれば、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて上述した実施形態と同様にセンサ素子１０１のクラックを検出できる。例えば、緩衝空間１２とヒータ絶縁層７４とを連通するクラックがある場合、空間１４９の大気中の酸素が第１内部空所２０ではなく緩衝空間１２に到達するが、その酸素は拡散により少なくとも第１内部空所２０に到達する。また、第２内部空所４０とヒータ絶縁層７４とを連通するクラックがある場合、空間１４９の大気中の酸素が第１内部空所２０ではなく第２内部空所４０に到達する。このため、いずれにしても、第１内部空所２０又は第２内部空所４０の酸素濃度が高くなる。したがって、これらの場合でも、センサ素子１０１のクラックがない場合よりも上流ポンプ制御処理の実行中に主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０が大きい値になり、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいてセンサ素子１０１のクラックを検出できる。

上述した実施形態では、制御部９１は、主ポンプ制御処理において、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて起電力Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）し、起電力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、他の処理を行ってもよい。例えば、制御部９１は、主ポンプ制御処理として、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値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、制御部９１は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０からの起電力Ｖ０の取得や目標値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。この場合においても、上流ポンプ制御処理の実行中のポンプ電流Ｉｐ０は、センサ素子１０１のクラックがない場合よりもセンサ素子１０１のクラックがある場合の方が大きな値となる。具体的には、クラックによって第２内部空所４０の酸素濃度が高くなった場合、クラックがない場合よりも起電力Ｖ１が小さくなる。そして、制御部９１は、起電力Ｖ１が目標値Ｖ１＊になるように補助ポンプセル５０を制御する（ポンプ電圧Ｖｐ１を大きくする）ため、補助ポンプセル５０に流れるポンプ電流Ｉｐ１が大きい値になる。そして、大きくなったポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるよう、制御部９１は、クラックがない場合よりも第１内部空所２０の酸素濃度を低くするように主ポンプセル２１を制御する。すなわち、制御部９１は、クラックがない場合よりも第１内部空所２０の酸素がより多く汲み出されるようにポンプ電圧Ｖｐ０を制御するから、ポンプ電流Ｉｐ０が大きくなる。また、クラックによって第１内部空所２０の酸素濃度が高くなった場合、それのみによっては起電力Ｖ１及びポンプ電流Ｉｐ１が変化しないため、ポンプ電流Ｉｐ０もクラックがない場合と比べて変化しない。しかし、ポンプ電流Ｉｐ０が変化しないことでクラックによって第１内部空所２０に到達した酸素が汲み出されずに第２内部空所４０の酸素濃度が高くなる。その結果、上述した制御が行われて、やはりクラックがない場合よりもポンプ電流Ｉｐ０が大きくなる。したがって、制御部９１がこのような主ポンプ制御処理を行う場合でも、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいてセンサ素子１０１のクラックを検出できる。

上述した実施形態では、制御部９１は、測定用ポンプ制御処理として、起電力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処理（こうした制御を目標電圧設定型制御処理とも称する）を行い、このときの検出値（ポンプ電流Ｉｐ２）に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出したが、これに限られない。例えば、制御部９１は、測定用ポンプ制御処理として、ポンプ電流Ｉｐ２が一定の目標値Ｉｐ２＊となるように測定用ポンプセル４１を制御（例えば電圧Ｖｐ２を制御）し（こうした制御を目標電流設定型制御処理とも称する）、このときの検出値（起電力Ｖ２）を用いてＮＯｘ濃度を検出してもよい。ポンプ電流Ｉｐ２が目標値Ｉｐ２＊となるように測定用ポンプセル４１が制御されることで、ほぼ一定の流量で第３内部空所６１から酸素が汲み出されることになる。そのため、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する酸素の多寡に応じて第３内部空所６１の酸素濃度が変化し、これにより起電力Ｖ２が変化する。したがって、起電力Ｖ２が被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた値になる。そのため、この起電力Ｖ２に基づいてＮＯｘ濃度を算出できる。例えば予め記憶部９４に起電力Ｖ２とＮＯｘ濃度との対応関係を記憶しておけばよい。なお、目標電流設定型制御処理として、制御部９１は、可変電源４６の電圧Ｖｐ２を一定値で固定して、結果としてポンプ電流Ｉｐ２が一定となるように測定用ポンプセル４１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、制御部９１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。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、制御部９１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。例えば内側ポンプ電極２２がアンモニアの酸化を促進する触媒機能を有する金属を含んでいれば、内側ポンプ電極２２の触媒機能により第１内部空所２０内でアンモニアを酸化物に変換することができる。アンモニアは酸化物としてＮＯに変換されるため、アンモニア濃度測定は、基本的にはＮＯｘ濃度測定と同じ原理によって行われる。

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１０２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１０２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、外側ポンプ電極２３は、主ポンプセル２１の一部であり素子本体１０２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の一部であり素子本体１０２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の一部であり素子本体１０２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、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とは別に素子本体１０２の外側に設けてもよい。

上述した実施形態では、制御装置９０が評価処理を行ったが、制御装置９０以外の制御装置を用いて評価処理を行ってもよい。すなわち、評価処理を行う制御装置は、ガスセンサ１００の実際の使用時（例えば車両の排気ガスのＮＯｘ濃度を測定するとき）にセンサ素子１０１に接続される制御装置９０とは別の、評価処理用の装置であってもよい。また、図４の各ステップのうちＳ１００及びＳ１１０以外の処理は、制御装置９０を用いず手動で行ってもよい。

上述した実施形態では、評価処理は、ガスセンサ１００として組み立てられた状態のセンサ素子１０１に対してクラックの検出を行ったが、これに限られない。例えば、組み立て前のセンサ素子１０１に対してクラックの検出を行ってもよいし、上述した一次組立品や二次組立品の状態でクラックの検出を行ってもよい。

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、４３ｃ入口、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、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、９２ＣＰＵ、９４記憶部、１００ガスセンサ、１０１，２０１センサ素子、１０２素子本体、１１５組立体、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筒状体、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封止材、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。

Claims

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、
前記被測定ガス流通部のうちの第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第１内部空所の下流側に設けられた第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第２内部空所の下流側に設けられた測定室に配置された測定電極と、
前記素子本体の内部に配置された基準電極と、
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を導入して前記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のクラック検出方法であって、
前記被測定ガス流通部の入口が酸素濃度既知のクラック検出用被測定ガスに接触し、前記基準ガス導入部の入口が酸素濃度既知で前記クラック検出用被測定ガスよりも酸素濃度の高いクラック検出用基準ガスに接触した状態で、前記第２内部空所の酸素濃度が目標濃度となるように前記補助ポンプセルを制御する補助ポンプ制御処理と、前記補助ポンプセルが前記第２内部空所の酸素を汲み出し且つ前記補助ポンプセルが前記第２内部空所の酸素を汲み出すときに前記補助ポンプセルに流れる補助ポンプ電流が目標値となるように前記主ポンプセルを制御する主ポンプ制御処理と、を含む上流ポンプ制御処理を実行し、該上流ポンプ制御処理の実行中に前記主ポンプセルに流れる主ポンプ電流を取得する主ポンプ電流取得工程と、
前記主ポンプ電流取得工程で取得した前記主ポンプ電流に基づいて前記センサ素子のクラックを検出するクラック検出工程と、
を含む、
センサ素子のクラック検出方法。
前記主ポンプ電流取得工程では、前記被測定ガス流通部の入口が酸素濃度２５０ｐｐｍ以下の前記クラック検出用被測定ガスに接触した状態で前記上流ポンプ制御処理を実行する、
請求項１に記載のセンサ素子のクラック検出方法。
前記主ポンプ電流取得工程では、前記補助ポンプ電流の目標値を３０μＡ以下の値に設定する、
請求項１又は２に記載のセンサ素子のクラック検出方法。
前記主ポンプ電流取得工程では、前記補助ポンプ電流の目標値を１５μＡ以下の値に設定する、
請求項１～３のいずれか１項に記載のセンサ素子のクラック検出方法。
前記主ポンプ電流取得工程では、前記クラック検出用被測定ガスが流速０．１ｍ／ｓ以上で流れるチャンバー内に前記被測定ガス流通部の入口が配置された状態で前記上流ポンプ制御処理を実行する、
請求項１～４のいずれか１項に記載のセンサ素子のクラック検出方法。
請求項１～５のいずれか１項に記載のセンサ素子のクラック検出方法を含むセンサ素子の評価方法であって、
前記センサ素子は、前記測定室の酸素濃度を調整する測定用ポンプセルを備え、
前記主ポンプ電流取得工程の前記上流ポンプ制御処理の実行中に、前記基準電極と前記測定電極との間の測定用電圧が目標値となるように前記測定室の酸素を汲み出すよう前記測定用ポンプセルを制御する目標電圧設定型制御処理を実行し該目標電圧設定型制御処理の実行中に前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流を第１検出値として取得するか、又は、前記測定用ポンプセルが前記測定室の酸素を汲み出し且つ前記測定用ポンプ電流が目標値となるように前記測定用ポンプセルを制御する目標電流設定型制御処理を実行し、該目標電流設定型制御処理の実行中における前記測定用電圧を第１検出値として取得する第１検出値取得工程と、
前記第１検出値に基づいて前記センサ素子の出力特性を検査する出力特性検査工程と、
を含む、
センサ素子の評価方法。
請求項１～５のいずれか１項に記載のセンサ素子のクラック検出方法を含むセンサ素子の評価方法であって、
前記センサ素子は、前記測定室の酸素濃度を調整する測定用ポンプセルを備え、
前記被測定ガス流通部の入口が酸素濃度既知の出力特性検査用被測定ガスに接触し、前記基準ガス導入部の入口が酸素濃度既知の出力特性検査用基準ガスに接触した状態で、前記上流ポンプ制御処理を実行し、該上流ポンプ制御処理の実行中に、前記基準電極と前記測定電極との間の測定用電圧が目標値となるように前記測定室の酸素を汲み出すよう前記測定用ポンプセルを制御する目標電圧設定型制御処理を実行し該目標電圧設定型制御処理の実行中に前記測定用ポンプセルに流れる測定用ポンプ電流を第２検出値として取得するか、又は、前記測定用ポンプセルが前記測定室の酸素を汲み出し且つ前記測定用ポンプ電流が目標値となるように前記測定用ポンプセルを制御する目標電流設定型制御処理を実行し、該目標電流設定型制御処理の実行中における前記測定用電圧を第２検出値として取得する第２検出値取得工程と、
前記第２検出値に基づいて前記センサ素子の出力特性を検査する出力特性検査工程と、
を含み、
前記第２検出値取得工程の前後に前記主ポンプ電流取得工程を行う、
センサ素子の評価方法。