(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023144582
(43)【公開日】2023-10-11
(54)【発明の名称】ガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20231003BHJP
G01N 27/419 20060101ALI20231003BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 331
G01N27/419 327R
G01N27/419 327B
G01N27/419 327E
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022051632
(22)【出願日】2022-03-28
(71)【出願人】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】関谷 高幸
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 悠介
(57)【要約】
【課題】より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制する。
【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御装置とを備える。センサ素子１０１は、第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとを備えている。制御装置は、低濃度測定モードと、高濃度測定モードとを有する。制御装置は、低濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御し、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。制御装置は、高濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御し、且つ、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御して、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。
【選択図】図１
【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御装置とを備える。センサ素子１０１は、第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとを備えている。制御装置は、低濃度測定モードと、高濃度測定モードとを有する。制御装置は、低濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御し、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。制御装置は、高濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御し、且つ、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御して、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
センサ素子と、特定ガス濃度検出部と、を備えた、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、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有する第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第１測定室よりも下流に設けられた第２測定室に配設された第２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の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有する第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、第１測定電極用拡散律速部及び第２測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び前記第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、前記第１測定用ポンプセルの前記第１測定電極と前記第１外側測定電極との間に流れる第１ポンプ電流が限界電流となるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、前記第１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低濃度測定モードと、前記第１ポンプ電流が流れるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、且つ、前記第２測定用ポンプセルの前記第２測定電極と前記第２外側測定電極との間に流れる第２ポンプ電流が限界電流となるように前記第２測定用ポンプセルを制御して前記第２測定室の酸素を汲み出し、前記第１ポンプ電流及び前記第２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高濃度測定モードと、を有する、
ガスセンサ。
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有する第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第１測定室よりも下流に設けられた第２測定室に配設された第２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の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有する第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、第１測定電極用拡散律速部及び第２測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び前記第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、前記第１測定用ポンプセルの前記第１測定電極と前記第１外側測定電極との間に流れる第１ポンプ電流が限界電流となるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、前記第１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低濃度測定モードと、前記第１ポンプ電流が流れるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、且つ、前記第２測定用ポンプセルの前記第２測定電極と前記第２外側測定電極との間に流れる第２ポンプ電流が限界電流となるように前記第２測定用ポンプセルを制御して前記第２測定室の酸素を汲み出し、前記第１ポンプ電流及び前記第２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高濃度測定モードと、を有する、
ガスセンサ。
【請求項2】
前記特定ガス濃度検出部は、前記高濃度測定モードにおいて、前記第１ポンプ電流が目標値になるように前記第１測定用ポンプセルを制御する、
請求項１に記載のガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項3】
前記センサ素子は、前記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、を備え、
前記特定ガス濃度検出部は、前記高濃度測定モードにおいて、前記第１測定電極と前記基準電極との間の電圧が目標値になるように前記第１測定用ポンプセルを制御する、
請求項１に記載のガスセンサ。
前記特定ガス濃度検出部は、前記高濃度測定モードにおいて、前記第１測定電極と前記基準電極との間の電圧が目標値になるように前記第１測定用ポンプセルを制御する、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項4】
前記特定ガス濃度検出部は、前記低濃度測定モードにおいて前記第１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が所定の高濃度領域に含まれると判定した場合には前記高濃度測定モードへの切り替えを行い、前記高濃度測定モードにおいて前記第２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が所定の低濃度領域に含まれると判定した場合には前記低濃度測定モードへの切り替えを行う、
請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項5】
センサ素子と、特定ガス濃度検出部と、を備えた、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、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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、
ｎを２以上の整数として、第１～第ｎ測定用ポンプセルと、
を備え、
前記第１測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、
ｐを２以上ｎ以下の任意の整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第ｐ測定室に配設された第ｐ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の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、
前記被測定ガス流通部は、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、第１～第ｎ測定モードを有しており、
前記特定ガス濃度検出部は、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、第ｑ測定モードにおいて、第ｑ測定用ポンプセルの第ｑ測定電極と第ｑ外側測定電極との間に流れる第ｑポンプ電流が限界電流となるように前記第ｑ測定用ポンプセルを制御して前記第ｑ測定室の酸素を汲み出し、前記第ｑ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し、
前記特定ガス濃度検出部は、ｒ＜ｓとして、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の前記第ｓ測定モードにおいて第ｓ－１測定用ポンプセルに第ｓ－１ポンプ電流が流れると共に第ｓ測定用ポンプセルに第ｓポンプ電流が流れるように前記第ｓ－１測定用ポンプセル及び前記第ｓ測定用ポンプセルを制御して、前記第ｓ－１ポンプ電流及び前記第ｓポンプ電流に基づいて前記特定ガス濃度を検出する、
ガスセンサ。
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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、
ｎを２以上の整数として、第１～第ｎ測定用ポンプセルと、
を備え、
前記第１測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、
ｐを２以上ｎ以下の任意の整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第ｐ測定室に配設された第ｐ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の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、
前記被測定ガス流通部は、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、第１～第ｎ測定モードを有しており、
前記特定ガス濃度検出部は、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、第ｑ測定モードにおいて、第ｑ測定用ポンプセルの第ｑ測定電極と第ｑ外側測定電極との間に流れる第ｑポンプ電流が限界電流となるように前記第ｑ測定用ポンプセルを制御して前記第ｑ測定室の酸素を汲み出し、前記第ｑ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し、
前記特定ガス濃度検出部は、ｒ＜ｓとして、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の前記第ｓ測定モードにおいて第ｓ－１測定用ポンプセルに第ｓ－１ポンプ電流が流れると共に第ｓ測定用ポンプセルに第ｓポンプ電流が流れるように前記第ｓ－１測定用ポンプセル及び前記第ｓ測定用ポンプセルを制御して、前記第ｓ－１ポンプ電流及び前記第ｓポンプ電流に基づいて前記特定ガス濃度を検出する、
ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
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限界電流方式のガスセンサが知られている。例えば、特許文献１のガスセンサは、素子本体，第１測定用ポンプセル，及び第２測定用ポンプセルを備えたセンサ素子と、特定ガス濃度検出手段と、を備えている。素子本体は、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ている。第１測定用ポンプセルは、被測定ガス流通部に設けられた第１測定室に配設された第１測定電極を有する。第２測定用ポンプセルは、被測定ガス流通部に設けられた第２測定室に配設された第２測定電極を有する。被測定ガス流通部は、被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部を通過してから第１測定室に到達し、被測定ガスが第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから第２測定室に到達するように構成されている。言い換えると、被測定ガス流通部には第１測定電極用拡散律速部と第２測定電極用拡散律速部とが直列に配置されている。このセンサ素子では、第１測定用ポンプセルは特定ガスが低濃度の場合の特定ガス濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセルは特定ガスが高濃度の場合の特定ガス濃度の検出に適している。そして、特定ガス濃度検出手段は、第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセルを制御しポンプ電流Ｉｐ２ａの値に基づいて特定ガス濃度を検出する低濃度測定モードと、第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセルを制御しポンプ電流Ｉｐ２ｂの値に基づいて特定ガス濃度を検出する高濃度測定モードと、を有する。このガスセンサでは、低濃度測定モードと高濃度測定モードとを切り替えることで、低濃度から高濃度までの広い範囲の特定ガス濃度を精度良く検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２１－１６２５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述のガスセンサにおいて、低濃度測定モードから高濃度測定モードへの切り替え直後において、第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂの値が安定せず、特定ガス濃度の検出精度が低下する場合があった。
【0005】
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、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
本発明の第１のガスセンサは、
センサ素子と、特定ガス濃度検出部と、を備えた、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、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有する第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第１測定室よりも下流に設けられた第２測定室に配設された第２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の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有する第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、第１測定電極用拡散律速部及び第２測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び前記第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、前記第１測定用ポンプセルの前記第１測定電極と前記第１外側測定電極との間に流れる第１ポンプ電流が限界電流となるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、前記第１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低濃度測定モードと、前記第１ポンプ電流が流れるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、且つ、前記第２測定用ポンプセルの前記第２測定電極と前記第２外側測定電極との間に流れる第２ポンプ電流が限界電流となるように前記第２測定用ポンプセルを制御して前記第２測定室の酸素を汲み出し、前記第１ポンプ電流及び前記第２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高濃度測定モードと、を有する、
ものである。
センサ素子と、特定ガス濃度検出部と、を備えた、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、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有する第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記第１測定室よりも下流に設けられた第２測定室に配設された第２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の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有する第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、第１測定電極用拡散律速部及び第２測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び前記第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、前記第１測定用ポンプセルの前記第１測定電極と前記第１外側測定電極との間に流れる第１ポンプ電流が限界電流となるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、前記第１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低濃度測定モードと、前記第１ポンプ電流が流れるように前記第１測定用ポンプセルを制御して前記第１測定室の酸素を汲み出し、且つ、前記第２測定用ポンプセルの前記第２測定電極と前記第２外側測定電極との間に流れる第２ポンプ電流が限界電流となるように前記第２測定用ポンプセルを制御して前記第２測定室の酸素を汲み出し、前記第１ポンプ電流及び前記第２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高濃度測定モードと、を有する、
ものである。
【0008】
この第１のガスセンサでは、被測定ガス流通部が、被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部を通過してから第１測定室に到達し、被測定ガスが第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから第２測定室に到達するように構成されている。そのため、センサ素子の外部から第１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ1よりも、センサ素子の外部から第２測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第２拡散抵抗Ｒ2の方が高くなるように構成されている。これにより、第１測定用ポンプセルは低濃度の特定ガス濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセルは高濃度の特定ガス濃度の検出に適している。そして、特定ガス濃度検出部は、低濃度測定モードにおいて、第１ポンプ電流が限界電流となるように第１測定用ポンプセルを制御して第１測定室の酸素を汲み出し、その第１ポンプ電流に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。また、特定ガス濃度検出部は、高濃度測定モードにおいて、第１ポンプ電流が流れるように第１測定用ポンプセルを制御して第１測定室の酸素を汲み出し、且つ、第２測定用ポンプセルの第２ポンプ電流が限界電流となるように第２測定用ポンプセルを制御して第２測定室の酸素を汲み出し、第１ポンプ電流及び第２ポンプ電流に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。すなわち、高濃度測定モードでは、第２ポンプ電流だけでなく第１ポンプ電流も流れるようにする。これにより、低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。この理由は以下のように考えられる。まず、高濃度測定モードに切り替える時に第１ポンプ電流が停止して第２ポンプ電流が流れ始める場合を考える。この場合、低濃度測定モードで酸素の汲み出しが行われていた第１測定室では酸素が汲み出されなくなり、高濃度測定モードでは第２測定室で酸素が汲み出されることになる。しかし、第２測定室は第１測定室よりも被測定ガスの下流側に位置するため、第１測定室から第２測定室への被測定ガスの移動時間に起因して、第２測定室での酸素の汲み出し量すなわち第２ポンプ電流が安定するまでに時間がかかる。これにより、第２ポンプ電流に基づいて検出される特定ガス濃度も不安定になり特定ガス濃度の検出の精度が低下する。これに対し、低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替える時に第２ポンプ電流だけでなく第１ポンプ電流も流れる場合、第１ポンプ電流が酸素を汲み出す第１測定室は、第２測定室よりも上流側に位置し切り替え前の低濃度測定モードでも酸素の汲み出しが行われていたから、第１ポンプ電流は短時間で安定しやすい。また、この場合でも第２ポンプ電流が安定するまでには時間がかかることはあるが、特定ガス濃度は第１ポンプ電流と第２ポンプ電流との両方に基づいて検出されるから、第２ポンプ電流が安定するまでに時間がかかっても特定ガス濃度の検出精度に与える影響は小さくなる。以上のことから、切り替え後の高濃度測定モードにおいて、第２ポンプ電流だけでなく第１ポンプ電流も流れるように第１ポンプセル及び第２ポンプセルを制御することで、高濃度測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【0009】
本発明の第１のガスセンサにおいて、前記特定ガス濃度検出部は、前記高濃度測定モードにおいて、前記第１ポンプ電流が目標値になるように前記第１測定用ポンプセルを制御してもよい。また、本発明の第１のガスセンサにおいて、前記センサ素子は、前記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、を備え、前記特定ガス濃度検出部は、前記高濃度測定モードにおいて、前記第１測定電極と前記基準電極との間の電圧が目標値になるように前記第１測定用ポンプセルを制御してもよい。
【0010】
本発明の第１のガスセンサにおいて、前記特定ガス濃度検出部は、前記低濃度測定モードにおいて前記第１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が所定の高濃度領域に含まれると判定した場合には前記高濃度測定モードへの切り替えを行い、前記高濃度測定モードにおいて前記第２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が所定の低濃度領域に含まれると判定した場合には前記低濃度測定モードへの切り替えを行ってもよい。こうすれば、第１ポンプ電流及び第２ポンプ電流に基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを適切に行うことができる。この場合において、前記特定ガス濃度検出部は、前記高濃度測定モードにおいては、前記第１ポンプ電流及び前記第２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が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定してもよい。
【0011】
本発明の第１のガスセンサにおいて、前記第１測定電極用拡散律速部は、スリット状の隙間又は多孔質体であってもよい。また、前記第２測定電極用拡散律速部は、スリット状の隙間又は多孔質体であってもよい。
【0012】
本発明の第１のガスセンサは、前記基準電極と前記第１測定電極との間の第１測定用電圧を検出する第１測定用電圧検出部と、前記基準電極と前記第２測定電極との間の第２測定用電圧を検出する第２測定用電圧検出部と、を備えていてもよい。また、前記特定ガス濃度検出部は、前記低濃度測定モードでは前記第１測定用電圧に基づいて前記第１測定用ポンプセルを制御し、前記高濃度測定モードでは前記第２測定用電圧に基づいて前記第２測定用ポンプセルを制御してもよい。あるいは、前記特定ガス濃度検出部は、前記低濃度測定モードでは前記第１測定用電圧及び前記第２測定用電圧の平均値に基づいて前記第１測定用ポンプセルを制御し、前記高濃度測定モードでは前記第２測定用電圧に基づいて前記第２測定用ポンプセルを制御してもよい。
【0013】
本発明の第１のガスセンサにおいて、前記特定ガスは、酸素であってもよい。本発明の第１のガスセンサにおいて、前記特定ガスは、所定の酸化物としてもよいし、所定の非酸化物としてもよい。特定ガスが酸素以外の所定の酸化物又は非酸化物である場合において、前記第１測定用ポンプセルは、前記特定ガスに由来して前記第１測定室で発生する酸素の汲み出しを行い、前記第２測定用ポンプセルは、前記特定ガスに由来して前記第２測定室で発生する酸素の汲み出しを行ってもよい。特定ガスが酸素以外の所定の酸化物又は非酸化物である場合において、前記被測定ガス流通部は、前記第１測定電極用拡散律速部よりも上流側に配設された酸素濃度調整室を有しており、前記センサ素子は、前記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を有していてもよい。
【0014】
本発明の第２のガスセンサは、
センサ素子と、特定ガス濃度検出部と、を備えた、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、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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、
ｎを２以上の整数として、第１～第ｎ測定用ポンプセルと、
を備え、
前記第１測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、
ｐを２以上ｎ以下の任意の整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第ｐ測定室に配設された第ｐ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の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、
前記被測定ガス流通部は、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、第１～第ｎ測定モードを有しており、
前記特定ガス濃度検出部は、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、第ｑ測定モードにおいて、第ｑ測定用ポンプセルの第ｑ測定電極と第ｑ外側測定電極との間に流れる第ｑポンプ電流が限界電流となるように前記第ｑ測定用ポンプセルを制御して前記第ｑ測定室の酸素を汲み出し、前記第ｑ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し、
前記特定ガス濃度検出部は、ｒ＜ｓとして、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の前記第ｓ測定モードにおいて第ｓ－１測定用ポンプセルに第ｓ－１ポンプ電流が流れると共に第ｓ測定用ポンプセルに第ｓポンプ電流が流れるように前記第ｓ－１測定用ポンプセル及び前記第ｓ測定用ポンプセルを制御して、前記第ｓ－１ポンプ電流及び前記第ｓポンプ電流に基づいて前記特定ガス濃度を検出する、
ものである。
センサ素子と、特定ガス濃度検出部と、を備えた、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、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、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、
ｎを２以上の整数として、第１～第ｎ測定用ポンプセルと、
を備え、
前記第１測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第１測定室に配設された第１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の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、
ｐを２以上ｎ以下の任意の整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの第ｐ測定室に配設された第ｐ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の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、
前記被測定ガス流通部は、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部を有し、前記被測定ガスが前記第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成され、
前記特定ガス濃度検出部は、第１～第ｎ測定モードを有しており、
前記特定ガス濃度検出部は、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、第ｑ測定モードにおいて、第ｑ測定用ポンプセルの第ｑ測定電極と第ｑ外側測定電極との間に流れる第ｑポンプ電流が限界電流となるように前記第ｑ測定用ポンプセルを制御して前記第ｑ測定室の酸素を汲み出し、前記第ｑ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し、
前記特定ガス濃度検出部は、ｒ＜ｓとして、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の前記第ｓ測定モードにおいて第ｓ－１測定用ポンプセルに第ｓ－１ポンプ電流が流れると共に第ｓ測定用ポンプセルに第ｓポンプ電流が流れるように前記第ｓ－１測定用ポンプセル及び前記第ｓ測定用ポンプセルを制御して、前記第ｓ－１ポンプ電流及び前記第ｓポンプ電流に基づいて前記特定ガス濃度を検出する、
ものである。
【0015】
この第２のガスセンサでは、センサ素子の外部から第１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第１拡散抵抗Ｒ1とし、センサ素子の外部から第ｐ測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第ｐ拡散抵抗Ｒpとすると、第ｐ－１拡散抵抗Ｒp-1よりも第ｐ拡散抵抗Ｒpの方が高くなる、すなわちＲ1＜Ｒ2＜・・・Ｒn-1＜Ｒnとなっている。そのため、第１～第ｎ測定用ポンプセルを使い分けることで、低濃度から高濃度までのより広い範囲の特定ガス濃度を精度良く検出できる。そして、特定ガス濃度検出部は、第１～第ｎ測定モードを有しており、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、第ｑ測定モードにおいて、第ｑポンプ電流が限界電流となるように第ｑ測定用ポンプセルを制御して第ｑ測定室の酸素を汲み出し、第ｑポンプ電流に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。また、特定ガス濃度検出部は、ｒ＜ｓとして、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の第ｓ測定モードにおいて第ｓ－１ポンプ電流が流れると共に第ｓポンプ電流が流れるように第ｓ－１測定用ポンプセル及び第ｓ測定用ポンプセルを制御して、第ｓ－１ポンプ電流及び第ｓポンプ電流に基づいて特定ガス濃度を検出する。すなわち、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の第ｓ測定モードにおいて、第ｓポンプ電流だけでなく第ｓ－１ポンプ電流も流れるようにする。これにより、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。この理由は以下のように考えられる。まず、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードに切り替える時に第ｒポンプ電流が停止して第ｓポンプ電流が流れ始める場合を考える。この場合、第ｒ測定モードで酸素の汲み出しが行われていた第ｒ測定室では酸素が汲み出されなくなり、第ｓ測定モードでは第ｓ測定室で酸素が汲み出されることになる。しかし、第ｓ測定室は第ｒ測定室よりも被測定ガスの下流側に位置するため、第ｒ測定室から第ｓ測定室への被測定ガスの移動時間に起因して、第ｓ測定室での酸素の汲み出し量すなわち第ｓポンプ電流が安定するまでに時間がかかる。これにより、第ｓポンプ電流に基づいて検出される特定ガス濃度も不安定になり特定ガス濃度の検出の精度が低下する。これに対し、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードに切り替える時に第ｓポンプ電流だけでなく第ｓ－１ポンプ電流も流れる場合、第ｓ－１ポンプ電流が酸素を汲み出す第ｓ－１測定室は、第ｓ測定室よりも上流側に位置し、切り替え前の第ｒ測定モードで酸素の汲み出しが行われていた測定室に近いか又は同じ測定室であるから、第ｓ－１ポンプ電流は短時間で安定しやすい。また、この場合でも第ｓポンプ電流が安定するまでには時間がかかることはあるが、特定ガス濃度は第ｓ－１ポンプ電流と第ｓポンプ電流との両方に基づいて検出されるから、第ｓポンプ電流が安定するまでに時間がかかっても特定ガス濃度の検出精度に与える影響は小さくなる。以上のことから、第ｒ測定モードからの切り替え後の第ｓ測定モードにおいて、第ｓポンプ電流だけでなく第ｓ－１ポンプ電流も流れるように第ｓ－１ポンプセル及び第ｓポンプセルを制御することで、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【0016】
本発明の第２のガスセンサにおいて、上述した本発明の第１のガスセンサの種々の態様と同様の態様を採用してもよいし、上述した本発明の第１のガスセンサと同様の構成を追加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】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。
【図2】被測定ガス流通部の断面模式図。
【図3】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。
【図4】第１測定用ポンプセル４１ａのＶ－Ｉ特性の一例を示す説明図。
【図5】ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの対応関係の一例を示す説明図。
【図6】第２測定用ポンプセル４１ｂのＶ－Ｉ特性の一例を示す説明図。
【図7】ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの対応関係の一例を示す説明図。
【図8】濃度検出処理ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図9】変形例の被測定ガス流通部の断面模式図。
【図10】変形例の第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の断面模式図。
【図11】変形例の第５拡散律速部６２の断面模式図。
【図12】変形例の第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５の断面模式図。
【図13】変形例の第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５の断面模式図。
【図14】変形例のガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。
【図15】実施例１のガスセンサ１００のＮＯｘ濃度測定値とガス分析計のＮＯｘ濃度測定値との対応関係を示すグラフ。
【図16】比較例１のガスセンサ１００のＮＯｘ濃度測定値とガス分析計のＮＯｘ濃度測定値との対応関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0018】
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、被測定ガス流通部の断面模式図である。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。図２は、センサ素子１０１のスペーサ層５を前後左右方向に沿って切断した部分断面を示している。このガスセンサ１００は、例えば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やアンモニアなどの特定ガスの濃度を検出する。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。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が備える各セル２１，４１ａ，４１ｂ，５０，８０，８１，８２ａ，８２ｂ，８３と、可変電源２４，４６ａ，４６ｂ，５２を有しガスセンサ１００全体を制御する制御装置９０と、を備えている。
【0019】
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１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。
【0020】
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、第５拡散律速部６２と、第４内部空所６３とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
【0021】
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、第４内部空所６３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。
【0022】
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１の紙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（図２も参照）。また、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２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１の紙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（図２も参照）。なお、ガス導入口１０から第４内部空所６３に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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，第３内部空所６１内，及び第４内部空所６３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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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２２ｃ（図２参照）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２２ｃ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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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５１ｃ（図２参照）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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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１内部空所２０及び第２内部空所４０は酸素濃度調整室の一例であり、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０は調整用ポンプセルの一例である。
【0041】
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。
【0042】
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。第４内部空所６３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及び第５拡散律速部６２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における第１測定用ポンプセル４１ａの動作と、第４内部空所６３における第２測定用ポンプセル４１ｂの動作と、のいずれかにより行われる。詳細は後述するが、第１測定用ポンプセル４１ａは比較的低濃度のＮＯｘ濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセル４１ｂは比較的高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適している。第４拡散律速部６０は第１測定電極用拡散律速部の一例であり、第５拡散律速部６２は第２測定電極用拡散律速部の一例である。第３内部空所６１は第１測定室の一例であり、第４内部空所６３は第２測定室の一例である。
【0043】
第１測定用ポンプセル４１ａ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。第１測定用ポンプセル４１ａ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第１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。第２測定用ポンプセル４１ｂは、第４内部空所６３内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。第２測定用ポンプセル４１ｂは、第４内部空所６３に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた第２測定電極４５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。第１測定電極４４及び第２測定電極４５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。第１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。第２測定電極４５は、第４内部空所６３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。
【0044】
第１測定用ポンプセル４１ａにおいては、第１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Ｉｐ２ａとして検出することができる。第２測定用ポンプセル４１ｂにおいては、第２測定電極４５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Ｉｐ２ｂとして検出することができる。
【0045】
また、第１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、第１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、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａが構成されている。同様に、第２測定電極４５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、第２測定電極４５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、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂが構成されている。第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａにて検出された起電力（電圧Ｖ２ａ）に基づいて可変電源４６ａが制御される。第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂにて検出された起電力（電圧Ｖ２ｂ）に基づいて可変電源４６ｂが制御される。
【0046】
第１測定用ポンプセル４１ａを用いる場合について説明する。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内の第１測定電極４４に到達することとなる。第１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第１測定用ポンプセル４１ａによってポンピングされることとなるが、その際、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａにて検出された電圧Ｖ２ａが一定（目標値）となるように可変電源４６ａの電圧Ｖｐ２ａが制御される。第１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、第１測定用ポンプセル４１ａにおけるポンプ電流Ｉｐ２ａ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。
【0047】
第２測定用ポンプセル４１ｂを用いる場合も、上記と同様である。すなわち、まず、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及び第５拡散律速部６２を通じて第４内部空所６３内の第２測定電極４５に到達する。第２測定電極４５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第２測定用ポンプセル４１ｂによってポンピングされることとなるが、その際、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂにて検出された電圧Ｖ２ｂが一定（目標値）となるように可変電源４６ｂの電圧Ｖｐ２ｂが制御される。第２測定電極４５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、第２測定用ポンプセル４１ｂにおけるポンプ電流Ｉｐ２ｂ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。
【0048】
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。
【0049】
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第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂ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第１測定用ポンプセル４１ａ又は第２測定用ポンプセル４１ｂにより汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ又はポンプ電流Ｉｐ２ｂ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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
制御装置９０は、上述した可変電源２４，４６ａ，４６ｂ，５２と、制御部９１と、を備えている。制御部９１は、ＣＰＵ９２，図示しないＲＡＭ，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ＲＯＭなどの不揮発性メモリであり、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、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａにて検出される電圧Ｖ２ａ、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂにて検出される電圧Ｖ２ｂ、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、第１測定用ポンプセル４１ａを流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ、第２測定用ポンプセル４１ｂを流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂを入力する。制御部９１は、可変電源２４，５２へ制御信号を出力することで可変電源２４，５２が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１を制御し、これにより、主ポンプセル２１，及び補助ポンプセル５０を制御する。制御部９１は、可変電源４６ａ，４６ｂへ制御信号を出力することで可変電源４６ａ，４６ｂが出力する電圧Ｖｐ２ａ，Ｖｐ２ｂを制御し、これにより、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを制御する。記憶部９４には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２ａ＊，Ｖ２ｂ＊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＊，Ｖ２ａ＊，Ｖ２ｂ＊を参照して、各セル２１，４１ａ，４１ｂ，５０の制御を行う。ＣＰＵ９２は、ヒータ７２の制御も行う。
【0057】
制御部９１は、電圧Ｖ０が目標値（目標値Ｖ０＊と称する）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。
【0058】
また、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（つまり第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酸素濃度となるように）可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。これとともに、制御部９１は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定値（目標値Ｉｐ１＊と称する）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）する。これにより、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、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧が、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。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。
【0059】
制御部９１は、比較的ＮＯｘ濃度が低い被測定ガスに適した測定モードである低濃度測定モードと、比較的ＮＯｘ濃度が高い被測定ガスに適した測定モードである高濃度測定モードと、を有している。
【0060】
低濃度測定モードでは、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御し、そのときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａの値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。具体的には、制御部９１は、まず、電圧Ｖ２ａが一定値（目標値Ｖ２ａ＊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４６ａの電圧Ｖｐ２ａをフィードバック制御する。目標値Ｖ２ａ＊は、フィードバック制御された電圧Ｖｐ２ａによって流れるポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるような値として、予め定められている。ポンプ電流Ｉｐ２ａが流れることにより、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、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Ｉｐ２ａを取得し、このポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。本実施形態では、記憶部９４に予めポンプ電流Ｉｐ２ａとＮＯｘ濃度との対応関係を表す第１対応関係９５が記憶されており、制御部９１は取得したポンプ電流Ｉｐ２ａと第１対応関係９５とに基づいて、ＮＯｘ濃度を算出する。第１対応関係９５は、関係式（例えば一次関数の式）やマップなどのデータである。
【0061】
高濃度測定モードでは、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御し、そのときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂの値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。具体的には、制御部９１は、まず、電圧Ｖ２ｂが一定値（目標値Ｖ２ｂ＊）となるように（つまり第４内部空所６３内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）可変電源４６ｂの電圧Ｖｐ２ｂをフィードバック制御する。目標値Ｖ２ｂ＊は、フィードバック制御された電圧Ｖｐ２ｂによって流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるような値として、予め定められている。高濃度測定モードにおける目標値Ｖ２ｂ＊は、低濃度測定モードにおける目標値Ｖ２ａ＊と同じ値とした。ただし、目標値Ｖ２ａ＊と目標値Ｖ２ｂ＊とが互いに異なる値であってもよい。ポンプ電流Ｉｐ２ｂが流れることにより、被測定ガス中のＮＯｘが第４内部空所６３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４内部空所６３内から酸素が汲み出される。また、高濃度測定モードでは、制御部９１は、第１測定用ポンプセル４１ａにポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御する。すなわち、高濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流れるようにする。この理由は後述する。そして、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。本実施形態では、記憶部９４に予めポンプ電流Ｉｐ２ｂとＮＯｘ濃度との対応関係を表す第２対応関係９６が記憶されている。制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２ａと第１対応関係９５とに基づいてポンプ電流Ｉｐ２ａに対応するＮＯｘ濃度を算出し、ポンプ電流Ｉｐ２ｂと第２対応関係９６とに基づいてポンプ電流Ｉｐ２ｂに対応するＮＯｘ濃度を算出し、これらの合計値を、高濃度測定モードでの被測定ガス中のＮＯｘ濃度として算出する。第２対応関係９６は、関係式（例えば一次関数の式）やマップなどのデータである。
【0062】
このように、センサ素子１０１内に導入された被測定ガス中の特定ガスに由来する酸素の汲み出しを行い、酸素を汲み出す際に流れる限界電流（ここではポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂ）に基づいて特定ガス濃度を検出する方式を、限界電流方式と称する。
【0063】
ここで、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂの動作特性について説明する。図４は第１測定用ポンプセル４１ａにおける電圧Ｖｐ２ａとポンプ電流Ｉｐ２ａとの関係（Ｖ－Ｉ特性）の一例を示す説明図、図５はＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの対応関係の一例を示す説明図である。図６は第２測定用ポンプセル４１ｂにおける電圧Ｖｐ２ｂとポンプ電流Ｉｐ２ｂとの関係（Ｖ－Ｉ特性）の一例を示す説明図、図７はＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの対応関係の一例を示す説明図である。図５は、電圧Ｖｐ２ａが値Ａ（図４参照）である場合のＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの関係を示している。図７は、電圧Ｖｐ２ｂが値Ｂ（図６参照）である場合のＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの関係を示している。
【0064】
図４に示すように、第１測定用ポンプセル４１ａは、電圧Ｖｐ２ａが低い領域では、電圧Ｖｐ２ａの増加に伴ってポンプ電流Ｉｐ２ａが増加していく。電圧Ｖｐ２ａがある程度高い領域では、被測定ガス流通部が有する拡散抵抗の影響で、電圧Ｖｐ２ａが変化してもポンプ電流Ｉｐ２ａの増加は緩やかになり、ポンプ電流Ｉｐ２ａがほぼ一定の値になる。すなわちポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になる。この領域はプラトー領域と呼ばれる。プラトー領域よりもさらに電圧Ｖｐ２ａが高い領域では、例えば被測定ガス中に水分があればそれが分解されて酸素が発生するため、再び電圧Ｖｐ２ａの増加に伴ってポンプ電流Ｉｐ２ａが増加するようになる。また、限界電流の値は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が高いほど大きくなる。例えば図４における限界電流（ポンプ電流Ｉｐ２ａ）の値は、ＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍの場合は約１μＡであり、２５００ｐｐｍの場合は約５μＡである。そのため、例えば目標値Ｖ２ａ＊に基づいて電圧Ｖｐ２ａが図４に示す値Ａとなるように制御されていた場合、図５に示すようにＮＯｘ濃度が２５００ｐｐｍ以下の範囲ではＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在する。この直線的な関係を利用して、ポンプ電流Ｉｐ２ａの値からＮＯｘ濃度を算出することができる。上述した第１対応関係９５は、このような直線的な関係を表すデータとして、予め実験などにより定められている。
【0065】
ただし、図４からわかるように、ＮＯｘ濃度が高くなるにつれてプラトー領域の幅は狭くなっていき、ＮＯｘ濃度が高すぎるとプラトー領域がほとんど存在しなくなる。すなわちポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流にならなくなる。例えば、図４の例ではＮＯｘ濃度が３０００ｐｐｍ以上の場合には、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流にならない。そのため、図５に示すように、ＮＯｘ濃度が２５００ｐｐｍを超えると、ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの直線的な関係が崩れてくる。したがって、ＮＯｘ濃度が２５００ｐｐｍを超えると、第１測定用ポンプセル４１ａを用いたＮＯｘ濃度の測定が正しく行えなくなる。ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の範囲は、センサ素子１０１の外部から第１測定電極４４までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ1によって変化する。第１拡散抵抗Ｒ1が大きいほど、ＮＯｘ濃度が高くても単位時間あたりに第３内部空所６１内に流入するＮＯｘの量は少なくなることから、ＮＯｘに由来する酸素を実質的にゼロとなるように第１測定用ポンプセル４１ａが酸素を汲み出しやすくなる。そのため、第１拡散抵抗Ｒ1が大きいほど、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の上限が大きくなる。図４の例では、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の上限は２５００ｐｐｍである。本実施形態では、第１拡散抵抗Ｒ1の値は、センサ素子１０１の外部から第１測定電極４４までの被測定ガスの経路中に直列に存在する第１拡散律速部１１，第２拡散律速部１３，第３拡散律速部３０，及び第４拡散律速部６０の各々の拡散抵抗の合成抵抗によって主に定まる。
【0066】
これに対し、第２測定用ポンプセル４１ｂに関して、センサ素子１０１の外部から第２測定電極４５までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第２拡散抵抗Ｒ2とする。本実施形態では、被測定ガスが、第１測定電極４４の配置された第３内部空所６１に到達した後に、第３内部空所６１及び第５拡散律速部６２をこの順に通過してから第２測定電極４５の配置された第４内部空所６３に到達するように、被測定ガス流通部が構成されている。そのため、第２拡散抵抗Ｒ2は、第４拡散律速部６０に直列に接続された第５拡散律速部６２の拡散抵抗が存在することで、第１拡散抵抗Ｒ1よりも大きい値になっている。したがって、第２測定用ポンプセル４１ｂは、第１測定用ポンプセル４１ａと比べて、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の上限が大きくなっている。言い換えると、第１測定用ポンプセル４１ａよりも第２測定用ポンプセル４１ｂの方が、被測定ガス中のＮＯｘがより高濃度であっても、酸素を汲み出す際のポンプ電流を限界電流にすることができる。本実施形態では、図６，７に示すように、第２測定用ポンプセル４１ｂはＮＯｘ濃度が１００００ｐｐｍ以下の範囲において、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流になり、ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの間に直線的な関係が存在する。そのため、第２測定用ポンプセル４１ｂは、第１測定用ポンプセル４１ａではＮＯｘ濃度を正しく測定できない２５００ｐｐｍ超過１００００ｐｐｍ以下の範囲であっても、ＮＯｘ濃度を精度良く測定でき、ＮＯｘが高濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適している。上述した第２対応関係９６は、このような図７に示す直線的な関係を表すデータとして、予め実験などにより定められている。
【0067】
一方、ＮＯｘ濃度が低いほど限界電流の値が小さくなる傾向にあるから、限界電流の値が小さすぎると誤差などの影響を受けて測定精度が低下しやすい。そのため、例えば図７からわかるように第２測定用ポンプセル４１ｂではＮＯｘ濃度が２０００ｐｐｍ未満の場合にはポンプ電流Ｉｐ２ｂが１μＡ未満という小さい値になり、測定精度が低下しやすい。これに対し、第１測定用ポンプセル４１ａは、第２測定用ポンプセル４１ｂと比べて、ＮＯｘが低濃度の場合であっても比較的大きい限界電流を流すことができる。例えば、第１測定用ポンプセル４１ａは、図５からわかるようにＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍ以上であれば１μＡ以上のポンプ電流Ｉｐ２ａを流すことができる。そのため、第１測定用ポンプセル４１ａは、第２測定用ポンプセル４１ｂではＮＯｘ濃度を精度良く測定できない５００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ未満の範囲であっても、ＮＯｘ濃度を精度良く測定でき、ＮＯｘが低濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適している。
【0068】
以上のように、第１測定用ポンプセル４１ａは、５００ｐｐｍ以上２５００ｐｐｍ以下という比較的低濃度のＮＯｘ濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセル４１ｂは２０００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下という比較的高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適している。そのため、本実施形態のセンサ素子１０１は、両者を使い分けることで、例えば第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂのうち一方しか備えないセンサ素子と比較して、低濃度から高濃度までの広い範囲（ここでは５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下）のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。
【0069】
なお、図４～７に示したＮＯｘ濃度やポンプ電流の値は例示であり、第１拡散抵抗Ｒ1及び第２拡散抵抗Ｒ2を調整することで、センサ素子１０１を任意の範囲のＮＯｘ濃度に対応させることができる。例えば、第１拡散律速部１１，第２拡散律速部１３，第３拡散律速部３０，及び第４拡散律速部６０の少なくともいずれかの拡散抵抗を高くすることで、第１拡散抵抗Ｒ1及び第２拡散抵抗Ｒ2を共に高くすることができる。第５拡散律速部６２の拡散抵抗を高くすることで、第２拡散抵抗Ｒ2のみを高くすることができる。本実施形態の第１～第５拡散律速部１１，１３，３０，６０，６２はいずれもスリットであるため、例えばスリットの流路断面積や流路長さを調整することで、拡散抵抗を調整できる。第１測定用ポンプセル４１ａにおいてＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在するＮＯｘ濃度の範囲（ここでは２５００ｐｐｍ以下）と、第２測定用ポンプセル４１ｂにおいて限界電流の値が小さすぎない範囲（例えば１μＡ以上の範囲）に対応するＮＯｘ濃度の範囲（ここでは２０００ｐｐｍ以上）とが、少なくとも一部重複するように、第１～第５拡散律速部１１，１３，３０，６０，６２の拡散抵抗を調整することが好ましい。比Ｒ2／Ｒ1が１超過１００以下であってもよい。比Ｒ2／Ｒ1は、第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとの限界電流の比から算出できる。具体的には、まず、既知のＮＯｘ濃度のモデルガスを用いて、ポンプ電流Ｉｐ２ｂを流さずポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御したときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ（すなわち上述した低濃度測定モードでのポンプ電流Ｉｐ２ａ）の値を測定する。同様に、同じモデルガスを用いて、ポンプ電流Ｉｐ２ａを流さずポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御したときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂの値を測定する。そして、限界電流は拡散抵抗の逆数に比例するから、限界電流の比Ｉｐ２ａ／Ｉｐ２ｂは、拡散抵抗の比Ｒ2／Ｒ1に等しい。そこで、測定した値に基づく比Ｉｐ２ａ／Ｉｐ２ｂの値を、比Ｒ2／Ｒ1の値とする。これにより比Ｒ2／Ｒ1を算出できる。
【0070】
こうして構成されたガスセンサ１００の使用例を以下に説明する。図８は、濃度検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、記憶部９４に記憶され、例えば制御装置９０の電源がオンされると開始される。
【0071】
濃度検出処理ルーチンが開始されると、制御部９１のＣＰＵ９２は、まず、ヒータ７２に通電してヒータ７２の制御を開始し（ステップＳ１００）、センサ素子１０１を固体電解質が活性化する温度（例えば８００℃）に維持する。続いて、ＣＰＵ９２は、主ポンプセル２１の制御を開始する（ステップＳ１１０）と共に、補助ポンプセル５０の制御を開始する（ステップＳ１２０）。すなわち、ＣＰＵ９２は、上述した目標値Ｉｐ１＊及び目標値Ｖ０＊に基づくフィードバック制御を行って主ポンプセル２１を制御し、上述した目標値Ｖ１＊に基づくフィードバック制御を行って補助ポンプセル５０を制御する。ステップＳ１１０，Ｓ１２０は、いずれが先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。ここで、被測定ガスは、ガス導入口１０から第１拡散律速部１１，緩衝空間１２，第２拡散律速部１３，第１内部空所２０，第３拡散律速部３０，第２内部空所４０，及び第４拡散律速部６０をこの順に通過してから第３内部空所６１に到達する。そして、被測定ガスは、第１内部空所２０及び第２内部空所４０において酸素濃度が調整されてから、第３内部空所６１及びその下流の第４内部空所６３に到達する。
【0072】
次に、ＣＰＵ９２は、低濃度測定モードに切り替える（ステップＳ１３０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、上述したように、電圧Ｖ２ａが目標値Ｖ２ａ＊になるように電圧Ｖｐ２ａのフィードバック制御を行って、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御する。この低濃度測定モードの状態では、ＣＰＵ９２は、可変電源４６ｂが電圧Ｖｐ２ｂを第２測定用ポンプセル４１ｂに印加しないようにして、第２測定用ポンプセル４１ｂにはポンプ電流Ｉｐ２ｂが流れないようにする。そのため第２測定用ポンプセル４１ｂによる第４内部空所６３内の酸素の汲み出しは行われない。そして、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａと第１対応関係９５とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の導出を行う（ステップＳ１４０）。こうして、低濃度測定モードでのＮＯｘ濃度の測定が行われる。
【0073】
ステップＳ１４０の後、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の高濃度領域に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。例えば、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが所定の閾値Ｉｐｒｅｆ１を超えているか否かによって、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が高濃度領域に含まれるか否かを判定する。閾値Ｉｐｒｅｆ１は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが小さくＮＯｘ濃度が低濃度であるとみなせる範囲、すなわち低濃度測定モードでの測定に適しているとみなせる範囲の上限値として、予め定められている。閾値Ｉｐｒｅｆ１は、例えば第１測定用ポンプセル４１ａにおいてＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在するようなポンプ電流Ｉｐ２ａの範囲の上限（ここでは５μＡ）、又はマージンを設けてその上限よりも少し低い値に設定しておく。本実施形態では、閾値Ｉｐｒｅｆ１は、値４．８μＡ（ＮＯｘ濃度が２４００ｐｐｍに相当する値）とした。ステップＳ１５０でポンプ電流Ｉｐ２ａが閾値Ｉｐｒｅｆ１以下である場合には、ＣＰＵ９２はステップＳ１４０以降の処理を行う。すなわち、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて、ＮＯｘ濃度が高濃度領域に含まれない、すなわちＮＯｘ濃度が低濃度であるとみなせる場合は、引き続き低濃度測定モードでＮＯｘ濃度を測定する。
【0074】
一方、ステップＳ１５０でＮＯｘ濃度が高濃度領域に含まれる場合（ここではポンプ電流Ｉｐ２ａが閾値Ｉｐｒｅｆ１を超えていた場合）には、ＣＰＵ９２は、低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替える（ステップＳ２３０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、上述したように、電圧Ｖ２ｂが目標値Ｖ２ｂ＊になるように電圧Ｖｐ２ｂのフィードバック制御を行って、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御する。また、ＣＰＵ９２は、第１測定用ポンプセル４１ａにポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御する。すなわち、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流す。本実施形態では、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａを流すにあたり、ポンプ電流Ｉｐ２ａが目標値Ｉｐ２ａ＊になるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御する。より具体的には、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが目標値Ｉｐ２ａ＊になるように可変電源４６ａの電圧Ｖｐ２ａをフィードバック制御する。その結果、高濃度測定モードでは、第１測定用ポンプセル４１ａに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａはほぼ一定値（目標値Ｉｐ２ａ＊）となる。目標値Ｉｐ２ａ＊の値すなわち高濃度測定モード中に流れるポンプ電流Ｉｐ２ａの値は、ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在するようなポンプ電流Ｉｐ２ａの範囲内の値であればよい。言い換えると、目標値Ｉｐ２ａ＊は、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいてＮＯｘ濃度を算出できるような範囲内の値であればよい。また、目標値Ｉｐ２ａ＊の値は、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいてＮＯｘ濃度を算出できるような範囲内において、ある程度大きい値であることが好ましい。例えば、目標値Ｉｐ２ａ＊は、上述した閾値Ｉｐｒｅｆ１と同じ値として予め記憶部９４に記憶されていてもよい。あるいは、目標値Ｉｐ２ａ＊は、直近のステップＳ１５０で所定の閾値Ｉｐｒｅｆ１を超えていると判定されたときのポンプ電流Ｉｐ２ａと同じ値に設定されてもよい。本実施形態では、目標値Ｉｐ２ａ＊は、閾値Ｉｐｒｅｆ１と同じ値（ここでは４．８μＡであり、ＮＯｘ濃度が２４００ｐｐｍに対応する電流）として予め記憶部９４に設定されているものとした。以上のように、高濃度測定モードでは、第１測定用ポンプセル４１ａにポンプ電流Ｉｐ２ａが流れると共に、第２測定用ポンプセル４１ｂにポンプ電流Ｉｐ２ｂが流れる。そのため、第１測定用ポンプセル４１ａによる第３内部空所６１内の酸素の汲み出しと、第２測定用ポンプセル４１ｂによる第４内部空所６３内の酸素の汲み出しと、の両方が行われる。また、ポンプ電流Ｉｐ２ｂは低濃度測定モードでは流れておらず高濃度測定モードに切り替わる時から流れ始めることになるが、ポンプ電流Ｉｐ２ａは低濃度測定モードにおいても流れているため、ポンプ電流Ｉｐ２ａは高濃度測定モードに切り替わる時には低濃度測定モードから継続して流れることになる。そして、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出する（ステップＳ２４０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａと第１対応関係９５とに基づいてポンプ電流Ｉｐ２ａに対応するＮＯｘ濃度を算出し、ポンプ電流Ｉｐ２ｂと第２対応関係９６とに基づいてポンプ電流Ｉｐ２ｂに対応するＮＯｘ濃度を算出する。そして、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａから算出したＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂから算出したＮＯｘ濃度との合計値を、高濃度測定モードでの被測定ガス中のＮＯｘ濃度として算出する。例えば、ポンプ電流Ｉｐ２ａが４．８μＡ（＝ＮＯｘ濃度が２４００ｐｐｍ）でありポンプ電流Ｉｐ２ｂが１μＡ（＝ＮＯｘ濃度が２０００ｐｐｍ）であった場合には、ＣＰＵ９２が算出するＮＯｘ濃度は４４００ｐｐｍとなる。
【0075】
ステップＳ２４０の後、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。例えば、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが所定の閾値Ｉｐｒｅｆ２以下であるか否かによって、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が低濃度領域に含まれるか否かを判定する。本実施形態では、閾値Ｉｐｒｅｆ２は０μＡに設定されている。したがって、例えば高濃度測定モードにおいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が目標値Ｉｐ２ａ＊に対応する濃度（ここでは２４００ｐｐｍ）よりも高ければ、被測定ガス中のＮＯｘに由来する酸素のうちポンプ電流Ｉｐ２ａによって汲み出されなかった酸素が存在することでポンプ電流Ｉｐ２ｂが０μＡより大きい値になるため、ステップＳ２５０で否定判定がなされる。高濃度測定モードにおいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が目標値Ｉｐ２ａ＊に対応する濃度（ここでは２４００ｐｐｍ）以下であれば、被測定ガス中のＮＯｘに由来する酸素がほぼ全てポンプ電流Ｉｐ２ａによって汲み出されることでポンプ電流Ｉｐ２ｂが０μＡ以下の値になるため、ステップＳ２５０で肯定判定がなされる。ＣＰＵ９２は、ステップＳ２５０で否定判定をした場合には、ステップＳ２４０以降の処理を実行する。すなわち、ＣＰＵ９２は、ＮＯｘ濃度が低濃度領域に含まれない（ＮＯｘ濃度が高濃度である）場合は、引き続き高濃度測定モードでＮＯｘ濃度を測定する。一方、ステップＳ２５０で肯定判定がなされた場合には、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１３０以降の処理を行う。すなわち、ＣＰＵ９２は、ＮＯｘ濃度が低濃度領域に含まれる場合は、低濃度測定モードに切り替えてＮＯｘ濃度の測定を行う。高濃度測定モードから低濃度測定モードに切り替わる時には、ポンプ電流Ｉｐ２ａは高濃度測定モードから継続して流れ、ポンプ電流Ｉｐ２ｂは停止することになる。
【0076】
このように、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとのいずれを用いるかの判定を伴ってＮＯｘ濃度の検出を行う。そのため、低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを適切に行って、低濃度から高濃度までの広い範囲（例えば本実施形態では５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下）の特定ガス濃度を精度良く検出できる。
【0077】
また、ＣＰＵ９２は、高濃度測定モードにおいて、ポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御して第３内部空所６１の酸素を汲み出し、且つ、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御して第４内部空所６３の酸素を汲み出し（ステップＳ２３０）、ポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する（ステップＳ２４０）。すなわち、高濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流れるようにする。これにより、低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替えた直後のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。この理由は以下のように考えられる。まず、高濃度測定モードに切り替える時にポンプ電流Ｉｐ２ａが停止してポンプ電流Ｉｐ２ｂが流れ始める場合を考える。この場合、低濃度測定モードで酸素の汲み出しが行われていた第３内部空所６１では酸素が汲み出されなくなり、高濃度測定モードでは第４内部空所６３で酸素が汲み出されることになる。しかし、第４内部空所６３は第３内部空所６１よりも被測定ガスの下流側に位置するため、第３内部空所６１から第４内部空所６３への被測定ガスの移動時間に起因して、第４内部空所６３での酸素の汲み出し量すなわちポンプ電流Ｉｐ２ｂが安定するまでに時間がかかる。言い換えると、ポンプ電流Ｉｐ２ｂの値がＮＯｘ濃度の真の値に対応する値になるまでに時間がかかる。これにより、ポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて検出されるＮＯｘ濃度も不安定になりＮＯｘ濃度の検出の精度が低下する。これに対し、低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替える時にポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流れる場合、ポンプ電流Ｉｐ２ａが酸素を汲み出す第３内部空所６１は、第４内部空所６３よりも上流側に位置し切り替え前の低濃度測定モードでも酸素の汲み出しが行われていたから、ポンプ電流Ｉｐ２ａは短時間で安定しやすい。また、この場合でもポンプ電流Ｉｐ２ｂが安定するまでには時間がかかることはあるが、ＮＯｘ濃度はポンプ電流Ｉｐ２ａとポンプ電流Ｉｐ２ｂとの両方に基づいて検出されるから、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが安定するまでに時間がかかってもＮＯｘ濃度の検出精度に与える影響は小さくなる。以上のことから、低濃度測定モードからの切り替え後の高濃度測定モードにおいて、ポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流れるように第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを制御することで、高濃度測定モードに切り替えた直後のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【0078】
また、高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａが流れている状態で高濃度測定モードから低濃度測定モードに切り替わる時には、ポンプ電流Ｉｐ２ａは高濃度測定モードから継続して流れる。そのため、低濃度測定モードに切り替える時にポンプ電流Ｉｐ２ａが流れ始める場合と比べて、切り替え後の低高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａが短時間で安定しやすい。そのため、高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａを流しておくことで、低濃度測定モードに切り替えた直後のＮＯｘ濃度の検出精度の低下も抑制できる。
【0079】
なお、低濃度測定モードの場合は、被測定ガスが第４内部空所６３に到達する前に第３内部空所６１において第１測定電極４４の周囲でＮＯｘが還元して酸素が発生し、その酸素を第１測定用ポンプセル４１ａによって汲み出すことになる。そのため、被測定ガス中のＮＯｘは基本的には第２測定電極４５まで到達することはない。また、仮にＮＯｘが第２測定電極４５まで到達して第２測定電極４５の周囲でＮＯｘが還元して酸素が発生したとしても、低濃度測定モードでは第２測定用ポンプセル４１ｂによる酸素の汲み出しは行われず、第１測定用ポンプセル４１ａの動作によって第４内部空所６３よりも第３内部空所６１の方が酸素濃度が低くなっているから、第２測定電極４５の周囲で発生した酸素は拡散によって第３内部空所６１側に移動する。したがって、仮に第２測定電極４５の周囲で発生した酸素が存在しても、その酸素は第１測定用ポンプセル４１ａによって汲み出されるから、結局はＮＯｘに由来して発生する酸素の量がポンプ電流Ｉｐ２ａと比例することになる。したがって、低濃度測定モードにおいて制御部９１はポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて問題なくＮＯｘ濃度を算出できる。なお、低濃度測定モードの場合、ＣＰＵ９２は、電圧Ｖ２ａと電圧Ｖ２ｂとの平均値が目標値になるように、第１測定用ポンプセル４１ａを制御してもよい。こうすれば、第１測定電極４４の周囲だけでなく第２測定電極４５の周囲で発生した酸素が存在しても、制御装置９０はその酸素の量も加味して第１測定用ポンプセル４１ａを制御することができる。この場合も、制御部９１は低濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて問題なくＮＯｘ濃度を算出できる。
【0080】
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、第３内部空所６１が第１測定室に相当し、第１測定電極４４が第１測定電極に相当し、第１測定用ポンプセル４１ａが第１測定用ポンプセルに相当し、第４内部空所６３が第２測定室に相当し、第２測定電極４５が第２測定電極に相当し、第２測定用ポンプセル４１ｂが第２測定用ポンプセルに相当し、外側ポンプ電極２３が第１外側測定電極及び第２外側測定電極に相当し、第４拡散律速部６０が第１測定電極用拡散律速部に相当し、第５拡散律速部６２が第２測定電極用拡散律速部に相当し、制御装置９０が特定ガス濃度検出部に相当する。また、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、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａが第１測定用電圧検出部に相当し、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂが第２測定用電圧検出部に相当する。なお、本実施形態では、本発明の第１のガスセンサの一例を説明することにより、本発明の第２のガスセンサにおいてｎを値２とした場合の一例も明らかにしている。
【0081】
以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とが直列に配置されていることで、センサ素子１０１の外部から第１測定電極４４までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ1よりも、センサ素子１０１の外部から第２測定電極４５までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第２拡散抵抗Ｒ2の方が高くなるように構成されている。これにより、第１測定用ポンプセル４１ａはＮＯｘが低濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセル４１ｂはＮＯｘが高濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適している。そして、制御部９１は、高濃度測定モードにおいて、ポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御して第３内部空所６１の酸素を汲み出し、且つ、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御して第４内部空所６３の酸素を汲み出し、ポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。すなわち、高濃度測定モードでは、ポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流れるようにする。これにより、低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替えた直後のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【0082】
また、制御装置９０は、低濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の高濃度領域に含まれると判定した場合には高濃度測定モードへの切り替えを行い、高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の低濃度領域に含まれると判定した場合には低濃度測定モードへの切り替えを行う。そのため、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを適切に行うことができる。
【0083】
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。
【0084】
例えば、上述した実施形態では、高濃度測定モードでは常にポンプ電流Ｉｐ２ａが流れるが、これに限られない。少なくとも低濃度測定モードから高濃度測定モードに切り替えを行う場合に、切り替え後の高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａが流れればよい。例えば、ステップＳ１２０の後にまずステップＳ２３０に進んで高濃度測定モードを実行する場合には、ＣＰＵ９２はポンプ電流Ｉｐ２ａが流れないようにしてもよい。高濃度測定モードでポンプ電流Ｉｐ２ａを流さない場合は、ＣＰＵ９２はポンプ電流Ｉｐ２ｂと第２対応関係９６とに基づいてＮＯｘ濃度を算出すればよい。また、高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａが流れない期間が存在してもよい。例えば、上述した実施形態ではポンプ電流Ｉｐ２ａは高濃度測定モードに切り替わる時には低濃度測定モードから継続して流れるが、これに限らずポンプ電流Ｉｐ２ａが一度停止してから流れ始めるなど、一時的にポンプ電流Ｉｐ２ａが流れない期間が存在してもよい。また、高濃度測定モードに切り替わってから所定時間が経過した場合に、高濃度測定モードが継続していてもポンプ電流Ｉｐ２ａを停止してもよい。ただし、上述した実施形態のようにポンプ電流Ｉｐ２ａは高濃度測定モードに切り替わる時には低濃度測定モードから継続して流れることが好ましい。また、高濃度測定モード中はポンプ電流Ｉｐ２ａが継続して流れることが好ましい。
【0085】
上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、高濃度測定モードにおいて、ポンプ電流Ｉｐ２ａが目標値Ｉｐ２ａ＊になるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御したが、これに限らずポンプ電流Ｉｐ２ａが流れていればよい。例えば、ＣＰＵ９２は、高濃度測定モードにおいて、第１測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２ａが目標値になるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御してもよい。このときの電圧Ｖ２ａの目標値は、低濃度測定モード時の目標値Ｖ２ａ＊と同じ値としてもよい。
【0086】
上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、ステップＳ２４０において、ポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂと第１対応関係９５及び第２対応関係９６とに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出した。このとき、上述した実施形態ではポンプ電流Ｉｐ２ａは目標値Ｉｐ２ａ＊になるように制御されているため、現在のポンプ電流Ｉｐ２ａの代わりに目標値Ｉｐ２ａ＊を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出してもよい。あるいは、ＣＰＵ９２は、目標値Ｉｐ２ａ＊に対応するＮＯｘ濃度として予め記憶部９４に記憶されている値と、ポンプ電流Ｉｐ２ｂ及び第２対応関係９６から算出されるＮＯｘ濃度と、の合計値として、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出してもよい。これらの態様でも、ＣＰＵ９２はポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出していると言える。
【0087】
上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、ステップＳ２５０においてポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定したが、ポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも用いてこの判定を行ってもよい。例えば、ＣＰＵ９２は、ステップＳ２４０においてポンプ電流Ｉｐ２ａ及びポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて算出されたＮＯｘ濃度を用いて、ステップＳ２５０においてこのＮＯｘ濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定してもよい。
【0088】
上述した実施形態では、第４拡散律速部６０，第３内部空所６１，第５拡散律速部６２，及び第４内部空所６３がこの順に前後方向に並べて配置されていたが、これに限られない。第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とが直列に配置されていればよい。例えば、図９に示すように、第３内部空所６１に対して第５拡散律速部６２及び第４内部空所６３がこの順に左右方向に配置されていてもよい。この場合でも、拡散抵抗Ｒ1より拡散抵抗Ｒ2の方が大きくなるから、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。なお、図９では、第３内部空所６１及び第４内部空所６３の左右方向の幅をそれぞれ図２の半分以下としている。主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０と比較すると、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂが汲み出す酸素の量は少ない。そのため、このように第３内部空所６１及び第４内部空所６３の容積を小さくして第１測定電極４４及び第２測定電極４５が小さくなっても、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂが汲み出す酸素の量が不十分になりにくい。
【0089】
上述した実施形態では、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２はスリット状の隙間として構成されていたが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２を多孔質体（例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックス多孔質体）として構成してもよい。この場合、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の各々について、気孔率や気孔径などを調整することで拡散抵抗を調整できる。第１～第３拡散律速部１１，１３，３０についても、同様に多孔質体として構成してもよい。
【0090】
第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の少なくとも一方を多孔質体とする場合、その多孔質体が測定電極を被覆していてもよい。例えば、図１１に示すように、第５拡散律速部６２が第２測定電極４５を被覆するようにしてもよい。図１１では、第４内部空所６３が存在せず、第５拡散律速部６２は第３内部空所６１内に配置されている。この場合、第５拡散律速部６２の内側、言い換えると第２測定電極４５の周囲が、上述した実施形態の第４内部空所６３と同じく第２測定室として機能することになる。この図１１の場合でも、被測定ガス流通部は、被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部（ここでは第４拡散律速部６０），第１測定室（ここでは第３内部空所６１），及び第２測定電極用拡散律速部（ここでは第５拡散律速部６２）をこの順に通過してから第２測定室に到達するように構成されている。すなわち、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とは直列に配置されているから、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。
【0091】
また、図１１の例では第１測定電極４４と第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５とが共に第３内部空所６１に配設されているため、図１２のようにこれらの前後の位置を入れ替えてもよい。あるいは、図１３のように第１測定電極４４と第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５とを第３内部空所６１内に上下に配置してもよい。図１２，１３の態様でも、第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。
【0092】
上述した実施形態では、センサ素子１０１は第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとの２つの測定用ポンプセルを備えていたが、合計３つ以上の測定用ポンプセルを備えていてもよい。例えば、センサ素子１０１が第４内部空所６３のさらに下流側に第３測定電極用拡散律速部と第３測定室とをこの順に備えるようにして、第３測定室に第３測定電極を配設してもよい。すなわち、一般化して表現すると、以下のようにしてもよい。センサ素子１０１は、ｎを２以上の整数として、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを含む、第１～第ｎ測定用ポンプセルを備えていてもよい。ｐを２以上ｎ以下の任意の整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、被測定ガス流通部のうちの第ｐ測定室に配設された第ｐ測定電極と、被測定ガスと接触するように素子本体（上述した実施形態では層１～６）の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有していてもよい。被測定ガス流通部は、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部を有し、被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部を通過してから第１測定室に到達し、被測定ガスが第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから第ｐ測定室に到達するように構成されていてもよい。こうすることで、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部がこの順に直列に配置される。そのため、センサ素子１０１の外部から第１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第１拡散抵抗Ｒ1とし、センサ素子１０１の外部から第ｐ測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第ｐ拡散抵抗Ｒpとすると、第ｐ－１拡散抵抗Ｒp-1よりも第ｐ拡散抵抗Ｒpの方が高くなる、すなわちＲ1＜Ｒ2＜・・・Ｒn-1＜Ｒnとなる。そのため、第１～第ｎ測定用ポンプセルを使い分けることで、低濃度から高濃度までのより広い範囲の特定ガス濃度を精度良く検出できる。ｎは、例えば３以上としてもよいし、５以下としてもよい。
【0093】
このようなｎ個の測定用ポンプセルを有するセンサ素子１０１を用いてＮＯｘ濃度を測定する場合、上述した実施形態と同様に、制御装置９０が複数のモードを使い分ければよい。具体的には、制御装置９０が、第１～第ｎ測定モードを有しており、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、第ｑ測定モードは、第ｑ測定用ポンプセルに流れる第ｑポンプ電流が限界電流となるように第ｑ測定用ポンプセルを制御して第ｑ測定室の酸素を汲み出し、その第ｑポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するモードとすればよい。この場合、ガスセンサ１００は、第１～第ｎ測定用ポンプセルの各々に対応して、第１，第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａ，８２ｂだけでなく、第３～第ｎ測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルも備えていてもよい。すなわち、ガスセンサ１００は、ｑを１以上ｎ以下の任意の整数として、基準電極４２と第ｑ測定電極との間の第ｑ測定用電圧を検出する第ｑ測定用電圧検出部を備えていてもよい。また、制御装置９０は、第ｑ測定モードでは第ｑ測定用電圧に基づいて第ｑ測定用ポンプセルを制御してもよい。例えば、制御装置９０は第ｑ測定用電圧が目標値になるように第ｑ測定用ポンプセルに電圧を印加する可変電源をフィードバック制御して、第ｑ測定用ポンプセルに流れる第ｑポンプ電流を制御してもよい。
【0094】
制御装置９０は、第１～第ｎ測定モードの切替を、例えば以下のように行ってもよい。すなわち、ｒを１以上ｎ以下の任意の整数として、制御装置９０は、第ｒ測定モードにおいて第ｒ測定用ポンプセルに流れる第ｒポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が第ｒ測定モードに対応して設定された所定の特定ガス濃度の領域である第ｒ領域の上限値を超えていると判定した場合には、第ｒ＋１測定モードに変更してもよい（ただしｒ＝ｎの場合を除く）。同様に、制御装置９０は、第ｒ測定モードにおいて第ｒ測定用ポンプセルに流れる第ｒポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が第ｒ測定モードに対応して設定された第ｒ領域の下限値未満であると判定した場合には、第ｒ－１測定モードに変更してもよい（ただしｒ＝１の場合を除く）。すなわち、第１～第ｎ測定モードの各々について、その測定モードに適した特定ガス濃度の領域（第１領域～第ｎ領域）を予め設定しておく（例えば記憶部９４に記憶しておく）。そして、制御装置９０は現在の特定ガス濃度が現在の測定モードに適した領域を超えたか否かやその領域を下回ったか否かをポンプ電流に基づいて判定し、判定結果に応じて制御装置９０が第ｒ測定モードから隣接する第ｒ＋１測定モード又は隣接する第ｒ－１測定モードに切り替えてもよい。この場合、制御装置９０は、測定モードを１段階ずつ切り替えることになる。また、この場合の第１領域～第ｎ領域は、隣接する領域間で範囲が一部が重複していてもよい。第１領域～第ｎ領域は、特定ガス濃度の範囲として定められていてもよいし、特定ガス濃度の範囲とみなせる数値（例えばポンプ電流）の範囲として定められていてもよい。
【0095】
あるいは、制御装置９０は、測定モードを第ｒ測定モードから第ｒ＋２測定モードに切り替えるなど、一度に測定モードを２段階以上切り替えることを許容するようにしてもよい。例えば、上述した第１領域～第ｎ領域が予め設定されている場合に、制御装置９０は、第ｒ測定モードにおいて第ｒ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が、第１～第ｎ領域のうち第ｒ領域以外のいずれかである第ｘ領域に含まれるか否かを判定し（ｘは１以上ｎ以下且つｒ以外の整数）、第ｘ領域に含まれると判定した場合、第ｘ測定モードに変更してもよい。こうすれば、例えば被測定ガス濃度が急激に大きく変動する場合に、測定モードを１段階ずつ切り替える場合と比較して、適切な測定モードへの切替を短時間で行うことができる。この場合の第１領域～第ｎ領域は、隣接する領域間で範囲が重複していない（例えば範囲が互いに接している）ことが好ましい。なお、一度に測定モードを２段階以上切り替えることを許容しないようにしてもよい。
【0096】
上述した実施形態では、比Ｒ2／Ｒ1の数値範囲として「１超過１００以下」を例示した。センサ素子１０１が３つ以上の測定用ポンプセルを有する場合も、これと同様の数値範囲を満たしていてもよい。具体的には、上述した第１～第ｎ拡散抵抗Ｒ1～Ｒnについて、ｋを１からｎ－１までの整数として、第ｋ拡散抵抗Ｒk（外部から第ｋ測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗）と、第ｋ＋１拡散抵抗Ｒk+1（外部から前記第ｋ＋１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗）と、の比Ｒk+1／Ｒkが、１超過１００以下であってもよい。すなわち、第１～第ｎ測定電極の各々について、隣接する測定電極間での外部から測定電極までの拡散抵抗の比が、１超過１００以下であってもよい。比Ｒk+1／Ｒkの値は、上述した比Ｒ2／Ｒ1と同様の方法で算出できる。なお、「比Ｒk+1／Ｒkが１超過１００以下である」とは、比Ｒ2／Ｒ1，比Ｒ3／Ｒ2，・・・，比Ｒn／Ｒn-1の値が、それぞれ１超過１００以下の範囲内の値であることを意味し、これらの全ての比が同じ値である必要はない。
【0097】
このように第１～第ｎ測定モードを有するとき、制御部９１は、ｒ＜ｓとして、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の第ｓ測定モードにおいて第ｓ－１ポンプ電流が流れると共に第ｓポンプ電流が流れるように第ｓ－１測定用ポンプセル及び第ｓ測定用ポンプセルを制御して、第ｓ－１ポンプ電流及び第ｓポンプ電流に基づいて特定ガス濃度を検出する。すなわち、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードへの切り替えを行う場合には、切り替え後の第ｓ測定モードにおいて、第ｓポンプ電流だけでなく第ｓ－１ポンプ電流も流れるようにする。これにより、上述した実施形態と同様に、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。この理由は以下のように考えられる。まず、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードに切り替える時に第ｒポンプ電流が停止して第ｓポンプ電流が流れ始める場合を考える。この場合、第ｒ測定モードで酸素の汲み出しが行われていた第ｒ測定室では酸素が汲み出されなくなり、第ｓ測定モードでは第ｓ測定室で酸素が汲み出されることになる。しかし、第ｓ測定室は第ｒ測定室よりも被測定ガスの下流側に位置するため、第ｒ測定室から第ｓ測定室への被測定ガスの移動時間に起因して、第ｓ測定室での酸素の汲み出し量すなわち第ｓポンプ電流が安定するまでに時間がかかる。これにより、第ｓポンプ電流に基づいて検出される特定ガス濃度も不安定になり特定ガス濃度の検出の精度が低下する。これに対し、第ｒ測定モードから第ｓ測定モードに切り替える時に第ｓポンプ電流だけでなく第ｓ－１ポンプ電流も流れる場合、第ｓ－１ポンプ電流が酸素を汲み出す第ｓ－１測定室は、第ｓ測定室よりも上流側に位置する。また、第ｓ－１測定室は、ｓとｒとの差が１より大きい場合には、切り替え前の第ｒ測定モードで酸素の汲み出しが行われていた第ｒ測定室に近い測定室となる。そのため、第ｒ測定室から第ｓ測定室への被測定ガスの移動時間と比べると第ｒ測定室から第ｓ－１測定室への被測定ガスの移動時間は短い。また、第ｓ－１測定室は、ｓとｒとの差が１である場合には、切り替え前の第ｒ測定モードで酸素の汲み出しが行われていた第ｒ測定室と同じ測定室である。この場合は、第ｒ測定室から第ｓ－１測定室への被測定ガスの移動時間は生じない。そのため、いずれの場合でも、第ｓ－１ポンプ電流は、短時間で安定しやすい。また、第ｓポンプ電流が安定するまでには時間がかかることはあるが、特定ガス濃度は第ｓ－１ポンプ電流と第ｓポンプ電流との両方に基づいて検出されるから、第ｓポンプ電流が安定するまでに時間がかかっても特定ガス濃度の検出精度に与える影響は小さくなる。以上のことから、第ｒ測定モードからの切り替え後の第ｓ測定モードにおいて、第ｓポンプ電流だけでなく第ｓ－１ポンプ電流も流れるように第ｓ－１ポンプセル及び第ｓポンプセルを制御することで、より高濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードに切り替えた直後の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【0098】
なお、より低濃度の特定ガス濃度の検出に適した測定モードへの切り替えを行う場合は、上記の第ｓ－１ポンプ電流も流れるような制御を行う必要はない。例えば、制御部９１は、ｎが３の場合において、第１測定モードから第２測定モードに切り替えを行う場合には、切り替え後の第２測定モードにおいて第２ポンプ電流だけでなく第１ポンプ電流も流れるようにするが、第３測定モードから第２測定モードに切り替えを行う場合には、切り替え後の第２測定モードにおいて第２ポンプ電流を流せばよく第１ポンプ電流は流さなくてもよい。
【0099】
第１～第ｎ測定用ポンプセル及び第１～第ｎ測定モードを有する態様のガスセンサにおいて、実施形態及び変形例の種々の態様や構成を採用してもよい。例えば、制御部９１は、第ｒ測定モードから切り替えた後の第ｓ測定モードにおいて、第ｓ－１ポンプ電流が目標値になるように前記第ｓ－１測定用ポンプセルを制御してもよい。また、制御部９１は、第ｒ測定モードから切り替えた後の第ｓ測定モードにおいて、第ｓ－１測定電極と基準電極４２との間の電圧が目標値になるように第ｓ－１測定用ポンプセルを制御してもよい。
【0100】
上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを行ったが、これに限られない。例えばエンジンＥＣＵなどの他の装置からの信号に基づいて切り替えを行ってもよい。
【0101】
上述した実施形態において、センサ素子１０１は素子本体の前端側の周囲を被覆する多孔質保護層（例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックス多孔質体）を備えていてもよい。こうすれば、多孔質保護層により例えば被測定ガス中の水分の付着による素子本体への熱衝撃を抑制でき、素子本体のクラックを抑制できる。多孔質保護層がガス導入口１０を覆っている場合、多孔質保護層の拡散抵抗も、上述した第１拡散抵抗Ｒ1及び第２拡散抵抗Ｒ2の値に影響する。
【0102】
上述した実施形態では、内側ポンプ電極２２は、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極としたが、これに限られない。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくともいずれか）と、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属（例えばＡｕ）と、を含んでいればよい。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、触媒活性を有する貴金属と、触媒活性抑制能を有する貴金属と、を含んでいればよい。外側ポンプ電極２３，基準電極４２，第１測定電極４４，及び第２測定電極４５は、それぞれ、上述した触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。各電極２２，２３，４２，４４，４５，５１は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物（例えばＺｒＯ2）とを含むサーメットであることが好ましいが、これらの電極の１以上がサーメットでなくてもよい。各電極２２，２３，４２，４４，４５，５１は、それぞれ、多孔質体であることが好ましいが、これらの電極の１以上が多孔質体でなくてもよい。
【0103】
上述した実施形態では、ガスセンサ１００は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出したが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出する限界電流方式のガスセンサであれば、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及び第４内部空所６３で還元したときに酸素が発生するから、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを用いてこの酸素に応じた検出値（例えばポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂ）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及び第４内部空所６３で還元したときに酸素が発生するから、特定ガスが酸化物の場合と同様に特定ガス濃度を検出できる。特定ガスの酸化物への変換は、例えば、内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５１との少なくとも一方が触媒として機能することにより行うことができる。
【0104】
あるいは、特定ガスを酸素として、ガスセンサ１００が被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出するようにしてもよい。制御装置９０が、センサ素子１０１の第１内部空所２０及び第２内部空所４０において酸素濃度を調整しないようにしつつ、第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂが限界電流になるようにセンサ素子１０１を制御すれば、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂは被測定ガス中の酸素濃度に応じた値になる。そのため、制御装置９０はポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて酸素濃度を検出できる。例えば、制御装置９０が、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０を動作させないようにする点以外は上述した実施形態と同様にセンサ素子１０１を制御して濃度検出処理ルーチンを実行してもよい。また、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂがそれぞれ限界電流になるように制御装置９０が第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂを制御すればよく、例えば上述した電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂが目標値Ｖ２ａ＊，Ｖ２ｂ＊になるようなフィードバック制御を行わなくてもよい。例えば、低濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるような電圧Ｖｐ２ａの値が予め定められており、制御装置９０は低濃度測定モードのときにはその値の電圧Ｖｐ２ａを印加するように可変電源４６ａを制御してもよい。同様に、高濃度測定モードにおいてもポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流になるような電圧Ｖｐ２ｂの値が予め定められていてもよい。ガスセンサ１００が特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する場合、第１測定電極４４及び第２測定電極４５は、内側ポンプ電極２２及び補助ポンプ電極５１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ていることが好ましい。例えば、第１測定電極４４及び第２測定電極４５の各々が、上述した触媒活性を有する貴金属に加えて、上述した触媒活性抑制能を有する貴金属を含むようにすればよい。なお、第１測定電極４４及び第２測定電極４５のうち、被測定ガス流通部の下流側に位置する第２測定電極４５は、酸素が高濃度の場合の酸素濃度の検出に用いられるから、ＮＯｘ成分を還元しても酸素濃度への影響は少ない。そのため、第２測定電極４５については、例えば上述した触媒活性抑制能を有する貴金属を含まなくてもよい。また、ＮＯｘなどの酸化物を含まない被測定ガスに対して酸素濃度の測定を行う場合であれば、第１測定電極４４及び第２測定電極４５の両方が触媒活性抑制能を有する貴金属を含まなくてもよい。
【0105】
ガスセンサ１００が被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する場合、ガスセンサ１００が調整用ポンプセル及び酸素濃度調整室を備えなくてもよい。図１４は、変形例のガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図１４では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。ガスセンサ２００のセンサ素子２０１では、被測定ガス流通部が、酸素濃度調整室に相当する構成すなわち図１の第１内部空所２０及び第２内部空所４０を備えておらず、第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０も備えていない。そのため、第１拡散律速部１１を通過して緩衝空間１２に流入した被測定ガスは、そのまま緩衝空間１２の下流に設けられた第４拡散律速部６０を通過して第３内部空所６１に到達する。このガスセンサ２００においても、第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂが被測定ガス中の酸素濃度に応じた値になるため、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて酸素濃度を検出できる。センサ素子２０１において、緩衝空間１２及び第４拡散律速部６０を備えないようにしてもよい。この場合は、第１拡散律速部１１が第１測定電極用拡散律速部に相当する。さらに、ガス導入口１０が拡散律速部として機能する程度にガス導入口１０の開口面積が小さい場合、第１拡散律速部１１のようなスリット状の隙間がなくてもよい。この場合は、ガス導入口１０が第１測定電極用拡散律速部に相当する。
【0106】
ガスセンサ１００が被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する場合も、上述したＮＯｘ濃度を測定する場合の種々の態様や構成を採用してもよい。例えば、センサ素子１０１が上述した第１～第ｎ測定用ポンプセルを備えていてもよいし、制御装置９０が第１～第ｎ測定モードを有していてもよい。例えば被測定ガスが内燃機関の排ガスである場合、被測定ガス中の酸素濃度はＮＯｘ濃度と比べて広範囲に亘って変化することがある（例えば１ｐｐｍ未満～数％の範囲など）。そのため、ガスセンサ１００が酸素濃度を検出する場合、センサ素子１０１が合計３つ以上の測定用ポンプセルを備えるようにして、酸素濃度を精度良く検出できる範囲（酸素濃度の検出範囲）を広げる意義が高い。
【0107】
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は固体電解質層以外の材質からなる層（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の第１測定電極４４及び第２測定電極４５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に設ける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４内部空所６３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。
【0108】
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において内側ポンプ電極２２と対になる外側主ポンプ電極，補助ポンプセル５０において補助ポンプ電極５１と対になる外側補助ポンプ電極，第１測定用ポンプセル４１ａにおいて第１測定電極４４と対になる第１外側測定電極，及び第２測定用ポンプセル４１ｂにおいて第２測定電極４５と対になる第２外側測定電極の４つの電極の役割を兼ねていたが、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，第１外側測定電極，及び第２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とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。センサ素子１０１が３つ以上の測定用ポンプセルを有する場合も、外側ポンプ電極２３が第１～第ｎ外側測定電極の役割を全て兼ねていてもよいし、第１～第ｎ外側測定電極のうち１以上を、外側ポンプ電極２３とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。
【実施例0109】
以下に、センサ素子を具体的に作製した例を実施例として説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【0110】
［実施例１，比較例１］
図１，２に示したセンサ素子１０１を作製し、センサ素子１０１への保護カバーの取り付けや図３に示したセンサ素子１０１と制御装置９０との電気的な接続を行って、センサ素子１０１を組み込んだガスセンサ１００を作製した。センサ素子１０１は以下のように作製した。まず、各層１～６に対応するグリーンシートを用意した。グリーンシートは、安定化剤のイットリアを４ｍｏｌ％添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。また、スペーサ層５となるグリーンシートには被測定ガス流通部となる空間を打ち抜き処理によって形成した。第１固体電解質層４となるグリーンシートには基準ガス導入空間４３となる空間を打ち抜き処理によって形成した。複数のグリーンシートにセンサ素子１０１の各電極やリード線などに対応するパターンを印刷してから複数のグリーンシートを積層して、積層体を得た。複数のグリーンシートを積層する際には、被測定ガス流通部及び基準ガス導入空間４３となる空間に、焼成時に消失する消失性材料（テオブロミン）からなるペーストを充填しておいた。そして、積層体をセンサ素子１０１の大きさに切断し、切断後の積層体を焼成することでセンサ素子１０１を得た。焼成により消失性材料が消失することで、センサ素子１０１には被測定ガス流通部及び基準ガス導入空間４３が形成された。被測定ガス流通部のうちの第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２も、この消失性材料が消失することで、スリット状の隙間として形成された。制御装置９０の記憶部９４に図８に示した濃度検出処理ルーチンを記憶させたガスセンサ１００を、実施例１とした。高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａを流さず、ステップＳ２４０においてポンプ電流Ｉｐ２ｂのみに基づいてＮＯｘ濃度を算出するように図８の濃度検出処理ルーチンを変更したものを記憶部９４に記憶させた点以外は実施例１と同じガスセンサ１００を作製して、比較例１とした。実施例１，比較例１のガスセンサ１００では、いずれも、制御装置９０が１０００ｐｐｍのＮＯｘ濃度を境界として高濃度測定モードと低濃度測定モードとの切り替えを行うこととした。具体的には、制御装置９０はステップＳ１５０においてポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいてＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍを超えていると判定すると高濃度測定モードに切り替え、ステップＳ２５０においてポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいてＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍ以下であると判定すると低濃度測定モードに切り替えるものとした。また、実施例１では、高濃度測定モードにおけるポンプ電流Ｉｐ２ａの目標値Ｉｐ２ａ＊を、ＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍに対応する値に設定した。
図１，２に示したセンサ素子１０１を作製し、センサ素子１０１への保護カバーの取り付けや図３に示したセンサ素子１０１と制御装置９０との電気的な接続を行って、センサ素子１０１を組み込んだガスセンサ１００を作製した。センサ素子１０１は以下のように作製した。まず、各層１～６に対応するグリーンシートを用意した。グリーンシートは、安定化剤のイットリアを４ｍｏｌ％添加したジルコニア粒子と有機バインダーと有機溶剤とを混合し、テープ成形により成形した。また、スペーサ層５となるグリーンシートには被測定ガス流通部となる空間を打ち抜き処理によって形成した。第１固体電解質層４となるグリーンシートには基準ガス導入空間４３となる空間を打ち抜き処理によって形成した。複数のグリーンシートにセンサ素子１０１の各電極やリード線などに対応するパターンを印刷してから複数のグリーンシートを積層して、積層体を得た。複数のグリーンシートを積層する際には、被測定ガス流通部及び基準ガス導入空間４３となる空間に、焼成時に消失する消失性材料（テオブロミン）からなるペーストを充填しておいた。そして、積層体をセンサ素子１０１の大きさに切断し、切断後の積層体を焼成することでセンサ素子１０１を得た。焼成により消失性材料が消失することで、センサ素子１０１には被測定ガス流通部及び基準ガス導入空間４３が形成された。被測定ガス流通部のうちの第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２も、この消失性材料が消失することで、スリット状の隙間として形成された。制御装置９０の記憶部９４に図８に示した濃度検出処理ルーチンを記憶させたガスセンサ１００を、実施例１とした。高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａを流さず、ステップＳ２４０においてポンプ電流Ｉｐ２ｂのみに基づいてＮＯｘ濃度を算出するように図８の濃度検出処理ルーチンを変更したものを記憶部９４に記憶させた点以外は実施例１と同じガスセンサ１００を作製して、比較例１とした。実施例１，比較例１のガスセンサ１００では、いずれも、制御装置９０が１０００ｐｐｍのＮＯｘ濃度を境界として高濃度測定モードと低濃度測定モードとの切り替えを行うこととした。具体的には、制御装置９０はステップＳ１５０においてポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいてＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍを超えていると判定すると高濃度測定モードに切り替え、ステップＳ２５０においてポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいてＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍ以下であると判定すると低濃度測定モードに切り替えるものとした。また、実施例１では、高濃度測定モードにおけるポンプ電流Ｉｐ２ａの目標値Ｉｐ２ａ＊を、ＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍに対応する値に設定した。
【0111】
［評価試験］
実施例１，比較例１のガスセンサ１００について、ガソリンエンジンの排気ガスのＮＯｘ濃度の測定精度を評価した。まず、ガソリンエンジンを用意して、排気ガスのＮＯｘ濃度が５種類の値（１００ｐｐｍ，３００ｐｐｍ，６００ｐｐｍ，１０００ｐｐｍ，１５００ｐｐｍ）となるように、５種類の値の各々に対応するガソリンエンジンの運転条件（エンジンスロットル及び負荷トルク）を調べた。具体的には、ガソリンエンジンの排ガス管にガス分析計（ＦＴＩＲ）を接続して、運転条件を変えながらガス分析計が測定したＮＯｘ濃度を確認して、５種類の運転条件を特定した。なお、同じ運転条件でも、ＮＯｘ濃度には５％程度のばらつきが生じていた。次に、実施例１のガスセンサ１００をガス分析計と同じく排ガス管に取り付けて、５種類の運転条件でガソリンエンジンを運転して、ガスセンサ１００の出力（ＮＯｘ濃度の測定値）と、ガス分析計の測定値とを記録した。測定値の記録は、５種類の運転条件の各々に対して６０秒間行った。比較例１についても、５種類の運転条件の各々について、ガスセンサ１００の出力とガス分析計の測定値とを記録した。
実施例１，比較例１のガスセンサ１００について、ガソリンエンジンの排気ガスのＮＯｘ濃度の測定精度を評価した。まず、ガソリンエンジンを用意して、排気ガスのＮＯｘ濃度が５種類の値（１００ｐｐｍ，３００ｐｐｍ，６００ｐｐｍ，１０００ｐｐｍ，１５００ｐｐｍ）となるように、５種類の値の各々に対応するガソリンエンジンの運転条件（エンジンスロットル及び負荷トルク）を調べた。具体的には、ガソリンエンジンの排ガス管にガス分析計（ＦＴＩＲ）を接続して、運転条件を変えながらガス分析計が測定したＮＯｘ濃度を確認して、５種類の運転条件を特定した。なお、同じ運転条件でも、ＮＯｘ濃度には５％程度のばらつきが生じていた。次に、実施例１のガスセンサ１００をガス分析計と同じく排ガス管に取り付けて、５種類の運転条件でガソリンエンジンを運転して、ガスセンサ１００の出力（ＮＯｘ濃度の測定値）と、ガス分析計の測定値とを記録した。測定値の記録は、５種類の運転条件の各々に対して６０秒間行った。比較例１についても、５種類の運転条件の各々について、ガスセンサ１００の出力とガス分析計の測定値とを記録した。
【0112】
５種類の運転条件の各々についての、実施例１，比較例１におけるガスセンサ１００の６０秒間のＮＯｘ濃度の測定値の平均値，最大値，最小値，３σ，上誤差範囲Ｅｒｒ＋（＝最大値－平均値），下誤差範囲Ｅｒｒ－（＝平均値－最小値）と、６０秒間のガス分析計のＮＯｘ濃度の測定値の平均値と、の関係を、表１及び図１５，図１６に示す。図１５，図１６の横軸は、ガス分析計のＮＯｘ濃度の平均値である。図１５，図１６では、ガスセンサ１００のＮＯｘ濃度の平均値を黒丸で示し、平均値からの誤差範囲をエラーバーで示している。
【0113】
【表1】
【0114】
表１及び図１５，図１６から分かるように、実施例１及び比較例１のいずれも、５種類の運転条件の全ての場合において、ガスセンサ１００のＮＯｘ濃度の平均値がガス分析計の平均値とほぼ一致しており、実施例１と比較例１とで平均値に大きな差は見られなかった。また、排ガスのＮＯｘ濃度が１００ｐｐｍ，３００ｐｐｍ，６００ｐｐｍとなるような運転条件である場合、すなわち低濃度測定モードのままでＮＯｘ濃度の測定が継続される場合は、実施例１と比較例１とでＮＯｘ濃度の測定値の平均値からの誤差範囲に大きな差は見られなかった。同様に、排ガスのＮＯｘ濃度が１５００ｐｐｍとなるような運転条件の場合、すなわち高濃度測定モードのままでＮＯｘ濃度の測定が継続される場合も、実施例１と比較例１とでＮＯｘ濃度の測定値の平均値からの誤差範囲に大きな差は見られなかった。しかし、比較例１では、排ガスのＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍとなるような運転条件の場合に、他の運転条件の場合と比べて誤差範囲が大きくなっていた。これに対して、実施例１では、排ガスのＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍとなるような運転条件であっても他の運転条件と比べて誤差範囲はそれほど大きくなっていなかった。そのため、排ガスのＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍとなるような運転条件において、実施例１の誤差範囲は比較例１の誤差範囲と比べて約３分の１程度と非常に小さかった。上述した通り、排ガスのＮＯｘ濃度が１０００ｐｐｍとなるような運転条件の場合、実際のＮＯｘ濃度には５％程度のばらつきが生じるから、実施例１及び比較例１のガスセンサ１００では低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えが頻繁に生じる。したがって、比較例１では低濃度測定モードと高濃度測定モードとの間の切り替え直後においてＮＯｘ濃度の測定精度が低下することで、誤差範囲が大きくなっていると考えられる。これに対して、実施例１では、低濃度測定モードと高濃度測定モードとの間の切り替え直後においてＮＯｘ濃度の測定精度の低下が抑制されているから、比較例１と比べて誤差範囲が小さいと考えられる。以上のことから、高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ｂだけでなくポンプ電流Ｉｐ２ａも流すことで、低濃度測定モードと高濃度測定モードとの間の切り替え直後におけるＮＯｘ濃度の測定精度の低下が抑制されることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【0115】
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。
【符号の説明】
【0116】
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、２２ｃ 側部電極部、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、４１ａ，４１ｂ 第１，第２測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４ 第１測定電極、４５ 第２測定電極、４６ａ，４６ｂ 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、５１ｃ 側部電極部、５２ 可変電源、６０ 第４拡散律速部、６１ 第３内部空所、６２ 第５拡散律速部、６３ 第４内部空所、６５ 多孔質体、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、８２ａ，８２ｂ 第１，第２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、９５ 第１対応関係、９６ 第２対応関係、１００，２００ ガスセンサ、１０１，２０１ センサ素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】