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(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】P2024109302
(43)【公開日】2024-08-14
(54)【発明の名称】ガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20240806BHJP
G01N 27/419 20060101ALI20240806BHJP
G01N 27/41 20060101ALI20240806BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 331
G01N27/419 327B
G01N27/419 327E
G01N27/419 327G
G01N27/419 327K
G01N27/419 327Z
G01N27/416 311J
G01N27/419 327N
G01N27/419 327
G01N27/41 325
G01N27/419
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023014017
(22)【出願日】2023-02-01
(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】100100561
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 正広
(74)【代理人】
【識別番号】100219690
【弁理士】
【氏名又は名称】堀坂 純美子
(72)【発明者】
【氏名】後呂 洋平
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 悠介
(72)【発明者】
【氏名】藤岡 靖昌
(57)【要約】
【課題】被測定ガス中の複数の測定対象ガスを測定可能なガスセンサを提供する。
【解決手段】 センサ素子１０１と、センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含み、センサ素子１０１は、イオン伝導性の第１の固体電解質６１と、第１の固体電解質６１とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質６２とを含む固体電解質層６を備える、長尺板状の基体部１０２と、被測定ガス流通空所１５内の、第１の固体電解質６１上に配設された空所内第１電極２２、及び、空所外第１電極２３を含む、第１ポンプセル２１と、被測定ガス流通空所１５内の、第２の固体電解質６２上に配設された空所内第２電極３２、及び、空所外第２電極３３を含む、第２ポンプセル３１と、を含み、制御装置９０は、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の動作を制御するポンプ制御部９２を含む、ガスセンサ。
【選択図】図１
【解決手段】 センサ素子１０１と、センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含み、センサ素子１０１は、イオン伝導性の第１の固体電解質６１と、第１の固体電解質６１とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質６２とを含む固体電解質層６を備える、長尺板状の基体部１０２と、被測定ガス流通空所１５内の、第１の固体電解質６１上に配設された空所内第１電極２２、及び、空所外第１電極２３を含む、第１ポンプセル２１と、被測定ガス流通空所１５内の、第２の固体電解質６２上に配設された空所内第２電極３２、及び、空所外第２電極３３を含む、第２ポンプセル３１と、を含み、制御装置９０は、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の動作を制御するポンプ制御部９２を含む、ガスセンサ。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサであって、
前記センサ素子は、
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す、ガスセンサ。
前記センサ素子は、
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す、ガスセンサ。
【請求項2】
前記固体電解質層において、前記長手方向と前記長手方向に直交する前記基体部の幅方向とを含む平面に見て、前記第１の固体電解質の領域と、前記第２の固体電解質の領域とが接している、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項3】
前記固体電解質層において、前記長手方向と前記幅方向を含む平面に見て、前記第２の固体電解質の前記領域が、前記第１の固体電解質の前記領域に囲まれている、請求項２に記載のガスセンサ。
【請求項4】
前記センサ素子は、さらに、
前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内第１電極及び前記空所内第２電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置の第３の固体電解質上に配設された空所内第３電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第３電極と前記第３の固体電解質を介して接するように配設された空所外第３電極を含む、第３ポンプセルを含み、
前記ポンプ制御部は、さらに、
前記第３ポンプセルの前記空所内第３電極と前記空所外第３電極との間に所定の電圧を印加して、前記第３ポンプセルに第３電流を流す、請求項１に記載のガスセンサ。
前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内第１電極及び前記空所内第２電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置の第３の固体電解質上に配設された空所内第３電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第３電極と前記第３の固体電解質を介して接するように配設された空所外第３電極を含む、第３ポンプセルを含み、
前記ポンプ制御部は、さらに、
前記第３ポンプセルの前記空所内第３電極と前記空所外第３電極との間に所定の電圧を印加して、前記第３ポンプセルに第３電流を流す、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項5】
前記第３の固体電解質は、前記第１の固体電解質と同じ固体電解質である、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項6】
前記センサ素子は、
前記基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記基準電極と前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極との間の起電力に基づいて、前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流す、請求項１に記載のガスセンサ。
前記基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記基準電極と前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極との間の起電力に基づいて、前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流す、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項7】
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項8】
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項9】
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子を含むガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
自動車のエンジン等の内燃機関の燃焼制御や排気ガス制御、環境制御、医療、バイオテクノロジー、農工業等の種々の分野において、被測定ガス中の対象とするガス成分（酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ２、窒素酸化物ＮＯｘ、アンモニアＮＨ３、炭化水素ＨＣ等）の濃度を測定することが求められる。
【0003】
濃度の測定には、種々の測定機器が用いられるが、その一例として、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた、限界電流方式のガスセンサが知られている（例えば、特許第３０５０７８１号公報）。
【0004】
また、例えば、特開２０１８－１４６３４６号公報には、プロトン導電性固体電解質を用いた、アンモニアセンサが開示されている。
【0005】
特開２０２０－０６７４３２号公報には、センサ素子と制御ユニットを備える二酸化炭素検出装置が開示されている。センサ素子の実施形態の１つとして、酸素イオンを伝導させるイオン伝導体、水素プロトンを伝導させるプロトン伝導体、及び、前記イオン伝導体と前記プロトン伝導体との間に形成されたガス室を含むセンサ素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第３０５０７８１号公報
【特許文献2】特開２０１８－１４６３４６号公報
【特許文献3】特開２０２０－０６７４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来のガスセンサにおいては、通常、１種類の固体電解質（例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質）が用いられることが多い。このようなガスセンサにおいては、複数のガス種について、同時に濃度を検出することが困難である。例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたガスセンサにおいて、被測定ガス中の酸素濃度と水蒸気濃度とを同時に測定しようとする場合、固体電解質には、酸素ガス由来の酸素イオンと水蒸気由来の酸素イオンとを同時に伝導させることになる。しかしながら、固体電解質内を移動する酸素イオンのそれぞれが、酸素ガス由来であるか水蒸気由来であるかを直接的に判別することは困難である。従って、酸素イオン伝導の総量は、通常、電流値として検出されるが、検出された電流値を正確に酸素ガス由来の電流と水蒸気由来の電流とに切り分けることは困難である。そのため、１種類の固体電解質を用いて、複数のガス種について、同時に濃度を検出することは困難である。
【0008】
被測定ガス中の複数のガス種を同時に測定したい場合には、ガス種毎に個別のガスセンサを用いることも考えられる。しかしながら、ガスセンサの設置可能位置やコスト等の観点から、複数のガス種を測定可能なガスセンサが求められる。
【0009】
そこで、本発明は、被測定ガス中の複数の測定対象ガスを測定可能なガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明者らは、鋭意検討の結果、ガスセンサに複数の固体電解質を含む固体電解質層を備えることにより、被測定ガス中の複数の測定対象ガスを同時に、あるいは並行して、精度よく測定できることを見出した。
【0011】
本発明には、以下の発明が含まれる。
【0012】
（１） センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサであって、
前記センサ素子は、
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す、ガスセンサ。
前記センサ素子は、
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す、ガスセンサ。
【0013】
（２） 前記固体電解質層において、前記長手方向と前記長手方向に直交する前記基体部の幅方向とを含む平面に見て、前記第１の固体電解質の領域と、前記第２の固体電解質の領域とが接している、上記（１）に記載のガスセンサ。
【0014】
（３） 前記固体電解質層において、前記長手方向と前記幅方向を含む平面に見て、前記第２の固体電解質の前記領域が、前記第１の固体電解質の前記領域に囲まれている、上記（２）に記載のガスセンサ。
【0015】
（４） 前記センサ素子は、さらに、
前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内第１電極及び前記空所内第２電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置の第３の固体電解質上に配設された空所内第３電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第３電極と前記第３の固体電解質を介して接するように配設された空所外第３電極を含む、第３ポンプセルを含み、
前記ポンプ制御部は、さらに、
前記第３ポンプセルの前記空所内第３電極と前記空所外第３電極との間に所定の電圧を印加して、前記第３ポンプセルに第３電流を流す、上記（１）～（３）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内第１電極及び前記空所内第２電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置の第３の固体電解質上に配設された空所内第３電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第３電極と前記第３の固体電解質を介して接するように配設された空所外第３電極を含む、第３ポンプセルを含み、
前記ポンプ制御部は、さらに、
前記第３ポンプセルの前記空所内第３電極と前記空所外第３電極との間に所定の電圧を印加して、前記第３ポンプセルに第３電流を流す、上記（１）～（３）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0016】
（５） 前記第３の固体電解質は、前記第１の固体電解質と同じ固体電解質である、上記（４）に記載のガスセンサ。
【0017】
（６） 前記センサ素子は、
前記基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記基準電極と前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極との間の起電力に基づいて、前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流す、上記（１）～（５）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記基準電極と前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極との間の起電力に基づいて、前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流す、上記（１）～（５）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0018】
（７） 前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが一体化された電極として形成されている、上記（１）～（６）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが一体化された電極として形成されている、上記（１）～（６）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0019】
（８） 前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されている、上記（１）～（７）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、導電体で連結されることにより電気的に一体化された電極として形成されている、上記（１）～（７）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0020】
（９） 前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されているか、又は、
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されている、上記（１）～（７）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記第１ポンプセルの前記空所外第１電極と前記第２ポンプセルの前記空所外第２電極とが、各電極の少なくとも一部が互いに重なり合うことにより電気的に一体化された電極として形成されている、上記（１）～（７）のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、複数の固体電解質を含む固体電解質層を備えることにより、被測定ガス中の複数の測定対象ガスを測定可能なガスセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】ガスセンサ１００の概略構成の一例を示す、センサ素子１０１の長手方向の垂直断面模式図である。
【図3】制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、３１との電気的接続関係を示すブロック図である。
【図4】ガスセンサ１００における酸素及び水蒸気の測定原理を示す概念図である。
【図7】内側電極６５の構成の一例を示す部分断面模式図である。
【図8】内側電極６５の構成の他の例を示す部分断面模式図である。
【図9】実施形態２のガスセンサ２００の概略構成の一例を示す、センサ素子２０１の長手方向の垂直断面模式図である。
【図10】実施形態２のガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１の各ポンプセル２１、３１、５１との電気的接続関係を示すブロック図である。
【図11】ガスセンサ２００における酸素、水蒸気及び二酸化炭素の測定原理を示す概念図である。
【図12】センサ素子２０１を用いて、酸素、水蒸気及び窒素酸化物を測定する場合の測定原理を示す概念図である。
【図13】実施形態３のガスセンサ３００の概略構成の一例を示す、センサ素子３０１の長手方向の垂直断面模式図である。
【図14】実施形態３のガスセンサ３００における、制御装置３９０と、センサ素子３０１の各ポンプセル２１、３１及び第１ポンプ制御用センサセル８０との電気的接続関係を示すブロック図である。
【図15】実施形態４のガスセンサ４００の概略構成の一例を示す、センサ素子４０１の長手方向の垂直断面模式図である。
【図16】実施形態４のガスセンサ４００における、制御装置４９０と、センサ素子４０１の各ポンプセル２１、３１、５１及び各センサセル８０、８１との電気的接続関係を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明のガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置と、を含んでいる。
【0024】
本発明のガスセンサに含まれるセンサ素子は、
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含む。
イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層を備える、長尺板状の基体部と
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成され、前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質が内表面に存在している被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極を含む、第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通空所内の、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極、及び、前記基体部の前記被測定ガス流通空所内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極を含む、第２ポンプセルと、
を含む。
【0025】
イオン伝導性の固体電解質は、イオンを伝導させる性質を有する物質である。イオン伝導性の固体電解質としては、例えば、酸素イオン（Ｏ2-）を伝導させる酸素イオン伝導性の固体電解質、水素イオン（Ｈ+ ）を伝導させる水素イオン伝導性（プロトン伝導性）の固体電解質などが挙げられる。
【0026】
本発明のガスセンサに含まれる制御装置は、
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す。
前記第１ポンプセル及び前記第２ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部を含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１ポンプセルの前記空所内第１電極と前記空所外第１電極との間に所定の電圧を印加して、前記第１ポンプセルに第１電流を流し、
前記第２ポンプセルの前記空所内第２電極と前記空所外第２電極との間に所定の電圧を印加して、前記第２ポンプセルに第２電流を流す。
【0027】
［実施形態１］
本発明のガスセンサの実施形態の一例について、図面を参照して以下に説明する。図１は、センサ素子１０１を含むガスセンサ１００の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。以下においては、図１を基準として、上下とは、図１の上側を上、下側を下とし、図１の左側を先端側、右側を後端側とする。図２は、図１のII－II線に沿う断面の一部を示す、センサ素子１０１の部分断面模式図である。
本発明のガスセンサの実施形態の一例について、図面を参照して以下に説明する。図１は、センサ素子１０１を含むガスセンサ１００の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。以下においては、図１を基準として、上下とは、図１の上側を上、下側を下とし、図１の左側を先端側、右側を後端側とする。図２は、図１のII－II線に沿う断面の一部を示す、センサ素子１０１の部分断面模式図である。
【0028】
図１において、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によって被測定ガス中の酸素Ｏ２及び水蒸気Ｈ２Ｏを検知し、それら２種類のガス濃度を測定するガスセンサの一例を示している。
【0029】
また、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１を制御する制御装置９０を含む。図３は、制御装置９０と、センサ素子１０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。
【0030】
（センサ素子）
センサ素子１０１は、イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層６を備える、長尺板状の基体部１０２を含む、長尺板状の素子である。長尺板状とは、長板状、あるいは、帯状ともいう。センサ素子１０１においては、第１の固体電解質として、酸素イオン伝導性の固体電解質（酸素イオン伝導体）を、第２の固体電解質として、水素イオン伝導性の固体電解質（プロトン伝導体）を含む。
センサ素子１０１は、イオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１の固体電解質とは異なるイオン種を伝導させる第２の固体電解質とを含む固体電解質層６を備える、長尺板状の基体部１０２を含む、長尺板状の素子である。長尺板状とは、長板状、あるいは、帯状ともいう。センサ素子１０１においては、第１の固体電解質として、酸素イオン伝導性の固体電解質（酸素イオン伝導体）を、第２の固体電解質として、水素イオン伝導性の固体電解質（プロトン伝導体）を含む。
【0031】
酸素イオン伝導性の固体電解質（酸素イオン伝導体）としては、例えば、ジルコニアに希土類金属酸化物又はアルカリ土類金属酸化物を安定化剤として添加した、安定化ジルコニア及び部分安定化ジルコニア等を用いることができる。安定化剤としては、例えば、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、セリア（ＣｅＯ２）、スカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）等が挙げられる。例えば、イットリア安定化ジルコニアを用いてよい。
【0032】
水素イオン伝導性の固体電解質（プロトン伝導体）としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物等を用いることができる。ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、希土類金属がドープされた、ジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸バリウム、セリウム酸ストロンチウム、セリウム酸カルシウム、セリウム酸バリウム等が挙げられる。ドープされる希土類金属としては、イットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）等が挙げられる。例えば、イットリウム（Ｙ）がドープされたジルコン酸ストロンチウムを用いてよい。
【0033】
基体部１０２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基板層１、中間層３、及びスペーサ層５、並びに、酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とで構成された固体電解質層６の４つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。これら４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。前記４つの層は全て同じ厚みであってもよいし、各層毎に異なる厚みであってもよい。各層の間は、固体電解質からなる接着層を介して接着されており、基体部１０２には前記接着層を含む。図１においては、前記４つの層からなる層構成を例示したが、本発明における層構成はこれに限られるものではなく、任意の層の数及び層構成としてよい。少なくとも固体電解質層６が酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とを含んで構成されていればよい。基板層１、中間層３、及びスペーサ層５については、緻密体であればよく、その材質は、例えば、酸素イオン伝導性固体電解質以外のプロトン伝導性固体電解質等の固体電解質でもよく、あるいは、アルミナ等の絶縁体であってもよい。
【0034】
固体電解質層６において、基体部１０２の長手方向と前記長手方向に直交する基体部１０２の幅方向とを含む平面に見て、第１の固体電解質の領域（酸素イオン伝導体層６１）と、前記第２の固体電解質の領域（プロトン伝導体層６２）とが接するように構成されている。本実施形態においては、固体電解質層６において、平面に見て、プロトン伝導体層６２が、酸素イオン伝導体層６１に囲まれている。すなわち、固体電解質層６は、酸素イオン伝導体層６１にプロトン伝導体層６２が埋め込まれた構成になっている。
【0035】
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。
【0036】
センサ素子１０１（基体部１０２）の長手方向の一方の端部（以下、先端部という）であって、固体電解質層６の下面と中間層３の上面との間には、ガス導入口１０が形成されている。被測定ガス流通空所１５、すなわち被測定ガス流通部は、ガス導入口１０から長手方向に、第１拡散律速通路１１（すなわち、第１拡散律速部）と、第１内部空所２０とが、この順に連通する態様にて形成されている。被測定ガス流通空所１５は、基体部１０２の先端部から形成され、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２が内表面に存在している。すなわち、被測定ガス流通空所１５は、固体電解質層６の酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２に面して形成されている。
【0037】
ガス導入口１０と、第１内部空所２０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固体電解質層６の下面で、下部を中間層３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。固体電解質層６の第１内部空所２０に面する領域には、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２が存在している。
【0038】
第１拡散律速通路１１は、２本の横長の（図１において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。第１拡散律速部１１は、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。
【0039】
被測定ガス流通空所１５において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口している部位であり、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。
【0040】
本実施形態においては、被測定ガス流通空所１５は、センサ素子１０１の先端面に開口したガス導入口１０から被測定ガスが導入される形態であるが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、被測定ガス流通空所１５には、ガス導入口１０の凹所が存在しなくてもよい。この場合は、第１拡散律速通路１１が実質的にガス導入口となる。
【0041】
また、例えば、被測定ガス流通空所１５は、基体部１０２の長手方向に沿う側面に、第１内部空所２０の先端部に近い位置と連通する開口を有している形態であってもよい。この場合は、前記開口を通じて、基体部１０２の長手方向に沿う側面から被測定ガスが導入される。
【0042】
また、例えば、被測定ガス流通空所１５は、多孔体を通じて被測定ガスが導入される構成になっていてもよい。
【0043】
第１拡散律速通路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。
【0044】
第１内部空所２０は、第１拡散律速通路１１を通じて導入された被測定ガス中の酸素濃度及び水蒸気濃度を測定するための空間として設けられている。第１ポンプセル及び第２ポンプセルが作動することにより、酸素及び水蒸気が検出される。
【0045】
第１ポンプセル２１は、被測定ガス流通空所１５内の、第１の固体電解質（本実施形態においては、酸素イオン伝導体層６１）上に配設された空所内第１電極（本実施形態においては、内側第１電極２２）、及び、基体部１０２の被測定ガス流通空所１５内とは異なる位置に、前記空所内第１電極と前記第１の固体電解質を介して接するように配設された空所外第１電極（本実施形態においては、外側第１電極２３）を含む。従って、センサ素子１０１においては、空所内第１電極は、被測定ガス流通空所１５の内表面の第１の固体電解質と、被測定ガス流通空所１５の空間との間に存在している。
【0046】
すなわち、図１及び図２を参照して、第１ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する固体電解質層６の下面のうちの、酸素イオン伝導体層６１の下面６１ａに設けられた内側第１電極２２と、固体電解質層６の上面のうちの、酸素イオン導電体層６１の上面に外部空間に露出する態様にて設けられた外側第１電極２３と、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導体層６１とによって構成される電気化学的ポンプセルである。
【0047】
内側第１電極２２と外側第１電極２３とは、多孔質サーメット電極（金属成分とセラミックス成分が混在した態様の電極）である。セラミックス成分としては、特に限定されないが、酸素イオン伝導体層６１と同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いることが好ましい。例えば、セラミックス成分として、ＺｒＯ２（安定化ＺｒＯ２）を用いることができる。
【0048】
内側第１電極２２と外側第１電極２３とは、金属成分として、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１つ）を含んでいるとよい。本実施形態においては、内側第１電極２２と外側第１電極２３とは、ＰｔとＺｒＯ２との多孔質サーメット電極とした。
【0049】
第１ポンプセル２１においては、内側第１電極２２と外側第１電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ１を可変電源２４により印加して、内側第１電極２２と外側第１電極２３との間に第１電流Ｉｐ１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すことが可能となっている。
【0050】
第２ポンプセル３１は、被測定ガス流通空所１５内の、第２の固体電解質（本実施形態においては、プロトン伝導体層６２）上に配設された空所内第２電極（本実施形態においては、内側第２電極３２）、及び、基体部１０２の被測定ガス流通空所１５内とは異なる位置に、前記空所内第２電極と前記第２の固体電解質を介して接するように配設された空所外第２電極（本実施形態においては、外側第２電極３３）を含む。従って、センサ素子１０１においては、空所内第２電極は、被測定ガス流通空所１５の内表面の第２の固体電解質と、被測定ガス流通空所１５の空間との間に存在している。
【0051】
すなわち、図１及び図２を参照して、第２ポンプセル３１は、第１内部空所２０に面する固体電解質層６の下面のうちの、プロトン伝導体層６２の下面６２ａに設けられた内側第２電極３２と、固体電解質層６の上面のうちの、プロトン伝導体層６２の上面に外部空間に露出する態様にて設けられた外側第２電極３３と、これらの電極に挟まれたプロトン伝導体層６２とによって構成される電気化学的ポンプセルである。
【0052】
内側第２電極３２と外側第２電極３３とは、多孔質サーメット電極（金属成分とセラミックス成分が混在した態様の電極）である。セラミックス成分としては、特に限定されないが、プロトン伝導体層６２と同様に、水素イオン（プロトン）伝導性の固体電解質を用いることが好ましい。例えば、セラミックス成分として、イットリウム（Ｙ）がドープされたジルコン酸ストロンチウムを用いることができる。
【0053】
内側第２電極３２と外側第２電極３３とは、金属成分として、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１つ）を含んでいるとよい。本実施形態においては、内側第１電極２２と外側第１電極２３とは、Ｐｔと、イットリウム（Ｙ）がドープされたジルコン酸ストロンチウムとの多孔質サーメット電極とした。
【0054】
内側第２電極３２は、第１内部空所２０内に導入された被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏを分解する触媒としても機能する。
【0055】
第２ポンプセル３１においては、内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ２を可変電源３４により印加して、内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に第２電流Ｉｐ２を流すことにより、内側第２電極３２においてＨ２Ｏが分解されて、そのＨ２Ｏの分解により発生した水素を外部空間に汲み出すことが可能となっている。
【0056】
さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性及び水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、ヒータ電極７１と、ヒータ７２と、ヒータリード７６と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４とを備えている。
【0057】
ヒータ電極７１は、基板層１の下面に接する態様にて形成されている電極である。ヒータ電極７１を外部電源であるヒータ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。
【0058】
ヒータ７２は、基板層１と中間層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、ヒータ７２に接続していて且つセンサ素子１０１の長手方向後端側に延びているヒータリード７６と、スルーホール７３とを介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極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。
【0059】
また、ヒータ７２は、第１内部空所２０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（酸素イオン伝導性固体電解質及び水素イオン伝導性固体電解質）が活性化する温度に調整することが可能となっている。第１ポンプセル２１、及び第２ポンプセル３１が作動できるように温度が調整されていればよい。これらの全域が同じ温度に調整される必要はなく、センサ素子１０１に温度分布があってもよい。ヒータ７２を所望の温度に保持することにより、センサ素子１０１を固体電解質が活性化して酸素濃度及びＨ２Ｏ濃度の測定が精度よく行われる駆動温度（例えば、８００℃程度）に維持できるようになっている。
【0060】
本実施形態のセンサ素子１０１においては、ヒータ７２が基体部１０２に埋設された態様であるが、この態様に限定されるものでない。ヒータ７２は、基体部１０２を加熱するように配設されていればよい。すなわち、ヒータ７２は、上述の第１ポンプセル２１が作動できる酸素イオン伝導性、及び第２ポンプセル３１が作動できる水素イオン伝導性を発現させる程度に、センサ素子１０１を加熱できるものであればよい。例えば、本実施形態のように基体部１０２に埋設されていてもよい。あるいは、例えば、ヒータ部７０が基体部１０２とは別のヒータ基板として形成され、基体部１０２の隣接位置に配設されていてもよい。
【0061】
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２及びヒータリード７６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、基板層１とヒータ７２及びヒータリード７６との間の電気的絶縁性、および、中間層３とヒータ７２及びヒータリード７６との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
【0062】
（制御装置）
本実施形態のガスセンサ１００は、上述のセンサ素子１０１と、センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含む。ガスセンサ１００において、センサ素子１０１の各電極２２，２３，３２，３３は図示しないリード線を介して、制御装置９０と電気的に接続されている。図３は、制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、３１との電気的接続関係を示すブロック図である。制御装置９０は、上述した可変電源２４、３４と、制御部９１とを含む。制御部９１は、ポンプ制御部９２及び濃度算出部９３を含む。
本実施形態のガスセンサ１００は、上述のセンサ素子１０１と、センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含む。ガスセンサ１００において、センサ素子１０１の各電極２２，２３，３２，３３は図示しないリード線を介して、制御装置９０と電気的に接続されている。図３は、制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、３１との電気的接続関係を示すブロック図である。制御装置９０は、上述した可変電源２４、３４と、制御部９１とを含む。制御部９１は、ポンプ制御部９２及び濃度算出部９３を含む。
【0063】
制御部９１は、汎用又は専用のコンピュータにより実現されるものであり、コンピュータに搭載されたＣＰＵやメモリ等によりポンプ制御部９２、及び濃度算出部９３としての機能が実現される。なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンからの排気ガス中に含まれる酸素及び水蒸気を測定対象ガスとし、センサ素子１０１が排気経路に取り付けられるものである場合、制御装置９０（特に制御部９１）の一部あるいは全部の機能が、該自動車に搭載されているＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御装置）により実現されてもよい。
【0064】
制御部９１は、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、３１におけるポンプ電流（Ｉｐ１、Ｉｐ２）を取得するように構成されている。また、制御部９１は、可変電源２４、３４に制御信号を出力するように構成されている。
【0065】
ポンプ制御部９２は、被測定ガス中の測定対象ガス（本実施形態においては酸素及び水蒸気）の濃度を測定できるように、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の動作を制御するように構成されている。
【0066】
ポンプ制御部９２は、
第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）と空所外第１電極（外側第１電極２３）との間に所定の電圧Ｖｐ１を印加して、第１ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流し、
第２ポンプセル３１の空所内第２電極（内側第２電極３２）と空所外第２電極（外側第２電極３３）との間に所定の電圧Ｖｐ２を印加して、第２ポンプセル３１に第２電流Ｉｐ２を流す。
第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）と空所外第１電極（外側第１電極２３）との間に所定の電圧Ｖｐ１を印加して、第１ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流し、
第２ポンプセル３１の空所内第２電極（内側第２電極３２）と空所外第２電極（外側第２電極３３）との間に所定の電圧Ｖｐ２を印加して、第２ポンプセル３１に第２電流Ｉｐ２を流す。
【0067】
第１内部空所２０から外部空間に酸素を汲み出すように、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と外側第１電極２３との間に電圧Ｖｐ１を印加すると、電圧Ｖｐ１が低いうちは電圧Ｖｐ１の増加に伴い第１電流Ｉｐ１が増加する。その後、電圧Ｖｐ１が高くなると電圧Ｖｐ１が増加しても第１電流Ｉｐ１が増加せずに飽和するようになる。この時の飽和した電流値を限界電流値と称する。電圧Ｖｐ１に対して第１電流Ｉｐ１が限界電流値になるような領域を、限界電流領域と称する。限界電流領域においては、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入される被測定ガス中の酸素が、第１ポンプセル２１によって実質的に全て汲み出されると考えられる。この時、第１電流Ｉｐ１は、センサ素子１０１の外側において、内側第１電極２２から外側第１電極２３に向かって流れる。
【0068】
ガスセンサ１００の駆動時において、ポンプ制御部９２は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と外側第１電極２３との間に、第１電流Ｉｐ１が限界電流値となるような所定の電圧Ｖｐ１を印加するとよい。電圧Ｖｐ１の値は、ガスセンサ１００の使用目的やセンサ素子１０１の構成等により異なり得るが、例えば、２００ｍＶ～６００ｍＶ程度であってよい。例えば、４００ｍＶ程度としてもよい。
【0069】
また、第１内部空所２０から外部空間に水素を汲み出すように、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に電圧Ｖｐ２を印加すると、電圧Ｖｐ２が低いうちは内側第２電極３２においてＨ２Ｏの分解が起こらず、第２電流Ｉｐ２は流れない。電圧Ｖｐ２がＨ２Ｏの分解開始電圧よりも高くなると、第２電流Ｉｐ２が流れ始め、電圧Ｖｐ２の増加に伴い第２電流Ｉｐ２が増加する。Ｈ２Ｏの分解開始電圧は、通常、上記の第１ポンプセル２１における限界電流領域の電圧値よりも高い電圧値である。その後、さらに電圧Ｖｐ２が高くなると電圧Ｖｐ２が増加しても第２電流Ｉｐ２が増加せずに飽和するようになる。この時の飽和した電流値を限界電流値と称する。電圧Ｖｐ２に対して第２電流Ｉｐ２が限界電流値になるような領域を、限界電流領域と称する。限界電流領域においては、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入される被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏが内側第２電極３２においてにおいて実質的に全て分解され、分解されて生じた水素が第２ポンプセル３１によって実質的に全て汲み出されると考えられる。この時、第２電流Ｉｐ２は、センサ素子１０１の外側において、外側第２電極３３から内側第２電極３２に向かって流れる。つまり、第１電流Ｉｐ１と第２電流Ｉｐ２とは、電流の向きが逆となる。
【0070】
ガスセンサ１００の駆動時において、ポンプ制御部９２は、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に、内側第２電極３２においてＨ２Ｏの分解が起こるような所定の電圧Ｖｐ２を印加するとよい。電圧Ｖｐ２の値は、内側第２電極３２において被測定ガス中のＨ２Ｏが実質的に全て分解されるような値とするとよい。また、第２電流Ｉｐ２が限界電流値となるような値としてよい。電圧Ｖｐ２の値は、ガスセンサ１００の使用目的やセンサ素子１０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。
【0071】
ガスセンサ１００の測定原理を、図４を用いて説明する。図１～３も適宜参照する。図４は、ガスセンサ１００における酸素及び水蒸気の測定原理を示す概念図である。図４においては、被測定ガス中の酸素Ｏ２及び水蒸気Ｈ２Ｏのみを図示している。
【0072】
第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の酸素ガスＯ２は、内側第１電極２２において酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子１０１の外部に放出される。
【0073】
第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは、内側第２電極３２において分解される（Ｈ２Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2-）。Ｈ２Ｏの分解により生じた水素イオンＨ+ は、第２ポンプセル３１を構成するプロトン伝導体層６２を伝導して外側第２電極３３に達し、水素ガスＨ２としてセンサ素子１０１の外部に放出される。一方、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子１０１の外部に放出される。より厳密には、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、内側第２電極３２近傍において酸素ガスＯ２となり、その酸素ガスＯ２が内側第１電極２２において再度酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、第１ポンプセル２１により汲み出されると考えられる。センサ素子１０１においては、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とが、いずれも第１内部空所２０の天井面に配設されており、互いの距離が近い。従って、内側第２電極３２においてＨ２Ｏが分解されたことにより生じた酸素を、第１ポンプセル２１により効率的に汲み出すことができうる。
【0074】
このように、ガスセンサ１００においては、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは第２ポンプセル３１の内側第２電極３２において分解される。そして、被測定ガス中の酸素ガスＯ２と、内側第２電極３２での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素とが、第１ポンプセル２１によって第１内部空所２０からセンサ素子１０１の外部空間に汲み出される。また、内側第２電極３２での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素が、第２ポンプセル３１によって第１内部空所２０からセンサ素子１０１の外部空間に汲み出される。
【0075】
従って、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２は、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２に起因する電流となる。被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏが内側第２電極３２において実質的に全て分解する場合、水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２の量は、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの量（濃度）に応じた量になる。すなわち、第２電流Ｉｐ２の電流値は、被測定ガス中の水蒸気濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0076】
また、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１は、被測定ガス中の酸素ガスＯ２に起因する電流と、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流とを含む。第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１のうちの水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流の絶対値は、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値と等しいと考えられる。従って、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１の絶対値から第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値を差し引いた差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜）は、被測定ガス中の酸素濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0077】
濃度算出部９３は、被測定ガス中の測定対象ガス濃度（本実施形態ではＯ２濃度及びＨ２Ｏ濃度）を算出するように構成されている。
【0078】
濃度算出部９３は、第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２を取得し、予め記憶されている第２電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度との換算パラメータ（電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度を算出し、ガスセンサ１００の測定値として出力する。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、濃度算出部９３として機能する制御部９１のメモリに予め記憶されている。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、ガスセンサ１００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（一次関数等）の係数であってもよいし、第２電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度との対応を示すマップであってもよい。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、ガスセンサ１００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。
【0079】
濃度算出部９３は、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１及び第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２を取得し、その差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜）を算出する。算出した差分ΔＩｐについて、予め記憶されているΔＩｐと被測定ガス中のＯ２濃度との換算パラメータ（電流－Ｏ２濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＯ２濃度を算出し、ガスセンサ１００の測定値として出力する。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、濃度算出部９３として機能する制御部９１のメモリに予め記憶されている。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、ガスセンサ１００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（一次関数等）の係数であってもよいし、差分ΔＩｐと被測定ガス中のＯ２濃度との対応を示すマップであってもよい。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、ガスセンサ１００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。
【0080】
濃度算出部９３は、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度を、同時に、あるいは並行して、算出する。このように、ガスセンサ１００は、複数の測定対象ガスの濃度（本実施形態ではＯ２濃度及びＨ２Ｏ濃度の２種類）を測定することができるように構成されている。
【0081】
上述のように、特開２０２０－０６７４３２号公報には、センサ素子の実施形態の１つとして、酸素イオンを伝導させるイオン伝導体、水素プロトンを伝導させるプロトン伝導体、及び、前記イオン伝導体と前記プロトン伝導体との間に形成されたガス室を含むセンサ素子が開示されている。しかしながら、前記イオン伝導体と前記プロトン伝導体とは、ガス室（すなわち、空間）を介して対面するように配設されている。従って、前記イオン伝導体と前記プロトン伝導体との間の距離が比較的遠い。
【0082】
一方、本発明においては、センサ素子１０１において、固体電解質層６の第１内部空所２０に面する領域には、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２が存在している。そして、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とが、いずれも第１内部空所２０の天井面（固体電解質層６）に配設されており、互いの距離が近い。従って、上述のように、内側第２電極３２においてＨ２Ｏが分解されたことにより生じた酸素を、第１ポンプセル２１により効率的に汲み出すことができうる。その結果、第１ポンプセル２１において、被測定ガス中の酸素ガスＯ２及びＨ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２を実質的に全て汲み出すことができる。また、上述のとおり、第２ポンプセル３１においては、被測定ガス中のＨ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２を汲み出す。第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１及び第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２の差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜）に基づいて、被測定ガス中のＯ２濃度を精度よく測定することができる。また、同時に（並行して）、第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度を精度よく測定することができる。
【0083】
固体電解質層６において、酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とが接しているとよい。この場合は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２との間の距離をより短くできる。そのため、第１ポンプセル２１において、内側第２電極３２においてＨ２Ｏが分解されたことにより生じた酸素を、より確実に汲み出すことができうる。従って、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１及び第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２の差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜）に基づいて、被測定ガス中のＯ２濃度をより精度よく測定することができる。また、同時に（並行して）、第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度をより精度よく測定することができる。
【0084】
固体電解質層６において、酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とが接している態様は特に限定されないが、例えば、本実施形態の固体電解質層６のように酸素イオン伝導体層６１にプロトン伝導体層６２が埋め込まれた構成になっていてもよい（図１及び２参照）。あるいは、プロトン伝導体層６２に酸素イオン伝導体層６１が埋め込まれた構成になっていてもよい。
【0085】
また、図５に示すように、センサ素子１０１の長手方向において、先端側にプロトン伝導体層６２が、その後端側に酸素イオン伝導体層６１が配置されていてもよい。あるいは、先端側に酸素イオン伝導体層６１が、その後端側にプロトン伝導体層６２が配置されていてもよい。センサ素子１０１の長手方向において、プロトン伝導体層６２の先端側及び後端側がそれぞれ酸素イオン伝導体層６１に接するか、又は、酸素イオン伝導体層６１の先端側及び後端側がそれぞれプロトン伝導体層６２に接するように構成されていてもよい。また、センサ素子１０１の長手方向に直交する幅方向において、酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とが並んで配置されていてもよい。
【0086】
また、センサ素子１０１においては、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１は、それぞれ別個の１対の電極と固体電解質とから構成されているが、各ポンプセルの空所内電極あるいは空所外電極のいずれかが一体の電極として形成されていてもよい。すなわち、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とが一体化された電極として形成されているか、又は、第１ポンプセル２１の外側第１電極２３と第２ポンプセル３１の外側第２電極３３とが一体化された電極として形成されていてもよい。図６は、被測定ガス流通空所及びその周囲の構成の他の例を示す、図１と同じ断面における部分断面模式図である。図６においては、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とが一体化された内側電極６５として形成されている場合を示している。図６において、図１と同じものには同じ符号を付している。
【0087】
内側電極６５は、第１内部空所２０に面する固体電解質層６の下面のうちの、酸素イオン伝導体層６１の下面６１ａ及びプロトン伝導体層６２の下面６２ａにまたがって設けられた電極である。内側電極６５は、多孔質サーメット電極（金属成分とセラミックス成分が混在した態様の電極）である。セラミックス成分としては、特に限定されないが、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２と同様に固体電解質を用いてよい。内側電極６５のうちの酸素イオン伝導体層６１と接する部分には、酸素イオン伝導体層６１と同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いることが好ましく、内側電極６５のうちのプロトン伝導体層６２と接する部分には、プロトン伝導体層６２と同様に、水素イオン（プロトン）伝導性の固体電解質を用いることが好ましい。
【0088】
内側電極６５は、金属成分として、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１つ）を含んでいるとよい。金属成分として、例えばＰｔを用いてよい。
【0089】
内側電極６５は、例えば、Ｐｔと、ＺｒＯ２（酸素イオン伝導性）と、イットリウム（Ｙ）がドープされたジルコン酸ストロンチウム（プロトン伝導性）との多孔質サーメット電極であってよい。
【0090】
図７は、内側電極６５の構成の一例を示す部分断面模式図である。内側電極６５は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と、それらを電気的に導通させる導電体６６とを含む。すなわち、内側電極６５は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とが、導電体６６で連結されることにより電気的に一体化された電極として構成されている。
【0091】
導電体６６は、内側第１電極２２と内側第２電極３２とを連結するように構成されていればよく、任意の箇所において内側第１電極２２と内側第２電極３２とを連結すればよい。図７においては、導電体６６が内側第１電極２２と内側第２電極３２とのほぼ全体を覆うように構成されている例を示しているが、内側第１電極２２の任意の少なくとも一部と内側第２電極３２の任意の少なくとも一部とがつながっていればよい。導電体６６は、例えば、金属であってもよいし、金属とセラミックスとのサーメットであってもよい。導電体６６は、例えば、多孔質のサーメットであってよい。金属としては、電気伝導性を有する金属を用いればよく、例えば、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ等を用いてよい。
【0092】
図８は、内側電極６５の構成の他の例を示す部分断面模式図である。内側電極６５は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とを含む。内側電極６５は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と第２ポンプセル３１の内側第２電極３２とが、各電極の少なくとも一部が重なり合うことにより電気的に一体化された電極として構成されている。
【0093】
図８の断面においては、内側第２電極３２のセンサ素子の前記長手方向の先端側の領域３２ａが内側第１電極２２の領域２２ａに重なっており、また、内側第２電極３２のセンサ素子の前記長手方向の後端側の領域３２ｂが内側第１電極２２の領域２２ｂに重なっている。これにより内側第１電極２２と内側第２電極３２とが電気的に一体化されている。内側第１電極２２と内側第２電極３２とは、任意の位置における少なくとも一部が重なり合っていればよく、図８の断面において必ずしも内側第１電極２２と内側第２電極３２とが重なっていなくてもよい。
【0094】
図６～８においては、第１ポンプセル２１の空所内電極及び第２ポンプセル３１の空所内電極が電気的に一体化されている例（内側電極６５）を示しているが、これに限られない。第１ポンプセル２１の空所内電極及び第２ポンプセル３１の空所内電極はそれぞれ独立した電極として形成され、第１ポンプセル２１の空所外電極及び第２ポンプセル３１の空所外電極が、図６～８の内側電極６５のように電気的に一体化されていてもよい。
【0095】
このように、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の空所内電極あるいは空所外電極のいずれか一方が一体の電極として形成されている場合においても、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１はそれぞれ独立したポンプセルを構成することができるため、上述のとおりに、被測定ガス中の複数の測定対象ガスの濃度（Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度）を測定することができる。
【0096】
また、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の空所内電極あるいは空所外電極のいずれか一方が一体の電極として形成されている場合、センサ素子１０１が備える電極の数を減らすことができる。電極の数が減らすと、それに伴い、電極と制御装置９０とを導通させるためのリード線も減らすことができる。その結果、原材料の使用量削減、製造工程の簡略化等によりコスト削減することができる。また、例えば、第１ポンプセル２１の空所内電極と第２ポンプセル３１の空所内電極とが電極が電気的に一体化されることにより、Ｈ２Ｏの分解によって生じた酸素がよりスムーズに第１ポンプセル２１によって汲み出されることが期待できるであろう。
【0097】
上述の実施形態１においては、酸素Ｏ２及び水蒸気Ｈ２Ｏの２種類のガス濃度を測定するガスセンサの例を示したが、本発明のガスセンサはこれに限られない。以下に、他の実施形態の例として、被測定ガス流通空所の構成を変更する例や、基準ガスを用いる構成とする例を示す。
【0098】
［実施形態２］
実施形態２のガスセンサ２００として、被測定ガス中の酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２を検知し、それら３種類のガス濃度を測定するガスセンサの一例を示す。図９は、実施形態２のガスセンサ２００の概略構成の一例を示す、センサ素子２０１の長手方向の垂直断面模式図である。図９において、図１と同じものには同じ符号を付している。また、図１０は、実施形態２のガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。
実施形態２のガスセンサ２００として、被測定ガス中の酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２を検知し、それら３種類のガス濃度を測定するガスセンサの一例を示す。図９は、実施形態２のガスセンサ２００の概略構成の一例を示す、センサ素子２０１の長手方向の垂直断面模式図である。図９において、図１と同じものには同じ符号を付している。また、図１０は、実施形態２のガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。
【0099】
センサ素子２０１において、被測定ガス流通空所１６は、ガス導入口１０から長手方向に、第１拡散律速通路１１と、第１内部空所２０と、第２拡散律速通路４０（すなわち、第２拡散律速部）と、第２内部空所４１とが、この順に連通する態様にて形成されている。
【0100】
第２内部空所４１は、第１内部空所２０と同様に、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を固体電解質層６の下面で、下部を中間層３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。固体電解質層６の第２内部空所４１に面する領域には、酸素イオン伝導体層６１が存在している。
【0101】
第２拡散律速通路４０は、第１拡散律速通路１１と同様に、２本の横長の（図９において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。第２拡散律速部４０は、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。
【0102】
センサ素子２０１は、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１に加えて、さらに、 被測定ガス流通空所１６内の、前記空所内第１電極（内側第１電極２２）及び前記空所内第２電極（内側第２電極３２）よりも基体部２０２の長手方向の先端部から遠い位置の第３の固体電解質上に配設された空所内第３電極（センサ素子２０１においては、内側第３電極５２）と、基体部２０２の被測定ガス流通空所１６内とは異なる位置に、前記空所内第３電極と前記第３の固体電解質を介して接するように配設された空所外第３電極（センサ素子２０１においては、外側第３電極５３）を含む、第３ポンプセル５１を含む。
【0103】
センサ素子２０１においては、第３の固体電解質は、第１の固体電解質と同じ固体電解質、すなわち、酸素イオン伝導性の固体電解質である。従って、外側３電極５３を配設せず、外側１電極２３が第１ポンプセル２１の空所外第１電極及び第３ポンプセル５１の空所外第３電極としての機能を兼ねることもできうる。
【0104】
すなわち、第３ポンプセル５１は、第２内部空所４１に面する固体電解質層６の下面、すなわち、酸素イオン伝導体層６１の下面に設けられた内側第３電極５２と、固体電解質層６の上面のうちの、酸素イオン導電体層６１の上面に外部空間に露出する態様にて設けられた外側第３電極５３と、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導体層６１とによって構成される電気化学的ポンプセルである。
【0105】
第３ポンプセル５１においては、内側第３電極５２と外側第３電極５３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ３を可変電源５４により印加して、内側第３電極５２と外側第３電極５３との間に第３電流Ｉｐ３を流すことにより、外部空間から第２内部空所４１内へ酸素を汲み入れることが可能となっている。
【0106】
図１０は、実施形態２のガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１の各ポンプセル２１、３１、５１との電気的接続関係を示すブロック図である。制御装置２９０は、可変電源２４、３４、５４と、制御部２９１とを含む。制御部２９１は、ポンプ制御部２９２及び濃度算出部２９３を含む。
【0107】
制御部２９１は、センサ素子２０１の各ポンプセル２１、３１、５１におけるポンプ電流（Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３）を取得するように構成されている。また、制御部２９１は、可変電源２４、３４、５４に制御信号を出力するように構成されている。
【0108】
ガスセンサ２００において、ポンプ制御部２９２は、被測定ガス中の測定対象ガス（酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２）の濃度を測定できるように、第１ポンプセル２１、第２ポンプセル３１、及び第３ポンプセル５１の動作を制御するように構成されている。
【0109】
ポンプ制御部２９２は、上述のポンプ制御部９２と同様に、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の動作を制御し、さらに、
第３ポンプセル５１の空所内第３電極（内側第３電極５２）と空所外第３電極（外側第３電極５３）との間に所定の電圧Ｖｐ３を印加して、第３ポンプセル５１に第３電流Ｉｐ３を流す制御を行う。
第３ポンプセル５１の空所内第３電極（内側第３電極５２）と空所外第３電極（外側第３電極５３）との間に所定の電圧Ｖｐ３を印加して、第３ポンプセル５１に第３電流Ｉｐ３を流す制御を行う。
【0110】
ガスセンサ２００の測定原理を、図１１を用いて説明する。図９及び１０も適宜参照する。図１１は、ガスセンサ２００における酸素、水蒸気及び二酸化炭素の測定原理を示す概念図である。図１１においては、被測定ガス中の酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２のみを図示している。
【0111】
第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の酸素ガスＯ２は、内側第１電極２２において酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。また、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の二酸化炭素ＣＯ２は、内側第１電極２２において分解される（ＣＯ２→Ｏ2-＋ＣＯ）。ＣＯ２の分解により生じた酸素イオンＯ2- は、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。一方、ＣＯ２の分解により生じた一酸化炭素ＣＯは、第２拡散律速通路４０を通じて第２内部空所４１に導入される。
【0112】
第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは、内側第２電極３２において分解される（Ｈ２Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2-）。Ｈ２Ｏの分解により生じた水素イオンＨ+ は、第２ポンプセル３１を構成するプロトン伝導体層６２を伝導して外側第２電極３３に達し、水素ガスＨ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。一方、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。より厳密には、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、内側第２電極３２近傍において酸素ガスＯ２となり、その酸素ガスＯ２が内側第１電極２２において再度酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、第１ポンプセル２１により汲み出されると考えられる。
【0113】
ＣＯ２の分解により生じた一酸化炭素ＣＯは、第２拡散律速通路４０を通じて第２内部空所４１内の内側第３電極５２に到達し、内側第３電極５２において酸化される（２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２）。この時、ＣＯの酸化に必要な酸素が第３ポンプセル５１により汲み入れられることになる
【0114】
このように、ガスセンサ２００においては、被測定ガス中の二酸化炭素ＣＯ２は第１ポンプセル２１の内側第１電極２２で分解され、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは第２ポンプセル３１の内側第２電極３２において分解される。そして、被測定ガス中の酸素ガスＯ２と、内側第１電極２２での二酸化炭素ＣＯ２の分解により生じた酸素と、内側第２電極３２での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素とが、第１ポンプセル２１によって第１内部空所２０からセンサ素子２０１の外部空間に汲み出される。また、内側第２電極３２での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素が、第２ポンプセル３１によって第１内部空所２０からセンサ素子２０１の外部空間に汲み出される。また、第３ポンプセル５１の内側第３電極５２に到達した一酸化炭素ＣＯは、第３ポンプセル５１によってセンサ素子２０１の外部空間から第２内部空所４１内に汲み入れられた酸素と反応して、二酸化炭素ＣＯ２になる。
【0115】
ガスセンサ２００の駆動時において、ポンプ制御部２９２は、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と外側第１電極２３との間に、内側第１電極２２においてＣＯ２の分解が起こるような所定の電圧Ｖｐ１を印加するとよい。電圧Ｖｐ１の値は、内側第１電極２２において被測定ガス中のＣＯ２が実質的に全て分解されるような値とするとよい。電圧Ｖｐ１の値は、ガスセンサ２００の使用目的やセンサ素子２０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。
【0116】
ガスセンサ２００の駆動時において、ポンプ制御部２９２は、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に、内側第２電極３２においてＨ２Ｏの分解が起こるような所定の電圧Ｖｐ２を印加するとよい。電圧Ｖｐ２の値は、内側第２電極３２において被測定ガス中のＨ２Ｏが実質的に全て分解されるような値とするとよい。また、第２電流Ｉｐ２が限界電流値となるような値としてよい。電圧Ｖｐ２の値は、ガスセンサ２００の使用目的やセンサ素子２０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。
【0117】
ガスセンサ２００の駆動時において、ポンプ制御部２９２は、第３ポンプセル５１の内側第３電極５２と外側第３電極５３との間に、内側第３電極５２において一酸化炭素ＣＯが酸化されるような所定の電圧Ｖｐ３を印加するとよい。電圧Ｖｐ３の値は、ガスセンサ２００の使用目的やセンサ素子２０１の構成等により異なり得るが、例えば、１００ｍＶ～４００ｍＶ程度であってよい。例えば、２００ｍＶ程度としてもよい。
【0118】
ガスセンサ２００において、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２は、実施形態１のガスセンサ１００と同様に、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２に起因する電流となる。被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏが内側第２電極３２において実質的に全て分解される場合、水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２の量は、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの量（濃度）に応じた量になる。すなわち、第２電流Ｉｐ２の電流値は、被測定ガス中の水蒸気濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0119】
また、第３ポンプセル５１に流れる第３電流Ｉｐ３は、二酸化炭素ＣＯ２の分解により生じた一酸化炭素ＣＯに起因する電流となる。被測定ガス中の二酸化炭素ＣＯ２が内側第１電極２２において実質的に全て分解する場合、二酸化炭素ＣＯ２の分解により生じた一酸化炭素ＣＯの量は、被測定ガス中の二酸化炭素ＣＯ２の量（濃度）に応じた量になる。従って、一酸化炭素ＣＯを酸化するために第３ポンプセル５１によって汲み入れられる酸素の量は、被測定ガス中の二酸化炭素ＣＯ２の量（濃度）に応じた量になる。すなわち、第３電流Ｉｐ３の電流値は、被測定ガス中の二酸化炭素濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0120】
また、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１は、被測定ガス中の酸素ガスＯ２に起因する電流と、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流と、被測定ガス中の二酸化炭素ＣＯ２の分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流とを含む。第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１のうちの水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流の絶対値は、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値と等しいと考えられる。また、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１のうちの二酸化炭素ＣＯ２の分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流の絶対値は、第３ポンプセル５１に流れる第３電流Ｉｐ３の絶対値と等しいと考えられる。従って、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１の絶対値から、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値及び第３ポンプセル５１に流れる第３電流Ｉｐ３の絶対値を差し引いた差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜－｜Ｉｐ３｜）は、被測定ガス中の酸素濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0121】
濃度算出部２９３は、被測定ガス中の測定対象ガス濃度（Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＣＯ２濃度）を算出するように構成されている。
【0122】
濃度算出部２９３は、第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２を取得し、予め記憶されている第２電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度との換算パラメータ（電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度を算出し、ガスセンサ２００の測定値として出力する。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、濃度算出部２９３として機能する制御部２９１のメモリに予め記憶されている。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（一次関数等）の係数であってもよいし、第２電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ２Ｏ濃度との対応を示すマップであってもよい。電流－Ｈ２Ｏ濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。
【0123】
濃度算出部２９３は、第３ポンプセル５１における第３電流Ｉｐ３を取得し、予め記憶されている第３電流Ｉｐ３と被測定ガス中のＣＯ２濃度との換算パラメータ（電流－ＣＯ２濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＣＯ２濃度を算出し、ガスセンサ１００の測定値として出力する。電流－ＣＯ２濃度換算パラメータは、濃度算出部２９３として機能する制御部２９１のメモリに予め記憶されている。電流－ＣＯ２濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電流－ＣＯ２濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（一次関数等）の係数であってもよいし、第３電流Ｉｐ３と被測定ガス中のＣＯ２濃度との対応を示すマップであってもよい。電流－ＣＯ２濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。
【0124】
濃度算出部２９３は、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１、第２ポンプセル３１における第２電流Ｉｐ２、及び第３ポンプセル５１における第３電流Ｉｐ３を取得し、差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜－｜Ｉｐ３｜）を算出する。算出した差分ΔＩｐについて、予め記憶されているΔＩｐと被測定ガス中のＯ２濃度との換算パラメータ（電流－Ｏ２濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＯ２濃度を算出し、ガスセンサ２００の測定値として出力する。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、濃度算出部２９３として機能する制御部９１のメモリに予め記憶されている。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（一次関数等）の係数であってもよいし、差分ΔＩｐと被測定ガス中のＯ２濃度との対応を示すマップであってもよい。電流－Ｏ２濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。
【0125】
濃度算出部２９３は、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＣＯ２濃度を同時に、あるいは並行して、算出する。このように、ガスセンサ２００は、複数の測定対象ガスの濃度（この場合、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＣＯ２濃度の３種類）を測定することができるように構成されている。
【0126】
上述のガスセンサ２００においては、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＣＯ２濃度の３種類を測定する例を示したが、例えば、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定することもでき得る。センサ素子２０１を用いて、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定する場合の測定原理を、図１２を用いて説明する。図９も適宜参照する。図１２は、センサ素子２０１を用いて、酸素、水蒸気及び窒素酸化物を測定する場合の測定原理を示す概念図である。図１２においては、被測定ガス中の酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び窒素酸化物ＮＯｘのみを図示している。
【0127】
センサ素子２０１を用いて、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定する場合には、内側第１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とよい。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１つ）と、触媒活性を有する貴金属の測定対象ガス（本実施形態においてはＮＯｘ）に対する触媒活性を低下させる貴金属（例えばＡｕ，Ａｇ等）とを含んでいるとよい。例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ２との多孔質サーメット電極であってよい。
【0128】
また、第３ポンプセル５１において、第２内部空所４１内から外部空間へ酸素を汲み出すように、内側第３電極５２と外側第３電極５３との間にポンプ電圧を可変電源５４により印加する。つまり、図９に示されるポンプ電圧Ｖｐ３とは逆向きの電圧を印加する。
【0129】
第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の酸素ガスＯ２は、内側第１電極２２において酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。
【0130】
第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは、内側第２電極３２において分解される（Ｈ２Ｏ→２Ｈ+＋Ｏ2-）。Ｈ２Ｏの分解により生じた水素イオンＨ+ は、第２ポンプセル３１を構成するプロトン伝導体層６２を伝導して外側第２電極３３に達し、水素ガスＨ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。一方、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、第１ポンプセル２１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。より厳密には、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、内側第２電極３２近傍において酸素ガスＯ２となり、その酸素ガスＯ２が内側第１電極２２において再度酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、第１ポンプセル２１により汲み出されると考えられる。
【0131】
被測定ガス中の窒素酸化物ＮＯｘは第１内部空所２０において分解されることなく、第２拡散律速通路４０を通じて第２内部空所４１内に導入され、内側第３電極５２に到達する。内側第３電極５２の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は分解されて（２ＮＯ→Ｎ２＋２Ｏ2-）酸素を発生する（酸素イオンＯ2-を生じる）。そして、この発生した酸素は第３ポンプセル５１によって汲み出される。すなわち、ＮＯｘの分解により生じた酸素イオンＯ2-は、第３ポンプセル５１を構成する酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側第１電極２３に達し、酸素ガスＯ２としてセンサ素子２０１の外部に放出される。
【0132】
このように、センサ素子２０１を用いて、Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定する場合には、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは第２ポンプセル３１の内側第２電極３２において分解される。そして、被測定ガス中の酸素ガスＯ２と、内側第２電極３２での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素とが、第１ポンプセル２１によって第１内部空所２０からセンサ素子２０１の外部空間に汲み出される。また、内側第２電極３２での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素が、第２ポンプセル３１によって第１内部空所２０からセンサ素子２０１の外部空間に汲み出される。また、被測定ガス中の窒素酸化物ＮＯｘは第３ポンプセル５１の内側第３電極５２において分解される。内側第３電極５２での窒素酸化物ＮＯｘの分解により生じた酸素が、第３ポンプセル５１によって第２内部空所４１からセンサ素子２０１の外部空間に汲み出される。
【0133】
Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定する場合には、第１ポンプセル２１の内側第１電極２２と外側第１電極２３との間に、第１電流Ｉｐ１が酸素についての限界電流値となるような所定の電圧Ｖｐ１が印加されるようにするとよい。電圧Ｖｐ１の値は、内側第１電極２２においてＮＯｘが分解しないような値にするとよい。電圧Ｖｐ１の値は、ガスセンサの使用目的やセンサ素子２０１の構成等により異なり得るが、例えば、２００ｍＶ～６００ｍＶ程度であってよい。例えば、４００ｍＶ程度としてもよい。
【0134】
また、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に、内側第２電極３２においてＨ２Ｏの分解が起こるような所定の電圧Ｖｐ２を印加するとよい。電圧Ｖｐ２の値は、内側第２電極３２において被測定ガス中のＨ２Ｏが実質的に全て分解されるような値とするとよい。また、第２電流Ｉｐ２が限界電流値となるような値としてよい。電圧Ｖｐ２の値は、ガスセンサの使用目的やセンサ素子２０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。
【0135】
また、第３ポンプセル５１の内側第３電極５２と外側第３電極５３との間に、内側第３電極５２においてＮＯｘの分解が起こるような所定の電圧を印加するとよい。所定の電圧の値は、内側第３電極５２において被測定ガス中のＮＯｘが実質的に全て分解されるような値とするとよい。所定の電圧の値は、ガスセンサの使用目的やセンサ素子２０１の構成等により異なり得るが、例えば、２００ｍＶ～６００ｍＶ程度であってよい。例えば、４００ｍＶ程度としてもよい。
【0136】
Ｏ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定する場合には、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２は、実施形態１のガスセンサ１００と同様に、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２に起因する電流となる。被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏが内側第２電極３２において実質的に全て分解される場合、水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素Ｈ２の量は、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの量（濃度）に応じた量になる。すなわち、第２電流Ｉｐ２の電流値は、被測定ガス中の水蒸気濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0137】
また、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１は、実施形態１のガスセンサ１００と同様に、被測定ガス中の酸素ガスＯ２に起因する電流と、被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流とを含む。第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１のうちの水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流の絶対値は、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値と等しいと考えられる。従って、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１の絶対値から第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値を差し引いた差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜）は、被測定ガス中の酸素濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0138】
また、第３ポンプセル５１に流れる第３電流は、窒素酸化物ＮＯｘの分解により生じた酸素Ｏ２に起因する電流となる。被測定ガス中の窒素酸化物ＮＯｘが内側第３電極５２において実質的に全て分解される場合、窒素酸化物ＮＯｘの分解により生じた酸素Ｏ２の量は、被測定ガス中の窒素酸化物ＮＯｘの量（濃度）に応じた量になる。すなわち、第３電流の電流値は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流値となると考えられる。
【0139】
従って、図１２に示す測定原理を用いれば、センサ素子２０１を用いて、被測定ガス中のＯ２濃度、Ｈ２Ｏ濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を同時に（並行して）測定することができ得る。
【0140】
［実施形態３］
本発明において、センサ素子は、基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含んでいてもよい。
本発明において、センサ素子は、基体部の内部に、基準ガスと接するように配設された基準電極を含んでいてもよい。
【0141】
実施形態３のガスセンサ３００として、基準電極４２を備えるセンサ素子３０１を含む例を示す。実施形態３のガスセンサ３００は、実施形態１のガスセンサ１００と同様に、被測定ガス中の酸素Ｏ２及び水蒸気Ｈ２Ｏを検知し、それら２種類のガス濃度を測定するガスセンサの一例である。図１３は、実施形態３のガスセンサ３００の概略構成の一例を示す、センサ素子３０１の長手方向の垂直断面模式図である。図１３において、図１と同じものには同じ符号を付している。また、図１４は、実施形態３のガスセンサ３００における、制御装置３９０と、センサ素子３０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。
【0142】
センサ素子３０１において、基体部３０２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基板層１、第２基板層２、中間層３、及びスペーサ層５、並びに、酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とで構成された固体電解質層６の５つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。
【0143】
センサ素子３０１において、被測定ガス流通空所１５の構成は、実施形態１のガスセンサ１００におけるセンサ素子１０１と同様である。
【0144】
センサ素子３０１において、被測定ガス流通空所１５よりも先端側から遠い位置には、第２基板層２の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を中間層３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は、センサ素子１０１の他方の端部（以下、後端部という）に開口を有している。基準ガス導入空間４３には、酸素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。
【0145】
基準電極４２は、基体部３０２の内部に、基準ガスと接するように配設された電極である。具体的には、センサ素子３０１において、基準電極４２は、基準ガス導入空間４３の内部の第２基板層２の上面に配設された電極である。基準電極４２は、基準ガス導入空間４３を介して、基準ガスと接するように配設されている。
【0146】
センサ素子３０１において、基準電極４２は、空所内第１電極（内側第１電極２２）と電気化学的に対応している。つまり、基準電極４２は、第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）及び前記第１の固体電解質と同じ固体電解質を介して、空所内第１電極（内側第１電極２２）と接するように配設されている。
【0147】
すなわち、内側第１電極２２と、酸素イオン伝導体層６１と、スペーサ層５と、中間層３と、第２基板層２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ポンプ制御用センサセル８０が構成されている。第１ポンプ制御用センサセル８０における内側第１電極２２と基準電極４２の間の起電力Ｖ１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。
【0148】
さらに、起電力Ｖ１に基づいて、第１ポンプセル２１のポンプ電圧Ｖｐ１を印加する制御が行われる。より具体的には、起電力Ｖ１が一定となるようにポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ１が制御されている。これによって、第１内部空所２０内の酸素濃度を所定の濃度に制御することができるため、より精度よく被測定ガス中の酸素濃度を検出することができ得る。
【0149】
図１４は、実施形態３のガスセンサ３００における、制御装置３９０と、センサ素子３０１の各ポンプセル２１、３１及び第１ポンプ制御用センサセル８０との電気的接続関係を示すブロック図である。図１４において、図３と同じものには同じ符号を付している
制御装置３９０は、可変電源２４、３４と、制御部３９１とを含む。制御部３９１は、ポンプ制御部３９２及び濃度算出部９３を含む。
制御装置３９０は、可変電源２４、３４と、制御部３９１とを含む。制御部３９１は、ポンプ制御部３９２及び濃度算出部９３を含む。
【0150】
制御部３９１は、センサ素子３０１の各ポンプセル２１、３１におけるポンプ電流（Ｉｐ１、Ｉｐ２）及び第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１を取得するように構成されている。また、制御部３９１は、可変電源２４、３４に制御信号を出力するように構成されている。
【0151】
ガスセンサ３００において、制御部３９１のポンプ制御部３９２は、被測定ガス中の測定対象ガス（酸素Ｏ２及び水蒸気Ｈ２Ｏ）の濃度を測定できるように、第１ポンプセル２１及び第２ポンプセル３１の動作を制御するように構成されている。
【0152】
ガスセンサ３００において、ポンプ制御部３９２は、
基準電極４２と第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）との間の起電力Ｖ１（第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１）に基づいて、第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）と空所外第１電極（外側第１電極２３）との間に所定の電圧Ｖｐ１を印加して、第１ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流し、
第２ポンプセル３１の空所内第２電極（内側第２電極３２）と空所外第２電極（外側第２電極３３）との間に所定の電圧Ｖｐ２を印加して、第２ポンプセル３１に第２電流Ｉｐ２を流す。
基準電極４２と第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）との間の起電力Ｖ１（第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１）に基づいて、第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）と空所外第１電極（外側第１電極２３）との間に所定の電圧Ｖｐ１を印加して、第１ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流し、
第２ポンプセル３１の空所内第２電極（内側第２電極３２）と空所外第２電極（外側第２電極３３）との間に所定の電圧Ｖｐ２を印加して、第２ポンプセル３１に第２電流Ｉｐ２を流す。
【0153】
ガスセンサ３００において、ポンプ制御部３９２は、第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１が所定の目標値（目標値Ｖ１ＳＥＴと称する）になるように、第１ポンプセル２１における可変電源２４の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。起電力Ｖ１は内側第１電極２２近傍の酸素分圧を示しているので、起電力Ｖ１を一定にすることは、内側第１電極２２近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。結果として、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１は、被測定ガス中の酸素ガス及び水蒸気の分解により生じた酸素の総量（濃度）に応じて変化する。
【0154】
目標値Ｖ１ＳＥＴの値は、第１ポンプセル２１において、被測定ガス中の酸素ガス及び水蒸気の分解により生じた酸素が実質的に全て汲み出されるような値として、適宜設定してよい。例えば、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１が上述の限界電流となるような値であってよい。目標値Ｖ１ＳＥＴの値は、ガスセンサ３００の使用目的やセンサ素子３０１の構成等により異なり得るが、例えば、２００ｍＶ～６００ｍＶ程度であってよい。フィードバック制御の結果として、電圧Ｖｐ１の値は、例えば、２００ｍＶ～６００ｍＶ程度となりうる。
【0155】
ガスセンサ３００において、ポンプ制御部３９２は、ポンプ制御部９２の場合と同様に、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に、内側第２電極３２においてＨ２Ｏの分解が起こるような所定の電圧Ｖｐ２を印加するとよい。電圧Ｖｐ２の値は、内側第２電極３２において被測定ガス中のＨ２Ｏが実質的に全て分解されるような値とするとよい。また、第２電流Ｉｐ２が限界電流値となるような値としてよい。電圧Ｖｐ２の値は、ガスセンサ３００の使用目的やセンサ素子３０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。
【0156】
このように、第１ポンプセル２１における可変電源２４の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御すると、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１はより精度よく、被測定ガス中の酸素ガス及び水蒸気の分解により生じた酸素の総量に応じた値になりうる。実施形態１において説明したとおり、被測定ガス中の酸素濃度は、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１の絶対値から、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値を差し引いた差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜）から算出される。第１電流Ｉｐ１をより精度よく測定できることにより、被測定ガス中の酸素濃度をより精度よく測定しうる。
【0157】
［実施形態４］
また、実施形態４のガスセンサ４００として、基準電極４２を備えるセンサ素子４０１を含む例を示す。実施形態４のガスセンサ４００は、実施形態２のガスセンサ２００と同様に、被測定ガス中の酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２を検知し、それら３種類のガス濃度を測定するガスセンサの一例である。図１５は、実施形態４のガスセンサ４００の概略構成の一例を示す、センサ素子４０１の長手方向の垂直断面模式図である。図１５において、図１，９，１３と同じものには同じ符号を付している。また、図１６は、実施形態４のガスセンサ４００における、制御装置４９０と、センサ素子４０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。
また、実施形態４のガスセンサ４００として、基準電極４２を備えるセンサ素子４０１を含む例を示す。実施形態４のガスセンサ４００は、実施形態２のガスセンサ２００と同様に、被測定ガス中の酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２を検知し、それら３種類のガス濃度を測定するガスセンサの一例である。図１５は、実施形態４のガスセンサ４００の概略構成の一例を示す、センサ素子４０１の長手方向の垂直断面模式図である。図１５において、図１，９，１３と同じものには同じ符号を付している。また、図１６は、実施形態４のガスセンサ４００における、制御装置４９０と、センサ素子４０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。
【0158】
センサ素子４０１において、基体部４０２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基板層１、第２基板層２、中間層３、及びスペーサ層５、並びに、酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とで構成された固体電解質層６の５つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。
【0159】
センサ素子４０１において、被測定ガス流通空所１６の構成は、実施形態２のガスセンサ２００におけるセンサ素子２０１と同様である。
【0160】
センサ素子４０１において、センサ素子３０１と同様に、基準ガス導入空間４３及び基準電極４２が設けられている。
【0161】
センサ素子４０１において、センサ素子３０１と同様に、基準電極４２は、空所内第１電極（内側第１電極２２）と電気化学的に対応している。つまり、基準電極４２は、第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）及び前記第１の固体電解質と同じ固体電解質を介して、空所内第１電極（内側第１電極２２）と接するように配設されている。
【0162】
すなわち、内側第１電極２２と、酸素イオン伝導体層６１と、スペーサ層５と、中間層３と、第２基板層２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ポンプ制御用センサセル８０が構成されている。第１ポンプ制御用センサセル８０における内側第１電極２２と基準電極４２の間の起電力Ｖ１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。
【0163】
さらに、起電力Ｖ１に基づいて、第１ポンプセル２１の電圧Ｖｐ１を印加する制御が行われる。より具体的には、起電力Ｖ１が一定となるように電圧Ｖｐ１をフィードバック制御することで第１電流Ｉｐ１が制御されている。これによって、第１内部空所２０内の酸素濃度を所定の濃度に制御することができるため、より精度よく被測定ガス中の酸素濃度を検出することができ得る。
【0164】
また、センサ素子４０１においては、基準電極４２は、空所内第３電極（内側第３電極５２）と電気化学的に対応している。つまり、基準電極４２は、第３の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）及び前記第３の固体電解質と同じ固体電解質を介して、空所内第３電極（内側第３電極５２）と接するように配設されている。
【0165】
すなわち、内側第３電極５２と、酸素イオン伝導体層６１と、スペーサ層５と、中間層３と、第２基板層２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３ポンプ制御用センサセル８１が構成されている。第３ポンプ制御用センサセル８１における内側第３電極５２と基準電極４２の間の起電力Ｖ３を測定することで第２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。
【0166】
図１６は、実施形態４のガスセンサ４００における、制御装置４９０と、センサ素子４０１の各ポンプセル２１、３１、５１及び各センサセル８０、８１との電気的接続関係を示すブロック図である。図１６において、図３，１４と同じものには同じ符号を付している。制御装置４９０は、可変電源２４、３４、５４と、制御部４９１とを含む。制御部４９１は、ポンプ制御部４９２及び濃度算出部２９３を含む。
【0167】
制御部４９１は、センサ素子４０１の各ポンプセル２１、３１、５１におけるポンプ電流（Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３）及び各センサセル８０、８１における起電力（Ｖ１、Ｖ３）を取得するように構成されている。また、制御部４９１は、可変電源２４、３４、５４に制御信号を出力するように構成されている。
【0168】
ガスセンサ４００において、制御部４９１のポンプ制御部４９２は、被測定ガス中の測定対象ガス（酸素Ｏ２、水蒸気Ｈ２Ｏ及び二酸化炭素ＣＯ２）の濃度を測定できるように、第１ポンプセル２１、第２ポンプセル３１、及び第３ポンプセル５１の動作を制御するように構成されている。
【0169】
ポンプ制御部４９２は、
基準電極４２と第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）との間の起電力Ｖ１（第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１）に基づいて、第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）と空所外第１電極（外側第１電極２３）との間に所定の電圧Ｖｐ１を印加して、第１ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流し、
第２ポンプセル３１の空所内第２電極（内側第２電極３２）と空所外第２電極（外側第２電極３３）との間に所定の電圧Ｖｐ２を印加して、第２ポンプセル３１に第２電流Ｉｐ２を流し、
基準電極４２と第３ポンプセル５１の空所内第３電極（内側第３電極５２）との間の起電力Ｖ３（第３ポンプ制御用センサセル８１における起電力Ｖ３）に基づいて、第３ポンプセル５１の空所内第３電極（内側第３電極５２）と空所外第３電極（外側第３電極５３）との間に所定の電圧Ｖｐ３を印加して、第３ポンプセル５１に第３電流Ｉｐ３を流す制御を行う。
基準電極４２と第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）との間の起電力Ｖ１（第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１）に基づいて、第１ポンプセル２１の空所内第１電極（内側第１電極２２）と空所外第１電極（外側第１電極２３）との間に所定の電圧Ｖｐ１を印加して、第１ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流し、
第２ポンプセル３１の空所内第２電極（内側第２電極３２）と空所外第２電極（外側第２電極３３）との間に所定の電圧Ｖｐ２を印加して、第２ポンプセル３１に第２電流Ｉｐ２を流し、
基準電極４２と第３ポンプセル５１の空所内第３電極（内側第３電極５２）との間の起電力Ｖ３（第３ポンプ制御用センサセル８１における起電力Ｖ３）に基づいて、第３ポンプセル５１の空所内第３電極（内側第３電極５２）と空所外第３電極（外側第３電極５３）との間に所定の電圧Ｖｐ３を印加して、第３ポンプセル５１に第３電流Ｉｐ３を流す制御を行う。
【0170】
ガスセンサ４００において、ポンプ制御部４９２は、第１ポンプ制御用センサセル８０における起電力Ｖ１が所定の目標値（目標値Ｖ１ＳＥＴと称する）になるように、第１ポンプセル２１における可変電源２４の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。起電力Ｖ１は内側第１電極２２近傍の酸素分圧を示しているので、起電力Ｖ１を一定にすることは、内側第１電極２２近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。結果として、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１は、被測定ガス中の酸素ガス、水蒸気の分解により生じた酸素、及び二酸化炭素の分解により生じた酸素の総量（濃度）に応じて変化する。
【0171】
目標値Ｖ１ＳＥＴの値は、内側第１電極２２において被測定ガス中のＣＯ２が実質的に全て分解されるような値として、適宜設定してよい。そのように設定すれば、通常、第１ポンプセル２１において、被測定ガス中の酸素ガス、水蒸気の分解により生じた酸素、及び二酸化炭素の分解により生じた酸素が実質的に全て汲み出されると考えられる。例えば、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１が上述の限界電流となるような値であってよい。目標値Ｖ１ＳＥＴの値は、ガスセンサ４００の使用目的やセンサ素子４０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。フィードバック制御の結果として、電圧Ｖｐ１の値は、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度となりうる。
【0172】
ガスセンサ４００において、ポンプ制御部４９２は、ポンプ制御部９２の場合と同様に、第２ポンプセル３１の内側第２電極３２と外側第２電極３３との間に、内側第２電極３２においてＨ２Ｏの分解が起こるような所定の電圧Ｖｐ２を印加するとよい。電圧Ｖｐ２の値は、内側第２電極３２において被測定ガス中のＨ２Ｏが実質的に全て分解されるような値とするとよい。また、第２電流Ｉｐ２が限界電流値となるような値としてよい。電圧Ｖｐ２の値は、ガスセンサ４００の使用目的やセンサ素子４０１の構成等により異なり得るが、例えば、８００ｍＶ～１２００ｍＶ程度であってよい。
【0173】
また、ガスセンサ４００において、ポンプ制御部４９２は、第３ポンプ制御用センサセル８１における起電力Ｖ３が所定の目標値（目標値Ｖ３ＳＥＴと称する）になるように、第３ポンプセル５１における可変電源５４の電圧Ｖｐ３をフィードバック制御する。起電力Ｖ３は内側第３電極５２近傍の酸素分圧を示しているので、起電力Ｖ３を一定にすることは、内側第３電極５２近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。結果として、第３ポンプセル５１における第３電流Ｉｐ３は、被測定ガス中の二酸化炭素の分解により生じた一酸化炭素の量（濃度）に応じて変化する。
【0174】
目標値Ｖ３ＳＥＴの値は、内側第３電極５２において一酸化炭素ＣＯが実質的に全て酸化されるような値として、適宜設定してよい。目標値Ｖ１ＳＥＴの値は、ガスセンサ４００の使用目的やセンサ素子４０１の構成等により異なり得るが、例えば、１００ｍＶ～４００ｍＶ程度であってよい。フィードバック制御の結果として、電圧Ｖｐ３の値は、例えば、１００ｍＶ～４００ｍＶ程度となりうる。
【0175】
このように、第１ポンプセル２１における可変電源２４の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御すると、第１ポンプセル２１における第１電流Ｉｐ１は、より精度よく、被測定ガス中の酸素ガス、水蒸気の分解により生じた酸素、及び二酸化炭素の分解により生じた酸素の総量に応じた値になりうる。また、第３ポンプセル５１における可変電源５４の電圧Ｖｐ３をフィードバック制御すると、第３ポンプセル５１における第３電流Ｉｐ３は、より精度よく、被測定ガス中の二酸化炭素の分解により生じた一酸化炭素の量に応じた値になりうる。第３電流Ｉｐ３をより精度よく測定できることにより、被測定ガス中の二酸化炭素濃度をより精度よく測定しうる。また、実施形態２において説明したとおり、被測定ガス中の酸素濃度は、第１ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１の絶対値から、第２ポンプセル３１に流れる第２電流Ｉｐ２の絶対値及び第３ポンプセル５１に流れる第３電流Ｉｐ３の絶対値を差し引いた差分ΔＩｐ（＝｜Ｉｐ１｜－｜Ｉｐ２｜－｜Ｉｐ３｜）から算出される。第１電流Ｉｐ１及び第３電流Ｉｐ３をより精度よく測定できることにより、被測定ガス中の酸素濃度をより精度よく測定しうる。
【0176】
上記に、本発明の実施形態の例として、実施形態１～４を示したが、本発明はこれらの形態に限られない。本発明には、被測定ガス中の複数の測定対象ガスを測定可能なガスセンサを提供するという本発明の目的を達成する範囲であれば、種々の形態のセンサ素子や制御装置の構成を含むガスセンサ含まれ得る。
【0177】
上述の実施形態１～４においては、センサ素子１０１，２０１，３０１，４０１はいずれも、第１の固体電解質として、酸素イオン伝導性の固体電解質を、第２の固体電解質として、プロトン伝導性の固体電解質を用いたが、固体電解質の種類はこれに限られない。測定対象ガスの種類に応じて、適宜選択してよい。
【0178】
上述の実施形態１～４においては、被測定ガス中の酸素濃度及び水蒸気濃度の２種類を測定する例、被測定ガス中の酸素濃度、水蒸気濃度及び二酸化炭素濃度の３種類を測定する例、及び、被測定ガス中の酸素濃度、水蒸気濃度及びＮＯｘ濃度の３種類を測定する例を示したが、測定対象ガスはこれらに限られない。例えば、酸素イオン伝導性の固体電解質と、プロトン伝導性の固体電解質とを用いる場合においては、酸素原子を含むガス種と水素原子を含むガス種とを同時に（あるいは並行して）測定することができうる。
【符号の説明】
【0179】
１ 基板層
２ 第２基板層
３ 中間層
５ スペーサ層
６ 固体電解質層
６１ 酸素イオン伝導体層
６２ プロトン伝導体層
１０ ガス導入口
１１ 第１拡散律速通路
１５，１６ 被測定ガス流通空所
２０ 第１内部空所
２１ 第１ポンプセル
２２ 内側第１電極
２３ 外側第１電極
２４ （第１ポンプセルの）可変電源
３１ 第２ポンプセル
３２ 内側第２電極
３３ 外側第２電極
３４ （第２ポンプセルの）可変電源
４０ 第２拡散律速通路
４１ 第２内部空所
４２ 基準電極
４３ 基準ガス導入空間
５１ 第３ポンプセル
５２ 内側第３電極
５３ 外側第３電極
５４ （第３ポンプセルの）可変電源
６５ 内側電極
６６ 導電体
７０ ヒータ部
７１ ヒータ電極
７２ ヒータ
７３ スルーホール
７４ ヒータ絶縁層
７６ ヒータリード
８０ 第１ポンプ制御用センサセル
８１ 第３ポンプ制御用センサセル
９０、２９０、３９０、４９０ 制御装置
９１、２９１、３９１、４９１ 制御部
９２、２９２、３９２、４９２ ポンプ制御部
９３、２９３ 濃度算出部
１００、２００、３００、４００ ガスセンサ
１０１、２０１、３０１、４０１ センサ素子
１０２、２０２、３０２、４０２ 基体部
２ 第２基板層
３ 中間層
５ スペーサ層
６ 固体電解質層
６１ 酸素イオン伝導体層
６２ プロトン伝導体層
１０ ガス導入口
１１ 第１拡散律速通路
１５，１６ 被測定ガス流通空所
２０ 第１内部空所
２１ 第１ポンプセル
２２ 内側第１電極
２３ 外側第１電極
２４ （第１ポンプセルの）可変電源
３１ 第２ポンプセル
３２ 内側第２電極
３３ 外側第２電極
３４ （第２ポンプセルの）可変電源
４０ 第２拡散律速通路
４１ 第２内部空所
４２ 基準電極
４３ 基準ガス導入空間
５１ 第３ポンプセル
５２ 内側第３電極
５３ 外側第３電極
５４ （第３ポンプセルの）可変電源
６５ 内側電極
６６ 導電体
７０ ヒータ部
７１ ヒータ電極
７２ ヒータ
７３ スルーホール
７４ ヒータ絶縁層
７６ ヒータリード
８０ 第１ポンプ制御用センサセル
８１ 第３ポンプ制御用センサセル
９０、２９０、３９０、４９０ 制御装置
９１、２９１、３９１、４９１ 制御部
９２、２９２、３９２、４９２ ポンプ制御部
９３、２９３ 濃度算出部
１００、２００、３００、４００ ガスセンサ
１０１、２０１、３０１、４０１ センサ素子
１０２、２０２、３０２、４０２ 基体部
【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】
