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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】P2024109401
(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
【ＦＩ】
G01N27/416 311G
G01N27/419
G01N27/419 327B
G01N27/419 327K
G01N27/419 327Z
G01N27/419 327N
G01N27/416 311J
G01N27/419 327G
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023014172
(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、制御装置９０とを含み、センサ素子１０１は、第１のイオン種を伝導させる第１の固体電解質６１と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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上及び第２の固体電解質６２上にまたがって配設された空所内共用電極６５、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配設された空所外共用電極６７を含む、共用ポンプセル２１と、を含み、制御装置９０に含まれるポンプ制御部９２は、第１の固体電解質６１を介して共用ポンプセル２１に第１電流を流す第１ポンプ制御と、第２の固体電解質６２を介して共用ポンプセル２１に第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスセンサ。
【選択図】図１
【解決手段】 センサ素子１０１と、制御装置９０とを含み、センサ素子１０１は、第１のイオン種を伝導させる第１の固体電解質６１と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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上及び第２の固体電解質６２上にまたがって配設された空所内共用電極６５、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配設された空所外共用電極６７を含む、共用ポンプセル２１と、を含み、制御装置９０に含まれるポンプ制御部９２は、第１の固体電解質６１を介して共用ポンプセル２１に第１電流を流す第１ポンプ制御と、第２の固体電解質６２を介して共用ポンプセル２１に第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、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、
第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、前記固体電解質層の前記第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の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記共用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のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスセンサ。
前記センサ素子は、
第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、前記固体電解質層の前記第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の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記共用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のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、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】
前記第２のイオン種は、前記第１のイオン種とはイオンの極性が異なり、
前記ポンプ制御部は、前記第２ポンプ制御においては、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に、前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧とは逆向きの前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧を印加する、請求項１に記載のガスセンサ。
前記ポンプ制御部は、前記第２ポンプ制御においては、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に、前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧とは逆向きの前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧を印加する、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項5】
前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧の印加時間と、前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧の印加時間とが異なる、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項6】
前記空所外共用電極が、被測定ガスに接するように配設されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項7】
前記空所外共用電極が、基準ガスに接するように配設されている、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項8】
前記共用ポンプセルにおいて、前記空所内共用電極の温度と前記空所外共用電極の温度とが異なる、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項9】
前記固体電解質層について、前記長手方向に直交する前記基体部の厚み方向において、前記第１の固体電解質及び／又は前記第２の固体電解質は、緻密な領域と多孔質の領域とを含む、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項10】
前記固体電解質層について、前記厚み方向において、前記第１の固体電解質及び／又は前記第２の固体電解質は、前記空所内共用電極に接して形成された前記緻密な領域と、前記空所外共用電極に接して形成された前記緻密な領域と、前記緻密な両領域に挟まれた前記多孔質の領域とを含む、請求項９に記載のガスセンサ。
【請求項11】
前記センサ素子は、前記空所外共用電極上に形成された拡散抵抗体を含む、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項12】
前記拡散抵抗体は、前記空所外共用電極を覆うように形成された多孔質拡散抵抗層である、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項13】
前記多孔質拡散抵抗層は、触媒活性を有する貴金属を含む、請求項１２に記載のガスセンサ。
【請求項14】
前記空所内共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極と、前記空所内第１電極と前記空所内第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所内第１電極と前記空所内第２電極とが前記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おり、及び／又は、
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極と、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とが前記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。
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極と、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とが前記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15】
前記空所内共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極とを含み、前記空所内第１電極の少なくとも一部と前記空所内第２電極の少なくとも一部と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おり、及び／又は、
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極とを含み、前記空所外第１電極の少なくとも一部と前記空所外第２電極の少なくとも一部と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。
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極とを含み、前記空所外第１電極の少なくとも一部と前記空所外第２電極の少なくとも一部と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。
【請求項16】
固体電解質により少なくとも一部が囲まれ、且つ、少なくとも一部が開口されて形成されたガス空所を含み、
前記ガス空所には、少なくとも２種の成分を含むガスが導入され、
前記ガス空所の内表面の少なくとも一部には、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第２の固体電解質とが存在し、
前記ガス空所内の、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、及び、前記ガス空所内とは異なる位置において、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
前記共用ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部とを含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスポンピング装置。
前記ガス空所には、少なくとも２種の成分を含むガスが導入され、
前記ガス空所の内表面の少なくとも一部には、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第２の固体電解質とが存在し、
前記ガス空所内の、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、及び、前記ガス空所内とは異なる位置において、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
前記共用ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部とを含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスポンピング装置。
【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、
第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、前記固体電解質層の前記第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の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記共用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のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスセンサ。
前記センサ素子は、
第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、前記固体電解質層の前記第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の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
を含み、
前記制御装置は、
前記共用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のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、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） 前記第２のイオン種は、前記第１のイオン種とはイオンの極性が異なり、
前記ポンプ制御部は、前記第２ポンプ制御においては、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に、前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧とは逆向きの前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧を印加する、上記（１）～（３）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記ポンプ制御部は、前記第２ポンプ制御においては、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に、前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧とは逆向きの前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧を印加する、上記（１）～（３）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0016】
（５） 前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧の印加時間と、前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧の印加時間とが異なる、上記（１）～（４）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0017】
（６） 前記空所外共用電極が、被測定ガスに接するように配設されている、上記（１）～（５）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0018】
（７） 前記空所外共用電極が、基準ガスに接するように配設されている、上記（１）～（５）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0019】
（８） 前記共用ポンプセルにおいて、前記空所内共用電極の温度と前記空所外共用電極の温度とが異なる、上記（１）～（７）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0020】
（９） 前記固体電解質層について、前記長手方向に直交する前記基体部の厚み方向において、前記第１の固体電解質及び／又は前記第２の固体電解質は、緻密な領域と多孔質の領域とを含む、上記（１）～（８）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0021】
（１０） 前記固体電解質層について、前記厚み方向において、前記第１の固体電解質及び／又は前記第２の固体電解質は、前記空所内共用電極に接して形成された前記緻密な領域と、前記空所外共用電極に接して形成された前記緻密な領域と、前記緻密な両領域に挟まれた前記多孔質の領域とを含む、上記（９）に記載のガスセンサ。
【0022】
（１１） 前記センサ素子は、前記空所外共用電極上に形成された拡散抵抗体を含む、上記（１）～（１０）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0023】
（１２） 前記拡散抵抗体は、前記空所外共用電極を覆うように形成された多孔質拡散抵抗層である、上記（１）～（１１）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0024】
（１３） 前記多孔質拡散抵抗層は、触媒活性を有する貴金属を含む、上記（１２）に記載のガスセンサ。
【0025】
（１４） 前記空所内共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極と、前記空所内第１電極と前記空所内第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所内第１電極と前記空所内第２電極とが前記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おり、及び／又は、
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極と、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とが前記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）～（１３）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極と、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とが前記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）～（１３）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0026】
（１５） 前記空所内共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極とを含み、前記空所内第１電極の少なくとも一部と前記空所内第２電極の少なくとも一部と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おり、及び／又は、
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極とを含み、前記空所外第１電極の少なくとも一部と前記空所外第２電極の少なくとも一部と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）～（１３）のいずれかに記載のガスセンサ。
前記空所外共用電極は、前記第１の固体電解質上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所外第２電極とを含み、前記空所外第１電極の少なくとも一部と前記空所外第２電極の少なくとも一部と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）～（１３）のいずれかに記載のガスセンサ。
【0027】
（１６） 固体電解質により少なくとも一部が囲まれ、且つ、少なくとも一部が開口されて形成されたガス空所を含み、
前記ガス空所には、少なくとも２種の成分を含むガスが導入され、
前記ガス空所の内表面の少なくとも一部には、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第２の固体電解質とが存在し、
前記ガス空所内の、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、及び、前記ガス空所内とは異なる位置において、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
前記共用ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部とを含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスポンピング装置。
前記ガス空所には、少なくとも２種の成分を含むガスが導入され、
前記ガス空所の内表面の少なくとも一部には、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第２の固体電解質とが存在し、
前記ガス空所内の、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、及び、前記ガス空所内とは異なる位置において、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
前記共用ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部とを含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスポンピング装置。
【発明の効果】
【0028】
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】
【0029】
【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の共用ポンプセル２１との電気的接続関係を示すブロック図である。
【図4】共有ポンプセル２１に印加される電圧の時間変化の一例を示す模式図である。縦軸は電圧Ｖｐ１［Ｖ］（正の向き）又はＶｐ２［Ｖ］（負の向き）を、横軸は時間ｔ［秒］を示す。
【図5】第１ポンプ制御における共有ポンプセル２１の動作を示す概念図である。
【図6】第２ポンプ制御における共有ポンプセル２１の動作を示す概念図である。
【図13】ガスポンピング装置２００の概略構成の一例を示す、ガスポンピング素子２０１の断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0030】
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。
【0031】
本発明のガスセンサに含まれるセンサ素子は、
第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、前記固体電解質層の前記第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の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
を含む。
第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、前記固体電解質層の前記第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の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
を含む。
【0032】
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。
【0033】
本発明のガスセンサに含まれる制御装置は、
前記共用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のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う。
前記共用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のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記被測定ガス流通空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う。
【0034】
［ガスセンサの概略構成］
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
（センサ素子）
センサ素子１０１は、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２の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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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、酸素イオン伝導性固体電解質からなる酸素イオン伝導体層６１と水素イオン伝導性固体電解質からなるプロトン伝導体層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。
【0041】
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、図２に示すように、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。なお、図２において、破線の矩形は、後述の第１内部空所２０の平面位置を示す想像線である。
【0042】
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。
【0043】
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。この例においては、被測定ガス流通空所１５として、第１内部空所２０のみが形成されているセンサ素子１０１を示している。被測定ガス流通空所１５として、長手方向後方に向かって、さらに第２内部空所、第３内部空所等が存在していてもよい。
【0044】
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（図２参照）。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。共有ポンプセル２１が作動することにより、酸素及び水蒸気が検出される。
【0052】
共有ポンプセル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）上及び第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）上にまたがって配設された空所内共用電極（本実施形態においては、内側共用電極６５）、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おいて、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極（本実施形態においては、外側共用電極６７）を含む。従って、センサ素子１０１においては、空所内共用電極は、被測定ガス流通空所１５の内表面の第１の固体電解質及び第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。
【0053】
すなわち、共有ポンプセル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の下面及びプロトン伝導体層６２の下面にまたがって設けられた内側共用電極６５と、固体電解質層６の上面のうちの、酸素イオン伝導体層６１の上面及びプロトン伝導体層６２の上面にまたがって、外部空間に露出する態様にて設けられた外側共用電極６７と、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２とによって構成される電気化学的ポンプセルである。
【0054】
共有ポンプセル２１は、
内側共用電極６５、外側共用電極６７、及び、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導体層６１によって構成される酸素イオンポンプセルと、
内側共用電極６５、外側共用電極６７、及び、これらの電極に挟まれたプロトン伝導体層６２によって構成される水素イオンポンプセルと、
が統合されて一体化された複合的なポンプセルである。
内側共用電極６５、外側共用電極６７、及び、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導体層６１によって構成される酸素イオンポンプセルと、
内側共用電極６５、外側共用電極６７、及び、これらの電極に挟まれたプロトン伝導体層６２によって構成される水素イオンポンプセルと、
が統合されて一体化された複合的なポンプセルである。
【0055】
内側共用電極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。内側共用電極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、内側共用電極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。
【0056】
内側共用電極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。
【0057】
内側共用電極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。
【0058】
内側共用電極６５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。
【0059】
外側共用電極６７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、内側共用電極６５と同様に、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。外側共用電極６７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、外側共用電極６７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。
【0060】
外側共用電極６７は、内側共用電極６５と同様に、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。
【0061】
外側共用電極６７は、例えば、内側共用電極６５と同様に、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。
【0062】
共有ポンプセル２１においては、内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に所望のポンプ電圧を可変電源２４により印加して、内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に電流を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出すか、又は、第１内部空所２０内の水蒸気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。
【0063】
可変電源２４は、共有ポンプセル２１に正負両方向にポンプ電圧を印加できるように構成された部材である。両方向の電圧を発生させる電源を含んで構成されてもよいし、単方向の電圧を発生させる電源を複数含んで構成されてもよい。本実施形態において、前記ポンプ電圧は、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出す向き、すなわち、センサ素子１０１の外側において内側共用電極６５から外側共用電極６７に電流を流す向きを正の向きのポンプ電圧（電圧Ｖｐ１）とし、第１内部空所２０内の水の分解により発生した水素を外部空間に汲み出す向き、すなわち、センサ素子１０１の外側において外側共用電極６７から内側共用電極６５に電流を流す向きを負の向きのポンプ電圧（電圧Ｖｐ２）とする。
【0064】
共有ポンプセル２１においては、内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に正の向きの電圧Ｖｐ１を可変電源２４により印加して、酸素イオン伝導体層６１を介して内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に正の向きの第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。
【0065】
共有ポンプセル２１においては、内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に負の向きの電圧Ｖｐ２を可変電源２４により印加して、プロトン伝導体層６２を介して内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に負の向きの第２電流Ｉｐ２を流すことにより、内側共用電極６５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。
【0066】
つまり、共有ポンプセル２１は、内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に印加する電圧の向きを変更することにより、酸素イオンポンプセルとしての機能、又は、水素イオンポンプセルとしての機能のいずれの機能を発揮するかを変更することができるようになっている。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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。
【0070】
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。共有ポンプセル２１が作動できるように温度が調整されていればよい。センサ素子１０１全体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。
【0071】
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、上述の共有ポンプセル２１が両方向に作動できる酸素イオン伝導性及び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。
【0072】
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。
【0073】
（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６５，６７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の共有ポンプセル２１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６５，６７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の共有ポンプセル２１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。
【0074】
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。
【0075】
制御部９１は、センサ素子１０１の共有ポンプセル２１におけるポンプ電流（第１電流Ｉｐ１、第２電流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に制御信号を出力するように構成されている。
【0076】
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、共有ポンプセル２１の動作を制御するように構成されている。
【0077】
ポンプ制御部９２は、
前記第１のイオン種（本実施形態においては酸素イオン）を前記第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）を介して被測定ガス流通空所１５から汲み出すように、共用ポンプセル２１の空所内共用電極（内側共用電極６５）と空所外共用電極（外側共用電極６７）との間に所定の電圧（本実施形態においては正の電圧Ｖｐ１）を印加して、共用ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種（本実施形態においては水素イオン）を前記第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）を介して被測定ガス流通空所１５から汲み出すように、共用ポンプセル２１の空所内共用電極（内側共用電極６５）と空所外共用電極（外側共用電極６７）との間に所定の電圧（本実施形態においては負の電圧Ｖｐ２）を印加して、共用ポンプセル２１に第２電流Ｉｐ２を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う。
前記第１のイオン種（本実施形態においては酸素イオン）を前記第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）を介して被測定ガス流通空所１５から汲み出すように、共用ポンプセル２１の空所内共用電極（内側共用電極６５）と空所外共用電極（外側共用電極６７）との間に所定の電圧（本実施形態においては正の電圧Ｖｐ１）を印加して、共用ポンプセル２１に第１電流Ｉｐ１を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種（本実施形態においては水素イオン）を前記第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）を介して被測定ガス流通空所１５から汲み出すように、共用ポンプセル２１の空所内共用電極（内側共用電極６５）と空所外共用電極（外側共用電極６７）との間に所定の電圧（本実施形態においては負の電圧Ｖｐ２）を印加して、共用ポンプセル２１に第２電流Ｉｐ２を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う。
【0078】
第１内部空所２０から外部空間に酸素を汲み出すように、共有ポンプセル２１の内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に正の向きの電圧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、酸素に対する限界電流領域と称する。酸素に対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、共有ポンプセル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、内側共用電極６５から外側共用電極６７に向かって流れる。
【0079】
前記第１ポンプ制御において、ポンプ制御部９２は、共有ポンプセル２１の内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に、第１電流Ｉｐ１が限界電流値となるような所定の正の向きの電圧Ｖｐ１を印加するとよい。正の向きの電圧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。
【0080】
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、共有ポンプセル２１の内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に負の向きの電圧Ｖｐ２を印加すると、電圧Ｖｐ２の絶対値が低いうちは内側共用電極６５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の絶対値の増加に伴い第２電流Ｉｐ２が増加する。Ｈ２Ｏの分解開始電圧は、通常、上記の酸素に対する限界電流領域の電圧値よりも高い電圧値（絶対値）である。その後、さらに負の向きの電圧Ｖｐ２の絶対値が高くなると負の向きの電圧Ｖｐ２の絶対値が増加しても第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。負の向きの電圧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、水素に対する限界電流領域と称する。水素に対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が内側共用電極６５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共有ポンプセル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２電流Ｉｐ２は、センサ素子１０１の外側において、外側共用電極６７から内側共用電極６５に向かって流れる。このように、酸素の汲み出しに由来する第１電流Ｉｐ１と水素の汲み出しに由来する第２電流Ｉｐ２とは、電流の向きが逆になる。
【0081】
前記第２ポンプ制御において、ポンプ制御部９２は、共有ポンプセル２１の内側共用電極６５と外側共用電極６７との間に、内側共用電極６５においてＨ２Ｏの分解が起こるような所定の負の向きの電圧Ｖｐ２を印加するとよい。負の向きの電圧Ｖｐ２の絶対値は、内側共用電極６５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の絶対値は、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。
【0082】
ポンプ制御部９２は、上述の第１ポンプ制御及び第２ポンプ制御を交互に繰り返し行う。図４は、共有ポンプセル２１に印加される電圧の時間変化の一例を示す模式図である。縦軸は電圧Ｖｐ１［Ｖ］（正の向き）又はＶｐ２［Ｖ］（負の向き）を、横軸は時間ｔ［秒］を示す。図４の例においては、ある時点ｔ０から時点ｔ１まで正の向きに所定の電圧Ｖｐ１を印加して第１ポンプ制御を行う。その後、時点ｔ１において、印加電圧の向きを反転させて、時点ｔ１から時点ｔ２まで負の向きに所定の電圧Ｖｐ２を印加して第２ポンプ制御を行う。その後、時点ｔ２において、印加電圧の向きを再度反転させて、時点ｔ２から時点ｔ３まで再び第１ポンプ制御を行う。そして、時点ｔ３から時点ｔ４まで第２ポンプ制御を行い、時点ｔ４から時点ｔ５まで第１ポンプ制御を行うというように、第１ポンプ制御と第２ポンプ制御とを交互に行う。
【0083】
ガスセンサ１００における酸素及び水蒸気の測定原理を、図５及び６を用いて説明する。図１～４も適宜参照する。図５は、第１ポンプ制御における共有ポンプセル２１の動作を示す概念図である。図６は、第２ポンプ制御における共有ポンプセル２１の動作を示す概念図である。図５及び６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。
【0084】
図５を参照して、第１ポンプ制御においては、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の酸素ガスＯ２は、内側共用電極６５において酸素イオンＯ2-に変換されて（Ｏ２→２Ｏ2-）、共有ポンプセル２１を構成する固体電解質のうちの酸素イオン伝導体層６１を伝導して外側共用電極６７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。
【0085】
第１ポンプ制御においては、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは、内側共用電極６５において分解されることなく、水蒸気Ｈ２Ｏのまま第１内部空所２０内に存在している。
【0086】
図６を参照して、第２ポンプ制御においては、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の水蒸気Ｈ２Ｏは、内側共用電極６５において分解される（２Ｈ２Ｏ→４Ｈ+＋Ｏ２）。Ｈ２Ｏの分解により生じた水素イオンＨ+ は、共有ポンプセル２１を構成する固体電解質のうちのプロトン伝導体層６２を伝導して外側共用電極６７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Ｏ２は、第２ポンプ制御においては、共有ポンプセル２１によって汲み出されることなく、酸素Ｏ２のまま第１内部空所２０内に残存する。そして、その酸素は、直後の第１ポンプ制御において、共有ポンプセル２１によって汲み出されることになる。
【0087】
第２ポンプ制御においては、第１拡散律速通路１１を通じて第１内部空所２０に導入された被測定ガス中の酸素ガスＯ２は、共有ポンプセル２１によって汲み出されることなく、酸素Ｏ２のまま存在している。
【0088】
図４を参照すると、例えば、時点ｔ１から時点ｔ２の第２ポンプ制御において、共有ポンプセル２１は、被測定ガス中のＨ２Ｏの分解により生じた水素を汲み出す。この際に、Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素は、第１内部空所２０内に残存している。次に、時点ｔ２から時点ｔ３の第１ポンプ制御において、共有ポンプセル２１は、被測定ガス中の酸素、及び、直前の第２ポンプ制御においてＨ２Ｏの分解により生じた酸素を汲み出す。
【0089】
センサ素子１０１においては、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２が接しており、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２にまたがって共有ポンプセル２１の内側共用電極６５が配設されている。従って、第２ポンプ制御においてＨ２Ｏの分解により生じた酸素は、その直後の第１ポンプ制御において、効率的に汲み出すことができうる。
【0090】
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ポンプ制御の時に、共有ポンプセル２１の内側共用電極６５において分解される。そして、内側共用電極６５での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素が、第２ポンプ制御の時に、共有ポンプセル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。その直後の第１ポンプ制御において、被測定ガス中の酸素ガスＯ２と、内側共用電極６５での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素とが、共有ポンプセル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。
【0091】
従って、第２ポンプ制御において共有ポンプセル２１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が内側共用電極６５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。
【0092】
また、第１ポンプ制御において共有ポンプセル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ポンプ制御において共有ポンプセル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、その直前の第２ポンプ制御において共有ポンプセル２１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ポンプ制御において共有ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１の絶対値から直前の第２ポンプ制御において共有ポンプセル２１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。
【0093】
このように、ガスセンサ１００は、共有ポンプセル２１を用いて、被測定ガス中の酸素ガスＯ２と、内側共用電極６５での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた酸素を汲み出す第１ポンプ制御と、内側共用電極６５での水蒸気Ｈ２Ｏの分解により生じた水素を汲み出す第２ポンプ制御とを、繰り返し行う。共有ポンプセル２１は、第１ポンプ制御と第２ポンプ制御とを時間的に区分して行うことにより、酸素イオンポンプセルとしての機能と水素イオンポンプセルとしての機能の２つの機能を有するようになされている。
【0094】
第１ポンプ制御における正の電圧Ｖｐ１の１回あたりの印加時間（第１印加時間Ｔ１と称する）、及び、第２ポンプ制御における負の電圧Ｖｐ２の１回あたりの印加時間（第２印加時間Ｔ２と称する）とは、ガスセンサ１００の使用目的、測定対象とするガス種、センサ素子１０１の構成等を考慮して適宜設定してよい。第１印加時間Ｔ１と第２印加時間Ｔ２とは、同じ時間であってもよいし、互いに異なっていてもよい。第１印加時間Ｔ１と第２印加時間Ｔ２との長短は問わない。第１印加時間Ｔ１と第２印加時間Ｔ２とは、例えば、被測定ガスの変動周期よりも短い時間に設定してもよい。このように設定すれば、第１ポンプ制御と第２ポンプ制御との間で被測定ガス中の酸素濃度及び水蒸気濃度がほぼ同じであると考えることができるため、被測定ガス中の酸素濃度及び水蒸気濃度を精度よく測定することができうる。あるいは、第１ポンプ制御と第２ポンプ制御との間で第１内部空所２０内のガス雰囲気が入れ替わらない程度に短く設定してもよい。第１印加時間Ｔ１と第２印加時間Ｔ２とは、例えば、１００マイクロ秒（μｓ）から１０ミリ秒（ｍｓ）程度であってよい。
【0095】
センサ素子１０１において、内側共用電極６５及び外側共用電極６７は、いずれも酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２にまたがって設けられている。第１ポンプ制御においては、上述のとおり、共有ポンプセル２１の酸素イオン伝導体層６１を通じて、第１内部空所２０からセンサ素子１０１の外部空間に酸素を汲み出す。この時、プロトン伝導体層６２に着目すると、センサ素子１０１の外部空間から第１内部空所２０内に水素を汲み入れる向きに電圧が印加されていることになる。酸素の汲み出しに起因する電流と水素の汲み入れに起因する電流とは分離して測定することはできない。従って、このような第１ポンプ制御における水素の汲み入れ（逆流）を抑制することにより、ガスセンサ１００の測定精度をより向上させることができる。
【0096】
一方、第２ポンプ制御においては、上述のとおり、共有ポンプセル２１のプロトン伝導体層６２を通じて、第１内部空所２０からセンサ素子１０１の外部空間に水素を汲み出す。この時、酸素イオン伝導体層６１に着目すると、センサ素子１０１の外部空間から第１内部空所２０内に酸素を汲み入れる向きに電圧が印加されていることになる。水素の汲み出しに起因する電流と酸素の汲み入れに起因する電流とは分離して測定することはできない。従って、このような第２ポンプ制御における酸素の汲み入れ（逆流）を抑制することにより、ガスセンサ１００の測定精度をより向上させることができる。
【0097】
例えば、ポンプ制御部９２は、前記第１ポンプ制御における前記所定の電圧の印加時間（第１印加時間Ｔ１）と、前記第２ポンプ制御における前記所定の電圧の印加時間（第２印加時間Ｔ２）とが異なるように制御してもよい。例えば、酸素の汲み出しを行う第１ポンプ制御の第１印加時間Ｔ１よりも、水素の汲み出しを行う第２ポンプ制御の第２印加時間Ｔ２を短い値に設定してもよい。
【0098】
酸素ガスと水素ガスとでは、それぞれの分子量が異なるために、移動しやすさが異なる。酸素ガスと水素ガスとでは、いわゆる周波数応答が異なる。酸素ガス及び水素ガス以外のガス種についても同様である。分子量の小さい水素ガスは、酸素ガスと比較して移動しやすい（周波数応答が早い）。第２ポンプ制御の第２印加時間Ｔ２を短くすると、内側共用電極６５において水蒸気の分解によって発生した水素ガスは、周波数応答が早いために、第２印加時間Ｔ２の間に共用ポンプセル２１によって汲み出される。その一方で、周波数応答の遅い酸素ガスは、第２印加時間Ｔ２の間には外側共用電極６７にほとんど到達せず、酸素の汲み入れ（逆流）を抑制することができうる。第２印加時間Ｔ２の長さは、周波数応答の早さを考慮して適宜設定してよい。第２印加時間Ｔ２の長さは、例えば、第１印加時間Ｔ１に対して、１０％～５０％程度としてもよい。
【0099】
一方、第１ポンプ制御の第１印加時間Ｔ１は、水素よりも周波数応答の遅い酸素を汲み出せる程度の時間に設定するとよい。ガスセンサ１００においては、外側共用電極６７は被測定ガスに接している。自動車の排ガス等を被測定ガスとする場合には、通常、被測定ガスにはほとんど水素ガスは存在していないと考えられる。また、第１ポンプ制御において印加される電圧の値は、通常Ｈ２Ｏの分解開始電圧よりも低い値であると考えられる。従って、外側共用電極６７において、Ｈ２Ｏの分解は起こらない（すなわち、水素が発生しない）と考えられる。従って、第１ポンプ制御の第１印加時間Ｔ１を、酸素の周波数応答を考慮して設定しても、外側共用電極６７の近傍にそもそもほとんど水素がないために、水素の汲み入れ（逆流）はほとんど発生しないと考えられる。例えば、第１印加時間Ｔ１は、２００μｓ～１０ｍｓ程度としてもよい。
【0100】
また、本実施形態においては、外側共用電極６７は被測定ガスに接しているが、本発明はこれに限られない。例えば、外側共用電極６７が基準ガス（例えば大気）に接するようにしてもよい。大気には水素ガスがほぼ含まれない。従って、被測定ガスの組成によらず、第１ポンプ制御における水素の汲み入れ（逆流）を抑制し得る。つまり、より安定的に第１ポンプ制御における水素の汲み入れ（逆流）を抑制しうる。
【0101】
第１ポンプ制御における水素の汲み入れ（逆流）及び第２ポンプ制御における酸素の汲み入れ（逆流）の抑制のために、例えば、共用ポンプセル２１において、前記空所内共用電極（内側共用電極６５）の温度と前記空所外共用電極（外側共用電極６７）の温度とが異なるようになされていてもよい。例えば、外側共用電極６７の温度が、内側共用電極６５の温度よりも低くなるようになされていてもよい。
【0102】
酸素イオンや水素イオンが固体電解質を移動するためには、電極（内側共用電極６５又は外側共用電極６７）にガスが吸着し、脱離する反応を経る必要がある。このような電極における反応に対する抵抗は、電極の温度と相関があることが知られている。通常、電極温度が低いほど反応抵抗は高くなる。すなわち、吸着・脱離の反応が起こりにくくなる。従って、外側共用電極６７の温度を内側共用電極６５の温度よりも低くすれば、外側共用電極６７における吸着・脱離の反応を抑制することができる。その結果、センサ素子１０１の外部空間からの水素あるいは酸素の汲み入れを効果的に抑制し得る。
【0103】
外側共用電極６７の温度を内側共用電極６５の温度よりも低くする構成は特に限定されないが、例えば、図７に示すように、固体電解質層６の厚み（酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２の厚み）を厚くしてもよい。ヒータ７２と内側共用電極６５との距離に対して、ヒータ７２と外側共用電極６７との距離が長いため、外側共用電極６７の温度を低くすることができる。この場合において、固体電解質層６の厚みは、外側共用電極６７の温度及び内側共用電極６５の温度が所望の温度になるように適宜設定してよい。固体電解質層６の厚みは、ガスセンサ１００の使用目的、測定対象とするガス種、センサ素子１０１の構成等により異なりうるが、例えば、１００μｍ～５００μｍ程度であってよい。
【0104】
また、例えば、固体電解質層６の、前記長手方向に直交する基体部１０２の厚み方向において、前記第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）及び／又は前記第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）は、緻密な領域と多孔質の領域とを含んでいてよい。緻密な領域は、被測定ガス流通空所１５（特に第１内部空所２０）の天井面の気密性を保つ機能を果たす。多孔質の領域は、固体電解質層６の熱伝導を低減させる断熱材として機能する。多孔質の領域は、センサ素子の前記平面に見て、固体電解質層６の全域に存在していてもよいし、一部に存在していてもよい。例えば、センサ素子の前記平面に見て、外側共用電極６７が存在する領域に多孔質の領域があるとよい。
【0105】
この場合には、例えば、図８に例示するように、固体電解質層６について、前記厚み方向において、前記第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）及び／又は前記第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）は、前記空所内共用電極（本実施形態においては内側共用電極６５）に接して形成された前記緻密な領域（図８において、領域６１ａ、６２ａ）と、前記空所外共用電極（本実施形態においては外側共用電極６７）に接して形成された前記緻密な領域（図８において、領域６１ｃ、６２ｃ）と、前記緻密な領域に挟まれた前記多孔質の領域（図８において、領域６１ｂ、６２ｂ）とを含んでいてよい。
【0106】
酸素イオン伝導体層６１の緻密な領域６１ａ、６１ｃ、及び多孔質の領域６１ｂはいずれも酸素イオン伝導性の固体電解質である。緻密な領域６１ａ、６１ｃの厚みは、被測定ガス流通空所１５（特に第１内部空所２０）の天井面の気密性が保たれる範囲で適宜設定してよい。多孔質の領域６１ｂの厚みや気孔率、多孔質の領域６１ｂの緻密な領域６１ａ、６１ｃに対する比率は、外側共用電極６７の温度及び内側共用電極６５の温度が所望の温度になるように適宜設定してよい。プロトン伝導体層６２の緻密な領域６２ａ、６２ｃ、及び多孔質の領域６２ｂはいずれも水素イオン伝導性の固体電解質である。緻密な領域６２ａ、６２ｃの厚みは、被測定ガス流通空所１５（特に第１内部空所２０）の天井面の気密性が保たれる範囲で適宜設定してよい。多孔質の領域６２ｂの厚みや気孔率、多孔質の領域６２ｂの緻密な領域６２ａ、６２ｃに対する比率は、外側共用電極６７の温度及び内側共用電極６５の温度が所望の温度になるように適宜設定してよい。図８においては、多孔質の領域６１ｂ及び６２ｂの厚みがそれぞれ同じであるが、互いに異なっていてもよい。緻密な領域６１ａ及び６２ａ、あるいは、緻密な領域６１ｃ及び６２ｃについても同様である。また、酸素イオン伝導体層６１及びプロトン伝導体層６２の両方が多孔質の領域を有していてもよいし、一方が多孔質の領域を有していてもよい。
【0107】
第１ポンプ制御における水素の汲み入れ（逆流）及び第２ポンプ制御における酸素の汲み入れ（逆流）の抑制のために、例えば、センサ素子は、前記空所外共用電極（外側共用電極６７）上に形成された拡散抵抗体を含んでいてもよい。また、前記拡散抵抗体は、図９に例示するように、前記空所外共用電極（外側共用電極６７）を覆うように形成された多孔質拡散抵抗層６９であってもよい。
【0108】
外側共用電極６７を多孔質拡散抵抗層６９で覆うことにより、センサ素子の外部空間から外側共用電極６７に到達する被測定ガスの量を制限することができる。従って、第１ポンプ制御において、被測定ガス中に水素ガスが存在したとしても、水素ガスは、多孔質拡散抵抗層６９が存在することにより外側共用電極６７には到達しにくいため、水素ガスの汲み入れ（逆流）を抑制することができる。また、第２ポンプ制御においても、被測定ガス中の酸素ガスは、多孔質拡散抵抗層６９が存在することにより外側共用電極６７には到達しにくいため、酸素ガスの汲み入れ（逆流）を抑制することができる。
【0109】
多孔質拡散抵抗層６９は、所望の拡散抵抗となるように形成されていればよい。多孔質拡散抵抗層６９の材質は特に限られないが、例えば、多孔質セラミックスであってよい。例えば、アルミナなどの絶縁体であってもよいし、酸素イオン伝導体層６１又はプロトン伝導体層６２と同様に、固体電解質であってもよい。
【0110】
また、外側共用電極６７上の拡散抵抗体は、多孔質拡散抵抗層６９のような多孔質層に限られない。センサ素子の外部空間から外側共用電極６７に到達する被測定ガスの量を制限することができればよく、その構造は限定されない。
【0111】
多孔質拡散抵抗層６９は、触媒活性を有する貴金属を含んでいてもよい。触媒活性を有する貴金属としては、例えば、Ｐｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくとも１つであってよい。例えば、Ｐｔであってよい。多孔質拡散抵抗層６９が触媒活性を有する貴金属を含んでいると、第１ポンプ制御において、センサ素子の外部の被測定ガス中の水素は、多孔質拡散抵抗層６９に含まれる貴金属によって、酸化されてＨ２Ｏとなる（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）。そしてそのＨ２Ｏが外側共用電極６７に到達することになる。上述のように、第１ポンプ制御においては、外側共用電極６７でＨ２Ｏの分解は起こらないと考えられるため、水素ガスの汲み入れ（逆流）をより効果的に抑制することができると考えられる。
【0112】
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。
【0113】
濃度算出部９３は、第２ポンプ制御において共有ポンプセル２１に流れる第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。
【0114】
濃度算出部９３は、第１ポンプ制御において共有ポンプセル２１に流れる第１電流Ｉｐ１及びその直前の第２ポンプ制御において共有ポンプセル２１に流れていた第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。
【0115】
濃度算出部９３は、Ｏ２濃度及びＨ２Ｏ濃度を、並行して、あるいは、連続的に、算出することができる。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。
【0116】
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。
【0117】
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、共有ポンプセル２１の内側共用電極６５が、第１内部空所２０の天井面（固体電解質層６）に酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２とにまたがって配設されている。従って、上述のように、第２ポンプ制御の時に内側共用電極６５においてＨ２Ｏが分解されたことにより生じた酸素を、第１ポンプ制御の時に共有ポンプセル２１により効率的に汲み出すことができうる。その結果、共有ポンプセル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ポンプ制御においては、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。共有ポンプセル２１の第１ポンプ制御における第１電流Ｉｐ１及び共有ポンプセル２１の第２ポンプ制御における第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）、共有ポンプセル２１の第２ポンプ制御における第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。
【0118】
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、共有ポンプセル２１において酸素イオン伝導体層６１とプロトン伝導体層６２との距離が近いため、第２ポンプ制御の時に内側共用電極６５においてＨ２Ｏが分解されたことにより生じた酸素を、第１ポンプ制御の時により確実に汲み出すことができうる。従って、共有ポンプセル２１の第１ポンプ制御における第１電流Ｉｐ１及び第２ポンプ制御における第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、あるいは連続的に）、第２ポンプ制御における第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。
【0119】
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。
【0120】
また、図１０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。
【0121】
また、センサ素子１０１においては、上述のとおり、内側共用電極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の下面及びプロトン伝導体層６２の下面にまたがって配設された電極である。ここで、「またがって配設された」とは、内側共用電極６５のうちの酸素イオン伝導体層６１の下面に接する部分と、内側共用電極６５のうちのプロトン伝導体層６２の下面に接する部分とが、電気的に導通するように構成されていること、すなわち、電気的に一体化されて形成されていることを意味している。つまり、内側共用電極６５は、電気的に一体化されていればよく、一様な電極でなくてもよい。
【0122】
外側共用電極６７は、固体電解質層６の上面のうちの、酸素イオン伝導体層６１の上面及びプロトン伝導体層６２の上面にまたがって配設された電極である。ここで、「またがって配設された」とは、外側共用電極６７のうちの酸素イオン伝導体層６１の上面に接する部分と、外側共用電極６７のうちのプロトン伝導体層６２の上面に接する部分とが、電気的に導通するように構成されていること、すなわち、電気的に一体化されて形成されていることを意味している。つまり、外側共用電極６７は、電気的に一体化されていればよく、一様な電極でなくてもよい。
【0123】
例えば、前記空所内共用電極（内側共用電極６５）は、前記第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）上に配設された空所内第１電極と、前記第２の固体電解質（プロトン伝導体層６２）上に配設された空所内第２電極と、前記空所内第１電極と前記空所内第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所内第１電極と前記空所内第２電極とが前記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てもよく、及び／又は、
前記空所外共用電極（外側共用電極６７）は、前記第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質（プロトン伝導体層６２）上に配設された空所外第２電極と、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とが前記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てもよい。
前記空所外共用電極（外側共用電極６７）は、前記第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質（プロトン伝導体層６２）上に配設された空所外第２電極と、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とを連結する導電体とを含み、前記空所外第１電極と前記空所外第２電極とが前記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てもよい。
【0124】
図１１は、内側共用電極６５及び外側共用電極６７の構成の一例を示す部分断面模式図である。内側共用電極６５は、空所内第１電極（内側第１電極２２）と、空所内第２電極（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、内側共用電極６５は、内側第１電極２２と内側第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。また、同様に、外側共用電極６７は、空所外第１電極（外側第１電極２３）と、空所外第２電極（外側第２電極３３）と、それらを電気的に導通させる導電体６８とを含む。すなわち、内側共用電極６５は、外側第１電極２３と外側第２電極３３とが、導電体６８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。
【0125】
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。
【0126】
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。例えば、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であってよい。
【0127】
また、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。
【0128】
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。例えば、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であってよい。
【0129】
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１１の断面においては、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。
【0130】
また、前記空所内共用電極（内側共用電極６５）は、前記第１の固体電解質上に配設された空所内第１電極と、前記第２の固体電解質上に配設された空所内第２電極とを含み、前記空所内第１電極の少なくとも一部と前記空所内第２電極の少なくとも一部と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てもよく、及び／又は、
前記空所外共用電極（外側共用電極６７）は、前記第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質（プロトン伝導体層６２）上に配設された空所外第２電極とを含み、前記空所外第１電極の少なくとも一部と前記空所外第２電極の少なくとも一部と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てもよい。
前記空所外共用電極（外側共用電極６７）は、前記第１の固体電解質（酸素イオン伝導体層６１）上に配設された空所外第１電極と、前記第２の固体電解質（プロトン伝導体層６２）上に配設された空所外第２電極とを含み、前記空所外第１電極の少なくとも一部と前記空所外第２電極の少なくとも一部と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てもよい。
【0131】
図１２は、内側共用電極６５の構成の他の例を示す部分断面模式図である。内側共用電極６５は、空所内第１電極（内側第１電極２２）と、空所内第２電極（内側第２電極３２）とを含む。内側共用電極６５は、内側第１電極２２の少なくとも一部と内側第２電極３２の少なくとも一部と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。外側共用電極６７は、空所外第１電極（外側第１電極２３）と、空所外第２電極（外側第２電極３３）とを含む。外側共用電極６７は、外側第１電極２３の少なくとも一部と外側第２電極３３の少なくとも一部と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。
【0132】
図１２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１２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。
【0133】
また、図１２の断面においては、外側第２電極３３のセンサ素子の前記長手方向の先端側の領域３３ａが外側第１電極２３の領域２３ａに重なっており、また、外側第２電極３３のセンサ素子の前記長手方向の後端側の領域３３ｂが外側第１電極２３の領域２３ｂに重なっている。これにより外側第１電極２３と外側第２電極３３とが電気的に一体化されている。外側第１電極２３と外側第２電極３３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１２の断面において必ずしも外側第１電極２３と外側第２電極３３とが重なっていなくてもよい。
【0134】
本実施形態のガスセンサ１００は、共有ポンプセル２１が、酸素ポンプセルとしての機能と水素ポンプセルとしての機能を兼ねている。酸素ポンプセルと水素ポンプセルとをそれぞれ独立したポンプセルとして設けるためには、それぞれのポンプセルに対して１対の電極（合計４個の電極）を必要とする。しかしながら、本実施形態のガスセンサ１００においては、共有ポンプセル２１の１対の電極（内側共用電極６５及び外側共用電極６７の２個）で構成することができる。すなわち、独立したポンプセルを設ける場合よりも、センサ素子１０１が備える電極の数を減らすことができる。電極の数を減らすと、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。
【0135】
上述の実施形態においては、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。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。
【0136】
上述の実施形態においては、センサ素子１０１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。
【0137】
上述の実施形態においては、被測定ガス中の酸素濃度及び水蒸気濃度の２種類を測定する例をしめしたが、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であれば、同時に（あるいは並行して）測定することができうる。
【0138】
本発明は、以下のガスポンピング装置を含む。
【0139】
固体電解質により少なくとも一部が囲まれ、且つ、少なくとも一部が開口されて形成されたガス空所を含み、
前記ガス空所には、少なくとも２種の成分を含むガスが導入され、
前記ガス空所の内表面の少なくとも一部には、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第２の固体電解質とが存在し、
前記ガス空所内の、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、及び、前記ガス空所内とは異なる位置において、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
前記共用ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部とを含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスポンピング装置。
前記ガス空所には、少なくとも２種の成分を含むガスが導入され、
前記ガス空所の内表面の少なくとも一部には、第１のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第１の固体電解質と、前記第１のイオン種とは異なる第２のイオン種を伝導させるイオン伝導性の第２の固体電解質とが存在し、
前記ガス空所内の、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所内共用電極、及び、前記ガス空所内とは異なる位置において、前記第１の固体電解質上及び前記第２の固体電解質上にまたがって配設された空所外共用電極を含む、共用ポンプセルと、
前記共用ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部とを含み、
前記ポンプ制御部は、
前記第１のイオン種を前記第１の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第１電流を流す第１ポンプ制御と、
前記第２のイオン種を前記第２の固体電解質を介して前記ガス空所から汲み出すように、前記共用ポンプセルの前記空所内共用電極と前記空所外共用電極との間に所定の電圧を印加して、前記共用ポンプセルに第２電流を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う、ガスポンピング装置。
【0140】
図１３は、ガスポンピング装置２００の概略構成の一例を示す、ガスポンピング素子２０１の断面模式図である。ガスポンピング装置２００は、ガスポンピング素子２０１と、ポンプ制御部２９２を含む。ガスポンピング素子２０１は、固体電解質２０６からなる素子である。ガスポンピング素子２０１の内部には、ガス空所２２０が形成されている。図１３の断面におけるガスポンピング素子２０１の長手方向の一方の端部には、ガス導入口２１０が形成されており、ガス導入口２１０を通じて、ガス空所２２０にガスが導入されるようになっている。ガス空所２２０の内表面には、酸素イオン伝導体層２６１（第１の固体電解質）と、プロトン伝導体層２６２（第２の固体電解質）とが存在する。
【0141】
共用ポンプセル２２１は、ガス空所２２０内の、酸素イオン伝導体層２６１上及びプロトン伝導体層２６２上にまたがって配設された空所内共用電極２６５、及び、ガス空所２２０内とは異なる位置において、酸素イオン伝導体層２６１上及びプロトン伝導体層２６２上にまたがって配設された空所外共用電極２６７を含むポンプセルである。空所内共用電極２６５は、ガス空所２２０内の内表面の酸素イオン伝導体層２６１及びプロトン伝導体層２６２と、ガス空所２２０の空間との間に存在している。
【0142】
ポンプ制御部２９２は、ガスポンピング素子２０１を制御する制御装置の一部を構成していてよい。ポンプ制御部２９２は、
酸素イオン伝導体層２６１を介して酸素をガス空所２２０から汲み出すように、共用ポンプセル２２１の空所内共用電極２６５と空所外共用電極２６７との間に正の電圧Ｖｐ１を可変電源２２４により印加して、共用ポンプセル２２１に第１電流Ｉｐ１を流す第１ポンプ制御と、
プロトン伝導体層２６２を介して水素をガス空所２２０から汲み出すように、共用ポンプセル２２１の空所内共用電極２６５と空所外共用電極２６７との間に負の電圧Ｖｐ２を可変電源２２４により印加して、共用ポンプセル２２１に第２電流Ｉｐ２を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う。これにより、共用ポンプセル２２１は、酸素ポンプセルとしての機能、及び、水素ポンプセルとしての２つの機能を有する。
酸素イオン伝導体層２６１を介して酸素をガス空所２２０から汲み出すように、共用ポンプセル２２１の空所内共用電極２６５と空所外共用電極２６７との間に正の電圧Ｖｐ１を可変電源２２４により印加して、共用ポンプセル２２１に第１電流Ｉｐ１を流す第１ポンプ制御と、
プロトン伝導体層２６２を介して水素をガス空所２２０から汲み出すように、共用ポンプセル２２１の空所内共用電極２６５と空所外共用電極２６７との間に負の電圧Ｖｐ２を可変電源２２４により印加して、共用ポンプセル２２１に第２電流Ｉｐ２を流す第２ポンプ制御とを切り替えて行う。これにより、共用ポンプセル２２１は、酸素ポンプセルとしての機能、及び、水素ポンプセルとしての２つの機能を有する。
【符号の説明】
【0143】
１ 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 被測定ガス流通空所
２０ 第１内部空所
２１ 共用ポンプセル
２２ 内側第１電極
２３ 外側第１電極
２４ 可変電源
３２ 内側第２電極
３３ 外側第２電極
６５ 内側共用電極
６６，６８ 導電体
６７ 外側共用電極
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
９０ 制御装置
９１ 制御部
９２ ポンプ制御部
９３ 濃度算出部
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
１０２ 基体部
２００ ガスポンピング装置
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 被測定ガス流通空所
２０ 第１内部空所
２１ 共用ポンプセル
２２ 内側第１電極
２３ 外側第１電極
２４ 可変電源
３２ 内側第２電極
３３ 外側第２電極
６５ 内側共用電極
６６，６８ 導電体
６７ 外側共用電極
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
９０ 制御装置
９１ 制御部
９２ ポンプ制御部
９３ 濃度算出部
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
１０２ 基体部
２００ ガスポンピング装置
【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】
