(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】P2024061252
(43)【公開日】2024-05-07
(54)【発明の名称】ガスセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 27/416 20060101AFI20240425BHJP
G01N 27/26 20060101ALI20240425BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 311J
G01N27/416 331
G01N27/26 371B
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022169086
(22)【出願日】2022-10-21
(71)【出願人】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 悠介
(72)【発明者】
【氏名】市川 大智
(57)【要約】
【課題】被測定ガス中の特定ガス濃度と水濃度とを検出する。
【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御装置とを備える。センサ素子１０１は、素子本体と、測定電極４４を含む測定用ポンプセル４１と、補助ポンプ電極５１を含む補助ポンプセル５０と、基準電極４２とを備える。制御装置は、基準電極４２と補助ポンプ電極５１との間の電圧Ｖ１が目標値Ｖ１＊になるように補助ポンプセル５０を制御する調整用ポンプ制御処理を行う。制御装置は、基準電極４２と測定電極４４との間の電圧Ｖ２が目標値Ｖ２＊になるように測定用ポンプセル４１を制御する測定用ポンプ制御処理を行う。制御装置は、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて特定ガス濃度を検出する。制御装置は、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊との少なくとも一方を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う。
【選択図】図１
【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御装置とを備える。センサ素子１０１は、素子本体と、測定電極４４を含む測定用ポンプセル４１と、補助ポンプ電極５１を含む補助ポンプセル５０と、基準電極４２とを備える。制御装置は、基準電極４２と補助ポンプ電極５１との間の電圧Ｖ１が目標値Ｖ１＊になるように補助ポンプセル５０を制御する調整用ポンプ制御処理を行う。制御装置は、基準電極４２と測定電極４４との間の電圧Ｖ２が目標値Ｖ２＊になるように測定用ポンプセル４１を制御する測定用ポンプ制御処理を行う。制御装置は、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて特定ガス濃度を検出する。制御装置は、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊との少なくとも一方を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極を含んで構成され、前記測定室の酸素を前記素子本体の外部に汲み出す測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうち前記測定室よりも上流に位置する酸素濃度調整室に配設された内側調整電極を含んで構成され、前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス中の特定ガスの濃度である特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極と前記内側調整電極との間の電圧である調整用電圧が調整用電圧目標値になるように前記調整用ポンプセルを制御して前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプ制御処理と、前記基準電極と前記内側測定電極との間の電圧である測定用電圧が測定用電圧目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素を汲み出す測定用ポンプ制御処理と、を行う制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルを流れる測定用ポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出し、
前記制御装置は、前記調整用電圧目標値と前記測定用電圧目標値との少なくとも一方を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化に基づいて前記被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う、
ガスセンサ。
前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極を含んで構成され、前記測定室の酸素を前記素子本体の外部に汲み出す測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうち前記測定室よりも上流に位置する酸素濃度調整室に配設された内側調整電極を含んで構成され、前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス中の特定ガスの濃度である特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極と前記内側調整電極との間の電圧である調整用電圧が調整用電圧目標値になるように前記調整用ポンプセルを制御して前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプ制御処理と、前記基準電極と前記内側測定電極との間の電圧である測定用電圧が測定用電圧目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素を汲み出す測定用ポンプ制御処理と、を行う制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルを流れる測定用ポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出し、
前記制御装置は、前記調整用電圧目標値と前記測定用電圧目標値との少なくとも一方を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化に基づいて前記被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う、
ガスセンサ。
【請求項2】
前記制御装置は、前記水濃度検出処理において、前記調整用電圧目標値の絶対値を小さい値に変化させ且つ前記測定用電圧目標値の絶対値を大きい値に変化させるか、又は、前記調整用電圧目標値の絶対値を大きい値に変化させ且つ前記測定用電圧目標値の絶対値を小さい値に変化させる、
請求項１に記載のガスセンサ。
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項3】
前記酸素濃度調整室は、第１内部空所と、該第１内部空所よりも下流且つ前記測定室よりも上流に設けられた第２内部空所と、を有し、
前記調整用ポンプセルは、前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、を有し、
前記内側調整電極は、前記第２内部空所に配設され前記補助ポンプセルの一部を構成する内側補助ポンプ電極であり、
前記調整用ポンプ制御処理は、前記主ポンプセルを制御して前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプ制御処理と、前記調整用電圧が前記調整用電圧目標値になるように前記補助ポンプセルを制御する補助ポンプ制御処理と、を含む、
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
前記調整用ポンプセルは、前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、を有し、
前記内側調整電極は、前記第２内部空所に配設され前記補助ポンプセルの一部を構成する内側補助ポンプ電極であり、
前記調整用ポンプ制御処理は、前記主ポンプセルを制御して前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプ制御処理と、前記調整用電圧が前記調整用電圧目標値になるように前記補助ポンプセルを制御する補助ポンプ制御処理と、を含む、
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項4】
前記制御装置は、前記水濃度検出処理で検出された前記被測定ガス中の水濃度に基づいて、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を補正する、
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項5】
前記制御装置は、前記調整用電圧目標値を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化と、前記測定用電圧目標値を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化と、に基づいて前記被測定ガスのガス温度を検出するガス温度検出処理を行う、
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項6】
前記制御装置は、前記水濃度検出処理で検出された水濃度と、前記ガス温度検出処理で検出されたガス温度と、に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を補正する、
請求項５に記載のガスセンサ。
請求項５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、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、素子本体に配設された複数の電極とを備えたガスセンサが記載されている。このガスセンサでＮＯｘの濃度を検出する場合、まず、被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室とセンサ素子の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われて、酸素濃度調整室の酸素濃度が調整される。酸素濃度が調整された後の被測定ガスは被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室に到達する。測定室では、被測定ガス中のＮＯｘが、測定室に配設された測定電極の周囲で還元される。そして、測定電極と基準電極との間に生じる電圧Ｖ２が所定の目標値となるように測定用ポンプセルをフィードバック制御して測定電極の周囲の酸素を汲み出す。このときに流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が検出される。
【0003】
また、被測定ガス中の水を検出するガスセンサも知られている。例えば、特許文献２に記載のガスセンサは、被測定ガス中の水分が実質的に解離しない範囲で設定された第１の電圧が一対の第１電極間に生じた状態で一対の第２電極間に流れる第１電流を検出する。また、このガスセンサは、被測定ガス中の水分が解離する範囲で設定された第２の電圧が一対の第１電極間に生じた状態で一対の第２電極間に流れる第２電流を検出する。そして、第１電流と第２電流とに基づいて被測定ガスの湿度を検出する。特許文献３に記載のガスセンサは、センサ素子の第１の内部空所において被測定ガス中の水蒸気成分および二酸化炭素成分が実質的に全て分解されるように第１の内部空所の酸素分圧を調整する。そして、水蒸気成分の分解によって生成した水素が第２の内部空所において選択的に燃焼するように第１測定用電気化学的ポンピングセルによって第２の内部空所に酸素を供給し、このときに流れる電流の大きさに基づいて被測定ガスに存在する水蒸気成分の濃度を特定する。また、このガスセンサは、二酸化炭素成分の分解によって生成した一酸化炭素が選択的に燃焼するように第２測定用電気化学的ポンピングセルによって第２測定用内側電極の表面に酸素を供給し、このときに流れる電流の大きさに基づいて被測定ガスに存在する二酸化炭素成分の濃度を特定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２２－０９１６６９号公報
【特許文献2】特許第５０２１６９７号
【特許文献3】特許第５９１８１７７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、特許文献１に記載のガスセンサにおいても、特定ガス濃度だけでなく水濃度を検出したいという要望があった。しかし、特許文献２のガスセンサのセンサ素子は特許文献１に記載された酸素濃度調整室と測定室とを備えておらず、特許文献１と特許文献２とではセンサ素子の構造が異なっていた。また、特許文献３のガスセンサは、センサ素子の内部に酸素を汲み入れるときの電流に基づいて水蒸気成分の濃度及び二酸化炭素成分の濃度を検出しており、特許文献１のように測定室の酸素を汲み出すときの電流に基づいて特定ガス濃度を検出することは記載されておらず、特許文献１と特許文献３とでは特定ガス濃度の検出方法が異なっていた。そのため、特許文献１のように酸素濃度調整室と測定室とを備えており測定室から酸素を汲み出すときのポンプ電流に基づいて特定ガス濃度を検出するガスセンサにおいて、さらに被測定ガス中の水濃度を検出する方法は知られていなかった。
【0006】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、被測定ガス中の特定ガス濃度と水濃度とを検出することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。
【0008】
［１］本発明のガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極を含んで構成され、前記測定室の酸素を前記素子本体の外部に汲み出す測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうち前記測定室よりも上流に位置する酸素濃度調整室に配設された内側調整電極を含んで構成され、前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス中の特定ガスの濃度である特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極と前記内側調整電極との間の電圧である調整用電圧が調整用電圧目標値になるように前記調整用ポンプセルを制御して前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプ制御処理と、前記基準電極と前記内側測定電極との間の電圧である測定用電圧が測定用電圧目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素を汲み出す測定用ポンプ制御処理と、を行う制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルを流れる測定用ポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出し、
前記制御装置は、前記調整用電圧目標値と前記測定用電圧目標値との少なくとも一方を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化に基づいて前記被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う、
ものである。
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの測定室に配設された内側測定電極を含んで構成され、前記測定室の酸素を前記素子本体の外部に汲み出す測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうち前記測定室よりも上流に位置する酸素濃度調整室に配設された内側調整電極を含んで構成され、前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
前記被測定ガス中の特定ガスの濃度である特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極と前記内側調整電極との間の電圧である調整用電圧が調整用電圧目標値になるように前記調整用ポンプセルを制御して前記酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプ制御処理と、前記基準電極と前記内側測定電極との間の電圧である測定用電圧が測定用電圧目標値になるように前記測定用ポンプセルを制御して前記測定室の酸素を汲み出す測定用ポンプ制御処理と、を行う制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルを流れる測定用ポンプ電流に基づいて、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出し、
前記制御装置は、前記調整用電圧目標値と前記測定用電圧目標値との少なくとも一方を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化に基づいて前記被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う、
ものである。
【0009】
このガスセンサでは、制御装置が、基準電極と内側調整電極との間の電圧である調整用電圧が調整用電圧目標値になるように調整用ポンプセルを制御して酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプ制御処理を行う。また、制御装置は、基準電極と内側測定電極との間の電圧である測定用電圧が測定用電圧目標値になるように測定用ポンプセルを制御して測定室の酸素を汲み出す測定用ポンプ制御処理を行う。そして、制御装置は、測定用ポンプ制御処理によって測定用ポンプセルを流れる測定用ポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。また、制御装置は、調整用電圧目標値と測定用電圧目標値との少なくとも一方を変化させたときの調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる測定用ポンプ電流の変化に基づいて被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う。ここで、本発明者らは、調整用電圧目標値と測定用電圧目標値との少なくとも一方を変化させたときの測定用ポンプ電流の変化は、被測定ガス中の水濃度と相関があることを見出した。そのため、この測定用ポンプ電流の変化に基づいて被測定ガス中の水濃度を検出することができる。以上のことから、本発明のガスセンサは、被測定ガス中の特定ガス濃度と水濃度とを検出することができる。
【0010】
［２］上述したガスセンサ（前記［１］に記載のガスセンサ）において、前記制御装置は、前記水濃度検出処理において、前記調整用電圧目標値の絶対値を小さい値に変化させ且つ前記測定用電圧目標値の絶対値を大きい値に変化させるか、又は、前記調整用電圧目標値の絶対値を大きい値に変化させ且つ前記測定用電圧目標値の絶対値を小さい値に変化させてもよい。こうすれば、調整用電圧目標値と測定用電圧目標値の各々の変化量が小さくても、被測定ガス中の水に起因する測定用ポンプ電流の変化は比較的大きくなるから、水濃度を検出しやすい。
【0011】
［３］上述したガスセンサ（前記［１］又は［２］に記載のガスセンサ）において、前記酸素濃度調整室は、第１内部空所と、該第１内部空所よりも下流且つ前記測定室よりも上流に設けられた第２内部空所と、を有し、前記調整用ポンプセルは、前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプセルと、前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプセルと、を有し、前記内側調整電極は、前記第２内部空所に配設され前記補助ポンプセルの一部を構成する内側補助ポンプ電極であり、前記調整用ポンプ制御処理は、前記主ポンプセルを制御して前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプ制御処理と、前記調整用電圧が前記調整用電圧目標値になるように前記補助ポンプセルを制御する補助ポンプ制御処理と、を含んでいてもよい。
【0012】
［４］上述したガスセンサ（前記［１］～［３］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記制御装置は、前記水濃度検出処理で検出された前記被測定ガス中の水濃度に基づいて、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を補正してもよい。ここで、被測定ガス中の特定ガス濃度が同じであっても、被測定ガス中の水濃度に応じて測定用ポンプ電流が変化する場合がある。そこで、検出した水濃度に基づいて特定ガス濃度を補正することで、特定ガス濃度の検出精度が向上する。
【0013】
［５］上述したガスセンサ（前記［１］～［４］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記制御装置は、前記調整用電圧目標値を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化と、前記測定用電圧目標値を変化させたときの前記調整用ポンプ制御処理及び前記測定用ポンプ制御処理の実行中に流れる前記測定用ポンプ電流の変化と、に基づいて前記被測定ガスのガス温度を検出するガス温度検出処理を行ってもよい。ここで、本発明者らは、調整用電圧目標値を変化させたときの測定用ポンプ電流の変化と、測定用電圧目標値を変化させたときの測定用ポンプ電流の変化と、を比較すると、前者の方が被測定ガスのガス温度の影響を受けにくいことを見出した。そのため、このことを利用して、前者と後者とに基づいて被測定ガスのガス温度を検出できる。この場合、前記制御装置は、前記水濃度検出処理において、前記調整用電圧目標値を変化させたときの前記測定用ポンプ電流の変化に基づいて前記被測定ガス中の水濃度を検出することが好ましい。
【0014】
［６］上述したガスセンサ（前記［５］に記載のガスセンサ）において、前記制御装置は、前記水濃度検出処理で検出された水濃度と、前記ガス温度検出処理で検出されたガス温度と、に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を補正してもよい。ここで、被測定ガス中の特定ガス濃度が同じであっても、被測定ガス中の水濃度及びガス温度に応じて測定用ポンプ電流が変化する場合がある。そこで、測定用ポンプ電流に基づく特定ガス濃度を、検出した水濃度及び検出したガス温度に基づいて補正することで、特定ガス濃度の検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。
【図2】制御装置９５と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図。
【図3】目標値Ｖ１＊と水濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフ。
【図4】水濃度と目標値Ｖ１＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きとの関係を示すグラフ。
【図5】目標値Ｖ２＊と水濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフ。
【図6】水濃度と目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きとの関係を示すグラフ。
【図7】制御ルーチンの一例を示すフローチャート。
【図8】水濃度と目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きとガス温度との関係を示す概念図。
【図9】水濃度とガス温度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの関係を示す概念図。
【図10】変形例のセンサ素子２０１の断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、制御装置９５と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ１００は、例えば内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられている。ガスセンサ１００は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中のＮＯｘやアンモニアなどの特定ガスの濃度を検出する。本実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。ガスセンサ１００は、長尺な直方体形状をしたセンサ素子１０１と、センサ素子１０１が備える各セル２１，４１，５０，８０～８３と、センサ素子１０１の内部に設けられたヒータ部７０と、可変電源２４，４６，５２及びヒータ電源７６を有しガスセンサ１００全体を制御する制御装置９５と、を備えている。
【0017】
センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ2）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
【0018】
センサ素子１０１の先端部側（図１の左端部側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
【0019】
ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０と、第３内部空所６１とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。
【0020】
第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部６０は、第２固体電解質層６の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。
【0021】
また、被測定ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。
【0022】
基準ガス導入層４８は、多孔質セラミックスからなる層であって、基準ガス導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、基準ガス導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。
【0023】
基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる基準ガス導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内，第２内部空所４０内，及び第３内部空所６１内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極４２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。
【0024】
被測定ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの圧力変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。
【0025】
主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
【0026】
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。
【0027】
内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
【0028】
主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。
【0029】
また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。
【0030】
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力（電圧Ｖ０）を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、電圧Ｖ０が目標値となるように可変電源２４の電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
【0031】
第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。
【0032】
第２内部空所４０は、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。
【0033】
補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
【0034】
係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
【0035】
補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。
【0036】
また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。
【0037】
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力（電圧Ｖ１）に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
【0038】
また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その電圧Ｖ０の上述した目標値が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。
【0039】
第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で補助ポンプセル５０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所６１に導く部位である。第４拡散律速部６０は、第３内部空所６１に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。
【0040】
第３内部空所６１は、あらかじめ第２内部空所４０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所６１において、測定用ポンプセル４１の動作により行われる。
【0041】
測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極４４は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極２２よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第３内部空所６１内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。
【0042】
測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。
【0043】
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力（電圧Ｖ２）に基づいて可変電源４６が制御される。
【0044】
第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部６０を通じて第３内部空所６１内の測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ2＋Ｏ2）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された電圧Ｖ２が一定（目標値）となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
【0045】
また、測定電極４４と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２とを組み合わせて、電気化学的センサセルとして酸素分圧検出手段を構成するようにすれば、測定電極４４の周りの雰囲気中のＮＯｘ成分の還元によって発生した酸素の量と基準大気に含まれる酸素の量との差に応じた起電力を検出することができ、これによって被測定ガス中のＮＯｘ成分の濃度を求めることも可能である。
【0046】
また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力（電圧Ｖｒｅｆ）によりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
【0047】
このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。
【0048】
さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。
【0049】
ヒータコネクタ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。
【0050】
ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通してヒータ電源７６（図２参照）から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。
【0051】
また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第３内部空所６１の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
【0052】
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
【0053】
圧力放散孔７５は、第３基板層３及び基準ガス導入層４８を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
【0054】
制御装置９５は、図２に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２と、上述したヒータ電源７６と、制御部９６と、を備えている。制御部９６は、ＣＰＵ９７及び記憶部９８などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部９８は、情報の書き換えが可能な不揮発性メモリであり、例えば各種プログラムや各種データを記憶可能である。制御部９６は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される電圧Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される電圧Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２、センサセル８３にて検出される電圧Ｖｒｅｆ、主ポンプセル２１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出されるポンプ電流Ｉｐ１及び測定用ポンプセル４１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ２を入力する。また、制御部９６は可変電源２４，４６，５２へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２を制御し、これにより、主ポンプセル２１，測定用ポンプセル４１及び補助ポンプセル５０を制御する。制御部９６は、ヒータ電源７６に制御信号を出力することでヒータ電源７６がヒータ７２に供給する電力を制御する。記憶部９８には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊なども記憶されている。制御部９６のＣＰＵ９７は、これらの目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊を参照して、各セル２１，４１，５０の制御を行う。
【0055】
制御部９６は、第２内部空所４０の酸素濃度が目標濃度となるように補助ポンプセル５０を制御する補助ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９６は、電圧Ｖ１が一定値（目標値Ｖ１＊と称する）となるように可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御することで、補助ポンプセル５０を制御する。目標値Ｖ１＊は、第２内部空所４０の酸素濃度がＮＯｘの測定に実質的に影響がない所定の低濃度となるような値として定められている。
【0056】
制御部９６は、補助ポンプ制御処理によって補助ポンプセル５０が第２内部空所４０の酸素濃度を調整するときに流れるポンプ電流Ｉｐ１が目標電流（目標値Ｉｐ１＊と称する）になるように主ポンプセル２１を制御する主ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９６は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定の目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値（目標値Ｖ０＊と称する）を設定（フィードバック制御）する。そして、制御部９６は、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源２４の電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。この主ポンプ制御処理により、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。目標値Ｖ０＊は、第１内部空所２０の酸素濃度が０％よりは高く且つ低濃度となるような値に設定される。また、この主ポンプ制御処理中に流れるポンプ電流Ｉｐ０は、ガス導入口１０から被測定ガス流通部内に流入する被測定ガス（すなわちセンサ素子１０１の周囲の被測定ガス）の酸素濃度に応じて変化する。そのため、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出することもできる。
【0057】
上述した主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理をまとめて調整用ポンプ制御処理とも称する。また、第１内部空所２０及び第２内部空所４０をまとめて酸素濃度調整室とも称する。主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０をまとめて調整用ポンプセルとも称する。制御部９６が調整用ポンプ制御処理を行うことで、調整用ポンプセルが酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する。
【0058】
さらに、制御部９６は、電圧Ｖ２が一定値（目標値Ｖ２＊と称する）となるように（つまり第３内部空所６１内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）測定用ポンプセル４１を制御する測定用ポンプ制御処理を行う。具体的には、制御部９６は、電圧Ｖ２が目標値Ｖ２＊となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御することで、測定用ポンプセル４１を制御する。この測定用ポンプ制御処理により、第３内部空所６１内から酸素が汲み出される。
【0059】
測定用ポンプ制御処理が行われることで、被測定ガス中のＮＯｘが第３内部空所６１で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第３内部空所６１内から酸素が汲み出される。そして、制御部９６は、特定ガス（ここではＮＯｘ）に由来して第３内部空所６１で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ｉｐ２を取得し、このポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
【0060】
記憶部９８には、ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係として、関係式（例えば一次関数又は二次関数の式）やマップなどが記憶されている。このような関係式又はマップは、予め実験により求めておくことができる。
【0061】
制御部９６は、ヒータ電源７６に制御信号を出力してヒータ７２の温度が目標温度（例えば８００℃）になるように制御するヒータ制御処理を行う。ここで、ヒータ７２の温度はヒータ７２の抵抗値の一次関数の式で表すことができる。そこで、ヒータ制御処理では、制御部９６はヒータ７２の温度とみなせる値（温度に換算可能な値）としてヒータ７２の抵抗値を算出して、算出した抵抗値が目標抵抗値（目標温度に対応する抵抗値）になるようにヒータ電源７６をフィードバック制御する。制御部９６は、例えばヒータ７２の電圧及びヒータ７２を流れる電流を取得して、取得した電圧及び電流に基づいてヒータ７２の抵抗値を算出することができる。制御部９６は、例えば３端子法又は４端子法によりヒータ７２の抵抗値を算出してもよい。ヒータ電源７６は、ヒータ７２に通電するにあたり、例えば制御部９６からの制御信号に基づいてヒータ７２に印加する電圧の値を変化させることで、ヒータ７２に供給する電力を調整する。
【0062】
本発明者らは、ガスセンサ１００の目標値Ｖ１＊と被測定ガス中の水濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を調べた。まず、被測定ガスとして、ベースガスが窒素であり、酸素濃度が０％、水濃度が３％、ＮＯ濃度が０ｐｐｍである第１ガスと、水濃度を９％とした点以外は第１ガスと同じ組成である第２ガスと、水濃度を１５％とした点以外は第１ガスと同じ組成である第３ガスと、の３種類を用意した。次に、目標値Ｖ２＊を４００ｍＶとし、目標値Ｖ１＊を３００ｍＶとして、第１ガスに対して制御部９６が上述した調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を行った場合のポンプ電流Ｉｐ２を測定した。なお、制御部９６は、上述したヒータ制御処理を開始してヒータ７２の温度が目標温度付近に到達してから調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を開始し、その後にポンプ電流Ｉｐ２が安定した状態でポンプ電流Ｉｐ２の値を測定した。さらに、目標値Ｖ１＊を３５０ｍＶ，４００ｍＶ，４５０ｍＶに変更した点以外は上記と同様にして、各々の目標値Ｖ１＊の値に対応するポンプ電流Ｉｐ２を測定した。第２ガス及び第３ガスについても、上記と同様に各々の目標値Ｖ１＊の値に対応するポンプ電流Ｉｐ２を測定した。結果を図３に示す。図３は、目標値Ｖ１＊と被測定ガス中の水濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフである。図３の縦軸のポンプ電流Ｉｐ２は、記憶部９８に記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係を用いてポンプ電流Ｉｐ２をＮＯ濃度に換算した値（単位：ｐｐｍ）として示している。第１～第３ガスはいずれもＮＯ濃度が０ｐｐｍであるため、いずれの場合も理論的にはポンプ電流Ｉｐ２は０μＡとなるが、実際にはわずかにポンプ電流Ｉｐ２が流れる。このような特定ガス（ここではＮＯｘ）以外の要因で流れるポンプ電流Ｉｐ２をオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔと称する。そのため、図３は目標値Ｖ１＊と被測定ガス中の水濃度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの関係を示している。オフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは、ＮＯｘ濃度が０ｐｐｍでない場合のポンプ電流Ｉｐ２にも含まれる。
【0063】
図３に示すように、目標値Ｖ１＊とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの間には直線的な相関があり、目標値Ｖ１＊が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは小さくなる傾向が確認された。また、目標値Ｖ１＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きについて、被測定ガス中の水濃度が高いほど傾きの絶対値が大きくなる傾向が確認された。図４は、図３に示したデータから算出された、被測定ガス中の水濃度と、目標値Ｖ１＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きと、の関係を示すグラフである。図４に示すように、水濃度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの傾きとの間には直線的な相関があり、水濃度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの傾きは小さくなる（負の絶対値が大きくなる）傾向が確認された。これらの結果から、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化（例えば目標値Ｖ１＊を変化させたときのオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾き）に基づいて、被測定ガス中の水濃度を検出できることがわかる。この点は、本発明者らによって今回新たに見いだされた知見である。
【0064】
本発明者らは、図３と同様に、ガスセンサ１００の目標値Ｖ２＊と被測定ガス中の水濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を調べた。具体的には、上記と同じ第１～第３ガスを用いて、目標値Ｖ１＊を３８５ｍＶとし、目標値Ｖ２＊を３００ｍＶ，３５０ｍＶ，４００ｍＶ，４５０ｍＶの４通りに変更して、図３のデータの測定と同様に各々の目標値Ｖ２＊の値に対応するポンプ電流Ｉｐ２を測定した。結果を図５に示す。図５は、目標値Ｖ２＊と被測定ガス中の水濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフである。図６は、図５に示したデータから算出された、被測定ガス中の水濃度と、目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きと、の関係を示すグラフである。
【0065】
図５に示すように、目標値Ｖ２＊とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの間には直線的な相関があり、目標値Ｖ２＊が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは大きくなる傾向が確認された。また、目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きについて、被測定ガス中の水濃度が高いほど傾きの絶対値が大きくなる傾向が確認された。図６に示すように、水濃度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの傾きとの間には直線的な相関があり、水濃度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの傾きは大きくなる（正の絶対値が大きくなる）傾向が確認された。これらの結果から、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化（例えば目標値Ｖ２＊を変化させたときのオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾き）に基づいて、被測定ガス中の水濃度を検出できることがわかる。この点は、本発明者らによって今回新たに見いだされた知見である。
【0066】
以上のことから、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊との少なくとも一方を変化させたときの、調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理の実行中に流れるポンプ電流Ｉｐ２の変化は被測定ガス中の水濃度と相関があるから、このポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて水濃度を検出できることがわかる。本実施形態では、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと被測定ガス中の水濃度との関係として、図４に示す直線的な関係を表す一次関数の式又はマップが記憶部９８に記憶されている。
【0067】
【0068】
まず、被測定ガス中の水とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの関係について説明する。被測定ガス中に水が存在する場合に調整用ポンプ制御処理（ここでは主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理）が行われると、可変電源５２の電圧Ｖｐ１によって補助ポンプ電極５１の周辺で水の少なくとも一部が分解されて水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）が生じる。生じた酸素は補助ポンプセル５０によって補助ポンプ電極５１の周辺すなわち第２内部空所４０から汲み出されるが、生じた水素は少なくとも一部が第３内部空所６１に到達する。そして、第３内部空所６１に到達した水素が第３内部空所６１内の酸素と反応して水になるため、測定用ポンプ制御処理による第３内部空所６１内の酸素の汲み出し量が減少する、すなわちポンプ電流Ｉｐ２が減少する。一方、被測定ガス中に水が存在する場合に測定用ポンプ制御処理が行われると、可変電源４６の電圧Ｖｐ２によって第３内部空所６１内の測定電極４４の周辺で水の少なくとも一部が分解されて水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）が生じる。そのため、測定用ポンプ制御処理による第３内部空所６１内の酸素の汲み出し量が増加する、すなわちポンプ電流Ｉｐ２が増加する。このように、補助ポンプ電極５１の周辺で水から生じる水素によってポンプ電流Ｉｐ２は減少し、測定電極４４の周辺で水から生じる酸素によってポンプ電流Ｉｐ２は増大するから、被測定ガス中のＮＯｘに起因しないこれらのポンプ電流Ｉｐ２の減少量と増大量との和がオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとして現れる。
【0069】
そして、目標値Ｖ１＊が高いほど、すなわち第２内部空所４０の酸素濃度の目標値が低いほど、補助ポンプ制御処理によって電圧Ｖｐ１が高い値になりやすいから、電圧Ｖｐ１によって補助ポンプ電極５１の周辺で水が分解されて生じる水素が多くなり、ポンプ電流Ｉｐ２の減少量も多くなる。また、被測定ガス中の水濃度が高いほど、補助ポンプ電極５１の周辺で水が分解されて生じる水素が多くなるから、目標値Ｖ１＊の変化量に応じたポンプ電流Ｉｐ２の減少量、すなわち目標値Ｖ１＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きが急峻になる。すなわち傾きの絶対値が大きくなる。これらの理由により、図３及び図４に示した関係が表れると考えられる。
【0070】
同様に、目標値Ｖ２＊が高いほど、すなわち第３内部空所６１の酸素濃度の目標値が低いほど、測定用ポンプ制御処理によって電圧Ｖｐ２が高い値になりやすいから、電圧Ｖｐ２によって測定電極４４の周辺で水が分解されて生じる酸素が多くなり、ポンプ電流Ｉｐ２の増大量も多くなる。また、被測定ガス中の水濃度が高いほど、測定電極４４の周辺で水が分解されて生じる酸素が多くなるから、目標値Ｖ２＊の変化量に応じたポンプ電流Ｉｐ２の増大量、すなわち目標値Ｖ２＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きが急峻になる。すなわち傾きの絶対値が大きくなる。これらの理由により、図５及び図６に示した関係が表れると考えられる。
【0071】
次に、ガスセンサ１００の制御部９６が水濃度の測定及びＮＯｘ濃度の測定を行う処理の一例について説明する。図７は、制御部９６が実行する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。制御部９６は、このルーチンを例えば記憶部９８に記憶している。制御部９６は、例えば図示しないエンジンＥＣＵから起動指令を入力すると、この制御ルーチンを開始する。
【0072】
制御部９６のＣＰＵ９７は、制御ルーチンが開始されると、まず、上述したヒータ制御処理を開始する（ステップＳ１００）。続いて、ＣＰＵ９７は、上述した調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を開始する（ステップＳ１１０）。このときの目標値Ｖ１＊及び目標値Ｖ２＊の値は、ＮＯｘ濃度を測定する際に用いる値として予め記憶部９８に記憶された値を用いる。次に、ＣＰＵ９７は、水濃度及びＮＯｘ濃度を導出する濃度導出タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ＣＰＵ９７は、例えば所定時間経過毎や、エンジンＥＣＵから濃度導出指令を入力したときなどに、濃度導出タイミングであると判定する。
【0073】
ステップＳ１２０で濃度導出タイミングであると判定すると、ＣＰＵ９７は、まず、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊との少なくとも一方を変化させたときの調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理の実行中に流れるポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う（ステップＳ１３０，Ｓ１４０）。本実施形態では、ＣＰＵ９７は、水濃度検出処理において目標値Ｖ１＊を変化させ目標値Ｖ２＊は変化させないものとした。水濃度検出処理では、ＣＰＵ９７は、まず、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧを算出する（ステップＳ１３０）。具体的には、ＣＰＵ９７は、まず、現在のポンプ電流Ｉｐ２を測定して、目標値Ｖ１＊の変化前の状態のポンプ電流Ｉｐ２の値として取得する。次に、ＣＰＵ９７は、目標値Ｖ１＊を変化させて、ポンプ電流Ｉｐ２の値が安定するまで待ち、安定した後のポンプ電流Ｉｐ２を測定して、変化後の状態のポンプ電流Ｉｐ２の値として取得する。そして、変化の前後のポンプ電流Ｉｐ２の値の差分を変化の前後の目標値Ｖ１＊の差分で除すことで、傾きＧを導出する。なお、目標値Ｖ１＊を変化させてからポンプ電流Ｉｐ２が安定するまでの時間の長さはごく短時間（数ｍｓｅｃから十数ｍｓｅｃなど）であり、通常はこの間に内燃機関の排ガス中のＮＯｘ濃度の変化はほとんど生じない。そのため、目標値Ｖ１＊の変化の前後のポンプ電流Ｉｐ２の値の差分は、目標値Ｖ１＊の変化の前後のオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化量とみなすことができる。したがって、ステップＳ１３０で導出される傾きＧは、図３に示した直線の傾き及び図４の縦軸の値に相当する。そして、ＣＰＵ９７は、導出した傾きＧと記憶部９８に記憶された対応関係（上述した、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと被測定ガス中の水濃度との対応関係）とに基づいて、被測定ガス中の水濃度を算出する（ステップＳ１４０）。ＣＰＵ９７は、導出した水濃度の値をエンジンＥＣＵに出力したり、記憶部９８に記憶したりする。ステップＳ１３０では、目標値Ｖ１＊の絶対値を大きくする方向に変化させてもよいし、絶対値を小さくする方向に変化させてもよい。ただし、変化の前後の値がいずれもＮＯｘ濃度の測定用に定められた目標値Ｖ１＊の絶対値以下であることが好ましい。例えば変化前の目標値Ｖ１＊がＮＯｘ濃度の測定用に定められた目標値Ｖ１＊と同じ値であった場合は、目標値Ｖ１＊の絶対値を小さくする方向に変化させることが好ましい。こうすれば、電圧Ｖｐ１が高くなりすぎて補助ポンプ電極５１の周辺でＮＯｘの分解が生じてしまうことを抑制できるから、ＮＯｘ濃度の測定精度の低下を抑制できる。
【0074】
ステップＳ１４０で水濃度を導出すると、ＣＰＵ９７は、目標値Ｖ１＊を変更前の値に戻す。すなわち目標値Ｖ１＊をＮＯｘ濃度の測定用に定められた値に戻す（ステップＳ１５０）。続いて、ＣＰＵ９７は、測定用ポンプ制御処理によって流れるポンプ電流Ｉｐ２を取得し（ステップＳ１６０）、取得したポンプ電流Ｉｐ２と記憶部９８に記憶された対応関係（上述した、ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係）とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出する（ステップＳ１７０）。そして、ＣＰＵ９７は、ステップＳ１４０で導出した水濃度に基づいてステップＳ１７０で導出したＮＯｘ濃度を補正して、補正後のＮＯｘ濃度を導出する（ステップＳ１８０）。ＣＰＵ９７は、導出した補正後のＮＯｘ濃度の値をエンジンＥＣＵに出力したり、記憶部９８に記憶したりする。図３で示したように被測定ガス中の水濃度によってポンプ電流Ｉｐ２のオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは変化する。そのため、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が同じであっても、被測定ガス中の水濃度に応じてポンプ電流Ｉｐ２が変化する場合があり、導出されるＮＯｘ濃度に誤差が生じる場合がある。そこで、本実施形態では、ＣＰＵ９７は、ポンプ電流Ｉｐ２に基づくＮＯｘ濃度を、検出した水濃度に基づいて補正する。例えば、図３で目標値Ｖ１＊が３５０ｍＶの場合において、水濃度が３％の場合のオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔと比べると、水濃度が１５％の場合のオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔはＮＯｘ濃度換算で３ｐｐｍ分だけ大きい値になっている。そのため、例えば記憶部９８に予め記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係が、水濃度が３％である被測定ガスを用いて算出された関係である場合、実際の被測定ガスの水濃度が１５％のときには導出されるＮＯｘ濃度は実濃度よりも３ｐｐｍ分大きい値として算出されてしまう。そこで、ＣＰＵ９７は、ステップＳ１４０で導出された水濃度が１５％であった場合には、ステップＳ１７０で導出されたＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］から補正量として３ｐｐｍを減じた値を補正後のＮＯｘ濃度として導出する。こうすることで、水濃度の相違によるオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化分を相殺でき、補正後のＮＯｘ濃度は実濃度により近い値となる。このような水濃度とＮＯｘ濃度の補正量との対応関係は予め実験などにより求めて記憶部９８に記憶しておくことができる。ＣＰＵ９７は、ステップＳ１８０において、水濃度とこの対応関係に基づいて補正量を導出し、補正後のＮＯｘ濃度を算出する。なお、補正量を導出する代わりに、記憶部９８に水濃度とポンプ電流Ｉｐ２に基づくＮＯｘ濃度と補正後のＮＯｘ濃度との対応関係を記憶しておき、この対応関係に基づいて補正後のＮＯｘ濃度を導出してもよい。また、ＣＰＵ９７は、ステップＳ１７０で導出したポンプ電流Ｉｐ２を水濃度に基づいて補正し、補正後のポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を導出してもよい。これらの方法も、水濃度に基づくＮＯｘ濃度の補正に該当する。
【0075】
ステップＳ１８０の後、又はステップＳ１２０で濃度導出タイミングでなかった場合には、ＣＰＵ９７はＳ１２０以降の処理を実行する。以上のようにＣＰＵ９７が制御ルーチンを実行することで、被測定ガス中の水濃度及びＮＯｘ濃度が繰り返し測定される。
【0076】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１と第２基板層２と第３基板層３と第１固体電解質層４とスペーサ層５と第２固体電解質層６との６つの層がこの順に積層された積層体が本発明の素子本体に相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定電極４４が内側測定電極に相当し、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が酸素濃度調整室に相当し、補助ポンプ電極５１が内側調整電極に相当し、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０が調整用ポンプセルに相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、電圧Ｖ１が調整用電圧に相当し、目標値Ｖ１＊が調整用電圧目標値に相当し、電圧Ｖ２が測定用電圧に相当し、目標値Ｖ２＊が測定用電圧目標値に相当し、制御装置９５が制御装置に相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が測定用ポンプ電流に相当する。また、補助ポンプ電極５１が内側補助ポンプ電極に相当する。
【0077】
以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、制御装置９５は、測定用ポンプ制御処理によって測定用ポンプセル４１を流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。また、制御装置９５は、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊との少なくとも一方を変化させたときの調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理の実行中に流れるポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて被測定ガス中の水濃度を検出する水濃度検出処理を行う。そのため、本実施形態のガスセンサ１００は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度と水濃度とを検出できる。
【0078】
また、制御装置９５は、水濃度検出処理で検出された被測定ガス中の水濃度に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を補正するから、特定ガス濃度の検出精度が向上する。
【0079】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【0080】
例えば、上述した実施形態では、図７の制御ルーチンのステップＳ１３０において、ＣＰＵ９７は、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧに基づいて水濃度を導出したが、傾きＧに限らず目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて水濃度を導出すればよい。例えば、目標値Ｖ１＊の変化の前後におけるポンプ電流Ｉｐ２の変化量又は変化率に基づいて水濃度を導出してもよい。この場合は、ポンプ電流Ｉｐ２の変化量又は変化率と水濃度との対応関係を予め記憶部９８に記憶しておけばよい。
【0081】
上述した実施形態では、図７の制御ルーチンのステップＳ１３０において、ＣＰＵ９７は、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧに基づいて水濃度を導出したが、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて水濃度を導出してもよい。例えば、ＣＰＵ９７は、目標値Ｖ１＊を変化させず目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾き（図５に示した直線の傾き及び図６の縦軸の値に相当）を導出し、導出した傾きに基づいて水濃度を導出してもよい。この場合は、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと水濃度との対応関係（図６に示した直線の対応関係に相当）を予め記憶部９８に記憶しておけばよい。なお、目標値Ｖ２＊を変化させるときは、目標値Ｖ２＊の絶対値を大きくする方向に変化させてもよいし、絶対値を小さくする方向に変化させてもよい。ただし、変化の前後の値がいずれもＮＯｘ濃度の測定用に定められた目標値Ｖ２＊の値以上であることが好ましい。例えば変化前の目標値Ｖ２＊がＮＯｘ濃度の測定用に定められた目標値Ｖ２＊と同じ値であった場合は、目標値Ｖ２＊の絶対値を大きくする方向に変化させることが好ましい。こうすれば、電圧Ｖｐ２が低くなりすぎてポンプ電流Ｉｐ２が限界電流にならなくなることを抑制できるから、ＮＯｘ濃度の測定精度の低下を抑制できる。
【0082】
ＣＰＵ９７は、水濃度検出処理において、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊の両方を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２に基づいて水濃度を導出してもよい。この場合、目標値Ｖ１＊の変化によるポンプ電流Ｉｐ２の変化の方向と目標値Ｖ２＊の変化によるポンプ電流Ｉｐ２の変化の方向とが同じ方向になるようにすることが好ましい。例えば、目標値Ｖ１＊の絶対値を小さい値に変化させ且つ目標値Ｖ２＊の絶対値を大きい値に変化させれば、これらの変化はどちらもポンプ電流Ｉｐ２を増大させる方向に働く。あるいは、目標値Ｖ１＊の絶対値を大きい値に変化させ且つ目標値Ｖ２＊の絶対値を小さい値に変化させれば、これらの変化はどちらもポンプ電流Ｉｐ２を減少させる方向に働く。これらのいずれかの方法で目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊とを変化させれば、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊の各々の変化量が小さくても、被測定ガス中の水に起因するポンプ電流Ｉｐ２の変化は比較的大きくなる。そのため、ポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて水濃度を検出しやすい。なお、目標値Ｖ１＊と目標値Ｖ２＊の両方を変化させる場合には、ポンプ電流Ｉｐ２の傾きではなく例えばポンプ電流Ｉｐ２の変化量又は変化率を算出して、この変化量又は変化率に基づいて水濃度を導出すればよい。
【0083】
上述した実施形態では、ＣＰＵ９７は水濃度を用いてＮＯｘ濃度を補正したが、補正を行わなくてもよい。また、ＣＰＵ９７は、導出した水濃度がＮＯｘ濃度の測定精度に影響しないとみなせる所定の許容範囲内であるか否かを判定して、許容範囲内でなかった場合に、ＮＯｘ濃度を補正してもよい。
【0084】
上述した実施形態において、さらに被測定ガスのガス温度も検出するようにガスセンサ１００を構成してもよい。本発明者らは、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化と、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化と、を比較すると、前者の方が被測定ガスのガス温度の影響を受けにくいことを見出した。すなわち、後者は前者と比較してガス温度の影響を受けやすいから、前者と後者とを比較することで被測定ガス中のガス温度を検出することができることを見出した。図８は、水濃度と目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きとガス温度との関係を示す概念図である。図６は第１ガス～第３ガスのガス温度をいずれも同じ温度とした場合のグラフであるのに対して、図８は第１ガス～第３ガスのガス温度をそれぞれ変更した場合にオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの傾きがガス温度に応じてどのように変化するかを概念的に示している。図８に示すように、目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きの値は、水濃度が同じ値であってもガス温度が変化すると変化し、ガス温度が高いほど傾きが大きくなる傾向が確認された。一方で、目標値Ｖ１＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きは、ガス温度が変化しても水濃度が同じ値であれば、あまり変化が見られなかった。このような違いは、補助ポンプ電極５１と測定電極４４との温度の相違によるものと考えられる。上述した実施形態では説明を省略したが、ガスセンサ１００は、ヒータ７２が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける測定電極４４の温度Ｔｍが補助ポンプ電極５１の温度Ｔｑよりも低くなるように構成されている。例えば、ヒータ７２の目標温度が８００℃であるときに、補助ポンプ電極５１の温度Ｔｑは約７５０℃であるのに対して測定電極４４の温度Ｔｍは例えば６５０℃以上７００℃以下の範囲内の値である。補助ポンプセル５０は測定用ポンプセル４１と比べて汲み出すべき酸素の量が多いことから、補助ポンプセル５０のポンピング能力をより高める目的で、温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるようにしている。なお、同じ理由で、主ポンプセル２１のポンピング能力を補助ポンプセル５０よりも高めることが好ましいため、内側ポンプ電極２２の温度を温度Ｔｐとすると、ヒータ７２が目標温度に制御されている状態で温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるようにガスセンサ１００を構成することが好ましい。温度Ｔｐ，温度Ｔｑ，及び温度Ｔｍの調整は、例えばヒータ７２の形状や配置を調整することによって行うことができる。そして、温度Ｔｑ＞温度Ｔｍであることで、補助ポンプ電極５１の温度Ｔｑは被測定ガスのガス温度（例えば７００℃～８００℃）に比較的近くなり、ガス温度が変化しても温度Ｔｑは変化しにくい。これに対して、測定電極４４の温度Ｔｍは被測定ガスのガス温度との差が大きいからガス温度が変化すると温度Ｔｍは変化しやすい。そして、水濃度が同じであっても温度Ｔｍが高くなると測定電極４４の周辺での水の分解量が増えるため、目標値Ｖ２＊の変化に対するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化が大きくなる、すなわちオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの傾きが大きくなると考えられる。これにより、ガス温度に応じて図８に示した傾向が現れると考えられる。これらのことを利用して、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化と、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化と、に基づいて被測定ガスのガス温度を検出するガス温度検出処理を行うことができる。
【0085】
ガス温度の検出の具体例について説明する。まず、図８に示した水濃度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の傾きとガス温度との関係を示す関係式やマップなどを予め実験により求めて記憶部９８に記憶しておく。制御装置９５のＣＰＵ９７は、図７の制御ルーチンのＳ１００～Ｓ１４０を行って、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧに基づく水濃度を導出する。この水濃度は、目標値Ｖ１＊を変化させて導出しているから、ガス温度の受けにくい。続いて、ＣＰＵ９７は、目標値Ｖ１＊を変化前の値に戻し、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きを導出する。そして、ＣＰＵ９７は、導出した水濃度及び目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと、記憶部９８に記憶した対応関係とに基づいて、被測定ガス中のガス温度を導出する。例えば、図８の関係が記憶部９８に記憶されている場合において、導出した水濃度が１５％であり、且つ、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きが値ａであった場合には、ガス温度として値ｂを導出する。これにより、ガスセンサ１００では被測定ガスのＮＯｘ濃度及び水濃度に加えてガス温度も検出できる。なお、図８の水濃度は、目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧに基づく水濃度に対応するから、目標値Ｖ１＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧと、目標値Ｖ２＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと、ガス温度と、の関係も、図８と同様になる。そのため、導出した水濃度を用いる代わりに、目標値Ｖ１＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧと、目標値Ｖ２＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと、予め記憶部９８に記憶した対応関係と、に基づいてガス温度を導出することもできる。あるいは、目標値Ｖ１＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きＧと、目標値Ｖ２＊の変化に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化の傾きと、の差又は比を導出し、導出した差又は比に基づいてガス温度を導出することもできる。この場合は、この差又は比とガス温度との対応関係を予め記憶部９８に記憶しておけばよい。また、上述した通り傾きを用いる代わりにポンプ電流Ｉｐ２の変化量又は変化率などを用いてもよい。
【0086】
さらに、制御装置９５は、導出した水濃度及びガス温度に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を補正してもよい。被測定ガスのガス温度が高くなると測定電極４４の周辺での水の分解量が増えるから、ガス温度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔが大きくなる。また、上述したように水濃度によってもオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは変化する。そのため、被測定ガス中の実際のＮＯｘ濃度が同じであっても、被測定ガスのガス温度及び水濃度に応じてポンプ電流Ｉｐ２が変化して、導出されるＮＯｘ濃度に誤差が生じる場合がある。制御装置９５が、導出した水濃度及びガス温度に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を補正することで、このような誤差が生じるのを抑制してＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。このような補正を行う場合、例えば、水濃度及びガス温度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの対応関係を予め調べて記憶部９８に記憶しておく。図９はこのような対応関係の一例を示す概念図である。制御装置９５は、導出した水濃度と、導出したガス温度と、図９に示す対応関係と、に基づいて、オフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔを導出する。そして、導出したオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を補正する。例えば、記憶部９８に予め記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係に関して、その対応関係の算出時のオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの値を調べて基準値として記憶部９８に記憶しておく。より具体的には、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を０ｐｐｍとした点以外は対応関係の算出時と同じ条件におけるポンプ電流Ｉｐ２を測定して、その値を基準値として用いることができる。制御装置９５は、導出したオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔと記憶部９８に記憶された基準値との差を導出して、ポンプ電流Ｉｐ２の補正量とする。そして、制御装置９５は、ステップＳ１６０で取得したポンプ電流Ｉｐ２から補正量を減じた値を補正後のポンプ電流Ｉｐ２として導出する。その後、制御部９６は、補正後のポンプ電流Ｉｐ２と、記憶部９８に記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係と、に基づいてＮＯｘ濃度を導出する。こうして導出されたＮＯｘ濃度は、水濃度及びガス温度によるオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化分が相殺された補正後のＮＯｘ濃度となるから、補正を行わない場合と比較して実際のＮＯｘ濃度により近い値となる。なお、図９の対応関係の代わりに、水濃度及びガス温度とポンプ電流Ｉｐ２の補正量との対応関係を用いてもよい。あるいは、水濃度及びガス温度とＮＯｘ濃度の補正量との対応関係を用いてもよい。
【0087】
図９に示した対応関係は、ガス温度が同じ値である場合に水濃度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔが大きくなる傾向を有する。ただし、これに限らず、ガス温度が同じ値である場合に水濃度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔが小さくなる傾向を有する場合もある。例えば、図３及び図５からわかるように、目標値Ｖ１＊が４００ｍＶ以下且つ目標値Ｖ２＊が３５０ｍＶ以上である場合は、水濃度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは大きくなる傾向がある。これに対して、目標値Ｖ１＊が４００ｍＶ超過である場合、又は目標値Ｖ２＊が３５０ｍＶ未満である場合は、水濃度が高いほどオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは小さくなる傾向がある。そのため、ＮＯｘ濃度測定用のポンプ電流Ｉｐ２を取得する際の目標値Ｖ１＊及び目標値Ｖ２＊の値に応じて、予め適切な対応関係（水濃度及びガス温度とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの対応関係）を調べて記憶部９８に記憶しておくことが好ましい。
【0088】
上述した通り、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化はガス温度の影響を受けやすいため、水濃度の検出は目標値Ｖ１＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて行うことが好ましい。ただし、水濃度の検出精度に与えるガス温度の影響が小さい場合や、被測定ガスのガス温度の変化幅が小さい場合であれば、目標値Ｖ２＊を変化させたときのポンプ電流Ｉｐ２の変化に基づいて水濃度を検出しても問題は生じにくい。
【0089】
上述した実施形態では説明しなかったが、目標値Ｖ０＊，目標値Ｖ１＊，目標値Ｖ２＊は、それぞれ、９００ｍＶ以下としてもよいし、８００ｍＶ以下としてもよい。こうすることで、電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２がそれぞれ高い値になりすぎることを抑制でき、ひいてはセンサ素子１０１の黒化を抑制できる。目標値Ｖ１＊は、３００ｍＶ以上４５０ｍＶ以下の範囲内の値としてもよい。目標値Ｖ２＊は、３００ｍＶ以上４５０ｍＶ以下の範囲内の値としてもよい。制御装置９５がセンサ素子１０１の制御中に目標値Ｖ０＊，目標値Ｖ１＊，目標値Ｖ２＊の各々について値を変化させる場合でも、上記の種々の範囲内で変化させることが好ましい。
【0090】
上述した実施形態では、ステップＳ１１０以降は調整用ポンプ制御処理と測定用ポンプ制御処理を継続して実行したが、特にこれに限らず調整用ポンプ制御処理と測定用ポンプ制御処理との少なくとも一方を一時停止する場合があってもよい。例えばステップＳ１３０において、調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を一時停止してから、目標値Ｖ１＊を変更後の値にして調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を再開してもよい。
【0091】
上述した実施形態では、酸素濃度調整室は第１内部空所２０と第２内部空所４０とを有していたが、これに限らず例えば酸素濃度調整室がさらに別の内部空所を備えていてもよいし、第１内部空所２０と第２内部空所４０との一方を省略してもよい。同様に、上述した実施形態では調整用ポンプセルは主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを有していたが、これに限らず例えば調整用ポンプセルがさらに別のポンプセルを備えていてもよいし、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との一方を省略してもよい。例えば、主ポンプセル２１のみで被測定ガスの酸素濃度を十分低くすることができる場合は、補助ポンプセル５０を省略してもよい。補助ポンプセル５０を省略する場合、制御部９６は、調整用ポンプ制御処理として主ポンプ制御処理のみを行えばよい。また、主ポンプ制御処理では、上述したポンプ電流Ｉｐ１に基づく目標値Ｖ０＊の設定を省略すればよい。具体的には、所定の目標値Ｖ０＊を予め記憶部９８に記憶しておき、制御部９６は電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように可変電源２４の電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプセル２１を制御すればよい。補助ポンプセル５０を省略する場合は、内側ポンプ電極２２が内側調整電極に相当し、電圧Ｖ０が調整用電圧に相当し、目標値Ｖ０＊が調整用電圧目標値に相当する。酸素濃度調整室が第１内部空所２０と第２内部空所４０の他にさらに別の内部空所を備えており調整用ポンプセルが３以上のポンプセルを有する場合は、３以上のポンプセルのうち最も下流側のポンプセルすなわち最も測定室の近くに配設されたポンプセルの制御処理における電圧の目標値が、調整用電圧目標値に相当する。
【0092】
上述した実施形態では、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図１０のセンサ素子２０１のように、第３内部空所６１を備えないものとしてもよい。図１０に示した変形例のセンサ素子２０１では、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。また、測定電極４４は、第２内部空所４０内の第１固体電解質層４の上面に配設されている。測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、上述した実施形態の第４拡散律速部６０と同様に、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。また、第４拡散律速部４５は、測定電極４４の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａは、測定電極４４の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子２０１であっても、上述した実施形態と同様に例えばポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出できる。この場合、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。
【0093】
上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３は、主ポンプセル２１における内側ポンプ電極２２と対になる電極（外側主ポンプ電極とも称する）としての役割と、補助ポンプセル５０における補助ポンプ電極５１と対になる電極（外側補助ポンプ電極とも称する）としての役割と、測定用ポンプセル４１における測定電極４４と対になる電極（外側測定電極とも称する）としての役割とを兼ねていたが、これに限られない。外側主ポンプ電極，外側補助ポンプ電極，及び外側測定電極のうちのいずれか１以上を、外側ポンプ電極２３とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。
【0094】
上述した実施形態では、内側ポンプ電極２２は、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極としたが、これに限られない。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。触媒活性を有する貴金属としては、例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくともいずれかが挙げられる。ただし、上述した実施形態のように内側ポンプ電極２２は触媒活性を有する貴金属としてＰｔを含むことが好ましい。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属とＡｕとを含むことが好ましい。補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、触媒活性を有する貴金属を含んでいればよく、さらにＡｕを含むことが好ましい。内側ポンプ電極２２及び補助ポンプ電極５１がＡｕを含むことで、ＮＯｘに対する触媒活性が抑制されるから、第１内部空所２０及び第２内部空所４０でＮＯｘが還元されてしまうことを抑制できる。外側ポンプ電極２３，基準電極４２及び測定電極４４は、それぞれ、上述した触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。各電極２２，２３，４２，４４，５１は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物（例えばＺｒＯ2）とを含むサーメットであることが好ましいが、これらの電極の１以上がサーメットでなくてもよい。各電極２２，２３，４２，４４，５１は、それぞれ、多孔質体であることが好ましいが、これらの電極の１以上が多孔質体でなくてもよい。
【0095】
上述した実施形態では、センサ素子１０１は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するものとしたが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出するものであれば、これに限られない。例えば、ＮＯｘに限らず他の酸化物濃度を特定ガス濃度としてもよい。特定ガスが酸化物の場合には、上述した実施形態と同様に特定ガスそのものを第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、測定用ポンプセル４１はこの酸素に応じた検出値（例えばポンプ電流Ｉｐ２）を取得して特定ガス濃度を検出できる。また、特定ガスがアンモニアなどの非酸化物であってもよい。特定ガスが非酸化物の場合には、特定ガスを酸化物に変換（例えばアンモニアであればＮＯに変換）することで、変換後のガスが第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、測定用ポンプセル４１はこの酸素に応じた検出値（例えばポンプ電流Ｉｐ２）を取得して特定ガス濃度を検出できる。例えば、第１内部空所２０の内側ポンプ電極２２が触媒として機能することにより、第１内部空所２０においてアンモニアをＮＯに変換できる。特定ガスは、酸素以外の所定のガスとしてもよい。特定ガスは、酸素及び二酸化炭素以外の所定のガスとしてもよい。特定ガスは、ＮＯｘ及びアンモニアのいずれかとしてもよい。
【0096】
上述した実施形態では、センサ素子１０１の素子本体は複数の固体電解質層（層１～６）を有する積層体としたが、これに限られない。センサ素子１０１の素子本体は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも１つ含んでいればよい。例えば、図１において第２固体電解質層６以外の層１～５は固体電解質層以外の材質からなる層（例えばアルミナからなる層）としてもよい。この場合、センサ素子１０１が有する各電極は第２固体電解質層６に配設されるようにすればよい。例えば、図１の測定電極４４は第２固体電解質層６の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間４３を第１固体電解質層４に設ける代わりにスペーサ層５に設け、基準ガス導入層４８を第１固体電解質層４と第３基板層３との間に設ける代わりに第２固体電解質層６とスペーサ層５との間に設け、基準電極４２を第３内部空所６１よりも後方且つ第２固体電解質層６の下面に設ければよい。
【0097】
上述した実施形態では、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）し、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように電圧Ｖｐ０をフィードバック制御したが、他の制御を行ってもよい。例えば、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖｐ０をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御部９６は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０からの電圧Ｖ０の取得や目標値Ｖ０＊の設定を省略して、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて直接的に電圧Ｖｐ０を制御（ひいてはポンプ電流Ｉｐ０を制御）してもよい。
【産業上の利用可能性】
【0098】
本発明は、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサに利用可能である。
【符号の説明】
【0099】
１ 第１基板層、２ 第２基板層、３ 第３基板層、４ 第１固体電解質層、５ スペーサ層、６ 第２固体電解質層、１０ ガス導入口、１１ 第１拡散律速部、１２ 緩衝空間、１３ 第２拡散律速部、２０ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ 天井電極部、２２ｂ 底部電極部、２３ 外側ポンプ電極、２４ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０ 第２内部空所、４１ 測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４ 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６ 可変電源、４８ 基準ガス導入層、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、５２ 可変電源、６０ 第４拡散律速部、６１ 第３内部空所、７０ ヒータ部、７１ ヒータコネクタ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、７６ ヒータ電源、８０ 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１ 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２ 測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３ センサセル、９５ 制御装置、９６ 制御部、９７ ＣＰＵ、９８ 記憶部、１００ ガスセンサ、１０１，２０１ センサ素子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】