特許 7547251 センサ素子及びガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-30

(45)【発行日】2024-09-09

(54)【発明の名称】センサ素子及びガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/416 20060101AFI20240902BHJP

   G01N 27/419 20060101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

G01N27/416 331

G01N27/419 327E

G01N27/419 327B

G01N27/419 327C

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021041459

(22)【出願日】2021-03-15

(65)【公開番号】P2021162580

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-10-20

(31)【優先権主張番号】P 2020060781

(32)【優先日】2020-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】関谷 高幸

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 悠介

【審査官】倉持 俊輔

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－２０１３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０５０２２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０２５７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０１１６４３３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１６

Ｇ０１Ｎ ２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの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、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた第１測定室に配設された第１測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、前記特定ガスに由来して前記第１測定室で発生する酸素の汲み出しを行うための第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた第２測定室に配設された第２測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有し、前記特定ガスに由来して前記第２測定室で発生する酸素の汲み出しを行うための第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが前記酸素濃度調整室及び第１測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成されている、
センサ素子。

【請求項2】

前記第１測定電極用拡散律速部は、スリット状の隙間又は多孔質体であり、
前記第２測定電極用拡散律速部は、スリット状の隙間又は多孔質体である、
請求項１に記載のセンサ素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のセンサ素子であって、
ｎを３以上の整数として、前記第１測定用ポンプセル及び前記第２測定用ポンプセルを含む、第１～第ｎ測定用ポンプセルを備え、
ｐを３からｎまでの整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた第ｐ測定室に配設された第ｐ測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、前記特定ガスに由来して前記第ｐ測定室で発生する酸素の汲み出しを行うよう構成されており、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが前記第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成されている、
センサ素子。

【請求項4】

ｋを１からｎ－１までの整数として、外部から前記第ｋ測定電極までの前記被測定ガスの経路の拡散抵抗である第ｋ拡散抵抗Ｒ_kと、外部から前記第ｋ＋１測定電極までの前記被測定ガスの経路の拡散抵抗である第ｋ＋１拡散抵抗Ｒ_k+1と、の比Ｒ_k+1／Ｒ_kが、１超過１００以下である、
請求項３に記載のセンサ素子。

【請求項5】

請求項１又は２に記載のセンサ素子と、
前記第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第１測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する低濃度測定モードと、前記第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第２測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する高濃度測定モードと、を有する特定ガス濃度検出手段と、
を備えたガスセンサ。

【請求項6】

前記特定ガス濃度検出手段は、前記低濃度測定モードにおいて前記第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度が所定の高濃度領域に含まれると判定した場合には前記高濃度測定モードへの切り替えを行い、前記高濃度測定モードにおいて前記第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度が所定の低濃度領域に含まれると判定した場合には前記低濃度測定モードへの切り替えを行う、
請求項５に記載のガスセンサ。

【請求項7】

被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出するためのセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの第１測定室に配設された第１測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、前記被測定ガス中の酸素の汲み出しを行うための第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの第２測定室に配設された第２測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有し、前記被測定ガス中の酸素の汲み出しを行うための第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成されており、
ｎを３以上の整数として、前記第１測定用ポンプセル及び前記第２測定用ポンプセルを含む、第１～第ｎ測定用ポンプセルを備え、
ｐを３からｎまでの整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部に設けられた第ｐ測定室に配設された第ｐ測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、前記被測定ガス中の酸素の汲み出しを行うよう構成されており、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが前記第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成されている、
センサ素子。

【請求項8】

請求項７に記載のセンサ素子と、
第１～第ｎ測定モードを有しており、ｑを１からｎまでの整数として、第ｑ測定モードは、第ｑ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第ｑ測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出するモードである、特定ガス濃度検出手段と、
を備えたガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサ素子及びガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出する限界電流式のガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層の積層体と、積層体の内部空所の酸素分圧調整用の電気化学的ポンプセルを構成するポンプ電極と、積層体の内部に配設された測定電極と、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、ポンプ電極を用いて内部空所における被測定ガスの酸素濃度を調整する。次に、酸素濃度が調整された後の被測定ガス中のＮＯｘが測定電極の周囲で還元される。そして、測定電極の周囲の酸素を汲み出した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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５３２３７５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、１つのガスセンサがＮＯｘの濃度を精度良く測定可能な範囲には、限界があった。例えば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が高すぎると、ポンプ電流Ｉｐ２が限界電流にならなくなり、ＮＯｘ濃度を正しく測定できなくなる。また、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が低すぎると、ポンプ電流Ｉｐ２が小さすぎるため、誤差などの影響を受けて測定精度が低下する。そのため、より広い範囲でＮＯｘ濃度を測定できるガスセンサが望まれていた。

【0005】

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、広い範囲の特定ガス濃度を精度良く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】

【0006】

本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本発明の第１のセンサ素子は、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの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、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた第１測定室に配設された第１測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、前記特定ガスに由来して前記第１測定室で発生する酸素の汲み出しを行うための第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた第２測定室に配設された第２測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有し、前記特定ガスに由来して前記第２測定室で発生する酸素の汲み出しを行うための第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが前記酸素濃度調整室及び第１測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成されている、
ものである。

【0008】

この第１のセンサ素子では、被測定ガス流通部が、被測定ガスが酸素濃度調整室及び第１測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから第１測定室に到達し、被測定ガスが第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから第２測定室に到達するように構成されている。言い換えると、第１測定電極用拡散律速部と第２測定電極用拡散律速部とが直列に配置されている。そのため、センサ素子の外部から第１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ₁よりも、センサ素子の外部から第２測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第２拡散抵抗Ｒ₂の方が高くなるように構成されている。これにより、第１測定用ポンプセルよりも第２測定用ポンプセルの方が、被測定ガス中の特定ガスがより高濃度であっても、酸素を汲み出す際の電流を限界電流にすることができる。すなわち、第２測定用ポンプセルは、第１測定用ポンプセルと比べて、特定ガスが高濃度の場合の特定ガス濃度の検出に適している。逆に、第１測定用ポンプセルは、第２測定用ポンプセルと比べて、特定ガスが低濃度の場合であっても比較的大きい限界電流を流すことができるから、低濃度の特定ガス濃度の検出に適している。したがって、この第１のセンサ素子では、第１測定用ポンプセルと第２測定用ポンプセルとを使い分けることで、例えばこれらのうち一方の測定用ポンプセルしか備えないセンサ素子と比較して、低濃度から高濃度までの広い範囲の特定ガス濃度を精度良く検出できる。

【0009】

本発明の第１のセンサ素子は、前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触する基準電極、を備えていてもよい。

【0010】

本発明の第１のセンサ素子において、前記第１測定電極用拡散律速部は、スリット状の隙間又は多孔質体であり、前記第２測定電極用拡散律速部は、スリット状の隙間又は多孔質体であってもよい。

【0011】

本発明の第１のセンサ素子は、ｎを３以上の整数として、前記第１測定用ポンプセル及び前記第２測定用ポンプセルを含む、第１～第ｎ測定用ポンプセルを備え、ｐを３からｎまでの整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた第ｐ測定室に配設された第ｐ測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、前記特定ガスに由来して前記第ｐ測定室で発生する酸素の汲み出しを行うよう構成されており、前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが前記第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第ｐ測定室に到達するように構成されていてもよい。こうすることで、センサ素子の外部から第ｐ測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第ｐ拡散抵抗Ｒ_pとすると、第ｐ－１拡散抵抗Ｒ_p-1よりも第ｐ拡散抵抗Ｒ_pの方が高くなる、すなわちＲ₁＜Ｒ₂＜・・・Ｒ_n-1＜Ｒ_nとなる。そのため、第１～第ｎ測定用ポンプセルを使い分けることで、第１，第２測定用ポンプセルしか備えないセンサ素子と比較して、特定ガス濃度を精度良く検出できる範囲（特定ガス濃度の検出範囲）をさらに広げることができる。

【0012】

この場合において、ｋを１からｎ－１までの整数として、外部から前記第ｋ測定電極までの前記被測定ガスの経路の拡散抵抗である第ｋ拡散抵抗Ｒ_kと、外部から前記第ｋ＋１測定電極までの前記被測定ガスの経路の拡散抵抗である第ｋ＋１拡散抵抗Ｒ_k+1と、の比Ｒ_k+1／Ｒ_kが、１超過１００以下であってもよい。すなわち、第１～第ｎ測定電極の各々について、隣接する測定電極間での外部から測定電極までの拡散抵抗の比が、１超過１００以下であってもよい。なお、ｎが３以上の場合に限らず、ｎが２の場合にもこの関係が成り立っていてもよい。すなわち、センサ素子が測定用ポンプセルとして第１，第２測定用ポンプセルのみを備える場合に、Ｒ₂／Ｒ₁が１超過１００以下であってもよい。

【0013】

本発明の第１のガスセンサは、上述したいずれかの態様の第１のセンサ素子と、前記第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第１測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する低濃度測定モードと、前記第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第２測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する高濃度測定モードと、を有する特定ガス濃度検出手段と、を備えたものである。このガスセンサは、低濃度測定モードでは第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するから、低濃度の特定ガス濃度を精度良く検出できる。また、高濃度測定モードでは第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するから、高濃度の特定ガス濃度を精度良く検出できる。

【0014】

本発明の第１のガスセンサにおいて、前記特定ガス濃度検出手段は、前記低濃度測定モードにおいて前記第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度が所定の高濃度領域に含まれると判定した場合には前記高濃度測定モードへの切り替えを行い、前記高濃度測定モードにおいて前記第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度が所定の低濃度領域に含まれると判定した場合には前記低濃度測定モードへの切り替えを行ってもよい。こうすれば、ポンプ電流に基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを適切に行うことができる。

【0015】

この場合において、前記ガスセンサは、前記基準電極と前記第１測定電極との間の第１測定用電圧を検出する第１測定用電圧検出手段と、前記基準電極と前記第２測定電極との間の第２測定用電圧を検出する第２測定用電圧検出手段と、を備えていてもよい。また、前記特定ガス濃度検出手段は、前記低濃度測定モードでは前記第１測定用電圧に基づいて前記第１測定用ポンプセルを制御し、前記高濃度測定モードでは前記第２測定用電圧に基づいて前記第２測定用ポンプセルを制御してもよい。あるいは、前記低濃度測定モードでは前記第１測定用電圧及び前記第２測定用電圧の平均値に基づいて前記第１測定用ポンプセルを制御し、前記高濃度測定モードでは前記第２測定用電圧に基づいて前記第２測定用ポンプセルを制御してもよい。

【0016】

本発明の第２のセンサ素子は、
被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出するためのセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの第１測定室に配設された第１測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第１外側測定電極と、を有し、前記被測定ガス中の酸素の汲み出しを行うための第１測定用ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの第２測定室に配設された第２測定電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に設けられた第２外側測定電極と、を有し、前記被測定ガス中の酸素の汲み出しを行うための第２測定用ポンプセルと、
を備え、
前記被測定ガス流通部は、前記被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部を通過してから前記第１測定室に到達し、前記被測定ガスが前記第１測定室及び第２測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから前記第２測定室に到達するように構成されている、
ものである。

【0017】

この第２のセンサ素子は、特定ガス濃度としての酸素濃度を検出するためのセンサ素子である。この第２のセンサ素子は、上述した第１のセンサ素子と同様に、センサ素子の外部から第１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ₁よりも、センサ素子の外部から第２測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第２拡散抵抗Ｒ₂の方が高くなるように構成されている。したがって、この第２のセンサ素子においても、第１測定用ポンプセルと第２測定用ポンプセルとを使い分けることで、例えばこれらのうち一方の測定用ポンプセルしか備えないセンサ素子と比較して、低濃度から高濃度までの広い範囲の特定ガス濃度を精度良く検出できる。

【0018】

本発明の第２のガスセンサは、上述した第２のセンサ素子と、前記第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第１測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する低濃度測定モードと、前記第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように該第２測定用ポンプセルを制御し該ポンプ電流の値に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する高濃度測定モードと、を有する特定ガス濃度検出手段と、を備えたものである。この第２のガスセンサは、上述した第１のガスセンサと同様に、低濃度測定モードでは第１測定用ポンプセルに流れるポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するから、低濃度の特定ガス濃度を精度良く検出できる。また、高濃度測定モードでは第２測定用ポンプセルに流れるポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するから、高濃度の特定ガス濃度を精度良く検出できる。

【0019】

本発明の第２のセンサ素子において、上述した本発明の第１のセンサ素子の種々の態様と同様の態様を採用してもよいし、上述した本発明の第１のセンサ素子と同様の構成を追加してもよい。本発明の第２のガスセンサにおいて、上述した本発明の第１のガスセンサの種々の態様と同様の態様を採用してもよいし、上述した本発明の第１のガスセンサと同様の構成を追加してもよい。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。

【図2】被測定ガス流通部の断面模式図。

【図3】制御装置９０と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。

【図4】第１測定用ポンプセル４１ａのＶ－Ｉ特性の一例を示す説明図。

【図5】ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの対応関係の一例を示す説明図。

【図6】第２測定用ポンプセル４１ｂのＶ－Ｉ特性の一例を示す説明図。

【図7】ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの対応関係の一例を示す説明図。

【図8】濃度検出処理ルーチンの一例を示すフローチャート。

【図9】変形例の被測定ガス流通部の断面模式図。

【図10】変形例の第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の断面模式図。

【図11】変形例の第５拡散律速部６２の断面模式図。

【図12】変形例の第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５の断面模式図。

【図13】変形例の第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５の断面模式図。

【図14】変形例のガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。

【図15】変形例の第５拡散律速部６２の断面模式図。

【図16】変形例の第５拡散律速部６２の断面模式図。

【図17】変形例の第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の断面模式図。

【発明を実施するための形態】

【0021】

次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、被測定ガス流通部の断面模式図である。図３は、制御装置９０と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。図２は、センサ素子１０１のスペーサ層５を前後左右方向に沿って切断した部分断面を示している。このガスセンサ１００は、例えば内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられている。ガスセンサ１００は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中のＮＯｘやアンモニアなどの特定ガスの濃度を検出する。本実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。ガスセンサ１００は、長尺な直方体形状をしたセンサ素子１０１と、センサ素子１０１が備える各セル２１，４１ａ，４１ｂ，５０，８０，８１，８２ａ，８２ｂ，８３と、可変電源２４，４６，５２，切替スイッチ８５，８６を有しガスセンサ１００全体を制御する制御装置９０と、を備えている。

【0022】

センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図１で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

【0023】

センサ素子１０１の先端部側（図１の左端部側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１と、第５拡散律速部６２と、第４内部空所６３とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

【0024】

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０と、第３内部空所６１と、第４内部空所６３とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

【0025】

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図１の紙面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる（図２も参照）。また、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２は、第２固体電解質層６の下面との隙間として形成された１本の横長の（図１の紙面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる（図２も参照）。なお、ガス導入口１０から第４内部空所６３に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。

【0026】

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。

【0027】

大気導入層４８は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

【0028】

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内，第２内部空所４０内，第３内部空所６１内，及び第４内部空所６３内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極４２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部２２ｃ（図２参照）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部２２ｃの配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部５１ｃ（図２参照）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その電圧Ｖ０の上述した目標値が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。第１内部空所２０及び第２内部空所４０は酸素濃度調整室の一例であり、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０は調整用ポンプセルの一例である。

【0044】

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。

【0045】

第３内部空所６１は、あらかじめ第２内部空所４０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。第４内部空所６３は、あらかじめ第２内部空所４０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所６１における第１測定用ポンプセル４１ａの動作と、第４内部空所６３における第２測定用ポンプセル４１ｂの動作と、のいずれかにより行われる。詳細は後述するが、第１測定用ポンプセル４１ａは比較的低濃度のＮＯｘ濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセル４１ｂは比較的高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適している。第４拡散律速部６０は第１測定電極用拡散律速部の一例であり、第５拡散律速部６２は第２測定電極用拡散律速部の一例である。第３内部空所６１は第１測定室の一例であり、第４内部空所６３は第２測定室の一例である。

【0046】

第１測定用ポンプセル４１ａは、第３内部空所６１内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。第１測定用ポンプセル４１ａは、第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた第１測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。第２測定用ポンプセル４１ｂは、第４内部空所６３内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。第２測定用ポンプセル４１ｂは、第４内部空所６３に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた第２測定電極４５と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。第１測定電極４４及び第２測定電極４５は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極２２よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。第１測定電極４４は、第３内部空所６１内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。第２測定電極４５は、第４内部空所６３内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。

【0047】

第１測定用ポンプセル４１ａにおいては、第１測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２ａとして検出することができる。第２測定用ポンプセル４１ｂにおいては、第２測定電極４５の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２ｂとして検出することができる。

【0048】

また、第１測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、第１測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａが構成されている。同様に、第２測定電極４５の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、第２測定電極４５と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂが構成されている。第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａにて検出された起電力（電圧Ｖ２ａ）と、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂにて検出された起電力（電圧Ｖ２ｂ）と、の一方に基づいて可変電源４６が制御される。

【0049】

第１測定用ポンプセル４１ａを用いる場合について説明する。第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部６０を通じて第３内部空所６１内の第１測定電極４４に到達することとなる。第１測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は第１測定用ポンプセル４１ａによってポンピングされることとなるが、その際、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａにて検出された電圧Ｖ２ａが一定（目標値）となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。第１測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、第１測定用ポンプセル４１ａにおけるポンプ電流Ｉｐ２ａを用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

【0050】

第２測定用ポンプセル４１ｂを用いる場合も、上記と同様である。すなわち、まず、第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２を通じて第４内部空所６３内の第２測定電極４５に到達する。第２測定電極４５の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は第２測定用ポンプセル４１ｂによってポンピングされることとなるが、その際、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂにて検出された電圧Ｖ２ｂが一定（目標値）となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。第２測定電極４５の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、第２測定用ポンプセル４１ｂにおけるポンプ電流Ｉｐ２ｂを用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

【0051】

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。

【0052】

このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂに与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が第１測定用ポンプセル４１ａ又は第２測定用ポンプセル４１ｂにより汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ又はポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

圧力放散孔７５は、第３基板層３及び大気導入層４８を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。

【0059】

制御装置９０は、上述した可変電源２４，４６，５２と、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂのいずれが制御されるかを切り替えるための切替スイッチ８５，８６と、制御部９１と、を備えている。制御部９１は、ＣＰＵ９２，図示しないＲＡＭ，及び記憶部９４などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部９４は、例えばＲＯＭなどの不揮発性メモリであり、各種データを記憶する装置である。制御部９１は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される電圧Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される電圧Ｖ１、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を入力する。また、制御部９１は可変電源２４，５２へ制御信号を出力することで可変電源２４，５２が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１を制御し、これにより、主ポンプセル２１，及び補助ポンプセル５０を制御する。制御部９１は、切替スイッチ８５により回路の電気的な接続を切り替えることで、第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａにて検出される電圧Ｖ２ａと、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂにて検出される電圧Ｖ２ｂと、の一方を選択的に入力する。また、制御部９１は、切替スイッチ８６により回路の電気的な接続を切り替えることで、第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとのいずれを制御対象とするかを選択的に切り替える。具体的には、制御部９１は、切替スイッチ８６を切り替えることで、可変電源４６の電圧Ｖｐ２が第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとのいずれに印加されるかを切り替えると共に、第１測定用ポンプセル４１ａに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａと第２測定用ポンプセル４１ｂに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂとのいずれを入力するかを切り替える。記憶部９４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９１のＣＰＵ９２は、これらの目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊を参照して、各セル２１，４１ａ，４１ｂ，５０の制御を行う。ＣＰＵ９２は、ヒータ７２の制御も行う。

【0060】

制御部９１は、電圧Ｖ０が目標値（目標値Ｖ０＊と称する）となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源２４の電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。

【0061】

また、制御部９１は、電圧Ｖ１が一定値（目標値Ｖ１＊と称する）となるように（つまり第２内部空所４０の酸素濃度がＮＯｘの測定に実質的に影響がない所定の低酸素濃度となるように）可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。これとともに、制御部９１は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定値（目標値Ｉｐ１＊と称する）となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）する。これにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。また、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧が、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御される。目標値Ｖ０＊は、第１内部空所２０の酸素濃度が０％よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。

【0062】

制御部９１は、比較的ＮＯｘ濃度が低い被測定ガスに適した測定モードである低濃度測定モードと、比較的ＮＯｘ濃度が高い被測定ガスに適した測定モードである高濃度測定モードと、を有している。

【0063】

低濃度測定モードでは、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御し、そのときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａの値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。具体的には、制御部９１は、まず、電圧Ｖ２ａが一定値（目標値Ｖ２＊と称する）となるように（つまり第３内部空所６１内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する。目標値Ｖ２＊は、フィードバック制御された電圧Ｖｐ２によって流れるポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるような値として、予め定められている。ポンプ電流Ｉｐ２ａが流れることにより、被測定ガス中のＮＯｘが第３内部空所６１で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第３内部空所６１内から酸素が汲み出される。そして、制御部９１は、特定ガス（ここではＮＯｘ）に由来して第３内部空所６１で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ｉｐ２ａを取得し、このポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。本実施形態では、記憶部９４に予めポンプ電流Ｉｐ２ａとＮＯｘ濃度との対応関係を表す第１対応関係９５が記憶されており、制御部９１は取得したポンプ電流Ｉｐ２ａと第１対応関係９５とに基づいて、ＮＯｘ濃度を算出する。第１対応関係９５は、関係式（例えば一次関数の式）やマップなどのデータである。

【0064】

高濃度測定モードでは、制御部９１は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御し、そのときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂの値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。高濃度測定モードでは、制御部９１は、電圧Ｖ２ｂに基づいて第２測定用ポンプセル４１ｂを制御する点以外は、低濃度測定モードと同様の制御を行う。具体的には、制御部９１は、まず、電圧Ｖ２ｂが一定値（目標値Ｖ２＊）となるように（つまり第４内部空所６３内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する。目標値Ｖ２＊は、フィードバック制御された電圧Ｖｐ２によって流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるような値として、予め定められている。高濃度測定モードにおける目標値Ｖ２＊は、低濃度測定モードにおける目標値Ｖ２＊と同じ値とした。ただし、高濃度測定モードと低濃度測定モードとで目標値Ｖ２＊が互いに異なる値であってもよい。ポンプ電流Ｉｐ２ｂが流れることにより、被測定ガス中のＮＯｘが第４内部空所６３で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第４内部空所６３内から酸素が汲み出される。そして、制御部９１は、特定ガス（ここではＮＯｘ）に由来して第４内部空所６３で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ｉｐ２ｂを取得し、このポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。本実施形態では、記憶部９４に予めポンプ電流Ｉｐ２ｂとＮＯｘ濃度との対応関係を表す第２対応関係９６が記憶されており、制御部９１は取得したポンプ電流Ｉｐ２ｂと第２対応関係９６とに基づいて、ＮＯｘ濃度を算出する。第２対応関係９６は、関係式（例えば一次関数の式）やマップなどのデータである。

【0065】

このように、センサ素子１０１内に導入された被測定ガス中の特定ガスに由来する酸素の汲み出しを行い、酸素を汲み出す際に流れる限界電流（ここではポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂ）に基づいて特定ガス濃度を検出する方式を、限界電流方式と称する。

【0066】

ここで、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂの動作特性について説明する。図４は第１測定用ポンプセル４１ａにおける電圧Ｖｐ２とポンプ電流Ｉｐ２ａとの関係（Ｖ－Ｉ特性）の一例を示す説明図、図５はＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの対応関係の一例を示す説明図である。図６は第２測定用ポンプセル４１ｂにおける電圧Ｖｐ２とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの関係（Ｖ－Ｉ特性）の一例を示す説明図、図７はＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの対応関係の一例を示す説明図である。図５は、電圧Ｖｐ２が値Ａ（図４参照）である場合のＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの関係を示している。図７は、電圧Ｖｐ２が値Ｂ（図６参照）である場合のＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの関係を示している。

【0067】

図４に示すように、第１測定用ポンプセル４１ａは、電圧Ｖｐ２が低い領域では、電圧Ｖｐ２の増加に伴ってポンプ電流Ｉｐ２ａが増加していく。電圧Ｖｐ２がある程度高い領域では、被測定ガス流通部が有する拡散抵抗の影響で、電圧Ｖｐ２が変化してもポンプ電流Ｉｐ２ａの増加は緩やかになり、ポンプ電流Ｉｐ２ａがほぼ一定の値になる。すなわちポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になる。この領域はプラトー領域と呼ばれる。プラトー領域よりもさらに電圧Ｖｐ２が高い領域では、例えば被測定ガス中に水分があればそれが分解されて酸素が発生するため、再び電圧Ｖｐ２の増加に伴ってポンプ電流Ｉｐ２ａが増加するようになる。また、限界電流の値は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が高いほど大きくなる。例えば図４における限界電流（ポンプ電流Ｉｐ２ａ）の値は、ＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍの場合は約１μＡであり、２５００ｐｐｍの場合は約５μＡである。そのため、例えば目標値Ｖ２＊に基づいて電圧Ｖｐ２が図４に示す値Ａとなるように制御されていた場合、図５に示すようにＮＯｘ濃度が２５００ｐｐｍ以下の範囲ではＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在する。この直線的な関係を利用して、ポンプ電流Ｉｐ２ａの値からＮＯｘ濃度を算出することができる。上述した第１対応関係９５は、このような直線的な関係を表すデータとして、予め実験などにより定められている。

【0068】

ただし、図４からわかるように、ＮＯｘ濃度が高くなるにつれてプラトー領域の幅は狭くなっていき、ＮＯｘ濃度が高すぎるとプラトー領域がほとんど存在しなくなる。すなわちポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流にならなくなる。例えば、図４の例ではＮＯｘ濃度が３０００ｐｐｍ以上の場合には、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流にならない。そのため、図５に示すように、ＮＯｘ濃度が２５００ｐｐｍを超えると、ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの直線的な関係が崩れてくる。したがって、ＮＯｘ濃度が２５００ｐｐｍを超えると、第１測定用ポンプセル４１ａを用いたＮＯｘ濃度の測定が正しく行えなくなる。ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の範囲は、センサ素子１０１の外部から第１測定電極４４までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ₁によって変化する。第１拡散抵抗Ｒ₁が大きいほど、ＮＯｘ濃度が高くても単位時間あたりに第３内部空所６１内に流入するＮＯｘの量は少なくなることから、ＮＯｘに由来する酸素を実質的にゼロとなるように第１測定用ポンプセル４１ａが酸素を汲み出しやすくなる。そのため、第１拡散抵抗Ｒ₁が大きいほど、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の上限が大きくなる。図４の例では、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の上限は２５００ｐｐｍである。本実施形態では、第１拡散抵抗Ｒ₁の値は、センサ素子１０１の外部から第１測定電極４４までの被測定ガスの経路中に直列に存在する第１拡散律速部１１，第２拡散律速部１３，第３拡散律速部３０，及び第４拡散律速部６０の各々の拡散抵抗の合成抵抗によって主に定まる。

【0069】

これに対し、第２測定用ポンプセル４１ｂに関して、センサ素子１０１の外部から第２測定電極４５までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第２拡散抵抗Ｒ₂とする。本実施形態では、被測定ガスが、第１測定電極４４の配置された第３内部空所６１に到達した後に、第３内部空所６１及び第５拡散律速部６２をこの順に通過してから第２測定電極４５の配置された第４内部空所６３に到達するように、被測定ガス流通部が構成されている。そのため、第２拡散抵抗Ｒ₂は、第４拡散律速部６０に直列に接続された第５拡散律速部６２の拡散抵抗が存在することで、第１拡散抵抗Ｒ₁よりも大きい値になっている。したがって、第２測定用ポンプセル４１ｂは、第１測定用ポンプセル４１ａと比べて、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流になるようなＮＯｘ濃度の上限が大きくなっている。言い換えると、第１測定用ポンプセル４１ａよりも第２測定用ポンプセル４１ｂの方が、被測定ガス中のＮＯｘがより高濃度であっても、酸素を汲み出す際のポンプ電流を限界電流にすることができる。本実施形態では、図６，７に示すように、第２測定用ポンプセル４１ｂはＮＯｘ濃度が１００００ｐｐｍ以下の範囲において、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流になり、ＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ｂとの間に直線的な関係が存在する。そのため、第２測定用ポンプセル４１ｂは、第１測定用ポンプセル４１ａではＮＯｘ濃度を正しく測定できない２５００ｐｐｍ超過１００００ｐｐｍ以下の範囲であっても、ＮＯｘ濃度を精度良く測定でき、ＮＯｘが高濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適している。上述した第２対応関係９６は、このような図７に示す直線的な関係を表すデータとして、予め実験などにより定められている。

【0070】

一方、ＮＯｘ濃度が低いほど限界電流の値が小さくなる傾向にあるから、限界電流の値が小さすぎると誤差などの影響を受けて測定精度が低下しやすい。そのため、例えば図７からわかるように第２測定用ポンプセル４１ｂではＮＯｘ濃度が２０００ｐｐｍ未満の場合にはポンプ電流Ｉｐ２ｂが１μＡ未満という小さい値になり、測定精度が低下しやすい。これに対し、第１測定用ポンプセル４１ａは、第２測定用ポンプセル４１ｂと比べて、ＮＯｘが低濃度の場合であっても比較的大きい限界電流を流すことができる。例えば、第１測定用ポンプセル４１ａは、図５からわかるようにＮＯｘ濃度が５００ｐｐｍ以上であれば１μＡ以上のポンプ電流Ｉｐ２ａを流すことができる。そのため、第１測定用ポンプセル４１ａは、第２測定用ポンプセル４１ｂではＮＯｘ濃度を精度良く測定できない５００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ未満の範囲であっても、ＮＯｘ濃度を精度良く測定でき、ＮＯｘが低濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適している。

【0071】

以上のように、第１測定用ポンプセル４１ａは、５００ｐｐｍ以上２５００ｐｐｍ以下という比較的低濃度のＮＯｘ濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセル４１ｂは２０００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下という比較的高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適している。そのため、本実施形態のセンサ素子１０１は、両者を使い分けることで、例えば第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂのうち一方しか備えないセンサ素子と比較して、低濃度から高濃度までの広い範囲（ここでは５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下）のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。

【0072】

なお、図４～７に示したＮＯｘ濃度やポンプ電流の値は例示であり、第１拡散抵抗Ｒ₁及び第２拡散抵抗Ｒ₂を調整することで、センサ素子１０１を任意の範囲のＮＯｘ濃度に対応させることができる。例えば、第１拡散律速部１１，第２拡散律速部１３，第３拡散律速部３０，及び第４拡散律速部６０の少なくともいずれかの拡散抵抗を高くすることで、第１拡散抵抗Ｒ₁及び第２拡散抵抗Ｒ₂を共に高くすることができる。第５拡散律速部６２の拡散抵抗を高くすることで、第２拡散抵抗Ｒ₂のみを高くすることができる。本実施形態の第１～第５拡散律速部１１，１３，３０，６０，６２はいずれもスリットであるため、例えばスリットの流路断面積や流路長さを調整することで、拡散抵抗を調整できる。第１測定用ポンプセル４１ａにおいてＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在するＮＯｘ濃度の範囲（ここでは２５００ｐｐｍ以下）と、第２測定用ポンプセル４１ｂにおいて限界電流の値が小さすぎない範囲（例えば１μＡ以上の範囲）に対応するＮＯｘ濃度の範囲（ここでは２０００ｐｐｍ以上）とが、少なくとも一部重複するように、第１～第５拡散律速部１１，１３，３０，６０，６２の拡散抵抗を調整することが好ましい。比Ｒ₂／Ｒ₁が１超過１００以下であってもよい。比Ｒ₂／Ｒ₁は、第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとの限界電流の比から算出できる。具体的には、まず、既知のＮＯｘ濃度のモデルガスを用いて、ポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御したときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ（すなわち上述した低濃度測定モードでのポンプ電流Ｉｐ２ａ）の値を測定する。同様に、同じモデルガスを用いて、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御したときに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂ（すなわち上述した高濃度測定モードでのポンプ電流Ｉｐ２ｂ）の値を測定する。そして、限界電流は拡散抵抗の逆数に比例するから、限界電流の比Ｉｐ２ａ／Ｉｐ２ｂは、拡散抵抗の比Ｒ₂／Ｒ₁に等しい。そこで、測定した値に基づく比Ｉｐ２ａ／Ｉｐ２ｂの値を、比Ｒ₂／Ｒ₁の値とする。これにより比Ｒ₂／Ｒ₁を算出できる。

【0073】

こうして構成されたガスセンサ１００の使用例を以下に説明する。図８は、濃度検出処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、記憶部９４に記憶され、例えば制御装置９０の電源がオンされると開始される。

【0074】

濃度検出処理ルーチンが開始されると、制御部９１のＣＰＵ９２は、まず、ヒータ７２に通電してヒータ７２の制御を開始し（ステップＳ１００）、センサ素子１０１を固体電解質が活性化する温度（例えば８００℃）に維持する。続いて、ＣＰＵ９２は、主ポンプセル２１の制御を開始する（ステップＳ１１０）と共に、補助ポンプセル５０の制御を開始する（ステップＳ１２０）。すなわち、ＣＰＵ９２は、上述した目標値Ｉｐ１＊及び目標値Ｖ０＊に基づくフィードバック制御を行って主ポンプセル２１を制御し、上述した目標値Ｖ１＊に基づくフィードバック制御を行って補助ポンプセル５０を制御する。ステップＳ１１０，Ｓ１２０は、いずれが先に行われてもよいし、同時に行われてもよい。ここで、被測定ガスは、ガス導入口１０から第１拡散律速部１１，緩衝空間１２，第２拡散律速部１３，第１内部空所２０，第３拡散律速部３０，第２内部空所４０，及び第４拡散律速部６０をこの順に通過してから第３内部空所６１に到達する。そして、被測定ガスは、第１内部空所２０及び第２内部空所４０において酸素濃度が調整されてから、第３内部空所６１及びその下流の第４内部空所６３に到達する。

【0075】

次に、ＣＰＵ９２は、低濃度測定モードに切り替える（ステップＳ１３０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、切替スイッチ８５を切り替えて第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａからの電圧Ｖ２ａを入力できる状態にし、切替スイッチ８６を切り替えて第１測定用ポンプセル４１ａを制御対象とする。これにより、ＣＰＵ９２は、上述した目標値Ｖ２＊に基づくフィードバック制御を行ってポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流となるように第１測定用ポンプセル４１ａを制御する。この低濃度測定モードの状態では、第２測定用ポンプセル４１ｂはポンプ電流Ｉｐ２ｂを流さない。すなわち第２測定用ポンプセル４１ｂによる第４内部空所６３内の酸素の汲み出しは行われない。そして、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａと第１対応関係９５とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の導出を行う（ステップＳ１４０）。こうして、低濃度測定モードでのＮＯｘ濃度の測定が行われる。

【0076】

ステップＳ１４０の後、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の高濃度領域に含まれるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが所定の閾値Ｉｐｒｅｆ１を超えているか否かを判定する。閾値Ｉｐｒｅｆ１は、ポンプ電流Ｉｐ２ａが小さくＮＯｘ濃度が低濃度であるとみなせる範囲、すなわち低濃度測定モードでの測定に適しているとみなせる範囲の上限値として、予め定められている。閾値Ｉｐｒｅｆ１は、例えば第１測定用ポンプセル４１ａにおいてＮＯｘ濃度とポンプ電流Ｉｐ２ａとの間に直線的な関係が存在する範囲の上限（ここでは５μＡ）、又はマージンを設けてその上限よりも少し低い値に設定しておく。本実施形態では、Ｉｐｒｅｆ１は、値４．８μＡ（ＮＯｘ濃度が２４００ｐｐｍに相当する値）とした。ステップＳ１５０でポンプ電流Ｉｐ２ａが閾値Ｉｐｒｅｆ１以下である場合には、ＣＰＵ９２はステップＳ１４０以降の処理を行う。すなわち、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて、ＮＯｘ濃度が高濃度領域に含まれない、すなわちＮＯｘ濃度が低濃度であるとみなせる場合は、引き続き低濃度測定モードでＮＯｘ濃度を測定する。

【0077】

一方、ステップＳ１５０でポンプ電流Ｉｐ２ａが閾値Ｉｐｒｅｆ１を超えていた場合には、ＣＰＵ９２は、高濃度測定モードに切り替える（ステップＳ２３０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、切替スイッチ８５を切り替えて第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂからの電圧Ｖ２ｂを入力できる状態にし、切替スイッチ８６を切り替えて第２測定用ポンプセル４１ｂを制御対象とする。これにより、ＣＰＵ９２は、上述した目標値Ｖ２＊に基づくフィードバック制御を行ってポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流となるように第２測定用ポンプセル４１ｂを制御する。この高濃度測定モードの状態では、第１測定用ポンプセル４１ａはポンプ電流Ｉｐ２ａを流さない。すなわち第１測定用ポンプセル４１ａによる第３内部空所６１内の酸素の汲み出しは行われない。そして、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂと第２対応関係９６とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の導出を行う（ステップＳ２４０）。こうして、高濃度測定モードでのＮＯｘ濃度の測定が行われる。

【0078】

ステップＳ２４０の後、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の低濃度領域に含まれるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが所定の閾値Ｉｐｒｅｆ２未満であるか否かを判定する。閾値Ｉｐｒｅｆ２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂが大きくＮＯｘ濃度が高濃度であるとみなせる範囲、すなわち高濃度測定モードでの測定に適しているとみなせる範囲の下限値として、予め定められている。閾値Ｉｐｒｅｆ２は、例えば第２測定用ポンプセル４１ｂにおいて誤差などの影響よる測定精度の低下が問題にならないポンプ電流Ｉｐ２ｂの範囲の下限（ここでは１μＡ）又はマージンを設けてその下限よりも少し大きい値に設定しておく。また、低濃度測定モードと高濃度測定モードとが頻繁に切り替わることを防ぐため、Ｉｐｒｅｆ２に対応するＮＯｘ濃度がＩｐｒｅｆ１に対応するＮＯｘ濃度よりも小さい値になるようにＩｐｒｅｆ２を設定しておくことが好ましい。すなわち、Ｉｐｒｅｆ１に対応するＮＯｘ濃度とＩｐｒｅｆ２に対応するＮＯｘ濃度との間にヒステリシスを設けるようにすることが好ましい。本実施形態では、これらを考慮して、Ｉｐｒｅｆ２は、値１．０５μＡ（ＮＯｘ濃度が２１００ｐｐｍに相当する値）とした。ステップＳ２５０でポンプ電流Ｉｐ２ｂが閾値Ｉｐｒｅｆ２以上である場合には、ＣＰＵ９２はステップＳ２４０以降の処理を実行する。すなわち、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて、ＮＯｘ濃度が低濃度領域に含まれない、すなわちＮＯｘ濃度が高濃度であるとみなせる場合は、引き続き高濃度測定モードでＮＯｘ濃度を測定する。一方、ステップＳ２５０でポンプ電流Ｉｐ２ｂが閾値Ｉｐｒｅｆ２未満であった場合には、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１３０以降の処理を行う。すなわち、ＣＰＵ９２は低濃度測定モードに切り替えてＮＯｘ濃度の測定を行う。

【0079】

このように、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとのいずれを用いるかの判定を伴ってＮＯｘ濃度の検出を行う。そのため、低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを適切に行って、低濃度から高濃度までの広い範囲（例えば本実施形態では５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下）の特定ガス濃度を精度良く検出できる。

【0080】

なお、ステップＳ１３０において高濃度測定モードから低濃度測定モードへの切り替えを行った直後には、ポンプ電流Ｉｐ２ａの値が安定しない場合があるため、ＣＰＵ９２は所定の待ち時間が経過してからステップＳ１４０を行ってもよい。ステップＳ２３０が行われた直後についても同様である。

【0081】

また、被測定ガスは第４内部空所６３に到達する前に第３内部空所６１を通過するから、高濃度測定モードにおいて、第２測定電極４５だけでなく第１測定電極４４の周囲でＮＯｘが還元して酸素が発生する場合がある。しかし、高濃度測定モードでは、第１測定用ポンプセル４１ａによる酸素の汲み出しは行わないから、第１測定電極４４と第２測定電極４５とのいずれの周囲で発生した酸素も、第２測定用ポンプセル４１ｂによって汲み出される。そのため、第１測定電極４４の周囲で発生した酸素が存在しても、結局はＮＯｘに由来して発生する酸素の量がポンプ電流Ｉｐ２ｂと比例することになる。したがって、高濃度測定モードにおいて制御部９１はポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて問題なくＮＯｘ濃度を算出できる。

【0082】

なお、低濃度測定モードの場合は、被測定ガスが第４内部空所６３に到達する前に第３内部空所６１において第１測定電極４４の周囲でＮＯｘが還元して酸素が発生し、その酸素を第１測定用ポンプセル４１ａによって汲み出すことになる。そのため、被測定ガス中のＮＯｘは基本的には第２測定電極４５まで到達することはない。また、仮にＮＯｘが第２測定電極４５まで到達して第２測定電極４５の周囲でＮＯｘが還元して酸素が発生したとしても、低濃度測定モードでは第２測定用ポンプセル４１ｂによる酸素の汲み出しは行われず、第１測定用ポンプセル４１ａの動作によって第４内部空所６３よりも第３内部空所６１の方が酸素濃度が低くなっているから、第２測定電極４５の周囲で発生した酸素は拡散によって第３内部空所６１側に移動する。したがって、仮に第２測定電極４５の周囲で発生した酸素が存在しても、その酸素は第１測定用ポンプセル４１ａによって汲み出されるから、結局はＮＯｘに由来して発生する酸素の量がポンプ電流Ｉｐ２ａと比例することになる。したがって、低濃度測定モードにおいて制御部９１はポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて問題なくＮＯｘ濃度を算出できる。なお、低濃度測定モードの場合、切替スイッチ８５を省略して制御部９１が電圧Ｖ２ａと電圧Ｖ２ｂとを共に取得するようにして、電圧Ｖ２ａと電圧Ｖ２ｂとの平均値が目標値になるように、第１測定用ポンプセル４１ａを制御してもよい。こうすれば、第１測定電極４４の周囲だけでなく第２測定電極４５の周囲で発生した酸素が存在しても、制御装置９０はその酸素の量も加味して第１測定用ポンプセル４１ａを制御することができる。この場合も、制御部９１は低濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて問題なくＮＯｘ濃度を算出できる。

【0083】

ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１，第２基板層２，第３基板層３，第１固体電解質層４，スペーサ層５及び第２固体電解質層６が本発明の素子本体に相当し、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が酸素濃度調整室に相当し、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０が調整用ポンプセルに相当し、第３内部空所６１が第１測定室に相当し、第１測定電極４４が第１測定電極に相当し、第１測定用ポンプセル４１ａが第１測定用ポンプセルに相当し、第４内部空所６３が第２測定室に相当し、第２測定電極４５が第２測定電極に相当し、第２測定用ポンプセル４１ｂが第２測定用ポンプセルに相当し、外側ポンプ電極２３が第１外側測定電極及び第２外側測定電極に相当し、第４拡散律速部６０が第１測定電極用拡散律速部に相当し、第５拡散律速部６２が第２測定電極用拡散律速部に相当する。また、制御装置９０が特定ガス濃度検出手段に相当する。第１測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａが第１測定用電圧検出手段に相当し、第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ｂが第２測定用電圧検出手段に相当する。

【0084】

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１は第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを備えている。そして、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とが直列に配置されていることで、センサ素子１０１の外部から第１測定電極４４までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第１拡散抵抗Ｒ₁よりも、センサ素子１０１の外部から第２測定電極４５までの被測定ガスの経路の拡散抵抗である第２拡散抵抗Ｒ₂の方が高くなるように構成されている。これにより、第１測定用ポンプセル４１ａはＮＯｘが低濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適しており、第２測定用ポンプセル４１ｂはＮＯｘが高濃度の場合のＮＯｘ濃度の検出に適しているから、両者を使い分けることで広い範囲のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。具体的には、制御装置９０は、低濃度測定モードでは第１測定用ポンプセル４１ａに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａの値に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するから、低濃度のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。また、制御装置９０は、高濃度測定モードでは、第２測定用ポンプセル４１ｂに流れるポンプ電流Ｉｐ２ｂの値に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するから、高濃度のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。

【0085】

また、制御装置９０は、低濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の高濃度領域に含まれると判定した場合には高濃度測定モードへの切り替えを行い、高濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ｂに基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が所定の低濃度領域に含まれると判定した場合には低濃度測定モードへの切り替えを行う。そのため、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを適切に行うことができる。

【0086】

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。

【0087】

例えば、上述した実施形態では、第４拡散律速部６０，第３内部空所６１，第５拡散律速部６２，及び第４内部空所６３がこの順に前後方向に並べて配置されていたが、これに限られない。第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とが直列に配置されていればよい。例えば、図９に示すように、第３内部空所６１に対して第５拡散律速部６２及び第４内部空所６３がこの順に左右方向に配置されていてもよい。この場合でも、拡散抵抗Ｒ₁より拡散抵抗Ｒ₂の方が大きくなるから、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。なお、図９では、第３内部空所６１及び第４内部空所６３の左右方向の幅をそれぞれ図２の半分以下としている。主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０と比較すると、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂが汲み出す酸素の量は少ない。そのため、このように第３内部空所６１及び第４内部空所６３の容積を小さくして第１測定電極４４及び第２測定電極４５が小さくなっても、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂが汲み出す酸素の量が不十分になりにくい。

【0088】

上述した実施形態では、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２はスリット状の隙間として構成されていたが、これに限られない。例えば、図１０に示すように、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２を多孔質体（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス多孔質体）として構成してもよい。この場合、第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の各々について、気孔率や気孔径などを調整することで拡散抵抗を調整できる。第１～第３拡散律速部１１，１３，３０についても、同様に多孔質体として構成してもよい。

【0089】

第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２の少なくとも一方を多孔質体とする場合、その多孔質体が測定電極を被覆していてもよい。例えば、図１１に示すように、第５拡散律速部６２が第２測定電極４５を被覆するようにしてもよい。図１１では、第４内部空所６３が存在せず、第５拡散律速部６２は第３内部空所６１内に配置されている。この場合、第５拡散律速部６２の内側、言い換えると第２測定電極４５の周囲が、上述した実施形態の第４内部空所６３と同じく第２測定室として機能することになる。この図１１の場合でも、被測定ガス流通部は、被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部（ここでは第４拡散律速部６０），第１測定室（ここでは第３内部空所６１），及び第２測定電極用拡散律速部（ここでは第５拡散律速部６２）をこの順に通過してから第２測定室に到達するように構成されている。すなわち、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とは直列に配置されているから、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。

【0090】

また、図１１の例では第１測定電極４４と第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５とが共に第３内部空所６１に配設されているため、図１２のようにこれらの前後の位置を入れ替えてもよい。あるいは、図１３のように第１測定電極４４と第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５とを第３内部空所６１内に上下に配置してもよい。図１２，１３の態様でも、第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。

【0091】

上述した実施形態では、制御部９１は切替スイッチ８５により電圧Ｖ２ａと電圧Ｖ２ｂとを選択的に入力したが、切替スイッチ８５を省略して電圧Ｖ２ａと電圧Ｖ２ｂとをそれぞれ独立して入力してもよい。また、制御部９１は切替スイッチ８６により第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとのいずれを制御対象とするかを選択的に切り替えたが、切替スイッチ８６を省略して両者をそれぞれ独立して制御できるようにしてもよい。この場合、可変電源４６を２個設けて、第１測定用ポンプセル４１ａの制御と第２測定用ポンプセル４１ｂの制御とに１個ずつ使用すればよい。

【0092】

上述した実施形態では、センサ素子１０１は第１測定用ポンプセル４１ａと第２測定用ポンプセル４１ｂとの２つの測定用ポンプセルを備えていたが、合計３つ以上の測定用ポンプセルを備えていてもよい。例えば、センサ素子１０１が第４内部空所６３のさらに下流側に第３測定電極用拡散律速部と第３測定室とをこの順に備えるようにして、第３測定室に第３測定電極を配設してもよい。すなわち、一般化して表現すると、以下のようにしてもよい。センサ素子１０１は、ｎを３以上の整数として、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを含む、第１～第ｎ測定用ポンプセルを備えていてもよい。ｐを３からｎまでの整数として、第ｐ測定用ポンプセルは、被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室（上述した実施形態では第１内部空所２０及び第２内部空所４０）の下流側に設けられた第ｐ測定室に配設された第ｐ測定電極と、被測定ガスと接触するように素子本体（上述した実施形態では層１～６）の外側に設けられた第ｐ外側測定電極と、を有し、特定ガスに由来して第ｐ測定室で発生する酸素の汲み出しを行うよう構成されていてもよい。被測定ガス流通部は、被測定ガスが第ｐ－１測定室及び第ｐ測定電極用拡散律速部をこの順に通過してから第ｐ測定室に到達するように構成されていてもよい。こうすることで、第１～第ｎ測定電極用拡散律速部がこの順に直列に配置される。そのため、センサ素子１０１の外部から第ｐ測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗を第ｐ拡散抵抗Ｒ_pとすると、第ｐ－１拡散抵抗Ｒ_p-1よりも第ｐ拡散抵抗Ｒ_pの方が高くなる、すなわちＲ₁＜Ｒ₂＜・・・Ｒ_n-1＜Ｒ_nとなる。そのため、第１～第ｎ測定用ポンプセルを使い分けることで、第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂしか備えないセンサ素子１０１と比較して、特定ガス濃度を精度良く検出できる範囲（特定ガス濃度の検出範囲）をさらに広げることができる。ｎは、例えば５以下としてもよい。

【0093】

３つ以上の測定用ポンプセルを有するセンサ素子１０１を用いてＮＯｘ濃度を測定する場合、上述した実施形態と同様に、制御装置９０が複数のモードを使い分ければよい。具体的には、制御装置９０が、第１～第ｎ測定モードを有しており、ｑを１からｎまでの整数として、第ｑ測定モードは、第ｑ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流が限界電流となるように第ｑ測定用ポンプセルを制御しそのポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するモードとすればよい。この場合、ガスセンサ１００は、第１～第ｎ測定用ポンプセルの各々に対応して、第１，第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２ａ，８２ｂだけでなく、第３～第ｎ測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルも備えていてもよい。すなわち、ガスセンサ１００は、ｑを１からｎまでの整数として、基準電極４２と第ｑ測定電極との間の第ｑ測定用電圧を検出する第ｑ測定用電圧検出手段を備えていてもよい。また、制御装置９０は、第ｑ測定モードでは第ｑ測定用電圧に基づいて第ｑ測定用ポンプセルを制御してもよい。例えば、制御装置９０は第ｑ測定用電圧が目標値になるように第ｑ測定用ポンプセルに電圧を印加する可変電源をフィードバック制御して、第ｑ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流を制御してもよい。

【0094】

制御装置９０は、第１～第ｎ測定モードの切替を、例えば以下のように行ってもよい。すなわち、ｒを１からｎまでの整数として、制御装置９０は、第ｒ測定モードにおいて第ｒ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が第ｒ測定モードに対応して設定された所定の特定ガス濃度の領域である第ｒ領域の上限値を超えていると判定した場合には、第ｒ＋１測定モードに変更してもよい（ただしｒ＝ｎの場合を除く）。同様に、制御装置９０は、第ｒ測定モードにおいて第ｒ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が第ｒ測定モードに対応して設定された第ｒ領域の下限値未満であると判定した場合には、第ｒ－１測定モードに変更してもよい（ただしｒ＝１の場合を除く）。すなわち、第１～第ｎ測定モードの各々について、その測定モードに適した特定ガス濃度の領域（第１領域～第ｎ領域）を予め設定しておく（例えば記憶部９４に記憶しておく）。そして、制御装置９０は現在の特定ガス濃度が現在の測定モードに適した領域を超えたか否かやその領域を下回ったか否かをポンプ電流に基づいて判定し、判定結果に応じて制御装置９０が第ｒ測定モードから隣接する第ｒ＋１測定モード又は隣接する第ｒ－１測定モードに切り替えてもよい。この場合、制御装置９０は、測定モードを１段階ずつ切替えることになる。また、この場合の第１領域～第ｎ領域は、隣接する領域間で範囲が一部が重複していてもよい。第１領域～第ｎ領域は、特定ガス濃度の範囲として定められていてもよいし、特定ガス濃度の範囲とみなせる数値（例えばポンプ電流）の範囲として定められていてもよい。

【0095】

あるいは、制御装置９０は、測定モードを第ｒ測定モードから第ｒ＋２測定モードに切替えるなど、一度に測定モードを２段階以上切り替えることを許容するようにしてもよい。例えば、上述した第１領域～第ｎ領域が予め設定されている場合に、制御装置９０は、第ｒ測定モードにおいて第ｒ測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度が、第１～第ｎ領域のうち第ｒ領域以外のいずれかである第ｘ領域に含まれるか否かを判定し（ｘは１以上ｎ以下且つｒ以外の整数）、第ｘ領域に含まれると判定した場合、第ｘ測定モードに変更してもよい。こうすれば、例えば被測定ガス濃度が急激に大きく変動する場合に、測定モードを１段階ずつ切り替える場合と比較して、適切な測定モードへの切替を短時間で行うことができる。この場合の第１領域～第ｎ領域は、隣接する領域間で範囲が重複していない（例えば範囲が互いに接している）ことが好ましい。

【0096】

上述した実施形態では、比Ｒ₂／Ｒ₁の数値範囲として「１超過１００以下」を例示した。センサ素子１０１が３つ以上の測定用ポンプセルを有する場合も、これと同様の数値範囲を満たしていてもよい。具体的には、上述した第１～第ｎ拡散抵抗Ｒ₁～Ｒ_nについて、ｋを１からｎ－１までの整数として、第ｋ拡散抵抗Ｒ_k（外部から第ｋ測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗）と、第ｋ＋１拡散抵抗Ｒ_k+1（外部から前記第ｋ＋１測定電極までの被測定ガスの経路の拡散抵抗）と、の比Ｒ_k+1／Ｒ_kが、１超過１００以下であってもよい。すなわち、第１～第ｎ測定電極の各々について、隣接する測定電極間での外部から測定電極までの拡散抵抗の比が、１超過１００以下であってもよい。比Ｒ_k+1／Ｒ_kの値は、上述した比Ｒ₂／Ｒ₁と同様の方法で算出できる。なお、「比Ｒ_k+1／Ｒ_kが１超過１００以下である」とは、比Ｒ₂／Ｒ₁，比Ｒ₃／Ｒ₂，・・・，比Ｒ_n／Ｒ_n-1の値が、それぞれ１超過１００以下の範囲内の値であることを意味し、これらの全ての比が同じ値である
必要はない。

【0097】

上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、ステップＳ１２０の後にまずステップＳ１３０で低濃度測定モードへの切り替えを行ったが、ステップＳ１２０の後にまずステップＳ２３０で高濃度測定モードへの切り替えを行ってもよい。

【0098】

上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて低濃度測定モードと高濃度測定モードとの切り替えを行ったが、これに限られない。例えばエンジンＥＣＵなどの他の装置からの信号に基づいて切り替えを行ってもよい。

【0099】

上述した実施形態において、センサ素子１０１は素子本体の前端側の周囲を被覆する多孔質保護層（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス多孔質体）を備えていてもよい。こうすれば、多孔質保護層により例えば被測定ガス中の水分の付着による素子本体への熱衝撃を抑制でき、素子本体のクラックを抑制できる。多孔質保護層がガス導入口１０を覆っている場合、多孔質保護層の拡散抵抗も、上述した第１拡散抵抗Ｒ₁及び第２拡散抵抗Ｒ₂の値に影響する。

【0100】

上述した実施形態では、内側ポンプ電極２２は、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサ
ーメット電極としたが、これに限られない。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくともいずれか）と、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属（例えばＡｕ）と、を含んでいればよい。補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、触媒活性を有する貴金属と、触媒活性抑制能を有する貴金属と、を含んでいればよい。外側ポンプ電極２３，基準電極４２，第１測定電極４４，及び第２測定電極４５は、それぞれ、上述した触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。各電極２２，２３，４２，４４，４５，５１は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物（例えばＺｒＯ₂）とを含むサーメットであることが好ましいが、これらの電極の１以上がサーメットでなくてもよい。各電極２２，２３，４２，４４，４５，５１は、それぞれ、多孔質体であることが好ましいが、これらの電極の１以上が多孔質体でなくてもよい。

【0101】

上述した実施形態では、ガスセンサ１００は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出したが、被測定ガス中の特定ガスの濃度を検出する限界電流方式のガスセンサであれば、これに限られない。例えば、ＮＯｘに限らず他の酸化物濃度を特定ガス濃度としてもよい。特定ガスが酸化物の場合には、上述した実施形態と同様に特定ガスそのものを第３内部空所６１及び第４内部空所６３で還元したときに酸素が発生するから、第１測定用ポンプセル４１ａ及び第２測定用ポンプセル４１ｂを用いてこの酸素に応じた検出値（例えばポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂ）を取得して特定ガス濃度を検出できる。また、特定ガスがアンモニアなどの非酸化物であってもよい。特定ガスが非酸化物の場合には、特定ガスを酸化物に変換（例えばアンモニアであればＮＯに変換）することで、変換後のガスが第３内部空所６１及び第４内部空所６３で還元したときに酸素が発生するから、特定ガスが酸化物の場合と同様に特定ガス濃度を検出できる。特定ガスの酸化物への変換は、例えば、内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５１との少なくとも一方が触媒として機能することにより行うことができる。

【0102】

あるいは、特定ガスを酸素として、ガスセンサ１００が被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出するようにしてもよい。制御装置９０が、センサ素子１０１の第１内部空所２０及び第２内部空所４０において酸素濃度を調整しないようにしつつ、第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂが限界電流になるようにセンサ素子１０１を制御すれば、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂは被測定ガス中の酸素濃度に応じた値になる。そのため、制御装置９０はポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて酸素濃度を検出できる。例えば、制御装置９０が、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０を動作させないようにする点以外は上述した実施形態と同様にセンサ素子１０１を制御して濃度検出処理ルーチンを実行してもよい。また、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂがそれぞれ限界電流になるように制御装置９０が第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂを制御すればよく、例えば上述した電圧Ｖ２ａ，Ｖ２ｂが目標値Ｖ２＊になるようなフィードバック制御を行わなくてもよい。例えば、低濃度測定モードにおいてポンプ電流Ｉｐ２ａが限界電流になるような電圧Ｖｐ２の値が予め定められており、制御装置９０は低濃度測定モードのときにはその値の電圧Ｖｐ２を印加するように可変電源４６を制御してもよい。同様に、高濃度測定モードにおいてもポンプ電流Ｉｐ２ｂが限界電流になるような電圧Ｖｐ２の値が予め定められていてもよい。ガスセンサ１００が特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する場合、第１測定電極４４及び第２測定電極４５は、内側ポンプ電極２２及び補助ポンプ電極５１と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成されていることが好ましい。例えば、第１測定電極４４及び第２測定電極４５の各々が、上述した触媒活性を有する貴金属に加えて、上述した触媒活性抑制能を有する貴金属を含むようにすればよい。なお、第１測定電極４４及び第２測定電極４５のうち、被測定ガス流通部の下流側に位置する第２測定電極４５は、酸素が高濃度の場合の酸素濃度の検出に用いられるから、ＮＯｘ成分を還元しても酸素濃度への影響は少ない。そのため、第２測定電極４５については、例えば上述した触媒活性抑制能を有する貴金属を含まなくてもよい。また、ＮＯｘなどの酸化物を含まない被測定ガスに対して酸素濃度の測定を行う場合であれば、第１測定電極４４及び第２測定電極４５の両方が触媒活性抑制能を有する貴金属を含まなくてもよい。

【0103】

ガスセンサ１００が被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する場合、ガスセンサ１００が調整用ポンプセル及び酸素濃度調整室を備えなくてもよい。図１４は、変形例のガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図１４では、上述した実施形態と同じ構成要素については同じ符号を付した。ガスセンサ２００のセンサ素子２０１では、被測定ガス流通部が、酸素濃度調整室に相当する構成すなわち図１の第１内部空所２０及び第２内部空所４０を備えておらず、第２拡散律速部１３及び第３拡散律速部３０も備えていない。そのため、第１拡散律速部１１を通過して緩衝空間１２に流入した被測定ガスは、そのまま緩衝空間１２の下流に設けられた第４拡散律速部６０を通過して第３内部空所６１に到達する。このガスセンサ２００においても、第１，第２測定用ポンプセル４１ａ，４１ｂに流れるポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂが被測定ガス中の酸素濃度に応じた値になるため、ポンプ電流Ｉｐ２ａ，Ｉｐ２ｂに基づいて酸素濃度を検出できる。センサ素子２０１において、緩衝空間１２及び第４拡散律速部６０を備えないようにしてもよい。この場合は、第１拡散律速部１１が第１測定電極用拡散律速部に相当する。さらに、ガス導入口１０が拡散律速部として機能する程度にガス導入口１０の開口面積が小さい場合、第１拡散律速部１１のようなスリット状の隙間がなくてもよい。この場合は、ガス導入口１０が第１測定電極用拡散律速部に相当する。

【0104】

ガスセンサ１００が被測定ガス中の特定ガス濃度としての酸素濃度を検出する場合も、上述したＮＯｘ濃度を測定する場合の種々の態様や構成を採用してもよい。例えば、センサ素子１０１が上述した第１～第ｎ測定用ポンプセルを備えていてもよいし、制御装置９０が第１～第ｎ測定モードを有していてもよい。例えば被測定ガスが内燃機関の排ガスである場合、被測定ガス中の酸素濃度はＮＯｘ濃度と比べて広範囲に亘って変化することがある（例えば１ｐｐｍ未満～数％の範囲など）。そのため、ガスセンサ１００が酸素濃度を検出する場合、センサ素子１０１が合計３つ以上の測定用ポンプセルを備えるようにして、酸素濃度を精度良く検出できる範囲（酸素濃度の検出範囲）を広げる意義が高い。

【0105】

上述した実施形態では、センサ素子１０１の素子本体は複数の固体電解質層（層１～６）を有する積層体としたが、これに限られない。センサ素子１０１の素子本体は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも１つ含んでいればよい。例えば、図１において第２固体電解質層６以外の層１～５は固体電解質層以外の材質からなる層（例えばアルミナからなる層）としてもよい。この場合、センサ素子１０１が有する各電極は第２固体電解質層６に配設されるようにすればよい。例えば、図１の第１測定電極４４及び第２測定電極４５は第２固体電解質層６の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間４３を第１固体電解質層４に設ける代わりにスペーサ層５に設け、大気導入層４８を第１固体電解質層４と第３基板層３との間に設ける代わりに第２固体電解質層６とスペーサ層５との間に設け、基準電極４２を第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。

【0106】

上述した実施形態では、制御部９１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９１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９１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。

【0107】

上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３は、主ポンプセル２１において内側ポンプ電極２２と対になる外側主ポンプ電極，補助ポンプセル５０において補助ポンプ電極５１と対になる外側補助ポンプ電極，第１測定用ポンプセル４１ａにおいて第１測定電極４４と対になる第１外側測定電極，及び第２測定用ポンプセル４１ｂにおいて第２測定電極４５と対になる第２外側測定電極の４つの電極の役割を兼ねていたが、これに限られない。外側主ポンプ電極，外側補助ポンプ電極，第１外側測定電極，及び第２外側測定電極のうちのいずれか１以上を、外側ポンプ電極２３とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。センサ素子１０１が３つ以上の測定用ポンプセルを有する場合も、外側ポンプ電極２３が第１～第ｎ外側測定電極の役割を全て兼ねていてもよいし、第１～第ｎ外側測定電極のうち１以上を、外側ポンプ電極２３とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。

【0108】

図９で示した態様すなわち第４拡散律速部６０及び第５拡散律速部６２が前後方向以外の方向に並べられた態様の別の例、及び、図１０～図１３で示した拡散律速部を多孔質体として構成した態様の別の例として、図１５に示す態様も挙げられる。図１５では、第４拡散律速部６０及び第３内部空所６１よりも下方に第５拡散律速部６２が配設されている。第５拡散律速部６２は、多孔質体として構成され、第１固体電解質層４を上下に貫通するように第１固体電解質層４の内部に埋設されている。第５拡散律速部６２は、第３基板層３の上面に配設された第２測定電極４５を被覆している。第５拡散律速部６２は、上面が第３内部空所６１に露出しており、第３内部空所６１から第２測定電極４５までの上下方向の流路を構成している。図１５では、第４内部空所６３が存在せず、第５拡散律速部６２は第３内部空所６１よりも下流側に位置し且つ素子本体の内部に埋設されている。この図１５の態様でも、図１１，１３の態様と同様に、第５拡散律速部６２の内側すなわち第２測定電極４５の周囲が第２測定室として機能する。この図１５の態様でも、被測定ガス流通部は、被測定ガスが第１測定電極用拡散律速部（ここでは第４拡散律速部６０），第１測定室（ここでは第３内部空所６１），及び第２測定電極用拡散律速部（ここでは第５拡散律速部６２）をこの順に通過してから第２測定室に到達するように構成されている。すなわち、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とは直列に配置されている。そのため、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。なお、図１５の例では第４拡散律速部６０を図１の第３拡散律速部３０と同様に２本の横長のスリットとして構成しているが、図１の第４拡散律速部６０と同様に１本の横長のスリットとして構成してもよい。また、図１５では第２測定電極４５が第１固体電解質層４の上面ではなく第３基板層３の上面に配設されているため、第２測定電極４５と基準電極４２及び大気導入層４８との互いの位置が重複しないように適宜位置関係を調整することが好ましい。図１５の例では、基準電極４２及び大気導入層４８を図１の態様よりも後方に移動させて、第２測定電極４５と重複しないようにしている。

【0109】

拡散律速部を多孔質体として構成する態様の別の例として、図１６に示す態様も挙げられる。図１６では、第５拡散律速部６２が多孔質体として構成されており、第５拡散律速部６２が第２測定電極４５を被覆している。図１６では、第４内部空所６３が存在せず、第５拡散律速部６２は第３内部空所６１よりも下流側に位置し、スペーサ層５と第１固体電解質層４とに挟まれて素子本体の内部に埋設されている。第５拡散律速部６２は、前端が第３内部空所６１に露出している。第２測定電極４５は第１固体電解質層４の上面に配設されており、第５拡散律速部６２で被覆されている。この図１６の態様でも、図１１，１３の態様と同様に、第５拡散律速部６２の内側すなわち第２測定電極４５の周囲が第２測定室として機能する。この図１６の場合でも、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とは直列に配置されているから、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。第５拡散律速部６２の拡散抵抗は、例えば各々の気孔率，気孔径，厚み（図１６に示す上下の長さ），幅（左右の長さ）及び上流側の端部から第２測定電極４５までの長さ（前後の長さ）の少なくともいずれかを調整することで、調整できる。図１６に示す第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５は、例えば第１固体電解質層４に対応するセラミックスグリーンシートの上面に第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５となるペーストを印刷してからスペーサ層５に対応するセラミックスグリーンシートと積層して焼成することで製造できる。

【0110】

また、図１６の第５拡散律速部６２を、多孔質体ではなくスリット状の隙間としてもよい。例えば上記の製造方法において図１６の第５拡散律速部６２（多孔質体）となるペーストの代わりに加熱により消失する消失材（例えばテオブロミンなど）からなるペーストを印刷しておけば、層１～６となるセラミックスグリーンシートを積層した後の焼成によってそのペーストが消失するため、図１６の第５拡散律速部６２の部分を第１固体電解質層４及びスペーサ層５の間のスリット状の隙間（空間）として形成することができる。図１６の第５拡散律速部６２の部分をスリット状の隙間として形成する場合、この第５拡散律速部６２のうち特に第５拡散律速部６２の上流側の端部（すなわち前端）から第２測定電極４５の前端までの部分が第２測定電極用拡散律速部に相当する。また、第５拡散律速部６２のうち第２測定電極４５の周囲の隙間（空間）が第２測定室に相当する。第５拡散律速部６２をスリット状の隙間とする場合、第５拡散律速部６２の拡散抵抗は、例えば第５拡散律速部６２の厚み，幅，及び上流側の端部から第２測定電極４５までの長さの少なくともいずれかを調整することで、調整できる。

【0111】

図１６の態様を第５拡散律速部６２だけでなく第４拡散律速部６０も多孔質体として構成するように変更して、図１７のように構成してもよい。図１７では、第２内部空所４０から第２測定電極４５までの被測定ガスの経路が多孔質体６５によって構成されている。多孔質体６５は、第１固体電解質層４とスペーサ層５とに挟まれて配置され、素子本体の内部に埋設されている。多孔質体６５は、第１固体電解質層４の上面に配設された第１測定電極４４及び第２測定電極４５を被覆している。図１７では、多孔質体６５のうち前端から第１測定電極４４までの部分が第４拡散律速部６０であり、多孔質体６５のうち第１測定電極４４と第２測定電極４５との間の部分が第５拡散律速部６２である。また、多孔質体６５と第１測定電極４４との間、言い換えると第１測定電極４４の周囲が、第１測定室として機能する。同様に、多孔質体６５と第２測定電極４５との間が第２測定室として機能する。この図１７の態様でも、第４拡散律速部６０と第５拡散律速部６２とは直列に配置されているから、上述した実施形態と同様に第１測定用ポンプセル４１ａと比べて第２測定用ポンプセル４１ｂが高濃度のＮＯｘ濃度の検出に適したものとなる。図１７の多孔質体６５，第１測定電極４４及び第２測定電極４５は、図１６の第５拡散律速部６２及び第２測定電極４５と同様の方法で製造できる。図１７においても、多孔質体６５の部分を多孔質体ではなくスリット状の隙間としてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0112】

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】

【0113】

１ 第１基板層、２ 第２基板層、３ 第３基板層、４ 第１固体電解質層、５ スペーサ層、６ 第２固体電解質層、１０ ガス導入口、１１ 第１拡散律速部、１２ 緩衝空間、１３ 第２拡散律速部、２０ 第１内部空所、２１ 主ポンプセル、２２ 内側ポンプ電極、２２ａ 天井電極部、２２ｂ 底部電極部、２２ｃ 側部電極部、２３ 外側ポンプ電極、２４ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０ 第２内部空所、４１ａ，４１ｂ 第１，第２測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４ 第１測定電極、４５ 第２測定電極、４６ 可変電源、４８ 大気導入層、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、５１ｃ 側部電極部、５２ 可変電源、６０ 第４拡散律速部、６１ 第３内部空所、６２ 第５拡散律速部、６３ 第４内部空所、６５ 多孔質体、７０ ヒータ部、７１ ヒータコネクタ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、８０ 主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１ 補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２ａ，８２ｂ 第１，第２測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３ センサセル、８５，８６ 切替スイッチ、９０ 制御装置、９１ 制御部、９２ ＣＰＵ、９４ 記憶部、９５ 第１対応関係、９６ 第２対応関係、１００，２００ ガスセンサ、１０１，２０１ センサ素子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】