JP2021156595A - ガスセンサおよびガスセンサの動作制御方法 - Google Patents

ガスセンサおよびガスセンサの動作制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ポンプセルを構成する一対のポンプ電極間に印加される電圧が、好適に制御されるガスセンサを実現する。【解決手段】酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する限界電流型のガスセンサが、素子内部に導入されたガスと接触可能に配置された第１電極と、該第１電極との間に固体電解質部分を介在させて配置された第２電極とを備えるポンプセルを有するとともに、両電極間に所定のポンプ電圧が印加されることで固体電解質部分に生じる電極間電界が第１の閾値を上回るか否かを診断するポンピング診断部を有し、電極間電界が第１の閾値を上回る場合、電極間電界が第１の閾値を下回るように所定のポンプ電圧を低減させる、ようにした。【選択図】図４

Description

本発明は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を求めるガスセンサに関するものであり、特に、その動作制御に関する。
酸素イオン伝導性の固体電解質（例えばＺｒＯ２）を主たる構成成分とするセンサ素子を用いた、限界電流型のガスセンサ（ＮＯｘセンサ）がすでに公知である（例えば、特許文献１参照）。このようなガスセンサにおいて、ＮＯｘ濃度を求めるにあたってはまず、被測定ガスがセンサ素子の内部に設けた空所（内部空所）に所定の拡散抵抗の下で導入され、係る被測定ガス中の酸素が、例えば主ポンプセルおよび補助ポンプセルなどと称される（特許文献１においては第一および第二の電気化学的ポンプセル）二段階に設けられた電気化学的ポンプセルにて汲み出されて、被測定ガス中の酸素濃度があらかじめ十分に低下させられる。その後、被測定ガス中のＮＯｘが、還元触媒として機能する測定電極（特許文献１においては第三内側ポンプ電極）において還元または分解され、これによって生じる酸素が、測定電極を含む、例えば測定ポンプセルなどと称される（特許文献１においては第三の電気化学的ポンプセル）上記とは別の電気化学的ポンプセルにて汲み出される。そして、係る測定ポンプセルを流れる電流（ＮＯｘ電流）がＮＯｘの濃度との間に一定の関数関係を有することを利用して、ＮＯｘの濃度が求められるようになっている。
係るガスセンサ（ＮＯｘセンサ）において、主ポンプセルが内部空所から酸素を汲み出す際にＮＯｘが分解されてしまうことを抑制し、ＮＯｘの検出精度を高めることを目的として、内部空所に設けられてなり主ポンプセルを構成する内側ポンプ電極の金属成分に、Ａｕが添加されたＰｔ（Ａｕ−Ｐｔ合金）を用いる態様も、すでに公知である（例えば、特許文献２および特許文献３参照）。
特許第３０５０７８１号公報 特開２０１４−１９０９４０号公報 特開２０１４−２０９１２８号公報
上述のようなガスセンサは通常、センサ素子を構成する酸素イオン伝導性の固体電解質を活性化させるべく、当該センサ素子をその内部に備わるヒータによって所定の温度（素子駆動温度）に保った状態で使用される。そして、その使用時（濃度測定を行う定常動作時）においては、酸素のポンピング（汲み出しあるいは汲み入れ）のために、ガスセンサに備わるコントローラによる制御のもと、それぞれのポンプセルの一対のポンプ電極間に数百ｍＶ程度の電圧が印加される。
このようなガスセンサの使用を開始する際（始動時）には、低温（例えば常温）状態にあるセンサ素子を昇温加熱されるが、併せて、不使用の間に内部空所に入り込んだ空気中の酸素を除去するべく、ポンプセルによる酸素の汲み出しが行われる。その際、ガスセンサが使用可能となるまでの時間をなるべく短縮するという意図から、一対のポンプ電極間に印加される電圧は、定常動作時よりも大きい数Ｖの値とされる。また、係る始動時の他にも、濃度測定を行わないタイミングにおいて、このような大きな電圧が当該ポンプ電極間に印加されることは起こり得る。
しかしながら、従前、それぞれのポンプセルの一対のポンプ電極間に印加する電圧が過度に大きくなると、それぞれのポンプ電極間に存在する固体電解質にクラックが生じてしまうという問題がある。これは、ポンプ電圧の印加によって当該ポンプ電極間に強い電界が生じることで、当該ポンプ電極間に存在する固体電解質中の酸素が移動し、固体電解質内に酸素が少なくなる領域ができ、強度が下がってしまったためであると推測される。センサ素子においてこのようなクラックがひとたび生じてしまった場合、ガスセンサにおいてはガス濃度を適切に測定できなくなってしまうため、それぞれのポンプセルの一対のポンプ電極間に印加する電圧は、定常動作時以外においても適切に制御する必要がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、センサ素子においてポンプセルを構成する一対のポンプ電極間に印加される電圧が、好適に制御されるガスセンサを実現する、ことを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサであって、前記センサ素子が、前記センサ素子の内部に導入されたガスと接触可能に配置された第１の電極と、前記第１の電極との間に前記固体電解質からなる部分が存在するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることで前記第１の電極が面する領域から酸素を外部に汲み出し可能な電気化学的ポンプセルである少なくとも１つのポンプセルと、前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、を有してなり、かつ、前記ガスセンサの動作を制御するコントローラ、をさらに備え、前記コントローラが、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記所定のポンプ電圧が印加されることによって前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分に生じる電極間電界が、第１の閾値を上回るか否かを診断する第１の診断を行うポンピング診断部、を有してなり、前記電極間電界が前記第１の閾値を上回る場合、前記電極間電界が前記第１の閾値を下回るように前記所定のポンプ電圧を低減させる、ことを特徴とする。
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記ポンピング診断部が、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分における温度と正の相関を有する温度指標値が第２の閾値を上回るか否かを診断する第２の診断を行い、前記温度指標値が第２の閾値以上である場合に前記第１の診断を行う、ことを特徴とする。
本発明の第３の態様は、第２の態様に係るガスセンサであって、前記温度指標値が、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分の抵抗率である、ことを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第２の態様に係るガスセンサであって、前記温度指標値が、前記ヒータ部に備わる発熱体の抵抗値から特定されるヒータ温度あるいは前記抵抗値自体である、ことを特徴とする。
本発明の第５の態様は、第２ないし第４の態様のいずれかに係るガスセンサであって、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定が、前記センサ素子が前記ヒータ部による加熱によって所定の素子駆動温度に保たれてなり、かつ、前記少なくとも１つのポンプセルにおいて前記第１の電極が面している領域の酸素分圧が所定値以下に保たれた定常動作状態で行われ、非定常動作状態から前記定常動作状態への移行が、前記ヒータ部が前記センサ素子を前記素子駆動温度に昇温する間に、前記少なくとも１つのポンプセルが前記領域から酸素を汲み出す準備ポンピングを行うことにより行われ、前記ポンピング診断部は、前記非定常動作状態から前記定常動作状態への移行の間に、前記第１および第２の診断を行う、ことを特徴とする。
本発明の第６の態様は、第５の態様に係るガスセンサであって、前記センサ素子が、外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、前記第１の電極の１つであり、前記第１の内部空所に面して設けられてなる内側ポンプ電極と、前記第２の電極であり、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の１つである、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの１つである主ポンプセルと、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、前記第１の電極の他の１つであり、前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の他の１つである、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの他の１つである補助ポンプセルと、前記第１の電極のさらに他の１つであり、前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第２の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される、前記少なくとも１つのポンプセルのさらに他の１つである測定ポンプセルと、前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、を有してなり、かつ、前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に主ポンプ電圧を印加する第１の可変電源と、前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第２の可変電源と、前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に測定ポンプ電圧を印加する第３の可変電源と、をさらに有してなり、前記定常動作状態においては、前記第１の可変電源が、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプ電圧を印加し、前記第２の可変電源が、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、前記第３の可変電源が、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプ電圧を印加する、ことを特徴とする。
本発明の第７の態様は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサの、動作制御方法であって、前記センサ素子が、前記センサ素子の内部に導入されたガスと接触可能に配置された第１の電極と、前記第１の電極との間に前記固体電解質からなる部分が存在するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることで前記第１の電極が面する領域から酸素を外部に汲み出し可能な電気化学的ポンプセルである少なくとも１つのポンプセルと、前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、を有してなり、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記所定のポンプ電圧が印加される電圧印加工程と、前記電圧印加工程における前記ポンプ電圧の印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分に生じる電極間電界が、第１の閾値を上回るか否かを診断する第１の診断を行うポンピング診断工程、を備え、前記ポンピング診断工程においては、前記電極間電界が前記第１の閾値を上回る場合、前記電極間電界が前記第１の閾値を下回るように、前記電圧印加工程において印加される前記所定のポンプ電圧を低減させる、ことを特徴とする。
本発明の第８の態様は、第７の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記ポンピング診断工程においては、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分における温度と正の相関を有する温度指標値が第２の閾値を上回るか否かを診断する第２の診断をさらに行い、前記温度指標値が第２の閾値以上である場合に前記第１の診断を行う、ことを特徴とする。
本発明の第９の態様は、第８の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記温度指標値が、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分の抵抗率である、ことを特徴とする。
本発明の第１０の態様は、第８の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記温度指標値が、前記ヒータ部に備わる発熱体の抵抗値から特定されるヒータ温度あるいは前記抵抗値自体である、ことを特徴とする。
本発明の第１１の態様は、第８ないし第１０の態様のいずれかに係るガスセンサの動作制御方法であって、前記ガスセンサにおける被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定が、前記センサ素子が前記ヒータ部による加熱によって所定の素子駆動温度に保たれてなり、かつ、前記少なくとも１つのポンプセルにおいて前記第１の電極が面している領域の酸素分圧が所定値以下に保たれた定常動作状態で行われるとするときに、前記ガスセンサを非定常動作状態から前記定常動作状態へと移行させる移行工程を有してなり、前記移行工程が、前記ヒータ部が前記センサ素子を前記素子駆動温度に昇温する昇温工程と、前記昇温工程の間に、前記少なくとも１つのポンプセルが前記領域から酸素を汲み出す準備ポンピング工程と、を含み、前記移行工程の間に、前記ポンピング診断工程による前記第１および第２の診断が行われる、ことを特徴とする。
本発明の第１２の態様は、第１１の態様に係るガスセンサの動作制御方法であって、前記センサ素子が、外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、前記第１の電極の１つであり、前記第１の内部空所に面して設けられてなる内側ポンプ電極と、前記第２の電極であり、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の１つである、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの１つである主ポンプセルと、前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、前記第１の電極の他の１つであり、前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の他の１つである、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの他の１つである補助ポンプセルと、前記第１の電極のさらに他の１つであり、前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第２の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される、前記少なくとも１つのポンプセルのさらに他の１つである測定ポンプセルと、前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、を有してなり、かつ、前記ガスセンサが、前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に主ポンプ電圧を印加する第１の可変電源と、前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第２の可変電源と、前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に測定ポンプ電圧を印加する第３の可変電源と、をさらに有してなり、前記定常動作状態においては、前記第１の可変電源が、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプ電圧を印加し、前記第２の可変電源が、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、前記第３の可変電源が、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプ電圧を印加する、ことを特徴とする。
本発明の第１ないし第１２の態様によれば、ポンピング診断を実行することで、ポンプセルを構成する第１の電極と第２の電極との間において固体電解質を構成する酸素がポンプセル内を移動し、固体電解質を構成する酸素が減少してしまうことが、好適に抑制される。
特に、第２ないし６および第８ないし第１２の態様によれば、固体電解質の温度が低いときには、酸素の減少は生じにくいという、固体電解質の性質を鑑みたポンピング診断が実行できる。
特に、第５および第１１の態様によれば、非定常動作状態にあるガスセンサを、ＮＯｘ濃度を測定可能な定常動作へと早期に移行させるべく、ヒータ部による昇温とともに大きなポンプ電圧が印加される場合であっても、第１の電極と第２の電極との間に存在する固体電解質からの酸素の減少に起因したクラックが発生することが、好適に抑制される。これにより、センサ素子における強度低下を生じさせることのない範囲で、ライトオフ時間の短縮が図られる。また、センサ素子の長寿命化にも寄与している。
センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。 コントローラ１１０の機能的構成を示す図である。 センサ素子１０１を、室温から８５０℃にまで昇温した後、主ポンプセル２１にポンプ電圧を印加したときの、一対のポンプ電極間に存在する固体電解質にクラックが発生するまでの時間（クラック発生時間）のワイブルプロット図である。 準備ポンピング処理の第１の態様における処理の流れを示す図である。 準備ポンピング処理の第２の態様における処理の流れを示す図である。 センサ素子２０１の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。
＜ガスセンサの概略構成＞
初めに、本実施の形態に係るセンサ素子１０１を含む、ガスセンサ１００の概略構成について説明する。本実施の形態において、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によってＮＯｘを検知し、その濃度を測定する、限界電流型のＮＯｘセンサである。また、ガスセンサ１００は、各部の動作を制御するとともに、センサ素子１０１を流れるＮＯｘ電流に基づいてＮＯｘ濃度を特定するコントローラ１１０をさらに備える。
図１は、センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。
センサ素子１０１は、それぞれが酸素イオン伝導性固体電解質であるジルコニア（ＺｒＯ２）からなる（例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などからなる）、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つの固体電解質層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する、平板状の（長尺板状の）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。なお、以降においては、図１におけるこれら６つの層のそれぞれの上側の面を単に上面、下側の面を単に下面と称することがある。また、センサ素子１０１のうち固体電解質からなる部分全体を基体部と総称する。
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。
センサ素子１０１の一先端部であって、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とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
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（領域）である。
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。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。
また、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。
大気導入層４８は、多孔質アルミナ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。
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内や第２内部空所４０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。
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濃度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濃度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。
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（センサ素子１０１の一方主面）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（空所外）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。
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）に形成されている。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が形成されてなる。これら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとは、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）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。
天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂは、平面視矩形状に設けられてなる。ただし、天井電極部２２ａのみ、あるいは、底部電極部２２ｂのみが設けられる態様であってもよい。天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂの平面サイズは５．０ｍｍ２〜１５．０ｍｍ２である。
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として形成される。特に、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。例えば、５％〜４０％の気孔率を有し、Ａｕを０．６ｗｔ〜１．４ｗｔ％程度含むＡｕ−Ｐｔ合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として、５μｍ〜２０μｍの厚みに形成される。Ａｕ−Ｐｔ合金とＺｒＯ２との重量比率は、Ｐｔ：ＺｒＯ２＝７．０：３．０〜５．０：５．０程度であればよい。
一方、外側ポンプ電極２３は、例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として、平面視矩形状に形成される。外側ポンプ電極２３の平面サイズは５．０ｍｍ２〜１５．０ｍｍ２である。
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との間に可変電源２４によって所望のポンプ電圧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主ポンプ電流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。なお、主ポンプセル２１において内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に印加されるポンプ電圧Ｖｐ０を、主ポンプ電圧Ｖｐ０とも称する。
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である主センサセル８０が構成されている。
主センサセル８０における起電力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、コントローラ１１０が、起電力Ｖ０が一定となるように主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することで、主ポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これにより、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保たれるようになっている。
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。
第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された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、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、さらに、測定ポンプセル４１が動作することによりなされる。
第２内部空所４０では、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が行われるようになっている。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。
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と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。
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と同様の形態にて、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が形成されてなり、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が形成されてなる。これら天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂは、平面視矩形状をなしているとともに、第２内部空所４０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に設けられた導通部にて接続されてなる（図示省略）。天井電極部５１ａの平面サイズは２．０ｍｍ２〜６．０ｍｍ２であり、底部電極部５１ｂの平面サイズは１．０ｍｍ２〜４．０ｍｍ２である。
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。
補助ポンプセル５０においては、コントローラ１１０による制御のもと、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（補助ポンプ電圧）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。
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である補助センサセル８１が構成されている。
この補助センサセル８１にて検出される、第２内部空所４０内の酸素分圧に応じた起電力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。
また、これとともに、その補助ポンプ電流Ｉｐ１が、主センサセル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、補助ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０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。
測定ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定ポンプセル４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置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、多孔質サーメット電極である。例えばＰｔあるいはその合金とＺｒＯ２とのサーメット電極として形成される。測定電極４４は、第２内部空所４０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。さらに、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。測定電極４４の平面サイズは０．２ｍｍ２〜０．８ｍｍ２である。
第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護膜としても機能する。
測定ポンプセル４１においては、コントローラ１１０による制御のもと、測定電極４４の周囲の雰囲気中におけるＮＯｘ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。
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、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、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である測定センサセル８２が構成されている。測定センサセル８２にて検出される、測定電極４４の周囲の酸素分圧に応じた起電力Ｖ２に基づいて、可変電源４６が制御される。
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４５を通じて測定電極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ＮＯｘ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、測定センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧（測定ポンプ電圧）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ＮＯｘの濃度に比例するものであるから、測定ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中のＮＯｘ濃度が算出されることとなる。以降、係るポンプ電流Ｉｐ２のことを、ＮＯｘ電流Ｉｐ２とも称する。
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。
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。
センサ素子１０１は、さらに、基体部を構成する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、ヒータ電極７１と、ヒータエレメント７２と、ヒータリード７２ａと、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、図１においては図示を省略するヒータ抵抗検出リード７５（図２）とを、主として備えている。また、ヒータ部７０は、ヒータ電極７１を除いて、センサ素子１０１の基体部に埋設されてなる。
ヒータ電極７１は、第１基板層１の下面（センサ素子１０１の他方主面）に接する態様にて形成されてなる電極である。
ヒータエレメント７２は、第２基板層２と第３基板層３との間に設けられた抵抗発熱体である。ヒータエレメント７２は、図１においては図示を省略する、センサ素子１０１の外部に備わるヒータ電源７６（図２）から、通電経路であるヒータ電極７１、スルーホール７３、およびヒータリード７２ａを通じて給電されることより、発熱する。ヒータエレメント７２は、Ｐｔにて、あるいはＰｔを主成分として、形成されてなる。ヒータエレメント７２は、センサ素子１０１のガス流通部が備わる側の所定範囲に、素子厚み方向においてガス流通部と対向するように埋設されている。ヒータエレメント７２は、１０μｍ〜２０μｍ程度の厚みを有するように設けられる。
センサ素子１０１においては、ヒータ電極７１を通じてヒータエレメント７２に電流を流すことにより、ヒータエレメント７２を発熱させることで、センサ素子１０１の各部を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。具体的には、センサ素子１０１は、ガス流通部付近の固体電解質および電極の温度が７００℃〜９００℃程度になるように加熱される。係る加熱によって、センサ素子１０１において基体部を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。なお、ガスセンサ１００が使用される際の（センサ素子１０１が駆動される際の）ヒータエレメント７２による加熱温度を、センサ素子駆動温度と称する。
ヒータエレメント７２による発熱の程度（ヒータ温度）は、ヒータエレメント７２の抵抗値の大きさ（ヒータ抵抗）によって把握される。ヒータ抵抗検出リード７５は、係るヒータ抵抗の測定のために、設けられてなる。
＜コントローラ＞
次に、コントローラ１１０の機能についてより詳細に説明する。図２は、ガスセンサ１００に備わるコントローラ１１０の機能的構成を示す図である。
コントローラ１１０は、汎用のあるいは専用のコンピュータによって実現されるものであり、そのＣＰＵ、メモリなどにより実現される機能的構成要素として、統括制御部１１１と、主ポンプ制御部１１２と、補助ポンプ制御部１１３と、測定ポンプ制御部１１４と、ヒータ制御部１１５と、濃度演算部１１６と、ポンピング診断部１１７とを備える。なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンからの排気に含まれるＮＯｘを検知および測定の対象とし、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、コントローラ１１０の一部あるいは全部の機能が、当該自動車に搭載されてなるＥＣＵ（電子制御装置）により実現されてもよい。
統括制御部１１１は、コントローラ１１０における種々の処理を統括的に制御する。すなわち、上述したコントローラ１１０各制御部がＮＯｘの検知および濃度演算その他のために各ポンプセルやヒータなどに対して行う制御動作を統括的に制御するほか、濃度演算部１１６における演算処理やポンピング診断部１１７における診断処理を制御する。
主ポンプ制御部１１２は、第１内部空所２０からの酸素の汲み出しあるいは汲み入れなどの、主ポンプセル２１の動作を制御する。特に、後述する定常動作状態においては、第１内部空所内２０内の酸素分圧に応じて主センサセル８０に生じる起電力Ｖ０の値を取得し、係る起電力Ｖ０の値が所望の酸素分圧に応じた値となるよう、可変電源２４が主ポンプセル２１に印加する主ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御し、その際に主ポンプセル２１に流れる主ポンプ電流Ｉｐ０の値を取得する。
補助ポンプ制御部１１３は、第２内部空所４０からの酸素の汲み出しなどの、補助ポンプセル５０の動作を制御する。特に、後述する定常動作状態においては、第２内部空所内４０内の酸素分圧に応じて補助センサセル８１に生じる起電力Ｖ１の値を取得し、係る起電力Ｖ１の値が所望の酸素分圧に応じた値となるよう、可変電源５２が補助ポンプセル５０に印加する補助ポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御し、その際に補助ポンプセル５０に流れる補助ポンプ電流Ｉｐ１の値を取得する。
測定ポンプ制御部１１４は、測定電極４４の近傍領域からの酸素の汲み出しなどの、測定ポンプセル４１の動作を制御する。特に、後述する定常動作状態においては、測定電極４４近傍の酸素分圧に応じて測定センサセル８２に生じる起電力Ｖ２の値を取得し、係る起電力Ｖ２の値が所望の酸素分圧に応じた値となるよう、可変電源４６が測定ポンプセル４１に印加する測定ポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御し、その際に測定ポンプセル４１に流れるポンプ電流（ＮＯｘ電流）Ｉｐ２の値を取得する。
ヒータ制御部１１５は、ヒータ部７０の動作を制御する。具体的には、ヒータ抵抗検出リード７５とヒータリード７２ａとの間の抵抗値として得られるヒータ抵抗（ヒータエレメント７２の抵抗）の値が、所望する加熱温度に応じた値となるよう、ヒータ電源７６に印加されるヒータ電圧を制御する。ヒータエレメント７２は係る態様にて制御されたヒータ抵抗に応じた発熱量にて発熱する。ヒータ制御部１１５が係るヒータ抵抗の値を所望のセンサ素子駆動温度に応じて制御することにより、当該センサ素子駆動温度が実現される。
濃度演算部１１６は、測定ポンプセル４１に流れるポンプ電流（ＮＯｘ電流）Ｉｐ２の値を取得し、あらかじめセンサ素子１０１について設定された感度特性を記述してなる感度特性データＤ１に基づいて、ＮＯｘ濃度を算出し、出力する。
ガスセンサ１００においては、主ポンプ制御部１１２および補助ポンプ制御部１１３が主ポンプセル２１さらには補助ポンプセル５０を作動させることによって被測定ガスに含まれる酸素を汲み出し、酸素分圧がＮＯｘの測定に実質的に影響がない程度（例えば０．０００１ｐｐｍ〜１ｐｐｍ）にまで十分に低められた被測定ガスが、測定電極４４に到達する。測定電極４４においては、到達した被測定ガス中のＮＯｘが還元されることによって、酸素が発生する。係る酸素は、測定ポンプ制御部１１４の制御のもと、測定ポンプセル４１より汲み出される。係る汲み出しの際に流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２と、被測定ガス中のＮＯｘの濃度との間における、一定の関数関係を、感度特性と称する。
係る感度特性は、ガスセンサ１００を実使用するに先立ってあらかじめ、ＮＯｘ濃度が既知の複数種類のモデルガスを用いて特定され、そのデータである感度特性データＤ１がコントローラ１１０に（より詳細には濃度演算部１１６として機能するメモリに）記憶される。
そして、ガスセンサ１００の実使用時には、被測定ガスにおけるＮＯｘ濃度に応じて流れるＮＯｘ電流Ｉｐ２の値を表す信号が濃度演算部１１６に時々刻々と与えられ、濃度演算部１１６においては、その値と特定した感度特性とに基づいて、ＮＯｘ濃度が次々と演算され、その値（ＮＯｘ濃度値）がコントローラ１１０の外部へと出力される。これにより、ガスセンサ１００によれば、被測定ガス中のＮＯｘ濃度をほぼリアルタイムで知ることができるようになっている。
本実施の形態においては、以上のようなＮＯｘ濃度の出力のためにガスセンサ１００において各ポンプセルにて行われる動作およびその制御、例えば、センサ素子１０１を素子駆動温度に保つためのヒータ部７０による加熱や、被測定ガスからの酸素のポンピングや、被測定ガス中のＮＯｘの分解により生じた酸素のポンピングや、それらを実現するために行われる、センサセルに生じた起電力に基づくフィードバック制御や、さらには、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の値に基づくＮＯｘ濃度の出力のための演算処理などを、ガスセンサ１００にＮＯｘ濃度測定のための「定常動作」と称することとする。
ポンピング診断部１１７は、センサ素子１０１に備わる主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、および測定ポンプセル４１のそれぞれにおけるポンピングの状況を診断するポンピング診断を行う。概略的にいえば、ポンピング診断においては、それぞれのポンプセルにおいてポンピング動作のために一対の電極間にポンプ電圧が印加される際に当該電極間に生じる電界の大きさが、あらかじめ設定された所定の閾値（第１診断閾値）を上回るか否かが診断される。診断結果は統括制御部１１１に与えられ、統括制御部１１１は、係るポンピング診断の結果、係る電界の大きさが第１診断閾値を上回ると診断されたポンプセルのポンプ電圧を低減させる制御指示を与える。なお、それぞれのポンプセルに個別の第１診断閾値が設定されてよい。
係るポンプ電圧の低減により、電極間に生じる電界が弱められる。それゆえ、電極間に第１診断閾値以上の過度に大きな電界が生じた結果、当該電極間において固体電解質を構成する酸素がポンプセル内を移動し、固体電解質を構成する酸素が減少してしまうことが、好適に抑制される。
なお、本実施の形態においては、評価の簡単のため、電極間へのポンプ電圧の印加に伴い各ポンプセルに生じる電界（電極間電界）の大きさを、以下のように単純化して算出するものとする。従って、厳密にいえば、それぞれの算出値は必ずしも各ポンプセルの電極間に生じる電界の大きさを表すものではなく、あくまで電界の大きさの相対的な大小を示す相対評価値（電界評価値）に留まる。しかしながら、少なくとも準備ポンピング処理に関していえば、異なるポンプセルの間で電界の大きさを対比する必要はないことから、係る算出値を電界の大きさを示す値として用いても、差し支えはない。
まず、主ポンプセル２１の場合であれば、主ポンプ電圧Ｖｐ０の値を、内側ポンプ電極２２の天井電極部２２ａと外側ポンプ電極２３との間に存在する第２固体電解質層６の厚みにて除した値を、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３の間の電界の大きさとする。
また、補助ポンプセル５０の場合も同様に、補助ポンプ電圧Ｖｐ１の値を、補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａと外側ポンプ電極２３との間に存在する第２固体電解質層６の厚みにて除した値を、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３の間の電界の大きさとする。
一方、測定ポンプセル４１の場合は、測定ポンプ電圧Ｖｐ２の値を、ともに固体電解質層であるスペーサ層５と第２固体電解質層６の厚みの総和にて除した値を、測定電極４４と外側ポンプ電極２３の間の電界の大きさとする。
スペーサ層５および第２固体電解質層６の厚みは、センサ素子１０１においてあらかじめ特定可能な（既知の）値であるので、それらが特定されている場合、事実上は、各ポンプセルにおけるポンプ電圧を把握すれば、第１診断閾値に基づくポンピング診断を行うことが出来る。それらの厚みは例えば、５０μｍ〜４００μｍ程度である。なお、両層の厚みが同じで得る必要はない。
実際のポンピング診断は、固体電解質を構成する酸素の減少はセンサ素子を構成する固体電解質の温度が高い場合に顕著に生じることを鑑み、一対のポンプ電極間に存在する固体電解質の温度と正の相関のある指標値（温度指標値）が、あらかじめ設定された所定の閾値（第２診断閾値）以上となる場合にのみ、行われてもよい。これは、一対のポンプ電極間に存在する固体電解質の温度が低いときには、酸素の減少は生じにくいという、固体電解質の性質を鑑みたものである。そして、第１診断閾値は、一対のポンプ電極間に存在する固体電解質が、第２診断閾値に対応する温度以上にまで加熱された状態であっても、電極間電界の大きさが当該第１診断閾値以下である限りにおいては当該固体電解質からの酸素の減少が顕著に生じることのないように、設定される。なお、それぞれのポンプセルに個別の第２診断閾値が設定されてよい。
なお、一対のポンプ電極間に存在する固体電解質の温度そのものではなく、温度指標値が用いられるのは、一対のポンプ電極間に存在する固体電解質を直接に測定することが困難だからである。
第２診断閾値となる温度指標値は、これに相当する温度が素子駆動温度よりも低くなる値として設定されるが好ましいが、素子駆動温度に相当するように設定されてもよい。
以上のようなポンピング診断の実行のため、コントローラ１１０には（より詳細にはポンピング診断部１１７として機能するメモリには）、第１診断閾値を記述した第１診断閾値データＤ２ａと、第２診断閾値を記述した第２診断閾値データＤ２ｂとが、あらかじめ記憶されてなる。
ポンピング診断は、ガスセンサ１００が起動されて以降、定常動作時も含め継続的に実行されてよいが、その作用効果がもっとも顕著でありそれゆえ処理が実効的であるのは、ガスセンサ１００の起動直後など、定常動作の実行開始に先立って行われる、準備ポンピング処理の際である。準備ポンピング処理の詳細については次述する。
ガスセンサ１００の定常動作が継続している状況においては通常、センサ素子１０１は素子駆動温度に保たれており、かつ、各ポンプセルにおいて印加されるポンプ電圧も小さいことから、各ポンプセルのポンプ電極間において第１診断閾値を上回る電界が生じることはまれである。それゆえ、ポンピング診断は省略されてよい。
＜準備ポンピング処理＞
上述のように、ガスセンサ１００におけるＮＯｘ濃度の測定は、定常動作の状態で行われる。係る定常動作の間、第１内部空所２０と第２内部空所４０における酸素分圧は大気中の酸素分圧よりも十分に低い値とされる。
一方、ガスセンサ１００が全ての動作を停止している間は、当然ながらいずれのポンプセルも動作していないため、センサ素子１０１においては、ガス導入口１０からガス流通部に大気が入り込める状態となっている。それゆえ、第１内部空所２０と第２内部空所４０における酸素分圧は、最大で大気中と同程度にまで達している可能性がある。また、ヒータ部７０による加熱もないために、センサ素子１０１の温度は素子駆動温度よりも十分に低くなっており、停止時間が長い場合は室温程度にまで下がっている場合もある。
このような停止状態にあるガスセンサ１００を起動して、ＮＯｘ濃度の測定が良好に行える定常動作状態とするためには、係る開始に先立ってあらかじめ、センサ素子１０１に備わる各ポンプセルにより、第１内部空所２０および第２内部空所４０から少なくとも一定程度の酸素を汲み出しておく必要がある。本実施の形態においては、定常動作可能な状態を実現するべく定常動作の実行に先立って各ポンプセルにて行われるこのような酸素の汲み出し処理を、準備ポンピング処理と称する。
準備ポンピング処理は、統括制御部１１１による各部の動作の制御のもと、行われる。なお、定常動作状態を実現するためには、低下していたセンサ素子１０１の温度を素子駆動温度にまで加熱する必要があり、多くの場合、係る加熱処理も準備ポンピング処理に付随する処理として必要となる。
通常、ライトオフ時間とも称される、ガスセンサ１００が起動されてから定常動作状態となるまでに要する時間は、短い方が好ましい。それゆえ、準備ポンピング処理に要する時間についても、基本的には短いことが好ましい。そのため、準備ポンピング処理の際は通常、短時間で多くの酸素を汲み出すべく、各ポンプセルの電極間に定常動作時を上回る、出来るだけ高い電圧が印加される。
一方で、センサ素子１０１の温度が高い場合において、そのような高電圧の印加が印加されると、上述したような、強い電界の発生に伴ってそれぞれのポンプセルの一対のポンプ電極間に存在する固体電解質から酸素が移動し、これによってセンサ素子１０１が強度が低下してしまうことが起こり得る。準備ポンピング処理に際しては、このような、固体電解質を構成する酸素の移動を、防ぐ必要がある。
そこで、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、準備ポンピング処理のなかでポンピング診断を実行することで、センサ素子１０１における強度低下を生じさせることのない範囲で、ライトオフ時間の短縮を図るようにしている。
図３は、室温の状態にあったセンサ素子１０１を、準備ポンピング処理を行うことなく８５０℃にまで昇温し、その後、当該温度を保った状態で、主ポンプセル２１にポンプ電圧を印加してポンピングを行ったときの、主ポンプ電圧Ｖｐ０の印加開始から一対のポンプ電極間（内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間）に存在する固体電解質にクラックが発生するまでの時間（クラック発生時間）のワイブルプロット図である。具体的には、印加する主ポンプ電圧Ｖｐ０の大きさを違えることで、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に生じる電界の大きさを、１０．０Ｖ／ｍｍ、１２．５Ｖ／ｍｍ、および１５．０Ｖ／ｍｍの３水準に違えている。また、８５０℃という温度は、素子駆動温度として設定され得る温度である。
図３からは、センサ素子が高温に加熱された状態においては、電極間電界の大きさが大きいほど、ポンプ電圧の印加後、短時間でクラックが生じやすい傾向があることが、確認される。例えば、電界の大きさが１５．０Ｖ／ｍｍである場合には、主ポンプ電圧Ｖｐ０の印加の開始からわずか３０秒（０．５ｍｉｎ）〜４０秒程度経過した時点ですでに、数％のセンサ素子１０１にクラックが生じることが予測される。
図３に示したワイブルプロットを与えるガスセンサ１００の場合、準備ポンピング処理の際にも適用される、ポンピング診断のための第１診断閾値は、１５．０Ｖ／ｍｍと設定するのが好適な一例である。係る場合、ヒータ部７０による昇温中であっても、電界の大きさが１５．０Ｖ／ｍｍを超えるような高電圧が各ポンプセルの一対のポンプ電極間に印加される時間については、せいぜい３０秒以下に抑制することが可能である。より好ましくは、第１診断閾値は７．５Ｖ／ｍｍに設定される。
一方、第２診断閾値は、対応する温度が６００℃となるように設定されるのが好ましい。
ただし、ガスセンサ１００において実行される具体的な準備ポンピング処理の態様については、ポンプ電極間に存在する固体電解質の温度を示す指標値（温度指標値）の相違に伴った、第２診断閾値の設定およびこれに基づく判断内容が異なる２通りの態様がある。それらの態様につき、以降において順次に説明する。
いずれの場合も、第１診断閾値を超え得る高いポンプ電圧にてポンピング動作が開始されるとともに、第２診断閾値に基づいてポンピング診断の実行の可否が判断され、当該判断の結果、ポンピング診断を実行することとなった場合には、電極間電界が第１診断閾値を超えることがないように、ポンピング動作が制御される。
高い電極間電界が維持された状態でポンピングが継続されることにより、固体電解質を構成する酸素が減少すると、当該固体電解質を主たる構成成分とするセンサ素子１０１の強度が低下し、クラックが発生しやすくなる。準備ポンピング処理においてポンピング診断を行い、その結果に応じてポンプ電圧を低減させることは、センサ素子１０１の長寿命化という点において好適である。
（第１の態様）
準備ポンピング処理の第１の態様では、ポンプ電極間に存在する固体電解質の温度と当該固体電解質における抵抗率との間に相関があることを利用して、ポンプ電極間に存在する固体電解質の抵抗率を温度指標値として採用し、６００℃に相当する当該抵抗率の値を、第２診断閾値として設定するものとする。
一般に、対向配置された面積が等しい一対の電極間に配置された固体電解質の抵抗率ρは、抵抗値Ｒと、電極間距離ｄと、電極面積Ｓとを用いて、次の（１）式にて表すことが出来る。
ρ＝Ｒ・Ｓ／ｄ ・・・・・・（１）
しかしながら、本実施の形態の場合、抵抗値Ｒについてはポンプ電圧をポンプ電流にて除することにより算出が可能であるものの、センサ素子１０１に備わる主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、および測定ポンプセル４１においては必ずしも、一対の電極のそれぞれの面積が同じではなく、また、必ずしもそれぞれのポンプセルに備わる一対の電極は、対向配置されているわけでもない。そこで、算出の簡単のため、それぞれのポンプセルにおいて、電極間距離ｄと電極面積Ｓとを、以下のように単純化して定義したうえで、（１）式を用いて抵抗率ρを算出するものとする。
従って、厳密にいえば、それぞれの算出値は必ずしも各ポンプセルの電極間に存在する抵抗率を表すものではなく、あくまで当該抵抗率の相対的な大小を示す相対評価値（抵抗率評価値）に留まる。しかしながら、少なくとも準備ポンピング処理に関していえば、異なるポンプセルの間で抵抗率を対比する必要はないことから、係る算出値を各ポンプセルの電極間に存在する抵抗率を示す値として用いても、差し支えはない。
まず、主ポンプセル２１の場合であれば、内側ポンプ電極２２の天井電極部２２ａと外側ポンプ電極２３との間に存在する第２固体電解質層６の厚みを電極間距離ｄとし、天井電極部２２ａと外側ポンプ電極２３の面積のうち、小さい方の値を、電極面積Ｓとする。
また、補助ポンプセル５０の場合も同様に、補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａと外側ポンプ電極２３との間に存在する第２固体電解質層６の厚みを電極間距離ｄとし、天井電極部５１ａと外側ポンプ電極２３の面積のうち、小さい方の値を、電極面積Ｓとする。
一方、測定ポンプセル４１の場合は、スペーサ層５と第２固体電解質層６の厚みの総和を電極間距離ｄとし、測定電極４４と外側ポンプ電極２３の面積のうち、小さい方の値を、電極面積Ｓとする。
電極間距離ｄと電極面積Ｓは、センサ素子１０１においてあらかじめ特定可能な（既知の）値であるので、それらが特定されている場合、事実上は、各ポンプセルにおけるポンプ電圧とポンプ電流とを把握すれば、本態様に係る準備ポンピング処理においてポンプ電極間の固体電解質の温度の変化を、把握することが出来る。
図４は、準備ポンピング処理の第１の態様における処理の流れを示す図である。図４には併せて、係る準備ポンピング処理の途中におけるセンサ素子１０１の加熱状況および温度状況についても示している。
ガスセンサ１００が起動していなかった場合など、準備ポンピング処理に際してセンサ素子１０１の温度が素子駆動温度よりも低い場合は、準備ポンピング処理の実行に際してヒータ部７０によるセンサ素子１０１の加熱が開始される。ただし、ヒータ部７０による加熱は、センサ素子１０１が素子駆動温度に到達した後も継続される。あるいは、ヒータ部７０による加熱が継続している間に、準備ポンピング処理が実行される場合もある。換言すれば、準備ポンピング処理は、昇温あるいは素子駆動温度での保温のために、ヒータ部７０による加熱がなされている状況で行われる。
以降においては、準備ポンピング処理の開始時点においてセンサ素子１０１の温度が素子駆動温度よりも低い場合を例として、説明を行う。
係る場合はまず、統括制御部１１１による制御指示のもと、ヒータ部７０による加熱が開始されることによって、センサ素子１０１が昇温開始されたうえで、主ポンプ制御部１１２、補助ポンプ制御部１１３、および測定ポンプ制御部１１４がそれぞれ、可変電源２４、５２、および４６を制御することによって、主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、および測定ポンプセル４１のそれぞれにおいて、ガス流通部に（主として第１内部空所２０および第２内部空所４０に）入り込んだ大気中の酸素を汲み出すためのポンピングが開始される（ステップＳ１）。それとともに、ポンピング診断部１１７による、電極間抵抗率が第２診断閾値（図４においては第２閾値）以上となるか否かの判断も開始される（ステップＳ２ａ）。
酸素の早期の汲み出しという観点からは、係るポンピングの際にそれぞれのポンプセルにて印加されるポンプ電圧は、なるべく大きい方が好ましい。それゆえ、加熱開始後、電極間抵抗率が第２診断閾値に到達するまでの、センサ素子１０１の温度が比較的低い間（ステップＳ２ａでＮＯ）は、ポンプ電圧は、定常動作時の電圧値はもちろん、第１診断閾値（図４においては第１閾値）を上回ることも許容される。
なお、実際のポンプ電圧は、ポンプセルによっても異なるが、最大でもせいぜい２．５Ｖ程度である。ただし、ポンプ電圧が一定である必要はない。
そして、ヒータ部７０による加熱が継続されることでポンプ電極間の固体電解質の温度が上昇し、これに伴い電極間抵抗率が増大して第２診断閾値以上になったとポンピング診断部１１７が診断すると（ステップＳ２ａでＹＥＳ）、統括制御部１１１の制御指示のもと、ポンプ電圧が引き下げられる（ステップＳ３）。係る引き下げは、ポンピング診断部１１７によって、ポンピング診断部１１７が電極間電界の方が大きいと診断されるまで行われる。
なお、ポンプ電極間の固体電解質の温度の上昇態様やポンピングの状況などは、個々のポンプセルごとに異なるので、ポンピング診断部１１７によるステップＳ２ａの診断と、その後のポンプ電圧の引き下げは、それぞれのポンプセルについて別個に行われてよい。すなわち、準備ポンピング処理の途中で行われるポンピング診断は、個々のポンプセルについて独立に行われてよい。換言すれば、図４に示す処理の流れは、個々のポンプセルについて個別に適用され得る。すなわち、いずれかのポンプセルにおいて電極間抵抗率が第２診断閾値以上となっていたとしても、他のポンプセルにおいては電極間抵抗率が第２診断閾値未満のままである場合もある。つまりは、あるポンプセルについての診断の結果は、他のポンプセルに影響を与えるものではない。
よって、あるポンプセルにおいては電極間抵抗率が当該ポンプセルについて固有の第２診断閾値に到達したためにポンピング電圧が引き下げられているとしても、他のポンプセルにおいては当該ポンプセルについて設定された第２に診断閾値に到達していないような場合には、後者については開始当初からの当初のポンピング態様が維持されてよい。
ポンピング電圧が引き下げられた後も、当該ポンプ電圧のもとでのポンピング動作自体は、ポンピング対象領域（第１内部空所２０、第２内部空所４０、および第４拡散律速部４５で被覆された測定電極４４の表面近傍）における酸素分圧が、定常動作を実行可能な程度の所定の値に到達する（ステップＳ４でＹＥＳ）まで継続される（ステップＳ４でＮＯ）。
通常は、電極間抵抗率が第２診断閾値以上となってからポンピング対象領域の酸素分圧が定常動作を実行可能な程度にまで低減されるまでの間に、センサ素子１０１は素子駆動温度に到達しているので、酸素分圧が十分に低められた状態が実現されることにより、ガスセンサ１００においては、定常動作の実行が可能となる。
（第２の態様）
準備ポンピング処理の第２の態様では、ポンプ電極間に存在する固体電解質の温度が、ヒータ部７０による加熱に応じて（より具体的にはヒータエレメント７２の発熱に応じて）変化することを利用して、両者の関係をあらかじめ実験的に特定しておき、ヒータ部７０による加熱温度（ヒータ温度）をそのまま、ポンプ電極間に存在する固体電解質の温度を示す温度指標値として採用し、６００℃に相当する当該加熱温度の値を、第２診断閾値として設定するものとする。
図５は、準備ポンピング処理の第２の態様における処理の流れを示す図である。図５には併せて、係る準備ポンピング処理の途中におけるセンサ素子１０１の加熱状況および温度状況についても示している。
図５に示す処理の流れは、ステップＳ２ａに代えてステップＳ２ｂが行われる点を除いて、図４に示した第２の態様における処理の流れと同じである。それゆえ、第２の態様においては、統括制御部１１１の制御指示に基づくポンピングの開始（ステップＳ１）後、ポンピング診断部１１７による、ヒータ部７０による加熱温度が第２診断閾値（図５においては第２閾値）以上となるか否かの判断が開始される（ステップＳ２ｂ）。加熱開始後、ヒータ温度が第２診断閾値に到達するまでの、センサ素子１０１の温度が比較的低い間（ステップＳ２ｂでＮＯ）は、ポンプ電圧が第１診断閾値を上回ることも許容される。その後、ヒータ部７０による加熱が継続されることでヒータ温度が上昇し、第２診断閾値以上になったとポンピング診断部１１７が診断すると（ステップＳ２ｂでＹＥＳ）、統括制御部１１１の制御のもとポンプ電圧が引き下げられる（ステップＳ３）。以降の処理は第１の態様と同じである。なお、図５に示す処理の流れも、個々のポンプセルについて個別に適用され得る。
なお、ヒータ温度は、ヒータ部７０に備わるヒータ抵抗検出リード７５の抵抗値であるヒータ抵抗に基づいて特定されることから、ヒータ抵抗そのものを温度指標値として採用し、第２診断閾値についてもヒータ抵抗について設定する態様であってもよい。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、例えば、起動停止の状態にあるガスセンサを、濃度測定のための定常動作を可能な状態とするときなど、センサ素子の内部空所に存在する酸素をポンプセルにて汲み出して、内部空所における酸素分圧を所定値とする際に、ポンプ電極間に存在する固体電解質の温度が低い間はポンプセルに高い電圧を印加し、固体電解質の温度が所定の閾値以上になると、ポンプセルに印加する電圧を固体電解質からの酸素の移動が生じることのない電圧に抑制することで、ポンプ電極間に存在する固体電解質にクラックを発生させることなく、内部空所等からの酸素の汲み出しを早期に完了することが出来る。これにより、センサ素子さらにはガスセンサの長寿命化が図られる。
＜変形例＞
上述の実施の形態においては、測定電極４４が、多孔質の保護膜として機能するとともに被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第４拡散律速部４５に被覆される態様にて第２内部空所４０に配置されてなり、該第４拡散律速部４５によって、測定電極４４に流入するＮＯｘの量が制限されていたが、これに代わり、被測定ガスに対し第４拡散律速部４５と同等の拡散抵抗を付与する、例えばスリット状のあるいは多孔質の拡散律速部にて第２内部空所４０と連通する第３内部空所を設け、該第３内部空所に測定電極４４を設けるようにしてもよい。
図６は、そのようなセンサ素子２０１の長手方向に沿った垂直断面図を含む、ガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。なお、センサ素子２０１は、図１に示すセンサ素子１０１の構成要素と作用・機能が共通する構成要素を有している。そのような構成要素については、図１に示された対応する構成要素と同一の符号を付して、必要ある場合を除き、詳細な説明は省略する。また、コントローラ１１０については図示を省略している。
センサ素子２０１においては、第１拡散律速部１１がガス導入口１０を兼ねている点、第１拡散律速部１１、第２拡散律速部１３、および第３拡散律速部３０と同様のスリット状をなす第５拡散律速部６０によって第２内部空所４０と連通する第３内部空所６１が設けられてなる点、測定電極４４が係る第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面に設けられてなる点、および、測定電極４４が第３内部空所６１に対し露出してなる点において、図１に示したセンサ素子１０１と相違する。ただし、第２の内部空所４０と測定電極４４との間に拡散律速部が介在するという点では、センサ素子２０１もセンサ素子１０１と同様である。
係るガスセンサ２００の場合、準備ポンピング処理においては、測定ポンプセル４１が第３内部空所内に入り込んだ酸素を汲み出すことになる点で、上述の実施の形態に係るガスセンサ１００と相違する。その他は、ガスセンサ１００と同様の態様にて、準備ポンピング処理を行うことが出来る。
また、上述したように、ポンピング診断は、過大な電極間電界が固体電解質に作用するか否かを診断する処理であるので、その実施のタイミングは準備ポンピング処理の際に限られない。
例えば、センサ素子が測定電極４４のようにＮＯｘを分解する電極を備えており、当該電極がＲｈ（ロジウム）を含むような場合において、当該電極におけるＲｈの酸化を防ぐ目的で、ポンプセルに大きな電圧を印加して被測定ガス中の水分を分解するという処理が実行されることがあるが、そのような場合において、ポンピング診断を実行し、電極間電界が過大となる場合にはポンプ電圧を低減させることも、可能である。
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
３０ 第３拡散律速部
４０ 第２内部空所
４１ 測定ポンプセル
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
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
７０ ヒータ部
７２ ヒータエレメント
７２ａ ヒータリード
７５ ヒータ抵抗検出リード
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子
Ｉｐ０ 主ポンプ電流
Ｉｐ１ 補助ポンプ電流
Ｉｐ２ ＮＯｘ電流
Ｖｐ０ ポンプ電圧
Ｖｐ０ 主ポンプ電圧
Ｖｐ１ 補助ポンプ電圧
Ｖｐ２ 測定ポンプ電圧
本実施の形態においては、以上のようなＮＯｘ濃度の出力のためにガスセンサ１００において各ポンプセルにて行われる動作およびその制御、例えば、センサ素子１０１を素子駆動温度に保つためのヒータ部７０による加熱や、被測定ガスからの酸素のポンピングや、被測定ガス中のＮＯｘの分解により生じた酸素のポンピングや、それらを実現するために行われる、センサセルに生じた起電力に基づくフィードバック制御や、さらには、ＮＯｘ電流Ｉｐ２の値に基づくＮＯｘ濃度の出力のための演算処理などを、ガスセンサ１００におけるＮＯｘ濃度測定のための「定常動作」と称することとする。
一方で、センサ素子１０１の温度が高い場合において、そのような高電圧の印加が印加されると、上述したような、強い電界の発生に伴ってそれぞれのポンプセルの一対のポンプ電極間に存在する固体電解質から酸素が移動し、これによってセンサ素子１０１の強度が低下してしまうことが起こり得る。準備ポンピング処理に際しては、このような、固体電解質を構成する酸素の移動を、防ぐ必要がある。
図５に示す処理の流れは、ステップＳ２ａに代えてステップＳ２ｂが行われる点を除いて、図４に示した第１の態様における処理の流れと同じである。それゆえ、第２の態様においては、統括制御部１１１の制御指示に基づくポンピングの開始（ステップＳ１）後、ポンピング診断部１１７による、ヒータ部７０による加熱温度が第２診断閾値（図５においては第２閾値）以上となるか否かの判断が開始される（ステップＳ２ｂ）。加熱開始後、ヒータ温度が第２診断閾値に到達するまでの、センサ素子１０１の温度が比較的低い間（ステップＳ２ｂでＮＯ）は、ポンプ電圧が第１診断閾値を上回ることも許容される。その後、ヒータ部７０による加熱が継続されることでヒータ温度が上昇し、第２診断閾値以上になったとポンピング診断部１１７が診断すると（ステップＳ２ｂでＹＥＳ）、統括制御部１１１の制御のもとポンプ電圧が引き下げられる（ステップＳ３）。以降の処理は第１の態様と同じである。なお、図５に示す処理の流れも、個々のポンプセルについて個別に適用され得る。

Claims (12)

  1. 酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサであって、
    前記センサ素子が、
    前記センサ素子の内部に導入されたガスと接触可能に配置された第１の電極と、前記第１の電極との間に前記固体電解質からなる部分が存在するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることで前記第１の電極が面する領域から酸素を外部に汲み出し可能な電気化学的ポンプセルである少なくとも１つのポンプセルと、
    前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
    を有してなり、
    かつ、
    前記ガスセンサの動作を制御するコントローラ、
    をさらに備え、
    前記コントローラが、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記所定のポンプ電圧が印加されることによって前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分に生じる電極間電界が、第１の閾値を上回るか否かを診断する第１の診断を行うポンピング診断部、
    を有してなり、
    前記電極間電界が前記第１の閾値を上回る場合、前記電極間電界が前記第１の閾値を下回るように前記所定のポンプ電圧を低減させる、
    ことを特徴とするガスセンサ。
  2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
    前記ポンピング診断部が、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分における温度と正の相関を有する温度指標値が第２の閾値を上回るか否かを診断する第２の診断を行い、
    前記温度指標値が第２の閾値以上である場合に前記第１の診断を行う、
    ことを特徴とするガスセンサ。
  3. 請求項２に記載のガスセンサであって、
    前記温度指標値が、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分の抵抗率である、
    ことを特徴とするガスセンサ。
  4. 請求項２に記載のガスセンサであって、
    前記温度指標値が、前記ヒータ部に備わる発熱体の抵抗値から特定されるヒータ温度あるいは前記抵抗値自体である、
    ことを特徴とするガスセンサ。
  5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のガスセンサであって、
    被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定が、前記センサ素子が前記ヒータ部による加熱によって所定の素子駆動温度に保たれてなり、かつ、前記少なくとも１つのポンプセルにおいて前記第１の電極が面している領域の酸素分圧が所定値以下に保たれた定常動作状態で行われ、
    非定常動作状態から前記定常動作状態への移行が、前記ヒータ部が前記センサ素子を前記素子駆動温度に昇温する間に、前記少なくとも１つのポンプセルが前記領域から酸素を汲み出す準備ポンピングを行うことにより行われ、
    前記ポンピング診断部は、前記非定常動作状態から前記定常動作状態への移行の間に、前記第１および第２の診断を行う、
    ことを特徴とするガスセンサ。
  6. 請求項５に記載のガスセンサであって、
    前記センサ素子が、
    外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
    前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、
    前記第１の電極の１つであり、前記第１の内部空所に面して設けられてなる内側ポンプ電極と、前記第２の電極であり、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の１つである、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの１つである主ポンプセルと、
    前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、
    前記第１の電極の他の１つであり、前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の他の１つである、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの他の１つである補助ポンプセルと、
    前記第１の電極のさらに他の１つであり、前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第２の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、
    前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される、前記少なくとも１つのポンプセルのさらに他の１つである測定ポンプセルと、
    前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
    を有してなり、
    かつ、
    前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に主ポンプ電圧を印加する第１の可変電源と、
    前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第２の可変電源と、
    前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に測定ポンプ電圧を印加する第３の可変電源と、
    をさらに有してなり、前記定常動作状態においては、
    前記第１の可変電源が、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプ電圧を印加し、
    前記第２の可変電源が、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、
    前記第３の可変電源が、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプ電圧を印加する、
    ことを特徴とするガスセンサ。
  7. 酸素イオン伝導性の固体電解質からなる基体部を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中のＮＯｘの濃度を測定する限界電流型のガスセンサの、動作制御方法であって、
    前記センサ素子が、
    前記センサ素子の内部に導入されたガスと接触可能に配置された第１の電極と、前記第１の電極との間に前記固体電解質からなる部分が存在するように配置された第２の電極とを備え、前記第１の電極と前記第２の電極との間に所定のポンプ電圧が印加されることで前記第１の電極が面する領域から酸素を外部に汲み出し可能な電気化学的ポンプセルである少なくとも１つのポンプセルと、
    前記センサ素子の内部に埋設されてなり、前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
    を有してなり、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記所定のポンプ電圧が印加される電圧印加工程と、
    前記電圧印加工程における前記ポンプ電圧の印加によって、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分に生じる電極間電界が、第１の閾値を上回るか否かを診断する第１の診断を行うポンピング診断工程、
    を備え、
    前記ポンピング診断工程においては、前記電極間電界が前記第１の閾値を上回る場合、前記電極間電界が前記第１の閾値を下回るように、前記電圧印加工程において印加される前記所定のポンプ電圧を低減させる、
    ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
  8. 請求項７に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
    前記ポンピング診断工程においては、
    前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分における温度と正の相関を有する温度指標値が第２の閾値を上回るか否かを診断する第２の診断をさらに行い、
    前記温度指標値が第２の閾値以上である場合に前記第１の診断を行う、
    ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
  9. 請求項８に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
    前記温度指標値が、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記固体電解質からなる部分の抵抗率である、
    ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
  10. 請求項８に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
    前記温度指標値が、前記ヒータ部に備わる発熱体の抵抗値から特定されるヒータ温度あるいは前記抵抗値自体である、
    ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
  11. 請求項８ないし請求項１０のいずれかに記載のガスセンサの動作制御方法であって、
    前記ガスセンサにおける被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定が、前記センサ素子が前記ヒータ部による加熱によって所定の素子駆動温度に保たれてなり、かつ、前記少なくとも１つのポンプセルにおいて前記第１の電極が面している領域の酸素分圧が所定値以下に保たれた定常動作状態で行われるとするときに、
    前記ガスセンサを非定常動作状態から前記定常動作状態へと移行させる移行工程を有してなり、
    前記移行工程が、
    前記ヒータ部が前記センサ素子を前記素子駆動温度に昇温する昇温工程と、
    前記昇温工程の間に、前記少なくとも１つのポンプセルが前記領域から酸素を汲み出す準備ポンピング工程と、
    を含み、
    前記移行工程の間に、前記ポンピング診断工程による前記第１および第２の診断が行われる、
    ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
  12. 請求項１１に記載のガスセンサの動作制御方法であって、
    前記センサ素子が、
    外部空間から被測定ガスが導入されるガス導入口と、
    前記ガス導入口と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第１の内部空所と、
    前記第１の電極の１つであり、前記第１の内部空所に面して設けられてなる内側ポンプ電極と、前記第２の電極であり、前記第１の内部空所以外の空間に面して設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の１つである、前記内側ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの１つである主ポンプセルと、
    前記第１の内部空所と所定の拡散抵抗のもとで連通してなる第２の内部空所と、
    前記第１の電極の他の１つであり、前記第２の内部空所に面して設けられた補助ポンプ電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記固体電解質からなる部分の他の１つである、前記補助ポンプ電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された、前記少なくとも１つのポンプセルの他の１つである補助ポンプセルと、
    前記第１の電極のさらに他の１つであり、前記センサ素子の内部に配置されてなり、前記第２の内部空所との間に少なくとも１つの拡散律速部を有する測定電極と、
    前記測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成される、前記少なくとも１つのポンプセルのさらに他の１つである測定ポンプセルと、
    前記センサ素子の内部において基準ガスと接触可能に設けられた基準電極と、
    を有してなり、
    かつ、前記ガスセンサが、
    前記空所外ポンプ電極と前記内側ポンプ電極との間に主ポンプ電圧を印加する第１の可変電源と、
    前記空所外ポンプ電極と前記補助ポンプ電極との間に補助ポンプ電圧を印加する第２の可変電源と、
    前記空所外ポンプ電極と前記測定電極との間に測定ポンプ電圧を印加する第３の可変電源と、
    をさらに有してなり、前記定常動作状態においては、
    前記第１の可変電源が、前記第１の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記主ポンプ電圧を印加し、
    前記第２の可変電源が、前記第２の内部空所における酸素濃度を一定にするように前記補助ポンプ電圧を印加し、
    前記第３の可変電源が、前記測定電極におけるＮＯｘの分解により生じた酸素を汲み出すように前記測定ポンプ電圧を印加する、
    ことを特徴とするガスセンサの動作制御方法。
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