JP2023089944A - ガスセンサ及びガスセンサの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基準電極周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制する。【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と制御部とを備える。センサ素子１０１は、被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体（層１～６）と、被測定ガス流通部に配設された測定電極４４と、被測定ガスと接触するように素子本体に設けられた外側ポンプ電極２３と、素子本体の内部に配設された基準電極４２と、基準ガスを素子本体の外部から基準電極４２まで流通させる基準ガス導入部４９と、外側ポンプ電極２３と基準電極４２とを含んで構成される基準ガス調整ポンプセル９０と、を備える。制御部は、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出して基準電極４２の周囲の水分濃度を低下させるように基準ガス調整ポンプセル９０を制御する水分濃度低下処理を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサ及びガスセンサの制御方法に関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガスの濃度を検出するガスセンサに用いられるセンサ素子が知られている。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、被測定ガス流通部の内周面上に配設された測定電極と、素子本体の内部に配設された基準電極と、被測定ガスの特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガス（例えば大気）を導入して基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、を備えたセンサ素子が記載されている。基準ガス導入部は、多孔質の基準ガス導入層を有している。このセンサ素子の基準電極と測定電極との間に生じる起電力に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出することができる。

特開２０２０－０９４８９９号公報

ところで、例えばセンサ素子を駆動していない期間に、基準ガス導入部が外部の水を吸着してしまう場合があった。駆動開始するとセンサ素子が加熱されるため基準ガス導入部内の水は気体となって基準ガス導入部から外部に抜けていくが、水が抜けるまでの間は気体の水が存在することで基準電極周りの酸素濃度が低下してしまう。これにより、水が抜けるまでの間は特定ガス濃度の検出精度が低下する場合があった。

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、基準電極周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制することを主目的とする。

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。

本発明の第１のガスセンサは、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子と、
前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出して前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理を行う制御部と、
を備えたものである。

この第１のガスセンサでは、水分濃度低下処理において、基準電極の周囲から被測定ガス側電極の周囲に酸素の汲み出しが行われる。これにより、基準電極の周囲の酸素が汲み出されるだけでなく、基準電極の周囲の水分が分解されて分解により生じた酸素も汲み出すことができる。したがって、基準電極の周囲の水分濃度を速やかに低下させることができるから、基準電極周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

本発明の第１のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記水分濃度低下処理において、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲への酸素の汲み出しと、前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲への酸素の汲み入れと、を交互に行うように前記基準ガス調整ポンプセルを制御してもよい。ここで、基準電極の周囲から酸素の汲み出しを行うと、水が分解されると共に基準電極の周囲の酸素も汲み出されるから、一時的に基準電極の周囲の酸素濃度は低下する。汲み出しと汲み入れとを交互に行うことで、汲み出しにより減少した酸素を汲み入れによって早期に補うことができる。

本発明の第２のガスセンサは、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子と、
前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れて前記基準電極の周囲の酸素濃度を調整するように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する基準ガス調整処理と、前記基準ガス調整処理と比べて一時的により多くの酸素を前記基準電極の周囲に汲み入れて前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理と、を行う制御部と、
を備えたものである。

この第２のガスセンサでは、基準ガス調整処理により基準電極の周囲に酸素を汲み入れることで、基準電極の周囲の酸素濃度の低下を補うことができる。また、水分濃度低下処理において、基準ガス調整処理と比べて一時的により多くの酸素を基準電極に汲み入れるため、この処理によって基準電極の周囲の水分に起因する酸素濃度の低下も補うことができる。したがって、例えば基準ガス調整処理は行うが水分濃度低下処理を行わない場合と比較して、基準電極周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記水分濃度低下処理において基準ガス調整ポンプセルに０．３Ｖ以上１．５Ｖ以下の制御電圧を印加して該基準ガス調整ポンプセルを動作させてもよい。制御電圧が０．３Ｖ以上では、基準ガス調整ポンプセルをより確実に動作させることができる。制御電圧が１．５Ｖ以下では、センサ素子の黒化を抑制できる。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記水分濃度低下処理の実行時間は５秒以上３００秒以下としてもよい。実行時間が５秒以上では、基準電極の周囲の水分濃度をより確実に低下させることができる。また、水分濃度低下処理の実行中は基準電極に電流が流れることで基準電極の電位が変化するため、実行時間は３００秒以下が好ましい。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記素子本体を加熱するヒータ、を備え、前記制御部は、前記ヒータに通電して該ヒータの温度が所定温度以上に到達した後に、前記水分濃度低下処理を行ってもよい。こうすれば、ヒータの温度が上昇してから水分濃度低下処理が行われるため、固体電解質層が活性化して酸素イオン伝導性が発揮される状態で基準ガス調整ポンプセルを動作させることができる。したがって、水分濃度低下処理を適切なタイミングで実行できる。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行い、水分が多いと判定した場合に前記水分濃度低下処理を行ってもよい。ここで、基準ガス調整ポンプセルが基準電極の周囲から被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流は、基準電極の周囲の水分の多寡によって変化する。そのため、このポンプ電流に基づいて基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定することができる。そして、水分が多いと判定した場合に水分濃度低下処理を行うから、水分濃度低下処理を適切に行うことができる。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記水分判定処理において、前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧を前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に印加したときの前記ポンプ電流に基づいて、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定してもよい。限界電流領域の電圧よりも高い電圧を印加すると、基準電極の周囲の水分が分解されやすいから、基準電極の周囲の水分の多寡がポンプ電流に影響しやすい。そのため、このような電圧を印加したときのポンプ電流に基づいて判定を行うことで、基準電極の周囲の水分が多いか否かをより適切に判定できる。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流との比較に基づいて、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定してもよい。基準電極の周囲の水分が多いほどポンプ電流と限界電流との相違が大きくなるから、これらを比較することで、基準電極の周囲の水分が多いか否かをより適切に判定できる。この場合において、前記制御部は、前記限界電流と前記ポンプ電流との差又は比に基づいて前記判定を行ってもよい。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記限界電流の値を記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記記憶部に記憶された限界電流とを比較してもよい。こうすれば、水分判定処理において限界電流を測定する必要がない。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記制御部は、前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルに前記限界電流領域の電圧を印加して測定した前記限界電流とを比較してもよい。こうすれば、水分判定処理においてポンプ電流だけでなく限界電流も測定するため、より精度良く判定を行うことができる。

本発明の第１又は第２のガスセンサにおいて、前記所定の制御電圧は、０．８Ｖ以上１．５Ｖ以下の電圧としてもよい。制御電圧が０．８Ｖ以上の値であれば、この範囲の電圧を印加したときのポンプ電流が基準電極の周囲の水分の多寡によって変化しやすいため、水分判定処理を行うのに適している。制御電圧が１．５Ｖ以下では、センサ素子の黒化を抑制できる。

本発明の第１のガスセンサの制御方法は、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサの制御方法であって、
前記ガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子、を備え、
前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出して前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理、
を含むものである。

この第１のガスセンサの制御方法では、上述した第１のガスセンサと同様に、基準電極周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。なお、この第１のガスセンサの制御方法において、上述した第１又は第２のガスセンサの種々の態様を採用してもよいし、また、上述した第１又は第２のガスセンサの各機能を実現するような処理を追加してもよい。

本発明の第２のガスセンサの制御方法は、
被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサの制御方法であって、
前記ガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
を有するセンサ素子、を備え、
前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れて前記基準電極の周囲の酸素濃度を調整するように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する基準ガス調整処理と、
前記基準ガス調整処理と比べて一時的により多くの酸素を前記基準電極の周囲に汲み入れて前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理と、
を含むものである。

この第２のガスセンサの制御方法では、上述した第２のガスセンサと同様に、基準電極周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。なお、この第２のガスセンサの制御方法において、上述した第１又は第２のガスセンサの種々の態様を採用してもよいし、また、上述した第１又は第２のガスセンサの各機能を実現するような処理を追加してもよい。

ガスセンサ１００の縦断面図。 センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図。 制御装置９５と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。 基準ガス調整ポンプセル９０の電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を示すグラフ。 制御ルーチンの一例を示すフローチャート。 時刻ｔと電圧Ｖ２ｏｐｅｎとの関係を示すグラフ。 変形例の基準ガス導入部２４９の周辺の構成を示した断面模式図。 変形例のセンサ素子２０１の断面模式図。

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の縦断面図である。図２は、ガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図３は、制御装置９５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。なお、センサ素子１０１は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１０１の長手方向（図２の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１０１の厚み方向（図２の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１０１の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。

図１に示すように、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と、センサ素子１０１の前端側を保護する保護カバー１３０と、センサ素子１０１と導通するコネクタ１５０を含むセンサ組立体１４０とを備えている。このガスセンサ１００は、図示するように例えば車両の排ガス管などの配管１９０に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＯ₂等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。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。

保護カバー１３０は、センサ素子１０１の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー１３１と、この内側保護カバー１３１を覆う有底筒状の外側保護カバー１３２とを備えている。内側保護カバー１３１及び外側保護カバー１３２には、被測定ガスを保護カバー１３０内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー１３１で囲まれた空間としてセンサ素子室１３３が形成されており、センサ素子１０１の前端はこのセンサ素子室１３３内に配置されている。

センサ組立体１４０は、センサ素子１０１を封入固定する素子封止体１４１と、素子封止体１４１に取り付けられたボルト１４７，外筒１４８と、センサ素子１０１の後端の表面（上下面）に形成された図示しないコネクタ電極（後述するヒータコネクタ電極７１のみ図２に図示した）に接触してこれらと電気的に接続されたコネクタ１５０と、を備えている。

素子封止体１４１は、筒状の主体金具１４２と、主体金具１４２と同軸に溶接固定された筒状の内筒１４３と、主体金具１４２及び内筒１４３の内側の貫通孔内に封入されたセラミックスサポーター１４４ａ～１４４ｃ，圧粉体１４５ａ，１４５ｂ，メタルリング１４６と、を備えている。センサ素子１０１は素子封止体１４１の中心軸上に位置しており、素子封止体１４１を前後方向に貫通している。内筒１４３には、圧粉体１４５ｂを内筒１４３の中心軸方向に押圧するための縮径部１４３ａと、メタルリング１４６を介してセラミックスサポーター１４４ａ～１４４ｃ，圧粉体１４５ａ，１４５ｂを前方に押圧するための縮径部１４３ｂとが形成されている。縮径部１４３ａ，１４３ｂからの押圧力により、圧粉体１４５ａ，１４５ｂが主体金具１４２及び内筒１４３とセンサ素子１０１との間で圧縮されることで、圧粉体１４５ａ，１４５ｂが保護カバー１３０内のセンサ素子室１３３と外筒１４８内の空間１４９との間を封止すると共に、センサ素子１０１を固定している。

ボルト１４７は、主体金具１４２と同軸に固定されており、外周面に雄ネジ部が形成されている。ボルト１４７の雄ネジ部は、配管１９０に溶接され内周面に雌ネジ部が設けられた固定用部材１９１内に挿入されている。これにより、ガスセンサ１００のうちセンサ素子１０１の前端や保護カバー１３０の部分が配管１９０内に突出した状態で、ガスセンサ１００が配管１９０に固定されている。

外筒１４８は、内筒１４３，センサ素子１０１，コネクタ１５０の周囲を覆っており、コネクタ１５０に接続された複数のリード線１５５が後端から外部に引き出されている。このリード線１５５は、コネクタ１５０を介してセンサ素子１０１の各電極（後述）と導通している。外筒１４８とリード線１５５との隙間はゴム栓１５７によって封止されている。外筒１４８内の空間１４９は基準ガス（本実施形態では大気）で満たされている。センサ素子１０１の後端はこの空間１４９内に配置されている。

図２に示すように、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。

センサ素子１０１の一端（図２の左側）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。

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。

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。

センサ素子１０１は、センサ素子１０１の外部から基準電極４２にＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスを流通させる基準ガス導入部４９を備えている。基準ガス導入部４９は、基準ガス導入空間４３と、基準ガス導入層４８とを有する。基準ガス導入空間４３は、センサ素子１０１の後端面から内方向に設けられた空間である。基準ガス導入空間４３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設けられている。基準ガス導入空間４３は、センサ素子１０１の後端面に開口しており、この開口が基準ガス導入部４９の入口部４９ａとして機能する。入口部４９ａは、空間１４９内に露出している（図１参照）。この入口部４９ａから基準ガス導入空間４３内に基準ガスが導入される。基準ガス導入部４９は、入口部４９ａから導入された基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつこれを基準電極４２に導入する。基準ガスは、本実施形態では大気（図１の空間１４９内の雰囲気）とした。

基準ガス導入層４８は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４の下面との間に設けられている。基準ガス導入層４８は、例えばアルミナなどのセラミックスからなる多孔質体である。基準ガス導入層４８の上面の一部は、基準ガス導入空間４３内に露出している。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。基準ガス導入層４８は、基準ガスを基準ガス導入空間４３から基準電極４２まで流通させる。

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。

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。

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（図１のセンサ素子室１３３）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。

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。

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。

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。

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とによって、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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

さらに、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、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的な基準ガス調整ポンプセル９０が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル９０は、外側ポンプ電極２３と基準電極４２との間に接続された電源回路９２が印加する制御電圧（電圧Ｖｐ３）により制御電流（ポンプ電流Ｉｐ３）が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、基準ガス調整ポンプセル９０は、外側ポンプ電極２３の周囲の空間（図１のセンサ素子室１３３）から基準電極４２の周囲に酸素の汲み入れを行うことや、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出すことが可能になっている。

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。

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、リード線７６とを備えている。

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。

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、リード線７６及びスルーホール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。

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。

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た多孔質アルミナからなる絶縁層である。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。

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。

制御装置９５は、図３に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２と、ヒータ電源７８と、上述した電源回路９２と、制御部９６と、を備えている。制御部９６は、ＣＰＵ９７，図示しないＲＡＭ，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、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する装置である。制御部９６は、各センサセル８０～８３の電圧Ｖ０～Ｖ２及び電圧Ｖｒｅｆを入力する。制御部９６は、各ポンプセル２１，５０，４１，９０を流れるポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ２及びポンプ電流Ｉｐ３を入力する。制御部９６は、可変電源２４，４６，５２及び電源回路９２へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２及び電源回路９２が出力する電圧Ｖｐ０～Ｖｐ３を制御し、これにより、各ポンプセル２１，４１，５０，９０を制御する。制御部９６は、ヒータ電源７８に制御信号を出力することでヒータ電源７８がヒータ７２に供給する電力を制御し、これにより、センサ素子１０１の温度を調整する。記憶部９８には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，及び目標電流Ｉｐ１＊などが記憶されている。制御部９６のＣＰＵ９７は、これらの目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，及び目標電流Ｉｐ１＊を参照して、各セル２１，４１，５０の制御を行う。

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。

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（目標電流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が一定の目標電流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％よりは高く且つ低酸素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。

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。

さらに、制御部９６は、電圧Ｖ２が一定値（目標値）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。

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。

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。

制御部９６は、電圧Ｖｐ３が基準ガス調整ポンプセル９０に印加されるように電源回路９２を制御して、基準ガス調整ポンプセル９０にポンプ電流Ｉｐ３を流す。制御部９６は、電圧Ｖｐ３の大きさや正負を変更することで、ポンプ電流Ｉｐ３の大きさや流れる向きを制御する。これにより、制御部９６は基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の酸素の移動方向（基準電極４２の周囲への酸素の汲み入れ又は基準電極４２の周囲からの酸素の汲み出し）を制御したり、酸素の移動量を制御したりすることができる。本実施形態では、電圧Ｖｐ３はポンプ電流Ｉｐ３が所定の値（一定値の直流電流）となるような直流電圧とした。

制御部９６は、外側ポンプ電極２３の周囲から基準電極４２の周囲に酸素を汲み入れて基準電極４２の周囲の酸素濃度を調整するように基準ガス調整ポンプセル９０を制御する基準ガス調整処理を行う。ここで、センサ素子１０１のうちガス導入口１０などの被測定ガス流通部には、図１に示したセンサ素子室１３３から被測定ガスが導入される。一方、センサ素子１０１のうち基準ガス導入部４９には、図１に示した空間１４９内の基準ガス（大気）が導入される。そして、このセンサ素子室１３３と空間１４９とは、センサ組立体１４０（特に、圧粉体１４５ａ，１４５ｂ）によって区画され、互いにガスが流通しないように封止されている。しかし、被測定ガス側の圧力が高い場合などにおいて、被測定ガスがわずかに空間１４９内に侵入してしまい、空間１４９内の酸素濃度が低下する場合がある。このとき、基準電極４２の周囲の酸素濃度まで低下してしまうと、基準電極４２の電位である基準電位が変化してしまう。基準ガス調整処理を行うことで、このような基準電極４２の周囲の酸素濃度の低下を補うことができる。

なお、図２に示した可変電源２４，４６，５２及び電源回路９２などを含めて、制御装置９５は、実際にはセンサ素子１０１内に形成された図示しないリード線，図１のコネクタ１５０及びリード線１５５を介して、センサ素子１０１内部の各電極と接続されている。

ところで、センサ素子１０１を駆動していない期間に、基準ガス導入部４９がセンサ素子１０１の外部（ここでは空間１４９内）の水を吸着してしまう場合がある。これに関して、本発明者らは、基準ガス導入部４９の吸湿状態と、基準ガス調整ポンプセル９０に流れるポンプ電流Ｉｐ３との関係を調べた。まず、制御装置９５によりセンサ素子１０１を駆動させた。具体的には、ガスセンサ１００を大気雰囲気中に配置した状態で、ヒータ電源７８からヒータ７２に通電してセンサ素子１０１を加熱し、センサ素子１０１の温度を８００℃で維持した。この状態で０．５時間が経過するまで待ち、基準ガス導入部４９の吸湿量の少ない状態のガスセンサ１００とした。続いて、ガスセンサ１００を大気雰囲気中に配置した状態で電源回路９２が基準ガス調整ポンプセル９０に印加する電圧Ｖｐ３を０ｍＶから１０００ｍＶまで徐々に変化させたときのポンプ電流Ｉｐ３の値を測定した。電圧Ｖｐ３は、基準ガス調整ポンプセル９０が基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出す方向に印加した。こうして測定された、吸湿量の少ない状態のガスセンサ１００における電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を、図４に実線のグラフＬ１として示す。次に、ガスセンサ１００を温度４０℃，湿度８５％の恒温恒湿槽に１週間保管して基準ガス導入部４９に水を吸着させることで、吸湿量の多い状態のガスセンサ１００とした。このガスセンサ１００を大気雰囲気中に配置し、ヒータ７２によりセンサ素子１０１の温度を８００℃で維持した。この状態で上記と同様に電圧Ｖｐ３を０ｍＶから１０００ｍＶまで徐々に変化させたときのポンプ電流Ｉｐ３の値を測定した。こうして測定された、吸湿量の多い状態のガスセンサ１００における電圧Ｖｐ３とポンプ電流Ｉｐ３との関係を、図４に破線のグラフＬ２として示す。

図４に示すように、グラフＬ１及びグラフＬ２のいずれも、電圧Ｖｐ３が１００ｍＶ～７００ｍＶの領域では、電圧Ｖｐ３が増加してもポンプ電流Ｉｐ３はほぼ一定の値になっていた。すなわちポンプ電流Ｉｐ３が限界電流になっていた。限界電流の値は、例えば基準ガス導入部４９の拡散抵抗などによって定まる。このような電圧Ｖｐ３が変化してもポンプ電流Ｉｐ３がほとんど変化しない領域（図４では例えば電圧Ｖｐ３が１００ｍＶ～７００ｍＶの領域）を、限界電流領域と称する。また、グラフＬ１及びグラフＬ２のいずれも、限界電流領域よりも電圧Ｖｐ３が高い領域では、電圧Ｖｐ３の増加に伴ってポンプ電流Ｉｐ３も増加する傾向が見られた。これは、電圧Ｖｐ３が高くなるほど基準ガス導入部４９内、特に基準電極４２の周辺の水分が分解されて酸素が発生しており、この酸素も基準電極４２の周囲から汲み出されているためと考えられる。また、限界電流領域及びそれよりも電圧Ｖｐ３が高い領域のいずれにおいても、グラフＬ２の方がグラフＬ１よりもポンプ電流Ｉｐ３の値が大きかった。すなわち、基準ガス導入部４９の吸湿量の多い状態のガスセンサ１００の方が、ポンプ電流Ｉｐ３の値が大きくなる傾向が確認された。そのため、限界電流領域の電圧Ｖｐ３を印加した場合でも、基準電極４２の周辺の水分の分解は生じていると考えられる。特に、限界電流領域よりも電圧Ｖｐ３が高い領域（例えば図４の電圧Ｖｐ３が８００ｍＶ以上の領域）では、グラフＬ２とグラフＬ１とのポンプ電流Ｉｐ３の値の相違がより顕著に見られた。例えば電圧Ｖｐ３が限界電流領域内の４００ｍＶである場合のグラフＬ１のポンプ電流Ｉｐ３の値Ａ１とグラフＬ２のポンプ電流Ｉｐ３の値Ａ２との差（＝Ａ２－Ａ１）よりも、電圧Ｖｐ３が１０００ｍＶである場合のグラフＬ１のポンプ電流Ｉｐ３の値Ｂ１とグラフＬ２のポンプ電流Ｉｐ３の値Ｂ２との差（＝Ｂ２－Ｂ１）の方が値が大きかった。

このように、基準ガス調整ポンプセル９０が基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出すときに流れるポンプ電流Ｉｐ３は、基準電極４２の周囲の水分の多寡によって変化する。具体的には基準電極４２の周囲の水分が多いほど、ポンプ電流Ｉｐ３が大きくなる。そこで、本実施形態の制御部９６は、このポンプ電流Ｉｐ３に基づいて基準電極４２の周囲の吸湿状態を診断する吸湿状態診断処理を行う。より具体的には、本実施形態の制御部９６は、吸湿状態診断処理の一例として、ポンプ電流Ｉｐ３に基づいて基準電極４２の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行う。水分判定処理の詳細については後述する。

次に、ガスセンサ１００の制御部９６がＮＯｘ濃度の測定を行う処理の一例について説明する。図５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。

制御部９６のＣＰＵ９７は、制御ルーチンが開始されると、まず、ヒータ電源７８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℃など）になるように制御するヒータ制御処理を開始する（ステップＳ１００）。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、本実施形態のヒータ制御処理では、ＣＰＵ９７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７８をフィードバック制御する。ＣＰＵ９７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。ＣＰＵ９７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。ＣＰＵ９７は、算出したヒータ７２の抵抗値が目標抵抗値になるようにヒータ電源７８に制御信号を出力して、ヒータ電源７８が供給する電力をフィードバック制御する。ヒータ電源７８は、ヒータ７２に通電するにあたり、例えばヒータ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。

続いて、ＣＰＵ９７は、ヒータ制御処理によってヒータ温度が所定温度以上に到達したか否かを判定する（ステップＳ１１０）。この所定温度は、上述したヒータ制御処理の目標温度以下の値として予め定められて記憶部９８に記憶されている。所定温度は、センサ素子１０１の固体電解質が活性化して基準ガス調整ポンプセル９０による酸素のポンピングが可能になるような温度として予め定めておく。所定温度は目標温度未満の値としてもよい。所定温度は目標温度の８０％以上の値や９０％以上の値としてもいい。本実施形態では、所定温度は目標温度の９０％の値とした。本実施形態では、ＣＰＵ９７は上述したようにヒータ７２の温度を表す値として抵抗値を用いるため、ステップＳ１１０の判定もヒータ７２の抵抗値を用いて行う。

ＣＰＵ９７は、ステップＳ１１０で否定判定だった場合には、ステップＳ１１０を繰り返し実行して、肯定判定になるまで待つ。すなわちヒータ７２の温度が所定温度以上に到達するまで待つ。ステップＳ１１０で肯定判定だった場合には、ＣＰＵ９７は、水分判定処理として、以下のステップＳ１２０，Ｓ１３０を行う。

水分判定処理では、ＣＰＵ９７は、まず、基準ガス調整ポンプセル９０に電圧Ｖｐ３を印加して、そのときに流れるポンプ電流Ｉｐ３を取得する（ステップＳ１２０）。このとき印加する電圧Ｖｐ３の値を電圧Ｖｈａと表記し、取得したポンプ電流Ｉｐ３の値をポンプ電流Ｉｐｈと表記する。電圧Ｖｈａは、基準ガス調整ポンプセル９０が基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出す方向に印加する。電圧Ｖｈａの値は、図４で説明した限界電流領域の範囲の値としてもよいが、限界電流領域よりも高い電圧とすることが好ましい。電圧Ｖｈａは、例えば０．８Ｖ以上とすることが好ましい。電圧Ｖｈａは、１．５Ｖ以下としてもよい。本実施形態では、電圧Ｖｈａは１．０Ｖとした。

続いて、ＣＰＵ９７は、取得したポンプ電流Ｉｐｈに基づいて、基準電極４２の周囲の吸湿状態の判定、具体的には基準電極４２の周囲の水分が多いか否かの判定を行う（ステップＳ１３０）。本実施形態では、ＣＰＵ９７は、ポンプ電流Ｉｐｈと基準ガス調整ポンプセル９０の限界電流Ｉｐｌｉｍとの比較に基づいて、この判定を行う。より具体的には、ＣＰＵ９７は、ポンプ電流Ｉｐｈと限界電流Ｉｐｌｉｍとの差ΔＩが閾値Ｉｒｅｆより大きいか否かによって、基準電極４２の水分が多いか否かを判定する。基準ガス調整ポンプセル９０の限界電流Ｉｐｌｉｍは、図４で説明した限界電流と同じく、基準ガス調整ポンプセル９０が基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出す方向に電圧Ｖｐ３を印加したときの限界電流である。本実施形態では、予め実験により測定された基準ガス導入部４９の吸湿量が少ない状態のセンサ素子１０１における限界電流の値（例えば図４の値Ａ１）が、限界電流Ｉｐｌｉｍとして記憶部９８に記憶されているものとした。そのため、ＣＰＵ９７は、ステップＳ１２０で取得したポンプ電流Ｉｐｈと記憶部９８に記憶された限界電流Ｉｐｌｉｍとの差ΔＩを算出して、差ΔＩが閾値Ｉｒｅｆ以上か否かを判定する。上述したように基準電極４２の周囲の水分が多いほどポンプ電流Ｉｐｈは大きくなるから、差ΔＩも大きくなる。そこで、例えば基準電極４２の周囲の水分の量がＮＯｘ濃度の検出精度に影響がないとみなせる上限の量である場合の差ΔＩの値として閾値Ｉｒｅｆを定めておく。例えば図４の例では基準電極４２の周囲の水分が多い場合には差ΔＩ＝Ｂ２－Ａ１となり、基準電極４２の周囲の水分が少ない場合には差ΔＩ＝Ｂ１－Ａ１となるから、両者の間の値になるような閾値Ｉｒｅｆを定めておく。

ステップＳ１３０で肯定判定だった場合、ＣＰＵ９７は、基準電極４２の周囲の水分濃度を低下させるように基準ガス調整ポンプセル９０を制御する水分濃度低下処理を実行する（ステップＳ１４０）。本実施形態の水分濃度低下処理では、ＣＰＵ９７は、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出す方向の電圧Ｖｐ３を基準ガス調整ポンプセル９０に印加する。このときの電圧Ｖｐ３の値を電圧Ｖｈｃと表記する。上述したように、基準電極４２の周囲の酸素を汲み出すように電圧Ｖｐ３を基準ガス調整ポンプセル９０に印加することで、基準電極４２の周辺の水分を分解することができるから、これにより基準電極４２の周囲の水分濃度を低下させることができる。電圧Ｖｈｃの値は、限界電流領域の範囲の値としてもよいし、限界電流領域よりも高い電圧としてもよい。例えば、電圧Ｖｈｃは０．３Ｖ以上１．５Ｖ以下としてもよい。電圧Ｖｈｃは、０．８Ｖ以上としてもよい。電圧Ｖｈｃは、１．０Ｖ以下としてもよい。電圧Ｖｈｃは、上述した水分判定処理における電圧Ｖｈａと同じ値としてもよい。本実施形態では、電圧Ｖｈｃは１．０Ｖとした。水分濃度低下処理の実行時間は、５秒以上３００秒以下とすることが好ましい。

ステップＳ１３０で否定判定だった場合、又はステップＳ１４０の水分濃度低下処理を実行した後、ＣＰＵ９７は、通常時すなわちＮＯｘ濃度を測定する際の制御処理である通常時制御処理を開始する（ステップＳ１５０）。具体的には、ＣＰＵ９７は、上述した主ポンプ制御処理，補助ポンプ制御処理，測定用ポンプ制御処理，及び基準ガス調整処理を開始して、本ルーチンを終了する。通常時制御処理を開始した後、ＣＰＵ９７は、例えば所定時間毎にポンプ電流Ｉｐ２の値を取得し、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とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を導出する。ＣＰＵ９７は、導出した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。

大気雰囲気中でステップＳ１４０の水分濃度低下処理を行った場合の例について、図６を用いて説明する。図６は、ヒータ７２の温度がステップＳ１１０の所定温度に到達した時を時刻ｔ＝０秒とした場合の、時刻ｔと電圧Ｖ２ｏｐｅｎとの関係を示すグラフである。電圧Ｖ２ｏｐｅｎは、測定電極４４及び基準電極４２に電流を流す制御を行わない状態すなわち開放状態における電圧Ｖ２の値である。図６の実線で示す実施例のグラフは、以下のようにして得た。まず、図４のグラフＬ２の測定と同様に、基準ガス導入部４９の吸湿量の多い状態のガスセンサ１００を用意して大気雰囲気中に配置した。そして、ヒータ制御処理を開始し、ヒータ７２の温度がステップＳ１１０の所定温度に到達したタイミング（時刻ｔ＝０）から水分濃度低下処理を開始して図６の時刻ｔ＝ｔ１まで実行した。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ｔ１までの期間すなわち水分濃度低下処理の実行時間は、５秒以上３００秒以下の所定の時間とした。電圧Ｖｈｃは１．０Ｖとした。時刻ｔ＝ｔ１以降は、基準ガス調整ポンプセル９０を動作させず測定電極４４と基準電極４２との間は開放状態とした。そして、時刻ｔ＝０から０．１秒経過毎に電圧Ｖ２ｏｐｅｎを測定して、図６の実線で示す実施例のグラフを得た。時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ｔ１の間は、瞬間的に水分濃度低下処理を停止して電圧Ｖ２ｏｐｅｎを測定した。また、基準ガス調整ポンプセル９０を全く動作させず測定電極４４と基準電極４２との間を開放状態にし続けた点以外は実施例と同様の測定を行って、図６の破線で示す比較例のグラフを得た。

図６からわかるように、実施例及び比較例のいずれにおいても、時刻ｔ＝０から時間が経過するほど電圧Ｖ２ｏｐｅｎが低下していき、その後に電圧Ｖ２ｏｐｅｎが安定する傾向が確認された。しかし、水分濃度低下処理を行っていない比較例では、実施例と比べて電圧Ｖ２ｏｐｅｎが安定するのが遅かった。また、比較例では電圧Ｖ２ｏｐｅｎが一時的に負の値になっていた。これらは、基準電極４２の周囲の水分がヒータ７２に加熱されて気体となることで、一時的に基準電極４２の周囲の酸素濃度が大気雰囲気の酸素濃度よりも低下しているためと考えられる。このような状態では、基準電極４２の電位（基準電位）が不安定であるため、基準電位を基準として測定される電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２の値に誤差が生じるから、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。これに対し、水分濃度低下処理を行った実施例では、比較例と比べて早期に電圧Ｖ２ｏｐｅｎが安定していた。これは、時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ｔ１までの間の水分濃度低下処理によって基準電極４２の周囲の水分が分解されることで、水分の気化による基準電極４２の周囲の酸素濃度の低下が抑制されているためと考えられる。この場合は、基準電位が速やかに安定するため、比較例と比べてＮＯｘ濃度の検出精度の低下が抑制される。なお、実施例及び比較例のいずれにおいても、時刻ｔ＝０から時間が経過するほど電圧Ｖ２ｏｐｅｎが低下していくのは、電圧Ｖ２ｏｐｅｎに基準電極４２と測定電極４４との間の熱起電力が含まれており、この熱起電力が時間の経過と共に小さくなっていくためと考えられる。例えば基準電極４２及び測定電極４４の各々の電極内に温度ばらつきがあると、基準電極４２と測定電極４４との間の熱起電力が大きくなる。時間の経過と共に各々の電極内の温度が均一化されていくと、熱起電力は小さくなっていく。

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、測定電極４４が測定電極に相当し、外側ポンプ電極２３が被測定ガス側電極に相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、基準ガス導入部４９が基準ガス導入部に相当し、基準ガス調整ポンプセル９０が基準ガス調整ポンプセルに相当し、センサ素子１０１がセンサ素子に相当し、制御部９６が制御部に相当する。また、ヒータ７２がヒータに相当し、記憶部９８が記憶部に相当する。なお、本実施形態では、制御装置９５の動作を説明することにより本発明のガスセンサの制御方法の一例も明らかにしている。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、水分濃度低下処理において、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素の汲み出しが行われる。これにより、基準電極４２の周囲の酸素が汲み出されるだけでなく、基準電極４２の周囲の水分が分解されて分解により生じた酸素も汲み出される。したがって、基準電極４２の周囲の水分濃度を速やかに低下させることができるから、基準電極４２の周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。

また、制御装置９５は、水分濃度低下処理において基準ガス調整ポンプセル９０に０．３Ｖ以上１．５Ｖ以下の制御電圧（電圧Ｖｈｃ）を印加して基準ガス調整ポンプセル９０を動作させる。電圧Ｖｈｃが０．３Ｖ以上では、基準ガス調整ポンプセル９０をより確実に動作させることができる。電圧Ｖｈｃが１．５Ｖより大きい場合は、センサ素子１０１の固体電解質内の酸素イオンが欠乏して、固体電解質の電子伝導が発現し、センサ素子１０１が黒化して使用できなくなる可能性があるが、電圧Ｖｈｃが１．５Ｖ以下では、センサ素子１０１の黒化を抑制できる。

さらに、水分濃度低下処理の実行時間を５秒以上とすることで、基準電極４２の周囲の水分濃度をより確実に低下させることができる。また、水分濃度低下処理の実行中はポンプ電流Ｉｐ３が流れることで基準電極４２の電位（基準電位）が変化するため、実行時間は３００秒以下が好ましい。

さらにまた、制御装置９５は、ヒータ７２に通電してヒータ７２の温度が所定温度以上に到達した後に、水分濃度低下処理を行う。こうすれば、ヒータ７２の温度が上昇してから水分濃度低下処理が行われるため、固体電解質層が活性化して酸素イオン伝導性が発揮される状態で基準ガス調整ポンプセル９０を動作させることができる。したがって、水分濃度低下処理を適切なタイミングで実行できる。

そして、制御装置９５は、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲に酸素を汲み出すよう基準ガス調整ポンプセル９０を制御したときに基準ガス調整ポンプセル９０に流れるポンプ電流Ｉｐｈに基づいて基準電極４２の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行い、水分が多いと判定した場合に水分濃度低下処理を行う。こうすれば、基準電極４２の周囲の水分が多いと判定した場合に水分濃度低下処理を行うから、水分濃度低下処理を適切に行うことができる。

そしてまた、制御装置９５は、水分判定処理において、基準ガス調整ポンプセル９０の限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧（電圧Ｖｈａ）を外側ポンプ電極２３と基準電極４２との間に印加したときのポンプ電流Ｉｐｈに基づいて、基準電極４２の周囲の水分が多いか否かを判定する。限界電流領域の電圧よりも高い電圧Ｖｈａを基準ガス調整ポンプセル９０に印加すると、基準電極４２の周囲の水分が分解されやすいから、基準電極４２の周囲の水分の多寡がポンプ電流Ｉｐｈに影響しやすい。そのため、このような電圧Ｖｈａを印加したときのポンプ電流Ｉｐｈに基づいて判定を行うことで、基準電極４２の周囲の水分が多いか否かをより適切に判定できる。

そしてまた、制御装置９５は、水分判定処理において、ポンプ電流Ｉｐｈと基準ガス調整ポンプセル９０の限界電流Ｉｐｌｉｍとの比較に基づいて、基準電極４２の周囲の水分が多いか否かを判定する。限界電流領域の電圧よりも高い電圧Ｖｈａを基準ガス調整ポンプセル９０に印加する場合、基準電極４２の周囲の水分が多いほどポンプ電流Ｉｐｈと限界電流Ｉｐｌｉｍとの相違が大きくなるから、これらを比較することで、基準電極４２の周囲の水分が多いか否かをより適切に判定できる。

そしてまた、制御装置９５は、水分判定処理において、ポンプ電流Ｉｐｈと記憶部９８に記憶された限界電流Ｉｐｌｉｍとを比較する。こうすれば、水分判定処理において限界電流Ｉｐｌｉｍを測定する必要がない。

そしてまた、電圧Ｖｈａが０．８Ｖ以上の値であれば、この範囲の電圧を印加したときのポンプ電流Ｉｐｈが基準電極４２の周囲の水分の多寡によって変化しやすいため、水分判定処理を行うのに適している。電圧Ｖｈａが１．５Ｖ以下では、センサ素子１０１の黒化を抑制できる。

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。

例えば、上述した実施形態では、水分判定処理において予め記憶部９８に記憶された限界電流Ｉｐｌｉｍを用いたが、これに限られない。例えば、制御装置９５は、水分判定処理において、基準ガス調整ポンプセル９０に限界電流領域の電圧Ｖｐ３を印加して、このとき流れるポンプ電流Ｉｐ３を限界電流Ｉｐｌｉｍとして測定してもよい。このとき印加する電圧Ｖｐ３の値を電圧Ｖｈｂと表記する。電圧Ｖｈｂは、限界電流領域の範囲内の値（例えば図４の例であれば１００ｍＶ～７００ｍＶの範囲内の値）として予め定められていてもよい。あるいは、制御装置９５は、水分判定処理において、電圧Ｖｈｂの値を徐々に変化させながらポンプ電流Ｉｐ３の値を測定し、ポンプ電流Ｉｐ３が変化しなくなったとみなせる時の値を限界電流Ｉｐｌｉｍとして測定してもよい。このように水分判定処理においてポンプ電流Ｉｐｈだけでなく限界電流Ｉｐｌｉｍも測定すれば、より精度良く判定を行うことができる。

上述した実施形態では、ポンプ電流Ｉｐｈと限界電流Ｉｐｌｉｍとの差に基づいて基準電極４２の周囲の水分が多いか否かを判定したが、これに限られない。ポンプ電流Ｉｐｈと限界電流Ｉｐｌｉｍとを比較して判定を行えばよく、例えばポンプ電流Ｉｐｈと限界電流Ｉｐｌｉｍとの比に基づいて判定してもよい。また、ポンプ電流Ｉｐｈに基づいて判定を行えばよく、限界電流Ｉｐｌｉｍは判定に用いなくてもよい。例えば、ポンプ電流Ｉｐｈと所定の閾値とを比較して、ポンプ電流Ｉｐｈが閾値を超えていたら基準電極４２の周囲の水分が多いと判定してもよい。

上述した実施形態において、水分判定処理を省略してもよい。この場合、例えばステップＳ１１０でヒータ７２の温度が所定温度以上に到達したら、ステップＳ１４０の水分濃度低下処理を実行してもよい。この場合、ヒータ７２の温度が所定温度以上に到達した直後に水分濃度低下処理を実行してもよいし、ヒータ７２の温度が所定温度以上に到達してから所定時間経過後に水分濃度低下処理を実行してもよい。あるいは、ヒータ７２への通電を開始してから所定時間経過後に水分濃度低下処理を実行してもよい。

上述した実施形態の水分濃度低下処理では、制御装置９５は基準電極４２の周囲から酸素を汲み出すように基準ガス調整ポンプセル９０を制御したが、これとは逆に外側ポンプ電極２３の周囲から基準電極４２の周囲に酸素を汲み入れるように基準ガス調整ポンプセル９０を制御してもよい。すなわち、水分濃度低下処理において、水を分解するのではなく、気化した水による酸素濃度の低下を補うように酸素を基準電極４２の周囲に汲み入れてもよい。この場合、制御装置９５は、水分濃度低下処理において基準ガス調整処理と比べて一時的により多くの酸素を基準電極４２の周囲に汲み入れるように基準ガス調整ポンプセル９０を制御する。例えば、制御装置９５は、図５のＳ１４０において基準ガス調整ポンプセル９０に印加する電圧Ｖｐ３を、Ｓ１５０で開始する基準ガス調整処理において基準ガス調整ポンプセル９０に印加する電圧Ｖｐ３よりも高い値にする。このように水分濃度低下処理を行うことで、基準電極４２の周囲の水分が基準ガス導入部４９から外部に抜けるまでの間により多くの酸素を基準電極４２の周囲に汲み入れることができるから、基準電極４２の周囲の水分に起因する酸素濃度の低下を補うことができる。したがって、例えばステップＳ１１０の後に基準ガス調整処理は行うが水分濃度低下処理を行わない場合と比較して、基準電極４２の周辺の水分に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。この場合の水分濃度低下処理における電圧Ｖｐ３は、０．３Ｖ以上１．５Ｖ以下としてもよい。また、この場合の水分濃度低下処理における酸素の汲み入れ量は、基準ガス調整処理における酸素の汲み入れ量の２倍以上としてもよく、５０倍以下としてもよい。例えば、水分濃度低下処理における電圧Ｖｐ３の値を基準ガス調整処理における電圧Ｖｐ３の２倍にすることで、汲み入れ量を２倍にすることができる。また、後述するように電圧Ｖｐ３が繰り返しオンオフされる電圧である場合は、繰り返しの周期Ｔとオン時間Ｔｏｎとの比であるデューティ比（Ｔｏｎ／Ｔ）によって汲み入れ量を調整することもできる。例えばデューティ比を２倍にすることで、汲み入れ量を２倍にすることができる。

上述した実施形態の水分濃度低下処理において、制御装置９５は、基準電極４２の周囲から外側ポンプ電極２３の周囲への酸素の汲み出しと、外側ポンプ電極２３の周囲から基準電極４２の周囲への酸素の汲み入れと、を交互に行うように基準ガス調整ポンプセル９０を制御してもよい。基準電極４２の周囲から酸素の汲み出しを行うと、水が分解されると共に基準電極４２の周囲の酸素も汲み出されるから、一時的に基準電極４２の周囲の酸素濃度は低下する。汲み出しと汲み入れとを交互に行うことで、汲み出しにより減少した酸素を汲み入れによって早期に補うことができる。汲み出しと汲み入れとを交互に行う回数は１回としてもよいし、複数回としてもよい。交互に行う回数が１回の場合、すなわち汲み出しと汲み入れとをそれぞれ１回のみ行う場合は、汲み出しを先に行うことが好ましい。汲み入れを行う場合の電圧Ｖｐ３は、基準ガス調整処理において基準ガス調整ポンプセル９０に印加する電圧Ｖｐ３よりも高い値としてもよい。電圧Ｖｐ３が直流電圧である場合、電圧の正負を切り替えることで汲み出しと汲み入れとを交互に行ってもよい。電圧Ｖｐ３を交流電圧とすることで、汲み出しと汲み入れとが交互に行われるようにしてもよい。

上述した実施形態では、制御装置９５はＳ１４０の水分濃度低下処理を実行してからＳ１５０の通常時制御処理を開始したが、これに限られない。制御装置９５は、通常時制御処理を開始した後に、水分濃度低下処理を実行してもよい。この場合、水分濃度低下処理の実行中は一時的に通常時制御処理を停止してもよい。一時的に通常時制御処理を停止する場合は、水分濃度低下処理の実行時間を３００秒以下とする意義が高い。また、通常時制御処理を開始した後に水分濃度低下処理を実行する場合であっても、水分濃度低下処理の実行タイミングはセンサ素子１０１の駆動開始（例えばヒータ７２の通電開始）からの経過時間が短いタイミングであるほど好ましい。センサ素子１０１の駆動が開始されると、ヒータ７２の熱により水分が気体となってセンサ素子１０１の外部に放出され、このときに基準電極４２の周囲の酸素濃度が低下する。そのため、このように水分が気体となっていく間に水分濃度低下処理を実行することが好ましい。例えば、センサ素子１０１の駆動開始から１時間以内に水分濃度低下処理を開始することが好ましい。

上述した実施形態では、電圧Ｖｐ３は直流電圧としたが、これに限らずパルス電圧などの繰り返しオンオフされる電圧としてもよい。こうしても、制御装置９５が吸湿状態診断処理，水分濃度低下処理，及び基準ガス調整処理を行うことはできる。電圧Ｖｐ３が繰り返しオンオフされる電圧である場合、制御装置９５は電圧Ｖｐ３がオフである期間中（言い換えるとポンプ電流Ｉｐ３が流れていない期間中）の電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２を測定して通常時制御処理に用いてもよい。こうすることで、水分濃度低下処理の実行中に一時的に通常時制御処理を停止することなく、水分濃度低下処理と通常時制御処理とを並行して行うことができる。

上述した実施形態において、制御装置９５は、基準ガス調整処理を行わなくてもよい。

上述した実施形態において、基準ガス導入部４９は基準ガス導入空間４３と基準ガス導入層４８とを備えていたが、基準ガス導入空間４３と基準ガス導入層４８との少なくとも一方を備えていればよい。基準ガス導入層４８は水分を吸着しやすいため、基準ガス導入部４９が基準ガス導入層４８を備えている場合は本発明の水分濃度低下処理を行う意義が高い。例えば、上述した実施形態において、基準ガス導入部４９の代わりに、図７に示す基準ガス導入部２４９を採用してもよい。基準ガス導入部２４９は、基準ガス導入空間４３を備えておらず、基準ガス導入層４８を備えている。図７の基準ガス導入層４８は、基準電極４２の周囲からセンサ素子１０１の素子本体の後端面までにわたって配設されている。図７の基準ガス導入層４８のうちセンサ素子１０１の素子本体の後端面に露出する部分が基準ガス導入部２４９の入口部４９ａとして機能する。入口部４９ａは、センサ素子１０１の外側の空間１４９内に露出している。

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８に示した変形例のセンサ素子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８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、測定用ポンプセル４１によりＮＯｘ濃度を検出できる。図８のセンサ素子２０１では、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。すなわち、測定電極４４の周囲が第３内部空所６１と同様の役割を果たすことになる。

上述した実施形態において、外側ポンプ電極２３を含むセンサ素子１０１の前側（センサ素子室１３３に露出する部分）の表面が、アルミナなどのセラミックスからなる多孔質保護層で被覆されていてもよい。

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。

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２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構造層（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２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の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。

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の一部でありセンサ素子１０１の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル５０の一部でありセンサ素子１０１の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側補助ポンプ電極と、測定用ポンプセル４１の一部でありセンサ素子１０１の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側測定電極と、基準ガス調整ポンプセル９０の一部でありセンサ素子１０１の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された被測定ガス側電極と、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，外側測定電極，及び被測定ガス側電極のうちのいずれか１以上を、外側ポンプ電極２３とは別にセンサ素子１０１の外側に設けてもよい。また、基準ガス調整ポンプセル９０の被測定ガス側電極は、被測定ガスと接触するようにセンサ素子１０１に設けられていればよく、例えばセンサ素子１０１の外側に限らず内側に配設されていてもよく、より具体的にはセンサ素子１０１の被測定ガス流通部に配設されていてもよい。例えば、内側ポンプ電極２２が主ポンプセル２１の電極（内側主ポンプ電極）と基準ガス調整ポンプセル９０の被測定ガス側電極とを兼ねており、基準ガス調整ポンプセル９０は内側ポンプ電極２２の周囲と基準電極４２の周囲との間で酸素の汲み入れ又は汲み出しを行ってもよい。

本発明者らは、水分濃度低下処理の電圧Ｖｈｃ及び実行時間と基準電位が安定するまでの時間との関係を以下のようにして調べた。まず、図１～３を用いて説明した上述した実施形態のセンサ素子１０１及びガスセンサ１００を用意した。このガスセンサ１００を温度４０℃，湿度８５％の恒温恒湿槽に１週間保管して、基準ガス導入層４８に水を吸着させた。次に、ガスセンサ１００を配管に取り付けた。ベースガスを窒素とし、酸素濃度０％、ＮＯ濃度を１５００ｐｐｍとしたモデルガスを用意し、これを被測定ガスとして配管に流した。この状態で制御装置９５によりセンサ素子１０１を駆動させてヒータ制御処理及び水分濃度低下処理を実行した。水分濃度低下処理は、ヒータ制御処理を開始し、ヒータ７２の温度が所定温度に到達したタイミング（時刻ｔ＝０）から時刻ｔ＝ｔ１まで実行した。水分濃度低下処理は、基準電極４２の周囲から酸素を汲み出すように基準ガス調整ポンプセル９０を制御することで行った。水分濃度低下処理の終了後は、制御装置９５が通常時制御処理を実行して、各ポンプセルの制御や、各センサセルからの各電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆの取得を継続して行っている状態とした。その後はセンサ素子１０１の駆動開始（加熱開始）から６０分経過後の時刻まで通常時制御処理を継続して、その間のポンプ電流Ｉｐ２を継続して測定した。センサ素子１０１の駆動開始から６０分経過後のポンプ電流Ｉｐ２の値を基準値（１００％）として、センサ素子１０１の駆動開始から１０分経過後のポンプ電流Ｉｐ２の値の基準値に対する変化率を算出した。以上の手順での変化率の算出を、水分濃度低下処理の電圧Ｖｈｃ及び実行時間を表１に示すように種々変更して行い、実験例１～１４とした。電圧Ｖｈｃは、０．３Ｖ～１．５Ｖの範囲で種々変更した。水分濃度低下処理の実行時間（時刻ｔ＝０から時刻ｔ＝ｔ１までの時間）は、５秒以上３００秒以下の範囲で種々変更した。また、水分濃度低下処理を実行せずに時刻ｔ＝０から通常時制御処理を開始した点以外は実験例１～１４と同様にしてポンプ電流Ｉｐ２の変化率を算出し、実験例１５とした。なお、実験例１～１５のいずれにおいても、通常時制御処理中は基準ガス調整ポンプセル９０については動作させない、すなわち基準ガス調整処理は実行しないようにした。ここで、上述したように基準電極４２の周囲に水分が存在するとその水分がヒータ７２に加熱されて気体となることで一時的に基準電極４２の電位が不安定になる。そのため、基準電極４２の電位が安定するまでは、被測定ガスのＮＯｘ濃度が一定であってもポンプ電流Ｉｐ２が安定しない。そして、ポンプ電流Ｉｐ２の変化率が小さいほど、駆動開始から１０分経過した時点で基準電極４２の周囲の水分が少なくなっており基準電極４２の電位が安定していると考えられる。したがって、ポンプ電流Ｉｐ２の変化率の大小によってセンサ素子１０１の駆動開始から基準電極４２の電位が安定するまでの時間である安定時間の長短を評価できる。安定時間は短いほど好ましい。そこで、実験例１～１５の各々について、算出された変化率が３％以下であった場合には安定時間が非常に短い（「Ａ」）と判定した。算出された変化率が３％超過５％以下であった場合には安定時間が短い（「Ｂ」）と判定した。算出された変化率が５％超過であった場合には安定時間が長い（「Ｆ」）と判定した。表１に実験例１～１５の各々の電圧Ｖｈｃと実行時間と安定時間の評価結果とを示す。表１に示すように、水分濃度低下処理を実行した実験例１～１４は、水分濃度低下処理を実行しなかった実験例１５と比べて安定時間を短くできることが確認された。また、実験例１～１４の結果から、水分濃度低下処理の電圧Ｖｈｃが大きく実行時間が長いほど安定時間を短くできることが確認された。

実験例１～１４が本発明の第１のガスセンサの実施例及び本発明の第１のガスセンサの制御方法の実施例に相当し、実験例１５が比較例に相当する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本明細書では、出願当初の請求項５において「請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ」を「請求項１～４のいずれか１項に記載のガスセンサ」に変更した技術思想や、出願当初の請求項６において「請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ」を「請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ」に変更した技術思想や、出願当初の請求項７において「請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ」を「請求項１～６のいずれか１項に記載のガスセンサ」に変更した技術思想や、出願当初の請求項１２において「請求項８に記載のガスセンサ」を「請求項８～１１のいずれか１項に記載のガスセンサ」に変更した技術思想や、出願当初の請求項１７において「請求項１３～１５のいずれか１項に記載のガスセンサの制御方法」を「請求項１３～１６のいずれか１項に記載のガスセンサの制御方法」に変更した技術思想も開示されている。

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などの特定ガスの濃度を検出するガスセンサに利用可能である。

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、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、４９，２４９ 基準ガス導入部、４９ａ 入口部、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 リード線、７８ 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、９０ 基準ガス調整ポンプセル、９２ 電源回路、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、１３０ 保護カバー、１３１ 内側保護カバー、１３２ 外側保護カバー、１３３ センサ素子室、１４０ センサ組立体、１４１ 素子封止体、１４２ 主体金具、１４３ 内筒、１４３ａ，１４３ｂ 縮径部、１４４ａ～１４４ｃ セラミックスサポーター、１４５ａ，１４５ｂ 圧粉体、１４６ メタルリング、１４７ ボルト、１４８ 外筒、１４９ 空間、１５０ コネクタ、１５５ リード線、１５７ ゴム栓、１９０ 配管、１９１ 固定用部材。

Claims (20)

1. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
   酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
   前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
   前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
   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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
   前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
   を有するセンサ素子と、
   前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出して前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理を行う制御部と、
   を備えたガスセンサ。
2. 前記制御部は、前記水分濃度低下処理において、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲への酸素の汲み出しと、前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲への酸素の汲み入れと、を交互に行うように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する、
   請求項１に記載のガスセンサ。
3. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
   酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
   前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
   前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
   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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
   前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
   を有するセンサ素子と、
   前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れて前記基準電極の周囲の酸素濃度を調整するように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する基準ガス調整処理と、前記基準ガス調整処理と比べて一時的により多くの酸素を前記基準電極の周囲に汲み入れて前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理と、を行う制御部と、
   を備えたガスセンサ。
4. 前記制御部は、前記水分濃度低下処理において基準ガス調整ポンプセルに０．３Ｖ以上１．５Ｖ以下の制御電圧を印加して該基準ガス調整ポンプセルを動作させる、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
5. 前記水分濃度低下処理の実行時間は５秒以上３００秒以下である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
6. 請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
   前記素子本体を加熱するヒータ、
   を備え、
   前記制御部は、前記ヒータに通電して該ヒータの温度が所定温度以上に到達した後に、前記水分濃度低下処理を行う、
   ガスセンサ。
7. 前記制御部は、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理を行い、水分が多いと判定した場合に前記水分濃度低下処理を行う、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 前記制御部は、前記水分判定処理において、前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧を前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に印加したときの前記ポンプ電流に基づいて、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する、
   請求項７に記載のガスセンサ。
9. 前記制御部は、前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流との比較に基づいて、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する、
   請求項８に記載のガスセンサ。
10. 前記制御部は、前記限界電流の値を記憶する記憶部を備え、
    前記制御部は、前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記記憶部に記憶された限界電流とを比較する、
    請求項９に記載のガスセンサ。
11. 前記制御部は、前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルに前記限界電流領域の電圧を印加して測定した前記限界電流とを比較する、
    請求項９に記載のガスセンサ。
12. 前記所定の制御電圧は、０．８Ｖ以上１．５Ｖ以下の電圧である、
    請求項８に記載のガスセンサ。
13. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサの制御方法であって、
    前記ガスセンサは、
    酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
    前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
    前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
    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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
    前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
    を有するセンサ素子、を備え、
    前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出して前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理、
    を含むガスセンサの制御方法。
14. 前記水分濃度低下処理において、前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲への酸素の汲み出しと、前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲への酸素の汲み入れと、を交互に行うように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する、
    請求項１３に記載のガスセンサの制御方法。
15. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するガスセンサの制御方法であって、
    前記ガスセンサは、
    酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、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に配設された測定電極と、
    前記被測定ガスと接触するように前記素子本体に設けられた被測定ガス側電極と、
    前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
    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を前記素子本体の外部から前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部と、
    前記被測定ガス側電極と、前記基準電極と、を含んで構成される基準ガス調整ポンプセルと、
    を有するセンサ素子、を備え、
    前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れて前記基準電極の周囲の酸素濃度を調整するように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する基準ガス調整処理と、
    前記基準ガス調整処理と比べて一時的により多くの酸素を前記基準電極の周囲に汲み入れて前記基準電極の周囲の水分濃度を低下させるように前記基準ガス調整ポンプセルを制御する水分濃度低下処理と、
    を含むガスセンサの制御方法。
16. 請求項１３～１５のいずれか１項に記載のガスセンサの制御方法であって、
    前記ガスセンサは、前記素子本体を加熱するヒータを備え、
    前記ヒータに通電して該ヒータの温度が所定温度以上に到達した後に、前記水分濃度低下処理を行う、
    ガスセンサの制御方法。
17. 請求項１３～１５のいずれか１項に記載のガスセンサの制御方法であって、
    前記基準電極の周囲から前記被測定ガス側電極の周囲に酸素を汲み出すよう前記基準ガス調整ポンプセルを制御したときに該基準ガス調整ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する水分判定処理、
    を含み、
    前記水分判定処理で水分が多いと判定された場合に前記水分濃度低下処理を行う、
    ガスセンサの制御方法。
18. 前記水分判定処理において、前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流領域の電圧よりも高い所定の制御電圧を前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に印加したときの前記ポンプ電流に基づいて、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する、
    請求項１７に記載のガスセンサの制御方法。
19. 前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記基準ガス調整ポンプセルの限界電流との比較に基づいて、前記基準電極の周囲の水分が多いか否かを判定する、
    請求項１８に記載のガスセンサの制御方法。
20. 請求項１９に記載のガスセンサの制御方法であって、
    前記ガスセンサは、前記限界電流の値を記憶する記憶部を備え、
    前記水分判定処理において、前記ポンプ電流と前記記憶部に記憶された限界電流とを比較する、
    ガスセンサの制御方法。

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