JP2023152599A - ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法 - Google Patents

ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ＣＯ２とＨ２Ｏに加え酸素の濃度を測定可能なガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサのセンサ素子が、相異なる拡散律速部を介してガス導入口から順次に連通してなる、副調整空室、第１空室、第２空室、および第３空室を備え、副調整ポンプセルは、被測定ガスに含まれるＨ２ＯとＣＯ２が分解されない範囲で、副調整空室に導入された被測定ガスから酸素を汲み出し、第１ポンプセルは、副調整空室から第１空室に導入された被測定ガスに含まれるＨ２ＯとＣＯ２が全て分解されるように、第１空室から酸素を汲み出し、分解により生じたＨ２とＣＯとを第２空室および第３空室で酸化させる際の汲み入れ電流からＨ２ＯとＣＯ２の濃度をそれぞれ特定し、副調整ポンプセルによって副調整空室から酸素を汲み出す際に副調整用内側電極と外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、被測定ガスの酸素濃度を特定する、ようにした。【選択図】図３

Description

本発明は、複数種類の検知対象ガス成分を検知し、それらの濃度を測定可能なマルチガスセンサに関する。
自動車の排ガスからの排出量を管理するための計測において、二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度を計測する技術が既に公知である（例えば特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２に開示されたガスセンサにおいては、二酸化炭素（ＣＯ２）成分に加え、水蒸気（Ｈ２Ｏ）成分についても並行して測定することが可能となっている。
また、自動車の排ガスのセンサでは、低コスト・省スペース化のため、ひとつのセンサで複数のガス種を測定できることが必要とされている。４つの内部空所を有したセンサ素子を備え、アンモニア（ＮＨ３）と一酸化窒素（ＮＯ）とを並行して可能なガスセンサも公知である（例えば、特許文献３参照）。
特許第５９１８１７７号公報 特許第６４６９４６４号公報 特開２０２０－９１２８３号公報
特許文献１には、ＣＯ２とＨ２Ｏに加え、酸素（Ｏ２）の濃度についても、複数の検出電流値（ポンプセルにおけるポンプ電流値）を用いて間接的に求めることができることが示されている。しかしながら、係る手法は、複数の検出電流値を組み合わせるために誤差が大きく、精度に劣るという問題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ＣＯ２とＨ２Ｏの濃度を測定可能であり、かつ、酸素の濃度についても好適に測定可能なガスセンサを提供することを、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、少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を測定可能なガスセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された構造体を有するセンサ素子と、前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、を備え、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、副調整空室、主調整空室である第１空室、第２空室、および第３空室と、前記副調整空室に面して形成された副調整用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された外側電極と、前記副調整用内側電極と前記外側電極の間に存在する前記固体電解質とから構成された副調整ポンプセルと、前記第１空室に面して形成された第１内側電極と、前記外側電極と、前記第１内側電極と前記外側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第１ポンプセルと、前記第２空室に面して形成された第２内側電極と、前記外側電極と、前記第２内側電極と前記外側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第２ポンプセルと、前記第３空室に面して形成された第３内側電極と、前記外側電極と、前記第３内側電極と前記外側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第３ポンプセルと、を備え、前記副調整ポンプセルは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記副調整空室に導入された前記被測定ガスから酸素を汲み出し、前記第１ポンプセルは、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出し、前記第２ポンプセルは、前記第２空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を前記第２空室において選択的に酸化させ、前記第３ポンプセルは、前記第３空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を前記第３空室において酸化させ、前記コントローラは、前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する水蒸気濃度特定手段と、前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する二酸化炭素濃度特定手段と、前記副調整ポンプセルによって前記副調整空室から酸素を汲み出す際に前記副調整用内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する酸素濃度特定手段と、を備え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、前記センサ素子が、基準ガスと接触してなる基準電極と、前記副調整用内側電極と、前記基準電極と、前記副調整用内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記副調整用内側電極と前記基準電極との間に、前記副調整空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ０が生じる副調整空室用センサセルと、前記第１内側電極と、前記基準電極と、前記第１内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第１内側電極と前記基準電極との間に、前記第１空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ１が生じる第１空室用センサセルと、前記第２内側電極と、前記基準電極と、前記第２内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第２内側電極と前記基準電極との間に、前記第２空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ２が生じる第２空室用センサセルと、前記第３内側電極と、前記基準電極と、前記第３内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第３内側電極と前記基準電極との間に、前記第３空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ３が生じる第３空室用センサセルと、をさらに備え、前記コントローラが、前記副調整空室用センサセルにおける起電力Ｖ０が、４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する副調整ポンプセル制御手段と、前記第１空室用センサセルにおける起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルにおいて前記第１内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する第１ポンプセル制御手段と、前記第２空室用センサセルにおける起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルにおいて前記第２内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する第２ポンプセル制御手段と、前記第３空室用センサセルにおける起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルにおいて前記第３内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する第３ポンプセル制御手段と、を備えることを特徴とする。
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、前記副調整ポンプセル制御手段は、前記起電力Ｖ０が４００ｍＶに保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の第４の態様は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を、ガスセンサにより測定する方法であって、前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の構造体を有するセンサ素子を備えるものであり、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、副調整空室、主調整空室である第１空室、第２空室、および第３空室と、前記副調整空室に面して形成された副調整用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された外側電極と、前記副調整用内側電極と前記外側電極の間に存在する前記固体電解質とから構成された副調整ポンプセルと、前記第１空室に面して形成された第１内側電極と、前記外側電極と、前記第１内側電極と前記外側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第１ポンプセルと、前記第２空室に面して形成された第２内側電極と、前記外側電極と、前記第２内側電極と前記外側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第２ポンプセルと、前記第３空室に面して形成された第３内側電極と、前記外側電極と、前記第３内側電極と前記外側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第３ポンプセルと、を備えるものであり、a)前記副調整ポンプセルによって、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記副調整空室に導入された前記被測定ガスから酸素を汲み出す工程と、b)前記第１ポンプセルによって、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出す工程と、c)前記第２ポンプセルによって、前記第２空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を前記第２空室において選択的に酸化させる工程と、d)前記第３ポンプセルによって、前記第３空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を前記第３空室において酸化させる工程と、e)前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する工程と、f)前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する工程と、g)前記副調整ポンプセルによって前記副調整空室から酸素を汲み出す際に前記副調整用内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する工程と、を備えることを特徴とする。
本発明の第５の態様は、第４の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記センサ素子が、基準ガスと接触してなる基準電極、をさらに備えるものであり、前記工程a)においては、前記副調整用内側電極と前記基準電極との間に前記副調整空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ０が、４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御し、前記工程b)においては、前記第１内側電極と前記基準電極との間に前記第１空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルにおいて前記第１内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御し、前記工程c)においては、前記第２内側電極と前記基準電極との間に前記第２空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルにおいて前記第２内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御し、前記工程d)においては、前記第３内側電極と前記基準電極との間に前記第３空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルにおいて前記第３内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する、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による濃度測定方法であって、前記工程a)においては、前記起電力Ｖ０が４００ｍＶに保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する、ことを特徴とする。
本発明の第７の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記第１ポンプセルが、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように前記第１空室から酸素を汲み出す第１の汲み出し動作の途中において所定時間、前記第１の汲み出し動作を停止させるか、あるいは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を行うことによって、前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元が中断されることにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とが前記第１空室および前記副調整空室を経て前記センサ素子の外部へと排出される、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であって、前記第１ポンプセルは、前記第１の汲み出し動作と、前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作とを、交互にかつ周期的に行い、前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとが、前記第１ポンプセルの動作に応じて周期的に行われる、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であって、前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、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であって、前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第１の汲み出し動作の停止の途中あるいは前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、ことを特徴とする。
本発明の第１１の態様は、第４ないし第６の態様のいずれかに係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記工程b)の途中において、前記第１ポンプセルが、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように前記第１空室から酸素を汲み出す第１の汲み出し動作を所定時間停止させるか、あるいは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を行うことによって、前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元を中断することにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とを前記第１空室および前記副調整空室を経て前記センサ素子の外部へと排出させる、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による濃度測定方法であって、前記工程b)においては、前記第１ポンプセルが、前記第１の汲み出し動作と、前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作とを、交互にかつ周期的に行い、前記工程c)における前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記工程d)における前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程b)における前記第１ポンプセルの動作に応じて周期的に行う、ことを特徴とする。
本発明の第１３の態様は、第１２の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記工程c)における前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記工程d)における前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程b)における前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、ことを特徴とする。
本発明の第１４の態様は、第１２の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記工程c)における前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記工程d)における前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程b)における前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第１の汲み出し動作の停止の途中あるいは前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、ことを特徴とする。
本発明の第１ないし第１４の態様によれば、水蒸気および二酸化炭素の濃度を測定可能なガスセンサにおいてさらに、従来よりも優れた精度で酸素の濃度を求めることができる。
また、本発明の第７ないし第１４の態様によれば、水素および一酸化炭素の酸化により生成される水蒸気および二酸化炭素が再還元されることに起因した、ガスセンサの測定精度の低下が、好適に抑制される。
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において実現される機能的構成要素を示すブロック図である。 センサ素子１０における、４つの空室（内部空所）におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。 センサ素子１０βにおける、３つの空室（内部空所）におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。 相異なる３種類のモデルガスを流したときの、副調整空室用センサセル８４における起電力Ｖ０の目標値（制御電圧）と、副調整ポンプセル８０に流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフである。 ガスセンサ１００が基本動作に基づく測定を継続的に行った場合に生じる不具合について説明するための図である。 ガスセンサ１００が基本動作に基づく測定を継続的に行った場合に生じる不具合について説明するための図である。 生成ガス排出動作における起電力Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３の目標値の時間変化を示す図である。 生成ガス排出動作の際の４つの空室におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。 生成ガス排出動作のさらに別の例を示す図である。
＜第１の実施の形態＞
＜ガスセンサの構成＞
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ１００は、センサ素子１０によって複数種類のガス成分を検知し、その濃度を測定するマルチガスセンサである。本実施の形態においては、少なくとも水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）が、ガスセンサ１００における主たる検知対象ガス成分であるとする。ガスセンサ１００は、例えば、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気経路に取り付けられ、係る排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとする態様にて使用される。図１は、センサ素子１０の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。
センサ素子１０は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる長尺板状の構造体（基体部）１４と、該構造体１４の一方端部（図面視左端部）に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口１６と、構造体１４内に形成され、ガス導入口１６から順次に連通する副調整空室１８、第１空室（主調整空室）１９、第２空室２０、および第３空室２１を有する。副調整空室１８は第１拡散律速部３０を介してガス導入口１６と連通している。第１（主調整）空室１９は、第２拡散律速部３２を介して副調整空室１８と連通している。第２空室２０は、第３拡散律速部３４を介して第１（主調整）空室１９と連通している。第３空室２１は、第４拡散律速部３６を介して第２空室２０と連通している。
構造体１４は、例えば、セラミックスよりなる複数層の基板を積層して構成される。具体的には、構造体１４は、第１基板２２ａと、第２基板２２ｂと、第３基板２２ｃと、第１固体電解質層２４と、スペーサ層２６と、第２固体電解質層２８とよりなる６つの層が、下から順に積層された構成を有する。各層は、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質によって構成される。
ガス導入口１６、第１拡散律速部３０、副調整空室１８、第２拡散律速部３２、第１（主調整）空室１９、第３拡散律速部３４、第２空室２０、第４拡散律速部３６、および第３空室２１は、構造体１４の一方端部側であって、第２固体電解質層２８の下面２８ｂと第１固体電解質層２４の上面２４ａとの間に、この順に形成されている。ガス導入口１６から第３空室２１に至る部位を、ガス流通部とも称する。
ガス導入口１６と、副調整空室１８と、第１（主調整）空室１９と、第２空室２０と、第３空室２１とは、スペーサ層２６を厚み方向に貫通するようにして形成されている。４つの空室の図面視上部においては、第２固体電解質層２８の下面２８ｂが露出し、図面視下部においては第１固体電解質層２４の上面２４ａが露出している。それら４つの空室の側部は、スペーサ層２６あるいはいずれかの拡散律速部にて区画されている。
第１拡散律速部３０、第２拡散律速部３２、第３拡散律速部３４、および、第４拡散律速部３６は、いずれも２本の横長なスリットを備えている。すなわち、図面に垂直な方向に長く伸びた開口を図面視上部および下部に有している。
また、センサ素子１０においてガス導入口１６が設けられた一方端部とは反対側の他方端部（図面視右端部）には、基準ガス導入空間３８が設けられている。基準ガス導入空間３８は、第３基板２２ｃの上面２２ｃ１と、スペーサ層２６の下面２６ｂとの間に形成されている。また、基準ガス導入空間３８の側部は第１固体電解質層２４の側面で区画されている。基準ガス導入空間３８には、基準ガスとして、例えば酸素（Ｏ２）や大気が導入される。
ガス導入口１６は、外部空間に対して開口している部位であり、該ガス導入口１６を通じて外部空間からセンサ素子１０内に被測定ガスが取り込まれる。
第１拡散律速部３０は、ガス導入口１６から副調整空室１８に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
副調整空室１８は、ガス導入口１６から副調整空室１８へと導入された被測定ガスから酸素を汲み出すための空間として設けられている。係る酸素の汲み出しは、副調整ポンプセル８０が作動することによって実現される。
なお、副調整空室１８は、緩衝空間としても機能する。すなわち、副調整空室１８は、外部空間における被測定ガスの圧力変動によって生じる被測定ガスの濃度変動を打ち消す機能も有している。このような被測定ガスの圧力変動としては、例えば自動車の排ガスの排気圧の脈動等が挙げられる。
副調整ポンプセル８０は、第２固体電解質層２８の下面２８ｂの副調整空室１８に面する略全域に設けられた副調整用内側ポンプ電極８２と、第２固体電解質層２８の一方主面（図面視上面）に外部空間に露出する態様に設けられた外側ポンプ電極４４と、両電極に挟まれた第２固体電解質層２８とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
副調整ポンプセル８０においては、副調整用内側ポンプ電極８２と外側ポンプ電極４４との間に、センサ素子１０の外部に備わる可変電源８６によって電圧Ｖｐ０が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ０が生じる。これにより、副調整空室１８内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出すことが、可能となっている。
副調整用内側ポンプ電極８２および外側ポンプ電極４４は、白金（Ｐｔ）または白金と金（Ａｕ）との合金（Ｐｔ－Ａｕ合金）を金属成分として、例えば、ＰｔまたはＰｔ－Ａｕ合金とジルコニア（ＺｒＯ２）とを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
また、センサ素子１０は、副調整空室１８内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである副調整空室用センサセル８４を有する。副調整空室用センサセル８４は、副調整用内側ポンプ電極８２と、基準電極４８と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される。
基準電極４８は、第１固体電解質層２４と第３基板２２ｃとの間に形成された電極であり、例えば、外側ポンプ電極４４と同様の、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
基準電極４８の周囲には、多孔質アルミナからなり、且つ、基準ガス導入空間３８につながる基準ガス導入層５２が設けられている。基準電極４８の表面には、基準ガス導入空間３８の基準ガスが基準ガス導入層５２を介して導入されるようになっている。すなわち、基準電極４８は常に基準ガスと接触した状態となっている。
副調整空室用センサセル８４においては、副調整用内側ポンプ電極８２と基準電極４８との間に、副調整空室１８における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた起電力Ｖ０が発生する。基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ０は副調整空室１８における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
第２拡散律速部３２は、副調整空室１８から第１（主調整）空室１９に導入される、酸素が汲み出された被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第１（主調整）空室１９は、第２拡散律速部３２を通じて導入される被測定ガスに検知対象ガス成分として含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２を還元（分解）して水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、被測定ガスが酸素のみならずＨ２Ｏ、ＣＯ２についても実質的に含まないようにするための空間として設けられている。係るＨ２ＯとＣＯ２の還元（分解）は、第１（主調整）ポンプセル４０が作動することによって実現される。
第１（主調整）ポンプセル４０は、第１（主調整）内側ポンプ電極４２と、外側ポンプ電極４４と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
第１（主調整）ポンプセル４０においては、第１（主調整）内側ポンプ電極４２と外側ポンプ電極４４との間に、センサ素子１０の外部に備わる可変電源４６によって電圧Ｖｐ１が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ１が生じる。これにより、第１（主調整）空室１９内の酸素を外部に汲み出すことが、可能となっている。
第１（主調整）内側ポンプ電極４２は、第１（主調整）空室１９を区画する第１固体電解質層２４の上面２４ａ、第２固体電解質層２８の下面２８ｂ、およびスペーサ層２６の側面のそれぞれの略全面に設けられている。これらの部位に設けられた第１（主調整）内側ポンプ電極４２は、互いに電気的に接続されてなる。また、第２固体電解質層２８の下面２８ｂに設けられる第１（主調整）内側ポンプ電極４２は、第２固体電解質層２８を挟んで外側ポンプ電極４４と対向配置されるのが好適である。
第１（主調整）内側ポンプ電極４２は、白金を金属成分として、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
また、センサ素子１０は、第１（主調整）空室１９内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである第１（主調整）空室用センサセル５０を有する。この第１（主調整）空室用センサセル５０は、第１（主調整）内側ポンプ電極４２と、基準電極４８と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される。
第１（主調整）空室用センサセル５０においては、第１（主調整）内側ポンプ電極４２と基準電極４８との間に、第１（主調整）空室１９における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた起電力Ｖ１が発生する。起電力Ｖ１は第１（主調整）空室１９における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
第３拡散律速部３４は、第１（主調整）空室１９から第２空室２０に導入される、Ｈ２およびＣＯを含みかつＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第２空室２０は、第３拡散律速部３４を通じて導入される被測定ガスに含まれているＨ２およびＣＯのうちＨ２のみを選択的に全て酸化して再びＨ２Ｏを生成させるための空間として設けられている。係るＨ２の酸化によるＨ２Ｏの生成は、第２ポンプセル５４が作動することによって実現される。
第２ポンプセル５４は、第２内側ポンプ電極５６と、外側ポンプ電極４４と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
第２ポンプセル５４においては、第２内側ポンプ電極５６と外側ポンプ電極４４との間に、センサ素子１０の外部に備わる可変電源６０によって電圧Ｖｐ２が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ２が生じる。これにより、外部空間から第２空室２０内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。
第２内側ポンプ電極５６は、第２空室２０を区画する第１固体電解質層２４の上面２４ａ、第２固体電解質層２８の下面２８ｂ、およびスペーサ層２６の側面のそれぞれの略全面に設けられている。これらの部位に設けられた第２内側ポンプ電極５６は、互いに電気的に接続されてなる。
第２内側ポンプ電極５６は、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として、例えば、係るＰｔ－Ａｕ合金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
また、センサ素子１０は、第２空室２０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである第２空室用センサセル５８を有する。第２空室用センサセル５８は、第２内側ポンプ電極５６と、基準電極４８と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される。
第２空室用センサセル５８においては、第２内側ポンプ電極５６と基準電極４８との間に、第２空室２０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた起電力Ｖ２が発生する。起電力Ｖ２は第２空室２０における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
第４拡散律速部３６は、第２空室２０から第３空室２１に導入される、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第３空室２１は、第４拡散律速部３６を通じて導入される被測定ガスに含まれているＣＯを全て酸化して再びＣＯ２を生成させるための空間として設けられている。係るＣＯの酸化によるＣＯ２の生成は、第３ポンプセル６１が作動することによって実現される。
第３ポンプセル６１は、第３内側ポンプ電極６２と、外側ポンプ電極４４と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
第３ポンプセル６１においては、第３内側ポンプ電極６２と外側ポンプ電極４４との間に、センサ素子１０の外部に備わる可変電源６８によって電圧Ｖｐ３が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ３が生じる。これにより、外部空間から第３空室２１内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。
第３内側ポンプ電極６２は、第３空室２１を区画する第１固体電解質層２４の上面２４ａの略全面に設けられている。
第３内側ポンプ電極６２は、白金を金属成分として、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
また、センサ素子１０は、第３空室２１内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである第３空室用センサセル６６を有する。第３空室用センサセル６６は、第３内側ポンプ電極６２と、基準電極４８と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される。
第３空室用センサセル６６においては、第３内側ポンプ電極６２と基準電極４８との間に、第３空室２１における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた起電力Ｖ３が発生する。起電力Ｖ３は第３空室２１における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
また、センサ素子１０はさらに、外側ポンプ電極４４と、基準電極４８と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的センサセル７０を有する。このセンサセル７０において外側ポンプ電極４４と基準電極４８の間に起電力Ｖｒｅｆは、センサ素子１０の外部に存在する被測定ガスの酸素分圧に応じた値となる。
以上に加えて、センサ素子１０は、第２基板２２ｂと第３基板２２ｃとに上下から挟まれた態様にて、ヒータ７２を備える。ヒータ７２は、第１基板２２ａの下面２２ａ２に設けられた図示しないヒータ電極を介して外部から給電されることにより発熱する。ヒータ７２は、副調整空室１８から第３空室２１に至る範囲の全域に亘って埋設されており、センサ素子１０を所定の温度に加熱しさらには保温することができるようになっている。ヒータ７２が発熱することによって、センサ素子１０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。
ヒータ７２の上下には、第２基板２２ｂおよび第３基板２２ｃとの電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている。以下、ヒータ７２、ヒータ電極、ヒータ絶縁層７４をまとめてヒータ部とも称する。
ガスセンサ１００はまた、センサ素子１０の動作を制御するとともに、センサ素子１０を流れる電流に基づいて検知対象ガス成分の濃度を特定する処理を担うコントローラ１１０をさらに備える。
図２は、コントローラ１１０において実現される機能的構成要素を示すブロック図である。コントローラ１１０は、例えば１つまたは複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路により構成される。電子回路は、例えば記憶装置に記憶されている所定のプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能的構成要素が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路等で構成してもよい。
なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンの排気経路に取り付けられ、排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとして使用される場合、コントローラ１１０の機能の一部または全部が、自動車のＥＣＵ（電子制御装置）にて実現されるであってもよい。
コントローラ１１０は、ＣＰＵにおいて所定のプログラムが実行されることにより実現される機能的構成要素として、上述したセンサ素子１０の各部の動作を制御する素子動作制御部１１１と、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分の濃度を特定する処理を担う濃度特定部１１２とを備える。
素子動作制御部１１１は、副調整ポンプセル８０の動作を制御する副調整ポンプセル制御部１１１Ａと、第１（主調整）ポンプセル４０の動作を制御する第１（主調整）ポンプセル制御部１１１Ｂと、第２ポンプセル５４の動作を制御する第２ポンプセル制御部１１１Ｃと、第３ポンプセル６１の動作を制御する第３ポンプセル制御部１１１Ｄと、ヒータ７２の動作を制御するヒータ制御部１１１Ｅとを、主として備える。
一方、濃度特定部１１２は、ガスセンサ１００における主たる検知対象ガス成分であるＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度をそれぞれ特定する水蒸気濃度特定部１１２Ｃおよび二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄを、主として備えるほか、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する酸素濃度特定部１１２Ａをさらに備える。すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、主たる検知対象ガス成分であるＨ２ＯおよびＣＯ２に加え、酸素についても、付随的な検知対象ガス成分として検知され、その濃度が特定される。その詳細については次述する。
＜マルチガス検知と濃度特定＞
次に、上述のような構成を有するガスセンサ１００において実現される、複数のガス種の検知（マルチガス検知）と、検知されたガスの濃度の特定の仕方について説明する。以降においては、被測定ガスが酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２を含む排ガスであるとする。
図３は、ガスセンサ１００のセンサ素子１０における、４つの空室（内部空所）におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。また、図４は、比較のために示す、副調整空室１８および第２拡散律速部３２を有さないセンサ素子１０βにおける、３つの空室（内部空所）におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。センサ素子１０βでは、ガス導入口１６と第１空室１９とが第１拡散律速部３０を介して連通している。また、センサ素子１０βは、副調整空室１８に対応する副調整ポンプセル８０および副調整空室用センサセル８４も有してはおらず、当然ながら、センサ素子１０βを備えるガスセンサにおいては、副調整ポンプセル制御部１１１Ａおよび可変電源８６も不要である。係るセンサ素子１０βは概略、特許文献１に開示されたような、３つの内部空所を有する従来のガスセンサのセンサ素子に相当する。
まず、本実施の形態に係るガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０においては、上述のように、ガス導入口１６から副調整空室１８へと被測定ガスが導入される。副調整空室１８においては、副調整ポンプセル８０が作動することにより、導入された被測定ガスから酸素が汲み出される。
係る酸素の汲み出しは、コントローラ１１０の副調整ポンプセル制御部１１１Ａが、副調整空室用センサセル８４における起電力Ｖ０の目標値（制御電圧）を４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは４００ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ０が係る目標値に保たれるよう、可変電源８６が副調整ポンプセル８０に印加する電圧Ｖｐ０を実際の起電力Ｖ０の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。例えば酸素を多く含む被測定ガスが副調整空室１８に到達すると起電力Ｖ０の値が目標値から大きく変位するので、副調整ポンプセル制御部１１１Ａは、係る変位が減少するように、可変電源８６が副調整ポンプセル８０に印加するポンプ電圧Ｖｐ０を制御する。
このような態様にて副調整ポンプセル８０により副調整空室１８から酸素が汲み出されることで、副調整空室１８における酸素分圧は、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元が生じない範囲で十分に低い値に保たれる。例えば、Ｖ０＝４００ｍＶの場合であれば、１０－８ａｔｍ程度となる。
図５は、起電力Ｖ０の目標値が４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値に設定されることで、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の還元が生じない範囲で酸素の汲み出しが行われる理由を説明するための図である。具体的には、図５は、相異なる３種類のモデルガスを流したときの、副調整空室用センサセル８４における起電力Ｖ０の目標値（制御電圧）と、副調整ポンプセル８０に流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフである。３種類のモデルガスは、具体的には、酸素を１０％含む第１のガスと、酸素とＣＯ２を１０％ずつ含む第２のガスと、酸素とＨ２Ｏを１０％ずつ含む第３のガスである。いずれのガスも、残余は窒素（Ｎ２）とした。また、センサ素子１０の温度は８００℃とし、モデルガスの温度は１５０℃とした。
図５からは、第１のガスの場合、制御電圧が０．４Ｖ以上の範囲で酸素ポンプ電流Ｉｐ０が略一定となっているのに対し、第２のガスおよび第３のガスの場合、制御電圧が０．７Ｖ以下の範囲では第１のガスと略同じプロファイルとなっているものの、制御電圧が０．７Ｖを超えると、酸素ポンプ電流Ｉｐ０が再び増大していることが確認される。係る増大は、被測定ガスに含まれているＨ２ＯまたはＣＯ２が還元（分解）されて酸素が発生することにより流れる、Ｈ２ＯまたはＣＯ２の還元電流が重畳していることにより生じている。
これを踏まえ、本実施の形態においては、起電力Ｖ０の目標値を４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値に設定している。なお、電極の耐久性を確保するという観点からは、起電力Ｖ０をなるべく低くする方が好ましいため、起電力Ｖ０の目標値は４００ｍＶとすることが好ましいと判断される。
副調整空室１８において酸素が汲み出された被測定ガスは、第１（主調整）空室１９に導入される。第１（主調整）空室１９においては、第１（主調整）ポンプセル４０が作動することにより、副調整空室１８において酸素が汲み出されたうえで導入された被測定ガスからさらに酸素が汲み出される。これにより、被測定ガスに含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２の還元（分解）反応（２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２、２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）が進行し、Ｈ２ＯおよびＣＯ２は実質的に全て、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）と酸素とに分解され、これにより生じた酸素も汲み出される。
係るＨ２ＯおよびＣＯ２の分解と生じた酸素の汲み出しとは、コントローラ１１０の第１（主調整）ポンプセル制御部１１１Ｂが、第１（主調整）空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）を１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは１０００ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ１が係る目標値に保たれるよう、可変電源４６が第１（主調整）ポンプセル４０に印加する電圧Ｖｐ１を実際の起電力Ｖ１の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。なお、起電力Ｖ１の目標値を１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値とすることが好適であるのは、図５に示すグラフからも示唆される。
係る態様にて第１（主調整）ポンプセル４０が作動することで、第１（主調整）空室１９における酸素分圧は、副調整空室１８における酸素分圧よりもさらに低い値に保たれる。例えば、Ｖ１＝１０００ｍＶの場合であれば、１０－２０ａｔｍ程度となる。これにより、被測定ガスはＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まなくなる。
Ｈ２およびＣＯを含む一方でＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスは、第２空室２０に導入される。
一方、図４に示すセンサ素子１０βの場合、ガス導入口１６から素子内部へと取り込まれた被測定ガスは、第１空室１９へと導入される。そして、係る第１空室１９においては、第１ポンプセル４０が作動することにより、導入された被測定ガスに含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２の水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）と酸素への分解と、酸素の汲み出しとが、併せて行われる。
これは、第１ポンプセル制御部１１１Ｂが、第１空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）を１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源４６が第１ポンプセル４０に印加する電圧Ｖｐ１を実際の起電力Ｖ１の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。それゆえ、結果的に得られるのも、センサ素子１０の場合と同様、Ｈ２およびＣＯを含む一方でＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスである。係る被測定ガスは、第２空室２０に導入される。
以降の処理は、センサ素子１０とセンサ素子１０βにおいて共通している。まず、第２空室２０においては、第２ポンプセル５４が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＨ２のみが酸化される。
係る酸素の汲み入れは、コントローラ１１０の第２ポンプセル制御部１１１Ｃが、第２空室用センサセル５８における起電力Ｖ２の目標値（制御電圧）を２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値（好ましくは３５０ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ２が係る目標値に保たれるよう、可変電源６０が第２ポンプセル５４に印加する電圧Ｖｐ２を実際の起電力Ｖ２の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。
係る態様にて第２ポンプセル５４が作動することで、第２空室２０内においては、２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏなる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１６から導入されたＨ２Ｏの量と相関性を有する量のＨ２Ｏが再び生成される。なお本実施の形態において、Ｈ２ＯあるいはＣＯ２の量が相関性を有するとは、ガス導入口１６から導入されたＨ２ＯあるいはＣＯ２の量と、それらの分解によって生じたＨ２およびＣＯが酸化させられることによって再び生成するＨ２ＯあるいはＣＯ２の量とが、同量または測定精度の点から許容される一定の誤差範囲内にある、ということである。
起電力Ｖ２の目標値が２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第２空室２０の酸素分圧は、Ｈ２はほぼ全て酸化されるもののＣＯは酸化されない範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ２＝３５０ｍＶの場合であれば、１０－７ａｔｍ程度となる。
このとき、第２ポンプセル５４を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２（以下、水蒸気検出電流Ｉｐ２とも称する）は、第２空室２０におけるＨ２の燃焼によって生成するＨ２Ｏの濃度に略比例する（水蒸気検出電流Ｉｐ２と生成するＨ２Ｏの濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＨ２Ｏの量は、ガス導入口１６から導入された後、第１（主調整）空室１９においていったん分解された、被測定ガス中のＨ２Ｏの量と相関性を有する。よって、第２ポンプセル制御部１１１Ｃにおいて水蒸気検出電流Ｉｐ２が検出されることで、被測定ガス中のＨ２Ｏが検知されたことになる。
また、水蒸気検出電流Ｉｐ２と被測定ガスにおける水蒸気濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（水蒸気特性データ）は、水蒸気濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、水蒸気濃度特定部１１２Ｃに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第２ポンプセル制御部１１１Ｃにおいて検出される水蒸気検出電流Ｉｐ２の値を、水蒸気濃度特定部１１２Ｃが取得する。水蒸気濃度特定部１１２Ｃは、水蒸気特性データを参照し、取得した水蒸気検出電流Ｉｐ２に対応する水蒸気濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける水蒸気濃度が特定される。
なお、仮に、ガス導入口１６から導入された被測定ガス中にＨ２Ｏが存在していなかった場合には、当然ながら第１（主調整）空室１９におけるＨ２Ｏの分解は生じず、それゆえ第２空室２０にＨ２が導入されることはないので、水蒸気検出電流Ｉｐ２はほぼゼロとなる。
Ｈ２が酸化されてＨ２Ｏとなることで、被測定ガスは、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まないものとなる。係る被測定ガスが第３空室２１に導入される。第３空室２１においては、第３ポンプセル６１が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＣＯが酸化される。
係る酸素の汲み入れは、コントローラ１１０の第３ポンプセル制御部１１１Ｄが、第３空室用センサセル６６における起電力Ｖ３の目標値（制御電圧）を１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは２００ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ３が係る目標値に保たれるよう、可変電源６８が第３ポンプセル６１に印加する電圧Ｖｐ３を実際の起電力Ｖ３の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。
係る態様にて第３ポンプセル６１が作動することで、第３空室２１内においては、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２なる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１６から導入されたＣＯ２の量と相関性を有する量のＣＯ２が再び生成される。
起電力Ｖ３の目標値が１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第３空室２１の酸素分圧は、ＣＯがほぼ全て酸化される範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ３＝２００ｍＶの場合であれば、１０－４ａｔｍ程度となる。
このとき、第３ポンプセル６１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ３（以下、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３とも称する）は、第３空室２１におけるＣＯの燃焼によって生成するＣＯ２の濃度に略比例する（二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と生成するＣＯ２の濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＣＯ２の量は、ガス導入口１６から導入された後、第１（主調整）空室１９においていったん分解された、被測定ガス中のＣＯ２の量と相関性を有する。よって、第３ポンプセル制御部１１１Ｄにおいて二酸化炭素検出電流Ｉｐ３が検出されることで、被測定ガス中のＣＯ２が検知されたことになる。
また、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と被測定ガスにおける二酸化炭素濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（二酸化炭素特性データ）は、二酸化炭素濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第３ポンプセル制御部１１１Ｄにおいて検出される二酸化炭素検出電流Ｉｐ３の値を、二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄが取得する。二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄは、二酸化炭素特性データを参照し、取得した二酸化炭素検出電流Ｉｐ３に対応する二酸化炭素濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける二酸化炭素濃度が特定される。
なお、仮に、ガス導入口１６から導入された被測定ガス中にＣＯ２が存在していなかった場合には、当然ながら第１（主調整）空室１９におけるＣＯ２の分解は生じず、それゆえ第３空室２１にＣＯが導入されることはないので、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３はほぼゼロとなる。
以上のように、センサ素子１０およびセンサ素子１０βのいずれを備えるガスセンサであっても、水蒸気濃度および二酸化炭素濃度を好適に特定することが可能である。
これに加え、本実施の形態に係るガスセンサ１００の場合、センサ素子１０が副調整空室１８をさらに備え、センサ素子１０βでは第１（主調整）空室１９に導入された被測定ガスを対象に併せて行われる酸素の汲み出しとＨ２ＯおよびＣＯ２の分解とを、副調整空室１８と第１（主調整）空室１９との２箇所に分けて段階的に行うことを利用して、被測定ガスに含まれる酸素の濃度についても、特定することができるようになっている。
具体的にいえば、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、上述のように、副調整空室１８において、ガス導入口１６から導入された被測定ガスからの酸素の汲み出しが行われる。係る酸素の汲み出しは、副調整ポンプセル８０が作動することにより、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の還元が生じない範囲で行われるものではあるが、その際に副調整ポンプセル８０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０（以下、酸素検出電流Ｉｐ０とも称する）はガス導入口１６から導入された被測定ガスに含まれる酸素の濃度に略比例する。すなわち、酸素検出電流Ｉｐ０と被測定ガスにおける酸素濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（酸素特性データ）は、酸素濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、酸素濃度特定部１１２Ａに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、副調整ポンプセル制御部１１１Ａにおいて検出される酸素検出電流Ｉｐ０の値を、酸素濃度特定部１１２Ａが取得する。酸素濃度特定部１１２Ａは、酸素特性データを参照し、取得した酸素検出電流Ｉｐ０に対応する酸素濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける酸素濃度が特定される。
確認的にいえば、図４に示すセンサ素子１０βの場合、第１空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）を１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定することで、第１ポンプセル４０による第１空室１９からの酸素の汲み出しとＨ２ＯおよびＣＯ２の還元とを行っているが、係る起電力Ｖ１の目標値の範囲は、図５に示したグラフにおいてＨ２ＯおよびＣＯ２の還元が生じる範囲に属しているので、このときに第１ポンプセル４０を流れるポンプ電流Ｉｐ１の値に基づいて、ガス導入口１６から導入された被測定ガスに含まれていた酸素の濃度を特定することはできない。
なお、センサ素子１０βを備えるガスセンサの場合も、間接的ではあるが、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めることが可能ではある。概略的にいえば、第１空室１９から汲み出される酸素の濃度（これをＣ１とする）と、第２空室２０および第３空室２１へと汲み入れられる酸素の濃度（それぞれ、Ｃ２、Ｃ３とする）との差分値
Ｃ＝Ｃ１－Ｃ２－Ｃ３ ・・・・（１）
が、ガス導入口１６から導入された被測定ガス中の酸素の濃度に相当する。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれ、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３に略比例する値であるので、あらかじめＣ１とＩｐ１、Ｃ２とＩｐ２、Ｃ３とＩｐ３との関係（比例定数）を特定しておけば、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の検出値から被測定ガス中の酸素の濃度を求めることが可能ではある。以下、係る手法を差分法と称する。
しかしながら、それぞれの酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の検出値には独立に測定誤差があるので、誤差伝播の法則により式（１）における最大誤差はより大きくなる。
これに対し、本実施の形態に係るガスセンサ１００の場合、酸素検出電流Ｉｐ０と酸素濃度とが略比例することに基づき、あらかじめ比例定数を実験的に特定しておけば、酸素検出電流Ｉｐ０の値から直接に酸素濃度を求めることができる。以下、本実施の形態に係るガスセンサ１００において行うことができる酸素濃度の導出手法を直接法と称する。係る直接法によれば、上述した差分法により濃度値を求める場合よりも、精度の優れた値を得ることができる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の濃度を測定可能なガスセンサにおいてさらに、従来よりも優れた精度で酸素の濃度を求めることができる。
＜第１の実施の形態の実施例＞
差分法と直接法とのそれぞれにおける酸素濃度の測定誤差を評価した。
（差分法）
まず、酸素濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３について、Ｃ１とＩｐ１の間、Ｃ２とＩｐ２の間、Ｃ３とＩｐ３の間にはそれぞれ、以下の比例関係が成り立つものとする。なお、酸素濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の単位は％であり、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の単位はｍＡであり、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３は酸素が汲み出される向きを正としている。
Ｃ１＝１９．６９Ｉｐ１；
Ｃ２＝－２１．６５Ｉｐ２；
Ｃ３＝－２９．５３Ｉｐ３。
これにより、式（１）は以下のように表される。
Ｃ＝１９．６９Ｉｐ１＋２１．６５Ｉｐ２＋２９．５３Ｉｐ３ ・・・・（２）
被測定ガスとして、酸素とＣＯ２とＨ２Ｏとを１０％ずつ含み、残余が窒素であるモデルガスを用い、センサ素子１０βを備えるガスセンサにおいて酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３を測定した。センサ素子の温度は８００℃とし、モデルガスの温度は１５０℃とした。
その結果、以下の値が得られた。
Ｉｐ１＝２．２７ｍＡ；
Ｉｐ２＝－１．３７ｍＡ；
Ｉｐ３＝－０．１７ｍＡ。
なお、Ｉｐ２、Ｉｐ３の値が負であるのは、酸素ポンプ電流は汲み出す向きを正としているためである。
ここで、それぞれの酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３における測定誤差を±１％であるとすると、係る測定誤差を考慮した酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の範囲は以下の通りとなる。
Ｉｐ１＝２．２７±０．０２２７ｍＡ；
Ｉｐ２＝－１．３７±０．０１３７ｍＡ；
Ｉｐ３＝－０．１７±０．００１７ｍＡ。
これらの範囲を踏まえると、式（２）から得られる、誤差を含めた濃度値Ｃの範囲は、
Ｃ＝１０±０．８（％）
となる。すなわち、差分法にて得られる濃度値Ｃには、最大で中央値に対し±８／１００程度の誤差があり得るということになる。
（直接法）
まず、酸素濃度Ｃと酸素ポンプ電流（酸素検出電流）Ｉｐ０の間には、以下の比例関係が成り立つものとする。なお、酸素濃度Ｃの単位は％であり、酸素ポンプ電流Ｉｐ０の単位はｍＡである。
Ｃ＝３７．０４Ｉｐ０ ・・・・（３）
被測定ガスとして、差分法の場合と同じく、酸素とＣＯ２とＨ２Ｏとを１０％ずつ含み、残余が窒素であるモデルガスを用い、センサ素子１０βを備えるガスセンサにおいて酸素ポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３を測定した。センサ素子の温度は８００℃とし、モデルガスの温度は１５０℃とした。その結果、以下の値が得られた。
Ｉｐ０＝０．２７ｍＡ；
Ｉｐ１＝１．８５ｍＡ；
Ｉｐ２＝－１．２４ｍＡ；
Ｉｐ３＝－０．１５ｍＡ。
ここで、それぞれの酸素ポンプ電流Ｉｐ０における測定誤差を±１％であるとすると、係る測定誤差を考慮した酸素ポンプ電流Ｉｐ０の範囲は以下の通りとなる。
Ｉｐ０＝０．２７±０．００２７ｍＡ。
係る範囲を踏まえると、式（３）から得られる、誤差を含めた濃度値Ｃの範囲は、
Ｃ＝１０±０．１（％）
となる。すなわち、直接法にて得られる濃度値Ｃには、最大で中央値に対し±１／１００程度の誤差があり得るということになる。
係る結果と差分法による結果とを対比すると、直接法では、差分法の１／８にまで測定誤差が抑制されていることがわかる。係る結果は、差分法よりも直接法の方が、酸素濃度の特定手法として優れていることを示している。
＜第２の実施の形態＞
＜継続的使用を考慮した濃度特定＞
以降においては、図３に基づき説明した、センサ素子１０を備えるガスセンサ１００の動作態様を、基本動作とも称する。図６および図７は、ガスセンサ１００が係る基本動作に基づく測定を継続的に行った場合に生じ得る不具合について説明するための図である。
ガスセンサ１００が上述の基本動作に従い、被測定ガス中のＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度さらには酸素の濃度を測定する場合、第２空室２０で生成したＨ２Ｏは基本的に、第３空室２１に導入されるかあるいは第２空室２０に滞留する。また、第３空室２１で生成したＣＯ２は基本的に、第３空室２１に滞留する。そのため、測定が継続的に行われるにつれ、これら第２空室２０および第３空室２１におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の生成量が増大していくことになる。
すると、第１拡散律速部３０（ガス導入口１６）から新たに導入される被測定ガスの濃度が比較的小さい場合、図６に示すように、ガス導入口１６から第３空室２１に至るガス流通部において、ガス導入口１６から最奥の内部空所である第３空室２１に向かうほど、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の濃度が高くなるような濃度勾配が形成され得る。
そして、このような濃度勾配が生じた結果として、第３空室２１あるいは第２空室２０に存在しているＨ２ＯおよびＣＯ２の第３空室２１および第２空室２０から第１空室１９への拡散移動が生じ得る。つまりは、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の第１空室１９への逆流が起こり得る。
上述のように、第１空室１９においては、第１ポンプセル４０が作動することによりＨ２ＯおよびＣＯ２の還元が継続的に行われている。そのため、図７に示すように、第３空室２１および第２空室２０からＨ２ＯおよびＣＯ２が逆流した場合、それらは、ガス導入口１６から導入された被測定ガスに含まれる、その時点における本来の測定対象であるＨ２ＯおよびＣＯ２と区別されることなく、Ｈ２およびＣＯへと（再）還元されてしまうことになる。
このような再還元が生じてしまうと、第２ポンプセル５４が第２空室２０に酸素を汲み入れることにより酸化されるＨ２には再還元により生じたＨ２が含まれ、第３ポンプセル６１が第３空室２１に酸素を汲み入れることにより酸化されるＣＯには再還元により生じたＣＯが含まれることになるため、第２ポンプセル５４を流れる水蒸気検出電流Ｉｐ２と第３ポンプセル６１を流れる二酸化炭素検出電流Ｉｐ３には、再還元されるＨ２ＯおよびＣＯ２に由来する電流が重畳してしまうことになる。すなわち、水蒸気検出電流Ｉｐ２と二酸化炭素検出電流Ｉｐ３の値が、被測定ガスに本来的に含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度に対応しなくなってしまい、結果として測定精度が低下することになる。
本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、このような、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の逆流に起因した測定精度の低下が生じないように、各ポンプセルの動作が制御されるようになっている。概略的にいえば、第２空室２０および第３空室２１において生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２の逆流の発生を抑制するのではなく、第１空室１９あるいはさらに副調整空室１８へと逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２をセンサ素子１０の外部へと排出させるような動作を行うことで、測定精度が確保されるようになっている。係る動作態様を、生成ガス排出動作とも称する。
図８は、生成ガス排出動作における起電力Ｖ１、Ｖ２、およびＶ３の目標値の時間変化を示す図である。また、図９は、生成ガス排出動作の際の４つの空室（内部空所）におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。
上述したように、基本動作においては、第１空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値は１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定され、起電力Ｖ０が係る目標値に保たれるよう、第１ポンプセル４０に印加する電圧Ｖｐ１がフィードバック制御される。
これに対し、生成ガス排出動作においては、第１ポンプセル４０の動作が一時的に停止されることにより、図８（ａ）に示すように、第１空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値を所定の値Ｖ１ａに保つフィードバック制御が一時的に停止される。
ここで、値Ｖ１ａは、基本動作における起電力Ｖ１の目標値と同様、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値である。値Ｖ１ａは、基本動作の際の起電力Ｖ１の目標値と同じ値に設定されてよい。
起電力Ｖ１の目標値が係る値Ｖ１ａに設定されている間、第１ポンプセル４０は、基本動作のとき同じく、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２が実質的に全て還元されるように、第１空室１９から外部へと酸素を汲み出す。
これに対し、第１ポンプセル４０の動作が停止されると、第１空室１９におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元は一時的に中断される。
すなわち、生成ガス排出動作において、第１ポンプセル４０は、被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように第１空室１９から酸素を汲み出す汲み出し動作の途中で、その動作を一時的に停止する。
一方、起電力Ｖ２と起電力Ｖ３の目標値は、基本動作と同様に設定される。具体的には、起電力Ｖ２の目標値は２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値（好ましくは３５０ｍＶ）に設定され、起電力Ｖ３の目標値は１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは２００ｍＶ）に設定される。
係る場合、起電力Ｖ１の目標値が値Ｖ１ａに設定されている間のガスセンサ１００の動作は、基本動作のときと同じであるが、第１ポンプセル４０の動作が停止されると、第１空室１９においては導入された被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２は還元されなくる。そのため、第２空室２０および第３空室２１にて生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２が滞留した結果として、図６に示したような濃度勾配が生じ、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が第１空室１９へと逆流している場合であっても、図９に示すように、係る逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２は第１空室１９にて再還元されることなくそのまま副調整空室１８を経て素子外部へと排出される。これにより、濃度勾配は弱められるため、結果として、起電力Ｖ１の目標値が再び値Ｖ１ａに設定された以降における、逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２の再還元が、起こりにくくなる。すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第１ポンプセル４０による第１空室１９からの汲み出し動作が一時的に停止されることにより、センサ素子１０内部のガス流通部に生じている濃度勾配に応じて、Ｈ２およびＣＯの選択的酸化により生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２が第１空室１９さらには副調整空室１８を経て素子外部へと好適に排出されるようになっている。
第１ポンプセル４０の動作の停止は、任意のタイミングで行われてもよいし、あらかじめ定められたタイミングで行われる態様であってもよい。あるいは、所定の条件がみたされた場合に行われる態様であってもよい。例えば、ガスセンサ１００におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の測定値が大きい状況が長く続くほど、第２空室２０および第３空室２１にて生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２の量も多くなることから、係る測定値の積分値に基づいて、第１ポンプセル４０の動作が停止される態様などが例示される。
第１ポンプセル４０の動作が停止される時間は、１ｍｓ～１ｓの範囲内であることが好ましい。係る設定時間が１ｍｓよりも短い場合、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の第２空室２０あるいは第３空室２１からの拡散が十分に進行しないために、濃度勾配が十分に弱まらず依然として測定精度が低下する状況が続くおそれがあるため、好ましくない。また、係る設定時間が１ｓよりも長い場合、新たに導入される被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２を還元できない時間が長くなるために、つまりは、濃度測定を行えない時間が長くなってしまうために、応答性が低下することになり、好ましくない。
あるいは、第１ポンプセル４０において汲み出し動作とその停止とを交互にかつ周期的に行うことによって、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の還元の一時的な停止を周期的に行うとともに、第２空室用センサセル５８における起電力Ｖ２と第３空室用センサセル６６における起電力Ｖ３の目標値（設定値）についても、図８（ｂ）に示すように、第１ポンプセル４０の動作の周期的変化に同期させる態様にて、周期的に変化させるようにしてもよい。つまりは、第２ポンプセル５４および第３ポンプセル６１による酸素の汲み入れを、第１ポンプセル４０の動作の停止と同期させて行うようにしてもよい。
起電力Ｖ２と起電力Ｖ３の目標値については、起電力Ｖ１の目標値が値Ｖ１ａに設定され第１ポンプセル４０の動作している間は０とし、第１ポンプセル４０が動作を停止している間のみ、基本動作のときと同じ範囲内の値に設定される。なお、図８（ｂ）においては図示の簡単のため、両者を一のグラフにて示しているが、実際には起電力Ｖ２と起電力Ｖ３は相異なる値に設定される。
この場合、第１空室１９におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元と、第２空室２０および第３空室２１のそれぞれにおけるＨ２およびＣＯの選択的酸化とが相異なるタイミングで行われる。すなわち、第２空室２０および第３空室２１においてＨ２およびＣＯが再酸化される間は、第１空室１９においては導入された被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２は還元されない。係る場合も、第２空室２０および第３空室２１にて生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２が滞留し、図６に示したような濃度勾配が生じたとしても、第１空室１９へと逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２は第１空室１９にて再還元されることなくそのまま素子外部へと排出されるようになる。
なお、この場合は、起電力Ｖ１の目標値が値Ｖ１ａに設定される時間も、１ｍｓ～１ｓの範囲内であることが好ましい。
また、図１０は、生成ガス排出動作のさらに別の例を示す図である。係る場合においては、図１０（ａ）に示すように、第１ポンプセル４０の動作の周期的な変化については図８（ａ）の場合と同様としつつも、図１０（ｂ）に示すように、起電力Ｖ２と起電力Ｖ３の目標値の周期変化の位相（タイミング）を図８（ｂ）に示す場合からずらしている。より具体的には、第２空室２０および第３空室２１のそれぞれに対する酸素の汲み入れの開始を、第１ポンプセル４０の汲み入れ動作の途中にまで早め、第１ポンプセル４０が動作を停止している途中で係る汲み入れを終了している。ただし、開始時間を早める程度は、第１ポンプセル４０が汲み入れ動作を行っている時間（起電力Ｖ０１の目標値を値Ｖ１ａに設定している時間）Δｔの５０％以下とされる。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態に係るガスセンサのように、ガス導入口から順次に連通する４つの空室を備えるガスセンサにおいて、第１空室におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元を一時的にあるいは周期的に停止させることにより、Ｈ２およびＣＯの酸化により生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２をその濃度勾配を利用して第１空室からセンサ素子の外部へと排出させるようにしている。これにより、Ｈ２およびＣＯの酸化により生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２が再還元されることに起因した測定精度の低下が、好適に抑制される。
＜第２の実施の形態の変形例＞
生成ガス排出動作の際に第１ポンプセル４０の動作を停止させることに代えて、第１空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値を、副調整空室用センサセル８４における起電力Ｖ０の目標値として設定されている値以下の値とした、フィードバック制御が行われてもよい。係る場合、第１ポンプセル４０は、副調整ポンプセル８０と同様に、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元を生じさせない範囲で、第１空室１９に存在する酸素の外部への汲み出し動作を行う。この場合も、第２空室２０および第３空室２１にて滞留し第１空室１９へと逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２は、第１空室１９にて再還元されることなくそのまま副調整空室１８を経て素子外部へと排出される。
１０、１０β センサ素子
１４ 構造体
１６ ガス導入口
１８ 副調整空室
１９ 第１（主調整）空室
２０ 第２空室
２１ 第３空室
３０ 第１拡散律速部
３２ 第２拡散律速部
３４ 第３拡散律速部
３６ 第４拡散律速部
３８ 基準ガス導入空間
４０ 第１（主調整）ポンプセル
４２ 第１（主調整）内側ポンプ電極
４４ 外側ポンプ電極
４６、６０、６８、８６ 可変電源
４８ 基準電極
５０ 第１（主調整）空室用センサセル
５４ 第２ポンプセル
５６ 第２内側ポンプ電極
５８ 第２空室用センサセル
６１ 第３ポンプセル
６２ 第３内側ポンプ電極
６６ 第３空室用センサセル
７２ ヒータ
８０ 副調整ポンプセル
８２ 副調整用内側ポンプ電極
８４ 副調整空室用センサセル
Ｃ＝３７．０４Ｉｐ０ ・・・・（３）
被測定ガスとして、差分法の場合と同じく、酸素とＣＯ２とＨ２Ｏとを１０％ずつ含み、残余が窒素であるモデルガスを用い、センサ素子１０を備えるガスセンサにおいて酸素ポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３を測定した。センサ素子の温度は８００℃とし、モデルガスの温度は１５０℃とした。その結果、以下の値が得られた。
上述したように、基本動作においては、第１空室用センサセル５０における起電力Ｖ１の目標値は１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定され、起電力Ｖ１が係る目標値に保たれるよう、第１ポンプセル４０に印加する電圧Ｖｐ１がフィードバック制御される。
また、図１０は、生成ガス排出動作のさらに別の例を示す図である。係る場合においては、図１０（ａ）に示すように、第１ポンプセル４０の動作の周期的な変化については図８（ａ）の場合と同様としつつも、図１０（ｂ）に示すように、起電力Ｖ２と起電力Ｖ３の目標値の周期変化の位相（タイミング）を図８（ｂ）に示す場合からずらしている。より具体的には、第２空室２０および第３空室２１のそれぞれに対する酸素の汲み入れの開始を、第１ポンプセル４０の汲み出し動作の途中にまで早め、第１ポンプセル４０が動作を停止している途中で係る汲み入れを終了している。ただし、開始時間を早める程度は、第１ポンプセル４０が汲み出し動作を行っている時間（起電力Ｖ１の目標値を値Ｖ１ａに設定している時間）Δｔの５０％以下とされる。

Claims (14)

  1. 少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を測定可能なガスセンサであって、
    酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された構造体を有するセンサ素子と、
    前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記センサ素子が、
    前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
    相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、副調整空室、主調整空室である第１空室、第２空室、および第３空室と、
    前記副調整空室に面して形成された副調整用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された外側電極と、前記副調整用内側電極と前記外側電極の間に存在する前記固体電解質とから構成された副調整ポンプセルと、
    前記第１空室に面して形成された第１内側電極と、前記外側電極と、前記第１内側電極と前記外側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第１ポンプセルと、
    前記第２空室に面して形成された第２内側電極と、前記外側電極と、前記第２内側電極と前記外側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第２ポンプセルと、
    前記第３空室に面して形成された第３内側電極と、前記外側電極と、前記第３内側電極と前記外側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第３ポンプセルと、
    を備え、
    前記副調整ポンプセルは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記副調整空室に導入された前記被測定ガスから酸素を汲み出し、
    前記第１ポンプセルは、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出し、
    前記第２ポンプセルは、前記第２空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を前記第２空室において選択的に酸化させ、
    前記第３ポンプセルは、前記第３空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を前記第３空室において酸化させ、
    前記コントローラは、
    前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する水蒸気濃度特定手段と、
    前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する二酸化炭素濃度特定手段と、
    前記副調整ポンプセルによって前記副調整空室から酸素を汲み出す際に前記副調整用内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する酸素濃度特定手段と、
    を備え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、
    前記センサ素子が、
    基準ガスと接触してなる基準電極と、
    前記副調整用内側電極と、前記基準電極と、前記副調整用内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記副調整用内側電極と前記基準電極との間に、前記副調整空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ０が生じる副調整空室用センサセルと、
    前記第１内側電極と、前記基準電極と、前記第１内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第１内側電極と前記基準電極との間に、前記第１空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ１が生じる第１空室用センサセルと、
    前記第２内側電極と、前記基準電極と、前記第２内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第２内側電極と前記基準電極との間に、前記第２空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ２が生じる第２空室用センサセルと、
    前記第３内側電極と、前記基準電極と、前記第３内側電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第３内側電極と前記基準電極との間に、前記第３空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ３が生じる第３空室用センサセルと、
    をさらに備え、
    前記コントローラが、
    前記副調整空室用センサセルにおける起電力Ｖ０が、４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する副調整ポンプセル制御手段と、
    前記第１空室用センサセルにおける起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルにおいて前記第１内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する第１ポンプセル制御手段と、
    前記第２空室用センサセルにおける起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルにおいて前記第２内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する第２ポンプセル制御手段と、
    前記第３空室用センサセルにおける起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルにおいて前記第３内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する第３ポンプセル制御手段と、
    を備えることを特徴とする、ガスセンサ。
  3. 請求項２に記載のガスセンサであって、
    前記副調整ポンプセル制御手段は、前記起電力Ｖ０が４００ｍＶに保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  4. 少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を、ガスセンサにより測定する方法であって、
    前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の構造体を有するセンサ素子を備えるものであり、
    前記センサ素子が、
    前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
    相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、副調整空室、主調整空室である第１空室、第２空室、および第３空室と、
    前記副調整空室に面して形成された副調整用内側電極と、前記センサ素子の外面に形成された外側電極と、前記副調整用内側電極と前記外側電極の間に存在する前記固体電解質とから構成された副調整ポンプセルと、
    前記第１空室に面して形成された第１内側電極と、前記外側電極と、前記第１内側電極と前記外側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第１ポンプセルと、
    前記第２空室に面して形成された第２内側電極と、前記外側電極と、前記第２内側電極と前記外側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第２ポンプセルと、
    前記第３空室に面して形成された第３内側電極と、前記外側電極と、前記第３内側電極と前記外側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第３ポンプセルと、
    を備えるものであり、
    a)前記副調整ポンプセルによって、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記副調整空室に導入された前記被測定ガスから酸素を汲み出す工程と、
    b)前記第１ポンプセルによって、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出す工程と、
    c)前記第２ポンプセルによって、前記第２空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を前記第２空室において選択的に酸化させる工程と、
    d)前記第３ポンプセルによって、前記第３空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を前記第３空室において酸化させる工程と、
    e)前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する工程と、
    f)前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する工程と、
    g)前記副調整ポンプセルによって前記副調整空室から酸素を汲み出す際に前記副調整用内側電極と前記外側電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する工程と、
    を備えることを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  5. 請求項４に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記センサ素子が、
    基準ガスと接触してなる基準電極、
    をさらに備えるものであり、
    前記工程a)においては、前記副調整用内側電極と前記基準電極との間に前記副調整空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ０が、４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御し、
    前記工程b)においては、前記第１内側電極と前記基準電極との間に前記第１空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルにおいて前記第１内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御し、
    前記工程c)においては、前記第２内側電極と前記基準電極との間に前記第２空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルにおいて前記第２内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御し、
    前記工程d)においては、前記第３内側電極と前記基準電極との間に前記第３空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルにおいて前記第３内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  6. 請求項５に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記工程a)においては、前記起電力Ｖ０が４００ｍＶに保たれるように、前記副調整ポンプセルにおいて前記副調整用内側電極と前記外側電極との間に印加される電圧を制御する、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  7. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のガスセンサであって、
    前記第１ポンプセルが、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように前記第１空室から酸素を汲み出す第１の汲み出し動作の途中において所定時間、前記第１の汲み出し動作を停止させるか、あるいは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を行うことによって、前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元が中断されることにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とが前記第１空室および前記副調整空室を経て前記センサ素子の外部へと排出される、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  8. 請求項７に記載のガスセンサであって、
    前記第１ポンプセルは、前記第１の汲み出し動作と、前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作とを、交互にかつ周期的に行い、
    前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとが、前記第１ポンプセルの動作に応じて周期的に行われる、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  9. 請求項８に記載のガスセンサであって、
    前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  10. 請求項８に記載のガスセンサであって、
    前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第１の汲み出し動作の停止の途中あるいは前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  11. 請求項４ないし請求項６のいずれかに記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記工程b)の途中において、前記第１ポンプセルが、前記副調整空室から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように前記第１空室から酸素を汲み出す第１の汲み出し動作を所定時間停止させるか、あるいは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を行うことによって、前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元を中断することにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とを前記第１空室および前記副調整空室を経て前記センサ素子の外部へと排出させる、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  12. 請求項１１に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記工程b)においては、前記第１ポンプセルが、前記第１の汲み出し動作と、前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作とを、交互にかつ周期的に行い、
    前記工程c)における前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記工程d)における前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程b)における前記第１ポンプセルの動作に応じて周期的に行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  13. 請求項１２に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記工程c)における前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記工程d)における前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程b)における前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の停止あるいは前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  14. 請求項１２に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記工程c)における前記第２ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記工程d)における前記第３ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程b)における前記第１ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第１の汲み出し動作の停止の途中あるいは前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
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