JP2024000278A - ガスセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度を高く維持できるガスセンサを提供する。【解決手段】センサ素子１０１と、前記センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含み、前記制御装置９０は、空所内電極４４を含むポンプセル４１を動作させて被測定ガス中の測定対象ガスを検出する通常制御を行う駆動制御部９２と、基準電極４２の基準電位が所定の値である標準時の、空所内電極４４と前記基準電極４２との間の電圧及び、前記ポンプセル４１に流れる電流の標準対応関係を予め記憶する記憶部９３と、診断時の前記ポンプセル４１に流れる電流、及び、前記空所内電極４４と前記基準電極４２との間の電圧の診断時対応関係を取得し、前記診断時対応関係と前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極４２の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する診断部９４と、を含む、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサ。【選択図】図２

Description

本発明は、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサに関する。
ガスセンサは、自動車の排気ガス等の被測定ガス中の対象とするガス成分（酸素Ｏ２、窒素酸化物ＮＯｘ、アンモニアＮＨ３、炭化水素ＨＣ、二酸化炭素ＣＯ２等）の検出や濃度の測定に使用されている。このようなガスセンサとしては、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いたセンサ素子を備えたガスセンサが知られている。
例えば、特開２０２１－１５６６４７号公報には、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部と、被測定ガス中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）を溜めておくための基準ガス室とが内部に設けられた素子本体と、前記基準ガス室に配設された基準電極とを備えるセンサ素子が開示されている。
このようなガスセンサにおいて、基準電極は、被測定ガス中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）に接するように配設される。例えば、特開２０２１－１５６６４７号公報には、素子本体の内部に独立して設けられた基準ガス室に、基準電極が配設された構成が開示されている。また、例えば、特開２０１８－１７３３２０号公報には、基準ガスを導入して基準電極に流通させる多孔質の基準ガス導入層に、前記基準電極が被覆されている構成が開示されている。ここで、基準ガスが存在する空間と被測定ガスが流入するセンサ素子室とは、センサ組立体によって区画され、互いにガスが流通しないように封止されていることが開示されている。
特開２０２１－１５６６４７号公報 特開２０１８－１７３３２０号公報 ＷＯ２０２０／００４３５６号公報
このようなガスセンサにおいて、基準電極の周囲の基準ガス中の酸素濃度が何らかの要因で変化すると、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度が低下する場合があった。
被測定ガス中の酸素濃度が既知の場合には、例えば特開２０２１－１５６６４７号公報に記載されているように、基準電極と、センサ素子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の間の電位差によって、基準ガス中の酸素濃度を確認し必要に応じて調整することができる。例えば、被測定ガスが自動車等の排気ガスである場合には、燃料カット時には被測定ガスは大気雰囲気であるため、酸素濃度は既知である。
しかしながら、通常、被測定ガス中の酸素濃度は刻々と変化するため、前記燃料カット時のような酸素濃度が既知の特定のタイミング以外においては、上述の方法で基準ガス室の酸素濃度を確認することはできない。したがって、酸素濃度が既知の特定のタイミングにならない間は、基準ガス中の酸素濃度が変化したとしても、その変化を検知することができず、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度が低下してしまう恐れがある。
そこで、本発明は、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度の低下を抑制し、高い検出精度を維持できるガスセンサを提供することを目的とする。
本発明者らは、ガスセンサの使用中において、被測定ガス中の酸素濃度が既知の場合に限らず、また、酸素濃度にかかわらず、任意のタイミングで基準ガス中の酸素濃度のずれを診断し必要に応じて補正することを検討した。
例えば、ＷＯ２０２０／００４３５６号公報には、基準電極と被測定ガスに晒される部分に設けられた被測定ガス側電極との間に電流を流して、前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れる酸素汲み入れ制御を行うことが開示されている。そして、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度の低下を抑制するために、前記酸素汲み入れ制御を実行しなかったときの前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の第１ベース電圧と前記酸素汲み入れ制御を実行したときの前記基準電極と前記被測定ガス側電極との間の第２ベース電圧との差に基づいて、前記被測定ガスの特定ガス濃度を補正することが開示されている。しかしながら、この補正は、経時劣化による基準電極の抵抗変化量に応じて行うものであり、基準電極の周囲の基準ガス中の酸素濃度の変化を検知して補正するものではない。
本発明者らは、鋭意検討の結果、以下のような構成のガスセンサを用いれば、基準電極の基準電位のずれを診断することができることを見出した。また、その診断結果に基づいて、基準電極の基準電位のずれを補正することにより、ガスセンサの使用中の任意のタイミングにおいて、基準電極の基準電位のずれ、すなわち、基準電極の周囲の基準ガス中の酸素濃度のずれを補正することができることを見出した。
本発明には、以下の発明が含まれる。
（１） センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置と、を含むガスセンサであって、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内電極と対応している空所外電極とを含むポンプセルと、
前記基体部の内部に、前記被測定ガス流通空所とは離隔して形成された基準ガス室と、
前記基準ガス室内に配設された基準電極と、
を含み、
前記制御装置は、
前記ポンプセルを動作させて被測定ガス中の測定対象ガスを検出する通常制御を行う駆動制御部と、
前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の標準対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記基準電極の基準電位を診断する診断時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時対応関係を取得し、取得した前記診断時対応関係と、前記記憶部が予め記憶している前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する診断部と、
を含む、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサ。
（２） 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の標準電圧電流曲線を予め記憶し、
前記診断部は、前記ポンプセルへの印加電圧を所定の範囲で掃引させ、前記診断時対応関係として、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時電圧電流曲線を取得し、取得した前記診断時電圧電流曲線と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧電流曲線とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、上記（１）に記載のガスセンサ。
（３） 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の関係が線形のオーミック領域において、前記電流が所定の電流値になる時の前記空所内電極と前記基準電極との間の標準電圧を予め記憶し、
前記診断部は、前記診断時対応関係として、前記電流が前記所定の電流値になる時の前記空所内電極と前記基準電極との間の診断時電圧を取得し、取得した前記診断時電圧と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、上記（１）又は（２）に記載のガスセンサ。
（４） 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時における前記空所内電極と前記基準電極との間の標準電圧を予め記憶し、
前記診断部は、前記診断時対応関係として、前記空所内電極において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時における前記空所内電極と前記基準電極との間の診断時電圧を取得し、取得した前記診断時電圧と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、上記（１）又は（２）に記載のガスセンサ。
（５） 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記ポンプセルに流れる電流が限界電流に達した時における前記空所内電極と前記基準電極との間の標準電圧を予め記憶し、
前記診断部は、前記診断時対応関係として、前記ポンプセルに流れる電流が限界電流に達した時における前記空所内電極と前記基準電極との間の診断時電圧を取得し、取得した前記診断時電圧と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、上記（１）又は（２）に記載のガスセンサ。
（６） 前記センサ素子は、
前記被測定ガス流通空所内に配設された内側測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記内側測定電極と対応している外側測定電極とを含む測定用ポンプセルを含み、
前記制御部は、前記通常制御において、前記内側測定電極と前記基準電極との間の電圧が目標電圧になるように前記測定用ポンプセルに電流を流し、前記電流の値から被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を測定し、
前記診断部は、さらに、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記通常制御における前記目標電圧を変更して前記所定の値からの前記ずれを補正する、上記（１）～（５）のいずれかに記載のガスセンサ。
（７） 前記診断部は、さらに、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記基準ガス室に酸素を汲み入れ、あるいは、前記基準ガス室から酸素を汲み出して前記所定の値からの前記ずれを補正する、上記（１）～（６）のいずれかに記載のガスセンサ。
・前記診断部は、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記通常制御における前記目標電圧を変更し、且つ、前記基準ガス室に酸素を汲み入れ、あるいは、前記基準ガス室から酸素を汲み出して前記所定の値からの前記ずれを補正する、上記（６）又は（７）に記載のガスセンサ。
（８） 前記基準ガス室が、前記基体部の内部に閉じられた空間である、請求項１～７のいずれかに記載のガスセンサ。
（９） センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置と、を含むガスセンサの制御方法であって、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内電極と対応している空所外電極とを含むポンプセルと、
前記基体部の内部に、前記被測定ガス流通空所とは離隔して形成された基準ガス室と、
前記基準ガス室内に配設された基準電極と、
を含み、
前記制御装置は、
前記ポンプセルを動作させて被測定ガス中の測定対象ガスを検出する通常制御を行う駆動制御部と、
前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の標準対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記基準電極の基準電位を診断する診断時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時対応関係を取得し、取得した前記診断時対応関係と、前記記憶部が予め記憶している前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する診断部と、
を含み、
前記制御方法は、
前記診断部が、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時対応関係を取得し、取得した前記診断時対応関係と、前記記憶部が予め記憶している前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する診断ステップを含む、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサの制御方法。
本発明のガスセンサを用いれば、被測定ガス中の酸素濃度が既知の場合に限らず、また、酸素濃度にかかわらず、ガスセンサの使用中の任意のタイミングにおいて、基準電極の基準電位のずれを診断することができる。すなわち、基準電極の周囲の基準ガス中の酸素濃度のずれを診断することができる。また、その診断結果に基づいて、基準電極の基準電位のずれを補正することができる。その結果、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度を向上させることができる。測定対象ガスの検出精度の低下を抑制して、高い検出精度を維持することができる。
ガスセンサ１００の概略構成の一例を示す縦断面模式図である。 ガスセンサ１００の概略構成の一例を示す、センサ素子１０１の長手方向の垂直断面模式図である。 制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、５０、４１、８４及び各センサセル８０、８１、８２、８３との電気的な接続関係の一例を示すブロック図である。 測定電極４４と基準電極４２の間の電圧Ｖ２、及び、測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間のポンプ電流Ｉｐ２の対応関係を示す、電圧電流曲線の模式図である。 診断時電圧電流曲線の標準電圧電流曲線からのずれの一例を示す、模式図である。 診断補正処理の一例を示す、フローチャートである。 診断補正処理の具体例を示す、フローチャートである。 診断補正処理の他の具体例を示す、フローチャートである。 変形例のセンサ素子２０１の長手方向の垂直断面模式図である。 変形例のセンサ素子３０１の長手方向の垂直断面模式図である。
本発明のガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置と、を含んでいる。
本発明のガスセンサに含まれるセンサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内電極と対応している空所外電極とを含むポンプセルと、
前記基体部の内部に、前記被測定ガス流通空所とは離隔して形成された基準ガス室と、
前記基準ガス室内に配設された基準電極と、
を含む。
本発明のガスセンサに含まれる制御装置は、
前記ポンプセルを動作させて被測定ガス中の測定対象ガスを検出する通常制御を行う駆動制御部と、
前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の標準対応関係を予め記憶する記憶部と、
前記基準電極の基準電位を診断する診断時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時対応関係を取得し、取得した前記診断時対応関係と、前記記憶部が予め記憶している前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する診断部と、
を含む。
[ガスセンサの概略構成]
本発明のガスセンサについて、図面を参照して以下に説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の概略構成の一例を示す縦断面模式図である。図２は、ガスセンサ１００の概略構成の一例を示す、センサ素子１０１の長手方向の垂直断面模式図である。図３は、制御装置９０と、センサ素子１０１との電気的な接続関係の一例を示すブロック図である。以下においては、図２を基準として、上下とは、図２の上側を上、下側を下とし、図２の左側を先端側、右側を後端側とする。図１においては、図２と対応させると、図１の左側が上、右側が下、下側が先端側、上側が後端側である。なお、図１に示したようなガスセンサの構造は周知であり、例えば特開２０２１－１５６６４７号公報、特開２０１８－１７３３２０号公報、ＷＯ２０２０／００４３５６号公報に記載されている。
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の先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、ＮＨ３、Ｏ２等の測定対象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は測定対象ガスとして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の先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１３４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の先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に取り付けられたナット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。
ナット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。ナット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の先端や保護カバー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。
（センサ素子）
図２に示すように、センサ素子１０１は、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層が積層された構造を有する基体部１０２を含む、長尺板状の素子である。長尺板状とは、長板状、あるいは、帯状ともいう。基体部１０２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構造を有する。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。前記６つの層は全て同じ厚みであってもよいし、各層毎に異なる厚みであってもよい。各層の間は、固体電解質からなる接着層を介して接着されており、基体部１０２には前記接着層を含む。図２においては、前記６つの層からなる層構成を例示したが、本発明における層構成はこれに限られるものではなく、任意の層の数及び層構成としてよい。
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の長手方向の一方の端部（以下、先端部という）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が形成されている。被測定ガス流通空所１５、すなわち被測定ガス流通部は、ガス導入口１０から長手方向に、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形成されている。
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２において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。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、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。
第４拡散律速部６０は、１本の横長の（図２において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、スペーサ層５と第２固体電解質層６との間に設けられる。第４拡散律速部６０は、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。
スペーサ層５の下面と第３基板層３の上面との間には、基準ガス室４３が設けられている。基準ガス室４３は、第１固体電解質層４をくり抜いて設けられたセンサ素子１０１の内部の空間である。本実施形態では、基準ガス室４３は、基体部１０２の内部に閉じられた空間である。基準ガス室４３は、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準となる基準ガスを溜めておくための領域である。基準ガスは、所定の酸素濃度のガスであり、本実施形態では大気又は大気と同じ酸素濃度のガス（例えば窒素をベースガスとして酸素を含むガス）とした。基準ガス室４３には、基準電極４２が配設されている。
基準電極４２は、基準ガス室４３内の第３基板層３の上面に配設された電極である。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。
被測定ガス流通空所１５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。
本実施形態においては、被測定ガス流通空所１５は、センサ素子１０１の先端面に開口したガス導入口１０から被測定ガスが導入される形態であるが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、被測定ガス流通空所１５には、ガス導入口１０の凹所が存在しなくてもよい。この場合は、第１拡散律速部１１が実質的にガス導入口となる。
また、例えば、被測定ガス流通空所１５は、基体部１０２の長手方向に沿う側面に、緩衝空間１２あるいは第１内部空所２０の緩衝空間１２近傍の位置と連通する開口を有している形態であってもよい。この場合は、前記開口を通じて、基体部１０２の長手方向に沿う側面から被測定ガスが導入される。
また、例えば、被測定ガス流通空所１５は、多孔体を通じて被測定ガスが導入される構成になっていてもよい。
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。
結果として、第１内部空所２０に導入される被測定ガスの量が所定の範囲になっていればよい。すなわち、センサ素子１０１の先端部から第２拡散律速部１３の全体として、所定の拡散抵抗を付与されていればよい。例えば、第１拡散律速部１１が直接第１内部空所２０と連通する、すなわち、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３とが存在しない態様としてもよい。
緩衝空間１２は、被測定ガスの圧力が変動する場合に、その圧力変動が検出値に与える影響を緩和するために設けられた空間である。
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を有する内側主ポンプ電極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。
内側主ポンプ電極２２は、被測定ガス流通空所１５の内表面の第１内部空所２０に面して配設されている。すなわち、内側主ポンプ電極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。
内側主ポンプ電極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主ポンプ電極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、内側主ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を可変電源２４により印加して、内側主ポンプ電極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、内側主ポンプ電極２２と、第２固体電解質６と、スペーサ層５と、第１固体電解質４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。
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が一定となるようにポンプ電圧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内部空所内２０内の酸素濃度を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、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧をより高精度に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、補助ポンプセル５０が作動することによって調整される。
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。
補助ポンプ電極５１は、被測定ガス流通空所１５の内表面の、内側主ポンプ電極２２よりも前記基体部１０２（センサ素子１０１）の長手方向の前記一方の端部（先端部）から遠い位置に配設されている。
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主ポンプ電極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、内側主ポンプ電極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との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ１を可変電源５２により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の電圧Ｖ０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）がさらに低く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３内部空所６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を測定するための空間として設けられている。測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。
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。測定用ポンプセルは、前記被測定ガス流通空所１５内（前記被測定ガス流通空所１５の内表面）に配設された内側測定電極（本実施形態においては測定電極４４）と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所１５とは異なる位置に配設された、前記内側測定電極と対応している外側測定電極（本実施形態においては外側ポンプ電極２３）とを含む。
すなわち、本実施形態において、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（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、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、前記被測定ガス流通空所１５の内表面の、前記内側主ポンプ電極２２及び前記補助ポンプ電極５１よりも前記基体部１０２（センサ素子１０１）の長手方向の前記一方の端部（先端部）から遠い位置に配設されている。
測定電極４４は、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。例えば、本実施形態においては、測定電極４４は、Ｐｔ及びＲｈとＺｒＯ２との多孔質サーメット電極とした。
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が一定となるように可変電源４６のポンプ電圧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、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（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８４が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル８４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８５が印加するポンプ電圧Ｖｐ３によりポンプ電流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８４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の周囲の空間すなわち基準ガス室４３に酸素の汲み入れを行ったり、基準ガス室４３から外側ポンプ電極２３の周囲の空間に酸素の汲み出しを行ったりすることができる。
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、ヒータリード７６と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４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を外部電源であるヒータ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、ヒータ７２に接続していて且つセンサ素子１０１の長手方向後端側に延びているヒータリード７６と、スルーホール７３と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。主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、及び測定用ポンプセル４１が作動できるように温度が調整されていればよい。これらの全域が同じ温度に調整される必要はなく、センサ素子１０１に温度分布があってもよい。
本実施形態のセンサ素子１０１においては、ヒータ７２が基体部１０２に埋設された態様であるが、この態様に限定されるものでない。ヒータ７２は、基体部１０２を加熱するように配設されていればよい。すなわち、ヒータ７２は、上述の主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、及び測定用ポンプセル４１が作動できる酸素イオン伝導性を発現させる程度に、センサ素子１０１を加熱できるものであればよい。例えば、本実施形態のように基体部１０２に埋設されていてもよい。あるいは、例えば、ヒータ部７０が基体部１０２とは別のヒータ基板として形成され、基体部１０２の隣接位置に配設されていてもよい。あるいは、センサ素子１０１は高温の被測定ガスにより加熱されてもよい。精度よく測定するためには、被測定ガスの温度によらず、センサ素子１０１の温度が一定であることが好ましい。この点を考慮すると、本実施形態のように、センサ素子１０１がヒータ部７０を備えていることが好ましい。
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２及びヒータリード７６の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２及びヒータリード７６との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２及びヒータリード７６との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
（制御装置）
本実施形態のガスセンサ１００は、上述のセンサ素子１０１と、センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含む。ガスセンサ１００において、センサ素子１０１の各電極２２，２３，５１，４４，４２は、それぞれリード線１５５を介して、制御装置９０と電気的に接続されている。図３は、本実施形態における、制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、５０、４１、８４、及び各センサセル８０、８１、８２、８３との電気的接続関係を示すブロック図である。制御装置９０は、上述した可変電源２４，４６、５２、及び電源回路８５と、制御部９１とを含む。制御部９１は、駆動制御部９２、記憶部９３、及び診断部９４を含む。
制御部９１は、汎用又は専用のコンピュータにより実現されるものであり、コンピュータに搭載されたＣＰＵやメモリ等により駆動制御部９２、記憶部９３、及び診断部９４としての機能が実現される。なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンからの排気ガス中に含まれるＮＯｘを測定対象ガスとし、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、制御装置９０（特に制御部９１）の一部あるいは全部の機能が、該自動車に搭載されているＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御装置）により実現されてもよい。
制御部９１は、センサ素子１０１の各センサセル８０、８１、８２、８３における起電力（電圧Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｒｅｆ）、及び各ポンプセル２１、５０、４１、８４におけるポンプ電流（Ｉｐ０、Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３）を取得するように構成されている。また、制御部９１は、可変電源２４、５２、４６、及び電源回路８５に制御信号を出力するように構成されている。
駆動制御部９２は、主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、及び測定用ポンプセル４１の動作を制御するように構成されている。さらに、基準ガス調整ポンプセル８４の動作を制御するように構成されていてもよい。
駆動制御部９２は、被測定ガス流通空所１５内に配設された空所内電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所１５とは異なる位置に配設された、前記空所内電極と対応している空所外電極とを含むポンプセルを動作させて被測定ガス中の測定対象ガスを検出する通常制御を行う。
空所内電極は、被測定ガス流通空所１５内、すなわち、被測定ガス流通空所１５の内表面に配設された電極である。空所内電極には、拡散律速部により調整された量の被測定ガスが到達するようになっている。本実施形態においては、内側主ポンプ電極２２、補助ポンプ電極５１、又は測定電極４４が空所内電極として機能する。本実施形態においては、主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、又は測定用ポンプセル４１が、ポンプセルとして機能する。本実施形態においては、外側ポンプ電極２３がポンプセル２１，５０，４１のそれぞれの空所外電極としての機能を兼ねている。駆動制御部９２は、本実施形態においては、通常制御において、主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、及び測定用ポンプセル４１を動作させるものとした。
通常制御において、駆動制御部９２は、内側測定電極の測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２が目標電圧（設定値）になるように測定電極４４と外側測定電極として機能する外側ポンプ電極２３との間にポンプ電流Ｉｐ２を流し、前記ポンプ電流Ｉｐ２の値から被測定ガス中の測定対象ガス（本実施形態ではＮＯｘ）の濃度を測定する。より具体的には、本実施形態においては、以下のように通常制御を行う。
駆動制御部９２は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における電圧Ｖ０が一定値（設定値Ｖ０ＳＥＴと称する）となるように、主ポンプセル２１における可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。電圧Ｖ０は内側主ポンプ電極２２近傍の酸素分圧を示しているので、電圧Ｖ０を一定にすることは、内側主ポンプ電極２２近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。結果として、主ポンプセル２１におけるポンプ電流Ｉｐ０は、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化する。
被測定ガス中の酸素分圧が、設定値Ｖ０ＳＥＴに相当する酸素分圧より高い場合には、主ポンプセル２１において、第１内部空所２０から酸素を排出する。一方、被測定ガス中の酸素分圧が、設定値Ｖ０ＳＥＴに相当する酸素分圧より低い場合（例えば、炭化水素ＨＣ等が含まれている場合）には、主ポンプセル２１において、センサ素子１０１の外の空間から、第１内部空所２０に酸素を汲み入れる。従って、ポンプ電流Ｉｐ０は、正負のどちらの値も取り得る。
駆動制御部９２は、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１が一定値（設定値Ｖ１ＳＥＴと称する）となるように、補助ポンプセル５０における可変電源５２のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。電圧Ｖ１は補助ポンプ電極５１近傍の酸素分圧を示しているので、電圧Ｖ１を一定にすることは、補助ポンプ電極５１近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。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、補助ポンプセル５０におけるポンプ電流Ｉｐ１が一定値（設定値Ｉｐ１ＳＥＴと称する）となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の設定値Ｖ０ＳＥＴを設定するフィードバック制御を行う。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がポンプ電流Ｉｐ１に基づいて設定された設定値Ｖ０ＳＥＴに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。すなわち、第４拡散律速部６０から第３内部空所６１に導入される被測定ガス中の酸素濃度が約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれると考えられる。
駆動制御部９２は、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２が一定値（設定値Ｖ２ＳＥＴと称する）となるように、測定用ポンプセル４１における可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する。測定電極極４４において、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。発生した酸素は、電圧Ｖ２が設定値Ｖ２ＳＥＴとなるように、測定用ポンプセル４１によりポンプアウトされる。設定値Ｖ２ＳＥＴは、測定電極４４においてＮＯｘを実質的に全て分解する値として設定することができる。設定値Ｖ２ＳＥＴは、ポンプ電流Ｉｐ２が限界電流になる値として設定することができる。限界電流については、後述する。
駆動制御部９２は、さらに、基準ガス調整ポンプセル８４に電源回路８５によりポンプ電圧Ｖｐ３を印加してポンプ電流Ｉｐ３を流す制御を行ってもよい。ポンプ電流Ｉｐ３を流すことにより、基準ガス室４３に酸素を汲み入れたり（酸素汲み入れ制御）、基準ガス室４３から酸素を汲み出したり（酸素汲み出し制御）してもよい。通常制御において、例えば、所定のポンプ電圧Ｖｐ３を印加する制御を行ってもよいし、所定のポンプ電流Ｉｐ３を流す制御を行ってもよい。通常制御においてこの制御を行う場合、例えば、連続的にポンプ電流Ｉｐ３を流していてもよいし、断続的に流してもよい。ポンプ電流Ｉｐ３は一定であっても変動させてもよい。通常制御において前記酸素汲み入れ制御や前記酸素汲み出し制御を行う場合には、測定精度に実質的に影響しない範囲で行うように留意すべきである。
後述のように、診断部９４が基準電極４２の基準電位を診断する診断時においては、駆動制御部９２は、各ポンプセル２１，５０，４１，８４の上述の通常制御を停止するとよい。
記憶部９３は、前記基準電極４２の基準電位が所定の値である時（標準時と称する）の、空所内電極と基準電極４２との間の電圧、及び、ポンプセル（空所内電極と空所外電極との間）に流れる電流の標準電圧電流対応関係（標準対応関係）を予め記憶する。前記ポンプセルは、本実施形態のセンサ素子１０１においては、主ポンプセル２１、補助ポンプセル５０、又は測定用ポンプセル４１である。空所内電極は、それぞれ、内側主ポンプ電極２２、補助ポンプ電極５１、又は測定電極４４である。空所外電極は、いずれのポンプセルにおいても外側ポンプ電極２３である。例えば、本実施形態においては、測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２、及び、測定用ポンプセル４１（測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間）に流れるポンプ電流Ｉｐ２の標準対応関係を予め記憶する。記憶部９３が記憶する前記標準対応関係を用いて、後述の診断部９４が基準電極４２の基準電位を診断する。
診断部９４は、前記基準電極４２の基準電位を診断する診断時の、前記空所内電極（測定電極４４）と前記基準電極４２との間の電圧（電圧Ｖ２）、及び、前記ポンプセル（本実施形態においては、測定用ポンプセル４１）に流れる電流（ポンプ電流Ｉｐ２）の診断時電圧電流対応関係（診断時対応関係）を取得し、取得した前記診断時対応関係と、前記記憶部が予め記憶している前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極４２の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する。また、診断部９４は、診断した前記ずれに基づいて、そのずれを補正するとよい。診断部９４が行う診断及び補正の詳細は、後述する。
また、記憶部９３が記憶する前記標準対応関係、及び診断部９４が取得する前記診断時対応関係は、後に詳述する。
[ガスセンサの製造]
次に、上述のようなガスセンサ１００の製造方法の一例を説明する。ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む複数の未焼成のシート状成形物（いわゆるグリーンシート）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、当該複数のシートを積層し、その積層体を切断した後、焼成することによってセンサ素子１０１を作製することができる。その後、センサ素子１０１を組み込んだガスセンサ１００を作製する。
以下においては、図２に示した６つの層からなるセンサ素子１０１を作製する場合を例として説明する。
まず、ジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性固体電解質をセラミックス成分として含む６枚のグリーンシートを準備する。グリーンシートの作製には、公知の成形方法を用いることができる。６枚のグリーンシートは全て同じ厚みでもよいし、形成する層によって厚みが異なってもよい。６枚のグリーンシートそれぞれに、印刷時や積層時の位置決めに用いるシート穴等を、パンチング装置による打ち抜き処理などの公知の方法で、予め形成する（ブランクシート）。スペーサ層５に用いるブランクシートには、内部空所等の貫通部も同様の方法で形成する。第１固体電解質層４に用いるブランクシートには、基準ガス室４３の貫通部も同様の方法で形成する。その他の層にも必要な貫通部を予め形成する。
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つの層に用いるブランクシートに、各層毎に必要な種々のパターンの印刷・乾燥処理を行う。パターンの印刷には、公知のスクリーン印刷技術を用いることができる。乾燥処理についても、公知の乾燥手段を用いることができる。
このような工程を繰り返し、６枚のブランクシートそれぞれに対する種々のパターンの印刷・乾燥が終わると、６枚の印刷済みブランクシートを、シート穴等で位置決めしつつ所定の順序で積み重ねて、所定の温度・圧力条件で圧着させて積層体とする圧着処理を行う。圧着処理は、公知の油圧プレス機等の積層機で加熱・加圧することにより行う。加熱・加圧する温度、圧力及び時間は、用いる積層機に依存するものであるが、良好な積層が実現できるように、適宜定めることができる。
得られた積層体は、複数個のセンサ素子１０１を包含している。その積層体を切断してセンサ素子１０１の単位に切り分ける。切り分けられた積層体を所定の焼成温度で焼成し、センサ素子１０１を得る。焼成温度は、センサ素子１０１の基体部１０２を構成する固体電解質が焼結して緻密体となり、かつ、電極等が所望の気孔率を保持する温度であればよい。例えば、１３００～１５００℃程度の焼成温度で焼成される。
その後、センサ素子１０１を組み込んだガスセンサ１００を製造する。例えば、センサ素子１０１に素子封止体１４１を取り付けて封止固定し、ヒータコネクタ電極７１等のコネクタ電極と導通するようにセンサ素子１０１の後端側にコネクタ１５０及びリード線１５５を取り付ける。また、素子封止体１４１のうちセンサ素子１０１の先端側に保護カバー１３０を取り付ける。また、素子封止体１４１のうちセンサ素子１０１の後端側に外筒１４８を取り付けると共に、外筒１４８からリード線１５５を外部に引き出す。そして、制御装置９０とセンサ素子１０１とを、リード線１５５を介して接続する。これにより、ガスセンサ１００が得られる。
ガスセンサ１００の製造工程において、センサ素子１０１を得た後又はガスセンサ１００を得た後に、基準ガス室４３の酸素濃度の確認と必要に応じた基準ガス室４３の酸素濃度の調整とを行う酸素濃度確認工程を行うことが好ましい。この工程は、例えば以下のように行う。まず、センサ素子１０１の外側ポンプ電極２３を既知の酸素濃度のガス（例えば大気）に接触させた状態で、センサ素子１０１を所定の駆動温度（例えば８００℃）に保持し、センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆを測定する。そして、既知の酸素濃度と電圧Ｖｒｅｆとに基づいて、基準ガス室４３内の酸素濃度を導出する。そして、基準ガス室４３内の酸素濃度が基準ガスの酸素濃度と同じとみなせる所定の酸素濃度範囲にあることを確認する。基準ガス室４３内の酸素濃度が所定の酸素濃度範囲から外れていた場合には、基準ガス調整ポンプセル８４に電源回路８５からポンプ電圧Ｖｐ３を印加してポンプ電流Ｉｐ３を流して、基準ガス室４３内への酸素の汲み入れ又は基準ガス室４３からの酸素の汲み出しを行う。これにより、基準ガス室４３の酸素濃度が所定の酸素濃度範囲になるように調整する。電圧Ｖｒｅｆの測定及び基準ガス室４３の酸素濃度の調整は、ガスセンサ１００の制御装置９０が行ってもよいし、制御装置９０とは別の装置をセンサ素子１０１に接続してその装置が行ってもよい。
酸素濃度確認工程における電圧Ｖｒｅｆの測定時には、基準ガス調整ポンプセル８４にポンプ電圧Ｖｐ３を印加しないようにする。さらに、電圧Ｖｒｅｆの測定時には、外側ポンプ電極２３及び基準電極４２の電圧降下による測定誤差を少なくするべく、外側ポンプ電極２３に電流を流すようなセンサ素子１０１の制御を行わないようにすることが好ましい。具体的には、主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，及び測定用ポンプセル４１の動作を停止する（可変電源２４，５２，４６がポンプ電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２を印加しないようにする）ことが好ましい。特に、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０はポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２よりも値が比較的大きいことで外側ポンプ電極２３の電圧降下が大きいから、主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，及び測定用ポンプセル４１のうち少なくとも主ポンプセル２１の動作を停止することが好ましい。
ガスセンサ１００の製造工程において、前記酸素濃度確認工程を行った後に、さらに、記憶部９３に、基準電極４２の基準電位が所定の値である標準時の、空所内電極と基準電極４２との間の電圧、及び、ポンプセル（空所内電極と空所外電極との間）に流れる電流の標準対応関係を記憶させる対応関係記憶工程を行うことが好ましい。この工程は、例えば以下のように行う。まず、センサ素子１０１を所定の駆動温度（例えば８００℃）に保持し、通常制御における主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，測定用ポンプセル４１，及び基準ガス調整ポンプセル８４の動作を停止した状態にする。測定用ポンプセル４１に可変電源４６によりポンプ電圧Ｖｐ２を印加する。この時、ポンプ電圧Ｖｐ２を所定の範囲で掃引（スイープ）しつつ、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２（測定電極４４と基準電極４２との間）の電圧Ｖ２と、測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２とを取得することにより、電圧Ｖ２とポンプ電流Ｉｐ２との標準対応関係（例えば、後述の標準電圧電流曲線）を取得する。そして、取得した標準対応関係を記憶部９３に記憶させる。
製造したガスセンサ１００の各々について、個別に標準対応関係を取得して、当該ガスセンサ１００の記憶部９３に記憶させてもよい。あるいは、予め代表的な標準対応関係を取得しておき、その標準対応関係を複数のガスセンサ１００の記憶部９３に記憶させてもよい。例えば、同じ構成のガスセンサ１００、同じ製造バッチのガスセンサ１００に同じ標準対応関係を記憶させてもよい。この場合には、酸素濃度確認工程の前に、対応関係記憶工程を行ってもよい。
標準対応関係の取得は、上述の酸素濃度確認工程と同じガス雰囲気（例えば大気）において行ってもよいし、異なるガス雰囲気において行ってもよい。
制御装置９０が、上述の酸素濃度確認工程、及びそれに続く対応関係記憶工程を、ガスセンサ１００の使用中において、被測定ガスの酸素濃度が既知の状態で行ってもよい。例えば、被測定ガスが自動車等の内燃機関の排気ガスの場合、内燃機関の燃料カット時であれば被測定ガスの酸素濃度は大気と同じとみなせるため、上記と同様の酸素濃度確認工程を行ってもよい。製造工程において、すなわち、出荷前に対応関係記憶工程を行っておけば、ガスセンサの使用開始の時から、任意のタイミングで後述の診断補正処理を行うことができるため、より好ましい。
[診断補正処理]
（電圧電流曲線）
まず、センサ素子１０１の空所内電極の電圧電流特性について、測定電極４４を例として説明する。図４は、測定電極４４と基準電極４２の間の電圧Ｖ２、及び、測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間のポンプ電流Ｉｐ２の対応関係を示す、電圧電流曲線の模式図である。図４において、横軸は電圧Ｖ２［Ｖ］、縦軸はポンプ電流Ｉｐ２［Ａ］である。このような電圧電流曲線は、センサ素子１０１を所定の駆動温度（例えば８００℃）に保持した状態で測定される。可変電源４６により測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間に所定の範囲で電圧Ｖｐ２を掃引（スイープ）して、測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２、及び流れるポンプ電流Ｉｐ２を取得することにより、電圧電流曲線が得られる。
図４を参照して、まず、第３内部空所６１に酸素を汲み入れるように、測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間にポンプ電圧Ｖｐ２を印加する。印加するポンプ電圧Ｖｐ２を徐々にゼロに近づけていく。その後、第３内部空所６１から酸素を汲み出す向きに、ポンプ電圧Ｖｐ２をゼロから徐々に大きくしていく。そうすると、ポンプ電流Ｉｐ２及び測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２は、いずれも徐々に大きくなっていく。このように、ポンプ電流Ｉｐ２と電圧Ｖ２との関係が線形である領域を、オーミック領域と称する。オーミック領域においては、印加されるポンプ電圧Ｖｐ２に比例する量の酸素が第３内部空所６１に汲み入れられ、あるいは第３内部空所６１から汲み出される。
さらに、ポンプ電圧Ｖｐ２を徐々に大きくしていくと、ポンプ電圧Ｖｐ２を大きくしても、ポンプ電流Ｉｐ２が大きくならず上限に達する。このときの電流を限界電流と称する。電圧Ｖ２に対してポンプ電流Ｉｐ２が限界電流である領域を、限界電流領域と称する。測定電極４４においては、Ｏ２及びＮＯｘはほぼ同様の分解挙動を示す。限界電流領域においては、第３内部空所６１に到達する被測定ガス中の酸素（Ｏ２及び／又はＮＯｘに由来する酸素）の量に応じたポンプ電流Ｉｐ２、すなわち限界電流が流れて、第３内部空所６１内の酸素濃度が実質的にゼロ、あるいは十分に低い酸素濃度になると考えられる。
さらに、ポンプ電圧Ｖｐ２を徐々に大きくしていくと、再びポンプ電流Ｉｐ２が限界電流よりも大きくなり始め、電圧Ｖ２に対してポンプ電流Ｉｐ２が直線的に増加する。これは、測定電極４４の周囲の雰囲気ガス中の水（Ｈ２Ｏ）が分解されることによると考えられる。この領域をＨ２Ｏ分解領域と称する。
上述の通常制御においては、電圧電流曲線の限界電流領域になるように、設定値Ｖ２ＳＥＴを設定するとよい。そのように設定すれば、通常制御において流れるポンプ電流Ｉｐ２が限界電流となる。通常制御においては測定電極４４に到達する被測定ガス中の酸素濃度はＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧になされている。従って、限界電流は被測定ガス中のＮＯｘ濃度とよく対応するため、精度よくＮＯｘ濃度を検出することができる。
測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２は、測定電極４４と基準電極４２との間の酸素濃度差に応じて発生する電位差に概ね相当する。従って、基準電極４２が接する基準ガス中の酸素濃度を基準として、第３内部空所６１内の測定電極４４近傍の酸素濃度を測定することができる。内側主ポンプ電極２２と基準電極４２との間の電圧Ｖ０、補助ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１、及び外側ポンプ電極２３と基準電極４２との間の電圧Ｖｒｅｆも、それぞれ基準電極４２を基準としている。
何らかの理由で、基準ガス中の酸素濃度が変化すると、その変化に応じて基準電極４２の電位（基準電位）も変化してしまう。その結果、基準電極４２を基準として検出する各センサセル８０，８１，８２，８３における電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆが変化してしまう。すると、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度の低下が起こり得る。
例えば、本実施形態においては、基準ガス室４３は、基体部１０２の内部にほぼ閉じられた空間である。従って、センサ素子１０１の外部から基準ガス室４３へのガスの流入、及び基準ガス室４３からのガスの流出はいずれも抑制されている。しかしながら、上述のように、通常制御において各センサセル８０，８１，８２，８３における電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆを検出する。その電圧測定時に電位計等の電圧測定回路により各センサセル８０，８１，８２，８３には微小に電流が流れる。それら電流により、電気化学的に基準ガス室４３に酸素が汲み入れられたり、基準ガス室４３から酸素が汲み出されたりすることが考えられる。その結果、基準ガス室４３内の基準ガス中の酸素濃度が変化し得る。本発明のガスセンサは、そのような基準ガス中の酸素濃度の変化を診断することができ、必要に応じて補正することができる（診断補正処理）。従って、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制し、高い測定精度を維持することができる。
（診断補正処理）
本発明のガスセンサが行う診断補正処理について、以下に詳しく説明する。
ガスセンサ１００において、診断部９４は、基準ガス中の酸素濃度の変化による基準電極４２の基準電位の変化を診断する。そして、診断結果に基づいて、基準電位の補正を行うことができる。従って、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制することができる。
基準電極４２の基準電位が所定の値である標準時と、基準電極４２の基準電位を診断する診断時との間で、空所内電極と基準電極４２との間の電圧、及び、ポンプセル（空所内電極と空所外電極との間）に流れる電流の対応関係を比較することにより、基準電位のずれを診断する。対応関係としては、上述の電圧電流曲線を用いてもよい。あるいは、電圧電流曲線の一部を用いてもよい。また、あるいは、電圧電流曲線の一点を用いてもよい。以下に、本実施形態について具体的に述べる。
本実施形態においては、測定用ポンプセル４１（測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間）に流れるポンプ電流Ｉｐ２、及び測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２の対応関係を用いて、基準電位のずれを診断するものとする。
図５は、診断時電圧電流曲線の標準電圧電流曲線からのずれの一例を示す模式図である。図５において、横軸は電圧Ｖ２［Ｖ］、縦軸はポンプ電流Ｉｐ２［Ａ］である。診断時において、基準電極４２の基準電位が、標準時における基準電位からずれている場合には、図５に例示するように、電圧電流曲線が横軸方向にシフトする。基準電極４２の基準電位のずれは、ほぼ基準ガス中の酸素濃度のずれと考えられる。例えば、基準ガス中の酸素濃度が所定の濃度（例えば大気相当の酸素濃度）よりも高くなると、電圧電流曲線は右にシフトする。また、例えば、基準ガス中の酸素濃度が所定の濃度よりも低くなると、電圧電流曲線は左にシフトする。図５は、診断時において、基準ガス中の酸素濃度が所定の濃度よりも高くなっている例を示している。なお、図５においては、説明の便宜のため、診断時電圧電流曲線は、標準電圧電流曲線を取得した時の被測定ガスと同じ組成の被測定ガス中で取得した場合を示しているが、これに限られない。標準時と診断時とで被測定ガス中の酸素濃度及び／又はＮＯｘ濃度が異なっていてもよい。その場合には、電流電圧曲線において、限界電流の電流値が異なる。つまり、図５において、診断時電圧電流曲線と標準電圧電流曲線とが、縦軸方向にずれることになる。
図５のような電圧電流曲線のシフトが起こると、通常制御における設定値Ｖ２ＳＥＴが限界電流領域から外れて、オーミック領域に含まれてしまう場合が起こり得る。そのような場合には、ポンプ電流Ｉｐ２は、ＮＯｘ濃度に応じて流れるべき限界電流よりも小さな電流値になってしまうため、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する恐れがある。また、同様に、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０及び補助ポンプ電流５１に流れるポンプ電流Ｉｐ１も限界電流領域から外れる場合が起こり得る。その結果、第３内部空所６１に導入される被測定ガス中に、標準時よりも多くの酸素Ｏ２が含まれてしまう恐れがある。すると、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する恐れがある。また、上述のように、内側主ポンプ電極２２及び補助ポンプ電極５１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。しかしながら、基準電極４２の基準電位が、標準時における基準電位からずれている場合に、主ポンプセル２１や補助ポンプセル５０において印加されるポンプ電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１が大きくなりすぎる場合が起こり得る。そのような場合に、内側主ポンプ電極２２及び／又は補助ポンプ電極５１において、被測定ガス中のＮＯｘが一部分解してしまい、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する恐れがある。しかしながら、以下に述べる診断補正処理を行うことによって、基準電極４２の基準電位を補正することができるため、検出精度の低下を抑制することができる。
記憶部９３は、標準電圧電流曲線を予め記憶する。例えば、製造工程において、上述の対応関係記憶工程を行うとよい。あるいは、上述のように、ガスセンサ１００の使用中において、燃料カット時のような酸素濃度が既知のタイミングで、基準電極４２の基準電位が所定の値であることを確認した時に、標準電圧電流曲線を取得して、記憶部９３が記憶してもよい。また、任意のタイミングで標準電圧電流曲線を更新してもよい。
記憶部９３は、診断時に診断部９４が取得すべき診断時対応関係と同様の対応関係をき、標準対応関係として少なくとも記憶しておけばよい。例えば、記憶部９３は、起電力Ｖ２あるいはポンプ電流Ｉｐ２が所定の範囲の標準電圧電流曲線を記憶してもよい。上述のオーミック領域、限界電流領域、及びＨ２Ｏ分解領域の全てを含んでいる必要はなく、電圧電流曲線のうちの一部の領域を記憶してもよい。あるいは、電圧電流曲線上の所定の一点を記憶してもよい。
記憶部９３が標準電圧電流曲線などの標準対応関係を記憶した状態で、診断部９４は診断補正処理を実施する。図６は、診断補正処理の一例を示す、フローチャートである。診断補正処理は、任意のタイミングで行ってよい。例えば、所定時間毎（５０時間毎、１００時間毎など）に行ってもよい。また、例えば、オペレーターが診断補正処理の開始指令を入力した時に行ってもよい。また、例えば、ガスセンサ１００の起動時等の所定のイベント時に行うようにしてもよい。
診断補正処理が開始されると、駆動制御部９２は、通常制御を停止する（ステップＳ１０）。具体的には、電圧Ｖ０が設定値Ｖ０ＳＥＴとなるように主ポンプセル２１のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバックする制御、電圧Ｖ１が設定値Ｖ１ＳＥＴとなるように補助ポンプセル５０のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバックする制御、及び電圧Ｖ２が設定値Ｖ２ＳＥＴとなるように測定用ポンプセル４１のポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバックする制御などの全てのポンプ制御を停止する。すなわち、ヒータ７２によりセンサ素子１０１の温度が所定の温度に保持されており、それ以外の制御は行われていない状態にする。従って、診断補正処理の実行中は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定は中断される。
次に、診断部９４は、測定用ポンプセル４１にポンプ電圧Ｖｐ２を印加し、所定の範囲でポンプ電圧Ｖｐ２を掃引（スイープ）する（ステップＳ１１）。そして、測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２、及び測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２の診断時電圧電流曲線（Ｖ２－Ｉｐ２曲線）を取得する（ステップＳ１２）。
診断部９４は、記憶部９３から標準電圧電流曲線を読み出す。そして、ステップＳ１２で取得した診断時電圧電流曲線を標準電圧電流曲線と比較して、電圧Ｖ２のずれΔＶ２を算出する（ステップＳ１３）。上述のとおり、診断時電圧電流曲線は、基準電極４２の基準電位が標準時における基準電位からずれると横軸方向にシフトする。つまり、電圧Ｖ２のずれΔＶ２はほぼ基準電極４２の基準電位のずれに相当する。診断時における基準電極４２の基準電位は、標準時における基準電極４２の基準電位と比較して、正負どちらの方向にもずれ得る。したがって、電圧Ｖ２のずれΔＶ２は正負どちらの値も取り得る。
そして、電圧Ｖ２のずれΔＶ２に基づいて、基準電極４２の基準電位のずれを補正する（ステップＳ１４）。
その後、診断部９４は、駆動制御部９２に、通常駆動を再開させる（ステップＳ１５）。そして、診断補正処理は終了する。
診断時対応関係として、ステップＳ１２において取得する診断時電圧電流曲線は、図５に示す診断時電圧電流曲線の一例のほぼ全域であってもよいし、一部又は一点であってもよい。例えば、診断部９４は、起電力Ｖ２あるいはポンプ電流Ｉｐ２が所定の範囲の診断時電圧電流曲線を取得してもよい。上述のオーミック領域、限界電流領域、及びＨ２Ｏ分解領域の全てを含んでいる必要はなく、電圧電流曲線のうちの一部の領域を取得してもよい。あるいは、電圧電流曲線上の所定の一点を取得してもよい。
例えば、電圧電流曲線のオーミック領域において、ポンプ電流Ｉｐ２が所定の電流値になる時の電圧Ｖ２(ohmic)を用いて、基準電極４２の基準電位のずれ診断してもよい。すなわち、記憶部９３は、前記標準対応関係として、基準電極４２の基準電位が所定の値である標準時の、測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２、及び、測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２の関係が線形のオーミック領域において、ポンプ電流Ｉｐ２が所定の電流値になる時の測定電極４４と基準電極４２との間の標準電圧Ｖ２(ohmic)ａを予め記憶し、
診断部９４は、前記診断時対応関係として、ステップＳ１２において、ポンプ電流Ｉｐ２が前記所定の電流値になる時の測定電極４４と基準電極４２との間の診断時電圧Ｖ２(ohmic)ｂを取得し、ステップＳ１３において、取得した前記診断時電圧Ｖ２(ohmic)ｂと、前記記憶部９３が予め記憶している前記標準電圧Ｖ２(ohmic)ａとを比較して、基準電極４２の診断時における基準電位の、標準時における前記所定の値からのずれを診断してもよい。この場合、診断時電圧Ｖ２(ohmic)ｂの標準電圧Ｖ２(ohmic)ａからのずれΔＶ２(ohmic)（＝Ｖ２(ohmic)ｂ－Ｖ２(ohmic)ａ）は、基準電極４２の基準電位のずれに概ね相当する。
なお、ポンプ電流Ｉｐ２の前記所定の電流値は、オーミック領域の範囲内であれば正負どちらの値であってもよい。すなわち、測定電極４４の周辺から酸素を汲み出す正の向きであっても、測定電極４４の周辺に酸素を汲み込む負の向きであってもよい。また、例えば、ポンプ電流Ｉｐ２の前記所定の電流値は、ゼロ又はその近傍の値であってもよい。
また、例えば、電圧電流曲線のＨ２Ｏ分解領域の開始点またはその付近における電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)を用いて、基準電極４２の基準電位のずれ診断してもよい。すなわち、記憶部９３は、前記標準対応関係として、基準電極４２の基準電位が所定の値である標準時の、測定電極４４において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時における測定電極４４と基準電極４２との間の標準電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ａを予め記憶し、
診断部９４は、前記診断時対応関係として、ステップＳ１２において、測定電極４４において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時における測定電極４４と基準電極４２との間の診断時電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ｂを取得し、ステップＳ１３において、取得した前記診断時電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ｂと、前記記憶部９３が予め記憶している前記標準電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ａとを比較して、基準電極４２の診断時における基準電位の、標準時における前記所定の値からのずれを診断してもよい。この場合、診断時電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ｂの標準電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ａからのずれΔＶ２(Ｈ２Ｏ)（＝Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ｂ－Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ａ）は、基準電極４２の基準電位のずれに概ね相当する。例えば、電圧電流曲線における限界電流領域とＨ２Ｏ分解領域との間の変曲点を水（Ｈ２Ｏ）の分解開始点としてもよいし、電圧Ｖ２に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化率が所定の値以上になった点を水（Ｈ２Ｏ）の分解開始点としてもよい。また、測定電極４４において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時に限らず、所定の量／割合のＨ２Ｏの分解が起こっている時における電圧Ｖ２(Ｈ２Ｏ)を用いて診断してもよい。
また、例えば、電圧電流曲線の限界電流領域の開始点またはその付近における電圧Ｖ２(limit)を用いて、基準電極４２の基準電位のずれ診断してもよい。すなわち、記憶部９３は、前記標準対応関係として、基準電極４２の基準電位が所定の値である標準時の、測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２が限界電流に達した時（限界電流領域の開始点）における標準電圧Ｖ２(limit)ａを予め記憶し、
診断部９４は、前記診断時対応関係として、ステップＳ１２において、測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２が限界電流に達した時における測定電極４４と基準電極４２との間の診断時電圧Ｖ２(limit)ｂを取得し、ステップＳ１３において、取得した前記診断時電圧Ｖ２(limit)ｂと、前記記憶部９３が予め記憶している前記標準電圧Ｖ２(limit)ａとを比較して、基準電極４２の診断時における基準電位の、標準時における前記所定の値からのずれを診断してもよい。この場合、診断時電圧Ｖ２(limit)ｂの標準電圧Ｖ２(limit)ａからのずれΔＶ２(limit)（＝Ｖ２(limit)ｂ－Ｖ２(limit)ａ）は、基準電極４２の基準電位のずれに概ね相当する。例えば、電圧電流曲線におけるオーミック領域と限界電流領域との間の変曲点を限界電流領域の開始点としてもよいし、電圧Ｖ２に対するポンプ電流Ｉｐ２の変化率が所定の値以下になった点を限界電流の開始点としてもよい。
診断時対応関係として、上述のような診断時電圧Ｖ２(ohmic)ｂ，Ｖ２(Ｈ２Ｏ)ｂ，あるいはＶ２(limit)ｂを用いると、電圧電流曲線の全体を用いる場合と比べて、ステップＳ１１において、ポンプ電圧Ｖｐ２を掃引（スイープ）する範囲を小さくできる、あるいは、ポンプ電圧Ｖｐ２をスイープせず所定の電圧を印加するのみで診断時電圧を得られるため、ステップＳ１１の所要時間を短くすることができる。その結果、診断補正処理をより短時間で完了できるため、ガスセンサ１００の使用中に、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定しない期間をより短くすることができる。また、オーミック領域は、ガスセンサ１００の使用により測定電極４４が劣化した場合であっても、その影響を受けにくい。従って、電圧電流曲線のオーミック領域においてポンプ電流Ｉｐ２が所定の電流値になる時の電圧Ｖ２(ohmic)を用いることにより、より正確に基準電極４２の基準電位のずれを診断し得る。
図７は、基準電極４２の基準電位のずれの補正の具体例を示す診断補正処理のフローチャートである。図７において、図６と同じステップには同じ符号を付しているため、説明を省略する。
図７に例示するように、診断部９４は、例えば、前記基準電極４２の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記通常制御における前記目標電圧（設定値Ｖ２ＳＥＴ）を変更して前記所定の値からの前記ずれを補正してもよい。
この場合、診断部９４は、ステップＳ１３において算出した電圧Ｖ２のずれΔＶ２、すなわち、基準電極４２の基準電位のずれに基づいて、通常制御における測定用ポンプセル４１の目標電圧（設定値Ｖ２ＳＥＴ）を変更する（ステップＳ１４ａ）。上述のとおり、電圧Ｖ２のずれΔＶ２はほぼ基準電極４２の基準電位のずれに相当する。したがって、ステップＳ１４ａにおいて、診断部９４は、さらに、通常制御における補助ポンプセル５０の目標電圧（設定値Ｖ１ＳＥＴ）を変更してもよい。例えば、図５に例示するように、診断時電圧電流曲線が標準時電圧電流曲線よりも右にシフトしている場合には、目標電圧（設定値Ｖ２ＳＥＴ及び／又は設定値Ｖ１ＳＥＴ）を、標準時における目標電圧より大きい値に変更するとよい。診断時電圧電流曲線が標準時電圧電流曲線よりも左にシフトしている場合には、目標電圧（設定値Ｖ２ＳＥＴ及び／又は設定値Ｖ１ＳＥＴ）を、標準時における目標電圧より大きい値に変更するとよい。また、例えば、基準電極４２の基準電位のずれが、ＮＯｘ濃度の検出精度に影響しない程度の所定の範囲内であれば、目標電圧（設定値Ｖ２ＳＥＴ及び／又は設定値Ｖ１ＳＥＴ）を変更せず、診断補正処理前の目標電圧を維持することとしてもよい。
また、図８は、基準電極４２の基準電位のずれの補正の図７とは異なる具体例を示す診断補正処理のフローチャートである。図８において、図７と同様に、図６と同じステップには同じ符号を付しているため、説明を省略する。
図８に例示するように、診断部９４は、例えば、前記基準電極４２の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記基準ガス室４３に酸素を汲み入れ、あるいは、前記基準ガス室４３から酸素を汲み出して前記所定の値からの前記ずれを補正してもよい。
この場合、診断部９４は、ステップＳ１３において算出した電圧Ｖ２のずれΔＶ２、すなわち、基準電極４２の基準電位のずれに基づいて、基準ガス室４３への酸素汲み入れ量、又は基準ガス室４３からの酸素汲み出し量を決定する（ステップＳ１４ｂ）。例えば、図５に例示するように、診断時電圧電流曲線が標準時電圧電流曲線よりも右にシフトしている場合には、診断時において、基準電極４２の基準電位が、標準時における所定の値よりも高くなっていると考えられる。すなわち、診断時において、基準ガス中の酸素濃度が、標準時における基準ガス中の酸素濃度よりも高くなっていると考えられる。したがって、基準電極４２の基準電位を下げる、すなわち、基準ガス中の酸素濃度を低くするように、基準ガス室４３から酸素を汲み出す補正を行うとよい。診断時電圧電流曲線が標準時電圧電流曲線よりも左にシフトしている場合には、基準電極４２の基準電位を上げる、すなわち、基準ガス中の酸素濃度を高くするように、基準ガス室４３へ酸素汲み入れる補正を行うとよい。
診断部９４は、決定した前記酸素汲み入れ量又は前記酸素汲み出し量に応じて、基準ガス室４３への酸素汲み入れ、又は基準ガス室４３からの酸素汲み出しを実行する（ステップＳ１４ｃ）。具体的には、基準ガス調整ポンプセル８４に電源回路８５によりポンプ電圧Ｖｐ３を印加してポンプ電流Ｉｐ３を流す。また、あるいは、ステップＳ１４ｃに替えて、診断部９４は、決定した前記酸素の汲み入れ量又は汲み出し量に基づいて、通常制御における酸素汲み入れ制御の酸素汲み出し量、又は酸素汲み出し制御を行う時の酸素汲み出し量を設定あるいは変更してもよい。この場合は、診断補正処理の終了後に、通常制御において基準電極４２の基準電位のずれが補正される。
また、診断部９４は、上述の目標電圧（設定値Ｖ２ＳＥＴ及び／又は設定値Ｖ１ＳＥＴ）の変更と、基準ガス室４３からの酸素汲み出し量／基準ガス室への酸素汲み入れ量の決定の両方を組み合わせて行ってもよい。
本実施形態のガスセンサ１００は、上述のように、基準電極４２の基準電位のずれを診断することができ、また、必要に応じて補正することができる。上述の診断補正処理のように、電圧電流曲線のような電圧と電流との対応関係を用いて基準電極４２の基準電位のずれを診断する場合には、上述の製造工程における酸素濃度確認工程とは異なり、被測定ガス中の酸素濃度が既知であることを要しない。従って、被測定ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度が既知の場合に限らず、また、それらの濃度にかかわらず、ガスセンサ１００の使用中の任意のタイミングで、基準電極４２の基準電位のずれを診断することができる。また、その診断結果に基づいて、基準電極４２の基準電位のずれを補正することができる。従って、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制し、高い測定精度を維持することができる。
上記に、本発明の実施形態の例として、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するガスセンサ１００を示したが、本発明はこの形態に限られない。本発明には、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度の低下を抑制し、高い検出精度を維持するという本発明の目的を達成する範囲であれば、種々の形態のガスセンサが含まれ得る。
上述の実施形態においては、診断補正処理のステップＳ１０において、全てのポンプ制御を停止したが、これに限られない。例えば、駆動制御部９２は、電圧Ｖ０が設定値Ｖ０ＳＥＴとなるように主ポンプセル２１のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバックする制御、電圧Ｖ１が設定値Ｖ１ＳＥＴとなるように補助ポンプセル５０のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバックする制御は継続したまま、電圧Ｖ２が設定値Ｖ２ＳＥＴとなるように測定用ポンプセル４１のポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバックする制御のみを停止してもよい。
この場合には、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との動作により、酸素分圧（酸素濃度）が所定の低い値に保たれた被測定ガスが、測定電極４４に到達することになる。そのため、通常制御を再開（ステップＳ１５）した時に、測定電極４４の周辺のガス雰囲気が安定するのに要する時間が短いため、診断補正処理終了後に被測定ガス中のＮＯｘ濃度をより早く正確に測定できるようになる。また、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とが動作している場合には、測定電極４４の周辺には、酸素Ｏ２はほとんどないが、被測定ガス中に元々存在していたＮＯｘは存在する。被測定ガス中のＯ２濃度は０％～２１％程度（大気）の範囲で変動し得る一方で、ＮＯｘ濃度は通常０～５０００ｐｐｍ程度と考えられる。従って、診断時における測定電極４４の周辺のガス雰囲気は、、全てのポンプ制御を停止する場合と比べて、診断ごとの変動が小さく、標準時との差も小さい。従って、診断時において、基準電極４２の基準電位の標準時における基準電位からのずれを、より正確に検出することができ得る。
なお、診断部９４が、測定用ポンプセル４１の制御のみを停止した場合の診断時対応関係を取得する場合には、記憶部９３は、測定用ポンプセル４１の制御のみを停止した場合の標準時対応関係を記憶しておく。
また、上述の実施形態においては、診断補正処理のステップＳ１１において、測定用ポンプセル４１にポンプ電圧Ｖｐ２を印加し、所定の範囲でポンプ電圧Ｖｐ２を掃引（スイープ）したが、これに限られない。例えば、診断部９４は、電流源によりポンプ電流Ｉｐ２を所定の範囲で掃引（スイープ）して、測定電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２を検出することにより、Ｖ２－Ｉｐ２曲線を取得してもよい。
また、上述の実施形態においては、診断補正処理は、測定電極４４と基準電極４２との間の電圧電流曲線（Ｖ２－Ｉｐ２曲線）を用いて行ったが、これに限られない。内側主ポンプ電極２１と基準電極４２との間の電圧電流曲線（Ｖ０－Ｉｐ０曲線）、補助ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧電流曲線（Ｖ１－Ｉｐ１曲線）を用いてもよい。なお、これらの場合には、上述の診断補正処理のステップＳ１０のように、全てのポンプ制御を停止するとよい。
上述の実施形態においては、基準ガス室４３は、前記基体部１０２の内部に閉じられた空間であったが、これに限られない。例えば、基準ガス室４３の内部の全体又は一部がアルミナなどの多孔質体で満たされた構成であってもよい。
また、例えば、基準ガス室が、図９に示すセンサ素子２０１のように多孔体の基準ガス導入層４８として形成されていてもよい。センサ素子２０１において、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、基準電極４２を被覆するように、基準ガス導入層４８が設けられている。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は、その後端面がセンサ素子２０１の後端面に露出している。また、図９のセンサ素子２０１は、圧力放散孔７５を備えている。圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、ヒータ絶縁層７４と基準ガス室の基準ガス導入層４８とが連通するように形成されている。圧力放散孔７５によって、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇が緩和されうる。図９のセンサ素子２０１のその他の構成は、図２において説明したものと概略同じである。センサ素子２０１が、図１と同様にガスセンサ１００に組み込まれた時には、基準ガス導入層４８の後端面は、図１における空間１４９内に露出する（図１参照）。そして、基準ガス導入層４８には、空間１４９内から基準ガスが導入される。この場合には、基準ガスは図１における空間１４９内の雰囲気ガス（例えば、大気）である。
また、例えば、基準ガス室が、図１０に示すセンサ素子３０１のように、基体部１０２の後端に開口した空間として形成されていてもよい。センサ素子３０１において、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、基準電極４２を被覆するように、基準ガス導入層３４８が設けられている。そして、基準電極４２よりも後方には、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３４３が設けられている。基準ガス導入空間３４３は、センサ素子３０１の後端部に開口部を有している。また、図１０のセンサ素子３０１は、図９のセンサ素子２０１と同様に、圧力放散孔７５を備えている。図１０のセンサ素子３０１のその他の構成は、図２において説明したものと概略同じである。センサ素子３０１が、図１と同様にガスセンサ１００に組み込まれた時には、基準ガス導入空間３４３の開口部は、図１における空間１４９内に露出する（図１参照）。そして、基準ガス導入空間３４３には、空間１４９内から基準ガスが導入される。この場合には、基準ガスは図１における空間１４９内の雰囲気ガス（例えば、大気）である。基準ガス導入空間３４３に導入された基準ガスは、基準ガス導入層３４８を通じて基準電極４２に到達する。
センサ素子２０１及びセンサ素子３０１においては、基準電極４２に外部空間から基準ガスを導入する構造になっている。このようなセンサ素子を含むガスセンサにおいては、被測定ガスの圧力が一時的に高くなった場合などに、被測定ガスのわずかな流入により基準ガス中の酸素濃度が低下する場合がある。また、ガスセンサが高温環境下で使用された場合に、ゴム栓１５７が高温に晒されて溶損することでガスが発生したり、外筒１４８に付着した油分が高温により酸素と反応したりすることで、基準ガス中の酸素濃度が低下する場合がある。このような場合であっても、診断補正処理によって、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制し、高い測定精度を維持することができる。
また、基準電極４２に外部空間から基準ガスを導入する構造のガスセンサにおいては、通常制御において、基準ガス調整ポンプセル８４に電源回路８５によりポンプ電圧Ｖｐ３を印加してポンプ電流Ｉｐ３を流すことにより、基準ガス室４３に酸素を汲み入れる酸素汲み入れ制御を行うことが好ましい。酸素汲み入れ制御を行う場合、例えば、診断補正処理において、基準電極４２の基準電位のずれに基づいて、通常制御における酸素汲み入れ制御の酸素汲み入れ量を変更してもよい。
また、上述の実施形態のセンサ素子１０１において、さらに、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圧力放散孔を備えていてもよい。この場合、図９及び図１０に示した圧力放散孔７５とは異なり、基準ガス室４３とは連通せず、ヒータ絶縁層７４とセンサ素子１０１の外部空間とを連通させるように形成されているとよい。
上述の実施形態のガスセンサ１００においては、センサ素子１０１は、図２に示すように、第１内部空所２０、第２内部空所４０、及び第３内部空所６１の３つの内部空所を備え、各内部空所には、内側主ポンプ電極２２、補助ポンプ電極５１、及び測定電極４４がそれぞれ配置されている構造であったが、これに限られない。例えば、第１内部空所２０及び第２内部空所４０の２つの内部空所を備え、第１内部空所２０には内側主ポンプ電極２２が、第２内部空所４０には補助ポンプ電極５１及び測定電極４４がそれぞれ配置されている構造としてもよい。この場合、例えば、補助ポンプ電極５１と測定電極４４との間の拡散律速部として、測定電極４４を覆う多孔体保護層を形成してもよい。
上述の実施形態のガスセンサ１００においては、外側ポンプ電極２３は、主ポンプセル２１における外側主ポンプ電極と、補助ポンプセル５０における外側補助ポンプ電極と、測定用ポンプセル４１における外側測定電極との３つの電極の機能を兼ねていたが、これに限られない。例えば、外側主ポンプ電極、外側補助ポンプ電極、及び外側測定電極はそれぞれ別の電極として形成されていてもよい。例えば、外側主ポンプ電極、外側補助ポンプ電極、及び外側測定電極のいずれか１つ以上を外側ポンプ電極２３とは別に基体部１０２の外表面に被測定ガスと接するように設けてもよい。あるいは、外側主ポンプ電極、外側補助ポンプ電極、及び外側測定電極のいずれか１つ以上を基準電極４２が兼ねてもよい。ただし、基準電極４２を外側主ポンプ電極、外側補助ポンプ電極、及び外側測定電極のいずれか１つ以上として用いる場合には、基準ガス室４３内の基準ガス中の酸素濃度を変化させ得るため、測定精度に実質的に影響しない範囲で用いるように留意すべきである。
上述の実施形態においては、ガスセンサ１００は被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出したが、測定対象ガスはＮＯｘに限られない。ガスセンサ１００のセンサ素子は、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた構成であればよい。測定対象ガスは、例えば、酸素Ｏ２又はＮＯｘ以外の他の酸化物ガス（例えば、二酸化炭素ＣＯ２、水Ｈ２Ｏ等）であってもよい。あるいは、アンモニアＮＨ３等の非酸化物ガスであってもよい。測定対象ガスが非酸化物ガスの場合には、非酸化物ガスを酸化物ガスに変換（例えば、アンモニアＮＨ３の場合にはＮＯに変換）し、変換された酸化物ガスを含む被測定ガスが第３内部空所６１に導入される。測定電極４４において被測定ガス中の変換された酸化物ガスが還元されて酸素が発生する。発生した酸素を測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２として取得して測定対象ガスを検出することができる。非酸化物ガスの酸化物ガスへの変換は、内側主ポンプ電極２２及び補助ポンプ電極５１の少なくともいずれか一方が触媒として機能することによって行うことができる。
以上のように、本発明によれば、被測定ガス中の酸素濃度が既知の場合に限らず、また、酸素濃度にかかわらず、ガスセンサの使用中の任意のタイミングにおいて、基準電極の基準電位のずれを診断することができる。すなわち、基準電極の周囲の基準ガス中の酸素濃度のずれを診断することができる。また、その診断結果に基づいて、基準電極の基準電位のずれ、すなわち、基準ガス中の酸素濃度のずれを補正することができる。その結果、被測定ガス中の測定対象ガスの検出精度の低下を抑制し、高い検出精度を維持することができる。
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
１５ 被測定ガス流通空所
２０ 第１内部空所
２１ 主ポンプセル
２２ 内側主ポンプ電極
２２ａ （内側主ポンプ電極の）天井電極部
２２ｂ （内側主ポンプ電極の）底部電極部
２３ 外側ポンプ電極
２４ （主ポンプセルの）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 基準ガス室
３４３ 基準ガス導入空間
４４ 測定電極
４６ （測定用ポンプセルの）可変電源
４８、３４８ 基準ガス導入層
５０ 補助ポンプセル
５１ 補助ポンプ電極
５１ａ （補助ポンプ電極の）天井電極部
５１ｂ （補助ポンプ電極の）底部電極部
５２ （補助ポンプセルの）可変電源
５３ 第２補助ポンプ電極
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 ヒータ絶縁体
７５ 圧力放散孔
７６ ヒータリード
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
８４ 基準ガス調整ポンプセル
８５ 電源回路
９０ 制御装置
９１ 制御部
９２ 駆動制御部
９３ 記憶部
９４ 診断部
１００ ガスセンサ
１０１、２０１、３０１ センサ素子
１０２ 基体部

Claims (8)

  1. センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置と、を含むガスセンサであって、
    前記センサ素子は、
    酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
    前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
    前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内電極と対応している空所外電極とを含むポンプセルと、
    前記基体部の内部に、前記被測定ガス流通空所とは離隔して形成された基準ガス室と、
    前記基準ガス室内に配設された基準電極と、
    を含み、
    前記制御装置は、
    前記ポンプセルを動作させて被測定ガス中の測定対象ガスを検出する通常制御を行う駆動制御部と、
    前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の標準対応関係を予め記憶する記憶部と、
    前記基準電極の基準電位を診断する診断時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時対応関係を取得し、取得した前記診断時対応関係と、前記記憶部が予め記憶している前記標準対応関係とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する診断部と、
    を含む、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサ。
  2. 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の標準電圧電流曲線を予め記憶し、
    前記診断部は、前記ポンプセルへの印加電圧を所定の範囲で掃引させ、前記診断時対応関係として、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の診断時電圧電流曲線を取得し、取得した前記診断時電圧電流曲線と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧電流曲線とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極と前記基準電極との間の電圧、及び、前記ポンプセルに流れる電流の関係が線形のオーミック領域において、前記電流が所定の電流値になる時の前記空所内電極と前記基準電極との間の標準電圧を予め記憶し、
    前記診断部は、前記診断時対応関係として、前記電流が前記所定の電流値になる時の前記空所内電極と前記基準電極との間の診断時電圧を取得し、取得した前記診断時電圧と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、請求項１に記載のガスセンサ。
  4. 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記基準電極の基準電位が所定の値である標準時の、前記空所内電極において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時における前記空所内電極と前記基準電極との間の標準電圧を予め記憶し、
    前記診断部は、前記診断時対応関係として、前記空所内電極において水（Ｈ２Ｏ）が分解し始めた時における前記空所内電極と前記基準電極との間の診断時電圧を取得し、取得した前記診断時電圧と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、請求項１に記載のガスセンサ。
  5. 前記記憶部は、前記標準対応関係として、前記ポンプセルに流れる電流が限界電流に達した時における前記空所内電極と前記基準電極との間の標準電圧を予め記憶し、
    前記診断部は、前記診断時対応関係として、前記ポンプセルに流れる電流が限界電流に達した時における前記空所内電極と前記基準電極との間の診断時電圧を取得し、取得した前記診断時電圧と、前記記憶部が予め記憶している前記標準電圧とを比較して、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からのずれを診断する、請求項１に記載のガスセンサ。
  6. 前記センサ素子は、
    前記被測定ガス流通空所内に配設された内側測定電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記内側測定電極と対応している外側測定電極とを含む測定用ポンプセルを含み、
    前記制御部は、前記通常制御において、前記内側測定電極と前記基準電極との間の電圧が目標電圧になるように前記測定用ポンプセルに電流を流し、前記電流の値から被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を測定し、
    前記診断部は、さらに、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記通常制御における前記目標電圧を変更して前記所定の値からの前記ずれを補正する、請求項１に記載のガスセンサ。
  7. 前記診断部は、さらに、前記基準電極の診断時における基準電位の、前記標準時の前記所定の値からの前記ずれに基づいて、前記基準ガス室に酸素を汲み入れ、あるいは、前記基準ガス室から酸素を汲み出して前記所定の値からの前記ずれを補正する、請求項１に記載のガスセンサ。
  8. 前記基準ガス室が、前記基体部の内部に閉じられた空間である、請求項１に記載のガスセンサ。
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