JP2024062098A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】第１ポンプセルを用いて行われる処理と第２ポンプセルを用いて行われる処理とを共に精度良く行う。
【解決手段】ガスセンサ１００は、センサ素子１０１と、第１，第２インピーダンス測定部４７ａ，４７ｂと、制御装置とを備える。センサ素子１０１は、素子本体と、内側ポンプ電極２２を有する主ポンプセル２１と、測定電極４４を有する測定用ポンプセル４１と、ヒータ７２と、を有する。第１インピーダンス測定部４７ａは、内側ポンプ電極２２に電圧を印加して第１インピーダンスＲ１を測定する。第２インピーダンス測定部４７ｂは、測定電極４４に電圧を印加して第２インピーダンスＲ２を測定する。制御装置は、第１インピーダンスＲ１が目標値Ｒ１＊になるようにヒータ７２を制御する。制御装置は、第２インピーダンスＲ２に基づいて、測定用ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐ２を補正するか又はポンプ電流Ｉｐ２に基づいて導出される値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。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含み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うちの酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、被測定ガス流通部のうち酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室に配設された測定電極を有する測定用ポンプセルと、基準電極と、を有するセンサ素子を備えたガスセンサが記載されている。このガスセンサでＮＯｘの濃度を検出する場合、まず、調整用ポンプセルによって酸素濃度調整室の酸素濃度が調整され、酸素濃度が調整された後の被測定ガスが測定室に到達する。測定室では、被測定ガス中のＮＯｘが、測定電極の周囲で還元される。そして、測定電極と基準電極との間に生じる電圧Ｖ２が所定の目標値となるように測定用ポンプセルをフィードバック制御して測定電極の周囲の酸素を汲み出す。このときに流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が検出される。

また、ヒータによりガスセンサの素子温度を制御するにあたり、セルの抵抗値を測定することが知られている。例えば特許文献２には、酸素濃度測定セルの２本のリード線の間の抵抗値を測定し、測定された抵抗値が素子温度７４０℃に対応する８０Ωとなるようにヒータパターンへの通電状態を制御することが記載されている。

特開２０２２－０９１６６９号公報 特許第３３４０１１０号

ところで、ガスセンサのセンサ素子が少なくとも２つのポンプセルを備える場合、一方のポンプセルについて測定されたインピーダンスに基づいてヒータを制御すると、他方のポンプセルの温度も変化してインピーダンスが変化する。そのため、２つのポンプセルのインピーダンスを共に目標値に制御することができない場合があった。これにより、他方のポンプセルのインピーダンスの変化に起因して、他方のポンプセルに基づく処理の精度、例えばガスセンサの制御の精度又は特定ガス濃度の検出の精度が低下する場合があった。特許文献２のガスセンサでは、酸素濃度測定セルの抵抗値に基づいてヒータを制御する場合における、他のセルの温度やインピーダンスの変化については考慮されていなかった。

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、第１ポンプセルを用いて行われる処理と第２ポンプセルを用いて行われる処理とを共に精度良く行う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。

［１］本発明のガスセンサは、
被測定ガス中の特定ガスの濃度である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有し、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部に配設された第１内側電極を有し、酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部に配設された第２内側電極を有し、酸素のポンピングを行う第２ポンプセルと、
前記素子本体を加熱するヒータと、
前記第１内側電極に電圧を印加して第１インピーダンスを測定する第１インピーダンス測定部と、
前記第２内側電極に電圧を印加して第２インピーダンスを測定する第２インピーダンス測定部と、
前記第１インピーダンスが目標値になるように前記ヒータを制御するヒータ制御処理と、前記第２インピーダンスに基づいて、前記第２ポンプセルを流れる第２ポンプ電流を補正するか又は前記第２ポンプ電流に基づいて導出される値を補正する補正処理と、を行う制御装置と、
を備えたものである。

このガスセンサでは、第１ポンプセルについて第１インピーダンスが測定され、第１インピーダンスが目標値になるようにヒータが制御されるため、第１ポンプセルについては第１インピーダンスを目標値付近に保つことができる。したがって第１ポンプセルを用いて行われる処理を精度良く行うことができる。一方で、このようなヒータ制御処理を行っても第２ポンプセルの第２インピーダンスは所望の値になるとは限らない。しかし、このガスセンサでは、第２ポンプセルについて第２インピーダンスが測定され、第２インピーダンスに基づく補正処理が行われる。そのため、第２ポンプセルを用いて行われる処理、特に第２ポンプ電流に基づく処理を、精度良く行うことができる。以上のことから、このガスセンサでは、第１ポンプセルを用いて行われる処理と第２ポンプセルを用いて行われる処理とを共に精度良く行うことができる。ここで、「酸素のポンピングを行う」とは、被測定ガス流通部から酸素を汲み出す場合と、被測定ガス流通部に酸素を汲み入れる場合と、を含む。第１ポンプセル及び第２ポンプセルは、それぞれ、このような酸素の汲み入れと酸素の汲み出しとの少なくとも一方を行うセルであればよい。

この場合において、前記第１ポンプセルは、前記第１内側電極と、前記素子本体の外側の前記被測定ガスに晒される部分に配設された第１外側電極と、前記素子本体のうち前記第１内側電極と前記第１外側電極との間の電流の経路となる固体電解質と、を含んで構成されていてもよい。また、前記第２ポンプセルは、前記第２内側電極と、前記素子本体の外側の前記被測定ガスに晒される部分に配設された第２外側電極と、前記素子本体のうち前記第２内側電極と前記第２外側電極との間の電流の経路となる固体電解質と、を含んで構成されていてもよい。

［２］上述したガスセンサ（前記［１］に記載のガスセンサ）は、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、前記第１ポンプセルを有し、前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、を備え、前記第１内側電極は、前記酸素濃度調整室に配設され、前記第２内側電極は、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室よりも下流に設けられた測定室に配設された内側測定電極であり、前記第２ポンプセルは、前記測定室から前記特定ガスに由来する酸素を汲み出す測定用ポンプセルであり、前記制御装置は、前記酸素濃度調整室の酸素濃度が目標濃度となるように前記調整用ポンプセルを制御する調整用ポンプ制御処理と、前記調整用ポンプ制御処理によって前記第１ポンプセルに流れる第１ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出処理と、前記基準電極と前記内側測定電極との間の電圧が目標値になるように前記測定用ポンプセルに印加される制御電圧をフィードバック制御する測定用ポンプ制御処理と、前記測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルに流れる前記第２ポンプ電流である測定用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出処理と、を行い、前記制御装置は、前記補正処理において、前記第２インピーダンスに基づいて、前記特定ガス濃度検出処理における前記測定用ポンプ電流を補正するか又は前記特定ガス濃度を補正してもよい。こうすれば、第１ポンプセルすなわち調整用ポンプセルの第１インピーダンスは目標値になるように制御されているから、第１ポンプセルを用いて行われる処理すなわち酸素濃度検出処理を精度良く行うことができる。また、第２ポンプセルすなわち測定用ポンプセルについては、第２インピーダンスに基づいて測定用ポンプ電流を補正するか又は特定ガス濃度を補正するから、第２ポンプセルを用いて行われる処理すなわち特定ガス濃度検出処理を精度良く行うことができる。

［３］上述したガスセンサ（前記［２］に記載のガスセンサ）において、前記酸素濃度調整室は、前記第１内側電極が配設された第１内部空所と、前記被測定ガス流通部のうち前記第１内部空所よりも下流且つ前記測定室よりも上流に設けられた第２内部空所と、を有し、前記調整用ポンプセルは、前記第１ポンプセルである主ポンプセルと、前記第２内部空所に配設された補助ポンプ電極を有し酸素のポンピングを行う補助ポンプセルと、を有し、前記調整用ポンプ制御処理は、前記主ポンプセルを制御して前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプ制御処理と、前記補助ポンプセルを制御して前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプ制御処理と、を含んでいてもよい。

［４］上述したガスセンサ（前記［１］～［３］のいずれかに記載のガスセンサ）において、前記第１インピーダンス測定部は、前記第１内側電極に１ｋＨｚ以上の周波数の前記電圧を印加して前記第１インピーダンスを測定し、前記第２インピーダンス測定部は、前記第２内側電極に１ｋＨｚ以上の周波数の前記電圧を印加して前記第２インピーダンスを測定してもよい。１ｋＨｚ以上という比較的高いの周波数の電圧を印加して第１インピーダンスを測定することで、第１インピーダンスには第１ポンプセルの第１内側電極の反応抵抗が含まれにくくなり、第１ポンプセルの温度と相関の高い値である第１ポンプセルの固体電解質の抵抗値が現れやすくなる。そのため、ヒータ制御処理による第１ポンプセルの温度の制御の精度が向上する。また、１ｋＨｚ以上という比較的高いの周波数の電圧を印加して第２インピーダンスを測定することで、第２インピーダンスには第２ポンプセルの第２内側電極の反応抵抗が含まれにくくなり、第２ポンプセルの温度と相関の高い値である第２ポンプセルの固体電解質の抵抗値が現れやすくなる。そのため、第２インピーダンスに基づく補正処理において、第２ポンプセルの温度変化に起因する第２ポンプ電流の変化を補正しやすくなる。すなわち補正処理における補正の精度が向上する。

ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。 制御装置９５と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図。 第１，第２インピーダンス測定部４７ａ，４７ｂが印加するパルス電圧の一例を示すグラフ。 第２インピーダンスＲ２とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔ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。 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の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、制御装置９５と各セル及びヒータ７２との電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ１００は、例えば内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられている。ガスセンサ１００は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中のＮＯｘやアンモニアなどの特定ガスの濃度を検出する。本実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。ガスセンサ１００は、長尺な直方体形状をしたセンサ素子１０１と、センサ素子１０１が備える各セル２１，４１，５０，８０～８３と、センサ素子１０１の内部に設けられたヒータ部７０と、可変電源２４，４６，５２及びヒータ電源７６を有しガスセンサ１００全体を制御する制御装置９５と、を備えている。

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の先端部側（図１の左端部側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、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。

また、被測定ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

基準ガス導入層４８は、多孔質セラミックスからなる層であって、基準ガス導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、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、これらの電極の間の電流の経路となる第２固体電解質層６，スペーサ層５，及び第１固体電解質層４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，スペーサ層５，及び第１固体電解質層４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、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とを組み合わせて、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。

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、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を通してヒータ電源７６（図２参照）から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てなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

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

制御装置９５は、図２に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２と、第１インピーダンス測定部４７ａと、第２インピーダンス測定部４７ｂと、上述したヒータ電源７６と、制御部９６と、を備えている。

第１インピーダンス測定部４７ａは、内側ポンプ電極２２（第１内側電極の一例）に電圧を印加して第１インピーダンスＲ１を測定する装置である。第１インピーダンス測定部４７ａは、主ポンプセル２１（第１ポンプセルの一例）に含まれる２つの電極である内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所定の第１周波数の電圧を印加して第１インピーダンスＲ１を測定する。第２インピーダンス測定部４７ｂは、測定電極４４（第２内側電極の一例）に電圧を印加して第２インピーダンスＲ２を測定する装置である。第２インピーダンス測定部４７ｂは、測定用ポンプセル４１（第２ポンプセルの一例）に含まれる２つの電極である測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間に所定の第２周波数の電圧を印加して第２インピーダンスＲ２を測定する。第１インピーダンス測定部４７ａ及び第２インピーダンス測定部４７ｂは、それぞれ、例えば図示しない電源と電圧測定部と電流測定部とを備えており、電源から電圧を印加したときに電圧測定部及び電流測定部が測定した電圧及び電流に基づいて、第１インピーダンスＲ１及び第２インピーダンスＲ２を測定する。

本実施形態では、第１インピーダンス測定部４７ａは、主ポンプセル２１の内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に図３に示す矩形波のパルス電圧を印加して、このときの内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間の電圧の変化量ΔＶ及び主ポンプセル２１に流れる電流の変化量ΔＩを測定する。そして、電圧の変化量ΔＶを電流の変化量ΔＩで除すことで第１インピーダンスＲ１［Ω］を算出する（Ｒ１＝ΔＶ／ΔＩ）。同様に、第２インピーダンス測定部４７ｂは、測定用ポンプセル４１に図３に示すパルス電圧を印加して、測定電極４４と外側ポンプ電極２３との間の電圧の変化量ΔＶを測定用ポンプセル４１に流れる電流の変化量ΔＩで除すことで第２インピーダンスＲ２［Ω］を算出する。

第１インピーダンス測定部４７ａが印加する電圧の周波数である第１周波数は、１ｋＨｚ以上であることが好ましい。１ｋＨｚ以上という比較的高いの周波数の電圧を印加して第１インピーダンスＲ１を測定することで、第１インピーダンスＲ１には主ポンプセル２１の内側ポンプ電極２２の反応抵抗が含まれにくくなり、主ポンプセル２１の温度と相関の高い値である主ポンプセル２１の固体電解質（ここでは層４～６）の抵抗値が第１インピーダンスＲ１として現れやすくなる。同様に、第２インピーダンス測定部４７ｂが印加する電圧の周波数である第２周波数は、１ｋＨｚ以上であることが好ましい。１ｋＨｚ以上という比較的高いの周波数の電圧を印加して第２インピーダンスＲ２を測定することで、第２インピーダンスＲ２には測定用ポンプセル４１の測定電極４４の反応抵抗が含まれにくくなり、測定用ポンプセル４１の温度と相関の高い値である測定用ポンプセル４１の固体電解質（ここでは層４～６）の抵抗値が第２インピーダンスＲ２として現れやすくなる。第１周波数及び第２周波数は、それぞれ、１００ｋＨｚ以下としてもよい。第１周波数と第２周波数とは、同じ値でもよいし異なる値でもよい。印加する電圧が図３のようにパルス電圧である場合、パルス電圧の周波数は、印加するパルス電圧のうち正側のパルス幅をＴ［ｓｅｃ］としたときに、１／（２×Ｔ）［Ｈｚ］として算出した値とする。

制御部９６は、ＣＰＵ９７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、情報の書き換えが可能な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可能である。制御部９６は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される電圧Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される電圧Ｖ１、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、センサセル８３にて検出される電圧Ｖｒｅｆ、主ポンプセル２１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出されるポンプ電流Ｉｐ１及び測定用ポンプセル４１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ２を入力する。また、制御部９６は可変電源２４，４６，５２へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２が出力する電圧Ｖｐ０，Ｖｐ１，Ｖｐ２を制御し、これにより、主ポンプセル２１，測定用ポンプセル４１及び補助ポンプセル５０を制御する。制御部９６は、第１，第２インピーダンス測定部４７ａ，４７ｂへ制御信号を出力することで第１，第２インピーダンス測定部４７ａ，４７ｂにインピーダンス測定を実行させ、第１，第２インピーダンス測定部４７ａ，４７ｂから測定結果としての第１，第２インピーダンスＲ１，Ｒ２の値を入力する。制御部９６は、ヒータ電源７６に制御信号を出力することでヒータ電源７６がヒータ７２に供給する電力を制御する。記憶部９８には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，Ｒ１＊なども記憶されている。制御部９６のＣＰＵ９７は、これらの目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，Ｒ１＊を参照して、各セル２１，４１，５０及びヒータ７２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Ｖ２＊と称する）となるように（つまり第３内部空所６１内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）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、第１インピーダンスＲ１が目標値Ｒ１＊になるようにヒータ７２を制御するヒータ制御処理を行う。具体的には、制御部９６は、第１インピーダンス測定部４７ａに第１インピーダンスＲ１を測定させ、測定された値が目標値Ｒ１＊となるようにヒータ電源７６をフィードバック制御する。目標値Ｒ１＊は、例えば主ポンプセル２１のポンピング能力を十分高くするために必要な固体電解質（ここでは層４～６）の目標温度（例えば８００℃）に対応する第１インピーダンスＲ１の値として、予め定められて記憶部９８に記憶されている。例えば、測定された第１インピーダンスＲ１が目標値Ｒ１＊よりも高い（すなわち主ポンプセル２１の温度が目標温度よりも低い）場合には、制御部９６はヒータ７２に供給する電力を高めて固体電解質の温度を上昇させるようにヒータ電源７６を制御する。ヒータ電源７６は、ヒータ７２に通電するにあたり、例えば制御部９６からの制御信号に基づいてヒータ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。

ここで、上記のようなヒータ制御処理を行うと、主ポンプセル２１の第１インピーダンスＲ１を目標値Ｒ１＊に制御することはできるが、それに伴って測定用ポンプセル４１の温度も変化する。また、主ポンプセル２１や測定用ポンプセル４１の温度は、例えば被測定ガスの温度によっても変化する。主ポンプセル２１についてはヒータ制御処理によって温度が調整されるため被測定ガスの温度の影響を受けにくいが、測定用ポンプセル４１の温度は被測定ガスの温度の影響を受けやすい。そのため、測定用ポンプセル４１の第２インピーダンスＲ２は所望の値になるとは限らない。そして、測定用ポンプセル４１の第２インピーダンスＲ２が変化することでポンプ電流Ｉｐ２も変化してＮＯｘ濃度の検出精度に影響を与える場合がある。そこで、本発明者らは、測定用ポンプセル４１の第２インピーダンスＲ２とポンプ電流Ｉｐ２との関係を調べた。まず、被測定ガスとして、ベースガスが窒素であり、酸素濃度が０％、水濃度が３％、ＮＯ濃度が０ｐｐｍであるモデルガスを用意した。次に、センサ素子１０１がこのモデルガスに晒された状態で、制御部９６が上述したヒータ制御を開始し、第１インピーダンスＲ１が目標値Ｒ１＊付近に到達してからさらに調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を開始した。その後に、ポンプ電流Ｉｐ２が安定した状態でポンプ電流Ｉｐ２の値を測定した。モデルガスはＮＯ濃度が０ｐｐｍであるため、理論的にはポンプ電流Ｉｐ２は０μＡとなるが、実際にはわずかにポンプ電流Ｉｐ２が流れる。このような特定ガス（ここではＮＯｘ）以外の要因で流れるポンプ電流Ｉｐ２をオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔと称する。オフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは、ＮＯｘ濃度が０ｐｐｍでない場合のポンプ電流Ｉｐ２にも含まれる。続いて、モデルガスのガス温度を変更することで測定用ポンプセル４１の第２インピーダンスＲ２を異ならせた点以外は上記と同じ方法でポンプ電流Ｉｐ２（オフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔ）を測定した。これらの測定により、第２インピーダンスＲ２とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの関係として、図４に示すグラフを得た。図４では、７点の測定結果を黒丸で示し、測定結果に基づく近似曲線を曲線Ｌとして破線で示した。

図４からわかるように、第２インピーダンスＲ２が高いほど、オフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔは小さくなる傾向が確認された。このように、第２インピーダンスＲ２とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの間には相関があるから、第２インピーダンスＲ２に基づいてオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔを導出できることがわかる。そこで、本実施形態では、第２インピーダンスＲ２とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの対応関係として、図４に示した曲線Ｌを表す関係式又はマップを予め記憶部９８に記憶しておくこととした。そして、制御部９６は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する際に、この対応関係を利用して後述する補正処理を行うこととした。

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。なお、本実施形態では、制御部９６は被測定ガス中の酸素濃度の測定も行う。

制御部９６のＣＰＵ９７は、制御ルーチンが開始されると、まず、上述したヒータ制御処理を開始する（ステップＳ１００）。ヒータ制御処理が開始されることで、上述した第１インピーダンス測定部４７ａによる第１インピーダンスＲ１の測定と、ＣＰＵ９７による測定された値と目標値Ｒ１＊とに基づくヒータ７２の制御とが、繰り返し実行される。続いて、ＣＰＵ９７は、上述した調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を開始する（ステップＳ１１０）。なお、調整用ポンプ制御処理及び測定用ポンプ制御処理を開始した以降に第１インピーダンス測定部４７ａが主ポンプセル２１の第１インピーダンスＲ１の測定を行う際には、主ポンプセル２１に印加する電圧Ｖｐ０の値を一時的に小さくするようにＣＰＵ９７が可変電源２４を制御することが好ましい。また、ＣＰＵ９７は、主ポンプ制御処理を一時的に停止して電圧Ｖｐ０が主ポンプセル２１に印加されないようにすることがより好ましい。こうすることで、電圧Ｖｐ０の影響で第１インピーダンスＲ１の測定値が変化することを抑制でき、第１インピーダンスＲ１の測定精度が向上する。

次に、ＣＰＵ９７は、酸素濃度及びＮＯｘ濃度を導出する濃度導出タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ＣＰＵ９７は、例えば所定時間経過毎や、エンジンＥＣＵから濃度導出指令を入力したときなどに、濃度導出タイミングであると判定する。

ステップＳ１２０で濃度導出タイミングであると判定すると、ＣＰＵ９７は、まず、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて酸素濃度を導出する酸素濃度検出処理を行う（ステップＳ１３０）。ＣＰＵ９７は、調整用ポンプ制御処理（ここでは特に主ポンプ制御処理）において、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）主ポンプセル２１を制御するから、上述したようにポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を導出できる。本実施形態では、ポンプ電流Ｉｐ０と酸素濃度との対応関係を表す関係式又はマップなどが実験により求められて、予め記憶部９８に記憶されている。ＣＰＵ９７は、ステップＳ１３０において、現在のポンプ電流Ｉｐ０と記憶部９８に記憶された対応関係とに基づいて、被測定ガス中の酸素濃度を算出する。

続いて、ＣＰＵ９７は、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出する特定ガス濃度検出処理を行う（ステップＳ１４０～Ｓ１８０）。この特定ガス濃度検出処理には、第２インピーダンスＲ２に基づいてポンプ電流Ｉｐ２を補正する補正処理（ステップＳ１６０，Ｓ１７０）が含まれる。特定ガス濃度検出処理では、ＣＰＵ９７は、まず、測定用ポンプ制御処理によって流れるポンプ電流Ｉｐ２を取得する（ステップＳ１４０）。次に、ＣＰＵ９７は、第２インピーダンス測定部４７ｂに測定用ポンプセル４１の第２インピーダンスＲ２を測定させて、得られた値を取得する（ステップＳ１５０）。ステップＳ１４０とステップＳ１５０とは、いずれを先に実行してもよい。また、第１インピーダンスＲ１の測定時と同様に、ステップＳ１５０で第２インピーダンス測定部４７ｂが測定用ポンプセル４１の第２インピーダンスＲ２を測定する際には、測定用ポンプセル４１に印加する電圧Ｖｐ２の値を一時的に小さくするようにＣＰＵ９７が可変電源４６を制御することが好ましい。また、ＣＰＵ９７は、測定用ポンプ制御処理を一時的に停止して電圧Ｖｐ２が測定用ポンプセル４１に印加されないようにすることがより好ましい。

続いて、ＣＰＵ９７は、測定された第２インピーダンスＲ２と、記憶部９８に記憶された第２インピーダンスＲ２とオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔとの対応関係（例えば図４の曲線Ｌの関係）と、に基づいて、第２インピーダンスＲ２に対応するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔを導出する（ステップＳ１６０）。そして、ＣＰＵ９７は、導出したオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔに基づいて、ステップＳ１４０で取得したポンプ電流Ｉｐ２を補正する（ステップＳ１７０）。具体的には、ＣＰＵ９７は、ステップＳ１４０で取得したポンプ電流Ｉｐ２からステップＳ１６０で導出したオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔを差し引くことで、補正後のポンプ電流Ｉｐ２を導出する。これにより、補正後のポンプ電流Ｉｐ２は、第２インピーダンスＲ２の変化に起因するオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の影響が除去された値となる。その後に、ＣＰＵ９７は、補正後のポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を導出する（ステップＳ１８０）。すなわち、ＣＰＵ９７は、補正後のポンプ電流Ｉｐ２と、記憶部９８に記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係と、に基づいて、補正後のポンプ電流Ｉｐ２に対応するＮＯｘ濃度を導出する。こうして導出されるＮＯｘ濃度は、第２インピーダンスＲ２の変化によるオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔの変化の影響を受けにくい値となるから、ポンプ電流Ｉｐ２の補正を行わない場合と比較して実際のＮＯｘ濃度に近い精度の高い値となる。なお、上記の通り本実施形態ではポンプ電流Ｉｐ２からオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔを差し引いた補正後のポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を導出するから、予め記憶部９８に記憶しておくポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係についても、同様に補正後のポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係を用意しておけばよい。あるいは、オフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔが所定の基準値である場合のポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係を予め記憶部９８に記憶しておいてもよい。この場合は、ＣＰＵ９７は、ステップＳ１６０で導出したオフセット電流Ｉｐ２ｏｆｆｓｅｔと基準値との差を補正量として導出し、ステップＳ１４０で取得したポンプ電流Ｉｐ２からこの補正量を差し引くことで補正後のポンプ電流Ｉｐ２を導出してもよい。

ステップＳ１８０の後、又はステップＳ１２０で濃度導出タイミングでなかった場合には、ＣＰＵ９７はＳ１２０以降の処理を実行する。以上のようにＣＰＵ９７が制御ルーチンを実行することで、被測定ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度が繰り返し測定される。

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つの層がこの順に積層された積層体が本発明の素子本体に相当し、内側ポンプ電極２２が第１内側電極に相当し、主ポンプセル２１が第１ポンプセルに相当し、測定電極４４が第２内側電極に相当し、測定用ポンプセル４１が第２ポンプセルに相当し、ヒータ７２がヒータに相当し、第１インピーダンス測定部４７ａが第１インピーダンス測定部に相当し、第２インピーダンス測定部４７ｂが第２インピーダンス測定部に相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が第２ポンプ電流に相当し、制御装置９５が制御装置に相当する。また、外側ポンプ電極２３が第１外側電極及び第２外側電極に相当し、第１内部空所２０及び第２内部空所４０が酸素濃度調整室に相当し、主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０が調整用ポンプセルに相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定電極４４が内側測定電極に相当し、ポンプ電流Ｉｐ０が第１ポンプ電流に相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が測定用ポンプ電流に相当する。

以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、主ポンプセル２１について第１インピーダンスＲ１が測定され、第１インピーダンスＲ１が目標値Ｒ１＊になるようにヒータ７２が制御されるため、主ポンプセル２１については第１インピーダンスＲ１を目標値Ｒ１＊付近に保つことができる。したがって主ポンプセル２１を用いて行われる処理を精度良く行うことができる。例えば主ポンプセル２１による第１内部空所２０の酸素濃度の調整を精度よく行うことができる。また、本実施形態では主ポンプセル２１のポンプ電流Ｉｐ０を用いて酸素濃度検出処理が行われるから、被測定ガス中の酸素濃度も精度良く検出できる。また、測定用ポンプセル４１については第２インピーダンスＲ２が測定され、第２インピーダンスＲ２に基づく補正処理が行われる。そのため、測定用ポンプセル４１を用いて行われる処理、特に測定用ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐ２に基づく処理を、精度良く行うことができる。例えば、本実施形態ではポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出する特定ガス濃度検出処理が行われるから、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。以上のことから、ガスセンサ１００では、主ポンプセル２１を用いて行われる処理と測定用ポンプセル４１を用いて行われる処理とを共に精度良く行うことができる。

また、第１インピーダンス測定部４７ａは内側ポンプ電極２２に１ｋＨｚ以上の周波数の電圧を印加して第１インピーダンスＲ１を測定するから、第１インピーダンスＲ１には主ポンプセル２１の温度と相関の高い値である主ポンプセル２１の固体電解質の抵抗値が現れやすくなる。そのため、ヒータ制御処理による主ポンプセル２１の温度の制御の精度が向上する。さらに、第２インピーダンス測定部４７ｂは測定電極４４に１ｋＨｚ以上の周波数の電圧を印加して第２インピーダンスＲ２を測定するから、第２インピーダンスＲ２には測定用ポンプセル４１の温度と相関の高い値である測定用ポンプセル４１の固体電解質の抵抗値が現れやすくなる。そのため、第２インピーダンスＲ２に基づく補正処理において、測定用ポンプセル４１の温度変化に起因する第２ポンプ電流Ｉｐ２の変化を補正しやすくなる。すなわち補正処理における補正の精度が向上する。

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。

上述した実施形態では、第１，第２インピーダンス測定部４７ａ，４７ｂが印加する電圧は矩形波のパルス電圧としたが、これに限らず周期的な電圧であればよい。例えば三角波や正弦波の電圧を印加してもよい。

上述した実施形態では、第１インピーダンス測定部４７ａは主ポンプセル２１に含まれる一対の電極である内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に電圧を印加したが、これに限らず少なくとも被測定ガス流通部に配設された内側ポンプ電極２２に電圧を印加すればよい。例えば、第１インピーダンス測定部４７ａは内側ポンプ電極２２と基準電極４２との間に電圧を印加して第１インピーダンスＲ１を測定してもよい。この場合でも、少なくとも内側ポンプ電極２２の周辺の固体電解質の抵抗値を含む値として第１インピーダンスＲ１を測定することはできる。同様に、第２インピーダンス測定部４７ｂは少なくとも測定電極４４に電圧を印加すればよく、例えば測定電極４４と基準電極４２との間に電圧を印加してもよい。

上述した実施形態では、制御部９６は、第２インピーダンスＲ２に基づいてポンプ電流Ｉｐ２を補正したが、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて導出される値を補正してもよい。例えば、第２インピーダンスＲ２と、ＮＯｘ濃度の補正量との対応関係を予め調べて記憶部９８に記憶しておいてもよい。この場合、制御部９６は、取得したポンプ電流Ｉｐ２に基づいて導出されたＮＯｘ濃度と、測定された第２インピーダンスＲ２に基づいて導出された補正量と、を用いて補正後のＮＯｘ濃度を導出すればよい。あるいは、ポンプ電流Ｉｐ２と第２インピーダンスＲ２とＮＯｘ濃度との対応関係を予め調べて記憶部９８に記憶しておいてもよい。この場合、制御部９６は、取得したポンプ電流Ｉｐ２と、測定された第２インピーダンスＲ２と、この対応関係と、に基づいてＮＯｘ濃度を導出すればよい。こうして導出されるＮＯｘ濃度は、第２インピーダンスＲ２が加味された補正後のＮＯｘ濃度に相当する。

上述した実施形態では、主ポンプセル２１を第１インピーダンスの測定対象である第１ポンプセルとし、測定用ポンプセル４１を第２インピーダンスの測定対象である第２ポンプセルとした場合について説明したが、これに限られない。センサ素子１０１が有するいずれのポンプセルを、第１ポンプセル（被測定ガス流通部に配設された第１内側電極を有し、酸素のポンピングを行う第１ポンプセル）及び第２ポンプセル（被測定ガス流通部に配設された第２内側電極を有し、酸素のポンピングを行う第２ポンプセル）に対応させてもよい。例えば上述した実施形態のセンサ素子１０１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３つのポンプセルを備えるから、これらのうちいずれを第１ポンプセルとしてもよいし、いずれを第２ポンプセルとしてもよい。例えば、測定用ポンプセル４１ではなく補助ポンプセル５０を第２ポンプセルとしてもよい。この場合、第２インピーダンス測定部４７ｂは補助ポンプセル５０のインピーダンスを第２インピーダンスＲ２として測定し、制御部９６は第２インピーダンスＲ２に基づいてポンプ電流Ｉｐ１を補正するか又はポンプ電流Ｉｐ１に基づく値を補正すればよい。例えば、被測定ガスの組成が同じであっても、上述したヒータ制御処理，調整用ポンプ制御処理，及び測定用ポンプ制御処理の実行中に補助ポンプセル５０に流れるポンプ電流Ｉｐ１が、補助ポンプセル５０の第２インピーダンスＲ２の変化によって変化する場合がある。すなわち、ポンプ電流Ｉｐ１にオフセット電流Ｉｐ１ｏｆｆｓｅｔが含まれており、このオフセット電流Ｉｐ１ｏｆｆｓｅｔが第２インピーダンスＲ２と相関がある場合がある。この場合、補助ポンプセル５０の第２インピーダンスＲ２とオフセット電流Ｉｐ１ｏｆｆｓｅｔとの対応関係を予め記憶部９８に記憶しておく。そして、制御部９６は、補助ポンプセル５０の第２インピーダンスＲ２に基づいてオフセット電流Ｉｐ１ｏｆｆｓｅｔを導出し、ポンプ電流Ｉｐ１からオフセット電流Ｉｐ１ｏｆｆｓｅｔを差し引いた値を補正後のポンプ電流Ｉｐ１として導出する。そして、制御部９６は、補正後のポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊になるように、補正後のポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）して、主ポンプ制御処理を行う。こうすれば、補助ポンプセル５０を用いて行われる処理、例えば主ポンプ制御処理及び補助ポンプ制御処理を精度良く行うことができる。なお、制御部９６はポンプ電流Ｉｐ１を補正する代わりにポンプ電流Ｉｐ１に基づいて導出される目標値Ｖ０＊を補正してもよい。

上述した実施形態では、主ポンプセル２１及び測定用ポンプセル４１のインピーダンスを測定したが、これに加えてさらに補助ポンプセル５０のインピーダンス（第３インピーダンスＲ３）を測定して、この第３インピーダンスに基づいてポンプ電流Ｉｐ１を補正したり、第３インピーダンスに基づいてポンプ電流Ｉｐ１から導出される値を補正したりしてもよい。このようにセンサ素子１０１が備える３以上のポンプセルのインピーダンスを測定する場合は、いずれか１つのポンプセルについて上述した第１インピーダンスの測定及びヒーター制御処理を行い、それ以外のポンプセルについてはいずれもインピーダンスの測定と補正処理とを行ってもよい。

上述した実施形態では説明しなかったが、ガスセンサ１００は、ヒータ７２が７００℃以上９００℃以下の温度範囲の少なくともいずれかの温度に発熱したときにおける内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４の温度をそれぞれＴｐ，Ｔｑ，Ｔｍとすると、温度Ｔｐ＞温度Ｔｑ＞温度Ｔｍとなるようにガスセンサ１００を構成することが好ましい。被測定ガス流通部から汲み出すべき酸素の量は主ポンプセル２１が最も多く，次いで補助ポンプセル５０が多く、第１測定用ポンプセル４１は比較的少ないことから、上記の温度の大小関係を満たすことで主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０のポンピング能力を十分高くすることができる。また、このように被測定ガス流通部内に配設された複数の電極の温度を異ならせる場合、上述した実施形態のように最も温度を高く調整したい電極（ここでは内側ポンプ電極２２）を含むポンプセル（ここでは主ポンプセル２１）を第１ポンプセルとすることが好ましい。こうすれば、最も温度を高く調整したい電極を含むポンプセルについて、第１インピーダンスの測定及びヒータ制御処理を行って、温度を目標温度に調整することができる。

上述した実施形態では、ガスセンサ１００は第１インピーダンス測定部４７ａと第２インピーダンス測定部４７ｂとを別々に備えていたが、１つのインピーダンス測定部が第１インピーダンス測定部４７ａと第２インピーダンス測定部４７ｂとの機能を兼ねていてもよい。また、上述した実施形態において、制御装置９５の機能を複数の装置で分担して行ってもよい。例えば、ヒータ制御処理を行う装置と補正処理を行う装置とが別々の装置であってもよい。

上述した実施形態では、酸素濃度調整室は第１内部空所２０と第２内部空所４０とを有していたが、これに限らず例えば酸素濃度調整室がさらに別の内部空所を備えていてもよいし、第１内部空所２０と第２内部空所４０との一方を省略してもよい。同様に、上述した実施形態では調整用ポンプセルは主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを有していたが、これに限らず例えば調整用ポンプセルがさらに別のポンプセルを備えていてもよいし、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との一方を省略してもよい。例えば、主ポンプセル２１のみで被測定ガスの酸素濃度を十分低くすることができる場合は、補助ポンプセル５０を省略してもよい。補助ポンプセル５０を省略する場合、制御部９６は、調整用ポンプ制御処理として主ポンプ制御処理のみを行えばよい。また、主ポンプ制御処理では、上述したポンプ電流Ｉｐ１に基づく目標値Ｖ０＊の設定を省略すればよい。具体的には、所定の目標値Ｖ０＊を予め記憶部９８に記憶しておき、制御部９６は電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊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、主ポンプセル２１を制御すればよい。

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６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６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例えばポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出できる。この場合、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。

上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３は、主ポンプセル２１における内側ポンプ電極２２と対になる電極（外側主ポンプ電極とも言う）としての役割と、補助ポンプセル５０の補助ポンプ電極５１と対になる電極（外側補助ポンプ電極とも言う）としての役割と、測定用ポンプセル４１の測定電極４４と対になる電極（外側測定電極とも言う）としての役割とを兼ねていたが、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，及び外側測定電極のうちのいずれか１以上を、外側ポンプ電極２３とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。

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１において第２固体電解質層６以外の層１～５は固体電解質層以外の材質からなる層（例えばアルミナからなる層）としてもよい。この場合、センサ素子１０１が有する各電極は第２固体電解質層６に配設されるようにすればよい。例えば、図１の測定電極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に設ける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、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）し、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるようにポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御したが、他の制御を行ってもよい。例えば、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいてポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御部９６は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０からの電圧Ｖ０の取得や目標値Ｖ０＊の設定を省略して、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて直接的にポンプ電圧Ｖｐ０を制御（ひいてはポンプ電流Ｉｐ０を制御）してもよい。

本発明は、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサに利用可能である。

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、４７ａ，４７ｂ 第１，第２インピーダンス測定部、４８ 基準ガス導入層、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、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 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、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。

Claims (4)

1. 被測定ガス中の特定ガスの濃度である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有し、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
   前記被測定ガス流通部に配設された第１内側電極を有し、酸素のポンピングを行う第１ポンプセルと、
   前記被測定ガス流通部に配設された第２内側電極を有し、酸素のポンピングを行う第２ポンプセルと、
   前記素子本体を加熱するヒータと、
   前記第１内側電極に電圧を印加して第１インピーダンスを測定する第１インピーダンス測定部と、
   前記第２内側電極に電圧を印加して第２インピーダンスを測定する第２インピーダンス測定部と、
   前記第１インピーダンスが目標値になるように前記ヒータを制御するヒータ制御処理と、前記第２インピーダンスに基づいて、前記第２ポンプセルを流れる第２ポンプ電流を補正するか又は前記第２ポンプ電流に基づいて導出される値を補正する補正処理と、を行う制御装置と、
   を備えたガスセンサ。
2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
   前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように前記素子本体の内部に配設された基準電極と、
   前記第１ポンプセルを有し、前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
   を備え、
   前記第１内側電極は、前記酸素濃度調整室に配設され、
   前記第２内側電極は、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室よりも下流に設けられた測定室に配設された内側測定電極であり、
   前記第２ポンプセルは、前記測定室から前記特定ガスに由来する酸素を汲み出す測定用ポンプセルであり、
   前記制御装置は、前記酸素濃度調整室の酸素濃度が目標濃度となるように前記調整用ポンプセルを制御する調整用ポンプ制御処理と、前記調整用ポンプ制御処理によって前記第１ポンプセルに流れる第１ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出処理と、前記基準電極と前記内側測定電極との間の電圧が目標値になるように前記測定用ポンプセルに印加される制御電圧をフィードバック制御する測定用ポンプ制御処理と、前記測定用ポンプ制御処理によって前記測定用ポンプセルに流れる前記第２ポンプ電流である測定用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出処理と、を行い、
   前記制御装置は、前記補正処理において、前記第２インピーダンスに基づいて、前記特定ガス濃度検出処理における前記測定用ポンプ電流を補正するか又は前記特定ガス濃度を補正する、
   ガスセンサ。
3. 前記酸素濃度調整室は、前記第１内側電極が配設された第１内部空所と、前記被測定ガス流通部のうち前記第１内部空所よりも下流且つ前記測定室よりも上流に設けられた第２内部空所と、を有し、
   前記調整用ポンプセルは、前記第１ポンプセルである主ポンプセルと、前記第２内部空所に配設された補助ポンプ電極を有し酸素のポンピングを行う補助ポンプセルと、を有し、
   前記調整用ポンプ制御処理は、前記主ポンプセルを制御して前記第１内部空所の酸素濃度を調整する主ポンプ制御処理と、前記補助ポンプセルを制御して前記第２内部空所の酸素濃度を調整する補助ポンプ制御処理と、を含む、
   請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記第１インピーダンス測定部は、前記第１内側電極に１ｋＨｚ以上の周波数の前記電圧を印加して前記第１インピーダンスを測定し、
   前記第２インピーダンス測定部は、前記第２内側電極に１ｋＨｚ以上の周波数の前記電圧を印加して前記第２インピーダンスを測定する、
   請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。

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