JPWO2020004356A1 - ガスセンサ - Google Patents

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Abstract

ガスセンサ１００では、外側ポンプ電極２３の周囲から基準電極４２の周囲に酸素を汲み入れる酸素汲み入れ制御を行う。また、酸素汲み入れ制御の実行中に、基準電極４２と測定電極４４との間の電圧Ｖ２が目標電圧Ｖ２＊になるよう測定電極４４の周囲からＮＯｘに由来する酸素を汲み出したときのポンプ電流Ｉｐ２を測定する。そして、そのポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガスのＮＯｘ濃度を演算する。このガスセンサ１００では、酸素汲み入れ制御を実行しなかったときの基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１と酸素汲み入れ制御を実行したときの基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２との差である残留電圧ＤＶｒｅｆに基づいて、ＮＯｘ濃度を補正する。

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複数積層した積層体と、積層体の内部に設けられて基準ガス（例えば大気）が導入される基準電極と、積層体の内部の被測定ガス流通部に設けられた測定電極と、積層体のうち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、を備えたガスセンサが記載されている。このガスセンサは、基準電極と測定電極との間の電圧が目標電圧になるよう測定電極の周囲から特定ガスに由来する酸素を汲み出したときの電流を測定し、その電流に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を算出する。また、このガスセンサは、基準電極と被測定ガス側電極との間に電流（酸素汲み入れ電流）を流して、基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行う。このように基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行うことで、基準電極の周囲の基準ガスの酸素濃度が一時的に低下した場合に酸素濃度の低下を補うことができ、特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制する。
特開２０１５−２００６４３号公報
しかしながら、被測定ガス側電極の周囲の酸素を基準電極の周囲に汲み入れる場合、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度が低下することがあった。この検出精度の低下は、基準電極が経時劣化してその基準電極の抵抗が高くなると顕著になった。
本発明は、上述した課題に鑑みなされたものであり、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度を向上させることを主目的とする。
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明のガスセンサは、
積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
前記積層体の内部に設けられ、前記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が導入される基準電極と、
前記被測定ガス流通部のうちの測定室の内周面上に設けられた測定電極と、
前記積層体のうち前記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、
前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れる酸素汲み入れ制御を行う制御手段と、
前記酸素汲み入れ制御の実行中に、前記基準電極と前記測定電極との間の電圧が目標電圧になるよう前記測定電極の周囲から前記特定ガスに由来する酸素を汲み出したときの濃度検出用ポンプ電流を測定し、該濃度検出用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガスの特定ガス濃度を演算する演算手段と、
を備え、
前記演算手段は、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、
ものである。
このガスセンサでは、被測定ガス側電極の周囲から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。例えば被測定ガスが基準電極の周囲に侵入した場合などには基準ガスの酸素濃度が低下するが、酸素汲み入れ制御を行うことにより基準ガスの酸素濃度の低下を防止することができる。また、酸素汲み入れ制御の実行中に、基準電極と測定電極との間の電圧が目標電圧になるよう測定電極の周囲から特定ガスに由来する酸素を汲み出したときの濃度検出用ポンプ電流を測定し、その濃度検出用ポンプ電流に基づいて被測定ガスの特定ガス濃度を演算する。基準電極と測定電極との間の電圧は、測定電極の周囲と基準電極の周囲との酸素濃度差に基づく起電力のほかに、酸素汲み入れ制御時に基準電極に流れる電流に基準電極の抵抗を乗じて得られる電圧降下分も含まれる。この電圧降下分は、酸素汲み入れ制御を実行しなかったときの基準電極と被測定ガス側電極との間の第１ベース電圧と酸素汲み入れ制御を実行したときの基準電極と被測定ガス側電極との間の第２ベース電圧との差と一致すると考えられる。ここでは、その差に基づいて被測定ガスの特定ガス濃度を補正するため、基準電極の経時劣化による特定ガス濃度の検出精度の低下を防止することができる。
本発明のガスセンサにおいて、前記酸素汲み入れ制御手段は、前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に繰り返しオンオフされる電圧を印加することにより前記酸素汲み入れ制御を行うものであり、前記演算手段は、前記酸素汲み入れ制御で前記繰り返しオンオフされる電圧がオフの期間に、前記濃度検出用ポンプ電流及び前記第２ベース電圧を測定してもよい。こうすれば、酸素汲み入れ制御で用いられる電圧が濃度検出用ポンプ電流の測定に与える影響を抑制することができる。この場合、前記演算手段は、前記酸素汲み入れ制御で前記繰り返しオンオフされる電圧がオフの期間であって次回オンになる直前のタイミングで、前記濃度検出用ポンプ電流及び前記第２ベース電圧を測定してもよい。こうすれば、酸素汲み入れ制御で用いられる電圧が濃度検出用ポンプ電流の測定に与える影響をより抑制することができる。
本発明のガスセンサにおいて、前記演算手段は、前記濃度検出用ポンプ電流を測定するにあたり、今回の前記第１ベース電圧と前記第２ベース電圧との差と、過去の前記第１ベース電圧と前記第２ベース電圧との差との差分に基づいて、前記過去において使用した前記目標電圧を補正し、補正後の前記目標電圧になるよう前記測定電極の周囲から前記特定ガスに由来する酸素を汲み出したときの前記濃度検出用ポンプ電流を測定してもよい。こうした差分は、今回の電圧降下分と過去の電圧降下分との差と一致すると考えられる。すなわち、差分は、過去から今回までの間に基準電極が経時劣化して基準電極の抵抗が変化したときの抵抗変化量を反映した電圧といえる。したがって、この差分に基づいて目標電圧を補正することにより、目標電圧を適切に設定することができる。なお、「過去」は、例えば前回としてもよいし初回としてもよい。
本発明のガスセンサにおいて、前記演算手段は、更に、熱起電力の経時変化量に基づいて前記被測定ガスの特定ガス濃度を補正してもよい。こうすれば、特定ガス濃度の検出精度の経時による低下をより確実に防止することができる。
ガスセンサ１００の縦断面図。 センサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図。 制御装置９０の一例を示したブロック図。 電圧Ｖｐ３の時間変化の一例を示す説明図。 電圧Ｖｒｅｆの時間変化の一例を示す説明図。 目標電圧更新処理の一例を示すフローチャート。 大気導入層２４８の周辺の構成を示した断面模式図。 変形例のセンサ素子２０１の断面模式図。 目標電圧更新処理の別例を示すフローチャート。
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の縦断面図である。図２は、ガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０１の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図３は、制御装置９０の一例を示したブロック図である。なお、センサ素子１０１は長尺な直方体形状をしており、このセンサ素子１０１の長手方向（図２の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１０１の厚み方向（図２の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１０１の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。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、例えば国際公開２０１３／００５４９１号に記載されている。
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の前端側を保護する保護カバー１３０と、センサ素子１０１と導通するコネクタ１５０を含むセンサ組立体１４０と、制御装置９０（図３参照）とを備えている。このガスセンサ１００は、図示するように例えば車両の排ガス管などの配管１９０に取り付けられて、被測定ガスとしての排気ガスに含まれるＮＯｘやＮＨ4、Ｏ2等の特定ガスの濃度を測定するために用いられる。本実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。
保護カバー１３０は、センサ素子１０１の前端を覆う有底筒状の内側保護カバー１３１と、この内側保護カバー１３１を覆う有底筒状の外側保護カバー１３２とを備えている。内側保護カバー１３１及び外側保護カバー１３２には、被測定ガスを保護カバー１３０内に流通させるための複数の孔が形成されている。内側保護カバー１３１で囲まれた空間としてセンサ素子室１３３が形成されており、センサ素子１０１の前端はこのセンサ素子室１３３内に配置されている。
センサ組立体１４０は、センサ素子１０１を封入固定する素子封止体１４１と、素子封止体１４１に取り付けられたナット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の前端や保護カバー１３０の部分が配管１９０内に突出した状態で、ガスセンサ１００が配管１９０に固定されている。
外筒１４８は、内筒１４３，センサ素子１０１，コネクタ１５０の周囲を覆っており、コネクタ１５０に接続された複数のリード線１５５が後端から外部に引き出されている。このリード線１５５は、コネクタ１５０を介してセンサ素子１０１の各電極（後述）と導通している。外筒１４８とリード線１５５との隙間はゴム栓１５７によって封止されている。外筒１４８内の空間１４９は基準ガス（本実施形態では大気）で満たされている。センサ素子１０１の後端はこの空間１４９内に配置されている。
図２に示すように、センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ2）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
センサ素子１０１の一端（図２の左側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１（測定室）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。
第３基板層３の上面と第１固体電解質層４の下面との間には、大気導入層４８が設けられている。大気導入層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。大気導入層４８は、後端面が入口部４８ｃとなっており、この入口部４８ｃはセンサ素子１０１の後端面に露出している。入口部４８ｃは、図１の空間１４９内に露出している（図１参照）。大気導入層４８には、この入口部４８ｃから、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスが導入される。基準ガスは、本実施形態では大気（図１の空間１４９内の雰囲気）とした。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。この大気導入層４８は、入口部４８ｃから導入された基準ガスに対して所定の拡散抵抗を付与しつつこれを基準電極４２に導入する。
基準電極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、大気導入層４８が設けられている。基準電極４２は、第３基板層３の上面に直に形成されており、第３基板層３の上面に接する部分以外が大気導入層４８に覆われている。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，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。特にこれに限定するものではないが、基準電極４２の前後方向長さは、例えば０．２〜２ｍｍであり、左右方向幅は例えば０．２〜２．５ｍｍであり、厚さは例えば５〜３０ｍｍである。
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濃度変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。
主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間（図１のセンサ素子室１３３）に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが直に形成され、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との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流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、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可変電源２５のポンプ電圧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２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。
第２内部空所４０は、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。
補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４の上面には、底部電極部５１ｂが直に形成され、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の上面に直に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極４４は、多孔質サーメット電極である。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（濃度検出用ポンプ電流）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、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の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なＶｒｅｆ検出センサセル８３が構成されており、このＶｒｅｆ検出センサセル８３によって得られる電圧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が印加する電圧Ｖｐ３により酸素汲み入れ電流Ｉｐ３が流れることで、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の周囲に酸素の汲み入れを行う。
このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。
さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５と、リード線７６とを備えている。
ヒータコネクタ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。
ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、リード線７６及びスルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第３内部空所６１の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成された多孔質アルミナからなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
圧力放散孔７５は、第３基板層３及び大気導入層４８を貫通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
なお、図２に示した可変電源２５，４６，５２などは、実際にはセンサ素子１０１内に形成された図示しないリード線や図１のコネクタ１５０及びリード線１５５を介して、各電極と接続されている。
制御装置９０は、図３に示すように、ＣＰＵ９２やメモリ９４などを備えた周知のマイクロプロセッサである。制御装置９０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、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３にて検出される電圧Ｖｒｅｆ、主ポンプセル２１にて検出される電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出される電流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、制御装置９０は、主ポンプセル２１の可変電源２５、補助ポンプセル５０の可変電源５２、測定用ポンプセル４１の可変電源４６へ制御信号を出力する。また、制御装置９０は、基準ガス調整ポンプセル８４に図示しない電源回路からパルス電圧が出力されるように制御する。
制御装置９０は、電圧Ｖ０が目標電圧Ｖ０＊となるように可変電源２５のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。そのため、ポンプ電流Ｉｐ０は被測定ガスに含まれる酸素濃度ひいては被測定ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）に応じて変化する。そのため、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ０に基づいて被測定ガスの酸素濃度やＡ／Ｆを算出することができる。
また、制御装置９０は、電圧Ｖ１が目標電圧Ｖ１＊となるように（つまり第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酸素濃度となるように）可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。なお、目標電圧Ｖ１＊は、酸素汲み入れ制御による基準電極４２での電圧降下分を加味して設定してもよい。これとともに、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標電圧Ｖ０＊を設定する。これにより、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。
更に、制御装置９０は、電圧Ｖ２が目標電圧Ｖ２＊となるように（つまり被測定ガス中の窒素酸化物が第３内部空所６１で還元されることにより発生した酸素の濃度が実質的にゼロとなるように）可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御し、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中の窒素酸化物濃度を算出する。なお、目標電圧Ｖ２＊は、酸素汲み入れ制御による基準電極４２での電圧降下分を加味して設定してもよい。
基準ガス調整ポンプセル８４の果たす役割について、以下に説明する。センサ素子１０１のうちガス導入口１０などの被測定ガス流通部には、図１に示したセンサ素子室１３３から被測定ガスが導入される。一方、センサ素子１０１のうち大気導入層４８には、図１に示した空間１４９内の基準ガス（大気）が導入される。そして、このセンサ素子室１３３と空間１４９とは、センサ組立体１４０（特に、圧粉体１４５ａ，１４５ｂ）によって区画され、互いにガスが流通しないように封止されている。しかし、被測定ガス側の圧力が一時的に増大したときなどには、被測定ガスがわずかに空間１４９内に侵入してしまう場合がある。これにより、基準電極４２周囲の酸素濃度が一時的に低下してしまうと、基準電極４２の電位である基準電位が変化してしまう。これにより、例えば測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２の電圧Ｖ２など、基準電極４２を基準とした電圧が変化してしまい、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度が低下してしまう。基準ガス調整ポンプセル８４は、このような検出精度の低下を抑制する役割を果たしている。制御装置９０は、電圧Ｖｐ３として所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃ）で繰り返しオンオフされるパルス電圧（図４参照）を基準ガス調整ポンプセル８４の基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間に印加して酸素汲み入れ電流Ｉｐ３を流すことにより、外側ポンプ電極２３周辺から基準電極４２周辺へ酸素を汲み入れる酸素汲み入れ制御を行う。これにより、上述したように被測定ガスが基準電極４２周囲の酸素濃度を一時的に低下させた場合に、減少した酸素を補うことができ、ＮＯｘ濃度の検出精度の低下を抑制できる。
次に、制御装置９０によって実行される目標電圧更新処理について、以下に説明する。目標電圧更新処理は、目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を更新する処理である。目標値更新処理のフローチャートを図６に示す。目標電圧更新処理は、所定時間毎（例えば５０時間毎とか１００時間毎）に開始される。但し、オペレータが目標電圧更新処理の開始指令を入力したときに開始されるものとしてもよい。
この処理が開始されると、制御装置９０のＣＰＵ９２は、各種制御を停止する（Ｓ１００）。具体的には、ＣＰＵ９２は、電圧Ｖ０が目標電圧Ｖ０＊となるようにポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバックする制御、電圧Ｖ１が目標電圧Ｖ１＊となるように電圧Ｖｐ１をフィードバックする制御、電圧Ｖ２が目標電圧Ｖ２＊となるように電圧Ｖｐ２をフィードバックする制御及び基準電極４２へ酸素を組み入れる酸素組み入れ制御などを停止する。
次に、ＣＰＵ９２は、酸素汲み入れ制御を実行しなかったときの基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１を取得する（Ｓ１１０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、電圧Ｖｐ３がゼロの状態を所定時間（例えばパルス電圧の周期の１００倍程度）継続させたあと電圧Ｖｒｅｆを読み込み、この電圧Ｖｒｅｆを第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１としてメモリ９４に記憶する。第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１はパルス電圧の影響がほぼなくなったときの電圧であり、図５に示すように時間経過にかかわらず一定の値になる。第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１には、基準ガスと被測定ガスとの酸素濃度差に基づく起電力が含まれる。
次に、ＣＰＵ９２は、酸素汲み入れ制御を実行したときの基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２を取得する（Ｓ１２０）。基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の電圧Ｖｐ３に図４のパルス電圧が印加されると、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３によって検出される電圧Ｖｒｅｆは図５に示すように変化する。即ち、電圧Ｖｐ３のパルス電圧がオンになるとそれに伴って電圧Ｖｒｅｆは徐々に立ち上がり、電圧Ｖｐ３のパルス電圧がオフになるとそれに伴って電圧Ｖｒｅｆは徐々に立ち下がり、パルス電圧がオフになってから次にオンになるまでの間、電圧Ｖｒｅｆは所定の電圧にほぼ収束する。ＣＰＵ９２は、パルス電圧がオフになってから次にオンになる直前（図５の１点鎖線の矢印参照）で電圧Ｖｒｅｆ（収束電圧）を読み込み、それを第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２としてメモリ９４に記憶する。第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２には、基準ガスと被測定ガスとの酸素濃度差に基づく起電力に加えて、基準電極４２を流れる酸素汲み入れ電流に基準電極４２の抵抗を乗じた電圧（電圧降下分）が含まれる。
なお、第１及び第２ベース電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を取得する際の被測定ガスの酸素濃度は同じになるようにする。例えば、被測定ガスが内燃機関の排ガスの場合、内燃機関のフューエルカット時であれば排ガスに含まれる酸素濃度が同じであるため、フューエルカット時に第１及び第２ベース電圧Ｖｒｅｆ１，Ｖｒｅｆ２を取得する。
次に、ＣＰＵ９２は、今回の残留電圧ＤＶｒｅｆを算出し、それをメモリ９４に記憶する（Ｓ１３０）。具体的には、ＣＰＵ９２は、第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２から第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１を差し引くことにより、今回の残留電圧ＤＶｒｅｆを算出し、それをメモリ９４に記憶する。この残留電圧ＤＶｒｅｆは、基準電極４２に流れる酸素汲み入れ電流に基準電極４２の抵抗を乗じて得られる電圧（電圧降下分）と一致すると考えられる。
次に、ＣＰＵ９２は、メモリ９４から前回の残留電圧ＤＶｒｅｆを読み出し（Ｓ１４０）、今回の残留電圧ＤＶｒｅｆから前回の残留電圧ＤＶｒｅｆを差し引くことにより、差分ΔＤＶｒｅｆを算出する（Ｓ１５０）。差分ΔＤＶｒｅｆは、今回の電圧降下分と前回の電圧降下分との差と一致すると考えられる。すなわち、差分ΔＤＶｒｅｆは、前回から今回までの間に基準電極４２が経時劣化して基準電極４２の抵抗が変化したときの抵抗変化量を反映した電圧といえる。なお、目標電圧更新処理の初回においては、前回の残留電圧ＤＶｒｅｆはメモリ９４に記憶されていないため差分ΔＤＶｒｅｆをゼロとみなすこととする。
次に、ＣＰＵ９２は、差分ΔＤＶｒｅｆに基づいて目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を更新し（Ｓ１６０）、本ルーチンを終了する。具体的には、ＣＰＵ９２は、前回の目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊に差分ΔＤＶｒｅｆを反映させる（例えば加算する）ことにより今回の目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を算出する。
その後、ＣＰＵ９２は、Ｓ１００で停止した各種制御を再開する。具体的には、ＣＰＵ９２は、酸素くみ出し制御を再開し、電圧Ｖ１が更新後の目標電圧Ｖ１＊となるように電圧Ｖｐ１のフィードバック制御を実行すると共に、電圧Ｖ２が更新後の目標電圧Ｖ２＊となるように電圧Ｖｐ２のフィードバック制御を実行する。また、ＣＰＵ９２は、第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２を測定するタイミングと同じタイミングで、すなわちパルス電圧がオフになったあと次回オンになる直前のタイミングで、ポンプ電流Ｉｐ２を読み込んでそのポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
ＮＯｘ濃度を求めるのに用いられるポンプ電流Ｉｐ２は、電圧Ｖ２が目標電圧Ｖ２＊になるように測定用ポンプセル４１の可変電源４６（電圧Ｖｐ２）を制御したときに測定用ポンプセル４１に流れる電流である。電圧Ｖ２には、測定電極４４の周囲と基準電極４２の周囲との酸素濃度差に基づく起電力と、測定電極４４と基準電極４２との熱起電力と、基準電極４２への酸素汲み入れ電流に基準電極４２の抵抗を乗じた値（電圧降下分）とが含まれる。熱起電力は経時によってほとんど変化しないが、電圧降下分は経時によって基準電極４２が劣化して抵抗が変化するため変化する。電圧Ｖ２が一定になるように制御したとき、電圧降下分が大きくなると、測定電極４４の周囲と基準電極４２の周囲との酸素濃度差に基づく起電力が減少してしまい、それによりＮＯｘ濃度の検出精度の低下を招く。しかし、本実施形態では、上述したように、電圧降下分に相当する残留電圧ＤＶｒｅｆに基づいて目標電圧Ｖ２＊を更新している。そのため、電圧Ｖ２が目標電圧Ｖ２＊になるように制御したときに、測定電極４４の周囲と基準電極４２の周囲との酸素濃度差に基づく起電力が減少することはなく、ＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。
また、電圧Ｖ１は、基準電極４２と補助ポンプ電極５１との電位差を測定した値であることから基準電極４２に流れる酸素組み入れ電流の影響を受ける。そのため、この電圧Ｖ１の目標電圧Ｖ１＊も残留電圧ＤＶｒｅｆに基づいて更新することにより、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酸素濃度となるように精度よく制御することができる。電圧Ｖ１には、補助ポンプ電極５１の周囲と基準電極４２の周囲との酸素濃度差に基づく起電力と、補助ポンプ電極５１と基準電極４２との熱起電力と、基準電極４２への酸素汲み入れ電流に基準電極４２の抵抗を乗じた値（電圧降下分）とが含まれる。
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積層体に相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、測定電極４４が測定電極に相当し、外側ポンプ電極２３が被測定ガス側電極に相当し、制御装置９０のＣＰＵ９２が制御手段及び演算手段に相当する。
以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、例えば被測定ガスが基準電極４２の周囲に侵入した場合などには基準ガスの酸素濃度が低下するが、酸素汲み入れ制御を行うことにより基準ガスの酸素濃度の低下を防止することができる。また、基準電極４２と測定電極４４との間の電圧Ｖ２は、測定電極４４の周囲と基準電極４２の周囲との酸素濃度差に基づく電圧のほかに、酸素汲み入れ制御時に基準電極４２に流れる電流に基準電極４２の抵抗を乗じて得られる電圧降下分も含まれる。この電圧降下分は、酸素汲み入れ制御を実行しなかったときの基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の第１ベース電圧Ｖｒｅｆ１と酸素汲み入れ制御を実行したときの基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２との差である残留電圧ＤＶｒｅｆと一致すると考えられる。ここでは、その残留電圧ＤＶｒｅｆに基づいて被測定ガスのＮＯｘ濃度を補正するため、基準電極４２の経時劣化によるＮＯｘ濃度の検出精度の低下を防止することができる。
また、パルス電圧を用いて酸素汲み入れ制御を行い、そのパルス電圧がオフの期間にポンプ電流Ｉｐ２や第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２を測定するため、酸素汲み入れ制御に用いる電圧がポンプ電流Ｉｐ２や第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２の測定に与える影響を抑制することができる。特にパルス電圧がオフの期間であって次回オンになる直前のタイミングでポンプ電流Ｉｐ２や第２ベース電圧Ｖｒｅｆ２を測定するため、そうした影響をより抑制することができる。
更に、差分ΔＤＶｒｅｆは、今回の電圧降下分と前回の電圧降下分との差と一致すると考えられる。すなわち、差分ΔＤＶｒｅｆは、前回から今回までの間に基準電極４２が経時劣化して基準電極４２の抵抗が変化したときの抵抗変化量を反映した電圧といえる。したがって、この差分に基づいて目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を補正することにより、目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を適切に設定することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施しうることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、差分ΔＤＶｒｅｆを前回の目標電圧Ｖ１＊、Ｖ２＊に反映させることによりＮＯｘ濃度の補正を行ったが、特にこれに限定されるものではない。例えば、目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を更新することなく、検出される電圧Ｖ１，Ｖ２に差分ΔＤＶｒｅｆを反映させることにより、ＮＯｘ濃度の補正を行ってもよい。
上述した実施形態において、大気導入層４８の代わりに、図７に示す大気導入層２４８を採用してもよい。大気導入層２４８は、第１固定電解質層４の後方をくり抜いた基準ガス導入空間４３に露出している。この露出部分から大気が大気導入層２４８に入り込むようになっている。
上述した実施形態では、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図８のセンサ素子２０１のように、第３内部空所６１を備えないものとしてもよい。図８に示した変形例のセンサ素子２０１では、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。また、測定電極４４は、第２内部空所４０内の第１固体電解質層４の上面に配設されている。測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、上述した実施形態の第４拡散律速部６０と同様に、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。また、第４拡散律速部４５は、測定電極４４の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａは、測定電極４４の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子２０１であっても、上述した実施形態と同様に、測定用ポンプセル４１によりＮＯｘ濃度を検出できる。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。なお、図８のうち図２と同じ構成要素については同じ符号を付した。
上述した実施形態では、基準電極４２は第３基板層３の上面に直に形成されているものとしたが、これに限られない。例えば、基準電極４２は第１固体電解質層４の下面に直に形成されていてもよい。
上述した実施形態では、被測定ガスに含まれるＮＯｘ濃度を測定する場合について説明したが、特にＮＯｘ濃度に限定されるものではない。例えば、ガスセンサ１００を用いて、被測定ガスに含まれるアンモニアの濃度を測定することもできる。その場合、第１内部空所２０の内側ポンプ電極２２は、アンモニアの酸化を促進する触媒機能を有する金属を含むようにする。被測定ガスに含まれるアンモニアは、第１内部空所２０内で酸化されてＮＯに変換される。そして、変換された後のＮＯが第２内部空所４０を経て測定室である第３内部空所６１に導入される。そのため、アンモニア濃度測定は、基本的にはＮＯｘ濃度測定と同じ原理によって行われる。
上述した実施形態において、更に、熱起電力の経時変化量に基づいてＮＯｘ濃度を補正してもよい。その一例を図９のフローチャートに示す。熱起電力には、測定電極４４と基準電極４２との温度差によって発生する熱起電力と、補助ポンプ電極５１と基準電極４２との温度差によって発生する熱起電力とがある。図９のフローチャートでは、上述した実施形態のＳ１００〜Ｓ１５０の処理を実施する。但し、Ｓ１１０では、ＣＰＵ９２は、各種制御を停止し且つ酸素汲み入れ制御を実行しなかったときの電圧Ｖ１，Ｖ２も取得する。そして、Ｓ１５０の後、ＣＰＵ９２は、差分ΔＶ１，ΔＶ２を算出する（Ｓ１５２）。差分ΔＶ１は、今回のＳ１１０で取得した電圧Ｖ１から前回のＳ１１０で取得した電圧Ｖ１を差し引いた値である。この差分ΔＶ１は、測定電極４４と基準電極４２との温度差によって発生する熱起電力の、今回と前回との差分（経時変化量）と一致すると考えられる。差分ΔＶ２は、今回のＳ１１０で取得した電圧Ｖ２から前回のＳ１１０で取得した電圧Ｖ２を差し引いた値である。この差分ΔＶ２は、補助ポンプ電極５１と基準電極４２との温度差によって発生する熱起電力の、今回と前回との差分（経時変化量）と一致すると考えられる。なお、目標電圧更新処理の初回においては、差分ΔＶ１，Ｖ２をゼロとみなすこととする。次に、ＣＰＵ９２は、差分ΔＤＶｒｅｆと差分ΔＶ１との和に基づいて目標電圧Ｖ１＊を更新すると共に、差分ΔＤＶｒｅｆと差分ΔＶ２との和に基づいて目標電圧Ｖ２＊を更新し（Ｓ１５４）、本ルーチンを終了する。具体的には、ＣＰＵ９２は、前回の目標電圧Ｖ１＊に差分ΔＤＶｒｅｆ及び差分ΔＶ１を反映させる（例えば加算する）ことにより今回の目標電圧Ｖ１＊を算出すると共に、前回の目標電圧Ｖ２＊に差分ΔＤＶｒｅｆ及び差分ΔＶ２を反映させることにより今回の目標電圧Ｖ２＊を算出する。図９のフローチャートによれば、上述した実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、熱起電力が経時変化したとしても、その経時変化を考慮してＮＯｘ濃度を検出するため、特定ガス濃度の検出精度の経時による低下をより確実に防止することができる。
上述した実施形態では、差分ΔＤＶｒｅｆを今回のＤＶｒｅｆと前回のＤＶｒｅｆとの差分としたが、差分ΔＤＶｒｅｆを今回のＤＶｒｅｆと初回（使い始めた最初のタイミング）のＤＶｒｅｆとの差分としてもよい。この場合、差分ΔＤＶｒｅｆを初回の目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊に反映させる（例えば加算する）ことにより今回の目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を算出すればよい。また、図９のフローチャートにおいては、差分ΔＤＶｒｅｆを今回のＤＶｒｅｆと初回のＤＶｒｅｆとの差分とするのに加えて、差分ΔＶ１，ΔＶ２を、今回の電圧Ｖ１，Ｖ２からそれぞれ初回（使い始めた最初のタイミング）の電圧Ｖ１，Ｖ２を差し引いた値としてもよい。そして、差分ΔＤＶｒｅｆと差分ΔＶ１を初回の目標電圧Ｖ１＊に反映させ、差分ΔＤＶｒｅｆと差分ΔＶ２を初回の目標電圧Ｖ２＊に反映させることにより、今回の目標電圧Ｖ１＊，Ｖ２＊を算出すればよい。
本出願は、２０１８年６月２８日に出願された日本国特許出願第２０１８−１２２８４３号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
本発明は、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘ又は酸素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、２５ 可変電源、３０ 第３拡散律速部、４０ 第２内部空所、４１ 測定用ポンプセル、４２ 基準電極、４３ 基準ガス導入空間、４４ 測定電極、４５ 第４拡散律速部、４６ 可変電源、４８ 大気導入層、４８ｃ 入口部、５０ 補助ポンプセル、５１ 補助ポンプ電極、５１ａ 天井電極部、５１ｂ 底部電極部、５２ 可変電源、６０ 第４拡散律速部、６１ 第３内部空所、７０ ヒータ部、７１ ヒータコネクタ電極、７２ ヒータ、７３ スルーホール、７４ ヒータ絶縁層、７５ 圧力放散孔、７６ リード線、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 Ｖｒｅｆ検出センサセル、８４ 基準ガス調整ポンプセル、９０ 制御装置、９２ ＣＰＵ、９４ メモリ、１００ ガスセンサ、１０１，２０１ センサ素子、１３０ 保護カバー、１３１ 内側保護カバー、１３２ 外側保護カバー、１３３ センサ素子室、１４０ センサ組立体、１４１ 素子封止体、１４２ 主体金具、１４３ 内筒、１４３ａ，１４３ｂ 縮径部、１４４ａ，１４４ｂ，１４４ｃ セラミックスサポーター、１４５ａ，１４５ｂ 圧粉体、１４６ メタルリング、１４７ ナット、１４８ 外筒、１４９ 空間、１５０ コネクタ、１５５ リード線、１５７ ゴム栓、１９０ 配管、１９１ 固定用部材、２４８ 大気導入層。

Claims (5)

  1. 積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた積層体と、
    前記積層体の内部に設けられ、前記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が導入される基準電極と、
    前記被測定ガス流通部のうちの測定室の内周面上に設けられた測定電極と、
    前記積層体のうち前記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、
    前記被測定ガス側電極の周囲から前記基準電極の周囲に酸素を汲み入れる酸素汲み入れ制御を行う制御手段と、
    前記酸素汲み入れ制御の実行中に、前記基準電極と前記測定電極との間の電圧が目標電圧になるよう前記測定電極の周囲から前記特定ガスに由来する酸素を汲み出したときの濃度検出用ポンプ電流を測定し、該濃度検出用ポンプ電流に基づいて前記被測定ガスの特定ガス濃度を演算する演算手段と、
    を備え、
    前記演算手段は、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、
    ガスセンサ。
  2. 前記酸素汲み入れ制御手段は、前記被測定ガス側電極と前記基準電極との間に繰り返しオンオフされる電圧を印加することにより前記酸素汲み入れ制御を行うものであり、
    前記演算手段は、前記酸素汲み入れ制御で前記繰り返しオンオフされる電圧がオフの期間に、前記濃度検出用ポンプ電流及び前記第２ベース電圧を測定する、
    請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 前記演算手段は、前記酸素汲み入れ制御で前記繰り返しオンオフされる電圧がオフの期間であって次回オンになる直前のタイミングで、前記濃度検出用ポンプ電流及び前記第２ベース電圧を測定する、
    請求項２に記載のガスセンサ。
  4. 前記演算手段は、前記濃度検出用ポンプ電流を測定するにあたり、今回の前記第１ベース電圧と前記第２ベース電圧との差と、過去の前記第１ベース電圧と前記第２ベース電圧との差との差分に基づいて、前記過去において使用した前記目標電圧を補正し、補正後の前記目標電圧になるよう前記測定電極の周囲から前記特定ガスに由来する酸素を汲み出したときの前記濃度検出用ポンプ電流を測定する、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  5. 前記演算手段は、更に、熱起電力の経時変化量に基づいて前記被測定ガスの特定ガス濃度を補正する、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
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