WO2022210347A1

WO2022210347A1 - センサ素子及びガスセンサ

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Publication number: WO2022210347A1
Application number: PCT/JP2022/014339
Authority: WO
Inventors: 高幸関谷; 悠介渡邉; 航大市川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: US20240011942A1; DE112022000735T5; CN117015707A; JPWO2022210347A1

Abstract

センサ素子１０１は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、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（各層１～６）と、基準ガス導入部４９に導入された基準ガスと接触するように配設されたポンプ用基準電極４２ｐを有し、ポンプ用基準電極４２ｐの周囲に酸素の汲み入れを行う基準ガス調整ポンプセル９０と、基準ガス導入部４９に導入された基準ガスと接触するように配設された電圧用基準電極４２ｓと、被測定ガスと接触するように第３内部空所６１に配設された測定電極４４と、を有し、測定電極４４の周囲の酸素濃度に基づく電圧を生じるＶ２検出センサセル８２と、を備えている。

Description

センサ素子及びガスセンサ

　本発明は、センサ素子及び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などの特定ガスの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、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層を積層してなる長尺な板状体形状のセンサ素子を備えたガスセンサが記載されている。

　このような従来例のガスセンサ９００の構成の一例を概略的に示した断面模式図を図１３に示す。図示するように、このガスセンサ９００は、センサ素子９０１を備えている。このセンサ素子９０１は、酸素イオン伝導性の固体電解質層９１１～９１６を積層した構造を有する素子である。このセンサ素子９０１では、固体電解質層９１６の下面と固体電解質層９１４の上面との間に、被測定ガスを導入する被測定ガス流通部が形成されており、この被測定ガス流通部に第１内部空所９２０，第２内部空所９４０，及び第３内部空所９６１が設けられている。第１内部空所９２０には内側ポンプ電極９２２が配設され、第２内部空所９４０には補助ポンプ電極９５１が配設され、第３内部空所９６１には測定電極９４４が配設されている。また、固体電解質層９１６の上面には外側ポンプ電極９２３が配設されている。一方、固体電解質層９１３の上面と固体電解質層９１４の下面との間には、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）に接触する基準電極９４２が配設されている。内側ポンプ電極９２２と、外側ポンプ電極９２３と、固体電解質層９１４～９１６と、によって主ポンプセル９２１が構成されている。測定電極９４４と、外側ポンプ電極９２３と、固体電解質層９１４～９１６と、によって測定用ポンプセル９４１が構成されている。測定電極９４４と、基準電極９４２と、固体電解質層９１４，９１３と、によって測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２が構成されている。外側ポンプ電極９２３と、基準電極９４２と、固体電解質層９１３～９１６と、によってＶｒｅｆ検出センサセル９８３が構成されている。外側ポンプ電極９２３と、基準電極９４２と、固体電解質層９１３～９１６と、によって基準ガス調整ポンプセル９９０が構成されている。このガスセンサ９００では、被測定ガスが被測定ガス流通部に導入されると、主ポンプセル９２１によって第１内部空所９２０とセンサ素子の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われ、さらに第２内部空所９４０とセンサ素子の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われて、被測定ガス流通部内の酸素濃度が調整される。酸素濃度が調整された後の被測定ガス中のＮＯｘは、測定電極９４４の周囲で還元される。そして、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２で生じる電圧Ｖ２が所定の目標値となるように、測定用ポンプセル９４１に印加される電圧Ｖｐ２がフィードバック制御されて、測定用ポンプセル９４１が測定電極９４４の周囲の酸素を汲み出す。このときに測定用ポンプセル９４１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、基準ガス調整ポンプセル９９０は、基準電極９４２と外側ポンプ電極９２３との間に印加された電圧Ｖｐ３によってポンプ電流Ｉｐ３を流すことで基準電極９４２の周囲に酸素の汲み入れを行う。これにより、基準電極９４２の周囲の基準ガスの酸素濃度が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ことができる。さらに、Ｖｒｅｆ検出センサセル９８３では、外側ポンプ電極９２３と基準電極９４２との間に電圧Ｖｒｅｆが生じる。この電圧Ｖｒｅｆによりセンサ素子９０１の外部の被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。

国際公開第２０２０／００４３５６号パンフレット

　ところで、上述した基準ガス調整ポンプセル９９０のようにポンプ電流を流して基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行うと、上述した測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２の電圧Ｖ２のようにセンサセルの電圧によって酸素濃度を検出する場合において、酸素濃度の検出精度が低い場合があった。

　本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、基準ガス導入部に酸素の汲み入れを行いつつ汲み入れ時のポンプ電流に起因する酸素濃度の検出精度の低下を抑制することを主目的とする。

　本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。

　本発明のセンサ素子は、
　被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、
　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
　前記素子本体の内部に配設され、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ガス導入部と、
　前記基準ガス導入部に導入された前記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ポンプ用基準電極を有し、前記ポンプ用基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行う基準ガス調整ポンプセルと、
　前記基準ガス導入部に導入された前記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電圧用基準電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の内部又は外部に配設された被測定ガス側電極と、を有し、前記被測定ガス側電極の周囲の酸素濃度に基づく電圧を生じるセンサセルと、
　を備えたものである。

　このセンサ素子は、基準ガス調整ポンプセルと、センサセルと、を備えている。基準ガス調整ポンプセルがポンプ用基準電極の周囲に酸素を汲み入れることで、基準ガス導入部内の基準ガスの酸素濃度の低下を補うことができる。また、センサセルの電圧によって、被測定ガス側電極の周囲の酸素濃度を検出できる。そして、このセンサ素子の素子本体には、基準ガス調整ポンプセルの一部を構成するポンプ用基準電極と、センサセルの一部を構成する電圧用基準電極と、がそれぞれ配設されている。すなわち、このセンサ素子では、基準ガス導入部の基準ガスに接触する電極として、ポンプ用基準電極と電圧用基準電極とが別々に設けられている。そのため、１つの電極がポンプ用基準電極の役割と電圧用基準電極の役割とを兼ねている場合（例えば図１３に示したセンサ素子９０１では測定電極９４４が測定用ポンプセル９４１の電極と測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２の電極とを兼ねている）と異なり、電圧用基準電極には基準ガス調整ポンプセルが酸素の汲み入れを行う際のポンプ電流は流れないから、センサセルの電圧にはポンプ電流に起因する電圧用基準電極の電圧降下分が含まれない。これにより、センサセルの電圧が被測定ガス側電極の周囲の酸素濃度とより精度良く対応する値になるから、センサセルを用いた酸素濃度の検出精度が向上する。以上のことから、このセンサ素子では、基準ガス導入部に酸素の汲み入れを行いつつ汲み入れ時のポンプ電流に起因する酸素濃度の検出精度の低下を抑制できる。

　この場合において、前記基準ガス調整ポンプセルは、前記ポンプ用基準電極の周囲への酸素の汲み入れ元となり前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の内部又は外部に配設された汲み入れ元電極を有していてもよい。また、基準ガス調整ポンプセルは、ポンプ用基準電極の周囲から酸素を汲み出す場合があってもよい。

　本発明のセンサ素子は、前記特定ガスに由来して前記被測定ガス流通部のうちの測定室で発生する酸素の汲み出しを行う測定用ポンプセル、を備え、前記被測定ガス側電極は、前記測定室に配設された測定電極であり、前記センサセルは、前記測定室の酸素濃度に基づく電圧を生じる測定用センサセルであってもよい。こうすれば、ポンプ用基準電極と電圧用基準電極とが別々に設けられていることで、測定用センサセルの電圧が測定室の酸素濃度とより精度良く対応する値になるから、測定用センサセルを用いた測定室の酸素濃度の検出精度が向上する。測定用センサセルの電圧は、例えば測定用ポンプセルの制御に用いられることにより、被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度に影響する。そのため、測定用センサセルを用いた測定室の酸素濃度の検出精度が向上することで、特定ガス濃度の検出精度が向上する。

　この場合において、本発明のセンサ素子は、前記被測定ガス流通部のうちの前記測定室よりも上流側の酸素濃度調整室に配設された調整電極と、前記素子本体の外側に配設されたポンプ用外側電極と、を有し、前記酸素濃度調整室からの酸素の汲み出し又は前記酸素濃度調整室への酸素の汲み入れを行うための調整室用ポンプセルと、前記素子本体の外側に配設された電圧用外側電極と、前記電圧用基準電極と、を有し、前記素子本体の外側の被測定ガス中の酸素濃度に基づく電圧を生じる外側用センサセルと、を備えていてもよい。このセンサ素子では、素子本体の外側に、調整室用ポンプセルの一部を構成するポンプ用外側電極と、外側用センサセルの一部を構成する電圧用外側電極と、がそれぞれ配設されている。すなわち、このセンサ素子では、素子本体の外側にポンプ用外側電極と電圧用外側電極とが別々に設けられている。そのため、１つの電極がポンプ用外側電極の役割と電圧用外側電極の役割とを兼ねている場合（例えば図１３に示したセンサ素子９０１では外側ポンプ電極９２３が主ポンプセル９２１の電極とＶｒｅｆ検出センサセル９８３の電極とを兼ねている）と異なり、電圧用外側電極には調整室用ポンプセルが酸素の汲み出し又は汲み入れを行う際のポンプ電流は流れないから、外側用センサセルの電圧にはポンプ電流に起因する電圧用外側電極の電圧降下分が含まれない。これにより、外側用センサセルの電圧が素子本体の外側の被測定ガス中の酸素濃度とより精度良く対応する値になるから、外側用センサセルを用いた被測定ガス中の酸素濃度の検出精度が向上する。また、上述したように、電圧用基準電極にも基準ガス調整ポンプセルのポンプ電流が流れない。そのため、外側用センサセルの電圧は電圧用外側電極と電圧用基準電極との間の電圧であり、この電圧用外側電極と電圧用基準電極とのいずれにもポンプ電流が流れない。そのため、外側用センサセルの電圧は素子本体の外側の被測定ガスの酸素濃度とより精度良く対応する値になる。

　本発明の第１のガスセンサは、
　上述した測定用ポンプセル及び測定用センサセルを備えた態様のセンサ素子と、
　前記測定用センサセルの前記電圧が目標電圧になるように前記測定用ポンプセルをフィードバック制御することで該測定用ポンプセルに前記測定室からの酸素の汲み出しを行わせる測定用ポンプセル制御部と、
　を備えたものである。

　この第１のガスセンサでは、上述したようにセンサ素子の測定用センサセルを用いた測定室の酸素濃度の検出精度が向上しているから、測定用センサセルの電圧が目標電圧になるように測定用ポンプセルがフィードバック制御されることで、測定室の酸素濃度を目標電圧に対応する酸素濃度に精度良く調整できる。そして、このときに測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて特定ガス濃度が検出されるから、特定ガス濃度の検出精度も向上する。

　この場合において、本発明の第１のガスセンサは、前記基準ガス調整ポンプセルに繰り返しオンオフされる制御電圧を印加することで該基準ガス調整ポンプセルに前記ポンプ用基準電極の周囲への酸素の汲み入れを行わせる基準ガス調整部、を備え、前記測定用ポンプセル制御部は、前記繰り返しオンオフされる制御電圧がオフの期間に、前記測定用センサセルの前記電圧を取得して、該取得した電圧が前記目標電圧になるように前記測定用ポンプセルをフィードバック制御してもよい。ここで、上述したように、センサ素子にポンプ用基準電極と電圧用基準電極とが別々に設けられていることで電圧用基準電極には基準ガス調整ポンプセルが酸素の汲み入れを行う際のポンプ電流は流れない。ただし、基準ガス調整ポンプセルに印加される制御電圧が、測定用センサセルの電圧に影響を与える場合がある。しかし、このガスセンサでは、制御電圧がオフの期間に測定用センサセルの電圧を取得するから、基準ガス調整ポンプセルの制御電圧が測定用センサセルの電圧に与える影響を小さくすることができる。したがって、基準ガス調整ポンプセルの制御電圧に起因する酸素濃度の検出精度の低下を抑制できる。

　この場合において、前記測定用ポンプセル制御部は、前記繰り返しオンオフされる制御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、前記測定用センサセルの電圧を取得してもよい。こうすれば、制御電圧が測定用センサセルの電圧に与える影響をより抑制することができる。

　本発明の第２のガスセンサは、
　上述したポンプ用外側電極と電圧用外側電極とが別々に設けられた態様のセンサ素子と、
　前記酸素濃度調整室の酸素濃度が所定の低濃度になるように前記調整室用ポンプセルを制御することで該調整室用ポンプセルに前記酸素濃度調整室からの酸素の汲み出し又は前記酸素濃度調整室への酸素の汲み入れを行わせる調整室用ポンプセル制御部と、
　前記外側用センサセルの前記電圧に基づいて前記素子本体の外側の被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
　を備えたものである。

　この第２のガスセンサでは、調整室用ポンプセル制御部は酸素濃度調整室の酸素濃度が所定の低濃度になるように調整室用ポンプセルを制御する。このとき、例えば被測定ガス中の酸素濃度が所定の低濃度より高い状態と低い状態との間で切り替わると、調整室用ポンプセル制御部は調整室用ポンプセルが酸素を移動させる方向を逆向きに切り替える。これにより調整室用ポンプセルに流れるポンプ電流の向きが逆向きに切り替わる。そのため、１つの電極がポンプ用外側電極の役割と電圧用外側電極の役割とを兼ねていると、調整室用ポンプセルに流れるポンプ電流の向きが逆向きに切り替わる時の電流変化に要する時間に起因して、外側用センサセルの電圧の変化も遅くなる。これに対して、本発明のガスセンサでは、ポンプ用外側電極と電圧用外側電極とを別々に設けているから、外側用センサセルの電圧は調整室用ポンプセルに流れるポンプ電流の変化に要する時間の影響を受けないため、外側用センサセルの電圧の変化が遅くならない。すなわち、被測定ガス中の酸素濃度が所定の低濃度より高い状態と低い状態との間で切り替わったときの外側用センサセルの電圧の応答性が低下しにくい。

第１実施形態のガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓの断面図。制御装置９５とセンサ素子１０１の各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。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。耐久試験の経過時間とＮＯ出力変化率との関係を示すグラフ。第２実施形態のガスセンサ２００の断面模式図。大気連続試験の前後での電圧Ｖｒｅｆの応答時間の変化を示すグラフ。大気連続試験後の実施例２，３の電圧Ｖｒｅｆの時間変化の様子を示すグラフ。変形例のポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓの断面図。変形例のポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓの断面図。変形例のガスセンサ３００の断面模式図。従来例のガスセンサ９００の構成の一例を概略的に示した断面模式図。

［第１実施形態］
　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、本発明の第１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、センサ素子１０１のポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓの断面図である。図３は、制御装置９５とセンサ素子１０１の各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。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、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。ガスセンサ１００は、センサ素子１０１を封入固定する図示しない素子封止体や、センサ素子１０１の前端を保護する有底筒状の図示しない保護カバーなども備えている。センサ素子１０１は、各セル２１，４１，５０，８０～８３，９０と、ヒータ部７０と、を備えている。

　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。センサ素子１０１の長手方向（図１の左右方向）を前後方向とし、センサ素子１０１の厚み方向（図１の上下方向）を上下方向とする。また、センサ素子１０１の幅方向（前後方向及び上下方向に垂直な方向）を左右方向とする。図２は、第３基板層３を前後左右に沿って切断したときのポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓ周辺の部分断面を示している。

　図１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の先端側（前端側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

　ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０と、第３内部空所６１とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。

　第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部６０は、第２固体電解質層６の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。

　センサ素子１０１は、センサ素子１０１の外部からポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓにＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスを流通させる基準ガス導入部４９を備えている。基準ガス導入部４９は、基準ガス導入空間４３と、基準ガス導入層４８とを有する。基準ガス導入空間４３は、センサ素子１０１の後端面から内方向に設けられた空間である。基準ガス導入空間４３は、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に設けられている。基準ガス導入空間４３は、センサ素子１０１の後端面に開口しており、この開口から基準ガス導入空間４３内に基準ガスが導入される。基準ガス導入部４９は、センサ素子１０１の外部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ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓに導入する。基準ガスは、本実施形態では大気とした。

　基準ガス導入層４８は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４の下面との間に設けられている。基準ガス導入層４８は、例えばアルミナなどのセラミックスからなる多孔質体である。基準ガス導入層４８の上面の一部は、基準ガス導入空間４３内に露出している。基準ガス導入層４８は、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓを被覆するように形成されている。基準ガス導入層４８は、基準ガスを基準ガス導入空間４３からポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓまで流通させる。基準ガス導入部４９は、基準ガス導入空間４３を備えなくてもよい。その場合は、基準ガス導入層４８がセンサ素子１０１の後端面に露出していればよい。

　ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓ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、電圧用基準電極４２ｓ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。

　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、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

　内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

　内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕ，及びＩｒの少なくともいずれか）を含む電極である。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属（例えばＡｕ）も含んでいる。これにより、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中の特定ガス（ここではＮＯｘ）成分に対する還元能力が弱められている。内側ポンプ電極２２は、貴金属と、酸素イオン導電性を有する酸化物（ここではＺｒＯ₂）とを含むサーメットからなる電極とすることが好ましい。また、内側ポンプ電極２２は、多孔質体であることが好ましい。本実施形態では、内側ポンプ電極２２は、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂との多孔質サーメット電極とした。

　外側ポンプ電極２３は、内側ポンプ電極２２と同様に、触媒活性を有する貴金属を含む電極である。外側ポンプ電極２３は、内側ポンプ電極２２と同様に、サーメットからなる電極であってもよい。外側ポンプ電極２３は、多孔質体であることが好ましい。本実施形態では、外側ポンプ電極２３は、ＰｔとＺｒＯ₂との多孔質サーメット電極とした。

　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、電圧用基準電極４２ｓとによって、電気化学的なセンサセル、すなわち、Ｖ０検出センサセル８０（主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセルとも称する）が構成されている。

　Ｖ０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。電圧Ｖ０は、内側ポンプ電極２２と電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧である。

　第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

　第２内部空所４０は、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

　補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

　係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。

　補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

　また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、電圧用基準電極４２ｓ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、Ｖ１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とも称する）が構成されている。

　なお、このＶ１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。電圧Ｖ１は、補助ポンプ電極５１と電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧である。

　また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、Ｖ０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Ｖ０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、電圧用基準電極４２ｓとによって電気化学的なセンサセル、すなわち、Ｖ２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とも称する）が構成されている。Ｖ２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。電圧Ｖ２は、測定電極４４と電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧である。

　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、Ｖ２検出センサセル８２にて検出された電圧Ｖ２が一定（目標値）となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

　また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、電圧用基準電極４２ｓ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。電圧Ｖｒｅｆは、外側ポンプ電極２３と電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧である。

　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、ポンプ用基準電極４２ｐとから電気化学的な基準ガス調整ポンプセル９０が構成されている。この基準ガス調整ポンプセル９０は、外側ポンプ電極２３とポンプ用基準電極４２ｐとの間に接続された電源回路９２が印加する制御電圧（電圧Ｖｐ３）によりポンプ電流Ｉｐ３が流れることで、酸素のポンピングを行う。これにより、基準ガス調整ポンプセル９０は、外側ポンプ電極２３の周囲の空間からポンプ用基準電極４２ｐ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。

　ここで、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓについて詳説する。ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓは、図１３の基準電極９４２を２つの電極に分けた態様に相当する。すなわち、図１３の基準電極９４２は、ポンプ電流Ｉｐ３を流す基準ガス調整ポンプセル９９０の電極と、電圧Ｖ２を検出する測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２の電極と、電圧Ｖｒｅｆを検出するＶｒｅｆ検出センサセル９８３の電極と、を兼ねている。これに対し、本実施形態では、基準ガス調整ポンプセル９０のポンプ用基準電極４２ｐと、Ｖ０検出センサセル８０，Ｖ１検出センサセル８１，Ｖ２検出センサセル８２及びＶｒｅｆ検出センサセル８３の電圧用基準電極４２ｓとをそれぞれ独立した電極として、いずれも基準ガス導入部４９に導入された基準ガスと接触するように配設している。

　本実施形態では、図２に示すように、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓはいずれも上面視で略四角形状をしている。電圧用基準電極４２ｓはポンプ用基準電極４２ｐよりも後側に位置している。電圧用基準電極４２ｓはポンプ用基準電極４２ｐよりも前後の長さが小さくなっており、面積も小さくなっている。なお、電極の面積は、電極が配設された面に垂直な方向から見たときの面積とする。例えばポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓの面積は、各々の上面視での面積である。

　ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓは、いずれも、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕ，及びＩｒの少なくともいずれか）を含む電極としてもよいし、少なくともＬａ、Ｆｅ、及びＮｉを含むペロブスカイト型導電性酸化物で形成された結晶相を含む導電性酸化物焼結体としてもよい。ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓが貴金属を含む場合、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓは、貴金属と、酸素イオン導電性を有する酸化物（ここではＺｒＯ₂）とを含むサーメットからなる電極とすることが好ましい。また、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓは、多孔質体であることが好ましい。ポンプ用基準電極４２ｐに含まれる貴金属と電圧用基準電極４２ｓに含まれる貴金属とは、種類及び含有割合がいずれも同じであってもよいし、種類及び含有割合の少なくともいずれかが異なっていてもよい。本実施形態では、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓは、いずれも、ＰｔとＺｒＯ₂との多孔質サーメット電極とした。

　制御装置９５は、図３に示すように、上述した可変電源２４，４６，５２と、ヒータ電源７８と、上述した電源回路９２と、制御部９６と、を備えている。制御部９６は、ＣＰＵ９７，図示しないＲＡＭ，及び記憶部９８などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部９８は、例えばＲＯＭなどの不揮発性メモリであり、各種データを記憶する装置である。制御部９６は、各センサセル８０～８３の電圧Ｖ０～Ｖ２及び電圧Ｖｒｅｆを入力する。制御部９６は、各ポンプセル２１，５０，４１，９０を流れるポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３を入力する。制御部９６は、可変電源２４，４６，５２及び電源回路９２へ制御信号を出力することで可変電源２４，４６，５２及び電源回路９２が出力する電圧Ｖｐ０～Ｖｐ３を制御し、これにより、各ポンプセル２１，４１，５０，９０を制御する。制御部９６は、ヒータ電源７８に制御信号を出力することでヒータ電源７８がヒータ７２に供給する電力を制御し、これにより、センサ素子１０１の温度を調整する。記憶部９８には、後述する目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，Ｉｐ１＊などが記憶されている。

　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。

　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（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。これとともに、制御部９６は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定値（目標値Ｉｐ１＊と称する）となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて電圧Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）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。また、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧が、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。目標値Ｖ０＊は、第１内部空所２０の酸素濃度が０％よりは高く且つ低酸素濃度となるような値に設定される。

　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）可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する。これにより、被測定ガス中の特定ガス（ここでは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、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。目標値Ｖ２＊は、フィードバック制御された電圧Ｖｐ２によって流れるポンプ電流Ｉｐ２が限界電流となるような値として、予め定められている。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。そして、制御部９６は、取得したポンプ電流Ｉｐ２と記憶部９８に記憶された上記の対応関係とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。このように、センサ素子１０１内に導入された被測定ガス中の特定ガスに由来する酸素の汲み出しを行い、汲み出す酸素量に基づいて（本実施形態ではポンプ電流Ｉｐ２に基づいて）特定ガス濃度を検出する方式を、限界電流方式と称する。

　制御部９６は、電圧Ｖｐ３が基準ガス調整ポンプセル９０に印加されるように電源回路９２を制御して、ポンプ電流Ｉｐ３を流す。ポンプ電流Ｉｐ３が流れることで、基準ガス調整ポンプセル９０は外側ポンプ電極２３周辺からポンプ用基準電極４２ｐ周辺へ酸素の汲み入れを行う。

　基準ガス調整ポンプセル９０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、上述した図示しない保護カバー内に流入した被測定ガスが導入される。一方、センサ素子１０１の基準ガス導入部４９には、基準ガス（大気）が導入される。そして、このセンサ素子１０１のガス導入口１０側と基準ガス導入部４９の入口側、すなわちセンサ素子１０１の前端側と後端側とは、上述した図示しない素子封止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。しかし、被測定ガス側の圧力が高い場合などにおいて、被測定ガスがわずかに基準ガス側に侵入してしまい、センサ素子１０１の後端側の周囲の基準ガスの酸素濃度が低下する場合がある。このとき、電圧用基準電極４２ｓの周囲の酸素濃度まで低下してしまうと、電圧用基準電極４２ｓの電位である基準電位が変化してしまう。上述した各センサセル８０～８３の電圧Ｖ０～Ｖ２，Ｖｒｅｆは、いずれも電圧用基準電極４２ｓの電位を基準とした電圧であるため、基準電位が変化してしまうと被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度が低下してしまう場合がある。基準ガス調整ポンプセル９０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９５は、電源回路９２を制御して、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を基準ガス調整ポンプセル９０のポンプ用基準電極４２ｐと外側ポンプ電極２３との間に印加する。電圧Ｖｐ３によって基準ガス調整ポンプセル９０にポンプ電流Ｉｐ３が流れることで、外側ポンプ電極２３周辺からポンプ用基準電極４２ｐ周辺へ酸素が汲み入れられる。これにより、上述したように被測定ガスが電圧用基準電極４２ｓの周囲の酸素濃度を低下させた場合に、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。なお、基準ガス調整ポンプセル９０によってポンプ用基準電極４２ｐの周囲に汲み入れられた酸素は基準ガス導入層４８を介して電圧用基準電極４２ｓの周囲にも到達する。そのため、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとを別々に基準ガス導入部４９に設けていても、電圧用基準電極４２ｓの周囲の酸素濃度が低下した場合に、減少した酸素を基準ガス調整ポンプセル９０によって補うことができる。

　なお、図３に示した可変電源２４，４６，５２，ヒータ電源７８及び電源回路９２などを含めて、制御装置９５は、実際にはセンサ素子１０１内に形成された図示しないリード線及びセンサ素子１０１の後端側に形成された図示しないコネクタ電極（ヒータコネクタ電極７１のみ図１に示した）を介して、センサ素子１０１内部の各電極と接続されている。

　ガスセンサ１００が被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する際に制御部９６が行う処理について説明する。まず、制御部９６のＣＰＵ９７は、センサ素子１０１の駆動を開始する。具体的には、ＣＰＵ９７は、ヒータ電源７８に制御信号を送信してヒータ７２によりセンサ素子１０１を加熱させる。そして、ＣＰＵ９７は、センサ素子１０１を所定の駆動温度（例えば８００℃）まで加熱する。次に、ＣＰＵ９７は、上述した各ポンプセル２１，４１，５０，９０の制御や、上述した各センサセル８０～８３からの各電圧Ｖ０～Ｖ２，Ｖｒｅｆの取得を開始する。この状態で、被測定ガスがガス導入口１０から導入されると、被測定ガスは、第１拡散律速部１１，緩衝空間１２及び第２拡散律速部１３を通過し、第１内部空所２０に到達する。次に、第１内部空所２０及び第２内部空所４０において被測定ガスの酸素濃度が主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０によって調整され、調整後の被測定ガスが第３内部空所６１に到達する。そして、ＣＰＵ９７は、取得したポンプ電流Ｉｐ２と記憶部９８に記憶された対応関係とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。

　ここで、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は、上述したように基準ガス調整ポンプセル９０と、Ｖ２検出センサセル８２と、を備えている。基準ガス調整ポンプセル９０がポンプ用基準電極４２ｐの周囲に酸素を汲み入れることで、基準ガス導入部４９内の基準ガスの酸素濃度の低下を補うことができる。また、Ｖ２検出センサセル８２では基準ガスと第３内部空所６１との酸素濃度差に基づく電圧Ｖ２が生じるから、Ｖ２検出センサセル８２の電圧Ｖ２によって、測定電極４４の周囲の酸素濃度を検出できる。そして、このセンサ素子４０１では、基準ガス導入部４９の基準ガスに接触する電極として、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとを別々に設けている。そのため、１つの電極がポンプ用基準電極４２ｐの役割と電圧用基準電極４２ｓの役割とを兼ねている場合（例えば図１３に示したセンサ素子９０１では基準電極９４２が基準ガス調整ポンプセル９９０の電極と測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２の電極とを兼ねている）と異なり、センサ素子４０１の電圧用基準電極４２ｓには基準ガス調整ポンプセル９０が酸素の汲み入れを行う際のポンプ電流Ｉｐ３は流れない。そのため、測定用ポンプセル４１の電圧Ｖ２にはポンプ電流Ｉｐ３に起因する電圧用基準電極４２ｓの電圧降下分が含まれない。これにより、センサ素子１０１では、基準ガス導入部４９に酸素の汲み入れを行いつつ汲み入れ時のポンプ電流Ｉｐ３に起因する第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度の低下を抑制できる。したがって、センサ素子１０１では、電圧Ｖ２が第３内部空所６１の酸素濃度とより精度良く対応する値になり、Ｖ２検出センサセル８２を用いた第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度が向上する。以上のことから、センサ素子１０１では、基準ガス導入部４９に酸素の汲み入れを行いつつ汲み入れ時のポンプ電流Ｉｐ３に起因する酸素濃度の検出精度の低下を抑制できる。

　また、電圧Ｖ２は上述したように測定用ポンプセル４１の制御に用いられるから、Ｖ２検出センサセル８２を用いた酸素濃度の検出精度は、例えばＶ０検出センサセル８０又はＶ１検出センサセル８１を用いた酸素濃度の検出精度と比べて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出精度への影響が大きい。そのため、Ｖ２検出センサセル８２を用いた第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度が向上することで、ＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。

　なお、従来例のセンサ素子９０１のようにポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとが独立しておらず１つの基準電極９４２である場合、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２の電圧Ｖ２には、測定電極９４４の周囲と基準電極９４２の周囲との酸素濃度差に基づく起電力の他に、基準ガス調整ポンプセル９９０のポンプ電流Ｉｐ３に基準電極９４２の抵抗を乗じた値（電圧降下分）が含まれる。そして、基準電極９４２での電圧降下の大きさは、基準電極９４２の製造ばらつき（例えば厚み、気孔率、表面積の態様などのばらつき）の影響でセンサ素子９０１を複数製造する場合にセンサ素子９０１毎に個体差が生じる場合がある。そのため、センサ素子９０１では電圧Ｖ２による第３内部空所９６１の酸素濃度の検出精度もセンサ素子９０１毎にばらつきが生じる場合がある。これに対して、本実施形態のセンサ素子１０１では、電圧用基準電極４２ｓにはポンプ電流Ｉｐ２を流さないことで電圧用基準電極４２ｓでの電圧降下が生じないから、複数のセンサ素子１０１において電圧用基準電極４２ｓの製造ばらつきがあっても電圧Ｖ２による第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度がばらつきにくい。

　なお、センサ素子１０１では、電圧Ｖ２と同様に、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖｒｅｆにも、ポンプ電流Ｉｐ３に起因する電圧用基準電極４２ｓの電圧降下分が含まれない。そのため、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖｒｅｆは、第１内部空所２０の酸素濃度，第２内部空所４０の酸素濃度，及びセンサ素子１０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度とそれぞれ精度良く対応する値になる。また、複数のセンサ素子１０１において電圧用基準電極４２ｓの製造ばらつきがあっても、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖｒｅｆによる第１内部空所２０，第２内部空所４０，センサ素子１０１の外側の各々の酸素濃度の検出精度がばらつきにくい。

　また、制御部９６は、上述したように、Ｖ２検出センサセル８２の電圧Ｖ２が目標電圧（目標値Ｖ２＊）になるように測定用ポンプセル４１をフィードバック制御することで、測定用ポンプセル４１に第３内部空所６１からの酸素の汲み出しを行わせる。そして、上述したように本実施形態のセンサ素子１０１では、Ｖ２検出センサセル８２を用いた第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度が向上しているから、電圧Ｖ２が目標値Ｖ２＊になるように上記のフィードバック制御が行われることで、第３内部空所６１の酸素濃度を目標値Ｖ２＊に対応する酸素濃度に精度良く調整できる。また、このフィードバック制御により測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度が検出されるから、ＮＯｘ濃度の検出精度も向上する。

　上述したように、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとを別々に設けることで電圧用基準電極４２ｓにはポンプ電流Ｉｐ３が流れないため、電圧Ｖ２には電圧用基準電極４２ｓの電圧降下分が含まれない。ただし、基準ガス調整ポンプセル９０に印加される電圧Ｖｐ３が、電圧Ｖ２に影響を与える場合がある。これについて説明する。図４は、電圧Ｖｐ３の時間変化の一例を示す説明図である。図５は、電圧Ｖｒｅｆの時間変化の一例を示す説明図である。ポンプ用基準電極４２ｐと外側ポンプ電極２３との間に電圧Ｖｐ３として図４のパルス電圧が印加されると、電圧用基準電極４２ｓと外側ポンプ電極２３との間の電圧Ｖｒｅｆは図５の実線の波形Ｌ１のように変化する。すなわち、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、パルス電圧が次にオンになる直前に電圧Ｖｒｅｆが最小値となる。このように電圧Ｖｒｅｆが変化するのは、電圧Ｖｒｅｆには外側ポンプ電極２３に流れるポンプ電流Ｉｐ３による電圧降下分が含まれるためである。すなわち、ポンプ電流Ｉｐ３は図５の波形Ｌ１と同様にパルス電圧によって立ち上がりと立ち下がりとを繰り返すため、外側ポンプ電極２３の電圧降下分の大きさも変動して、電圧Ｖｒｅｆは図５の波形Ｌ１のように変動する。そして、電圧Ｖｒｅｆが変動すると、以下の理由で電圧Ｖ２も変動する。図１からもわかるように、電圧Ｖｒｅｆ，Ｖｐ２，Ｖ２の間には、｜Ｖ２｜＝｜Ｖｐ２｜＋｜Ｖｒｅｆ｜の関係が成立する。そのため、外側ポンプ電極２３の電圧降下分の大きさに起因して電圧Ｖｒｅｆが変動すると、電圧Ｖｐ２が変化しなくとも電圧Ｖｒｅｆが大きくなるほど電圧Ｖ２も大きくなる傾向にある。そのため、電圧Ｖｒｅｆが図５の波形Ｌ１のように周期的に変動しているとき、電圧Ｖ２も同様に波形Ｌ１のように周期的に変動する。したがって、制御部９６は、このような外側ポンプ電極２３の電圧降下分に起因する電圧Ｖｒｅｆの変動がなるべく小さいタイミングで、電圧Ｖ２を取得することが好ましい。図５では、電圧Ｖｒｅｆの本来の値（電圧用基準電極４２ｓの周囲と外側ポンプ電極２３の周囲との酸素濃度差に基づく電圧）をベース電圧Ｖｒｅｆｂとして示した。電圧Ｖｒｅｆとベース電圧Ｖｒｅｆｂとの差である残留電圧ＤＶｒｅｆの中に、外側ポンプ電極２３の電圧降下分が含まれる。この残留電圧ＤＶｒｅｆが小さい時ほど、電圧Ｖｐ３によって流れるポンプ電流Ｉｐ３に起因する外側ポンプ電極２３の電圧降下分が小さく、これによる電圧Ｖ２の変化も小さい。そのため、制御部９６は、電圧Ｖｐ３がオフの期間に電圧Ｖ２を取得することが好ましく、電圧Ｖｐ３がオフの期間の中でも残留電圧ＤＶｒｅｆがなるべく小さいタイミングで電圧Ｖ２を取得することがより好ましい。こうすれば、電圧Ｖｐ３が電圧Ｖ２に与える影響を小さくすることができる。したがって、電圧Ｖｐ３に起因する第３内部空所６１の酸素濃度の測定精度の低下を抑制でき、電圧Ｖ２が第３内部空所６１の酸素濃度とより精度良く対応する値になる。また、制御部９６がそのようなタイミングで取得した電圧Ｖ２に基づいて測定用ポンプセル４１をフィードバック制御すれば、第３内部空所６１の酸素濃度を目標値Ｖ２＊に対応する酸素濃度に精度良く調整できる。

　残留電圧ＤＶｒｅｆがなるべく小さいタイミングは、具体的には以下の期間中のいずれかのタイミングであってもよい。具体的には、まず、電圧Ｖｐ３がオンオフする１回の周期における電圧Ｖｒｅｆの値の最大値を１００％，最小値を０％とする。そして、電圧Ｖｐ３がオフになり電圧Ｖｒｅｆが１０％以下になってから次の周期の電圧Ｖｐ３のオンによって電圧Ｖｒｅｆが立ち上がり始めるまでの期間を、残留電圧ＤＶｒｅｆが小さい期間とする。この期間中のいずれかのタイミングで、制御部９６が電圧Ｖ２を取得することが好ましい。また、電圧Ｖｐ３がオンオフする１回の周期の中で残留電圧ＤＶｒｅｆが最小値ＤＶｒｅｆｍｉｎ（図５参照）となっているタイミングで、制御部９６が電圧Ｖ２を取得することがより好ましい。図５の波形Ｌ１のように、電圧Ｖｐ３がオフの期間中（電圧Ｖｐ３が次回オンになるまで）に電圧Ｖｒｅｆが安定する場合には、電圧Ｖｒｅｆが安定している期間のいずれかのタイミングで制御部９６が電圧Ｖ２を取得すればよい。こうすれば、制御部９６は残留電圧ＤＶｒｅｆが最小値ＤＶｒｅｆｍｉｎとなっているタイミングで電圧Ｖ２を取得できる。一方、電圧Ｖｐ３がオフの期間中に電圧Ｖｒｅｆが安定しない場合は、電圧Ｖｐ３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残留電圧ＤＶｒｅｆが最小値ＤＶｒｅｆｍｉｎとなるため、制御部９６はこのタイミングで電圧Ｖ２を取得することが好ましい。制御部９６が電圧Ｖ２を取得するタイミングは、電圧Ｖｐ３のオンオフの周期や電圧Ｖｐ３によるポンプ電流Ｉｐ３及び電圧Ｖｒｅｆの時間変化の波形などに基づいて、予め実験により定めておくことができる。

　なお、説明の便宜上、図５ではベース電圧Ｖｒｅｆｂが一定の場合すなわち外側ポンプ電極２３の周辺の被測定ガス中の酸素濃度が一定である場合の電圧Ｖｒｅｆの波形を示している。実際にはベース電圧Ｖｒｅｆｂは外側ポンプ電極２３の周辺の被測定ガス中の酸素濃度に応じて変動するため、電圧Ｖｒｅｆはベース電圧Ｖｒｅｆｂの変動によっても変化する。

　電圧Ｖ０，Ｖ１についても、電圧Ｖ２と同様に電圧Ｖｐ３の影響を受ける。また、電圧Ｖｒｅｆについても図５に示した通り電圧Ｖｐ３の影響を受ける。そのため、制御部９６は、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖｒｅｆの取得についても、電圧Ｖ２と同様に、電圧Ｖｐ３がオフの期間に行うことが好ましく、上述した残留電圧ＤＶｒｅｆが小さい期間に行うことがより好ましく、電圧Ｖｒｅｆが安定している期間のいずれかのタイミングに行うか、又は電圧Ｖｐ３がオフの期間且つ次回オンになる直前のタイミングに行うことがさらに好ましい。また、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３の取得についても、電圧Ｖ２と同様に、電圧Ｖｐ３がオフの期間に行うことが好ましく、上述した残留電圧ＤＶｒｅｆが小さい期間に行うことがより好ましく、電圧Ｖｒｅｆが安定している期間のいずれかのタイミングに行うか、又は電圧Ｖｐ３がオフの期間且つ次回オンになる直前のタイミングに行うことがより好ましい。本実施形態では、制御部９６は、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆ，及びポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３の取得を、電圧Ｖｐ３がオフの期間且つ次回オンになる直前のタイミングに行うこととした。

　なお、本実施形態のセンサ素子１０１では、残留電圧ＤＶｒｅｆには、上述したように外側ポンプ電極２３の電圧降下分が含まれるが、ポンプ電流Ｉｐ３が流れないため電圧用基準電極４２ｓの電圧降下分は含まれない。これに対し、図１３に示したセンサ素子９０１のように１つの基準電極９４２がポンプ用基準電極４２ｐの役割と電圧用基準電極４２ｓの役割とを兼ねている場合は、残留電圧ＤＶｒｅｆには外側ポンプ電極９２３の電圧降下分だけでなく基準電極９４２の電圧降下分も含まれる。そのため、センサ素子９０１の電圧Ｖｒｅｆは図５の一点鎖線の波形Ｌ２のように変化する。波形Ｌ２は波形Ｌ１よりも残留電圧ＤＶｒｅｆが常に大きい値になっており、それにより電圧Ｖｒｅｆも波形Ｌ１と比べて大きくなっている。そのため、波形Ｌ２の残留電圧ＤＶｒｅｆの最小値ＤＶｒｅｆｍｉｎ’も、波形Ｌ１の最小値ＤＶｒｅｆｍｉｎより大きい。このように、本実施形態のセンサ素子１０１では、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓが別々に配設されていることで、残留電圧ＤＶｒｅｆ及び最小値ＤＶｒｅｆｍｉｎを小さくすることができる。したがって、センサ素子１０１では、センサ素子９０１と比べて電圧Ｖｐ３が電圧Ｖ２に与える影響を小さくすることができ、電圧Ｖ２が第３内部空所６１の酸素濃度とより精度良く対応する値になる。

　さらに、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとを別々に配設することによって、ガスセンサ１００の使用に伴うＮＯｘ濃度の検出精度の低下（以下、「検出精度の劣化」と称する）を抑制することもできる。この理由について説明する。図１３に示したセンサ素子９０１のように１つの基準電極９４２がポンプ用基準電極４２ｐの役割と電圧用基準電極４２ｓの役割とを兼ねている場合において、基準電極９４２中の貴金属はポンプ電流Ｉｐ３が流れることにより酸化する場合がある。例えば基準電極９４２中にＰｔが含まれている場合には、Ｐｔの一部が酸化してＰｔＯ，ＰｔＯ₂となる場合がある。酸化した貴金属は酸化前と比較して蒸発しやすくなるため、ガスセンサ９００の使用に伴って基準電極９４２中の貴金属が減少していき、基準電極９４２の触媒活性が低下していく。すなわち基準電極９４２が劣化していく。基準電極９４２の触媒活性が低下すると、基準電極９４２の反応抵抗が大きくなって電圧降下分がさらに大きくなるから、図５の波形Ｌ２の残留電圧ＤＶｒｅｆは、ガスセンサ９００の使用に伴ってさらに上昇していく。その結果、例えば図５に示す二点鎖線の波形Ｌ３のように、基準電極９４２の電圧降下の上昇分Ｒｉだけ、波形Ｌ２よりも全体に残留電圧ＤＶｒｅｆが大きくなる。このように、ガスセンサ９００では、製造直後の時点で比較しても残留電圧ＤＶｒｅｆがガスセンサ１００より大きい上に、ガスセンサ９００の使用に伴ってさらに残留電圧ＤＶｒｅｆが大きくなっていく。そのため、電圧Ｖｐ３が電圧Ｖ２に与える影響もガスセンサ９００の使用に伴って大きくなり、Ｖ２検出センサセル８２による第３内部空所６１の酸素濃度の測定精度が低下していく。これにより、ガスセンサ９００はＮＯｘ濃度の検出精度が劣化していく。これに対し、ガスセンサ１００では、電圧用基準電極４２ｓにはポンプ電流Ｉｐ３を流さないことから電圧用基準電極４２ｓが劣化しにくい。また電圧用基準電極４２ｓが劣化したとしてもポンプ電流Ｉｐ３を流さないため電圧降下が生じない。これらにより、ガスセンサ１００を長期間使用しても残留電圧ＤＶｒｅｆは上昇しにくいから、電圧Ｖ２による第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度が低下しにくくなり、ＮＯｘ濃度の検出精度の劣化が抑制される。なお、ガスセンサ１００においても、外側ポンプ電極２３が劣化することで残留電圧ＤＶｒｅｆが上昇する場合はある。しかし、外側ポンプ電極２３は他の電極と比べて面積が比較的大きいことや、外側ポンプ電極２３（及び内側ポンプ電極２２）は他の電極よりもヒータ７２によって比較的高温になることから、外側ポンプ電極２３の抵抗値は他の電極より低い場合が多い。そのため、例えばガスセンサ９００の基準電極９４２と比較すると、外側ポンプ電極２３が劣化することによる電圧降下分の上昇量、すなわち残留電圧ＤＶｒｅｆの上昇量は小さい。

　なお、電圧Ｖ２には、上述した測定電極４４の周囲と電圧用基準電極４２ｓの周囲との酸素濃度差に基づく起電力、及び外側ポンプ電極２３の電圧降下分の他に、電圧用基準電極４２ｓの熱起電力も含まれる。そのため、Ｖ２検出センサセル８２を用いた酸素濃度の検出精度をより向上させるためには、電圧用基準電極４２ｓの熱起電力を小さくすることが好ましい。例えば、電圧用基準電極４２ｓの面積をなるべく小さくすることで、電圧用基準電極４２ｓ内の温度ばらつきを小さくできるため、電圧用基準電極４２ｓの熱起電力を小さくすることができる。電圧用基準電極４２ｓはポンプ電流Ｉｐ３が流れないことから抵抗値が大きくてもよいため、ポンプ用基準電極４２ｐと比べて面積を小さくしやすい。本実施形態では、上述したように電圧用基準電極４２ｓの面積をポンプ用基準電極４２ｐの面積よりも小さくしているため、電圧用基準電極４２ｓの熱起電力を比較的小さくすることができる。

　ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとは、互いに接触しない（導通しない）範囲でなるべく近くに配置されていることが好ましい。こうすれば、ポンプ用基準電極４２ｐの周囲に汲み入れられた酸素が電圧用基準電極４２ｓの周囲に到達しやすくなるため、電圧用基準電極４２ｓの周囲の酸素濃度が低下した場合に、減少した酸素を基準ガス調整ポンプセル９０によって補いやすい。本実施形態では、図２に示したようにポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとが前後に隣接することで、両者がなるべく近くに配置されるようにしている。

　上述したガスセンサの使用に伴うＮＯｘ濃度の検出精度の変化の様子を以下のようにして調べた。まず、図１～３に示した本実施形態のセンサ素子１０１及びガスセンサ１００を作製して、実施例１とした。また、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓを備えない代わりに図１３の基準電極９４２を備えた点以外は実施例１と同じガスセンサを作製して、比較例１とした。比較例１では、基準電極９４２が基準ガス調整ポンプセル９０，Ｖ０検出センサセル８０，Ｖ１検出センサセル８１，Ｖ２検出センサセル８２，及びＶｒｅｆ検出センサセル８３の各々の一部を構成している。実施例１のポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓと比較例１の基準電極９４２とは同じ材質とした。

　実施例１及び比較例１についてディーゼルエンジンを用いた耐久試験を行い、ＮＯｘ濃度の検出精度の劣化の程度を評価した。まず、実施例１のガスセンサをモデルガス装置に取り付けた。そして、ヒータ７２に通電して温度を８００℃とし、センサ素子１０１を加熱した。制御部９６による上述した各ポンプセル２１，４１，５０，９０の制御や、上述した各センサセル８０～８３からの各電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆの取得を行っている状態とした。この状態で、ベースガスが窒素であり、ＮＯ濃度が１５００ｐｐｍである第１モデルガスをモデルガス装置に流して、ポンプ電流Ｉｐ２が安定するまで待った。安定した後のポンプ電流Ｉｐ２をＮＯに対するガスセンサの出力の初期値Ｉａとして測定した。次に、耐久試験を以下のように行った。まず、実施例１のガスセンサを自動車の排ガス管の配管に取り付けた。そして、エンジン回転数が１５００～３５００ｒｐｍの範囲、負荷トルクが０～３５０Ｎ・ｍの範囲で構成した４０分間の運転パターンを、１０００時間が経過するまで繰り返した。なお、そのときのガス温度は２００℃～６００℃、ＮＯｘ濃度は０～１５００ｐｐｍであった。この１０００時間の間も、制御部９６による上述した各ポンプセルの制御及び各電圧の取得は継続して行った。そして、１０００時間経過後に、一時的にガスセンサを排ガス管から取り外してモデルガス装置に取り付け、初期値Ｉａと同じ方法でポンプ電流Ｉｐ２の値を測定し、１０００時間経過後の値Ｉｂとした。そして、１０００時間経過後のＮＯ出力変化率＝［１－（Ｉｂ／Ｉａ）］×１００％として、実施例１のガスセンサの１０００時間経過後のポンプ電流Ｉｐ２のＮＯ出力変化率［％］を導出した。同様に、１０００時間の耐久試験とその後の値Ｉｂの測定とを繰り返し行って、耐久試験の経過時間の合計が２０００時間，３０００時間のときのＮＯ出力変化率をそれぞれ導出した。比較例１のガスセンサについても、同様にして初期値Ｉａ及び耐久試験の経過時間が３０００時間になるまでのＮＯ出力変化率を導出した。

　図６は、実施例１及び比較例１における上述した耐久試験の経過時間とＮＯ出力変化率との関係を示すグラフである。実施例１及び比較例１のいずれも、経過時間が０時間のときの初期値Ｉａを基準（＝ＮＯ出力変化率が０％）として、ＮＯ出力変化率を示している。ＮＯ出力変化率の絶対値が小さいほど、耐久試験後のＮＯに対するポンプ電流Ｉｐ２の変化が少なく、ＮＯｘ濃度の検出精度の劣化が抑制されていることを意味する。図６に示すように、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとがそれぞれ配設されている実施例１の方が、これらの電極の代わりに基準電極９４２が配設されている比較例１と比べて、ＮＯｘ濃度の検出精度の劣化が抑制されていた。これは、上述したように、比較例１の基準電極９４２が耐久試験によって劣化していくのに対して、実施例１のポンプ用基準電極４２ｐは劣化しにくく且つ劣化したとしてもポンプ電流Ｉｐ３による電圧降下が生じないためと考えられる。

　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，第２基板層２，第３基板層３，第１固体電解質層４，スペーサ層５及び第２固体電解質層６が本発明の素子本体に相当し、基準ガス導入部４９が基準ガス導入部に相当し、ポンプ用基準電極４２ｐがポンプ用基準電極に相当し、基準ガス調整ポンプセル９０が基準ガス調整ポンプセルに相当し、電圧用基準電極４２ｓが電圧用基準電極に相当し、内側ポンプ電極２２，補助ポンプ電極５１，測定電極４４及び外側ポンプ電極２３が被測定ガス側電極に相当し、Ｖ０検出センサセル８０，Ｖ１検出センサセル８１，Ｖ２検出センサセル８２，及びＶｒｅｆ検出センサセル８３がセンサセルに相当する。また、外側ポンプ電極２３が汲み入れ元電極に相当する。第３内部空所６１が測定室に相当し、測定用ポンプセル４１が測定用ポンプセルに相当し、測定電極４４が測定電極に相当し、Ｖ２検出センサセル８２が測定用センサセルに相当する。制御部９６が測定用ポンプセル制御部及び基準ガス調整部に相当する。

　以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、センサ素子１０１において、基準ガス導入部４９の基準ガスに接触する電極として、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとが別々に設けられている。そのため、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆにはポンプ電流Ｉｐ３に起因する電圧用基準電極４２ｓの電圧降下分が含まれない。これにより、センサセル８０～８３の各々を用いた第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１，及びセンサ素子１０１の外側の酸素濃度の検出精度が向上する。以上のことから、センサ素子１０１では、基準ガス導入部４９に酸素の汲み入れを行いつつ汲み入れ時のポンプ電流Ｉｐ３に起因する酸素濃度の検出精度の低下を抑制できる。特に、Ｖ２検出センサセル８２の電圧Ｖ２は、測定用ポンプセル４１の制御に用いられることにより、電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖｒｅｆよりも被測定ガス中の特定ガス濃度の検出精度に影響する。そのため、ポンプ用基準電極４２ｐとは独立して設けられた電圧用基準電極４２ｓがＶ２検出センサセル８２の一部を構成していることで、特定ガス濃度の検出精度がより向上する。

　さらに、制御部９６は、電圧Ｖ２が目標値Ｖ２＊になるように測定用ポンプセル４１をフィードバック制御することで測定用ポンプセル４１に第３内部空所６１からの酸素の汲み出しを行わせる。そして、上述したようにポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとが別々に配設されていることでセンサ素子１０１のＶ２検出センサセル８２を用いた第３内部空所６１の酸素濃度の検出精度が向上しているから、上記のフィードバック制御を行うことにより、第３内部空所６１の酸素濃度を目標値Ｖ２＊に対応する酸素濃度に精度良く調整できる。また、このフィードバック制御により測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度が検出されるから、ＮＯｘ濃度の検出精度も向上する。

　さらにまた、制御部９６は、基準ガス調整ポンプセル９０に繰り返しオンオフされる電圧Ｖｐ３を印加することで基準ガス調整ポンプセル９０にポンプ用基準電極４２ｐの周囲への酸素の汲み入れを行わせる。そして、制御部９６は、電圧Ｖｐ３がオフの期間にＶ２検出センサセル８２の電圧Ｖ２を取得する。これにより、電圧Ｖｐ３がＶ２検出センサセル８２の電圧Ｖ２に与える影響を小さくすることができる。したがって、電圧Ｖｐ３に起因する酸素濃度の検出精度の低下を抑制できる。

［第２実施形態］
　図７は、第２実施形態のガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。ガスセンサ２００のセンサ素子２０１は、センサ素子１０１と同様にポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓを備えており、さらに図１の外側ポンプ電極２３の代わりにポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓを備えている。ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓは、それぞれ、センサ素子２０１の外側の被測定ガスと接触するように、センサ素子２０１の外側に配設されている。本実施形態では、ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓは外側ポンプ電極２３と同様にセンサ素子２０１の上面に配設されている。ポンプ用外側電極２３ｐは、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９０の各々の一部を構成しており、ポンプ用外側電極２３ｐにはポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２，Ｉｐ３が流れる。電圧用外側電極２３ｓはＶｒｅｆ検出センサセル８３の一部を構成している。そのため、電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧が電圧Ｖｒｅｆである。ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓは、図２に示したポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓと同様に、いずれも上面視で略四角形状をしている。電圧用外側電極２３ｓはポンプ用外側電極２３ｐよりも後側に位置している。電圧用外側電極２３ｓはポンプ用外側電極２３ｐよりも前後の長さが小さくなっており、面積も小さくなっている。ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓの材質は、第１実施形態の外側ポンプ電極２３と同じである。ただし、ポンプ用外側電極２３ｐに含まれる貴金属と電圧用外側電極２３ｓに含まれる貴金属とは、種類及び含有割合の少なくともいずれかが異なっていてもよい。

　ガスセンサ２００は、それ以外の点は第１実施形態のガスセンサ１００と同じである。例えば、制御部９６は第１実施形態と同様に電圧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し、これにより主ポンプセル２１にはポンプ電流Ｉｐ０が流れる。また、制御部９６は、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆに基づいてセンサ素子２０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度を検出する。

　このガスセンサ２００のセンサ素子２０１では、上述したように、センサ素子２０１の外側に、ポンプセル２１，４１，５０，９０の各々の一部を構成するポンプ用外側電極２３ｐと、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３の一部を構成する電圧用外側電極２３ｓと、がそれぞれ配設されている。すなわち、センサ素子２０１では、センサ素子２０１の外側にポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとを別々に設けている。これにより、上述した第１実施形態でポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとを別々に設けていることによる効果と同様の効果が得られる。例えば、図１３に示したガスセンサ９００のように１つの外側ポンプ電極９２３が測定用ポンプセル９４１の電極とＶｒｅｆ検出センサセル９８３の電極とを兼ねている場合と異なり、電圧用外側電極２３ｓにはポンプ電流Ｉｐ２が流れない。同様に、電圧用外側電極２３ｓにはポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ３も流れない。そのため、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆにはポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３に起因する電圧用外側電極２３ｓの電圧降下分が含まれない。これにより、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆがセンサ素子２０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度とより精度良く対応する値になるから、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３を用いた被測定ガス中の酸素濃度の検出精度が向上する。また、複数のセンサ素子２０１において電圧用外側電極２３ｓの製造ばらつきがあっても、電圧Ｖｒｅｆによるセンサ素子２０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度の検出精度がばらつきにくい。

　また、センサ素子２０１における電圧Ｖｒｅｆは電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧であり、ガスセンサ２００ではこの電圧Ｖｒｅｆの測定用の両端の電極である電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとのいずれにもポンプ電流を流さない。そのため、センサ素子２０１では電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２と比べて特に電圧Ｖｒｅｆが酸素濃度とより精度良く対応する値になる。また、センサ素子２０１の電圧Ｖｒｅｆはセンサ素子１０１の電圧Ｖｒｅｆと比べてセンサ素子の外側の酸素濃度と一層精度良く対応する値になる。

　また、上述したように、制御部９６は、電圧Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるように、すなわち第１内部空所２０の酸素濃度が所定の低濃度になるように、主ポンプセル２１を制御する。このとき、例えば被測定ガス中の酸素濃度が所定の低濃度より高い状態と低い状態との間で切り替わると、制御部９６は主ポンプセル２１が酸素を移動させる方向を逆向きに切り替える。これにより、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０の向きが逆向きに切り替わる。例えば、被測定ガスがリーン雰囲気からリッチ雰囲気に切り替わると、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０の向きは、第１内部空所２０の酸素を汲み出す方向から第１内部空所２０に酸素を汲み入れる方向に切り替わる。リーン雰囲気は被測定ガスの空燃比が理論空燃比より大きい状態であり、リッチ雰囲気は被測定ガスの空燃比が理論空燃比より小さい状態である。リッチ雰囲気では被測定ガスには未燃の燃料が含まれており、その未燃成分を過不足なく燃焼させるのに必要な酸素量が、リッチ雰囲気の被測定ガスの酸素濃度に相当する。したがって、リッチ雰囲気の被測定ガスの酸素濃度はマイナスで表される。そのため、制御部９６は、被測定ガスがリッチ雰囲気である場合はマイナスの酸素濃度を目標値Ｖ０＊に対応する所定の低濃度（酸素濃度が０％よりは高い状態）にするべく、制御部９６は主ポンプセル２１を制御して第１内部空所２０に酸素を汲み入れる。そのため、１つの電極がポンプ用外側電極２３ｐの役割と電圧用外側電極２３ｓの役割とを兼ねていると、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０の向きが逆向きに切り替わる時の電流変化に要する時間に起因して、電圧Ｖｒｅｆの変化も遅くなる。これに対して、本実施形態では、ポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとを別々に設けているから、電圧Ｖｒｅｆはポンプ電流Ｉｐ０の変化に要する時間の影響を受けないため、電圧Ｖｒｅｆの変化が遅くならない。すなわち、被測定ガス中の酸素濃度が所定の低濃度より高い状態と低い状態との間で切り替わったときの電圧Ｖｒｅｆの応答性が低下しにくい。

　また、１つの電極がポンプ用外側電極２３ｐの役割と電圧用外側電極２３ｓの役割とを兼ねていると、その電極が使用により劣化することで、上述したポンプ電流Ｉｐ０の向きが逆向きに切り替わる時の電流変化に要する時間がさらに長くなる場合がある。これは、電極が劣化することで電極の容量成分が変化することが原因と考えられる。これにより、例えばガスセンサ９００では使用に伴って電圧Ｖｒｅｆの応答性が低下（以下、「応答性の劣化」と称する）していく場合がある。これに対して、本実施形態では、電圧用外側電極２３ｓにはポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３を流さないことから電圧用外側電極２３ｓが劣化しにくい。また電圧用外側電極２３ｓが劣化したとしても電圧用外側電極２３ｓにはポンプ電流Ｉｐ０を流さないから、電圧用外側電極２３ｓはポンプ電流Ｉｐ０の向きが逆向きに切り替わることの影響を受けない。これらにより、センサ素子２０１を長期間使用しても、電圧Ｖｒｅｆの応答性が劣化しにくい。

　電圧Ｖｒｅｆの応答性及び応答性の劣化の様子を以下のようにして調べた。まず、図７に示した本実施形態のセンサ素子２０１及びガスセンサ２００を作製して、実施例２とした。また、ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓを備えない代わりに図１３の外側ポンプ電極９２３を備えた点以外は実施例２と同じガスセンサを作製して、実施例３とした。実施例３では、外側ポンプ電極９２３が主ポンプセル２１，補助ポンプセル５０，測定用ポンプセル４１，基準ガス調整ポンプセル９０，及びＶｒｅｆ検出センサセル８３の各々の一部を構成している。実施例２のポンプ用外側電極２３ｐ，電圧用外側電極２３ｓ，及び実施例３の外側ポンプ電極９２３は、いずれも同じ材質とした。

　実施例２，３について電圧Ｖｒｅｆの応答性を調べた。まず、実施例２のガスセンサを配管に取り付けた。そして、ヒータ７２に通電して温度を８００℃とし、センサ素子２０１を加熱した。制御部９６による上述した各ポンプセル２１，４１，５０の制御や、上述した各センサセル８０～８３からの各電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆの取得を行っている状態とした。制御部９６による基準ガス調整ポンプセル９０の制御は行わない状態とした。この状態で、被測定ガスとしてリーン状態の排気ガスを模擬したガスを配管に流し、その後、リッチ状態の排気ガスを模擬したガスを配管に流すことで、被測定ガスのリーン状態からリッチ状態への切り替えを模擬した。このときの電圧Ｖｒｅｆを継続して測定し、電圧Ｖｒｅｆの時間変化の様子を調べた。実施例３についても同様にして電圧Ｖｒｅｆの時間変化の様子を調べた。

　具体的には、配管に流すガスをリーン状態からリッチ状態に切り替えると、実施例２，３のいずれも電圧Ｖｒｅｆが立ち上がった。電圧Ｖｒｅｆの立ち上がりの直前の値を０％とし、立ち上がり後に電圧Ｖｒｅｆが安定した後の値を１００％として、電圧Ｖｒｅｆが１０％から９０％になるまでに要する時間を、電圧Ｖｒｅｆの応答時間［ｍｓｅｃ］とした。この応答時間が短いほど、電圧Ｖｒｅｆの応答性が高いことを意味する。実施例２の応答時間が３８０ｍｓｅｃ，実施例３の応答時間が４００ｍｓｅｃであった。この結果から、ポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとがそれぞれ配設されている実施例２の方が、これらの電極の代わりに外側ポンプ電極９２３が配設されている実施例３と比べて、電圧Ｖｒｅｆの立ち上がりの応答性が高いことが確認された。なお、配管に流すガスをリッチ状態からリーン状態に切り替えたときの電圧Ｖｒｅｆの立ち下がりの応答性についても同様に調べたところ、実施例２の方が実施例３よりも応答性が高かった。

　次に、実施例２のガスセンサ２００を大気中に配置した状態で上記と同様に制御部９６によりセンサ素子２０１を駆動して５００時間経過させる大気連続試験を行った。実施例３のガスセンサについても同様に大気連続試験を行った。大気は排ガスよりも酸素濃度が高く、電極中の貴金属が酸化して劣化しやすいため、この大気連続試験は電極の加速劣化試験に相当する。この大気連続試験を行った後の実施例２，３に対して、上述した方法で電圧Ｖｒｅｆの応答時間［ｍｓｅｃ］を測定した。

　図８は、実施例２，３の大気連続試験の前後での電圧Ｖｒｅｆの応答時間の変化を示すグラフである。図８に示すように、実施例３では大気連続試験前（経過時間が０時間）の応答時間（４００ｍｓｅｃ）に比べて大気連続試験後（経過時間が５００時間）には応答時間が長くなっており（５８０ｍｓｅｃ）、応答性が劣化していた。これに対して、実施例２では大気連続試験の前後で応答時間が３８０ｍｓｅｃから３８５ｍｓｅｃに変化したのみであり、応答時間の変化はわずかであった。この結果から、ポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとがそれぞれ配設されている実施例２の方が、これらの電極の代わりに外側ポンプ電極９２３が配設されている実施例３と比べて、ガスセンサの使用による電圧Ｖｒｅｆの応答時間の劣化が抑制されていることが確認された。図９は、大気連続試験後の実施例２，３の電圧Ｖｒｅｆの時間変化の様子を示すグラフである。図９には、実施例２，３の各々について、電圧Ｖｒｅｆの立ち上がりの直前の値を０％とし、立ち上がり後に電圧Ｖｒｅｆが安定した後の値を１００％とした場合の、１０％及び９０％に相当する電圧Ｖｒｅｆも示した。また、図９には、実施例２，３の各々について、電圧Ｖｒｅｆが１０％から９０％になるまでに要する時間として測定された、上述した応答時間の値を示した。

　なお、実施例３のセンサ素子は実質的にセンサ素子１０１と同じ構成である。また、実施例２だけでなく実施例３も、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓを備えており、これにより上述した第１実施形態のガスセンサ１００と同様の効果を奏する。したがって、実施例３は比較例ではなく本発明の実施例に相当する。

　制御部９６がＶｒｅｆ検出センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆに基づいてセンサ素子２０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度を検出する場合、酸素濃度の検出の一種として、電圧Ｖｒｅｆに基づいてセンサ素子２０１の外側の被測定ガスがリッチ状態とリーン状態とのいずれであるかを判定してもよい。制御部９６は、例えば電圧Ｖｒｅｆが立ち上がり状態か立ち下がり状態かを判定するための所定の閾値を予め記憶部９８に記憶しておき、取得した電圧Ｖｒｅｆをこの閾値に基づいて２値化することで、被測定ガスがリッチ状態とリーン状態とのいずれであるかを判定できる。こうすれば、ガスセンサ２００はＮＯｘセンサとしてだけでなくラムダセンサ（空燃比センサ）としても機能する。なお、第１実施形態のガスセンサ１００においても、制御部９６が上記と同様にしてリッチ状態とリーン状態との判定を行ってもよい。

　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のうち特に第１実施形態とは異なる対応関係を明らかにする。本実施形態の第１内部空所２０が本発明の酸素濃度調整室に相当し、ポンプ用外側電極２３ｐがポンプ用外側電極に相当し、主ポンプセル２１が調整室用ポンプセルに相当し、電圧用外側電極２３ｓが電圧用外側電極に相当し、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３が外側用センサセルに相当する。また、制御部９６が調整室用ポンプセル制御部及び酸素濃度検出部に相当する。

　以上詳述した本実施形態のガスセンサ２００では、センサ素子２０１の外側にポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとを別々に設けている。これにより、電圧用外側電極２３ｓにはポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３が流れないから、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３の電圧Ｖｒｅｆにはポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３に起因する電圧用外側電極２３ｓの電圧降下分が含まれない。これにより、電圧Ｖｒｅｆがセンサ素子２０１の外側の被測定ガス中の酸素濃度とより精度良く対応する値になるから、Ｖｒｅｆ検出センサセル８３を用いた被測定ガス中の酸素濃度の検出精度が向上する。また、電圧Ｖｒｅｆは電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧であり、この電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとのいずれにもポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３が流れない。そのため、電圧Ｖｒｅｆはセンサ素子２０１の外側の被測定ガスの酸素濃度とより精度良く対応する値になる。

　また、制御部９６は、第１内部空所２０の酸素濃度が所定の低濃度になるように、主ポンプセル２１を制御することで、主ポンプセル２１に第１内部空所２０からの酸素の汲み出し又は第１内部空所２０への酸素の汲み入れを行わせる。この場合、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０の向きが逆向きに切り替わる場合がある。しかし、センサ素子２０１にポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとが別々に設けられていることで、電圧Ｖｒｅｆはポンプ電流Ｉｐ０の変化に要する時間の影響を受けない。これにより、被測定ガス中の酸素濃度が所定の低濃度より高い状態と低い状態との間で切り替わったときの電圧Ｖｒｅｆの応答性が低下しにくい。

　なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

　例えば、上述した第１～第２実施形態では、ポンプ用基準電極４２ｐと電圧用基準電極４２ｓとは前後に並べて配置したが、左右に並べて配置してもよい。また、図１０に示すように、ポンプ用基準電極４２ｐの左右のそれぞれに電圧用基準電極４２ｓが配設されていてもよい。図１０に示す２つの電圧用基準電極４２ｓは、図示しないリード線で電気的に接続されており、１つの電圧用基準電極として機能する。また、図１１に示すように、ポンプ用基準電極４２ｐが凹部を有しており、電圧用基準電極４２ｓが凹部内に配置されていてもよい。こうすれば、電圧用基準電極４２ｓが前方及び左右の３方向でポンプ用基準電極４２ｐに囲まれているから、ポンプ用基準電極４２ｐの周囲に汲み入れられた酸素が電圧用基準電極４２ｓの周囲に到達しやすくなる。

　図２，１０，１１を含む上述したポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓの種々の態様は、ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓの態様に適用してもよい。ただし、ポンプ用外側電極２３ｐ及び電圧用外側電極２３ｓについては、互いに近くに配置する必要はない。ポンプ用外側電極２３ｐの周囲に汲み出された酸素の影響で電圧Ｖｒｅｆが変化しないように、ポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとはある程度離して配置することが好ましい。

　上述した第１実施形態では、電圧用基準電極４２ｓについて面積を小さくして熱起電力を小さくすることが好ましい旨を説明した。これと同様に、電圧用外側電極２３ｓも、面積を小さくして熱起電力を小さくすることが好ましい。

　上述した第１実施形態では、第４拡散律速部６０はスリット状の隙間として構成されていたが、これに限られない。第４拡散律速部６０を多孔質体（例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス多孔質体）として構成してもよい。例えば、多孔質体として構成された第４拡散律速部６０が測定電極４４を被覆していてもよい。この場合は、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。すなわち、測定電極４４の周囲が第３内部空所６１と同様の役割を果たすことになる。

　上述した第２実施形態において、制御部９６は、電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧Ｖｒｅｆだけでなく、ポンプ用外側電極２３ｐと電圧用基準電極４２ｓとの間の電圧も取得してもよい。図１２は、変形例のガスセンサ３００の断面模式図である。ガスセンサ３００のセンサ素子３０１は、Ｖｒｅｆ１検出センサセル８３ａとＶｒｅｆ２検出センサセル８３ｂとを備えている。Ｖｒｅｆ１検出センサセル８３ａは、センサ素子２０１のＶｒｅｆ検出センサセル８３と同じセンサセルである。Ｖｒｅｆ１検出センサセル８３ａでは、電圧用外側電極２３ｓと電圧用基準電極４２ｓとの間に電圧Ｖｒｅｆ１が生じる。Ｖｒｅｆ２検出センサセル８３ｂは、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、ポンプ用外側電極２３ｐと、電圧用基準電極４２ｓとで構成された電気化学的なセンサセルである。Ｖｒｅｆ２検出センサセル８３ｂでは、ポンプ用外側電極２３ｐと電圧用基準電極４２ｓとの間に電圧Ｖｒｅｆ２が生じる。このガスセンサ３００では、電圧Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖｒｅｆ２との差に基づいて、ポンプ用外側電極２３ｐの劣化の判定を行うことができる。例えば、制御部９６は、所定の劣化判定タイミングにおいて、ポンプ用外側電極２３ｐに流れる電流Ｉｐ４（例えばポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３の合計値）と、電圧Ｖｒｅｆ１及び電圧Ｖｒｅｆ２とを取得し、取得した電圧Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖｒｅｆ２との差Ｄａを算出する。次に、制御部９６は、取得した電流Ｉｐ４に基づいて、電圧Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖｒｅｆ２との差の基準値を算出する。この基準値は、ポンプ用外側電極２３ｐが劣化していない状態での電圧Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖｒｅｆ２との差に相当する値である。電圧Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖｒｅｆ２との差には、ポンプ用外側電極２３ｐに流れる電流によるポンプ用外側電極２３ｐでの電圧降下分も含まれるから、制御部９６は、取得したポンプ電流Ｉｐ４に基づいて基準値を算出する。例えば、記憶部９８に、電流Ｉｐ４と基準値との対応関係を表す関係式（例えば一次関数の式）やマップなどを予め記憶しておき、取得した電流Ｉｐ４とこの対応関係とを用いて制御部９６は基準値を算出する。なお、電流Ｉｐ４（電流Ｉｐ０～Ｉｐ３の合計値）に占める電流Ｉｐ０の割合が大きい場合は、電流Ｉｐ４ではなく電流Ｉｐ０に基づいて基準値を算出してもよい。そして、差Ｄａと基準値とが乖離しているか否か（例えば差Ｄａと基準値との差が所定の閾値を超えたか否か）によって、ポンプ用外側電極２３ｐが劣化したか否かを判定する。ここで、センサ素子３０１の使用に伴ってポンプ用外側電極２３ｐにポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３が流れることで、ポンプ用外側電極２３ｐは劣化していく。これにより、ポンプ用外側電極２３ｐに流れる電流が劣化前と同じ状態でも、劣化前と比べてその電流が流れることによるポンプ用外側電極２３ｐでの電圧降下分が大きくなっていく。そのため、ポンプ用外側電極２３ｐが劣化するほど、電圧Ｖｒｅｆ１と電圧Ｖｒｅｆ２との差Ｄａが大きくなっていく傾向にある。したがって、制御部９６は、この差Ｄａと上述した基準値とを比較することで、ポンプ用外側電極２３ｐが劣化したか否かを判定できる。ポンプ用外側電極２３ｐが劣化すると、電圧Ｖｐ０～Ｖｐ３の各々によって流れるポンプ電流Ｉｐ０～Ｉｐ３の値が変化するなどにより、ＮＯｘ濃度の測定精度が低下する場合がある。制御部９６がポンプ用外側電極２３ｐの劣化を判定できれば、例えば制御部９６がエラー情報をエンジンＥＣＵに送信するなどの対応を行って、ＮＯｘ濃度の測定精度が低下したままになることを抑制できる。なお、制御部９６は、ポンプ用外側電極２３ｐが劣化したか否かを判定するだけでなく、差Ｄａの大きさに基づいて、又は差Ｄａと基準値との乖離の程度（例えば差Ｄａと基準値との差の大きさ）に基づいて、ポンプ用外側電極２３ｐの劣化の程度を判定することもできる。また、制御部９６は、ポンプ用外側電極２３ｐの劣化の有無や劣化の程度に応じて、劣化の影響を相殺するようにセンサ素子３０１の制御を変更してもよい。例えば、制御部９６は、差Ｄａに基づいて、又は差Ｄａと基準値との差に基づいて、上述した目標値Ｖ０＊，Ｖ１＊，Ｖ２＊，Ｉｐ１＊の少なくともいずれかを変更してもよい。また、制御部９６は、差Ｄａに基づいて、又は差Ｄａと基準値との差に基づいて、電圧Ｖｐ３を変更することでポンプ電流Ｉｐ３を変更して、ポンプ用基準電極４２ｐの周囲に汲み入れる酸素の量を変更してもよい。

　上述した第１実施形態では、基準ガス調整ポンプセル９０は、基準ガス導入部４９への酸素の汲み入れ元となる汲み入れ元電極として、素子本体の外側に配設された外側ポンプ電極２３を備えていた。同様に、上述した第２実施形態では、汲み入れ元電極として、素子本体の外側に配設されたポンプ用外側電極２３ｐを備えていた。しかし、これらに限らず、汲み入れ元電極は、被測定ガスと接触するように素子本体の内部又は外部に配設されていればよい。例えば、図１の内側ポンプ電極２２を汲み入れ元電極として、基準ガス調整ポンプセル９０は内側ポンプ電極２２の周囲から基準ガス導入部４９に酸素を汲み入れてもよい。また、基準ガス調整ポンプセル９０は、ポンプ用基準電極４２ｐの周囲から酸素を汲み出す場合があってもよい。

　上述した第１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つ含み、且つ被測定ガス流通部が内部に設けられていればよい。例えば、図１において第２固体電解質層６以外の層１～５は固体電解質以外の材質からなる構造層（例えばアルミナからなる層）としてもよい。この場合、センサ素子１０１が有する各電極は第２固体電解質層６に配設されるようにすればよい。例えば、図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の代わりにスペーサ層５に設け、基準ガス導入層４８を第１固体電解質層４と第３基板層３との間に設ける代わりに第２固体電解質層６とスペーサ層５との間に設け、ポンプ用基準電極４２ｐ及び電圧用基準電極４２ｓ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。第２実施形態についても同様である。

　上述した第１～第２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、Ｖ０検出センサセル８０からの電圧Ｖ０の取得及び目標値Ｖ０＊の設定を省略して、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて直接的に電圧Ｖｐ０を制御（ひいてはポンプ電流Ｉｐ０を制御）してもよい。この場合も、制御部９６は電圧Ｖ１が目標値Ｖ１＊になるように電圧Ｖｐ１をフィードバック制御するから、制御部９６は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となり且つ第２内部空所４０の酸素濃度が所定の低濃度（電圧Ｖ１に対応する酸素濃度）になるように、主ポンプセル２１を用いて第２内部空所４０の上流側の第１内部空所２０の酸素濃度を所定の低濃度に制御することになる。したがって、このような変形例の制御を行う場合でも、第２実施形態での説明と同様に、被測定ガス中の酸素濃度が所定の低濃度より高い状態と低い状態との間で切り替わると、ポンプ電流Ｉｐ０の向きが逆向きに切り替わる。そのため、このような変形例の制御を行う場合でも、上述した第２実施形態と同様にポンプ用外側電極２３ｐと電圧用外側電極２３ｓとを別々に設けることで、第２実施形態と同様に電圧Ｖｒｅｆの応答性が低下しにくくなる効果が得られる。

　上述した第１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、上述した第１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、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。第２実施形態についても同様である。

　上述した第１実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を検出したが、これ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、上述した第１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、制御部９６はこの酸素に応じた検出値に基づい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、特定ガスが例えば第１内部空所２０で酸化物に変換（例えばアンモニアであれば酸化されてＮＯに変換）されることで、変換後の酸化物が第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、制御部９６はこの酸素に応じた検出値を取得して特定ガス濃度を検出できる。このように、特定ガスが酸化物と非酸化物とのいずれであっても、ガスセンサ１００は、特定ガスに由来して第３内部空所６１で発生する酸素に基づいて特定ガス濃度を検出できる。第２実施形態についても同様である。

　本出願は、２０２１年３月３１日に出願された日本国特許出願第２０２１－５９１２１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などの特定ガスの濃度を検出するガスセンサに利用可能である。

１　第１基板層、２　第２基板層、３　第３基板層、４　第１固体電解質層、５　スペーサ層、６　第２固体電解質層、１０　ガス導入口、１１　第１拡散律速部、１２　緩衝空間、１３　第２拡散律速部、２０　第１内部空所、２１　主ポンプセル、２２　内側ポンプ電極、２２ａ　天井電極部、２２ｂ　底部電極部、２３　外側ポンプ電極、２３ｐ　ポンプ用外側電極、２３ｓ　電圧用外側電極、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、４２ｐ　ポンプ用基準電極、４２ｓ　電圧用基準電極、４３　基準ガス導入空間、４４　測定電極、４６　可変電源、４７　基準電極リード、４８　基準ガス導入層、４９　基準ガス導入部、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、７８　ヒータ電源、８０　Ｖ０検出センサセル、８１　Ｖ１検出センサセル、８２　Ｖ２検出センサセル、８３　Ｖｒｅｆ検出センサセル、８３ａ　Ｖｒｅｆ１検出センサセル、８３ｂ　Ｖｒｅｆ２検出センサセル、９０　基準ガス調整ポンプセル、９２　電源回路、９５　制御装置、９６　制御部、９７　ＣＰＵ、９８　記憶部、１００～３００　ガスセンサ、１０１～３０１　センサ素子、９００　ガスセンサ、９０１　センサ素子、９１１～９１６　固体電解質層、９２０　第１内部空所、９２１　主ポンプセル、９２２　内側ポンプ電極、９２３　外側ポンプ電極、９４０　第２内部空所、９４１　測定用ポンプセル、９４２　基準電極、９４４　測定電極、９５１　補助ポンプ電極、９６１　第３内部空所、９８２　測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、９８３　Ｖｒｅｆ検出センサセル、９９０　基準ガス調整ポンプセル。

Claims

　被測定ガス中の特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、
　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含み、前記被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
　前記素子本体の内部に配設され、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ガス導入部と、
　前記基準ガス導入部に導入された前記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ポンプ用基準電極を有し、前記ポンプ用基準電極の周囲に酸素の汲み入れを行う基準ガス調整ポンプセルと、
　前記基準ガス導入部に導入された前記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電圧用基準電極と、前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の内部又は外部に配設された被測定ガス側電極と、を有し、前記被測定ガス側電極の周囲の酸素濃度に基づく電圧を生じるセンサセルと、
　を備えたセンサ素子。
　請求項１に記載のセンサ素子であって、
　前記特定ガスに由来して前記被測定ガス流通部のうちの測定室で発生する酸素の汲み出しを行う測定用ポンプセル、
　を備え、
　前記被測定ガス側電極は、前記測定室に配設された測定電極であり、
　前記センサセルは、前記測定室の酸素濃度に基づく電圧を生じる測定用センサセルである、
　センサ素子。
　請求項２に記載のセンサ素子であって、
　前記被測定ガス流通部のうちの前記測定室よりも上流側の酸素濃度調整室に配設された調整電極と、前記素子本体の外側に配設されたポンプ用外側電極と、を有し、前記酸素濃度調整室からの酸素の汲み出し又は前記酸素濃度調整室への酸素の汲み入れを行うための調整室用ポンプセルと、
　前記素子本体の外側に配設された電圧用外側電極と、前記電圧用基準電極と、を有し、前記素子本体の外側の被測定ガス中の酸素濃度に基づく電圧を生じる外側用センサセルと、
　を備えたセンサ素子。
　請求項２又は３に記載のセンサ素子と、
　前記測定用センサセルの前記電圧が目標電圧になるように前記測定用ポンプセルをフィードバック制御することで該測定用ポンプセルに前記測定室からの酸素の汲み出しを行わせる測定用ポンプセル制御部と、
　を備えたガスセンサ。
　請求項４に記載のガスセンサであって、
　前記基準ガス調整ポンプセルに繰り返しオンオフされる制御電圧を印加することで該基準ガス調整ポンプセルに前記ポンプ用基準電極の周囲への酸素の汲み入れを行わせる基準ガス調整部、
　を備え、
　前記測定用ポンプセル制御部は、前記繰り返しオンオフされる制御電圧がオフの期間に、前記測定用センサセルの前記電圧を取得して、該取得した電圧が前記目標電圧になるように前記測定用ポンプセルをフィードバック制御する、
　ガスセンサ。
　請求項３に記載のセンサ素子と、
　前記酸素濃度調整室の酸素濃度が所定の低濃度になるように前記調整室用ポンプセルを制御することで該調整室用ポンプセルに前記酸素濃度調整室からの酸素の汲み出し又は前記酸素濃度調整室への酸素の汲み入れを行わせる調整室用ポンプセル制御部と、
　前記外側用センサセルの前記電圧に基づいて前記素子本体の外側の被測定ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、
　を備えたガスセンサ。