WO2024057699A1

WO2024057699A1 - ガスセンサ及びガスセンサの制御方法

Info

Publication number: WO2024057699A1
Application number: PCT/JP2023/025907
Authority: WO
Inventors: 悠介渡邉; 大智市川
Original assignee: 日本碍子株式会社
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2023-07-13
Publication date: 2024-03-21

Abstract

低濃度の測定対象ガスをも精度よく測定する。センサ素子１０１と制御装置とを含み、センサ素子１０１は、基体部１０２と、被測定ガス流通空所１５と、空所内酸素ポンプ電極２２と空所外酸素ポンプ電極２３とを含む酸素ポンプセル２１と、空所内分解ポンプ電極５１と空所外分解ポンプ電極２３とを含む分解ポンプセル５０と、空所内検出電極４４と、基準ガスに接するように配設された基準電極４２と、を含み、制御装置は、空所内検出電極４４と前記基準電極４２との間の電圧が所定の値になるように分解ポンプセル５０を動作させて、被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、分解により発生した酸素を汲み出すポンプ制御部と、空所内分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する濃度算出部とを含む、ガスセンサ１００及びその制御方法。

Description

ガスセンサ及びガスセンサの制御方法

　本発明は、ガスセンサ及びガスセンサの制御方法に関する。本願は、２０２２年９月１２日に日本国に出願された特願２０２２－１４４８９０に基づく優先権を主張し、その内容は、参照により本願に組み込まれる。

　自動車のエンジン等の内燃機関の燃焼制御や排気ガス制御、環境制御、医療、バイオテクノロジー、農工業等の種々の分野において、被測定ガス中の対象とするガス成分（酸素Ｏ_２、水蒸気Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ_２、窒素酸化物ＮＯｘ、アンモニアＮＨ_３、炭化水素ＨＣ等）の濃度を測定することが求められる。濃度の測定には、種々の測定機器が用いられるが、その一例として、ジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質を用いた、限界電流方式のガスセンサが知られている。

　例えば、特許５９１８１７７号公報及び特許６４６９４６４号公報には、被測定ガス中の水蒸気成分および二酸化炭素成分の濃度を、固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサが開示されている。また、例えば、特許６４６９４６２号公報には、被測定ガス中の水蒸気成分の濃度を、固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサが開示されている。

　また、例えば、特許第５３２３７５２号公報には、酸素濃度を調整するための主ポンプセル及び補助ポンプセルと、ＮＯｘを検出するための測定電極を含む測定用ポンプセルを有するＮＯｘセンサが開示されている。前記ＮＯｘセンサにおいては、まず、主ポンプセル及び補助ポンプセルによって、被測定ガス中の酸素分圧がＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧に制御される。酸素分圧が制御された被測定ガス中のＮＯｘは、測定電極において還元され、その結果生じた酸素を測定用ポンプセルによって汲み出して、電流値として検出する。

特許５９１８１７７号公報特許６４６９４６４号公報特許６４６９４６２号公報特許５３２３７５２号公報

　自動車の排気ガス規制等の種々の環境規制の強化や、使用環境の多様化等に伴い、ガスセンサは、より低濃度の測定対象ガスをも精度よく測定することを求められている。ここで、低濃度が意図する濃度範囲は、測定対象ガスの種類やガスセンサの使用環境により異なり得る。測定対象ガスが水蒸気Ｈ_２Ｏや二酸化炭素ＣＯ_２の場合には、低濃度とは、例えば、１０％未満、５％未満、３％未満、１％未満の濃度を意味し、測定対象ガスが窒素酸化物ＮＯｘやアンモニアＮＨ_３等の場合には、低濃度とは、５００ｐｐｍ未満、４００ｐｐｍ未満、３００ｐｐｍ未満、２００ｐｐｍ未満、１００ｐｐｍ未満の濃度を意味する。

　従来の限界電流方式のガスセンサにおいては、固体電解質内を流れる電流に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する。例えば、上述の特許５９１８１７７号公報及び特許６４６９４６４号公報には、主電気化学的ポンピングセルにおいて測定対象ガスの水蒸気Ｈ_２Ｏや二酸化炭素ＣＯ_２を実質的に全て分解させ、第１測定用電気化学的ポンピングセルにおいて水蒸気Ｈ_２Ｏの分解により生じた水素Ｈ_２を燃焼させ、第２測定用電気化学的ポンピングセルにおいて二酸化炭素ＣＯ_２の分解により生じた一酸化炭素ＣＯを燃焼させることが開示されている。そして、その際に流れる各電流の大きさに基づいて、水蒸気成分および二酸化炭素成分の濃度をそれぞれ特定することが開示されている。また、例えば、特許第５３２３７５２号公報には、測定用ポンプセルにおいて、測定対象ガス（例えばＮＯｘ）が還元されて生じた酸素を電流として検出することが開示されている。係る電流の大きさは測定対象ガス濃度に応じた値となる。

　ところで、上述の電流は、被測定ガス中に測定対象ガスが存在しない場合であっても、ゼロとはならず、上述の第１測定用電気化学的ポンピングセルや第２測定用電気化学的ポンピングセル、又は測定用ポンプセル（測定用ポンプセル等）には微小な電流が流れる。この微小な電流をオフセット電流と称する。オフセット電流は測定対象ガスの濃度によらず発生する。そのため、オフセット電流の電流値が何らかの要因で変動した場合には、測定対象ガスの濃度によらず、測定用ポンプセル等において検出される電流値がオフセット電流値の変動分だけシフトする。低濃度の測定対象ガスを測定する場合には、測定対象ガス濃度に応じて測定用ポンプセル等において検出される電流値は相対的に小さいため、オフセット電流値の変動による電流値の変化が相対的に大きくなり、測定精度に与える影響が大きくなる傾向がある。

　そこで、本発明は、低濃度の測定対象ガスをも精度よく測定することを目的とする。すなわち、低濃度の測定対象ガスを含む広い濃度範囲の測定対象ガスを精度よく測定することを目的とする。

　本発明者らは、鋭意検討の結果、ガスセンサを、
　被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
　酸素濃度が調整された被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解する空所内分解ポンプ電極を含む分解ポンプセルと、
　酸素濃度が調整され且つ測定対象ガスの少なくとも一部が分解された被測定ガス中の酸素濃度を検出する空所内検出電極と、
　基準ガスに接する基準電極と、
を含んで構成することにより、測定対象ガスの濃度が低い場合であっても測定対象ガスを精度よく測定できることを見出した。

　本発明は、空所内検出電極と基準電極との間の電圧が所定の値になるようにした時の、空所内分解ポンプ電極と基準電極との間の電圧に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出できるという新たな知見に基づいている。
　本発明は、空所内検出電極と基準電極との間の電圧が所定の値になるように、空所内検出電極の上流に配設された空所内分解ポンプ電極を含む分解ポンプセルを動作させるという知見に基づいている。
　本発明は、空所内検出電極と基準電極との間の電圧が所定の値になるように、空所内検出電極の上流に配設された空所内分解ポンプ電極を含む分解ポンプセルを動作させ、その時の空所内分解ポンプ電極と基準電極との間の電圧に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出できるという新たな知見に基づいている。

　本発明には、以下の発明が含まれる。

（１）　センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサであって、
　前記センサ素子は、
　　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
　　前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
　　前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内酸素ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内分解ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内分解ポンプ電極と対応している空所外分解ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを分解する分解ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内分解ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内検出電極と、
　　前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
　前記制御装置は、
　　前記酸素ポンプセル及び前記分解ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部と、
　　被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出部とを含み、
　前記ポンプ制御部は、
　　前記酸素ポンプセルを動作させて、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整し、
　　前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値になるように前記分解ポンプセルを動作させて、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出し、
　前記濃度算出部は、前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する、ガスセンサ。

（２）　前記ポンプ制御部は、前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が前記所定の値になるように前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧を調整することにより、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させて、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出し、
　前記濃度算出部は、調整された前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の前記電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する、上記（１）に記載のガスセンサ。

（３）　前記センサ素子は、さらに、
　前記空所内検出電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内検出電極と対応している空所外検出電極とを含む、電流測定用ポンプセルを含み、
　前記制御装置は、さらに、
　　前記電流測定用ポンプセルに電流を流すか流さないかを切り替える切替ユニットを含む、上記（１）又は（２）に記載のガスセンサ。

（４）　前記制御装置は、
　前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の前記電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する電圧測定モードと、前記電流測定用ポンプセルに流れる電流値に基づいて前記被測定ガス中の前記測定対象ガスの濃度を算出する電流測定モードとを切り替える、測定モード切替部を含み、
　前記測定モード切替部は、前記電圧測定モードへの切り替えにおいては前記切替ユニットを前記電流測定用ポンプセルに電流を流さないように切り替え、前記電流測定モードへの切り替えにおいては前記切替ユニットを前記電流測定用ポンプセルに電流を流すように切り替える、上記（３）に記載のガスセンサ。

（５）　前記測定モード切替部は、前記電流測定モードにおいて検出された前記測定対象ガスの濃度が所定の第１濃度閾値Ｃ１よりも低いと判定した場合には前記電圧測定モードへの切り替えを行い、
　前記電圧測定モードにおいて検出された前記測定対象ガスの濃度が所定の第２濃度閾値Ｃ２よりも高いと判定した場合には前記電流測定モードへの切り替えを行う、上記（４）に記載のガスセンサ。

（６）　前記第１濃度閾値Ｃ１は、前記第２濃度閾値Ｃ２よりも低い濃度である、上記（５）に記載のガスセンサ。

（７）　前記電流測定モードにおいて、前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値となるように、前記電流測定用ポンプセルに流れる電流値が制御される、上記（４）～（６）のいずれかに記載のガスセンサ。

（８）　前記測定対象ガスが、水蒸気Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ_２、及び窒素酸化物ＮＯｘからなる群から選ばれる、上記（１）～（７）のいずれかに記載のガスセンサ。

（９）　被測定ガス中の測定対象ガスを検出するためのガスセンサの制御方法であって、
　前記ガスセンサは、
　センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、
　前記センサ素子は、
　　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
　　前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
　　前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内酸素ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内分解ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内分解ポンプ電極と対応している空所外分解ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを分解する分解ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内分解ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内検出電極と、
　　前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
　前記制御装置は、
　　前記酸素ポンプセル及び前記分解ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部と、
　　被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出部とを含み、
　前記制御方法は、
　前記ポンプ制御部によって、
　　前記酸素ポンプセルを動作させて、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整し、
　　前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値になるように前記分解ポンプセルを動作させて、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出す、ポンプ制御ステップと、
　前記濃度算出部によって、前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する濃度算出ステップと、
を含む、ガスセンサの制御方法。

（１０）　前記センサ素子は、さらに、
　前記空所内検出電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内検出電極と対応している空所外検出電極とを含む、電流測定用ポンプセルを含み、
　前記制御装置は、さらに、
　　前記電流測定用ポンプセルに電流を流すか流さないかを切り替える切替ユニットを含み、
　前記制御方法は、
　前記ポンプ制御ステップ及び前記濃度算出ステップを行い前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の前記電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する電圧測定モードと、前記酸素ポンプセル、前記分解ポンプセル及び前記電流測定用ポンプセルを作動させ前記電流測定用ポンプセルに流れる電流値に基づいて前記被測定ガス中の前記測定対象ガスの濃度を算出する電流測定モードとを、前記切替ユニットを用いて切り替えつつ行う、上記（９）に記載の制御方法。

　本発明によれば、低濃度の測定対象ガスをも精度よく測定することができる。すなわち、本発明によれば、低濃度の測定対象ガスを含む広い濃度範囲の測定対象ガスを精度よく測定する。

ガスセンサ１００の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。ガスセンサ１００における、制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、５０、各センサセル８０、８１、８２、８３及びヒータ部７０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における水蒸気の測定原理を示す概念図である。ガスセンサ１００における、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２の関係の一例を示す図である。横軸は電圧Ｖ１（ｍＶ）を、縦軸は電圧Ｖ２（ｍＶ）を示す。ガスセンサ１００における、Ｈ_２Ｏ濃度と電圧Ｖ１との関係の一例を示す図である。横軸はＨ_２Ｏ濃度（％）を、縦軸は電圧Ｖ２が４５０ｍＶとなるときの電圧Ｖ１（ｍＶ）を示す。変形例のガスセンサ２００の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。変形例のガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１の各ポンプセル２１、５０、４１、各センサセル８０、８１、８２、８３及びヒータ部７０との電気的な接続関係を示すブロック図である。変形例のガスセンサ２００が出力するＨ_２Ｏ濃度検出値の時間変化と測定モードの切替の一例を示す模式図である。横軸は時間（秒）を、縦軸はガスセンサ２００が出力するＨ_２Ｏ濃度検出値（％）を示す。変形例のガスセンサ２００における、Ｈ_２Ｏ濃度検出処理の一例を示すフローチャートである。他の実施形態のガスセンサにおける、ＣＯ_２濃度と電圧Ｖ１との関係の一例を示す図である。横軸はＣＯ_２濃度（％）を、縦軸は電圧Ｖ２が４５０ｍＶとなるときの電圧Ｖ１（ｍＶ）を示す。ガスセンサ１００を用いて窒素酸化物を測定する場合における、窒素酸化物の測定原理を示す概念図である。

　本発明のガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置と、を含んでいる。

　本発明のガスセンサに含まれるセンサ素子は、
　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
　前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
　前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内酸素ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内分解ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内分解ポンプ電極と対応している空所外分解ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを分解する分解ポンプセルと、
　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内分解ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内検出電極と、
　　前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
含む。

　本発明のガスセンサに含まれる制御装置は、
　前記酸素ポンプセル及び前記分解ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部と、
　被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出部とを含み、
　前記ポンプ制御部は、
　　前記酸素ポンプセルを動作させて、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整し、
　　前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値になるように前記分解ポンプセルを動作させて、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出し、
　前記濃度算出部は、前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する。

　以下に、本発明のガスセンサの実施形態の一例を詳しく説明する。

[ガスセンサの概略構成]
　本発明のガスセンサについて、図面を参照して以下に説明する。図１は、センサ素子１０１を含むガスセンサ１００の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。以下においては、図１を基準として、上下とは、図１の上側を上、下側を下とし、図１の左側を先端側、右側を後端側とする。

　図１において、ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によって被測定ガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏを検知し、その濃度を測定する水蒸気センサ（Ｈ_２Ｏセンサ）の一例を示している。

（センサ素子）
　センサ素子１０１は、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層が積層された構造を有する基体部１０２を含む、長尺板状の素子である。長尺板状とは、長板状、あるいは、帯状ともいう。基体部１０２は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する。これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。前記６つの層は全て同じ厚みであってもよいし、各層毎に異なる厚みであってもよい。各層の間は、固体電解質からなる接着層を介して接着されており、基体部１０２には前記接着層を含む。図１においては、前記６つの層からなる層構成を例示したが、本発明における層構成はこれに限られるものではなく、任意の層の数及び層構成としてよい。

　係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

　センサ素子１０１の長手方向の一方の端部（以下、先端部という）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０が形成されている。被測定ガス流通空所１５、すなわち、被測定ガス流通部は、ガス導入口１０から長手方向に、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されている。

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

　第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図１において図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。

　第４拡散律速部６０は、１本の横長の（図１において図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとしてスペーサ層５と、第２固体電解質層６との間に設けられる。第４拡散律速部６０は、所望の拡散抵抗を付与する形態であればよく、その形態は前記スリットに限定されるものではない。

　また、被測定ガス流通空所１５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は、センサ素子１０１の他方の端部（以下、後端部という）に開口部を有している。基準ガス導入空間４３に、Ｈ_２Ｏ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。

　大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層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、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。

　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につながる大気導入層４８が設けられている。すなわち、基準電極４２は、多孔質である大気導入層４８と基準ガス導入空間４３とを介して、基準ガスと接するように配設されている。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ＺｒＯ_２とのサーメット電極）として形成されてよい。

　被測定ガス流通空所１５において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口しており、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。

　本実施形態においては、被測定ガス流通空所１５は、センサ素子１０１の先端面に開口したガス導入口１０から被測定ガスが導入される形態であるが、本発明はこの形態に限定されるものではない。例えば、被測定ガス流通空所１５には、ガス導入口１０の凹所が存在しなくてもよい。この場合は、第１拡散律速部１１が実質的にガス導入口となる。

　また、例えば、被測定ガス流通空所１５は、基体部１０２の長手方向に沿う側面に、緩衝空間１２あるいは第１内部空所２０の緩衝空間１２に近い位置と連通する開口を有している形態であってもよい。この場合は、前記開口を通じて、基体部１０２の長手方向に沿う側面から被測定ガスが導入される。

　また、例えば、被測定ガス流通空所１５は、多孔体を通じて被測定ガスが導入される構成になっていてもよい。

　第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

　緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。

　第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

　結果として、第１内部空所２０に導入される被測定ガスの量が所定の範囲になっていればよい。すなわち、センサ素子１０１の先端部から第２拡散律速部１３の全体として、所定の拡散抵抗を付与されていればよい。例えば、第１拡散律速部１１が直接第１内部空所２０と連通する、すなわち、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３とが存在しない態様としてもよい。

　緩衝空間１２は、被測定ガスの圧力が変動する場合に、その圧力変動が検出値に与える影響を緩和するために設けられた空間である。

　被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの圧力変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空間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。すなわち、本実施形態においては、主ポンプセル２１が、被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルとして機能する。

　主ポンプセル２１は、前記被測定ガス流通空所１５の内表面に配設された空所内酸素ポンプ電極の内側主ポンプ電極２２と、前記基体部１０２の前記被測定ガス流通空所１５とは異なる位置（図１においては、前記基体部１０２の外面）に配設された、前記内側主ポンプ電極２２と対応している空所外酸素ポンプ電極の外側ポンプ電極２３とを含む電気化学的ポンプセルである。「前記内側主ポンプ電極２２と対応している」とは、前記外側ポンプ電極２３が、前記内側主ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６を介して設けられていることを意味する。

　すなわち、主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側主ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

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

　内側主ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（金属成分とセラミックス成分が混在した態様の電極）である。金属成分としては、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくとも１つ）を含んでいるとよい。セラミックス成分としては、特に限定されないが、基体部１０２と同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いることが好ましい。内側主ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、例えば、ＰｔとＺｒＯ_２とのサーメット電極であってよい。

　主ポンプセル２１においては、内側主ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間にポンプ電圧Ｖｐ０を可変電源２４により印加して、内側主ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。

　また、内側主ポンプ電極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においては、第１内部空所２０内の雰囲気と、基準ガス導入空間４３内の基準ガスとの間の酸素濃度差に起因して、内側主ポンプ電極２２と基準電極４２との間に起電力（電圧Ｖ０）が発生する。

　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２４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内の酸素濃度を所定の値に保つことができる。

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

　第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の水蒸気を還元（分解）するための空間として設けられている。分解ポンプセル５０が作動することによって水蒸気の還元が行われる。

　分解ポンプセル５０は、前記被測定ガス流通空所１５の内表面の、前記内側主ポンプ電極２２よりも前記基体部１０２の長手方向の先端部から遠い位置に配設された空所内分解ポンプ電極の分解ポンプ電極５１と、前記基体部１０２の前記被測定ガス流通空所１５とは異なる位置に配設された、前記分解ポンプ電極５１と対応している空所外分解ポンプ電極とを含む電気化学的ポンプセルである。本実施形態においては、前記基体部１０２の外面に配設された外側ポンプ電極２３が、空所外分解ポンプ電極としても機能する。「前記分解ポンプ電極５１と対応している」とは、外側ポンプ電極２３が、前記分解ポンプ電極５１と、第２固体電解質層６を介して設けられていることを意味する。

　すなわち、分解ポンプセル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を有する分解ポンプ電極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、被測定ガス流通空所１５とは異なる位置に配設された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、電気化学的ポンプセルである。

　分解ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側主ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。

　分解ポンプ電極５１は、水蒸気を分解する触媒活性を有する電極である。内側主ポンプ電極２２と同様に、多孔質サーメット電極である。金属成分としては、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくとも１つ）を含んでいるとよい。セラミックス成分としては、特に限定されないが、基体部１０２と同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いることが好ましい。例えば、ＰｔとＺｒＯ_２とのサーメット電極であってよい。

　分解ポンプセル５０においては、分解ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に電圧Ｖｐ１を可変電源５２により印加して、分解ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間にポンプ電流Ｉｐ１を流すことにより、分解ポンプ電極５１において水蒸気の少なくとも一部を分解（還元）して（２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２）、水蒸気の分解により発生した酸素を第２内部空所４０内から外部空間に汲み出すことが可能となっている。

　また、分解ポンプ電極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、分解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。分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１においては、第２内部空所４０内の雰囲気と、基準ガス導入空間４３内の基準ガスとの間の酸素濃度差に起因して、分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間に起電力（電圧Ｖ１）が発生する。

　分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１を測定することで第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。この分解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に基づいて可変電源５２のポンプ電圧Ｖｐ１がフィードバック制御される。

　第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で水蒸気の少なくとも一部が分解されて発生した水素ガスを含む被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所６１に導く部位である。

　第３内部空所６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を測定するための空間として設けられている。酸素分圧の測定は、起電力検出センサセル８２によって行われる。

　起電力検出センサセル８２は、空所内検出電極の検出電極４４と、前記基準電極４２と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって構成される電気化学的センサセルである。起電力検出センサセル８２においては、第３内部空所６１内の雰囲気と、基準ガス導入空間４３内の基準ガスとの間の酸素濃度差に起因して、検出電極４４と基準電極４２との間に起電力（電圧Ｖ２）が発生する。なお、水素ガスは還元性ガスであるので、前記酸素濃度差を大きくするように作用する。

　検出電極４４は、前記被測定ガス流通空所１５内の、前記分解ポンプ電極５１よりも前記基体部１０２の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された電極である。

　検出電極４４は、第３内部空所６１内の第１固体電解質層４の上面に配設された多孔質サーメット電極である。検出電極４４は、金属成分としては、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくとも１つ）を含んでいるとよい。セラミックス成分としては、特に限定されないが、基体部１０２と同様に、酸素イオン伝導性の固体電解質を用いることが好ましい。例えば、ＰｔとＺｒＯ_２とのサーメット電極であってよい。

　検出電極４４は、さらにＡｕ（金）を含んでいてもよい。あるいは、金属成分としてＡｕのみを含んでいてもよい。Ａｕは、水素Ｈ_２に対する活性はあるが、一酸化炭素ＣＯに対して不活性であると考えられる。被測定ガス中に二酸化炭素ＣＯ_２が存在する場合には、分解ポンプ電極５１において二酸化炭素が分解して一酸化炭素ＣＯが生じ得る。しかしながら、検出電極４４がＡｕを含む場合には、検出電極４４において、一酸化炭素ＣＯを検出せず、水蒸気Ｈ_２Ｏの分解により発生した水素Ｈ_２のみをより精度よく検出できると考えられる。二酸化炭素ＣＯ_２の影響をより小さくすることができるため、より高精度に水蒸気濃度を測定し得る。測定対象ガスの種類に応じて、検出電極４４の金属成分を適宜選択してよい。

　起電力検出センサセル８２における検出電極４４と前記基準電極４２との間の起電力（電圧Ｖ２）を測定することによって、第３内部空所６１内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。酸素ガスの濃度が低いほど、電圧Ｖ２は大きくなる。また、還元性ガスの水素ガスが存在する場合には、水素ガスの濃度が高いほど、電圧Ｖ２は大きくなる傾向を示す。この起電力検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２に基づいて、上述の分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１の値を調整するフィードバック制御が行われる。

　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、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、ヒータ電極７１と、ヒータ７２と、ヒータリード７６と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。

　ヒータ電極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。ヒータ電極７１を外部電源であるヒータ電源７７と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

　ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、ヒータ７２に接続していて且つセンサ素子１０１の長手方向後端側に延びているヒータリード７６と、スルーホール７３とを介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１を通してヒータ電源７７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。主ポンプセル２１及び分解ポンプセル５０が作動でき、且つ、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１、起電力検出センサセル８２、及びセンサセル８３における各起電力が検出できるように温度が調整されていればよい。これらの全域が同じ温度に調整される必要はなく、センサ素子１０１に温度分布があってもよい。

　本実施形態のセンサ素子１０１においては、ヒータ７２が基体部１０２に埋設された態様であるが、この態様に限定されるものでない。ヒータ７２は、基体部１０２を加熱するように配設されていればよい。すなわち、ヒータ７２は、上述の主ポンプセル２１及び分解ポンプセル５０が作動できる酸素イオン伝導性を発現させる程度に、センサ素子１０１を加熱できるものであればよい。例えば、本実施形態のように基体部１０２に埋設されていてもよい。あるいは、例えば、ヒータ部７０が基体部１０２とは別のヒータ基板として形成され、基体部１０２の隣接位置に配設されていてもよい。

　ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２及びヒータリード７６の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２及びヒータリード７６との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２及びヒータリード７６との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

　圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し、ヒータ絶縁層７４と基準ガス導入空間４３とが連通するように形成されている。圧力放散孔７５によって、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇が緩和されうる。なお、圧力放散孔７５のない構成としてもよい。

　上述のセンサ素子１０１は、センサ素子１０１の先端部が被測定ガスに接し、センサ素子１０１の後端部が基準ガスに接するような態様で、ガスセンサ１００に組み込まれる。

（制御装置）
　本実施形態のガスセンサ１００は、上述のセンサ素子１０１と、センサ素子１０１を制御する制御装置９０とを含む。ガスセンサ１００において、センサ素子１０１の各電極２２，２３，５１，４４，４２は図示しないリード線を介して、制御装置９０と電気的に接続されている。図２は、制御装置９０と、センサ素子１０１の各ポンプセル２１、５０、各センサセル８０、８１、８２、８３及びヒータ部７０との電気的接続関係を示すブロック図である。制御装置９０は、上述した可変電源２４、５２、及びヒータ電源７７と、制御部９１とを含む。制御部９１は、ヒータ制御部９２、ポンプ制御部９３、及び濃度算出部９４を含む。

　制御部９１は、汎用又は専用のコンピュータにより実現されるものであり、コンピュータに搭載されたＣＰＵやメモリ等によりヒータ制御部９２、ポンプ制御部９３、及び濃度算出部９４としての機能が実現される。なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンからの排気ガス中に含まれる水蒸気Ｈ_２Ｏを測定対象ガスとし、センサ素子１０１が排気経路に取り付けられるものである場合、制御装置９０（特に制御部９１）の一部あるいは全部の機能が、該自動車に搭載されているＥＣＵ（Electronic Control Unit；電子制御装置）により実現されてもよい。

　制御部９１は、センサ素子１０１の各センサセル８０、８１、８２、８３における起電力（Ｖ０、Ｖ１、Ｖ２、Ｖｒｅｆ）、各ポンプセル２１、５０におけるポンプ電流（Ｉｐ０、Ｉｐ１）、及びヒータ部７０におけるヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈを取得するように構成されている。また、制御部９１は、可変電源２４、５２、及びヒータ電源７７に制御信号を出力するように構成されている。

　ヒータ制御部９２は、ヒータ部７０（特にヒータ７２）を制御するように構成されているとよい。ヒータ制御部９２は、ヒータ７２を加熱し、また、ヒータ７２の温度を所望の温度に保持する。

　ヒータ７２を加熱するためには、公知の種々の制御方法を用いることができる。例えば、ヒータ７２に一定の電圧を印加して加熱することもできる。ヒータ７２の抵抗値に基づいてヒータ電源７７の出力を制御することもできる。あるいは、主ポンプセル２１、及び分解ポンプセル５０における抵抗値のうちの少なくとも１つに基づいてヒータ電源７７の出力を制御することもできる。また、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１、起電力検出センサセル８２、及びセンサセル８３における抵抗値のうちの少なくとも１つに基づいてヒータ電源７７の出力を制御することもできる。

　例えば、ヒータ制御部９２は、ヒータ７２におけるヒータ電圧Ｖｈとヒータ電流Ｉｈとから算出されるヒータ抵抗値Ｒｈ（＝Ｖｈ／Ｉｈ）に基づいて、ヒータ７２が目標温度に到達するように、ヒータ電源７７に出力する制御信号をフィードバック制御する。

　ポンプ制御部９３は、ガスセンサ１００が測定対象ガス（本実施形態においては水蒸気Ｈ_２Ｏ）の濃度を測定できるように、主ポンプセル２１及び分解ポンプセル５０の動作を制御するように構成されている。

　ポンプ制御部９３は、酸素ポンプセル（主ポンプセル２１）により、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整するように構成されている。本実施形態においては、ポンプ制御部９３は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における電圧Ｖ０が一定値（設定値Ｖ０_ＳＥＴと称する）となるように、主ポンプセル２１における可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。設定値Ｖ０_ＳＥＴは、例えば、第１内部空所２０内の雰囲気中の酸素分圧をＨ_２Ｏの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧にするように設定するとよい。例えば、測定対象ガスのＨ_２Ｏが実質的に分解されない酸素分圧にするように設定するとよい。電圧Ｖ０は内側主ポンプ電極２２近傍の酸素分圧を示しているので、電圧Ｖ０を一定にすることは、内側主ポンプ電極２２近傍の酸素分圧を一定にすることを意味する。結果として、主ポンプセル２１におけるポンプ電流Ｉｐ０は、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化する。

　被測定ガス中の酸素分圧が、設定値Ｖ０_ＳＥＴに相当する酸素分圧より高い場合には、主ポンプセル２１において、第１内部空所２０から酸素を排出する。一方、被測定ガス中の酸素分圧が、設定値Ｖ０_ＳＥＴに相当する酸素分圧より低い場合（例えば、炭化水素ＨＣ等が含まれている場合）には、主ポンプセル２１において、センサ素子１０１の外の空間から、第１内部空所２０に酸素を汲み入れる。従って、ポンプ電流Ｉｐ０は、正負のどちらの値も取り得る。

　ポンプ制御部９３は、起電力検出センサセル８２における前記空所内検出電極（検出電極４４）と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ２が所定の値になるように分解ポンプセル５０を動作させて、前記分解ポンプセル５０の前記空所内分解ポンプ電極（分解ポンプ電極５１）において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセル５０により汲み出すように構成されている。

　ポンプ制御部９３は、起電力検出センサセル８２における前記空所内検出電極（検出電極４４）と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ２が所定の値になるように、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における前記空所内分解ポンプ電極（分解ポンプ電極５１）と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ１を調整することにより、前記分解ポンプセル５０の前記空所内分解ポンプ電極（分解ポンプ電極５１）において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させて、前記分解ポンプセル５０により前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を汲み出すように構成されてよい。

　本実施形態においては、ポンプ制御部９３は、起電力検出センサセル８２における前記検出電極４４と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ２が目標値（設定値Ｖ２_ＳＥＴと称する）となるように、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１の目標値（設定値Ｖ１_ＳＥＴと称する）を調整するフィードバック制御を行う。そして、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１が調整された前記目標値（設定値Ｖ１_ＳＥＴ）となるように、分解ポンプセル５０における可変電源５２のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。設定値Ｖ２_ＳＥＴは、例えば、ガスセンサ１００により測定すべき測定対象ガスの種類や濃度範囲に応じて適宜設定してよい。測定対象ガスによって異なり得るが、水蒸気を測定する場合には、例えば、３００ｍＶ～６００ｍＶ程度であってよい。より好ましくは、４００ｍＶ～５００ｍＶ程度であってよい。設定値Ｖ２_ＳＥＴは、例えば、４５０ｍＶであってよい。

　濃度算出部９４は、被測定ガス中の測定対象ガス濃度（本実施形態ではＨ_２Ｏ濃度）を算出するように構成されている。

　濃度算出部９４は、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における前記空所内分解ポンプ電極（分解ポンプ電極５１）と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ１を取得し、予め記憶されている電圧Ｖ１と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との換算パラメータ（電圧－濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する。また、算出したＨ_２Ｏ濃度を、ガスセンサ１００の測定値として出力する。電圧－濃度換算パラメータは、後述する電圧Ｖ１と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との間の関係を示すデータとして、濃度算出部９４として機能する制御部９１のメモリに予め記憶されている。電圧－濃度換算パラメータは、ガスセンサ１００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電圧－濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（対数関数等）の係数であってもよいし、電圧Ｖ１と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との対応を示すマップであってもよい。電圧－濃度換算パラメータは、ガスセンサ１００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。

　濃度算出部９４は、さらに、主ポンプセル２１に流れるポンプ電流Ｉｐ０に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度を算出するように構成されていてもよい。このように構成すれば、ガスセンサ１００を用いて、被測定ガス中の測定対象ガス濃度（本実施形態ではＨ_２Ｏ濃度）と、被測定ガス中の酸素濃度とを同時に測定することも可能である。

（測定対象ガスの濃度検出）
　次に、上述のような構成を有するガスセンサ１００を用いて、被測定ガス中の水蒸気濃度（Ｈ_２Ｏ濃度）を測定する方法を説明する。

　本発明のガスセンサの制御方法は、
　前記ポンプ制御部によって、
　　前記酸素ポンプセルを動作させて、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整し、
　　前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値になるように前記分解ポンプセルを動作させて、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出す、ポンプ制御ステップと、
　前記濃度算出部によって、前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する濃度算出ステップと、
を含む。

　ガスセンサ１００は、センサ素子１０１の先端部が水蒸気を含む被測定ガスに接するように、ガス配管等に取り付けられる。なお、通常、被測定ガスには、酸素ガスも含まれている場合が多い。ガスセンサ１００は、例えば、始動信号（Dew point）を受信することによって起動される。始動信号（Dew point）は、ガスセンサ１００が自動車等に搭載されている場合には、例えば、自動車のＥＣＵや排ガス処理システム等からガスセンサ１００に対して送られる信号である。制御装置９０の電源を例えば手動でオンにすることによりガスセンサ１００が起動されてもよい。

　ガスセンサ１００が起動されると、制御部９１のヒータ制御部９２は、ヒータ７２を加熱し、ヒータ７２の温度を所望の温度に保持する。これにより、センサ素子１０１を固体電解質が活性化してＨ_２Ｏ濃度の測定が精度よく行われる駆動温度（例えば、８００℃程度）に維持する。

　次に、ポンプ制御部９３が、上述のように、主ポンプセル２１及び分解ポンプセル５０の制御を行う。ポンプ制御部９３は、センサ素子１０１が上記駆動温度に到達してから制御を開始してもよいし、上記駆動温度よりも低い温度において制御を開始してもよい。

　図３は、ガスセンサ１００における水蒸気の測定原理を示す概念図である。被測定ガス中の水蒸気Ｈ_２Ｏ及び酸素Ｏ_２の挙動に着目し、図３においては水蒸気Ｈ_２Ｏ及び酸素Ｏ_２のみを図示している。また、図３においてはセンサ素子１０１の構造を簡略化して図示しているので、図１も適宜参照しつつ、以下に説明する。被測定ガスは、ガス導入口１０から導入され、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、及び第２拡散律速部１３をこの順に通過して、第１内部空所２０に到達する。そして、主ポンプセル２１の働きによって酸素濃度が所定の濃度に調整される。これにより、第１内部空所２０内の酸素濃度、すなわち、第２内部空所４０に導入されるべき被測定ガス中の酸素濃度が、水蒸気Ｈ_２Ｏの測定に実質的に影響がない低い濃度に調整されるとよい。例えば、被測定ガス中の酸素ガスはほとんど汲み出され且つ被測定ガス中の水蒸気は実質的に分解されないように調整されるとよい。その後、酸素濃度が所定の濃度に調整された被測定ガスが、第３拡散律速部３０を通過して、第２内部空所４０に導入される。

　第２内部空所４０内においては、到達した被測定ガスに含まれる水蒸気Ｈ_２Ｏの少なくとも一部が分解ポンプ電極５１において分解（還元）されて水素と酸素を発生する（２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２）。水蒸気の分解により発生した酸素は、分解ポンプセル５０により第２内部空所４０から汲み出される。そして、水蒸気の分解により発生した水素ガスＨ_２を含む被測定ガスが、第４拡散律速部６０を通過して、第３内部空所６１に導入され、検出電極４４に到達する。なお、検出電極４４に到達する被測定ガス中には、分解ポンプ電極５１において分解されなかった水蒸気Ｈ_２Ｏも含まれていると考えられる。

　上述のとおり、ポンプ制御部９３は、起電力検出センサセル８２における検出電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２が所定の値（設定値Ｖ２_ＳＥＴ）となるように制御する。電圧Ｖ２は、上述のとおり、検出電極４４の周囲の雰囲気中の酸素ガスや水素ガスの濃度に応じて発生する起電力である。なお、水蒸気Ｈ_２Ｏそれ自体は、電圧Ｖ２の値に影響しないと考えられる。被測定ガス中の酸素濃度は、上述のとおり、主ポンプセル２１の働きによって、既に所定の濃度に調整されている。従って、電圧Ｖ２が所定の値となるように制御するとは、検出電極４４に到達する被測定ガス中の水素ガスの量（個数）が所定の量（個数）になるように制御すると言い換えることができると考えられる。

　つまり、ポンプ制御部９３は、検出電極４４に到達する被測定ガス中の水素ガスの量が所定の量となるように、分解ポンプセル５０を動作させて、分解ポンプ電極５１において、水蒸気を分解して前記所定の量の水素ガスを発生させるように制御する。すなわち、分解ポンプ電極５１において、被測定ガス中の水蒸気濃度によらず、所定の量の水蒸気を分解するように制御する。例えば、被測定ガス中の水蒸気濃度が高い時には、分解ポンプ電極５１において低い分解率で水蒸気を分解し、一方、被測定ガス中の水蒸気濃度が低い時には、分解ポンプ電極５１において高い分解率で水蒸気を分解するとよい。

　図４は、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１と、起電力検出センサセル８２における電圧Ｖ２との関係の一例を示す図である。横軸は電圧Ｖ１（ｍＶ）を、縦軸は電圧Ｖ２（ｍＶ）を示す。図４には、水蒸気濃度がＨ_２Ｏ＝１％、５％、及び１０％（体積基準。以下において同じ）の場合における、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との関係がそれぞれ示されている。いずれの濃度においても、電圧Ｖ２の変化に対して電圧Ｖ１の変化が小さい領域が存在することが分かった。そして、その領域においては、同じ電圧Ｖ２の時（例えば、電圧Ｖ２＝４５０ｍＶの時）の電圧Ｖ１を比較すると、水蒸気濃度が低いほど、電圧Ｖ１が大きい傾向がみられるという知見が得られた。

　Ｖ２の値が同じ場合には、上述のとおり、被測定ガス中の水蒸気濃度によらず、分解ポンプ電極５１において分解される水蒸気の量は同じであると考えられる。従って、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１が低いほど、分解ポンプ電極５１における水蒸気の分解率が低く、また、電圧Ｖ１が高いほど、分解ポンプ電極５１における水蒸気の分解率が高くなると考えられる。

　図５は、ガスセンサ１００における、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度と電圧Ｖ１との関係の一例を示す図である。横軸はＨ_２Ｏ濃度（％）を、縦軸は電圧Ｖ２を４５０ｍＶとなるようにした時の電圧Ｖ１（ｍＶ）を示す。このように、Ｈ_２Ｏ濃度と電圧Ｖ１との間には相関関係があることが分かった。濃度算出部９４は、このような相関関係を用いて、電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中の水蒸気濃度を算出することができる。

　また、図５に示すように、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が低いほど、Ｈ_２Ｏ濃度の変化に対する電圧Ｖ１の変動が大きい。つまり、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が低いほど、Ｈ_２Ｏ濃度の微小な変化に対して電圧Ｖ１が大きく変化するため、測定の分解能がより高くなる傾向がある。従って、低濃度の水蒸気Ｈ_２Ｏを含む被測定ガスを測定する場合に、特に高い測定精度でＨ_２Ｏ濃度を測定することができると考えられる。

［変形例］
　以下に、本発明のガスセンサの他の実施形態の例を説明する。変形例のガスセンサにおいて、
　前記センサ素子は、さらに、
　前記空所内検出電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内検出電極と対応している空所外検出電極とを含む、電流測定用ポンプセルを含み、
　前記制御装置は、さらに、
　前記電流測定用ポンプセルに電流を流すか流さないかを切り替える切替ユニットを含む。

　上述のガスセンサ１００においては、分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１に基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する。変形例のガスセンサ２００においては、ガスセンサ１００の場合と同様に電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する電圧測定モードと、前記電流測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する電流測定モードとを切り替えつつ測定を行う。

　図６は、センサ素子２０１を含む、変形例のガスセンサ２００の概略構成の一例を示す長手方向の垂直断面模式図である。図６において、図１と同じものには同じ符号を付しているので、説明は省略する。また、図７は、ガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１との電気的な接続関係を示すブロック図である。図７において、図２と同じものには同じ符号を付しているので、説明は省略する。制御装置２９０は、電流測定用ポンプセル４１に電流を流すか流さないかを切り替える切替ユニット４７を含む。

　ガスセンサ２００において、切替ユニット４７は、電流測定用ポンプセル４１に電流を流すか流さないかを切り替える機構を有していればよい。例えば、切替ユニット４７は、図６に例示されるようなスイッチ４７、あるいはスイッチを含む機構であってよい。スイッチは、電気回路上に設けられた接点を機械的に開閉する接点スイッチであってもよいし、電気回路上に流れる電流をＯＮ／ＯＦＦするスイッチング素子を用いたスイッチであってもよい。スイッチング素子は、ダイオード、サイリスタ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等を含む。スイッチの構成は、当業者が適宜定めてよい。スイッチをＯＦＦにすることにより、電流測定用ポンプセル４１の導通を遮断して電流を流さないように切り替えることができる。スイッチをＯＮにすることにより、電流測定用ポンプセル４１を導通させて電流を流すように切り替えることができる。

　また、例えば、切替ユニット４７は、可変電源４６、あるいは可変電源４６を含む機構であってよい。可変電源４６の電圧をゼロとすることにより、前記電流測定用ポンプセルに電圧を印加せず電流を流さないように切り替えることができる。可変電源４６の電圧を所定の値とすることにより、電流測定用ポンプセルに電圧を印加して電流を流すように切り替えることができる。

　センサ素子２０１は、電流測定用ポンプセル４１を含む。電流測定用ポンプセル４１は、前記被測定ガス流通空所１５内の、空所内分解ポンプ電極（本実施形態においては、分解ポンプ電極５１）よりも前記基体部１０２の長手方向の先端部から遠い位置に配設された空所内検出電極（本実施形態においては、検出電極４４）と、前記基体部１０２の前記被測定ガス流通空所１５とは異なる位置に配設された、前記空所内検出電極と対応している空所外検出電極を含む電気化学的ポンプセルである。ガスセンサ２００においては、前記基体部１０２の外面に配設された外側ポンプ電極２３が、空所外検出電極としても機能する。「前記空所内検出電極と対応している」とは、前記外側ポンプ電極２３が、前記検出電極４４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を介して設けられていることを意味する。

　すなわち、電流測定用ポンプセル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検出電極４４と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、被測定ガス流通空所１５とは異なる位置に配設された適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

　電流測定用ポンプセル４１においては、検出電極４４と外側ポンプ電極２３との間に電圧Ｖｐ２を可変電源４６により印加して、検出電極４４と外側ポンプ電極２３との間にポンプ電流Ｉｐ２を流すことにより、外部空間から第３内部空所６１に酸素を汲み入れることが可能となっている。

　電流測定用ポンプセル４１は、切替ユニット４７により、電流測定用ポンプセル４１に電流を流すか流さないかを切り替えるように構成されている。以下においては、図６を参照し、切替ユニット４７がスイッチである場合を例として説明する。切替ユニット４７は、図６においては接点スイッチの回路記号を用いて模式的に示されているが、切替ユニット４７はスイッチング素子を用いたスイッチであってよい。また、切替ユニット４７の設けられる位置は、図６に示した位置に限定されず、電流測定用ポンプセル４１の回路上であればどこに設けられていてもよい。

　切替ユニット４７をＯＦＦとする場合には、電流測定用ポンプセル４１の電気的接続は遮断されるため電流測定用ポンプセル４１には電流が流れない。電流が流れないとは、電流測定用ポンプセル４１における電流値がゼロ又は実質的にゼロであることを意味する。

　この場合には、起電力検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２に基づいて、上述の分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１の値を調整するフィードバック制御が行われる。そして、電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する電圧測定モードが実行される。

　切替ユニット４７をＯＮとする場合には、電流測定用ポンプセル４１は電気的に接続されるため電流測定用ポンプセル４１には電流が流れる。

　この場合には、起電力検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２に基づいて、可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２が制御される。その結果、電流測定用ポンプセル４１にはポンプ電流Ｉｐ２が流れる。そして、ポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する電流測定モードが実行される。

　このように、ガスセンサ２００においては、切替ユニット４７をＯＦＦにする場合（電圧測定モード）と、ＯＮにする場合（電流測定モード）とにおいて、電圧Ｖ２の値がフィードバックされる対象が異なる。すなわち、電圧Ｖ２の値は、電圧測定モードにおいては電圧Ｖ１に対してフィードバックされ、電流測定モードにおいてはポンプ電圧Ｖｐ２に対してフィードバックされる。図６におけるフィードバック切替部８５は、電圧Ｖ２の値がフィードバックされる対象が、測定モードに応じて切り替えられることを概念的に示すものであり、実体として存在するものではない。電圧Ｖ２の値をフィードバックする対象は、後述するポンプ制御部２９３が行う各測定モードの制御プログラムにおいて設定される。

　図７は、変形例のガスセンサ２００における、制御装置２９０と、センサ素子２０１の各ポンプセル２１、５０、４１、各センサセル８０、８１、８２、８３及びヒータ部７０との電気的接続関係を示すブロック図である。変形例のガスセンサ２００において、制御装置２９０は、可変電源２４、４６、５２と、電流測定用ポンプセル４１に電流を流すか流さないかを切り替える切替ユニット４７と、制御部２９１とを含む。制御部２９１は、ヒータ制御部９２、ポンプ制御部２９３、濃度算出部２９４、及び測定モード切替部９５を含む。切替ユニット４７は、測定モード切替部９５から制御信号を受けて電流測定用ポンプセル４１に電流を流すか流さないかを切り替える部材である。図７において、図２と同じものには同じ符号を付しているので、説明は省略する。

　ポンプ制御部２９３は、
　分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する電圧測定モードにおけるポンプ制御と、
　電流測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する電流測定モードにおけるポンプ制御と、を有している。

　ポンプ制御部２９３は、測定モードによらず、上述のガスセンサ１００のポンプ制御部９３と同様に、酸素ポンプセル（主ポンプセル２１）により、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整する。

　電圧測定モードにおいては、ポンプ制御部２９３は、上述のガスセンサ１００のポンプ制御部９３と同様に、起電力検出センサセル８２における前記検出電極４４と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ２が目標値（設定値Ｖ２_ＳＥＴ）となるように、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１の目標値（設定値Ｖ１_ＳＥＴ）を調整するフィードバック制御を行う。そして、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１が調整された前記目標値（設定値Ｖ１_ＳＥＴ）となるように、分解ポンプセル５０における可変電源５２のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。

　電流測定モードにおいては、ポンプ制御部２９３は、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１が目標値（設定値Ｖ１ａ_ＳＥＴと称する）となるように、分解ポンプセル５０における可変電源５２のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。設定値Ｖ１ａ_ＳＥＴは、分解ポンプ電極５１において、被測定ガス中の水蒸気を実質的に全て分解（還元）するような値に設定してよい。設定値Ｖ１ａ_ＳＥＴは、通常、上述の主ポンプセル２１の制御における設定値Ｖ０_ＳＥＴよりも大きな値に設定される。水蒸気の分解により発生した酸素は、分解ポンプセル５０にポンプ電流Ｉｐ１を流すことにより汲み出される。そして、水蒸気の分解により発生した水素を含む被測定ガスが、第３内部空所６１内に導入される。

　また、電流測定モードにおいて、ポンプ制御部２９３は、起電力検出センサセル８２における検出電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２が目標値（設定値Ｖ２ａ_ＳＥＴと称する）となるように、電流測定用ポンプセル４１における可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する。設定値Ｖ２ａ_ＳＥＴは、検出電極４４において、分解ポンプ電極５１における水蒸気の分解により発生した水素を実質的に全て燃焼（酸化）させる値として設定してよい。ポンプ制御部２９３は、電流測定用ポンプセル４１にポンプ電流Ｉｐ２を流すことにより、検出電極４４において水蒸気の分解により発生した水素を実質的に全て燃焼（酸化）させる量の酸素を汲み入れる。従って、ポンプ電流Ｉｐ２は、水蒸気の分解により発生した水素の量（濃度）に応じた値となる。

　分解ポンプ電極５１において被測定ガス中の水蒸気を実質的に全て分解（還元）すると（２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２）、被測定ガス中の水蒸気の量（濃度）に比例して水素ガスが発生する。その水素ガスを検出電極４４において実質的に全て燃焼させるためにポンプ電流Ｉｐ２として汲み入れる酸素の量は、水素ガスの量に比例する。従って、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度とポンプ電流Ｉｐ２との間には、Ｈ_２Ｏ濃度に応じてポンプ電流Ｉｐ２の大きさ（絶対値）が増加する直線的な関係が存在する。この直線的な関係に基づいて、Ｈ_２Ｏ濃度に係わらず高い分解能で測定し得る。

　電流測定モードにおいては、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度がゼロの場合においても、ポンプ電流Ｉｐ２はゼロとはならず、微小な電流が流れる。これをオフセット電流Ｉｐ２offsetと称する。オフセット電流Ｉｐ２offsetは、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度によらず、主ポンプセル２１や分解ポンプセル５０における制御の影響を受けて流れる微小な電流である。このオフセット電流Ｉｐ２offsetの電流値が何らかの要因で変動した場合には、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度によらず、電流測定用ポンプセル４１において検出されるポンプ電流Ｉｐ２がオフセット電流Ｉｐ２offsetの変動量ΔＩｐ２offsetだけシフトする。オフセット電流Ｉｐ２offsetは、例えば、被測定ガスの温度の変動による電極温度の変動や、それに伴うヒータ電源７７の出力の変動により変動し得ると考えられる。

　高濃度のＨ_２Ｏを含む被測定ガスを測定する場合には、電流測定用ポンプセル４１において検出されるポンプ電流Ｉｐ２の大きさ（絶対値）は相対的に大きいため、オフセット電流Ｉｐ２offsetの変動ΔＩｐ２offsetによるポンプ電流Ｉｐ２の変化は相対的に小さい。よって、オフセット電流Ｉｐ２offsetが変動したとしても、より高い測定精度でＨ_２Ｏ濃度を測定することができる。すなわち、電流測定モードを用いると、高濃度の水蒸気Ｈ_２Ｏを含む被測定ガスを測定する場合に、より高い測定精度でＨ_２Ｏ濃度を測定することができる。

　一方、上述のとおり、電圧測定モードにおける分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１については、図５に示されるように、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が低いほど、Ｈ_２Ｏ濃度の変化に対する電圧Ｖ１の変動が大きい。つまり、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が低いほど、Ｈ_２Ｏ濃度の微小な変化に対して電圧Ｖ１が大きく変化するため、測定の分解能がより高くなる傾向がある。従って、電圧測定モードを用いると、低濃度の水蒸気Ｈ_２Ｏを含む被測定ガスを測定する場合に、より高い測定精度でＨ_２Ｏ濃度を測定することができると考えられる。

　濃度算出部２９４は、被測定ガス中の測定対象ガス濃度（変形例のガスセンサ１００においてはＨ_２Ｏ濃度）を算出するように構成されている。

　電圧測定モードにおいては、濃度算出部２９４は、上述のガスセンサ１００の濃度算出部９４と同様に、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における前記空所内分解ポンプ電極（分解ポンプ電極５１）と前記基準電極４２との間の電圧Ｖ１を取得し、予め記憶されている電圧Ｖ１と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との換算パラメータ（電圧－濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する。また、算出したＨ_２Ｏ濃度を、ガスセンサ２００の測定値として出力する。

　電流測定モードにおいては、濃度算出部２９４は、電流測定用ポンプセル４１に流れるポンプ電流Ｉｐ２を取得し、予め記憶されているポンプ電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との換算パラメータ（電流－濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する。また、算出したＨ_２Ｏ濃度を、ガスセンサ２００の測定値として出力する。電流－濃度換算パラメータは、濃度算出部２９４として機能する制御部２９１のメモリに予め記憶されている。電流－濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００について、予め実験等により当業者が適宜定めることができる。電流－濃度換算パラメータは、例えば、実験により得られた近似式（一次関数等）の係数であってもよいし、ポンプ電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との対応を示すマップであってもよい。電流－濃度換算パラメータは、ガスセンサ２００の１本１本に固有のパラメータであってもよいし、複数のガスセンサに共通して用いられるパラメータであってもよい。

　測定モード切替部９５は、上述の電圧測定モードと電流測定モードとの切替を行うように構成されている。

　測定モード切替部９５は、電流測定モードから電圧測定モードに切り替える場合には、切替ユニット４７を電流測定用ポンプセル４１に電流を流さない又は実質的に流さないように切り替える。変形例のガスセンサ２００においては、切替ユニット４７（切替スイッチ）に対しＯＦＦとする制御信号を出力する。また、測定モード切替部９５は、ポンプ制御部２９３に対し、電圧測定モードで制御を行う指示を与える。この場合、ポンプ制御部２９３は、上述の起電力検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２に基づいて、上述の分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１の値を調整するフィードバック制御を行う。測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４に、分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１を取得し、電圧－濃度換算パラメータに基づいてＨ_２Ｏ濃度を算出する指示を与える。

　測定モード切替部９５は、電圧測定モードから電流測定モードに切り替える場合には、切替ユニット４７を電流測定用ポンプセル４１に電流を流すように切り替える。変形例のガスセンサ２００においては切替ユニット４７（切替スイッチ）に対しＯＮとする制御信号を出力する。また、測定モード切替部９５は、ポンプ制御部２９３に対し、電流測定モードで制御を行う指示を与える。この場合、ポンプ制御部２９３は、上述の電流測定用ポンプセル４１の可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２に対するフィードバック制御を行い、電流測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を検出する。測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４に、電流測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を取得し、電流－濃度換算パラメータに基づいてＨ_２Ｏ濃度を算出する指示を与える。

　電圧測定モードと電流測定モードとの間の切替は、濃度算出部２９４が出力する測定対象ガスの濃度（ガスセンサ２００においてはＨ_２Ｏ濃度）に基づいて行われてよい。測定モード切替部９５（より詳細には、制御部２９１において測定モード切替部９５として機能するメモリ）には、電流測定モードを電圧測定モードに切り替える閾値の第１濃度閾値Ｃ１と、電圧測定モードを電流測定モードに切り替える閾値の第２濃度閾値Ｃ２とが予め記録されてよい。測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４が出力するＨ_２Ｏ濃度を、連続的に取得してもよいし、所定の間隔で取得してもよい。

　測定モード切替部９５は、電流測定モードにおいて濃度算出部２９４が出力するＨ_２Ｏ濃度を取得し、Ｈ_２Ｏ濃度が所定の第１濃度閾値Ｃ１よりも低い低濃度領域であると判定した場合には電圧測定モードへの切り替えを行い、Ｈ_２Ｏ濃度が所定の第１濃度閾値Ｃ１以上と判断した場合には電流測定モードを維持するようにしてよい。

　また、電圧測定モードにおいても、濃度算出部２９４が出力するＨ_２Ｏ濃度を取得し、Ｈ_２Ｏ濃度が所定の第２濃度閾値Ｃ２よりも高い高濃度領域であると判定した場合には前記電流測定モードへの切り替えを行い、Ｈ_２Ｏ濃度が所定の第２濃度閾値Ｃ２以下と判断した場合には電圧測定モードを維持するようにしてよい。

　電流測定モードを電圧測定モードに切り替える閾値の第１濃度閾値Ｃ１は、当業者が適宜設定することができる。第１濃度閾値Ｃ１は、想定される被測定ガス中のＨ_２Ｏの濃度範囲や、ガスセンサ２００に求められる測定精度により異なる値であってよい。第１濃度閾値Ｃ１は、電流測定モードで測定した場合に所望の測定精度が得られるＨ_２Ｏ濃度の下限値としてもよい。第１濃度閾値Ｃ１は、例えば、オフセット電流Ｉｐ２offsetの値が測定精度に対して許容できる範囲内であるＨ_２Ｏ濃度の下限値としてもよい。あるいは、例えば、想定されるオフセット電流の変動ΔＩｐ２offsetの値が測定精度に対して許容できる範囲内であるＨ_２Ｏ濃度の下限値としてもよい。第１濃度閾値Ｃ１は、例えば０．１％～１０％の範囲としてもよい。例えば３％としてもよい。

　電圧測定モードを電流測定モードに切り替える閾値の第２濃度閾値Ｃ２は、当業者が適宜設定することができる。第２濃度閾値Ｃ２は、想定される被測定ガス中のＨ_２Ｏの濃度範囲や、ガスセンサ２００に求められる測定精度により異なる値であってよい。第２濃度閾値Ｃ２は、電圧測定モードで測定した場合に所望の測定精度が得られるＨ_２Ｏ濃度の上限値としてもよい。第２濃度閾値Ｃ２は、例えば、Ｈ_２Ｏ濃度の変化量に対する電圧Ｖ１の変化量が測定の分解能として許容できる範囲内であるＨ_２Ｏ濃度の上限値としてもよい。第２濃度閾値Ｃ２は、例えば０．１％～１０％の範囲としてもよい。例えば５％としてもよい。

　第１濃度閾値Ｃ１と第２濃度閾値Ｃ２とは、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。第１濃度閾値Ｃ１と第２濃度閾値Ｃ２とを同じ値とする場合は、第１濃度閾値Ｃ１（＝第２濃度閾値Ｃ２）よりも低い低濃度領域においては、電圧測定モードが実行され、第１濃度閾値Ｃ１（＝第２濃度閾値Ｃ２）以上の高濃度領域においては、電流測定モードが実行されてよい。

　第１濃度閾値Ｃ１は、第２濃度閾値Ｃ２よりも低い濃度とすることがより好ましい。つまり、濃度の幅を持った２つの閾値を用いることがより好ましい。

　図８は、ガスセンサ２００が出力するＨ_２Ｏ濃度検出値の時間変化と測定モードの切替の一例を示す模式図である。横軸は時間（秒）を、縦軸はガスセンサ２００が出力するＨ_２Ｏ濃度検出値（％）を示す。

　図８に示すように、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度（すなわち、ガスセンサ２００が出力するＨ_２Ｏ濃度）が第１濃度閾値Ｃ１を下回ると、測定モード切替部９５は、電圧測定モードに切り替える。電圧測定モードになった後に、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１付近の濃度で変動して第１濃度閾値Ｃ１を上回ることがあっても、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２を超えるまでは、電流測定モードに切り替えることなく、電圧測定モードを継続する。その後、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２を上回ると、電流測定モードに切り替える。電流測定モードになった後に、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２付近の濃度で変動して第２濃度閾値Ｃ２を下回ることがあっても、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１を下回るまでは、電圧測定モードに切り替えることなく、電流測定モードを継続する。

　このように、第１濃度閾値Ｃ１を第２濃度閾値Ｃ２よりも低い濃度とする場合は、第１濃度閾値Ｃ１と第２濃度閾値Ｃ２との間の濃度範囲（中間濃度範囲）は、測定モードを切り替えることなく直前の測定モードを引き続き維持する緩衝領域としての役割を果たす。すなわち、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１や第２濃度閾値Ｃ２付近で頻繁に変動する場合に、測定モードの切替が頻繁になりすぎないように調整できる。測定モードの切替時には、電流測定用ポンプセル４１の制御が変更されることにより、ガスセンサ２００は一時的にＨ_２Ｏ濃度を測定できない状態が生じうる。第１濃度閾値Ｃ１と第２濃度閾値Ｃ２との間の緩衝領域を設けることで、測定モードの切替が頻繁に起こりすぎないように調整できる。これにより、ガスセンサ２００はより連続して精度よくＨ_２Ｏ濃度を測定できる。

　例えば、第１濃度閾値Ｃ１を０．１～５％とし、第２濃度閾値Ｃ２を５～１０％としてもよい。例えば、第１濃度閾値Ｃ１を３％とし、第２濃度閾値Ｃ２を５％としてもよい。

　第１濃度閾値Ｃ１と第２濃度閾値Ｃ２との間の緩衝領域において、測定モードを切り替えてもよい。例えば、Ｈ_２Ｏ濃度検出値の時間変化（図８におけるグラフの傾き）に基づいてＨ_２Ｏ濃度検出値を予測して切り替えてもよい。例えば、Ｈ_２Ｏ濃度検出値が緩衝領域内である時間に基づいて切り替えてもよい。

（変形例における測定対象ガスの濃度検出）
　次に、ガスセンサ２００を使用して被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を測定する方法を説明する。

　変形例のガスセンサの制御方法は、
　前記ポンプ制御ステップ及び前記濃度算出ステップを行い前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の前記電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する電圧測定モードと、前記酸素ポンプセル、前記分解ポンプセル及び前記電流測定用ポンプセルを作動させ前記電流測定用ポンプセルに流れる電流値に基づいて前記被測定ガス中の前記測定対象ガスの濃度を算出する電流測定モードとを、前記切替ユニットを用いて切り替えつつ行う。常にいずれかの測定モードが実行されており、連続的に濃度を検出することができる。

　変形例のガスセンサ２００のＨ_２Ｏ濃度検出処理を、以下に詳しく説明する。図９は、変形例のガスセンサ２００における、Ｈ_２Ｏ濃度検出処理の一例を示すフローチャートである。

　Ｈ_２Ｏ濃度検出処理は、例えば、ガスセンサ２００が始動信号（Dew point）を受信すると開始される。始動信号（Dew point）は、ガスセンサ２００が自動車等に搭載されている場合には、例えば、自動車のＥＣＵや排ガス処理システム等からガスセンサ２００に対して送られる信号である。制御装置２９０の電源を例えば手動でオンにすることにより開始されてもよい。

　Ｈ_２Ｏ濃度検出処理が開始されると、制御部２９１のヒータ制御部９２は、まずヒータ７２に通電してヒータ７２の加熱を開始し（ステップＳ１０）、センサ素子２０１を固体電解質が活性化してＨ_２Ｏ濃度の測定が精度よく行われる駆動温度（例えば、８００℃程度）に維持する。

　次に、ポンプ制御部２９３は、主ポンプセル２１の制御を開始する（ステップＳ１１）。すなわち、主ポンプセル２１に対して、設定値Ｖ０_ＳＥＴに基づくフィードバック制御を行う。ステップＳ１１は、センサ素子１０１が駆動温度に達した後に行われてもよいし、駆動温度よりも低い温度において行われてもよい。

　次に、制御部２９１の測定モード切替部９５は、電流測定モードへの切替を行う（ステップＳ１３）。具体的には、測定モード切替部９５は、切替ユニット４７に対しＯＮとする制御信号を出力する。また、測定モード切替部９５は、ポンプ制御部２９３に対し、電流測定モードで制御を行う指示を与える。この場合、ポンプ制御部２９３は、分解ポンプセル５０に対して、設定値Ｖ１ａ_ＳＥＴに基づくフィードバック制御を行い、電流測定用ポンプセル４１の可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２に対して設定値Ｖ２ａ_ＳＥＴに基づくフィードバック制御を行い、電流測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を検出する。測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４に、電流測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を取得し、電流－濃度換算パラメータに基づいてＨ_２Ｏ濃度を算出する指示を与える。電流測定モードにおいては、電流測定用ポンプセル４１には、上述のようにＨ_２Ｏ濃度に応じたポンプ電流Ｉｐ２が流れる。ステップＳ１３は、上述のステップＳ１１と同時に行われてもよい。

　次に、濃度算出部２９４は、電流測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を取得し、予め記憶されているポンプ電流Ｉｐ２と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との換算パラメータ（電流－濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する（ステップＳ１４）。算出されたＨ_２Ｏ濃度は、ガスセンサ２００の検出値として出力される。ステップＳ１４の後、測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４が算出したＨ_２Ｏ濃度を取得し、取得したＨ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１より低いか否かを判定する（ステップＳ１５）。第１濃度閾値Ｃ１としては、例えば、電流測定モードで測定した場合に所望の測定精度が得られるＨ_２Ｏ濃度の下限値が、予め設定されている。

　ステップＳ１５において、濃度算出部２９４から取得したＨ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１以上である場合には、ステップＳ１４以降の処理が行われる。すなわち、Ｈ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１以上である場合には、測定モード切替部９５は測定モードの切替を行わず、ポンプ制御部２９３及び濃度算出部２９４は、電流測定モードを継続する。

　ステップＳ１５において、濃度算出部２９４から取得したＨ_２Ｏ濃度が第１濃度閾値Ｃ１より低い値である場合には、測定モード切替部９５は、電圧測定モードへの切替を行う（ステップＳ２３）。具体的には、測定モード切替部９５は、切替ユニット４７に対しＯＦＦとする制御信号を出力する。また、測定モード切替部９５は、ポンプ制御部２９３に対し、電圧測定モードで制御を行う指示を与える。この場合、ポンプ制御部２９３は、起電力検出センサセル８２における電圧Ｖ２の設定値Ｖ２_ＳＥＴに基づいて、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１の設定値Ｖ１_ＳＥＴを調整するフィードバック制御を行う。測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４に、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１を取得し、電圧－濃度換算パラメータに基づいてＨ_２Ｏ濃度を算出する指示を与える。電圧測定モードにおいては、電流測定用ポンプセル４１にはポンプ電流Ｉｐ２が流れない。

　次に、濃度算出部２９４は、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１を取得し、予め記憶されている電圧Ｖ１と被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度との換算パラメータ（電圧－濃度換算パラメータ）に基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を算出する（ステップＳ２４）。算出されたＨ_２Ｏ濃度は、ガスセンサ２００の検出値として出力される。ステップＳ２４の後、測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４が算出したＨ_２Ｏ濃度を取得し、取得したＨ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２より高いか否かを判定する（ステップＳ２５）。第２濃度閾値Ｃ２としては、例えば、電圧測定モードで測定した場合に所望の測定精度が得られるＨ_２Ｏ濃度の上限値が、予め設定されている。

　ステップＳ２５において、濃度算出部２９４から取得したＨ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２以下である場合には、ステップＳ２４以降の処理が行われる。すなわち、Ｈ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２以下である場合には、測定モード切替部９５は測定モードの切替を行わず、ポンプ制御部２９３及び濃度算出部２９４は、電圧測定モードを継続する。

　ステップＳ２５において、濃度算出部２９４から取得したＨ_２Ｏ濃度が第２濃度閾値Ｃ２より高い値である場合には、測定モード切替部９５は、電流測定モードへの切替を行い（ステップＳ１３）、ステップＳ１４以降の処理が行われる。

　このように、制御部２９１は、測定モード切替部９５において、濃度算出部２９４から取得したＨ_２Ｏ濃度に基づいて、電流測定モードと電圧測定モードとのいずれを用いるかの判定を行い、その結果、いずれかの測定モードを用いてＨ_２Ｏ濃度の検出を行う。低濃度のＨ_２Ｏを含む被測定ガスをより精度よく測定することができる電圧測定モードと、高濃度のＨ_２Ｏを含む被測定ガスをより精度よく測定できる電流測定モードとを使い分けることによって、低濃度を含む広い濃度範囲において、より精度よくＨ_２Ｏ濃度を測定することができる。

　ステップＳ１３において、測定モード切替部９５が電圧測定モードから電流測定モードへの切替を行うと、被測定ガス中の水蒸気が分解ポンプ電極５１において実質的に全て分解され、分解によって発生した水素が検出電極４４において実質的に全て燃焼されるため、検出電極４４近傍の雰囲気中には水蒸気に由来する水素が実質的に存在しない状態に制御される。その状態で少なくとも１回は電流測定モードにおけるＨ_２Ｏ濃度の測定（ステップＳ１４）が行われた後に、電圧測定モードへの切替（ステップＳ２３）が行われる。また、ステップＳ２３において、測定モード切替部９５が電流測定モードから電圧測定モードへの切替を行うと、電流測定用ポンプセル４１に電流を流さず、起電力検出センサセル８２にて検出される電圧Ｖ２が設定値Ｖ２_ＳＥＴとなるように分解ポンプセル５０にポンプ電流Ｉｐ１が流され、被測定ガス中の水蒸気の一部が分解される。そして、検出電極４４近傍の雰囲気中には水蒸気に由来する水素が所定の量存在する状態に制御される。その状態で少なくとも１回は電圧測定モードにおけるＨ_２Ｏ濃度の測定（ステップＳ２４）が行われた後に、電流測定モードへの切替（ステップＳ１３）が行われる。

　このように、測定モードの切替が行われると、検出電極４４の近傍の雰囲気が制御されてＨ_２Ｏ濃度が測定できる状態になった後に、次の測定モード切替の判断がなされる。測定モードの切替は、通常１秒以上の間隔をあけて行われる場合が多い。上述の検知電極４４の近傍の雰囲気の切り替えが実現できないような微小時間でのポンプ電流Ｉｐ２のオンオフによる切り替え、いわゆるパルス電流によるオンオフ制御は意図しない。

　ステップＳ１３において、測定モード切替部９５が電圧測定モードから電流測定モードへの切替を行った直後は、分解ポンプセル５０及び電流測定用ポンプセル４１の制御が変更されるため、ポンプ電流Ｉｐ２が安定しない場合がある。そのため、濃度算出部９４は、所定の待機時間が経過してからステップＳ１４を行ってもよい。また、ステップＳ２３において、測定モード切替部９５が電流測定モードから電圧測定モードへの切替を行った直後においても、分解ポンプセル５０及び電流測定用ポンプセル４１の制御が変更されるため、電圧Ｖ１が安定しない場合がある。そのため、濃度算出部９４は、所定の待機時間が経過してからステップＳ２４を行ってもよい。

　上記に、本発明の実施形態の例として、被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を検出するガスセンサ１００及びガスセンサ２００を示したが、本発明はこれらの形態に限られない。本発明には、低濃度の測定対象ガスを含む広い濃度範囲の測定対象ガスを精度よく測定するという本発明の目的を達成する範囲であれば、種々の形態のセンサ素子や制御装置の構成を含むガスセンサ含まれ得る。

　上述の実施形態においては、ガスセンサ１００及びガスセンサ２００は被測定ガス中のＨ_２Ｏ濃度を検出したが、測定対象ガスはＨ_２Ｏに限られない。例えば、測定対象ガスはＨ_２Ｏ以外にも、二酸化炭素ＣＯ_２、窒素酸化物ＮＯｘ等の酸化物ガスや、アンモニアＮＨ_３等の非酸化物ガスであってもよい。

　例えば、測定対象ガスとして二酸化炭素ＣＯ_２を検出する場合を説明する。二酸化炭素ＣＯ_２を分解（還元）すると、一酸化炭素ＣＯと酸素Ｏ_２が発生する（２ＣＯ_２→２ＣＯ＋Ｏ_２）。一酸化炭素ＣＯは、水素ガスＨ_２と同様に還元性ガスである。従って、二酸化炭素ＣＯ_２を検出する場合には、上述のガスセンサ１００と同様にして、分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中のＣＯ_２濃度を算出することが可能である。図１０は、ＣＯ_２濃度と電圧Ｖ１との関係の一例を示す図である。横軸はＣＯ_２濃度（％）を、縦軸は電圧Ｖ２が４５０ｍＶとなるときの電圧Ｖ１（ｍＶ）を示す。このように、ＣＯ_２濃度と電圧Ｖ１との間には、図５に示されるＨ_２Ｏ濃度と電圧Ｖ１との間の場合と同様に、相関関係が得られる。濃度算出部は、図１０に示されるような相関関係を用いて、電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中の二酸化炭素濃度を算出することができる。また、上述のガスセンサ２００と同様にして、電圧測定モードと電流測定モードを切り替えつつ測定することもできる。

　例えば、測定対象ガスとして窒素酸化物ＮＯｘを検出する場合を、図１及び図１１を参照して説明する。図１１は、ガスセンサ１００を用いて窒素酸化物を測定する場合における、窒素酸化物の測定原理を示す概念図である。図１１においては、被測定ガス中のガス成分としては窒素酸化物ＮＯ及び酸素Ｏ_２のみを図示している。窒素酸化物ＮＯｘを分解（還元）すると、窒素Ｎ_２と酸素Ｏ_２が発生する（２ＮＯ→Ｎ_２＋Ｏ_２）。窒素Ｎ_２は、化学的に安定な不活性ガスである。窒素酸化物ＮＯｘを検出する場合においては、検出電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２は、分解ポンプ電極５１において分解されなかったＮＯｘに応じて生じる。従って、分解ポンプ電極５１において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度によらず、所定の量のＮＯｘが分解されないように制御される。すなわち、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が高い時には、分解ポンプ電極５１において高い分解率でＮＯｘを分解し、一方、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が低い時には、分解ポンプ電極５１において低い分解率ＮＯｘを分解するとよい。その結果として、被測定ガス中のＮＯｘ濃度によらず、所定の量のＮＯｘが分解されずに残存する。分解されなかった所定の量のＮＯｘを含む被測定ガスが第３内部空所６１に導入され、検出電極４４に到達する。従って、Ｈ_２ＯやＣＯ_２の場合とは異なり、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が高いほど、電圧Ｖ１が高い傾向になると考えられる。濃度算出部は、ガスセンサ１００の場合と同様に、ＮＯｘ濃度と電圧Ｖ１との間の相関関係を用いて、電圧Ｖ１に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出することができる。また、電圧測定モードと電流測定モードを切り替えつつ測定することもできる。電流測定モードにおいては、分解ポンプ電極５１においてはＮＯｘを実質的に分解せず、検出電極４４においてＮＯｘを実質的に全て分解するようにするとよい。例えば、電流測定モードにおいては、分解ポンプセル５０にポンプ電流Ｉｐ１を流さないようにしてよい。

　例えば、測定対象ガスとしてアンモニアＮＨ_３を検出する場合を説明する。アンモニアＮＨ_３を検出する場合は、酸素ポンプセル（主ポンプセル２１）の空所内酸素ポンプ電極（内側主ポンプ電極２２）において、アンモニアＮＨ_３を分解して窒素酸化物ＮＯに変換する。アンモニアＮＨ_３から変換されたＮＯを、上述のＮＯｘを測定する場合と同様にして、測定することにより、アンモニアＮＨ_３の濃度を測定することができる。

　Ｈ_２Ｏ濃度やＣＯ_２濃度を測定する場合には、例えば、主ポンプセル２１の制御に用いる設定値Ｖ０_ＳＥＴは３００ｍＶ～８００ｍＶ程度に設定してよい。より好ましくは、設定値Ｖ０_ＳＥＴは３５０ｍＶ～５００ｍＶ程度に設定してよい。主ポンプセル２１においては、Ｈ_２ＯやＣＯ_２を実質的に分解しないようにする。なお、被測定ガス中にＮＯｘが存在する場合には、主ポンプセル２１において、ＮＯｘを分解してよい。この場合、内側主ポンプ電極２２は、金属成分として、例えばＲｈを含んでよい。また、ＮＯｘ濃度やＮＨ_３濃度を検出する場合には、例えば、主ポンプセル２１の制御に用いる設定値Ｖ０_ＳＥＴは１５０ｍＶ～４５０ｍＶ程度に設定してよい。主ポンプセル２１においては、ＮＯｘを実質的に分解しないようにする。このように、測定対象ガスの種類に応じて、主ポンプセル２１の制御に用いる設定値Ｖ０_ＳＥＴを適宜設定するとよい。

　起電力検出センサセル８２における検出電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２が設定値Ｖ２_ＳＥＴとなるように、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１を調整するフィードバック制御を行う場合、測定対象ガスの種類に応じて、設定値Ｖ２_ＳＥＴを適宜設定するとよい。ＣＯ_２濃度を測定する場合には、上述のＨ_２Ｏ濃度を測定する場合と同様に、設定値Ｖ２_ＳＥＴは、例えば、３００ｍＶ～６００ｍＶ程度に設定してよい。より好ましくは、４００ｍＶ～５００ｍＶ程度に設定してよい。ＮＯｘ濃度やＮＨ_３濃度を検出する場合には、設定値Ｖ２_ＳＥＴは、例えば、３００ｍＶ～６００ｍＶ程度に設定してよい。より好ましくは、４００ｍＶ～５００ｍＶ程度に設定してよい。

　電流測定モードにおいて、分解ポンプセル５０の制御に用いる設定値Ｖ１ａ_ＳＥＴや電流測定用ポンプセル４１の制御に用いる設定値Ｖ２ａ_ＳＥＴについても、測定対象ガスの種類に応じて適宜設定するとよい。

　上述のように各設定値を適宜設定することにより、所望の測定対象ガス以外の他のガスの影響を小さくして、所望の測定対象ガスをより精度よく測定することができ得る。

　上述の実施形態においては、制御部９１のポンプ制御部９３は、起電力検出センサセル８２における検出電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２が設定値Ｖ２_ＳＥＴとなるように、分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における電圧Ｖ１を調整するフィードバック制御を行ったが、制御の方法はこれに限られない。例えば、ポンプ制御部９３は、起電力検出センサセル８２における検出電極４４と基準電極４２との間の電圧Ｖ２が設定値Ｖ２_ＳＥＴとなるように、分解ポンプセル５０における可変電源５２のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御してもよい。そして、濃度算出部９４は、前記制御の結果としての分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１における分解ポンプ電極５１と基準電極４２との間の電圧Ｖ１に基づいて、被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を算出してもよい。

　上述の実施形態のガスセンサ１００においては、センサ素子１０１は、図１に示すように、第１内部空所２０、第２内部空所４０、及び第３内部空所６１の３つの内部空所を備え、各内部空所には、内側主ポンプ電極２２、分解ポンプ電極５１、及び検知電極４４がそれぞれ配置されている構造であったが、これに限られない。例えば、第１内部空所２０及び第２内部空所４０の２つの内部空所を備え、第１内部空所２０には内側主ポンプ電極２２が、第２内部空所４０には分解ポンプ電極５１及び検知電極４４がそれぞれ配置されている構造としてもよい。この場合、例えば、分解ポンプ電極５１と検知電極４４との間の拡散律速部として、検知電極４４を覆う多孔体保護層を形成してもよい。

　上述の実施形態のガスセンサ１００及びガスセンサ２００においては、外側ポンプ電極２３は、酸素ポンプセル（主ポンプセル２１）における空所外酸素ポンプ電極と、分解ポンプセル５０における空所外分解ポンプ電極と、（ガスセンサ２００の場合）電流測定用ポンプセル４１における空所外検出電極との２つ又は３つの電極の機能を兼ねていたが、これに限られない。例えば、空所外酸素ポンプ電極、空所外分解ポンプ電極、及び空所外検出電極はそれぞれ別の電極として形成されていてもよい。例えば、空所外酸素ポンプ電極、空所外分解ポンプ電極、及び空所外検出電極のいずれか１つ以上を外側ポンプ電極２３とは別に基体部１０２の外表面に被測定ガスと接するように設けてもよい。あるいは、空所外酸素ポンプ電極、空所外分解ポンプ電極、及び空所外検出電極のいずれか１つ以上を基準電極４２が兼ねてもよい。

　上述のガスセンサ２００においては、切替ユニット４７の一例として、スイッチを設けたが、本発明はこの形態に限られない。例えば、可変電源４６を切替ユニット４７として用いることもできる。測定モード切替部９５は、電圧測定モードへの切り替えにおいては可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２をゼロとして電流測定用ポンプセル４１に電圧を印加しないことにより電流を流さないように切り替え、電流測定モードへの切り替えにおいては可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２を所定の値として電流測定用ポンプセル４１に所定の電圧を印加することにより電流を流すように切り替えてもよい。なお、電流測定モードにおいては、上述のガスセンサ２００の場合と同様に、起電力検出センサセル８２にて検出される制御電圧としての電圧Ｖ２が設定値Ｖ２_ＳＥＴとなるように、電流測定用ポンプセル４１における可変電源４６のポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御してもよい。

　上述のガスセンサ２００においては、ステップＳ１２の後に、測定モード切替部９５はまずステップＳ１３で電流測定モードへの切り替えを行ったが、ステップＳ１２の後に、まずステップＳ２３で電圧測定モードへの切り替えを行ってもよい。

　あるいは、ガスセンサ２００の始動時には、制御装置２９０が電流測定モードの状態であるように予め設定されていてもよいし、電圧測定モードの状態であるように予め設定されていてもよい。

　上述のガスセンサ２００においては、測定モード切替部９５は、濃度算出部２９４において算出されたＨ_２Ｏ濃度に基づいて、電圧測定モードと電流測定モードとの切り替えを行ったが、これに限られない。

　電流測定モードを電圧測定モードに切り替える閾値として、第１濃度閾値Ｃ１に替えて、電流測定モードで測定した場合に所望の測定精度が得られるポンプ電流Ｉｐ２の下限値を当業者が適宜設定してもよい。電圧測定モードを電流測定モードに切り替える閾値として、第２濃度閾値Ｃ２に替えて、例えば、電圧測定モードで測定した場合に所望の測定精度が得られる電圧Ｖ１の上限値を当業者が適宜設定してもよい。

　電圧測定モードと電流測定モードとの切り替えは、例えば、自動車のＥＣＵや排ガス処理装置等の他の装置からの信号に基づいて、行われてもよい。

　上述のように、本発明によれば、空所内検出電極と基準電極との間の電圧が所定の値になる時の、空所内分解ポンプ電極と基準電極との間の電圧に基づいて測定するため、低濃度の測定対象ガスを含む広い濃度範囲の測定対象ガスを精度よく測定することができる。また、低濃度における測定精度がより高い電圧測定モードと、高濃度における測定精度がより高い電流測定モードとを切り替えつつ測定を行うことにより、低濃度の測定対象ガスを含む広い濃度範囲の測定対象ガスをさらに精度よく測定することができる。水蒸気や二酸化炭素の場合には、例えば、０．０１～３０％、ＮＯｘやＮＨ_３の場合には、例えば、１０～５０００ｐｐｍの広い濃度範囲の測定対象ガスを精度よく測定できる。

１　第１基板層
２　第２基板層
３　第３基板層
４　第１固体電解質層
５　スペーサ層
６　第２固体電解質層
１０　ガス導入口
１１　第１拡散律速部
１２　緩衝空間
１３　第２拡散律速部
１５　被測定ガス流通空所
２０　第１内部空所
２１　主ポンプセル
２２　内側主ポンプ電極
２２ａ　（内側主ポンプ電極の）天井電極部
２２ｂ　（内側主ポンプ電極の）底部電極部
２３　外側ポンプ電極
２４　（主ポンプセルの）可変電源
３０　第３拡散律速部
４０　第２内部空所
４１　電流測定用ポンプセル
４２　基準電極
４３　基準ガス導入空間
４４　検出電極
４６　（電流測定用ポンプセルの）可変電源
４７　切替ユニット
４８　大気導入層
５０　分解ポンプセル
５１　分解ポンプ電極
５１ａ　（分解ポンプ電極の）天井電極部
５１ｂ　（分解ポンプ電極の）底部電極部
５２　（分解ポンプセルの）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　ヒータリード
７７　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　分解ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル
８２　起電力検出センサセル
８３　センサセル
８５　フィードバック切替部
９０、２９０　制御装置
９１、２９１　制御部
９２　ヒータ制御部
９３、２９３　ポンプ制御部
９４、２９４　濃度算出部
９５　測定モード切替部
１００、２００　ガスセンサ
１０１、２０１　センサ素子
１０２　基体部

Claims

　センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを検出するガスセンサであって、
　前記センサ素子は、
　　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
　　前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
　　前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内酸素ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内分解ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内分解ポンプ電極と対応している空所外分解ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを分解する分解ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内分解ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内検出電極と、
　　前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
　前記制御装置は、
　　前記酸素ポンプセル及び前記分解ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部と、
　　被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出部とを含み、
　前記ポンプ制御部は、
　　前記酸素ポンプセルを動作させて、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整し、
　　前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値になるように前記分解ポンプセルを動作させて、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出し、
　前記濃度算出部は、前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する、ガスセンサ。
　前記ポンプ制御部は、前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が前記所定の値になるように前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧を調整することにより、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させて、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出し、
　前記濃度算出部は、調整された前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の前記電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する、請求項１に記載のガスセンサ。
　前記センサ素子は、さらに、
　前記空所内検出電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内検出電極と対応している空所外検出電極とを含む、電流測定用ポンプセルを含み、
　前記制御装置は、さらに、
　　前記電流測定用ポンプセルに電流を流すか流さないかを切り替える切替ユニットを含む、請求項１に記載のガスセンサ。
　前記制御装置は、
　前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の前記電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する電圧測定モードと、前記電流測定用ポンプセルに流れる電流値に基づいて前記被測定ガス中の前記測定対象ガスの濃度を算出する電流測定モードとを切り替える、測定モード切替部を含み、
　前記測定モード切替部は、前記電圧測定モードへの切り替えにおいては前記切替ユニットを前記電流測定用ポンプセルに電流を流さないように切り替え、前記電流測定モードへの切り替えにおいては前記切替ユニットを前記電流測定用ポンプセルに電流を流すように切り替える、請求項３に記載のガスセンサ。
　前記測定モード切替部は、前記電流測定モードにおいて検出された前記測定対象ガスの濃度が所定の第１濃度閾値Ｃ１よりも低いと判定した場合には前記電圧測定モードへの切り替えを行い、
　前記電圧測定モードにおいて検出された前記測定対象ガスの濃度が所定の第２濃度閾値Ｃ２よりも高いと判定した場合には前記電流測定モードへの切り替えを行う、請求項４に記載のガスセンサ。
　前記第１濃度閾値Ｃ１は、前記第２濃度閾値Ｃ２よりも低い濃度である、請求項５に記載のガスセンサ。
　前記電流測定モードにおいて、前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値となるように、前記電流測定用ポンプセルに流れる電流値が制御される、請求項４に記載のガスセンサ。
　前記測定対象ガスが、水蒸気Ｈ_２Ｏ、二酸化炭素ＣＯ_２、及び窒素酸化物ＮＯｘからなる群から選ばれる、請求項１に記載のガスセンサ。
　被測定ガス中の測定対象ガスを検出するためのガスセンサの制御方法であって、
　前記ガスセンサは、
　センサ素子と、前記センサ素子を制御する制御装置とを含み、
　前記センサ素子は、
　　酸素イオン伝導性の固体電解質層を含む長尺板状の基体部と、
　　前記基体部の長手方向の一方の端部から形成された被測定ガス流通空所と、
　　前記被測定ガス流通空所内に配設された空所内酸素ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内酸素ポンプ電極と対応している空所外酸素ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の酸素濃度を調整する酸素ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内酸素ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内分解ポンプ電極と、前記基体部の前記被測定ガス流通空所とは異なる位置に配設された、前記空所内分解ポンプ電極と対応している空所外分解ポンプ電極とを含み、被測定ガス中の測定対象ガスを分解する分解ポンプセルと、
　　前記被測定ガス流通空所内の、前記空所内分解ポンプ電極よりも前記基体部の長手方向の前記一方の端部から遠い位置に配設された空所内検出電極と、
　　前記基体部の内部に、基準ガスに接するように配設された基準電極と、
を含み、
　前記制御装置は、
　　前記酸素ポンプセル及び前記分解ポンプセルの動作を制御するポンプ制御部と、
　　被測定ガス中の測定対象ガスの濃度を算出する濃度算出部とを含み、
　前記制御方法は、
　前記ポンプ制御部によって、
　　前記酸素ポンプセルを動作させて、被測定ガス中の酸素濃度を所定の濃度に調整し、
　　前記空所内検出電極と前記基準電極との間の電圧が所定の値になるように前記分解ポンプセルを動作させて、前記分解ポンプセルの前記空所内分解ポンプ電極において被測定ガス中の測定対象ガスの少なくとも一部を分解させ、前記測定対象ガスの分解により発生した酸素を前記分解ポンプセルにより汲み出す、ポンプ制御ステップと、
　前記濃度算出部によって、前記空所内分解ポンプ電極と前記基準電極との間の電圧の値に基づいて被測定ガス中の測定対象ガス濃度を算出する濃度算出ステップと、
を含む、ガスセンサの制御方法。