WO2024070326A1

WO2024070326A1 - ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法

Info

Publication number: WO2024070326A1
Application number: PCT/JP2023/029983
Authority: WO
Inventors: 悠介渡邉; 大智市川
Original assignee: 日本碍子株式会社
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2023-08-21
Publication date: 2024-04-04

Abstract

センサ素子が、相異なる拡散律速部を介してガス導入口から順次に連通してなる第１ないし第３空室と、第１空室近傍が最も高温となるように加熱するヒータとを備え、第１調整ポンプセルは被測定ガスに含まれるＨ_２ＯとＣＯ_２が分解されない範囲で、第１空室に導入された被測定ガスから酸素を汲み出し、第２調整ポンプセルは第１空室から第２空室に導入された被測定ガスに含まれるＨ_２ＯとＣＯ_２が全て還元されるように、第２空室から酸素を汲み出し、第１測定ポンプセルは第３空室に酸素を汲み入れて第１測定電極の近傍のＨ_２を選択的に酸化させ、第２測定ポンプセルは第３空室に酸素を汲み入れて第２測定電極の近傍のＨ_２およびＣＯを酸化させ、前者の汲み入れ電流の値からＨ_２Ｏの濃度を特定し、両者の汲み入れ電流の値からＣＯ_２の濃度を特定する、ようにした。

Description

ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法

　本発明は、複数種類の検知対象ガス成分を検知し、それらの濃度を測定可能なマルチガスセンサに関する。

　自動車の排ガスからの排出量を管理するための計測において、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を計測する技術が既に公知である（例えば特許文献１ないし特許文献３参照）。特許文献１および特許文献２に開示されたガスセンサにおいては、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）成分と二酸化炭素（ＣＯ_２）成分とを並行して測定することが可能となっている。また、特許文献３に開示されたガスセンサについては、被測定ガスに二酸化炭素（ＣＯ_２）が含まれている場合においても、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）成分を精度よく測定することが可能となっている。

　特許文献１に開示された３室構成のガスセンサにおいては、まず、第１内部空所用のポンプセルである主ポンプセルが作動することにより、第１内部空所に導入された被測定ガスに含まれるＯ_２が汲み出されるとともに、同じく被測定ガスに含まれるＨ_２ＯおよびＣＯ_２もいったん全て還元されてＨ_２およびＣＯとされる。これらＨ_２およびＣＯを含む被測定ガスは第２さらには第３内部空所に導入される。続いて、第２内部空所用のポンプセルである第１測定ポンプセルによるＯ_２の汲み入れにてＨ_２が選択的に酸化させられてＨ_２Ｏが生成され、さらには第３内部空所用のポンプセルである第２測定ポンプセルによるＯ_２の汲み入れにてＣＯが酸化させられてＣＯ_２が生成される。そして、これらＨ_２とＣＯを酸化させる際に第１測定ポンプセルと第２測定ポンプセルのそれぞれに流れるポンプ電流の大きさに基づいて、被測定ガス中のＨ_２ＯとＣＯ_２の濃度を測定するようになっている。

　係るガスセンサにおいては、第１内部空所におけるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元のため、第１内部空所用のポンプセルにおける印加電圧を高く設定する必要がある。併せて、主ポンプセルを構成する空所内ポンプ電極である主内側ポンプ電極の温度を高くする必要もある。しかしながら、これら高印加電圧とポンプ電極の高温維持とは、酸素イオン伝導性の固体電解質セラミックスを主構成材料とするセンサ素子に、クラックや、固体電解質セラミックスが還元されてしまう黒化などを、生じさせるおそれがある。

　また、特許文献３に開示された２室構成のガスセンサでは、Ｈ_２の選択的酸化性を向上させる目的で、第２内部空所用のポンプセルである測定ポンプセルを構成する空所内ポンプ電極である、測定用内側ポンプ電極の材料に、Ａｕと他の貴金属（例えばＰｔ、Ｒｈ、Ｒｕ）との合金が用いられ、かつ、電極表面におけるＡｕの存在比が２５at％以上とされてなる。

　係る電極材料は一見、特許文献１に開示されたガスセンサにおいて同様にＨ_２を選択的に酸化させる第１測定ポンプセルの第１測定用内側ポンプ電極にも、適用可能なようにも思料される。

　しかしながら、当該第１測定用内側ポンプ電極は、特許文献１に開示されたガスセンサにおいて、第２測定ポンプセルを構成する空所内ポンプ電極である第２測定用内側ポンプ電極に比して、高温となる位置に設けられるために、そのような電極材料を用いた場合、電極中のＡｕが蒸発してしまい、長時間使用時に感度が変化してしまうおそれがある。

特許第５９１８１７７号公報特許第６４６９４６４号公報特許第６４６９４６２号公報

　本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）成分と二酸化炭素（ＣＯ_２）成分とを同時に測定することが可能であり、かつ、センサ素子におけるクラックや黒化の発生が抑制されてなり、さらには長時間の使用においても感度変化が生じにくい、従来よりも長期的な信頼性の優れたマルチガスセンサを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を測定可能なガスセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された構造体を有するセンサ素子と、前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、を備え、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる内部空室と、それぞれが前記内部空室に面するように、かつ、所定の間隔にて離隔させつつ前記ガス導入口から近い順に設けられた、第１調整電極、第２調整電極、および、前記内部空室に流入する前記被測定ガスの流れに対し互いに等価な位置に設けられた第１測定電極と第２測定電極の組と、前記第１調整電極と、前記内部空室以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１調整ポンプセルと、前記第２調整電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２調整ポンプセルと、前記第１測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１測定ポンプセルと、前記第２測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２測定ポンプセルと、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備え、前記第１測定電極が、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含むサーメット電極であり、前記ヒータは、前記内部空室の前記第１調整電極の近傍が最も高温となり、前記センサ素子の長手方向において前記第１調整電極から離れるほど温度が下がるように前記センサ素子を加熱し、前記第１調整ポンプセルは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記第１調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出し、前記第２調整ポンプセルは、前記第１調整ポンプセルにて酸素が汲み出された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように、前記第２調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出し、前記第１測定ポンプセルは、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第１測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定電極の近傍において選択的に酸化させ、前記第２測定ポンプセルは、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第２測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気および二酸化炭素の還元によって生成した水素および一酸化炭素を、前記第２測定電極の近傍において酸化させ、前記コントローラは、前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第１測定電極の近傍の水素が選択的に酸化される際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である選択的酸化電流の値に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する水蒸気濃度特定手段と、前記選択的酸化電流の値と、前記第２測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第２測定電極の近傍の水素および一酸化炭素が酸化される際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である両酸化電流の値とに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する二酸化炭素濃度特定手段と、を備える、ことを特徴とする。

　本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記内部空室が、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から近い順に順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室であり、前記第１調整電極が前記第１空室に備わり、前記第２調整電極が前記第２空室に備わり、前記第１測定電極および前記第２測定電極が前記第３空室に備わる、ことを特徴とする。

　本発明の第３の態様は、第２の態様に係るガスセンサであって、前記水蒸気濃度特定手段は、あらかじめ特定されてなる前記選択的酸化電流と前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定し、前記二酸化炭素濃度特定手段は、あらかじめ特定されてなる、前記両酸化電流から前記選択的酸化電流を差し引いた差分値と前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する、ことを特徴とする。

　本発明の第４の態様は、第２または第３の態様に係るガスセンサであって、前記Ｐｔ－Ａｕ合金におけるＡｕ濃度が１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下である、ことを特徴とする。

　本発明の第５の態様は、第４の態様に係るガスセンサであって、前記第１調整電極および前記第２調整電極が、Ｐｔを含みＡｕ含まないサーメット電極である、ことを特徴とする。

　本発明の第６の態様は、第２ないし第５の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記コントローラが、前記第１調整ポンプセルによって前記第１空室から酸素を汲み出す際に前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する酸素濃度特定手段、をさらに備える、ことを特徴とする。

　本発明の第７の態様は、第２ないし第６の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記第１測定電極と前記第２測定電極とが、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿う一対の面に、互いに対向するように配置されてなる、ことを特徴とする。

　本発明の第８の態様は、第２ないし第６の態様のいずれかに係るガスセンサであって、前記第１測定電極と前記第２測定電極とが、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿った面において、前記長手方向に垂直な方向に互いに離隔するように、並列配置されてなる、ことを特徴とする。

　本発明の第９の態様は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度をガスセンサにより測定する方法であって、前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の構造体を有するセンサ素子を備えるものであり、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる内部空室と、それぞれが前記内部空室に面するように、かつ、所定の間隔にて離隔させつつ前記ガス導入口から近い順に設けられた、第１調整電極、第２調整電極、および、前記内部空室に流入する前記被測定ガスの流れに対し互いに等価な位置に設けられた第１測定電極と第２測定電極の組と、前記第１調整電極と、前記内部空室以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１調整ポンプセルと、前記第２調整電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２調整ポンプセルと、前記第１測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１測定ポンプセルと、前記第２測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２測定ポンプセルと、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備えるものであって、前記第１測定電極が、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含むサーメット電極であり、a)前記ヒータが、前記内部空室の前記第１調整電極の近傍が最も高温となり、前記センサ素子の長手方向において前記第１調整電極から離れるほど温度が下がるように前記センサ素子を加熱する工程と、b)前記第１調整ポンプセルによって、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記第１調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出す工程と、c)前記第２調整ポンプセルによって、前記第１調整ポンプセルにて酸素が汲み出された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように、前記第２調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出す工程と、d)前記第１測定ポンプセルによって、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第１測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定電極の近傍において選択的に酸化させる工程と、e)前記第２測定ポンプセルによって、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第２測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気および二酸化炭素の還元によって生成した水素および一酸化炭素を、前記第２測定電極の近傍において酸化させる工程と、f)前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第１測定電極の近傍の水素が選択的に酸化される際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である選択的酸化電流の値に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する工程と、g)前記選択的酸化電流の値と、前記第２測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第２測定電極の近傍の水素および一酸化炭素が酸化される際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である両酸化電流の値とに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する工程と、を備える、ことを特徴とする。

　本発明の第１０の態様は、第９の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記内部空室が、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から近い順に順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室であり、前記第１調整電極が前記第１空室に備わり、前記第２調整電極が前記第２空室に備わり、前記第１測定電極および前記第２測定電極が前記第３空室に備わる、ことを特徴とする。

　本発明の第１１の態様は、第１０の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記工程f)においては、あらかじめ特定されてなる前記選択的酸化電流と前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定し、前記工程g)においては、あらかじめ特定されてなる、前記両酸化電流から前記選択的酸化電流を差し引いた差分値と前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する、ことを特徴とする。

　本発明の第１２の態様は、第１０または第１１の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記Ｐｔ－Ａｕ合金におけるＡｕ濃度を１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下とする、ことを特徴とする。

　本発明の第１３の態様は、第１２の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記第１調整電極および前記第２調整電極を、Ｐｔを含みＡｕ含まないサーメット電極とする、ことを特徴とする。

　本発明の第１４の態様は、第１０ないし第１３の態様のいずれかに係るガスセンサによる濃度測定方法であって、h)前記第１調整ポンプセルによって前記第１空室から酸素を汲み出す際に前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する工程、をさらに備える、ことを特徴とする。

　本発明の第１５の態様は、第１０ないし第１４の態様のいずれかに係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記第１測定電極と前記第２測定電極とを、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿う一対の面に、互いに対向するように配置する、ことを特徴とする。

　本発明の第１６の態様は、第１０ないし第１４の態様のいずれかに係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記第１測定電極と前記第２測定電極とを、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿った面において、前記長手方向に垂直な方向に互いに離隔するように、並列配置する、ことを特徴とする。

　本発明の第１ないし第１６の態様によれば、センサ素子にクラックや黒化が発生することが抑制されてなるとともに、電極からのＡｕの蒸発も抑制された、従来よりも長期的な信頼性の優れたマルチガスセンサが、実現される。

ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。コントローラ１１０において実現される機能的構成要素を示すブロック図である。ガスセンサ１００のセンサ素子１０１における、３つの空室におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。相異なる３種類のモデルガスを流したときの、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値と、第１調整ポンプセル２１に流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフである。センサ素子１０１Ａにおける第１測定電極４４ａおよび第２測定電極４４ｂの平面的な配置関係を示す図である。センサ素子１０１Ｂにおける第１測定電極４４ａおよび第２測定電極４４ｂの平面的な配置関係を示す図である。センサ素子１０１Ｃにおける第１測定電極４４ａおよび第２測定電極４４ｂの平面的な配置関係を示す図である。変形例に係るガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。

　　＜ガスセンサの構成＞
　図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によって複数種類のガス成分を検知し、その濃度を測定するマルチガスセンサである。本実施の形態においては、少なくとも水蒸気（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）が、ガスセンサ１００における主たる検知対象ガス成分であるとする。ガスセンサ１００は、例えば、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気経路に取り付けられ、係る排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとする態様にて使用される。図１は、センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。

　センサ素子１０１は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる長尺板状の構造体（基体部）１４と、該構造体１４の一方端部（図面視左端部）に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口１０を兼ねる第１拡散律速部１１と、構造体１４内に形成され、ガス導入口１０（第１拡散律速部１１）から順次に連通する緩衝空間１２、第１空室２０、第２空室４０、および第３空室６１を有する。緩衝空間１２はガス導入口１０（第１拡散律速部１１）と連通している。第１空室２０は、第２拡散律速部１３を介して緩衝空間１２と連通している。第２空室４０は、第３拡散律速部３０を介して第１空室２０と連通している。第３空室６１は、第４拡散律速部６０を介して第２空室４０と連通している。

　構造体１４は、例えば、セラミックスよりなる複数層の基板を積層して構成される。具体的には、構造体１４は、第１基板１と、第２基板２と、第３基板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とよりなる６つの層が、下から順に積層された構成を有する。各層は、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質によって構成される。

　ガス導入口１０を兼ねる第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３、第１空室２０、第３拡散律速部３０、第２空室４０、第４拡散律速部６０、および第３空室６１は、構造体１４の一方端部側であって、第２固体電解質層６の下面６ｂと第１固体電解質層４の上面４ａとの間に、この順に形成されている。ガス導入口１０から第３空室６１に至る部位を、ガス流通部とも称する。

　緩衝空間１２と、第１空室２０と、第２空室４０と、第３空室６１とは、スペーサ層５を厚み方向に貫通するようにして形成されている。それらの空室等の図面視上部においては、第２固体電解質層６の下面６ｂが露出し、図面視下部においては第１固体電解質層４の上面４ａが露出している。それら空室等の側部は、スペーサ層５あるいはいずれかの拡散律速部にて区画されている。第１空室２０、第２空室４０、および第３空室６１の長さ（素子長手方向のサイズ）は例えば０．３ｍｍ～１．０ｍｍであり、幅（素子短手方向のサイズ）は例えば０．５ｍｍ～３０ｍｍであり、高さ（素子厚み方向のサイズ）は例えば５０μｍ～２００μｍである。ただし、それぞれの空室のサイズは同じである必要はなく、相異なっていてもよい。

　なお、ガス導入口１０についても同様に、第１拡散律速部１１とは別に、スペーサ層５を厚み方向に貫通するようにして形成されてなる態様であってもよい。係る場合、第１拡散律速部１１がガス導入口１０よりも内部に隣接形成されることになる。

　第１拡散律速部１１、第２拡散律速部１３、第３拡散律速部３０、および、第４拡散律速部６０は、いずれも２本の横長なスリットを備えている。すなわち、図面に垂直な方向に長く伸びた開口を図面視上部および下部に有している。スリットの長さ（素子長手方向のサイズ）は例えば０．２ｍｍ～１．０ｍｍであり、開口の幅（素子短手方向のサイズ）は例えば０．５ｍｍ～３０ｍｍであり、開口の高さ（素子厚み方向のサイズ）は例えば５μｍ～３０μｍである。

　また、センサ素子１０１においてガス導入口１０が設けられた一方端部とは反対側の他方端部（図面視右端部）には、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、第３基板３の上面３ａとスペーサ層５の下面５ｂとの間に形成されている。また、基準ガス導入空間４３の側部は第１固体電解質層４の側面で区画されている。基準ガス導入空間４３には、基準ガスとして、例えば酸素（Ｏ_２）や大気が導入される。

　ガス導入口１０は、ガス導入口１０（第１拡散律速部１１）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、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、外部空間における被測定ガスの圧力変動によって生じる被測定ガスの濃度変動を打ち消すために設けられてなる。このような被測定ガスの圧力変動としては、例えば自動車の排ガスの排気圧の脈動等が挙げられる。

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

　第１空室２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入される被測定ガスから酸素を汲み出すための空間として設けられている。係る酸素の汲み出しは、第１調整ポンプセル２１が作動することによって実現される。

　第１調整ポンプセル２１は、第１内側ポンプ電極（第１調整電極）２２と、外側ポンプ電極（空所外ポンプ電極）２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。

　第１調整ポンプセル２１においては、第１内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源２４によって電圧Ｖｐ０が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ０が生じる。これにより、第１空室２０内の酸素を外部空間に汲み出すことが、可能となっている。なお、本実施の形態においては、第１空室２０から酸素が汲み出されるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ０の向きを、酸素ポンプ電流Ｉｐ０の正の向きとする。

　第１内側ポンプ電極２２は、第１空室２０を区画する第２固体電解質層６の下面６ｂの略全面および第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にそれぞれ、天井電極部２２ａおよび底部電極部２２ｂとして、設けられている。天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとは、図示しない導通部にて接続されてなる。

　第１内側ポンプ電極２２は、白金またはロジウム（Ｒｈ）の少なくとも一方を金属成分とする平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。

　外側ポンプ電極２３は、白金または白金と金との合金（Ｐｔ－Ａｕ合金）を金属成分として、例えば、白金またはＰｔ－Ａｕ合金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。

　また、センサ素子１０１においては、第１内側ポンプ電極２２と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第１空室用センサセル８０が構成されている。第１空室用センサセル８０は、第１空室２０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。

　基準電極４２は、第１固体電解質層４と第３基板３との間に形成された電極であり、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。

　基準電極４２の周囲には、多孔質アルミナからなり、且つ、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。基準電極４２の表面には、基準ガス導入空間４３の基準ガスが基準ガス導入層４８を介して導入されるようになっている。すなわち、基準電極４２は常に基準ガスと接触した状態となっている。

　第１空室用センサセル８０においては、第１内側ポンプ電極２２と基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ０が発生する。起電力Ｖ０は、第１空室２０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ０は、第１空室２０における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。

　第３拡散律速部３０は、第１空室２０から第２空室４０に導入される、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を含み酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

　第２空室４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入される被測定ガスに検知対象ガス成分として含まれているＨ_２ＯおよびＣＯ_２を還元（分解）して水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、被測定ガスが酸素のみならずＨ_２Ｏ、ＣＯ_２についても実質的に含まないようにするための空間として設けられている。係るＨ_２ＯとＣＯ_２の還元（分解）は、第２調整ポンプセル５０が作動することによって実現される。

　第２調整ポンプセル５０は、第２内側ポンプ電極（第２調整電極）５１と、外側ポンプ電極２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。

　第２調整ポンプセル５０においては、第２内側ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源５２によって電圧Ｖｐ１が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ１が生じる。これにより、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元により第２空室４０内にて生じた酸素を外部空間に汲み出すことが、可能となっている。なお、本実施の形態においては、第２空室４０から酸素が汲み出されるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ１の向きを、酸素ポンプ電流Ｉｐ１の正の向きとする。

　第２内側ポンプ電極５１は、第２空室４０を区画する第２固体電解質層６の下面６ｂの略全面および第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にそれぞれ、天井電極部５１ａおよび底部電極部５１ｂとして、設けられている。天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとは、図示しない導通部にて接続されてなる。

　第２内側ポンプ電極５１は、Ｐｔを金属成分とする平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。

　また、センサ素子１０１においては、第２内側ポンプ電極５１と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第２空室用センサセル８１が構成されている。第２空室用センサセル８１は、第２空室４０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。

　第２空室用センサセル８１においては、第２内側ポンプ電極５１と基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ１が発生する。起電力Ｖ１は、第２空室４０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ１は、第２空室４０における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。

　第４拡散律速部６０は、第２空室４０から第３空室６１に導入される、Ｈ_２およびＣＯを含む一方でＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

　第３空室６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入される被測定ガスに含まれているＨ_２およびＣＯを全て酸化して再びＨ_２ＯおよびＣＯ_２を生成させるための空間として設けられている。これらＨ_２およびＣＯの酸化によるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の生成は、第１測定ポンプセル４１ａおよび第２測定ポンプセル４１ｂが作動することによって実現される。

　第１測定ポンプセル４１ａは、第１測定電極４４ａと、外側ポンプ電極２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。

　第１測定ポンプセル４１ａにおいては、第１測定電極４４ａと外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源４７ａによって電圧Ｖｐ２が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ２が生じる。これにより、外部空間から第３空室６１内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。

　一方、第２測定ポンプセル４１ｂは、第２測定電極４４ｂと、外側ポンプ電極２３と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。

　第２測定ポンプセル４１ｂにおいては、第２測定電極４４ｂと外側ポンプ電極２３との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源４７ｂによって電圧Ｖｐ３が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ３が生じる。これにより、外部空間から第３空室６１内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。

　なお、本実施の形態においては、第３空室６１から酸素が汲み出されるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ２および酸素ポンプ電流Ｉｐ３の向きをそれぞれ、酸素ポンプ電流Ｉｐ２および酸素ポンプ電流Ｉｐ３の正の向きとする。

　第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとは、第４拡散律速部６０を通じて第３空室６１に流入する被測定ガスの流れに対し、互いに等価な位置に設けられてなる。図１においては、第１測定電極４４ａは第３空室６１を区画する第２固体電解質層６の下面６ｂの略全面に設けられてなり、第２測定電極４４ｂは同じく第３空室６１を区画する第１固体電解質層４の上面４ａの略全面に設けられてなるが、両電極の配置はこれに限られるものではない。

　第１測定電極４４ａは、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含む、例えば、係るＰｔ－Ａｕ合金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。これにより、第１測定電極４４ａにおいては、第３空室６１にてＨ_２とＣＯとが共存している場合であってもＨ_２のみが選択的に酸化され、ＣＯは酸化されないようになっている。なお、Ｐｔ－Ａｕ合金におけるＡｕ濃度は１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であるのが好ましく、３０ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であるのがより好ましい。係る場合、第１測定電極４４ａにおけるＨ_２の選択的酸化性、すなわち、第３空室６１にてＨ_２とＣＯとが共存している場合に、Ｈ_２のみが第１測定ポンプセル４１ａによって汲み入れられた酸素によって選択的に酸化され、ＣＯは酸化されない性質が、より好適に発現する。

　一方、第２測定電極４４ｂは、Ｐｔを金属成分とする平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。これにより、第２測定電極４４ｂにおいては、第３空室６１にてＨ_２とＣＯとが共存している場合に、Ｈ_２とＣＯとがともに酸化されるようになっている。

　また、センサ素子１０１においては、第１測定電極４４ａと、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第１測定用センサセル８２ａが構成されている。第１測定用センサセル８２ａは、第３空室６１内の第１測定電極４４ａの近傍における雰囲気の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。

　第１測定用センサセル８２ａにおいては、第１測定電極４４ａと基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ２が発生する。起電力Ｖ２は、第３空室６１内の第１測定電極４４ａの近傍における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ２は、第１測定電極４４ａの近傍における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。

　さらに、センサ素子１０１においては、第２測定電極４４ｂと、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって、第２測定用センサセル８２ｂが構成されている。第２測定用センサセル８２ｂは、第３空室６１内の第２測定電極４４ｂの近傍における雰囲気の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。

　第２測定用センサセル８２ｂにおいては、第２測定電極４４ｂと基準電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ３が発生する。起電力Ｖ３は、第３空室６１内の第２測定電極４４ｂの近傍における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、起電力Ｖ３は、第２測定電極４４ｂの近傍における酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。

　また、センサ素子１０１はさらに、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的センサセル８３を有する。このセンサセル８３において外側ポンプ電極２３と基準電極４２の間に生じる起電力Ｖｒｅｆは、センサ素子１０１の外部に存在する被測定ガスの酸素分圧に応じた値となる。

　以上に加えて、センサ素子１０１は、構造体１４を構成する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、ヒータエレメント７２と、ヒータリード７２ａと、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、図１においては図示を省略するヒータ抵抗検出リードとを、主として備えている。以下、ヒータエレメント７２を単にヒータ７２とも称する。

　ヒータ７２は、第２基板２と第３基板３とに上下から挟まれた態様にて設けられてなり、第１基板１の下面１ｂに設けられたヒータ電極７１、スルーホール７３、およびヒータリード７２ａを通じて外部から給電されることより、発熱する。ヒータ７２は、緩衝空間１２から第３空室６１に至る範囲の全域に亘って埋設されており、センサ素子１０１を所定の温度に加熱しさらには保温することができるようになっている。

　ヒータ７２は、加熱時に第１空室２０の近傍（第１調整電極２２の近傍）が最も高温となり、素子長手方向において第１空室２０から離れるほど温度が下がるように設けられる。本実施の形態においては、ガスセンサ１００が使用される際の（センサ素子１０１が駆動される際の）、ガス導入口１０が備わるセンサ素子１０１の一方端部から第３空室６１に至る範囲の温度を、素子駆動温度と称する。ヒータ７２は、素子駆動温度が７５０℃～９５０℃の範囲内となるように、加熱を行う。

　ヒータ７２の上下には、第２基板２および第３基板３との電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている。また、ヒータ部７０には、圧力放散孔７５が備わっている。圧力放散孔７５は、第３基板３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設けられてなる。

　ガスセンサ１００はまた、センサ素子１０１の動作を制御するとともに、センサ素子１０１を流れる電流に基づいて検知対象ガス成分の濃度を特定する処理を担うコントローラ１１０をさらに備える。

　図２は、コントローラ１１０において実現される機能的構成要素を示すブロック図である。コントローラ１１０は、例えば１つまたは複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路により構成される。電子回路は、例えば記憶装置に記憶されている所定のプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能的構成要素が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路等で構成してもよい。

　なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンの排気経路に取り付けられ、排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとして使用される場合、コントローラ１１０の機能の一部または全部が、自動車のＥＣＵ（電子制御装置）にて実現されるであってもよい。

　コントローラ１１０は、ＣＰＵにおいて所定のプログラムが実行されることにより実現される機能的構成要素として、上述したセンサ素子１０１の各部の動作を制御する素子動作制御部１２０と、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分の濃度を特定する処理を担う濃度特定部１３０とを備える。

　素子動作制御部１２０は、第１調整ポンプセル２１の動作を制御する第１調整ポンプセル制御部１２１ａと、第２調整ポンプセル５０の動作を制御する第２調整ポンプセル制御部１２１ｂと、第１測定ポンプセル４１ａの動作を制御する第１測定ポンプセル制御部１２２ａと、第２測定ポンプセル４１ｂの動作を制御する第２測定ポンプセル制御部１２２ｂと、ヒータ７２による加熱動作を制御するヒータ制御部１２３と、主として備える。

　一方、濃度特定部１３０は、ガスセンサ１００における主たる検知対象ガス成分であるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度をそれぞれ特定する水蒸気濃度特定部１３０Ｈおよび二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃを、主として備える。

　水蒸気濃度特定部１３０Ｈは、第１測定ポンプセル制御部１２２ａが取得する、第１測定ポンプセル４１ａを流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２の値に基づいて、被測定ガスに含まれるＨ_２Ｏの濃度を特定する。

　二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃは、第１測定ポンプセル制御部１２２ａが取得する、第１測定ポンプセル４１ａを流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２の値と、第２測定ポンプセル制御部１２２ｂが取得する、第２測定ポンプセル４１ｂを流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ３の値とに基づいて、被測定ガスに含まれるＣＯ_２の濃度を特定する。

　濃度特定部１３０は、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する酸素濃度特定部１３０Ａをさらに備える。酸素濃度特定部１３０Ａは、第１調整ポンプセル制御部１２１ａが取得する、第１調整ポンプセル２１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０の値に基づいて、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する。すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、主たる検知対象ガス成分であるＨ_２ＯおよびＣＯ_２に加え、酸素についても付随的な検知対象ガス成分として検知される。

　　＜マルチガス検知と濃度特定＞
　次に、上述のような構成を有するガスセンサ１００において実現される、複数のガス種の検知（マルチガス検知）と、検知されたガスの濃度の特定の仕方について説明する。以降においては、被測定ガスが酸素、Ｈ_２Ｏ、およびＣＯ_２を含む排ガスであるとする。

　図３は、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１における、３つの空室（内部空所）におけるガスの出入りの様子を示す模式図である。

　まず、本実施の形態に係るガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０１においては、上述のように、ガス導入口１０（第１拡散律速部１１）、緩衝空間１２、および第２拡散律速部１３を通じて第１空室２０へと被測定ガスが導入される。第１空室２０においては、第１調整ポンプセル２１が作動することにより、導入された被測定ガスから酸素が汲み出される。

　係る酸素の汲み出しは、コントローラ１１０の第１調整ポンプセル制御部１２１ａが、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値（制御電圧）を４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは４００ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ０が係る目標値に保たれるよう、可変電源２４が第１調整ポンプセル２１に印加する電圧Ｖｐ０を実際の起電力Ｖ０の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。例えば酸素を多く含む被測定ガスが第１空室２０に到達すると起電力Ｖ０の値が目標値から大きく変位するので、第１調整ポンプセル制御部１２１ａは、係る変位が減少するように、可変電源２４が第１調整ポンプセル２１に印加するポンプ電圧Ｖｐ０を制御する。

　このような態様にて第１調整ポンプセル２１により第１空室２０から酸素が汲み出されることで、第１空室２０における酸素分圧は、被測定ガスに含まれるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が生じない範囲で十分に低い値に保たれる。例えば、Ｖ０＝４００ｍＶの場合であれば、１０^－８ａｔｍ程度となる。

　図４は、起電力Ｖ０の目標値が４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値に設定されることで、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が生じない範囲で酸素の汲み出しが行われる理由を説明するための図である。具体的には、図４は、相異なる３種類のモデルガスを流したときの、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値（制御電圧）と、第１調整ポンプセル２１に流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフである。３種類のモデルガスは、具体的には、酸素を１０％含む第１のガスと、酸素とＣＯ_２を１０％ずつ含む第２のガスと、酸素とＨ_２Ｏを１０％ずつ含む第３のガスである。いずれのガスも、残余は窒素（Ｎ_２）とした。なお、素子駆動温度は８００℃とし、モデルガスの温度は１５０℃とした。

　図４からは、第１のガスの場合、制御電圧が０．４Ｖ以上の範囲で酸素ポンプ電流Ｉｐ０が略一定となっているのに対し、第２のガスおよび第３のガスの場合、制御電圧が０．７Ｖ以下の範囲では第１のガスと略同じプロファイルとなっているものの、制御電圧が０．７Ｖを超えると、酸素ポンプ電流Ｉｐ０が再び増大していることが確認される。係る増大は、被測定ガスに含まれているＨ_２ＯまたはＣＯ_２が還元（分解）されて酸素が発生することにより流れる、Ｈ_２ＯまたはＣＯ_２の還元電流が重畳していることにより生じている。

　これを踏まえ、本実施の形態においては、起電力Ｖ０の目標値を４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値に設定している。なお、電極の耐久性を確保するという観点からは、起電力Ｖ０をなるべく低くする方が好ましいため、起電力Ｖ０の目標値は４００ｍＶとすることが好ましいと判断される。

　このように、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、従来技術のガスセンサとは異なり、動作時にセンサ素子１０１において最も高温となる第１空室２０においては、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を還元しない範囲での酸素の汲み出しのみが行われ、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元は行われない。係る汲み出しのために設定される、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値は、４００ｍＶ～７００ｍＶであり、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を還元する場合に設定される１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる目標値に比して十分に小さい。よって、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元を伴う、従来技術のガスセンサの対応するポンプセルに印加される電圧に比して、ポンプ電圧Ｖｐ０の増大が抑制される。これにより、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第１内側ポンプ電極２２が高温に維持された状態で高電圧が印加されることに起因した、クラックや黒化の発生が、好適に抑制されてなる。

　第１空室２０においてＨ_２ＯおよびＣＯ_２が還元されない範囲での酸素の汲み出しのみがなされた被測定ガスは、第２空室４０に導入される。そして、係る第２空室４０において、被測定ガスに含まれているＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が行われる。すなわち、第２調整ポンプセル５０が作動し、第１空室２０において酸素が汲み出されたうえで第２空室４０に導入された被測定ガスからさらに酸素が汲み出されることにより、被測定ガスに含まれているＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元（分解）反応（２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_２＋Ｏ_２、２ＣＯ_２→２ＣＯ＋Ｏ_２）が進行し、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２は実質的に全て、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）と酸素とに分解される。

　係るＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元（分解）と生じた酸素の汲み出しとは、コントローラ１１０の第２調整ポンプセル制御部１２１ｂが、第２空室用センサセル８１における起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）を１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは１０００ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ１が係る目標値に保たれるよう、可変電源５２が第２調整ポンプセル５０に印加する電圧Ｖｐ１を実際の起電力Ｖ１の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。なお、起電力Ｖ１の目標値を１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値とすることが好適であるのは、図４に示すグラフからも示唆される。

　係る態様にて第２調整ポンプセル５０が作動することで、第２空室４０における酸素分圧は、第１空室２０における酸素分圧よりもさらに低い値に保たれる。例えば、Ｖ１＝１０００ｍＶの場合であれば、１０^－２０ａｔｍ程度となる。これにより、被測定ガスはＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、および酸素を実質的に含まなくなる。

　Ｈ_２およびＣＯを含む一方でＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスは、第３空室６１に導入される。

　第３空室６１においては、第１測定ポンプセル４１ａおよび第２測定ポンプセル４１ｂが作動することにより酸素が汲み入れられる。

　第１測定ポンプセル４１ａによる酸素の汲み入れは、コントローラ１１０の第１測定ポンプセル制御部１２２ａが、第１測定用センサセル８２ａにおける起電力Ｖ２の目標値（制御電圧）を２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値（好ましくは３５０ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ２が係る目標値に保たれるよう、可変電源４７ａが第１測定ポンプセル４１ａに印加する電圧Ｖｐ２を実際の起電力Ｖ２の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。

　係る態様にて第１測定ポンプセル４１ａが作動することで、第３空室６１の第１測定電極４４ａの近傍においては、２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏなる酸化（燃焼）反応が促進される。

　起電力Ｖ２の目標値を２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値に設定するのは、第３空室６１の第１測定電極４４ａの近傍に存在する被測定ガスに含まれるガス種のうち、Ｈ_２のみを選択的に酸化させ、ＣＯを酸化させないようにするためである。

　以降においては、第１測定ポンプセル４１ａによる酸素の汲み入れにて生成されるＨ_２Ｏの量を、第１のＨ_２Ｏ量とも称する。

　また、上述したように、第１測定電極４４ａを、金属成分としてＡｕ濃度が１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下であるＰｔ－Ａｕ合金を含むサーメット電極として設けることも、Ｈ_２の選択的酸化性の向上に寄与している。

　なお、従来技術のガスセンサにおいては、第２空室４０にＰｔ－Ａｕ合金を含むサーメット電極を設け、係る電極を含むポンプセルにてＨ_２の選択的酸化のための酸素の汲み入れが行われているのに対し、本願の場合、第２空室４０に設けられるのは金属成分にＡｕを含まない第２内側ポンプ電極５１であり、同じくＰｔ－Ａｕ合金を金属成分としＨ_２の選択的酸化を担う第１測定電極４４ａは、ガスセンサ１００の動作時の温度が第２空室４０よりも低い第３空室６１に面して設けられてなる。これにより、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、従来技術のガスセンサに比して、電極からのＡｕの蒸発が抑制されてなる。

　これに加えて、ヒータ７２の形状（幅、厚み）、配置（疎密）などを工夫することで、第１測定電極４４ａの温度上昇をより抑制する対応であってもよい。

　一方、第２測定ポンプセル４１ｂによる酸素の汲み入れは、コントローラ１１０の第２測定ポンプセル制御部１２２ｂが、第２測定用センサセル８２ｂにおける起電力Ｖ３の目標値（制御電圧）を１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは２００ｍＶ）に設定し、起電力Ｖ３が係る目標値に保たれるよう、可変電源４７ｂが第２測定ポンプセル４１ｂに印加する電圧Ｖｐ３を実際の起電力Ｖ３の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。

　係る態様にて第２測定ポンプセル４１ｂが作動することで、第３空室６１の第２測定電極４４ｂの近傍においては、２ＣＯ＋Ｏ_２→２ＣＯ_２なる酸化（燃焼）反応と、２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏなる酸化（燃焼）反応とが、ともに促進される。

　前者の反応により、ガス導入口１０から導入されたＣＯ_２の量と相関性を有する量のＣＯ_２が再び生成される。

　一方、後者の反応により生成されるＨ_２Ｏの量（以降、第２のＨ_２Ｏ量とも称する）は、上述した第１のＨ_２Ｏ量と実質的に等しい、これは、第３空室６１においては第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとが被測定ガスの流れに対して等価な位置に配置されており、第３空室６１に導入された被測定ガスに含まれるＨ_２は、等しい確率で両電極において酸化されることによる。

　また、第１のＨ_２Ｏ量と第２のＨ_２Ｏ量の総和は、ガス導入口１０から導入されたＨ_２Ｏの量と相関性を有する。なお本実施の形態において、Ｈ_２ＯあるいはＣＯ_２の量が相関性を有するとは、ガス導入口１０から導入されたＨ_２ＯあるいはＣＯ_２の量と、それらの分解によって生じたＨ_２およびＣＯが酸化させられることによって再び生成するＨ_２ＯあるいはＣＯ_２の量とが、同量または測定精度の点から許容される一定の誤差範囲内にある、ということである。

　以上の態様にて動作する、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第１測定電極４４ａにおいてＨ_２を選択的に酸化させるための酸素の汲み入れ電流である、第１測定ポンプセル４１ａを流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２と、第２測定電極４４ｂにおいてＨ_２とＣＯの双方を酸化するための酸素の汲み入れ電流である、第２測定ポンプセル４１ｂを流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ３とに基づいて、被測定ガス中のＨ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度を特定する。以降においては、ガスセンサ１００による実測定時の酸素ポンプ電流Ｉｐ２および酸素ポンプ電流Ｉｐ３をそれぞれ、選択的酸化電流Ｉｐ２、両酸化電流Ｉｐ３とも称する。

　具体的には、被測定ガスにおけるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度をそれぞれＣ_Ｈ、Ｃ_Ｃとするとき、これらの濃度値Ｃ_Ｈ、Ｃ_Ｃと、選択的酸化電流Ｉｐ２および両酸化電流Ｉｐ３との間に、以下の関係が成り立つことを利用する。ただし、ｋ_１、ｋ_２は比例定数である。

　　　　Ｃ_Ｈ＝ｋ_１・Ｉｐ２　　　　　　　・・・・(1)
　　　　Ｃ_Ｃ＝ｋ_２・（Ｉｐ３－Ｉｐ２）　・・・・(2)
　式(1)は、選択的酸化電流Ｉｐ２と第１のＨ_２Ｏ量との間には比例関係があること、および、第１のＨ_２Ｏ量と第２のＨ_２Ｏ量とは実質的に等しいため、被測定ガスにおけるＨ_２Ｏの濃度値Ｃ_Ｈの１／２と選択的酸化電流Ｉｐ２との間に比例関係があるとみなせることに、基づいている。

　また、式(2)は、第１のＨ_２Ｏ量と第２のＨ_２Ｏ量とは実質的に等しいため、両酸化電流Ｉｐ３のうちのＨ_２の酸化への寄与分は、選択的酸化電流Ｉｐ２に等しいとみなせること、それゆえ、差分値Ｉｐ３－Ｉｐ２が第２測定ポンプセル４１ｂにて汲み入れられる酸素のＣＯの酸化への寄与分に相当すること、さらには、差分値Ｉｐ３－Ｉｐ２と被測定ガスにおけるＣＯ_２の濃度との間に比例関係があるとみなせることに、基づいている。

　比例定数ｋ_１、ｋ_２は、ガスセンサ１００の使用に先立ちあらかじめ、濃度既知のモデルガスを用いて特定される。そして、比例定数ｋ_１を含む式(1)がコントローラ１１０の水蒸気濃度特定部１３０Ｈに格納される。また、比例定数ｋ_２を含む式(2)がコントローラ１１０の二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃに格納される。

　なお、選択的酸化電流Ｉｐ２と両酸化電流Ｉｐ３とはいずれも、センサ素子１０１のガス導入口１０から第３空室６１に至るまでに被測定ガスに与えられる拡散抵抗に応じた値である。それゆえ、厳密には、比例定数ｋ_１、ｋ_２は個々のガスセンサ１００を構成するセンサ素子１０１の個体ごとに異なるものとなる。ゆえに、比例定数ｋ_１、ｋ_２は、個々のガスセンサ１００につき特定されるのが好ましい。ただし、同一条件・同一ロットにて製造されるガスセンサ１００については、誤差が許容範囲内であることが確認されている場合、ある特定のガスセンサ１００について取得された比例定数ｋ_１、ｋ_２を同一ロットの他のガスセンサ１００に適用する態様であってもよい。

　そして、ガスセンサ１００が実際に測定を行う際には、素子駆動温度に加熱されたセンサ素子１０１に被測定ガスが導入され、上述した態様にて、第１調整ポンプセル２１、第２調整ポンプセル５０、第１測定ポンプセル４１ａ、および第２測定ポンプセル４１ｂが動作する。そして、水蒸気濃度特定部１３０Ｈが、第１測定ポンプセル制御部１２２ａから選択的酸化電流Ｉｐ２を取得し、式(1)に基づいてＨ_２Ｏ濃度を特定する。

　また、二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃは、第１測定ポンプセル制御部１２２ａから選択的酸化電流Ｉｐ２の値を取得し、第２測定ポンプセル制御部１２２ｂから両酸化電流Ｉｐ３の値を取得する。そして、式(2)に基づいてＣＯ_２濃度を特定する。

　本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、以上により、被測定ガスにおけるＨ_２Ｏ濃度およびＣＯ_２濃度が特定される。

　また、Ｈ_２Ｏ濃度およびＣＯ_２濃度の特定と並行して、第１調整ポンプセル２１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０を利用した、酸素濃度の特定も行われる。

　本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、上述のように、第１調整ポンプセル２１が作動することにより、第１空室２０において、ガス導入口１０から導入された被測定ガスからの酸素の汲み出しが行われる。係る酸素の汲み出しは、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が生じない範囲で行われるものではあるが、その際に流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０（以下、酸素検出電流Ｉｐ０とも称する）はガス導入口１０から導入された被測定ガスに含まれる酸素の濃度に略比例する。すなわち、酸素検出電流Ｉｐ０と被測定ガスにおける酸素濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（Ｉｐ０－Ｏ_２データ）は、酸素濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、コントローラ１１０に格納されている。

　ガスセンサ１００が実際に測定を行う際、酸素濃度特定部１３０Ａは、第１調整ポンプセル制御部１２１ａより酸素検出電流Ｉｐ０の値を取得する。そして、Ｉｐ０－Ｏ_２データを参照し、取得した酸素検出電流Ｉｐ０に対応する酸素濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける酸素濃度が特定される。

　以上、説明したように、本実施の形態に係るガスセンサにおいては、従来のガスセンサと同様、被測定ガスがＨ_２ＯとＣＯ_２をともに含む場合に、両者の濃度を測定することができる。さらには、酸素濃度を精度よく求めることも、可能となっている。

　加えて、本実施の形態に係るガスセンサの場合、従来技術のガスセンサとは異なり、動作時に最も高温となる第１空室においてはＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元は行われず、それゆえ、第１空室から酸素を汲み出す調整ポンプセルに印加される電圧が、従来技術のガスセンサに比して低く抑えられているので、センサ素子にクラックや黒化が発生することが、好適に抑制されてなる。

　また、金属成分としてＰｔ－Ａｕ合金が用いられる電極として空室内に備わるのは、第３空室に設けられている第２測定電極のみであり、係る第３空室よりも高温となる第１空室および第２空室には、Ｐｔ－Ａｕ合金が用いられる電極は設けられないので、電極からのＡｕの蒸発が、従来技術に比して抑制されてなる。

　すなわち、本実施の形態によれば、従来よりも長期的な信頼性の優れたマルチガスセンサが、実現される。

　　＜電極配置の変形例＞
　上述したように、第３空室６１においては、被測定ガスに含まれるＨ_２が第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとにおいて等しい確率で酸化される必要から、両電極は被測定ガスの流れに対して等価な位置に配置される必要がある。

　ただし、上述の実施の形態においては、図１に示したように、第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂはそれぞれ、第３空室６１を区画する、センサ素子１０１の長手方向に沿う一対の面である、第３空室６１の天井面をなす第２固体電解質層６の下面６ｂと、第３空室６１の底面をなす第１固体電解質層４の上面４ａに配置されるものとしているが、被測定ガスの流れに対して等価である限り、両電極の配置は図１に示したものと異なっていてもよい。

　例えば、第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂの配置が、図１に示したものと入れ替わっていてもよい。

　あるいは、同じく第３空室６１を区画する、センサ素子１０１の長手方向に沿う一対の面である、第３空室６１の側部をなすスペーサ層５の２つの露出面に、第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとが対向配置される態様であってもよい。

　図５ないし図７はそれぞれ、第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂの配置態様がさらに異なるセンサ素子１０１Ａ～１０１Ｃを例示する図である。図５ないし図７はそれぞれ、センサ素子１０１Ａ～１０１Ｃにおける第１測定電極４４ａおよび第２測定電極４４ｂの平面的な配置関係を示している。なお、参考のため、第１内側ポンプ電極２２と第２内側ポンプ電極５１も併せて示しているが、これらの電極の配置位置は、図１の場合と同じであるとする。

　図５に示すセンサ素子１０１Ａにおいては、それぞれの長手方向が素子長手方向と一致する第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとが、素子長手方向に垂直な方向に互いに離隔するように、並列配置されている。係る配置は、第３空室６１の天井面をなす第２固体電解質層６の下面６ｂと、底面をなす第１固体電解質層４の上面４ａとの、いずれにおいてなされてもよい。

　また、図６に示すセンサ素子１０１Ｂにおいては、センサ素子１０１Ａと同じ位置に配置された第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとの間に、仕切り部４５が設けられていてもよい。仕切り部４５は、第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂの形成面から所定の高さにて突出する部位である。仕切り部４５が設けられた場合、第１測定電極４４ａから蒸発したＡｕが第２測定電極４４ｂに到達し付着することが、好適に抑制される。

　仕切り部４５は、構造体１４と同じく固体電解質にて設けられてもよいし、アルミナその他のセラミックスにて設けられてもよい。

　なお、仕切り部４５が第３空室６１を完全に二分するのは、第１測定電極４４ａの備わる側に入り込んだＣＯが滞留し、第２測定電極４４ｂにおいて酸化されにくくなるため、好ましくない。

　また、図７に示すセンサ素子１０１Ｃにおいては、センサ素子１０１Ａと同じ位置に配置された第１測定電極４４ａと第２測定電極４４ｂとがそれぞれ、セラミックス製の多孔体４６ａおよび４６ｂにて被覆されている。係る多孔体４６ａおよび４６ｂも、第１測定電極４４ａから蒸発したＡｕが第２測定電極４４ｂに到達し付着することを、抑制する目的で設けられてなる。

　多孔体４６ａおよび４６ｂは例えば、５％～３０％なる範囲の等しい気孔率にて、３０μｍ～１００μｍなる範囲の等しい厚みに設けられる。

　あるいはさらに、気孔率および厚みを好適に調整することにより、多孔体４６ａおよび４６ｂに第４拡散律速部６０の機能を付与し、第４拡散律速部６０を省略する態様であってもよい。

　　＜他の変形例＞
　上述の実施の形態に係るガスセンサ１００においては、センサ素子１０１に、拡散律速部にて連通する第１空室２０、第２空室４０、および第３空室６１を備えたガス流通部が備わっている。そして、係るガス流通部においてそれぞれの空室に所定の拡散抵抗の下で順次に導入される被測定ガスに対し、第１空室２０では第１調整ポンプセル２１によるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が生じない範囲での酸素の汲み出しが行われ、第２空室４０では第２調整ポンプセル５０によるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が行われ、第３空室６１ではＨ_２Ｏの還元により生じたＨ_２の第１測定ポンプセル４１ａによる選択的な酸化と、Ｈ_２Ｏの還元により生じたＨ_２とＣＯ_２の還元により生じたＣＯの双方の第２測定ポンプセル４１ｂによる酸化が行われる。その結果、それぞれのポンプセルを流れる電流の大きさに基づいて、被測定ガス中のＨ_２Ｏ、ＣＯ_２さらには酸素の濃度が測定されるようになっている。

　ガスセンサ１００におけるこのような測定態様は、素子外部から第１空室２０への被測定ガスの流入が第１拡散律速部１１および第２拡散律速部１３にて抑制され、酸素が残存する被測定ガスの第１空室２０から第２空室４０への流入が第３拡散律速部３０により抑制され、さらには、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の残存した被測定ガスの第２空室４０から第３空室６１への流入が第４拡散律速部６０により抑制されていることにより、実現されているものと捉えられる。すなわち、第１調整ポンプセル２１の第１内側ポンプ電極２２、第２調整ポンプセル５０の第２調整電極５１、第１測定ポンプセル４１ａの第１測定電極４４ａおよび、第２測定ポンプセル４１ｂの第２測定電極４４ｂに到達する被測定ガスを、それぞれの拡散律速部によって好適に制御し、それぞれのポンプセルにおける動作の対象ではないガスが各電極に到達しないようにすることで、ガスセンサ１００におけるマルチガス検知を可能としているものといえる。

　別の見方をすれば、このことは、第１内側ポンプ電極２２、第２内側ポンプ電極５１、第１測定電極４４ａ、および、第２測定電極４４ｂのそれぞれに到達する被測定ガスを対象とした、第１調整ポンプセル２１によるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が生じない範囲での酸素の汲み出しと、第２調整ポンプセル５０によるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元と、Ｈ_２Ｏの還元により生じたＨ_２の第１測定ポンプセル４１ａによる選択的な酸化と、Ｈ_２Ｏの還元により生じたＨ_２とＣＯ_２の還元により生じたＣＯの双方の第２測定ポンプセル４１ｂによる酸化が、測定精度の確保に鑑みて良好に行われる限りにおいて、センサ素子１０１のガス流通部とは異なる構成を採用し得るということを意味している。例えば、拡散律速部にて連通する３つの空室を備えない構成であっても、マルチガス検知を実現することは可能である。

　図８は、以上の点を踏まえた、変形例に係るガスセンサ２００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ２００は、センサ素子２０１によって複数種類のガス成分を検知し、その濃度を測定するマルチガスセンサである。ガスセンサ２００においても、ガスセンサ１００と同様、コントローラ１１０によって制御されることで、後述するように、少なくとも水蒸気（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）を主たる検知対象ガス成分とするマルチガス検知が可能となっている。図８は、センサ素子２０１の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。

　センサ素子２０１は、センサ部２１４と、ヒータ部２７０とが積層された、長尺板状の構造体である。

　センサ部２１４は、セラミックスよりなる複数の基板層を積層して構成される。具体的には、センサ部２１４は、第１基板２０３と、第２基板２０４と、第３基板２０５と、第４基板２０６よりなる４つの層が、下から順に積層された構成を有する。このうち、少なくとも第２基板２０４は、例えばジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質によって構成される。第１基板２０３、第３基板２０５、および第４基板２０６は、固体電解質によって構成されていてもよいし、アルミナなどの絶縁材料にて構成されていてもよい。センサ部２１４においては、第１基板２０３がヒータ部２７０と隣接してなる。

　センサ部２１４の一方端部（図面視左端部）には、被測定ガスが導入されるガス導入口２１０が設けられてなる。より具体的には、第３基板２０５の一方端部に気孔率が１０％～５０％程度の多孔体からなる拡散律速部２１１が埋設されており、係る拡散律速部２１１の一方端部における露出部分がガス導入口２１０となっている。拡散律速部２１１の長さ（素子長手方向のサイズ）は例えば０．５ｍｍ～１．０ｍｍであり、幅（素子短手方向のサイズ）は例えば１．５ｍｍ～３ｍｍであり、高さ（素子厚み方向のサイズ）は例えば１０μｍ～２０μｍである。

　また、センサ部２１４には、拡散律速部２１１に隣接する単一の内部空室２２０が設けられてなる。内部空室２２０は、第３基板２０５を厚み方向に貫通するようにして形成されている。内部空室２２０の長さ（素子長手方向のサイズ）は例えば６．０ｍｍ～１２．０ｍｍであり、幅（素子短手方向のサイズ）は例えば１．５ｍｍ～２．５ｍｍであり、高さ（素子厚み方向のサイズ）は例えば５０μｍ～２００μｍである。

　すなわち、センサ素子２０１においては、拡散律速部２１１と内部空室２２０とが、ガス導入口２１０から連通するガス流通部を構成しているということができる。

　第２基板２０４の内部空室２２０に対する露出面２０４ａには、第１調整電極２３０と、第２調整電極２４０と、第１測定電極２５０ａと、第２測定電極２５０ｂとが、図５に示したセンサ素子１０１Ａにおける第１内側ポンプ電極２２、第２内側ポンプ電極５１、第１測定電極４４ａ、および第２測定電極４４ｂの平面配置と同様の配置にて、設けられてなる。すなわち、図面視左側のガス導入口２１０から近い順に、第１調整電極２３０と、第２調整電極２４０と、第１測定電極２５０ａと第２測定電極２５０ｂの組とが、所定の間隔にて離隔しつつ、内部空室２２０に面するように備わっている。第１調整電極２３０、第２調整電極２４０、第１測定電極２５０ａ、および第２測定電極２５０ｂはそれぞれ、センサ素子１０１の第１内側ポンプ電極２２、第２内側ポンプ電極５１、第１測定電極４４ａ、および第２測定電極４４ｂと同様の多孔質サーメット電極として設けられてなる。

　さらに、センサ部２１４には、センサ素子２０１の他方端部において開口する基準ガス導入空間２６０が設けられている。基準ガス導入空間２６０は、第１基板２０３を厚み方向に貫通するようにして形成されている。基準ガス導入空間２６０には、基準ガスとして、例えば酸素（Ｏ_２）や大気が導入される。

　そして、第２基板２０４の基準ガス導入空間２６０に対する露出面２０４ｂには、基準電極２６１が設けられてなる。好ましくは、基準電極２６１は、露出面２０４ｂの反対面である露出面２０４ａに設けられた第１調整電極２３０、第２調整電極２４０、第１測定電極２５０ａ、および第２測定電極２５０ｂの配置範囲全体にわたって、設けられてなる。基準電極２６１は、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。

　ヒータ部２７０は、センサ素子１０１のヒータ部７０と同様、ヒータエレメント２７２（単に、ヒータ２７２とも称する）に対する素子外部からの給電によって、センサ素子２０１を所定の温度に加熱し、さらには保温することができるように構成されてなる。ヒータ部２７０には、センサ素子１０１のヒータ部７０と同様の構成を採用することが可能である。あるいは、絶縁体中にヒータエレメント２７２が埋設された構成を有していてもよい。

　ヒータ２７２は、加熱時に第１調整電極２３０の近傍が最も高温となり、素子長手方向において第１調整電極２３０から離れるほど温度が下がるように設けられてなる。

　加えて、センサ素子２０１には、第１調整ポンプセルＣ０と、第２調整ポンプセルＣ１と、第１測定ポンプセルＣ２ａと、第２測定ポンプセルＣ２ｂとが、備わっている。

　第１調整ポンプセルＣ０は、第１調整電極２３０と、基準電極２６１と、両電極に挟まれた第２基板２０４とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。第１調整ポンプセルＣ０においては、第１調整電極２３０と基準電極２６１との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源２３１によって電圧Ｖｐ０が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ０が生じる。第１調整ポンプセルＣ０の動作は、コントローラ１１０の第１調整ポンプセル制御部１２１ａによって制御される。

　第２調整ポンプセルＣ１は、第２調整電極２４０と、基準電極２６１と、両電極に挟まれた第２基板２０４とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。第２調整ポンプセルＣ１においては、第２調整電極２４０と基準電極２６１との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源２４１によって電圧Ｖｐ１が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ１が生じる。第２調整ポンプセルＣ１の動作は、コントローラ１１０の第２調整ポンプセル制御部１２１ｂによって制御される。

　第１測定ポンプセルＣ２ａは、第１測定電極２５０ａと、基準電極２６１と、両電極に挟まれた第２基板２０４とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。第１測定ポンプセルＣ２ａにおいては、第１測定電極２５０ａと基準電極２６１との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源２５１ａによって電圧Ｖｐ２が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ２が生じる。第１測定ポンプセルＣ２ａの動作は、コントローラ１１０の第１測定ポンプセル制御部１２２ａによって制御される。

　第２測定ポンプセルＣ２ｂは、第２測定電極２５０ｂと、基準電極２６１と、両電極に挟まれた第２基板２０４とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。第２測定ポンプセルＣ２ｂにおいては、第２測定電極２５０ｂと基準電極２６１との間に、センサ素子２０１の外部に備わる可変電源２５１ｂによって電圧Ｖｐ３が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ３が生じる。第２測定ポンプセルＣ２ｂの動作は、コントローラ１１０の第２測定ポンプセル制御部１２２ｂによって制御される。

　以上のように、センサ素子２０１においては、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１とは異なり、第１調整電極２３０と、第２調整電極２４０と、第１測定電極２５０ａと、第２測定電極２５０ｂとが、一の内部空室２２０に備わっている。しかしながら、拡散律速部２１１および内部空室２２０を上述のような条件にて設けることによって、内部空室２２０に導入される被測定ガスに付与される拡散抵抗を好適なものとすることで、換言すれば、被測定ガスの流速を好適なものに制御することで、センサ素子２０１を備えたガスセンサ２００においても、ガスセンサ１００と同様、コントローラ１１０による制御のもと、少なくとも水蒸気（Ｈ_２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ_２）を主たる検知対象ガス成分とする、マルチガス検知が可能となっている。

　具体的には、ガス導入口２１０から拡散律速部２１１を通じて内部空室２２０へと導入された被測定ガスは順次に、第１調整電極２３０、第２調整電極２４０、第１測定電極２５０ａおよび第２測定電極２５０の組に到達する。また、第１調整ポンプセルＣ０は、第１調整電極２３０に到達した被測定ガスからＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が生じない範囲での酸素の汲み出し動作を行う。第２調整ポンプセルＣ１は、第２調整電極２４０に到達した被測定ガスに含まれるＨ_２ＯおよびＣＯ_２が還元されるよう、酸素の汲み出し動作を行う。第１測定ポンプセルＣ２ａは、第１測定電極２５０ａに到達した、第２調整ポンプセルＣ１によるＨ_２Ｏの還元にて生成したＨ_２が選択的に酸化されるよう、酸素の汲み入れ動作を行う。第２測定ポンプセルＣ２ｂは、第２測定電極２５０ｂに到達した、第２調整ポンプセルＣ１によるＨ_２Ｏの還元にて生成したＨ_２とＣＯ_２の還元にて生成したＣＯとの双方が酸化されるよう、酸素の汲み入れ動作を行う。

　その際、被測定ガスは、酸素を汲み出されていない被測定ガスが第１調整電極２３０を通過すること、および、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２が残存した被測定ガスが第２調整電極２４０を通過することのいずれもが生じない流速にて流れるので、各ポンプセルを流れる電流は、ガスセンサ１００の各ポンプセルを流れる電流と同等のものとなる。従って、ガスセンサ２００においても、ガスセンサ１００と同様に、水蒸気濃度特定部１３０Ｈ、二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃ、さらには酸素濃度特定部１３０Ａによる、被測定ガス中のＨ_２Ｏ、ＣＯ_２さらには酸素の濃度の特定が、良好な精度にて行えるようになっている。

Claims

　少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を測定可能なガスセンサであって、
　酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された構造体を有するセンサ素子と、
　前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、
を備え、
　前記センサ素子が、
　　前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
　　拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる内部空室と、
　　それぞれが前記内部空室に面するように、かつ、所定の間隔にて離隔させつつ前記ガス導入口から近い順に設けられた、第１調整電極、第２調整電極、および、前記内部空室に流入する前記被測定ガスの流れに対し互いに等価な位置に設けられた第１測定電極と第２測定電極の組と、
　　前記第１調整電極と、前記内部空室以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１調整ポンプセルと、
　　前記第２調整電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２調整ポンプセルと、
　　前記第１測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１測定ポンプセルと、
　　前記第２測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２測定ポンプセルと、
　前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備え、
　前記第１測定電極が、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含むサーメット電極であり、
　前記ヒータは、前記内部空室の前記第１調整電極の近傍が最も高温となり、前記センサ素子の長手方向において前記第１調整電極から離れるほど温度が下がるように前記センサ素子を加熱し、
　前記第１調整ポンプセルは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記第１調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出し、
　前記第２調整ポンプセルは、前記第１調整ポンプセルにて酸素が汲み出された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように、前記第２調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出し、
　前記第１測定ポンプセルは、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第１測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定電極の近傍において選択的に酸化させ、
　前記第２測定ポンプセルは、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第２測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気および二酸化炭素の還元によって生成した水素および一酸化炭素を、前記第２測定電極の近傍において酸化させ、
　前記コントローラは、
　　前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第１測定電極の近傍の水素が選択的に酸化される際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である選択的酸化電流の値に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する水蒸気濃度特定手段と、
　　前記選択的酸化電流の値と、前記第２測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第２測定電極の近傍の水素および一酸化炭素が酸化される際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である両酸化電流の値とに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する二酸化炭素濃度特定手段と、
を備える、ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項１に記載のガスセンサであって、
　前記内部空室が、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から近い順に順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室であり、
　前記第１調整電極が前記第１空室に備わり、
　前記第２調整電極が前記第２空室に備わり、
　前記第１測定電極および前記第２測定電極が前記第３空室に備わる、
ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項２に記載のガスセンサであって、
　前記水蒸気濃度特定手段は、あらかじめ特定されてなる前記選択的酸化電流と前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定し、
　前記二酸化炭素濃度特定手段は、あらかじめ特定されてなる、前記両酸化電流から前記選択的酸化電流を差し引いた差分値と前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する、
ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項２または請求項３に記載のガスセンサであって、
　前記Ｐｔ－Ａｕ合金におけるＡｕ濃度が１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下である、
ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項４に記載のガスセンサであって、
　前記第１調整電極および前記第２調整電極が、Ｐｔを含みＡｕ含まないサーメット電極である、
ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項２または請求項３に記載のガスセンサであって、
　前記コントローラが、
　　前記第１調整ポンプセルによって前記第１空室から酸素を汲み出す際に前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する酸素濃度特定手段、
をさらに備える、ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項２または請求項３に記載のガスセンサであって、
　前記第１測定電極と前記第２測定電極とが、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿う一対の面に、互いに対向するように配置されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
　請求項２または請求項３に記載のガスセンサであって、
　前記第１測定電極と前記第２測定電極とが、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿った面において、前記長手方向に垂直な方向に互いに離隔するように、並列配置されてなる、
ことを特徴とするガスセンサ。
　少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度をガスセンサにより測定する方法であって、
　前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の構造体を有するセンサ素子を備えるものであり、
　前記センサ素子が、
　　前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
　　拡散律速部を介して前記ガス導入口と連通してなる内部空室と、
　　それぞれが前記内部空室に面するように、かつ、所定の間隔にて離隔させつつ前記ガス導入口から近い順に設けられた、第１調整電極、第２調整電極、および、前記内部空室に流入する前記被測定ガスの流れに対し互いに等価な位置に設けられた第１測定電極と第２測定電極の組と、
　　前記第１調整電極と、前記内部空室以外の箇所に設けられてなる空所外ポンプ電極と、前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１調整ポンプセルと、
　　前記第２調整電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２調整ポンプセルと、
　　前記第１測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１測定ポンプセルと、
　　前記第２測定電極と、前記空所外ポンプ電極と、前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２測定ポンプセルと、
　前記センサ素子を加熱するヒータと、
を備えるものであって、
　前記第１測定電極が、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含むサーメット電極であり、
　　a)前記ヒータが、前記内部空室の前記第１調整電極の近傍が最も高温となり、前記センサ素子の長手方向において前記第１調整電極から離れるほど温度が下がるように前記センサ素子を加熱する工程と、
　　b)前記第１調整ポンプセルによって、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が分解されない範囲で、前記ガス導入口から前記第１調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出す工程と、
　　c)前記第２調整ポンプセルによって、前記第１調整ポンプセルにて酸素が汲み出された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように、前記第２調整電極に到達した前記被測定ガスから酸素を汲み出す工程と、
　　d)前記第１測定ポンプセルによって、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第１測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定電極の近傍において選択的に酸化させる工程と、
　　e)前記第２測定ポンプセルによって、前記内部空室に酸素を汲み入れることにより、前記第２測定電極に到達した前記被測定ガスに含まれている、水蒸気および二酸化炭素の還元によって生成した水素および一酸化炭素を、前記第２測定電極の近傍において酸化させる工程と、
　　f)前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第１測定電極の近傍の水素が選択的に酸化される際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である選択的酸化電流の値に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定する工程と、
　　g)前記選択的酸化電流の値と、前記第２測定ポンプセルが酸素を汲み入れることによって前記第２測定電極の近傍の水素および一酸化炭素が酸化される際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる酸素ポンプ電流である両酸化電流の値とに基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する工程と、
を備える、ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項９に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記内部空室が、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から近い順に順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室であり、
　前記第１調整電極が前記第１空室に備わり、
　前記第２調整電極が前記第２空室に備わり、
　前記第１測定電極および前記第２測定電極が前記第３空室に備わる、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項１０に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記工程f)においては、あらかじめ特定されてなる前記選択的酸化電流と前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度を特定し、
　前記工程g)においては、あらかじめ特定されてなる、前記両酸化電流から前記選択的酸化電流を差し引いた差分値と前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度との比例関係に基づいて、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を特定する、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項１０または請求項１１に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記Ｐｔ－Ａｕ合金におけるＡｕ濃度を１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下とする、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項１２に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記第１調整電極および前記第２調整電極を、Ｐｔを含みＡｕ含まないサーメット電極とする、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項１０または請求項１１に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　　h)前記第１調整ポンプセルによって前記第１空室から酸素を汲み出す際に前記第１調整電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる酸素の濃度を特定する工程、
をさらに備える、ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項１０または請求項１１に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記第１測定電極と前記第２測定電極とを、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿う一対の面に、互いに対向するように配置する、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。
　請求項１０または請求項１１に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記第１測定電極と前記第２測定電極とを、前記第３空室を区画する、前記センサ素子の前記長手方向に沿った面において、前記長手方向に垂直な方向に互いに離隔するように、並列配置する、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。