WO2024075397A1

WO2024075397A1 - ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法

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Publication number: WO2024075397A1
Application number: PCT/JP2023/029128
Authority: WO
Inventors: 悠介渡邉; 大智市川
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2023-08-09
Publication date: 2024-04-11
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Also published as: US20250258129A1; DE112023003156T5; CN119907917A; JPWO2024075397A1

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空室を備え、調整ポンプセルは、被測定ガスに含まれるＨ／Ｃ成分が酸化されるように第１空室に酸素を汲み入れ、第１測定ポンプセルは、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２測定ポンプセルは、第３空室に酸素を汲み入れて、還元により生じたＨ_２を選択的に酸化させ、調整ポンプセルおよび第２測定ポンプセルによる汲み入れ電流の値からＨ_２Ｏの濃度を特定し、特定されたＨ_２Ｏの濃度と調整ポンプセルによる汲み入れ電流と第１測定ポンプセルにおける汲み出し電流の値とに基づいて、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。

　しかしながら、被測定ガスがリッチ雰囲気のガスである場合など、被測定ガスに炭化水素ガス成分（Ｈ／Ｃ成分）が顕著に含まれている場合、特許文献１に開示されたガスセンサにおいては、Ｈ／Ｃ成分が第２内部空所や第３内部空所において酸化されてＨ_２ＯおよびＣＯ_２が生成し、被測定ガスにもともと含まれていたＨ_２ＯおよびＣＯ_２と混在してしまうために、上述の手法によるＨ_２Ｏ濃度およびＣＯ_２濃度の測定を精度よく行えない場合があった。

　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、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が顕著に含まれている場合においても測定精度の低下が抑制されてなり、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、調整電極、第１測定電極、および第２測定電極と、前記調整電極と、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、前記調整ポンプセルは、前記調整電極に到達した前記被測定ガスに炭化水素ガス成分が含まれる場合に当該炭化水素ガス成分が酸化されるように、外部空間から前記内部空室へ酸素を汲み入れ、前記第１測定ポンプセルは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように、前記第１測定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って、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、水蒸気の還元によって生成した水素を、選択的に酸化させ、前記コントローラは、前記調整ポンプセルが汲み入れた酸素によって炭化水素ガス成分が酸化される際に前記調整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炭化水素相当電流の値と、前記第２測定ポンプセルが汲み入れた酸素によって水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水蒸気相当電流の値とに基づいて、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、前記炭化水素相当電流の値と、前記水蒸気相当電流の値と、前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み出すことによって水蒸気および二酸化炭素が還元される際に前記第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全還元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、前記調整電極が前記第１空室に備わり、前記第１測定電極が前記第２空室に備わり、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、前記コントローラが、あらかじめ特定された、水蒸気が前記被測定ガスに含まれ炭化水素ガスおよび二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－Ｈ_２Ｏデータと、あらかじめ特定された、二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれ炭化水素ガスおよび水蒸気が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－ＣＯ_２データと、あらかじめ特定された、水蒸気が前記被測定ガスに含まれ炭化水素ガスおよび二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合についての前記第２測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータと、あらかじめ特定された、前記被測定ガスに含まれる前記炭化水素ガス成分における水素の存在比率を示す係数と、を格納しており、前記水蒸気濃度特定手段は、前記水蒸気相当電流と前記炭化水素相当電流と前記係数との積の差分である第１の差分値を算出し、前記Ｉｐ２－Ｈ_２Ｏデータにおいて前記第１の差分値に対応する水蒸気の濃度を、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度として特定し、前記二酸化炭素濃度特定手段は、前記水蒸気濃度特定手段によって特定された前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度と、前記Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータとに基づいて、前記全還元電流における水蒸気の還元による寄与分を特定し、前記全還元電流のうち前記被測定ガスにもともと含まれていた水蒸気および二酸化炭素の還元に伴い流れる電流の値である実還元電流値を特定したうえで、前記実還元電流値から前記寄与分を差し引いて第２の差分値を算出し、前記Ｉｐ１－ＣＯ_２データにおいて前記第２の差分値に対応する二酸化炭素濃度を、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度として特定する、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、前記第２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、前記調整電極および前記第１測定電極が、Ｐｔを含みＡｕを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、前記ヒータは、前記内部空室の前記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、ことを特徴とする。

　本発明の第７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、調整電極、第１測定電極、および第２測定電極と、前記調整電極と、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、を備えるものであり、a)前記調整電極に到達した前記被測定ガスに炭化水素ガス成分が含まれる場合に当該炭化水素ガス成分が酸化されるように、前記調整ポンプセルによって外部空間から前記内部空室へ酸素を汲み入れる工程と、b)前記第１測定ポンプセルによって、前記第１測定電極に到達し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１測定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、水蒸気の還元によって生成した水素を、選択的に酸化させる工程と、d)前記調整ポンプセルが汲み入れた酸素によって炭化水素ガス成分が酸化される際に前記調整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炭化水素相当電流の値と、前記第２測定ポンプセルが汲み入れた酸素によって水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水蒸気相当電流の値とに基づいて、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、e)前記炭化水素相当電流の値と、前記水蒸気相当電流の値と、前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み出すことによって水蒸気および二酸化炭素が還元される際に前記第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全還元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８の態様は、第７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、前記調整電極が前記第１空室に備わり、前記第１測定電極が前記第２空室に備わり、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９の態様は、第８の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、f)前記工程a)ないし工程e)に先立ってあらかじめ、水蒸気が前記被測定ガスに含まれ二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－Ｈ_２Ｏデータと、二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれ水蒸気が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－ＣＯ_２データと、水蒸気が前記被測定ガスに含まれ二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合についての前記第２測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータと、前記被測定ガスに含まれる前記炭化水素ガス成分における水素の存在比率を示す係数と、を特定する工程、をさらに備え、前記工程d)においては、前記水蒸気相当電流と前記炭化水素相当電流と前記係数との積の差分である第１の差分値を算出したうえで、前記Ｉｐ２－Ｈ_２Ｏデータにおいて前記第１の差分値に対応する水蒸気の濃度を、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度として特定し、前記工程e)においては、前記工程e)において特定された前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度と、前記Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータとに基づいて、前記全還元電流における水蒸気の還元による寄与分を特定し、前記全還元電流のうち前記被測定ガスにもともと含まれていた水蒸気および二酸化炭素の還元に伴い流れる電流の値である実還元電流値を特定したうえで、前記実還元電流値から前記寄与分を差し引いて第２の差分値を算出し、前記Ｉｐ１－ＣＯ_２データにおいて前記第２の差分値に対応する二酸化炭素濃度を、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度として特定する、ことを特徴とする。

　本発明の第１０の態様は、第８または第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、前記第２測定電極を、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含むサーメット電極とし、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、前記調整電極および前記第１測定電極を、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１２の態様は、第８ないし第１１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、前記ヒータは、前記内部空室の前記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、ことを特徴とする。

　本発明の第１ないし第１２の態様によれば、水蒸気と二酸化炭素をともに含む被測定ガスが例えばリッチ雰囲気ガスのように炭化水素ガス成分を含む場合であっても、炭化水素ガス成分の影響を排除して水蒸気と二酸化炭素の濃度を測定することが可能な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。被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれる場合の、酸素ポンプ電流Ｉｐ０のＨ／Ｃ成分の濃度に対する依存性を模式的に示す図である。酸素ポンプ電流Ｉｐ１の当該検知対象ガス成分の濃度に対する依存性を示す図である。酸素ポンプ電流Ｉｐ２の当該検知対象ガス成分の濃度に対する依存性を示す図である。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に炭化水素ガス成分（Ｈ／Ｃ成分）が含まれている場合に、外部空間から汲み入れた酸素によって該Ｈ／Ｃ成分を酸化させるための空間として設けられている。係る酸素の汲み入れは、調整ポンプセル２１が作動することによって実現される。ただし、被測定ガスが十分にリーンな場合には、調整ポンプセル２１によって第１空室２０から酸素が汲み出されることもある。

　調整ポンプセル２１は、内側ポンプ電極（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。

　調整ポンプセル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、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、外部空間から第１空室２０に酸素を汲み入れること、あるいは、第１空室２０から外部空間に酸素を汲み出すことが、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。

　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。

　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、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、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／Ｃ成分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から酸素を汲み出し、さらには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、Ｈ_２Ｏ、およびＣＯ_２を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。係る酸素の汲み出しとＨ_２ＯとＣＯ_２の還元（分解）は、第１測定ポンプセル５０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５０は、第１測定電極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１測定ポンプセル５０においては、第１測定電極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、第２空室４０内から外部空間に酸素を汲み出すことが、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１測定電極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１測定電極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１測定電極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１測定電極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のうち、Ｈ_２を選択的に全て酸化して再びＨ_２Ｏを生成させるための空間として設けられている。係るＨ_２の酸化によるＨ_２Ｏの生成は、第２測定ポンプセル４１が作動することによって実現される。

　第２測定ポンプセル４１は、第２測定電極４４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４１においては、第２測定電極４４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４６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。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の向きを、酸素ポンプ電流Ｉｐ２の正の向きとする。

　第２測定電極４４は、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いる。

　第２測定電極４４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。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、１０ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であるのがより好ましい。係る場合、第２測定電極４４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２測定ポンプセル４１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。

　また、センサ素子１０１においては、第２測定電極４４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３空室用センサセル８２が構成されている。第３空室用センサセル８２は、第３空室６１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３空室用センサセル８２においては、第２測定電極４４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３空室６１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（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、調整ポンプセル２１の動作を制御する調整ポンプセル制御部１２１と、第１測定ポンプセル５０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４１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、調整ポンプセル制御部１２１が取得する、調整ポンプセル２１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０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４１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２の値とに基づいて、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、水蒸気濃度特定部１３０Ｈにおいて特定されるＨ_２Ｏの濃度（その特定元になっている酸素ポンプ電流Ｉｐ２の値）と、調整ポンプセル制御部１２１が取得する、調整ポンプセル２１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０の値と、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５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ１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。

　　＜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を必須的に含んでおり、かつＨ／Ｃ成分を含み得る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、調整ポンプセル２１が作動することにより、酸素濃度（あるいは酸素分圧）を一定にするための外部空間からの酸素の汲み入れ、または外部空間への酸素の汲み出しが行われる。ただし、図３においては、酸素が汲み入れられる場合のみを示している。

　係る酸素の汲み入れまたは汲み出しは、コントローラ１１０の調整ポンプセル制御部１２１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。例えばリッチ雰囲気ガスなど、Ｈ／Ｃ成分を多く含む一方で酸素が少ない被測定ガスが第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、調整ポンプセル制御部１２１は、係る変位が減少するように、可変電源２４が調整ポンプセル２１に印加するポンプ電圧Ｖｐ０を制御し、第１空室２０へと酸素を汲み入れさせる。

　被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれる場合、調整ポンプセル２１により第１空室２０に酸素が汲み入れられることで、係るＨ／Ｃ成分が酸化されてＨ_２ＯおよびＣＯ_２となる反応が進行する。

　一方、被測定ガスがもともとＨ／Ｃ成分を実質的に含んでいない場合は、基本的には酸素が汲み入れられるのみである。

　なお、起電力Ｖ０の目標値が小さく設定されるほど、酸素の汲み入れ量は大きくなり、被測定ガスに含まれるＨ／Ｃ成分はより確実に酸化されるが、一方で、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれない場合にも、多量の酸素が汲み入れられることになる。係る多量の酸素の汲み入れは、調整ポンプセルに２１に過度の負担を伴うため、実用上、起電力Ｖ０の目標値は、Ｈ／Ｃ成分が実質的に全て酸化する程度に酸素の汲み入れが行われるように設定されることでよい。Ｈ／Ｃ成分が実質的に全て酸化する程度とは、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度の測定精度に影響を及ぼさない程度にＨ／Ｃ成分が残存することを許容することを意味する。係る場合、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれない状況での酸素の汲み入れが抑制される。

　ただし、被測定ガスにおける酸素濃度が十分に大きい場合、設定されている起電力Ｖ０の目標値によっては（第１空室２０における酸素濃度あるいは酸素分圧の目標値によっては）、酸素が汲み出されることがある。

　いずれの場合も、第１空室２０における酸素分圧は、起電力Ｖ０の目標値に応じた値に保たれる。例えば、Ｖ０＝４００ｍＶの場合であれば、１０^－８ａｔｍ程度となる。

　Ｈ／Ｃ成分を実質的に含まない被測定ガスは、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酸素の汲み出しと、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元が行われる。すなわち、第１測定ポンプセル５０が作動し、第２空室４０に導入された被測定ガスから酸素が汲み出されるとともに、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。ここで、被測定ガスに含まれているＨ_２Ｏとは、外部から導入された時点ですでに被測定ガスに含まれていたＨ_２Ｏと、Ｈ／Ｃ成分の酸化により生成したＨ_２Ｏとの双方を含む。

　これら酸素の汲み出しとＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元（分解）とは、コントローラ１１０の第１測定ポンプセル制御部１２２ａ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１測定ポンプセル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。

　係る態様にて第１測定ポンプセル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２測定ポンプセル４１が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＨ_２のみが選択的に酸化される。

　係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３空室用センサセル８２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４６が第２測定ポンプセル４１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２測定ポンプセル４１が作動することで、第３空室６１内においては、２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏなる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１０から導入されたＨ_２Ｏと第１空室２０におけるＨ／Ｃ成分の酸化により生成したＨ_２Ｏの合計量と相関性を有する量のＨ_２Ｏが再び生成される。なお本実施の形態において、Ｈ_２Ｏ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と第１空室２０におけるＨ／Ｃ成分の酸化により生成したＨ_２Ｏの合計量と、それらの分解によって生じたＨ_２が酸化させられることによって再び生成するＨ_２Ｏ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。

　起電力Ｖ２の目標値が２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第３空室６１の酸素分圧は、Ｈ_２はほぼ全て酸化されるもののＣＯは酸化されない範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ２＝３５０ｍＶの場合であれば、１０^－７ａｔｍ程度となる。

　また、上述したように、第２測定電極４４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１測定電極５１であり、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分としＨ_２の選択的酸化を担う第２測定電極４４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２測定電極４４の温度上昇をより抑制する対応であってもよい。

　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、Ｈ／Ｃ成分を酸化させるための酸素の汲み入れの際に調整ポンプセル２１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０と、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の還元を含む酸素の汲み出しの際に第１測定ポンプセル５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ１と、Ｈ_２の酸化のための酸素の汲み入れがなされる際に第２測定ポンプセル４１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２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。

　ただし、係る特定に際しては、それぞれの酸素ポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１、Ｉｐ２に対する、Ｈ／Ｃ成分の寄与を考慮する必要がある。

　まず、酸素ポンプ電流Ｉｐ０について説明する。図４は、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれる場合の、酸素ポンプ電流Ｉｐ０のＨ／Ｃ成分の濃度に対する依存性を模式的に示す図である。

　Ｈ／Ｃ成分を構成する炭化水素の種類（より具体的には、当該炭化水素を構成するＨ原子とＣ原子の原子数比）による多少のばらつきは生じ得るものの、酸素ポンプ電流Ｉｐ０とＨ／Ｃ成分の濃度との間には概ね、図４にグラフＬ０にて示すような線型関係が成立するものとみなすことができる。酸素ポンプ電流Ｉｐ０がＨ／Ｃ成分の濃度に対して単調減少しているのは、酸素が汲み出されるときの酸素ポンプ電流Ｉｐ０の向きを、正の向きとしていることによる。

　グラフＬ０にて示すような線型関係が成立することにより、酸素ポンプ電流Ｉｐ０の値は、時々刻々と変化するＨ／Ｃ成分の濃度に応じて変化するものとみなすことができる。

　なお、図４においては理解の簡単のためグラフＬ０は原点を通るものとしているが、より詳細には、グラフＬ０の縦軸との交点は第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値によって変化する。

　次に、酸素ポンプ電流Ｉｐ１について説明する。図５は、Ｈ／Ｃ成分を含まない被測定ガスにおける、酸素ポンプ電流Ｉｐ１のガス濃度依存性について例示する図である。具体的には、図５は、主たる検知対象ガス成分としてのＨ_２ＯおよびＣＯ_２の一方のみが単独で含まれる場合、および、等濃度のＨ_２ＯとＣＯ_２とが含まれる場合の、酸素ポンプ電流Ｉｐ１の当該検知対象ガス成分の濃度に対する依存性を模式的に示している。

　図５には、Ｈ_２Ｏが単独で検知対象ガス成分として含まれる場合のグラフＬ１Ｈと、ＣＯ_２が単独で検知対象ガス成分として含まれる場合のグラフＬ１Ｃと、等濃度のＨ_２ＯとＣＯ_２とが検知対象ガス成分として含まれる場合のグラフＬ１とを示している。なお、これらのグラフは、検知対象ガス成分の濃度が既知であり残余が酸素および窒素であるモデルガスの雰囲気下でガスセンサ１００を動作させることにより、実際に得ることが可能である。

　図５に示すように、グラフＬ１Ｈ、Ｌ１Ｃ、およびＬ１はいずれも単調増加の直線となる。しかも、被測定ガスが検知対象ガス成分としてＨ_２ＯとＣＯ_２とをそれぞれある任意のガス濃度ａにて等しく含む場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ１の値Ip1_h+cは、Ｈ_２ＯとＣＯ_２とをそれぞれ単独で当該ガス濃度ａにて含む場合の酸素ポンプ電流値Ip1_hとIp1_cの和となる。

　さらに、図示は省略するが、Ｈ_２ＯとＣＯ_２の比率を違えたときの酸素ポンプ電流Ｉｐ１の値も、それぞれの比率に応じた濃度のＨ_２ＯまたはＣＯ_２を単独で含む場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ１の和となることが、確認されている。

　すなわち、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれていない場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ１の値をIp1_rとするとき、当該被測定ガスに含まれるＨ_２ＯとＣＯ_２の濃度が等しいか等しくないかに関わらず、
　　　Ip1_r=Ip1_h+Ip1_c　　　・・・（１）
なる関係が成立する。

　次に、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれており、調整ポンプセル２１が第１空室２０に酸素を汲み入れている場合、第１測定ポンプセル５０にて第２空室４０から汲み出されることにより酸素ポンプ電流Ｉｐ１を生じさせる酸素には、(a)被測定ガスにもともと含まれていた酸素と、(b)被測定ガスにもともと含まれていたＨ_２ＯおよびＣＯ_２の還元により生じた酸素に加えて、(c)調整ポンプセル２１によって第１空室２０に汲み入れられた酸素と、(d)係る汲み入れに伴い被測定ガスに含まれていたＨ／Ｃ成分が酸化されることで生成されたＨ_２ＯおよびＣＯ_２が還元される際に生じた酸素との４通りがある。

　すなわち、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれている場合、酸素ポンプ電流Ｉｐ１は、これら(a)～(d)の酸素の量に応じたものとなる。ただし、(c)および(d)の酸素はそもそも、調整ポンプセル２１により第１空室２０に汲み入れられた酸素である。してみれば、酸素ポンプ電流Ｉｐ１における(c)および(d)の酸素の寄与分の合計は、酸素ポンプ電流Ｉｐ０の絶対値|Ip0|と等しいとみなすことができる。一方、(a)および(b)は（１）式のIp1_rに相当する。

　すなわち、酸素ポンプ電流Ｉｐ１の全体の値をIp1_tとした場合、
　　　Ip1_r=Ip1_t-|Ip0|　　　・・・（２）
なる関係式が成立する。係る値Ip1_rを実還元電流値と称する。

　よって、（１）式および（２）式により、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれている場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ１については、（２）式のように、その値Ip1_tから酸素ポンプ電流Ｉｐ０の絶対値|Ip0|を差し引いた実還元電流値Ip1_rにつき、（１）式の関係にある、もともと(a)、(b)の酸素のみが含まれる、被測定ガスがＨ／Ｃ成分を含まない場合と、同じように扱うことが可能である。

　すなわち、（２）式より得られる、第１測定ポンプセル５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ１の値から調整ポンプセル２１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ０の絶対値を差し引いた実還元電流値Ip1_rについては、Ｈ／Ｃを含まない被測定ガスの場合と同様に、（１）式を適用することができる。

　これは、あらかじめモデルガスを用いて、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２につきグラフＬ１ＨおよびＬ１Ｃのような酸素ポンプ電流Ｉｐ１とガス濃度との線型関係を特定しておけば、Ｈ／Ｃ成分を含む被測定ガスにおけるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度を特定する際に、実還元電流値Ip1_rに対し、（１）式とそれらの線型関係とを適用できるということを意味する。

　なお、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が存在せず、第１空室２０から酸素が汲み出されている場合は単に、
　　　Ip1_r=Ip1_t　　　・・・（３）
となる。すなわち、第１空室２０から酸素が汲み出されている場合、実還元電流値Ip1_rは酸素ポンプ電流Ｉｐ１の値そのものに他ならない。係る場合にも、（１）式および上述の線型関係を適用することができる。

　続いて、酸素ポンプ電流Ｉｐ２について説明する。図６は、Ｈ／Ｃ成分を含まない被測定ガスにおける、酸素ポンプ電流Ｉｐ２のガス濃度依存性について例示する図である。具体的には、図６は、主たる検知対象ガス成分としてのＨ_２ＯおよびＣＯ_２の一方のみが単独で含まれる場合、および、等濃度のＨ_２ＯとＣＯ_２とが含まれる場合の、酸素ポンプ電流Ｉｐ２の当該検知対象ガス成分の濃度に対する依存性を模式的に示している。

　図６には、Ｈ_２Ｏが単独で検知対象ガス成分として含まれる場合のグラフＬ２Ｈと、ＣＯ_２が単独で検知対象ガス成分として含まれる場合のグラフＬ２Ｃと、等濃度のＨ_２ＯとＣＯ_２とが検知対象ガス成分として含まれる場合のグラフＬ２とを示している。なお、これらのグラフは、検知対象ガス成分の濃度が既知であり残余が酸素および窒素であるモデルガスの雰囲気下でガスセンサ１００を動作させることにより、実際に得ることが可能である。

　図６に示すように、Ｈ_２Ｏのみが検知対象ガス成分として含まれる場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ２のグラフＬ２Ｈは単調減少（絶対値は単調増加）となる。なお、酸素ポンプ電流Ｉｐ２が負の値となるのは、第２測定ポンプセル４１においては上述したように酸素を汲み出す向きが酸素ポンプ電流の正の向きとされている一方で、酸素ポンプ電流Ｉｐ２は、第２空室４０における還元により生じたＨ_２を再酸化させるべく、酸素を汲み入れる向きに流れるからである。

　これに対し、ＣＯ_２のみが検知対象ガス成分として含まれる場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ２のグラフＬ２Ｃは、ガス濃度によらず０で一定となる。これは、第２空室４０における還元により生じたＣＯは、第２測定ポンプセル４１の動作によっては再酸化されないことに対応している。

　それゆえ、等濃度のＨ_２ＯとＣＯ_２とが検知対象ガス成分として含まれる場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ２のグラフＬ２は、Ｈ_２Ｏを単独で含む場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ２のグラフＬ２Ｈと一致する。

　なお、図示は省略するが、Ｈ_２ＯとＣＯ_２の比率を違えたときの酸素ポンプ電流Ｉｐ２の値も、それぞれの比率に応じた濃度のＨ_２ＯまたはＣＯ_２を単独で含む場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ２のグラフＬ２と略一致することが、確認されている。

　一方、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれている場合、第３空室６１へと流入するＨ_２およびＣＯには、第１空室２０にて係るＨ／Ｃ成分が酸化されることで生成されたＨ_２ＯおよびＣＯ_２が第２空室４０にて還元されることにより生成されたＨ_２およびＣＯも含まれる。そのため、係る場合の酸素ポンプ電流Ｉｐ２には、Ｈ／Ｃ成分に由来するＨ_２を酸化させるための酸素も寄与している。

　すなわち、酸素ポンプ電流Ｉｐ２の全体の値をIp2_tとし、酸素ポンプ電流Ｉｐ２のうち、もともと被測定ガスに含まれていたＨ_２Ｏに由来するＨ_２を酸化させるための酸素による寄与分をIp2_ｒとし、Ｈ／Ｃ成分に由来するＨ_２を酸化させるための酸素による寄与分をIp2_ＨＣとした場合、
　　　Ip2_t=Ip2_r+Ip2_ＨＣ　　　・・・（４）
なる関係式が成立する。すなわち、実際のポンプ電流Ｉｐ２の値Ip2_tは、値Ip2_rと値Ip2_ＨＣとが重畳した値である。なお、酸素ポンプ電流Ｉｐ２は酸素を汲み出す向きを正の向きとしているので、値Ip2_t、Ip2_r、Ip2_ＨＣはいずれも負となる。

　ここで、Ｈ／Ｃ成分に由来する値Ip2_ＨＣは、酸素ポンプ電流Ｉｐ０の値Ip0に、Ｈ／Ｃ成分における水素の存在比率を示す所定の係数α（０≦α≦１）を乗じた値となる。これは、Ｈ／Ｃ成分の酸化により生成されたＨ_２ＯとＣＯ_２は第２空室４０においてともに還元される一方で、第３空室６１にて再酸化されるのは、係る還元により生じたＨ_２とＣＯのうち、Ｈ_２のみであるためである。

　すると、（４）式は、
　　　Ip2_r=Ip2_t-αIp0　　　・・・（５）
と変形される。

　係数αは、被測定ガスに含まれるＨ／Ｃ成分を構成する炭化水素の種類（より具体的には、当該炭化水素を構成するＨ原子とＣ原子の原子数比）に応じた値であるが、あらかじめ質量分析等で実験的に特定することができる。Ｈ／Ｃ成分の種類および組成に応じた複数の係数αが特定され、選択的に用いられてもよい。

　（５）式の右辺は、ポンプ電流の実際の測定値と既知の係数αのみからなるので、あらかじめモデルガスを用いて、Ｈ_２ＯにつきグラフＬ２Ｈのような酸素ポンプ電流Ｉｐ２とガス濃度との線型関係を特定しておけば、Ｈ／Ｃ成分を含む被測定ガスにおけるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度を特定する際に、ガスセンサ１００による測定にて得られるポンプ電流値を（５）式の右辺に代入することで求まる値Ip2_rに対し、係る線型関係を適用することができる。

　なお、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が存在しない場合、換言すれば、Ip0が正の場合は単に、
　　　Ip2_r=Ip2_t　　　・・・（６）
となる。係る場合にも、上述の線型関係を適用することができる。

　本実施の形態においては、以上のような、酸素ポンプ電流Ｉｐ０、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、および酸素ポンプ電流Ｉｐ２の性質を利用して、被測定ガスにおけるＨ_２ＯおよびＣＯ_２の濃度を測定する。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Ｉｐ０、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、および酸素ポンプ電流Ｉｐ２をそれぞれ、Ｈ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０、全還元電流Ｉｐ１、水蒸気相当電流Ｉｐ２とも称する。

　具体的には、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、図５に示すグラフＬ１ＨおよびＬ１Ｃのような、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２の一方のみが被測定ガスに含まれ他方は含まれず、かつＨ／Ｃ成分も含まれない場合の、酸素ポンプ電流Ｉｐ１とそれぞれのガスの濃度との関係を示す特性データ（以下においてはそれぞれ、Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータ、Ｉｐ１－ＣＯ_２データと称する）、および、図６に示すグラフＬ２Ｈのような、Ｈ_２Ｏが被測定ガスに含まれＣＯ_２およびＨ／Ｃ成分が含まれない場合についての酸素ポンプ電流Ｉｐ２とＨ_２Ｏの濃度との関係を示す特性データ（以下においてはＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータと称する）を取得し、コントローラ１１０に格納しておく。なお、Ｉｐ１－Ｈ_２ＯデータおよびＩｐ１－ＣＯ_２データはそれぞれ、全還元電流Ｉｐ１のうちのＨ_２Ｏの寄与分およびＣＯ_２の寄与分を示す値となる。

　なお、酸素ポンプ電流Ｉｐ１はセンサ素子１０１のガス導入口１０から第２空室４０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り、酸素ポンプ電流Ｉｐ２はセンサ素子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、Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータ、Ｉｐ１－ＣＯ_２データ、およびＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータ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、これらの特性データは、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特性データ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。

　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、調整ポンプセル２１、第１測定ポンプセル５０、および第２測定ポンプセル４１が動作する。

　そして、水蒸気濃度特定部１３０Ｈが、調整ポンプセル制御部１２１からＨ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０を取得し、第２測定ポンプセル制御部１２２ｂから水蒸気相当電流Ｉｐ２を取得する。水蒸気濃度特定部１３０Ｈは、Ｈ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０が負である場合は（５）式に基づいて、Ｈ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０が正である場合は（６）式に基づいて、値Ip2_rを演算する。そして、得られた値に対応するＨ_２Ｏ濃度をＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータに基づいて特定する。

　Ｈ_２Ｏ濃度が特定されると、続いて、二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃは、調整ポンプセル制御部１２１からＨ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０を取得し、第１測定ポンプセル制御部１２２ａから全還元電流Ｉｐ１の値Ip1_tを取得する。そして、Ｈ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０が負である場合は（２）式に基づいて、Ｈ／Ｃ酸化電流Ｉｐ０が正である場合は（３）式に基づいて、全還元電流Ｉｐ１からＨ／Ｃ成分の寄与分を除外したポンプ電流値である実還元電流値Ip1_rを演算する。

　次に、Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータに基づいて、演算された実還元電流値Ip1_rのうちの、水蒸気濃度特定部１３０Ｈにより特定された濃度のＨ_２Ｏによる寄与分、すなわち、全還元電流Ｉｐ１のうちの、被測定ガスにもともと含まれていたＨ_２Ｏの還元による電流値Ip1_hを特定する。得られた値を実還元電流値Ip1_rから差し引くことで、全還元電流Ｉｐ１におけるＣＯ_２の寄与分Ip1_cが特定される。最後に、Ｉｐ１－ＣＯ_２データに基づいて、係るＣＯ_２の寄与分Ip1_cに対応する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濃度が測定される。

　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、Ｈ_２ＯとＣＯ_２をともに含む被測定ガスが例えばリッチ雰囲気ガスのようにＨ／Ｃ成分を含む場合であっても、Ｈ／Ｃ成分の影響を排除してＨ_２ＯとＣＯ_２の濃度を測定することができる。

　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空室と外部との間で酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う調整ポンプセルに印加される電圧は、第１空室から酸素を汲み出す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。

　　＜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では調整ポンプセル２１による酸素の汲み入れまたは汲み出しが行われ、被測定ガスがＨ／Ｃ成分を含む場合には汲み入れられた酸素によってこれが酸化され、第２空室４０では第１測定ポンプセル５０にて酸素が汲み出されることにより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２測定ポンプセル４１による選択的な酸化が行われる。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およびＣＯ_２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、調整ポンプセル２１の内側ポンプ電極２２、第１測定ポンプセル５０の第１測定電極５１、および、第２測定ポンプセル４１の第２測定電極４４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、内側ポンプ電極２２、第１測定電極５１、および、第２測定電極４４のそれぞれに到達する被測定ガスを対象とした、調整ポンプセル２１による酸素の汲み入れまたは汲み出しと、第１測定ポンプセル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２測定ポンプセル４１による選択的な酸化とが、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７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７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、図面視左側のガス導入口２１０から近い順に、調整電極２３０と、第１測定電極２４０と、第２測定電極２５０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。これらは、それぞれ、センサ素子１０１の内側ポンプ電極（調整電極）２２、第１測定電極５１、および第２測定電極４４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に設けられた調整電極２３０、第１測定電極２４０、および第２測定電極２５０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、調整ポンプセルＣ０と、第１測定ポンプセルＣ１と、第２測定ポンプセルＣ２とが、備わっている。

　調整ポンプセルＣ０は、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。調整ポンプセルＣ０においては、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。調整ポンプセルＣ０の動作は、コントローラ１１０の調整ポンプセル制御部１２１によって制御される。

　第１測定ポンプセルＣ１は、第１測定電極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１測定ポンプセルＣ１においては、第１測定電極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１測定ポンプセルＣ１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Ｃ２は、第２測定電極２５０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Ｃ２においては、第２測定電極２５０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２５１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２測定ポンプセルＣ２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、調整電極２３０と、第１測定電極２４０と、第２測定電極２５０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、被測定ガスがＨ／Ｃ成分を含む場合であってもその影響を排除して、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、調整電極２３０、第１測定電極２４０、第２測定電極２５０に到達する。また、調整ポンプセルＣ０は、第１空室２０の酸素濃度が一定に保たれるように、第１空室２０と外部との間で酸素の汲み入れ動作または汲み出し動作を行う。これにより、被測定ガスにＨ／Ｃ成分が含まれていた場合、これが酸化されて、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２が生成する。第１測定ポンプセルＣ１は、第１測定電極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２測定ポンプセルＣ２は、第２測定電極２５０に到達した、第１測定ポンプセル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。

　その際、被測定ガスは、Ｈ／Ｃ成分が残存した被測定ガスが第１測定電極２４０を通過して第１測定電極２４０に到達すること、および、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２が残存した被測定ガスが第１測定電極２４０を通過して第２測定電極２５０に到達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およびＣＯ_２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、調整電極、第１測定電極、および第２測定電極と、
　　前記調整電極と、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、
　前記調整ポンプセルは、前記調整電極に到達した前記被測定ガスに炭化水素ガス成分が含まれる場合に当該炭化水素ガス成分が酸化されるように、外部空間から前記内部空室へ酸素を汲み入れ、
　前記第１測定ポンプセルは、前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て還元されるように、前記第１測定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って、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、水蒸気の還元によって生成した水素を、選択的に酸化させ、
　前記コントローラは、
　　前記調整ポンプセルが汲み入れた酸素によって炭化水素ガス成分が酸化される際に前記調整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炭化水素相当電流の値と、前記第２測定ポンプセルが汲み入れた酸素によって水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水蒸気相当電流の値とに基づいて、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、
　　前記炭化水素相当電流の値と、前記水蒸気相当電流の値と、前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み出すことによって水蒸気および二酸化炭素が還元される際に前記第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全還元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、
　前記調整電極が前記第１空室に備わり、
　前記第１測定電極が前記第２空室に備わり、
　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、
　前記コントローラが、
　　あらかじめ特定された、水蒸気が前記被測定ガスに含まれ炭化水素ガスおよび二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－Ｈ_２Ｏデータと、
　　あらかじめ特定された、二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれ炭化水素ガスおよび水蒸気が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－ＣＯ_２データと、
　　あらかじめ特定された、水蒸気が前記被測定ガスに含まれ炭化水素ガスおよび二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合についての前記第２測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータと、
　　あらかじめ特定された、前記被測定ガスに含まれる前記炭化水素ガス成分における水素の存在比率を示す係数と、
を格納しており、
　前記水蒸気濃度特定手段は、前記水蒸気相当電流と前記炭化水素相当電流と前記係数との積の差分である第１の差分値を算出し、前記Ｉｐ２－Ｈ_２Ｏデータにおいて前記第１の差分値に対応する水蒸気の濃度を、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度として特定し、
　前記二酸化炭素濃度特定手段は、前記水蒸気濃度特定手段によって特定された前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度と、前記Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータとに基づいて、前記全還元電流における水蒸気の還元による寄与分を特定し、前記全還元電流のうち前記被測定ガスにもともと含まれていた水蒸気および二酸化炭素の還元に伴い流れる電流の値である実還元電流値を特定したうえで、前記実還元電流値から前記寄与分を差し引いて第２の差分値を算出し、前記Ｉｐ１－ＣＯ_２データにおいて前記第２の差分値に対応する二酸化炭素濃度を、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度として特定する、
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、
　前記第２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、
　前記調整電極および前記第１測定電極が、Ｐｔを含みＡｕを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、
　前記ヒータは、前記内部空室の前記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、
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、調整電極、第１測定電極、および第２測定電極と、
　　前記調整電極と、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、
を備えるものであり、
　　a)前記調整電極に到達した前記被測定ガスに炭化水素ガス成分が含まれる場合に当該炭化水素ガス成分が酸化されるように、前記調整ポンプセルによって外部空間から前記内部空室へ酸素を汲み入れる工程と、
　　b)前記第１測定ポンプセルによって、前記第１測定電極に到達し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１測定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、水蒸気の還元によって生成した水素を、選択的に酸化させる工程と、
　　d)前記調整ポンプセルが汲み入れた酸素によって炭化水素ガス成分が酸化される際に前記調整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炭化水素相当電流の値と、前記第２測定ポンプセルが汲み入れた酸素によって水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水蒸気相当電流の値とに基づいて、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、
　　e)前記炭化水素相当電流の値と、前記水蒸気相当電流の値と、前記第１測定ポンプセルが酸素を汲み出すことによって水蒸気および二酸化炭素が還元される際に前記第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全還元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７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、
　前記調整電極が前記第１空室に備わり、
　前記第１測定電極が前記第２空室に備わり、
　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８に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　　f)前記工程a)ないし工程e)に先立ってあらかじめ、
　　　水蒸気が前記被測定ガスに含まれ二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－Ｈ_２Ｏデータと、
　　　二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれ水蒸気が前記被測定ガスに含まれない場合の前記第１測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ１－ＣＯ_２データと、
　　　水蒸気が前記被測定ガスに含まれ二酸化炭素が前記被測定ガスに含まれない場合についての前記第２測定ポンプセルを流れる酸素ポンプ電流と水蒸気の濃度との関係を示すＩｐ２－Ｈ_２Ｏデータと、
　　　前記被測定ガスに含まれる前記炭化水素ガス成分における水素の存在比率を示す係数と、
を特定する工程、
をさらに備え、
　前記工程d)においては、前記水蒸気相当電流と前記炭化水素相当電流と前記係数との積の差分である第１の差分値を算出したうえで、前記Ｉｐ２－Ｈ_２Ｏデータにおいて前記第１の差分値に対応する水蒸気の濃度を、前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度として特定し、
　前記工程e)においては、前記工程e)において特定された前記被測定ガスに含まれる水蒸気の濃度と、前記Ｉｐ１－Ｈ_２Ｏデータとに基づいて、前記全還元電流における水蒸気の還元による寄与分を特定し、前記全還元電流のうち前記被測定ガスにもともと含まれていた水蒸気および二酸化炭素の還元に伴い流れる電流の値である実還元電流値を特定したうえで、前記実還元電流値から前記寄与分を差し引いて第２の差分値を算出し、前記Ｉｐ１－ＣＯ_２データにおいて前記第２の差分値に対応する二酸化炭素濃度を、前記被測定ガスに含まれる二酸化炭素の濃度として特定する、
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８または請求項９に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　前記第２測定電極を、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として含むサーメット電極とし、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、
　前記調整電極および前記第１測定電極を、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８または請求項９に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
　　前記ヒータは、前記内部空室の前記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、
ことを特徴とするガスセンサによる濃度測定方法。