WO2024075418A1 - ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法 - Google Patents

ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法 Download PDF

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    • G01N27/605—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrostatic variables, e.g. electrographic flaw testing for determining moisture content, e.g. humidity

Definitions

  • the present invention relates to a multi-gas sensor that can detect multiple types of target gas components and measure their concentrations.
  • Patent Documents 1 to 3 In measurements for managing emissions from automobile exhaust gases, techniques for measuring the concentrations of water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) are already known (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
  • the gas sensors disclosed in Patent Documents 1 and 2 are capable of measuring water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) components in parallel.
  • the gas sensor disclosed in Patent Document 3 is capable of measuring the water vapor (H 2 O) component with high accuracy even when the measured gas contains carbon dioxide (CO 2 ).
  • a carbon dioxide detection device is already known in which an air-fuel ratio detection electrode and a carbon dioxide detection electrode are arranged in parallel, and the current flowing between each electrode and a reference electrode is used to measure the carbon dioxide concentration while making corrections that take into account the effects of the air-fuel ratio, and which can also make corrections that take into account the effects of water concentration (see, for example, Patent Document 4).
  • the main pump cell which is a pump cell for the first internal space
  • H 2 O and CO 2 also contained in the measurement gas are all reduced to H 2 and CO.
  • the measurement gas containing H 2 and CO is introduced into the second and third internal spaces.
  • the first measurement pump cell which is a pump cell for the second internal space
  • the second measurement pump cell which is a pump cell for the third internal space
  • the concentrations of H 2 O and CO 2 in the measurement gas are measured based on the magnitude of the pump current flowing through each of the first and second measurement pump cells when these H 2 and CO are oxidized.
  • the generated H 2 O and CO 2 basically remain in the second and third internal spaces. However, as the measurement continues, it has been found that such H 2 O and CO 2 flow back to the first internal space and are reduced again, and thus the generated H 2 and CO are reoxidized by the pumping of oxygen into the second and third internal spaces by the first and second measurement pump cells.
  • the present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a gas sensor that effectively prevents a decrease in measurement accuracy caused by the presence of substances generated during concentration measurement.
  • a first aspect of the present invention is a gas sensor capable of measuring the concentrations of a plurality of target gas components contained in a measured gas containing at least water vapor and carbon dioxide, comprising a sensor element having a structure composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, and a controller for controlling the operation of the gas sensor, wherein the sensor element comprises a gas inlet through which the measured gas is introduced, a plurality of chambers sequentially connected to the gas inlet via different diffusion rate limiting sections, and a heater for heating the sensor element, wherein two of the plurality of chambers are a first measurement chamber and a second measurement chamber, the second measurement chamber being the innermost chamber from the gas inlet among the plurality of chambers, the first measurement chamber being the chamber immediately before the second measurement chamber, and the measured gas introduced from the gas inlet is heated by the gas sensor.
  • the second measurement pump cell is configured to selectively oxidize, in the first measurement chamber, hydrogen produced by reduction of water vapor accompanying the first pumping operation, which is contained in the measurement gas introduced into the second measurement chamber, in the first measurement chamber; the second measurement pump cell is configured to pump oxygen into the second measurement chamber, thereby oxidizing, in the second measurement chamber, carbon monoxide produced by reduction of carbon dioxide accompanying the first pumping operation, which is contained in the measurement gas introduced into the second measurement chamber, in the second measurement chamber; and the controller includes a water vapor concentration determining means for determining a concentration of water
  • the oxygen pumping means is further configured to be capable of performing a second pumping operation for pumping oxygen contained in the measurement gas to a degree that water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas until it reaches the first measurement chamber are not reduced, for a predetermined time during the first pumping operation.
  • a second pumping operation for pumping oxygen contained in the measurement gas to a degree that water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas until it reaches the first measurement chamber are not reduced, for a predetermined time during the first pumping operation.
  • a second aspect of the present invention is a gas sensor according to the first aspect, wherein the plurality of chambers are a first chamber, a second chamber which is the first measurement chamber, and a third chamber which is the second measurement chamber, and the sensor element further comprises an adjustment pump cell which is the oxygen pumping means and which is composed of an adjustment electrode formed facing the first chamber, an outside-space pump electrode, and the solid electrolyte present between the adjustment electrode and the outside-space pump electrode, and the adjustment pump cell pumps oxygen from the first chamber so that substantially all of the water vapor and carbon dioxide contained in the measured gas introduced into the first chamber are reduced as the first pumping operation.
  • the pump cell is configured to be capable of pumping oxygen from the first chamber, and as the second pumping operation, the pump cell is configured to be capable of pumping oxygen from the first chamber to the extent that the water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas introduced into the first chamber are not reduced, for a predetermined time during the first pumping operation.
  • the adjustment pump cell starts the second pumping operation, the reduction of water vapor and carbon dioxide in the first chamber is interrupted, and the water vapor generated in the second chamber and the carbon dioxide generated in the third chamber are discharged to the outside of the sensor element through the first chamber.
  • the third aspect of the present invention is a gas sensor according to the second aspect, characterized in that the adjustment pump cell alternately and periodically performs the first pumping operation and the second pumping operation, and the pumping of oxygen into the second chamber by the first measurement pump cell and the pumping of oxygen into the third chamber by the second measurement pump cell are performed periodically in response to the first pumping operation and the second pumping operation by the adjustment pump cell.
  • the fourth aspect of the present invention is a gas sensor according to the third aspect, characterized in that the pumping of oxygen into the second chamber by the first measurement pump cell and the pumping of oxygen into the third chamber by the second measurement pump cell are performed in synchronization with the second pumping operation by the adjustment pump cell.
  • the fifth aspect of the present invention is a gas sensor according to the third aspect, characterized in that the pumping of oxygen into the second chamber by the first measurement pump cell and the pumping of oxygen into the third chamber by the second measurement pump cell are performed from midway through the first pumping operation by the adjustment pump cell to midway through the second pumping operation.
  • a sixth aspect of the present invention is a gas sensor according to any one of the second to fifth aspects, further comprising: a first vacant chamber sensor cell, the sensor element being composed of a reference electrode in contact with a reference gas, the adjusting electrode, the reference electrode, and the solid electrolyte present between the adjusting electrode and the reference electrode, and an electromotive force V0 corresponding to the oxygen concentration in the first vacant chamber is generated between the adjusting electrode and the reference electrode; a second vacant chamber sensor cell, the sensor element being composed of the first measurement electrode, the reference electrode, and the solid electrolyte present between the first measurement electrode and the reference electrode, and an electromotive force V1 corresponding to the oxygen concentration in the second vacant chamber is generated between the first measurement electrode and the reference electrode; and a third vacant chamber sensor cell, the sensor element being composed of the second measurement electrode, the reference electrode, and the solid electrolyte present between the second measurement electrode and the reference electrode, and an electromotive force V2 corresponding to the oxygen concentration in the third vacant chamber is generated between the second measurement electrode and the reference
  • a seventh aspect of the present invention is a method for measuring the concentrations of a plurality of target gas components contained in a measurement gas containing at least water vapor and carbon dioxide by a gas sensor, the gas sensor comprising a sensor element having a structure composed of an oxygen ion conductive solid electrolyte, the sensor element comprising a gas inlet through which the measurement gas is introduced, a plurality of chambers sequentially connected to the gas inlet via different diffusion rate limiting parts, and a heater for heating the sensor element, two of the plurality of chambers being a first measurement chamber and a second measurement chamber, the second measurement chamber being the innermost chamber from the gas inlet among the plurality of chambers, the first measurement chamber being the chamber immediately before the second measurement chamber, and the sensor element being configured to detect the concentration of the plurality of target gas components introduced from the gas inlet.
  • the measurement chamber further comprises: oxygen pumping means capable of performing a first pumping operation for pumping out oxygen contained in the measurement gas so that substantially all water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas are reduced before the measurement gas reaches the first measurement chamber; a first measurement pump cell comprising a first measurement electrode formed facing the first measurement chamber, an outside-space pump electrode provided at a location other than the plurality of chambers, and the solid electrolyte present between the first measurement electrode and the outside-space pump electrode; and a second measurement pump cell comprising a second measurement electrode formed facing the second measurement chamber, the outside-space pump electrode, and the solid electrolyte present between the second measurement electrode and the outside-space pump electrode, b) the first measurement pump cell pumps oxygen into the first measurement chamber, thereby selectively oxidizing, in the first measurement chamber, hydrogen produced by reduction of water vapor accompanying the first pumping operation, which is contained in the measurement gas introduced into the first measurement chamber; c) the second measurement pump cell pumps oxygen into the second measurement chamber, thereby oxidizing, in the second measurement chamber
  • step a) a step of determining the concentration of carbon dioxide contained in the measurement gas based on the magnitude of the current flowing between the second measurement electrode and the pump electrode outside the cavity when oxygen is pumped into the second measurement chamber by the second measurement pump cell.
  • the oxygen pumping means performs a second pumping operation for a predetermined time to pump oxygen contained in the measurement gas to a degree that the water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas until it reaches the first measurement chamber are not reduced, thereby interrupting the reduction of water vapor and carbon dioxide by the oxygen pumping means, thereby discharging the water vapor generated in the first measurement chamber and the carbon dioxide generated in the second measurement chamber to the outside of the sensor element.
  • An eighth aspect of the present invention is a method for measuring a concentration using a gas sensor according to the seventh aspect, wherein the plurality of chambers are a first chamber, a second chamber which is the first measurement chamber, and a third chamber which is the second measurement chamber, and the sensor element further comprises an adjustment pump cell which is the oxygen pumping means and which is composed of an adjustment electrode formed facing the first chamber, an outside-space pump electrode, and the solid electrolyte present between the adjustment electrode and the outside-space pump electrode, and in step a), the adjustment pump cell pumps oxygen contained in the measured gas introduced into the first chamber as the first pumping operation.
  • the device performs an operation to pump oxygen from the first chamber so that substantially all of the water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas introduced into the first chamber is reduced, and performs an operation to pump oxygen from the first chamber to the extent that the water vapor and carbon dioxide contained in the measurement gas introduced into the first chamber are not reduced for a predetermined period of time during the first pumping operation, thereby interrupting the reduction of water vapor and carbon dioxide in the first chamber, thereby discharging the water vapor generated in the second chamber and the carbon dioxide generated in the third chamber to the outside of the sensor element through the first chamber.
  • the ninth aspect of the present invention is a method for measuring a concentration using a gas sensor according to the eighth aspect, characterized in that in step a), the adjustment pump cell alternately and periodically performs the first pumping operation and the second pumping operation, and the pumping of oxygen into the second chamber by the first measurement pump cell in step b) and the pumping of oxygen into the third chamber by the second measurement pump cell in step c) are performed periodically in response to the first pumping operation and the second pumping operation by the adjustment pump cell in step a).
  • the tenth aspect of the present invention is a method for measuring concentration using a gas sensor according to the ninth aspect, characterized in that the pumping of oxygen into the second chamber by the first measuring pump cell in step b) and the pumping of oxygen into the third chamber by the second measuring pump cell in step c) are performed in synchronization with the second pumping operation by the adjustment pump cell in step a).
  • the eleventh aspect of the present invention is a method for measuring concentration using a gas sensor according to the ninth aspect, characterized in that the pumping of oxygen into the second chamber by the first measuring pump cell in step b) and the pumping of oxygen into the third chamber by the second measuring pump cell in step c) are performed from midway through the first pumping operation by the adjustment pump cell in step a) to midway through the second pumping operation.
  • a twelfth aspect of the present invention is a method for measuring concentration using a gas sensor according to any one of the eighth to eleventh aspects, wherein the sensor element further comprises a reference electrode in contact with a reference gas, and in step a), a voltage applied between the adjustment electrode and the outside-space pump electrode in the adjustment pump cell is controlled so that an electromotive force V0 generated between the adjustment electrode and the reference electrode in response to the oxygen concentration in the first space is kept at a predetermined target value within a range of 1000 mV to 1500 mV during the first pumping operation, and is kept at a predetermined target value within a range of 400 mV to 700 mV during the second pumping operation, In step b), the voltage applied between the first measurement electrode and the pump electrode outside the cavity in the first measurement pump cell is controlled so that the electromotive force V1 generated between the first measurement electrode and the reference electrode in response to the oxygen concentration in the second chamber is kept at a predetermined target value within a range of 250 mV to 450 mV, and
  • the deterioration of the measurement accuracy of the gas sensor caused by the re-reduction of water vapor and carbon dioxide produced by the oxidation of hydrogen and carbon monoxide is preferably suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a configuration of a gas sensor 100.
  • FIG. FIG. 1 is a block diagram showing functional components implemented in a controller 110.
  • 1 is a schematic diagram showing basic gas inflow and outflow patterns in three chambers provided in a sensor element 101 of a gas sensor 100.
  • FIG. 10A and 10B are diagrams for explaining problems that occur when the gas sensor 100 continuously performs measurements based on the basic operation.
  • 10A and 10B are diagrams for explaining problems that occur when the gas sensor 100 continuously performs measurements based on the basic operation.
  • FIG. 13 is a diagram showing changes over time in target values of electromotive forces V0, V1, and V2 during the generated gas discharge operation.
  • 10 is a schematic diagram showing how gas flows in and out of three chambers during a generated gas discharge operation.
  • FIG. FIG. 11 is a diagram showing yet another example of the generated gas discharge operation.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a gas sensor 100 according to the present embodiment.
  • the gas sensor 100 is a multi-gas sensor that detects a plurality of types of gas components using a sensor element 101 and measures their concentrations. In the present embodiment, it is assumed that at least water vapor (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) are the main gas components to be detected by the gas sensor 100.
  • the gas sensor 100 is attached to an exhaust path of an internal combustion engine such as an automobile engine, and is used in a mode in which the exhaust gas flowing through the exhaust path is the measured gas.
  • FIG. 1 includes a vertical cross-sectional view along the longitudinal direction of the sensor element 101.
  • the sensor element 101 has a long plate-shaped structure (base portion) 14 made of an oxygen ion conductive solid electrolyte, a first diffusion rate-controlling portion 11 formed at one end (left end in the drawing) of the structure 14 and also serving as a gas inlet 10 through which the gas to be measured is introduced, and a buffer space 12, a first chamber 20, a second chamber 40, and a third chamber 61 formed within the structure 14 and sequentially communicating with the gas inlet 10 (first diffusion rate-controlling portion 11).
  • the buffer space 12 communicates with the gas inlet 10 (first diffusion rate-controlling portion 11).
  • the first chamber 20 communicates with the buffer space 12 via the second diffusion rate-controlling portion 13.
  • the second chamber 40 communicates with the first chamber 20 via the third diffusion rate-controlling portion 30.
  • the third chamber 61 communicates with the second chamber 40 via the fourth diffusion rate-controlling portion 60.
  • the structure 14 is formed by stacking multiple layers of substrates made of, for example, ceramics. Specifically, the structure 14 has a configuration in which six layers, including a first substrate 1, a second substrate 2, a third substrate 3, a first solid electrolyte layer 4, a spacer layer 5, and a second solid electrolyte layer 6, are stacked in this order from the bottom up. Each layer is formed of an oxygen ion conductive solid electrolyte such as zirconia (ZrO 2 ).
  • ZrO 2 zirconia
  • the first diffusion rate-controlling section 11, which also serves as the gas inlet 10, the buffer space 12, the second diffusion rate-controlling section 13, the first chamber 20, the third diffusion rate-controlling section 30, the second chamber 40, the fourth diffusion rate-controlling section 60, and the third chamber 61 are formed in this order on one end side of the structure 14 between the lower surface 6b of the second solid electrolyte layer 6 and the upper surface 4a of the first solid electrolyte layer 4.
  • the portion from the gas inlet 10 to the third chamber 61 is also referred to as the gas flow section.
  • the buffer space 12, the first chamber 20, the second chamber 40, and the third chamber 61 are formed so as to penetrate the spacer layer 5 in the thickness direction. At the top of these chambers, the lower surface 6b of the second solid electrolyte layer 6 is exposed, and at the bottom of the drawing, the upper surface 4a of the first solid electrolyte layer 4 is exposed.
  • the sides of these chambers are partitioned by the spacer layer 5 or any of the diffusion rate-controlling parts.
  • the length (size in the longitudinal direction of the element) of the first chamber 20, the second chamber 40, and the third chamber 61 is, for example, 0.3 mm to 1.0 mm
  • the width (size in the lateral direction of the element) is, for example, 0.5 mm to 30 mm
  • the height (size in the thickness direction of the element) is, for example, 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the sizes of the chambers do not need to be the same and may be different.
  • the gas inlet 10 may be formed separately from the first diffusion rate-controlling section 11 so as to penetrate the spacer layer 5 in the thickness direction.
  • the first diffusion rate-controlling section 11 is formed adjacent to and inside the gas inlet 10.
  • the first diffusion rate-controlling section 11, the second diffusion rate-controlling section 13, the third diffusion rate-controlling section 30, and the fourth diffusion rate-controlling section 60 each have two horizontally long slits. That is, they have openings at the top and bottom as viewed in the drawing that extend long in a direction perpendicular to the drawing.
  • the length of the slits (size in the longitudinal direction of the element) is, for example, 0.2 mm to 1.0 mm
  • the width of the opening (size in the transverse direction of the element) is, for example, 0.5 mm to 30 mm
  • the height of the opening (size in the thickness direction of the element) is, for example, 5 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • a reference gas introduction space 43 is provided at the other end (the right end as viewed in the drawing) of the sensor element 101 opposite to the end where the gas introduction port 10 is provided.
  • the reference gas introduction space 43 is formed between the upper surface 3a of the third substrate 3 and the lower surface 5b of the spacer layer 5.
  • the side of the reference gas introduction space 43 is partitioned by the side surface of the first solid electrolyte layer 4.
  • oxygen ( O2 ) or air is introduced as a reference gas.
  • the gas inlet 10 (first diffusion rate limiting section 11) is a section that opens to the external space, and the gas to be measured is taken into the sensor element 101 from the external space through the gas inlet 10.
  • the first diffusion rate-controlling section 11 is a section that provides a predetermined diffusion resistance to the taken-in measurement gas.
  • the buffer space 12 is provided to counteract the concentration fluctuations of the measured gas caused by pressure fluctuations of the measured gas in the external space.
  • An example of such pressure fluctuations of the measured gas is the pulsation of the exhaust pressure of automobile exhaust gas.
  • the second diffusion rate-controlling section 13 is a section that imparts a predetermined diffusion resistance to the measurement gas that is introduced from the buffer space 12 into the first chamber 20.
  • the first chamber 20 is provided as a space for pumping out oxygen from the measurement gas introduced through the second diffusion rate-controlling part 13, and further for reducing (decomposing) H 2 O and CO 2 to generate hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) in association with the pumping, so that the measurement gas does not substantially contain oxygen, H 2 O, and CO 2.
  • the pumping out of oxygen is achieved by the operation of the adjustment pump cell 21.
  • the adjustment pump cell 21 is an electrochemical pump cell composed of an inner pump electrode (adjustment electrode) 22, an outer pump electrode (outside the cavity pump electrode) 23, and a solid electrolyte present in the portion of the structure 14 sandwiched between the two electrodes.
  • a voltage Vp0 is applied between the inner pump electrode 22 and the outer pump electrode 23 by a variable power supply 24 provided outside the sensor element 101, generating an oxygen pump current (oxygen ion current) Ip0.
  • This makes it possible to pump oxygen from the first chamber 20 to the external space.
  • the direction of the oxygen pump current Ip0 when oxygen is pumped out of the first chamber 20 is set to the positive direction of the oxygen pump current Ip0.
  • the inner pump electrode 22 is provided as a ceiling electrode portion 22a and a bottom electrode portion 22b on substantially the entire surface of the lower surface 6b of the second solid electrolyte layer 6 that defines the first chamber 20 and substantially the entire surface of the upper surface 4a of the first solid electrolyte layer 4, respectively.
  • the ceiling electrode portion 22a and the bottom electrode portion 22b are connected by a conductive portion (not shown).
  • the inner pump electrode 22 is provided as a porous cermet electrode that is rectangular in plan view and contains at least one of platinum and rhodium (Rh) as a metal component.
  • the outer pump electrode 23 is provided as a porous cermet electrode having a rectangular shape in plan view, containing platinum or an alloy of platinum and gold (Pt-Au alloy) as the metal component, for example, platinum or a Pt-Au alloy and zirconia.
  • the first vacant chamber sensor cell 80 is composed of the inner pump electrode 22, the reference electrode 42, and a solid electrolyte present in the portion of the structure 14 sandwiched between the two electrodes.
  • the first vacant chamber sensor cell 80 is an electrochemical sensor cell for determining the oxygen partial pressure in the atmosphere in the first vacant chamber 20.
  • the reference electrode 42 is an electrode formed between the first solid electrolyte layer 4 and the third substrate 3, and is provided, for example, as a porous cermet electrode that contains platinum and zirconia and has a rectangular shape in a plan view.
  • a reference gas introduction layer 48 made of porous alumina and connected to the reference gas introduction space 43 is provided around the reference electrode 42.
  • the reference gas in the reference gas introduction space 43 is introduced to the surface of the reference electrode 42 through the reference gas introduction layer 48. In other words, the reference electrode 42 is always in contact with the reference gas.
  • an electromotive force (Nernst electromotive force) V0 is generated between the inner pump electrode 22 and the reference electrode 42.
  • the electromotive force V0 has a value that corresponds to the difference between the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first chamber 20 and the oxygen concentration (oxygen partial pressure) of the reference gas.
  • the electromotive force V0 has a value that corresponds to the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the first chamber 20.
  • the third diffusion rate-controlling portion 30 is a portion that imparts a predetermined diffusion resistance to the measurement gas that is introduced from the first chamber 20 to the second chamber 40 and that substantially does not contain oxygen, H 2 O, or CO 2 .
  • the second chamber 40 is provided as a space for selectively oxidizing all of H2 out of H2 and CO contained in the measurement gas introduced through the third diffusion-controlling part 30 to generate H2O again.
  • the generation of H2O by the oxidation of H2 is realized by the operation of the first measuring pump cell 50.
  • the first measurement pump cell 50 is an electrochemical pump cell composed of a first measurement electrode 51, an outer pump electrode 23, and a solid electrolyte present in the portion of the structure 14 sandwiched between the two electrodes.
  • a voltage Vp1 is applied between the first measurement electrode 51 and the outer pump electrode 23 by a variable power supply 52 provided outside the sensor element 101, generating an oxygen pump current (oxygen ion current) Ip1.
  • oxygen pump current oxygen ion current
  • the direction of the oxygen pump current Ip1 when oxygen is pumped out of the second chamber 40 is set to the positive direction of the oxygen pump current Ip1.
  • the first measurement electrode 51 is provided as a ceiling electrode portion 51a and a bottom electrode portion 51b on substantially the entire surface of the lower surface 6b of the second solid electrolyte layer 6 that defines the second chamber 40 and substantially the entire surface of the upper surface 4a of the first solid electrolyte layer 4.
  • the ceiling electrode portion 51a and the bottom electrode portion 51b are connected by a conductive portion (not shown).
  • the first measurement electrode 51 is provided as a porous cermet electrode containing a Pt-Au alloy as a metal component, for example, the Pt-Au alloy and zirconia, and having a rectangular shape in plan view.
  • the Au concentration in the Pt-Au alloy is preferably 1 wt% or more and 50 wt% or less, and more preferably 10 wt% or more and 30 wt% or less.
  • the selective oxidation of H 2 at the first measurement electrode 51 that is, the property that when H 2 and CO coexist in the second chamber 40, only H 2 is selectively oxidized by oxygen pumped in by the first measurement pump cell 50, and CO is not oxidized, is more suitably expressed.
  • the second vacant chamber sensor cell 81 is composed of the first measurement electrode 51, the reference electrode 42, and a solid electrolyte present in the portion of the structure 14 sandwiched between the two electrodes.
  • the second vacant chamber sensor cell 81 is an electrochemical sensor cell for determining the oxygen partial pressure in the atmosphere in the second vacant chamber 40.
  • an electromotive force (Nernst electromotive force) V1 is generated between the first measurement electrode 51 and the reference electrode 42.
  • the electromotive force V1 has a value that corresponds to the difference between the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the second chamber 40 and the oxygen concentration (oxygen partial pressure) of the reference gas.
  • the electromotive force V1 has a value that corresponds to the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the second chamber 40.
  • the fourth diffusion rate-controlling portion 60 is a portion that provides a predetermined diffusion resistance to the measurement gas that is introduced from the second chamber 40 to the third chamber 61 and contains H 2 O and CO but substantially no CO 2 or oxygen.
  • the third chamber 61 is provided as a space for oxidizing all of the CO contained in the measurement gas introduced through the fourth diffusion-controlling part 60 to generate CO2 again.
  • the generation of CO2 by the oxidation of CO is realized by the operation of the second measuring pump cell 41.
  • the second measurement pump cell 41 is an electrochemical pump cell composed of a second measurement electrode 44, an outer pump electrode 23, and a solid electrolyte present in the portion of the structure 14 sandwiched between the two electrodes.
  • a voltage Vp2 is applied between the second measurement electrode 44 and the outer pump electrode 23 by a variable power supply 46 provided outside the sensor element 101, generating an oxygen pump current (oxygen ion current) Ip2.
  • oxygen pump current oxygen ion current
  • the direction of the oxygen pump current Ip2 when oxygen is pumped out of the third chamber 61 is set to the positive direction of the oxygen pump current Ip2.
  • the second measurement electrode 44 is provided on substantially the entire upper surface 4a of the first solid electrolyte layer 4 that defines the third chamber 61.
  • the second measurement electrode 44 is provided as a porous cermet electrode having a rectangular shape in a plan view, for example, containing Pt and zirconia as the metal component.
  • the third vacant chamber sensor cell 82 is composed of the second measurement electrode 44, the reference electrode 42, and a solid electrolyte present in the portion of the structure 14 sandwiched between the two electrodes.
  • the third vacant chamber sensor cell 82 is an electrochemical sensor cell for determining the oxygen partial pressure in the atmosphere in the third vacant chamber 61.
  • an electromotive force (Nernst electromotive force) V2 is generated between the second measurement electrode 44 and the reference electrode 42.
  • the electromotive force V2 has a value that corresponds to the difference between the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the third chamber 61 and the oxygen concentration (oxygen partial pressure) of the reference gas.
  • the electromotive force V2 has a value that corresponds to the oxygen concentration (oxygen partial pressure) in the third chamber 61.
  • the sensor element 101 further includes an electrochemical sensor cell 83 that is composed of an outer pump electrode 23, a reference electrode 42, and a solid electrolyte that is present in the portion of the structure 14 that is sandwiched between the two electrodes.
  • the electromotive force Vref that is generated between the outer pump electrode 23 and the reference electrode 42 in the sensor cell 83 has a value that corresponds to the oxygen partial pressure of the measured gas that is present outside the sensor element 101.
  • the sensor element 101 is equipped with a heater section 70 that serves to adjust the temperature by heating and keeping the sensor element 101 warm in order to increase the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte that constitutes the structure 14.
  • the heater section 70 mainly comprises a heater electrode 71, a heater element 72, a heater lead 72a, a through hole 73, a heater insulating layer 74, and a heater resistance detection lead (not shown in FIG. 1).
  • the heater element 72 will also be referred to simply as the heater 72.
  • the heater 72 is sandwiched between the second substrate 2 and the third substrate 3 from above and below, and generates heat when power is supplied from the outside through the heater electrode 71, through hole 73, and heater lead 72a provided on the underside 1b of the first substrate 1.
  • the heater 72 is embedded throughout the entire range from the buffer space 12 to the third chamber 61, and is capable of heating the sensor element 101 to a predetermined temperature and keeping it warm.
  • the heater 72 is arranged so that when heated, the temperature is highest near the first chamber 20 (near the adjustment electrode 22) and decreases the further away from the first chamber 20 in the element longitudinal direction.
  • the temperature in the range from one end of the sensor element 101 equipped with the gas inlet 10 to the third chamber 61 when the gas sensor 100 is used (when the sensor element 101 is driven) is referred to as the element drive temperature.
  • the heater 72 heats so that the element drive temperature is within the range of 750°C to 950°C.
  • Heater insulating layers 74 made of alumina or the like are formed above and below the heater 72 in order to provide electrical insulation between the second substrate 2 and the third substrate 3.
  • the heater section 70 also has a pressure release hole 75.
  • the pressure release hole 75 is a portion that penetrates the third substrate 3 and is provided so as to communicate with the reference gas introduction space 43, and is provided for the purpose of mitigating the increase in internal pressure that accompanies a rise in temperature within the heater insulating layer 74.
  • the gas sensor 100 also includes a controller 110 that controls the operation of the sensor element 101 and is responsible for determining the concentration of the gas component to be detected based on the current flowing through the sensor element 101.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the functional components realized in the controller 110.
  • the controller 110 is composed of one or more electronic circuits having, for example, one or more CPUs (Central Processing Units) and a storage device.
  • the electronic circuit is also a software function unit in which specific functional components are realized by, for example, the CPU executing a specific program stored in the storage device.
  • it may also be composed of an integrated circuit such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array) in which multiple electronic circuits are connected according to their functions.
  • FPGA Field-Programmable Gate Array
  • the gas sensor 100 When the gas sensor 100 is attached to the exhaust path of an automobile engine and the exhaust gas flowing through the exhaust path is used as the gas to be measured, some or all of the functions of the controller 110 may be realized by the automobile's ECU (electronic control unit).
  • ECU electronic control unit
  • the controller 110 includes, as functional components realized by the execution of a specific program in the CPU, an element operation control unit 120 that controls the operation of each part of the sensor element 101 described above, and a concentration determination unit 130 that is responsible for the process of determining the concentration of the target gas component contained in the measured gas.
  • the element operation control unit 120 mainly comprises an adjustment pump cell control unit 121 that controls the operation of the adjustment pump cell 21, a first measurement pump cell control unit 122a that controls the operation of the first measurement pump cell 50, a second measurement pump cell control unit 122b that controls the operation of the second measurement pump cell 41, and a heater control unit 123 that controls the heating operation by the heater 72.
  • the concentration specifying unit 130 mainly includes a water vapor concentration specifying unit 130H and a carbon dioxide concentration specifying unit 130C that respectively specify the concentrations of H 2 O and CO 2 , which are the main detection target gas components in the gas sensor 100 .
  • the water vapor concentration specifying unit 130H specifies the concentration of H 2 O contained in the measurement target gas based on the value of the oxygen pump current Ip1 flowing through the first measurement pump cell 50, which is acquired by the first measurement pump cell control unit 122a.
  • the carbon dioxide concentration specifying unit 130C specifies the concentration of CO2 contained in the measurement gas based on the value of the oxygen pump current Ip2 flowing through the second measurement pump cell 41, which is acquired by the second measurement pump cell control unit 122b.
  • the concentration determination unit 130 further includes an oxygen concentration determination unit 130A that determines the concentration of oxygen contained in the measurement gas.
  • the oxygen concentration determination unit 130A determines the concentration of oxygen contained in the measurement gas based on the value of the oxygen pump current Ip0 flowing through the adjustment pump cell 21 acquired by the adjustment pump cell control unit 121, the value of the oxygen pump current Ip1 flowing through the first measurement pump cell 50 acquired by the first measurement pump cell control unit 122a, and the value of the oxygen pump current Ip2 flowing through the second measurement pump cell 41 acquired by the second measurement pump cell control unit 122b. That is, in the gas sensor 100 according to the present embodiment, in addition to H 2 O and CO 2 , which are the main detection target gas components, oxygen is also detected as an incidental detection target gas component.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing the basic flow of gas in and out of the three chambers (internal spaces) in the sensor element 101 of the gas sensor 100.
  • the measurement gas is introduced into the first chamber 20 through the gas inlet 10 (first diffusion rate-controlling portion 11), the buffer space 12, and the second diffusion rate-controlling portion 13.
  • the adjustment pump cell 21 is operated to pump out oxygen contained in the measurement gas introduced therein and reduce H 2 O and CO 2.
  • the adjustment pump cell 21 is operated to pump out oxygen from the measurement gas introduced into the first chamber 20, and the reduction (decomposition) reaction of H 2 O and CO 2 contained in the measurement gas (2H 2 O ⁇ 2H 2 +O 2 , 2CO 2 ⁇ 2CO+O 2 ) proceeds, and substantially all of H 2 O and CO 2 are decomposed into hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and oxygen.
  • the pumping of oxygen and the reduction (decomposition) of H2O and CO2 are carried out by the adjustment pump cell control section 121 of the controller 110 setting the target value (control voltage) of the electromotive force V0 in the first vacant room sensor cell 80 to a value within the range of 1000 mV to 1500 mV (preferably 1000 mV), and feedback-controlling the voltage Vp0 applied to the adjustment pump cell 21 by the variable power supply 24 in accordance with the difference between the actual value of the electromotive force V0 and the target value so that the electromotive force V0 is maintained at the target value.
  • the oxygen partial pressure in the first chamber 20 is kept at a sufficiently low value that it is considered that substantially no oxygen is present.
  • the measurement gas does not substantially contain H 2 O, CO 2 , or oxygen.
  • a measurement gas containing H 2 and CO but substantially free of H 2 O, CO 2 and oxygen is introduced into the second chamber 40 .
  • oxygen is pumped in by the operation of the first measuring pump cell 50, and only H2 contained in the introduced measurement gas is selectively oxidized.
  • the pumping of oxygen is performed by the first measurement pump cell control unit 122a of the controller 110 setting the target value (control voltage) of the electromotive force V1 in the second vacant chamber sensor cell 81 to a value within the range of 250 mV to 450 mV (preferably 350 mV), and feedback-controlling the voltage Vp1 applied to the first measurement pump cell 50 by the variable power supply 52 according to the difference between the actual value of the electromotive force V1 and the target value so that the electromotive force V1 is maintained at the target value.
  • the oxidation (combustion) reaction of 2H 2 +O 2 ⁇ 2H 2 O is promoted in the second chamber 40, and an amount of H 2 O that is correlated with the amount of H 2 O introduced from the gas inlet 10 is generated again.
  • the correlation of the amount of H 2 O means that the amount of H 2 O introduced from the gas inlet 10 and the amount of H 2 O generated again by oxidizing the H 2 generated by the decomposition of H 2 O are the same or within a certain error range that is allowable from the viewpoint of measurement accuracy.
  • the oxygen partial pressure in the second chamber 40 is maintained within a range in which H2 is almost entirely oxidized but CO is not oxidized.
  • providing the first measurement electrode 51 as a cermet electrode containing a Pt-Au alloy having an Au concentration of 1 wt % or more and 50 wt % or less as a metal component also contributes to improving the selective oxidation of H 2 .
  • the oxygen pump current Ip1 (hereinafter also referred to as the water vapor detection current Ip1) flowing through the first measurement pump cell 50 is approximately proportional to the concentration of H2O generated by the combustion of H2 in the second chamber 40 (the water vapor detection current Ip1 and the concentration of the generated H2O are in a linear relationship).
  • the amount of H2O generated by such combustion correlates with the amount of H2O in the measurement gas that is introduced from the gas inlet 10 and then decomposed in the first chamber 20. Therefore, when the water vapor detection current Ip1 is detected in the first measurement pump cell control unit 122a, H2O in the measurement gas is detected. Therefore, the second chamber 40 is also referred to as the first measurement chamber.
  • a linear relationship is established between the water vapor detection current Ip1 and the water vapor concentration in the measured gas.
  • Data water vapor characteristic data showing this linear relationship is determined in advance using a model gas with a known water vapor concentration, and is stored in the water vapor concentration determination unit 130H.
  • the water vapor concentration determination unit 130H acquires the value of the water vapor detection current Ip1 detected in the first measurement pump cell control unit 122a.
  • the water vapor concentration determination unit 130H refers to the water vapor characteristic data and identifies the value of the water vapor concentration corresponding to the acquired water vapor detection current Ip1. This identifies the water vapor concentration in the measured gas.
  • H2O is not present in the measurement gas introduced through the gas inlet 10, naturally, decomposition of H2O will not occur in the first chamber 20, and therefore no H2 will be introduced into the second chamber 40, and the water vapor detection current Ip1 will be approximately zero.
  • the measurement gas contains H2O and CO and is substantially free of CO2 and oxygen.
  • the measurement gas is introduced into the third chamber 61.
  • the second measurement pump cell 41 is operated to pump in oxygen, and the CO contained in the introduced measurement gas is oxidized.
  • the pumping of oxygen is performed by the second measurement pump cell control section 122b of the controller 110 setting the target value (control voltage) of the electromotive force V2 in the third vacant chamber sensor cell 82 to a value within the range of 100 mV to 300 mV (preferably 200 mV), and feedback-controlling the voltage Vp2 applied by the variable power supply 46 to the second measurement pump cell 41 in accordance with the difference between the actual value of the electromotive force V2 and the target value so that the electromotive force V2 is maintained at the target value.
  • the oxidation (combustion) reaction 2CO + O2 ⁇ 2CO2 is promoted in the third chamber 61, and an amount of CO2 that is correlated with the amount of CO2 introduced from the gas inlet 10 is again generated.
  • the oxygen pump current Ip2 (hereinafter also referred to as the carbon dioxide detection current Ip2) flowing through the second measurement pump cell 41 is approximately proportional to the concentration of CO2 generated by the combustion of CO in the third chamber 61 (the carbon dioxide detection current Ip2 and the concentration of the generated CO2 are in a linear relationship).
  • the amount of CO2 generated by such combustion correlates with the amount of CO2 in the measurement gas that is introduced from the gas inlet 10 and then decomposed in the first chamber 20. Therefore, when the carbon dioxide detection current Ip2 is detected in the second measurement pump cell control unit 122b, CO2 in the measurement gas is detected. Therefore, the third chamber 61 is also referred to as the second measurement chamber.
  • a linear relationship is established between the carbon dioxide detection current Ip2 and the carbon dioxide concentration in the measured gas.
  • Data carbon dioxide characteristic data showing this linear relationship is determined in advance using a model gas with a known carbon dioxide concentration, and is stored in the carbon dioxide concentration determination unit 130C.
  • the carbon dioxide concentration determination unit 130C acquires the value of the carbon dioxide detection current Ip2 detected in the second measurement pump cell control unit 122b.
  • the carbon dioxide concentration determination unit 130C refers to the carbon dioxide characteristic data and identifies the value of the carbon dioxide concentration corresponding to the acquired carbon dioxide detection current Ip2. This identifies the carbon dioxide concentration in the measured gas.
  • the operating mode of the gas sensor 100 as described above with reference to FIG. 3 will also be referred to as the basic operation.
  • the gas sensor 100 is also capable of indirectly determining the concentration of oxygen contained in the measurement gas.
  • C0, C1, and C2 are values approximately proportional to the oxygen pump currents Ip0, Ip1, and Ip2, respectively, and in the gas sensor 100, the relationships (proportionality constants) between C0 and Ip0, C1 and Ip1, and C2 and Ip2 are specified in advance and stored in the oxygen concentration specifying unit 130A.
  • the oxygen concentration specifying unit 130A obtains the detection values of the oxygen pump currents Ip0, Ip1, and Ip2 from the adjustment pump cell control unit 121, the first measurement pump cell control unit 122a, and the second measurement pump cell control unit 122b, respectively, and calculates the concentration of oxygen in the measurement gas based on these detection values, the proportionality constants, and formula (1).
  • ⁇ Specifying concentrations taking into consideration continuous use> 4 and 5 are diagrams for explaining problems that may occur when the gas sensor 100 continuously performs measurements based on the above-described basic operation.
  • the H 2 O generated in the second chamber 40 is basically introduced into the third chamber 61 or remains in the second chamber 40.
  • the CO 2 generated in the third chamber 61 basically remains in the third chamber 61. Therefore, as the measurement is continuously performed, the amounts of H 2 O and CO 2 generated in the second chamber 40 and the third chamber 61 increase.
  • H 2 O and CO 2 present in the third chamber 61 or the second chamber 40 may diffuse from the third chamber 61 and the second chamber 40 to the first chamber 20. In other words, a backflow of H 2 O and CO 2 into the first chamber 20 may occur.
  • the adjustment pump cell 21 is operated to continuously pump out oxygen and reduce H 2 O and CO 2. Therefore, as shown in Fig. 5, when H 2 O and CO 2 flow back from the third chamber 61 and the second chamber 40, they are (re)reduced to H 2 and CO without being distinguished from the H 2 O and CO 2 contained in the measurement gas introduced from the gas inlet 10 and which are the original measurement targets at that time.
  • the H2 oxidized by the first measuring pump cell 50 pumping oxygen into the second chamber 40 contains H2 produced by the re-reduction
  • the CO oxidized by the second measuring pump cell 41 pumping oxygen into the third chamber 61 contains CO produced by the re-reduction, so that the water vapor detection current Ip1 flowing through the first measuring pump cell 50 and the carbon dioxide detection current Ip2 flowing through the second measuring pump cell 41 are superimposed with currents derived from the re-reduced H2O and CO2 . That is, the values of the water vapor detection current Ip1 and the carbon dioxide detection current Ip2 no longer correspond to the concentrations of H2O and CO2 inherently contained in the measured gas, resulting in a decrease in measurement accuracy.
  • the operation of each pump cell is controlled so as to prevent a decrease in measurement accuracy due to the backflow of H 2 O and CO 2.
  • the measurement accuracy is ensured by performing an operation to discharge H 2 O and CO 2 that have flowed back to the first chamber 20 to the outside of the sensor element 101, rather than suppressing the backflow of H 2 O and CO 2 generated in the second chamber 40 and the third chamber 61.
  • This operation mode is also referred to as a generated gas discharge operation.
  • Figure 6 shows the time change in the target values of electromotive forces V0, V1, and V2 during the generated gas discharge operation.
  • Figure 7 is a schematic diagram showing the flow of gas in and out of the three voids (internal spaces) during the generated gas discharge operation.
  • the target value of the electromotive force V0 in the first vacant chamber sensor cell 80 is set to a value within the range of 1000 mV to 1500 mV, and the voltage Vp0 applied to the adjustment pump cell 21 is feedback controlled so that the electromotive force V0 is maintained at this target value.
  • the target value (set value) of the electromotive force V0 in the first vacant chamber sensor cell 80 is temporarily changed from a steady value of V0a to a value of V0b at an appropriate timing.
  • the value V0a is a value in the range of 1000 mV to 1500 mV, similar to the target value of the electromotive force V0 in basic operation.
  • the value V0a may be set to the same value as the target value of the electromotive force V0 during basic operation.
  • the adjustment pump cell 21 pumps oxygen from the first chamber 20 to the outside so that substantially all of the H 2 O and CO 2 contained in the measured gas are reduced, just as in basic operation.
  • value V0b is smaller than value V0a and is within the range of 400 mV to 700 mV (preferably 400 mV).
  • the adjustment pump cell 21 performs a pumping operation (second pumping operation) to pump oxygen from the first chamber 20 to the extent that the water vapor and carbon dioxide contained in the measured gas introduced into the first chamber 20 are not reduced, during the pumping operation (first pumping operation) to pump oxygen from the first chamber 20 so that substantially all of the water vapor and carbon dioxide contained in the measured gas are reduced.
  • the target values of electromotive force V1 and electromotive force V2 are set in the same way as in the basic operation. Specifically, the target value of electromotive force V1 is set to a value within the range of 250 mV to 450 mV (preferably 350 mV), and the target value of electromotive force V2 is set to a value within the range of 100 mV to 300 mV (preferably 200 mV).
  • the operation of the gas sensor 100 while the target value of the electromotive force V0 is set to the value V0a is the same as that of the basic operation, but when the target value of the electromotive force V0 is set to the value V0b, only the pumping out of the oxygen contained in the introduced measurement gas is performed in the first chamber 20, and H 2 O and CO 2 are not reduced. Therefore, as a result of the accumulation of H 2 O and CO 2 generated in the second chamber 40 and the third chamber 61, a concentration gradient as shown in FIG. 4 is generated, and even if H 2 O and CO 2 flow back into the first chamber 20, the backflowing H 2 O and CO 2 are discharged to the outside of the element as they are without being reduced again in the first chamber 20, as shown in FIG. 7.
  • the second pumping operation may be performed at any timing, or at a predetermined timing. Alternatively, the second pumping operation may be performed when a predetermined condition is satisfied. For example, the longer the measured values of H 2 O and CO 2 in the gas sensor 100 remain large, the larger the amounts of H 2 O and CO 2 generated in the second chamber 40 and the third chamber 61 become. Therefore, the second pumping operation may be performed based on the integral value of the measured values.
  • the time when the target value of the electromotive force V0 is set to the value V0b and the second pumping operation is performed is preferably within the range of 1 ms to 1 s. If the set time is shorter than 1 ms, the diffusion of H 2 O and CO 2 from the second chamber 40 or the third chamber 61 does not proceed sufficiently, so that the concentration gradient is not weakened sufficiently and the measurement accuracy may continue to decrease, which is not preferable. If the set time is longer than 1 s, the time when the H 2 O and CO 2 contained in the newly introduced measurement gas cannot be reduced becomes longer, that is, the time when the concentration measurement cannot be performed becomes longer, which is not preferable, so that the responsiveness decreases.
  • the target value of the electromotive force V0 may be periodically changed and the first pumping operation and the second pumping operation may be alternately and periodically performed in the adjustment pump cell 21 to temporarily stop the reduction of H2O and CO2 periodically, and the target values (set values) of the electromotive force V1 in the second vacant room sensor cell 81 and the electromotive force V2 in the third vacant room sensor cell 82 may also be periodically changed in a manner synchronized with the periodic change in the target value of the electromotive force V0, as shown in Fig. 6(b).
  • the pumping of oxygen by the first measurement pump cell 50 and the second measurement pump cell 41 may be synchronized with the second pumping operation.
  • the target values of electromotive force V1 and electromotive force V2 are set to 0 while the target value of electromotive force V0 is set to value V0a, and are set to values within the same range as in basic operation only while the target value of electromotive force V0 is set to value V0b.
  • the first measuring pump cell 50 and the second measuring pump cell 41 operate only while the adjustment pump cell 21 is performing the second pumping operation, and do not operate while the adjustment pump cell 21 is performing the first pumping operation. Note that in FIG. 6(b), both are shown on a single graph for simplicity, but in reality, electromotive force V1 and electromotive force V2 are set to different values.
  • the reduction of H2O and CO2 in the first chamber 20 and the selective oxidation of H2 and CO in the second chamber 40 and the third chamber 61 are performed at different times. That is, while H2 and CO are reoxidized in the second chamber 40 and the third chamber 61, only the pumping out of the oxygen contained in the introduced measurement gas is performed in the first chamber 20, and H2O and CO2 are not reduced. In this case, even if the H2O and CO2 generated in the second chamber 40 and the third chamber 61 are retained and a concentration gradient as shown in FIG. 4 occurs, the H2O and CO2 that flow back to the first chamber 20 are discharged to the outside of the element as they are without being re-reduced in the first chamber 20.
  • the time during which the target value of the electromotive force V0 is set to the value V0a is also within the range of 1 ms to 1 s.
  • FIG. 8 is a diagram showing yet another example of the generated gas discharge operation.
  • the periodic change in the target value of the electromotive force V0 is the same as in FIG. 6(a), but as shown in FIG. 8(b), the phase (timing) of the periodic change in the target values of the electromotive forces V1 and V2 is shifted from that shown in FIG. 6(b).
  • the start of pumping oxygen into the second chamber 40 and the third chamber 61 is advanced to the middle of the first pumping operation, and the pumping is terminated in the middle of the second pumping operation.
  • the degree to which the start time is advanced is set to 50% or less of the time ⁇ t during which the first pumping operation is being performed (the time during which the target value of the electromotive force V0 is set to the value V0a).
  • a gas sensor that pumps out oxygen contained in a measurement gas and reduces H 2 O and CO 2 in the first chamber, oxidizes H 2 and CO generated by the reduction in the second and third chambers, respectively, and determines the concentrations of H 2 O and CO 2 contained in the measurement gas based on the magnitude of the oxygen pump current pumped into the second and third chambers during the oxidation, the reduction of H 2 O and CO 2 in the first chamber is temporarily or periodically stopped, and H 2 O and CO 2 generated by the oxidation of H 2 and CO are discharged from the first chamber to the outside of the sensor element using their concentration gradient.
  • the gas sensor 100 including the three-chamber sensor element 101 is targeted for discharging the H2O and CO2 produced by oxidizing the H2O and CO2 produced by the reduction of the H2O and CO2 contained in the measurement gas for concentration measurement.
  • the process of reducing the H2O and CO2 contained in the measurement gas to produce H2 and CO is performed in only one empty chamber.
  • the sensor element may have another structure.

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Abstract

調整ポンプセルは、第１空室に導入された被測定ガス中のＨ２ＯとＣＯ２が全て還元されるように酸素を汲み出す第１汲み出し動作を実行し、第１測定ポンプセルは第２空室へと導入された被測定ガス中のＨ２を選択的に酸化し、第２測定ポンプセルは第３空室へと導入された被測定ガス中のＣＯを酸化し、第２空室への汲み入れ電流に基づいてＨ２Ｏ濃度を特定し、第３空室への汲み入れ電流に基づいてＣＯ２濃度を特定し、調整ポンプセルはさらに、Ｈ２ＯとＣＯ２が還元されない範囲で第１空室から酸素を汲み出す第２汲み出し動作を、第１汲み出し動作の途中、実行可能であり、第２汲み出し動作が開始されて第１空室におけるＨ２ＯとＣＯ２の還元が中断されることにより、第２空室または第３空室にて生成したＨ２ＯとＣＯ２が素子外部へと排出されるようにした。

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（Ｈ２Ｏ）や二酸化炭素（ＣＯ２）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（Ｈ２Ｏ）成分と二酸化炭素（ＣＯ２）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（ＣＯ２）が含まれている場合においても、水蒸気（Ｈ２Ｏ）成分を精度よく測定することが可能となっている。
　また、空燃比検出電極と二酸化炭素検出電極とが並列に配置されており、それぞれの電極と基準電極との間を流れる電流を用いることにより、空燃比の影響を加味した補正を行いつつ二酸化炭素の濃度を測定することが出来る二酸化炭素検出装置であって、水濃度の影響を加味した補正をさらに行うことが出来るものも、すでに公知である（例えば、特許文献４参照）。
　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Ｏ２が汲み出されるとともに、同じく被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２もいったん全て還元されてＨ２およびＣＯとされる。これらＨ２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Ｏ２の汲み入れにてＨ２が選択的に酸化させられてＨ２Ｏ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Ｏ２の汲み入れにてＣＯが酸化させられてＣＯ２が生成される。そして、これらＨ２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Ｈ２ＯとＣＯ２の濃度を測定するようになっている。
　生成したＨ２ＯおよびＣＯ２は基本的に、第２内部空所および第３内部空所に滞留する。しかしながら、測定が継続されるにつれ、係るＨ２ＯおよびＣＯ２が第１内部空所に逆流して再還元され、これにより生成したＨ２およびＣＯが第１測定ポンプセルおよび第２測定ポンプセルによる第２内部空所および第３内部空所への酸素の汲み入れにて再び酸化される、という現象が生じ得ることが、わかってきた。
　このような現象が生じると、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の量に応じて第１測定ポンプセルおよび第２測定ポンプセルを流れるポンプ電流に係る再酸化に伴う電流が重畳してしまい、それらのポンプ電流の大きさに基づいてＨ２ＯとＣＯ２の濃度を測定するという、特許文献１に係るガスセンサの測定精度が低下してしまうため、好ましくない。
　また、特許文献４に開示されたガスセンサにおいては、二酸化炭素検出セルにて、二酸化炭素を炭素と酸素に分解する一方、空燃比検出セルの起電力が排ガスの酸素濃度に応じた一定の値になるよう制御されているが、係るガスセンサにおいても、二酸化炭素検出セルにて生成したＣＯと酸素が、酸素濃度を調整する空燃比検出セルにて反応することによりＣＯ２が生成し、二酸化炭素検出セルにて繰り返し検知されてしまうために、測定精度が下がっ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 特開２０２０－６７４３２号公報
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、濃度測定に伴い生成された物質の存在に起因した測定精度の低下が好適に抑制される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、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる複数の空室と、前記センサ素子を加熱するヒータと、を備え、前記複数の空室のうちの２つが第１測定用空室と第２測定用空室であり、前記第２測定用空室は前記複数の空室のうち前記ガス導入口から最奥の空室であり、前記第１測定用空室は前記第２測定用空室の１つ手前の空室であり、前記ガス導入口から導入された前記被測定ガスが前記第１測定用空室に到達するまでの間に、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被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第１の汲み出し動作を実行することが可能な酸素汲み出し手段と、前記第１測定用空室に面して形成された第１測定電極と、前記複数の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測定用空室に面して形成された第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、をさらに備え、前記第１測定ポンプセルは、前記第１測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定用空室において選択的に酸化することが可能に構成されてなり、前記第２測定ポンプセルは、前記第２測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う二酸化炭素の還元によって生成した一酸化炭素を、前記第２測定用空室において酸化することが可能に構成されてなり、前記コントローラは、前記第１測定ポンプセルによって前記第１測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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、前記第２測定ポンプセルによって前記第２測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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、前記酸素汲み出し手段はさらに、前記第１測定用空室に到達するまでの前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が還元されない範囲で前記被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を、前記第１の汲み出し動作の途中の所定時間、実行可能に構成されてなり、前記第２の汲み出し動作が開始されて前記酸素汲み出し手段による水蒸気および二酸化炭素の還元が中断されることにより、前記第１測定用空室にて生成した水蒸気と前記第２測定用空室にて生成した二酸化炭素とが前記センサ素子の外部へと排出される、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、前記複数の空室が、第１空室、前記第１測定用空室である第２空室、および前記第２測定用空室である第３空室であり、前記センサ素子が、前記第１空室に面して形成された調整電極と、前記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、前記酸素汲み出し手段である調整ポンプセル、をさらに備え、前記調整ポンプセルは、前記第１の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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１空室から酸素を汲み出す動作を実行することが可能に構成されてなるとともに、前記第２の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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還元されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す動作を、前記第１の汲み出し動作の途中の所定時間、実行可能に構成されてなり、前記調整ポンプセルが前記第２の汲み出し動作を開始して前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元が中断されることにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とが前記第１空室を経て前記センサ素子の外部へと排出される、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、前記調整ポンプセルは、前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作とを交互にかつ周期的に行い、前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとが、前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作に応じて周期的に行われる、ことを特徴とする。
　本発明の第４の態様は、第３の態様に係るガスセンサであって、前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記調整ポンプセルによる前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、ことを特徴とする。
　本発明の第５の態様は、第３の態様に係るガスセンサであって、前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、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、前記センサ素子が、基準ガスと接触してなる基準電極と、前記調整電極と、前記基準電極と、前記調整電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記調整電極と前記基準電極との間に、前記第１空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ０が生じる第１空室用センサセルと、前記第１測定電極と、前記基準電極と、前記第１測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第１測定電極と前記基準電極との間に、前記第２空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ１が生じる第２空室用センサセルと、前記第２測定電極と、前記基準電極と、前記第２測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第２測定電極と前記基準電極との間に、前記第３空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ２が生じる第３空室用センサセルと、をさらに備え、前記コントローラが、前記第１空室用センサセルにおける起電力Ｖ０が、前記第１の汲み出し動作の際には１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれ、前記第２の汲み出し動作の際には４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記調整ポンプセルにおいて前記調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する調整ポンプセル制御手段と、前記第２空室用センサセルにおける起電力Ｖ１が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１測定ポンプセルにおいて前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する第１測定ポンプセル制御手段と、前記第３空室用センサセルにおける起電力Ｖ２が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２測定ポンプセルにおいて前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する第２測定ポンプセル制御手段と、を備え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、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる複数の空室と、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、前記複数の空室のうちの２つが第１測定用空室と第２測定用空室であり、前記第２測定用空室は前記複数の空室のうち前記ガス導入口から最奥の空室であり、前記第１測定用空室は前記第２測定用空室の１つ手前の空室であり、前記センサ素子は、前記ガス導入口から導入された前記被測定ガスが前記第１測定用空室に到達するまでの間に、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被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第１の汲み出し動作を実行することが可能な酸素汲み出し手段と、前記第１測定用空室に面して形成された第１測定電極と、前記複数の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測定用空室に面して形成された第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、をさらに備えており、a)前記酸素汲み出し手段が、前記第１の汲み出し動作を実行する工程と、b)前記第１測定ポンプセルが、前記第１測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定用空室において選択的に酸化する工程と、c)前記第２測定ポンプセルが、前記第２測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う二酸化炭素の還元によって生成した一酸化炭素を、前記第２測定用空室において酸化する工程と、d)前記第１測定ポンプセルによって前記第１測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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)前記第２測定ポンプセルによって前記第２測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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、前記工程a)の途中において、前記酸素汲み出し手段が、前記第１測定用空室に到達するまでの前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が還元されない範囲で前記被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を所定時間実行することによって、前記酸素汲み出し手段による水蒸気および二酸化炭素の還元を中断することにより、前記第１測定用空室にて生成した水蒸気と前記第２測定用空室にて生成した二酸化炭素とを前記センサ素子の外部へと排出させる、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、前記複数の空室が、第１空室、前記第１測定用空室である第２空室、および前記第２測定用空室である第３空室であり、前記センサ素子が、前記第１空室に面して形成された調整電極と、前記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、前記酸素汲み出し手段である調整ポンプセル、をさらに備えるものであり、前記工程a)においては、前記調整ポンプセルが、前記第１の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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１空室から酸素を汲み出す動作を実行するとともに、前記第２の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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還元されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す動作を、前記第１の汲み出し動作の途中の所定時間、実行することによって、前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元を中断することにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とを前記第１空室を経て前記センサ素子の外部へと排出させる、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、前記工程a)においては、前記調整ポンプセルが、前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作とを交互にかつ周期的に行い、前記工程b)における前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと、前記工程c)における前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとをそれぞれ、前記工程a)における前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作に応じて周期的に行う、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、前記工程b)における前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと、前記工程c)における前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程a)における前記調整ポンプセルによる前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、ことを特徴とする。
　本発明の第１１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、前記工程b)における前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと、前記工程c)における前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程a)における前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、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、前記センサ素子が、基準ガスと接触してなる基準電極、をさらに備えるものであり、前記工程a)においては、前記調整電極と前記基準電極との間に前記第１空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ０が、前記第１の汲み出し動作の際には１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれ、前記第２の汲み出し動作の際には４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記調整ポンプセルにおいて前記調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御し、前記工程b)においては、前記第１測定電極と前記基準電極との間に前記第２空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ１が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１測定ポンプセルにおいて前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御し、前記工程c)においては、前記第２測定電極と前記基準電極との間に前記第３空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ２が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２測定ポンプセルにおいて前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する、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、水素および一酸化炭素の酸化により生成される水蒸気および二酸化炭素が再還元されることに起因した、ガスセンサの測定精度の低下が、好適に抑制される。
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に備わる３つの空室における、基本的なガスの出入りの様子を示す模式図である。 ガスセンサ１００が基本動作に基づく測定を継続的に行った場合に生じる不具合について説明するための図である。 ガスセンサ１００が基本動作に基づく測定を継続的に行った場合に生じる不具合について説明するための図である。 生成ガス排出動作における起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２の目標値の時間変化を示す図である。 生成ガス排出動作の際の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。 生成ガス排出動作のさらに別の例を示す図である。
　　＜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（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）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（ＺｒＯ２）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（Ｏ２）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し、さらには、係る汲み出しに伴いＨ２ＯおよびＣＯ２を還元（分解）して水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、被測定ガスが酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２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。
　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、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。
　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、酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２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含まれているＨ２およびＣＯのうち、Ｈ２を選択的に全て酸化して再びＨ２Ｏを生成させるための空間として設けられている。係るＨ２の酸化によるＨ２Ｏの生成は、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、外部空間から第２空室４０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－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１測定電極５１におけるＨ２の選択的酸化性、すなわち、第２空室４０にてＨ２とＣＯとが共存している場合に、Ｈ２のみが第１測定ポンプセル５０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、Ｈ２ＯおよびＣＯを含む一方でＣＯ２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ＣＯを全て酸化して再びＣＯ２を生成させるための空間として設けられている。係るＣＯの酸化によるＣＯ２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を金属成分として、例えば、Ｐｔ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Ｈ２ＯおよびＣＯ２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５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ１の値に基づいて、被測定ガスに含まれるＨ２Ｏの濃度を特定する。
　二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃは、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の値に基づいて、被測定ガスに含まれるＣＯ２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、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、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Ｈ２ＯおよびＣＯ２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の基本的考え方＞
　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における基本的考え方について説明する。以降においては、被測定ガスが酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２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に備わる３つの空室（内部空所）における、基本的な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、導入された被測定ガスに含まれている酸素の汲み出しと、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の還元が行われる。すなわち、調整ポンプセル２１が作動し、第１空室２０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Ｈ２ＯおよびＣＯ２の還元（分解）反応（２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２、２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）が進行し、Ｈ２ＯおよびＣＯ２は実質的に全て、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）と酸素とに分解される。
　これら酸素の汲み出しとＨ２ＯおよびＣＯ２の還元（分解）とは、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１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは１０００ｍＶ）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。
　係る態様にて調整ポンプセル２１が作動することで、第１空室２０における酸素分圧は、実質的に酸素が存在しないとみなされる十分に低い値に保たれる。例えば、Ｖ０＝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Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まなくなる。
　Ｈ２およびＣＯを含む一方でＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素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。
　第２空室４０においては、第１測定ポンプセル５０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Ｈ２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２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値（好ましくは３５０ｍＶ）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内においては、２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ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Ｈ２Ｏと相関性を有する量のＨ２Ｏが再び生成される。なお本実施の形態において、Ｈ２Ｏ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Ｈ２Ｏと、係るＨ２Ｏの分解によって生じたＨ２が酸化させられることによって再び生成するＨ２Ｏ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Ｖ１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２空室４０の酸素分圧は、Ｈ２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、Ｖ１＝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１測定電極５１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、Ｈ２の選択的酸化性の向上に寄与している。
　このとき、第１測定ポンプセル５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ１（以下、水蒸気検出電流Ｉｐ１とも称する）は、第２空室４０におけるＨ２の燃焼によって生成するＨ２Ｏの濃度に略比例する（水蒸気検出電流Ｉｐ１と生成するＨ２Ｏの濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＨ２Ｏの量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＨ２Ｏの量と相関性を有する。よって、第１測定ポンプセル制御部１２２ａにおいて水蒸気検出電流Ｉｐ１が検出されることで、被測定ガス中のＨ２Ｏが検知されたことになる。それゆえ、第２空室４０を、第１測定用空室とも称する。
　また、水蒸気検出電流Ｉｐ１と被測定ガスにおける水蒸気濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（水蒸気特性データ）は、水蒸気濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、水蒸気濃度特定部１３０Ｈに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第１測定ポンプセル制御部１２２ａにおいて検出される水蒸気検出電流Ｉｐ１の値を、水蒸気濃度特定部１３０Ｈが取得する。水蒸気濃度特定部１３０Ｈは、水蒸気特性データを参照し、取得した水蒸気検出電流Ｉｐ１に対応する水蒸気濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける水蒸気濃度が特定される。
　なお、仮に、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中にＨ２Ｏが存在していなかった場合には、当然ながら第１空室２０におけるＨ２Ｏの分解は生じず、それゆえ第２空室４０にＨ２が導入されることはないので、水蒸気検出電流Ｉｐ１はほぼゼロとなる。
　Ｈ２が酸化されてＨ２Ｏとなることで、被測定ガスは、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まないものとなる。係る被測定ガスが第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ＣＯが酸化される。
　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１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは２００ｍＶ）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、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２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ＣＯ２の量と相関性を有する量のＣＯ２が再び生成される。
　起電力Ｖ２の目標値が１００ｍＶ～３００ｍＶ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、ＣＯがほぼ全て酸化される範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ２＝２００ｍＶの場合であれば、１０－４ａｔｍ程度となる。
　このとき、第２測定ポンプセル４１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２（以下、二酸化炭素検出電流Ｉｐ２とも称する）は、第３空室６１におけるＣＯの燃焼によって生成するＣＯ２の濃度に略比例する（二酸化炭素検出電流Ｉｐ２と生成するＣＯ２の濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＣＯ２の量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＣＯ２の量と相関性を有する。よって、第２測定ポンプセル制御部１２２ｂにおいて二酸化炭素検出電流Ｉｐ２が検出されることで、被測定ガス中のＣＯ２が検知されたことになる。それゆえ、第３空室６１を、第２測定用空室とも称する。
　また、二酸化炭素検出電流Ｉｐ２と被測定ガスにおける二酸化炭素濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（二酸化炭素特性データ）は、二酸化炭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、二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第２測定ポンプセル制御部１２２ｂにおいて検出される二酸化炭素検出電流Ｉｐ２の値を、二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃが取得する。二酸化炭素濃度特定部１３０Ｃは、二酸化炭素特性データを参照し、取得した二酸化炭素検出電流Ｉｐ２に対応する二酸化炭素濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける二酸化炭素濃度が特定される。
　なお、仮に、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中にＣＯ２が存在していなかった場合には、当然ながら第１空室２０におけるＣＯ２の分解は生じず、それゆえ第３空室６１にＣＯが導入されることはないので、二酸化炭素検出電流Ｉｐ２はほぼゼロとなる。
　以降においては、図３に基づき説明した以上のようなガスセンサ１００の動作態様を、基本動作とも称する。
　さらに、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、間接的ではあるが、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めることも可能となっている。概略的にいえば、第１空室２０から汲み出される酸素の濃度（これをＣ０とする）と、第２空室４０および第３空室６１へと汲み入れられる酸素の濃度（それぞれ、Ｃ１、Ｃ２とする）との差分値
　　　Ｃ＝Ｃ０－Ｃ１－Ｃ２　　・・・・（１）
が、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中の酸素の濃度に相当する。Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２はそれぞれ、酸素ポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１、Ｉｐ２に略比例する値であり、ガスセンサ１００においては、Ｃ０とＩｐ０、Ｃ１とＩｐ１、Ｃ２とＩｐ２との関係（比例定数）が、あらかじめ特定されて酸素濃度特定部１３０Ａに記憶されている。被測定ガスの測定が開始されると、酸素濃度特定部１３０Ａは、調整ポンプセル制御部１２１、第１測定ポンプセル制御部１２２ａ、および第２測定ポンプセル制御部１２２ｂからそれぞれ、酸素ポンプ電流Ｉｐ０、Ｉｐ１、Ｉｐ２の検出値を取得し、これらの検出値と、上記の比例定数と、（１）式とに基づいて、被測定ガス中の酸素の濃度を求めるようになっている。
　　＜継続的使用を考慮した濃度特定＞
　図４および図５は、ガスセンサ１００が上述した基本動作に基づく測定を継続的に行った場合に生じる不具合について説明するための図である。
　ガスセンサ１００が上述の基本動作に従い、被測定ガス中のＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度さらには酸素の濃度を測定する場合、第２空室４０で生成したＨ２Ｏは基本的に、第３空室６１に導入されるかあるいは第２空室４０に滞留する。また、第３空室６１で生成したＣＯ２は基本的に、第３空室６１に滞留する。そのため、測定が継続的に行われるにつれ、これら第２空室４０および第３空室６１におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の生成量が増大していくことになる。
　すると、第１拡散律速部１１（ガス導入口１０）から新たに導入される被測定ガスの濃度が比較的小さい場合、図４に示すように、ガス導入口１０から第３空室６１に至るガス流通部において、ガス導入口１０から最奥の内部空所である第３空室６１に向かうほど、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の濃度が高くなるような濃度勾配が形成され得る。
　そして、このような濃度勾配が生じた結果として、第３空室６１あるいは第２空室４０に存在しているＨ２ＯおよびＣＯ２の第３空室６１および第２空室４０から第１空室２０への拡散移動が生じ得る。つまりは、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の第１空室２０への逆流が起こり得る。
　上述のように、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の汲み出しさらにはＨ２ＯおよびＣＯ２の還元が継続的に行われている。そのため、図５に示すように、第３空室６１および第２空室４０からＨ２ＯおよびＣＯ２が逆流した場合、それらは、ガス導入口１０から導入された被測定ガスに含まれる、その時点における本来の測定対象であるＨ２ＯおよびＣＯ２と区別されることなく、Ｈ２およびＣＯへと（再）還元されてしまうことになる。
　このような再還元が生じてしまうと、第１測定ポンプセル５０が第２空室４０に酸素を汲み入れることにより酸化されるＨ２には再還元により生じたＨ２が含まれ、第２測定ポンプセル４１が第３空室６１に酸素を汲み入れることにより酸化されるＣＯには再還元により生じたＣＯが含まれることになるため、第１測定ポンプセル５０を流れる水蒸気検出電流Ｉｐ１と第２測定ポンプセル４１を流れる二酸化炭素検出電流Ｉｐ２には、再還元されるＨ２ＯおよびＣＯ２に由来する電流が重畳してしまうことになる。すなわち、水蒸気検出電流Ｉｐ１と二酸化炭素検出電流Ｉｐ２の値が、被測定ガスに本来的に含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度に対応しなくなってしまい、結果として測定精度が低下することになる。
　本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、このような、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の逆流に起因した測定精度の低下が生じないように、各ポンプセルの動作が制御されるようになっている。概略的にいえば、第２空室４０および第３空室６１において生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２の逆流の発生を抑制するのではなく、第１空室２０へと逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２をセンサ素子１０１の外部へと排出させるような動作を行うことで、測定精度が確保されるようになっている。係る動作態様を、生成ガス排出動作とも称する。
　図６は、生成ガス排出動作における起電力Ｖ０、Ｖ１、およびＶ２の目標値の時間変化を示す図である。また、図７は、生成ガス排出動作の際の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。
　上述したように、基本動作においては、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値は１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定され、起電力Ｖ０が係る目標値に保たれるよう、調整ポンプセル２１に印加する電圧Ｖｐ０がフィードバック制御される。
　これに対し、生成ガス排出動作においては、図６（ａ）に示すように、第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ０の目標値（設定値）を適宜のタイミングで一時的に、Ｖ０ａなる値の定常値からＶ０ｂなる値へと変化させるようにする。
　ここで、値Ｖ０ａは、基本動作における起電力Ｖ０の目標値と同様、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値である。値Ｖ０ａは、基本動作の際の起電力Ｖ０の目標値と同じ値に設定されてよい。
　起電力Ｖ０の目標値が係る値Ｖ０ａに設定されている間、調整ポンプセル２１は、基本動作のとき同じく、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２が実質的に全て還元されるように、第１空室２０から外部へと酸素を汲み出す。
　これに対し、値Ｖ０ｂは、値Ｖ０ａよりも小さい、４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは４００ｍＶ）である。
　起電力Ｖ０の目標値が係る値Ｖ０ｂに設定されると、調整ポンプセル２１は、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元を生じさせない範囲で、第１空室２０に存在する酸素の外部への汲み出しを行う。すなわち、調整ポンプセル２１の酸素汲み出し手段としての動作は維持されつつも、第１空室２０におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元は一時的に中断される。係る場合、第１空室２０における酸素分圧は、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２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。
　すなわち、生成ガス排出動作において、調整ポンプセル２１は、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第１空室２０から酸素を汲み出す汲み出し動作（第１の汲み出し動作）の途中で、第１空室２０に導入された被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が還元されない範囲で第１空室２０から酸素を汲み出す汲み出し動作（第２の汲み出し動作）を実行する。
　一方、起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の目標値は、基本動作と同様に設定される。具体的には、起電力Ｖ１の目標値は２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値（好ましくは３５０ｍＶ）に設定され、起電力Ｖ２の目標値は１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値（好ましくは２００ｍＶ）に設定される。
　係る場合、起電力Ｖ０の目標値が値Ｖ０ａに設定されている間のガスセンサ１００の動作は、基本動作のときと同じであるが、起電力Ｖ０の目標値が値Ｖ０ｂに設定されると、第１空室２０においては導入された被測定ガスに含まれる酸素の汲み出しのみが行われ、Ｈ２ＯおよびＣＯ２は還元されなくなる。そのため、第２空室４０および第３空室６１にて生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２が滞留した結果として、図４に示したような濃度勾配が生じ、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が第１空室２０へと逆流している場合であっても、図７に示すように、係る逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２は第１空室２０にて再還元されることなくそのまま素子外部へと排出される。これにより、濃度勾配は弱められるため、結果として、起電力Ｖ０の目標値が再び値Ｖ０ａに設定された以降における、逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２の再還元が、起こりにくくなる。すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第２の汲み出し動作が開始されることにより、センサ素子１０１内部のガス流通部に生じている濃度勾配に応じて、Ｈ２およびＣＯの選択的酸化により生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２が第１空室２０を経て素子外部へと好適に排出されるようになっている。
　第２の汲み出し動作は、任意のタイミングで行われてもよいし、あらかじめ定められたタイミングで行われる態様であってもよい。あるいは、所定の条件がみたされた場合に行われる態様であってもよい。例えば、ガスセンサ１００におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の測定値が大きい状況が長く続くほど、第２空室４０および第３空室６１にて生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２の量も多くなることから、係る測定値の積分値に基づいて、第２の汲み出し動作が行われる態様などが例示される。
　起電力Ｖ０の目標値が値Ｖ０ｂに設定され、第２の汲み出し動作が行われる時間は、１ｍｓ～１ｓの範囲内であることが好ましい。係る設定時間が１ｍｓよりも短い場合、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の第２空室４０あるいは第３空室６１からの拡散が十分に進行しないために、濃度勾配が十分に弱まらず依然として測定精度が低下する状況が続くおそれがあるため、好ましくない。また、係る設定時間が１ｓよりも長い場合、新たに導入される被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２を還元できない時間が長くなるために、つまりは、濃度測定を行えない時間が長くなってしまうために、応答性が低下することになり、好ましくない。
　あるいは、起電力Ｖ０の目標値を周期的に変化させ、調整ポンプセル２１において第１の汲み出し動作と第２の汲み出し動作を交互にかつ周期的に行うことによって、Ｈ２ＯおよびＣＯ２の還元の一時的な停止を周期的に行うとともに、第２空室用センサセル８１における起電力Ｖ１と第３空室用センサセル８２における起電力Ｖ２の目標値（設定値）についても、図６（ｂ）に示すように、起電力Ｖ０の目標値の周期的変化に同期させる態様にて、周期的に変化させるようにしてもよい。つまりは、第１測定ポンプセル５０および第２測定ポンプセル４１による酸素の汲み入れを、第２の汲み出し動作と同期させて行うようにしてもよい。
　起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の目標値については、起電力Ｖ０の目標値が値Ｖ０ａに設定されている間は０とし、起電力Ｖ０の目標値が値Ｖ０ｂに設定されている間のみ、基本動作のときと同じ範囲内の値に設定される。係る場合、第１測定ポンプセル５０および第２測定ポンプセル４１は、調整ポンプセル２１が第２の汲み出し動作を行っている間のみ動作し、調整ポンプセル２１が第１の汲み出し動作を行っている間は動作しない。なお、図６（ｂ）においては図示の簡単のため、両者を一のグラフにて示しているが、実際には起電力Ｖ１と起電力Ｖ２は相異なる値に設定される。
　この場合、第１空室２０におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元と、第２空室４０および第３空室６１のそれぞれにおけるＨ２およびＣＯの選択的酸化とが相異なるタイミングで行われる。すなわち、第２空室４０および第３空室６１においてＨ２およびＣＯが再酸化される間は、第１空室２０においては導入された被測定ガスに含まれる酸素の汲み出しのみが行われ、Ｈ２ＯおよびＣＯ２は還元されない。係る場合も、第２空室４０および第３空室６１にて生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２が滞留し、図４に示したような濃度勾配が生じたとしても、第１空室２０へと逆流したＨ２ＯおよびＣＯ２は第１空室２０にて再還元されることなくそのまま素子外部へと排出されるようになる。
　なお、この場合は、起電力Ｖ０の目標値が値Ｖ０ａに設定される時間も、１ｍｓ～１ｓの範囲内であることが好ましい。
　また、図８は、生成ガス排出動作のさらに別の例を示す図である。係る場合においては、図８（ａ）に示すように、起電力Ｖ０の目標値の周期的な変化については図６（ａ）の場合と同様としつつも、図８（ｂ）に示すように、起電力Ｖ１と起電力Ｖ２の目標値の周期変化の位相（タイミング）を図６（ｂ）に示す場合からずらしている。より具体的には、第２空室４０および第３空室６１のそれぞれに対する酸素の汲み入れの開始を、第１の汲み入れ動作の途中にまで早め、第２の汲み入れ動作の途中で係る汲み入れを終了している。ただし、開始時間を早める程度は、第１の汲み入れ動作を行っている時間（起電力Ｖ０の目標値を値Ｖ０ａに設定している時間）Δｔの５０％以下とされる。
　以上、説明したように、本実施の形態によれば、第１空室で被測定ガスに含まれる酸素の汲み出しとＨ２ＯおよびＣＯ２の還元とを行い、第２空室および第３空室においてそれぞれ、係る還元により生じたＨ２およびＣＯを酸化させ、係る酸化の際に第２空室および第３空室に汲み入れられる酸素ポンプ電流の大きさに基づいて被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度を求めるガスセンサにおいて、第１空室におけるＨ２ＯおよびＣＯ２の還元を一時的にあるいは周期的に停止させることにより、Ｈ２およびＣＯの酸化により生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２をその濃度勾配を利用して第１空室からセンサ素子の外部へと排出させるようにしている。これにより、Ｈ２およびＣＯの酸化により生成されるＨ２ＯおよびＣＯ２が再還元されることに起因した測定精度の低下が、好適に抑制される。
　　＜変形例＞
　上述の実施の形態においては、３室構造のセンサ素子１０１を備えるガスセンサ１００における、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２が還元されることにより生じたＨ２とＣＯとを、濃度測定のために酸化させることで生成されたＨ２ＯおよびＣＯ２の生成ガス排出動作が、対象となっている。しかしながら、被測定ガスに含まれるＨ２ＯおよびＣＯ２が還元されてＨ２とＣＯとが生成されるまでの過程が、１つの空室のみで行われることは、必須の態様ではない。上述の実施の形態と同様の生成ガス排出動作が可能であるならば、センサ素子が他の構造を有する態様であってもよい。

Claims (12)

  1. 　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、
    　　相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる複数の空室と、
    　　前記センサ素子を加熱するヒータと、
    を備え、
    　前記複数の空室のうちの２つが第１測定用空室と第２測定用空室であり、前記第２測定用空室は前記複数の空室のうち前記ガス導入口から最奥の空室であり、前記第１測定用空室は前記第２測定用空室の１つ手前の空室であり、
    　前記ガス導入口から導入された前記被測定ガスが前記第１測定用空室に到達するまでの間に、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被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第１の汲み出し動作を実行することが可能な酸素汲み出し手段と、
    　前記第１測定用空室に面して形成された第１測定電極と、前記複数の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測定用空室に面して形成された第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、
    をさらに備え、
    　前記第１測定ポンプセルは、前記第１測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定用空室において選択的に酸化することが可能に構成されてなり、
    　前記第２測定ポンプセルは、前記第２測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う二酸化炭素の還元によって生成した一酸化炭素を、前記第２測定用空室において酸化することが可能に構成されてなり、
    　前記コントローラは、
    　　前記第１測定ポンプセルによって前記第１測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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、
    　　前記第２測定ポンプセルによって前記第２測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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、
    　前記酸素汲み出し手段はさらに、前記第１測定用空室に到達するまでの前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が還元されない範囲で前記被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を、前記第１の汲み出し動作の途中の所定時間、実行可能に構成されてなり、
    　前記第２の汲み出し動作が開始されて前記酸素汲み出し手段による水蒸気および二酸化炭素の還元が中断されることにより、前記第１測定用空室にて生成した水蒸気と前記第２測定用空室にて生成した二酸化炭素とが前記センサ素子の外部へと排出される、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  2. 　請求項１に記載のガスセンサであって、
    　前記複数の空室が、第１空室、前記第１測定用空室である第２空室、および前記第２測定用空室である第３空室であり、
    　前記センサ素子が、
    　　前記第１空室に面して形成された調整電極と、前記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、前記酸素汲み出し手段である調整ポンプセル、
    をさらに備え、
    　前記調整ポンプセルは、前記第１の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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１空室から酸素を汲み出す動作を実行することが可能に構成されてなるとともに、前記第２の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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還元されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す動作を、前記第１の汲み出し動作の途中の所定時間、実行可能に構成されてなり、
    　前記調整ポンプセルが前記第２の汲み出し動作を開始して前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元が中断されることにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とが前記第１空室を経て前記センサ素子の外部へと排出される、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  3. 　請求項２に記載のガスセンサであって、
    　前記調整ポンプセルは、前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作とを交互にかつ周期的に行い、
    　前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとが、前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作に応じて周期的に行われる、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  4. 　請求項３に記載のガスセンサであって、
    　前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記調整ポンプセルによる前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  5. 　請求項３に記載のガスセンサであって、
    　前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  6. 　請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のガスセンサであって、
    　前記センサ素子が、
    　　基準ガスと接触してなる基準電極と、
    　　前記調整電極と、前記基準電極と、前記調整電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記調整電極と前記基準電極との間に、前記第１空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ０が生じる第１空室用センサセルと、
    　　前記第１測定電極と、前記基準電極と、前記第１測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第１測定電極と前記基準電極との間に、前記第２空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ１が生じる第２空室用センサセルと、
    　　前記第２測定電極と、前記基準電極と、前記第２測定電極と前記基準電極との間に存在する前記固体電解質とから構成され、前記第２測定電極と前記基準電極との間に、前記第３空室の酸素濃度に応じた起電力Ｖ２が生じる第３空室用センサセルと、
    をさらに備え、
    　前記コントローラが、
    　　前記第１空室用センサセルにおける起電力Ｖ０が、前記第１の汲み出し動作の際には１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれ、前記第２の汲み出し動作の際には４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記調整ポンプセルにおいて前記調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する調整ポンプセル制御手段と、
    　　前記第２空室用センサセルにおける起電力Ｖ１が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１測定ポンプセルにおいて前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する第１測定ポンプセル制御手段と、
    　　前記第３空室用センサセルにおける起電力Ｖ２が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２測定ポンプセルにおいて前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する第２測定ポンプセル制御手段と、
    を備えることを特徴とする、ガスセンサ。
  7. 　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、
    　　相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる複数の空室と、
    　　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、
    　前記複数の空室のうちの２つが第１測定用空室と第２測定用空室であり、前記第２測定用空室は前記複数の空室のうち前記ガス導入口から最奥の空室であり、前記第１測定用空室は前記第２測定用空室の１つ手前の空室であり、
    　前記センサ素子は、
    　前記ガス導入口から導入された前記被測定ガスが前記第１測定用空室に到達するまでの間に、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被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第１の汲み出し動作を実行することが可能な酸素汲み出し手段と、
    　前記第１測定用空室に面して形成された第１測定電極と、前記複数の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測定用空室に面して形成された第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、
    をさらに備えており、
    　a)前記酸素汲み出し手段が、前記第１の汲み出し動作を実行する工程と、
    　b)前記第１測定ポンプセルが、前記第１測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う水蒸気の還元によって生成した水素を、前記第１測定用空室において選択的に酸化する工程と、
    　c)前記第２測定ポンプセルが、前記第２測定用空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２測定用空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、前記第１の汲み出し動作に伴う二酸化炭素の還元によって生成した一酸化炭素を、前記第２測定用空室において酸化する工程と、
    　d)前記第１測定ポンプセルによって前記第１測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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)前記第２測定ポンプセルによって前記第２測定用空室に酸素を汲み入れる際に前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、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、
    　前記工程a)の途中において、前記酸素汲み出し手段が、前記第１測定用空室に到達するまでの前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が還元されない範囲で前記被測定ガスに含まれる酸素を汲み出す第２の汲み出し動作を所定時間実行することによって、前記酸素汲み出し手段による水蒸気および二酸化炭素の還元を中断することにより、前記第１測定用空室にて生成した水蒸気と前記第２測定用空室にて生成した二酸化炭素とを前記センサ素子の外部へと排出させる、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  8. 　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、
    　前記複数の空室が、第１空室、前記第１測定用空室である第２空室、および前記第２測定用空室である第３空室であり、
    　前記センサ素子が、
    　　前記第１空室に面して形成された調整電極と、前記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、前記酸素汲み出し手段である調整ポンプセル、
    をさらに備えるものであり、
    　前記工程a)においては、前記調整ポンプセルが、前記第１の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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１空室から酸素を汲み出す動作を実行するとともに、前記第２の汲み出し動作として、前記第１空室に導入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還元されない範囲で前記第１空室から酸素を汲み出す動作を、前記第１の汲み出し動作の途中の所定時間、実行することによって、前記第１空室における水蒸気および二酸化炭素の還元を中断することにより、前記第２空室にて生成した水蒸気と前記第３空室にて生成した二酸化炭素とを前記第１空室を経て前記センサ素子の外部へと排出させる、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  9. 　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、
    　前記工程a)においては、前記調整ポンプセルが、前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作とを交互にかつ周期的に行い、
    　前記工程b)における前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと、前記工程c)における前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとをそれぞれ、前記工程a)における前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作と前記第２の汲み出し動作に応じて周期的に行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  10. 　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、
    　前記工程b)における前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと、前記工程c)における前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程a)における前記調整ポンプセルによる前記第２の汲み出し動作と同期させて行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  11. 　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、
    　前記工程b)における前記第１測定ポンプセルによる前記第２空室への酸素の汲み入れと、前記工程c)における前記第２測定ポンプセルによる前記第３空室への酸素の汲み入れとを、前記工程a)における前記調整ポンプセルによる前記第１の汲み出し動作の途中から前記第２の汲み出し動作の途中まで行う、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  12. 　請求項８ないし請求項１１のいずれかに記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    　前記センサ素子が、
    　　基準ガスと接触してなる基準電極、
    をさらに備えるものであり、
    　前記工程a)においては、前記調整電極と前記基準電極との間に前記第１空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ０が、前記第１の汲み出し動作の際には１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれ、前記第２の汲み出し動作の際には４００ｍＶ～７００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記調整ポンプセルにおいて前記調整電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御し、
    　前記工程b)においては、前記第１測定電極と前記基準電極との間に前記第２空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ１が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１測定ポンプセルにおいて前記第１測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御し、
    　前記工程c)においては、前記第２測定電極と前記基準電極との間に前記第３空室の酸素濃度に応じて生じる起電力Ｖ２が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２測定ポンプセルにおいて前記第２測定電極と前記空所外ポンプ電極との間に印加される電圧を制御する、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
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