(57)【要約】【課題】被測定ガスが低酸素雰囲気である場合における特定ガス濃度の測定精度の低下を抑制する。【解決手段】ガスセンサ１００は、酸素イオン伝導性の固体電解質層１〜６を有し、被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、被測定ガス流通部のうちの緩衝空間１２に酸素を汲み入れる予備ポンプセル１５と、被測定ガス流通部のうちの緩衝空間１２の下流側に設けられた第１内部空所２０の酸素濃度を調整する主ポンプセル２１と、被測定ガス流通部のうちの第１内部空所２０の下流側に設けられた第３内部空所６１の内周面上に配設された測定電極４４と、基準電極４２と、基準電極４２と測定電極４４との間の電圧Ｖ２を検出する制御装置と、電圧Ｖ２に基づいて、特定ガスに由来して第３内部空所６１で発生する酸素に応じた検出値を取得し、その検出値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する制御装置と、を備えている。【選択図】図１
2020008558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
低酸素雰囲気の前記被測定ガスが前記酸素濃度調整室に到達しないように、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の上流側に設けられた予備室に酸素を汲み入れる予備ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室の内周面上に配設された測定電極と、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、
前記基準電極と前記測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出手段と、
前記測定用電圧に基づいて、前記特定ガスに由来して前記測定室で発生する酸素に応じた検出値を取得し、該検出値に基づいて前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出手段と、
を備えたガスセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のガスセンサであって、
前記予備ポンプセルを一定の予備ポンプ電流が流れるように該予備ポンプセルを制御する予備ポンプ制御手段、
を備えたガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のガスセンサであって、
前記検出値と前記特定ガス濃度との関係式に関する情報を記憶する記憶手段、
を備え、
前記特定ガス濃度検出手段は、前記素子本体の外部の被測定ガスが低酸素雰囲気であるか否かに関わらず、前記記憶手段に記憶された同じ関係式を用いて前記特定ガス濃度を検出する、
ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記特定ガス濃度検出手段は、前記素子本体の外部の前記被測定ガスの酸素濃度に基づいて補正した前記特定ガス濃度を検出する、
ガスセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載のガスセンサであって、
前記予備ポンプセルを一定の予備ポンプ電流が流れるように該予備ポンプセルを制御する予備ポンプ制御手段と、
前記一定の予備ポンプ電流と、前記酸素濃度調整室の酸素濃度が目標濃度となるように前記調整用ポンプセルが該酸素濃度調整室の酸素の汲み出しを行うときに流れる調整用ポンプ電流と、該目標濃度と、に基づいて、前記素子本体の外部の前記被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、
を備え、
前記特定ガス濃度検出手段は、前記酸素濃度検出手段に検出された酸素濃度を用いて前記補正を行う、
ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサであって、
前記素子本体の外側の前記被測定ガスに晒される部分に配設された被測定ガス側電極、
を備え、
前記予備ポンプセルは、前記被測定ガス側電極の周囲から前記予備室に酸素を汲み入れる、
ガスセンサ。
【請求項７】
前記被測定ガスは、内燃機関の排ガスであり、
前記基準ガスは大気であり、
前記予備ポンプセルは、前記基準電極の周囲から前記予備室に酸素を汲み入れる、
請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の排気ガスなどの被測定ガスにおけるＮＯｘなどの特定ガス濃度を検出するガスセンサが知られている。例えば、特許文献１には、複数の酸素イオン伝導性の固体電解質層の積層体と、固体電解質層に設けられた電極とを備えたガスセンサが記載されている。このガスセンサでＮＯｘの濃度を検出する場合、まず、センサ素子の内部の被測定ガス流通部とセンサ素子の外部との間で酸素の汲み出し又は汲み入れが行われて、被測定ガス流通部内の酸素濃度が調整される。そして、酸素濃度が調整された後の被測定ガス中のＮＯｘが還元され、還元後の酸素濃度に応じてセンサ素子内部の電極（測定電極）に流れる電流に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が検出される。また、特許文献２には、被測定ガス中のアンモニアの濃度を検出するガスセンサが記載されている。このガスセンサでは、アンモニアを被測定ガス中の酸素で酸化してＮＯｘに変換し、このアンモニア由来のＮＯｘの濃度を特許文献１と同様の方法で検出することで、アンモニアの濃度を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１９０９４０号公報
【特許文献２】特開２０１１−０３９０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、被測定ガスとして低酸素雰囲気のガス（被測定ガスが未燃の燃料を含むリッチ雰囲気のガスである場合も含む）を用いることは、これまであまり検討されていなかった。今回、本発明者らが低酸素雰囲気の被測定ガスに含まれる特定ガス成分の測定を行ったところ、測定精度が低下することが判明した。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合における特定ガス濃度の測定精度の低下を抑制することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明のガスセンサは、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有し、被測定ガスを導入して流通させる被測定ガス流通部が内部に設けられた素子本体と、
前記被測定ガス流通部のうちの酸素濃度調整室の酸素濃度を調整する調整用ポンプセルと、
低酸素雰囲気の前記被測定ガスが前記酸素濃度調整室に到達しないように、前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の上流側に設けられた予備室に酸素を汲み入れる予備ポンプセルと、
前記被測定ガス流通部のうちの前記酸素濃度調整室の下流側に設けられた測定室の内周面上に配設された測定電極と、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガス中の特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスが導入される基準電極と、
前記基準電極と前記測定電極との間の測定用電圧を検出する測定用電圧検出手段と、
前記測定用電圧に基づいて、前記特定ガスに由来して前記測定室で発生する酸素に応じた検出値を取得し、該検出値に基づいて前記被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出手段と、
を備えたものである。
【０００８】
このガスセンサでは、被測定ガス流通部内に導入された被測定ガスの酸素濃度が酸素濃度調整室で調整用ポンプセルによって調整され、調整後の被測定ガスが測定室に到達する。そして、このガスセンサは、測定用電圧に基づいて、特定ガスに由来して測定室で発生する酸素に応じた検出値を取得し、取得した検出値に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。また、低酸素雰囲気の被測定ガスが酸素濃度調整室に到達しないように、予備ポンプセルが酸素濃度調整室の上流側に設けられた予備室に酸素を汲み入れる。このように、本発明のガスセンサでは、酸素濃度の調整前に予備ポンプセルが被測定ガスに酸素を供給するため、被測定ガス流通部に導入される前の被測定ガスが低酸素雰囲気であったとしても、酸素濃度調整室に導入される被測定ガスは低酸素雰囲気になりにくい。したがって、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合に生じる測定精度の低下を抑制することができる。
【０００９】
ここで、前記特定ガスが酸化物の場合には、「前記特定ガスに由来して前記測定室で発生する酸素」は、前記特定ガスそのものを前記測定室で還元したときに発生する酸素としてもよい。前記特定ガスが非酸化物の場合には、「前記特定ガスに由来して前記測定室で発生する酸素」は、前記特定ガスを酸化物に変換した後のガスを前記測定室で還元したときに発生する酸素としてもよい。また、前記特定ガス濃度検出手段は、前記測定用電圧に基づいて、前記測定室内の酸素濃度が所定の低濃度になるように前記特定ガスに由来して前記測定室で発生する酸素を前記測定室から外へ汲み出し、該汲み出しを行ったときに流れる測定用ポンプ電流を、前記検出値として取得してもよい。前記素子本体は、積層された酸素イオン伝導性の複数の固体電解質層を有する積層体であってもよい。
【００１０】
本発明のガスセンサは、前記予備ポンプセルを一定の予備ポンプ電流が流れるように該予備ポンプセルを制御する予備ポンプ制御手段を備えていてもよい。こうすれば、比較的簡単な制御によって、予備室内で低酸素雰囲気の被測定ガスに酸素を供給することができる。
【００１１】
本発明のガスセンサは、前記検出値と前記特定ガス濃度との関係式に関する情報を記憶する記憶手段、を備え、前記特定ガス濃度検出手段は、前記素子本体の外部の被測定ガスが低酸素雰囲気であるか否かに関わらず、前記記憶手段に記憶された同じ関係式を用いて前記特定ガス濃度を検出してもよい。このように、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合とそうでない場合とで異なる関係式を用いなくとも、本発明のガスセンサは精度良く特定ガス濃度を検出できる。そのため、このガスセンサは特定ガス濃度を容易に且つ精度良く検出できる。
【００１２】
本発明のガスセンサにおいて、前記特定ガス濃度検出手段は、前記素子本体の外部の前記被測定ガスの酸素濃度に基づいて補正した前記特定ガス濃度を検出してもよい。ここで、被測定ガスに含まれる特定ガスの実際の濃度（実濃度）が同じであっても、素子本体の外部の被測定ガスの酸素濃度に応じて検出値が変化する場合があり、この場合は検出値に基づいて測定される特定ガス濃度も変化する。そこで、この酸素濃度に基づく補正を伴って特定ガス濃度を検出することで、特定ガス濃度の測定精度が向上する。「被測定ガスの酸素濃度に基づいて補正した前記特定ガス濃度を検出する」は、酸素濃度に基づく補正後の前記検出値に基づいて前記特定ガス濃度を検出する場合と、前記検出値に基づいて前記特定ガス濃度を検出する際に酸素濃度に基づく補正を行って補正後の前記特定ガス濃度を検出する場合と、を含む。
【００１３】
この場合において、本発明のガスセンサは、前記予備ポンプセルを一定の予備ポンプ電流が流れるように該予備ポンプセルを制御する予備ポンプ制御手段と、前記一定の予備ポンプ電流と、前記酸素濃度調整室の酸素濃度が目標濃度となるように前記調整用ポンプセルが該酸素濃度調整室の酸素の汲み出しを行うときに流れる調整用ポンプ電流と、該目標濃度と、に基づいて、前記素子本体の外部の前記被測定ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段と、を備え、前記特定ガス濃度検出手段は、前記酸素濃度検出手段に検出された酸素濃度を用いて前記補正を行ってもよい。ここで、予備ポンプセルに流れる一定の予備ポンプ電流は、被測定ガス流通部内に予備ポンプセルが汲み入れた酸素の流量に対応する。また、調整用ポンプ電流は、酸素濃度調整室から汲み出した酸素の流量に対応する。したがって、これらの電流と目標濃度とに基づいて、素子本体の外部の被測定ガスの酸素濃度を検出することができる。すなわち、補正に必要な酸素濃度を本発明のガスセンサが検出できる。
【００１４】
本発明のガスセンサは、前記素子本体の外側の前記被測定ガスに晒される部分に配設された被測定ガス側電極、を備え、前記予備ポンプセルは、前記被測定ガス側電極の周囲から前記予備室に酸素を汲み入れてもよい。こうすれば、例えば基準電極の周囲から予備室に酸素を汲み入れる場合と比較して、汲み入れ時の電流による電圧降下で基準電極の電位が変化することによる測定精度の低下を抑制できる。
【００１５】
本発明のガスセンサにおいて、前記被測定ガスは、内燃機関の排ガスであり、前記基準ガスは大気であり、前記予備ポンプセルは、前記基準電極の周囲から前記予備室に酸素を汲み入れてもよい。こうすれば、大気は排ガスと比べて酸素濃度が高いため、例えば素子本体の外部の排ガスから酸素を汲み入れる場合と比較して、低い印加電圧で予備室に酸素を汲み入れることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ガスセンサ１００の断面模式図。
【図２】制御装置９０と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図。
【図３】被測定ガス中の酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフ。
【図４】被測定ガス中の酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフ。
【図５】図４のうち酸素濃度１０体積％以下の領域を拡大したグラフ。
【図６】目標値Ｉｐ０ｓ＊を０ｍＡとした場合のポンプ電流の時間変化のグラフ。
【図７】目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡとした場合のポンプ電流の時間変化のグラフ。
【図８】センサ素子２０１の断面模式図。
【図９】被測定ガスのＡ／Ｆとポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフ。
【図１０】目標値Ｉｐ０ｓ＊を０ｍＡとした場合の感度変化率の時間変化のグラフ。
【図１１】目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡとした場合の感度変化率の時間変化のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態であるガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図２は、制御装置９０と各セルとの電気的な接続関係を示すブロック図である。このガスセンサ１００は、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられている。ガスセンサ１００は、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中のＮＯｘやアンモニアなどの特定ガスの濃度を検出する。本実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を測定するものとした。ガスセンサ１００は、長尺な直方体形状をしたセンサ素子１０１と、センサ素子１０１の一部を含んで構成される各セル１５，２１，４１，５０，８０〜８３と、ガスセンサ１００全体を制御する制御装置９０と、を備えている。
【００１８】
センサ素子１０１は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ2）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された積層体を有する素子である。また、これら６つの層を形成する固体電解質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１０１は、例えば、各層に対応するセラミックスグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。
【００１９】
センサ素子１０１の先端部側（図１の左端部側）であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０と、第４拡散律速部６０と、第３内部空所６１とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。
【００２０】
ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０と、第３内部空所６１とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１０１内部の空間である。
【００２１】
第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。また、第４拡散律速部６０は、第２固体電解質層６の下面との隙間として形成された１本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第３内部空所６１に至る部位を被測定ガス流通部とも称する。
【００２２】
また、被測定ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。
【００２３】
大気導入層４８は、多孔質セラミックスからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。
【００２４】
基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内，第２内部空所４０内，及び第３内部空所６１内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。基準電極４２は、多孔質サーメット電極（例えば、ＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。
【００２５】
被測定ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１を通じて導入された被測定ガスに酸素を汲み入れるための空間（予備室）としての役割も果たす。緩衝空間１２への酸素の汲み入れは、予備ポンプセル１５が作動することによって行われる。第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。被測定ガスが、センサ素子１０１外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１０１内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空所２０へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。
【００２６】
予備ポンプセル１５は、緩衝空間１２に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた予備ポンプ電極１６と、センサ素子１０１の外側の被測定ガスに晒される部分に配設された外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６と、を備えた電気化学的ポンプセルである。予備ポンプ電極１６は、被測定ガス流通部内の複数の電極のうち最も上流側に配設された電極である。予備ポンプ電極１６と外側ポンプ電極２３との間に配設された可変電源１７が印加するポンプ電圧Ｖｐ０ｓによって、予備ポンプ電極１６と外側ポンプ電極２３との間にポンプ電流Ｉｐ０ｓを流すことにより、予備ポンプセル１５は外部空間の酸素を緩衝空間１２内に汲み入れることが可能である。
【００２７】
主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。
【００２８】
内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。
【００２９】
内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
【００３０】
主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。
【００３１】
また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。
【００３２】
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるように可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。
【００３３】
第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。
【００３４】
第２内部空所４０は、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整を行うための空間として設けられている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。
【００３５】
補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１０１の外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。
【００３６】
係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた材料を用いて形成される。
【００３７】
補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。
【００３８】
また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。
【００３９】
なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。
【００４０】
また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。
【００４１】
第４拡散律速部６０は、第２内部空所４０で補助ポンプセル５０の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第３内部空所６１に導く部位である。第４拡散律速部６０は、第３内部空所６１に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。
【００４２】
第３内部空所６１は、あらかじめ第２内部空所４０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第４拡散律速部６０を通じて導入された被測定ガスに対して、被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、第３内部空所６１において、測定用ポンプセル４１の動作により行われる。
【００４３】
測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第３内部空所６１に面する第１固体電解質層４の上面に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。測定電極４４は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、内側ポンプ電極２２よりも高めた材料にて構成された多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第３内部空所６１内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても機能する。
【００４４】
測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。
【００４５】
また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて可変電源４６が制御される。
【００４６】
第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部６０を通じて第３内部空所６１内の測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ2＋Ｏ2）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２が一定となるように可変電源４６の電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。
【００４７】
また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。
【００４８】
このような構成を有するガスセンサ１００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、被測定ガス中のＮＯｘの濃度に略比例して、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が測定用ポンプセル４１より汲み出されることによって流れるポンプ電流Ｉｐ２に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。
【００４９】
さらに、センサ素子１０１は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子１０１を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータコネクタ電極７１と、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４と、圧力放散孔７５とを備えている。
【００５０】
ヒータコネクタ電極７１は、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータコネクタ電極７１を外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。
【００５１】
ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータコネクタ電極７１と接続されており、該ヒータコネクタ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、センサ素子１０１を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。
【００５２】
また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第３内部空所６１の全域に渡って埋設されており、センサ素子１０１全体を上記固体電解質が活性化する温度に調整することが可能となっている。
【００５３】
ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２とヒータ７２との間の電気的絶縁性、および、第３基板層３とヒータ７２との間の電気的絶縁性を得る目的で形成されている。
【００５４】
圧力放散孔７５は、第３基板層３及び大気導入層４８を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で形成されてなる。
【００５５】
制御装置９０は、ＣＰＵ９２及びメモリ９４などを備えたマイクロプロセッサである。制御装置９０は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０にて検出される起電力Ｖ０、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出される起電力Ｖ２、センサセル８３にて検出される起電力Ｖｒｅｆ、予備ポンプセル１５にて検出されるポンプ電流Ｉｐ０ｓ、主ポンプセル２１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ０、補助ポンプセル５０にて検出されるポンプ電流Ｉｐ１及び測定用ポンプセル４１にて検出されるポンプ電流Ｉｐ２を入力する。また、制御装置９０は、予備ポンプセル１５の可変電源１７、主ポンプセル２１の可変電源２４、補助ポンプセル５０の可変電源５２及び測定用ポンプセル４１の可変電源４６へ制御信号を出力する。
【００５６】
制御装置９０は、予備ポンプセル１５のポンプ電流Ｉｐ０ｓが目標値Ｉｐ０ｓ＊となるように、可変電源１７の電圧Ｖｐ０ｓをフィードバック制御する。制御装置９０は、緩衝空間１２に酸素を汲み入れるように電圧Ｖｐ０ｓを制御し、緩衝空間１２から酸素を汲み出すように電圧Ｖｐ０ｓを制御することはない。また、本実施形態では、制御装置９０は、目標値Ｉｐ０ｓ＊が一定値として定められている。この目標値Ｉｐ０ｓ＊は、センサ素子１０１の外部の被測定ガスが低酸素雰囲気（例えば、酸素濃度が０．１体積％以下，０．２体積％未満，１体積％未満などの雰囲気）であっても、予備ポンプセル１５での酸素の汲み入れ後の被測定ガス（すなわち第１内部空所２０に導入される被測定ガス）が低酸素雰囲気にならないような値として定められている。ここで、被測定ガスの空燃比が理論空燃比より小さい場合つまりリッチ雰囲気の場合、被測定ガスには未燃の燃料が含まれているため、その燃料を過不足なく燃焼させるのに必要な酸素量から酸素濃度を求めることができる。この場合、酸素濃度はマイナスで表される。そのため、例えば、目標値Ｉｐ０ｓ＊は、以下のようにして定めておく。まず、ガスセンサ１００を使用する内燃機関の種々の運転状態における排ガスの酸素濃度の最低値（マイナスの値まで低下する場合を含む）を予め調べておく。そして、最低値の酸素濃度の被測定ガスを低酸素雰囲気より酸素濃度の高い状態（例えば酸素濃度が０．１体積％超過，０．２体積％以上，１体積％以上など）まで上昇させるために必要な酸素の量に基づいて、目標値Ｉｐ０ｓ＊を定める。目標値Ｉｐ０ｓ＊が一定値として定められているため、制御装置９０は、一定の流量の酸素が緩衝空間１２内に汲み入れられるように予備ポンプセル１５を制御する。目標値Ｉｐ０ｓ＊の値は、上記のように実験に基づいて適宜定めればよいが、例えば０．５ｍＡ以上３ｍＡ以下としてもよい。
【００５７】
制御装置９０は、起電力Ｖ０が目標値（目標値Ｖ０＊と称する）となるように（つまり第１内部空所２０の酸素濃度が一定の目標濃度となるように）可変電源２４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。そのため、ポンプ電流Ｉｐ０は被測定ガスに含まれる酸素濃度及び予備ポンプセル１５が汲み入れる酸素の流量に応じて変化する。
【００５８】
また、制御装置９０は、起電力Ｖ１が一定値（目標値Ｖ１＊と称する）となるように（つまり第２内部空所４０の酸素濃度がＮＯｘの測定に実質的に影響がない所定の低酸素濃度となるように）可変電源５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。これとともに、制御装置９０は、電圧Ｖｐ１によって流れるポンプ電流Ｉｐ１が一定値（目標値Ｉｐ１＊と称する）となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて起電力Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）する。これにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となる。また、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧が、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御される。
【００５９】
更に、制御装置９０は、起電力Ｖ２が一定値（目標値Ｖ２＊と称する）となるように（つまり第３内部空所６１内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）可変電源４６の電圧Ｖｐ２をフィードバック制御する。これにより、被測定ガス中のＮＯｘが第３内部空所６１で還元されることにより発生した酸素が実質的にゼロとなるように、第３内部空所６１内から酸素が汲み出される。そして、制御装置９０は、特定ガス（ここではＮＯｘ）に由来して第３内部空所６１で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ｉｐ２を取得し、このポンプ電流Ｉｐ２に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。
【００６０】
メモリ９４には、ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との関係式として、例えば一次関数の式が記憶されている。この関係式は、予め実験により求めておくことができる。
【００６１】
こうして構成されたガスセンサ１００の使用例を以下に説明する。制御装置９０のＣＰＵ９２は、上述した各ポンプセル１５，２１，４１，５０の制御や、上述した各センサセル８０〜８３からの各電圧Ｖ０，Ｖ１，Ｖ２，Ｖｒｅｆの取得を行っている状態とする。この状態で、被測定ガスがガス導入口１０から導入されると、被測定ガスは、まず、第１拡散律速部１１を通過した後に緩衝空間１２に導入され、緩衝空間１２で予備ポンプセル１５によって酸素が汲み入れられる。続いて、酸素が汲み入れられた後の被測定ガスが第１内部空所２０に到達する。次に、第１内部空所２０及び第２内部空所４０において被測定ガスの酸素濃度が主ポンプセル２１及び補助ポンプセル５０によって調整され、調整後の被測定ガスが第３内部空所６１に到達する。そして、ＣＰＵ９２は、取得したポンプ電流Ｉｐ２とメモリ９４に記憶された関係式とに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。
【００６２】
このように予備ポンプセル１５によって緩衝空間１２への酸素の汲み入れを行うのは、上述したように低酸素雰囲気の被測定ガスが第１内部空所２０に導入されるのを抑制するためである。このようなことを行う理由について説明する。本発明者らは、ガス導入口１０に導入される前の被測定ガスの酸素濃度と目標値Ｉｐ０ｓ＊の値とを種々変化させたときの、ポンプ電流Ｉｐ０及びポンプ電流Ｉｐ２を調査した。被測定ガスは、モデルガスを調整して用いた。モデルガスは、ベースガスとして窒素、特定ガス成分として５００ｐｐｍのＮＯ、燃料ガスとして１０００ｐｐｍの一酸化炭素ガス及び１０００ｐｐｍのエチレンガスを用い、水分濃度が５体積％、酸素濃度が０．００５〜２０体積％となるように調整した。モデルガスの温度は２５０℃とし、直径２０ｍｍの配管内を流量５０Ｌ／ｍｉｎで流通させた。
【００６３】
図３は、目標値Ｉｐ０ｓ＊を０ｍＡ，１ｍＡ，２ｍＡとした場合の各々における、被測定ガス中の酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ０との関係を示すグラフである。図３の左側のグラフは、図３の右側のグラフの破線で囲んだ部分の拡大図（但し横軸は対数表記）である。図４は、図３と同じ場合の各々における、被測定ガス中の酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を示すグラフである。図５は、図４のうち酸素濃度１０体積％以下の領域を拡大したグラフであり、横軸は対数で表している。横軸の酸素濃度は、調整したモデルガスの酸素濃度、すなわちセンサ素子１０１の外部での被測定ガスの酸素濃度である。また、図５の横軸には、モデルガスのＡ／Ｆも括弧書きで併記した。Ａ／Ｆは、ＨＯＲＩＢＡ社製のＭＥＸＡ−７３０λを用いて測定した値である。
【００６４】
図４，５からわかるように、モデルガスの酸素濃度が１体積％以上の場合は、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡ，１ｍＡ，２ｍＡのいずれの場合も、同じ酸素濃度に対応するポンプ電流Ｉｐ２の値はほぼ同じであった。これに対し、モデルガスの酸素濃度が０．１体積％以下の場合は、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡすなわち予備ポンプセル１５による酸素の汲み入れを全く行わなかった場合のポンプ電流Ｉｐ２が、予備ポンプセル１５による酸素の汲み入れを行った場合のポンプ電流Ｉｐ２とべて小さい値になっていた。すなわちＮＯｘ濃度に対するポンプ電流Ｉｐ２の感度が低下していた。
【００６５】
図３では、モデルガスの酸素濃度が同じ値でも、目標値Ｉｐ０ｓ＊が大きいほどポンプ電流Ｉｐ０が大きくなることが確認された。ただし、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合のポンプ電流Ｉｐ０と比較したポンプ電流Ｉｐ０の上昇量は、目標値Ｉｐ０ｓ＊が１ｍＡの場合と２ｍＡの場合とで、２倍にはならなかった。すなわちポンプ電流Ｉｐ０の上昇量は目標値Ｉｐ０ｓ＊に正比例はしなかった。これは、目標値Ｉｐ０ｓ＊を大きくしても、緩衝空間１２に汲み入れられた酸素の一部がガス導入口１０から拡散によって外部に抜けてしまい、汲み入れられた酸素の全てが第１内部空所２０に到達するわけではないためと考えられる。また、図３ではＩｐ０ｓ＊が０ｍＡ且つモデルガスの酸素濃度が０．１体積％以下の場合（図３左側に示す、酸素濃度が０．００５体積％，０．０１体積％，０．１体積％の場合）のみポンプ電流Ｉｐ０が負の値になっており、ポンプ電流Ｉｐ０が負の値である場合にポンプ電流Ｉｐ２の感度が低下していることが図３〜５から確認された。ポンプ電流Ｉｐ０が負の値であるということは、主ポンプセル２１が第１内部空所２０からの酸素の汲み出しではなく第１内部空所２０への酸素の汲み入れをしている（第１内部空所２０の酸素分圧が目標値Ｖ０＊になるように酸素を汲み入れている）ことを意味する。すなわち、ポンプ電流Ｉｐ０が負の値であるということは、第１内部空所２０に導入される被測定ガスの酸素濃度が、目標値Ｖ０＊で表される酸素濃度よりも低いことを意味する。
【００６６】
以上の結果から、第１内部空所２０に導入される被測定ガスの酸素濃度が低い場合には、特定ガスの測定精度が低下することがわかる。これに対し、本実施形態のガスセンサ１００では、上述したように予備ポンプセル１５によって酸素が供給された後の被測定ガスが第１内部空所２０に導入されるため、図３に示すようにＩｐ０の値を大きくする（＝第１内部空所２０に導入される被測定ガスの酸素濃度を高める）ことができる。そのため、低酸素雰囲気の被測定ガスが第１内部空所２０に到達しにくく、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合に生じる測定精度の低下を抑制することができる。図３〜５の結果からは、酸素濃度が０．１体積％以下の被測定ガスが第１内部空所２０に到達しないように、すなわち第１内部空所２０に到達する被測定ガスの酸素濃度が０．１体積％超過となるように予備ポンプセル１５が緩衝空間１２に酸素を汲み入れれば、測定精度の低下を抑制できると考えられる。また、予備ポンプセル１５は、第１内部空所２０に到達する被測定ガスの酸素濃度が０．２体積％以上となるようにすることが好ましく、１体積％以上となるようにすることがより好ましいと考えられる。
【００６７】
予備ポンプセル１５による汲み入れを行わない場合において、被測定ガスが低酸素雰囲気であると測定精度が低下する理由は定かではないが、例えば以下のように考えられる。第１内部空所２０に低酸素雰囲気の被測定ガスが導入されると、内側ポンプ電極２２が触媒として作用し、第３内部空所６１に到達する前に第１内部空所２０内でＮＯｘの還元が生じてしまうことが考えられる。被測定ガスがリッチ雰囲気の場合には被測定ガス中に未燃成分として炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素などが存在することから、これらとＮＯｘとが反応してしまいＮＯｘが第１内部空所２０内でより還元されやすくなることも考えられる。例えばガソリンエンジンの場合は、被測定ガスが理論空燃比付近で推移することが多いため、被測定ガスが常に低酸素雰囲気の場合もある。そのような場合でも、本実施形態のガスセンサ１００では精度良く特定ガス濃度を検出できる。また、本実施形態では、ポンプ電流Ｉｐ１が一定値となるように目標値Ｖ０＊をフィードバック制御しているが、これも被測定ガスが低酸素雰囲気である場合の測定精度の低下に関係している可能性がある。例えば、第１内部空所２０に導入される被測定ガスの酸素濃度が一時的に低下した場合でも第２内部空所４０にその影響が出るまでには時間差が生じる。これにより、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて目標値Ｖ０＊が適切な値に変更されるまでに時間差が生じて、一時的に第１内部空所２０の酸素を汲み出し過ぎる現象が生じる可能性がある。そして、この現象によって第１内部空所２０内の酸素濃度が低くなり過ぎた場合には、第１内部空所２０内でＮＯｘの還元が生じてしまうことが考えられる。これに対し、本実施形態のガスセンサ１００では、予備ポンプセル１５によって酸素が供給されているため、上記のような被測定ガスの酸素濃度の一時的な低下が生じたとしても、ＮＯｘが第１内部空所２０で還元されるほどには第１内部空所２０内の酸素濃度が低くならず、測定精度の低下が抑制されると考えられる。
【００６８】
また、本実施形態のガスセンサ１００では、被測定ガスの雰囲気がリッチ雰囲気とリーン雰囲気との間で急変した時に生じるポンプ電流Ｉｐ１及びポンプ電流Ｉｐ２のスパイクノイズを抑制することもできる。本発明者らは、ガス導入口１０に導入される被測定ガスをリッチ雰囲気からリーン雰囲気に急変させたときの、ポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２の挙動を調査した。被測定ガスは、モデルガスを調整して用いた。モデルガスは、酸素濃度を０．０５体積％としたリッチ雰囲気のガスと、酸素濃度を０．６５体積％としたリーン雰囲気のガスとを用意し、リッチ雰囲気のガスを配管内に流し始めてから３０秒経過後にリーン雰囲気のガスに切り替えを行った。モデルガスの酸素濃度以外の条件は、図３〜５の測定に用いたモデルガスと同じとした。なお、上記の通りモデルガスには燃料ガス（１０００ｐｐｍの一酸化炭素ガス及び１０００ｐｐｍのエチレンガス）が含まれているため、酸素濃度が０．０５体積％のモデルガスはリッチ雰囲気となる。図６は、目標値Ｉｐ０ｓ＊を０ｍＡとした場合のポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２の時間変化のグラフである。図７は、目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡとした場合のポンプ電流Ｉｐ０，Ｉｐ１，Ｉｐ２の時間変化のグラフである。
【００６９】
図６，７から分かるように、目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡとした場合（図７）では、図６と異なり被測定ガスがリッチ雰囲気である時間帯（経過時間が０〜３０秒）であってもポンプ電流Ｉｐ０が負の値にならず、常に正の値であった。また、図７では、図６と比べて、リッチ雰囲気からリーン雰囲気に切り替わった際のポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２のスパイクノイズが低減されていた。これは、ポンプ電流Ｉｐ０の正負が切り替わる際に、ポンプ電流Ｉｐ１，Ｉｐ２のスパイクノイズが生じやすいためであると考えられる。例えばガソリンエンジンの場合は、被測定ガスが理論空燃比付近で推移することが多いため、予備ポンプセル１５が緩衝空間１２に酸素を汲み入れない場合にはポンプ電流Ｉｐ０の正負の切り替えが頻繁に生じて、スパイクノイズが頻繁に生じる可能性がある。本実施形態のガスセンサ１００では、そのようなポンプ電流Ｉｐ０の正負の切り替えの発生を抑制できる。
【００７０】
ここで、本実施形態の構成要素と本発明の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の第１基板層１と第２基板層２と第３基板層３と第１固体電解質層４とスペーサ層５と第２固体電解質層６との６つの層がこの順に積層された積層体が本発明の素子本体に相当し、緩衝空間１２が予備室に相当し、予備ポンプセル１５が予備ポンプセルに相当し、第１内部空所２０が酸素濃度調整室に相当し、主ポンプセル２１が調整用ポンプセルに相当し、第３内部空所６１が測定室に相当し、測定電極４４が測定電極に相当し、基準電極４２が基準電極に相当し、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が測定用電圧検出手段に相当し、ポンプ電流Ｉｐ２が検出値に相当し、制御装置９０のＣＰＵ９２が特定ガス濃度検出手段に相当する。また、ポンプ電流Ｉｐ０ｓが予備ポンプ電流に相当し、ＣＰＵ９２が予備ポンプ制御手段に相当し、メモリ９４が記憶手段に相当し、ポンプ電流Ｉｐ０が調整用ポンプ電流に相当し、ＣＰＵ９２が酸素濃度検出手段に相当し、外側ポンプ電極２３が被測定ガス側電極に相当する。
【００７１】
以上説明した本実施形態のガスセンサ１００によれば、主ポンプセル２１による酸素濃度の調整前に予備ポンプセル１５が被測定ガスに酸素を供給するため、被測定ガス流通部に導入される前の被測定ガスが低酸素雰囲気であったとしても、第１内部空所２０に導入される被測定ガスは低酸素雰囲気になりにくい。したがって、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合に生じる測定精度の低下を抑制することができる。
【００７２】
また、ＣＰＵ９２は一定の予備ポンプ電流（目標値Ｉｐ０ｓ＊）が流れるように予備ポンプセル１５を制御するから、比較的簡単な制御によって、緩衝空間１２内で低酸素雰囲気の被測定ガスに酸素を供給することができる。
【００７３】
さらに、ＣＰＵ９２は、素子本体の外部の被測定ガスが低酸素雰囲気であるか否かに関わらず、メモリ９４に記憶された同じ関係式を用いて特定ガス濃度を検出する。本実施形態のガスセンサ１００は、図４，５を用いて説明したように、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合でもポンプ電流Ｉｐ２の感度の低下が生じにくい。そのため、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合とそうでない場合とで異なる関係式を用いなくとも、ガスセンサ１００は精度良く特定ガス濃度を検出できる。そのため、ガスセンサ１００は特定ガス濃度を容易に且つ精度良く検出できる。
【００７４】
さらにまた、予備ポンプセル１５は、外側ポンプ電極２３の周囲から緩衝空間１２に酸素を汲み入れる。こうすれば、例えば基準電極４２の周囲から緩衝空間１２に酸素を汲み入れる場合と比較して、汲み入れ時の電流による電圧降下で基準電極４２の電位が変化することによる測定精度の低下を抑制できる。
【００７５】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００７６】
例えば、上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ２と、メモリ９４に記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との関係式と、に基づいて特定ガス濃度を検出したが、これに限られない。例えば、ＣＰＵ９２は、センサ素子１０１の外部の被測定ガスの酸素濃度に基づいて補正した特定ガス濃度を検出してもよい。例えば、図５における目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡ，２ｍＡにしたデータでは、被測定ガスの酸素濃度が常に５％以下の場合には酸素濃度が変化しても特定ガスの実際の濃度（実濃度）が同じであればポンプ電流Ｉｐ２の値はあまり変化しない（図５参照）。一方、被測定ガスの酸素濃度がより大きい範囲で変動しうる場合には、図４に示すように酸素濃度に応じてポンプ電流Ｉｐ２が変化する場合がある。このように酸素濃度に応じたポンプ電流Ｉｐ２の変化が比較的大きい場合には、ＣＰＵ９２が、この酸素濃度に基づく補正を伴って特定ガス濃度を検出することで、特定ガス濃度の測定精度が向上する。例えば、図４における目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡ，２ｍＡにしたデータでは、特定ガス濃度が同じ場合には、酸素濃度に応じてポンプ電流Ｉｐ２が線形的に変化するため、酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を一次関数で近似できる。そこで、ＣＰＵ９２は、この一次関数の式（補正用関係式）を用いて、測定用ポンプセル４１から取得したポンプ電流Ｉｐ２から酸素濃度の影響を除いた補正後ポンプ電流を導出し、この補正後ポンプ電流と上述した実施形態でメモリ９４に記憶された関係式とに基づいて、特定ガス濃度を検出してもよい。この場合、メモリ９４が補正用関係式も記憶していてもよい。あるいは、上述した実施形態でメモリ９４に記憶されていた関係式の代わりに、補正用関係式を加味した関係式、すなわちポンプ電流Ｉｐ２と特定ガス濃度とセンサ素子１０１の外部の被測定ガスの酸素濃度との関係式を記憶しておき、ＣＰＵ９２はこの関係式を用いて補正後の特定ガス濃度を検出してもよい。これらの補正用関係式及び補正用関係式を加味した関係式についても、上述した実施形態でメモリ９４に記憶された関係式と同様に、センサ素子１０１の外部の被測定ガスが低酸素雰囲気であるか否かに関わらず同じ式を用いて精度良く特定ガス濃度を検出できる。
【００７７】
上記のようにＣＰＵ９２が補正を行う場合、センサ素子１０１の外部の被測定ガスの酸素濃度をＣＰＵ９２が検出してもよい。ここで、一定のポンプ電流Ｉｐ０ｓ（すなわち目標値Ｉｐ０ｓ＊）は、緩衝空間１２内に予備ポンプセル１５が汲み入れた酸素の流量に対応する。また、ポンプ電流Ｉｐ０は、第１内部空所２０から汲み出した酸素の流量に対応する。したがって、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐ０ｓ及びポンプ電流Ｉｐ０と第１内部空所２０内の酸素濃度の目標濃度とに基づいて、予備ポンプセル１５による酸素の汲み入れ及び第１内部空所２０による酸素の汲み出しが行われる前の被測定ガスの酸素濃度、すなわちセンサ素子１０１の外部の被測定ガスの酸素濃度を検出することができる。これにより、補正に必要な酸素濃度をガスセンサ１００が検出できる。他に、ＣＰＵ９２は、例えば基準電極４２と外側ポンプ電極２３との間の電圧Ｖｒｅｆに基づいてセンサ素子１０１の外部の被測定ガスの酸素濃度を検出することもできる。あるいは、ＣＰＵ９２は、他のセンサやエンジンＥＣＵなどガスセンサ１００以外の装置からセンサ素子１０１の外部の被測定ガスの酸素濃度を取得して、補正に用いてもよい。
【００７８】
上述した実施形態では、予備ポンプセル１５は外側ポンプ電極２３の周囲から緩衝空間１２に酸素を汲み入れたが、これに限らず例えば基準電極４２の周囲から緩衝空間１２に酸素を汲み入れてもよい。こうすれば、基準ガス（ここでは大気）は被測定ガスと比べて酸素濃度が高いため、例えば外部の被測定ガスから酸素を汲み入れる場合と比較して、低い印加電圧で緩衝空間１２に酸素を汲み入れることができる。これに対し、外側ポンプ電極２３から緩衝空間１２に酸素を汲み入れる場合には、特に外側ポンプ電極２３の周囲が低酸素雰囲気であると被測定ガス中の一酸化炭素又は水などを還元させて酸素イオンを生じさせる必要があるため、可変電源１７の電圧Ｖｐ０ｓを比較的高くする必要がある。
【００７９】
上述した実施形態では、緩衝空間１２と第１内部空所２０との間に第２拡散律速部１３が存在したが、これに限られない。例えば、第２拡散律速部１３を省略して、緩衝空間１２と第１内部空所２０とが１つの空間として構成されていてもよい。
【００８０】
上述した実施形態では、ガスセンサ１００は特定ガス濃度としてＮＯｘ濃度を検出したが、これに限らず他の酸化物濃度を特定ガス濃度としてもよい。特定ガスが酸化物の場合には、上述した実施形態と同様に特定ガスそのものを第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、ＣＰＵ９２はこの酸素に応じた検出値を取得して特定ガス濃度を検出できる。また、特定ガスがアンモニアなどの非酸化物であってもよい。特定ガスが非酸化物の場合には、特定ガスを酸化物に変換（例えばアンモニアであればＮＯに変換）することで、変換後のガスが第３内部空所６１で還元したときに酸素が発生するから、ＣＰＵ９２はこの酸素に応じた検出値を取得して特定ガス濃度を検出できる。例えば予備ポンプ電極１６がアンモニアの酸化を促進する触媒機能を有する金属を含んでいれば、予備ポンプ電極１６の触媒機能により緩衝空間１２内で特定ガスを酸化物に変換することができる。内側ポンプ電極２２についても同様のことが可能である。アンモニアは酸化物としてＮＯに変換されるため、アンモニア濃度測定は、基本的にはＮＯｘ濃度測定と同じ原理によって行われる。
【００８１】
上述した実施形態では、ＣＰＵ９２は一定の予備ポンプ電流（目標値Ｉｐ０ｓ＊）が流れるように予備ポンプセル１５を制御したが、これに限られない。例えば、ＣＰＵ９２は、予備ポンプ電極１６と基準電極４２との間の電圧に基づいて検出される緩衝空間１２内の酸素濃度が目標値になるように、電圧Ｖｐ０ｓをフィードバック制御してもよい。あるいは、センサ素子１０１の外部の酸素濃度が低いほど多量の酸素を緩衝空間１２内に汲み入れるように電圧Ｖｐ０ｓを制御してもよい。この場合、ＣＰＵ９２は、センサ素子１０１の外部の酸素濃度を上述した手法で検出したりガスセンサ１００以外の装置から取得したりすればよい。また、ＣＰＵ９２は電圧Ｖｐ０ｓを一定に制御してもよい。
【００８２】
上述した実施形態では、内燃機関の種々の運転状態における最低値の酸素濃度の被測定ガスを低酸素雰囲気より酸素濃度の高い状態（例えば酸素濃度が０．１体積％超過，０．２体積％以上，１体積％以上など）まで上昇させるために必要な酸素の量に基づいて、目標値Ｉｐ０ｓ＊を定めたが、これに限られない。例えば、内燃機関の種々の運転状態における最低値の酸素濃度の被測定ガスがセンサ素子１０１の被測定ガス流通部に導入された場合でもポンプ電流Ｉｐ０が負にならないような値として、目標値Ｉｐ０ｓ＊を定めてもよい。すなわち、予備ポンプセル１５は、「ポンプ電流Ｉｐ０が負にならないように」することで、「低酸素雰囲気の被測定ガスが第１内部空所２０に到達しないように」してもよい。いずれにしても、予備ポンプセル１５が緩衝空間１２に汲み入れる酸素の量は、被測定ガスの成分の取り得る変動範囲に応じて、その変動範囲の中で測定精度の低下を抑制できるように（例えば図４，５で示したＮＯｘ濃度に対するポンプ電流Ｉｐ２の感度が低下する状態が生じにくくなるように）、実験により定めることができる。
【００８３】
上述した実施形態では、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１は第１内部空所２０，第２内部空所４０，第３内部空所６１を備えるものとしたが、これに限られない。例えば、図８のセンサ素子２０１のように、第３内部空所６１を備えないものとしてもよい。図８に示した変形例のセンサ素子２０１では、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。また、測定電極４４は、第２内部空所４０内の第１固体電解質層４の上面に配設されている。測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）などのセラミックス多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、上述した実施形態の第４拡散律速部６０と同様に、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担う。また、第４拡散律速部４５は、測定電極４４の保護膜としても機能する。補助ポンプ電極５１の天井電極部５１ａは、測定電極４４の直上まで形成されている。このような構成のセンサ素子２０１であっても、上述した実施形態と同様に例えばポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出できる。この場合、測定電極４４の周囲が測定室として機能することになる。
【００８４】
上述した実施形態では、外側ポンプ電極２３は、予備ポンプセル１５の被測定ガス側電極（外側予備ポンプ電極），主ポンプセル２１の外側主ポンプ電極，補助ポンプセル５０の外側補助ポンプ電極，及び測定用ポンプセル４１の外側測定電極を兼ねていたが、これに限られない。外側予備ポンプ電極，外側主ポンプ電極，外側補助ポンプ電極，及び外側測定電極のうちのいずれか１以上を、外側ポンプ電極２３とは別に素子本体の外側に被測定ガスと接触するように設けてもよい。
【００８５】
上述した実施形態では、センサ素子１０１の素子本体は複数の固体電解質層（層１〜６）を有する積層体としたが、これに限られない。センサ素子１０１の素子本体は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を少なくとも１つ含み、且つ被測定ガス流通部が内部に設けられていればよい。例えば、図１において第２固体電解質層６以外の層１〜５は固体電解質層以外の材質からなる層（例えばアルミナからなる層）としてもよい。この場合、センサ素子１０１が有する各電極は第２固体電解質層６に配設されるようにすればよい。例えば、図１の測定電極４４は第２固体電解質層６の下面に配設すればよい。また、基準ガス導入空間４３を第１固体電解質層４の代わりにスペーサ層５に設け、大気導入層４８を第１固体電解質層４と第３基板層３との間に設ける代わりに第２固体電解質層６とスペーサ層５との間に設け、基準電極４２を第３内部空所６１よりも後方且つ第２固体電解質層６の下面に設ければよい。
【００８６】
上述した実施形態では、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて起電力Ｖ０の目標値Ｖ０＊を設定（フィードバック制御）し、起電力Ｖ０が目標値Ｖ０＊となるようにポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御したが、他の制御を行ってもよい。例えば、制御装置９０は、ポンプ電流Ｉｐ１が目標値Ｉｐ１＊となるように、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいてポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御してもよい。すなわち、制御装置９０は、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０からの起電力Ｖ０の取得や目標値Ｖ０＊の設定を省略して、ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて直接的にポンプ電圧Ｖｐ０を制御（ひいてはポンプ電流Ｉｐ０を制御）してもよい。
【００８７】
上述した実施形態では、内側ポンプ電極２２は、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極としたが、これに限られない。内側ポンプ電極２２は、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄの少なくともいずれか）と、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属（例えばＡｕ）と、を含んでいればよい。補助ポンプ電極５１及び予備ポンプ電極１６についても、それぞれ、内側ポンプ電極２２と同様に、触媒活性を有する貴金属と、触媒活性を有する貴金属の特定ガスに対する触媒活性を抑制させる触媒活性抑制能を有する貴金属と、を含んでいればよい。外側ポンプ電極２３，基準電極４２，測定電極４４は、それぞれ、上述した触媒活性を有する貴金属を含んでいればよい。各電極１６，２２，２３，４２，４４，５１は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物（例えばＺｒＯ2）とを含むサーメットであることが好ましいが、これらの電極の１以上がサーメットでなくてもよい。各電極１６，２２，２３，４２，４４，５１は、それぞれ、多孔質体であることが好ましいが、これらの電極の１以上が多孔質体でなくてもよい。
【００８８】
上述した「内燃機関の種々の運転状態における最低値の酸素濃度」は、例えば−１１体積％（ガソリンエンジンのＡ／Ｆで表すと値１１）としてもよい。例えば、上述した実施形態で説明した方法で目標値Ｉｐ０ｓ＊を定めておく際には、緩衝空間１２に酸素濃度が−１１体積％の被測定ガスが流入した場合にその被測定ガスの酸素濃度を低酸素雰囲気より酸素濃度の高い状態（０．１体積％超過，好ましくは０．２体積％以上，より好ましくは１体積％以上）まで上昇させるために必要な酸素の量に基づいて、目標値Ｉｐ０ｓ＊が定められていてもよい。同様に、上述した変形例で説明した、「ＣＰＵ９２は電圧Ｖｐ０ｓを一定に制御」する場合には、電圧Ｖｐ０ｓが一定値に制御されている状態で流れるポンプ電流Ｉｐ０ｓが、緩衝空間１２内で−１１体積％の酸素濃度の被測定ガスを低酸素雰囲気より酸素濃度の高い状態まで上昇させることができるように、電圧Ｖｐ０ｓの目標値（一定値）が設定されていてもよい。上述した変形例で説明した、「緩衝空間１２内の酸素濃度が目標値になるように、電圧Ｖｐ０ｓをフィードバック制御」する場合には、緩衝空間１２内の酸素濃度の目標値が低酸素雰囲気より酸素濃度の高い状態の値であってもよい。上述した変形例で説明した「センサ素子１０１の外部の酸素濃度が低いほど多量の酸素を緩衝空間１２内に汲み入れるように電圧Ｖｐ０ｓを制御」する場合には、緩衝空間１２に酸素濃度が−１１体積％の被測定ガスが流入した場合にその被測定ガスの酸素濃度を低酸素雰囲気より酸素濃度の高い状態まで上昇させることができるように、外部の酸素濃度と電圧Ｖｐ０ｓの目標値との対応関係が予め定められており、その対応関係に基づいてＣＰＵ９２が電圧Ｖｐ０ｓを制御すればよい。これらのように、予備ポンプセル１５は、−１１体積％の酸素濃度の被測定ガスが緩衝空間１２に流入してきた場合でも、低酸素雰囲気の被測定ガスが第１内部空所２０に到達しないように、緩衝空間１２に酸素を汲み入れてもよい。また、そのような酸素の汲み入れが行われるように、ＣＰＵ９２は予備ポンプセル１５を制御してもよい。
【００８９】
ここで、予備ポンプ電極１６は、触媒活性を有する貴金属を含んでいるから、被測定ガスが低酸素雰囲気であり且つ予備ポンプセル１５が汲み入れる酸素の量が少なすぎる場合には、予備ポンプ電極１６が特定ガスを還元させてしまう場合もある。また、予備ポンプ電極１６の触媒活性は、理論空燃比（酸素濃度が０体積％，Ａ／Ｆ＝１４．７）付近で最も高くなる場合がある。この場合は、緩衝空間１２に流入してきた被測定ガスの酸素濃度が−１１体積％のときよりも理論空燃比付近のときの方が、予備ポンプ電極１６が特定ガスをより多く還元してしまうことも考えられる（後述する図９も参照）。そのため、予備ポンプセル１５は、−１１体積％以上０．１体積％以下のいずれの酸素濃度の被測定ガスが緩衝空間１２に流入してきた場合でも、第１内部空所２０に到達する被測定ガスの酸素濃度が０．１体積％を超えるように、緩衝空間１２に酸素を汲み入れることが好ましい。予備ポンプセル１５は、−１１体積％以上０．２体積％未満のいずれの酸素濃度の被測定ガスが緩衝空間１２に流入してきた場合でも、第１内部空所２０に到達する被測定ガスの酸素濃度が０．２体積％以上となるように、緩衝空間１２に酸素を汲み入れることがより好ましい。予備ポンプセル１５は、−１１体積％以上１体積％未満のいずれの酸素濃度の被測定ガスが緩衝空間１２に流入してきた場合でも、第１内部空所２０に到達する被測定ガスの酸素濃度が１体積％以上となるように、緩衝空間１２に酸素を汲み入れることがさらに好ましい。また、これらのいずれかのような酸素の汲み入れが行われるように、ＣＰＵ９２が予備ポンプセル１５を制御することが好ましい。例えば、上述した実施形態で説明した方法で目標値Ｉｐ０ｓ＊を定めておく際には、緩衝空間１２に−１１体積％以上０．１体積％以下のいずれの酸素濃度の被測定ガスが流入した場合でも、その被測定ガスの酸素濃度を０．１体積％を超えるまで上昇させることができるような値として、目標値Ｉｐ０ｓ＊が定められていてもよい。上述した変形例で説明した、「ＣＰＵ９２は電圧Ｖｐ０ｓを一定に制御」する場合、「緩衝空間１２内の酸素濃度が目標値になるように、電圧Ｖｐ０ｓをフィードバック制御」する場合、及び「センサ素子１０１の外部の酸素濃度が低いほど多量の酸素を緩衝空間１２内に汲み入れるように電圧Ｖｐ０ｓを制御」する場合についても、同様である。
【００９０】
［強リッチ雰囲気におけるポンプ電流Ｉｐ２の調査］
上述した図４，５では、被測定ガスの酸素濃度が０体積％超過の範囲における、酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ２との関係を調査した。これに加えて、被測定ガスをさらにリッチ雰囲気とした場合（強リッチ雰囲気）について、被測定ガス中のＡ／Ｆとポンプ電流Ｉｐ２との関係を調査した。被測定ガスは、モデルガスを調整して用いた。モデルガスは、ベースガスとして窒素、特定ガス成分として５００ｐｐｍのＮＯ、燃料ガス（未燃成分）としてエチレンガスを用い、水分濃度が３体積％、酸素濃度が０体積％とした。そして、エチレンガスの濃度を変更することでモデルガスのＡ／Ｆを調整した。Ａ／Ｆは、ＨＯＲＩＢＡ社製のＭＥＸＡ−７３０λを用いて測定した。モデルガスの温度は２５０℃とし、直径２０ｍｍの配管内を流量１００Ｌ／ｍｉｎで流通させた。そして、図４，５と同様に、ガスセンサ１００において目標値Ｉｐ０ｓ＊を０ｍＡ，１ｍＡとした場合の、被測定ガスのＡ／Ｆとポンプ電流Ｉｐ２との関係を調べた。結果を図９に示す。
【００９１】
図９からわかるように、被測定ガスが理論空燃費又はリッチ雰囲気の場合、すなわちＡ／Ｆが１４．７以下の場合は、強リッチ雰囲気の場合も含めて、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡすなわち予備ポンプセル１５による酸素の汲み入れを全く行わなかった場合のポンプ電流Ｉｐ２が、予備ポンプセル１５による酸素の汲み入れを行った場合のポンプ電流Ｉｐ２とべて小さい値になっていた。すなわち目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合はＮＯｘ濃度に対するポンプ電流Ｉｐ２の感度が低下していた。この理由は以下のように考えられる。まず、予備ポンプ電極１６は、内側ポンプ電極２２と同様に例えばＡｕを１％含むＰｔとＺｒＯ2とのサーメット電極として形成されている。そして、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合は、緩衝空間１２及び第１内部空所２０に低酸素雰囲気の被測定ガスが導入されると、予備ポンプ電極１６及び内側ポンプ電極２２が触媒として作用して、第３内部空所６１に到達する前に緩衝空間１２内及び第１内部空所２０内でＮＯｘの還元が生じてしまうと考えられる。また、予備ポンプ電極１６及び内側ポンプ電極２２が、モデルガス中のエチレンガスとＮＯｘとを反応させる触媒として作用していることも考えられる。なお、予備ポンプ電極１６及び内側ポンプ電極２２はＮＯｘ及び炭化水素に対していわゆる三元触媒として機能し、その触媒活性は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）付近で高くなる。そのため、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合は、理論空燃比付近でのＮＯｘ濃度に対するポンプ電流Ｉｐ２の感度が最も低下しやすいと予想される。ただし、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合、低酸素雰囲気の被測定ガスが第１内部空所２０まで到達すると、主ポンプセル２１が第１内部空所２０に酸素を汲み入れるため、その分だけ、ＮＯｘ濃度に対するポンプ電流Ｉｐ２の感度が最も低下しやすい被測定ガスのＡ／Ｆはリッチ側にシフトすると考えられる。以上のことから、測定はしていないが、図９の一点鎖線に示すように、目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合は、被測定ガスが弱リッチ雰囲気のとき（Ａ／Ｆが１４．４付近）ではさらにポンプ電流Ｉｐ２が小さい値になることも予想される。
【００９２】
これに対し、目標値Ｉｐ０ｓ＊が１ｍＡの場合は、予備ポンプセル１５が酸素の汲み入れを行うことで緩衝空間１２の酸素濃度を高めることができるため、予備ポンプ電極１６によるＮＯｘの還元や炭化水素との反応が生じにくくなる。また、内側ポンプ電極２２によるＮＯｘの還元や炭化水素との反応はほとんど生じなくなる。そのため、図９において目標値Ｉｐ０ｓ＊が１ｍＡの場合は、被測定ガスが低酸素雰囲気である場合でも、ポンプ電流Ｉｐ２の低下が抑制されていると考えられる。
【００９３】
なお、上述した実施形態では、図５で目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合にポンプ電流Ｉｐ２が低下する理由として、内側ポンプ電極２２が触媒として作用していることを挙げた。しかし、上記の図９についての説明と同様、図５で目標値Ｉｐ０ｓ＊が０ｍＡの場合も、内側ポンプ電極２２だけでなく予備ポンプ電極１６が触媒として作用していることによっても、ポンプ電流Ｉｐ２が低下していると考えられる。
【００９４】
［ガスセンサの耐久性の調査］
ガスセンサ１００において目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡとした場合と０ｍＡとした場合とにおける耐久性を、以下のように調査した。まず、Ａ／Ｆ＝１２．６、１４．５、１６．６の３種類のモデルガスを用意した。このモデルガスは、上述した図９の測定で用いたモデルガスと同様の組成のモデルガスを用いて、エチレンガスの濃度を調整して得た。続いて、目標値Ｉｐ０ｓ＊を０ｍＡとしたガスセンサ１００を用意して、試験開始時（耐久時間＝０ｈ）の状態で、３種類のモデルガスを被測定ガスとしたときのポンプ電流Ｉｐ２をそれぞれ測定した。測定した各々の値を、感度変化率［％］の基準値とした。次に、１００時間の間、ガスセンサ１００を駆動させた状態（ＮＯｘ濃度の測定を行っている状態）で、ガスセンサ１００のセンサ素子１０１をガソリンエンジンの排ガスに暴露した。ガソリンエンジンは、Ｖ型８気筒、排気量４．６Ｌ、給気方式ＮＡ（自然吸気）のエンジンの片バンク使用とした。このエンジンをλ１運転（Ａ／Ｆが１４．３〜１５．１の範囲，排ガス温度が４００℃〜８００℃の範囲）でサイクル運転したときの排ガスに、センサ素子１０１を暴露した。そして、１００時間経過した（耐久時間＝１００ｈ）後、ガスセンサ１００を取り出して、試験開始時と同様に３種類のモデルガスを被測定ガスとしたときのポンプ電流Ｉｐ２をそれぞれ測定した。試験開始時のポンプ電流Ｉｐ２に対する、測定さしたポンプ電流Ｉｐ２の変化の割合を、耐久時間＝１００ｈでの感度変化率［％］として導出した。同様に、センサ素子１０１の１００時間の暴露と感度変化率の測定とを繰り返して、耐久時間＝５００ｈとなるまで感度変化率を測定した。目標値Ｉｐ０ｓ＊を１ｍＡとしたガスセンサ１００についても、同様に耐久時間＝５００ｈとなるまで感度変化率を測定した。結果を図１０，１１に示す。
【００９５】
図１１からわかるように、目標値Ｉｐ０ｓ＊＝１ｍＡとして予備ポンプセル１５が酸素の汲み入れを継続的に行っていた場合は、３種類のモデルガスのいずれに対しても、時間が経過しても感度変化率が０％付近を維持していた。すなわち、耐久試験後のガスセンサ１００のＮＯｘ濃度の検出精度の低下がほとんどみられなかった。これに対し、図１０からわかるように、目標値Ｉｐ０ｓ＊＝０ｍＡとして予備ポンプセル１５が酸素の汲み入れを行わなかった場合は、Ａ／Ｆ＝１６．６のモデルガスでは時間が経過しても感度変化率が０％付近を維持していたものの、リッチ雰囲気であるＡ／Ｆ＝１２．６及び１４．５のモデルガスでは時間の経過と共に感度変化率が０％から離れる傾向が確認された。特に、強リッチ雰囲気であるＡ／Ｆ＝１２．６のモデルガスでは、感度変化率が時間の経過と共に０％から大きく離れていき、最終的には絶対値の大きい負の値になった。この結果から、予備ポンプセル１５が酸素の汲み入れを行っていた場合の方が、特にリッチ雰囲気の被測定ガスに晒された場合のガスセンサ１００の耐久性が高いことが確認された。
【００９６】
この理由は定かではないが、例えば以下のように考えられる。まず、予備ポンプセル１５が酸素の汲み入れを行わない場合は、排ガス中の未燃成分（上記の試験ではエチレン）が測定電極４４に吸着することにより測定電極４４の活性点が減少することで、ガスセンサ１００におけるポンプ電流Ｉｐ２の感度が時間の経過と共に低下していくと考えられる。これに対し、予備ポンプセル１５が酸素の汲み入れを行う場合は、汲み入れられた酸素によって未燃成分が酸化して例えばＣＯ2及びＨ2Ｏに変化しやすいことから、測定電極４４に未燃成分が吸着しにくくなっていると考えられる。
【符号の説明】
【００９７】
１  第１基板層、２  第２基板層、３  第３基板層、４  第１固体電解質層、５  スペーサ層、６  第２固体電解質層、１０  ガス導入口、１１  第１拡散律速部、１２  緩衝空間、１３  第２拡散律速部、１５  予備ポンプセル、１６  予備ポンプ電極、１７  可変電源、２０  第１内部空所、２１  主ポンプセル、２２  内側ポンプ電極、２２ａ  天井電極部、２２ｂ  底部電極部、２３  外側ポンプ電極、２４  可変電源、３０  第３拡散律速部、４０  第２内部空所、４１  測定用ポンプセル、４２  基準電極、４３  基準ガス導入空間、４４  測定電極、４５  第４拡散律速部、４６  可変電源、４８  大気導入層、５０  補助ポンプセル、５１  補助ポンプ電極、５１ａ  天井電極部、５１ｂ  底部電極部、５２  可変電源、６０  第４拡散律速部、６１  第３内部空所、７０  ヒータ部、７１  ヒータコネクタ電極、７２  ヒータ、７３  スルーホール、７４  ヒータ絶縁層、７５  圧力放散孔、８０  主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８１  補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８２  測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、８３  センサセル、９０  制御装置、９２  ＣＰＵ、９４  メモリ、１００  ガスセンサ、１０１，２０１  センサ素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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