(57)【要約】【課題】試験用ガス中の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制する。【解決手段】ガスセンサ１００は、酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず特定ガスとベースガスとを含む試験用ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。ガスセンサ１００の制御装置は、ヒータ電流と、電圧測定用リード間のヒータ電圧と、に基づくヒータ７１の温度が目標温度になるように、通電用リードを介したヒータ部７０への通電を制御する。制御装置は、ポンプセル４１に制御電圧Ｖｐを印加して、測定電極４４の周囲の酸素濃度が実質的にゼロとなるように酸素を汲み出させる。制御装置は、ポンプ電流Ｉｐと起電力Ｖｅとの少なくとも一方に基づいて被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。制御装置は、ポンプ電流Ｉｐに基づく特定ガス濃度と起電力Ｖｅに基づく特定ガス濃度との相違に基づいて、検出された特定ガス濃度の異常の有無を判定する。【選択図】図１
2020153931.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず該特定ガスとベースガスとを含む試験用ガスを被測定ガスとして、該被測定ガス中の該特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有する素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第１外側電極と、前記素子本体の内部に配設され触媒活性を有する貴金属を含む測定電極と、を有するポンプセルと、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第２外側電極と、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように配設され触媒活性を有する貴金属を含む基準電極と、を有し、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素濃度、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度、に基づく起電力を生じる酸素濃淡電池セルと、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ前記測定電極まで流通させる被測定ガス流通部と、
前記素子本体に配設され、発熱部と、前記発熱部の両端に接続された一対の通電用リードと、前記発熱部の両端に前記通電用リードと並列に接続された一対の電圧測定用リードと、を有するヒータ部と、
前記発熱部に流れるヒータ電流と、前記一対の電圧測定用リード間のヒータ電圧と、に基づいて検出される前記発熱部の温度が目標温度になるように、前記一対の通電用リードを介した前記ヒータ部への通電を制御するヒータ制御手段と、
前記ポンプセルの前記第１外側電極と前記測定電極との間に一定の制御電圧を印加して、前記測定電極の周囲の酸素濃度が実質的にゼロとなるように、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素を、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素を、前記測定電極の周囲から前記第１外側電極の周囲に汲み出させるポンプセル制御手段と、
前記ポンプセルに流れるポンプ電流と、前記第２外側電極と前記基準電極との間に生じる前記酸素濃淡電池セルの前記起電力と、の少なくとも一方に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出手段と、
前記ポンプ電流に基づく前記特定ガス濃度と、前記起電力に基づく前記特定ガス濃度と、の相違に基づいて、前記特定ガス濃度検出手段に検出された前記特定ガス濃度の異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えたガスセンサ。
【請求項２】
前記第２外側電極は、前記第１外側電極よりも面積が小さい、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記第１外側電極及び前記第２外側電極は、前記素子本体のうち該第１，第２外側電極が配設された面に垂直な方向から見たときに、一方が凹部を有しており、他方の少なくとも一部が該凹部内に配置されている、
請求項１又は２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記基準電極は、前記素子本体の内部に配設されており、
前記素子本体は、前記基準ガスを導入して前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部を有している、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項５】
センサ素子を用いて、酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず該特定ガスとベースガスとを含む試験用ガスを被測定ガスとして、該被測定ガス中の該特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出方法であって、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有する素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第１外側電極と、前記素子本体の内部に配設され触媒活性を有する貴金属を含む測定電極と、を有するポンプセルと、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第２外側電極と、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように配設され触媒活性を有する貴金属を含む基準電極と、を有し、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素濃度、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度、に基づく起電力を生じる酸素濃淡電池セルと、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ前記測定電極まで流通させる被測定ガス流通部と、
前記素子本体に配設され、発熱部と、前記発熱部の両端に接続された一対の通電用リードと、前記発熱部の両端に前記通電用リードと並列に接続された一対の電圧測定用リードと、を有するヒータ部と、
を備え、
前記特定ガス濃度検出方法は、
前記発熱部に流れるヒータ電流と、前記一対の電圧測定用リード間のヒータ電圧と、に基づいて検出される前記発熱部の温度が目標温度になるように、前記一対の通電用リードを介した前記ヒータ部への通電を制御するヒータ制御ステップと、
前記ポンプセルの前記第１外側電極と前記測定電極との間に一定の制御電圧を印加して、前記測定電極の周囲の酸素濃度が実質的にゼロとなるように、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素を、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素を、前記測定電極の周囲から前記第１外側電極の周囲に汲み出させるポンプセル制御ステップと、
前記ヒータ制御ステップと、前記ポンプセル制御ステップとが行われている状態で、前記ポンプセルに流れるポンプ電流と、前記第２外側電極と前記基準電極との間に生じる前記酸素濃淡電池セルの前記起電力と、の少なくとも一方に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出ステップと、
前記ポンプ電流に基づく前記特定ガス濃度と、前記起電力に基づく前記特定ガス濃度と、の相違に基づいて、前記特定ガス濃度検出ステップで検出された前記特定ガス濃度の異常の有無を判定する異常判定ステップと、
を含む、
特定ガス濃度検出方法。
【請求項６】
被測定ガス中の特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有する素子本体と、
前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第１外側電極と、前記素子本体の内部に配設され触媒活性を有する貴金属を含む測定電極と、を有するポンプセルと、
前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第２外側電極と、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように配設され触媒活性を有する貴金属を含む基準電極と、を有し、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素濃度、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度、に基づく起電力を生じる酸素濃淡電池セルと、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ前記測定電極まで流通させる被測定ガス流通部と、
前記素子本体に配設され、発熱部と、前記発熱部の両端に接続された一対の通電用リードと、前記発熱部の両端に前記通電用リードと並列に接続された一対の電圧測定用リードと、を有するヒータ部と、
を備えたセンサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサ、特定ガス濃度検出方法及びセンサ素子に関する。
【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、主ポンプセル，補助ポンプセル及び測定用ポンプセルと、を備えたガスセンサが記載されている。積層体の内部には被測定ガス流通部が配設され、被測定ガス流通部には各ポンプセルの電極が配設されている。電極は、触媒活性を有する貴金属を含んでいる。このガスセンサがＮＯｘ濃度を検出する場合、まず、主ポンプセル及び補助ポンプセルによって被測定ガス流通部の酸素の汲み出し又は被測定ガス流通部への酸素の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。次に、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、還元によって発生した酸素を測定用ポンプセルによって汲み出す。このときに測定用ポンプセルに流れるポンプ電流に基づいて、被測定ガス中のＮＯｘの濃度が検出される。酸素濃度の調整は、複数のフィードバック制御を同時に行うことによって行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２００６４２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、ガスセンサの製造工程では、製造後にガスセンサの特定ガス濃度の検出の性能を検査する検査工程が行われる。この検査工程では、特定ガス濃度が既知であるガス（スパンガス）を用意して、製造されたガスセンサが正しく特定ガス濃度を検出できるか否かの試験を行う。スパンガスとしては、酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず特定ガスとベースガスとを含むガスが用いられる。このスパンガスを用意するためには、検査工程の前に予め試験用ガス中の特定ガス濃度を測定して特定ガス濃度が所望の値であることを確認し、確認できた試験用ガスをスパンガスとする必要がある。このように検査工程前の試験用ガス中の特定ガス濃度の測定を行うための測定機として、例えば特許文献１に記載されたような従来のガスセンサを用いることが考えられる。しかし、従来のガスセンサを用いて試験用ガス中の特定ガス濃度を測定すると、測定精度が低い場合があり、これにより特定ガス濃度が所望の値からずれたスパンガスを用意してしまう場合があった。
【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、試験用ガス中の特定ガス濃度の検出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、
酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず該特定ガスとベースガスとを含む試験用ガスを被測定ガスとして、該被測定ガス中の該特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出するガスセンサであって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有する素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第１外側電極と、前記素子本体の内部に配設され触媒活性を有する貴金属を含む測定電極と、を有するポンプセルと、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第２外側電極と、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように配設され触媒活性を有する貴金属を含む基準電極と、を有し、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素濃度、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度、に基づく起電力を生じる酸素濃淡電池セルと、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ前記測定電極まで流通させる被測定ガス流通部と、
前記素子本体に配設され、発熱部と、前記発熱部の両端に接続された一対の通電用リードと、前記発熱部の両端に前記通電用リードと並列に接続された一対の電圧測定用リードと、を有するヒータ部と、
前記発熱部に流れるヒータ電流と、前記一対の電圧測定用リード間のヒータ電圧と、に基づいて検出される前記発熱部の温度が目標温度になるように、前記一対の通電用リードを介した前記ヒータ部への通電を制御するヒータ制御手段と、
前記ポンプセルの前記第１外側電極と前記測定電極との間に一定の制御電圧を印加して、前記測定電極の周囲の酸素濃度が実質的にゼロとなるように、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素を、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素を、前記測定電極の周囲から前記第１外側電極の周囲に汲み出させるポンプセル制御手段と、
前記ポンプセルに流れるポンプ電流と、前記第２外側電極と前記基準電極との間に生じる前記酸素濃淡電池セルの前記起電力と、の少なくとも一方に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出手段と、
前記ポンプ電流に基づく前記特定ガス濃度と、前記起電力に基づく前記特定ガス濃度と、の相違に基づいて、前記特定ガス濃度検出手段に検出された前記特定ガス濃度の異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えたものである。
【０００８】
このガスセンサでは、ヒータ部が通電用リードとは別に電圧測定用リードを備えており、この電圧測定用リード間の電圧をヒータ電圧として測定する。そのため、電圧測定用リードには実質的には電流が流れない。したがって、通電用リード及び電圧測定用リードの抵抗値やヒータ部と素子本体の外部との接続部の接触抵抗の変化などが生じても、測定されるヒータ電圧はその影響を受けないから、ヒータ電圧を精度よく測定できる。これにより、ヒータ制御手段はヒータ電圧に基づく発熱部の温度調整を精度良く行うことができる。発熱部の温度調整の精度が低下すると、固体電解質層の酸素イオン伝導性が変化して特定ガス濃度の検出精度が低下する場合があるが、本発明のガスセンサでは発熱部の温度調整を精度良く行うことができるため、そのような検出精度の低下を抑制できる。
【０００９】
また、従来のガスセンサでは、内燃機関の排ガスなど、酸素とＮＯｘとの両方が含まれている被測定ガスを想定している。そのため、従来のガスセンサで被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためには、上述したように、まず被測定ガス中の酸素とＮＯｘとを分離（具体的には酸素の汲み出し）を行って、その後にＮＯｘを酸素に還元して生じた酸素を汲み出して、汲み出す時のポンプ電流に基づいてＮＯｘ濃度を検出している。そして、このように酸素濃度を調整するために、複数のフィードバック制御を同時に行っている。しかし、複数のフィードバック制御が同時に行われることで、フィードバック制御の一部にずれなどが生じて制御が不安定になると、最終的にポンプ電流がＮＯｘ濃度に対応する正しい値からずれてしまい、検出精度が低下する場合がある。また、使用に伴ってガスセンサの各電極の貴金属が酸化すると、酸化した貴金属が蒸発しやすくなって電極中の貴金属が減少しやすくなり、電極の触媒活性が変化していく場合がある。そして、電極の触媒活性が変化することによっても、最終的にポンプ電流がＮＯｘ濃度に対応する正しい値からずれてしまい、検出精度が低下する場合がある。これに対し、酸素とＮＯｘとの一方しか含まない試験用ガスを被測定ガスとして想定する場合は、上述した酸素とＮＯｘの分離を行う必要がない。このことを利用して、本発明のガスセンサでは、フィードバック制御を行わず、単に一定の制御電圧をポンプセルに印加してポンプ電流を流すようにしている。そのため、本発明のガスセンサでは、従来のガスセンサのようなフィードバック制御の不安定さに起因する検出精度の低下は生じない。また、ポンプ電流が限界電流となるように制御電圧を適切に定めておけば、ポンプ電流は被測定ガス流通部が付与する拡散抵抗及び特定ガス濃度に基づく値となり、使用に伴う電極の触媒活性の変化の影響は受けにくい。そのため、ポンプ電流は特定ガス濃度に精度良く対応した値になりやすい。
【００１０】
また、本発明のガスセンサは、ポンプセルだけでなく酸素濃淡電池セルも備えている。酸素濃淡電池セルで生じる起電力は、ポンプ電流と同様に特定ガス濃度に応じた値になり、しかもポンプセルとは異なり電流を流すわけではないため、第２外側電極は触媒活性の変化が生じにくい。そのため、酸素濃淡電池セルの起電力は特定ガス濃度に精度良く対応した値になりやすい。
【００１１】
そして、特定ガス濃度検出手段が、このように特定ガス濃度に精度良く対応するポンプ電流と起電力との少なくとも一方に基づいて特定ガス濃度を検出するから、本発明のガスセンサでは特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【００１２】
しかも、異常判定手段が、ポンプ電流に基づく特定ガス濃度と起電力に基づく特定ガス濃度という、２つの異なる方式で検出された特定ガス濃度の相違に基づいて、検出された特定ガス濃度の異常の有無を判定する。これにより、本発明のガスセンサは特定ガス濃度の検出精度を自己診断できる。したがって、検出精度の低下が仮に起きたとしても、検出精度が低下した状態で検出された特定ガス濃度を作業者が利用してしまうことを抑制できる。
【００１３】
本発明のガスセンサは、前記異常検出手段が異常と判定した場合には外部に異常を報知する報知手段、を備えていてもよい。例えば、異常検知信号をコンピュータなどの他の機器に出力したり、音声を出力して異常を報知したり、発光して異常を報知したり、検出結果の出力（例えば表示、信号の出力）を停止して異常を報知したりしてもよい。
【００１４】
本発明のガスセンサにおいて、前記第２外側電極は、前記第１外側電極よりも面積が小さくてもよい。ここで、第２外側電極は、起電力の測定に用いられ、電流はほとんど流れないから、面積を小さくしても貴金属の酸化による触媒活性の変化が生じにくい。そして、面積を小さくすることで、第２外側電極内の温度分布が生じにくい、すなわち第２外側電極の内部で温度が均一化しやすいから、起電力と特定ガス濃度との対応関係が変化しにくい。したがって、特定ガス濃度の検出精度が低下しにくい効果と、検出された特定ガス濃度の異常判定の精度が高まる効果と、の少なくとも一方の効果が得られる。ここで、第１外側電極の面積は、素子本体のうち第１外側電極が配設された面に垂直な方向から見たときの面積とする。第２外側電極の面積は、素子本体のうち第２外側電極が配設された面に垂直な方向から見たときの面積とする。
【００１５】
本発明のガスセンサにおいて、前記第１外側電極及び前記第２外側電極は、前記素子本体のうち該第１，第２外側電極が配設された面に垂直な方向から見たときに、一方が凹部を有しており、他方の少なくとも一部が該凹部内に配置されていてもよい。こうすれば、第１外側電極と第２外側電極とが互いに近い位置に配設されて互いの温度差が生じにくい。したがって、検出された特定ガス濃度の異常判定の精度が高まる。この場合において、前記第１，第２外側電極のうち、一方の電極の凹部内に他方の電極全体が配置されていてもよい。こうすれば、両電極の温度差がより小さくなる。
【００１６】
本発明のガスセンサにおいて、前記基準電極は、前記素子本体の内部に配設されており、前記素子本体は、前記基準ガスを導入して前記基準電極まで流通させる基準ガス導入部を有していてもよい。
【００１７】
本発明の特定ガス濃度検出方法は、
センサ素子を用いて、酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず該特定ガスとベースガスとを含む試験用ガスを被測定ガスとして、該被測定ガス中の該特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出方法であって、
前記センサ素子は、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有する素子本体と、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第１外側電極と、前記素子本体の内部に配設され触媒活性を有する貴金属を含む測定電極と、を有するポンプセルと、
前記被測定ガスと接触するように前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第２外側電極と、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように配設され触媒活性を有する貴金属を含む基準電極と、を有し、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素濃度、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度、に基づく起電力を生じる酸素濃淡電池セルと、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ前記測定電極まで流通させる被測定ガス流通部と、
前記素子本体に配設され、発熱部と、前記発熱部の両端に接続された一対の通電用リードと、前記発熱部の両端に前記通電用リードと並列に接続された一対の電圧測定用リードと、を有するヒータ部と、
を備え、
前記特定ガス濃度検出方法は、
前記発熱部に流れるヒータ電流と、前記一対の電圧測定用リード間のヒータ電圧と、に基づいて検出される前記発熱部の温度が目標温度になるように、前記一対の通電用リードを介した前記ヒータ部への通電を制御するヒータ制御ステップと、
前記ポンプセルの前記第１外側電極と前記測定電極との間に一定の制御電圧を印加して、前記測定電極の周囲の酸素濃度が実質的にゼロとなるように、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素を、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素を、前記測定電極の周囲から前記第１外側電極の周囲に汲み出させるポンプセル制御ステップと、
前記ヒータ制御ステップと、前記ポンプセル制御ステップとが行われている状態で、前記ポンプセルに流れるポンプ電流と、前記第２外側電極と前記基準電極との間に生じる前記酸素濃淡電池セルの前記起電力と、の少なくとも一方に基づいて前記被測定ガス中の前記特定ガス濃度を検出する特定ガス濃度検出ステップと、
前記ポンプ電流に基づく前記特定ガス濃度と、前記起電力に基づく前記特定ガス濃度と、の相違に基づいて、前記特定ガス濃度検出ステップで検出された前記特定ガス濃度の異常の有無を判定する異常判定ステップと、
を含むものである。
【００１８】
この特定ガス濃度検出方法では、上述した本発明のガスセンサと同様に、試験用ガス中の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。なお、この特定ガス濃度検出方法において、上述した本発明のガスセンサの種々の態様を採用してもよいし、上述した本発明のガスセンサの各機能を実現するようなステップを追加してもよい。
【００１９】
本発明のセンサ素子は、
被測定ガス中の特定ガスの濃度である特定ガス濃度を検出するためのセンサ素子であって、
酸素イオン伝導性の固体電解質層を有する素子本体と、
前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第１外側電極と、前記素子本体の内部に配設され触媒活性を有する貴金属を含む測定電極と、を有するポンプセルと、
前記素子本体の外側に配設され触媒活性を有する貴金属を含む第２外側電極と、前記特定ガス濃度の検出の基準となる基準ガスと接触するように配設され触媒活性を有する貴金属を含む基準電極と、を有し、前記特定ガスが酸素の場合には前記被測定ガス中の酸素濃度、前記特定ガスがＮＯｘの場合には前記被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度、に基づく起電力を生じる酸素濃淡電池セルと、
前記素子本体の内部に配設され、前記被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ前記測定電極まで流通させる被測定ガス流通部と、
前記素子本体に配設され、発熱部と、前記発熱部の両端に接続された一対の通電用リードと、前記発熱部の両端に前記通電用リードと並列に接続された一対の電圧測定用リードと、を有するヒータ部と、
を備えたものである。
【００２０】
このセンサ素子は、上述した特定ガス濃度検出方法で用いられるセンサ素子に特に適している。なお、このセンサ素子において、上述した本発明のガスセンサの種々の態様を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガスセンサ１００の断面模式図。
【図２】ヒータ部７０の電気的な接続関係を示す説明図。
【図３】第１外側電極２３及び第２外側電極２４の上面図。
【図４】制御装置９０とセンサ素子１００ａとの接続関係を示すブロック図。
【図５】制御電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係を示す説明図。
【図６】変形例の第１外側電極２３及び第２外側電極２４の上面図。
【図７】変形例の第１外側電極２３及び第２外側電極２４の上面図。
【図８】変形例の被測定ガス流通部を示す部分断面図。
【図９】試験用ガスの実濃度及び実施例１のガスセンサが検出した濃度のグラフ。
【図１０】試験用ガスの実濃度及び比較例１のガスセンサが検出した濃度のグラフ。
【図１１】試験用ガスの実濃度及び比較例２のガス分析計が検出した濃度のグラフ。
【図１２】比較例のガスセンサ９００の断面模式図。
【図１３】制御装置９９０と各セルとの接続関係を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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、ヒータ部７０の電気的な接続関係を示す説明図である。図３は、第１外側電極２３及び第２外側電極２４の上面図である。図４は、制御装置９０とセンサ素子１００ａとの接続関係を示すブロック図である。ガスセンサ１００は、酸素及びＮＯｘのいずれか一方を特定ガスとし、他方を含まず特定ガスとベースガスとを含む試験用ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。本実施形態では、特定ガスはＮＯｘ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１００ａと、ポンプ電源２５と、ポンプ電流取得部８４と、起電力取得部８５と、ヒータ電源８６と、ヒータ電流取得部８７と、ヒータ電圧取得部８８と、制御装置９０と、表示操作部９８と、を備えている。なお、本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１〜３に示した通りとする。
【００２３】
センサ素子１００ａは、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つの層が下側からこの順に積層された積層体（素子本体の一例）を有する。この６つの層は、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。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。
【００２４】
センサ素子１００ａのうち、前端部側の第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、拡散律速部１１と、内部空所２０と、がこの順に連通する態様にて隣接形成されている。ガス導入口１０から内部空所２０至る部位を被測定ガス流通部とも称する。被測定ガス流通部において、ガス導入口１０は、センサ素子１００ａの前端面で外部空間に対して開口している。ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１００ａ内に被測定ガスが取り込まれる。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。拡散律速部１１は、上下２本のスリットとして設けられている。各々のスリットの開口の長手方向は、左右方向に沿っている。拡散律速部１１を通過した被測定ガスは、内部空所２０に流入して測定電極４４に到達する。
【００２５】
センサ素子１００ａは、被測定ガス流通部の反対側（ここでは後端側）に、基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３は、第２基板層２の上面と、第１固体電解質層４の下面との間であって、側部を第３基板層３の側面で区画される位置に設けられている。基準ガス導入空間４３は、センサ素子１００ａの後端面に開口部が設けられている。基準ガス導入空間４３には、特定ガス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。
【００２６】
また、センサ素子１００ａは、ポンプセル４１と、センサセル８３と、ヒータ部７０と、を備えている。
【００２７】
ポンプセル４１は、内部空所２０から酸素を汲み出すための電気化学的ポンプセルである。ポンプセル４１は、第１外側電極２３と、測定電極４４と、第１外側電極２３及び測定電極４４間の酸素イオンの流路となる第２固体電解質層６と、を備えている。第１外側電極２３は、被測定ガスと接触するように、センサ素子１００ａの外側に配設されている。より具体的には、第１外側電極２３は、第２固体電解質層６の上面の前側に配設されている。測定電極４４は、内部空所２０のうち第２固体電解質層６の下面に配設されている。ただし、測定電極４４は、被測定ガス流通部のうち拡散抵抗が付与されたあとの被測定ガスが到達する位置に配設されていればよく、例えば第１固体電解質層４の上面に配設されていてもよい。
【００２８】
センサセル８３は、酸素濃淡電池セルの一例である。センサセル８３は、第２外側電極２４と、基準電極４２と、第２外側電極２４及び基準電極４２の間に設けられた第１固体電解質層４，スペーサ層５及び第２固体電解質層６と、を備えている。第２外側電極２４は、被測定ガスと接触するように、センサ素子１００ａの外側に配設されている。より具体的には、第２外側電極２４は、第２固体電解質層６の上面の前側に配設されている。第２外側電極２４は、第１外側電極２３の後方に配設されている。基準電極４２は、基準ガスと接触するように、基準ガス導入空間４３内に配設されている。本実施形態では、基準電極４２は、第１固体電解質層４の下面に配設されている。このセンサセル８３では、第２外側電極２４の周囲と基準電極４２の周囲との酸素濃度差に応じて、第２外側電極２４と基準電極４２との間にネルンスト起電力に基づく起電力Ｖｅが生じる。この起電力Ｖｅによって、第２外側電極２４の周囲の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。
【００２９】
第１外側電極２３，第２外側電極２４，基準電極４２，及び測定電極４４は、それぞれ、触媒活性を有する貴金属（例えばＰｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｒｕ，及びＩｒの少なくともいずれか）を含む電極である。第１外側電極２３，第２外側電極２４，基準電極４２，及び測定電極４４は、それぞれ、貴金属と酸素イオン導電性を有する酸化物（ここではＺｒＯ2）とを含むサーメットからなる電極とすることが好ましい。また、第１外側電極２３，第２外側電極２４，基準電極４２，及び測定電極４４は、それぞれ、多孔質体であることが好ましい。本実施形態では、第１外側電極２３，第２外側電極２４，基準電極４２，及び測定電極４４は、いずれも、ＰｔとＺｒＯ2との多孔質サーメット電極とした。
【００３０】
ヒータ部７０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１００ａを加熱して保温する温度調整の役割を果たす。ヒータ部７０は、ヒータ７１と、リード部７２と、スルーホール７３と、ヒータコネクタ電極７４と、ヒータ絶縁層７５と、を備えている。ヒータ７１は、センサ素子１００ａの内部において、第１基板層１及び第２基板層２間に挟まれるように配設されている。ヒータ７１は、電気抵抗体であり、外部から給電されることにより発熱する。ヒータ７１は、図２に示すように、複数回折り返されるように引き回されており、各電極２３，２４，４２，４４の下方の全域に亘ってセンサ素子１００ａに埋設されている。ヒータ７１は、センサ素子１００ａを、固体電解質が活性化する温度（例えば８００〜９００℃）に調整することが可能となっている。リード部７２は、図２に示すように、ヒータ７１の両端に接続された一対の通電用リード７２ａ，７２ｂと、ヒータ７１の両端に通電用リード７２ａ，７２ｂと並列に接続された一対の電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄと、を備えている。ヒータコネクタ電極７４は、第１基板層１の下面の後端部に配設された電極である。ヒータコネクタ電極７４は、図１では１つのみ図示しているが、図２に示すように、一対の通電用リード７２ａ，７２ｂに電気的に接続された一対のヒータコネクタ電極７４ａ，７４ｂと、一対の電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄに電気的に接続された一対のヒータコネクタ電極７４ｃ，７４ｄと、の４個が存在する。通電用リード７２ａ，７２ｂとヒータコネクタ電極７４ａ，７４ｂとは、それぞれスルーホール７３（図１では１つのみ図示）を介して接続されている。電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄとヒータコネクタ電極７４ｃ，７４ｄとは、センサ素子１００ａの側面及び下面に配設された図示しないリードを介して接続されている。ヒータ部７０は、ヒータコネクタ電極７４を介してセンサ素子１００ａの外部と電気的に接続できるようになっている。ヒータ絶縁層７５は、ヒータ７１及びリード部７２の上下面に配設されており、ヒータ７１及びリード部７２と第１基板層１及び第２基板層２とを絶縁する。ヒータ絶縁層７５は、例えば、アルミナ等の絶縁体である。
【００３１】
ポンプ電源２５は、ポンプセル４１の第１外側電極２３と測定電極４４との間に制御電圧Ｖｐを印加する。制御電圧Ｖｐによってポンプセル４１にポンプ電流Ｉｐが流れることにより、ポンプセル４１は内部空所２０内の酸素を第１外側電極２３の周囲すなわち外部空間に汲み出す。
【００３２】
ポンプ電流取得部８４は、ポンプ電流Ｉｐを取得する電流検出回路として構成されている。ポンプ電流取得部８４は、図１に示すように、第１外側電極２３とポンプ電源２５との間に接続されている。ポンプ電流取得部８４は、取得したポンプ電流Ｉｐを制御装置９０に出力する。
【００３３】
起電力取得部８５は、起電力Ｖｅを取得する電圧検出回路として構成されている。起電力取得部８５は、図１に示すように、第２外側電極２４と基準電極４２との間に接続されている。起電力取得部８５は、取得した起電力Ｖｅを制御装置９０に出力する。
【００３４】
ヒータ電源８６は、ヒータコネクタ電極７４ａ，７４ｂ及び通電用リード７２ａ，７２ｂを介してヒータ７１と接続されている。ヒータ電源８６はヒータ７１に電力を供給してヒータ７１を発熱させる。ヒータ電源８６により、ヒータ７１にはヒータ電流Ｉｈが流れる。
【００３５】
ヒータ電流取得部８７は、ヒータ電流Ｉｈを取得する電流検出回路として構成されている。ヒータ電流取得部８７は、図２に示すように、ヒータコネクタ電極７４ａとヒータ電源８６との間に接続されている。ヒータ電流取得部８７は、取得したヒータ電流Ｉｈを制御装置９０に出力する。
【００３６】
ヒータ電圧取得部８８は、ヒータ７１の両端の電圧（電位差）であるヒータ電圧Ｖｈを取得する電圧検出回路として構成されている。ヒータ電圧取得部８８は、図２に示すように、ヒータコネクタ電極７４ｃ，７４ｄの間に接続されている。ヒータ電圧取得部８８は、取得したヒータ電圧Ｖｈを制御装置９０に出力する。
【００３７】
表示操作部９８は、例えばタッチパネルやボタンなどの操作部と、ＬＥＤやディスプレイなどの表示部と、を備えており、作業者からの指示を入力したり作業者に情報を出力したりする。
【００３８】
制御装置９０は、ＣＰＵ９２及び記憶部９４などを備えたマイクロプロセッサである。記憶部９４には、例えば後述する特定ガス濃度の検出を行う際にＣＰＵ９２に実行される処理プログラム，第１対応関係９５，及び第２対応関係９６などが記憶されている。制御装置９０は、ポンプ電流取得部８４からのポンプ電流Ｉｐ，起電力取得部８５からの起電力Ｖｅ，ヒータ電流取得部８７からのヒータ電流Ｉｈ，ヒータ電圧取得部８８からのヒータ電圧Ｖｈ，及び表示操作部９８からの操作信号などを入力する。制御装置９０は、ポンプ電源２５及びヒータ電源８６に制御信号を出力してポンプセル４１及びヒータ部７０を制御したり、ヒータ電圧取得部８８に表示信号を出力したりする。
【００３９】
記憶部９４に記憶された第１対応関係９５は、ポンプ電流Ｉｐと被測定ガス中の特定ガス濃度との対応関係を表す情報である。第２対応関係９６は、起電力Ｖｅと被測定ガス中の特定ガス濃度との対応関係を表す情報である。第１対応関係９５及び第２対応関係９６は、それぞれ、例えば関係式（例えば一次関数の式）やマップなどの情報を含んでいる。第１対応関係９５及び第２対応関係９６は、予め実験により求めておくことができる。
【００４０】
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。まず、作業者は、ガスセンサ１００のセンサ素子１００ａを図示しない配管に取り付ける。このとき、作業者は、例えばセンサ素子１００ａを図示しない素子封止体によって封入固定することで、配管内のガスがセンサ素子１００ａの前端側に到達可能であり、且つ後端側は基準ガス（ここでは大気）に晒された状態にする。また、作業者は、特定ガスとベースガス（例えば窒素）とを所定の割合で混合して、所望の特定ガス濃度になるように試験用ガスを調製する。そして、この試験用ガスを被測定ガスとして配管内に流す。これにより、センサ素子１００ａの前端側に被測定ガスが到達して、第１外側電極２３及び第２外側電極２４が被測定ガスに接触する。また、被測定ガスがガス導入口１０から被測定ガス流通部に導入されると、被測定ガスは、第１拡散律速部１１を通過して内部空所２０に到達する。作業者は、この状態で、ガスセンサ１００に被測定ガス中の特定ガス濃度を検出させて、試験用ガスが所望の特定ガス濃度になっていることを確認する。試験用ガスが所望の特定ガス濃度になっていない場合には、作業者は、特定ガスとベースガスとの混合割合を微調整して再度試験用ガスを調製し、再度ガスセンサ１００により特定ガス濃度を検出させる。作業者は、調製した試験用ガスが所望の特定ガス濃度であることが確認できるまで、試験用ガスの調製とガスセンサ１００を用いた特定ガス濃度の測定とを繰り返す。調製した試験用ガスが所望の特定ガス濃度であることが確認できた場合には、その試験用ガスをスパンガスとして、他のガスセンサの検出精度の検査工程に用いる。以下、ガスセンサ１００が特定ガス濃度を検出する際の動作について説明する。
【００４１】
ガスセンサ１００のＣＰＵ９２は、例えば表示操作部９８を介して作業者から動作開始の指示を入力すると、処理プログラムを実行して特定ガス濃度検出処理を行う。特定ガス濃度検出処理では、ＣＰＵ９２は、まず、ヒータ７１への通電を制御してセンサ素子１００ａの加熱と保温とを行うヒータ制御ステップを開始する。ヒータ制御ステップでは、ＣＰＵ９２は、ヒータ電源８６を制御してヒータ７１への通電を行い、ヒータ７１を発熱させる。このとき、ＣＰＵ９２は、ヒータ電流取得部８７から取得したヒータ電流Ｉｈと、ヒータ電圧取得部８８から取得したヒータ電圧Ｖｈと、に基づいてヒータ７１の温度を導出する。そして、ＣＰＵ９２は、ヒータ７１の温度が目標温度になるようにヒータ電源８６がヒータ７１に供給する電力をフィードバック制御する。本実施形態では、ヒータ電源８６がヒータ７１へ供給する電力は、一定の電圧を通電する時間の長短によって制御される。すなわち、ヒータ電源８６は、所定の周期におけるオン時間の割合であるデューティ比を変更することで、ヒータ７１に供給する電力を調整する。こうした制御にはパルス幅変調（ＰＷＭ）を利用可能である。ここで、ヒータ７１の温度は、ヒータ７１の抵抗値と比例関係にある。そのため、ＣＰＵ９２は、ヒータ電流Ｉｈとヒータ電圧Ｖｈとに基づく抵抗値を導出し、導出した抵抗値を温度に換算して、上述したヒータ電源８６のフィードバック制御を行う。なお、ＣＰＵ９２は、抵抗値を温度に換算せず、導出した抵抗値が目標抵抗値になるようにフィードバック制御を行ってもよい。こうしても、実質的にはＣＰＵ９２はヒータ７１の温度が目標温度になるようにフィードバック制御を行っていることになる。
【００４２】
ここで、リード部７２は、通電用リード７２ａ，７２ｂと、通電用リード７２ａ，７２ｂに並列に接続された電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄと、を備えている。そして、ヒータ電圧取得部８８は、この電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄ間の電圧をヒータ電圧Ｖｈとして測定する。そのため、ヒータ制御ステップでは、ＣＰＵ９２は、いわゆる４端子法によりヒータ７１の抵抗値を導出することになる。
【００４３】
また、ＣＰＵ９２は、ヒータ制御ステップと並行して、ポンプセル４１を制御するポンプセル制御ステップを行う。ＣＰＵ９２は、ヒータ制御ステップが開始されてヒータ７１が目標温度付近で安定したとみなせる状態になってからポンプセル制御ステップを開始してもよい。例えば、ＣＰＵ９２は、ヒータ制御ステップの開始から所定時間が経過したとき、又は、目標温度とその前後の温度を含む所定範囲内にヒータ７１の温度が含まれる状態が所定時間連続したときに、ヒータ７１が目標温度付近で安定したとみなしてもよい。ポンプセル制御ステップでは、ＣＰＵ９２は、ポンプ電源２５が第１外側電極２３と測定電極４４との間に一定の制御電圧Ｖｐを印加するように、ポンプ電源２５に制御信号を出力する。この制御電圧Ｖｐと測定電極４４の触媒活性とによって、測定電極４４の周囲では酸素イオンが発生し、酸素イオンが電子のキャリアとなって固体電解質層（ここでは第２固体電解質層６）内を通過して第１外側電極２３に向かうことで、ポンプ電流Ｉｐが流れる。測定電極４４の周囲で発生する酸素イオンは、特定ガスがＮＯｘの場合には、内部空所２０まで流通してきた被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素に由来する酸素イオンである。このように制御電圧Ｖｐによってポンプ電流Ｉｐを流すことで、特定ガスに由来する酸素が測定電極４４の周囲から第１外側電極２３の周囲に汲み出される。したがって、このポンプ電流Ｉｐは、被測定ガス中の特定ガス濃度に応じた値となる。
【００４４】
また、ポンプセル制御ステップで印加される制御電圧Ｖｐは、測定電極４４の周囲の酸素濃度が実質的にゼロとなるように、実験により予め定められている。より具体的には、ポンプ電流Ｉｐが限界電流となるような値として、制御電圧Ｖｐが定められている。ポンプ電流Ｉｐが限界電流となるための制御電圧Ｖｐの値は、外部から測定電極４４までの被測定ガス流通部の拡散抵抗（ここでは、主に拡散律速部１１の拡散抵抗）と、被測定ガス中の特定ガス濃度とに応じて変化する。そのため、この拡散抵抗と、今回調製したい所望の特定ガス濃度とに応じて、予め適切な制御電圧Ｖｐを定めておくことができる。ポンプ電流Ｉｐが限界電流であることで、ポンプ電流Ｉｐは、被測定ガス中の特定ガス濃度に精度良く対応した値になる。
【００４５】
さらに、ＣＰＵ９２は、上述したヒータ制御ステップと、ポンプセル制御ステップとが行われている状態で、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ステップを行う。ＣＰＵ９２は、ポンプセル制御ステップが開始されてポンプ電流Ｉｐが安定したとみなせる状態になってから特定ガス濃度検出ステップを開始してもよい。例えば、ＣＰＵ９２は、ポンプセル制御ステップの開始から所定時間が経過したとき、又は、時間経過に伴うポンプ電流Ｉｐの変化の傾きが、傾きが小さい所定範囲内にある状態が所定時間連続したときに、ポンプ電流Ｉｐが安定したとみなしてもよい。特定ガス濃度検出ステップでは、ＣＰＵ９２は、ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐと、センサセル８３の起電力Ｖｅと、の少なくとも一方に基づいて、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する。
【００４６】
ここで、ポンプ電流Ｉｐは、上述したように被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した値になっている。そのため、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流取得部８４から取得したポンプ電流Ｉｐと、第１対応関係９５と、に基づいて特定ガス濃度を検出することができる。また、上述したように第２外側電極２４は触媒活性を有する貴金属を含んでいるから、特定ガスがＮＯｘの場合には、センサセル８３には第２外側電極２４の周囲の被測定ガス中のＮＯｘが還元されて生じる酸素濃度に基づく起電力Ｖｅが生じる。したがって、起電力Ｖｅも、被測定ガス中の特定ガス濃度に対応した値になる。そのため、ＣＰＵ９２は、起電力取得部８５から取得した起電力Ｖｅと、第２対応関係９６と、に基づいて特定ガス濃度を検出することもできる。特定ガス濃度検出ステップでは、ＣＰＵ９２は、ポンプ電流Ｉｐと起電力Ｖｅとの一方のみに基づいて特定ガス濃度を検出してもよいし、ポンプ電流Ｉｐに基づく特定ガス濃度と起電力Ｖｅに基づく特定ガス濃度との平均値として、特定ガス濃度を検出してもよい。
【００４７】
また、ＣＰＵ９２は、特定ガス濃度検出ステップで検出された特定ガス濃度の異常の有無を判定する異常判定ステップも行う。ＣＰＵ９２は、例えば特定ガス濃度検出ステップを１回実行する毎に、異常判定ステップを行う。異常判定ステップでは、ＣＰＵ９２は、まず、ポンプ電流Ｉｐに基づく特定ガス濃度と、起電力Ｖｅに基づく特定ガス濃度と、をそれぞれ取得する。ＣＰＵ９２は、直近の特定ガス濃度検出ステップで導出された値を取得してもよいし、特定ガス濃度検出ステップとは別にこれらの値を導出して取得してもよい。次に、ＣＰＵ９２は、取得したポンプ電流Ｉｐに基づく特定ガス濃度と起電力Ｖｅに基づく特定ガス濃度との相違に基づいて、これらの値の少なくとも一方に異常があるか否かを判定する。例えば、ＣＰＵ９２は、取得した２つの特定ガス濃度の差又は比が所定の閾値より大きい場合に、異常があると判定する。ＣＰＵ９２は異常があると判定すると、例えば直近又は現在の特定ガス濃度検出ステップで検出された特定ガス濃度の値に異常があることを作業者に報知する。例えば、ＣＰＵ９２は表示操作部９８に表示信号を出力して、作業者に異常を報知する。これにより、作業者は、今回検出された試験用ガス中の特定ガス濃度の値が正しくない可能性を知ることができる。その後、作業者は、必要に応じてガスセンサ１００の特定ガス濃度の検出精度を確認したり、ガスセンサ１００の校正を行ったりする。ＣＰＵ９２は、作業者に異常を報知すると、特定ガス濃度検出処理を終了する。
【００４８】
ＣＰＵ９２は、特定ガス濃度検出ステップで特定ガス濃度を検出すると、検出された特定ガス濃度の値を出力する。例えば、ＣＰＵ９２は、記憶部９４に値を出力して記憶させたり、表示操作部９８に値を出力して作業者に値を表示させたりする。ＣＰＵ９２は、異常判定ステップで異常がなかった場合に特定ガス濃度検出ステップで検出された特定ガス濃度の値を出力し、異常があった場合には特定ガス濃度の値を出力しないようにしてもよい。ＣＰＵ９２は、異常判定ステップで異常がなく、検出された特定ガス濃度の値を出力した場合には、特定ガス濃度検出処理を終了する。
【００４９】
ここで、試験用ガスは、例えば内燃機関の排ガスと異なり特定ガス濃度が安定している。そのため、ＣＰＵ９２は、１回の特定ガス濃度検出処理において、特定ガス濃度検出ステップを少なくとも１回行えばよい。ただし、ＣＰＵ９２は、ヒータ７１が目標温度付近で安定したとみなせる状態になる前や、ポンプセル制御ステップが開始されてポンプ電流Ｉｐが安定したとみなせる状態になる前から特定ガス濃度検出ステップを行う場合には、検出される特定ガス濃度が安定するまで特定ガス濃度検出ステップを複数回繰り返すことが好ましい。また、ＣＰＵ９２は、異常判定ステップを、特定ガス濃度検出処理を所定回数実行する毎又は所定時間経過毎などの所定の異常判定タイミングで行ってもよい。ただし、ＣＰＵ９２は、１回の特定ガス濃度検出処理において、異常判定ステップを少なくとも１回行うことが好ましく、特定ガス濃度検出ステップを行う毎に異常判定ステップを行うことがより好ましい。
【００５０】
次に、比較例のガスセンサ９００について説明する。図１２は、比較例のガスセンサ９００の構成の一例を概略的に示した断面模式図である。図１３は、制御装置９９０と各セル及びヒータ部９７０との接続関係を示すブロック図である。ガスセンサ９００は、例えば内燃機関の排ガス管などの配管に取り付けられ、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の特定ガス濃度（ここではＮＯｘ濃度）を検出する。ガスセンサ９００は、センサ素子９００ａと、可変電源９２５と、可変電源９５２と、可変電源９４６と、ヒータ電源９８６と、制御装置９９０と、を備えている。
【００５１】
センサ素子９００ａは、第１基板層９０１と、第２基板層９０２と、第３基板層９０３と、第１固体電解質層９０４と、スペーサ層９０５と、第２固体電解質層９０６との６つの層を有している。センサ素子９００ａには、被測定ガス流通部として、ガス導入口９１０，第１拡散律速部９１１，緩衝空間９１２，第２拡散律速部９１３，第１内部空所９２０，第２内部空所９４０，第４拡散律速部９６０，及び第３内部空所９６１が形成されている。また、センサ素子９００ａには、基準ガス導入空間９４３が形成されている。また、センサ素子９００ａは、主ポンプセル９２１，補助ポンプセル９５０，測定用ポンプセル９４１，主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８０，補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８１，測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２，センサセル９８３，及びヒータ部９７０を備えている。
【００５２】
主ポンプセル９２１は、センサ素子９００ａの外側に配設された外側ポンプ電極９２３と、第１内部空所９２０に配設された内側ポンプ電極９２２と、電極９２２，９２３間の第２固体電解質層９０６と、を備えている。補助ポンプセル９５０は、外側ポンプ電極９２３と、第２内部空所９４０に配設された補助ポンプ電極９５１と、電極９２３，９５１間の第２固体電解質層９０６と、を備えている。測定用ポンプセル９４１は、外側ポンプ電極９２３と、第３内部空所９６１に配設された測定電極９４４と、電極９２３，９４４間の層９０４〜９０６と、を備えている。
【００５３】
主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８０は、内側ポンプ電極９２２と、基準電極９４２と、電極９２２，９４２間の層９０３〜９０６と、を備えており、電極９２２，９４２間の起電力Ｖ０を検出する。基準電極９４２は、多孔質体である大気導入層９４８に被覆され、第１固体電解質層９０４と第３基板層９０３との間に配設されている。基準電極９４２には、基準ガス導入空間９４３及び大気導入層９４８を介して大気が導入される。補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８１は、補助ポンプ電極９５１と、基準電極９４２と、電極９５１，９４２間の層９０３〜９０６と、を備えており、電極９５１，９４２間の起電力Ｖ１を検出する。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル９８２は、測定電極９４４と、基準電極９４２と、電極９４２，９４４間の層９０３〜９０４と、を備えており、電極９４２，９４４間の起電力Ｖ２を検出する。センサセル９８３は、外側ポンプ電極９２３と、基準電極９４２と、電極９２３，９４２間の層９０３〜９０６と、を備えており、電極９２３，９４２間の起電力Ｖｒｅｆを検出する。
【００５４】
各電極９２３，９２２，９５１，９４４，９４２は、ガスセンサ１００の第１外側電極２３，第２外側電極２４，基準電極４２，及び測定電極４４と同様に、それぞれ、触媒活性を有する貴金属を含む電極である。また、内側ポンプ電極９２２及び補助ポンプ電極９５１は、例えばＡｕを含有させることで、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力が弱められている。
【００５５】
可変電源９２５は、外側ポンプ電極９２３と内側ポンプ電極９２２との間に電圧Ｖｐ０を印加する。電圧Ｖｐ０によって測定用ポンプセル９４１にポンプ電流Ｉｐ０が流れることにより、測定用ポンプセル９４１は第１内部空所９２０内の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間の酸素を第１内部空所９２０に汲み入れる。
【００５６】
可変電源９５２は、外側ポンプ電極９２３と補助ポンプ電極９５１との間に電圧Ｖｐ１を印加する。電圧Ｖｐ１によって補助ポンプセル９５０にポンプ電流Ｉｐ１が流れることにより、補助ポンプセル９５０は第２内部空所９４０内の酸素を外部空間に汲み出し、又は外部空間の酸素を第２内部空所９４０に汲み入れる。
【００５７】
可変電源９４６は、外側ポンプ電極９２３と測定電極９４４との間に電圧Ｖｐ２を印加する。電圧Ｖｐ２によって測定用ポンプセル９４１にポンプ電流Ｉｐ２が流れることにより、測定用ポンプセル９４１は第３内部空所９６１内の酸素を外部空間に汲み出す。
【００５８】
ヒータ部９７０は、ヒータ９７１と、リード部９７２と、スルーホール９７３と、ヒータコネクタ電極９７４と、ヒータ絶縁層９７５と、を備えている。ヒータ部９７０は、リード部９７２が電圧測定用リード７２ｄを備えておらずヒータコネクタ電極９７４がヒータコネクタ電極７４ｄを備えていない点以外は、ガスセンサ１００のヒータ部７０と同様の構成をしている。
【００５９】
制御装置９９０は、ＣＰＵ９９２及び記憶部９９４などを備えたマイクロプロセッサである。制御装置９９０は、可変電源９２５，９５２，９４６，ヒータ電源９８６に制御信号を出力する。制御装置９０は、各セル９２１，９５０，９４１，９８０，９８２，９８３から起電力Ｖ０．Ｖ１．Ｖ２．Ｖｒｅｆ及びポンプ電流Ｉｐ０．Ｉｐ１，Ｉｐ２を入力したり、ヒータ部９７０のヒータ電流Ｉｈ及びヒータ電圧Ｖｈを取得したりする。
【００６０】
こうして構成されたガスセンサ９００の動作の例として、内燃機関の排ガスを被測定ガスとして、被測定ガス中の特定ガス濃度（ここではＮＯｘ濃度）を検出する場合について説明する。
【００６１】
まず、ＣＰＵ９９２は、上述したヒータ制御ステップと同様に、ヒータ部９７０のヒータ電圧Ｖｈ及びヒータ電流Ｉｈに基づいてヒータ９７１の抵抗値を導出し、導出した抵抗値に基づいてヒータ９７１の温度が目標温度になるようにヒータ電源９８６をフィードバック制御する。ただし、ヒータ部９７０は上述したように電圧測定用リード７２ｄを備えていないため、いわゆる３端子法を用いてヒータ９７１の抵抗値を導出する。具体的には、ＣＰＵ９９２は、通電用リード７２ａ，７２ｂの電圧降下が互いに同じ値であるとみなして、通電用リード７２ｂと電圧測定用リード７２ｃとの間の電圧から、通電用リード７２ａと電圧測定用リード７２ｃとの間の電圧（＝通電用リード７２ａ，７２ｂの電圧降下の値）を引いた値を、ヒータ７１のヒータ電圧Ｖｈとして導出する。
【００６２】
また、ＣＰＵ９９２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９２０の酸素濃度が目標濃度となるように）可変電源９２５のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御する。
【００６３】
ＣＰＵ９９２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９４０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９５２の電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。これとともに、ＣＰＵ９９２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９３０から第２内部空所９４０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９４０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。
【００６４】
さらに、ＣＰＵ９９２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９６１内の酸素濃度が所定の低濃度になるように）可変電源９４６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９６１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９６１内から酸素が汲み出される。そして、ＣＰＵ９９２は、特定ガス（ここではＮＯｘ）に由来して第３内部空所９６１で発生する酸素に応じた検出値としてポンプ電流Ｉｐ２を取得する。そして、ＣＰＵ９９２は、取得したポンプ電流Ｉｐ２と、記憶部９９４に記憶されたポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度との対応関係と、に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。
【００６５】
ここで、この比較例のガスセンサ９００を、排ガスではなく上述した試験用ガス中の特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の測定に用いることも考えられる。しかし、ガスセンサ９００と比べて、本実施形態のガスセンサ１００は、試験用ガス中の特定ガス濃度の検出精度の低下が抑制されており、試験用ガス中の特定ガス濃度の検出に適している。
【００６６】
まず、ガスセンサ１００は、ヒータ部７０が通電用リード７２ａ，７２ｂとは別に電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄを備えている。そして、ヒータ電圧取得部８８は、この電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄ間の電圧をヒータ電圧Ｖｈとして測定する。これにより、ガスセンサ１００では、いわゆる４端子法によりヒータ７１の抵抗値を導出している。そのため、電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄ及びヒータコネクタ電極７４ｃ，７４ｄには実質的には電流が流れないから、リード部７２の抵抗値及びヒータコネクタ電極７４の接触抵抗の変化などが生じても、測定されるヒータ電圧Ｖｈはその影響を受けない。したがって、ヒータ電圧取得部８８はヒータ電圧Ｖｈを精度良く測定できる。これにより、ＣＰＵ９２は、ヒータ電圧Ｖｈに基づくヒータ７１の温度調整を精度良く行うことができる。これに対し、ガスセンサ９００では、電圧測定用リード７２ｄを備えておらず、いわゆる３端子法によりヒータ９７１の抵抗値を導出している。３端子法では、使用により通電用リード７２ａ，７２ｂの一方の抵抗値が変化したり、センサ素子１００ａと外部との接続時にヒータコネクタ電極７４の接触抵抗にばらつきが生じたりすると、ヒータ電圧Ｖｈの測定精度が低下する。そのため、ガスセンサ９００では、ヒータ９７１の温度調整の精度が低下しやすい。そして、ヒータ９７１の温度調整の精度が低下すると、センサ素子９００ａの固体電解質の酸素イオン伝導性が変化したり、各セル９２１，９５０，９４１の抵抗値が変化したりすることで、特定ガス濃度の検出精度が低下しやすい。ガスセンサ１００では、このようなリード部７２の抵抗値及びヒータコネクタ電極７４の接触抵抗に起因する特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【００６７】
また、ガスセンサ９００は、内燃機関の排ガスなど、酸素とＮＯｘとの両方が含まれている被測定ガスにおける特定ガス濃度（ここではＮＯｘ濃度）の測定を行うことが想定されているセンサである。そのため、ガスセンサ９００は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する場合に、上述したように、まず第１内部空所９２０及び第２内部空所９４０で被測定ガス中の酸素とＮＯｘとを分離（具体的には酸素の汲み出し）を行って、その後に第３内部空所９６１でＮＯｘを酸素に還元して生じた酸素を汲み出して、汲み出す時のポンプ電流Ｉｐ２に基づいてＮＯｘ濃度を検出する。そして、このように被測定ガス流通部内の酸素濃度を制御するために、ＣＰＵ９９２は、上述したように起電力Ｖ１，Ｖ２，Ｉｐ１の３つのパラメータが一定値になるように複数のフィードバック制御を同時に行う。しかし、複数のフィードバック制御が同時に行われることで、フィードバック制御の一部にずれなどが生じて制御が不安定になると、センサ素子９００ａの最終的な出力であるポンプ電流Ｉｐ２がＮＯｘ濃度に対応する正しい値からずれてしまい、検出精度が低下する場合がある。また、使用に伴ってガスセンサ９００の各電極９２２，９５１，９４４の貴金属が酸化すると、酸化した貴金属が蒸発しやすくなって電極中の貴金属が減少しやすくなり、電極の触媒活性が変化していく場合がある。そして、電極の触媒活性が変化することによっても、最終的にポンプ電流Ｉｐ２がＮＯｘ濃度に対応する正しい値からずれてしまい、検出精度が低下する場合がある。
【００６８】
これに対し、ガスセンサ１００は、酸素とＮＯｘとの一方しか含まない試験用ガスを被測定ガスとして想定しているため、上述した酸素とＮＯｘとの分離を行う必要がない。このことを利用して、ガスセンサ１００では、ガスセンサ９００のようなフィードバック制御を行わず、単に一定の制御電圧Ｖｐをポンプセル４１に印加してポンプ電流Ｉｐを流すようにしている。そのため、ガスセンサ１００では、ガスセンサ９００のようなフィードバック制御の不安定さに起因する検出精度の低下は生じない。また、ガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐが限界電流となるような値として、制御電圧Ｖｐが定められている。ここで、図５は、制御電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係を示す説明図である。例えば、ポンプ電流Ｉｐが限界電流（図５の値ｂ）となるように制御電圧Ｖｐの値（図５の値ａ）を適切に定めておけば、ポンプ電流Ｉｐは被測定ガス流通部が付与する拡散抵抗及び特定ガス濃度に基づく値となる。また、使用に伴ってガスセンサ１００の第１外側電極２３及び測定電極４４の貴金属が酸化して触媒活性が変化した場合を考える。この場合、制御電圧Ｖｐとポンプ電流Ｉｐとの関係は、図５の一点鎖線のようにポンプ電流Ｉｐが限界電流になるまでの立ち上がり部分は変化するが、限界電流の値（図５では値ｂ）自体は変化しにくい。そのため、このように安定してポンプ電流Ｉｐが限界電流になるような範囲（例えば図５の領域Ｒ）内で制御電圧Ｖｐを定めておけば、ガスセンサ１００の使用に伴ってポンプ電流Ｉｐが特定ガス濃度に対応する正しい値からずれにくい。以上のように、ガスセンサ１００では、ポンプセル４１の制御にフィードバック制御を用いていないこと、及びポンプ電流Ｉｐが限界電流になるように制御電圧Ｖｐを定めていることにより、特定ガス濃度に精度良く対応するポンプ電流Ｉｐが得られる。
【００６９】
また、ガスセンサ１００は、ポンプセル４１だけでなくセンサセル８３も備えている。センサセル８３で生じる起電力Ｖｅも、ポンプ電流Ｉｐ２と同様に特定ガス濃度に応じた値になる。しかも、センサセル８３にはポンプセル４１とは異なり電流を流すわけではないため、センサセル８３の第２外側電極２４及び基準電極４２は使用に伴う触媒活性の変化などの劣化が生じにくい。したがって、起電力Ｖｅは、ガスセンサ１００の使用に伴って特定ガス濃度に対応する正しい値からずれることが起きにくく、特定ガス濃度に精度良く対応した値になる。
【００７０】
そして、ＣＰＵ９２は、特定ガス濃度検出ステップにおいて、このように特定ガス濃度に精度良く対応するポンプ電流Ｉｐと起電力Ｖｅとの少なくとも一方に基づいて特定ガス濃度を検出する。したがって、ガスセンサ１００はガスセンサ９００に比べて特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。
【００７１】
しかも、ＣＰＵ９２は、異常判定ステップにおいて、ポンプ電流Ｉｐに基づく特定ガス濃度と起電力Ｖｅに基づく特定ガス濃度という、２つの異なる方式で検出された特定ガス濃度の相違に基づいて、検出された特定ガス濃度の異常の有無を判定する。これにより、ガスセンサ１００は特定ガス濃度の検出精度を自己診断できる。したがって、ガスセンサ１００の検出精度の低下が仮に起きたとしても、検出精度が低下した状態で検出された特定ガス濃度を作業者が利用してしまうことを抑制できる。
【００７２】
ガスセンサ１００において、第２外側電極２４は、第１外側電極２３よりも面積が小さいことが好ましい。第２外側電極２４は、起電力Ｖｅの測定に用いられ、電流はほとんど流れないから、面積を小さくしても貴金属の酸化による触媒活性の変化が生じにくい。そして、面積を小さくすることで、ヒータ７１に加熱された際の第２外側電極２４内の温度分布が生じにくい、すなわち第２外側電極２４の内部で温度が均一化しやすい。そのため、第２外側電極２４の面積が小さい方が、起電力Ｖｅと特定ガス濃度との対応関係が変化しにくい。したがって、第２外側電極２４の面積が第１外側電極２３より小さいことで、特定ガス濃度の検出精度が低下しにくい効果と、検出された特定ガス濃度の異常判定の精度が高まる効果と、の少なくとも一方の効果が得られる。ここで、第１，第２外側電極２３，２４の面積は、素子本体（ここでは積層体）のうち第１，第２外側電極２３，２４が配設された面（ここではセンサ素子１００ａの上面）に垂直な方向から見たときの面積（ここでは上面視での面積）とする。本実施形態では、図１，３に示すように、第２外側電極２４の方が第１外側電極２３よりも前後の長さが短いことにより、第２外側電極２４の方が第１外側電極２３よりも面積が小さくなっている。
【００７３】
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。本実施形態のセンサ素子１００ａの各層１〜６が本発明の素子本体に相当し、ポンプセル４１がポンプセルに相当し、センサセル８３が酸素濃淡電池セルに相当し、ガス導入口１０，拡散律速部１１及び内部空所２０が被測定ガス流通部に相当し、ヒータ７１が発熱部に相当し、通電用リード７２ａ，７２ｂが通電用リードに相当し、電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄが電圧測定用リードに相当し、ヒータ部７０がヒータ部に相当する。また、制御装置９０のＣＰＵ９９２がヒータ制御手段，ポンプセル制御手段，特定ガス濃度検出手段，及び異常判定手段に相当する。表示操作部９８が報知手段に相当する。基準ガス導入空間４３が基準ガス導入部に相当する。なお、本実施形態では、ガスセンサ１００の動作を説明することにより本発明の特定ガス濃度検出方法の一例も明らかにしている。
【００７４】
以上詳述した本実施形態のガスセンサ１００によれば、ヒータ７１の両端に通電用リード７２ａ，７２ｂとは並列に接続された一対の電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄを備えているため、ＣＰＵ９２はヒータ７１の温度調整を精度良く行うことができ、試験用ガス中の特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。また、試験用ガス中の特定ガス濃度に精度良く対応するポンプ電流Ｉｐと起電力Ｖｅとの少なくとも一方に基づいて特定ガス濃度を検出するから、ガスセンサ１００では特定ガス濃度の検出精度の低下を抑制できる。さらに、ガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐに基づく特定ガス濃度と起電力Ｖｅに基づく特定ガス濃度という、２つの異なる方式で検出された特定ガス濃度に基づいて、特定ガス濃度の検出精度を自己診断できる。
【００７５】
また、第２外側電極２４は第１外側電極２３よりも面積が小さいため、特定ガス濃度の検出精度が低下しにくい効果と、検出された特定ガス濃度の異常判定の精度が高まる効果と、の少なくとも一方の効果が得られる。
【００７６】
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。
【００７７】
例えば、上述した実施形態では、第１外側電極２３と第２外側電極２４とは前後に並べて配置したが、図６に示すように左右に並べて配置してもよい。また、図７に示すように、第１外側電極２３が凹部を有しており、第２外側電極２４が凹部内に配置されていてもよい。こうすれば、第１外側電極２３と第２外側電極２４とが互いに近い位置に配設されて互いの温度差が生じにくい。したがって、異常判定ステップにおける特定ガス濃度の異常判定の精度が高まる。図７では、第２外側電極２４全体が第１外側電極２３の凹部内に配置されているが、第２外側電極２４の一部が第１外側電極２３の凹部の外側に飛び出していてもよい。ただし、第２外側電極２４全体が第１外側電極２３の凹部内に配置されていることが好ましい。また、図７とは逆に、第２外側電極２４が有する凹部に第１外側電極２３が配置されていてもよい。こうしても、第１，第２外側電極２３，２４の互いの温度差を生じにくくする効果は得られる。ただし、上述したように、電流が流れない第２外側電極２４の方が、面積を小さくしても触媒活性の変化が生じにくいため、図７のように第１外側電極２３の凹部内に第２外側電極２４を配置することが好ましい。
【００７８】
上述した実施形態では、センサ素子１００ａの被測定ガス流通部はガス導入口１０，拡散律速部１１及び内部空所２０を備えていたが、これに限られない。被測定ガス流通部は、センサ素子１００ａの素子本体の内部に配設され、被測定ガスを導入して拡散抵抗を付与しつつ測定電極４４まで流通させるものであればよい。例えば、図８に示すように、被測定ガス流通部は、スリット状の拡散律速部１１に代えて、多孔質体からなる拡散律速部１１を備えていてもよい。この場合、拡散律速部１１の前面がガス導入口１０となる。また、拡散律速部１１は、測定電極４４を被覆する多孔質体であってもよい。また、被測定ガス流通部が内部空所２０を備えず、被測定ガス流通部全体が多孔質体で満たされていてもよい。また、本実施形態では、拡散律速部１１及び内部空所２０はそれぞれ１つとしたが、被測定ガス流通部は、複数の拡散律速部や複数の内部空所を備えていてもよい。
【００７９】
上述した実施形態では、電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄは、図２に示すように、通電用リード７２ａ，７２ｂの左右の外側に位置していたが、これに限られない。例えば、通電用リード７２ａ，７２ｂが電圧測定用リード７２ｃ，７２ｄの左右の外側に位置していてもよい。
【００８０】
上述した実施形態では、試験用ガス中の特定ガスはＮＯｘとしたが、酸素としてもよい。特定ガスが酸素の場合、センサセル８３は試験用ガス中の酸素濃度に基づく起電力Ｖｅを生じ、ポンプセル４１のポンプ電流Ｉｐは試験用ガス中の酸素濃度に基づく値となる。したがって、ガスセンサ１００は、上述した実施形態と同様に試験用ガス中の特定ガス濃度（酸素濃度）を測定できる。
【００８１】
上述した実施形態では、センサ素子１００ａの素子本体には基準ガス導入空間４３が形成されていたが、この態様に限らず、センサ素子１００ａは、基準ガスを導入して素子本体の内部の基準電極４２まで流通させる基準ガス導入部を備えていればよい。例えば、センサ素子１００ａの素子本体が、基準ガス導入空間４３に加えて又は代えて多孔質体を備えていてもよい。また、上述した実施形態では、基準電極４２はセンサ素子１００ａの素子本体の内部に配設されていたが、基準ガスと接触するように配設されていればよい。例えば、基準電極４２は、センサ素子１００ａの後端側の外側に配設されていてもよい。この場合、センサ素子１００ａは基準ガス導入空間４３などの基準ガス導入部を備えなくてもよい。
【００８２】
上述した実施形態では、制御電圧Ｖｐは一定の値としたが、１回の特定ガス濃度検出処理中に一定であればよい。例えば、試験用ガスの所望の特定ガス濃度に応じて制御電圧Ｖｐをより適切な値に変更してもよい。
【００８３】
上述した実施形態では、被測定ガス流通部には測定電極４４のみが配設されており、測定電極４４よりも上流側に電極は配設されていなかったが、例えば触媒活性を有する貴金属を含まない電極など、試験用ガス中の特定ガス濃度の検出に悪影響を及ぼさない電極であれば、測定電極４４の上流側に配設されていてもよい。すなわち、測定電極４４の上流側には、触媒活性を有する貴金属を含む電極が配設されていないことが好ましい。
【００８４】
上述した実施形態では、センサ素子１００ａ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１００ａ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１００ａ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、基準ガス導入空間４３を第３基板層３の代わりにスペーサ層５に設け、基準電極４２を内部空所２０よりも後方且つ第２固体電解質層６の下面に設けてもよい。
【００８５】
上述した実施形態では特に説明しなかったが、試験用ガスは、酸素及びＮＯｘのうち特定ガスではない方を実質的に含んでいなければよく、例えば不可避的にごく微量含んでいる場合は許容するものとする。
【実施例】
【００８６】
以下には、ガスセンサを具体的に作製した例を実施例として説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００８７】
［実施例１］
図１〜３に示したセンサ素子１００ａを作製し、図４に示すようにセンサ素子１００ａと制御装置９０と，各電源２５，８６と、各取得部８４，８５，８７，８８と、表示操作部９８とを接続してガスセンサ１００を作製した。センサ素子１００ａは、以下のように作製した。まず、安定化剤のイットリアを４ｍｏｌ％添加したジルコニア粒子と有機バインダーと分散剤と可塑剤と有機溶剤とを混合してテープ成形により成形したセラミックスグリーンシートを６枚用意した。このグリーンシートには印刷時や積層時の位置決めに用いるシート孔、内部空所２０及び基準ガス導入空間４３に対応する孔、スルーホール等を予め複数形成しておいた。また、各々のグリーンシートには各電極やヒータ部７０を形成するためのペーストのパターンを印刷した。そして、６枚のグリーンシートを所定の順序に積層して、所定の温度・圧力条件を加えることで圧着させた。こうして得られた圧着体からセンサ素子１００ａの大きさの未焼成積層体を切り出した。そして、切り出した未焼成積層体を、焼成して、センサ素子１００ａを得た。第１外側電極２３，第２外側電極２４，測定電極４４及び基準電極４２を形成するための導電性ペーストは、Ｐｔと、ジルコニア粉末と、バインダーとを混合することによって作製した。
【００８８】
［比較例１］
図１２，１３に示したガスセンサ９００を作製して、比較例１とした。センサ素子９００ａは、センサ素子１００ａと同様の手順で作製した。外側ポンプ電極９２３及び基準電極９４２を形成するための導電性ペーストは、実施例１と同様に、Ｐｔと、ジルコニア粉末と、バインダーとを混合することによって作製した。また、測定電極９４４を形成するための導電性ペーストは、上記の原料にさらにＲｈを混合して作製した。ＰｔとＲｈとの質量割合は５０：５０とした。内側ポンプ電極９２２及び補助ポンプ電極９５１を形成するための導電性ペーストは、上記の原料にさらにＡｕを混合して作製した。
【００８９】
［比較例２］
比較例２として、ガス分析計（株式会社ベスト測器製，Ｂｅｘ−１００３ＮＨ）を用意した。
【００９０】
［評価試験］
実施例１及び比較例１，２の検出精度を比較した。まず、ベースガスが窒素であり、ＮＯ濃度が既知であり、酸素を含まないガスを用意して、試験用ガスとした。この試験用ガスのＮＯ濃度を、実施例１及び比較例１，２でそれぞれ３００回測定した。実施例１のＮＯ濃度は、ポンプ電流Ｉｐに基づく値とした。毎回の測定のタイミングは、比較例２のガス分析計で定められた校正タイミング（４時間毎）の直前とした。すなわち、比較例２では、時間の経過に伴って適切に校正タイミングで校正を行いつつ、校正を行う直前の最も検出精度が低下しやすいタイミングでの特定ガス濃度の測定を、３００回行った。そして、実施例１及び比較例１についても、比較例２の測定タイミングに合わせて同じタイミングで測定を行った。１回の測定に要する時間（試験用ガスを流す時間）は約１５分である。また、１回目の測定から３００回目の測定までの経過時間は、約２０００時間である。その２０００時間のうち、実施例１のガスセンサ１００が駆動し試験用ガスに晒されていた時間は、約１５分×３００回＝約７５時間である。比較例１，２についても同様である。
【００９１】
図９は、試験用ガスの実濃度と実施例１のガスセンサが検出したＮＯ濃度との関係を示すグラフである。図１０は、試験用ガスの実濃度と比較例１のガスセンサが検出したＮＯ濃度との関係を示すグラフである。図１１は、試験用ガスの実濃度と比較例２のガス分析計が検出したＮＯ濃度との関係を示すグラフである。図９〜１１に示すように、試験用ガスの実濃度は、３００回全てにおいて同じ値ではなく、測定回数の経過に伴って変更した。また、実施例１について、測定毎に実濃度からのずれ割合［％］＝（検出したＮＯ濃度−実濃度）／実濃度×１００を導出した。そして、測定回数１〜１００回、１０１〜２００回、２０１〜３００回、全体（１〜３００回）の各々の測定期間における、ずれ割合の最大値，最小値，及び二乗平均平方根（平均値に相当する値）を導出した。比較例１，２についても、同様の値を導出した。結果を表１に示す。この最大値，最小値，及び二乗平均平方根の絶対値が０に近いほど、特定ガス濃度の検出精度が高いことを意味する。
【００９２】
【表１】
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【００９３】
図９〜１１，及び表１からわかるように、実施例１は、比較例１，２と比べて、測定回数１〜１００回、１０１〜２００回、２０１〜３００回、全体（１〜３００回）のいずれの測定期間においても、実濃度からのずれ割合が小さかった。すなわち、実施例１は、最大値，最小値，二乗平均平方根のいずれも、比較例１，２と比べて０％に近かった。すなわち、実施例１のガスセンサ１００は、比較例２のガスセンサ９００と比べて常に検出精度が高い傾向にあった。また、比較例２の実濃度からのずれ割合は、上述したとおり定期的な校正を行う場合の校正直前の状態での値であり、定期的な校正を行っていてもこの程度の検出精度の低下はあり得ることがわかる。これに対し、実施例１のガスセンサ１００は、３００回の測定期間中には校正を行っていないにも関わらず、比較例２（ガス分析計の校正直前の状態）よりも検出精度が高い傾向にあった。また、比較例１のガスセンサ９００は、表１からわかるように、測定回数が増えるに従って検出精度が低下していく傾向が見られた。これに対し、実施例１のガスセンサ１００では、測定回数が増えることによる検出精度の低下はみられず、長期に亘って測定精度が維持されていた。
【符号の説明】
【００９４】
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  拡散律速部、２０  内部空所、２３  第１外側電極、２４  第２外側電極、２５  ポンプ電源、４１  ポンプセル、４２  基準電極、４３  基準ガス導入空間、４４  測定電極、７０  ヒータ部、７１  ヒータ、７２  リード部、７２ａ，７２ｂ  通電用リード、７２ｃ，７２ｄ  電圧測定用リード、７３  スルーホール、７４，７４ａ〜７４ｄ  ヒータコネクタ電極、７５  ヒータ絶縁層、８３  センサセル、８４  ポンプ電流取得部、８５  起電力取得部、８６  ヒータ電源、８７  ヒータ電流取得部、８８  ヒータ電圧取得部、９０  制御装置、９２  ＣＰＵ、９４  記憶部、９５  第１対応関係、９６  第２対応関係、９８  表示操作部、１００  ガスセンサ、１００ａ  センサ素子、９００  ガスセンサ、９００ａ  センサ素子、９０１  第１基板層、９０２  第２基板層、９０３  第３基板層、９０４  第１固体電解質層、９０５  スペーサ層、９０６  第２固体電解質層、９１０  ガス導入口、９１１  第１拡散律速部、９１２  緩衝空間、９１３  第２拡散律速部、９２０  第１内部空所、９２１  主ポンプセル、９２２  内側ポンプ電極、９２３  外側ポンプ電極、９２５  可変電源、９３０  第３拡散律速部、９４０  第２内部空所、９４１  測定用ポンプセル、９４２  基準電極、９４３  基準ガス導入空間、９４４  測定電極、９４６  可変電源、９４８  大気導入層、９５０  補助ポンプセル、９５１  補助ポンプ電極、９５２  可変電源、９６０  第４拡散律速部、９６１  第３内部空所、９７０  ヒータ部、９７１  ヒータ、９７２  リード部、９７３  スルーホール、９７４  ヒータコネクタ電極、９７５  ヒータ絶縁層、９８０  主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、９８１  補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、９８２  測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル、９８３  センサセル、９８６  ヒータ電源、９９０  制御装置、９９２  ＣＰＵ、９９４  記憶部。
【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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【図１２】
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【図１３】
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