(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解して、その際に発生する酸素量を測定することにより、被測定ガス中の特定成分量を求めるようにしたガスセンサにおいて、
固体電解質からなる基体と、
前記被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く第１の拡散律速部と、
前記第１の拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気と連通する第１の内部空所と、
前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１のポンプ電極からなる第１の電気化学的ポンプセルと、
前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１の測定電極からなる第１の電気化学的センサセルと、
前記第１の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第２の拡散律速部と、
前記第２の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第２の内部空所と、
前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２のポンプ電極からなる第２の電気化学的ポンプセルと、
前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２の測定電極からなる第２の電気化学的センサセルと、
前記第２の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第３の拡散律速部と、
前記第３の拡散律速部を通じて導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分の還元又は分解により生じた酸素を汲み出す第３の電気化学的ポンプセルと、
前記第３の電気化学的ポンプセルの作動によって流れるポンプ電流を検出する電流検出手段を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記第３の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第３の内部空所を有し、
前記第３の電気化学的ポンプセルは、前記第３の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３のポンプ電極からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記第３の電気化学的ポンプセルは、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３のポンプ電極からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記一対の第２の測定電極と前記一対の第３のポンプ電極のうち、前記第２の内部空所における第２の測定電極と第３のポンプ電極が互いに対向して配置されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記一対の第２のポンプ電極と前記一対の第２の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第２のポンプ電極と第２の測定電極が共通とされていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載のガスセンサにおいて、
前記第１の内部空所内における第１のポンプ電極及び第１の測定電極並びに前記第２の内部空所内における第２のポンプ電極及び第２の測定電極の材料に、被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料を用いたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項６記載のガスセンサにおいて、
前記被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料として、ＡｕとＺｒＯ２  のサーメット、あるいはＡｕとＰｔ族元素の合金とＺｒＯ２  のサーメットを用いたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項８】
被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解して、その際に発生する酸素量を測定することにより、被測定ガス中の特定成分量を求めるようにしたガスセンサにおいて、
固体電解質からなる基体と、
前記被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く第１の拡散律速部と、
前記第１の拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気と連通する第１の内部空所と、
前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１のポンプ電極からなる第１の電気化学的ポンプセルと、
前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１の測定電極からなる第１の電気化学的センサセルと、
前記第１の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第２の拡散律速部と、
前記第２の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第２の内部空所と、
前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２のポンプ電極からなる第２の電気化学的ポンプセルと、
前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２の測定電極からなる第２の電気化学的センサセルと、
前記第２の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第３の拡散律速部と、
前記第３の拡散律速部を通じて導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分の還元又は分解により発生する酸素によって規定される酸素分圧に対応した起電力を出力する第３の電気化学的センサセルと、
前記第３の電気化学的センサセルから出力される前記起電力を検出する電圧検出手段を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】
請求項８記載のガスセンサにおいて、
前記第３の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第３の内部空所を有し、
前記第３の電気化学的センサセルは、前記第３の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３の測定電極からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】
請求項８記載のガスセンサにおいて、
前記第３の電気化学的センサセルは、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３の測定電極からなることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１１】
請求項１０記載のガスセンサにおいて、
前記一対の第３の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第３の測定電極が前記第２の内部空所内に露呈されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載のガスセンサにおいて、
前記一対の第２の測定電極と前記一対の第３の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第２の測定電極と第３の測定電極が互いに平行に配置されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１３】
請求項１０記載のガスセンサにおいて、
前記一対の第２のポンプ電極と前記一対の第２の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第２のポンプ電極と第２の測定電極が共通とされていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項１４】
請求項８〜１３のいずれか１項記載のガスセンサにおいて、
前記第１の内部空所内における第１のポンプ電極及び第１の測定電極並びに前記第２の内部空所内における第２のポンプ電極及び第２の測定電極の材料に、被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料を用いたことを特徴とするガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、
前記被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料として、ＡｕとＺｒＯ２  のサーメット、あるいはＡｕとＰｔ族元素の合金とＺｒＯ２  のサーメットを用いたことを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ２  ，ＳＯ２  、ＣＯ２  、Ｈ２  Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定ガス中の所望のガス成分の濃度を知るために、各種の測定方式や装置が提案されている。
【０００３】
例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘを測定する方法としては、ＲｈのＮＯｘ還元性を利用し、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質上にＰｔ電極及びＲｈ電極を形成してなるセンサを用いて、これら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知られている。
【０００４】
前記のようなセンサは、被測定ガスである燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によって、起電力が大きく変化するばかりでなく、ＮＯｘの濃度変化に対して起電力変化が小さく、そのためにノイズの影響を受けやすいという問題がある。
【０００５】
また、ＮＯｘの還元性を引き出すためには、ＣＯ等の還元ガスが必須になることから、一般に大量のＮＯｘが発生する燃料過少の燃焼条件下では、ＣＯの発生量がＮＯｘの発生量を下回るようになるため、そのような燃焼条件下に形成される燃焼ガスでは測定ができないという欠点があった。
【０００６】
また、Ｐｔ電極と酸素イオン伝導性の固体電解質よりなる一組の電気化学的ポンプセルとセンサセル、及びＲｈ電極と酸素イオン伝導性の固体電解質よりなるもう一組の電気化学的ポンプセルとセンサセルを組み合わせ、それぞれのポンプ電流値の差により、ＮＯｘを測定する方式が、特開昭６３−３８１５４号公報や特開昭６４−３９５４５号公報等に明らかにされている。
【０００７】
更に、特開平１−２７７７５１号公報や特開平２−１５４３号公報等には、一対の電気化学的ポンプセルとセンサセルを二組用意し、一方の一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサにて、ＮＯｘが還元されない酸素分圧下で、限界ポンプ電流を測定すると共に、他方の一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサにて、ＮＯｘが還元される酸素分圧下で限界ポンプ電流を測定し、それら限界ポンプ電流の差を求めたり、一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサを用い、被測定ガス中の酸素分圧をＮＯｘが還元される酸素分圧と還元され得ない酸素分圧とに切り換えて、限界電流の差を測定する方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、それらＮＯｘ測定方式において、限界電流の値は、大量に含まれる酸素による電流が大部分を占め、目的とするＮＯｘに基づく電流は極めて小さいのが通常であることから、二つの電流値の大きな差により、ＮＯｘに相当する小さな電流値を求めることとなる。従って、一組のセンサで切り換えて測定するものにあっては、連続測定ができない場合があり、また、応答性が遅く、精度が劣る等の問題がある。
【０００９】
また、二組のセンサを用いる方式の場合にあっては、被測定ガス中の酸素濃度が大きく変化すると、測定値に誤差が生じやすく、自動車用等のように、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化する場合には、使用することができない場合があった。これは、一方のセンサのポンプ電流の酸素濃度依存性と他方のセンサのポンプ電流の酸素濃度依存性とが、それぞれ異なることによるものである。
【００１０】
例えば、自動車の場合、空燃比が２０の運転条件下では、排気ガスの酸素濃度が数％であるのに対して、ＮＯｘ濃度は数百ｐｐｍであり、ＮＯｘが酸素に対して１／１００程度の濃度となる。この場合、酸素濃度に対するポンプ電流の依存性がわずかに異なるだけで、酸素濃度変化に対する限界電流値の差が、測定するＮＯｘによる限界電流変化分より大きくなる。
【００１１】
また、前記センサにおいては、ポンプセルの拡散律速手段が、排気ガス中のオイル燃焼物により目詰まりを起こすと、ポンプ電流に変化が惹起されて、精度が失われたり、排気ガス温度が大きく変化すると、測定値に異常が生じるという不都合があった。
【００１２】
更に、二組のセンサにおいて、各特性の経時変化に差が生じると、それがそのまま誤差となり、長時間の使用に耐え得ないという欠点もあった。
【００１３】
このように、被測定ガス中に存在する酸素は、ＮＯｘの測定に際して各種の問題を内在しており、また、ＮＯｘ以外の他の被測定ガス成分の測定に際しても、測定精度が低下する等の同様な問題を有しており、これらの問題の解決が強く望まれていた。
【００１４】
そこで、本発明者らは、前記の問題を解決すべく、特願平７−４８５５１号において、直列的に配してなる第１及び第２の電気化学的ポンプセルを利用して、被測定ガス中のＮＯｘ等の結合酸素を有する被測定ガス成分を、該被測定ガス中の酸素濃度あるいはその変化に影響を受けることなく、連続的に応答性よく、かつ長時間にわたって正確に測定可能とした新しい測定方式を明らかにした。
【００１５】
この提案例に係る測定方式、特にその測定手順について簡単に説明すると、まず、外部の被測定ガス存在空間から、測定されるべき結合酸素を有するガス成分を含む被測定ガスをそれぞれ所定の拡散抵抗の下に、第１及び第２の処理ゾーンへ順次導き入れる。
【００１６】
前記第１の処理ゾーンにおいては、雰囲気中の酸素を第１の電気化学的ポンプセルにて汲み出すことにより、前記目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御する。
【００１７】
前記第２の処理ゾーンにおいては、前記第１の処理ゾーンから導かれた雰囲気中の被測定ガス成分を還元又は分解して、その際に発生する酸素を第２の電気化学的ポンプセルによる酸素のポンピング作用にて汲み出す。
【００１８】
そして、この第２の電気化学的ポンプセルに流れるポンプ電流を検出して、その検出値より、被測定ガス中の目的成分量を求める。
【００１９】
ところで、この提案例に係る測定方式について、更に検討を加えたところ、第１の処理ゾーンにおける雰囲気の酸素濃度（分圧）が、該第１の処理ゾーンに対して酸素分圧検出手段（電気化学的センサセル）にて検出される起電力が一定値になるように、第１の電気化学的ポンプセルのポンプ電圧を調整することによって制御されているにも拘わらず、被測定ガス中の酸素濃度が高くなると、該第１の処理ゾーンから第２の処理ゾーンに導かれる雰囲気中の酸素分圧が変化する（高くなる）という問題があることが判明した。
【００２０】
つまり、排気ガス中の酸素濃度が増加すると、第２の処理ゾーンにおけるＮＯの分解電流も増加し、測定精度の向上に限界が生じるおそれがある。
【００２１】
これは、第１の処理ゾーンにおける第１の電気化学的ポンプセルにて該第１の処理ゾーンでの酸素濃度を一定に制御しても、排気ガス中の酸素濃度が大きく変化、例えば０〜２０％ほど変化すると、第１の処理ゾーンの酸素濃度分布が変化し、第２の処理ゾーンに進入する酸素の濃度が変化することが原因である。
【００２２】
そのため、第１の処理ゾーンにおける第１の電気化学的ポンプセルのポンプ能力を大きくすれば、第２の処理ゾーンに進入する酸素の濃度変化を小さくできるが、それには、各種の問題が内在している。
【００２３】
具体的には、ポンプ能力を高めるためには、ポンプ電極の面積を拡大する方法や、ポンプの温度を高くする方法等が考えられるが、ポンプ電極の面積を拡大することは、第１の処理ゾーンの面積（体積）も必然的に大きくなり、そのため、応答が遅くなるおそれがある。また、ポンプの作動温度を上げれば、第１の処理ゾーンにおけるポンプ電極において、被測定ガス成分、例えばＮＯｘの還元が起こりやすくなる、あるいはＮＯの分解が起こりやすくなり、ＮＯに関する感度が低下するというおそれがある。
【００２４】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、優れた性能を有する前記提案例に係るガスセンサにおいて、排気ガス中の酸素の濃度変化がＮＯ感度に及ぼす干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができるガスセンサを提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明に係るガスセンサは、被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解して、その際に発生する酸素量を測定することにより、被測定ガス中の特定成分量を求めるようにしたガスセンサにおいて、固体電解質からなる基体と、前記被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く第１の拡散律速部と、前記第１の拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気と連通する第１の内部空所と、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１のポンプ電極からなる第１の電気化学的ポンプセルと、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１の測定電極からなる第１の電気化学的センサセルと、前記第１の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第２の拡散律速部と、前記第２の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第２の内部空所と、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２のポンプ電極からなる第２の電気化学的ポンプセルと、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２の測定電極からなる第２の電気化学的センサセルと、前記第２の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第３の拡散律速部と、前記第３の拡散律速部を通じて導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分の還元又は分解により生じた酸素を汲み出す第３の電気化学的ポンプセルと、前記第３の電気化学的ポンプセルの作動によって流れるポンプ電流を検出する電流検出手段を設けて構成する。
【００２６】
これにより、まず、被測定ガスは、第１の拡散律速部を通じて所定の拡散抵抗の下に第１の内部空所に導かれる。第１の内部空所に導かれた被測定ガスは、第１の電気化学的ポンプセルでのポンピング作用によって所定の酸素濃度に調整される。
【００２７】
前記第１の電気化学的ポンプセルにて所定の酸素濃度に調整されたガスは、第２の拡散律速部を通じて所定の拡散抵抗の下に第２の内部空所に導かれる。第２の内部空所に導かれたガスは、第２の電気化学的ポンプセルでのポンピング作用によって所定の酸素濃度に微調整される。
【００２８】
前記第２の電気化学的ポンプセルにて所定の酸素濃度に微調整されたガスは、第３の拡散律速部を通じて所定の拡散抵抗の下に第３の電気化学的ポンプセルに導かれる。この第３の電気化学的ポンプセルにおいては、導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解し、この還元又は分解により生じた酸素を汲み出すという動作が行われる。
【００２９】
そして、前記第３の電気化学的ポンプセルの作動（酸素の汲み出し）によって流れるポンプ電流が電流検出手段にて検出され、この検出値に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【００３０】
前記動作が行われている間に、被測定ガス中の酸素濃度が大きく（０〜２０％）変化すると、第１の内部空所に導かれる被測定ガスの酸素濃度分布が大きく変化し、第２の内部空所に導かれる酸素量も変化する。
【００３１】
第２の内部空所に導かれる酸素の濃度は、第２の電気化学的ポンプセルにて微調整されることになるが、第１の内部空所における第１の電気化学的ポンプセルでのポンピング動作によって、前記第２の内部空所に導かれる酸素の濃度変化は、被測定ガス（第１の内部空所に導かれる被測定ガス）における酸素の濃度変化よりも大幅に縮小されるため、第２の内部空所での酸素濃度を精度良く一定に制御することができる。
【００３２】
この場合、第２の内部空所における第２の電気化学的センサセルに基づいて、第２の電気化学的ポンプセルのポンピング動作をフィードバック制御することにより、前記第２の内部空所における酸素濃度を更に精度良く制御することができる。
【００３３】
このように、前記第２の内部空所において、その酸素濃度が一定となるように精度良く制御されることから、第３の電気化学的ポンプセルに導かれる酸素の濃度は、前記被測定ガス（第１の内部空所に導かれる被測定ガス）における酸素濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、第３の電気化学的ポンプセルでの酸素の汲み出しによって電流検出手段にて検出されるポンプ電流値は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【００３４】
即ち、本発明に係るガスセンサにおいては、被測定ガス中に存在する目的成分量の検出感度に対する排気ガス中の酸素の濃度変化の干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができる。
【００３５】
そして、前記請求項１記載の本発明に係るガスセンサにおいて、前記第３の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第３の内部空所を設け、前記第３の電気化学的ポンプセルを前記第３の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３のポンプ電極にて構成するようにしてもよい（請求項２記載の発明）。
【００３６】
この場合、前記第２の内部空所において、その酸素濃度が一定となるように精度良く制御されることから、第３の内部空所に導かれる酸素の濃度は、前記被測定ガス（第１の内部空所に導かれる被測定ガス）における酸素濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、第３の内部空所における第３の電気化学的ポンプセルでの酸素の汲み出しによって電流検出手段にて検出されるポンプ電流値は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【００３７】
また、前記請求項１記載の本発明に係るガスセンサにおいて、前記第３の電気化学的ポンプセルを、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３のポンプ電極にて構成するようにしてもよい（請求項３記載の発明）。
【００３８】
この場合、第３の電気化学的ポンプセルを設けるための新たな内部空所を設ける必要がないため、ガスセンサ全体の構造の小型化を促進させることができる。
【００３９】
そして、前記構成において、前記一対の第２の測定電極と前記一対の第３のポンプ電極のうち、前記第２の内部空所における第２の測定電極と第３のポンプ電極を互いに対向して配置するようにしてもよい（請求項４記載の発明）。
【００４０】
この場合、被測定ガス成分の濃度をポンプ電流にて測定する際に、第２の測定電極が第３のポンプ電極の影響を受け難い配置関係となるため、第２の内部空所に第３の電気化学的ポンプセルを設けたとしても、被測定ガス中に存在する目的成分量を正確に測定することが可能となる。
【００４１】
また、前記構成において、前記一対の第２のポンプ電極と前記一対の第２の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第２のポンプ電極と第２の測定電極を共通にしてもよい（請求項５記載の発明）。
【００４２】
この場合、第２の内部空所に電極を形成するための面積を広くとる必要がなくなるため、ガスセンサ自体の構造を小型化できる。また、同じサイズに設定した場合は、第１の内部空所の容積を広くとることができ、第２の電気化学的ポンプセルにおけるポンプ機能を高めることが可能となり、第２の内部空所での酸素濃度の微調整をより精度良く行うことができる。
【００４３】
また、ポンプ電極と測定電極を共通化していることから、例えば第２の内部空所における第２の電気化学的ポンプセルによる酸素の汲み出し量が変化して、第２の内部空所における酸素濃度が変化すると、第２の電気化学的センサセルでの測定電圧も時間遅れなく変化するため、第２の電気化学的センサセルの第２の電気化学的ポンプセルに対するフィードバック制御を発振を伴うことなく良好に行うことができる。
【００４４】
なお、請求項１〜７記載のガスセンサにおいて、前記第１の内部空所内における第１のポンプ電極及び第１の測定電極並びに前記第２の内部空所内における第２のポンプ電極及び第２の測定電極の材料に、被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料を用いることが好ましい。この場合、前記被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料として、ＡｕとＺｒＯ２  のサーメット、あるいはＡｕとＰｔ族元素の合金とＺｒＯ２  のサーメットを用いることができる。
【００４５】
次に、請求項８記載の本発明に係るガスセンサは、被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解して、その際に発生する酸素量を測定することにより、被測定ガス中の特定成分量を求めるようにしたガスセンサにおいて、固体電解質からなる基体と、前記被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く第１の拡散律速部と、前記第１の拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気と連通する第１の内部空所と、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１のポンプ電極からなる第１の電気化学的ポンプセルと、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１の測定電極からなる第１の電気化学的センサセルと、前記第１の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第２の拡散律速部と、前記第２の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第２の内部空所と、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２のポンプ電極からなる第２の電気化学的ポンプセルと、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２の測定電極からなる第２の電気化学的センサセルと、前記第２の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第３の拡散律速部と、前記第３の拡散律速部を通じて導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分の還元又は分解により発生する酸素によって規定される酸素分圧に対応した起電力を出力する第３の電気化学的センサセルと、前記第３の電気化学的センサセルから出力される前記起電力を検出する電圧検出手段を設けて構成する。
【００４６】
これにより、まず、被測定ガスは、第１の拡散律速部を通じて所定の拡散抵抗の下に第１の内部空所に導かれる。第１の内部空所に導かれた被測定ガスは、第１の電気化学的ポンプセルでのポンピング作用によって所定の酸素濃度に調整される。
【００４７】
前記第１の電気化学的ポンプセルにて所定の酸素濃度に調整されたガスは、第２の拡散律速部を通じて所定の拡散抵抗の下に第２の内部空所に導かれる。第２の内部空所に導かれたガスは、第２の電気化学的ポンプセルでのポンピング作用によって所定の酸素濃度に微調整される。
【００４８】
前記第２の電気化学的ポンプセルにて所定の酸素濃度に微調整されたガスは、第３の拡散律速部を通じて所定の拡散抵抗の下に第３の電気化学的センサセルに導かれる。この第３の電気化学的センサセルにおいては、導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解し、その際に発生する酸素によって規定される酸素分圧に対応した起電力を出力する。
【００４９】
そして、前記第３の電気化学的センサセルから出力される起電力が電圧検出手段にて検出され、この検出値（電圧値）に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【００５０】
前記動作が行われている間に、被測定ガス中の酸素濃度が大きく（０〜２０％）変化すると、第１の内部空所に導かれる被測定ガスの酸素濃度分布が大きく変化し、第２の内部空所に導かれる酸素量も変化する。
【００５１】
第２の内部空所に導かれる酸素の濃度は、第２の電気化学的ポンプセルにて微調整されることになるが、第１の内部空所における第１の電気化学的ポンプセルでのポンピング動作によって、前記第２の内部空所に導かれる酸素の濃度変化は、被測定ガス（第１の内部空所に導かれる被測定ガス）における酸素の濃度変化よりも大幅に縮小されるため、第２の内部空所での酸素濃度を精度良く一定に制御することができる。
【００５２】
この場合、第２の内部空所における第２の電気化学的センサセルに基づいて、第２の電気化学的ポンプセルのポンピング動作をフィードバック制御することにより、前記第２の内部空所における酸素濃度を更に精度良く制御することができる。
【００５３】
このように、前記第２の内部空所において、その酸素濃度が一定となるように精度良く制御されることから、第３の電気化学的センサセルに導かれる酸素の濃度は、前記被測定ガス（第１の内部空所に導かれる被測定ガス）における酸素濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、電圧検出手段にて検出される電圧値は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【００５４】
即ち、この請求項８記載の本発明に係るガスセンサにおいても、被測定ガス中に存在する目的成分量の検出感度に対する排気ガス中の酸素の濃度変化の干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができる。
【００５５】
特に、この請求項８記載の本発明に係るガスセンサにおいては、第３の電気化学的センサセルにおいて、被測定ガス成分の還元又は分解により発生する酸素によって規定される酸素分圧に対応した起電力が出力され、後段の電圧検出手段にて電圧値として検出されることから、低濃度の被測定ガス成分の測定に際して、僅かな酸素発生量であっても、起電力の大きな変化として測定することができ、検出感度の高Ｓ／Ｎを実現することができる。
【００５６】
そして、前記請求項８記載の本発明に係るガスセンサにおいて、前記第３の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第３の内部空所を設け、前記第３の電気化学的センサセルを前記第３の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３の測定電極にて構成するようにしてもよい（請求項９記載の発明）。
【００５７】
この場合、前記第３の電気化学的センサセルにおいて、被測定ガス成分の還元又は分解により発生する酸素によって規定される第３の内部空所内の雰囲気の酸素分圧に対応した起電力が出力されることになる。そして、前記第２の内部空所において、その酸素濃度が一定となるように精度良く制御されることとも相俟って、第３の内部空所に導かれる酸素の濃度は、前記被測定ガス（第１の内部空所に導かれる被測定ガス）における酸素濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、電圧検出手段にて検出される電圧値は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【００５８】
また、前記請求項８記載の本発明に係るガスセンサにおいて、前記第３の電気化学的センサセルを、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第３の測定電極にて構成するようにしてもよい（請求項１０記載の発明）。
【００５９】
この場合、第３の電気化学的センサセルを設けるための新たな内部空所を設ける必要がないため、ガスセンサ全体の構造の小型化を促進させることができる。
【００６０】
また、前記構成において、前記一対の第３の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第３の測定電極を前記第２の内部空所内に露呈、即ち、第３の拡散律速部を省略するようにしてもよい（請求項１１記載の発明）。つまり、第２の内部空所内における第２のポンプ電極と第３の測定電極との配置関係を適宜調整することで第３の拡散律速部を省略することが可能となる。この場合、前記第３の測定電極を囲むように第３の拡散律速部を形成する必要がなくなるため、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００６１】
そして、前記構成において、前記一対の第２の測定電極と前記一対の第３の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第２の測定電極と第３の測定電極を互いに平行に配置するようにしてもよい（請求項１２記載の発明）。
【００６２】
この場合、被測定ガス成分の濃度を起電力にて測定する際に、第２の測定電極と第３の測定電極が近接することとなるため、第２の測定電極近傍の酸素濃度をより正確に制御でき、第２の内部空所に第３の電気化学的センサセルを設けたとしても、被測定ガス中に存在する目的成分量を正確に測定することが可能となる。
【００６３】
また、前記構成において、前記一対の第２のポンプ電極と前記一対の第２の測定電極のうち、前記第２の内部空所における第２のポンプ電極と第２の測定電極を共通にしてもよい（請求項１３記載の発明）。
【００６４】
この場合、第２の内部空所に電極を形成するための面積を広くとる必要がなくなるため、ガスセンサ自体の構造を小型化できる。また、同じサイズに設定した場合は、第２の内部空所の容積を広くとることができ、第２の電気化学的ポンプセルにおけるポンプ機能を高めることが可能となり、第２の内部空所での酸素濃度の微調整をより精度良く行うことができる。
【００６５】
また、ポンプ電極と測定電極を共通化していることから、例えば第２の内部空所における第２の電気化学的ポンプセルによる酸素の汲み出し量が変化して、第２の内部空所における酸素濃度が変化すると、第２の電気化学的センサセルでの測定電圧も時間遅れなく変化するため、第２の電気化学的センサセルの第２の電気化学的ポンプセルに対するフィードバック制御を発振を伴うことなく良好に行うことができる。
【００６６】
なお、請求項８〜１３記載のガスセンサにおいて、前記第１の内部空所内における第１のポンプ電極及び第１の測定電極並びに前記第２の内部空所内における第２のポンプ電極及び第２の測定電極の材料に、被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料を用いることが好ましい。この場合、前記被測定ガス中のＮＯｘに対する還元能力を低めた、あるいは還元能力がない材料として、ＡｕとＺｒＯ２  のサーメット、あるいはＡｕとＰｔ族元素の合金とＺｒＯ２  のサーメットを用いることができる。
【００６７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ２  ，ＳＯ２  、ＣＯ２  、Ｈ２  Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用したいくつかの実施の形態例を図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００６８】
第１の実施の形態に係るガスセンサは、図１に示すように、ＺｒＯ２  等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセラミックによりなる例えば６枚の固体電解質層１０ａ〜１０ｆが積層されて構成され、下から１層目及び２層目が第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂとされ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペース層１０ｃ及び１０ｅとされ、下から４層目及び６層目が第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆとされている。
【００６９】
具体的には、第２の基板層１０ｂ上に第１のスペース層１０ｃが積層され、更に、この第１のスペース層１０ｃ上に第１の固体電解質層１０ｄ、第２のスペース層１０ｅ及び第２の固体電解質層１０ｆが順次積層されている。
【００７０】
第２の基板層１０ｂと第１の固体電解質層１０ｄとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間１２）が、第１の固体電解質層１０ｄの下面、第２の基板層１０ｂの上面及び第１のスペース層１０ｃの側面によって区画、形成されている。
【００７１】
また、第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆ間に第２のスペース層１０ｅが挟設されると共に、第１、第２及び第３の拡散律速部１４、１６及び１８が挟設されている。
【００７２】
そして、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第１及び第２の拡散律速部１４及び１６の側面並びに第１の固体電解質層１０ｄの上面にて被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第１の内部空所２０が区画、形成され、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第２及び第３の拡散律速部１６及び１８の側面並びに第１の固体電解質層１０ｄの上面にて被測定ガス中の酸素分圧を微調整するための第２の内部空所２２が区画、形成され、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第３の拡散律速部１８の側面及び第２のスペース層１０ｅの側面並びに第１の固体電解質層１０ｄの上面にて被測定ガス中の酸化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための第３の内部空所２４が区画、形成される。
【００７３】
外部空間と前記第１の内部空所２０は、第１の拡散律速部１４を介して連通され、第１の内部空所２０と第２の内部空所２２は、前記第２の拡散律速部１６を介して連通され、第２の内部空所２２と第３の内部空所２４は、前記第３の拡散律速部１８を介して連通されている。
【００７４】
ここで、前記第１、第２及び第３の拡散律速部１４、１６及び１８は、第１の内部空所２０、第２の内部空所２２及び第３の内部空所２４にそれぞれ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ものであり、例えば、被測定ガスを導入することができる多孔質材料又は所定の断面積を有した小孔からなる通路として形成することができる。
【００７５】
特に、第２及び第３の拡散律速部１６及び１８内には、ＺｒＯ２  等からなる多孔質体が充填、配置されて、これら第２及び第３の拡散律速部１６及び１８の拡散抵抗が前記第１の拡散律速部１４における拡散抵抗よりも大きくされている。
【００７６】
そして、前記第２の拡散律速部１６を通じて、第１の内部空所２０内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２の内部空所２２内に導入されるようになっており、更に、第２の内部空所２２内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第３の内部空所２４内に導入されるようになっている。
【００７７】
また、前記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、前記第１の内部空所２０を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第１の内側ポンプ電極２６が形成され、前記第２の固体電解質層１０ｆの上面のうち、前記第１の内側ポンプ電極２６に対応する部分に、第１の外側ポンプ電極２８が形成されており、これら第１の内側ポンプ電極２６、第１の外側ポンプ電極２８及び第２の固体電解質層１０ｆにて第１の電気化学的ポンプセル３０が構成されている。
【００７８】
そして、前記第１の電気化学的ポンプセル３０における第１の内側ポンプ電極２６と第１の外側ポンプ電極２８間に、外部の可変電源３２を通じて所望の電圧Ｖｐ１を印加して、第１の外側ポンプ電極２８から第１の内側ポンプ電極２６の方向にポンプ電流を流すことにより、第１の内部空所２０内の雰囲気中の酸素を外部の外部空間に汲み出せるようになっている。
【００７９】
また、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第１の内部空所２０を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部１６に近接する部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第１の測定電極３４が形成され、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１２に露呈する部分であって、かつ前記第１の測定電極３４に対応する部分に、第１の基準電極３６が形成されており、これら第１の測定電極３４、第１の基準電極３６及び第１の固体電解質層１０ｄによって、酸素分圧検出手段としての第１の電気化学的センサセル３８が構成されている。
【００８０】
この第１の電気化学的センサセル３８は、第１の内部空所２０内の雰囲気と基準ガス導入空間１２内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、第１の測定電極３４と第１の基準電極３６との間に発生する起電力を電圧計Ｖ１にて測定することにより、前記第１の内部空所２０内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００８１】
検出された酸素分圧値は可変電源３２をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第１の内部空所２０内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２の内部空所２２において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、第１の電気化学的ポンプセル３０のポンプ動作が制御される。
【００８２】
なお、前記第１の内側ポンプ電極２６及び第１の外側ポンプ電極２８を構成する多孔質サーメット電極は、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ２  等のセラミックスとから構成されることになるが、被測定ガスに接触する第１の内部空所２０内に配置される第１の内側ポンプ電極２６及び第１の測定電極３４は、測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ３  ＣｕＯ４  等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【００８３】
一方、前記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、前記第２の内部空所２２を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第２の内側ポンプ電極４０が形成され、前記第２の固体電解質層１０ｆの上面のうち、前記第２の内側ポンプ電極４０に対応する部分に、第２の外側ポンプ電極４２が形成されており、これら第２の内側ポンプ電極４０、第２の外側ポンプ電極４２及び第２の固体電解質層１０ｆにて第２の電気化学的ポンプセル４４が構成されている。
【００８４】
そして、前記第２の電気化学的ポンプセル４４における第２の内側ポンプ電極４０と第２の外側ポンプ電極４２間に、外部の可変電源４６を通じて所望の電圧Ｖｐ２を印加して、第２の外側ポンプ電極４２から第２の内側ポンプ電極４０の方向に電流を流すことにより、第２の内部空所２２内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出せるようになっている。これによって、第２の内部空所２２内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯｘ）が還元又は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御される。この場合、第１の内部空所２０における第１の電気化学的ポンプセル３０の働きにより、この第２の内部空所２２内に導入される酸素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第２の内部空所２２における酸素分圧は精度良く一定に制御される。
【００８５】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第２の内部空所２２を形づくる上面であって、かつ第３の拡散律速部１８に近接する部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第２の測定電極４８が形成され、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１２に露呈する部分であって、かつ前記第２の測定電極４８に対応する部分に、第２の基準電極５０が形成されており、これら第２の測定電極４８、第２の基準電極５０及び第１の固体電解質層１０ｄによって、酸素分圧検出手段としての第２の電気化学的センサセル５２が構成されている。
【００８６】
この第２の電気化学的センサセル５２は、第２の内部空所２２内の雰囲気と基準ガス導入空間１２内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、第２の測定電極４８と第２の基準電極５０との間に発生する起電力を電圧計Ｖ２にて測定することにより、前記第２の内部空所２２内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００８７】
検出された酸素分圧値は可変電源４６をフィードバック制御するために使用される。これによって、第２の内部空所２２内における酸素分圧に対する前記第２の電気化学的ポンプセル４４による制御がより精度良く行われることになる。
【００８８】
更に、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第３の内部空所２４を形づくる上面のほぼ全面に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第３の内側ポンプ電極５４が形成され、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１２に露呈する部分であって、かつ前記第３の内側ポンプ電極５４に対応する部分に、第３の外側ポンプ電極５６が形成されており、これら第３の内側ポンプ電極５４、第３の外側ポンプ電極５６及び第１の固体電解質層１０ｄによって、第３の電気化学的ポンプセル５８が構成されている。
【００８９】
前記第３の内側ポンプ電極５４は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属であるＲｈとセラミックスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによって、第３の内部空所２４内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒として機能するほか、前記第３の外側ポンプ電極５６との間に、直流電源６０を通じて一定電圧Ｖｐ３が印加されることによって、第３の内部空所２４内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１２に汲み出せるようになっている。この第３の電気化学的ポンプセル５８のポンプ動作によって流れるポンプ電流は、電流計Ｉｐによって検出されるようになっている。
【００９０】
前記定電圧（直流）電源６０は、第３の拡散律速部１８により制限されたＮＯｘの流入下において、第３の電気化学的ポンプセル５８で分解時に生成した酸素のポンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加できるようになっている。
【００９１】
なお、この第１の実施の形態に係るガスセンサは、第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ６２が埋設されている。このヒータ６２は、酸素イオンの伝導性を高めるために設けられるもので、該ヒータ６２の上下面には、基板層１０ａ及び１０ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等のセラミックス層６４が形成されている。
【００９２】
更に、前記ヒータ６２は、図示するように、第１の内部空所２０から第３の内部空所２４の全体にわたって配設されており、これによって、各内部空所２０、２２及び２４がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて第１、第２及び第３の電気化学的ポンプセル３０、４４及び５８並びに第１及び第２の電気化学的センサセル３８及び５２も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。
【００９３】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、その先端部側が外部空間に配置され、これによって、被測定ガスは、第１の拡散律速部１４を通じて所定の拡散抵抗の下に、第１の内部空所２０に導入される。この第１の内部空所２０に導入された被測定ガスは、第１の電気化学的ポンプセル３０を構成する一対のポンプ電極２６及び２８間に所定の電圧Ｖｐ１が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が所定の値、例えば１０−７ａｔｍとなるように制御される。
【００９４】
第１の内部空所２０内の雰囲気の酸素分圧が所定の値になるように制御するためには、ネルンストの式に基づいて、第１の電気化学的センサセル３８における第１の測定電極３４と第１の基準電極３６との間の起電力を電圧計Ｖ１にて測定し、その電圧値が例えば３００ｍＶ（７００℃）となるように、第１の電気化学的ポンプセル３０の一対のポンプ電極２６及び２８間に印加する電圧（可変電源３２）をフィードバック制御することによって、目的とする１０−７ａｔｍの酸素分圧となるように制御が行われる。
【００９５】
即ち、第１の電気化学的センサセル３８から出力される起電力が、第１の内部空所２０における所望の酸素濃度と基準ガスの酸素濃度との差に相当する起電力となるように、第１の電気化学的ポンプセル３０に印加される電圧Ｖｐ１を制御すればよい。
【００９６】
なお、第１の拡散律速部１４は、第１の電気化学的ポンプセル３０に電圧Ｖｐ１を印加した際、被測定ガス中の酸素が測定空間（第１の内部空所２０）に拡散流入する量を絞り込んで、第１の電気化学的ポンプセル３０に流れる電流を抑制する働きをしている。
【００９７】
また、第１の内部空所２０内においては、外部の被測定ガスによる加熱、更にはヒータ６２による加熱環境下においても、第１の内側ポンプ電極２６や第１の測定電極３４にて雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態、例えばＮＯ→１／２Ｎ２  ＋１／２Ｏ２  の反応が起こらない酸素分圧下の状況が形成されている。これは、第１の内部空所２０内において、被測定ガス（雰囲気）中のＮＯｘが還元されると、後段の第３の内部空所２４内でのＮＯｘの正確な測定ができなくなるからであり、この意味において、第１の内部空所２０内において、ＮＯｘの還元に関与する成分（ここでは、第１の内側ポンプ電極２６や第１の測定電極３４の金属成分）にてＮＯｘが還元され得ない状況を形成する必要がある。具体的には、第１の内側ポンプ電極２６及び第１の測定電極３４にＮＯｘ還元性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。
【００９８】
そして、前記第１の内部空所２０内のガスは、第２の拡散律速部１６を通じて所定の拡散抵抗の下に、第２の内部空所２２に導入される。この第２の内部空所２２に導入されたガスは、第２の電気化学的ポンプセル４４を構成する一対のポンプ電極４０及び４２間に所定の電圧Ｖｐ２が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が常に一定の低い酸素分圧値となるように制御される。
【００９９】
第２の内部空所２２内の雰囲気の酸素分圧が所定の低い値になるように制御するためには、ネルンストの式に基づいて、第２の電気化学的センサセル５２における第２の測定電極４８と第２の基準電極５０との間の起電力を電圧計Ｖ２にて測定し、その電圧値が例えば４３０ｍＶ（７００℃）となるように、第２の電気化学的ポンプセル４４の一対のポンプ電極４０及び４２間に印加する電圧（可変電源４６）をフィードバック制御することによって、一定の低い酸素分圧となるように制御が行われる。
【０１００】
即ち、第２の電気化学的センサセル５２から出力される起電力が、第２の内部空所２２における所望の酸素濃度と基準ガスの酸素濃度との差に相当する起電力となるように、第２の電気化学的ポンプセル４４に印加される電圧Ｖｐ２を制御すればよい。
【０１０１】
なお、第２の拡散律速部１６は、前記第１の拡散律速部１４と同様に、第２の電気化学的ポンプセル４４に電圧Ｖｐ２を印加した際、被測定ガス中の酸素が測定空間（第２の内部空所２２）に拡散流入する量を絞り込んで、第２の電気化学的ポンプセル４４に流れる電流を抑制する働きをしている。
【０１０２】
また、第２の内部空所２２内においても、第１の内部空所２０内と同様に、外部の被測定ガスによる加熱やヒータ６２による加熱環境下において、第２の内側ポンプ電極４０や第２の測定電極４８によって、雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態が形成されている。このため、第２の内側ポンプ電極４０及び第２の測定電極４８においても、第１の内側ポンプ電極２６や第１の測定電極３４と同様に、測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ３  ＣｕＯ４  等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【０１０３】
そして、上述のようにして第２の内部空所２２内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第３の拡散律速部１８を通じて所定の拡散抵抗の下に、第３の内部空所２４内に導かれることとなる。
【０１０４】
ところで、前記第１の電気化学的ポンプセル３０を動作させて第１の内部空所２０内の雰囲気の酸素分圧をＮＯｘ測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御しようとしたとき、換言すれば、第１の電気化学的センサセル３８にて検出される電圧が一定となるように、可変電源３２の電圧Ｖｐ１を調整したとき、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば０〜２０％に変化すると、通常、第２の内部空所２２内の雰囲気及び第３の内部空所２４内の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化するようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くなると、第１の測定電極３４上の第１の内部空所２０の幅方向及び厚み方向に酸素濃度分布が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガス中の酸素濃度により変化するためであると考えられる。
【０１０５】
しかし、前記第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２の内部空所２２に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定に低い酸素分圧値となるように、第２の電気化学的ポンプセル４４を設けるようにしているため、第１の内部空所２０から第２の内部空所２２に導入される雰囲気の酸素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前記第２の電気化学的ポンプセル４４のポンプ動作によって、第２の内部空所２２内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることができ、その結果、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができる。
【０１０６】
そして、第３の内部空所２４内に導入された被測定ガスのＮＯｘは、第３の電気化学的ポンプセル５８の第３の内側ポンプ電極５４の周りにおいて還元又は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ２  ＋１／２Ｏ２  の反応が引き起こされる。このとき、第３の電気化学的ポンプセル５８を構成する第３の内側ポンプ電極５４と第３の外側ポンプ電極５６との間には、酸素が第３の内部空所２４から基準ガス導入空間１２側に汲み出される方向に、所定の電圧Ｖｐ３、例えば４３０ｍＶ（７００℃）が印加される。
【０１０７】
従って、第３の電気化学的ポンプセル５８に流れるポンプ電流は、第３の内部空所２４に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第２の内部空所２２内の酸素濃度と第３の内側ポンプ電極５４にてＮＯｘが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和に比例した値となる。
【０１０８】
この場合、第２の内部空所２２内の雰囲気中の酸素濃度は、第２の電気化学的ポンプセル４４にて一定に制御されていることから、図２に示すように、前記第３の電気化学的ポンプセル５８に流れるポンプ電流は、ＮＯｘの濃度に比例することになる。また、このＮＯｘの濃度は、第３の拡散律速部１８に制限されるＮＯｘの拡散量に対応していることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、第３の電気化学的ポンプセル５８から電流計Ｉｐを通じて正確にＮＯｘ濃度を測定することが可能となる。
【０１０９】
例えば、第２の電気化学的ポンプセル４４にて制御された第２の内部空所２２内の雰囲気の酸素分圧が０．０２ｐｐｍで、被測定ガス中のＮＯｘ成分たるＮＯ濃度が１００ｐｐｍとすると、ＮＯが還元又は分解されて発生する酸素濃度５０ｐｐｍと第２の内部空所２２内の雰囲気中の酸素濃度０．０２ｐｐｍとの和（＝５０．０２ｐｐｍ）に相当するポンプ電流が流れることとなる。従って、第３の電気化学的ポンプセル５８におけるポンプ電流値は、ほとんどがＮＯが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素濃度に依存するようなこともない。
【０１１０】
図３は、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同じ構成を有する第１実施例と、第２の内部空所２２並びに第２の電気化学的ポンプセル４４及び第２の電気化学的センサセル５２を有しない構成の比較例を用意し、基本ガス成分がＮ２  −ＮＯ−Ｏ２  −Ｈ２  Ｏ系であって、ＮＯｘ成分たるＮＯ濃度を３００ｐｐｍに固定し、Ｎ２  をキャリアガスとした被測定ガス中の酸素濃度を０〜２０％に変化させたときの第３の電気化学的ポンプセル５８におけるポンプ電流の変化を示している。この図３において、第１実施例の特性曲線を実線で示し、比較例の特性曲線を一点鎖線で示してある。
【０１１１】
なお、第１実施例においては、第１の電気化学的ポンプセル３０のポンプ電圧を３００ｍＶ（７００℃）、第２及び第３の電気化学的ポンプセル４４及び５８のポンプ電圧を４３０ｍＶ（７００℃）とし、比較例においては、第１の電気化学的ポンプセル３０のポンプ電圧を３００ｍＶ（７００℃）、第３の電気化学的ポンプセル５８のポンプ電圧を４３０ｍＶ（７００℃）としている。
【０１１２】
この図３の結果から明らかなように、第１実施例においては、被測定ガス中の酸素濃度が変化しても、ＮＯの還元又は分解によるポンプ電流の変化が認められず、従って、被測定ガス中の酸素濃度の変化に拘わらず、ＮＯ濃度に対応した正確なポンプ電流値を得ることができる。
【０１１３】
これに対して、比較例においては、被測定ガス中の酸素濃度が増加するにつれて、第３の電気化学的ポンプセル５８におけるポンプ電流値も漸次増加し、このため、ポンプ電流値からＮＯ濃度を正確に求めることが困難になることが理解される。
【０１１４】
また、上述のように、被測定ガス中の酸素濃度の変化による影響を受けることなく、ＮＯ濃度を正確に測定できることは、測定感度のＳ／Ｎが大きくなることにつながり、低濃度の被測定ガス成分でも測定が可能になる。
【０１１５】
なお、前記第１の実施の形態に係るガスセンサにおいて、第１の内部空所２０内及び第２の内部空所２２内に配置される第１及び第２の内側ポンプ電極２６及び４０や第１及び第２の測定電極３４及び４８は、各内部空所２０及び２２内における周囲温度と制御される酸素分圧下において、それぞれの雰囲気中の被測定ガス成分（ＮＯｘ）を還元又は分解しないものである必要があり、このため、被測定ガス成分に対する還元性又は分解性のない、若しくは低い電極金属、例えばＡｕ、Ｎｉ等が用いられ、そのような金属のサーメット電極や、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ等の貴金属に前記Ａｕ、Ｎｉ等の触媒性のない金属を添加してなる合金を用い、サーメット電極としたもの等が有利に用いられる。
【０１１６】
また、第３の内部空所２４内に配置される第３の内側ポンプ電極５４にあっても、第３の内部空所２４の環境温度及び酸素分圧下において、雰囲気中の被測定ガス成分（ＮＯｘ）を還元又は分解し得るＲｈ、Ｐｔ等のサーメット電極とすることが望ましい。
【０１１７】
もちろん、前記第３の内側ポンプ電極５４として、通常の電極上に、Ｒｈ又はＰｔ電極、あるいはアルミナ等のセラミックスの多孔質体にＮＯｘ還元金属を担持させた触媒体を積層、配置させたものや、Ｐｔ電極上にＲｈ触媒電極を配置したもの等を用いることができる。
【０１１８】
このように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサに設けられる各電極、特に、内部空所に配される内側ポンプ電極や測定電極は、電極金属と適当なセラミックスから構成されるサーメットであることが望ましく、また、ＮＯｘ還元触媒を兼ねる第３の内側ポンプ電極を用いる場合にあっては、ＲｈやＰｔ等のＮＯｘを還元し得る金属とセラミックスとからなる多孔質サーメット電極とされることが望ましい。
【０１１９】
また、ＮＯｘ還元触媒は、第３の内部空所２４内の酸素を汲み出すための第３の電気化学的ポンプセル５８における第３の内側ポンプ電極５４に近接して設けたり、また、Ｒｈ等からなるＮＯｘ還元触媒を担持した多孔質アルミナ等を第３の内側ポンプ電極５４上に印刷等で積層して、該電極上にＮＯｘ還元触媒層を形成することも可能である。
【０１２０】
次に、前記第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例について図４を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を記してその重複説明を省略する。
【０１２１】
この変形例に係るガスセンサは、前記第１の実施の形態に係るガスセンサとほぼ同様の構成を有するが、第３の電気化学的ポンプセル５８に代えて、第３の電気化学的センサセル７０が設けられている点で異なる。
【０１２２】
この第３の電気化学的センサセル７０は、第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第３の内部空所２４を形づくる上面に形成された第３の測定電極７２と、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１２に露呈する部分であって、かつ前記第３の測定電極７２に対応する部分に形成された第３の基準電極７４と、前記第１の固体電解質層１０ｄによって構成されている。
【０１２３】
この場合、前記第３の電気化学的センサセル７０における第３の測定電極７２と第３の基準電極７４との間に、第３の測定電極７２の周りの雰囲気と第３の基準電極７４の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力が発生することとなる。
【０１２４】
従って、前記各電極７２及び７４間に発生する起電力を電圧計Ｖ３にて測定することにより、第３の測定電極７２の周りの雰囲気の酸素分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電圧値として検出される。
【０１２５】
ここで、被測定ガス成分であるＮＯｘのＮＯ濃度が０ｐｐｍのとき、第１の内部空所２０内の雰囲気中の酸素濃度を第１の電気化学的ポンプセル３０におけるポンプ電圧が３００ｍＶに相当する値（１０−７ａｔｍ）に制御すると、第３の内部空所２４内の雰囲気中の酸素をポンピングしなければ、該第３の内部空所２４内の雰囲気中の酸素濃度も１０−７ａｔｍとなり、第３の測定電極７２と第３の基準電極７４との間の起電力は、３００ｍＶとなる。
【０１２６】
そこで、例えば、１０ｐｐｍのＮＯが被測定ガス中に存在すると、第３の測定電極７２も上述した第３の電気化学的ポンプセル５８（図１参照）における第３の内側ポンプ電極５４と同様に、ＮＯｘ還元触媒として機能することから、前記第３の測定電極７２では、ＮＯの還元又は分解反応が引き起こされ、第３の測定電極７２の周りの雰囲気中の酸素濃度が上がり、これによって、第３の測定電極７２と第３の基準電極７４間に発生する起電力が低下することとなる。そして、この起電力の低下の度合いが、ＮＯ濃度を表すことになる。
【０１２７】
即ち、第３の測定電極７２と第３の基準電極７４と第１の固体電解質層１０ｄとから構成される第３の電気化学的センサセル７０から出力される起電力が、被測定ガス中のＮＯ濃度を表すことになる。
【０１２８】
図５は、前記変形例に係るガスセンサと同じ構成を有する第２実施例と、第２の内部空所２２並びに第２の電気化学的ポンプセル４４及び第２の電気化学的センサセル５２を有しない構成の比較例を用意し、基本ガス成分がＮ２  −Ｏ２  −Ｈ２  Ｏ系である被測定ガス中の酸素濃度を０〜２０％に変化させたときの第３の電気化学的センサセル７０から発生する起電力の変化を示している。この被測定ガス中にＮＯ成分が含まれていないのは、被測定ガス中の酸素濃度のみを変化させた場合に、起電力がどのように変化するかを正確に測定するためである。
【０１２９】
この図５において、第２実施例の特性曲線を実線で示し、比較例の特性曲線を一点鎖線で示してある。なお、第２実施例においては、第１の電気化学的ポンプセル３０のポンプ電圧を３００ｍＶ、第２の電気化学的ポンプセル４４のポンプ電圧を４３０ｍＶとし、比較例においては、第１の電気化学的ポンプセル３０のポンプ電圧を４３０ｍＶとしている。
【０１３０】
この図５の結果から明らかなように、比較例においては、起電力は、被測定ガス中の酸素濃度が高くなるに従って低下し、例えば酸素濃度が０％の場合、起電力は４３０ｍＶであるが、酸素濃度が２０％になると、起電力は２８０ｍＶとなり、１５０ｍＶもの大きな変化を示す。これにより、比較例においては、第３の電気化学的センサセル７０の起電力からＮＯ濃度を正確に求めることが困難であることが理解される。
【０１３１】
これに対して、第２実施例においては、第２の電気化学的ポンプセル４４のポンプ動作により、被測定ガス中の酸素濃度が０〜２０％に変化しても、第３の電気化学的センサセル７０から発生する起電力の変化はほとんどない。これにより、被測定ガス中にＮＯ成分を含めた場合において、そのＮＯ量に応じた起電力が、第３の電気化学的センサセル７０を構成する第３の測定電極７２と第３の基準電極７４との間に発生し、この起電力を検出することによって、正確なＮＯ量を求めることができる。
【０１３２】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサについて図６及び図７を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を記してその重複説明を省略する。
【０１３３】
この第２の実施の形態に係るガスセンサは、図６に示すように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例とほぼ同様の構成を有するが、第２の内部空所２２と第３の内部空所２４とが一体化されて、一つの平面ほぼ矩形状の平坦空間からなる合体内部空所８０とされている点で異なる。即ち、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第２の拡散律速部１６の側面及び第２のスペース層１０ｅの側面並びに第１の固体電解質層１０ｄの上面にて前記合体内部空所８０が区画、形成されている。
【０１３４】
そして、前記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、前記合体内部空所８０を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第２の内側ポンプ電極４０が形成され、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記合体内部空所８０を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部１６から離間した部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第２の測定電極４８が形成されている。
【０１３５】
また、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記合体内部空所８０を形づくる上面で、かつ前記第２の測定電極４８が形成されていない部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる第３の測定電極７２が形成され、この第３の測定電極７２を被覆するように、前記第３の拡散律速部１８を構成するアルミナ膜が形成されている。
【０１３６】
更に、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２の固体電解質層１０ｆの上面のうち、第１の内部空所２０から前記合体内部空所８０にわたる連続した部分に、前記第１の外側ポンプ電極２８と第２の外側ポンプ電極４２（図１参照）とが共通化された外側ポンプ電極８２が形成され、第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１２に露呈する部分であって、かつ第１の内部空所２０から前記合体内部空所８０にわたる連続した部分に、前記第１の基準電極３６、第２の基準電極５０及び第３の基準電極７４（図４参照）とが共通化された共通基準電極８４が形成されている。
【０１３７】
即ち、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２の固体電解質層１０ｆの上面に形成された外側ポンプ電極８２と第１の内部空所２０内に形成された第１の内側ポンプ電極２６と第２の固体電解質層１０ｆによって、第１の電気化学的ポンプセル３０が構成され、第１の固体電解質層１０ｄの下面に形成された共通基準電極８４と第１の内部空所２０内に形成された第１の測定電極３４と第１の固体電解質層１０ｄによって、第１の電気化学的センサセル３８が構成され、第２の固体電解質層１０ｆの上面に形成された外側ポンプ電極８２と合体内部空所８０内に形成された第２の内側ポンプ電極４０と第２の固体電解質層１０ｆによって、第２の電気化学的ポンプセル４４が構成され、第１の固体電解質層１０ｄの下面に形成された共通基準電極８４と合体内部空所８０内に形成された第２の測定電極４８と第１の固体電解質層１０ｄによって、第２の電気化学的センサセル５２が構成され、第１の固体電解質層１０ｄの下面に形成された共通基準電極８４と合体内部空所８０内に形成された第３の測定電極７２と第１の固体電解質層１０ｄによって、第３の電気化学的センサセル７０が構成されている。
【０１３８】
特に、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、図７に示すように、合体内部空所８０内において、第２の測定電極４８と第３の測定電極７２とが平行に配置されて構成され、第２の測定電極４８と第３の測定電極７２とが互いに近接する位置に配されるようになっている。
【０１３９】
次に、前記第２の実施の形態に係るガスセンサの動作について説明する。まず、外部空間の被測定ガスは、第１の拡散律速部１４を通じて所定の拡散抵抗の下に第１の内部空所２０に導かれる。第１の内部空所２０に導かれた被測定ガスは、第１の電気化学的ポンプセル３０でのポンピング作用によって所定の酸素濃度に調整される。
【０１４０】
前記第１の電気化学的ポンプセル３０にて所定の酸素濃度に調整されたガスは、第２の拡散律速部１６を通じて所定の拡散抵抗の下に合体内部空所８０に導かれる。合体内部空所８０に導かれたガスは、第２の電気化学的ポンプセル４４でのポンピング作用によって所定の酸素濃度に微調整される。
【０１４１】
前記第２の電気化学的ポンプセル４４にて所定の酸素濃度に微調整されたガスは、同じ合体内部空所８０において、第３の拡散律速部１８を通じて所定の拡散抵抗の下に第３の電気化学的センサセル７０（図６参照）に導かれる。
【０１４２】
この場合、前記第３の電気化学的センサセル７０における第３の測定電極７２と共通基準電極８４との間に、第３の測定電極７２の周りの雰囲気と共通基準電極８４の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力が発生することとなる。
【０１４３】
従って、前記各電極７２及び８４間に発生する起電力を電圧計Ｖ３にて測定することにより、第３の測定電極７２の周りの雰囲気の酸素分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解によって発生する酸素により規定される酸素分圧が電圧値として検出される。
【０１４４】
この場合も、前記第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例と同様に、被測定ガス中に存在する目的ガス成分量の検出感度に対する排気ガス中の酸素の濃度変化の干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができる。
【０１４５】
特に、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、図７に示すように、合体内部空所８０に形成される第２の測定電極４８と第３の測定電極７２を互いに平行に配置させて、第２の測定電極４８と第３の測定電極７２を近接させるようにしているため、第２の測定電極４８近傍の酸素濃度をより正確に制御でき、合体内部空所８０に第３の電気化学的センサセル７０を設けたとしても、被測定ガス中に存在する目的成分量を正確に測定することが可能となる。
【０１４６】
更に、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第３の電気化学的センサセル７０を設けるための新たな内部空所（第１の実施の形態に係る第３の内部空所２４（図１参照））を設ける必要がないため、ガスセンサ全体の構造の小型化を促進させることができる。
【０１４７】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第１の実施の形態に係るガスセンサにおける第１の外側ポンプ電極２８と第２の外側ポンプ電極４２とを一つの外側ポンプ電極８２にて共通化し、第１の実施の形態に係るガスセンサにおける第１の基準電極３６と第２の基準電極５０と第３の基準電極７４を一つの共通基準電極８４にて共通化するようにしたので、第１の実施の形態に係るガスセンサよりも外部に導出される端子数を減らすことができ、配線工程の簡略化並びに周辺回路における回路構成の簡略化を図ることができる。
【０１４８】
また、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、合体内部空所８０内における第２の内側ポンプ電極４０と第３の測定電極７２との配置関係を適宜調整することで第３の拡散律速部１８を省略することが可能となる。この場合、前記第３の測定電極７２を囲むように第３の拡散律速部１８を形成する必要がなくなるため、製造工程の簡略化を図ることができる。
【０１４９】
次に、第３の実施の形態に係るガスセンサについて図８及び図９を参照しながら説明する。なお、図６及び図７と対応するものについては同符号を記してその重複説明を省略する。
【０１５０】
この第３の実施の形態に係るガスセンサは、図８及び図９に示すように、前記第２の実施の形態に係るガスセンサとほぼ同様の構成を有するが、第３の電気化学的センサセル７０に代えて、第３の電気化学的ポンプセル５８が設けられている点で異なる。
【０１５１】
具体的には、第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、合体内部空所８０を形づくる下面で、かつ第２の拡散律速部１６から離間した箇所に第２の電気化学的センサセル５２における第２の測定電極４８が形成され、第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、合体内部空所８０を形づくる上面で、かつ前記第２の測定電極４８に対向した位置に第３の電気化学的ポンプセル５８における第３の内側ポンプ電極５４が形成されている。
【０１５２】
この第３実施の形態に係るガスセンサの動作を簡単に説明すると、第３の電気化学的ポンプセル５８においては、導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分を還元又は分解し、この還元又は分解により生じた酸素を汲み出すという動作が行われる。
【０１５３】
そして、前記第３の電気化学的ポンプセル５８のポンピング動作（酸素の汲み出し）によって流れるポンプ電流が電流計Ｉｐにて検出され、この電流値に基づいて被測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
【０１５４】
前記動作が行われている間に、被測定ガス中の酸素濃度が大きく（０〜２０％）変化すると、第１の内部空所２０に導かれる被測定ガスの酸素濃度分布が大きく変化し、合体内部空所８０に導かれる酸素量も変化する。
【０１５５】
合体内部空所８０に導かれる酸素の濃度は、第２の電気化学的ポンプセル４４にて微調整されることになるが、第１の内部空所２０における第１の電気化学的ポンプセル３０でのポンピング動作によって、この合体内部空所８０に導かれる酸素の濃度変化は、被測定ガス（第１の内部空所２０に導かれる被測定ガス）における酸素の濃度変化よりも大幅に縮小されるため、合体内部空所８０での酸素濃度を精度良く一定に制御することができる。
【０１５６】
この場合、合体内部空所８０における第２の電気化学的センサセル５２に基づいて、第２の電気化学的ポンプセル４４のポンピング動作をフィードバック制御するようにしているため、前記合体内部空所８０における酸素濃度を更に精度良く制御することができる。
【０１５７】
このように、前記合体内部空所８０において、その酸素濃度が一定となるように精度良く制御されることから、第３の電気化学的ポンプセル５８に導かれる酸素の濃度は、前記被測定ガス（第１の内部空所２０に導かれる被測定ガス）における酸素濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、第３の電気化学的ポンプセル５８での酸素の汲み出しによって電流計Ｉｐにて検出されるポンプ電流値は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響されず、被測定ガス中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
【０１５８】
即ち、この第３の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス中に存在する目的成分量の検出感度に対する排気ガス中の酸素の濃度変化の干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができる。
【０１５９】
また、第３の電気化学的ポンプセル５８を設けるための新たな内部空所（第１の実施の形態に係る第３の内部空所２４）を設ける必要がないため、ガスセンサ全体の構造の小型化を促進させることができる。しかも、第１の実施の形態に係るガスセンサにおける第１の外側ポンプ電極２８と第２の外側ポンプ電極４２とを一つの外側ポンプ電極８２にて共通化し、第１の実施の形態に係るガスセンサにおける第１の基準電極３６と第２の基準電極５０と第３の外側ポンプ電極５６を一つの共通基準電極８４にて共通化するようにしたので、第１の実施の形態に係るガスセンサよりも外部に導出される端子数を減らすことができ、配線工程の簡略化並びに周辺回路における回路構成の簡略化を図ることができる。
【０１６０】
特に、この第３の実施の形態に係るガスセンサにおいては、合体内部空所８０における第２の測定電極４８と第３の内側ポンプ電極５４を互いに対向して配置することにより、被測定ガス成分の濃度をポンプ電流にて測定する際に、第２の測定電極４８が第３の内側ポンプ電極５４の影響を受け難い配置関係としているため、合体内部空所８０に第３の電気化学的ポンプセル５８を設けたとしても、被測定ガス中に存在する目的成分量を正確に測定することが可能となる。
【０１６１】
次に、第４の実施の形態に係るガスセンサについて図１０及び図１１を参照しながら説明する。なお、図６及び図７と対応するものについては同符号を記してその重複説明を省略する。
【０１６２】
この第４の実施の形態に係るガスセンサは、前記第３の実施の形態に係るガスセンサとほぼ同様の構成を有するが、第１の電気化学的ポンプセル３０における第１の内側ポンプ電極２６が第１の電気化学的センサセル３８における第１の測定電極３４（図８参照）を兼用している点と、第２の電気化学的ポンプセル４４における第２の内側ポンプ電極４０が第２の電気化学的センサセル５２における第２の測定電極４８（図８参照）を兼用している点で異なる。
【０１６３】
具体的には、この第４の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２の固体電解質層１０ｆの上面に形成された外側ポンプ電極８２と、第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、第１の内部空所２０を形づくる下面全面に形成された第１の内側ポンプ電極２６との間に可変電源３２が接続され、前記第１の内側ポンプ電極２６と、第１の固体電解質層１０ｄの下面に形成された共通基準電極８４との間に電圧計Ｖ１が接続され、更に、前記外側ポンプ電極８２と、第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、合体内部空所８０を形づくる下面全面に形成された第２の内側ポンプ電極４０との間に可変電源４６が接続され、前記第２の内側ポンプ電極４０と、前記共通基準電極８４との間に電圧計Ｖ２が接続されて構成されている。
【０１６４】
この第４の実施の形態に係るガスセンサの動作を説明すると、まず、被測定ガスが第１の内部空所２０に導入され、そのときの第１の電気化学的ポンプセル３０における第１の内側ポンプ電極２６と基準ガス導入空間１２側に形成された共通基準電極８４との間の両端電圧が電圧計Ｖ１によって測定され、この測定電圧に基づいて可変電源３２がフィードバック制御される。これによって、第１の内部空所２０内の雰囲気の酸素分圧が、次の合体内部空所８０において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、第１の電気化学的ポンプセル３０のポンプ動作が制御される。
【０１６５】
この場合、第１の電気化学的センサセル３８における電圧計Ｖ１にて検出される測定電圧は、第１の電気化学的ポンプセル３０における第１の内側ポンプ電極２６と基準ガス導入空間１２における共通基準電極８４との間の両端電圧としている。そのため、第１の電気化学的ポンプセル３０による酸素の汲み出し量が変化して、第１の内部空所２０内における雰囲気の酸素濃度が変化すると、第１の電気化学的ポンプセル３０における第１の内側ポンプ電極２６と共通基準電極８４間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、可変電源３２に対するフィードバック制御系は、発振現象を生じることなく、高精度に第１の内部空所２０内の酸素濃度を制御することができる。
【０１６６】
このことは、第２の電気化学的ポンプセル４４における可変電源４６へのフィードバック制御も同様であり、第２の電気化学的ポンプセル４４における第２の内側ポンプ電極４０と基準ガス導入空間１２側に形成された共通基準電極８４との間の両端電圧が電圧計Ｖ２によって測定され、この測定電圧に基づいて可変電源４６がフィードバック制御される。これによって、合体内部空所８０内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯｘ）が還元又は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値になるように、第２の電気化学的ポンプセル４４のポンプ動作が制御される。
【０１６７】
この場合、第２の電気化学的センサセル５２における電圧計Ｖ２にて検出される測定電圧は、第２の電気化学的ポンプセル４４における第２の内側ポンプ電極４０と基準ガス導入空間１２における共通基準電極８４との間の両端電圧としている。そのため、第２の電気化学的ポンプセル４４による酸素の汲み出し量が変化して、合体内部空所８０内における雰囲気の酸素濃度が変化すると、第２の電気化学的ポンプセル４４における第２の内側ポンプ電極４０と共通基準電極８４間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、可変電源４６に対するフィードバック制御系は、発振現象を生じることなく、高精度に合体内部空所８０内の酸素濃度を制御することができる。
【０１６８】
この第４の実施の形態に係るガスセンサにおいても、前記第３の実施の形態に係るガスセンサと同様に、被測定ガス中に存在する目的成分量の検出感度に対する排気ガス中の酸素の濃度変化の干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができる。また、ガスセンサ全体の構造の小型化を促進させることができ、配線工程の簡略化並びに周辺回路における回路構成の簡略化を図ることができる。
【０１６９】
特に、この第４の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第１の内部空所２０及び合体内部空所８０に電極を形成するための面積を広くとる必要がなくなるため、ガスセンサ自体の構造を小型化できる。また、同じサイズに設定した場合は、第１の内部空所２０の容積を広くとることができ、これにより、第１の電気化学的ポンプセル３０におけるポンプ機能を高めることが可能となり、合体内部空所８０での酸素濃度の微調整をより精度良く行うことができる。
【０１７０】
また、第１の内側ポンプ電極２６と第１の測定電極３４（図８参照）を共通化し、第２の内側ポンプ電極４０と第２の測定電極４８（図８参照）を共通化していることから、例えば第１の内部空所２０における第１の電気化学的ポンプセル３０による酸素の汲み出し量が変化して、第１の内部空所２０における酸素濃度が変化すると、第１の電気化学的センサセル３８での測定電圧も時間遅れなく変化するため、第１の電気化学的センサセル３８の第１の電気化学的ポンプセル３０に対するフィードバック制御を発振を伴うことなく良好に行うことができる。これは、合体内部空所８０での第２の電気化学的ポンプセル４４に対する第２の電気化学的センサセル５２のフィードバック制御においても同様である。
【０１７１】
上述した第１〜第４の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス成分としてＮＯｘが対象とされているが、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受けるＮＯｘ以外の結合酸素含有ガス成分、例えばＨ２  ＯやＣＯ２  等の測定にも有効に適用することができる。
【０１７２】
なお、この発明は上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【０１７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るガスセンサによれば、固体電解質からなる基体と、被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く第１の拡散律速部と、前記第１の拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気と連通する第１の内部空所と、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１のポンプ電極からなる第１の電気化学的ポンプセルと、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１の測定電極からなる第１の電気化学的センサセルと、前記第１の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第２の拡散律速部と、前記第２の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第２の内部空所と、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２のポンプ電極からなる第２の電気化学的ポンプセルと、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２の測定電極からなる第２の電気化学的センサセルと、前記第２の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第３の拡散律速部と、前記第３の拡散律速部を通じて導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分の還元又は分解により生じた酸素を汲み出す第３の電気化学的ポンプセルと、前記第３の電気化学的ポンプセルの作動によって流れるポンプ電流を検出する電流検出手段を設けるようにしている。
【０１７４】
このため、排気ガス中の酸素の濃度変化がＮＯ感度に及ぼす干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができるという効果が達成される。
【０１７５】
また、本発明に係るガスセンサによれば、固体電解質からなる基体と、前記被測定ガスを所定の拡散抵抗の下に導く第１の拡散律速部と、前記第１の拡散律速部を介して前記被測定ガス雰囲気と連通する第１の内部空所と、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１のポンプ電極からなる第１の電気化学的ポンプセルと、前記第１の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第１の測定電極からなる第１の電気化学的センサセルと、前記第１の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第２の拡散律速部と、前記第２の拡散律速部を介して被測定ガス雰囲気と連通する第２の内部空所と、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２のポンプ電極からなる第２の電気化学的ポンプセルと、前記第２の内部空所を構成する固体電解質とこれに接して設けられた一対の第２の測定電極からなる第２の電気化学的センサセルと、前記第２の内部空所で酸素濃度を所定の値に調整されたガスを所定の拡散抵抗の下に導く第３の拡散律速部と、前記第３の拡散律速部を通じて導かれた被測定ガス中の結合酸素を有する成分の還元又は分解により発生する酸素によって規定される酸素分圧に対応した起電力を出力する第３の電気化学的センサセルと、前記第３の電気化学的センサセルから出力される前記起電力を検出する電圧検出手段を設けるようにしている。
【０１７６】
このため、排気ガス中の酸素の濃度変化がＮＯ感度に及ぼす干渉を防止することができ、被測定ガス成分の測定精度の向上を図ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す概略断面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサにおいて、第３の電気化学的ポンプセルに流れるポンプ電流のＮＯｘ濃度依存性を示す特性図である。
【図３】被測定ガス中の酸素濃度を０〜２０％に変化させたときの第３の電気化学的ポンプセルにおけるポンプ電流の変化を示す特性図であり、実線は第１実施例の特性を示し、一点鎖線は比較例の特性を示す。
【図４】第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例の構成を示す概略断面図である。
【図５】被測定ガス中の酸素濃度を０〜２０％に変化させたときの第３の電気化学的センサセルから発生する起電力の変化を示す特性図であり、実線は第２実施例の特性を示し、一点鎖線は比較例の特性を示す。
【図６】第２の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す概略断面図である。
【図７】図６におけるＡ−Ａ線上の断面図である。
【図８】第３の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す概略断面図である。
【図９】図８におけるＢ−Ｂ線上の断面図である。
【図１０】第４の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す概略断面図である。
【図１１】図１０におけるＣ−Ｃ線上の断面図である。
【符号の説明】
１０ａ…第１の基板層                １０ｂ…第２の基板層
１０ｃ…第１のスペース層            １０ｄ…第１の固体電解質層
１０ｅ…第２のスペース層            １０ｆ…第２の固体電解質層
１４…第１の拡散律速部              １６…第２の拡散律速部
１８…第３の拡散律速部              ２０…第１の内部空所
２２…第２の内部空所                ２４…第３の内部空所
２６…第１の内側ポンプ電極          ２８…第１の外側ポンプ電極
３０…第１の電気化学的ポンプセル    ３４…第１の測定電極
３６…第１の基準電極                ３８…第１の電気化学的センサセル
４０…第２の内側ポンプ電極          ４２…第２の外側ポンプ電極
４４…第２の電気化学的ポンプセル    ４８…第２の測定電極
５０…第２の基準電極                ５２…第２の電気化学的センサセル
５４…第３の内側ポンプ電極          ５６…第３の外側ポンプ電極
５８…第３の電気化学的ポンプセル    ７０…第３の電気化学的センサセル
７２…第３の測定電極                ７４…第３の基準電極
８０…合体内部空所                  ８２…外側ポンプ電極
８４…共通基準電極
【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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