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JP7022010B2 - ガスセンサ - Google Patents

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JP7022010B2 JP2018114319A JP2018114319A JP7022010B2 JP 7022010 B2 JP7022010 B2 JP 7022010B2 JP 2018114319 A JP2018114319 A JP 2018114319A JP 2018114319 A JP2018114319 A JP 2018114319A JP 7022010 B2 JP7022010 B2 JP 7022010B2
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拓 岡本
修 中曽根
信和 生駒
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Description

本発明は、被測定ガス中の複数目的成分の各濃度を測定することが可能なガスセンサに関する。
特許文献１では、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数成分（例えばＮＯ、ＮＨ３等）の濃度を長期間にわたり精度よく測定することができるガスセンサを提供することを目的としている。
当該目的を達成するため、特許文献１に記載されたガスセンサは、測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、予備酸素濃度制御手段の駆動及び停止を制御する駆動制御手段と、予備酸素濃度制御手段の駆動時及び停止時における特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び各々のセンサ出力の一方に基づいて、第１目的成分と第２目的成分の濃度を取得する目的成分取得手段とを有する。
国際公開第２０１７／２２２００２号
特許文献１記載のガスセンサは、ガス導入口部分の第１拡散律速部と、その奥の第２拡散律速部との間の空間を「予備調整室」として予備調整電極を形成している。そして、予備調整電極にＯＮ／ＯＦＦ信号を供給することによって、予備調整室で酸素の汲み出し／汲み入れを行っている。
ところで、ガスセンサを構成する複数の空室のうち、予備調整室に流入する酸素の量が最も多い。そのため、予備調整室で酸素の汲み出し／汲み入れをすることを考えると、予備調整室でのポンプ能力が最も強力である必要がある。
しかしながら、特許文献１に記載のガスセンサは、予備調整室の容積が小さく、ポンプ能力が小さいことがわかる。本来ならば、予備調整室の容積を大きくすればよいが、センサ素子全体のサイズが大きくなるという問題がある。
あるいは、第１拡散抵抗を大きくし、予備調整室に流入するガス量を少なくするという方法もあるが、それに応じて、センサ出力の値も小さくなり、Ｓ／Ｎ比の向上が期待できないという問題がある。
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、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数成分（例えばＮＯ、ＮＨ３等）の濃度を長期間にわたり精度よく測定することができるガスセンサにおいて、予備調整室の容量に影響されることなく、センサ出力のＳ／Ｎを向上することができ、ガスセンサの小型化も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。
［１］ 本発明に係るガスセンサの第１の態様は、少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体と、前記構造体に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口に連通する主酸素濃度調整室と、前記主酸素濃度調整室に連通する副酸素濃度調整室と、前記副酸素濃度調整室に連通する測定室と、前記ガス導入口と前記主酸素濃度調整室との間に設けられ、前記ガス導入口に連通する予備調整室とを有するセンサ素子と、前記主酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する主酸素濃度制御手段と、前記副酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する副酸素濃度制御手段と、前記センサ素子の温度を制御する温度制御手段と、前記測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、前記固体電解質の内面と外面とに形成された複数の電極と、を有し、前記予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段を制御する駆動制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の第１動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の第２動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、第１目的成分と第２目的成分の濃度を取得する目的成分取得手段とを有するガスセンサである。
前記複数の電極は、前記主酸素濃度調整室に形成された主内側電極と、前記構造体の外側に形成された外側電極と、前記予備調整室に形成された内側予備電極と、前記副酸素濃度調整室に形成された副内側電極とを有し、前記第１目的成分がＮＯ、前記第２目的成分がＮＨ ３ である。
前記主酸素濃度制御手段は、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電圧を印加して、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電流を流すことにより、前記主酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする主ポンプセルを有する。
前記予備酸素濃度制御手段は、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電圧を印加して、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電流を流すことにより、前記予備調整室内の酸素をポンピングする予備ポンプセルを有する。
そして、前記主酸素濃度制御手段は、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電流が一定になるように、前記予備ポンプセルの前記予備ポンプ電圧を制御する一定制御部を有する。
これにより、主ポンプ電流を一定制御するために、予備電圧をフィードバックすることで、Ｏ２濃度に応じて、予備電圧が分離する。その結果、予備電圧とＯ２濃度との対応関係を示すマップを作成することができ、このマップを利用して、センサ出力とセンサ出力の変化量とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
［２］ 本発明に係るガスセンサの第１の態様において、前記前記副酸素濃度制御手段は、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電圧を印加して、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電流を流すことにより、前記副酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする補助ポンプセルを有する。
前記副酸素濃度制御手段は、前記補助ポンプセルの補助ポンプ電流が一定になるように、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電圧を制御する一定制御部を有する。
これにより、一定制御部は、補助ポンプセルの補助ポンプ電流が一定になるように、主ポンプセルの主ポンプ電圧をフィードバック制御する。
この場合も、上述したガスセンサと同様に、センサ出力とセンサ出力の変化量とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
［３］ 本発明に係るガスセンサの第２の態様は、少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体と、前記構造体に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口に連通する主酸素濃度調整室と、前記主酸素濃度調整室に連通する副酸素濃度調整室と、前記副酸素濃度調整室に連通する測定室と、前記ガス導入口と前記主酸素濃度調整室との間に設けられ、前記ガス導入口に連通する予備調整室とを有するセンサ素子と、前記主酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する主酸素濃度制御手段と、前記副酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する副酸素濃度制御手段と、前記センサ素子の温度を制御する温度制御手段と、前記測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、前記固体電解質の内面と外面とに形成された複数の電極と、を有し、前記予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段を制御する駆動制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の第１動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の第２動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、第１目的成分と第２目的成分の濃度を取得する目的成分取得手段とを有するガスセンサである。
前記複数の電極は、前記主酸素濃度調整室に形成された主内側電極と、前記構造体の外側に形成された外側電極と、前記予備調整室に形成された内側予備電極と、前記副酸素濃度調整室に形成された副内側電極とを有し、前記第１目的成分がＮＯ、前記第２目的成分がＮＨ ３ である。
そして、前記主酸素濃度制御手段は、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電圧を印加して、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電流を流すことにより、前記主酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする主ポンプセルを有する。
前記予備酸素濃度制御手段は、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電圧を印加して、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電流を流すことにより、前記予備調整室内の酸素をポンピングする予備ポンプセルを有する。
前記主酸素濃度制御手段は、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電流に基づいて、前記予備ポンプセルの前記予備ポンプ電圧を比例制御する比例制御部を有する。
これにより、予備ポンプ電流Ｉｐ０に対する予備ポンプ電圧Ｖｐ０の比例制御の式
Ｖｐ０＝ｆ（Ｉｐ０）＝ａ・Ｉｐ０＋ｂ
を求めることができ、この比例制御の式に基づいて、予備ポンプ電圧とＯ２濃度との対応関係を示すマップを作成することができ、このマップを利用して、センサ出力とセンサ出力の変化量とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
［４］ 本発明に係るガスセンサの第２の態様において、予備ポンプ電流をＩｐ０、主ポンプ電流をＩｐ１としたとき、下記演算式によってＯ２濃度を求め、得られたＯ２濃度に基づいて、前記予備ポンプ電圧を得ることが好ましい。
Ｏ２濃度＝Ｉｐ０＋ａ×Ｉｐ１（ａは１より大きい定数）
［５］ 本発明に係るガスセンサの第２の態様において、前記副酸素濃度制御手段は、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電圧を印加して、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電流を流すことにより、前記副酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする補助ポンプセルを有する。前記副酸素濃度制御手段は、前記補助ポンプセルの補助ポンプ電流が一定になるように、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電圧を制御する一定制御部を有する。
これにより、補助ポンプセルの補助ポンプ電流が一定になるように、主ポンプセルの主ポンプ電圧をフィードバック制御することから、センサ出力とセンサ出力の変化量とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
本発明に係るガスセンサによれば、排気ガスのような未燃成分、酸素の存在下に共存する複数成分（例えばＮＯ、ＮＨ３等）の濃度を長期間にわたり精度よく測定することができるガスセンサにおいて、予備調整室の容量に影響されることなく、センサ出力のＳ／Ｎを向上することができ、ガスセンサの小型化も図ることができる。
本実施の形態に係る第１のガスセンサ（第１ガスセンサ）の一構造例を示す断面図である。 第１ガスセンサを模式的に示す構成図である。 予備ポンプセルがＯＦＦ動作の場合の予備調整室内、酸素濃度調整室内及び測定室内の反応を模式的に示す説明図である。 予備ポンプセルがＯＮ動作の場合の予備調整室内、酸素濃度調整室内及び測定室内の反応を模式的に示す説明図である。 図５Ａは実施例１の結果（予備ポンプ電圧Ｖｐ０と主ポンプ電流Ｉｐ１との関係）を示すグラフ、図５Ｂは実施例１の結果（Ｏ２濃度と予備ポンプ電圧Ｖｐ０との関係）を示す表である。 図６Ａは実施例２の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度１％）を示すグラフ、図６Ｂは実施例２の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度５％）を示すグラフである。 図７Ａは実施例２の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度１０％）を示すグラフ、図７Ｂは実施例２の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度２０％）を示すグラフである。 図８Ａは比較例１の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度１％）を示すグラフ、図８Ｂは比較例１の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度５％）を示すグラフである。 図９Ａは比較例１の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度１０％）を示すグラフ、図９Ｂは比較例１の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度２０％）を示すグラフである。 本実施の形態に係る第２のガスセンサ（第２ガスセンサ）の一構造例を示す断面図である。 第２ガスセンサを模式的に示す構成図である。 本実施の形態に係る第３のガスセンサ（第３ガスセンサ）の一構造例を示す断面図である。 第３ガスセンサを模式的に示す構成図である。 図１４Ａは実施例３の結果（予備ポンプ電圧Ｖｐ０と主ポンプ電流Ｉｐ１との関係）を示すグラフ、図１４Ｂは実施例３の結果（Ｏ２濃度と予備ポンプ電圧Ｖｐ０との関係）を示す表である。 実施例３の結果（Ｏ２濃度と予備ポンプ電圧Ｖｐ０との関係）を示すグラフである。 図１６Ａは実施例４の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度１％）を示すグラフ、図１６Ｂは実施例４の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度５％）を示すグラフである。 図１７Ａは実施例４の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度１０％）を示すグラフ、図１７Ｂは実施例４の結果（センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３との関係：Ｏ２濃度２０％）を示すグラフである。 実施例５の結果（Ｏ２濃度と主ポンプ電流Ｉｐ１との関係）を示すグラフである。 実施例６の結果（Ｏ２濃度＝Ｉｐ０＋１．２４×Ｉｐ１）を示すグラフである。 本実施の形態に係る第４のガスセンサ（第４ガスセンサ）の一構造例を示す断面図である。
以下、本発明に係るガスセンサの実施の形態例を図１～図２０を参照しながら説明する。なお、本明細書において、数値範囲を示す「～」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。
［第１ガスセンサの構成］
第１の実施の形態に係るガスセンサ（以下、第１ガスセンサ１０Ａと記す）は、図１及び図２に示すように、センサ素子１２を有する。センサ素子１２は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体１４と、該構造体１４に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口１６と、構造体１４内に形成され、ガス導入口１６に連通する酸素濃度調整室１８と、構造体１４内に形成され、酸素濃度調整室１８に連通する測定室２０とを有する。
酸素濃度調整室１８は、ガス導入口１６に連通する主調整室１８ａと、主調整室１８ａに連通する副調整室１８ｂとを有する。測定室２０は副調整室１８ｂに連通している。
さらに、このガスセンサ１０は、構造体１４のうち、ガス導入口１６と主調整室１８ａとの間に設けられ、ガス導入口１６に連通する予備調整室２１を有する。
具体的には、センサ素子１２の構造体１４は、第１基板層２２ａと、第２基板層２２ｂと、第３基板層２２ｃと、第１固体電解質層２４と、スペーサ層２６と、第２固体電解質層２８との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層されて構成されている。各層は、それぞれジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性固体電解質層にて構成されている。
センサ素子１２の先端部側であって、第２固体電解質層２８の下面と第１固体電解質層２４の上面との間には、ガス導入口１６と、第１拡散律速部３０と、予備調整室２１と、第２拡散律速部３２と、酸素濃度調整室１８と、第３拡散律速部３４と、測定室２０とが備わっている。また、酸素濃度調整室１８を構成する主調整室１８ａと、副調整室１８ｂとの間に第４拡散律速部３６が備わっている。
これらガス導入口１６と、第１拡散律速部３０と、予備調整室２１と、第２拡散律速部３２と、主調整室１８ａと、第４拡散律速部３６と、副調整室１８ｂ、第３拡散律速部３４と、測定室２０とは、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１６から測定室２０に至る部位を、ガス流通部とも称する。
ガス導入口１６と、予備調整室２１と、主調整室１８ａと、副調整室１８ｂと、測定室２０は、スペーサ層２６をくり抜いた態様にて設けられた内部空間である。予備調整室２１と、主調整室１８ａと、副調整室１８ｂと、測定室２０はいずれも、各上部が第２固体電解質層２８の下面で、各下部が第１固体電解質層２４の上面で、各側部がスペーサ層２６の側面で区画されている。
第１拡散律速部３０、第３拡散律速部３４及び第４拡散律速部３６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ている。第２拡散律速部３２は、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ている。
また、第３基板層２２ｃの上面と、スペーサ層２６の下面との間であって、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、基準ガス導入空間３８が設けられている。基準ガス導入空間３８は、上部がスペーサ層２６の下面で、下部が第３基板層２２ｃの上面で、側部が第１固体電解質層２４の側面で区画された内部空間である。基準ガス導入空間３８には、基準ガスとして、例えば酸素や大気が導入される。
ガス導入口１６は、外部空間に対して開口している部位であり、該ガス導入口１６を通じて外部空間からセンサ素子１２内に被測定ガスが取り込まれる。
第１拡散律速部３０は、ガス導入口１６から予備調整室２１に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。第２拡散律速部３２は、予備調整室２１から主調整室１８ａに導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
主調整室１８ａは、ガス導入口１６から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る。酸素分圧は、主ポンプセル４０が作動することによって調整される。
主ポンプセル４０は、主内側ポンプ電極４２と、外側ポンプ電極４４と、これらの電極に挟まれた酸素イオン伝導性の固体電解質とを含んで構成される電気化学的ポンプセルである。主内側ポンプ電極４２は、主調整室１８ａを区画する第１固体電解質層２４の上面、第２固体電解質層２８の下面、及び、スペーサ層２６の側面のそれぞれのほぼ全面に設けられている。外側ポンプ電極４４は、第２固体電解質層２８の上面の主内側ポンプ電極４２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ている。主内側ポンプ電極４２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で構成される。例えば平面視矩形状の多孔質サーメット電極（例えば、０．１ｗｔ％～３０．０ｗｔ％のＡｕを含むＰｔ等の貴金属とＺｒＯ２とのサーメット電極）として形成される。
主ポンプセル４０は、他の回路等からの要因によって、主調整室１８ａ内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を主調整室１８ａ内に汲み入れることで、外側ポンプ電極４４と主内側ポンプ電極４２との間に主ポンプ電流Ｉｐ１が流れる。
第４拡散律速部３６は、主調整室１８ａでの主ポンプセル４０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、該被測定ガスを副調整室１８ｂに導く部位である。
副調整室１８ｂは、予め主調整室１８ａ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３６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５４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、副調整室１８ｂ内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、このガスセンサ１０は、精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。
補助ポンプセル５４は、電気化学的ポンプセルであり、副調整室１８ｂに面する第２固体電解質層２８の下面のほぼ全体に設けられた補助ポンプ電極５６と、外側ポンプ電極４４と、第２固体電解質層２８とによって構成される。
なお、補助ポンプ電極５６についても、主内側ポンプ電極４２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。
補助ポンプセル５４は、補助ポンプ電極５６と外側ポンプ電極４４との間に所望の第２ポンプ電圧Ｖｐ２を印加することにより、副調整室１８ｂ内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から副調整室１８ｂ内に汲み入れることが可能となっている。
また、副調整室１８ｂ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５６と、基準電極４８と、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用の補助酸素分圧検出センサセル５８が構成されている。
なお、この補助酸素分圧検出センサセル５８にて検出される第２起電力Ｖ２に基づいて電圧制御される第１可変電源６０にて、補助ポンプセル５４がポンピングを行う。これにより、副調整室１８ｂ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。
また、これと共に、補助ポンプセル５４の補助ポンプ電流Ｉｐ２が、補助酸素分圧検出センサセル５８の第２起電力Ｖ２の制御に用いられるようになっている。具体的には、補助ポンプ電流Ｉｐ２は、制御信号として補助酸素分圧検出センサセル５８に入力され、その第２起電力Ｖ２が制御されることにより、第４拡散律速部３６を通じて副調整室１８ｂ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。第１ガスセンサ１０ＡをＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル４０と補助ポンプセル５４との働きによって、副調整室１８ｂ内での酸素濃度は各条件の所定の値に精度良く保たれる。
第３拡散律速部３４は、副調整室１８ｂで補助ポンプセル５４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、該被測定ガスを測定室２０に導く部位である。
ＮＯｘ濃度の測定は、主として、測定室２０内に設けられた測定用ポンプセル６１の動作により行われる。測定用ポンプセル６１は、測定電極６２と、外側ポンプ電極４４と、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４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６２は、測定室２０内の例えば第１固体電解質層２４の上面に直に設けられ、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を、主内側ポンプ電極４２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６２は、測定電極６２上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。
測定用ポンプセル６１は、測定電極６２の周囲（測定室２０内）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、その発生量を測定ポンプ電流Ｉｐ３、すなわち、センサ出力として検出することができる。
また、測定電極６２の周囲（測定室２０内）の酸素分圧を検出するために、第１固体電解質層２４と、測定電極６２と、基準電極４８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の第３酸素分圧検出センサセル６６が構成されている。第３酸素分圧検出センサセル６６にて検出された第３起電力Ｖ３に基づいて第２可変電源６８が制御される。
副調整室１８ｂ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３拡散律速部３４を通じて測定室２０内の測定電極６２に到達する。測定電極６２の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル６１によってポンピングされる。その際、第３酸素分圧検出センサセル６６にて検出された第３起電力Ｖ３が一定となるように第２可変電源６８の第３ポンプ電圧Ｖｐ３が制御される。測定電極６２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。従って、測定用ポンプセル６１の測定ポンプ電流Ｉｐ３を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度を算出することができる。すなわち、測定用ポンプセル６１は、測定室２０内の特定成分（ＮＯ）の濃度を測定する特定成分測定手段１０６を構成する。
また、この第１ガスセンサ１０Ａは、電気化学的なセンサセル７０を有する。このセンサセル７０は、第２固体電解質層２８と、スペーサ層２６と、第１固体電解質層２４と、第３基板層２２ｃと、外側ポンプ電極４４と、基準電極４８とを有する。このセンサセル７０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。
さらに、センサ素子１２においては、第２基板層２２ｂと第３基板層２２ｃとに上下から挟まれた態様にて、ヒータ７２が形成されている。ヒータ７２は、第１基板層２２ａの下面に設けられた図示しないヒータ電極を通して外部から給電されることにより発熱する。ヒータ７２が発熱することによって、センサ素子１２を構成する固体電解質の酸素イオン伝導性が高められる。ヒータ７２は、予備調整室２１と酸素濃度調整室１８の全域に渡って埋設されており、センサ素子１２の所定の場所を所定の温度に加熱、保温することができるようになっている。なお、ヒータ７２の上下面には、第２基板層２２ｂ及び第３基板層２２ｃとの電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている（以下、ヒータ７２、ヒータ電極、ヒータ絶縁層７４をまとめてヒータ部とも称する）。
そして、予備調整室２１は、後述する駆動制御手段１１０（図２参照）によって駆動し、駆動中は、ガス導入口１６から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機能する。酸素分圧は、予備ポンプセル８０が作動することによって調整される。
予備ポンプセル８０は、予備調整室２１に面する第２固体電解質層２８の下面のほぼ全体に設けられた予備ポンプ電極８２と、外側ポンプ電極４４と、第２固体電解質層２８とによって構成される、予備的な電気化学的ポンプセルである。
なお、予備ポンプ電極８２についても、主内側ポンプ電極４２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。
予備ポンプセル８０は、予備ポンプ電極８２と外側ポンプ電極４４との間に第３可変電源８６による所望の予備ポンプ電圧Ｖｐ０を印加することにより、予備調整室２１内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から予備調整室２１内に汲み入れることが可能となっている。
なお、予備調整室２１は、緩衝空間としても機能する。すなわち、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）によって生じる被測定ガスの濃度変動を、打ち消すことが可能である。
さらに、第１ガスセンサ１０Ａは、図２に模式的に示すように、主調整室１８ａ内の酸素濃度を制御する主酸素濃度制御手段１００と、副調整室１８ｂ内の酸素濃度を制御する副酸素濃度制御手段１０２と、センサ素子１２の温度を制御する温度制御手段１０４と、測定室２０内の特定成分（ＮＯ）の濃度を測定する特定成分測定手段１０６と、予備酸素濃度制御手段１０８と、駆動制御手段１１０と、目的成分取得手段１１２とを有する。
なお、これらの各種手段は、例えば１つ又は複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路にて構成される。電子回路は、例えば記憶装置に記憶されているプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）等の集積回路で構成してもよい。
従来は、ＮＯ、ＮＨ３の目的成分に対して、酸素濃度調整室１８内で全てをＮＯに変換した後、測定室２０に導入し、これら２成分の総量を測定していた。つまり、２つの目的成分毎の濃度、すなわち、ＮＯ及びＮＨ３の各濃度を測定することができなかった。
これに対して、ガスセンサ１０は、上述した各種の手段を具備することで、ＮＯ及びＮＨ３の各濃度を取得することができるようにしたものである。
すなわち、主酸素濃度制御手段１００は、主ポンプセル４０の主ポンプ電流Ｉｐ１に基づいて予備酸素濃度制御手段１０８を制御する。予備酸素濃度制御手段１０８は、主酸素濃度制御手段１００による制御によって、予備調整室２１内の酸素濃度を、条件に従った濃度に調整する。
副酸素濃度制御手段１０２は、予め設定された酸素濃度の条件と、補助酸素分圧検出センサセル５８（図１参照）において生じる第２起電力Ｖ２とに基づいて、第１可変電源６０をフィードバック制御することにより、副調整室１８ｂ内の酸素濃度を、上記条件に従った濃度に調整する。
温度制御手段１０４は、予め設定されたセンサ温度の条件と、センサ素子１２の温度を計測する温度センサ（図示せず）からの計測値とに基づいて、ヒータ７２をフィードバック制御することにより、センサ素子１２の温度を、上記条件に従った温度に調整する。
特定成分測定手段１０６は、測定室２０内の特定成分（ＮＯ成分）の濃度を測定する。特に、予備酸素濃度制御手段１０８のＯＮ動作時におけるＮＯ成分と、予備酸素濃度制御手段１０８のＯＦＦ動作時におけるＮＯ成分を測定する。
目的成分取得手段１１２は、予備酸素濃度制御手段１０８の第１動作（例えばＯＮ動作）による特定成分測定手段１０６からのセンサ出力と、予備酸素濃度制御手段１０８の第２動作（例えばＯＦＦ動作）による特定成分測定手段１０６からのセンサ出力との差に基づいて、ＮＯ及びＮＨ３の各濃度を取得する。
第１ガスセンサ１０Ａは、これら主酸素濃度制御手段１００、副酸素濃度制御手段１０２又は温度制御手段１０４、あるいは主酸素濃度制御手段１００、副酸素濃度制御手段１０２及び温度制御手段１０４によって、酸素濃度調整室１８内のＮＯを分解させることなく、ＮＨ３を全てＮＯに変換するように制御する。
そして、目的成分取得手段１１２は、予備酸素濃度制御手段１０８のＯＮ動作による特定成分測定手段１０６からのセンサ出力と、予備酸素濃度制御手段１０８のＯＦＦ動作による特定成分測定手段１０６からのセンサ出力との差に基づいて、ＮＯ及びＮＨ３の各濃度を取得する。
ここで、第１ガスセンサ１０Ａの処理動作について、図３及び図４も参照しながら説明する。
先ず、駆動制御手段１１０によって予備酸素濃度制御手段１０８がＯＦＦ動作している期間では、図３に示すように、ガス導入口１６を通じて導入したＮＨ３は、酸素濃度調整室１８まで到達する。酸素濃度調整室１８では、主酸素濃度制御手段１００によって、ＮＨ３を全てＮＯに変換するように制御されていることから、予備調整室２１から酸素濃度調整室１８に流入したＮＨ３は酸素濃度調整室１８内でＮＨ３→ＮＯの酸化反応が起こり、酸素濃度調整室１８内の全てのＮＨ３がＮＯに変換される。従って、ガス導入口１６を通じて導入されたＮＨ３は、第１拡散律速部３０及び第２拡散律速部３２をＮＨ３の拡散係数２．２ｃｍ２／ｓｅｃの速度で通過し、酸素濃度調整室１８内でＮＯに変換された後は、第３拡散律速部３４をＮＯの拡散係数１．８ｃｍ２／ｓｅｃの速度で通過して、隣接する測定室２０内に移動する。
一方、駆動制御手段１１０によって予備酸素濃度制御手段１０８がＯＮ動作している期間では、図４に示すように、予備調整室２１内でＮＨ３→ＮＯの酸化反応が起こり、ガス導入口１６を通じて導入された全てのＮＨ３がＮＯに変換される。従って、ＮＨ３は第１拡散律速部３０をＮＨ３の拡散係数２．２ｃｍ２／ｓｅｃで通過するが、予備調整室２１より奥にある第２拡散律速部３２以降はＮＯの拡散係数１．８ｃｍ２／ｓｅｃの速度で測定室２０に移動する。
すなわち、予備酸素濃度制御手段１０８が第２動作状態から第１動作状態に切り替わることで、ＮＨ３の酸化反応が起こる場所が酸素濃度調整室１８から予備調整室２１に移動する。
ＮＨ３の酸化反応が起こる場所が酸素濃度調整室１８から予備調整室２１に移動することは、被測定ガス中のＮＨ３が第２拡散律速部３２を通過する際の状態がＮＨ３からＮＯに変わることに等しい。そして、ＮＯ、ＮＨ３は各々異なる拡散係数を持つため、第２拡散律速部３２をＮＯで通過するか、ＮＨ３で通過するかの違いは、測定室２０に流れ込むＮＯ量の違いに相当するため、測定用ポンプセル６１に流れる測定ポンプ電流Ｉｐ３を変化させる。
この場合、予備ポンプセル８０のＯＮ動作時の測定ポンプ電流Ｉｐ３（ｏｎ）と、予備ポンプセル８０のＯＦＦ動作時の測定ポンプ電流Ｉｐ３（ｏｆｆ）の変化量ΔＩｐ３は、被測定ガス中のＮＨ３の濃度によって一義的に決まる。そのため、予備ポンプセル８０のＯＮ時又はＯＦＦ時の測定ポンプ電流Ｉｐ３（ｏｎ）又はＩｐ３（ｏｆｆ）と、上述した測定ポンプ電流Ｉｐ３の変化量ΔＩｐ３とからＮＯとＮＨ３の各濃度を算出することができる。
従って、目的成分取得手段１１２では、予備ポンプセル８０のＯＮ動作時の測定ポンプ電流Ｉｐ３（１）と、該測定ポンプ電流Ｉｐ３（１）と予備ポンプセル８０のＯＦＦ動作時の測定ポンプ電流Ｉｐ３（２）との変化量ΔＩｐ３と、マップ１２０とに基づいてＮＯ及びＮＨ３の各濃度を取得する。
そして、この第１ガスセンサ１０Ａの主酸素濃度制御手段１００は、主ポンプセル４０の主ポンプ電流Ｉｐ１が一定になるように、予備ポンプセル８０の予備ポンプ電圧Ｖｐ０を制御する一定制御部１３０を有する。
これにより、主ポンプ電流Ｉｐ１を一定制御するために、予備ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバックすることで、Ｏ２濃度に応じて、予備ポンプ電圧Ｖｐ０が分離することとなる。その結果、Ｏ２濃度、ＮＯ濃度及びＮＨ３濃度の違いによって、ポイントの位置が異なることから、これらの関係をマップ化してマップ１２０とすることで、センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３から、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
＜実施例１＞
ここで、１つの実施例について、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら説明する。実施例１は、図１に示す第１ガスセンサ１０Ａにおいて、各酸素分圧における主ポンプ電流Ｉｐ１と、予備ポンプ電圧Ｖｐ０の関係、すなわち、Ｏ２濃度に応じた予備ポンプ電圧Ｖｐ０の変化を確認した。
実施例１を実施する上での条件は以下の通りである。
センサ駆動温度：８４０℃
モデルガス：Ｏ２及びＨ２Ｏ（ＮＯ及びＮＨ３は導入せず）
ガス濃度：Ｏ２＝１～２０％、Ｈ２Ｏ＝３％
ガス流量：２００Ｌ／ｍｉｎ（２５０℃）
測定結果を図５Ａのグラフ並びに図５Ｂの表に示す。図５Ａのグラフにおいて、Ｏ２濃度が１％のときの特性を曲線Ｌ１に示し、Ｏ２濃度が５％のときの特性を曲線Ｌ２に示し、Ｏ２濃度が１０％のときの特性を曲線Ｌ３に示し、Ｏ２濃度が２０％のときの特性を曲線Ｌ４に示す。
図５Ｂの表は、Ｏ２濃度が１％、５％、１０％及び２０％であって、主ポンプ電流Ｉｐ１が０．０５ｍＡのときの予備ポンプ電圧Ｖｐ０を示す。
このように、主ポンプ電流Ｉｐ１を一定制御するために、予備ポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバックすることで、Ｏ２濃度に応じて、予備ポンプ電圧Ｖｐ０が分離することがわかった。
＜実施例２＞
実施例２は、実施例１とは異なり、モデルガスとして、Ｏ２及びＨ２Ｏのほか、ＮＯ及びＮＨ３を加えた点で異なる。
実施例２を実施する上での条件は以下の通りである。
センサ駆動温度：８４０℃
モデルガス：Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ、ＮＨ３
ガス濃度：Ｏ２＝１～２０％、Ｈ２ Ｏ＝３％、ＮＯ＝０～５００ｐｐｍ、ＮＨ３＝０～５００ｐｐｍ
ガス流量：２００Ｌ／ｍｉｎ（２５０℃）
ＮＯ濃度とＮＨ３濃度を振って、予備ポンプセル８０の駆動をオフにした状態でのＮＯ濃度とＮＨ３濃度によるセンサ出力Ｉｐ３の変化と、ＮＨ３濃度によるセンサ出力Ｉｐ３の変化量ΔＩｐ３の動向を確認した。その結果を図６Ａ～図７Ｂに示す。
図６Ａは、Ｏ２濃度が１％の場合の特性を示し、図６Ｂは、Ｏ２濃度が５％の場合の特性を示す。また、図７Ａは、Ｏ２濃度が１０％の場合の特性を示し、図７Ｂは、Ｏ２濃度が２０％の場合の特性を示す。
図６Ａ～図７Ｂにおいて、ＮＯ濃度が０ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ１１に示し、ＮＯ濃度が１００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ１２に示し、ＮＯ濃度が２００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ１３に示し、ＮＯ濃度が３００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ１４に示し、ＮＯ濃度が４００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ１５に示し、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ１６に示す。
また、図６Ａ～図７Ｂにおいて、ＮＨ３濃度が０ｐｐｍのときのポイントをＰ１で示し、ＮＨ３濃度が１００ｐｐｍのときのポイントをＰ２で示し、ＮＨ３濃度が２００ｐｐｍのときのポイントをＰ３で示し、ＮＨ３濃度が３００ｐｐｍのときのポイントをＰ４で示し、ＮＨ３濃度が４００ｐｐｍのときのポイントをＰ５で示し、ＮＨ３濃度が５００ｐｐｍのときのポイントをＰ６で示す。
図６Ａ～図７Ｂからもわかるように、Ｏ２濃度、ＮＯ濃度及びＮＨ３濃度の違いによって、ポイントの位置が異なることから、図６Ａ～図７Ｂをマップ化してマップ１２０とすることで、センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
＜比較例１＞
比較例１は、上述した実施例２とほぼ同様の構成のガスセンサを用いたが、予備ポンプ電圧Ｖｐ０を一定電圧（＝０．３５Ｖ）になるように制御した点で異なる。
測定方法は、実施例２と同様に、ＮＯ濃度とＮＨ３濃度を振って、予備ポンプセル８０の駆動をオフにした状態でのＮＯ濃度とＮＨ ３ 濃度によるセンサ出力Ｉｐ３の変化と、ＮＨ３濃度によるセンサ出力Ｉｐ３の変化量ΔＩｐ３の動向を確認した。その結果を図８Ａ～図９Ｂに示す。
図８Ａ～図９Ｂからわかるように、Ｏ２濃度が１％、５％の場合は、ＮＯとＮＨ３の分離が可能、すなわち、マップ化が可能だが（図８Ａ及び図８Ｂ参照）、Ｏ２濃度が１０％を超えると、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、ＮＯとＮＨ３の分離が不可能となった。比較例１に示す予備ポンプ電圧Ｖｐ０の一定制御では、高Ｏ２濃度下で、予備調整室２１が目的の酸素濃度までポンプアウトしておらず、その結果、予備ポンプ電圧Ｖｐ０が印加されているにも拘わらず、予備調整室２１がＯＦＦ状態になっているものと思われる。
［第２ガスセンサの構成］
第２の実施の形態に係るガスセンサ（以下、第２ガスセンサ１０Ｂと記す）は、図１０及び図１１に示すように、上述した第１ガスセンサ１０Ａ（図１及び図２参照）とほぼ同様の構成を有するが、主ポンプセル４０の主ポンプ電流Ｉｐ１が一定になるように、予備ポンプセル８０の予備ポンプ電圧Ｖｐ０を制御する上述した第１一定制御部１３０Ａを有するほか、第２一定制御部１３０Ｂを有する点で異なる。
すなわち、図１１に示すように、この第２ガスセンサ１０Ｂは、上述したように、主酸素濃度制御手段１００が第１一定制御部１３０Ａを有するほか、副酸素濃度制御手段１０２が、第２一定制御部１３０Ｂを有する。
第２一定制御部１３０Ｂは、補助ポンプセル５４の補助ポンプ電流Ｉｐ２が一定になるように、主ポンプセル４０の主ポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。
この場合も、上述した第１ガスセンサ１０Ａと同様に、センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
［第３ガスセンサの構成］
第３の実施の形態に係るガスセンサ（以下、第３ガスセンサ１０Ｃと記す）は、図１２及び図１３に示すように、上述した第１ガスセンサ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、予備ポンプセル８０の予備ポンプ電圧Ｖｐ０が、主ポンプセル４０の主ポンプ電流Ｉｐ１の比例関係となるように、予備ポンプセル８０の予備ポンプ電圧Ｖｐ０を主ポンプ電流Ｉｐ１で比例制御する比例制御部１３２を有する点で異なる。すなわち、図１３に示すように、第３ガスセンサ１０Ｃの主酸素濃度制御手段１００は、比例制御部１３２を有する。
＜実施例３＞
実施例３は、図１２及び図１３に示す第３ガスセンサ１０Ｃにおいて、Ｏ２濃度領域（１～２０％）における主ポンプ電流Ｉｐ１と予備ポンプ電圧Ｖｐ０の関係を調査し、酸素濃度別の予備ポンプ電流Ｉｐ０と予備ポンプ電圧Ｖｐ０との関係を確認した。
実施例３を実施する上での条件は以下の通りである。
センサ駆動温度：８４０℃
モデルガス：Ｏ２及びＨ２Ｏ（ＮＯ及びＮＨ３は導入せず）
ガス濃度：Ｏ２＝１～２０％、Ｈ２Ｏ＝３％
ガス流量：２００Ｌ／ｍｉｎ（２５０℃）
測定結果を図１４Ａのグラフ、図１４Ｂの表並びに図１５のグラフに示す。図１４Ａのグラフは、予備ポンプ電圧Ｖｐ０に対する主ポンプ電流Ｉｐ１の変化を示す。図１４Ａにおいて、Ｏ２濃度が１％のときの特性を曲線Ｌ２１に示し、Ｏ２濃度が５％のときの特性を曲線Ｌ２２に示し、Ｏ２濃度が１０％のときの特性を曲線Ｌ２３に示し、Ｏ２濃度が２０％のときの特性を曲線Ｌ２４に示す。
そして、代表的に曲線２１～曲線２４を跨ぐ１つの右上がりの直線Ｌａを設定し、各交点（Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ及びＰｄ）をプロットした。プロットした４つの交点Ｐａ～Ｐｄに対応するＯ２濃度と予備ポンプ電圧Ｖｐ０（Ｖ）の関係を図１４Ｂの表に示した。
さらに、図１５に示すように、横軸がＯ２濃度（％）、縦軸が予備ポンプ電圧Ｖｐ０（Ｖ）のグラフに、交点Ｐａ～Ｐｄをプロットし、さらに、最小二乗法にて近似直線Ｌｘを求めた。
この近似直線Ｌｘの方程式を、予備ポンプ電流Ｉｐ０に対する予備ポンプ電圧Ｖｐ０の比例制御の式
Ｖｐ０＝ｆ（Ｉｐ０）＝ａ・Ｉｐ０＋ｂ
とした。ここで、図１５のグラフの結果に基づけば、ａ＝０．０２７５、ｂ＝０．２７３７である。
＜実施例４＞
実施例４は、上述した実施例２と同様に、モデルガスとして、Ｏ２及びＨ２ Ｏのほか、ＮＯ及びＮＨ３を加えて実施し、Ｏ２濃度、ＮＯ濃度及びＮＨ３濃度の違いによって、ポイントの位置が異なるかどうかを確認した。
実施例４を実施する上での条件は以下の通りである。
センサ駆動温度：８４０℃
モデルガス：Ｏ２、Ｈ２ Ｏ、ＮＯ、ＮＨ３
ガス濃度：Ｏ２＝１～２０％、Ｈ２ Ｏ＝３％、ＮＯ＝０～５００ｐｐｍ、ＮＨ３＝０～５００ｐｐｍ
ガス流量：２００Ｌ／ｍｉｎ（２５０℃）
ＮＯ濃度とＮＨ３濃度を振って、予備ポンプセル８０の駆動をオフにした状態でのＮＯ濃度とＮＨ３濃度によるセンサ出力Ｉｐ３の変化と、ＮＨ３濃度によるセンサ出力の変化量ΔＩｐ３の動向を確認した。その結果を図１６Ａ～図１７Ｂに示す。
図１６Ａは、Ｏ２濃度が１％の場合の特性を示し、図１６Ｂは、Ｏ２濃度が５％の場合の特性を示す。また、図１７Ａは、Ｏ２濃度が１０％の場合の特性を示し、図１７Ｂは、Ｏ２濃度が２０％の場合の特性を示す。
図１６Ａ～図１７Ｂにおいて、ＮＯ濃度が０ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ３１に示し、ＮＯ濃度が１００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ３２に示し、ＮＯ濃度が２００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ３３に示し、ＮＯ濃度が３００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ３４に示し、ＮＯ濃度が４００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ３５に示し、ＮＯ濃度が５００ｐｐｍのときの特性を曲線Ｌ３６に示す。
また、図１６Ａ～図１７Ｂにおいて、ＮＨ３濃度が０ｐｐｍのときのポイントをＰ１１で示し、ＮＨ３濃度が１００ｐｐｍのときのポイントをＰ１２で示し、ＮＨ３濃度が２００ｐｐｍのときのポイントをＰ１３で示し、ＮＨ３濃度が３００ｐｐｍのときのポイントをＰ１４で示し、ＮＨ３濃度が４００ｐｐｍのときのポイントをＰ１５で示し、ＮＨ３濃度が５００ｐｐｍのときのポイントをＰ１６で示す。
図１６Ａ～図１７Ｂからもわかるように、Ｏ２濃度、ＮＯ濃度及びＮＨ３濃度の違いによって、ポイントの位置が異なることから、図１６Ａ～図１７Ｂをマップ化してマップ１２０とすることで、センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
＜実施例５＞
実施例５は、図１２及び図１３に示す第３ガスセンサ１０Ｃを用いた。予備ポンプセル８０がＯＦＦのときの主ポンプ電流Ｉｐ１は、Ｏ２濃度に正比例する。従って、予備ポンプセル８０がＯＦＦのときの予備ポンプ電流Ｉｐ０から排気ガス中のＯ２濃度を把握し、続いて起こる予備ポンプセル８０のＯＮ時の予備ポンプ電圧Ｖｐ０の設定点を予備ポンプ電流Ｉｐ０（ＯＦＦ時）から求める。
例えば図１８のグラフに示すように、予めＯ２濃度に対する主ポンプ電流Ｉｐ１（予備ポンプセルＯＦＦ時）の特性をマップとして用意し、ＯＦＦ時の主ポンプ電流Ｉｐ１からマップを使用してＯ２濃度を求めればよい。そして、把握したＯ２濃度に基づいて、例えば図１４Ｂの表から予備ポンプ電圧Ｖｐ０を決定する。
＜実施例６＞
実施例６は、同じく図１２及び図１３に示す第３ガスセンサ１０Ｃを用いた。予備ポンプセル８０をＯＮにしたときの予備ポンプ電流Ｉｐ０は、予備ポンプセル８０での酸素の出し入れの量を表し、主ポンプ電流Ｉｐ１は、主調整室１８ａ（酸素濃度調整室１８）での酸素の出し入れの量を表している。すなわち、予備ポンプ電流Ｉｐ０＋主ポンプ電流Ｉｐ１で、第３ガスセンサ１０Ｃのトータルの酸素の出し入れの量を表し、この量が排気ガスのＯ２濃度と同じになる。つまり、予備ポンプセル８０がＯＮして、予備ポンプ電圧Ｖｐ０がどんな値になろうとも、
Ｏ２濃度＝Ｉｐ０＋ａ×Ｉｐ１（ａは１より大きい定数）
が成立し、係数ａは、第１拡散律速部３０の拡散抵抗Ｄ０及び第２拡散律速部３２の拡散抵抗Ｄ１の大きさによって定まる値になる。拡散抵抗Ｄ０及びＤ１があるため、内部にいくほど拡散で到達する酸素量は減少する。また、係数ａの値は、拡散抵抗Ｄ０及びＤ１の設計値に依存する。例えば係数ａが１．２４の場合、図１９に示すようなグラフが作成される。このグラフからＯ２濃度を算定することができる。そして、Ｏ２濃度が判明すれば、図１４Ｂの表から予備ポンプ電圧Ｖｐ０を決定すればよい。
［第４ガスセンサの構成］
第４の実施の形態に係るガスセンサ（以下、第４ガスセンサ１０Ｄと記す）は、図２０に示すように、上述した第３ガスセンサ１０Ｃ（図１２及び図１３参照）とほぼ同様の構成を有するが、上述した第２ガスセンサ１０Ｂ（図１０参照）と同様に、第２一定制御部１３０Ｂを有する点で異なる。
第２一定制御部１３０Ｂは、補助ポンプセル５４の補助ポンプ電流Ｉｐ２が一定になるように、主ポンプセル４０の主ポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御する。
この場合も、上述した第３ガスセンサ１０Ｃと同様に、センサ出力Ｉｐ３とセンサ出力の変化量ΔＩｐ３とから、ＮＯ濃度、ＮＨ３濃度を精度よく検出することが可能となる。
なお、本発明に係るガスセンサ及びガスセンサの制御方法は、上述の実施の形態に限らず、本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。
上述の例では予備調整室２１内にて第２目的成分であるＮＨ３が変換率１００％でＮＯに変換される例を示したが、ＮＨ３の変換率は１００％である必要はなく、被測定ガス中のＮＨ３濃度と再現性の良い相関が得られる範囲で変換率を任意に設定することができる。
また、予備酸素濃度制御手段１０８の駆動は、予備調整室２１内から酸素を汲み出す方向でも、汲み入れる方向でも良く、第２目的成分であるＮＨ３の存在によって、測定用ポンプセル６１の出力である測定ポンプ電流Ｉｐ３が再現性良く変化すればよい。
なお、本発明の実施に当たっては、本発明の思想を損なわない範囲で自動車用部品としての信頼性向上のための諸手段が付加されてもよい。
１０Ａ～１０Ｄ…第１ガスセンサ～第４ガスセンサ
１２…センサ素子 １４…構造体
１６…ガス導入口 １８…酸素濃度調整室
１８ａ…主調整室 １８ｂ…副調整室
２０…測定室 ２１…予備調整室
３０…第１拡散律速部 ３２…第２拡散律速部
３４…第３拡散律速部 ３６…第４拡散律速部
４０…主ポンプセル ４２…主内側ポンプ電極
４４…外側ポンプ電極 ５４…補助ポンプセル
５６…補助ポンプ電極 ６０…第１可変電源
６１…測定用ポンプセル ６２…測定電極
６８…第２可変電源 ７０…センサセル
７２…ヒータ ８０…予備ポンプセル
８２…予備ポンプ電極 ８６…第３可変電源
１００…主酸素濃度制御手段 １０２…副酸素濃度制御手段
１０４…温度制御手段 １０６…特定成分測定手段
１０８…予備酸素濃度制御手段 １１０…駆動制御手段
１１２…目的成分取得手段 １２０…マップ
１３０…一定制御部 １３０Ａ…第１一定制御部
１３０Ｂ…第２一定制御部 １３２…比例制御部
Ｉｐ１…主ポンプ電流 Ｉｐ２…補助ポンプ電流
Ｉｐ３…測定ポンプ電流（センサ出力） Ｖ２…第２起電力
Ｖ３…第３起電力 Ｖｐ０…予備電圧
Ｖｐ１…主ポンプ電圧 Ｖｐ２…第２ポンプ電圧
Ｖｐ３…第３ポンプ電圧

Claims (5)

  1. 少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体と、前記構造体に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口に連通する主酸素濃度調整室と、前記主酸素濃度調整室に連通する副酸素濃度調整室と、前記副酸素濃度調整室に連通する測定室と、前記ガス導入口と前記主酸素濃度調整室との間に設けられ、前記ガス導入口に連通する予備調整室とを有するセンサ素子と、前記主酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する主酸素濃度制御手段と、前記副酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する副酸素濃度制御手段と、前記センサ素子の温度を制御する温度制御手段と、前記測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、前記固体電解質の内面と外面とに形成された複数の電極と、を有し、前記予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段を制御する駆動制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の第１動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の第２動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、第１目的成分と第２目的成分の濃度を取得する目的成分取得手段とを有するガスセンサであって、
    前記複数の電極は、前記主酸素濃度調整室に形成された主内側電極と、前記構造体の外側に形成された外側電極と、前記予備調整室に形成された内側予備電極と、前記副酸素濃度調整室に形成された副内側電極とを有し、
    前記第１目的成分がＮＯ、前記第２目的成分がＮＨ ３ であり、
    前記主酸素濃度制御手段は、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電圧を印加して、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電流を流すことにより、前記主酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする主ポンプセルを有し、
    前記予備酸素濃度制御手段は、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電圧を印加して、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電流を流すことにより、前記予備調整室内の酸素をポンピングする予備ポンプセルを有し、
    前記主酸素濃度制御手段は、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電流が一定になるように、前記予備ポンプセルの前記予備ポンプ電圧を制御する一定制御部を有する、ガスセンサ。
  2. 請求項１記載のガスセンサにおいて、
    前記副酸素濃度制御手段は、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電圧を印加して、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電流を流すことにより、前記副酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする補助ポンプセルを有し、
    前記副酸素濃度制御手段は、前記補助ポンプセルの補助ポンプ電流が一定になるように、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電圧を制御する一定制御部を有する、ガスセンサ。
  3. 少なくとも酸素イオン伝導性の固体電解質からなる構造体と、前記構造体に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口と、前記ガス導入口に連通する主酸素濃度調整室と、前記主酸素濃度調整室に連通する副酸素濃度調整室と、前記副酸素濃度調整室に連通する測定室と、前記ガス導入口と前記主酸素濃度調整室との間に設けられ、前記ガス導入口に連通する予備調整室とを有するセンサ素子と、前記主酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する主酸素濃度制御手段と、前記副酸素濃度調整室内の酸素濃度を制御する副酸素濃度制御手段と、前記センサ素子の温度を制御する温度制御手段と、前記測定室内の特定成分の濃度を測定する特定成分測定手段と、前記固体電解質の内面と外面とに形成された複数の電極と、を有し、前記予備調整室内の酸素濃度を制御する予備酸素濃度制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段を制御する駆動制御手段と、前記予備酸素濃度制御手段の第１動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力と、前記予備酸素濃度制御手段の第２動作時における前記特定成分測定手段からのセンサ出力との差、及び前記各々のセンサ出力の一方に基づいて、第１目的成分と第２目的成分の濃度を取得する目的成分取得手段とを有するガスセンサであって、
    前記複数の電極は、前記主酸素濃度調整室に形成された主内側電極と、前記構造体の外側に形成された外側電極と、前記予備調整室に形成された内側予備電極と、前記副酸素濃度調整室に形成された副内側電極とを有し、
    前記第１目的成分がＮＯ、前記第２目的成分がＮＨ ３ であり、
    前記主酸素濃度制御手段は、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電圧を印加して、前記主内側電極と前記外側電極間に主ポンプ電流を流すことにより、前記主酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする主ポンプセルを有し、
    前記予備酸素濃度制御手段は、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電圧を印加して、前記内側予備電極と前記外側電極間に予備ポンプ電流を流すことにより、前記予備調整室内の酸素をポンピングする予備ポンプセルを有し、
    前記主酸素濃度制御手段は、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電流に基づいて、前記予備ポンプセルの前記予備ポンプ電圧を比例制御する比例制御部を有する、ガスセンサ。
  4. 請求項３記載のガスセンサにおいて、
    前記予備ポンプ電流をＩｐ０、前記主ポンプ電流をＩｐ１としたとき、下記演算式によってＯ２濃度を求め、得られたＯ２濃度に基づいて、前記予備ポンプ電圧を得る、ガスセンサ。
    Ｏ２濃度＝Ｉｐ０＋ａ×Ｉｐ１（ａは１より大きい定数）
  5. 請求項３記載のガスセンサにおいて、
    前記副酸素濃度制御手段は、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電圧を印加して、前記副内側電極と前記外側電極間に補助ポンプ電流を流すことにより、前記副酸素濃度調整室内の酸素をポンピングする補助ポンプセルを有し、
    前記副酸素濃度制御手段は、前記補助ポンプセルの補助ポンプ電流が一定になるように、前記主ポンプセルの前記主ポンプ電圧を制御する一定制御部を有する、ガスセンサ。
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