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JP7513650B2 - ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法 - Google Patents

ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法 Download PDF

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JP7513650B2 JP2022058402A JP2022058402A JP7513650B2 JP 7513650 B2 JP7513650 B2 JP 7513650B2 JP 2022058402 A JP2022058402 A JP 2022058402A JP 2022058402 A JP2022058402 A JP 2022058402A JP 7513650 B2 JP7513650 B2 JP 7513650B2
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Description

本発明は、複数種類の検知対象ガス成分を検知し、それらの濃度を測定可能なマルチガスセンサに関する。
自動車の排ガスからの排出量を管理するための計測において、二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度を計測する技術が既に公知である（例えば特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１および特許文献２に開示されたガスセンサにおいては、二酸化炭素（ＣＯ２）成分に加え、水蒸気（Ｈ２Ｏ）成分についても並行して測定することが可能となっている。
特許第５９１８１７７号公報 特許第６４６９４６４号公報
特許文献１および特許文献２に開示されたような構造のガスセンサについて、精度を維持しつつ構造を簡素化したいという一般的なニーズが存在する。構造が簡素であるほど、製造工数は低減され、センサの信頼性が増し、かつ、低コスト化にもつながる。
例えば、特許文献１および特許文献２に開示されたガスセンサに備わるセンサ素子の場合、貴金属を含む電極が５箇所に設けられてなり、これを削減することは構造の簡素化さらには低コスト化の点から望ましい。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも構造が簡素化されたガスセンサを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を測定可能なガスセンサであって、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された構造体を有するセンサ素子と、前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、を備え、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室と、基準ガスと接触してなる基準ポンプ電極と、前記第１空室に面して形成されてなる第１内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１ポンプセルと、前記第２空室に面して形成されてなる第２内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２ポンプセルと、前記第３空室に面して形成されてなる第３内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第３ポンプセルと、を備え、前記第１ポンプセルは、前記ガス導入口から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出し、前記第２ポンプセルは、前記第２空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を前記第２空室において選択的に酸化させ、前記第３ポンプセルは、前記第３空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を前記第３空室において酸化させ、前記コントローラは、前記第１ポンプセルにおいて前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に印加される電圧および印加時間を制御する第１ポンプセル制御手段と、前記第２ポンプセルにおいて前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に印加される電圧および印加時間を制御する第２ポンプセル制御手段と、前記第３ポンプセルにおいて前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に印加される電圧および印加時間を制御する第３ポンプセル制御手段と、前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記水蒸気の濃度を特定する水蒸気濃度特定手段と、前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記二酸化炭素の濃度を特定する二酸化炭素濃度特定手段と、を備え、前記第１ポンプセル制御手段は、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、前記第２ポンプセル制御手段は、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、前記第３ポンプセル制御手段は、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させる、ことを特徴とする。
本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサであって、前記第１内側電極は、前記構造体において前記第１空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、前記第２内側電極は、前記構造体において前記第２空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、前記第３内側電極は、前記構造体において前記第３空室を区画する面の１つにのみ形成されてなる、ことを特徴とする。
本発明の第３の態様は、少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を、ガスセンサにより測定する方法であって、前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の構造体を有するセンサ素子を備えるものであり、前記センサ素子が、前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室と、基準ガスと接触してなる基準ポンプ電極と、前記第１空室に面して形成されてなる第１内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１ポンプセルと、前記第２空室に面して形成されてなる第２内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２ポンプセルと、前記第３空室に面して形成されてなる第３内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第３ポンプセルと、を備えるものであり、a)前記第１ポンプセルによって、前記ガス導入口から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出す工程と、b)前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れることにより、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を、前記第２空室において選択的に酸化させる工程と、c)前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れることにより、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を、前記第３空室において酸化させる工程と、d)前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記水蒸気の濃度を特定する工程と、e)前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記二酸化炭素の濃度を特定する工程と、を備え、前記工程a)においては、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、前記工程b)においては、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、前記工程c)においては、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させる、ことを特徴とする。
本発明の第４の態様は、第３の態様に係るガスセンサによる濃度測定方法であって、前記第１内側電極は、前記構造体において前記第１空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、前記第２内側電極は、前記構造体において前記第２空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、前記第３内側電極は、前記構造体において前記第３空室を区画する面の１つにのみ形成されてなる、ことを特徴とする。
本発明の第１ないし第４の態様によれば、従来のガスセンサに比して電極の個数および面積が削減され、構造が簡素化され低コスト化が図られつつも、従来のガスセンサと同様に被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を測定可能なマルチガスセンサが、実現される。
ガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。 コントローラ１１０において実現される機能的構成要素を示すブロック図である。 フィードバック制御の際の第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ１の時間変化を例示する図である。
＜ガスセンサの構成＞
図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１００の構成の一例を概略的に示す図である。ガスセンサ１００は、センサ素子１０１によって複数種類のガス成分を検知し、その濃度を測定するマルチガスセンサである。本実施の形態においては、少なくとも水蒸気（Ｈ２Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ２）が、ガスセンサ１００における主たる検知対象ガス成分であるとする。ガスセンサ１００は、例えば、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気経路に取り付けられ、係る排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとする態様にて使用される。図１は、センサ素子１０１の長手方向に沿った垂直断面図を含んでいる。
センサ素子１０１は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなる長尺板状の構造体（基体部）１４と、該構造体１４の一方端部（図面視左端部）に形成され、被測定ガスが導入されるガス導入口１０と、構造体１４内に形成され、ガス導入口１０から順次に連通する緩衝空間１２、第１空室２０、第２空室４０、および第３空室６１を有する。緩衝空間１２は第１拡散律速部１１を介してガス導入口１０と連通している。第１空室２０は、第２拡散律速部１３を介して緩衝空間１２と連通している。第２空室４０は、第３拡散律速部３０を介して第１空室２０と連通している。第３空室６１は、第４拡散律速部６０を介して第２空室４０と連通している。
構造体１４は、例えば、セラミックスよりなる複数層の基板を積層して構成される。具体的には、構造体１４は、第１基板１と、第２基板２と、第３基板３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６とよりなる６つの層が、下から順に積層された構成を有する。各層は、例えばジルコニア（ＺｒＯ２）等の酸素イオン伝導性の固体電解質によって構成される。
ガス導入口１０、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３、第１空室２０、第３拡散律速部３０、第２空室４０、第４拡散律速部６０、および第３空室６１は、構造体１４の一方端部側であって、第２固体電解質層６の下面６ｂと第１固体電解質層４の上面４ａとの間に、この順に形成されている。ガス導入口１０から第３空室６１に至る部位を、ガス流通部とも称する。
ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１空室２０と、第２空室４０と、第３空室６１とは、スペーサ層５を厚み方向に貫通するようにして形成されている。それらの空室等の図面視上部においては、第２固体電解質層６の下面６ｂが露出し、図面視下部においては第１固体電解質層４の上面４ａが露出している。それら空室等の側部は、スペーサ層５あるいはいずれかの拡散律速部にて区画されている。
第１拡散律速部１１、第２拡散律速部１３、第３拡散律速部３０、および、第４拡散律速部６０は、いずれも２本の横長なスリットを備えている。すなわち、図面に垂直な方向に長く伸びた開口を図面視上部および下部に有している。
また、センサ素子１０１においてガス導入口１０が設けられた一方端部とは反対側の他方端部（図面視右端部）には、基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３は、第３基板３の上面３ａとスペーサ層５の下面５ｂとの間に形成されている。また、基準ガス導入空間４３の側部は第１固体電解質層４の側面で区画されている。基準ガス導入空間４３には、基準ガスとして、例えば酸素（Ｏ２）や大気が導入される。
ガス導入口１０は、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１０を通じて外部空間からセンサ素子１０１内に被測定ガスが取り込まれる。
第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から緩衝空間１２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。
緩衝空間１２は、外部空間における被測定ガスの圧力変動によって生じる被測定ガスの濃度変動を打ち消すために設けられてなる。このような被測定ガスの圧力変動としては、例えば自動車の排ガスの排気圧の脈動等が挙げられる。
第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１空室２０に導入される被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第１空室２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入される被測定ガスから酸素を汲み出し、さらには、被測定ガスに検知対象ガス成分として含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２を還元（分解）して水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）を生成させ、被測定ガスが酸素のみならずＨ２Ｏ、ＣＯ２についても実質的に含まないようにするための空間として設けられている。係るＨ２ＯとＣＯ２の還元（分解）は、第１ポンプセル２１が作動することによって実現される。
第１ポンプセル２１は、第１内側ポンプ電極２２と、基準ポンプ電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
第１ポンプセル２１においては、第１内側ポンプ電極２２と基準ポンプ電極４２との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源２４によって電圧Ｖｐ１が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ１が生じる。これにより、第１空室２０内の酸素を基準ガス導入空間４３に汲み出すことが、可能となっている。
第１内側ポンプ電極２２は、第１空室２０を区画する第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にのみ、設けられている。
第１内側ポンプ電極２２は、白金を金属成分として、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
基準ポンプ電極４２は、第１固体電解質層４と第３基板３との間に形成された電極であり、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
基準ポンプ電極４２の周囲には、多孔質アルミナからなり、且つ、基準ガス導入空間４３につながる基準ガス導入層４８が設けられている。基準ポンプ電極４２の表面には、基準ガス導入空間４３の基準ガスが基準ガス導入層４８を介して導入されるようになっている。すなわち、基準ポンプ電極４２は常に基準ガスと接触した状態となっている。
一方、第１内側ポンプ電極２２と、基準ポンプ電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とはまた、第１空室用センサセル８０を構成している。第１空室用センサセル８０は、第１空室２０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。
第１空室用センサセル８０においては、第１内側ポンプ電極２２と基準ポンプ電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ１が発生する。後述するように、第１ポンプセル２１の使用は断続的であり、第１ポンプセル２１が使用されずそれゆえ可変電源２４により電圧Ｖｐ１が印加されていないタイミングにおける起電力Ｖ１（非印加時起電力Ｖ１とも称する）は、第１空室２０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、非印加時起電力Ｖ１は、第１空室２０における当該タイミングでの酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
第３拡散律速部３０は、第１空室２０から第２空室４０に導入される、Ｈ２およびＣＯを含みかつＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第２空室４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入される被測定ガスに含まれているＨ２およびＣＯのうちＨ２のみを選択的に全て酸化して再びＨ２Ｏを生成させるための空間として設けられている。係るＨ２の酸化によるＨ２Ｏの生成は、第２ポンプセル５０が作動することによって実現される。
第２ポンプセル５０は、第２内側ポンプ電極５１と、基準ポンプ電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
第２ポンプセル５０においては、第２内側ポンプ電極５１と基準ポンプ電極４２との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源５２によって電圧Ｖｐ２が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ２が生じる。これにより、基準ガス導入空間４３から第２空室４０内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。
第２内側ポンプ電極５１は、第２空室４０を区画する第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にのみ、設けられている。
第２内側ポンプ電極５１は、Ｐｔ－Ａｕ合金を金属成分として、例えば、係るＰｔ－Ａｕ合金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
一方、第２内側ポンプ電極５１と、基準ポンプ電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とはまた、第２空室用センサセル８１を構成している。第２空室用センサセル８１は、第２空室４０内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。
第２空室用センサセル８１においては、第２内側ポンプ電極５１と基準ポンプ電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ２が発生する。後述するように、第２ポンプセル５０の使用は断続的であり、第２ポンプセル５０が使用されずそれゆえ可変電源５２により電圧Ｖｐ２が印加されていないタイミングにおける起電力Ｖ２（非印加時起電力Ｖ２とも称する）は、第２空室４０における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、非印加時起電力Ｖ２は、第２空室４０における当該タイミングでの酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
第４拡散律速部６０は、第２空室４０から第３空室６１に導入される、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まない被測定ガスに、所定の拡散抵抗を付与する部位である。
第３空室６１は、第４拡散律速部６０を通じて導入される被測定ガスに含まれているＣＯを全て酸化して再びＣＯ２を生成させるための空間として設けられている。係るＣＯの酸化によるＣＯ２の生成は、第３ポンプセル４１が作動することによって実現される。
第３ポンプセル４１は、第３内側ポンプ電極４４と、基準ポンプ電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とによって構成される、電気化学的ポンプセルである。
第３ポンプセル４１においては、第３内側ポンプ電極４４と基準ポンプ電極４２との間に、センサ素子１０１の外部に備わる可変電源４６によって電圧Ｖｐ３が印加されることにより、酸素ポンプ電流（酸素イオン電流）Ｉｐ３が生じる。これにより、基準ガス導入空間４３から第３空室６１内に酸素を汲み入れることが、可能となっている。
第３内側ポンプ電極４４は、第３空室６１を区画する第１固体電解質層４の上面４ａの略全面に設けられている。
第３内側ポンプ電極４４は、白金を金属成分として、例えば、白金とジルコニアとを含む平面視矩形状の多孔質サーメット電極として、設けられてなる。
一方、第３内側ポンプ電極４４と、基準ポンプ電極４２と、構造体１４において両電極に挟まれた部分に存在する固体電解質とはまた、第３空室用センサセル８２を構成している。第３空室用センサセル８２は、第３空室６１内における雰囲気中の酸素分圧を把握するための電気化学的センサセルである。
第３空室用センサセル８２においては、第３内側ポンプ電極４４と基準ポンプ電極４２との間に起電力（ネルンスト起電力）Ｖ３が発生する。後述するように、第３ポンプセル４１の使用は断続的であり、第３ポンプセル４１が使用されずそれゆえ可変電源４６により電圧Ｖｐ３が印加されていないタイミングにおける起電力Ｖ３（非印加時起電力Ｖ３とも称する）は、第３空室６１における酸素濃度（酸素分圧）と基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）との差に応じた値となる。ただし、基準ガスの酸素濃度（酸素分圧）は基本的に一定であるので、非印加時起電力Ｖ３は、第３空室６１における当該タイミングでの酸素濃度（酸素分圧）に応じた値となる。
以上に加えて、センサ素子１０１は、第２基板２と第３基板３とに上下から挟まれた態様にて、ヒータ７２を備える。ヒータ７２は、第１基板１の下面１ｂに設けられたヒータ電極７１を介して外部から給電されることにより発熱する。ヒータ７２は、緩衝空間１２から第３空室６１に至る範囲の全域に亘って埋設されており、センサ素子１０１を所定の温度に加熱しさらには保温することができるようになっている。ヒータ７２が発熱することによって、センサ素子１０１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の上下には、第２基板２および第３基板３との電気的絶縁性を得る目的で、アルミナ等からなるヒータ絶縁層７４が形成されている。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７０とも称する。また、ヒータ部７０には、圧力放散孔７５が備わっている。圧力放散孔７５は、第３基板３を貫通し、基準ガス導入空間４３に連通するように設けられてなる部位であり、ヒータ絶縁層７４内の温度上昇に伴う内圧上昇を緩和する目的で設けられてなる。
以上のような構成を有するセンサ素子１０１は、特に、種々の電極配置の点で、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているような従来のガスセンサに備わるセンサ素子と異なっている。
具体的には、センサ素子１０１においては、第１空室２０に備わる第１内側ポンプ電極２２と第２空室４０に備わる第２内側ポンプ電極５１とがいずれも、第１固体電解質層４の上面４ａの略全面にのみ設けられているが、従来のセンサ素子の場合、これらの電極に対応する電極は、少なくとも、それぞれの空室を区画する第２固体電解質層６の下面６ｂにも設けられていた。
また、センサ素子１０１においては、第１ないし第３内側ポンプ電極のそれぞれと、基準ポンプ電極４２と、それらの電極間に存在する固体電解質とによって、ポンプセルが構成されている。そして、これらのポンプセルによって、第１ないし第３空室と基準ガス導入空間４３との間で、酸素のポンピング（汲み出しまたは汲み入れ）が行われるようになっているが、従来のセンサ素子の場合、素子外面に外側ポンプ電極が別途設けられ、第１ないし第３内側ポンプ電極のそれぞれに対応する電極と、当該外側ポンプ電極と、それらの電極間に存在する固体電解質とによってポンプセルが構成され、係るポンプセルによって、第１ないし第３空室と外部空間との間で、酸素のポンピングが行われていた。また、センサ素子１０１における基準ポンプ電極４２に相当する電極（基準電極）は、酸素のポンピングを担わず、単にそれぞれのセンサセルにおける電位の基準として用いられるに留まっていた。
すなわち、本実施の形態に係るガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０１においては、従来のガスセンサが備えていたセンサ素子に比して、ポンプ電極の個数および面積が削減されており、かつ基準電極の機能の複合化が図られている。ポンプ電極には白金等の貴金属が使用されることも踏まえると、本実施の形態に係るガスセンサ１００は、従来のガスセンサに比して、低コスト化が図られているということができる。
ガスセンサ１００はまた、センサ素子１０１の動作を制御するとともに、センサ素子１０１を流れる電流に基づいて検知対象ガス成分の濃度を特定する処理を担うコントローラ１１０をさらに備える。
図２は、コントローラ１１０において実現される機能的構成要素を示すブロック図である。コントローラ１１０は、例えば１つまたは複数のＣＰＵ（中央処理ユニット）と記憶装置等を有する１以上の電子回路により構成される。電子回路は、例えば記憶装置に記憶されている所定のプログラムをＣＰＵが実行することにより、所定の機能的構成要素が実現されるソフトウェア機能部でもある。もちろん、複数の電子回路を機能に合わせて接続したＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路等で構成してもよい。
なお、ガスセンサ１００が自動車のエンジンの排気経路に取り付けられ、排気経路を流れる排ガスを被測定ガスとして使用される場合、コントローラ１１０の機能の一部または全部が、自動車のＥＣＵ（電子制御装置）にて実現されるであってもよい。
コントローラ１１０は、ＣＰＵにおいて所定のプログラムが実行されることにより実現される機能的構成要素として、上述したセンサ素子１０１の各部の動作を制御する素子動作制御部１１１と、被測定ガスに含まれる検知対象ガス成分の濃度を特定する処理を担う濃度特定部１１２とを備える。
素子動作制御部１１１は、ヒータ７２の動作を制御するヒータ制御部１１１Ａと、第１ポンプセル２１の動作を制御する第１ポンプセル制御部１１１Ｂと、第２ポンプセル５０の動作を制御する第２ポンプセル制御部１１１Ｃと、第３ポンプセル４１の動作を制御する第３ポンプセル制御部１１１Ｄとを、主として備える。
一方、濃度特定部１１２は、ガスセンサ１００における主たる検知対象ガス成分であるＨ２ＯおよびＣＯ２の濃度をそれぞれ特定する水蒸気濃度特定部１１２Ｃおよび二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄを、主として備える。
＜マルチガス検知と濃度特定＞
次に、上述のような構成を有するガスセンサ１００において実現される、複数のガス種の検知（マルチガス検知）と、検知されたガスの濃度の特定の仕方について説明する。以降においては、被測定ガスが酸素、Ｈ２Ｏ、およびＣＯ２を含む排ガスであるとする。
本実施の形態に係るガスセンサ１００が備えるセンサ素子１０１においては、ガス導入口１０から素子内部へと取り込まれた被測定ガスが、緩衝空間１２を経て第１空室２０へと導入される。
第１空室２０においては、第１ポンプセル２１が作動することにより、導入された被測定ガスから酸素が汲み出される。これにより、被測定ガスに含まれているＨ２ＯおよびＣＯ２の還元（分解）反応（２Ｈ２Ｏ→２Ｈ２＋Ｏ２、２ＣＯ２→２ＣＯ＋Ｏ２）が進行し、Ｈ２ＯおよびＣＯ２は実質的に全て、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）と酸素とに分解され、これにより生じた酸素も汲み出される。なお、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が実質的に全て分解されるとは、Ｈ２ＯおよびＣＯ２が第２空室４０に導入されないことを意味する。
これは、第１ポンプセル制御部１１１Ｂが、第１ポンプセル２１を断続的に作動させるとともに、第１空室用センサセル８０における非印加時起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）を１０００ｍＶ～１５００ｍＶの範囲で所望する酸素分圧（酸素濃度）に応じて（好ましくは１０００ｍＶに）設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源２４が第１ポンプセル２１に印加する電圧Ｖｐ１および第１ポンプセル２１の作動時間を実際の起電力Ｖ１の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。係る場合において、電圧Ｖｐ１は、ＩＲ過電圧と反応過電圧との和である。
例えば酸素を多く含む被測定ガスが第１空室２０に到達すると非印加時起電力Ｖ１の値が目標値から大きく変位するので、第１ポンプセル制御部１１１Ｂは、係る変位が減少するように、可変電源２４が第１ポンプセル２１に印加するポンプ電圧Ｖｐ１を制御する。
図３は、第１ポンプセル制御部１１１Ｂによるフィードバック制御の際の第１空室用センサセル８０における起電力Ｖ１の時間変化を例示する図である。図３においては、時間Δta(1)、Δta(2)・・・においてそれぞれ、第１ポンプセル２１に電圧Vp1(1)、Vp1(2)・・・が印加され、それらの時間Δta(1)、Δta(2)・・・のインターバルである時間Δtb(1)、Δtb(2)・・・においては第１ポンプセル２１に対し電圧が印加されていないものとする。
図３に示す場合においては、時間Δta(1)、Δta(2)・・・において第１ポンプセル２１に対し断続的に電圧が印加されることにより、第１空室２０からの酸素の汲み出しが断続的に行われ、非印加時起電力Ｖ１が、時間Δtb(1)においてはV1(1)、Δtb(2)においてはV1(2)・・・と次第に増大する様子を示している。このような第１ポンプセル２１に対する断続的な電圧の印加を、非印加時起電力Ｖ１の実測値に基づいて印加電圧および印加時間を適宜に調整しつつ繰り返すことで、非印加時起電力Ｖ１が目標値に近づき、やがては第１空室用センサセル８０における酸素分圧が所望の値に保たれることになる。
なお、ガス導入口１０からは連続的に被測定ガスが導入される一方で、第１ポンプセル２１の動作は断続的であるため、第１ポンプセル２１が作動しない間、ガス拡散により第１空室２０における酸素分圧（酸素濃度）が変動する可能性がある。酸素分圧（酸素濃度）が変動すると、非印加時起電力Ｖ１が変動し、それゆえ、目標値への到達が困難となるおそれがある。
本実施の形態においては、この点を鑑み、第１ポンプセル２１が動作しないインターバル時間（図３におけるΔtb(1)、Δtb(2)・・・）を各々１０ｍｓ以下し、係るインターバル時間と第１ポンプセル２１による電圧Ｖｐ１の印加時間との総和を１０ｍｓ程度とする。これにより、ガス拡散による酸素分圧（酸素濃度）の変動が十分に小さいものとなり、さらには非印加時起電力Ｖ１の変動も抑制される。なお、１０ｍｓというインターバル時間の上限値は、あらかじめ実験的に電極のコールコールプロットを得ることにより確認されたガス拡散の時定数が１００ｍｓであることを、踏まえている。
結果として、非印加時起電力Ｖ１の目標値（制御電圧）が１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第１空室２０内の酸素分圧は十分に低められる。Ｖ１＝１０００ｍＶの場合であれば、１０－２０ａｔｍ程度となる。そして、第１空室２０内の被測定ガスは、Ｈ２およびＣＯを含む一方でＨ２Ｏ、ＣＯ２、および酸素を実質的に含まないものとなる。係る被測定ガスは、第２空室４０に導入される。
第２空室４０においては、第２ポンプセル５０が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＨ２のみが酸化される。
係る酸素の汲み入れは、第２ポンプセル制御部１１１Ｃが、第２ポンプセル５０を断続的に作動させるとともに、第２空室用センサセル８１における非印加時起電力Ｖ２の目標値（制御電圧）を２５０ｍＶ～４５０ｍＶの範囲で所望する酸素分圧（酸素濃度）に応じて（好ましくは３５０ｍＶに）設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源５２が第２ポンプセル５０に印加する電圧Ｖｐ２および第２ポンプセル５０の作動時間を実際の起電力Ｖ２の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。フィードバック制御の具体的な態様は、汲み入れと汲み出しとの相違はあるものの、図３に例示した第１ポンプセル２１の場合と同様である。すなわち、第２ポンプセル５０は、インターバル時間を１０ｍｓ以下とし、作動時間とインターバル時間との総和を１０ｍｓ程度としつつ、断続的に作動させられる。
係る態様にて第２ポンプセル５０が作動することで、第２空室４０内においては、２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏなる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１０から導入されたＨ２Ｏの量と相関性を有する量のＨ２Ｏが再び生成される。なお本実施の形態において、Ｈ２ＯあるいはＣＯ２の量が相関性を有するとは、ガス導入口１０から導入されたＨ２ＯあるいはＣＯ２の量と、それらの分解によって生じたＨ２およびＣＯが酸化させられることによって再び生成するＨ２ＯあるいはＣＯ２の量とが、同量または測定精度の点から許容される一定の誤差範囲内にある、ということである。
非印加時起電力Ｖ２の目標値が２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第２空室４０の酸素分圧は、Ｈ２はほぼ全て酸化されるもののＣＯは酸化されない範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ２＝３５０ｍＶの場合であれば、１０－７ａｔｍ程度となる。
また、非印加時起電力Ｖ２が目標値に保たれているときに第２ポンプセル５０を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ２（以下、水蒸気検出電流Ｉｐ２とも称する）は、第２空室４０におけるＨ２の燃焼によって生成するＨ２Ｏの濃度に略比例する（水蒸気検出電流Ｉｐ２と生成するＨ２Ｏの濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＨ２Ｏの量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＨ２Ｏの量と相関性を有する。よって、第２ポンプセル制御部１１１Ｃにおいて水蒸気検出電流Ｉｐ２が検出されることで、被測定ガス中のＨ２Ｏが検知されたことになる。
また、水蒸気検出電流Ｉｐ２と被測定ガスにおける水蒸気濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（水蒸気特性データ）は、水蒸気濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、水蒸気濃度特定部１１２Ｃに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第２ポンプセル制御部１１１Ｃにおいて検出される水蒸気検出電流Ｉｐ２の値を、水蒸気濃度特定部１１２Ｃが取得する。水蒸気濃度特定部１１２Ｃは、水蒸気特性データを参照し、取得した水蒸気検出電流Ｉｐ２に対応する水蒸気濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける水蒸気濃度が特定される。
なお、仮に、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中にＨ２Ｏが存在していなかった場合には、当然ながら第１空室２０におけるＨ２Ｏの分解は生じず、それゆえ第２空室４０にＨ２が導入されることはないので、水蒸気検出電流Ｉｐ２はほぼゼロとなる。
Ｈ２が酸化されてＨ２Ｏとなることで、被測定ガスは、Ｈ２ＯおよびＣＯを含みかつＣＯ２および酸素を実質的に含まないものとなる。係る被測定ガスが第３空室６１に導入される。第３空室６１においては、第３ポンプセル４１が作動することにより酸素が汲み入れられ、導入された被測定ガスに含まれているＣＯが酸化される。
係る酸素の汲み入れは、第３ポンプセル制御部１１１Ｄが、第３ポンプセル４１を断続的に作動させるとともに、第３空室用センサセル８２における非印加時起電力Ｖ３の目標値（制御電圧）を１００ｍＶ～３００ｍＶの範囲で所望する酸素分圧（酸素濃度）に応じて（好ましくは２００ｍＶ）に設定し、係る目標値が達成されるよう、可変電源４６が第３ポンプセル４１に印加する電圧Ｖｐ３および第３ポンプセル４１の作動時間を実際の起電力Ｖ３の値と目標値との差異に応じてフィードバック制御することにより、行われる。フィードバック制御の具体的な態様は、汲み入れと汲み出しとの相違はあるものの、図３に例示した第１ポンプセル２１の場合と同様である。すなわち、第３ポンプセル４１は、インターバル時間を１０ｍｓ以下とし、作動時間とインターバル時間との総和を１０ｍｓ程度としつつ、断続的に作動させられる。
係る態様にて第３ポンプセル４１が作動することで、第３空室６１内においては、２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２なる酸化（燃焼）反応が促進されて、ガス導入口１０から導入されたＣＯ２の量と相関性を有する量のＣＯ２が再び生成される。
非印加時起電力Ｖ３の目標値が１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の値に設定されることにより、第３空室６１の酸素分圧は、ＣＯがほぼ全て酸化される範囲の値に保たれる。例えば、Ｖ３＝２００ｍＶの場合であれば、１０－４ａｔｍ程度となる。
また、非印加時起電力Ｖ３が目標値に保たれているときに第３ポンプセル４１を流れる酸素ポンプ電流Ｉｐ３（以下、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３とも称する）は、第３空室６１におけるＣＯの燃焼によって生成するＣＯ２の濃度に略比例する（二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と生成するＣＯ２の濃度とが線型関係にある）。係る燃焼によって生成するＣＯ２の量は、ガス導入口１０から導入された後、第１空室２０においていったん分解された、被測定ガス中のＣＯ２の量と相関性を有する。よって、第３ポンプセル制御部１１１Ｄにおいて二酸化炭素検出電流Ｉｐ３が検出されることで、被測定ガス中のＣＯ２が検知されたことになる。
また、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３と被測定ガスにおける二酸化炭素濃度の間には、線型関係が成立する。係る線型関係を示すデータ（二酸化炭素特性データ）は、二酸化炭素濃度が既知のモデルガスを用いてあらかじめ特定され、二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄに保持されている。本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、第３ポンプセル制御部１１１Ｄにおいて検出される二酸化炭素検出電流Ｉｐ３の値を、二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄが取得する。二酸化炭素濃度特定部１１２Ｄは、二酸化炭素特性データを参照し、取得した二酸化炭素検出電流Ｉｐ３に対応する二酸化炭素濃度の値を特定する。これにより、被測定ガスにおける二酸化炭素濃度が特定される。
なお、仮に、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中にＣＯ２が存在していなかった場合には、当然ながら第１空室２０におけるＣＯ２の分解は生じず、それゆえ第３空室６１にＣＯが導入されることはないので、二酸化炭素検出電流Ｉｐ３はほぼゼロとなる。
以上のように、本実施の形態に係るガスセンサ１００においては、水蒸気濃度および二酸化炭素濃度を好適に特定することが可能である。
加えて、ガスセンサ１００においては、間接的ではあるが、被測定ガスに含まれる酸素の濃度を求めることも可能である。概略的にいえば、第１空室２０から汲み出される酸素の濃度（これをＣ１とする）と、第２空室４０および第３空室６１へと汲み入れられる酸素の濃度（それぞれ、Ｃ２、Ｃ３とする）との差分値
Ｃ＝Ｃ１－Ｃ２－Ｃ３ ・・・・（１）
が、ガス導入口１０から導入された被測定ガス中の酸素の濃度に相当する。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれ、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３に略比例する値であるので、あらかじめＣ１とＩｐ１、Ｃ２とＩｐ２、Ｃ３とＩｐ３との関係（比例定数）を特定しておけば、酸素ポンプ電流Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｐ３の検出値から被測定ガス中の酸素の濃度を求めることも可能である。
以上、説明したように、本実施の形態によれば、従来のガスセンサに比して電極の個数および面積が削減され、構造が簡素化され低コスト化が図られつつも、従来のガスセンサと同様に被測定ガス中の所定ガス成分（少なくとも水蒸気および二酸化炭素）の濃度を測定可能なマルチガスセンサが、実現される。
１０ ガス導入口
１１ 第１拡散律速部
１３ 第２拡散律速部
１４ 構造体
２０ 第１空室
２１ 第１ポンプセル
２２ 第１内側ポンプ電極
２４、５２、４６ 可変電源
３０ 第３拡散律速部
４０ 第２空室
４１ 第３ポンプセル
４２ 基準ポンプ電極
４３ 基準ガス導入空間
４４ 第３内側ポンプ電極
５０ 第２ポンプセル
５１ 第２内側ポンプ電極
６０ 第４拡散律速部
６１ 第３空室
７２ ヒータ
８０ 第１空室用センサセル
８１ 第２空室用センサセル
８２ 第３空室用センサセル
１００ ガスセンサ
１０１ センサ素子

Claims (4)

  1. 少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を測定可能なガスセンサであって、
    酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された構造体を有するセンサ素子と、
    前記ガスセンサの動作を制御するコントローラと、
    を備え、
    前記センサ素子が、
    前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
    相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室と、
    基準ガスと接触してなる基準ポンプ電極と、
    前記第１空室に面して形成されてなる第１内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１ポンプセルと、
    前記第２空室に面して形成されてなる第２内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２ポンプセルと、
    前記第３空室に面して形成されてなる第３内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第３ポンプセルと、
    を備え、
    前記第１ポンプセルは、前記ガス導入口から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出し、
    前記第２ポンプセルは、前記第２空室に酸素を汲み入れることによって、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を前記第２空室において選択的に酸化させ、
    前記第３ポンプセルは、前記第３空室に酸素を汲み入れることによって、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を前記第３空室において酸化させ、
    前記コントローラは、
    前記第１ポンプセルにおいて前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に印加される電圧および印加時間を制御する第１ポンプセル制御手段と、
    前記第２ポンプセルにおいて前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に印加される電圧および印加時間を制御する第２ポンプセル制御手段と、
    前記第３ポンプセルにおいて前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に印加される電圧および印加時間を制御する第３ポンプセル制御手段と、
    前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記水蒸気の濃度を特定する水蒸気濃度特定手段と、
    前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記二酸化炭素の濃度を特定する二酸化炭素濃度特定手段と、
    を備え、
    前記第１ポンプセル制御手段は、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、
    前記第２ポンプセル制御手段は、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、
    前記第３ポンプセル制御手段は、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させる、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  2. 請求項１に記載のガスセンサであって、
    前記第１内側電極は、前記構造体において前記第１空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、
    前記第２内側電極は、前記構造体において前記第２空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、
    前記第３内側電極は、前記構造体において前記第３空室を区画する面の１つにのみ形成されてなる、
    ことを特徴とする、ガスセンサ。
  3. 少なくとも水蒸気と二酸化炭素とを含む被測定ガスに含まれる、複数の検知対象ガス成分の濃度を、ガスセンサにより測定する方法であって、
    前記ガスセンサが、酸素イオン伝導性の固体電解質にて構成された長尺板状の構造体を有するセンサ素子を備えるものであり、
    前記センサ素子が、
    前記被測定ガスが導入されるガス導入口と、
    相異なる拡散律速部を介して前記ガス導入口から順次に連通してなる、第１空室、第２空室、および第３空室と、
    基準ガスと接触してなる基準ポンプ電極と、
    前記第１空室に面して形成されてなる第１内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第１ポンプセルと、
    前記第２空室に面して形成されてなる第２内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第２ポンプセルと、
    前記第３空室に面して形成されてなる第３内側電極と、前記基準ポンプ電極と、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に存在する前記固体電解質とから構成された第３ポンプセルと、
    を備えるものであり、
    a)前記第１ポンプセルによって、前記ガス導入口から前記第１空室に導入された前記被測定ガスに含まれる水蒸気および二酸化炭素が実質的に全て分解されるように、前記第１空室から酸素を汲み出す工程と、
    b)前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れることにより、前記第１空室から前記第２空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、水蒸気の分解によって生成した水素を、前記第２空室において選択的に酸化させる工程と、
    c)前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れることにより、前記第２空室から前記第３空室へと導入された前記被測定ガスに含まれている、二酸化炭素の分解によって生成した一酸化炭素を、前記第３空室において酸化させる工程と、
    d)前記第２ポンプセルによって前記第２空室に酸素を汲み入れる際に前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記水蒸気の濃度を特定する工程と、
    e)前記第３ポンプセルによって前記第３空室に酸素を汲み入れる際に前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間を流れる電流の大きさに基づいて、前記被測定ガスに含まれる前記二酸化炭素の濃度を特定する工程と、
    を備え、
    前記工程a)においては、前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第１内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ１が、１０００ｍＶ～１５００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第１ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、
    前記工程b)においては、前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第２内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ２が、２５０ｍＶ～４５０ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第２ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させ、
    前記工程c)においては、前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に電圧が印加されていないときに前記第３内側電極と前記基準ポンプ電極との間に生じる非印加時起電力Ｖ３が、１００ｍＶ～３００ｍＶなる範囲内の所定の目標値に保たれるように、前記第３ポンプセルを１０ｍｓ以下のインターバルで断続的に作動させる、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
  4. 請求項３に記載のガスセンサによる濃度測定方法であって、
    前記第１内側電極は、前記構造体において前記第１空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、
    前記第２内側電極は、前記構造体において前記第２空室を区画する面の１つにのみ形成されてなり、
    前記第３内側電極は、前記構造体において前記第３空室を区画する面の１つにのみ形成されてなる、
    ことを特徴とする、ガスセンサによる濃度測定方法。
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