CN111060578B

CN111060578B - 气体传感器

Info

Publication number: CN111060578B
Application number: CN201910975907.2A
Authority: CN
Inventors: 大西谅; 幸岛康英
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2024-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-15
Also published as: US20200116665A1; CN111060578A; JP2020063942A; DE102019007117A1; US20220074885A1; JP7194555B2

Abstract

本发明提供一种气体传感器，气体传感器(100)具备氧离子传导性的固体电解质层(各层(1～6))、设置于元件前端部(101c)的气体流通部(从气体导入口(10)至第二内部空腔(40)的部位)、特定气体检测部(主泵单元(21)、测定用泵单元(41)、辅助泵单元(50)等)、以及控制装置。控制装置在气体传感器(100)启动之前将向加热器(72)供给的电力设定为使得元件前端部(101c)的温度与预先设定的目标温度之间的温差变为零，基于将该设定的电力向加热器(72)供给时的元件前端部(101c)的升温速度而判定是否持续进行将该电力向加热器(72)供给的升温控制。

Description

气体传感器

技术领域

本发明涉及一种气体传感器。

背景技术

以往，已知如下气体传感器，该气体传感器具备用于对汽车的尾气等被测定气体中的NOx、氧等规定气体的浓度进行检测的传感器元件(例如参照专利文献1)。近年来，因对尾气限制的强化而使得提前启动上述气体传感器的必要性有所提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016－109685号公报

发明内容

在提前启动气体传感器的情况下，首先，使气体传感器升温至工作温度。但是，如果在配管内存有冷凝水，则有时因该冷凝水的影响而使得升温中的气体传感器产生裂纹。鉴于这一点，等待配管内不存在冷凝水为止再开始使气体传感器升温。换言之，直至配管内不存在冷凝水为止，不使气体传感器开始升温。因此，如果在配管内存有冷凝水，则无法提前启动气体传感器。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其主要目的在于，使得气体传感器提前升温至工作温度。

本发明的气体传感器具备：

氧离子传导性的固体电解质层；

电阻发热体，该电阻发热体内置于所述固体电解质层；

气体流通部，该气体流通部设置于所述固体电解质层的前端部；

特定气体检测部，该特定气体检测部用于对导入至所述气体流通部的被测定气体中的特定气体进行检测；以及

控制部，该控制部在所述气体传感器启动之前将向所述电阻发热体供给的电力设定为使得所述前端部的温度达到预先设定的目标温度，基于将该设定的电力向所述电阻发热体供给时的所述前端部的升温速度而判定是否持续进行将该电力向所述电阻发热体供给的升温控制。

在该气体传感器中，在气体传感器启动之前，将向电阻发热体供给的电力设定为使得前端部的温度达到预先设定的目标温度，基于将所设定的电力向电阻发热体供给时的前端部的升温速度而判定是否持续进行将该电力向电阻发热体供给的升温控制。在下述升温控制中，气体传感器的没水量越多则气体传感器越容易产生裂纹，并且，气体传感器的没水量越多则元件前端部的升温速度越慢，所述升温控制是如下控制：在气体传感器启动之前，将向电阻发热体供给的电力调整为使得前端部的温度达到目标温度并供给该电力。另外，气体传感器产生裂纹的现象取决于向电阻发热体供给的电力。因此，基于将所设定的电力向电阻发热体供给时的前端部的升温速度而判定是否持续进行升温控制，由此，能够使气体传感器提前升温至工作温度而不会使气体传感器产生裂纹。应予说明，固体电解质层的前端部不仅包括固体电解质层的前端面，还包括前端侧的部分。在固体电解质层的前端部设置的气体流通部可以在固体电解质层的前端面具有入口(气体导入口)，也可以在侧面、上表面、下表面具有入口。

在本发明的气体传感器中，可以形成为，所述控制部判定在将设定的所述电力向所述电阻发热体供给时所述前端部的升温速度是否超过与导致所述气体传感器产生裂纹的没水量对应的阈值，如果判定为肯定结果，则所述控制部持续进行所述升温控制。在将所设定的电力向电阻发热体供给时前端部的升温速度超过阈值的情况下，气体传感器产生裂纹的可能性较低。因此，如果判定结果为肯定，则持续进行升温控制。其结果，能够使气体传感器提前升温至工作温度而不会使气体传感器产生裂纹。

在本发明的气体传感器中，可以形成为，如果所述判定的结果为否定，则所述控制部以低于设定的所述电力的范围向所述电阻发热体供给电力(例如，可以将向电阻发热体供给的电力控制为使得前端部的温度低于目标温度的规定温度(规定的低温))。在升温控制中，向电阻发热体供给的电力设定得较大，因此，在气体传感器的没水量较多的情况下，气体传感器有可能产生裂纹。因此，以低于升温控制中供给的电力的范围向电阻发热体供给电力。由此，与在升温速度为阈值以下时停止向电阻发热体供给电力的情形相比，能够使气体传感器进一步提前升温至工作温度。

此时，所述控制部可以在开始以低于设定的所述电力的范围向所述电阻发热体供给电力之后，在规定的定时，再次将向所述电阻发热体供给的电力设定为使得所述前端部的温度达到所述目标温度，基于将该设定的电力向所述电阻发热体供给时的所述前端部的升温速度而判定是否持续进行将该电力向所述电阻发热体供给的升温控制。据此，能够适时地恢复升温控制，因此，能够进一步缩短达到工作温度所需的时间。应予说明，规定的定时例如可以为经过规定时间之后，也可以为前端部的温度达到规定的低温之后。

本发明的气体传感器可以具备多孔质保护膜，该多孔质保护膜将所述固体电解质层中的至少所述特定气体检测部的外部露出电极以及所述气体流通部的入口覆盖。据此，由于多孔质保护膜的存在，即便没水量较多也难以产生裂纹。因此，能够将例如上述的阈值设定得较高。

附图说明

图1是气体传感器100的纵截面图。

图2是概要地示出传感器元件101的结构的一例的立体图。

图3是图2的A－A截面图。

图4是表示控制装置90的一例的框图。

图5是表示启动前温度控制的一例的流程图。

图6是预备实验中的气体传感器100的最大水量的说明图。

图7是表示预备实验中的时间t与温度Th之间的关系的曲线图。

图8是另一传感器元件201的截面图。

具体实施方式

接下来，利用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是作为本发明的一实施方式的气体传感器100的纵截面图，图2是概要地示出传感器元件101的结构的一例的立体图，图3是图2的A－A截面图，图4是表示控制装置90的一例的框图。图1所示的气体传感器100的构造是公知的，例如日本特开2012－210637号公报中有所记载。

气体传感器100具备：传感器元件101；保护罩110，其将传感器元件101的长度方向上的一端(图1中的下端)覆盖而予以保护；元件密封体120，其供传感器元件101封入固定；以及螺母130，其安装于元件密封体120。如图所示，该气体传感器100安装于例如车辆的排气管等配管140，用于对作为被测定气体的尾气中含有的特定气体(本实施方式中为NOx)的浓度进行测定。传感器元件101具备：传感器元件主体101a；以及多孔质保护膜101b，其将传感器元件主体101a覆盖。应予说明，传感器元件主体101a是指：传感器元件101中的除了多孔质保护膜101b以外的部分。

保护罩110具备：有底筒状的内侧保护罩111，其将传感器元件101的一端覆盖；以及有底筒状的外侧保护罩112，其将上述内侧保护罩111覆盖。在内侧保护罩111及外侧保护罩112形成有用于使被测定气体在保护罩110内流通的多个孔。传感器元件101的一端配置于由内侧保护罩111包围的空间内。

元件密封体120具备：圆筒状的主体金属配件122；陶瓷制的保持件124，其封入于主体金属配件122的内侧的贯通孔内；压粉体126，其通过对封入于主体金属配件122的内侧的贯通孔内的滑石等陶瓷粉末进行成型而成。传感器元件101位于元件密封体120的中心轴上，并在前后方向上将元件密封体120贯穿。压粉体126在主体金属配件122与传感器元件101之间被压缩。由此，压粉体126将主体金属配件122内的贯通孔密封，并且将传感器元件101固定。

螺母130与主体金属配件122同轴地固定，并在外周面形成有外螺纹部。螺母130的外螺纹部插入于安装用部件141内，该安装用部件141焊接于配管140并在内周面设有内螺纹部。由此，气体传感器100可以以传感器元件101的一端、保护罩110的部分突出到配管140内的状态而固定于配管140。

如图2及图3所示，传感器元件101呈长条的长方体形状。以下，对传感器元件101进行详细说明，为了方便说明，将传感器元件101的长度方向称为前后方向，将传感器元件101的厚度方向称为上下方向，将传感器元件101的宽度方向称为左右方向。

如图3所示，传感器元件101为如下元件，其具有在附图中自下侧开始按照顺序层叠有分别含有氧化锆(ZrO₂)等氧离子传导性固体电解质的第一基板层1、第二基板层2、第三基板层3、第一固体电解质层4、隔离层5以及第二固体电解质层6这六个固体电解质层的构造。另外，形成这六个层的固体电解质是致密且气密的固体电解质。例如以如下方式而制造该传感器元件101：对与各层对应的陶瓷生片进行规定的加工以及电路图案的印刷等，然后使它们层叠，进而进行烧成而使它们实现一体化。

在作为传感器元件101的一个末端部(前方的端部)的元件前端部101c、且在第二固体电解质层6的下表面与第一固体电解质层4的上表面之间，气体导入口10、第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速控制部13、第一内部空腔20、第三扩散速度控制部30以及第二内部空腔40以按照上述顺序依次连通的方式彼此相邻地形成。

气体导入口10、缓冲空间12、第一内部空腔20以及第二内部空腔40是以将隔离层5挖空的方式设置的传感器元件101的内部空间，其中，该内部空间的上部由第二固体电解质层6的下表面区划而成，下部由第一固体电解质层4的上表面区划而成，侧部由隔离层5的侧面区划而成。

第一扩散速度控制部11、第二扩散速度控制部13以及第三扩散速度控制部30均设置成2条横长的(与附图垂直的方向构成开口的长度方向)狭缝。此外，从气体导入口10至第二内部空腔40的部位还被称为气体流通部。

另外，在比气体流通部更远离末端侧的位置，在第三基板层3的上表面与隔离层5的下表面之间、且在侧部由第一固体电解质层4的侧面区划而成的位置，设置有基准气体导入空间43。例如，大气作为对NOx浓度进行测定时的基准气体而导入至基准气体导入空间43。

大气导入层48是由多孔质陶瓷构成的层，基准气体通过基准气体导入空间43而导入至大气导入层48。另外，大气导入层48形成为将基准电极42覆盖。

基准电极42是以由第三基板层3的上表面和第一固体电解质层4夹持的方式而形成的电极，如上所述，在其周围设置有与基准气体导入空间43连通的大气导入层48。另外，如后所述，可以利用基准电极42对第一内部空腔20内、第二内部空腔40内的氧浓度(氧分压)进行测定。

在气体流通部，气体导入口10是相对于外部空间而开口的部位，被测定气体通过该气体导入口10而从外部空间导入至传感器元件101内。第一扩散速度控制部11是对从气体导入口10导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。缓冲空间12是为了将从第一扩散速度控制部11导入的被测定气体向第二扩散速度控制部13引导而设置的空间。第二扩散速度控制部13是对从缓冲空间12向第一内部空腔20导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。在被测定气体从传感器元件101外部导入至第一内部空腔20内时，因外部空间的被测定气体的压力变动(被测定气体为汽车的尾气的情况下的排气压力的脉动)而从气体导入口10急剧地导入至传感器元件101内部的被测定气体，并非直接向第一内部空腔20导入，而是在通过第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13将被测定气体的浓度压力消除之后再向第一内部空腔20导入。由此，向第一内部空腔20导入的被测定气体的压力变动达到几乎可以忽略的程度。第一内部空腔20设置成用于对通过第二扩散速度控制部13而导入的被测定气体中的氧分压进行调整的空间。主泵单元21工作而对该氧分压进行调整。

主泵单元21是构成为包括内侧泵电极22、外侧泵电极23、以及被内侧泵电极22和外侧泵电极23夹持的第二固体电解质层6的电化学泵单元，其中，内侧泵电极22具有在第二固体电解质层6的下表面的、面对第一内部空腔20的大致整个区域设置的顶部电极部22a，外侧泵电极23在第二固体电解质层6的上表面的、与顶部电极部22a对应的区域以暴露于外部空间的方式而设置。

内侧泵电极22形成为：跨越划分出第一内部空腔20的上下的固体电解质层(第二固体电解质层6及第一固体电解质层4)和构成侧壁的隔离层5。具体而言，在构成第一内部空腔20的顶面的第二固体电解质层6的下表面形成有顶部电极部22a，另外，在构成底面的第一固体电解质层4的上表面形成有底部电极部22b，并且，以将上述顶部电极部22a和底部电极部22b连接的方式在构成第一内部空腔20的两侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)形成有侧部电极部(省略图示)，从而在该侧部电极部的配设部位配设成隧道形态的构造。

内侧泵电极22和外侧泵电极23形成为多孔质金属陶瓷电极(例如，含有1％的Au的Pt与ZrO₂的金属陶瓷电极)。应予说明，与被测定气体接触的内侧泵电极22利用减弱了针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料而形成。

对于主泵单元21，对内侧泵电极22与外侧泵电极23之间施加所需的泵电压Vp0，并使泵电流Ip0沿着正向或者负向而在内侧泵电极22与外侧泵电极23之间流通，由此，能够将第一内部空腔20内的氧吸出到外部空间、或者将外部空间的氧吸入至第一内部空腔20。

另外，为了对第一内部空腔20的气氛中的氧浓度(氧分压)进行检测，电化学传感器单元、即主泵控制用氧分压检测传感器单元80构成为包括内侧泵电极22、第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4、第三基板层3以及基准电极42。

通过对主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势V0进行测定而获知第一内部空腔20内的氧浓度(氧分压)。此外，对可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制以使得电动势V0恒定，由此对泵电流Ip0进行控制。由此，第一内部空腔20内的氧浓度能够保持为规定的恒定值。

第三扩散速度控制部30是如下部位：对在第一内部空腔20通过主泵单元21的动作而控制了氧浓度(氧分压)之后的被测定气体施加规定的扩散阻力，由此将该被测定气体导入至第二内部空腔40。

第二内部空腔40设置成用于进行下述处理的空间：对通过第三扩散速度控制部30而导入的被测定气体中的氮氧化物(NOx)浓度进行测定。主要是在利用辅助泵单元50调整了氧浓度之后的第二内部空腔40中进一步通过测定用泵单元41的动作而进行NOx浓度的测定。

在第二内部空腔40中，对于预先在第一内部空腔20中调整了氧浓度(氧分压)之后通过第三扩散速度控制部30而导入的被测定气体，进一步利用辅助泵单元50进行氧分压的调整。由此，能够高精度地将第二内部空腔40内的氧浓度保持恒定，因此，在这样的气体传感器100中，能够高精度地测定NOx浓度。

辅助泵单元50是构成为包括辅助泵电极51、外侧泵电极23(并不局限于外侧泵电极23，只要是传感器元件101的外侧的适当的电极即可)、以及第二固体电解质层6的辅助性的电化学泵单元，其中，辅助泵电极51具有在第二固体电解质层6的下表面的、面对第二内部空腔40的大致整个区域设置的顶部电极部51a。

该辅助泵电极51以形成为与此前的设置于第一内部空腔20内的内侧泵电极22同样的隧道形态的构造而配置于第二内部空腔40内。即，相对于构成第二内部空腔40顶面的第二固体电解质层6而形成有顶部电极部51a，另外，在构成第二内部空腔40底面的第一固体电解质层4形成有底部电极部51b，并且，将上述顶部电极部51a和底部电极部51b连结的侧部电极部(省略图示)分别形成于构成第二内部空腔40的侧壁的隔离层5的两个壁面，从而形成为隧道形态的构造。此外，对于辅助泵电极51，也与内侧泵电极22同样地利用减弱了针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料而形成。

对于辅助泵单元50，对辅助泵电极51与外侧泵电极23之间施加所需的电压Vp1，由此，能够将第二内部空腔40内的气氛中的氧吸出到外部空间、或者将氧从外部空间吸入至第二内部空腔40内。

另外，为了对第二内部空腔40内的气氛中的氧分压进行控制，电化学传感器单元、即辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81构成为包括辅助泵电极51、基准电极42、第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4以及第三基板层3。

应予说明，辅助泵单元50利用可变电源52进行泵送，该可变电源52基于由上述辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81检测出的电动势V1而对电压进行控制。由此，第二内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制至实质上对NOx的测定无影响的较低的分压。

另外，与此同时，其泵电流Ip1用于对主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势的控制。具体而言，泵电流Ip1作为控制信号而输入至主泵控制用氧分压检测传感器单元80并对其电动势V0进行控制，由此控制为：使得从第三扩散速度控制部30导入至第二内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度始终恒定。在作为NOx传感器而使用时，第二内部空腔40内的氧浓度因主泵单元21和辅助泵单元50的作用而保持为约0.001ppm左右的恒定值。

测定用泵单元41在第二内部空腔40内进行被测定气体中的NOx浓度的测定。测定用泵单元41是构成为包括测定电极44、外侧泵电极23、第二固体电解质层6、隔离层5以及第一固体电解质层4的电化学泵单元，其中，测定电极44设置于第一固体电解质层4的上表面的、面对第二内部空腔40且与第三扩散速度控制部30分离的位置。

测定电极44是多孔质金属陶瓷电极。测定电极44还作为对第二内部空腔40内的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂而发挥作用。此外，测定电极44由第四扩散速度控制部45覆盖。

第四扩散速度控制部45是由陶瓷多孔体构成的膜。第四扩散速度控制部45承担对流入至测定电极44的NOx的量进行限制的作用，并且，还作为测定电极44的保护膜而发挥作用。对于测定用泵单元41，能够将因测定电极44周围的气氛中的氮氧化物分解而产生的氧吸出，并能够作为泵电流Ip2而检测出其生成量。

另外，为了对测定电极44周围的氧分压进行检测，电化学传感器单元、即测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82构成为包括第一固体电解质层4、第三基板层3、测定电极44以及基准电极42。基于由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电动势V2而对可变电源46进行控制。

导入到第二内部空腔40内的被测定气体在氧分压被控制的状况下通过第四扩散速度控制部45而到达测定电极44。测定电极44周围的被测定气体中的氮氧化物被还原(2NO→N₂+O₂)而生成氧。并且，该生成的氧由测定用泵单元41进行泵送，此时，对可变电源46的电压Vp2进行控制，以使得由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的控制电压V2恒定。在测定电极44的周围生成的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比，因此，利用测定用泵单元41中的泵电流Ip2对被测定气体中的氮氧化物浓度进行计算。

另外，如果对测定电极44、第一固体电解质层4、第三基板层3以及基准电极42进行组合而构成氧分压检测机构作为电化学传感器单元，则能够检测出与下述差值相应的电动势，由此，还能够求出被测定气体中的NOx成分的浓度，该差值是指：因测定电极44周围的气氛中的NOx成分的还原而生成的氧的量、和基准大气中含有的氧的量的差值。

另外，电化学传感器单元83构成为包括第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4、第三基板层3、外侧泵电极23以及基准电极42，能够利用该传感器单元83而获得电动势Vref，并能够利用该电动势Vref对传感器外部的被测定气体中的氧分压进行检测。

在具有上述结构的气体传感器100中，通过使主泵单元21以及辅助泵单元50工作而将氧分压始终保持为恒定的较低的值(实质上对NOx的测定无影响的值)的被测定气体提供给测定用泵单元41。因此，基于与被测定气体中的NOx的浓度大致成正比、且因NOx的还原而生成的氧由测定用泵单元41吸出而流通的泵电流Ip2，能够获知被测定气体中的NOx浓度。

此外，传感器元件101还具备加热器部70，该加热器部70承担对传感器元件101进行加热并保温的温度调整作用，以便提高固体电解质的氧离子传导性。加热器部70具备加热器连接器电极71、加热器72、通孔73、加热器绝缘层74以及压力释放孔75。

加热器连接器电极71是以与第一基板层1的下表面接触的方式而形成的电极。通过将加热器连接器电极71与外部电源78(参照图4)连接，能够从外部向加热器部70的加热器72供电。

加热器72是以由第二基板层2和第三基板层3上下夹持的方式而形成的电阻体。加热器72经由通孔73而与加热器连接器电极71连接，因从外部电源78(参照图4)通过该加热器连接器电极71被供电而发热，由此对形成传感器元件101的固体电解质进行加热和保温。控制装置90测定加热器72的电阻，并将该电阻换算为加热器温度。应予说明，加热器72的电阻可以由元件前端部101c的温度的一次函数式来表达。

另外，加热器72埋设于从第一内部空腔20至第二内部空腔40的整个区域，能够将传感器元件101的元件前端部101c整体调整为使得上述固体电解质活化的温度(例如800℃～900℃)。

加热器绝缘层74是在加热器72的上下表面由氧化铝等绝缘体形成的绝缘层。形成加热器绝缘层74的目的在于：获得第二基板层2与加热器72之间的电绝缘性、以及第三基板层3与加热器72之间的电绝缘性。

压力释放孔75是设置成贯穿第三基板层3且与基准气体导入空间43连通的部位，形成压力释放孔75的目的在于：使得伴随着加热器绝缘层74内的温度升高的内压的升高缓和。

如图2及图3所示，多孔质保护膜101b设置成：从传感器元件主体101a的前端面朝向后方而将外侧泵电极23覆盖。气体导入口10被多孔质保护膜101b覆盖，但是，被测定气体能够在多孔质保护膜101b的内部流通而到达气体导入口10。多孔质保护膜101b发挥如下作用，即，例如抑制因被测定气体中的水分等的附着而导致传感器元件主体101a产生裂纹。另外，多孔质保护膜101b发挥如下作用，即，抑制被测定气体中含有的油成分等附着于外侧泵电极23从而抑制外侧泵电极23劣化。多孔质保护膜101b为多孔质体，作为构成粒子，优选含有陶瓷粒子，更优选含有氧化铝、氧化锆、尖晶石、堇青石、氧化钛以及氧化镁中的至少任意一种粒子。本实施方式中，多孔质保护膜101b由氧化铝多孔质体形成。多孔质保护膜101b的气孔率例如为5体积％～40体积％。

如图4所示，控制装置90是具备CPU92、存储器94等的周知的微处理器。控制装置90中输入有由主泵控制用氧分压检测传感器单元80检测出的电动势V0、由辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81检测出的电动势V1、由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电动势V2、由主泵单元21检测出的电流Ip0、由辅助泵单元50检测出的电流Ip1、以及由测定用泵单元41检测出的电流Ip2。另外，控制装置90向主泵单元21的可变电源24、辅助泵单元50的可变电源52以及测定用泵单元41的可变电源46输出控制信号。此外，控制装置90中输入有加热器72的电阻而将其换算为元件前端部101c的温度、或者借助外部电源78而向加热器72供给电力。根据以恒定电压通电的时间而对外部电源78向加热器72供给的电力进行控制。即，根据接通时间在规定周期中所占的比例、即占空比而进行调整。对于上述控制可以利用脉冲宽度调制(PWM)。

控制装置90对可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制以使得电动势V0达到目标值。因此，泵电流Ip0根据被测定气体中含有的氧的浓度以及被测定气体的空燃比(A/F)而发生变化。因此，控制装置90能够基于泵电流Ip0而计算出被测定气体的氧浓度、A/F。

控制装置90对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制以使得电动势V1恒定(即，使得第二内部空腔40的氧浓度达到实质上对NOx的测定无影响的规定的低氧浓度)。与此同时，控制装置90基于泵电流Ip1而设定电动势V0的目标值。由此，从第三扩散速度控制部30向第二内部空腔40内导入的被测定气体中的氧分压的梯度始终恒定。

控制装置90对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制以使得电动势V2恒定(即，使得被测定气体中的氮氧化物在测定电极44被还原而生成的氧的浓度实质上为零)，并基于泵电流Ip2而计算出被测定气体中的氮氧化物浓度。

在气体传感器100启动之前，控制装置90执行使得气体传感器100升温至规定的工作温度(例如800℃、850℃)的启动前温度控制。利用图5对该启动前温度控制进行说明。图5是表示启动前温度控制的一例的流程图。

当控制装置90的CPU92开始进行启动前温度控制时，首先，将安全标志设为关闭(OFF)(S100)。安全标志是：在基于升温速度而判定为持续进行升温控制时设定为开启(ON)的标志。接下来，CPU92根据加热器72的电阻对目前的元件前端部101c的温度Th进行换算，将元件前端部101c的温度Th设定为初始温度T0(S110)。接下来，CPU92获取预先存储于存储器94的元件前端部101c的目标温度Th＊(此处设为与工作温度相同)，并计算出根据加热器72的电阻进行换算所得的目前的温度Th与目标温度Th＊之间的温差ΔT(S120)。接下来，CPU92以使得温差ΔT变为零的方式设定占空比Tv(S130)。即，进行反馈控制以使得温度Th达到目标温度Th＊。占空比Tv是针对加热器72的电压施加时间相对于恒定周期的比例。电压施加时间是持续施加规定电压(恒定)的时间。因此，占空比Tv可以视为向加热器72供给的电力。在S130中，将占空比Tv设定为：温差ΔT越大则占空比Tv越大、且温差ΔT越接近零则占空比Tv越小。接下来，CPU92以所设定的占空比Tv而从外部电源78向加热器72供给电力(S140)。当如上所述那样开始进行升温控制(S120～S140)时，CPU92判定安全标志是否变为开启(ON)(S150)。由于此次在S100中安全标志设为关闭(OFF)，即，在S150中判定为否定结果，因此，CPU92判定是否经过了规定的计量时间t(例如t＝4sec)(S160)，如果未经过规定的计量时间，即，在S160中判定为否定结果，则直至经过规定的计量时间为止而反复执行S120～S160。规定的计量时间是起始自开始进行升温控制时的时间，设定为即便在整个计量时间内执行升温控制也不会在气体传感器100产生裂纹的范围。如果在S160中经过了规定的计量时间，即，在S160中判定为肯定结果，则CPU92根据加热器72的电阻而换算出目前的元件前端部101c的温度Th，并计算出相对于S110中设定的初始温度T0的升温速度Vh(S170)。升温速度Vh是通过下式(1)而计算出的值。接下来，CPU92判定升温速度Vh是否超过规定的阈值(S180)，如果升温速度超过规定的阈值，即，在S180中判定为肯定结果，则视为不可能产生裂纹，将安全标志设为开启(ON)(S190)。然后，CPU92反复执行S120～S150而持续进行升温控制。另一方面，如果在S180中升温速度Vh未超过规定的阈值，即，在S180中判定为否定结果，则CPU92将占空比Tv重新设定为规定值以下(规定值是低于此次的占空比的值)(S200)，并以重新设定后的占空比Tv从外部电源78向加热器72供给电力(S210)。然后，CPU92判定是否以该状态而经过了规定的回避时间(S220)，如果未经过规定的回避时间则返回至S200，如果经过了规定的回避时间则返回至S110。由此，能够在不会使气体传感器100产生裂纹的范围内尽可能快速地使启动前的气体传感器100升温至工作温度。

Vh＝(Th－T0)/t···(1)

规定的阈值可以预先通过进行预备实验而确定。以下，对实际进行的预备实验的一例进行说明。首先，使图1的气体传感器100上下颠倒，在使得内侧保护罩111的前端的孔保持原样而将侧面的孔封堵的状态下，向内侧保护罩111的内侧注入水。水量设为最大水量、中间水量、最小水量、无水(干燥)这4个阶段。如图6所示，最大水量设为：使得水位处于比传感器元件101的气体导入口10开口的前端面略微下降的位置时的水量。中间水量设为最大水量的一半，最小水量设为中间水量的一半。接下来，准备室温的气体传感器100，在未添加水的干燥状态下，将NOx浓度预先已知的样品气体导入至气体流通部。然后，在各规定定时，将占空比Tv设定为使得目前的元件前端部101c的温度Th与目标温度Th＊之间的温差ΔT变为零，并以该占空比Tv向加热器72供给电力，由此对于传感器元件101的泵电流Ip2而进行是否出现会导致产生裂纹的异常值的裂纹判定。接下来，在分别将最小水量、中间水量、最大水量的水注入至内侧保护罩111的内侧的状态下，同样地进行裂纹判定。图7及表1中示出了预备实验的结果。图7是表示经过时间t与元件前端部101c的温度Th之间的关系的曲线图。表1中，升温速度Vh’[－]是：将干燥时的结果设为1而针对升温控制开始后4秒内的升温速度Vh(图7中的t＝0sec和t＝4sec这2点间的斜率)实施标准化所得的值，Vh＊[％]是根据下式(2)而得到的值。式(2)中，基准值是干燥时的升温速度Vh的值。如表1所示，在干燥及最小水量时未产生裂纹，在中间水量及最大水量时产生了裂纹，因此，如果Vh＊为5.0％以上，则判断为产生裂纹，并将Vh＊为5.0％时的升温速度设为阈值。应予说明，在中间水量、最大水量的情况下，在升温控制开始并经过了4秒之后产生裂纹。

Vh＊＝100×(Vh－基准值)/基准值…(2)

表1

此处，明确本实施方式中的构成要素与本发明中的构成要素之间的对应关系。本实施方式中的第一基板层1、第二基板层2、第三基板层3、第一固体电解质层4、隔离层5、第二固体电解质层6这六个层相当于本发明中的固体电解质层。另外，加热器72相当于电阻发热体，元件前端部101c相当于前端部，从气体导入口10至第二内部空腔40的部位相当于气体流通部。此外，主泵单元21、测定用泵单元41、辅助泵单元50、主泵控制用氧分压检测传感器单元80、辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81以及测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82相当于特定气体检测部，控制装置90相当于控制部。另外，外侧泵电极23相当于外部露出电极。

根据以上说明的本实施方式，在气体传感器100启动之前，将占空比Tv(相当于向加热器72供给的电力)设定为使得元件前端部101c的温度Th达到元件前端部101c的目标温度Th＊(S130)，并基于该设定的占空比Tv而以该占空比Tv向加热器72供给电力(S140)。然后，基于开始进行升温控制(S120～S140)之后直至经过规定的计量时间为止的元件前端部101c的升温速度Vh，判定是否持续进行升温控制(S180)。对于在气体传感器100启动之前将向加热器72供给的电力调整为使得元件前端部101c的温度达到目标温度的升温控制而言，气体传感器100的没水量越多则气体传感器100越容易产生裂纹，并且，气体传感器100的没水量越多则元件前端部101c的升温速度越慢。另外，气体传感器100产生裂纹的现象取决于占空比Tv。因此，基于以所设定的占空比Tv向加热器72供给电力时的元件前端部101c的升温速度而判定是否持续进行升温控制，由此能够使气体传感器100提前升温至工作温度而不会使气体传感器100产生裂纹。另外，如果在发动机启动前执行上述启动前温度控制，则能够在发动机启动后使气体传感器100迅速地工作。

另外，控制装置90判定升温速度Vh是否超过与导致气体传感器100产生裂纹的没水量对应的阈值(S180)，如果判定为肯定结果，则持续进行升温控制(S120～S140)。当升温速度Vh超过阈值时，气体传感器100产生裂纹的可能性较低。因此，如果判定结果为肯定，则持续进行升温控制。其结果，能够使气体传感器100提前升温至工作温度而不会使气体传感器100产生裂纹。

此外，如果S180的判定结果为否定，则控制装置90将占空比Tv重新设定为规定值以下(规定值为低于此次的占空比的值)的范围，并以重新设定后的占空比Tv向加热器72供给电力(S200、S210)。在升温控制中，占空比Tv设定得较大，因此，在气体传感器100的没水量较多的情况下，气体传感器100有可能产生裂纹。因此，将占空比Tv重新设定为低于升温控制的占空比(即，此次的占空比)的范围而向加热器72供给电力。由此，与在升温速度Vh为阈值以下时停止向加热器72供给电力的情形相比，能够使气体传感器100进一步提前升温至工作温度。

进而，控制装置90等待在S210中开始以重新设定后的占空比Tv向加热器72供给电力之后经过规定的回避时间(S220中为YES)，并判定是否再次执行S110～S180而持续进行升温控制。因此，能够适时地恢复升温控制，能够进一步缩短达到工作温度所需的时间。

并且，气体传感器100具备多孔质保护膜101b，该多孔质保护膜101b将传感器元件101中的外侧泵电极23及气体导入口10覆盖，因此，即便没水量较多，也难以产生裂纹。因此，可以将上述阈值设定得较高。

此外，控制装置90在以使得元件前端部101c的温度Th达到目标温度Th＊的方式设定占空比Tv时，将占空比Tv设定为温差ΔT越大则占空比Tv越大、且温差ΔT越接近零则占空比Tv越小。因此，能够根据气体传感器100的温度而适当地设定占空比Tv。

应予说明，本发明并未受到上述实施方式的任何限定，当然只要属于本发明的技术范围就可以以各种方案而实施。

例如，在上述实施方式的启动前温度控制的S200中，当重新设定占空比Tv时，CPU92可以将占空比Tv重新设定为以规定的低温(例如目标温度Th＊的2/3、3/4)而维持元件前端部101c的温度Th。这种情况下，规定的低温设为以低于此次的占空比的范围内的值的占空比Tv将电力向加热器72供给时能够达到的温度。即便如此也能够得到与上述实施方式同样的效果。应予说明，这种情况下，在S220中，可以判定元件前端部101c的温度是否达到了规定的低温，由此代替判定是否经过了规定的回避时间。

在上述实施方式中，控制装置90根据占空比而控制向加热器72供给的电力，但并不特别限定于此，例如，可以根据向加热器72施加的电压而控制向加热器72供给的电力，也可以根据向加热器72流通的电流而控制向加热器72供给的电力。

在上述实施方式中，气体传感器100的传感器元件101在第二内部空腔40具备由第四扩散速度控制部45覆盖的测定电极44，但并不特别限定于该结构。例如，可以如图8的传感器元件201那样未将测定电极44覆盖而是使其露出，并在该测定电极44与辅助泵电极51之间设置狭缝状的第四扩散速度控制部60。第四扩散速度控制部60是：对在第二内部空腔40通过辅助泵单元50的动作而控制了氧浓度(氧分压)的被测定气体施加规定的扩散阻力、且将该被测定气体向里侧的第三内部空腔61导入的部位。第四扩散速度控制部60承担限制向第三内部空腔61流入的NOx的量的作用。即便是这种结构的传感器元件201，也能够与上述实施方式同样地利用测定用泵单元41对NOx浓度进行检测。应予说明，对图8中的与图1相同的构成要素标注相同的附图标记。

在上述实施方式中，举例示出了检测NOx浓度的气体传感器100，但是，也可以将本发明应用于检测氧浓度的气体传感器、检测氨浓度的气体传感器。

在上述实施方式中，控制装置90根据加热器72的电阻进行换算而求出元件前端部101c的温度，因此，控制装置90发挥了对元件前端部101c的温度进行检测的温度检测部的作用，但并不特别限定于此。例如，作为温度检测部，也可以使用对元件前端部101c自身的温度进行测定的温度传感器。温度传感器可以为热电偶等。

在上述实施方式中，对于元件前端部101c，气体导入口10在传感器元件101的前端面开口，不过，气体导入口10也可以在传感器元件101的侧面、上表面、下表面开口。

本申请以2018年10月16日申请的日本专利申请第2018－194997号作为主张优先权的基础，并通过引用而将其全部内容都并入本说明书中。

产业上的可利用性

本发明可以用于对汽车的尾气等被测定气体中的NOx浓度、氧浓度等特定气体浓度进行检测的气体传感器的制造产业等。

Claims

1.一种气体传感器，其中，

所述气体传感器具备：

氧离子传导性的固体电解质层；

电阻发热体，该电阻发热体内置于所述固体电解质层；

控制部，该控制部在所述气体传感器启动之前将向所述电阻发热体供给的电力设定为使得所述前端部的温度达到预先设定的目标温度，基于将该设定的电力向所述电阻发热体供给时的所述前端部的升温速度而判定是否持续进行将该电力向所述电阻发热体供给的升温控制，

所述控制部判定在将设定的所述电力向所述电阻发热体供给时所述前端部的升温速度是否超过与导致所述气体传感器产生裂纹的没水量对应的阈值，如果判定为肯定结果，则所述控制部持续进行所述升温控制。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中，

如果所述判定的结果为否定，则所述控制部以低于设定的所述电力的范围向所述电阻发热体供给电力。

3.根据权利要求2所述的气体传感器，其中，

所述控制部在开始以低于设定的所述电力的范围向所述电阻发热体供给电力之后，在规定的定时，再次将向所述电阻发热体供给的电力设定为使得所述前端部的温度达到所述目标温度，基于将该设定的电力向所述电阻发热体供给时的所述前端部的升温速度而判定是否持续进行将该电力向所述电阻发热体供给的升温控制。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的气体传感器，其中，

所述气体传感器具备多孔质保护膜，该多孔质保护膜将所述固体电解质层中的至少所述特定气体检测部的外部露出电极以及所述气体流通部的入口覆盖。