CN114624306B - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体传感器，能够缩短传感器元件的起燃时间。气体传感器(100)具备传感器元件(101)以及控制装置。控制装置在传感器元件(101)的通常驱动时执行通常时测定用泵控制处理，即，以使得电压V2达到通常时目标值的方式对测定用泵单元(41)进行控制而将第三内部空腔(61)的氧吸出。控制装置在通常驱动时之前的传感器元件(101)启动时执行启动时测定用泵控制处理，即，以使得电压V2达到高于通常时目标值的启动时目标值的方式对测定用泵单元(41)进行控制而将第三内部空腔(61)的氧吸出。控制装置基于通过通常时测定用泵控制处理而在测定用泵单元(41)流通的泵电流Ip2对被测定气体中的特定气体浓度进行检测。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器。
背景技术
以往，已知对汽车的废气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度进行检测的气体传感器。例如，专利文献1中记载有如下气体传感器，该气体传感器具备：传感器元件，其具有多个氧离子传导性的固体电解质层；测定电极，其配置于传感器元件的内部；以及加热器，其配置于传感器元件的内部。该气体传感器中，向测定电极的周边导入被测定气体，基于将测定电极周边的氧吸出时流通的泵电流而对被测定气体中的特定气体浓度进行检测。加热器将传感器元件加热至使得固体电解质层活化的温度并保温。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－166871号公报
发明内容
上述气体传感器在开始向加热器通电之后直至能够准确地检测出特定气体浓度为止而需要时间，将该时间称为起燃(light off)时间。起燃时间呈现出如下趋势，即，从配置有测定电极的测定室吸出自传感器元件使用前就存在的氧(并非源自于特定气体的氧)直至不会对测定精度造成影响的程度为止所需的时间越长，起燃时间越长。并且，近年来，因废气限制的强化，针对上述气体传感器缩短起燃时间的必要性有所提高。
本发明是为了解决上述课题而完成的，其主要目的在于，缩短传感器元件的起燃时间。
本发明为了实现上述主要目的而采用了以下手段。
本发明的气体传感器具备：传感器元件、泵单元控制部以及特定气体浓度检测部，
所述传感器元件具有：
元件主体，该元件主体包括氧离子传导性的固体电解质层，在该元件主体的内部设置有供被测定气体导入并使其流通的被测定气体流通部；
测定用泵单元，该测定用泵单元具有以与所述被测定气体接触的方式设置于所述元件主体的外侧的外侧测定电极、以及在所述被测定气体流通部中的测定室配设的内侧测定电极，该测定用泵单元从所述内侧测定电极的周围向所述外侧测定电极的周围进行氧的吸出；
基准电极，该基准电极以与作为所述被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部；以及
测定用电压检测传感器单元，该测定用电压检测传感器单元对所述基准电极与所述内侧测定电极之间的测定用电压进行检测，
所述泵单元控制部在所述传感器元件的通常驱动时进行通常时测定用泵控制处理，即，以使得所述测定用电压达到通常时目标值的方式对所述测定用泵单元进行控制而将所述测定室的氧吸出，在所述通常驱动时之前的所述传感器元件启动时进行启动时测定用泵控制处理，即，以使得所述测定用电压达到高于所述通常时目标值的启动时目标值的方式对所述测定用泵单元进行控制而将所述测定室的氧吸出，
所述特定气体浓度检测部基于通过所述通常时测定用泵控制处理而在所述测定用泵单元流通的测定用泵电流，对所述被测定气体中的特定气体浓度进行检测。
该气体传感器中，在传感器元件的通常驱动时进行通常时测定用泵控制处理，即，以使得测定用电压达到通常时目标值的方式对测定用泵单元进行控制而将测定室的氧吸出。并且，基于通过通常时测定用泵控制处理而流通于测定用泵单元的测定用泵电流，对被测定气体中的特定气体浓度进行检测。另外，该气体传感器中，在通常驱动时之前的传感器元件启动时进行启动时测定用泵控制处理，即，以使得测定用电压达到高于通常时目标值的启动时目标值的方式对测定用泵单元进行控制而将测定室的氧吸出。即，启动时测定用泵控制处理中，将测定室的氧浓度的目标值设为低于通常驱动时的值而进行测定室的氧吸出。据此，与从传感器元件启动时开始执行通常时测定用泵控制处理的情形相比，能够将传感器元件启动前便存在于测定室内的氧迅速地从测定室中除去。因此，传感器元件的起燃时间缩短。此处，作为传感器元件启动前便存在于测定室内的氧，例如可以举出：在测定室内的空间存在的氧分子(O2)、在内侧测定电极的表面附着的氧分子(O2)以及与内侧测定电极的构成材料结合的(使构成材料氧化的)氧。
本发明的气体传感器可以构成为，具备：加热器，该加热器对所述元件主体进行加热；以及加热器控制部，该加热器控制部进行加热器控制处理，即，以使得所述加热器或所述元件主体的温度、即传感器元件温度达到规定的目标温度的方式，向所述加热器通电而使得所述加热器发热，所述泵单元控制部在开始所述加热器控制处理而使得所述传感器元件温度达到所述目标温度以下的规定的阈值以上时开始所述启动时测定用泵控制处理。据此，基于传感器元件温度而能够适当地判断启动时测定用泵控制处理的开始定时。规定的阈值可以设为小于目标温度的值。此处，“以使得传感器元件温度达到规定的目标温度的方式向所述加热器通电而使得所述加热器发热”包括：基于传感器元件温度本身对加热器进行控制的情形、以及基于可换算为传感器元件温度的值(例如，加热器的电阻值、含有固体电解质的电路的电阻值等)对加热器进行控制的情形。作为含有固体电解质的电路的电阻值的例子，例如可以举出：测定用泵单元的电阻值、测定用电压检测传感器单元的电阻值等。
本发明的气体传感器可以形成为，所述传感器元件具有调节用泵单元，该调节用泵单元对在所述被测定气体流通部中的所述测定室的上游侧设置的氧浓度调节室的氧浓度进行调节，所述泵单元控制部在所述传感器元件的所述启动时执行使所述调节用泵单元执行动作的调节用泵控制处理，在基于所述调节用泵单元的动作而判定为所述氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下，进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换。此处，在传感器元件启动前，测定室及其上游侧的氧浓度调节室均处于存在大量氧(并非源自于特定气体的氧)的状态(例如大气气氛等)。在传感器元件启动时，泵单元控制部进行调节用泵单元控制处理，由此能够将传感器元件启动前便存在于氧浓度调节室内的氧除去。另外，氧浓度调节室和测定室连通，因此，还能够通过调节用泵单元的动作而将测定室的氧除去。此外，如上所述，氧浓度调节室和测定室连通，因此，在氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下，测定室内的氧也被充分吸出。因此，在基于调节用泵单元的动作而判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换，由此能够适当地进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。此处，“在判定为所述氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换”包括：在判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下立刻进行切换的情形、以及在判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定的定时以后进行切换的情形。作为后者的例子，可以举出：判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定之后经过规定时间再进行切换的情形等、在除了判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定以外还满足其他条件的情况下进行切换的情形。
这种情况下，所述调节用泵单元可以具备：内侧调节用泵电极，该内侧调节用泵电极配设于所述氧浓度调节室；以及外侧调节用泵电极，该外侧调节用泵电极配设于所述元件主体的外侧的暴露于所述被测定气体中的部分。
具备调节用泵单元的方式的本发明的气体传感器可以形成为，所述氧浓度调节室具有第一内部空腔和第二内部空腔，该第二内部空腔设置为比该第一内部空腔更靠下游侧且比所述测定室更靠上游侧，所述调节用泵单元具有：对所述第一内部空腔的氧浓度进行调节的主泵单元；以及对所述第二内部空腔的氧浓度进行调节的辅助泵单元，所述调节用泵控制处理包括：辅助泵控制处理，该辅助泵控制处理中，以使得所述第二内部空腔的氧浓度达到目标浓度的方式对所述辅助泵单元进行控制；以及主泵控制处理，该主泵控制处理中，以使得通过所述辅助泵控制处理而在所述辅助泵单元流通的辅助泵电流达到目标电流的方式对所述主泵单元进行控制，所述泵单元控制部在判定为所述辅助泵电流在所述目标电流附近稳定的情况下，进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换。即，在判定为辅助泵电流在目标电流附近稳定的情况下，可以判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定。据此，基于辅助泵电流而能够适当地进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。
这种情况下，所述主泵单元可以具备：内侧主泵电极，该内侧主泵电极配设于所述第一内部空腔；以及外侧主泵电极，该外侧主泵电极配设于所述元件主体的外侧的暴露于所述被测定气体中的部分。所述辅助泵单元可以具备：内侧辅助泵电极，该内侧辅助泵电极配设于所述第二内部空腔；以及外侧辅助泵电极，该外侧辅助泵电极配设于所述元件主体的外侧的暴露于所述被测定气体中的部分。
本发明的气体传感器可以形成为，所述泵单元控制部在开放时测定用电压达到规定的阈值以上时进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换，其中，所述开放时测定用电压为未进行使电流在所述内侧测定电极及所述基准电极流通的控制的状态下的测定用电压。开放时测定用电压为与测定室内的氧浓度对应的值，因此，通过对该开放时测定用电压和阈值进行比较而能够适当地判断测定室内的氧是否被充分吸出。因此，能够适当地进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。
本发明的气体传感器可以形成为，所述内侧测定电极含有Pt及Rh中的至少任一者。Pt及Rh等贵金属有时与测定室内的氧结合而氧化，该氧使得特定气体浓度的检测精度降低，因此，在传感器元件启动时需要使内侧测定电极中含有的贵金属的氧化物还原之后将该氧从测定室中吸出。并且，与将测定室内的氧分子吸出相比，使贵金属的氧化物还原之后将氧吸出花费更多的时间，因此，若在测定室内存在已氧化的贵金属，则起燃时间容易延长。本发明的气体传感器中，在传感器元件启动时执行启动时测定用泵控制处理而并非通常时测定用泵控制处理，由此能够使已氧化的贵金属的氧化物提前还原，从而能够缩短起燃时间。因此，在内侧测定电极含有Pt及Rh中的至少任一者的情况下，进行启动时测定用泵控制处理的意义重大。
本发明的气体传感器可以形成为，所述内侧测定电极的体积C为8×10-3mm3以上32×10-3mm3以下，所述启动时目标值与所述通常时目标值之差ΔV为120mV以上200mV以下。此处，若体积C为8×10-3mm3以上，则利用测定用泵单元将测定电极周围的氧吸出的吸出能力充分提高。另外，若差ΔV为200mV以下，则在启动时测定用泵控制处理时向内侧测定用电极施加的电压的值不会过高。另外，呈现出如下趋势，即，体积C越大，为了充分提高起燃时间的缩短效果而需要的差ΔV越大，不过，若体积C为8×10-3mm3以上32×10-3mm3以下、且差ΔV为120mV以上200mV以下，则能够满足上述体积C的下限及差ΔV的上限，并且，能够使得起燃时间的缩短效果充分提高。
附图说明
图1是气体传感器100的剖视示意图。
图2是表示控制装置90与各单元及加热器72之间的电连接关系的框图。
图3是表示启动时控制处理的一例的流程图。
图4是表示启动时控制处理及通常时控制处理的情况的一例的曲线图。
图5是表示变形例的启动时控制处理的一例的流程图。
图6是表示变形例的启动时控制处理及通常时控制处理的情况的一例的曲线图。
图7是Rh2O3的状态图。
图8是变形例的传感器元件201的剖视示意图。
图9是表示测定电极44的体积C与目标值之差ΔV和起燃时间之间的关系的曲线图。
图10是表示泵电流Ip2的下冲的一例的曲线图。
附图标记说明
1…第一基板层，2…第二基板层，3…第三基板层，4…第一固体电解质层，5…隔离层，6…第二固体电解质层，10…气体导入口，11…第一扩散速度控制部，12…缓冲空间，13…第二扩散速度控制部，20…第一内部空腔，21…主泵单元，22…内侧泵电极，22a…顶部电极部，22b…底部电极部，23…外侧泵电极，24…可变电源，30…第三扩散速度控制部，40…第二内部空腔，41…测定用泵单元，42…基准电极，43…基准气体导入空间，44…测定电极，45…第四扩散速度控制部，46…可变电源，48…大气导入层，50…辅助泵单元，51…辅助泵电极，51a…顶部电极部，51b…底部电极部，52…可变电源，60…第四扩散速度控制部，61…第三内部空腔，70…加热器部，71…连接器电极，72…加热器，73…通孔，74…加热器绝缘层，75…压力释放孔，76…加热器电源，80…主泵控制用氧分压检测传感器单元，81…辅助泵控制用氧分压检测传感器单元，82…测定用泵控制用氧分压检测传感器单元，83…传感器单元，90…控制装置，91…控制部，92…CPU，94…存储部，100…气体传感器，101、201…传感器元件。
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是概要地示出作为本发明的一个实施方式的气体传感器100的结构的一例的剖视示意图。图2是表示控制装置90与各单元及加热器72之间的电连接关系的框图。该气体传感器100安装于例如柴油发动机等内燃机的废气管等配管。气体传感器100以内燃机的废气为被测定气体而检测被测定气体中的NOx等特定气体的浓度。气体传感器100具备：传感器元件101，其呈长条的长方体形状；各单元15、21、41、50、80～83，它们构成为包括传感器元件101的一部分；加热器部70，其设置于传感器元件101的内部；以及控制装置90，其对整个气体传感器100进行控制。
传感器元件101是具有在附图中自下侧开始按以下顺序层叠六个层而成的层叠体的元件，所述六个层是分别由氧化锆(ZrO2)等的氧离子传导性固体电解质层构成的第一基板层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。另外，形成这六个层的固体电解质是致密且气密性的固体电解质。例如以如下方式制造该传感器元件101：对与各层对应的陶瓷生片进行规定的加工及电路图案的印刷等，然后，对它们进行层叠，进而进行烧成而使它们实现一体化。
在传感器元件101的前端部侧(图1的左端部侧)、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、第二扩散速度控制部13、第一内部空腔20、第三扩散速度控制部30、第二内部空腔40、第四扩散速度控制部60以及第三内部空腔61以按顺序连通的形态而相邻地形成。
气体导入口10、缓冲空间12、第一内部空腔20、第二内部空腔40以及第三内部空腔61是以将隔离层5挖穿的形态而设置的传感器元件101内部的空间，其中，该空间的上部由第二固体电解质层6的下表面区划形成，该空间的下部由第一固体电解质层4的上表面区划形成，该空间的侧部由隔离层5的侧面区划形成。
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(开口的长度方向是与附图垂直的方向)狭缝。另外，第四扩散速度控制部60设置成：作为与第二固体电解质层6的下表面之间的间隙而形成的1条横长的(开口的长度方向是与附图垂直的方向)狭缝。此外，还将从气体导入口10至第三内部空腔61的部位称为被测定气体流通部。
另外，在比被测定气体流通部更远离前端侧的位置设置有基准气体导入空间43，该基准气体导入空间43位于第三基板层3的上表面与隔离层5的下表面之间，且该基准气体导入空间43的侧部由第一固体电解质层4的侧面区划形成。例如，大气作为进行NOx浓度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内以及第三内部空腔61内的氧浓度(氧分压)进行测定。基准电极42形成为多孔质金属陶瓷电极(例如Pt与ZrO2的金属陶瓷电极)。
关于被测定气体流通部，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而从外部空间进入传感器元件101内。第一扩散速度控制部11是对从气体导入口10进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，因外部空间中的被测定气体的压力变化(被测定气体为汽车的废气的情况下，是排气压力的脉动)而从气体导入口10急剧进入传感器元件101内部的被测定气体并未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而消除了被测定气体的压力变化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化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工作而调整该氧分压。
主泵单元21是构成为包括内侧泵电极22、外侧泵电极23、以及由这些电极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具有设置于第二固体电解质层6下表面的面对第一内部空腔20的大致整个范围的顶部电极部22a，外侧泵电极23以在第二固体电解质层6的上表面的与顶部电极部22a对应的区域暴露于外部空间中的方式而设置。
内侧泵电极22形成为：跨越区划形成第一内部空腔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)、以及构成侧壁的隔离层5。具体而言，在构成第一内部空腔20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，在构成第一内部空腔20的两个侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)形成有侧部电极部(省略图示)，由此将上述顶部电极部22a和底部电极部22b连接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)。此外，与被测定气体接触的内侧泵电极22采用能减弱针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料而形成。
关于主泵单元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而使得泵电流Ip0沿着正向或负向在内侧泵电极22与外侧泵电极23之间流通，由此，能够将第一内部空腔20内的氧向外部空间吸出、或者将外部空间的氧向第一内部空腔20吸入。
另外，为了检测第一内部空腔20的气氛中的氧浓度(氧分压)，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。
通过测定主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势(电压V0)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进行反馈控制而使得电压V0达到目标值，由此控制泵电流Ip0。由此，能够将第一内部空腔20内的氧浓度保持为规定的恒定值。
第三扩散速度控制部30是下述部位：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)的被测定气体施加规定的扩散阻力，由此将该被测定气体向第二内部空腔40引导。
第二内部空腔40设置成用于进行下述处理的空间：对于预先在第一内部空腔20中调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第三扩散速度控制部30而导入的被测定气体，利用辅助泵单元50进一步进行氧分压的调整。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，该气体传感器100能够实现高精度的NOx浓度的测定。
辅助泵单元50是构成为包括具有顶部电极部51a的辅助泵电极51、外侧泵电极23(不限于外侧泵电极23，只要是传感器元件101的外侧的适当电极即可)、以及第二固体电解质层6的辅助性的电化学泵单元，其中，顶部电极部51a设置于第二固体电解质层6下表面的、面对第二内部空腔40的大致整个范围。
该辅助泵电极51在第二内部空腔40内配设成：与此前的设置于第一内部空腔20内的内侧泵电极22相同的隧道形态的构造。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侧壁的隔离层5的两个壁面，由此形成隧道形态的构造。此外，与内侧泵电极22相同，辅助泵电极51也采用能减弱针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料而形成。
关于辅助泵单元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内的气氛中的氧向外部空间吸出、或者将氧从外部空间向第二内部空腔40内吸入。
另外，为了控制第二内部空腔40内的气氛中的氧分压，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。
此外，辅助泵单元50利用可变电源52进行泵送，基于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(电压V1)而对该可变电源52的电压进行控制。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的测定没有影响的较低的分压。
另外，与此同时，将其泵电流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作为控制信号输入至主泵控制用氧分压检测传感器单元80而对其电压V0的上述目标值进行控制，由此将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控制为始终恒定。在作为NOx传感器而使用时，通过主泵单元21和辅助泵单元50的作用而将第二内部空腔40内的氧浓度保持为约0.001ppm左右的恒定值。
第四扩散速度控制部60是如下部位：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，由此将该被测定气体向第三内部空腔61引导。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。
第三内部空腔61设置成用于进行下述处理的空间：对于预先在第二内部空腔40中调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第四扩散速度控制部60而导入的被测定气体，进行被测定气体中的氮氧化物(NOx)浓度的测定。主要在第三内部空腔61通过测定用泵单元41的动作而进行NOx浓度的测定。
测定用泵单元41在第三内部空腔61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、面对第三内部空腔61的位置。测定电极44为由与内侧泵电极22相比而针对被测定气体中的NOx成分的还原能力有所提高的材料构成的多孔质金属陶瓷电极。测定电极44还作为对第三内部空腔61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。
具体而言，测定电极44是含有作为具有催化活性的贵金属的Pt及Rh的至少任一者的电极。测定电极44优选设为由含有Pt及Rh的至少任一者和具有氧离子导电性的氧化物(此处为ZrO2)的金属陶瓷形成的电极。另外，测定电极44优选为多孔质体。本实施方式中，测定电极44设为Pt及Rh与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
关于测定用泵单元41，可以将因测定电极44周围的气氛中的氮氧化物分解而生成的氧吸出并作为泵电流Ip2而对其生成量进行检测。
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(电压V2)而对可变电源46进行控制。
导入至第二内部空腔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60而到达第三内部空腔61内的测定电极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，以使得测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电压V2恒定(目标值)。在测定电极44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例，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，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，可以利用由该传感器单元83获得的电动势(电压Vref)对传感器外部的被测定气体中的氧分压进行检测。
关于具有这样的结构的气体传感器100，使主泵单元21和辅助泵单元50工作而将氧分压始终保持为恒定的低值(实质上对NOx的测定没有影响的值)的被测定气体向测定用泵单元41供给。因此，与被测定气体中的NOx的浓度大致成正比例、且通过NOx的还原而生成的氧由测定用泵单元41吸出，基于由此流通的泵电流Ip2而能够获知被测定气体中的NOx浓度。
此外，传感器元件101具备加热器部70，其承担对传感器元件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是形成为与第一基板层1的下表面接触的形态的电极。将加热器连接器电极71与外部电源连接而能够从外部向加热器部70供电。
加热器72是形成为由第二基板层2和第三基板层3从上下侧夹持的形态的电阻体。加热器72经由通孔73而与加热器连接器电极71连接，利用加热器电源76(参照图2)通过该加热器连接器电极71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。
另外，加热器72埋设于第一内部空腔20至第三内部空腔61的整个区域，能够将整个传感器元件101调整为使得上述固体电解质活化的温度。
加热器绝缘层74是由氧化铝等绝缘体在加热器72的上下表面形成的绝缘层。形成加热器绝缘层74的目的在于：实现第二基板层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是设置成将第三基板层3及大气导入层48贯穿而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内的温度的升高的、内压的上升缓和。
如图2所示，控制装置90具备上述的可变电源24、46、52、加热器电源76以及控制部91。控制部91是具备CPU92及存储部94等的微处理器。存储部94是对例如各种程序、各种数据进行存储的装置。控制部91中输入有由主泵控制用氧分压检测传感器单元80检测出的电压V0、由辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81检测出的电压V1、由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电压V2、由传感器单元83检测出的电压Vref、由主泵单元21检测出的泵电流Ip0、由辅助泵单元50检测出的泵电流Ip1以及由测定用泵单元41检测出的泵电流Ip2。另外，控制部91对可变电源24、46、52输出控制信号而控制可变电源24、46、52输出的电压Vp0、Vp1、Vp2，由此对主泵单元21、测定用泵单元41及辅助泵单元50进行控制。控制部91对加热器电源76输出控制信号，由此对加热器电源76向加热器72供给的电力进行控制。存储部94中还存储有后述的目标值V0*、V1*、V2a*、V2b*等。控制部91的CPU92参照这些目标值V0*、V1*、V2a*、V2b*而进行各单元21、41、50的控制。
控制部91进行如下辅助泵控制处理，即，以使得第二内部空腔40的氧浓度达到目标浓度的方式对辅助泵单元50进行控制。具体而言，控制部91对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制，以使得电压V1达到恒定值(称为目标值V1＊)，由此对辅助泵单元50进行控制。目标值V1*规定为：使得第二内部空腔40的氧浓度达到实质上对NOx的测定没有影响的规定的低浓度这样的值。
控制部91进行如下主泵控制处理，即，以使得辅助泵单元50通过辅助泵控制处理对第二内部空腔40的氧浓度进行调节时流通的泵电流Ip1达到目标电流(称为目标电流Ip1*)的方式对主泵单元21进行控制。具体而言，控制部91基于泵电流Ip1而设定电压V0的目标值(称为目标值V0*)(反馈控制)，以使得因电压Vp1而流通的泵电流Ip1达到恒定的目标电流Ip1＊。并且，控制部91对可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制，以使得电压V0达到目标值V0＊(即，使得第一内部空腔20的氧浓度达到目标浓度)。通过该主泵控制处理而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。目标值V0*设定为使得第一内部空腔20的氧浓度高于0％且为低氧浓度这样的值。另外，该主泵控制处理中流通的泵电流Ip0根据从气体导入口10向被测定气体流通部内流入的被测定气体(即传感器元件101周围的被测定气体)的氧浓度而发生变化。因此，控制部91还可以基于泵电流Ip0而检测被测定气体中的氧浓度。
将上述的主泵控制处理及辅助泵控制处理还统称为调节用泵控制处理。另外，将第一内部空腔20及第二内部空腔40还统称为氧浓度调节室。将主泵单元21及辅助泵单元50还统称为调节用泵单元。控制部91进行调节用泵控制处理而使得调节用泵单元对氧浓度调节室的氧浓度进行调节。
此外，控制部91进行如下测定用泵控制处理，即，以使得电压V2达到恒定值(目标值)(即，以使得第三内部空腔61内的氧浓度达到规定的低浓度)的方式对测定用泵单元41进行控制。具体而言，控制部91对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制，以使得电压V2达到目标值，由此对测定用泵单元41进行控制。通过该测定用泵控制处理而从第三内部空腔61内吸出氧。另外，作为测定用泵控制处理，控制部91执行在传感器元件101的通常驱动时进行的通常时测定用泵控制处理、以及在通常驱动时之前的传感器元件101启动时进行的启动时测定用泵控制处理。通常时测定用泵控制处理和启动时测定用泵控制处理中，电压V2的目标值不同。将启动时测定用泵控制处理中的电压V2的目标值称为启动时目标值V2a*。将通常时测定用泵控制处理中的电压V2的目标值称为通常时目标值V2b*。启动时目标值V2a*设定为高于通常时目标值V2b*的值。即，V2a*及V2b*设定为：V2a*＞V2b*。此处，电压V2为与基准电极42周围和第三内部空腔61之间的氧浓度差相关的值，第三内部空腔61的氧浓度越低，氧浓度差越大，电压V2也变为越大的值。因此，启动时目标值V2a*为高于通常时目标值V2b*的值意味着：在执行启动时测定用泵控制处理时，与执行通常时测定用泵控制处理时相比，将第三内部空腔61的氧浓度的目标值设定为更低的值。本实施方式中，通常时目标值V2b*设为400mV，启动时目标值V2a*设为600mV。
通过执行通常时测定用泵控制处理而从第三内部空腔61内吸出氧，以使得被测定气体中的NOx在第三内部空腔61还原而生成的氧实质上变为零。并且，控制部91以与源自于特定气体(此处为NOx)且是在第三内部空腔61生成的氧相应的检测值的形式而获取泵电流Ip2，并基于该泵电流Ip2而计算出被测定气体中的NOx浓度。
存储部94中存储有作为泵电流Ip2与NOx浓度之间的对应关系的、关系式(例如一次函数式)、映射等。这样的关系式、映射可以预先通过实验而求出。
对以上述方式构成的气体传感器100的控制部91执行的、作为传感器元件101启动时的处理的启动时控制处理的一例进行说明。图3是表示启动时控制处理的一例的流程图。图4是表示启动时控制处理及通常时控制处理的情况的一例的曲线图。
当启动时控制处理开始时，控制部91的CPU92首先开始加热器控制处理，即，以使得加热器72的温度、即加热器温度Th达到目标温度Th*的方式向加热器72通电而使得加热器72发热(步骤S100)。加热器温度Th可以由加热器72的电阻值的一次函数式表示。因此，本实施方式的加热器控制处理中，CPU92计算出加热器72的电阻值，并对加热器电源76进行反馈控制，以使得计算出的电阻值达到目标电阻值(与目标温度Th*对应的电阻值)。CPU92可以获取例如加热器72的电压以及流经加热器72的电流，并基于获取的电压及电流而计算出加热器72的电阻值。CPU92还可以利用例如3端子法或4端子法而计算出加热器72的电阻值。CPU92向加热器电源76输出控制信号而对加热器电源76供给的电力进行反馈控制，以使得计算出的加热器72的电阻值达到目标电阻值。加热器电源76使例如施加于加热器72的电压的值发生变化，由此对向加热器72供给的电力进行调节。如图4所示，例如若在时刻t0开始加热器控制处理，则随着时间的经过而加热器温度Th升高至目标温度Th*，在加热器温度Th达到目标温度Th*的时刻t2以后，加热器温度Th维持在目标温度Th*附近。目标温度Th*预先规定为：能够使传感器元件101的固体电解质充分活化的温度(例如800℃)。应予说明，图4中，为了方便说明，由直线表示加热器温度Th随时间的变化，不过，实际上有时加热器温度Th以曲线状增加、或者在目标温度Th*附近稳定之前使得加热器温度Th产生过冲。
步骤S100中开始加热器控制处理之后，CPU92判定启动时测定用泵控制处理的开始条件是否成立。本实施方式中，CPU92判定加热器温度Th是否达到规定的阈值Thref以上(步骤S110)，在判定结果为肯定的情况下，视为启动时测定用泵控制处理的开始条件成立。阈值Thref为目标温度Th*以下的值，也可以设为小于目标温度Th*的值。阈值Thref预先规定为：使得启动时测定用泵控制处理中控制的测定用泵单元41中含有的固体电解质(本实施方式中为第二固体电解质层6、隔离层5及第一固体电解质层4)活化(表现出固体电解质的离子传导性)所需的加热器温度Th的下限值。例如，阈值Thref可以通过实验而预先规定为：将第二固体电解质层6、隔离层5及第一固体电解质层4加热到600℃以上所需的加热器温度Th的下限值。另外，阈值Thref可以规定为：对目标温度Th*乘以规定的比例(小于1的值)所得的值。本实施方式中，设为阈值Thref＝0.8×Th*。即，在加热器温度Th达到目标温度Th*的80％以上的情况下，CPU92判定为启动时测定用泵控制处理的开始条件成立。
在步骤S110中判定为否定的情况下，CPU92反复执行步骤S110，并等待至判定为肯定为止。在步骤S110中判定为肯定的情况下，CPU92开始执行上述的启动时测定用泵控制处理(步骤S120)。图4的例子中，在时刻t2之前的时刻t1，加热器温度Th达到阈值Thref，因此，CPU92在时刻t1开始执行启动时测定用泵控制处理。当开始执行启动时测定用泵控制处理时，CPU92对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制，以使得电压V2达到启动时目标值V2a*，由此对测定用泵单元41进行控制。测定用泵单元41因被施加电压Vp2而将第三内部空腔61内存在的氧向外侧泵电极23的周围吸出。此时，测定用泵单元41中流通有与氧的吸出量相应的泵电流Ip2。此处，在传感器元件101启动之前，包含第三内部空腔61在内的被测定气体流通部内处于存在大量氧(非源自于特定气体的氧)的状态(例如大气气氛等)。通过执行启动时测定用泵控制处理而使得该氧被吸出至外侧泵电极23的周围。因此，如图4所示的实施例的泵电流Ip2的曲线(实线)那样，泵电流Ip2自时刻t1开始急剧升高并以较大的泵电流Ip2流通。作为从传感器元件101启动之前便存在于第三内部空腔61内的氧，具体能举出：在第三内部空腔61内的空间内存在的氧分子(O2)、在测定电极44的表面附着的氧分子(O2)以及与测定电极44的构成材料结合的氧。本实施方式中，由于测定电极44中含有Rh及Pt，因此，测定电极44内有时存在Rh2O3及PtO2的至少一者。该Rh2O3及PtO2中的氧(O)为与测定电极44的构成材料结合的氧。通过启动时测定用泵控制处理，不仅能够将氧分子吸出，还能够将这样与测定电极44的构成材料结合的氧吸出，由此使得Rh2O3及PtO2还原。另外，本实施方式中，测定电极44为多孔质体，因此，有时在测定电极44的开口气孔中以及闭口气孔中存在氧分子(O2)，这些氧分子也能够通过启动时测定用泵控制处理而吸出。另外，本实施方式中，CPU92在开始执行启动时测定用泵控制处理的同时，还开始执行上述的调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)。由此，还将从传感器元件101启动之前存在于氧浓度调节室(第一内部空腔20及第二内部空腔40)内的氧向外侧泵电极23的周围吸出。因此，自时刻t1开始，泵电流Ip0及泵电流Ip1急剧升高并以较大的泵电流Ip0及泵电流Ip1而流通。应予说明，图4中省略了泵电流Ip0的图示。另外，为了方便图示，图4中，将泵电流Ip1描画得小于泵电流Ip2，不过，实际的泵电流大小的大小关系基本上为Ip0＞Ip1＞Ip2。
步骤S120中开始启动时测定用泵控制处理之后，CPU92判定启动时测定用泵控制处理的结束条件是否成立。本实施方式中，CPU92基于调节用泵单元的动作而判定氧浓度调节室的氧浓度是否稳定(步骤S130)，在判定结果为肯定的情况下，视为启动时测定用泵控制处理的结束条件成立。更具体而言，在判定为泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的情况下，CPU92判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定。
例如，如图4所示，若在时刻t1开始执行启动时测定用泵控制处理、主泵控制处理及辅助泵控制处理，则如上所述，泵电流Ip1、Ip2(及泵电流Ip0)急剧升高而变为较大的值。据此，当被测定气体流通部内的氧被吸出时，电压V2接近于启动时目标值V2a*，电压V1接近于目标值V1*，泵电流Ip1接近于目标电流Ip1*，因此，泵电流Ip1、Ip2(及泵电流Ip0)暂时升高之后逐渐减小。并且，若传感器元件101启动之前便存在于被测定气体流通部内的氧被充分吸出(时刻t3)，则此后的电压V1以与目标值V1*大致相同的值而稳定，泵电流Ip1以与目标电流Ip1*大致相同的值而稳定(图4中省略了电压V1的图示)。此处，第二内部空腔40和第三内部空腔61连通，因此，通过辅助泵单元50的动作，不仅能够将第二内部空腔40的氧除去，还能够将第三内部空腔61的氧除去。例如，当第二内部空腔40的氧浓度降低至目标浓度(与电压V1的目标值V1*对应的氧浓度)附近时，在第三内部空腔61的氧浓度高于目标浓度(与电压V2的启动时目标值V2a*对应的氧浓度)的情况下，有时第三内部空腔61内的氧向第二内部空腔40反向扩散(倒流)，能够利用辅助泵单元50将该氧吸出。因此，在氧浓度调节室(第一内部空腔20及第二内部空腔40)的氧浓度稳定的情况下、即泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的情况下，传感器元件101启动之前便存在于第三内部空腔61内的氧也被充分吸出。因此，基于泵电流Ip1是否在目标电流Ip1*附近稳定而能够判定传感器元件101启动之前便存在于第三内部空腔61内的氧是否被充分吸出。在步骤S130的判定中，当泵电流Ip1暂时升高之后下降并达到规定的阈值以下时，CPU92可以判定为泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定。此时的规定的阈值为视为泵电流Ip1降低至目标电流Ip1*附近的值，例如可以预先规定为：与目标电流Ip1*相同的值或比目标电流Ip1*大5％的值等、目标电流Ip1*以上的值。或者，当泵电流Ip1为规定范围内的值的状态持续规定时间以上时，CPU92可以判定为泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定。此时的规定范围为视为泵电流Ip1为目标电流Ip1*附近的值的范围，例如可以预先规定为目标电流Ip1*的±5％以内的范围等。本实施方式中，当泵电流Ip1暂时升高之后下降并达到目标电流Ip1*以下时(图4中为时刻t3)，CPU92判定为泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定。
在步骤S130中判定为否定的情况下，CPU92反复执行步骤S130，并等待至判定为肯定为止。在步骤S130中判定为肯定的情况下，CPU92结束上述的启动时测定用泵控制处理并开始执行通常时测定用泵控制处理(步骤S140)，由此结束启动时控制处理。据此，CPU92执行的处理从启动时控制处理变换为通常时控制处理。通常时控制处理中，CPU92执行通常时测定用泵控制处理，并且紧随启动时控制处理之后继续执行上述的调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)。并且，CPU92基于因通常时测定用泵控制处理而流通的泵电流Ip2对被测定气体中的NOx浓度进行计算。图4的例子中，由于在时刻t3之前泵电流Ip1并不稳定，因此，CPU92在步骤S130中判定为否定，当到达时刻t3时，判定为泵电流Ip1稳定，从而在步骤S130中判定为肯定。因此，CPU92从时刻t3开始执行通常时控制处理。
如图4所示，在进行启动时测定用泵控制处理的期间(时刻t1～t3)，由于第三内部空腔61内在传感器元件101启动前便存在的氧被吸出，因此，泵电流Ip2变为较高的值，泵电流Ip2的值并非与被测定气体中的NOx浓度对应的值。在通过启动时测定用泵控制处理而充分进行了氧的吸出的时刻t3以后，第三内部空腔61内存在的氧几乎全部为源自于被测定气体中的NOx的氧，因此，泵电流Ip2的值变为与被测定气体中的NOx浓度对应的值。因此，在时刻t3以后，基于泵电流Ip2能够检测出被测定气体中的NOx浓度。这样，从传感器元件101启动时至泵电流Ip2的值变为与被测定气体中的NOx浓度对应的值为止的时间(t0～t3)为起燃时间。应予说明，图4中，为了容易理解泵电流Ip2的变动，示出了被测定气体中的NOx浓度恒定时的情况，时刻t3以后的泵电流Ip2恒定。在实际使用传感器元件101时，被测定气体中的NOx浓度时刻变化，因此，时刻t3以后的泵电流Ip2的值根据NOx浓度而发生变化。因此，难以基于泵电流Ip2的值而判定传感器元件101是否起燃。因此，本实施方式中，如上所述，CPU92基于泵电流Ip1的值而并非泵电流Ip2来判定启动时测定用泵控制处理的结束条件是否成立。
此处，本实施方式中，在传感器元件101启动时，如上所述进行启动时测定用泵控制处理，即，以使得电压V2达到高于通常时目标值V2b*的启动时目标值V2a*的方式对测定用泵单元41进行控制而将第三内部空腔61的氧吸出。即，启动时测定用泵控制处理中，将第三内部空腔61的氧浓度的目标值设为低于通常驱动时的值，进行第三内部空腔61内的氧的吸出。据此，与从传感器元件101启动时开始进行通常时测定用泵控制处理的情形相比，能够将启动前便存在于第三内部空腔61内的氧迅速地从第三内部空腔61中除去。例如，图4所示的比较例的泵电流Ip2的曲线(虚线)示出了：从时刻t1开始进行调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)、且同时从时刻t1开始进行通常时测定用泵控制处理而并非启动时测定用泵控制处理时的泵电流Ip2随时间的变化。这种情况下，以使得电压V2达到低于启动时目标值V2a*的通常时目标值V2b*的方式，对测定用泵单元41进行控制，因此，与实施例的泵电流Ip2的曲线(实线)相比，泵电流Ip2并未变为较大的值，第三内部空腔61内的氧的吸出量减少。因此，第三内部空腔61内的氧被充分吸出的时刻为比时刻t3晚的时刻t4。即，与实施例相比，比较例的起燃时间延长。这样，本实施方式中，通过在传感器元件101启动时进行启动时测定用泵控制处理而并非通常时测定用泵控制处理，能够缩短传感器元件101的起燃时间。应予说明，虽然省略图示，不过，从时刻t1开始进行通常时测定用泵控制处理及调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)的情况下，直至泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定为止的时间也为比时刻t3晚的时刻t4。
应予说明，图4中，将泵电流Ip2恒定的时刻(传感器元件101起燃的时刻)和泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的时刻设为相同的时刻t3，不过，实际上有时泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的时刻比时刻t3稍早。如上所述，辅助泵单元50还能够将从第三内部空腔61倒流至第二内部空腔40的氧吸出，不过，由于与测定电极44的构成材料结合的氧、测定电极44的闭口气孔中存在的氧分子未向第二内部空腔40倒流，因此，辅助泵单元50无法将这些氧吸出。因此，有时在泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定之后因辅助泵单元50无法吸出的上述氧由测定用泵单元41吸出才使得传感器元件101起燃。这种情况下，在泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定之后直至传感器元件101起燃为止的期间，优选地，CPU92不执行步骤S140而是继续执行启动时测定用泵控制处理。例如，CPU92可以在步骤S130中判定为肯定之后经过规定时间再执行步骤S140。或者，CPU92在步骤S130中且在泵电流Ip1为规定范围内的值的状态持续规定时间以上时判定为肯定的情况下，可以将该规定时间设为与泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定之后直至传感器元件101起燃为止的时间相同程度的时间。
此处，对本实施方式中的结构要素与本发明中的结构要素之间的对应关系加以明确。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以及第二固体电解质层6这6个层按顺序依次层叠而成的层叠体相当于本发明中的元件主体，外侧泵电极23相当于外侧测定电极，第三内部空腔61相当于测定室，测定电极44相当于内侧测定电极，测定用泵单元41相当于测定用泵单元，基准电极42相当于基准电极，测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82相当于测定用电压检测传感器单元，传感器元件101相当于传感器元件，泵电流Ip2相当于测定用泵电流，控制装置90相当于泵单元控制部及特定气体浓度检测部。另外，控制装置90相当于加热器控制部，第一内部空腔20及第二内部空腔40相当于氧浓度调节室，内侧泵电极22及辅助泵电极51相当于内侧调节用泵电极，外侧泵电极23相当于外侧调节用泵电极，主泵单元21及辅助泵单元50相当于调节用泵单元，主泵控制处理及辅助泵控制处理相当于调节用泵控制处理。另外，内侧泵电极22相当于内侧主泵电极，外侧泵电极23相当于外侧主泵电极，辅助泵电极51相当于内侧辅助泵电极，外侧泵电极23相当于外侧辅助泵电极，泵电流Ip1相当于辅助泵电流。
根据以上详细说明的本实施方式的气体传感器100，在传感器元件101启动时进行启动时测定用泵控制处理，即，以使得电压V2达到高于通常时目标值V2b*的启动时目标值V2a*的方式对测定用泵单元41进行控制而将第三内部空腔61的氧吸出，因此，与从传感器元件101启动时开始进行通常时测定用泵控制处理的情形相比，能够将从启动前便存在于第三内部空腔61内的氧迅速地除去。因此，传感器元件101的起燃时间缩短。
另外，CPU92在加热器控制处理开始而使得加热器温度Th达到目标温度Th*以下的规定的阈值Thref以上时开始启动时测定用泵控制处理。因此，CPU92能够基于加热器温度Th而适当地判断启动时测定用泵控制处理的开始定时。
此外，传感器元件101具有调节用泵单元，该调节用泵单元对在被测定气体流通部中的第三内部空腔61的上游侧设置的氧浓度调节室的氧浓度进行调节。并且，CPU92在传感器元件101的启动时执行使调节用泵单元执行动作的调节用泵控制处理，在基于调节用泵单元的动作而判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下，进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。此处，在传感器元件101启动之前，第三内部空腔61及其上游侧的氧浓度调节室均处于存在大量氧(并非源自于特定气体的氧)的状态(例如大气气氛等)。在传感器元件101启动时，CPU92进行调节用泵单元控制处理，由此能够将从传感器元件101启动前便存在于氧浓度调节室内的氧除去。另外，氧浓度调节室和第三内部空腔61连通，因此，还能够通过调节用泵单元的动作而将第三内部空腔61的氧除去。此外，如上所述，氧浓度调节室和第三内部空腔61连通，因此，在氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下，第三内部空腔61内的氧也被充分吸出。因此，在基于调节用泵单元的动作而判定为氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换，由此能够适当地进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。
并且，氧浓度调节室具有第一内部空腔20和第二内部空腔40，该第二内部空腔40设置为比第一内部空腔20更靠下游侧且比第三内部空腔61更靠上游侧，调节用泵单元具有：对第一内部空腔20的氧浓度进行调节的主泵单元21；以及对第二内部空腔40的氧浓度进行调节的辅助泵单元50。另外，调节用泵控制处理包括：辅助泵控制处理，该辅助泵控制处理中，以使得第二内部空腔40的氧浓度达到目标浓度的方式对辅助泵单元50进行控制；以及主泵控制处理，该主泵控制处理中，以使得通过辅助泵控制处理而在辅助泵单元50流通的辅助泵电流Ip1达到目标电流Ip1*的方式对主泵单元21进行控制。并且，CPU92在判定为泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的情况下，进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。据此，基于泵电流Ip1而能够适当地进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。
并且，测定电极44含有Pt及Rh的至少任一者。Pt及Rh等贵金属有时与第三内部空腔61内的氧结合而氧化，该氧使得特定气体浓度的检测精度降低，因此，在传感器元件101启动时需要使测定电极44中含有的贵金属的氧化物还原之后将该氧从第三内部空腔61中吸出。并且，与将第三内部空腔61内的氧分子吸出相比，使贵金属的氧化物还原而将氧吸出耗费更多的时间，因此，若在第三内部空腔61内存在已氧化的贵金属，则起燃时间容易延长。本发明实施方式的气体传感器100中，在传感器元件101启动时进行启动时测定用泵控制处理而并非通常时测定用泵控制处理，由此能够使得已氧化的贵金属提前还原，从而能够缩短起燃时间。因此，测定电极44含有Pt及Rh的本实施方式中，进行启动时测定用泵控制处理的意义重大。
此外，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式而实施。
例如，上述实施方式中，CPU92在判定为泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的情况下，视为判定为启动时测定用泵控制处理的结束条件成立，从而进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换，但并不局限于此。在传感器元件101起燃时，换言之，在第三内部空腔61内的氧被充分吸出时，以能够使启动时测定用泵控制处理结束的方式规定启动时测定用泵控制处理的结束条件即可。例如，可以在向加热器72开始通电之后经过规定时间时、开始启动时测定用泵控制处理之后经过规定时间时使启动时测定用泵控制处理结束。
CPU92可以基于开放时测定用电压V2open而判定启动时测定用泵控制处理的结束条件是否成立，该开放时测定用电压V2open为未进行使电流在测定电极44及基准电极42流通的控制的状态下的电压V2。图5是表示变形例的启动时控制处理的一例的流程图。图6是表示变形例的启动时控制处理及通常时控制处理的情况的一例的曲线图。图5中，对与图3相同的处理标注与图3相同的步骤编号并省略其说明。图6是在图4中追加记载了开放时测定用电压V2open的时间变化的情况的图。图5所示的变形例的启动时控制处理中，在步骤S120中开始启动时测定用泵控制处理之后，CPU92判断未进行使电流在测定电极44及基准电极42流通的控制的状态下的电压V2、即开放时测定用电压V2open是否达到规定的阈值V2opref以上(步骤S230)，由此判定启动时测定用泵控制处理的结束条件是否成立。例如，上述实施方式中，未进行使电流在基准电极42流通的控制，不过，在步骤S120中开始启动时测定用泵控制处理之后，通过启动时测定用泵控制处理而使得泵电流Ip2在测定电极44中流通。因此，在步骤S230中，CPU92在使得启动时测定用泵控制处理暂时停止的状态、具体而言为停止从可变电源46施加电压Vp2的状态下，对电压V2进行测定，并将测定所得的值设为开放时测定用电压V2open。开放时测定用电压V2open为与第三内部空腔61内的氧浓度对应的值，氧浓度越低，开放时测定用电压V2open的值越大。另外，在未进行使电流在测定电极44及基准电极42流通的控制的状态下对开放时测定用电压V2open进行测定，因此，难以受到电流导致的电压下降的影响。因此，开放时测定用电压V2open与在进行了使电流在测定电极44流通的控制的状态下测定的电压V2(执行启动时测定用泵控制处理中的电压V2)相比，变为更高精度地与第三内部空腔61内的氧浓度对应的值。阈值V2opref预先规定为：第三内部空腔61内的氧被充分吸出的状态下的开放时测定用电压V2open的值。例如，如图6所示，当启动时测定用泵控制处理开始时，开放时测定用电压V2open的值升高，在启动前便存在于第三内部空腔61内的氧的吸出完毕的时刻t3以后，即，在传感器元件101起燃的时刻以后，变为大致恒定的值(稳定值)。本实施方式中，将预先通过实验测定的该稳定值规定为阈值V2opref。另外，本实施方式中，阈值V2opref设为200mV。阈值V2opref可以设为比开放时测定用电压V2open的稳定值稍低的值。在步骤S230中判定为否定的情况下，CPU92反复执行步骤S230并等待判定为肯定为止。在步骤S230中判定为肯定的情况下，CPU92执行上述的步骤S140并使得启动时控制处理结束。如上所述，开放时测定用电压V2open为与第三内部空腔61内的氧浓度对应的值，因此，通过对该开放时测定用电压V2open和阈值V2opref进行比较，能够适当地判断第三内部空腔61内的氧是否被充分吸出。因此，在代替图3的步骤S130而执行图5的步骤S230的情况下，CPU92也能够适当地进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。应予说明，如上所述，泵电流Ip1在目标电流Ip1*附近稳定的时刻有时比传感器元件101起燃的时刻t3更早。与此相对，开放时测定用电压V2open与泵电流Ip1不同，其是与第三内部空腔61内存在的氧本身对应的值，因此，在开放时测定用电压V2open达到稳定值的时刻与传感器元件101起燃的时刻之间几乎不会产生时间差。
上述实施方式中，在启动时测定用泵控制处理中，将第三内部空腔61内的氧向外侧泵电极23的周围吸出，不过，并不局限于外侧泵电极23，只要将氧向在被测定气体流通部以外配设的电极的周围吸出即可。例如，可以通过在启动时测定用泵控制处理中向测定电极44与基准电极42之间施加电压而使泵电流流通，并将第三内部空腔61内的氧向基准电极42的周围吸出。即，上述实施方式的启动时测定用泵控制处理中，将第三内部空腔61内的氧向外侧泵电极23的周围、即元件主体的外侧吸出，不过，也可以向基准电极42的周围等元件主体的内部吸出。在向元件主体的内部吸出氧的情况下，优选向基准电极42那样的在被测定气体流通部以外配设的电极的周围吸出。换言之，在向元件主体的内部吸出氧的情况下，优选向元件主体中的未与第三内部空腔61连通的区域吸出氧。
上述实施方式中虽然未特别说明，不过，向测定用泵单元41施加的电压Vp2优选设为小于1500mV。电压Vp2为1500mV以上的情况下，固体电解质内的氧离子缺乏，从而表现出固体电解质的电子传导，传感器元件101有可能变黑而无法使用，不过，通过将电压Vp2设为小于1500mV，能够抑制这样的不良情况。启动时目标值V2a*为越高的值，启动时测定用泵控制处理时的电压Vp2的值越高，因此，优选预先将启动时目标值V2a*规定为使得电压Vp2不会达到1500mV以上这样的值。另外，若在固体电解质未充分活化的状态下进行启动时测定用泵控制处理，则第三内部空腔61的氧未被吸出，从而电压V2未接近于启动时目标值V2a*，因此，电压Vp2容易因反馈控制而变为较高的值。因此，若在固体电解质未充分活化的状态下进行启动时测定用泵控制处理，则电压Vp2在启动时测定用泵控制处理中容易达到1500mV以上。考虑到这一点，优选适当地将启动时测定用泵控制处理的开始条件(上述实施方式中为阈值Thref的值)规定为使得电压Vp2不会达到1500mV以上。
上述实施方式的加热器控制处理中，CPU92以使得加热器温度Th达到目标温度Th*的方式对加热器72进行了控制，不过，并不局限于加热器温度Th，只要以使得加热器72或元件主体的温度、即传感器元件温度达到目标温度的方式对加热器72进行控制即可。例如，作为表示元件主体的温度的值(可换算为温度的值)，可以对测定用泵单元41的电路的电阻值或测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82的电路的电阻值进行测定，并以使得该电阻值达到目标电阻值的方式对加热器72进行控制。同样地，上述实施方式中，在加热器温度Th达到规定的阈值Thref以上时开始启动时测定用泵控制处理，但并不局限于此。并不局限于加热器温度Th，可以在传感器元件温度达到规定的阈值以上时(例如测定用泵单元41的电路的电阻值达到规定的阈值以下时)开始启动时测定用泵控制处理。或者，气体传感器100可以具备热电偶等温度检测部，并利用该温度传感器直接对传感器元件温度(加热器72的温度或元件主体的温度)本身进行测定。这种情况下，CPU92可以基于测定出的传感器元件温度而对加热器72进行控制，以使得传感器元件温度达到目标温度。
上述实施方式中，CPU92在加热器温度Th达到规定的阈值Thref以上时判定为启动时测定用泵控制处理的开始条件成立，但并不局限于此。只要以在启动时测定用泵控制处理中控制的测定用泵单元41中含有的固体电解质活化时能够开始启动时测定用泵控制处理的方式规定启动时测定用泵控制处理的开始条件即可。例如，可以在向加热器72开始通电之后经过规定时间时开始启动时测定用泵控制处理。
或者，可以根据测定电极44的构成材料以在形成为适合将与该构成材料结合的氧吸出的状态的情况下能够开始启动时测定用泵控制处理的方式而规定启动时测定用泵控制处理的开始条件。例如，可以基于测定电极44的构成材料的状态图而规定启动时测定用泵控制处理的开始条件。对测定电极44中作为构成材料而含有Rh时的开始条件的例子进行说明。图7是Rh2O3的状态图(来源：V.K.Tagirov,D.M.Chizhikov,E.K.Kazenas,andL.K.Shubochkin,Zh.Neorg.Khim.,Title:Study of thermal dissociation ofruthenium dioxide and rhodium sesquioxide,Journal:Zhurnal NeorganicheskojKhimii；v.20(8)；p.2035-2037(1975))。图7的纵轴为氧分压，横轴为温度。图7中的较粗直线为表示Rh2O3和Rh处于平衡状态的氧分压与温度之间的关系的直线(平衡线)。可以基于该平衡线以在适合于测定电极44的构成材料(此处为Rh)的氧化物(此处为Rh2O3)还原的状态(即，图7中，温度和氧分压的对应的点位于平衡线的左下区域内的状态)下进行启动时测定用泵控制处理的方式，而规定启动时测定用泵控制处理的开始条件。例如，在与启动时测定用泵控制处理的启动时目标值V2a*对应的第三内部空腔61的氧分压的对数(logPO2)为－2的情况下(即，氧分压为0.01Torr的情况下)，如图7的状态图中追加记载的虚线所示，在平衡线上与该氧分压对应的测定电极44的温度为Ta℃(约630℃)。因此，若通过启动时测定用泵控制处理而使得电压V2处于启动时目标值V2a*附近且使得测定电极44的温度达到Ta℃以上，则Rh2O3容易被还原为Rh。因此，可以以在测定电极44的温度达到Ta℃以上的情况下能够开始启动时测定用泵控制处理的方式而规定启动时测定用泵控制处理的开始条件。例如，可以将阈值Thref规定为使得测定电极44的温度达到Ta℃以上所需的加热器温度Th的下限值。或者，可以在向加热器72开始通电之后经过规定时间时开始启动时测定用泵控制处理，并基于加热器控制处理开始之后直至测定电极44的温度达到Ta℃以上为止所需的时间而规定该规定时间。应予说明，根据图7还可知：测定电极44的温度越高且第三内部空腔61的氧分压越小，Rh2O3越容易被还原。换言之，第三内部空腔61的氧分压越小，适合于开始启动时测定用泵控制处理的测定电极44的温度越低。因此，若将启动时目标值V2a*设为较大的值，则相应地能够在开始加热器控制处理之后在短时间内开始启动时测定用泵控制处理。不过，如上所述，优选将启动时目标值V2a*规定为使得电压Vp2不会达到1500mV以上的值，因此，再考虑到这一点，优选以使得启动时目标值V2a*不会过大的方式设定启动时目标值V2a*的值。另外，如上所述，优选在使得固体电解质活化之后执行启动时测定用泵控制处理，因此，优选基于固体电解质的活化所需的温度和适合于测定电极44的构成材料的氧化物还原的温度中的较高的温度而规定启动时测定用泵控制处理的开始条件。在测定电极44中作为构成材料而含有Pt的情况下，也可以与上述例子同样地基于Pt的状态图而规定适合于Pt的氧化物还原的启动时测定用泵控制处理的开始条件。另外，在测定电极44中作为构成材料同时含有Pt和Rh的情况下，优选基于适合于Pt的氧化物还原的温度和适合于Rh的氧化物还原的温度中的较高的温度而规定启动时测定用泵控制处理的开始条件。
上述实施方式中，CPU92在开始启动时测定用泵控制处理的同时还开始执行调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)，但并不局限于此。调节用泵控制处理的开始定时与启动时测定用泵控制处理的开始定时之间可以存在时间差。由于调节用泵单元(主泵单元21及辅助泵单元50)的氧吸出能力高于测定用泵单元41的氧吸出能力，因此，优选在开始启动时测定用泵控制处理时或比其提前开始调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)。另外，优选在启动时测定用泵控制处理中也执行调节用泵控制处理(主泵控制处理及辅助泵控制处理)。
上述实施方式中，氧浓度调节室具有第一内部空腔20和第二内部空腔40，但并不局限于此，例如氧浓度调节室可以进一步具备另一内部空腔，也可以省略第一内部空腔20和第二内部空腔40中的一者。同样地，上述实施方式中，调节用泵单元具有主泵单元21和辅助泵单元50，但并不局限于此，例如调节用泵单元可以进一步具备另一泵单元，也可以省略主泵单元21和辅助泵单元50中的一者。例如，在仅利用主泵单元21便能够使被测定气体的氧浓度充分降低的情况下，可以省略辅助泵单元50。这种情况下，作为调节用泵控制处理，CPU92例如可以以使得氧浓度调节室(第一内部空腔20)的氧浓度达到目标浓度的方式而执行对主泵单元21进行控制的处理。更具体而言，可以预先规定目标值V0*并由CPU92对可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制，以使得电压V0达到目标值V0*(即，以使得第一内部空腔20的氧浓度达到目标浓度)，由此对主泵单元21进行控制。这种情况下，CPU92可以在基于主泵单元21的动作而判定为第一内部空腔20的氧浓度稳定的情况下，进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换。例如，CPU92可以基于电压V0的值或泵电流Ip0的值而判定第一内部空腔20的氧浓度是否稳定。更具体而言，CPU92可以在电压V0达到规定的阈值以上时判定为第一内部空腔20的氧浓度稳定，也可以在泵电流Ip0暂时升高后降低并达到规定的阈值以下时判定为第一内部空腔20的氧浓度稳定。
上述实施方式中，外侧泵电极23兼用作：主泵单元21的一部分且是在传感器元件101的外侧的暴露于被测定气体中的部分配设的外侧主泵电极、辅助泵单元50的一部分且是在传感器元件101的外侧的暴露于被测定气体中的部分配设的外侧辅助泵电极、以及测定用泵单元41的一部分且是在传感器元件101的外侧的暴露于被测定气体中的部分配设的外侧测定电极，但并不局限于此。可以将外侧主泵电极、外侧辅助泵电极及外侧测定电极中的任意1个以上与外侧泵电极23不同地另行设置于传感器元件101的外侧。
上述实施方式中，外侧泵电极23在传感器元件101的外部露出，但并不局限于此，只要外侧泵电极23以与被测定气体接触的方式设置于元件主体(层1～6)的外侧即可。例如，传感器元件101可以具备将元件主体(层1～6)覆盖的多孔质保护层，外侧泵电极23也可以由多孔质保护层覆盖。
上述实施方式中，气体传感器100的传感器元件101具备第一内部空腔20、第二内部空腔40以及第三内部空腔61，但并不局限于此。例如，可以像图8的传感器元件201那样不具备第三内部空腔61。关于图8所示的变形例的传感器元件201，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、第二扩散速度控制部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以按顺序连通的形态而相邻地形成。另外，测定电极44配设于第二内部空腔40内的第一固体电解质层4的上表面。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为由氧化铝(Al2O3)等陶瓷多孔体构成的膜。与上述实施方式中的第四扩散速度控制部60相同，第四扩散速度控制部45承担限制向测定电极44流入的NOx的量的作用。另外，第四扩散速度控制部45还作为测定电极44的保护膜而发挥作用。辅助泵电极51的顶部电极部51a形成至测定电极44的正上方。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例如基于泵电流Ip2而检测NOx浓度。这种情况下，测定电极44的周围作为测定室而发挥作用。
上述实施方式中，传感器元件101的元件主体设为具有多个固体电解质层(层1～6)的层叠体，但并不局限于此。只要传感器元件101的元件主体包含至少1个氧离子传导性的固体电解质层、且在内部设置有被测定气体流通部即可。例如，图1中第二固体电解质层6以外的层1～5可以设为由固体电解质以外的材质形成的构造层(例如由氧化铝形成的层)。这种情况下，只要传感器元件101具有的各电极配设于第二固体电解质层6即可。例如，只要图1中的测定电极44配设于第二固体电解质层6的下表面即可。另外，只要形成为如下方式即可：基准气体导入空间43设置于隔离层5而代替设置于第一固体电解质层4的方式，大气导入层48设置于第二固体电解质层6与隔离层5之间而代替设置于第一固体电解质层4与第三基板层3之间的方式，基准电极42设置为比第三内部空腔61更靠后方、且设置于第二固体电解质层6的下表面。
上述实施方式中，控制装置90在主泵控制处理中基于泵电流Ip1而设定电压V0的目标值V0＊(反馈控制)，以使得泵电流Ip1达到目标值Ip1＊，并以使得电压V0达到目标值V0＊的方式对泵电压Vp0进行反馈控制，不过，也可以进行其他控制。例如，控制装置90可以在主泵控制处理中以使得泵电流Ip1达到目标值Ip1＊的方式基于泵电流Ip1而对泵电压Vp0进行反馈控制。即，控制装置90可以省略从主泵控制用氧分压检测传感器单元80获取电压V0的处理、以及设定目标值V0＊的处理，基于泵电流Ip1直接对泵电压Vp0进行控制(甚至对泵电流Ip0进行控制)。这种情况下，CPU92也可以采用例如上述的图3中的步骤S130或图5中的步骤S230的处理而进行启动时测定用泵控制处理的结束条件是否成立的判定。
上述实施方式中，气体传感器100检测出NOx浓度而作为特定气体浓度，但并不局限于此，也可以将其他氧化物浓度设为特定气体浓度。在特定气体为氧化物的情况下，与上述实施方式相同，在使特定气体自身在第三内部空腔61内还原时产生氧，因此，CPU92能够基于与该氧相应的检测值而检测出特定气体浓度。另外，特定气体可以为氨等非氧化物。在特定气体为非氧化物的情况下，例如在第一内部空腔20内将特定气体转化为氧化物(例如若是氨，则氧化而转化为NO)并使得转化后的氧化物在第三内部空腔61内还原时产生氧，因此，CPU92能够获取与该氧相应的检测值而检测出特定气体浓度。这样，无论特定气体是氧化物还是非氧化物，气体传感器100均能够基于源自特定气体且在第三内部空腔61生成的氧而检测出特定气体浓度。
上述实施方式中，可以根据测定电极44的体积而设定启动时目标值V2a*的值。本发明的发明人发现：即便启动时目标值V2a*相同，起燃时间有时也因测定电极44的体积而不同；若启动时目标值V2a*的值过高或过低，则缩短起燃时间的效果有时会减弱，存在最佳的启动时目标值V2a*的值；以及若测定电极44的体积发生变化，则最佳的启动时目标值V2a*的值也发生变化等。以下，对此进行详细说明。
本发明的发明人以如下方式调查了测定电极44的体积C[mm3]、启动时目标值V2a*与通常时目标值V2b*之差ΔV(＝V2a*－V2b*)[mV]、以及起燃时间[sec]之间的关系。首先，将利用图1～2说明的上述实施方式的传感器元件101及气体传感器100设为实验例1。实验例1中的测定电极44的体积C设为4×10-3mm3。如上所述，测定电极44设为Pt及Rh与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。另外，将除了通过变更测定电极44的厚度及前后方向上的长度而像表1所示那样对体积C进行各种变更以外与实验例1相同的气体传感器100设为实验例2～5。具体而言，实验例2与实验例1相比，将测定电极44的厚度设为2倍。实验例3与实验例2相比，将测定电极44的厚度设为2倍。实验例4与实验例2相比，将测定电极44的厚度设为1.5倍且将前后方向上的长度设为2倍。实验例5与实验例2相比，将测定电极44的厚度设为2倍且将前后方向上的长度设为2倍。对于实验例1的气体传感器100，将启动时目标值V2a*设为500mV，将通常时目标值V2b*设为400mV(因此，差ΔV设为100mV)，调查进行图3所示的启动时控制处理时的起燃时间。同样地，针对实验例1的气体传感器100，对启动时目标值V2a*进行变更，以使差ΔV像表1所示那样在110mV～200mV之间以10mV为单位而变更，调查各情况下的起燃时间。针对实验例2～5的气体传感器100，也同样地使差ΔV在100mV～200mV之间变更，调查各情况下的起燃时间。表1中汇总示出了：实验例1～5各自的、测定电极44的体积C、与启动时目标值V2a*和通常时目标值V2b*之差ΔV(＝V2a*－V2b*)对应的起燃时间。图9是针对表1而绘制的曲线图，其是表示测定电极44的体积C、差ΔV以及起燃时间之间的关系的曲线图。应予说明，实验例1～5中，差ΔV在100mV～200mV的范围内的情形与不进行启动时测定用泵控制处理的情形(换言之，差ΔV为0mV的情形)相比，起燃时间较短。因此，实验例1～5相当于本发明的实施例。
表1
根据表1及图9可知：未必差ΔV越大则起燃时间越短，换言之，未必启动时目标值V2a*越高则起燃时间越短。例如，实验例3中确认到如下趋势，即，差ΔV为160mV的情况下，起燃时间最短，差ΔV越低于或越高于160mV，起燃时间越长。实验例2、4中也确认到同样的趋势。对于实验例1，在差ΔV为100mV～200mV的范围内确认到如下趋势，即，差ΔV越大，起燃时间越长。因此，对于实验例1推测为：最能够使起燃时间缩短的差ΔV的值小于100mV。对于实验例5，在差ΔV为100mV～200mV的范围内确认到如下趋势，即，差ΔV越大，起燃时间越短。因此，对于实验例5推测为：最能够使起燃时间缩短的差ΔV的值大于200mV。
对测定电极44的体积C、差ΔV以及起燃时间的关系呈现出如上所述的趋势的理由进行说明。首先，本发明的发明人发现：在从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理切换时，有时产生泵电流Ip2的下冲。图10是表示泵电流Ip2的下冲的一例的曲线图。图10中的时刻t0、t1、t3与图4所示的各时刻相同。如图10所示，若在时刻t3进行从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理的切换，则泵电流Ip2有时并未立刻达到与被测定气体中的NOx浓度对应的值，而是产生泵电流Ip2的下冲，在此后的时刻t3’以后，泵电流Ip2的值达到与被测定气体中的NOx浓度对应的值。此时的起燃时间为时刻t0～t3’的时间，因此，起燃时间与产生下冲的期间(时刻t3～t3’)相应地延长。
可以认为产生上述下冲的理由如下。当从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理切换时，电压V2的目标值从启动时目标值V2a*变为通常时目标值V2b*(＜V2a*)，因此，刚切换后的第三内部空腔61的氧浓度有时低于与通常时目标值V2b*对应的氧浓度。因此，在刚切换为通常时测定用泵控制处理之后，为了使第三内部空腔61的氧浓度升高至与通常时目标值V2b*对应的氧浓度，控制部91有时以使得向第三内部空腔61吸入氧而并非从第三内部空腔61吸出氧的方式对测定用泵单元41进行控制。这种情况下，泵电流Ip2变为负值(相对于启动时测定用泵控制处理中的泵电流Ip2而言，正负颠倒)。另外，在启动时测定用泵控制处理中，有时因向测定电极44施加的电压Vp2而使得被测定气体中的水分解产生氢。并且，在切换为通常时测定用泵控制处理之后，该氢与氧发生反应而导致第三内部空腔61内的氧浓度降低，因此，有时也会因此使得泵电流Ip2减小或者变为负值。另外，测定电极44的体积C越大，测定电极44的表面积(不限于测定电极44的外表面，也包括测定电极44内部的气孔的表面积在内)越大，因此，呈现出如下趋势，即，体积C越大，启动时测定用泵控制处理中产生的氢的量越多。据此，呈现出以下趋势：差ΔV(＝V2a*－V2b*)越大以及体积C越大，从启动时测定用泵控制处理向通常时测定用泵控制处理切换时产生下冲的期间也越长，从而起燃时间越长。
另一方面，差ΔV(＝V2a*－V2b*)越大，越能够在启动时测定用泵控制处理中将传感器元件101启动前便存在于第三内部空腔61内的氧迅速除去。因此，呈现出如下趋势，即，差ΔV(＝V2a*－V2b*)越大，执行启动时测定用泵控制处理的时间(例如图10的时刻t1～t3)越短，从而起燃时间越短。并且，执行启动时测定用泵控制处理的时间(例如图10的时刻t1～t3)和产生下冲的时间(例如图10的时刻t3～t3’)的合计时间越小，越能够使起燃时间(例如图10的时刻t0～t3’)缩短。
由此认为：若启动时目标值V2a*的值、更准确而言为差ΔV过小，则执行启动时测定用泵控制处理的时间延长(将启动前便存在于第三内部空腔61内的氧吸出所需的时间延长)，从而使得缩短起燃时间的效果减弱。另外，可以认为：若差ΔV过大，则产生下冲的时间延长，从而使得缩短起燃时间的效果减弱。因此，可以认为：对于某一传感器元件101存在起燃时间的缩短效果最高的最佳差ΔV。另外，如上所述，测定电极44的体积C也会使得产生下冲的时间发生变化，因此，可以认为呈现出如下趋势，即，若体积C发生变化，则起燃时间的缩短效果最高的最佳差ΔV也发生变化，具体而言，体积C越大，最佳差ΔV越大。根据以上的理由可以认为：测定电极44的体积C、差ΔV以及起燃时间之间的关系为表1及图9所示的关系。
此处，测定电极44的体积C优选为8×10-3mm3以上。若体积C为8×10-3mm3以上，则利用测定用泵单元41将测定电极44周围的氧吸出的吸出能力充分提高。因此，与实验例1相比，优选体积C为8×10-3mm3以上的实验例2～5。另外，若差ΔV过大，则启动时测定用泵控制处理时的电压Vp2为较高的值，如上所述，传感器元件101有可能变黑而无法使用。另外，若启动时测定用泵控制处理时的电压Vp2过高，则向测定电极44施加过量的电压Vp2，由此会促进测定电极44劣化，从而测定电极44的电阻值增加，据此，NOx浓度检测的灵敏度有可能降低。因此，差ΔV优选为200mV以下。并且，由图9的结果推测：若体积C大于实验例5的体积C，则在差ΔV为200mV以下的范围内，起燃时间的缩短效果减弱。因此，可以认为：体积C优选为实验例5的值以下、即32×10-3mm3以下。另外，实验例2～5中，作为能够使起燃时间达到最小值及其附近且差ΔV不超过200mV的范围，差ΔV优选为120mV以上200mV以下。据此，体积C优选为8×10-3mm3以上32×10-3mm3以下，差ΔV优选为120mV以上200mV以下。虽然呈现出体积C越大则使起燃时间的缩短效果充分提高所需的差ΔV越大的趋势，但是，若体积C为8×10-3mm3以上32×10-3mm3以下且差ΔV为120mV以上200mV以下，则能够满足上述的体积C的下限及差ΔV的上限，并且使得起燃时间的缩短效果充分提高。
应予说明，在调节测定电极44的体积C时，测定电极44的厚度可以设为例如10μm以上40μm以下。测定电极44的上表面的面积、换言之测定电极44的左右宽度与前后长度之积可以设为0.2mm2以上1.2mm2以下。测定电极44的左右方向上的宽度可以设为0.5mm以上2.5mm以下。另外，在调节差ΔV时，启动时目标值V2a*优选为600mV以下。

Claims (7)

1.一种气体传感器，其特征在于，
具备：传感器元件、泵单元控制部以及特定气体浓度检测部，
所述传感器元件具有：
元件主体，该元件主体包括氧离子传导性的固体电解质层，在该元件主体的内部设置有供被测定气体导入并使其流通的被测定气体流通部；
测定用泵单元，该测定用泵单元具有以与所述被测定气体接触的方式设置于所述元件主体的外侧的外侧测定电极、以及在所述被测定气体流通部中的测定室配设的内侧测定电极，该测定用泵单元从所述内侧测定电极的周围向所述外侧测定电极的周围进行氧的吸出；
基准电极，该基准电极以与作为所述被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部；以及
测定用电压检测传感器单元，该测定用电压检测传感器单元对所述基准电极与所述内侧测定电极之间的测定用电压进行检测，
所述泵单元控制部在所述传感器元件的通常驱动时进行通常时测定用泵控制处理，即，以使得所述测定用电压达到通常时目标值的方式对所述测定用泵单元进行控制而将所述测定室的氧吸出，在所述通常驱动时之前的所述传感器元件启动时进行启动时测定用泵控制处理，即，以使得所述测定用电压达到高于所述通常时目标值的启动时目标值的方式对所述测定用泵单元进行控制而将所述测定室的氧吸出，
所述特定气体浓度检测部基于通过所述通常时测定用泵控制处理而在所述测定用泵单元流通的测定用泵电流，对所述被测定气体中的特定气体浓度进行检测。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述气体传感器具备：
加热器，该加热器对所述元件主体进行加热；以及
加热器控制部，该加热器控制部进行加热器控制处理，即，以使得所述加热器或所述元件主体的温度、即传感器元件温度达到规定的目标温度的方式，向所述加热器通电而使得所述加热器发热，
所述泵单元控制部在开始所述加热器控制处理而使得所述传感器元件温度达到所述目标温度以下的规定的阈值以上时开始所述启动时测定用泵控制处理。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述传感器元件具有调节用泵单元，该调节用泵单元对在所述被测定气体流通部中的所述测定室的上游侧设置的氧浓度调节室的氧浓度进行调节，
所述泵单元控制部在所述传感器元件的所述启动时执行使所述调节用泵单元执行动作的调节用泵控制处理，在基于所述调节用泵单元的动作而判定为所述氧浓度调节室的氧浓度稳定的情况下，进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，
所述氧浓度调节室具有第一内部空腔和第二内部空腔，该第二内部空腔设置为比该第一内部空腔更靠下游侧且比所述测定室更靠上游侧，
所述调节用泵单元具有：对所述第一内部空腔的氧浓度进行调节的主泵单元；以及对所述第二内部空腔的氧浓度进行调节的辅助泵单元，
所述调节用泵控制处理包括：辅助泵控制处理，该辅助泵控制处理中，以使得所述第二内部空腔的氧浓度达到目标浓度的方式对所述辅助泵单元进行控制；以及主泵控制处理，该主泵控制处理中，以使得通过所述辅助泵控制处理而在所述辅助泵单元流通的辅助泵电流达到目标电流的方式对所述主泵单元进行控制，
所述泵单元控制部在判定为所述辅助泵电流在所述目标电流附近稳定的情况下，进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换。
5.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述泵单元控制部在开放时测定用电压达到规定的阈值以上时进行从所述启动时测定用泵控制处理向所述通常时测定用泵控制处理的切换，其中，所述开放时测定用电压为未进行使电流在所述内侧测定电极及所述基准电极流通的控制的状态下的测定用电压。
6.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述内侧测定电极含有Pt及Rh中的至少任一者。
7.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述内侧测定电极的体积C为8×10-3mm3以上32×10-3mm3以下，
所述启动时目标值与所述通常时目标值之差ΔV为120mV以上200mV以下。
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