CN116718661A - 气体传感器及气体传感器的动作方法 - Google Patents

气体传感器及气体传感器的动作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供气体传感器及气体传感器的动作方法，在富燃料气氛下使用时能够对传感器元件予以保护。气体传感器的控制器对作为电化学泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了阈值进行判断，只要判断对象值没有超过阈值就以通过使至少1个电化学泵单元动作而将至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式对气体传感器进行控制，判断对象值超过了阈值的情况下以对至少1个电化学泵单元予以保护防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式对气体传感器进行控制，电化学泵单元具备：面对传感器元件中所具备的被导入被测定气体的至少1个内部空腔而设置的内侧电极；配置于除内部空腔以外的部位的空腔外泵电极；两个电极间的固体电解质。

Description

气体传感器及气体传感器的动作方法
技术领域
本发明涉及极限电流型的气体传感器，特别涉及在富燃料气氛下使用时的该气体传感器的动作控制。
背景技术
已经周知采用了以例如氧化钇稳定氧化锆等氧离子传导性的固体电解质为主要构成成分的传感器元件的极限电流型的气体传感器(例如NOx传感器、氧传感器)。该气体传感器中，被测定气体被导入至在传感器元件的内部所设置的空腔(内部空腔)。并且，进行如下控制，即，将面对该内部空腔而设置的内侧电极和配备于元件内部且与基准气体接触的基准电极之间的电位差保持为与所期望的空腔内氧浓度相对应的规定的值。
概要而言，该控制如下进行，即，在由内侧电极、配备于空腔外的外侧电极(空腔外电极)、以及两个电极间所存在的固体电解质区域构成的电化学泵单元中，向两个电极间施加泵送电压，在内部空腔与外部之间进行氧的吸入或吸出。通过该泵送电压的施加，从而在内侧电极与外侧电极之间流通有与空腔内的氧浓度相对应的大小及朝向的氧泵送电流。
作为这样的气体传感器的一例，还已经周知有如下气体传感器，该气体传感器在传感器元件的外表面具备外侧电极，且以使得在该外侧电极的周围形成施加规定的扩散阻力的狭缝部的方式设置有陶瓷层(例如参见专利文献1)。
另外，还已经周知有具备如下构成的传感器元件的气体传感器，该传感器元件构成为：氧浓度检测单元和氧泵单元隔着绝缘层而在元件厚度方向上层叠，检测气体通过在绝缘层的一部分所设置的由多孔质体形成的扩散速度控制部而导入到内部(例如参见专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2021－162465号公报
专利文献2：日本特开2012－173146号公报
发明内容
有时将如上所述的极限电流型的气体传感器在来自例如汽油发动机的排气路径的中途等空燃比小于理论空燃比的富燃料气体能够导入至元件内部的环境下使用。
这种情况下，当富燃料气体导入至内部空腔时，在电化学泵单元中，通常为了使空腔内的氧浓度恒定，执行从元件外部向内部空腔吸入氧的动作(泵送动作)。即，以使得氧被吸入至内部空腔的方式(以使得氧离子从元件外部向内部空腔移动的方式)施加泵送电压，从而与此对应的氧泵送电流在内侧电极与外侧电极之间流通。
在该氧吸入时存在如下趋势，即，导入至内部空腔的富燃料气体的量越多，泵送电压越大，氧泵电流越大。然而，如果被测定气体的燃料富集程度过大，则随着泵送电压的增大而从外部吸入氧变得困难，取而代之，有可能发生固体电解质中的氧被夺走的所谓的黑化(Blackening)。黑化为不可逆的现象，只要发生一次，就会导致气体传感器无法再使用。
上述黑化具有如下趋势，像专利文献1所公开的外侧电极由陶瓷层覆盖的构成的气体传感器那样，外侧电极周围的扩散阻力越大，越容易发生黑化。
本发明是鉴于上述课题而实施的，其目的在于，提供在富燃料气氛下使用时能够对传感器元件予以保护的气体传感器。
为了解决上述课题，本发明的第一方案是构成为能够对被测定气体中的规定气体成分进行监测的气体传感器，其特征在于，具备：传感器元件，该传感器元件由氧离子传导性的固体电解质构成；以及控制器，该控制器对所述气体传感器的动作进行控制，所述传感器元件具备：至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔在规定的扩散阻力之下与所述被测定气体的导入口连通，且设置有内侧电极；空腔外泵电极，该空腔外泵电极配置于除所述至少1个内部空腔以外的部位；基准电极，该基准电极设置成能够与基准气体接触；所述传感器元件还具备：至少1个电化学泵单元，该至少1个电化学泵单元构成为通过以规定的泵电源向所述内侧电极与所述空腔外泵电极之间施加泵电压而能够在对应的所述至少1个内部空腔与所述传感器元件的外部之间进行氧的吸入或吸出；以及至少1个电化学传感器单元，该至少1个电化学传感器单元构成为在所述内侧电极与所述基准电极之间产生与对应的所述至少1个内部空腔中的氧浓度相对应的电位差，所述控制器对作为所述至少1个电化学泵单元中包含的判断对象泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了规定的阈值进行判断，只要所述判断对象值没有超过所述规定的阈值，就以通过使所述至少1个电化学泵单元动作而将所述至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式对所述气体传感器进行控制，在所述判断对象值超过了所述规定的阈值的情况下，以对所述至少1个电化学泵单元予以保护而防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式对所述气体传感器进行控制。
本发明的第二方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元是否需要停止的停止阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述停止阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。
本发明的第三方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式。
本发明的第四方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式，只要所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值没有超过比所述变更阈值大的停止阈值，就继续进行所述泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值进一步超过了所述停止阈值的情况下，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。
本发明的第五方案在第一至第四方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述判断对象值为与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的实测值。
本发明的第六方案在第一至第四方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述判断对象值为所述判断对象泵单元中吸入氧时的泵电流的值。
本发明的第七方案在第一至第六方案中的任一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述至少1个内部空腔为依次连通的多个内部空腔，所述内侧电极为在所述多个内部空腔分别设置的多个内侧电极，所述至少1个电化学泵单元为多个电化学泵单元，所述至少1个电化学传感器单元为多个电化学传感器单元，所述判断对象值至少为所述多个电化学泵单元之一且是与所述多个内部空腔中的最靠近所述导入口的内部空腔对应设置的电化学泵单元中的氧吸入动作的指标。
本发明的第八方案在第七方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述多个内侧电极之一为用于监测所述规定气体成分的测定电极，所述多个电化学泵单元包括：测定泵单元，该测定泵单元具备所述测定电极；以及除所述测定泵单元以外的至少1个氧浓度控制泵单元，该至少1个氧浓度控制泵单元具备除所述测定电极以外的所述多个内侧电极中的任一电极，所述多个电化学传感器单元包括：测定传感器单元，该测定传感器单元具备所述测定电极；以及除所述测定传感器单元以外的至少1个氧浓度监测传感器单元，该至少1个氧浓度监测传感器单元具备除所述测定电极以外的所述多个内侧电极中的任一电极，所述控制器至少在所述基本模式中，基于所述测定泵单元中与所述规定气体成分的浓度相对应地在所述测定电极与所述空腔外泵电极之间流通的测定泵电流，确定所述规定气体成分的浓度。
本发明的第九方案在第八方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述多个内部空腔为隔着扩散阻力部而依次连通的第一内部空腔、第二内部空腔、第三内部空腔，除所述测定电极以外的所述多个内侧电极为设置于所述第一内部空腔的主泵电极、设置于所述第二内部空腔的辅助泵电极，所述测定电极设置于所述第三内部空腔，所述至少1个氧浓度控制泵单元为对所述第一内部空腔的氧浓度进行控制的主泵单元、对所述第二内部空腔的氧浓度进行控制的辅助泵单元，所述至少1个氧浓度监测传感器单元为构成为在所述主泵电极与所述基准电极之间产生与所述第一内部空腔中的氧浓度相对应的电位差的主传感器单元、构成为在所述辅助泵电极与所述基准电极之间产生与所述第二内部空腔中的氧浓度相对应的电位差的辅助传感器单元，所述控制器至少在所述基本模式中，以使得所述第一内部空腔和所述第二内部空腔中的氧浓度分别保持为规定的恒定值的方式使所述主泵单元及所述辅助泵单元动作，并且，基于与导入至所述第三内部空腔的氧浓度已调整的所述被测定气体中包含的所述规定气体成分的浓度相对应地流通于所述测定泵单元的所述测定泵电流的大小，确定所述规定气体成分的浓度。
本发明的第十方案是一种气体传感器的动作方法，该气体传感器具备由氧离子传导性的固体电解质构成的传感器元件，且构成为能够对被测定气体中的规定气体成分进行监测，其特征在于，所述传感器元件具备：至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔在规定的扩散阻力之下与所述被测定气体的导入口连通，且设置有内侧电极；空腔外泵电极，该空腔外泵电极配置于除所述至少1个内部空腔以外的部位；基准电极，该基准电极设置成能够与基准气体接触；还具备：至少1个电化学泵单元，该至少1个电化学泵单元构成为通过以规定的泵电源向所述内侧电极与所述空腔外泵电极之间施加泵电压而能够在对应的所述至少1个内部空腔与所述传感器元件的外部之间进行氧的吸入或吸出；以及至少1个电化学传感器单元，该至少1个电化学传感器单元构成为在所述内侧电极与所述基准电极之间产生与对应的所述至少1个内部空腔中的氧浓度相对应的电位差，这种情况下，具备判断工序，该工序中，对作为所述至少1个电化学泵单元中包含的判断对象泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了规定的阈值进行判断，只要所述判断工序中所述判断对象值没有超过所述规定的阈值，就以通过使所述至少1个电化学泵单元动作而将所述至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式使所述气体传感器动作，在所述判断工序中所述判断对象值超过了所述规定的阈值的情况下，以对所述至少1个电化学泵单元予以保护而防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式使所述气体传感器动作。
本发明的第十一方案在第十方案所涉及的气体传感器的动作方法的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元是否需要停止的停止阈值，所述判断工序中所述判断对象值超过了所述停止阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式使所述气体传感器动作。
本发明的第十二方案在第十方案所涉及的气体传感器的动作方法的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元中施加所述泵电压时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述判断工序中所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的动作，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的动作返回到所述基本模式。
本发明的第十三方案在第十方案所涉及的气体传感器的动作方法的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述判断工序中所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的动作，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的动作返回到所述基本模式，只要所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值没有超过比所述变更阈值大的停止阈值，就继续进行所述泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值进一步超过了所述停止阈值的情况下，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式使所述气体传感器动作。
本发明的第十四方案在第十至第十三方案中的任一方案所涉及的气体传感器的动作方法的基础上，其特征在于，将所述判断对象值设为与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的实测值。
本发明的第十五方案在第十至第十三方案中的任一方案所涉及的气体传感器的动作方法的基础上，其特征在于，将所述判断对象值设为所述判断对象泵单元中吸入氧时的泵电流的值。
发明效果
根据本发明的第一至第十五方案，即便在被测定气体可能为空燃比较小的富燃料气体的环境下使用气体传感器的情况下，也能够很好地避免难以将氧吸入至内部空腔而导致在构成传感器元件的固体电解质发生黑化。据此，能够防止气体传感器因在富燃料气体气氛下使用而发生故障。
附图说明
图1是概要性地表示气体传感器100的构成的一例的图。
图2是表示元件保护模式的第一方式中的动作流程的图。
图3是表示元件保护模式的第二方式中的动作流程的图。
图4是表示元件保护模式的第三方式中的动作流程的图。
图5是表示元件保护模式的第三方式中的动作流程的图。
图6是概要性地表示气体传感器100B的构成的一例的图。
符号说明
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，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，23…外侧泵电极，24、46、52…可变电源，30…第三扩散速度控制部，40…第二内部空腔，41…测定泵单元，42…基准电极，43…基准气体导入空间，44…测定电极，50…辅助泵单元，51…辅助泵电极，60…第四扩散速度控制部，61…第三内部空腔，70…加热器部，80…主传感器单元，81…辅助传感器单元，82…测定传感器单元，100…气体传感器，101…传感器元件，Ip0…主泵电流，Ip1…辅助泵电流，Ip2…NOx电流。
具体实施方式
＜气体传感器的概要构成＞
图1是概要性地表示本实施方式所涉及的气体传感器100的构成的一例的图。气体传感器100为利用传感器元件101对NOx进行监测并对其浓度进行测定的极限电流型的NOx传感器。另外，气体传感器100还具备控制器110，该控制器110对各部分的动作进行控制，并且，基于流通于传感器元件101的NOx电流而对NOx浓度进行确定。图1包括传感器元件101的沿着长度方向的垂直截面图。
传感器元件101为平板状的(长条板状的)陶瓷制的元件体，其具有在附图中自下侧开始按照分别含有作为氧离子传导性固体电解质的氧化锆(ZrO2)(例如含有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等)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的顺序对这六个固体电解质层进行层叠而得到的结构。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。此外，以下，有时将图1中的这六个层各自的上侧的面简称为上表面、且将下侧的面简称为下表面。另外，将传感器元件101中的含有固体电解质的部分的整体统称为基体部。
例如以如下方式制造上述传感器元件101：对与各层相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。
在传感器元件101的一个末端部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，兼用作气体导入口10的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以按顺序依次连通的方式邻接地形成。
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挖空的方式设置的传感器元件101的内部空间(区域)，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。应予说明，气体导入口10也同样地，可以有别于第一扩散速度控制部11而为在传感器元件101的末端面(附图中左端)以将隔离层5挖空的方式设置的方案。这种情况下，第一扩散速度控制部11以比气体导入口10更靠内部的方式邻接地形成。
第一扩散速度控制部11、第二扩散速度控制部13、第三扩散速度控制部30、以及第四扩散速度控制部60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的)狭缝。此外，从气体导入口10至最里面的内部空腔即第三内部空腔61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是由多孔质氧化铝构成的层，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(第一扩散速度控制部11)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而从外部空间引入传感器元件101内。
第一扩散速度控制部11是对引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急剧地引入传感器元件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变动消除之后向第一内部空腔20导入。由此，向第一内部空腔20导入的被测定气体的浓度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是由内侧泵电极(主泵电极)22、外侧(空腔外)泵电极23、以及被内侧泵电极(主泵电极)22和外侧(空腔外)泵电极23夹持的第二固体电解质层6构成的电化学泵单元，其中，内侧泵电极(主泵电极)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的大致整面所设置的顶部电极部22a，外侧(空腔外)泵电极23在第二固体电解质层6的上表面(传感器元件101的一个主面)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形成于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)。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。利用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)所设置的导通部，将上述顶部电极部22a和底部电极部22b连接(省略图示)。
顶部电极部22a以及底部电极部22b设置为俯视时呈矩形。不过，也可以为仅设置有顶部电极部22a的方案、或者仅设置有底部电极部22b的方案。
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。特别地，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。例如，作为具有5％～40％的气孔率、且含有0.6wt％～1.4wt％左右的Au的Au－Pt合金与ZrO2的金属陶瓷电极，形成为5μm～20μm的厚度。Au－Pt合金与ZrO2的重量比率只要为Pt：ZrO2＝7.0：3.0～5.0：5.0左右即可。
另一方面，外侧泵电极23例如作为Pt或者其合金与ZrO2的金属陶瓷电极而形成为俯视时呈矩形。
对于主泵单元21，利用可变电源24对内侧泵电极22与外侧泵电极23之间施加所期望的泵电压Vp0，并使主泵电流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。此外，还将主泵单元21中施加于内侧泵电极22与外侧泵电极23之间的泵电压Vp0称为主泵电压Vp0。
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，由内侧泵电极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构成作为电化学传感器单元的主传感器单元80。
通过对主传感器单元80中的内侧泵电极22与基准电极42之间的电位差即电动势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，控制器110对主泵电压Vp0进行反馈控制以使得电动势V0恒定，由此对主泵电流Ip0进行控制。由此，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，将该被测定气体导入至第二内部空腔40。
第二内部空腔40设置成用于对通过第三扩散速度控制部30而导入的被测定气体中的氧分压进一步进行调整的空间。通过辅助泵单元50进行工作而对该氧分压进行调整。第二内部空腔40中，能够更高精度地调整被测定气体的氧浓度。
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)之后又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。
辅助泵单元50是由辅助泵电极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的外侧的适当的电极即可)、以及第二固体电解质层6构成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的大致整体设置的顶部电极部51a。
辅助泵电极51以与此前的设置于第一内部空腔20内的内侧泵电极22相同的方式配设于第二内部空腔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。上述顶部电极部51a和底部电极部51b均形成为俯视时呈矩形，并且，借助在构成第二内部空腔40的两侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)设置的导通部而连接(省略图示)。
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，在控制器110的控制下，向辅助泵电极51与外侧泵电极23之间施加所期望的电压(辅助泵电压)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到第二内部空腔40内。
另外，为了控制第二内部空腔40内的气氛中的氧分压，由辅助泵电极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构成作为电化学传感器单元的辅助传感器单元81。辅助传感器单元81中，对与第二内部空腔40内的氧分压相对应而在辅助泵电极51与基准电极42之间产生的电位差即电动势V1进行检测。
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反馈控制至实质上对NOx的测定无影响的较低的分压。
另外，与此同时，其辅助泵电流Ip1用于控制主传感器单元80的电动势。具体而言，辅助泵电流Ip1作为控制信号而输入至主传感器单元80，并对其电动势V0进行控制，由此控制为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。
第四扩散速度控制部60是如下部位，即，对在第二内部空腔40利用辅助泵单元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，并将该被测定气体向第三内部空腔61引导的部位。
第三内部空腔61设置为进行如下处理的空间(测定用内部空腔)，该处理为：对通过第四扩散速度控制部60而导入的被测定气体中的氮氧化物(NOx)浓度进行测定的处理。在第三内部空腔61，通过测定泵单元41进行动作而进行NOx浓度的测定。第三内部空腔61被导入在第二内部空腔40高精度地调整了氧浓度的被测定气体，因此，在气体传感器100能够进行精度高的NOx浓度测定。
测定泵单元41用于对导入至第三内部空腔61内的被测定气体的NOx浓度进行测定。测定泵单元41是由测定电极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构成的电化学泵单元，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且与第三扩散速度控制部30分离的位置。
测定电极44是贵金属与固体电解质的多孔质金属陶瓷电极。例如形成为Pt或者Pt和Rh等其他贵金属的合金与作为传感器元件101的构成材料的ZrO2的金属陶瓷电极。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。
对于测定泵单元41，在控制器110的控制下，能够将因第三内部空腔61内的气氛中的NOx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，由第二固体电解质层6、隔离层5、第一固体电解质层4、第三基板层3、测定电极44以及基准电极42构成作为电化学传感器单元的测定传感器单元82。基于由测定传感器单元82检测出的、与第三内部空腔61内的氧分压相对应而在测定电极44与基准电极42之间产生的电位差即电动势V2，对可变电源46进行反馈控制。
导入到第三内部空腔61内的被测定气体中的NOx被测定电极44还原(2NO→N2+O2)而生成氧。并且，该生成的氧由测定泵单元41进行泵送，此时，对可变电源46的电压(测定泵电压)Vp2进行控制，以使得由测定传感器单元82检测出的电动势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NOx的浓度成正比，因此，利用测定泵单元41中的泵电流Ip2对被测定气体中的NOx浓度进行计算。下文中，还将这样的泵电流Ip2称为NOx电流Ip2。
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来作为电化学传感器单元，则能够检测出与下述差值相对应的电动势，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，由第二固体电解质层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构成电化学传感器单元83，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。
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，以便提高构成基体部的固体电解质的氧离子传导性。
加热器部70主要具备加热器电极71、加热器构件72、加热器导通部72a、通孔73、加热器绝缘层74、压力释放孔75以及图1中省略图示的加热器电阻检测导通部。另外，除了加热器电极71以外，加热器部70均埋设于传感器元件101的基体部。
加热器电极71是以与第一基板层1的下表面(传感器元件101的另一个主面)接触的方式而形成的电极。
加热器构件72是设置于第二基板层2与第三基板层3之间的电阻发热体。从图1中省略图示的在传感器元件101的外部所配备的未图示的加热器电源，通过作为通电路径的加热器电极71、通孔73以及加热器导通部72a对加热器构件72供电而使其发热。加热器构件72由Pt形成、或者以Pt为主成分而形成。加热器构件72以在元件厚度方向上与气体流通部对置的方式埋设于传感器元件101的具备气体流通部的那侧的规定范围。加热器构件72设置成具有10μm～20μm左右的厚度。
对于传感器元件101，使电流通过加热器电极71而流向加热器构件72，由此使得加热器构件72发热，从而能够将传感器元件101的各部分加热至规定的温度并进行保温。具体而言，对传感器元件101进行加热而使得气体流通部附近的固体电解质以及电极的温度达到700℃～900℃左右。通过这样的加热而提高传感器元件101中构成基体部的固体电解质的氧离子传导性。此外，使用气体传感器100时的(传感器元件101被驱动时的)加热器构件72的加热温度称为传感器元件驱动温度。
加热器构件72的发热程度(加热器温度)通过加热器构件72的电阻值的大小(加热器电阻)进行把握。
应予说明，虽然图1中省略图示，不过，在传感器元件101的一个主面侧，出于对外侧泵电极23予以保护的目的，可以具备将外侧泵电极23被覆的电极保护层。
另外，可以为在传感器元件101的一个末端部侧(附图中左端侧)的规定范围的外周进一步具备将传感器元件101覆盖的单层或多层的多孔质层即耐热冲击保护层的方案。设置该耐热冲击保护层的目的在于：防止因气体传感器100使用时被测定气体中包含的水分附着于传感器元件101并冷凝所伴随的热冲击而在传感器元件101产生裂纹、以及防止被测定气体中混合存在的中毒物质进入传感器元件101内部。此外，还可以为在传感器元件101与耐热冲击保护层之间形成有层状的空隙(空隙层)的方案。
另外，传感器元件101以气体导入口10侧与基准气体导入空间43侧之间被气密性地密封的方式收纳于未图示的金属制的收纳部件(壳体)。上述传感器元件101和收纳部件构成气体传感器100的主体部。并且，在气体传感器100实际使用时，该主体部安装于例如发动机排气管等使用部位。另外，从收纳部件引出在内部确保与传感器元件101的各部分电连接的配线，这些配线与控制器110、各种电源等适当连接。
＜通常模式下的动作＞
在具有以上构成的气体传感器100中对NOx的浓度进行测定时，通过使主泵单元21及辅助泵单元50工作，执行使第一内部空腔20及第二内部空腔40内的氧浓度恒定的反馈控制，氧浓度恒定的被测定气体向第三内部空腔61导入，到达测定电极44。例如，被测定气体为贫燃料气氛的情况下，氧分压充分降低至实质上对NOx的测定无影响的程度(例如0.0001ppm～1ppm)的被测定气体向第三内部空腔61导入。
然后，在测定电极44，所到达的被测定气体中的NOx被还原，由此产生氧。该氧由测定泵单元41吸出，该吸出时流通的NOx电流Ip2与被测定气体中的NOx的浓度具有恒定的函数关系(以下称为灵敏度特性)。
在实际使用气体传感器100之前，预先采用NOx浓度已知的多种试样气体，确定上述灵敏度特性，并将其数据存储于控制器110。并且，在气体传感器100的实际使用时，表示与被测定气体中的NOx浓度相对应地流通的NOx电流Ip2的值的信号被时刻提供给控制器110。控制器110中，基于该值和所确定的灵敏度特性，依次运算NOx浓度，并作为NOx传感器检测值输出。据此，气体传感器100中，能够大致实时把握被测定气体中的NOx浓度。
本实施方式中，将上述的与NOx的浓度确定相关的气体传感器100的动作称为气体传感器100的通常模式下的动作。
应予说明，上述通常模式中，对主泵单元21、辅助泵单元50及测定泵单元41分别进行反馈控制时的主传感器单元80、辅助传感器单元81及测定传感器单元82中的电动势V0、V1及V2的目标值可以根据具体的传感器元件101的各部分的构成、尺寸、气体传感器100的使用状况、使用方式等来适当设定，不过，以下，作为例示的方案，假设上述电动势V0、V1及V2的目标值分别设定为250mV、385mV及400mV的情形。上述值为构成传感器元件101的氧离子传导性固体电解质为氧化锆的情况下大致以标准设定的值。
＜元件保护模式下的动作＞
假设：本实施方式所涉及的气体传感器100主要在贫燃料气氛等被测定气体中包含比较充足的氧的状况下以上述的通常模式进行动作，亦即，确定被测定气体中的NOx的浓度。
更详细而言，在气体传感器100以通常模式进行动作时，主泵单元21以使得主传感器单元80产生的电动势V0达到与作为第一内部空腔20中的氧浓度值(或者氧分压值)所期望的值相对应的规定值的方式进行工作，此时，从外部空间向第一内部空腔20导入的被测定气体中的氧浓度时刻变化，因此，主泵单元21中，能够进行氧的吸出或者吸入。
与此相对，辅助泵单元50及测定泵单元41从构成上来讲也能够进行氧的吸入，不过，作为使各泵单元工作时的控制目标值的、辅助传感器单元81中的电动势V1和测定传感器单元82中的电动势V2的设定值在NOx浓度的测定原理上以进行氧的吸出为前提进行设定。即，气体传感器100以通常模式动作时，辅助泵单元50及测定泵单元41中专门进行氧的吸出。
但是，气体传感器100未必在包含充足的氧的气氛下使用，气体传感器100的主体部安装于例如汽油发动机的排气路径而将来自该发动机的尾气作为被测定气体的情形等，也有时在气氛气体可能为空燃比较小的富燃料气体的环境下使用。这种情况下，向传感器元件101的内部导入的被测定气体也为富燃料气体。此时，主泵单元21将通过从外部吸入氧来确保第一内部空腔20内的氧浓度值。
然而，如果导入至传感器元件101内部的被测定气体中的燃料过于富集，则即便向主泵单元21施加的主泵电压Vp0增大，也无法从外部吸入与该主泵电压Vp0相对应的量的氧，有可能发生第一内部空腔20中不能实现目标的氧浓度的不能控制氧浓度的状况。不仅如此，还有可能产生如下不良情况，即，发生构成主泵单元21的固体电解质中的氧被夺走的黑化(Blackening)，导致气体传感器100不再发挥作用。
应予说明，对于上述无法很好地从外部吸入氧的状况，例如，像专利文献1所公开的气体传感器那样，越是以规定的扩散阻力对从外部空间引入氧的部位即外侧泵电极23周围的气氛气体的出入速度进行控制的情形，越容易发生。图6是概要地表示作为上述气体传感器100的一个方案的气体传感器100B的构成的一例的图。气体传感器100B在第二固体电解质层6之上还具备陶瓷层7和多孔体区域8，除此以外，具有与图1所示的气体传感器100通用的构成。多孔体区域8由气孔率为30％～60％左右的多孔质体(例如氧化铝等)设置成将外侧泵电极23覆盖且在未图示的元件宽度方向上的两个端部处露出。陶瓷层7由例如致密到与第二固体电解质层6等相同程度的陶瓷(例如氧化锆、氧化铝等)设置成将包括多孔体区域8在内的第二固体电解质层6的整个上表面覆盖。该气体传感器100B中，以多孔体区域8施加的扩散阻力，对外侧泵电极23周围的气氛气体的出入速度进行控制。
基于以上方面，本实施方式所涉及的气体传感器100在被测定气体中的燃料过于富集时，可以进行避免不能控制氧浓度的状况且对传感器元件101予以保护的元件保护模式下的动作。
该元件保护模式具有处理顺序不同的3种方式。以下，对这3种方式依次进行说明。
(第一方式)
图2是表示元件保护模式的第一方式中的动作流程的图。第一方式为如下方法，概要而言，被测定气体为燃料过于富集的气氛的情况下，将包括从外部吸入氧的吸入动作在内的气体传感器100的NOx测定动作暂时停止，由此避免传感器元件101黑化。
本方式中，首先，将气体传感器100设定为开始元件保护模式下的动作(步骤S1－1)。该设定如下实现，例如，气体传感器的使用者(操作者)通过未图示的规定的界面而对控制器110进行适当的设定指示。或者，可以将气体传感器100设定为始终以元件保护模式进行动作。
在元件保护模式开始后，基本上，在控制器110的控制下，也连续地进行与通常模式同样的NOx浓度测定。还将像这样即便在元件保护模式执行中也依然与通常模式同样地进行NOx浓度测定时的动作方式特别称为基本模式。应予说明，包括通常模式下的动作在内，有时称为基本模式下的动作。不过，当元件保护模式开始时，在该基本模式下的动作的同时，控制器110开始进行规定的判断对象值的监控(步骤S1－2)。
本方式中，判断对象值是指：作为对NOx测定动作的停止进行判断时的指标的值。具体而言，采用电动势V0的实测值。导入至第一内部空腔20的被测定气体的氧浓度小于预先规定的第一内部空腔20的目标氧浓度的情况下，为了将电动势V0保持为目标值，在主泵单元21进行氧的吸入，不过，被导入燃料过于富集的被测定气体的情况下，无法充分进行氧的吸入，电动势V0的实测值偏离目标值(大于目标值)。将容许该偏离的极限下的电动势V0的值预先设定为停止阈值。停止阈值设定为例如350mV。
继续进行判断对象值的监控，直至预先设定的规定的时间(判断时间)已经过(结束)(步骤S1－3)。判断时间设定为例如10秒左右。
然后，在判断时间已经过(结束)的时刻(步骤S1－3中为Yes)，控制器110对在该判断时间的期间内判断对象值是否超过了规定的停止阈值进行判断(步骤S1－4)。或者，可以为对判断时间结束时的判断对象值是否超过了规定的停止阈值进行判断的方式。
在判断时间内判断对象值没有超过规定的停止阈值的情况下(步骤S1－4中为No)，控制器110使其仍旧继续进行气体传感器100的测定动作(步骤S1－5)。对于该测定动作，可以将元件保护模式结束，以通常模式继续进行，也可以重新开始元件保护模式，以基本模式继续进行。
另一方面，在判断时间内判断对象值超过了规定的停止阈值的情况下(步骤S1－4中为Yes)，控制器110使主泵单元21、辅助泵单元50及测定泵单元41中的泵控制(反馈控制)停止(步骤S1－6)，进入保护执行模式。这意味着：气体传感器100中，NOx的测定动作被停止。
据此，从气体导入口10导入的被测定气体直接从第一内部空腔20经过第二内部空腔40而进入第三内部空腔61，不过，由于主泵单元21、辅助泵单元50及测定泵单元41均没有进行动作，所以为了吸入氧而施加过大的泵电压的状况得以避免。
当各泵单元的泵控制被停止时，之前被控制以达到与所期望的氧浓度相对应的规定的恒定值的主传感器单元80、辅助传感器单元81及测定传感器单元82中的电动势V0、V1及V2的实测值分别为与向第一内部空腔20、第二内部空腔40及第三内部空腔61流入的氧浓度未被调整的被测定气体的氧浓度相对应的值。将上述的泵控制被停止的状态下在各传感器单元产生的电动势特别称为OPEN电动势。
OPEN电动势与流入至各内部空腔的被测定气体的氧浓度相对应地变动，该氧浓度越大，其值越大。因此，各自的OPEN电动势可以用作表示泵控制被停止的状态下与各传感器单元对应的内部空腔中存在的被测定气体的氧浓度大小的指标。
控制器110使各泵单元中的泵控制停止，并且，开始进行上述OPEN电动势的监控(步骤S1－7)，对该OPEN电动势是否低于规定的重启阈值进行判断(步骤S1－8)。此时，可以为对至少1个传感器单元(例如主传感器单元80)中的OPEN电动势进行监控并判断与重启阈值之间的大小关系的方式。在OPEN电动势没有低于重启阈值(步骤S1－8中为No)的期间，继续进行OPEN电动势的监控。
重启阈值设定为能够判断出流入至各内部空腔的被测定气体的氧浓度增大至如下程度的值，该程度为：在OPEN电动势达到该值的阶段，即便重启各泵单元中的泵控制，也能够毫无问题地进行各泵单元中的氧的吸入或者吸出。例如，可以基于预先通过实验确定的被测定气体的空燃比与OPEN电动势值之间的对应关系(函数关系)，来设定该重启阈值。
例如汽油发动机的尾气作为被测定气体的情况下，即便在某个时机燃料过于富集的尾气作为被测定气体流入至传感器元件101的内部，由于通常该流入不是永久的，所以，经过一段时间后，尾气的氧浓度恢复至各泵单元很好地工作的程度。
在主传感器单元80中的OPEN电动势作为监控对象的情况下，重启阈值设定为450mV为优选的一例。已经预先确认:在OPEN电动势为450mV以下的情况下，第一内部空腔20的内部的气氛为化学计量组成或者贫燃料组成。
在判断为OPEN电动势低于规定的重启阈值的情况下(步骤S1－8中为Yes)，控制器110重启之前停止的泵控制动作(步骤S1－9)。即，以使得第一内部空腔20、第二内部空腔40及第三内部空腔61中的氧浓度达到所期望的值的方式对主传感器单元80、辅助传感器单元81及测定传感器单元82中的电动势V0、V1及V2的目标值分别重新设定，各泵单元再次工作，以实现上述目标值。
最终，当变为各泵单元中能够基于上述电动势V0、V1及V2的目标值而进行反馈控制的状态时，重启NOx的测定动作(步骤S1－10)。对于该测定动作，可以将元件保护模式结束，以通常模式继续进行，也可以重新开始元件保护模式，以基本模式继续进行。
像这样，本方式中，燃料过于富集的气体作为被测定气体而导入至传感器元件101内的情况下，为了避免不能控制氧浓度的状况，通过将各泵单元的动作停止而将NOx的测定暂时停止。然后，在判断为被导入的被测定气体的氧浓度恢复至能够利用泵单元进行氧的吸入的程度的时刻，通过重启泵单元的动作而将NOx的测定重启。据此，能够防止发生过量氧的吸入动作，从而对泵单元予以保护，进而，能够很好地避免在传感器元件101发生黑化。即，传感器元件101得到适当的保护。
(第二方式)
图3是表示元件保护模式的第二方式中的动作流程的图。第二方式为如下方法，概要而言，被测定气体为燃料过于富集的气氛的情况下，通过使第一内部空腔20中的目标氧浓度暂时降低来抑制主泵单元21中的过量吸入，从而继续进行NOx的测定，并且，避免传感器元件101的黑化。
该第二方式的步骤S2－1～步骤S2－5分别与第一方式中的步骤S1－1～步骤S1－5大致相同。另外，判断对象值具体地为电动势V0的实测值这一点也与第一方式相同。
不过，本方式的情况下，判断对象值用作对第一内部空腔20中的目标氧浓度的变更进行判断时的指标。更详细而言，用作对与该目标氧浓度相对应的主传感器单元80的电动势V0的目标值进行变更时的指标。应予说明，具有如下关系，即，电动势V0的目标值越大，第一内部空腔20中的目标氧浓度越小。
即，本方式的情况下，将燃料过于富集的被测定气体导入至第一内部空腔20而导致电动势V0的实测值偏离目标值时的容许该偏离的极限下的电动势V0的值预先设定为变更阈值。然后，控制器110与第一方式同样地开始元件保护模式(基本模式)(步骤S2－1)，开始进行判断对象值的监控(步骤S2－2)后，在判断时间已经过(结束)的时刻(步骤S2－3中为Yes)，对该判断时间的期间内判断对象值是否超过了规定的变更阈值进行判断(步骤S2－4)。变更阈值可以与第一方式中的停止阈值相同，也可以不同。
在判断时间内判断对象值没有超过规定的变更阈值的情况下(步骤S2－4中为No)，与第一方式同样地，控制器110使气体传感器100中的测定动作以通常模式或者元件保护模式(基本模式)仍旧继续进行(步骤S2－5)。
另一方面，在判断时间内判断对象值超过了规定的变更阈值的情况下(步骤S2－4中为Yes)，本方式中，也从基本模式进入保护执行模式。不过，本方式的情况下，控制器110将NOx浓度测定时进行的泵控制中的控制基准值相对于基本模式时(通常模式时)的值(通常的值)进行变更(步骤S2－6)。
具体而言，控制器110进行至少使主泵单元21中的作为泵控制基准的主传感器单元80的电动势V0的目标值大于通常的值(进而，大于变更阈值)的变更。例如，将电动势V0的目标值从通常模式时的值250mV变更为350mV。将该变更后的电动势V0的目标值称为变更后基准值。通过以该方式对电动势V0的目标值进行变更，使得第一内部空腔20中的目标氧浓度降低。除此以外，辅助泵单元50及测定泵单元41中的泵控制时的控制基准值也可以相对于通常模式时的值进行变更。
然后，控制器110开始基于变更后基准值而进行各泵单元的控制。即，本方式的情况下，保护执行模式中，也继续进行NOx的测定(步骤S2－7)。
通过使电动势V0的目标值为比通常的值大的变更后基准值，第一内部空腔20中的目标氧浓度降低，使得该目标氧浓度与进入至第一内部空腔20的燃料过于富集的被测定气体中的氧浓度之差小于通常模式的情形。于是，基于变更后基准值而对各泵单元进行控制的情况下，与变更前相比，为了达成目标氧浓度而需要通过主泵单元21吸入至第一内部空腔20的氧的量降低。结果，主泵单元21中的主泵电流Ip0或主泵电压Vp0的过度增大以及黑化得以抑制。
并且，第一方式的情况下，当判断对象值超过停止阈值而进入保护执行模式时，NOx的测定被停止，不过，本方式的情况下，在保护执行模式中也继续进行NOx的测定用的泵控制动作本身，因此，能够避免产生测定的空白。
不过，变更后基准值优选在不会显著发生辅助泵单元50、测定泵单元41中的泵送负担增大或NOx的测定精度降低的范围内设定。
开始基于变更后基准值的测定的同时，控制器110开始进行泵单元动作值的监控(步骤S2－8)，对泵单元动作值是否低于返回阈值进行判断(步骤S2－9)。
泵单元动作值具体地为主泵电流Ip0或主泵电压Vp0。泵单元动作值为氧的吸入量越多就越大的值。另外，返回阈值设定为能够判断出流入至各内部空腔的被测定气体的氧浓度增大至如下程度的值，该程度为：在泵单元动作值达到该值的阶段，即便使控制基准值从变更后基准值返回到通常的值，也能够毫无问题地进行各泵单元中的氧的吸入或者吸出。
只要泵单元动作值不低于返回阈值(步骤S2－9中为No)，就继续进行泵单元动作值的监控。
另一方面，在判断为泵单元动作值低于规定的返回阈值的情况下(步骤S2－9中为Yes)，控制器110使控制基准值从变更后基准值返回到通常的值(步骤S2－10)，基于该控制基准值，继续进行NOx的测定动作(步骤S2－11)。对于该测定动作，可以将元件保护模式结束，以通常模式继续进行，也可以重新开始元件保护模式，以基本模式继续进行。
像这样，本方式的情况下，燃料过于富集的气体作为被测定气体而导入至传感器元件101内的情况下，通过使第一内部空腔20中的目标氧浓度暂时降低来抑制主泵单元21中的过量吸入。然后，在判断为被导入的被测定气体的氧浓度恢复至能够利用泵单元进行氧的吸入的程度的时刻，使第一内部空腔20中的目标氧浓度复原。据此，可很好地避免：主泵电压Vp0增大至无法进行氧的吸入的程度，甚至在传感器元件101发生黑化。即，传感器元件101得到适当的保护。此外，与第一方式不同，不会使NOx浓度的测定中断。
(第三方式)
图4及图5是表示元件保护模式的第三方式中的动作流程的图。第三方式为如下方法，即，将第一方式和第二方式组合，将被测定气体为燃料过于富集的气氛时的保护执行模式下的应对根据其程度而以2个阶段进行，由此避免传感器元件101的黑化。
概要而言，被测定气体为燃料过于富集的气氛的情况下，首先，与第二方式同样地，通过使第一内部空腔20中的目标氧浓度暂时降低来抑制主泵单元21中的过量吸入，即便如此第一内部空腔20中的氧浓度也没有充分恢复的情况下，与第一方式同样地，将包括从外部吸入氧的吸入动作在内的气体传感器100中的NOx测定动作暂时停止，由此避免因主泵电压Vp0的增大所引起的黑化。
该第三方式的步骤S3－1～步骤S3－7分别与第二方式中的步骤S2－1～步骤S2－7相同。即，第三方式中，首先，与第二方式同样地，控制器110开始元件保护模式(基本模式)(步骤S3－1)，并开始进行判断对象值的监控(步骤S3－2)后，在判断时间已经过(结束)的时刻(步骤S3－3中为Yes)，对在该判断时间的期间内判断对象值是否超过了规定的变更阈值进行判断(步骤S3－4)。应予说明，本方式的情况下，判断对象值具体地也为电动势V0的实测值。
在判断时间内判断对象值没有超过规定的变更阈值的情况下(步骤S3－4中为No)，与第一及第二方式同样地，控制器110使气体传感器100中的测定动作以通常模式或者元件保护模式(基本模式)仍旧继续进行(步骤S3－5)。
另一方面，在判断时间内判断对象值超过了规定的变更阈值的情况下(步骤S3－4中为Yes)，本方式中，也从基本模式进入保护执行模式。控制器110将NOx浓度测定时进行的泵控制中的控制基准值相对于基本模式时(通常模式时)的值(通常的值)进行变更(步骤S3－6)。然后，基于变更后基准值，对各泵单元进行控制，仍旧继续进行NOx的测定(步骤S3－7)。即，以为了达成目标氧浓度而需要通过主泵单元21吸入至第一内部空腔20的氧的量降低的状态，继续进行NOx的测定。
另外，随着控制基准值的变更，开始进行泵单元动作值的监控(步骤S3－8)，在判断为泵单元动作值低于规定的返回阈值的情况下(步骤S3－9中为Yes)，控制器110使控制基准值从变更后基准值返回到通常的值(步骤S3－10)，将基于该控制基准值的NOx测定动作以通常模式或元件保护模式(基本模式)继续进行(步骤S3－11)，这一点也与第二方式相同。
另一方面，在判断为泵单元动作值未低于返回阈值的情况下(步骤S3－9中为No)，对判断对象值是否超过了规定的停止阈值进行判断(步骤S3－12)。应予说明，本方式中，停止阈值设定为比变更阈值大的值。
在判断对象值未超过停止阈值的情况下(步骤S3－12中为No)，返回步骤S3－8，重启泵单元动作值的监控，重新进行步骤S3－9以后的处理。因此，在泵单元动作值为规定的返回阈值以上而判断对象值为停止阈值以下的状况下，重复进行步骤S3－8→步骤S3－9→步骤S3－12→步骤S3－8→···这样的循环。这意味着：随着富燃料气体向传感器元件101内部导入而导致主泵单元21过度地吸入氧为与第二方式同样的能够通过使目标氧浓度降低来应对的程度的情况下，继续以该方式进行应对。
在控制基准值变更后的判断对象值超过了停止阈值的情况下(步骤S3－12中为Yes)，执行与第一方式同样的顺序。执行该顺序的意图在于：只降低目标氧浓度无法充分进行泵单元的保护的情况下，更可靠地实现该保护。
具体而言，首先，控制器110使主泵单元21、辅助泵单元50及测定泵单元41中的泵控制(反馈控制)停止(步骤S3－13)。据此，之前基于变更后基准值继续进行的气体传感器100中的NOx测定动作被停止。
控制器110进一步开始进行OPEN电动势的监控(步骤S3－14)，对该OPEN电动势是否低于规定的重启阈值进行判断(步骤S3－15)。在主传感器单元80中的OPEN电动势作为监控对象的情况下，重启阈值设定为450mV是优选的一例。在OPEN电动势没有低于重启阈值(步骤S3－15中为No)的期间，继续进行OPEN电动势的监控。
在判断为OPEN电动势低于重启阈值的情况下(步骤S3－15中为Yes)，控制器110将控制基准值重新设定为通常的值，将之前停止的泵控制动作重启(步骤S3－16)。最终，当变为各泵单元中能够进行基于电动势V0、V1及V2的反馈控制的状态时，重启通常模式或元件保护模式(基本模式)下的NOx的测定动作(步骤S3－17)。
像这样，本方式中，将第一方式和第二方式组合，根据导入至传感器元件101内部的被测定气体的燃料富集程度，对保护执行模式中的应对方法阶段性地进行切换。据此，将停止NOx测定的状况控制在最低限度，并且，燃料过于富集的被测定气体导入至传感器元件101的内部的情况下，能够很好地避免黑化的发生。
如以上所说明，根据本实施方式，即便在例如来自汽油发动机的尾气等被测定气体可能为空燃比较小的富燃料气体的环境下使用气体传感器的情况下，也能够很好地避免难以将氧吸入至内部空腔而导致在构成传感器元件的固体电解质发生黑化。据此，能够防止气体传感器因在富燃料气体气氛下使用而发生故障。
＜变形例＞
上述的实施方式中，作为判断对象值，采用电动势V0的实测值，不过，取而代之，可以为将主泵单元21中发生氧吸入时的主泵电流Ip0的值设为判断对象值的方案。该主泵电流Ip0与朝向第一内部空腔20的氧吸入量相对应地增大，因此，可以成为朝向第一内部空腔20的氧吸入程度的指标。第一方式中的停止阈值、第二及第三方式中的变更阈值根据所采用的判断对象值进行设定。
另外，通常模式及元件保护模式的基本模式中，可以以作为Ip1恒定控制的控制方式使气体传感器100进行动作，该控制方式为，以使得恒定大小的辅助泵电流Ip1流通的方式对辅助泵单元50进行控制，这种情况下，辅助泵电流Ip1的实测值可以代替电动势V0的实测值、或者与电动势V0的实测值组合使用，作为元件保护模式的保护执行模式中的判断对象值。从第一内部空腔20导入至第二内部空腔40的被测定气体中的氧浓度保持为规定值的期间，将辅助泵单元50吸出氧时的辅助泵电流Ip1保持为预先设定的恒定值，由此能够将第二内部空腔40中的氧浓度控制为规定值。然而，如果燃料过于富集的被测定气体导入至第一内部空腔20而导致无法对第一内部空腔20中的氧浓度进行调整，氧浓度较小的被测定气体进入至第二内部空腔40，则辅助泵单元50无法从第二内部空腔40吸出氧，电动势V1的实测值相对于恒定值有所上升，并且，辅助泵电流Ip1的实测值相对于所设定的恒定值有所减少。因此，辅助泵电流Ip1的实测值也可以用作判断对象值。
上述的实施方式中，气体传感器以具备内部具有3个空腔的传感器元件的情形为对象，不过，可能因燃料过于富集的被测定气体被引入传感器元件的内部而发生黑化的传感器元件的构成不限于上述的实施方式的构成。
另外，也有时将被测定气体中的监测对象成分设为除NOx以外的成分。这种情况下，即便是通常模式，也有时氧的吸入动作占主导。
总之，只要气体传感器具备具有通过电化学泵单元进行氧的吸入或吸出而使得氧浓度保持恒定的内部空腔的传感器元件，就可以将上述的第一至第三方式根据需要对应于元件构成适当地进行修改并应用，从而能够避免构成该传感器元件的固体电解质黑化。即，能够防止包含该传感器元件的气体传感器发生故障。

Claims (15)

1.一种气体传感器，其构成为能够对被测定气体中的规定气体成分进行监测，
所述气体传感器的特征在于，具备：
传感器元件，该传感器元件由氧离子传导性的固体电解质构成；以及
控制器，该控制器对所述气体传感器的动作进行控制，
所述传感器元件具备：
至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔在规定的扩散阻力之下与所述被测定气体的导入口连通，且设置有内侧电极；
空腔外泵电极，该空腔外泵电极配置于除所述至少1个内部空腔以外的部位；
基准电极，该基准电极设置成能够与基准气体接触；
所述传感器元件还具备：
至少1个电化学泵单元，该至少1个电化学泵单元构成为通过以规定的泵电源向所述内侧电极与所述空腔外泵电极之间施加泵电压而能够在对应的所述至少1个内部空腔与所述传感器元件的外部之间进行氧的吸入或吸出；以及
至少1个电化学传感器单元，该至少1个电化学传感器单元构成为在所述内侧电极与所述基准电极之间产生与对应的所述至少1个内部空腔中的氧浓度相对应的电位差，
所述控制器对作为所述至少1个电化学泵单元中包含的判断对象泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了规定的阈值进行判断，
只要所述判断对象值没有超过所述规定的阈值，就以通过使所述至少1个电化学泵单元动作而将所述至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式对所述气体传感器进行控制，
在所述判断对象值超过了所述规定的阈值的情况下，以对所述至少1个电化学泵单元予以保护而防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式对所述气体传感器进行控制。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元是否需要停止的停止阈值，
所述控制器在所述判断对象值超过了所述停止阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，
在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，
所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，
在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，
所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，
在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式，
只要所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值没有超过比所述变更阈值大的停止阈值，就继续进行所述泵单元动作值的监控，
在所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值进一步超过了所述停止阈值的情况下，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，
在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述判断对象值为与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的实测值。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述判断对象值为所述判断对象泵单元中吸入氧时的泵电流的值。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述至少1个内部空腔为依次连通的多个内部空腔，
所述内侧电极为在所述多个内部空腔分别设置的多个内侧电极，
所述至少1个电化学泵单元为多个电化学泵单元，
所述至少1个电化学传感器单元为多个电化学传感器单元，
所述判断对象值至少为所述多个电化学泵单元之一且是与所述多个内部空腔中的最靠近所述导入口的内部空腔对应设置的电化学泵单元中的氧吸入动作的指标。
8.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，
所述多个内侧电极之一为用于监测所述规定气体成分的测定电极，
所述多个电化学泵单元包括：
测定泵单元，该测定泵单元具备所述测定电极；以及
除所述测定泵单元以外的至少1个氧浓度控制泵单元，该至少1个氧浓度控制泵单元具备除所述测定电极以外的所述多个内侧电极中的任一电极，
所述多个电化学传感器单元包括：
测定传感器单元，该测定传感器单元具备所述测定电极；以及
除所述测定传感器单元以外的至少1个氧浓度监测传感器单元，该至少1个氧浓度监测传感器单元具备除所述测定电极以外的所述多个内侧电极中的任一电极，
所述控制器至少在所述基本模式中，基于所述测定泵单元中与所述规定气体成分的浓度相对应地在所述测定电极与所述空腔外泵电极之间流通的测定泵电流，确定所述规定气体成分的浓度。
9.根据权利要求8所述的气体传感器，其特征在于，
所述多个内部空腔为隔着扩散阻力部而依次连通的第一内部空腔、第二内部空腔、第三内部空腔，
除所述测定电极以外的所述多个内侧电极为设置于所述第一内部空腔的主泵电极、设置于所述第二内部空腔的辅助泵电极，
所述测定电极设置于所述第三内部空腔，
所述至少1个氧浓度控制泵单元为对所述第一内部空腔的氧浓度进行控制的主泵单元、对所述第二内部空腔的氧浓度进行控制的辅助泵单元，
所述至少1个氧浓度监测传感器单元为构成为在所述主泵电极与所述基准电极之间产生与所述第一内部空腔中的氧浓度相对应的电位差的主传感器单元、构成为在所述辅助泵电极与所述基准电极之间产生与所述第二内部空腔中的氧浓度相对应的电位差的辅助传感器单元，
所述控制器至少在所述基本模式中，以使得所述第一内部空腔和所述第二内部空腔中的氧浓度分别保持为规定的恒定值的方式使所述主泵单元及所述辅助泵单元动作，并且，基于与导入至所述第三内部空腔的氧浓度已调整的所述被测定气体中包含的所述规定气体成分的浓度相对应地流通于所述测定泵单元的所述测定泵电流的大小，确定所述规定气体成分的浓度。
10.一种气体传感器的动作方法，该气体传感器具备由氧离子传导性的固体电解质构成的传感器元件，且构成为能够对被测定气体中的规定气体成分进行监测，
所述气体传感器的动作方法的特征在于，
所述传感器元件具备：
至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔在规定的扩散阻力之下与所述被测定气体的导入口连通，且设置有内侧电极；
空腔外泵电极，该空腔外泵电极配置于除所述至少1个内部空腔以外的部位；
基准电极，该基准电极设置成能够与基准气体接触；
所述传感器元件还具备：
至少1个电化学泵单元，该至少1个电化学泵单元构成为通过以规定的泵电源向所述内侧电极与所述空腔外泵电极之间施加泵电压而能够在对应的所述至少1个内部空腔与所述传感器元件的外部之间进行氧的吸入或吸出；以及
至少1个电化学传感器单元，该至少1个电化学传感器单元构成为在所述内侧电极与所述基准电极之间产生与对应的所述至少1个内部空腔中的氧浓度相对应的电位差，
在所述传感器元件如上构成的情况下，所述气体传感器的动作方法具备判断工序，该工序中，对作为所述至少1个电化学泵单元中包含的判断对象泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了规定的阈值进行判断，
只要所述判断工序中所述判断对象值没有超过所述规定的阈值，就以通过使所述至少1个电化学泵单元动作而将所述至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式使所述气体传感器动作，
在所述判断工序中所述判断对象值超过了所述规定的阈值的情况下，以对所述至少1个电化学泵单元予以保护而防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式使所述气体传感器动作。
11.根据权利要求10所述的气体传感器的动作方法，其特征在于，
所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元是否需要停止的停止阈值，
所述判断工序中所述判断对象值超过了所述停止阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，
在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式使所述气体传感器动作。
12.根据权利要求10所述的气体传感器的动作方法，其特征在于，
所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元中施加所述泵电压时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，
所述判断工序中所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的动作，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，
在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的动作返回到所述基本模式。
13.根据权利要求10所述的气体传感器的动作方法，其特征在于，
所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，
所述判断工序中所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的动作，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，
在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的动作返回到所述基本模式，
只要所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值没有超过比所述变更阈值大的停止阈值，就继续进行所述泵单元动作值的监控，
在所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值进一步超过了所述停止阈值的情况下，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，
在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式使所述气体传感器动作。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的气体传感器的动作方法，其特征在于，
将所述判断对象值设为与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的实测值。
15.根据权利要求10至13中的任一项所述的气体传感器的动作方法，其特征在于，
将所述判断对象值设为所述判断对象泵单元中吸入氧时的泵电流的值。
CN202211703805.3A 2022-03-07 2022-12-29 气体传感器及气体传感器的动作方法 Pending CN116718661A (zh)

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