CN117043594A - 传感器元件以及气体传感器 - Google Patents

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Abstract

传感器元件(101)是用于检测被测定气体中的特定气体浓度的传感器元件，其中，该传感器元件(101)具备：元件主体(各层1～6)，其包含氧离子传导性的固体电解质层，并在内部设置有导入被测定气体并使其流通的被测定气体流通部；测定用泵单元(41)，其具有配设于被测定气体流通部中的第3内部空腔(61)的泵用测定电极(44p)，用于进行从第3内部空腔(61)泵出氧；以及V2检测传感器单元(82)，其具有配设于第3内部空腔(61)的电压用测定电极(44s)，并产生基于第3内部空腔(61)的氧浓度的电压V2。

Description

传感器元件以及气体传感器
技术领域
本发明涉及传感器元件以及气体传感器。
背景技术
以往，已知有检测汽车的废气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度的气体传感器。例如，在专利文献1中记载有一种气体传感器，其具备将多个氧离子传导性的固体电解质层层叠而成的长条的板状体形状的传感器元件。
将示意性示出这种现有例的气体传感器900的构成的一例的截面示意图示于图17。如图所示，该气体传感器900具备传感器元件901。该传感器元件901是具有层叠了氧离子传导性的固体电解质层911～916的结构的元件。在该传感器元件901中，在固体电解质层916的下表面与固体电解质层914的上表面之间形成有导入被测定气体的被测定气体流通部，在该被测定气体流通部设置有第1内部空腔920、第2内部空腔940以及第3内部空腔961。在第1内部空腔920配设有内侧泵电极922，在第2内部空腔940配设有辅助泵电极951，在第3内部空腔961配设有测定电极944。另外，在固体电解质层916的上表面配设有外侧泵电极923。另一方面，在固体电解质层913的上表面与固体电解质层914的下表面之间配设有与作为被测定气体中的特定气体浓度的检测基准的基准气体(例如大气)接触的基准电极942。由内侧泵电极922、外侧泵电极923和固体电解质层914～916构成了主泵单元921。由测定电极944、外侧泵电极923和固体电解质层914～916构成了测定用泵单元941。由测定电极944、基准电极942和固体电解质层914、913构成了测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982。由外侧泵电极923、基准电极942和固体电解质层913～916构成了Vref检测传感器单元983。由外侧泵电极923、基准电极942和固体电解质层913～916构成了基准气体调整泵单元990。在该气体传感器900中，当被测定气体被导入被测定气体流通部时，通过主泵单元921在第1内部空腔920与传感器元件的外部之间进行氧的泵出或泵入，进而在第2内部空腔940与传感器元件的外部之间进行氧的泵出或泵入，由此调整被测定气体流通部内的氧浓度。氧浓度调整后的被测定气体中的NOx在测定电极944的周围被还原。然后，对施加到测定用泵单元941的电压Vp2进行反馈控制，以使在测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982产生的电压V2成为规定的目标值，由此测定用泵单元941泵出测定电极944的周围的氧。此时基于在测定用泵单元941中流动的泵电流Ip2，检测被测定气体中的NOx的浓度。另外，基准气体调整泵单元990因在基准电极942与外侧泵电极923之间施加的电压Vp3而流通有泵电流Ip3，从而在基准电极942的周围进行氧的泵入。由此，在基准电极942周围的基准气体的氧浓度降低的情况下，能够弥补氧浓度的降低，能够抑制特定气体浓度的检测精度的降低。此外，在Vref检测传感器单元983中，在外侧泵电极923与基准电极942之间产生电压Vref。利用该电压Vref，能够检测传感器元件901的外部的被测定气体中的氧浓度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2020/004356号小册子
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在利用上述的测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982的电压V2那样的传感器单元的电压来检测被测定气体流通部的内部空腔的氧浓度的情况下，期望进一步提高氧浓度的检测精度。
本发明是为了解决这样的课题而完成的，其主要目的在于提高使用了流通部用传感器单元的传感器元件的内部空腔的氧浓度的检测精度。
用于解决课题的手段
本发明为了达成上述的主要目的，采用了以下的手段。
本发明的传感器元件是用于检测被测定气体中的特定气体浓度的传感器元件，具备：
元件主体，其包含氧离子传导性的固体电解质层，并在内部设置有导入所述被测定气体并使其流通的被测定气体流通部；
流通部用泵单元，其具有配设于所述被测定气体流通部中的内部空腔的泵用内侧电极，用于进行从所述内部空腔泵出氧或向所述内部空腔泵入氧；以及
流通部用传感器单元，其具有配设于所述内部空腔的电压用内侧电极，并产生基于所述内部空腔的氧浓度的电压。
该传感器元件具备：流通部用泵单元，其用于进行内部空腔的氧的泵出或者向内部空腔的氧的泵入；以及流通部用传感器单元，其产生基于该内部空腔的氧浓度的电压。并且，在内部空腔分别配设有构成流通部用泵单元的一部分的泵用内侧电极和构成流通部用传感器单元的一部分的电压用内侧电极。即，在该传感器元件中，在1个内部空腔分别设置有泵用内侧电极和电压用内侧电极。因此，与1个电极兼具泵用内侧电极的作用和电压用内侧电极的作用的情况(例如在图17所示的传感器元件901中，测定电极944兼作测定用泵单元941的电极和测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982的电极)不同，流通部用泵单元进行氧的泵出或泵入时的泵电流并不在电压用内侧电极中流通。因此，流通部用传感器单元的电压中不包含由泵电流产生的电压用内侧电极的电压下降量。由此，流通部用传感器元件的电压成为与内部空腔的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用了流通部用传感器元件的内部空腔的氧浓度的检测精度提高。
在该情况下，所述流通部用泵单元可以具有设置于所述被测定气体流通部以外的泵用电极，该泵用电极成为从所述内部空腔泵出氧的目的地或者向所述内部空腔泵入氧的源头。该泵用电极可以是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泵用外侧电极。另外，所述流通部用传感器单元可以具有以与所述特定气体浓度的检测的基准亦即基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的基准电极。
本发明的传感器元件可以具备调整所述被测定气体流通部中的氧浓度调整室的氧浓度的调整室用泵单元，所述内部空腔是设置于所述被测定气体流通部中的所述氧浓度调整室的下游侧的测定室，所述泵用内侧电极是配设于所述测定室的泵用测定电极，所述电压用内侧电极是配设于所述测定室的电压用测定电极，所述流通部用泵单元是进行源于所述特定气体而在所述测定室中产生的氧的泵出的测定用泵单元，所述流通部用传感器单元是产生基于所述测定室的氧浓度的电压的测定用传感器单元。由此，通过在1个测定室中分别设置泵用测定电极和电压用测定电极，从而测定用传感器单元的电压成为与测定室的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用测定用传感器单元的测定室的氧浓度的检测精度提高。测定用传感器单元的电压例如用于测定用泵单元的控制，从而影响被测定气体中的特定气体浓度的检测精度。因此，使用测定用传感器单元的测定室的氧浓度的检测精度提高，从而特定气体浓度的检测精度提高。
本发明的传感器元件可以具备测定用泵单元，所述测定用泵单元在所述被测定气体流通部中的测定室中进行源于所述特定气体而在所述测定室中产生的氧的泵出，所述内部空腔是设置于所述被测定气体流通部中的所述测定室的上游侧的氧浓度调整室，所述泵用内侧电极是配设于所述氧浓度调整室的泵用调整电极，所述电压用内侧电极是配设于所述氧浓度调整室的电压用调整电极，所述流通部用泵单元是调整所述氧浓度调整室的氧浓度的调整室用泵单元，所述流通部用传感器单元是产生基于所述氧浓度调整室的氧浓度的电压的调整室用传感器单元。由此，调整室用传感器单元的电压成为与氧浓度调整室的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用调整室用传感器单元的氧浓度调整室的氧浓度的检测精度提高。
在具备泵用调整电极和电压用调整电极的方式的本发明的传感器元件中，所述氧浓度调整室可以具有：第1内部空腔，其设置于所述被测定气体流通部；以及第2内部空腔，其设置于所述被测定气体流通部中的所述第1内部空腔的下游侧，所述泵用调整电极是配设于所述第1内部空腔的泵用主电极，所述电压用调整电极是配设于所述第1内部空腔的电压用主电极，所述调整室用泵单元是调整所述第1内部空腔的氧浓度的主泵单元，所述调整室用传感器单元为产生基于所述第1内部空腔的氧浓度的电压的第1内部空腔用传感器单元。
在具备泵用调整电极和电压用调整电极的方式的本发明的传感器元件中，所述氧浓度调整室可以具有：第1内部空腔，其设置于所述被测定气体流通部；以及第2内部空腔，其设置于所述被测定气体流通部中的比所述第1内部空腔靠下游侧的位置，所述泵用调整电极是配设于所述第2内部空腔的泵用辅助电极，所述电压用调整电极是配设于所述第2内部空腔的电压用辅助电极，所述调整室用泵单元是调整所述第2内部空腔的氧浓度的辅助泵单元，所述调整室用传感器单元是产生基于所述第2内部空腔的氧浓度的电压的第2内部空腔用传感器单元。
本发明的传感器元件可以具有：基准气体导入部，其配设于所述元件主体的内部，被导入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；以及基准气体调整泵单元，其具有以与被导入到所述基准气体导入部的所述基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的泵用基准电极，在所述泵用基准电极的周围进行氧气的泵入，所述流通部用传感器单元具有以与被导入到所述基准气体导入部的所述基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的电压用基准电极。由此，基准气体调整泵单元在泵用基准电极的周围泵入氧，从而能够弥补基准气体导入部内的基准气体的氧浓度的降低。另外，在流通部用传感器单元中，由于产生了基于基准气体与内部空腔之间的氧浓度差的电压，因此利用流通部用传感器单元的电压能够检测电压用内侧电极的周围的氧浓度。而且，在该传感器元件中，作为与基准气体导入部的基准气体接触的电极，分别设置了泵用基准电极和电压用基准电极。因此，与1个电极兼具泵用基准电极的作用和电压用基准电极的作用的情况不同，在电压用基准电极中不流通基准气体调整泵单元进行氧的泵入时的泵电流，因此在流通部用传感器单元的电压中不包含由泵电流产生的电压用基准电极的电压下降量。由此，在该传感器元件中，能够一边在基准气体导入部进行氧的泵入，一边抑制因泵入时的泵电流产生的内部空腔的氧浓度的检测精度的降低。另外，如上所述，在流通部用传感器单元的电压中也不包含电压用内侧电极的电压下降量。即，流通部用传感器单元的电压是电压用内侧电极与电压用基准电极之间的电压，该电压用内侧电极与电压用基准电极中均不流通泵电流。因此，流通部用传感器单元的电压成为与内部空腔的氧浓度以更高精度对应的值。
在该情况下，所述基准气体调整泵单元可以具有按照与所述被测定气体接触的方式配设于所述元件主体的内部或外部的泵入源电极，该泵入源电极成为向所述泵用基准电极的周围泵入氧的源头。另外，基准气体调整泵单元有时可以从泵用基准电极的周围泵出氧。
本发明的传感器元件可以具备外侧用传感器单元，该外侧用传感器单元具有配设于所述元件主体的外侧的电压用外侧电极，并产生基于所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压，所述流通部用泵单元具有配设于所述元件主体的外侧的泵用外侧电极。由此，可以基于外侧用传感器单元的电压来检测元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度。另外，在该传感器元件中，在元件主体的外侧分别配设有构成流通部用泵单元的一部分的泵用外侧电极和构成外侧用传感器单元的一部分的电压用外侧电极。即，在该传感器元件中，在元件主体的外侧分别设置有泵用外侧电极和电压用外侧电极。因此，与1个电极兼具泵用外侧电极的作用和电压用外侧电极的作用的情况不同，流通部用泵单元进行氧的泵出或泵入时的泵电流并不在电压用外侧电极中流通，因此外侧用传感器单元的电压中不包含由泵电流产生的电压用外侧电极的电压下降量。由此，外侧用传感器单元的电压成为与元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用了外侧用传感器单元的被测定气体中的氧浓度的检测精度提高。
具备调整室用泵单元的方式的本发明的传感器元件可以具备外侧用传感器单元，该外侧用传感器单元具有配设于所述元件主体的外侧的电压用外侧电极，并产生基于所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压，所述调整室用泵单元可以具有配设于所述元件主体的外侧的泵用外侧电极。换言之，在具有上述的外侧用传感器单元且流通部用泵单元具有泵用外侧电极的方式中，流通部用泵单元可以是上述的调整室用泵单元。
在具备外侧用传感器单元的方式的本发明的传感器元件中，所述外侧用传感器单元可以具有以与所述特定气体浓度的检测的基准亦即基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的基准电极。该基准电极可以是上述的电压用基准电极。
本发明的第1气体传感器具备：
上述任一方式的传感器元件；以及
流通部用泵单元控制部，其对所述流通部用泵单元进行反馈控制，以使所述流通部用传感器单元的所述电压成为目标电压，由此使该流通部用泵单元进行从所述内部空腔泵出氧或者向所述内部空腔泵入氧。
在该第1气体传感器中，如上所述使用了传感器元件的流通部用传感器单元的内部空腔的氧浓度的检测精度提高，因此通过对流通部用泵单元进行反馈控制，以使流通部用传感器单元的电压成为目标电压，从而能够将内部空腔的氧浓度高精度地调整为与目标电压对应的氧浓度。
另外，在该第1气体传感器中，在传感器元件的测定室中分别配设有上述的泵用测定电极和电压用测定电极、且流通部用泵单元控制部基于上述的测定用传感器单元的电压对测定用泵单元进行反馈控制的情况下，通过该反馈控制并基于在测定用泵单元中流通的泵电流来检测特定气体浓度，因此特定气体浓度的检测精度也提高。
在本发明的第1气体传感器中，所述流通部用泵单元控制部可以仅进行从内部空腔泵出氧和向内部空腔泵入氧中的一者。例如，在流通部用泵单元为上述的测定用泵单元的情况下，可以仅进行从测定室泵出氧。
本发明的第2气体传感器具备：
上述的调整室用泵单元具有泵用外侧电极的方式的传感器元件；
调整室用泵单元控制部，其按照所述氧浓度调整室的氧浓度成为规定的低浓度的方式控制所述调整室用泵单元，由此使该调整室用泵单元进行从所述氧浓度调整室泵出氧或向所述氧浓度调整室泵入氧；以及
氧浓度检测部，其基于所述外侧用传感器单元的所述电压来检测所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度。
在该第2气体传感器中，调整室用泵单元控制部控制调整室用泵单元，以使氧浓度调整室的氧浓度成为规定的低浓度。此时，例如在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时，调整室用泵单元控制部将调整室用泵单元使氧移动的方向切换为反方向。由此，在调整室用泵单元中流通的泵电流的方向切换为反方向。因此，若1个电极兼具泵用外侧电极的作用和电压用外侧电极的作用，则因在调整室用泵单元中流通的泵电流的方向切换为反方向时的电流变化所需的时间而使得外侧用传感器单元的电压的变化也变慢。与此相对，在本发明的气体传感器中，分别设置了泵用外侧电极和电压用外侧电极，因此外侧用传感器单元的电压不受在调整室用泵单元中流通的泵电流的变化所需的时间的影响，因此外侧用传感器单元的电压的变化不会变慢。即，在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时的外侧用传感器单元的电压的响应性难以降低。
本发明的第1气体传感器或第2气体传感器可以具备：基准气体调整部，其通过向所述基准气体调整泵单元施加反复通断的控制电压而使该基准气体调整泵单元进行向所述泵用基准电极的周围泵入氧；以及电压取得部，其在所述反复通断的控制电压断开的期间内取得所述流通部用传感器单元的所述电压。
附图说明
图1是示意性地示出第1实施方式的气体传感器100的构成的一例的截面示意图。
图2是泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的俯视图。
图3是示出控制装置95与传感器元件101的各单元的电连接关系的框图。
图4是示出耐久试验的经过时间与NO输出变化率的关系的曲线图。
图5是示出电压Vp3的时间变化的一例的说明图。
图6是示出电压Vref的时间变化的一例的说明图。
图7是第2实施方式的气体传感器200的截面示意图。
图8是第3实施方式的气体传感器300的截面示意图。
图9是第4实施方式的气体传感器400的截面示意图。
图10是第5实施方式的气体传感器500的截面示意图。
图11是示出大气连续试验的前后的电压Vref的响应时间的变化的曲线图。
图12是示出大气连续试验后的实施例2、3的电压Vref的时间变化的情形的曲线图。
图13是变形例的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的俯视图。
图14是变形例的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的俯视图。
图15是示出变形例的第4扩散速度控制部60和第3内部空腔61的局部截面图。
图16是变形例的气体传感器600的截面示意图。
图17是示意性地示出现有例的气体传感器900的构成的一例的截面示意图。
图18是示出变形例的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的局部截面图。
图19是示出变形例的泵用主电极22p和电压用主电极22s的局部截面图。
具体实施方式
[第1实施方式]
接着，使用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是示意性地示出作为本发明的第1实施方式的气体传感器100的构成的一例的截面示意图。图2是传感器元件101的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的俯视图。图3是示出控制装置95与传感器元件101的各单元的电连接关系的框图。气体传感器100具备呈长条的长方体形状的传感器元件101和控制整个气体传感器100的控制装置95。气体传感器100还具备封入固定传感器元件101的未图示的元件密封体、保护传感器元件101的前端的有底筒状的未图示的保护罩等。传感器元件101具备各单元21、41、50、80～83、90和加热器部70。
气体传感器100例如安装于内燃机的废气管等配管。气体传感器100将内燃机的废气作为被测定气体，检测被测定气体中的NOx、氨等特定气体的浓度。在本实施方式中，气体传感器100测定NOx浓度作为特定气体浓度。将传感器元件101的长度方向(图1的左右方向)作为前后方向，将传感器元件101的厚度方向(图1的上下方向)作为上下方向。另外，将传感器元件101的宽度方向(与前后方向和上下方向垂直的方向)作为左右方向。图2示出将隔离层5沿着前后左右切断时的第3内部空腔61周边的局部截面。
如图1所示，传感器元件101是具有层叠体的元件，在附图中，该层叠体从下侧依次层叠有分别由氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质层构成的第1基板层1、第2基板层2、第3基板层3、第1固体电解质层4、隔离层5和第2固体电解质层6这六个层。另外，形成这六个层的固体电解质为致密且气密的固体电解质。该传感器元件101例如通过在对与各层对应的陶瓷生片进行规定的加工和电路图案的印刷等之后，将它们层叠，进而进行烧成而一体化来制造。
在传感器元件101的头端侧(前端侧)且第2固体电解质层6的下表面与第1固体电解质层4的上表面之间，气体导入口10、第1扩散速度控制部11、缓冲空间12、第2扩散速度控制部13、第1内部空腔20、第3扩散速度控制部30、第2内部空腔40、第4扩散速度控制部60和第3内部空腔61以按该顺序依次连通的方式相邻形成。
气体导入口10、缓冲空间12、第1内部空腔20、第2内部空腔40和第3内部空腔61是以挖空了隔离层5的方式设置的传感器元件101的内部空间，该内部空间的上部由第2固体电解质层6的下表面所划分、下部由第1固体电解质层4的上表面所划分、侧部由隔离层5的侧面所划分。
第1扩散速度控制部11、第2扩散速度控制部13和第3扩散速度控制部30均设置为2条横长的(在与附图垂直的方向上开口具有长度方向)狭缝。另外，第4扩散速度控制部60设置为1条横长的(在与附图垂直的方向上开口具有长度方向)的狭缝，其是以成为与第2固体电解质层6的下表面之间的间隙的形式而形成的。需要说明的是，也将从气体导入口10到第3内部空腔61的部位称为被测定气体流通部。
传感器元件101具备基准气体导入部49，其使进行NOx浓度的测定时的基准气体从传感器元件101的外部流向基准电极42。基准气体导入部49具有基准气体导入空间43和基准气体导入层48。基准气体导入空间43是从传感器元件101的后端面向内侧方向设置的空间。基准气体导入空间43设置在第3基板层3的上表面与隔离层5的下表面之间、且侧部由第1固体电解质层4的侧面所划分的位置。基准气体导入空间43在传感器元件101的后端面开口，基准气体从该开口被导入基准气体导入空间43内。基准气体导入部49一边对从传感器元件101的外部导入的基准气体施加规定的扩散阻力，一边将其导入到基准电极42。基准气体在本实施方式中为大气。
基准气体导入层48设置在第3基板层3的上表面与第1固体电解质层4的下表面之间。基准气体导入层48例如是由氧化铝等陶瓷构成的多孔质体。基准气体导入层48的上表面的一部分在基准气体导入空间43内露出。基准气体导入层48形成为覆盖基准电极42。基准气体导入层48使基准气体从基准气体导入空间43流通到基准电极42。基准气体导入部49也可以不具备基准气体导入空间43。在该情况下，基准气体导入层48只要在传感器元件101的后端面露出即可。
基准电极42是以被第3基板层3的上表面与第1固体电解质层4夹持的方式形成的电极，如上所述，在其周围设置有与基准气体导入空间43相连的基准气体导入层48。另外，如后所述，能够使用基准电极42来测定第1内部空腔20内、第2内部空腔40内和第3内部空腔61内的氧浓度(氧分压)。
基准电极42既可以为包含具有催化活性的贵金属(例如Pt、Rh、Pd、Ru及Ir中的至少任一种)的电极，也可以为包含由至少含La、Fe及Ni的钙钛矿型导电性氧化物形成的晶相的导电性氧化物烧结体。在基准电极42包含贵金属的情况下，基准电极42优选为由包含贵金属和具有氧离子导电性的氧化物(此处为ZrO2)的金属陶瓷构成的电极。另外，基准电极42优选为多孔质体。在本实施方式中，基准电极42为Pt和ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
在被测定气体流通部中，气体导入口10是相对于外部空间开口的部位，被测定气体通过该气体导入口10从外部空间被引入传感器元件101内。第1扩散速度控制部11是对从气体导入口10被引入的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。缓冲空间12是为了将从第1扩散速度控制部11导入的被测定气体向第2扩散速度控制部13引导而设置的空间。第2扩散速度控制部13是对从缓冲空间12导入到第1内部空腔20的被测定气体赋予规定的扩散阻力的部位。被测定气体从传感器元件101外部导入到第1内部空腔20内时，由于外部空间中的被测定气体的压力变动(如果在被测定气体为汽车的废气的情况下则为排气压力的脉动)而从气体导入口10被急剧引入到传感器元件101内部的被测定气体并不是直接被导入到第1内部空腔20，而是在通过第1扩散速度控制部11、缓冲空间12、第2扩散速度控制部13消除了被测定气体的压力变动之后被导入到第1内部空腔20。由此，导入到第1内部空腔20的被测定气体的压力变动几乎为能够无视的程度。第1内部空腔20设置为用于调整通过第2扩散速度控制部13被导入的被测定气体中的氧分压的空间。通过使主泵单元21工作来调整该氧分压。
主泵单元21是由内侧泵电极22、外侧泵电极23以及被这些电极夹持的第2固体电解质层6构成的电化学泵单元，所述内侧泵电极22具有在第2固体电解质层6的下表面的、面对第1内部空腔20的大致整面设置的顶部电极部22a，所述外侧泵电极23在第2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：遍及划分出第1内部空腔20的上下的固体电解质层(第2固体电解质层6以及第1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1内部空腔20的顶面的第2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1固体电解质层4的上表面形成有底部电极部22b，并且，侧部电极部(省略图示)以连接这些顶部电极部22a和底部电极部22b的方式形成于构成第1内部空腔20的两侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)，在该侧部电极部的配设部位配设为隧道形态的结构。
内侧泵电极22是包含具有催化活性的贵金属(例如Pt、Rh、Pd、Ru及Ir中的至少任一种)的电极。内侧泵电极22还包含具有使得具有催化活性的贵金属针对特定气体的催化活性得到抑制的催化活性抑制能力的贵金属(例如Au)。由此，与被测定气体接触的内侧泵电极22的针对被测定气体中的特定气体(此处为NOx)成分的还原能力变弱。内侧泵电极22优选采用由包含贵金属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，内侧泵电极22优选为多孔质体。本实施方式中，内侧泵电极22为含1％的Au的Pt与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
与内侧泵电极22同样地，外侧泵电极23是包含具有催化活性的贵金属的电极。与内侧泵电极22同样地，外侧泵电极23也可以是由金属陶瓷构成的电极。外侧泵电极23优选为多孔质体。在本实施方式中，外侧泵电极23为Pt和ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
关于主泵单元21，对内侧泵电极22与外侧泵电极23之间施加所期望的电压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1内部空腔20内的氧向外部空间泵出，或者将外部空间的氧泵入至第1内部空腔20。
另外，为了对第1内部空腔20中的气氛中的氧浓度(氧分压)进行检测，电化学传感器单元、即V0检测传感器单元80(也称为主泵控制用氧分压检测传感器单元)由内侧泵电极22、第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3以及基准电极42构成。
通过测定V0检测传感器单元80处的电压V0而获知第1内部空腔20内的氧浓度(氧分压)。进而，对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值，从而控制泵电流Ip0。由此，第1内部空腔20内的氧浓度可以保持为规定的恒定值。电压V0是内侧泵电极22与基准电极42之间的电压。
第3扩散速度控制部30是如下部位：对在第1内部空腔20通过主泵单元21的动作控制了氧浓度(氧分压)的被测定气体施加规定的扩散阻力，将该被测定气体引导至第2内部空腔40。
第2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1内部空腔20调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第3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2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是由具有顶部电极部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外侧的适当电极即可)、以及第2固体电解质层6构成的辅助性的电化学泵单元，所述顶部电极部51a设置于第2固体电解质层6下表面的、面对第2内部空腔40的大致整面。
该辅助泵电极51以与此前的设置于第1内部空腔20内的内侧泵电极22同样的隧道形态的结构而配设于第2内部空腔40内。即，相对于构成第2内部空腔40顶面的第2固体电解质层6形成有顶部电极部51a，另外，在构成第2内部空腔40底面的第1固体电解质层4形成有底部电极部51b，并且，将这些顶部电极部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2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结构。需要说明的是，与内侧泵电极22同样，辅助泵电极51也使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。
具体而言，辅助泵电极51是包含具有催化活性的贵金属(例如Pt、Rh、Pd、Ru及Ir中的至少任一种)的电极。辅助泵电极51还包含上述的具有催化活性抑制能力的贵金属(例如Au)。辅助泵电极51优选为由包含贵金属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，辅助泵电极51优选为多孔质体。本实施方式中，辅助泵电极51为含1％的Au的Pt与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
关于辅助泵单元50，对辅助泵电极51与外侧泵电极23之间施加所期望的电压Vp1，由此能够将第2内部空腔40内的气氛中的氧向外部空间泵出，或者将氧从外部空间泵入第2内部空腔40内。
而且，为了控制第2内部空腔40内的气氛中的氧分压，电化学传感器单元、即V1检测传感器单元81(也称为辅助泵控制用氧分压检测传感器单元)由辅助泵电极51、基准电极42、第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4和第3基板层3构成。
需要说明的是，辅助泵单元50利用可变电源52进行泵送，基于由该V1检测传感器单元81检测的电压V1而对该可变电源52的电压进行控制。由此，第2内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制为：实质上对NOx的测定没有影响的较低的分压。电压V1是辅助泵电极51与基准电极42之间的电压。
另外，与此同时，将其泵电流Ip1用于对V0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V0检测传感器单元80，并对其电压V0的上述的目标值进行控制，由此将从第3扩散速度控制部30向第2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2内部空腔40内的氧浓度保持为约0.001ppm左右的恒定值。
第4扩散速度控制部60是如下部位：对在第2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，并将该被测定气体引导至第3内部空腔61。第4扩散速度控制部60承担限制向第3内部空腔61流入的NOx的量的作用。
第3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2内部空腔40中调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第4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3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3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是由泵用测定电极44p、外侧泵电极23、第2固体电解质层6、隔离层5以及第1固体电解质层4构成的电化学泵单元，所述泵用测定电极44p设置于第1固体电解质层4的上表面的、面对第3内部空腔61的位置。泵用测定电极44p是由与内侧泵电极22相比而针对被测定气体中的NOx成分的还原能力更高的材料构成的多孔质金属陶瓷电极。泵用测定电极44p还作为对第3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。
关于测定用泵单元41，能够泵出因泵用测定电极44p的周围的气氛中的氮氧化物的分解而产生的氧，并作为泵电流Ip2而对其产生量进行检测。
另外，为了检测泵用测定电极44p的周围的氧分压，电化学传感器单元、即V2检测传感器单元82(也称为测定用泵控制用氧分压检测传感器单元)由第1固体电解质层4、第3基板层3、电压用测定电极44s和基准电极42构成。基于由V2检测传感器单元82检测出的电压V2来控制可变电源46。电压V2是电压用测定电极44s与基准电极42之间的电压。
导入至第2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4扩散速度控制部60而到达第3内部空腔61内的泵用测定电极44p。泵用测定电极44p周围的被测定气体中的氮氧化物被还原(2NO→N2+O2)而产生氧。并且，该产生的氧由测定用泵单元41进行泵送，此时，控制可变电源46的电压Vp2，以使由V2检测传感器单元82检测出的电压V2为恒定(目标值)。在泵用测定电极44p周围产生的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比例，因此使用测定用泵单元41中的泵电流Ip2算出被测定气体中的氮氧化物浓度。
另外，由第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3、外侧泵电极23和基准电极42构成了电化学Vref检测传感器单元83，能够通过由该Vref检测传感器单元83得到的电压Vref来检测传感器外部的被测定气体中的氧分压。电压Vref是外侧泵电极23与基准电极42之间的电压。
进一步，由第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3、外侧泵电极23和基准电极42构成了电化学基准气体调整泵单元90。该基准气体调整泵单元90因连接在外侧泵电极23与基准电极42之间的电源电路92所施加的控制电压(电压Vp3)而流通有泵电流Ip3，由此进行氧的泵送。由此，基准气体调整泵单元90从外侧泵电极23周围的空间将氧泵入基准电极42的周围。
关于具有这种构成的气体传感器100，通过使主泵单元21与辅助泵单元50工作而将氧分压始终保持为恒定的低值(实质上对NOx的测定不产生影响的值)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的浓度大致成正比例、且由NOx的还原产生的氧被测定用泵单元41泵出而流通的泵电流Ip2而能够获知被测定气体中的NOx浓度。
进而，传感器元件101具备加热器部70，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是形成为与第1基板层1的下表面接触的方式的电极。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2基板层2和第3基板层3从上下侧夹持的方式的电阻体。加热器72经由通孔73而与加热器连接器电极71连接，通过该加热器连接器电极71从外部供电而发热，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1内部空腔20至第3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2基板层2与加热器72之间的电绝缘性、以及第3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3基板层3及基准气体大气导入层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内的温度上升的内压的上升缓和。
此处，对泵用测定电极44p和电压用测定电极44s进行详细说明。泵用测定电极44p和电压用测定电极44s相当于将图17的测定电极944分为两个电极的方式。即，图17的测定电极944兼作流通泵电流Ip2的测定用泵单元941的电极和检测电压V2的测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982的电极。与此相对，在本实施方式中，将测定用泵单元41的泵用测定电极44p和V2检测传感器单元82的电压用测定电极44s作为分别独立的电极，且均配设在第3内部空腔61。
在本实施方式中，如图2所示，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s均在俯视时呈大致四边形。电压用测定电极44s位于比泵用测定电极44p靠后侧的位置。由此，电压用测定电极44s配设于比泵用测定电极44p更靠被测定气体流通部的下游侧的位置。电压用测定电极44s的前后的长度比泵用测定电极44p小，面积也小。需要说明的是，电极的面积为从与配设有电极的面垂直的方向观察时的面积。例如，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的面积是各自俯视时的面积。
泵用测定电极44p和电压用测定电极44s均是包含具有催化活性的贵金属(例如Pt、Rh、Pd、Ru和Ir中的至少任一种)的电极。泵用测定电极44p和电压用测定电极44s中，具有上述催化活性抑制能力的贵金属的含量比内侧泵电极22和辅助泵电极51的含量少。泵用测定电极44p和电压用测定电极44s优选不含具有催化活性抑制能力的贵金属。泵用测定电极44p和电压用测定电极44s优选为由包含贵金属和具有氧离子导电性的氧化物(此处为ZrO2)的金属陶瓷构成的电极。另外，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s优选为多孔质体。关于泵用测定电极44p所含的贵金属和电压用测定电极44s所含的贵金属，其种类及含有比例均可以相同，或者其种类及含有比例中的至少任一者也可以不同。泵用测定电极44p中优选含有Rh。通过含有Rh，可以减小泵用测定电极44p的反应电阻。在本实施方式中，泵用测定电极44p为Pt、Rh和ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。另外，电压用测定电极44s不含Rh，其是Pt和ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。但是，电压用测定电极44s也可以含有Rh。例如，电压用测定电极44s中的Pt和Rh的质量比可以在100：0至30：70的范围内。
如图3所示，控制装置95具备上述的可变电源24、46、52、加热器电源78、上述的电源电路92和控制部96。控制部96是具备CPU97、未图示的RAM以及存储部98等的微处理器。存储部98例如是ROM等非易失性存储器，其是存储各种数据的装置。控制部96输入各传感器单元80～83的电压V0～V2和电压Vref。控制部96输入在各泵单元21、50、41、90中流通的泵电流Ip0～Ip3。控制部96通过向可变电源24、46、52和电源电路92输出控制信号，控制可变电源24、46、52以及电源电路92输出的电压Vp0～Vp3，由此，控制各泵单元21、41、50、90。控制部96通过向加热器电源78输出控制信号来控制加热器电源78向加热器72供给的电力，由此调整传感器元件101的温度。在存储部98存储有后述的目标值V0*、V1*、V2*、Ip1*等。
控制部96对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*(即，第1内部空腔20的氧浓度成为目标浓度)。
控制部96对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制，以使电压V1成为恒定值(称为目标值V1*)(即，第2内部空腔40的氧浓度成为实质上不会对NOx的测定产生影响的规定的低氧浓度)。与此同时，控制部96基于泵电流Ip1设定(反馈控制)电压V0的目标值V0*，使得通过电压Vp1流动的泵电流Ip1成为恒定值(称为目标值Ip1*)。由此，从第3扩散速度控制部30导入到第2内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度始终恒定。另外，第2内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制到实质上不影响NOx的测定的低分压。目标值V0*设定为使第1内部空腔20的氧浓度比0％高且低氧浓度的值。
控制部96对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制，以使电压V2为恒定值(称为目标值V2*)(即，第3内部空腔61内的氧浓度为规定的低浓度)。由此，以使因被测定气体中的特定气体(此处为NOx)在第3内部空腔61被还原而产生的氧实质上为零的方式从第3内部空腔61内泵出氧。然后，控制部96以与源于NOx而在第3内部空腔61产生的氧对应的检测值的形式取得泵电流Ip2，并基于该泵电流Ip2计算出被测定气体中的NOx浓度。目标值V2*被预先设定为使通过反馈控制后的电压Vp2而流通的泵电流Ip2成为极限电流的值。在存储部98中，作为泵电流Ip2与NOx浓度的对应关系，存储有关系式(例如一次函数的式)、映射等。这样的关系式或者映射能够预先通过实验求出。然后，控制部96基于取得的泵电流Ip2和存储在存储部98中的上述对应关系来检测被测定气体中的NOx浓度。如此，进行源于被导入到传感器元件101内的被测定气体中的特定气体的氧的泵出，基于泵出的氧量(在本实施方式中基于泵电流Ip2)检测特定气体浓度，将该方式称为极限电流方式。
控制部96以电压Vp3被施加到基准气体调整泵单元90的方式控制电源电路92，使泵电流Ip3流通。通过使泵电流Ip3流通，基准气体调整泵单元90从外侧泵电极23周边向基准电极42周边进行氧的泵入。
以下，对基准气体调整泵单元90所发挥的作用进行说明。传感器元件101中的气体导入口10等被测定气体流通部中导入有流入到上述的未图示的保护罩内的被测定气体。另一方面，基准气体(大气)被导入至传感器元件101的基准气体导入部49。而且，该传感器元件101的气体导入口10侧和基准气体导入部49的入口侧、即传感器元件101的前端侧和后端侧由上述未图示的元件密封体划分，以气体彼此不流通的方式被密封。但是，在被测定气体侧的压力高的情况下等，有时被测定气体会稍微侵入到基准气体侧，传感器元件101的后端侧的周围的基准气体的氧浓度降低。此时，如果降低到基准电极42的周围的氧浓度，则基准电极42的电位、即基准电位发生变化。上述的各传感器单元80～83的电压V0～V2、Vref均是以基准电极42的电位为基准的电压，因此，若基准电位发生变化，则被测定气体中的NOx浓度的检测精度有时会降低。基准气体调整泵单元90发挥抑制这样的检测精度降低的作用。控制装置95控制电源电路92，将作为电压Vp3而在规定的周期(例如10msec)反复通断的脉冲电压施加于基准气体调整泵单元90的基准电极42与外侧泵电极23之间。通过电压Vp3在基准气体调整泵单元90中流通泵电流Ip3，由此从外侧泵电极23周边向基准电极42周边泵入氧。由此，在如上所述被测定气体使基准电极42的周围的氧浓度降低的情况下，能够补充减少的氧，能够抑制NOx浓度的检测精度的降低。
需要说明的是，包括图3所示的可变电源24、46、52、加热器电源78以及电源电路92等在内，控制装置95实际上经由在传感器元件101内形成的未图示的引线以及在传感器元件101的后端侧形成的未图示的连接器电极(在图1中仅示出加热器连接器电极71)，与传感器元件101内部的各电极连接。
对气体传感器100检测被测定气体中的NOx浓度时控制部96所进行的处理进行说明。首先，控制部96的CPU97开始传感器元件101的驱动。具体而言，CPU97向加热器电源78发送控制信号，而通过加热器72对传感器元件101进行加热。然后，CPU97将传感器元件101加热至规定的驱动温度(例如800℃)。接着，CPU97开始控制上述各泵单元21、41、50、90、从上述各传感器单元80～83取得各电压V0～V2、Vref。在该状态下，被测定气体从气体导入口10被导入时，被测定气体通过第1扩散速度控制部11、缓冲空间12及第2扩散速度控制部13，到达第1内部空腔20。接着，在第1内部空腔20及第2内部空腔40中，被测定气体的氧浓度由主泵单元21及辅助泵单元50进行调整，调整后的被测定气体到达第3内部空腔61。然后，CPU97基于所取得的泵电流Ip2和存储在存储部98中的对应关系，检测出被测定气体中的NOx浓度。
此处，气体传感器100的传感器元件101具备：测定用泵单元41，其用于如上所述地进行从第3内部空腔61泵出氧；以及V2检测传感器单元82，其产生基于该第3内部空腔61的氧浓度的电压V2。并且，在第3内部空腔61分别配设有构成测定用泵单元41的一部分的泵用测定电极44p、以及构成V2检测传感器单元82的一部分的电压用测定电极44s。即，在本实施方式的传感器元件101中，在1个第3内部空腔61中分别设置有泵用测定电极44p和电压用测定电极44s。因此，与1个电极兼具泵用测定电极44p的作用和电压用测定电极44s的作用的情况(例如在图17所示的传感器元件901中，测定电极944兼作测定用泵单元941的电极和测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982的电极)不同，在电压用测定电极44s中不流通测定用泵单元41进行氧的泵出时的泵电流Ip2。因此，电压V2中不包含由泵电流Ip2引起的电压用测定电极44s的电压下降量。由此，V2检测传感器单元82的电压V2是与第3内部空腔61的氧浓度以更高精度对应的值。更具体而言，电压V2是与基于电压用测定电极44s的周围与基准电极42的周围的氧浓度差的电动势以更高精度对应的值。因此，使用了V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度提高。
另外，电压V2如上所述被用于测定用泵单元41的控制，因此使用了V2检测传感器单元82的氧浓度的检测精度与使用了例如V0检测传感器单元80或V1检测传感器单元81的氧浓度的检测精度相比，被测定气体中的NOx浓度对检测精度的影响大。因此，通过提高使用了V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度，NOx浓度的检测精度提高。
需要说明的是，如现有例的传感器元件901那样泵用测定电极44p和电压用测定电极44s并不独立而为1个测定电极944的情况下，测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982的电压V2中，除了基于测定电极944的周围与基准电极942的周围之间的氧浓度差的电动势之外，还包含测定用泵单元941的泵电流Ip2乘以测定电极944的电阻而得到的值(电压下降量)。而且，关于测定电极944的电压下降的大小，在制造多个传感器元件901时，因测定电极944的制造偏差(例如厚度、气孔率、表面积的形态等的偏差)的影响，有时每个传感器元件901会产生个体差异。因此，对于传感器元件901而言，有时基于电压V2进行的第3内部空腔961的氧浓度的检测的检测精度也在每个传感器元件901中产生偏差。与此相对，对于本实施方式的传感器元件101而言，在电压用测定电极44s中不流通泵电流Ip2，因此不会产生电压用测定电极44s处的电压下降，因此即使在多个传感器元件101中有电压用测定电极44s的制造偏差，基于电压V2进行的第3内部空腔61的氧浓度的检测的检测精度也不易产生偏差。
另外，如上所述，控制部96通过按照V2检测传感器单元82的电压V2成为目标电压(目标值V2*)的方式对测定用泵单元41进行反馈控制，使测定用泵单元41进行从第3内部空腔61泵出氧。而且，如上所述，在本实施方式的传感器元件101中，使用了V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度提高，因此通过进行上述的反馈控制以使电压V2成为目标值V2*，能够将第3内部空腔61的氧浓度高精度地调整为与目标值V2*对应的氧浓度。另外，通过该反馈控制并基于在测定用泵单元41中流通的泵电流Ip2检测NOx浓度，因此NOx浓度的检测精度也提高。
通过分别配设泵用测定电极44p和电压用测定电极44s，也能够抑制NOx浓度的检测精度伴随气体传感器100的使用而降低(以下称为“检测精度的劣化”)。对其理由进行说明。如图17所示，在现有例的传感器元件901中，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s并未被区分开，而是配设了1个测定电极944。在该情况下，如上所述，在电压V2中，除了基于测定电极944的周围与基准电极942的周围的氧浓度差的电动势以外，还包含起因于泵电流Ip2的测定电极944处的电压下降量。因此，在以使电压V2成为目标值V2*的方式控制测定用泵单元941时，电压下降量越大，上述的电动势越减小。换言之，即使对测定用泵单元941进行相同的控制，电压下降量越大，测定电极944的周围与基准电极942的周围的氧浓度差也越小，测定电极944的周围的氧浓度也就越接近基准气体的氧浓度。即，测定电极944周围的氧浓度比作为目标的低浓度高。此处，测定电极944中的贵金属有时因泵电流Ip2的流通而氧化。例如在测定电极944中包含Pt和Rh的情况下，有时它们的一部分氧化而成为PtO、PtO2和Rh2O3。特别是测定电极944周围的氧浓度越高，越容易发生这样的贵金属的氧化。氧化后的贵金属与氧化前相比容易蒸发，因此随着气体传感器900的使用，测定电极944中的贵金属减少，测定电极944的催化活性降低。即，测定电极944劣化。测定电极944的催化活性降低时，测定电极944的反应电阻变大。另外，当测定电极944的反应电阻变大时，电压下降量进一步变大，因此基于电压V2控制测定用泵单元941时的测定电极944的周围的氧浓度进一步变高，测定电极944进一步劣化，反应电阻变大。当测定电极944的反应电阻变大时，泵电流Ip2无法达到极限电流，泵电流Ip2减少，泵电流Ip2从与NOx浓度对应的正确的值偏离，因此，NOx浓度的检测精度降低。基于这样的理由，图17的气体传感器900的NOx浓度的检测精度随着使用而劣化。与此相对，在本实施方式中，由于电压用测定电极44s中不流通泵电流Ip2，因此电压用测定电极44s难以劣化。另外，即使电压用测定电极44s劣化，也不流通泵电流Ip2，因此不产生电压下降。由此，即使长时间使用气体传感器100，基于电压V2进行的第3内部空腔61的氧浓度的检测的检测精度也难以降低，因此即使长时间使用气体传感器100，泵用测定电极44p的周围的氧浓度也不易变高。因此，泵用测定电极44p的劣化(催化活性的降低)被抑制，NOx浓度的检测精度的劣化被抑制。
需要说明的是，在电压V2中，除了上述的基于电压用测定电极44s的周围与基准电极42的周围的氧浓度差的电动势以外，还包含电压用测定电极44s的热电动势。因此，为了进一步提高使用了V2检测传感器单元82的氧浓度的检测精度，优选减小电压用测定电极44s的热电动势。通过减小电压用测定电极44s的热电动势，上述泵用测定电极44p的劣化也被进一步抑制，NOx浓度的检测精度的劣化也被进一步抑制。例如，通过使电压用测定电极44s的面积尽可能小，能够减小电压用测定电极44s内的温度偏差，因此能够减小电压用测定电极44s的热电动势。由于电压用测定电极44s不流通泵电流Ip2，因而电阻值也可以较大，因此与泵用测定电极44p相比，容易减小面积。在本实施方式中，如上所述，使电压用测定电极44s的面积小于泵用测定电极44p的面积，因而能够使电压用测定电极44s的热电动势比较小。
泵用测定电极44p和电压用测定电极44s优选在彼此不接触(不导通)的范围内尽量靠近地配置。由此，使用电压用测定电极44s测定的电压V2成为与泵用测定电极44p周边的氧浓度以更高精度对应的值，因此，NOx浓度的测定精度提高。在本实施方式中，如图2所示，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s前后相邻，由此两者尽量靠近地配置。
电压用测定电极44s优选如图2所示配置于与泵用测定电极44p相比更靠被测定气体的下游侧。由此，可基于电压V2来检测泵用测定电极44p周边的氧因泵电流Ip2而被泵出后的被测定气体中的氧浓度。因此，在如上对测定用泵单元41进行反馈控制以使电压V2成为目标值V2*的情况下，能够将第3内部空腔61的氧浓度高精度地调整为与目标值V2*对应的氧浓度。
如下，调查了NOx浓度的检测精度伴随着上述气体传感器的使用而变化的情况。首先，制作图1～图3所示的本实施方式的传感器元件101及气体传感器100，作为实施例1。泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的面积比为5：1。另外，除了不具备泵用测定电极44p和电压用测定电极44s而具备图17的测定电极944这一点以外，制作与实施例1相同的气体传感器，作为比较例1。在比较例1中，测定电极944构成测定用泵单元41及V2检测传感器单元82各自的一部分。实施例1的泵用测定电极44p和比较例1的测定电极944为相同材质。实施例1的电压用测定电极44s不含Rh，除此之外，采用与泵用测定电极44p相同的材质。
对实施例1及比较例1进行使用了柴油发动机的耐久试验，对NOx浓度的检测精度的劣化程度进行了评价。首先，将实施例1的气体传感器安装于模型气体装置。然后，对加热器72通电使温度为800℃，对传感器元件101进行加热。调整为利用控制部96控制上述各泵单元21、41、50、从上述各传感器单元80～83取得各电压V0、V1、V2、Vref的状态。调整为控制部96不进行基准气体调整泵单元90的控制的状态。在该状态下，使基础气体为氮、NO浓度为1500ppm的第1模型气体流入到模型气体装置，待泵电流Ip2稳定为止。测定稳定后的泵电流Ip2作为气体传感器对NO的输出的初始值Ia。接着，如下进行耐久试验。首先，将实施例1的气体传感器安装于汽车的废气管的配管。然后，反复进行以发动机转速为1500～3500rpm的范围、负荷扭矩为0～350N·m的范围构成的40分钟的运转模式，直到经过500小时为止。需要说明的是，此时的气体温度为200℃～600℃，NOx浓度为0～1500ppm。在该500小时的期间，持续进行由控制部96进行的上述各泵单元的控制以及各电压的取得。然后，在经过500小时后，暂时将气体传感器从废气管取下而安装在模型气体装置，利用与初始值Ia相同的方法测定泵电流Ip2的值，得到500小时经过后的值Ib。然后，设500小时经过后的NO输出变化率＝[1-(Ib/Ia)]×100％，导出了实施例1的气体传感器的500小时经过后的泵电流Ip2的NO输出变化率[％]。同样地，反复进行500小时的耐久试验和其后的值Ib的测定，分别导出耐久试验的经过时间的合计为1000小时、1500小时、2000小时、2500小时、3000小时时的NO输出变化率。关于比较例1的气体传感器，也同样地导出初始值Ia和耐久试验的经过时间为3000小时为止的NO输出变化率。
图4是示出实施例1和比较例1中的上述耐久试验的经过时间与NO输出变化率的关系的图。实施例1和比较例1均以经过时间为0小时时的初始值Ia为基准(＝NO输出变化率为0％)而示出了NO输出变化率。NO输出变化率的绝对值越小，意味着泵电流Ip2相对于耐久试验后的NO的变化越少，NOx浓度的检测精度的劣化越得到抑制。需要说明的是，在图4中示出了针对实施例1和比较例1分别对5根气体传感器进行上述耐久试验的结果，作为NO输出变化率的值而图示了5根气体传感器的平均值。另外，关于耐久试验的经过时间的合计为500小时～3000小时时的NO输出变化率，在图4中也图示了5根气体传感器中的最大值及最小值。如图4所示，分别配设有泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的实施例1与代替这些电极而配设有测定电极944的比较例1相比，NOx浓度的检测精度的劣化得到抑制。这被认为是因为：基于上述理由，与比较例1的测定电极944相比，实施例1的泵用测定电极44p更能够抑制耐久试验时的电极的劣化。
需要说明的是，在电压V2中，除了上述的基于电压用测定电极44s的周围与基准电极42的周围的氧浓度差的电动势、以及电压用测定电极44s的热电动势之外，还包含基准气体调整泵单元90的泵电流Ip3乘以基准电极42的电阻得到的值(电压下降量)。换言之，基准电极42的电位、即基准电位因与在基准电极42中流通的泵电流Ip3相应地产生的基准电极42的电压下降量的大小而发生变化，由此电压V2也发生变化。对此进行说明。图5是示出电压Vp3的时间变化的一例的说明图。图6是示出电压Vref的时间变化的一例的说明图。当图5的脉冲电压作为电压Vp3被施加在基准电极42与外侧泵电极23之间时，基准电极42与外侧泵电极23之间的电压Vref如图6的波形那样变化。即，电压Vp3的脉冲电压变为导通时，电压Vref随之逐渐上升；电压Vp3的脉冲电压变为断开时，电压Vref随之逐渐下降，在脉冲电压即将下一次变为导通之前电压Vref变为最小值。电压Vref如此变化的原因在于：电压Vref中包含由在基准电极42流通的泵电流Ip3引起的电压下降量。即，泵电流Ip3与图6的波形同样地因脉冲电压反复上升和下降，因此基准电极42的电压下降量的大小也根据泵电流Ip3变动，电压Vref如图6的波形那样变动。在图6中，将电压Vref本来的值(基于基准电极42的周围与外侧泵电极23的周围的氧浓度差的电压)作为基准电压Vrefb示出。在电压Vref和基准电压Vrefb之差亦即残留电压DVref中包含基准电极42的电压下降量。该残留电压DVref越小时，由泵电流Ip3引起的基准电极42的电位的变化越小，由基准电极42的电位的变化引起的电压V2的变化也越小。因此，优选控制部96在电压Vp3截止的期间取得电压V2，更优选在电压Vp3截止的期间中在残留电压DVref尽量小的时机取得电压V2。由此，能够抑制泵电流Ip3引起的第3内部空腔61的氧浓度的测定精度的降低，电压V2成为与第3内部空腔61的氧浓度以更高精度对应的值。另外，如果控制部96基于在这样的时机取得的电压V2对测定用泵单元41进行反馈控制，则能够将第3内部空腔61的氧浓度高精度地调整为与目标值V2*对应的氧浓度。
残留电压DVref尽量小的时机具体可以是以下的期间中的任一时机。具体而言，首先，将电压Vp3通断的1次周期中的电压Vref的值的最大值设为100％、将最小值设为0％。然后，将从电压Vp3断开且电压Vref变为10％以下起到电压Vref因下一周期的电压Vp3的导通而开始上升为止的期间作为残留电压DVref较小的期间。优选控制部96在该期间中的任一时机取得电压V2。另外，更优选控制部96在电压Vp3通断的1次周期中在残留电压DVref成为最小值DVrefmin(参照图6)的时机取得电压V2。如图6的波形那样，在电压Vp3断开的期间中(电压Vp3下一次导通为止)电压Vref稳定的情况下，控制部96在电压Vref稳定的期间的任一时机取得电压V2即可。由此，控制部96能够在残留电压DVref成为最小值DVrefmin的时机取得电压V2。另一方面，在电压Vp3断开的期间中电压Vref不稳定的情况下，在电压Vp3为断开的期间且即将下一次导通之前的时机，残留电压DVref成为最小值DVrefmin，因此，优选控制部96在该时机取得电压V2。控制部96取得电压V2的时机可以基于电压Vp3的通断的周期、由电压Vp3引起的泵电流Ip3以及电压Vref的时间变化的波形等预先通过实验确定。
需要说明的是，为了便于说明，图6中示出了基础电压Vrefb恒定的情况、即外侧泵电极23周边的被测定气体中的氧浓度恒定的情况的电压Vref的波形。实际上，基础电压Vrefb会根据外侧泵电极23周边的被测定气体中的氧浓度而变化，因此电压Vref也会根据基础电压Vrefb的变动而变化。
关于电压V0、V1、Vref，与电压V2同样地受到泵电流Ip3的影响。因此，关于控制部96取得电压V0、V1、Vref，与电压V2同样地，优选在电压Vp3断开的期间进行，更优选在上述残留电压DVref较小的期间进行，进一步优选在电压Vref稳定的期间的任一时机进行、或者在断开的期间且即将下一次导通之前的时机进行。另外，关于控制部96取得泵电流Ip0～Ip3，也与电压V2同样地，优选在电压Vp3断开的期间进行，更优选在上述残留电压DVref较小的期间进行，进一步优选在电压Vref稳定的期间的任一时机进行、或者在断开的期间且即将下一次导通之前的时机进行。在本实施方式中，控制部96在电压Vp3断开的期间且即将下一次导通之前的时机进行电压V0、V1、V2、Vref和泵电流Ip0～Ip3的取得。
此处，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系。本实施方式的第1基板层1、第2基板层2、第3基板层3、第1固体电解质层4、隔离层5及第2固体电解质层6相当于本发明的元件主体，第3内部空腔61相当于内部空腔及测定室，泵用测定电极44p相当于泵用内侧电极及泵用测定电极，测定用泵单元41相当于流通部用泵单元及测定用泵单元，电压用测定电极44s相当于电压用内侧电极及电压用测定电极，V2检测传感器单元82相当于流通部用传感器单元及测定用传感器单元。另外，第1内部空腔20及第2内部空腔40相当于氧浓度调整室，主泵单元21及辅助泵单元50相当于调整室用泵单元。控制部96相当于流通部用泵单元控制部。外侧泵电极23相当于流通部用泵单元的泵用电极以及泵用外侧电极。基准电极42相当于基准电极。
根据以上详述的本实施方式的气体传感器100，在传感器元件101中，在1个第3内部空腔61分别设置有泵用测定电极44p和电压用测定电极44s。因此，电压V2中不包含由泵电流Ip2引起的电压用测定电极44s的电压下降量。由此，使用了V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度提高。另外，电压V2用于测定用泵单元41的控制，因此例如与电压V0、V1相比，被测定气体中的NOx浓度对检测精度的影响较大。因此，通过提高使用了V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度，NOx浓度的检测精度进一步提高。
进而，控制部96通过对测定用泵单元41进行反馈控制以使电压V2成为目标值V2*，从而使测定用泵单元41进行从第3内部空腔61泵出氧。并且，如上所述，通过分别配设泵用测定电极44p和电压用测定电极44s，使用了传感器元件101的V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度提高，因此通过进行上述的反馈控制，能够将第3内部空腔61的氧浓度高精度地调整为与目标值V2*对应的氧浓度。另外，基于通过该反馈控制而在测定用泵单元41中流通的泵电流Ip2来检测NOx浓度，因此NOx浓度的检测精度也得以提高。
在上述的实施方式中，在第3内部空腔61分别配设泵用测定电极44p和电压用测定电极44s，但不限于此。关于配设于被测定气体流通部中的内部空腔的电极，只要是在相同的内部空腔内分开配设泵用内侧电极和电压用内侧电极的方式即可。例如，可以代替图1的辅助泵电极51而如图7所示那样在第2内部空腔40配设泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s。关于该情况，在后述的第2实施方式中进行说明。另外，可以代替图1的内侧泵电极22，如图8所示那样在第1内部空腔20配设泵用主电极22p以及电压用主电极22s。关于该情况，在后述的第3实施方式中进行说明。
[第2实施方式]
图7是示意性地示出第2实施方式的气体传感器200的构成的一例的截面示意图。气体传感器200的传感器元件201具备泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s来代替图1的辅助泵电极51。另外，传感器元件201具备1个测定电极44来代替具备图1的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s。测定电极44兼作测定用泵单元41的电极和V2检测传感器单元82的电极。泵用辅助电极51p构成辅助泵单元50的一部分，泵电流Ip1在泵用辅助电极51p中流通。电压用辅助电极51s构成V1检测传感器单元81的一部分，电压用辅助电极51s与基准电极42之间的电压为电压V1。泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s均与辅助泵电极51同样地为隧道形态的结构。电压用辅助电极51s配置于比泵用辅助电极51p更靠被测定气体流通部的下游侧的位置。电压用辅助电极51s的前后的长度小于泵用辅助电极51p，由此，电压用辅助电极51s的面积小于泵用辅助电极51p的面积。泵用辅助电极51p以及电压用辅助电极51s的材质与第1实施方式的辅助泵电极51相同。但是，泵用辅助电极51p所含的贵金属和电压用辅助电极51s所含的贵金属的种类和含有比例中的至少任一者可以不同。
除此之外，气体传感器200与第1实施方式的气体传感器100相同。例如，与第1实施方式同样地，控制部96对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制，以使电压V1成为目标值V1*，由此在辅助泵单元50流通泵电流Ip1。
此处，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系中的特别是与第1实施方式不同的对应关系。本实施方式的第2内部空腔40相当于内部空腔、氧浓度调整室以及第2内部空腔，泵用辅助电极51p相当于泵用内侧电极、泵用调整电极以及泵用辅助电极，辅助泵单元50相当于流通部用泵单元、调整室用泵单元以及辅助泵单元，电压用辅助电极51s相当于电压用内侧电极、电压用调整电极以及电压用辅助电极，V1检测传感器单元81相当于流通部用传感器单元、调整室用传感器单元以及第2内部空腔用传感器单元。另外，第3内部空腔61相当于测定室，控制部96相当于流通部用泵单元控制部。外侧泵电极23相当于流通部用泵单元的泵用电极及泵用外侧电极。
在以上详述的本实施方式的气体传感器200中，在传感器元件201中，泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s分别设置在1个第2内部空腔40。由此，能够得到与在上述第1实施方式中分别设置泵用测定电极44p和电压用测定电极44s所带来的效果相同的效果。例如，在电压用辅助电极51s中不流通泵电流Ip1，因此在电压V1中不包含由泵电流Ip1引起的电压用辅助电极51s的电压下降量。由此，V1检测传感器单元81的电压V1成为与第2内部空腔40的氧浓度以更高精度对应的值。更具体而言，电压V1成为与基于电压用辅助电极51s的周围与基准电极42的周围的氧浓度差的电动势以更高精度对应的值。因此，使用了V1检测传感器单元81的第2内部空腔40的氧浓度的检测精度提高。另外，在多个传感器元件201中，即使有电压用辅助电极51s的制造偏差，基于电压V1的第2内部空腔40的氧浓度的检测精度也不易产生偏差。
另外，控制部96对辅助泵单元50进行反馈控制，以使电压V1成为目标值V1*，从而使辅助泵单元50进行从第2内部空腔40泵出氧或者向第2内部空腔40泵入氧。由此，能够将第2内部空腔40的氧浓度高精度地调整为与目标值V1*对应的氧浓度。另外，即使长期使用传感器元件201，基于电压V1的第2内部空腔40的氧浓度的检测精度也难以降低，因此即使长期使用传感器元件201，泵用辅助电极51p的周围的氧浓度也不易变高。因此，泵用辅助电极51p的劣化(催化活性的降低)得到抑制。
[第3实施方式]
图8是示意性地示出第3实施方式的气体传感器300的构成的一例的截面示意图。气体传感器300的传感器元件301具备泵用主电极22p和电压用主电极22s来代替图1的内侧泵电极22。另外，与传感器元件201同样地，传感器元件301具备1个测定电极44来代替图1的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s。泵用主电极22p构成主泵单元21的一部分，泵电流Ip0在泵用主电极22p中流通。电压用主电极22s构成V0检测传感器单元80的一部分，电压用主电极22s与基准电极42之间的电压为电压V0。泵用主电极22p和电压用主电极22s均与内侧泵电极22同样地为隧道形态的结构。电压用主电极22s配设于比泵用主电极22p更靠被测定气体流通部的下游侧的位置。电压用主电极22s的前后的长度小于泵用主电极22p，由此电压用主电极22s的面积小于泵用主电极22p的面积。泵用主电极22p以及电压用主电极22s的材质与第1实施方式的内侧泵电极22相同。但是，泵用主电极22p所含的贵金属和电压用主电极22s所含的贵金属的种类以及含有比例中的至少任一者可以不同。
除此之外，气体传感器300与第1实施方式的气体传感器100相同。例如，与第1实施方式同样地，控制部96对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*，由此在主泵单元21中流通有泵电流Ip0。
此处，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系中的特别是与第1实施方式不同的对应关系。本实施方式的第1内部空腔20相当于内部空腔、氧浓度调整室以及第1内部空腔，泵用主电极22p相当于泵用内侧电极、泵用调整电极以及泵用主电极，主泵单元21相当于流通部用泵单元、调整室用泵单元以及主泵单元，电压用主电极22s相当于电压用内侧电极、电压用调整电极以及电压用主电极，V0检测传感器单元80相当于流通部用传感器单元、调整室用传感器单元以及第1内部空腔用传感器单元。另外，第3内部空腔61相当于测定室，控制部96相当于流通部用泵单元控制部。外侧泵电极23相当于流通部用泵单元的泵用电极及泵用外侧电极。
在以上详述的本实施方式的气体传感器300中，在传感器元件301中，主电极22p和电压用主电极22s分别设置在1个第1内部空腔20。由此，能够得到与在上述第1实施方式中分别设置泵用测定电极44p和电压用测定电极44s所带来的效果相同的效果。例如，在电压用主电极22s中不流通泵电流Ip0，因此在电压V0中不包含由泵电流Ip0引起的电压用主电极22s的电压下降量。由此，V0检测传感器单元80的电压V0成为与第1内部空腔20的氧浓度以更高精度对应的值。更具体而言，电压V0成为与基于电压用主电极22s的周围与基准电极42的周围的氧浓度差的电动势以更高精度对应的值。因此，使用了V0检测传感器单元80的第1内部空腔20的氧浓度的检测精度提高。另外，在多个传感器元件301中，即使有电压用主电极22s的制造偏差，基于电压V0进行的第1内部空腔20的氧浓度的检测的检测精度也不易产生偏差。
另外，控制部96对主泵单元21进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*，从而使主泵单元21进行从第1内部空腔20泵出氧或者向第1内部空腔20泵入氧。由此，能够将第1内部空腔20的氧浓度高精度地调整为与目标值V0*对应的氧浓度。另外，即使长期使用传感器元件301，基于电压V0进行的第1内部空腔20的氧浓度的检测的检测精度也难以降低，因此即使长期使用传感器元件301，泵用主电极22p的周围的氧浓度也不易变高。因此，泵用主电极22p的劣化(催化活性的降低)得到抑制。
[第4实施方式]
图9是示意性地示出第4实施方式的气体传感器400的构成的一例的截面示意图。与传感器元件101同样地，气体传感器400的传感器元件401在第3内部空腔61具备泵用测定电极44p以及电压用测定电极44s，还具备泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s来代替图1的基准电极42。泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s分别以与导入到基准气体导入部49的基准气体接触的方式配设在传感器元件401的内部。在本实施方式中，泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s与基准电极42同样地被基准气体导入层48覆盖。泵用基准电极42p构成基准气体调整泵单元90的一部分，泵电流Ip3在泵用基准电极42p中流通。电压用基准电极42s构成传感器单元80～83各自的一部分。因此，内侧泵电极22与电压用基准电极42s之间的电压为电压V0，辅助泵电极51与电压用基准电极42s之间的电压为电压V1，泵用测定电极44p与电压用基准电极42s之间的电压为电压V2，外侧泵电极23与电压用基准电极42s之间的电压为电压Vref。与图2所示的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s同样地，泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s均在俯视时呈大致四边形。电压用基准电极42s位于比泵用基准电极42p更靠后侧的位置。电压用基准电极42s的前后的长度小于泵用基准电极42p，面积也小于泵用基准电极42p。需要说明的是，泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s的面积是各自俯视时的面积。泵用基准电极42p和电压用基准电极42s的材质与第1实施方式的基准电极42相同。但是，在泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s包含贵金属的情况下，泵用基准电极42p所含的贵金属与电压用基准电极42s所含的贵金属的种类以及含有比例中的至少任一者可以不同。
除此之外，气体传感器400与第1实施方式的气体传感器100相同。例如，控制部96控制电源电路92，对基准气体调整泵单元90施加反复通断的电压Vp3，由此使基准气体调整泵单元90进行向泵用基准电极42p的周围泵入氧。另外，在电压Vp3断开的期间且即将下一次导通之前的时机，控制部96进行电压V0、V1、V2、Vref以及泵电流Ip0～Ip3的取得。由基准气体调整泵单元90泵入到泵用基准电极42p的周围的氧经由基准气体导入层48还到达电压用基准电极42s的周围。因此，即使将泵用基准电极42p和电压用基准电极42s分别设置在基准气体导入部49，在电压用基准电极42s的周围的氧浓度降低的情况下，也能够通过基准气体调整泵单元90来补充减少的氧。因此，在被测定气体使电压用基准电极42s的周围的氧浓度降低了的情况下，能够抑制电压用基准电极42s的电位亦即基准电位的变化，因此，能够与第1实施方式同样地通过基准气体调整泵单元90来抑制电压V0～V2、Vref的检测精度的降低。因此，也能够抑制NOx浓度的检测精度降低。
此处，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系中的特别是与第1实施方式不同的对应关系。本实施方式的基准气体导入部49相当于本发明的基准气体导入部，泵用基准电极42p相当于泵用基准电极，基准气体调整泵单元90相当于基准气体调整泵单元，电压用基准电极42s相当于电压用基准电极。另外，外侧泵电极23相当于泵入源电极，控制部96相当于基准气体调整部以及电压取得部。
在以上详述的本实施方式的气体传感器400中，基准气体调整泵单元90将氧泵入到泵用基准电极42p的周围，从而能够弥补基准气体导入部49内的基准气体的氧浓度的降低。另外，在V2检测传感器单元82中产生基于基准气体与第3内部空腔61的氧浓度差的电压V2，因此能够通过V2检测传感器单元82的电压V2来检测电压用测定电极44s周围的氧浓度。而且，在该传感器元件401中，作为与基准气体导入部49的基准气体接触的电极，分别设置泵用基准电极42p和电压用基准电极42s。由此，能够得到与在上述第1实施方式中分别设置泵用测定电极44p和电压用测定电极44s所带来的效果相同的效果。例如，与如图17所示的气体传感器900那样1个基准电极942兼作基准气体调整泵单元990的电极和测定用泵控制用氧分压检测传感器单元982的电极的情况不同，在传感器元件401的电压用基准电极42s中不流通基准气体调整泵单元90进行氧的泵入时的泵电流Ip3。因此，测定用泵单元41的电压V2不包含泵电流Ip3引起的电压用基准电极42s的电压下降量。由此，传感器元件401能够一边向基准气体导入部49泵入氧，一边抑制由泵入时的泵电流Ip3引起的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度的降低。因此，在传感器元件401中，电压V2成为与第3内部空腔61的氧浓度以更高精度对应的值，使用了V2检测传感器单元82的第3内部空腔61的氧浓度的检测精度得到提高。另外，在多个传感器元件401中，即使有电压用基准电极42s的制造偏差，基于电压V2进行的第3内部空腔61的氧浓度的检测的检测精度也不易产生偏差。
需要说明的是，在传感器元件401中，与电压V2同样地，电压V0、V1、Vref也不包含由泵电流Ip3引起的电压用基准电极42s的电压下降量。因此，电压V0、V1、Vref成为与第1内部空腔20的氧浓度、第2内部空腔40的氧浓度以及传感器元件401的外侧的被测定气体中的氧浓度分别以高精度对应的值。另外，即使在多个传感器元件401中有电压用基准电极42s的制造偏差，基于电压V0、V1、Vref进行的第1内部空腔20、第2内部空腔40、传感器元件401的外侧的各氧浓度的检测的检测精度也不易产生偏差。
另外，传感器元件401中的电压V2是电压用测定电极44s和电压用基准电极42s之间的电压，在气体传感器400中，在作为该电压V2的测定用两端的电极的电压用测定电极44s和电压用基准电极42s中均不流通泵电流。因此，在传感器元件401中，与电压V0、V1、Vref相比，特别是电压V2成为与氧浓度以更高精度对应的值。另外，与传感器元件101的电压V2相比，传感器元件401的电压V2成为与第3内部空腔61的氧浓度以更高精度对应的值。
[第5实施方式]
图10是示意性地示出第5实施方式的气体传感器500的构成的一例的截面示意图。与传感器元件101同样地，气体传感器500的传感器元件501在第3内部空腔61具备泵用测定电极44p和电压用测定电极44s，还具备泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s来代替图1的外侧泵电极23。泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s分别以与传感器元件501的外侧的被测定气体接触的方式配设在传感器元件501的外侧。在本实施方式中，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s与外侧泵电极23同样地配设于传感器元件501的上表面。泵用外侧电极23p构成主泵单元21、辅助泵单元50、测定用泵单元41以及基准气体调整泵单元90各自的一部分，泵电流Ip0、Ip1、Ip2、Ip3在泵用外侧电极23p中流通。电压用外侧电极23s构成Vref检测传感器单元83的一部分。因此，电压用外侧电极23s与基准电极42之间的电压为电压Vref。与图2所示的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s同样地，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s均在俯视时呈大致四边形。电压用外侧电极23s位于比泵用外侧电极23p更靠后侧的位置。电压用外侧电极23s的前后的长度小于泵用外侧电极23p，面积也小于泵用外侧电极23p。泵用外侧电极23p以及电压用外侧电极23s的材质与第1实施方式的外侧泵电极23相同。但是，泵用外侧电极23p所含的贵金属和电压用外侧电极23s所含的贵金属的种类以及含有比例中的至少任一者可以不同。
除此之外，气体传感器500与第1实施方式的气体传感器100相同。例如，与第1实施方式同样地，控制部96对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*，由此在主泵单元21中流通有泵电流Ip0。另外，控制部96基于Vref检测传感器单元83的电压Vref来检测传感器元件501的外侧的被测定气体中的氧浓度。
在该气体传感器500的传感器元件501中，如上所述，在传感器元件501的外侧分别配设有构成泵单元21、41、50、90各自的一部分的泵用外侧电极23p和构成Vref检测传感器单元83的一部分的电压用外侧电极23s。即，在传感器元件501中，在传感器元件501的外侧分别设置泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s。由此，能够得到与在上述第1实施方式中分别设置泵用测定电极44p和电压用测定电极44s所带来的效果相同的效果。例如，与如图17所示的气体传感器900那样1个外侧泵电极923兼作测定用泵单元941的电极和Vref检测传感器单元983的电极的情况不同，在电压用外侧电极23s中不流通泵电流Ip2。同样，电压用外侧电极23s中也不流通泵电流Ip0、Ip1、Ip3。因此，Vref检测传感器单元83的电压Vref中不包含由泵电流Ip0～Ip3引起的电压用外侧电极23s的电压下降量。由此，Vref检测传感器单元83的电压Vref成为与传感器元件501的外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用了Vref检测传感器单元83的被测定气体中的氧浓度的检测精度提高。另外，在多个传感器元件501中，即使有电压用外侧电极23s的制造偏差，基于电压Vref的传感器元件501的外侧的被测定气体中的氧浓度的检测精度也不易产生偏差。
另外，如上所述，控制部96控制主泵单元21，使得电压V0成为目标值V0*，即第1内部空腔20的氧浓度成为规定的低浓度。此时，例如在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时，控制部96将主泵单元21使氧移动的方向切换为反方向。由此，在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向切换为反方向。例如，当被测定气体从稀薄气氛切换为浓气氛时，在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向从泵出第1内部空腔20的氧的方向切换为向第1内部空腔20泵入氧的方向。稀薄气氛是被测定气体的空燃比比理论空燃比大的状态，浓气氛是被测定气体的空燃比比理论空燃比小的状态。在浓气氛中，被测定气体中含有未燃的燃料，使该未燃成分以没有过剩或不足的方式燃烧所需的氧量相当于浓气氛的被测定气体的氧浓度。因此，浓气氛的被测定气体的氧浓度用负表示。因此，在被测定气体为浓气氛的情况下，控制部96为了使负的氧浓度为与目标值V0*对应的规定的低浓度(氧浓度比0％高的状态)，控制部96控制主泵单元21而向第1内部空腔20泵入氧。因此，当1个电极兼具泵用外侧电极23p的作用和电压用外侧电极23s的作用时，因在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向切换为反向时的电流变化所需要的时间而使得电压Vref的变化也变慢。与此相对，在本实施方式中，分别设置了泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s，因此电压Vref不受泵电流Ip0的变化所需的时间的影响，所以电压Vref的变化不会变慢。即，在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时的电压Vref的响应性不易降低。
另外，当1个电极兼具泵用外侧电极23p的作用和电压用外侧电极23s的作用时，该电极因使用而劣化，有时上述泵电流Ip0的方向切换为反方向时的电流变化所需的时间进一步变长。这被认为是因为：电极劣化而导致电极的电容成分发生变化。由此，例如在气体传感器900中，随着使用，电压Vref的响应性有时会降低(以下称为“响应性的劣化”)。与此相对，在本实施方式中，在电压用外侧电极23s中不流通泵电流Ip0～Ip3，因此电压用外侧电极23s不易劣化。另外，即使电压用外侧电极23s劣化，由于在电压用外侧电极23s中不流通泵电流Ip0，因此电压用外侧电极23s也不会受到泵电流Ip0的方向切换为反方向的影响。由此，即使长期使用传感器元件501，电压Vref的响应性也不易劣化。
如下这样调查了电压Vref的响应性及响应性的劣化情况。首先，制作图10所示的本实施方式的传感器元件501及气体传感器500，作为实施例2。另外，不具备泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s而具备图17的外侧泵电极923，除此之外，制作与实施例2相同的气体传感器，作为实施例3。在实施例3中，外侧泵电极923构成主泵单元21、辅助泵单元50、测定用泵单元41、基准气体调整泵单元90以及Vref检测传感器单元83各自的一部分。实施例2的泵用外侧电极23p、电压用外侧电极23s以及实施例3的外侧泵电极923均为相同的材质。
对实施例2、3调查了电压Vref的响应性。首先，将实施例2的气体传感器安装于配管。然后，对加热器72通电而使温度为800℃，对传感器元件501进行加热。调整为利用控制部96控制上述各泵单元21、41、50、从上述各传感器单元80～83取得各电压V0、V1、V2、Vref的状态。调整为控制部96不进行基准气体调整泵单元90的控制的状态。在该状态下，使模拟稀薄状态的废气作为被测定气体的气体流经配管，之后，使模拟浓状态的废气的气体流经配管，从而模拟被测定气体从稀薄状态向浓状态的切换。持续测定此时的电压Vref，并调查了电压Vref的时间变化的情况。关于实施例3，也同样地调查了电压Vref的时间变化的情况。
具体而言，当将在配管中流动的气体从稀薄状态切换为浓状态时，实施例2、3中均是电压Vref上升。将电压Vref即将上升前的值设为0％，将电压Vref上升之后电压Vref稳定后的值设为100％，将电压Vref从10％变为90％所需的时间作为电压Vref的响应时间[msec]。该响应时间越短，意味着电压Vref的响应性越高。实施例2的响应时间为380msec，实施例3的响应时间为400msec。根据该结果，确认了分别配设有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s的实施例2与代替这些电极而配设有外侧泵电极923的实施例3相比，电压Vref上升的响应性高。需要说明的是，关于将流经配管的气体从浓状态切换为稀薄状态时的电压Vref下降的响应性，也同样地进行了调查，其结果，实施例2的响应性比实施例3高。
接着，在将实施例2的气体传感器500配置于大气中的状态下，与上述同样地利用控制部96驱动传感器元件501而进行了经过500小时的大气连续试验。关于实施例3的气体传感器，也同样进行了大气连续试验。大气的氧浓度比废气高，电极中的贵金属容易氧化而劣化，因此该大气连续试验相当于电极的加速劣化试验。对于进行了该大气连续试验后的实施例2、3，利用上述方法测定了电压Vref的响应时间[msec]。
图11是示出实施例2、3的大气连续试验前后的电压Vref的响应时间的变化的曲线图。如图11所示，在实施例3中，与大气连续试验前(经过时间为0小时)的响应时间(400msec)相比，在大气连续试验后(经过时间为500小时)响应时间较长(580msec)，响应性劣化。与此相对，在实施例2中，在大气连续试验的前后，响应时间仅从380msec变化为385msec。根据该结果，确认了分别配设有泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s的实施例2与代替这些电极而配设有外侧泵电极923的实施例3相比，抑制了因气体传感器的使用而导致的电压Vref的响应时间的劣化。图12是示出大气连续试验后的实施例2、3的电压Vref的时间变化的情况的曲线图。图12中，关于实施例2、3，也分别示出了在将电压Vref即将上升之前的值设为0％、将在上升之后电压Vref稳定后的值设为100％时的相当于10％以及90％的电压Vref。另外，图12中，关于实施例2、3，分别示出了上述响应时间的值，该响应时间的值是作为电压Vref从10％变为90％所需的时间而测定的。
需要说明的是，实施例3的传感器元件实质上是与传感器元件101相同的构成。另外，不仅实施例2，实施例3也具备泵用测定电极44p和电压用测定电极44s，由此发挥与上述第1实施方式的气体传感器100同样的效果。因此，实施例3并非比较例而相当于本发明的实施例。
在控制部96基于Vref检测传感器单元83的电压Vref来检测传感器元件501的外侧的被测定气体中的氧浓度的情况下，作为氧浓度的检测的一种，也可以根据电压Vref来判定传感器元件501的外侧的被测定气体是浓状态或稀薄状态中的哪一者。控制部96例如将用于判定电压Vref是上升状态还是下降状态的规定的阈值预先存储于存储部98，基于该阈值对所取得的电压Vref进行二值化，由此能够判定被测定气体是浓状态和稀薄状态中的哪一者。由此，气体传感器500不仅作为NOx传感器发挥功能，还作为λ传感器(空燃比传感器)发挥功能。需要说明的是，在第1实施方式的气体传感器100中，控制部96也可以与上述同样地进行浓状态和稀薄状态的判定。
此处，明确本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系中的特别是与第1实施方式不同的对应关系。本实施方式的电压用外侧电极23s相当于本发明的电压用外侧电极，Vref检测传感器单元83相当于外侧用传感器单元，主泵单元21、辅助泵单元50以及测定用泵单元41分别相当于流通部用泵单元。另外，基准电极42相当于基准电极，主泵单元21相当于调整室用泵单元，控制部96相当于调整室用泵单元控制部及氧浓度检测部。
在以上详述的本实施方式的气体传感器500中，在传感器元件501的外侧分别设置了泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s。由此，在电压用外侧电极23s中不流通泵电流Ip0～Ip3，因此在Vref检测传感器单元83的电压Vref中不包含由泵电流Ip0～Ip3引起的电压用外侧电极23s的电压下降量。由此，电压Vref成为与传感器元件501的外侧的被测定气体中的氧浓度以更高精度对应的值，因此使用了Vref检测传感器单元83的被测定气体中的氧浓度的检测精度提高。
另外，控制部96控制主泵单元21，以使第1内部空腔20的氧浓度成为规定的低浓度，从而使主泵单元21进行从第1内部空腔20泵出氧气或向第1内部空腔20泵入氧。在该情况下，在主泵单元21中流通的泵电流Ip0的方向有时切换为反方向。但是，通过在传感器元件501分别设置泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s，电压Vref不受泵电流Ip0变化所需时间的影响。由此，在被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时的电压Vref的响应性不易降低。
需要说明的是，本发明并不限于上述实施方式，只要属于本发明的技术范围，当然可以以各种方式实施。
例如，在上述的第1实施方式～第5实施方式中，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s前后排列配设，但也可以左右排列配设。另外，如图13所示，也可以在泵用测定电极44p的左右分别配设电压用测定电极44s。图13所示的2个电压用测定电极44s通过未图示的引线电连接，作为1个电压用测定电极发挥功能。另外，如图14所示，泵用测定电极44p具有凹部，电压用测定电极44s可以配置在凹部内。由此，电压用测定电极44s在前方及左右这3个方向上被泵用测定电极44p包围，因此能够利用电压V2高精度地检测泵用测定电极44p周边的氧浓度。泵用测定电极44p和电压用测定电极44s也可以上下排列配设。例如，对于电压用测定电极44s，可以代替如图1那样配设于第1固体电解质层4的上表面而将其配设于第2固体电解质层6的下表面。但是，如上所述，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s优选尽量靠近地配置，因此优选如图1、2、13、14所示那样，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s配设于相同固体电解质层的相同面。
包含图2、图13、图14的上述泵用测定电极44p和电压用测定电极44s的各种方式也可以适用于泵用辅助电极51p以及电压用辅助电极51s的方式、泵用主电极22p以及电压用主电极22s的方式、泵用基准电极42p以及电压用基准电极42s的方式、泵用外侧电极23p以及电压用外侧电极23s的方式。但是，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s无需相互靠近地配置。优选的是，泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s以某种程度分离地配设，以使得电压Vref不会因泵用外侧电极23p的周围所泵出的氧的影响而发生变化。
在上述的第1实施方式中，关于电压用测定电极44s，说明了优选减小面积以减小热电动势。与此同样地，电压用辅助电极51s、电压用主电极22s、电压用基准电极42s以及电压用外侧电极23s也优选减小面积来减小热电动势。
在上述的第2实施方式中，将泵用辅助电极51p以及电压用辅助电极51s均设为隧道形态的结构，但并不限于此。例如，也可以不使电压用辅助电极51s为隧道形态，而仅配设于第1固体电解质层4的上表面或仅配设于第2固体电解质层6的下表面。关于第3实施方式的泵用主电极22p以及电压用主电极22s，也是同样的。
在上述的第1实施方式中，第4扩散速度控制部60构成为狭缝状的间隙，但并不限于此。也可以将第4扩散速度控制部60构成为多孔质体(例如氧化铝(Al2O3)等陶瓷多孔质体)。例如，如图15所示，可以将由第1固体电解质层4和作为多孔质体构成的第4扩散速度控制部60包围的空间作为第3内部空腔61，在该第3内部空腔61内配置泵用测定电极44p和电压用测定电极44s。作为被这样的多孔质体包围的空间的第3内部空腔61可以使用由烧成时消失的消失性材料(例如可可碱)构成的糊剂来形成。
在上述的第5实施方式中，控制部96不仅取得电压用外侧电极23s与基准电极42之间的电压Vref，还可以取得泵用外侧电极23p与基准电极42之间的电压。图16是变形例的气体传感器600的截面示意图。气体传感器600的传感器元件601具备Vref1检测传感器单元83a和Vref2检测传感器单元83b。Vref1检测传感器单元83a是与传感器元件501的Vref检测传感器单元83相同的传感器单元。在Vref1检测传感器单元83a中，在电压用外侧电极23s与基准电极42之间产生电压Vref1。Vref2检测传感器单元83b为由第2固体电解质层6、隔离层5、第1固体电解质层4、第3基板层3、泵用外侧电极23p和基准电极42构成的电化学传感器单元。在Vref2检测传感器单元83b中，在泵用外侧电极23p与基准电极42之间产生电压Vref2。该气体传感器600能够基于电压Vref1与电压Vref2之差来进行泵用外侧电极23p的劣化的判定。例如，控制部96在规定的劣化判定时机取得在泵用外侧电极23p中流通的电流Ip4(例如泵电流Ip0～Ip3的合计值)、和电压Vref1以及电压Vref2，计算出所取得的电压Vref1和电压Vref2之差Da。接着，控制部96根据取得的电流Ip4，计算出电压Vref1与电压Vref2之差的基准值。该基准值是相当于泵用外侧电极23p未劣化的状态下的电压Vref1与电压Vref2之差的值。在电压Vref1和电压Vref2之差中也包含由在泵用外侧电极23p中流通的电流引起的泵用外侧电极23p处的电压下降量，因此控制部96基于所取得的泵电流Ip4来计算出基准值。例如，在存储部98中预先存储表示电流Ip4与基准值的对应关系的关系式(例如一次函数的式)、映射等，使用所取得的电流Ip4和该对应关系，控制部96计算出基准值。需要说明的是，在电流Ip0占电流Ip4(电流Ip0～Ip3的合计值)的比例较大的情况下，也可以不基于电流Ip4而基于电流Ip0来计算出基准值。然后，根据差Da与基准值是否背离(例如差Da与基准值的差是否超过规定的阈值)，判定泵用外侧电极23p是否劣化。此处，随着传感器元件601的使用而在泵用外侧电极23p中流通泵电流Ip0～Ip3，从而泵用外侧电极23p劣化。由此，即使在泵用外侧电极23p中流通的电流与劣化前相同的状态下，与劣化前相比，因该电流的流通而导致泵用外侧电极23p处的电压下降量也会变大。因此，泵用外侧电极23p越劣化，电压Vref1与电压Vref2之差Da越趋于变大。因此，控制部96通过比较该差Da和上述基准值，能够判定泵用外侧电极23p是否劣化。当泵用外侧电极23p劣化时，由于因电压Vp0～Vp3而分别流通的泵电流Ip0～Ip3的值发生变化等，NOx浓度的测定精度有时降低。若控制部96能够判定泵用外侧电极23p的劣化，则例如进行控制部96将错误信息发送到发动机ECU等的对应，从而能够抑制NOx浓度的测定精度始终降低。需要说明的是，控制部96不仅能够判定泵用外侧电极23p是否劣化，还能够基于差Da的大小或基于差Da与基准值的背离程度(例如差Da与基准值的差的大小)来判定泵用外侧电极23p的劣化程度。另外，控制部96可以根据泵用外侧电极23p的劣化的有无、劣化的程度，以抵消劣化的影响的方式变更传感器元件601的控制。例如，控制部96可以基于差Da或者基于差Da与基准值的差，变更上述目标值V0*、V1*、V2*、Ip1*中的至少一者。另外，控制部96也可以基于差Da或者基于差Da与基准值的差来变更电压Vp3，从而变更泵电流Ip3，变更被泵入到基准电极42的周围的氧的量。
在上述的第1实施方式中，传感器元件101可以不具备基准气体调整泵单元90、控制部96可以不具备电源电路92，从而省略利用基准气体调整泵单元90向基准电极42周围泵入氧。在第2实施方式、第3实施方式、第5实施方式中也是同样的。需要说明的是，在基准气体调整泵单元90向基准气体导入部49泵入氧的情况下，外侧泵电极23中不仅流通泵电流Ip0～Ip2，还流通泵电流Ip3，因此在外侧泵电极23中流通的电流变多，外侧泵电极23容易劣化。因此，在基准气体调整泵单元90进行氧的泵入的情况下，如第5实施方式那样分别设置泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s来抑制电压Vref的响应性的劣化的意义较高。
在上述的第1实施方式～第4实施方式中，基准气体调整泵单元90具备配设在元件主体外侧的外侧泵电极23作为成为向基准气体导入部49泵入氧的泵入源头的泵入源电极。同样地，在上述的第5实施方式中，作为泵入源电极，具备配设于元件主体外侧的泵用外侧电极23p。但是，并不限于此，泵入源电极只要以与被测定气体接触的方式配设于元件主体的内部或外部即可。例如，可以将图1的内侧泵电极22作为泵入源电极，基准气体调整泵单元90从内侧泵电极22的周围向基准气体导入部49泵入氧。另外，基准气体调整泵单元90也可以从基准电极42的周围(第4实施方式中为泵用基准电极42p的周围)泵出氧。
在上述的第1实施方式中，传感器元件101的元件主体为具有多个固体电解质层(层1～层6)的层叠体，但不限于此。传感器元件101的元件主体至少包括1个氧离子传导性的固体电解质层且被测定气体流通部设置于内部即可。例如，在图1中，第2固体电解质层6以外的层1～层5可以是由固体电解质以外的材质构成的结构层(例如由氧化铝构成的层)。在该情况下，传感器元件101所具有的各电极只要配设于第2固体电解质层6即可。例如，图1的泵用测定电极44p和电压用测定电极44s配设在第2固体电解质层6的下表面即可。另外，只要代替第1固体电解质层4而将基准气体导入空间43设置于隔离层5，代替设置于第1固体电解质层4和第3基板层3之间而将基准气体导入层48设置于第2固体电解质层6和隔离层5之间，将基准电极42设置于比第3内部空腔61更靠后方且第2固体电解质层6的下表面即可。第2实施方式～第5实施方式也是同样的。
在上述的第1实施方式～第5实施方式中，控制部96基于泵电流Ip1来设定(反馈控制)电压V0的目标值V0*，以使泵电流Ip1成为目标值Ip1*，对电压Vp0进行反馈控制，以使电压V0成为目标值V0*，但也可以进行其它控制。例如，控制部96也可以基于泵电流Ip1对电压Vp0进行反馈控制，以使泵电流Ip1成为目标值Ip1*。即，控制部96也可以省略从V0检测传感器单元80取得电压V0以及设定目标值V0*，而基于泵电流Ip1直接控制电压Vp0(甚至控制泵电流Ip0)。在该情况下，控制部96对电压Vp1进行反馈控制，以使得电压V1成为目标值V1*，因此，控制部96使用主泵单元21将第2内部空腔40的上游侧的第1内部空腔20的氧浓度控制为规定的低浓度，以使得泵电流Ip1成为目标值Ip1*且第2内部空腔40的氧浓度成为规定的低浓度(与电压V1对应的氧浓度)。因此，即使在进行这种变形例的控制的情况下，也与第5实施方式的说明同样地，当被测定气体中的氧浓度在比规定的低浓度高的状态和比规定的低浓度低的状态之间切换时，泵电流Ip0的方向也切换为反向。因此，即使在进行这种变形例的控制的情况下，也与上述的第5实施方式同样地，分别设置泵用外侧电极23p和电压用外侧电极23s，从而与第5实施方式同样地能够得到电压Vref的响应性不易降低的效果。
在上述的第1实施方式中，氧浓度调整室具有第1内部空腔20和第2内部空腔40，但不限于此，例如氧浓度调整室还可以具备另外的内部空腔，也可以省略第1内部空腔20和第2内部空腔40中的一者。同样，在上述的第1实施方式中，调整用泵单元具有主泵单元21和辅助泵单元50，但不限于此，例如调整用泵单元还可以具备另外的泵单元，也可以省略主泵单元21和辅助泵单元50中的一者。例如，在仅通过主泵单元21就能够充分降低被测定气体的氧浓度的情况下，可以省略辅助泵单元50。在省略辅助泵单元50的情况下，控制部96省略基于上述泵电流Ip1的目标值V0*的设定即可。具体而言，将规定的目标值V0*预先存储于存储部98，控制部96对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制以使电压V0成为目标值V0*，从而控制主泵单元21即可。关于第2实施方式～第5实施方式也是同样的。特别是，在如图8所示的第3实施方式那样存在泵用主电极22p和电压用主电极22s的方式中，如上所述使用了V0检测传感器单元80的第1内部空腔20的氧浓度的检测精度提高，因此容易采用省略了第2内部空腔40以及辅助泵单元50的构成。通过省略第2内部空腔40以及辅助泵单元50(特别是辅助泵电极51、泵用辅助电极51p、电压用辅助电极51s)，能够降低传感器元件101的制造成本。
在上述的第1实施方式中，气体传感器100检测NOx浓度作为特定气体浓度，但并不限于此，也可以将其它氧化物浓度作为特定气体浓度。在特定气体为氧化物的情况下，与上述的第1实施方式同样地，在将特定气体本身在第3内部空腔61中还原时产生氧，因此，控制部96能够基于与该氧对应的检测值来检测特定气体浓度。另外，特定气体也可以是氨等非氧化物。在特定气体为非氧化物的情况下，特定气体例如在第1内部空腔20被转化成氧化物(例如若为氨则被氧化而转化为NO)，从而在转化后的氧化物在第3内部空腔61中被还原时产生氧，因此控制部96能够取得与该氧对应的检测值而检测出特定气体浓度。如此，无论特定气体是氧化物还是非氧化物，气体传感器100都能够基于源于特定气体而在第3内部空腔61产生的氧来检测特定气体浓度。关于第2实施方式～第5实施方式也是同样的。
如上所述，泵用测定电极44p和电压用测定电极44s也可以上下排列配置，在该情况下，也可以按照配置有电压用测定电极44s的固体电解质层位于比配置有泵用测定电极44p的固体电解质层更接近加热器72的位置的方式配置电压用测定电极44s和泵用测定电极44p。例如，如图18所示，可以将电压用测定电极44s配置于第1固体电解质层4的上表面，将泵用测定电极44p配置于比第1固体电解质层4更远离加热器72的第2固体电解质层6的下表面。配置有电压用测定电极44s的第1固体电解质层4位于比配置有泵用测定电极44p的第2固体电解质层6更靠近加热器72的位置，从而传感器元件101驱动开始时的温度上升较快。因此，与第2固体电解质层6相比，第1固体电解质层4在传感器元件101驱动开始时提前活化，因此能够提前开始使用电压用测定电极44s来检测电压V2。即，V2检测传感器单元82的起燃变快。另外，泵用测定电极44p和第2固体电解质层6与第1固体电解质层4相比位于远离加热器72的位置，因此传感器元件101使用中的泵用测定电极44p的温度被维持为低于电压用测定电极44s的温度。由此，泵用测定电极44p的劣化(催化活性的降低)被抑制，NOx浓度的检测精度的劣化被抑制。需要说明的是，传感器元件101使用中的电压用测定电极44s的温度被维持为比泵用测定电极44p的温度高，但如上所述，即使电压用测定电极44s劣化，也不会流通泵电流Ip2，因此不产生电压下降，因此难以影响NOx浓度的检测精度。关于泵用辅助电极51p以及电压用辅助电极51s的配置、泵用主电极22p以及电压用主电极22s的配置也是同样的。图18示出了这些电极上下排列配置的情况的一例。需要说明的是，在图18中，将泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s上下配置，因此与图7不同，泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s并非隧道形态的结构。即，图18的泵用辅助电极51p以及电压用辅助电极51s分别不具备侧部电极部。由此，在制作传感器元件101的情况下，还可得到下述效果：容易制造泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s，降低传感器元件101的制造成本。关于图18的泵用主电极22p以及电压用主电极22s也是同样的。
在如图18那样将泵用主电极22p和电压用主电极22s上下配置的情况下，可以按照电压用主电极22s的上游侧的端部位于比泵用主电极22p的上游侧的端部更靠下游侧的位置的方式配置电压用主电极22s。例如，可以如图19所示，通过缩短电压用主电极22s的前后的长度，使电压用主电极22s的上游侧的端部(此处为前端)位于比泵用主电极22p的上游侧的端部(此处为前端)更靠下游侧(此处为后方)。由此，泵用主电极22p周边的氧因泵电流Ip0被泵出后的被测定气体到达电压用主电极22s。换言之，电压用主电极22s以避开氧浓度容易变高的区域的方式进行配置。并且，电压用主电极22s以避开氧浓度容易变高的区域的方式进行配置，从而在电压用主电极22s含有Au的情况下，能够抑制伴随着气体传感器100的使用而产生的Au从电压用主电极22s蒸腾。若Au从电压用主电极22s蒸腾，则该Au会附着于泵用测定电极44p、电压用测定电极44s，这些电极的催化活性被抑制，有时在这些电极的周围无法充分还原NOx。其结果，气体传感器100的NOx浓度的检测精度有时降低。通过抑制Au从电压用主电极22s蒸腾，能够抑制这样的NOx浓度的测定精度的降低。需要说明的是，电极内的贵金属越氧化，则Au从电极的蒸腾越容易产生。例如，在包含Pt和Au的电极中，氧浓度越高，Pt越容易氧化而生成PtO2。PtO2与Pt相比饱和蒸气压高，因此与Pt相比容易蒸腾。而且，当Pt变成PtO2而蒸腾时，残留的Au也容易蒸腾。其原因在于，与Pt-Au合金相比，Au单质的饱和蒸气压更高。而且，电极周围的氧浓度越高，就越容易产生电极内的贵金属的氧化；另外，电极中越流通电流，就越容易产生电极内的贵金属的氧化。在图19中，电压用主电极22s如上述那样以避开氧浓度容易变高的区域的方式进行配置，从而能够抑制Au从电压用主电极22s蒸腾。另外，泵用主电极22p并未避开氧浓度容易变高的区域，但泵用主电极22p位于比电压用主电极22s远离加热器72的位置，因此在使用传感器元件101时的泵用主电极22p的温度被维持为低于电压用主电极22s的温度。由此，泵用主电极22p内的贵金属的氧化被抑制，因此Au从泵用主电极22p的蒸腾也被抑制。需要说明的是，也可以以电压用主电极22s的上游侧的端部位于比泵用主电极22p的下游侧的端部更靠下游侧的位置的方式配置电压用主电极22s。即，也可以将电压用主电极22s整体配置在比泵用主电极22p更靠下游侧的位置。
上述的第1实施方式至～第5实施方式及上述的各种变形例可以适当组合。例如，在第4实施方式、第5实施方式中，与第1实施方式同样地分别设置有泵用测定电极44p和电压用测定电极44s，但也可以在此之外或取而代之，采用第2实施方式的分别设置泵用辅助电极51p和电压用辅助电极51s的方式，也可以采用第3实施方式的分别设置泵用主电极22p和电压用主电极22s的方式。需要说明的是，在电压V0、V1、V2中，电压V2最影响特定气体浓度的检测精度，因此在第1实施方式～第3实施方式中特别优选第1实施方式。即，优选在传感器元件中至少分别设置泵用测定电极44p和电压用测定电极44s。另外，也可以将第1实施方式～第5实施方式的方式全部组合。即，在图1的传感器元件101中，分别将内侧泵电极22、外侧泵电极23、辅助泵电极51、基准电极42如第2实施方式～第5实施方式中说明的那样分为泵用电极和电压用电极。
本申请以2021年3月31日申请的日本专利申请第2021-59120号作为优先权主张的基础，并通过引用将其全部内容包含在本说明书中。
产业上的可利用性
本发明能够用于检测汽车的废气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度的气体传感器。
附图标记说明
1：第1基板层；2：第2基板层；3：第3基板层；4：第1固体电解质层；5：隔离层；6：第2固体电解质层；10：气体导入口；11：第1扩散速度控制部；12：缓冲空间；13：第2扩散速度控制部；20：第1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；22p：泵用主电极；22s：电压用主电极；23：外侧泵电极；23p：泵用外侧电极；23s：电压用外侧电极；24：可变电源；30：第3扩散速度控制部；40：第2内部空腔；41：测定用泵单元；42：基准电极；42p：泵用基准电极；42s：电压用基准电极；43：基准气体导入空间；44：测定电极；44p：泵用测定电极；44s：电压用测定电极；46：可变电源；47：基准电极引线；48：基准气体导入层；49：基准气体导入部；50：辅助泵单元；51：辅助泵电极；51a：顶部电极部；51b：底部电极部；51p：泵用辅助电极；51s：电压用辅助电极；52：可变电源；60：第4扩散速度控制部；61：第3内部空腔；70：加热器部；71：加热器连接器电极；72：加热器；73：通孔；74：加热器绝缘层；75：压力释放孔；78：加热器电源；80：V0检测传感器单元；81：V1检测传感器单元；82：V2检测传感器单元；83：Vref检测传感器单元；83a：Vref1检测传感器检测单元；83b：Vref2检测传感器单元；90：基准气体调整泵单元；92：电源电路；95：控制装置；96：控制部；97：CPU；98：存储部；100～600：气体传感器；101～601：传感器元件；900：气体传感器；901：传感器元件；911～916：固体电解质层；920：第1内部空腔；921：主泵单元；922：内侧泵电极；923：外侧泵电极；940：第2内部空腔；941：测定用泵单元；942：基准电极；944：测定电极；951：辅助泵电极；961：第3内部空腔；982：测定用泵控制用氧分压检测传感器单元；983：Vref检测传感器单元；990：基准气体调整泵单元。

Claims (8)

1.一种传感器元件，其是用于检测被测定气体中的特定气体浓度的传感器元件，具备：
元件主体，其包含氧离子传导性的固体电解质层，并在内部设置有导入所述被测定气体并使其流通的被测定气体流通部；
流通部用泵单元，其具有配设于所述被测定气体流通部中的内部空腔的泵用内侧电极，用于进行从所述内部空腔泵出氧或向所述内部空腔泵入氧；以及
流通部用传感器单元，其具有配设于所述内部空腔的电压用内侧电极，并产生基于所述内部空腔的氧浓度的电压。
2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，
所述传感器元件具备调整室用泵单元，该调整室用泵单元调整所述被测定气体流通部中的氧浓度调整室的氧浓度，
所述内部空腔是设置于所述被测定气体流通部中的所述氧浓度调整室的下游侧的测定室，
所述泵用内侧电极是配设于所述测定室的泵用测定电极，
所述电压用内侧电极是配设于所述测定室的电压用测定电极，
所述流通部用泵单元是进行源于所述特定气体而在所述测定室中产生的氧的泵出的测定用泵单元，
所述流通部用传感器单元是产生基于所述测定室的氧浓度的电压的测定用传感器单元。
3.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于，
所述传感器元件具备测定用泵单元，该测定用泵单元在所述被测定气体流通部中的测定室中进行源于所述特定气体而在所述测定室中产生的氧的泵出，
所述内部空腔是设置于所述被测定气体流通部中的所述测定室的上游侧的氧浓度调整室，
所述泵用内侧电极是配设于所述氧浓度调整室的泵用调整电极，
所述电压用内侧电极是配设于所述氧浓度调整室的电压用调整电极，
所述流通部用泵单元是调整所述氧浓度调整室的氧浓度的调整室用泵单元，
所述流通部用传感器单元是产生基于所述氧浓度调整室的氧浓度的电压的调整室用传感器单元。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的传感器元件，其特征在于，
所述传感器元件具备：
基准气体导入部，其配设于所述元件主体的内部，被导入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；以及
基准气体调整泵单元，其具有以与被导入到所述基准气体导入部的所述基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的泵用基准电极，在所述泵用基准电极的周围进行氧气的泵入，
所述流通部用传感器单元具有以与被导入到所述基准气体导入部的所述基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部的电压用基准电极。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的传感器元件，其特征在于，
所述传感器元件具备外侧用传感器单元，该外侧用传感器单元具有配设于所述元件主体的外侧的电压用外侧电极，并产生基于所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压，
所述流通部用泵单元具有配设于所述元件主体的外侧的泵用外侧电极。
6.根据权利要求2或3所述的传感器元件，其特征在于，
所述传感器元件具备：
外侧用传感器单元，其具有配设于所述元件主体的外侧的电压用外侧电极，并产生基于所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度的电压，
所述调整室用泵单元具有配设于所述元件主体的外侧的泵用外侧电极。
7.一种气体传感器，其具备：
权利要求1～6中任一项所述的传感器元件；以及
流通部用泵单元控制部，其对所述流通部用泵单元进行反馈控制，以使所述流通部用传感器单元的所述电压成为目标电压，由此使该流通部用泵单元进行从所述内部空腔泵出氧或者向所述内部空腔泵入氧。
8.一种气体传感器，其具备：
权利要求6所述的传感器元件；
调整室用泵单元控制部，其按照所述氧浓度调整室的氧浓度成为规定的低浓度的方式控制所述调整室用泵单元，由此使该调整室用泵单元进行从所述氧浓度调整室泵出氧或向所述氧浓度调整室泵入氧；以及
氧浓度检测部，其基于所述外侧用传感器单元的所述电压来检测所述元件主体的外侧的被测定气体中的氧浓度。
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